(57)【要約】【課題】近接磁界結合により電力の供給及び信号伝送を行う装置で、電力系と信号系のそれぞれの伝送路（磁路）を近接または一体化して小型化を図り、かつ、伝送信号に電力系からのノイズが混入することを防止する。【解決手段】励磁コイルと給電コイルとにより結合が疎であるトランスを構成し、励磁コイルに直流電源を印加することにより電力を蓄積し、直流電源の切断により給電コイルに誘起する起電力により負荷に電力を供給するフライバック型コンバータを用い、励磁コイルの電流変化がほぼ一定であり給電コイルによる電力供給が休止する無給電期間に、パルス変調信号を乗せた高周波磁界により、給電コイルに近接し共に回転する送信コイルからこの近傍の磁気検出器に通信を行う。【選択図】図１
2006191276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと励磁コイルとにより疎なる磁気結合をなすトランスを用い、前記励磁コイルに直流電源を印加することにより電力を蓄積し、前記直流電源の切断により前記給電コイルに誘起する起電力により負荷に電力を供給するフライバック型コンバータにおいて、前記トランスの近傍に送信コイルと磁気検出器を設け、前記励磁コイルの電流変化がほぼ一定であり前記負荷への電力供給が停止する無給電期間に、前記送信コイルと前記磁気検出器の間でパルス変調に基づく高周波磁界により通信を行う近接磁界結合による電力および情報の伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本体機器と周辺機器との間で、近接磁界結合により本体機器から周辺機器に動作に必要な電力の供給を行い、かつ、近接磁界結合により本体機器と周辺機器の間で情報の伝送（通信）を行う装置に関する技術である。特に、周辺機器が回転を伴う場合にも、非接触で電力の供給と情報の伝送（通信）を行うことが出来る。
【背景技術】
【０００２】
近接磁界結合に基づく電力の伝送手段として、２個の円形コイルを対峙させた同軸円形コイルが知られている。主な用途として、回転する対象物に電力を供給する回転トランスとして使われる。この形態は、一般的なトランスと比べ磁気的結合が疎であり、即ち、電力伝送の力率が低いが、小電力の伝送が手軽に実現できる特長を持つ。これに対し、特許文献「回転体への電力供給用変圧器」及び非特許文献「回転する検出器への非接触による給電におけるコアタイプ回転変圧器の利用」に、円形コイル（図１では給電コイル３に対応する。）に対してコア６を介し励磁コイル５を並列連結する形態の回転トランス（以下、コアタイプ回転変圧器という。）が紹介されている。コアタイプ回転変圧器では励磁コイルの数の自乗に比例して給電電力を増加させることができ、併せて給電効率も改善でき、これにより従来は難しかった径の大きい対象物に対して適用が可能となる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２３０３７５  の公開特許
【非特許文献１】小田原幸生（本発明者）著  「回転する検出器への非接触による給電におけるコアタイプ回転変圧器の利用」    電気学会論文誌Ｄ  （平成１３年１０月号  Ｐ．１０６８〜１０７４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
同軸円形コイルやコアタイプ回転変圧器の形式のトランスは非接触により電力の供給を行うが、計測制御における応用では情報（信号）の伝送手段も必要になる。信号を電力として考えれば、もう一組のトランスを用いることもできるが、利便性を良くするために給電用トランスと信号伝送用トランスを接近させる場合、情報伝送において給電によるノイズを受け、正しく情報伝送ができない問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
