(57)【要約】【課題】  移動体が異なっても、移動体に合わせて給電装置の設計を容易に行なうことができ、また、メンテナンス時や清掃時などでも取り扱いが容易である移動体の非接触給電装置を提供する。【解決手段】  給電回路と給電用コイルとを一体化すると共に給電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して給電モジュール３を構成し、受電回路と受電用コイルとを一体化すると共に受電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して受電モジュール４を構成し、給電モジュール３を移動体１の移動経路２に沿って多数配置し、受電モジュール４をその表出部分が給電モジュール３の表出部分と対峙し得るように移動体１に設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の移動経路に沿って敷設された給電回路の給電用コイルから、前記移動体に設けられた受電回路の受電用コイルを介して非接触状態で給電する移動体の非接触給電装置であって、
前記給電回路と前記給電用コイルとを一体化すると共に前記給電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して給電モジュールを構成し、
前記受電回路と前記受電用コイルとを一体化すると共に前記受電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して受電モジュールを構成し、
前記給電モジュールを前記移動体の移動経路に沿って多数配置し、
前記受電モジュールをその表出部分が前記給電モジュールの表出部分と対峙し得るよう前記移動体に設けたことを特徴とする移動体の非接触給電装置。
【請求項２】
前記給電モジュールは、交流電源を整流して直流電源を生成する整流回路と、この整流回路によって生成される直流電源が供給される正側及び負側直流母線と、この正側及び負側直流母線間に接続されるインバータ主回路と、このインバータ主回路の出力端子に接続される前記給電用コイルと、この給電用コイルと一方の直流母線との間に接続され、前記給電用コイルと共振する共振回路と、前記インバータ主回路の出力端子と前記一方の直流母線との間に接続されるスナバ回路と、前記インバータ主回路を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項３】
前記受電モジュールは、前記給電用コイルに近接して誘導起電力を発生させる受電用コイルと、前記受電用コイルに共振する共振回路と、前記共振回路に接続された整流回路と、移動体の負荷に並列接続された平滑回路と、整流回路から出力された出力電圧をチョッパ制御するチョッパ回路とを有することを特徴とする請求項１記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項４】
前記受電モジュールは、前記給電用コイルに近接して誘導起電力を発生させる受電用コイルと、前記受電用コイルに共振する共振回路と、前記共振回路に接続された整流回路と、移動体の負荷に並列接続された平滑回路と、整流回路から出力される出力電圧を制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項５】
前記給電モジュールを所定の間隔で前記移動体の移動経路上に多数配置し、前記受電モジュールを前記給電モジュールと異なる間隔で前記移動体の移動方向に複数配置したことを特徴とする請求項１記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項６】
前記給電モジュールによる給電を同期させ、前記移動体の移動方向での前記給電モジュール間の間隔を同方向での前記受電モジュールの寸法の半分以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の移動体の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クリーンルーム内等で部品等を搬送する移動体に非接触状態で給電することが可能な非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工場などのクリーンルームにおいては、製造工程間で部品等の搬送を行なう移動体による発塵を抑制する必要から、移動体を非接触で給電する給電装置が用いられている。
