JP6430704B2 - 電力供給システム - Google Patents

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Description

本発明は、各種の負荷に対して電力供給を行うための電力供給システムに関する。
回転体に設置された負荷に対して電力の供給を行う電力供給システムは、一般に、露出するように回転体に設けられた電極に外部から電極を接触させて電力供給を行う接触式の電力供給システムと、回転体の内部に非露出状に設けられた電極に接触することなく電力供給を行う非接触式の電力供給システムとに大別できる。
このうち、従来の接触式の電力供給システムは、例えば特許文献１に開示されている。このシステムでは、回転体にスリップリングと呼ばれる電極を設けると共に、回転体の外部にはブラシと呼ばれる電極を設け、これらのスリップリングとブラシとを接触、摺動させることにより電力伝送を行う。
特開平６−２８２８０１号公報
しかしながら、上記従来のシステムには、次の問題点があった。
１）導電性の集電環と導電性のブラシ等を接触させているため、導電性の摩耗粉が発生する。このため、メンテナンス（ゴミの除去）を頻繁に行う必要があった。
２）集電環、ブラシはともに導電材料であり、接触させることにより電力の伝送が可能になる。このため、水濡れ時には、特に高速回転時には水の膜が集電環とブラシの間に入り込み、送電効率を低下させていた。
３）集電環とブラシが露出されているため、酸またはアルカリ環境でスリップリングを用いた場合には、集電環やブラシに酸またはアルカリの液体や気体が届くと、腐食が生じるおそれがあった。
４）集電環とブラシとの接触点は一点である。ブラシを多数配置して、集電環の円周上に分散させることは可能であるが、数点に分かれるだけである。すなわち、数点のポイントで電力伝送するため、非回転状態で使用するとなると、特定の部位が加熱され、集電環およびブラシ自体が劣化してしまうおそれがあり、固定状態では使用することが難しかった。また、固定状態で使用するためには、回転体の長手方向に沿って長い形状にて形成されたスリップリングを用いなければならない。
５）スリップリング内に水や気体の導入をさせない構造を採用するとなると、機械的に高い精度が求められ製造コストが増大する。しかし、回転軸受部に高級なゴムパッキングをはめても、完全遮断は出来ない。さらに、回転に対する摩擦力が増大するという問題が生じる。
このような点に鑑みて、本発明は、従来よりも優れた電力供給システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の電力供給システムは、第１軸受けと第２軸受けとによって支持された軸を介して、交流電源から所定の負荷に対して電力を供給する電力供給システムであって、前記軸は、軸心方向に沿って配置された内部軸導体と、軸心方向に沿って前記内部軸導体を覆うように配置された外部軸導体と、前記内部軸導体と前記外部軸導体との相互間に配置された軸絶縁体とを備え、前記第１軸受けは、
前記軸の荷重を受ける第１軸受け本体と、前記第１軸受け本体における前記外部軸導体の外周面に対向する位置に固定された第１外軸受けと、前記第１外軸受けと前記外部軸導体との相互間に配置された第１すべり絶縁層とを備え、前記第２軸受けは、前記外部軸導体の外周面に固定された第２絶縁層と、前記第２絶縁層の外周面に固定された第２内軸受けと、前記第２内軸受けに対して対向する位置に配置された第２外軸受けと、前記第２内軸受けと前記第２外軸受けとの相互間に配置された第２すべり絶縁層と、第２外軸受けに接続された第１内配線と、前記外部軸導体に形成された配線孔を介して、前記第２内軸受けと前記内部軸導体とを電気的に接続する第２内配線とを備え、前記第１外軸受け、前記第１すべり絶縁層、及び前記外部軸導体によって構成された第１結合コンデンサを介して、前記第１軸受け本体と前記外部軸導体との相互間における送電を可能とすると共に、前記第２外軸受け、前記第２すべり絶縁層、及び前記第２内軸受けによって構成された第２結合コンデンサを介して、前記第１内配線と前記内部軸導体との相互間における送電を可能とした電力供給システム。
請求項１に記載の電力供給システムによれば、第１外軸受け、第１すべり絶縁層、及び外部軸導体によって構成された第１結合コンデンサを介して、第１軸受け本体と外部軸導体との相互間における送電を可能とすると共に、第２外軸受け、第２すべり絶縁層、及び第２内軸受けによって構成された第２結合コンデンサを介して、第１内配線と内部軸導体との相互間における送電を可能としたので、導電性材料同士を接触させることはないため、メンテナンスは不要になるか、又はメンテナンス間隔を大きく伸ばすことができる。また、電界結合による送電軸受内に水が浸入しても問題ない。特に、水は誘電率８０の強誘電材料であるため、電界による結合力を強くすることができる。また、軸を高速回転させても問題は生じない。また、第１軸受内及び第２軸受内の全ての要素を絶縁層でカバーすることが可能なため、絶縁層が耐酸性、耐アルカリ性を有する限り、これら軸受内に酸やアルカリが浸入しても劣化することはないので、水、酸、アルカリの浸入を許容する設計が可能になると共に、製造コストも低減できる。また、内部軸導体および外部軸導体の全周で、電界結合が行われるため、軸の固定時・回転時を問わず送電が可能になる。
回転軸を固定する軸受を示す断面図である。 回転軸に複数の軸受が取り付けられた状態を示す断面図である。 電力を伝送する場合の電力供給システムを示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 可動型のすべり軸受の構成を示す断面図である。 可動型のすべり軸受の構成を示す断面図である。 電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システム用の回路図である。 電力供給システム用の回路図である。 電力供給システム用の回路図である。 隔離壁内に猛毒ガスが存在している場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。 隔離壁内が真空状態である場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。 隔離壁内が高圧状態である場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。 隔離壁内の電磁波の漏洩を防止する場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。 スリップリングの増設ユニットが取り付けられた電力供給システムの構成を示す図である。 モータが取り付けられた電力供給システムの構成を示す図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う回転軸の断面構成及び電力伝送と通信を可能とする回路図である。 電力送電及び通信を行う回転軸をドアのヒンジ部に適用した例を示す概要図である。 図２９に示すドアヒンジ部の斜視図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ３つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定するとともに、モーターを取りつけた構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 ２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。 図３８に示す回転軸を電動アシスト自転車に適用した例を示す概要図である。 電力送電及び通信を行う伸縮軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う伸縮軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う伸縮軸の構成を示す断面図である。 電力送電及び通信を行う伸縮軸の構成の断面図及び電力伝送と通信を可能とする回路図である。 電力送電及び通信を行う二列ピストンの構成を示す断面図である。 スリップリングを示す斜視図である。 配線の構成を示す図である。 配線の構成を示す図である。 配線の構成を示す図である。 配線の構成を示す図である。 転がり軸受を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 通常の転がり軸受に高周波を流した時の一つのベアリング球周りの電流と電界の流れおよび等価回路を示す図である。 絶縁層によってコーティングされたベアリング球またはベアリングコロとコロ周囲の電界および等価回路を示す図である。 保持器及びシールドが設けられたベアリング球またはベアリングコロを示す図である。 転がり軸受に直接高周波電流を流して送電する場合の構成図を示している。 転がり軸受に共振回路を介して電力を送電する構成図である。 転がり軸受が電界結合型に変更された構成を示す図である。 転がり軸受とすべり軸受を組み合わせた例を示す図である。
