JP6726081B2 - 搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、搬送装置に関する。

従来、電界結合を利用して固定側の設備から移動側の移動本体に対して無線で電力を供給する搬送装置が公知である（特許文献１）。特許文献１の場合、無線給電のための構成は、送電電極と受電電極とを備えている。このうち送電電極は、設備に固定され、レール状で並列に配置されている。一方、受電電極は、移動本体側に送電電極と対向して設けられている。電界結合を用いる場合、送電側から受電側への送電効率は、互いに対向する電極の面積と、電極間の距離による静電容量に依存する。そのため、電界結合では、実用的な送電効率を確保するためには、送電電極と受電電極との対向面積を確保するとともに、電極間の距離の変化を数ｍｍ程度に維持し、静電容量を一定に保つことが求められる。

しかしながら、搬送装置は、その搬送距離が数ｍから数十ｍに及ぶことがある。このように搬送距離が長くなると、その全長にわたって送電電極と受電電極との間の距離を数ｍｍ程度に維持することは極めて困難となり、静電容量を一定に保つことができず、結果として効率が低下するという問題がある。

特開２０１４−１６８３７０号公報

そこで、本発明の目的は、全長が長く送電電極部材と受電電極部材との間の距離の変化が大きくなる場合でも、静電容量の変化を低減し、送電効率の低下が抑えられる無線給電装置を備える搬送装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、移動本体に設けられている受電電極部材は、送電電極部材を挟み込んでいる。すなわち、受電電極部材は、送電電極部材の一方の端面側および他方の端面側の双方と対向している。このように送電電極部材を受電電極部材で挟み込むことにより、送電電極部材と受電電極部材との間で距離の変化が生じても、送電電極部材と受電電極部材との間の静電容量の変化が低減される。例えば、送電電極部材と受電電極部材との間の距離の変化によって、送電電極部材の一方の端面側と受電電極部材との間の距離が接近したとき、送電電極部材を挟み込んでいる受電電極部材は、送電電極部材の他方の端面側との間の距離が拡大する。そのため、送電電極部材と受電電極部材との間の距離が変化しても、送電電極部材と受電電極部材との間の全体的な静電容量の変化は緩やかになる。また、送電電極部材を受電電極部材で挟み込むことにより、送電電極部材と受電電極部材とが対向する面積は、単に対向する場合と比較して２倍となる。そのため、電界結合を利用した無線による電力の供給の効率は向上する。これらの結果、静電容量の変化が低減されるだけでなく、送電電極部材と受電電極部材との対向面積も確保される。したがって、全長が長くなる場合でも、静電容量の変化を低減することができ、送電効率の向上を図ることができる。

一実施形態による搬送装置を示す模式的な斜視図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材を示す模式的な斜視図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材の変形例を示す模式図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材を含む電気的な回路を示す概略図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材の電極基準点を説明するための概略図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材の電極基準点を説明するための概略図 従来例による送電電極部材および受電電極部材を示す概略図 送電電極部材と受電電極部材との間の距離と静電容量との関係を示す概略図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材を示す概略図 従来例による送電電極部材および受電電極部材を示す概略図 本実施形態における送電電極部材と受電電極部材との間の距離と静電容量および送電効率との関係を示す概略図 別実施形態における送電電極部材と受電電極部材との間の距離と静電容量および送電効率との関係を示す概略図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材を含む電気的な回路を示す概略図であって、マッチング部の変形例を示す図 一実施形態による搬送装置における送電電極部材および受電電極部材を含む電気的な回路を示す概略図であって、マッチング部の変形例を示す図

