(57)【要約】      （修正有）【課題】容易に組み立てが可能で、かつ低コストで、回転体に設けられた電子回路に非接触で電力を供給する回転型非接触給電変圧器を提供する。【解決手段】回転軸１側に設けられた同軸円筒形の２次側コア１５は、焼結体フェライトを樹脂フィルムで積層した短冊シートにて繋ぎ目をもって回転軸に巻回接着して形成され、この２次側コアの繋ぎ目から２次側コイル５の線を通し、２次側コアと回転軸の間を這わせて配線を行うようにした。【選択図】図３
2015195256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側に突部を設けた断面コの字型の磁性体からなる１次側コアと、
前記１次側コアの前記突部間に巻回した１次側コイルと、
回転可能に支持された回転軸と同軸円筒形にて設けられている２次側コアと、
前記２次側コアの外周上に、前記１次側コアの前記突部間に挟まれるように配置され、前記１次側コイルに対向して前記１次側コイルと略同幅にて回転軸方向に巻回されている２次側コイルと、
を備えている回転型非接触給電変圧器において、
前記１次側コアの前記突部が前記２次側コアに対向する面は、前記２次側コアの外周表面と、常時略一定間隔を保つ形状を成し、
前記２次側コアが、少なくとも前記１次側コアの前記回転軸の軸方向長より大きい幅の短冊シート状の磁性材で形成され、繋ぎ目を有して前記回転軸に巻回固着されている、
ことを特徴とした回転型非接触給電変圧器。
【請求項２】
前記２次側コアが、焼結体フェライトを樹脂フィルムにて積層したものであることを特徴とした請求項１に記載の回転型非接触給電変圧器。
【請求項３】
前記２次側コイルから引き出される電線が、前記２次側コアの前記繋ぎ目を通り、前記回転軸の軸方向にて前記回転軸に設けられた少なくとも前記電線の断面寸法より大きな形状の溝に沿って、前記２次側コアと前記回転軸との間にて配線されることを特徴とした請求項１から２のいずれかに記載の回転型非接触給電変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械において回転体の種々の物理量を検出するため、回転体に置かれた回路に電力を供給する変圧器の構造の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転体の種々の物理量を検出する際、固定側から回転体側に置かれた検出器や回路に直接配線できないという障害がある。回転体に電力を供給する公知の方法では、スリップリング機構があるが、スリップリング機構は長期に渡りブラシとスリップリングの機械的接触を良好に保つため、精密な加工や組立を施す必要があった。またスリップリングやブラシからの漏電を防ぐと共に，ブラシが摩耗するため定期的に部品の交換や保守が必要である。さらに摩耗時に粉塵が発生するためケーシング内の吸引や洗浄も必要であった。
【０００３】
これに対し、回転型非接触給電変圧器では電磁誘導を用いるため交流変換回路が必要であるが、非接触のため接触不良は発生せず、絶縁は容易で、保守は不要であるため近年採用が進んでいる。
【０００４】
回転軸の外周固定側に１次側の変圧器を取り付ける方式において、１次側コアが回転軸と２次側コアおよび２次側コイルを全周で被う構造になっている場合には装置が大きくなるという課題があった。特に回転軸の直径が大きくなるとそれに応じて２次側コアの直径も増大し、取りも直さず１次側コアの外径も大きくなり、装置の大型化、製作費の増大の要因になっていた。
【０００５】
これに対して、略コの字型の１次側コアを用いてこれに１次側コイルを巻き、回転する側に設けられた２次側コイルをこの略コの字の内部に食い込む形の構造にて、装置の小型化、製作費の低減を図るものが公知として知られている。（例えば、特許文献１参照）
【０００６】
さらに、略Ｃの字型の１次側コアを用いてこれに複数の箇所でコイルを巻き、回転する側に設けられた２次側コイルを特許文献１と同じようにこの略Ｃの字の内部に食い込む形の構造も公知として知られている。これは２次側コイルが食い込む位置の最適化により給電効率向上を図ったものである。（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−５８３５５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４３８１６号公報
【特許文献３】実用新案登録第３１７５９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、１次側コアが２次側コイルを挟み込む形で構成されており、回転半径方向において１次側コアが存在する部分が大きくなり、装置の小型化に対して充分とは言えない。
