JPH10293826A - 連係ヘッドを備えた電力および情報の非接触伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移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
で伝送するように信号伝送装置を構成し、それを装着す
る機械装置の移動体が、固定体に対しその相対的な位置
関係をある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。 【解決手段】 移動側モジュールＢと固定側モジュール
Ａとをそなえ、それら両モジュールに備えた送信ヘッド
１と受信ヘッド２とが間隙を隔てて互いに対向した時点
で、前記移動側モジュールの動作に必要な電力を前記固
定側モジュールから電磁波を媒体として非接触伝送を行
なうと共に、前記両モジュール相互間において情報信号
を非接触で授受する機能を有する信号伝送装置におい
て、前記両モジュールの少なくとも一方における電力用
ヘッドは、複数のヘッドを互いに連係させた組み合わせ
ヘッドで構成されたことを特徴とする連係ヘッドを備え
た電力および情報の非接触伝送装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
に係り、とくに、固定体と移動体とを有する装置、たと
えば交通関係機器や車両、工作機械、ロボット装置、通
信搬送装置、その他諸種の自動機械などにおいて、移動
体に移動側モジュールを、装置本体に固定側モジュール
を装着し、移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（例えば形
状、位置、歪、圧力、音、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ものに関する。

【０００２】本発明は、固定体と移動体とを有する電子
機器の、固定体側と移動体側とが互いに電磁波を媒体と
してデジタル信号やアナログ信号の情報を非接触で送受
信するとともに、移動体側に非接触で電力を供給する信
号伝送装置に関する。

【０００３】

【従来の技術および発明が解決すべき課題】この種の電
磁波により非接触で伝送を行う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断面形状として、円形や正方形
のものが一般に使用されている。このため、移動側モジ
ュールの消費電力を一定とした場合、主に電力伝送に係
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。

【０００４】したがって、このような非接触伝送では、
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。

【０００５】とくに移動部と固定部とが、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あるので、連続し
た電力やデータの伝送ができない。よって、あらかじめ
指定された特定の対向位置でのみ伝送を行い、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
る。

【０００６】しかし、情報信号のみの授受に関しては、
伝送電力は微小でよいので移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。

【０００７】本発明は上述の点を考慮してなされたもの
で、電力と情報信号とを電磁波により非接触で伝送する
移動側モジュールと固定側モジュールとの間で、両者の
相対的な位置関係がある程度大幅に変動するような場合
でも動作電力を保有し、情報信号の伝送作用を継続的に
行わせる伝送装置を提供することを目的とする。

【０００８】電子機器の固定側と移動側との情報信号の
授受を電磁波により非接触で行う場合、移動側の電子回
路を動作する電力の供給に導線や摺動接点等で接続する
方式が適用されている。

【０００９】また、移動側に対し電磁結合方式で電力を
供給する方法もあるが、一対の電磁コイルによる対向ヘ
ッド間における非接触伝送では、伝送可能な移動距離が
限定されている。

【００１０】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電力の最大伝送効率が得られ、そ
の位置より少しでもずれた場合には、伝送効率が極端に
低下することになる。

【００１１】とくに、移動側と固定側との離間が大きく
なるような機構のものにおいては、双方の電力伝送用ヘ
ッド間が対向しない状態を生じたり、正常な電磁結合が
行われないときがあり、移動側に対する給電に支障を生
じ情報信号の連続した伝送作用ができない場合がある。

【００１２】移動側と固定側とが距離を隔てて行われる
情報信号のみの授受に関しては、アンテナにより連続的
に送受信を行わせようとする特開昭６０−２１６４０号
公報記載の情報伝送装置がある。

【００１３】本発明の目的は、移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信号伝送装置を構
成し、それを装着する機械装置の移動体が、固定体に対
しその相対的な位置関係をある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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の連係ヘッドを備
えた電力および情報の非接触伝送装置は、移動側モジュ
ールの動作に必要な電力を近距離を隔てて対向する固定
側モジュ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、前記モジ
ュールのそれぞれに備えた送信ヘッドと受信ヘッドとが
互いに対向した時点で、電磁波を媒体として動作させる
信号伝送装置であり、電力用の受信ヘッドを互いに連係
した複数のヘッドの組合わせにより構成すると共に、当
該ヘッドの近傍にそれぞれ情報信号用の送信ヘッドを装
着して構成したことを特徴とするものである。

