JPWO2016010145A1 - 電力供給システム - Google Patents

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Abstract

従来よりも優れた電力供給システムを提供すること。電力供給システムは、固定体8は、固定体8の軸心方向に沿って配置された内導体9と、固定体8の軸心方向に沿って内導体9を覆うように配置された外導体13と、内導体9と外導体13との相互間に配置された高周波導電路誘電体5とを備え、回転体7は、回転体7の軸心方向に沿って配置された内導体9と、回転体7の軸心方向に沿って内導体9を覆うように配置された外導体13と、内導体9と外導体13との相互間に配置された高周波導電路誘電体5とを備え、高周波電源27から負荷26に対して電力を供給することができるように、高周波電源27と、固定体8の外導体13と、回転体7の外導体13と、負荷26とを電気的に接続し、固定体8と回転体7とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成している。

Description

本発明は、電力供給システムに関する。
固定体に対して回転可能な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)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軸と、前記第1軸に対して回転可能な第2軸とを介して、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、前記第1軸は、当該第1軸の軸心方向に沿って配置された第1内部軸導体と、当該第1軸の軸心方向に沿って前記第1内部導体を覆うように配置された第1外部軸導体と、前記第1内部軸導体と前記第1外部軸導体との相互間に配置された第1軸絶縁体とを備え、前記第2軸は、当該第2軸の軸心方向に沿って配置された第2内部軸導体と、当該第2軸の軸心方向に沿って前記第2内部導体を覆うように配置された第2外部軸導体と、前記第2内部軸導体と前記第2外部軸導体との相互間に配置された第2軸絶縁体とを備え、前記電源から前記負荷に対して電力を供給することができるように、当該電源と、前記第1外部軸導体と、前記第2外部軸導体と、前記負荷とを電気的に接続し、前記第1軸と前記第2軸とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成した。
請求項2に記載の電力供給システムは、請求項1に記載の電力供給システムにおいて、前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、当該第1外部軸導体によって当該第2外部軸導体の少なくとも一部が覆われた被覆構造として形成した。
請求項3に記載の電力供給システムは、請求項1に記載の電力供給システムにおいて、前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体との導電性を確保できるように、当該第1外部軸導体と当該第2外部軸導体とを接触させた接触構造として形成した。
請求項1に記載の電力供給システムによれば、第1軸は、当該第1軸の軸心方向に沿って配置された第1内部軸導体と、当該第1軸の軸心方向に沿って第1内部導体を覆うように配置された第1外部軸導体と、第1内部軸導体と第1外部軸導体との相互間に配置された第1軸絶縁体とを備え、第2軸は、当該第2軸の軸心方向に沿って配置された第2内部軸導体と、当該第2軸の軸心方向に沿って第2内部導体を覆うように配置された第2外部軸導体と、第2内部軸導体と第2外部軸導体との相互間に配置された第2軸絶縁体とを備え、電源から負荷に対して電力を供給することができるように、当該電源と、第1外部軸導体と、第2外部軸導体と、負荷とを電気的に接続しているので、第1内部軸導体と第2内部軸導体とで電界結合が行なわれる場合には、以下に示す効果が得られる。具体的には、第1内部軸導体と第2内部軸導体とを接触させることがないので、これら第1内部軸導体及び第2内部軸導体のメンテナンスが不要になるか、又はメンテナンス間隔を延ばすことができる。また、第1軸の内部又は第2軸の内部に水が浸入しても、第1内部軸導体及び第2内部軸導体を問題なく使用することができる(特に、水は比誘電率80の強誘電材料であるため、電界による結合を強くすることができる)。よって、水の浸入を許容する設計が可能になるため、製造コストを低減できる。また、第2軸を高速回転させた場合でも、送電効率の低下を抑制できる。また、第1内部軸導体が第1軸絶縁体によって覆われており、第2内部軸導体が第2軸絶縁体によって覆われているため、これら軸絶縁体が耐酸性及び耐アルカリ性を有する限り、第1内部軸導体及び第2内部軸導体の劣化を防止することができる。
また、第1軸と第2軸とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成したので、当該電力供給システムから外部に向けて放出される電磁波を低減することができるため、安全性を向上させることができる。
請求項2に記載の電力供給システムによれば、電磁波低減構造を、第1外部軸導体と第2外部軸導体とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、当該第1外部軸導体によって当該第2外部軸導体の少なくとも一部が覆われた被覆構造として形成したので、当該被覆構造を簡易に形成することができるため、製造性を向上させると共に、製造コストを一層低減することが可能となる。
請求項3に記載の電力供給システムによれば、電磁波低減構造を、第1外部軸導体と第2外部軸導体との導電性を確保できるように、当該第1外部軸導体と当該第2外部軸導体とを接触させた接触構造として形成したので、当該接触構造を簡易に形成することができるため、製造性を向上させると共に、製造コストを一層低減することが可能となる。
電力送電及び通信を行う電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムから電磁波が放射されている状態を示す側面図である。 シールド構造を用いた電力供給システムの構成を示す側面図である。 導電性が確保できる構成を示す側面図である。 導電性が確保できる構成を示す側面図である。 導電性が確保できる構成を示す側面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 回転体側リング電極及び固定体側リング電極の構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 回転体側リング電極及び固定体側リング電極の構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 回転体側リング電極及び固定体側リング電極の構成を示す断面図である。 図10に示す電力供給システムに用いられる回路の構成を示す図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極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20に示す電力供給システムにおける回転体側リング電極及び固定体側リング電極の構成を示す拡大図である。 図20に示す電力供給システムにおける回転体側リング電極及び固定体側リング電極の構成を示す拡大図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 電力供給システムが接触給電を行うと共に、通信波での通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。 電力供給システムが非接触給電を行うと共に、通信波での通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。 電力供給システムが接触給電を行うと共に、光通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。 電力供給システムが非接触給電を行うと共に、光通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。 独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。
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、次いで、〔2〕シールド構造を用いた電力供給システムの構成、〔3〕独立電極を用いた電力供給システムの構成について説明し、最後に実施の形態に対する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、電力送電及び通信を行う電力供給システムの構成を示す断面図である。図2は、電力供給システムから電磁波が放射されている状態を示す側面図である。図1、図2に示すように、電力供給システムは、送電側の軸である固定体8であって、回転不能に固定された固定体8(第1軸)と、受電側の軸である回転体7であって、固定体8に対して回転可能な回転体7(第2軸)とを備えている。また、この電力供給システムにおいては、固定体8の右端部に固定体8を支持するための図示しない軸受が設けられると共に、回転体7の左端部に回転体7を支持するための図示しない軸受が設けられている。
ここで、図1に示す電力供給システムでは、固定体8及び回転体7の構成として同軸線路構造が用いられている。具体的には、固定体8及び回転体7の各々は、長尺状に形成された内導体9(第1内部軸導体、第2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13(第1外部軸導体、第2外部軸導体)と、内導体9と外導体13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13とを相互に絶縁する高周波導電路誘電体5(第1軸絶縁体、第2軸絶縁体)とを備えている。
また、これら固定体8及び回転体7の配置関係については、それぞれの外導体13同士、内導体9同士、及び高周波導電路誘電体5同士が非接触となるように相互に間隔を隔てて配置されている。また、これら外導体13及び内導体9の対向面の形状については、外導体13同士及び内導体9同士を容量結合可能なように対向面積が大きくなり、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形成されており、具体的には、歯形状等に形成されている。
また、この電力供給システムにおける送電及び通信回路は、少なくとも回転体7の外導体13と内導体9とに電気的に接続された負荷26(負荷)と、固定体8の外導体13と内導体9とに電気的に接続された高周波電源27(電源)とを備えて構成されている。
