JPWO2015108152A1 - 回転体非接触給電装置およびトルクセンサ - Google Patents

Abstract

回転体非接触給電装置は、軸受により支持された回転軸に固定されて該回転軸と一体に回転し、受電側回路部品が実装される受電側基板と、基板面が受電側基板の基板面と対向するように軸受を保持する保持部に固定され、電源が接続されると共に送電側回路部品が実装される送電側基板と、を備え、送電側基板の表裏基板面の内、受電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた複数ターンの送電側コイルが導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には送電側回路部品が実装され、受電側基板の表裏基板面の内、送電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた１ターン以上の受電側コイルが導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には受電側回路部品が実装され、送電側コイルと受電側コイルとが磁気的に結合して、送電側基板から受電側基板へと非接触により電力を給電する。

Description

本発明は、回転体に適用される回転体非接触給電装置およびトルクセンサに関する。

従来、電動アシスト自転車では、自転車のクランク軸に加わる回転トルクを非接触で検出し、ペダルの踏力をモータの駆動力でアシストするようにしている。回転トルクを検出する方法としては、例えば、クランク軸の外周表面等に磁気異方性を付与した磁歪検出層を形成し、その外周に一定の隙間をあけてコイルを配設した磁歪式トルクセンサが知られている（特許文献１参照）。

また、回転軸に加わるトルクを計測する一般的な方法として、回転軸の歪みを歪みゲージにより計測して回転軸に加わるトルクを計測する歪みセンサ方式のトルク計測方法が知られている。

日本国特開平９−９５２８９号公報

歪みゲージを用いるトルクセンサは、磁歪式トルクセンサよりも小型化、高精度化、低コスト化の点で優れている。しかしながら、歪みゲージ式トルクセンサの場合には、回転軸に取り付けられた歪みゲージに電力を供給する必要があるため、無線にて給電を行う非接触給電装置が必要となる。また、回転軸に設けられた歪みゲージから無線によりデータ伝送を行う必要がある。

さらに、無線給電を行う場合、電動アシスト自転車のクランク軸に受電側のコイルを設けるので給電効率を維持しつつ小型化を図る必要がある。

本発明の態様によると、回転体非接触給電装置は、軸受により支持された回転軸に固定されて該回転軸と一体に回転し、受電側回路部品が実装される受電側基板と、基板面が受電側基板の基板面と対向するように軸受を保持する保持部に固定され、電源が接続されると共に送電側回路部品が実装される送電側基板と、を備え、送電側基板の表裏基板面の内、受電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた複数ターンの送電側コイルが導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には送電側回路部品が実装され、受電側基板の表裏基板面の内、送電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた１ターン以上の受電側コイルが導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には受電側回路部品が実装され、送電側コイルと受電側コイルとが磁気的に結合して、送電側基板から受電側基板へと非接触により電力を給電する。

本発明によれば、小型で給電効率に優れた回転体非接触給電装置、および、その回転体非接触給電装置を備えるトルクセンサを提供することができる。

図１は、本発明に係るトルクセンサの一実施の形態を示す図である。 図２は、トルクセンサの全体構成を示す斜視図である。 図３は、トルクセンサの取り付け構造の他の例を示す図である。 図４は、トルクセンサの回路構成を示すブロック図である。 図５は、アシスト制御部２７と固定側基板３１に設けられた送電部４１０との間のデータ伝送動作を説明する図である。 図６は、外部ノイズ等の飛び込みによる誤動作を抑えるための、固定側基板３１の各端子処理の一例を示す図である。 図７は、固定側基板３１を示す図である。 図８は、回転側基板３２を示す図である。 図９は、送電側コイルである給電コイル３１０ａおよび共鳴コイル３１０ｂの詳細を示す模式図である。 図１０は、アンテナパターンの配置を説明する断面図である。 図１１は、アンテナパターンと伝達特性（伝送特性）との関係を示す図である。 図１２は、歪みセンサ部３３を示す図である。 図１３は、フレキシブルケーブル３３２の回転側基板３２への接続形態を説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明に係るトルクセンサの一実施の形態を示す図であり、トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車１の概略構成を示す図である。

電動アシスト自転車１は、フレーム１１の前部に前輪１２およびハンドル１３を備え、後部に後輪１４を備えている。サドル１５を備えるシートチューブ１６の下端には、軸受を保持するボトムブラケット１８が設けられている。クランク軸１７はボトムブラケット１８の軸受により支持されている。クランク軸１７にはチェーンホイール１９およびクランクアーム２０が取り付けられ、クランクアーム２０にはペダル２１が設けられている。チェーンホイール１９と後輪１４に設けられたスプロケット２２との間には、ローラーチェーン２３が掛け回されている。クランク軸１７の回転は、ローラーチェーン２３により駆動輪である後輪１４へと伝達される。

さらに、電動アシスト自転車１にはアシスト用のモータ２４が設けられている。このモータ２４によりクランク軸１７に設けられた原動スプロケット２５を回転駆動することにより、ペダル２１の踏み込み力が軽減される。後述するように、電動アシスト自転車１には、クランク軸１７に作用するトルクを計測するためのトルクセンサ（不図示）が設けられている。アシスト制御部２７は、計測されたトルクに応じてアシスト量を決定し、必要アシスト量分だけモータ２４を駆動する。

シートチューブ１６には、モータ２４に電力を供給するバッテリ２６が取り付けられている。アシスト制御を行うアシスト制御部２７とモータ２４との間には、電源供給用のケーブル２８が接続されている。また、アシスト制御部２７とトルクセンサに設けられた回転側基板（不図示であるが詳細は後述する）との間には電源供給とデータ信号伝達のためのケーブル２９が接続されている。

