(57)【要約】【課題】電力とデータとの双方を非接触で信頼性高く伝送する非接触信号伝送装置。【解決手段】送信側コア１２は、中央部分を中空とすると共に、内部に環状の溝を有する環状の電力用コア１６と、電力用コア１６の内部の環状の溝に導線が巻回された、電力を伝送するための電力用コイル１８と、電力用コア１６の中央部分に配置されたデータ用コア２０と、データ用コア２０に導線が巻回された、データを伝送するためのデータ用コイル２２とで構成される。データ用コア２０は、比透磁率が、少なくとも電力用コア１６の比透磁率より低くなるように作られる。これにより、データ用コイル２２に対する電力用コイル１８の干渉を抑制することができる。さらに、データ用コア２０の比透磁率の、電力用コア１６の比透磁率に対する比が、１０分の１未満になるように設定することが望ましい。【選択図】図２
2008235325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導によって電力及び信号を非接触で伝送する非接触信号伝送装置であって、
対向配置された環状の１組の電力用コアと、
前記１組の電力用コアの各々に環状に設けられた１組の電力用コイルと、
前記１組の電力用コアの各々の内側に環状に配置された１組の信号用コイルと、
を備え、
前記信号用コイルの内側及び周囲の比透磁率が、前記電力用コアの比透磁率よりも低い非接触信号伝送装置。
【請求項２】
前記信号用コイルの内側及び周囲の比透磁率が、前記電力用コアの比透磁率の１０分の１未満である請求項１記載の非接触信号伝送装置。
【請求項３】
前記１組の信号用コイルのインダクタンスが、下記式（１）から求められたインダクタンスの上限値Ｌｍａｘ未満である請求項１又は請求項２記載の非接触信号伝送装置。
Ｌｍａｘ  ＝  ５０／ｆ  ・・・  式（１）
但し、
Ｌｍａｘ：インダクタンスの上限値（単位：μＨ）
ｆ：信号の周波数（単位：ＭＨｚ）
である。
【請求項４】
比透磁率が前記電力用コアの比透磁率よりも低い信号用コアを更に備え、
前記信号用コイルは、前記信号用コアに環状に設けられている請求項１〜請求項３の何れか１項記載の非接触信号伝送装置。
【請求項５】
磁性材料で形成され、前記１組の信号用コイルの対向面と反対側の少なくとも一部を覆う部材を更に備えた請求項１〜請求項４の何れか１項記載の非接触信号伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触信号伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電磁誘導によって、電力とデータとの双方を同時に伝送する技術があるが、電磁誘導作用に起因して、電力を伝送するための電力用コイルとデータを伝送するための信号用コイルとの間に干渉が生じる場合があり、伝送の信頼性を低下させていた。
【０００３】
これに対し、電力用コイルとデータ用コイルとの間に生じる干渉を抑制することで、伝送の信頼性を高くする技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、対向配置される１次側コア及び２次側コアとの間で電力及びデータを電磁誘導によって非接触で伝送する場合において、１次側コア及び２次側コアの、それぞれ電力用コイル及びデータ用コイル間で生ずる鎖交磁束を横切る位置に、両コイル間の干渉を抑える磁気遮蔽部を形成することにより、同一コア内における隣接するコイル相互間の干渉を抑制する技術が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、電力用コイルのコアに中空部を有する部材を用い、コアが有する中空部にデータ用コイルを配置することにより、電力用コイルの中空部における磁束密度を小さくして、電力用コイルのデータ用コイルに対するクロストークを小さくする技術が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−３５４３４８号公報
【特許文献２】特開２００１−３０９０１３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１及び特許文献２に記載されるデータ用コイルは、フェライト等の磁性体をコアにしているため、インダクタンスが大きい。インダクタンスが大きいコイルを用いると、信号の立ちあがり又は立ち下がりに遅れが生じ易くなる。このため、特許文献１及び特許文献２に記載されている技術を用いて、高速の信号を信頼性高く伝送することは困難である。
【０００７】
