DE19651719C2

DE19651719C2 - Sekundäre Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System

Info

Publication number: DE19651719C2
Application number: DE19651719A
Authority: DE
Inventors: Yuji Nishizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: US5831348A; JPH09326736A; TW315553B; DE19651719A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine sekundäre Schaltungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige sekundäre Schaltungseinrichtung ist aus EP-A-0 442 390 bekannt. Zum Begrenzen der durch die sekundäre Schaltungseinrichtung aufgenommene Energie wird ein Parallelresonanzschwingkreis für die Energieübertragung bestimmt.

In DE 42 24 390 A1 ist ein kontaktfreier tragbarer Träger beschrieben, in dem sich eine Rücksetzeinrichtung zum Rücksetzen einer Signalverarbeitungsrichtung ohne eigenes Rücksetzsignal betätigen läßt.

In DE 39 09 301 A1 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, mit deren Hilfe ein Steuersignal in Abhängigkeit vom Erreichen eines vorgegebenen Sollspannungswertes an einem Energiespeicherelement am Ende eines Ladezyklus angezeigt werden kann.

In EP-A-0 441 237 ist ein tragbares feldprogrammierbares Detektierplättchen mit lediglich einer Spule beschrieben.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Beispiel eines drahtlosen Sende- Empfangs-Systems zum Übertragen einer elektrischen Energie und Senden eines Signals in kontaktfreier Form auf der Grundlage der üblichen Technologie. Dieses drahtlose Sende- Empfangs-System enthält eine primäre Schaltungseinrichtung 10 und eine sekundäre Schaltungseinrichtung 50. Die primäre Schaltungseinrichtung 10 enthält einen Primär-Controller 11, einen Energieverstärker 12 und eine Primärspule 13.

Die sekundäre Schaltungseinrichtung 50 enthält eine Sekundärenergie-Empfangsspule (Energieinduktionsspule) 51, einen sekundären Energieresonanzkondensator 52, eine Gleichrichterschaltung 53, einen Glättungskondensator 54 und eine Sekundärlast 55 als Energieschaltungen, und sie enthält weiterhin eine Sekundärsignalspule (Signalinduktionsspule) 56, einen Signal-Sende-Empfangs-Auswahlschalter 57, einen in Reihe geschaltete Signalübertragungs-Resonanzkondensator 58, einen parallel geschalteten Signalempfangs- Resonanzkondensator 59 und einen Sekundärsignal-Controller 60 als Signalschaltungen.

Der Signal-Sende/Empfangs-Auswahlschalter 57 wird zu einem Kontaktpunkt a gemäß dem Signalempfangsende während eines Signalempfangsmodus geschaltet, entsprechend einem Steuersignal, das von dem Sekundärsignal-Controller 60 ausgegeben wird, und ferner zu einem Kontaktpunkt b gemäß dem Signalsendeende während eines Signalsendemodus. Insbesondere schließt der Signal-Sende/Empfangs-Auswahlschalter 57 selektiv ein Ende entweder des in Reihe geschalteten Signalübertragungs-Resonanzkondensators 58 oder des parallel geschalteten Signalempfangs-Resonanzkondensators 59 gemäß dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus an.

Hiernach kennzeichnet ω₁ eine Energiekreisfrequenz und ω₂ eine Signalkreisfrequenz.

Bei dem drahtlosen Sende-Empfangs-System auf der Grundlage der üblichen Technologie, wie sie oben beschrieben ist, liegt ein Zeitaufteilungs-Steuerungssystem vor, und zwar als erstes Beispiel eines Systems, bei dem eine elektrische Energie und ein Signal in kontaktfreier Form über eine Gegeninduktionswirkung übertragen werden. Das Zeitmultiplex- Steuersystem ist, wie in Fig. 14 gezeigt, ein System, bei dem eine Funkstörung zwischen einer elektromagnetischen Welle eines Signals und derjenigen der Energie dadurch vermieden wird, daß eine Zeit zum Senden/Empfangen des Signals von einer Zeit zum Senden/Empfangen der Energie getrennt wird, so daß sich die Zuverlässigkeit der Signalübertragung verbessern läßt. In diesem System können die Energiekreisfrequenz ω₁ und die Signalkreisfrequenz ω₂ in diesem System identisch sein.

Als zweites Beispiel des Systems, bei dem eine elektrische Energie und ein Signal in kontaktfreier Form übertragen werden, liegt ein System vor, bei dem ein physikalischer Kopplungsfaktor zwischen der sekundären Energieempfangsspule 51 und der sekundären Signalspule 56 reduziert ist, insbesondere eine Distanz zwischen den Spulen, wie in Fig. 15 gezeigt, größer gewählt wird, so daß eine wechselseitige Störung einer Energiefrequenz f₁ und einer Signalfrequenz f₂ vermieden wird. In diesem Fall ist eine kleinere Sekundärsignalspule 56 innerhalb einer großen schleifenförmigen Sekundärenergie-Empfangsspule 51 vorgesehen.

Wie oben beschrieben, werden die Größen der beiden Spulen 51, 56 voneinander unterschiedlich gewählt, um die Kopplungsfaktoren dieser beiden Spulen 51 und 56 zu reduzieren, und die Sekundärsignalspule 56 ist an der Innenseite der sekundären Energieempfangsspule 51 vorgesehen, da, wie in Fig. 16 gezeigt, sich die portable sekundäre Schaltungseinrichtung 50 allgemein von jeder Richtung der festen primären Schaltungseinrichtung 10 nähert, jedoch die zu betreibende sekundäre Schaltungseinrichtung 50 zuerst die Energie empfängt und die Energiequelle für den Betrieb zu aktivieren ist.

Ein drittes Beispiel eines Systems, bei dem eine elektrische Energie und ein Signal in kontaktfreier Form übertragen werden, ist ein System, bei dem die Bedingung (Energiekreisfrequenz) Energiekreisfrequenz ω₁ « (Signalkreisfrequenz) ω₂ festgelegt ist, oder in anderen Worten die Bedingung (Energiefrequenz f₁) « (Signalfrequenz) f₂ festgelegt ist, und in diesem System wird ein Energiefrequenzelement f₁ mit einem Frequenzfilter in der primären Energieübertragungsschaltung und einem Empfangsabschnitt einer sekundären Signalübertragungs/Empfangsschaltung entfernt.

Üblicherweise wurde als sekundäre Energieempfangsspule 51 und als sekundäre Signalspule 56, wie in Fig. 17A und Fig. 17B gezeigt, ein Spulensystem eingesetzt, das manuell geformt wurde oder durch mechanisches Wickeln eines Drahts 100, beispielsweise eines Magnetdrahts oder dergleichen, oder ein Musterspulen-(Blattspulen)-System, wie in Fig. 18A und Fig. 18B gezeigt, bei dem ein Leiterstreifenmuster 102 in jeder Schicht einer Mehrschicht-Leiterplatte 101 bei derselben Position strukturiert wird.

Bei dem ersten Beispiel auf der Grundlage der üblichen Technologie gemäß dem Zeitmultiplex-Steuersystem wird eine Funkstörung zwischen einer elektromagnetischen Welle eines Signals und derjenigen einer Energie dadurch vermieden, daß eine Zeit zum Senden/Empfangen des Signals von einer Zeit zum Senden/Empfangen der Energie getrennt wird, jedoch wird bei Einsatz dieses Systems eine zum Senden/Empfangen eines Signals erforderliche Zeit und diejenige zum Übertragen/Empfangen einer Energie kürzer ausgebildet, so daß eine Übertragungsgeschwindigkeit eines Signals reduziert ist und eine Energie bei einer elektrischen Energieübertragung ebenfalls reduziert ist.

Bei dem zweiten Beispiel auf der Grundlage der üblichen Technologie wird zum Reduzieren eines physikalischen Kopplungsfaktors zwischen der sekundären Energieempfangsspule 51 und der sekundären Signalspule 56 eine Distanz zwischen den Spulen größer ausgebildet, so daß eine Größe der sekundären Schaltungseinrichtung 50 in nachteiliger Weise größer wird.