【００１５】そして、複数の連係ヘッドを所定の間隔で
線状や面状に配列させて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、電力および情報信号の授受
を司る連係ヘッドを含む対向ヘッドのそれぞれが、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。
そのうえ、さらに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短縮
型アンテナを主要素として構成できることも特徴であ
る。

【００１６】さらに、電力用の受信ヘッドを互いに連係
した複数のヘッドの出力側に、それぞれ直列に整流器を
挿入することにより、電力を受信しているヘッド以外の
ヘッドへ電流が廻り込むことを防止すると共に、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。

【００１７】殊に、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
入力電力と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と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図って同一モジュー
ルまたは同一ヘッドに実装するようにしたものである。

【００１８】本発明の非接触伝送装置は、移動側モジュ
ールの動作に必要な電力を固定側モジュールから電磁波
によって非接触で供給する仕組みになっている。そし
て、固定側モジュールは商用電源その他の電源によって
動作させる。また、本発明の非接触伝送装置の信号伝送
系は、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できるものである。

【００１９】しかし、ここ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な問題である。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。

【００２０】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、本発明のように両者を同一
モジュール内または近傍に組込んだ場合は、受信系に対
する電力伝送系からの誘導が障害になる。

【００２１】しかし、当該電力比はモジュール相互間の
距離に比例するから、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。

【００２２】本発明では、モジュール間の距離を必要最
低限（例えば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。

【００２３】本発明は上記目的達成のため、移動側モジ
ュールと固定側モジュールとをそなえ、それら両モジュ
ールに備えた送信ヘッドと受信ヘッドとが間隙を隔てて
互いに対向した時点で、前記移動側モジュールの動作に
必要な電力を前記固定側モジュールから電磁波を媒体と
して非接触伝送を行なうと共に、前記両モジュール相互
間において情報信号を非接触で授受する機能を有する信
号伝送装置において、前記移動側モジュールの動作に必
要な電力は、それぞれ電磁コイルを用いて構成された移
動側モジュールの電力受信ヘッドと前記固定側モジュー
ルに属する電力送信ヘッドとが、互いに近接対向した電
磁結合期間に電力搬送波を非接触で伝送し、整流平滑し
て得られるように構成したことを特徴とする電力および
情報の非接触伝送装置、を提供するものである。

【００２４】すなわち、本発明に係る情報および電力の
非接触伝送装置は、移動側モジュールと固定側モジュー
ルとをそなえ、双方のモジュール間の情報信号の授受は
電磁波を媒体として送受信用のアンテナを介して互いに
非接触で行われる。

【００２５】移送側モジュールは、信号用搬送波を外部
からの入力信号に応じて変調した変調信号波を送信する
機能を有する。また、商用電源で動作する固定側モジュ
ールは受信した当該変調信号波を復調し、情報信号とし
て外部装置に出力する処理機能を備えた信号伝送装置で
ある。

【００２６】そして、移動側モジュールの動作に必要な
電力は、電磁コイルを用いてそれぞれ構成された移動側
モジュールの電力受信ヘッドと固定側モジュールに属す
る電力送信ヘッドとが互いに近接対向した電磁結合期間
に、電力搬送波を非接触で伝送し、整流平滑して得られ
るように構成したことを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に説明する本発明の実施形態
は、説明の簡単化のために、電力は固定側モジュールか
ら移動側モジュールに伝送し、情報信号は移動側モジュ
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。

【００２８】図１における固定側モジュールＡの主な機
能は、移動側モジュール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ｆ1を媒体として伝送する
こと、および移動側モジュールＢから伝送してきたＦＭ
(周波数変調)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。

【００２９】他方、移動側モジュールＢの主な機能は、
固定側モジュールＡから電力用搬送波ｆ1により伝送さ
れてくる電力を電力受信ヘッド２によって受信し、整流
平滑のの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ｆ2を周波数変調してＦＭ変
調波とした後、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。

【００３０】電力送信ヘッド１と電力受信ヘッド２、な
らびに信号送信ヘッド３と信号受信ヘッド４の各対向ヘ
ッドは、色々な方式のものを用い得るが、基本的には図
２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。

【００３１】本発明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、図３に示すように磁気
コア７-1，７-2にそれぞれコイル６-1，６-2を巻き、こ
れにコンデンサ５-1，５-2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。

