УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И/ИЛИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК H04B7/26 H01P1/06 H01P7/08 H01F38/14 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии между по меньшей мере двумя подвижными относительно друг друга деталями, у которого по меньшей мере на одной детали предусмотрено несколько определенных электромагнитных элементов связи, поле в ближней зоне которых обеспечивает указанную бесконтактную передачу.

Такие устройства используются для передачи электрических сигналов, соответственно электроэнергии между двумя или более подвижными относительно друг друга деталями. Движение деталей может быть при этом вращательным, поступательным или сложным.

Для упрощения в последующем описании не делается различий между передачей электрических сигналов и/или энергии между подвижными относительно друг друга элементами и между неподвижным элементом и подвижными относительно него элементами, поскольку это определяется лишь выбором точки отсчета, что никак не влияет на принцип действия предлагаемого в изобретении устройства. Аналогичным образом в последующем не делается различий и между передачей энергии и сигналов, поскольку принцип такой передачи одинаков в обоих случаях.

Уровень техники
В механизмах типа подъемных кранов и подъемно-транспортных установок, имеющих поступательно и прежде всего прямолинейно движущиеся узлы, а также в оборудовании с вращающимися узлами типа, например, радарных установок или компьютерных томографов требуется передавать электрические сигналы, соответственно энергию между подвижными относительно друг друга узлами, соответственно между одним неподвижным узлом и по меньшей мере одним подвижным относительно него узлом.

В том случае, например, когда относительная скорость перемещения этих узлов относительно друг друга сравнительно высока, предпочтительна бесконтактная передача сигналов, соответственно энергии. Кроме того, бесконтактная передача обладает значительными преимуществами перед контактной передачей, использующей, например, скользящие контакты, при необходимости передавать с высокой скоростью данные в виде цифровых сигналов, соответственно передавать аналоговые сигналы в очень широкой полосе частот.

У обычных (круглых) контактных колец их диаметром ограничивается максимальная передаваемая частота, достигаемая в том случае, когда длина окружности контактного кольца соответствует полудлине волны передаваемых сигналов.

Известны различные конструкции устройств для бесконтактной передачи сигналов, соответственно электроэнергии. В этой связи можно сослаться, например, на известный учебник авторов Meinke/Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", изд-во Springer-Verlag, Berlin, 1968, стр. 186 (резонансный трансформатор).

Работающее на этом принципе устройство для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии между по меньшей мере двумя подвижными относительно друг друга деталями, которое выбрано в качестве прототипа и указано в ограничительной части п.п. 1 и 3 формулы изобретения, известно из DE 4236340 С2. В этом известном из указанной публикации устройстве для индуктивной передачи энергии в диапазоне повышенных частот (до 1000 Гц) от расположенной на статоре катушки первичной обмотки к имеющему по меньшей мере одну катушку вторичной обмотки потребителю указанная катушка первичной обмотки состоит из групп последовательно соединенных катушек, где в каждой группе имеется последовательно включенный в цепь конденсатор. Каждая их групп подсоединена соответственно параллельно к общей линии, пропускающей ток повышенной частоты, при этом импеданс (полное электрическое сопротивление) каждой группы катушек и соответствующего ей конденсатора подобран таким образом, чтобы при индуктивной связи какой-либо группы с одним из подвижных потребителей по меньшей мере приблизительно выполнялось условие резонанса для этой группы.

Хотя такое известное устройство и обеспечивает эффективную передачу электроэнергии, тем не менее, работая как резонансный трансформатор, оно не пригодно для широкополосной передачи электрических сигналов. Кроме того, из-за определенного пространственного расположения катушек это устройство не может использоваться для рабочих частот в мегагерцевом диапазоне и выше. Это обстоятельство исключает его применение, например, в компьютерных томографах.

Предназначенное, в частности, для использования в компьютерных томографах устройство для передачи электрических сигналов между двумя перемещающимися относительно друг друга вдоль определенного участка, в частности поворачивающимися относительно друг друга, деталями, соединенными с приемным, соответственно с передающим устройством, известно из DE 3331722 А1. В этом известном устройстве на каждой из указанных деталей имеются элементы связи, в каждом из которых предусмотрен по меньшей мере один электрод, в результате чего за счет емкостной связи сигналы передаются по соответствующим противолежащим электродам.

