(57)【要約】【課題】装置の小形化を図るために高い周波数の交流給電を行う場合でも、給電線の抵抗による損失を低減できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】断面が中空部分を有する円形状をなす導電線３１と、この導電線３１の中空部分に設けらた断面が円形状をなす絶縁芯３２と、導電線３１の表面を覆うように設けられた絶縁被覆３３とにより給電線１０を構成する。【選択図】図１
2010047210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の軌道を形成するように設けられた固定部と、
前記固定部に沿って移動可能に設けられた可動部と、
前記可動部を移動させるための交流電力を前記固定部から前記可動部に伝送する電力伝送手段とを備え、
前記電力伝送手段は、前記固定部に設けられた給電線および前記可動部に設けられた巻線を有し、これら給電線と巻線との間における電磁誘導により非接触で電力伝送を行い、
前記給電線は、中空形状の導電線であることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記中空形状の導電線は、表面から中心部方向の厚さが、当該導電線を流れる交流電流の周波数から算出される表皮深さ寸法以上となっていることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記中空形状の導電線は、中空部分の直径が、当該導電線全体の直径から当該導電線を流れる交流電流の周波数から算出される表皮深さの２倍の寸法を減算した長さ以下となっていることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記給電線は、前記導電線の中空部分に絶縁体を設けた構成となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非接触給電装置。
【請求項５】
前記給電線は、前記導電線を複数の電線の撚り線により構成していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の非接触給電装置。
【請求項６】
前記導電線を構成する複数の電線は、それぞれが絶縁被覆を有していることを特徴とする請求項５記載の非接触給電装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の非接触給電装置と、搬送路と、搬送台車とを備えた搬送装置であって、
前記非接触給電装置の前記固定部は、前記搬送路側に設けられ、
前記非接触給電装置の前記可動部は、前記搬送台車側に設けられ、
前記交流電力により前記搬送台車が駆動されることを特徴とする搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部から可動部に非接触で電力伝送を行う非接触給電装置およびこの非接触給電装置を備えた搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体製造工場などの発塵防止が要求される環境で使用される搬送装置の一例が開示されている。この搬送装置は、工程内や工程間にわたって形成された搬送軌道に沿って、リニアモータを駆動源とする搬送台車を走行および停止させることにより荷物を搬送する。リニアモータを構成する駆動コイルは搬送台車側に設けられており、この駆動コイルを駆動するための電力を固定部である搬送軌道側から可動部である搬送台車側に伝送する必要がある。上記したとおり、発塵防止の環境では、塵やごみを生じさせる接触式の例えばブラシなどの摺動接点を用いる電力伝送を行うことはできない。このため、上記搬送装置では、搬送軌道側に設けられ交流電源に接続された給電線と、搬送台車側に設けられた受電ユニット（巻線）とから構成されるトランスを用いて電力伝送が行われる。これにより、固定部から可動部に非接触で電力伝送を行うことを可能にしている。
