JP3717324B2

JP3717324B2 - 分離トランス

Info

Publication number: JP3717324B2
Application number: JP01565999A
Authority: JP
Inventors: 東治金; 文彦安倍; 肇望月
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2019-01-25
Also published as: JP2000216035A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに相対回転する固定部材と回転部材との間を非接触で電気的に結合し、両部材間で電力あるいは電気信号を伝送する分離トランスに関し、さらに詳しくは車両のステアリング装置に取付けられて好適に使用される分離トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のステアリングホイール（ハンドル）とステアリングコラムのように、固定部材とそれに対して相対回転する回転部材との間を電気的に接続するコネクタとして、渦巻き状に巻回したフラットケーブルを回転ケースと固定ケースとによって形成される環状の空間内に収容した回転コネクタが知られている（例えば、特開昭５９−２１４８号公報参照）。
【０００３】
しかし、上述のような回転コネクタは、フラットケーブルを使用し、回転数に制限があり、さらには回転時に騒音が発生することから、近年、互いに相対回転する部材間を非接触で電気的に結合するコネクタとして分離トランスの使用が検討されている。
分離トランスは、それぞれコイルを有する１次側コアと２次側コアが所定のギャップを介して対向配置されたものであり、電磁誘導によって１次側コアと２次側コアとの間で電力や電気信号を非接触で伝送することができる。この場合、コアの一方には電源装置や制御回路等を接続する必要がないため、設置スペースに制約がある場合に有利である。例えば、１次側コアのコイルにインフレータ（窒素ガス発生装置）の制御ユニットを接続し、２次側コアの対応するコイルに起爆装置（Ｓｑｕｉｂ）を接続することでコア間に電力を伝送させ、自動車のエアバッグ装置を作動させることができる。また、電気信号や電力を２次側コアから１次側コアに伝送して、ホーンを作動させたり、自動車をオートクルーズ状態に設定することも可能である。
【０００４】
この分離トランスは、例えば、中心部の軸穴にステアリングシャフトが挿通されてステアリング装置に取付けられ、１次側コアは車体側に固定され、２次側コアはハンドル側に固定されてステアリングシャフトと一体に回転可能になっている。そして、１次側コイルと２次側コイルの間で結合係数を向上させるため、各コアはフェライト等の軟磁性材料（高透磁率材料）から成っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コアが軟磁性材料から成っている場合、以下の問題が生じるおそれがある。
まず、比透磁率の高いコア派外部磁束（一種のノイズ）を集中しやすいという特徴もあるので、その集中された外部ノイズ磁束がコイルと鎖交して誘導起電力を生じ、コイル間での電力や電気信号の伝送に与える影響が大きくなる。
【０００６】
また、コアをフェライト等を焼結して製造した場合には、フェライトが脆いためにコア自体の機械的強度も低下し、自動車部品等の振動の激しい環境では防振対策や固定方法の改良が必要となったり、組み立て時にコアが欠損する可能性がある。そこで、軟磁性粉末を合成樹脂に混入してコアを製造することも行われているが、硬い軟磁性粉末が研磨剤となるので、金型寿命が通常の数百万ショットから百万ショット以下まで低下し、製品のコスト上昇を招いてしまう。
【０００７】
一方、組立がしやすくて振動に強く、さらに製造コストを低減する観点から、分離トランスのギャップはｍｍのオーダーにすることが好ましい。そして、このような場合には、コイルの実効比透磁率はほとんどギャップの大きさによって決定され、コアに軟磁性材料を用いたとしてもコイルの結合係数（伝送効率）はそれほど大きくならない。特に、エアバッグの作動等においては、極めて短い時間（〜ｍｓｅｃ）で電力伝送が行われるため、伝送効率の大小はそれほど問題ではなく、コアに軟磁性材料を用いる利点は少ない。