Однако это предложенное в 1983 г. устройство также имеет тот недостаток, что оно из-за возникновения у элементов связи уже на низких частотах отраженных сигналов не пригодно для передачи сигналов в полосе частот такой ширины, которая необходима в настоящее время для компьютерных томографов. Решить эту проблему в этом случае могло бы использование для каждого элемента связи отдельного усилителя, однако с увеличением количества усилителей существенно возрастают и расходы.

Кроме того, наличие в конструкции открытых элементов связи приводит к возникновению очень сильного паразитного электромагнитного излучения.

Из DE-OS 2653209 известна коаксиальная вращающаяся муфта для многоканальной передачи высокочастотной энергии, в которой также использованы элементы связи в виде конденсаторов, образующие которые пластины постоянно перекрываются по всей площади. Благодаря этому обеспечивается согласование линии с нагрузкой (отсутствие отраженных волн), а тем самым и широкая полоса пропускания сигнала.

Однако конструкция вращающейся муфты, в частности, в том случае, когда она должна иметь большой диаметр, как это требуется, например, для компьютерных томографов, сложна, что, следовательно, связано с высокими издержками на разработку и изготовление такой муфты.

Из DE 4412958 А1 и DE 19533819 А1 известны в основном аналогичные устройства и способы связи с высокой скоростью передачи данных, используемые, в частности, в системе компьютерной томографии.

С этой целью, например, в компьютерном томографе из линии передачи электрическая энергия отбирается с помощью элемента связи, при этом сама линия берет на себя функцию элемента связи, т.е. действует аналогично цепи утечки в технике связи. В этой связи можно сослаться на уже упоминавшийся учебник Meinke/Gundlach, стр. 304 (тема: линии межсистемной связи).

Таким образом, эти известные устройства имеют не множество определенных элементов связи, а лишь одну полосковую линию передачи и относятся, таким образом, к другому типу, нежели тот, который в качестве прототипа указан в ограничительной части п.1, соответственно п.3 формулы изобретения. Недостатком полосковой линии является широкополосное излучение высокочастотной энергии служащим в качестве элемента связи проводником. Длина такого проводника может достигать, например, у компьютерных томографов 4 м, а у подъемно-транспортных механизмов даже во много раз превышать эту величину. Поэтому уже при незначительном рассогласовании такой проводник представляет собой излучатель с очень низкой нижней граничной частотой. Более того, из-за большой длины такой проводник является очень чувствительным к внешним помехам. Последние, попадая в линию, передаются далее на все другие узлы.

Описанный в заявке DE 19533819 А1 защитный экран обеспечивает лишь незначительное улучшение. Вместо указанного в этой заявке максимального ослабления сигнала, достигающего 55 дБ, в экспериментальных условиях широкополосное излучение удалось ослабить лишь на 10 дБ с максимальными значениями 20 дБ.

Еще один недостаток вышеописанных известных способов и устройств состоит в том, что при вводе сигналов в проводник через подвижные относительно друг друга узлы возможна передача лишь незначительного количества энергии. Таким образом, для улучшения связи поверхность проводника требуется увеличивать, что в свою очередь приводит к снижению импеданса линии, а тем самым и к повышенной чувствительности к помехам.

Описание изобретения
В основу изобретения была положена задача разработать устройство для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии по меньшей мере между двумя подвижными относительно друг друга деталями, которое наряду с обеспечением широкой полосы пропускания, соответственно передачи данных с максимально возможной скоростью обладало бы низкой чувствительностью к помехам.

Указанная задача решается с помощью устройства с отличительными признаками независимых п.п.1 и 3 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах.

В предлагаемом в изобретении решении, представленном в п.1 формулы изобретения, каждый из предусмотренных по меньшей мере на одной детали элементов связи имеет по меньшей мере один резонатор, состоящий из одного единственного элемента, который способен резонировать сам по себе и независимо от остальных элементов связи. Резонансная частота резонатора, соответственно резонаторов приблизительно равна частоте передаваемых сигналов. Отдельные резонаторы соединены друг с другом проводником, соответственно линией с согласованной нагрузкой (т.е. без отражения сигналов). Такое решение позволяет благодаря сравнительно небольшим потерям, обусловленным излучением, передавать сигналы, соответственно электроэнергию с высоким кпд. Вместе с тем предлагаемое в изобретении устройство имеет простую, а следовательно, и недорогую конструкцию. Резонанс отдельных резонаторов может представлять собой резонанс токов или напряжений.

