JP2001512634A - 電気エネルギーまたは電気信号の非接触伝送のシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この要約書に記述されていることは、互いに対して移動し得る部品間に電気エネルギーもしくは電気信号を別々に非接触の態様で伝送し、共振回路を形成するよう適当に相補的なダミー素子により補足され、また切換えもしくは増幅素子により供給される誘導もしくは容量形カプラー素子からなるシステムである。本発明は前記切換えもしくは増幅素子が、伝送に用いられる共振回路が中では周波数決定切換え素子であるパワー発振器の形成に補足されることが特徴である。

Description

【発明の詳細な説明】 電気エネルギーまたは電気信号の非接触伝送のシステム 技術分野 本発明は互いに対して移動し得る部品間に電気エネルギーもしくは電気信号を 別々に非接触、あるいは無接触で伝送するシステムに関するものである。 このような装置は電気信号もしくは電気エネルギーを別々に、互いに対して移 動し得る３つ以上の部品間の電気信号もしくは電気エネルギーの伝送に用いられ る。この移動は回転、並進もしくは組合せ移動であることができる。 理解を容易にするため、一方では互いに対して移動し得る装置間の伝送、他方 では静止装置とそれに対して移動可能な装置間の伝送との間に区別については本 明細書ではなされていない。それは、このことが単に局部的な関係の課題に過ぎ ず、本発明の装置の動作様式には何らの影響ももたらさないからである。同時に 、信号の伝送とエネルギーの伝送との間にも、動作機構が全く同じであるので、 さらなる区別もつけていない。 先行技術 並進や、特に線移動に用いられるユニット、例えばホイストならびにコンベヤ ーシステムにあって、また回転ユニット、例えばレーダ装置またはコンピュータ 断層撮影法にあっても電気信号あるいは電力を互いに対して移動し得る装置間に 、あるいは１つの静止装置と、それに対して移動できるよう配置された少くとも １つの他の装置間の伝送が必要である。 例えば前記装置の相対速度が比較的に高速度である場合には、非接触伝送を供 給することが便宜的である。接触伝送、例えばすべり接触による伝送と対照的に 非接触伝送は、高データ転送速度がデジタル信号の伝送で伝えられるべきもので ある時、もしくは大きい帯域幅がアナログ信号の伝送に必要とされる時に、特別 の利点を提供する。 従来の（円形）スリップリングでは、このスリップリングの直径が伝送され得 る最高周波数を限定する。このレベルはスリップリングの外面が伝送されること になる信号の波長の半分と一致する時に達せられる。 信号もしくは電気エネルギーの非接触伝送用の装置は最も異なった構成、例え ばドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ３０４３４４１Ａ１号あるいはドイツ連邦共和 国特許第ＤＥ ４２３６３４０Ｃ２号で公知である： エネルギーの無線伝送に対するドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ３０４３４４１ Ａ２号で公知のシステムでは、適当な相補形ダミー素子もしくはコンデンサによ り共振回路を形成させるように補足され、また切換えもしくは増幅素子により供 給される誘導カプラー素子が用いられる。 ステータ上に配置された一次コイルから少くとも１つの二次コイルを備えた需 要者に平均周波数の範囲での電力の誘導伝送に対するドイツ連邦共和国特許第Ｄ Ｅ ４２３６３４０Ｃ２号で公知のシステムでは、前記一次コイルが群で直列に 接続された複数のコイルからなり、群毎に１つのコンデンサが直列に接続されて いる。これらの群のすべての各々が中間周波数分布ラインに並列に接続され、コ イルの各群のインピーダンスとそれぞれのコンデンサが、１つの群を移動可能な 需要者の１つに誘導結合する場合、共振条件がこの群に対して少くともほぼ満た されるように正しい寸法をとってある。 他のシステムはドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ３３３１７２２Ａ１号で公知で ある。このシステムは各部品上のカプラー素子からなり、その各々が少くとも１ つの電極からなっており、それにより信号がキャパシタンスによりそれぞれに逆 の電極を介して伝送されることになる。 誘導伝送を備える別のシステムはドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ２８４５４３ ８Ａ１号に述べられている。 本明細書で述べられていない用語全部の説明については、前述の先行技術に関 する公報を明白な参考資料にされるべきである。 原則的に請求の範囲における請求項１の上位概念部分が出発技術になっている 種類のシステムはインピーダンスを有意義な想像上の部分で示している。