(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離可能な一次側回路と二次側回路とを有し、当該両回路の近接時に前記一次側回路から前記二次側回路にワイヤレス給電すると共に、前記二次側回路に備えられた検出部による検出結果を一次側回路にワイヤレス伝送する非接触検出システムであって、
前記一次側回路に備えられる一次コイルと前記二次側回路に備えられる二次コイルとを有し、前記両回路の近接時に当該両コイルが磁気結合してワイヤレス給電を行うトランスと、
前記二次側回路に備えられ、機械的変位量あるいは物理量の変化によりインピーダンスが変化する検出部と、
前記二次側回路において前記検出部と直列接続又はブリッジ接続され、前記機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持する基準部と、
前記二次側回路に備えられ、前記二次側回路において前記検出部及び前記基準部の端子電圧を示す端子電圧信号がそれぞれ接続される二次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記両回路の近接時にそれぞれ前記二次側電極と対向して当該二次側電極と共にキャパシタを形成する一次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記キャパシタを介して受け取った前記端子電圧信号と前記基準部のインピーダンスとに基づいて前記検出部のインピーダンスを求めると共に、前記検出部のインピーダンスに基づいて前記機械的変位量あるいは物理量を演算する演算部と、
を備える非接触検出システム。
【請求項２】
分離可能な一次側回路と二次側回路とを有し、当該両回路の近接時に前記一次側回路から前記二次側回路にワイヤレス給電すると共に、前記二次側回路に備えられた検出部による検出結果を一次側回路にワイヤレス伝送する非接触検出システムであって、
前記一次側回路に備えられる一次コイルと前記二次側回路に備えられる二次コイルとを有し、前記両回路の近接時に当該両コイルが磁気結合してワイヤレス給電を行うトランスと、
前記二次側回路に備えられ、機械的変位量あるいは物理量の変化によりインピーダンスが変化する検出部と、
前記二次側回路において前記機械的変位量あるいは物理量の変化により相補的にインピーダンスが変化する複数の前記検出部により構成され、当該複数の検出部の合成インピーダンスが前記機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持する基準部と、
前記二次側回路に備えられ、前記二次側回路において前記検出部及び前記基準部の端子電圧を示す端子電圧信号がそれぞれ接続される二次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記両回路の近接時にそれぞれ前記二次側電極と対向して当該二次側電極と共にキャパシタを形成する一次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記キャパシタを介して受け取った前記端子電圧信号に基づいて前記複数の検出部の各検出部のインピーダンスと前記検出部の合成インピーダンスを基準とする前記基準部のインピーダンスとの比を求めることにより前記機械的変位量あるいは物理量を演算する演算部と、
を備える非接触検出システム。
【請求項３】
前記演算部は、差動演算部を有し、前記端子電圧信号に基づいて前記検出部及び前記基準部の端子間電圧を演算し、当該端子間電圧に基づいて前記検出部及び前記基準部のインピーダンスの比を求める請求項１又は２に記載の非接触検出システム。
【請求項４】
前記一次側回路と前記二次側回路との近接時に前記キャパシタを構成する前記一次側電極及び前記二次側電極の実効電極面積が等価であり、各キャパシタを構成する前記一次側電極と前記二次側電極との電極間距離がそれぞれ等比の関係である請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触検出システム。
【請求項５】
それぞれ等比の関係である前記電極間距離は、等比係数１の等距離である請求項４に記載の非接触検出システム。
【請求項６】
前記検出部は、感熱抵抗を含んで構成される請求項１〜５の何れか一項に記載の非接触検出システム。
【請求項７】
前記検出部は、ポテンショメータ、可変抵抗、バリアブルコンデンサ、可変インダクタンスの何れかを含んで構成される請求項１〜５の何れか一項に記載の非接触検出システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離可能な一次側回路と二次側回路とを有し、当該両回路の近接時に前記一次側回路から前記二次側回路にワイヤレス給電すると共に、前記二次側回路に備えられた検出部による検出結果を一次側回路にワイヤレス伝送する非接触検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気的に結合した一次コイルと二次コイルとを用いて交流電源をワイヤレス伝送すると共に、二次コイル側に接続された回路の情報を一次コイル側にワイヤレス伝送する技術が知られている。例えば、下記に示す特許文献１には、二次コイル側に発光ダイオード、一次側に受光素子を備えてフォトカプラを構成し、光通信により二次コイル側の回路から一次コイル側の回路へ情報をワイヤレス伝送する技術が開示されている。また、下記に示す特許文献２には、二次コイルに重畳された情報を誘導結合によって一次コイルにワイヤレス伝送する技術が開示されている。また、下記に示す特許文献３には、容量結合によって電力と情報とをワイヤレス伝送する技術が開示されている。また、下記に示す特許文献４には、給電用コイルから受電用コイルを介して非接触給電を行う装置において、受電側の装置から無線（radio）により給電側の装置に情報をワイヤレス伝送する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】実公平７−４７９５７号公報（第５欄第３０行〜第６欄第１２行、第４図等）
【特許文献２】特開２００５−２９２９１号公報（第３２〜３４段落、図２等）
【特許文献３】特開２０００−２８６７６０号公報（第１９〜３２段落等）
