JPWO2014038017A1 - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

本発明の非接触給電装置１は、固定部２に設けられた非接触給電用素子４１、４２および高周波電源回路５と、可動部３に設けられた非接触受電用素子６１、６２および非接触受電用素子６１、６２が受け取った高周波電力を変換して可動部３上の電力負荷Ｌに給電する受電回路７とを備え、電力負荷Ｌは電力の消費および発生を選択的に行い、電力負荷Ｌが発生した回生電力を非接触受電用素子６１、６２から非接触給電用素子４１、４２を経由して固定部２まで非接触で逆送する回生逆送回路と、固定部２に設けられて逆送された回生電力を蓄電する蓄電素子５２と、をさらに備える。これにより、可動部３上の電力負荷Ｌで得られる回生電力を有効利用するとともに、可動部３の重量や大きさを従来技術よりも削減できる。

Description

本発明は、可動部上の電力負荷に固定部から非接触で給電する非接触給電装置に関し、より詳細には、電力負荷の電力回生によって蓄電を行う非接触給電装置に関する。

多数の部品が実装された基板を生産する基板用作業機器として、はんだ印刷機、部品実装機、リフロー機、基板検査機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築する場合が多い。これらの基板用作業機器の多くは基板の上方を移動して所定の作業を行う可動部を備えており、可動部を駆動する一手段としてリニアモータ装置やボールねじ送り機構を用いることができる。リニアモータ装置は、移動方向に沿い複数の磁石のＮ極およびＳ極が交互に列設された軌道部材と、コアおよびコイルを有する電機子を含んで構成された可動部とを備えるのが一般的である。また、ボールねじ機構では、駆動モータによりボールねじを回転駆動する。リニアモータ装置の電機子やボールねじ機構用モータを可動部上に設けた構成では、これらの電力負荷に給電するために、従来から変形可能な給電用ケーブルが用いられてきた。また、近年では、給電用ケーブルによる荷搬重量の増加や金属疲労による断線のリスクなどの弊害を解消するために、非接触給電装置の適用が提案されている。

非接触給電装置の方式として、従来からコイルを用いた電磁誘導方式が多用されてきたが、最近では対向する電極板によりコンデンサを構成した静電結合方式も用いられるようになってきており、他に磁界共鳴方式なども検討されている。この種の非接触給電装置を用いて可動部上のリニアモータ装置の電機子やボールねじ機構用モータに給電する構成では、可動部を減速するときに電機子やモータに起電力が誘起されて電力の回生が可能になる。しかしながら、従来技術では回生電力を利用する適当な用途がなく、回生電力は熱損失として浪費されていた。回生電力を浪費するという問題点は、基板用作業機器に限定されず、非接触給電を利用した様々な機器に内包されている。

上述した問題点の解決策として回生電力を利用する非接触給電装置の技術例が特許文献１および２に開示されている。特許文献１の自動倉庫は、非接触給電によって駆動される駆動源を備えた物品搬送装置にチャージコンデンサが設けられている。これにより、駆動源で発生した回生電力をチャージコンデンサに充電し、該充電電力を物品搬送装置で大電力を必要とする際に利用できる、と記載されている。また、特許文献２の非接触給電装置は、非接触でモータへ給電する受電回路と、モータの回生電力を蓄電する蓄電回路とを備えている。これにより、回生電力を蓄電回路のバッテリまたはコンデンサ等に充電して有効に利用することができる、と記載されている。

特開２００３−６３６１３号公報 特開２００５−２９５６８０号公報

ところで、特許文献１および２では、バッテリやコンデンサなどの蓄電素子は、非接触給電される可動部側に設けられていた。このため、蓄電素子の重量分だけ可動部が重くなり、可動部上の駆動源に大きなパワーが必要となって、非接触の給電電力を増加しなければならなくなる弊害が生じる。また、蓄電素子の大きさ分だけ可動部のスペースが占有されるので、他の部材を搭載する妨げとなる弊害も生じる。このように、可動部上に蓄電素子を設ける技術では、蓄電素子の重量および大きさが可動部全体に対して大きな比率を占め、看過し難い問題点となっている。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、非接触給電の対象となる可動部上の電力負荷で得られる回生電力を有効利用するとともに、可動部の重量や大きさの増加を抑制した非接触給電装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る非接触給電装置の発明は、固定部に設けられた非接触給電用素子と、前記非接触給電用素子に高周波電力を給電する高周波電源回路と、前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記非接触給電用素子に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る非接触受電用素子と、前記非接触受電用素子が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電力負荷に給電する受電回路とを備える非接触給電装置であって、前記電力負荷は、電力の消費および発生を選択的に行い、前記電力負荷が発生した回生電力を前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子を経由して前記固定部まで非接触で逆送する回生逆送回路と、前記固定部に設けられて逆送された前記回生電力を蓄電し、かつ前記電力負荷が前記電力を消費するときに前記高周波電源回路よりも優先して前記非接触給電用素子に高周波電力を給電する蓄電素子と、をさらに備える。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記回生逆送回路は、前記可動部に前記受電回路と並列に設けられ、前記電力負荷が発生した回生電力を高周波に変換して前記非接触受電用素子に給電する回生高周波回路、ならびに、前記可動部に設けられ、前記電力負荷を前記受電回路および前記回生高周波回路の一方に接続する回生切替えスイッチを含んで構成される。