以下、本発明に係る電力供給システムの実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、〔１〕電力供給システムの基本的概念について説明し、〔２〕電力供給システムの構成、〔３〕電力供給システムに用いられる回路の構成、〔４〕設置環境対応性を考慮した電力供給システムの構成、〔５〕電力送電及び通信を行う回転軸の構成、〔６〕電力送電及び通信を行う伸縮系の軸の構成、〔７〕配線の構成、〔８〕転がり軸受を用いた電力供給システムの構成、最後に〔９〕変形例について説明する。ただし、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
〔１〕電力供給システムの基本的概念
最初に、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの基本的概念について説明する。本実施の形態に係る電力供給システムは、電源に対して相対的に回転する回転体（又は、電源に対して相対的に移動する移動体等）に設けられた所定の負荷に対して電力を供給するための電力供給システムである。この電力供給システムの適用対象は任意であり、例えば工業用ロボットのアームに電力供給する場合や、首振り動作をする監視カメラに電力供給する場合、あるいはタワークレーンの回転部に電力供給をする場合等、軸と軸受とから構成される回転接続部分を介して回転体に電力供給するために適用することができる。
（電力供給システムの原理）
次に、本願発明者が見出した、本実施の形態に係る電力供給システムの原理について説明する。
図１は、回転軸を固定する軸受を示す断面図である。図２は、回転軸に複数の軸受が取り付けられた状態を示す断面図である。図３は、電力を伝送する場合の電力供給システムを示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、電力供給システムは、回転軸２と、２つの軸受１とを備えて構成されている。ここで、回転軸２は、例えば、強度を確保するために、金属材料（具体的には、導電性材料）を用いて構成されている。また、２つの軸受１は、例えばすべり軸受、転がり軸受等の公知の軸受を用いて構成されており、強固に固定可能な軸受取り付け部３にて固定されている。
また、図１（ｂ）に示すように、回転軸２及び２つの導電性軸受４を介して電源（具体的には、交流電源）から所定の負荷に対して電力を供給する場合には、２つの導電性軸受４のうち、電力を送電する側の導電性軸受４は、正極及び負極の電力を流す側の導電性軸受４と近接して配置されることが好ましい。その理由としては、電源から余計な配線を這わせることを抑制できると共に、放射電磁界を低減することができるからである。
また、図２（ａ）に示す電力供給システムのように、２つの軸受１同士の相互の間の距離が比較的長い場合には、以下のような問題が生じてしまう。具体的には、回転軸２における２つの軸受１同士の相互の間に対応する部分に様々な荷重が作用すると、例えば、回転軸２がたわんだり、熱によって回転軸２の膨張が生じてしまう。また、この場合において、軸受１には、ラジアル方向（回転軸２の軸方向に対して略直交する方向）の力だけでなく、アキシャルな方向（回転軸２の軸方向）の力が作用することになる。したがって、例えば、図２（ｂ）に示すように、２つの軸受１同士の相互間に、回転軸２を支持する軸受１が追加的に設けられ、当該設けられた軸受１が軸受取り付け部３にて固定された場合には、当該設けられた軸受１に負荷される応力が他の軸受１に負荷される応力に比べて極めて大きくなるので、当該設けられた軸受１が破損してしまうおそれがあった。
このような問題を解消できる構成として、図３（ａ）、（ｂ）に示す構成が考えられる。具体的には、図３（ａ）に示すように、回転軸２に３つの軸受１を取り付ける。また、これら３つの軸受１のうちサイドに位置する２つの軸受１の各々は、軸受取り付け部３にて固定され、これら３つの軸受１のうち中間に位置する軸受１は、軸受取り付け部３に比べてソフトに固定可能な軸受取り付け部５にて固定される。このような構成により、電力を送電する側の軸受１を、正極及び負極の電力を流す側の軸受１に近接して配置することができる。なお、この場合には、この軸受１は、ラジアル荷重、アキシャル荷重等の軸荷重を受ける軸受ではなく、電力を送電する軸受として用いられる。
また、図３（ｂ）に示すように、回転軸２に３つの軸受１を取り付けられており、これら３つの軸受１の各々は、軸受取り付け部３にて固定される。また、回転軸２における上記設けられた軸受１と左側の軸受１との相互間に対応する部分に、ヒンジとして機能するカップリング６が設けられる。このような構成により、回転軸２にカップリング６を設けない場合に比べて、これら３つの軸受１のうち中間に位置する軸受１に負荷される応力を低減することができる。また、カップリング６が絶縁性材料にて形成されている場合には、ショートすることなく負荷に電力を供給することができる。
以上のような構成を踏まえて、本実施の形態に係る電力供給システムを構成する。
〔２〕電力供給システムの構成
次に、電力供給システムの構成について説明する。図４から図１０、図１３は、電力供給システムの構成を示す断面図である。図１１、１２は、後述する可動型のすべり軸受の構成を示す断面図である。
図４、図５に示す電力供給システムは、図３に示す電力供給システムとは異なり、一ヶ所の給電端で回転軸２に電力を送電できるシステムである。これらのシステムにおいては、回転軸２の右端部には、通常の軸受及び軸受ブロックが設けられている。そして、これら軸受及び軸受ブロックは、ラジアル荷重及びアキシャル荷重を受けているものとする。
まず、図４に示す電力供給システムでは、回転軸２（軸）の構成として同軸線路構造が用いられている。この同軸線路構造の回転軸２は、具体的には、長尺状に形成された内導体９（内部軸導体）と、長尺状に形成されたものであって、内導体９の外部において、当該内部体に対して同心状に配置された外導体（外部軸導体）と、内導体９と外導体との相互間に配置されたものであって、これら内導体９と外導体とを相互に絶縁する絶縁体１０（軸絶縁体）とを備えている。
また、回転軸２の左端部には、給電軸受ブロックが設けられている。この給電軸受ブロックは、ボディ１５の内部にすべり軸受を備え、ボディ１５の外部において電源と接続されている。ここで、すべり軸受は、すべり軸受内輪１２と、すべり軸受外輪１１とを備えている。すべり軸受内輪１２は、回転軸２と絶縁された状態で配置されており、回転軸２の内導体９と接続導線１４を介して電気的に接続されている。すべり軸受外輪１１は、すべり軸受内輪１２を覆うように配置されており、絶縁性の低摩擦材（例えばテフロン（登録商標）等）を介してすべり軸受内輪１２と接している。また、電源は、ボディ１５をアースとした同軸入力端子１９からすべり軸受に電力を供給している。この電力は、すべり軸受と内導体９とを介するルートと、ボディ１５と回転軸２との相互間に形成された隙間４１を介して負荷につながるルートにより負荷に伝送されている。
ここで、図４に示す電力供給システムの問題点としては、ボディ１５と回転軸２との相互間の隙間４１の長さを短くすることや、ボディ１５における回転軸２を覆うスリーブ部を長くすることにより、接合容量を稼ぐことが可能であるが、この場合には、ボディ１５のスリーブの加工精度が求められるという点が挙げられる。また、回転軸２のたわみ等が発生した場合には、スリーブ部と回転軸２とが接触するおそれがあるという点も挙げられる。さらに、すべり軸受が絶縁体１０を介してボディ１５及び回転軸２と固定されていることから、金属材料のみを用いて構成された軸受の耐久性に比べて、このすべり軸受の耐久性が劣るという点も挙げられる
また、図５に示す電力供給システムでは、図４に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、ボディ１５の内部に、すべり軸受が２つ設けられている。このような構成では、図２（ｂ）に示すシステムのように、２つすべり軸受のうち右側のすべり軸受に、回転軸２のたわみ等によって大きな応力が負荷することにより、当該右側のすべり軸受が破損するおそれがある。そこで、このような破損を回避するために、２つのすべり軸受が、弾性特性を有する絶縁体１０を介してボディ１５及び回転軸２と固定されている。このような構成により、回転軸２のたわみ等が生じた場合でも、絶縁体１０によって２つのすべり軸受に負荷される応力を低減できるので、すべり軸受の破損を回避できる。
ここで、図５に示す電力供給システムの問題点としては、絶縁体１０を用いることで、給電軸受ブロックとしての剛性が低下する点が挙げられる。また、ボディ１５と回転軸２とが接触するおそれがあるという点も挙げられる。また、スリーブ部と回転軸２との相互間の隙間が開いた場合に、放射電磁界が増大するおそれがある。
そこで、図４、５に示す電力供給システムの問題点を解消することができる構成として、以下の構成が挙げられる。
図６に示す電力供給システムは、回転軸２の一方の端部のみに給電軸受ブロックが設けられる場合に用いられるシステムである。この給電軸受ブロックのボディ１５（第１軸受け本体）には、ボディ１５に形成された配線孔を介して同軸入力端子１９が取り付けられている。この同軸入力端子１９のアース部は、ボディ１５内の左側に設けられたすべり軸受（第１軸受け）であって、ボディ１５に直接取り付けられたすべり軸受（具体的には、すべり軸受外輪１１（第１外軸受け））と結合している。このすべり軸受は、ボディ１５と直接接触しているため、回転軸２を直接支えることができ、通常のすべり軸受と同じ強度が得られる。また、このすべり軸受と回転軸２との相互間に、すべり界面１３（第１すべり絶縁層。例えば、絶縁性を有するすべり材等）が設けられている。これにより、すべり軸受外輪１１、すべり界面１３、及びボディ１５によって構成された第１結合コンデンサを介して、ボディ１５と回転軸２の外導体との相互間における送電が可能となる。
