特許 6049743 静電結合方式非接触給電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6049743

(24)【登録日】2016年12月2日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】静電結合方式非接触給電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20161212BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/05

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-538061(P2014-538061)

(86)(22)【出願日】2012年9月28日

(86)【国際出願番号】JP2012075232

(87)【国際公開番号】WO2014049868

(87)【国際公開日】20140403

【審査請求日】2015年8月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237271

【氏名又は名称】富士機械製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(74)【代理人】

【識別番号】100130188

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 喜一

(74)【代理人】

【識別番号】100190333

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 群司

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 輝夫

(72)【発明者】

【氏名】野村 壮志

(72)【発明者】

【氏名】石浦 直道

(72)【発明者】

【氏名】瀧川 慎二

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０７０４７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−７０６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９６８５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定部に設けられた複数の給電用電極と、
前記複数の給電用電極の間に高周波電力を給電する高周波電源回路と、
前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記複数の給電用電極にそれぞれ離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る複数の受電用電極と、
前記複数の受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電回路と、
離隔対向する前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されたコンデンサの静電容量を検出し、前記静電容量の変化に基づいて前記給電用電極および前記受電用電極の少なくとも一方に発生した異常を検出する電極異常検出部と、
を備えた静電結合方式非接触給電装置。

【請求項2】

請求項１において、前記電極異常検出部は、
前記コンデンサを含み、かつ前記高周波電源回路および前記電気負荷を含まない検出用閉回路と、
前記検出用閉回路内に設けられて、前記高周波電源回路が前記高周波電力を給電するときの給電周波数と異なる検出用周波数の交流信号を出力する交流信号源と、
前記検出用閉回路内の前記可動部側に設けられて、前記検出用周波数の交流信号を通過させ、前記給電周波数の信号を遮断するフィルタ部と、
前記検出用閉回路内に設けられて、前記検出用周波数の交流信号を検出する検出器と、を有する静電結合方式非接触給電装置。

【請求項3】

請求項２において、前記交流信号源および前記検出器は、前記固定部に配置されている静電結合方式非接触給電装置。

【請求項4】

請求項２または３において、前記検出器は、オペアンプを用いた容量測定器または交流ブリッジ回路を用いた容量測定器で構成されている静電結合方式非接触給電装置。

【請求項5】

請求項２〜４のいずれか一項において、前記検出器に接続され、前記検出した静電容量および前記検出した電極の異常の少なくとも一方を表示する表示器をさらに備えた静電結合方式非接触給電装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項において、前記高周波電源回路は、前記高周波電力を給電するときの給電周波数を調整可能であり、
前記コンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、
前記電極異常検出部が検出した前記コンデンサの静電容量に基づき、前記高周波電源回路の給電周波数を可変に制御して、前記直列共振回路の直列共振状態を維持する共振制御部と、をさらに備えた静電結合方式非接触給電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可動部上の電気負荷に固定部から非接触で給電する非接触給電装置に関し、より詳細には、電極板を離隔対向して配置した静電結合方式非接触給電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

多数の部品が実装された基板を生産する基板用作業機器として、はんだ印刷機、部品実装機、リフロー機、基板検査機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築する場合が多い。これらの基板用作業機器の多くは基板の上方を移動して所定の作業を行う可動部を備えており、可動部を駆動する一手段としてリニアモータ装置を用いることができる。リニアモータ装置は、移動方向に沿い複数の磁石のＮ極およびＳ極が交互に列設された軌道部材と、コアおよびコイルを有する電機子を含んで構成された可動部とを備えるのが一般的である。リニアモータ装置を始めとする可動部上の電気負荷に給電するために、従来から変形可能な給電用ケーブルが用いられてきた。また、近年では、給電用ケーブルによる荷搬重量の増加や金属疲労による断線のリスクなどの弊害を解消するために、非接触給電装置の適用が提案されている。

【0003】

非接触給電装置の方式として、従来からコイルを用いた電磁誘導方式が多用されてきたが、最近では対向する電極によりコンデンサを構成した静電結合方式も用いられるようになってきており、他に磁界共鳴方式なども検討されている。非接触給電装置の用途は、基板用作業機器に限定されるものではなく、他の業種の産業用機器や家電製品などの幅広い分野に広まりつつある。特許文献１には、磁界共鳴方式に好適な非接触給電装置の技術例が開示されている。

