JP2005538625A - エネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送するための装置 - Google Patents

Abstract

本装置は１次回路（１）を有しており、１次回路（１）はエネルギーまたはデータを、中間回路（２）を介して２次回路（３）へ誘導的に伝送する。中間回路（２）は、非常に低い品質を有する。エネルギーまたはデータを可能な限り効果的に１次回路（１）から２次回路（３）へ伝送するため、中間回路（２）と２次回路（３）との間の磁気結合が、付加的な散乱インダクタンス（Ｌ_Ｓ）を挿入することによって低減される。こうすることによって、２次回路（３）に対して及ぼされる中間回路（２）の減衰の影響が低減される。

Description

本発明は、１次回路から中間回路を介して２次回路へエネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送するための装置に関する。

この種の装置は、たとえば特許明細書ＵＳ５４９１４８３Ａから公知である。この装置はベースステーション（１次回路）を有し、このベースステーションはアンテナを介して問い合わせ信号を送出し、応答信号を受信する。受信された問い合わせ信号に対して自動的に応答信号を返送するトランスポンダは中間回路を有し、この中間回路が該トランスポンダのアンテナを形成する。このアンテナは、インピーダンス変換器を介して発振回路（２次回路）に接続されている。インピーダンス変換器は、アンテナの低いインピーダンスを発振回路の高いインピーダンスに適合するために使用される。この装置によってエネルギーがトランスポンダへ伝送され、そこでエネルギー蓄積器に一時蓄積され、このエネルギーによって応答信号がベースステーションへ返送される。

エネルギー蓄積器を可能な限り良好に充電するためには、トランスポンダの入力電圧が問い合わせ信号の受信時に可能な限り大きくなければならない。しかし、中間回路（ループアンテナ）の品質が低いと、誘導的に結合することにより、２次回路に対して大きな減衰の影響が及ぼされるので、従来は回路の結合を改善することによって伝送を改善するという試みがなされていた。たとえば、複数の巻き線を有する比較的低抵抗のアンテナまたはアンテナコイルが使用されていた。

特許明細書ＵＳ５４７９１７１からも、エネルギーまたはデータを１次回路から中間回路を介して２次コイルへ誘導的に伝送するためのこのような装置が公知である。可能な限り効率的にデータおよびエネルギーをベースステーションからトランスポンダへ伝送し、かつその逆で返送できるようにするため、ここでは、中間回路および２次回路双方の品質が可能な限り高くなるように該回路を構成するという試みがなされている。しかし、２次回路の離調または減衰によって、トランスポンダの読み取り領域に対して悪影響が及ぼされる。

結合を改善するために、中間回路にアンテナ結合コイルが設けられており、このアンテナ結合コイルは電気的にアンテナに結合されている。

本発明の課題は、エネルギーおよび／またはデータを１次回路から中間回路を介して２次回路へ誘導的に伝送し、かつ逆に伝送するための次のような装置を提供することである。すなわち、データまたはエネルギーが可能な限り効率的に伝送される装置を提供することである。

前記課題の解決手段は、請求項１の特徴を有する装置である。ここでは、中間回路の品質を向上させるという試みはなされず、その代わりに、所期のように２つの回路間の磁気結合を低減することにより、両回路のうち１つの減衰を低減するという試みがなされる。中間回路と２次回路との間の磁気結合は、付加的な散乱インダクタンスによって低減される。この散乱インダクタンスは２次回路に挿入される。散乱インダクタンスは、ここでは２次コイルと磁気的に減結合されている。２次コイルとの磁気結合は、特別に構成された結合素子によって低減することもできる。ここでは、結合素子は散乱分岐を有し、この散乱分岐の磁束は、２次回路の結合磁束および中間回路の結合磁束に同時にならない。

