JP2007157985A - Non-contact power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電源をもつ固定側から電源をもたない回転側へと非接触で電源供給を行うための技術であり、特には、電磁誘導作用によって電源供給を行うものに関する。 The present invention relates to a technique for supplying power in a non-contact manner from a fixed side having a power source to a rotating side having no power source, and particularly relates to a technology for supplying power by electromagnetic induction.
回転シャフト等の回転側の物理特性(たとえば、トルク、荷重、温度、変位、圧力、振動など)を計測する場合、回転側には、計測すべき物理特性を電気信号として検出し、伝送に適した信号に変換処理する検出・変換手段を配置する。その回転側の検出・変換手段を駆動するためには電源が必要である。小型化の点から、通例、回転側は電源をもたず、回転側の検出・変換手段は、固定側の電源を用いて電力の供給を受ける。 When measuring physical properties on the rotating side such as a rotating shaft (for example, torque, load, temperature, displacement, pressure, vibration, etc.), the physical properties to be measured are detected as electrical signals on the rotating side and are suitable for transmission. Detection / conversion means for performing conversion processing on the received signal is arranged. A power source is required to drive the rotation side detection / conversion means. From the viewpoint of miniaturization, the rotating side usually does not have a power source, and the rotating side detection / conversion means is supplied with electric power by using a fixed side power source.
このような固定側から回転側へと電源を供給する方法として、一般に、スリップリングとブラシとを用いる機械的な接触タイプのほか、ロータリトランスを利用する非接触タイプが知られている。両者を比較した場合、信頼性や耐久性の点で後者の非接触タイプがすぐれている(特許文献1や2を参照)。 As a method for supplying power from the fixed side to the rotating side, a non-contact type using a rotary transformer is known in addition to a mechanical contact type using a slip ring and a brush. When both are compared, the latter non-contact type is superior in terms of reliability and durability (see Patent Documents 1 and 2).
非接触タイプは、固定側に送信コイル手段、回転側に受信コイル手段をそれぞれもち、固定側の送信コイル手段に電源から電力を供給し、電磁誘導作用によって、回転側の受信コイル手段に起電力を生じさせ、それに伴う電圧を回転側の検出・変換手段など(検出・変換手段のほか、たとえば、検出・変換手段からの変換信号を受け、それを非接触で送信する送信手段)の駆動に供する。
非接触タイプで用いるロータリトランスは、たとえば、円形のフェライトコアに巻線コイルを支持させた構成である。そのような巻線コイルをもつコアが送信側と受信側とにあり、送信側に交流電圧を印加し、電磁誘導作用によって受信側に起電力を生じさせ、それを安定化させて回転側の駆動用電源として利用する。しかし、このようなロータリトランスには、いくつかの難点がある。第1に、多種少量生産に不向きである点である。巻線コイルは、ボビンに電線(コイル)を巻くため、種類に応じてボビンをも合わせて加工しなければならない。その上、金型を用いてコアを粉末成形するので、ある程度の量産が前提であり、多種少量の生産では加工コストが高くなり、採算的に無理がある。また第2に、コアがあるため、小型化の点でも限界がある。 A non-contact type rotary transformer has a configuration in which a winding coil is supported on a circular ferrite core, for example. There is a core with such a winding coil on the transmission side and the reception side, an AC voltage is applied to the transmission side, an electromotive force is generated on the reception side by electromagnetic induction, and it is stabilized to Used as a drive power supply. However, such a rotary transformer has several drawbacks. First, it is unsuitable for various kinds of small-volume production. Since the winding coil winds an electric wire (coil) around the bobbin, the bobbin must be processed according to the type. In addition, since the core is powder-molded using a mold, it is premised on a certain amount of mass production, and in the production of a small amount of various kinds, the processing cost becomes high and it is not profitable. Second, since there is a core, there is a limit in terms of miniaturization.