【0004】

特許文献１のワイヤレス給電システムは、電力生成部および共振素子を含む給電装置と、受電素子で受電した電力を負荷に供給する受電装置とを有し、さらに、給電装置内または受電装置内の電力伝搬経路に共振尖鋭度（Ｑ値）を維持しながら周波数特性を拡大する周波数特性補正回路を有する、と記載されている。また、請求項５には、電力生成部の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む態様が開示されている。さらに、請求項７には、共振素子と受電素子との距離によって変わる結合の深さを前記のインピーダンス整合機能により補償して、伝送特性を調整可能とする態様が開示されている。つまり、請求項５および７では、共振素子と受電素子との距離を始めとする各種の給電条件が変化しても、安定した給電性能を維持する機能が付加されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−３４４９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、基板用作業機器に非接触給電装置を装備する場合に、電磁誘導方式ではコイルが重量化して可動部の総重量が大きくなり、また、リニアモータ装置との磁界干渉を避ける構成上の制約が生じるため、静電結合方式が有望である。そして、大きな給電容量を得るために、固定部および可動部の電極により構成されるコンデンサに共振用インダクタを直列接続して直列共振回路を構成し、大きな電流を流すことが好ましい。

【0007】

ここで、経年使用により可動部を移動させるためのレール部材などが摩耗したり、固定部および可動部の電極が歪んだり、電極表面の絶縁層が損傷したりすると、コンデンサの静電容量が変化して共振周波数特性が変化する。これは、特許文献１で結合の深さが変わることに相当している。特許文献１の周波数特性補正回路は磁界共鳴方式には好適であっても、静電結合方式の静電容量の変化に対しては好適でない。静電結合方式で大きな給電容量および高い給電効率を維持するためには、静電容量の変化に追従して常に給電周波数が共振周波数に一致するように制御することが好ましい。例えば、電極間の離間距離が増加してコンデンサの静電容量が減少すると直列共振回路の共振周波数は増加するので、そのままでは給電容量が減少して不安定動作に陥る。このため、静電容量の減少に追従して給電周波数を大きく制御することが好ましい。

【0008】

また、電極間の離間距離が減少すると、静電容量は増加するので周波数を下げられる点は好ましいが、その反面で電極間の短絡故障のおそれが生じる。つまり、電極間の離間距離が設計許容値未満になると、電極間が短絡して給電できない、もしくは給電回路が焼損してしまうというおそれが生じる。

【0009】

したがって、静電結合方式非接触給電装置において、固定部および可動部の電極により構成されるコンデンサの静電容量を検出することで電極の異常を検出でき、短絡故障や不安定動作を未然に防止できる。すなわち、装置を安全にかつ安定的に運用できる。また、検出した静電容量を給電周波数の制御に反映することで大きな給電容量および高い給電効率を維持できる。さらには、静電容量の変動状況から、メンテナンスの要否を適切に判定できる。しかしながら、従来の静電結合方式非接触給電装置において、稼働中にコンデンサの静電容量を検出する技術は、未だ実用化されていない。

【0010】

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、固定部および可動部の電極により構成されるコンデンサの静電容量を検出することで、電極の異常を検出して短絡故障や不安定動作を未然に防止するとともに、大きな給電容量および高い給電効率を維持でき、さらにはメンテナンスの要否を適切に判定できる静電結合方式非接触給電装置を提供することを解決すべき課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決する請求項１に係る静電結合方式非接触給電装置の発明は、固定部に設けられた複数の給電用電極と、前記複数の給電用電極の間に高周波電力を給電する高周波電源回路と、前記固定部に移動可能に装架された可動部に設けられ、前記複数の給電用電極にそれぞれ離隔対向して非接触で高周波電力を受け取る複数の受電用電極と、前記複数の受電用電極が受け取った高周波電力を変換して前記可動部上の電気負荷に給電する受電回路と、離隔対向する前記給電用電極と前記受電用電極とにより構成されたコンデンサの静電容量を検出し、前記静電容量の変化に基づいて前記給電用電極および前記受電用電極の少なくとも一方に発生した異常を検出する電極異常検出部と、を備えた。

【0012】

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記電極異常検出部は、前記コンデンサを含み、かつ前記高周波電源回路および前記電気負荷を含まない検出用閉回路と、前記検出用閉回路内に設けられて、前記高周波電源回路が前記高周波電力を給電するときの給電周波数と異なる検出用周波数の交流信号を出力する交流信号源と、前記検出用閉回路内の前記可動部側に設けられて、前記検出用周波数の交流信号を通過させ、前記給電周波数の信号を遮断するフィルタ部と、前記検出用閉回路内に設けられて、前記検出用周波数の交流信号を検出する検出器と、を有する。