また、同軸入力端子１９の接続導線（第２外配線）は、ボディ１５内の右側に設けられたすべり軸受（第２軸受け）のすべり軸受外輪１１（第２外軸受け）に接続されている。このすべり軸受外輪１１は、絶縁体１０を介してボディ１５に固定されている。なお、上述したように、回転軸２の一方の端部のみに給電軸受ブロックが設けられているため、このボディ１５における２つのすべり軸受に対応する部分は、軸受取り付け部３によって固定される必要がある。また、このすべり軸受外輪１１は、すべり界面１３（第２すべり絶縁層）を介してすべり軸受内輪１２（第２内軸受け）と接触しており、このすべり軸受内輪１２は、絶縁体１０（第２絶縁層）を介して回転軸２に固定されている。また、すべり軸受内輪１２と回転軸２の内導体９との相互間には、回転軸２の外導体に形成された配線孔を介して、すべり軸受内輪１２と回転軸２の内導体９とを電気的に接続するための導線（第２内配線）が設けられている。これにより、すべり軸受外輪１１、すべり界面１３、及びすべり軸受内輪１２によって構成された第２結合コンデンサを介して、接続導線１４と回転軸２の内導体９との相互間における送電が可能となる。
以上のような電力の流れ、すなわち、ボディ１５内にすべり軸受が囲まれている場合に、表面電流がほとんど外部に流れず、ボディ１５内の空間部を経由して回転軸２内の内導体９に電力を流せることが、電磁界シュミレーションで確認されている。
また、図７に示す電力供給システムは、回転軸２の両端部に給電軸受ブロックが設けられる場合に用いられるシステムである。この電力供給システムは、図６に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、回転軸２の左端部に、給電軸受ブロックが配置されている。そして、この給電軸受ブロックのボディ１５内の右側に配置されたすべり軸受は、絶縁体１０を介してボディ１５に固定されておらず、この絶縁体１０とボディ１５との相互間に隙間が形成されている。なお、上述したように、回転軸２の両端部に給電軸受ブロックが設けられているため、このボディ１５における左側のすべり軸受（具体的には、すべり軸受外輪１１）に対応する部分のみが、軸受取り付け部３によって固定されている。このような構成により、同軸入力端子１９の接続導線１４が、上記左側のすべり軸受の動きに対して追随することができる。
また、図８に示す電力供給システムは、図７に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、この給電軸受ブロックのボディ１５内の左側に配置されたすべり軸受（具体的には、すべり軸受外輪１１）は、ジンバル５１を介してボディ１５に固定されている。このような構成により、自動調心機能を有することができる。
また、図９に示す電力供給システムは、図７に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、回転軸２における２つのすべり軸受との相互間に対応する部分にカップリング６が設けられている。このカップリング６の構成としては、具体的には、ディスク型、ビーム型、又はベロウズ型のカップリングであって、電気を流すことが可能なカップリングが採用される。ただし、カップリング６の方式に応じて特有の電気定数（例えば、抵抗Ｒ、コイルＬ、コンデンサＣ等）を有しているので、この電気定数に応じた送受電回路の調整が必要になる。
また、回転軸２内の同軸線路（具体的には、内導体９、絶縁体１０、及び外導体にて構成された部分）をさらに回転軸２の左側に向けて伸ばす場合には、同軸型のカップリング６を用いることで対応できる。この同軸型のカップリング６は、例えば、ベロウズ型のカップリングやエキスパンドメタルのように積層したディスク、又はメッシュ線のパイプ等を用いて構成することができる。
また、図１０に示す電力供給システムは、図４に示す電力供給システムを改良したものであり、図６に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、給電軸受ブロックのボディ１５の内部に３つのすべり軸受が配置されている。これら３つのすべり軸受のうち、ボディ１５の両端部の各々に配置されたすべり軸受（具体的には、すべり軸受外輪１１）は、当該ボディ１５に対して可動できる軸受であり、これらすべり軸受とボディ１５との相互間は、容量結合されている（あるいは、ワイヤによって結合されてもよい）。これらすべり軸受は、回転軸２に対する電界結合電極及び電磁波漏洩防止シールドとして機能する。
また、これら３つのすべり軸受のうち、中間に配置されたすべり軸受は、絶縁体１０を介してボディ１５に固定されており、すべり軸受外輪１１と、すべり界面１３を介してすべり軸受外輪１１と接触しているすべり軸受内輪１２とを備えている。ここで、絶縁体１０の材質については、具体的には、エンジニアリングプラスチックを想定しており、金属材料ほどではないが比較的高い機械的強度が得られる。このすべり軸受は、回転軸２からの軸荷重を受けるものとして機能する。なお、図１０に示す電力供給システムの構成は任意であり、例えば、ボディ１５の両端部のすべり軸受で荷重が受けられ、中間のすべり軸受が可動すると共に、回転軸２における端部のすべり軸受と中間のすべり軸受との相互間にカップリングが設けられる構成が採用されてもよく、あるいは、両端部のすべり軸受の一方を固定し、両端部のすべり軸受の他方及び中間のすべり軸受を可動する構成が採用されてもよい。
ここで、図１０に示す電力供給システムで用いられた可動型のすべり軸受の詳細について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、すべり軸受である変位すべり軸受外輪１８には、金属製のガイドプレート３８が固定されている。また、ボディ１５における変位すべり軸受外輪１８と対向する側面には、ガイドプレート３８を収納するガイダンス溝３９が形成されている。また、このガイダンス溝３９とガイドプレート３８との相互間には、ガイドプレート３８が上下方向に沿って可動可能にし、ガイドプレート３８とボディ１５とが容量結合可能とするための隙間が設けられている。なお、電磁波漏洩を低減するために、ガイドプレート３８の表面又はボディ１５におけるガイダンス溝３９に対応する側面が、電磁波吸収材等によってコーティングされてもよい。
また、図１２に示す電力供給システムは、図１０に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、ボディ１５の両端部のすべり軸受に代えて、軸密着回転円盤２０が設けられている。この軸密着回転円盤２０の上面には、軸が接続されている。また、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、ボディ１５における軸密着回転円盤２０に対応する側面には、回転溝４０が形成されており、この回転溝４０内に軸が収容されるように、軸密着回転円盤２０が配置されている。また、軸と回転溝４０との相互間には、温度等によって軸が伸縮した場合に、軸密着回転円盤２０の左右方向に沿って可動可能にするための隙間が設けられている。このような構成により、軸の回転に伴って、軸密着回転円盤２０を回転させることができる。なお、電磁波漏洩を低減するために、ボディ１５における回転溝４０に対応する側面又は軸密着回転円盤２０の表面が、電磁波吸収材等によってコーティングされてもよい。
〔３〕電力供給システムに用いられる回路の構成
次に、電力供給システムに用いられる回路の構成について説明する。図１４から図１６は、電力供給システム用の回路図である。
図１４から図１６に示す回路は、例えば、図６に示す電力供給システムに取り付けられており、送電及び通信回路１６と、受電及び通信回路１７とを備えている。これら回路においては、上記同軸線路を備えた回転軸が用いられるため、送電及び通信回路１６は、ボディ１５内の右側に設けられたすべり軸受のすべり軸受内輪１２と回転軸内の内導体９を接続すると共に、回転軸自体をすべり軸受内輪１２として用いることで形成される２つの電極で送電している。この電力の送電については、具体的には、直流電源を得たインバータが所定の周波数を発生させた後、電力をトランスで昇圧させてから並列共振回路を介して送電する。この電力が送電されている間には、トランショーバが、チョークコイル及び容量結合部５８を介して送電数よりも２〜３桁以上高い周波数の通信信号を発生している。なお、このチョークコイルの大きさについては、例えば直列共振に適した大きさに設定されてもよい。また、受電及び通信回路１７の負荷は、この回転軸内の内導体９と回転軸自体から電力を受けている。図１４から図１６では、この負荷には抵抗信号のみが記されているが、例えば、この負荷の中に整流回路、平滑回路、充電回路、電池、負荷、制御回路等が必要に応じて含まれてもよい。
また、図１４に示す回路は、回転軸の途中に貫通孔を設けて、回転軸の同軸線路から電力を取り出す構造である。また、図１５に示す回路は、回転軸の端部から電力を取り出す構造である。
