JPWO2014049869A1 - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

本発明の非接触給電装置は、固定部に設けられた給電用素子および高周波電源部と、可動部に設けられた受電用素子および受電変換部と、共振用素子とを備え、可動部上の電気負荷群は動作電圧が互いに異なる複数の電気負荷を含み、高周波電源部は基本周波数の基本波電圧および基本周波数を逓倍した逓倍周波数の高調波電圧を含む高周波電圧を出力し、給電用素子、受電用素子、および共振用素子は、複数の動作電圧に対応し複数設けられて動作電圧ごとの直列共振回路を形成し、動作電圧ごとの直列共振回路の共振周波数は、一つが基本周波数であり、残りが逓倍周波数であり、かつ互いに異なっている。これにより、可動部上の複数の電気負荷の動作電圧が互いに異なっていても非接触給電を行え、可動部を重厚長大化することがなく、かつ高い給電効率が得られる。

Description

本発明は、可動部上の電気負荷に非接触で給電する非接触給電装置に関し、より詳細には、可動部上の複数の電気負荷の動作電圧が互いに異なる構成に対応した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上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。可動部上の電気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、最近では離隔対向する電極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。非接触給電装置の用途は、基板用作業機器に限定されるものではなく、他の業種の産業用機器や家電製品などの幅広い分野に広まりつつあり、電気鉄道や電気自動車への利用も検討されている。この種の非接触給電装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の電力供給システムは、静電結合方式（電界結合方式）により非接触給電を行うものである。この電力供給システムは、固定体に２つの送電電極、交流電源、第１コンデンサ、および第１コイルを備え、可動体に２つの受電電極を備えて構成されている。そして、交流電源は基本波の逓倍周波数の高調波を含む電力を供給し、第１コンデンサおよび第１コイルにより高調波に対して並列共振を発生させている。これにより、交流電源を構成するパワートランジスタの動作周波数限界を超えた高い周波数で電力供給を行える、と記載されている。つまり、構造上の制約などで送電電極と受電電極とにより構成される結合コンデンサの静電容量が小さくなり、並列共振周波数が大きくなってしまう構成でも、非接触給電を可能としている。

基板用作業機器に戻り、可動部に搭載される電気負荷には次のようなものがある。例えば、部品実装機の可動部となる実装ヘッドには、部品を吸着採取する吸着ノズルに負圧を発生させるエアポンプ、吸着ノズルを回動および昇降させる駆動モータ、基板や部品を撮像するカメラ、およびこれらの制御部などが搭載されている。また、基板検査機の可動部となる検査ヘッドには、基板上の配線パターンや部品の実装状態を撮像するカメラやそのデータ伝送部、および制御部などが搭載されている。さらには、リニアモータ装置の電機子も電気負荷の一種である。これら複数の電気負荷の動作電圧は、必ずしも一致しておらず、互いに異なる場合には、可動部上の受電回路でそれぞれの動作電圧を生成して給電していた。

特開２０１０−２１３５５４号公報

ところで、可動部上の複数の電気負荷の動作電圧が互いに異なる場合に、一般的な非接触給電技術では、可動部上にマルチ出力タイプの電圧変換トランスを搭載することになる。電圧変換トランスは、給電された高周波電力を一次巻線に入力し、互いに巻数の異なる複数の二次巻線から電圧値の異なる複数の高周波二次電力を得るものである。そして、複数の高周波二次電力を別々の受電回路で変成してそれぞれの動作電圧を生成し、各電気負荷に給電する構成を採用することになる。

しかしながら、一般的な非接触給電技術で用いる電圧変換トランスは大きくかつ重量があるため、可動部が大型化しかつ重量化して好ましくない。特に、基板用作業機器では、可動部の重厚長大化は可動部を駆動するリニアモータ装置の動作速度の低下や駆動電力の増加に直結するため、電圧変換トランスは絶対に避けるべき手段である。

一方、特許文献１では、基本波の基本周波数よりも高い逓倍周波数で電力供給を行える点は好ましいが、基本波の電力が使用されていない。したがって、基本周波数において非共振状態であっても相当の電力損失が発生して、給電効率が低下する。高い給電効率を得る観点では、基本周波数の電力を使用することは必須と考えられる。

