JP2008270376A - 電磁結合装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 電力または信号の伝達に関して、製品間の能力差を小さくするとともに安定性を向上することができる電磁結合装置を提供する。
【解決手段】 第1および第2基体11,21は、互いに着脱可能に構成される。第1および第2基体11,21は、互いに電磁結合可能な第1および第2電磁結合体12,22をそれぞれ保持する。第1電磁結合体12は、第1電磁コイル15と第1コア体16とを有する。第2電磁結合体22は、第2電磁コイル25と第2コア体26とを有する。第1および第2コア体16,26は、第1および第2電磁コイル15,25が通電されることによって生じる磁束の通路を形成する。このような第1および第2コア体16,26は、第1および第2基体11,21が互いに装着された装着状態で、第1および第2基体11,21の着脱方向Aとは異なる対向方向Bに対向する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力または信号を伝達するための電磁結合装置に関する。
特許文献1には、電磁結合装置として、自動工具交換用カップラが開示される。この自動工具交換用カップラは、マニピュレータ側に取り付けられる第1ユニットと、工具が取り付けられる第2ユニットとを有する。第1ユニットと第2ユニットとは、互いに着脱可能に構成される。第1ユニットは、筒状部を有し、この筒状部には、一次コイルが内嵌される。第2ユニットは、第1ユニットの筒状部に挿入される柱状部を有し、この柱状部には、二次コイルが外嵌される。第1ユニットと第2ユニットとが互いに装着された状態では、一次コイルと二次コイルとは、非接触で対向する。
特許文献2には、電磁結合装置として、非接触型充電器が開示される。この非接触型充電器は、充電部側ハウジングと被充電部側ハウジングとを有する。充電部側ハウジングと被充電部側ハウジングとは、互いに着脱可能である。充電部側ハウジングは、円筒状凸部を有し、この円筒状凸部には、一次コイルが内嵌される。被充電部側ハウジングは、充電部側ハウジングの円筒状凸部に外嵌される円筒状凹部を有し、この円筒状凹部には、二次コイルが外嵌される。充電部側ハウジングと被充電部側ハウジングとが互いに装着された状態では、一次コイルと二次コイルとは、充電部側ハウジングおよび被充電部側ハウジングを介して、非接触で対向する。
電磁結合装置では、磁性材料から成るコア体が用いられる。コア体は、電磁コイルが通電されることによって生じる磁束の通路を形成する。
電磁結合装置には、前記特許文献1に開示される自動工具交換用カップラおよび前記特許文献2に開示される非接触型充電器のように、着脱構造を有するものがある。着脱構造を有する電磁結合装置では、互いに電磁結合可能な2つの電磁結合体が、互いに着脱可能に構成される2つの基体にそれぞれ保持される。各電磁結合体は、電磁コイルとコア体とをそれぞれ有する。各基体が互いに装着された状態で、各コア体間にはギャップが形成される。
特許第3185095号公報 特開平7−106170号公報
各コア体間のギャップの大きさは、寸法誤差を含む。このように各コア体間のギャップの大きさが寸法誤差を含むので、各コア体間のギャップの大きさが製品間で異なり、これによって磁路の磁気抵抗の大きさが製品間で異なる。したがって電力または信号の伝達に関して、製品間で能力差が生じてしまうという問題がある。
また各コア体間のギャップの大きさは、振動によって変動する。このように各コア体間のギャップの大きさが変動すると、磁路の磁気抵抗の大きさが変動する。したがって電力または信号の伝達に関して、能力の安定性が低下してしまうという問題がある。
本発明の目的は、電力または信号の伝達に関して、製品間の能力差を小さくするとともに安定性を向上することができる電磁結合装置を提供することである。
本発明は、(a)互いに着脱可能に構成される2つの基体と、
(b)互いに電磁結合可能な2つの電磁結合体であって、
(b1)電磁コイルと、電磁コイルが通電されることによって生じる磁束の通路を形成するコア体とをそれぞれ有し、
(b2)各基体が互いに装着された装着状態で、各コア体が各基体の着脱方向とは異なる対向方向に対向するように、各基体にそれぞれ保持される2つの電磁結合体とを備えることを特徴とする電磁結合装置である。
