(57)【要約】  本体側と、本体側に対して相対変位可能とされた負荷側との間で、本体側から負荷側に設けられた超音波振動子等のような共振回路に無接触で電力を供給する無接触式電源供給装置において、負荷側の共振回路をより効果的に駆動させることの出来る、新規な構造の無接触式電源供給装置を提供する。  本体１６側に一次側電力用コイル６６ａを設けると共に、負荷２２側に二次側電力用コイル６６ｂを設けて、前記本体１６側の給電装置１００，１０２から前記一次側電力用コイル６６ａおよび二次側電力用コイル６６ｂを通じて前記負荷２２の共振回路５０に駆動電力を供給すると共に、前記一次側電力用コイル６６ａをコア部材７０で囲む一方、前記二次側電力用コイル６６ｂをコア部材で囲まないようにした。
2014111972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を出力する給電装置を備えた本体側と、該本体側に対して相対変位可能とされていると共に共振回路を備えた負荷側との間において、対をなす一次側電力用コイル及び二次側電力用コイルが設けられており、これら電力用コイルを通じて前記本体側の前記給電装置から前記負荷側の前記共振回路へ駆動電力が供給可能とされている無接触式電源供給装置において、
前記本体側には、透磁性材からなるコア部材が前記一次側電力用コイルを囲んで設けられている一方、前記負荷側には、前記二次側電力用コイルを囲む前記コア部材が設けられていないことを特徴とする無接触式電源供給装置。
【請求項２】
前記本体側と前記負荷側との間に対をなす信号用コイルが設けられていると共に、前記負荷側には、前記共振回路の振動状態を検出する検出手段が設けられており、該検出手段による検出信号が前記信号用コイルを用いて前記負荷側から前記本体側へ送信可能とされている一方、前記本体側には前記一次側電力用コイルへの給電周波数調節機構が設けられており、前記共振回路における共振周波数の変化に追従的に対応して、前記一次側電力用コイルへの給電周波数が、前記信号用コイルを通じて前記負荷側から前記本体側に送信された前記検出信号に基づいて制御されるようになっている請求項１に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項３】
前記本体側と前記負荷側の少なくとも一方において、前記信号用コイルには、前記電力用コイルによって生じた磁束の影響で該信号用コイルに生ぜしめられる起電力を相殺するように互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分と第二の巻線部分が形成されている請求項２に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項４】
前記電力用コイルのコイル巻線と前記信号用コイルのコイル巻線とが重ねて配設されている請求項３に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項５】
前記電力用コイルと前記信号用コイルが同軸上に配設されている請求項３又は４に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項６】
前記負荷側の前記二次側電力用コイルのみ又は前記二次側電力用コイルと前記信号用コイルが、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび前記信号用コイルに対して複数用意されており、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび前記信号用コイルに対して選択的に組み合わせ可能とされている請求項２〜５の何れか１項に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項７】
前記負荷側の前記共振回路が、超音波振動子を含んで構成されている請求項１〜６の何れか１項に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項８】
前記超音波振動子は、複数の圧電素子が積層されたランジュバン型振動子であり、それら複数の圧電素子と共に積層された圧電素子によって、前記検出手段が構成されている請求項７に記載の無接触式電源供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対変位可能とされた本体側と負荷側との間で、コイル部材間の相互誘導を用いて電力を供給する無接触式電源供給装置に係り、特に、負荷側に設けられた共振回路に本体側から駆動電力を供給するために用いられる無接触式電源供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特開２００２−３４６８１７号公報（特許文献１）や特開２０１０−２０７９７１号公報（特許文献２）に記載の工作機械のように、給電装置が設けられた本体側と、本体側に対して回転可能とされた負荷側とを備え、負荷側に超音波振動子を設けて工具と連結することにより、工具に回転運動と超音波振動子による振動とを重畳することが行われている。このような工作機械において、本体側の給電装置から負荷側の負荷としての超音波振動子に電力を供給する手段の１つとして、スリップリングが用いられている。スリップリングは、負荷側に設けられる電極板に、本体側に設けられるブラシを接触させる構造とされており、相対回転される部材間を電気接続するために広く用いられている。【０００３】
ところが、スリップリングは、電極板とブラシとの間で物理的な接触点を有することから、機械的摩耗による劣化の問題があった。また、毎分あたり数千程度の回転が限界で、毎分あたり数万の高速回転に対応することは困難であった。【０００４】
そこで、特開２００２−２８８０８号公報（特許文献３）や特表２００８−５０４１３８号公報（特許文献４）に記載のように、無接触式の電源供給装置が用いられることがある。この無接触式電源供給装置は、透磁性材からなるコア部材が組み付けられたコイル部材を本体側と負荷側に配設して、コア部材で磁路を形成して両コイル部材間で相互誘導作用を利用することにより、本体側から負荷側に電力を伝送することが可能とされている。このような無接触式電源供給装置によれば、本体側と負荷側との間で無接触の状態で電力を伝送することが可能となり、機械的摩耗の問題を解消できると共に、より高速な回転にも対応することが出来る。【０００５】
ところで、特許文献１〜４に記載の工作機械に設けられた、負荷としての超音波振動子は、共振周波数を有する電気的な共振回路と等価に考えられることが知られている。そこで、超音波振動子を効果的に駆動させるために、超音波振動子の共振周波数やその近傍の周波数の駆動電圧を印加することが行われている。【０００６】
ところが、特許文献３や特許文献４に記載の如き、無接触式電源供給装置を用いた工作機械においては、超音波振動子の振動が工具に効果的に伝達されず、工具の振幅として効果的に発現されなかったり、超音波振動子にうねりや発熱を生じ、安定的な加工が行えない場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４６８１７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０７９７１号公報
【特許文献３】特開２００２−２８８０８号公報
【特許文献４】特表２００８−５０４１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、本体側から、超音波振動子等のような共振回路を備えた負荷側に対して無接触で電力を供給する無接触式電源供給装置において、負荷側の共振回路をより効果的に駆動させることの出来る、新規な構造の無接触式電源供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる問題に対して本発明者が鋭意検討したところ、無接触式電源供給装置においては、負荷側の電力伝送に用いるコイル部材に組み付けられたコア部材が、負荷側の共振回路の駆動効率を低下する原因となり得ることを発見した。【００１０】
すなわち、前述のように、例えば超音波振動子は、共振周波数近傍において、図２４に示す共振回路と等価に考えられることが知られている。図２４に示す等価回路は、機械的振動特性（直列共振特性）を表すコイル分（Ｌ）およびコンデンサ（Ｃ）、および機械的負荷を表す抵抗分（Ｒ）が直列に接続されたＬＣＲ回路に、超音波振動子を構成する圧電素子がコンデンサとして働くことによる制動容量（Ｃｄ）が並列に接続されている。そこで、この等価回路に対して、ＬＣＲ回路が直列共振する共振周波数ｆr ＝１／（２π√（Ｌ・Ｃ））乃至はその近傍の周波数の電圧を印加することにより、超音波振動子を効率良く駆動させることが出来る。【００１１】
しかし、このような共振回路に対して、特許文献３や特許文献４に記載の如き無接触式電源供給装置を適用して、負荷側（共振回路側）の電力伝送用のコイル部材にコア部材を組み付けると、コア部材の高い透磁率により共振回路のインダクタンス（Ｌ）が増大して、共振周波数ｆr を大きく変化させることとなる。インダクタンス（Ｌ）の増大は、一般に、共振周波数の低下として現れる。それ故、例えば超音波振動子の場合には、共振周波数の低下が駆動周波数の低下として発現することがあった。【００１２】
さらに、例えば特許文献３や特許文献４等に記載の工作機械においては、超音波振動子の振動を工具のストロークとして有効に発現させるために、超音波振動子の共振周波数を、工具を含んだ負荷側の機械的な固有振動数の近傍にチューニングすることが行われている。ところが、負荷側の電力伝送用のコイル部材にコア部材を組み付けることで超音波振動子（共振回路）の共振周波数を大きく変化させてしまうと、超音波振動子の駆動周波数を負荷側の機械的な固有振動数に近づけることが困難となって、超音波振動子の振動が工具の振動と協調せずに、工具の振動として有効に発現されない場合があった。【００１３】
また、従来の無接触式電源供給装置においては、本体側の電力用コイルと負荷側の電力用コイルの両方にコア部材を設けて、両コア部材の対向された端面間にコイル部材からの磁束を集中させることで、コイル部材間の結合係数が高められている。しかし、例えば図２５に示すように、本体側から負荷側に電力が方形波として伝送されると、方形波が殆どそのまま負荷側の超音波振動子に印加される。一方、図２５に併せ示すように、超音波振動子の機械的振動は正弦波を描く。それ故、方形波がそのまま超音波振動子に印加されると、超音波振動子が方形波の急峻な電圧の増減に追従しきれずにうねりを生じたり、図中に斜線で示す余剰のエネルギーが熱となって発熱を生じる原因になり得ることを本発明者は発見した。本発明は、かくの如き知見に基づいて完成されたものである。【００１４】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。【００１５】
本発明の第一の態様は、交流電圧を出力する給電装置を備えた本体側と、該本体側に対して相対変位可能とされていると共に共振回路を備えた負荷側との間において、対をなす一次側電力用コイル及び二次側電力用コイルが設けられており、これら電力用コイルを通じて前記本体側の前記給電装置から前記負荷側の前記共振回路へ駆動電力が供給可能とされている無接触式電源供給装置において、前記本体側には、透磁性材からなるコア部材が前記一次側電力用コイルを囲んで設けられている一方、前記負荷側には、前記二次側電力用コイルを囲む前記コア部材が設けられていないことを、特徴とする。【００１６】