本発明は、上述した背景技術に基づいてなされたもので、電力とデータとの双方を非接触で信頼性高く伝送する非接触信号伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電磁誘導によって電力及び信号を非接触で伝送する非接触信号伝送装置であって、対向配置された環状の１組の電力用コアと、前記１組の電力用コアの各々に環状に設けられた１組の電力用コイルと、前記１組の電力用コアの各々の内側に環状に配置された１組の信号用コイルと、を備え、前記信号用コイルの内側及び周囲の比透磁率が、前記電力用コアの比透磁率よりも低いものである。
【０００９】
このように、信号用コイルの内側及び周囲の比透磁率を、電力用コアの比透磁率よりも低くすることで、電力用コイルの信号用コイルに対する干渉を抑制することができる。
【００１０】
信号用コイルの内側及び周囲の比透磁率は、前記電力用コアの比透磁率の１０分の１未満であることが好ましい。
【００１１】
このようにすることで、非接触信号伝送装置が適用される回路の構成を簡便にすることができると共に、信号の伝送エラーの発生率が低くなる。
【００１２】
また、１組の信号用コイルのインダクタンスは、下記式（１）から求められたインダクタンスの上限値Ｌｍａｘ未満であることが好ましい。
【００１３】
Ｌｍａｘ＝５０／ｆ・・・式  ・・・  （１）
但し、
Ｌｍａｘ：インダクタンスの上限値（単位：μＨ）
ｆ：信号の周波数（単位：ＭＨｚ）
である。
【００１４】
これにより、信号を高速に、且つ信頼性高く伝送することができる。
【００１５】
また、比透磁率が電力用コアの比透磁率よりも低い信号用コアを更に備え、信号用コイルは、当該信号用コアに環状に設けられてもい。
【００１６】
また、磁性材料で形成され、１組の信号用コイルの対向面と反対側の少なくとも一部を覆う部材を更に備えてもよい。
【００１７】
これにより、少なくとも、信号用コイルから発生する周波数の高い電磁波を吸収して、環境への不要な電磁波の放射を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、電力とデータとの双方を非接触で信頼性高く伝送できる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１を参照して、アンテナ１０を用いてデータを送受信する送受信回路５０について説明する。
【００２１】
送受信回路５０は、データと電力とを送信する送信回路５２とデータと電力とを受信する受信回路５４とを含んで構成されている。
【００２２】
送信回路５２と受信回路５４との対応する位置には、アンテナ１０が取り付けられている。
【００２３】
図２（Ａ）に示されるように、電力とデータとの双方を伝送するためのアンテナ１０は、送信側コア１２と受信側コア１４とが所定の間隔Ｇをおいて対向配置されて構成されている。アンテナ１０は、送信側コア１２が送信回路５２に、受信側コア１４が受信回路５４に取り付けられて用いられる。アンテナ１０は、電磁誘導によって、送信回路５２と受信回路５４との間を電気的に接続し、送信回路５２と受信回路５４との間で電力とデータとの双方を非接触で伝送する。
【００２４】
送信回路５２は、送信するデータを生成するデータ生成部５６と、データ生成部５６により生成されたデータを符号化する符号化部５８を備えている。符号化部５８は、符号化した情報を、送信回路５２に取り付けられている送信側コア１２に送る。
【００２５】
ここで、図３を参照して、符号化部５８によるデータの符号化の例を示す。
【００２６】
図３（Ａ）に示されるのは、データをＮＲＺ符号化方式を用いて符号化した場合の、送信回路５２側の電圧波形（送信波形）である。
【００２７】
ＮＲＺ符号化方式では、データの「１」の状態は、高い電圧レベルに割り当てられ、データの「０」の状態は、低い電圧レベルに割り当てられる。
【００２８】
図３（Ｂ）に示されるのは、データをマンチェスタ符号化方式を用いて符号化した場合の、送信回路５２側の電圧波形（送信波形）である。
【００２９】
マンチェスタ符号化方式では、データの「１」の状態には、高い電圧レベルから低い電圧レベルへの遷移が割り当てられる。また、データの「０」の状態には、低い電圧レベルから高い電圧レベルへの遷移が割り当てられる。
【００３０】
図３（Ｃ）に示されるのは、データをバイフェーズ符号化方式を用いて符号化した場合の、送信回路５２側の電圧波形（送信波形）である。
【００３１】
バイフェーズ符号化方式では、データの「１」の状態には、基準レベルより高い電圧レベルへの短期間の遷移が割り当てられる。また、データの「０」の状態には、基準レベルより低い電圧レベルへの短期間の遷移が割り当てられる。
【００３２】