【特許文献４】特開平１０−２２５０２２号公報（第３３〜３９段落等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のワイヤレス伝送技術では、何れの場合も、一次側の回路や装置へ情報を伝送するための制御部が二次側の回路や装置に設けられている。例えば、特許文献１では、二次側の回路に備えられたモニタ回路が充電される電池の出力電圧をモニタし、そのモニタ結果を残量低下情報として出力して発光ダイオードを発光させる。特許文献２では、二次側の装置であるエレベーターの乗りかごに備えられたインターフェイスコントローラから出力されたトリガ信号に応答して充電状態信号が二次側コイルに印加される。特許文献３では、非接触給電を行う結合器に不図示の通信機が接続されており、通信機が出力する信号が容量結合により給電線に送出される。特許文献４では、受電用コイルの没入検知センサの状態を車載コントローラがモニタし、モニタ結果を車載無線通信機を通じて一次側の装置である地上コントローラに報知する。このように、特許文献１〜４においては、それぞれ、モニタ回路、インターフェイスコントローラ、通信器、車載コントローラなどの制御部が二次側の回路や装置に設けられている。従って、これら従来の技術では、二次側の回路や装置が複雑化する。例えば、センサ回路が組み込まれた二次側の回路に非接触給電し、一次側の回路で当該センサの検出結果をワイヤレス伝送によって受信するようなセンサシステムを構築する場合、センサが組み込まれた二次側の回路が複雑化する。
【０００５】
本願発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、一次側から二次側へ非接触給電すると共に、二次側の回路構成を小規模に留め、二次側で得られた情報を一次側へワイヤレス伝送することが可能な非接触検出システム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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係る非接触検出システムの特徴構成は、
分離可能な一次側回路と二次側回路とを有し、当該両回路の近接時に前記一次側回路から前記二次側回路にワイヤレス給電すると共に、前記二次側回路に備えられた検出部による検出結果を一次側回路にワイヤレス伝送する非接触検出システムであって、
前記一次側回路に備えられる一次コイルと前記二次側回路に備えられる二次コイルとを有し、前記両回路の近接時に当該両コイルが磁気結合してワイヤレス給電を行うトランスと、
前記二次側回路に備えられ、機械的変位量あるいは物理量の変化によりインピーダンスが変化する検出部と、
前記二次側回路において前記検出部と直列接続又はブリッジ接続され、前記機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持する基準部と、
前記二次側回路に備えられ、前記二次側回路において前記検出部及び前記基準部の端子電圧を示す端子電圧信号がそれぞれ接続される二次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記両回路の近接時にそれぞれ前記二次側電極と対向して当該二次側電極と共にキャパシタを形成する一次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記キャパシタを介して受け取った前記端子電圧信号と前記基準部のインピーダンスとに基づいて前記検出部のインピーダンスを求めると共に、前記検出部のインピーダンスに基づいて前記機械的変位量あるいは物理量を演算する演算部と、
を備える点にある。或いは、
分離可能な一次側回路と二次側回路とを有し、当該両回路の近接時に前記一次側回路から前記二次側回路にワイヤレス給電すると共に、前記二次側回路に備えられた検出部による検出結果を一次側回路にワイヤレス伝送する非接触検出システムであって、
前記一次側回路に備えられる一次コイルと前記二次側回路に備えられる二次コイルとを有し、前記両回路の近接時に当該両コイルが磁気結合してワイヤレス給電を行うトランスと、
前記二次側回路に備えられ、機械的変位量あるいは物理量の変化によりインピーダンスが変化する検出部と、
前記二次側回路において前記機械的変位量あるいは物理量の変化により相補的にインピーダンスが変化する複数の前記検出部により構成され、当該複数の検出部の合成インピーダンスが前記機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持する基準部と、
前記二次側回路に備えられ、前記二次側回路において前記検出部及び前記基準部の端子電圧を示す端子電圧信号がそれぞれ接続される二次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記両回路の近接時にそれぞれ前記二次側電極と対向して当該二次側電極と共にキャパシタを形成する一次側電極と、
前記一次側回路に備えられ、前記キャパシタを介して受け取った前記端子電圧信号に基づいて前記複数の検出部の各検出部のインピーダンスと前記検出部の合成インピーダンスを基準とする前記基準部のインピーダンスとの比を求めることにより前記機械的変位量あるいは物理量を演算する演算部と、
を備える点にある。
【０００７】
本特徴構成によれば、一次側回路と二次側回路とが分離可能であり、検出部は二次側回路に備えられ、検出部による検出結果である物理量は一次側回路で演算される。二次側回路は、検出部及び基準部が直列又はブリッジ接続されただけの小規模な回路で構成される。又は、二次側回路は、複数の検出部及び当該複数の検出部から構成され、その合成インピーダンスが一定である基準部からなる小規模な回路で構成される。二次側回路には、機械的変位量あるいは物理量を演算するための回路や、ワイヤレス伝送を制御する制御回路などの一般的に規模が大きくなる回路は含まれない。二次側回路から一次側回路には、キャパシタを介して検出部及び前記基準部の端子電圧を示す端子電圧信号が静的にワイヤレス伝送される。従って、本特徴構成によれば、一次側から二次側へ非接触給電すると共に、二次側の回路構成を小規模に留め、二次側で得られた情報を一次側へワイヤレス伝送することが可能な非接触検出システムを提供することができる。
【０００８】
また、検出部を有する二次側回路は、回路規模が小さく、内部に電源も必要ではないことから安価に構成することができる。従って、機械的変位量あるいは物理量の検出が必要な多くの場所に二次側回路を設置したとしても、総設置費用を抑制することができる。一次側回路は、二次側回路よりも構成が複雑であり、電源も必要であるので、二次側回路に比べて高価である。しかし、多くの場所に設置された二次側回路に対して、１つの一次側回路を順次近接させていけば、各二次側回路によって検出された機械的変位量あるいは物理量を順次得ることができる。従って、総費用を抑制した上で、多くの情報を取得することが可能な非接触検出システムを実現することができる。
