CN105793152B - 旋转体非接触供电装置以及转矩传感器 - Google Patents

旋转体非接触供电装置以及转矩传感器 Download PDF

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Abstract

旋转体非接触供电装置具备：固定于由轴承支承的旋转轴并与该旋转轴一体旋转且供受电侧电路部件安装的受电侧基板；以及以基板面与受电侧基板的基板面对置的方式固定于保持轴承的保持部并与电源连接并且供送电侧电路部件安装的送电侧基板，在送电侧基板的表背基板面中与受电侧基板对置的一方基板面利用导电图案形成平面状地卷绕的多匝的送电侧线圈，在表背基板面的另一方基板面安装送电侧电路部件，在受电侧基板的表背基板面中与送电侧基板对置的一方基板面利用导电图案形成平面状地卷绕的一匝以上的受电侧线圈，在表背基板面的另一方基板面安装受电侧电路部件，送电侧线圈与受电侧线圈磁耦合，而非接触地从送电侧基板朝受电侧基板供给电力。

Description

旋转体非接触供电装置以及转矩传感器
技术领域
本发明涉及应用于旋转体的旋转体非接触供电装置以及转矩传感器。
背景技术
以往，电动辅助自行车中，以非接触的方式对施加于自行车的曲柄轴的旋转转矩进行检测，并利用马达的驱动力对脚踏的踏力进行辅助。作为检测旋转转矩的方法，例如公知有如下磁致伸缩式转矩传感器：在曲柄轴的外周表面等形成赋予有磁各向异性的磁致伸缩检测层，并在其外周空开一定的缝隙地配设有线圈(参照专利文献1)。
并且，作为一般的对施加于旋转轴的转矩进行测量的方法，公知有利用应变仪测量旋转轴的应变而对施加于旋转轴的转矩进行测量的应变传感器方式的转矩测量方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-95289号公报
发明内容
发明所要解决的课题
使用应变仪的转矩传感器相比磁致伸缩式转矩传感器在小型化、高精度化、低成本化的方面更优异。然而，在应变仪式转矩传感器的情况下，需要对安装于旋转轴的应变仪供给电力，从而需要以无线的方式进行供电的非接触供电装置。并且，需要通过无线从设于旋转轴的应变仪进行数据传输。
另外，在进行无线供电的情况下，由于在电动辅助自行车的曲柄轴设置受电侧的线圈，所以需要维持供电效率并且实现小型化。
用于解决课题的方案
根据本发明的方式，旋转体非接触供电装置具备：受电侧基板，其固定于由轴承支承的旋转轴并与该旋转轴一体旋转，且供受电侧电路部件安装；以及送电侧基板，其以基板面与受电侧基板的基板面对置的方式固定于对轴承进行保持的保持部，与电源连接并且供送电侧电路部件安装，在送电侧基板的表背基板面中与受电侧基板对置的一方基板面，利用导电图案形成平面状地卷绕的多匝的送电侧线圈，并在表背基板面的另一方基板面安装送电侧电路部件，在受电侧基板的表背基板面中与送电侧基板对置的一方基板面，利用导电图案形成平面状地卷绕的一匝以上的受电侧线圈，并在表背基板面的另一方基板面安装受电侧电路部件，送电侧线圈与受电侧线圈磁耦合，并通过非接触的方式从送电侧基板朝受电侧基板供给电力。
发明的效果
根据本发明，能够提供小型且供电效率优异的旋转体非接触供电装置、以及具备该旋转体非接触供电装置的转矩传感器。
附图说明
图1是表示本发明的转矩传感器的一个实施方式的图。
图2是表示转矩传感器的整体结构的立体图。
图3是表示转矩传感器的安装构造的其它例子的图。
图4是表示转矩传感器的电路结构的框图。
图5是说明辅助控制部27与设于固定侧基板31的送电部410之间的数据传输动作的图。
图6是表示用于对外部噪声等的进入所导致的误动作进行抑制的固定侧基板31的各端子处理的一个例子的图。
图7是表示固定侧基板31的图。
图8是表示旋转侧基板32的图。
图9是表示作为送电侧线圈的供电线圈310a以及谐振线圈310b的详细结构的示意图。
图10是说明天线图案的配置的剖视图。
图11是表示天线图案与传递特性(传输特性)的关系的图。
图12是表示应变传感器部33的图。
图13是说明柔性电缆332与旋转侧基板32的连接方式的图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。图1是表示本发明的转矩传感器的一个实施方式的图，是表示搭载有转矩传感器的电动辅助自行车1的简要结构的图。