また本発明は、各基体は、前記着脱方向とは異なる方向の相対変位が阻止された状態で、前記着脱方向に案内されて互いに着脱されることを特徴とする。
また本発明は、前記対向方向は、前記着脱方向に直交することを特徴とする。
また本発明は、各基体は、前記装着状態で前記対向方向に対向する結合体保持部をそれぞれ有し、
各電磁結合体は、各基体の結合体保持部にそれぞれ保持されることを特徴とする。
また本発明は、各電磁結合体は、電磁結合して電力を伝達することを特徴とする。
また本発明は、各電磁結合体は、電磁結合して信号を伝達することを特徴とする。
本発明によれば、2つの基体が互いに着脱可能に構成される。各基体は、互いに電磁結合可能な2つの電磁結合体をそれぞれ保持する。各電磁結合体は、電磁コイルとコア体とをそれぞれ有する。各コア体は、各基体が互いに装着された装着状態で、各基体の着脱方向とは異なる対向方向に対向する。装着状態で、各コア体間にはギャップが形成される。このような各コア体は、各電磁コイルが通電されることによって生じる磁束の通路を形成する。
着脱方向については、構造上、着脱方向とは異なる方向に比べて、寸法公差を大きく設定する必要がある。逆に言えば、着脱方向とは異なる方向については、構造上、着脱方向に比べて、寸法公差を小さく設定することができる。この点を踏まえて、各コア体の対向方向を、着脱方向とは異なる方向とする。これによって各コア体間のギャップの大きさに関して、製品間の差を小さくすることができ、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、製品間の差を小さくすることができる。したがって電力または信号の伝達に関して、製品間の能力差を小さくすることができる。
また装着状態で、着脱方向については、構造上、着脱方向とは異なる方向に比べて、振動による各基体間の相対変位が大きくなってしまう。逆に言えば、装着状態で、着脱方向とは異なる方向については、構造上、着脱方向に比べて、振動による各基体間の相対変位を小さくすることができる。この点を踏まえて、各コア体の対向方向を、着脱方向とは異なる方向とする。これによって各コア体間のギャップの大きさに関して、振動による変動を小さくすることができ、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、振動による変動を小さくすることができる。したがって電力または信号の伝達に関して、能力の安定性を向上することができる。
また本発明によれば、各基体は、互いに着脱される際に、着脱方向とは異なる方向の相対変位が阻止された状態で、着脱方向に案内される。このように各基体が構成されることによって、装着状態でも、着脱方向とは異なる方向について、各基体間の相対変位を阻止することができる。
また本発明によれば、各コア体の対向方向が着脱方向に直交するので、各コア体間のギャップの大きさに関して、製品間の差を可及的に小さくするとともに振動による変動を可及的に小さくすることができる。したがって電力または信号の伝達に関して、製品間の能力差を可及的に小さくするとともに能力の安定性を可及的に向上することができる。
また本発明によれば、各結合体保持部は、装着状態で、前記対向方向に対向する。このような各結合体保持部によって各電磁結合体をそれぞれ保持し、これによって各コア体を前記対向方向に対向させることができる。
また本発明によれば、各電磁結合体が電磁結合することによって、電力が伝達される。したがって各電磁結合体を介して、非接触で電力を伝達することができる。
また本発明によれば、各電磁結合体が電磁結合することによって、信号が伝達される。したがって各電磁結合体を介して、非接触で信号を伝達することができる。
図1は、本発明の実施の一形態である電磁結合装置1の構成を簡略化して示す模式図であり、図1(1)は第1および第2基体11,21が互いに装着された装着状態を示し、図1(2)は第1および第2基体11,21が互いに離脱された離脱状態を示す。本実施の形態の電磁結合装置1は、自動工具交換装置で、工具に電力を伝達するために用いられる。工具には、電磁結合装置1を介して、電力が伝達される。
電磁結合装置1は、第1および第2構成体10,20を含む。第1構成体10は、第1基体11と、第1基体11に保持される第1電磁結合体12とを有する。第2構成体20は、第2基体21と、第2基体21に保持される第2電磁結合体22とを有する。第1および第2基体11,21は、互いに着脱可能に構成される。第1および第2電磁結合体12,22は、互いに電磁結合可能である。