そのような難点を考慮し、発明者は、コイルをパターン化したプリントコイルに着目した。コアレスにすることにより、しかもまた、ボビンを不要とすることにより、今までの一般的なコア付き巻線コイルの難点を一掃することができるからである。しかも、コアレスのプリントコイルは、コアおよび巻線コイルを使用しないため、装置の中での専有スペースを小さくし、装置を小型化および軽量化することができるし、コスト的にも有利である。さらには、プリントコイルは、絶縁基板上にコイルパターンをもつという構成から、少量生産にも適している。 In view of such difficulties, the inventor has focused on a printed coil in which the coil is patterned. This is because by making the coreless, and by eliminating the need for the bobbin, it is possible to eliminate the disadvantages of conventional winding coils with a core. Moreover, since the coreless printed coil does not use the core and the winding coil, the space occupied in the apparatus can be reduced, the apparatus can be reduced in size and weight, and the cost is advantageous. Furthermore, the printed coil is suitable for small-scale production because it has a coil pattern on an insulating substrate.
しかし、コアレスのプリントコイルは、コアレスに伴ってコイル成分のインダクタンスが低くなり、通常のロータリトランスに代わるものとしては機能しなくなる。これを解決するため、コイルパターンを絶縁基板の表裏両面に形成することを考えた。そして、表裏両面にコイルパターンをもつプリントコイルについて、いろいろと実験をし検討をした。その結果、インダクタンスを高くするため通常は表裏の両コイルパターンを直列に接続する方法を採用するところであるが、その方法では、回転側の回路を駆動させるのに充分な大きさの電力を得ることが難しいことが判明した。直列接続で電力を増大させるためには、コイルパターンの厚さおよび/または幅を大きくせざるを得ないが、規格の制約によりパターンの厚さを大きくすることはできないし、パターン幅を大きくすれば、全体の小型化を達成することができなくなってしまう。 However, the coreless printed coil has a lower inductance of the coil component along with the coreless, and does not function as a substitute for a normal rotary transformer. In order to solve this problem, it was considered to form coil patterns on both the front and back surfaces of the insulating substrate. And, I experimented and examined various kinds of printed coils with coil patterns on both sides. As a result, in order to increase the inductance, a method of connecting both the front and back coil patterns in series is usually adopted. However, in this method, a power large enough to drive the rotating circuit is obtained. Turned out to be difficult. In order to increase the power in series connection, the thickness and / or width of the coil pattern must be increased. However, the pattern thickness cannot be increased due to standard restrictions, and the pattern width must be increased. If this is the case, the overall size reduction cannot be achieved.
そこで、この発明は、コアレスのプリントコイルを用いた、有用な非接触タイプの電源供給システムを提供することを目的とする。この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。 Therefore, an object of the present invention is to provide a useful non-contact type power supply system using a coreless printed coil. Other objects of the present invention will become clear from the following description.
電磁誘導作用のためには、電源のある固定側に送信コイル手段、電源をもたない受信側に受信コイル手段をそれぞれ備え、それらの両コイル手段を互いに対向させるように配置することが必要である。この発明では、それら両コイル手段を、共に絶縁基板上にコイルパターンをもつプリントコイルから構成する。 For electromagnetic induction, it is necessary to provide transmission coil means on the fixed side with power supply and reception coil means on the reception side without power supply, and arrange these coil means so as to face each other. is there. In the present invention, both the coil means are constituted by a printed coil having a coil pattern on an insulating substrate.
プリントコイルのコイルパターンは、たとえば35μmの厚さの非常に薄い渦巻き状の導体パターンである。小型化を図るためには、そのパターン幅を細くし、有効な電磁誘導作用を生じるようなコイル巻数を確保しなければならない。しかし、コイルパターンのパターン幅をそのように細くすると、導体パターンの断面積が小さくなり、所定の電流を流すことができない。そのため、この発明では、絶縁基板の表裏両面にコイルパターンを形成し、しかも、それら表裏両面のコイルパターンを並列に接続する。このような表裏両面のコイルパターンを並列接続するという構成により、プリントコイルの小型化を図りつつ、所定の電力を得ることができる。 The coil pattern of the printed coil is a very thin spiral conductor pattern having a thickness of 35 μm, for example. In order to reduce the size, it is necessary to reduce the pattern width and secure the number of coil turns that produces an effective electromagnetic induction effect. However, if the pattern width of the coil pattern is so thin, the cross-sectional area of the conductor pattern becomes small, and a predetermined current cannot flow. Therefore, in this invention, a coil pattern is formed on both front and back surfaces of the insulating substrate, and the coil patterns on both front and back surfaces are connected in parallel. With such a configuration in which the coil patterns on both the front and back surfaces are connected in parallel, a predetermined power can be obtained while reducing the size of the printed coil.