【００３２】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ような閉鎖状のもので
はなく、一般のアンテナのような開放状のものを適用す
ることができる。しかしながら、両モジュールの伝送距
離が前記の如く比較的短い場合には利得が問題になるこ
とはなく、したがって通常用いられる 1／4 波長の整数
倍の長さのアンテナを使用する必要はない。そこで、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、図４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９-3，９-4を用いた対向ヘッドを用い
る。

【００３３】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。同様に移動側モジュール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４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、その伝送の目的を充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。

【００３４】本発明の非接触伝送装置では、図５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、移動部
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ヘッド１
０、およびこれと同等のヘッド１１，１２などの複数個
が所定の間隔ごとに直線状に配列されて構成されてい
る。

【００３５】そして、移動部に装着された電力受信ヘッ
ド２の各ヘッド１０ないし１２などが大きなストローク
で直線状に往復移動をする時、そのヘッドの何れかが必
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。したがって、所定の伝送作用が連続的に継続される
ことになる。

【００３６】また、図６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
波出力は、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ヘ
ッド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、移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。

【００３７】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
しているもののみしか行われない。この場合、総てのヘ
ッドが常に電力用搬送波ｆ１に共振していれば良いが
（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ヘッド、すなわち
電力送信ヘッド１と対向しているヘッドを電力用搬送波
ｆ1に共振するように設定する必要がある。

【００３８】したがって、電力送信ヘッド１に対向して
いないヘッド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ヘッドの共振に
も影響を及ぼす。このような場合に、図６の如く複数の
連係ヘッドに整流器１３を接続し、誘起した高周波を整
流して直流化した後に合成するように構成することによ
って、前述した悪影響を軽減できると共に、各受信ヘッ
ドの共振に関係ないコイルの抵抗分によって受信した電
力がショートされる、所謂電流の廻り込み現象を防止す
るという効果をもたらすことができる。

【００３９】以上の実施形態においては、複数のヘッド
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、本発明の
装置は、複数のヘッド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、電気的には各ヘッド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。

【００４０】また、上記実施形態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、電力伝送と信号伝送に係わる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。

【００４１】先にも述べたように、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
複数のヘッドを組合せた電力受信ヘッドにおいては、そ
のアンテナを電力伝送に係るコイルと一緒にコアに巻き
付けるなどして一体化するとか、あるいは電力伝送用の
各ヘッドの近傍に設置するとか、電力伝送用の各ヘッド
にまたがって作用するアンテナを配備する。しかるに、
情報信号伝送系にアンテナを用いる程度の周波数の電磁
波を用いる場合には、広範囲をカバーできるので、１対
または数対程度のアンテナで多数の受信ヘッドをカバー
するように構成してもよい。

【００４２】図７の構成例は、ヘッドごとに設けた信号
送信アンテナ１４およびローディングコイル８に対し、
移動側モジュールＢの信号用搬送波ｆ2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形態である。さらに図
８の方式は、信号送信アンテナ１４の部分を図の如くフ
ォールデッドダイポール（Folded dipole）形式のもの
としたものである。

【００４３】また、電力送信側の効果を良くし不要な高
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。

【００４４】上記実施形態において、電力送信ヘッド１
と電力受信ヘッド２と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を移動側として説明したが、双方とも固定側または移
動側とする場合もあり得る。このほか、上記実施形態で
は変調方式にＦＭ変調方式を用いたが、本発明において
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。

【００４５】以下に説明する本発明の実施形態は、説明
の簡単化のため、電力は固定側モジュールから移動側モ
ジュールに伝送し、情報信号は移動側モジュールから固
定側モジュールに伝送する、いわゆる単方向伝送の場合
について説明する。

【００４６】図９において、商用電源Ｅに接続された固
定側モジュールＡの主な機能は、移動側モジュール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
ｆ１を媒体として伝送すること、および移動側モジュー
ルＢから伝送されてきたＦＭ（周波数変調）信号波を信
号受信アンテナ４によって受信したのち復調し、信号出
力Ｄ０として外部に出力することである。

【００４７】他方、移動側モジュールＢの主な機能は、
固定側モジュールＡから電力用搬送波ｆ１により伝送さ
れてくる電力を電力受信ヘッド２によって受信し、整流
平滑ののち回路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ｆ２を周波数変調して
ＦＭ信号波とした後、送信アンテナ３から固定側モジュ
ールＡに向けて伝播させることである。

