JP2001512634A5 - - Google Patents

Description

電気エネルギーまたは電気信号を非接触式に伝達する構造体

本発明は、相対的に動く部品の間で電気エネルギーまたは電気信号を非接触式または無接点式に伝達するための構造体に関するものである。

このような装置は、相対的に動く２個以上の部品の間で電気信号または電気エネルギーを伝達するために使用される。その際、運動は回転運動でもよいし、並進運動でもよいし、また組み合わせ運動でもよい。

理解しやくするために、本明細書では、相対的に動くユニットの間の伝達と、固定されたユニットとこの固定されたユニットと相対的に動くユニットとの間の伝達とを区別しない。なぜなら、これは位相関係の問題だけであり、本発明による構造体の機能に影響を及ぼさないからである。同様に、信号とエネルギーの伝達も区別しない。なぜなら、作用メカニズムが同じであるからである。

クレーン装置やコンベヤのような並進運動可能および特に直線運動可能なユニットの場合並びにレーダーセットまたはコンピュータ断層撮影装置のような回転可能なユニットの場合、相対的に動くユニットの間または固定されたユニットとこの固定されたユニットと相対的に動くように配置された少なくとも１個のユニットとの間で、電気信号またはエネルギーを伝達する必要がある。

例えば、ユニットの相対速度が比較的に高いときには、伝達を非接触で行うことが有利である。非接触伝達は更に、例えばすり接点による接触伝達と比べて、デジタル信号の伝達の際高いデータ転送速度で伝達すべきときまたはアナログ信号の伝達のために大きな帯域幅が必要であるときに有利である。

従来の（円形の）スリップリングの場合、スリップリングの直径によって、伝達可能な最大周波数が制限される。これは、スリップリング円周が伝達すべき信号の半分の波長に一致するときに達成される。

信号または電気エネルギーを無接点式に伝達するための構造体または装置は、例えばドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ３０４３４４１Ａ１号あるいはドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ４２３６３４０Ｃ２号からいろいろな実施形が知られている。

ドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ ３０４３４４１Ａ１号によって知られている無線式エネルギー伝達装置の場合、誘導結合素子が使用される。この誘導結合素子は共振回路を形成するように相補的なダミー素子またはコンデンサによって補われ、スイッチング素子または増振素子から給電される。

ドイツ連邦共和国特許第ＤＥ ４２３６３４０Ｃ２号によって知られている、ステータに配置された一次コイルから少なくとも１本の二次コイルを備えた消費機器へ、中波の範囲内のエネルギーを誘導伝達するための構造体の場合、一次コイルがグループをなして直列に接続配置されたコイルからなっている。この場合、グループ当たり１個のコンデンサが直列に接続配置されている。すべてのグループはそれぞれ、中波配電線に並列に接続されている。各コイルグループと各コンデンサのインピーダンスは、１個のグループを可動の消費機器の１つに誘導結合する際に、このグループのための共振条件が少なくともほぼ満たされるような大きさに定められている。

他の構造体がドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ ３３３１７２２Ａ１号によって知られている。この公知の構造体は各部分に、結合素子を備えている。この結合素子はそれぞれ少なくとも１個の電極を備えているので、信号は対向する電極を経て容量式に伝送される。

誘導伝送式の他の構造体がドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ ２８４５４３８Ａ１号に記載されている。

IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING 第37巻 第7号 1990年7月1日、第716〜722頁で既に述べられているように、相対的に動く部品の間で電気エネルギーまたは電気信号を非接触伝達するための構造体が知られている。この部品は誘導結合素子または容量結合素子を備えている。これらの結合素子は共振回路を形成するように相補的なダミー素子によって補われ、そして電力発振器を形成するようにスイッチング素子または増振素子によって補われている。

そこで選択された回路構造体は比較的にルーズな結合に特徴があり、少なくとも２個の共振回路を必要とし、そして小さな出力を伝達するためにのみ適している。それの際、フィードバックパスＬｆの選択された配置構造は不適当である。従って、必要なすべての値、特に電圧の算出はきわめて面倒である。

ヨーロッパ特許公開第ＥＰ ５６ １００ ３６８号には、異なる共振を結合解除することにより、間隔に関するアナログ値を得るデジタスシステムが記載されている。

次に発明の開示を目的として簡単に説明する他の解決策が知られている。その際、解決策を理解するために必須である観点だけを考慮する。

請求項１の前提部分を作成する際に出発している構造体は基本的に、大きな虚部を有するインピーダンスを有する。この虚部は容量型結合構造体の場合寸法によって制限される結合キャパシタンスによって発生し、誘導型装置の場合漏れインダクタンスによって生じる。漏れインダクタンスは任意に小さく形成することができない。というのは、機構的な理由から、可動部品の間に常に或る空隙が存在するからである。結合インダクタンスと結合キャパシタンスによって電源回路内に存在するインピーダンスは、付加的な手段なしに、伝達可能な出力を制限する。