図1(1)に示す装着状態では、第1および第2電磁結合体12,22は、電磁結合する。図1(2)に示す離脱状態では、第1および第2電磁結合体12,22の電磁結合は、解除される。第1および第2電磁結合体12,22は、電磁結合して電力を伝達する。このように第1および第2電磁結合体12,22が電磁結合することによって、電力が伝達される。したがって電磁結合装置1では、第1および第2電磁結合体12,22を介して、非接触で電力を伝達することができる。
第1基体11は、ロボットに取り付けられる。第1基体11は、ロボットに取り付けられる基部13と、この基部13に連なり、第1電磁結合体12を保持する第1結合体保持部14とを有する。第1電磁結合体12は、第1電磁コイル15と第1コア体16とを有する。第1基体11には、送電回路17が搭載される。送電回路17は、第1電磁コイル15に電気的に接続される。
第2基体21は、工具に取り付けられる。第2基体21は、工具に取り付けられる基部23と、この基部23に連なり、第2電磁結合体22を保持する第2結合体保持部24とを有する。第2電磁結合体22は、第2電磁コイル25と第2コア体26とを有する。第2基体21には、受電回路27が搭載される。受電回路27は、第2電磁コイル25に電気的に接続される。
第1および第2電磁コイル15,25は、電線が巻回されて構成される。第1および第2電磁コイル15,25は、円環状に形成される。第1および第2電磁コイル15,25は、装着状態で、同軸であり、第1および第2基体11,21の着脱方向(以下、単に「着脱方向」という)Aとは異なる対向方向(以下、単に「対向方向」という)Bに対向する。本実施の形態では、対向方向Bは、着脱方向Aに直交する。
第1および第2コア体16,26は、磁性材料から成り、具体的には磁性材料の粉末を焼結したフェライトから成る。第1および第2コア体16,26には、第1および第2電磁コイル15,25がそれぞれ取り付けられる。第1および第2コア体16,26は、第1および第2電磁コイル15,25が通電されることによって生じる磁束の通路を形成する。第1および第2コア体16,26は、装着状態で、対向方向Bに対向する。装着状態で、第1コア体16と第2コア体26との間にはギャップが形成される。
第1および第2結合体保持部14,24は、非磁性材料から成る。第1および第2結合体保持部14,24は、装着状態で、対向方向Bに対向する。このような第1および第2結合体保持部14,24によって第1および第2電磁結合体12,22をそれぞれ保持し、これによって第1および第2コア体16,26を対向方向Bに対向させることができる。
第1結合体保持部14には、第1電磁結合体12が収納される第1収納空間が形成される。第1収納空間には、開口が形成される。第2結合体保持部24には、第2電磁結合体22が収納される第2収納空間が形成される。第2収納空間には、開口が形成される。第1および第2収納空間の開口は、装着状態で、対向方向Bに対向する。第1および第2収納空間の開口は、第1および第2蓋部材19,29によってそれぞれ塞がれる。第1および第2蓋部材19,29によって第1および第2収納空間の開口がそれぞれ塞がれることによって、第1および第2電磁結合体12,22に対して防塵および防水を図ることができる。
第1基体11には、着脱方向Aに延びるピン41が設けられる。第2基体21には、着脱方向Aに延び、ピン41が挿入される挿入孔42が形成される。したがって第1および第2基体11,21は、着脱方向Aとは異なる方向の相対変位が阻止された状態で、着脱方向Aに案内されて互いに着脱される。このように第1および第2基体11,21が構成されることによって、装着状態でも、着脱方向Aとは異なる方向について、第1基体11と第2基体21との間の相対変位を阻止することができる。
図2は、比較例の電磁結合装置51の構成を簡略化して示す模式図であり、図2(1)は第1および第2基体11,21が互いに装着された装着状態を示し、図3(2)は第1および第2基体11,21が互いに離脱された状態を示す。比較例の電磁結合装置51は、本実施の形態の電磁結合装置1に類似するので、対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。比較例は、対向方向Bが着脱方向Aと同一の方向であるという点で、本実施の形態とは異なり、その他の点は本実施の形態と同様である。