図２は、トルクセンサの全体構成を示す斜視図である。トルクセンサ３０は、ボトムブラケット１８に固定される固定側基板３１と、クランク軸１７に固定されてクランク軸１７と一体に回転する回転側基板３２および歪みセンサ部３３を備えている。ボトムブラケット１８には、クランク軸１７を支持する軸受（不図示）が設けられている。略リング形状の固定側基板３１は、スペーサ３４を介してボトムブラケット１８にネジ止めされている。クランク軸１７は、固定側基板３１の貫通孔３１１に隙間を介して貫挿される。略リング形状の回転側基板３２は、クランク軸１７の外周面に固定されている。回転側基板３２の固定方法については、例えば、基板ホルダをクランク軸１７に固定し、その基板ホルダに回転側基板３２を固定するようにしても良い。

回転側基板３２は、クランク軸１７に対して基板面がほぼ垂直になるように固定されている。固定側基板３１と回転側基板３２とは僅かな隙間を介してほぼ平行に配置されており、固定側基板３１および回転側基板３２の互いの対向面には、アンテナパターンが銅パターン等により形成されている。３１０は固定側基板３１に形成されているアンテナパターンである。固定側基板３１および回転側基板３２のアンテナパターンが形成された面と反対側の面には、それぞれトルクセンサ３０を構成する回路部品、およびそれらを接続する配線パターンが設けられている。上述したスペーサ３４は、固定側基板３１に実装された回路部品がボトムブラケット１８に接触するのを防止するために設けられている。

歪みセンサ部３３は、クランク軸１７に貼付される検出部３３１と、検出部３３１と回転側基板３２とを接続するフレキシブルケーブル３３２とを備えている。検出部３３１にはＡＤコンバータが内蔵されており、歪み量に対応した検出電圧はＡＤコンバータによりデジタル信号に変換され検出部３３１から出力される。フレキシブルケーブル３３２は、回転側基板３２に設けられたコネクタ３２１に接続される。

図３は、トルクセンサ３０の取り付け構造の他の例を示す図である。図３に示す例では、クランク軸１７を支持する軸受１８１が保持されるボトムブラケット１８には、回転側基板３２および歪みセンサ部３３を収納するための収納空間１８２が形成されている。クランク軸１７を軸受１８１に装着すると、回転側基板３２および歪みセンサ部３３が収納空間１８２に収納される。固定側基板３１は、ボトムブラケット１８の端面にネジ止めされる。

図４は、トルクセンサ３０の回路構成を示すブロック図である。図４において、送電部４１０から受電部４２０に電力が供給される。送電部４１０は図２の固定側基板３１に設けられ、受電部４２０は回転側基板３２に設けられる。図４に示すトルクセンサ３０では、送電部４１０と受電部４２０とにより非接触給電装置が構成される。

送電部４１０は、発振器４１１と、送電側コイルである給電コイル３１０ａおよび共鳴コイル３１０ｂと、復調回路４１２と、クロック（ＣＬＫ）生成部４１３と、変調部４１４と、ドライバ４１５とを備えている。図２に示したアンテナパターン３１０は、給電コイル３１０ａのパターンと共鳴コイル３１０ｂのパターンとで構成されている。なお、図４では、平面状に巻き回された給電コイル３１０ａおよび共鳴コイル３１０ｂのコイル面が互いに対向するように記載しているが、後述するように、給電コイル３１０ａは共鳴コイル３１０ｂの外周側の同一面内に配置されている。

受電部４２０は、受電側コイル（負荷コイルとも呼ばれる）４２１と、受電側コイル４２１に直列に接続された共振用コンデンサ４２２（共振容量）と、整流回路４２３と、ローパスフィルタ４２４と、電源回路４２５と、負荷変調回路４２６と、クロック（ＳＣＬＫ）生成部４２７と、ＲＥＱ検波部４２８とを備えている。受電側コイル４２１と共振用コンデンサ４２２とが直列接続されて直列共振回路を形成している。その直列共振回路に、整流回路４２３と電源回路４２５を介して歪みセンサ部３３が接続されている。なお。受電側コイル４２１のターン数は１ターンでも、複数ターンでも良い。

ローパスフィルタ４２４は、インダクタ４２４ａおよびコンデンサ４２４ｂを備えている。負荷変調回路４２６は、スイッチング素子４２６ａ、コンデンサ４２６ｂおよび抵抗４２６ｃを備えている。歪みセンサ部３３からの歪みデータ信号（ＡＤ変換後の歪みデータ信号）は、負荷変調回路４２６の抵抗４２６ｃを介してスイッチング素子４２６ａのゲートに入力される。

図４では図示を省略したが、共鳴コイル３１０ｂの共振の容量成分をコイル巻き線間の浮遊容量（寄生容量）のみとすると、共振周波数の調整が煩雑であるため、本実施の形態では、後述するように共鳴コイル３１０ｂには共振容量（コンデンサ）が接続されている（図９参照）。ドライバ４１５は、発振器４１１からの信号に基づいて給電コイル３１０ａに給電を行う。給電コイル３１０ａは、共鳴コイル３１０ｂの自己インダクタとコイル巻き線間の浮遊容量および共振容量とにより決まる自己共振周波数に等しい周波数（例えば、１６．３８４ＭＨｚ）で給電される。