В п.2 формулы изобретения представлены предпочтительные варианты выполнения резонаторов, хотя и не предусматривающие подключение нагрузки. Одним из наиболее предпочтительных вариантов наряду с указанными объемными, диэлектрическими, ферримагнитными и/или пьезоэлектрическими резонаторами является применение простых и, следовательно, недорогих по конструкции и прежде всего в управлении коаксиальных резонаторов.

Такие коаксиальные резонаторы могут иметь, например, проводящие поверхности, выполненные в виде расположенной на изоляторе гребенчатой структуры с определенным волновым сопротивлением нагрузки, благодаря чему они могут иметь большую по сравнению с уровнем техники пространственную протяженность. Кроме того, преимущество такой структуры состоит в том, что ее можно просто и, следовательно, с небольшими затратами выполнить на печатной плате.

При таком решении элемент связи в виде, например, короткого отрезка проводника образует резонатор, характеристики связи которого на его резонансной частоте являются наиболее оптимальными. Подобными резонаторами могут служить и линейные трансформаторы, осуществляющие согласование импеданса устройств связи с импедансом системы проводников. Для согласования ширины полосы пропускания и добротности подобных резонансных систем с конкретными задачами передачи сигналов и/или электроэнергии резонаторы можно демпфировать, соответственно можно комбинировать друг с другом резонаторы, настроенные на различные резонансные частоты.

В другом варианте элементы связи выполнены в виде способных к резонансу линий межсистемной связи и представляют собой неэкранированные участки линии, служащие исключительно для связи.

Альтернативный вариант решения поставленной в изобретении задачи представлен в п. 3 формулы изобретения. В этом варианте элементы связи образуют по меньшей мере на одной детали выполненную в виде каскадной схемы систему проводников с согласованной нагрузкой. Кроме того, каждый элемент связи независим от остальных элементов связи на этой детали и образует резонансную систему, резонансная частота которой превышает наибольшую частоту передаваемых широкополосных сигналов.

Под термином "резонанс", используемым в таких понятиях, как "резонансная система" и "способный к резонансу", в контексте настоящего изобретения понимается резонанс, применимый для передачи, соответственно фильтрации сигнала.

Под понятием "каскадная схема" в контексте настоящего изобретения понимается общий случай соединения по четырехполюсной схеме, но не простое последовательное или параллельное включение. Примером каскадной схемы является случай, когда в качестве поступающего на вход последующего элемента связи сигнала снимается напряжение, соответственно ток по меньшей мере с одного реактивного элемента предыдущего элемента связи.

Образованная элементами связи система может, в частности, иметь характеристику фильтра нижних частот. Благодаря этому система проводников на низких частотах обладает электропроводными свойствами, а на высоких частотах обеспечивает значительное затухание сигнала, придавая предлагаемому в изобретении устройству очень высокую помехоустойчивость. Под низкими частотами в данном случае понимается используемая для передачи сигналов полоса частот в пределах до нескольких сот мегагерц и до гигагерц. При этом существенным для изобретения является возможность путем расчета основных параметров элементов выделять используемую для передачи сигнала полосу частот, например, в пределах 0-300 МГц, в значительной степени подавляя частоты в диапазоне выше указанной полосы.

В любом случае предпочтительно, чтобы вся система проводников в совокупности не обладала способностью к резонансу. Иными словами, резонансную частоту в используемой для передачи полосе частот должны иметь резонаторы, а не указанная система проводников.

Например, система проводников длиной 100 м, включающая резонаторы с резонансной частотой 300 МГц, сама должна резонировать при частоте примерно 3 МГц. Эту резонансную частоту не следует использовать для передачи информации и предпочтительно подавлять. Тем самым вносящее помехи, т.е. паразитное, излучение такой системы проводников сводится к минимуму.

В обоих предлагаемых в изобретении вариантах связь подвижных относительно друг друга деталей осуществляется с помощью множества определенных электромагнитных элементов связи, соединенных друг с другом линией, соответственно системой проводников с согласованной нагрузкой, т.е. имеющей определенное согласованное волновое сопротивление. Такое решение позволяет в любом случае избежать присущего известным из уровня техники решениям недостатка - прямого воздействия на линию.