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。
しかしながら、上記電力供給システムには、以下に示す問題点が生じていた。具体的には、固定体8に対して回転体7を近接させた状態で、回転体7を回転させることが難しかった。このため、上述した電力供給システムが実際に使用されている場合に、回転体7(又は固定体8)の軸受に応力が負荷されることで固定体8と回転体7との相互間の隙間が変化することにより、接合容量が変化していた。また、図2に示すように、固定体8と回転体7の外導体13との相互間に電圧がかかるため、電力供給システムから外部に向けて電磁波が放射されていた。
これらの問題を解消できる構成として、以下に示す構成が考えられる。具体的には、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とを接触させる構成(以下、「シールド構造を用いた電力供給システム」と称する)が挙げられる。このような構成により、固定体8に対して回転体7を密着させながら回転体7のみを回転させることができるので、接合容量が変化することを防止できる。また、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とを接触させることでシールド構造が形成されるため、当該形成されたシールド構造によって電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減できる。
また、固定体8の外導体13及び回転体7の外導体13との対向部と、固定体8の内導体9及び回転体7の内導体9との対向部とを電力伝送用接合容量として使用せず、固定体8の外導体13によって回転体7の外導体13が覆われると共に、別途異なる対向電極を設ける構成(以下、「独立電極を用いた電力供給システム」と称する)も挙げられる。このような構成により、固定体8の外導体13及び回転体7の外導体13とに電圧がかからなくなるため、接合容量が変化するという問題が解消されると共に、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減できる。なお、この構成においては、固定体8及び回転体7には通信波のみを流すことができたり、あるいは、固定体8及び回転体7の内部に光導波路が形成された場合には光のみを流すことができる。
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〕シールド構造を用いた電力供給システムの構成
次に、シールド構造を用いた電力供給システムの構成について説明する。図3は、シールド構造を用いた電力供給システムの構成を示す側面図である。
図3に示す電力供給システムは、図2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、以下に示す構成が異なる。具体的には、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保できるように、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが接触するように配置された接触構造(電磁波低減構造)が形成されている。この場合において、固定体8の内導体9と回転体7の内導体9との配置については、例えば、固定体8の内導体9と回転体7の内導体9とが接触されるように配置されてもよく、あるいは、固定体8の内導体9と回転体7の内導体9とが非接触となるように配置されてもよい。
このような構成により、図2に示す電力供給システムのように、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との相互間に隙間が形成されないため、電力供給システムから外部に放出される電磁波を低減することができる。
ここで、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との接触においては、導電性を確保できるように、回転体7を回転させつつ固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とを接触させることにより、これら外導体13の相互間に生じるギャップによってこれら外導体13同士の接触状態が不十分となる場合が生じる。この場合には、わずかなギャップの発生に止まれば、大きな接合容量が確保できる可能性が高い。しかしながら、現実的には、回転体7における固定体8との接触界面において、当該固定体8と接触する部分(以下、「接触部」と称する)と、当該固定体8と接触しない部分(以下、「容量部」と称する)とが並列的に存在することになる。また、状況により、回転体7における固定体8との接触界面において、接触部と容量部とが占める割合が変化する可能性がある。
また、電流、電圧、及び接合容量の関係については、下記式(1)、(2)のように表される。
i=j×ω×C×V・・・(1)
ω=2×π×f・・・(2)
ここで、電流i、虚数j、接合容量C、接合容量に発生する電圧V、周波数fである。これら式(1)、(2)から、電流が一定の条件下においては、接合容量に発生する電圧と接合容量の積は一定になる。このことからすると、上述した回転体7の固定体8との接触界面における接触部と容量部とが並列的に存在する場合において、接合容量が大きくなれば、印加される電圧が小さくなるため、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減することができると言える。ただし、この場合には、電圧が接触抵抗に支配されることになる。
また、図3に示す電力供給システムにおいて、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との相互間において生じる導電性又は容量性の結合については、固定体8又は回転体7に何らかの応力が負荷されたとしても、その性能を確保しなければならない。そこで、回転体7の回転によって固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが擦れ合った場合でも、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保できる構成として、以下に示す構成が挙げられる。
図4から図6は、導電性が確保できる構成を示す側面図である。
まず、図4(a)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ほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、塑性変形しやすい金属(以下、「塑性金属32」と称する)が固定体8及び回転体7に対して巻きつくように設けられている。また、この塑性金属32は、固定体8の外導体13又は回転体7の外導体13のいずれか一方に対して固定ボルト34で固定されると共に、固定体8の外導体13又は回転体7の外導体13のいずれか他方に対してスプリング付バンド33(又はゴムバンド)で縛り付けられている。
ここで、塑性金属32の構成については、例えば、軸受を巻いた鋼材に対して軸方向に沿ってスリットが形成されたものや、発泡アルミニウム、亜鉛アルミニウム、バビッドメタル、ホワイトメタル等によって形成された略円筒状体等が採用される。また、この塑性金属32が用いられる理由としては、回転体7の外導体13の真円度が高く、且つ凹凸も少ない場合に、弾性変形しやすい金属に比べて、当該塑性金属32における回転体7の外導体13との接触面積が大きくなるからである。ただし、塑性金属32と回転体7の外導体13との擦れ合いによって、塑性金属32が削れてしまうため、塑性金属32を定期的に交換する必要がある。
このような構成により、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とを接触させる力を継続的に加えることができるため、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保することができる。なお、固定体8の外導体13における回転体7との接触界面(又は回転体7の外導体13における固定体8との接触界面)は、例えば導電性潤滑油によってコーティングされてもよい(なお、図4(b)、(c)、図5、図6に示す上記接触界面についても同様とする)。
また、図4(b)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ほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、固定体8の外導体13における回転体7との接触界面及び回転体7の外導体13における固定体8との接触界面の各々が、鏡面研磨されている。また、この鏡面研磨された接触界面に対して摺動性に優れた導電性ダイヤモンド・ライク・カーボン(以下、「導電性DLC36」と称する)がコーティングされている。なお、上記鏡面研磨された接触界面にコーティングされるのは、導電性DLC36に限定されず、これ以外の摺動性に優れたコーティング材がコーティングされてもよい。
このような構成により、固定体8の外導体13における回転体7との接触界面及び回転体7の外導体13における固定体8との接触界面がすべり軸受として機能するので、回転体7の回転によって固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが擦れ合うことにより生じる摩擦抵抗を低減できるため、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保しながら、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減することができる。
また、図4(c)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ほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、固定体8の外導体13における回転体7との接触界面又は回転体7の外導体13における固定体8との接触界面のいずれか一方に導電性ブラシ37が埋め込まれている。また、固定体8の外導体13における回転体7との接触界面又は回転体7の外導体13における固定体8との接触界面のいずれか他方に対して導電性DLC36がコーティングされている。
ここで、この導電性ブラシ37の構成については、例えばメタルファイバー、導電性カーボナノチューブ等に形成されたブラシ材が用いられる。