従来、この種の非接触給電装置としては、下記する特許文献に示されるように、移動体が移動する移動経路に高周波電流を流す励磁線路を設け、これに対して移動体に複数のピックアップを設け、移動経路に設けられた励磁線路を一次側とし、移動体に設けられたピックアップを二次側として電磁誘導により移動体に給電する装置が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３５２２４４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した構成においては、移動体の移動経路に沿って給電線（励磁線路）を移動経路の設置表面から立ち上げて敷設する必要があるので、メンテナンス時や清掃時などで取り扱いに注意を要し、また、移動体に合わせた給電線を敷設する必要があるため、設計変更を簡単に行いにくく、移動体が異なれば、給電装置の設計を根本的に変更する必要があり、開発期間やコストを必要する不都合がある。
【０００５】
そこで、この発明においては、移動体が異なっても、移動体に合わせて給電装置の設計を容易に行なうことができ、また、メンテナンス時や清掃時などでも取り扱いが容易である移動体の非接触給電装置を提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、この発明に係る移動体の非接触給電装置は、移動体の移動経路に沿って敷設された給電回路の給電用コイルから、前記移動体に設けられた受電回路の受電用コイルを介して非接触状態で給電する構成であって、前記給電回路と前記給電用コイルとを一体化すると共に前記給電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して給電モジュールを構成し、前記受電回路と前記受電用コイルとを一体化すると共に前記受電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成して受電モジュールを構成し、前記給電モジュールを前記移動体の移動経路に沿って多数配置し、前記受電モジュールをその表出部分が前記給電モジュールの表出部分と対峙し得るよう前記移動体に設けたことを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
したがって、給電側および受電側が共にモジュール化されると共に給電モジュールと受電モジュールのそれぞれの表出部分を平坦状に形成したので、設置表面から立設させた給電線を配設する必要がなく、また、給電モジュールや受電モジュールをモジュール単位で追加、削除、レイアウトの変更を行なうことで、種々の給電態様に対応させることが可能となり、異なる移動体や設置箇所に同一の給電モジュール及び受電モジュールを用いて対応することが可能となる。
【０００８】
ここで、給電モジュールとしては、例えば、交流電源を整流して直流電源を生成する整流回路と、この整流回路によって生成される直流電源が供給される正側及び負側直流母線と、この正側及び負側直流母線間に接続されるインバータ主回路と、このインバータ主回路の出力端子に接続される前記給電用コイルと、この給電用コイルと一方の直流母線との間に接続され、前記給電用コイルと共振する共振回路と、前記インバータ主回路の出力端子と前記一方の直流母線との間に接続されるスナバ回路と、前記インバータ主回路を制御する制御手段とを有して構成するとよい（請求項２）。
【０００９】
より具体的には、給電モジュールは、交流電源を整流して直流電源を生成する整流回路と、この整流回路によって生成される直流電源が供給される正側及び負側直流母線と、この正側及び負側直流母線間に直列接続される第１及び第２のスイッチング素子と、これら第１及び第２のスイッチング素子の一方の両端子間に接続された給電用コイル及びこれに共振する共振回路と、前記一方のスイッチング素子の両端子間に接続され、スナバコンデンサ及び第３のスイッチング素子で構成されるスナバ回路と、前記第１乃至第３のスイッチング素子に制御信号を出力して導通制御する制御手段とを有して構成するとよい。
このような構成は、磁気誘導加熱調理器などの給電ユニットに利用され得る構成であり、汎用性のある給電モジュールを利用することが可能となる。
【００１０】