本発明においては、本体側の一次側電力用コイルの周囲にコア部材が設けられている一方、負荷側の二次側電力用コイルの周囲には、コア部材が設けられていない。これにより、負荷側に設けられた共振回路のインダクタンスの増大を回避して、共振回路の共振周波数が大きく低下することを防止することが出来る。その結果、共振回路の共振周波数をより高く設定することが出来て、例えば共振回路が超音波振動子の場合には、より高い駆動周波数で駆動させることが出来る。それと共に、超音波振動子の共振周波数を負荷側の機械的な固有振動数の近傍に設定し易くすることが出来、超音波振動子に連結された工具のストロークを有効に得ることが出来る。これにより、より優れた加工精度を得ることが出来る。【００１７】
さらに、二次側電力用コイルを囲むコア部材を設けないことにより、一次側電力用コイルと二次側電力用コイルとの結合係数を積極的に下げることが出来る。その結果、例えば前記図２５のように、本体側から方形波が発振される場合には、負荷側において共振回路に入力される電力波形を図２５に併せ示した超音波振動子の機械的振動である正弦波に近づけることが出来る。これにより、例えば共振回路が超音波振動子の場合には、正弦波となる超音波振動子の振動を印加電圧の変化に同調させ易くすることが出来、超音波振動子のうねりを低減して、超音波振動子を安定的に振動させることが出来る。それと共に、余剰エネルギーの発生を抑えることが出来て、発熱を抑えることも出来る。【００１８】
更にまた、本体側と負荷側の両方で磁束がコア部材に集中することを回避したことにより、負荷側が本体側に対して僅かに位置ずれしたのみで結合係数が急激に低下して、電力の伝送効率が急激に低下することを防止することが出来、電力伝送をより安定的に行うことが出来る。加えて、負荷側の重量を軽減することが出来て、例えば負荷側が本体側に対して回転駆動されるものの場合には、より高速で回転させることが出来る。【００１９】
なお、本発明において、例えば後述する信号用コイル等のように、負荷側に二次側電力用コイルと別のコイル部材を更に設けて、該別のコイル部材にコア部材を組み付けることは可能である。但し、好ましくは、負荷側にコア部材が一切設けられていない態様が採用され得る。即ち、コア部材が鉄などの微粒子を焼結して形成されたものである場合には、毎分あたり数万程に高速に回転されると亀裂や破損のおそれが高くなるが、負荷側にコア部材を設けなくすることによって、負荷側におけるコア部材の損傷の問題を解消することが出来る。【００２０】
また、本発明における共振回路は、電気的な共振周波数を有するものであれば何等限定されるものではなく、例えば、コイルとコンデンサで構成された共振回路のみならず、前述の超音波振動子のように、物理的な振動特性を電気的な共振回路と等価に考えられるもの等も含む。更に、共振回路には各種の電気部品が適宜に接続されることは勿論であり、例えばコイルとコンデンサで構成された共振回路に、サーボモータやステッピングモータ、ソレノイド、バルブ、各種センサや各種の電気回路等が接続され得る。また、一次側電力用コイルと二次側電力用コイルが設けられる本体側と負荷側の相対変位方向は何等限定されるものではなく、本発明の無接触式伝送装置は、各種の機械に広く適用可能である。更にまた、コア部材の具体的形状は、本体側と負荷側との相対変位方向や、要求される電力や電気信号の伝送路の数等を考慮して各種の形状が適宜に採用可能である。【００２１】
本発明の第二の態様は、前記第一の態様に記載のものにおいて、前記本体側と前記負荷側との間に対をなす信号用コイルが設けられていると共に、前記負荷側には、前記共振回路の振動状態を検出する検出手段が設けられており、該検出手段による検出信号が前記信号用コイルを用いて前記負荷側から前記本体側へ送信可能とされている一方、前記本体側には前記一次側電力用コイルへの給電周波数調節機構が設けられており、前記共振回路における共振周波数の変化に追従的に対応して、前記一次側電力用コイルへの給電周波数が、前記信号用コイルを通じて前記負荷側から前記本体側に送信された前記検出信号に基づいて制御されるようになっているものである。【００２２】
本態様においては、負荷側において検出手段によって共振回路の振動状態を検出して、一対の信号用コイルを介して本体側に検出信号として伝達することが出来る。これにより、本体側において、相対変位される負荷側の共振回路の振動状態を検出することが出来、給電周波数調節機構によって、受信した検出信号に基づいて最適な周波数で電力を供給することが出来る。その結果、例えば工具が連結された共振回路としての超音波振動子において、工具に加わる機械的負荷によって超音波振動子の共振周波数が変化した場合には、本体側で超音波振動子の共振周波数の変化を検出して、その変化に追従して印加電圧の周波数を変化させることが可能であり、好適な駆動状態を安定して維持することが出来る。【００２３】
なお、給電周波数調節機構としては各種のものが採用可能であり、例えば位相同期回路（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）を用いても良いし、ＣＰＵを備えた演算装置を用いて、得られた検出信号に基づいて所定のプログラムに従って一次側電力用コイルへの給電周波数を制御する等しても良い。【００２４】
また、前述のように、本発明における共振回路としては、機械的な振動を発現する超音波振動子等も含むものであり、共振回路の振動状態を検出する検出手段としては、共振回路の電気的振動によって発現された機械的振動を検出するものでも良い。従って、検出手段としては、例えば共振回路によって駆動されるアクチュエータの物理的な駆動状態を検出する加速度センサ等でも良い。更に、負荷側に設けられる検出手段は、加速度センサや、共振回路に流れる電流を検出するホール素子等の特別なセンシング機能を備えたものに限定されず、例えば共振回路に流れる電流をピックアップするための電線等でも良い。【００２５】
なお、本態様において、本体側から負荷側に電気信号を伝送するようにしても良い。そのような電気信号の伝送路として、別途に信号用コイルの対を本体側と負荷側に設けても良いし、前記負荷側から本体側へ電気信号を伝送する信号用コイルを、本体側から負荷側への電気信号の伝送路として兼用することも可能である。【００２６】
また、本体側に設けられる一次側電力用コイルと信号用コイルとの相対位置、および負荷側に設けられる二次側電力用コイルと信号用コイルとの相対位置は限定されない。例えば、本体側を例にすると、一次側電力用コイルと信号用コイルを同心軸上に配設しても良いし、偏心して配設しても良い。更にまた、コア部材の数は限定されるものではなく、例えば本体側において共通のコア部材に一次側電力用コイルと信号用コイルを組み付けても良いし、或いは一次側電力用コイルと信号用コイルを各別のコア部材にそれぞれ組み付けて本体側に設ける等しても良い。更に、前述のように、例えば本体側と負荷側の相対変位量を大きくしたい場合等に、負荷側の信号用コイルの鎖交磁束を調節するために、負荷側の信号用コイルにコア部材を組み付ける等しても良い。【００２７】
本発明の第三の態様は、前記第二の態様に記載のものにおいて、前記本体側と前記負荷側の少なくとも一方において、前記信号用コイルには、前記電力用コイルによって生じた磁束の影響で該信号用コイルに生ぜしめられる起電力を相殺するように互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分と第二の巻線部分が形成されているものである。【００２８】
本態様においては、本体側と負荷側の少なくとも一方の信号用コイルに、互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分と第二の巻線部分が形成されている。ここにおいて、互いに逆向きとは、電力用コイル（本体側の信号用コイルについては一次側電力用コイル、負荷側の信号用コイルについては二次側電力用コイル）の中心に対して、第一の巻線部分と第二の巻線部分が互いに逆回りに巻回されていることを言う。これにより、電力用コイルによって生ぜしめられた磁束が信号用コイルを通過した場合には、第一の巻線部分と第二の巻線部分において、通電方向が逆向きとなる誘導電流が生ぜしめられて、相互に相殺される。従って、別途にノイズ抑制用のコイル部材を設けたり、ノイズ起電力を打ち消すための給電制御装置を設けることなく、信号用コイルの特定形状を用いて電力用コイルの影響によるノイズ起電力を低減することが出来る。その結果、一対の信号用コイルによる電気信号の伝送をより精度良く行うことが出来る。【００２９】
さらに、信号用コイルに形成された第一の巻線部分と第二の巻線部分とで、共通磁界に対して互いに逆向きの誘導起電力を生ぜしめることから、電力用コイルから生ぜしめられる磁束の量が変化した場合でも、第一の巻線部分と第二の巻線部分のそれぞれに、磁束の量の変化に応じた誘導起電力が生ぜしめられる。これにより、例えば給電制御装置で信号用コイルに生じたノイズ起電力の変化を監視して、ノイズ起電力の変化に応じて信号用コイルへのノイズ低減用の印加電圧を変化させる等の高度な制御を要することなく、極めて簡易な構造で、優れたノイズ抑制効果を得ることが出来る。【００３０】
加えて、本態様によれば、電気信号をより速やかに伝送することが出来る。即ち、例えば無線通信の場合には、一般に、受信した電気信号を検波してから増幅し、ノイズを除去して信号を再生するという多段の処理が必要となって、時間を要する。特に、前記第二の態様のようなフィードバック制御において、負荷側で検出信号が発生してから本体側で再生されるまでに時間を要すると、検出信号の時間的な遅れを考慮する必要が生じ、制御の複雑化を招く。これに対し、本態様によれば、信号用コイルの構造そのものにノイズ低減効果を付与したことにより、より速やかに電気信号を伝送することが可能となり、信号伝達のリアルタイム性を向上することが出来る。【００３１】
そして、電力用コイルによる磁束の影響を低減することが可能であることから、従来では電力用コイルによる磁束の影響から配設することが困難であった、電力用コイルに近接した位置に信号用コイルをスペース効率良く配設することが出来、無接触式電源供給装置のコンパクト化を図ることが出来る。【００３２】
なお、第一の巻線部分と第二の巻線部分の巻数は、第一の巻線部分に生じる起電力と第二の巻線部分に生じる起電力を考慮して任意に設定され、好適には、共通磁界に対して第一の巻線部分と第二の巻線部分に、互いに逆方向で大きさの等しい起電力が生ぜしめられるように設定される。従って、第一の巻線部分の巻数と第二の巻線部分の巻数は、互いに異ならされていても良い。【００３３】
本発明の第四の態様は、前記第三の態様に記載のものにおいて、前記電力用コイルのコイル巻線と前記信号用コイルのコイル巻線とが重ねて配設されているものである。【００３４】
前記第三の態様に記載のように、第三の態様によれば、信号用コイルに共通磁界に対して互いに逆向きの起電力を生ずる第一の巻線部分と第二の巻線部分とが設けられている。そこで、信号用コイルを電力用コイルからの磁束が影響する近接位置に配設しても、電力用コイルからの磁束によるノイズ起電力を低減することが出来る。その結果、本態様のように、信号用コイルと電力用コイルを重ねて配設することも可能となり、無接触式電源供給装置の更なるコンパクト化を図ることが出来る。なお、本態様における「重ねて」とは、電力用コイルのコイル巻線と、信号用コイルのコイル巻線が、これらコイルの軸方向の投影視で重なる位置に配設されていることを言うものであって、両コイルのコイル巻線が相互に非接触であることは勿論であり、両コイルのコイル巻線が接触状態にあることを言うものではない。また、電力用コイルのコイル巻線と信号用コイルのコイル巻線は、略全周に亘って重ねられていても良いし、部分的に交差するように重ねられていても良い。【００３５】