請求項３に係る発明は、請求項２において、前記高周波電源回路は、直流電力を出力する直流電源、ならびに、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり前記直流電力を前記高周波電力に変換するブリッジ回路を含み、前記蓄電素子は、前記直流電源に並列接続されたチャージコンデンサであり、前記回生逆送回路は、前記フライホイールダイオードを含んで構成され、前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子に高周波の回生電力が逆送されたときに、前記スイッチング素子を開路状態として前記４個のフライホイールダイオードからなる全波整流回路で整流して前記チャージコンデンサに蓄電する。

請求項４に係る発明は、請求項２において、前記高周波電源回路は、直流電力を出力する二次電池、ならびに、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり前記直流電力を前記高周波電力に変換するブリッジ回路を含み、前記蓄電素子は、前記二次電池で兼用されており、前記回生逆送回路は、前記フライホイールダイオードを含んで構成され、前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子に高周波の回生電力が逆送されたときに、前記スイッチング素子を開路状態として前記４個のフライホイールダイオードからなる全波整流回路で整流して前記二次電池に蓄電する。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記電力負荷における前記電力の消費および発生を選択的に制御し、消費および発生に対応して前記高周波電源回路および前記回生逆送回路を制御する制御回路をさらに備える。

請求項６に係る発明は、請求項１において、前記受電回路および前記回生逆送回路は、
前記可動部に設けられ、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり、前記非接触受電用素子が受け取った高周波電力を直流電力に変換可能で、かつ前記電力負荷が発生した回生電力を高周波に変換して前記非接触受電用素子に給電可能であるブリッジ回路と、前記ブリッジ回路と前記電力負荷との間の給電方向を切り替える受電回生選択スイッチとを共有する。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記非接触給電用素子および前記非接触受電用素子は、それぞれ電極板である。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、前記可動部は、基板に部品を実装する部品実装機に装備され、かつ部品実装動作を行う実装ヘッドをさらに備え、前記電力負荷は、前記可動部を駆動するリニアモータまたはボールねじ機構用モータである。

請求項１に係る非接触給電装置の発明では、電力負荷が発生した回生電力を回生逆送回路により非接触受電用素子から非接触給電用素子を経由して固定部まで非接触で逆送して固定部側の蓄電素子に蓄電し、蓄電電力を高周波電源回路よりも優先して使用する。したがって、回生電力を熱損失として浪費することなく蓄電し、自然放電してしまう以前に有効利用できる。さらに、特許文献１および２に例示される従来技術と異なり、蓄電素子が固定部側に設けられるので、可動部の重量や大きさが従来技術よりも削減される。また、電力回生を行わない構成と比較して、可動部の重量や大きさの増加が抑制される。

請求項２に係る発明では、回生逆送回路は、受電回路と並列に設けられた回生高周波回路ならびに回生切替えスイッチを含んで構成される。したがって、回生電力を逆送するときに、高周波を用いた非接触給電を行って回生逆送効率を常時の給電効率と同程度に高めることができ、回生電力を効率的に蓄電できる。

請求項３に係る発明では、高周波電源回路のフライホイールダイオードを回生逆送回路に利用してチャージコンデンサを蓄電できる。したがって、回生電力を変成する専用の回生逆送回路が固定部側で不要になって回路構成を簡素化でき、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を抑制できる。

請求項４に係る発明では、高周波電源回路のフライホイールダイオードを回生逆送回路に利用して二次電池を蓄電できる。したがって、回生電力を変成する専用の回生逆送回路が固定部側で不要になって回路構成を簡素化でき、加えて、蓄電素子が二次電池で兼用されるので、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を顕著に抑制できる。

請求項５に係る発明では、制御回路は、電力負荷における電力の消費および発生を選択的に制御し、消費および発生に対応して高周波電源回路および回生逆送回路を制御する。したがって、電力負荷の動作状態に対応して電力の移送方向を高精度に制御でき、電力負荷の円滑な動作と、給電効率および回生逆送効率の高効率化とを実現できる。

請求項６に係る発明では、受電回路および回生逆送回路は、可動部内でブリッジ回路と受電回生選択スイッチとを共有する。したがって、回生電力を変成する専用の回生逆送回路が可動部側で不要になって回路構成を簡素化でき、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を抑制できる。

請求項７に係る発明では、非接触給電用素子および非接触受電用素子はそれぞれ電極板とされており、回生電力を静電結合方式で可動部から固定部に逆送できる。したがって、直列共振回路を利用するなどの高効率給電の技術を組み合わせて適用でき、電力回生の高効率化を実現できる。

請求項８に係る発明では、可動部は部品実装機に装備され、かつ部品実装動作を行う実装ヘッドをさらに備える。本発明の非接触給電装置は、部品実装機に装備することができ、可動部を駆動するリニアモータまたはボールねじ機構用モータの回生電力を有効利用できる。

本発明の第１実施形態の非接触給電装置を適用できる部品実装機の全体構成を示した斜視図である。 第１実施形態の非接触給電装置を模式的に説明し、給電動作を説明する回路図である。 第１実施形態で電力負荷が回生電力を発生したときの逆送動作を説明する図である。 第２実施形態の非接触給電装置を模式的に説明する回路図である。 第３実施形態の非接触給電装置を模式的に説明する回路図である。 第４実施形態の非接触給電装置を模式的に説明する回路図である。 従来構成の非接触給電装置を模式的に説明する回路図である。

まず、本発明の非接触給電装置を適用できる部品実装機１０について、図１を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の非接触給電装置１を適用できる部品実装機１０の全体構成を示した斜視図である。部品実装機１０は、基板に多数の部品を実装する装置であり、２セットの同一構造の部品実装ユニットが概ね左右対称に配置されて構成されている。ここでは、図１の右手前側のカバーを取り外した状態の部品実装ユニットを例にして説明する。なお、図中の左奥側から右手前側に向かう部品実装機１０の幅方向をX軸方向とし、部品実装機１０の長手方向をＹ軸方向とする。