このことの利点は、１次回路から２次回路への伝送の全体的な有効性が改善されることである。このことによってとりわけ、入力電圧が等しい場合、中間回路と２次回路との間で磁気結合が低減されるにもかかわらず、２次回路の出力端に発生する電圧が大きくなる。磁気結合が低減することによって、温度等の外部の影響に起因する変化が２次回路における品質またはインダクタンスの変化に及ぼされる作用が小さくなる。したがってデータまたはエネルギーの伝送が、公差変動が比較的大きくても確実に実施される。

本発明の有利な発展形態が従属請求項に記載されている。ここでは、結合素子は散乱トランスコアによって形成されており、この散乱トランスコアは少なくとも１つの結合分岐と１つの散乱分岐とを有する。散乱分岐の磁束は、２次回路および中間回路に誘導的に結合され、同時に両方に結合されない。

中間回路と２次回路との間の磁気結合は、透磁性の材料から製造された結合素子によって良好に低減される。前記透磁性の材料は有利には、高透磁率を有する材料である。

前記材料の断面および透磁性を構造的に形成することによって、散乱インダクタンスの高さが所期のように調整され、それによって結合が磁気的に正確に適合される。

したがって、中間回路と２次回路との間の磁気結合は悪化する。しかし、１次回路から２次回路への全体的な伝送特性は改善される。

有利にはこのような装置は、自動車のタイヤ圧測定システムに対して使用される。ここでは１次回路は、各ホイール近傍の車両側に設けられる。中間回路および２次回路はタイヤに配置される。エネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送することにより、タイヤの識別データ、タイヤの圧力値または温度値、およびタイヤにあるトランスポンダのその他のデータが問い合わせされる。

エネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送するための装置は、１次回路から中間回路を介して２次回路へ誘導的に伝送されるのであれば、どこでも使用することができる。とりわけ本発明は、中間回路および２次回路が１次回路に対して空間的に変化し、かつ中間回路の品質が低い場合に使用される。

本発明の実施例を、以下で概略的な図面に基づいて詳細に説明する。

図面
図１ エネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送するための本発明による装置のブロック回路図である。

図２Ａおよび２Ｂ 図１に示された装置の２次回路の実施例を示している。

図３Ａ〜３Ｃ 図２Ａおよび図２Ｂによる１次回路の動作量を示している。

図４ 自動車内のタイヤ圧測定システムに対する本装置の使用例を示している。

図５ 自動車のタイヤにおける本装置の配置を示している。

図６ 本装置のベースステーション（１次回路）のブロック回路図である。

本発明による装置は、エネルギーおよび／またはデータを１次回路１（図１）から中間回路２を介して２次回路３へ誘導的に伝送するために、かつデータを１次回路１へ返送するために使用される。データはここでは、コーディングまたは暗号化されて伝送される。有利には、この伝送はＮＦ領域で行われ、このＮＦ領域はたとえば１２５ｋＨｚである。

１次回路１（ベースステーションとも称される）は、図１によればアンテナ４を有する。このアンテナ４は、コア５に捲回されたコイル６（１次コイルとも称される）によって形成されている。このベースステーションによって、データまたはエネルギーが変調されて誘導的に送出され、かつデータが誘導的に受信される。

このベースステーションから、エネルギーまたはデータが中間回路２を介して２次回路３へ誘導的に伝送される。中間回路２はここでは、２次回路３のための送受信アンテナとして使用されるだけである。中間回路２と２次回路３との間の結合素子は、エネルギーまたはデータを双方の回路間で伝送するための媒体として使用される。図１では結合素子は、導磁性のリングコア８として構成されている。

２次回路３によって受信された信号は、トランスポンダＩＣ７へ供給される。このトランスポンダＩＣ７がデータを評価し、返送するためのデータを形成する。それゆえ、この２次回路３は中間回路２とともに、トランスポンダと称される。

中間回路２は有利には、短絡コイル１６（すなわち、短絡された１つの巻き線のみを有するコイル）として構成されており、アンテナとしてベースステーションのエネルギーおよび／またはデータを受信または送出するために使用される。この中間回路２はまた、誘導的な結合によってエネルギーまたはデータを２次回路３に転送するためにも使用される。

