(57)【要約】【課題】簡単な構造でケーブルベアを用いることなく電力の供給を達成し、共振周波数の調整が容易な直動ロボットの磁界共鳴コイル装置を提供する。【解決手段】直動ロボットの可動部で必要となる電力は、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３との間の磁界共鳴によって非接触で供給される。送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２３を構成する磁界共鳴コイル装置４０は、基板４１を挟んでコイル部４２と反対の裏面側に平板状の電極部材４３を設けている。これにより、コイル部４２と電極部材４３との間に基板４１が挟み込まれ、コンデンサが形成される。また、基板４１に設けられているコイル部４２によってリアクタンスが形成される。その結果、電極部材４３の大きさ、形状、配置あるいは基板４１の厚さなど、電極部材４３とコイル部４２とが重なり合う条件を変更することにより、磁界共鳴の共振周波数は調整される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対のコイル間で磁界共鳴を利用して非接触で電力を供給する直動ロボットの磁界共鳴コイル装置であって、
平板状の基板と、
前記基板の一方の面側である表面側に設けられている平面状のコイル部と、
前記基板の他方の面側である裏面側に二つ以上に分割して設けられ、前記コイル部との間に前記基板を挟むことによりコンデンサを形成する平板状の電極部材と、
を備える磁界共鳴コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界共鳴コイル装置に関し、特に直動ロボットに用いられる磁界共鳴コイル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場など幅広い設備において、直動ロボットが利用されている。これら一般的な直動ロボットは、直線状または曲線状のレール部に沿って移動する可動部を備えている。可動部は、モータを有しており、モータの駆動力によってレール部に沿って移動する。このような従来の直動ロボットは、電源からモータへ電力が供給される。このモータへ供給される電力は、ケーブルベア（登録商標）に収容された電源ケーブルを経由して供給される。そのため、電源と可動部との間には、電源ケーブルを収容したケーブルベアが必要となる。ケーブルベアは、レール部に沿って移動する可動部に追従することが求められる。そのため、ケーブルベアは、可動部の移動領域に応じて設定する必要があり、移動領域の延長にともなって全長が大きくなる。また、ケーブルベアは、レール部に沿って往復移動する可動部の移動に対応するために、少なくとも一部がＵ字形状に折り返された状態で用いられる。
【０００３】
このような従来の直動ロボットは、ケーブルベアが必須の構成となる。しかしながら、ケーブルベアを備える直動ロボットの場合、可動部は必然的にケーブルベアを引き連れながら移動する。そのため、可動部を駆動するモータは、可動部の重量、および可動部の運搬される部材の重量だけでなく、ケーブルベアの重量をも考慮した出力が要求される。その結果、モータの出力の増大にともなうモータの大型化を招くという問題がある。また、可動部とともにケーブルベアが移動するため、ケーブルベアと周囲の部材とは接触を繰り返す。ケーブルベアと周囲の部材との接触は、騒音を招く原因となるだけでなく、摩耗にともなう粉塵の発生を招く。特に、電子機器や半導体などの精密機器の製造設備では、粉塵は製品の品質低下を招く。従来の直動ロボットは、構造上、摩耗が避けられないケーブルベアを備えることから、これらの製造設備へより好適な適用をするためには改善が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０８９４１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、本発明の目的は、簡単な構造でケーブルベアを用いることなく、送電側および受電側のコイル部を用いた無線給電において、電力の供給を達成し、共振周波数の調整が容易な直動ロボットの磁界共鳴コイル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、電力は、一対のコイル間の磁界共鳴によって非接触で供給される。そのため、例えば固定側から可動側へ電力を供給するための電源ケーブルおよびこの電源ケーブルを収容するケーブルベアは不要となる。また、一対のコイルの間は、非接触で電力が供給されるため、部材間の接触にともなう騒音および摩耗、ならびに摩耗にともなう粉塵の発生は大幅に減少する。さらに、非接触で電力の供給を行なうため、例えば可動側はケーブルベアと一体に移動する必要がなく、移動に必要な駆動力は減少する。これにより、電力の制御に必要な回路や駆動力発生源および駆動力伝達機構などの機械的な構成も小型化される。したがって、ケーブルベアを廃止できるだけでなく、機器を小型化することができるとともに、騒音や粉塵の発生の低減にともなって適用可能な設備を拡大することができる。