また、上述した受電モジュールとしては、例えば、前記給電用コイルに近接して誘導起電力を発生させる受電用コイルと、前記受電用コイルに共振する共振回路と、前記共振回路に接続された整流回路と、移動体の負荷に並列接続された平滑回路と、整流回路から出力された出力電圧をチョッパ制御するチョッパ回路とを有して構成したり（請求項３）、前記給電用コイルに近接して誘導起電力を発生させる受電用コイルと、前記受電用コイルに共振する共振回路と、前記共振回路に接続された整流回路と、移動体の負荷に並列接続された平滑回路と、整流回路から出力される出力電圧を制御する制御手段とを有して構成するとよい（請求項４）。
【００１１】
さらに、移動体の停止位置が定まっておらず、動きが予想できないような場合には、前記給電モジュールを所定の間隔で前記移動体の移動経路上に多数配置する構成に対し、前記受電モジュールを前記給電モジュールと異なる間隔で前記移動体の移動方向に複数配置し、停止位置がどこであっても、いずれかの給電モジュールからいずれかの受電モジュールに給電できるようにし、変換電力がほぼ一定となるようにするとよい（請求項５）。
【００１２】
また、各給電モジュールによる給電を同期させるような場合には、隣り合う給電モジュール間の干渉を避けるために、移動体の移動方向での給電モジュール間の間隔を同方向での受電モジュールの寸法の半分以上に設定するとよい（請求項６）。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように、この発明に係る移動体の非接触給電装置によれば、給電回路と給電用コイルとを一体化し、給電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成した給電モジュールを移動体の移動経路上に多数配置し、受電回路と受電用コイルとを一体化し、受電用コイルを収容した表出部分を平坦状に形成した受電モジュールを移動体に設け、これら給電モジュールと受電モジュールとを互いの表出部分を対峙し得るように設けたので、設置表面から突出する給電線が不要となり、また、メンテナンス時や清掃時に引っ掛ける等して破損させる不都合もなくなり、取り扱いが容易となる。
さらに、給電モジュールや受電モジュールは、モジュール単位で設置数を増減させたり、レイアウトを変更することで、供給電力を調整したり、移動体の種類に対応させることが
可能となるので、移動体に合わせて給電装置の設計を容易に行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１において、移動体の非接触給電装置の外観図が示されている。
この非接触給電装置は、移動体１の移動経路２に設けられた多数の給電モジュール３と、移動体１に設けられた多数の受電モジュール４とにより構成され、この例においては、給電モジュール３を移動経路２の上面に設け、受電モジュール４を給電モジュール３と所定の間隔を隔て対峙し得るように移動体１の底部に設けるようにしている。
【００１６】
給電モジュール３は、給電回路５を給電用コイル６と共に一体化し、受電モジュール４と対峙し得る表出部分を平坦状に形成してその内部に給電用コイル６を収容するようにしたもので、図２に示されるような回路構成を備えている。
【００１７】
給電回路５は、商用交流電源７に接続されて商用交流電源７を整流する整流器８と、この整流器８によって生成される直流電源が供給される正側及び負側直流母線９ａ，９ｂとを有し、整流器８の出力端子は、正側直流母線９ａに配されたリアクタ１０を介して平滑コンデンサ１１の両端に接続されている。正側及び負側の直流母線間には、正側の直流母線９ａに接続される第１のスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ１２と、負側の直流母線９ｂに接続される第２のスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ１３とが直列に接続され、これらＩＧＢＴ１２，１３によりハーフブリッジ型のインバータ主回路が構成されている。また、それぞれのＩＧＢＴ１２，１３のコレクタ・エミッタ間には、フリーホイールダイオード１４，１５が接続され、インバータ主回路の出力端子は、給電用コイル６の一端に接続され、給電用コイル６の他端と負側直流母線９ｂとの間には、共振コンデンサ１６とダイオード１７との並列回路が接続されている。
【００１８】
