JP2002198238A - 回転接続部の電力・信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力供給と双方向の高速・大容量信号伝送を
確実に行うことができ、構造を簡略化でき、小型化で
き、組立や調整が容易にできるようにする。 【解決手段】 回転接続部において電力及び信号を伝送
する装置である。環状の強磁性体からなり隙間を介して
互いに対向し且つ中心軸の周りで相対的な回転動作が許
容されるように配置した第１及び第２のコア１０，１２
と、相対向する位置関係となるように両コアに組み込ん
だ第１及び第２のコイル１４，１６と、両コアの対向面
にそれぞれ設けた電極１８，２０を具備している。これ
によって、コイル間の電磁誘導により電力を伝送し、両
電極間の容量結合により信号を双方向に伝送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転接続部におい
て電力及び信号を伝送する装置に関し、更に詳しく述べ
ると、隙間を介して対向し相対的に回転可能な一対のコ
アにコイルを組み込むと共にコア対向面に電極を設け、
コイル間の電磁結合により電力を伝送し、電極間の容量
結合により信号を伝送する回転接続部の電力・信号伝送
装置に関するものである。この装置は、特に限定される
ものではないが、例えば自走車両の車体側とステアリン
グ側との間での電力供給と双方向の信号伝達に有用であ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車など自走車両の高級化ある
いは他の車種との差別化等に伴って、操舵系統における
ステアリング側（回転側）と車体側（固定側）との間
で、様々な情報の伝達が行われるようになってきた。そ
のため、ステアリング側にも各種の電子回路や表示装置
等の搭載が試みられており、それらの動作のための電力
は車体側から回転接続部を経てステアリング側に供給し
なければならない。しかも高機能化・多機能化につれて
情報伝達量も増大し、信号伝送の高速化並びに高応答性
能が求められている。例えば、エアバッグはステアリン
グ側に組み込まれていて車体側から制御されるが、適切
なタイミングで迅速且つ確実に作動することが要求され
る。

【０００３】このような回転接続部において、電力及び
信号を伝送する技術として様々な方式が開発され使用さ
れている。かつてはスリップリングが使用されていた
が、摺動摩耗などのために信頼性が低い問題があり、現
状ではフレキシブルリードの使用が一般的となってい
る。しかし、フレキシブルリードによる直接的な接続構
造は、リードの引き回しや収納などの問題があって多回
転には対応し難く、また特に信号を多チャンネル化する
場合には広幅のリードが必要となり小型化し難いなどの
問題もある。

【０００４】そこで電力供給に関しては、近年、隙間を
介して対向し且つ相対的に回転可能な一対の磁気コアに
コイルを組み込んだ構成の回転トランスを使用して、電
磁誘導によって行う方式が提案されている。このような
回転トランスによる電力供給では、高効率化のために矩
形波駆動のスイッチングタイプとし、小型化のために周
波数を高くすることが望ましいが、周波数が高くなるに
つれてコア損失（ヒステリシス損失や渦電流損失等）が
増加するので、現状では数百ｋＨｚ程度の周波数が最適
とされている。低速・小容量の信号であれば、この回転
トランスを用いて電力伝送波形を振幅変調することで伝
送することは可能である。

【０００５】しかし、高速・大容量の信号伝送では、振
幅方向に信号を乗せても復調は困難である。その理由
は、一般に電力供給のためのレベルと信号レベルでは必
要とする安定性や対雑音性などが大きく異なるためであ
る。そこで、電力供給のためのスイッチング波形を、信
号に応じて周波数変調もしくは位相変調し、２次側で復
調して信号を得る方式とすることによって、電力供給用
の回転トランスを高速・大容量の信号伝送にも共用する
方式が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に高速の複数の信
号で変調するには、より高いスイッチング周波数とする
必要があり、その周波数偏倚を大きく設定するほどＳＮ
比（信号対雑音比）は向上する。反面、電力供給の安定
性確保には、周波数偏倚は小さい方が好ましい。このよ
うに、周波数偏倚に関しては相反する関係にあり、電力
伝送と高速・大容量信号伝送の両方の性能を同時に向上
するには限界がある。

【０００７】そこで、電力供給は電磁誘導で行い、信号
伝送は容量結合で行う方式が提案された（特開平５−２
０１３３７号公報参照）。ここでは、電磁誘導を行うコ
ア対の外周側に２重円筒状の対向面を形成してコンデン
サ容量を形成する構成、及び電磁誘導を行うコア対から
離れた外側に同軸的に平行平板状の対向面を形成してコ
ンデンサ容量を形成する構成が開示されている。