【０００７】
ところで、磁界共鳴を利用して非接触で電力を供給する場合、高周波の周波数は磁界共鳴に適した例えば数ＭＨｚから十数ＭＨｚに調整する必要がある。この場合、送電側および受電側のコイル部は、周波数を調整するためのコンデンサに接続される。直動ロボットのように比較的大きな電力を扱う場合、このコンデンサには電圧や電流に対する高い耐久性が要求される。そのため、周波数の調整以前に、コンデンサの大型化を招き、部品の実装工程にともなう製造工程の複雑化を招く。仮に、コイル部を設ける基板の層間にコンデンサを設けたとしても、コイル部とコンデンサの電極との間の交流結合によって、共振Ｑ値の低下にともなうコイル部の性能低下を招くという問題がある。
【０００８】
そこで、請求項１記載の発明では、基板を挟んでコイル部と反対の裏面側に平板状の電極部材を設けている。これにより、コイル部と電極部材との間に基板が挟み込まれ、コンデンサが形成される。また、この電極部材と重なり合うコイル部によってリアクタンスが形成される。これら形成されたコンデンサおよびリアクタンスによって共振が生じる。その結果、例えば電極部材の大きさ、形状、配置あるいは基板の厚さなど、電極部材とコイル部とが重なり合う条件を変更することにより、共振周波数が調整される。したがって、部品の大型化、工程の複雑化、および共振Ｑ値の低下を招くことなく、共振周波数の調整を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を適用した直動ロボットを示す概略的な斜視図
【図２】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を適用した直動ロボットを示す概略的な正面図
【図３】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を適用した直動ロボットを示す概略的な斜視図
【図４】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を示す模式図
【図５】図６の矢印Ｖ方向からの矢視図
【図６】一実施形態による磁界共鳴コイル装置の基板を示す概略的な側面図
【図７】図６の矢印VII方向からの矢視図
【図８】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を適用した送電コイルユニットの電気的な回路を示す概略図
【図９】一実施形態による磁界共鳴コイル装置を適用した受電コイルユニットの電気的な構成を示す概略図
【図１０】一実施形態による磁界共鳴コイル装置の共振周波数を示す概略図
【図１１】一実施形態による磁界共鳴コイル装置の共振周波数を示す概略図
【図１２】その他の実施形態による磁界共鳴コイル装置を示す図７に相当する図
【図１３】その他の実施形態による磁界共鳴コイル装置を示す図７に相当する図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、磁界共鳴コイル装置を適用した直動ロボットの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように直動ロボット１０は、送電側の固定ユニット１１および受電側の可動部１２を備えている。直動ロボット１０は、生産設備や流通設備などに設けられる。固定ユニット１１は、例えば直動ロボット１０が設置される設備に固定されている。固定ユニット１１は、可動部１２の移動を案内するレール部１３を有している。レール部１３は、固定ユニット１１の全長方向に沿って設けられている。図１に示す本実施形態の場合、レール部１３は、下端にラック１４を有している。固定ユニット１１は、全長方向に沿って送電コイルユニット１５を有している。送電コイルユニット１５は、図１に示すようにレール部１３の全長に沿って単一のセグメントとして、または図２に示すようにレール部１３の全長に沿って複数のセグメントとして設けられている。
【００１１】