以下、搬送装置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、搬送装置１０は、移動本体１１、送電電極部材１２および受電電極部材１３を備えている。送電電極部材１２は、例えば工場や倉庫などの図示しない設備に固定されている。移動本体１１は、図示しない設備に固定されている走行路１４に沿って移動する。移動本体１１は、制御部１５および駆動部１６を有している。制御部１５は、受電電極部材１３で送電電極部材１２から受け取った電力を駆動部１６へ供給する。駆動部１６は、車輪１７を有しており、移動本体１１を駆動する駆動力を発生する。駆動部１６は、車輪１７を駆動し、発生する駆動力によって移動本体１１を走行路１４に沿って移動させる。移動本体１１は、送電電極部材１２と反対側の端面に荷物などを搭載する荷台１８を有している。

送電電極部材１２は、一対の並列するレール状に設けられている。送電電極部材１２は、直線状に限らず、設備の構造に応じた曲線状であってもよい。送電電極部材１２は、板状である。板状の送電電極部材１２は、第一面２１および第二面２２を有している。第一面２１は、送電電極部材１２のうち移動本体１１に近い側の面である。第二面２２は、この第一面２１と板厚方向で反対側に位置している。本実施形態の場合、送電電極部材１２は、幅方向の一方の端部が折り曲げられている。これにより、送電電極部材１２は、断面がＬ字形状に形成されている。なお、当然ながら、送電電極部材１２は、折り曲げることなく、単純な板状であってもよい。

受電電極部材１３は、移動本体１１に設けられている。受電電極部材１３は、一対の送電電極部材１２に対応して移動本体１１に一対設けられている。受電電極部材１３は、図２に示すように送電電極部材１２を挟み込んでいる。具体的には、受電電極部材１３は、第一板部３１、第二板部３２および接続板部３３を有している。本実施形態の場合、これら受電電極部材１３を構成する第一板部３１、第二板部３２および接続板部３３は、１枚の導電性の板部材から一体に形成されている。第一板部３１は、送電電極部材１２の第一面２１と対向している。また、第二板部３２は、送電電極部材１２の第二面２２と対向している。このように、受電電極部材１３は、送電電極部材１２を第一板部３１および第二板部３２で挟み込んでいる。

このような送電電極部材１２および受電電極部材１３の構成により、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間は、誘電体となる空気で満たされる。これにより、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間には、静電的な容量が確保される。そのため、送電電極部材１２から受電電極部材１３には、電界結合を利用して無線による電力の供給が行なわれる。

なお、受電電極部材１３は、送電電極部材１２を挟み込む構成であればよい。そのため、受電電極部材１３は、接続板部３３を有する一枚の板部材で形成するだけでなく、図３に示すように別体となった一対の第一板部３１と第二板部３２とで送電電極部材１２を挟み込む構成でもよい。この場合、第一板部３１と第二板部３２とは、導線３４などによって電気的に接続される。また、図２および図３では、一対の送電電極部材１２および受電電極部材１３のうち一方を示している。

送電電極部材１２および受電電極部材１３を含む電気的な構成は、図４のような回路で示される。送電電極部材１２は、高周波生成部４１に接続している。高周波生成部４１は、高周波を生成するＥ級インバータによって構成され、生成した高周波の電力を送電電極部材１２へ供給する。高周波生成部４１は、Ｅ級インバータに限らず、高周波を生成可能であれば任意の構成とすることができる。また、受電電極部材１３は、整流器４２に接続している。整流器４２は、ダイオード４３、４４、およびコンデンサ４５、４６を有する回路であり、整流された電力を蓄える蓄電池４７を有している。整流器４２の構成についても、図４は一例であり、受電電極部材１３で受け取った高周波を整流可能であれば任意の構成とすることができる。また、受電電極部材１３に接続する負荷は、整流後の蓄電池４７に限らず、高周波を含む交流の負荷であってもよい。