【特許文献１】特開２００４−３２８８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の搬送装置において、搬送台車を搬送軌道の全域にわたって駆動させるためには、搬送軌道に設けられる給電線に常時交流電流を流しておく必要がある。このため、給電線の抵抗分による電力の損失が常に生じている。一方、搬送装置の小形化を図るため、上記給電線に流す交流電流の周波数を高めてトランスを小さく構成することが行われている。しかし、交流電流は、その周波数を高くすると表皮効果や近接効果により給電線の表面付近に集中して流れる。このため、給電線の実効的な断面積が小さくなる、つまり、給電線の見かけ上の抵抗分が増加する結果となり、上記した常時の電力損失がさらに増大してしまう。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の小形化を図るために高い周波数の交流給電を行う場合でも、給電線の抵抗による損失を低減できる非接触給電装置およびこの非接触給電装置を備えた搬送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１記載の非接触給電装置は、所定の軌道を形成するように設けられた固定部と、前記固定部に沿って移動可能に設けられた可動部と、前記可動部を移動させるための交流電力を前記固定部から前記可動部に伝送する電力伝送手段とを備え、前記電力伝送手段は、前記固定部に設けられた給電線および前記可動部に設けられた巻線を有し、これら給電線と巻線との間における電磁誘導により非接触で電力伝送を行い、前記給電線は、中空形状の導電線であることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項７記載の搬送装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載の非接触給電装置と、搬送路と、搬送台車とを備えた搬送装置であって、前記非接触給電装置の固定部は、前記搬送路側に設けられ、前記非接触給電装置の可動部は、前記搬送台車側に設けられ、前記交流電力により前記搬送台車が駆動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、給電線として中空形状の導電線を用いたので、装置の小形化を図るために高い周波数の交流給電を行う場合でも、表皮効果や近接効果による給電線の見かけ上の抵抗分の増加を抑制できる。これにより、給電線に交流電流を流すことで生じる電力の損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図２は、例えば半導体製造工場の工程内や工程間において、半導体ウエハなどの被搬送物を搬送する搬送装置の概略構成を示している。なお、図２では、一部の構成を断面で示している。図２に示す搬送装置１は、搬送方法としてＯＨＴ（Over head Hoist Transport）方式を採用し、走行方式としてリニア駆動方式を採用している。
【０００９】
搬送装置１（非接触給電装置に相当）は、天井面に固設されたレール機構２（搬送路および固定部に相当）と、レール機構２に沿って走行（移動）する搬送台車３（可動部に相当）とを備えている。レール機構２は、直線軌道や曲線軌道、分岐軌道等を形成する各種のモジュールの組み合わせからなっており、これら各種のモジュールを組み合わせることによって、工場内の各製造装置等の上方や側方を通過する搬送軌道（軌道に相当）を形成している。
【００１０】
レール機構２の各モジュールは、中空形状のレール枠体４と、レール枠体４を天井面に取り付ける固定具５とを備えている。レール枠体４は、鉛直方向に配置される左側面壁４ａおよび右側面壁４ｂと、これら両側面壁４ａ、４ｂの上端部同士を連結した上面壁４ｃとを備えている。上面壁４ｃの下面中央部には、永久磁石６が設けられている。左側面壁４ａと右側面壁４ｂとは、左右対称に形成されている。各側面壁４ａ、４ｂの下端位置には、下面部４ｄ、４ｄが形成されている。下面部４ｄ、４ｄは、内側方向に向けて形成されている。下面部４ｄ、４ｄの長さは、これら同士が対向する部分に、搬送台車３の支持部材７（後述する）が通過可能な最小限の隙間を出現させる程度に設定されている。
【００１１】
各側面壁４ａ、４ｂの中間位置には、ガイド部４ｅ、４ｅが形成されている。ガイド部４ｅは、上面壁４ｃに対して平行に配置され、その先端部は下方に折り曲げられている。ガイド部４ｅは、搬送台車３のガイドローラ８（後述する）に係合可能に配置されている。ガイド部４ｅは、搬送経路が二方向に分岐されている場合、ガイドローラ８の係合により搬送台車３をいずれかの分岐方向に進行させるようになっている。
【００１２】
各ガイド部４ｅと上面壁４ｃとの間には、絶縁材料で構成された支持梁９、９が設けられている。各支持梁９は断面がコ字状をなしており、その各先端部には、給電線１０がそれぞれ設けられている。支持梁９は、給電線１０を搬送軌道の全域にわたって一定の高さ位置に保持するように、搬送軌道方向に所定の間隔で配置されている。給電線１０は、図示しない給電装置に接続されており、給電装置から与えられる例えば９ｋＨｚの高周波電流が常時流れるようになっている。
【００１３】
