JPWO2017094119A1 - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の非接触給電装置(1)は、固定部(基板生産ライン9)に配置された複数の給電コイル(31L、31R)および交流電源(2L、2R)と、移動体(99)に設けられた複数の受電コイル(41L、41R)および受電回路(5)と、給電コイルごとに設けられて給電コイルと受電コイルとの正対状態を検出したときにのみ交流電源から給電コイルに交流電力を供給させる正対時給電部(6)とを備え、複数の給電コイルならびに複数の受電コイルの移動方向の長さ(LT、LR)および相互離間距離(DT、DR)は、正対条件を満足するように設定され、受電回路は、正対状態にある少なくとも1個の受電コイルが受け取った交流電力を変換して駆動電圧以上の受電電圧を生成可能である。これによれば、電気負荷(57)は常に安定して動作するので、従来移動体に必要とされていた充電回路およびバッテリを不要化でき、移動体の小形軽量化が実現される。

Description

本発明は、固定部から移動体に非接触で給電する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生産機として、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る。これらの設備を連結して基板生産ラインを構成することが一般的になっている。さらに、モジュール化された同じ大きさの基板生産機を列設して基板生産ラインを構成する場合も多い。モジュール化された基板生産機を用いることにより、ラインの組み替え時やラインを長大化する増設時の段取り替え作業が容易になり、フレキシブルな基板生産ラインが実現される。
近年、基板生産ラインの各基板生産機で使用する機材や部材を、基板生産ラインに沿って移動する移動体に搬送させ、省力化および自動化を推進することが検討されている。さらに、移動体への給電手段として、非接触給電装置が考えられている。なお、非接触給電装置の用途は、基板生産ラインに限定されず、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野にわたっている。この種の非接触給電装置に関する技術例が特許文献1〜3に開示されている。
特許文献1の走行中非接触給電システムは、移動体の走行路に沿って設置された複数の一次側給電トランス(給電素子)と、移動体に設けられた二次側給電トランス(受電素子)とを備える。一次側給電トランスおよび二次側給電トランスは、コアの磁極間に巻線が巻回された両側巻コイルからなる。そして、磁極寸法をDとするとき、2個の一次側給電トランスは、磁極の中心間距離が3Dを超えない範囲で離間して設置されている。さらに、実施形態には、二次側給電トランスの後段に整流回路、充電回路、および蓄電素子を備える態様が開示されている。これによれば、一次側給電トランスを飛び石状に配置できるので設定工事が容易であり、少ない一次側給電トランスで長い給電区間を確保できる、とされている。
特許文献2に開示された給電システムは、高周波電源と送電用コイルと送電用共鳴コイルとを備える送電装置、ならびに、受電用共鳴コイルと受電用コイルと整流回路とDC−DCコンバータとバッテリとを備える受電装置を有する。これによれば、受電装置における入力インピーダンスの変動を考慮せず給電を行え、給電条件を動的に変化させずとも給電効率を高くできる、とされている。
特許文献3の直動機構用無接触給電装置は、1次側トランスユニット(給電素子)を移動体の全移動範囲にわたり複数個間欠的に配置し、これらの1次側トランスユニットを高周波インバータにそれぞれスイッチを介して並列接続し、2次側トランスユニット(受電素子)を移動体に取り付けている。実施形態には、移動体の接近を検出するとスイッチを閉じる位置検出手段が開示されている。これによれば、移動体がどの位置にあっても、2次側トランスユニットと対向している1次側トランスユニットが常に1個以上励磁されており、移動体への給電が可能である、とされている。
特開2014−147160号公報 特開2013−153640号公報 特開平7−322535号公報
ところで、特許文献1および特許文献2の技術例では、移動体の位置に依存して非接触給電される電力が変動する。このため、給電電力の減少に備えて、移動体側に充電回路およびバッテリ(蓄電素子)を設ける必要があった。これにより、移動体は、重量が増加しかつ大型化するので、移動に必要な駆動力が増加してしまう。特に、駆動力を発生する電動式の駆動源を移動体に搭載している構成では、給電電力を増加させるために受電素子の大形化が必要となるため、移動体のさらなる重厚長大化を招いてしまう。
移動体側に充電回路およびバッテリを必要としない点に関して、特許文献3の技術例は優れている。しかしながら、特許文献3では、1次側トランスユニット(給電素子)の3個分に相当する大きな2次側トランスユニット(受電素子)を移動体に備えるため、移動体が重厚長大になっている。上述してきた問題点を逆に捉えると、移動体を小形軽量化して駆動力を小さくするためには、充電回路およびバッテリの不要化、ならびに受電素子の小形化が必要である。