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あり、可動部上の複数の電気負荷の動作電圧が互いに異なっていても非接触給電を行え、可動部を重厚長大化することがなく、かつ高い給電効率が得られる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給電用素子と、前記給電用素子に高周波電力を給電する高周波電源部と、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受電用素子と、前記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気負荷群に給電する受電変換部と、前記給電用素子および前記受電用素子に直列接続されて直列共振回路を形成する共振用素子と、を備えた非接触給電装置であって、前記電気負荷群は、動作電圧が互いに異なる複数の電気負荷を含み、前記高周波電源部は、基本周波数の基本波電圧および前記基本周波数を逓倍した逓倍周波数の高調波電圧を含む高周波電圧を出力し、前記給電用素子、前記受電用素子、および前記共振用素子は、複数の動作電圧に対応し複数設けられて動作電圧ごとの直列共振回路を形成し、前記動作電圧ごとの直列共振回路の共振周波数は、一つが前記基本周波数であり、残りが前記逓倍周波数であり、かつ互いに異なっている。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記動作電圧が大きいほど、対応して形成された直列共振回路の共振周波数が小さい。

請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記給電用素子は給電用電極であり、前記受電用素子は受電用電極であり、前記共振用素子は共振用インダクタである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記受電変換部は、前記複数の動作電圧に対応して複数個設けられ、特定の電気負荷の直流動作電圧に対応して設けられた少なくとも１個の受電変換部は、前記受電用素子が受け取った高周波電力を直流変換電圧に変換する全波整流回路と、前記直流変換電圧を前記直流動作電圧に調整するＤＣ―ＤＣコンバータと、を含む。

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、前記高周波電源部は、直流電源と４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路とを含んで構成され、前記基本周波数の方形波電圧を出力する。

請求項１に係る非接触給電装置の発明では、高周波電源部は基本波電圧および高調波電圧を含む高周波電圧を出力し、複数の動作電圧ごとに別々に直列共振回路を形成し、それらの共振周波数は一つが基本周波数で、残りが逓倍周波数であり、かつ互いに異なっている。したがって、可動部上の複数の電気負荷の動作電圧が互いに異なっていても、それぞれ異なる共振周波数で非接触給電を行える。また、一般的な非接触給電技術と異なり、可動部上に電圧変換トランスを搭載しないので、可動部が重厚長大化しない。さらに、基本波電圧に加えて高調波電圧を非接触給電に使用するので、基本波電圧のみを使用する従来技術の装置や高調波電圧のみを使用する特許文献１の装置と比較して高い給電効率が得られる。

請求項２に係る発明では、電気負荷の動作電圧が大きいほど、対応して形成された直列共振回路の共振周波数が小さい。一般的に、基本波電圧および高調波電圧を含む高周波電圧を出力する高周波電源部では、基本周波数の基本波電圧の振幅が最も大きく、高調波電圧の振幅は逓倍数の増加につれて減少する。このため、動作電圧が最大の電気負荷に対し、基本周波数を共振周波数として給電すると、可動部では基本波電圧に対応する大きな受電電圧が得られる。また、動作電圧が２番目以降の電気負荷に対応して、適宜逓倍数を増やした逓倍周波数を共振周波数として給電すると、可動部で逓倍数の増加につれて小さな受電電圧が得られる。つまり、電気負荷の動作電圧の大小関係と、非接触給電で得られる受電電圧の大小関係とが整合する。これにより、受電変換部での電圧調整が容易になり、高い給電効率を確保でき、装置のコスト低廉化にも寄与できる。仮に、上記の２つの大小関係が整合していないと、受電変換部での電圧調整幅が拡がって変換効率が低下し、給電効率も低下して、装置のコストが増加する。

請求項３に係る発明では、給電用素子は給電用電極であり、受電用素子は受電用電極であり、共振用素子は共振用インダクタである。つまり、静電結合方式を採用しつつ複数の電気負荷の動作電圧ごとに直列共振回路を形成することにより、それぞれ異なる共振周波数で非接触給電を行える。また、静電結合方式に用いる電極は、電磁誘導方式に用いる重厚長大なコイルと比較して軽量にできるので、可動部の軽量化や装置のコスト低廉化に寄与できる。

