JP5393083B2 - Apparatus and method for wireless transmission of energy and / or data between a source device and at least one target device - Google Patents

Apparatus and method for wireless transmission of energy and / or data between a source device and at least one target device Download PDF

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Description

本発明は、ソース機器と少なくとも１つのターゲット機器との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行う装置および方法に関するものであり、その装置および方法では、ソース機器側に少なくとも１つの第１コイルを有する少なくとも１つの第１回路が設けられ、ターゲット機器側に少なくとも１つの第２コイルを有する少なくとも１つの第２回路が設けられる。特に、本発明は、機器間、または機器に配置された少なくとも１つの充電式バッテリーの充電を目的とした機器部品間、またはリモコンでの充電式バッテリーの充電を目的とした機器部品間等での誘導エネルギーの伝送に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for wirelessly transmitting energy and / or data between a source device and at least one target device, wherein the device and method include at least one first coil on the source device side. And at least one first circuit having at least one second coil is provided on the target device side. In particular, the present invention can be applied between devices, between device components for charging at least one rechargeable battery arranged in the device, or between device components for charging a rechargeable battery with a remote control. It relates to the transmission of inductive energy.

医療機器、特に手術台のリモコンは、リモコンからの信号を受信するための機器内の受信機により、それぞれの機器を様々な位置、特定の距離から操作できるようにする無線手術機器として利用可能である。このようなリモコンで、医療機器または手術台の少なくとも幾つかの操作機能は便利に使用できるようになる。このような手術機器は、従来技術のバッテリまたは充電式バッテリーによって操作される。このようなリモコンの使いやすさを確保するためには、充電式バッテリーを使用するのが望ましい。これにより、一旦充電式バッテリーが充電または再充電されると、リモコンを手術機器の操作装置として使用できる。   Medical devices, especially the operating table remote control, can be used as wireless surgical devices that allow each device to be operated from various positions and specific distances by a receiver in the device for receiving signals from the remote control. is there. With such a remote control, at least some operating functions of the medical device or operating table can be conveniently used. Such surgical instruments are operated by prior art batteries or rechargeable batteries. In order to ensure the ease of use of such a remote control, it is desirable to use a rechargeable battery. Thereby, once the rechargeable battery is charged or recharged, the remote control can be used as an operating device for the surgical instrument.

さらに、特殊な充電式バッテリーを用いることで、デザイン性にかなった比較的小さなリモコンの場合に、リモコンの操作のための大量のエネルギーを提供することが可能になる。充電式バッテリーを充電するために、更なるエネルギー源、特に好適なスイッチングモード電源、または充電器が与えられる必要がある。このために、充電器と充電式バッテリーとが直流接続された装置と、充電器と充電式バッテリーとが直流接続されていない装置の両方が従来技術で知られている。リモコンとエネルギー源とが直流接続されていない従来の装置（すなわち、直流絶縁の場合）の場合では、エネルギー伝達は一般に充電ステーションまたはベースステーションとリモコンの間で誘導的に生じる。充電ステーションまたはベースステーションがソース機器である場合、リモコンはターゲット機器である。   Furthermore, using a special rechargeable battery makes it possible to provide a large amount of energy for the operation of the remote control in the case of a relatively small remote control that meets the design. In order to charge a rechargeable battery, an additional energy source, particularly a suitable switching mode power supply, or a charger needs to be provided. For this reason, both a device in which a charger and a rechargeable battery are DC-connected and a device in which the charger and the rechargeable battery are not DC-connected are known in the prior art. In the case of conventional devices where the remote control and energy source are not DC connected (ie in the case of DC isolation), energy transfer generally occurs inductively between the charging station or base station and the remote control. If the charging station or base station is the source device, the remote control is the target device.

図１は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置１０を示す。装置１０は、この場合ソース機器１２とターゲット機器１４を備える。ソース機器１２は、交流電圧を発生させる交流電源からなるエネルギー源１６を備える。さらに、ソース機器１２は、ターゲット機器１４にエネルギーまたはデータを伝送するための第１コイル１８として作用するソース機器側のコイル１８を備える。ターゲット機器１４は、負荷抵抗器として示した充電回路２２と電気的に接続され、第２コイル２０として作用するターゲット機器側のコイル２０を備える。ソース機器１２のエネルギー源１６は、ソース機器側の第１コイル１８と電気的に接続されており、エネルギー源１６はコイル１８を通る交流電流の流れを引き起こし、その結果として、コイル１８は時間変化する磁界（交流磁場）を発生させる。ターゲット機器１４が、充電および／またはデータの伝送位置に配置されていれば、ターゲット機器側の第２コイル２０は、第１コイル１８によって誘起された磁界内に配置される。交流磁場によって第２コイル２０で電圧が誘起されると共に、この電圧によって負荷抵抗器として示した充電回路２２に電流が流れ、エネルギー源１６からコイル１８，２０を介してエネルギーが伝送され充電回路２２に供給される。図１に示した装置においては、充電回路２２に代えて、またはそれに加えて、伝送されたデータを測定するための評価回路を設けることもできる。   FIG. 1 shows a device 10 for inductive transmission of conventional energy. The device 10 comprises a source device 12 and a target device 14 in this case. The source device 12 includes an energy source 16 including an AC power source that generates an AC voltage. Further, the source device 12 includes a coil 18 on the source device side that acts as a first coil 18 for transmitting energy or data to the target device 14. The target device 14 includes a coil 20 on the target device side that is electrically connected to the charging circuit 22 shown as a load resistor and acts as the second coil 20. The energy source 16 of the source device 12 is electrically connected to the first coil 18 on the source device side, and the energy source 16 causes an alternating current flow through the coil 18, and as a result, the coil 18 changes over time. To generate a magnetic field (alternating magnetic field). If the target device 14 is disposed at the charging and / or data transmission position, the second coil 20 on the target device side is disposed in the magnetic field induced by the first coil 18. A voltage is induced in the second coil 20 by the AC magnetic field, and a current flows through the charging circuit 22 shown as a load resistor by this voltage, and energy is transmitted from the energy source 16 through the coils 18 and 20 to be charged. To be supplied. In the apparatus shown in FIG. 1, an evaluation circuit for measuring the transmitted data can be provided instead of or in addition to the charging circuit 22.

