(57)【要約】【課題】等価理想トランスの機能により負荷の電圧が一定となり、構造の簡略化が図られる無線給電装置およびこれを用いた多軸ロボットを提供する。【解決手段】無線給電装置１０は、高周波電源部１３、電極部１７、特定回路部２３および負荷１６を備える。高周波電源部１３は、電圧の振幅が一定の高周波を生成する。電極部１７は、高周波電源部１３で生成した高周波を送電する送電電極部１４、および送電電極部１４から出力された高周波を電界結合によって非接触で電力を受け取る受電電極部１５を有する。特定回路部２３は、電極部１７をコンデンサとする電極等価回路部２０を形成したとき、電極等価回路部２０とともに等価理想トランス２６に相当する回路となる。負荷１６は、特定回路部２３の出力側に接続されている。【選択図】図１
2020142336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の振幅が一定の高周波を生成する高周波電源部（１３）と、
前記高周波電源部（１３）で生成した高周波を送電する送電電極部（１４）、および前記送電電極部（１４）から出力された高周波を電界結合によって非接触で電力を受け取る受電電極部（１５）を有する電極部（１７）と、
前記電極部（１７）をコンデンサとする電極等価回路部（２０）を形成したとき、前記電極等価回路部（２０）とともに等価理想トランス（２６）に相当する回路を構成する特定回路部（２３）と、
前記等価理想トランス（２６）の出力側に接続されている負荷（１６）と、
を備える無線給電装置。
【請求項２】
前記特定回路部（２３）は、前記高周波電源部（１３）と前記電極部（１７）との間に、直列に挿入された直列コイル（２４）、および並列に挿入された並列コイル（２５）を有する請求項１記載の無線給電装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の無線給電装置（１０）を備える多軸ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線給電装置およびこれを用いた多軸ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁誘導、磁界共鳴あるいは電界結合などを用いて非接触で電力を供給する無線給電装置が公知である。例えば、特許文献１は、電界結合を用いた無線給電装置を開示している。このような電界結合では、送電電極部から受電電極部への電力の伝送に高周波が用いられる。そのため、電界結合の場合、送電側と受電側との間で高い精度のインピーダンスの整合が要求される。ところで、受電側に接続される負荷で消費される電力が刻々と変化したり、負荷の数が変化したりする場合、受電側のインピーダンスはこれらに応じて変化する。このような場合、インピーダンスが変化しても、負荷には常に一定の電圧を供給することが求められる。
【０００３】
しかしながら、従来の場合、負荷のインピーダンスや負荷の数の変化によって、入力インピーダンスおよび供給される電力が変動する。そのため、入力インピーダンスの変化に対応する大規模な可変整合器が必要となる。また、供給される電力が変化すると、高周波の供給源であるインバータのフィードバック制御が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−６８０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、受電側の負荷の変化にかかわらず、等価理想トランスの機能により負荷の電圧が一定となり、構造の簡略化が図られる無線給電装置およびこれを用いた多軸ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態の無線給電装置は、電界結合に関与する送電電極部および受電電極部と、特定回路部とから等価理想トランスに相当する回路を構成している。すなわち、送電電極部および受電電極部を有する電極部は、容量素子であるコンデンサとして電極等価回路部を構成する。このとき、特定回路部は、この電極部を含む電極等価回路部とともに等価理想トランスを構成する。これにより、特定回路部の出力側に接続されている負荷は、等価理想トランスを挟んで電圧の振幅が一定の高周波を生成する高周波電源部に接続された状態とみなされる。すなわち、１つ以上の負荷は、等価理想トランスを挟んで高周波電源部に並列に接続された状態とみなされる。その結果、電極部の出力側つまり受電電極側に接続する負荷の数または負荷の大きさが変化しても、電極部をコンデンサとする電極等価回路部は虚数成分の変化の影響を受けない。したがって、受電側の負荷の変化にかかわらず、等価理想トランスの機能により負荷の電圧が一定となり、構造の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図２】一実施形態による無線給電装置を適用した多軸ロボットを示す模式的な斜視図
【図３】一実施形態による無線給電装置を適用したロボットの電気的な構成を示す概略図
【図４】一実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図５】図１に示す無線給電装置の等価回路を示す概略図
