(57)【要約】【課題】より多くの補助コイル及び補助キャパシタを搭載することなく、駆動周波数と固有周波数とを同調可能な非接触給電装置、及び、該装置を用いた自動工具交換装置を提供する。【解決手段】一次側回路６１と二次側回路とが間隔を隔てて配置され、一次側コイル６１ａから二次側コイル６７に対して電磁誘導により非接触で送電可能であって、一次側コイル６１ａ、一次側キャパシタ６１ｂ及び二次側コイル６７を有するトランス回路Ｔｒと、駆動信号を一次側回路６１に出力可能な一次側駆動回路６０と、駆動信号の電流／電圧極性を検出可能な電流／電圧極性検出回路６２と、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との各位相をそれぞれ検出可能な位相検出回路６３と、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を検出可能な位相差検出回路６４と、固有周波数ｆｏと駆動周波数とを同調可能な周波数制御回路６６とを備える。【選択図】図３
2013192365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側コイル及び一次側キャパシタを有する一次側回路と、
二次側コイルを有する二次側回路と、
が間隔を隔てて配置され、
前記一次側コイルから前記二次側コイルに対して電磁誘導により非接触で送電可能な非接触給電装置において、
前記一次側コイル、前記一次側キャパシタ、及び、前記二次側コイルを有する共振回路と、
前記共振回路を駆動可能な駆動信号を前記一次側回路に出力可能な一次側駆動回路と、
前記駆動信号の電流／電圧極性を検出可能な電流／電圧極性検出回路と、
前記駆動信号の電流極性を示す駆動電流極性信号と、前記駆動信号の電圧極性を示す駆動電圧極性信号との各位相を、前記電流／電圧極性検出回路の出力に基づいて、それぞれ検出可能な位相検出回路と、
前記駆動電流極性信号と、前記駆動電圧極性信号との位相差を、前記位相検出回路の出力に基づいて検出可能な位相差検出回路と、
前記共振回路に固有の周波数である固有周波数と、前記共振回路を駆動可能な駆動周波数とを、前記位相差検出回路の出力に基づいて前記駆動電流極性信号と前記駆動電圧極性信号との各位相を一致させることによって同調可能な周波数制御回路と、
を備える
ことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置と、
前記一次側回路を有し、一端部において、突起部が形成されるとともに、他端部において、前前記一次側回路に送電可能な操作部が着脱可能（取り付け又は取外し可能）に取り付けられる雄型部材と、
前記二次側回路を有し、前記突起部を挿入可能な孔が形成されるとともに、一端部において、前記二次側回路から受電可能な各工具が交換可能に取り付けられる雌型部材と、
を備え、
前記雄型部材が、
前記突起部の前記孔への挿入の際に、前記雌型部材と相互に接続可能なものであって、
前記一次側回路及び前記二次側回路が、
前記雄型部材の前記雌型部材への接続の際に、
前記共振回路を形成可能なように対向して設けられている
ことを特徴とする自動工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次側コイルから二次側コイルに対して電磁誘導により非接触で送電可能な非接触給電装置、及び、該装置を用いた自動工具交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一次側コイル及び一次側キャパシタを有する一次側回路と、二次側コイルを有する二次側回路とが間隔を隔てて配置され、一次側コイルから二次側コイルに対して電磁誘導により非接触で送電可能な非接触給電装置が知られている。
【０００３】
この装置は、一次側コイル、一次側キャパシタ、及び、二次側コイルで構成される共振回路（以下では、トランス回路と称呼する）を有している。トランス回路は、固有周波数（トランス回路に固有の周波数）で駆動する際に共振する。このような非接触給電装置の送電効率は、一次側コイルと二次側コイルとの結合率に依存することが判明している。その結合率は、一次側コイルと二次側コイルとの間の距離の変動に大きく関係することが判明している。
【０００４】
他方、従来の接触型の電源装置においては、一次側コイルと二次側コイルとが同じコアに巻き付けられているため、両コイル間の距離変動による結合率の変化は考えられないが、電極ピンのコンタクト方式を採用したものにあっては、露出電極への水・埃等の付着により、二次側回路への安定的な送電が困難なものとなっている。このため、安定的な送電を維持するという観点においては、非接触型の給電装置が有効である。
【０００５】
従来の非接触給電装置では、トランス回路の駆動周波数と、トランス回路の固有周波数と、が同調した場合に、装置全体が最も高い送電効率を示すことが判明している。しかしながら、従来の非接触給電装置においては、接触型の電源装置と比べて、一次側コイルと二次側コイルとの間の距離が変動したり、負荷が変動したりすることで、トランス回路の固有周波数が変化し、トランス回路の駆動周波数との同調を保つことができなくなり、装置全体の送電効率が低下するとともに、送電効率の低下による装置全体からの過度の放熱が問題となっていた。
【０００６】