共鳴コイル３１０ｂは電磁誘導作用により自己共振周波数に等しい周波数で励振され、共鳴コイル３１０ｂに大きな電流が流れ強い磁界が発生する。共鳴コイル３１０ｂのインダクタンス値をＬ、容量をＣ（共振用コンデンサの容量も含む）とすると、コイルの自己共振周波数ｆは次式（１）で求められる。
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ)） …（１）

共鳴コイル３１０ｂに近接して受電部４２０の受電側コイル４２１を配置すると、共鳴コイル３１０ｂからの強い磁界が受電側コイル４２１と磁気的に結合し、受電側コイル４２１の両端子間に起電力が発生する。発生した起電力は整流回路４２３により直流電圧に整流され、ローパスフィルタ４２４を介して電源回路４２５に入力される。整流回路４２３の後段にローパスフィルタ４２４を設けることにより、整流効率の向上を図ることができる。電源回路４２５は、整流回路４２３より出力される電圧を歪みセンサ部３３が必要とする一定の電圧値に変換し、歪みセンサ部３３に供給する。

本実施の形態では、クランク軸１７に掛かっているトルクを検出する方法として、歪みセンサ（歪みゲージ）でクランク軸の歪みを検出してトルクを検出するような構成としている。歪みセンサを用いたトルクセンサは、例えば磁歪式センサを用いる従来のトルクセンサに比べて、小型化、精度、コスト等の点で優れているが、電力を供給する必要がある。歪みセンサは回転側のクランク軸に設けられるため、ブラシ等の接点を用いた給電では耐久性やブラシの接触ノイズ等に問題があるため、無線での給電が要求される。

本実施の形態では、上述のように、回転側基板３２に設けられた受電部４２０は、送電部４１０から送電された電力を、送電側の共鳴コイル３１０ｂと受電側コイル４２１との磁気的な結合により非接触で受電することが可能となる。また、受電側は受電側コイル４２１のみで受電可能であることから、受電部４２０すなわち回転側基板３２の小型化を図ることが可能である。

次いで、受電部４２０から送電部４１０への歪みデータの伝送について説明する。本実施の形態におけるデータ伝送では、消費電力が小さく回路構成が簡単な負荷変調方式を用いている。負荷変調方式はＩＣカード等にも採用されているが、上述した本実施の形態における非接触給電（無線給電）では、ＩＣカードの場合に比べてコイル間の結合が格段に強い。

従来は、図４の二点鎖線で示す点Ｈ１に負荷変調回路が接続されているが、結合が強い場合には、アンテナパターン（コイル３１０ａ，３１０ｂおよび４２１を構成する基板上のパターン）が形成された基板３１，３２間の距離の変動や、アンテナパターンの近傍に位置するクランク軸１７の材質等によりインピーダンス変動が大きくなり、負荷変調の変調度合いが大きく変化するという問題が発生する。変調度合いが大きいと給電効率が大きく低下し、受電部４２０における回路動作ができなくなるおそれがある。

そのため、磁気結合の度合いがそれほど強くない場合には従来の配置でも良いが、磁気結合が強い本実施の形態では、整流回路４２３とローパスフィルタ４２４との間の点Ｈ２に、負荷変調回路４２６を接続して負荷変調をかけるような構成とした。歪みデータを受電部４２０から送電部４１０へ伝送する場合には、歪みセンサ部３３から負荷変調回路４２６へ歪みデータ信号を入力する。スイッチング素子４２６ａは、歪みデータ信号に応じてオンオフ動作する。このオンオフ動作により受電側のインピーダンスが変動し、送電部４１０からの搬送波（交流磁界）に対する反射を変化させる。すなわち、受電側コイル４２１で反射された搬送波は、インピーダンス変動に応じて振幅が変動する。送電部４１０では、反射された搬送波を復調回路４１２で復調処理し、歪みデータを取得する。

負荷変調回路を従来の点Ｈ１に接続した場合に比べて、点Ｈ２に負荷変調回路４２６を接続した場合、負荷変調回路４２６と受電側コイル４２１との間に整流回路４２３が存在するため、負荷変調によるインピーダンス変動が抑制される。その結果、磁気結合が強い本実施の形態の場合であっても、変調度が大きくなりすぎて給電効率が大きく低下するのを防止することができる。

次に、データ伝送の同期方法について説明する。クロック（ＣＬＫ）生成部４１３は、発振器４１１から出力された信号を分周してクロック信号（ＣＬＫ）を生成している。例えば、発振器４１１から出力される１６．３８４ＭＨの信号を分周して、１６ｋＨｚのクロック信号を生成する。送電部４１０は、そのクロック信号（ＣＬＫ）に基づいて動作する。一方、受電部４２０では、受電側コイル４２１で受信した交流信号（搬送波）を、クロック（ＳＣＬＫ）生成部４２７において分周することによって、クロック信号（ＣＬＫ）と同一周波数のクロック信号（ＳＣＬＫ）を生成している。受電部４２０は、クロック信号（ＳＣＬＫ）に基づいて動作する。

受電部４２０から送電部４１０への歪みデータの伝送は、図１に示したアシスト制御部２７からのリクエスト信号（ＲＥＱ）に基づいて行われる。図５は、アシスト制御部２７と固定側基板３１に設けられた送電部４１０との間のデータ伝送動作を説明する図である。クランク軸１７に貼付された歪みセンサ部３３からの歪みデータ（ＤＡＴＡ）は、回転側基板３２の受電部４２０を介して固定側基板３１の送電部４１０にて受信され、さらに、固定側基板３１に接続されたアシスト制御部２７に伝送される。アシスト制御部２７は、伝送された歪みデータから人力によるペダル踏力を算出し、アシスト用モータ２４のアシスト量を決定する。

