(57)【要約】 【課題】コアレスのプリントコイルを用いた、非接触タイプの電源供給システムの提供。【解決手段】電磁誘導のためのコイル手段として、プリントコイルを用いる。そのプリントコイル６０，９０は、絶縁基板６９０の表裏両面にコイルパターン９６をもつ。しかも、それら表裏のコイルパターン９６を電気的に並列に接続する。それにより、電源として必要とされるだけの所定の電力を得る。また、各プリントコイル６０，９０を組み付けるとき、複数の支柱５０を用いると良い。それら支柱５０の一部を利用して表裏の両コイルパターン９６を電気的に接続することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源をもつ固定側から電源をもたない回転側へと非接触で電源供給を行うための非接触タイプの電源供給システムであって、
前記回転側に位置し、その回転側の物理特性を電気信号として検出し、しかも伝送に適した信号に変換処理する検出・変換手段と、
前記固定側に位置し、その固定側の電源から電力の供給を受け所定の電流が流れる送信コイル手段と、
前記回転側に位置し、前記固定側の送信コイル手段に対向し、その送信コイル手段と相まって電磁誘導によって起電力を生じる受信コイル手段とを備え、この受信コイル手段に基づく電圧を利用して前記回転側に電源供給を行うものにおいて、次の各点に特徴がある、非接触タイプの電源供給システム。
（Ａ）前記送信コイル手段および前記受信コイル手段を、共に絶縁基板上にコイルパターンをもつプリントコイルから構成する
（Ｂ）前記の各プリントコイルが、前記絶縁基板の表裏にそれぞれコイルパターンをもつ
（Ｃ）前記の表裏の両コイルパターンを共に並列接続する
【請求項２】
前記検出・変換手段による変換信号を前記固定側に非接触で伝送する伝送手段をさらに備える、請求項１の電源供給システム。
【請求項３】
前記検出・変換手段は、前記検出した電気信号を電圧−周波数に変換する変換器を含む、請求項１の電源供給システム。
【請求項４】
前記固定側および前記回転側の各プリントコイルを複数の支柱によってそれぞれ支持し、しかも、それらの支柱の少なくとも一部を電気的導通に用いる、請求項１の電源供給システム。
【請求項５】
前記の各プリントコイルが、前記コイルパターンの内側に孔をもつドーナツ型の形状であり、前記回転側を構成するシャフトを前記孔に挿入可能である、請求項１の電源供給システム。  
【請求項６】
前記回転側の物理特性が、トルク、荷重、温度、変位、圧力、振動の少なくとも一つである、請求項１の電源供給システム。
【請求項７】
前記伝送手段は、前記回転側に位置し、前記検出・変換手段による変換信号を送信する送信手段と、前記固定側に位置し、前記送信手段が送信する送信信号を受信する受信手段とを備える、請求項２の電源供給システム。
【請求項８】
前記伝送手段が、光信号によるものである、請求項７の電源供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源をもつ固定側から電源をもたない回転側へと非接触で電源供給を行うための技術であり、特には、電磁誘導作用によって電源供給を行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転シャフト等の回転側の物理特性（たとえば、トルク、荷重、温度、変位、圧力、振動など）を計測する場合、回転側には、計測すべき物理特性を電気信号として検出し、伝送に適した信号に変換処理する検出・変換手段を配置する。その回転側の検出・変換手段を駆動するためには電源が必要である。小型化の点から、通例、回転側は電源をもたず、回転側の検出・変換手段は、固定側の電源を用いて電力の供給を受ける。    
【０００３】
このような固定側から回転側へと電源を供給する方法として、一般に、スリップリングとブラシとを用いる機械的な接触タイプのほか、ロータリトランスを利用する非接触タイプが知られている。両者を比較した場合、信頼性や耐久性の点で後者の非接触タイプがすぐれている（特許文献１や２を参照）。  
【０００４】
非接触タイプは、固定側に送信コイル手段、回転側に受信コイル手段をそれぞれもち、固定側の送信コイル手段に電源から電力を供給し、電磁誘導作用によって、回転側の受信コイル手段に起電力を生じさせ、それに伴う電圧を回転側の検出・変換手段など（検出・変換手段のほか、たとえば、検出・変換手段からの変換信号を受け、それを非接触で送信する送信手段）の駆動に供する。