搬送台車３は、被搬送物を収容するための収容容器を昇降可能に保持する昇降機構（いずれも図示せず）と、この昇降機構の上面に連結される駆動機構１１とを備えている。駆動機構１１は、レール枠体４の内部において鉛直方向に配置された支持部材７と、支持部材７の上端に設けられた一次コイル１２とを備えている。一次コイル１２は、レール機構２の永久磁石６とともにリニアモータを構成している。一次コイル１２は、詳細は図示しないが、鉄心に巻装された３相巻線であり、この巻線に交流電流が通電されることにより、直線状に移動する進行磁界を発生する。そして、一次コイル１２と永久磁石６との間の磁気作用により、搬送台車３を走行させる推進力や、停止状態を維持する保持力が発生する。
【００１４】
一次コイル１２の両側には、給電機構１３、１３が左右対称に設けられている。これら給電機構１３、１３は、支持部材７により支持されている。各給電機構１３は、断面Ｅ字状をなす二次鉄心１４と、二次巻線１５（巻線に相当）とを備えている。このような構成により、給電線１０に高周波電流が流れることで生じた高周波磁界により、二次巻線１５に高周波電流が流れる。すなわち、給電線１０と二次巻線１５との間における電磁誘導によりレール機構２から搬送台車３に非接触で電力が伝送される。給電機構１３の図示しない電源回路では、二次巻線１５に流れる高周波電流を一旦直流に変換し、その直流を三相交流に変換した後、一次コイル１２に供給する。なお、本実施形態では、給電線１０と二次巻線１５とから電力伝送手段１６が構成される。
【００１５】
給電機構１３の下方には、ガイド機構１７と走行ローラ機構１８とがこの順に設けられている。ガイド機構１７は、レール機構２の幅方向にスライド可能に設けられたスライド機構１９と、スライド機構１９の両端部に回転自在に設けられたガイドローラ８、８とを備えている。ガイド機構１７は、ガイドローラ８、８のいずれか一方をガイド部４ｅに係合させることにより進行方向を変更可能にしている。
【００１６】
走行ローラ機構１８は、支持部材７に水平方向に固設された走行支持板２０と、走行支持板２０の下面に設けられた軸受部材２１、２１と、各軸受部材２１に回転自在に軸支されたローラ回転軸２２と、ローラ回転軸２２の両端部に設けられた走行ローラ２３、２３とを備えている。走行ローラ２３は、搬送台車３の走行時の安定性を確保するために設けられており、レール枠体４の下面部４ｄに載置されている。このような構成の走行ローラ機構１８は、搬送台車３をレール機構２に走行自在に係合させているとともに、リニアモータを構成する一次コイル１２と永久磁石６とのギャップ長が所定の長さとなるようにしている。
【００１７】
図１は、搬送装置のレール機構に設けられる給電線１０の断面図である。図１に示す給電線１０は、断面が中空部分を有する円形状（円環状）をなす導電線３１と、この導電線３１の中空部分に設けられた断面が円形状をなす絶縁芯３２（絶縁体に相当）と、導電線３１の表面を覆うように設けられた絶縁被覆３３とにより構成されている。
【００１８】
導電線３１は、例えば直径０．４５ｍｍの銅線３４（電線に相当）を８７本配置することにより構成されている（図１に示された銅線３４の本数は異なる）。導電線３１の直径は、例えば５．５ｍｍとなっており、絶縁芯３２の直径は、例えば２．７ｍｍとなっている。つまり、導電線３１の断面積は、約１８．１ｍｍ２となっている。導電線３１を構成する各銅線３４は、例えばウレタン被覆などの絶縁被覆を有している。導電線３１は、複数の銅線３４の撚り線により構成された一体化銅線、いわゆるリッツ線となっている。
【００１９】
次に、上記構成の給電線に高周波電流を流した場合のシミュレーション結果について図３および図４も参照して説明する。
なお、図３および図４においては、本実施形態の給電線１０に加え、断面が円形状をなす導電線を有する従来の給電線に高周波電流を流した場合のシミュレーション結果を比較例として示している。この従来の給電線は、本実施形態の給電線１０における導電線３１の断面積（約１８．１ｍｍ２）と同等の断面積の導電線を有するものを使用している。従って、この導電線は、直径が４．８ｍｍであり且つ断面が稠密形状となっている。
【００２０】
図３は、給電線に９ｋＨｚの高周波電流を流した場合の電流密度分布を示している。図３中、縦軸は従来の給電線の表面電流密度を１とした場合の電流密度の相対値であり、横軸は径方向の長さを示している。図３中、実線は本実施形態の給電線（中空形状の導電線）の電流密度分布を示し、破線は従来の給電線（稠密形状の導電線）の電流密度分布を示している。従来技術において述べたとおり、給電線１０には常に高周波電流を流しておく必要がある。高周波電流を導体に流す場合、電流密度が導体の表面で高くなり、表面から離れるほど低くなる、いわゆる表皮効果が問題となる。つまり、電流が表面へ集中することで導体の高周波抵抗（見かけ上の抵抗分）が高くなり、これに伴い電力損失が大きくなる。