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、給電素子よりも小形の受電素子を移動体に備えて、移動体の小形軽量化を実現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本発明の非接触給電装置は、固定部に設定された移動方向に沿い相互に離間して配置された複数の給電素子と、前記複数の給電素子に個別に交流電力を供給可能な交流電源と、前記移動方向に沿って移動する移動体に設けられ、かつ前記移動方向に沿い相互に離間して配置され、前記複数の給電素子のうち対向配置されたいずれかの給電素子と電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数の受電素子と、前記複数の受電素子が受け取った交流電力を変換して受電電圧を生成し、前記移動体に設けられた電気負荷に出力する受電回路と、前記複数の給電素子のそれぞれの給電素子ごとに設けられ、前記給電素子の前記移動方向の長さの範囲内に前記複数の受電素子のうち少なくとも1個の受電素子の前記移動方向の長さの全体が対向するという正対状態を検出し、前記正対状態を検出したときにのみ前記交流電源から前記給電素子に前記交流電力を供給させる正対時給電部とを備え、前記複数の給電素子の移動方向の長さおよび相互離間距離、ならびに前記複数の受電素子の移動方向の長さおよび相互離間距離は、常に前記給電素子と前記少なくとも1個の受電素子とが前記正対状態になるという正対条件を満足するように設定され、前記受電回路は、前記正対状態にある前記少なくとも1個の受電素子が受け取った交流電力を変換して、前記電気負荷を駆動する駆動電圧以上の受電電圧を生成可能である。
本発明の非接触給電装置は、給電素子よりも小形の受電素子の複数個を移動体に備えており、移動体の位置に関係なく常に、給電素子と少なくとも1個の受電素子とが正対状態になる。そして、交流電源から正対状態にある給電素子に交流電力が供給され、正対状態にある受電素子が受け取った交流電力から駆動電圧以上の受電電圧が生成されて電気負荷に給電される。これにより、電気負荷は、常に安定して動作する。したがって、給電素子よりも小形の受電素子を移動体に備える一方で、従来移動体に必要とされていた充電回路およびバッテリを不要化でき、移動体の小形軽量化が実現される。
第1実施形態の非接触給電装置の構成を模式的に説明する図である。 非接触給電装置の移動体の側の詳細な回路構成を示した回路図である。 正対時給電部の構成を模式的に説明する図である。 正対時給電部の構成を模式的に説明する図3のZ方向から見た部分拡大側面図である。 図3から移動体が右方向へ移動した図であり、2個の受電コイルが第1基板生産機の給電コイルに正対した状態を示している。 図5から移動体が右方向へ移動した図であり、ドッグが第1基板生産機の左側のセンサを作動しなくなる瞬間の状態を示している。 図6から移動体が右方向へ移動した図であり、ドッグが第2基板生産機の左側のセンサを作動し始める瞬間の状態を示している。 図7から移動体が右方向へ移動した図であり、左側の受電コイルが第1基板生産機の給電コイルに正対し、右側の受電コイルが第2基板生産機の給電コイルに正対した状態を示している。 図8から移動体が右方向へ移動した図であり、ドッグが第1基板生産機の右側のセンサに作動しなくなって、交流電源が停止される瞬間の状態を示している。 図9から移動体が右方向へ移動した図であり、ドッグが第2基板生産機の両方のセンサを作動し、右側の受電コイルが第2基板生産機の給電コイルに正対し、左側の受電コイルが2個の給電コイルにずれて対向している状態を示している。 移動体の移動に伴って変化する第1および第2基板生産機のセンサおよび交流電源の状態を示すタイムチャートの図である。 第2実施形態の交流電源および正対時給電部の構成を模式的に説明する図である。
(1.第1実施形態の非接触給電装置1の構成)
本発明の第1実施形態の非接触給電装置1について、図1〜図11を参考にして説明する。図1は、第1実施形態の非接触給電装置1の構成を模式的に説明する図である。第1実施形態の非接触給電装置1は、固定部に相当する基板生産ライン9に組み付けられている。図1に示されるように、基板生産ライン9は、3台の第1〜第3基板生産機91、92、93が列設されて構成されている。図1の左右方向は、第1〜第3基板生産機91、92、93の列設方向であり、後述する移動体99の移動方向でもある
各基板生産機91、92、93は、モジュール化されており、列設方向の幅寸法MLが互いに等しい。第1〜第3基板生産機91、92、93、は列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替えが可能とされている。基板生産ライン9を構成する基板生産機の列設台数は4台以上でもよく、後から列設台数を増やすモジュール増設対応も可能になっている。第1〜第3基板生産機91、92、93として、部品実装機を例示でき、これに限定されない。
第1〜第3基板生産機91、92、93の前方には、列設方向に延在する図略のガイドレールが配設されている。移動体99は、ガイドレールに沿って移動方向(第1〜第3基板生産機91、92、93の列設方向)に移動する。移動体99は、各基板生産機91、92、93で使用する機材や部材を図略の保管庫から搬入し、使用後の機材や部材を保管庫に戻す役割を担っている。