【００４８】そして、移動側モジュールＢから送信した
情報信号は、固定側モジュールＡを経由して他の外部処
理装置に伝送される。

【００４９】電力送信ヘッド１と電力受信ヘッド２、送
信アンテナ３と受信アンテナ４の各対向ヘッドは、種々
の方式のものを用いうるが、原理的には図１０に示すよ
うなコンデンサ５とコイル６とを並列接続した同調回路
を用いることが多い。

【００５０】本発明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図１１に示すように、磁
気コア７-1，７-2にそれぞれ６-1，６-2を巻き、これに
コンデンサ５-1，５-2を並列接続して同調を取るように
したものである。

【００５１】そして、一方を電力送信ヘッド２の電磁コ
イルに作用させるもので、両者が近接したときに電磁結
合を生じ、非接触で給電される仕組みになっている。

【００５２】情報信号用については、伝送周波数を高く
選べばコイルのような閉鎖状のものでなく、一般に電波
アンテナのような開放状のものが適用される。

【００５３】なお、固定側モジュールＡに属している電
力送信ヘッド１だけを接続線を延長して配置すれば、そ
の位置まで移動側モジュールＢと共に電力受信ヘッド２
を離して設置することができる。

【００５４】また図１２は、商用電源で動作させる固定
側モジュールＡを、電力用搬送波ｆ１を供給する回路機
能の部分だけを分割した分割モジュールＡ1と、その他
を固定側モジュールＡ0で示したものである。これに電
力送信ヘッド１を接続した構成は、図９と同様の作用効
果を有する非接触伝送装置に他ならない。

【００５５】したがって、図示しないが、分割モジュー
ルＡ１と電力送信ヘッド１とを固定側モジュールＡ0と
は別の場所に分離して設置し、これを商用電源で動作さ
せることもできる。

【００５６】このような分離手段により、複数の分割モ
ジュールを随所に配置することもできるから、アンテナ
４を備えた一式の固定側モジュールＡ0に対し、移動側
モジュールの数を増加することもできる。

【００５７】［変形例］上記実施形態において、電力送
信ヘッド１と電力受信ヘッド２との関係は、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よいこ
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を移動側として説明したが、双方とも固
定側または移動側とする場合もあり得る。

【００５８】この他、上記実施形態ではＦＭ変調方式を
用いたが、本発明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可能であることは自明であ
ろう。

【００５９】図５は、固定側モジュールＡ0に属する複
数の分割モジュールＡ1とＡ2とのそれぞれに備えた電力
送信用の分割ヘッド１−１，１−２に対し、それらに対
向する電力受信ヘッド２−１，２−２をそなえた複数の
移動側モジュールＢ1，Ｂ2をそなえたものである。そし
て、移動側モジュールＢ1またはＢ2のアンテナ３−１ま
たは３−２と固定側モジュールＡ0のアンテナ４との間
において情報信号の授受を行うように構成された実施形
態を示したものである。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、機構上の移動部と固定
部との相対移動距離が可成り大きい場合においても、連
続した電力およびデータの伝送を同時に行うことが可能
である。殊に、複数個のヘッドを適宜組合せて連係させ
ることにより、必要とする伝送領域において大きな余裕
度を取ることができる。

【００６１】また、アンテナを含むヘッドの構成は、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発明の商品化に際し、
量産性や在庫管理の面からも極めて有利である。

【００６２】なお、この種の装置に適用される磁気コア
のうち、特に情報信号の伝送には高価な高周波用フェラ
イト・コアが使用されるが、本発明においてはアンテナ
によって代替することによりコアや巻線作業が不必要に
なるので、システム全体の価格の低減に大きく寄与する
ことができる。

【００６３】本発明によれば、移動部と固定部との相対
的位置や移動距離がかなり大きな場合においても、移動
側モジュールの近傍に固定側の分割モジュールＡ１を含
む電力送信ヘッド１を配置しておくことにより、移動部
の電力消耗の懸念なく所定の情報伝送を連続して行うこ
とが可能となる。また、同様に構成された複数の分割モ
ジュールを随所に配置すれば、複数の移動側モジュール
を設置できるという従来ない効果が得られる。

【００６４】そして、移送側モジュールに非接触で給電
され整流平滑された電力を蓄電機器に貯蔵する手段を利
用すれば、移動部と固定部との両モジュール間の情報伝
送はアンテナの動作領域にわたって適用できるという効
果を持つことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触伝送装置の基本的構成例を
示すブロック線図。