本発明の第五の態様は、前記第三又は第四の態様に記載のものにおいて、前記電力用コイルと前記信号用コイルが同軸上に配設されているものである。【００３６】
本態様に従う構造とされた無接触式電源供給装置は、例えば本体側に対して、工具と超音波振動子を備えた負荷側が回転される超音波ミリング装置等に好適に適用することが出来、本体側と負荷側との回転部分で、電力と電気信号の伝送を行うことが出来る。そして、スリップリングのような物理的な接触部分を持たないことから、より高速回転に対応することが出来ると共に、優れた耐久性とメンテナンス性を得ることが出来る。【００３７】
さらに、信号用コイルに、電力用コイルの影響によるノイズ起電力を低減する第一の巻線部分と第二の巻線部分が形成されていることから、信号用コイルを電力用コイルと同軸上で互いのコイル巻線を完全に重ねて配設することも可能であり、更なるコンパクト化を図ることが出来る。【００３８】
本発明の第六の態様は、前記第二〜第五の何れか１つの態様に記載のものにおいて、前記負荷側の前記二次側電力用コイルのみ又は前記二次側電力用コイルと前記信号用コイルが、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび前記信号用コイルに対して複数用意されており、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび信号用コイルに対して選択的に組み合わせ可能とされているものである。【００３９】
本態様においては、本体側に対して負荷側が複数設けられており、複数の負荷側を選択的に本体側に組み合わせることが可能とされている。これにより、例えば工作機械などにおいて、各種の工具が設けられた負荷側を複数用意して、本体側に対して選択的に組み付け可能とすることが出来る。そして、本発明の無接触式電源供給装置によれば、本体側と負荷側との間で無接触で電力や電気信号を伝送可能であることから、本体側と負荷側との切り離しも容易に行うことが出来る。なお、本態様における負荷側は、二次側電力用コイルのみを備えたものでも良いし、二次側電力用コイルと信号用コイルを備えたものでも良い。【００４０】
本発明の第七の態様は、前記第一〜第六の何れか１つの態様に記載のものにおいて、前記負荷側の前記共振回路が、超音波振動子を含んで構成されているものである。【００４１】
前述のように、超音波振動子は、電気的な共振回路と等価に扱うことが出来る。そして、共振回路として超音波振動子を備えた負荷側と本体側との間で本発明の無接触式電源供給装置を採用することによって、共振回路のインダクタンスの増大を抑えて、超音波振動子の共振周波数を負荷側の機械的な固有振動数に近づけ易くして、チューニングの容易性を向上することが出来る。それと共に、本体側の一次側電力用コイルと負荷側の二次側電力用コイルとの結合係数を下げることにより、超音波振動子への印加電圧を正弦波に近づけて、超音波振動子のうねりを抑えてより安定的に駆動させることが出来ると共に、発熱を抑えることが出来る。【００４２】
特に、本態様は、前記第二の態様と組み合わせて好適に用いることが出来、負荷側に設けられた検出手段で超音波振動子の振動状態を検出して、電気信号として本体側の給電周波数調節機構に伝送することが可能となる。これにより、超音波振動子を用いた工作機械や洗浄機等において、温度条件の変化、超音波振動子への機械的負荷の変化等に起因する超音波振動子の共振周波数の変化に追従して、適切な周波数の駆動電圧を供給することが出来る。【００４３】
本発明の第八の態様は、前記第七の態様に記載のものにおいて、前記超音波振動子は、複数の圧電素子が積層されたランジュバン型振動子であり、それら複数の圧電素子と共に積層された圧電素子によって、前記検出手段が構成されているものである。【００４４】
本態様によれば、超音波振動子の振動を、検出手段としての圧電素子の圧電効果を用いて電圧として検出することが出来る。これにより、簡易な構造で検出手段を実現することが出来る。更に、検出手段としての圧電素子を、ランジュバン型振動子を構成する複数の圧電素子と同軸上に配設出来ることから、検出手段をスペース効率良く設けることが出来ると共に、負荷側の重量バランスの偏りを抑えることも出来る。
【発明の効果】
【００４５】
本発明においては、相対変位される本体側と負荷側において、本体側の一次側電力用コイルを囲んでコア部材を設ける一方、負荷側には、二次側電力用コイルを囲むコア部材を設けないようにした。これにより、共振回路のインダクタンスの増大を抑えることが出来る。その結果、共振回路の共振周波数が大きく低下することを回避して、高い共振周波数を維持することが出来る。更に、共振回路が超音波振動子である場合等には、超音波振動子の共振周波数の大きな変化を抑えることにより、負荷側における機械的な固有振動数に、超音波振動子の共振周波数をチューニングし易くすることが出来る。更にまた、一次側電力用コイルと二次側電力用コイルとの結合係数を下げることにより、本体側に対して負荷側が位置ずれした場合でも、伝送効率が急激に低下することを回避することが出来て、電力伝送の安定性を向上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第一の実施形態としての無接触式電源供給装置を備えた工作機械をモデル的に示す説明図。
【図２】図１に示した工作機械の要部の縦断面説明図。
【図３】超音波振動子の説明図。
【図４】一次側電力用コイル、二次側電力用コイル、信号用コイル、コア部材の分解斜視図。
【図５】図４に示した信号用コイルをモデル的に示す説明図。
【図６】本体側コイルヘッドの正面図。
【図７】本体側コイルヘッドと負荷側コイルヘッドの相対変位方向を説明するための説明図。
【図８】本発明の第一の実施形態としての無接触式電源供給装置を概略的に説明するブロック図。
【図９】共振回路のインピーダンス特性を示すグラフ。
【図１０】共振回路に流れる電流の測定結果を示すグラフ。
【図１１】共振回路の共振周波数近傍における電圧と電流の測定結果を示すグラフ。
【図１２】共振回路の共振周波数近傍から外れた周波数域における電圧と電流の測定結果を示すグラフで、方形波の電圧を印加した場合のグラフ。
【図１３】共振回路の共振周波数近傍から外れた周波数域における電圧と電流の測定結果を示すグラフで、正弦波の電圧を印加した場合のグラフ。
【図１４】共振回路の共振周波数が変化した場合の電圧と電流の変化の様子を説明するための説明図で、（ａ）は電流の振幅が変化した場合、（ｂ）は電流の位相が変化した場合を示す説明図。
【図１５】信号用コイルに生じる誘導電流の向きを説明するための説明図であり、（ａ）は電気信号の伝送時、（ｂ）はノイズ発生時を示す。
【図１６】信号用コイルに生じる誘導電流の向きを説明するための縦断面図であり、（ａ）は電気信号の伝送時、（ｂ）はノイズ発生時を示す。
【図１７】負荷側における検出信号の送信タイミングと、本体側における検出信号の受信タイミングを測定したグラフ。
【図１８】図１に示した工作機械に選択的に取り付けられる、複数の工具ユニットを示す説明図。
【図１９】図１に示した工作機械の、コンピュータネットワークへの接続態様を説明するための説明図。
【図２０】本発明の第二の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する、検出手段を示す説明図。
【図２１】本発明の第三の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する一次側電力用コイル、信号用コイル、コア部材を示す分解斜視図。
【図２２】本発明の第四の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する一次側電力用コイル、二次側電力用コイル、信号用コイル、コア部材の縦断面図。
【図２３】本発明の第五の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する、信号用コイルをモデル的に示す正面図。
【図２４】負荷側に設けられる共振回路を説明するための説明図。
【図２５】共振回路の例としての超音波振動子に印加される電圧と、超音波振動子の振動状態を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００４８】
先ず、図１に、本発明の第一の実施形態としての無接触式電源供給装置１０を備えた工作機械１２をモデル的に示す。工作機械１２は、本体側としての機械本体１４に設けられた主軸ヘッド１６の主軸１８に、工具２０を備えた負荷側としての工具ユニット２２が取り付けられた構造とされている。そして、主軸１８が回転されることにより、主軸ヘッド１６に対して工具ユニット２２が回転可能とされている。
【００４９】
機械本体１４は、土台２４に支持されている。土台２４において、工具２０の前方（図１中、下方）には、加工対象物であるワーク２６を着脱可能に保持するテーブル２８が設けられている。テーブル２８は、土台２４に設けられた駆動機構３０に支持されており、駆動機構３０内に設けられた図示しないガイドレールやサーボモータ等によって、工具２０に対して、工具２０に対する前後方向（図１中、上下方向）に直交するＸ軸方向およびＹ軸方向と、工具２０に対する前後方向となるＺ軸方向の直交３軸方向で相対変位可能とされている。これにより、工具２０が、ワーク２６に対して、直交３軸方向に相対変位可能とされている。なお、工作機械１２は、例えばテーブル２８がＸ軸方向およびＹ軸方向の直交２軸方向に移動可能にされると共に、主軸ヘッド１６がＺ軸方向に移動可能とされるもの等でも良い。
【００５０】
図２に、主軸ヘッド１６と工具ユニット２２の縦断面をモデル的に示す。主軸ヘッド１６には、ケーシング３２内に回転駆動手段としてのモータ３４が設けられている。そして、モータ３４の出力軸に主軸１８が固定されることにより、主軸１８が、中心軸：Ｏ回りで回転可能とされている。主軸１８は、ベアリング３６，３６を介してケーシング３２に支持されていると共に、先端部がケーシング３２から突出されている。また、主軸１８の先端側において、主軸１８とケーシング３２の間にはラビリンスシール３８が設けられており、ケーシング３２内に外部から粉塵等の異物が侵入することが防止されている。
【００５１】
主軸１８の先端部には、主軸１８の先端縁部に向けて拡径されたテーパ状の内周面を有するホルダ取付穴４０が形成されている。主軸１８の内部には、主軸１８の軸方向でホルダ取付穴４０の縮径された端部の内側に、後述する工具ホルダ４４の先端部に形成されたプルスタッド４８を把持するプルチャック４２が設けられている。
【００５２】
一方、工具ユニット２２は、工具ホルダ４４を有している。工具ホルダ４４には、主軸１８に形成されたテーパ状のホルダ取付穴４０の内周面に密着する、テーパ状の外周面を備えたシャンク部４６が中心軸上に形成されている。シャンク部４６の先端縁部には、ロッド状のプルスタッド４８が形成されている。また、工具ホルダ４４には、主軸ヘッド１６側（図２中、上側）に開口して、工具ホルダ４４の中心軸周りに延びるコイル収容溝４９が形成されている。
【００５３】
さらに、工具ユニット２２には、超音波振動子５０が設けられている。図３にモデル的に示すように、超音波振動子５０は、所謂ボルト締めランジュバン型振動子であり、圧電効果を有する例えばセラミックス薄板等から形成された円環形状の複数の圧電素子５２と、円環形状の電極５４，５６がボルト５７に外挿されて交互に積層されると共に、両側からボルト５７に螺着された金属ブロック５８とホーン６０で締め付けられた構造とされている。１つおきに配設された各電極５４，５６群は、後述する二次側電力用コイル６６ｂと接続されている。なお、圧電素子５２の積層数は、要求される工具２０のストローク等を考慮して、任意の数に設定される。
