JP2018107840A - Rotary body for power transmission - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電界結合方式を用いた電力伝送回転体に関する。 The present invention relates to a power transmission rotating body using an electric field coupling method.
回転体に設置された負荷に対して電力の供給を行う電力伝送回転体（以下、「電力伝送回転体」と呼ぶ）は、一般に、露出するように回転体に設けられた電極に外部から電極を接触させて電力供給を行う接触式の電力伝送回転体と、回転体の内部に非露出状に設けられた電極に接触することなく電力供給を行う非接触式の電力伝送回転体とに大別できる。
ここで、本願発明者らは、非接触式の電力供給を行う新たな方式として「電界結合方式」を発明し、さらに、当該新たな方式を実現する新しい回路の技術について発明した（特許文献１参照）。
電界方式は、コンデンサを介して電界で電力伝送する方式であり、磁界方式のようにコイルを用いて磁界的に結びつく方法とは異なる。
In general, a power transmission rotating body that supplies power to a load installed on a rotating body (hereinafter referred to as “power transmission rotating body”) is externally connected to an electrode provided on the rotating body so as to be exposed. A contact-type power transmission rotating body that supplies power without touching it, and a non-contact type power transmission rotating body that supplies power without contacting an electrode that is not exposed inside the rotating body. Can be separated.
Here, the inventors of the present invention invented the “electric field coupling method” as a new method for supplying non-contact power, and invented a new circuit technology that realizes the new method (Patent Document 1). reference).
The electric field method is a method in which electric power is transmitted by an electric field through a capacitor, and is different from a method in which a coil is used to connect magnetically as in the magnetic field method.
このような非接触の電界結合方式を用いた電力伝送回転体として、本願発明者らは、第１軸受けと第２軸受けとによって支持された軸を介して、交流電源から所定の負荷に対して電力を供給する電力伝送回転体を発明し、特願２０１４−０２５９７１として既に特許出願をしている。
図１は、このような電界結合方式の電力伝送回転体の基本回路図である。
電界結合方式の電力伝送回転体の基本回路は、図１に示すように、４枚の金属板(２ペア構造)を用い、２つの接合容量を介して高周波電流を電源から負荷に電力伝送するものである。接合容量は、２枚の金属板を対向させた容量であるため、図１に示すように、２枚の金属板を物理的にずらして使用することが可能になる。
なお、以下、２枚のペアの金属板から形成される接合容量を１つ有する電界結合方式を、「１ペア式の電界結合方式」と呼ぶ。一方、図１に示すように、２枚のペアの金属板から形成される接合容量を２つ有する電界結合方式を、「２ペア式の電界結合方式」と呼ぶ。
電力伝送回転体のように回転系に適用するときには、一方の電極を固定子とし、他方の電極を回転子として用いる。電極間隔が狭く、接触面積が大きいほど接合容量が増大する。
さらに、周波数が高く、電圧が高い程送電電力を大きくすることが出来る。
As a power transmission rotating body using such a non-contact electric field coupling method, the inventors of the present application applied a predetermined load from an AC power source via a shaft supported by a first bearing and a second bearing. A power transmission rotating body for supplying electric power has been invented, and a patent application has already been filed as Japanese Patent Application No. 2014-025971.
FIG. 1 is a basic circuit diagram of such an electric field coupling type power transmission rotating body.
As shown in FIG. 1, the basic circuit of the electric field coupling type power transmission rotating body uses four metal plates (two-pair structure) to transmit power from a power source to a load through two junction capacitors. Is. Since the junction capacity is a capacity in which two metal plates are opposed to each other, as shown in FIG. 1, the two metal plates can be used while being physically shifted.
Hereinafter, an electric field coupling method having one junction capacitance formed of two pairs of metal plates is referred to as a “one-pair electric field coupling method”. On the other hand, as shown in FIG. 1, an electric field coupling method having two junction capacitances formed from two pairs of metal plates is referred to as a “two-pair electric field coupling method”.
When applied to a rotating system such as a power transmission rotating body, one electrode is used as a stator and the other electrode is used as a rotor. The junction capacitance increases as the electrode spacing is narrower and the contact area is larger.
Furthermore, the higher the frequency and the higher the voltage, the larger the transmitted power.
図２は、２個のすべり軸受を用いた、電界結合方式の電力伝送回転体を示す図である。
図２に示すように、従来の電力電送回転体は、２個のすべり軸受を用いて、５０Ｗの電力を極めてスムーズに伝送することができる。
FIG. 2 is a view showing an electric field coupling type power transmission rotating body using two plain bearings.
As shown in FIG. 2, the conventional power transmission rotating body can transmit 50 W of power very smoothly using two plain bearings.
しかしながら、図２に示す電力伝送回転体は、軸受構造は単純化できるが、シャフト側の構造が複雑化する問題点を有している。
図２に示すシャフト及び軸受台は、ともに樹脂製であり、現実の機械へ応用することは困難である。
However, although the power transmission rotating body shown in FIG. 2 can simplify the bearing structure, it has a problem that the structure on the shaft side becomes complicated.
The shaft and the bearing stand shown in FIG. 2 are both made of resin and are difficult to apply to an actual machine.
図３は、すべり軸受を用いた２ペア式の、電界結合方式の電力伝送回転体の軸受構造を示す図である。
図３に示す電力伝送回転体は、シャフトの途中から電力伝送可能で、軸受固定台が金属で構成され、実用的な強度に耐えられるのを示している。さらに、ジンバル機構も付けられている。
しかしながら、図３に示す構造では、軸側には同軸状の構造で、或いは中空構造で配線できなければならない。さらに、軸受自体が１つの電極として機能すると共に、軸受内部電極が軸受と絶縁されて用意されなければならない。この構造が複雑であり、利用可能性を低減している。
FIG. 3 is a view showing a bearing structure of a two-pair electric field coupling type power transmission rotating body using a sliding bearing.
The electric power transmission rotary body shown in FIG. 3 can transmit electric power from the middle of the shaft, and the bearing fixing base is made of metal, and can withstand practical strength. A gimbal mechanism is also attached.
