JP6493351B2

JP6493351B2 - 回転型磁気結合装置

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Inventors: 一義花房; 浦野　高志; 高志浦野
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Description

本発明は、回転型磁気結合装置に関し、特に、回転体へワイヤレスで電力又は信号を伝送する装置に関するものである。

回転体への電力伝送に用いられる回転型電力伝送装置は、例えば、多軸産業用ロボットのアーム、監視カメラ、回転ステージ上の装置などへの電力供給に好ましく用いられている。従来、回転型電力伝送装置には接触式のスリップリングが使用されてきた。スリップリングとは回転する側に設置された金属のリングの摺動面に対し固定側にあるブラシを接触させ電力を伝送するものである。

しかし、接触式では接触部分を摺動させて通電するため接点部分が摩耗し電力伝送ができなくなる虞があった。そこで、非接触式のワイヤレス電力伝送が注目を集めている。

例えば、特許文献１には、回転体に設けられた受電コイルと、受電コイルに対向して設けられた給電コイルとを備え、給電コイルに流れる電流の変化に伴う電磁誘導作用により給電コイルから受電コイルへ非接触で電力を供給する非接触型電力供給装置が記載されている。この装置では、給電コイル及び受電コイルがそれぞれ長形のループ状をなすとともに、給電コイル及び受電コイルにおいて互いに対向する導線が回転体の回転軸に対して同側に位置して回転軸を取り囲むように配置される。

特開２００７−２０８２０１号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、給電コイル及び受電コイルの各々の上側導線と下側導線とを結ぶ導線部分どうしの間に隙間が存在することから、給電コイルの受電コイルに対する回転方向の位置の変化と共に受電コイルに鎖交する磁束の量が変化し、安定した出力特性が得られないという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転体に用いられる回転型磁気結合装置において、回転体の回転量に応じてコイルどうしの位置関係が変化したとしても安定した出力特性を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による回転型磁気結合装置は、回転体に用いられる回転型磁気結合装置であって、第１コイルと、前記第１コイルと磁気結合するように配置された第２コイルとを備え、前記第１及び第２コイルは、それぞれの開口部が前記回転体の回転軸の周囲を囲むように配置されたループコイルであり、前記ループコイルは、前記回転体の周方向に延在する第１及び第２配線部と、前記第１配線部の一端又は前記第２配線部の一端から前記回転軸方向に折り曲げられた第３配線部と、前記第１配線部の他端又は前記第２配線部の他端から前記回転軸方向に折り曲げられた第４配線部とを含み、前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、前記回転軸と直交する径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転体の回転に伴って第１及び第２コイルの位置関係が変化しても、第１及び第２コイルの開口部の重なり面積の変化を抑えることができ、第１及び第２コイル間の伝達比の変化を抑制することができる。したがって、回転体に用いられる回転型磁気結合装置において、回転体の回転によらず電力又は信号の安定した出力特性を得ることができる。

本発明において、前記第１及び第２コイルの一方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成され、前記第１及び第２コイルの他方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部との間に隙間を有するように構成されていることが好ましい。第１及び第２コイルのどちらか一方において、ループコイルの折り返し部どうしが径方向から見て互いに接するか或いは重なるように構成されていれば、回転体の回転に起因する出力電圧の変動を抑制する効果を得ることができる。

本発明において、前記第１及び第２コイルの両方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成されていることが好ましい。この構成によれば、回転体の回転に起因する出力電圧の変動をさらに抑制することができる。

本発明において、前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、複数ターンのループコイルを含む平面スパイラルコイルであり、前記径方向から見て前記複数ターンのループコイルの前記第３配線部のセットと前記第４配線部のセットとが接するか或いは重なるように構成されていることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２コイルのインダクタンスを高めることができ、これにより両者の磁気結合を強めることができる。

本発明において、前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、積層方向に前記ループコイルが重なるように層状に形成された多層ループコイルであることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２コイルのインダクタンスを高めることができ、これにより両者の磁気結合を強めることができる。

本発明において、前記第１及び第２コイルは、フレキシブル基板に導体パターンを印刷して構成されていることが好ましい。この構成によれば、ループコイルの開口部が回転体の回転軸の周囲を囲むように配置された第１及び第２コイルを容易に作製することができる。

本発明において、前記フレキシブル基板は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように１周以上丸められて円筒状に形成されることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２コイルの少なくとも一方のインダクタンスを高めることができ、これにより両者の磁気結合を強めることができる。

本発明による回転型磁気結合装置は、前記第１及び第２コイルよりも前記径方向の外側に配置された第１磁性体をさらに備えることが好ましく、前記第１及び第２コイルよりも前記径方向の内側に配置された第２磁性体をさらに備えることもまた好ましい。この構成によれば、第１及び第２コイルが発生する磁束の磁路を確保することができる。したがって、第１及び第２コイルの近傍に金属部材が配置されたとしても、第１及び第２コイルが発生する磁束が金属部材と鎖交することによる渦電流損失を低減することができ、第１及び第２コイル間の磁気結合を高めることができる。

