JP6416773B2 - 非接触コネクタ - Google Patents

Description

本発明は、対応する相手側コネクタに誘導的に接続するための非接触コネクタと、両コネクタを備える非接触コネクタシステムと、非接触コネクタの製造方法とに関する。特に、本発明は、コイルなど誘導結合要素を含む非接触コネクタを提供する。さらに、コイルの少なくとも一部を取り囲む外側フェライト要素が提供される。コイルとフェライト要素との配置により、相手側非接触コネクタとの間で電力を電磁誘導により送受信することが可能となる。

一般に、本発明は、誘導電力伝送用の非接触コネクタに関する。非接触電力コネクタは、従来の電力コネクタに勝る様々な利点により、広く利用されている。すなわち、そのような利点は、例えば、接触不良に対するより高い耐性、無制限の嵌合サイクル数、低い摩耗性および引裂き性、電気ショック、スパーク、および電流漏れの防止、ならびに汚れたまたは厳しい環境下での動作性である。

具体的には、電力伝送用の非接触コネクタは、例えば、ロボット技術、回転機械用途、および成形機器など様々な産業デバイスで使用することができる。そのような非接触コネクタは、嵌合サイクル中に高い摩耗力および引裂き力に耐えるように、劣悪な環境の影響下でも動作可能であることが必要とされ、または、高湿度、爆発性、または可燃性の環境における電力伝送のために使用されることもある。

非接触電力コネクタシステムの既知の構成は、非接触コネクタと相手側コネクタとの間での電力の伝送を可能にする。

しかし、より高い電力レベルを電磁誘導により伝送する場合、例えば渦電流により生じるかなりの熱量を考慮に入れなければならない。したがって、放熱が重要な側面であるが、これは適切なハウジング材料を必要とする。したがって、外側ハウジングは金属製であることがあり、そのため、磁場線の一部が金属ハウジングを通って流れやすくなる。その結果、ハウジング内部のそれらの磁場線がさらなる損失を生じる。全体として、誘導コネクタでの電力損失により、電力伝送が減少する。

しかし、実際の誘導結合要素によって引き起こされる渦電流が減少するようにハウジングが形成される場合でさえ、さらに、誘導結合要素に給電するリード線によって引き起こされる磁場も、電力損失による発熱に大きな影響を有することを本発明者らは知見している。特に、外側フェライト要素は、これらのコンタクトリード線が通されるある種のベースプレートを備える。コンタクトリード線を通って流れる任意の電流が、リードワイヤの周りに磁場線を生じ、その結果、このベースプレート内で渦電流を生じる。これらの渦電流は、動作中に受け入れることができないコネクタの加熱を引き起こすことになる。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎのフェライトポット型コアに関する標準規格（http://www.adamsmagnetic.com/pdf/Standard-Spec-for-Ferrite-Pot-Style-Cores.pdfからダウンロード可能であるＩＭＡ−ＳＴＤ−１１０２０１１．０３）から、様々な形態のいわゆるポットコアが存在し、これらは、リードスルーワイヤの周りのＢ磁場に関する難点を考慮に入れている。しかし、円筒形側壁にある比較的大きな開口を有するこれらのコアは、電力伝送する誘導結合要素自体によって引き起こされる電力損失を減少させるには十分に効率的ではない。

したがって、前述した欠点を修正する改良された非接触コネクタが必要とされている。

本発明の根底にある目的は、誘導結合要素に給電するワイヤによって誘発される磁場による発熱の減少を可能にする非接触コネクタおよび非接触コネクタシステムを提案すること、ならびにコネクタの電力転送性能を最適化することである。

この目的は、独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、誘導結合要素の給電ワイヤ（通常はコイル）の入口で磁気的短絡が生じるという知見に基づく。ワイヤを通る電流は、強いＢ磁場を生じ、これは、ワイヤが通されるフェライトを飽和させるとがある。飽和が生じ、電流が交番する場合（これは、すべての誘導結合電力転送オプションに当てはまる）、さらなる余剰の損失が生じる。本発明者らは、そのような磁気的短絡を回避し、よってフェライト材料の飽和を回避することで、電力損失が低減されることを知見した。そのような磁気的短絡は、様々な方法で回避することができる。

