CN107919733B - 旋转型磁耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋转型磁耦合装置。在用于旋转体的旋转型磁耦合装置中，减小电力传送和信号传送的相互影响。旋转型磁耦合装置(1)具备第一线圈(6)、以与第一线圈(6)磁耦合的方式配置的第二线圈(7)、第三线圈(8)、以与第三线圈(8)磁耦合的方式配置的第四线圈(9)。第一及第二线圈(6、7)的线圈轴沿旋转体的旋转轴(Z)方向延伸，第三及第四线圈(8、9)的线圈轴沿与旋转体的旋转轴(Z)正交的径向呈放射状延伸。

Description

旋转型磁耦合装置
技术领域
本发明涉及旋转型磁耦合装置，特别是涉及无线地向旋转体传送 电力的装置。
背景技术
用于向旋转体的电力传送的旋转型电力传送装置例如优选用于向 多轴工业用机器人的臂、监控摄像头、旋转工作台上的装置等供给电 力。目前，旋转型电力传送装置使用接触式的滑环。滑环是使位于固 定侧的刷相对于设置于旋转的一侧的金属环的滑动面接触而传送电力 的部件。
但是，在接触式中，因为使接触部分滑动而进行通电，所以接点 部分可能磨损而不能进行电力传送。因此，非接触式的无线电力传送 备受关注。
作为无线电力传送的方式，有下述方式：在送电线圈中流通电流 而产生磁通，通过该磁通与受电线圈交链，使受电线圈产生电压而传 送电力。由受电线圈受电的能量被供给到负载，但对负载要求不管其 种类如何，在大部分的情况下，需要稳定的电力、电压或电流，且以 它们中的任一者成为一定的方式进行控制。为了实现该控制，需要将 受电侧的信息作为控制信号向送电侧传送。
作为该控制信号的传送方法之一，有使用电磁感应的方法。另外， 还已知有使用Wi-Fi(注册商标)或Bluetooth(注册商标)等无线通信 的方法、收发红外光的IR通信等使用光的控制信号的传递方法等。
在使用电磁感应的情况下，使由受电侧的发送线圈产生的磁通与 送电侧的接收线圈交链，产生电压并传送控制信号，但此时，因为产 生电力传送所带来的磁通，所以存在该磁通对信号传送带来影响的问 题。
从这样的背景出发，电磁感应所实现的电力传送和信号传送的兼 得成为课题。
例如，在专利文献1中提出有一种电磁感应方式的信号收发线圈 构造，通过设为电力传送的线圈产生的磁场的朝向Hp相对于信号传送 的线圈所受电的磁场的朝向Hs正交的构造，不易受到电力传送的磁通 的影响。
另外，在专利文献2中提出有一种电磁感应方式，通过设为电力 传送的线圈的轴和通信传送的线圈的轴相互交叉的构造，不易受到电 力传送的磁通的影响。
再有，在专利文献3中提出有一种电磁感应方式，通过将电力传 送用芯的相对面的空隙和信号传送用芯的相对面的空隙配置于相互在 轴向上错开的平行的面上，不易受到电力传送的磁通的影响。
另外，在专利文献4中记载有一种非接触型电力供給装置，具备 设置于旋转体的受电线圈、与受电线圈相对而设置的供电线圈，通过 伴随着流经供电线圈的电流的变化的电磁感应作用，非接触地从供电 线圈向受电线圈供给电力。该装置中，供电线圈及受电线圈分别形成 长形的环状，并且在供电线圈及受电线圈中相互相对的导线相对于旋 转体的旋转轴位于同侧且以包围旋转轴的方式配置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－3947公报
专利文献2：日本特开2013－169122号公报
专利文献3：日本特开平11－3828号公报
专利文献4：日本特开2007－208201号公报
但是，在专利文献1、2所公开的技术中，在旋转体中使用的情况 下，当送电侧或受电侧旋转而角度变化时，发送信号的线圈的轴和接 收信号的线圈的轴不为平行的状态，存在不能传送信号等的课题。
另一方面，在专利文献3所公开的技术中，因为由进行电力传送 的线圈产生的磁通的方向和由进行信号传送的线圈产生的磁通的方向 相同，所以存在电力传送的磁通的影响依然残存等的课题。
再有，在专利文献4所公开的技术中，因为在连结供电线圈及受 电线圈的各自的上侧导线和下侧导线的导线部分彼此之间存在间隙， 所以存在供电线圈相对于受电线圈的旋转方向的位置发生变化，并且 与受电线圈交链的磁通的量发生变化，不能获得稳定的输出特性等的 课题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而创建的，其目的在于，在用于旋转体的 旋转型磁耦合装置中，减小电力传送和信号传送的相互影响。
另外，本发明的目的在于，在用于旋转体的旋转型磁耦合装置中， 即使线圈彼此的位置关系根据旋转体的旋转量而发生变化，也能够获 得稳定的输出特性。
为了解决上述课题，本发明的旋转型磁耦合装置，其特征在于， 是用于旋转体的旋转型磁耦合装置，具备：第一线圈、以与所述第一 线圈磁耦合的方式配置的第二线圈、第三线圈、以与所述第三线圈磁 耦合的方式配置的第四线圈，所述第一及第二线圈的线圈轴沿所述旋 转体的旋转轴方向延伸，所述第三及第四线圈的线圈轴沿与所述旋转 体的旋转轴正交的径向呈放射状延伸。
根据本发明，即使旋转体旋转，也能够在第一线圈和第二线圈之 间进行电力或信号的传送，并且能够在第三线圈和第四线圈之间进行 电力或信号的传送。此外，因为第一线圈及第二线圈的线圈轴沿旋转 轴方向延伸，第三及第四线圈的线圈轴沿与旋转轴正交的径向呈放射 状延伸，因此，能够使与第三及第四线圈交链的磁通的朝向和与第一 及第二线圈交链的磁通的朝向正交。因此，在用于旋转体的旋转型磁 耦合装置中，能够减小第一及第二线圈间的电力或信号的传送和第三 及第四线圈间的电力或信号的传送的相互影响。