【００２１】
このような表皮効果の影響などにより、給電線に高周波電流を流した場合の電流密度分布は、図３に示すように、従来の給電線および本実施形態の給電線１０のいずれにおいても表面付近で最も大きくなる。しかし、従来の給電線の表面付近の電流密度の相対値が約１であるのに対し、本実施形態の給電線１０の表面付近の電流密度の相対値は約０．８と、低くなっている。これは、本実施形態の給電線１０のほうが、従来の給電線に比べて導電線の直径が大きく、表面積が大きくなっているからだと考えられる。
【００２２】
また、従来の給電線は、中心付近（直径約２ｍｍの範囲）において、電流密度の相対値が約０．２となっている。つまり、この中心付近では電流が流れにくく、高周波抵抗が大きくなる。これに対し、本実施形態の給電線１０は、中心付近の部分には導電線３１がない中空形状となっているため、高周波抵抗が大きくなる部分が従来の給電線に比べて少ない。
【００２３】
図４は、上記シミュレーションにより得られた各特性値などを示しており、上から順に、導電線の断面積［ｍｍ２］、高周波抵抗［Ω／ｍ］、銅損［Ｗ］、電力損失の比率［％］を示している。上記したような電流密度分布の違いにより、同じ断面積の導電線を有する従来の給電線と本実施形態の給電線１０とでは、高周波抵抗および銅損が以下のように異なる。
【００２４】
すなわち、本実施形態の給電線１０は、高周波抵抗が０．０００１５３［Ω／ｍ］、銅損が０．３０４［Ｗ］となっている。一方、従来の給電線は、高周波抵抗が０．０００１８７［Ω／ｍ］、銅損が０．３７１［Ｗ］となっている。つまり、本実施形態の給電線１０は、従来の給電線と比べて高周波抵抗および銅損の値が約１８．１％低減されている。これにより、従来の給電線における電力損失を１００［％］とした場合、本実施形態の給電線１０の電力損失は８１．９［％］となり、約１８．１％の電力損失を低減できることになる。
【００２５】
このように、給電線に高周波電流を流した場合の電力損失を低減するためには、導電線３１の直径を大きくするとともに、導電線３１の中空部分の直径（絶縁芯３２の直径）を大きくすればよいことになる。しかし、導電線３１の直径を大きくすることは装置の大型化に繋がるため、無制限に大きくすることはできない。本実施形態の場合、給電機構１３を構成する二次鉄心１４の大きさおよび形状により、導電線３１の直径を５．５ｍｍ以下にする必要がある。
【００２６】
また、中空部分の直径は、必要とする電力供給量に応じた導電線３１の断面積を確保可能な大きさまでしか大きくすることはできない。例えば、前述した従来の給電線と同等の電力供給量が必要である場合には、導電線３１の断面積が約１８．１ｍｍ２以上となるように中空部分の直径を設定する必要がある。このようなことから、本実施形態の給電線１０では、導電線３１の直径は、制限値である５．５ｍｍとし、中空部分の直径は、導電線３１の断面積が約１８．１ｍｍ２となる２．７ｍｍとしている。
【００２７】
なお、導電線３１の直径および中空部分の直径は、上記各値に限らずともよく、例えば、上記した制限事項がないと仮定した場合、給電線１０に流れる高周波電流の周波数から算出される表皮深さの寸法に応じた値にすればよい。すなわち、一般に、導体の所定深さδにおける電流密度Ｊは、下記（１）式により表される。
Ｊ＝ｅ−δ／ｄ            …（１）
【００２８】
（１）式におけるｄが表皮深さであり、導体の電流密度が表面の１／ｅ（約０．３７、ただしｅは自然対数の底）になる深さである。この表皮深さｄは、下記（２）式により表される。
ｄ＝（２・ρ／（２・π・ｆ・μ））１／２            …（２）
ただし、ρは導体の電気抵抗率［Ω・ｍ］、μは導体の透磁率［Ｎ／Ａ２］、ｆは高周波電流の周波数［Ｈｚ］とする。
【００２９】
例えば導体が銅である場合には、ρ＝１．７２×１０−８［Ω・ｍ］であり、μ＝４・π×１０−７［Ｎ／Ａ２］であるため、表皮深さｄは、下記（３）式のように表される。
ｄ＝０．０６６／ｆ１／２            …（３）
上記（３）式により、本実施形態の給電線１０に９ｋＨｚの高周波電流を流した場合の表皮深さｄは約０．７ｍｍとなる。従って、導電線３１の表面から中心部方向の厚さを表皮深さｄ（０．７ｍｍ）とし、残りの部分を中空部分（絶縁芯３２）とすれば、表皮効果の影響を最も受けにくく、給電線１０の高周波抵抗を最も低減できることになる。このためには、導電線３１の直径φａおよび中空部分の直径φｂとを、下記（４）式の関係を満たすように設定すればよい。
φａ−φｂ＝２・ｄ            …（４）