このような構成により、回転体7の回転によって固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが擦れ合うことにより生じる摩擦抵抗を低減できるため、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保しながら、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減することができる。
また、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ほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、回転体7の外導体13と固定体8の外導体13とは、ロータリージョイント12を介して接触するように配置されている。また、回転体7の内導体9と固定体8の内導体9とは、接触するように配置されており、ゴムブッシュ38によって接続されている。また、これら内導体9の各々とゴムブッシュ38との相互間には、ロータリージョイント12が設けられている。また、回転体7の固定体8側とは反対側の端部、及び固定体8の回転体7側とは反対側の端部には、通信波を入力又は出力するための高周波入出力ポート14が設けられている。また、固定体8における回転体7との接触界面及び回転体7における固定体8との接触界面の形状については具体的には、フラット状に形成されている。
ここで、回転体7の外導体13と固定体8の外導体13との接触状態を維持するための構成については、具体的には、固定体8の外導体13に設けれられた固定体側軌道盤83が、導電性材料にて形成された転動体17を介して回転体7の外導体13に取り付けられた回転体側軌道盤84と接触するように配置されており、回転体側軌道盤84に対してスプリング付固定バネ85によって与圧されながら固定される構成が採用されている。
このような構成により、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保することができる。また、転動体17によって、固定体8の外導体13全体及び回転体7の外導体13全体の電位を一定に保つことができると共に、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減できるため、当該転動体17をシールド構造として機能させることが可能となる。
また、図6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ほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、固定体8の回転体7側とは反対側の端部が、土台43に対して固定ボルト44によって固定されている。また、固定体8の外導体13、高周波導電路誘電体5、及び内導体9と、土台43とによって囲繞された空間には、固定体8の内導体9及び回転体7の内導体9とを回転させるためのモーター21が設けられている。また、回転体7の高周波導電路誘電体5と固定体8の高周波導電路誘電体5とは、すべり軸受23を介して接触するように配置されている。また、回転体7の内導体9と固定体8の内導体9とが一体形成されており、固定体8の内導体9が軸固定部22を介してモーター21と接続されている。また、回転体7の固定体8側とは反対側の端部、及び固定体8の土台43側の近傍には、高周波入出力ポート14が設けられている。
ここで、回転体7の外導体13と固定体8の外導体13との接触状態を維持するための構成については、具体的には、回転体7の外導体13と固定体8の外導体13が、これら一部が軸受内輪40、針状ころ軸受39、及び軸受外輪41を介して接触すると共に、これら一部以外の部分が直接的に接触するように配置されている。ここで、針状ころ軸受39は、軸受内輪40と軸受外輪41とを線接触させるための軸受である。
このような構成により、回転体7の回転によって固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが擦れ合うことにより生じる摩擦抵抗を低減できるため、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13との導電性を確保しながら、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減することができる。特に、針状ころ軸受39が用いられているので、針状ころ軸受39の長さや本数に応じて、上記摩擦抵抗の大きさを調整することが可能となる。
〔3〕独立電極を用いた電力供給システムの構成
次に、独立電極を用いた電力供給システムの構成について説明する。この説明では、まず、基本的な構成について説明し、次いで、様々な用途に対応可能な構成と、構造を簡素化した構成と、一般的な通信規格を利用した構成とについて説明し、最後に空気の送風が可能な構成について説明する。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−基本的な構成)
まず、独立電極を用いた電力供給システムの基本的な構成について説明する。図7、図9は、独立電極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8は、回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2の構成を示す断面図である。
図7に示す電力供給システムは、図2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、以下に示す構成が異なる。具体的には、回転体7の外導体13における固定体8とは反対側の端部には、回転体7の外導体13の一部であって、回転体7を支持するためのトッププレート18(第2外部軸導体)が取り付けられている。また、固定体8の外導体13の一部であるシリンダボディ20(第1外部軸導体)における回転体7とは反対側の端部には、固定体8の外導体13の一部であるボトムプレート19(第1外部軸導体)であって、シリンダボディ20を支持するためのボトムプレート19が取り付けられている。また、トッププレート18及びボトムプレート19の各々には、高周波入出力ポート14が設けられている。
ここで、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが電気的に接続されている部分(具体的には、後述する回転体側リング電極1及び後述する固定体側リング電極2)が外部に露出しないように、以下に示す構成が採用されている。具体的には、シリンダボディ20によって回転体7の外導体13の外周面の少なくとも一部が覆われるように配置された被覆構造(電磁波低減構造)が形成されている。ここで、シリンダボディ20の内周面のうち回転体7の外導体13の外周面と対向する部分には、図7のトッププレート18側に位置する円筒状の固定体側リング電極2が円筒状の固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4を介して固定されていると共に、図7のボトムプレート19側に位置する円筒状の固定体側リング電極2が円筒状の固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4を介して固定されている。また、回転体7の外導体13の内周面には、図7のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と対向する位置に、円筒状の回転体側リング電極1が剛体である円筒状の回転体側リング電極固定絶縁台座3を介して固定されていると共に、図7のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と対向する位置に、円筒状の回転体側リング電極1が剛体である円筒状の回転体側リング電極固定絶縁台座3を介して固定されている。
この場合において、図7のトッププレート18側及びボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極固定絶縁台座3、回転体側リング電極1、固定体側リング電極2、及び固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4は、電力供給システムの長手方向に直交する方向に沿って積層して配置されている。また、回転体7の内導体9と固定体8の内導体9とは、接触するように配置されており、ロータリージョイント導電性ピン10によって接続されている。また、このロータリージョイント導電性ピン10には、押出バネ11が設けられている。この押出バネ11は、通信用の信号を回転体7の内導体9に流すために、バネ力でロータリージョイント導電性ピン10を固定体8側から回転体7側に向けて押し付けるためのバネである。
また、回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2の構成については、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との密着性を高めて接触安定性が得られる構成が採用されている。具体的には、図8に示すように、固定体側リング電極2は、当該回転体側リング電極1よりも内側に配置された回転体側リング電極1と当接可能に配置されている。また、固定体側リング電極2と当該固定体側リング電極2よりも外側に配置されたシリンダボディ20との相互間において、弾性材料にて形成された固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4が与圧された状態で挟み込まれるように配置されている。この場合において、固定体側リング電極2には、固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4のうち、与圧によって変形された部分を入り込ませるためのカット部86が形成されている。
また、固定体8に接続された図示しない電源から回転体7に接続された図示しない負荷に向けて電力を送電できるように、以下に示す構成が採用されている。具体的には、シリンダボディ20には、図示しない電源から図7のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路及び当該リード線30と接続するための電力ポート15と、図示しない電源から図7のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路及び当該リード線30と接続するための電力ポート15とが設けられている。また、回転体7の外導体13及びトッププレート18には、図7のトッププレート18側に位置する回転体側リング電極1から図示しない負極に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路と、図7のボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1から図示しない負極に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路とが設けられていると共に、トッププレート18には、これらリード線30の各々と接続するための電力ポート15が設けられている。