また、図１６に示す回路は、通信回路系以外には、送電回路及び受電回路にトランスや並列共振部を用いることなく、直列共振用インダクタンスのみを用いて構成された構造である。この直列共振用インダクタンスの配置については、すべり軸受の接合容量との間で共振条件を満たすように配置されており、具体的には、通信回路からの出力がインバータ電源や負荷に流れないようにチョークコイルとして機能する位置に、送電回路側と受電回路側とに分散して配置されている。このような構成により、伝送線路中の接合容量が大きく変動しなければ、図１４、１５に示す回路の構成に比べて簡易に構成することができる。
〔４〕設置環境対応性を考慮した構成
次に、設置環境対応性を考慮した電力供給システムの構成について説明する。上述した電力供給システムが実際に使用される際には、各種の環境に順応可能な構成で使用する必要がある。ここで、従来のシステムにおけるすべり軸受部は、気体、液体、電磁波等に対するシールが極めて困難な部位であるので、上述したすべり軸受部を完全にシールドすることはできない。これに対して、本実施の形態に係る電力供給システムのすべり軸受においては、当該すべり軸受を構成するすべり軸受内輪１２、すべり軸受内輪１２、及び接続導線１４をすべて保護膜で覆うことができるため、スリップリングと比べて大きなメリットがある。なお、この保護膜は、例えばテフロン（登録商標）、アルマイト、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜等の各種樹脂膜などの絶縁性材料にて形成されているので、誘電部材又はすべり部材として機能することができる。
一方で、本実施の形態に係る電力供給システムの給電軸受ブロックにおいては、すべり軸受を介して気体、液体、電磁波等を透過することを許容している。その理由としては、この電力供給システムに並列共振回路が用いられた場合に、すべり軸受内輪１２とすべり軸受外輪１１との相互間に設けられた誘電材によってすべり軸受の接合容量が変化したとしても、電力送電に対する影響が少ないからである。また、この電力供給システムに直列共振回路が用いられた場合でも、すべり軸受内輪１２とすべり軸受外輪１１との相互間に設けられた誘電材が水以外の低い誘電率を有する材料にて形成されている場合には、電力送電に対する影響が少ないからである。
このように、すべり軸受が気体等を透過することを前提としているため、これに対する対策を取り得る構成が必要となる。よって、この対策を取り得る構成について、以下に説明する。
図１７は、隔離壁内に猛毒ガスが存在している場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。図１７に示す電力供給システムは、隔離壁２２内に猛毒ガスが存在している場合に用いられるものである。この隔離壁２２の内側（図の隔離壁２２の左側）では、猛毒ガスが存在しており、気圧が常圧に比べて高圧状態に設定されている。一方、この隔離壁２２の外側（図の隔離壁２２の右側）では、健全な空気のみが存在しており、気圧が常圧状態に設定されている。
また、この電力供給システムは、図１６に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、給電軸受ブロック及び回転軸については、以下のように構成されている。具体的には、給電軸受ブロックは、当該給電軸受ブロックの一部が隔離壁２２に形成された貫通孔に挿入されるように配置され、当該給電軸受ブロックの他の一部が継手部材等を介して隔離壁２２に取り付けられている。また、回転軸は、隔離壁２２内における猛毒ガスの攪拌等に用いられていると共に、温度調整、紫外線照射、センシング等を行う機器に対して給電や通信を行うための経路として用いられている。この回転軸は、隔離壁２２の貫通孔を介して隔離壁２２内から隔離壁２２外に至るように配置されている。また、この回転軸は、同軸線路を備えており、この同軸線路は、回転軸の長手方向の端部の一方から回転軸の長手方向の端部の他方に至るように形成されている。
また、給電軸受ブロックの内部における隔離壁２２側とは反対側の位置には、三段の増設ブロック２４が設けられており、この三段の増設ブロック２４の各々の内部には、撹拌フィン２５が回転可能に固定されている。また、三段の増設ブロック２４のうち、最も隔離壁２２に近い増設ブロック２４には、中和剤２６を注入するための注入口が形成されており、また、最も隔離壁２２から遠い増設ブロック２４には、三段の増設ブロック２４によって後述する無害化された混合物を排出される排出口が形成されている。この中和剤２６の材質については任意であるが、例えば、中和剤２６が給電軸受ブロックのすべり軸受に流入した場合に、すべり軸受に取り付けられた保護膜が腐食することを回避できる材質が好ましい。また、増設ブロック２４同士の相互間には、猛毒ガスの漏洩防止するための回転用シール２３が取り付けられている。このような構成により給電軸受ブロックのすべり軸受が猛毒ガスを透過した場合に、最も隔離壁２２に近い増設ブロック２４で中和剤２６と猛毒ガスとを混合し、中央の増設ブロック２４で中和剤２６による猛毒ガスの中和反応を促進させ、最も隔離壁２２から遠い増設ブロック２４で無害化された混合物を排出することができる。よって、猛毒のガスや液体が給電軸受ブロックに流れてきた場合でも、猛毒のガスや液体を無害化して隔離壁２２の外部に排出することができる。
図１８は、隔離壁２２内が真空状態である場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。図１８に示す電力供給システムは、隔離壁２２内が真空状態（又は低圧状態）である場合に用いられるものである。この隔離壁２２の内側では、気圧が真空状態に設定されており、また、この隔離壁２２の外側では、気圧が常圧状態に設定されている。また、この電力供給システムは、図１７に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、三段の増設ブロック２４に代えて、四段の増設ブロック２４を備えている。
具体的には、四段の増設ブロック２４の各々には、内部の空気を排出する排気口が形成されている。また、各増設ブロック２４におけるボディ１５及び回転軸との対向部分（あるいは、隣設するブロックとの対向部分）には、隔離壁２２の外側から隔離壁２２の内側に向けて空気が流入することを防止するための回転用シール２３が取り付けられている。各増設ブロック２４の内部は、空気が抜かれた状態に設定されている（なお、空気を抜く際には、所定の配管等を用いて増設ブロック２４毎に個別に行う）。このような構成により、回転軸の作動排気２９を行うことができるため、隔離壁２２の外側から隔離壁２２の内側に向けて空気が流入することを防止できる。なお、図１８に示す増設ブロック２４の段数については、例えば、隔離壁２２内が真空状態の程度に応じた段数が設定されてもよい。
図１９は、隔離壁２２内が高圧状態である場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。図１９に示す電力供給システムは、隔離壁２２内が高圧状態である場合に用いられるものである。この隔離壁２２の内側では、気圧が常圧に比べて高圧状態に設定されており、また、この隔離壁２２の外側では、気圧が常圧状態に設定されている。また、この電力供給システムは、図１８に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、各増設ブロック２４の内部気圧は、以下のように設定されている。
具体的には、隔離壁２２内の気圧がＰである場合に、最も隔離壁２２に近い増設ブロック２４の内部気圧は、Ｐに近似した気圧であるＰ１に設定されている。また、次に隔離壁２２に近い増設ブロック２４の内部気圧は、当該増設ブロック２４の内部気圧と最も隔離壁２２に近い増設ブロック２４と内部気圧との圧力差によって、回転用シール２３が剥がれないように、Ｐ１よりも小さい気圧であるＰ２に設定されている。また、その次に隔離壁２２に近い増設ブロック２４の内部気圧は、Ｐ１に設定され、最も隔離壁２２に遠い増設ブロック２４の内部気圧は、Ｐ２に設定されている。
このような構成により、四段の増設ブロック２４において圧力差を設けることができるので、隔離壁２２内の気圧が高圧状態でも、隔離壁２２の内側の空気が隔離壁２２の外側へ漏洩することを防止できる。
図２０は、隔離壁２２内の電磁波の漏洩を防止する場合に用いられる電力供給システムの構成を示す図である。図２０に示す電力供給システムは、隔離壁２２内の電磁波の漏洩を防止する場合に用いられるものである。この隔離壁２２内では、各種電磁計測が行われており、隔離壁２２内に設けられたアンテナの操作又はターンテーブルの回動等を回転軸によって行われているものとする。この電力供給システムは、図１９に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、四段の増設ブロック２４に代えて、二段の増設ブロック２４を２つ備えている。
具体的には、２つの二段の増設ブロック２４の一方は、隔離壁２２の内側に配置され、給電軸受ブロックの隔離壁２２側の端部に対して取り付けられている。また、これらの２つの二段の増設ブロック２４の他方は、隔離壁２２の外側に配置され、給電軸受ブロックの隔離壁２２側とは反対側の端部に対して取り付けられている。また、各増設ブロック２４の内部には、電波吸収体３１が設けられている。
このような構成により、隔離壁２２の内側から隔離壁２２の外側に向けて電磁波が漏洩することを防止できる。また、給電軸受ブロック自体がインバータ出力を行っている場合でも、この出力が隔離壁２２の内側又は隔離壁２２の外側に向けて漏洩することを防止できる。