既にMeinke Grundlach 著 高周波技術のポケットブック(Taschenbuch der Hochfrequenztechnik)第３版、Springer 出版社、1968年に記載されているように、このような虚部のインピーダンスは同じ大きさで反対の正負符号を有する第２の虚部のインピーダンスによって相殺することができる。

誘導伝達の場合、これは用語共振変圧器の下でも知られている。これについては、Meinke Grundlach 著 高周波技術のポケットブック(Taschenbuch der Hochfrequenztechnik)第３版、の第１８６頁（共振変圧器）が参照される。

相殺のために、キャパシタンスが誘導型伝達素子に加えられるかあるいは付加的なインダクタンスが容量型伝達素子に加えられ、従って共振回路を形成するようにそれぞれの伝達素子を補う。共振周波数の場合、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）の場合無限に近づき、直列共振（直列接続）の場合ゼロに近づく。

それによって、このインピーダンスは出力伝達にもはや影響を与えないがしかし、このような構造体の技術的な実現の際に、機械的な誤差が特に問題である。素子の相対運動によってあるいは熱膨張によって、インダクタンスまたは結合キャパシタンスが少なくとも少しだけ変化する。

回路が普遍の作動周波数で作動する発振器によって給電されると、このような機械的な影響によってまたは発振器の経時変化または温度ドリフト現象によって、発振器動作周波数および伝達装置の共振周波数からのずれが生じる。

このような場合、ダミー素子の補償はもはや有効ではなく、伝達装置はエネルギー伝達をかなり損なうインピーダンスを有する。

問題を解決するために、温度を安定させるクオーツ発振器の使用や許容誤差をきわめて小さくした伝達素子の機械的設計のようないろいろな手段が知られている。他の解決策は、ドイツ連邦共和国特許公開第ＤＥ３４４７５６０Ａ１号によれば、可変容量ダイオードによって調節可能な発振器からなっている。このような解決策は技術的コストが高く、かつ敏感で不安定なシステムになる。

図１は本発明による構造体を示す。
図２は直列共振回路を形成するように補われる容量結合素子を備えた実施の形態を示す。
図３は並列共振回路を形成するように補われる誘導結合素子を備えた実施の形態を示す。

本発明の課題は、適当な相補形リアクタンス素子によって補われて共振回路を形成し、かつスイッチング素子または増振素子から給電される誘導結合素子または容量結合素子を備えた、相対的に動く部品の間で電気エネルギーまたは電気信号を非接触式に伝達するための構造体を、エネルギー伝達または信号伝達が、周囲条件、すなわち温度や機械的許容誤差に関係なく、広い範囲で達成可能であるように改良することである。
この課題の本発明による解決策は請求項１に記載されている。本発明の他の実施形は請求項２以降の対象となっている。
本発明は次の基本思想から出発している。

共振回路を形成するように補う誘導伝達装置または容量伝達装置は、共振周波数の場合にのみその最適な伝達特性を有する。従って、本発明では、回路が電力発振器を形成するように補われる。この電力発振器では、伝達のために使用される共振回路は、周波数を決定する回路素子である。その際、伝達素子の共振回路が直列回路であるかまたは並列回路であるかは重要ではない。他の付加的なリアクタンス素子によって、複数回路の共振可能なシステムを形成することができる。

エネルギー伝達が可能である、伝達システムの少なくとも１つの共振周波数での発振のために二次結合（正のフィードバック）によって励起可能であるように、伝達システムを形成することが重要である。

構造体は共振伝達装置に給電する増振素子を備えている。有利な実施形の場合、信号伝達手段が共振回路を形成する誘導結合素子または容量結合素子である共振素子の電流および電圧から、少なくとも１つの位相情報を含む信号を決定し、この位相情報を増振素子に信号で知らせる。発振性構造を得るために、この構造体では、発振条件（Tietze、Schenk著、半導体回路技術(Halbleiterschaltungstechnik)、Springer 出版社、第10版、第459頁参照)を満たすように増幅するスイッチング素子または増振素子が必要である。スイッチング素子または増振素子が純粋な半導体スイッチング素子としてあるいは線形の増振素子として形成されているかどうかは、本発明による構造体の機能に影響を及ぼさない。
従って、以下において、スイッチング素子と増振素子を区別しない。

本発明のきわめて有利な実施形では、直列共振の場合、信号伝達手段は共振電流の所定の割合を取り出す電流タップを備えている。この電流タップは例えば電流測定抵抗、電源変圧器またはホール素子である。同様に、共振電流は電圧低下として共振素子の１つで測定可能である。

本発明の他の有利な実施形では、並列共振の場合、信号伝達手段が並列共振回路に生じた電圧の所定の割合を取り出すための素子を備えている。この電圧はこの素子を流れる電流を介して間接的に決定することもできる。