部品実装機１０は、基板搬送装置１１０、部品供給装置１２０、２個の部品移載装置１３０、１４０などが機台１９０に組み付けられて構成されている。基板搬送装置１１０は、部品実装機１０の長手方向の中央付近をＸ軸方向に横断するように配設されている。基板搬送装置１１０は、図略の搬送コンベアを有しており、基板をＸ軸方向に搬送する。また、基板搬送装置１１０は、図略のクランプ装置を有しており、基板を所定の実装作業位置に固定および保持する。部品供給装置１２０は、部品実装機１０の長手方向の前部（図１の左前側）に設けられている。部品供給装置１２０は、複数のカセット式フィーダ１２１を有し、各フィーダ１２１にセットされたキャリアテープから２個の部品移載装置１３０、１４０に連続的に部品を供給するようになっている。

２個の部品移載装置１３０、１４０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能ないわゆるＸＹロボットタイプの装置である。２個の部品移載装置１３０、１４０は、部品実装機１０の長手方向の前側および後側に、相互に対向するように配設されている。各部品移載装置１３０、１４０は、Ｙ軸方向の移動のためのリニアモータ装置１５０を有している。

リニアモータ装置１５０は、２個の部品移載装置１３０、１４０に共通な軌道部材１５１および補助レール１５５と、２個の部品移載装置１３０、１４０ごとの可動部３で構成されている。軌道部材１５１は、可動部３を挟んで両側に平行配置され、移動方向となるＹ軸方向に延在している。軌道部材１５１の向かい合う内側側面には、Ｙ軸方向に沿って複数の磁石１５２が列設されている。可動部３は、軌道部材１５１に移動可能に装架されている。

可動部３は、可動本体部１６０、Ｘ軸レール１６１、および実装ヘッド１７０などで構成されている。可動本体部１６０は、Ｙ軸方向に延在しており、その両側面には軌道部材１５１の磁石１５２に対向して推進力を発生する電機子が配設されている。Ｘ軸レール１６１は、可動本体部１６０からＸ軸方向に延在している。Ｘ軸レール１６１は、一端１６２が可動本体部１６０に結合され、他端１６３が補助レール１５５に移動可能に装架されており、可動本体部１６０と一体的にＹ軸方向に移動するようになっている。

部品実装ヘッド１７０は、X軸レール１６１に装架され、X軸方向に移動するようになっている。部品実装ヘッド１７０の下端には図略の吸着ノズルが設けられている。吸着ノズルは、負圧を利用して部品供給装置１２０から部品を吸着採取し、実装作業位置の基板へ実装する。Ｘ軸レール１６１上に設けられた図略のボールねじ送り機構は、ボールねじを回転駆動するX軸モータを有しており、部品実装ヘッド１７０をＸ軸方向に駆動する。

部品実装機１０は、他に、オペレータと情報を交換するための表示設定装置１８０および、基板や部品を撮像する図略のカメラなどを備えている。

部品実装機１０において、リニアモータ装置１５０の電機子およびボールねじ送り機構のＸ軸モータは、常時は電力を消費して部品実装ヘッド１７０を移動させる駆動源として作用する。一方、部品実装ヘッド１７０が減速および停止されるとき、電機子およびＸ軸モータには起電力が誘起され、回生電力を発生する発電機として作用する。したがって、リニアモータ装置１５０の電機子およびボールねじ送り機構のＸ軸モータは、電力の消費および発生を選択的に行う本発明の電力負荷Ｌに相当する。

、
次に、本発明の第１実施形態の非接触給電装置１について、図２および図３を参考にして説明する。図２は、第１実施形態の非接触給電装置１を模式的に説明し、給電動作を説明する回路図である。図２の左側に固定部２の各部材が示され、右側に可動部３の各部材が示されている。また、破線の矢印によって給電経路が示され、白抜き矢印ＲＳによって非接触給電の方向が示され、一点鎖線の矢印によって制御の流れが示されている。

非接触給電装置１は、常時は固定部２から可動部３上の電力負荷Ｌに非接触給電を行い、電力負荷Ｌが回生電力を発生したときには可動部３から固定部２に回生電力を逆送して固定部２側のチャージコンデンサ５２に蓄電する。非接触給電装置１は、固定部２側に給電用電極板４１、４２、チャージコンデンサ５２を含む高周波電源回路５などを備え、可動部３側に受電用電極板６１、６２、回生切替えスイッチ７５を含む受電回路７、および回生高周波回路８などを備えて構成されている。

２個の給電用電極板４１、４２は、本発明の非接触給電用素子に相当し、金属材料で薄板の細長い帯状に形成されている。２個の給電用電極板４１、４２は、帯状の長辺が可動部３の移動方向に延在するように固定部２に水平に設けられ、相互に離隔しつつ平行している。給電用電極板４１、４２の短辺の長さは、送給すべき給電電力の大きさに応じて適宜設計されている。

高周波電源回路５は、固定部２に配設されており、直流電源５１、チャージコンデンサ５２、およびブリッジ回路５３で構成されている。直流電源５１は、商用電源から直流電源電圧を生成し、正側端子５Ｐおよび負側端子５Ｎからブリッジ回路５３に給電する。チャージコンデンサ５２は大容量のコンデンサであり、必要に応じて複数のコンデンサを並列接続して用いることができる。チャージコンデンサ５２は、後述する回生電力を蓄電するのに十分な静電容量を有している。チャージコンデンサ５２は、その正側端子５２Ｐが直流電源５１の正側端子５１Ｐに電気接続され、その負側端子５２Ｐが直流電源５１の負側端子５１Ｎに電気接続されている。したがって、チャージコンデンサ５２は、常時は直流電源電圧で充電されている。