【図２】本発明の一実施形態における送信または受信ヘ
ッドの回路例を示す配線図。

【図３】本発明の一実施形態における対向ヘッドの基本
的構成図。

【図４】本発明の一実施形態における対向ヘッドの基本
的構成図。

【図５】本発明の一実施形態における対向ヘッドの構成
図。

【図６】本発明の一実施形態における対向ヘッドの電気
回路図。

【図７】本発明の他の実施形態における複数のヘッドの
構成を示す図。

【図８】本発明の他の実施形態における複数のヘッドの
構成を示す図。

【図９】本発明に係る非接触伝送装置の基本的構成例を
示すブロック線図。

【図１０】本発明の一実施形態における送信または受信
ヘッドの回路例を示す配線図。

【図１１】本発明の一実施形態における対向ヘッドの基
本的構成図。

【図１２】本発明の一実施形態における非接触伝送装置
の基本的構成図。

【図１３】本発明の一実施形態における構成を示すブロ
ック線図。

【符号の説明】

Ａ 固定側モジュール Ｂ 移動側モジュール １ 電力送信ヘッド ２ 電力受信ヘッド ３ 信号送信ヘッド ４ 信号受信ヘッド ５ コンデンサ ６ コイル ７ 磁気コア ８ ローディングコイル ９-3 信号送信アンテナ ９-4 信号受信アンテナ １０，１１，１２ ヘッド １３ 整流器 １４ 信号送信アンテナ １５ 分岐器 １６ 同軸ケーブル

【手続補正書】

【提出日】平成１０年３月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 連係ヘッドを備えた電力および情報
の非接触伝送装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
に係り、とくに、固定体と移動体とを有する装置、たと
えば交通関係機器や車両、工作機械、ロボット装置、通
信搬送装置、その他諸種の自動機械などにおいて、移動
体に移動側モジュールを、装置本体に固定側モジュール
を装着し、移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（例えば形
状、位置、歪、圧力、音、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ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の電磁波により非接触で伝送を行
う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断面
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。このため、移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。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】したがって、このような非接
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。

【０００４】とくに移動部と固定部とが、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あるので、連続し
た電力やデータの伝送ができない。よって、あらかじめ
指定された特定の対向位置でのみ伝送を行い、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
る。

【０００５】しかし、情報信号のみの授受に関しては、
伝送電力は微小でよいので移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。

【０００６】本発明の目的は、移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信号伝送装置を構
成し、それを装着する機械装置の移動体が、固定体に対
しその相対的な位置関係をある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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の連係ヘッドを備
えた電力および情報の非接触伝送装置は、移動側モジュ
ールの動作に必要な電力を近距離を隔てて対向する固定
側モジュ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、前記モジ
ュールのそれぞれに備えた送信ヘッドと受信ヘッドとが
互いに対向した時点で、電磁波を媒体として動作させる
信号伝送装置であり、電力用の受信ヘッドを互いに連係
した複数のヘッドの組合わせにより構成すると共に、当
該ヘッドの近傍にそれぞれ情報信号用の送信ヘッドを装
着して構成したことを特徴とするものである。

【０００８】そして、複数の連係ヘッドを所定の間隔で
線状や面状に配列させて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、電力および情報信号の授受
を司る連係ヘッドを含む対向ヘッドのそれぞれが、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。
そのうえ、さらに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短縮
型アンテナを主要素として構成できることも特徴であ
る。

【０００９】さらに、電力用の受信ヘッドを互いに連係
した複数のヘッドの出力側に、それぞれ直列に整流器を
挿入することにより、電力を受信しているヘッド以外の
ヘッドへ電流が廻り込むことを防止すると共に、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。

【００１０】殊に、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
入力電力と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と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図って同一モジュー
ルまたは同一ヘッドに実装するようにしたものである。

【００１１】本発明の非接触伝送装置は、移動側モジュ
ールの動作に必要な電力を固定側モジュールから電磁波
によって非接触で供給する仕組みになっている。そし
て、固定側モジュールは商用電源その他の電源によって
動作させる。また、本発明の非接触伝送装置の信号伝送
系は、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できるものである。

【００１２】しかし、ここ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な問題である。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。

【００１３】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１０，０
００倍〜１００，０００倍以上にもなり、本発明のよう
に両者を同一モジュール内または近傍に組込んだ場合
は、受信系に対する電力伝送系からの誘導が障害にな
る。