本发明中，优选所述第一及第二线圈以各自的开口部在所述旋转 轴方向上重叠的方式呈同轴状卷绕，所述第三及第四线圈中以各自的 开口部在所述径向上重叠的方式使所述开口部在周向上包围旋转轴。 根据该结构，能够使第一线圈及第二线圈的线圈轴沿旋转轴方向延伸， 能够使第三及第四线圈的线圈轴沿与旋转轴正交的径向呈放射状延伸。因此，能够使与第三及第四线圈交链的磁通的朝向和与第一及第 二线圈交链的磁通的朝向正交。
本发明中，优选所述第一及第二线圈传送电力或信号的任一方， 所述第三及第四线圈传送电力或信号的任意另一方。根据该结构，能 够实现将电力系统的变压器和信号系统的变压器组合而成的旋转型磁 耦合装置。
本发明中，优选所述第一及第二线圈被配置于比所述第三及第四 线圈更靠近所述径向的外侧的位置。该情况下，优选所述第一及第二 线圈传送电力，所述第三及第四线圈传送信号。根据该结构，与第一 及第二线圈配置于比第三及第四线圈更靠近旋转体的径向的内侧的位 置的情况相比，能够增大第一及第二线圈的开口尺寸，能够获得更强 的磁耦合。另外，根据该结构，能够提高第一及第二线圈的电感。
优选本发明的旋转型磁耦合装置还具备第一磁性体，其配置于所 述第一及第二线圈和所述第三及第四线圈之间。根据该结构，因为第 一及第二线圈和第三及第四线圈之间磁遮断，所以能够进一步减小第 一及第二线圈间的电力或信号的传送和第三及第四线圈间的电力或信 号的传送的相互影响。
优选本发明的旋转型磁耦合装置还具备第二磁性体，其配置于比 所述第一～第四线圈更靠近所述径向的内侧的位置。根据该结构，能 够确保第三及第四线圈产生的磁通或第一及第二线圈产生的磁通的磁 路。因此，能够降低电力传送或信号传送的损失。
本发明中，优选所述第二磁性体以包围作为所述旋转轴配置的金 属制的旋转转轴的周围的方式配置于所述旋转转轴和所述第一～第四 线圈之间。根据该结构，即使在第一～第四线圈的附近配置金属制的 旋转转轴，也能够降低第一～第四线圈产生的磁通与金属制的旋转转 轴交链所致的涡电流损失。
优选本发明的旋转型磁耦合装置还具备第三磁性体，其以包围所 述第一～第四线圈的周围的方式配置于比所述第一～第四线圈更靠近 所述径向的外侧的位置。根据该结构，能够确保第一及第二线圈产生 的磁通或第三及第四线圈产生的磁通的磁路。因此，即使在第一～第 四线圈的附近配置金属部件，也能够降低第一～第四线圈产生的磁通 与金属部件交链所致的涡电流损失。
优选本发明的旋转型磁耦合装置还具备第四磁性体，其覆盖所述 第一～第四线圈的所述旋转轴方向的两侧。根据该结构，能够确保第 一～第四线圈产生的磁通的磁路。因此，能够进一步降低电力传送或 信号传送的损失。
本发明中，优选所述第一及第二线圈沿所述旋转轴的周向卷绕导 线而构成。根据该结构，能够在第一及第二线圈流通大的电流。因此， 能够无线传送大的电力。
优选所述第三及第四线圈在柔性基板上印刷导体图案而构成。根 据该结构，能够容易地实现开口部(线圈轴)包围旋转体的旋转轴的 周围且朝向与旋转轴正交的径向的线圈。
优选本发明的旋转型磁耦合装置还具备：旋转骨架，其与所述旋 转体一同旋转；固定骨架，其嵌合于所述旋转骨架，并且不与所述旋 转体一同旋转，所述第一及第四线圈设置于所述固定骨架，所述第二 及第三线圈设置于所述旋转骨架。能够将由第一及第二线圈构成的第 一旋转变压器和由第三及第四线圈构成的第二旋转变压器容易地装入 一个旋转体。
本发明中，优选所述固定骨架具有：圆筒状的第一外侧侧面部、 设置于比所述第一外侧侧面部更靠近所述径向的内侧的位置的圆筒状 的第一内侧侧面部，所述第一线圈设置于所述第一外侧侧面部，所述 第四线圈设置于所述第一内侧侧面部。另外，优选所述旋转骨架具有： 圆筒状的第二外侧侧面部、设置于比所述第二外侧侧面部更靠近所述 径向的内侧的位置的圆筒状的第二内侧侧面部，所述第二线圈设置于 所述第二外侧侧面部，所述第三线圈设置于所述第二内侧侧面部。据 此，能够通过简单的结构实现开口尺寸大的第一及第二线圈。
本发明中，优选所述第三及第四线圈为各自的开口部以包围所述 旋转体的旋转轴的周围的方式配置的环状线圈，所述环状线圈包含沿 所述旋转体的周向延伸的第一及第二配线部、从所述第一配线部的一 端或所述第二配线部的一端向所述旋转轴方向折弯的第三配线部、从 所述第一配线部的另一端或所述第二配线部的另一端向所述旋转轴方向折弯的第四配线部，所述第三及第四线圈的至少一方构成为从与所 述旋转轴正交的径向观察，所述第三配线部和所述第四配线部相互相 接或重叠。根据该结构，即使第三及第四线圈的位置关系伴随着旋转 体的旋转而变化，也能够抑制第三及第四线圈的开口部的重叠面积的 变化，能够抑制第三及第四线圈间的传递比的变化。因此，在用于旋 转体的旋转型磁耦合装置中，不管旋转体的旋转而能够获得电力或信 号的稳定的输出特性。
根据本发明，在用于旋转体的旋转型磁耦合装置中，能够减小电 力传送和信号传送的相互影响。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式的旋转型磁耦合装置的整 体结构的框图。
图2是表示本实施方式的旋转型磁耦合装置的构造的分解立体图。
图3是将图2的旋转型磁耦合装置分成送电单元和受电单元表示 的分解截面图。
图4是表示将图3的旋转型磁耦合装置的送电单元和受电单元组 装后的状态的立体图。
图5是表示发送线圈8的结构的图，(a)是展开俯视图，(b)是 立体图。
图6是表示接收线圈9的结构的立体图。