ブリッジ回路５３は、４個のスイッチング素子５４１〜５４４および各スイッチング素子５４１〜５４４に並列接続されたフライホイールダイオード５５１〜５５４で構成されている。図示されるように、ブリッジ回路５３は、その正側入力端子５６Ｐが直流電源５１の正側端子５１Ｐに電気接続され、その負側入力端子５６Ｎが直流電源５１の負側端子５１Ｎに電気接続されている。

ブリッジ回路５３の正側入力端子５６Ｐと負側入力端子５６Ｎとの間には、第１スイッチング素子５４１および第２スイッチング素子５４２の直列接続と、第３スイッチング素子５４３および第４スイッチング素子５４４の直列接続とが、並列に電気接続されている。第１スイッチング素子５４１と第２スイッチング素子５４２との間の一側出力端子５６１は一方の給電用電極板４１に電気接続され、第３スイッチング素子５４３と第４スイッチング素子５４４との間の他側出力端子５６２は他方の給電用電極板４２に電気接続されている。各フライホイールダイオード５５１〜５５４は、各スイッチング素子５４１〜５４４を開路した瞬間に発生しがちな過電圧を抑制するものである。

各スイッチング素子５４１〜５４４は、固定部２に設けられた固定部制御回路２１によって開閉制御される。具体的に、或る時刻には、第１および第４スイッチング素子５４１、５４４が閉路され、第２および第３スイッチング素子５４２、５４３が開路される。これにより、一方の給電用電極板４１が正側端子５Ｐに短絡され、他方の給電用電極板４２が負側端子５Ｎに短絡される。また、次の時刻には、第１および第４スイッチング素子５４１、５４４が開路され、第２および第３スイッチング素子５４２、５４３が閉路される。これにより、一方の給電用電極板４１が負側端子５Ｎに短絡され、他方の給電用電極板４２が正側端子５Ｐに短絡される。このような、スイッチング制御が多頻度で行われて、２個の給電用電極板４１、４２の間に高周波電力が送給される。

一方、２個の受電用電極板６１、６２は、本発明の非接触受電用素子に相当し、金属材料で薄板の細長い帯状に形成されている。２個の受電用電極板６１、６２は、可動部３に設けられ、それぞれが固定部２側の給電用電極板４１、４２に離隔対向している。したがって、２組の対向する電極板（４１と６１、４２と６２）により平行板状の２個のコンデンサが構成され、図２に白抜き矢印ＲＳで示されるように、静電結合方式で非接触給電を行うことができる。一方の受電用電極板６１は、受電回路７の全波整流回路７１の一側入力端子７３１に電気接続され、他方の受電用電極板６２は、他側入力端子７３２に電気接続されている。

受電回路７は、可動部３に配設されており、全波整流回路７１、回生切替えスイッチ７５および平滑コイルで７７構成されている。受電回路７は、受電用電極板６１、６２が受け取った高周波電力を整流変換して可動部３上の電力負荷Ｌに給電するものである。本第１実施形態において、電力負荷Ｌは直流負荷であるので、高周波電力の変換に全波整流回路７１を用いる。これに限定されず、電力負荷Ｌが交流負荷であってもよく、その場合には全波整流回路７１に代えて例えばインバータ回路を用いる。

全波整流回路７１は、４個のダイオード素子７２１〜７２４がブリッジ接続されて構成されている。詳述すると、図示されるように、第１ダイオード素子７２１および第２ダイオード素子７２２の直列接続と、第３ダイオード素子７２３および第４ダイオード素子７２４の直列接続とが、正側出力端子７４Ｐと負側出力端子７４Ｎとの間に並列に電気接続されている。第１ダイオード素子７２１と第２ダイオード素子７２２との間の一側入力端子７３１は一方の受電用電極板６１に電気接続され、第３ダイオード素子７２３と第４ダイオード素子７２４との間の他側入力端子７３２は他方の受電用電極板６２に電気接続されている。また、正側出力端子７４Ｐは、回生切替えスイッチ７５の給電側接点７６１に電気接続され、負側出力端子７４Ｎは、電力負荷Ｌの負側端子ＬＮに電気接続されている。

回生切替えスイッチ７５は、全波整流回路７１および回生高周波回路８の一方を選択切り替えするスイッチである。回生切替えスイッチ７５は、給電側接点７６１および回生側接点７６２の一方を共通接点７６３に導通させるものである。給電側接点７６１は、全波整流回路７１の正側出力端子７４Ｐに電気接続され、回生側接点７６２は、回生高周波回路８の逆送ダイオード８１のアノード８２Ａに電気接続されている。また、共通接点７６３は、平滑コイル７７の一側端子７８１に電気接続されている。

可動部３に設けられた可動部制御回路３１は、回生切替えスイッチ７５の切り替え動作を制御し、電力負荷Ｌに給電するときには、給電側接点７６１を共通接点７６３に導通させる。また、可動部制御回路３１は、電力負荷Ｌが発生した回生電力を逆送するときには、回生切替えスイッチ７５の回生側接点７６２を共通接点７６３に導通させる。

平滑コイル７７は、全波整流回路７１から出力された直流電力の脈流分を平滑するものである。平滑コイル７７の一側端子７８２は回生切替えスイッチ７５の共通接点７６に電気接続され、他側端子７８２は電力負荷の正側端子ＬＰに電気接続されている。平滑コイル７７は平滑回路の簡易な一例であって、周知の他の平滑回路を用いてもよい。