However, in the structure shown in FIG. 3, it is necessary to be able to wire with a coaxial structure or a hollow structure on the shaft side. Furthermore, the bearing itself functions as one electrode, and the bearing internal electrode must be prepared insulated from the bearing. This structure is complex and reduces availability.
図４は、２ペア式の電界結合方式の電力伝送回転体の機械端部からの給電イメージを示す図である。
即ち、図４の例では、軸端部から、軸内に電力が送電される。この場合にも、２つの接合容量を作り込むために、第１中心軸、第２中心軸がシリコーン等の樹脂で半固定されており、それらの軸にすべり軸受が付けられて２つの接合容量が形成されている。さらに、大きさもやや大きくなっている。
FIG. 4 is a diagram showing an image of power feeding from the machine end of the two-pair electric field coupling type power transmission rotating body.
That is, in the example of FIG. 4, electric power is transmitted from the shaft end portion into the shaft. Also in this case, in order to create two junction capacities, the first central shaft and the second central shaft are semi-fixed with a resin such as silicone, and a sliding bearing is attached to these shafts to provide two junction capacities. Is formed. In addition, the size is slightly larger.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、従来と比較して軸構造を単純化でき、ユーザが容易に活用できる、電界結合方式の電力電送回転体を実現化することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Realizing the electric field coupling system electric power transmission rotary body which can simplify a shaft structure compared with the past, and a user can utilize easily. Objective.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、電界結合方式の電力伝送回転体は、図５に示すように、外見的には１つの軸受のみで電力を伝送できる電力伝送回転体であって、円筒型と円盤型があり、円筒型は、軸体(シャフト)から給電する場合と、外囲体から給電する場合があり、さらに、軸体がローター（回転体）として機能する場合とステーター（固定体）として機能する場合がある。円盤型は、内側及び外側の区別がなく、送電部及び受電部が、夫々ローター（回転体）として機能する場合と、ステーター（固定体）として機能する場合がある。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an electric field coupling type power transmission rotating body is a power transmission rotating body that can transmit power by only one bearing as shown in FIG. There are two types: cylindrical and disk types. Cylindrical types can be powered from the shaft (shaft) or from the outer envelope, and the shaft can function as a rotor (rotary body) and stator. It may function as a (fixed body). The disc type has no distinction between the inside and the outside, and the power transmission unit and the power reception unit may function as a rotor (rotary body) or a stator (fixed body), respectively.
また、図６に示すように、２ペア式ではあるが、１ペア式とあまり変わらない構造で単純化を図ることもできる。 In addition, as shown in FIG. 6, although it is a two-pair type, it can be simplified with a structure that is not so different from the one-pair type.
電力伝送回転体を用いる場合には、軸側に２つの電極を絶縁して付けなければならない。これにより、電力伝送回転体を用いる際の障害になるという問題が生ずる。そこで、本発明が適用される電力電送軸受は、１ペア式の電力伝送回転体の構造、即ち軸側に１つの電極を付けるだけで済む構造を取ることによって、この問題を解決することができる。
さらに、電力伝送回転体の設置も容易になる。
When using a power transmission rotating body, two electrodes must be insulated from each other on the shaft side. Thereby, the problem that it becomes an obstacle at the time of using a power transmission rotary body arises. Therefore, the power transmission bearing to which the present invention is applied can solve this problem by adopting a structure of a one-pair type power transmission rotating body, that is, a structure that requires only one electrode on the shaft side. .
Furthermore, installation of the power transmission rotating body is facilitated.
さらに、２ペア式ではあるものの、１ペア式の構造の簡易さに近い平板多重リング構造及び多重円筒構造とすることにより、機器への容易な組込を可能にする。 Furthermore, although it is a two-pair type, a flat plate multiple ring structure and a multi-cylindrical structure that are close to the simplicity of the one-pair type structure enable easy incorporation into a device.
また、回転軸に紙等が巻き付く現象については、単に空気を用いただけでは、その力は弱いため、液体を用いたり、吸引したり、外部から圧力を加える方法をとることにより、極近接するもののトライボロジーの問題の無いものを作ることができる。 As for the phenomenon of paper or the like wrapping around the rotating shaft, since the force is weak if only air is used, it is very close by using liquid, sucking, or applying pressure from the outside. You can make things without any tribological problems.
以下、本発明の実施形態について説明する。
図７及び図８は、本発明が適用される電界結合方式の電力伝送回転体を、構造の点で分類した結果を示す図である。
なお、以下、本発明が適用される電界結合方式の電力伝送回転体である場合、単に「電力伝送回転体」と略記する。換言すると、特に断りの無い限り、下記に示す電力伝送回転体とは、電界結合方式であるものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
7 and 8 are diagrams showing the results of classifying the electric field coupling type power transmission rotating bodies to which the present invention is applied in terms of structure.
Hereinafter, in the case of an electric field coupling type power transmission rotating body to which the present invention is applied, it is simply abbreviated as “power transmission rotating body”. In other words, unless otherwise specified, the power transmission rotor shown below is an electric field coupling method.
図７には、円筒型の電力伝送回転体の各種タイプが記載されている。
円筒型の電力伝送回転体は、
所定の軸を中心に回転する回転体と、固定体とを備え、
前記回転体と前記固定体のうち軸の法線と略垂直な面において一方が他方を覆うように前記軸の方向に夫々延在し、
前記回転体と前記固定体のうち中心に存在する方は、軸体がさらに中心にあって構造体として機能し、
前記回転体と前記固定体のうち覆う方が、外囲体が最外部にあって構造体として機能する、
電界結合方式の電力伝送回転体であって、
前記回転体と前記固定体のうち内部に存在する一方は、前記軸の中心から順番に、
導電体又は絶縁体を主体として構成される軸体と、
前記軸体が導電性を有する場合に挟まれる第１絶縁層と、
第１電極と、
を積層して構成され、
前記回転体と前記固定体のうち外部に存在する他方は、前記軸の中心から順番に、
前記第１電極と対になり接合容量を形成する第２電極と、
前記外囲体が導電性を有する場合に挟まれる第２絶縁層と、
導電体又は絶縁体を主体として構成される前記外囲体と、
を積層して構成され、
前記第１電極と前記第２電極のうち、一方は２以上の分割数で分割されて交流電源が接続され、他方は前記分割数よりも細かく分割されると共に電流の流れを制御する制御部を介して負荷が接続され、前記第１電極と前記第２電極の相互に対向する電極表面には絶縁層が形成されて接触して摺動するか又は流体層が挟まれて摺動する、
電力伝送回転体である。
FIG. 7 shows various types of cylindrical power transmission rotating bodies.