本発明によれば、回転体の回転量に応じてコイルどうしの位置関係が変化したとしても安定した出力特性を得ることが可能な回転型磁気結合装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による回転型磁気結合装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。図２は、本実施形態による回転型磁気結合装置の構造を示す分解斜視図である。図３は、図２の回転型磁気結合装置を送電ユニットと受電ユニットとに分けて示す分解斜視図である。図４は、図３の回転型磁気結合装置の送電ユニットと受電ユニットとを組み合わせた状態を示す斜視図である。図５は、送信コイル８の構成を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は斜視図である。図６は、受信コイル９の構成を示す斜視図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、送信コイル８と受信コイル９との組み合わせ例を示す図であって、また図７（ｄ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に示す送信コイル８が３６０度回転したときの受信コイル９の出力変化を示すグラフである。図８（ａ）〜（ｆ）は、受信コイル９の長手方向の両端の折り返し部を構成する第３配線部９ｃと第４配線部９ｄの位置関係の詳細な説明図である。図９（ａ）は、送電コイル６と受電コイル７との磁気結合状態を説明するための略断面図であり、図９（ｂ）は、送信コイル８と受信コイル９との磁気結合状態を説明するための略断面図である。図１０は、受信コイル９の第１の変形例を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は斜視図である。図１１は、受信コイル９の第２の変形例を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は受信コイル９の斜視図、（ｃ）は受信コイル９の比較例を示す斜視図である。図１２（ａ）〜（ｃ）は、受信コイル９の第３の変形例を示す平面図であって、特に多層コイルの各層のパターンレイアウトを示すものである。図１３（ａ）〜（ｃ）は、送信コイル８及び受信コイル９の組み合わせの変形例を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による回転型磁気結合装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。

図１に示すように、回転型磁気結合装置１は、送電ユニット１Ａと受電ユニット１Ｂとの組み合わせからなり、送電ユニット１Ａから受電ユニット１Ｂに電力をワイヤレスで伝送するものである。

送電ユニット１Ａは、入力直流電圧を例えば１００ｋＨｚの交流電圧に変換して出力する送電回路１１０と、交流電圧により交流磁束を発生させる送電コイル６と、受電ユニット１Ｂ側から送信される交流信号を受信する受信コイル９と、受信コイル９が受信した交流信号に基づき、送電回路１１０から出力される交流電圧を制御する制御回路１５０とを備えている。

受電ユニット１Ｂは、送電コイル６が発生させる交流磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生する受電コイル７と、受電コイル７に発生した交流電圧を例えばＤＣ２４Ｖの直流電圧に変換する受電回路１２０と、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさを示す交流信号を生成する信号生成回路１４０と、受信コイル９に交流信号を送信する送信コイル８とを備えている。受電回路１２０の出力電圧は例えば負荷１３０に供給される。

送電回路１１０は、入力直流電圧を所定の直流電圧に変換する電源回路１１１と、電源回路１１１が出力する所定の直流電圧を例えば１００ｋＨｚの交流電圧に変換する電圧変換回路１１２と有している。制御回路１５０は、受信コイル９が受信した交流信号に基づき、電源回路１１１から出力される所定の直流電圧の大きさを制御し、これにより送電回路１１０から出力される交流電圧を制御する。

信号生成回路１４０は、例えば１０ＭＨｚの交流信号を出力する発振回路１４１と、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさに応じて発振回路１４１の電源電圧を生成する電源電圧生成回路１４２とを有しており、電源電圧生成回路１４２は、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流と目標値との差に基づき、発振回路１４１の電源電圧を制御する。

このように、受電ユニット１Ｂの出力が送信コイル８及び受信コイル９を介して送電ユニット１Ａにフィードバックされることにより、受電ユニット１Ｂの出力を一定に制御することができる。

本実施形態において電力伝送用の交流電圧の周波数が１００ｋＨｚであるのに対し、信号伝送用の交流信号の周波数は１０ＭＨｚであり、電力伝送用の交流電圧の周波数の１００倍である。信号伝送用の交流信号の周波数は、電力伝送用の交流電圧の周波数の１０倍以上であることが好ましい。信号伝送用の交流信号の周波数が電力伝送用の交流電圧の周波数の１０倍以上であれば、電力伝送用の交流電圧の高調波が交流信号に対するノイズとなって出力信号波形が歪むことがないので、電力伝送側との混信を避けることができ、交流信号の伝送品質を確保ことができる。

本実施形態において、送電コイル６と受電コイル７との組み合わせは回転体に組み込まれた電力系の回転トランスＴ_Ｐを構成しており、送信コイル８と受信コイル９との組み合わせは電力系の回転トランスＴ_Ｐと同じ回転体に組み込まれた信号系の回転トランスＴ_Ｓを構成している。

図２は、本実施形態による回転型磁気結合装置１の構造を示す分解斜視図である。また図３は、図２の回転型磁気結合装置１を送電ユニット１Ａと受電ユニット１Ｂとに分けて示す分解斜視図である。また、図４は、図３の回転型磁気結合装置１の送電ユニット１Ａと受電ユニット１Ｂとを組み合わせた状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、回転型磁気結合装置１は、回転体である回転シャフト２のフランジ部２ａに取り付けられて回転シャフト２と一緒に回転する回転ボビン３と、非回転体である支持体４に取り付けられて回転シャフト２と一緒に回転しない固定ボビン５と、固定ボビン５に設けられた送電コイル６及び受信コイル９と、回転ボビン３に設けられた受電コイル７及び送信コイル８と、送電コイル６及び受信コイル９に接続された送電回路基板１１ａと、受電コイル７及び受信コイル９に接続された受電回路基板１１ｂとを備えている。本実施形態において回転シャフト２は金属製であり、回転ボビン３及び固定ボビン５の中心部を貫通している。

