JP4747176B2 - トランスポンダシステム - Google Patents

Description

本発明は、ステータに配置された少なくとも１つのリードコイルを備えた位置固定側から、主軸に配置された少なくとも１つのトランスポンダコイルを備えた回転側へエネルギーを無接触に誘導的に伝達させるためのトランスポンダシステムに関するものである。この種のトランスポンダシステムは日々の生活の中でその意義を増している。パッシブな実施態様では識別記憶媒体として利用され、アクティブな実施態様ではセンサデータ処理に使用される。ワイヤレスデータ通信は利用情報と管理情報との双方向交換を可能にする。この技術分野では、小型化された自立性測定システムを実現可能である。その間にも多数のトランスポンダ回路およびシステムが市場に出回っている。

この種のトランスポンダシステムの一例は特許文献１から知られている。この装置は車両のタイヤの温度および空気圧ならびに磨耗の監視のために用いられる。温度および空気圧の測定はタイヤのサイドウォールに加硫処理された電子トランスポンダを用いて行なわれる。電子トランスポンダは、トランシーバーの要求に応じた測定値を、デジタル搬送周波数方式により誘導的に、半径方向にタイヤサイドウォールに組み込まれたトランスポンダコイルとしてのフラットコイルを介して、車両に取り付けられ送信コイルを備えたトランシーバーへ伝送する。トランスポンダは公知のように１つまたは数個のシリコンチップと数個の外部要素とから成り、シリコンチップ上には温度センサとマイクロ構造の圧力センサとがマイクロプロセッサおよび付属の電子評価伝送装置とともに組み込んである。通信はトランシーバーとトランスポンダとの間で搬送デジタル形式で行なわれ、その際トランシーバーはコマンドをトランスポンダへ発信し、トランスポンダは、たとえば測定の実施、測定値の補正および線形化、測定データおよび／またはトランスポンダ内に記憶されたデータの伝送により前記コマンドに応答する。

プロセス監視用のセンサ或いはプロセス最適化用のアクチュエータは、工作機械工学の分野からも無視するわけにいかない。測定値検出器が取り付けられるのは、主に、取り付け後に該測定値検出器が好適に接触できるような場所である。このような場所に取り付けると、たとえば主軸のような回転部品の場合には、ロータでの物理学的特性をステータで間接的にしか測定できないことになる。ワイヤレスデータ方式は十分に公知のものであるが、この種のシステムは自立的に作動しなければならないという機械工学の要請がある。したがって、データ伝送に加えて、好ましくは誘導的に実現されるエネルギーカップリングが行われる。しかしながら、たとえばトランスポンダ技術を利用する公知の方法はそのままでは適用できない。というのは、機械工学の特殊な要請がこの種のシステムを開発する際に十分に考慮されていないからである。

たとえば渦電流損失および他の寄生作用のために、データ伝送を著しく困難にさせる信号障害が生じる。さらに、データ伝送範囲で、容量変化および抵抗変化、幾何学的形状および材料に伴うインダクタンス変化が発生する。

このような障害を回避するため、特許文献２から、少なくとも１つのコイル巻回部を備えたアンテナコイルが知られている。このアンテナコイルの片側は、実質的にコンダクタループの領域を覆って開ループを形成している導電性遮蔽部を備えている。これにより電気的干渉の影響を少なくさせようとするものである。前記遮蔽部の中断部に周波数選択回路を設けることにより、磁気的干渉の影響も抑えることができる。

誘導結合システムを構成する場合、その周囲の材料は重要な役割を果たす。たとえば、コイルのインピーダンスは周波数および材料の磁気的電気的性質に依存して変化する。交番磁界を印加させると渦電流損失が生じ、回転システムへのパワーカップリングを困難にさせる。誘導結合システムの主要な特徴はコイルのカップリングであり、できるだけ高いカップリングファクタ（結合係数）を達成させる必要がある。それ故、発振回路のクオリティが高ければ高いほど、前記損失が減るので、それだけ二次コイル内で必要な電流が少なくなる。実際の応用に対しては、トランスポンダコイルのパワーはたとえば５Ｖの場合典型的には１０ｍＷであるが、しかしながらリードコイル内に１７０ｍＡの電流を発生させる。

