JP7014081B2 - 充電器 - Google Patents

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Description

本発明は、充電器に関する。
生活支援ロボットなどの自律移動が可能な移動体は、外部の電源から給電してバッテリを充電する必要がある。例えば、特許文献１には、電源側に設けられた第１コネクタと、移動体側に設けられた第２コネクタと、を備え、第１コネクタと第２コネクタとが磁力によって接続された状態で充電が行われるように構成される充電器が開示されている。
特許第６１１５５０２号公報
特許文献１の充電器は、充電中に移動体が動くなどして、第１コネクタと第２コネクタとの接続が外れた場合、アーク放電が発生するおそれがある。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、充電中に第１コネクタと第２コネクタとの接続が外れた場合にもアーク放電の発生を抑制することができる充電器を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る充電器は、電源側に設けられた第１コネクタと、移動体側に設けられた第２コネクタと、を備え、前記第１コネクタと前記第２コネクタとが磁力によって接続された状態で充電が行われるように構成される充電器であって、前記第１コネクタ及び前記第２コネクタは、それぞれ、互いに対向する対向面を有し、前記第１コネクタの対向面及び前記第２コネクタの対向面のうち、いずれか一方の第１対向面には前記第１対向面から突出する雄型電力端子及び電力遮断信号用の雄型信号端子が設けられ、他方の第２対向面には前記雄型電力端子と嵌合する雌型電力端子及び前記雄型信号端子と嵌合する雌型信号端子が設けられ、前記雄型信号端子の突出している方向における長さは、前記雄型電力端子の突出している方向における長さよりも短いものである。
第１コネクタと第２コネクタが離間するときに、まず電力遮断信号用の雄型信号端子と雌型信号端子との接続が外れる。そして、雄型信号端子と雌型信号端子との接続が外れた後で、雄型電力端子と雌型電力端子との接続が外れる。つまり、充電中に、第１コネクタと第２コネクタとの接続が外れた場合、雄型電力端子が雌型電力端子から外れる前に、雄型信号端子と雌型信号端子との接続が外れて、電流遮断機構により、電源から第１コネクタ３への電流の供給が遮断される。これにより、雄型電力端子と雌型電力端子との接続が外れるときには、雄型電力端子と雌型電力端子とは通電していないので、アーク放電の発生を抑制することができる。
さらに、前記第１対向面において、前記雄型信号端子が中心部分に配置され、かつ、前記雄型電力端子が前記中心部分を中心とする円周上に複数配置され、前記第２対向面において、前記雌型信号端子が中心部分に配置され、かつ、前記雌型電力端子が前記中心部分を中心とする円周上に複数配置され、前記第１対向面上における前記雄型信号端子の位置及び前記雄型電力端子の位置の２点を通る直線を第１直線、前記第１直線と前記第１対向面の外縁との交点及び前記雄型信号端子の先端の２点を通る直線を第２直線、前記交点及び前記雄型電力端子の先端の２点を通る直線を第３直線としたときに、前記第１対向面と前記第２直線とのなす仰角の角度である第１角度よりも、前記第１対向面と前記第３直線とのなす仰角の角度である第２角度が大きくなるように、前記雄型電力端子の突出している方向における長さ及び前記雄型信号端子の突出している方向における長さを設定するようにしてもよい。
第１角度よりも第２角度が大きくなるように、雄型電力端子の突出している方向における長さ及び雄型信号端子の突出している方向における長さを設定したとする。このようにすると、第１対向面と第２対向面とが交点のみにおいて接している場合に、雄型信号端子と雌型信号端子との接続がされている状態では、雄型電力端子と雌型電力端子との対の全てが接続された状態となる。すなわち、雄型信号端子と雌型信号端子との接続がされ、第１コネクタと第２コネクタとが通電された状態において、雄型電力端子と雌型電力端子との対の一部が外れて残りの対に過度の電流が流れて温度上昇することを防止することができる。
さらに、前記雄型電力端子は、前記第１対向面から前記雄型電力端子を突出させる方向に弾性力を及ぼす弾性部材を有し、前記第２対向面の一部を前記第１対向面の外縁に物理的に接触させた状態で、前記第１対向面と前記第２対向面とのなす仰角の角度である第３角度が前記第１角度よりも小さい場合には、前記雄型電力端子と前記雌型電力端子との接触抵抗が所定の値よりも小さくなるように前記弾性部材の弾性力を設定するようにしてもよい。
このようにすることで、第１対向面と第２対向面との間に異物が挟まるなどして、第１対向面と第２対向面とを、完全に近接させることができない状態で雄型電力端子と雌型電力端子とが通電された場合にも、雄型電力端子と雌型電力端子との接触部分において過度に温度が上昇するのを防止することができる。
本発明によれば、充電中に第１コネクタと第２コネクタとの接続が外れた場合にもアーク放電の発生を抑制することができる。
