(57)【要約】【課題】無接点伝送のための装置であって、特に、多数の伝送場所において低コストで、同時に伝送相手間の比較的広い隙間を許容するように実現できる装置を提供する。【解決手段】本明細書には、それぞれ電気信号またはエネルギーを少なくとも１つの送信機からいくつかの受信機に無接点伝送するための装置について記載する。本発明は、各々の送信機がそれぞれ、交流電源と、前記交流電源から電力を供給される複数の誘導結合素子であって、共振回路を形成するために少なくとも１つのコンデンサに接続された誘導結合素子とを備え、さらに、１つの制御素子は、前記交流電源が共振回路の共振周波数で動作するように、前記交流電源をそれぞれ制御する送信機によって特徴付けられる。【選択図】図１
2004501540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号またはエネルギーを少なくとも１つの送信機からいくつかの受信機にそれぞれ無接点伝送するための装置において、
各々の送信機がそれぞれ、交流電源と、前記電源から電力を供給される複数の誘導結合素子であって、共振回路を形成するために少なくとも１つのコンデンサに接続された複数の誘導結合素子とを備え、さらに、１つの制御素子がそれぞれ、前記交流電源が前記共振回路の共振周波数で動作するように、前記交流電源をそれぞれ制御することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記誘導結合素子が、その寄生容量の少なくとも実質的部分が前記共振能力に寄与するように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記誘導結合素子が、直列共振回路を形成するように接続され、前記制御素子が、前記交流電源がそれぞれ並列共振周波数で動作するように設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記誘導結合素子が、並列共振回路を形成するように接続され、前記制御素子が、前記交流電源がそれぞれ直列共振周波数で動作するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
追加の容量素子が、追加の信号を伝送するために設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
追加の信号が、磁気的な外面などのその他の磁気経路、またはエネルギーの伝送のために前記経路を使用しない複数分岐磁心の場合、その他の分岐を介して送信されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの追加変調器ユニットまたは復調器ユニットが、前記共振周波数とは異なる周波数帯域内で追加の信号を伝送するために設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記追加の容量素子が、前記誘導結合素子の磁界の範囲内で前記追加の信号を伝送するために設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記追加の容量結合素子が、該誘導結合素子の機械的カバーを同時に構成するプリント基板内に組み込まれていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記制御素子が、それぞれ前記交流電源と協働し、前記共振回路が自己発振電力発振器を形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記制御素子が、それぞれ前記交流電源に対する不変の周波数を定義することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
結合線形制御装置を備えた整流器回路が、少なくとも１つの受信機に対応していることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
同期検出器が少なくとも１つの受信機の下流に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
同期検出器が少なくとも１つの受信機に対応し、位相を制御して電力を制御することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
直列整流器を備えた切換え制御装置が少なくとも１つの受信機に対応していることを特徴とする、請求項１〜１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号またはエネルギーをそれぞれ無接点伝送するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械的なプラグ／ソケット式コネクタは、多くの場合、可動手段と接触するために使用されている。こうした機械的接点システムは、非常に多用なタイプおよびモデルで市販さている。原則として、接点システムを環境による影響から保護するためには、比較的多額の費用が必要である。この場合、水やオイルなどの液体はもとより、湿分ですら浸透するのを防止する接触防止ガードは、重要な役割を果たす。特に、爆発から保護する領域では、高度の需要が存在する。こうした要件を満たすには、接点手段を複雑かつ多額なコストを要する方法でカプセル化する必要がある。したがって、構造は実質的に変化し、取扱いはより難しくなる。特に、頻繁にプラグを差し込み、プラグを引き抜くサイクルでは、こうしたプラグ／ソケット式コネクタは重大な欠点を呈する。このほかに、接点上の機械的な磨耗があり、こうした磨耗は、当初は比較的高い接触抵抗として現われ、結局は全体的な故障の原因になる。