【0013】

請求項３に係る発明は、請求項２において、前記交流信号源および前記検出器は、前記固定部に配置されている。

【0014】

請求項４に係る発明は、請求項２または３において、前記検出器は、オペアンプを用いた容量測定器または交流ブリッジ回路を用いた容量測定器で構成されている。

【0015】

請求項５に係る発明は、請求項２〜４のいずれか一項において、前記検出器に接続され、前記検出した静電容量および前記検出した電極の異常の少なくとも一方を表示する表示器をさらに備えた。

【0016】

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記高周波電源回路は、前記高周波電力を給電するときの給電周波数を調整可能であり、前記コンデンサに直列接続されて直列共振回路を形成する共振用インダクタと、前記電極異常検出部が検出した前記コンデンサの静電容量に基づき、前記高周波電源回路の給電周波数を可変に制御して、前記直列共振回路の直列共振状態を維持する共振制御部と、をさらに備えた。

【発明の効果】

【0017】

請求項１に係る静電結合方式非接触給電装置の発明では、電極異常検出部は、給電用電極と受電用電極とにより構成されたコンデンサの静電容量を検出し、静電容量の変化に基づいて電極の少なくとも一方に発生した異常を検出する。電極の異常としては、何らかの原因による電極間の離間距離の変動や、電極表面の絶縁層の損傷などがあり、異常に伴い静電容量が変動する。したがって、電極異常検出部は、これらの異常を検出して、離間距離の減少や絶縁層の損傷などに起因する短絡故障を未然に防止でき、離間距離の増加などに起因する不安定動作を未然に防止できる。さらには、静電容量の変動状況から、メンテナンスの要否を適切に判定できる。

【0018】

請求項２に係る発明では、電極異常検出部は、検出用閉回路と交流信号源とフィルタ部と検出器とを有する。そして、検出用閉回路には、フィルタ部の作用で検出用周波数の交流信号だけが流れて、高周波電源回路の給電周波数の信号は流れない。これにより、装置の稼動中であっても、給電周波数の信号の影響を受けずに、電極間の静電容量を検出できる。また、給電周波数の信号が無駄に検出用閉回路に流れないので、給電効率が低下しない。

【0019】

請求項３に係る発明では、交流信号源および検出器は固定部に配置されている。したがって、コンデンサの静電容量の検出のために可動部の重量が増加することがない。また、交流信号源および検出器の動作に必要な電力を固定部側で給電できるので、検出のために非接触給電の給電電力を増加させなくてもよい。

【0020】

請求項４に係る発明では、検出器は、オペアンプを用いた容量測定器または交流ブリッジ回路を用いた容量測定器で構成されている。これらの容量測定器は高精度であり、装置の稼動中であっても、コンデンサの静電容量を高精度に検出できる。

【0021】

請求項５に係る発明では、検出器に接続されて検出した静電容量および検出した電極の異常の少なくとも一方を表示する表示器をさらに備えている。これにより、電極異常検出部の検出結果は、確実に作業員に報知される。

【0022】

請求項６に係る発明では、共振制御部は、電極異常検出部が検出したコンデンサの静電容量に基づき、高周波電源回路の給電周波数を可変に制御して、直列共振回路の直列共振状態を維持する。したがって、稼働中に静電容量が正常範囲以内で多少変動しても、大きな給電容量および高い給電効率を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置を適用できる部品実装機の全体構成を示した斜視図である。

【図2】一般的な静電結合方式非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。

【図3】本発明の第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。

【図4】電極異常検出部の交流信号源および検出器を一体化した構成例である容量測定器の電子回路図である。

【図5】容量測定器におけるコンデンサの充放電の状況を示した波形図である。

【図6】容量測定器における最終出力電圧を示した波形図である。

【図7】第２実施形態の静電結合方式非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。

【図8】第３実施形態の静電結合方式非接触給電装置を模式的に説明する構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

まず、本発明を適用できる部品実装機１０について、図１を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置１を適用できる部品実装機１０の全体構成を示した斜視図である。部品実装機１０は、基板に多数の部品を実装する装置であり、２セットの同一構造の部品実装ユニットが概ね左右対称に配置されて構成されている。ここでは、図１の右手前側のカバーを取り外した状態の部品実装ユニットを例にして説明する。なお、図中の左奥側から右手前側に向かう部品実装機１０の幅方向をＸ軸方向とし、部品実装機１０の長手方向をＹ軸方向とする。