【図６】図３に示すロボットの等価回路を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、無線給電装置およびこれを用いた多軸ロボットの実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、一実施形態による無線給電装置１０を示している。無線給電装置１０は、送電側ユニット１１、および受電側ユニット１２を備えている。送電側ユニット１１は、高周波電源部１３および送電電極部１４を有している。高周波電源部１３は、電圧の振幅が一定の高周波を生成する。高周波電源部１３で生成した高周波は、送電電極部１４へ供給される。送電電極部１４は、例えば金属板などで構成され、高周波電源部１３で生成した高周波を出力する。
【０００９】
受電側ユニット１２は、受電電極部１５および負荷１６を備えている。受電電極部１５は、送電電極部１４と対向して設けられている。対向する送電電極部１４と受電電極部１５との間は、空気によって満たされており、電界結合による非接触によって電力が伝達される。すなわち、受電電極部１５は、送電電極部１４から出力された高周波を電界結合によって受け取る。上述のように対向する送電電極部１４と受電電極部１５との間は、非接触であることから、絶縁体である空気が満たされたコンデンサを形成している。これら送電電極部１４と受電電極部１５とは、電極部１７を構成している。
【００１０】
無線給電装置１０は、これら送電側ユニット１１および受電側ユニット１２において次のような電極等価回路部２０を構成している。すなわち、電極等価回路部２０は、電極部１７を構成する一対の送電電極部１４および受電電極部１５をコンデンサとして、送電電極間容量部２１および受電電極間容量部２２とともに構成されている。送電電極間容量部２１および受電電極間容量部２２は、容量素子としてのコンデンサを有していてもよく、一対の回路配線の間で形成される見かけ上のコンデンサであってもよい。電極部１７を構成する送電電極部１４と受電電極部１５とは、電気的な容量が等しく設定されている。これにより、無線給電装置１０は、電極部１７を構成する送電電極部１４および受電電極部１５と、送電電極間容量部２１および受電電極間容量部２２とによって、電極等価回路部２０を構成している。
【００１１】
無線給電装置１０は、特定回路部２３を備えている。特定回路部２３は、送電側ユニット１１において、高周波電源部１３と電極部１７との間に挿入されている。具体的には、特定回路部２３は、直列コイル２４および並列コイル２５を有している。直列コイル２４は、高周波電源部１３と電極部１７との間に直列に挿入されている。また、並列コイル２５は、高周波電源部１３と電極部１７との間に並列に挿入されている。特定回路部２３は、これらの直列コイル２４および並列コイル２５によって、電極等価回路部２０とともにトランスに相当する回路を構成する。これにより、特定回路部２３は、電極等価回路部２０とともに、等価理想トランス２６を構成する。
【００１２】
負荷１６は、受電側ユニット１２において特定回路部２３の出力側に接続している。すなわち、負荷１６は、受電側ユニット１２において、電極部１７の出力側に接続し、受電電極部１５で受け取った電力を消費する。負荷１６は、例えばモータなどの駆動装置、バッテリなどの蓄電装置、およびこれらを制御する制御装置などで構成されている。また、負荷１６は、例えば高周波を直流に整流する整流回路部などの各種の回路を有していてもよい。
【００１３】
上記のような無線給電装置１０は、例えば多軸ロボットに適用される。図２は、無線給電装置１０を適用する多軸ロボットの一例として３軸のロボット３０を示している。無線給電装置１０をロボット３０に適用する場合、高周波電源部１３や送電電極部１４などで構成される送電側ユニット１１は設備などに固定されている。無線給電装置１０の送電電極部１４は、Ｘ軸方向へ延びるレール３１に設けられている。ロボット３０は、レール３１に沿って移動する中間可動部３２を有している。中間可動部３２は、このレール３１に沿ってＸ軸方向へ往復移動する。受電電極部１５は、中間可動部３２に設けられ、レール３１に設けられている送電電極部１４と対向している。また、中間可動部３２は、送電電極部３３を有している。送電電極部３３は、中間可動部３２が受電電極部１５で受け取った電力を中継して送電する。中間可動部３２の送電電極部３３は、Ｘ軸に垂直なＹ軸方向へ延びている。終端可動部３４は、受電電極部３５を有している。終端可動部３４の受電電極部３５は、中間可動部３２の送電電極部３３と対向している。終端可動部３４の受電電極部３５は、中間可動部３２の送電電極部３３に対して移動可能または固定のいずれであってもよい。
【００１４】
このようなロボット３０の構成により、ロボット３０は、無線給電装置１０によって非接触で電力の供給を受ける。具体的には、ロボット３０の中間可動部３２は、受電電極部１５によってレール３１に沿って移動しながら送電電極部１４から電力を受け取る。中間可動部３２の送電電極部３３は、受電電極部１５で受け取った電力の少なくとも一部を送電電極部３３から出力する。終端可動部３４は、中間可動部３２の送電電極部３３から出力された電力を受電電極部３５で受け取る。これにより、３軸のロボット３０は、中間可動部３２が送電電極部１４から電力を受け取るとともに、終端可動部３４が中間可動部３２から電力を受け取る。このような３軸のロボット３０に適用される無線給電装置１０は、図３に示すような電気的な回路として示される。