图7(a)～(c)是表示发送线圈8和接收线圈9的组合例的图， 另外，图7(d)是表示图7(a)～(c)所示的发送线圈8旋转了360 度时的接收线圈9的输出变化的图表。
图8(a)～(f)是构成接收线圈9的长边方向的两端的折回部的 第三配线部9c和第四配线部9d的位置关系的详细说明图。
图9(a)是用于说明送电线圈6和受电线圈7的磁耦合状态的概 略截面图，图9(b)是用于说明发送线圈8和接收线圈9的磁耦合状 态的概略截面图。
图10是表示接收线圈9的第一变形例的图，(a)是展开俯视图， (b)是立体图。
图11是表示接收线圈9的第二变形例的图，(a)是展开俯视图， (b)是接收线圈9的立体图，(c)是表示接收线圈9的比较例的立体 图。
图12(a)～(c)是表示接收线圈9的第三变形例的俯视图，特 别是表示多层线圈的各层的图案设计的图。
图13(a)～(c)是表示发送线圈8及接收线圈9的组合的变形 例的立体图。
符号的说明
1 旋转型磁耦合装置
1A 送电单元
1B 受电单元
2 旋转转轴
2a 凸缘部
3 旋转骨架
3a 旋转骨架的上面部
3b 旋转骨架的外侧侧面部
3c 旋转骨架的内侧侧面部
4 支承体
5 固定骨架
5a 固定骨架的底面部
5b 固定骨架的外侧侧面部
5c 固定骨架的内侧侧面部
6 送电线圈
7 受电线圈
8 发送线圈
8a 发送线圈的第一配线部
8b 发送线圈的第二配线部
8c 发送线圈的第三配线部
8d 发送线圈的第四配线部
8e1 发送线圈的一端(端子)
8e2 发送线圈的另一端(端子)
9 接收线圈
9a、9a1、9a2、9a3 接收线圈的第一配线部
9b、9b1、9b2、9b3 接收线圈的第二配线部
9c、9c1、9c2、9c3 接收线圈的第三配线部
9d、9d1、9d2、9d3 接收线圈的第四配线部
9e1 接收线圈的一端(端子)
9e2 接收线圈的另一端(端子)
9f 引出导体
9t、9t1、9t2、9t3、9t4 通孔导体
10a 中间磁性体
10b 内侧磁性体
10c 外侧磁性体
10d 上面磁性体
10e 底面磁性体
11a 送电电路基板
11b 受电电路基板
13 柔性基板
13L1 多层柔性基板的第1层
13L2 多层柔性基板的第2层
13L3 多层柔性基板的第3层
13a 柔性基板的一方的长边
13b 柔性基板的另一方的长边
13c 柔性基板的一方的短边
13d 柔性基板的另一方的短边
13e1 柔性基板的长边方向的一端
13e2 柔性基板的长边方向的另一端
110 送电电路
111 电源电路
112 电压转换电路
120 受电电路
130 负载
140 信号生成电路
141 电源电压产生电路
142 振荡电路
150 控制电路
D1 电力系统旋转变压器的磁通的朝向
D2 信号系统旋转变压器的磁通的朝向
Ec1 第三配线部的外侧边缘
Ec2 第三配线部的内侧边缘
Ed1 第四配线部的外侧边缘
Ed2 第四配线部的内侧边缘
G 间隙
TP 电力系统旋转变压器
TS 信号系统旋转变压器
Z 旋转体的旋转轴
φ1 电力系统旋转变压器的磁通
φ2 信号系统旋转变压器的磁通。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的优选的实施方式。
图1是概略性地表示本发明的实施方式的旋转型磁耦合装置的整 体结构的框图。
如图1所示，旋转型磁耦合装置1由送电单元1A和受电单元1B 的组合构成，无线地从送电单元1A向受电单元1B传送电力。
送电单元1A具备将输入直流电压转换为例如100kHz的交流电压 并输出的送电电路110、通过交流电压产生交流磁通的送电线圈6、接 收从受电单元1B侧发送的交流信号的接收线圈9、基于接收线圈9接 收到的交流信号控制从送电电路110输出的交流电压的控制电路150。
受电单元1B具备接收送电线圈6产生的交流磁通的至少一部分而 产生交流电压的受电线圈7、将受电线圈7中产生的交流电压转换成例 如DC24V的直流电压的受电电路120、生成表示受电电路120的输出 电压或输出电流的大小的交流信号的信号生成电路140、向接收线圈9 发送交流信号的发送线圈8。受电电路120的输出电压例如向负载130 供给。
送电电路110具有将输入直流电压转换成规定的直流电压的电源 电路111、和将电源电路111输出的规定的直流电压转换成例如100kHz 的交流电压的电压转换电路112。控制电路150基于接收线圈9接收到 的交流信号，控制从电源电路111输出的规定的直流电压的大小，由 此控制从送电电路110输出的交流电压。
信号生成电路140具有输出例如10MHz的交流信号的振荡电路 141、和根据受电电路120的输出电压或输出电流的大小生成振荡电路 141的电源电压的电源电压生成电路142，电源电压生成电路142基于 受电电路120的输出电压或输出电流和目标值之差，控制振荡电路141 的电源电压。
这样，通过将受电单元1B的输出经由发送线圈8及接收线圈9反 馈到送电单元1A，能够将受电单元1B的输出控制为一定。
在本实施方式中，电力传送用的交流电压的频率为100kHz，与之 相对，信号传送用的交流信号的频率为10MHz，为电力传送用的交流 电压的频率的100倍。信号传送用的交流信号的频率优选为电力传送 用的交流电压的频率的10倍以上。如果信号传送用的交流信号的频率 为电力传送用的交流电压的频率的10倍以上，则没有电力传送用的交 流电压的高次谐波成为相对于交流信号的噪声而输出信号波形失真的 情况，因此，能够避免与电力传送侧的干扰，能够确保交流信号的传 送品质。