【特許文献１】特開２００１−２２１６９８号公報
【特許文献２】特許第３４４８７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非接触タイプで用いるロータリトランスは、たとえば、円形のフェライトコアに巻線コイルを支持させた構成である。そのような巻線コイルをもつコアが送信側と受信側とにあり、送信側に交流電圧を印加し、電磁誘導作用によって受信側に起電力を生じさせ、それを安定化させて回転側の駆動用電源として利用する。しかし、このようなロータリトランスには、いくつかの難点がある。第１に、多種少量生産に不向きである点である。巻線コイルは、ボビンに電線（コイル）を巻くため、種類に応じてボビンをも合わせて加工しなければならない。その上、金型を用いてコアを粉末成形するので、ある程度の量産が前提であり、多種少量の生産では加工コストが高くなり、採算的に無理がある。また第２に、コアがあるため、小型化の点でも限界がある。  
【０００６】
そのような難点を考慮し、発明者は、コイルをパターン化したプリントコイルに着目した。コアレスにすることにより、しかもまた、ボビンを不要とすることにより、今までの一般的なコア付き巻線コイルの難点を一掃することができるからである。しかも、コアレスのプリントコイルは、コアおよび巻線コイルを使用しないため、装置の中での専有スペースを小さくし、装置を小型化および軽量化することができるし、コスト的にも有利である。さらには、プリントコイルは、絶縁基板上にコイルパターンをもつという構成から、少量生産にも適している。
【０００７】
しかし、コアレスのプリントコイルは、コアレスに伴ってコイル成分のインダクタンスが低くなり、通常のロータリトランスに代わるものとしては機能しなくなる。これを解決するため、コイルパターンを絶縁基板の表裏両面に形成することを考えた。そして、表裏両面にコイルパターンをもつプリントコイルについて、いろいろと実験をし検討をした。その結果、インダクタンスを高くするため通常は表裏の両コイルパターンを直列に接続する方法を採用するところであるが、その方法では、回転側の回路を駆動させるのに充分な大きさの電力を得ることが難しいことが判明した。直列接続で電力を増大させるためには、コイルパターンの厚さおよび／または幅を大きくせざるを得ないが、規格の制約によりパターンの厚さを大きくすることはできないし、パターン幅を大きくすれば、全体の小型化を達成することができなくなってしまう。
【０００８】
そこで、この発明は、コアレスのプリントコイルを用いた、有用な非接触タイプの電源供給システムを提供することを目的とする。この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
電磁誘導作用のためには、電源のある固定側に送信コイル手段、電源をもたない受信側に受信コイル手段をそれぞれ備え、それらの両コイル手段を互いに対向させるように配置することが必要である。この発明では、それら両コイル手段を、共に絶縁基板上にコイルパターンをもつプリントコイルから構成する。        
【００１０】
プリントコイルのコイルパターンは、たとえば３５μｍの厚さの非常に薄い渦巻き状の導体パターンである。小型化を図るためには、そのパターン幅を細くし、有効な電磁誘導作用を生じるようなコイル巻数を確保しなければならない。しかし、コイルパターンのパターン幅をそのように細くすると、導体パターンの断面積が小さくなり、所定の電流を流すことができない。そのため、この発明では、絶縁基板の表裏両面にコイルパターンを形成し、しかも、それら表裏両面のコイルパターンを並列に接続する。このような表裏両面のコイルパターンを並列接続するという構成により、プリントコイルの小型化を図りつつ、所定の電力を得ることができる。      
【００１１】
受信コイル手段としての回転側プリントコイルに誘起される起電力は、コアレスのプリントコイルであるため微小な電力である。その微小な電力を電源としてさらに有効にするため、出力を高めることが好ましい。そのためには、回転側プリントコイルに並列共振回路を形成するようにすると良い。並列共振回路により、回転側プリントコイルに誘起される電圧の振幅を大きくすることができ、送信側のプリントコイルの供給電圧に対して、たとえば、約４倍の出力電圧を得ることができる。この増大した電圧を通常の処理、つまり、整流、平滑、安定化して回転側の電源として利用することができる。