また、インバータ主回路の出力端子には、スナバコンデサ１８が接続され、このスナバコンデンサ１８と負側直流母線９ｂとの間に、第３のスイッチング素子を構成するＩＧＢＴ１９が接続されている。また、ＩＧＢＴ１９のコレクタ・エミッタ間には、フリーホイールダイオード２０が接続されている。
【００１９】
これらインバータ主回路の出力端子と負側直流母線９ｂとの間に接続されたスナバコンデンサ１８及びＩＧＢＴ１９によりスナバ回路が構成され、インバータ主回路の動作時におけるスイッチング損失を低減するようにしている。
【００２０】
前記平滑コンデンサ１１の充放電経路には、この平滑コンデンサ１１に流入する高周波電流を検出するカレントトランス２１が設けられ、このカレントトランス２１の二次側電圧に基づき入力電流検知回路２２で入力電流を検出し、この検出された入力電流に対応する信号を制御回路２３へ与えるようにしている。また、正側直流母線９ａの電圧は、入力検知回路２４で検出され、この検出された入力電圧に対応する信号を制御回路２３に与えるようにしている。
【００２１】
制御回路２３は、例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート等を有して構成されるそれ自体公知のもので、前記入力電流検知回路２２および入力電圧検出回路２４からの信号を入力し、メモリに与えられた所定のプログラムにしたがって入力信号を処理し、ＰＷＭ生成回路２５へ制御信号を出力するようにしている。
【００２２】
ＰＷＭ生成回路２５は、発振器２６が出力する固定周波数の発振信号を入力し、制御回路２３からの信号に基づき、各ＩＧＢＴ１２，１３，１９を固定周波数方式のＰＷＭ（パルス幅）制御にて動作させるために、パルス幅変調されたＰＷＭ駆動制御信号を生成する。このＰＷＭ生成回路２５により生成されたＰＷＭ駆動制御信号は、駆動回路２７によりＩＧＢＴオンオフ用のＰＷＭ駆動信号に変換され、それぞれのＩＧＢＴ１２，１３，１９のベースに供給される。
【００２３】
ＩＧＢＴ１２，１３は、駆動回路２７からの信号を受けて交互にオンオフ動作し、これにより、給電用コイル６と共振コンデンサ１６とを直列共振状態に設定し、給電コイル６に高周波電力を発生させるようにしている。
【００２４】
そして、このような給電モジュール３を所定の間隔で移動体１の移動経路２に沿って多数配置し、この例においては、移動体１の移動方向での給電モジュール３の間隔Ｌ１を受電モジュール４の同方向の寸法の半分以上に設定している。また、移動経路２に沿って給電モジュールを３列に配置し、図示しない同期回路により同期をとって高周波電力を発生させるようにしている。尚、この例において、給電モジュール３は、１個あたり１〜１０ＫＷの給電量を出力するように設計されている。
【００２５】
これに対し、受電モジュール４は、受電回路３０を受電用コイル（ピックアップコイル）３１と共に一体化し、給電モジュール３と対峙し得る表出部分を平坦状に形成してその内部に受電用コイル３１を収容するようにしたもので、図３に示されるような回路構成を備えている。
【００２６】
即ち、受電モジュール４は、給電用コイル６に近接して誘導起電力を発生させるピックアップコイル３１と、このピックアップコイル３１に並列接続されてピックアップコイル３１に共振する共振コンデンサ３２と、この共振コンデンサ３２に並列接続された整流回路３３とを有している。この整流回路３３は、ピックアップコイル３１の出力を整流するショットキーダイオード等を利用したダイオードブリッジで構成されており、この整流回路３３の出力端子には、平滑コンデンサ３４、降下型のチョッパ回路（バックコンバータ）３５が並列接続されている。
【００２７】
チョッパ回路３５は、制御回路３６によりオンオフ制御されるパワーＭＯＳＦＥＴ等によって構成されるスイッチング素子３７と、還流ダイード３８及びチョークコイル３９とを有して構成され、制御回路３６によるＰＷＭなどの変調制御により、出力電圧を一定にするようにパルス幅や時間を制御するようにしている。そして、このチョッパ回路３５の出力側には、負荷変動を安定させる低周波用コンデンサ４０ａと高調波ノイズを低減させる高周波用コンデンサ４０ｂとを組み合わせた平滑回路４０と，移動体１の負荷４１とが並列接続されている。これによりスイッチング素子３７のオン期間には、整流回路３３から出力された電力の一部をチョークコイル３９に貯えつつ負荷４１へ供給し、スイッチング素子３７のオフ期間には、チョークコイル３９に貯えた電力を還流ダイオード３８を還流して負荷４１に放出し、リップルの低減を図るようにしている。