また、回転体7の外導体13と固定体8のシリンダボディ20との接触状態を維持できるように、以下に示す構成が採用されている。具体的には、固定体8のシリンダボディ20に設けれられた軌道盤16が、転動体17を介して回転体7の外導体13に取り付けられた軌道盤16と接触するように配置されており、回転体7の軌道盤16に対してスプリング付固定バネ85によって与圧されながら固定されている。
以上のような構成により、回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2とが外部に露出しないので、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を低減することができる。また、上述した各種の電極及び各種のリード線30が用いられることで、図7のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間及び図7のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間において接触結合又は電界結合が生じるので、図示しない電源から図示しない負荷に対して電力供給するため、回転体7の外導体13と固定体8のシリンダボディ20とに電力伝送用の電圧がかからないことから、電力供給システムから外部に向けて放射される電磁波を一層低減できる。
なお、図7に示す電力供給システムにおいては、固定体8又は回転体7に何らかの応力がかかった時には、固定体8及び回転体7の内導体9同士、並びに固定体8及び回転体7の外導体13同士の隙間が開くことになるが、その隙間はわずかである。よって、周波数の高い通信波で通信が行われる場合には、上記隙間の影響を無視できる。また、光通信が行われる場合にも、上記隙間は問題にならない。一方、直流送電(接触給電)、商用周波数送電が行われる場合には、上記隙間は許容できない。また、非接触電力送電(数MHzを想定)が行われる場合にはインピーダンスが増大するが、並列共振回路を用いることにより上記隙間の影響を無視できる。
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、さらにモーター21を備えている。モーター21は、例えば公知のモータを用いて構成されており、ボトムプレート19の内部において、回転体8の内導体と一体に形成された固定体8の内導体9よりも下方側に配置され、固定体8の内導体9に対して軸固定部22によって接続されている。
このような構成により、固定体8の内導体9によって送電された電力の一部を用いて、モーター21を駆動させることができる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−様々な用途に対応可能な構成)
次に、様々な用途に対応可能な構成について説明する。上述した図7、図9に示す電力供給システムにおいては、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1とが直接的に当接しているため、これら電極が相互に擦れ合うことによって導電性を確保することができないおそれがあった。また、図7、図9に示す電力供給システムが高速回転、大電力送電、高信頼性、又はロバスト性が求められる用途等に用いられることに適していなかった。そこで、図7、図9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について、以下説明する。
図10、図12は、独立電極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11、図13は、回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2の構成を示す断面図である。図14は、図10に示す電力供給システムに用いられる回路の構成を示す図である。
まず、図10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、図10のトッププレート18側及びボトムプレート19側の回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触界面及び固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面の各々に対して、導電性DLC36がコーティングされている。また、トッププレート18及びボトムプレート19の各々に設けられた高周波入出力ポート14がトランシーバ24に接続されている。
また、図10に示す電力供給システムには、トッププレート18に設けられた2つの電力ポート15に接続された負荷26と、シリンダボディ20に設けられた2つの電力ポート15に接続された直流電源25とを備えた回路が接続されている。
このような構成により、導電性DLC36が用いられることで、図10のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間及び図10のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間において接触結合が生じるので、導電性DLC36に導電性を持たせることができるため、直流送電(接触給電)を行うことが可能になる。よって、共振回路等が不要であるため、低コスト化が実現できると共に、高周波利用に関する申請も不要であるため、おもちゃ等の低コスト製品に利用することが可能になる。また、回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触面積を大きくとることができるため、既存のスリップリングよりも性能向上、低コスト化を図ることできる。また、超低ノイズ用途にも利用することができる。
また、図10に示す電力供給システムの変形例として、回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触界面及び固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面の各々に対して、導電性DLC36に代えて絶縁性ダイヤモンド・ライク・カーボン(以下、「絶縁性DLC35」と称する)がコーティングされてもよい。この場合において、上記絶縁性DLC35によってコーティングされた接触界面同士が擦れ合うことによって生じる摩擦抵抗を低くするために、これら接触界面の各々に油膜を介在させるためのディンプルが設けられてもよい。
この場合において、この電力供給システムには、図14(f)に示す回路が接続されている(ただし、図14に示す様々な回路のいずれも適用することが可能である)。この図14(f)に示す回路は、具体的には、トッププレート18に設けられた2つの電力ポート15に接続された負荷26を含む共振回路28と、シリンダボディ20に設けられた2つの電力ポート15に接続された高周波電源27とを備えて構成されている。
このような構成により、絶縁性DLC35が用いられることで、図10のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間及び図10のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間において電界結合が生じるので、非接触給電を行うことが可能となる。特に、絶縁性DLC35は導電性DLC36に比べて強度が高いことから、高速回転、大電力送電、高信頼性やロバスト性が求められる用途に利用することができる。すなわち、コーティング膜である導電性DLC36及び絶縁性DLC35を使い分けることで、図10に示す電力供給システムを様々な用途に応じて利用することが可能となる。
また、図12に示す電力供給システムは、上述した図10に示す電力供給システムの変形例とほぼ同様に構成されているが、回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触界面及び固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面のいずれか一方に、導電性DLC36がコーティングされていると共に、回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触界面及び固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面のいずれか他方に、絶縁性DLC35がコーティングされている。この場合において、上記導電性DLC36によってコーティングされた接触界面と上記絶縁性DLC35によってコーティングされた接触界面同士が擦れ合うことによって生じる摩擦抵抗を低くするために、これら接触界面の相互間に、水を吸収した不織布や紙が設けられてもよく、あるいは、水素が貯蔵された合金が設けられることで、当該合金から水素を放出させてもよい。このように水や水素を上記接触界面の相互間に介在させる理由としては、導電性DLC36及び絶縁性DLC35の寿命を延ばすために有効であるからである。
このような構成により、絶縁性DLC35の膜厚をさらに薄くして接合容量を増大させることが可能となる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−構造を簡素化した構成)
次に、構造を簡素化した構成について説明する。上述した図10、図12に示す電力供給システムにおいては、回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2がすべり軸受として機能させることができるにも関わらず、転動体17、固定体側軌道盤83、及び回転体側軌道盤84が用いられているため、部品点数が多くなっていた。そこで、図10、図12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について、以下説明する。
図15から図20は、独立電極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21、図22は、図20に示す電力供給システムにおける回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2の構成を示す拡大図である。