第１に、Ｂ磁場の出現は、非接触コネクタのベースプレートの開口を通って流れる正味電流を防止することにより回避することができる。これは、動作中に２つの逆方向に電流を伝達する２本のワイヤを、フェライトベースプレートにある１つの共通のフィードスルーに通すことによって実現することができる。逆方向に流れる電流により、合計のＢ磁場の打ち消しが行われる。

代替として、特定のフェライト幾何形状設計により磁気経路長を増加させることによって、磁気的短絡およびそれに伴う発熱を回避することもできる。例えば、リードワイヤによって引き起こされるＢ磁場の磁気経路内に、異なるサイズの、様々な位置にあるエアギャップを設けることができる。空気の透磁率はフェライトの透磁率の数千分の１未満であるので、磁気経路の長さが増加される。そのようなエアギャップは、様々な方法で設けることができ、また、接着剤層または非磁性および非導電性の薄箔を異なるフェライト部品間で使用することによって実現することもできる。

誘導結合要素は、例えばソリッドコイルワイヤやマルチストランドコイルワイヤなどのワイヤを使用することによって、コイルとして形成してもよい。ワイヤ材料は、例えば銅など、上記の目的に適した任意の材料とすることができる。

一例として、非接触コネクタは、電力伝送機能を有する非接触イーサネットカプラ（イーサネットは登録商標）として用いてもよい。これに関し、送信側の非接触イーサネットカプラ（イーサネットは登録商標）は、外部電力入力を有してもよく、受信側の相手側非接触イーサネットカプラ（イーサネットは登録商標）は、外部電力出力を有すしてもよい。送信側のイーサネット回路（イーサネットは登録商標）と受信側のイーサネット回路（イーサネットは登録商標）とに給電するために、外部電力入力の一部は、それぞれ送信側および受信側で分岐されてもよい。これは、例えば、高い融通性での適用および広範囲の伝送可能電力を実現することができる。一変形形態として、送信側で、送信すべき電力は、例えば送信側のデータラインから電磁誘導により得られるようにしてもよい。任意選択で、融通性を最大にし、伝送可能な電力レベルをより高くするために、外部電源が適用されてもよい。

別の例として、そのようなイーサネットカプラ（イーサネットは登録商標）によって送信すべき電力は、送信側のデータラインから電磁誘導により得られるようにしてもよく、一方、受信される電力は、受信側のデータラインに電磁誘導により印加されるようにしてもよい。任意選択の送信側での外部電力入力および任意選択の受信側での外部電力出力が可能である。この例の変形形態では、受信側での受信電力は、受信側の内部電源用にのみ使用されるようにしてもよい。

非接触コネクタは、例えば医療環境でも使用することができる。これに関し、コネクタは、例えば人工関節またはヒトの骨構造において使用してもよい。

非接触コネクタは、例えば、可撓性ケーブル内部に設けてもよく、剛性コネクタケース、Ｍ１２コネクタケース、もしくはＭ１２コネクタケースよりも厚くて短いケース内に設けてもよく、または正方形ハウジングもしくは角度付きのケース内部に設けてもよい。また、例えば、コネクタの機械的部品から離れた別個のケース内にコネクタの電気回路が設けられる一方で、可撓性ケーブルがどちらの部品にも接続するようにコネクタを設けてもよい。

さらなる例として、非接触コネクタは、例えば水および／または油を含む環境で動作するのに適したものとすることができる。これに関し、本発明による非接触コネクタは、相手側非接触コネクタへの安定した高信頼性の接続を提供することが可能であり、相手側非接触コネクタは、同様に水および／または油を含む環境で動作することができ、またはその外部で動作することもできる。例えば、非接触コネクタはさらに、水および／または油がコネクタの内部を通って流れることを可能にするように形成されてもよい。

しかし、本発明による着想はまた、例えば電気自動車の分野で、他の種類の誘導非接触電力コネクタに関して有利に用いてもよい。

添付図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成して、本発明のいくつかの実施形態を図示する。これらの図面は、説明と共に、本発明の原理を解説するために使用される。図面は、本発明を作製して使用することができる方法の好ましい例および代替の例を例示する目的のものにすぎず、図示および説明される実施形態のみに本発明を限定するものと解釈されるべきではない。さらに、実施形態のいくつかの態様は、本発明による解決策を個別に、または様々な組合せで成すことができる。したがって、以下に述べる実施形態は、単独で、またはそれらの任意の組合せで考慮することができる。さらなる特徴および利点は、添付図面に示される本発明の様々な実施形態の以下のより特定的な説明から明らかになろう。添付図面において、同様の参照符号は同様の要素を表す。

