(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のマイクロコンピュータ回路に所定のデータ信号が与えられると、前記第１のマイクロコンピュータ回路におけるＳＩＯ（２２）より９，６００ボーレイトのＰＣＭ−ＦＭ信号がＰＣＭ−ＦＭ信号発生回路に出力され、このＰＣＭ−ＦＭ信号発生回路からは、前記ＳＩＯ（２２）の出力が１のときは３８．４ＫＨｚ、前記ＳＩＯ（２２）の出力が０のときは７６．８ＫＨｚより成る周波数の異なる２つのＰＣＭ−ＦＭ信号に変換して出力する第１の信号処理回路と、
前記２つのＰＣＭ−ＦＭ信号は主電力用ＦＥＴ駆動回路により増幅されて２つのＭＯＳ−ＦＥＴを駆動し、±１４０Ｖの直流電圧を与えられた前記２つのＭＯＳ−ＦＥＴのゲート回路に入力した前記ＰＣＭ−ＦＭ信号は増幅され、振幅１４０Ｖ、３８．４ＫＨｚまたは７６．８ＫＨｚの同一周波数の交流矩形波信号に変換する主電力回路と、
移動コイルの移動経路と常に所定の間隔を保てるように形成したＵ字形断面を備えた長方形の鉄心と、この鉄心の長手方向に巻回したコイルを備え、前記主電力回路から入力した前記交流矩形波信号を伝送する固定トランスと、によって送信システムを構成し、
さらに、前記固定トランスのＵ字形断面の鉄心により形成される空隙内を非接触で接近して移動できる形状の鉄心を備えており、この鉄心に巻回するコイルの方向は前記固定トランスのコイルの巻回方向と同一であり、前記固定トランスとの磁気結合により前記交流矩形波電圧を発生する前記移動コイルと、
受信システムの前記移動コイルが前記送信システムの前記固定トランスと接近すると、前記移動コイルと前記固定トランスとの磁気結合により送受信コイルには３８．４ＫＨｚまたは７６．８ＫＨｚの交流矩形波電圧が発生し、この交流矩形波電圧は送信用共振回路を介して５Ｖに安定化されて直流電源を生成する整流共振回路と、
前記２つのＰＣＭ−ＦＭ信号を復調して元のデータ信号を出力する第２の信号処理回路と、によって前記受信システムを構成し、
前記送信システムにおける第１の信号処理回路に入力させたデータ信号を、前記固定トランスと前記移動コイルとの磁気結合を介して、非接触で前記受信システムにおける前記第２の信号処理回路から出力させると共に、前記送信システムにおける前記主電力回路に入力させた直流電圧を前記受信システムにおける前記整流共振回路から出力させるようにしたことを特徴とする磁気結合型の非接触電力・データ伝送システム。
【請求項２】
前記受信システムにおける前記第２の信号処理回路に入力させた前記元のデータ信号を高周波信号に変換し、送信用共振回路において正弦波に変換された前記高周波信号を前記移動コイルと前記固定トランスとの磁気結合を介して非接触で前記送信システムに伝送させ、前記送信システムにおける高周波信号受信回路により復調させることにより、前記データ信号を双方向に伝送させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気結合型の非接触電力・データ伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、磁気結合を用いて非接触で電力を伝達すると同時に、データ信号を非接触で双方向に伝達可能な磁気結合型の電力・データ伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来技術を用いた磁気結合方式による電力伝送システムの構成を示す斜視図である。
図８において、磁性材料より成る回転する円柱体２０１にはこの円柱体２０１の歪みを測定するための歪み計２０４が取り付けてある。この歪み計２０４を作動させるための電力と歪みの測定結果を無線方式によって伝送させるための電力は、リード線２０６を介して円柱体２０１の外周面に巻回した２次コイル２０３から供給される。
電源２０５は歪み計２０４が必要とする電力を供給する装置であって、円柱体２０１の外周面に巻回した１次コイル２０２を備えている。
２次コイル２０３は円柱体２０１の外周面に多数のコイルを巻回して構成しているので、１次コイル２０２を接近させると磁性材料である円柱体２０１を介しての磁気結合により、１次コイル２０２から２次コイル２０３への電力が非接触で伝送される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来方式による電力伝送システムにおいては磁気結合の効率がよくない。
即ち、円柱体２０１は回転するものであるから、この円柱体２０１の外周面に凹凸があると、１次コイル２０２と２次コイル２０３は円柱体２０１の外周面と適当な空隙をもって配設しなくてはならず、このため磁気結合の効率は低下し、伝送できる電力も小さいものとなる。