高周波生成部４１と送電電極部材１２との間には、マッチング部５１が挿入されている。マッチング部５１は、例えばインダクタンスとしてのコイル５２を有しており、高周波生成部４１と送電電極部材１２との間の整合性を高める。このマッチング部５１のコイル５２は、電極基準点Ｐｐにおける静電容量に基づいてその特性が決定されている。電極基準点Ｐｐは、送電電極部材１２と受電電極部材１３との位置関係を用いて決定される。本実施形態の場合、電極基準点Ｐｐは、図５に示すように送電電極部材１２を挟み込む第一板部３１と第二板部３２との中間に設定、または図６に示すようにこの第一板部３１と第二板部３２との中間からずれた位置のいずれかに設定される。本実施形態の場合、送電電極部材１２は、受電電極部材１３の第一板部３１と第二板部３２との間に挟み込まれている。この受電電極部材１３における第一板部３１と第二板部３２との間の距離を距離Ｄとするとき、図５に示す例では電極基準点Ｐｐは距離Ｄの中間と一致する位置に設定されている。一方、図６に示す例では、電極基準点Ｐｐは距離Ｄの中間からずれた位置に設定されている。

図５に示す例の場合、マッチング部５１は、第一板部３１と第二板部３２との中間に設定された電極基準点Ｐｐにおける静電容量に基づいて特性が決定される。そして、図６に示す例の場合、マッチング部５１は、第一板部３１と第二板部３２との中間からずれた位置に設定された電極基準点Ｐｐにおける静電容量に基づいて特性が決定される。すなわち、コイル５２のインダクタンスＬｓは、図５または図６の位置に設定された電極基準点Ｐｐにおける送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の静電容量Ｃｓに基づいて決定されている。具体的には、コイル５２のインダクタンスＬｓは、下記の式１に基づいて算出される。

式１において、ωは高周波生成部４１で生成される高周波の角周波数である。Ｃｓは、電極基準点Ｐｐにおける静電容量である。
移動本体１１は、上記の送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の電界結合を利用して電力を受け取る。移動本体１１は、受け取った電力を利用して走行路１４を走行する。移動本体１１は、荷台１８に搭載する荷物の重量、あるいは走行時の振動などによって送電電極部材１２の板厚方向つまり設備の天地方向へ微少に移動する。そのため、設備に固定されている送電電極部材１２と移動本体１１に設けられている受電電極部材１３との間の距離は、移動本体１１の上下への移動に応じて微少に変化する。この移動本体１１の上下への移動にともなう送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離の変化は、設備に固定されている送電電極部材１２の全長が大きくなるほど影響を受けやすくなる。すなわち、送電電極部材１２の全長が大きくなると、送電電極部材１２の歪みや設備の設置誤差などの影響を受けやすくなる。そのため、送電電極部材１２の位置の誤差によっても、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離は影響を受けることになる。

図７に示すように平行に配置された平板状の一般的な電極を用いる従来例の場合、送電電極部材６１と受電電極部材６２との間の静電容量は、電極の対向面積に比例し、電極の相互間の距離に反比例する。従来の場合、送電電極部材６１と受電電極部材６２との間の距離の変化による影響の低減は困難である。

図２に示す本実施形態の場合、送電電極部材１２は、受電電極部材１３によって挟み込まれている。そのため、図８に示すように送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離の変化に対する静電容量の変化は、緩やかになる。すなわち、送電電極部材１２を受電電極部材１３で挟み込む本実施形態の場合、距離の変化によって仮に送電電極部材１２の第一面２１と受電電極部材１３の第一板部３１とが接近すると、送電電極部材１２の第二面２２と受電電極部材１３の第二板部３２とが遠ざかる。つまり、第一面２１と第一板部３１との接近によってこの部分における静電容量が増加しても、第二面２２と第二板部３２との離間によって反対側の静電容量が減少する。そのため、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離が変化しても、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の総合的な静電容量には大きな変化が生じない。

本実施形態による模式的な構成を図９に示し、従来例の模式的な構成を図１０に示す。いずれも対向する送電電極部材１２、６１および受電電極部材１３、６２は、幅を幅Ｗとし、長さを長さＬとする。また、図９に示す本実施形態の場合、一対の第一板部３１と第二板部３２との間の距離は距離Ｄとし、第一面２１と第一板部３１との間の距離は距離ｘとする。図１０に示す従来例の場合、送電電極部材６１と受電電極部材６２との間の距離は距離ｘとする。これにより、本実施形態の送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の静電容量は、下記の式２によって静電容量Ｃｓ１として算出される。同様に、従来例の送電電極部材６１と受電電極部材６２との間の静電容量は、下記の式３によって静電容量Ｃｓ２として算出される。式２および式３において、εは誘電率である。