請求項４に係る発明では、特定の電気負荷の直流動作電圧に対応して設けられた少なくとも１個の受電変換部は、全波整流回路とＤＣ―ＤＣコンバータとを含んでいる。これにより、受電変換部が受け取る高周波電力の性状を問わず、ＤＣ―ＤＣコンバータで直流電圧を調整でき、確実に所定の直流動作電圧での給電を行うことができる。

請求項５に係る発明では、高周波電源部は、直流電源と４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路とを含んで構成され、基本周波数の方形波電圧を出力する。方形波電圧は、基本周波数の基本波電圧および逓倍周波数の高調波電圧を含む典型的な電圧波形であり、上述した各請求項の効果が顕著となる。また、高周波電源部を簡易な回路で構成できるので、装置のコスト低廉化に寄与できる。

本発明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。 実施形態の非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。 高周波電源部が出力する方形波電圧を説明する波形図である。 第１受電変換部の構成例を示す回路図である。 第２受電変換部の構成例を示す回路図である。 実施形態における給電回路、すなわち大電圧直列共振回路および小電圧直列共振回路を示す等価回路図である。 一般的な非接触給電技術を用いた参考形態の非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。

まず、本発明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、本発明の非接触給電装置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つの部品移載装置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）及び後部（図には見えない）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つの部品移載装置１３０、１４０に連続的に部品を供給するようになっている。

２つの部品移載装置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つの部品移載装置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つの部品移載装置１３０、１４０に共通な軌道部材１５１および補助レール１５５と、２つの部品移載装置１３０、１４０ごとのリニア可動部１５３で構成されている。軌道部材１５１は、本発明の固定部２の一部に相当し、リニア可動部１５３の移動方向となるＹ軸方向に延在している。軌道部材１５１は、リニア可動部１５３の下側に配置された底面、およびリニア可動部１５３の両側に配置された側面からなり、上方に開口する溝形状になっている。軌道部材１５１の向かい合う側面の内側には、Ｙ軸方向に沿って複数の磁石１５２が列設されている。

リニア可動部１５３は、軌道部材１５１に移動可能に装架されている。リニア可動部１５３は、本発明の可動部３に相当し、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に実装する。この実装作業を行うために、吸着ノズルに負圧を発生させるエアポンプ、吸着ノズルを回動および昇降させる駆動モータ、基板や部品を撮像するカメラ、およびこれらの制御部などが部品実装ヘッド１７０に搭載されている。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、可動本体部１６０に配設されたＸ軸モータにより駆動されて、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。

可動本体部１６０上の電機子およびＸ軸モータ、ならびに部品実装ヘッド１７０上のエアポンプ、駆動モータ、カメラ、および制御部などの電装品は、本発明の電気負荷群を構成している。これら複数の電気負荷の動作電圧は互いに異なっている。本実施形態では、説明を簡易にするために、可動本体部１６０上の電機子およびＸ軸モータは相対的に大きな直流動作電圧を有する大電圧負荷９１であるとし、部品実装ヘッド１７０上の電装品は相対的に小さな直流動作電圧を有する小電圧負荷９２であるとする。ただし、これに限定されず、電気負荷群が３種類以上の直流動作電圧を有する構成や、直流動作電圧に加えて交流動作電圧を含む構成であっても、本発明を適用することができる。

電気負荷群への非接触給電を行うために、本発明の実施形態の非接触給電装置１が用いられる。図２は、実施形態の非接触給電装置１を模式的に説明する構成図である。非接触給電装置１は、前述した部品実装機１０の機台１９０側の固定部２から、リニアモータ装置１５０の可動部３に静電結合方式で非接触給電する装置である。非接触給電装置１は、２組各２枚で合計４枚の給電用電極４１〜４４、高周波電源部５、２個の共振用インダクタ６１、６２、２組各２枚で合計４枚の受電用電極７１〜７４、および２個の受電変換部８１、８２などで構成されている。