ＤＥ１９９２４８３０ ＤＥ１９６１０２８４

本発明の課題は、リードコイルの周囲、特にステータが、導電性に優れ且つ透磁率の小さな材料、好ましくはアルミニウムから作製され、および／または、ステータの内周のトランスポンダコイルの領域に、透磁性の高い材料からなる層が設けられているようにこの種のトランスポンダシステムを改良することである。

この課題は、本発明によるトランスポンダシステムにおいては、ステータが、導電性に優れ且つ透磁率の小さな材料から作製され、および／または、ステータの内周のトランスポンダコイルの領域に、透磁性の高い材料またはフェライト材から成る層が設けられていること、リードコイルがフェライトコアの上に巻回され、透磁性の高い材料またはフェライト材から成る層が、リードコイルの領域で中断して形成されていることにより解決される。

たとえば、アルミニウムから成っているステータは実質的に２つの巻線部を有している。一方では、トランスポンダコイルのインダクタンスが小さくなる。これは導電性に優れたアルミニウムの渦電流ロスのためである。しかしながら、予想に反し、コイルインピーダンスは著しく低下し、よってパワーロスも著しく低下する。この処置はトランスポンダコイルのクオリティを向上させ、よって位置固定側と回転側との間でのパワー伝送をも向上させるので有利である。並列共振回路のクオリティが優れているので、アルミニウムステータに比べて電力消費および共振時の過電圧が著しく優れている。したがって、トランスポンダコイルのパワーを固定しようとする場合、リードコイル内の電流はより少なくて済む。それゆえ電流密度が低下し、その結果リードコイルのサイズもより小さくて済むので有利である。

トランスポンダコイルおよび／またはリードコイルがフラットコイルとして構成されていれば、コイルをより低コストで作製することができ、有利である。さらに、この種のフラットコイルはかさばることがない。また、既存の機械に追備できるので好ましい。

リードコイルがＵ字状のコアのまわりに巻回されたコイルとして構成されていれば、高い磁束が得られるので有利である。この種のコアは通常市場で入手できるので、作製コストは少ない。

フラットコイルとしてのトランスポンダコイルおよび／またはリードコイルがステータおよび／またはロータの筒状の内周および／または外周に配置されていれば、コイルの装着が特に簡単である。

トランスポンダコイルおよび／またはリードコイルがステータおよび／またはロータの端面の内側および／または外側に配置されていれば、コイル間の特に好ましい連結が得られる。しかしながら、このような取り付け態様には、自由な軸端が必要であるという不具合がある。このような取り付け態様に対しては、フェライト脚部を備えたコイルが特に好ましい。磁束が大きいので、これにより優れた結合が生じ、有利である。

フラットコイルの取り付けは、フラットコイルが、好ましくは導線をプリントした薄膜として、自己粘着性を備えていれば、著しく容易になる。

測定が行なわれる回転軸の大部分は高合金のＭｎＣｒ鋼または通常の工具鋼から成っている。位置固定部分と回転部分との間でのパワー伝送は、フラットコイルとロータまたはステータとの間に、透磁性の高い材料の層が配置され、好ましくは非晶質金属の薄膜として、または、非導電性フェライト金属として配置されていることにより、かなりの程度改善できる。このような効果が得られるのは、フェライトにより磁束が誘導され、したがって取り囲んでいる金属材料での寄生渦流の発生が少なくなるからである。