また、本実施形態による送電効率η１は、下記の式４および式５によって示される。従来による送電効率η２は、下記の式６および式７によって示される。以下の式５におけるε_０は真空における誘電率であり、ε_ｒは比誘電率である。

上記の式において、Ｒは基準インピーダンスを示す。本実施形態および従来例の場合、基準インピーダンスＲは、Ｒ＝５０Ωである。
図８は、送電電極部材１２、６１と受電電極部材１３、６２との間の距離を距離ｘとしたとき、上記の式による距離ｘと静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２との関係を示している。また、図１１および図１２は、距離ｘと送電効率η１、η２との関係を示している。

図８に示すように、本実施形態の静電容量Ｃｓ１は、同一の距離ｘであるとき、従来例の静電容量Ｃｓ２に比較して大きくなっている。これは、本実施形態の場合、１枚の送電電極部材１２に対して、受電電極部材１３の第一板部３１および第二板部３２の２枚が対向しているからである。このように、受電電極部材１３で送電電極部材１２を挟み込む構成の本実施形態は、一般的な従来例と比較して静電容量の増大に寄与していることが分かる。また、本実施形態の場合、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘが変化しても、静電容量Ｃｓ１の変化量ΔＣｓ１が小さいことが分かる。すなわち、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘが距離Δｘ変化したとき、本実施形態の静電容量の変化量ΔＣｓ１は、従来例の静電容量の変化量ΔＣｓ２よりも小さくなる。このように、本実施形態の場合、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘの変化に対するいわゆるロバスト性は、従来例と比較して向上することが分かる。

次に、図１１に示すように送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘと本実施形態の送電効率η１および従来の送電効率η２との関係について検証する。本実施形態の場合、距離ｘが変化しても、送電効率η１の変化は緩やかであることがわかる。本実施形態の場合、マッチング部５１でマッチングを図る電極基準点Ｐｐは、受電電極部材１３の第一板部３１と第二板部３２との間の距離Ｄにおける中間Ｃに設定している。すなわち、本実施形態の電極基準点Ｐｐは、図５に示すように送電電極部材１２を挟み込む第一板部３１と第二板部３２との中間Ｃに設定している。これにより、本実施形態の場合、送電効率η１は、図１１に示すように電極基準点Ｐｐを最大値として、電極基準点からの距離ｘが１．０ｍｍ程度変化しても９０％以上となることがわかる。

ここで、電極基準点Ｐｐは、図６に示すように受電電極部材１３の第一板部３１と第二板部３２との間の距離Ｄにおける中間Ｃからずれた位置に設定してもよい。すなわち、別実施形態では、図１２に示すように電極基準点Ｐｐは、送電電極部材１２を挟み込む第一板部３１と第二板部３２との中間ＣからΔｐだけずれた位置に設定する。このように電極基準点Ｐｐを第一板部３１と第二板部３２との中間Ｃからずらすことにより、別実施形態の送電効率η１は、２つの電極基準点Ｐｐを最大値とする二峰性となる。そして、２つの電極基準点Ｐｐの間における送電効率η１は、最大値からわずかに低下した程度となる。これにより、別実施形態では送電効率η１の変化がほとんど生じない距離ｘがさらに拡大される。