【００１２】
送信コイル手段としての固定側プリントコイルと、受信コイル手段としての回転側プリントコイルとは、回転側および固定側の各回路に電磁誘導に伴う悪影響を及ぼさないように、それら各回路と空間を離し（つまり、所定のギャップをもたせて）配置するのが好ましい。その手法として、絶縁基板の表裏両面にコイルパターンをもつ平板形状のプリントコイルを複数の支柱で支持する方法を採用することができる。支柱は、一般に円形のプリントコイルの周囲にたとえば３〜５本を互いに隔てるように分布させる。好ましくは、それら支柱の少なくとも一本を利用して、表裏の両コイルパターンを電気的に導通させると良い。  
【００１３】
通常、回転側を構成するものはシャフトである。そこで、各プリントコイルを、表裏の各コイルパターンの内側に孔をもつドーナツ型の形状とし、内側の孔にシャフトを挿入するようにすることができる。
【００１４】
この発明は、電源をもつ固定側から電源をもたない回転側へと非接触で電源供給を行う場合に広く適用することができるが、特には、回転側で計測した電気信号を固定側に伝送する手段を伴う場合に好適に適用することができる。そのような計測技術にこの発明を適用することにより、システムあるいは装置を小型かつ軽量にすることができ、しかもまた、高速回転に耐え、長期間安定したデータ伝送を行うことができる。  
【実施例】
【００１５】
図１は、この発明を適用した回転トルクメータの全体構成図であり、また、図２は、その回路構成を示すブロック図である。回転トルクメータは、まっすぐに伸びるシャフト１０を備える。このシャフト１０は回転側の主体であり、一方の端部１０Ｄに駆動軸を連結し、他方の端部１０Ｆに従動軸を連結する。シャフト１０の途中にひずみを生じやすくした部分１０Ｃがあり、そこにひずみゲージを取り付ける。すなわち、部分１０Ｃがトルク検出部である。
【００１６】
シャフト１０は、ベアリングを含む一対の側板１２，１４によって回転可能に支持され、トルク検出部（部分１０Ｃ）に隣り合う中央部分に回転モジュール２０を一体に支持している。回転モジュール２０は、外周の保護リング２１０の内周に、軸線方向に隔てた２つのモジュールを一体に備える。モジュールの一つは、トルク検出部からの検出信号を受け、それを伝送に適した変換信号に変換処理する検出・変換手段としてのトルク計測・送信部モジュール３０である。もう一つのモジュールは、電源受信部モジュール４０であり、それには、後で詳しく述べるように、支柱５０によって電源受信用プリントコイル６０が支持されている。          
【００１７】
一対の側板１２，１４は固定側の構成要素である。トルク検出部に近接した側板１２は、スペーサ１２Ｓを介してトルク信号受信部モジュール７０を一体に支持している。また、もう一方の側板１４も、同様にスペーサ１４Ｓを介して電源送信部モジュール８０を一体に支持している。そして、電源送信部モジュール８０の一側面に支柱５０によって電源供給用プリントコイル９０が支持されている。      
【００１８】
図３は、電源送受信部の等価回路図を示している。この図３とブロック図を示す図２とを参照しながら、電源送受信のための各回路を説明する。固定側には、たとえば、ＤＣ１２ボルトの電源から入力を受ける電源部１００がある。電源部１００は、固定側の各回路に対し、所定の電源電圧を加える。モジュール化した固定側の電源送信部モジュール８０は、電源部１００に接続されるパルス発信器８１０と、パルス発信器８１０からの信号をオン／オフにスイッチングするスイッチング素子８２０とを備え、電源送信用プリントコイル９０にパルス状の電圧を印加する。プリントコイル９０側のインダクタンスが低いので、スイッチング周波数は高く（４５０ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの範囲に）設定する。
【００１９】