透磁性の高い層は０．０１ｍｍと１ｍｍの間の厚さであれば十分である。

この場合、有利には、リードコイルがトランスポンダコイルよりも幅広に構成されているのがよい。マイクロシステムへの給電は、ほとんどの場合、トランスポンダコイルの幅が該トランスポンダコイルの軸線方向において３ｍｍであり、フェライト製のＵ字状コアに巻回されるリードコイルの幅がたとえば全体で２０ｍｍであれば十分である。

フラットコイルが回転対称なプレーナーコイルとして構成され、好ましくは多層に構成されていることによって、均一なエネルギー伝送が達成され、有利である。多層のプレーナーコイルにより、インダクタンスと巻回回数とを必要条件に簡単に適合させることができる。したがって、トランスポンダコイルをマイクロシステムの必要な供給電圧および負荷抵抗に適合できるので有利である。

トランスポンダコイルの適合は、フラットコイルがほぼ平行な導線を備えたフィルムベルトとして形成され、フィルムベルトが任意に短く切断可能であり、フィルムベルトを曲げて筒体を形成させた後、コイルに対し導線の間隔分だけずらしてこれら導線の端部同士をつなぎ合わせて接触させていることにより、特に簡単になる。

フラットコイルが主軸および／またはステータの環状溝内に配置されている構成では、フラットコイルが保護されて支持され、その軸線方向の位置において固定されるので有利である。振動が生じても変位しない。

高透磁性の層が、コイルを取り囲んでいる主軸および／またはステータの材料よりも大きな透磁率を有していれば、コイルとその金属性周囲との間の層の材料を適宜選択することができる。

特に有利な構成では、主軸が鋼から成り、特にＣｒＭｎ鋼から成り、非晶質金属から成る層の上に、好ましくは回転対称なフラットコイルとして構成されるトランスポンダコイルが配置されている。実験によれば、この組み合わせは最善のパワー伝送を生じさせた。この処置により、リードコイル内の電流を１／５に低減させることができる。

特に、ステータがアルミニウムから成り、フェライトフィルムから成る層の上に、好ましくは回転対称なフラットコイルとして構成されるリードコイルが配置されている組み合わせでは、システムに対し好適な結合が生じ、有利である。

特定のケースにおいて上記結合をさらに改善するため、ステータおよび／またはロータとフェライトフィルムとの間に、導電性に優れた材料、特に銅から成る層が配置されている。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１ないし図４には、構成が異なるリードコイルおよびトランスポンダコイルが概略的に図示されている。

図１では、シェル状またはＥ字状のフェライトコア２３に巻回されたリードコイル２が、回転対称に巻回されたトランスポンダコイル４に対向して配置されている。なお、図では、トランスポンダコイルはその導線１４がＵ字状の横断面を持ったリングコア２４に巻回されたコイル体として図示してある。

Ｕ字状プロフィールの自由脚部２５は、Ｅ字状のフェライトコア２３の中央および外側の脚部２５に対向している。

図２には、軸方向における回転対称な変形実施形態が図示してある。トランスポンダコイル４はロータ１１の端面１３に固定され、他方リードコイル２はステータ１の端面１２に同軸に固定されている。リードコイルまたはトランスポンダコイルの両導線は、対向しているフェライトシェルコア２６の中央のピンのまわりに巻きつけられている。

図３の配置構成は基本的には図１に図示した配置構成に対応しているが、ステータ１はロータ１１を囲んでおり、リードコイル２はシェル状またはＥ字状のフェライトコア２３の代わりにＵ字状のフェライトコアを有しており、該フェライトコアのまわりにリードコイルの導線が巻回されている。この実施形態では、導線はＵ字状のコアのベースのまわりに巻きつけられている。しかし、導線を両自由脚部２５のまわりに巻回させてもよい。

図４は、互いに対向している２つの回転対称なコイル、すなわちリードコイル２とトランスポンダコイル４から成るペアを図示している。２つのコイルキャリヤ２７はＵ字状の横断面を持ったリングコア２４として構成されているが、脚部２５の自由端は互いに対向している。