そこで、上記問題を解決することを目的とした従来の技術として、駆動周波数を一定の周波数に維持した状態で、一次側回路に搭載した１つ以上の補助コイル又は補助キャパシタをスイッチで切り替えることで、固有周波数の変化を抑制し、駆動周波数と固有周波数とをある程度同調させることのできる非接触配電システムが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５１２７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の非接触配電システムでは、電源回路に周波数検出回路を設けることにより、その検出信号を利用して、１つ以上の補助コイル又は補助キャパシタを切り替えるタイミング及び回数を制御する方法が採用されている。この制御方法は、駆動周波数と固有周波数とが段階的に追従するものであるため、その精度に限界があり、システム全体の精度を向上させるには、より多くの補助コイル及び補助キャパシタを搭載する必要がある。このため、システム全体の部品点数の増加に伴い、製造コストが増大するとともに、制御手順も複雑化するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、より多くの補助コイル及び補助キャパシタを搭載することなく、駆動周波数と固有周波数とを同調させることできる非接触給電装置、及び、該装置を用いた自動工具交換装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）  本発明の非接触給電装置は、一次側コイル及び一次側キャパシタを有する一次側回路と、二次側コイルを有する二次側回路と、が間隔を隔てて配置され、前記一次側コイルから前記二次側コイルに対して電磁誘導により非接触で送電可能な非接触給電装置において、前記一次側コイル、前記一次側キャパシタ、及び、前記二次側コイルを有する共振回路と、前記共振回路を駆動可能な駆動信号を前記一次側回路に出力可能な一次側駆動回路と、前記駆動信号の電流／電圧極性を検出可能な電流／電圧極性検出回路と、前記駆動信号の電流極性を示す駆動電流極性信号と、前記駆動信号の電圧極性を示す駆動電圧極性信号との各位相を、前記電流／電圧極性検出回路の出力に基づいて、それぞれ検出可能な位相検出回路と、前記駆動電流極性信号と、前記駆動電圧極性信号との位相差を、前記位相検出回路の出力に基づいて検出可能な位相差検出回路と、前記共振回路に固有の周波数である固有周波数と、前記共振回路を駆動可能な駆動周波数とを、前記位相差検出回路の出力に基づいて前記駆動電流極性信号と前記駆動電圧極性信号との各位相を一致させることによって同調可能な周波数制御回路と、を備えることを特徴とする。ここでの「二次側回路」とは、二次側コイルの他の要素を含むものである。
【００１１】
上記（１）の構成によれば、位相差検出回路の出力に基づいて、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を検出することにより、従来のように、より多くの補助コイル及び補助キャパシタを搭載することなく、共振回路の駆動周波数と共振回路の固有周波数とを同調させることができる。つまり、従来のように、システム全体の部品点数の増加を伴うことなく、駆動周波数と固有周波数とを同調させることができる。このため、従来よりも、装置全体の製造コストを削減するとともに、制御手順を簡素化しつつ、装置全体の送電効率を向上させることができるとともに、装置全体からの過度の放熱を抑制することができる。
【００１２】
（２）  本発明の自動工具交換装置は、請求項１に記載の非接触給電装置と、前記一次側回路を有し、一端部において、突起部が形成されるとともに、他端部において、前前記一次側回路に送電可能な操作部が着脱可能（取り付け又は取外し可能）に取り付けられる雄型部材と、前記二次側回路を有し、前記突起部を挿入可能な孔が形成されるとともに、一端部において、前記二次側回路から受電可能な各工具が交換可能に取り付けられる雌型部材と、を備え、前記雄型部材が、前記突起部の前記孔への挿入の際に、前記雌型部材と相互に接続可能なものであって、前記一次側回路及び前記二次側回路が、前記雄型部材の前記雌型部材への接続の際に、前記共振回路を形成可能なように対向して設けられていることを特徴とする。
【００１３】
上記（２）の構成によれば、雌型部材の一端部に各工具を取り付けるとともに、雄型部材の他端部に操作部を取り付けて作業を行う際に、操作部の移動に応じて、雄型部材における一次側回路と雌型部材における二次側回路との間の距離が変動し、共振回路の固有周波数が変化しても、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を検出することにより、共振回路の駆動周波数と共振回路の固有周波数とを同調させることができる。つまり、一次側回路と二次側回路との間の距離が変動しても、駆動周波数と固有周波数とを同調させることができる。従って、自動工具交換装置全体で最も高い送電効率を維持することができる。その結果、雌型部材から各工具への安定的且つ効率的な送電を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る自動工具交換装置を適用した産業用ロボットの概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る自動工具交換装置を構成する雄型部材及び雌型部材の説明図である。
【図３】本実施形態に係る非接触給電装置の回路構成図である。
【図４】本実施形態における同調追従制御動作を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態における同調追従制御動作を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態における同調追従制御動作の説明図である。
【図７】本実施形態に係る非接触給電装置の試作回路を用いた分析結果の説明図である。
【図８】本実施形態に係る非接触給電装置の試作回路を用いた分析結果の説明図である。
【図９】本実施形態に係る非接触給電装置の別の試作回路を用いた分析結果の説明図である。