【０００９】
また、本発明に係る非接触検出システムのさらなる特徴構成は、前記演算部が、差動演算部を有し、前記端子電圧信号に基づいて前記検出部及び前記基準部の端子間電圧を演算し、当該端子間電圧に基づいて前記検出部及び前記基準部のインピーダンスの比を求める点にある。
【００１０】
検出部及び基準部は、直列接続又はブリッジ接続される。直列接続やブリッジ接続は、回路に流れる電流の大きさや比率を把握することが容易な回路構成である。本特徴構成によれば、端子電圧信号に基づいて各検出部及び各基準部の端子間電圧が演算される。上述したように電流の把握が容易なことから、この端子間電圧に基づきオームの法則を利用して、検出部と基準部とのインピーダンスの比を良好に求めることができる。
【００１１】
また、本発明に係る非接触検出システムのさらなる特徴構成は、前記一次側回路と前記二次側回路との近接時に前記キャパシタを構成する前記一次側電極及び前記二次側電極の実効電極面積が等価であり、各キャパシタを構成する前記一次側電極と前記二次側電極との電極間距離がそれぞれ等比の関係である点にある。
【００１２】
各キャパシタの実効電極面積が等価である場合、キャパシタの容量は一次側電極と二次側電極との電極間距離に反比例する。つまり、各キャパシタの電極間距離を一定に保つことによって、キャパシタの容量の比を一定に保つことができる。電極間距離は、システムの構造、即ち一次側回路と二次側回路との近接時の構造より既知であるから、各キャパシタの比例係数も既知となる。キャパシタの比例係数は各キャパシタを介して伝送される各端子電圧信号の比例係数となる。従って、キャパシタの比例係数が一定であれば、二次側回路における端子電圧信号の電圧値を演算部において正確に再現させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る非接触検出システムは、上記のように前記キャパシタの各電極の実効電極面積が等価であり、各キャパシタにおける前記電極間距離がそれぞれ等比の関係である場合、それぞれ等比の関係である前記電極間距離が、等比係数１の等距離であることを特徴とする。
【００１４】
電極間距離が等しければ、システム中の全てのキャパシタの容量が等価となる。キャパシタを介して伝達される端子電圧信号は同じ変化率（増幅率や減衰率）で伝送されることになる。従って、二次側回路における端子電圧信号の電圧値を、演算部においてさらに正確に再現させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る非接触検出システムの特徴構成は、さらに、前記検出部が、感熱抵抗を含んで構成される点にある。
【００１６】
感熱抵抗、例えばサーミスタは、物理量としての温度によって受動素子としての回路定数である抵抗値、即ちインピーダンスが変化する。従って、温度を検出する検出部として利用することができる。例えば、機器の内側に二次側回路を、二次コイル及び二次側電極を外装側に向けて設置し、一次側回路を当該機器の外装の外側から近接させることによって、当該機器の内側の温度を当該機器の外部から検出することが可能となる。つまり、検出部が感熱抵抗を含んで構成されることにより、本発明の好適な実施形態を得ることが可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る非接触検出システムの他の特徴構成は、前記検出部が、ポテンショメータ、可変抵抗、バリアブルコンデンサ、可変インダクタンスの何れかを含んで構成される点にある。
【００１８】
ポテンショメータ、可変抵抗、バリアブルコンデンサ、可変インダクタンスは、機械的変位量あるいは物理量によって抵抗値や容量、インダクタンスなど、主に受動素子としての回路定数が変化し、インピーダンスが変化する。従って、本発明の検出部として好適である。検出部がこれら何れかを含んで構成されることにより本発明の好適な実施形態を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図である。一次側回路１と二次側回路２とは、それぞれ異なる不図示の筐体に格納されており、分離及び近接可能に構成されている。一次側回路１及び二次側回路２の筐体は、例えば、互いに嵌合する嵌合部や、磁力により外装同士が吸着する吸着部を備えている。回路自体は、両筐体の内部に格納されているため、両筐体が嵌合した状態や吸着した状態において、一次側回路１と二次側回路２とは相対的に位置決めされて近接状態となる。また、両筐体が嵌合状態や吸着状態を解消した場合には、一次側回路１と二次側回路２とは分離状態となる。
【００２０】
一次側回路１は一次コイル３１を備えており、二次側回路２は二次コイル３２を備えている。一次側回路１と二次側回路２とが相対的に位置決めされて近接状態にあるとき、一次コイル３１と二次コイル３２とは磁気的に結合してトランス３を構成する。従って、一次側回路１と二次側回路２とが近接状態にあるとき、一次側回路１から二次側回路２へワイヤレス給電することが可能である。一次側回路１は交流電源１０を備えており、交流電源１０は一次コイル３１に接続されて一次コイルに電力を供給する。一次コイル３１の励磁電流を低減するため、交流電源１０は、５０〜６０Ｈｚの商用周波数よりも高周波数の数ｋ〜１００ｋＨｚの電力を一次コイル３１に供給する。トランス３は、一次コイル３１に印加された電圧に応じた電圧を二次コイル３２に発生させる。尚、トランス３は、磁性体による分割コアを有して構成されると好適である。この構成によるトランス３は、一次コイル３１と二次コイル３２とが分離可能であり、且つ一次コイル３１の励磁電流を低減させることができる。二次コイル３２の出力には、必要に応じて負荷２０が接続される。
【００２１】
二次側回路２には、位置や角度などの機械的変位量や、温度などの物理量を検出する検出部５が備えられている。検出部５は、機械的変位量あるいは物理量の変化によりインピーダンスが変化する素子である。例えば、検出部５は、温度の変化によって抵抗が変化するサーミスタや、角度の変化により抵抗が変化するポテンショメータなどにより構成される。本実施形態では、このような可変インピーダンス素子５１により検出部５が構成される例を示している。そして、検出部５による検出結果は、一次側回路１にワイヤレス伝送される。つまり、本実施形態の非接触検出システムは、分離可能な一次側回路１と二次側回路２との近接時に一次側回路１から二次側回路２にワイヤレス給電すると共に、二次側回路２に備えられた検出部５による検出結果を一次側回路１にワイヤレス伝送するシステムである。