回生高周波回路８は、可動部３上に全波整流回路７１と並列に設けられている。回生高周波回路８は、電力負荷Ｌが発生した回生電力を高周波に変換して非接触受電用素子６１、６２に給電するものである。回生高周波回路８は、逆送用ダイオード８１と、４個のスイッチング素子８５１〜８５４からなる逆送ブリッジ回路８３とにより構成されている。

逆送用ダイオード８１のアノード８２Ａは回生切替えスイッチ７５の回生側接点７６２に電気接続され、カソード８２Ｋは逆送ブリッジ回路８３の正側入力端子８４Ｐに電気接続されている。逆送用ダイオード８１は、電力負荷Ｌから非接触受電用素子６１、６２に向かう方向（逆送方向）の通電を許容し、その反対方向の通電を阻止する。

逆送ブリッジ回路８３の正側入力端子８４Ｐは、逆送用ダイオード８１に電気接続され、負側入力端子８４Ｎは、電力負荷Ｌの負側端子ＬＮに電気接続されている。図示されるように、正側入力端子８４Ｐと負側入力端子８４Ｎとの間には、第１スイッチング素子８５１および第２スイッチング素子８５２の直列接続と、第３スイッチング素子８５３および第４スイッチング素子８５４の直列接続とが、並列に電気接続されている。第１スイッチング素子８５１と第２スイッチング素子８５２との間の一側出力端子８６１は一方の受電用電極板６１に電気接続され、第３スイッチング素子８５３と第４スイッチング素子８５４との間の他側出力端子８６２は他方の受電用電極板６２に電気接続されている。

各スイッチング素子８５１〜８５４は、可動部制御回路３１によって開閉制御される。逆送ブリッジ回路８３の具体的な制御方法は固定部２側のブリッジ回路５３に類似するので説明は省略するが、スイッチング制御が多頻度で行われて、２個の受電用電極板６１、６２の間に高周波電力が逆送される。

固定部２側の固定部制御回路２１および可動部３側の可動部制御回路３１は、マイコンを内蔵しソフトウェアで動作するコンピュータ制御回路で構成することができる。固定部制御回路２１には非接触送信部２２が付属されており、可動部制御回路３１には非接触受信部３２が付属されている。非接触送信部２２と非接触受信部３２との間の通信方式には、光無線方式または電波無線方式を用いることができる。

固定部制御回路２１および可動部制御回路３１は協働し、電力負荷Ｌの駆動による実装ヘッド１７０の位置制御に関しては、固定部制御回路２１がイニシアティブを持って執り行うように構成されている。したがって、固定部制御回路２１は、電力負荷Ｌへの給電と電力負荷Ｌからの回生電力の逆送とを切り替え制御する切替え制御信号Ｃｔｌ１を可動部制御回路３１へ非接触で送信する。この切替え制御信号Ｃｔｌ１に基づいて、可動部制御回路３１は電力負荷Ｌに動作指令Ｃｔｌ２を指令する。

なお、固定部制御回路２１と可動部制御回路３１との間は、必ずしも非接触通信である必要は無く、有線通信を用いることもできる。また、電力負荷Ｌの動作状況や、給電電力および回生電力の大きさなどの情報を、可動部制御回路３１から固定部制御回路２１へと送信する双方向通信を採用してもよい。

次に、上述のように構成された第１実施形態の非接触給電装置１の動作について説明する。まず、常時の給電動作について説明し、次に、電力負荷Ｌが回生電力を発生したときの逆送動作について説明する。

常時の給電動作では、図２の破線の矢印Ｆ１〜Ｆ４および白抜き矢印ＲＳに示されるように、直流電源５１から電力負荷Ｌまで電力を送給する。まず、固定部制御回路２１は、非接触通信を介して可動部制御回路３１へと、電力負荷Ｌへ給電する旨の切替え制御信号Ｃｔｌ１を送信する。可動部制御回路３１は、電力負荷Ｌに電力を送給する旨の動作指令Ｃｔｌ２を指令する。また、可動部制御回路３１は、回生切替えスイッチ７５の給電側接点７６１を共通接点７６３に導通させ、さらに、逆送ブリッジ回路８３の４個のスイッチング素子８５１〜８５４を全て開路状態に制御する。

一方、固定部制御回路２１は、ブリッジ回路５３を一般的なフルブリッジ回路に動作制御し、すなわち４個のスイッチング素子５４１〜５４４をスイッチング制御して高周波電力を発生する。なお、このとき、直流電源５１から電力負荷Ｌまでの全体回路が直列共振するように、高周波電力の周波数を制御して、給電効率を高める。給電時の共振周波数は、電力負荷Ｌの負荷状況に応じて変化するので、可変に周波数を制御することが好ましい。

以上の制御により、図２の矢印Ｆ１、Ｆ４に示されるように、直流電源５１の直流電力がブリッジ回路５３で高周波電力に変換されて、２個の給電用電極板４１、４２に送給される。２個の給電用電極板４１、４２と２個の受電用電極板６１、６２とは、前述したように静電結合しており、白抜き矢印ＲＳで示されるように静電結合方式で非接触給電が行われる。受電用電極板６１、６２が受け取った高周波電力は、矢印Ｆ２、Ｆ３に示されるように、受電回路７により直流電力に変換され、電力負荷Ｌに給電される。

次に、図３は、第１実施形態で電力負荷Ｌが回生電力を発生したときの逆送動作を説明する図である。逆送動作では、図３の破線の矢印Ｆ５〜Ｆ８および白抜き矢印ＲＲに示されるように、電力負荷Ｌからチャージコンデンサ５２まで回生電力を逆送する。まず、固定部制御回路２１は、ブリッジ回路５３の４個のスイッチング素子５４１〜５４４を全て開路状態に制御する。さらに、固定部制御回路２１は、非接触通信を介して可動部制御回路３１へと、回生電力を逆送する旨の切替え制御信号Ｃｔｌ１を送信する。