中間回路２は、結合素子を介して２次回路３に誘導的に結合されている。こうするため有利には、磁気的なリングコア８が使用される。このリングコア８は、一方では短絡コイル１６に係合されており、該短絡コイル１６の磁界をそれ自体に結合する。他方では、リングコア８には２次コイル９が捲回されており、この２次コイル９は２次回路３の一部である。２次コイル９はコンデンサＣ_Ｔとともに、２次回路３の発振回路を形成する。リングコア８を介して、中間回路２と２次コイル９との間に誘導的な結合が形成され、データまたはエネルギーが伝送される。

２次回路３はトランスポンダＩＣ７に接続されており、このトランスポンダＩＣ７にて、受信されたデータまたは受け取られたエネルギーが評価され、送信すべきデータが形成される。受け取られたエネルギーによって、エネルギー蓄積器（ここでは充電コンデンサＣ_Ｌ）にエネルギーが蓄積または再蓄積される。その後このエネルギーは、受信された信号を評価し、データを形成および返送するために使用される。したがって該トランスポンダは、バッテリーの形態の固有のエネルギー供給部を必要としない。

中間回路２の品質は、たとえば材料に起因して非常に低い。中間回路２から結合素子（リングコア８）を介して２次回路３までの磁気結合によって、この低い品質が２次回路３へ伝達される。このように品質を低下させることにより、双方間のデータまたはエネルギーの伝達が劣化される。

１次回路１から２次回路３への全体的な伝送の有効性を改善するため、本発明では、中間回路２と２次回路３との間の磁気結合が所期のように低減される。このことを以下で詳細に説明する。

本発明によって、中間回路２から２次回路３までの結合を低減しなければならない。その上、エネルギー蓄積器に良好にエネルギー蓄積し、データの返送のためにエネルギーを提供するため、可能な限り高い電圧伝送を達成しなければならない。さらに、２次回路３における動作インダクタンスおよび動作品質を、本装置の作動時にパラメータ変動に対して安定させなければならない。

このことは、２次回路３に散乱インダクタンスＬ_Ｓを挿入することによって達成される。この散乱インダクタンスＬ_Ｓによって、中間回路２と２次回路３との間の磁気結合は確かに低減されるが、伝送特性は最適化される。

この付加的な散乱インダクタンスＬ_Ｓは図２Ａによれば、（インダクタンスＬ_２を有する）２次コイル９と誘導的に減結合された散乱インダクタンスＬ_Ｓによって形成される。この散乱インダクタンスＬ_Ｓは、２次コイル９と直列に配置されている。この散乱インダクタンスＬ_Ｓは、リングコア８と誘導的に結合されていないが、間接的に磁気結合を低減する。というのも、散乱インダクタンスＬ_Ｓは２次コイル９に対して直列に配置されているので、発振回路の伝送特性に影響するからである。

散乱インダクタンスＬ_Ｓを挿入する他に付加的に、または自体で独立して、結合素子を特別に構成された散乱トランスコア１０（図２Ｂ）として構成することができる。ここでは、散乱トランスコア１０は結合分岐１１および散乱分岐１２を有する（ここでは、散乱分岐１２として中間ブリッジを有するダブルホールコアとして形成されている）。散乱分岐１２を通る磁束は、中間回路２および２次回路３のいずれかに結合され、同時には結合されない。したがってこの磁束は、所期のように挿入された散乱磁束であり、この散乱磁束によって磁気結合が劣化される。それゆえ、結合回路を通る磁束のみが短絡コイル１６および２次コイル９の双方に結合され、散乱分岐１２はそうではない。このことによって、磁気結合が低減される。したがって散乱分岐１２もまた、２次回路３に付加的に挿入された散乱インダクタンスである。

それゆえ結合磁束対散乱磁束の比率は、中間回路２と２次回路３との間の磁気的／誘導的な結合を低減させるための尺度である。散乱磁束を所期のように「寸法決め」することにより、すなわち、たとえば散乱トランスコア１０のコア断面または使用される材料の透磁性を幾何的に構成することにより、磁気結合の低減は、全体的な伝送における最適値が達成されるように構成される。