【００２２】
また、二次側回路２には、検出部５と直列接続され、機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持する基準部６が備えられている。基準部６は、抵抗器など、固定抵抗値を有する抵抗器などによって構成される。特に、検出対象の物理量が温度であるような場合には、温度変化による抵抗値の変化が少ない抵抗器、即ち温度特性のよい抵抗器を用いると好適である。本実施形態では、２つの基準部６が固定抵抗器のような固定インピーダンス素子６１、６２で構成される例を示している。
【００２３】
本実施形態では、図１に示すように二次コイル３２の出力に、１つの可変インピーダンス素子５１と２つの固定インピーダンス素子６１、６２とからなる直列回路が接続されている。具体的には、二次コイル３２の出力の一端に可変インピーダンス素子５１の一端が接続され、可変インピーダンス素子５１の他端は第１の固定インピーダンス素子６１の一端に接続される。第１の固定インピーダンス素子６１の他端は第２の固定インピーダンス素子６２の一端に接続される。第２の固定インピーダンス素子６２の他端は、二次コイル３２の他端に接続される。本実施形態では、二次コイル３２の出力に直接、検出部５及び基準部６からなる回路が接続されている例を示しているが、直流への整流回路などを介して接続される形態であってもよい。追って示す第２実施形態以降においても同様である。
【００２４】
尚、可変インピーダンス素子５１はＺ０（Ω）、第１の固定インピーダンス素子６１はＺ１（Ω）、第２の固定インピーダンス素子６２はＺ２（Ω）のインピーダンスを有するものとする。また、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０は、機械的変位量あるいは物理量に応じて変化する値である。
【００２５】
また、二次側回路２には、二次側回路２において検出部５及び基準部６の端子電圧を示す端子電圧信号がそれぞれ接続される二次側電極４２が備えられている。各二次側電極４２は、一次側回路１に備えられて、一次側回路１と二次側回路２との近接時に各二次側電極４２と対向する各一次側電極４１と共にキャパシタ４を形成する。つまり、近接する一次側回路１と二次側回路２との間にキャパシタ４が形成される。これらのキャパシタ４を介して、端子電圧信号が二次側回路２から一次側回路１へとワイヤレス伝送される。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態では、可変インピーダンス素子５１の両端の電圧と、固定インピーダンス素子６１の両端の電圧とが、それぞれ二次側電極４２に入力される。可変インピーダンス素子５１と固定インピーダンス素子６１とは一方の端子で接続されている。従って、本実施形態では、両素子５１、６１の他方の端子の２ケ所の電圧と、両素子５１、６１が接続される一方の端子の１ケ所の電圧との３ケ所の電圧が３つの二次側電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃに入力される。
【００２７】
上述したように、一次側回路１と二次側回路２との近接時にはキャパシタ４が形成される。一次側回路１には、二次側電極４２ａ、４２ｂ、４３ｃのそれぞれに対向して一次側電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃが備えられる。つまり、一次側回路１と二次側回路２との近接時には、各一次側電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、各二次側電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃにより形成されるキャパシタ４ａ、４ｂ、４ｃの３つのキャパシタが形成される。上述した３つの電圧は、端子電圧信号としてキャパシタ４（４ａ、４ｂ、４ｃ）を介して一次側回路１にワイヤレス伝送される。キャパシタ４のインピーダンスは、検出部５及び基準部６を構成する素子５１及び６１に比べて充分大きく、キャパシタ４を流れる電流は、素子５１及び６１を流れる電流に比べて充分に少ない。従って、検出部５及び基準部６から構成される直列回路を流れる電流は、キャパシタ４に影響されることなく、検出部５及び基準部６のインピーダンスに応じた端子電圧信号がキャパシタ４に入力される。
【００２８】
キャパシタ４を介して受け取った端子電圧信号は、一次側回路１に備えられた演算部７に入力される。演算部７は、端子電圧信号に基づいて検出部５及び基準部６のインピーダンスの比を求めることにより検出部５が検出した物理量を演算する機能部である。本実施形態において、演算部７は、バッファ増幅器１１と、差動増幅器１２（差動演算部）と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）１３とを備えて構成される。
【００２９】
尚、一次側回路１と二次側回路２との近接時にキャパシタ４が形成される際の各一次側電極４１と各二次側電極４２との電極間距離は、それぞれ等距離であると好適である。ここで、キャパシタ４の一次側電極４１と二次側電極４２とがほぼ平行に対向している場合の各キャパシタ４ａ、４ｂ、４ｃの容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃを考える。各キャパシタ４ａ、４ｂ、４ｃの実効電極面積をそれぞれＳａ、Ｓｂ、Ｓｃとし、各一次側電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃと各二次側電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃとの電極間距離をそれぞれＬａ、Ｌｂ、Ｌｃとする。各キャパシタ４ａ、４ｂ、４ｃの容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃは、下記式(1)〜(3)で示される。
【００３０】
Ca  ∝  Sa／La  ・・・(1)
Cb  ∝  Sb／Lb  ・・・(2)
Cc  ∝  Sc／Lc  ・・・(3)
【００３１】