第1実施形態の非接触給電装置1は、第1〜第3基板生産機91、92、93から移動体99に非接触給電を行う装置である。非接触給電装置1は、第1〜第3基板生産機91、92、93に、それぞれ交流電源2、給電コイル31、および給電側コンデンサ35を備える。また、非接触給電装置1は、移動体99に2個の受電コイル41、2個の受電側コンデンサ45、および受電回路5を備える。さらに、非接触給電装置1は、給電コイル31ごとに設けられた正対時給電部6を備える。
3台の基板生産機91、92、93、およびモジュール化された他の基板生産機の非接触給電装置1に関する構成は同一であるので、以降では第1基板生産機91に詳細な符号を付して説明する。交流電源2は、電源スイッチ23L、23R(図3に示す)が投入されると動作して交流電圧を給電コイル31に供給し、電源スイッチ23L、23Rが開放されると停止する。電源スイッチ23L、23Rの投入および開放は、後述するセンサ61L、61R、62L、62R(図3、図4に示す)から指令される。3台の基板生産機91、92、93に設けられた合計3個の交流電源2は、相互に独立して動作可能となっている。交流電圧の周波数は、後述する給電側共振回路および受電側共振回路の共振周波数に基づいて設定されることが好ましい。
交流電源2は、例えば、直流電圧を供給する直流電源部と、直流電圧を交流変換する公知のブリッジ回路とを用いて構成できる。交流電源2は、電圧値や周波数、位相などを調整する機能を具備していてもよい。交流電源2の第1出力端子21は、給電コイル31の一端311に直結されており、第2出力端子22は、給電側コンデンサ35の一端351に接続されている。
給電コイル31は、給電素子の一形態である。給電コイル31は、各基板生産機91、92、93の前面に設けられており、搬送方向の前後で対称形状に形成されている。給電側コンデンサ35は、給電コイル31に直列接続されて給電側共振回路を形成する共振用素子である。給電側コンデンサ35の他端352は、給電コイル31の他端352に接続されている。これにより、閉じた給電回路が構成される。
2個の受電コイル41は、移動体99の給電コイル31に対向する側面98に配設されており、移動方向に沿い相互に離間して配置される。受電コイル41は、受電素子の一形態である。給電コイル31および受電コイル41は、対向配置されると電磁結合し、相互インダクタンスが発生して非接触給電が可能になる。給電コイル31と受電コイル41との実際の離間距離は、図示された離間距離よりも小さい。
受電コイル41の一端411は、受電側コンデンサ45の一端451、および受電回路5を構成する整流回路51の入力側の一端子511に接続されている。受電コイル41の他端412は、受電側コンデンサ45の他端452、および整流回路51の入力側の他端子512に接続されている。受電側コンデンサ45は、受電コイル41に並列接続されて受電側共振回路を形成する共振用素子である。
図2は、移動体99の側の詳細な回路構成を示した回路図である。図示されるように、受電回路5は、受電コイル41ごとに設けられた整流回路51、および、2個の整流回路51に対して共通に設けられた直流電源回路55を含んで構成されている。整流回路51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52、および全波整流回路52の出力側に接続された平滑コンデンサ53によって構成される。2個の整流回路51の出力側の一端子513および他端子514は、直流電源回路55に対して並列接続されている。2個の整流回路51は、それぞれの入力側に接続された受電コイル41が非接触給電により受け取った交流電力を直流の受電電圧に変換して、直流電源回路55に出力する。
直流電源回路55は、駆動電圧の安定化作用を有する。つまり、直流電源回路55は、整流回路51から出力された電圧値不定の直流の受電電圧を概ね一定電圧の直流の駆動電圧に調整して、移動体99に搭載された電気負荷57に給電する。電気負荷57は、移動体99の移動用駆動源、例えばリニアモータなどを含んでいてもよい。直流電源回路55として、スイッチング方式またはドロッパ方式のDCDCコンバータを例示できる。直流電源回路55は、降圧機能を具備しており、さらに昇圧機能を具備していてもよい。
次に、給電コイル31および受電コイル41の移動方向の長さ、および移動方向に隣り合う相互離間距離、ならびにその大小関係がもたらす作用について説明する。図1に示されるように、給電コイル31の移動方向の長さをLTとし、給電コイル31の相互離間距離をDTとする。また、受電コイル41の移動方向の長さをLRとし、受電コイル41の相互離間距離をDRとする。給電コイル31の移動方向の長さLTは、基板生産機91、92、93の幅寸法MLよりも少しだけ小さい。
ここで、DT≦DRの関係が成り立っている。この関係によれば、基板生産ライン9の側の小さな相互離間距離DTの間に、移動体99の側の2個の受電コイル41が対向することは無い。このため、2個の受電コイル41の少なくとも一方は必ず、相互離間距離DTの範囲から外れて給電コイル31に正対した正対状態となる。「正対状態」とは、給電コイル31の移動方向の長さLTの範囲内に受電コイル41の移動方向の長さLRの全体が対向する状態を意味する。