Cylindrical power transmission rotating body
A rotating body that rotates around a predetermined axis, and a fixed body;
One of the rotating body and the fixed body extends in the direction of the shaft so as to cover the other in a plane substantially perpendicular to the normal line of the shaft,
The one that exists at the center of the rotating body and the fixed body functions as a structure with the shaft body at the center,
One of the rotating body and the fixed body that covers the outer body is the outermost part and functions as a structure.
An electric field coupling type power transmission rotating body,
One of the rotating body and the fixed body existing inside is in order from the center of the shaft,
A shaft body mainly composed of a conductor or an insulator;
A first insulating layer sandwiched when the shaft body has conductivity;
A first electrode;
It is composed by laminating
The other of the rotating body and the fixed body that exists outside is sequentially from the center of the shaft,
A second electrode paired with the first electrode to form a junction capacitance;
A second insulating layer sandwiched when the envelope has conductivity;
The envelope configured mainly of a conductor or an insulator; and
It is composed by laminating
One of the first electrode and the second electrode is divided into two or more division numbers and connected to an AC power supply, and the other is divided more finely than the division number and has a control unit that controls the flow of current. A load is connected to the electrode surface of the first electrode and the second electrode facing each other, and an insulating layer is formed and slides in contact with each other, or a fluid layer is sandwiched and slides.
It is a power transmission rotating body.
つまり、円筒型の電力伝送回転体では、軸体とセットになる第１電極に交流電源が接続される方式（以下、「軸体給電」と呼ぶ）と、外囲体とセットになる第２電極に交流電源が接続される方式（以下、「外囲体給電」と呼ぶ）とが存在する。
また、円筒型の電力伝送回転体では、送電部（交流電源が接続される電極を有する部）が回転体となり受電部（負荷が接続される電極を有する部）が固定体となる場合と、送電部が固定体となり受電部が回転体となる場合とが存在する。
従って、これらを組み合わせることにより、図７に示すように４通りのＴｙｐｅ−Ａ乃至Ｔｙｐｅ−Ｄが存在することになる。
That is, in the cylindrical power transmission rotating body, a method in which an AC power source is connected to the first electrode that is set with the shaft body (hereinafter referred to as “shaft body feeding”) and the second that is set with the outer body. There is a method in which an AC power source is connected to an electrode (hereinafter referred to as “envelope power feeding”).
Further, in the cylindrical power transmission rotating body, when the power transmission section (the section having the electrode to which the AC power supply is connected) is a rotating body and the power receiving section (the section having the electrode to which the load is connected) is a fixed body, There is a case where the power transmission unit is a fixed body and the power reception unit is a rotating body.
Therefore, by combining these, four types of Type-A to Type-D exist as shown in FIG.
即ち、図７に示すように、Ｔｙｐｅ−Ａの電力伝送回転体とは、円筒型かつ軸体給電であり、送電部が回転体で、受電部が固定体のものである。
Ｔｙｐｅ−Ｂの電力伝送回転体とは、円筒型かつ軸体給電であり、送電部が固定体で、受電部が回転体のものである。
Ｔｙｐｅ−Ｃの電力伝送回転体とは、円筒型かつ外囲体給電であり、送電部が回転体で、受電部が固定体のものである。
Ｔｙｐｅ−Ｄの電力伝送回転体とは、円筒型かつ外囲体給電であり、送電部が固定体で、受電部が回転体のものである。
That is, as shown in FIG. 7, the Type-A power transmission rotating body is a cylindrical and shaft body power supply, the power transmission unit is a rotating body, and the power receiving unit is a fixed body.
The Type-B power transmission rotating body is a cylindrical and shaft-body power supply, the power transmission unit is a fixed body, and the power receiving unit is a rotating body.
The Type-C power transmission rotating body is a cylindrical and enveloped power supply, in which the power transmission unit is a rotating body and the power receiving unit is a fixed body.
The Type-D power transmission rotating body is a cylindrical type and envelope feeding, in which the power transmission unit is a fixed body and the power receiving unit is a rotating body.
なお、第１電極又は第２電極と負荷との間に接続される制御部は、電流の流れを制御可能なものであれば足り、後述するように、ダイオード対、切替スイッチ（スイッチング素子含む）等任意のものを採用することができる。この点は、後述する円盤型についても同様に当てはまる。 The control unit connected between the first electrode or the second electrode and the load is sufficient if it can control the flow of current. As will be described later, a diode pair, a changeover switch (including a switching element). Any of these can be adopted. This also applies to the disk type described later.
図８には、円盤型の電力伝送回転体の各種タイプが記載されている。
円盤型の電力伝送回転体は、
所定の軸を中心に回転する回転体と、固定体とを備え、
前記回転体と固定体には、構造体として機能する支持体が備えられ、
前記回転体と前記固定体とは、前記軸を法線とする所定平面に略平行に夫々配置されている、
電界結合方式の電力伝送回転体であって、
前記回転体と前記固定体のうち一方は、所定視点から前記軸の方向にみて、
導電体又は絶縁体を主体として構成される第１支持体と、
前記第１支持体が導電性を有する場合に挟まれる第１絶縁層と、
第１電極と、
を積層して構成され、
前記回転体と前記固定体のうち他方は、前記所定視点から前記軸の方向にみて、
前記第１電極と対になり接合容量を形成する第２電極と、
第２支持体が導電性を有する場合に挟まれる第２絶縁層と、
導電体又は絶縁体を主体として構成される前記第２支持体と、
を積層して構成され、
前記第１電極と前記第２電極のうち、一方は２以上の分割数で分割されて交流電源が接続され、他方は前記分割数よりも細かく分割されると共に電流の流れを制御する制御部を介して負荷が接続され、前記第１電極と前記第２電極の相互に対向する電極表面には絶縁層が形成されて接触して摺動するか又は流体層が挟まれて摺動する、
電力伝送回転体である。
FIG. 8 shows various types of disk-type power transmission rotating bodies.