Так, в частности, предлагаемое в изобретении решение позволяет по отдельности оптимизировать соответственно систему проводников как средство передачи сигналов и элементы связи как средство связи сигналов. Система проводников может в этом случае состоять из одного единственного провода или из нескольких соединенных друг с другом проводов, которые могут быть также и электрически соединены друг с другом по определенной схеме в соответствии с уровнем техники.

При этом предпочтительна симметричная компоновка, соответственно конфигурация.

Межкаскадную связь можно в самом общем виде осуществлять с использованием электромагнитных полей и волн и прежде всего в виде индуктивной и/или емкостной связи. В особых вариантах выполнения возможно также осуществление такой связи с помощью только электрических, соответственно магнитных полей.

Кроме того, предпочтительно, чтобы каждый способный к резонансу элемент связи состоял из одного звена, включающего по меньшей мере один компонент, обладающий индуктивным действием, и один компонент, обладающий емкостным действием.

Так, в частности, каждый элемент связи может состоять из одной единственной индуктивности и одной единственной емкости. Такое решение является наиболее простым с технической точки зрения и не требующим больших затрат на расчет основных параметров. В этом случае можно предварительно задавать и определенный вид связи. В варианте выполнения с использованием емкостей связь осуществляется преимущественно с помощью электрических полей, а в варианте с использованием индуктивностей - преимущественно с помощью магнитных полей. Очевидно, однако, что можно использовать также элементы связи, имеющие резонансный контур более высокого порядка, в котором, например, две емкости соединены с двумя параллельно включенными индуктивностями.

При использовании лишь одной индуктивности на каждый элемент связи отдельные индуктивности различных элементов связи, расположенных на одной детали, предпочтительно включать последовательно, что позволяет легко настроить частоту среза фильтра нижних частот на требуемую частоту, в частности, в диапазоне от 100 до 10000 МГц. Таким образом, параллельно включенные индуктивности сами образуют систему проводников и не требуют поэтому в отличие от уровня техники подсоединения к общей линии, соответственно к сборной шине.

Кроме того, для вышеуказанного частотного диапазона предпочтительно, чтобы отдельные индуктивности были образованы сплошным и, в частности, "прямым" проводником.

В любом случае указанные емкости, соответственно индуктивности можно выполнить в виде структур на печатной плате, получив в результате наиболее простую и недорогую конструкцию, позволяющую, кроме того, легко адаптировать ее к соответствующей геометрии подвижных относительно друг друга деталей.

Достижению указанной цели способствует также выполнение печатной платы гибкой, поскольку такой печатной плате и прежде всего в тех случаях, когда она имеет особую геометрию, например снабжена прорезями, легко придать практически любую форму. В отличие от этого использование печатной платы с прорезями для полосковых линий, как очевидно, невозможно.

Кроме того, при использовании в конструкции предлагаемого в изобретении устройства печатной платы емкости можно выполнить в виде расположенных на (гибкой) плате плоских токопроводящих элементов. Такие плоские токопроводящие элементы могут быть соединены тупиковыми линиями со сплошным проводником или непосредственно примыкать к нему сбоку. Кроме того, плоские токопроводящие элементы можно расположить по обеим сторонам от сплошного проводника.

Так, в частности, с обеих сторон печатной платы можно предусмотреть системы проводников с контактной площадкой для замыкания на корпус, емкостями и/или индуктивностями.

Емкости и/или индуктивности могут быть выполнены, как очевидно, и в виде дискретных элементов. Возможно также и сочетание дискретных элементов с элементами, выполненными на печатной плате.

В другом варианте выполнения изобретения предлагается пространственно расположить несколько настроенных на различные частотные диапазоны элементы связи близко друг к другу, в результате чего образуется настроенная на эти частотные диапазоны структура связи. Такое решение позволяет осуществлять широкополосную передачу сигналов и многоканальную передачу в нескольких независимых полосах частот. В результате получают такую структуру связи, которая позволяет осуществлять связь избирательно в этих заданных частотных диапазонах. Так, например, в установке, работающей в диапазонах частот 100 МГц и 900 МГц, можно использовать комбинацию из дискретных резонансных контуров для нижней полосы частот и коаксиальных резонаторов для верхней полосы частот. Такая комбинация обеспечивает усиленное подавление помех в диапазоне между обеими указанными полосами частот.