【００１５】
次に、上述の構成による無線給電装置１０の作用について説明する。
電極等価回路部２０は、図４に示すように電極部１７の送電電極部１４および受電電極部１５によってコンデンサを構成している。この電極部１７の全体におけるコンデンサの容量は、ＣSとする。したがって、本実施形態のように一対の電極部１７を構成する場合、１つのコンデンサの容量は２ＣSとなる。電極等価回路部２０において、送電電極間容量部２１および受電電極間容量部の容量はそれぞれＣPとする。また、特定回路部２３は、直列コイル２４および並列コイル２５を有している。直列コイル２４のインダクタンスはＬSとし、並列コイル２５のインダクタンスはＬPとする。電極等価回路部２０の電極部１７における送電電極部１４と受電電極部１５との間の結合係数ｋは、以下の式（１）で示されるものとする。
【００１６】
【数１】
2020142336.tif 000003
【００１７】
このように結合係数ｋを設定したとき、特定回路部２３における直列コイル２４のインダクタンスＬS（Ｈ）は以下の式（２）と定め、並列コイル２５のインダクタンスＬP（Ｈ）は以下の式（３）と定める。直列コイル２４のインダクタンスＬSおよび並列コイル２５のインダクタンスＬPは、それぞれこれらの式（２）および式（３）を満たすように設定される。
【００１８】
【数２】
2020142336.tif 000004
【００１９】
その結果、電極等価回路部２０と特定回路部２３とは、以下の式（４）に示すようにインピーダンス変換比をＮ、および入力インピーダンスをＺin（Ω）として、一つのインピーダンス変換回路であるトランスとして機能する。
【００２０】
【数３】
2020142336.tif 000005
【００２１】
これにより、図１および図４に示す無線給電装置１０の全体を示す等価回路は、図５で示される。すなわち、無線給電装置１０の等価回路は、高周波電源部１３に負荷１６として抵抗が接続した状態とみなされる。また、図３に示す無線給電装置１０を適用したロボット３０の等価回路は、図６で示される。すなわち、無線給電装置１０の等価回路は、高周波電源部１３に負荷１６としての抵抗が並列に接続した状態とみなされる。そのため、図１に示す状態から図３に示す状態へ負荷１６の数が増加しても、全体を示す等価回路としては図５および図６に示すように等価理想トランス２６を挟んで高周波電源部１３に並列に接続する負荷１６の数が変化したに過ぎないとみなされる。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態の無線給電装置１０は、電界結合に関与する送電電極部１４および受電電極部１５と、特定回路部２３とからトランスに相当する回路を構成している。すなわち、送電電極部１４および受電電極部１５を有する電極部１７は、容量素子であるコンデンサとして電極等価回路部２０を構成する。このとき、特定回路部２３、および電極部１７を含む電極等価回路部２０は、等価理想トランス２６に相当する機能を有している。これにより、特定回路部２３の出力側に接続されている負荷１６は、トランスを挟んで電圧の振幅が一定の高周波を生成する高周波電源部１３に接続された状態とみなされる。すなわち、１つ以上の負荷１６は、等価理想トランス２６を挟んで高周波電源部１３に並列に接続された状態とみなされる。その結果、電極部１７の出力側つまり受電電極部１５側に接続する負荷１６の数または負荷１６の大きさが変化しても、電極部１７をコンデンサとする電極等価回路部２０は虚数成分の変化の影響を受けない。したがって、受電側の負荷１６の変化にかかわらず、等価理想トランス２６の機能により受電側の負荷１６の電圧が一定となり、構造の簡略化を図ることができる。
【００２３】
また、本実施形態の無線給電装置１０を適用したロボット３０は、レール３１などの固定部分と中間可動部３２との間、中間可動部３２と終端可動部３４との間が、それぞれケーブルや配線を用いることなく非接触で電力や信号が伝達される。したがって、ケーブルや配線などによる重量の増加を抑えることができるとともに、ケーブルや配線の切断による機器の停止を低減することができる。
【００２４】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００２５】
図面中、１０は無線給電装置、１３は高周波電源部、１４、３３は送電電極部、１５、３５は受電電極部、１６は負荷、１７は電極部、２０は電極等価回路部、２３は特定回路部、２４は直列コイル、２５は並列コイル、２６は等価理想トランス、３０はロボット（多軸ロボット）を示す。
【図１】
2020142336.tif 000006
【図２】
2020142336.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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