【００５４】
また、特に本実施形態においては、積層された圧電素子５２を挟む両側となる、金属ブロック５８と圧電素子５２の電極５６との間、およびホーン６０と圧電素子５２の電極５６との間に、絶縁層６１，６１がそれぞれ設けられている。これら絶縁層６１は、弾性変形し難い非導電性材料から形成されており、例えば脆性材料のセラミックス等から形成されている。これにより、超音波振動子５０の振動をホーン６０に効果的に伝達しつつ、感電等のおそれを回避することが可能とされている。そして、ホーン６０の先端に、コレットや焼きばめ等のチャック機構６３を介して、工具２０が取り付けられている。これにより、超音波振動子５０の振動がホーン６０で増幅されて工具２０に伝達されるようになっている。工具２０は、例えばエンドミルやドリル等、各種のものが採用可能である。また、ホーン６０の具体的形状や形成材料についても、例えばワーク２６の材質や工具２０の振動条件等を考慮して、適宜に設定され得る。例えば、ホーン６０を複数段から構成しても良いし、単独で構成しても良い。また、ホーン６０の形状は、例えばステップ型、エキスポーネンシャル型、カテノイダル型、コニカル型等、各種の形状が採用可能であるし、ホーン６０の形成材料についても、例えばチタン、アルミニウム合金、鉄鋼、銅合金、合成樹脂等の非金属等、各種の材料が採用可能である。
【００５５】
このような超音波振動子５０が、図２に示したように、主軸１８と同心軸上で、圧電素子５２の積層方向を主軸１８の軸方向に向けて工具ホルダ４４に取り付けられている。超音波振動子５０は、前述のように、図２４に示した共振回路と等価に考えることが出来、本実施形態においては、超音波振動子５０を含んで、負荷側の共振回路が構成されている。
【００５６】
このような工具ユニット２２のシャンク部４６が、主軸１８のホルダ取付穴４０に差し込まれて、シャンク部４６のプルスタッド４８がプルチャック４２で把持されることにより、工具ユニット２２が主軸１８に固定される。そして、モータ３４で主軸１８が回転されることにより、工具ユニット２２が主軸ヘッド１６に対して回転されて、工具ユニット２２に設けられた工具２０が回転されるようになっている。
【００５７】
これら主軸ヘッド１６と工具ユニット２２の間に、無接触式電源供給装置１０が設けられている。図４に、無接触式電源供給装置１０を構成する、本体側コイルヘッド６２および負荷側コイルヘッド６４を示す。
【００５８】
本体側コイルヘッド６２は、一次側電力用コイル６６ａと、信号用コイルとしての本体側信号用コイル６８ａが、コア部材としてのポット型コア７０に収容された構造とされている。一次側電力用コイル６６ａは、銅などによって形成されたコイル巻線としてのリード線７２が、所定回数だけ円形に巻回されて形成されている。一次側電力用コイル６６ａの大きさおよび巻数は、伝送される電力の大きさや、後述する二次側電力用コイル６６ｂとの相対的な位置等を考慮して任意に設定され得る。また、本実施形態における一次側電力用コイル６６ａは、合成樹脂などによって形成された略円筒形状のボビン７４にリード線７２が巻回されて形成されているが、ボビン７４は必ずしも必要ではない。
【００５９】
一方、本体側信号用コイル６８ａは、銅などによって形成されたコイル巻線としてのリード線７６から形成されている。図５にモデル的に示すように、本体側信号用コイル６８ａは全体として円形に形成されており、径方向の外側で巻回された第一の巻線部分７８と、径方向の内側で第一の巻線部分７８と反対方向に巻回された第二の巻線部分８０とが、一本のリード線７６によって形成されている。
【００６０】
具体的には、先ず、図５中の点Ａから、リード線７６が略半周されることで外側巻回部８２ａが形成された後に、径方向の内側に折り曲げられて、径方向の内側で外側巻回部８２ａと反対回り（図５中、反時計回り）に略一周されることで、内側巻回部８４ａが形成される。そして、リード線７６が内側巻回部８４ａから更に径方向の外側に折り曲げられて、径方向の外側で内側巻回部８４ａと反対回り（図５中、時計回り）に半周されて点Ａに戻ることで外側巻回部８２ｂが形成される。以降、これを繰り返すことにより、外側巻回部８２ｃ、内側巻回部８４ｂ、外側巻回部８２ｄが順に形成される。このようにして、外側巻回部８２ａ〜８２ｄによって第一の巻線部分７８が形成されると共に、内側巻線部８４ａ，８４ｂによって第二の巻線部分８０が形成されている。要するに、リード線７６が外側で略半周された後に内側に折り返されて、内側で逆向きに略一周される。そして、更に外側に折り返されて残りの外側を半周されることにより、本体側信号用コイル６８ａの外側に、一方向（図５中、時計回り）に巻回された第一の巻線部分７８が形成されると共に、本体側信号用コイル６８ａの内側に、第一の巻線部分７８と反対方向（図５中、反時計回り）に巻回された第二の巻線部分８０が形成される。これを繰り返すことにより、本体側信号用コイル６８ａの巻数を任意に設定することが出来る。なお、理解を容易とするために、図５においては、リード線７６が重ならないように図示しているが、リード線７６は、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０のそれぞれにおいて重ねられていても良い。
【００６１】
本実施形態の本体側信号用コイル６８ａは、一次側電力用コイル６６ａと略等しい大きさの円形状に形成されている。また、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０は、それぞれ略円形に巻回されて、同一平面上で同心軸上に形成されている。なお、本体側信号用コイル６８ａは、図４に示したように、合成樹脂等からなる薄肉で円環板形状の保持板８６にリード線７６が接着等で固定されることにより、巻線形状が維持されるようになっている。但し、保持板８６は必ずしも必要ではない。
【００６２】
これら一次側電力用コイル６６ａおよび本体側信号用コイル６８ａは、ポット型コア７０に収容される。ポット型コア７０は、例えば鉄やけい素鋼、パーマロイ、フェライト等の透磁性材から形成されている。ポット型コア７０は、中心軸上を延びる中央孔８８が貫設された円筒形状を有すると共に、軸方向の一方に開口して中心軸周りを延びる溝部としての周溝９０が形成されており、周溝９０が、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａを収容する収容凹所とされている。なお、ポット型コア７０の具体的形状としては各種のものが採用可能であり、ポット型コア７０は、一体成形品でも良いし、例えば周溝９０の外壁９２、内壁９４、底壁の３部品が接着等されて形成された複数部品からなるもの等でも良い。更に、例えば外壁９２が周方向で複数に分割されていたり、ポット型コア７０の形成部材が一次側電力用コイル６６ａや本体側信号用コイル６８ａに近接して配置されるもの等でも良い。
【００６３】
そして、周溝９０に、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａが収容されることで、本体側コイルヘッド６２が形成されている。本実施形態においては、一次側電力用コイル６６ａ、本体側信号用コイル６８ａの順でポット型コア７０に収容されているが、ポット型コア７０への収容順序は逆でも良い。これにより、図２に示したように、一次側電力用コイル６６ａがポット型コア７０で囲まれると共に、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａが、略同心軸上で、互いのリード線７２，７６を軸方向（図２中、上下方向）で重ねた状態で周溝９０に収容されている。このように、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａが略同心軸上に配設されることにより、本体側信号用コイル６８ａの第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０が、一次側電力用コイル６６ａの中心に対して互いに逆回りで巻回されている。なお、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａの間にボビン７４が介在されることによって、一次側電力用コイル６６ａと本体側信号用コイル６８ａが隙間を隔てて配設されていると共に、互いのリード線７２，７６の接触が防止されている。
【００６４】
また、図６に示すように、本体側信号用コイル６８ａが周溝９０に収容されることにより、本体側信号用コイル６８ａの第一の巻線部分７８が周溝９０の外壁９２側に、第二の巻線部分８０が周溝９０の内壁９４側に配設される。ここにおいて、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０は離れて位置されており、ポット型コア７０の径方向で、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０の離隔距離：Ｄが、本体側信号用コイル６８ａの外側における第一の巻線部分７８と外壁９２との離隔距離：ｄ１、本体側信号用コイル６８ａの内側における第二の巻線部分８０と内壁９４との離隔距離：ｄ２の何れよりも大きくされている。即ち、第一の巻線部分７８が、第二の巻線部分８０側よりも外壁９２側寄りに、第二の巻線部分８０が、第一の巻線部分７８側よりも内壁９４側寄りに位置されている。
【００６５】
一方、図４に示したように、負荷側コイルヘッド６４は、二次側電力用コイル６６ｂと、信号用コイルとしての負荷側信号用コイル６８ｂとを含んで構成されている。これら二次側電力用コイル６６ｂおよび負荷側信号用コイル６８ｂは、それぞれ、本体側コイルヘッド６２に設けられた一次側電力用コイル６６ａおよび本体側信号用コイル６８ａと同様の構造とされていることから、図中に対応する符号を付することにより、その説明を省略する。即ち、負荷側コイルヘッド６４は、本体側コイルヘッド６２のポット型コア７０を有さないものであり、ポット型コア７０を除いて、本体側コイルヘッド６２と同様の構造とされている。
【００６６】
そして、図２に示したように、本体側コイルヘッド６２が主軸ヘッド１６に設けられると共に、負荷側コイルヘッド６４が、工具ユニット２２に設けられる。本体側コイルヘッド６２は、シールド部材９６を介して主軸ヘッド１６のケーシング３２に組み付けられている。シールド部材９６は、例えばアルミニウム合金、銅合金、チタン合金、ニッケル合金、セラミックス、合成樹脂材料等の非磁性体から形成されており、中央に貫通孔が形成された略有底円筒形状とされている。このようなシールド部材９６に本体側コイルヘッド６２が内挿されて、接着や圧入等で固定されている。そして、シールド部材９６に形成されたフランジ部９７がケーシング３２に重ね合わされて、複数箇所においてボルト９８で固定されることにより、本体側コイルヘッド６２が、主軸ヘッド１６に取り付けられている。これにより、本体側コイルヘッド６２の外側がシールド部材９６で覆われており、ポット型コア７０からの漏れ磁束が低減されていると共に、特に本体側信号用コイル６８ａにおいて、外部のモータ３４等の磁気による外乱から保護されている。
【００６７】
そして、主軸ヘッド１６の主軸１８が、シールド部材９６の中央に貫設された貫通孔と、ポット型コア７０の中央孔８８に挿通されている。なお、主軸ヘッド１６への組み付け状態において、本体側コイルヘッド６２は、主軸ヘッド１６における工具ユニット２２側の端部に配設されており、ポット型コア７０の周溝９０が、工具ユニット２２側に開口する向きに配設されている。