図５（ａ）に示すように、アシスト制御部２７から、歪みデータを要求するリクエスト信号（ＲＥＱ）が送電部４１０に出力（立下り動作）される。図４に示すように、リクエスト信号（ＲＥＱ）は送電部４１０の変調部４１４に入力され、給電コイル３１０ａへの給電信号をリクエスト信号（ＲＥＱ）により変調する。このような変調を行うことにより変調前後で送電電力量が変化するので、その変化を受電側のＲＥＱ検波部４２８で検出することによりデータ伝送のトリガとして利用する。すなわち、リクエスト信号（ＲＥＱ）の入力により、ドライバ４１５は変調部４１４を制御してデータ伝送のトリガを生成する。

このリクエスト信号（ＲＥＱ）で変調された交流信号を受信した受電部４２０は、リクエスト信号（ＲＥＱ）検波部４２８によりリクエスト信号（ＲＥＱ）を抽出し、クロック（ＳＣＬＫ）生成部４２７および歪みセンサ部３３に入力する。クロック（ＳＣＬＫ）生成部４２７は、リクエスト信号（ＲＥＱ）の立ち下がりに同期してクロック信号（ＳＣＬＫ）を歪みセンサ部３３に供給する。歪みセンサ部３３に設けられたＡＤコンバータは、このクロック信号（ＳＣＬＫ）に基づき動作する。歪みセンサ部３３は、クロック信号（ＳＣＬＫ）の立ち上がりから所定周期後（図５では４周期後）より、歪みデータ信号を出力する。

固定側基板３１に設けられた送電部４１０は、図５に示すように、受電部４２０から受信して復調回路４１２で復調した歪みデータ（ＤＡＴＡ）と、クロック信号（ＳＣＬＫ）に同期したクロック信号（ＣＬＫ）をアシスト制御部２７に出力する。

上述した実施の形態では、リクエスト信号（ＲＥＱ）の立下りに同期してクロック信号（ＳＣＬＫ）をスタートするようにしているが、例えば、リクエスト信号（ＲＥＱ）によらずクロックを常時動作させている場合、リクエスト信号（ＲＥＱ）の立下りとクロック信号（ＳＣＬＫ）の同期が取れない。そのため、リクエスト信号（ＲＥＱ）の立下りのタイミングからデータ出力までの時間はクロック信号（ＳＣＬＫ）の１周期分内でずれが生じ、データ取得に誤動作が発生してしまう可能性がある。

これに対し、本実施の形態では、クロック信号（ＳＣＬＫ）はリクエスト信号（ＲＥＱ）の立下りのタイミングでスタートするようにしているので、リクエスト信号（ＲＥＱ）とクロック信号（ＳＣＬＫ）の同期が取れる。その結果、リクエスト信号（ＲＥＱ）の立下りのタイミングからデータ出力までの時間ずれを改善することが可能となる。

なお、図５におけるリクエスト信号（ＲＥＱ）の周期およびクロック信号（ＳＣＬＫ）の周期の一例を示すと、リクエスト信号（ＲＥＱ）は２５０ｍｓ、クロック信号（ＳＣＬＫ）は６２.５μｓ程度である。

図６は、外部ノイズ等の飛び込みによる誤動作を抑えるための、固定側基板３１の各端子処理の一例を示したものである。電源ラインにおいては、比較的容量値の大きいコンデンサ６１で高周波接地を行うことで、電源ラインへのノイズ飛び込みを押さえている。また、リクエスト信号（ＲＥＱ）のラインにおいては、直列に抵抗６２を挿入することでノイズ飛び込みの影響を小さくしている。なお、電源ラインから抵抗６３を介してリクエスト信号バイアスを加えているのは、リクエスト信号（ＲＥＱ）は立下り動作であり、アシスト制御部２７側のリクエスト信号（ＲＥＱ）出力がオープンドレインタイプであっても対応可能なようにするためである。

また、クロック（ＣＬＫ）信号端子、ＤＡＴＡ信号端子は、信号周波数に対しては高く、飛び込みノイズに対しては十分低いインピーダンスとなる容量６４，６５で接地するとともに、直列に抵抗６６，６７を挿入することでノイズの飛込みを抑える構成としている。図６の構成は小容量による接地と直列抵抗の挿入であるが、小容量による接地もしくは直列抵抗の挿入のどちらかであってもよく、図６の構成に限定されるものではない。

図７は固定側基板３１を示す図である。図７（ａ）は、送電側の回路部品が実装される実装面を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の実装面とは反対側の面であって、アンテナパターン３１０（図２参照）が形成されているパターン面を示している。

図７（ａ）に示すように、円形状の固定側基板３１の中央には、クランク軸１７（図２参照）が貫挿される貫通孔３１１が形成されている。固定側基板３１の基板外周には、基板取り付け用の貫通孔３１３ａ，３１３ｂ，３１３ｃが形成されている。なお、貫通孔３１３ａ，３１３ｂ，３１３ｃの配置については、例えば、複数の貫通孔３１３ａ，３１３ｂ，３１３ｃと貫通孔３１１の中心（即ち、コイル３１０ａ，３１０ｂの中心）との距離を互いに異ならせるようにしても良い。それにより、固定側基板３１をボトムブラケット１８に固定する際に、間違った角度配置で取り付けられてしまうのを防止することができる。

回路部品３１６ａ〜３１６ｊは、貫通孔３１１を囲むように実装面に実装されている。回路部品３１６ｉは図１に示したケーブル２９が接続されるコネクタであり、ケーブル２９は図の矢印方向に抜き差しされる。