电动辅助自行车1在框架11的前部具备前轮12以及把手13，并在后部具备后轮14。在具备鞍座15的座管16的下端，设有对轴承进行保持的中轴18。曲柄轴17由中轴18的轴承支承。在曲柄轴17安装有牙盘19以及曲柄臂20，在曲柄臂20设有脚踏21。在牙盘19与设于后轮14的链齿22之间挂绕有滚子链23。曲柄轴17的旋转通过滚子链23向作为驱动轮的后轮14传递。
另外，在电动辅助自行车1设有辅助用的马达24。通过由该马达24驱动设于曲柄轴17的主动链齿25使之旋转，来减少脚踏21的踩踏力。如将在下文中说明那样，在电动辅助自行车1，设有用于对作用于曲柄轴17的转矩进行测量的转矩传感器(未图示)。辅助控制部27根据测量出的转矩来决定辅助量，从而与必要辅助量相应地驱动马达24。
在座管16，安装有向马达24供给电力的电池26。在进行辅助控制的辅助控制部27与马达24之间连接有供电用的电缆28。并且，在辅助控制部27与设于转矩传感器的旋转侧基板(虽未图示但将会在下文中进行详细说明)之间连接有用于供电和数据信号传递的电缆29。
图2是表示转矩传感器的整体结构的立体图。转矩传感器30具备固定于中轴18的固定侧基板31、固定于曲柄轴17且与曲柄轴17一体旋转的旋转侧基板32以及应变传感器部33。在中轴18设有对曲柄轴17进行支承的轴承(未图示)。大致环状的固定侧基板31经由隔离物34而螺纹固定于中轴18。曲柄轴17经由缝隙地贯通插入于固定侧基板31的贯通孔311。大致环状的旋转侧基板32固定于曲柄轴17的外周面。对于旋转侧基板32的固定方法而言，例如也可以将基板支架固定于曲柄轴17，并在该基板支架固定旋转侧基板32。
旋转侧基板32以基板面相对于曲柄轴17大致垂直的方式固定于曲柄轴17。固定侧基板31和旋转侧基板32隔着微小的缝隙而大致平行地配置，在固定侧基板31以及旋转侧基板32彼此的对置面，通过铜图案等形成有天线图案。310是形成于固定侧基板31的天线图案。在固定侧基板31以及旋转侧基板32的形成有天线图案的面的相反侧的面，分别设有构成转矩传感器30的电路元件、以及将它们连接的布线图案。上述的隔离物34是为了防止安装于固定侧基板31的电路元件与中轴18接触而设置的。
应变传感器部33具备粘贴于曲柄轴17的检测部331、和将检测部331与旋转侧基板32连接起来的柔性电缆332。在检测部331内置有AD转换器，与应变量对应的检测电压由AD转换器变换为数字信号并从检测部331输出。柔性电缆332与设于旋转侧基板32的连接器321连接。
图3是表示转矩传感器30的安装构造的其它例子的图。图3所示的例子中，在对支承曲柄轴17的轴承181进行保持的中轴18，形成有用于收纳旋转侧基板32以及应变传感器部33的收纳空间182。若将曲柄轴17安装于轴承181，则旋转侧基板32以及应变传感器部33被收纳于收纳空间182。固定侧基板31被螺纹固定于中轴18的端面。
图4是表示转矩传感器30的电路结构的框图。图4中，从送电部410向受电部420供给电力。送电部410设于图2的固定侧基板31，受电部420设于旋转侧基板32。图4所示的转矩传感器30中，由送电部410和受电部420构成非接触供电装置。
送电部410具备振荡器411、作为送电侧线圈的供电线圈310a及谐振线圈310b、解调电路412、时钟(CLK)生成部413、调制部414、以及驱动器415。图2所示的天线图案310由供电线圈310a的图案和谐振线圈310b的图案构成。此外，图4中，记载了平面状地卷绕的供电线圈310a以及谐振线圈310b的线圈面相互对置，但如将在下文中说明那样，供电线圈310a配置于谐振线圈310b的外周侧的同一面内。
受电部420具备受电侧线圈(也被称作负载线圈)421、与受电侧线圈421串联地连接的共振用电容器422(共振电容)、整流电路423、低通滤波器424、电源电路425、负载调制电路426、时钟(SCLK)生成部427、以及REQ检波部428。受电侧线圈421和共振用电容器422串联连接而形成串联共振电路。应变传感器部33经由整流电路423和电源电路425而与该串联共振电路连接。此外。受电侧线圈421的匝数可以是1匝，也可以是多匝。
低通滤波器424具备电感线圈424a以及电容器424b。负载调制电路426具备开关元件426a、电容器426b以及电阻426c。来自应变传感器部33的应变数据信号(AD变换后的应变数据信号)经由负载调制电路426的电阻426c向开关元件426a的栅极输入。