【００６８】
一方、負荷側コイルヘッド６４は、工具ホルダ４４のコイル収容溝４９に収容されて接着や圧入等で固定されており、工具ユニット２２における主軸ヘッド１６側の端部に配設されている。これにより、本体側コイルヘッド６２と負荷側コイルヘッド６４が、主軸１８の中心軸：Ｏ上で、互いに同軸上に配設されると共に、主軸１８の軸方向（図２中、上下方向）で隙間を隔てて対向配置されている。そして、主軸１８が回転されることによって、負荷側コイルヘッド６４が、本体側コイルヘッド６２に対して、主軸１８の中心軸：Ｏ回りで相対回転可能とされている。
【００６９】
即ち、本実施形態の本体側コイルヘッド６２と負荷側コイルヘッド６４は、図７にモデル的に示すように、主軸ヘッド１６および工具ユニット２２に組み付けられる前の状態で、Ｘ，Ｙ，Ｚの直交３軸座標において、本体側コイルヘッド６２の軸方向に延びる前後方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）の３方向で負荷側コイルヘッド６４の相対変位が許容されると共に、Ｘ軸回りのロール、Ｙ軸回りのピッチ、Ｚ軸回りのヨーの３方向で傾動乃至は回動が許容されている。これにより、一次側電力用コイル６６ａと二次側電力用コイル６６ｂ、および本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂが、それぞれ、６自由度をもって互いに相対変位可能とされている。そして、このような本体側コイルヘッド６２と負荷側コイルヘッド６４が工作機械１２の主軸ヘッド１６と工具ユニット２２に組み付けられることによって、負荷側コイルヘッド６４が、本体側コイルヘッド６２に対して、Ｘ軸回りのロールが許容された状態で隙間を隔てて対向配置されている。
【００７０】
ここにおいて、本体側コイルヘッド６２と負荷側コイルヘッド６４は、本体側コイルヘッド６２のみポット型コア７０を備えており、負荷側コイルヘッド６４は、ポット型コア７０を備えていない。即ち、主軸ヘッド１６には、一次側電力用コイル６６ａを囲むコア部材としてのポット型コア７０が設けられている一方、工具ユニット２０には、二次側電力用コイル６６ｂを囲むコア部材は設けられていない。
【００７１】
これら本体側コイルヘッド６２と負荷側コイルヘッド６４は、例えば、図８に示すように、主軸ヘッド１６が設けられた機械本体１４側において、一次側電力用コイル６６ａに、直流電源を供給する電源回路１００がインバータ１０２を介して接続される。電源回路１００およびインバータ１０２は、機械本体１４側に設けられている。また、本体側信号用コイル６８ａに、復調回路を備えた通信用回路１０４を介して制御装置１０６が接続される。通信用回路１０４および制御装置１０６は、機械本体１４側に設けられている。制御装置１０６はＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、通信用回路１０４から受信した電気信号と、予め定められた所定のプログラムに従って、インバータ１０２の駆動周波数を調節する。
【００７２】
一方、工具ユニット２２側において、二次側電力用コイル６６ｂに超音波振動子５０が接続される。なお、図８に併せ示すように、必要に応じて、補正用コンデンサ１０７を超音波振動子５０と並列に設けて、超音波振動子５０の制動容量（Ｃｄ）に流れる電流を相殺するようにしても良い。更に、超音波振動子５０には検出手段としての検出回路１０８が接続されており、検出回路１０８が、増幅回路１１０を介して負荷側信号用コイル６８ｂと接続されている。検出回路１０８は例えばホール素子等を含んで構成されており、超音波振動子５０の振動状態として、超音波振動子５０に加わる電圧や、超音波振動子５０を流れる電流を検出する。これら検出回路１０８および増幅回路１１０は、工具ユニット２２側に設けられている。
【００７３】
そして、本実施形態の無接触式電源供給装置１０は、本体側コイルヘッド６２、負荷側コイルヘッド６４、電源回路１００、インバータ１０２、通信用回路１０４、制御装置１０６、検出回路１０８、増幅回路１１０を含んで構成されており、電源回路１００とインバータ１０２を含んで、一次側電力用コイル６６ａに交流電圧を出力する給電装置が構成されている。
【００７４】
このような無接触式電源供給装置１０を用いることにより、本体側としての機械本体１４から、負荷側としての工具ユニット２２に設けられた共振回路としての超音波振動子５０に、駆動電力を供給することが出来る。そして、超音波振動子５０の振動状態を検出して、超音波振動子５０に加わる機械的負荷や温度条件の変化により、超音波振動子５０の共振周波数が変化した場合には、超音波振動子５０への印加電圧の周波数を変化させるフィードバック制御を行なうことにより、超音波振動子５０を効率的に駆動させることが出来る。以下、超音波振動子５０への駆動電力の供給と、フィードバック制御の一例を示す。
【００７５】
先ず、前提として、複数の圧電素子５２から構成された超音波振動子５０は、共振周波数近傍において図８に示した回路と等価に考えることが出来る。該等価回路は、図９に示すインピーダンス特性を有することが知られており、インピーダンス（Ｚ）が最も小さくなる周波数が、超音波振動子５０の共振周波数ｆr であり、超音波振動子５０は、共振周波数ｆr の交流電圧が印加された場合に、最も効率良く振動し、大きな振幅を得ることが出来る。なお、共振周波数ｆr において、超音波振動子５０に流れる電圧と電流の位相差は０であり、超音波振動子５０に最も大きな電流が流れる。また、インピーダンス（Ｚ）が最も大きくなる周波数が反共振周波数ｆn である。
【００７６】
そこで、事前準備として、超音波振動子５０に対して、圧電素子５２の組成等から或る程度推定される共振周波数を挟む所定範囲に亘って、例えば０．１ｋＨｚ、０．５ｋＨｚ、１ｋＨｚ等の所定間隔毎に周波数を少しずつ変化させた交流電圧を印加して、超音波振動子５０に流れる電流を測定する。例えば、超音波振動子５０の共振周波数ｆr が２０ｋＨｚ近辺に存すると推定される場合には、１０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚまで印加電圧を変化させて、超音波振動子５０に流れる電流を測定する。図１０に、超音波振動子５０に流れる電流を測定した結果の一例を示す。得られた測定結果から、最も大きな電流の流れた周波数（図１０においては、約２３ｋＨｚ）の近傍に、超音波振動子５０の共振周波数ｆr が存すると推定することが出来る。
【００７７】
なお、上述のように、超音波振動子５０は、共振周波数ｆr において最も効率良く駆動する。しかし、図９から明らかなように、共振周波数ｆr 近傍では、インピーダンス（Ｚ）の変化が急峻であり、共振周波数ｆr から僅かに外れただけで、超音波振動子５０の振動状態が急激に変化する。そこで、超音波振動子５０の駆動の安定性を確保するために、本実施形態では、図９における共振周波数ｆr から反共振周波数ｆn までの間で、共振周波数ｆr から僅かにずれた位置が駆動周波数ｆd として設定されている。具体的には、電圧と電流の位相差が、（π／２）±（π／４）の範囲内の電圧が印加されるようになっており、本実施形態においては、図１１に実測結果を示すように、位相差がπ／２となる駆動周波数ｆd の交流電圧が印加されるようになっている。なお、図１２および図１３に、超音波振動子５０に対して、共振周波数近傍から外れた周波数域の電圧を印加した場合の実測結果を示す。図１２は、交流電圧として方形波を入力したものであり、電流の振幅が小さい。一方、図１３は、交流電圧として正弦波を入力したものであり、電気的振動が不安定であることから、非共振状態であることが確認できる。
【００７８】
そして、主軸ヘッド１６のモータ３４（図２参照）が駆動されて、工具ユニット２２が主軸ヘッド１６に対して回転された状態で、図８に示した電源回路１００の直流電圧が、インバータ１０２によって高周波電圧に変換されて、一次側電力用コイル６６ａに供給される。ここにおいて、インバータ１０２の駆動周波数は、制御装置１０６によって制御されており、上記で得られた駆動周波数ｆd の交流電圧が一次側電力用コイル６６ａに供給されるようになっている。
【００７９】
これにより、一次側電力用コイル６６ａに、一次側電力用コイル６６ａを貫き、出力周波数に応じて変化する磁束が発生する。かかる磁束がポット型コア７０で集束されて、ポット型コア７０から出る磁束が二次側電力用コイル６６ｂと鎖交される。その結果、一次側電力用コイル６６ａと二次側電力用コイル６６ｂが電磁結合されて、二次側電力用コイル６６ｂに、相互誘導による誘導起電力が発生する。このようにして、相対回転される一次側電力用コイル６６ａと二次側電力用コイル６６ｂの間で、無接触状態で電力の伝送が可能とされており、二次側電力用コイル６６ｂに生ぜしめられた高周波電圧が、超音波振動子５０に駆動電力として供給される。これにより、超音波振動子５０が振動されて、工具２０に、モータ３４による回転と超音波振動子５０の振動が重畳されることとなり、ワーク２６（図１参照）の加工をより高い精度で行なうことが可能とされている。
【００８０】
ワーク２６の加工時において、超音波振動子５０の共振周波数ｆr は、工具２０を介して加わる機械的負荷の変化や温度条件の変化等によって変化する。超音波振動子５０の共振周波数ｆr の変化は、例えば、超音波振動子５０に印加される電圧の大きさ（振幅）、超音波振動子５０を流れる電流の大きさ（振幅）や、これら電圧と電流の位相差の変化として現れる。例えば、図１４（ａ）にＩ’として示すように、負荷が増大した場合に電流の振幅が小さくなったり、図１４（ｂ）にＩ’として示すように、負荷が増大した場合にそれまでの位相差と異なる位相差を生ずる。そして、本実施形態の無接触式電源供給装置１０を用いることにより、超音波振動子５０の共振周波数ｆr の変化に追従的に対応して、超音波振動子５０に印加する交流電圧の周波数を変化させるフィードバック制御を行なうことが出来る。
【００８１】
先ず、超音波振動子５０の振動状態が、図８に示した検出回路１０８で検出される。検出回路１０８には例えばホール素子等が設けられており、超音波振動子５０の振動状態として、例えば超音波振動子５０に印加される電圧の振幅、超音波振動子５０を流れる電流の振幅、これら電圧と電流の位相等が検出される。
【００８２】
検出回路１０８で検出された超音波振動子５０の電圧や電流の振幅、位相等は、検出信号として増幅回路１１０で増幅されて、負荷側信号用コイル６８ｂに交流電圧として印加される。これにより、負荷側信号用コイル６８ｂを貫き、出力周波数に応じて変化する磁束が発生し、かかる磁束が本体側信号用コイル６８ａと鎖交される。その結果、本体側信号用コイル６８ａに、負荷側信号用コイル６８ｂとの相互誘導による誘導起電力が発生し、検出回路１０８から発信された検出信号が、通信用回路１０４によって本体側信号用コイル６８ａから取り出される。このようにして、相対回転される負荷側信号用コイル６８ｂと本体側信号用コイル６８ａとの間で、無接触状態で電気信号の伝送が可能とされている。
【００８３】