【０００３】
ここで、無接点接続システムは、この場合の実質的な改良を構成する。誘導結合に基づく無接点伝送システムは、多岐管構成で周知されている。誘導結合に基づくシステムの一例が、開示されている（特許文献１参照。）。このシステムは、接触システムの主な欠点を回避するが、比較的多額の製造コストを必要とする。これに関して、別個の交流電圧発生機、対向側に対応する整流器が各々の伝送システムに必要である。その結果、特に、多数の接触手段を備える装置は非常に高額になる。
【０００４】
こうしたタイプの装置（特許文献２参照。）のもう１つの欠点は、２つの接触相手間の漏れインダクタンスが低い比較的不変の結合が必要な点である。漏れインダクタンスは、等価な回路図に直列インダクタンスとして表現されることもあり、特に誘導伝送のための従来の回路配列の場合、厄介な結果になる。なぜなら、こうした回路配列のインピーダンスは、伝送できる最大電流を制限するからである。しかし、漏れインダクタンスが低い装置の場合、伝送素子間の隙間の幅を最小限にする必要がある。これは、主に機械的に非常に複雑であり、実施に当たって対応性が低いことを意味する。
【０００５】
【特許文献１】
ドイツ特許第１９７　０１　３５７号明細書
【０００６】
【特許文献２】
ドイツ特許公開公報第４１　２５　１４５号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、無接点伝送のための装置であって、特に、多数の伝送場所において低コストで、同時に伝送相手間の比較的広い隙間を許容するように実現できる装置を提案するという問題に基づいている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この問題に対する本発明による１つの解決策は、請求項１に定義する。本発明の改良は、従属請求項の主題である。
【０００９】
本明細書では、「磁心」、「フェライト磁心」または「鉄心」という用語は、磁気媒体を示すために等価な意味で使用する。最も一般的な場合、この用語は、μｒ＞１の磁気媒体を意味する。信号伝送とエネルギー伝送との明確な区別は行わない。なぜなら、信号はエネルギーを伴わずに伝送することはできず、伝送されるエネルギーは情報も含むからである。
【００１０】
この本発明による装置は、電磁誘導に基づくいくつかの共振変圧器から成る。この目的のために、個々の誘導コイルは、共振回路を形成するように完成させる。この素子は、すべてのインダクタンスを対象とした隔離コンデンサであるか、または個々のコンデンサが各々別個のインダクタまたは一群のインダクタに対応している装置でも良い。次に、これらの素子は、共通の電源から電力を供給される。この電源は、交流の電圧源または電流源が伝送装置の共振周波数で動作するように、交流電源を制御する装置を備える。
【００１１】
本発明のもう１つの好都合な実施態様は、誘導結合素子の寄生容量が、共振周波数の実質的な共用に役立つように設計されている装置にある。極端な場合、寄生容量が非常に高いために、共振コンデンサを完全に省略することができる。このためには、何れにしても存在する巻線の静電容量を都合の良い方法で利用することができる。
【００１２】
本発明のその他の好都合な実施態様では、誘導結合素子を適切な静電容量で完成させて、直列共振回路を形成する。直列共振回路のこの構造は、誘導結合素子の一次側もしくは二次側または両側に随意に設けることができる。回路の直列共振のほかには、主に、さらに少なくとも１つの並列共振が可能である。しかし、この装置で重要なことは、直列共振周波数の付近で電力供給が行われるように、電源を設計するという事実である。
【００１３】
本発明のもう１つの実施態様は、誘導伝送素子が、直列接続された適切な静電容量により結合されて、並列共振回路を形成する態様にある。これは、随意に誘導結合素子の一次側もしくは二次側に完成させるか、または両側に完成させても良い。回路の並列共振のほかに、主にさらに少なくとも１つの直列静電容量を生成する。しかし、この装置に重要なことは、並列共振周波数付近で電力供給が行われるように電源を設計することである。
【００１４】
本発明のその他の好都合な実施態様では、追加の容量結合素子を設けて追加の情報を伝送する。
【００１５】
本発明のもう１つの好都合な実施態様によると、エネルギーの伝送にまだ使用されていない誘導結合素子の磁気経路を利用して、その他の情報を伝送する。この素子は、たとえば、空気を通る磁心の環境を介して磁束がその時点で存続している磁心の外面で良い。複数分岐磁心の場合、磁束は、２つの外側分岐またはその他の分岐を介して生じる。
【００１６】
本発明のもう１つの実施態様では、変調器または復調器を設けて追加の情報を伝送し、情報は、供給装置の周波数から十分に離して配置された搬送周波数により変調または復調する。こうした追加の情報の伝送は、この場合、エネルギーの伝送に使用される周波数帯域以外の周波数帯域で容易に行うことができ、つまり、エネルギーは、狭帯域幅内の子の（ｓｏｎｌｙ）共振回路により伝送されるからである。したがって、同一の結合素子を使用して、エネルギーの伝送に使用される経路と同じ磁気経路に沿って情報を伝送することができる。しかし、容量結合表面による伝送の場合も、また別の磁気経路に沿った伝送の場合も、この装置はＳＮ比を拡大する。