The disk-type power transmission rotating body is
A rotating body that rotates around a predetermined axis, and a fixed body;
The rotating body and the fixed body are provided with a support that functions as a structure,
The rotating body and the fixed body are respectively disposed substantially parallel to predetermined planes having the axis as a normal line.
An electric field coupling type power transmission rotating body,
One of the rotating body and the fixed body is seen from the predetermined viewpoint in the direction of the axis,
A first support mainly composed of a conductor or an insulator;
A first insulating layer sandwiched when the first support has conductivity;
A first electrode;
It is composed by laminating
The other of the rotating body and the fixed body is viewed in the direction of the axis from the predetermined viewpoint,
A second electrode paired with the first electrode to form a junction capacitance;
A second insulating layer sandwiched when the second support has conductivity;
The second support composed mainly of a conductor or an insulator;
It is composed by laminating
One of the first electrode and the second electrode is divided into two or more division numbers and connected to an AC power supply, and the other is divided more finely than the division number and has a control unit that controls the flow of current. A load is connected to the electrode surface of the first electrode and the second electrode facing each other, and an insulating layer is formed and slides in contact with each other, or a fluid layer is sandwiched and slides.
It is a power transmission rotating body.
つまり、円盤型の電力伝送回転体では、送電部（交流電源が接続される電極を有する部）が回転体となり受電部（負荷が接続される電極を有する部）が固定体となる場合と、送電部が固定体となり受電部が回転体となる場合とが存在する。
従って、図８に示すように２通りのＴｙｐｅ−Ｘ及びＴｙｐｅ−Ｙが存在することになる。
即ち、Ｔｙｐｅ−Ｘの電力伝送回転体とは、円盤型であり、送電部が回転体で、受電部が固定体のものである。
図８に示すように、Ｔｙｐｅ−Ｙの電力伝送回転体とは、円盤型であり、送電部が固定体で、受電部が回転体のものである。
（１）円筒型
That is, in the disk-type power transmission rotating body, the power transmission unit (the unit having an electrode to which an AC power supply is connected) is a rotating body, and the power receiving unit (the unit having an electrode to which a load is connected) is a fixed body. There is a case where the power transmission unit is a fixed body and the power reception unit is a rotating body.
Therefore, as shown in FIG. 8, there are two types of Type-X and Type-Y.
That is, the Type-X power transmission rotating body is a disk type, the power transmission unit is a rotating body, and the power receiving unit is a fixed body.
As shown in FIG. 8, the Type-Y power transmission rotating body is a disk type, the power transmission unit is a fixed body, and the power receiving unit is a rotating body.
(1) Cylindrical type
図９は、Ｔｙｐｅ−Ａ又はＴｙｐｅ−Ｂ型でダイオードを用いた場合の電力伝送回転体の断面図と回路図である。
図９に示す電力伝送回転体は、送電側が内側に存在し、受電側が外側に存在する。
Ｔｙｐｅ−Ａの電力伝送回転体は、送電シャフトが回転して、受電シャフトが軸受のように機能する。Ｔｙｐｅ−Ｂの電力伝送回転体は、逆に送電シャフトの周りに受電シャフトが回転する形態である。
FIG. 9 is a cross-sectional view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a diode is used in the Type-A or Type-B type.
The power transmission rotating body shown in FIG. 9 has a power transmission side on the inside and a power reception side on the outside.
In the Type-A power transmission rotating body, the power transmission shaft rotates and the power receiving shaft functions like a bearing. In contrast, the Type-B power transmission rotating body has a configuration in which the power receiving shaft rotates around the power transmitting shaft.
送電シャフトが金属で導電性を有している場合には、送電側絶縁層を介して２枚の半円筒の送電電極が有り、高周波電源に接続されている。送電シャフトが絶縁性の場合には、送電シャフトと送電側絶縁層は一体化しても良い。受電シャフトが金属で導電性を有している場合には、受電側絶縁層を挟んで、分割された円筒状の電極が夫々絶縁されて内面に貼り付けられている。受電シャフトが絶縁性である場合には、受電側絶縁層と一体化しても良い。各受電電極には、方向の異なるダイオード対が付けられており、ダイオードの他端は極性別に配線で結ばれている。これにより、送電電極が正の場合又は負の場合でも自動的に極性に応じて電流が流せる。その配線には、平滑コンデンサと負荷が繋がれている。負荷は単純に抵抗で示しているが、ＤＣ／ＤＣ変換器、電池等が接続され、さらにＣＰＵやセンサー、アクチュエータ、トランシーバ、発熱体、発光体等が接続されているものとする。 When the power transmission shaft is made of metal and has conductivity, there are two semi-cylindrical power transmission electrodes via a power transmission side insulating layer and connected to a high-frequency power source. When the power transmission shaft is insulative, the power transmission shaft and the power transmission side insulating layer may be integrated. When the power receiving shaft is made of metal and has conductivity, the cylindrical electrodes divided are sandwiched between the power receiving side insulating layers and attached to the inner surface. When the power receiving shaft is insulative, it may be integrated with the power receiving side insulating layer. Each power receiving electrode is provided with a pair of diodes having different directions, and the other ends of the diodes are connected by wiring according to polarity. Thereby, even when the power transmission electrode is positive or negative, a current can automatically flow according to the polarity. A smoothing capacitor and a load are connected to the wiring. Although the load is simply indicated by a resistance, it is assumed that a DC / DC converter, a battery, and the like are connected, and further, a CPU, a sensor, an actuator, a transceiver, a heating element, a light emitter, and the like are connected.