また、歪みを測定する円柱体２０１が非磁性材料であると、円柱体２０１の外周面に磁気回路を形成させる手段を講じなくてはならない。
この発明は、上述した従来技術による磁気結合方式による電力伝達システムの欠陥を解消するためになされたものであって、電力伝送のみならずデータ信号を双方向に伝送可能な、磁気結合型の非接触の電力・データ伝送システムを提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明による磁気結合型の非接触電力・データ伝送システムは、第１の信号処理回路および固定トランスを備えた主電力回路とによって構成した送信システムと、前記固定トランスとの磁気結合により非接触で信号を伝送する移動コイルを備えた整流共振回路および第２の信号処理回路とによって構成した受信システムと、によって伝送システムを構築しておき、前記送信システムにおける第１の信号処理回路に入力させたデータ信号を、固定トランスと移動コイルとの磁気結合を介して前記受信システムにおける第２の信号処理回路から出力させると共に、前記送信システムにおける主電力回路に入力させた直流電圧を前記受信システムにおける整流共振回路から出力させるようにしたものである。
【０００５】
また、受信システムにおける第２の信号処理回路に入力させたデータ信号を高周波信号に変換したうえで、固定トランスと移動コイルとの磁気結合により送信システムに伝送させ、送信システムに設けた高周波信号受信回路を介して復調させることによりデータ信号を双方向に伝送可能とした。
【０００６】
【作用】
固定トランスを構成する鉄心は移動コイルの移動経路と所定の間隔を保つように形成されているので固定トランスと移動コイルとの接近時間を長くすることができる。また、固定トランスの鉄心には移動コイルの移動方向にコイルが巻回されており、移動コイルの鉄心もその移動方向にコイルが巻回されているので固定トランスと移動コイルの磁気結合の効率はよい。従って、非接触で確実に電力やデータ信号の送受が行える。
データ信号を周波数の異なる２つのＰＣＭ−ＦＭ信号に変換し、この信号によってＭＯＳ−ＦＥＴを駆動させて高周波交流矩形波信号を発生・伝送させるものであるから、データ信号の伝送はＭＯＳ−ＦＥＴの駆動周波数の切り替えで行うことができ、伝送方法が簡単である。
【０００７】
【実施例】
以下、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明による磁気結合型の非接触電力・データ伝送システムの第１の実施例を示すブロック図であって、リード線７を介して固定トランス１と接続する主電力回路３および第１の信号処理回路４によって送信システムを構成している。
また、リード線８を介して移動コイル２と接続する整流共振回路５および第２の信号処理回路６によって受信システムを構成している。固定トランス１は、移動コイル２の移動経路と常に所定の間隔を保てるように形成したＵ字形断面を備えた長方形の鉄心と、この鉄心の長手方向に巻回したコイルとによって構成している。また、移動コイル２は、固定トランス１のＵ字形断面によって形成される空隙内を非接触で接近して移動できる形状の鉄心を備えており、この鉄心に巻回するコイルの方向は固定トランス１のコイルの巻回方向と同一である。
従って、固定トランス１と移動コイル２との磁気結合の効率は高いので、固定トランス１と移動コイル２との間における電力やデータ信号の伝送は効率よく行うことができる。
【０００８】
次に、この発明による磁気結合型の非接触電力・データ伝送システムにおける送信システムと受信システムの回路構成と動作原理を図３〜図６を参照しながら説明する。
図３は送信システムの回路構成を示す回路図であって、第１のマイクロコンピュータ回路１１とＰＣＭ−ＦＭ信号発生回路１２とによって図１における第１の信号処理回路４を構成しており、主電力用ＦＥＴ駆動回路１３と出力トランス３８（図１における固定トランス１）を備えた主電力回路１４とによって図１における主電力回路３を構成している。
なお、主電力回路１４における２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３６と３７の両端子間には±１４０Ｖの直流電圧を供給する図５に示す主電力回路用倍電圧整流電源回路５０が接続されており、また、主電力回路１４における出力トランス３８の一端には図６に示す高周波信号（９．８３０４ＭＨｚ）受信回路３９が接続されている。
【０００９】
図４は受信システムの回路構成を示す回路図であって、送受信コイル１５（図１における移動コイル２）、送信用共振回路１６、半波型倍電圧整流回路１７によって図１における整流共振回路５を構成しており、ＰＣＭ−ＦＭ信号復調回路１８、第２のマイクロコンピュータ回路１９によって図１における第２の信号処理回路６を構成している。