容量形 カプラーシステムにおいては、これは形状寸法により制限される結合容量のため であり、また誘導システムにあっては、それは漏洩インダクタンスのためである 。この漏洩インダクタンスは、特定のギャップが移動部品間に機械的理由から常 時 残っているので、任意には小さくすることはできない。特別の手段なしには、イ ンピーダンスは、結合インピーダンスの結果として電力回路に現われ、また容量 が伝送できるエネルギーを制限する。 １９６８年スプリンゲル−ヴェラーグ社刊マインケ／グントラッハの「タッシ ェンブッフ．デル．ホッホフレクエンツテクニーク（Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｚｔｅｃｈｎｉｋ）」［ファーデマカム．オブ ．ハイ．フレクエンシー．テクノロジー（Ｖａｄｅｍａｃｕｍ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｆｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）］第３版で既に述べられているよ うに、このような想像上のインピーダンスは逆標識を備える同一振幅の第２の想 像上のインピーダンスにより補償できる。 誘導伝送の場合、このことも用語「共振変成器」により公知である。この点、 マインケ／グントラッハの第１８６頁（共振変成器）を参照する。 補償には特別のコンデンサが誘導送信素子に加えられるか、あるいは特別のイ ンダクタが容量形送信素子に加えられて、別々の送信素子を補足し共振回路を形 成する。この共振周波数で、このような共振回路のインピーダンスは並列接続（ 並列共振）の場合、無限大に、また直列共振（直列回路）の場合、ゼロに結果的 に繋がる。 このインピーダンスがこのようにして電力の伝送にもはやなんの影響ももたら さないとしても、機械的公差がこのようなシステムの工学的実施には特に問題が ある。相互に行う相対移動もしくは熱膨張の結果として、インダクタンスもしく は結合キャパシタンスが少くとも僅かな変動を受け易くなる。 ここで回路が一定の動作周波数で作動する発振器により供給された時、このよ うな機械的影響もしくは前記発振器の劣化と温度によるドリフト現象でさえも伝 送手段の発振器動作周波数と共振周波数からの変動の発生の原因となることがあ る。 このような場合、ダミー素子の補償はもはや効果的でなく、伝送手段がエネル ギーの伝送を事実上損うインピーダンスを提供する。 様々な対策が、この課題の解決策、例えば熱安定した石英発振器や極めて狭い 公差の送信素子の機械的設計の適用として公知となった。ドイツ連邦共和国特許 第ＤＥ ３４４７５６０Ａ１号による他の解決策はキャパシタンス・ダイオード により制御できる発振器からなる。このような解決策は工業設備に高価な支出を 要し、過敏で不安定なシステムを結果としてもたらす。 発明の簡単な説明 本発明は互いに対して移動できるよう適応させた部品間の電気エネルギーもし くは電気信号の非接触伝送用装置の改良の課題に対するものであり、その装置は 、適当な相補形ダミー素子により共振回路を形成するよう補足され、また切換え もしくは増幅素子により、エネルギーもしくは信号が、広範囲に亘って環境条件 、温度および機械的公差と関わりなく、伝送できるような態様で供給される誘導 または容量形カプラー素子からなる。 この課題の１つの本発明の解決策は請求の範囲における請求項１に規定されて いる。本発明の改良点は請求項２およびそれ以降の請求項の主題である。 本発明は以下の基本的着想から出発する。 共振回路を形成するよう補足された誘導もしくは容量形送信器システムがその 最適の伝送特性を共振周波数だけで発揮するものである。したがって本発明によ れば、この回路は伝送用に用いられる共振回路が周波数決定回路素子であるパワ ー発振器の形成に補足される。前記伝送素子の共振回路が直列であるか並列回路 であるかどうかは重要でない。 それはさらに、共振の可能な多回路システムを形成するようさらなる特別のダ ミー素子により形成できる。 本質的に必要なものは、伝送システムが二次結合による励振によりエネルギー が伝送され得るシステムの少くとも１つの共振周波数で振動できるよう設計され ていることである。 前記システムは共振送信器手段を供給する増幅素子からなる。好ましい実施例 では信号手段が少くとも１つの位相情報を含む共振素子の電流と電圧からの信号 を決定し、また後者を前記増幅素子に信号で送る。共振能力のある構造部材の達 成のためには、切換えもしくは増幅部材がこの装置には必要で、それは共振条件 （スプリンゲル−ヴェラーグ社刊ティエツェ、シェンクによる「バルブライター シャルツングステクニーク」［ザ テクノロジー オブ セミコンダクター サ ーキットリー］第１０版第４５９頁参照）が今なお満たされているような増幅を 補償することになる。