回転ボビン３及び固定ボビン５は樹脂製であって、各々は互いに嵌合可能なカップ形状を有している。詳細には、回転ボビン３は開口部が下向きのカップ形状であり、固定ボビン５は開口部が上向きのカップ形状であり、回転ボビン３は固定ボビン５に回転自在に嵌合されて外観上は固定ボビン５と一体化される。固定ボビン５は支持体４に固定されているので回転シャフト２と一緒に回転しない。なお、固定ボビン５及び回転ボビン３の上下方向は便宜的なものであって、固定ボビン５を上側、回転ボビン３を下側に配置することも可能であることは言うまでもない。

回転ボビン３及び固定ボビン５は共に二重の円筒状の側壁構造を有している。詳細には、回転ボビン３は、円形の上面部３ａ（主面部）と、上面部３ａの最外周よりも径方向の内側に設けられた円筒状の外側側面部３ｂと、外側側面部３ｂよりも径方向の内側に設けられた内側側面部３ｃとを備えている。また固定ボビン５は、円形の底面部５ａ（主面部）と、底面部５ａの最外周よりも径方向の少し内側に設けられた外側側面部５ｂと、外側側面部５ｂよりも径方向の内側に設けられた内側側面部５ｃとを備えている。図４に示すように、回転ボビン３を固定ボビン５に嵌め合わせたとき、回転ボビン３の外側側面部３ｂと内側側面部３ｃは、固定ボビン５の外側側面部５ｂと内側側面部５ｃとの間のスペース内に配置される。

送電コイル６は固定ボビン５の外側側面部５ｂの外周面に多重に巻回された導線からなり、受電コイル７は回転ボビン３の外側側面部３ｂに多重に巻回された導線からなる。送電コイル６及び受電コイル７にある程度の太さの導線を用いることにより、大きな電流を流すことができ、大きな電力のワイヤレス伝送が可能となる。

送電コイル６及び受電コイル７は回転シャフト２の周囲を囲むように回転シャフト２と同軸配置されている。本実施形態において、受電コイル７は送電コイル６よりも径方向の内側に同心円状に配置されているが、受電コイル７が送電コイル６よりも径方向の外側に同心円状に配置されるように構成してもよい。送電コイル６の開口部は回転シャフト２の延在方向（回転軸Ｚ方向）を向いており、受電コイル７の開口部も回転シャフト２の延在方向（回転軸方向）を向いているので、受電コイル７のコイル軸の向きは送電コイル６のコイル軸の向きと同じである。したがって、受電コイル７の開口部は送電コイル６の開口部と重なっており、受電コイル７と送電コイル６との間には強い磁気結合が生じている。

送信コイル８は、回転ボビン３の内側側面部３ｃの外周面に設けられている。また、受信コイル９は、固定ボビン５の内側側面部５ｃの外周面に設けられている。送信コイル８及び受信コイル９は、各々の開口部が回転シャフト２の周囲を囲むように回転シャフト２と同軸配置されている。本実施形態において、受信コイル９は送信コイル８よりも径方向の内側に同心円状に配置されているが、受信コイル９が送信コイル８よりも径方向の外側に同心円状に配置されるように構成してもよい。以上の構成により、送信コイル８及び受信コイル９のコイル軸は、回転体の径方向に放射状に延在しており、受信コイル９の開口部は送信コイル８の開口部と径方向に重なり合っている。

回転ボビン３及び固定ボビン５の内側及び外側には磁性体（フェライトコア）が設けられている。詳細には、回転ボビン３の内側側面部３ｃ上の送信コイル８に重ねて設けられた中間磁性体１０ａと、送信コイル８及び受信コイル９よりも径方向の内側（固定ボビン５の内側側面部５ｃの内側）であって送信コイル８及び受信コイル９と回転シャフト２との間に配置された内側磁性体１０ｂと、固定ボビン５の外側側面部５ｂ上の送電コイル６に重ねて設けられた外側磁性体１０ｃと、回転ボビン３の上面部３ａを覆う上面磁性体１０ｄと、固定ボビン５の底面部５ａを覆う底面磁性体１０ｅとを備えている。

中間磁性体１０ａ（第１磁性体）は、送電コイル６及び受電コイル７の組み合わせからなる電力系の回転トランスＴ_Ｐと送信コイル８及び受信コイル９の組み合わせからなる信号系の回転トランスＴ_Ｓとの間に配置されて両者を磁気的に分離する役割を果たすものである。この構成によれば、送電コイル６及び受電コイル７と送信コイル８及び受信コイル９との間が磁気的に遮断されるため、電力伝送と信号伝送の互いの影響を一層小さくすることができる。

内側磁性体１０ｂ（第２磁性体）は、最内周に配置された受信コイル９よりも径方向の内側に配置されており、特に、回転シャフト２の周囲を囲むように回転シャフト２と受信コイル９との間に配置されている。この構成によれば、送信コイル８及び受信コイル９の組み合わせからなる信号系の回転トランスの近傍に金属製の回転シャフト２が配置されたとしても、送信コイル８及び受信コイル９が発生する磁束が回転シャフト２と鎖交することによる渦電流損失を低減することができる。

