JPH0714734U - 連係ユニットを備えた電力と信号の非接触伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固定部と運動部に備えた送信ヘッドと受信ヘ
ッドとの両者が対向した時点で電磁波により電力や情報
信号を伝送する装置において、両者の相対的な位置が大
幅に変動するような場合でも常に伝送作用を継続させる
非接触伝送装置を提供する。 【構成】 コイルとコンデンサを主要素とするヘッドの
複数を組合せた連係ユニット、例えば線状や面状に配列
した受信ヘッドに対し、その何れかに送信ヘッドの電磁
波が作用するように構成。

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、デジタル信号またはアナログ信号を電磁波を用いて非接触で伝送す る装置に関するものである。例えば、交通関係機器や車両、工作機械、ロボット 装置、搬送装置、その他諸種の自動機械などにおいて、運動体に運動側モジュー ルを、装置本体に固定側モジュールを装着し、運動側から伝送したいデジタル信 号やデジタル化されたデータ信号あるいはアナログ信号等（例へば形状、位置、 歪、圧力、温度、色彩など）の情報信号を固定側に非接触で伝送させる装置であ る。 ［従来の技術］ 電磁波により非接触で行うこの種の信号伝送装置において、従来は電力や情報 信号の伝送を直接司る送信ヘッドと受信ヘッドとの対向部分の形状として、円形 や正方形のものが一般に使用されている。故に運動側モジュールの消費電力を一 定とした場合、主に電力伝送に係わる磁気コア入りコイルや空心コイルの性能に よってヘッドからの伝送可能な距離が決定される。 従ってこのような対向ヘッド間における非接触伝送では、双方のヘッドが指定 された特定の位置関係で対向した場合にのみ最大効率が得られ、その位置よりも 少しでもずれた場合には電力の伝送効率を極端に低下することになる。 殊に運動部と固定部とが、直線状や曲線状に大きく近接離間するような機構の ものにおいては、双方のヘッドが対向しない状態が有るので、連続した電力やデ ータの伝送ができない。依ってあらかじめ指定された特定の対向位置でのみ瞬間 的な伝送を行い、他の位置ではブラインド状態とならざるを得ないのが現状であ った。 しかし、情報信号のみの授受に関しては、運動部と固定部とのアンテナにより 常時連続して送受信を行わせようとする、特開昭６０−２１６４０号公報の情報 伝送装置がみられる。 ［考案の目的］ 本考案の目的は、運動側モジュールと固定側モジュールの何れか一方から他方 に電磁波により電力や情報信号を非接触で伝送するように構成された信号伝送装 置において、これを装着する機械装置の運動体が固定体に対しその相対的な位置 関係を或程度大幅に変動するような場合においても、伝送作用を継続できる非接 触伝送装置を提供することにある。 ［考案の概要］ 本考案の連係ユニットを備えた電力と信号の非接触伝送装置は、運動側モジュ ールの動作に必要な電力を近距離を隔てゝ対向する固定側モジールから伝送させ る機能と、前記双方のモジュール間における情報信号を授受する機能とを、前記 各モジールのそれぞれに備えた送信ヘッドと受信ヘッドとから成る対向ヘッドが 互いに対向した時点で電磁波を媒体として動作させる信号伝送装置において、電 力用の前記受信ヘッドを互いに連係した複数のユニットの組合せにより構成する と共に、当該ユニットの近傍にそれぞれ情報信号用の前記送信ヘッドを装着して 構成したことを特徴とするものである。 そして前記複数の連係ユニットを所定の間隔で線状や面状に配列されて前記電 力用の受信ヘッドが構成されたことも特徴である。また前記電力および情報信号 の授受を司る前記連係ユニットを含む対向ヘッドのそれぞれを、コイルとコンデ ンサを主要素として構成されたものである。 前記電力用の受信ヘッドはコイルとコンデンサを主要素として構成し、情報信 号の授受を司る前記送信ヘッドと受信ヘッドはローディングコイルを有するアン テナを主要素として構成できることも特徴である。 さらに、前記電力用の受信ヘッドを互いに連係した複数のユニットの出力側に 、それぞれ直列に整流器を挿入して各出力を合成するように構成した非接触伝送 装置である。 殊に、前記モジュール間の間隔を近距離に制限することにより電力伝送に係る 必要電力と、受信系の入力電力の比を低減することによって、電力伝送用の送信 系と信号伝送用の受信系を同時に動作させると共に、取扱いの簡易化および小形 化をはかって同一モジュールまたは同一ユニットに実装するようにしたものであ る。 ［考案の構成と実施例］ 本考案の非接触伝送装置は、大略的に運動側モジュールと固定側モジュールと から構成され、電磁波を媒体として両モジュール間の情報信号の授受を直接司る 送信ヘッドと受信ヘッドに係るものである。 