【０００８】しかし上記のように、これらは一対のコア
とは別個にコンデンサ容量を形成する部分を有してお
り、そのため構造が複雑化し、大型化するし、僅かな隙
間を介して対向する箇所が複数存在するため組立・調整
も煩瑣となる。

【０００９】本発明の目的は、電力供給と双方向の高速
・大容量信号伝送を確実に行うことができ、構造を簡略
化でき、小型化でき、組立や調整が容易な回転接続部の
電力・信号伝送装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転接続部に
おいて電力及び信号を伝送する装置であって、環状の強
磁性体からなり隙間を介して互いに対向し且つ中心軸の
周りで相対的な回転動作が許容されるように配置した第
１及び第２のコアと、相対向する位置関係となるように
両コアに組み込んだ第１及び第２のコイルと、両コアの
対向面にそれぞれ設けた電極を具備している。電力は、
強磁性体からなるコアによって磁気的に結合度を高めた
コイル間の電磁誘導により伝送する。他方、信号は、コ
ア同士の対向面に設けられコンデンサを形成している電
極の容量結合により双方向に伝送される。従って本発明
装置は、直流分は伝送不能であるが、周波数が高ければ
高いほど容易に伝送できるので、高速且つ大容量の情報
伝達に適している。

【００１１】電磁結合及び容量結合を高めるには、軸受
などのガタや対向面の偏心などの精度の許す範囲でコア
対向面の間隙を小さくする必要がある。その点で、本発
明装置では、対向面がコア同士の１箇所のみなので、組
立や調整は容易である。

【００１２】本発明において、コア対向面に設ける電極
は、中心軸の周りを１周することなく、少なくとも１箇
所で不連続になっている（切れている）導体パターンと
するのが好ましい。電極が連続的に全面に配されている
と、１ターンのショートリングとして作動するので電力
伝送の損失が生じるからである。回転軸の周りで閉じて
いなければ周回する電流は流れず、損失は発生しないの
で、対向面積に影響を及ぼさない程度の僅かなスリット
状の絶縁部分を設けるのがよい。

【００１３】第１のコア及び第２のコアを、比抵抗が１
０⁴ Ω・cm程度以上のフェライト材（例えばＮｉ−Ｚｎ
系フェライトなど）で構成する場合には、コア表面に直
接導体層を付着することで電極を形成できる。導体層の
形成には、スパッタリング、蒸着などの薄膜形成方法や
メッキ法が使用できる。メタルマスクなどを用いて選択
的に導体層を形成することにより所望のパターンとする
ことができるし、あるいは全面に導体層を形成した後に
物理的・化学的エッチングにより所望のパターンとする
こともできる。その他、スクリーン印刷などで、あるい
はマスキングを施して、導電性塗料を塗布する方法、パ
ターン化した金属箔を接着する方法などもある。

【００１４】第１のコア及び第２のコアが、比抵抗の低
い磁性材料からなる場合には、コア表面に絶縁層を設
け、該絶縁層上に導体層を付着することで電極を形成す
る。勿論、その構成は、比抵抗が高い磁性材料からなる
場合にも適用可能である。絶縁層の形成は、導体層形成
の場合と同様、スパッタリングや絶縁性塗料の塗布、絶
縁フィルムの貼着などの方法が使用できる。

【００１５】本発明装置で用いる電極としては、特に、
絶縁フィルムに接着されているパターン化された金属箔
が好ましい。例えば、予め薄いプラスチックフィルムの
全面に金属箔が貼着されているものを、マスキングを施
して化学的エッチングを行うことによって金属箔のみを
パターン化して電極とする。絶縁フィルムの面をコア対
向面に貼り付けることにより、コアから絶縁された電極
が得られる。