各キャパシタ４の実効電極面積がほぼ等しければ、各キャパシタ４の電極間距離の比Ｌａ：Ｌｂ：Ｌｃを一定に保つことによって、各キャパシタ４の容量の比Ｃａ：Ｃｂ：Ｃｃを一定にすることができる。当然ながら、各キャパシタ４の電極間距離Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃがほぼ等しければ、各キャパシタ４の容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃはほぼ等しくなる。キャパシタ４の容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃはほぼ等しければ、それぞれの端子電圧信号の伝送による変化率（減衰率など）が一定となる。従って、演算部７の演算精度を高い状態に維持することができて好適である。但し、構造上、全ての電極間距離を一定にすることができない場合は、電極間距離の比を一定とすると好適である。演算部７に入力された端子電圧信号は当該比率に応じて演算部７で補正可能であるが、補正の際の演算部７による演算負荷を抑制することができる。
【００３２】
キャパシタ４を介して演算部７に入力される端子電圧信号は、出力インピーダンスが高い信号である。従って、演算部７の入力インピーダンスが低インピーダンスの場合には、端子電圧信号が大きく減衰する。そこで、演算部７には各キャパシタ４ａ、４ｂ、４ｃを経由して入力される端子電圧信号を受けるバッファ増幅器１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が備えられる。バッファ増幅器１１は、入力インピーダンスが非常に高いので、演算部７の入り口で信号を減衰させることなく端子電圧信号を受け取ることができる。また、バッファ増幅器１１は、出力電流を多く流すことができ、端子電圧信号を低インピーダンスの信号に変換する。従って、演算部７の後段の回路の入力インピーダンスが低い場合であっても、充分に回路を動作させることができるように端子電圧信号の電力を高めることができる。このように、バッファ増幅器１１はインピーダンス変換部として機能する。
【００３３】
本実施形態においては、バッファ増幅器１１はオペアンプにより構成されている。バッファ増幅器１１（１１ａ〜１１ｃ）のそれぞれの出力は、交流電源１０の出力周波数帯域において、キャパシタ４に入力される端子電圧信号と、バッファ増幅器１１の基準電圧Ｖｒｅｆとの電位差に比例する。その比例定数は、３つの信号のそれぞれにおいて位相を含めて互いにほぼ等しい。
【００３４】
図２〜図４は、バッファ増幅器１１の具体的な構成例を模式的に示す回路ブロック図である。図２は第１の構成例を示す回路ブロック図である。図２におけるオペアンプ１１Ａの帰還抵抗Ｒ１及び帰還容量Ｃ１の抵抗値及び容量値は、交流電源１０の出力周波数ｆに対して下記式(4)が成立するように設定される。
【００３５】
f >> 1／(2πR1C1) ・・・(4)
【００３６】
ここで、キャパシタ４の容量をＣｉｎとし、キャパシタ４の二次側電極４２の端子電圧をＶｉｎとすると、図２に示すバッファ増幅器１１の出力Ｖｏｕｔは、式(4)の右辺よりも充分に高い周波数帯域において下記式(5)で示すものとなる。
【００３７】
Vout  ＝  −｛(Vin −Vref) × Cin／C1｝ ＋Vref    ・・・(5)
【００３８】
図３は第２の構成例を示す回路ブロック図である。図３に示すバッファ増幅器１１の出力Ｖｏｕｔは、交流電源１０の出力周波数ｆの関数となり、下記式(6)で示される。
【００３９】
Vout  ＝  −｛(Vin −Vref) × 2πf×Cin ×  R2｝ ＋Vref  ・・・(6)
【００４０】
図４は第３の構成例を示す回路ブロック図である。図４における抵抗Ｒ５の抵抗値は、交流電源１０の出力周波数ｆ及びキャパシタ４の容量Ｃｉｎに対して下記式(7)が成立するように設定される。
【００４１】
f   >>   1／(2πR5×Cin)  ・・・(7)
【００４２】
ここで、キャパシタ４の容量をＣｉｎとし、キャパシタ４の二次側電極４２の端子電圧をＶｉｎとすると、図４に示すバッファ増幅器１１の出力Ｖｏｕｔは、式(7)の右辺よりも充分に高い周波数帯域において下記式(8)で示すものとなる。
【００４３】
Vout  ＝  ｛(Vin −Vref) × (R3＋R4) ／R4｝ ＋Vref  ・・・(8)
【００４４】
３つのバッファ増幅器１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の出力は、２つの差動増幅器１２（１２ａ、１２ｂ）に入力される。バッファ増幅器１１ｂの出力は、可変インピーダンス素子５１と固定インピーダンス素子６１とに共通する端子電圧信号であるので、２つの差動増幅器１２ａと１２ｂとの双方に入力される。バッファ増幅器１１ａと１１ｃとの出力は、それぞれ、可変インピーダンス素子５１と固定インピーダンス素子６１とで異なる端子電圧信号である。従って、それぞれ差動増幅器１２ａと１２ｂとに単独に入力される。これにより、２つの差動増幅器１２ａ、１２ｂは、それぞれ可変インピーダンス素子５１の端子間電圧と、固定インピーダンス素子６１の端子間電圧とを演算する。尚、２つの差動増幅器１２ａと１２ｂとの増幅率は、位相を含めてほぼ等しい。
【００４５】
差動増幅器１２ｂの出力Ｖ１と差動増幅器１２ａの出力Ｖ０との比（＝Ｖ１／Ｖ０）は、固定インピーダンス素子６１に印加される電圧と可変インピーダンス素子５１とに印加される電圧との比にほぼ等しい。固定インピーダンス素子６１と可変インピーダンス素子５１とは直列接続されており、ほぼ同じ電流が流れている。従って、固定インピーダンス素子６１と可変インピーダンス素子５１とのインピーダンス比は、差動増幅器１２の出力Ｖ１とＶ０との比とほぼ等しい。従って、下記式(9)により、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０（抵抗値）が求められる。
【００４６】
Z0  ＝  Z1  × (V0／V1)   ・・・(9)
【００４７】
ここで、素子５１や６１が抵抗だけでなくコンデンサやコイルを含む素子であった場合は、インピーダンスＺ０やＺ１が複素インピーダンスとなる。差動増幅器１２の出力Ｖ０とＶ１との位相差が測定され、Ｚ１が複素インピーダンスとして既知であれば、上記と同様にＺ０も複素インピーダンスとして求められる。上述したように、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０は、物理量によって大きさが変化する。従って、インピーダンスＺ０の大きさにより物理量を求めることができる。尚、式(9)から明らかなように、第２の固定インピーダンス素子６２のインピーダンスＺ２は、必ずしも既知である必要はなく、０Ωであってもよい。