【００１０】
図３において、第１のマイクロコンピュータ回路１１に所定のデータ信号が与えられると、第１のマイクロコンピュータ回路１１におけるＳＩＯ（２２）より９，６００ボーレイトのＰＣＭ信号がＰＣＭ−ＦＭ信号発生回路１２に出力される。このＰＣＭ−ＦＭ信号発生回路１２からは、ＳＩＯ（２２）の出力が１のときは３８．４ＫＨｚ、ＳＩＯ（２２）の出力が０のときは７６．８ＫＨｚのＰＣＭ−ＦＭ信号が出力される。
前記ＳＩＯ（２２）のクロックおよび３８．４ＫＨｚと７６．８ＫＨｚのクロックは、単一の発振器の信号を分周しており、ＰＣＭ−ＦＭ信号の立ち上がりと立ち下がりは常に同期している。
このＰＣＭ−ＦＭ信号は、主電力用ＦＥＴ駆動回路１３により電圧増幅および電力増幅され、主電力回路１４におけるＭＯＳ−ＦＥＴ３６と３７を駆動する。主電力回路１４におけるＭＯＳ−ＦＥＴ３６のドレイン端子とＭＯＳ−ＦＥＴ３７のソース端子には、図５に示す主電力回路用倍電圧整流電源回路５０より±１４０Ｖの直流電圧が与えられており、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３６と３７のゲート回路に入力した前記ＰＣＭ−ＦＭ信号は増幅され、振幅１４０Ｖ、３８．４ＫＨｚまたは７６．８ＫＨｚの交流矩形波信号が出力トランス３８（図１における固定トランス１）に送出される。
【００１１】
図１における受信システムの移動コイル２（図４における送受信コイル１５）が送信システムの固定トランス１に接近すると、移動コイル２と固定トランス１との磁気結合により図４における送受信コイル１５には３８．４ＫＨｚまたは７６．８ＫＨｚの交流矩形波電圧が発生する。この交流矩形波電圧は送信用共振回路１６を介して半波型倍電圧整流回路１７に送られ、３端子電源７４ＬＯＳ（６２）により５Ｖに安定化されて受信システムの電源となる。
また、半波型倍電圧整流回路１７における２つのダイオード５８と５９の接続点よりＰＣＭ−ＦＭ信号が１０ＫΩの抵抗５７を通してＰＣＭ−ＦＭ信号復調回路１８における７４ＨＣ２２１（６５）と７４ＨＣ７４（６６）へ送られ、元の９，６００ボーレイトのＰＣＭ信号に復調される。
図９にＰＣＭ−ＦＭ信号復調回路１８におけるＰＣＭ−ＦＭ信号のタイムチャートを示す。図９（ａ）は半波型倍電圧整流回路１７における２つのダイオード５８と５９の接合点から７４ＨＣ７４（６６）のＤ端子に入力する周波数の異なる２つの信号を示し、図９（ｂ）は７４ＨＣ２２１（６５）のＱ1 端子から７４ＨＣ７４（６６）へ入力するクロック信号を示す。この結果、７４ＨＣ７４（６６）からは図９（ｃ）に示すＰＣＭ信号が出力される。
このＰＣＭ信号は第２のマイクロコンピュータ回路１９におけるＳＩＯ（６９）に送られ元のデータ信号に変換される。
【００１２】
逆に、受信システムから送信システムへの信号の伝送は受信システムにおける第２のマイクロコンピュータ回路１９のクロック周波数９．８３０４ＭＨｚにより行われる。
受信システムにおける第２のマイクロコンピュータ回路１９におけるＳＩＯ（６７）またはＳＩＯ（６９）よりバッファＩＣである７４ＨＣ２４４（５１）に信号が与えられると、９．８３０４ＭＨｚの高周波信号が送信用共振回路１６に出力される。
この高周波信号は送信用共振回路１６により１０Ｖ程度の正弦波となり、送受信コイル１５より送信される。
なお、この高周波信号は受信システムにおけるＰＣＭ−ＦＭ信号復調回路１８にも送られるが、回路の１ｎＦのコンデンサ６４および１０ＫΩの抵抗６３と復調用ＩＣの寄生容量との時定数により復調回路に入るまでに充分減衰する。
移動コイル２から固定トランス１を介して送信システムにおける主電力回路１４に伝送された９．８３０４ＭＨｚの高周波信号は、主電力回路１４の出力トランス３８に直列接続した図６に示す高周波信号（９．８３０４ＭＨｚ）受信回路３９により復調される。図６において、上述した出力トランス３８と直列接続した３．２μＨのコイル１０１の両端に発生した９．８３０４ＭＨｚの高周波信号は共振フィルタ回路を経て同期増幅器１０６へ与えられる。
増幅された信号は９．８３０４ＭＨｚトランスＩＦＴ（１０９）の２次コイルより取り出され、整流してしかるべきバイアスを加えて７４ＨＣ１４に与えられる。
感度は同期増幅器１０６の増幅率およびバイアスにより７４ＨＣ１４のしきい値電圧により調節する。
【００１３】