図２１は、スリップリングの増設ユニットが取り付けられた電力供給システムの構成を示す図である。図２１に示す電力供給システムは、スリップリングの増設ユニットが取り付けられた場合に用いられるものである。この隔離壁２２の内側は、非接触給電が可能となるように電荷が溜められている給電ゾーンに設定されており、また、この隔離壁２２の外側では、健全な状態に設定されている。この電力供給システムは、図１７に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、三段の増設ブロック２４に代えて、スリップリングの増設ブロック２４を備えている。
スリップリングの増設ブロック２４は、隔離壁２２内に溜められた電荷を隔離壁２２の外側に逃がすためのものである（なお、回転軸もスリップリングの増設ブロック２４と同様の機能を有するように思われるが、回転軸自体は非接触給電を行うため、隔離壁２２内に溜められた電荷を隔離壁２２の外側に逃がことはできないと言える）。このスリップリングの増設ブロック２４の内部には、接触電極が設けられている。この接触電極は、回転軸と接続されており、当該スリップリングの増設ブロック２４に形成された開口を介して当該スリップリングの増設ブロック２４に設けられたアース３６と接続されている。また、隔離壁２２もアース３６と接続されている。
このような構成により、この隔離壁２２内に所定量の電荷が溜まった場合に、スリップリングの増設ブロック２４を介してアース３６に向けて電荷を逃がすことができるので、隔離壁２２内でスパーク放電が生じることを回避できる。
図２２は、モータが取り付けられた電力供給システムの構成を示す図である。図２２に示す電力供給システムは、モータが取り付けられた場合に用いられるものである。この電力供給システムは、図２１に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、スリップリングの増設ブロック２４に代えて、モータを備えている。モータは、例えば、発電機等の電力系や、ロータリエンコーダー等のセンサ系機器を用いて構成することができるが、図２２では、固定部４９側に永久磁石４４が取り付けられ、且つ、回転部５０側に駆動コイル４５が取り付けられており、回転軸からの電力を受電して制御するモータを用いて構成されている。
〔５〕電力送電及び通信を行う回転軸の構成
次に、電力送電及び通信を行う回転軸の構成について説明する。上述したように、すべり軸受を介して回転軸に電力伝送を行う構成について説明してきたが、同軸状の回転軸同士で電力送電及び通信を行うことも可能であるので、以下、このような回転軸の構成について説明する。
図２３から図２８は、電力送電及び通信を行う回転軸の構成を示す断面図である。また、図２９は、電力送電及び通信を行う回転軸をドアのヒンジ部に適用した例を示す概要図である。図３０は、図２９に示すドアの斜視図である。
まず、図２３に示す２つの回転軸は、それぞれの外導体５９同士及び内導体９同士が接触すると共に、絶縁体１０同士が非接触となるように離隔するように接合されている。ここで、これら外導体５９及び内導体９の接触面の形状については、外導体５９同士及び内導体９同士を容量結合可能な様に接触面積が大きくなり、且つ、回転軸の長手方向から適度な圧力が加えられる形状に設定されており、具体的には、歯形状等に設定されている。なお、これら外導体５９及び内導体９の接触面は、摺動材（例えば、テフロン（登録商標）、フラム、ＤＬＣ等）によってコーティングされている。さらに、２つの回転軸の外導体５９同士の相互間、及び外導体５９の接触面の外周部には、電波吸収体３１が配設されてもよい。
このような構成により、２つの回転軸の接合部で相互に回転させることが可能になる。また、２つの回転軸のいずれか一方から高周波電流を流すことが可能になり、電力伝送に限らず、通信伝送も可能である。
さらに、このような構成によれば、２つの回転軸を、その接合部を境界として、相互に着脱したり、抜き差したり、２つ以上の任意の数の回転軸を釣竿式に複数段だけ連接したりすることが可能になる。このような着脱の具体的な構造としては、例えば、釣竿式に抜き差しして中心導体および外部導体同士をそれぞれはめ合わせにする構造、外部導体の外側に固定具を設け、外部導体及び内部導体の相互の端面を平面または浅い凹凸にして突き合わせる構造、横方向から２つの回転軸を相互に近接する方向にスライドさせて嵌め合わせる、スライド式の構造を採用することができる。スライド式の場合、外部導体および内部導体の嵌め合わは、スライド方向の移動を妨げない構造にする。また、このような構成によれば、２つの同軸状伝送路を、その接合部の外部にヒンジを付けることで、このヒンジを介して相互に折り畳み可能とすることができ、例えば、折り畳み式自転車の折り畳みフレームに適用することが可能になる。さらに、外部から接合状況の確認が容易に行える外部導体に対して、内部導体は接合状況が容易に確認できない問題点を補うため、外部導体に対して内部導体が稼働する機構を付けるとともに、バネ式または磁石を用いて圧着力を補う方法を付加するものとする。
また、図２４に示す２つの回転軸は、図２３に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、容量結合部５８を加えて構成されている。容量結合部５８は、パイプ状の良導体にて形成されており、２つの回転軸の外導体５９の各々における接触面の絶縁体１０側の縁端部分に形成された溝部に配置されている。具体的には、この容量結合部５８は、２つの回転軸の外導体５９のうち少なくともいずれか一方に接触するように配置されている。なお、外導体５９と接触しない容量結合部５８と外導体５９との相互間には、電波吸収体３１が配設されてもよい。
また、図２５に示す２つの回転軸は、図２４に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、２つの回転軸の外導体５９及び内導体９が、以下のように構成されている。具体的には、２つの回転軸の外導体５９の各々の接触面の溝部が、当該接触面の中央部分に形成されている。また、容量結合部５８の両面および外導体５９の溝部に対応する部分に、電波吸収体３１が配設されてもよい。これにより、容量結合部５８の接触面積を倍増できる。また、この効果として、通常は、外導体５９に溝部が形成されるだけでは、電荷が溝部にたまらないが、この溝部に容量結合部５８が設けられ、且つ、この容量結合部５８の接触面積が表裏で倍増することにより、電荷が溝部にたまりやすくなることが、シュミレーションにより確認されている。
さらに、２つの回転軸の各々の内導体９には、当該内導体９の長手方向に沿って貫通する貫通孔が形成され、これら貫通孔にわたって導電性のシャフト２が設けられている。これにより、これら内導体９同士の容量結合を増大させることが出来るとともに、機械的強度を増大させて安定した回転が可能になる。
また、図２６に示す２つの回転軸は、図２４及び図２５に示す構成を組み合わせたものである。このような構成により、状況に応じて様々な構成を選択することができる。
また、図２７に示す図２４のＣ−Ｃ断面図からすると、容量結合部５８は、２つの回転軸の一方（図では、左側の回転軸）の外導体５９と一体化されていることが明らかである。
また、図２８に示す２つの回転軸は、図２３に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、送電及び通信回路１６と、受電及び通信回路１７とを加えて備えている。具体的には、２つの回転軸のうちの送電側の回転軸は固定部４９とされ、受電側の回転軸は回転部５０とされている。また、送電及び通信回路１６は、並列共振回路８と、並列共振回路８に取り付けられた通信用のチョークコイル７７とを備えている。なお、この送電及び通信回路１６は、チョークコイル７７を直列共振用インダクタンスとしたり、直列共振と電源及び負荷８０だけで構成されてもよい（この場合には、必要に応じて通信回路も付加する）。
また、上述した２つの回転軸同士を接合する構成を用いることにより、微小な回転体への電力伝送が可能となる。図２９、図３０に示すように、図２３に示す２つの回転軸が、ドアのヒンジ部７５に組み込まれている。
具体的には、このドアのヒンジ部７５は、柱側に付ける固定部４９と、ドア側に付ける回転部５０とを備えている。この固定部４９は、当該固定部４９に形成された取り付けネジ穴７３を介してネジを挿入することにより柱に取り付けられており、この回転部５０は、当該回転部５０に形成された取付孔を介してネジを挿入することによりドアに取り付けられている。また、これら固定部４９と回転部５０との接合部には、当該接合部全体を通して貫通するシャフト２と、シャフト２と相互に入れ子にした内導体９と、当該接合部を部分的に貫通している外導体５９とが、ヒンジ部７５の軸として構成されている。また、固定部４９には、共振回路８、インバータ７、通信回路７２が組みこまれ、回転部５０にも共振回路８、通信回路７２、整流・充電回路が埋め込まれている。また、固定部４９には、共振回路８、通信回路７２、整流・充電回路を覆うためのカバー７４が設けられている。
このような構成により、ドアのヒンジ部７５に電界結合による電力送電と通信伝達を行うことができる。よって、例えば、開閉回数が多いドアの場合には、導線で電力送電する場合に比べて導線の断線による影響を考慮する必要がなくなるため、使用性を向上させることができる。