在本实施方式中，送电线圈6和受电线圈7的组合构成装入旋转 体的电力系统的旋转变压器TP，发送线圈8和接收线圈9的组合构成 装入与电力系统的旋转变压器TP相同的旋转体的信号系统的旋转变压 器TS。
图2是表示本实施方式的旋转型磁耦合装置1的构造的分解立体 图。另外，图3是将图2的旋转型磁耦合装置1分成送电单元1A和受 电单元1B表示的分解截面图。另外，图4是表示将图3的旋转型磁耦 合装置1的送电单元1A和受电单元1B进行了组合的状态的立体图。
如图2～图4所示，旋转型磁耦合装置1具备安装于作为旋转体的 旋转转轴2的凸缘部2a并与旋转转轴2一同旋转的旋转骨架3、安装 于作为非旋转体的支承体4上且不与旋转转轴2一同旋转的固定骨架 5、设置于固定骨架5的送电线圈6及接收线圈9、设置于旋转骨架3 的受电线圈7及发送线圈8、与送电线圈6及接收线圈9连接的送电电 路基板11a、与受电线圈7及发送线圈8连接的受电电路基板11b。在 本实施方式中，旋转转轴2为金属制，贯通旋转骨架3及固定骨架5 的中心部。
旋转骨架3及固定骨架5为树脂制，分别具有可相互嵌合的杯形 状。详细而言，旋转骨架3为开口部向下的杯形状，固定骨架5为开 口部向上的杯形状，旋转骨架3旋转自如地嵌合于固定骨架5，外观上 与固定骨架5一体化。固定骨架5被固定于支承体4上，因此，不与 旋转转轴2一同旋转。此外，固定骨架5及旋转骨架3的上下方向是 便于说明的方向，不用说也可以将固定骨架5配置于上侧，将旋转骨 架3配置于下侧。
旋转骨架3及固定骨架5均具有二重的圆筒状的侧壁构造。详细 而言，旋转骨架3具备圆形的上面部3a(主面部)、设置于比上面部 3a的最外周更靠近径向的内侧的位置的圆筒状的外侧侧面部3b、设置 于比外侧侧面部3b更靠近径向的内侧的位置的内侧侧面部3c。另外， 固定骨架5具备圆形的底面部5a(主面部)、设置于比底面部5a的最 外周稍靠近径向的内侧的位置的外侧侧面部5b、设置于比外侧侧面部 5b更靠近径向的内侧的位置的内侧侧面部5c。如图4所示，在将旋转 骨架3嵌合于固定骨架5时，旋转骨架3的外侧侧面部3b和内侧侧面 部3c配置于固定骨架5的外侧侧面部5b和内侧侧面部5c之间的空间 内。
送电线圈6由多重卷绕于固定骨架5的外侧侧面部5b的外周面的 导线构成，受电线圈7由多重卷绕于旋转骨架3的外侧侧面部3b的导 线构成。通过送电线圈6及受电线圈7使用一定程度粗细的导线，能 够流通大的电流，能够进行大的电力的无线传送。
送电线圈6及受电线圈7以包围旋转转轴2的周围的方式与旋转 转轴2同轴配置。在本实施方式中，受电线圈7在比送电线圈6更靠 近径向的内侧的位置以同心圆状配置，但也可以如下构成：受电线圈7 在比送电线圈6更靠近径向的外侧的位置以同心圆状配置。送电线圈6 的开口部朝向旋转转轴2的延伸方向(旋转轴Z方向)，受电线圈7的 开口部也朝向旋转转轴2的延伸方向(旋转轴方向)，因此，受电线圈 7的线圈轴的朝向与送电线圈6的线圈轴的朝向相同。因此，受电线圈 7的开口部与送电线圈6的开口部重叠，在受电线圈7和送电线圈6 之间产生强的磁耦合。
发送线圈8被设置于旋转骨架3的内侧侧面部3c的外周面。另外， 接收线圈9被设置于固定骨架5的内侧侧面部5c的外周面。发送线圈 8及接收线圈9以各自的开口部包围旋转转轴2的周围的方式与旋转转 轴2同轴配置。在本实施方式中，接收线圈9在比发送线圈8更靠近 径向的内侧的位置以同心圆状配置，但也可以如下构成：接收线圈9 在比发送线圈8更靠近径向的外侧的位置以同心圆状配置。通过以上 的结构，发送线圈8及接收线圈9的线圈轴沿旋转体的径向呈放射状 延伸，接收线圈9的开口部与发送线圈8的开口部在径向上重叠。
在旋转骨架3及固定骨架5的内侧及外侧设置有磁性体(铁氧体 芯)。详细而言，具备与旋转骨架3的内侧侧面部3c上的发送线圈8 重叠设置的中间磁性体10a、在比发送线圈8及接收线圈9更靠近径向 的内侧(固定骨架5的内侧侧面部5c的内侧)的位置且发送线圈8及 接收线圈9和旋转转轴2之间配置的内侧磁性体10b、与固定骨架5 的外侧侧面部5b上的送电线圈6重叠设置的外侧磁性体10c、覆盖旋 转骨架3的上面部3a的上面磁性体10d、覆盖固定骨架5的底面部5a 的底面磁性体10e。
中间磁性体10a(第一磁性体)被配置在由送电线圈6及受电线圈 7的组合构成的电力系统的旋转变压器TP和由发送线圈8及接收线圈 9的组合构成的信号系统的旋转变压器TS之间，实现将两者磁分离的 作用。根据该结构，因为送电线圈6及受电线圈7和发送线圈8及接 收线圈9之间被磁遮断，所以能够进一步减小电力传送和信号传送的 彼此的影响。
内侧磁性体10b(第二磁性体)被配置在比配置于最内周的接收线 圈9更靠近径向的内侧的位置，特别是以包围旋转转轴2的周围的方 式配置于旋转转轴2和接收线圈9之间。根据该结构，即使在由发送 线圈8及接收线圈9的组合构成的信号系统的旋转变压器的附近配置 金属制的旋转转轴2，也能够降低发送线圈8及接收线圈9产生的磁通 与旋转转轴2交链所致的涡电流损失。
外侧磁性体10c(第三磁性体)被配置在比配置于最外周的送电线 圈6更靠近径向的外侧的位置。根据该结构，即使在由送电线圈6及 受电线圈7的组合构成的电力系统的旋转变压器TP的附近配置金属部 件，也能够降低送电线圈6及受电线圈7产生的磁通与金属部件交链 所致的涡电流损失。