一方、可動部制御回路３１は、電力負荷Ｌに回生電力を逆送する旨の動作指令Ｃｔｌ２を指令する。また、可動部制御回路３１は、回生切替えスイッチ７５の回生側接点７６２を共通接点７６３に導通させる。さらに、可動部制御回路３１は、逆送ブリッジ回路８３の４個のスイッチング素子８５１〜８５４をスイッチング制御しフルブリッジ回路として動作させ、高周波電力を発生する。なお、このとき、電力負荷Ｌからチャージコンデンサ５２までの全体回路が直列共振するように、高周波電力の周波数を可変に制御して回生効率を高める。なお、電力回生時の共振周波数は、電力負荷Ｌの回生実施状況に応じて変化し、給電時の共振周波数と異なっていてもよい。

以上の制御により、図３に矢印Ｆ５、Ｆ８で示されるように、電力負荷Ｌで発生した回生電力が回生高周波回路８に入力され、高周波電力に変換されて２個の受電用電極板６１、６２に逆送される。さらに、白抜き矢印ＲＲで示されるように静電結合方式で非接触の電力逆送が行われる。給電用電極板６１、６２が受け取った高周波の回生電力は、ブリッジ回路５３の一側出力端子５６１および他側出力端子５６２に入力される。

ここで、ブリッジ回路５３は、４個のスイッチング素子５４１〜５４４が開路されているため、４個のフライホイールダイオード５５１〜５５４からなる全波整流回路として作用する。したがって、常時と逆方向に、ブリッジ回路５３の正側入力端子５６Ｐと負側入力端子５６Ｎとの間に逆送直流電力が出力される。逆送直流電力の逆送直流電圧は直流電源５１の直流電源電圧よりも高くなり得るので、チャージコンデンサ５２には常時よりも多くの電荷がチャージされる。

これにより、チャージコンデンサ５２の正側端子５２Ｐと負側端子５２Ｎとの間の充電電圧が常時の直流電源電圧よりも上昇する。常時よりも多くチャージされた分の電荷は、次に電力負荷Ｌに給電するときに直流電源５１よりも優先して使用される。したがって、優先して使用される分の電荷が電力回生に寄与し、この分だけ非接触給電装置１の総合効率が向上する。

本第１実施形態において、電力負荷Ｌからチャージコンデンサ５２に回生電力を逆送する回路範囲が回生逆送回路となる。したがって、回生逆送回路は、受電回路７の平滑コイル７７および回生切替えスイッチ７５、回生高周波回路８、受電用電極板６１、６２、給電用電極板４１、４２、ならびにブリッジ回路５３の４個のフライホイールダイオード５５１〜５５４で構成されている。

次に、第１実施形態の非接触給電装置１の効果について、従来構成と比較して説明する。図７は、従来構成の非接触給電装置９を模式的に説明する回路図である。従来構成の非接触給電装置９では、固定部２Ｘ側で給電用電極板４１、４２に高周波電力を送給する高周波電源回路５Ｘは、チャージコンデンサ５２を備えていない、また可動部３Ｘ側に回生切替えスイッチ７５および回生高周波回路８が無く、受電回路７Ｘは、全波整流回路７１に平滑コイル７７が直結されて構成されている。代わりに、電力負荷Ｌの正側端子ＬＰと負側端子ＬＮとの間に、チャージコンデンサ５２Ｘが電気接続されている。

チャージコンデンサ５２Ｘは、常時は非接触給電によって或る充電電圧までチャージされている。電力負荷Ｌが回生電力を発生して回生電圧を発生し、回生電圧が充電電圧を超過すると、矢印Ｆ９、Ｆ１０で示されるように、電力負荷Ｌからチャージコンデンサ５２Ｘへと直接的に電荷がチャージされる。従来構成および本第１実施形態において、チャージコンデンサ５２Ｘ、５２の配設位置が異なるが、回生時に常時よりも高い電圧でチャージコンデンサ５２Ｘ、５２にチャージする点は同様である。

図７と図２とを比較すれば分かるように、第１実施形態では、可動部３側にチャージコンデンサ５２Ｘが無く、代わりに回生切替えスイッチ７５および回生高周波回路８が設けられている。ここで、電力負荷Ｌの回生電力を有効利用するために、従来構成のチャージコンデンサ５２Ｘは相当の大容量となり、可動部３Ｘ全体に対して大きな比率の重量および大きさを占める。そして、従来構成のチャージコンデンサ５２Ｘは、回生切替えスイッチ７５および回生高周波回路８を足したよりも重くかつ大きくなる。したがって、第１実施形態の非接触給電装置１の可動部３は、従来構成の非接触給電装置９の可動部３Ｘよりも小形軽量化できる。

第１実施形態の非接触給電装置１によれば、電力負荷Ｌが発生した回生電力を回生逆送回路により受電用電極板６１、６２から給電用電極板４１、４２を経由して固定部２まで非接触で逆送して固定部２側のチャージコンデンサ５２に蓄電し、蓄電電力を直流電源５１よりも優先して使用する。したがって、回生電力を熱損失として浪費することなく蓄電し、自然放電してしまう以前に有効利用できる。さらに、従来構成の非接触給電装置９と異なり、チャージコンデンサ５２が固定部２側に設けられるので、可動部３の重量や大きさが従来構成の可動部３Ｘよりも削減される。さらに、電力回生を行わない構成と比較して、可動部３の重量や大きさの増加が抑制される。