可動部１２は、図１に示すように固定ユニット１１のレール部１３に案内されながら、レール部１３に沿って移動する。可動部１２は、モータ２１、駆動力伝達部２２および受電コイルユニット２３を有している。駆動力伝達部２２は、レール部１３のラック１４と噛み合う図示しないピニオンを有している。モータ２１は、可動部１２と一体に設けられており、可動部１２とともにレール部１３に沿って移動する。モータ２１は、駆動力伝達部２２へ駆動力を供給する。モータ２１の駆動力は、駆動力伝達部２２を経由してレール部１３のラック１４に伝達される。これにより、ラック１４と噛み合っている駆動力伝達部２２のピニオンはモータ２１の駆動力によって回転し、可動部１２はレール部１３に対して相対的に移動する。なお、直動ロボット１０は、モータ２１の駆動力を駆動力伝達部２２を経由してレール部１３のラック１４に伝達する構成に限らない。例えば、レール部１３に環状のベルトを設け、このベルトとの摩擦力を利用して可動部１２がレール部１３に対して移動する構成としてもよい。また、可動部１２は、レール部１３との間にリニアモータを形成してもよい。受電コイルユニット２３は、可動部１２に設けられ、モータ２１および駆動力伝達部２２とともに可動部１２と一体にレール部１３に沿って移動する。
上記のような直動ロボット１０は、可動部１２に各種の機能部が設けられる。例えば図３に示す例の場合、直動ロボット１０の可動部１２は、昇降機構部３０を有している。昇降機構部３０は、例えばリニアモータなどの動力源から発生した駆動力を利用して、ステージ部３１の手先部３２を可動部１２の移動方向と垂直に駆動する。
【００１２】
本実施形態の磁界共鳴コイル装置４０は、上述の直動ロボット１０における送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２３に適用されている。すなわち、図４に示すように電力を供給する送電側の送電コイルユニット１５、および電力を受け取る受電側の受電コイルユニット２３は、いずれも磁界共鳴コイル装置４０で構成されている。
磁界共鳴コイル装置４０で構成される送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２３は、図４および図５〜図７に示すようにいずれも基板４１、コイル部４２および電極部材４３を備えている。基板４１は、樹脂やガラスなどの周知の材料で形成されている。コイル部４２は、この基板４１の一方の面側である表面側に設けられている。コイル部４２は、平板状の基板４１に平面状に巻かれた平面コイルである。コイル部４２は、基板４１に対してプリントされたプリント配線として形成されている。なお、コイル部４２は、プリント配線に限らず、プレスやエッチングなどで所定のコイル形状に形成した銅板、あるいは銅線を張り付けることによって形成してもよい。また、コイル部４２は、銅に限らず、アルミニウムや鉄などの導電性の金属によって形成してもよい。
【００１３】
電極部材４３は、例えば銅、アルミニウムあるいは鉄などの導電性の金属によって板状に形成されている。電極部材４３は、基板４１のコイル部４２とは反対側である裏面側に設けられている。このように、導電性のコイル部４２と電極部材４３との間には、誘電体である基板４１が挟み込まれている。電極部材４３は、図７に示すように二つに分割された電極板４３１および電極板４３２を有している。電極部材４３は、二つの電極板４３１、４３２に限らず、二つ以上であれば任意に分割することができる。本実施形態の場合、二つの電極板４３１、４３２は、それぞれ分離して基板４１に設けられている。
【００１４】
磁界共鳴コイル装置４０で構成されている送電コイルユニット１５は、図１に示すように固定ユニット１１のレール部１３に設けられている。送電コイルユニット１５は、基板４１がレール部１３に対向しており、コイル部４２が正面側すなわち可動部１２側に露出した状態で設けられている。また、磁界共鳴コイル装置４０で構成されている受電コイルユニット２３は、可動部１２に設けられている。受電コイルユニット２３は、コイル部４２が送電コイルユニット１５と対向するように配置されている。送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とは、相互の間に数ｍｍから数十ｍｍ程度の隙間を形成して互いに非接触で対向している。受電コイルユニット２３は、送電コイルユニット１５との間で磁界共鳴を利用して、送電コイルユニット１５と接触することなく電力を受け取る。すなわち、受電コイルユニット２３は、送電コイルユニット１５と接触することなく、モータ２１やステージ部３１などの駆動に必要な電力を送電コイルユニット１５から受け取る。そのため、可動部１２は、固定ユニット１１の全長に関わらず、ケーブルやケーブルベアが不要となる。
【００１５】