【００１６】また、本発明においては、第１及び第２の
コアの対向面が、回転軸に対して垂直な平面でもよい
し、回転軸に対して平行な円筒面でもよいが、回転軸に
対して傾斜した円錐台状の面としてもよい。傾斜した円
錐台状の面とすると、コア対向面の面積を拡大でき、コ
ンデンサ容量を大きくできる利点が生じる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明に係る回転接続部の電力・信号
伝送装置の一実施例を示す説明図であり、Ａは分離した
状態での外観を、Ｂは縦断面を、Ｃはコア対向面を、そ
れぞれ示している。本装置は、円環状の強磁性体からな
り隙間を介して互いに対向し且つ中心軸ｏ−ｏの周りで
相対的な回転動作が許容されるように配置した第１のコ
ア１０及び第２のコア１２と、相対向する位置関係とな
るように両コアに組み込んだ第１のコイル１４及び第２
のコイル１６と、両コアの対向面にそれぞれ形成した電
極１８，２０を具備している。例えば自走車両のステア
リング装置に組み込む場合には、一方（例えば第１のコ
ア１０）を車体側（固定側）に、他方（例えば第２のコ
ア１２）をステアリング側（回転側）に設置する。

【００１８】電力は、強磁性体からなる第１及び第２の
コア１０，１２によって磁気的な結合度を高めた第１及
び第２のコイル１４，１６間の電磁誘導により伝送す
る。他方、信号は、コア同士の対向面に設けられコンデ
ンサを形成している電極１８，２０の容量結合により双
方向に伝送される。

【００１９】第１のコア１０及び第２のコア１２は、例
えばＮｉ−Ｚｎ系などの軟磁性フェライト材からなり、
概略ほぼ平板円環状で、半径方向断面がほぼＵ型をなし
ており、それによってコア対向面に円環状の溝２２が形
成されている同一の形状である。第１のコア１０と第２
のコア１２の各溝２２に、予め円環状に所定回数巻き回
した第１のコイル１４と第２のコイル１６を、それぞれ
埋設する。ここで両コイルは樹脂で固めた構造などがよ
い。

【００２０】また第１のコア１０と第２のコア１２のコ
ア対向面（溝２２を除く内周側と外周側の平面）に電極
１８，２０を形成する。これらの電極１８，２０は、中
心軸ｏ−ｏの周りを１周することなく少なくとも１箇所
で不連続になっている導体パターンからなる。不連続部
２４は、対向面積に影響が僅少な程度のスリット状の無
導体部分である。図１の例では１箇所であるが、複数箇
所設けてもよいし、外周側と内周側で同じ位置となる必
要はない。なお、図１のＡでは、電極形状を明瞭にする
ために、導体パターンに斜線を付して表している。導体
パターンは、回転軸の周りで閉じていないので、周回す
る電流は流れず、損失は発生しない。

【００２１】第１のコア１０及び第２のコア１２が、Ｎ
ｉ−Ｚｎ系フェライトなど比抵抗が１０⁴ Ω・cm程度以
上の材料の場合には、コア表面に直接スパッタリングや
蒸着により導体層を付着することで電極を形成できる。
メタルマスクを用いて選択的に形成するか、あるいは全
面に導体層を形成した後に化学的エッチングすることに
より、所望の導体パターンとする。その他、スクリーン
印刷、あるいはマスキングを施して導電性塗料を塗布し
乾燥、あるいは焼き付ける方法などでもよい。

【００２２】第１及び第２のコアが比抵抗の低い磁性材
料からなる場合には、コア表面に絶縁層を設け、該絶縁
層上に上記と同様にして電極を形成する。勿論この方法
は、第１及び第２のコアが比抵抗の高い磁性材料からな
る場合にも適用できる。

【００２３】図２は本発明の他の実施例を示す縦断面図
である。本装置も、円環状の強磁性体からなり隙間を介
して互いに対向し且つ中心軸の周りで相対的な回転動作
が許容されるように配置した第１のコア３０及び第２の
コア３２と、相対向する位置関係となるように両方のコ
ア３０，３２に組み込んだ第１のコイル３４及び第２の
コイル３６と、両コアの対向面にそれぞれ形成した電極
を具備している。

【００２４】第１のコア３０及び第２のコア３２は、半
径方向断面がほぼＬ型をなし、それらが僅かな間隙を介
するように組み合わせる。従って、コア対向面（符号３
７で示す）は回転軸ｏ−ｏに平行な円筒面となる。両方
のコア３０，３２のＬ型の角部にコイル３４，３６を装
着する。コア対向面３７には、前記と同様の方法で電極
を設ける。この構造は、半径方向の寸法が短い場合で
も、軸方向の寸法を長くできれば、コア対向面を広くで
き必要な容量が得られるので、そのような設置状況の場
合には有効な構造である。