上面磁性体10d及底面磁性体10e(第四磁性体)与外侧磁性体 10c一同构成覆盖由旋转骨架3及固定骨架5构成的圆筒状的壳体整体 的磁性罩。根据该结构，能够在四个线圈的旋转轴方向的两侧形成磁 路，能够确保送电线圈6及受电线圈7产生的磁通的闭磁路和发送线 圈8及接收线圈9产生的磁通的闭磁路这两者。因此，能够进一步降 低电力损失及信号损失。
在旋转骨架3的上面部3a上，经由上面磁性体10d安装有受电电 路基板11b。受电线圈7的一端及另一端与受电电路基板11b连接。为 了实现这样的连接，优选在旋转骨架3的上面部3a或上面磁性体10d 上设置有配线用的狭缝或贯通孔。
在固定骨架5的底面部5a上，经由底面磁性体10e安装有送电电 路基板11a。送电线圈6的一端及另一端与送电电路基板11a连接。为 了实现这样的连接，优选在固定骨架5的底面部5a或底面磁性体10e 设置有配线用的狭缝或贯通孔。
如图4所示，构成电力系统的旋转变压器TP的送电线圈6及受电 线圈7在比构成信号系统的旋转变压器TS的发送线圈8及接收线圈9 更靠近旋转体的径向的外侧的位置以同心圆状配置。根据该结构，与 将发送线圈8及接收线圈9配置于比送电线圈6及受电线圈7更靠近 径向的外侧的位置的情况相比，能够增大送电线圈6及受电线圈7的 开口尺寸(环尺寸)，能够得到更强的磁耦合。另外，根据该结构，能 够提高第一及第二线圈的电感。因此，在实现旋转变压器整体的小型 化的同时，能够进行更大的电力的非接触传送。
图5是表示发送线圈8的结构的图，(a)是展开俯视图，(b)是 立体图。
如图5(a)所示，发送线圈8在细长的大致矩形的柔性基板13(绝 缘膜)的表层或内层印刷有导体图案。此外，柔性基板13也不需要为 完全的矩形，外周的一部分也可以突出或凹入。
本实施方式的发送线圈8为约1匝的环状线圈，以沿着柔性基板 13的外周描绘尽可能大的环的方式形成。详细而言，发送线圈8包含 沿着柔性基板13的一方的长边13a延伸的第一配线部8a、沿着另一方 的长边13b延伸的第二配线部8b、沿着一方的短边13c延伸的第三配 线部8c、沿着另一方的短边13d延伸的第四配线部8d，第三配线部8c、 第一配线部8a、第四配线部8d及第二配线部8b按顺序连续地形成。 第三配线部8c形成位于柔性基板13的长边方向的一端13e1侧的环状 线圈的一方的折回部，第四配线部8d形成位于柔性基板13的长边方 向的另一端13e2侧的环状线圈的另一方的折回部。发送线圈8的一端 8e1及另一端8e2经由未图示的引线与受电电路基板11b连接。
如图5(b)所示，发送线圈8的柔性基板13以包围旋转轴Z的周 围的方式被弄圆并形成圆筒体，通过将柔性基板13的长边方向的一端 13e1与另一端13e2连结，第三配线部8c与第四配线部8d接近配置。 发送线圈8形成于圆筒面，因此，第一配线部8a及第二配线部8b沿 圆周方向延伸，另外，第三配线部8c及第四配线部8d与旋转轴Z平 行地延伸。
发送线圈8在从柔性基板13的长边方向的一端13e1侧绕旋转轴Z 的周围顺时针缠绕后，在柔性基板13的长边方向的另一端13e2侧折回， 绕旋转轴Z的周围逆时针缠绕，返回柔性基板13的长边方向的一端 13e1侧。因此，沿旋转轴方向延伸的第三配线部8c构成环状线圈的长 边方向的一端侧的折回部，另外，沿旋转轴方向延伸的第四配线部8d 构成环状线圈的长边方向的另一端侧的折回部。
此外，第三配线部8c只要从第一配线部8a的一端或第二配线部 8b的一端向旋转轴Z方向折弯即可，另外，第四配线部8d只要从第一 配线部8a的另一端或第二配线部8b的另一端向旋转轴Z方向折弯即 可，未必需要与旋转轴Z平行地延伸。因此，也可以相对于旋转轴Z 倾斜地配线。
在本实施方式中，第三配线部8c与第四配线部8d接近配置，但 两者从与旋转轴Z正交的径向观察(即，相对于圆筒面俯视时)不重 叠，进而彼此不相接。因此，在形成于圆筒面的环状线圈的长边方向 (周向)的一端侧的折回部和另一端侧的折回部之间形成有间隙G。 此外，图5(b)的发送线圈8为一对端子(8e1、8e2)向下的状态，在 使用时如图2所示以一对端子向上的方式上下反转设置。
接收线圈9的基本的结构与发送线圈8相同，但与发送线圈8的 不同之处在于，以收纳于发送线圈8的内侧的方式将接收线圈9的柔 性基板13更小地弄圆，并且环状线圈的长边方向的两端的折回部彼此 从与旋转轴Z正交的径向观察相互相接或重叠。
图6是表示接收线圈9的结构的立体图。
如图6所示，接收线圈9的柔性基板13以包围旋转轴Z的周围的 方式被弄圆并形成圆筒体，通过将柔性基板13的长边方向的一端13e1与另一端13e2连结，第三配线部9c与第四配线部9d接近配置。接收 线圈9形成于圆筒面，因此，第一配线部9a及第二配线部9b沿圆周方向延伸，另外，第三配线部9c及第四配线部9d与旋转轴Z平行地 延伸。沿旋转轴方向延伸的第三配线部9c构成环状线圈的长边方向的 一端侧的折回部，另外，沿旋转轴方向延伸的第四配线部9d构成环状 线圈的长边方向的另一端侧的折回部。接收线圈9的一端9e1及另一端 9e2经由未图示的引线与送电电路基板11a连接。
在本实施方式中，通过柔性基板13的长边方向的一端13e1与另一 端13e2深度重叠，第三配线部9c与第四配线部9d从与旋转轴Z正交 的径向观察重叠，在两者之间未形成间隙G。因此，能够将除了第三 及第四配线部9c、9d的形成区域的圆筒体的周向的大致全周作为环状 线圈的开口部的形成区域，能够最大限度地加宽接收线圈9的开口尺 寸。