これと同時に回転軸方向においても１次側コアを設置するスペースと、２次側コイルを巻くプレートを配置するスペースが必要であり、装置の大型化を招いていた。
【０００９】
さらに、２次側コイルを１次側コアの開口部へ挿入することになり、組み立て方法が非常に限定される。すなわち、２次側コイルを回転軸側に設置した後に筐体に組み込み、１次側コアをその開口部が２次側コイルを挟んだ状態にて軸方向へ移動させ、所定の位置にて筐体に位置決め固定をすることになる。ゆえに１次側コアのいわゆる落とし込み組み立て、ロボット等による自動組み立ては著しく困難である。
【００１０】
特に、特許文献１および特許文献２に記載の実施例では、２次側コイルは塩化ビニルのプレートに巻かれていることから、このプレートの加工精度を高めることは難しくまた歪みも生じやすい。よって１次側コアと２次側コイルとの位置決め精度を確保するのは困難であると言える。
【００１１】
また特許文献３においては、２次側コアが中空の円筒形フェライトコアを使用していたため、回転軸が大きいものでは、２次側コアのサイズも大きくなり、それに伴って肉厚も重量も大きくなってしまい高価になっているという難点があった。特に大きなサイズのフェライトコアは、外形寸法精度に難点があり、回転軸に対して嵌合をもって組み立てるにはフェライトコアへの追加工が必要となってしまっていた。
【００１２】
一方、２次側コイルから引き出される配線においては、２次側コア表面上を横切るように通すと、１次側コアと２次側コアの間隔を小さくすることが難しくなり、コア間に発生する磁束が低下する。そこで２次側コア上に配線のための溝を彫ってそこに配線を埋め込むというのも行われてきた。これによりコア間の距離は縮められるが、溝加工による２次側コアのコストアップと、溝から配線がはみ出さないように接着するなどの工夫が必要となる。
【００１３】
そこで、この中空の円筒形フェライトに穴を開けて配線を通して引き出すことも考えられる。この場合には、２次側コアに穴加工が必要であるためコストアップとなるとともに、コイルを巻いた後にこの穴へ配線を挿入する必要があるため組み立ても非常に難しいという問題があった。
【００１４】
本発明は、前述のような従来の問題を解決するためになされたもので、装置の小型化が可能な構成でありながら、組み立てが容易で、しかも低コストで回転体に置かれた回路に電力を供給する回転型非接触給電変圧器を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、
両側に突部を設けた断面コの字型の磁性体からなる１次側コアと、
１次側コアの突部間に巻回した１次側コイルと、
回転可能に支持された回転軸と同軸円筒形にて設けられている２次側コアと、
２次側コアの外周上に、１次側コアの突部間に挟まれるように配置され、１次側コイルに対向して１次側コイルと略同幅にて回転軸方向に巻回されている２次側コイルとを備えている回転型非接触給電変圧器において、
１次側コアの突部が２次側コアに対向する面は、２次側コアの外周表面と、常時略一定間隔を保つ形状を成し、
２次側コアが、少なくとも１次側コアの回転軸の軸方向長より大きい幅の短冊シート状の磁性材で形成され、繋ぎ目を有して回転軸に巻回固着されていることを特徴としている。
【００１６】
また、２次側コアが、焼結体フェライトを樹脂フィルムにて積層したものであることが望ましい。
【００１７】
さらに、２次側コイルから引き出される電線が、２次側コアの繋ぎ目を通り、回転軸の軸方向にて回転軸に設けられた少なくとも電線の断面寸法より大きな形状の溝に沿って、２次側コアと回転軸との間にて配線されることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を有するトルクセンサの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を有するトルクセンサの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を示す斜視図である。
【図４】発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器の一部を省いて表した斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係る回転型非接触給電変圧器の実施例の展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る回転型非接触給電変圧器について説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態に係る回転型非接触給電変圧器を有するトルクセンサの分解斜視図である。また図２は、このトルクセンサの電気回路のブロック構成図である。