また、(2×LR+DR)≦LTの関係が成り立っている。この関係によれば、2個の受電コイル41の移動方向の長さLRの全体が1個の給電コイル31の移動方向の長さLTの範囲内に対向する時間帯が発生する。換言すると、移動体99の移動に伴って、2個の受電コイル41が1個の給電コイル31に正対する状態が発生する。DT≦DRの関係、および(2×LR+DR)≦LTの関係は、常に給電コイル31と少なくとも1個の受電コイル41とが正対状態になるという正対条件を満足する。
具体的に、図1に示される位置関係において、第1基板生産機91の給電コイル31と図中の左側の受電コイル41とが正対し、第2基板生産機92の給電コイル31と図中の右側の受電コイル41とが正対している。このとき、2個の受電コイル41は、ともに良好な受電状態となり、矢印P1、P2に示されるように大きな交流電力を受け取ることができる。そして、2個の受電コイル41が受け取った交流電力は、それぞれ整流回路51で整流された後に直流電源回路55で合算される。これにより、2個の受電コイル41が受け取った交流電力に相当する大きな直流電力が電気負荷57に供給可能となる。
図1の状態から移動体99が右方向に移動すると、右側の受電コイル41は、第2基板生産機92の給電コイル31に正対し続ける。一方、左側の受電コイル41は、第1基板生産機91の給電コイル31の正面からずれて対向する。「ずれた対向」とは、受電コイル41の移動方向の長さLRの一部だけが給電コイル31の移動方向の長さLTの範囲内に対向する位置関係を意味する。
ここで、正対状態にある右側の受電コイル41が受け取った交流電力から生成される直流の受電電圧(整流回路51の出力電圧)は、電気負荷57を駆動する駆動電圧以上となる。つまり、給電コイル31の正面からずれて対向する左側の受電コイル41が仮に全く受電できず、さらには、直流電源回路55が昇圧機能を具備していなくても、電気負荷57は安定して動作する。
(2.正対時給電部6の構成)
次に、図1に省略されていた正対時給電部6の構成について説明する。図3は、正対時給電部6の構成を模式的に説明する図である。また、図4は、正対時給電部6の構成を模式的に説明する図3のZ方向から見た部分拡大側面図である。正対時給電部6は、各基板生産機91〜93のそれぞれの給電素子31(31L、31R)ごとに設けられる。正対時給電部6は、正対状態検出部を構成するセンサ61L、61R、62L、62Rおよびドッグ68、ならびに交流電源2(2L、2R)の電源スイッチ23L、23Rなどで構成されている。
図3に示されるように、センサ61L、61R、62L、62Rは、1個の給電素子31L、31Rに2個ずつ設けられる。センサ61L、61R、62L、62Rは、給電コイル31L、31Rの移動方向の両端から受電素子41L、41Rの移動方向の長さLR分だけ中央に寄った位置に配置されている。ドッグ68は、細長い板状の部材であり、移動体99の側面98から突出して設けられている。ドッグ68は、2個の受電素子41L、41Rの相互に離れた遠方端同士を結んで延在している。
センサ61L、61R、62L、62Rは、検出光の遮断を検出するタイプのセンサである。センサ61L、61R、62L、62Rには、安価な汎用品を用いることができる。図4に示されるように、センサ61L、61R、62L、62Rは、本体部64、投光部65、および受光部66からなる。投光部65および受光部66は、本体部64から突設され、相互に離隔している。投光部65と受光部66との間には、ドッグ68が進入および退出できるように配置されている。
投光部65は、受光部66に向けて検出光を照射する。受光部66は、検出光が遮断された遮断状態と、検出光が到達した受光状態とを区別して検出する。ドッグ68が投光部65と受光部66との間に進入(以降は「ドッグ68がセンサに進入」と略記)すると、遮断状態になる。ドッグ68が投光部65と受光部66との間から退出すると、受光状態になる。第1基板生産機91の内部で、2個のセンサ61L、61Rの本体部64は、それぞれ交流電源2Lの電源スイッチ23Lに接続されている。同様に、第2基板生産機92の内部で、2個のセンサ62L、62Rの本体部64は、それぞれ交流電源2Rの電源スイッチ23Rに接続されている。
ドッグ68は、受電コイル41(41L、41R)が正対状態にあるとき、センサ61L、61R、62L、62Rに進入して、センサ61L、61R、62L、62Rを作動する。具体的に図3の例で、右側の受電コイル41Rは、第1基板生産機91の給電コイル31Lと正対状態にある。ドッグ68は、第1基板生産機91の2個のセンサ61L、61Rに進入している。これにより、2個のセンサ61L、61Rの受光部66は遮断状態を検出する。受光部66が遮断状態を検出している時間帯にのみ、本体部64は、投入指令Ponを電源スイッチ23Lに指令する。2個のセンサ61L、61Rの少なくとも一方の投入指令Ponが発生している時間帯にのみ、電源スイッチ23Lが投入されて交流電源2Lが動作する。
また、ドッグ68は、第2基板生産機92の2個のセンサ62L、62Rに進入しておらず、センサ62L、62Rを作動しない。したがって、第2基板生産機92では、電源スイッチ23Rに投入指令Ponが指令されず、交流電源2Rは停止している。