图7(a)～(c)是表示发送线圈8和接收线圈9的组合例的图， (a)表示接收线圈9的长边方向的两端的折回部彼此重叠的情况，(b) 及(c)表示接收线圈9的长边方向的两端的折回部彼此未重叠的情况。 此外，在图7(a)～(c)的任一图中，发送线圈8的长边方向的两端 的折回部彼此未重叠，在两者间形成有间隙G。另外，图7(d)是表 示图7(a)～(c)所示的发送线圈8旋转了360度时的接收线圈9的 输出变化的图表，横轴表示发送线圈8相对于接收线圈9的旋转角度， 纵轴表示输出电压(mV)。在此，图表的横轴的旋转角度为零度的位置(基准角度)如图7(a)～(c)所示，成为发送线圈8的间隙G 和接收线圈9的折回部彼此的重叠部分或者接收线圈9的间隙G重叠 的位置。
如图7(b)所示，因为接收线圈9的柔性基板13的长边方向的端 部彼此完全不重叠或重叠少，所以接收线圈9的折回部彼此俯视时不 重叠，由此，在第三配线部9c和第四配线部9d之间形成间隙G的情 况下，在发送线圈8的间隙G和接收线圈9的间隙G重叠的时点，磁耦合暂时增强，接收线圈9的接收灵敏度提高，产生信号电压的输出 变动。这种信号电压的输出变动成为相对于电力控制的噪声。
另外，如图7(c)所示，因为接收线圈9的柔性基板13的长边方 向的端部彼此的重叠多，所以接收线圈9的折回部彼此俯视时不重叠， 这样，在第三配线部9c和第四配线部9d之间形成间隙G的情况下， 在发送线圈8的间隙G和接收线圈9的间隙G重叠的时点也产生信号 电压的输出变动，进而，与图7(b)的情况相比，输出电压整体上降 低。
但是，如图7(a)所示，在接收线圈9的第三配线部9c和第四配 线部9d之间没有间隙G的情况下，如图7(d)所示，即使发送线圈8 旋转360度，相对于接收线圈9的位置关系发生变化，也能够抑制发 送线圈8及接收线圈9的开口部的重叠面积的变化，能够降低来自接收线圈9的信号电压的输出变动。因此，在用于旋转体的旋转型磁耦 合装置中，即使线圈彼此的位置关系根据旋转体的旋转量发生变化， 也能够得到稳定的输出特性。
图8(a)～(f)是构成接收线圈9的长边方向的两端的折回部的 第三配线部9c和第四配线部9d的位置关系的详细说明图。
如图8(a)所示，在接收线圈9的第三配线部9c的外侧边缘Ec1和第四配线部9d的外侧边缘Ed1的距离远离的情况下，在两者之间形 成间隙G，因此，产生伴随着上述的发送线圈8的旋转的输出变动的 问题。另外，如图8(b)所示，在接收线圈9的第三配线部9c超过第四配线部9d而深度重叠的情况下，在第三配线部9c的内侧边缘Ec2和第四配线部9d的内侧边缘Ed2之间形成间隙G，因此，产生伴随着 发送线圈8的旋转的输出变动的问题。
另一方面，如图8(c)及(d)所示，在接收线圈9的第三配线部 9c的一部分与第四配线部9d的一部重叠的情况下，因为在第三配线部 9c和第四配线部9d之间未形成间隙G，所以没有伴随着发送线圈8的 旋转的信号电压的输出变动的问题。第三配线部9c与第四配线部9d 完全重叠的情况也相同。
另外，如图8(e)所示，即使在接收线圈9的第三配线部9c与第 四配线部9d不重叠的情况下，因为在第三配线部9c的外侧边缘Ec1和第四配线部9d的外侧边缘Ed1相接时，在第三配线部9c和第四配线 部9d之间未形成间隙G，所以也不会产生伴随着发送线圈8的旋转的 输出变动的问题。
再有，如图8(f)所示，即使在接收线圈9的第三配线部9c和第 四配线部9d未重叠的情况下，因为在第三配线部9c的内侧边缘Ec2和第四配线部9d的内侧边缘Ed2相接时，在第三配线部9c和第四配线 部9d之间未形成间隙G，所以也不会产生伴随着发送线圈8的旋转的 输出变动的问题。
如以上所述，在位于接收线圈9的长边方向的两端的环状线圈的 折回部彼此以相互相接或者重叠的方式构成的情况下，能够抑制伴随 着发送线圈8的旋转的接收线圈9的输出电压的变动。
图9(a)是用于说明送电线圈6和受电线圈7的磁耦合状态的概 略截面图，图9(b)是用于说明发送线圈8和接收线圈9的磁耦合状 态的概略截面图。
如图9(a)所示，构成电力系统的旋转变压器TP的送电线圈6及 受电线圈7的开口部朝向旋转轴Z的方向，与送电线圈6及受电线圈7 交链的磁通φ1的朝向如箭头D1所示与旋转轴Z平行。
另一方面，如图9(b)所示，构成信号系统的旋转变压器TS的发 送线圈8及接收线圈9的开口部朝向与旋转轴Z正交的径向，与发送 线圈8及接收线圈9交链的磁通φ2的朝向如箭头D2所示为与旋转轴 Z正交的径向。这样，因为磁通φ2的朝向与磁通φ1的朝向正交，所 以能够将电力系统及信号系统的旋转变压器的一方的磁场对另一方的 磁场带来的影响抑制在最小限度。
图10是表示接收线圈9的第一的变形例的图，(a)是展开俯视图， (b)是立体图。
如图10(a)及(b)所示，接收线圈9为沿着非常长的柔性基板 13的外周形成环状线圈之后将柔性基板13多重(在此为二重)弄圆而 形成圆筒体的线圈。此外，柔性基板13的缠绕数没有特别限定，也可 以是几周。在形成图6所示的接收线圈9的情况下，只要以不在构成 环状线圈的长边方向的一端侧的折回部的第三配线部9c和构成另一端 侧的折回部的第四配线部9d之间形成间隙G的方式调整柔性基板13 的长边方向的两端的重叠即可。根据这种接收线圈9，能够提高环状线 圈的电感而加强磁耦合。
在将接收线圈9由多重弄圆的圆筒体构成的情况下，发送线圈8 也优选由以与接收线圈9相同的缠绕数多重弄圆的圆筒体构成。在此， 在形成图5所示的发送线圈8的情况下，只要以在构成环状线圈的长 边方向的一端侧的折回部的第三配线部9c和构成另一端侧的折回部的 第四配线部9d之间形成间隙G的方式调整柔性基板13的长边方向的 两端的重叠即可。
