JP2020043291A - 相対回転部の電気伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断線や使用温度、環境上の問題が生じず、かつ磁束漏れが防止できて、大型化することなく効率良く電力や信号の伝送が行える相対回転部の電気伝送装置を提供する。【解決手段】この相対回転部の電気伝送装置は、互いに同一の軸心Ｏ上で相対回転可能な一対の磁性素子１Ａ，１Ｂを備える。これら一対の磁性素子１Ａ，１Ｂは、それぞれコイル３Ａ，３Ｂとコア２Ａ，２Ｂとでなり、コイル３Ａ，３Ｂが互いに磁気結合され、電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する。一対の磁性素子１Ａ，１Ｂのコア２Ａ，２Ｂは、磁路のギャップＧよりも外周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａをそれぞれ有する。【選択図】図１

Description

この発明は、ロボット、アシストスーツ、その他、関節等の相対回転部を有する機械装置において、前記相対回転部に配置され、電力または信号を非接触で伝送する相対回転部の電気伝送装置に関する。

電力および信号伝達経路に関節部や回転部を含む場合、ケーブルをたわませることで可動域を確保し電力および信号を伝達している。このケーブルは関節部や回転部が可動することで繰り返し曲げ伸ばしされる。銅やアルミなどでなるケーブルの導電部に繰返し応力が発生することで、ケーブルが断線する。また、ケーブルを用いる場合、可動域に制限が発生する。一方、この可動部にスリップリングを用いることでこれらを解消できるが、スリップリングの欠点として電気接点における摩耗粉の発生が挙げられる。導電性のある液体金属を用いたロータリーコネクタがこの代替品として挙げられるが、摺動面での摩耗は避けられない。

このような課題を解消する相対回転部の電気伝送装置として、図９に示すように、互いに同一の軸心上で相対回転可能な一対の磁性素子１０１Ａ，１０１Ｂを備え、これら一対の磁性素子１０１Ａ，１０１Ｂは、それぞれコイル１０３とコア１０２とでなり、かつ前記コイル１０３が互いに径方向の内外に位置して磁気結合され、この磁気結合によって電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する構成が提案されている（特許文献１）。

特開２０１８−０７８１８５号公報 特開２０１７−２０４５５４号公報 特開平１１−３５４３４８号公報 特開２０１５−６２６６号公報 特開２０１７−１１８０７２号公報

上記のように、ケーブルを撓ませることで可動域を確保するものは、繰り返し曲げ伸ばしを行うことで断線の恐れがあり、特にパワースーツ等では人間が着用することから、安全性に欠ける。スリップリングは摩耗粉の発生があり、液体金属を用いたロータリーコネクタは、使用温度の制限、環境汚染の懸念、価格の面で問題がある。

前記磁気結合による電気伝送装置は、上記の各問題がないが、回転させるために設けたギャップから．磁束漏れが生じることが懸念される。磁束漏れが生じると、電力や電気信号の伝送の効率が悪く、電力や電気信号の必要な伝送を確保するためには、コアの体格を大きくする必要がある。

この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、断線や使用温度、環境上の問題が生じず、かつ磁束漏れが防止できて、大型化することなく効率良く電力や信号の伝送が行える相対回転部の電気伝送装置を提供することである。

互いに同一の軸心上で相対回転可能な一対の磁性素子を備え、これら一対の磁性素子は、それぞれコイルとコアとでなり、かつ前記コイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶかまたは径方向の内外に位置して磁気結合され、この磁気結合によって電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する相対回転部の電気伝送装置であって、
前記一対の磁性素子の前記コアは、前記一対の磁性素子間の磁路のギャップよりも外周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部をそれぞれ有する。

この構成によると、磁路のギャップよりも外周に位置して、前記コアに、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部を有するため、磁束漏れが抑制される。このため、大型化することなく効率良く電力や信号の伝送が行える。また、磁気結合による伝送であるため、接触式の伝送手段と異なり、断線や使用温度、環境上の問題が生じない。

この発明において、前記磁性素子の前記コアは、前記一対の磁性素子間の磁路のギャップよりも内周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部をそれぞれ有するようにしてもよい。
ギャップの外周側だけでなく、内周側においても、前記コアに２重となる円筒部を設けることで、磁束漏れがより一層確実に抑制される。

この発明において、前記一対の磁性素子を、前記コイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶようにした場合は、コイルを互いに径方向の内外に配置する場合に比べて、前記コアに２重となる円筒部を設ける構成が取りやすい。

このようなコイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶ配置である場合に、前記一対の磁性素子における一方の磁性素子の前記コアは、外周および内周に前記円筒部を有し、かつ両円筒部の一端間を塞ぐ端板部を有する内外周円筒部付き形状であり、他方の磁性素子の前記コアは、外周の円筒部およびこの円筒部の一端に続く端板部を有する断面Ｌ字状であって、前記一方の磁性素子の前記コアと軸方向に対向し、前記一対の磁性素子における前記外周の円筒部同士が互いに二重となるようにしてもよい。
このように一方のコアを内外周円筒部付き形状、他方のコアを断面Ｌ字状とする場合、前記ギャップの外周側に前記コアの２重となる円筒部を得ながら、前記他方のコアが断面Ｌ字状であるため、コア全体の構成が簡素となる。

この発明において、前記のようにコイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶ配置である構成の場合に、前記一対の磁性素子の前記コアは、いずれも、外周および内周に円筒部を有し、かつ両円筒部の一端間を塞ぐ端板部を有する内外周円筒部付き形状であって、これら内外周円筒部付き形状の一対のコアが、互いに向きあって内外の前記円筒部が共に互いに二重となるようにしてもよい。
このように両方の磁性素子のコアをいずれも、内周および外周に円筒部を有する内外周円筒部付き形状とすることで、ギャップの内外両側に２重となる円筒部を有す構成を簡素に得ることができる。
なお、この内外周円筒部付き形状の一対のコアを設けた構成とする場合に、一方の内外周円筒部付き形状のコアにおける外周側の円筒部と内周側の円筒部との間に他方の内外周円筒部付き形状のコアが嵌まり合う構成としても、また一方の内外周円筒部付き形状のコアにおける外周側の円筒部および内周側の円筒部の外径側に他方の内外周円筒部付き形状のコアの外周および内周の円筒部が配置された構成としてもよい。

この発明において、前記のようにコイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶ配置である構成の場合に、いずれか一方または両方の前記磁性素子における前記コアの前記端板部に、前記コイルがコイルホビンと共に嵌まる位置決め溝を有するようにしてもよい。
前記位置決め溝が設けられていると、コイルの位置ずれが生じず、コイルの位置ずれに伴う伝送率の低下が防止される。

この発明の相対回転部の電気伝送装置は、互いに同一の軸心上で相対回転可能な一対の磁性素子を備え、これら一対の磁性素子は、それぞれコイルとコアとでなり、かつ前記コイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶかまたは径方向の内外に位置して磁気結合され、この磁気結合によって電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する相対回転部の電気伝送装置であって、前記一対の磁性素子の前記コアは、前記一対の磁性素子間の磁路のギャップよりも外周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部をそれぞれ有するため、断線や使用温度、環境上の問題が生じず、かつ磁束漏れが防止できて、大型化することなく効率良く電力や信号の伝送が行える。

この発明の第１の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 この発明の他の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 この発明のさらに他の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 この発明のさらに他の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 この発明のさらに他の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 この発明のさらに他の実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置の断面である。 図１〜図６に示す各実施形態の電気伝送装置の電気回路図である。 同電気伝送装置を用いたパワーアシストスーツの一例の説明図である。 従来例の断面図である。

この発明の第一の実施形態を図１と共に説明する。図１は、この相対回転部の電気伝送装置を軸方向に沿って断面した断面図である。この相対回転部の電気伝送装置は、トランスの一種であって、互いに同一の軸心Ｏ上で相対回転可能な一対の磁性素子１Ａ，１Ｂを備える。これら一対の磁性素子１Ａ，１Ｂは、それぞれコイル３Ａ，３Ｂとコア２Ａ，２Ｂとでなり、かつ前記コイル３Ａ，３ＢがギャップＧを介し互いに前記軸心Ｏの軸方向に並んで磁気結合され、この磁気結合によって電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する。

一対の磁性素子１Ａ，１Ｂのうち、一方の磁性素子１Ａは、軸体４の外周に固定され、他方の磁性素子１Ｂは軸体４の外周に回転自在に位置している。この実施形態の場合、他方の磁性素子１Ｂは、この電気伝送装置自身としては、軸体４に対して特に支持する軸受等の手段を設けていないが、この電気伝送装置を設置した機器（図示せず）により、他方の磁性素子１Ｂが軸体４に対して回転自在に設置されることで、両磁性素子１Ａ，１Ｂが同心位置に保たれる。

前記各コイル３Ａ，３Ｂは、外向き溝形断面形状のリング状のボビン５内に、丸線または平角線からなる被覆導線を巻回したものであっても、また平角の導線を一重に巻回したボビン成しのものであってもよい。