(3.第1実施形態の非接触給電装置1の動作)
次に、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。簡易な動作の例として、移動体99が図3に示される左端位置から右方向へと一定の移動速度で移動する場合を想定する。実際には、移動体99は、移動速度が可変に制御されるとともに、移動方向の任意の位置で停止可能である。図5〜図10は、移動体99が図中の右方向へ移動してゆく状態を時系列的に示す図である。また、図11は、移動体99の移動に伴って変化する第1および第2基板生産機91、92のセンサ61L、61R、62L、62Rおよび交流電源2L、2Rの状態を示すタイムチャートの図である。
時刻t1に、移動体99は、図3に示される左端位置にある。このとき、ドッグ68は、第1基板生産機91の2個のセンサ61L、61Rに進入している。図11に示されるように、第1基板生産機91の2個のセンサ61L、61Rは遮断状態で投入指令Ponを指令しており、交流電源2Lは動作している。したがって、左側の受電コイル41Lの受電状態が良好でなくとも、正対状態にある右側の受電コイル41Rから十分な受電電圧が得られ、電気負荷57は安定して動作する。一方、第2基板生産機92の2個のセンサ62L、62Rはドッグ68が進入しない受光状態にあり、交流電源2Rは停止している。
移動体99が左端位置から移動して、時刻t2になると、図5に示された位置に到達する。図5は、2個の受電コイル41L、41Rが、ともに第1基板生産機91の給電コイル31Lに正対する正対状態を示している。この2個の正対状態は、時刻t2を含むわずかな時間幅だけ継続する。この後、右側の受電コイル41Rは、給電コイル31Lよりも右方にずれて正対状態が解消される。一方、左側の受電コイル41Lは、正対状態が維持されるので、十分な受電電圧が維持される。
移動体99がさらに移動して、時刻t3になると、図6に示された位置に到達する。図6は、ドッグ68が第1基板生産機91の左側のセンサ61Lを作動しなくなる瞬間の状態を示している。時刻t3以降に、ドッグ68の左端は左側のセンサ61Lから退出するので、センサ61Lは受光状態となり、投入指令Ponは無くなる(図11参照)。一方、右側のセンサ61Rは、ドッグ68の進入状態が維持される。したがって、右側のセンサ61Rの投入指令Ponにより、交流電源2Lは動作し続ける。これにより、左側の受電コイル41Lから十分な受電電圧が得られる。また、ドッグ68は、第2基板生産機92の左側のセンサ62Lを作動しておらず、第2基板生産機92の交流電源2Rは動作しない。
移動体99がさらに移動して、時刻t4になると、図7に示された位置に到達する。図7は、ドッグ68が第2基板生産機92の左側のセンサ62Lを作動し始める瞬間の状態を示している。図示されるように、ドッグ68の右端が第2基板生産機92の左側のセンサ62Lに進入する瞬間に、左側のセンサ62Lは遮断状態となり、投入指令Ponを指令する。これにより、交流電源2Rが動作を開始する(図11参照)。同時に、右側の受電コイル41Rは、第2基板生産機92の給電コイル31Rに正対する正対状態となるので、十分な受電電圧が得られる。加えて、左側の受電コイル41Lも、給電コイル31Lとの正対状態が継続されて、十分な受電電圧が得られる。
移動体99がさらに移動して、時刻t5になると、図8に示された位置に到達する。図8は、左側の受電コイル41Lが第1基板生産機91の給電コイル31Lに正対し、右側の受電コイル41Rが第2基板生産機92の給電コイル31Rに正対した状態を示している。この状態では、2個の正対状態の受電コイル41L、41Rから、それぞれ十分な受電電圧が得られる。この2個の正対状態は、時刻t5を含む比較的長い時間幅にわたって継続する。
移動体99がさらに移動して、時刻t6になると、図9に示された位置に到達する。図9は、ドッグ68が第1基板生産機91の右側のセンサ61Lに作動しなくなって、交流電源2Lが停止される瞬間の状態を示している。図示されるように、ドッグ68の左端は、第1基板生産機91の右側のセンサ61Rから退出する。退出する瞬間に右側のセンサ61Rは受光状態となり、投入指令Ponが無くなるので、交流電源2Lは停止する。同時に、左側の受電コイル41Rは、給電コイル31Lよりも右方にずれて正対状態が解消される。一方、右側の受電コイル41Lは、給電コイル31Rとの正対状態が継続されて、十分な受電電圧が得られる。
移動体99がさらに移動して、時刻t7になると、図10に示された位置に到達する。図10は、ドッグ68が第2基板生産機92の両方のセンサ62L、62Rを作動し、右側の受電コイル41Rが第2基板生産機92の給電コイル31Rに正対し、左側の受電コイル41Lが2個の給電コイル31L、31Rにずれて対向している状態を示している。図11に示される時刻t6と時刻t7との間に、ドッグ68の右端は右側のセンサ62Rに進入し、センサ62Rは遮断状態となり、投入指令Ponを指令する。
一方、ドッグ68は、第1基板生産機91の右側のセンサ61Rから既に退出しており、交流電源2Lは停止している。したがって、左側の受電コイル41Lは、第1基板生産機91の給電コイル31Lから給電されず、第2基板生産機92の給電コイル31Rからの給電も十分でない、しかしながら、右側の受電コイル41Rは、給電コイル31Rとの正対状態が継続されて、十分な受電電圧が得られる。したがって、左側の受電コイル41Lが仮に全く受電できなくとも、電気負荷57は安定して動作する。