２組各２枚の給電用電極４１〜４４は、金属材料で細長い帯状に形成されている。１組目の第１給電用電極４１および第２給電用電極４２は、互いに同じ大きさである。２組目の第３給電用電極４３および第４給電用電極４４は、互いに同じ大きさであり、１組目の電極４１、４２よりも幅が狭い。第１給電用電極４１、第３給電用電極４３、第４給電用電極４４、および第２給電用電極４２は、記載した順番で固定部２の軌道部材１５１の幅方向（Ｘ軸方向）に離隔平行して並べられ、軌道部材１５１の長さ方向（Ｙ軸方向）の概ね全長にわたって配設されている。

高周波電源部５は、固定部２に設けられている。高周波電源部５は、第１給電用電極４１と第２給電用電極４２との間、および第３給電用電極４３と第４給電用電極４４との間に高周波電力を給電する。高周波電源部５は、出力電圧Ａの直流電源５１と、４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路５２とを含んで構成されている。直流電源５１には、商用周波数の交流を整流平滑する装置や、バッテリなどを用いることができる。本実施形態において、直流電源５１の負側端子を接地点ＧＮＤに接地して用いる。ブリッジ回路５２の各スイッチング素子は、図略の制御部によって開閉制御され、２つの出力端子５３、５４の間には図３に示される方形波電圧Ｖｓが発生する。方形波電圧Ｖｓを発生する各スイッチング素子の開閉制御方法は周知であるので、詳細な説明は省略する。ブリッジ回路５２の一方の出力端子５３は、２つの共振用インダクタ６１、６２に接続され、他方の出力端子５４は、第２給電用電極４２および第４給電用電極４４に接続されている。

図３は、高周波電源部５が出力する方形波電圧Ｖｓを説明する波形図である。方形波電圧Ｖｓの波形は、ゼロ電圧と出力電圧Ａの間をデューティ比５０％で方形状に振動している。方形波電圧Ｖｓが繰り返す周期Ｔの逆数は、本発明の基本周波数ｆとなる。基本周波数ｆとして、１００ｋＨｚ〜ＭＨｚ帯を例示できる。知られているように、方形波電圧Ｖｓは、下記のフーリエ級数展開式（１）によって表される。ただし、時間ｔとする。

式（１）からわかるように、方形波電圧Ｖｓは、電圧振幅（Ａ／２）の直流電圧、電圧振幅（２Ａ／π）で基本周波数ｆの正弦波の基本波電圧、および基本周波数ｆを奇数倍した逓倍周波数の正弦波の高調波電圧の和で表される。高調波電圧は、具体的には、振幅（２Ａ／３π）で周波数３ｆの３倍高調波電圧、電圧振幅（２Ａ／５π）で周波数５ｆの５倍高調波電圧、および電圧振幅（２Ａ／７π）で周波数７ｆの７倍高調波電圧（以下省略）などの総和である。

２組各２枚の受電用電極７１〜７４は、金属材料で細長い帯状に形成されている。１組目の第１受電用電極７１および第２受電用電極７２は、互いに同じ大きさである。２組目の第３受電用電極７３および第４受電用電極７４は、互いに同じ大きさであり、１組目の電極７１、７２よりも幅が狭い。第１受電用電極７１、第３受電用電極７３、第４受電用電極７４、および第２受電用電極７２は、記載した順番で可動部３の可動本体部１６０の幅方向（Ｘ軸方向）に離隔平行して並べられ、可動本体部１６０の長さ方向（Ｙ軸方向）の概ね全長にわたって配設されている。

第１〜第４受電用電極７１〜７４と第１〜第４給電用電極４１〜４４とは、それぞれ一対一で対向配置されている。第１〜第４受電用電極７１〜７４および第１〜第４給電用電極４１〜４４は、わずかな離隔距離を有して平行配置されており、かつ大きな対向面積が確保されている。したがって、合計で４個の平行板状の第１〜第４コンデンサ７５〜７８が構成される。第１〜第４コンデンサ７５〜７８の静電容量は、概ね離隔距離に反比例して対向面積に比例する。したがって、第１および第２コンデンサ７５、７６の静電容量ＣＢは互いに一致する（図６参照）。また、第３および第４コンデンサ７７、７８の静電容量ＣＳは互いに一致し、静電容量ＣＢよりも小さくなる（図６参照）。可動部３がリニアモータ装置１５０により駆動されても、離隔距離は概ね一定に保たれ、第１〜第４コンデンサ７５〜７８の静電容量ＣＢ、ＣＳも概ね一定に保たれる。