本実施の形態に係る充電器の構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る充電器において、第１コネクタと第２コネクタとが接続された状態を示す模式図である。 第１コネクタの構成の一例について説明する模式図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図である。 第２コネクタの構成の一例について説明する模式図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面図である。 第１コネクタにおける、雄型電力端子と雄型信号端子の、突出している方向における長さの関係について説明する模式図である。 第１コネクタにおける、雄型電力端子と雄型信号端子の、突出している方向における長さの関係について説明する模式図である。 第１コネクタにおける、雄型電力端子と雄型信号端子の、突出している方向における長さのより好ましい関係について説明する模式図である。 第１コネクタにおける、雄型電力端子と雄型信号端子の、突出している方向における長さのより好ましい関係について説明する模式図である。 第１コネクタにおける、雄型電力端子と雄型信号端子の、突出している方向における長さのより好ましい関係について説明する模式図である。 雄型電力端子が弾性部材を有する場合の弾性力の設定方法について説明する模式図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。また、各図面において、理解を容易にするため、適宜、寸法を変形・歪曲して描画している。
まず、図１を参照して本実施の形態にかかる充電器の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る充電器１の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、充電器１は、充電器本体２と、第１コネクタ３と、第２コネクタ４と、を備えている。
充電器本体２は、電源を有する。第１コネクタ３は、電源側、すなわち、充電器本体２に設けられている。充電器本体２は、配線５を介して第１コネクタ３に電力を供給する。第２コネクタ４は移動体６の側に設けられている。第１コネクタ３と第２コネクタ４とは磁力によって接続される。
移動体６は、バッテリを搭載し、当該バッテリから電源を取得して自律移動する一般的なロボット（例えば生活支援ロボット）である。なお、移動体６は、自律移動するロボットに限らず、バッテリを搭載するものであれば無線コントローラなどを介して操縦されるロボットであってもよい。
図２は、第１コネクタ３と第２コネクタ４とが接続された状態を示す模式図である。図２に示すように、充電器１は、第１コネクタ３と第２コネクタ４とが磁力によって接続された状態で充電が行われるように構成されている。
次に、第１コネクタ３及び第２コネクタ４の構成について説明する。
図３は、第１コネクタ３の構成の一例について説明する模式図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図である。図５は、第２コネクタ４の構成の一例について説明する模式図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面図である。
図３及び図４に示すように、第１コネクタ３は、第１対向面３１を有する。第１対向面３１には、第１対向面３１から突出する雄型電力端子３２及び電力遮断信号用の雄型信号端子３３が設けられている。雄型電力端子３２は、第１対向面３１から雄型電力端子３２を突出させる方向に弾性力を及ぼす弾性部材３５（図４参照）を有していてもよい。なお、雄型電力端子３２が弾性部材３５を有する場合の弾性力の設定方法については後述する。第１コネクタ３において、雄型信号端子３３は、例えば中心部分に配置され、雄型電力端子３２は、例えば中心部分を中心とする円周上に複数配置されている。第１コネクタ３には永久磁石である磁石３４が設けられている。
図５及び図６に示すように、第２コネクタ４は、第１コネクタ３の第１対向面３１（図３及び図４参照）に対向する対向面である第２対向面４１を有する。第２対向面４１には、第１コネクタ３の雄型電力端子３２と嵌合する雌型電力端子４２、及び、第１コネクタ３の雄型信号端子３３（図３及び図４参照）と嵌合する雌型信号端子４３が設けられている。第２コネクタ４において、雌型信号端子４３は、例えば中心部分に配置されて、雌型電力端子４２は、例えば中心部分を中心とする円周上に複数配置されている。第２コネクタ４には永久磁石である磁石４４が設けられている。
第２コネクタ４において、磁石４４は、第１コネクタ３（図３及び図４参照）と第２コネクタ４とを接続させたときに、第１コネクタ３における磁石３４（図３及び図４参照）の位置に対応する位置に設けられている。磁石４４は、第１コネクタ３と第２コネクタ４を接続させたときに磁石４４と対向する位置にある磁石３４と逆の極性を有する。すなわち、第１コネクタ３と第２コネクタ４を接続させたときに、対向する位置にある磁石３４と磁石４４との極性は、一方がＮ極ならば他方がＳ極である。このように構成すると、図１に示すように、移動体６を矢印Ａの方に移動させて、離れた状態にある第１コネクタ３と第２コネクタ４との距離を近づけると、図２に示すように、第１コネクタ３と第２コネクタ４とが、磁力によって引き合う。これにより、第１コネクタ３と第２コネクタ４とが接続され、第１コネクタ３における雄型電力端子３２と第２コネクタ４における雌型電力端子４２とが電気的に接続される。