Bei dem dritten Beispiel auf der Grundlage der üblichen Technologie kann zum Erzielen der Bedingung (Energiefrequenz) f₁ « (Signalfrequenz) f₂ die Energiefrequenz f₁ nicht größer sein) wodurch die wirksame Übertragung einer elektrischen Energie unmöglich wird.

Nun erfolgt eine Beschreibung im Hinblick auf die oben beschriebene Tatsache unter Bezug auf eine in Fig. 19 gezeigte äquivalente Schaltung des sekundären Schaltungsseite betrachtet von der Ausgangsseite der elektrischen Energieschaltung. In Fig. 19 kennzeichnet L₁ eine elektrische Energieinduktionsspule, und R₁ kennzeichnet einen Reihenwiderstand der elektrischen Energieinduktionsspule L₁, L₂ kennzeichnet eine Signalinduktionsspule, und die Signalinduktionsspule L₂ ist mit der elektrischen Energieinduktionsspule L₁ über die Gegeninduktivität M gekoppelt. R₂ kennzeichnet einen Serienwiderstand der Signalinduktionsspule L₂, und R kennzeichnet einen äquivalenten Widerstand mit Ausnahme des Spulenabschnitts der Signalschaltung.

Hierbei kann unter der Annahme, daß die Impedanz Z₀, betrachtet von der Ausgangsseite der elektrischen Energieschaltung zu Z₀ = L₀ + jωL₀ bestimmt ist, dieser Ausdruck anhand der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden.

Nun ist ein Widerstandswert R₂ des Reihenwiderstands der Signalinduktionsspule L₂ sehr klein, und ωL₂ ist größer als R₂ (ωL₂ < R₂), so daß der Widerstand R₀ in der Gleichung (2) durch einen Maximalwert von Rm = R₁ + ωM²/2 L₂ dann ausgedrückt wird, wenn gilt R = ω L₂ - R₂.

Die folgende Gleichung wird durch die Gleichung (2) erfüllt.

Entsprechend läßt sich eine Beziehung zwischen einem äquivalenten Widerstand R und R₀, wie in Fig. 20 gezeigt, ausdrücken.

Für eine Induktivität L₀ wird anhand der Gleichung (2) (δ² L₀/δR₂) < 0 erhalten, so daß eine Induktivität L₀ einfach im Zusammenhang mit der Zunahme des äquivalenten Widerstands R zunimmt, und der Wert hiervon wird maximal, wenn R einen Wert von unendlich annimmt. Insbesondere wird die folgende Gleichung erhalten:

so daß eine Beziehung zwischen dem äquivalenten Widerstand R und der Induktivität L₀, wie in Fig. 21 gezeigt, verläuft.

Hier werden unter der Annahme, daß die Beziehung Kreisfrequenz ω₁ einer Energie « Kreisfrequenz ω₂ eines Signals gilt, die Impedanz 1/ω₁C₃ und 1/ω₁C₄ entsprechend einer Kreisfrequenz ω₁ einer Energie für einen in Reihe geschalteten Signalübertragungs-Resonanzkondensator 58 und einen parallel geschalteten Signalempfangs- Resonanzkondensator 59 jeweils größer.

Es ist zu erwähnen, daß die Bezugszeichen C₃, C₄ Kapazitätswerte für den in Reihe geschalteten Signalübertragungs-Resonanzkondensator 58 und den parallel geschalteten Signalempfangs-Resonanzkondensator 59 kennzeichnen.

Insbesondere wird der äquivalente Reihenwiderstand R in der in Fig. 19 gezeigten äquivalenten Schaltung 1/ω₁C₃ oder 1/ω₁C₄, jeweils im Signalsendemodus und Signalempfangsmodus, so daß dann, wenn man davon ausgeht, daß der äquivalente Widerstand L₁ ausschließlich des Spulenabschnitts der Signalschaltung einer Energieinduktionsspule entspricht und der äquivalente Widerstand L₂ einer Signalinduktionsspule entspricht, der Widerstand R, insbesondere 1/ω₁C₃ oder 1/ω₁C₄ größer wird. Aufgrund dieses Merkmals verhält sich die von der Spule des Signalschaltunges gesehene Ausgangsseite ähnlich zu dem geöffneten Zustand, und der Einfluß der Signalschaltung betrachtet von der elektrischen Energieschaltung wird geringer.

In anderen Worten ausgedrückt, wird eine elektrische Energie nicht besonders stark durch den Signalschaltung absorbiert, und eine Wirkung der Signalschaltung betrachtet von der elektrischen Energieschaltung nimmt ab (jedoch verbleibt eine Wirkung der elektrischen Energieschaltung betrachtet von dem Signalschaltung).

Jedoch nimmt mit höher werdender Energiefrequenz die Zahl der Ladevorgänge des Glättungskondensators 54 zu, so daß sich ein Energieübertragungswirkungsgrad verbessert, und aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß die Energiefrequenz hoch ist, betrachtet von dem Blickwinkel eines Energieübertragungswirkungsgrads.

Jedoch ist es erforderlich, die Bedingung Kreisfrequenz ω₁ einer Energie « Kreisfrequenz ω₂ eines Signals zu erfüllen, so daß die Signalfrequenz im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Energiefrequenzsignals mit einer höheren Frequenz höher festzulegen ist.

Allgemein liegt bei dem drahtlosen Sende-Empfangs-System eine in einem elektromagnetischen Induktionssystem mit geringen Kosten eingesetzte Frequenz in einem Bereich von um die 100 kHz bis 1 MHz, und die oben beschriebene Frequenz ist auch von dem Blickwinkel des Entwurfs einer kostengünstigen Spule wünschenswert.

Entsprechend kann dann, wenn die Signalfrequenz beispielsweise zu 400 kHz bestimmt ist, der Energiefrequenz höchstens ein Wert von 100 kHz zugeordnet werden, da es erforderlich ist, die Bedingung Kreisfrequenz ω₁ einer Energie « Kreisfrequenz ω₂ eines Signals zu erfüllen, so daß ein Energieübertragungswirkungsgrad nicht so stark zunimmt.

Der Einsatz eines ISM-Bands von 13,56 MHz für die Energieübertragung ist vorteilhaft im Hinblick auf das Gesetz für die drahtlose Vorgehensweise, und in diesem Fall kann ein großer Umfang von Energie übertragen werden, jedoch muß zum Erfüllen der Bedingung Kreisfrequenz ω₁ einer Energie « Kreisfrequenz ω₂ eines Signals die Signalfrequenz weiter angehoben werden, was im Hinblick auf den Entwurf einer kostengünstigen Schaltung und Spule schwierig ist.

Ferner besteht ein Problem dahingehend, daß eine Impedanz betrachtet von der Energieschaltung in Abhängigkeit von dem Sende/Empfangs-Modus für eine Signalschaltung variiert, und hierdurch wird der Energieübertragungswirkungsgrad variiert.

Die Fig. 22A und 22B zeigen jeweils eine äquivalente Schaltung eines parallelen LC-Resonanzkreises in der Energieschaltung auf der Basis einer Betrachtung des äquivalenten Reihenwiderstands Rc des sekundären Energieresonanzkondensators.

Die Impedanz |Z| in dieser Schaltung wird anhand der folgenden Gleichung (5) ausgedrückt.

Hierbei nimmt dann, wenn die Induktivität L der Energieinduktionsspule durch eine Gleichung (6) ausgedrückt wird, der Wert |Z| den Wert von |Z|max an, so daß die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die Impedanz |Z|max wird in diesem Fall durch eine Gleichung (7) ausgedrückt.

Nun ist der äquivalente Reihenwiderstand Rc sehr klein, so daß |Z|max einen sehr großen Wert annimmt.

Andererseits ist die Impedanz |Z|S auf einer rechten Seite betrachtet von der Gleichrichterschaltung 53 sehr klein, da ein Kapazitätswert des Kondensators groß ist.