以上説明したように、一実施形態では、移動本体１１に設けられている受電電極部材１３は、送電電極部材１２を挟み込んでいる。すなわち、受電電極部材１３は、送電電極部材１２の第一面２１および第二面２２の双方と対向している。このように送電電極部材１２を受電電極部材１３で挟み込むことにより、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間で距離ｘの変化が生じても、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の静電容量Ｃｓ１の変化は低減される。また、送電電極部材１２を受電電極部材１３で挟み込むことにより、送電電極部材１２と受電電極部材１３とが対向する面積は、単に対向する場合と比較して２倍となる。そのため、電界結合を利用した無線による電力の供給の送電効率η１は向上する。すなわち、送電電極部材１２および受電電極部材１３の面積を維持すると静電容量Ｃｓ１は２倍に増加し、静電容量Ｃｓ１を一定にすると送電電極部材１２および受電電極部材１３の面積は半分となる。これらの結果、静電容量Ｃｓ１の変化が低減されるだけでなく、大型化することなく送電電極部材１２と受電電極部材１３との対向面積も確保される。したがって、全長が長くなる場合でも、静電容量Ｃｓ１の変化を低減することができ、送電効率η１の向上を図ることができる。

一実施形態では、マッチング部５１でマッチングを行なう基準となる電極基準点Ｐｐを一対の第一板部３１と第二板部３２との間の距離Ｄの中間Ｃに設定している。そして、別実施形態のように、電極基準点Ｐｐを第一板部３１と第二板部３２との中間Ｃからずらすことにより、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘの変化に対する送電効率η１の低下はより小さくなる。したがって、送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離ｘの変化による電力の供給への影響を低減することができ、実用的な送電効率を確保することができる。これにより、搬送装置１０へ適用した際に課題となる送電電極部材１２と受電電極部材１３との間の距離の変化にともなう送電効率の変化を低減でき、搬送装置１０の実用化に寄与することができる。

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。
（その他の実施形態）
上述の一実施形態では、マッチング部５１は、図４に示すようにコイル５２で構成する例について説明した。しかし、マッチング部５１は、図１３に示すように送電電極部１２に対して並列にコイル７１を挿入する構成であってもよい。また、マッチング部５１は、図１４に示すように送電電極部材１２および受電電極部材１３の双方に対して並列にコイル７１、およびコイル７２をそれぞれ挿入する構成であってもよい。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１０は搬送装置、１１は移動本体、１２は送電電極部材、１３は受電電極部材、２１は第一面（一方の端面）、２２は第二面（他方の端面）、４１は高周波生成部、５１はマッチング部を示す。

Claims (4)

1. 移動本体（１１）と、
   前記移動本体（１１）に対向して、線状に延びる板状の送電電極部材（１２）と、
   前記移動本体（１１）に設けられ、前記送電電極部材（１２）の一方の端面（２１）側および前記送電電極部材（１２）の他方の端面（２２）側の双方と対向して前記送電電極部材（１２）を挟み込むことにより、前記送電電極部材（１２）との間の静電容量を用いて電界結合によって前記送電電極部材（１２）から無線で電力を受け取る受電電極部材（１３）と、を備え、
   前記送電電極部材（１２）との間の距離の変化によって、前記受電電極部材（１３）が前記一方の端面（２１）に接近すると前記受電電極部材（１３）が前記他方の端面（２２）から遠ざかり、前記受電電極部材（１３）が前記一方の端面（２１）から遠ざかると前記受電電極部材（１３）が前記他方の端面（２２）に接近して、前記送電電極部材（１２）と前記受電電極部材（１３）との間の静電容量の変化が低減される搬送装置。
2. 前記送電電極部材（１２）に高周波の電力を供給する高周波生成部（４１）と、
   予め設定された電極基準点における静電容量から決定されるインダクタンスを用いて、前記高周波生成部（４１）と前記送電電極部材（１２）との整合性を高めるマッチング部（５１）と、
   をさらに備える請求項１記載の搬送装置。
3. 前記電極基準点は、前記送電電極部材（１２）を挟み込む前記受電電極部材（１３）の中間からずらした位置に設定されている請求項２記載の搬送装置。
4. 前記電極基準点は、前記送電電極部材（１２）を挟み込む前記受電電極部材（１３）の中間と一致している位置に設定されている請求項２記載の搬送装置。

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