【００１４】しかし、当該電力比はモジュール相互間の
距離に比例するから、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
発明では、モジュール間の距離を必要最低限（例えば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。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に説明する本発明の実施例
は、説明の簡単化のために、電力は固定側モジュールか
ら移動側モジュールに伝送し、情報信号は移動側モジュ
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。

【００１６】図１における固定側モジュールＡの主な機
能は、移動側モジュール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ｆ１を媒体として伝送する
こと、および移動側モジュールＢから伝送してきたＦＭ
（周波数変調）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Ｄ_０として外部に出力するこ
とである。

【００１７】他方、移動側モジュールＢの主な機能は、
固定側モジュールＡから電力用搬送波ｆ１により伝送さ
れてくる電力を電力受信ヘッド２によって受信し、整流
平滑のの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ｆ２を周波数変調してＦＭ
変調波とした後、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。

【００１８】電力送信ヘッド１と電力受信ヘッド２、な
らびに信号送信ヘッド３と信号受信ヘッド４の各対向ヘ
ッドは、色々な方式のものを用い得るが、基本的には図
２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。

【００１９】本発明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、図３に示すように磁気
コア７−１，７−２にそれぞれコイル６−１，６−２を
巻き、これにコンデンサ５−１，５−２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。

【００２０】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ような閉鎖状のもので
はなく、一般のアンテナのような開放状のものを適用す
ることができる。しかしながら、両モジュールの伝送距
離が前記の如く比較的短い場合には利得が問題になるこ
とはなく、したがって通常用いられる１／４波長の整数
倍の長さのアンテナを使用する必要はない。そこで、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、図４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９−３，９−４を用いた対向ヘッドを
用いる。

【００２１】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。同様に移動側モジュール
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４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、その伝送の目的を充分に達するよう
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。

【００２２】本発明の非接触伝送装置では、図５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、移
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ヘ
ッド１０、およびこれと同等のヘッド１１，１２などの
複数個が所定の間隔ごとに直線状に配列されて構成され
ている。

【００２３】そして、移動部に装着された電力受信ヘッ
ド２の各ヘッド１０ないし１２などが大きなストローク
で直線状に往復移動をする時、そのヘッドの何れかが必
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。したがって、所定の伝送作用が連続的に継続される
ことになる。

【００２４】また、図６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
高周波出力は、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
から成る複数のヘッド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、移動側モ
ジュールの動作回路などの電源として使用される。

【００２５】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
しているもののみしか行われない。この場合、総てのヘ
ッドが常に電力用搬送波ｆ１に共振していれば良いが
（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ヘッド、すなわち
電力送信ヘッド１と対向しているヘッドを電力用搬送波
ｆ１に共振するように設定する必要がある。

【００２６】したがって、電力送信ヘッド１に対向して
いないヘッド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ヘッドの共振に
も影響を及ぼす。このような場合に、図６の如く複数の
連係ヘッドに整流器１３を接続し、誘起した高周波を整
流して直流化した後に合成するように構成することによ
って、前述した悪影響を軽減できると共に、各受信ヘッ
ドの共振に関係ないコイルの抵抗分によって受信した電
力がショートされる、所謂電流の廻り込み現象を防止す
るという効果をもたらすことができる。

【００２７】以上の実施例においては、複数のヘッドを
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、本発明の装
置は、複数のヘッド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、電気的には各ヘッド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。

【００２８】また、上記実施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、
電力伝送と信号伝送に係わる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。

【００２９】先にも述べたように、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
複数のヘッドを組合せた電力受信ヘッドにおいては、そ
のアンテナを電力伝送に係るコイルと一緒にコアに巻き
付けるなどして一体化するとか、あるいは電力伝送用の
各ヘッドの近傍に設置するとか、電力伝送用の各ヘッド
にまたがって作用するアンテナを配備する。しかるに、
情報信号伝送系にアンテナを用いる程度の周波数の電磁
波を用いる場合には、広範囲をカバーできるので、１対
または数対程度のアンテナで多数の受信ヘッドをカバー
するように構成してもよい。

【００３０】図７の構成例は、ヘッドごとに設けた信号
送信アンテナ１４およびローディングコイル８に対し、
移動側モジュールＢの信号用搬送波ｆ２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。さらに図８
の方式は、信号送信アンテナ１４の部分を図の如くフォ
ールデッドダイポール（Ｆｏｌｄｅｄ ｄｉｐｏｌｅ）
形式のものとしたものである。