非接触コネクタの部分分解斜視図である。 完全に組み立てられた形態での図１によるコネクタの斜視図である。 ポットコア型フェライト要素を有する非接触誘導コネクタの斜視図である。 本発明の第１の実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 さらなる実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 さらなる実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 さらなる実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 さらなる実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 さらなる実施形態による非接触コネクタの斜視図である。 第１の変形形態の非接触コネクタ概念の概略断面図である。 ９０°回転させた図１０による非接触コネクタを通る断面図である。 さらなる概念による非接触コネクタの概略断面図である。 コネクタの長手方向軸の周りで９０°回転させた図１２のコネクタを通る断面図である。 第３の概念による非接触コネクタを通る概略断面図である。 コネクタの長手方向軸の周りで９０°回転させた図１４のコネクタを通る概略断面図である。

次に、図面を参照して、本発明をより詳細に述べる。

図１は、対応する相手側コネクタに誘導的に接続することができる非接触コネクタ１００の基本部品を部分分解図で示す。したがって、非接触コネクタ１００は、付属の相手側コネクタ（但し図面には示されない）と相互作用するための相手側端部１０１を有し、それにより、非接触電力転送および任意選択で信号伝送も可能である。対応する相手側コネクタにエネルギーを電磁誘導により伝送するために、誘導結合要素１１０、この例では複数の巻線１１５を有するコイルが設けられる。第１のコンタクトリード線１０３および第２のコンタクトリード線１０４は、巻線１１５との間で電流を送受給する。

外側フェライト要素１０７が設けられ、誘導結合要素を少なくとも部分的に取り囲むように配置される。これにより、相手側コネクタに向けたＢ磁場の案内が改良される。Ｂ磁場をさらに案内するために、やはりフェライト材料からなるベースプレート１０５が設けられる。第１のコンタクトリード線１０３および第２のコンタクトリード線１０４をフェライト部品に通すために、ベースプレート１０５は、２つの貫通孔１０８、１０９を備える。

任意選択で、他の構成要素（光ファイバやアンテナなど）のためのさらなる開口１０６をベースプレート１０５に設けてもよい。さらに、本発明による非接触コネクタ１００には、任意選択で、誘導結合要素１１０内に挿入される内側フェライト要素１０２を設けることもできる。しかし、そのような内側フェライト要素１０２は、本発明に必須ではない。

図２は、図１による非接触コネクタ１００の組立図を示す。既に上述したように、この構成は、矢印１１１、１１２によって示されるように第１のコンタクトリード線１０３および第２のコンタクトリード線１０４を通って流れる電流に起因して磁場が誘発され、この磁場は、ベースプレート１０５によって案内および短絡されるという欠点を有する。このＢ磁場は、ベースプレート１０５のフェライトを飽和させることがあり、電流が交番する場合、さらなる余剰の損失が生じる。

この影響は、図３に示されるいわゆるポット型フェライト１１３を使用することによって抑制することができる。しかし、そのようなポットコア１１３は、誘導結合要素１１０を形成するコイル巻線１１５によって発生される磁場を相手側コネクタに十分には案内しないという欠点を有する。

したがって、本発明の根底をなす着想は、それぞれコンタクトリード線１０３、１０４を通る電流によって引き起こされる磁気回路の短絡を防止し、それと同時に、非接触コネクタの相手側端部１０１に位置する誘導結合要素によって引き起こされる磁場の十分な案内を依然として保つことである。

これは、第１に、両方のコンタクトリード線１０３、１０４を同じ貫通孔１０９に通すことによって実現することができる。この実施形態は、図４に概略的に示される。ベースプレート１０５は、任意選択で、例えばアンテナ要素や光学リード線などを導入するための少なくとも１つのさらなる開口１０６を備えることもできる。

この実施形態によれば、貫通孔１０９は、ベースプレート１０５の非中心位置に配置される。第１のコンタクトリード線１０３と第２のコンタクトリード線１０４とは並べて配置され、それにより、流入する電流と流出する電流とが、それらの磁場を互いに打ち消し合う。その結果、図４に示される実施形態によって、コンタクトリード線１０３、１０４による渦電流および余剰の加熱が防止され、他方で、相手側コネクタへの効果的な結合が実現される。