本発明の他の有利な実施形では、多回路の共振システムの場合、信号伝達手段は少なくとも１つの並列共振電圧の所定の割合または少なくとも１つの直列共振電流の所定の割合の組み合わせを決定するための素子を備えている。その際、信号伝達手段は、これらの量を簡単に同相加算することによって評価を行うように形成可能である。それによって、負荷のケースに応じて、回路を直列共振または並列共振で動作させることができる。

その代わりに、直列共振が存在するかまたは並列共振が存在するかどうかおよび共振電圧の割合を決定するかまたは共振電流の割合を決定するかどうかを認識する切換えも実現可能である。

本発明の他の有利な実施形では、信号伝達手段が共振電圧または共振電流のタッピングの間のプリセレクションのためのろ過素子を備えている。

本発明の他の有利な実施形では、信号伝達手段は供給電圧をかける際に構造体の発振開始を容易にする補助発振器を備えている。供給電圧をかける際に、発振器は通常はノイズ状態から発振する。確実で迅速な発振開始を保証するために、このような発振器は所定の周波数を有する始動信号を得ることができる。この周波数が所望な動作周波数の近くに選定されると、発振開始をきわめて迅速に行うことができる。始動信号の設定によって、複数の共振の場合にも、所望の共振周波数で発振が行われる。このような場合、発振開始をノイズ状態から行うと、電極発振器が所望されない共振周波数でも発振を開始することができる。

本発明の他の有利な実施形では、相対的に動く部品の間隔を決定するために回路自体の動作周波数を使用する他の評価ユニットが設けられている。誘導伝達または容量伝達の場合、動作周波数が相対的に動く部品の間隔に依存して変化するので、動作周波数の変化から、間隔の変化を問題なく決定することができる。

図１は、消費機器４に給電する誘導結合素子または容量結合素子３からなる本発明の共振結合構造体を示している。この結合素子は少なくとも１個のリアクタンス素子２によって補われて共振可能な構造を形成している。信号伝達手段５は結合素子または補うリアクタンス素子の共振電流または共振電圧に基づいて、二次結合信号（正のフィードバック信号）を発生させる。この二次結合信号は、スイッチング素子または増振素子１が後続配置のリアクタンス素子２，３と共に発振条件を満たすような振幅および位相を有する。

図２は、容量伝達装置の場合の本発明による例示的な構造体を示している。容量結合素子１３は負荷１４に給電する。インダクタンス１２によって補われて共振可能な構造となる。信号伝達手段はここでは、電流測定抵抗１５からなっている。この電流測定抵抗は、インダクタンスおよびキャパシタンスによって直列共振電流に比例する信号を、スイッチング素子または増振素子１１に伝達する。

図３は、誘導結合素子の並列共振の場合の、本発明による構造体のきわめて簡単な実施の形態を例示している。誘導結合素子２３はここでは負荷２４に給電する。インダクタンスはキャパシタンス２２によって補われて並列共振回路を形成している。この信号伝達手段はここでは、両抵抗２５，２６を有する分圧器からなっている。この抵抗はインダクタンスとキャパシタンスの並列共振電圧の所定の割合を取り出し、これをスイッチング素子または増振素子に伝達する。

Claims (6)

1. 誘導結合素子（２３）または容量結合素子（１３）を用いて、相対的に動く部品の間で電気エネルギーを非接触式に伝達するための構造体であって、この結合素子は適当な相補形リアクタンス素子（２，１２）によって補われて共振回路を形成し、かつスイッチング素子または増振素子（１，１１）によって電気エネルギーが前記誘導結合素子または容量結合素子に供給される、上記構造体において、共振回路を形成する誘導結合素子または容量結合素子である共振素子の信号の位相に基づき、前記スイッチング素子または増振素子に対し共振周波数で発振するようになるように正のフィードバック信号を生成するように信号伝達手段（５、１５、２５、２６）が付加的に備えられ、それによって前記リアクタンス素子が補足された伝送手段の少なくとも１つ以上の共振周波数で発振が発生する、ことを特徴とする構造体。
2. 信号伝達手段（５，１５，２５，２６）は、直列共振電流の一部に比例する信号の位相を取り出すように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 信号伝達手段（５，１５，２５，２６）は、並列共振電圧の一部に比例する信号の位相を取り出すように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
4. 複数の共振の場合、信号伝達手段（５，１５，２５，２６）は、直列共振電流に比例する信号の位相と並列共振電圧に比例する信号の位相からなる組み合わせ信号を取り出すように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
5. 回路の発振の開始を容易にするために補助発振器を付加的に備えることを特徴とする請求項１〜４に記載の構造体。
6. 構造体の動作周波数を測定し、この動作周波数から相対的に動く部品の間の大きさに対応する信号を導き出す評価手段を備えることを特徴とする請求項１〜５に記載の構造体。