同軸円形コイルやコアタイプ回転変圧器の駆動にも使われているフライバック型コンバータは、スイッチング素子のトランジスタがオンしている期間にコイルに電力を蓄え、次にトランジスタがオフしている期間にコイルに蓄えた電力を負荷に供給するコンバータである。この給電サイクルのうち、コイルに電力を蓄える期間、即ち負荷への電力供給の休止期間は磁界変化が単調（直線的）であり、かつ、給電サイクルの大部分を占める。そこで、負荷への電力供給の休止期間に、このトランスの近傍の信号伝送コイルと磁気検出手段により、近接磁界結合に基づきパルス変調信号を乗せた高周波磁界により通信を行うことにより給電の影響(ノイズ)を受けない良好な情報伝送ができる。
【発明の効果】
【０００６】
非接触による給電と情報伝送が簡易なトランスで実現できる。また、電力と情報信号の伝送路を共通とするため、これらが別々の場合と比べ、機構部品のトランスの小型化に有効である。さらに、情報伝送の期間が給電の期間と比べ数倍長くとれ、情報伝送の高速化や高精度化に対応し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
例えば、回転軸に取り付けた検出器により、この回転軸のトルクをリアルタイムで計測する例を示す。電力供給を行うトランスは、図１に示すように、静止部の励磁コイル５とコア６と、回転軸４と共に回転する給電コイル３とにより構成する。また、情報伝送を行うため、給電コイル３の外周に送信コイル１を付加し、近傍の静止部に磁気検出器８を置く。なお、図では励磁コイル５の数を２個としているが、必要に応じて変えることができる。コア６の空隙７は支持部材９や、給電コイル３及び送信コイル１の配線が通過する隙間であり、できるだけ小さいほうが望ましい。また、適当な厚さのスペーサ２を送信コイル１と給電コイル３に挟み、両者の電界結合を抑えることができる。
【０００８】
給電回路と信号伝送回路のブロック図を図２に示し、図３に各部の動作波形を示す。
給電回路３７の本体機器側回路３５（静止部）において、直流電源１０と、並列接続の共振コンデンサ１４を有する励磁コイル５と、転流ダイオード１３を有する半導体スイッチ１２とを直列に接続する。回転軸４と共に回転する周辺機器側回路３６において、給電コイル３と、整流コンデンサ１６と、整流ダイオード１７とを直列に接続する。この場合、整流ダイオード１７の接続極性は、半導体スイッチ１２がオンの時に給電コイル３に発生する起電力による通電を阻止する方向である。なお、整流ダイオード１７の端子間容量により生じる電気的振動を減衰させるため、抵抗とダイオードより成るダンパ１５を用いる。図２では励磁コイル５、コア６、共振コンデンサ１４、半導体スイッチ１２、転流ダイオード１３の組は２組であり、各組は特性的にも制御的にも同じ条件であるが、組数は必要に応じて変えることができる。
【０００９】
給電はタイミング・クロック１１により半導体スイッチ１２を周期的にオン／オフさせ、半導体スイッチ１２がオンの時に励磁コイル５に電力を蓄積し、オフと共に励磁コイル５と共振コンデンサ１４との間に電気的振動を発生させる。これに伴って励磁コイル５に発生する交流磁界により給電コイル３に誘起する起電力により整流ダイオード１７を通電させ、整流コンデンサ１６の充電を行う。そして、整流コンデンサ１６の充電電力を周辺機器用電源端子１８より出力し、周辺機器側３６の電源とする。これらはいわゆるフライバック型コンバータの構成である。
【００１０】
給電コイル３における発生起電力により整流コンデンサ１６の充電を行う期間を給電期間（図３の４１）、行わない期間を無給電期間（図３の４２）とする。無給電期間４２の初期は、半導体スイッチ１２はオフであり、本体機器側回路３５における電流は、直流電源１０の負極→転流ダイオード１３→励磁コイル５→直流電源１０の正極の方向であり、この電流は負の値から直線的に増加する。この電流の値がゼロになる前に半導体スイッチ１２がオンとなるように設定しておくと、次に、直流電源１０の正極→励磁コイル５→半導体スイッチ１２→直流電源１０の負極に電流が流れ、電流の値は直線的に増加する。（励磁コイル６の電流を図３の４６に示す。）この際に、給電コイル３と並列接続のダンパ１５に流れる微弱電流を無視すると、概して給電コイル３から電流は流れない。（給電コイル電流を図３の４７に示す。）即ち、無給電期間４２において励磁コイル５への印加電圧は直流電源１０の電圧にほぼ等しく一定であり、従って、励磁コイル５による磁界変化もほぼ一定である。このため、無給電期間４２に情報の伝送を行うことにより、電力供給の影響（ノイズ）を受けない通信が可能になる。