【図１０】本実施形態に係る非接触給電装置の別の試作回路を用いた分析結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図１０を参照しながら、本発明の一実施形態に係る自動工具交換装置について説明する。なお、図２（ｃ）においては、説明の都合上、雄型部材４の突起部４１及びカム機構４５の外形をフランジ部４３から透視した仮想線（点線）によって表している。
【００１６】
（産業用ロボットの全体構成）
図１に示すように、産業用ロボット１００は、自動工具交換装置１、ロボットアーム（操作部）２、及び、ハンドリングロボット（工具）３を有している。自動工具交換装置１は、本発明の非接触給電装置６を適用したものであって、ケーシング４０（図２（ｂ）参照）の他端部４ｂにおいてロボットアーム２と着脱可能（取り付け又は取外し可能）な雄型部材４と、ケーシング５０（図２（ｂ）参照）の一端部５ａにおいてハンドリングロボット３と着脱可能な雌型部材５とを有しており、ロボットアーム２とハンドリングロボット３との間に取り付けられる。
【００１７】
ロボットアーム２は、雄型部材４との間でエアの給排気を行うことが可能であって、この給排気に応じて、雄型部材４の後述するカム機構４５（図２参照）を回動させるための駆動力を発生可能に構成されているものである。このロボットアーム２は、雄型部材４の一次側駆動回路６０（図３参照）に駆動電力を送電可能に構成されている。ハンドリングロボット３は、雌型部材５に予め取り付けられたものが複数用意され、棚上に配置されている。このハンドリングロボット３は、雌型部材５の二次側回路から駆動電力を受電可能に構成されている。そして、ハンドリングロボット３が取り付けられた各雌型部材５のうち、作業に応じていずれか一つの雌型部材５が選択され、選択された雌型部材５と雄型部材４とを着脱可能に連結することによって、ロボットアーム２に所定の作業をさせることが可能となっている。
【００１８】
（自動工具交換装置の構成）
図２に示すように、自動工具交換装置１は、相互に接続可能な雄型部材４と雌型部材５とで構成されている。ここで、図２（ａ）は、雄型部材４と雌型部材５とが接続された状態を示す図であって、雄型部材４に接続された雌型部材５の正面図である。図２（ｂ）は、自動工具交換装置１を雄型部材４と雌型部材５とに分解した状態を示す図であって、雄型部材４と雌型部材５とが接続される前の状態を示す側面図である。図２（ｃ）は、雄型部材４の正面図である。
【００１９】
図２（ｂ），（ｃ）に示すように、雄型部材４は、埃・水等の異物侵入を防止可能な密閉型のケーシング４０を有している。このケーシング４０内には、一次側回路６１（図３参照）等を構成する各種の部品が実装されている。
【００２０】
図２（ｂ）に示すように、雄型部材４は、一端部４ａにおいて突設する椀型の突起部４１と、雌型部材５との位置を決めるための２本の位置決め用ピン４２と、を有している。また、図２（ｃ）に示すように、雄型部材４は、他端部４ｂにおいてロボットアーム２との位置決めを行うためのフランジ部４３と、ロボットアーム２へ取り付けるためのボルト穴４４と、が設けられている。また、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、雄型部材４は、突起部４１の内部から外部に突出可能なカム機構４５を有している。本実施形態では、図２（ｃ）に示すように、カム機構４５は、突起部４１の周方向に沿って略１２０°角度毎に計３個設けられている。また、図２（ｂ），（ｃ）では図示を省略したが、雄型部材４の内部には、シリンダ収容室に収容されたエアシリンダ、エアシリンダとカム機構４５とを連動させるためのピストン等の駆動機構が収容されている。
【００２１】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、雌型部材５は、埃・水等の異物侵入を防止可能な密閉型のケーシング５０を有している。このケーシング５０内には、二次側回路を構成する各種の部品が実装されている。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、雌型部材５は、雄型部材４の突起部４１（図２（ｂ）参照）と略同一形状を有し、該突起部４１を挿入可能な孔５１と、孔５１を取り囲む位置においてカム機構４５（図２（ｂ）参照）を保持可能に設けられた保持部５２と、上記位置決め用ピン４２（図２（ｂ）参照）と対応する位置に形成され、該位置決め用ピン４２を挿入可能な位置決め用孔（不図示）と、一端部５ａにおいてハンドリングロボット３（図１参照）へ取り付けるためのボルト穴５３を有している。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、保持部５２は、上記カム機構４５と対応する位置において、孔５１の周方向に沿って１２０°角度毎に計３個設けられている。
【００２３】
雄型部材４は、突起部４１を孔５１に挿入する際に、雌型部材５と相互に接続可能に構成されているものである。また、ケーシング４０，５０は、図２（ｂ）に示すように、雄型部材４及び雌型部材５の各外周部を合わせた状態で、相互に対向して設けられるものである。これにより、図２（ｂ）中に矢印Ｂで示す方向に雄型部材４を移動させて、雄型部材４を雌型部材５と電磁的に接続する際に、一次側コイル６１ａ及び一次側キャパシタ６１ｂ（図３参照）と二次側コイル６７（図３参照）とは、トランス回路（共振回路）Ｔｒ（図３参照）を形成可能となっている。また、図２（ｂ）中に矢印Ａで示す方向に雄型部材４を移動させることで、雄型部材４と雌型部材５との電磁的な接続を解除可能となっている。
【００２４】
（非接触給電装置の構成）