图11是表示接收线圈9的第二变形例的图，(a)是展开俯视图， (b)是接收线圈9的立体图，(c)是表示接收线圈9的比较例的立体 图。
如图11(a)所示，接收线圈9也可以作为包含多匝(在此为3匝) 的环状线圈的平面螺旋线圈而构成。详细而言，平面螺旋线圈的第一 匝包含第一配线部9a1、第二配线部9b1、第三配线部9c1、第四配线部 9d1，第二匝包含第一配线部9a2、第二配线部9b2、第三配线部9c2、 第四配线部9d2，第三匝包含第一配线部9a3、第二配线部9b3、第三配 线部9c3、第四配线部9d3。第三匝的第二配线部9b3经由通孔导体9t 及引出导体9f而与端子9e2连接。此外，平面螺旋线圈的匝数没有特 别限定，也可以是几匝。
如图11(b)所示，在将接收线圈9由3匝的平面螺旋线圈构成的 情况下，优选3根第三配线部9c1、9c2、9c3的组和3根第四配线部9d1、 9d2、9d3的组在俯视时完全重叠或相接。例如，如图11(c)所示，在 第一匝的第三配线部9c1和第一匝的第四配线部9d1的仅各1根重叠的 情况下，发送线圈8及接收线圈9的开口部的重叠面积的变化增大， 因此，不能充分抑制伴随着发送线圈8的旋转的输出电压的变动。但 是，在3根第三配线部及3根第四配线部的组彼此完全重叠的情况下， 能够抑制伴随着发送线圈8的旋转的信号电压的输出变动。
在将接收线圈9作为图11(a)及(b)的平面螺旋线圈构成的情 况下，发送线圈8也优选作为与接收线圈9同一匝数的平面螺旋线圈 而构成。该情况下，如图11(c)所示，发送线圈8可以构成为第一匝 的第三配线部9c1和第一匝的第四配线部9d1的仅1根重叠，也可以构 成为3根第三配线部9c1、9c2、9c3和3根第四配线部9d1、9d2、9d3完 全不重叠。
图12(a)～(c)是表示接收线圈9的第三变形例的俯视图，特 别是表示多层线圈的各层的图案设计的图。
如图12(a)～(c)所示，接收线圈9也可以为以环状线圈沿层 叠方向重叠的方式层状地形成的多层线圈。详细而言，第1层13L1的 第一匝的环状线圈包含第一配线部9a1、第二配线部9b1、第三配线部 9c1、第四配线部9d1，第2层13L2的第二匝的环状线圈包含第一配线部9a2、第二配线部9b2、第三配线部9c2、第四配线部9d2，第3层13L3的第三匝的环状线圈包含第一配线部9a3、第二配线部9b3、第三配线 部9c3、第四配线部9d3。第一匝及第二匝的环状线圈的端部彼此经由 第一通孔导体9t1连接，第二匝及第三匝的环状线圈的端部彼此经由第 二通孔导体9t2连接。再有，第三匝的环状线圈的终端经由第三通孔导 体9t3及引出导体9f而与端子9e2连接。
在由图12的多层线圈构成接收线圈9的情况下，优选发送线圈8 也由与接收线圈9同一匝数的多层线圈构成。该情况下，发送线圈8 只要以在构成环状线圈的长边方向的两端的折回部的第三配线部9c1、 9c2、9c3和第四配线部9d1、9d2、9d3之间形成间隙G的方式调整柔性 基板13的长边方向的两端的重叠即可。
如以上所说明的那样，本实施方式的旋转型磁耦合装置1以送电 线圈6(第一线圈)及受电线圈7(第二线圈)绕旋转体的旋转轴Z的 周围缠绕的方式配置，发送线圈8(第三线圈)及接收线圈9(第四线 圈)的各自的开口部以包围旋转体的旋转轴Z的方式配置，因此，即 使旋转体旋转，也能够从送电线圈6向受电线圈7进行电力传送，并 且能够从发送线圈8向接收线圈9进行信号传送。此外，由于送电线 圈6及受电线圈7的各自的开口部朝向旋转轴Z方向，发送线圈8及 接收线圈9的各自的开口部朝向与旋转轴Z正交的径向，送电线圈6 及受电线圈7的线圈轴和发送线圈8及接收线圈9的线圈轴正交，因 此，能够使和送电线圈6及受电线圈7交链的磁通φ1的朝向与和发送 线圈8及接收线圈9交链的磁通φ2的朝向正交。因此，在用于旋转体 的旋转型磁耦合装置中，能够减小电力传送及信号传送的一方对另一 方带来的影响。
另外，本实施方式的旋转型磁耦合装置1是以发送线圈8(第三线 圈)及接收线圈9(第四线圈)各自的开口部包围旋转体的旋转轴Z 的周围的方式配置的环状线圈，环状线圈包含沿旋转体的周向延伸的 第一及第二配线部9a、9b、从第一配线部9a的一端或第二配线部9b 的一端向旋转轴Z方向折弯的第三配线部9c、从第一配线部9a的另一 端或第二配线部9b的另一端向旋转轴方向折弯的第四配线部9d，发送 线圈8及接收线圈9的至少一方(例如接收线圈9)的第三配线部9c 和第四配线部9d从与旋转轴Z正交的径向观察相互相接或重叠，因此， 即使发送线圈8及接收线圈9的位置关系伴随着旋转体的旋转而变化， 也能够抑制发送线圈8及接收线圈9的开口部的重叠面积的变化，能 够抑制发送线圈8及接收线圈9间的传递比的变化。因此，在用于旋 转体的旋转型磁耦合装置1中，不管旋转体的旋转而能够获得电力或 信号的稳定的输出特性。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明不限于 上述的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以进行各种变更， 不用说这些变更也包含在本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，如图13(a)所示，设为发送线圈8具 有间隙G的构造、接收线圈9不具有间隙G的构造，但本发明不限于 这样的构造，例如，如图13(b)所示，也可以为发送线圈8不具有间 隙G的构造、接收线圈9具有间隙G的构造。另外，如图13(c)所 示，发送线圈8及接收线圈9这两者也可以为不具有间隙G的构造。 如图13(c)所示，只要发送线圈8及接收线圈9这两者为不具有间隙 G的构造，则能够充分抑制发送线圈8及接收线圈9的开口部的重叠 面积的变化，能够进一步抑制旋转体的旋转所致的接收线圈9的输出 电压的变动，并且能够加强两者的磁耦合而进一步提高传送效率。