【００１１】
タイミング・クロック１１の動作周期４０をＴ、無給電期間４２の長さをＴＲとする。（図３参照）一般的に、直流電源１０の出力電圧に対する共振コンデンサ１４の振幅電圧の比率は２０倍程度であり、（ＴＲ／Ｔ）は０．８０〜０．９５である。電圧比率を大きくすると、無給電期間の占める割合はさらに大きくなり、情報伝送の制御の点で有利である。
【００１２】
一方、給電期間４１では励磁コイル５の電流は短期間に大きく変化し、給電コイル３においても整流コンデンサ１６への充電電流が発生し変化する。一方、給電期間４１の終了直後に、整流ダイオード１７の印加電圧が順方向から逆方向に急激に変わり、整流ダイオード１７の端子間容量と給電コイル３との間で電気的振動が起きる。このため、給電期間４１及びこの直後の過渡期は情報の伝送に利用しない。
【００１３】
信号伝送回路３８は給電回路３７と同じく本体機器側回路３５（静止部）と周辺機器側回路３６（回転部）に分かれる。信号伝送の同期をとるため、それぞれの回路において給電期間４１と無給電期間４２を検出する。周辺機器側回路３６では整流ダイオード１７の端子間電圧を給電検出器１９で検出することにより直接的に給電期間４１と無給電期間４２を判別できる。一方、本体機器側回路３５では、半導体スイッチ１２がオン状態からオフになる時が給電期間４１の開始にほぼ一致する。また、無給電期間４２の開始は、給電期間４１の長さは定常状態で一定であり事前に計測しておくことができるので、給電期間４１（Ｔ−ＴＲ）に対し余裕をみて長めにとり、簡易的にタイミング・クロック１１による半導体スイッチのオフの期間（図３の４３）に対応させる。
【００１４】
次に、センサ等によるアナログ信号の伝送を行う動作を説明する。給電検出器１９により無給電期間４２の開始を検出し、次の三角波発生回路２０でパルス幅変調の搬送波の三角波をリセット状態から立ち上げ、無給電期間４２の終了までに三角波をリセット状態に戻す。（図３の４８参照）次のＰＷＭ変調回路２２でアナログ信号入力２１と前記三角波の電圧を比較し、ＰＷＭ変調による２値パルス信号に変換する。（アナログ信号は図３の４９に対応する。また、この変化はタイミング・クロックの周期Ｔと比べて緩やかであるものとする。２値パルス信号は図３の５０に対応する。）これにより連続波変調回路２３で振幅変調を行い、送信コイル１の周辺に高周波磁界を発生させる。ここでコンデンサ２４は給電期間４１に送信コイル１が通電することを防ぐ。コンデンサ２５は共振により高周波磁界を発生させるために使う。
【００１５】
本体機器側回路３５において、送信コイル１が発生する高周波磁界を磁気検出器８で検出し、帯域フィルタ２６により主に給電のノイズである低周波成分を取り除き、連続波復調回路２７で検波を行う。検波後の波形は図３の５１に示すように信号の立ち上がりと立下りが鈍っており、また、振幅も変動する可能性があるため、一定の閾値でこのオン／オフを判定すると誤差を生じる。そこで、次の微分回路２８と、シュミット型比較器による２値変換回路２９で検波後の波形の信号の立ち上がりと立ち下りを検出して２値信号に変換し、誤差を少なくする。次に、パルス検出回路３０でタイミング・クロック１１を参照し、無給電期間４２に対応するパルス信号のみを検出し、受信ＰＷＭ信号５４を得る。これをＰＷＭ復調回路３１でアナログ信号に変換し、端子３２より出力する。
【実施例１】
【００１６】