外側磁性体１０ｃ（第３磁性体）は、最外周に配置された送電コイル６よりも径方向の外側に配置されている。この構成によれば、送電コイル６及び受電コイル７の組み合わせからなる電力系の回転トランスＴ_Ｐの近傍に金属部材が配置されたとしても、送電コイル６及び受電コイル７が発生する磁束が金属部材と鎖交することによる渦電流損失を低減することができる。

上面磁性体１０ｄ及び底面磁性体１０ｅ（第４磁性体）は、外側磁性体１０ｃと共に回転ボビン３及び固定ボビン５からなる円筒状のケース全体を覆う磁性カバーを構成している。この構成によれば、４つのコイルの回転軸方向の両側に磁路を形成することができ、送電コイル６及び受電コイル７が発生する磁束の閉磁路と送信コイル８及び受信コイル９が発生する磁束の閉磁路の両方を確保することができる。したがって、電力損失及び信号損失をさらに低減することができる。

回転ボビン３の上面部３ａ上には上面磁性体１０ｄを介して受電回路基板１１ｂが取り付けられている。受電コイル７の一端及び他端は、受電回路基板１１ｂに接続される。このような接続を実現するためには、回転ボビン３の上面部３ａや上面磁性体１０ｄに配線用のスリットや貫通孔が設けられていることが好ましい。

固定ボビン５の底面部５ａ上には底面磁性体１０ｅを介して送電回路基板１１ａが取り付けられている。送電コイル６の一端及び他端は、送電回路基板１１ａに接続される。このような接続を実現するためには、固定ボビン５の底面部５ａや底面磁性体１０ｅに配線用のスリットや貫通孔が設けられていることが好ましい。

図４に示すように、電力系の回転トランスＴ_Ｐを構成する送電コイル６及び受電コイル７は、信号系の回転トランスＴ_Ｓを構成する送信コイル８及び受信コイル９よりも回転体の径方向の外側に同心円状に配置されている。この構成によれば、送信コイル８及び受信コイル９を送電コイル６及び受電コイル７よりも径方向の外側に配置する場合に比べて、送電コイル６及び受電コイル７の開口サイズ(ループサイズ)を大きくすることができ、より強い磁気結合を得ることができる。また、この構成によれば、第１及び第２コイルのインダクタンスを高めることができる。したがって、回転トランス全体の小型化を図りながら、より大きな電力の非接触伝送が可能となる。

図５は、送信コイル８の構成を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は斜視図である。

図５（ａ）に示すように、送信コイル８は、細長い略矩形のフレキシブル基板１３（絶縁フィルム）の表層又は内層に導体パターンを印刷したものである。なおフレキシブル基板１３も完全な矩形である必要はなく、外周の一部が飛び出したり凹んだりしていてもよい。

本実施形態による送信コイル８は約１ターンのループコイルであり、フレキシブル基板１３の外周に沿ってできるだけ大きなループを描くように形成されている。詳細には、送信コイル８は、フレキシブル基板１３の一方の長辺１３ａに沿って延びる第１配線部８ａ、他方の長辺１３ｂに沿って延びる第２配線部８ｂ、一方の短辺１３ｃに沿って延びる第３配線部８ｃ、他方の短辺１３ｄに沿って延びる第４配線部８ｄを含み、第３配線部８ｃ、第１配線部８ａ、第４配線部８ｄ及び第２配線部８ｂがこの順で連続的に形成されたものである。第３配線部８ｃはフレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１側に位置するループコイルの一方の折り返し部をなしており、第４配線部８ｄはフレキシブル基板１３の長手方向の他端１３ｅ_２側に位置するループコイルの他方の折り返し部をなしている。送信コイル８の一端８ｅ_１及び他端８ｅ_２は、不図示のリード線を介して受電回路基板１１ｂに接続される。

図５（ｂ）に示すように、送信コイル８のフレキシブル基板１３は回転軸Ｚの周囲を囲むように丸められて円筒体を形成しており、フレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１が他端１３ｅ_２に連結されることにより、第３配線部８ｃは第４配線部８ｄに近接配置されている。送信コイル８は円筒面に形成されているので、第１配線部８ａ及び第２配線部８ｂは円周方向に延在しており、また第３配線部８ｃ及び第４配線部８ｄは回転軸Ｚと平行に延在している。

送信コイル８は、フレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１側から回転軸Ｚの周りを時計回りで周回した後、フレキシブル基板１３の長手方向の他端１３ｅ_２側で折り返し、回転軸Ｚの周りを反時計回りで周回して、フレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１側に戻る。したがって、回転軸方向に延びる第３配線部８ｃはループコイルの長手方向の一端側の折り返し部を構成しており、また回転軸方向に延びる第４配線部８ｄはループコイルの長手方向の他端側の折り返し部を構成している。

なお第３配線部８ｃは、第１配線部８ａの一端又は第２配線部８ｂの一端から回転軸Ｚ方向に折り曲げられたものであればよく、また第４配線部８ｃは、第１配線部８ａの他端又は第２配線部８ｂの他端から回転軸Ｚ方向に折り曲げられたものであればよく、必ずしも回転軸Ｚと平行に延在している必要はない。したがって、回転軸Ｚに対して斜めに配線されたものであってもよい。