非接触給電装置６は、雄型部材４から雌型部材５に対して電磁誘導により非接触で送電可能に構成されている。図３に示すように、非接触給電装置６は、雄型部材４側において、一次側駆動回路６０、一次側回路６１、電流／電圧極性検出回路６２、位相検出回路６３、位相差検出回路６４、変調信号生成回路６５、及び、周波数制御回路６６を有しており、雌型部材５側において、二次側コイル６７を有している。なお、二次側コイル６７の仕様については、その用途に応じて、例えば定格電力３５[Ｗ]〜５０[Ｗ]で作動可能なコイルを用いることができる。また、図３は、雄型部材４及び雌型部材５が相互に電磁的に接続された場合を示している。
【００２５】
なお、図３においては、説明の都合上、二次側回路として二次側コイル６７のみを図示しているが、特許請求の範囲に記載された「二次側回路」には、二次側コイル６７と共振可能な二次側キャパシタ、二次側コイル６７から出力される交流を直流に変換可能な整流器、整流器から出力される直流を平滑化可能な平滑キャパシタ、及び、整流器及び平滑キャパシタ等に駆動電力を送電可能な電源装置等が含まれる。
【００２６】
一次側駆動回路６０は、トランス回路Ｔｒを駆動可能な駆動信号を一次側回路６１に出力可能なものであって、ロボットアーム２から送電される直流を平滑化可能な平滑キャパシタ、直流から高周波交流を生成可能なインバータ等を備えて構成されている。
【００２７】
一次側回路６１は、一次側コイル６１ａ及び一次側キャパシタ６１ｂを有している。一次側コイル６１ａの仕様については、二次側コイル６７と同様に、その用途に応じて、例えば定格電力３５[Ｗ]〜５０[Ｗ]で作動可能なコイルを用いることができる。一次側コイル６１ａ及び一次側キャパシタ６１ｂは、二次側コイル６７と共に、図中の破線で取り囲んだ共振回路（以下では、「トランス回路Ｔｒ」と称呼する）を形成するものである。
【００２８】
電流／電圧極性検出回路６２は、トランス回路Ｔｒの駆動信号の電流Ｉｉｎ／電圧Ｖｉｎ極性を検出可能に構成されている。なお以下では、トランス回路Ｔｒの駆動信号の電圧極性を示す信号を「駆動電圧極性信号」と称呼し、トランス回路Ｔｒの駆動信号の電流極性を示す信号を「駆動電流極性信号」と称呼する。
【００２９】
位相検出回路６３は、駆動電圧極性信号と駆動電流極性信号との各位相を、電流／電圧極性検出回路６２の出力に基づいて、それぞれ検出可能であって、積分回路、比較回路、及び、排他的論理和回路（以下では、「ＥＸ−ＯＲ回路」と称呼する）を有して構成されている。
【００３０】
位相差検出回路６４は、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を、位相検出回路６３の出力に基づいて検出可能であって、積分回路、乗算回路、及び、ＥＸ−ＯＲ回路を有して構成されている。ここでの乗算回路は、積分回路の後段に設けられるものであって、後述する「駆動電流位相差電圧信号」を調整可能に構成されている。
【００３１】
変調信号生成回路６５は、パルス位置変調（ＰＰＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を採用したものであり、位相差検出回路６４から送信される信号に応じて、パルス信号の発生タイミング位置を変更可能であって、Ｆ／Ｖコンバータ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、加算回路、及び、乗算回路を有して構成されている。ここでの乗算回路は、Ｆ／Ｖコンバータの後段に設けられるものであって、後述する「駆動周波数検出信号」を調整可能に構成されている。
【００３２】
周波数制御回路６６は、トランス回路Ｔｒに固有の周波数である固有周波数ｆｏと、トランス回路Ｔｒを駆動可能な駆動周波数とを、変調信号生成回路６５の出力に基づいて同調可能に構成されている。周波数制御回路６６は、例えば
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社製のタイマーＩＣ５５５に代表される汎用のタイマーＩＣを用いて構成可能である。
【００３３】
（非接触給電装置の同調追従制御動作）
以下では、図４〜図６を参照しながら、本実施形態における同調追従制御動作の一例について説明する。ここでは、初期状態において、雄型部材４及び雌型部材５が相互に電磁的に接続されているものとする。
【００３４】
まず、図４のステップＳ１において、電流／電圧極性検出回路６２によって駆動電流極性信号／駆動電圧極性信号が検出される。駆動電圧極性信号は、ステップＳ２において、積分回路に入力される。また、駆動電圧極性信号は、ステップＳ４において、ＥＸ−ＯＲ回路に入力される。さらに、駆動電圧極性信号は、図５のステップＳ８において、変調信号生成回路６５のＦ／Ｖコンバータに入力される。他方、駆動電流極性信号は、図４のステップＳ４において、ＥＸ−ＯＲ回路に入力される。図６（ａ）は、駆動電圧極性信号の波形を示している。図６（ｂ）は、駆動電流極性信号の波形を示している。
【００３５】
ここで、トランス回路Ｔｒの駆動周波数と固有周波数とが「同調（図６（ｂ），（ｅ），（ｆ）参照）」しているか否かの判断は、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号の各位相が一致しているか否か、つまり、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号の位相差が０であるか否かによって行われる。「進み位相（図６（ｂ），（ｅ），（ｆ）参照）」は、一例として、駆動電圧極性信号に対して駆動電流極性信号の位相が最大で９０°進んだ状態を意味するものとして記載したが、この角度に限らず、９０°に至らなくても駆動電圧極性信号に対して駆動電流極性信号の位相が進んでさえいれば、「進み位相」といえる。また、「遅れ位相（図６（ｂ），（ｅ），（ｆ）参照）」とは、駆動電圧極性信号に対して駆動電流極性信号の位相が最大で９０°遅れた状態を意味するものとして記載したが、この角度に限らず、９０°に至らなくても駆動電圧極性信号に対して駆動電流極性信号の位相が遅れてさえいれば、「遅れ位相」といえる。