着脱方向Aについては、構造上、着脱方向Aとは異なる方向に比べて、寸法公差を大きく設定する必要がある。逆に言えば、着脱方向Aとは異なる方向については、構造上、着脱方向Aに比べて、寸法公差を小さく設定することができる。
この点を踏まえて、本実施の形態では、図1に示すように、対向方向Bを、着脱方向Aとは異なる方向とする。これによって第1コア体16と第2コア体26との間のギャップの大きさに関して、製品間の差を小さくすることができ、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、製品間の差を小さくすることができる。したがって電力の伝達に関して、製品間の能力差を小さくすることができる。
これに対して、比較例では、図2に示すように、対向方向Bが着脱方向Aと同一の方向であるので、第1コア体16と第2コア体26との間のギャップの大きさに関して、製品間の差が大きくなり、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、製品間の差が大きくなる。したがって電力の伝達に関して、製品間の能力差が大きくなってしまう。
また装着状態で、着脱方向Aについては、構造上、着脱方向Aとは異なる方向に比べて、振動による第1基体11と第2基体21との間の相対変位が大きくなってしまう。逆に言えば、装着状態で、着脱方向Aとは異なる方向については、構造上、着脱方向Aに比べて、振動による第1基体11と第2基体21との間の相対変位を小さくすることができる。
この点を踏まえて、本実施の形態では、図1に示すように、対向方向Bを、着脱方向Aとは異なる方向とする。これによって第1コア体16と第2コア体26との間のギャップの大きさに関して、振動による変動を小さくすることができ、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、振動による変動を小さくすることができる。したがって電力の伝達に関して、能力の安定性を向上することができる。
これに対して、比較例では、図2に示すように、対向方向Bが着脱方向Aと同一の方向であるので、第1コア体16と第2コア体26との間のギャップの大きさに関して、振動による変動が大きくなり、磁路の磁気抵抗の大きさに関して、振動による変動が大きくなる。したがって電力の伝達に関して、能力の安定性が低下してしまう。
以上のように本実施の形態によれば、電力の伝達に関して、製品間の能力差を小さくするとともに能力の安定性を向上することができる。さらに本実施の形態では、対向方向Bが着脱方向Aに直交するので、第1コア体16と第2コア体26との間のギャップの大きさに関して、製品間の差を可及的に小さくするとともに振動による変動を可及的に小さくすることができる。したがって電力の伝達に関して、製品間の能力差を可及的に小さくするとともに能力の安定性を可及的に向上することができる。このような効果を奏するので、送電回路17および受電回路27に、電力の変動を抑えるための回路を組込む必要がなく、これによってコストを低減することができる。
また本実施の形態によれば、対向方向Bを、着脱方向Aとは異なる方向とするので、第1および第2蓋部材19,29の衝突が防がれ、第1および第2蓋部材19,29に加わる衝撃を小さくすることができる。したがって第1および第2蓋部材19,29の肉厚を薄くすることができる。第1および第2蓋部材19,29の肉厚を薄くすることによって、第1コア体16と第2コア体26との間のギャップを小さくすることができる。これによって第1コア体16と第2コア体26との間のギャップにおける磁気抵抗を小さくすることができ、電力の伝達効率を向上することができる。
図3は、第1コア体16の斜視図である。第1および第2コア体16,26は同様であるので、第1コア体16についてだけ説明し、第2コア体26については説明を省略する。第1コア体16は、芯部60と、第1および第2壁部61,62と、第1および第2連結部63,64とを有する。
芯部60は、円筒状または円柱状に形成される。本実施の形態では、芯部60は円柱状に形成される。以下、芯部60の軸線Lの方向Pを単に「軸線方向P」といい、芯部60の軸線Lを中心とする半径方向Qを単に「半径方向Q」といい、芯部60の軸線Lを中心とする周方向Rを単に「周方向R」という。芯部60の軸線方向一方P1側の端面60aは、軸線方向Pに垂直な仮想一平面に沿うように形成されている。芯部60には、第1電磁コイル15が外嵌される。