【００２１】
図１、図２に示すように、トルクセンサ４２には、筐体９に対向して取り付けられる側壁８に転がり軸受４を介して回転可能に支持されていて、起歪体と動力伝達軸を兼ねる回転軸１が設けられている。
【００２２】
この回転軸１には起歪体の機能を有する起歪部１８があり、この起歪部は回転軸の軸方向には強度を有して変形せず、ねじれ方向には撓むようになっており、ここに歪みゲージ２が接着され、回転軸１に加わったトルクの計測を行う。
【００２３】
回転軸１には回転側基板３が固定ナット１１で挟み込まれるように固定され、回転側基板３上には検出回路３０（図２参照）が設けられている。この検出回路３０は、歪みゲージ２に結線されてこれとともにホイートストンブリッジ回路を形成する抵抗と、前記歪みゲージ２の抵抗値変化を電圧信号に増幅変換する増幅回路と、ホイートストンブリッジ回路から出力されるアナログ出力をデジタル信号に変換しＩｒＤＡなどの赤外線通信で送信させるための変調回路とからなる。変調された信号はＬＥＤ３１によって発光送信がなされる。
【００２４】
一方、筐体９には固定側基板７が固定され、固定側基板７上には、出力回路４１が設けられている。この出力回路４１は、検出回路３０からの検出信号を受信して増幅する増幅回路と、増幅した検出信号をアナログ信号に変換する復調回路とを有し、アナログ変換した電圧信号を、固定側基板７と電線等によって接続された外部コネクタ１２にて、外部に出力するものである。
【００２５】
さらに、固定側基板７上には、出力回路３０に電力を供給するスイッチング回路３４が設けられ、外部の直流電源３３から、外部接続用コネクタ１２を介して電力が供給される。スイッチング回路３４では直流電源を交流電源に変換するのが一般的であるが、フライバック式コンバータ等の電源を用いる場合もある。
【００２６】
固定側基板７には、両端に突部を設けた断面コの字型のフェライトの１次側コア１６が、１次側コアホルダ１４を介して取り付けられている。そしてこの１次側コア１６の両突部間には銅線を巻回してなる１次側コイル６が設けられている。この１次側コイル６には、スイッチング回路３４から電力が供給される。なお、筐体９における固定側基板７に対応する開口部分は蓋体１０で閉塞されている。
【００２７】
一方、回転軸１には、１次側コイル６および１次側コア１６と所定間隔をおいて対向するように、回転変圧器の２次側が構成されている。２次側コア１５は回転軸１に巻きつけられて設けられており、この２次側コア１５の外周に銅線を巻回してなる２次側コイル５が設けられている。なおこの１次側コア１６および２次側コア１５の関係についての詳細は後述する。
【００２８】
本実施形態は以上のように構成したので、外部の直流電源３３を経て、スイッチング回路３４にて交流に変換された電流を１次側コイル６に通電すると、交流磁界が発生し、この交流磁界が回転軸側の２次側コア１５に透過することで、２次側コイル５に電流が誘起される。
【００２９】
誘起された電流は回転側基板３内に設けられた整流化回路３５および安定化回路３６を経て歪みゲージ２および検出回路３０に供給される。
以上の仕組みをもって、検出回路３０に非接触で給電がなされる。また、出力回路４１にも直流電源３３から電力が供給される。
【００３０】
実際のトルクの測定は、回転軸１にトルクが加わると、回転軸１の起歪部１８が前記トルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさは、歪みゲージ２の抵抗値の変化の大きさとして検出回路３０により検出され、出力回路４１に赤外線通信される。すなわち、前記抵抗値の変化で生じたアナログ信号をＡ／Ｄ変換でデジタル化および変調されてＬＥＤ３１から発光送信される。受光素子３２はこれを受信し、出力回路４１へ送る。
【００３１】
出力回路４１は、受信した信号を増幅して、Ｄ／Ａ変換器すなわち復調回路４０でアナログ信号に変換し、検出したトルクに対応する電圧信号として出力する。そして、この出力された電圧信号は、公知の手段によって表示器等に表示される。
【００３２】
次いで、図３および図４を参照して、本発明の回転型非接触給電変圧器の実施例について説明する。図３は、本発明の回転型非接触給電変圧器の主要部分を示した斜視図であり、図４は回転軸１の軸方向での回転型非接触給電変圧器の主要部分の位置関係を示した側面図である。
【００３３】
１次側コア１６は両端に突部を設けた断面コの字型の形状をしている。本実施例においてこの材質は低損失フェライト材を用いている。１次側コア１６は１次側コアホルダ１４を介して固定側基板７に固定されている。１次側コアホルダ１４は樹脂等で出来ており、１次側コア１６を囲い込むように保持している。