図２は、図１に示した装置１０に類似し、ソース機器２６とターゲット機器２８との間でエネルギー伝送を行うための装置２４を示す。同一要素には同一の符号を付す。図１に示した装置１０と対比して、ソース機器２６の回路とターゲット機器２８の回路は、それぞれコンデンサ３０，３２を備える。ソース機器２６の回路にコンデンサ３０を設けて直列共振回路が形成され、第２回路にコンデンサ３２を設けて並列共振回路が形成される。ソース機器２６とターゲット機器２８の共振回路が共振結合することで、第１回路から第２回路へ、またはソース機器２６からターゲット機器２８へのエネルギー伝送において比較的高い効率を得られる。図２の装置２４では、磁界は第１コイル１８によって誘起される。第１コイル１８とコンデンサ３０は、共振のために調整された第１回路を形成する。第１コイル１８によって誘起された磁界は、第２共振回路の一部である第２コイル２０を通り抜ける。しかしながら、充電式バッテリーの充電状態、または充電サイクルで変化する負荷抵抗器２２の抵抗値に依存して共振条件が変化するため、実際には、第１共振回路と第２共振回路の共振周波数を相互に一致させるのは困難である。   FIG. 2 shows an apparatus 24 for transferring energy between the source device 26 and the target device 28, similar to the device 10 shown in FIG. The same symbols are assigned to the same elements. In contrast to the apparatus 10 shown in FIG. 1, the circuit of the source device 26 and the circuit of the target device 28 include capacitors 30 and 32, respectively. A capacitor 30 is provided in the circuit of the source device 26 to form a series resonance circuit, and a capacitor 32 is provided in the second circuit to form a parallel resonance circuit. Resonant coupling of the resonant circuit of the source device 26 and the target device 28 enables relatively high efficiency in energy transfer from the first circuit to the second circuit or from the source device 26 to the target device 28. In the device 24 of FIG. 2, the magnetic field is induced by the first coil 18. The first coil 18 and the capacitor 30 form a first circuit adjusted for resonance. The magnetic field induced by the first coil 18 passes through the second coil 20 which is a part of the second resonance circuit. However, since the resonance condition changes depending on the state of charge of the rechargeable battery or the resistance value of the load resistor 22 that changes in the charging cycle, the resonance frequencies of the first resonance circuit and the second resonance circuit are actually set to be different. It is difficult to match each other.

共振周波数を一致させるためには、第１側と第２側の両方で様々な計測を行わなくてはならないと考えられる。例えば、エネルギー源１６の好適な周波数の選択は、事前に所定の周波数範囲で周波数を設定し、調整または修正することで可能となる。さらに、比較的長い充電サイクルに亘って共振条件を維持するためには、好適に計画された測定、特に機械的、電気的な測定が前提となる。特に、共振条件の維持は、部品の好適な選択によって実現、あるいは少なくとも補うことができる。さらに、共振調整は、コンデンサ３０，３２の少なくとも１つの静電容量、またはコイル１８，２０の少なくとも１つのインダクタンスを変えることによって実現できる。しかしながら、これには相対的に高レベルな複雑性を伴う。総合的に見て、第１回路および／または第２回路の共振条件の維持は相対的に複雑である。   In order to match the resonance frequencies, it is considered that various measurements must be performed on both the first side and the second side. For example, a suitable frequency of the energy source 16 can be selected by setting a frequency in a predetermined frequency range in advance and adjusting or correcting the frequency. Furthermore, in order to maintain the resonance conditions over a relatively long charge cycle, a well-planned measurement, in particular mechanical and electrical measurement, is assumed. In particular, maintaining the resonance conditions can be realized or at least supplemented by a suitable selection of components. Further, the resonance adjustment can be realized by changing at least one capacitance of the capacitors 30 and 32 or at least one inductance of the coils 18 and 20. However, this involves a relatively high level of complexity. Overall, maintaining the resonance conditions of the first circuit and / or the second circuit is relatively complex.

図３は、図１に示した装置１０に類似し、ソース機器３６とターゲット機器３８との間でエネルギー伝送を行うための装置３４を示す。図１に示した装置１０と対比して、第１コイル１８が第１鉄心セグメント４０の周りに設けられ、第２コイル２０が第２鉄心セグメント４２の周りに設けられている。充電および／またはデータの伝送位置において、鉄心セグメント４０，４２は、互いに面する側に間隙４４を有する。間隙４４は、ソース機器３６とターゲット機器３８のそれぞれの閉じられたハウジングおよび／または付加的な空隙により形成される。鉄心セグメント４０，４２の一方の端部からの力線は、他方の端部に流入しており、鉄心セグメント４０，４２と間隙４４で磁気回路を閉じている。   FIG. 3 shows an apparatus 34 for transferring energy between the source device 36 and the target device 38 similar to the device 10 shown in FIG. In contrast to the apparatus 10 shown in FIG. 1, the first coil 18 is provided around the first core segment 40, and the second coil 20 is provided around the second core segment 42. In the charging and / or data transmission position, the core segments 40, 42 have a gap 44 on the sides facing each other. The gap 44 is formed by the respective closed housing and / or additional air gap of the source device 36 and the target device 38. The lines of force from one end of the core segments 40 and 42 flow into the other end, and the magnetic circuit is closed by the core segments 40 and 42 and the gap 44.