また、上述した２つの回転軸同士を固定するために、以下の構成が採用される。
図３１から図３８は、２つの回転軸同士を固定する構成を示す断面図である。図３９は、図３８に示す回転軸を自転車に適用した例を示す概要図である。
図３１に示す２つの回転軸は、図２３に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、バネ式固定ピン５４を備えて構成されている。バネ式固定ピン５４は、２つの回転軸の各々の外導体を接続するためのものである。このバネ式固定ピン５４は、略Ｌ字状の板状体であり、例えば、バネ材等の弾性材料にて形成されている。また、このバネ式固定ピン５４は、２つの回転軸の外導体の各々における接触面の絶縁体１０側とは反対側の縁端部分に形成された引っかけ溝５５に配置されている。具体的には、この引っかけ溝５５におけるバネ式固定ピン５４の突起部と対向する部分の深さが他の部分の深さよりも深くなる形状にて形成された溝部に、バネ式固定ピン５４の突起部がはめ込まれると共に、バネ式固定ピン５４の突起部以外の部分が２つの回転軸の外導体と接触するように、このバネ式固定ピン５４が配置されている。なお、バネ式固定ピン５４の突起部と引っかけ溝５５との相互間に、誘電材が設けられてもよい。
このような構成により、バネ式固定ピン５４と外導体とを密着させて接合容量を得ることができるとともに、２つの回転軸が向かい合う方向に沿って密着力を働かせることなく、十分な接合容量を得ることができる。
また、図３２に示す２つの回転軸は、図３１に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、ベアリングハウジング５７と、ベアリング球５６とを備えている。ベアリングハウジング５７は、内縁部分に凹部分を有する円環状体にて形成されており、当該ベアリングハウジング５７の凹部分と、２つの回転軸の外導体５９の各々における接触面側の端部に形成された突起部であって、回転軸の長手方向に略直交する方向に向けて突起する突起部の先端部分とが接触するように、外導体５９に取り付けられている。ベアリング球５６は、外導体５９の突起部とベアリングハウジング５７との相互間において、当該ベアリング球５６が所定量の圧力が加わり、且つ回転可能となるように取り付けられている。この場合において、２つの回転軸の外導体５９の各々における接触面は、摺動材（例えば、テフロン（登録商標）、フラム、ＤＬＣ等）又はオイルペースト等によってコーティングされている。
このような構成により、２つの回転軸を滑らかに回転させることができると共に、２つの回転軸の静電容量を安定させることができる。
また、図３３に示す３つの回転軸は、図３２に示す２つの回転軸の構成を考慮して構成されたものである。この３つの回転軸は、固定部４９として機能する略Ｔ字状の回転軸と、当該Ｔ字状の回転軸における横棒部分の両端部に接続された２つの回転軸であって、回転部５０として機能とする２つの回転軸とを備えて構成されている。
このような構成により、固定部４９に電力を送電することにより、２つの回転部５０に電力を送電することができる。
本図には、保持器やシールドの記載を省いてるが、必要に応じて付加するものとする。
また、図３４に示す２つの回転軸は、図３２に示す２つの回転軸の構成を考慮して構成されたものである。この２つの回転軸は、固定部４９として機能する略Ｔ字状の回転軸と、当該Ｔ字状の回転軸における横棒部分の端部の一方に接続された回転軸とを備えている。
このような構成により、固定部４９に電力を送電することにより、固定部４９から回転部５０に向かう方向のみに向けて電力を送電することができる。
また、図３５に示す２つの回転軸は、図３２に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、モータを備えて構成されている。モータは、ロータハウジング４６と、ステータハウジング４８と、永久磁石４４と、駆動コイル４５と、モータ制御部４７とを備えている。ロータハウジング４６は、ベアリングハウジング５７を覆うように回転部５０側に配置されている。ステータハウジング４８は、ベアリングハウジング５７を覆うように固定部４９側に配置されている。また、永久磁石４４は、ステータハウジング４８の内部に配置され、駆動コイル４５は、ロータハウジング４６の内部に配置されている。また、モータ制御部４７は、ロータハウジング４６近傍位置であって、回転部５０側に配置されており、回転軸と接触するように配置されている。
このような構成により、電力を固定部４９側に送り、回転部５０側と固定部４９側に電力を送電することができる。また、送電された電力の一部を、モータ駆動に用いることができる。また、回転部５０側を発電機として、発電機にて発電された電力を固定部４９側に送ることもできるため、例えば風力発電機等に適用することができる。
また、図３６に示す２つの回転軸は、図２３に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、２つの回転軸の内導体９が、以下のように構成されている。具体的には、２つの回転軸の各々の内導体９には、当該内導体９の長手方向に沿って貫通する貫通孔が形成されている。また、これら貫通孔にわたって導電性のシャフト２が設けられており、このシャフトの両端部には、ベアリングハウジング５７が設けられている。また、必要に応じて、ベアリングハウジング５７と回転軸との相互間、又は２つの回転軸同士の相互間に、ベアリング球５６や摺動材等が設けられる。
このような構成により、これらベアリングハウジング５７によって２つの回転軸が挟み込まれることで、２つの回転軸を固定することができる。
また、図３７に示す２つの回転軸は、図３３に示す２つの回転軸とほぼ同様に構成されるが、２つの回転軸の内導体９を、図３６に示す２つの回転軸の内導体９と同様に構成したものである。
また、図３８に示す２つの回転軸は、図３７に示す２つの回転軸を、電動アシスト自転車のヘッドチューブに適用できるように構成したものである。現行の電動アシスト自転車は、自転車に電装機器を付けただけのものであるため、ブレーキワイヤに加えて各種配線が見苦しく自転車周りに配置されていて、意匠性が損なわれている。そこで、自転車のパイプに図３８に示す２つの回転軸を適用することにより、意匠性が損なわれることを防止できる。
〔６〕電力送電及び通信を行う伸縮系の軸の構成
次に、電力送電及び通信を行う伸縮系の軸の構成について説明する。上述したように、同軸状の回転軸同士で電力送電及び通信を行うことができれば、同軸状の相互に伸縮する軸同士で電力送電及び通信を行うことも可能であるので、以下では、このような軸の構成について説明する。
図４０から図４４は、電力送電及び通信を行う軸の構成を示す断面図である。
まず、図４０に示すように、２つの軸のうちシリンダ側の軸は、長尺状のシリンダ側内導体６４と、長尺状に形成されたものであって、シリンダ側内導体６４の外部において、当該シリンダ側内導体６４に対して同心状に配置されたシリンダ側外導体６３と、シリンダ側内導体６４とシリンダ側外導体６３との相互間に配置されたものであって（具体的には、ピストン側と接触しない位置に配置されている）、これらシリンダ側内導体６４とシリンダ側外導体６３とを相互に絶縁する絶縁／支持固定部１０とを備えている。
２つの軸のうちピストン側の軸は、長尺状のピストン側内導体６６と、長尺状に形成されたものであって、ピストン側内導体６６の外部において、当該ピストン側内導体６６に対して同心状に配置されたピストン側外導体６５と、ピストン側内導体６６とピストン側外導体６５との相互間に配置されたものであって（具体的には、シリンダ側の軸と接触しない位置に配置されている）、これらピストン側内導体６６とピストン側外導体６５とを相互に絶縁する絶縁／支持固定部１０とを備えている。また、ピストン側の軸の形状については、ピストン側の軸がシリンダ側の軸に嵌合ことができるように、具体的には、ピストン側内導体６６の外径は、シリンダ側内導体６４の内径よりも小さく設定されており、ピストン側外導体６５の外径は、シリンダ側外導体６３の内径よりも小さく設定されている。また、シリンダ側内導体６４の内縁部分及びピストン側内導体６６の外縁部分は、それぞれ摺動材によってコーティングされている。同様に、シリンダ側外導体６３の内縁部分及びピストン側外導体６５の外縁部分は、それぞれ摺動材によってコーティングされている。
このような構成により、シリンダ側の軸及びピストン側の軸が大きな静電容量を有することができ、ピストン、サスペンション、伸縮電力伝送ラインとして用いることができると共に、通信伝達も同時に行うことができる。
図には記していないが、６４と６６の接触面、６３と６５の接触面に長手方向に沿う１本または複数本の相互に勘合する谷(溝)と尾根(長手方向に伸びた突起)を設け、接触面積を増大させるとともに、回転を防止させてもよい。
また、図４１に示す２つの軸は、図４０に示す２つの軸とほぼ同様に構成されるが、シリンダ側内導体６４をピストン側内導体６６に含めたものである。このような構成の場合に、図４０に示す２つの軸に比べて特性インピーダンスの変化は小さい。（あるいは、これに限られず、シリンダ側内導体６４にピストン側内導体６６を含めてもよい。このような構成の場合に、図４０に示す２つの軸に比べて、特性インピーダンスが大きく変動する。これにより、電波透過をモニタすることでピストンとシリンダの相互位置関係が判る。）