受信コイル手段としての回転側プリントコイルに誘起される起電力は、コアレスのプリントコイルであるため微小な電力である。その微小な電力を電源としてさらに有効にするため、出力を高めることが好ましい。そのためには、回転側プリントコイルに並列共振回路を形成するようにすると良い。並列共振回路により、回転側プリントコイルに誘起される電圧の振幅を大きくすることができ、送信側のプリントコイルの供給電圧に対して、たとえば、約4倍の出力電圧を得ることができる。この増大した電圧を通常の処理、つまり、整流、平滑、安定化して回転側の電源として利用することができる。 The electromotive force induced in the rotating side print coil as the receiving coil means is a minute power because it is a coreless print coil. In order to make the minute electric power more effective as a power source, it is preferable to increase the output. For this purpose, it is preferable to form a parallel resonance circuit in the rotation side printed coil. The parallel resonance circuit can increase the amplitude of the voltage induced in the rotation-side printed coil, and an output voltage that is, for example, about four times the supply voltage of the transmission-side printed coil can be obtained. This increased voltage can be used as a power supply on the rotating side after normal processing, that is, rectification, smoothing, and stabilization.
送信コイル手段としての固定側プリントコイルと、受信コイル手段としての回転側プリントコイルとは、回転側および固定側の各回路に電磁誘導に伴う悪影響を及ぼさないように、それら各回路と空間を離し(つまり、所定のギャップをもたせて)配置するのが好ましい。その手法として、絶縁基板の表裏両面にコイルパターンをもつ平板形状のプリントコイルを複数の支柱で支持する方法を採用することができる。支柱は、一般に円形のプリントコイルの周囲にたとえば3〜5本を互いに隔てるように分布させる。好ましくは、それら支柱の少なくとも一本を利用して、表裏の両コイルパターンを電気的に導通させると良い。 The fixed side printed coil as the transmitting coil means and the rotating side printed coil as the receiving coil means are separated from each circuit so as not to adversely affect the rotating side and fixed side circuits due to electromagnetic induction. It is preferable to arrange (that is, with a predetermined gap). As the technique, a method of supporting a flat plate-shaped printed coil having a coil pattern on both front and back surfaces of an insulating substrate with a plurality of columns can be adopted. The pillars are distributed around a generally circular printed coil, e.g. 3-5 spaced apart. Preferably, the coil patterns on both the front and back sides are electrically connected using at least one of the support columns.
通常、回転側を構成するものはシャフトである。そこで、各プリントコイルを、表裏の各コイルパターンの内側に孔をもつドーナツ型の形状とし、内側の孔にシャフトを挿入するようにすることができる。 Usually, what constitutes the rotating side is a shaft. Therefore, each printed coil can be shaped like a donut with a hole inside each of the front and back coil patterns, and the shaft can be inserted into the inner hole.
この発明は、電源をもつ固定側から電源をもたない回転側へと非接触で電源供給を行う場合に広く適用することができるが、特には、回転側で計測した電気信号を固定側に伝送する手段を伴う場合に好適に適用することができる。そのような計測技術にこの発明を適用することにより、システムあるいは装置を小型かつ軽量にすることができ、しかもまた、高速回転に耐え、長期間安定したデータ伝送を行うことができる。 The present invention can be widely applied to a case where power is supplied in a non-contact manner from a fixed side having a power source to a rotating side having no power source.In particular, an electrical signal measured on the rotating side is applied to the fixed side. The present invention can be suitably applied to cases involving transmission means. By applying the present invention to such a measurement technique, the system or apparatus can be reduced in size and weight, and can withstand high-speed rotation and perform stable data transmission for a long period of time.