【0025】

部品実装機１０は、基板搬送装置１１０、部品供給装置１２０、２つの部品移載装置１３０、１４０などが機台１９０に組み付けられて構成されている。基板搬送装置１１０は、部品実装機１０の長手方向の中央付近をＸ軸方向に横断するように配設されている。基板搬送装置１１０は、図略の搬送コンベアを有しており、基板をＸ軸方向に搬送する。また、基板搬送装置１１０は、図略のクランプ装置を有しており、基板を所定の実装作業位置に固定および保持する。部品供給装置１２０は、部品実装機１０の長手方向の前部（図１の左前側）及び後部（図には見えない）に設けられている。部品供給装置１２０は、複数のカセット式フィーダ１２１を有し、各フィーダ１２１にセットされたキャリアテープから２つの部品移載装置１３０、１４０に連続的に部品を供給するようになっている。

【0026】

２つの部品移載装置１３０、１４０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能ないわゆるＸＹロボットタイプの装置である。２つの部品移載装置１３０、１４０は、部品実装機１０の長手方向の前側および後側に、相互に対向するように配設されている。各部品移載装置１３０、１４０は、Ｙ軸方向の移動のためのリニアモータ装置１５０を有している。

【0027】

リニアモータ装置１５０は、２つの部品移載装置１３０、１４０に共通な軌道部材１５１および補助レール１５５と、２つの部品移載装置１３０、１４０ごとのリニア可動部１５３で構成されている。軌道部材１５１は、本発明の固定部２の一部に相当し、リニア可動部１５３の移動方向となるＹ軸方向に延在している。軌道部材１５１は、リニア可動部１５３の下側に配置された底面、およびリニア可動部１５３の両側に配置された側面からなり、上方に開口する溝形状になっている。軌道部材１５１の向かい合う側面の内側には、Ｙ軸方向に沿って複数の磁石１５２が列設されている。

【0028】

リニア可動部１５３は、軌道部材１５１に移動可能に装架されている。リニア可動部１５３は、本発明の可動部３に相当し、可動本体部１６０、Ｘ軸レール１６１、および実装ヘッド１７０などで構成されている。可動本体部１６０は、Ｙ軸方向に延在しており、その両側面には軌道部材１５１の磁石１５２に対向して推進力を発生する電機子が配設されている。Ｘ軸レール１６１は、可動本体部１６０からＸ軸方向に延在している。Ｘ軸レール１６１は、一端１６２が可動本体部１６０に結合され、他端１６３が補助レール１５５に移動可能に装架されており、可動本体部１６０と一体的にＹ軸方向に移動するようになっている。

【0029】

部品実装ヘッド１７０は、Ｘ軸レール１６１に装架され、Ｘ軸方向に移動するようになっている。部品実装ヘッド１７０の下端には図略の吸着ノズルが設けられている。吸着ノズルは、負圧を利用して部品供給装置１２０から部品を吸着採取し、実装作業位置の基板に実装する。Ｘ軸レール１６１上に設けられた図略のボールねじ送り機構は、ボールねじを回転駆動するＸ軸モータを有しており、部品実装ヘッド１７０をＸ軸方向に駆動する。部品実装ヘッド１７０を動作させるためにリニア可動部１５３（可動部３）に装備された複数の電装品は、本発明の電気負荷に相当する。なお、リニアモータ装置１５０の電機子も電気負荷に含まれている。

【0030】

部品実装機１０は、他に、オペレータと情報を交換するための表示設定装置１８０および、基板や部品を撮像する図略のカメラなどを備えている。

【0031】

次に、一般的な静電結合方式非接触給電装置１Ｘについて、図２を参考にして説明する。図２は、一般的な静電結合方式非接触給電装置１Ｘを模式的に説明する構成図である。図２の下側の固定部２Ｘには、２枚の給電用電極２１、２２および高周波電源回路２５が設けられている。２枚の給電用電極２１、２２は、金属板などを用いて形成され、高周波電源回路２５に電気接続される。高周波電源回路２５は、例えば、１００ｋＨｚ〜ＭＨｚ帯の給電周波数の高周波電力を２枚の給電用電極２１、２２の間に給電する。高周波電源回路２５の給電周波数および出力電圧は調整可能とされており、出力電圧波形として正弦波や矩形波などを例示できる。

【0032】

また、図２の上側の可動部３Ｘには、２枚の受電用電極３１、３２および受電回路３５が設けられ、電気負荷９１が搭載されている。２枚の受電用電極３１、３２は、金属板などを用いて形成され、固定部２Ｘ側の給電用電極２１、２２に離隔対向して平行配置される。これにより、給電用電極２１、２２と受電用電極３１、３２との間に２つのコンデンサ２３、２４が構成され、静電結合方式の非接触給電が行われる。２枚の受電用電極３１、３２は受電回路３５の入力側に電気接続され、受電回路３５の出力側は電気負荷９１に電気接続されている。受電回路３５は、受電用電極３１、３２が受け取った高周波電力を変換して、電気負荷９１に給電する。受電回路３５は、電気負荷９１の電源仕様に合わせて回路構成されており、例えば、全波整流回路やインバータ回路などが用いられる。