この場合、運動側モジュールの動作に必要な電力は、固定側モジュールから電 磁波によって非接触で供給される仕組みになっている。そして固定側モジュール は電灯線その他の通常の電源によって動作させる。 そして本考案の非接触伝送装置は、両モジュール間における単方向あるいは双 方向伝送の何れの方式にも適用出来るものである。 しかし、こゝで移動側モジュールの電源を非接触で伝送するための電力送信系 から信号関係の受信系への誘導妨害は大きい問題である。すなわち移動側モジュ ールの動作電源を賄う程度の電力を固定側モジュールから非接触で伝送するため には数ワット以上の出力が必要である。 他方、受信系の必要な受信電力はマイクロワットのオーダであるから、相互間 の電力比は１０，０００倍〜１００，０００倍以上にもなり、本考案のように両 者を同一モジュール内または近傍に組み込んだ場合は、受信系に対する電力伝送 系からの誘導が障害になる。 しかし当該電力比はモジュール相互間の距離に比例する。依って、相互間の距 離が小さい場合は送信電力は小さくて済み、また受信感度も低くてよいので当該 電力比が小さくなり受信系への誘導が小さくなる。 本考案では、モジュール間の距離を必要最低限（５〜１０ｍｍ程度）に抑える ことにより、この問題を解決し実用化が可能になった。 以下に説明する本考案の実施例は、説明の簡易化のために、電力は固定側モジ ュールから運動側モジュールに伝送し、情報信号は運動側モジュールから固定側 モジュールに伝送する、単方向伝送の場合について述べる。 第１図における固定側モジュールＡの主な機能は、運動側モジュールＢの動作 に必要な電力を電力送信ヘッド１から電力用搬送波ｆ_１を媒体として伝送するこ と、および運動側モジュールＢから伝送して来たＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍ ｏｄｕｒａｔｉｏｎ）信号波を信号受信ヘッド４によって受信したのち復調し、 信号出力Ｄｏとして外部に出力することである。 他方、運動側モジュールＢの主な機能は、固定側モジュールＡから電力用搬送 波ｆ_１により伝送されて来る電力を電力受信ヘッド２によって受信し、整流平滑 のゝち各部の動作電源として供給すること、および入力信号Ｄｉで信号用搬送波 ｆ_２を周波数変調してＦＭ信号波とした後、信号送信ヘッド３により固定側モジ ュールＡに向けて伝播させることである。 電力送信ヘッド１と電力受信ヘッド２、信号送信ヘッド３と信号受信ヘッド４ との各対向ヘッドは、色々な方式のものを用い得るが基本的には第２図に示すよ うなコンデンサ５を並列接続したコイル６を用いることが多い。 本考案における対向ヘッドの基本的構成は、例えば電力伝送の場合には第３図 に示す如く磁気コア７−１と７−２にそれぞれコイル６−１と６−２を巻き、こ れにコンデンサ５−１と５−２を並列接続して同調をとったもので、一方を電力 送信ヘッド１とし他方を電力受信ヘッド２として対向させて用いる。 また情報信号用の対向ヘッドについては、伝送周波数を高く選べばコイルの如 き閉鎖状のものではなく、一般のアンテナの如き開放状のものを適用することが できる。 故に電力と情報信号との伝送を同時に司る２対の対向ヘッドの基本的構成とし て、第４図に示したように情報信号の伝送用のアンテナを短くするためのローデ ィングコイル８を付加したアンテナ９−３と９−４を用いた対向ヘッドを用いる 。 すなわち、固定側モジュールＡには、電力送信ヘッド１のコイル６−１の近傍 に信号受信ヘッド４のアンテナ９−４を装備する。同様に運動側モジュールＢに は、電力受信ヘッド２のコイル６−２の近傍に信号送信ヘッド３のアンテナ９− ３が装備されて２対の対向ヘッドが構成される。 このような場合、図に例示したように電力送信ヘッド１の形状が電力受信ヘッ ド２に比較して小さくても、一般にその伝送の目的を十分に達するように設計す るのが普通である。また磁気コア７の外形や断面形状は必ずしも例示したような 直方体状に限定されるものではない。 本考案の非接触伝送装置は、第５図に例示したように、例えば機械装置の固定 部に装備された電力送信ヘッド１はそれぞれ１個のコイル６−１とコンデンサ５ −１を主要素として構成されている。そして運動部に装備される電力受信ヘッド ２は、それぞれコイル６−２とコンデンサ５−２を主要素として構成されたユニ ット１０、およびこれと同等のユニット１１と１２などの複数個が所定の間隔ご とに直線状に配列して構成されている。 そして運動部に装着された電力受信ヘッド２の各ユニット１０〜１２などが大 きなストロークで直線状に往復運動をする時、そのユニットの何れかが必ず固定 部の電力送信ヘッド１と対向するようになっている。