【００２８】
そして、このような受電モジュール４を所定の間隔で移動体１の底部に多数配置し、この例においては、前記給電モジュール３に合わせて移動方向に沿って３列に配置されている。また、移動方向での受電モジュール４の間隔Ｌ２を給電モジュール３の間隔Ｌ１と異ならせている。
【００２９】
尚、給電用コイル３と受電用コイル４は、例えば、ぞれぞれ図４（ａ）に示されるように、渦巻き状に巻かられている。また、コイルの高周波電流の周波数は、２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの範囲に設定され、素線は直径０．３ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲の微細線集合撚り線が用いられ、周波数が高いほど、表皮効果の影響が大きくなるため、細いより線が用いられる。この例においては、電力変換効率や電力損失を考慮して２０ＫＨｚのモジュールが用いられている。また、給電用コイル３と受電用コイル４の間隔は、近接するほど漏れ磁束が少なくなり、変換電力が多くなるので、数ミリ以下に調整されている。
【００３０】
次に、以上のように構成された給電装置の動作を説明する。
交流電源から出力される２００Ｖの交流は、各給電モジュール３により２０ＫＨｚの高周波の正弦波に変換され、それぞれの給電用コイル６に供給されて高周波磁界を発生させる。この状態で、移動体１に設けられた受電モジュール４の受電用コイル（ピックアップコイル）３１が給電用コイル６に近接していると、受電用コイル３１に給電用コイル６との間で発生する誘導起電力が受電され、受電された電力は、受電回路３０の整流回路３３で整流され、チョッパ回路３７で所定の電圧に調整された後に、移動体１を駆動させる電動モータなどの負荷４１へ供給され、これにより、移動体１を走行レール上に沿って移動させる。
【００３１】
移動体１の移動に伴い、受電モジュール４が対峙する給電モジュール３は刻々と移り変わっていくが、受電モジュール４は、新たに対峙する給電モジュール３との間で上述した動作が繰り返され、誘導起電力が受電され続ける。これにより、移動経路２の全範囲に亘って移動体１に非接触で給電することを可能にしている。
【００３２】
したがって、上述の構成によれば、表出部分が平坦状に形成された給電モジュール３と受電モジュール４とを対峙させて非接触にて給電されるので、移動体１の移動経路には、経路表面から立設する給電線を配設する必要がなく、メンテナンス時や清掃時に引っ掛けて破損させる不都合もなくなり、取り扱いが容易となる。
【００３３】
また、給電モジュール３や受電モジュール４の数やレイアウトを変更することで、供給電力量を調整することができるので、移動体１の需要電力に合わせて適切な給電装置の設計を容易に行うことが可能になると共に、種々の給電態様に対応することが可能となる。このため、異なる移動体や設置箇所に対して同一の給電モジュール３及び受電モジュール４を用いて対応することが可能となる。
【００３４】
さらに、上述の構成において、給電モジュール３にあっては、磁気誘導加熱調理器の給電ユニットと原理的に同様であるので、既存の磁気誘導加熱調理器の給電ユニットをそのまま利用することも可能であり、また、受電モジュール４にあっては、既存の磁気誘導加熱調理器の給電ユニットの給電回路を取り外し、コイル部分をそのまま残して受電回路３０を組み込めば形成することができるので、製造コストを大幅に削減することが可能となる。
【００３５】
図５において、受電モジュール４の受電回路３０の他の構成例が示されている。この例において、受電回路３０は、給電用コイル６に近接して誘導起電力を発生させる受電用コイル（ピックアップコイル）３１に共振する共振コンデンサ４２と、この共振コンデンサ４２に並列接続された整流回路４３とを有している。この整流回路４３は、ピックアップコイル３１の出力を整流するショットキーダイオード４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ等を利用したダイオードブリッジで構成され、ダイオード４３ｃ，４３ｄの導通、非導通をＩＧＢＴ、トランジスタ、ＦＥＴなどのスイッチグ素子で構成された制御回路４４で制御し、制御回路４４によるＰＷＭなどの変調制御により、出力電圧を一定にするようパルス幅や時間を制御するようにしている。そして、この整流回路４３の出力端子には、直列接続された平滑コイル４５を介して、負荷変動を安定させる低周波用コンデンサ４６ａと高調波ノイズを低減させる高周波用コンデンサ４６ｂとを組み合わせた平滑回路４６と、移動体１の負荷４１とが並列接続されている。尚、他の構成は、前記構成例と同様である。