２個の受電変換部８１、８２は、可動部３に設けられている。第１受電変換部８１は、第１および第２受電用電極７１、７２が受け取った高周波電力を変換して可動部３上の大電圧負荷９１に給電する。図４は、第１受電変換部８１の構成例を示す回路図である。第１受電変換部８１は、４個の整流ダイオードをブリッジ接続した全波整流回路８１１、ならびにコンデンサおよびコイルからなる平滑回路８１２が直列接続されて構成されている。後述するように、平滑回路８１２から出力される直流変換電圧Ｖ１が大電圧負荷９１の直流動作電圧に一致するように回路設計されている。

第２受電変換部８２は、第３および第４受電用電極７３、７４が受け取った高周波電力を変換して可動部３上の小電圧負荷９２に給電する。図５は、第２受電変換部８２の構成例を示す回路図である。第２受電変換部８２は、４個の整流ダイオードをブリッジ接続した全波整流回路８２１、コンデンサおよびコイルからなる平滑回路８２２、ならびにＤＣ−ＤＣコンバータ８２３が直列接続されて構成されている。後述するように、平滑回路８２２から出力される直流変換電圧Ｖ２は、小電圧負荷９２の直流動作電圧に一致するとは限らない。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２３を用いて、直流変換電圧Ｖ２を直流動作電圧に合わせ込むように調整する。ＤＣ−ＤＣコンバータ８２３として、例えば、汎用の三端子レギュレータを用いることができる。

図２に戻り、２個の共振用インダクタ６１、６２は、固定部２に設けられている。共振用インダクタ６１、６２として一般的にはコイルを用いる。第１共振用インダクタ６１の一方の端子６１１はブリッジ回路５２の一方の出力端子５３に接続され、他方の端子６１２は、第１給電用電極４１に接続されている。第２共振用インダクタ６２の一方の端子６２１はブリッジ回路５２の一方の出力端子５３に接続され、他方の端子６２２は、第３給電用電極４３に接続されている。

ここまでに説明した回路構成要素の接続により、複数の動作電圧ごとの直列共振回路が形成される。すなわち、大電圧負荷９１に対して、高周波電源部５、第１共振用インダクタ６１、第１コンデンサ７５、第１受電変換部８１、および第２コンデンサ７６が直列接続されて、大電圧直列共振回路９５（図６参照）が形成される。また、小電圧負荷９２に対して高周波電源部５、第２共振用インダクタ６２、第３コンデンサ７７、第２受電変換部８２、および第４コンデンサ７８が直列接続されて、小電圧直列共振回路９６（図６参照）が形成される。

次に、実施形態の非接触給電装置１の作用について説明する。図６は、実施形態における給電回路、すなわち大電圧直列共振回路９５および小電圧直列共振回路９６を示す等価回路図である。図中で、第１受電変換部８１および大電圧負荷９１は、近似された等価抵抗ＲＢで示され、第２受電変換部８２および小電圧負荷９２は、近似された等価抵抗ＲＳで示されている。大電圧直列共振回路９５では、第１および第２コンデンサ７５、７６の静電容量ＣＢと第１共振用インダクタ６１のインダクタンスＬＢとの間に、次式（２）で示される直列共振条件が成立している。換言すれば、回路設計の時点において、式（２）を満たすように静電容量ＣＢ、インダクタンスＬＢ、および基本周波数ｆが設計されている。

大電圧直列共振回路９５で直列共振条件が成立しているとき、方形波電圧Ｖｓのうちの基本波電圧により共振電流ＩＢが流れるが、第１および第２コンデンサ７５、７６ならびに第１共振用インダクタ６１で電圧降下が発生しない。したがって、基本波電圧の電圧振幅（２Ａ／π）がそのまま受電電圧として等価抵抗ＲＢの両端に発生する。また、大電圧直列共振回路９５で、直列共振条件が成立していない高調波電圧は、殆ど無視して考えることができる。したがって、電圧振幅（２Ａ／π）が大電圧負荷９１の直流動作電圧に適合するように、直流電源５１の出力電圧Ａを定めることができる。これにより、第１受電変換部８１にＤＣ−ＤＣコンバータを設ける必要がなくなる。