図７（ｂ）では、アンテナパターン３１０は、固定側基板３１のリング形状部に示したハッチングを施した領域３１２に形成されている。アンテナパターン３１０は、固定側基板３１のリング形状部に銅パターンによりパターニングされている。前述したように（図４参照）、アンテナパターン３１０は、給電コイル３１０ａのパターンと共鳴コイル３１０ｂのパターンとから成る。

また、固定側基板３１の内周側の縁近傍には、貫通孔３１１の回りを１周するループ状のグラウンドパターン（ＧＮＤパターン）３１５が形成されている。貫通孔３１１には、図２に示したように金属製のクランク軸１７が挿入されるので、グラウンドパターン３１５を形成することで、クランク軸１７のアンテナパターン３１０（給電コイル３１０ａ，共鳴コイル３１０ｂ）への磁気的な影響を低減することができる。なお、グラウンドパターン３１５は伝送損失に影響するので、アンテナパターン３１０からの距離を可能な限り大きく設定するのが好ましい。また、回路部品間を接続する配線パターンの引き回しは、アンテナパターン３１０との磁気的な干渉を避ける意味で、貫通孔３１１を一周するループ状とならないようにする必要がある。

図８は、回転側基板３２を示す図である。図８（ａ）は、受電側の回路部品が実装される実装面を示している。図８（ｂ）は、回転側基板３２の断面を示している。図８（ｃ）は、図８（ａ）の実装面とは反対側の面であって、アンテナパターン（受電側コイル４２１のパターン）が形成されているパターン面を示している。

図８（ａ）に示すように、回転側基板３２の中央には、クランク軸１７（図２参照）が貫挿される貫通孔３２４が形成されている。例えば、この貫通孔３２４にクランク軸１７を嵌め合わせることにより、回転側基板３２がクランク軸１７に対して垂直に固定される。コネクタ３２１，回路部品３２５ａ〜３２５ｇは、貫通孔３２４を囲むように実装面に実装されている。回転側基板３２はクランク軸１７と一体に回転するので、回転側基板３２に作用する遠心力の大きさがバランスするように、すなわち、遠心力の大きさが回転対称となるように、コネクタ３２１，回路部品３２５ａ〜３２５ｇおよびそれらを接続する配線を配置するのが好ましい。また、コネクタ３２１は、図８（ｂ）に示すように、フレキシブルケーブル３３２を基板面に垂直方向（クランク軸１７の軸方向）に抜き差しするような構成となっている。このような構成とすることで、遠心力によりフレキシブルケーブル３３２の接続が外れてしまうのを防止している。

回転側基板３２のパターン形成面には、ハッチングを施した領域３２２に受電側コイル４２１のアンテナパターンが形成されている。なお、図示は省略したが、回転側基板３２にも、固定側基板３１の場合と同様に、ハッチング領域３２２よりも内周側にループ状のグラウンドパターンが形成されている。また、パターン形成面のアンテナパターンとの磁気的な干渉を避ける意味で、回路部品間を接続する配線パターンの引き回しは、貫通孔３２４を一周するループ状とならないようにする必要がある。

なお、貫通孔３２４に形成されている切り欠き３２３は、回転側基板３２をクランク軸１７に装着する際に、クランク軸１７の外周面に貼付された検出部３３１（図２参照）が干渉するのを防止するために形成されているものである。切り欠き３２３を形成することで、組立性の向上が図れる。

図９は、送電側コイルである給電コイル３１０ａおよび共鳴コイル３１０ｂの詳細を示す模式図である。なお、図９では、コイルパターン形状が分かりやすいように、パターン間隙間を実際よりも拡大して示している。前述したように、共鳴コイル３１０ｂには共振容量としてのコンデンサ３１７が設けられている。共鳴コイル３１０ｂは、複数ターンの渦巻き状コイルとなっている。一方、発振器４１１が接続される給電コイル３１０ａは、共鳴コイル３１０ｂの外周側にパターニングされている。給電コイル３１０ａは、複数ターン（巻き数が２巻き以上）の渦巻き状パターンにより形成されている。

本実施の形態のコイルは磁気共鳴方式のコイルであるが、磁気共鳴方式は電磁誘導方式に比べて、伝送効率、伝送距離、コイルの位置ずれ等の点で優れている。また、磁気共鳴を利用しているため、受電側コイルが小型化できる、干渉結合が小さい（すなわち、ノイズの影響が小さい）、金属筐体等による効率低下が小さい等のメリットを有している。しかし、伝送周波数（コイルの自己共振周波数）に対してコイル形状が小さくなると伝送効率が低下しやすい。これは、コイル小型化により給電コイルのインダクタンス値が低下し、共鳴コイルとの磁気結合が不足するためと考えられる。電動アシスト自転車に適用するトルクセンサの場合、伝送周波数の波長が１０〜２０ｍ程度であるのに対してコイル径が数センチと小さくなるので伝送効率の低下が顕著となりやすい。

そこで、本実施の形態では、図９に示したように給電コイル３１０ａを共鳴コイル３１０ｂの外周側に配置し、さらに、ターン数を複数とすることにより給電コイル３１０ａのインダクタンス値の低下を防止し、給電コイル３１０ａと共鳴コイル３１０ｂとの磁気結合の低下を抑制するようにした。また、固定側基板３１に形成された貫通孔３１１には金属製のクランク軸１７が貫通するが、図９のように給電コイル３１０ａを外周側に配置することにより、クランク軸１７の磁気的影響を低減することができ、このことも給電効率の低下を抑制できる一因となっている。

