JP2015103722A

JP2015103722A - 非接触伝送装置

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Publication number: JP2015103722A
Application number: JP2013244518A
Authority: JP
Inventors: 金原　智之; Tomoyuki Kanehara; 智之金原; 河田　裕志; Hiroshi Kawada; 裕志河田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-06-04

Abstract

【課題】信号用コイルの発熱を抑制し、電力と信号の双方を伝送できる非接触伝送装置を提供する。
【解決手段】１対の電力用コイル１１と１対の信号用コイル１３とが対向して同心円状に設けられ、１対の磁性体１５が電力用コイル１１の中央部２１側にて信号用コイル１３間に配設されて１対の電力用コイル１１を挟み込み、さらに信号用コイル１３間の間隔Ｄは、電力用コイル１１の反対面間の間隔Ｄｐより大きい。また信号用コイル１３の伝送帯域を１ＧＨｚ以上として、この伝送帯域の透磁率を電力用コイル１１の伝送帯域の透磁率より小さく設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力や信号を非接触で伝送する非接触伝送装置に関する。

対向配置される１次側コイルと２次側コイル間で電磁誘導によって、電力と信号との双方を非接触で伝送する技術が知られている。

このような従来の非接触伝送装置は、例えば、図７に示すように、回転ドラム５７と固定ドラム５５からなる円板型のロータリートランスを用い、ロータリートランスの外周部に電力を伝送するための電力用コイル５１を環状に配置し、その電力用コイル５１と同一平面上においてロータリートランスの内側にはデータを伝送するための信号用コイル５３を環状に複数配置した非接触伝送装置が開示されている。このように電力用コイル５１を外周部に配置することにより、小型のロータリートランスでもコイルのインダクタンスを大きく設定でき、電力の伝送効率の向上を図っていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１に示すものが知られている。

特開平８−２５０３４９号公報

このような従来の非接触伝送装置は、電力のパワーが大きくなると、電力用コイル５１間の中央部を貫通した磁束により、信号用コイル５３が発熱するという課題があった。

本発明は、信号用コイルの発熱を抑制し、電力と信号の双方を伝送できる非接触伝送装置を提供する。

上記目的を達成するために本発明は、空隙を介して対向配設された１対の電力用コイルと、前記電力用コイルの中央部側にて対向配設された１対の信号用コイルと、前記１対の電力用コイルを挟み込んで、前記電力用コイルの中央部側にて前記１対の信号用コイル間に空隙を介して対向して配設された１対の磁性体と、を備え、前記磁性体は、前記信号用コイルの伝送帯域の透磁率が前記電力用コイルの伝送帯域の透磁率より小さい非接触伝送装置である。

以上のように本発明によれば、１対の電力用コイルが１対の磁性体に挟み込まれ、１対の磁性体が１対の信号用コイル間に配設されることにより、信号用コイルへの影響する電力用コイルの漏洩磁束を抑制するため、渦電流の発生を抑制し、信号用コイルの発熱を低減できる。さらに信号用コイルの伝送帯域の透磁率が電力用コイルの伝送帯域の透磁率より小さいことにより、磁性体による信号コイル間の信号伝送への影響を抑制でき、電力と信号の双方を伝送できる。

実施の形態における非接触伝送装置の正面断面図実施の形態における非接触伝送装置の斜視図実施の形態における複素透磁率の周波数特性図実施の形態における他の非接触伝送装置の正面断面図実施の形態における他の非接触伝送装置の正面断面図実施の形態における信号用コイルの伝送損失特性図従来の非接触伝送装置の正面断面図

（実施の形態）
本発明の実施の形態の非接触伝送装置について説明する。

図１は、実施の形態における非接触伝送装置の正面断面図、図２は、同斜視図である。

図１、図２に示すように実施の形態の非接触伝送装置は、１対の電力用コイル１１と、１対の信号用コイル１３と、１対の磁性体１５と、を有する。

１対の電力用コイル１１は、空隙Ｇを介して対向配設され、中心軸３１を中心として同心円状に設けられた平面状のコイルであり、コイル間の電磁誘導や磁気共鳴により非接触で電力を伝送する。