主電力回路１４からは振幅１４０Ｖ、３８．４ＫＨｚまたは７６．８ＫＨｚの交流矩形波信号が出力トランス３８に与えられる。従って、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ３６と３７のスイッチの切り替えに伴ってＭＨｚ領域のノイズが発生する。図７に主電力回路１４における出力トランス３８の電圧・電流波形とＭＨｚ帯域のノイズを示しており、そのノイズ発生のメカニズムは、ＭＯＳ−ＦＥＴ３６とＭＯＳ−ＦＥＴ３７の切り替え時に急峻な電流変化が発生し、回路内の寄生容量とインダクタンスとの共振により高周波の振動を発生させるためである。
このノイズは主電力回路１４に接続した高周波信号（９．８３０４ＭＨｚ）受信回路３９や受信システムのＰＣＭ−ＦＭ信号復調回路１８等のみならず外部の電子機器にも悪影響を与える可能性がある。
このために、公知のインダクタ転流ソフトスイッチング技術によってＭＯＳ−ＦＥＴ３６とＭＯＳ−ＦＥＴ３７のスイッチ切り替えに伴うノイズの削減とスイッチング損失の低減を図っているが、詳細な説明は省略する。
【００１４】
回転移動物体への電力・データ伝送システムを示す第２の実施例は図２の通りである。
図２（ａ）は外部固定トランスと回転移動体である回転軸に取り付けた移動コイルとの構成を示す斜視図であり、図２（ｂ）は断面図である。
図２（ｂ）において、回転軸７０の外周面には移動コイル８０1 ，８０2 ，…が同一円周上に固定して設けられており、それぞれの移動コイルには回転軸７０の回転方向にコイル９０1 ，９０2 ，…が巻回してある。
また、外部固定トランス１０はＵ字形断面を備え回転体７０の外周面に設けてある移動コイルとの間隙が均一な円弧状の鉄心と、回転軸７０の回転方向に巻回したコイル２０とによって構成している。外部固定トランス１０から回転移動物体へ電力・データ信号を伝送させるためには、外部固定トランス１０の近傍に少なくとも１個の移動コイルが常時存在するように外部固定トランスと移動コイルの設置数を決めればよい。
【００１５】
また、リニア移動物体への電力・データ信号の伝送システムにおいては、図１に示す固定トランス１と同一形状の複数のトランスを長手方向に直列接続して固定トランスを構成し、ハイパワー用にすればパワーアップすることは容易であり、移動している物体へも動力源を非接触で伝送できると共に、移動物体への信号の授受も可能である。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による磁気結合型の非接触電力・データ伝送システムは、送信システムにおける第１の信号処理回路に入力させたデータ信号をＰＣＭ−ＦＭ信号に変換し、さらに、主電力回路において高周波交流矩形波信号に変換したうえで磁気結合により固定トランスを介して受信システムにおける移動コイルに非接触で伝送させ、受信システムにおける第２の信号処理回路から元のデータ信号として取り出すようにすると共に、送信システムにおける主電力回路に入力させた直流電圧を高周波交流矩形波信号として受信システムに伝送させ、受信システムにおける整流共振回路から直流電圧を取り出すようにしたものである。
また、受信システムの第２のマイクロコンピュータ回路に入力させたデータ信号を送信システムの主電力回路に設けた高周波信号（９．８３０４ＭＨｚ）受信回路から復調して取り出すようにしたので、双方向にデータ信号を伝送させることが可能である。
従って、固定トランスと移動コイルとの間の磁気結合の効率が高いので、小型軽量で経済性に優れた電力・データの伝送システムを実現でき、容易に必要な電力を非接触で伝送できる。また、データ信号の伝送はインバータドライブ周波数の切り替えによって行えるので、回路構成を簡単化できる効果があり、容易にノイズの抑止が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による第１の実施例を示すブロック図。
【図２】この発明による第２の実施例を示すブロック図。
【図３】送信システムの回路構成を示す回路図。
【図４】受信システムの回路構成を示す回路図。
【図５】主電力回路用倍電圧整流電源回路の回路図。
【図６】高周波信号（９．８３０４ＭＨｚ）受信回路の回路図。
【図７】出力トランスの波形図。
【図８】従来技術による磁気結合方式による電力伝送システムの斜視図。
【図９】ＰＣＭ−ＦＭ信号のタイムチャート。
【符号の説明】
１  固定トランス
２  移動コイル
３  主電力回路
４  第１の信号処理回路
５  整流共振回路
６  第２の信号処理回路
７，８  リード線
【図１】
0003647922.tif 000002
【図２】
0003647922.tif 000003
【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】
0003647922.tif 000008
【図８】
0003647922.tif 000009
【図９】
0003647922.tif 000010