本実施形態において、第３配線部８ｃは第４配線部８ｄに近接配置されるが、両者は回転軸Ｚと直交する径方向から見て（つまり、円筒面に対して平面視で）重なっておらず、さらに互いに接していない。そのため、円筒面に形成されたループコイルの長手方向（周方向）の一端側の折り返し部と他端側の折り返し部との間には隙間Ｇが形成されている。なお図５（ｂ）の送信コイル８は、一対の端子（８ｅ_１，８ｅ_２）が下向きの状態であり、使用時には図２のように一対の端子が上向きとなるように上下反転して設置される。

受信コイル９の基本的な構成は送信コイル８と同じであるが、送信コイル８の内側に収まるように受信コイル９のフレキシブル基板１３のほうがより小さく丸められると共に、ループコイルの長手方向の両端の折り返し部どうしが回転軸Ｚと直交する径方向から見て互いに接するか或いは重なるように構成されている点が送信コイル８と異なっている。

図６は、受信コイル９の構成を示す斜視図である。

図６に示すように、受信コイル９のフレキシブル基板１３は回転軸Ｚの周囲を囲むように丸められて円筒体を形成しており、フレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１が他端１３ｅ_２に連結されることにより、第３配線部９ｃは第４配線部９ｄに近接配置されている。受信コイル９は円筒面に形成されているので、第１配線部９ａ及び第２配線部９ｂは円周方向に延在しており、また第３配線部９ｃ及び第４配線部９ｄは回転軸Ｚと平行に延在している。回転軸方向に延びる第３配線部９ｃはループコイルの長手方向の一端側の折り返し部を構成しており、また回転軸方向に延びる第４配線部９ｄはループコイルの長手方向の他端側の折り返し部を構成している。受信コイル９の一端９ｅ_１及び他端９ｅ_２は、不図示のリード線を介して送電回路基板１１ａに接続される。

本実施形態においては、フレキシブル基板１３の長手方向の一端１３ｅ_１が他端１３ｅ_２と深く重なることにより、第３配線部９ｃは第４配線部９ｄと回転軸Ｚの径方向から見て重なっており、両者の間に隙間Ｇは形成されていない。したがって、第３及び第４配線部９ｃ，９ｄの形成領域を除いた円筒体の周方向のほぼ全周をループコイルの開口部の形成領域とすることができ、受信コイル９の開口サイズを最大限に広げることができる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、送信コイル８と受信コイル９との組み合わせ例を示す図であって、（ａ）は受信コイル９の長手方向の両端の折り返し部どうしが重なっている場合、（ｂ）及び（ｃ）は受信コイル９の長手方向の両端の折り返し部どうしが重なっていない場合を示している。なお図７（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても送信コイル８の長手方向の両端の折り返し部どうしは重なっておらず、両者の間には隙間Ｇが形成されている。また図７（ｄ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に示す送信コイル８が３６０度回転したときの受信コイル９の出力変化を示すグラフであって、横軸は受信コイル９に対する送信コイル８の回転角度、縦軸は出力電圧（ｍＶ）をそれぞれ示している。ここで、グラフの横軸の回転角度がゼロ度の位置（基準角度）は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、送信コイル８の隙間Ｇと受信コイル９の折り返し部どうしの重なり部分、あるいは受信コイル９の隙間Ｇとが重なる位置とする。

図７（ｂ）のように、受信コイル９のフレキシブル基板１３の長手方向の端部どうしがまったく重ならないかあるいは重なりが浅いため、受信コイル９の折り返し部どうしが平面視で重ならず、これにより第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成される場合には、送信コイル８の隙間Ｇと受信コイル９の隙間Ｇが重なるタイミングで磁気結合が一時的に強まり、受信コイル９の受信感度が高くなり、信号電圧の出力変動が生じる。このような信号電圧の出力変動は、電力制御に対するノイズとなる。

また図７（ｃ）に示すように、受信コイル９のフレキシブル基板１３の長手方向の端部どうしの重なりが深いため、受信コイル９の折り返し部どうしが平面視で重ならず、これにより第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成される場合にも、送信コイル８の隙間Ｇと受信コイル９の隙間Ｇが重なるタイミングで信号電圧の出力変動が生じ、さらに図７（ｂ）の場合よりも出力電圧が全体的に低くなる。

しかし、図７（ａ）に示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇがない場合には、図７（ｄ）に示すように送信コイル８が３６０度回転して受信コイル９に対する位置関係が変化しても、送信コイル８及び受信コイル９の開口部の重なり面積の変化を抑えることができ、受信コイル９からの信号電圧の出力変動を低減することができる。したがって、回転体に用いられる回転型磁気結合装置において、回転体の回転量に応じてコイルどうしの位置関係が変化したとしても安定した出力特性を得ることができる。

図８（ａ）〜（ｆ）は、受信コイル９の長手方向の両端の折り返し部を構成する第３配線部９ｃと第４配線部９ｄの位置関係の詳細な説明図である。

図８（ａ）に示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃの外側エッジＥｃ_１と第４配線部９ｄの外側エッジＥｄ_１との距離が離れている場合には、両者の間に隙間Ｇが形成されるため、上述した送信コイル８の回転に伴う出力変動の問題が生じる。また図８（ｂ）に示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃが第４配線部９ｄを超えて深く重なる場合には、第３配線部９ｃの内側エッジＥｃ_２と第４配線部９ｄの内側エッジＥｄ_２との間に隙間Ｇが形成されるため、送信コイル８の回転に伴う出力変動の問題が生じる。