本体側信号用コイル６８ａから取り出された検出信号は、制御装置１０６に入力される。制御装置１０６は、検出信号から得られた超音波振動子５０の電圧の振幅や電流の振幅、電圧と電流の位相差等を、検出信号を受信する前の状態と比較して、検出信号を受信する前の状態から変化している場合には、検出信号を受信する前の状態に戻るように、インバータ１０２の駆動周波数を変化させて、一次側電力用コイル６６ａへの給電周波数を変化させる。インバータ１０２の駆動周波数の変更量は、電圧や電流の振幅の変化量や、位相差の変化量に対応する駆動周波数の変更量を予め制御装置１０６にテーブルとして記憶しておいて、テーブルから検索して設定しても良いし、例えば検出回路１０８から超音波振動子５０における電圧の振幅や電流の振幅、電圧と電流の位相等を受信しつつ、インバータ１０２の駆動周波数を０．１ｋＨｚや０．５ｋＨｚ等、少しずつ変化させることで調節する等しても良い。これにより、超音波振動子５０に、変化後の共振周波数ｆr に対応する駆動周波数ｆd の交流電圧を印加することが出来、図１１に示した所期の振動状態に復帰させることが出来る。このように、本実施形態においては、制御装置１０６およびインバータ１０２を含んで、給電周波数調節機構が構成されている。
【００８４】
本実施形態の無接触式電源供給装置１０を用いれば、互いに相対変位される主軸ヘッド１６と工具ユニット２２の間で、主軸ヘッド１６から工具ユニット２２に設けられた超音波振動子５０に駆動電力を供給することが可能になる。更に、工具ユニット２２から主軸ヘッド１６に向けて、超音波振動子５０の振動状態を電気信号として伝送することが可能とされており、超音波振動子５０の共振周波数ｆr の変化に追従的に対応して、超音波振動子５０に印加する交流電圧の周波数を変化させるフィードバック制御を実現することが出来る。その結果、工具２０のストロークをより安定的に確保して、より優れた加工精度を得ることが出来る。また、何等かの原因で工具ユニット２２側に短絡や断線が生じた場合には、超音波振動子５０における共振条件が変化して印加電圧が共振周波数から外れることで、工具ユニット２２側に大きなエネルギーが供給されることも防止され得る。
【００８５】
そして、本実施形態に従う構造とされた無接触式電源供給装置１０においては、ポット型コア７０が主軸ヘッド１６側のみに設けられており、超音波振動子５０が設けられた工具ユニット２２側には設けられていない。これにより、超音波振動子５０の共振回路におけるインダクタンスが大きくなることを回避して、超音波振動子５０の共振周波数が低下することを回避することが出来る。その結果、超音波振動子５０を高い周波数で駆動させることが出来、より優れた加工精度を得ることが出来る。更に、超音波振動子５０の共振周波数が大きく変化することを回避して、超音波振動子５０の共振周波数を、ホーン６０および工具２０を含んだ工具ユニット２２の機械的な固有振動数に合わせ易くすることが出来、チューニングが容易になると共に、工具２０のストロークを有効に得ることが出来る。
【００８６】
さらに、工具ユニット２２側にポット型コア７０を設けないことによって、例えば主軸ヘッド１６と工具ユニット２２の両方にコア部材を設けた場合のように、コア部材の対向面間に一次側電力用コイル６６ａからの磁束が集中することが無い。これにより、工具ユニット２２が主軸ヘッド１６に対して僅かに位置ずれしたのみで二次側電力用コイル６６ｂの鎖交磁束が急激に低下することが回避されており、安定的な電力伝送を行なうことが出来る。また、一次側電力用コイル６６ａと二次側電力用コイル６６ｂとの間で漏れ磁束を積極的に生ぜしめることにより、例えば図２５に示したように、一次側電力用コイル６６ａから方形波として交流電力が伝送される場合には、二次側電力用コイル６６ｂ側において受信する交流電圧を、超音波振動子５０の機械的振動の正弦波に近づけることが出来る。その結果、超音波振動子５０の駆動をより安定的に発現させることが出来て、超音波振動子５０のうねり等を軽減して、より優れた加工精度を得ることが出来ると共に、余剰電力に起因する発熱等を低減することもできる。加えて、工具ユニット２２側にコア部材を設けないことによって、工具ユニット２２を軽量化してより高速な回転に対応することが出来ると共に、高速回転でコア部材が損傷する等の問題も回避することが出来る。
【００８７】
更にまた、本実施形態の無接触式電源供給装置１０においては、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂのそれぞれにおいて、互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０が形成されている。これにより、一次側電力用コイル６６ａへの通電によって生ぜしめられる磁束で本体側信号用コイル６８ａや負荷側信号用コイル６８ｂに誘起されるノイズ起電力を低減することが出来、電気信号の伝送をより精度良く行なうことが出来る。
【００８８】
すなわち、図１５（ａ）および図１６（ａ）にモデル的に示すように、負荷側信号用コイル６８ｂから本体側信号用コイル６８ａに電気信号を伝送する場合には、先ず、負荷側信号用コイル６８ｂに交流電圧が印加されることにより、負荷側信号用コイル６８ｂの第一の巻線部分７８に電流ｉsoが流されると共に、第二の巻線部分８０に電流ｉsiが流される。なお、図１６においては、紙面の手前側に流れる電流を斜め下方に延びる矢印で、紙面の奥側に流れる電流を斜め上方に延びる矢印で示している。これら電流ｉsoと電流ｉsiは同一の電流であり、負荷側信号用コイル６８ｂのリード線７６内を互いに同方向に流れる。そして、負荷側信号用コイル６８ｂに電流ｉsoと電流ｉsiが流れることによって、第二の巻線部分８０の内側に磁束ｂi 、第二の巻線部分８０と第一の巻線部分７８の間に磁束ｂc 、第一の巻線部分７８の外側に磁束ｂo が生ぜしめられる。ここにおいて、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０が互いに逆向きに巻回されていることから、電流ｉsoと電流ｉsiはリード線７６を外から見た場合には互いに逆回りに流れている。その結果、磁束ｂi と磁束ｂo の磁力線は同一方向に向かう一方、磁束ｂc の磁力線は磁束ｂi および磁束ｂo の磁力線と反対方向となる。
【００８９】
なお、第一の巻線部分７８の外側には、第二の巻線部分８０を流れる電流ｉsiによって、磁束ｂo と反対方向の磁束ｒｂo が生ぜしめられる一方、第二の巻線部分８０の内側には、第一の巻線部分７８を流れる電流ｉsoによって、磁束ｂi と反対方向の磁束ｒｂi が生ぜしめられるが、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０が離れて位置されており、第二の巻線部分８０から第一の巻線部分７８の外側、第一の巻線部分７８から第二の巻線部分８０の内側までは距離があることから、これら磁束ｒｂo 、ｒｂi は、磁束ｂo 、ｂi に殆ど影響しない程度に小さい。
【００９０】
そして、負荷側信号用コイル６８ｂによって生ぜしめられた磁束ｂi 、ｂc 、ｂo により、対向する本体側信号用コイル６８ａの第一の巻線部分７８に誘導電流ｉroが生ぜしめられると共に、第二の巻線部分８０に誘導電流ｉriが生ぜしめられる。これらの誘導電流ｉro、ｉriは、本体側信号用コイル６８ａのリード線７６内を互いに同方向に流れ、相殺されることは無い。このようにして、負荷側信号用コイル６８ｂから、本体側信号用コイル６８ａに電気信号を伝送することが可能とされている。特に本実施形態においては、本体側信号用コイル６８ａがポット型コア７０に組み付けられて、第一の巻線部分７８がポット型コア７０の外壁９２に近接配置されていると共に、第二の巻線部分８０が内壁９４に近接配置されていることから、磁束ｂi 、ｂo を外壁９２と内壁９４にそれぞれ集束させることにより、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０のそれぞれに、リード線７６内で互いに同方向に流れる誘導電流ｉro、ｉriを効果的に生ぜしめることが出来る。
【００９１】
一方、図１５（ｂ）および図１６（ｂ）にモデル的に示すように、一次側電力用コイル６６ａに交流電圧が印加されると、一次側電力用コイル６６ａの内側に磁束Ｂi 、外側に磁束Ｂo が生ぜしめられる。磁束Ｂi の磁力線の向きと、磁束Ｂo の磁力線の向きは互いに反対方向となる。これら磁束Ｂi 、Ｂo が、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂのそれぞれにおいて、第二の巻線部分８０の内側と第一の巻線部分７８の外側を通過する。これにより、本体側信号用コイル６８ａを例に説明すると、第一の巻線部分７８にノイズ電流となる誘導電流ｉnoが、第二の巻線部分８０にノイズ電流となる誘導電流ｉniが生ぜしめられる。磁束Ｂi と磁束Ｂo が、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０を挟む両側で互いに反対方向に向かうことから、誘導電流ｉnoと、誘導電流ｉniは、本体側信号用コイル６８ａのリード線７６を外から見た場合には互いに同方向に流れている。そして、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０は互いに逆方向に巻回されていることから、誘導電流ｉnoと誘導電流ｉniは、リード線７６内では互いに逆方向の電流であり、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０に、共通磁界に対して互いに逆向きの起電力が生ぜしめられる。その結果、誘導電流ｉnoと誘導電流ｉniは相互に打ち消し合うこととなり、誘導電流ｉnoと誘導電流ｉniの大きさが可及的に接近するように、第一の巻線部分７８および第二の巻線部分８０の大きさや巻数を調節することによって、一次側電力用コイル６６ａによって生じた磁束Ｂi ，Ｂo の影響で本体側信号用コイル６８ａに生ぜしめられる、ノイズとなる起電力を相殺することが出来る。このようにして、一次側電力用コイル６６ａの影響によるノイズを軽減しつつ、電気信号の伝送を行なうことが出来る。
【００９２】
なお、図１５（ｂ）および図１６（ｂ）に併せ示すように、負荷側信号用コイル６８ｂにおいても、同様にしてノイズ起電力を低減することが可能であり、本実施形態においては、電気信号の送信側（負荷側信号用コイル６８ｂ）および受信側（本体側信号用コイル６８ａ）の両方においてノイズを軽減することが可能とされている。そして、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂのそれぞれに上述の如き特定のコイル巻線経路を採用したことにより、何ら特別な制御装置や、ノイズ抑制用のコイル部材を別途に設けることなく、極めて簡易な構成で、電気信号の伝送品質を向上することが出来る。更に、特定形状のコイル巻線経路を用いて逆方向の起電力を発生させて相殺することから、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂに影響する磁束の量が変化した場合でも、再チューニング等を要することなく、磁束の量の変化に自動的に対応することが出来、優れたノイズ抑制効果を得ることが出来る。
【００９３】
そして、一次側電力用コイル６６ａからの影響を相殺できることから、本体側信号用コイル６８ａを一次側電力用コイル６６ａに極めて近接した位置に配設することが可能となるのであり、本実施形態においては、本体側信号用コイル６８ａが、一次側電力用コイル６６ａと共にポット型コア７０の同一の周溝９０に収容されている。このように、従来では、互いの磁路が干渉することから困難であった、互いのリード線７２，７６が重なるように配設することも可能となるのであり、コア部材の大型化や形状の複雑化を回避して、極めて優れたスペース効率を得ることが出来る。また、本体側信号用コイル６８ａをポット型コア７０の内部に収容したことにより、例えばモータ３４等からの磁気による外乱から本体側信号用コイル６８ａを保護することも出来る。
【００９４】