図４は、図３に示した装置３４に類似し、データおよび／またはエネルギーの伝送位置に配置されたソース機器４８とターゲット機器５０のそれぞれのケース内に、Ｕ字状の鉄心セグメント５２，５４の端面がお互いに向かい合うように挿入され、鉄心セグメント５２，５４のそれぞれの端面がお互いに距離を置いて、装置３４の間隙と同様の間隙５６，５８がそれらの端部間に設けられる装置４６を示す。   FIG. 4 is similar to the device 34 shown in FIG. 3 and includes U-shaped core segments 52, 54 in the respective cases of the source device 48 and the target device 50 located at the data and / or energy transmission location. Devices 46 are inserted so that their end faces face each other, the respective end faces of the core segments 52, 54 are spaced from each other, and gaps 56, 58 similar to the gaps of the device 34 are provided between those ends. Indicates.

図５は、図４に示した装置４６に類似しており、共振回路を形成するために、既に図２で説明したように、ソース機器６２の回路とターゲット機器６４の回路のそれぞれにコンデンサ３０，３２を備えた装置６０を示す。   FIG. 5 is similar to the device 46 shown in FIG. 4 and includes a capacitor 30 in each of the source device 62 circuit and the target device 64 circuit, as already described in FIG. , 32 is shown.

一般に、ソース機器とターゲット機器のハウジングは、電磁界を弱めないか、またはほとんど弱めない絶縁性材料から造られている。ハウジング側壁に必要な最小肉厚、特にソース機器とターゲット機器のハウジングの電気絶縁と機械的強度のために必要な最小肉厚、および間隙または間隙同士の最小の間隙幅は、実質的に磁気回路の特性に影響を及ぼす肉厚および間隙幅が従来の実施例に示されている。間隙幅は、図１〜５で示した装置の鉄心セグメントで形成された磁気回路の磁界強度に重要である。   Generally, the source and target device housings are made of an insulating material that does not weaken or hardly weaken the electromagnetic field. The minimum wall thickness required for the housing side walls, especially the minimum wall thickness required for electrical insulation and mechanical strength of the source and target device housings, and the minimum gap width between gaps or gaps is substantially magnetic circuit. The wall thickness and gap width that affect the properties of this are shown in the prior art. The gap width is important for the magnetic field strength of the magnetic circuit formed by the core segments of the device shown in FIGS.

独国特許発明第３８１０７０２Ｃ２号明細書は、エネルギー源の周波数修正が行われる装置を開示している。このために、この装置では、第１回路の電流と電圧との位相関係が決定され、設定値に調整される。   German Patent No. 3810702C2 discloses a device in which frequency correction of the energy source is performed. For this purpose, in this device, the phase relationship between the current and voltage of the first circuit is determined and adjusted to the set value.

独国特許発明第１９８３７６７５Ａ１号明細書は、充電エネルギーの伝送を誘導するための誘導結合器の第１部分に電力発振器を備える充電装置を開示している。充電式バッテリーを充電するための電力を交互に切り替える切替器を第２部分に備える。   DE 198 37 675 A1 discloses a charging device comprising a power oscillator in a first part of an inductive coupler for inducing the transmission of charging energy. A switch for alternately switching power for charging the rechargeable battery is provided in the second part.

独国特許発明第６０１０２６１３Ｔ２号明細書は、応答機読みとり装置によるエネルギー出力の伝送力が開示されている。この場合、直列共振回路は、伝送力を付与するための１次側回路または送信機側回路に備えられる。応答機と読み取り機との間の電磁結合に関する最新情報を検出する。共振回路には、可変静電容量が備えられ、その可変静電容量によって、共振回路を調整することができる。   German Patent No. 60102613T2 discloses the transmission power of energy output by a transponder reading device. In this case, the series resonance circuit is provided in a primary side circuit or a transmitter side circuit for applying transmission power. Detect up-to-date information on electromagnetic coupling between responder and reader. The resonance circuit is provided with a variable capacitance, and the resonance circuit can be adjusted by the variable capacitance.

本発明は、従来技術で知られている装置を背景として、ソース機器と少なくとも１つのターゲット機器との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行う装置および方法、すなわち有効なエネルギーおよびデータの伝送を単純なデザインで実現できる装置および方法を明示するという目的に基づいている。   The present invention, in the context of devices known in the prior art, is an apparatus and method for wireless transmission of energy and / or data between a source device and at least one target device, i.e. effective energy and data transmission. This is based on the objective of clearly indicating an apparatus and method that can be realized with a simple design.

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を有する装置と、方法についての独立項の特徴を有する方法によって実現される。本発明の有利な発展形態は特許請求の範囲の従属項に明示される。   This object is achieved by a device having the features of claim 1 of the claims and a method having the features of the independent claims for the method. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

本発明のソース機器と少なくとも１つのターゲット機器との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行う装置および方法では、共振器の共振周波数と共振条件の実現は第１回路と第２回路の状態変化に依存しない。特に、共振器は、第２回路の変動負荷から独立している。その結果、共振器は第１回路と第２回路から電気的に絶縁されており、さらに、第１回路と第２回路との間の効率的なデータ伝送を狙うことができる。それぞれが第１回路と第２回路から電気的に絶縁された複数の異なる共振周波数の共振器の装置の場合では、複数の調波振動を含む方形波信号などのように、所望とするどのような信号系でもほぼ送ることができる。各共振器は、少なくとも１つのインダクタンスと静電容量を備える共振回路で形成されているとよい。   In the apparatus and method for wirelessly transmitting energy and / or data between the source device and at least one target device of the present invention, the resonance frequency of the resonator and the resonance condition are realized in the states of the first circuit and the second circuit. Independent of change. In particular, the resonator is independent of the variable load of the second circuit. As a result, the resonator is electrically insulated from the first circuit and the second circuit, and it is possible to aim at efficient data transmission between the first circuit and the second circuit. In the case of a plurality of resonator devices of different resonance frequencies, each electrically isolated from the first circuit and the second circuit, what is desired, such as a square wave signal including a plurality of harmonic vibrations, etc. Even a simple signal system can send almost. Each resonator may be formed of a resonance circuit having at least one inductance and a capacitance.