図1は、この発明を適用した回転トルクメータの全体構成図であり、また、図2は、その回路構成を示すブロック図である。回転トルクメータは、まっすぐに伸びるシャフト10を備える。このシャフト10は回転側の主体であり、一方の端部10Dに駆動軸を連結し、他方の端部10Fに従動軸を連結する。シャフト10の途中にひずみを生じやすくした部分10Cがあり、そこにひずみゲージを取り付ける。すなわち、部分10Cがトルク検出部である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a rotational torque meter to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a block diagram showing its circuit configuration. The rotational torque meter includes a
シャフト10は、ベアリングを含む一対の側板12,14によって回転可能に支持され、トルク検出部(部分10C)に隣り合う中央部分に回転モジュール20を一体に支持している。回転モジュール20は、外周の保護リング210の内周に、軸線方向に隔てた2つのモジュールを一体に備える。モジュールの一つは、トルク検出部からの検出信号を受け、それを伝送に適した変換信号に変換処理する検出・変換手段としてのトルク計測・送信部モジュール30である。もう一つのモジュールは、電源受信部モジュール40であり、それには、後で詳しく述べるように、支柱50によって電源受信用プリントコイル60が支持されている。
The
一対の側板12,14は固定側の構成要素である。トルク検出部に近接した側板12は、スペーサ12Sを介してトルク信号受信部モジュール70を一体に支持している。また、もう一方の側板14も、同様にスペーサ14Sを介して電源送信部モジュール80を一体に支持している。そして、電源送信部モジュール80の一側面に支柱50によって電源供給用プリントコイル90が支持されている。
The pair of
図3は、電源送受信部の等価回路図を示している。この図3とブロック図を示す図2とを参照しながら、電源送受信のための各回路を説明する。固定側には、たとえば、DC12ボルトの電源から入力を受ける電源部100がある。電源部100は、固定側の各回路に対し、所定の電源電圧を加える。モジュール化した固定側の電源送信部モジュール80は、電源部100に接続されるパルス発信器810と、パルス発信器810からの信号をオン/オフにスイッチングするスイッチング素子820とを備え、電源送信用プリントコイル90にパルス状の電圧を印加する。プリントコイル90側のインダクタンスが低いので、スイッチング周波数は高く(450kHz〜600kHzの範囲に)設定する。
FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the power transmission / reception unit. Each circuit for power transmission / reception will be described with reference to FIG. 3 and FIG. 2 showing a block diagram. On the fixed side, for example, there is a
固定側の電源送信用プリントコイル90は、回転側の電源受信用プリントコイル60に対向し、電磁誘導作用によってプリントコイル60に起電力を生じる。この回転側のプリントコイル60に続く部分に、整流平滑回路410、インダクタンスLとコンデンサCによる並列共振回路420を形成し、プリントコイル60に誘起する電圧を整流平滑し、さらに増大させるようにしている。これにより、たとえば、約4倍に増大した電圧を得ることができる。増大した電圧は、定電圧回路430によって安定化してから回転側のトルク計測・送信部モジュール30の駆動に供する。ここで、並列共振回路420には、温度特性にすぐれ、かつ高周波回路に適したコンデンサCを使用するのが好ましい。その点、ポリプロピレンフィルムで耐圧100ボルト以上のコンデンサを使用することにより、−10℃〜+80℃という広範囲な温度範囲で充分な性能を発揮することができる。
The fixed-side power
図4は、計測信号送受信部の等価回路図である。この図4とブロック図を示す図2とを参照しながら、計測信号送受信のための回路を説明する。回転側のトルク計測・送信部モジュール30は、トルク検出部10Cからの電気抵抗変化に基づく検出信号を受け、それを増幅する増幅器310と、増幅器310からの増幅信号を電圧−周波数(V−F)変換する変換器320と、変換器320からの変換信号をパルス状光信号として送信するパルス送信部330とを一体に備える。一方、回転側のトルク計測・送信部モジュール30に対向する固定側のトルク信号受信部モジュール70には、パルス送信部330から送信される光信号を受信する赤外フォトダイオードを含むパルス受信部710のほか、パルス受信部710からの信号を周波数−電圧(F−V)変換する変換器720、および変換器720による変換信号を増幅する増幅器730などがある。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the measurement signal transmission / reception unit. A circuit for transmitting and receiving measurement signals will be described with reference to FIG. 4 and FIG. 2 showing a block diagram. The torque measurement /
さて、モジュール化した回転側の回転モジュール20および固定側の電源送信部モジュール80は、それぞれ両側面が互いに平行なリング形状である。そのため、それらの各一側面に支柱50を立てることにより、共に平たい電源受信用プリントコイル60および電源供給用プリントコイル90を対面させるようにそれぞれ支持することができる。これら両プリントコイル60,90は、絶縁基板690の表裏両面に渦巻き状のコイルパターン96をもち、全体的に同様の構成である。各プリントコイルは、たとえば、次の仕様をもつ。
ドーナツ型の絶縁基板の厚さ:1.6mm