在图4中省略了图示，若将谐振线圈310b的共振的电容成分仅设为线圈绕组间的杂散电容(寄生电容)，则共振频率的调整繁琐，从而在本实施方式中，如将在下文中说明那样，在谐振线圈310b连接有共振电容(电容器)(参照图9)。驱动器415基于来自振荡器411的信号对供电线圈310a进行供电。供电线圈310a以等于根据谐振线圈310b的自感线圈与线圈绕组间的杂散电容以及共振电容而决定的自共振频率的频率(例如，16.384MHz)被供电。
谐振线圈310b因电磁感应作用而以与自共振频率相等的频率被激励，在谐振线圈310b流动较大的电流从而产生较强的磁场。当将谐振线圈310b的电感值设为L、并将电容设为C(也包括共振用电容器的电容)时，线圈的自共振频率f通过下式(1)求解。
若以与谐振线圈310b接近的方式配置受电部420的受电侧线圈421，则从谐振线圈310b产生的较强的磁场与受电侧线圈421磁耦合，从而在受电侧线圈421的两端子间产生电动势。产生的电动势由整流电路423整流为直流电压，并经由低通滤波器424向电源电路425输入。通过在整流电路423的后段设置低通滤波器424，能够实现整流效率的提高。电源电路425将由整流电路423输出的电压变换为应变传感器部33所需要的一定的电压值，并向应变传感器部33供给。
在本实施方式中，作为对施加于曲柄轴17的转矩进行检测的方法，采用由应变传感器(应变仪)对曲柄轴的应变进行检测而对转矩进行检测那样的结构。使用了应变传感器的转矩传感器相比例如使用磁致伸缩式传感器的以往的转矩传感器，在小型化、精度、成本等方面更优异，但需要供给电力。由于应变传感器设于旋转侧的曲柄轴，所以在使用了电刷等的接点的供电中在耐久性、电刷的接触噪声等方面存在问题，从而要求无线方式的供电。
在本实施方式中，如上述那样，设于旋转侧基板32的受电部420通过送电侧的谐振线圈310b与受电侧线圈421的磁耦合而能够以非接触的方式接受从送电部410输送来的电力。并且，由于受电侧仅利用受电侧线圈421就能够接受电力，所以能够实现受电部420即旋转侧基板32的小型化。
接下来，对从受电部420向送电部410的应变数据的传输进行说明。本实施方式的数据传输中，使用耗电量小且电路结构简单的负载调制方式。在IC卡等中也采用负载调制方式，但在上述的本实施方式的非接触供电(无线供电)中，相比IC卡的情况而线圈间的耦合非常强。
以往，在图4的双点划线所示的点H1连接有负载调制电路，但在耦合较强的情况下，因形成有天线图案(构成线圈310a、310b以及421的基板上的图案)的基板31、32间的距离的变动、位于天线图案的附近的曲柄轴17的材质等而阻抗变动变大，从而产生负载调制的调制程度较大地变化的问题。若调制程度较大，则供电效率较大地降低，从而有变得无法进行受电部420的电路动作的担忧。
因此，在磁耦合的程度不是很强的情况下也可以应用以往的配置，但在磁耦合较强的本实施方式中，是在整流电路423与低通滤波器424之间的点H2连接负载调制电路426而施加负载调制那样的结构。在从受电部420向送电部410传输应变数据的情况下，从应变传感器部33向负载调制电路426输入应变数据信号。开关元件426a根据应变数据信号而进行接通、断开动作。受电侧的阻抗因该接通、断开动作而变动，而使相对于来自送电部410的载波(交流磁场)的反射变化。即，由受电侧线圈421反射了的载波的振幅与阻抗变动对应地变动。送电部410中，由解调电路412对被反射了的载波进行解调处理，从而取得应变数据。
相比将负载调制电路连接于以往的点H1的情况，在将负载调制电路426连接于点H2的情况下，由于在负载调制电路426与受电侧线圈421之间存在整流电路423，所以对负载调制所引起的阻抗变动进行抑制。其结果，即使是磁耦合较强的本实施方式的情况下，也能够防止调制度变得过大而供电效率较大地降低。
接下来，对数据传输的同步方法进行说明。时钟(CLK)生成部413对从振荡器411输出的信号进行分频而生成时钟信号(CLK)。例如，对从振荡器411输出的16.384MH的信号进行分频，而生成16kHz的时钟信号。送电部410基于该时钟信号(CLK)而动作。另一方面，受电部420中，在时钟(SCLK)生成部427中对由受电侧线圈421接收了的交流信号(载波)进行分频，从而生成了与时钟信号(CLK)同频的时钟信号(SCLK)。受电部420基于时钟信号(SCLK)而动作。