加えて、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂに特定のコイル巻線経路を採用して、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂの構造そのものでノイズ起電力を低減出来ることから、特別なノイズ除去処理を要することがなく、工具ユニット２２側から発信された検出信号を機械本体１４側で速やかに再生することが出来る。また、本体側信号用コイル６８ａと負荷側信号用コイル６８ｂにノイズ起電力が発生するタイミングは、一次側電力用コイル６６ａおよび二次側電力用コイル６６ｂへの通電タイミング等から明確に制御することが出来る。これにより、工具ユニット２２から機械本体１４への信号伝達のリアルタイム性を向上することが出来て、より応答性に優れたフィードバック制御を行なうことが出来る。なお、図１７に、工具ユニット２２側における検出信号の発信タイミング（図中、送信信号）と、機械本体１４側における受信タイミング（図中、受信信号）を測定した結果を示す。図１７のグラフ下部にΔＸとして表示されているように、工具ユニット２２側で検出信号が発信された時刻：Ｘ１から、機械本体１４側で検出信号を受信した時刻：Ｘ２までの信号伝達の所要時間は６４．０ｎｓであり、極めて速やかな信号伝達が可能であることが確認された。
【００９５】
なお、本実施形態の工作機械１２は、図１８にモデル的に示すように、複数（図１８においては、２つ図示）の工具ユニット２２，１２０を備え、それら複数の工具ユニット２２，１２０を選択的に主軸ヘッド１６に組み付けることも可能である。以下、工具ユニット１２０において、工具ユニット２２と同様の構造については、図中に同一の符号を付することにより、説明を省略する。
【００９６】
工具ユニット１２０は、工具ユニット２２の負荷側コイルヘッド６４から、負荷側信号用コイル６８ｂが取り除かれたものである。即ち、工具ユニット１２０の負荷側コイルヘッド１２２は、二次側電力用コイル６６ｂのみを備えており、二次側電力用コイル６６ｂが、超音波振動子５０に接続されている。また、工具ユニット１２０には、工具ユニット２２における検出回路１０８や増幅回路１１０（図８参照）も設けられていない。従って、主軸ヘッド１６において、工具ユニット１２０が取り付けられた場合には、本体側信号用コイル６８ａは未使用となり、例えば制御装置１０６に予め設定された周波数の交流電圧が工具ユニット１２０に伝送されることにより、超音波振動子５０が所定の周波数で駆動される。なお、工具ユニット１２０の工具２０は、工具ユニット２２の工具２０と異なるものであっても良いし、同一のものでも良い。また、図示は省略するが、これら工具ユニット２２，１２０は、自動工具交換装置（ＡＴＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｏｏｌ  Ｃｈａｎｇｅｒ）のアームに把持される所謂Ｖフランジを備え、主軸ヘッド１６に対して自動で交換されるものでも良い。
【００９７】
このようにすれば、各種の工具を備えた複数の工具ユニットを用意することによって、各種の加工を行なうことが出来る。例えば、工具２０の振動状態を検出してフィードバック制御を行ないたい場合には工具ユニット２２を用いる一方、フィードバック制御が不要である場合には、工具ユニット１２０を用いることが出来る。そして、本実施形態の無接触式電源供給装置１０を用いることにより、相互に分離される主軸ヘッド１６と工具ユニット２２，１２０の間でも、無接触で電力や電気信号の伝送を行なうことが出来る。
【００９８】
さらに、図１９にモデル的に示すように、本実施形態の工作機械１２は、ＬＡＮやＷＡＮ、インターネットなどのコンピュータネットワーク１２４と接続されることにより、遠隔から操作可能とすることも出来る。例えば、機械本体１４に設けられた制御装置１０６にネットワークインタフェース１２６を接続することにより、制御装置１０６を、ネットワークインタフェース１２６を介してコンピュータネットワーク１２４と接続することが出来る。また、コンピュータネットワーク１２４には、コンピュータからなるクライアント１２８とサーバ１３０が接続されている。
【００９９】
そして、図１９中の矢印Ｒ1 に示すように、クライアント１２８がコンピュータネットワーク１２４を介してサーバ１３０に接続されると共に、矢印Ｒ2 に示すように、工作機械１２がクライアントとしてサーバ１３０に接続される。これにより、サーバ１３０を介してクライアント１２８と工作機械１２が相互に接続されて、サーバ１３０で双方のデータパケットをバッファリングしてクライアント１２８と工作機械１２に相互に送信するルーティング機構を設けることにより、ファイヤウォールで隔離されたネットワーク環境にある工作機械１２をクライアント１２８から遠隔操作したり、工作機械１２における超音波振動子５０の振動特性等をクライアント１２８で遠隔からモニタリングすることが出来る。また、サーバ１３０内に、工作機械１２における超音波振動子５０の振動特性や、工作機械１２の運転条件を記憶したデータベース１３２を設けて、工作機械１２からサーバ１３０のデータベース１３２にアクセスして運転条件を決定したり、クライアント１２８からデータベース１３２にアクセスして、得られた振動特性や運転条件に応じて工作機械１２の作動を制御する等しても良い。更にまた、コンピュータネットワーク１２４を介して、工作機械１２の制御装置１０６に記憶された制御プログラムをクライアント１２８やサーバ１３０から遠隔にて更新することも出来る。なお、図１９中の矢印Ｒ3 に示すように、例えば工作機械１２の制御装置１０６自体にサーバ機能を設けることによって、サーバ１３０を介することなく、クライアント１２８を工作機械１２に直接に接続する等しても良い。
【０１００】
以上、本発明の一実施形態について詳述してきたが、本発明の具体的な実施形態は、上記実施形態に限定されるものでは無い。以下、本発明の異なる実施形態を幾つか示すが、これらはあくまでも例示であり、本発明が以下の具体的態様に限定されることを示すものでは無い。また、以下の実施形態において、前記第一の実施形態に相当する部材および部位には、図中に前記第一の実施形態と同一の符号を付することによって、その説明を省略する。
【０１０１】
先ず、図２０に、本発明の第二の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する検出手段をモデル的に示す。本実施形態の共振回路は、前記第一の実施形態と略同様の超音波振動子５０である。そして、本実施形態においては、超音波振動子５０を構成する複数の圧電素子５２と共に、検出手段としての圧電素子１４０が設けられている。検出手段としての圧電素子１４０は、電極１４２，１４４で挟まれており、これら電極１４２，１４４が増幅回路１１０（図８参照）に接続されている。このような検出手段としての圧電素子１４０が、超音波振動子５０を構成する複数の圧電素子５２と同様に、ボルト５７に外挿されて、ボルト５７の両端に螺着された金属ブロック５８とホーン６０で締め付けられることによって、超音波振動子５０を構成する圧電素子５２と共に積層されている。なお、隣接する圧電素子５２の電極５６と検出手段としての圧電素子１４０の電極１４２の間には絶縁材１４６が介在されて、相互に絶縁されている。
【０１０２】
このような構造によれば、超音波振動子５０が駆動された場合には、超音波振動子５０の振動が検出手段としての圧電素子１４０に及ぼされて、圧電素子１４０に電圧が発生する。この圧電素子１４０に発生した電圧を電極１４２，１４４から増幅回路１１０を通じて負荷側信号用コイル６８ｂに供給して、本体側信号用コイル６８ａに伝送することにより、本体側の制御装置１０６において、超音波振動子５０の振動状態を電圧の変化として検出することが出来る。そして、本実施形態によれば、簡易な構造で検出手段を実現することが出来る。それと共に、検出手段を超音波振動子５０内で同軸上に配設できることから、検出手段をスペース効率良く配設することが出来ると共に、負荷側の重量バランスの偏りを抑えて、負荷側の回転駆動をより安定的に行うことも出来る。
【０１０３】
次に、図２１に、本発明の第三の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する、一次側電力用コイル６６ａと信号用コイル１５０を備えた本体側コイルヘッド１５２を分解状態で示す。信号用コイル１５０は、リード線７６が円形に巻回されて第一の巻線部分７８が形成された後に、第一の巻線部分７８からリード線７６が延び出されて、第一の巻線部分７８と反対回りに巻回されることによって、第二の巻線部分８０が形成されている。そして、ポット型コア７０の周溝９０に、先ず第一の巻線部分７８が収容されて、その後に一次側電力用コイル６６ａ，第二の巻線部分８０が順に収容されている。これにより、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０が、一次側電力用コイル６６ａを軸方向で挟む両側に配設されるようになっている。
【０１０４】
本実施形態のように、信号用コイル１５０における第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０を、異なる平面上に形成することも可能である。このようにすれば、第一の巻線部分７８の形成スペースと第二の巻線部分８０の形成スペースを各別に大きく確保できることから、第一の巻線部分７８および第二の巻線部分８０の巻数の設定自由度を向上することが出来る。なお、負荷側コイルヘッド６４（図４等参照）に本構造を適用することも可能であり、そのような場合には、ポット型コア７０を用いることなく、二次側電力用コイル６６ｂを挟む両側に、信号用コイル１５０の第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０を配設しても良い。また、本実施形態の信号用コイル１５０は、本体側と負荷側の両方に用いても良いし、何れか一方にのみ用いて、他方については前記第一の実施形態に記載の形状等、異なる形状のものを採用する等しても良い。
【０１０５】
次に、図２２に、本発明の第四の実施形態としての無接触式電源供給装置を構成する信号用コイル１６０を示す。信号用コイル１６０は本体側コイルヘッド６２に設けられており、ポット型コア７０の周溝９０に収容されたリード線７６がポット型コア７０の外部に延び出されて、ポット型コア７０の外周面１６２に巻回されている。そして、外周面１６２に巻回されたリード線７６によって、外周巻線部分１６４が形成されている。外周巻線部分１６４の巻線方向は、第一の巻線部分７８と第二の巻線部分８０の何れか一方と等しい方向に設定されている。
【０１０６】
本実施形態においては、第一の巻線部分７８、第二の巻線部分８０、および外周巻線部分１６４によって、互いに逆向きの起電力を生じるコイル巻線経路が形成されている。このようにすれば、ノイズ低減効果をより精度良く調節することが出来る。なお、第一の巻線部分７８および第二の巻線部分８０の何れか一方のみと、外周巻線部分１６４とによって、互いに逆向きの起電力を生じるコイル巻線経路を形成することも可能である。また、本実施形態における負荷側コイルヘッド６４の信号用コイル１６６は、一方向のみに巻回された、従来から広く用いられている円環形状とされている。このように、互いに逆向きの起電力を生ぜしめるコイル巻線経路は、本体側と負荷側の信号用コイルの少なくとも一方に形成されておれば良い。
【０１０７】