Der Impedanzabgleich ist erforderlich, um von der parallelen LC-Resonanzschaltung am wirksamsten eine elektrische Energie zu der Gleichrichterschaltung 53 hin abzuleiten, und allgemein ist, wie in Fig. 22B gezeigt, ein Abgleichkondensator 101 hierzu eingefügt. Unter der Annahme, daß ein Kapazitätswert C des Abgleichkondensators 101 auf einen sehr kleinen Wert festgelegt ist, nimmt 1/ωC einen großen Wert an, so daß sich die Impedanz angleichen läßt.

Jedoch variiert die Impedanz entsprechend dem Sende/Empfangs- Modus des Signalschaltunges, wie oben beschrieben, so daß eine Kapazität für den Impedanzabgleich entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus des Signalschaltunges zu variieren ist.

Sind die Spulen 51, 56 solche, die manuell oder durch mechanisches Wickeln eines Magnetdrahts oder dergleichen gebildet sind, so sind viele Prozeßschritte zum Wickeln desselben mit dem Draht erforderlich, so daß die Kosten teuer werden. Zudem wird dann, wenn die Spulen 41, 56 durch zufälliges Wickeln gebildet sind, beim Schließen der Spulen zu einem Eingangs/Ausgangsanschluß, an dem eine Hochspannung angelegt wird, eine floatende Kapazität in diesem Abschnitt größer, und weiterhin werden Magnetdrähte zueinander geschlossen, so daß eine Leitungskapazität größer wird, und eine Eigenresonanzfrequenz einer Spule wird niedriger, wodurch es unmöglich wird, die Spulen bei hoher Frequenz einzusetzen. Bei den durch zufälliges Wickeln gebildeten Spulen kann, wie oben beschrieben, lediglich eine Frequenz von bis zu höchstens ungefähr 200 kHz eingesetzt werden.

Wenn die Spulen 51, 56 jeweils Musterspulen enthalten, die durch Musterbildung bei derselben Position in jeder Schicht einer Mehrschicht-Leiterplatte gebildet sind, so ist eine Distanz zwischen den Mustern gering, so daß eine floatende Kapazität größer wird, und eine eigene Resonanzfrequenz der Spule wird niedriger, wodurch es auch unmöglich wird, diese bei einer hohen Frequenz einzusetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System, bei dem sich eine elektrische Energie und ein Signal wirksam übertragen lassen.

Diese Aufgabe wird durch eine sekundäre Schaltungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Resonanzkondensator-Auswahlschalter selektiv entweder einen ersten Energieresonanzkondensator oder einen zweiten Energieresonanzkondensator an, entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus. Aufgrund dieses Merkmals wird die Veränderung der Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus in dem Signalschaltung mit einer Kapazität des Kondensators kompensiert.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung verändert sich eine Kapazität des Kondensators mit variabler Kapazität unter Steuerung durch die Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit dem Übertragungsmodus oder Empfangsmodus. Mit diesem Merkmal wird die Veränderung der Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus für den Signalschaltung mit einem Kapazitätswert des Kondensators kompensiert.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Induktivitäts-Auswahlschalter selektiv entweder mit einem Randabschnitt oder einem Mittenabgriff einer Energieinduktionsspule mit einem Abgriff entsprechend dem Sendemodus oder Empfangsmodus verbunden. Mit diesem Merkmal wird die Veränderung der Impedanz betrachtet von der Energieschaltung gemäß dem Sende/Empfangs-Modus für den Signalschaltung durch den Induktivitätswert der Energieinduktionsspule mit einem Abgriff kompensiert.

Bei der zweiten Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt ein Impedanzelement mit hoher Impedanz einen geringeren äquivalenten Widerstand während des Sendemodus derart, daß eine Energie für die Energieschaltung nicht durch die Impedanz in einem sekundären Signalcontroller verbraucht wird.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich das Impedanzelement mit hoher Impedanz wirksam mit einer Energieimpedanzspule realisieren.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung schließt der Impedanzabgleich-Auswahlschalter selektiv entweder einen ersten Impedanzabgleichkondensator oder einen zweiten Impedanzabgleichkondensator entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus an. Mit diesem Merkmal läßt sich die Impedanz mit derjenigen einer Gleichrichterschaltung selbst dann abgleichen, wenn sich eine Parallelresonanzimpedanz während der Resonanz in Übereinstimmung mit einer Veränderung eines Spulenwerts in der Energieschaltung verändert, entsprechend dem Sende/Empfangsmodus für den Signalschaltung.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende/Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung sind Energieinduktionsspulen jeweils auf beiden Seiten einer Signalinduktionsspule vorgesehen. Mit Bereitstellung der Spulen wird eine Bedingung dahingehend erfüllt, daß eine elektrische Energie zunächst zum Starten der sekundären Schaltungseinrichtung erforderlich ist.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung sind Energieinduktionsspulen jeweils an beiden Seiten einer Signalinduktionsspule vorgesehen. Durch die Bereitstellung der Spulen läßt sich eine Bedingung dahingehend erfüllen, daß zunächst eine elektrische Energie zum Starten der sekundären Schaltungseinrichtung erforderlich ist. Zusätzlich bildet jede der beiden Energieinduktionsspulen jeweils eine Parallelresonanzschaltung, und eine Gleichrichterschaltung ist jeweils mit jeder der Spulen so verbunden, daß selbst dann, wenn lediglich eine der Energieinduktionsspulen betrieben wird, ein Fehlabgleich nicht auftritt.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten eine Signalinduktionsspule und eine Energieinduktionsspule Leiterschleifenmuster, die jeweils auf einer Leiterplatte gebildet sind.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System ist eine Induktionsspule durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster bei benachbarten Schichten ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht gebildet, und ein in jeder der Schichten einer Mehrschicht- Leiterplatte gebildetes Leiterschleifenmuster ist um einen festgelegten Abstand zu derjenigen der angrenzenden Schicht beabstandet. Mit diesem Merkmal lassen sich Spulen so entwerfen, daß ein Abstand zwischen Leitungen breiter werden kann, und der Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß mit der zwischen diesen vorliegenden höchsten Spannungsdifferenz lassen sich beabstandet zueinander ausbilden.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System ist eine Induktionsspule durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster bei angrenzenden Schichten ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht gebildet, sowie durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster bei angrenzenden Schichten ausgehend von der n-ten Schicht bis zu der ersten Schicht. Ein bei jeder der Schichten einer Mehrschicht-Leiterplatte gebildetes Leiterschleifenmuster ist gemäß einem festgelegten Abstand von dem bei der angrenzenden Schicht gebildeten versetzt. Mit diesem Merkmal lassen sich Spulen derart entwerfen, daß ein Abstand zwischen Leitungen weiter ausgebildet werden kann, und der Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß mit der diesen anliegenden größten Spannungsdifferenz können zueinander beabstandet vorgesehen sein. Weiterhin läßt sich eine Zahl der Muster erhöhen.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System sind die Leiterplatten mit einer zwischenliegenden Isolationsplatte übereinander angeordnet. Ein Abschlußrand eines Leiterschleifenmusters bei einer Leiterplatte ist elektrisch mit einem Startrand eines auf einer anderen Leiterplatte gebildeten Leiterschleifenmusters verbunden, so daß sich eine Induktionsspule bilden läßt. Die andere Leiterplatte grenzt mit einer zwischenliegenden Isolierplatte an. Ferner steht eine Verbindungspassung in Eingriff mit der zwischenliegenden Isolierplatte und ist an dieser befestigt.