基于来自图1所示的辅助控制部27的请求信号(REQ)而进行从受电部420向送电部410的应变数据的传输。图5是说明辅助控制部27与设于固定侧基板31的送电部410之间的数据传输动作的图。从粘贴于曲柄轴17的应变传感器部33输出的应变数据(DATA)经由旋转侧基板32的受电部420而由固定侧基板31的送电部410接收，并且向与固定侧基板31连接的辅助控制部27传输。辅助控制部27根据传输来的应变数据对人力所产生的脚踏踏力进行计算，来决定辅助用马达24的辅助量。
如图5(a)所示，从辅助控制部27向送电部410输出(下降沿动作)要求应变数据的请求信号(REQ)。如图4所示，请求信号(REQ)向送电部410的调制部414输入，根据请求信号(REQ)对针对供电线圈310a的供电信号进行调制。由于因进行这样的调制而送电电力量在调制前后变化，所以通过利用受电侧的REQ检波部428对该变化进行检测，而将该变化作为数据传输的触发来利用。即，通过请求信号(REQ)的输入，驱动器415控制调制部414而生成数据传输的触发。
对于接收到由该请求信号(REQ)调制后的交流信号的受电部420而言，利用请求信号(REQ)检波部428抽出请求信号(REQ)，并将其向时钟(SCLK)生成部427以及应变传感器部33输入。时钟(SCLK)生成部427与请求信号(REQ)的下降沿同步地向应变传感器部33供给时钟信号(SCLK)。设于应变传感器部33的AD转换器基于该时钟信号(SCLK)而动作。应变传感器部33从时钟信号(SCLK)的上升起规定周期后(图5中4个周期后)输出应变数据信号。
如图5所示，设于固定侧基板31的送电部410向辅助控制部27输出从受电部420接收并由解调电路412解调后的应变数据(DATA)、和与时钟信号(SCLK)同步的时钟信号(CLK)。
上述的实施方式中，与请求信号(REQ)的下降同步地开始时钟信号(SCLK)，但例如在与请求信号(REQ)无关地使时钟常时动作的情况下，不能取得请求信号(REQ)的下降与时钟信号(SCLK)的同步。因此，从请求信号(REQ)的下降的时机起至数据输出为止的时间在时钟信号(SCLK)的一个周期内产生偏离，从而有数据取得产生了误动作的可能性。
与此相对，在本实施方式中，由于时钟信号(SCLK)在请求信号(REQ)的下降的时机开始，所以能取得请求信号(REQ)与时钟信号(SCLK)的同步。其结果，能够改善从请求信号(REQ)的下降的时机起至数据输出为止的时间偏离。
此外，若表示图5中的请求信号(REQ)的周期以及时钟信号(SCLK)的周期的一个例子，则请求信号(REQ)是250ms，时钟信号(SCLK)是62.5μs左右。
图6是表示用于对外部噪声等的进入所导致的误动作进行抑制的固定侧基板31的各端子处理的一个例子的图。电源线路中，通过利用电容值比较大的电容器61进行高频接地，能够抑制噪声向电源线路进入。并且，请求信号(REQ)的线路中，通过串联地插入电阻62来缩小噪声进入的影响。此外，从电源线路经由电阻63加入请求信号偏置是因为，即使请求信号(REQ)是下降动作，且辅助控制部27侧的请求信号(REQ)输出是开路漏极型，也能够进行对应。
并且，时钟(CLK)信号端子、DATA信号端子通过相对于信号频率较高、且相对于进入噪声十分低的阻抗的电容64、65而接地，并且通过串联地插入电阻66、67，而成为抑制噪声的进入的结构。图6的结构是小电容的接地和串联电阻的插入，但也可以是小电容的接地或串联电阻的插入中的任一个，并不限定于图6的结构。
图7是表示固定侧基板31的图。图7(a)表示供送电侧的电路部件安装的安装面。图7(b)表示图7(a)的安装面的相反侧的面，亦即形成有天线图案310(参照图2)的图案面。
如图7(a)所示，在圆形状的固定侧基板31的中央，形成有供曲柄轴17(参照图2)贯通插入的贯通孔311。在固定侧基板31的基板外周，形成有基板安装用的贯通孔313a、313b、313c。此外，对于贯通孔313a、313b、313c的配置而言，例如也可以使多个贯通孔313a、313b、313c与贯通孔311的中心(即，线圈310a、310b的中心)的距离相互不同。由此，当将固定侧基板31固定于中轴18时，能够防止以错误的角度配置来进行安装。
电路部件316a～316j以包围贯通孔311的方式安装于安装面。电路部件316i是供图1所示的电缆29连接的连接器，电缆29沿附图的箭头方向插拔。