また、第１のリード線１０３および第２のリード線１０４を通って流れる電流によって引き起こされるベースプレート１０５の領域内での磁気的短絡は、磁気経路の長さを増加させることによって防止することができる。この概念を、図５〜図９を参照して様々な例示的実施形態で次に説明する。

図５に示されるように、貫通孔１０８、１０９それぞれからベースプレート１０５の周縁部まで達するエアギャップが設けられる。空気の透磁率はフェライトの透磁率の数千分の１未満であるので、第１の周縁エアギャップ１１４および第２の周縁エアギャップ１１６は、磁気経路の長さを増加する。当然、エアギャップ１１４、１１６は、別の非磁性材料、例えば接着剤や樹脂などで充填されてもよい。

代替として、図６に示されるように、貫通孔１０８、１０９の間に配置される中央エアギャップ１１７を設けることもできる。図示される実施形態では、光学構成要素またはアンテナ用の貫通孔１０６がさらに示されている。しかし、前述したように、そのような開口１０６は必ずしも設けなくてもよい。

図７は、周縁エアギャップ１１４、１１６が中央エアギャップ１１７と組み合わされ、それによりベースプレート１０５を２つの半体に分ける場合を示す。有利には、図７によるベースプレート１０５の２つの半体は、それらを所定位置で保つために外側フェライト要素１０７に接着される。

ベースプレート１０５の周縁領域に延びるエアギャップ１１４、１１６は、図５および図７に示されるものより大きくてもよい。この例が図８に示される。さらに、本発明のすべての実施形態において、外側フェライト要素１０７は、図８に示されるように、２つの半体部品として形成された２つの別々の部品によって形成されることもある。

他方、ここまで説明した本発明のすべての実施形態は、ベースプレート１０５と外側フェライト要素１０７とを一体部品として形成することによって実現することもできる。そのような一部品解決策の例示的な実施形態が、図８のエアギャップ形態に関して図９に示される。

図４〜図９によるすべての解決策は、内側フェライト要素１０２と組み合わせることができ、様々な形状で形成することができ、それらを、図１０〜図１５の断面図を参照してより詳細に説明する。

図１０〜図１５に示される断面のすべての変形形態を、前述したエアギャップ、または１つの共通の貫通孔に２本のワイヤを通す実施形態と組み合わせることができることを銘記されたい。

特に、図１０および図１１は、ベースプレート１０５と内側フェライト要素１０２とが一部品として形成された実施形態の２つの直交する断面を示す。この実施形態によれば、ベースプレート１０５と外側フェライト要素１０７とは、隙間１１９によって互いに分離されている。誘導結合要素１１０としての役割を果たす巻線１１５は、誘導結合支持要素１１８に巻かれている。図１０および図１１に示される実施形態の利点は、２つの別個のフェライト部品しか必要としないことでありうる。欠点は、単なる単純な円筒体に比べて、ベースプレート１０５と内側フェライト要素１０２とからなる一部品要素を作製するのが難しいことでありうる。

但し、例えば組み立てるべき別々の部品の数を減少させなければならない場合には、内側フェライト要素と、外側フェライト要素と、ベースプレートとを備える完備フェライト部品を一体的に作製することも考えられることが当業者には明らかである。

フェライト材料からより容易に作製することができる一変形形態は、ベースプレート１０５と、内側フェライト要素１０２と、外側フェライト要素１０７とのための３つの別個の部品からなる。この実施形態は、図１２および図１３に、２つの垂直な断面として示されている。ここで、内側フェライト要素１０２と外側フェライト要素１０７とは、それぞれ単なる円筒体として作製され、隙間１１９を介してベースプレート１０５に接続される。隙間１１９は、例えば接着剤で充填されてもよい。

エアギャップ１１４、１１６、１１７はベースプレート１０５にのみ設ければよく、したがって部品の作製がかなり容易になる。

隙間１１９が、明確に定義された寸法の非磁性および非導電性ギャップであることが望まれる場合には、非接触コネクタ１００の組立て中に、紙やプラスチック箔などの非磁性および非導電性材料から形成された１つまたは複数の離間要素１２０を隙間１１９に挿入することができる。