【００３６】
図４のステップＳ２において、駆動電圧極性信号が、位相検出回路６３の積分回路に入力される。そして、該積分回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電圧極性積分信号」と称呼する）が位相検出回路６３の比較回路に出力される。図６（ｃ）は、駆動電圧極性積分信号の波形を示している。なお、図６（ｃ）中の点線は、基準電圧を示している。この基準電圧には、同図中の最大電圧値Ｖｍａｘと最小電圧値０との平均値Ｖｍａｘ／２（以下では、中点電位と称呼する）を用いることができる。この際、オペアンプ（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）回路、又は、ＲＣ回路（ｒｅｓｉｓｔｏｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いて中点電位の変動を抑制することが好ましく、該変動を抑制できない場合には、別途に中点電位検出回路を設けることが好ましい。また、ここでの積分回路は、周波数の値が最小となる際にも駆動電圧極性積分信号が飽和しない定数の積分回路を用いることが好ましく、周波数変化に対して中点電位が変動しない方式の積分回路を用いることがより好ましい。
【００３７】
図４のステップＳ３において、駆動電圧極性積分信号が、位相検出回路６３の比較回路に入力され、基準電圧との比較判定が行われる。そして、該比較回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電圧位相変換信号」と称呼する）が、位相差検出回路６４のＥＸ−ＯＲ回路に出力される。図６（ｄ）は、駆動電圧位相変換信号の波形を示している。図６（ｄ）に示すように、駆動電圧極性積分信号（図６（ｃ）参照）の電圧値が基準電圧よりも高い場合、比較回路から「Ｈ」が出力され、駆動電圧極性積分信号（図６（ｃ）参照）の電圧値が基準電圧よりも低い場合、比較回路から「Ｌ」が出力される。
【００３８】
図４のステップＳ４において、駆動電圧極性信号及び駆動電流極性信号が、位相検出回路６３のＥＸ−ＯＲ回路に入力される。そして、該ＥＸ−ＯＲ回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電流位相信号」と称呼する）が、位相差検出回路６４のＥＸ−ＯＲ回路に出力される。図６（ｅ）は、駆動電流位相信号の波形を示している。
【００３９】
図４のステップＳ５において、駆動電圧位相変換信号及び駆動電流位相信号が、位相差検出回路６４のＥＸ−ＯＲ回路に入力される。そして、該ＥＸ−ＯＲ回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電流位相差ＤＵＴＹ信号」と称呼する）が、位相差検出回路６４の積分回路に出力される。図６（ｆ）は、駆動電流位相差ＤＵＴＹ信号の波形を示している。図６（ｆ）中の信号波形を構成するパルス列において、ＤＵＴＹ比（パルス幅／パルス周期）が例えば５０％である状態は、上記の「同調」に相当するものである。ＤＵＴＹ比が例えば５０％未満である状態は、上記の「進み位相」に相当するものである。ＤＵＴＹ比が例えば５０％を超える状態は、上記の「遅れ位相」に相当するものである。
【００４０】
図４のステップＳ６において、駆動電流位相差ＤＵＴＹ信号が、位相差検出回路６４の積分回路に入力される。そして、該積分回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電流位相差電圧信号」と称呼する）が、位相差検出回路６４の乗算回路に出力される。この乗算回路は、入力信号を定数倍した信号を出力するものである。図６（ｇ）は、駆動電流位相差電圧信号の出力特性を示している。同図において、基準電圧Ｖ１（＝６[Ｖ]）を検出した状態は、上記の「同調（±０°）」に相当する。０[Ｖ]を検出した状態は、上記の「進み位相（＋９０°）」に相当する。Ｖ２（＝１２[Ｖ]）を検出した状態は、上記の「遅れ位相（−９０°）」に相当する。ここで、±３５°の位相差を検出する場合は、「駆動電流位相差電圧信号」において３．６［Ｖ］〜８．３［Ｖ］の電圧が出力される。
【００４１】
図５のステップＳ７において、駆動電流位相差電圧信号が、位相差検出回路６４の乗算回路に入力され、駆動電流位相差電圧信号の調整が行われる。そして、該乗算回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動電流位相差調整信号」と称呼する）が、変調信号生成回路６５の加算回路に出力される。
【００４２】
図５のステップＳ８において、駆動電圧極性信号が、変調信号生成回路６５のＦ／Ｖコンバータに入力される。そして、Ｆ／Ｖコンバータの出力結果を示す信号（以下では、「駆動周波数検出信号」と称呼する）が、変調信号生成回路６５の乗算回路に出力される。この乗算回路は、入力信号を１倍した信号を出力するものである。ここでは１倍した信号を出力する場合について述べたが、倍率はこの値に限定されず、適宜変更できる。
【００４３】
図５のステップＳ９において、駆動周波数検出信号が、変調信号生成回路６５の乗算回路に入力され、駆動周波数検出信号の調整が行われる。そして、該乗算回路の出力結果を示す信号（以下では、「駆動周波数調整信号」と称呼する）が、変調信号生成回路６５の加算回路に出力される。
【００４４】
図５のステップＳ１０において、駆動電流位相差調整信号及び駆動周波数調整信号が、変調信号生成回路６５の加算回路に入力される。そして、該加算回路の出力結果を示す信号（以下では、「周波数指令電圧信号」と称呼する）が、周波数制御回路６６に出力される。ここで、「周波数指令電圧信号」の下限値［Ｖ］及び上限値［Ｖ］は、それぞれ、０［Ｖ］及び８［Ｖ］に設定可能である。この電圧範囲内では、７０［ｋＨｚ]〜９５［ｋＨｚ]の範囲内の周波数を検出することが可能である。