【００２５】図３は本発明の更に他の実施例を示す縦断
面図である。本装置も、基本的には上記の各実施例と同
様であり、円環状の強磁性体からなり隙間を介して互い
に対向し且つ中心軸の周りで相対的な回転動作が許容さ
れるように配置した第１のコア４０及び第２のコア４２
と、相対向する位置関係となるように両コアに組み込ん
だ第１のコイル４４及び第２のコイル４６と、両コアの
対向面にそれぞれ形成した電極を具備している。

【００２６】この例では、第１のコア４０及び第２のコ
ア４２のコア対向面４７は、回転軸ｏ−ｏに対して傾斜
した面（円錐台状の面及び逆円錐台状の面）である。半
径方向の断面で見たときに中央部に段差状の窪み（この
窪みは円周状に形成されている）があり、その窪みにコ
イル４４，４６が装着される。コア対向面３７には、前
記と同様の方法で電極を設ける。この構造は、半径方向
及び軸方向の寸法を両方ともある程度確保できる場合
に、斜面となっていることでコア対向面が広くなり、必
要な容量を確保できる。

【００２７】図４は、本発明の他の実施例の分解斜視図
である。第１及び第２のコアやコイルは、図１と同様で
あってよいため、説明を簡略化するため対応する部材・
部分に同一符号を付す。電極５０は、絶縁フィルム５２
上に接着されているパターン化された金属箔５４からな
る。フレキシブル印刷回路シートのように、予め薄いプ
ラスチック絶縁フィルムの全面に金属箔が接着されてい
るものを、選択的な化学的エッチングによって余分な部
分を除去し金属箔のみをパターン化する。そして、図５
のＢに示すように、絶縁フィルム５２の面をコア対向面
に接着剤を用いて貼り付けることで絶縁された電極が得
られる。この方法によれば、コア対向面全体（埋設した
コイル上も含めて）に電極が形成できる。また、取り扱
い易いこと、及びコア材料を問わない（比抵抗値に無関
係）こと、電極面積を広くとれること、などの利点があ
る。

【００２８】ここでは図５のＡに示すように、外周縁か
ら内周側へ、逆に内周縁から外周側へ、半径方向に延び
るスリット状の無電極部５６を交互に多数形成してい
る。１箇所のみ金属箔が完全に切り離されているスリッ
ト状の不連続部（絶縁部）５８を形成している。このよ
うなパターンにすると、中心軸の周りで周回する電流の
流れが阻害され損失の低減に有効であり、しかも電極と
外部回路との接続は１箇所のみでよいため接続作業が容
易となる。

【００２９】図６は、本発明装置を使用した電力伝送及
び信号伝送の回路例を示している。電力伝送は、固定側
の発振回路６０によって生成した交流波形（矩形波形）
を電力増幅回路６１により増幅し一次コイルに交流電流
を流す。この電流に比例した磁束をコアで二次側に導
き、回転側の二次コイルに上記磁束の変化に応じた起電
力を誘起させ、これを整流平滑回路により直流に戻す。
この一次コイル、コア、二次コイルによるトランスＴの
部分が、本発明装置の一部によって構成される。

【００３０】信号伝送は、複数の信号をマルチプレクサ
回路７０及びエンコーダ回路７１によりシリアル信号に
変換して増幅器７２を駆動し、電極同士の間の容量結合
で一方から他方へ伝達し、その際の損失を補完するよう
に信号増幅器７３で所定の信号レベルまで増幅し、デコ
ーダ回路７４及びデマルチプレクサ回路７５によって複
数の信号を再生する。同一の回路構成を２組設置するこ
とによって、固定側と回転側で双方向に信号を伝達する
ことが可能である。電極によるコンデンサＣの部分が、
本発明装置によって構成される。図１〜図３に示すよう
に、２対の電極が設けられている場合には、一方の電極
対を固定側から回転側への信号伝送に、他方の電極対を
固定側から回転側への信号伝送に、というように使い分
けることができる。あるいは、共通に接続して１対の電
極としてもよい。その時には、それぞれ周波数を変えた
り、時分割して異なるタイミングで信号を送ることで、
多重化することが可能である。回転側の回路を駆動する
電力は、上記のような方式で固定側から供給できる。従
って、回転軸を中心に相対的に回転する部材間で自由に
回転しながら電力伝送及び双方向信号伝送が可能とな
る。