上述した動作において、給電コイル31Rが受電コイル41Rに正対した瞬間の時刻t4に、タイムリーに交流電源2Rが動作を開始する。また、給電コイル31Lが受電コイル41Lに正対しなくなる瞬間の時刻t6に、タイムリーに交流電源2Lが停止される。したがって、正対状態にある給電コイル31(31L、31R)は、必ず交流電力が供給されて、良好に非接触給電を行える。また、給電コイル31(31L、31R)は、正対状態でなくなる瞬間から、交流電力が供給されなくなる。つまり、交流電源2(2L、2R)は、給電コイル31(31L、31R)が正対状態になるときにのみ動作するので、電源効率が高い。
(4.第1実施形態の非接触給電装置1の態様および効果)
第1実施形態の非接触給電装置1は、固定部(基板生産ライン9)に設定された移動方向に沿い相互に離間して配置された複数の給電コイル31(31L、31R)と、複数の給電素子に個別に交流電力を供給可能な交流電源2(2L、2R)と、移動方向に沿って移動する移動体99に設けられ、かつ移動方向に沿い相互に離間して配置され、複数の給電コイルのうち対向配置されたいずれかの給電コイル31(31L、31R)と電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数の受電コイル41(41L、41R)と、複数の受電コイル41(41L、41R)が受け取った交流電力を変換して受電電圧を生成し、移動体99に設けられた電気負荷57に出力する受電回路5と、複数の給電コイルのそれぞれの給電コイル31(31L、31R)ごとに設けられ、給電コイル31(31L、31R)の移動方向の長さLTの範囲内に複数の受電コイルのうち少なくとも1個の受電コイル41(41L、41R)の移動方向の長さLRの全体が対向するという正対状態を検出し、正対状態を検出したときにのみ交流電源2(2L、2R)から給電コイル31(31L、31R)に交流電力を供給させる正対時給電部6とを備え、複数の給電コイル31(31L、31R)の移動方向の長さLTおよび相互離間距離DT、ならびに複数の受電コイル41(41L、41R)の移動方向の長さLRおよび相互離間距離DRは、常に給電コイル31(31L、31R)と少なくとも1個の受電コイル41(41L、41R)とが正対状態になるという正対条件を満足するように設定され、受電回路5は、正対状態にある少なくとも1個の受電コイル41(41L、41R)が受け取った交流電力を変換して、電気負荷57を駆動する駆動電圧以上の受電電圧を生成可能である。
第1実施形態の非接触給電装置1は、給電コイル31(31L、31R)よりも小形の受電コイル41(41L、41R)の複数個を移動体99に備えており、移動体99の位置に関係なく常に、給電コイル31(31L、31R)と少なくとも1個の受電コイル41(41L、41R)とが正対状態になる。そして、交流電源2(2L、2R)から正対状態にある給電コイル31(31L、31R)に交流電力が供給され、正対状態にある受電コイル41(41L、41R)が受け取った交流電力から駆動電圧以上の受電電圧が生成されて電気負荷57に給電される。これにより、電気負荷57は、常に安定して動作する。したがって、給電コイル31(31L、31R)よりも小形の受電コイル41(41L、41R)を移動体99に備える一方で、従来移動体99に必要とされていた充電回路およびバッテリを不要化でき、移動体99の小形軽量化が実現される。
さらに、第1実施形態の非接触給電装置1において、正対条件は、DT≦DRの関係、および(2×LR+DR)≦LTの関係によって表される。これによれば、2個の受電コイル41L、41Rは、同じ給電コイル31Lに正対する状態、互いに異なる給電コイル31L、31Rに正対する状態、および一方が給電コイル31Rに正対し他方が給電コイル31L、31Rにずれて対向する状態、の3状態を取り得るのみである。したがって、正対条件に基づき、給電コイル31および受電コイル41の移動方向の長さLT、LR、および相互離間距離DT、DRを実際に設定して、非接触給電装置1を設計および製造することができる。
さらに、正対時給電部6は、給電コイル31(31L、31R)ごとに設けられた交流電源2(2L、2R)を活殺する電源スイッチ23L、23Rと、正対状態を検出したときにのみ電源スイッチ23L、23Rを投入する正対状態検出部と、を含む。これによれば、交流電源2(2L、2R)は、給電コイル31(31L、31R)が正対状態になるときにのみ動作するので、電源効率が高い。
さらに、正対状態検出部は、給電コイル31(31L、31R)に対応して固定部(基板生産ライン9)に設けられたセンサ61L、61R、62L、62Rと、複数の受電コイル41(41L、41R)に対応して移動体99に設けられたドッグ68と、を含み、正対状態にある少なくとも1個の受電コイル41(41L、41R)に対応するドッグ68がセンサ61L、61R、62L、62Rを作動する。これによれば、安価な汎用品のセンサ61L、61R、62L、62Rと、細長い板状のドッグ68とを組み合わせて正対状態検出部を構成でき、コストを低廉にできる。