図１ないし図４に図示したリングコアの代わりに、図５に図示したような、プレーナーコイルの形態の、製造技術的により好ましいトランスポンダコイルを実現させることができる。導線１４のそれぞれの一部分は薄膜１５に装着されており、したがってプレーナーコイル１９の一部分を生じさせている。接点２７は薄膜１５の対向面に装着されている。次の層は合同の接点を備えているが、しかしこれらの接点はそれぞれ他の層の対向面に設けられており、その結果合同にもたらしたときに一方の層の１つの接点は他の層の対応する接点と接触し、他の２つの接点は接触しない。各面のプレーナーコイルの導線１４がスパイラル状に形成されていれば、１つの層において電流は外側から内側へ流れ、他の層では逆方向に流れる。このプレーナーコイルはリードコイルとしてもトランスポンダコイルとしても使用できる。しかしプレーナーコイルは、主軸のまわりに設置されていれば、回転対称なコイルを形成しない。エネルギーの伝達は、プレーナーコイルがステータ内またはロータ上で延びる周長が大きければ大きいほど均一に行なわれる。

図６には、プレーナーコイルの２つの層を接触させるための１つの可能性が垂直断面図で図示してある。プレーナーコイルの下部層２８上には、接点２７が隆起接点３０として形成されている。隆起接点３０は、２つの層２８と２９を互いに押し付けた際、対向している開口部３１を貫通して接触面３２と接触する。このとき、適宜な方法により、隆起接点３０を接触面３２と結合させることができる。

このようにして、図７に例示したように、任意に多数のプレーナーコイルを積層させることができる。

図８に例示したように、薄膜１５の上に複数の導線１４を互いに並設させれば特に低コストにプレーナーコイルを実現できる。端部３３の個々の接点２７は、領域３４で導線を適宜案内することにより、領域３５の導線１４に対し導線間隔だけずれており、たとえばロータに巻きつける際、適宜接触させた後導線は１つの巻回部にまとめられる。コイルは径方向に対向しているその両端部にそれぞれ外部と接触する巻線端部３６を有している。この種の薄膜は、切断して適宜短くすることにより、種々の径にも使用できる。

図９には、図４に図示した構成に対応するリードコイルとトランスポンダコイルとをプレーナーコイル１９を用いて配置した構成が図示されている。この場合、ステータ１は導電性に優れた材料（たとえばアルミニウム）から製造されているのが有利である。リードコイル２とステータ１との間には層１８が設けられ、層１８はフェライト材（特にＦ９６としてEpcos社により市販されているような０．２ｍｍ厚のフェライト薄膜）から成っているのが有利である。薄膜とロータとの間にさらに薄い銅層（たとえば０．０５ｍｍ厚）を設けてもよい。リードコイル２は、適当な個所で公知の態様で書込み読取装置と接続される回転対称なコイルとして製造されているのが好ましい。このリードコイルに対向して、同様に回転対称なプレーナーコイル１９として構成されたトランスポンダコイル４が設けられる。

トランスポンダコイル４とほとんどの場合工具鋼から成っているロータ１１（すなわちほとんどの場合工作機械の主軸３である）との間には、高透過性の材料、すなわち非晶質軟磁性金属（たとえばVakuumschmelze Hanau社によりVitrovacの商品名で市販されている材料）から成る、厚さ０．０２５ｍｍの層１７が設けられている。

図１０はリードコイル２の変形実施形態を備えた実施態様の水平断面平面図であり、この実施態様では、コイル８がＵ字状のフェライトコア７に巻回され、より厳密にはフェライトコア７の自由脚部２５に巻回されている。この場合リードコイル２はアルミニウムから成っているケーシング３７内にあり、ケーシング３７内に埋め込み用樹脂３８により固定されている。リードコイル２の周囲５を構造用鋼のような他の通常の材料によって形成してもよい。しかし、同様にアルミニウムから成っているのが好ましい。ステータ１の内周９はリードコイル２の領域で前記層１８によりベルト状に被覆されている。しかしベルトはリードコイル２の領域３９で中断されている。