【００３１】また、電力送信側の効果を良くし不要な高
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。

【００３２】上記実施例において、電力送信ヘッド１と
電力受信ヘッド２と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
を移動側として説明したが、双方とも固定側または移動
側とする場合もあり得る。このほか、上記実施例では変
調方式にＦＭ変調方式を用いたが、本発明においては通
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。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、機構上の移動部と固定
部との相対移動距離が可成り大きい場合においても、連
続した電力およびデータの伝送を同時に行うことが可能
である。殊に、複数個のヘッドを適宜組合せて連係させ
ることにより、必要とする伝送領域において大きな余裕
度を取ることができる。

【００３４】また、アンテナを含むヘッドの構成は、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発明の商品化に際し、
量産性や在庫管理の面からも極めて有利である。

【００３５】なお、この種の装置に適用される磁気コア
のうち、特に情報信号の伝送には高価な高周波用フェラ
イト・コアが使用されるが、本発明においてはアンテナ
によって代替することによりコアや巻線作業が不必要に
なるので、システム全体の価格の低減に大きく寄与する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触伝送装置の基本的構成例を
示すブロック線図。

【図２】本発明の一実施例における送信または受信ヘッ
ドの回路例を示す配線図。

【図３】本発明の一実施例における対向ヘッドの基本的
構成図。

【図４】本発明の一実施例における対向ヘッドの基本的
構成図。

【図５】本発明の一実施例における対向ヘッドの構成
図。

【図６】本発明の一実施例における対向ヘッドの電気回
路図。

【図７】本発明の他の実施例における複数のヘッドの構
成を示す図。

【図８】本発明の他の実施例における複数のヘッドの構
成を示す図。

【符号の説明】 Ａ 固定側モジュール Ｂ 移動側モジュール １ 電力送信ヘッド ２ 電力受信ヘッド ３ 信号送信ヘッド ４ 信号受信ヘッド ５ コンデンサ ６ コイル ７ 磁気コア ８ ローディングコイル ９−３ 信号送信アンテナ ９−４ 信号受信アンテナ １０，１１，１２ ヘッド １３ 整流器 １４ 信号送信アンテナ １５ 分岐器 １６ 同軸ケーブル

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図 １】

【図 ２】

【図 ３】

【図 ４】

【図 ５】

【図 ６】

【図 ７】

【図 ８】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動側モジュールと固定側モジュールとを
   そなえ、それら両モジュールに備えた送信ヘッドと受信
   ヘッドとが間隙を隔てて互いに対向した時点で、前記移
   動側モジュールの動作に必要な電力を前記固定側モジュ
   ールから電磁波を媒体として非接触伝送を行なうと共
   に、前記両モジュール相互間において情報信号を非接触
   で授受する機能を有する信号伝送装置において、 前記両モジュールの少なくとも一方における電力用ヘッ
   ドは、複数のヘッドを互いに連係させた組み合わせヘッ
   ドで構成されたことを特徴とする連係ヘッドを備えた電
   力および情報の非接触伝送装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の連係ヘッドを備えた電力お
   よび情報の非接触伝送装置において、 前記電力用ヘッドの出力側に、 それぞれ直列に整流器が挿入され電力を受信している電
   力用ヘッド以外の連係ヘッドへの電流の回り込みを防止
   するとともに、前記連係ヘッドの出力を合成するように
   構成した連係ヘッドを備えた電力および情報の非接触伝
   送装置。
3. 【請求項３】移動側モジュールと固定側モジュールとを
   そなえ、それら両モジュールに備えた送信ヘッドと受信
   ヘッドとが間隙を隔てて互いに対向した時点で、前記移
   動側モジュールの動作に必要な電力を前記固定側モジュ
   ールから電磁波を媒体として非接触伝送を行なうと共
   に、前記両モジュール相互間において情報信号を非接触
   で授受する機能を有する信号伝送装置において、 前記移動側モジュールの動作に必要な電力は、それぞれ
   電磁コイルを用いて構成された移動側モジュールの電力
   受信ヘッドと前記固定側モジュールに属する電力送信ヘ
   ッドとが、互いに近接対向した電磁結合期間に電力搬送
   波を非接触で伝送し、整流平滑して得られるように構成
   したことを特徴とする電力および情報の非接触伝送装
   置。