一対の磁性素子１Ａ，１Ｂのコア２Ａ，２Ｂは、磁性素子１Ａ，１Ｂ間の磁路のギャップＧよりも外周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａをそれぞれ有する。
具体的には、一対の磁性素子１Ａ，１Ｂにおける一方の磁性素子１Ａのコア２Ａは、外周および内周に円筒部２Ａａ，２Ａｂを有し、かつ両円筒部１Ａａ，１Ａｂの一端間を塞ぐ平板状の端板部２Ａｃを有する内外周円筒部付き形状である。他方の磁性素子１Ｂの前記コアＢは、外周の円筒部２Ｂａおよびこの円筒部２Ｂａの一端に続く平板状の端板部２Ｂｃを有する断面Ｌ字状であって、一方の磁性素子１Ａのコア２Ａと軸方向に対向し、これら一対の磁性素子１Ａ，１Ｂにおける前記外周の円筒部２Ａａ，２Ｂａ同士が互いに二重となる。この二重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａの範囲は、この例では、コア２Ａの軸方向の全体である。
内外周円筒部付き形状のコア２Ａ側のコイル３Ａは、ボビン５の内外周がコア２Ａの円筒部２Ａａ，２Ａｂに間に嵌合することで、コア２Ａに対して位置決めされている。各コイル３Ａ，３Ｂは、そのボビン５，５がコア２Ａ，２Ｂに接着剤等により接着されている。

各コアコア２Ａ，２Ｂの材質は、強磁性体であり、圧粉成形磁性体、射出成形磁性体、または積層鋼板等で構成される。前記圧縮成形磁性体は、具体的には、例えば鉄粉、窒化鉄粉等の純鉄系軟磁性材料、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金（センダスト）粉末、スーパーセンダスト粉末、Ｎｉ−Ｆｅ合金（パーマロイ）粉末、Ｃｏ−Ｆｅ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金粉末等の鉄基合金系軟磁性材料、フェライト系磁性材料、アモルファス系磁性材料、微細結晶材料などの磁性材料を原料とできる。

この構成によると、磁路のギャップＧよりも外周に位置して、一対のコア２Ａ，２Ｂに、互いに２重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａを設けたため、両コイル３Ａ，３Ｂ間を通る磁束の磁束漏れが抑制される。円筒部２Ａ，２Ｂの２重とする範囲は、後述の実施形態のように軸方向の一部としてもよいが、この実施形態ではコア２Ａ，２Ｂの軸方向の全体に渡って２重としているため、より確実に磁束漏れが抑制される。
このため、大型化することなく効率良く電力や信号の伝送が行える。また、磁気結合による伝送であるため、接触式の伝送手段と異なり、断線や使用温度、環境上の問題が生じない。
上記のように磁束漏れが抑制されるため、この相対回転部の電気伝送装置の近くに鉄やアルミなどが配置された場合でも、磁束が吸収されにくく、効率の低下を抑制することができる。

また、この実施形態の電気伝送装置は、一対の磁性素子１Ａ，１Ｂを、コイル３Ａ，３Ｂが互いに軸心Ｏの軸方向に並ぶようにしたため、コイル３Ａ，３Ｂを互いに径方向の内外に配置する場合に比べて、コア２Ａ，２Ｂに２重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａを設ける構成が取りやすい。
さらに、一方のコア２Ａを内外周円筒部付き形状、他方のコア２Ｂを断面Ｌ字状としたため、ギャップＧの外周側にコア２Ａ，２Ｂの２重となる円筒部２Ａａ，２Ｂａを得ながら、他方のコア２Ｂが断面Ｌ字状であるため、コア２Ａ，２Ｂ全体の構成が簡素となる。

図２ないし図６は、それぞれこの発明の他の実施形態を示す。これらの実施形態において、特に説明する事項の他は、第１の実施形態と同様である。
図２の実施形態は、断面Ｌ形のコア２Ｂにおける端板部２Ｂｃに環状の位置決め溝６を設け、この位置決め溝６にコイル３Ｂのボビン５を嵌合させることで、コイル３Ｂをコア２Ｂと同心に位置決めしている。前記位置決め溝６内で、ボビン５は、コア２Ｂに接着剤等で接着されている。
この実施形態のように位置決め溝６が設けられていると、コイル３Ｂの位置ずれが生じず、コイル３Ｂの位置ずれに伴う伝送率の低下が防止される。