【００４８】
このような差動増幅器１２の出力の比や、インピーダンスＺ０、物理量の演算は、ＭＰＵ１３において実行される。差動増幅器１２の出力Ｖ０及びＶ１は、ＭＰＵ１３に入力される。ＭＰＵ１３は、不図示のＡ／Ｄコンバータを内蔵しており、入力された差動増幅器１２の出力Ｖ０及びＶ１をデジタル演算に好適なデジタル値に変換する。また、ＭＰＵ１３は不図示の記憶部にインピーダンスが既知である固定インピーダンス素子６１や６２のインピーダンスＺ１、Ｚ２の値を記憶している。この記憶部は、書き換え可能且つ不揮発性のメモリで構成されると好適であり、例えばＭＰＵ１３に内蔵のフラッシュメモリなどを利用することができる。ＭＰＵ１３は、デジタル値に変換された差動増幅器１２の出力Ｖ０及びＶ１、固定インピーダンス素子６１のインピーダンスＺ１に基づいて、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０を演算する。
【００４９】
また、記憶部は、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０と、機械的変位量あるいは物理量との相対関係を示す対応テーブルや対応式を記憶している。ＭＰＵ１３は、これらの対応テーブルや対応式と、演算されたインピーダンスＺ０とに基づいて、機械的変位量あるいは物理量を演算する。
【００５０】
尚、本実施形態では、差動演算部として差動増幅器１２を用いる構成を例示したが、これに限定される必要はない。バッファ増幅器１１の出力をＭＰＵ１３に入力し、ＭＰＵ１３においてＡ／Ｄ変換した後にデジタル演算により端子間電圧を演算してもよい。この場合には、ＭＰＵ１３が差動演算部として機能する。
【００５１】
尚、上述したバッファ増幅器１１と差動増幅器１２との間、又は差動増幅器１２とＭＰＵ１３との間に、交流電源１０の出力の周波数帯域を通過させるフィルタ（不図示）を設けてもよい。
【００５２】
以上説明したように、一次側回路１と二次側回路２とは、分離可能であり、検出部５は二次側回路２に備えられ、検出結果である機械的変位量あるいは物理量は一次側回路１で演算される。二次側回路２は、専ら検出部５及び基準部６に相当する素子による小規模な回路で構成され、機械的変位量あるいは物理量を演算する大規模な回路は含まない。従って、本実施形態によれば、一次側から二次側へ非接触給電すると共に、二次側の回路構成を小規模に留め、二次側で得られた情報を一次側へワイヤレス伝送することが可能な非接触検出システムを提供することができる。
【００５３】
検出部５を有する二次側回路２は、回路規模が小さく、内部に電源も必要ではないことから安価に構成することができる。従って、機械的変位量あるいは物理量を検出したい多数の箇所に二次側回路２を設置しても設置費用を抑制することができる。一次側回路１は、二次側回路２に比べて構成が複雑であり、電源も必要であるので、二次側回路２に比べて高価である。しかし、多数設置された二次側回路２に対して、１つの一次側回路１を順次近接させていけば、二次側回路２によって検出された機械的変位量あるいは物理量を順次得ることができる。従って、トータル費用を抑制した上で、多くの情報を取得することが可能な非接触検出システムを実現することができる。
【００５４】
一例として、機器の複数箇所に温度を検出可能な検出部５を備えた二次側回路２を設置する。二次側回路２は、当該機器の内側に、二次コイル３２及び二次側電極４２を外装側に向けて設置される。当該機器の外装の外側から、二次側回路２が設置された当該複数箇所に一次側回路１を近接させることによって、当該機器の内側の温度情報を当該機器の外部から得ることが可能となる。つまり、本発明の非接触検出システムを適用することにより、機器の温度上昇を調べる検査システムなどを構築することができる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図である。演算部７の構成を除く回路構成は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。第２実施形態の演算部７では、バッファ増幅器１１の比例定数が、３つの端子電圧信号のそれぞれにおいて位相を含めて互いにほぼ等しくない場合を例示している。そして、比例定数の違いを調整するために、第２実施形態では、バッファ増幅器１１と差動増幅器１２との間にポテンショメータ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）が設けられている。ポテンショメータ１４は、二次側電極４２に接続された端子電圧信号と基準電圧Ｖｒｅｆとの差と、差動増幅器１２に入力される電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差との比がそれぞれ等しくなるように調節する調整機構である。この調整機構を介することにより、ＭＰＵ１３は、第１実施形態と同様に、可変インピーダンス素子５１のインピーダンスＺ０を演算する。そして、ＭＰＵ１３は、インピーダンスＺ０に基づいて、検出部５として機能する可変インピーダンス素子５１により検出された機械的変位量あるいは物理量を演算する。尚、第１実施形態と同様に、第２の固定インピーダンス素子６２のインピーダンスＺ２は、必ずしも既知である必要はなく、０Ωであってもよい。
【００５６】
〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図である。第３実施形態は、二次コイル３２に接続される回路構成、即ち検出部５及び基準部６により構成される回路が異なる点で第１実施形態と相違する。また、これに伴い、演算部７のバッファ増幅器１１と差動増幅器１２との結線も一部相違する。その他の構成については、第１実施形態と同様である。
【００５７】