图7(b)中，天线图案310形成于固定侧基板31的环状部所示的施加了阴影线的区域312。天线图案310利用铜图案在固定侧基板31的环状部通过刻画图案而成。如上所述(参照图4)，天线图案310由供电线圈310a的图案和谐振线圈310b的图案构成。
另外，在固定侧基板31的内周侧的边缘附近，形成有绕贯通孔311一周的环状的接地图案(GND图案)315。由于如图2所示地在贯通孔311插入金属制的曲柄轴17，所以通过形成接地图案315，能够减少曲柄轴17对天线图案310(供电线圈310a、谐振线圈310b)的磁影响。此外，由于接地图案315影响传输损失，所以优选尽量大地设定离天线图案310的距离。并且，对于在电路部件间进行连接的布线图案的布置而言，在避免与天线图案310磁干涉的意义方面，需要不会成为绕贯通孔311一周的环状。
图8是表示旋转侧基板32的图。图8(a)表示供受电侧的电路部件安装的安装面。图8(b)表示旋转侧基板32的截面。图8(c)表示图8(a)的安装面的相反侧的面，亦即形成有天线图案(受电侧线圈421的图案)的图案面。
如图8(a)所示，在旋转侧基板32的中央，形成有供曲柄轴17(参照图2)贯通插入的贯通孔324。例如，通过使曲柄轴17嵌合于该贯通孔324，来将旋转侧基板32以相对于曲柄轴17垂直地方式进行固定。连接器321、电路部件325a～325g以包围贯通孔324的方式安装于安装面。由于旋转侧基板32与曲柄轴17一体旋转，所以优选以使作用于旋转侧基板32的离心力的大小平衡、即离心力的大小成为旋转对称的方式配置连接器321、电路部件325a～325g以及将它们连接起来的布线。并且，连接器321如图8(b)所示地构成为，在垂直方向(曲柄轴17的轴向)上相对于基板面插拔柔性电缆332。通过成为这样的结构，防止了柔性电缆332的连接因离心力而脱落。
在旋转侧基板32的图案形成面，且在施加了阴影线的区域322，形成有受电侧线圈421的天线图案。此外，虽省略图示，但与固定侧基板31的情况相同，在旋转侧基板32，且在阴影线区域322的内周侧也形成有环状的接地图案。并且，在避免与图案形成面的天线图案磁干涉的意义方面，在电路部件间进行连接的布线图案的布置需要不会成为绕贯通孔324一周的环状。
此外，形成于贯通孔324的切口323是为了防止当将旋转侧基板32安装于曲柄轴17时与粘贴于曲柄轴17的外周面的检测部331(参照图2)干涉而形成的。通过形成切口323，能实现组装性的提高。
图9是表示作为送电侧线圈的供电线圈310a以及谐振线圈310b的详细结构的示意图。此外，图9中，为了容易理解线圈图案形状，比实际更大地表示图案间缝隙。如上所述，在谐振线圈310b设有作为共振电容的电容器317。谐振线圈310b成为多匝的漩涡状线圈。另一方面，与振荡器411连接的供电线圈310a在谐振线圈310b的外周侧通过刻画图案而成。供电线圈310a由多匝(圈数是两圈以上)的漩涡状图案形成。
本实施方式的线圈是磁谐振方式的线圈，但磁谐振方式相比电磁感应方式，在传输效率、传输距离、线圈的位置偏移等的方面更优异。并且，由于利用了磁谐振，所以具有受电侧线圈能够小型化、干涉耦合较小(即，噪声的影响较小)、金属壳体等所导致的效率降低较小等的优点。但是，若线圈形状相对于传输频率(线圈的自共振频率)变小则传输效率容易降低。认为是如下理由：供电线圈的电感值因线圈小型化而降低，从而与谐振线圈的磁耦合不足。在应用于电动辅助自行车的转矩传感器的情况下，线圈直径相对于传输频率的波长为10～20m左右而变小几厘米，从而传输效率的降低容易变得显著。
因此，在本实施方式中，如图9所示将供电线圈310a配置于谐振线圈310b的外周侧，另外，通过将匝数设为多个来防止供电线圈310a的电感值的降低，从而抑制了供电线圈310a与谐振线圈310b的磁耦合的降低。并且，金属制的曲柄轴17在形成于固定侧基板31的贯通孔311贯通，但通过如图9所示将供电线圈310a配置于外周侧，能够减少曲柄轴17的磁影响，这也成为能够抑制供电效率的降低的一个因素。
另外，通过对置配置谐振线圈310b以及受电侧线圈421的各线圈面，能够进行有效的磁耦合，从而能够实现传输效率的提高。并且，在考虑到数据传输中的噪声的影响的情况下，由于磁谐振方式的Q值(＝f0/BW，f0：中心频率，BW：从中心频率f0所具有的收益－3dB而得的带域宽度))更大，所以传输效率提高，并且难以受到噪声的影响。但是，由于若Q值变大则通信的带域变窄，所以在将应变数据从旋转侧基板32向固定侧基板31传输的本实施方式中，优选使作为数据发送侧的受电侧线圈421的Q值比作为数据接收侧的谐振线圈310b的Q值大。