１対の信号用コイル１３は、電力用コイル１１の中央部２１側において対向して同心円状に配設された平面状のコイルであり、コイル間の電磁結合により信号を伝送しアンテナとして用いる。また信号用コイル間は電磁誘導により信号を伝送してもよい。信号用コイル１３は、信号チャンネルに応じて同心円状に複数設けることができる。

１対の信号用コイル１３が電力用コイル１１の中央部２１側に配設されることにより、信号用コイル１３が中心軸３１方向において電力用コイル１１と重ならないように配設される。

１対の電力用コイル１１と１対の信号用コイル１３は、伝送の際に相対的に固定されている。また、信号用コイル１３は、中心軸３１を中心として同心円状に設け、１対の電力用コイル１１同士及び１対の信号用コイル１３同士が夫々中心軸３１を中心に相対的に回転可能に設けてもよく、ロータリー式の非接触伝送装置とすることができる。

１対の磁性体１５は、円板形状であり中心軸３１に垂直に設けられ、空隙Ｇｍを介して電力用コイル１１の中央部２１側において対向配設されている。さらに磁性体１５は、１対の電力用コイル１１が対向する面側とは反対となる電力用コイル１１の反対面側に配設される。そして、１対の電力用コイル１１は、中心軸３１に沿う方向において１対の磁性体１５間に挟み込まれて配設される。これにより、電力用コイル１１の漏洩磁束が信号用コイル１３に影響することを抑制し、信号用コイル１３の発熱を低減できる。

磁性体１５は、軟磁性フェライトのＮｉ−Ｚｎ系フェライト、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを用いることができる。また磁性体１５は軟磁性フェライト粉末とナイロンやＰＳＳ等の樹脂とを混合して成形した成形体、又は軟磁性フェライト粉末とバインダーとを混合して焼結した焼結体を用いることができる。

さらに、１対の磁性体１５は、電力用コイル１１の中央部２１側において１対の信号用コイル１３間に配設される。

磁性体１５同士が対向する側となる磁性体１５の対向面は、電力用コイル１１の反対面に近接する、又は電力用コイル１１に接して配設され、磁性体１５の対向面とは反対側となる磁性体１５の反対面は、信号用コイル１３に近接する、又は接して配設される。

このように信号用コイル１３同士が対向する側の対向面間の間隔Ｄは、電力用コイル１３の反対面間の間隔Ｄｐより大きく設けられる。これにより電力用コイル１１の漏洩磁束が信号用コイル１３に影響することを抑制できる。

また、電力用コイル１１と信号用コイル１３は、例えば、非磁性かつ絶縁性の接着層（図示せず）を介して磁性体１５に固定される。また、電力用コイル１１と信号用コイル１３と磁性体１５とを非磁性かつ絶縁性の成形樹脂により一体に成形してもよい。

磁性体１５の円形状の外周縁は、電力用コイル１１の外周縁と略相似し、磁性体１５は少なくとも電力用コイル１１の反対面の外周内側を覆っている。このように磁性体１５が電力用コイル１１の反対面の外周内側を覆うことにより、電力用コイル１１の漏洩磁束が信号用コイル１３に影響することを抑制する。磁性体１５の外周縁は、電力用コイル１１の外周縁と略同一形状か電力用コイル１１の外周縁より大きく形成されていることが好ましい。また、磁性体１５は、電力用コイル１１の外周縁を中心軸３１に沿って覆ってもよい。

図１に示すように、電力用コイル１１の中央部２１に磁性体１５を設けずに、電力用コイル１１の中央部２１を中空とするとすることがより好ましく、磁性体１５による信号用コイル１３間の磁束の減衰を抑制できる。

磁性体１５は、信号用コイル１３の伝送帯域の透磁率が電力用コイル１１の伝送帯域の透磁率より小さい。これにより、電力用コイル１１の磁束が磁性体１５の反対面から漏洩するにより信号用コイル１３が発熱することを抑制しつつ、信号用コイル１３の磁束が磁性体１５により減衰することを抑制することができ、電力と信号の双方を同時に伝送できる。