另外，在上述实施方式中，将由线圈6、7构成的旋转变压器设为 电力传送用，将由线圈8、9构成的旋转变压器设为信号传送用，但也 可以将由线圈6、7构成的旋转变压器和由线圈8、9构成的旋转变压 器这两者设为电力传送用。再有，也可以将由线圈6、7构成的旋转变 压器和由线圈8、9构成的旋转变压器这两者设为信号传送用。
另外，在上述实施方式中，将构成电力系统的旋转变压器TP的送 电线圈6及受电线圈7配置于比构成信号系统的旋转变压器TS的发送 线圈8及接收线圈9更靠近旋转体的径向的外侧的位置，但也可以配 置于径向的内侧。但是，在配置于比发送线圈8及接收线圈9更靠近 径向的外侧的位置的情况下，能够增大送电线圈6及受电线圈7的开 口尺寸，因此，能够传递更大的电力。
另外，在上述实施方式中，中间磁性体10a为对电力系统和信号 系统提供共同的磁路的单一的磁性体，但也可以将中间磁性体10a分 成两个，将一方的中间磁性体设为电力系统的旋转变压器TP用的磁路， 将另一方的中间磁性体设为信号系统的旋转变压器TS用的磁路。

Claims (14)

1.一种旋转型磁耦合装置，其特征在于，
是用于旋转体的旋转型磁耦合装置，
具备：
第一线圈；
以与所述第一线圈磁耦合的方式配置的第二线圈；
第三线圈；及
以与所述第三线圈磁耦合的方式配置的第四线圈，
所述第一及第二线圈的线圈轴沿所述旋转体的旋转轴方向延伸，
所述第三及第四线圈的线圈轴沿与所述旋转体的旋转轴正交的径向呈放射状延伸。
2.根据权利要求1所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第一及第二线圈以各自的开口部在所述旋转轴方向上重叠的方式呈同轴状卷绕，
所述第三及第四线圈中以各自的开口部在所述径向上重叠的方式使所述开口部在周向上包围旋转轴。
3.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第一及第二线圈传送电力或信号的任一方，
所述第三及第四线圈传送电力或信号的任意另一方。
4.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第一及第二线圈被配置于比所述第三及第四线圈更靠近所述径向的外侧的位置。
5.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
还具备：第一磁性体，配置于所述第一及第二线圈和所述第三及第四线圈之间。
6.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
还具备：第二磁性体，配置于比所述第一～第四线圈更靠近所述径向的内侧的位置。
7.根据权利要求6所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第二磁性体以包围作为所述旋转轴配置的金属制的旋转转轴的周围的方式配置于所述旋转转轴和所述第一～第四线圈之间。
8.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
还具备：第三磁性体，以包围所述第一～第四线圈的周围的方式配置于比所述第一～第四线圈更靠近所述径向的外侧的位置。
9.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
还具备：第四磁性体，覆盖所述第一～第四线圈的所述旋转轴方向的两侧。
10.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第一及第二线圈通过沿所述旋转体的周向卷绕导线而构成。
11.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述第三及第四线圈通过在柔性基板上印刷导体图案而构成。
12.根据权利要求1或2所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
还具备：
旋转骨架，与所述旋转体一同旋转；及
固定骨架，嵌合于所述旋转骨架，并且不与所述旋转体一同旋转，
所述第一及第四线圈设置于所述固定骨架，
所述第二及第三线圈设置于所述旋转骨架。
13.根据权利要求12所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述固定骨架具有：
圆筒状的第一外侧侧面部；及
圆筒状的第一内侧侧面部，设置于比所述第一外侧侧面部更靠近所述径向的内侧的位置，
所述第一线圈设置于所述第一外侧侧面部，
所述第四线圈设置于所述第一内侧侧面部。
14.根据权利要求13所述的旋转型磁耦合装置，其特征在于，
所述旋转骨架具有：
圆筒状的第二外侧侧面部；及
圆筒状的第二内侧侧面部，设置于比所述第二外侧侧面部更靠近所述径向的内侧的位置，
所述第二线圈设置于所述第二外侧侧面部，
所述第三线圈设置于所述第二内侧侧面部。
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