图10是说明天线图案的配置的剖视图。如上所述(参照图2)，固定侧基板31和旋转侧基板32配置为彼此的形成有天线图案的面对置。由于谐振线圈310b和受电侧线圈421通过磁耦合来进行电力的授受以及数据的授受，所以在传递效率的方面优选以使线圈面彼此对置的方式配置基板31、32，并使谐振线圈310b与受电侧线圈421之间的距离变窄。因此，固定侧基板31以及旋转侧基板32配置为形成有天线图案的面对置。在固定侧基板31，作为天线图案310而形成有供电线圈310a、谐振线圈310b的图案，并且在旋转侧基板32，作为天线图案而形成有受电侧线圈421的图案。
此外，固定侧基板31以及旋转侧基板32配置为，形成于固定侧基板31以及旋转侧基板32的天线图案的中心(即线圈中心)与曲柄轴17的轴J一致。并且，图10中，为了容易理解天线图案的配置，并未正确地记载各图案的匝数。
然而，为了更加有效率地进行对置配置的线圈的磁耦合，优选设为以下那样的图案配置。此处，将固定侧基板31中的谐振线圈310b的内周半径设为Ra，将配置于外周侧的供电线圈310a的外周半径设为Rb，并将旋转侧基板32中的受电侧线圈421的内周半径设为Rc，并将外周半径设为Rd。并且，将固定侧基板31以及旋转侧基板32的外周侧半径分别设为R1、R2。此外，在基板31、32不是圆形的情况下，半径R1、R2是直至基板的边缘中离天线图案中心距离最短的边缘为止的距离。
而且，在Rc＞Ra的情况下优选设定为Rb＞Rc，并在Ra＞Rc的情况下优选设定为Rd＞Ra。即，Ra～Rd设定为送电侧线圈的区域H1和受电侧线圈的区域H2在径向上完全不偏离，且设定为至少一部分对置。优选为使送电侧的谐振线圈310b的平均直径与受电侧的受电侧线圈421的平均直径相等。
另外，为了抑制由金属形成的曲柄轴17的磁影响，期望使天线图案尽量远离曲柄轴17。例如，在将曲柄轴17的半径设为Rs的情况下，优选设定为Ra－Rs＞R1－Rb，Rc－Rs＞R2－Rd。
图11是表示天线图案与传递特性(传输特性)的关系的图。图11(a)是表示天线图案的宽度尺寸与传递特性的关系的模拟结果的图表，图11(b)是示意地表示天线图案的图。P是相邻的图案间的间距，W是图案宽度尺寸。此外，图11(a)的横轴是间距P与图案宽度的比(W/P)。此处，间距P是恒定的，对P＝3mm的情况进行说明。
一般而言，若增大图案宽度W则电阻下降，从而认为传递特性变高。然而，可知模拟的结果是，若因相邻的图案彼此相互影响的接近效果，而图案间隔变窄，则传递特性变差。如图11(a)所示，W/P＝3/6的情况下图案宽度W与图案间的缝隙尺寸相等，但若使W/P比3/6小的话传递特性变高，从而W/P越小传递特性越好。图11(a)所示的模拟结果中，仅计算直至W/P＝3/6，但可知若进一步缩小图案宽度W而缩小比W/P，则线圈电阻增加的影响变大，从而传递特性降低。这样，为了抑制与相邻图案的接近效果，优选使线圈缝隙(P－W)比线圈的图案宽度W大。
图12是表示应变传感器部33的图，图12(a)是俯视图，图12(b)是C-C剖视图。内置应变仪的传感器芯片333被粘贴在较薄的金属板(例如不锈钢制的薄板)334上。在传感器芯片333，除了设置应变仪之外，还设置有应变测量所需要的电路以及将应变量信号变换为数字信号的AD转换器等。柔性电缆332的一端被粘贴在金属板334上，利用线缆335而连接传感器芯片333和柔性电缆332的布线图案(未图示)。柔性电缆332例如由柔性印刷电路基板等构成，柔性电缆332的另一端成为设有多个端子336的连接器连接部337。传感器芯片333、线缆335、以及柔性电缆332的线缆连接部通过密封树脂338而模制成形。
此外，图12(a)中，为了容易理解芯片配置等，省略了密封树脂338，并以想像线(双点划线)表示了该配置。金属板334的背面侧粘贴于作为应变的被测定对象的曲柄轴17的表面。该情况下，将曲柄轴17的外周面的一部分加工为平面状，并在该平面粘贴检测部331的金属板334。若在曲柄轴17产生应变，则金属板334以及传感器芯片333应变，对应变量进行测量。