それぞれの共振回路によってエネルギーが第１側から第２側まで伝送されたとき、伝送されたエネルギーの総量は、直接第１回路から第２回路まで伝送されたエネルギー成分と、第１回路から共振回路まで伝送されたエネルギー成分と、共振回路から第２回路まで伝送されたエネルギー成分との和である。例えば、１つの共振器に代えて２つの共振器を設置すると、伝送されるエネルギーの総量を約１５％増加できる。好ましくは、第２の共振器は、第１の共振器の２倍の共振周波数であるとよい。本発明のために、電磁的な共振器に代えて他の共振器、例えば音響的、機械的または油圧機械的な共振器を用いることができる。本発明の意味する共振器とは、共振器が発振したときにその周波数を減少させるような方法で、入力周波数を調整する発振システムである。   When energy is transmitted from the first side to the second side by the respective resonance circuits, the total amount of energy transmitted is the energy component directly transmitted from the first circuit to the second circuit and the resonance circuit from the first circuit. And the energy component transmitted from the resonance circuit to the second circuit. For example, if two resonators are installed instead of one resonator, the total amount of energy transmitted can be increased by about 15%. Preferably, the second resonator has a resonance frequency twice that of the first resonator. For the present invention, other resonators can be used instead of electromagnetic resonators, for example acoustic, mechanical or hydraulic mechanical resonators. The term “resonator” as used in the present invention refers to an oscillation system that adjusts the input frequency in such a way as to reduce the frequency when the resonator oscillates.

本発明の発展形態では、１つの共振器が共振回路内に形成されるか、若しくは複数の共振器が複数の共振回路内に形成される。１つの共振回路または複数の共振回路から絶縁された第１コイルと第２コイルとインダクタンスとは、好ましくは同じ磁気回路内に配置されるとよい。共振回路から絶縁された第１コイルと第２コイルとインダクタンスを形成するコイルとが、磁気回路、好ましくは間隙のない鉄心を有する磁気回路によって囲まれた鉄心の周りに配置されるとよい。   In a development of the invention, one resonator is formed in the resonance circuit or a plurality of resonators are formed in the plurality of resonance circuits. The first coil, the second coil and the inductance insulated from one resonance circuit or a plurality of resonance circuits are preferably arranged in the same magnetic circuit. The first and second coils insulated from the resonant circuit and the coil forming the inductance may be arranged around an iron core surrounded by a magnetic circuit, preferably a magnetic circuit having an iron core without a gap.

さらに、第２回路と他のそれぞれの回路からそれぞれ電気的に絶縁された少なくとも２つの共振回路を備えるとよい。好ましくは、少なくとも２つの共振回路のインダクタンスが、２本巻として形成されたコイルで形成されているとよく、また、共振回路が２つ以上の場合にはｎ本巻として形成されたコイルで形成されているとよい。２本巻、または２つ以上の共振回路の場合にはｎ本巻としてそれぞれ形成されたコイルは、好ましくは同じインダクタンスを有するとよく、これにより、異なった静電容量を選択するだけで、共振周波数を設定できる。共振回路の共振周波数がそれぞれ異なっていれば、共振回路または共振器の重畳共振周波数を有する共振回路によって、第１回路と第２回路との間のエネルギーの伝送が誘起されるので好ましい。   Furthermore, it is preferable to provide at least two resonant circuits that are electrically insulated from the second circuit and each of the other circuits. Preferably, the inductance of at least two resonance circuits is formed by a coil formed as two windings, and when there are two or more resonance circuits, the inductance is formed by a coil formed as n windings. It is good to be. In the case of two windings, or in the case of two or more resonant circuits, the coils formed as n windings preferably have the same inductance, so that it is possible to resonate only by selecting different capacitances. The frequency can be set. It is preferable that the resonance frequencies of the resonance circuits are different because energy transfer between the first circuit and the second circuit is induced by the resonance circuit or the resonance circuit having the superimposed resonance frequency of the resonator.

また、第２コイルの巻線と共振回路のインダクタンスを形成するコイルの巻線、および／または第１コイルの巻線と共振回路のインダクタンスを形成するコイルの巻線とが２本巻として形成されていると好ましい。共振回路が複数備えられているならば、共振回路のコイルの巻線または共振回路の幾つかのコイルの巻線と、第１巻線または第２巻線とをｎ本巻として形成することができる。ｎ本巻の形成は、装置全体の製造を簡素化する。特に、ｎ本巻として形成されたコイルのインダクタンスは容易に変更することができ、特に複数のコイルを相互接続することでコイルのインダクタンスを容易に倍増することができる。   The winding of the second coil and the winding of the coil that forms the inductance of the resonance circuit and / or the winding of the first coil and the winding of the coil that forms the inductance of the resonance circuit are formed as two windings. It is preferable. If a plurality of resonance circuits are provided, the windings of the coils of the resonance circuit or the windings of several coils of the resonance circuit and the first winding or the second winding may be formed as n windings. it can. The formation of n windings simplifies the manufacture of the entire device. In particular, the inductance of the coil formed as n windings can be easily changed, and in particular, the inductance of the coil can be easily doubled by interconnecting a plurality of coils.

さらに、伝送信号をフーリエ変換によって解析することは利点である。フーリエ変換によって解析された伝送信号のそれぞれの調波振動のために、それぞれの調波振動の周波数に対応する共振周波数を有する共振回路が設けられる。その結果、調波振動から所望の信号を形成できるので、例えば、第２側で実際上方形波信号プロファイルを生成できる。リファレンスは、方法の独立項が、個々の装置の独立項の特徴または対応する方法の特徴を生じさせているという事実を明示している。   Furthermore, it is advantageous to analyze the transmission signal by Fourier transform. For each harmonic vibration of the transmission signal analyzed by Fourier transform, a resonance circuit having a resonance frequency corresponding to the frequency of each harmonic vibration is provided. As a result, a desired signal can be formed from the harmonic vibration, and for example, an actual upper waveform signal profile can be generated on the second side. The reference specifies the fact that an independent term of a method gives rise to an independent term feature of the individual device or a corresponding method feature.