前述の「発明を実施するための最良の形態」に対応し、具体的に車軸のトルクを計測するシステムを試作した。機構部品の回転トランスは、給電コイル３の直径を１３ｃｍ、導線の巻き数を２０回とした。コア６に外径２８ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚さ１３ｍｍ、空隙６ｍｍのフェライト製コアを用い、これに対し導線の巻き数を３７回とし励磁コイル５とした。励磁コイル５の数は１個である。給電コイル３の自己インダクタンスは２００μＨ、励磁コイル５の自己インダクタンスは１６０μＨ、これらの相互インダクタンスは６０μＨである。また、共振コンデンサ１４は０．０２μＦの高耐圧コンデンサを使用し、半導体スイッチ１２には転流ダイオード１３を内蔵するパワーＭＯＳ・ＦＥＴを使用した。送信コイル１として給電コイル３の上に約１mmのスペーサ２を挟みビニル被覆導線を２回巻いた。送信コイル１のインダクタンスは０．７μＨである。磁気検出器８は磁気検出の手段として径２０ｍｍのコイルを用い、トランジスタ（ＦＥＴ）により信号の増幅を行った。
【００１７】
直流電源１０の電圧を１０Ｖ、タイミング・クロック１１の動作周波数を２０ｋＨｚ、半導体スイッチのオン／オフのデューティ比を８０％とし、効率６０％で１Ｗの給電を行うと共に、信号伝送を行った。連続波変調回路２３はＡＭ方式で、周波数は２０ＭＨｚである。信号伝送距離は磁気検出器８のコイル先端において送信コイル１の巻き線から１５ｍｍ程度まで離すことができた。図４に、アナログ信号入力２１に対し周波数１ｋＨｚ、振幅２Ｖの正弦波信号（図４の５８）を入力し、この伝送信号をアナログ信号出力３２により観察したアナログ信号出力波形５９を示す。ＰＷＭ復調回路３１がサンプル・アンド・ホールド回路に拠っている関係で階段状波形になっているが、十分に実用的な精度と速度で信号（情報）の伝送が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
（１）発明を実施するための最良の形態及び実施例として回転型を示したが、静止型の適用も可能である。これにより、引火性のガスや粉塵の多い環境や水中でも着脱自在な給電及び情報伝送の手段として利用できる。
【００１９】
（２）発明を実施するための最良の形態及び実施例では、背景技術で述べたコアタイプ回転変圧器をベースとしているが、特性の類似している同軸円形コイルを用いることもできる。
【００２０】
（３）発明を実施するための最良の形態及び実施例では、伝送する信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）信号のとしているが、無給電期間（図３の４２）にデジタル信号を１ビットずつ順次送受信するシリアル伝送にも対応できる。
【００２１】
（４）発明を実施するための最良の形態及び実施例では、本体機器側（図２の３５）から周辺機器側３６に電力の供給を行い、これと逆向きに信号伝送を行う例を示しているが、電力供給の方向と同じ向きに信号伝送を行うことも可能である。
【００２２】
（５）本発明は、可動部の回路と静止部の回路とを結ぶ配線で、配線の表皮が損傷剥離し、微細な塵を発生する問題を解決することができ、或いは、配線をコンパクトにまとめることができるため、クリーンルーム対応機器の防塵対策や小型化に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】機構部品の回転トランスの構成
【図２】本発明の装置の回路ブロック図
【図３】図２における各部の動作波形
【図４】図２における信号伝送の観察波形
【符号の説明】
【００２４】
４０  タイミング・クロック（３１）に基づく給電及び信号伝送の周期（期間Ｔ）
４１  給電期間
４２  無給電期間（期間ＴＲ）
４３  半導体スイッチ（１２）がオンの期間
４４  半導体スイッチ（１２）がオフの期間
４５  半導体スイッチ（１２）のオンとオフの状態を示した波形
４６  励磁コイル(６）電流の波形
４７  給電コイル（３）電流の波形
４８  三角波発生回路（２０）出力波形
４９  アナログ信号入力（２１）波形
５０  ＰＷＭ変調回路（２２）出力波形
５１  連続波復調回路（２７）出力波形
５２  微分回路（２２）出力波形
５３  ２値変換回路（２９）出力波形
５４  パルス検出回路（３０）出力波形
【図１】
2006191276.tif 000003
【図２】
2006191276.tif 000004
【図３】
2006191276.tif 000005
【図４】
2006191276.tif 000006