第1および第2壁部61,62は、芯部60から半径方向外方Q1に離間して、芯部60に関して互いに反対側に配置される。第1および第2壁部61,62は、軸線方向Pに延びるように形成され、かつ、周方向Rに延びるように形成される。第1および第2壁部61,62の芯部60に臨む面65,66は、芯部60と同軸の円筒面に沿うように形成されている。第1および第2壁部61,62の軸線方向一方P1側の端面61a,62aは、軸線方向Pに垂直な仮想一平面に沿うように形成されている。本実施の形態では、第1および第2壁部61,62の軸線方向一方P1側の端面61a,62aと芯部60の軸線方向一方P1側の端面60aとは、同一の仮想一平面に含まれる。第1および第2壁部61,62は、半径方向外方Q1側から第1電磁コイル15に対向する。
第1連結部63は、第1壁部61の軸線方向他方P2側の端部61bと芯部60の軸線方向他方P2側の端部60bとを連結する。第2連結部64は、第2壁部62の軸線方向他方P2側の端部62bと芯部60の軸線方向他方P2側の端部60bとを連結する。第1および第2連結部63,64は、軸線方向他方P2側から第1電磁コイル15に対向する。
このような第1コア体16は、第1電磁コイル15を、周方向R全体にわたってではなく周方向Rの一部について、半径方向外方Q1側から覆う。したがって第1コア体16の小形化および軽量化を図ることができる。
図4は、図1に示す電磁結合装置1において第1コア体16の芯部60と第2コア体26の芯部60との突合せ部分を拡大して示す断面図である。図5は、図2に示す電磁結合装置51において第1コア体16の芯部60と第2コア体26の芯部60との突合せ部分を拡大して示す断面図である。図4および図5では、理解を容易にするために、第1および第2蓋部材19,29を省略し、さらにハッチングを省略している。図4および図5では、磁束を破線71,72で示す。
第1および第2コア体16,26は、軸線方向Pが対向方向Bと平行になるように、配置される。第1および第2コア体16,26は、装着状態で、芯部60が同軸である。また第1および第2コア体16,26は、装着状態で、芯部60の軸線方向一方P1側の端面60a同士が全体にわたって対向し、第1壁部61の軸線方向一方P1側の端面61a同士が全体にわたって対向し、第2壁部62の軸線方向一方P1側の端面62a同士が全体にわたって対向する。
磁気抵抗Rmは、磁路の長さdに比例し、磁路の断面積Aに反比例する。このような磁気抵抗Rmは、磁路の透磁率をμとしたとき、以下の式で表される。
Rm=d/(μ・A)
振動に起因して第2基体21が第1基体11に対して着脱方向Aに相対変位すると、第1コア体16の芯部60と第2コア体26の芯部60との間のギャップ73における磁路の長さが変化する。ここで、第1基体11に対する第2基体21の着脱方向Aの相対変位δxは十分に小さいとする。このとき、前記ギャップ73における磁路の断面積Aの変化はないとみなすことができる。
図4に示すように、対向方向Bが着脱方向Aに直交するときは、第2基体21が第1基体11に対して着脱方向Aに相対変位しても、その相対変位δxが十分に小さければ、前記ギャップ73における磁路の長さdの変化はほとんどなく、前記ギャップ73における磁気抵抗Rmの変化はほとんどない。
これに対して、図5に示すように、対向方向Bが着脱方向Aと同一方向であるときは、第2基体21が第1基体11に対して着脱方向Aに相対変位すると、その相対変位δx分だけ前記ギャップ73における磁路の長さdが変化し、前記ギャップ73における磁気抵抗Rmが大きく変化する。
このような点は、第1コア体16の第1壁部61と第2コア体26の第1壁部61との間のギャップについても同様であり、また第1コア体16の第2壁部62と第2コア体26の第2壁部62との間のギャップについても同様である。このような本実施の形態によれば、第1コア体16と第2コア体26との間の各ギャップにおける磁気抵抗Rmの変化がほとんどないので、電力の伝達に関して、能力の安定性が高くなる。これに対して、比較例では、第1コア体16と第2コア体26との間の各ギャップにおける磁気抵抗Rmが大きく変化するので、電力の伝達に関して、能力の安定性が低くなる。