また、本実施の形態の非接触伝送装置は、信号用コイル１３間に配設された一種類の磁性体１５間に電力用コイル１１を配設した簡便な構造により非接触伝送装置の小型化、軽量化、低コスト化ができる。

図３は、磁性体１５の透磁率の周波数特性の一例を示している。図３における横軸は周波数、縦軸は複素透磁率であり、何れの軸とも対数表示である。複素透磁率μはμ’（実部）とμ”（虚部）により示し、透磁率は複素透磁率μの絶対値である。

図３に示すように、電力用コイル１１の伝送帯域（電力伝送帯域）では、μ’が比較的大きいため、透磁率が大きく信号用コイル１３に対する電力用コイル１１の漏洩磁束を小さくできる。そのため電力用コイル１１による信号用コイル１３の発熱を抑制することができる。電力伝送帯域と信号用コイル１３の伝送帯域（信号伝送帯域）の間では、μ’が減少しつつμ”は最大値をとっている。さらに信号伝送帯域では、μ’とμ”が比較的小さくなるため、透磁率が小さい。そのため、磁性体１５を貫通する信号コイル１３間の磁束の減衰を小さくでき、信号コイル１３の伝送特性の劣化を抑制できる。

信号用コイル１３の伝送帯域の透磁率は、３０Ｈ／ｍ以下が好ましく、より好ましくは１０Ｈ／ｍ以下であり、磁性体１５による信号コイル１３間の信号伝送への影響を抑制できる。また、信号用コイル１３の伝送帯域は１ＧＨｚ以上が好ましく、磁性体の材料の設計自由度を拡大でき、高速データ伝送が可能である。

電力用コイル１１の伝送帯域は、例えば、１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚの範囲の中から選択される。電力用コイル１１の伝送帯域の透磁率は、１００Ｈ／ｍ以上が好ましく、電力用コイル１１の磁束収斂性を高め、漏洩磁束を更に小さくできる。

図４、図５は、実施の形態における他の非接触伝送装置の正面断面図である。図４に示すように、磁性体１５を平板状とする代わりに、磁性体１６が電力用コイル１１の中央部２１において断面凹形状として階段状に形成されたものであり、信号用コイル１３間の間隔Ｄを調整することができ、信号伝送の伝送特性を改善することができる。

図４に示すように、電力用コイル１１の中央部２１側における信号用コイル１３間の間隔Ｄは、電力用コイル１１間の空隙Ｇより広く設けられ、信号用コイル１３は、電力用コイル１１を含む中心軸３１に垂直な平面と同一面に配設されている。また、信号用コイル１３は、電力用コイル１１を含まない中心軸３１に垂直な平面と同一面に配設されてもよい。

また、図５に示すように、磁性体１７が、円板形状の中央に円柱突起を有する断面凸形状として電力用コイル１１の中央部２１に設けられてもよく、中央部２１に設けられた磁性体１７の中心軸３１に沿う方向のサイズを大きくすることができ、信号用コイル１３に対する電力用コイル１１の漏洩磁束の影響をさらに低減することができる。この場合、磁性体１５を貫通する信号用コイル１３間の磁束の減衰を抑制するため、電力用コイル１１の中央部２１における磁性体１７間の空隙Ｇｍは、電力用コイル１１間の空隙Ｇより大きくすることが好ましい。

なお、図４、５に示す他の非接触伝送装置において、磁性体１６、１７間の空隙Ｇｍと電力用コイル１１間の空隙Ｇとを同じとすることができる。

本実施の形態の非接触伝送装置は、電力用コイル１１と信号用コイル１３とを同心円状に配設しているため、相互に回転可動ができ、例えば、放送又は監視用の回転カメラに用いることができる。この回転カメラにおける１対の電力用コイル１１は、一方の電力用コイル１１を固定側ユニットの給電部とし、他方の電力用コイル１１を回転側ユニットの受電部として非接触給電を行う。受電部の電力用コイル１１は、カメラを制限なく自在に回転させる回転部、画像等のデータ処理ＩＣ等の駆動電源に接続する。１対の信号用コイル１３は、カメラの制御信号、画像データ等を伝送する。