図４に示すように磁界共鳴コイル装置４０で構成される送電コイルユニット１５は、高周波電源５１に接続している。電極板４３１および電極板４３２は、それぞれ高周波電源５１に接続されている。また、磁界共鳴コイル装置４０で構成される受電コイルユニット２３は、モータ２１などの負荷５２に接続している。これら送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２３を構成する磁界共鳴コイル装置４０は、コイル部４２によりインダクタが形成され、基板４１を挟んでコイル部４２と電極部材４３とが重なり合う部分にコンデンサが形成される。これにより、磁界共鳴コイル装置４０で構成される送電コイルユニット１５は、図８に示すようなＬＣ回路を形成する。すなわち、送電コイルユニット１５は、コイル部４２によって形成されるインダクタ６１と、基板４１を挟んでコイル部４２と電極板４３１、４３２との間にそれぞれ形成されるコンデンサ６２、６３を含んでいる。同様に、磁界共鳴コイル装置４０で構成される受電コイルユニット２３は、図９に示すようなＬＣ回路を形成する。すなわち、受電コイルユニット２３は、コイル部４２によって形成されるインダクタ６４と、基板４１を挟んでコイル部４２と電極板４３１、４３２との間にそれぞれ形成されるコンデンサ６５、６６を含んでいる。
【００１６】
この磁界共鳴コイル装置４０で構成された送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３との間の磁界共鳴における共振周波数は、磁界共鳴コイル装置４０が形成するＬＣ回路におけるインダクタ６１、６４およびコンデンサ６２、６３、６５、６６の影響を受ける。すなわち、共振周波数は、図６に示すように基板４１の厚さｔ、図７に示すように電極部材４３を構成する電極板４３１と電極板４３２との距離Ｌ１、電極板４３１および電極板４３２の短辺の長さＬ２、ならびに電極板４３１および電極板４３２の長辺の長さＬ３などによって変化する。これに基づき、共振周波数と基板４１、コイル部４２および電極部材４３との関係の例を図１０および図１１に示す。
【００１７】
図１０に示す例の場合、コイル部４２は、線幅ｄを２ｍｍ、図５に示すように直径Ｄを１５０ｍｍ、巻数ｎを２０に設定している。また、基板４１は、厚さｔを１．６ｍｍに設定している。この条件において、電極板４３１と電極板４３２との間の距離Ｌ１は３０ｍｍで一定としている。図１０では、上記の条件において、電極板４３１および電極板４３２の短辺の長さＬ２と、共振周波数との関係を示している。また、図１１に示す例の場合、基板４１およびコイル部４２の条件は、図１０に示す例と同様である。この条件において、電極板４３１および電極板４３２の短辺の長さＬ２は６０ｍｍで一定としている。図１１では、上記の条件において、電極板４３１と電極板４３２との間の距離Ｌ１と、共振周波数との関係を示している。
【００１８】
このように、磁界共鳴コイル装置４０は、自身の設定、すなわち電極板４３１と電極板４３２との間の距離Ｌ１、あるいは電極板４３１および電極板４３２の短辺の長さＬ２を変更することにより、共振周波数が容易に調整できることが分かる。この場合、基板４１の厚さｔ、電極板４３１および電極板４３２の長辺方向の長さＬ３、ならびにコイル部４２の線幅ｄ、直径Ｄおよび巻数ｎなどを変更してもよい。
【００１９】
次に、上述の直動ロボット１０における電力の供給について説明する。
図４に示すように送電コイルユニット１５に接続している高周波電源５１は、磁界共鳴を成立させるために数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波の交流を送電コイルユニット１５に供給する。この高周波電源５１が供給する高周波は、例えば送電コイルユニット１５および受電コイルユニット２３の特性などに応じて、磁界共鳴を成立させるために任意に決定される。高周波電源５１から送電コイルユニット１５に電力が供給されているとき、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とが対向している部分では磁界共鳴が生じる。そのため、受電コイルユニット２３は、磁界共鳴を利用して送電コイルユニット１５から電力を受け取る。一方、送電コイルユニット１５に電力が供給されていても、送電コイルユニット１５に受電コイルユニット２３が対向していないとき、送電コイルユニット１５から不要な電界や磁界は放射されない。すなわち、送電コイルユニット１５に電力が供給されているとき、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とが対向している部分は磁界共鳴によって電力の受け渡しが生じる。これに対し、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とが対向していない部分では、電力の受け渡しが生じないだけでなく、電界や磁界の放射がほとんど生じない。