また、図４２に示す２つの軸は、図４０に示す２つの軸とほぼ同様に構成されるが、２つの軸の各々における絶縁／支持固定部１０の内部に、軸の長手方向に略沿った貫通孔が複数形成されている。これら貫通孔の長手方向の形状については、直線状に設定されている（あるいは、略円弧状に設定されてもよい）。
このような構成により、例えば、絶縁／支持固定部１０の貫通孔を塞がないで伸縮継手として用い、絶縁／支持固定部１０の貫通孔を塞いで、空気を閉じ込めればエアサスペンションとして用いることができる。また、絶縁／支持固定部１０の貫通孔の内部にオイル等を満たし、２つの軸を伸縮させるピストンとして用いることできる。
また、図４３に示す２つの軸は、図４０に示す２つの軸とほぼ同様に構成されるが、送電及び通信回路１６と、受電及び通信回路１７とを加えて備えている（なお、図では絶縁／支持固定部１０は省略されている）。ここで、送電及び通信回路１６は、並列共振回路を備えている。その理由としては、シリンダ部８１の軸とピストン部８２の軸との相互間の位置によって、接合容量は大きく変動するため、駆動回路として直列共振回路を用いることができないからである。ただし、ピストン部８２の軸とシリンダ部８１の軸との相互間の位置が所定位置となった場合だけ電力を送電する場合には、並列共振回路よりも直列共振回路が適している。
また、図４３に示すように、非同軸型のピストン部８２の軸及びシリンダ部８１の軸が並行して用いられる構成が考えられる。図４０から図４３に示す同軸型の場合には、電力を流しても外導体と内導体９間に電流が流れるため、人の手が触れても安全であるが、図４３に示す構成の場合には並行二線型線路として機能するため、ピストン部８２の軸（具体的には導体）とシリンダ部８１の軸（具体的には導体）の表面に電流が流れる。このため、人が二つの線を同時に触ると感電する。
この対策としては、人の手が触れない位置に適用したり、又は、ピストン部８２及びシリンダ部８１の軸表面に絶縁層をコーティングする。また、ピストン部８２の軸の外面にコーティングし、シリンダ部８１の軸の内面にコーティングした場合には、接合容量の低下を招くが、並列共振回路を用いることにより、伝送効率を維持することが可能になる。
〔７〕配線の構成
次に、配線の構成について説明する。図４５は、スリップリングを示す斜視図である。図４５に示すように、現行のスリップリングは、スリップング固定部８６と、スリップング回転部８７と、入出力ケーブル８８とを備えて構成されている。また、現行のスリップリングには、複数組の集電環とブラシが組み込まれているため、それぞれに応じて配線が引き出されている。この配線は、スリップリングの構造から決められている。このような決定の要因としては、一組の集電環とブラシの組み合わせでは、送電能力に限界があるため、複数組を組み合わせて所用の電力を送る必要があることなどが挙げられる。しかしながら、回転軸および回転軸に取付けられた負荷に電力を送る場合、この様な多数の配線がある場合には、取扱いが面倒になると共に高速通信系を組込むことが難しくなっていた。
そこで、現行のスリップリングの問題点を解決するための配線の構成について、以下に説明する。
図４６から図４９は、配線の構成を示す図である。
まず、図４６に示す配線の構成では、上述した回転軸に用いられているものであって、回転軸が同軸線路構造で形成されている。具体的には、この回転軸は、回転軸受としての機械的強度を得る部分であり外導体として機能する部分と、内導体９として機能する部分と、内導体９を支えるとともに外導体５９と内導体９を絶縁し、電磁波を伝搬する役目を果たす絶縁体１０とを備えている。また、電力又は通信を入出力するためには、外導体５９に形成された貫通孔を介して内導体９と接続されている接続導線１４と、この貫通孔の内部を密閉するための絶縁体１０とが、この回転軸における送電箇所及び複数の受電箇所に設けられている。この場合において、負荷の位置が変更されることで、既設の受電箇所から負荷に電力を送ることができない場合には、新たに貫通孔を形成したり、接続導線１４を設置する手間が生じることになる。
そこで、図４７に示す配線の構成では、回転軸の外導体５９の表面に形成された溝部に同軸線路が埋め込まれている。また、同軸線路の一部は、回転軸から外部に露出するように配置されている。ここで、同軸線路の形成方法としては、例えば、回転軸の表面に袋状の溝を掘った後に（特殊工具使用）、ビニル被覆導線を埋め込む方法と、被覆なし同軸線路を埋め込む方法等が採用される。また、溝部の深さについては、図４７の右図に示すように、この回転軸が軸受に設置された際に、同軸線路の絶縁部が削れない深さに設定されている。このような構成により、ピンを同軸線路の露出部分を介して同軸線路の内導体９に刺すとともに、外導体５９に接触させることにより、電力の入出力が可能になるため、受電位置の追加又は変更を自由に行うことができる。
また、図４８に示す配線の構成では、図４７に示す配線の構成とほぼ同様に構成されるが、同軸線路が外導体５９によって覆われるように配置されている（すなわち、非露出状態となるように配置されている）。ここで、この同軸線路の深さとしては、具体的には、外導体５９の表面に近接した位置（より具体的には、各同軸線路の内導体９と外導体５９との相互間の長さ程度等）に設定されている。また、この同軸線路の形成方法については、例えば、回転軸の表面に穴を開けた後に、ビニル被覆導線を挿入する方法と、被覆なし同軸線路を挿入する方法等が採用される。
このような構成により、回転軸の外導体５９の一部をドリル等で穴を開ければ、容易に電力の入出力が可能になる。このため、受電位置の追加又は変更が自由に行うことができる。また、通常の金属回転軸の様に使用することもできる。
また、図４９に示す配線の構成では、回転軸の外縁部分に絶縁性被膜８５が形成され、この絶縁性被膜８５の内部に複数の導線８４が平行配置されている。このような構成により、絶縁性被膜８５の任意の地点に穴を開けて導線８４とコンタクトすることにより、任意の場所で電力の入出力を行うことが可能になる。
〔８〕転がり軸受を用いた電力供給システムの構成
次に、転がり軸受を用いた電力供給システムの構成について説明する。上述したように、電力供給システムでは、すべり軸受が用いられていたが、すべり軸受に代えて転がり軸受が用いられることも可能であるので、以下では、転がり軸受を用いた構成について説明する。
図５０は、転がり軸受を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。図５０（ａ）、（ｂ）に示す電力供給システムは、転がり軸受のうち玉軸受を用いたものである。この転がり軸受は、円環状の転がり軸受内輪９０と、転がり軸受内輪９０の外部において、当該転がり軸受内輪９０に対して同心状に配置された転がり軸受外輪８９と、転がり軸受内輪９０と転がり軸受外輪８９との間に設けられたベアリング球５６（あるいは、円柱体のコロ等）と備えている。また、ベアリング球５６の周りには、ベアリング球５６同士が擦れることを防止するための保持器９１が取り付けられている。さらに、ベアリング球５６の外側には、ベアリング球５６と保持器９１との相互間に注入されたオイルグリースが漏れないようにするためのシールド９２が取り付けられている。
ここで、このような転がり軸受では、通常電力を流すということは考えられていない。その理由の１つとして、軸受部に電流（直流または商用周波数）が流れると、転がり軸受内輪９０および転がり軸受外輪８９のベアリング球５６と接する部分が電食損傷を受けるためであり、その報告もなされている。しかしながら、玉軸受自体は導電性の金属で形成されているものが多く、微弱電流又は高周波を流せるはずである。特に、高周波電流を流す場合には、高速に極性が入れ替わるため、電食現象は起こらないと考えられる。したがって、高周波であればそのまま電流を流せる可能性がある。
図５１は、通常の転がり軸受に高周波を流した時の一つのベアリング球５６周りの電流と電界の流れおよび等価回路を示す図である。図５１に示すように、ベアリング球５６は、転がり軸受内輪９０と転がり軸受内輪９０とに点接触されている。また、これら接触近傍には、電極間距離の近いコンデンサがそれぞれ形成されている。そして、ベアリング球５６と転がり軸受外輪８９との相互間に形成されたコンデンサは、ベアリング球５６と転がり軸受外輪８９とに直列接続されている。また、ベアリング球５６と転がり軸受内輪９０との相互間に形成されたコンデンサは、ベアリング球５６と転がり軸受内輪９０とに直列接続されている。まとめると、同図の等価回路となる。
ここで、ベアリング球５６よりもベアリングコロの方が、接触部が線状であるとともに、コンデンサ容量も大きくなる。すなわち、玉軸受よりも、コロ軸受の方が電力を送電しやすいと言える。しかしながら、転がり軸受のすべり面には潤滑オイルがコーティングされており、遊びの空間も存在する。また、軸（具体的には、ベアリング球５６またはベアリングコロ）の回転数が増大すると、軸と転がり軸受内輪９０、転がり軸受外輪８９間には油膜が存在するため、導電電流は減少して変位電流が大きくなる。さらに、遊びの空間によって、軸の回転と共に遊びの空間位置が変わってくる。このため、軸の回転数に応じて等価回路も変化し、軸荷重の大きさによっても変化することが考えられる。