まず、図15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、以下に示す構成が異なる。具体的には、回転体7の外導体13には、当該外導体13の一部であり且つ当該外導体13と一体に形成されたつば付軸45であって、外側に向けて突出するつば付軸45(第2外部軸導体)が設けられている。また、固定体8のシリンダボディ20におけるトッププレート18側の端部には、固定体8の外導体13の一部である押さえ金具46(第1外部軸導体)が取り付けられている。
ここで、固定体8の外導体13と回転体7の外導体13とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、以下に示す構成が採用されている。具体的には、シリンダボディ20、押さえ金具46、及びボトムプレート19によって回転体7の外導体13の外周面及びつば付軸45の外周面の少なくとも一部が覆われるように配置された被覆構造(電磁波低減構造)が形成されている。ここで、押さえ金具46の内周面のうちつば付軸45の外周面と対向する部分には、図15のトッププレート18側に位置する円環状の固定体側リング電極2が円環状のリング電極圧着用弾性板29を介して固定されている。また、ボトムプレート19の内周面のうちつば付軸45の外周面と対向する部分には、図15のボトムプレート19側に位置する円環状の固定体側リング電極2が円環状のリング電極圧着用弾性板29を介して固定されている。また、つば付軸45の外周面には、図15のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と対向し且つ接触する位置に、円環状の回転体側リング電極1が円環状のリング電極圧着用弾性板29を介して固定されていると共に、図15のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と対向し且つ接触する位置に、円環状の回転体側リング電極1が円環状のリング電極圧着用弾性板29を介して固定されている。
この場合において、図15のトッププレート18側及びボトムプレート19側に位置するリング電極圧着用弾性板29、回転体側リング電極1、固定体側リング電極2、及びリング電極圧着用弾性板29は、電力供給システムの長手方向に沿って積層して配置されている。また、回転体7の外導体13と押さえ金具46との擦れ合いによって生じる摩擦抵抗を低減し、且つ、電力供給システムが左右方向から受けるラジアル荷重に耐えられるように、この外導体13と押さえ金具46との相互間にすべり軸受23が設けられている。これと同様に、回転体7の外導体13とボトムプレート19との相互間にも、すべり軸受23が設けられている。また、電力供給システムが上方から受けるアキシャル荷重に耐えられるように、図15のトッププレート18側及びボトムプレート19側に位置するリング電極圧着用弾性板29及び回転体側リング電極1は、押さえ金具46によってリング電極圧着用弾性板29を介して圧着されている。
また、固定体8に接続された図示しない電源から回転体7に接続された図示しない負荷に向けて電力を送電できるように、以下に示す構成が採用されている。具体的には、ボトムプレート19、シリンダボディ20、及び押さえ金具46には、図示しない電源から図15のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路が設けられていると共に、ボトムプレート19には、当該リード線30と接続するための電力ポート15が設けられている。また、回転体7の外導体13及びトッププレート18には、図15のトッププレート18側に位置する回転体側リング電極1から図示しない負極に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路と、図15のボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1から図示しない負極に向けてリード線30を介して電力を送信するための配線路とが設けられていると共に、トッププレート18には、これらリード線30の各々と接続するための電力ポート15が設けられている。
このような構成により、図10、図12に示す電力供給システムに比べて、部品数を減らすことができるため、構造の簡素化を図ることが可能となる。また、回転体7及び固定体8とが同軸線路構造で構成されているので、通信波での通信を行うことができる。
また、図16に示す電力供給システムは、図15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、以下に示す構成が異なる。具体的には、回転体7及び固定体8には、回転体7の内導体9及び固定体8の内導体9に代えて光導波路49が設けられている。また、この光導波路49のトッププレート18側の端部及びボトムプレート19の端部の各々には、入力された1つの信号を複数に分岐したり、入力された複数の信号を1つに結合したりするための光カプラ47が設けられている。
このような構成により、これら光カプラ47の相互間で、光導波路49を介して光通信を行うことができる。
また、図17に示す電力供給システムは、図15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、以下に示す構成が異なる。具体的には、回転体7の外導体13の長手方向の長さ、高周波導電路誘電体5の長手方向の長さ、及び内導体9の長手方向の長さは、図15に示す電力供給システムに比べて長く設定されている。また、固定体8の外導体13の長手方向の長さ、高周波導電路誘電体5の長手方向の長さ、及び内導体9の長手方向の長さは、図15に示す電力供給システムに比べて長く設定されている。また、固定体8のシリンダボディ20とトッププレート18とは、直接的に当接されており、固定具等によって接続されている。
また、押さえ金具46の内周面のうちつば付軸45の外周面と対向する部分には、図17のトッププレート18側に位置する円環状の固定体側リング電極2が押出バネ11を介して固定されている。また、ボトムプレート19の内周面のうちつば付軸45の外周面と対向する部分には、図17のボトムプレート19側に位置する円環状の固定体側リング電極2が円環状の固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4を介して固定されている。また、つば付軸45の外周面には、図17のトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2と対向し且つ接触する位置に、円環状の回転体側リング電極1が円環状の回転体側リング電極固定絶縁台座3を介して固定されていると共に、図17のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2と対向し且つ接触する位置に、円環状の回転体側リング電極1が円環状の回転体側リング電極固定絶縁台座3を介して固定されている。
この場合において、図17のトッププレート18側に位置する押出バネ11、回転体側リング電極1、固定体側リング電極2、及び回転体側リング電極固定絶縁台座3は、電力供給システムの長手方向に沿って積層して配置されている。また、図17のボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)4、回転体側リング電極1、固定体側リング電極2、及びリング電極圧着用弾性板29は、電力供給システムの長手方向に沿って積層して配置されている。また、回転体7の外導体13とトッププレート18との擦れ合いによって生じる摩擦抵抗を低減し、且つ、電力供給システムが左右方向から受けるラジアル荷重に耐えられるように、この外導体13とトッププレート18との相互間にすべり軸受23が設けられている。これと同様に、回転体7の外導体13とボトムプレート19との相互間にも、すべり軸受23が設けられている。なお、これらすべり軸受23の接触面積の設定は、図15に示す電力供給システムのすべり軸受23に比べて大きく設定されている。
このような構成により、回転体7及び固定体8の各々における外導体13の長手方向の長さ、高周波導電路誘電体5の長手方向の長さ、及び内導体9の長手方向の長さが比較的長く設定された場合でも、電力供給システムを安定した構造にて形成することができる。
また、図18に示す電力供給システムは、図15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、すべり軸受が省略されると共に、以下に示す構成が異なる。具体的には、図18のトッププレート18側に位置する回転体側リング電極1の短手方向に直交する断面の断面形状、及び固定体側リング電極2の短手方向に直交する断面の断面形状がV字状に形成されている。また、これと同様に、図18のボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1の短手方向に直交する断面の断面形状、及び固定体側リング電極2の短手方向に直交する断面の断面形状がV字状に形成されている。また、図18のトッププレート18側及びボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1における固定体側リング電極2との接触界面、及び固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面は、摩擦係数が低くなる研磨方法(例えば鏡面仕上げによる方法等)を用いて研磨されている。また、トッププレート18と押さえ金具46との相互間には、埃等の異物が流入することを阻止するためのOリング81が設けられている。
このような構成により、すべり軸受を省略できるため、製造コストを低減することができる。
また、図19に示す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、以下に示す構成が異なる。具体的には、図19のトッププレート18側に位置する回転体側リング電極1の短手方向に直交する断面の断面形状、及び固定体側リング電極2の短手方向に直交する断面の断面形状がU字状に形成されている。また、これと同様に、図19のボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1の短手方向に直交する断面の断面形状、及び固定体側リング電極2の短手方向に直交する断面の断面形状がU字状に形成されている。
このような構成により、図18に示す電力供給システムと同様に、すべり軸受を省略できるため、製造コストを低減することができる。
また、図20に示す電力供給システムは、図15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、以下に示す構成が異なる。具体的には、図21に示すように、図20のトッププレート18側及びボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2における回転体側リング電極1側の側面とは反対側の側面には、超音波によって固定体側リング電極2を振動させるための圧電セラミック素子89が複数取り付けられている。また、これら複数の圧電セラミック素子89の各々は、当該圧電セラミック素子89の伸縮方向が電圧の方向とは逆になるように配置されており、圧電素子用電源90と電気的に接続されている。