図１０は、Ｔｙｐｅ−Ｃ又はＴｙｐｅ−Ｄ型でダイオードを用いた場合の電力伝送回転体の断面図と回路図を示す。図９の電力伝送回転体とは逆で、受電側が内側に存在し、送電側が外側に存在する。 FIG. 10 shows a cross-sectional view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a diode is used in the Type-C or Type-D type. Contrary to the power transmission rotating body of FIG. 9, the power receiving side exists on the inside and the power transmission side exists on the outside.
図１１には、Ｔｙｐｅ−Ｃ又はＴｙｐｅ−Ｄ型でダイオードの代わりに切替スイッチを用い、スイッチの切替方式として磁気センサーを用いた場合の電力伝送回転体の断面図と回路図を示す。この場合には、切替スイッチドライバと磁気センサーを駆動するためのＤＣ電源からの線が追加されている。図中では１本線で示しているが、最低２本の線が含まれているものとする。 FIG. 11 shows a cross-sectional view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a changeover switch is used instead of a diode in the Type-C or Type-D type and a magnetic sensor is used as a switch switching method. In this case, a line from a DC power source for driving the changeover switch driver and the magnetic sensor is added. Although it is indicated by a single line in the figure, it is assumed that at least two lines are included.
切替スイッチは、磁気センサーが磁気を感知すると、スイッチドライバを動作させる。磁気の変化を感じる度に、トグルスイッチ的に切り替え
るものとする。又は、Ｎ極を検知した時には一定方向に切り替え、Ｓ極を検知した時には反対側に切り替えるものとしても良い。この場合には、送電シャフト利取付けられた磁石の極性が上下で逆になる。
The changeover switch operates the switch driver when the magnetic sensor senses magnetism. Each time a change in magnetism is sensed, it is switched like a toggle switch. Alternatively, it may be switched to a certain direction when the N pole is detected, and switched to the opposite side when the S pole is detected. In this case, the polarity of the magnet attached to the power transmission shaft is reversed upside down.
磁気センサーは、非磁性の受電電極（例えば、ＳＵＳ３０４やアルミニウム）の裏や近傍にあって送電側に取付けられた磁石の磁気を感じられるようにしている。 The magnetic sensor allows the magnetism of a magnet attached to the power transmission side to be felt behind and in the vicinity of a non-magnetic power receiving electrode (for example, SUS304 or aluminum).
図１１で、受電側が送電側の周りで回転しているＴｙｐｅ−Ｄの電力伝送回転体の場合には、受電体が送電体の周りで回転して磁気センサーが磁石の上を通過する度に、切替スイッチが入れ替わり、送電電極の極性に応じて共振回路側に電力が伝送される。 In FIG. 11, when the power receiving side is a Type-D power transmission rotating body rotating around the power transmission side, the power receiving body rotates around the power transmission body and the magnetic sensor passes over the magnet. The changeover switch is switched, and electric power is transmitted to the resonance circuit side according to the polarity of the power transmission electrode.
図１２には、Ｔｙｐｅ−Ｃ又はＴｙｐｅ−Ｄ型でダイオードの代わりに切替スイッチを用い、スイッチの切替方式として光センサーを用いた場合の電力伝送回転体の断面図と回路図を示す。 FIG. 12 shows a cross-sectional view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a changeover switch is used instead of a diode in the Type-C or Type-D type and an optical sensor is used as a switch switching method.
この場合には、磁石の代わりにLED等の光源が送電側に配置され、光を受ける度に切替スイッチが切り替わる点が異なる。さらに、受電側電極は、メッシュ材等の光が透過する導電材を使用する点が異なる。ただし、受電電極の隙間に光源が置かれた場合には、透光性を求める必要は無い。他の動作は、図１１の電力伝送回転体と同じである。 In this case, a light source such as an LED is disposed on the power transmission side instead of the magnet, and the changeover switch is switched each time light is received. Further, the power receiving side electrode is different in that a conductive material that transmits light such as a mesh material is used. However, when a light source is placed in the gap between the power receiving electrodes, it is not necessary to obtain translucency. Other operations are the same as those of the power transmission rotating body of FIG.
図１１及び図１２で磁石及び光による方法を示したが、これに限定されることなく、音波、温度(低速回転時には利用可能)、振動等を用いても良い。 Although the method using a magnet and light is shown in FIGS. 11 and 12, the present invention is not limited to this, and sound waves, temperature (available during low-speed rotation), vibration, and the like may be used.
図１３には、Ｔｙｐｅ−Ｃ又はＴｙｐｅ−Ｄ型でダイオードの代わりに切替スイッチを用い、スイッチの切替方式として外部から同期信号が得られる場合の電力伝送回転体の断面図と回路図を示す。 FIG. 13 shows a sectional view and a circuit diagram of a power transmission rotator when a changeover switch is used instead of a diode of the Type-C or Type-D type, and a synchronization signal is obtained from the outside as a switch switching method.
この場合には、センサーは必要なく、図には記していないが、送電部又は受電部が回転する場合に、同期信号が得られ、それに基づいてスイッチ切替が出来る場合を記している。 In this case, a sensor is not necessary, and although not shown in the figure, a case where a synchronization signal is obtained when the power transmission unit or the power reception unit rotates and switching can be performed based on the synchronization signal is described.
同期信号は、回転側に光チョッパが付けられていてそれが光を遮断する毎に信号として取り出される方式、回転体にマークが付けられ画像認識してマークの位置に応じて同期信号が出される方式、回転体に磁石が付けられ磁気センサーが感知する度に同期信号が出力される方式等、いろいろな方法が選択できる。 The synchronization signal is a system in which an optical chopper is attached to the rotation side and is taken out as a signal each time it blocks light. A mark is attached to the rotator and the image is recognized and a synchronization signal is output according to the position of the mark. Various methods such as a method, a method in which a magnet is attached to a rotating body and a synchronization signal is output every time a magnetic sensor senses, can be selected.
（２）円盤型
図１４には、Ｔｙｐｅ−Ｘ又はＴｙｐｅ−Ｙ型でダイオードを用いた場合の電力伝送回転体の実態的分解図と回路図を示す。使用する場合には、軸心を合わせて送電電極と受電電極を近接させ、接合容量を発生させて使用する。
(2) Disk Type FIG. 14 shows a practical exploded view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a diode is used in the Type-X or Type-Y type. When used, the power transmission electrode and the power reception electrode are brought close to each other with the axial center aligned, and a junction capacitance is generated for use.