Besondere Ausführungsformen der Schaltungseinrichtung sind unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild zum Darstellen der Ausführungsform 1 eines drahtlosen Sende-Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 2 ein Schaltbild zum Darstellen der Ausführungsform 2 des drahtlosen Sende-Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 3 ein Schaltbild zum Darstellen der Ausführungsform 3 des drahtlosen Sende-Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 4 ein Schaltbild zum Darstellen der Ausführungsform 4 des drahtlosen Sende-Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 5 ein Schaltbild zum Darstellen der Ausführungsform 5 des drahtlosen Sende-Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 6A in Blockschaltbild eines Spulenabschnitts zum Darstellen der Ausführungsform 6 der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6B ein Schaltbild desselben;

Fig. 7A ein Blockschaltbild eines Spulenabschnitts zum Darstellen der Ausführungsform 7 der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7B ein Schaltbild für denselben;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Spulenabschnitts zum Darstellen der Ausführungsform 8 der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A eine Draufsicht zum Darstellen der Ausführungsform 9 der Induktionsspule für das drahtlose Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9B eine Querschnittsansicht derselben entlang der in Fig. 9A gezeigten Linie A-A;

Fig. 10A eine Draufsicht zum Darstellen der Ausführungsform 10 der Induktionsspule für das drahtlose Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10B eine Querschnittsansicht derselben entlang der in Fig. 10A gezeigten Linie A-A;

Fig. 11A eine Draufsicht eines einzelnen Substrats, die selbst die Ausführungsform 11 der Induktionsspule für das drahtlose Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 11B eine Vorderansicht desselben;

Fig. 12A eine Vorderansicht zum Darstellen der Ausführungsform 11 der Induktionsspule für das drahtlose Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Zustand der Kombination der Substrate;

Fig. 12B eine Seitenansicht derselben;

Fig. 13 ein Schaltbild zum Darstellen des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung auf der Grundlage der üblichen Technologie enthält;

Fig. 14 ein Zeitablaufdiagramm zum Darstellen eines Betriebszeitablaufs in einem Zeitaufteilungs- Steuerungssystem;

Fig. 15 eine Draufsicht zum Darstellen eines Spulenabschnitts der sekundären Schaltungseinrichtung auf Basis der üblichen Technologie;

Fig. 16 eine erläuternde Ansicht zum Darstellen eines Beispiels für den Einsatz des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems;

Fig. 17A eine Konzeptansicht für mit elektrischem Draht gewickelte Spulen;

Fig. 17B eine Erläuterungszeichnung für dieselbe;

Fig. 18A eine Draufsicht auf die Leiterplattenspule auf Basis der üblichen Technologie;

Fig. 18B eine Querschnittsansicht derselben entlang der in Fig. 18A gezeigten Linie A-A;

Fig. 19 ein äquivalentes Schaltbild der sekundären Schaltungseinrichtung betrachtet von der Ausgangsseite der elektrischen Energieschaltung;

Fig. 20 einen Graphen zum Darstellen einer Impedanzeigenschaft der sekundären Schaltungseinrichtung;

Fig. 21 einen Graphen zum Darstellen einer Beziehung zwischen dem äquivalenten Widerstand und der Impedanz der sekundären Schaltungseinrichtung;

Fig. 22A ein äquivalentes Schaltbild der parallelen LC- Resonanzschaltung in der elektrischen Energieschaltung im Hinblick auf den äquivalenten Reihenwiderstand bei dem sekundären Energieresonanzkondensator; und

Fig. 22B ein Gesamtschaltbild derselben.

Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die angefügte Zeichnung. Es ist zu erkennen, daß in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gleiche Bezugszeichen gleichen Abschnitten gemäß denjenigen bei den Beispielen auf Basis der oben beschriebenen üblichen Technologie zugeordnet sind, und eine Beschreibung hiervon wird weggelassen.

Die Fig. 1 zeigt die Ausführungsform 1 des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Die sekundäre Schaltungseinrichtung 50 enthält zwei Kondensatoren 61, 62, und jeder der zugeordneten Kapazitätswerte ist jeweils-so festgelegt, daß eine maximale Energie bei einer sekundären Energieresonanzkapazität entsprechend dem Sende-Empfangs- Modus für den Pilotkreis empfangen wird, und jeder Kondensator 61 und 62 wird durch Auswahl mit einem Resonanzkondensator-Auswahlschalter 63 eingesetzt.

Der Resonanzkondensator-Auswahlschalter 63 wählt einen Kontaktpunkt a für den Signalempfang in dem Empfangsmodus aus, und er wählt einen Kontaktpunkt b zum Signalsenden in dem Signalsendemodus aus, entsprechend einem Steuersignal, das von einem sekundären Signalcontroller 60 ausgegeben wird, wie in einem Fall eines Signalsende/Empfangs-Auswahlschalter 57.

Insbesondere schließt der Resonanzkondensator-Auswahlschalter 63 selektiv einen der Kondensatoren 61 und 62 entsprechend dem Sendemodus oder Empfangsmodus.

Nun erfolgt eine Beschreibung des Schaltungsbetriebs.

Der sekundäre Signalschaltung bewirkt eine Parallelresonanz oder eine Serienresonanz entsprechend dem Empfangsmodus oder dem Signalsendemodus derart, daß eine Kreisfrequenz ω₂ für ein Signal in dem Sende-Empfangs-Modus für den sekundären Signalschaltung anhand der Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt wird.

Beim Empfangen

Beim Senden

Demnach ist unter der Annahme, daß die Bedingung Kreisfrequenz ω₁ einer Energie » Kreisfrequenz ω₂ eines Signals erfüllt ist, C₃ gleich C₄.

Der scheinbare Widerstand R auf einer rechten Seite ausgehend von der Induktivität L₂ der Signalschaltung wird durch die Gleichungen (10), (11) jeweils im Empfangsmodus und im Übertragungsmodus ausgedrückt.

Beim Empfangen:

Beim Senden:

Entsprechend variiert der äquivalente Widerstand R nach Fig. 19 in Übereinstimmung mit dem Empfangsmodus oder dem Sendemodus, so daß auch die Induktivität L₀ in der Gleichung (2) variiert.

Entsprechend variiert die elektrische Energieschaltung L₁ in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung entsprechend dem Empfangsmodus und dem Sendemodus, so daß es zum fortlaufenden Erfüllen der optimalen Resonanzbedingung unabhängig davon, ob sich ein Betriebszustand in dem Empfangsmodus oder in dem Sendemodus befindet, erforderlich ist, einen der Kondensatoren 61 und 62 dadurch einzusetzen, daß sie durch den in Fig. 1 gezeigten Resonanzkondensator-Auswahlschalter 63 ausgewählt wird.

Der Resonanzkondensator-Auswahlschalter 63 wählt einen Kontaktpunkt a für den Signalempfang im Signalempfangsmodus aus, und er wählt einen Kontaktpunkt b für die Signalübertragung in dem Signalsendemodus aus, entsprechend einem von dem Wählsignal-Controller 60 aus gegebenen Steuersignal wie in dem Fall des Signalsende/Empfangs- Auswahlschalter 57, so daß selbst dann, wenn die Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangsmodus für die Signalschaltung variiert, immer die optimale Resonanzbedingung erhalten wird, ein Wirkungsgrad für die Energieübertragung einer Energie nicht variiert und eine maximale Energie von der Schaltung mit einer festgelegten Energiefrequenz abgeleitet werden kann.

Bei der Ausführungsform kann eine Kreisfrequenz ω₁ für eine Energieübertragung auf einen höheren Wert festgelegt werden, und ein ISM-Band bei 13,56 MHz kann eingesetzt werden, so daß sich eine große zulässige Energie gemäß der Spezifikation übertragen läßt.

Die Fig. 2 zeigt die Ausführungsform 2 des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. In dieser Ausführungsform wird ein Kondensator mit variablem Kapazitätswert 64 auf der Grundlage eines Varaktors/einer Reaktanzdiode oder dergleichen als sekundärer Energieresonanzkondensator in der sekundären Schaltungseinrichtung 50 eingesetzt. Der Kondensator mit variablem Kapazitätswert 64 empfängt immer eine maximale Energie, unabhängig davon, ob ein Betriebszustand im Sendemodus oder im Empfangsmodus für die Signalschaltung vorliegt, so daß sich ein Wert des Kondensators mit dem Sekundärsignal-Controller 60 entsprechend dem Sende/Empfangsmodus für die Signalschaltung steuern läßt.