【0033】

また通常、給電容量および給電効率の向上を図るために、直列共振回路が用いられる。つまり、高周波電源回路２５の給電周波数で直列共振が発生するように、適当なインダクタンス値を有する共振用インダクタがコンデンサ２３、２４に対して直列に接続され、さらに給電周波数自体も可変に調整される。

【0034】

一般的な静電結合方式非接触給電装置１Ｘを部品実装機１０に組み込んだ場合、経年使用により、次のような電極の異常が発生するおそれがある。例えば、可動部３Ｘを移動可能に装架している固定部２Ｘ側の軌道部材１５１が摩耗または変形し、あるいは軌道部材１５１に支承される可動部３Ｘ側の部材が摩耗すると電極間の離間距離が変動する。また、給電用電極２１、２２は、実際には軌道部材１５１の長さ方向に延在する細長い帯形状であり、たわみや反りなどの歪みが生じる。さらに、給電用電極２１、２２および受電用電極３１、３２の表面に絶縁層を設けている場合には、この絶縁層がはくりしたりする損傷が生じる。このような電極の異常が発生すると、給電用電極２１、２２と受電用電極３１、３２とにより構成されるコンデンサ２３、２４の静電容量が変化して好ましくない。そこで、本発明では、コンデンサ２３、２４の静電容量を検出して、電極２１、２２、３１、３２の異常を検出する電極異常検出部４を備えるようにした。

【0035】

図３は、本発明の第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置１を模式的に説明する構成図である。第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置１は、一般的な装置１Ｘと同様に、固定部２側に給電用電極２１、２２および高周波電源回路２５を備え、可動部３側に受電用電極３１、３２および受電回路３５を備えている。さらに、第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置１は、電極異常検出部４を備えて構成されている。電極異常検出部４は、検出用閉回路４１、交流信号源４２、フィルタ部４３、および検出器４４を有している。

【0036】

検出用閉回路４１は、図３に破線の矢印で示されるように、固定部２および可動部３の両方に跨って構成されている。検出用閉回路４１は、給電用電極２１、２２と受電用電極３１、３２とにより構成される２個の静電容量Ｃ１のコンデンサ２３、２４を含み、かつ高周波電源回路２５および電気負荷９１を含まない回路である。検出用閉回路４１は、コンデンサ２３、２４、交流信号源４２、フィルタ部４３、および検出器４４を導線で接続して構成されている。

【0037】

交流信号源４２は、検出用閉回路４１内の固定部２側に設けられている。交流信号源４２の一方の出力端子４２１は一方の給電用電極２１に接続され、他方の出力端子４２２は検出器４４に接続されている。交流信号源４２は、高周波電源回路２５の給電周波数と異なる検出用周波数の交流信号を出力する。検出用周波数は、給電周波数より大きくても小さくてもよい。

【0038】

フィルタ部４３は、検出用閉回路４１内の可動部３側に設けられている。フィルタ部４３の一方の端子４３１は一方の受電用電極３１に接続され、他方の端子４３２は他方の受電用電極３２に接続されている。フィルタ部４３は、検出用周波数の交流信号を通過させ、給電周波数の信号を遮断するものである。フィルタ部４３は、検出用周波数および給電周波数の大小関係に基づいて、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタとすることができ、バンドパスフィルタまたはバンドストップフィルタに代えることもできる。

【0039】

検出器４４は、検出用閉回路４１内の固定部２側に設けられている。検出器４４の一方の検出端子４４１は他方の給電用電極２２に接続され、他方の検出端子４４２は交流信号源４２の他方の出力端子４２２に接続されている。検出器４４は、交流信号源４２から出力されて検出用閉回路４１を周回する交流信号を検出する。

【0040】

上述した検出用閉回路４１において、交流信号源４２の一方の出力端子４２１から出力された交流信号は、一方のコンデンサ２３を通り、フィルタ部４３を通過して、他方のコンデンサ２４を通り、検出器４４を経由して、交流信号源４２の他方の出力端子４２２に戻る。したがって、２個のコンデンサ２３、２４は直列接続されることになり、トータルの静電容量は個別の静電容量Ｃ１の半分になる。また、検出器４４で検出される交流信号は、２個のコンデンサ２３、２４の静電容量Ｃ１の大きさに依存して変化する。