また、非接触給電用素子および非接触受電用素子はそれぞれ電極板４１、４２、６１、６２とされて、回生電力を静電結合方式で可動部３から固定部２に逆送でき、回生逆送回路は、受電回路７と並列に設けられた回生高周波回路８ならびに回生切替えスイッチ７５を含んで構成されている。したがって、回生電力を逆送するときにも高周波の直列共振回路を利用して回生逆送効率を常時の給電効率と同程度に高めることができ、回生電力を効率的に蓄電できる。

さらに、高周波電源回路５のフライホイールダイオード５３１〜５３４を回生逆送回路に利用してチャージコンデンサ５２を蓄電できる。したがって、回生電力を変成する専用の回生逆送回路が固定部２側で不要になって回路構成を簡素化でき、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を抑制できる。

さらに、固定部制御回路２１および可動部制御回路３１は協働し、電力負荷Ｌにおける電力の消費および発生を選択的に制御し、消費および発生に対応して高周波電源回路５および回生高周波回路８を制御する。したがって、電力負荷Ｌの動作状態に対応して電力の移送方向を高精度に制御でき、電力負荷Ｌの円滑な動作と、給電効率および回生逆送効率の高効率化とを実現できる。

次に、固定部２Ａ側の高周波電源回路５Ａの構成が異なる第２実施形態の非接触給電装置１Ａについて、図４を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図４は、第２実施形態の非接触給電装置１Ａを模式的に説明する回路図である。第２実施形態では、固定部２Ａの高周波電源回路５Ａは、直流電源５１およびチャージコンデンサ５２に代えてバッテリ５１Ａを有している。バッテリ５１Ａは、充電および放電を繰り返して行うことができる二次電池であり、蓄電素子を兼ねている。つまり、バッテリ５１Ａは、可動部３から固定部２Ａに逆送された回生電力を蓄電する。

第２実施形態の非接触給電装置１Ａによれば、蓄電素子がバッテリ５１Ａで兼用されるので、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を顕著に抑制できる。第２実施形態のその他の部位の構成、動作および上記した以外の効果は、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。

次に、可動部３Ｂ側の受電回路７Ｂ内に回生高周波回路が組み込まれた第３実施形態の非接触給電装置１Ｂについて、図５を参考にして、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図５は、第３実施形態の非接触給電装置１Ｂを模式的に説明する回路図である。第３実施形態では、受電回路７Ｂはブリッジ回路７９、受電回生選択スイッチ７５Ｂ、および平滑コイル７７で構成されている。

ブリッジ回路７９は、固定部２のブリッジ回路５３と同一の回路であり、４個のスイッチング素子および各スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードで構成されている。図示されるように、ブリッジ回路７９の一側入力端子７９１は一方の受電用電極板６１に電気接続され、他側入力端子７９２は他方の給電用電極板６２に電気接続されている。また、ブリッジ回路７９の正側出力端子７９Ｐが切り替えスイッチ７５Ｂに電気接続され、負側出力端子７９Ｎが電力負荷Ｌの負側端子ＬＮに電気接続されている。ブリッジ回路７９の４個のスイッチング素子は、可動部制御回路３１により制御され、給電時には全てが開路され、回生時にはスイッチング制御される。

受電回生選択スイッチ７５Ｂは、給電と回生とを選択切り替えするスイッチである。受電回生選択スイッチ７５Ｂは、給電側接点７６１および回生側接点７６２の一方を共通接点７６３に導通させるものである。給電側接点７６１は、ブリッジ回路７９の正側出力端子７９Ｐに直接的に電気接続され、回生側接点７６２は、逆送ダイオード７６４を介して正側出力端子７９Ｐに電気接続されている。逆送ダイオード７６４は、電力負荷Ｌから非接触受電用素子６１、６２に向かう方向（逆送方向）の通電を許容し、その反対方向の通電を阻止する。可動部制御回路３１は、電力負荷Ｌに給電するときには、受電回生選択スイッチ７５Ｂの給電側接点７６１を共通接点７６３に導通させ、電力負荷Ｌが発生した回生電力を逆送するときには、回生側接点７６２を共通接点７６３に導通させる。

第３実施形態の非接触給電装置１Ｂでは、ブリッジ回路７９は、給電時に全波整流回路として作用し、回生時に回生高周波回路として作用する。したがって、第３実施形態の非接触給電装置１Ｂは、第１実施形態と同等に動作し、第１実施形態と同様の効果が発生する。加えて、図５を図２と比較すれば分かるように、第３実施形態では、専用の回生逆送回路が可動部３Ｂ側で不要になって回路構成を簡素化でき、回生電力の有効利用に必要となるコストの増加分を抑制できる。

次に、非接触給電用素子および非接触受電用素子が異なる第４実施形態の非接触給電装置１Ｃについて、図６を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図６は、第４実施形態の非接触給電装置１Ｃを模式的に説明する回路図である。第４実施形態では、固定部２Ｃの非接触給電用素子として給電用コイル４３が用いられ、可動部３Ｃの非接触受電用素子として受電用コイル６３が用いられている。給電用コイル４３と受電用コイル６３とは良好に電磁結合しており、電磁誘導方式で非接触給電を行えるように構成されている。その他の部位は、第１実施形態と同様の構成であり、説明は省略する。

第４実施形態の非接触給電装置１Ｃによれば、給電用コイル４３および受電用コイル６３を用いて電磁誘導方式により非接触で電力負荷Ｌが発生した回生電力を逆送し、固定部２Ｃ側で蓄電できる。これにより、電磁誘導方式の非接触給電の総合効率を高めることができる。なお、給電用コイル４３および受電用コイル６３は、第２および第３実施形態に組み合わせて用いることもできる。