一方、小電圧直列共振回路９６では、第３および第４コンデンサ７７、７８の静電容量ＣＳと第２共振用インダクタ６２のインダクタンスＬＳとの間に、次式（３）で示される直列共振条件が成立している。換言すれば、回路設計の時点において、基本周波数ｆの逓倍数ｎの逓倍周波数ｎｆで式（３）を満たすように静電容量ＣＳおよびインダクタンスＬＳが設計されている。ここで、逓倍数ｎは、３以上の奇数を適宜選択することができる。

小電圧直列共振回路９６で直列共振条件が成立しているとき、方形波電圧Ｖｓのうちのｎ倍周波数の高調波電圧により共振電流ＩＳが流れるが、第３および第４コンデンサ７７、７８ならびに第２共振用インダクタ６２で電圧降下が発生しない。したがって、高調波電圧の電圧振幅がそのまま受電電圧として等価抵抗ＲＳに発生する。例えば、３倍周波数の高調波電圧では、電圧振幅（２Ａ／３π）がそのまま等価抵抗ＲＳに発生する。

しかしながら、この電圧振幅（２Ａ／３π）がそのまま小電圧負荷９２の直流動作電圧に適合するとは限らない。このため、第２受電変換部８２にはＤＣ−ＤＣコンバータ８２３を設けて、直流電圧を調整することが好ましい。また、３倍周波数を用いずに、５倍以上の逓倍周波数で直列共振条件が成立するようにしてもよい。式（１）からわかるように、逓倍数ｎが増加するにつれて抵抗ＲＳに発生する受電電圧は小さくなるので、受電電圧が小電圧負荷９２の直流動作電圧に最も近くなる適当な逓倍数ｎを選択することができる。

高周波電源部５が振幅Ａで基本周波数ｆの方形波電圧Ｖｓを出力すると、第１受電変換部８１は、基本周波数ｆの電圧振幅（２Ａ／π）の受電電圧に相当する高周波電力を受け取る。そして、第１受電変換部８１は、高周波電力を全波整流および平滑して、相対的に大きな直流動作電圧で大電圧負荷９１に給電することができる。これと同時に、第２受電変換部８２は、逓倍周波数ｎｆの受電電圧に相当する高周波電力を受け取る。そして、第２受電変換部８２は、高周波電力を全波整流、平滑、および電圧調整して、相対的に小さな直流動作電圧で小電圧負荷９２に給電することができる。これにより、可動部３上の複数の電気負荷９１、９２の直流動作電圧が互いに異なっていても、それぞれ異なる共振周波数で非接触給電を行えるという効果が発生する。

次に、実施形態の非接触給電装置１のさらなる効果について、一般的な非接触給電技術と比較して説明する。図７は、一般的な非接触給電技術を用いた参考形態の非接触給電装置１Ｘを模式的に説明する構成図である。参考形態の非接触給電装置１Ｘは、２枚の給電用電極４１Ｘ、４２Ｘ、高周波電源部５、共振用インダクタ６３、２枚の受電用電極７１Ｘ、７２Ｘ、電圧変換トランス８５、および２個の受電変換部８１Ｘ、８２Ｘなどで構成されている。

２枚の給電用電極４１Ｘ、４２Ｘは、金属材料で互いに同じ大きさに形成され、固定部２Ｘに配設されている。高周波電源部５は、図７では簡素化されているが、実施形態と同様の構成で、矩形波電圧Ｖｓを出力する。高周波電源部５の一方の出力端子５３は共振用インダクタ６３を経由して一方の給電用電極４１Ｘに接続され、他方の出力端子５４は他方の給電用電極４２Ｘに直接接続されている。２枚の受電用電極７１Ｘ、７２Ｘは、金属材料で互いに同じ大きさに形成され、可動部３Ｘに配設されている。２枚の受電用電極７１Ｘ、７２Ｘと２枚の給電用電極４１Ｘ、４２Ｘとは、それぞれ一対一で対向配置されて、平行板状の第１および第２コンデンサ７５Ｘ、７６Ｘが構成されている。