Wie oben beschrieben, kann durch Steuern des Kapazitätswerts des Kondensators mit variablen Kapazitätswert 64 mit dem Sekundärsignal-Controller 60 auch in diesem Fall selbst dann, wenn sich die Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende- oder Empfangsmodus der Signalschaltung verändert, immer die optimale Resonanzbedingung erhalten werden, und ein Wirkungsgrad bei der Energieübertragung einer Energie variiert nicht und eine maximale Energie läßt sich über die Schaltung mit festgelegter Energiefrequenz ableiten.

Bei der Ausführungsform läßt sich auch, wie im Fall der Ausführungsform 1, eine Kreisfrequenz ω₁ für eine Energieübertragung auf einen höheren Wert einstellen, und es läßt sich ein ISM-Band bei 13,56 MHz einsetzen, so daß sich eine große Energie, die gemäß der Spezifikation zulässig ist, übertragen läßt.

Die Fig. 3 zeigt die Ausführungsform 3 des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Bei dieser Ausführungsform enthält eine Sekundärinduktionsspule in der sekundären Schaltungseinrichtung 50 eine Induktionsspule 65 mit einem Abgriff.

Die Energieinduktionsspule 65 mit einem Abgriff ist selektiv entweder mit einem Anschlußabschnitt 65a oder einem Mittenabgriff 65b mit einem Induktivitätsauswahlschalter 66 verbunden, und die tatsächliche Induktivität L₁ variiert.

Der Induktivitätsauswahlschalter 6 wird entsprechend dem Übertragungsmodus oder dem Empfangsmodus für die Signalschaltung geschaltet, wie in einem Fall des Signal- Sendes/Empfangsauswahlschalters 67, in Ansprechen auf ein Steuersignal, das von dem Sekundärsignal-Controller 60 ausgegeben wird.

Insbesondere verbindet dem Induktivitätsauswahlschalter 66 selektiv entweder das Anschlußende 65a oder den Mittenabgriff 65b der Energieinduktionsspule 65 mit einem Abgriff entsprechend dem Übertragungsmodus oder dem Empfangsmodus.

Die Resonanzbedingung einer Energieinduktion wird durch die Gleichung (12) ausgedrückt, so daß zum Erhalten einer speziellen Kreisfrequenz ω₁ sich entweder ein Kapazitätwert C₁ oder eine Induktivität L₁ während der Resonanz für eine Energieschaltung angleichen lassen. In der Ausführungsform variiert die Induktivität anstelle des Kapazitätswerts bei der Resonanzschaltung für eine Energie.

Resonanzbedingung für eine Energie:

Bei der Ausführungsform wird der Induktivitätsauswahlschalter 66 in Übereinstimmung mit dem Signalempfangsmodus oder dem Signalsendemodus geschaltet, wie in einem Fall des Signalsende/Empfangs-Auswahlschalter 57, und zwar in Ansprechen auf ein von dem Sekundärsignal-Controller 60 ausgegebenes Steuersignal, so daß entweder das Anschlußende 65a oder der Mittenabgriff 65b mit der Schaltung verbunden ist, und die tatsächliche Induktivität L₁ bei der Resonanzschaltung für eine Energie variiert.

Mit diesem Merkmal ist selbst dann, wenn die Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus für die Signalschaltung variiert, immer die optimale Resonanzbedingung gewährleistet, und ein Wirkungsgrad der Leistungs/Energieübertragung variiert nicht und eine maximale Energie läßt sich von der Schaltung mit festgelegter Energiefrequenz ableiten.

Bei der Ausführungsform läßt sich auch, wie im Fall der Ausführungsform 1, eine Kreisfrequenz ω₁ für eine Energieübertragung auf einen höheren Wert festlegen, und ein ISM-Band bei 13,56 MHz kann eingesetzt werdend so daß eine große Energie, die gemäß der Spezifikation zulässig ist, übertragen werden kann.

Die Fig. 4 zeigt die Ausführungsform 4 des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die Sekundärschaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. In dieser Ausführungsform ist eine Energieimpedanzspule 67 mit hoher Impedanz in Serie zu der Signalschaltung (Übertragungsschaltung) der sekundären Schaltungseinrichtung 50 verbunden, und zwar bei einer Position zwischen einer Sekundärsignalspule 56 und einer Resonanzkapazität 58 für die Übertragung.

Gilt die Bedingung, nach der gilt Kreisfrequenz ω₁ eine Energie » Kreisfrequenz ω₂ eines Signals, erfüllt, so werden die Gleichungen (13) und (14) aus der Gleichung (9) abgeleitet.

Hier ist C3 gleich C4, so daß sich die Gleichung (14) in die Gleichung (15) umformen läßt.

Der Widerstand R nach Fig. 19 ist der äquivalente Widerstand mit Ausnahme des Widerstands in dem Spulenabschnitt der Signalschaltung, so daß der äquivalente Widerstand R in dem Empfangsmodus durch die Gleichung (16) gemäß der Gleichung (14) ausgedrückt wird.

Beim Empfang:

Im Gegensatz hierzu ist der äquivalente Widerstand R im Übertragungsmodus ein Wert, bei dem die Impedanz des Sekundärsignal-Controllers 60 zu 1/ω₁ C₃ addiert ist, so daß der äquivalente R im Übertragungsmodus durch die Gleichung (17) ausgedrückt ist.

Beim Übertragen:

Bei der in Fig. 19 gezeigten äquivalenten Schaltung ist dann, wenn ein Serienwiderstand R₂ der Signalinduktionsspule L₂ einen sehr geringen Wert annimmt, so daß er vernachlässigbar ist, der äquivalente Widerstand R₀ im Empfangsmodus ein Wert von ungefähr R0, gemäß der Gleichung (16). Da der durch die Gleichung (16) erhaltene äquivalente Widerstand R im Vergleich zu ω₁L₂ ausreichend klein ist, wird der Widerstand R₀ im Empfangsmodus durch die Gleichung (18) ausgedrückt.

Beim Empfang:

Weiterhin gilt mit Gleichung (15) ω₂L₂ » 1/ω₁C₃, so daß nach Gleichung (17) der äquivalente Widerstand R₀ im Übertragungsmodus einen maximalen Wert annimmt, der bei Vernachlässigung von 1/ω₁C₃ dann, wenn gilt ω₁L₂ = (Impedanz des Sekundärsignal-Controller 60) durch die Gleichung (19) ausgedrückt wird.

Beim Übertragen:

Der äquivalente Widerstand R₀ im Übertragungsmodus nimmt einen Wert an, der nicht vernachlässigt werden kann, eine Energie für die elektrische Energieschaltung wird durch die Impedanz in dem Sekundärsignal-Controller 60 verbraucht, und somit läßt sich eine ausreichende Energie hierfür nicht erhalten.

Aus diesem Grund nimmt, wie in Fig. 4 gezeigt, der äquivalente Widerstand R in der in Fig. 19 gezeigten äquivalenten Schaltung einen sehr großen Wert durch Verbinden der Energieimpedanzspule 67 mit hoher Impedanz in Serie zu dem Sender an, und der äquivalente Widerstand R₀ im Sendemodus wird kleiner (R₀ = R₁, und R₁ ist im wesentlichen gleich Null), so daß eine Energie für die elektrische Energieschaltung nicht durch die Impedanz des Sekundärsignal- Controller 60 verbraucht wird, und eine ausreichende Energie hierfür zugeführt werden kann.

Bei der Ausführungsform läßt sich auch, wie im Fall der Ausführungsform 1, eine Kreisfrequenz ω₁ für eine Energieübertragung auf einen höheren Wert einstellen, und es läßt sich ein ISM-Band bei 13,56 MHz einsetzen, so daß sich eine größere zulässige Energie gemäß der Spezifikation übertragen läßt.

Es ist zu erwähnen, daß die Impedanz der Energieimpedanzspule 67 den Wert ω₁L₃ aufweist, und daß unter der Bedingung, daß gilt, Kreisfrequenz ω₁ einer Energie « Kreisfrequenz ω₂ eines Signals, die Impedanz einen sehr großen Wert annimmt, so daß in diesem Fall die geeignete Spule eingesetzt wird.