また、図２３に、本発明の第五の実施形態としての無接触式伝送装置を構成する信号用コイル１７０をモデル的に示す。信号用コイル１７０は、リード線７６が径方向の外側において一周に満たない周方向（本実施形態においては、略１／６周）に延ばされることで外側巻線部分１７２が形成されると共に、外側巻線部分１７２から折り返されて、径方向の内側において外側巻線部分１７２と逆方向で外側巻線部分１７２と略等しい周方向（本実施形態においては、略１／６周）だけ延ばされることで内側巻線部分１７４が形成されており、これら外側巻線部分１７２と内側巻線部分１７４によって、小ループ部１７６が形成されている。このような小ループ部１７６が連続して形成されて、複数の小ループ部１７６が周方向に並んで形成されている。なお、各小ループ部１７６における巻数は任意に設定され得る。これにより、各小ループ部１７６の外側巻線部分１７２が略同一円周上に形成されて、これら複数の外側巻線部分１７２によって、第一の巻線部分１７８が形成されていると共に、各小ループ部１７６の内側巻線部分１７４が外側巻線部分１７２の内側で略同一円周上に形成されて、複数の内側巻線部分１７４によって、第二の巻線部分１８０が形成されている。
【０１０８】
このような巻線経路によっても、外側巻線部分１７２と内側巻線部分１７４が、信号用コイル１７０と共に本体側や負荷側に配設される図示しない一次側電力用コイルや二次側電力用コイルの中心：ｏ回りで、互いに逆向き（図２３においては、外側巻線部分１７２が時計回り、内側巻線部分１７４が反時計回り）に巻回されており、複数の外側巻線部分１７２と、複数の内側巻線部分１７４によって、互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分１７８と第二の巻線部分１８０を形成することが出来る。そして、本実施形態によれば、各小ループ部１７６毎に巻数を調節出来ることから、例えば信号用コイル１７０の周方向における局所的な磁束変化量のばらつき等に応じて、ノイズ起電力の低減効果をより精度良く調節することが出来る。また、周方向に部分的に延びる環形状の小ループ部１７６を複数形成することによって、信号用コイル１７０の形状安定性を高めることも出来る。
【０１０９】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【０１１０】
例えば、前記実施形態における共振回路は、ＬＣＲ回路を含む電気回路と等価に考え得る超音波振動子を含んで構成されていたが、共振回路は、電気的な共振周波数を有するものであれば何等限定されるものではなく、例えばコイルとコンデンサで構成された共振回路にモータやセンサ等の電気部品や、各種の電気回路が接続されて構成された回路等でも良い。従って、本発明の無接触式電源供給装置は、前記実施形態に記載の如き工作機械に限定して適用されるものではなく、本体側に対して分離も含む相対変位可能とされた負荷側との間で共振回路が形成された各種の機械に適用することが出来る。
【０１１１】
更にまた、共振回路の共振周波数の変化に追従的に対応して一次側電力用コイルへの給電周波数を制御する具体的手段としては、ＣＰＵによる演算処理に限定されることはなく、例えば位相同期回路（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）を用いたフィードバック手段等、各種の態様が適宜に採用可能である。また、共振回路の共振周波数の変化を検出するための検出対象は、前記実施形態の如き電圧や電流等に限定されることはなく、例えば周囲の環境温度等でも良いし、共振回路が超音波振動子等の場合には、超音波振動子の機械的な振幅や歪等を採用しても良い。従って、共振回路の共振周波数の変化を検出する検出手段として、温度センサや加速度センサ等を用いることも可能である。
【０１１２】
更に、前記各実施形態においては、本体側のみにコア部材が設けられていたが、本体側と負荷側との隙間を大きくして相対変位量を大きくしたい等、信号用コイルの鎖交磁束を調節したい場合には、負荷側の信号用コイルにコア部材を組み付ける等しても良い。そのような場合には、負荷側の二次側電力用コイルを囲むことのないようにコア部材を配設して、二次側電力用コイルのインダクタンスの増大を回避しつつ、負荷側の信号用コイルがコア部材に組み付けられることが好ましい。
【０１１３】
また、一次側電力用コイルと二次側電力用コイル、一対の信号用コイルの数はそれぞれ一対のみに限定されることはなく、複数の対が設けられていても良く、複数の電力の伝送路と、複数の電気信号の伝送路を構成しても良い。更にまた、信号用コイルを設ける場合には、信号用コイルの配設位置は、電力用コイルと巻線が重なる位置に限定されないのであって、例えば電力用コイルによる磁束の影響を受け得る近接位置で、電力用コイルと隣接して信号用コイルを配設する等しても良い。従って、電力用コイルと信号用コイルとを重ねて配設する場合でも、必ずしも同心軸上に配設されている必要はなく、信号用コイルを電力用コイルに対して偏心して配設しても良い。
【０１１４】
また、信号用コイルの巻線形状は円形に限定されるものではなく、例えば矩形状や楕円形状等とされていても良い。更に、信号用コイルにおける、互いに逆向きの起電力を生じるコイル巻線経路の具体的形状は、前記実施形態の形状に限定されるものではない。
【０１１５】
更にまた、前記第一の実施形態においては、負荷側の信号用コイルから本体側の信号用コイルに電気信号が送信されるようになっていたが、これら信号用コイルを用いて、本体側から負荷側に電気信号を伝送することも勿論可能である。例えば、負荷側に共振回路の振動状態を検出する検出手段を複数設けて、本体側からそれら複数の検出手段の何れを用いるかを指定する電気信号を負荷側に伝送すると共に、指定された検出手段の検出結果を、電気信号として負荷側から本体側に伝送する等しても良い。そのような場合には、例えば、一次側電力用コイルから二次側電力用コイルに電力を送信するインバータのスイッチングタイミングを検出して、かかるタイミングに合わせて電気信号の伝達タイミング、即ち、信号用コイルへの電圧の印加タイミングを制御するようにしても良い。また、半二重のシリアル通信を用いることにより、本体側と負荷側の一対の信号用コイルを用いて、本体側から負荷側への電気信号の伝送と、負荷側から本体側への電気信号の伝送の両方を行なうようにしても良い。
【０１１６】
加えて、一対の信号用コイルを用いて電気信号を伝送するために用いられる変調方式は何等限定されるものではなく、例えば振幅変調（ＡＭ）、周波数変調（ＦＭ）、位相変調（ＰＭ）等のアナログ変調、位相偏移変調（ＰＳＫ）、２相位相偏移変調（マンチェスタ符号化方式、ＢＰＳＫ）、周波数偏移変調（ＦＳＫ）等のデジタル変調、パルス幅変調（ＰＷＭ）等のパルス変調など、各種の変調方式が採用され得る。
【０１１７】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
【符号の説明】
【０１１８】
１０：無接触式電源供給装置、１２：工作機械、１４：機械本体、１６：主軸ヘッド（本体側）、２２：工具ユニット（負荷側）、２６：ワーク、３８：ラビリンスシール、４２：プルチャック、４４：工具ホルダ、４８：プルスタッド、５０：超音波振動子（共振回路）、５２：圧電素子、５７：ボルト、５８：金属ブロック、６０：ホーン、６１：絶縁層、６２：本体側コイルヘッド、６４：負荷側コイルヘッド、６６ａ：一次側電力用コイル、６６ｂ：二次側電力用コイル、６８ａ：本体側信号用コイル（信号用コイル）、６８ｂ：負荷側信号用コイル（信号用コイル）、７０：ポット型コア（コア部材）、７２：リード線（電力用コイル）、７４：ボビン、７６：リード線（信号用コイル）、７８：第一の巻線部分、８０：第二の巻線部分、８６：保持板、９６：シールド部材、１２６：ネットワークインタフェース、１２８：クライアント、１３０：サーバ、１４０：圧電素子（検出手段）、１４２：電極、１４４：電極、１６４：外周巻線部分、１７６：小ループ部
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月16日(2014.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を出力する給電装置を備えた本体側と、該本体側に対して相対変位可能とされていると共に共振回路を備えた負荷側との間において、対をなす一次側電力用コイル及び二次側電力用コイルが設けられており、これら電力用コイルを通じて前記本体側の前記給電装置から前記負荷側の前記共振回路へ駆動電力が供給可能とされている無接触式電源供給装置において、
前記本体側に設けられた前記一次側電力用コイルと、前記負荷側に設けられた前記二次側電力用コイルとが軸方向で対向配置されていると共に、
該本体側には、該二次側電力用コイルとの対向面側に開口する開口部を有し、該一次側電力用コイルの内外周と該開口部の反対側とに亘って周りを囲む透磁性材からなるコア部材が設けられている一方、
該負荷側には、該二次側電力用コイルを囲む該コア部材が設けられていない
ことを特徴とする無接触式電源供給装置。
【請求項２】
前記本体側と前記負荷側との間に対をなす信号用コイルが設けられていると共に、前記負荷側には、前記共振回路の振動状態を検出する検出手段が設けられており、該検出手段による検出信号が前記信号用コイルを用いて前記負荷側から前記本体側へ送信可能とされている一方、前記本体側には前記一次側電力用コイルへの給電周波数調節機構が設けられており、前記共振回路における共振周波数の変化に追従的に対応して、前記一次側電力用コイルへの給電周波数が、前記信号用コイルを通じて前記負荷側から前記本体側に送信された前記検出信号に基づいて制御されるようになっている請求項１に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項３】
前記本体側と前記負荷側の少なくとも一方において、前記信号用コイルには、前記電力用コイルによって生じた磁束の影響で該信号用コイルに生ぜしめられる起電力を相殺するように互いに逆向きに巻回された第一の巻線部分と第二の巻線部分が形成されている請求項２に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項４】
前記電力用コイルのコイル巻線と前記信号用コイルのコイル巻線とが重ねて配設されている請求項３に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項５】
前記電力用コイルと前記信号用コイルが同軸上に配設されている請求項３又は４に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項６】
前記負荷側の前記二次側電力用コイルのみ又は前記二次側電力用コイルと前記信号用コイルが、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび前記信号用コイルに対して複数用意されており、前記本体側の前記一次側電力用コイルおよび前記信号用コイルに対して選択的に組み合わせ可能とされている請求項２〜５の何れか１項に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項７】
前記負荷側の前記共振回路が、超音波振動子を含んで構成されている請求項１〜６の何れか１項に記載の無接触式電源供給装置。
【請求項８】
前記超音波振動子は、複数の圧電素子が積層されたランジュバン型振動子であり、それら複数の圧電素子と共に積層された圧電素子によって、前記検出手段が構成されている請求項７に記載の無接触式電源供給装置。
【国際調査報告】
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2014111972.tif 000029