マンチェスタ符号化方式及びバイフェーズ符号化方式にを用いた場合の伝送は、ＮＲＺ符号化方式を用いた場合と比較して、ノイズ耐性が高い点で有利であるが、ＮＲＺ符号化方式を用いた場合と比較して、２倍の送信クロックが必要となる。
【００３３】
受信回路５４は、電圧値から低周波数のノイズ成分を取り除くと共に、電圧値の高周波数成分を取り出すハイパスフィルタ６０と、電圧値のレベルを調整するオートゲインコントローラ６２と、電圧値のレベルを閾値判定して電圧値をディジタル化するコンパレータ６４と、ロジック回路により復号化を行う復号化部６６と、パリティチェック、ＣＲＣ方式を用いたチェック等により受信したデータのエラーをチェックするエラーチェック部６８とを備えている。
【００３４】
ハイパスフィルタ６０により高周波数成分が取り出された後の電圧波形（受信波形）は、図３に示されるように送信波形の微分形である。
【００３５】
なお、オートゲインコントローラ６２が、復号化部６６へ入力される電圧値のレベルを調整する場合は、コンパレータ６４を設けなくてもよい。
【００３６】
次に、図２（Ｂ）を参照して、送信側コア１２と受信側コア１４との対向面の概略を示す。
【００３７】
ここで、受信側コア１４は、送信側コア１２と構成が同一なので、送信側コア１２について説明し、受信側コア１４については説明を省略する。
【００３８】
送信側コア１２は、中央部分を中空とすると共に、内部に環状の溝を有する環状の電力用コア１６と、電力用コア１６の内部の環状の溝に導線が巻回された、電力を伝送するための電力用コイル１８と、電力用コア１６の中央部分に配置されたデータ用コア２０と、データ用コア２０に導線が巻回された、データを伝送するためのデータ用コイル２２とで構成される。
【００３９】
電力用コア１６は、電力の伝送効率を上げるために、比透磁率が１００〜１０００の材料で作られる。本実施形態では、電力用コア１６の材料として、強磁性体であるフェライトを用いている。
【００４０】
データ用コア２０は、比透磁率が、少なくとも電力用コア１６の比透磁率より低くなるように作られる。これにより、データ用コイル２２に対する電力用コイル１８の干渉を抑制することができる。さらに、データ用コア２０の比透磁率の、電力用コア１６の比透磁率に対する比が、１０分の１未満になるように設定することが望ましい。このように設定することで、アンテナ１０が適用される回路の構成を簡便にすることができると共に、伝送エラーの発生率を低くすることができる。本実施形態では、データ用コア２０は、低透磁率材料であるポリマー系の材料で作られている。
【００４１】
なお、データ用コア２０を設けることなく、電力用コア１６の中央部分の基材２４上に、導線パタンをエッチングして、データ用コイル２２を配置してもよい。
【００４２】
次に、コイルのインダクタンスと、電圧波形との関係を示し、この関係から、データを信頼性高く伝送できる、データ信号の周波数とデータ用コイル２２のインダクタンスの上限値との関係を示す。
【００４３】
図４（Ａ）に示されるように、ハイパスフィルタ６０により高周波数成分が取り出された後の受信回路５４側の電圧波形（受信波形）は、送信回路５２側の電圧波形の微分形である。
【００４４】
ところで、コイルはＬＣのローパスフィルタのように動作する。このため、コイルのインダクタンスが大きくなると、高周波成分が減衰する。図４（Ｂ）、（Ｃ）に、インダクタンスを変化させた場合の受信波形の変化の例を示す。インダクタンスを大きくすると、受信波形のパルスの立ちあがり及び立ち下がりが遅れるようになり、パルスの半値幅が広がる。
【００４５】
図４（Ｃ）に示されるように、パルスの半値幅が広がることにより、隣り合うパルス同士が重なってしまうと、伝送の信頼性は低くなる。言い換えると、パルスの半値幅が隣り合うパルス間の間隔よりも狭い場合は、信頼性高く伝送を行うことができる。ところで、インダクタンスがｘ２倍になると、時定数はｘ倍になり、時定数がｘ倍になると、パルスの半値幅はｘ倍になることが分かっている。即ち、インダクタンスを適切に設定することにより、パルスの半値幅を隣り合うパルス間の間隔よりも狭くすることができ、信頼性高く伝送を行うことができる。
【００４６】
ここで、図５に、対向する１組のコイルを用いてデータの伝送を行う実験で得られた、送信回路５２側の電圧波形５Ａと受信回路５４側の電圧波形（受信波形）５Ｂとを示す。
【００４７】
実験に用いたコイルは、直径２４ｍｍ、１回巻であり、コイルの内側及び周囲の媒質の比透磁率は１である。このコイルのインダクタンスは５０ｎＨであり、データ信号の周波数は１０ＭＨｚである。また、対向するコイル間の距離は略０ｍｍとした。
【００４８】