電圧変換トランス８５は、可動部３Ｘに配設されている。電圧変換トランス８５は、一次巻線８５１と、互いに巻数の異なる第１二次巻線８５２および第２二次巻線８５３とを有している。一次巻線８５１の２つの端子は、２枚の受電用電極７１Ｘ、７２Ｘに接続されている。第１および第２二次巻線８５２、８５３のそれぞれの巻数は、大電圧負荷９１および小電圧負荷９２の直流動作電圧に対応して適宜設定されている。したがって、第１二次巻線８５２の巻数は、第２二次巻線８５３よりも多い。

２個の受電変換部８１Ｘ、８２Ｘは、可動部３に設けられており、全波整流回路および平滑回路で構成されている。第１受電変換部８１Ｘの入力側は電圧変換トランス８５の第１二次巻線８５２に接続され、出力側は大電圧負荷９１に接続されている。同様に、第２受電変換部８２Ｘの入力側は電圧変換トランス８５の第２二次巻線８５３に接続され、出力側は小電圧負荷９２に接続されている。

共振用インダクタ６３は、固定部２Ｘに設けられており、一般的にはコイルを用いる。高周波電源部５、第１共振用インダクタ６３、第１コンデンサ７５Ｘ、電圧変換トランス８５の一次巻線８５１、および第２コンデンサ７６Ｘにより、直列共振回路が形成される。直列共振回路では、基本周波数ｆの高周波電圧で直列共振が発生して、電圧変換トランス８５の一次巻線８５１に大きな一次電流が流れる。

参考形態では、高周波電源部５が方形波電圧Ｖｓを出力すると、基本周波数ｆで直列共振が発生して、電圧変換トランス８５の一次巻線８５１に高周波電力が入力され、２つの二次巻線８５２、８５３から電圧値の異なる高周波電力が出力される。したがって、第１および第２受電変換部８１Ｘ、８２Ｘから大電圧負荷９１および小電圧負荷９２に、それぞれの所定の直流動作電圧で給電することができる。換言すれば、方形波電圧Ｖｓに含まれる基本波電圧のみを使用して非接触給電を行っている。

参考形態において、電圧変換トランス８５は非常に大きくかつ重量があるため、可動部３Ｘが著しく大型化しかつ重量化してしまう。これに対して、実施形態の非接触給電装置１では、可動部３上に電圧変換トランス８５を搭載しないので、可動部３が重厚長大化しない。さらに、実施形態では、基本波電圧に加えて高調波電圧を非接触給電に使用するので、基本波電圧のみを使用する参考形態の装置１Ｘや高調波電圧のみを使用する特許文献１の装置と比較して高い給電効率が得られる。

また、実施形態では、直流動作電圧が大きい大電圧負荷９１に対して基本周波数ｆを共振周波数として給電し、直流動作電圧が小さい小電圧負荷９２に対して逓倍周波数ｎｆを共振周波数として給電する。これにより、受電変換部８１、８２での電圧調整が容易になり、高い給電効率を確保でき、装置１のコスト低廉化にも寄与できる。さらに、給電用素子および受電用素子に電極４１〜４４、７１〜７４を用いた静電結合方式を採用しているので、電磁誘導方式で重厚長大なコイルを用いる構成と比較して、可動部３を軽量化でき、装置１のコストも低廉化できる。

また、第２受電変換部８２は、ＤＣ―ＤＣコンバータ８２３を含んで直流電圧を調整するので、第２受電変換部８２が受け取る高周波電力の性状を問わず、確実に小電圧負荷９２の直流動作電圧での給電を行うことができる。仮に、ＤＣ―ＤＣコンバータ８２３を設けないと、高調波電圧の電圧振幅は理論的に離散的な値しかとらないので、小電圧負荷９２の直流動作電圧を正確に維持することが難しい。一方、高周波電源部５は、直流電源５１およびブリッジ回路５２からなる簡素な回路構成であり、装置１のコスト低廉化に寄与できる。