図１及び図２に示す充電器本体２には、電流遮断機構が設けられている。当該電流遮断機構は、雄型信号端子３３（図３及び図４参照）と雌型信号端子４３（図５及び図６参照）とが接続されているときには電源から第１コネクタ３への電流の供給がなされる。一方、当該電流遮断機構は、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３とが接続されていないときには電源から第１コネクタ３への電流供給を遮断するように動作する。
次に、雄型電力端子３２と雄型信号端子３３の、突出している方向における長さの関係について説明する。
図７及び図８は、第１コネクタ３における、雄型電力端子３２と雄型信号端子３３の、突出している方向における長さの関係について説明する模式図である。図７に示すように、雄型信号端子３３の突出している方向における長さｈ２は、雄型電力端子３２の突出している方向における長さｈ１よりも短い。
雄型電力端子３２及び雄型信号端子３３をこのように構成すると、図８に示すように、第２コネクタ４が矢印Ｂの方向に移動して、第１コネクタ３と第２コネクタ４が離間するときに、まず電力遮断信号用の雄型信号端子３３と雌型信号端子４３との接続が外れる。そして、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３との接続が外れた後で、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との接続が外れる。つまり、充電中に、第１コネクタ３と第２コネクタ４との接続が外れた場合、雄型電力端子３２が雌型電力端子４２から外れる前に、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３との接続が外れて、電流遮断機構により、電源から第１コネクタ３への電流の供給が遮断される。これにより、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との接続が外れるときには、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２とは通電していないので、アーク放電の発生を抑制することができる。
図９から図１１は、第１コネクタ３における、雄型電力端子３２と雄型信号端子３３の、突出している方向における長さのより好ましい関係について説明する模式図である。図９に示すように、第１対向面３１において、雄型信号端子３３が中心部分に配置され、かつ、雄型電力端子３２が中心部分を中心とする円周上に複数配置されているとする。第２対向面４１には、第１対向面３１における、雄型信号端子３３と複数の雄型電力端子３２に対応する位置に、それぞれ、雌型信号端子４３と複数の雌型電力端子４２が配置されている。すなわち、第２対向面４１において、雌型信号端子４３が中心部分に配置され、かつ、雌型電力端子４２が中心部分を中心とする円周上に複数配置されている。
図９において、上側に第１コネクタ３の平面図、下側に第１コネクタ３の側面図を示す。図９の上側に示すように、第１対向面上３１における雄型信号端子３３の位置Ｐ１及び雄型電力端子３２（３２ａ）の位置Ｐ２の２点を通る直線を第１直線Ｌ１とする。また、図９の下側に示すように、第１直線Ｌ１と第１対向面３１の外縁Ｗ１との交点Ｐ４及び雄型信号端子３３の先端Ｐ５の２点を通る直線を第２直線Ｌ２とする。交点Ｐ４及び雄型電力端子３２（３２ａ）の先端Ｐ６の２点を通る直線を第３直線Ｌ３とする。第１対向面３１と第２直線Ｌ２とのなす仰角の角度を第１角度θ１とする。第１対向面３１と第３直線Ｌ３とのなす仰角の角度を第２角度θ２とする。第１角度θ１よりも第２角度θ２が大きくなるように（θ１＜θ２）、雄型電力端子３２の突出している方向における長さ及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さを設定するのが好ましい。
図１０に示すように、仮に、第１角度θ１よりも第２角度θ２が小さくなるように（θ１＞θ２）、雄型電力端子３２の突出している方向における長さ及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さを設定したとする。第１対向面３１と第２対向面４１とが交点Ｐ４のみにおいて接している場合に、第１対向面３１と第２対向面４１とのなす仰角の角度を第３角度θ３とする。θ１＞θ３＞θ２であるとき、雄型電力端子３２ｂと雄型信号端子３３は、第２コネクタ４の第２対向面４１に接しているが、雄型電力端子３２ａは第２対向面４１に接していない。すなわち、雄型電力端子３２ｂは雌型電力端子４２ｂと接続され、雄型信号端子３３は雌型信号端子４３と接続されているが、雄型電力端子３２ａは雌型電力端子４２ａと接続されていない。