切換えあるいは増幅部材がここでは純半導体スイッチもし くは直線増幅素子として設計されているかどうかは本発明のシステムに何らの影 響ももたらさない。 この理由で、スイッチと増幅器の間の区別は次の説明ではなされていない。 本発明の特に都合のよい実施例では、信号手段が直列共振の場合、共振電流の 予め決められた共用分をカップルアウト（ｃｏｕｐｌｅ ｏｕｔ）するパワータ ップからなる。このパワータップは、例えば流速計抵抗器、電力変圧器もしくは ホール素子とすることができる。この共振電流は共振素子の１つを横切る電圧降 下として一様に測定できる。 本発明の他のの有利な実施例では、信号手段は（並列共振の場合）、電圧の予 め決められた共用分のカップルアウト用の部材からなり、並列共振回路に印加さ れる。これらの電圧もこれらの素子を通る電流の流れを介して間接的に決定でき る。 本発明のさらに他の都合のよい実施例では、信号手段（多回路共振システムの 場合）は、少くとも１つの並列共振電流の予め決められた共用分または少くとも １つの直列共振電流の予め決められた共用分の組合せを決定する部材である。こ のシステムでは、信号手段がこれらの振幅の単純な同相付加により行えるように 実施できる。これらの対策により、回路を別々のロードケース（ｌｏａｄｃａｓ ｅ）により直列もしくは並列共振で作動させることが可能である。 別の実施例では、転極スイッチを直列共振から並列共振が現れるかどうかの認 識のためまた共振電圧または共振電流別の共用分の適当な決定のため実施するこ とができる。 本発明のさらなる都合のよい実施例では、信号手段は共振電圧もしくは電流タ ッピングの間の予備選択用のフィルタ素子からなる。 本発明のさらに別の有利な実施例では、信号手段は供給電圧が点弧されると、 このシステムの振動の開始を容易にする補助発振器からなる。供給電圧の点弧で 、発振器は雑音状態から振動を開始する。この発振の確実かつ迅速な始動を補償 するため、このような発振器も出発信号を予め決められた周波数で受信できる。 こ の周波数が所望の動作周波数の近辺で選択された時、振動が特に迅速に開始する 。いくつかの可能性のある共振の場合にも、振動は出発信号が決定されると、所 望の共振周波数で起こり得る。このような場合、発振器が雑音状態から共振を始 めた時、パワー発振器も好ましくない共振周波数になるまで振動を開始する。 本発明のさらに他の都合のよい実施例では、回路の動作周波数を互いに対して 移動し得る部品間の間隔を決定するように用いるさらなる分析装置が配設される 。誘導伝送の場合に、互いに移動可能な素子の関数として変動する動作周波数を 用いて、距離の対応変分がこの動作周波数に基づき容易に決定できる。 図面の簡単な説明 図１は本発明の装置の一実施例を示す図である。 図２は直列共振回路の形成に補足される容量形カプラー素子を備えた実施例を 具体的に示す図である。 図３は並列共振回路の形成に補足される誘導カプラー素子を備える実施例を示 す図である。 実施例の説明 図１は共振結合を備え、需要者４に供給する誘導もしくは容量形カプラー素子 ３からなる本発明の装置を示す。このカプラー素子は共振のできる構造部材を形 成するように少くとも１つのダミー素子により補足される。前記カプラー素子で 、あるいは補足ダミー素子での共振電流もしくは電圧に基づき、信号手段５が、 切換えもしくは増幅素子１が接合ダミー素子２と３との協働で、共振条件を満た せるような振幅と位相をもつ二次カプラー信号を発生させる。 図２は容量形伝送手段の場合に対する本発明による実証的な装置を示す。この 容量形カプラー素子１３は需要者１４に供給する。それは、共振のできる構造部 材を形成するようにインダクタ１３により補足される。前記信号手段はここでは 前記切換えもしくは増幅部材１１に、直列共振電流に比例する信号で、インダク タとキャパシタンスにより伝送する流速計抵抗器１５からなる。 図３は本発明の装置の、誘導カプラー素子上の並列共振の場合における特に単 純な実施例の実証的な図解である。この場合、誘導カプラー素子２３は需要者２ ４に供給する。インダクタは並列共振回路を形成するようにコンデンサ２２によ り補足される。この信号手段はここでは、インダクタとコンデンサでの並列共振 電圧の予め決められた共用分を分岐させ、そしてそれを切換えもしくは増幅部材 に進ませる前記２つの抵抗器２５と２６を備える分圧器からなる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年４月１日（１９９９．４．１） 【補正内容】 「１．互いに対して移動し得る部品間に、電気エネルギーもしくは電気信号を 別々に非接触伝送し、共振回路を形成するように適当に相補的なダミー素子によ り補足され、また切換えもしくは増幅素子により供給される誘導もしくは容量形 カプラー素子からなり、かつ該切換えもしくは増幅素子が、パワー発振器の形成 に補足されるシステムにおいて、伝送に用いられる共振回路は周波数決定素子で あり、該共振素子の電圧と電流に基づいて前記切換えもしくは増幅素子のための 二次結合信号を生成して振動により前記共振回路に少なくとも１つの周波数を発 生させる信号手段を設け、該信号手段は直列共振の場合には、直列共振電流の一 部分に比例する振幅をカップルアウトし、また並列共振の場合には並列共振電圧 の一部分に比例する振幅をカップルアウトするよう設計されていることを特徴と する非接触伝送システム。 ２．いくつかの共振の場合には、前記信号手段が直列共振電流に比例し、また 並列共振電圧に比例する振幅からなる組合せ信号をカップルアウトするよう設計 されていることを特徴とする請求項１記載の非接触伝送システム。 ３．前記回路の振動の開始を容易にする追加の二次発振器が配設されることを 特徴とする請求項１または２記載の非接触伝送システム。 ４．前記システムの動作周波数を決定し、かつ互いに対して移動し得る前記部 品の間隔の大きさに対応して信号をそれから誘導する分析器手段を配設したこと を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の非接触伝送システム。 ５．前記信号手段が共振電圧もしくは共振電流のタッピングの間の予備選択用 のフィルター素子からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の 非接触伝送システム。」 「文献「ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」、ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．７（１９９０年７月１日） ｐ．７１６−７２２には、互いに対して移動し得る部品間の電気エネルギーもし くは電気信号の非接触伝送のためのシステムが開示され、これは相補的ダミー素 子により補足されて共振回路を形成し、パワー共振器を構成するよう切換えもし くは増幅素子によって補足される誘導あるいは容量形結合素子からなっている。 そこで選ばれた設計は、比較的緩やかな結合により特徴付けられ、少なくとも ２つの共振回路を要求され、かつ低パワーを伝送するに適当なものである。フィ ードバック通路Ｌｆの選択的な構成は不都合である。全て必要な値、特に電圧の 計算は動作期間中に極めて費用のかかるものとなる。 ヨーロッパ特許第５６１００３６８においては、デジタルシステムが記述され ており、間隔に関するアナログ振幅が異なった共振をカップルアウトすることに よって得られる。 その他の解決法は本明細書に鑑みて下記に説明される。この説明において解決 法の理解のために具体的に必要な実施態様が単に示されている。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．互いに対して移動し得る部品間に、電気エネルギーもしくは電気信号を別 々に非接触伝送し、共振回路を形成するように適当に相補的なダミー素子により 補足され、また切換えもしくは増幅素子により供給される誘導もしくは容量形カ プラー素子からなるシステムにおいて、前記切換えもしくは増幅素子が、伝送に 用いられる共振回路が中では周波数決定切換え素子であるパワー発振器の形成に 補足されることを特徴とする非接触伝送システム。 ２．前記共振素子の電圧と電流に基づき、前記切換えもしくは増幅素子用の二 次結合信号を生成し、それにより振動が前記共振回路の少くとも１つの共振周波 数で発生させることを特徴とする請求項１記載の非接触伝送システム。 ３．前記信号手段が直列共振電流の一部分に比例する振幅をカップルアウトす るよう設計されていることを特徴とする請求項１もしくは２記載の非接触伝送シ ステム。 ４．前記信号手段が並列共振電圧の一部分に比例する振幅をカップルアウトす るよう設計されていることを特徴とする請求項１もしくは２記載の非接触伝送シ ステム。 ５．いくつかの共振の場合に、前記信号手段が直列共振電流に比例し、また並 列共振電圧に比例する振幅からなる組合せ信号をカップルアウトするよう設計さ れていることを特徴とする請求項１もしくは２記載の非接触伝送システム。 ６．前記回路の振動の開始を容易にする追加の二次発振器が配設されることを 特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の非接触伝送システム。 ７．前記システムの動作周波数を決定し、かつ互いに対して移動し得る前記部 品の間隔の大きさに対応して信号をそれから誘導する分析器手段を配設すること を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の非接触伝送システム。 ８．前記信号手段が共振電圧もしくは共振電流のタッピングの間の予備選択用 のフィルター素子からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の 非接触伝送システム。