図３の実施形態は、対向する両側のコア２Ａ，２Ｂをいずれも内外周円筒部付き形状とし、ギャップＧの内周側においても両側のコア２Ａ，２Ｂの円筒部２Ａｂ，２Ｂｂが互いに二重にとされている。
具体的には、一方のコア２Ａが、一方の磁性素子１Ａのコア２Ａは、外周および内周に円筒部２Ａａ，２Ａｂを有し、かつ両円筒部２Ａａ，２Ａｂの一端間を塞ぐ平板状の端板部２Ａｃを有する内外周円筒部付き形状であり、他方の磁性素子１Ｂも、コア２Ｂは、外周および内周に円筒部２Ｂａ，２Ｂｂを有し、かつ両円筒部２Ｂａ，２Ｂｂの一端間を塞ぐ平板状の端板部２Ｂｃを有する内外周円筒部付き形状である。また、片方のコア２Ｂにおける外周側の円筒部２Ｂａと内周側の円筒部２Ｂｂとの間に、もう片方の内外周円筒部付き形状のコア２Ａが嵌まり合っている。この内側に嵌まったコア２Ａに対してコイル３Ａは、そのコア５が内外の円筒部２Ａａ，２Ａｂ間に嵌合して位置決めされているが、外側に位置するコア２Ｂに対しては、このコア２Ｂの端板部２Ｂｃに設けられた位置決め溝６内にコイル３Ｂのボビン５が嵌合して位置決めされている。
このようにギャップＧの外周側だけでなく、内周側においても、コア２Ａ，２Ｂに２重となる円筒部２Ａｂ，２Ｂｂを設けることで、磁束漏れがより一層確実に抑制される。

図４の実施形態は、図３の実施形態と同様に、対向する両側のコア２Ａ，２Ｂをいずれも内外周円筒部付き形状とし、ギャップＧの内周側においても両側のコア２Ａ，２Ｂの円筒部２Ａａ，２Ａｂ，２Ｂａ，２Ｂｂが互いに二重にとされているが、重なり部分の軸方向長さをコア２Ａ，２Ｂの全長よりも短く、例えば１/２〜１/３程度としている。具体的には、コア２Ｂの外周側の円筒部２Ｂａおよび内周側の円筒部２Ｂｂを、上記のように短くしている。
円筒部２Ａａ，２Ａｂ，２Ｂａ，２Ｂｂの２重となる長さを上記のように短くしても、磁束漏れの効果が得られ、また短くすることで、コア２Ｂの材料が少なくて済み、低コスト化が図れる。

図５の実施形態は、図３の実施形態と同様に、対向する両側のコア２Ａ，２Ｂをいずれも内外周円筒部付き形状とし、ギャップＧの内周側においても両側のコア２Ａ，２Ｂの円筒部２Ａａ，２Ａｂ，２Ｂａ，２Ｂｂが互いに二重とされているが、片方のコア２Ｂが、もう片方のコア２Ａの外周が側に配置されている。すなわち、一方のコア２Ａの外周側の円筒部２Ａａの外周に他方のコア２Ｂの外周側の円筒部２ａが位置し、かつ一方のコア２Ａの内周側の円筒部２Ａｂの外周に他方のコア２Ｂの外周側の円筒部２Ｂｂが位置している。両側のコイル３Ａ，３Ｂとも、そのボビン５，５が、コア２Ａ，２Ｂの端板部２Ａｃ，２Ｂｃにそれぞれ設けられた環状の位置決め溝６内に軸方向の一部が嵌合して位置決めされている。
この構成の場合も、磁束漏れが防止される。

図６の実施形態は、図５の実施形態、つまり対向する両側のコア２Ａ，２Ｂがいずれも内外周円筒部付き形状とされ、ギャップＧの内外周側共に、コア２Ａ，２Ｂの円筒部２Ａａ，２Ａｂ，２Ｂａ，２Ｂｂが互いに二重とされ、かつ片方のコア２Ｂが、もう片方のコア２Ａの外周が側に配置された構成において、軸受２１を有する構成としている。
軸受２１は、深みぞ玉軸受等の転がり軸受であって、外側のコア２Ｂを設置したハウジング２２の内周に外周面が設置され、内周面に軸体４が嵌合することで、ハウジング２２に対して軸体４が回転自在に支持されている。
このように電気伝送装置を軸受４付き とした場合に、この電気伝送装置を設置する機器に別途に軸受を設けることが不要となる。

なお、この軸受２１、ハウジング２２を設ける構成は、前記いずれの実施形態においても適用できる。
また、前記各実施形態は、いずれも一対のコイル３Ａ，３Ｂが軸方向に並ぶ構成であるが、一対のコイル３Ａ，３Ｂは径方向の内外に位置していてもよい。