ここで、これら複数の圧電セラミック素子89によって固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面が振動する振幅については、具体的には、1μm以下であり、且つ、当該接触界面をコーティングしている絶縁性DLC35又は導電性DLC36の剥離が起きない程度に設定されている。
このような構成により、複数の圧電セラミック素子89から出力される超音波によって固定体側リング電極2における回転体側リング電極1との接触界面に定在波を立たせることにより、上記接触界面にコーティングされた絶縁性DLC35又は導電性DLC36に対して、回転体側リング電極1との擦れ合いによって生じる原子的クラスターの振動よりも大きな振動が与えられるので、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間の一部に隙間が形成される。このように形成された隙間によって、上記接触界面にストレスが溜まることを抑制することができ、摺動性を一層高めることができる。
ただし、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1とが密着している場合において、圧電セラミック素子89から超音波が加えられても、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1とが一体に振動してしまうので、上記隙間を形成することができず、上記効果を得ることができない。このような場合には、回転体側リング電極1と固定体側リング電極2との機械的材料特性(例えば、弾性率等)を変えることで、圧電セラミック素子89から加えられた超音波に対する固定体側リング電極2及び回転体側リング電極1の振動を異ならせることにより、上記隙間を形成することができるため、上記効果を得ることができる。
また、上述したように、超音波振動が加えられることで、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相互間で生じる摩擦抵抗の低減に寄与しながら、同時に接触部も形成されることから、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との導電性を確保するためにも有効である。
なお、超音波振動が加えられることで、上記接触部が形成されることから、すべり速度が増大すると、摩擦抵抗が増大してしまう。よって、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相対速度を低下させる必要がある。そこで、固定体側リング電極2と回転体側リング電極1との相対速度を低下させる方法として、例えば、図22に示すように、超音波モーターのように進行波を起こして圧電セラミック素子89を付けた固定体側リング電極2の表面を回転振動させる方法等が挙げられる。これにより、モーターの駆動方向に回転体側リング電極1が動いた時には、回転振動の接線方向速度分だけ相対速度が低くなるため、回転体側リング電極1が回転している時でも摩擦抵抗を低減できる。この場合には、回転体8及び固定体7に対して駆動モーターとしての機能をもたせることになる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−一般的な通信規格を利用した構成)
次に、一般的な通信規格を利用した構成について説明する。上述した図15、図16に示す電力供給システムにおいては、一般的な通信規格を利用して通信を行うことができる。そこで、一般的な通信規格が用いられた場合の構成について、以下説明する。ここで、この一般的な通信規格が用いられた場合の構成については、接触給電及び通信波での通信を行う構成と、非接触給電及び通信波での通信を行う構成と、接触給電及び光通信を行う構成と、非接触給電及び光通信を行う構成とに大別される。よって、以下では、これらの構成の詳細について説明する。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−一般的な通信規格を利用した構成−接触給電及び通信波での通信を行う構成)
まず、接触給電及び通信波での通信を行う構成について説明する。図23は、独立電極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24は、電力供給システムが接触給電を行うと共に、通信波での通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。
図23に示す電力供給システムは、図15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、以下に示す構成が異なる。具体的には、固定体8側には電源55(直流電源)及び固定体側機器55が設けられていると共に、回転体7側には回転体側機器54が設けれている。また、トッププレート18と押さえ金具46との相互間には、埃等の異物が流入することを阻止するための熱収縮樹脂カバー82及びOリング81が設けられている。また、トッププレート18には、回転体7の回転角度を検出し、当該検出した回転角度を外部に出力するロータリーエンコーダー88が取り付けられている。
ここで、電源55から回転体側機器54へ電力を送電するための構成については、具体的には、ボトムプレート19には、電源55と図23に示すトッププレート18側に位置する固定体側リング電極2とをリード線30を介して接続すると共に、この電源55と図23に示すボトムプレート19側に位置する固定体側リング電極2とをリード線30を介して接続するための直流電源ソケット52が設けられている。また、トッププレート18には、回転体側機器54と図23に示すトッププレート18側に位置する回転体側リング電極1とをリード線30を介して接続すると共に、この回転体側機器54と図23に示すボトムプレート19側に位置する回転体側リング電極1とをリード線30を介して接続するための直流電源ソケット52が設けられている。
また、固定体側機器55と回転体側機器54との相互間で通信を行うための構成については、具体的には、ボトムプレート19には、固定体側機器55から出力された信号を受信するためのモジュラージャック51と、モジュラージャック51及び固定体8の内導体9と接続された媒体変換ユニット53であって、モジュラージャック51から出力された信号を所定の通信規格(例えば、無線LAN規格等)に変換する媒体変換ユニット53が設けられている。また、トッププレート18には、回転体7の内導体9と接続された媒体変換ユニット53であって、当該内導体9から送られた信号を所定の通信規格(例えば、Ethernet(登録商標)規格等)に変換する媒体変換ユニット53と、この媒体変換ユニット53と回転体側機器54とに接続されたモジュラージャック51であって、この媒体変換ユニット53にて変換された信号を回転体側機器54に出力するためのモジュラージャック51が設けられている。また、回転体7の内導体9における固定体8側とは反対側の端部、及び固定体8の内導体9における回転体7側とは反対側の端部には、終端抵抗80が取り付けられている。
また、図23に示す電力供給システムで用いられる回路の構成については、以下に示す構成が採用される。具体的には、図24に示すように、電源55から受電側装置66(図23に示す回転体側機器54に対応)へ電力を送電するための回路の構成については、固定体8側に位置する電力伝送部68と、一対の接触電極64(図23に示す回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2に対応)と、回転体7側に位置する電力伝送部68とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する電力伝送部68は、DCコンセント62(図23に示すボトムプレート19側に位置する直流電源ソケット52に対応)を備えている。このうち、DCコンセント62は、電源55を含む電力伝送部68から電力を受け取るものである。また、一対の接触電極64は、固定体8側に位置する電力伝送部68のDCコンセント62から受け取った電力を回転体7側に位置する電力伝送部68に送るものである。また、回転体7側に位置する電力伝送部68は、DCコンセント62を備えている。このうち、DCコンセント62は、一対の接触電極64から受け取った電力を受電側装置66へ送るものである。
また、送電側装置65(図23に示す固定体側機器55と対応)と受電側装置66との相互間で通信するための回路の構成については、以下に示す構成が採用される。具体的には、図24に示すように、固定体8側に位置する通信部67と、回転体7側に位置する通信部67とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する通信部67は、モジュラージャック60(図23に示すボトムプレート19側に位置するモジュラージャック51に対応)と、媒体変換モジュール63(図23に示すボトムプレート19側に位置する媒体変換ユニット53に対応)と、DCコンセント62と、同軸コネクタ56とを備えている。このうち、モジュラージャック60は、送電側装置65から信号を受信するものである。また、媒体変換モジュール63は、モジュラージャック60から出力された信号を所定の通信規格に変換するものであり、回転体7側に位置する通信部67との通信を制御する無線LANコントローラ57と、送電側装置65との通信を制御する有線LANコントローラ59と、当該媒体変換モジュール63を制御するCPU58とを備えている。また、DCコンセント62は、電源55から供給される電力を媒体変換モジュール63に送るものである。また、同軸コネクタ56は、固定体8の内導体9と接続されたものであって、媒体変換モジュール63に変換された信号を回転体7側に位置する通信部67に向けて送るものである。
また、回転体7側に位置する通信部67は、同軸コネクタ56と、媒体変換モジュール63(図23に示すトッププレート18側に位置する媒体変換ユニット53に対応)と、モジュラージャック60(図23に示すトッププレート18側に位置するモジュラージャック51に対応)と、DC/DC変換器69とを備えている。このうち、同軸コネクタ56は、回転体7の内導体9と接続されたものであって、固定体8側に位置する通信部67から信号を受信するものである。また、媒体変換モジュール63は、同軸コネクタ56から出力された信号を所定の通信規格に変換するものであり、固定体8側に位置する通信部67との通信を制御する無線LANコントローラ57と、受電側装置66との通信を制御する有線LANコントローラ59と、当該媒体変換モジュール63を制御するCPU58とを備えている。また、モジュラージャック60は、媒体変換モジュール63にて変換された信号を受電側装置66に送信するものである。また、DC/DC変換器69は、一対の接触電極64から送られた電力の一部を所定量に変換し、当該変換した電力を媒体変換モジュール63に供給するものである。