【0041】

一方、装置１の稼動中に高周波電源部２５から給電される給電周波数の高周波電力により、受電用電極３１、３２間には給電周波数の受電電圧が発生する。この受電電圧は、受電回路３５だけでなく検出用閉回路４１にも印加されるが、フィルタ部４３の遮断作用により、検出用閉回路４１に給電周波数の信号は流れない。したがって、装置１の稼動中であっても、電極異常検出部４は、検出器４４で検出される交流信号に基づいて、２個のコンデンサ２３、２４の静電容量Ｃ１を検出することができる。

【0042】

図４は、電極異常検出部４の交流信号源４２および検出器４４を一体化した構成例である容量測定器５の電子回路図である。図示されるように、容量測定器５は、第１および第２オペアンプ５１、５２を有しており、他に電源電圧±Ｅの直流電源、第１〜第３トランジスタ５３、５４、５５、およびこれらの周辺素子を含んで回路構成されている。以下、回路の概要について説明する。

【0043】

第１オペアンプ５１の出力端子５１３と負側入力端子５１２の間には、非接触給電を行う２個のコンデンサ２３、２４およびフィルタ部４３が被測定対象として直列接続される。また、第１オペアンプ５１の負側入力端子５１２には直流電源の正側電源電圧＋Ｅが第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２を介して入力され、正側入力端子５１１は接地されている。さらに、第１オペアンプ５１の出力端子５１３は、第２オペアンプ５２の正側入力端子５２１に直結されている。第１オペアンプ５１は、ミラー積分器として作用する。

【0044】

第２オペアンプ５２の負側入力端子５２２は、直流電源の正側電源電圧＋Ｅと接地点Ｇとの間を第３抵抗Ｒ３と第４抵抗Ｒ４とで分圧した分圧点（電圧Ｖ１が発生）に接続されている。第２オペアンプ５２の出力端子５２３は、回路全体の最終出力端子５６に接続されている。第２オペアンプ５２は差動増幅器として作用し、正側入力端子５２１が負側入力端子５２２よりも高い電圧となっている時間帯だけ、最終出力端子５６がハイレベルになる。

【0045】

また、第１および第２トランジスタ５３、５４はシュミット回路となっており、発振作用により矩形交流電圧が発生する。第２オペアンプ５２の負側入力端子５２２の矩形交流電圧Ｖ１は、シュミット回路、第３トランジスタ５５、および第２抵抗Ｒ２を介して、第１オペアンプ５１の負側入力端子５１２に正帰還される。これにより、コンデンサ２３、２４は、充放電を繰り返す。

【0046】

図５は容量測定器５におけるコンデンサ２３、２４の充放電の状況を示した波形図であり、図６は容量測定器５における最終出力電圧Ｖ３を示した波形図である。図５および図６において、横軸は同じスケールの時間軸であり、縦軸は電圧を示している。また、図５の破線の矩形交流電圧Ｖ１は、第２オペアンプ５２の負側入力端子５２２の電圧Ｖ１を示し、この矩形交流電圧Ｖ１でコンデンサ２３、２４が充放電される。なお、矩形交流電圧Ｖ１の最大値Ｖｍａｘ＝Ｅ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）である。また、実線の三角波電圧Ｖ２は、第１オペアンプ５１の出力側端子５１３の電圧を示している。第１オペアンプ５１を用いたミラー積分器では、矩形交流電圧Ｖ１を積分して三角波電圧Ｖ２を得ることができる。一方、図６の最終出力電圧Ｖ３は、三角波電圧Ｖ２が矩形交流電圧Ｖ１よりも高い時間帯でハイレベルとなり、それ以外の時間帯でローレベルとなる。

【0047】

ここで、三角波電圧Ｖ２の立上りの傾斜はコンデンサ２３、２４の充電時定数τ１に比例し、立ち下がりの傾斜はコンデンサ２３、２４の放電時定数τ２に比例する。そして、図４の回路図からわかるように、充電時定数τ１および放電時定数τ２は、次式で求められる。
充電時定数τ１＝（Ｒ１＋Ｒ２）×（Ｃ１／２）
放電時定数τ２＝ Ｒ２×（Ｃ１／２）

【0048】

上式の静電容量Ｃ１が大きいと、充電時定数τ１および放電時定数τ２が大きくなって、三角波電圧Ｖ２の傾斜が緩やかになり、最終出力電圧Ｖ３のハイレベルの継続時間ｔＨおよびローレベルの継続時間ｔＬが大きくなる。逆に、静電容量Ｃ１が小さいと、継続時間ｔＨおよび継続時間ｔＬが小さくなる。したがって、容量測定器５では、最終出力電圧Ｖ３のハイレベルの継続時間ｔＨおよびローレベルの継続時間ｔＬの少なくとも一方を測定して、静電容量Ｃ１に換算できる。