このように、θ１＞θ２であるときには、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２の対のうち、ある対については接続が外れ、別のある対については接続されている、という状況が起こりうる。第１コネクタ３と第２コネクタ４の通電がされているときに、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２の対の、一部の対については接続が外れ、残りの対については接続されていると、接続されている対に電流が集中してしまい、接続されている電力端子の対において温度が過度に上昇するおそれがある。
なお、図１０は、第１コネクタ３の直径に対し、雄型電力端子３２（３２ａ、３２ｂ）及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さが長くなるように変形して描画してある。このため、第２コネクタ４において、雌型電力端子４２（４２ａ、４２ｂ）及び雌型信号端子４３の位置がゆがんで描かれている。しかしながら、実際には、図１０に示されているよりも、雄型電力端子３２（３２ａ、３２ｂ）及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さが、第１コネクタ３の直径に対して短いため、第２コネクタ４において、雌型電力端子４２（４２ａ、４２ｂ）及び雌型信号端子４３の位置のゆがみはほとんど生じない。
一方、図１１に示すように、第１角度θ１よりも第２角度θ２が大きくなるように（θ１＜θ２）、雄型電力端子３２の突出している方向における長さ及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さを設定したとする。第１対向面３１と第２対向面４１とが交点Ｐ４のみにおいて接している場合に、θ１＜θ３であるときには、雄型電力端子３２ｂは第２コネクタ４の第２対向面４１に接しているが、雄型信号端子３３と雄型電力端子３２ａは第２対向面４１に接していない。すなわち、雄型信号端子３３は雌型信号端子４３と接続されていないので第１コネクタ３と第２コネクタ４との通電はされない。
また、θ１＜θ３であるときには、雄型信号端子３３は雌型信号端子４３と接続されて第１コネクタ３と第２コネクタ４との通電がされる。しかし、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３との接続がされている状態では、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２の対の全てが接続された状態となる。よって、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３との接続がされ、第１コネクタ３と第２コネクタ４が通電された状態において、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との対のうちの一部の対が外れて残りの対に電流が集中して温度が過度に上昇することを防止できる。
なお、図１１についても、図１０と同様、第１コネクタ３の直径に対し、雄型電力端子３２（３２ａ、３２ｂ）及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さが長くなるように変形して描画してある。このため、実際には、第２コネクタ４において、図１１のような雌型電力端子４２（４２ａ、４２ｂ）及び雌型信号端子４３の位置のゆがみはほとんど生じない。
次に、雄型電力端子３２が弾性部材３５を有する場合の弾性力の設定方法について以下で説明する。なお、以下の説明では図２についても適宜参照する。
図１２は、雄型電力端子３２が弾性部材３５を有する場合の弾性力の設定方法について説明する模式図である。図１２に示すように、第１コネクタ３と第２コネクタ４との間に異物Ｍが挟まっている場合、第１コネクタ３の第１対向面３１と第２コネクタ４の第２対向面４１を完全に近接させることができない。すなわち、第２対向面４１の一部のみが第１対向面３１の外縁に物理的に接触した状態となる。しかしながら、第１角度θ１よりも第３角度θ３の方が小さい場合（θ１＞θ３の場合）、雄型信号端子３３と雌型信号端子４３とが接続され、第１コネクタ３と第２コネクタ４が通電されるので、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２の対の全てに電流が流れる。
弾性部材３５は、例えばコイルバネであり、雄型電力端子３２を雌型電力端子４２に嵌合させていないときに伸張した状態となっている。弾性部材３５は、雄型電力端子３２を雌型電力端子４２に嵌合させると、第１対向面３１から雄型電力端子３２を突出させる方向に弾性力を及ぼす。つまり、雄型電力端子３２を雌型電力端子４２に挿入した際に、弾性部材３５の弾性力によって雄型電力端子３２が雌型電力端子４２に押圧される。第１対向面３１と第２対向面４１との間の距離が近づく程、弾性部材３５の弾性力が大きくなり、雄型電力端子３２が雌型電力端子４２により強く押圧されるので、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との電気的な接触抵抗が小さくなる。接触抵抗が小さければ小さい程、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との間において電流がスムーズに流れる。