图13是说明柔性电缆332与旋转侧基板32的连接方式的图，是从侧面方向观察粘贴有应变传感器部33的检测部331的曲柄轴17和旋转侧基板32的图。旋转侧基板32以基板面相对于曲柄轴17垂直的方式安装。在旋转侧基板32，设有供柔性电缆332的连接器连接部337连接的连接器321。连接器321以在与曲柄轴17平行的方向上插拔柔性电缆332的连接器连接部337的方式安装于旋转侧基板32。符号D所示的面是用于形成天线图案的面，符号E所示的面是用于安装电路部件的面。
检测部331以柔性电缆332从检测部331引出的方向与旋转侧基板32的电路部件安装面E成为相反方向的方式粘贴于曲柄轴17。从检测部331引出的柔性电缆332从中途圆弧状地变形而朝向电路部件安装面E侧，并与旋转侧基板32的连接器321连接。通过将检测部331的安装方式以及柔性电缆332的连接方式设为图13所示那样的方式，能够缩小柔性电缆332的应变部分(虚线部分F)的曲率，其结果，能够防止柔性电缆的断裂等，从而能够实现可靠性提高。
如以上说明的那样，本实施方式中，旋转体非接触供电装置具备：旋转侧基板32，其固定于由轴承181支承的曲柄轴17并与该曲柄轴17一体旋转，且供受电侧电路部件安装；以及固定侧基板31，其以基板面与旋转侧基板32的基板面对置的方式固定于对轴承181进行保持的中轴18，与电源连接且供送电侧电路部件安装，在固定侧基板31的表背基板面中与旋转侧基板32对置的一方基板面，利用导电图案形成漩涡状且多匝的送电侧线圈(供电线圈310a、谐振线圈310b)，并在表背基板面的另一方基板面安装送电侧电路部件，并且在旋转侧基板32的表背基板面中与固定侧基板31对置的一方基板面，利用导电图案形成有漩涡状且多匝的受电侧线圈421，并在表背基板面的另一方基板面安装有受电侧电路部件，谐振线圈310b与受电侧线圈421磁耦合，而通过非接触的方式从固定侧基板31朝旋转侧基板32供给电力。
这样，由于利用形成于基板31、32的基板面的线圈图案来形成线圈310a、310b、421，并且将送电侧的谐振线圈310b与受电侧线圈421对置配置，所以能够成为具有优异的供电效率的小型的非接触供电装置。
并且，送电侧的天线线圈优选由平面状地卷绕的多匝的谐振线圈310b、和与谐振线圈310b磁耦合的多匝的供电线圈310a构成，其中，多匝的供电线圈310a在谐振线圈310b的外周侧以包围该谐振线圈310b的方式平面状地卷绕。由此，能够充分确保供电线圈310a的电感，即使使送电侧线圈小型化，也能够确保足够的供电效率。
此外，上述的实施方式中，受电侧由一个受电侧线圈421构成，但也可以与送电侧相同地由两个线圈(谐振线圈、和供整流电路423连接的负载线圈)构成，也可以是送电侧以及受电侧双方由上述的受电侧线圈421那样的一个线圈构成。另外，上述的实施方式中，作为负载电路应用了具备应变仪的应变传感器部33，但作为负载电路，并不限定于应变传感器，也可以应用温度传感器、加速度传感器等的电路。另外，上述实施方式中，作为电动辅助自行车的转矩传感器，将固定侧基板31以及旋转侧基板32的形状设为供曲柄轴17贯通的环状，但本实施方式的转矩传感器也能够应用于对其它的旋转轴以及旋转体的转矩进行测量的转矩传感器。该情况下，例如也可以在旋转轴的端面固定圆盘状的旋转侧基板，并在对轴承进行保持的部件固定圆盘状的固定侧基板。
并且，本发明尤其作为向安装于轴等旋转体的电路、传感器进行的非接触供电以及以非接触的方式取得来自旋转体传感器的数据的技术，例如，能够应用于向为了检测汽车的车道的转矩、电动辅助自行车的踏力而使用的应变仪、应变传感器进行的非接触供电和数据传输。另外，也能够应用于如受电侧线圈与送电侧线圈的位置关系不固定的非接触供电装置例如IC卡那样使受电侧的IC卡向固定的送电侧移动接近来进行供电的结构。
上述的各实施方式也可以分别单独地或者组合地来使用。这是因为能够单独地或者相辅地起到各个实施方式的效果。并且，在不损害本发明的特征的范围内，本发明不限定于上述实施方式。
如下的优先权基础申请的公开内容作为引用而在此援引。
日本专利申请2014年第8086号(2014年1月20日申请)
符号的说明
1—电动辅助自行车，17—曲柄轴，18—中轴，21—脚踏，24—马达，27—辅助控制部，30—转矩传感器，31—固定侧基板，32—旋转侧基板，33—应变传感器部，310—天线图案，310a—供电线圈，310b—谐振线圈，315—接地图案，331—检测部，332—柔性电缆，333—传感器芯片，334—金属板，410—送电部，411—振荡器，412—解调电路，413—时钟(CLK)生成部，414—调制部，415—驱动器，420—受电部，421—受电侧线圈，422—共振用电容器，423—整流电路，424—低通滤波器，425—电源电路，426—负载调制电路，427—时钟(SCLK)生成部，428—请求信号(REQ)检波部。