本実施形態では、図６に示すように二次コイル３２の出力に、１つの可変インピーダンス素子５１と３つの固定インピーダンス素子６１、６２、６３とからなるブリッジ回路が接続されている。具体的には、二次コイル３２の出力の一端に可変インピーダンス素子５１の一端が接続され、可変インピーダンス素子５１の他端は第１の固定インピーダンス素子６１の一端に接続される。第１の固定インピーダンス素子６１の他端は二次コイル３２の他端に接続される。可変インピーダンス素子５１の一端が接続される二次コイル３２の出力の一端には、さらに第２の固定インピーダンス素子６２の一端が接続され、第２の固定インピーダンス素子６２の他端は第３の固定インピーダンス素子６３の一端に接続される。第３の固定インピーダンス素子６３の他端は、第１の固定インピーダンス素子６１の他端と共に二次コイル３２の他端に接続される。尚、第１の固定インピーダンス素子６１はＺ１（Ω）、第２の固定インピーダンス素子６２はＺ３（Ω）、第３の固定インピーダンス素子６３はＺ４（Ω）のインピーダンスを有するものとする。また、可変インピーダンス素子５１はＺ０（Ω）のインピーダンスを有し、これは、機械的変位量あるいは物理量に応じて変化する値である。
【００５８】
第１実施形態と同様に、二次側回路２のブリッジ回路の端子電圧信号がキャパシタ４を介して演算部７に入力される。第３実施形態では、可変インピーダンス素子５１の端子間電圧、第２の固定インピーダンス素子６２の端子間電圧が演算可能な端子電圧信号が演算部７に入力される。差動増幅器１２は、可変インピーダンス素子５１の端子間電圧に相当する電圧Ｖ０と、第２の固定インピーダンス素子６２の端子間電圧に相当する電圧Ｖ２とを演算する。これらの電圧Ｖ０、Ｖ２と、既知のインピーダンスＺ１、Ｚ３、Ｚ４に基づいて、ＭＰＵ１３は、下記式(10)により可変インピーダンスＺ０を求める。
【００５９】
Z0  ＝ (V0×Z3×Z1)／｛(V2×Z3) ＋ (V2×Z4) − (V0×Z3)｝  ・・・(10)
【００６０】
〔第４実施形態〕
図７は、第４実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図である。第４実施形態は、第１実施形態の第１の固定インピーダンス素子６１が第２の可変インピーダンス素子５２となっている点で、第１実施形態と相違する。その他の構成については第１実施形態と同様である。可変インピーダンス素子５１は、本実施形態においては第１の可変インピーダンス素子５１と称する。第１の可変インピーダンス素子５１と第２の可変インピーダンス素子５２とは、本発明の検出部５として機能する。第１の可変インピーダンス素子５１はＺ０１（Ω）のインピーダンスを有し、第２の可変インピーダンス素子５２はＺ０２（Ω）のインピーダンスを有する。これらは、それぞれ機械的変位量あるいは物理量に応じて変化する値であるが、両インピーダンスＺ０１とＺ０２との和は一定の既知の値である。つまり、インピーダンスＺ０１とＺ０２とは、機械的変位量あるいは物理量に応じて相補的に値が変化する可変インピーダンスである。また、両インピーダンスＺ０１及びＺ０２は、その合成インピーダンスが機械的変位量あるいは物理量の変化に拘らず一定のインピーダンスを維持することから、本発明の基準部６を構成する。可変インピーダンスＺ０１とＺ０２との和をＺ５とすれば、可変インピーダンスＺ０１は、下記式(11)で求められる。
【００６１】
Z01 ＝  V0  ×  Z5  ／ (V1＋V0) ・・・(11)
【００６２】
尚、式(11)から明らかであるが、第１実施形態と同様に、第２の固定インピーダンス素子６２のインピーダンスＺ２は、必ずしも既知である必要はなく、０Ωであってもよい。尚、第４実施形態では、２つのインピーダンスＺ０１とＺ０２との直列回路の合成インピーダンスが一定であり、インピーダンスＺ０１とＺ０２とにより、基準部が構成される場合を例示した。しかし、この例に限らず、３つ以上の可変インピーダンスにより基準部が構成されるものであってもよい。
【００６３】
〔第５実施形態〕
図８は、第５実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図である。第５実施形態は、二次コイル３２に接続される回路構成、即ち検出部５及び基準部６により構成される回路が異なる点で第１実施形態と相違する。また、これに伴い、キャパシタ４及び演算部７のバッファ増幅器１１の構成数、バッファ増幅器１１と差動増幅器１２との結線も一部相違する。その他の構成については、第１実施形態と同様である。
【００６４】
本実施形態では、図６に示すように二次コイル３２の出力に、２つの可変インピーダンス素子５１及び５２と、２つの固定インピーダンス素子６１及び６３とからなるブリッジ回路が接続されている。具体的には、二次コイル３２の出力の一端に第１の可変インピーダンス素子５１の一端が接続され、当該可変インピーダンス素子５１の他端は第１の固定インピーダンス素子６１の一端に接続される。第１の固定インピーダンス素子６１の他端は、第２の固定インピーダンス素子６２を介して二次コイル３２の他端に接続される。可変インピーダンス素子５１の一端が接続される二次コイル３２の出力の一端には、さらに第３の固定インピーダンス素子６３の一端が接続され、第３の固定インピーダンス素子６３の他端は第２の可変インピーダンス素子５２の一端に接続される。第２の可変インピーダンス素子５２の他端は、第１の固定インピーダンス素子６１の他端と共に第２の固定インピーダンス素子６２を介して二次コイル３２の他端に接続される。
【００６５】
ここで、第１の固定インピーダンス素子６１はＺ１（Ω）、第２の固定インピーダンス素子６２はＺ２（Ω）、第３の固定インピーダンス素子６３はＺ３（Ω）のインピーダンスを有するものとする。また、第１の可変インピーダンス素子５１はＺ０１（Ω）のインピーダンスを有し、第２の可変インピーダンス素子５２はＺ０２（Ω）のインピーダンスを有する。インピーダンスＺ０１とＺ０２とは、機械的変位量あるいは物理量に応じて変化する値である。尚、固定インピーダンスＺ１と可変インピーダンスＺ０１との比と、固定インピーダンスＺ３と可変インピーダンスＺ０２との比とは、等しいものとする。尚、第１実施形態と同様に、第２の固定インピーダンス素子６２のインピーダンスＺ２は、必ずしも既知である必要はなく、０Ωであってもよい。
【００６６】
本実施形態においては、一次側回路１と二次側回路２との間に４つのキャパシタ４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）が形成される。図８に示すように、二次側回路２においては、固定インピーダンス素子６１及び６２、可変インピーダンス素子５１及び５２の４つの素子を四角形の各辺に備えてブリッジ回路構成されている。キャパシタ４の各二次側電極４２には、このブリッジ回路における素子と素子との間、即ち当該四角形の各頂点４ケ所の電圧が端子電圧信号として入力される。４つの端子電圧信号は、キャパシタ４を介して一次側回路１の演算部７にワイヤレス伝送され、演算部７のバッファ増幅器１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）に入力される。