図6は、第1コア体16の第1壁部61と第2コア体26の第1壁部61とが互いに対向する対向領域81を示す図であり、図6(1)は各第1壁部61が着脱方向Aに対して略平行に配置される場合を示し、図6(2)は各第1壁部61が着脱方向Aに対して略垂直に配置される場合を示す。図6では、理解を容易にするために、対向領域81に斜線を付している。また図6では、理解を容易にするために、各第1壁部61は、緩やかに湾曲しているにも拘わらず、湾曲させずに示している。
各第1壁部61が着脱方向Aに対して略平行に配置される場合は、各第1壁部61が着脱方向Aに対して略垂直に配置される場合に比べて、第2基体21が第1基体11に対して着脱方向Aに相対変位したときの、対向領域81の面積の変化が小さい。
この点を踏まえて、本発明の実施の他の形態では、各第1壁部61が着脱方向Aに対して略平行になるように、第1および第2コア体16,26が配置される。これによって第1コア体16の第1壁部61と第2コア体26の第1壁部61との間のギャップにおける磁路の断面積Aの変化を可及的に小さくすることができる。したがって前記ギャップにおける磁路の断面積Aの変化による磁気抵抗Rmの変化を可及的に小さくすることができる。
このような点は、第1コア体16の第2壁部62と第2コア体26の第2壁部62との間のギャップについても同様である。このような本実施の形態によれば、各第1壁部61間のギャップおよび各第2壁部62間のギャップにおける磁気抵抗Rmの変化をさらに小さくすることができるので、電力の伝達に関して、能力の安定性をさらに向上することができる。
前述の実施の各形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば、第1および第2電磁結合体21,22は、電磁結合して信号を伝達してもよい。この場合、第1および第2電磁結合体21,22を介して、非接触で電力を伝達することができる。このような実施の形態では、信号の伝達に関して、製品間の能力差を小さくするとともに能力の安定性を向上することができる。
本発明の実施の一形態である電磁結合装置1の構成を簡略化して示す模式図である。 比較例の電磁結合装置51の構成を簡略化して示す模式図である。 第1コア体16の斜視図である。 図1に示す電磁結合装置1において第1コア体16の芯部60と第2コア体26の芯部60との突合せ部分を拡大して示す断面図である。 図2に示す電磁結合装置51において第1コア体16の芯部60と第2コア体26の芯部60との突合せ部分を拡大して示す断面図である。 第1コア体16の第1壁部61と第2コア体26の第1壁部61とが互いに対向する対向領域81を示す図である。
符号の説明
1 電力伝達装置
11 第1基体
12 第1電磁結合体
14 第1結合体保持部
15 第1電磁コイル
16 第1コア体
21 第2基体
22 第2電磁結合体
24 第2結合体保持部
25 第2電磁コイル
26 第2コア体

Claims (6)

  1. (a)互いに着脱可能に構成される2つの基体と、
    (b)互いに電磁結合可能な2つの電磁結合体であって、
    (b1)電磁コイルと、電磁コイルが通電されることによって生じる磁束の通路を形成するコア体とをそれぞれ有し、
    (b2)各基体が互いに装着された装着状態で、各コア体が各基体の着脱方向とは異なる対向方向に対向するように、各基体にそれぞれ保持される2つの電磁結合体とを備えることを特徴とする電磁結合装置。
  2. 各基体は、前記着脱方向とは異なる方向の相対変位が阻止された状態で、前記着脱方向に案内されて互いに着脱されることを特徴とする請求項1に記載の電磁結合装置。
  3. 前記対向方向は、前記着脱方向に直交することを特徴とする請求項1または2に記載の電磁結合装置。
  4. 各基体は、前記装着状態で前記対向方向に対向する結合体保持部をそれぞれ有し、
    各電磁結合体は、各基体の結合体保持部にそれぞれ保持されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電磁結合装置。
  5. 各電磁結合体は、電磁結合して電力を伝達することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電磁結合装置。
  6. 各電磁結合体は、電磁結合して信号を伝達することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電磁結合装置。
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