送電電極は、円弧状の二つの電極からなり高周波電源が接続されている。受電電極は細かく分割された複数個の円弧状電極から構成され、夫々は離れている。各受電電極には、方向の異なるダイオード対が接続され、各ダイオードの他端は極性別に配線されている。さらに、各配線には平滑回路及び負荷が接続されている。ダイオード及び配線は図中では外側に記載されているが、実際の使用に当たっては、受電電極の上に回路が構成されても良い。説明の都合で外側に記載している。 The power transmission electrode is composed of two arc-shaped electrodes to which a high-frequency power source is connected. The power receiving electrode is composed of a plurality of finely divided arc-shaped electrodes, which are separated from each other. A pair of diodes with different directions is connected to each power receiving electrode, and the other end of each diode is wired according to polarity. Further, a smoothing circuit and a load are connected to each wiring. Although the diode and the wiring are described outside in the drawing, a circuit may be formed on the power receiving electrode in actual use. It is written on the outside for convenience of explanation.
この方法では、送電電極の極性に応じて受電電極のダイオードが電流の流れを作り、負荷に電力を伝送する。 In this method, the diode of the power receiving electrode creates a current flow according to the polarity of the power transmitting electrode, and transmits power to the load.
図１５には、Ｔｙｐｅ−Ｘ又はＴｙｐｅ−Ｙ型で切替スイッチをセンサー情報を用いて切り替える場合の電力伝送回転体の実態的分解図と回路図を示す。 FIG. 15 shows an actual exploded view and a circuit diagram of the power transmission rotating body when the changeover switch is switched using sensor information in the Type-X or Type-Y type.
送電側には、アクチュエータとして、磁石やＬＥＤ光源が置かれ、各受電電極には、切替スイッチ、スイッチドライバ、センサーが接続されている。回転角度に応じてセンサーがアクチュエータからの場を検知して切替スイッチをトグル的に切り替える。これにより、送電電極の極性に対応して受電電極の配線が切り替わって電力を共振回路及び負荷側に送電する。 On the power transmission side, a magnet or an LED light source is placed as an actuator, and a changeover switch, a switch driver, and a sensor are connected to each power receiving electrode. The sensor detects the field from the actuator according to the rotation angle and toggles the changeover switch. Thereby, the wiring of the power receiving electrode is switched corresponding to the polarity of the power transmitting electrode, and power is transmitted to the resonance circuit and the load side.
図１６には、Ｔｙｐｅ−Ｘ又はＴｙｐｅ−Ｙ型でダイオードの代わりに切替スイッチを用い、スイッチの切替方式として外部から同期信号が得られる場合の電力伝送回転体の実態的分解図と回路図を示す。 FIG. 16 shows a practical exploded view and a circuit diagram of a power transmission rotating body when a changeover switch is used instead of a diode in the Type-X or Type-Y type, and a synchronization signal is obtained from the outside as a switching method of the switch. Show.
スイッチ方式の場合には、高周波出力が出力されるので、共振回路を用いることができ、ダイオード方式よりも伝送効率が少し上げられる。 In the case of the switch method, a high frequency output is output, so that a resonance circuit can be used, and the transmission efficiency is slightly increased as compared with the diode method.
図１７には、円盤タイプの場合に送電電極と受電電極間のギャップをどのように保持するかについて記している。接触させただけの場合には、トライボロジーを考慮しなければならない。この場合には、送電電極及び受電電極に面精度が出ていると共に、軽量な極薄金属を用い、表面にＤＬＣをコーティングしている。 FIG. 17 shows how the gap between the power transmitting electrode and the power receiving electrode is maintained in the case of the disk type. Tribology must be taken into account when it is only in contact. In this case, surface accuracy is obtained for the power transmission electrode and the power reception electrode, and a lightweight ultrathin metal is used and the surface is coated with DLC.
低速回転時には、ＤＬＣ膜同士がソフトに接触しているか、高速回転になると空気が間に入り込んでギャップ間隔を開ける。これにより、接触が無くなるため、ＤＬＣ膜を長時間使用することが可能になる。 During low-speed rotation, the DLC films are in soft contact with each other, or when high-speed rotation occurs, air enters between them and opens a gap interval. This eliminates contact and allows the DLC film to be used for a long time.
この様な場合には、接合容量が変化するが、直列共振でなく並列共振回路を用いているため、共振がずれてインダクタがチョークコイルのように働いてしまうことはない。 In such a case, the junction capacitance changes, but since a parallel resonance circuit is used instead of series resonance, resonance does not shift and the inductor does not work like a choke coil.
ただし、図１８に示すように、空気膜厚が大きくなってキャパシタンスが最低になる辺りを狙って直列共振用インダクタンスを組み合わせることも有り得る（図１４〜１６に対して）。 However, as shown in FIG. 18, the series resonance inductance may be combined around the point where the air film thickness is increased and the capacitance is minimized (as opposed to FIGS. 14 to 16).
（３）多重リング構造
図１９は、多重リング構造を示す。絶縁性電極基板に、第一電極及び第二電極を付けたものを二枚用意する。一方を回転側、他方を固定体側とし、電極部を対向させて近接させる。
(3) Multiple Ring Structure FIG. 19 shows a multiple ring structure. Two insulative electrode substrates with a first electrode and a second electrode are prepared. One side is the rotation side and the other side is the fixed body side, and the electrode portions are opposed to each other and are brought close to each other.
電極部にＤＬＣ等の摺動性の有る絶縁層をコーティングしてソフトに接触させるか、薄いワッシャを挟んだりして極微小間隔を開けて設置する。 The electrode part is coated with a slidable insulating layer such as DLC so as to be in soft contact, or a thin washer is sandwiched between the electrodes so as to be installed with a very small interval.
空気を送ったり、磁気的方法で電極板間に反発力を得ても良い。油や水を間に介在させても良い。 A repulsive force may be obtained between the electrode plates by sending air or by a magnetic method. Oil or water may be interposed.