なお、本発明は、静電結合方式および電磁結合方式の非接触給電装置に限定されず、磁界共鳴方式などの他の非接触給電方式で実施することもできる。また、高周波電源回路５、５Ａや受電回路７、７Ｂ、回生高周波回路８などの回路構成は、適宜変形することもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

本発明の非接触給電装置は、部品実装機に利用でき、基板検査機など他の基板用作業機器にも利用することができる。さらに、本発明の非接触給電装置は、リニアモータ装置やボールねじ送り機構以外の電力回生可能な電力負荷を可動部に有する様々な機器に利用することもできる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：非接触給電装置
２、２Ａ、２Ｃ：固定部 ２１；固定部制御回路
３、３Ｂ、３Ｃ：可動部 ３１：可動部制御回路
４１、４２：給電用電極板（非接触給電用素子）
４３：給電用コイル（非接触給電用素子）
５、５Ａ：高周波電源回路 ５１：直流電源
５１Ａ：バッテリ（二次電池） ５２：チャージコンデンサ（蓄電素子）
５３：ブリッジ回路 ５４１〜５４４：スイッチング素子
５５１〜５５４：フライホイールダイオード
６１、６２：受電用電極板（非接触受電用素子）
６３：受電用コイル（非接触受電用素子）
７、７Ｂ：受電回路 ７１：全波整流回路
７２１〜７２４：ダイオード素子
７５：回生切替えスイッチ ７５Ｂ：受電回生選択スイッチ
７６４：逆送ダイオード ７７：平滑コイル ７９：ブリッジ回路
８：回生高周波回路 ８１：逆送ダイオード ８３：逆送ブリッジ回路
８５１〜８５４：スイッチング素子
９：従来技術の非接触給電装置
１０：部品実装機
１１０：基板搬送装置 １２０：部品供給装置
１３０、１４０：部品移載装置 １５０：リニアモータ装置
１６０：可動本体部 １６１：Ｘ軸レール １７０：実装ヘッド
１８０：表示設定装置 １９０：機台
Ｌ：電力負荷

Claims (8)

1. 固定部に設けられた非接触給電用素子と、
   前記非接触給電用素子に高周波電力を給電する高周波電源回路と、
   前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記非接触給電用素子に離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る非接触受電用素子と、
   前記非接触受電用素子が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電力負荷に給電する受電回路とを備える非接触給電装置であって、
   前記電力負荷は、電力の消費および発生を選択的に行い、
   前記電力負荷が発生した回生電力を前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子を経由して前記固定部まで非接触で逆送する回生逆送回路と、
   前記固定部に設けられて逆送された前記回生電力を蓄電し、かつ前記電力負荷が前記電力を消費するときに前記高周波電源回路よりも優先して前記非接触給電用素子に高周波電力を給電する蓄電素子と、をさらに備える非接触給電装置。
2. 請求項１において、前記回生逆送回路は、
   前記可動部に前記受電回路と並列に設けられ、前記電力負荷が発生した回生電力を高周波に変換して前記非接触受電用素子に給電する回生高周波回路、ならびに、
   前記可動部に設けられ、前記電力負荷を前記受電回路および前記回生高周波回路の一方に接続する回生切替えスイッチを含んで構成される非接触給電装置。
3. 請求項２において、
   前記高周波電源回路は、直流電力を出力する直流電源、ならびに、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり前記直流電力を前記高周波電力に変換するブリッジ回路を含み、
   前記蓄電素子は、前記直流電源に並列接続されたチャージコンデンサであり、
   前記回生逆送回路は、前記フライホイールダイオードを含んで構成され、前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子に高周波の回生電力が逆送されたときに、前記スイッチング素子を開路状態として前記４個のフライホイールダイオードからなる全波整流回路で整流して前記チャージコンデンサに蓄電する非接触給電装置。
4. 請求項２において、
   前記高周波電源回路は、直流電力を出力する二次電池、ならびに、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり前記直流電力を前記高周波電力に変換するブリッジ回路を含み、
   前記蓄電素子は、前記二次電池で兼用されており、
   前記回生逆送回路は、前記フライホイールダイオードを含んで構成され、前記非接触受電用素子から前記非接触給電用素子に高周波の回生電力が逆送されたときに、前記スイッチング素子を開路状態として前記４個のフライホイールダイオードからなる全波整流回路で整流して前記二次電池に蓄電する非接触給電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記電力負荷における前記電力の消費および発生を選択的に制御し、消費および発生に対応して前記高周波電源回路および前記回生逆送回路を制御する制御回路をさらに備える非接触給電装置。
6. 請求項１において、前記受電回路および前記回生逆送回路は、
   前記可動部に設けられ、４個のスイッチング素子および各前記スイッチング素子に並列接続されたフライホイールダイオードからなり、前記非接触受電用素子が受け取った高周波電力を直流電力に変換可能で、かつ前記電力負荷が発生した回生電力を高周波に変換して前記非接触受電用素子に給電可能であるブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路と前記電力負荷との間の給電方向を切り替える受電回生選択スイッチとを共有する非接触給電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記非接触給電用素子および前記非接触受電用素子は、それぞれ電極板である非接触給電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、
   前記可動部は、基板に部品を実装する部品実装機に装備され、かつ部品実装動作を行う実装ヘッドをさらに備え、
   前記電力負荷は、前記可動部を駆動するリニアモータまたはボールねじ機構用モータである非接触給電装置。

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