以下、本発明の更なる特徴と利点を添付図面にしたがって説明する。   Hereinafter, further features and advantages of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図６は、本発明の第１の実施形態によるソース機器１０２とターゲット機器１０４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１００を示す。装置１００は、図４で示し説明した従来の装置４６に類似している。同一要素には同一の符号を付す。エネルギー源１６とコイル１８を含む第１側回路に加えて、装置１００は、第２コイル２０と負荷抵抗器として示した充電回路２２とを有する第２側回路を備える。マグネットまたは鉄心は、第１コイル１８の巻線が巻かれた第１のＵ字状の第１側鉄心セグメント５２と第２のＵ字状の第２側鉄心セグメント５４とを有する。ソース機器１０２とターゲット機器１０４が充電および／またはデータ伝送位置にあるときには、鉄心セグメント５２，５４間に間隙５６，５８が設けられる。さらに、装置１００は、第２の鉄心セグメント５４に巻き付けられ、コンデンサ１０８と電気的に接続されたコイル１０６を備える。コイル１０６とコンデンサ１０８は、コイル１０６のインダクタンスとコンデンサ１０８の静電容量に依存した共振周波数を持つ共振回路を形成する。この共振回路が、本発明における共振器である。図６に示した装置１００では、共振器は、第２側すなわちターゲット機器１０４に配置される。   FIG. 6 shows an apparatus 100 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 102 and a target device 104 according to a first embodiment of the present invention. The device 100 is similar to the conventional device 46 shown and described in FIG. The same symbols are assigned to the same elements. In addition to the first side circuit including the energy source 16 and the coil 18, the apparatus 100 comprises a second side circuit having a second coil 20 and a charging circuit 22 shown as a load resistor. The magnet or the iron core includes a first U-shaped first side core segment 52 and a second U-shaped second side core segment 54 around which the winding of the first coil 18 is wound. When the source device 102 and the target device 104 are in the charging and / or data transmission position, gaps 56 and 58 are provided between the core segments 52 and 54. Furthermore, the device 100 includes a coil 106 wound around the second core segment 54 and electrically connected to the capacitor 108. The coil 106 and the capacitor 108 form a resonance circuit having a resonance frequency that depends on the inductance of the coil 106 and the capacitance of the capacitor 108. This resonance circuit is a resonator in the present invention. In the device 100 shown in FIG. 6, the resonator is located on the second side, ie the target device 104.

図７は、本発明の第２実施形態によるソース機器１１２とターゲット機器１１４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１１０を示す。装置１１０は、図６に示した装置１００に類似している。図６に示した装置１００と対比して、コイル１０６とコンデンサ１０８を有する共振器がソース機器１１２に物理的に配置されており、そのコイル１０６が鉄心の第１鉄心セグメント５２の周囲に配置されている。   FIG. 7 shows an apparatus 110 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 112 and a target device 114 according to a second embodiment of the present invention. Device 110 is similar to device 100 shown in FIG. In contrast to the apparatus 100 shown in FIG. 6, a resonator having a coil 106 and a capacitor 108 is physically disposed in the source device 112, and the coil 106 is disposed around the first core segment 52 of the iron core. ing.

図８は、本発明の第３実施形態によるソース機器１２２とターゲット機器１２４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１２０を示す。装置１２０には、第１側共振器および第２側共振器の両方が設けられている。コイル１２６とコンデンサ１２８は、互いに電気的に接続されて第２側の共振器を形成している。コイル１３０とコンデンサ１３２は、互いに電気的に接続されて、回路を形成し且つ第２側の共振器を形成している。コイル１３０とソース機器側の第１コイル１８の巻線は２本巻として形成される。同様に、コイル１２６とターゲット機器側の第２コイル２０の巻線は２本巻として形成される。   FIG. 8 shows an apparatus 120 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 122 and a target device 124 according to a third embodiment of the present invention. The device 120 is provided with both a first side resonator and a second side resonator. The coil 126 and the capacitor 128 are electrically connected to each other to form a second-side resonator. The coil 130 and the capacitor 132 are electrically connected to each other to form a circuit and a second-side resonator. The windings of the coil 130 and the first coil 18 on the source device side are formed as two windings. Similarly, the windings of the coil 126 and the second coil 20 on the target device side are formed as two windings.

図９は、図８で示した装置１２０に類似しており、本発明の第４実施形態によるソース機器１４２と少なくとも１つのターゲット機器１４４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１４０を示す。装置１４０では、ソース機器側の第１コイル１８と第１側の共振器のコイル１３０の巻線が別々の巻線として形成されている。同様に、ターゲット機器側のコイル２０と第２側の共振器のコイル１２６の巻線が別々の巻線として形成されている。   FIG. 9 is similar to the device 120 shown in FIG. 8 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 142 and at least one target device 144 according to a fourth embodiment of the present invention. The device 140 is shown. In the device 140, the windings of the first coil 18 on the source device side and the coil 130 of the resonator on the first side are formed as separate windings. Similarly, the windings of the target device-side coil 20 and the second-side resonator coil 126 are formed as separate windings.

図１０は、本発明の第５実施形態によるソース機器１５２とターゲット機器１５４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１５０を示す。装置１５０は、ターゲット機器側に共振器を備える。本実施形態では、ターゲット機器側の共振器のコイルとターゲット機器側の第２コイルの巻線は２本巻として形成される。本実施形態では、第１側の共振器は備えられていない。   FIG. 10 shows an apparatus 150 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 152 and a target device 154 according to a fifth embodiment of the present invention. The device 150 includes a resonator on the target device side. In the present embodiment, the coil of the resonator on the target device side and the winding of the second coil on the target device side are formed as two windings. In the present embodiment, the first-side resonator is not provided.

図１１は、本発明の第６実施形態によるソース機器１６２とターゲット機器１６４との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行うための装置１６０を示す。本装置は、第１側の共振器を備える。共振器のコイル１３０の巻線はソース機器側の第１コイル１８の巻線と２本巻として形成される。   FIG. 11 shows an apparatus 160 for performing wireless transmission of energy and / or data between a source device 162 and a target device 164 according to a sixth embodiment of the present invention. The apparatus includes a first-side resonator. The winding of the coil 130 of the resonator is formed as two windings of the first coil 18 on the source device side.