（実施例）
次に、実施例、比較例の非接触伝送装置について説明する。

実施例における電力用コイルは、径０．８ｍｍの導電線を８ターンした渦巻き状の平面コイルとし、信号用コイルは、径０．２ｍｍの導電線を５ターンした渦巻き状の平面コイルとし、信号用コイルの最大径は電力用コイルの最大径の約６分の１とした。磁性体は、厚みが０．８ｍｍの円板状とし、円板の直径は電力用コイルの最大径と同じに設けた。

この電力用コイル、信号用コイル、磁性体を用いて、実施例は、図１の非接触伝送装置に示すように配設した。比較例は、図１における磁性体を用いない以外は実施例と同一であり、実施例と同じように上記の電力用コイル、信号用コイルを配設した。このとき、電力用コイル間の空隙Ｇは５ｍｍ、信号用コイル間の間隔Ｄは８．４ｍｍとした。

電力用コイルに対しては、数十Ｗの周波数１２０ｋＨｚの正弦波を伝送させ、非接触給電を行った。信号用コイルに対しては、伝送帯域１．０ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚを使用して数Ｇｂｐｓのデジタル信号を伝送させた。

また、磁性体は、透磁率が、電力用コイルの伝送帯域では１２０Ｈ／ｍであり、信号用コイルの伝送帯域では０．１Ｈ／ｍのものを用いた。

次に、実施例、比較例について、磁界強度と信号伝送の伝送損失をシミュレーションにより求めた。

その結果、実施例の信号用コイルの表面における電力用コイルによる磁界強度は２３Ａ／ｍであり、比較例の５５Ａ／ｍと比べ約５８％低減できていた。磁界強度は、熱量と正相関の関係にあることから、実施例では比較例と比べ信号用コイルの発熱を抑制できている。

図６は、実施例と比較例における信号用コイル間の信号伝送の伝送損失特性図である。図６に示すように、実施例は、０．５ＧＨｚ付近の低周波数においては磁性体の影響により伝送損失が大きいが、１．０ＧＨｚ以上になると比較例と同等となり磁性体の影響のない伝送損失とすることができ、信号コイルの伝送帯域を１．０ＧＨｚ以上とすることにより伝送損失特性の劣化を抑制することができることがわかる。

以上のように、実施例の非接触伝送装置は、電力用コイルの漏洩磁束を抑制して信号用コイルの発熱を低減し、非接触給電と伝送損失特性を改善した高速データ伝送とを同時に行うことができる。

１１電力用コイル
１３信号用コイル
１５、１６、１７磁性体
２１中央部
３１中心軸

Claims

空隙を介して対向配設された１対の電力用コイルと、
前記電力用コイルの中央部側にて対向配設された１対の信号用コイルと、
前記１対の電力用コイルを挟み込んで、前記電力用コイルの中央部側にて前記１対の信号用コイル間に空隙を介して対向して配設された１対の磁性体と、を備え、
前記磁性体は、前記信号用コイルの伝送帯域の透磁率が前記電力用コイルの伝送帯域の透磁率より小さい非接触伝送装置。
前記信号用コイルの伝送帯域は、１ＧＨｚ以上である請求項１に記載の非接触伝送装置。
前記１対の信号用コイル間の間隔は、前記電力用コイルが対向する側とは反対側となる前記電力用コイルの反対面間の間隔より大きい請求項１に記載の非接触伝送装置。
前記電力用コイルの中央部側における前記１対の磁性体間の空隙は、前記１対の電力用コイル間の空隙より大きい請求項１に記載の非接触伝送装置。
前記１対の信号用コイルと前記１対の電力用コイルは、中心軸を中心に同心円状に設けられ、夫々対のコイルが相互に回転可能に設けられた請求項１に記載の非接触伝送装置。