さらに、共鳴コイル３１０ｂおよび受電側コイル４２１の各コイル面を対向配置することにより、効果的な磁気結合を行わせることができ、伝送効率の向上を図ることができる。また、データ伝送におけるノイズの影響を考慮した場合、磁気共鳴方式の方がＱ値（＝f0/ BW、f0：中心周波数、BW：中心周波数f0の有する利得から−３dBとなる帯域幅））が大きくなるので、伝送効率が向上すると共にノイズの影響を受けにくい。ただし、Ｑ値が大きいと通信の帯域が狭くなるので、歪みデータを回転側基板３２から固定側基板３１に伝送する本実施の形態においては、データ送信側である受電側コイル４２１のＱ値を、データ受信側である共鳴コイル３１０ｂのＱ値よりも大きくするのが好ましい。

図１０は、アンテナパターンの配置を説明する断面図である。前述したように（図２参照）、固定側基板３１と回転側基板３２とは、互いのアンテナパターンが形成された面が対向するように配置されている。共鳴コイル３１０ｂと受電側コイル４２１とは磁気的に結合することにより電力の授受およびデータの授受を行うので、コイル面同士が対向するように基板３１，３２を配置し、共鳴コイル３１０ｂと受電側コイル４２１との距離を狭くするのが伝達効率の点で好ましい。そのため、固定側基板３１および回転側基板３２は、アンテナパターンが形成された面が対向するように配置されている。固定側基板３１には、アンテナパターン３１０として給電コイル３１０ａ，共鳴コイル３１０ｂのパターンが形成されており、回転側基板３２にはアンテナパターンとして受電側コイル４２１のパターンが形成されている。

なお、固定側基板３１および回転側基板３２は、それらに形成されているアンテナパターンの中心（すなわちコイル中心）がクランク軸１７の軸Ｊと一致するように配置されている。また、図１０では、アンテナパターンの配置が分かりやすいように、各パターンのターン数については正確には記載していない。

ところで、対向配置されたコイルの磁気結合をより効率的とするためには、以下のようなパターン配置とするのが好ましい。ここで、固定側基板３１における共鳴コイル３１０ｂの内周半径をＲａ、外周側に配置された給電コイル３１０ａの外周半径をＲｂとし、回転側基板３２における受電側コイル４２１の内周半径をＲｃ、外周半径をＲｄとする。また、固定側基板３１および回転側基板３２の外周側半径をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。なお、基板３１，３２が円形でない場合には、半径Ｒ１，Ｒ２は、基板の縁の内、アンテナパターン中心から最も距離の短い縁までの距離とする。

そして、Ｒｃ＞Ｒａの場合にはＲｂ＞Ｒｃのように設定するのが好ましく、Ｒａ＞Ｒｃの場合にはＲｄ＞Ｒａのように設定するのが好ましい。すなわち、Ｒａ〜Ｒｄは、送電側コイルの領域Ｈ１と受電側コイルの領域Ｈ２とは径方向に関して完全にずれないように設定され、少なくとも一部が対向するように設定されている。好ましくは、送電側の共鳴コイル３１０ｂの平均径と、受電側の受電側コイル４２１の平均径とを等しくするのが良い。

さらに、金属で形成されたクランク軸１７の磁気的な影響を抑えるためには、アンテナパターンをクランク軸１７からできる限り遠ざけるのが望ましい。例えば、クランク軸１７の半径をＲｓとした場合、Ｒａ−Ｒｓ＞Ｒ１−Ｒｂ、Ｒｃ−Ｒｓ＞Ｒ２−Ｒｄ、のように設定するのが好ましい。

図１１は、アンテナパターンと伝達特性（伝送特性）との関係を示す図である。図１１（ａ）は、アンテナパターンの幅寸法と伝達特性との関係のシミュレーション結果を示すグラフであり、図１１（ｂ）はアンテナパターンを模式的に示したものである。Ｐは隣り合うパターン間のピッチであって、Ｗはパターン幅寸法である。なお、図１１（ａ）の横軸はピッチＰとパターン幅Ｗとの比（Ｗ／Ｐ）である。ここでは、ピッチＰは一定であって、Ｐ＝３ｍｍの場合について説明する。

一般的に、パターン幅Ｗを大きくすると抵抗が下がるので伝達特性が高くなると考えられる。しかしながら、シミュレーションの結果、隣接するパターン同士が影響し合う近接効果によって、パターン間隔が狭くなると伝達特性が悪くなることが分かった。図１１（ａ）に示すように、Ｗ／Ｐ＝３／６においてはパターン幅Ｗとパターン間の隙間寸法とが等しくなるが、Ｗ／Ｐを３／６よりも小さくした方が伝達特性が高くなっており、Ｗ／Ｐを小さくするほど伝達特性が良くなっている。図１１（ａ）に示すシミュレーション結果では、Ｗ／Ｐ＝３／６までしか計算していないが、さらにパターン幅Ｗを小さくして比Ｗ／Ｐを小さくすると、コイル抵抗増加の影響が大きくなり伝達特性は低下することが分かっている。このように、隣接パターンとの近接効果を抑えるためには、コイルのパターン幅Ｗよりもコイル隙間（Ｐ−Ｗ）を大きくするのが好ましい。