図１９では、機械本体（固定体）から機械シャフト（回転体）に電力を送る方法を示している。 FIG. 19 shows a method of sending electric power from the machine main body (fixed body) to the machine shaft (rotary body).
図２０は、平板多重リング構造の回路図を示している。主として用いる接合容量は、電極Ａと電極Ｃ間及び電極Ｂと電極Ｄ間の接合容量である。 FIG. 20 shows a circuit diagram of a flat multiple ring structure. The junction capacitance mainly used is the junction capacitance between the electrode A and the electrode C and between the electrode B and the electrode D.
しかしながら、平板多重リングの構造から寄生容量Ｃｘ及びＣｙが付随的に発生して伝送効率を低下させる。この問題に対しては、並列共振回路を用い、共振コンデンサＣ１及びＣ２から寄生容量Ｃｘ及びＣｙを夫々差し引くことで解決できる。 However, parasitic capacitances Cx and Cy are incidentally generated from the structure of the flat multiple ring, thereby reducing the transmission efficiency. This problem can be solved by using a parallel resonant circuit and subtracting the parasitic capacitances Cx and Cy from the resonant capacitors C1 and C2, respectively.
（４）多重円筒構造
図２１には、多重円筒構造を示す。これは、固定電極（内輪）と回転電極（外輪）間の接合容量を利用して電力送電を行うものである。固定電極が外輪で、回転電極が内輪の場合もあり得る。
(4) Multiple Cylinder Structure FIG. 21 shows a multiple cylinder structure. In this method, electric power is transmitted using a junction capacity between a fixed electrode (inner ring) and a rotating electrode (outer ring). There may be a case where the fixed electrode is an outer ring and the rotating electrode is an inner ring.
図２２には、多重円筒構造を用いた時の回路図を示す。図２０の場合と同様に、筒間には、寄生容量Ｃｘ及びＣｙが発生するため、並列共振回路を用いた時には、その共振容量Ｃ１及びＣ２から夫々Ｃｘ及びＣｙを差し引いて共振させる。 FIG. 22 shows a circuit diagram when a multiple cylinder structure is used. As in the case of FIG. 20, since parasitic capacitances Cx and Cy are generated between the cylinders, when a parallel resonance circuit is used, resonance is performed by subtracting Cx and Cy from the resonance capacitors C1 and C2, respectively.
（５）流体的巻きつけ現象を用いた巻きつけ電極と回転電極
図２３は、流体中において回転電極が回転していて、その脇に巻きつけ電極が有る。巻きつけ電極としては、極薄金属膜やＦＰＣ電極等を用いる。ＦＰＣ内に、前述のダイオード構造やスイッチ等を組込んでも良い。これらが十分に巻き付き方向の柔軟性があるときには、単に電極を高速回転するだけで巻き付きが起きるが、電極に弾性力がある時には、巻き付きが起きない。
(5) Wound Electrode and Rotating Electrode Using Fluidic Winding Phenomenon In FIG. 23, the rotating electrode rotates in the fluid, and there is a wound electrode on the side. As the winding electrode, an ultrathin metal film, an FPC electrode, or the like is used. The above-described diode structure, switch, or the like may be incorporated in the FPC. When these are sufficiently flexible in the winding direction, winding occurs only by simply rotating the electrode at a high speed, but winding does not occur when the electrode has elastic force.
原理は、回転電極が回転することにより、流体の粘性によって巻き付き電極と回転電極間に流体膜が残りかつ回転電極の回転する方向に流れる。これにより、その外部の静止した流体からの押付圧力が発生して巻き付くものである。流体が残るため、巻付電極と回転電極間にはわずかな空間が残り、トライボロジーの問題から解放される。 The principle is that when the rotating electrode rotates, a fluid film remains between the wound electrode and the rotating electrode due to the viscosity of the fluid and flows in the direction in which the rotating electrode rotates. As a result, a pressing pressure is generated from the stationary fluid outside the coil, and the coil is wound. Since the fluid remains, a small space remains between the wound electrode and the rotating electrode, freeing you from the problem of tribology.
このため、その力をさらに大きくする方法として、巻き付き部の流体を吸引して流体量を減少させる方法（ａ）と軸自体に流体吸引効果を持たせるもの（ｂ）がある。ただし、これらの場合には、吸引量を大きくすると、巻きつけ電極と回転電極の摩擦が発生し、電極の寿命を縮める可能性がある。このため、吸引量には注意する必要がある。 For this reason, as a method for further increasing the force, there are a method (a) for reducing the amount of fluid by sucking the fluid in the wrapping portion and a method (b) for giving the shaft itself a fluid suction effect. However, in these cases, if the suction amount is increased, friction between the wound electrode and the rotating electrode is generated, which may shorten the life of the electrode. For this reason, it is necessary to pay attention to the suction amount.
これに対し、図２４は、巻き付き力を大きくするために、巻き付き電極の外側に流体を導入すると共に、その速度を落とすために流体の流れに対する抵抗体を配設する方法を示している。流体の抵抗体の一例として、ポーラス材料を記している。この場合には、巻付電極と回転電極間の流体を除去していないため、接触摩擦は軽減できる。 On the other hand, FIG. 24 shows a method of introducing a fluid to the outside of the wound electrode in order to increase the winding force and disposing a resistor against the fluid flow in order to reduce the speed. As an example of the fluid resistor, a porous material is described. In this case, since the fluid between the wound electrode and the rotating electrode is not removed, the contact friction can be reduced.
図２５は、巻付電極の外部からの流体流入の代わりに、発泡ゴム等の弾性体で巻付電極を回転電極に押し付け、回転電極と流体との粘着性による巻き込みのみを利用したものである。流体又は温度を選択することにより、巻き込まれる厚さ等が決められる。 In FIG. 25, instead of fluid inflow from the outside of the wound electrode, the wound electrode is pressed against the rotating electrode with an elastic body such as foamed rubber, and only the entrainment due to the adhesion between the rotating electrode and the fluid is used. . By selecting the fluid or temperature, the thickness to be involved is determined.