なお、複数の電気負荷が３種類以上の直流動作電圧を有する場合には、直列共振回路を３系統化する。つまり、実施形態の構成に加えてさらに、第５および第６給電用電極、第３共振用インダクタ、第５および第６受電用電極、ならびに第３受電変換部を設ける。この場合、第１直列共振回路は基本周波数ｆで共振するように構成し、第２以降の直列共振回路は逓倍数ｎが互いに異なる逓倍周波数ｎｆでそれぞれ共振するように構成する。また、電気負荷のいずれかが交流動作電圧を有する場合は、対応する受電変換部をインバータ回路に置き換える。

さらになお、高周波電源部５のブリッジ回路５２の出力側にローパスフィルタを追加して、非接触給電に使用しない大きな逓倍数の高調波電圧を削減し、不要なノイズの発生を抑制してもよい。また、共振用インダクタ６１、６２は２分して、大電圧および小電圧直列共振回路９５、９６の往路と復路にそれぞれ直列接続するように回路構成してもよい。また、第１受電変換部８１にもＤＣ−ＤＣコンバータを設けて、大電圧負荷９１に供給する直流動作電圧を安定化するようにしてもよい。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、部品実装機を始めとする基板用作業機器に限定されるものでなく、可動部を有して非接触給電を必要とする他の業種の産業用機器にも広く利用できる。さらには、軌道を走行する電車やモノレールなどに対してパンタグラフなどを用いずに非接触給電する用途にも利用可能である。

１、１Ｘ：非接触給電装置
２、２Ｘ：固定部 ３、３Ｘ：可動部
４１〜４４：第１〜第４給電用電極
５：高周波電源部 ５１：直流電源
５２：ブリッジ回路 ５３、５４：出力端子
６１、６２、６３：共振用インダクタ
７１〜７４：第１〜第４受電用電極
７５〜７８：第１〜第４コンデンサ
８１：第１受電変換部 ８１１：全波整流回路
８１２：平滑回路
８２：第２受電変換部 ８２１：全波整流回路
８２２：平滑回路 ８２３：ＤＣ−ＤＣコンバータ
９１：大電圧負荷 ９２：小電圧負荷
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
１５１：軌道部材 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
Ｖｓ：方形波電圧

Claims (5)

1. 固定部に設けられた給電用素子と、
   前記給電用素子に高周波電力を給電する高周波電源部と、
   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受電用素子と、
   前記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気負荷群に給電する受電変換部と、
   前記給電用素子および前記受電用素子に直列接続されて直列共振回路を形成する共振用素子と、を備えた非接触給電装置であって、
   前記電気負荷群は、動作電圧が互いに異なる複数の電気負荷を含み、
   前記高周波電源部は、基本周波数の基本波電圧および前記基本周波数を逓倍した逓倍周波数の高調波電圧を含む高周波電圧を出力し、
   前記給電用素子、前記受電用素子、および前記共振用素子は、複数の動作電圧に対応し複数設けられて動作電圧ごとの直列共振回路を形成し、
   前記動作電圧ごとの直列共振回路の共振周波数は、一つが前記基本周波数であり、残りが前記逓倍周波数であり、かつ互いに異なっている非接触給電装置。
2. 請求項１において、前記動作電圧が大きいほど、対応して形成された直列共振回路の共振周波数が小さい非接触給電装置。
3. 請求項１または２において、前記給電用素子は給電用電極であり、前記受電用素子は受電用電極であり、前記共振用素子は共振用インダクタである非接触給電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記受電変換部は、前記複数の動作電圧に対応して複数個設けられ、
   特定の電気負荷の直流動作電圧に対応して設けられた少なくとも１個の受電変換部は、前記受電用素子が受け取った高周波電力を直流変換電圧に変換する全波整流回路と、前記直流変換電圧を前記直流動作電圧に調整するＤＣ―ＤＣコンバータと、を含む非接触給電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記高周波電源部は、直流電源と４個のスイッチング素子からなるブリッジ回路とを含んで構成され、前記基本周波数の方形波電圧を出力する非接触給電装置。

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