В следующем варианте выполнения изобретения предлагается комбинировать несколько элементов связи таким образом, чтобы в результате получить заданную диаграмму излучения, направленного вовне. Достичь этого можно, следуя общеизвестным правилам расчета основных параметров антенн и групп излучателей. Такое решение позволяет свести к минимуму нежелательное излучение энергии в особо чувствительные к этому зоны.

Вариант, в котором элементы связи выполнены в виде дифференциальных элементов связи, на которые поступает разностный сигнал, обеспечивает особо высокую помехозащищенность передачи сигналов. Для этой цели разностные сигналы необходимо подавать по меньшей мере на два элемента связи из двух пропускающих эти сигналы линий или через симметрирующую схему согласования типа симметрирующего трансформатора.

В предлагаемом согласно изобретению устройстве на всех деталях могут быть установлены согласованные друг с другом, способные к резонансу элементы связи. Однако такие способные к резонансу элементы связи можно устанавливать лишь на одной детали, а на других деталях использовать в качестве элементов связи обычные передающие, соответственно приемные блоки. Так, например, приемные, соответственно передающие блоки могут иметь катушки, ферритовые сердечники и/или конденсаторы.

Помимо этого обычные элементы связи могут быть выполнены в виде известных из уровня техники антенн (излучателей), например, в виде плоских антенн по технологии полосковых устройств или же в виде штыревых, соответственно рамочных антенн.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения при наличии предпочтительного направления потока сигналов выполненные согласно изобретению элементы связи располагают на передающей стороне, а обычные элементы связи располагают на приемной стороне. Подобное предпочтительное направление потока сигналов имеет место, например, в том случае, когда предусмотрен один конкретный передающий блок и по меньшей мере один приемный блок или когда требуется обеспечить в конкретном направлении как можно более высокое качество передачи. Соединительный тракт "элемент связи по изобретению - обычный элемент связи - система проводников - обычный элемент связи - элемент связи по изобретению" дает самое низкое качество передачи сигнала. В этом случае два раза имеет место затухание в стыках на переходе "обычный элемент связи - элемент связи по изобретению", а также возникают потери в системе проводников. Более эффективно соединение "обычный элемент связи - элемент связи по изобретению - система проводников", поскольку в этом случае потери на переходе "обычный элемент связи - элемент связи по изобретению" возникают лишь один раз. Однако наиболее эффективно соединение "система проводников - элемент связи по изобретению - обычный элемент связи", т.к. в этом случае имеет место лишь повышенное затухание неусиленного сигнала на участке "элемент связи по изобретению - обычный элемент связи". Таким образом, ослабленный на соответствующий коэффициент затухания (например, 10 дБ) сигнал может быть сразу же усилен в обычном элементе связи. В системе проводников все еще проходит исходный сигнал высокого уровня. В обратном тракте сигнала ("обычный элемент связи - элемент связи по изобретению - система проводников") система проводников пропускает ослабленный сигнал, который из-за своего низкого уровня может быть более легко подавлен другими сигналами. Исходя из вышеизложенного следует, что наиболее высокое качество передачи сигнала может быть получено в тракте "система проводников - элемент связи по изобретению - обычный элемент связи".

Кроме того, в предлагаемом в изобретении устройстве системы проводников, предназначенные для ввода передаваемых сигналов, соответственно энергии, соответственно для дальнейшей передачи этих сигналов, соответственно энергии, предпочтительно выполнить экранированными, а тем самым и развязанными с элементами связи, что позволяет свести к минимуму излучение систем подводящих проводников и восприятие энергии помех. Согласно изобретению устройство достаточно выполнить таким образом, чтобы элементы связи составляли преобладающую часть обеспечивающего связь соединения. Незначительная оставшаяся доля, приходящаяся на паразитную связь подвижных устройств связи с системой проводников, как правило, не оказывает отрицательного воздействия. Несмотря на это в определенных случаях может оказаться целесообразным полностью экранировать линию. Такая необходимость может возникнуть, в частности, в том случае, когда в линию требуется вводить лишь узкополосный сигнал при наличии в окружающем пространстве высокого уровня широкополосных шумов.