【０００８】
本発明は分離トランスにおける上記した問題を解決した分離トランスの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために本発明においては、非磁性の絶縁性材料からなる１次側コア及び２次側コアに互いに対峙させてそれぞれ設けた複数のリング状の溝の１組に、電力伝送用の１次側コイル及び２次側コイルをその巻回端面の一方を露出させてそれぞれ直接埋設して対向配置すると共に、上記複数のリング状の溝の他の１組に軟磁性材料からなる第２コアをそれぞれ埋設し、これらの各第２コアにそれぞれ設けられたリング状の溝に信号伝送用の１次側コイル及び２次側コイルをそれぞれ埋設したことを特徴とする分離トランスが提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、分離トランスではコイルの結合係数がほとんどギャップの大きさによって決定され、比透磁率の大小にあまり影響を受けないことに着目し、従来と異なる比透磁率を有する材料をコアに用い、従来のコアが有する欠点を克服したものである。
【００１１】
また、それぞれ比透磁率の異なる材料が組み合わされたコアを用いることにより、コイル間のクロストークの低減を図ったものである。
以下、本発明の分離トランスの実施形態を図１、及び図２に基づいて詳細に説明する。
図１において、分離トランスは、所定のギャップＧ（＝約１．５±０．５ｍｍ）を介して対向配置されている１次側コア２と２次側コア４から成っている。
【００１２】
１次側コア２及び２次側コア４は、それぞれコイル２ｃ，４ｃを有している。各コア２，４は中心部に軸穴を有するリング状に形成され、詳細は後述する材料から成っている。そして、コア２、４の互いの対向面には、各コアと同心にそれぞれリング状の溝２ｂ，４ｂが形成され、各溝には電線を巻回してリング状に成形されたコイル２ｃ，４ｃが埋設されている。これらのコイルの一方の巻回端面はコア２、４の互いの対向面に面一に表出している。コイルに用いる電線としては、例えば、ポリウレタン系絶縁被膜の上にポリアミド系融着被膜をオーバーコートしたものを用いることができ、また電線の断面形状は円形でも矩形でも何でもよい。
【００１３】
コア２，４は、いずれも非磁性の絶縁性材料から成っていて、例えば、ポリプロピレンやエポキシ樹脂等の合成樹脂や、シリコンゴム等のゴム、あるいはセラミック等の、比透磁率がほぼ１である材料を用いることができる。ここで、コアを非磁性とした理由は、磁気抵抗の低い磁性材料を用いると、外部ノイズ等がコアに侵入しやすくなるからであり、また、磁性材料は一般に脆くて高価であるからである。また、コアを絶縁性とした理由は、コアが導電性を有していると、１次側コアで生じた磁束を打ち消す向きに２次側コアに渦電流が発生してしまい、コア間で電力や電気信号を伝送させることが困難になるからである。なお、各コアは、上記材料を適宜、圧縮成形、モールド成形や射出成形によって金型に充填して成形加工して製造すればよい。
【００１４】
そして、上述の１次側コア２と２次側コア４の中央軸穴にはステアリングシャフト１０が挿通され、１次側コア２はステアリングステータ１２に螺子で固定され、２次側コア４はステアリングローテータ１４に螺子で固定される。このとき、１次側コア２と２次側コア４はギャップＧを保持しつつ、ステアリング装置に取付けられる。ここで、ステアリングステータ１２とは車体側に固定され、ステアリングシャフト１０を軸支する円板状の部材をいい、ステアリングローテータ１４とはステアリングシャフト１０に密着して固定され、ステアリングシャフト１０と一体に回転可能になっている部材をいう。
【００１５】