本発明の実施形態は、共振器のコイルの巻線の構成が、ソース機器側の第１コイル１８またはターゲット機器側の第２コイル２０の巻線が２本巻の場合、またはソース機器側の第１コイルと共振器のコイルが別々の巻線として形成され、ターゲット機器側の第２コイルと共振器のコイルが別々の場合のいずれかである場合について説明する。しかしながら、例えば、第１側の共振器とソース機器側の第１コイル１８の巻線が別々の巻線として形成され、第２側の共振器のコイルとターゲット機器側の第２コイル２０が別々の巻線として形成される装置も同様に可能である。同様に、第１側の共振器のコイルとソース機器側の第１コイル１８の巻線が別々の巻線として形成され、第２側の共振器のコイルとターゲット機器側の第２コイルを２本巻として形成することも可能である。例示的な実施形態では図面の簡略化のために、第１側と第２側の両方にそれぞれ１つだけ共振器を図示した。しかしながら、本発明の実施形態において、第１側および／または第２側に複数の共振器を備えていてもよい。この場合、複数の共振器の巻線がｎ本巻として形成され、第１コイル１８または第２コイル２０の巻線が別々の巻線として形成されると好ましい。   In the embodiment of the present invention, the winding configuration of the resonator coil is such that the first coil 18 on the source device side or the second coil 20 on the target device side has two windings, or the source device side A case will be described in which the first coil and the resonator coil are formed as separate windings, and the second coil and the resonator coil on the target device side are either separate. However, for example, the windings of the first-side resonator and the source device-side first coil 18 are formed as separate windings, and the second-side resonator coil and the target-device-side second coil 20 are separately provided. A device formed as a winding is also possible. Similarly, the winding of the first-side resonator coil and the source device-side first coil 18 are formed as separate windings, and the second-side resonator coil and the target-device-side second coil are divided into two. It can also be formed as a main volume. In the exemplary embodiment, for simplicity of the drawings, only one resonator is illustrated on each of the first side and the second side. However, in the embodiment of the present invention, a plurality of resonators may be provided on the first side and / or the second side. In this case, it is preferable that the windings of the plurality of resonators are formed as n windings and the windings of the first coil 18 or the second coil 20 are formed as separate windings.

複数の共振器を備える場合には、それら共振器の共振周波数が異なっているとよい。この場合、第２側の全ての共振器のコイルと第１側の全てのコイルの巻線がそれぞれｎ本巻として形成されていれば、それらが実質的に同じインダクタンスを有することになるので好ましい。ｎ本巻として形成することで、捲回されたコイルのインダクタンスを製造工程で簡単に実質的に対応させることができる。複数のコイルを相互接続することによって、インダクタンスを正確に増加させることができる。所望の共振周波数に設定するために、好適な静電容量を有するコンデンサがコイルまたは複数の相互接続されたコイルに電気的に接続されて共振回路（共振器）を形成している。電気的に接続されていない共振器、すなわち第１回路と第２回路から電気的に絶縁された共振器を備えることによって、エネルギーとデータの高効率伝送を実現できる。第１回路と第２回路の部品の公差と、充電回路２２によって形成された負荷抵抗器の特性変化は、この場合、共振器の特性変化、特に、共振周波数の変化をもたらすことはない。したがって、本発明では、共振周波数の複雑な調節または修正は必要ない。   When a plurality of resonators are provided, the resonance frequencies of the resonators may be different. In this case, it is preferable that the windings of all the resonator coils on the second side and the windings of all the coils on the first side are respectively formed as n windings because they have substantially the same inductance. . By forming it as n windings, the inductance of the wound coil can be made to substantially correspond easily in the manufacturing process. By interconnecting multiple coils, the inductance can be accurately increased. In order to set a desired resonance frequency, a capacitor having a suitable capacitance is electrically connected to a coil or a plurality of interconnected coils to form a resonance circuit (resonator). By providing a resonator that is not electrically connected, that is, a resonator that is electrically insulated from the first circuit and the second circuit, high-efficiency transmission of energy and data can be realized. The tolerances of the components of the first circuit and the second circuit and the characteristic change of the load resistor formed by the charging circuit 22 in this case do not cause a characteristic change of the resonator, in particular a change of the resonance frequency. Thus, the present invention does not require complex adjustment or modification of the resonant frequency.

例示的な実形態に示されるように、第１コイルおよび第２コイル２０と同じ磁気回路に少なくとも１つの共振器を配置するとよい。複数の共振器が用いられているとき、無線周波数、好ましくは複数の正弦調波振動を含んだ非正弦波信号の共振伝送が行われる。その結果、特に方形波信号を簡単な方法で伝送できる。一例として、２つのＵ字状の鉄心セグメント５２，５４を備えた本発明の装置を示す。しかしながら、本発明では他の形状のコア（マグネットコアまたは鉄心）も同様に用いることができる。特に、ソース機器から機械的に突出するように設計された鉄心を第１側に１つだけ配置することも可能である。ターゲット機器のハウジングには、充電位置および／またはデータ伝送位置において鉄心の突出部が挿入される切り欠きが設けられる。第２コイル２０は切り欠きの周りに配置されるので、ソース機器とターゲット機器がデータ伝送位置またはエネルギー伝送位置に設置されたならば、上記の第２コイルは鉄心の周りに配置されることとなる。それに代えてまたはさらに、ターゲット機器は、ソース機器とターゲット機器がデータ伝送位置またはエネルギー伝送位置に設置されたときにソース機器の切り欠き内に突出する突出コア部を備えることができる。そして、第１コイルは、ソース機器のソース機器の切り欠きの周りに配置される。好ましくは、ソース機器またはターゲット機器のハウジングは、突出する鉄心の周りで切り欠きに沿って形成され、少なくともターゲット機器は周囲が閉じられたハウジングを有するとよい。   As shown in an exemplary embodiment, at least one resonator may be disposed in the same magnetic circuit as the first coil and the second coil 20. When a plurality of resonators are used, a resonant transmission of a radio frequency, preferably a non-sinusoidal signal including a plurality of sinusoidal vibrations is performed. As a result, especially square wave signals can be transmitted in a simple manner. As an example, the device of the present invention with two U-shaped core segments 52, 54 is shown. However, other shapes of cores (magnet cores or iron cores) can be used in the present invention as well. In particular, it is possible to arrange only one iron core on the first side which is designed to project mechanically from the source device. The target device housing is provided with a notch into which the protruding portion of the iron core is inserted at the charging position and / or the data transmission position. Since the second coil 20 is disposed around the notch, if the source device and the target device are installed at the data transmission position or the energy transmission position, the second coil is disposed around the iron core. Become. Alternatively or additionally, the target device may include a protruding core portion that protrudes into the notch of the source device when the source device and the target device are installed at the data transmission position or the energy transmission position. The first coil is arranged around the notch of the source device of the source device. Preferably, the housing of the source device or the target device is formed along the notch around the protruding iron core, and at least the target device may have a closed housing.