従って所要の伝送作用が連 続的に継続されることになる。 また、第６図においてコイル６−１とコンデンサ５−１で構成した電力送信ヘ ッド１から伝送される高周波電力は、コイル６−２、６−３、６−４などにそれ ぞれ対応するコンデンサ５−２、５−３、５−４などから成る複数のユニットが 連係して構成された電力受信ヘッド２によって受信される。この受信電力が運動 側モジュールの動作回路などの電源として使用される。 ところが電力の伝送は、原理的には複数の電力受信ヘッド２の中において電力 送信ヘッド１に対向しているものゝみしか行なわれない。この場合、総てのユニ ットが常に電力用搬送波ｆ１に共振しておれば良いが（並列同調の場合には当該 周波数におけるインピーダンスが無限大になる）、実際にはヘッドが対向した場 合には両ヘッド間の相互インダクタンスの影響で共振周波数が外れてくる。 このため、電力の伝送効率を良くするためには、実際に伝送に関与しているユ ニット、すなわち電力送信ヘッド１と対向しているユニットを電力用搬送波ｆ１ に共振するように設定する必要がある。従って電力送信ヘッド１に対向していな いユニットの共振周波数は電力用搬送波ｆ１からずれていることになり、当該周 波数におけるインピーダンスは低くなる。また伝送に係わっているユニットの共 振にも影響を及ぼす。 このような場合に、第６図の如く複数の連係ユニットに整流器１３を接続し、 誘起した高周波を整流し直流化した後に合成するように構成することによって、 前記の悪影響を軽減できるという効果をもたらすものである。 以上の実施例においては、複数のユニットを所定の間隔で直線状に配列し、電 気的にはそれらを並列接続にしたものを説明した。 しかしながら本考案の装置は、複数のユニットが曲線状に配列されていても、 また平面状あるいは立体的に配列された場合にも、これらの中の少なくとも１個 と他方のヘッドとが対向するように設定してあれば、その作用効果は前述と全く 同様である。そして電気的には各ユニットを直列接続にすることもできるし、あ るいはマトリクス状に接続する場合もあり得る。 また上例では電力伝送用の対向ヘッドの構成を主に説明したが、情報信号伝送 用の対向ヘッドについては前記電力伝送用のコイルや磁気コアと一緒に信号伝送 用のコイルを巻いて構成できる。そして周波数の選定や信号受信系の感度・選択 度を向上させるなどの処置を併用することによって信号対雑音比を稼ぐことがで きる。 さきにも述べたように情報信号伝送用の対向ヘッドとしてアンテナを適用する 場合、前述のように複数のユニットを組合せた電力受信ヘッドの側においては、 その近傍に各ユニットにまたがって作用するアンテナを配備すればよい。あるい はそのアンテナを電力伝送に係わるコイルと一緒に巻き付けるなどして、電力伝 送用の各ヘッドの近傍に設置すればよい。 しかるに前述の電力受信ヘッドのように複数のユニットから成るものに対して は、アンテナもまたその各ユニットと一体に装備されることが望ましい。 第７図はユニットごとに設けた信号送信アンテナ１４およびローディングコイ ル８に対し、運動側モジュールＢの信号用搬送波ｆ_２用の出力端子に接続されて いる分岐器１５から同軸ケーブル１６を用いてそれぞれ給電処理を行う実施例で ある。 さらに第８図の方式は各ユニットのアンテナ部分を導体で接続せずに、電磁誘 導により非接触で結合させたものである。すなわち信号送信アンテナ１４の部分 を図の如くフォールデットダイポール（Ｆｏｌｄｅｄ ｄｉｐｏｌｅ） 形式の ものとし、その途中に挿入したローディングコイル８によって隣接のユニットと 結合させる。この場合のローディングコイル８は空心でもよいが磁気コア入りの 方が一般に結合効率が良い。そして中枢となるユニットに対して同軸ケーブル１ ６により信号用搬送波ｆ_２を給電する。このようにした場合のローディングコイ ル８は信号送信アンテナ１４の短縮効果と同時に結合コイルとしての役目も持つ 。またコンデンサ５を図のように併置して同調を取るように構成しても良い。 また電力送信側の効率を良くし不要な高周波の放射を少なくする目的から、複 数個の電力送信ヘッドに平均に電力を供給せず、例えば電力受信ヘッドにＬＥＤ などの光源を装着し、複数個の電力送信ヘッドのそれぞれにはフォトトランジス タなどの受光素子を設置しておき、その出力を電力マルチプレクサに印加するこ とによって複数個の電力送信ヘッドの内から電力用の受信ヘッドと対向している ものを検出し、当該ヘッドのみに電力を供給するように構成することも従来から の技術の適用によって可能である。 以上に述べた本考案の構成と実施例において、電力送信ヘッド１と電力受信ヘ ッド２の関係は大局的に可逆性が成立するので、それらの関係が逆であっても良 いことはいうまでもない。