【0049】

なお、交流信号源４２および検出器４４の構成は、上述した容量測定器５に限定されない。例えば、この容量測定器５に代えて、シェーリングブリッジと呼ばれる交流ブリッジ回路を応用して別の方式の容量測定器を構成することができる。

【0050】

上述のようにして検出した静電容量Ｃ１に基づいて、給電用電極２１、２２および受電用電極３１，３２の少なくとも一方に発生した異常を検出することができる。例えば、静電容量Ｃ１の設計基準値に対し所定の要注意判定幅を設定し、さらに、要注意判定幅よりも広い異常判定幅を設定する。なお、要注意判定幅および異常判定幅は、設計基準値に対して増加側と減少側の両方に設定することが好ましい。そして、検出された静電容量Ｃ１が要注意判定幅の範囲から逸脱したときには要注意状態と判定して、例えば、メンテナンスを推奨することができる。また、検出された静電容量Ｃ１が異常判定幅の範囲から逸脱したときには異常状態と判定して、例えば、装置１を強制的に停止させるようにすることができる。要注意や異常の判定およびそのときの処置は、上述に限定されず、他の方法を採用してもよい。

【0051】

このような静電容量Ｃ１の検出および異常の検出は、装置１の稼動中であっても定期的に実施することができる。むしろ、装置１の稼動中に実施することで、可動部３の移動に伴う静電容量Ｃ１の変化を高精度に検出でき、異常判定の精度が向上する。

【0052】

第１実施形態の静電結合方式非接触給電装置１では、電極異常検出部４は、検出用閉回路４１と、フィルタ部４３と、交流信号源４２および検出器４４を一体化した容量測定器５とを有する。検出用閉回路４１には、フィルタ部４３の作用で検出用周波数の交流信号だけが流れて、高周波電源回路２５の給電周波数の信号は流れない。このため、電極異常検出部４は、装置１の稼動中であっても、給電周波数の信号の影響を受けずに、給電用電極２１、２２と受電用電極３１、３２とにより構成されたコンデンサ２３、２４の静電容量Ｃ１を検出できる。さらに、静電容量Ｃ１の変化に基づいて電極の少なくとも一方に発生した異常を検出できる。電極の異常としては、何らかの原因による電極間の離間距離の変動や、電極表面の絶縁層の損傷などがある。したがって、電極異常検出部４は、これらの異常を検出して、離間距離の減少や絶縁層の損傷などに起因する短絡故障を未然に防止でき、離間距離の増加などに起因する不安定動作を未然に防止できる。さらには、静電容量Ｃ１、Ｃ２の変動状況から、メンテナンスの要否を適切に判定できる。

【0053】

また、給電周波数の信号が無駄に検出用閉回路４１に流れないので、給電効率が低下しない。さらに、交流信号源４２および検出器４４を一体化した容量測定器５は、高精度であり、装置１の稼動中であっても、コンデンサ２３、２４の静電容量Ｃ１を高精度に検出できる。加えて、容量測定器５は固定部２に配置されており、コンデンサの静電容量Ｃ１の検出のために可動部３の重量が増加することがない。また、容量測定器５の動作に必要な電力を固定部２側で給電できるので、検出のために非接触給電の給電電力を増加させなくてもよい。

【0054】

次に、電極異常検出部４Ａの構成が異なる第２実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ａについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図７は、第２実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ａを模式的に説明する構成図である。第２実施形態では、電極異常検出部４Ａは、検出用閉回路４１Ａ、交流信号源４２Ａ、駆動バッテリー４５、フィルタ部４３、および検出器４４を有している。

【0055】

検出用閉回路４１Ａは、第１実施形態と同様に形成されており、回路構成要素の配置および接続順序が第１実施形態と異なっている。交流信号源４２Ａは、検出用閉回路４１Ａ内の可動部３Ａ側に設けられている。交流信号源４２Ａの一方の出力端子４２１は一方の受電用電極３１に接続され、他方の出力端子４２２はフィルタ部４３に接続されている。交流信号源４２Ａの電源として、駆動バッテリー４５が可動部３Ａ側に設けられている。駆動バッテリー４５は、電気負荷９１の一部であり、受電回路３５によって充電されるように構成されている。

【0056】

フィルタ部４３は、検出用閉回路４１Ａ内の可動部３Ａ側に設けられている。フィルタ部４３の一方の端子４３１は交流信号源４２Ａに接続され、他方の端子４３２は他方の受電用電極３２に接続されている。検出器４４は、検出用閉回路４１Ａ内の固定部２Ａ側に設けられている。検出器４４の一方の検出端子４４１は他方の給電用電極２２に接続され、他方の検出端子４４２は一方の給電用電極２１に接続されている。