【００４５】
図５のステップＳ１１において、周波数指令電圧信号が、周波数制御回路６６に入力される。ここでは、タイマーＩＣ５５５による制御が行われ、図６（ｈ）に示すように、コントロール信号電圧［Ｖ］に対して外部ＣＲ（キャパシタ及び抵抗）設定が行われることにより、スイッチング周波数ｆｓｗと固有周波数ｆｏとの同調制御が行われ、その後、処理は図４のステップＳ１に移行する。ここでの制御において、まず目標とするべき周波数は、トランス回路Ｔｒの結合状態、及び、負荷状態で変化する固有周波数ｆｏであるが、あらかじめ固有周波数ｆｏは判明していない。そこで、まず基本周波数をスイッチング周波数ｆｓｗとして、トランス回路Ｔｒの動作を開始させて、その結果として現れる「駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号の位相差」に基づき、スイッチング周波数ｆｓｗと固有周波数ｆｏとの同調制御が行われる。ここでの『スイッチング周波数』とは、トランス回路Ｔｒにおいて現在動作中の周波数のことであって、一次側駆動回路６０から出力される駆動信号の周波数を意味する。ここでの『基本周波数』とは、周波数制御回路６６から初期状態において出力されるスイッチング周波数を意味する。図６（ｈ）に示すように、コントロール信号電圧値が基準電圧８［Ｖ］未満である場合には、スイッチング周波数ｆｓｗは、基本周波数よりも高く設定される。また、コントロール信号電圧値が基準電圧８［Ｖ］である場合には、スイッチング周波数ｆｓｗは基本周波数に設定される。さらに、コントロール信号電圧値が基準電圧８［Ｖ］を超える場合には、スイッチング周波数ｆｓｗは基本周波数よりも低く設定される。なお、コントロール信号接続部にダイオードを接続すると、接続極性によって、基本周波数の下限値または上限値を制限することができる。また、コントロール信号電圧とスイッチング周波数ｆｓｗとの関係は、一様ではなく、基本周波数に依存するものである。
【００４６】
（本発明をするに至った経緯について）
次に、本発明をするに至った経緯を具体的に説明する。本発明者は、図７（ａ）に示す非接触給電装置６（図３参照）の試作回路を用いて分析を行った結果、図７（ｂ），（ｃ）及び図８（ａ），（ｂ）に示す各変化特性が予測されるとともに、図９（ａ）に示す非接触給電装置６（図３参照）の別の試作回路を用いて分析を行った結果、図９（ｂ），（ｃ）及び図１０（ａ）、（ｂ）に示す各変化特性が予測されるとの結論に至り、本発明のような制御手順（図４及び図５参照）を見出した。
【００４７】
図７（ａ）は、試作回路の等価回路構成を示している。ここでは、一次側コイル６１ａのインダクタンスＬの値を５５［μＨ］とし、一次側キャパシタ６１ｂの容量値を０．１［μＦ］とした。さらに、一次側コイル６１ａと二次側コイル６７との間の隙間寸法（以下では、「ギャップ長」と称呼する）ｇを２．５［ｍｍ］とした。また、図７（ａ）中のインダクタンスl[μＨ]は、非接触トランスの結合状態を等価回路で表現した漏れインダクタンスであって、４０[μＨ]とした。この条件で、負荷抵抗ＺＬを変動させた際の、出力ＶＡ（＝出力電圧Ｖｏｕｔ×出力電流Ｉｏｕｔ）、入力インピーダンスＺｇ、出力電圧Ｖｏｕｔ、及び、出力電流Ｉｏｕｔの各値を記録することにより、これらの特性を分析した。なお、負荷抵抗ＺＬにおける「負荷」とは、二次側コイル６７の他に、該二次側コイル６７の周辺に設けられた二次側キャパシタ等の要素を含むものである。
【００４８】
図７（ｂ），（ｃ）及び図８（ａ），（ｂ）に示すのは、入力インピーダンスＺｇ[Ω]、出力電圧Ｖｏｕｔ[Ｖ]、出力電流Ｉｏｕｔ［Ａ］、及び、出力ＶＡ[Ｖ・Ａ]の各特性曲線であって、負荷抵抗ＺＬの各値における変化特性を示している。各図中の「●」、「■」、「▲」、「×」、及び、「■」は、負荷抵抗ＺＬの値を５[Ω]、１０[Ω]、５０[Ω]、１００[Ω]、２００[Ω]とした場合をそれぞれ示している。ここでは、図７（ｂ），（ｃ）及び図８（ａ）を参照しながら、主に、入力インピーダンスＺｇ、出力電圧Ｖｏｕｔ、及び、出力電流Ｉｏｕｔの各変化特性について説明する。
【００４９】
（入力インピーダンスＺｇの変化特性）
図７（ｂ）に示すように、負荷抵抗ＺＬの値を５０[Ω]とした場合に、入力インピーダンスＺｇの値が５５［ｋＨｚ］で最も小さくなっている。負荷抵抗ＺＬの値を１００[Ω]、２００[Ω]とした場合には、入力インピーダンスＺｇの値が５０［ｋＨｚ］付近で最も小さくなっている。負荷抵抗ＺＬの値を５[Ω]、１０[Ω]とした場合には、入力インピーダンスＺｇの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も小さくなっている。この結果から、入力インピーダンスＺｇの最小値に対応する周波数の値は、負荷抵抗ＺＬの値が大きいほど小さくなることがわかる。つまり、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす周波数の値は、負荷抵抗ＺＬの値が大きいほど小さくなる。
【００５０】
（出力電圧Ｖｏｕｔの変化特性）