【００２０】
これは、次のような理由によるものである。すなわち、送電コイルユニット１５に受電コイルユニット２３が対向していないとき、送電コイルユニット１５に高周波を印加しても、磁界共鳴による共振周波数における送電コイルユニット１５のインピーダンスは非常に大きくなる。そのため、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とが対向しておらず磁界共鳴が生じない部分では、送電コイルユニット１５に高周波を印加しても、電流がほとんど流れず、電界や磁界の放射もほとんど生じない。これに対し、送電コイルユニット１５に受電コイルユニット２３が対向すると、磁界共鳴による共振周波数における送電コイルユニット１５のインピーダンスは減少する。そのため、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３とが対向し互いに磁界共鳴が生じている部分では、電流が流れ、送電コイルユニット１５から受電コイルユニット２３へ電力が供給される。このように、磁界共鳴を利用して送電コイルユニット１５から受電コイルユニット２３へ電力を供給することにより、不要な電界や磁界の放射およびこれにともなう電磁ノイズの放射は低減される。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態では、可動部１２で必要となる電力は、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３との間の磁界共鳴によって非接触で供給される。そのため、可動部１２で駆動力を発生するために必要となる電力を供給するための電源ケーブルおよびこの電源ケーブルを収容するケーブルベアは不要となる。また、送電コイルユニット１５と受電コイルユニット２３との間は、非接触で電力が供給されるため、部材間の接触にともなう騒音および摩耗、ならびに摩耗にともなう粉塵の発生が大幅に減少する。さらに、可動部１２が非接触で電力の供給を受けるため、可動部１２とケーブルベアとの一体の移動も不要となる。そのため、可動部１２で必要となる駆動力は減少する。可動部１２で必要な駆動力の減少にともない、電力の制御に必要な回路やモータ２１および駆動力伝達部２２などの機械的な構成も小型化される。したがって、ケーブルベアを廃止できるだけでなく、機器を小型化することができるとともに、騒音や粉塵の発生の低減にともなって適用可能な設備を拡大することができる。
【００２２】
また、本実施形態では、基板４１を挟んでコイル部４２と反対の裏面側に平板状の電極部材４３を設けている。これにより、コイル部４２と電極部材４３との間に基板４１が挟み込まれ、コンデンサ６２、６３、６５、６６が形成される。また、基板４１に設けられているコイル部４２によってリアクタンスが形成される。これら形成されたコンデンサ６２、６３、６５、６６およびリアクタンスによって共振が生じる。その結果、例えば電極部材４３の大きさ、形状、配置あるいは基板４１の厚さなど、電極部材４３とコイル部４２とが重なり合う条件を変更することにより、共振周波数は調整される。したがって、部品の大型化、工程の複雑化、および共振Ｑ値の低下を招くことなく、共振周波数の調整を容易にすることができる。
【００２３】
（その他の実施形態）
その他の実施形態による磁界共鳴コイル装置の電極部材をそれぞれ図１２および図１３に示す。
図１２および図１３に示すように、磁界共鳴コイル装置４０は、電極部材４３の形状を変更することができる。磁界共鳴コイル装置４０の電極部材４３は、形状だけでなく、２枚以上であれば枚数も変更することができる。このように磁界共鳴コイル装置４０は、電極部材４３の形状を変更することにより、基板４１を挟んでコイル部４２との間に形成されるコンデンサの容量が変化し、共振周波数の調整範囲を拡大することができる。
【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。
例えばコイル部４２の形状や巻数などは、任意に変更することができる。
【符号の説明】
【００２５】
図面中、１０は直動ロボット、４０は磁界共鳴コイル装置、４１は基板、４２はコイル部、４３は電極部材を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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