図５に示されるように、インダクタンスが５０ｎＨのコイルにより、周波数が１０ＭＨｚのデータ信号の伝送を行った場合には、受信波形のパルスの半値幅は、隣り合うパルス間の間隔の約１０分の１になる。前述の通り、パルスの半値幅が隣り合うパルス間の間隔よりも狭い場合は、信頼性高く伝送を行うことができることから、パルスの半値幅を、図５に示される幅の１０倍以下にすることで、信頼性高く伝送を行うことができると推定できる。また、インダクタンスがｘ２倍になると、パルスの半値幅はｘ倍になることが分かっている。以上より、パルスの半値幅が１０倍以下になるように、インダクタンスを５０ｎＨの１００（＝１０２）倍以下に設定すればよいことが分かる。即ち、コイルのインダクタンスを５０００ｎＨ以下に設定することにより、周波数が１０ＭＨｚのデータ信号を信頼性高く伝送することができる。
【００４９】
一方、図６に示すように、データ信号の周波数を高くすると、受信波形のパルス間隔は狭くなる。このことから、信頼性高く伝送を行うためには、データ信号の周波数に応じて、コイルのインダクタンスを低く設定する必要があることが分かる。
【００５０】
以上のことから、信頼性高く伝送を行うための、データ信号の周波数とコイルのインダクタンスの上限値との関係が導出される。導出された関係を、下記の式（２）に示す。
【００５１】
Ｌ  ＜  Ｌｍａｘ  ＝  ５０／ｆ  ・・・  式（２）
但し、
Ｌ：コイルのインダクタンス（単位：μＨ）
Ｌｍａｘ：インダクタンスの上限値（単位：μＨ）
ｆ：データ信号の周波数（単位：ＭＨｚ）
である。
【００５２】
上記の式（２）のようにインダクタンスを設定することにより、データの伝送を高速に、且つ信頼性高く行なうことができる。
【００５３】
さらに、コイルのインダクタンスと比透磁率とは比例関係にあることから、実験で用いられた、直径２４ｍｍ、１回巻のコイルが取り得る比透磁率の範囲が求まる。データ信号の周波数と、コイルのインダクタンスの上限値と、最適な比透磁率の範囲との関係の一例を下記の表１に示す。
【００５４】
【表１】
2008235325.tif 000003
また、１回巻のコイルのインダクタンスは、下記の式（３）に数値を代入することで求めることができる。この式（３）から、任意のサイズのコイルについての、最適な透磁率の範囲を導出することができる。
【００５５】
Ｌ＝４πμｒＲ（２．３０３ｌｏｇ１０（１６Ｒ／ｄ）−ａ）×１０−４  ・・・式（３）
但し、
Ｌ：コイルのインダクタンス（単位：μＨ）
Ｒ：コイルの半径（単位：ｍｍ）
ｄ：導線の直径（単位：ｍｍ）
μｒ：比透磁率
ａ：定数
である。
【００５６】
次に、図７を参照して、本実施形態に係るアンテナ１０の変形例を示す。
【００５７】
変形例では、送信側コア１２及び受信側コア１４の対向面と反対側の面が、非伝送側を、フェライト等の強磁性体で作られたシート１００により覆われた構成とする。シート１００は、アンテナ１０から発生する不要な電磁波を吸収して、環境への不要な電磁波の放射を抑制する。
【００５８】
このシート１００は、少なくともデータ用コイル２２を覆うように設ける。これにより、少なくとも、データ用コイル２２からの、周波数の高い電磁波の不要放射が抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】アンテナを適用したデータを送受信する送受信回路の概略構成を示す。
【図２】アンテナの概略構成を示す。
【図３】データの符号化の例を示す。
【図４】インダクタンスと受信波形との関係を示す。
【図５】対向する１組のコイル間でデータを送受信する実験により得た送信波形と受信波形とを示す。
【図６】データ信号の周波数と、受信波形のパルス間隔との関係を示す。
【図７】本実施形態に係るアンテナの変形例を示す。
【符号の説明】
【００６０】
１０   アンテナ
１２   送信側コア
１４   受信側コア
１６   電力用コア
１８   電力用コイル
２０   データ用コア
２２   データ用コイル
２４   基材
５０   送受信回路
５２   送信回路
５４   受信回路
５６   データ生成部
５８   符号化部
６０   ハイパスフィルタ
６２   オートゲインコントローラ
６４   コンパレータ
６６   復号化部
６８   エラーチェック部
１００ シート
【図１】
2008235325.tif 000004
【図２】
2008235325.tif 000005
【図３】
2008235325.tif 000006
【図４】
2008235325.tif 000007
【図５】
2008235325.tif 000008
【図６】
2008235325.tif 000009
【図７】
2008235325.tif 000010