Die Fig. 5 zeigt die Ausführungsform 5 des drahtlosen Sende- Empfangs-Systems, das die sekundäre Schaltungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. In dieser Ausführungsform sind zwei Einheiten der Impedanzabgleichkondensatoren 68, 69 vorgesehen, und jeder der Impedanzabgleichkondensatoren 68, 69 läßt sich durch einen Impedanzabgleichkondensator-Auswahlschalter 70 auswählen.

Der Impedanzabgleichkondensator-Auswahlschalter 70 wählt einen Kontaktpunkt a für den Empfang im Signalempfangsmodus aus, und er wählt einen Kontaktpunkt b für die Signalübertragung im Signalsendemodus aus, wie in einem Fall des Signalsende/Empfangs-Auswahlschalter 57, entsprechend einem von dem Sekundärsignal-Controller 60 ausgegebenen Steuersignal.

Insbesondere verbindet der Impedanzabgleich-Kondensator- Auswahlschalter 70 selektiv einen der Impedanzabgleichkondensatoren 68 und 69, entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus.

Wie oben beschrieben, variiert die Impedanz bei der Resonanz der parallelen Energieresonanzschaltung in Übereinstimmung mit dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus für die Signalschaltung, so daß sich ein Impedanzabgleich mit der Gleichrichterschaltung 53 nicht erreichen läßt.

Bei der Ausführungsform werden die Impedanzabgleichkondensatoren 68 und 69 wechselseitig mit dem Impedanzabgleichkondensator-Auswahlschalter 70 umgeschaltet, der durch den Sekundärsignal-Controller 60 gesteuert wird, wodurch sich eine optimale Impedanzabgleichkapazität auswählen läßt, unabhängig davon, ob sich ein Betriebszustand in dem Empfangsmodus oder in dem Sendemodus befindet, so daß sich ein korrektere Impedanzabgleich erzielen läßt, wodurch es möglich ist, eine maximale Energie von der Parallelresonanzschaltung, die die Energieinduktionsspule 51 und den Resonanzkondensator 52 enthält, zu der Gleichrichterschaltung 53 abzuleiten.

Die Fig. 6A und 6B zeigt jeweils die Ausführungsform 6 der Sekundärschaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende- Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren kennzeichnen die Bezugszeichen 80 und 81 Energieinduktionsspulen, und mit 82 ist eine Signalinduktionsspule gekennzeichnet.

Die Energieinduktionsspulen 80 und 81 sind an beiden Seiten der Signalinduktionsspule 82 vorgesehen. Die Energieinduktionsspulen 80 und 81 sind miteinander in Serie verbunden, und der Parallelresonanzkondensator 52 ist zu der Serienschaltung parallel abgeschlossen.

Die Energieinduktionsspulen 80 und 81 sind an beiden Seiten der Signalinduktionsspule 82 vorgesehen, so daß, wie in Fig. 16 gezeigt, selbst dann, wenn sich die sekundäre Schaltungseinrichtung 50 der primären Schaltungseinrichtung 10 von irgendeiner Richtung nähert, zunächst die sekundäre Schaltungseinrichtung 50 einen magnetischen Fluß aufnimmt, der durch die primäre Schaltungseinrichtung mit der Energieinduktionsspule 80 oder 81 erzeugt wird, und eine Energie wird empfangen, so daß die Anforderung für einen Start der Energiezufuhr erfolgt ist.

Die Fig. 7A und die Fig. 7B zeigen jeweils die Ausführungsform 7 der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Energieinduktionsspulen 80 und 81 sind auch an beiden Seiten der Signalinduktionsspule 82 bei dieser Ausführungsform vorgesehen. Die Energieinduktionsspulen 80 und 81 sind diskret jeweils mit den Resonanzkondensatoren 52a, 52b und den Gleichrichterschaltungen 53a, 53b verbunden, so daß zwei Systeme, die jeweils die Parallelresonanzschaltung und die Gleichrichterschaltung für die Energieinduktion enthalten, an beiden Seiten der Signalinduktionsspule 62 vorgesehen sind.

Bei dieser Ausführungsform kann im Gegensatz zur Ausführungsform 6 selbst dann, wenn lediglich eine der Energieinduktionsspulen, beispielsweise die Energieinduktionsspule 80, einen Magnetfluß von der primären Schaltungseinrichtung empfängt, die Spule vorteilhafterweise eine Energie in stabiler Weise empfangen.

Die Fig. 8 zeigt die Ausführungsform 8 der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs- System gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält die Schaltungsvorrichtung Leiterschleifenmuster 84, die jeweils durch Musterbildung der Energieinduktionsspulen 80, 81 und der Signalinduktionsspule 82 auf einer Leiterplatte 83 gebildet sind.

Wie oben beschrieben, enthält die Schaltungseinrichtung Leiterschleifenmuster 84, die jeweils durch Musterbildung der Energieinduktionsspulen 80, 81 und der Signalinduktionsspule 82 auf einer Leiterplatte 83 gebildet sind, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen mit weniger Herstellungsprozeßschritten herzustellen.

Die Fig. 9A und die Fig. 9B zeigt jeweils die Ausführungsform 9 der Induktionsspule für das drahtlose Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die Leiterschleifenmuster 88, 89, 90 mit jeweils einer Schleife in insgesamt drei Schichten gebildet; insbesondere in der oberen und hinteren Schicht einer ersten Leiterplatte 86 und in einer ersten Oberflächenschicht einer zweiten Leiterplatte 87 einer Mehrschicht-Leiterplatte 85.

Jeweils zwischen zwei angrenzenden Leiterschleifenmustern 88 und 89 und ebenfalls 89 und 90 ist ein festgelegter Abstand vorgesehen, oder, in anderen Worten, es ist ein Muster mit einem festgelegten Abstand zwischen angrenzenden Schichten betrachtet von der Oberseite des Musters vorgesehen, und das Leiterschleifenmuster ist fortlaufend im wesentlichen in einer Spiralform in der Folge 88 → 89 → 90 gebildet, und Anschlußenden der Leiterschleifenmuster 88 und 90 sind jeweils Eingangs- und Ausgangsenden 91 und 92.

Die Spulen lassen sich wie oben beschrieben entwerfen, so daß ein Abstand zwischen Leitungen breiter ausgebildet sein kann, und das Eingangsende 91 und das Ausgangsende 92, zwischen denen die größte Spannungsdifferenz vorliegt, können beabstandet zueinander ausgebildet sein, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen jeweils mit einer exzellenten Frequenzeigenschaft und weniger Herstellungsprozeßschritten herzustellen.

Die Fig. 10A und die Fig. 10B zeigt jeweils die Ausführungsform 10 der Induktionsspule für das drahtlose Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform sind jeweils Leiterschleifenmuster 88a, 88b in der Rückoberflächenschicht der ersten Leiterplatte 86 bei der Mehrschicht-Leiterplatte 85 gebildet, sowie Leiterschleifenmuster 89a, 89b in der Oberflächenschicht der ersten Leiterplatte 86, und Leiterschleifenmuster 90a, 90b in der Oberflächenschicht der zweiten Leiterplatte 87. Ein festgelegter Abstand a ist jeweils zwischen angrenzenden Leiterschleifenmuster 88a und 88b, 89a und 90a, 90b und 89b und 89b und 88b vorgesehen, und das Leiterschleifenmuster ist fortlaufend im wesentlichen in einer Spiralform in der Folge 88a → 89a → 90a → 90b → 89b → 88b gebildet, und Endanschlüsse der Leiterschleifenmuster 88a und 88b sind jeweils Eingangs/Ausgangsenden 91 und 92.