このような構成により、接触給電を行うことができると共に、一般的な通信規格を用いて通信波での通信を行うことが可能となる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−一般的な通信規格を利用した構成−非接触給電及び通信波での通信を行う構成)
次に、非接触給電及び通信波での通信を行う構成について説明する。図25は、電力供給システムが非接触給電を行うと共に、通信波での通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。
この構成に関する電力供給システムは、図23に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されるが、導電性DLC36に代えて絶縁性DLC35がコーティングされている。
また、この電力供給システムで用いられる回路の構成については、図24に示す回路とほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、図25に示すように、電源55(交流電源)から受電側装置66へ電力を送電するための回路の構成については、固定体8側に位置する電力伝送部68と、一対の結合容量70(図23に示す回転体側リング電極1及び固定体側リング電極2に対応)と、回転体7側に位置する電力伝送部68とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する電力伝送部68は、同軸コネクタ56を備えている。このうち、同軸コネクタ56は、電源55を含む電力伝送部68から電力を受け取るものである。また、一対の結合容量70は、同軸コネクタ56から受け取った電力を回転体7側に位置する電力伝送部68に送るものである。また、回転体7側に位置する電力伝送部68は、共振回路28と、整流平滑回路71と、DCコンセント62とを備えている。このうち、共振回路28は、一対の結合容量70から受け取った電力を整流平滑回路71に対して非接触で送るものである。整流平滑回路71は、共振回路28から受け取った電力を整流するためのものである。また、DCコンセント62は、整流平滑回路71にて整流された電力を受電側装置66へ送るものである。
また、送電側装置65と受電側装置66との相互間で通信するための回路の構成については、以下に示す構成が採用される。具体的には、図25に示すように、固定体8側に位置する通信部67と、回転体7側に位置する通信部67とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する通信部67は、モジュラージャック60と、媒体変換モジュール63と、DCコンセント62と、同軸コネクタ56とを備えている。また、回転体7側に位置する通信部67は、同軸コネクタ56と、媒体変換モジュール63と、モジュラージャック60と、DC/DC変換器69とを備えている。このうち、DC/DC変換器69は、整流平滑回路71にて整流された電力の一部を所定量に変換し、当該変換した電力を媒体変換モジュール63に供給するものである。
このような構成により、非接触給電を行うことができると共に、一般的な通信規格を用いて通信波での通信を行うことが可能となる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−一般的な通信規格を利用した構成−接触給電及び光通信を行う構成)
次に、接触給電及び光通信を行う構成について説明する。図26は、電力供給システムが接触給電を行うと共に、光通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。
この構成に関する電力供給システムは、図23に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されるが、回転体7の内導体9及び固定体8の内導体9に代えて図示しない光導波路が備えられている。
また、この電力供給システムで用いられる回路の構成については、図23に示す回路とほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、図26に示すように、電源55(直流電源)から受電側装置66へ電力を送電するための回路の構成については、固定体8側に位置する電力伝送部68と、一対の接触電極64と、回転体7側に位置する電力伝送部68とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する電力伝送部68は、DCコンセント62を備えている。また、回転体7側に位置する電力伝送部68は、DCコンセント62を備えている。
また、送電側装置65と受電側装置66との相互間で通信するための回路の構成については、以下に示す構成が採用される。具体的には、図26に示すように、固定体8側に位置する通信部67と、回転体7側に位置する通信部67とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する通信部67は、モジュラージャック60と、媒体変換モジュール63と、DCコンセント62と、図示しない電光変換部と、光カプラ72とを備えている。このうち、媒体変換モジュール63は、回転体7側に位置する通信部67との通信を制御する光通信コントローラ73と、有線LANコントローラ59と、CPU58とを備えている。また、電光変換部は、媒体変換モジュール63から出力された電気信号を光信号に変換するものである。また、光カプラ72は、電光変換部から入力された1つの信号を複数に分岐したり、又は当該入力された複数の信号を1つに結合して回転体7側に位置する通信部67に送信するものである。
また、回転体7側に位置する通信部67は、光カプラ72と、図示しない光電変換部と、媒体変換モジュール63と、モジュラージャック60と、DC/DC変換器69とを備えている。このうち、光カプラ72は、固定体8側に位置する通信部67から入力された1つの信号を複数に分岐したり、又は当該入力された複数の信号を1つに結合して媒体変換モジュール63に送信するものである。また、光電変換部は、光カプラ72から出力された光信号を電気信号に変換するものである。また、媒体変換モジュール63は、固定体8側に位置する通信部67との通信を制御する光通信コントローラ73と、有線LANコントローラ59と、CPU58とを備えている。
このような構成により、接触給電を行うことができると共に、一般的な通信規格を用いて光通信を行うことが可能となる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−一般的な通信規格を利用した構成−非接触給電及び光通信を行う構成)
次に、非接触給電及び光通信を行う構成について説明する。図27は、電力供給システムが非接触給電を行うと共に、光通信を行う場合における回路の構成の一例を示す図である。
この構成に関する電力供給システムは、図23に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されるが、回転体7の内導体9及び固定体8の内導体9に代えて図示しない光導波路が備えられている。
また、この電力供給システムで用いられる回路の構成については、図24に示す回路とほぼ同様に構成されているが、以下に示す構成が異なる。具体的には、図27に示すように、電源55(交流電源)から受電側装置66へ電力を送電するための回路の構成については、固定体8側に位置する電力伝送部68と、一対の結合容量70と、回転体7側に位置する電力伝送部68とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する電力伝送部68は、同軸コネクタ56を備えている。また、回転体7側に位置する電力伝送部68は、共振回路28と、整流平滑回路71と、DCコンセント62とを備えている。
また、送電側装置65と受電側装置66との相互間で通信するための回路の構成については、以下に示す構成が採用される。具体的には、図27に示すように、固定体8側に位置する通信部67と、回転体7側に位置する通信部67とが設けられている。
ここで、固定体8側に位置する通信部67は、モジュラージャック60と、媒体変換モジュール63と、DCコンセント62と、図示しない電光変換部と、光カプラ72とを備えている。このうち、媒体変換モジュール63は、回転体7側に位置する通信部67との通信を制御する光通信コントローラ73と、有線LANコントローラ59と、CPU58とを備えている。
また、回転体7側に位置する通信部67は、光カプラ72と、図示しない光電変換部と、媒体変換モジュール63と、モジュラージャック60と、DC/DC変換器69とを備えている。このうち、媒体変換モジュール63は、固定体8側に位置する通信部67との通信を制御する光通信コントローラ73と、有線LANコントローラ59と、CPU58とを備えている。
このような構成により、非接触給電を行うことができると共に、一般的な通信規格を用いて光通信を行うことが可能となる。
(独立電極を用いた電力供給システムの構成−空気の送風が可能な構成)
次に、空気の送風が可能な構成について説明する。上述した図7から図27に示す電力供給システムは、単に電力を送電する機能と通信する機能とを備えているに過ぎなかった。そこで、これらの機能に加えて、さらに空気を送風する機能を備えた構成について、以下説明する。
図28、図29は、独立電極を用いた電力供給システムの構成を示す断面図である。
まず、図28に示す電力供給システムは、図15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、固定体8の内導体9及び回転体7の内導体9の形状が、長尺状の棒状体に形成されていたことに代えて、長尺状の円筒状体に形成されている。
このような構成により、電力を送電する機能及び通信する機能に加えて、乾燥空気74等の空気又は光を固定体8の内導体9における中空部75及び回転体7の内導体9における中空部75を介して固定体8側から回転体7側に向けて送風することができるので、電力供給システムの使用性をさらに向上させることが可能となる。