図１１は図１０の断線ＸＩ−ＸＩによる垂直断面詳細図である。中断されているフェライト層１８は、そのステータ１側の側面に、導電性に優れた層２２（たとえば銅から成っている）を補助的に有している。軸線方向に著しく狭くなっている回転対称なトランスポンダコイル４はリング状の溝２１のなかに配置されている。プレーナーコイル１９として形成されているトランスポンダコイル４とロータ１１との間には、前述した高透過性軟磁性層１７が設けられている。高透過性軟磁性層１７はトランスポンダコイル４の軸線方向のサイズよりも幅広である。

このようにして、今日のトランスポンダシステムにおいて通常用いられているような公知の電子評価装置および電子伝送装置を備えたマイクロチップおよびセンサにとって十分なパワーを特に低コストで実現させることができる。この場合、典型的なサイズは、トランスポンダコイルにおいては軸線方向の延在距離がたとえば６ｍｍであり、ロータとステータとの間に設けられている層においては軸線方向の延在距離がたとえば７ｍｍである。フェライト層がたとえば０．２ｍｍの厚さ、高透過性層が０．０２５ｍｍの厚さを持っていれば十分である。このようなプレーナーコイルの厚さはほぼ０．１ｍｍである。この種のコイルはほぼ１２５ｋＨの周波数で作動する。

このようなトランスポンダシステムが他の周波数を使用する場合には、適当に整合させる必要がある。このようにすれば、機械工学では通常の金属環境においてもきわめて高いクオリティを提供するコイルペアが得られる。トランスポンダコイルは負荷に適合させる必要がある。本発明による処置により、マイクロシステムをロータ上に設けるためには小型の送信コイルで十分である。典型的には、送信コイルのサイズは２５×２５×２５ｍｍである。もちろん複数個のコイルを１つのシステムに統合させてもよい。

コイルは直列共振で作動させるのが好ましい。この場合、位置固定部分と可動部分との間で特に優れたエネルギー伝送が可能である。以上説明した処置は、エアコイルに比べて１０ファクタ以上の改善を生じさせる。

それぞれトランスポンダコイルとリードコイルとの各種配置構成の概略図である。 多層プレーナーコイルの概略構成図である。 多層プレーナーコイルの接触領域における垂直断面図である。 多層プレーナーコイルの変形実施形態を示す図である。 プレーナーコイルを形成させるための薄膜の上面図である。 概略的に示したトランスポンダコイル・リードコイル配置構成の垂直断面図である。 トランスポンダコイルとリードコイルとのペアの変形実施形態の水平断面図である。 図１０の断線ＸＩ−ＸＩによる垂直断面詳細図である。

符号の説明

１ ステータ
２ リードコイル
３ 主軸
４ トランスポンダコイル
５ 周囲
６ フラットコイル
７ Ｕ字状のコア
８ コイル
９ ステータの内周
１０ ロータの周囲
１２ ロータの端面
１３ ロータの端面
１４ 導線
１５ 薄膜
１６
１７ 高透過性軟磁性層
１８ フェライト製の非導電性金属層
１９ プレーナーコイル
２０ フィルムベルト
２１ 感情溝
２２ 銅層
２３ フェライトコア
２４ リングコア
２５ 脚部
２６ フェライトシェルコア
２７ 接点
２８ 下部層
２９ 上部層
３０ 隆起接点
３１ 開口部
３２ 接触面
３３ 端部
３４ 領域
３５ 領域
３６ 巻線端部
３７ ケーシング
３８ 埋め込み用樹脂
３９ 領域

Claims (21)