図７は、これらの実施形態に係る電気伝送装置を電力の給電に用いた電気回路の一例を示す。図１ないし図６のいずれの実施形態においても同様である。一対の磁性素子１Ａ，１Ｂのうちのいずれか一方、例えば磁性素子１Ａのコイル３Ａが一次側であり、交流電源７に接続されている。他方の磁性素子１Ｂのコイル３Ｂは、二次側、つまり受電側であり、モータ等の負荷８に接続されている。受電側のコイル３Ｂと並列にコンデンサ９が接続され、この受電側のコイル３Ｂで生じる漏れ磁束による漏れインダクタンスと、コンデンサ９とで共振回路１０を構成する。なお、交流電源７に代えて、または交流電源７から出力される交流電圧に重畳させるように電気信号源（図示せず）を設け、負荷８に代えて、または負荷８と共に復調回路（図示せず）を設けることで、電気信号を伝送することができる。

図８は、上記実施形態に係る相対回転部の電気伝送装置を装備する機械装置がパワーアシストスーツ２０である例を示す。いずれの実施形態も適用できる。
このパワーアシストスーツ２０は、人体の胴体に着せる胴体部２０ａと、この胴体部２０ａから延びる腕部２０ｂとを有する。腕部２０ｂは、一対の相対屈曲部品である上腕部２０ｂａと下腕部２０ｂｂとを有し、両部２０ｂａ，２０ｂｂの間の相対屈曲部である肘の関節部２０ａｃは、軸心Ｏ回りに回転自在な１自由度の関節部とされている。胴体部２０ａに電源７があり、下腕部２０ｂａの先端に、手首または手の駆動を行う電動モータ等の負荷８がある。この電源７から負荷８に接続する配線（図示せず）が、前記肘となる関節部２０ａｃにおいて、前記いずれかの実施形態の電気伝送装置Ａで接続されている。

パワーアシストスーツ２０では、電力や電気信号の伝送の信頼性と、関節部における電気伝送装置の小型化とが強く要望される。そのため、この実施形態の相対回転部の電気伝送装置の持つ信頼性と小型化の効果が、より効果的に発揮される。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１Ａ，１Ｂ：磁性素子
２Ａ，２Ｂ…コア
２Ａａ，２Ａｂ，２Ｂａ，２Ｂｂ…円筒部
２Ａｃ，２Ｂｃ…端板部
３Ａ，３Ｂ…コイル
４…軸体
５…ボビン
６…位置決め溝
２１…軸受
２２…ハウジング
Ａ…電気伝送装置
Ｏ…軸心

Claims (6)

1. 互いに同一の軸心上で相対回転可能な一対の磁性素子を備え、これら一対の磁性素子は、それぞれコイルとコアとでなり、かつ前記コイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶかまたは径方向の内外に位置して磁気結合され、この磁気結合によって電力および電気信号のいずれか一方または両方を伝送する相対回転部の電気伝送装置であって、
   前記一対の磁性素子の前記コアは、前記一対の磁性素子間の磁路のギャップよりも外周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部をそれぞれ有する相対回転部の電気伝送装置。
2. 請求項１に記載の相対回転部の電気伝送装置において、前記磁性素子の前記コアは、前記一対の磁性素子間の磁路のギャップよりも内周に、軸方向の一部または全部が互いに２重となる円筒部をそれぞれ有する相対回転部の電気伝送装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の相対回転部の電気伝送装置において、前記一対の磁性素子は、前記コイルが互いに前記軸心の軸方向に並ぶ相対回転部の電気伝送装置。
4. 請求項３に記載の相対回転部の電気伝送装置において、前記一対の磁性素子における一方の磁性素子の前記コアは、外周および内周に前記円筒部を有し、かつ両円筒部の一端間を塞ぐ端板部を有する内外周円筒部付き形状であり、他方の磁性素子の前記コアは、外周の円筒部およびこの円筒部の一端に続く端板部を有する断面Ｌ字状であって、前記一方の磁性素子の前記コアと軸方向に対向し、前記一対の磁性素子における前記外周の円筒部同士が互いに二重となる相対回転部の電気伝送装置。
5. 請求項３に記載の相対回転部の電気伝送装置において、前記一対の磁性素子の前記コアは、いずれも、外周および内周に円筒部を有し、かつ両円筒部の一端間を塞ぐ端板部を有する内外周円筒部付き形状であって、これら内外周円筒部付き形状の一対のコアが、互いに向きあって内外の前記円筒部が共に互いに二重となる相対回転部の電気伝送装置。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の相対回転部の電気伝送装置であって、いずれか一方または両方の前記磁性素子における前記コアの前記端板部に、前記コイルがコイルホビンと共に嵌まる位置決め溝を有する相対回転部の電気伝送装置。

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