さらに、センサ61L、61R、62L、62Rは、給電コイル31(31L、31R)の移動方向の両端から受電コイル41(41L、41R)の移動方向の長さLR分だけ中央に寄った位置に配置され、ドッグ68は、複数の受電コイル41(41L、41R)の相互に離れた遠方端同士を結んで延在する。これによれば、正対状態の発生および解消を精度よく検出してタイムリーに交流電源2(2L、2R)を活殺できるので、電源効率を高める効果が顕著になる。
さらに、給電コイル31(31L、31R)に接続されて共振回路を形成する給電側コンデンサ35、および受電コイル41(41L、41R)に接続されて共振回路を形成する受電側コンデンサ45をさらに備え、受電回路5は、受電コイル41(41L、41R)ごとに設けられて受電コイル41(41L、41R)が受け取った交流電力を直流の受電電圧に変換して出力する複数の整流回路51と、各整流回路51から出力された直流の受電電圧を直流の駆動電圧に変換する直流電源回路55と、を含む。これによれば、共振特性を利用して高い給電効率を得ることができる。また、温度変化や経時特性変化などに起因する共振特性の変化によって受電電圧が変動しても、直流電源回路55の電圧安定化作用により、電気負荷57は常に安定して動作する。
さらに、受電素子は受電コイル41(41L、41R)とされ、給電素子は給電コイル31(31L、31R)とされている。これによれば、電磁結合方式の非接触給電装置1で、常に安定した非接触給電を行える。
さらに、固定部は、複数の基板生産機91〜93が列設された基板生産ライン9であり、複数の基板生産機91〜93の列設方向に移動方向が設定されており、複数の給電コイル31(31L、31R)は、複数の基板生産機91〜93に同数個ずつ配置されている。これによれば、第1〜第3基板生産機91、92、93の列設位置の順序変更、およびモジュール化された他の基板生産機との入れ替え、ならびに、列設台数が4台以上に増設されるモジュール増設対応の全ての場合に、非接触給電装置1は、良好な受電状態が確保される。したがって、基板生産ライン9のライン構成の変更時やモジュール増設対応時に、非接触給電装置1に関する段取り替え作業は簡素である。
(5.第2実施形態の非接触給電装置1A)
次に、第2実施形態の非接触給電装置1Aについて、第1実施形態と異なる点を主に説明する。第2実施形態において、交流電源25および正対時給電部6Aの構成が第1実施形態と異なり、その他の部位は第1実施形態と同じである。図12は、第2実施形態の交流電源25および正対時給電部6Aの構成を模式的に説明する図である。
図示されるように、交流電源25は、複数の給電素子31L、31Rに共通に設けられている。交流電源25の電源容量は、第1実施形態の交流電源2(2L、2R)の電源容量よりも大きい。交流電源25と各給電素子31L、31Rとを並列接続する電路には、それぞれ開閉スイッチ26L、26Rが介挿されている。非接触給電装置1Aが動作している間、交流電源25は動作し続ける。
正対時給電部6Aは、第1実施形態と同じ正対状態検出部を有し、すなわち、センサ61L、61R、62L、62Rおよびドッグ68を有する。また、正対時給電部6Aは、電源スイッチ23L、23Rに代えて、開閉スイッチ26L、26Rを有する。第1基板生産機91の内部で、2個のセンサ61L、61Rの本体部64は、それぞれ開閉スイッチ26Lに接続されている。第2基板生産機92の内部で、2個のセンサ62L、62Rの本体部64は、それぞれ開閉スイッチ26Rに接続されている。そして、受光部66が遮断状態を検出している時間帯にのみ、本体部64は、投入指令Ponを開閉スイッチ26L、26Rに指令する。各2個のセンサ61L、61R、62L、62Rの少なくとも一方の投入指令Ponが発生している時間帯にのみ、各開閉スイッチ26L、26Rが閉路される。
第2実施形態の非接触給電装置1Aにおいて、正対時給電部6Aは、複数の給電コイル31(31L、31R)に共通に設けられた交流電源25と給電コイル31(31L、31R)とを接続する電路に介挿された開閉スイッチ26L、26Rと、正対状態を検出したときにのみ開閉スイッチ26L、26Rを閉路する正対状態検出部と、を含む。第2実施形態においても、交流電源25から給電コイル31L、31Rに供給される交流電力の給電タイミングは、図5〜図10で説明した第1実施形態の場合と同じになる。このため、電気負荷57は、常に安定して動作する。したがって、第2実施形態においても、充電回路およびバッテリを不要化でき、移動体99の小形軽量化が実現される。
(6.実施形態の応用および変形)
なお、共振用素子としての給電側コンデンサ35および受電側コンデンサ45を用いつつ、交流電源2(2L、2R)、25の周波数を共振周波数からずらしてもよい。この場合、共振特性の変化の影響を受けにくくなるので、受電電圧の絶対値は多少低下しても、電圧変動は減少する。したがって、直流電源回路55の省略が可能になる。また、正対状態検出部を構成するセンサ61L、61R、62L、62Rの個数および配置位置、ならびにドッグ68の個数、長さ、および配置位置は、適宜変更しても同等の機能および作用を具備させることができる。さらに、非接触給電の方式は、給電コイル31(31L、31R)および受電コイル41(41L、41R)を用いた電磁結合方式に限定されず、例えば、給電電極および受電電極を用いた静電結合方式であってもよい。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、実施形態で説明した基板生産ライン9以外にも、他の製品を生産する組立ラインや加工ライン、電動車両の走行中給電など幅広い分野に利用可能である。