ソース機器側の第１側とターゲット機器側の第２側との間のエネルギー伝送は、第１コイルによって誘起された磁界強度または磁気回路の磁束と、エネルギー源１６で発生された交流電圧の周波数に実質的に依存している。共振回路のために、特に、電流および／または電圧の増加が行われる。図２に示した棒状の鉄心は、外部領域での磁力線の比較的自由な伝播の可能性による電磁干渉の問題を引き起こす。さらに、電界強度または磁束は、比較的大きな複雑度に従って増加できるだけである。第２側に伝送されたエネルギー量は、磁界強度と磁界強度によって変化する周波数に依存する。第１コイルによって誘起された磁界の磁界強度が変化することで、第２コイル２０で電圧が誘起される。   The energy transfer between the first side on the source device side and the second side on the target device side involves the magnetic field intensity induced by the first coil or the magnetic circuit magnetic flux and the frequency of the alternating voltage generated by the energy source 16. Is substantially dependent on. Due to the resonant circuit, in particular, an increase in current and / or voltage is performed. The rod-shaped iron core shown in FIG. 2 causes the problem of electromagnetic interference due to the possibility of relatively free propagation of magnetic field lines in the external region. Furthermore, the electric field strength or magnetic flux can only be increased according to a relatively large complexity. The amount of energy transmitted to the second side depends on the magnetic field strength and the frequency that varies with the magnetic field strength. A voltage is induced in the second coil 20 by changing the magnetic field strength of the magnetic field induced by the first coil.

本発明では、第１コイルを有する第１回路と第２コイルを有する第２回路と共振器とが、磁気回路内、または第１コイルによって誘起される磁界内に設けられ、第１側と第２側との間のエネルギーまたはデータの無線伝送に用いられる。   In the present invention, the first circuit having the first coil, the second circuit having the second coil, and the resonator are provided in the magnetic circuit or in the magnetic field induced by the first coil. Used for wireless transmission of energy or data between the two sides.

本発明では、共振条件を満たすために第１側または第２側で測定を行う必要はない。代わりに、無効電力の周波数補償は、共振条件の如何にかかわらず第１側または第２側で行うことができる。   In the present invention, it is not necessary to perform measurement on the first side or the second side in order to satisfy the resonance condition. Instead, frequency compensation of reactive power can be performed on the first side or the second side regardless of the resonance condition.

第１側および／または第２側の共振器の装置は、システムを機能させるために２番目に重要である。代わりに、デザインに関連した要件、特に、ターゲット機器および／またはソース機器の物理的な大きさを考慮に入れることができる。エネルギー源１６が、２０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、好ましくは６０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の周波数を有する交流電圧を有しているとよい。   The first side and / or second side resonator devices are second most important for the system to function. Instead, the requirements related to the design, in particular the physical dimensions of the target device and / or source device, can be taken into account. The energy source 16 may have an alternating voltage having a frequency in the range of 20 kHz to 5 MHz, preferably 60 kHz to 500 kHz.

図１は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 1 illustrates a conventional apparatus for inductive transmission of energy. 図２は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 2 shows a conventional apparatus for inductive transmission of energy. 図３は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 3 shows a conventional apparatus for inductive transmission of energy. 図４は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 4 shows a conventional apparatus for inductive transmission of energy. 図５は、従来のエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 5 illustrates a conventional apparatus for inductive transmission of energy. 図６は、本発明の第１実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an apparatus for inductive transmission of energy according to the first embodiment of the present invention. 図７は、本発明の第２実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an apparatus for inductive transmission of energy according to the second embodiment of the present invention. 図８は、本発明の第３実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 8 illustrates an apparatus for inductive transmission of energy according to the third embodiment of the present invention. 図９は、本発明の第４実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an apparatus for inductive transmission of energy according to a fourth embodiment of the present invention. 図１０は、本発明の第５実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an apparatus for inductive transmission of energy according to a fifth embodiment of the present invention. 図１１は、本発明の第６実施形態に係るエネルギーの誘導伝送のための装置を示す図である。FIG. 11 shows an apparatus for inductive transmission of energy according to the sixth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１６ エネルギー源
１８ 第１コイル
２０ 第２コイル
２２ 充電回路
５２，５４ 鉄心セグメント
５６，５８ 間隙
１０２，１１２，１２２，１４２，１５２，１６２ ソース機器
１０４，１１４，１２４，１４４，１５４，１６４ ターゲット機器
１０６ コイル
１０８ コンデンサ 16 energy source 18 first coil 20 second coil 22 charging circuit 52, 54 core segment 56, 58 gap 102, 112, 122, 142, 152, 162 source device 104, 114, 124, 144, 154, 164 target device 106 Coil 108 Capacitor

Claims (11)