【００３６】
このような構成においても、受電用コイル（ピックアップコイル）３１で受電した誘導起電力は、受電回路３０の整流回路４３で整流されつつ制御回路４４によって出力電圧が調節され、その後、移動体１を駆動させる電動モータなどの移動体の負荷４１へ供給され、これにより、移動体１を走行レール上に沿って移動させることが可能となり、前記構成例と同様の作用効果を得ることが可能となる。
【００３７】
尚、上述の例では、給電用コイル６と受電用コイル３１を渦巻き状に巻いた構成を説明したが、図４（ｂ）で示す円形状や図４（ｃ）で示す矩形状に数ターン巻回したもので代用してもよい。コイルの巻き方を円形状や矩形状にしたものにあっては、磁界の分布が図同図に示すように良くなり、給電用コイル６と受電用コイル３１との中心線がずれている場合でも、変換電力への影響を受けにくくすることが可能となる。この給電用コイル６と受電用コイル３１は、磁力線の分布を考慮すると、同一形状のものを用いればよいが、磁心を利用する場合やモジュールのレイアウトによっては、効率を向上させるために適宜形状を変更してもよい。
【００３８】
また、移動経路上に配設した各給電モジュール３を同期回路を用いずに非同期で高周波電力を発生させてもよく、このような構成を採用した場合には、給電モジュール間の間隔に前述のような制限を設ける必要はない。
【００３９】
さらに、上述の構成例では、移動経路２の上面に給電モジュール３を設置し、移動体１の下面に受電モジュール４を設置したが、移動経路２を付設する部屋や移動体１の形状に応じて、例えば、給電モジュール３を移動経路に設けられた立設面に設置し、受電モジュール４をこの立設面と対峙する移動体の側面に設置するなど、側方からの給電に対応させるようにしてもよい。また、給電用コイル６と受電用コイル３１との間の漏れ磁束を少なくする対策として、フェライト等の磁心を利用してもよい。
【００４０】
さらにまた、上述の構成においては、給電モジュール３間の間隔を受電モジュール４間の間隔と異ならせることで、移動体１の停止位置や動きが予想できないような場合でも変換電力を一定にするようにしたが、移動体１の停止位置が決まっているような場合であれば、それに合わせて給電モジュール３と受電モジュール４の位相を一致させて配置し、効率を高めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明に係る移動体の非接触給電装置を示す外観図であり、図１（ａ）は移動体１を移動経路２から外した状態を示す斜視図であり、図２（ｂ）は移動体１を移動経路上に乗せた状態を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明に係る非接触給電装置の給電モジュール３の構成例を示す電気回路図である。
【図３】図３は、本発明に係る非接触給電装置の受電モジュールの構成例を示す電気回路図である。
【図４】図４は、給電モジュールの給電用コイルと受電モジュールの受電用コイルの巻き方の構成例とその磁界分布を説明する図である。
【図５】図５は、本発明に係る非接触給電装置の受電モジュールの他の構成例を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  移動体
２  移動経路
３  給電モジュール
４  受電モジュール
５  給電回路
６  給電用コイル
８  整流回路
９ａ  正側直流母線
９ｂ  負側直流母線
１２，１３，１９  ＩＧＢＴ
１８  スナバコンデンサ
１６  共振コンデンサ
３０  受電回路
３１  受電用コイル
３２，４２  共振コンデンサ
３３，４３  整流回路
３５  チョッパ回路
４０，４６  平滑回路
【図１】
2006121791.tif 000003
【図２】
2006121791.tif 000004
【図３】
2006121791.tif 000005
【図４】
2006121791.tif 000006
【図５】
2006121791.tif 000007