図１２は歪みセンサ部３３を示す図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。歪みゲージを内蔵するセンサチップ３３３は薄い金属板（例えばステンレス製の薄板）３３４上に貼付されている。センサチップ３３３には、歪みゲージの他に、歪み計測に必要な回路および歪み量信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等が組み込まれている。フレキシブルケーブル３３２の一端は金属板３３４上に貼付され、ワイヤ３３５によりセンサチップ３３３とフレキシブルケーブル３３２の配線パターン（不図示）とが接続されている。フレキシブルケーブル３３２は例えばフレキシブルプリント基板等により構成されており、フレキシブルケーブル３３２の他端は、複数の端子３３６が設けられたコネクタ接続部３３７となっている。センサチップ３３３、ワイヤ３３５、およびフレキシブルケーブル３３２のワイヤ接続部は、封止樹脂３３８によりモールドされている。

なお、図１２（ａ）では、チップ配置等が分かり易いように、封止樹脂３３８を省略し、その配置を想像線（二点鎖線）で示した。金属板３３４の裏面側は、歪みの被測定対象であるクランク軸１７の表面に貼り付けられる。その場合、クランク軸１７の外周面の一部を平面状に加工し、その平面に検出部３３１の金属板３３４を貼付する。クランク軸１７に歪みが生じると金属板３３４およびセンサチップ３３３が変形し、歪み量が計測される。

図１３は、フレキシブルケーブル３３２の回転側基板３２への接続形態を説明する図であり、歪みセンサ部３３の検出部３３１が貼付されたクランク軸１７と回転側基板３２とを側面方向から見た図である。回転側基板３２は、基板面がクランク軸１７に対して垂直になるように取り付けられている。回転側基板３２には、フレキシブルケーブル３３２のコネクタ接続部３３７が接続されるコネクタ３２１が設けられている。コネクタ３２１は、フレキシブルケーブル３３２のコネクタ接続部３３７がクランク軸１７に平行な方向に抜き差しされるように、回転側基板３２に実装されている。符号Ｄで示す面はアンテナパターンが形成される面で、符号Ｅで示す面は回路部品が実装される面である

検出部３３１は、検出部３３１からのフレキシブルケーブル３３２の引き出し方向が、回転側基板３２の回路部品実装面Ｅと反対方向となるようにクランク軸１７に貼付される。検出部３３１から引き出されたフレキシブルケーブル３３２は、途中から円弧状に変形されて回路部品実装面Ｅ側に向けられ、回転側基板３２のコネクタ３２１に接続される。検出部３３１の取り付け形態およびフレキシブルケーブル３３２の接続形態を図１３のような形態とすることにより、フレキシブルケーブル３３２の変形部分（破線部分Ｆ）における曲率を小さくすることができ、その結果、フレキシブルケーブルの破断等が防止でき信頼性向上を図ることができる。

以上説明したように、本実施の形態においては、回転体非接触給電装置は、軸受１８１により支持されたクランク軸１７に固定されて該クランク軸１７と一体に回転し、受電側回路部品が実装される回転側基板３２と、基板面が回転側基板３２の基板面と対向するように軸受１８１を保持するボトムブラケット１８に固定され、電源が接続されると共に送電側回路部品が実装される固定側基板３１と、を備え、固定側基板３１の表裏基板面の内、回転側基板３２と対向する一方の基板面には渦巻き状で複数ターンの送電側コイル（給電コイル３１０ａ，共鳴コイル３１０ｂ）が導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には送電側回路部品が実装され、回転側基板３２の表裏基板面の内、固定側基板３１と対向する一方の基板面には渦巻き状で複数ターンの受電側コイル４２１が導電パターンにより形成され、表裏基板面の他方の基板面には受電側回路部品が実装され、共鳴コイル３１０ｂと受電側コイル４２１とが磁気的に結合して、固定側基板３１から回転側基板３２へと非接触により電力を給電する。

このように、基板３１，３２の基板面に形成されたコイルパターンによりコイル３１０ａ，３１０ｂ，４２１を形成し、さらに、送電側の共鳴コイル３１０ｂと受電側コイル４２１とを対向配置したので、優れた給電効率を有する小型な非接触給電装置とすることができる。

また、送電側のアンテナコイルは、平面状に巻かれた複数ターンの共鳴コイル３１０ｂと、共鳴コイル３１０ｂの外周側に該共鳴コイル３１０ｂを囲むように平面状に巻かれ、共鳴コイル３１０ｂと磁気的に結合する複数ターンの給電コイル３１０ａとで構成するのが好ましい。それにより、給電コイル３１０ａのインダクタンスを十分確保することができ、送電側コイルを小型化しても、十分な給電効率を確保することができる。

なお、上述した実施の形態では、受電側を一つの受電側コイル４２１で構成したが、送電側と同様に２つのコイル（共鳴コイルと、整流回路４２３が接続される負荷コイル）で構成しても良いし、送電側および受電側の両方を、上述した受電側コイル４２１のような一つのコイルで構成しても良い。また、上述した実施の形態では、負荷回路として歪みゲージを備えた歪みセンサ部３３としたが、負荷回路としては、歪みセンサに限らず温度センサや加速度センサなどの回路を適用しても良い。さらにまた、上記実施の形態では、電動アシスト自転車のトルクセンサとして、固定側基板３１および回転側基板３２の形状を、クランク軸１７が貫通するリング形状としたが、本実施の形態のトルクセンサは、他の回転軸および回転体のトルクを計測するトルクセンサにも適用することができる。その場合、例えば、回転軸の端面に円盤状の回転側基板と固定し、軸受を保持する部材に円盤状の固定側基板を固定するようにしても良い。