一方、図８（ｃ）及び（ｄ）示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃの一部が第４配線部９ｄの一部と重なっている場合には、第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成されないので、送信コイル８の回転に伴う信号電圧の出力変動の問題はない。第３配線部９ｃが第４配線部９ｄと完全に重なっている場合も同様である。

また、図８（ｅ）に示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃと第４配線部９ｄが重ならない場合であっても、第３配線部９ｃの外側エッジＥｃ_１と第４配線部９ｄの外側エッジＥｄ_１が接する場合には、第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成されないので、送信コイル８の回転に伴う出力変動の問題は生じない。

さらに図８（ｆ）に示すように、受信コイル９の第３配線部９ｃと第４配線部９ｄが重ならない場合であっても、第３配線部９ｃの内側エッジＥｃ_２と第４配線部９ｄの内側エッジＥｄ_２が接する場合には、第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成されないので、送信コイル８の回転に伴う出力変動の問題は生じない。

以上のように、受信コイル９の長手方向の両端に位置するループコイルの折り返し部どうしが互いに接するか或いは重なるように構成されている場合には、送信コイル８の回転に伴う受信コイル９の出力電圧の変動を抑えることができる。

図９（ａ）は、送電コイル６と受電コイル７との磁気結合状態を説明するための略断面図であり、図９（ｂ）は、送信コイル８と受信コイル９との磁気結合状態を説明するための略断面図である。

図９（ａ）に示すように、電力系の回転トランスＴ_Ｐを構成する送電コイル６及び受電コイル７の開口部は回転軸Ｚの方向を向いており、送電コイル６及び受電コイル７と鎖交する磁束φ_１の向きは矢印Ｄ_１で示すように回転軸Ｚと平行である。

一方、図９（ｂ）に示すように、信号系の回転トランスＴ_Ｓを構成する送信コイル８及び受信コイル９の開口部は回転軸Ｚと直交する径方向を向いており、送信コイル８及び受信コイル９と鎖交する磁束φ_２の向きは、矢印Ｄ_２で示すように回転軸Ｚと直交する径方向である。このように、磁束φ_２の向きは磁束φ_１の向きと直交しているので、電力系及び信号系の回転トランスの一方の磁場が他方の磁場に与える影響を最小限に抑えることができる。

図１０は、受信コイル９の第１の変形例を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は斜視図である。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、受信コイル９は、非常に長いフレキシブル基板１３の外周に沿ってループコイルを形成した後、フレキシブル基板１３を多重（ここでは二重）に丸めて円筒体を形成したものである。なおフレキシブル基板１３の周回数は特に限定されず、何周であってもよい。図６に示すような受信コイル９を形成する場合には、ループコイルの長手方向の一端側の折り返し部を構成する第３配線部９ｃと他端側の折り返し部を構成する第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成されないようにフレキシブル基板１３の長手方向の両端の重なりを調整すればよい。このような受信コイル９によれば、ループコイルのインダクタンスを高めて磁気結合を強めることができる。

受信コイル９を多重に丸めた円筒体で構成する場合、送信コイル８も受信コイル９と同じ周回数で多重に丸めた円筒体で構成することが好ましい。ここで、図５に示すような送信コイル８を形成する場合には、ループコイルの長手方向の一端側の折り返し部を構成する第３配線部９ｃと他端側の折り返し部を構成する第４配線部９ｄとの間に隙間Ｇが形成されるようにフレキシブル基板１３の長手方向の両端の重なりを調整すればよい。

図１１は、受信コイル９の第２の変形例を示す図であって、（ａ）は展開平面図、（ｂ）は受信コイル９の斜視図、（ｃ）は受信コイル９の比較例を示す斜視図である。

図１１（ａ）に示すように、受信コイル９は、複数ターン（ここでは３ターン）のループコイルを含む平面スパイラルコイルとして構成されていてもよい。詳細には、平面スパイラルコイルの第１ターンは第１配線部９ａ_１、第２配線部９ｂ_１、第３配線部９ｃ_１、第４配線部９ｄ_１を含み、第２ターンは第１配線部９ａ_２、第２配線部９ｂ_２、第３配線部９ｃ_２、第４配線部９ｄ_２を含み、第３ターンは第１配線部９ａ_３、第２配線部９ｂ_３、第３配線部９ｃ_３、第４配線部９ｄ_３を含む。第３ターンの第２配線部９ｂ_３は、スルーホール導体９ｔ及び引き出し導体９ｆを介して端子９ｅ_２に接続されている。なお平面スパイラルパコイルのターン数は特に限定されず、何ターンであってもよい。

図１１（ｂ）に示すように、受信コイル９を３ターンの平面スパイラルコイルで構成する場合には、３本の第３配線部９ｃ_１，９ｃ_２，９ｃ_３のセットと３本の第４配線部９ｄ_１，９ｄ_２，９ｄ_３のセットとが平面視で完全に重なるか或いは接することが好ましい。例えば図１１（ｃ）に示すように第１ターンの第３配線部９ｃ_１と第１ターンの第４配線部９ｄ_１の１本ずつだけが重なる場合、送信コイル８及び受信コイル９の開口部の重なり面積の変化が大きくなるため、送信コイル８の回転に伴う出力電圧の変動を十分に抑制することができない。しかし、３本の第３配線部及び３本の第４配線部のセットどうしが完全に重なるようにした場合には、送信コイル８の回転に伴う信号電圧の出力変動を抑制することができる。