特に、流体として水を用いた場合には、水の比誘電率が約８０であるため、大きな接合容量が形成できる。さらに、流体を密閉容器の中で循環させることにより、外部からの埃の侵入盗を防ぐことが出来る。流体は、回転電極の隙間から漏れ出るため、逐次補充したり、漏れ出た流体をフィルター等できれいにしてから、循環させることもできる。なお、図９〜図１６及び図１９に対して、エアベアリング又はオイレスベアリングを用いて電極間を離隔することも有効な方法である。 In particular, when water is used as the fluid, since the relative dielectric constant of water is about 80, a large junction capacity can be formed. Furthermore, by circulating the fluid in the sealed container, it is possible to prevent the entry and theft of dust from the outside. Since the fluid leaks from the gap between the rotating electrodes, it can be replenished sequentially, or the leaked fluid can be circulated after being cleaned with a filter or the like. In addition, with respect to FIGS. 9 to 16 and 19, it is also an effective method to separate the electrodes using an air bearing or an oilless bearing.
Ｔｙｐｅ・・・電力伝送回転体のタイプ Type: Type of power transmission rotor
Claims (2)
前記回転体と前記固定体のうち軸の法線と略垂直な面において一方が他方を覆うように前記軸の方向に夫々延在し、
前記回転体と前記固定体のうち中心に存在する方は、軸体がさらに中心にあって構造体として機能し、
前記回転体と前記固定体のうち覆う方が、外囲体が最外部にあって構造体として機能する、
電界結合方式の電力伝送回転体であって、
前記回転体と前記固定体のうち内部に存在する一方は、前記軸の中心から順番に、
導電体又は絶縁体を主体として構成される軸体と、
前記軸体が導電性を有する場合に挟まれる第１絶縁層と、
第１電極と、
を積層して構成され、
前記回転体と前記固定体のうち外部に存在する他方は、前記軸の中心から順番に、
前記第１電極と対になり接合容量を形成する第２電極と、
前記外囲体が導電性を有する場合に挟まれる第２絶縁層と、
導電体又は絶縁体を主体として構成される前記外囲体と、
を積層して構成され、
前記第１電極と前記第２電極のうち、一方は２以上の分割数で分割されて交流電源が接続され、他方は前記分割数よりも細かく分割されると共に電流の流れを制御する制御部を介して負荷が接続され、前記第１電極と前記第２電極の相互に対向する電極表面には絶縁層が形成されて接触して摺動するか又は流体層が挟まれて摺動する、
電力伝送回転体。 A rotating body that rotates around a predetermined axis, and a fixed body;
One of the rotating body and the fixed body extends in the direction of the shaft so as to cover the other in a plane substantially perpendicular to the normal line of the shaft,
The one that exists at the center of the rotating body and the fixed body functions as a structure with the shaft body at the center,
One of the rotating body and the fixed body that covers the outer body is the outermost part and functions as a structure.
An electric field coupling type power transmission rotating body,
One of the rotating body and the fixed body existing inside is in order from the center of the shaft,
A shaft body mainly composed of a conductor or an insulator;
A first insulating layer sandwiched when the shaft body has conductivity;
A first electrode;
It is composed by laminating
The other of the rotating body and the fixed body that exists outside is sequentially from the center of the shaft,
A second electrode paired with the first electrode to form a junction capacitance;
A second insulating layer sandwiched when the envelope has conductivity;
The envelope configured mainly of a conductor or an insulator; and
It is composed by laminating
One of the first electrode and the second electrode is divided into two or more division numbers and connected to an AC power supply, and the other is divided more finely than the division number and has a control unit that controls the flow of current. A load is connected to the electrode surface of the first electrode and the second electrode facing each other, and an insulating layer is formed and slides in contact with each other, or a fluid layer is sandwiched and slides.
Power transmission rotating body.
前記回転体と固定体には、構造体として機能する支持体が備えられ、
前記回転体と前記固定体とは、前記軸を法線とする所定平面に略平行に夫々配置されている、
電界結合方式の電力伝送回転体であって、
前記回転体と前記固定体のうち一方は、所定視点から前記軸の方向にみて、
導電体又は絶縁体を主体として構成される第１支持体と、
前記第１支持体が導電性を有する場合に挟まれる第１絶縁層と、
第１電極と、
を積層して構成され、
前記回転体と前記固定体のうち他方は、前記所定視点から前記軸の方向にみて、
前記第１電極と対になり接合容量を形成する第２電極と、
第２支持体が導電性を有する場合に挟まれる第２絶縁層と、
導電体又は絶縁体を主体として構成される前記第２支持体と、
を積層して構成され、
前記第１電極と前記第２電極のうち、一方は２以上の分割数で分割されて交流電源が接続され、他方は前記分割数よりも細かく分割されると共に電流の流れを制御する制御部を介して負荷が接続され、前記第１電極と前記第２電極の相互に対向する電極表面には絶縁層が形成されて接触して摺動するか又は流体層が挟まれて摺動する、
電力伝送回転体。
A rotating body that rotates around a predetermined axis, and a fixed body;
The rotating body and the fixed body are provided with a support that functions as a structure,
The rotating body and the fixed body are respectively disposed substantially parallel to predetermined planes having the axis as a normal line.
An electric field coupling type power transmission rotating body,
One of the rotating body and the fixed body is seen from the predetermined viewpoint in the direction of the axis,
A first support mainly composed of a conductor or an insulator;
A first insulating layer sandwiched when the first support has conductivity;
A first electrode;
It is composed by laminating
The other of the rotating body and the fixed body is viewed in the direction of the axis from the predetermined viewpoint,
A second electrode paired with the first electrode to form a junction capacitance;
A second insulating layer sandwiched when the second support has conductivity;
The second support composed mainly of a conductor or an insulator;
It is composed by laminating
One of the first electrode and the second electrode is divided into two or more division numbers and connected to an AC power supply, and the other is divided more finely than the division number and has a control unit that controls the flow of current. A load is connected to the electrode surface of the first electrode and the second electrode facing each other, and an insulating layer is formed and slides in contact with each other, or a fluid layer is sandwiched and slides.
Power transmission rotating body.
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