ここで、上記分離トランスのコアの比透磁率はほぼ空気と同じ値であるので、外部磁束を集中させる働きをしない。そのため、コイル４ｃに誘起されるノイズ起電力は、比透磁率の高いコアから成る分離トランスの場合に比べて小さくなる。つまり、この分離トランスに外部のノイズ磁束Ｂが侵入しても、コア４の磁気抵抗が高いために、磁束Ｂはその磁束密度を大きく減衰され、コイル４ｃにはノイズ起電力がほとんど誘起されない。従って、本発明の分離トランスは、外部磁束の影響を受けにくいこととなる。
【００１６】
次に、コイル２ｃ−４ｃ間の結合状態について説明する。コイル２ｃ−４ｃ間には鎖交磁束Ｃが形成されているが、ギャップＧが大きいために、コイルの伝送効率(鎖交磁束と全磁束の比で表される)は２０〜３０％にとどまり、伝送パワーも低下する。しかしながら、あらかじめ１次側コイル２ｃに過剰なパワーを印加しておけば、伝送パワーの低下を解決することができる。さらに、図２に示すようにして、伝送パワーをある程度向上させることもできる。
【００１７】
図２において、１次側コイル２ｃに印加する交流電圧の周波数を大きくすると、２次側コイル４ｃに伝送されるパワーも増加し、やがてほぼ一定の値を示すようになる。つまり、伝送パワーを大きくするには、交流電圧の周波数を高くすればよい。例えば、交流電圧の周波数を２０ｋＨｚ以上とすれば、エアバッグを作動させるのに十分な、２０Ｗ以上の伝送パワーが得られることになる。
【００１８】
次に、同一コアに複数のコイルを配置した本発明の分離トランスの実施形態を図３、及び図４に基づいて説明する。
図３において、１次側コア２はリング状に形成され、２次側コア４との対向面には、コア２と同心にそれぞれ２つのリング状の溝２ｂ，２ｄが形成されている。そして、溝２ｄより内側に位置する溝２ｂには、電線を巻回してリング状に成形されたコイル２ｃが埋設され、溝２ｄには、リング状に成形された第２のコア２０が嵌合されている。コイル２０ｃの一方の巻回端面、及びコア２０の上面は上記対向面と面一になっている。そして、第２のコア２０に形成されたリング状の溝２０ｂには、コイル２０ｃが埋設されている。同様に、コア４がコア２の溝２ｂ，２ｄと対向する面には、溝４ｂ，４ｄが形成されている。溝４ｂにはコイル４ｃが埋設され、溝４ｄには第２のコア４０が嵌合されている。そして、コア４０に形成された溝４０ｂにはコイル４０ｃが埋設されている。
【００１９】
コア２、４はそれぞれ上述した非磁性の絶縁性材料から成る一方、第２のコア２０、４０は、それぞれ軟磁性材料から成っている。軟磁性材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトやＭｎ−Ｚｎ系フェライト等の軟磁性フェライト粉末をナイロンやポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の合成樹脂中に所定量混入して成形したもの（軟磁性材料を含む合成樹脂、比透磁率：約５〜１５）や、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトあるいはＭｎ−Ｚｎ系フェライト等にバインダー剤を混ぜて焼結したもの（軟磁性フェライトの焼結体、比透磁率：数１００〜数１０００）を用いることができる。
【００２０】
そして、上述の１次側コア２と２次側コア４の中央軸穴にステアリングシャフト１０が挿通され、図示しない所定のステアリングステータ１２、及びステアリングローテータ１４を用いて、各コア２、４がギャップＧを保持しつつ、ステアリング装置に取付けられる。
次に、この分離トランスのコイルの結合状態、及びクロストークについて図４に基づいて説明する。
【００２１】
図４において、コイル２ｃ−４ｃ間には鎖交磁束Ｃ₁が形成され、コイル２０ｃ−４０ｃ間には鎖交磁束Ｃ₂が形成されている。コイル２ｃ−４ｃ間では伝送効率は低いものの、コア２０、４０の比透磁率が高いために、コイル２０ｃ−４０ｃ間では伝送効率が高くなる。その結果、コイル２０ｃ−４０ｃ間の結合係数は大幅に向上し、微弱な電気信号を伝送させることが可能となっている。
【００２２】