1、1A:非接触給電装置
2、2L、2R:交流電源 23L、23R:電源スイッチ
25:交流電源 26L、26R:開閉スイッチ
31、31L、31R:給電コイル(給電素子)
35:給電側コンデンサ(共振用素子)
41、41L、41R:受電コイル(受電素子)
45:受電側コンデンサ(共振用素子)
5:受電回路 51:整流回路 55:直流電源回路
6、6A:正対時給電部
61L、61R、62L、62R:センサ(正対状態検出部)
68:ドッグ(正対状態検出部)
9:基板生産ライン(固定部)
91〜93:第1〜第3基板生産機 99:移動体
LT:給電コイルの移動方向の長さ
DT:給電コイルの相互離間距離
LR:受電コイルの移動方向の長さ
DR:受電コイルの相互離間距離

Claims (8)

  1. 固定部に設定された移動方向に沿い相互に離間して配置された複数の給電素子と、
    前記複数の給電素子に個別に交流電力を供給可能な交流電源と、
    前記移動方向に沿って移動する移動体に設けられ、かつ前記移動方向に沿い相互に離間して配置され、前記複数の給電素子のうち対向配置されたいずれかの給電素子と電気的に結合して非接触で交流電力を受け取る複数の受電素子と、
    前記複数の受電素子が受け取った交流電力を変換して受電電圧を生成し、前記移動体に設けられた電気負荷に出力する受電回路と、
    前記複数の給電素子のそれぞれの給電素子ごとに設けられ、前記給電素子の前記移動方向の長さの範囲内に前記複数の受電素子のうち少なくとも1個の受電素子の前記移動方向の長さの全体が対向するという正対状態を検出し、前記正対状態を検出したときにのみ前記交流電源から前記給電素子に前記交流電力を供給させる正対時給電部とを備え、
    前記複数の給電素子の移動方向の長さおよび相互離間距離、ならびに前記複数の受電素子の移動方向の長さおよび相互離間距離は、常に前記給電素子と前記少なくとも1個の受電素子とが前記正対状態になるという正対条件を満足するように設定され、
    前記受電回路は、前記正対状態にある前記少なくとも1個の受電素子が受け取った交流電力を変換して、前記電気負荷を駆動する駆動電圧以上の受電電圧を生成可能である非接触給電装置。
  2. 前記複数の給電素子の移動方向の長さをLTとし、前記複数の給電素子の相互離間距離をDTとし、前記複数の受電素子の移動方向の長さをLRとし、前記複数の受電素子の相互離間距離をDRとしたとき、
    前記正対条件は、DT≦DRの関係、および(2×LR+DR)≦LTの関係によって表される請求項1に記載の非接触給電装置。
  3. 前記正対時給電部は、
    前記給電素子ごとに設けられた交流電源を活殺する電源スイッチ、または、前記複数の給電素子に共通に設けられた交流電源と前記給電素子とを接続する電路に介挿された開閉スイッチと、
    前記正対状態を検出したときにのみ前記電源スイッチを投入し、または前記開閉スイッチを閉路する正対状態検出部と、を含む請求項1または2に記載の非接触給電装置。
  4. 前記正対状態検出部は、前記給電素子に対応して前記固定部に設けられたセンサと、前記複数の受電素子に対応して前記移動体に設けられたドッグと、を含み、前記正対状態にある前記少なくとも1個の受電素子に対応する前記ドッグが前記センサを作動する請求項3に記載の非接触給電装置。
  5. 前記センサは、前記給電素子の移動方向の両端から前記受電素子の移動方向の長さ分だけ中央に寄った位置に配置され、前記ドッグは、前記複数の受電素子の相互に離れた遠方端同士を結んで延在する請求項4に記載の非接触給電装置。
  6. 前記給電素子および前記受電素子の少なくとも一方に接続されて共振回路を形成する共振用素子をさらに備え、
    前記受電回路は、前記受電素子ごとに設けられて前記受電素子が受け取った交流電力を直流の前記受電電圧に変換して出力する複数の整流回路と、各前記整流回路から出力された直流の前記受電電圧を直流の前記駆動電圧に変換する直流電源回路と、を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  7. 前記受電素子は受電コイルであり、前記給電素子は給電コイルである請求項1〜6のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
  8. 前記固定部は、複数の基板生産機が列設された基板生産ラインであり、前記複数の基板生産機の列設方向に前記移動方向が設定されており、
    前記複数の給電素子は、前記複数の基板生産機に同数個ずつ配置されている請求項1〜7のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
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