ソース機器と少なくとも１つのターゲット機器との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行う装置であって、
少なくとも１つの第１コイルを含む上記ソース機器側の少なくとも１つの第１回路と、 少なくとも１つの第２コイルと充電回路とを含む上記ターゲット機器側の少なくとも１つの第２回路と、
少なくとも１つの共振器と、
を有し、
上記共振器は、上記第１回路および上記第２回路から電気的に絶縁された共振回路を備え、
上記第１コイルと上記第２コイルと上記共振回路のインダクタンスを形成するコイルとが同じ磁気回路に配置され、上記第１コイルと上記第２コイルと上記共振回路のインダクタンスを形成するコイルとが上記磁気回路を形成するマグネットコアの周りに配置されたことを特徴とする装置。 An apparatus for wirelessly transmitting energy and / or data between a source device and at least one target device,
At least one first circuit of the source device including at least one first coil, and at least one second circuit of the target device side comprising at least one second coil and charging circuitry,
At least one resonator;
Have
The resonator includes a resonance circuit electrically insulated from the first circuit and the second circuit ,
The first coil, the second coil, and the coil forming the inductance of the resonance circuit are arranged in the same magnetic circuit, and the first coil, the second coil, and the coil forming the inductance of the resonance circuit are A device arranged around a magnet core forming a magnetic circuit . 上記共振器は、上記第１回路に配置されたエネルギー源の周波数と異なる共振周波数を有し、上記共振周波数が、上記エネルギー源の周波数の２倍または０．５倍であることを特徴とする請求項１に記載の装置。 Said resonator has a frequency different from the resonance frequency of the arrangement the energy source to the first circuit, the resonance frequency, characterized in that it is a double or 0.5 times the frequency of the energy source The apparatus of claim 1. 少なくとも２つの共振器が設けられ、その共振器は上記第１回路と上記第２回路と他の共振器とから電気的に絶縁され、上記共振器のそれぞれが共振回路を有しており、その少なくとも２つの共振回路のインダクタンスがコイルで形成され、そのコイルの巻線が２本巻として形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。 At least two resonators are provided, the resonator is electrically isolated from the said first circuit and the second circuit and the other resonator, each of the resonators has a resonant circuit, the inductance of the at least two resonant circuits are formed by a coil, according to claim 1 or 2, characterized in that the windings of the coil are formed as two windings. 上記少なくとも２つの共振回路は、互いに異なる共振周波数を有することを特徴とする請求項３に記載の装置。 The apparatus of claim 3 , wherein the at least two resonant circuits have different resonant frequencies. 上記少なくとも２つの共振回路は、同じインダクタンスのコイルを有し、そのコイルの巻線がｎ本巻として形成されたことを特徴とする請求項３または４に記載の装置。 It said at least two resonant circuits includes a coil of the same inductance, device according to claim 3 or 4, characterized in that the windings of the coil are formed as n this volume. 上記少なくとも２つの共振回路は、互いに異なる静電容量を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。 6. The apparatus of claim 5 , wherein the at least two resonant circuits have different capacitances. 上記第２コイルの巻線と上記共振回路のインダクタンスを形成するコイルの巻線は、２本巻として形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。 The windings of the coil forming the inductance of the windings and the resonant circuit of the second coil A device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it is formed as two windings. フーリエ変換で解析された伝送されるべき信号のそれぞれの調波振動のために共振器が備えられ、その共振器の共振周波数はそれぞれの調波振動の周波数に対応することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。 A resonator is provided for each harmonic oscillation of the signal to be transmitted analyzed by Fourier transform, the resonance frequency of the resonator corresponding to the frequency of each harmonic oscillation. apparatus according to any one of 1-7. 上記第１回路に配置されたエネルギー源は、方形波出力電圧を発生させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。 The arranged source of energy in the first circuit, according to any one of claims 1-8, characterized in that for generating a square wave output voltage. ソース機器と少なくとも１つのターゲット機器との間でエネルギーおよび／またはデータの無線伝送を行う方法であって、
上記ソース機器側の少なくとも１つの第１回路の少なくとも１つの第１コイルによって、上記ターゲット機器側の少なくとも１つの第２回路の少なくとも１つの第２コイルで、電圧が誘起されると共に少なくとも１つの共振器が励振され、
上記第２回路は、充電回路を含み、
上記共振器は、少なくとも１つのコイルと少なくとも１つの静電容量を有する共振回路で形成され、その共振回路は、上記第１回路および上記第２回路から電気的に絶縁され、 上記第１コイルと上記第２コイルと上記共振回路のインダクタンスを形成するコイルとが同じ磁気回路に配置され、上記第１コイルと上記第２コイルと上記共振回路のインダクタンスを形成するコイルとが上記磁気回路を形成するマグネットコアの周りに配置されることを特徴とする方法。 A method of performing wireless transmission of energy and / or data between a source device and at least one target device,
Thus at least one first coil of at least one first circuit of the source device, at least one second coil of at least one of the second circuit of the target device side, together with at least a voltage is induced One resonator is excited,
Said second circuit includes a charging circuits,
Said resonator is formed of a resonant circuit having at least one coil of at least one capacitance, the resonant circuit is electrically isolated from the first circuit and the second circuit, and the first coil The second coil and the coil forming the inductance of the resonance circuit are arranged in the same magnetic circuit, and the first coil, the second coil, and the coil forming the inductance of the resonance circuit form the magnetic circuit. A method characterized by being arranged around a magnet core . 誘導された電圧により上記共振回路にエネルギーが供給され、そのエネルギーが上記共振回路を励振し、
その励振された上記共振回路が該共振回路の共振周波数と共に変動する磁界を生成することで、上記第２コイルに電圧を誘起することを特徴とする請求項１０に記載の方法。 Energy to the resonant circuit is supplied by the induced voltage, its energy will excite the resonant circuit,
By the the excited the resonant circuit generates a magnetic field that varies with the resonant frequency of the resonant circuit, the method according to claim 10, characterized in that induces a voltage in the second coil.
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