また、本発明は、特にシャフト等の回転体に実装した回路やセンサへの非接触給電および回転体センサからのデータを非接触で取り出す技術として、例えば、自動車のドライブレーンのトルクや電動アシスト自転車の踏力検出のために用いられるひずみゲージやひずみセンサへの非接触給電とデータ伝送に適用可能である。さらには、受電側コイルと送電側コイルとの位置関係が固定されない非接触給電装置、例えば、ＩＣカードのように、固定された送電側に受電側のＩＣカードを移動近接させて給電を行うような構成にも適用できる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第８０８６号（２０１４年１月２０日出願）

１…電動アシスト自転車、１７…クランク軸、１８…ボトムブラケット、２１…ペダル、２４…モータ、２７…アシスト制御部、３０…トルクセンサ、３１…固定側基板、３２…回転側基板、３３…歪みセンサ部、３１０…アンテナパターン、３１０ａ…給電コイル、３１０ｂ…共鳴コイル、３１５…グラウンドパターン、３３１…検出部、３３２…フレキシブルケーブル、３３３…センサチップ、３３４…金属板、４１０…送電部、４１１…発振器、４１２…復調回路、４１３…クロック（ＣＬＫ）生成部、４１４…変調部、４１５…ドライバ、４２０…受電部、４２１…受電側コイル、４２２…共振用コンデンサ、４２３…整流回路、４２４…ローパスフィルタ、４２５…電源回路、４２６…負荷変調回路、４２７…クロック（ＳＣＬＫ）生成部、４２８…リクエスト信号（ＲＥＱ）検波部

Claims (11)

1. 軸受により支持された回転軸に固定されて該回転軸と一体に回転し、受電側回路部品が実装される受電側基板と、
   基板面が前記受電側基板の基板面と対向するように前記軸受を保持する保持部に固定され、電源が接続されると共に送電側回路部品が実装される送電側基板と、を備え、
   前記送電側基板の表裏基板面の内、前記受電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた複数ターンの送電側コイルが導電パターンにより形成され、前記表裏基板面の他方の基板面には前記送電側回路部品が実装され、
   前記受電側基板の表裏基板面の内、前記送電側基板と対向する一方の基板面には平面状に巻かれた１ターン以上の受電側コイルが導電パターンにより形成され、前記表裏基板面の他方の基板面には前記受電側回路部品が実装され、
   前記送電側コイルと前記受電側コイルとが磁気的に結合して、前記送電側基板から前記受電側基板へと非接触により電力を給電する回転体非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記送電側コイルの導電パターンは、隣接パターンとの隙間がパターン幅よりも大きく設定され、
   前記受電側コイルは巻き数が複数ターンであって、隣接パターンとの隙間がパターン幅よりも大きく設定されている回転体非接触給電装置。
3. 請求項１に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記送電側基板には、前記送電側コイルの導電パターンの内周側に前記回転軸を囲むループ状の第１シールドパターンが形成され、
   前記受電側基板には、前記受電側コイルの導電パターンの内周側に前記回転軸を囲むループ状の第２シールドパターンが形成されている回転体非接触給電装置。
4. 請求項１に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記受電側回路部品は前記送電側基板に伝送されるデータを生成し、
   前記受電側基板には、前記データに基づいて受電側のインピーダンスを変化させて前記受電側コイルから前記送電側コイルへデータ伝送を行わせる負荷変調回路が設けられている回転体非接触給電装置。
5. 請求項４に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記受電側コイルのＱ値が、前記送電側コイルのＱ値よりも大きく設定されている回転体非接触給電装置。
6. 請求項１に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記送電側コイルの導電パターンが形成されたパターン領域の少なくとも一部が、前記受電側コイルの導電パターンが形成されたパターン領域と対向している回転体非接触給電装置。
7. 請求項６に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記送電側基板および前記受電側基板はそれぞれ円形基板であって、前記回転軸は、その軸芯が前記送電側コイルおよび前記受電側コイルの中心と一致するように前記送電側基板および前記受電側基板を貫通し、
   前記送電側コイルの内径と前記回転軸の外径との差が、前記送電側基板外径と前記送電側コイルの外径との差よりも大きく、
   前記受電側コイルの内径と前記回転軸の外径との差が、前記受電側基板外径と前記受電側コイルの外径との差よりも大きい回転体非接触給電装置。
8. 請求項１に記載の回転体非接触給電装置において、
   前記受電側基板においては、前記受電側回路部品およびそれらを接続する配線が前記受電側基板に作用する遠心力が回転対称となるように配置されている回転体非接触給電装置。
9. 請求項４または５に記載の回転体非接触給電装置と、
   前記回転軸に固定され、前記送電側基板から前記受電側基板に給電された電力により動作するトルク計測用歪みゲージと、を備え、
   前記負荷変調回路は、前記トルク計測用歪みゲージで検出された歪みデータに基づいて受電側のインピーダンスを変化させるトルクセンサ。
10. 請求項９に記載のトルクセンサにおいて、
    前記トルク計測用歪みゲージと前記受電側基板とを接続するフレキシブルケーブルを、備え、
    前記トルク計測用歪みゲージは、該トルク計測用歪みゲージからの前記フレキシブルケーブルの引き出し方向が、前記受電側回路部品が実装される基板面と反対方向となるように前記回転軸に固定され、
    前記トルク計測用歪みゲージから引き出された前記フレキシブルケーブルは、円弧状に変形されて前記受電側基板に接続されるトルクセンサ。
11. 請求項９に記載のトルクセンサにおいて、
    前記送電側基板の周辺部には、該送電側基板を前記保持部にネジ固定するための貫通孔が少なくとも３箇所形成され、
    前記複数の貫通孔と前記送電側基板に形成された前記送電側コイルの中心との距離が互いに異なっているトルクセンサ。

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