このようにして確かに、中間回路２と２次回路３との間の磁気結合が低減される。しかし、中間回路２は非常に低い品質を有するので、磁気結合を前記のように低減することによって２次回路３の減衰が低減され、これによって全体的な伝送特性が改善される。このことを、図３Ａ〜３Ｂに基づいて詳細に説明する。

散乱トランスコア１０またはリングコア８は有利には、高透磁率を有する材料から形成される。コアの透磁性および断面に応じて、適切な巻き数で所望のインダクタンスを達成することができる。

図２Ａおよび２Ｂに示された両実施例を組み合わせて、散乱インダクタンスＬ_Ｓも散乱トランスコア１０も設けることもできる。ここでは双方は、磁気結合を低減して最適な伝送特性が得られるように寸法決めされる。

図３Ａ〜３Ｃでは、トランスポンダ回路全体の動作量、すなわち中間回路２および２次回路３の動作量が示されている。図３Ａには、２次回路３の出力端に発生する定格出力電圧Ｕ_ａｎが、有効結合係数ｋ_ｅｆｆに依存して示されている。前記出力電圧Ｕ_ａｎはすなわち、発振回路コンデンサＣ_Ｔに対して並列な電圧である。有効結合係数ｋ_ｅｆｆは次のように計算される：

Ｌ_２は、リングコアのインダクタンス係数Ａ_Ｌ×短絡コイル１６の適切な巻き数（ｎ＝１）または２次コイル（ｎ＞１）の２乗（ｎ^２）に等しく、Ｌ_Ｓは付加的な散乱インダクタンスである。

トランスポンダ回路全体は、ｋ_ｅｆｆ＝０％の場合、０％の定格出力電圧Ｕ_ａｎを有する。この場合、定格２次インダクタンスＬ_２＝１００％である。ｋ_ｅｆｆ＝１（または１００％）の場合、出力電圧は約３３％である。１００％の最大規格出力電圧Ｕ_ａｎは、ｋ_ｅｆｆ≒２７．５％の場合に達成される。

電圧伝送を最大化するのが本発明の目的であるから、散乱インダクタンス（および／または散乱トランスコア１０）は、約２７．５％のこの有効結合係数に到達するように構成される。

トランスポンダの定格動作品質係数Ｑ_ｎは図３Ｂによれば、ｋ_ｅｆｆ＝０％で最大値をとり、ｋ_ｅｆｆ＝１００％で最小値をとる。ｋ_ｅｆｆ≒２７．５％の場合でも、５０％以上の動作品質係数Ｑ_ｎが得られるので、発振回路全体に対して十分な品質が得られる。

定格動作インダクタンスＬ_ｎ（図３Ｃ）は、結合係数が０％である場合に最大（Ｌ_ｎ＝１００％）であり、結合係数ｋ_ｅｆｆが上昇するとともに減少する。動作インダクタンスＬ_ｎは、とりわけ短絡コイル１６のオーム抵抗Ｒ_ＬおよびインダクタンスＬに依存する。この動作インダクタンスＬ_ｎの依存性が図３Ｃに示されている。抵抗値Ｒ_Ｌが上昇すると（ここに図示されているのは、抵抗値Ｒ_Ｌ＝１Ω、２Ωおよび３Ωの場合の経過）、動作インダクタンスＬ_ｎも大きくなる。もちろん、この動作インダクタンスはｋ_ｅｆｆ＝２７．５％までほぼ一定である。短絡コイル１６の抵抗値Ｒ_Ｌは実質的に、使用される材料と短絡コイル１６の幾何的な寸法とに依存する。材料は実質的に、短絡コイル１６の適切な適用ケースによって決定される。