【００１７】
本発明のもう１つの実施態様は、これらの容量結合素子を誘導結合素子に隣接する結合範囲に配置する態様にある。こうした構成の場合、容量結合手段のための追加の空間が不要なため、きわめて空間を節約する構造が可能である。誘導伝送システムの磁界に容量結合素子をこうして配置することにより、両方の信号を別個に伝送することができる。本発明によるこの構成では、これは容易に可能であり、つまり電界および磁界は互いに影響を及ぼさないからである。本発明のもう１つの好都合な実施態様では、容量結合手段は、誘導結合手段も付加的な機械的保護を提供するプリント基板として設計される。ドイツ公開特許出願第４１　２５　１４５号（特許文献２）に記載されている装置と異なり、本発明によるこの装置は、誘導結合素子の完全なカバーになる。
【００１８】
本発明のもう１つの好都合な実施態様では、制御素子は、交流電源および共振回路と協働して、自己発振電力発振器を提供する。こうした構成の原理は、ドイツ公開特許出願第１９７　０１　３５７号（特許文献２）に記載されている。
【００１９】
もう１つの実施態様では、制御素子は、交流電源の固定周波数を定義する。
【００２０】
本発明のさらに有利な実施態様により、受信機が少なくとも１つの場合、結合線形制御装置を備えた整流器から成る回路を受信機側に設ける。こうした構成は、伝送される電圧のリップルを減少させるのに役立ち、一定の値に制御することができる。
【００２１】
本発明のもう１つの好都合な実施態様では、適切な位相制御装置により制御される同期検出器を使用する。こうした同期検出器は、能動的に接続された素子により、受動整流器で可能な場合に比べて損失が著しく少ないという利点を有する。
【００２２】
本発明のさらに有利な構造では、受信機が少なくとも１つの場合、同期検出器に位相制御装置を設け、受信機の整流器は、二次側の回路からの電力を位相制御装置により制御する。
【００２３】
本発明のもう１つの実施態様では、受信機が少なくとも１つの場合、結合切換え制御装置を備えた整流器が設けられ、出力電圧を他の値に特に低い損失で変換することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による例示的な構成を示す。送信機の場合、集積制御素子を備えた交流電源（１）は、一次巻線（２、３、４）および二次巻線（２２、２３、２４）の各々から構成される電磁誘導結合コイルに電力を供給する。この装置では、いくつかの一次巻線は個々の送信機に結合され、二次巻線は、送信機と機械的に緩やかに接触する別個の受信機に対応する。並列共振が可能な回路を達成するためには、随意に一次巻線および／または二次巻線にインダクタンスを接続して、適切な静電容量を有する並列共振回路を形成する。一次側の静電容量素子（１２、１３、１４）は送信機に対応し、二次側の静電容量素子（３２、３３、３４）は個々の受信機に対応する。
【００２５】
図２は、本発明による装置の機械的構造の一例を示す略図である。この図では、個々の受信機が送信機の対応位置にどのように対応し、フェライト磁心または鉄磁心（５０、５１）および対応する一次巻線（２、３）から成る一次側のインダクタンス素子の磁気結合、並びに一次インダクタンス素子に対応し、フェライト磁心または鉄磁心（４０、４１）および対応する巻線（２２、２３）から成る二次インダクタンス素子の磁気結合がどのように行われるかが分かる。
【００２６】
図３は、電磁誘導および容量伝送による結合装置の構造を示す。この場合、一次側のフェライト磁心（５１）は、二次側のフェライト磁心（５０）に対応する。容量信号伝送のための伝導体構造を備えるプリント基板は、磁心の２つの半体間における各側に配置される。これらのプリント基板は、短い距離だけ互いに離間配置されるため、電気信号は、形成される高容量により送信機側と受信機側との間で伝送することができる。一例として、２つの伝導体表面（６１、６２）から成るこの場合の装置を平面図で示す。
【００２７】
図４は、直列共振回路を備える例示的な装置を示す。この送信機の場合、集積制御素子を備えた交流電源（１）は、一次巻線（２、３、４）および二次巻線（２２、２３、２４）の各々から成る誘導結合素子に電力を供給する。この場合、いくつかの一次巻線は個々の送信機に結合され、二次巻線は、送信機と機械的に非接触な受信機に対応する。並列に共振可能な回路を達成するには、随意に一次巻線および／または二次巻線上でインダクタンスを補って、適切な静電容量を有する並列共振回路を形成する。一次側（１２、１３、１４）上の静電容量素子は送信機に対応し、二次側の静電容量素子（３２、３３、３４）はそれぞれ受信機に対応する。
【００２８】
図５は、本発明による二次側の回路構成の代表的な装置を示す。この場合、二次巻線（２２）は、電気信号を分離する機能を果たす。対応する並列共振静電容量は、ここでは並列共振の場合を一例として示してあるが、コンデンサ（３２）を使って実現される。この並列共振回路に送信される信号は、ダイオード（８０）により整流され、コンデンサ（８１）内で濾波される。結合線形制御装置（８２）は、出力電圧を制御するために設けられる。