Claims (10)

1.一种旋转体非接触供电装置，其特征在于，具备：
受电侧基板，其固定于由轴承支承的旋转轴并与该旋转轴一体旋转，且供受电侧电路部件安装；以及
送电侧基板，其以基板面与上述受电侧基板的基板面对置的方式固定于对上述轴承进行保持的保持部，与电源连接并且供送电侧电路部件安装，
在上述送电侧基板的表背基板面中与上述受电侧基板对置的一方基板面，利用导电图案形成平面状地卷绕的多匝的送电侧线圈，并在上述表背基板面的另一方基板面安装上述送电侧电路部件，
在上述受电侧基板的表背基板面中与上述送电侧基板对置的一方基板面，利用导电图案形成平面状地卷绕的一匝以上的受电侧线圈，并在上述表背基板面的另一方基板面安装上述受电侧电路部件，
上述送电侧线圈与上述受电侧线圈磁耦合，并通过非接触的方式从上述送电侧基板朝上述受电侧基板供给电力，
上述送电侧线圈的导电图案设定为相邻图案之间的缝隙比图案宽度大，
上述受电侧线圈的圈数是多匝，且设定为相邻图案之间的缝隙比图案宽度大。
2.根据权利要求1所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
在上述送电侧基板，且在上述送电侧线圈的导电图案的内周侧，形成有对上述旋转轴进行包围的环状的第一屏蔽图案，
在上述受电侧基板，且在上述受电侧线圈的导电图案的内周侧，形成有对上述旋转轴进行包围的环状的第二屏蔽图案。
3.根据权利要求1所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
上述受电侧电路部件生成要向上述送电侧基板传输的数据，
在上述受电侧基板，设有基于上述数据使受电侧的阻抗变化而从上述受电侧线圈朝上述送电侧线圈进行数据传输的负载调制电路。
4.根据权利要求3所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
上述受电侧线圈的Q值设定为比上述送电侧线圈的Q值大。
5.根据权利要求1所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
形成有上述送电侧线圈的导电图案的图案区域的至少一部分与形成有上述受电侧线圈的导电图案的图案区域对置。
6.根据权利要求5所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
上述送电侧基板以及上述受电侧基板分别是圆形基板，上述旋转轴以其轴心与上述送电侧线圈以及上述受电侧线圈的中心一致的方式贯通上述送电侧基板以及上述受电侧基板，
上述送电侧线圈的内径与上述旋转轴的外径的差比上述送电侧基板外径与上述送电侧线圈的外径的差大，
并且，上述受电侧线圈的内径与上述旋转轴的外径的差比上述受电侧基板外径与上述受电侧线圈的外径的差大。
7.根据权利要求1所述的旋转体非接触供电装置，其特征在于，
在上述受电侧基板，上述受电侧电路部件以及将它们连接起来的布线配置为，作用于上述受电侧基板的离心力成为旋转对称。
8.一种转矩传感器，其特征在于，具备：
权利要求3或4所述的旋转体非接触供电装置；以及
转矩测量用应变仪，其固定于上述旋转轴，利用从上述送电侧基板供给至上述受电侧基板的电力而动作，
上述负载调制电路基于由上述转矩测量用应变仪检测到的应变数据而使受电侧的阻抗变化。
9.根据权利要求8所述的转矩传感器，其特征在于，
具备将上述转矩测量用应变仪和上述受电侧基板连接起来的柔性电缆，
上述转矩测量用应变仪以使上述柔性电缆从该转矩测量用应变仪引出的引出方向与供上述受电侧电路部件安装的基板面成为相反方向的方式固定于上述旋转轴，
从上述转矩测量用应变仪引出的上述柔性电缆变形为圆弧状而与上述受电侧基板连接。
10.根据权利要求8所述的转矩传感器，其特征在于，
在上述送电侧基板的周边部，且在至少三个部位形成有用于将该送电侧基板螺纹固定于上述保持部的贯通孔，
多个上述贯通孔与形成于上述送电侧基板的上述送电侧线圈的中心的距离相互不同。
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