受信コイル９を図１１（ａ）及び（ｂ）のような平面スパイラルコイルとして構成する場合、送信コイル８も受信コイル９と同一ターン数の平面スパイラルコイルとして構成することが好ましい。この場合、送信コイル８は、図１１（ｃ）に示すように第１ターンの第３配線部９ｃ_１と第１ターンの第４配線部９ｄ_１の１本だけが重なるように構成してもよく、３本の第３配線部９ｃ_１，９ｃ_２，９ｃ_３と３本の第４配線部９ｄ_１，９ｄ_２，９ｄ_３とがまったく重ならないように構成してもよい。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、受信コイル９の第３の変形例を示す平面図であって、特に多層コイルの各層のパターンレイアウトを示すものである。

図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、受信コイル９は、積層方向にループコイルが重なるように層状に形成された多層コイルであってもよい。詳細には、１層目１３Ｌ_１の第１ターンのループコイルは、第１配線部９ａ_１、第２配線部９ｂ_１、第３配線部９ｃ_１、第４配線部９ｄ_１を含み、２層目１３Ｌ_２の第２ターンのループコイルは、第１配線部９ａ_２、第２配線部９ｂ_２、第３配線部９ｃ_２、第４配線部９ｄ_２を含み、３層目１３Ｌ_３の第３ターンのループコイルは、第１配線部９ａ_３、第２配線部９ｂ_３、第３配線部９ｃ_３、第４配線部９ｄ_３を含む。第１ターン及び第２ターンのループコイルの端部どうしは第１スルーホール導体９ｔ_１を介して接続され、第２ターン及び第３ターンのループコイルの端部どうしは第２スルーホール導体９ｔ_２を介して接続される。さらに、第３ターンのループコイルの終端は第３スルーホール導体９ｔ_３及び引き出し導体９ｆを介して端子９ｅ_２に接続される。

受信コイル９を図１２のような多層コイルで構成する場合、送信コイル８も受信コイル９と同一ターン数の多層コイルで構成することが好ましい。この場合、送信コイル８は、ループコイルの長手方向の両端の折り返し部を構成する第３配線部９ｃ_１，９ｃ_２，９ｃ_３と第４配線部９ｄ_１，９ｄ_２，９ｄ_３との間に隙間Ｇが形成されるようにフレキシブル基板１３の長手方向の両端の重なりを調整すればよい。

以上説明したように、本実施形態による回転型磁気結合装置１は、送信コイル８（第１コイル）及び受信コイル９（第２コイル）それぞれの開口部が回転体の回転軸Ｚの周囲を囲むように配置されたループコイルであり、ループコイルは、回転体の周方向に延在する第１及び第２配線部９ａ，９ｂと、第１配線部９ａの一端又は第２配線部９ｂの一端から回転軸Ｚ方向に折り曲げられた第３配線部９ｃと、第１配線部９ａの他端又は第２配線部９ｂの他端から回転軸方向に折り曲げられた第４配線部９ｄとを含み、送信コイル８及び受信コイル９の少なくとも一方（例えば受信コイル９）の第３配線部９ｃと第４配線部９ｄとが回転軸Ｚと直交する径方向から見て互いに接するか或いは重なるように構成されているので、回転体の回転に伴って送信コイル８及び受信コイル９の位置関係が変化しても、送信コイル８及び受信コイル９の開口部の重なり面積の変化を抑えることができ、送信コイル８及び受信コイル９間の伝達比の変化を抑制することができる。したがって、回転体に用いられる回転型磁気結合装置１において、回転体の回転によらず電力又は信号の安定した出力特性を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、図１３（ａ）に示すように送信コイル８が隙間Ｇを有する構造、受信コイル９が隙間Ｇを有しない構造としたが、本発明はこのような構造に限定されず、例えば図１３（ｂ）に示すように送信コイル８が隙間Ｇを有しない構造、受信コイル９が隙間Ｇを有する構造であってもよい。さらにまた、図１３（ｃ）に示すように送信コイル８及び受信コイル９の両方が隙間Ｇを有しない構造であってもよい。図１３（ｃ）に示すように送信コイル８及び受信コイル９の両方が隙間Ｇを有しない構造であれば、送信コイル８及び受信コイル９の開口部の重なり面積の変化を十分に抑えることができ、回転体の回転に起因する受信コイル９の出力電圧の変動をさらに抑制すると共に、両者の磁気結合を強めて伝送効率をさらに高くすることが可能である。

また、上記実施形態においては、コイル６、７からなる回転トランスを電力伝送用、コイル８、９からなる回転トランスを信号伝送用としているが、コイル６、７からなる回転トランスとコイル８、９からなる回転トランスの両方を電力伝送用としてもよい。さらには、コイル６、７からなる回転トランスとコイル８、９からなる回転トランスの両方を信号伝送用とすることも可能である。