図３Ｃに示されているように、有効結合係数ｋ_ｅｆｆが２７．５％の場合、短絡コイル１６の抵抗値Ｒ_Ｌが大きく変化しても、動作インダクタンスはほとんど変動しない。それゆえこの結合係数では、製造に起因する公差変動、または温度に起因する抵抗変化等の外部によって、全システムに対して影響が及ぼされることはほとんどない。したがってここでは、２７．５％の有効結合係数ｋ_ｅｆｆが最適な結合係数であり、この最適な結合係数から、適切な散乱インダクタンスＬ_Ｓまたは散乱トランスコアが計算されて寸法決めされ、その結果として動作インダクタンスが安定化され、データまたはエネルギーの全体的な伝送が改善される。

図４〜６に基づいて、自動車のためのタイヤ圧測定システムにおける本発明の装置の使用を詳細に説明する。図４〜６において、同機能の部分は図１および２と同一の参照記号を有する。

ベースステーション（１次回路１）によって、各ホイール１４（図４）近傍にある各１つのアンテナ４を介してエネルギー信号が、タイヤ１５にあるトランスポンダへ送出される。各トランスポンダはこの受け取られたエネルギーを使用して、タイヤ１５における圧力または温度を測定し、データ信号でベースステーションへ返送する。圧力値は各ホイール位置ごとに運転者に対して表示される。とりわけ、タイヤにおける圧力損失が許容範囲外に高いか、またはタイヤにおける圧力または温度が高すぎる場合、アラーム通知が出力される。

自動車の各タイヤ１５では、送受信アンテナとして短絡コイル１６が、各タイヤ１５の内側またはゴムに配置されている。リングコア８を介して、短絡コイル１６は２次回路３に誘導的に結合されている。各短絡コイル１６にはベースステーションのアンテナ４が、可能な限り良好な伝送が行われるように空間的に所属している。エネルギーおよび／またはデータを１次回路１から良好に短絡コイル１６へ入力結合するため、アンテナ４はたとえば、ばね脚部１７（図５）に短絡コイル１６の高さに固定されている。したがって、ホイールが回転しても各アンテナ４は、それぞれ所属する短絡コイル１６に対して可能な限り短くて等しい間隔を有する。短絡コイル１６では、ホイール回転に依存せずに常に等しい電圧が、車両側のアンテナ４の磁界によって誘起され、すべてのホイール角度位置で等しい高さの電流が流れる。

短絡コイル１６は、有利には鋼から製造される（したがって、スチールリングとも称される）。鋼は、極度の負荷でも破壊してはならない。前記極度の負荷は、たとえばタイヤの撓曲作用である。スチールリングは、ばね脚部１７に向かって、ひいてはベースステーションのアンテナ４に向かって方向付けられたタイヤ１５の側壁の内側か、または、ばね脚部１７に向かって、ひいてはベースステーションのアンテナ４に向かって方向付けられた側のタイヤ材料内に固定されている。

エネルギーまたはデータを可能な限り効率的に伝送するため、ベースステーションのアンテナ４はコイルとして、高透磁率を有するフェライトコア５に捲回されている。このフェライトコア５は、スチールリングの巻き面に対してほぼ平行に配置されているので、アンテナ４の磁界（磁界線が図５に点線で示唆されている）は良好に短絡コイル１６に入力結合される。

図６には、ベースステーションが詳細に示されている。ベースステーションは、各トランスポンダによって送信された信号を、ホイールに所属された複数のアンテナを介して受信する。各アンテナ４は、その都度受信された信号を、受信器を介してマイクロプロセッサμＰへ供給する。この信号から復調されたデータ（たとえばタイヤ圧、タイヤにおける温度、またはタイヤの識別子）が、マイクロプロセッサμＰへ供給される。

マイクロプロセッサμＰはデータメモリＥ^２ＰＲＯＭに接続されている。このメモリＥ^２ＰＲＯＭには、タイヤフル圧の目標値および基準値（許容最小圧力値および／または許容最大圧力値）、基準温度、ホイール位置への識別子の割り当て等が記憶されている。