【0057】

第２実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ａでは、交流信号源４２Ａの配置が異なっていても、作用および効果は第１実施形態に類似するので、説明は省略する。

【0058】

次に、第３実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ｂについて、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図８は、第３実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ｂを模式的に説明する構成図である。第３実施形態では、直列共振回路を用いるとともに、給電周波数を可変に制御して、高い給電効率を維持するようにしている。図８に示されるように、第３実施形態の可動部３Ｂ側の構成は第１実施形態と同じである。また、第３実施形態の固定部２Ｂ側の構成は、共振用インダクタ２７、２８、共振制御部６、および表示器７が第１実施形態に付加されている。

【0059】

２個の共振用インダクタ２７、２８は、固定部２側の２枚の給電用電極２１、２２と高周波電源回路２５との間にそれぞれ接続されている。したがって、共振用インダクタ２７、２８は、給電用電極２１、２２と受電用電極３１、３２とにより構成されるコンデンサ２３、２４に直列接続されることになる。共振用インダクタ２７、２８として、一般的にはコイルを用いる。

【0060】

一方、電極異常検出部４Ｂの検出器４４Ｂには共振制御部６が接続され、さらに、共振制御部６には表示器７が接続されている。検出器４４Ｂ、共振制御部６、および表示器７の三者は、例えば通信線や無線通信部を介して情報伝送可能とされている。そして、検出器４４Ｂで検出された静電容量Ｃ１および電極の異常の情報は、共振制御部６および表示器７に伝送されるようになっている。

【0061】

共振制御部６は、静電容量Ｃ１に基づき、高周波電源回路２５の給電周波数を可変に制御して、直列共振回路の直列共振状態を維持する。共振制御部６は、まず、共振用インダクタ２７、２８の既知のインダクタンス値と検出された静電容量Ｃ１とから、直列共振が発生する共振周波数を演算する。共振制御部６は、次に、高周波電源回路２５の給電周波数を共振周波数に一致させるように制御する。

【0062】

表示器７は、検出した静電容量Ｃ１および検出した電極の異常の少なくとも一方を表示する。補足すると、表示器７は、静電容量Ｃ１の値を表示することに加えて、電極の異常が要注意レベルでありメンテナンスを必要とすることや、あるいは電極の異常が異常レベルであり稼働を停止すべきであることなどを表示する。また、表示器７は、他に、現在の給電周波数や静電容量Ｃ１の変動率をリアルタイムで表示したり、メンテナンス実施推奨時期を表示したりしてもよい。

【0063】

第３実施形態の静電結合方式非接触給電装置１Ｂによれば、第１実施形態の効果に加えて、次の効果が発生する。すなわち、共振制御部６が給電周波数を可変に制御して直列共振状態を維持するので、稼働中に静電容量が正常範囲以内で多少変動しても、大きな給電容量および高い給電効率を維持できる。また、表示器７を備えるので、電極異常検出部４の検出結果は、確実に作業員に報知される。

【0064】

なお、本発明は、コンデンサの静電容量Ｃ１に対して共振用インダクタを並列接続した並列共振タイプの非接触給電装置に応用することもできる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明の静電結合方式非接触給電装置は、部品実装機を始めとする基板用作業機器に限定されるものでなく、可動部を有して非接触給電を必要とする他の業種の産業用機器にも広く利用できる。さらには、走行中の電車に対してパンタグラフなどを用いずに非接触給電する用途や、走行中の電気自動車に対して路面から非接触給電する用途などにも利用可能である。

【符号の説明】

【0066】

１、１Ａ、１Ｂ：静電結合方式非接触給電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｘ：固定部
２１、２２：給電用電極 ２３、２４：コンデンサ
２５：高周波電源回路 ２７、２８：共振用インダクタ
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｘ：可動部
３１、３２：受電用電極 ３５：受電回路
４、４Ａ、４Ｂ：電極異常検出部
４１、４１Ａ：検出用閉回路
４２、４２Ａ交流信号源 ４３：フィルタ部
４４、４４Ｂ：検出器 ４５：駆動バッテリー
５：容量測定器
５１、５２：第１および第２オペアンプ
５３、５４、５５：第１〜第３トランジスタ
６：共振制御部
７：表示器
９１：電気負荷
１０：部品実装機
１１０：基板搬送装置 １２０：部品供給装置
１３０、１４０：部品移載装置 １５０：リニアモータ装置
１５１：軌道部材 １６０：可動本体部 １６１：Ｘ軸レール
１７０：実装ヘッド １８０：表示設定装置 １９０：機台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】