次に、コイル２ｃ−２０ｃ間のクロストークについて説明する。Ｘ₁₁、Ｘ₁₂はコイル２ｃから生じる磁束の経路を示す。このうち、経路Ｘ₁₁を通る磁束は、いずれのコイルとも鎖交しない漏れ磁束となり、経路Ｘ₁₂を通る磁束は、コイル２０ｃと鎖交してクロストークを生じさせる。この場合、各経路Ｘ₁₁、Ｘ₁₂に占める比透磁率≒１の部分の割合はＸ₁₁の方が少なく、磁束は経路Ｘ₁₁を優先的に通ることになり、経路Ｘ₁₂を通る磁束によって生じるクロストークは低減する。
【００２３】
この効果は、特にコイル２０ｃ、４０ｃの場合に顕著となる。コイル４０ｃから生じる磁束の通る経路Ｘ₂₁、Ｘ₂₂について考えると、経路Ｘ₂₁の大部分は、磁気抵抗が極めて低い軟磁性体コア４０で占められ、磁束は経路Ｘ₂₁に集中するので、経路Ｘ₂₂を通る磁束は非常に少なくなる。つまり、経路Ｘ₂₂を磁束が通ることによって生じるクロストークが、大幅に低減されることになる。
【００２４】
なお、この分離トランスにおいては、磁気抵抗の低いコア２０、４０は、非磁性コア２、４をガイドとしてコア２，４に嵌合されているので、コア２０、４０の外面はそれぞれ、コア２、４に覆われていることになる。従って、図４において、外部ノイズ磁束Ｂ₂が侵入しても、磁気抵抗の高いコア４によって磁束Ｂ₂はその磁束密度を大きく減衰され、コイル４０ｃにはノイズ起電力がほとんど誘起されない。つまり、同一のコアに複数のコイルを備えた本発明の分離トランスにおいても、コイル２０ｃ、４０ｃは外部磁束の影響を受けにくいことになる。
【００２５】
なお、この実施形態においては、コア２、４にそれぞれコイル２ｃ、４ｃが１つずつ埋設され、コア２０、４０にそれぞれコイル２０ｃ、４０ｃが１つずつ埋設された場合について説明したが、これに限らずコア２、４、あるいはコア２０、４０に、それぞれ複数のコイルが埋設されていてもよい。
さらに、上記した各実施形態は、分離トランスを自動車のステアリング装置に搭載する場合について説明したが、本発明の分離トランスはこれに限定されることはなく、例えば、自動車のドア等のヒンジ部や回転の自由度を持つロボットアーム相互間を非接触で電気的に接続する場合にも使用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、コアが非磁性の絶縁性材料から成っているので、分離トランスへ侵入した外部ノイズは減衰され、コイルに誘起される起電力を大幅に低減することができる。また、コアの機械的強度を大幅に向上することができるとともに、製品コストを低減することができる。
【００２７】
さらに、非磁性の絶縁性材料から成るコアに軟磁性材料から成る第２のコアが組み合わされているので、コイル間のクロストークを大幅に低減することができる。そして、その結果、コイル間隔を狭くすることができるので、分離トランスのコンパクト化を図ることができる。また、第２のコアに配置されたコイル間の結合状態を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分離トランスの実施形態を示す断面図である。
【図２】１次側コアの交流電圧の周波数と伝送パワーの関係を示すグラフである。
【図３】同一コアに複数のコイルを備えた本発明に係る分離トランスの実施形態を示す断面図である。
【図４】コイル間の結合状態、及びクロストークを示す図である。
【符号の説明】
２１次側コア
４２次側コア
２０、４０第２のコア
２ｃ、４ｃ、２０ｃ、４０ｃコイル
Ｇギャップ

Claims

非磁性の絶縁性材料からなり、所定のギャップを介して相対回転可能に対向配置された１次側コア及び２次側コアと、
これらのコアの互いに対向する面に互いに対峙させて上記各コアと同心にそれぞれ形成された複数のリング状の溝と、
これらの各溝中の互いに対峙して対をなす少なくとも１組の溝にその巻回端面の一方を露出させてそれぞれ埋設されて互いに対向配置された電力伝送用の１次側コイル及び２次側コイルと、
前記各溝中の上記電力伝送用の１次側コイル及び２次側コイルを埋設した前記溝とは別の互いに対峙して対をなす少なくもと１組の溝にそれぞれ埋設された軟磁性材料からなる第２コアと、
これらの各第２コアにそれぞれ設けられたリング状の溝にそれぞれ埋設された信号伝送用の１次側コイル及び２次側コイルと
を具備したことを特徴とする分離トランス。