また、上記実施形態においては、電力系の回転トランスＴ_Ｐを構成する送電コイル６及び受電コイル７が信号系の回転トランスＴ_Ｓを構成する送信コイル８及び受信コイル９よりも回転体の径方向の外側に配置されているが、径方向の内側に配置することも可能である。しかし、送信コイル８及び受信コイル９よりも径方向の外側に配置した場合には、送電コイル６及び受電コイル７の開口サイズを大きくすることができるので、より大きな電力を伝送することができる。

また、上記実施形態において、中間磁性体１０ａは、電力系と信号系に共通の磁路を提供する単一の磁性体であるが、中間磁性体１０ａを２つに分け、一方の中間磁性体を電力系の回転トランスＴ_Ｐ用の磁路、他方の中間磁性体を信号系の回転トランスＴ_Ｓ用の磁路とすることも可能である。

１回転型磁気結合装置
１Ａ送電ユニット
１Ｂ受電ユニット
２回転シャフト
２ａフランジ部
３回転ボビン
３ａ回転ボビンの上面部
３ｂ回転ボビンの外側側面部
３ｃ回転ボビンの内側側面部
４支持体
５固定ボビン
５ａ固定ボビンの底面部
５ｂ固定ボビンの外側側面部
５ｃ固定ボビンの内側側面部
６送電コイル
７受電コイル
８送信コイル
８ａ送信コイルの第１配線部
８ｂ送信コイルの第２配線部
８ｃ送信コイルの第３配線部
８ｄ送信コイルの第４配線部
８ｅ_１送信コイルの一端（端子）
８ｅ_２送信コイルの他端（端子）
９受信コイル
９ａ，９ａ_１，９ａ_２，９ａ_３受信コイルの第１配線部
９ｂ，９ｂ_１，９ｂ_２，９ｂ_３受信コイルの第２配線部
９ｃ，９ｃ_１，９ｃ_２，９ｃ_３受信コイルの第３配線部
９ｄ，９ｄ_１，９ｄ_２，９ｄ_３受信コイルの第４配線部
９ｅ_１受信コイルの一端（端子）
９ｅ_２受信コイルの他端（端子）
９ｆ引き出し導体
９ｔ，９ｔ_１，９ｔ_２，９ｔ_３，９ｔ_４スルーホール導体
１０ａ中間磁性体
１０ｂ内側磁性体
１０ｃ外側磁性体
１０ｄ上面磁性体
１０ｅ底面磁性体
１１ａ送電回路基板
１１ｂ受電回路基板
１３フレキシブル基板
１３Ｌ_１多層フレキシブル基板の１層目
１３Ｌ_２多層フレキシブル基板の２層目
１３Ｌ_３多層フレキシブル基板の３層目
１３ａフレキシブル基板の一方の長辺
１３ｂフレキシブル基板の他方の長辺
１３ｃフレキシブル基板の一方の短辺
１３ｄフレキシブル基板の他方の短辺
１３ｅ_１フレキシブル基板の長手方向の一端
１３ｅ_２フレキシブル基板の長手方向の他端
１００送電回路
１１１電源回路
１１２電圧変換回路
１２０受電回路
１３０負荷
１４０信号生成回路
１４１電源電圧発生回路
１４２発振回路
１５０制御回路
Ｄ_１電力系回転トランスの磁束の向き
Ｄ_２信号系回転トランスの磁束の向き
Ｅｃ_１第３配線部の外側エッジ
Ｅｃ_２第３配線部の内側エッジ
Ｅｄ_１第４配線部の外側エッジ
Ｅｄ_２第４配線部の内側エッジ
Ｇ隙間
Ｔ_Ｐ電力系回転トランス
Ｔ_Ｓ信号系回転トランス
Ｚ回転体の回転軸
φ_１電力系回転トランスの磁束
φ_２信号系回転トランスの磁束

Claims

回転体に用いられる回転型磁気結合装置であって、
第１コイルと、
前記第１コイルと磁気結合するように配置された第２コイルとを備え、
前記第１及び第２コイルは、それぞれの開口部が前記回転体の回転軸の周囲を囲むように配置されたループコイルであり、
前記ループコイルは、前記回転体の周方向に延在する第１及び第２配線部と、
前記第１配線部の一端又は前記第２配線部の一端から前記回転軸方向に折り曲げられた第３配線部と、
前記第１配線部の他端又は前記第２配線部の他端から前記回転軸方向に折り曲げられた第４配線部とを含み、
前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、前記回転軸と直交する径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成されていることを特徴とする回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルの一方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成され、
前記第１及び第２コイルの他方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部との間に隙間を有するように構成されている、請求項１に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルの両方は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように構成されている、請求項１に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、複数ターンのループコイルを含む平面スパイラルコイルであり、
前記径方向から見て前記複数ターンのループコイルの前記第３配線部のセットと前記第４配線部のセットとが接するか或いは重なるように構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルの少なくとも一方は、積層方向に前記ループコイルが重なるように層状に形成された多層ループコイルである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルは、フレキシブル基板に導体パターンを印刷して構成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転型磁気結合装置。
前記フレキシブル基板は、前記径方向から見て前記第３配線部と前記第４配線部とが互いに接するか或いは重なるように１周以上丸められて円筒状に形成される、請求項６に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルよりも前記径方向の外側に配置された第１磁性体をさらに備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転型磁気結合装置。
前記第１及び第２コイルよりも前記径方向の内側に配置された第２磁性体をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転型磁気結合装置。