【００６７】
バッファ増幅器１１の比例定数は、バッファ増幅器１１ａ及び１１ｄの系統と、バッファ増幅器１１ｂ及び１１ｃの系統との組合せにおいて各系統内でほぼ等しくなるように設定されている。また、バッファ増幅器１１は、全てのバッファ増幅器１１の系統において位相ずれがほぼ等しくなるように設定されている。バッファ増幅器１１ａ及び１１ｄの出力、及びバッファ増幅器１１ｂ及び１１ｃの出力は、それぞれ差動増幅器１２ａ及び１２ｂに入力される。
【００６８】
ここで、キャパシタ４の二次側電極４２ａと４２ｄとの電位差と、これら二次側電極４２ａ及び４２ｄの電圧を一次側回路１において差動増幅した後の差動増幅器１２ａの出力Ｖ３との比をＧ０（＝|G0| e(jθ0)）とする。また、キャパシタ４の二次側電極４２ａと４２ｄとの電位差と、これら二次側電極４２ｂ及び４２ｃの電圧を一次側回路１において差動増幅した後の差動増幅器１２ｂの出力Ｖ４との比をＧ２（＝|G2| e(jθ2)）とする。上述したように、固定インピーダンスＺ１と可変インピーダンスＺ０１との比と、固定インピーダンスＺ３と可変インピーダンスＺ０２との比とが等しい場合、可変インピーダンスＺ０１及びＺ０２は下記式(12)及び(13)により演算される。
【００６９】
Z01 ＝ (V3G2−V4G0) ／ (V3G2＋V4G0) ×Z1  ・・・(12)
Z02 ＝ (V3G2−V4G0) ／ (V3G2＋V4G0) ×Z3  ・・・(13)
【００７０】
〔第６実施形態〕
図９は、本発明の非接触検出システムの適用例を模式的に示すブロック図である。ここでは、第１実施形態に係る非接触検出システムを３相交流モータ（モータ）９の駆動システムに適用した場合の例を示す。本実施形態においては、交流電源１０は３相交流電源装置１５であり、トランス３は３相トランス３Ａである。３相トランス３Ａを介してモータ９に印加されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相交流によってモータ９が駆動される。モータ９の近傍には、モータ９のロータ位置や、モータ９により駆動される機構の変位を検出するセンサ８が備えられている。センサ８は、例えばポテンショメータや可変抵抗器、角度センサなどである。このセンサ８は、本発明の検出部５に相当し、上述した第１実施形態の可変インピーダンス素子５１に相当する。
【００７１】
センサ８により検出された機械的変位量、即ち、ロータ位置や機構の変位は、上述したように演算部７において演算される。本実施形態において、演算部７は、モータ９や３相交流電源装置１５を制御する制御部としても機能する。従って、演算部７は、演算された機械的変位量に基づいて、モータ９や３相交流電源装置１５をフィードバック制御する。本実施形態では、モータ９のロータ位置や、モータ９により駆動される機構の変位を検出するセンサ８が備えられている場合を例示した。しかし、これに限らず、センサ８により、モータ９やモータ９により駆動される機構の温度を検出するように構成されていてもよい。この場合、センサ８はサーミスタ（感熱抵抗）などにより構成される。
【００７２】
〔その他の実施形態〕
検出部５は、ポテンショメータやサーミスタの他、可変抵抗、バリアブルコンデンサ、可変インダクタンスの何れかを含んで構成されると好適である。つまり、検出部５は、主に受動素子としての回路定数が変化し、インピーダンスが変化する種々の素子を含んで構成することが可能である。従って、当業者であれば本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜改変が可能であることが容易に理解できるであろう。しかし、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変されたそのような別の実施形態も当然ながら本発明に含まれるものである。
【００７３】
以上、説明したように、本発明によって、一次側から二次側へ非接触給電すると共に、二次側の回路構成を小規模に留め、二次側で得られた情報を一次側へワイヤレス伝送することが可能な非接触検出システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図
【図２】バッファ増幅器の具体的な構成例１を模式的に示す回路ブロック図
【図３】バッファ増幅器の具体的な構成例２を模式的に示す回路ブロック図
【図４】バッファ増幅器の具体的な構成例３を模式的に示す回路ブロック図
【図５】第２実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図
【図６】第３実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図
【図７】第４実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図
【図８】第５実施形態の非接触検出システムの構成例を模式的に示す回路ブロック図
【図９】本発明の非接触検出システムの適用例を模式的に示すブロック図
【符号の説明】
【００７５】
１：一次側回路
２：二次側回路
３：トランス
３１：一次コイル
３２：二次コイル
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：キャパシタ
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ：一次側電極
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｃ：二次側電極
５、５１、５２：可変インピーダンス素子（検出部）
６、６１、６２、６３：固定インピーダンス素子（基準部）
７：演算部
８：センサ（検出部）
９：３相交流モータ
１０：交流電源
２１、２１Ａ、２１Ｂ：可変インピーダンス素子（検出部）
２２、２３：固定インピーダンス素子（基準部）
１５：３相交流電源装置（交流電源）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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