【００３１】以上、本発明の好ましい実施例について詳
述したが、本発明は係る構成のみに限られるものでない
ことは言うまでもない。コアの形状、コア対向面の形
状、コイルの設置状況、電極の形状等は、使用状態など
に応じて適宜変更してよい。一方のコアと他方のコア
は、相対的な回転が可能な状態で用いられるもので、一
方が固定の場合のみならず、両方とも固定あるいは両方
とも回転の状況でも設置可能である。

【００３２】本発明装置を自動車のステアリング装置に
適用すると、ステアリングの回転の自由度を保持したま
まで、双方向の信号伝送が可能となり、特に速やかな応
答性が要求されるエアバック信号やシフト信号等の伝達
は容量結合で高い周波数の搬送波によって伝達されるの
で、容易に要求される性能を満たす事が可能となる。高
い周波数の搬送波が使用可能となるので、速やかな応答
性以外にも多量の情報伝送が可能となり、例えばステア
リング上に液晶ディスプレイ等を設置して種々の情報を
表示することも可能となる。例えば、エアバッグ装置の
場合には、ステアリング側にエアバッグ用の大容量コン
デンサを組み込み、該大容量コンデンサにコイル間の電
磁結合により伝送した電力を充電しておき、電極間の容
量結合により伝送するトリガ信号によって放電するよう
に構成すれば、エアバッグを所定のタイミングで確実に
作動させることができる。

【００３３】他の例としては、電気自動車等の無接点充
電コネクタに適用すれば、単に充電電力を供給するに止
まらず、例えばインテリジェント化されたバッテリの充
放電状態を双方向で通信し最適な充電を行ったり、更に
自動車自体に蓄積された諸情報（例えば自動車の各部の
センサの情報やタコグラフ情報など）を充電時に速やか
に取得して整備情報とすることも可能となる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上記のように構成した回転接続
部の電力・信号伝送装置であるから、電力供給と双方向
の高速・大容量信号伝送を確実に行うことができ、構造
を簡略化でき、小型化でき、組立や調整が容易となる
し、機械的接続の場合のような雑音や摺動摩耗などもな
いため信頼性も高い。また、信号伝送には容量結合で高
い周波数の搬送波が使用できるので、応答性が極めて良
好で、しかも多量の情報伝送が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回転接続部の電力・信号伝送装置
の一実施例を示す説明図。

【図２】本発明の他の実施例を示す縦断面図。

【図３】本発明の更に他の実施例を示す縦断面図。

【図４】本発明の他の実施例を示す分解斜視図。

【図５】その電極形状及びコア取付状態の説明図。

【図６】本発明装置を使用した電力伝送及び信号伝送の
回路例の説明図。

【符号の説明】

１０ 第１のコア １２ 第２のコア １４ 第１のコイル １６ 第２のコイル １８，２０ 電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転接続部において電力及び信号を伝送
   する装置であって、環状の強磁性体からなり隙間を介し
   て互いに対向し且つ中心軸の周りで相対的な回転動作が
   許容されるように配置した第１及び第２のコアと、相対
   向する位置関係となるように両コアに組み込んだ第１及
   び第２のコイルと、両コアの対向面にそれぞれ設けた電
   極を具備し、コイル間の電磁誘導により電力を伝送し、
   両電極間の容量結合により信号を伝送するようにしたこ
   とを特徴とする回転接続部の電力・信号伝送装置。
2. 【請求項２】 コア対向面に設ける電極は、中心軸の周
   りを１周することなく少なくとも１箇所で不連続になっ
   ている導体パターンからなる請求項１記載の回転接続部
   の電力・信号伝送装置。
3. 【請求項３】 第１及び第２のコアは、比抵抗が１０⁴
   Ω・cm以上のフェライト材からなり、電極はコア表面に
   直接形成した導体層からなる請求項１又は２記載の回転
   接続部の電力・信号伝送装置。
4. 【請求項４】 電極が、絶縁フィルムに接着されている
   パターン化された金属箔からなり、前記絶縁フィルムが
   コア対向面に貼り付けられている請求項２記載の回転接
   続部の電力・信号伝送装置。
5. 【請求項５】 第１及び第２のコアの対向面が、回転軸
   に対して傾斜した円錐台状の面である請求項１乃至４の
   いずれかに記載の回転接続部の電力・信号伝送装置。