また２つのモジュールのうち、Ａを固定側、Ｂを運動 側として説明したが、双方とも固定側または運動側とする場合もあり得る。この ほか本実施例では変調方式にＦＭ変調方式を用いたが、本考案においては通常の 無線通信に用いられる各種の変調方式が殆ど適用できることは自明である。 ［考案の効果］ 従来、この種の非接触伝送装置において電力や情報信号の送信と受信用の対向 ヘッドとして、断面が円形や正方形のものを使用しており、双方のヘッドが指定 された位置で対向した場合にのみ最大効率が得られた。その位置よりも少しでも ずれた場合は伝送効率が極端に落ちるのが普通とされてきた。 しかるに本考案によれば、機構上の運動部と固定部との相対移動距離が可成り 大きい場合においても、連続して電力とデータの伝送を同時に行うことが可能と なった。殊に複数個のユニットを適宜組合せ連係させる事により、必要とする伝 送領域において大きな余裕度をとることができるようになった。 また、アンテナを含むユニットの構成は、その設置や増設に際しての無調整化 およびメンテナンスの容易化が可能となり、信頼性も向上するという効果がある 。 そしてこのような特徴は本考案の商品化に際し、量産性や在庫管理の面からも 極めて有利である。 なおこの種の装置に適用される磁気コアは、周波数特性の上から高価なフェラ イト・コアが使用される。故に広い伝送領域に対して磁気コアを実装すると、シ ステム全体の価格に占める割合が大きくなり不経済であったから、本考案によっ て大きな経済的効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本考案に係る非接触伝送装置の基本的構成例を
示すブロックダイアグラム、第２図は送信または受信ヘ
ッドの回路例を示す配線図、第３図と第４図は対向ヘッ
ドの基本的構成図、第５図は実施例における対向ヘッド
の構成図そして第６図はその電気回路図である。また第
７図と第８図は他の実施例における複数のユニットの構
成図である。 Ａは固定側モジュール、 Ｂは運動側モジュール、１は
電力送信ヘッド、 ２は電力受信ヘッド、３は信号送
信ヘッド、 ４は信号受信ヘッド、５はコンデンサ、
６はコイル、７は磁気コア、 ８はロー
ディングコイル、９−３は信号送信アンテナ、９−４は
信号受信アンテナ、１０、１１、１２、はユニット、
１３は整流器、１４は信号送信アンテナ、
１５は分岐器、１６は同軸ケーブル、

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 （１） 運動側モジュールの動作に必要な電力を近距離
   を隔てゝ対向する固定側モジールから伝送させる機能
   と、前記双方のモジュール間における情報信号を授受す
   る機能とを、前記各モジールのそれぞれに備えた送信ヘ
   ッドと受信ヘッドとから成る対向ヘッドが互いに対向し
   た時点で電磁波を媒体として動作させる信号伝送装置に
   おいて、電力用の前記受信ヘッドを互いに連係した複数
   のユニットの組合せにより構成すると共に、当該ユニッ
   トの近傍にそれぞれ情報信号用の前記送信ヘッドを装着
   して構成したことを特徴とする連係ユニットを備えた電
   力と信号の非接触伝送装置 （２） 前記複数の連係ユニットを所定の間隔で線状や
   面状に配列されて前記電力用の受信ヘッドが構成された
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の連係ユニ
   ットを備えた電力と信号の非接触伝送装置 （３） 前記電力および情報信号の授受を司る前記連係
   ユニットを含む対向ヘッドのそれぞれを、コイルとコン
   デンサを主要素として構成されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の連係ユニットを備えた電力と信
   号の非接触伝送装置 （４） 前記電力用の受信ヘッドはコイルとコンデンサ
   を主要素として構成し、情報信号の授受を司る前記送信
   ヘッドと受信ヘッドはローディングコイルを有するアン
   テナを主要素として構成されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の連係ユニットを備えた電力と信号
   の非接触伝送装置 （５） 前記電力用の受信ヘッドを互いに連係した複数
   のユニットの出力側に、それぞれ直列に整流器を挿入し
   て各出力を合成するように構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の連係ユニットを備えた電力と
   信号の非接触伝送装置