既述のように、図１０〜図１５によるすべての変形形態を図４〜図９に示される実施形態と任意に組み合わせることができる。さらに、図１０および図１１に示されるベースプレート１０５と外側フェライト要素１０７との間の隙間に定義された離間要素１２０を設けることもできる。

１００ 非接触コネクタ
１０１ 非接触コネクタの相手側端部
１０２ 内側フェライト要素
１０３ 第１のコンタクトリード線
１０４ 第２のコンタクトリード線
１０５ ベースプレート
１０６ さらなる開口
１０７ 外側フェライト要素
１０８ 第１の貫通孔
１０９ 第２の貫通孔
１１０ 誘導結合要素
１１１ コイル内への電流方向
１１２ コイル外への電流方向
１１３ ポットコア
１１４ 第１の周縁エアギャップ
１１５ 巻線
１１６ 第２の周縁エアギャップ
１１７ 中央エアギャップ
１１８ 誘導結合支持要素
１１９ 隙間
１２０ 離間要素

Claims (12)

1. 相手側端部（１０１）で、対応する相手側コネクタに誘導的に接続するための非接触コネクタ（１００）であって、
   前記対応する相手側コネクタとの間で電力を送受信するための誘導結合要素（１１０）と、
   前記誘導結合要素（１１０）を少なくとも部分的に取り囲むように配置された外側フェライト要素（１０７）とを備え、
   前記外側フェライト要素（１０７）は、ベースプレート（１０５）に磁気的に結合され、
   前記ベースプレート（１０５）は、前記誘導結合要素（１１０）に接続される少なくとも１本のコンタクトリード線（１０３、１０４）を収容するための少なくとも１つの貫通孔を備え、
   前記ベースプレート（１０５）は、前記少なくとも１本のリード線（１０３、１０４）を通って流れる電流によって誘発される磁場の磁気経路内に配置された少なくとも１つのエアギャップ（１１４、１１６、１１７）を有するように形成される、
   非接触コネクタ（１００）。
2. 少なくとも２つの貫通孔（１０８、１０９）が設けられ、前記貫通孔の間に前記少なくとも１つのエアギャップ（１１７）が配置される、
   請求項１に記載の非接触コネクタ（１００）。
3. 少なくとも２つの貫通孔（１０８、１０９）が設けられ、前記貫通孔（１０８、１０９）と前記ベースプレート（１０５）の周縁領域との間に少なくとも１つのエアギャップ（１１４、１１６）が配置される、
   請求項１または２に記載の非接触コネクタ（１００）。
4. 前記ベースプレート（１０５）を介して前記外側フェライト要素に磁気的に結合された内側フェライト要素（１０２）をさらに備え、
   前記誘導結合要素（１１０）は、前記内側フェライト要素（１０２）を少なくとも部分的に取り囲むように配置される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）。
5. 前記内側フェライト要素（１０２）と、前記外側フェライト要素（１０７）と、前記ベースプレート（１０５）とが別個の部品として形成される、
   請求項４に記載の非接触コネクタ（１００）。
6. 前記ベースプレート（１０５）は、非磁性の離間要素（１２０）によって前記内側フェライト要素（１０２）から離隔される、
   請求項５に記載の非接触コネクタ（１００）。
7. 前記ベースプレート（１０５）は、非磁性の離間要素（１２０）によって前記外側フェライト要素（１０７）から離隔される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）。
8. 前記外側フェライト要素（１０７）は、コネクタの長手方向に延びる少なくとも１つのエアギャップを備える、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）。
9. 前記誘導結合要素（１１０）は、複数の巻線（１１５）を備えるコイルである、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）。
10. 前記ベースプレート（１０５）を介して前記外側フェライト要素に磁気的に結合された内側フェライト要素（１０２）と、前記誘導結合要素（１１０）と、前記外側フェライト要素（１０７）の少なくとも一部と取り囲むように配置された非導電性のカバー要素をさらに備える、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）。
11. 前記非導電性のカバー要素がオーバーモールドされる、
    請求項１０に記載の非接触コネクタ（１００）。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の非接触コネクタ（１００）と、前記非接触コネクタ（１００）に接続される対応する相手側コネクタとを備える非接触コネクタシステムであって、
    前記非接触コネクタ（１００）は、前記対応する相手側コネクタとの間で電力を送受信することを可能にする、
    非接触コネクタシステム。

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