図７（ｃ）に示すように、負荷抵抗ＺＬの値を５０[Ω]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５５［ｋＨｚ］で最も大きく、約６０[Ｖ]となっている。負荷抵抗ＺＬの値を１００[Ω]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約８０[Ｖ]となっている。負荷抵抗ＺＬの値を２００[Ω]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約１４０[Ｖ]となっている。負荷抵抗ＺＬの値を５[Ω]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約７０[Ｖ]となっている。負荷抵抗ＺＬの値を１０[Ω]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約６０[Ｖ]となっている。これらの結果から、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす出力電圧Ｖｏｕｔの最大値は、負荷抵抗ＺＬの値を１００[Ω]、２００[Ω]とした場合には、負荷抵抗ＺＬの値を５[Ω]、１０[Ω]とした場合よりも大きくなることがわかる。
【００５１】
（出力電流Ｉｏｕｔの変化特性）
図８（ａ）に示すように、負荷抵抗ＺＬの値を５０[Ω]とした場合に、出力電流Ｉｏｕｔの値が５５［ｋＨｚ］で最も大きく、約１［Ａ］となっている。負荷抵抗ＺＬの値を１００[Ω]とした場合には、出力電流Ｉｏｕｔの値が５０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、０．５〜１［Ａ］の範囲内の値となっている。負荷抵抗ＺＬの値を２００[Ω]とした場合には、出力電流Ｉｏｕｔの値が５０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、０．５〜１［Ａ］の範囲内の値となっている。負荷抵抗ＺＬの値を５[Ω]とした場合には、出力電流Ｉｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約４［Ａ］となっている。負荷抵抗ＺＬの値を１０[Ω]とした場合には、出力電流Ｉｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約３［Ａ］となっている。この結果から、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす出力電流Ｉｏｕｔの最大値は、負荷抵抗ＺＬの値の増加に伴って小さくなることがわかる。
【００５２】
続いて、非接触給電装置６（図３参照）の別の試作回路を用いた分析結果について説明する。
【００５３】
図９（ａ）は、試作回路の等価回路構成を示している。本試作回路は、一次側コイル６１ａのインダクタンスＬの値、及び、負荷抵抗ＺＬの抵抗値を除き、図７（ａ）に示した試作回路と同じ回路構成である。ここでは、負荷抵抗ＺＬの抵抗値を１０［Ω]とした。この条件で、インダクタンスＬの値[μＨ]、及び、ギャップ長ｇ[ｍｍ]を変動させた際の、出力ＶＡ、入力インピーダンスＺｇ、出力電圧Ｖｏｕｔ、及び、出力電流Ｉｏｕｔの各値を記録することにより、これらの特性を分析した。
【００５４】
図９（ｂ），（ｃ）及び図１０（ａ），（ｂ）に示すのは、入力インピーダンスＺｇ[Ω]、出力電圧Ｖｏｕｔ[Ｖ]、出力電流Ｉｏｕｔ［Ａ］、及び、出力ＶＡ[Ｖ・Ａ]の各特性曲線であって、ギャップ長ｇの各寸法における変化特性を示している。各図中の「●」、「■」、「▲」、「×」、及び、「■」は、ギャップ長ｇの寸法を１[ｍｍ]、１．５[ｍｍ]、２[ｍｍ]、２．５[ｍｍ]、３[ｍｍ]とした場合をそれぞれ示している。ここでは、図９（ｂ），（ｃ）を参照しながら、主に、入力インピーダンスＺｇ、及び、出力電圧Ｖｏｕｔの各変化特性について説明するものとする。
【００５５】
（入力インピーダンスＺｇの変化特性）
図９（ｂ）に示すように、ギャップ長ｇの寸法を２．５[ｍｍ]、３[ｍｍ]とした場合に、入力インピーダンスＺｇの値が６０[ｋＨｚ]付近で最も小さくなっている。ギャップ長ｇの寸法を２[ｍｍ]とした場合には、入力インピーダンスＺｇの値が５５〜６０[ｋＨｚ]の範囲内で最も小さくなっている。負荷抵抗ＺＬの値を１[Ω]、１．５[Ω]とした場合には、入力インピーダンスＺｇの値が５５[ｋＨｚ]付近で最も小さくなっている。この結果から、入力インピーダンスＺｇの最小値に対応する周波数の値は、ギャップ長ｇの寸法値の減少に伴って小さくなることがわかる。つまり、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす周波数の値は、ギャップ長ｇの寸法値の減少に伴って小さくなる。
【００５６】
（出力電圧Ｖｏｕｔの変化特性）
図９（ｃ）に示すように、ギャップ長ｇの寸法を３[ｍｍ]とした場合に、出力電圧Ｖｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約７０[Ｖ]となっている。ギャップ長ｇの寸法を２．５[ｍｍ]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が６０［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約７０[Ｖ]となっている。ギャップ長ｇの寸法を２[ｍｍ]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５５〜６０［ｋＨｚ］の範囲内で最も大きく、約７０[Ｖ]となっている。ギャップ長ｇの寸法を１．５[ｍｍ]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５５［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約６０[Ｖ]となっている。ギャップ長ｇの寸法を１[ｍｍ]とした場合には、出力電圧Ｖｏｕｔの値が５５［ｋＨｚ］付近で最も大きく、約５５[Ｖ]となっている。この結果から、図９（ｃ）中の矢印１に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔの最大値に対応する周波数、つまり、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす周波数よりも高い範囲では、ギャップ長ｇの減少に伴って、出力電圧Ｖｏｕｔが小さくなることがわかる。また、図９（ｃ）中の矢印２に示すように、トランス回路Ｔｒの共振条件を満たす出力電圧Ｖｏｕｔの最大値は、ギャップ長ｇの減少に伴って小さくなることがわかる。