図５２は、絶縁層９６によってコーティングされたベアリング球５６またはベアリングコロを示す図である。図５２に示すように、この絶縁層９６は、ＤＬＣ等の絶縁膜として形成され、ベアリング球５６またはベアリングコロ等にこの絶縁層９６をコーティングすることも可能である。このような構成にすれば、軸の回転によって変動する伝導電流を失くして、変位電流のみによって電力伝送することが可能となる。また、等価回路は、各所の容量をまとめて記してコンデンサとしている。当然、軸の回転数に応じて油膜が挟まれたりして、各所の容量が変化するが、一方の容量が増大した場合に、転がり軸受内輪９０（又は転がり軸受外輪８９）における軸との接触部分の容量が減少するという関係があるため、大きく変化することはない。
図５３（ａ）、（ｂ）は、保持器９１及びシールド９２が設けられたベアリング球５６またはベアリングコロを示す図である。図５３（ａ）に示すベアリング球５６またはベアリングコロは、保持器９１及びシールド９２を備えているものの、これら保持器９１及びシールド９２は、電界結合による電力伝送の有利性を考慮して取り付けられていない。
一方、図５３（ｂ）に示すベアリング球５６またはベアリングコロにおいては、保持器９１及びシールド９２の形状が以下のように設定されている。具体的には、保持器９１の形状については、転がり軸受内輪９０と転がり軸受外輪８９の両方または一方で、静電容量が比較的大きくなる形状に設定される。また、保持器９１におけるベアリング球５６またはベアリングコロとの接触部分の面積が比較的大きくなる形状に設定されている。また、シールド９２の形状については、シールド９２の一方の端が転がり軸受内輪９０又は転がり軸受外輪８９と接触され、シールド９２の他方の端が転がり軸受内輪９０又は転がり軸受外輪８９と接触しないものの近接させ、且つ、転がり軸受内輪９０又は転がり軸受外輪８９との対向面の面積が比較的大きくなる形状に設定されている。なお、シールド９２の他方の端における転がり軸受内輪９０又は転がり軸受外輪８９との近接面が、摺動材によってコーティングされることにより、当該近接面と転がり軸受内輪９０又は転がり軸受外輪８９とは接触してもよい。この場合において、摺動材が誘電率の高い材料にて形成されることにより、結合容量を増大できる。
図５４は、転がり軸受に直接高周波電流を流して送電する場合の構成図を示している。図５４に示すように、インバータ出力が、共振回路等を介さずに直接転がり軸受９４に対して行われている。
図５５は、転がり軸受９４に共振回路を介して電力を送電する構成図である。転がり軸受９４に直接高周波電流が流すことができるとしても、軸の回転時には油膜が玉（またはコロ）と転がり軸受９４または転がり軸受９４間に存在するため、導電電流が減少し変位電流が増大する。このような接合部インピーダンスの変化に対して並列共振回路を設けることにより、安定した電力伝送が可能になる。
図５６は、転がり軸受９９が電界結合型に変更された構成を示す図である。図５６に示すように、転がり軸受９９が電界結合型に変更されたことにより、より安定した送電が可能になる。
図５７は、転がり軸受９９とすべり軸受９３を組み合わせた例を示す図である。転がり軸受９９は、すべり軸受９３よりも摩擦（特に起動時の摩擦）が小さいという利点がある。このため、転がり軸受９４を使用することには意義があるが、軸受の厚みが厚くなってしまう。また、回転軸の内導体９に電力を供給する軸受は、回転軸との間に絶縁層を置かなければならない。よって、図５６に示すように、その絶縁層が厚いと、給電軸受ブロックが大きくなってしまう。
そこで、図５７に示すように、回転軸の内導体９に電力を供給する側の軸受をすべり軸受９３にすることで、軸受の厚さを薄くできる。これにより、すべり軸受内輪１２と回転軸間の距離も大きくとれ、寄生容量を小さくできるため、伝送効率を上げることも可能になる。
〔実施の形態に対する変形例〕
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。
（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、上述の内容に限定されるものではなく、発明の実施環境や構成の細部に応じて異なる可能性があり、上述した課題の一部のみを解決したり、上述した効果の一部のみを奏することがある。従来のシステムよりも、送電効率を低下させる場合であっても、本願発明の手段が従来のシステムの手段と異なっている場合には、本願発明の課題が解決されている。
（形状、数値、構造、時系列について）
実施の形態や図面において例示した構成要素に関して、形状、数値、又は複数の構成要素の構造若しくは時系列の相互関係については、本発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。
（回転軸について）
上記実施の形態では、回転軸を、同軸線路構造を基本に展開したものとして説明したが、上記特記した部分以外においても、同軸線路構造をそのまま受け継ぐことなく任意に変更することができ、外導体又は内導体９の形状や材質について、公知の同軸線路とは異なる形状や材質としてもよい。また、上記説明した各種の回転軸の構成のうち、一部を省略してもよい。つまり、回転軸は、給電機能のみが必要な場合には通信機能を省略した給電構造として構成することができ、通信機能のみが必要な場合には給電機能を省略した通信構造として構成することができる。
１ 軸受
２ 回転軸、シャフト
３ 軸受取り付け部
４ 導電性軸受
５ 軸受取り付け部
６ カップリング
７ インバータ
８ 共振回路、並列共振回路
９ 内導体
１０ 絶縁体、絶縁/支持固定部
１１ すべり軸受外輪
１２ すべり軸受内輪
１３ すべり界面
１４ 接続導線
１５ ボディ
１６ 送電及び通信回路
１７ 受電及び通信回路
１８ 変位すべり軸受外輪
１９ 同軸入力端子
２０ 軸密着回転円盤
２１ パッキング/ガスケット
２２ 隔離壁
２３ 回転用シール
２４ 増設ブロック
２５ 撹拌フィン
２６ 中和剤
２７ 無害化物質
２８ 毒物漏洩防止ユニット
２９ 排気
３０ 差動排気ユニット
３１ 電波吸収体
３２ 電磁波漏洩防止ユニット
３３ 集電環
３４ 接触電極
３５ スリップングリングユニット
３６ アース
３７ 差動高圧ガス漏洩封じユニット
３８ ガイドプレート
３９ ガイダンス溝
４０ 回転溝
４１ ボディ・シャフトの隙間
４２ 封し板
４３ 出力部
４４ 永久磁石
４５ 駆動コイル
４６ ロータハウジング
４７ モータ制御部
４８ ステータハウジング
４９ 固定部
５０ 回転部
５１ ジンバル
５２ 給電軸受ブロック
５３ 止めネジ
５４ バネ式固定ピン
５５ 引っかけ溝
５６ ベアリング球
５７ ベアリングハウジング
５８ 容量結合部
５９ 外導体
６０ 入力
６１ 出力
６２ ヘッドチューブ
６３ シリンダ側外導体
６４ シリンダ側内導体
６５ ピストン側外導体
６６ ピストン側内導体
６７ 絶縁シリンダヘッド
６８ シリンダ側外部絶縁性支持固定
６９ シリンダ側内部絶縁性支持固定
７０ ピストン側外部絶縁性支持固定
７１ ピストン側内部絶縁性支持固定
７２ 通信回路
７３ 取り付けネジ穴
７４ カバー
７５ ヒンジ部
７６ トランス
７７ チョークコイル
７８ 結合コンデサ
７９ 直流電源
８０ 負荷
８１ シリンダ部
８２ ピストン部
８３ オイル
８４ 導線
８５ 絶縁性被膜
８６ スリップング固定部
８７ スリップング回転部
８８ 入出力ケーブル
８９ 転がり軸受外輪
９０ 転がり軸受内輪
９１ 保持器
９２ シールド
９３ すべり軸受
９４ 転がり軸受
９５ ベアリング球またはコロの金属部
９６ ベアリング球またはコロの外皮絶縁層
９７ 電力
９８ 信号
９９ 転がり軸受

Claims (1)

  1. 第１軸受けと第２軸受けとによって支持された軸を介して、交流電源から所定の負荷に対して電力を供給する電力供給システムであって、
    前記軸は、
    軸心方向に沿って配置された内部軸導体と、
    軸心方向に沿って前記内部軸導体を覆うように配置された外部軸導体と、
    前記内部軸導体と前記外部軸導体との相互間に配置された軸絶縁体とを備え、
    前記第１軸受けは、
    前記軸の荷重を受ける第１軸受け本体と、
    前記第１軸受け本体における前記外部軸導体の外周面に対向する位置に固定された第１外軸受けと、
    前記第１外軸受けと前記外部軸導体との相互間に配置された第１すべり絶縁層とを備え、
    前記第２軸受けは、
    前記外部軸導体の外周面に固定された第２絶縁層と、
    前記第２絶縁層の外周面に固定された第２内軸受けと、
    前記第２内軸受けに対して対向する位置に配置された第２外軸受けと、
    前記第２内軸受けと前記第２外軸受けとの相互間に配置された第２すべり絶縁層と、
    第２外軸受けに接続された第２外配線と、
    前記外部軸導体に形成された配線孔を介して、前記第２内軸受けと前記内部軸導体とを電気的に接続する第２内配線とを備え、
    前記第１外軸受け、前記第１すべり絶縁層、及び前記外部軸導体によって構成された第１結合コンデンサを介して、前記第１軸受け本体と前記外部軸導体との相互間における送電を可能とすると共に、
    前記第２外軸受け、前記第２すべり絶縁層、及び前記第２内軸受けによって構成された第２結合コンデンサを介して、前記第２外配線と前記内部軸導体との相互間における送電を可能とした、
    電力供給システム。
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