【００３４】
１次側コイル６は、１次側コア１６の両突部間に所定回数巻かれており、１次側コイル６の末端は固定側基板７のスイッチング回路３４に接続されている。
【００３５】
一方、１次側コア１６および１次側コイル６と対をなす２次側の非接触給電変圧器１７の構成部材すなわち２次側コア１５と２次側コイル５は、回転軸１に巻き付くように設けられている。
【００３６】
２次側コア１５は、１次側コア１６の両突部の幅より回転軸方向において若干大きく形成されており、フェライトの短冊状のシートである。このシートは、薄く、柔軟性を有し、焼結フェライトをシート化したものを使用している。すなわちこのフェライトは粘着層を介してポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムにてラミネートされ、さらに部品等に貼付けられるように粘着層を片側に設け剥離可能紙にてこれを覆っている。本実施例では、総厚みが約０．１５ｍｍのラミネートしたシートを使用していて、曲面へも容易に貼り付けることが可能である。
【００３７】
よって、中空の円筒形のフェライトコアを用いない構成のため、フェライトコア製作のための専用の金型が不要であると同時に、フェライト使用量も少なく、コスト面で極めて有利である。
特に、トルクセンサのように測定するトルクの大きさにより回転軸直径の異なるラインナップが多い製品では、中空の円筒形のフェライトコアではそれぞれに見合ったものを組み込まねばならない。この薄手シートを用いると、カッターナイフなどで容易に外形切断が可能であり、各ラインナップに柔軟に対応できるという点で優れている。
【００３８】
２次側コア１５は、１次側コア１６の突部との間隔を一定に保つように接着剤もしくは樹脂フィルムに積層された粘着層により回転軸１に固着されているとともに、２次側コア押さえ１３にて両側を固定して浮きを防止する構造を有している。
【００３９】
非接触給電においては１次側コア１６と２次側コア１５の距離や対向面の位置ずれが磁束を大幅に減少させるため、回転軸１の回転時に１次側コア１６と２次側コア１５の間隔ができるだけ狭くかつ常に一定となることが望ましい。従って、１次側コア１６の第１の突部４５ａおよび第２の突部４５ｂが２次側コア１５に対向する面は、回転軸１の軸を中心とした、２次側コア１５の表面から所定の間隔を有した円筒形の面となっている。
【００４０】
図５は、１次側コア１６の両突部の先端部の変形例を示した回転型非接触給電変圧器の主要部分の斜視図である。１次側コア１６の第１の突部４５ａおよび第２の突部４５ｂの２次側コア１５に対向する面を、複数面にて構成し、おおよそ２次側コア１５と同じ距離に保たれるようにすることも可能である。すなわちまた回転軸１の直径が大きくなるにつれて、２次側コア１５が平面に近くなっていくため、回転軸１の軸を中心とした多角形で切断された面であれば距離はある程度一定に保たれるからである。この場合、磁束の減少は若干あるものの、円筒面と比較して低コストで実現できるため、トルクセンサの回転軸の大きさ違いのラインナップにおける部品の共通化という観点や、必要とする給電性能の仕様により適宜選択が可能である。
【００４１】
２次側コイル５は、２次側コア１５上に巻回されており、その巻幅は１次側コイル６と同等の幅となっており、１次側コア１６の第１の突部４５ａおよび第２の突部４５ｂの間に位置するように設けられる。
【００４２】
ところで、２次側コア１５は、前述のように短冊状のシートであるため、回転軸１に巻回固着されているが、回転軸１の全周に巻きつけるため、繋ぎ目が必然的に発生する。この繋ぎ目は極力隙間無く設けるのが望ましい。
【００４３】
本発明の実施例では薄手の０．１５ｍｍの厚みの短冊状のシートを用いており、前述のように剥離紙を剥がして粘着層にて貼付することができるため、隙間が極少にて回転軸１へ貼付けが可能である。
【００４４】
図６は図３にて示す本実施例の回転型非接触給電装置の、幾つかの部材を省略して表現した斜視図である。また２次側コア１５は説明を容易にするため、半透明で表現している。
図７は図３にて示す本実施例の回転型非接触給電装置の、回転軸１の回転方向Ａに沿って、１次側コア１６と２次側コア１５および２次側コイル５を展開した展開図である。
以下、図６と図７を参照して２次側コア１５と２次側コイル５について説明する。
この実施例では、２次側コア１５の回転軸１への巻き付け方向に対して垂直すなわち図７に示すｘ方向の複数の繋ぎ目４３ａと繋ぎ目４３ｂを設けてある。
【００４５】
この短冊状のシートを使用したことは、２次側コイル５の配線を容易にする。