Aus diesem Grund beginnt die Spule in diesem Fall von der Rückoberflächenschicht (der ersten Schicht) der ersten Leiterplatte 86 mit dem Leiterschleifenmuster 88a, und anschließend verläuft sie zu dem Leiterschleifenmuster 89a auf der Oberflächenschicht der ersten Leiterplatte 86, sowie zu den Leiterschleifenmustern 90a, 90b auf der Oberflächenschicht (n-Schicht) der zweiten Leiterplatte 87, und sie kehrt von dem Leiterschleifenmuster 90b auf der Oberflächenschicht (n-Schicht) auf der zweiten Leiterplatte 87 zu dem Leiterschleifenmuster 89b auf der Oberflächenschicht der ersten Leiterplatte 86 und dem Leiterschleifenmuster 88b auf der Rückoberflächenschicht (der ersten Schicht) der ersten Leiterplatte 86 zurück, und insbesondere verläuft die Schleife somit unter Vorwärts- und Rückwärtserstreckung zwischen der ersten Leiterplatte 86 und der zweiten Leiterplatte 87 in der Mehrschicht-Leiterplatte 85.

Die Spulen lassen sich, wie oben beschrieben, so entwerfen, daß ein Abstand zwischen den Leitungen breiter ausgebildet sein kann, und das Eingangsende 91 und das Ausgangsende 92, zwischen denen die größte Spannungsdifferenz auftritt, können beabstandet zueinander ausgebildet sein, wie im Fall der Ausführungsform 6, und zudem verläuft die Schleife vorwärts und rückwärts zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte 87 der Mehrschicht-Leiterplatte 85, so daß sich die Zahl der Muster erhöhen läßt. Demnach lassen sich kostengünstige Spulen jeweils mit einer exzellenten Frequenzeigenschaft und einer großen Induktivität mit weniger Herstellungsschritten herstellen.

Die Fig. 11A, 11B und die Fig. 12A, 12B zeigen jeweils die Ausführungsform 11 der Induktionsspule für das drahtlose Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind jeweils Leitermuster 93, 94 bei einem Anfangsende einer Spule gebildet, insbesondere bei einem Eingangsanschluß 91 einer Leiterplatte 95, bei der (nicht gezeigte) Leiterschleifenmuster wie diejenigen der Ausführungsformen 9, 10 gebildet sind, sowie bei einem Abschlußende hiervon, insbesondere bei einem Ausgangsanschluß 92. Die Leitungsmuster 93, 94 weisen Verbindungsanschlüsse 93a, 94a auf, die jeweils an derselben Position an der oberen und der rückwärtigen Oberfläche der Leiterplatte 95 betrachtet von der Oberseite des Musters angeordnet sind.

Mehrere Schichten der Leiterplatte 95, entsprechend jeweils denselben Spezifikationen, sind, wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt, für den Einsatz übereinander mit einer dazwischenliegenden Isolationsplatte 96 geschichtet. Der Ausgangsanschluß 92 von einer der Leiterplatten 95 (an der oberen Seite), die vertikal an die dazwischenliegende Isolationsplatte 96 angrenzt, ist elektrisch mit dem Ausgangsanschluß 91 der anderen Seite (unteren Seite) hiervon verbunden, mit einer ⊃-förmigen Verbindungspassung 97, die mit der Isolierplatte 96 in Eingriff steht und an dieser befestigt ist, mit Abdeckung der Oberseite und Unterseite der Platte.

Bei der Ausführungsform läßt sich durch Erhöhen der Zahl der Schichten der Leiterplatte 95 eine Zahl der Muster der Spule erhöhen, so daß eine Leiterplatte mit einer exzellenten Frequenzeigenschaft, mit großer Induktivität, die sich auch mit geringen Kosten herstellen läßt, beispielsweise eine Zweischichtleiterplatte, eingesetzt werden kann, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen herzustellen.

Es ist zu erwähnen, daß die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen 9 bis 11 beschriebenen Spulen sich in derselben Weise wie die Spule bei der Ausführungsform 8 ausbilden lassen.

Wie sich anhand der obigen Beschreibung klar erkennen läßt, verbindet bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß der vorliegenden Erfindung der Resonanz kondensator-Auswahlschalter selektiv entweder den ersten Energieresonanzkondensator oder den zweiten Energieresonanzkondensator entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus, so daß sich eine Variation der Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus in der Signalschaltung durch einen Kapazitätswert der Kondensatoren kompensieren läßt. Ein Wirkungsgrad der Leistungs/Energieübertragung läßt sich verbessern.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Kapazitätswert eines Kondensators mit variabler Kapazität durch die Steuervorrichtung entsprechend dem Übertragungsmodus oder dem Empfangsmodus verändert, so daß die Veränderung der Impedanz, betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus für die Signalschaltung, mit einem Kapazitätswert des Kondensators kompensiert wird. Ein Wirkungsgrad bei der Leistungs/Energie-Übertragung läßt sich verbessern.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung verbindet ein Induktivitätsauswahlschalter selektiv entweder einen Endabschnitt oder einen Mittenabgriff einer Energieinduktionsspule mit einem Abgriff entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus, so daß die Veränderung der Impedanz betrachtet von der Energieschaltung entsprechend dem Sende/Empfangs-Modus für die Signalschaltung mit der Induktivität der Energieinduktionsspule mit einem Abgriff kompensiert wird. Ein Wirkungsgrad der Leistungs/Energie- Übertragung läßt sich verbessern.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung bewirkt ein Impedanzelement mit hoher Impedanz einen kleineren äquivalenten Widerstand im Sendemodus, so daß eine Energie für die Energieschaltung nicht durch die Impedanz in einem Sekundärsignal-Controller verbraucht wird, und es läßt sich eine Spannung für die Energieschaltung zuführen, wodurch es möglich ist, eine Schaltung mit einem exzellenten Wirkungsgrad bei der Energieübertragung zu erhalten.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung läßt sich ein Impedanzelement mit hoher Impedanz wirksam mit einer Energieimpedanzspule realisieren.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung verbindet der Impedanzabgleich- Auswahlschalter selektiv entweder den ersten Impedanzabgleichkondensator oder den zweiten Impedanzabgleichkondensator entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus, so daß selbst dann, wenn sich ein Spulenwert der Energieschaltung verändert und sich eine Parallelresonanzimpedanz während der Resonanz entsprechend dem Sendemodus für die Signalschaltung verändert, die Impedanz mit einer Gleichrichterschaltung angleichen läßt. Mit diesem Merkmal ist es möglich, eine maximale Energie von der Parallelresonanzschaltung zu der Gleichrichterschaltung abzuleiten.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System entsprechend einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind Energieinduktionsspulen jeweils an beiden Seiten der Signalinduktionsspule vorgesehen, so daß eine Bedingung erfüllt ist, gemäß der zunächst eine elektrische Energie in der sekundären Schaltungseinrichtung vorliegen muß.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind Energieinduktionsspulen jeweils an beiden Seiten der Signalinduktionsspule vorgesehen, so daß eine Bedingung erfüllt ist, gemäß der eine elektrische Energie zunächst in der sekundären Schaltungseinrichtung vorliegen muß, und zusätzlich bildet jede der beiden Energieinduktionsspulen jeweils einen Parallelresonanzkreis, und eine Gleichrichterschaltung ist jeweils mit jeder der Spulen verbunden, so daß selbst dann, wenn lediglich eine der Energieinduktionsspulen betrieben wird, ein Fehlabgleich nicht auftritt.

Bei der sekundären Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende-Empfangs-System gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung enthalten eine Signalinduktionsspule und eine Energieinduktionsspule Leiterschleifenmuster, die einzeln jeweils in einer Leiterplatte gebildet sind, so daß sich kostengünstige Spulen herstellen lassen.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System ist eine Induktionsspule dadurch gebildet, daß Leiterschleifenmuster angrenzender Schichten ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht elektrisch verbunden sind, und ein in jeder der Schichten einer Mehrschicht-Leiterplatte gebildetes Leiterschleifenmuster ist gemäß einem festgelegten Abstand von dem in der angrenzenden Schicht gebildeten beabstandet, so daß sich Spulen so entwerfen lassen, daß ein Abstand zwischen Leitungen breiter ausgebildet sein kann und daß der Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß, zwischen denen die größte Spannungsdifferenz auftritt, voneinander beabstandet ausgebildet sein können, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen mit exzellenter Frequenzeigenschaften und weniger Herstellungsprozeßschritten herzustellen.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System ist eine Induktionsspule durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster angrenzender Schichten ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht gebildet, sowie durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster angrenzender Schichten ausgehend von der n-ten Schicht bis zu der ersten Schicht, und ein in jeder der Schichten einer Mehrschicht-Leiterplatte gebildetes Leiterschleifenmuster ist gemäß einem festgelegten Abstand von den in der angrenzenden Schicht gebildeten beabstandet, so daß sich Spulen so entwerfen lassen, daß ein Abstand zwischen Leitungen breiter ausgebildet sein kann und daß der Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß, zwischen denen die größte Spannungsdifferenz auftritt, beabstandet zueinander vorgesehen sein können, und daß weiterhin die Zahl der Muster erhöht ist, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen jeweils mit einer exzellenten Frequenzeigenschaft, einer großen Induktivität mit weniger Herstellungsprozeßschritten herzustellen.