また、図29に示す電力供給システムは、図28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、以下に示す構成が異なる。具体的には、ボトムプレート19には、中空モーター79が設けられている。ここで、中空モーター79は、固定体8の内導体9及び回転体7の内導体9とを回転させるためのものであり、ローテータ78と、ステータ77とを備えている。このうち、固定体8の内導体9及び回転体7の内導体9と共に回転する部分であり、当該ローテータ78に形成された貫通孔に固定体8の内導体9が挿入されるように配置され、固定体8の内導体9に対して固定具等によって取り付けられている。また、ステータ77は、ロータを回転させるための力を発生させる部分であり、ローテータ78の外縁を覆うように配置され、ボトムプレート19に対して固定具等によって固定されている。
この場合において、固定体8の内導体9におけるローテータ78に挿入されていない部分の一部と固定体8の高周波導電路誘電体5とがすべり軸受23を介して接触するように配置されている。また、回転体7の内導体9と固定体8の内導体9とが一体形成されている。
このような構成により、中空モーター79が設けられた場合でも、電力を送電する機能及び通信する機能に加えて、乾燥空気74等の空気又は光を固定体8の内導体9における中空部75及び回転体7の内導体9における中空部75を介して固定体8側から回転体7側に向けて送風することができる。
〔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、送電効率を低下する場合であっても、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。
(電源及び負荷について)
上記実施の形態では、電源が固定体8に接続され、負荷が回転体7に接続されると説明したが、これに限られず、例えば、電源が回転体7に接続され、負荷が固定体8に接続されてもよい。
(固定体について)
上記実施の形態では、固定体8は、回転不能に固定されていると説明したが、例えば、回転体7に対して回転速度よりも遅く回転されてもよい。
(通信規格について)
上記実施の形態では、図20に示す電力供給システムにおいて、モジュラージャック51が用いられると説明したが、これに限られず、他の通信規格の端子が用いられてもよく、例えば、USB端子、IEEE−1394に関する規格の端子、ビデオに関する規格の端子、オーディオに関する規格の端子等が用いられてもよい。
(付記)
付記1の電力供給システムは、第1軸と、前記第1軸に対して回転可能な第2軸とを介して、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、前記第1軸は、当該第1軸の軸心方向に沿って配置された第1内部軸導体と、当該第1軸の軸心方向に沿って前記第1内部導体を覆うように配置された第1外部軸導体と、前記第1内部軸導体と前記第1外部軸導体との相互間に配置された第1軸絶縁体とを備え、前記第2軸は、当該第2軸の軸心方向に沿って配置された第2内部軸導体と、当該第2軸の軸心方向に沿って前記第2内部導体を覆うように配置された第2外部軸導体と、前記第2内部軸導体と前記第2外部軸導体との相互間に配置された第2軸絶縁体とを備え、前記電源から前記負荷に対して電力を供給することができるように、当該電源と、前記第1外部軸導体と、前記第2外部軸導体と、前記負荷とを電気的に接続し、前記第1軸と前記第2軸とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成した。
付記2の電力供給システムは、付記1の電力供給システムにおいて、前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、当該第1外部軸導体によって当該第2外部軸導体の少なくとも一部が覆われた被覆構造として形成した。
付記3の電力供給システムは、付記1の電力供給システムにおいて、前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体との導電性を確保できるように、当該第1外部軸導体と当該第2外部軸導体とを接触させた接触構造として形成した。
(付記の効果)
付記1の電力供給システムによれば、第1軸は、当該第1軸の軸心方向に沿って配置された第1内部軸導体と、当該第1軸の軸心方向に沿って第1内部導体を覆うように配置された第1外部軸導体と、第1内部軸導体と第1外部軸導体との相互間に配置された第1軸絶縁体とを備え、第2軸は、当該第2軸の軸心方向に沿って配置された第2内部軸導体と、当該第2軸の軸心方向に沿って第2内部導体を覆うように配置された第2外部軸導体と、第2内部軸導体と第2外部軸導体との相互間に配置された第2軸絶縁体とを備え、電源から負荷に対して電力を供給することができるように、当該電源と、第1外部軸導体と、第2外部軸導体と、負荷とを電気的に接続しているので、第1内部軸導体と第2内部軸導体とで電界結合が行なわれる場合には、以下に示す効果が得られる。具体的には、第1内部軸導体と第2内部軸導体とを接触させることがないので、これら第1内部軸導体及び第2内部軸導体のメンテナンスが不要になるか、又はメンテナンス間隔を延ばすことができる。また、第1軸の内部又は第2軸の内部に水が浸入しても、第1内部軸導体及び第2内部軸導体を問題なく使用することができる(特に、水は比誘電率80の強誘電材料であるため、電界による結合を強くすることができる)。よって、水の浸入を許容する設計が可能になるため、製造コストを低減できる。また、第2軸を高速回転させた場合でも、送電効率の低下を抑制できる。また、第1内部軸導体が第1軸絶縁体によって覆われており、第2内部軸導体が第2軸絶縁体によって覆われているため、これら軸絶縁体が耐酸性及び耐アルカリ性を有する限り、第1内部軸導体及び第2内部軸導体の劣化を防止することができる。
また、第1軸と第2軸とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成したので、当該電力供給システムから外部に向けて放出される電磁波を低減することができるため、安全性を向上させることができる。
付記2の電力供給システムによれば、電磁波低減構造を、第1外部軸導体と第2外部軸導体とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、当該第1外部軸導体によって当該第2外部軸導体の少なくとも一部が覆われた被覆構造として形成したので、当該被覆構造を簡易に形成することができるため、製造性を向上させると共に、製造コストを一層低減することが可能となる。
付記3の電力供給システムによれば、電磁波低減構造を、第1外部軸導体と第2外部軸導体との導電性を確保できるように、当該第1外部軸導体と当該第2外部軸導体とを接触させた接触構造として形成したので、当該接触構造を簡易に形成することができるため、製造性を向上させると共に、製造コストを一層低減することが可能となる。
1 回転体側リング電極
2 固定体側リング電極
3 回転体側リング電極固定絶縁台座
4 固定体側リング電極固定絶縁台座(弾性)
5 高周波導電路誘電体
6 軸受部
7 回転体
8 固定体
9 内導体
10 ロータリージョイント導電性ピン
11 押出バネ
12 ロータリージョイント
13 外導体
14 高周波入出力ポート
15 電力ポート
16 軌道盤
17 転動体
18 トッププレート
19 ボトムプレート
20 シリンダボディ
21 モーター
22 軸固定部
23 すべり軸受
24 トランシーバ
25 直流電源
26 負荷
27 高周波電源
28 共振回路
29 リング電極圧着用弾性板
30 リード線
31 漏洩電磁波
32 塑性金属
33 スプリング付バンド
34 固定ボルト
35 絶縁性DLC
36 導電性DLC
37 導電性ブラシ
38 ゴムブッシュ
39 針状ころ軸受
40 軸受内輪
41 軸受外輪
43 土台
44 固定ボルト
45 つば付軸
46 押さえ金具
47 光カプラ
48 光ビーム
49 光導波路
50 想定応力
51 モジュラージャック
52 直流電源ソケット
53 媒体変換ユニット
54 回転体側機器
55 固定体側機器、電源
56 同軸コネクタ
57 無線LANコントローラ
58 CPU
59 有線LANコントローラ
60 モジュラージャック
62 DCコンセント
63 媒体変換モジュール
64 接触電極
65 送電側装置
66 受電側装置
67 通信部
68 電力伝送部
69 DC/DC変換器
70 結合容量
71 整流平滑回路
72 光カプラ
73 光通信コントローラ
74 乾燥空気
75 中空部
77 ステータ
78 ローテータ
79 中空モーター
80 終端抵抗
81 Oリング
82 熱収縮樹脂カバー
83 固定体側軌道盤
84 回転体側軌道盤
85 スプリング付固定バネ
86 カット部
87 接触界面
88 ロータリーエンコーダー
89 圧電セラミック素子
90 圧電素子用電源

Claims (3)

  1. 第1軸と、前記第1軸に対して回転可能な第2軸とを介して、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、
    前記第1軸は、
    当該第1軸の軸心方向に沿って配置された第1内部軸導体と、
    当該第1軸の軸心方向に沿って前記第1内部導体を覆うように配置された第1外部軸導体と、
    前記第1内部軸導体と前記第1外部軸導体との相互間に配置された第1軸絶縁体とを備え、
    前記第2軸は、
    当該第2軸の軸心方向に沿って配置された第2内部軸導体と、
    当該第2軸の軸心方向に沿って前記第2内部導体を覆うように配置された第2外部軸導体と、
    前記第2内部軸導体と前記第2外部軸導体との相互間に配置された第2軸絶縁体とを備え、
    前記電源から前記負荷に対して電力を供給することができるように、当該電源と、前記第1外部軸導体と、前記第2外部軸導体と、前記負荷とを電気的に接続し、
    前記第1軸と前記第2軸とを組み合わせることにより、当該電力供給システムから放射される電磁波を低減するための電磁波低減構造を形成した、
    電力供給システム。
  2. 前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体とが電気的に接続されている部分が外部に露出しないように、当該第1外部軸導体によって当該第2外部軸導体の少なくとも一部が覆われた被覆構造として形成した、
    請求項1に記載の電力供給システム。
  3. 前記電磁波低減構造を、前記第1外部軸導体と前記第2外部軸導体との導電性を確保できるように、当該第1外部軸導体と当該第2外部軸導体とを接触させた接触構造として形成した、
    請求項1に記載の電力供給システム。
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