第１対向面３１と第２対向面４１との間に異物Ｍが挟まるなどして、第１対向面３１と第２対向面４１とを、完全に近接させることができない状態では、完全に近接させた状態に対して、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との電気的な接触抵抗が大きくなる。すなわち、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との間において電流が流れ難くなっている。このため、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との電気的な接触抵抗が所定の値よりも大きい状態で雄型電力端子３２と雌型電力端子４２とが通電されると、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との接触部分において過度に温度が上昇する恐れがある。
そこで、第２対向面４１の一部を第１対向面３１の外縁に物理的に接触させた状態で、第３角度θ３が第１角度θ１よりも小さい場合には、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との接触抵抗が所定の値よりも小さくなるように弾性部材３５の弾性力（弾性係数）を設定する。このようにすることで、第１対向面３１と第２対向面４１との間に異物Ｍが挟まるなどして、第１対向面３１と第２対向面４１とを、完全に近接させることができない状態で雄型電力端子３２と雌型電力端子４２とが通電された場合にも、雄型電力端子３２と雌型電力端子４２との接触部分において過度に温度が上昇するのを防止することができる。
なお、図１２についても、図１０と同様、第１コネクタ３の直径に対し、雄型電力端子３２（３２ａ、３２ｂ）及び雄型信号端子３３の突出している方向における長さが長くなるように変形して描画してある。このため、実際には、第２コネクタ４において、図１２のような雌型電力端子４２（４２ａ、４２ｂ）及び雌型信号端子４３の位置のゆがみはほとんど生じない。
本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施の形態では、図３から図６に示すように、第１コネクタ３の対向面を雄型電力端子３２及び雄型信号端子３３を有する第１対向面、第２コネクタ４の対向面を雌型電力端子４２及び雌型信号端子４３を有する第２対向面、としたが、逆の構成であってもよい。すなわち、第１コネクタ３の対向面を雌型電力端子４２及び雌型信号端子４３を有する第２対向面、第２コネクタ４の対向面を雄型電力端子３２及び雄型信号端子３３を有する第１対向面としてもよい。
１ 充電器
２ 充電器本体
３ 第１コネクタ
４ 第２コネクタ
５ 配線
６ 移動体
３１ 第１対向面
３２ 雄型電力端子
３３ 雄型信号端子
３４ 磁石
３５ 弾性部材
４１ 第２対向面
４２ 雌型電力端子
４３ 雌型信号端子
４４ 磁石

Claims (2)

  1. 電源側に設けられた第１コネクタと、移動体側に設けられた第２コネクタと、を備え、前記第１コネクタと前記第２コネクタとが磁力によって接続された状態で充電が行われるように構成される充電器であって、
    前記第１コネクタ及び前記第２コネクタは、それぞれ、互いに対向する対向面を有し、
    前記第１コネクタの対向面及び前記第２コネクタの対向面のうち、いずれか一方の第１対向面には前記第１対向面から突出する雄型電力端子及び電力遮断信号用の雄型信号端子が設けられ、他方の第２対向面には前記雄型電力端子と嵌合する雌型電力端子及び前記雄型信号端子と嵌合する雌型信号端子が設けられ、
    前記雄型信号端子の突出している方向における長さは、前記雄型電力端子の突出している方向における長さよりも短く、
    前記第１対向面において、前記雄型信号端子が中心部分に配置され、かつ、前記雄型電力端子が前記中心部分を中心とする円周上に複数配置され、
    前記第２対向面において、前記雌型信号端子が中心部分に配置され、かつ、前記雌型電力端子が前記中心部分を中心とする円周上に複数配置され、
    前記第１対向面上における前記雄型信号端子の位置及び前記雄型電力端子の位置の２点を通る直線を第１直線、前記第１直線と前記第１対向面の外縁との交点及び前記雄型信号端子の先端の２点を通る直線を第２直線、前記交点及び前記雄型電力端子の先端の２点を通る直線を第３直線としたときに、
    前記第１対向面と前記第２直線とのなす仰角の角度である第１角度よりも、前記第１対向面と前記第３直線とのなす仰角の角度である第２角度が大きくなるように、前記雄型電力端子の突出している方向における長さ及び前記雄型信号端子の突出している方向における長さを設定する、
    充電器。
  2. 前記雄型電力端子は、前記第１対向面から前記雄型電力端子を突出させる方向に弾性力を及ぼす弾性部材を有し、
    前記第２対向面の一部を前記第１対向面の外縁に物理的に接触させた状態で、前記第１対向面と前記第２対向面とのなす仰角の角度である第３角度が前記第１角度よりも小さい場合には、前記雄型電力端子と前記雌型電力端子との接触抵抗が所定の値よりも小さくなるように前記弾性部材の弾性力を設定する、請求項１に記載の充電器。
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