Bei der Induktionsspule für ein drahtloses Sende-Empfangs- System sind die Leiterplatten mit dazwischenliegenden Isolationsplatten übereinandergeschichtet, und ein Abschlußende eines Leiterschleifenmusters auf einer Leiterplatte ist elektrisch über eine Verbindungspassung, die in Eingriff zu der Isolationsplatte steht und an dieser befestigt ist, mit einem Anfangsende eines Leiterschleifenmusters verbunden, das auf einer anderen Leiterplatte gebildet ist, das mit dazwischenliegender Isolationsplatte an der erstgenannten Schicht angrenzt. Es läßt sich eine Induktionsspule derart bilden, daß eine Zahl der Muster ohne eine spezifische Bedingung dadurch erhöht ist, daß eine Zahl der Schichten der Leiterplatte erhöht ist, und aus diesem Grund kann eine kostengünstige Mehrschicht- Leiterplatte mit einer exzellenten Frequenzeigenschaft, großer Induktivität, beispielsweise eine Zweischicht- Leiterplatte, eingesetzt werden, wodurch es möglich ist, kostengünstige Spulen herzustellen.

Claims

1. Sekundäre Schaltungseinrichtung für ein drahtloses Sende- Empfangssystem, bei dem elektrische Energie und ein Signal ausgehend von einer primären Schaltungseinrichtung in kontaktfreier Form übertragbar ist, enthaltend:
eine Energieinduktionsspule (51);
ein energiespeicherndes kapatitives Bauteil (61, 62; 64; 52), das mit der Energieinduktionsspule einen ersten Resonanzkreis bildet;
eine durch Gegeninduktionswirkung mit der Energieinduktionsspule (51) verbundene Signalinduktionsspule (56);
einen Signalsende/Empfangsauswahlschalter (57) zum selektiven Verbinden der Signalinduktionsspule (56) mit einem ersten kapazitiven Bauelement (58) beim Senden und mit einem parallel hierzu angeschlossenen zweiten kapazitiven Bauelement (59) beim Empfangen;
eine Resonanzfrequenz-Steuervorrichtung (63; 60; 66) zum selektiven Verändern der Resonanzfrequenz des von der Signalinduktionsspule (56) und dem ersten kapazitiven Bauelement (58) gebildeten zweiten Resonanzkreises für die Energieübertragung in Übereinstimmung mit dem durch den Signalsende/Empfangsauswahlschalter (57) bestimmten Sendemodus oder Empfangsmodus.

2. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises für die Energieübertragung durch selektives Verbinden der Energieinduktionsspule (51) mit entweder einer ersten Energieresonanzkapazität (61) oder einer zweiten Energieresonanzkapazität (62) erzielt wird, die jeweils parallel an der Energieinduktionsspule (51) angeschlossen sind.

3. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz für die Energieübertragung selektiv durch eine parallel zu der Energieinduktionsspule (51) angeschlossene variable Kapazität (64) sowie zum Verändern des Kapazitätswertes dieser Kapazität (64) entsprechend dem Sendemodus oder Empfangsmodus einstellbar ist.

4. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern der Resonanzfrequenz für die Energieübertragung die Induktionsspule (65) mit einem Abgriff (65a) sowie einem Zwischenabgriff (65b) versehen ist und durch einen Induktivitätsauswahlschalter (66) selektiv entweder der Endabschnitt oder der Zwischenabgriff (65b) der Energieinduktionsspule (65) mit der Energieresonanzkapazität parallel verbunden ist.

5. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impedanzelement (67) mit hoher Impedanz in Serie zwischen der Signalinduktionsspule (56) und der Resonanzkapazität (58) für die Signalübertragung angeschlossen ist.

6. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement (67) mit hoher Impedanz als Spule ausgebildet ist.

7. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichrichterschaltung (53) parallel an den Parallelresonanzkreis für die Energieübertragung angeschlossen ist;
ein erstes kapazitives Impedanzabgleichbauteil (68) und ein zweites kapazitives Impedanzabgleichbauteil (69) jeweils in Serie zwischen dem Parallelresonanzkreis für die Energieübertragung und der Gleichrichterschaltung (53) angeschlossen ist; und
ein Impedanzabgleichkapazitäts-Auswahlschalter (70) selektiv entweder das erste kapazitive Impedanzabgleichsbauteil (68) oder das zweite kapazitive Impedanzabgleichbauteil (69) entsprechend dem Sendemodus oder dem Empfangsmodus anschließt.

8. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Energieinduktionsspule (80, 81) auf beiden Seiten der Signalinduktionsspule (82) vorgesehen ist und daß das energiespeichernde kapazitive Bauteil (62) parallel zu einer Schaltung angeschlossen ist, die durch Reihenschaltung der beiden Energieinduktionsspulen (80, 81) gebildet ist.

9. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Energieinduktionsspule (80, 81) auf beiden Seiten der Signalinduktionsspule (82) vorgesehen ist und ein kapazitives Energieresonanzbauteil (52a, 52b) und eine Gleichrichterschaltung (53a, 53b) parallel zu jeder der Energieinduktionsspulen (80, 81) angeschlossen sind.

10. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalinduktionsspule (82) und die Energieinduktionsspule (80, 81) jeweils ein in einer Leiterplatte (83) ausgebildetes Leiterschleifenmuster (84) aufweisen.

11. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Induktionsspule bei jeder von n-Schichten einer Mehrschicht-Leiterplatte (85), die gemäß einem festgelegten Abstand zu den angrenzenden Schichten beabstandet ist, jeweils Leiterschleifenmuster (88, 89) gebildet sind und daß die Induktionsspule durch elektrisches Verbinden der Leiterschleifenmuster ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht gebildet ist.

12. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Induktionsspule bei jeder von n-Schichten in einer Mehrschicht-Leiterplatte (85) ein gemäß einem festgelegten Abstand zu einer angrenzenden Schicht beabstandetes Leiterschleifenmuster (88, 89, 90) gebildet ist und daß die in angrenzenden Schichten gebildeten Leiterschleifenmuster elektrisch ausgehend von der ersten Schicht bis zu der n-ten Schicht und von der n-ten Schicht bis zu der ersten Schicht verbunden sind.

13. Sekundäre Schaltungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Induktionsspule mehrere Ebenen in Leiterplatten (95) vorgesehen sind, in denen jeweils ein Leiterschleifenmuster so gebildet ist, daß ein Anfangsende des Leiterschleifenmusters und ein Abschlußende an derselben Position der oberen und unteren Oberflächen derart gebildet sind, daß die Leiterplatten (95) mit zwischenliegender Isolierschicht (96) aufeinandergeschichtet sind, und daß ein Abschlußende eines Leiterschleifenmusters auf einer Leiterplatte elektrisch mit einer Verbindungsfassung (97) verbunden ist, die mit der Isolierschicht (96) in Eingriff steht und an dieser befestigt ist, und ferner mit einem Anfangsende eines weiteren Leiterschleifenmusters, das auf einer zu der erstgenannten Schicht bei zwischengefügter Isolierschicht (96) angrenzenden Leiterplatte gebildet ist.