【００４６】
前述のように、２次側コイル５からの配線を２次側コア１５表面上に設置すると、電線の厚み分だけ１次側コア１６の両突部（第１の突部４５ａまたは第２の突部４５ｂ）と２次側コア１５の隙間が増えてしまい、コア間に発生する磁束が低下し、所望した給電性能を得るのが難しくなる。
【００４７】
これに対し本実施例では、図７に示す展開方向ｙの繋ぎ目４３ｃの部分にて２次側コイル５の引出線５ａを２次側コア１５の下面と回転軸１の間に潜り込ませて、回転側基板３へと配線している。この引出線５ａが接する回転軸１の経路には引出線分の断面寸法以上の幅と深さの溝４４が設けられて、配線を容易にしている。
【００４８】
繋ぎ目４３ｃの部分は、隙間が生じると磁束の分断が生じ、給電性能が低下する。実際２次側コイル５の引出線５ａを通す必要があるので隙間はわずかながら生じる。従ってこの繋ぎ目４３ｃの展開方向ｙ方向の長さＢは極力短くするとともに、繋ぎ目４３ｃ部分はｘ方向に若干の重ね合わせ代を設けることで、給電性能を確保しつつ、容易に組立作業を行うことができる。
【００４９】
実際の組み立てにおいては、回転側基板３を回転軸１に挿入し、固定ナット１１にて固定する。次いで２次側コア押さえ１３ａの一方を予め回転軸に通しておき固定ナット１１付近に待機させる。２次側コア１５の溝４４を覆う部分付近のみ剥離紙を残しておいて、２次側コア１５を回転軸に巻きつけ貼る。その時２次側コア１５の溝４４付近は若干浮いた状態になる。その後２次側コイル５を所定の回数巻きつけ、その引出線５ａを浮いている２次側コア１５をめくり上げ、繋ぎ目４３ｃを通して、溝４４へ導く。その後に剥離紙を除去して２次側コア１５の残りの部分を回転軸１へ接着すれば良い。２次側コア１５は薄手のシートであり柔軟に変形するためこの作業は容易に行うことができる。
【００５０】
その後、待機しておいた２次側コア押さえ１３ａを２次側コア１５にはめ込むとともに、もう一方の２次側コア押さえ１３ｂをはめ込み、２次側コア１５は確実に回転軸１から浮きを生じること無く固着される。
【００５１】
ゆえに、２次側コイル５の引出線５ａはこの溝４４に沿って、２次側コア１５および２次側コア押さえ１３の下を通って配線がなされ、回転側基板３に電気的接続がなされる。よって回転側基板３上にある検出回路３０へ非接触給電方式で電源の供給がなされる。
【００５２】
本実施例では、２次側コア１５には、回転軸１への巻きつけ方向に対して垂直すなわちｘ方向の複数の線分の繋ぎ目を設けたが、巻きつけ方向に対して垂直である限定や、直線の線分の繋ぎ目である限定は必要なく、曲線等によっても実現可能なのは言うまでもない。
【００５３】
なお、２次側コイル５の引出線５ａが２次側コア１５の繋ぎ目を経由して下面に潜って配線され、繋ぎ目のｙ方向成分が出来るだけ小さいように設けることが望ましい。２次側コア１５の繋ぎ目のｙ方向成分が少ないことにより磁束の強度の確保が可能となるからである。
【００５４】
以上、本発明を実施の形態を基に説明した。本実施例の形態は例示であり、各構成要素に色々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係る回転型非接触給電変圧器は、回転する２次側コアは繋ぎ目を有する短冊シートを回転軸に巻回して形成することで、１次側コアとの磁束が安定し、かつ２次側コイルの配線を容易にした回転型非接触給電変圧器を提供できる。
【符号の説明】
【００５６】
１  回転軸
２  歪みゲージ
３  回転側基板
４  軸受け
５  ２次側コイル
５ａ  引出線
６  １次側コイル
７  固定側基板
８  側壁
９  筐体
１０  蓋体
１１  固定ナット
１２  外部接続用コネクタ
１３ａ  １３ｂ  ２次側コア押さえ
１４  １次側コアホルダ
１５  ２次側コア
１６  １次側コア
１７  非接触給電変圧器
１８  起歪部
３０  検出回路
３１  ＬＥＤ
３２  受光素子
３３  直流電源
３４  スイッチング回路
３５  整流化回路
３６  安定化回路
３７  増幅回路
３８  変調回路
３９  増幅回路
４０  復調回路
４１  出力回路
４２  トルクセンサ
４３a  第１の繋ぎ目
４３ｂ  第２の繋ぎ目
４３ｃ  第３の繋ぎ目
４４  溝
４５a  第１の突部
４５ｂ  第２の突部
【図１】
2015195256.tif 000003
【図２】
2015195256.tif 000004
【図３】
2015195256.tif 000005
【図４】
2015195256.tif 000006
【図５】
2015195256.tif 000007
【図６】
2015195256.tif 000008
【図７】
2015195256.tif 000009