固定側の電源送信用プリントコイル９０は、回転側の電源受信用プリントコイル６０に対向し、電磁誘導作用によってプリントコイル６０に起電力を生じる。この回転側のプリントコイル６０に続く部分に、整流平滑回路４１０、インダクタンスＬとコンデンサＣによる並列共振回路４２０を形成し、プリントコイル６０に誘起する電圧を整流平滑し、さらに増大させるようにしている。これにより、たとえば、約４倍に増大した電圧を得ることができる。増大した電圧は、定電圧回路４３０によって安定化してから回転側のトルク計測・送信部モジュール３０の駆動に供する。ここで、並列共振回路４２０には、温度特性にすぐれ、かつ高周波回路に適したコンデンサＣを使用するのが好ましい。その点、ポリプロピレンフィルムで耐圧１００ボルト以上のコンデンサを使用することにより、−１０℃〜＋８０℃という広範囲な温度範囲で充分な性能を発揮することができる。    
【００２０】
図４は、計測信号送受信部の等価回路図である。この図４とブロック図を示す図２とを参照しながら、計測信号送受信のための回路を説明する。回転側のトルク計測・送信部モジュール３０は、トルク検出部１０Ｃからの電気抵抗変化に基づく検出信号を受け、それを増幅する増幅器３１０と、増幅器３１０からの増幅信号を電圧−周波数（Ｖ−Ｆ）変換する変換器３２０と、変換器３２０からの変換信号をパルス状光信号として送信するパルス送信部３３０とを一体に備える。一方、回転側のトルク計測・送信部モジュール３０に対向する固定側のトルク信号受信部モジュール７０には、パルス送信部３３０から送信される光信号を受信する赤外フォトダイオードを含むパルス受信部７１０のほか、パルス受信部７１０からの信号を周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換する変換器７２０、および変換器７２０による変換信号を増幅する増幅器７３０などがある。  
【００２１】
さて、モジュール化した回転側の回転モジュール２０および固定側の電源送信部モジュール８０は、それぞれ両側面が互いに平行なリング形状である。そのため、それらの各一側面に支柱５０を立てることにより、共に平たい電源受信用プリントコイル６０および電源供給用プリントコイル９０を対面させるようにそれぞれ支持することができる。これら両プリントコイル６０，９０は、絶縁基板６９０の表裏両面に渦巻き状のコイルパターン９６をもち、全体的に同様の構成である。各プリントコイルは、たとえば、次の仕様をもつ。
ドーナツ型の絶縁基板の厚さ：１．６ｍｍ
その絶縁基板の寸法：外径８０ｍｍ×内径４６ｍｍ
銅箔製のコイルパターンの厚さ：３５μｍ
コイルパターンのパターン幅：０．２５ｍｍ
パターン間のギャップ：０．２５ｍｍ
渦巻き回数：１８ターン
プリントコイル６０，９０は、隣接するモジュールに対し、電磁誘導の影響を及ぼさないような空間を設けて配置するが、スペース的に余裕があるときには、絶縁基板の外径寸法を大きくし、コイルパターンの渦巻き回数を増やすことにより、周波数を低くすることができる。              
【００２２】
図５は、プリントコイル６０（９０）の正面を示している。ドーナツ型の絶縁基板６９０上、コイルパターン９６の外周に４つの支柱５０を周方向にほぼ等間隔に配置している。それらの支柱５０は導電材料製であり、図の左上のものについては、支柱として用いるほか、表裏のコイルパターンを電気的に接続するためにも用いている。そのため、プリントコイルの組み付けが容易であり、しかも、配線が不要である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明を適用した回転トルクメータの全体構成図である。
【図２】図１の回転トルクメータの回路構成を示すブロック図である。
【図３】電源送受信部の等価回路図である。
【図４】計測信号送受信部の等価回路図である。
【図５】プリントコイルの正面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  シャフト
２０  回転モジュール
３０  トルク計測・送信部モジュール
４０  電源受信部モジュール
５０  支柱
６０  電源受信用プリントコイル
７０  トルク信号受信部モジュール
８０  電源送信部モジュール
９０  電源供給用プリントコイル
１００  電源部（電源）  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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