ベースステーションは自動車のデータバス１８を介して、自動車内の別の電子ユニットに接続されている。前記データバス１８は、たとえばＣＡＮバスである。

タイヤ１５においてすでに、測定された圧力値が目標値と比較される。このことはベースステーションでも行うことができ、その際には、目標値または基準値がメモリＥ^２ＰＲＯＭに格納されている。目標値を下回るかまたは上回る場合、情報通知またはアラーム通知がバス１８を介して運転手に対して行われる。その際、情報は表示ユニット１９を介して、光学的および／または音響的に表示される。

基準圧力値を下回るかまたは上回るとアラーム信号が出力され、このアラーム信号によって運転手に対し、過度に低い圧力を有するタイヤ１５または過度に高い圧力を有するタイヤ１５が存在するそれぞれのホイール位置が通知される。

表示ユニット１９は有利には、運転手の視界内に配置されており、たとえばインスツルメントパネルに配置されている。

ベースステーションは送信器２０および受信器２１を有し、これらを使用して、データまたはエネルギーが１つまたは複数のアンテナ４を介して、タイヤ１５にある個々のトランスポンダへ送信されるか、またはそこから受信される。この送信および受信は有利には、その都度、タイヤ１５が設けられた各１つのホイール位置および該ホイール位置に存在するトランスポンダに所属するアンテナ４を介して行われる。

散乱インダクタンスとして、付加的に２次回路３に挿入された各インダクタンス（インピーダンス）が挙げられる。このインダクタンスによって、所期のように中間回路２と２次回路３との間の磁気結合が低減され、ひいては中間回路２の品質が低いことによる２次回路３の減衰が低減される。このことによって、全体的な伝送特性が改善される。

エネルギーおよび／またはデータを誘導的に伝送するための本発明による装置のブロック回路図である。

図１に示された装置の２次回路の実施例を示している。

図２Ａおよび図２Ｂによる１次回路の動作量を示している。

自動車内のタイヤ圧測定システムに対する本装置の使用例を示している。

自動車のタイヤにおける本装置の配置を示している。

本装置のベースステーション（１次回路）のブロック回路図である。

Claims (4)

1. エネルギーおよび／またはデータを１次回路（１）から２次回路（３）へ誘導的に伝送するための装置であって、
   該１次回路（１）は少なくとも送受信アンテナ（４）を有し、
   該２次回路（３）は、少なくとも１つの２次コイル（９）およびコンデンサ（Ｃ_Ｔ）を有する発振回路を備えており、
   該１次回路（１）と該２次回路（３）との間には、アンテナ（１６）を有する磁気的な中間回路（２）が配置されており、
   前記アンテナ（１６）は、結合素子（８，１０）を介して前記１次回路（１）にも２次回路（３）にも誘導的に結合されている形式のものにおいて、
   該２次回路（３）内には、付加的な散乱インダクタンス（Ｌ_Ｓ）が配置されており、および／または、前記結合素子（８，１０）は散乱分岐（１２）を有し、
   前記散乱インダクタンス（Ｌ_Ｓ）は、前記２次回路（９）と磁気的に減結合されており、
   前記散乱分岐（１２）の磁束は、２次回路（３）の結合磁束および中間回路（２）の結合磁束に同時にならないので、中間回路（２）と２次回路（３）との間の磁気結合は確かに減少されるが、該１次回路（１）から該２次回路（３）への伝送の全体的な有効性が改善されることを特徴とする装置。
2. 前記結合素子は散乱トランスコア（１０）によって形成され、
   前記散乱トランスコア（１０）は、少なくとも１つの結合分岐（１１）および１つの散乱分岐（１２）を有し、
   前記散乱分岐（１２）の磁束は、２次コイル（９）およびアンテナ（１６）に、同時に誘導的に結合されない、請求項１記載の装置。
3. 前記散乱トランスコア（１０）は、透磁性の材料から製造されている、請求項１記載の装置。
4. 該１次回路（１）および該２次回路（３）は、自動車のタイヤ圧測定システムにおいてエネルギーまたはデータを誘導的に伝送するために構成されており、
   該１次回路（１）は車両側に配置されており、
   該中間回路（２）はタイヤ側に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。

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