【００５７】
（本実施形態に係る自動工具交換装置の特徴）
上記構成によれば、位相差検出回路６４の出力に基づいて、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を検出することにより、従来のように、より多くの補助コイル及び補助キャパシタを搭載することなく、トランス回路Ｔｒの駆動周波数とトランス回路Ｔｒの固有周波数とを同調させることができる。つまり、従来のように、システム全体の部品点数の増加を伴うことなく、駆動周波数と固有周波数とを同調させることができる。このため、従来よりも、自動工具交換装置１全体の製造コストを削減するとともに、制御手順を簡素化しつつ、自動工具交換装置１全体の送電効率を向上させることができるとともに、自動工具交換装置１全体からの過度の放熱を抑制することができる。
【００５８】
また、上記構成によれば、雌型部材５の一端部５ａにハンドリングロボット３を取り付けるとともに、雄型部材４の他端部４ｂにロボットアーム２を取り付けて作業を行う際に、ロボットアーム２の移動に応じて、雄型部材４における一次側回路６１と雌型部材５における二次側回路との間の距離が変動し、トランス回路Ｔｒの固有周波数が変化しても、駆動電流極性信号と駆動電圧極性信号との位相差を検出することにより、トランス回路Ｔｒの駆動周波数とトランス回路Ｔｒの固有周波数とを同調させることができる。つまり、一次側回路６１と二次側回路との間の距離が変動しても、駆動周波数と固有周波数とを同調させることができる。従って、自動工具交換装置１の全体で最も高い送電効率を維持することができる。その結果、雌型部材５からハンドリングロボット３への安定的且つ効率的な送電を維持することができる。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６０】
なお、上記実施形態では、カム機構４５を、雄型部材４の周方向に沿って略１２０°角度毎に３個設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雄型部材４に設けるカム機構４５の数は変更できる。同様に、保持部５２を、上記カム機構４５と対応する位置において、雌型部材５の周方向に沿って略１２０°角度毎に設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雌型部材５に設ける保持部５２の数は適宜変更できる。
【００６１】
なお、上記実施形態では、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、エアの給排気を行うことによって、カム機構４５を回動させる例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、液体の供給又は排出を行うことによって、カム機構４５を回動させるものでもよく、モーター及びソレノイド等を用いた駆動機構によって、カム機構４５を回動させるものでもよい。
【００６２】
なお、上記実施形態では、雄型部材４の突起部４１を椀型に形成する例について述べたが、この形状だけに限定されるものではなく、突起部４１の形状は適宜変更してよい。同様に、突起部４１を挿入可能な孔５１の形状も、突起部４１の形状に応じて適宜変更してよい。
【００６３】
なお、上記実施形態では、電流／電圧極性検出回路６２で電流極性及び電圧極性の両方が検出される例について述べたが、本発明はこれに限定されず、電流極性検出回路及び電圧極性検出回路を別々に設けて、各回路で電流極性及び電圧極性をそれぞれ検出してもよい。
【００６４】
なお、上記実施形態では、駆動電流位相差電圧信号の出力特性（図６（ｇ）参照）において、基準電圧Ｖ１（＝６[Ｖ]）を検出した状態は、上記の「同調（±０°）」に相当する。０[Ｖ]を検出した状態は、上記の「進み位相（＋９０°）」に相当する。Ｖ２（＝１２[Ｖ]）を検出した状態は、上記の「遅れ位相（−９０°）」に相当する例について述べたが、本発明はこれに限定されず、電圧Ｖ１，Ｖ２の各値は変更できる。
【００６５】
なお、上記実施形態では、コントロール信号電圧値の基準電圧を８[Ｖ]に設定する例について述べたが、本発明はこれに限定されず、該基準電圧の値は変更できる。
【符号の説明】
【００６６】
１    自動工具交換装置
２    ロボットアーム（操作部）
３    ハンドリングロボット（工具）
４    雄型部材
４ａ、５ａ    一端部
４ｂ    他端部
５    雌型部材
６    非接触給電装置
４０、５０    ケーシング
４１    突起部
４２    位置決め用ピン
４３    フランジ部
４４、５３    ボルト穴
４５    カム機構
５１    孔
５２    保持部
６０    一次側駆動回路
６１    一次側回路
６１ａ    一次側コイル
６１ｂ    一次側キャパシタ
６２    電流／電圧極性検出回路
６３    位相検出回路
６４    位相差検出回路
６５    変調信号生成回路
６６    周波数制御回路
６７    二次側コイル
１００    産業用ロボット
ｆｏ    固有周波数
Ｔｒ    トランス回路（共振回路）
【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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