その絶縁基板の寸法:外径80mm×内径46mm
銅箔製のコイルパターンの厚さ:35μm
コイルパターンのパターン幅:0.25mm
パターン間のギャップ:0.25mm
渦巻き回数:18ターン
プリントコイル60,90は、隣接するモジュールに対し、電磁誘導の影響を及ぼさないような空間を設けて配置するが、スペース的に余裕があるときには、絶縁基板の外径寸法を大きくし、コイルパターンの渦巻き回数を増やすことにより、周波数を低くすることができる。
Now, the rotation-
Thickness of donut-shaped insulating substrate: 1.6 mm
Dimensions of the insulating substrate:
Copper foil coil pattern thickness: 35μm
Coil pattern width: 0.25mm
Gap between patterns: 0.25mm
Number of vortices: 18 turns The printed coils 60 and 90 are arranged with a space that does not affect the effect of electromagnetic induction on adjacent modules. Increasing the frequency and increasing the number of spirals of the coil pattern can lower the frequency.
図5は、プリントコイル60(90)の正面を示している。ドーナツ型の絶縁基板690上、コイルパターン96の外周に4つの支柱50を周方向にほぼ等間隔に配置している。それらの支柱50は導電材料製であり、図の左上のものについては、支柱として用いるほか、表裏のコイルパターンを電気的に接続するためにも用いている。そのため、プリントコイルの組み付けが容易であり、しかも、配線が不要である。
FIG. 5 shows the front of the printed coil 60 (90). On a donut-shaped insulating substrate 690, four
10 シャフト
20 回転モジュール
30 トルク計測・送信部モジュール
40 電源受信部モジュール
50 支柱
60 電源受信用プリントコイル
70 トルク信号受信部モジュール
80 電源送信部モジュール
90 電源供給用プリントコイル
100 電源部(電源)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記回転側に位置し、その回転側の物理特性を電気信号として検出し、しかも伝送に適した信号に変換処理する検出・変換手段と、
前記固定側に位置し、その固定側の電源から電力の供給を受け所定の電流が流れる送信コイル手段と、
前記回転側に位置し、前記固定側の送信コイル手段に対向し、その送信コイル手段と相まって電磁誘導によって起電力を生じる受信コイル手段とを備え、この受信コイル手段に基づく電圧を利用して前記回転側に電源供給を行うものにおいて、次の各点に特徴がある、非接触タイプの電源供給システム。
(A)前記送信コイル手段および前記受信コイル手段を、共に絶縁基板上にコイルパターンをもつプリントコイルから構成する
(B)前記の各プリントコイルが、前記絶縁基板の表裏にそれぞれコイルパターンをもつ
(C)前記の表裏の両コイルパターンを共に並列接続する A non-contact type power supply system for performing non-contact power supply from a fixed side having a power source to a rotating side having no power source,
A detection / conversion means that is located on the rotation side, detects physical characteristics of the rotation side as an electrical signal, and converts the signal into a signal suitable for transmission;
Transmitting coil means that is located on the fixed side and receives a supply of electric power from the power source on the fixed side and through which a predetermined current flows,
A receiving coil means positioned on the rotating side, facing the fixed transmitting coil means and generating electromotive force by electromagnetic induction in combination with the transmitting coil means, and using the voltage based on the receiving coil means, A non-contact type power supply system characterized by the following points in the power supply to the rotating side.
(A) Both the transmitting coil means and the receiving coil means are composed of printed coils having a coil pattern on an insulating substrate. (B) Each of the printed coils has a coil pattern on the front and back of the insulating substrate ( C) Connect both the front and back coil patterns in parallel.
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