【００２９】
図６は、同期検出器を備えた並列共振に関する二次側の適切な回路を例示的に示す。信号は、二次側のインダクタンス素子（２２）により分離される。インダクタンス素子（２２）は並列コンデンサ（３２）と協働して、並列共振回路を確立する。この場合、たとえば、同期検出器は、制御ユニット（８４）を介して制御される制御ＭＯＳＦＥＴ素子（８３）から構成される。出力信号は、コンデンサ（８５）により平滑化される。
【００３０】
図７は、本発明によるもう１つの装置の例示的な図であり、二次側の回路構成の出力部に切換え制御装置を備えている。この場合、信号は、やはり二次インダクタ素子（２２）によって分離され、二次インダクタンス素子（２２）は、並列に接続されたコンデンサ（３２）に接続されて並列共振回路を形成する。並列共振回路における信号はショットキーダイオード（８０）により整流され、第１濾波コンデンサ（８１）により濾波される。その後の制御および他の電圧への変換は、固定サイクル切換え制御装置（８３）により実現される。
【００３１】
図８は、それぞれ閉鎖形鉄磁心またはフェライト磁心の場合に追加の信号伝送を行う装置の例示的な図である。この場合、一次側の磁心（５１）は二次側の磁心（５２）に結合される。請求するエネルギー伝送のための磁束は、線（９０）で示す。線（９１）は、追加の信号を伝送するための磁束を表す。この場合、磁界は部分的に磁心を通過する。したがって、漏れ磁束の磁界はごくわずかであり、つまり、追加の情報を伝送するための磁界強度は、エネルギー伝送のための磁界強度より実質的に小さいからである。巻線（９２）および（９３）は、追加情報の伝送を結合及び分離するように設けられる。
【００３２】
図９は、複数分岐の鉄磁心またはフェライト磁心の場合に追加の信号伝送を行う装置の一例を示す。この場合、一次側の磁心（５１）は、二次側の磁心（５２）に結合される。請求項１によるエネルギー伝送のための磁束は、線（９０）で表す。線（９１）は、追加の信号を伝送するための磁束を示す。巻線（９１）および（９３）は、追加の情報の伝送を結合及び分離するのに役立つ。この例では、これらの巻線は、異なる巻線として設計され、エネルギー伝送のための磁束（９０）により生成される電圧は互いに補足するようになっている。
【図面の簡単な説明】
本発明について、例示的な実施態様により図面に関して以下に説明するが、これら実施態様は、本発明による一般的な着想を制限することを意図するのではない。ちなみに、図面の明確な引用は、本発明によるすべての詳細の開示情報を本文中でより網羅的に説明しない場合に行う。
【図１】
並列共振回路を備える本発明による装置の回路図の一例を示す。
【図２】
本発明による装置の機械的構造の略図である。
【図３】
誘導および容量伝送による結合装置の構造を示す。
【図４】
直列共振回路を備えた例示的な構成を示す。
【図５】
整流器と、結合する線形制御装置を備えた例示的な構成を示す。
【図６】
同期検出器を備えた装置の一例を示す図である。
【図７】
結合切換え制御装置を備えた整流器の例示的な構成を示す。
【図８】
閉鎖形鉄磁心またはフェライト磁心の場合に追加の信号伝送が行われる例示的な構成の図である。
【図９】
複数分岐鉄磁心またはフェライト磁心の場合に追加の信号伝送が行われる例示的な装置を示す。
【符号の説明】
１　電源
２　一次巻線
３　一次巻線
４　一次巻線
１２　一次側静電容量素子
１３　一次側静電容量素子
１４　一次側静電容量素子
２２　二次巻線
２３　二次巻線
２４　二次巻線
３２　二次側静電容量素子
３３　二次側静電容量素子
３４　二次側静電容量素子
【国際公開パンフレット】
2004501540.tif 000003
2004501540.tif 000004
2004501540.tif 000005
2004501540.tif 000006
2004501540.tif 000007
2004501540.tif 000008
2004501540.tif 000009
2004501540.tif 000010
2004501540.tif 000011
2004501540.tif 000012
2004501540.tif 000013
2004501540.tif 000014
2004501540.tif 000015
2004501540.tif 000016
2004501540.tif 000017
2004501540.tif 000018
2004501540.tif 000019
2004501540.tif 000020
2004501540.tif 000021
2004501540.tif 000022
2004501540.tif 000023
2004501540.tif 000024
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004501540.tif 000025
2004501540.tif 000026
【国際調査報告】
2004501540.tif 000027
2004501540.tif 000028
2004501540.tif 000029
2004501540.tif 000030
2004501540.tif 000031
2004501540.tif 000032