1. ステータ（１）に配置された少なくとも１つのリードコイル（２）を備えた位置固定側から、主軸（３）に配置された少なくとも１つのトランスポンダコイル（４）を備えた回転側へエネルギーを無接触に誘導的に伝達させるためのトランスポンダシステムにおいて、
   ステータが、導電性に優れ且つ透磁率の小さな材料から作製され、および／または、ステータの内周のトランスポンダコイルの領域に、透磁性の高い材料またはフェライト材から成る層が設けられていること、
   リードコイル（２）がフェライトコアの上に巻回され、透磁性の高い材料またはフェライト材から成る層が、リードコイル（２）の領域で中断して形成されていること、
   を特徴とするトランスポンダシステム。
2. 導電性に優れ且つ透磁率の小さな材料がアルミニウムであることを特徴とする、請求項１に記載のトランスポンダシステム。
3. トランスポンダコイル（４）および／またはリードコイル（２）がフラットコイル（６）として構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のトランスポンダシステム。
4. リードコイル（２）がＵ字状のコア（７）のまわりに巻回されたコイル（８）として構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
5. フラットコイル（６）としてのトランスポンダコイル（４）および／またはリードコイル（２）がステータおよび／またはロータ（１１）の筒状の内周（９）および／または外周（１０）に配置されていることを特徴とする、請求項３または４に記載のトランスポンダシステム。
6. トランスポンダコイル（４）および／またはリードコイル（２）がステータ（１）および／またはロータ（１１）の端面（１２，１３）の内側および／または外側に配置されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
7. フラットコイル（６）が、導線（１５）をプリントした薄膜（１５）として、自己粘着性を備えていることを特徴とする、請求項３から６までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
8. フラットコイル（８）とロータ（１１）またはステータ（１）との間に、透磁性の高い材料の層（１７，１８）が配置されていることを特徴とする、請求項３から７までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
9. 透磁性の高い材料の層が非晶質金属（１７）の薄膜、または、非導電性フェライト金属（１８）の薄膜から成っていることを特徴とする、請求項８に記載のトランスポンダシステム。
10. 透磁性の高い材料の層（１７，１８）が０．０１ｍｍと１ｍｍの間の厚さであることを特徴とする、請求項８または９に記載のトランスポンダシステム。
11. リードコイル（２）がトランスポンダコイル（４）よりも幅広に構成されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
12. フラットコイル（６）が回転対称なプレーナーコイル（１９）として構成されていることを特徴とする、請求項３から１１までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
13. プレーナーコイル（１９）が多層に構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載のトランスポンダシステム。
14. フラットコイルがほぼ平行な導線（１４）を備えたフィルムベルト（２０）として形成され、フィルムベルト（２０）は任意に短く切断可能であり、フィルムベルトを曲げて筒体を形成させた後、コイルに対し導線の間隔分だけずらしてこれら導線の端部同士をつなぎ合わせて接触させていることを特徴とする、請求項３から１１までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
15. フラットコイル（６）が主軸（３）および／またはステータ（１）の環状溝（２１）内に配置されていることを特徴とする、請求項３から１４までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
16. 透磁性の高い材料の層（１７）が、コイル（２，４，６，８）を取り囲んでいる主軸（３）および／またはステータ（１）の材料よりも大きな透磁率を有していることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
17. 主軸（３）が鋼から成り、非晶質金属から成る層（１８）の上に、回転対称なフラットコイル（６）として構成されるトランスポンダコイルが配置されていることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
18. 主軸（３）がＣｒＭｎ鋼から成っていることを特徴とする、請求項１７に記載のトランスポンダシステム。
19. ステータがアルミニウムから成り、フェライトフィルムから成る層の上に、回転対称なフラットコイルとして構成されるリードコイル（２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
20. ステータ（１）および／またはロータ（１１）とフェライトフィルム（１８）との間に、導電性に優れた材料から成る層（２２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１９までのいずれか一つに記載のトランスポンダシステム。
21. 導電性に優れた材料が銅であることを特徴とする、請求項２０に記載のトランスポンダシステム。

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