【００３０】
上記（４）式の関係を満たす場合には、表皮効果の影響を最も低減できると考えられるが、表皮効果の影響を少しでも低減させるためには、導電線３１の表面から中心部方向の厚さを表皮深さｄ以上とすればよい。つまり、導電線３１の直径φａおよび中空部分の直径φｂとを、下記（５）式の関係を満たすように設定すればよい。
φａ−φｂ≧２・ｄ            …（５）
また、中空部分の直径φｂが、導電線３１の直径φａから表皮深さｄの２倍の長さを減算した長さ以下としてもよい。つまり、導電線３１の直径φａおよび中空部分の直径φｂとを、下記（６）式の関係を満たすように設定してもよい。
φｂ≦φａ−２・ｄ            …（６）
【００３１】
上記構成によれば、次のような効果が得られる。
本実施形態の給電線１０は、円環状の断面をなす中空形状の導電線３１を備えた構成としたので、同等の断面積を有する稠密形状の断面をなす導電線を備えた構成の従来の給電線と比べ、高周波電流を流した場合の高周波抵抗および銅損を約１８．１％低減することができる。このような給電線１０を用いた本実施形態の搬送装置１は、常時の電力損失を従来のものと比較して約１８．１％低減することができる。また、電力損失が小さくなったことにより、給電線１０の温度上昇も抑制される。
【００３２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。
本実施形態では、第１の実施形態に対して給電線の構成を変更した場合について説明する。図５は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図５に示す給電線４１は、断面が中空形状をなす導電線４２と、この導電線４２の表面を覆うように設けられた絶縁被覆４３により構成されている。
【００３３】
導電線４２は、第１の実施形態の導電線３１と同様、複数の銅線３４の撚り線により構成されている。各銅線３４は、導電線４２の断面形状が円環状（例えば外径５．５ｍｍ、内径２．７ｍｍ）となるように固定されている。つまり、給電線４１は、絶縁芯３２が省略されていることを除き、第１の実施形態における給電線１０と同様の中空形状の導電線として構成されている。このような構成の給電線４１を用いた場合であっても第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【００３４】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形又は拡張が可能である。
導電線３１、４２を構成する銅線３４は、それらの間の絶縁に問題なければ、絶縁被覆を有する構成でなくともよい。導電線３１、４２は、８７本の銅線３４による構成に限らず、各種の電線を使用して構成してもよい。また、電線の使用本数は、必要とする電力供給量に応じて適宜変更すればよい。導電線３１、４２は、複数の銅線３４の撚り線により構成されたものに限らず、断面が円環状をなす１つの導電線により構成してもよい。
【００３５】
搬送装置１は、搬送方式としてＯＨＴ方式を採用したが、例えばＯＨＳ（Over Head Shuttle）方式など、他の搬送方式を採用してもよい。搬送装置１は、走行方式としてリニア駆動方式を採用したが、車輪をモータ駆動して搬送台車３を走行させる方式など、他の走行方式を採用してもよい。搬送装置１は、半導体製造工場に用いられる半導体ウエハを搬送する用途に限らず、例えば電子部品、機械部品、食品、書類など、種々の荷物を搬送する用途に適用可能である。また、本発明は、搬送装置に限らず、固定部から可動部に非接触で電力伝送を行う必要のあるシステム全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す給電線の断面図
【図２】搬送装置の概略構成図
【図３】給電線に高周波電流を流した場合の電流密度分布を示す図
【図４】給電線に高周波電流を流した場合の各特性値を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【符号の説明】
【００３７】
図面中、１は搬送装置（非接触給電装置）、２はレール機構（搬送路、固定部）、３は搬送台車（可動部）、１０、４１は給電線、１５は二次巻線（巻線）、１６は電力伝送手段、３１、４２は導電線、３２は絶縁芯（絶縁体）、３４は銅線（電線）を示す。
【図１】
2010047210.tif 000003
【図２】
2010047210.tif 000004
【図３】
2010047210.tif 000005
【図４】
2010047210.tif 000006
【図５】
2010047210.tif 000007