Другая возможность заключается в использовании по меньшей мере одного возбуждающего блока, который лишь при приближении элементов связи на детали, перемещающейся относительно другой детали, активизирует соответствующий элемент связи на той детали, к которой приближается указанная подвижная относительно нее деталь.

Еще один предпочтительный вариант выполнения изобретения предусматривает согласование рабочего диапазона элементов связи с конкретной задачей передачи сигналов и/или электроэнергии. В случае применения в качестве элементов связи резонаторов параметры последних могут быть рассчитаны таким образом, чтобы соответствующая заданная резонансная частота воздействовала на них лишь при приближении элементов связи, которые установлены на другой подвижной по отношению к этим резонаторам детали и которые обладают определенными диэлектрическими или магнитными свойствами. В результате отдача энергии происходит только при приближении указанных элементов связи.

Когда же элементы связи удалены на сравнительно большое расстояние, то, например, при применении резонатора последний не настроен в резонанс, не излучает энергии и не создает нагрузки в системе проводников. Равным образом расстроенный резонатор не может вводить энергию в систему проводников на своей рабочей частоте. Кроме того, элементы связи могут быть выполнены с возможностью их настройки на различные рабочие диапазоны при приближении к ним различных блоков связи. Таким образом, расположенные на одной подвижной относительно другой детали элементы связи с различной диэлектрической проницаемостью могут настраивать элементы связи на различные рабочие частоты.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения у элементов связи предусмотрен возбуждающий блок, фиксирующий приближение блока связи и в случае такого приближения активизирующий соответствующий элемент связи.

В другом варианте выполнения изобретения предлагается связывать элементы связи с системой проводников дополнительными активными или пассивными компонентами. Подобными компонентами могут служить полупроводники, выполняющие функцию переключателей, а также усилители, которые управляют потоком сигналов и/или повышают уровень сигнала. Пассивными компонентами, обеспечивающими связь, могут служить направленные ответвители, позволяющие, например, в случае однонаправленной передачи проходить потоку сигналов из системы проводников в элементы связи, но не пропускающие поступающие извне через элементы связи помехи в систему проводников. Сказанное относится и к выполненным в виде направленных ответвителей элементам связи. Очевидно, что для развязывания можно использовать и не обладающие двойственным действием компоненты типа циркуляторов.

В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено сочетание друг с другом элементов связи различных типов. Так, например, в одном месте системы может потребоваться широкополосная передача сигналов с использованием емкостных элементов связи, а в других местах с зашумленным окружающим пространством - узкополосная передача сигналов с использованием резонаторов.

Кроме того, существует возможность защиты элементов связи защитным экраном из электропроводного материала. Внутрь этого экрана можно заключить либо только элементы связи, либо вместе с ними также систему проводников или ее части. Экран наиболее эффективен в том случае, когда он в максимально возможной степени охватывает элементы связи.

Дополненный до резонансного контура индуктивный или емкостный передающий блок обладает оптимальными характеристиками передачи только в точке резонансной частоты. Поэтому схему в соответствии с изобретением дополняют до мощного осциллятора, в котором используемым для передачи резонансным контуром служит определяющий частоту элемент схемы. При этом не имеет значения, используется ли в качестве резонансного контура передающего элемента последовательный или параллельный контур. С помощью других дополнительных реактивных элементов он может быть расширен до многоконтурной способной к резонансу системы. Существенным является лишь наличие у системы передачи такой конфигурации, которая позволяет возбуждать в ней колебания за счет положительной обратной связи, устанавливаемой с целью получения в этой системе колебаний по меньшей мере на одной резонансной частоте, на которой возможна передача энергии.

Устройство включает один усилительный элемент, запитывающий резонансный блок передачи. Предусмотренный в устройстве блок сигнализации формирует исходя из величин токов и напряжений резонансных элементов сигнал, содержащий по меньшей мере фазовую информацию, и передает его на усилительный элемент. Для получения способной к колебаниям схемы в таком устройстве необходим переключающий или усилительный компонент, обладающий таким усилением, при котором выполняется условие возникновения колебаний (см. Tietze, Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", изд-во Springer Verlag, 10-e издание, стр. 459). Для функционирования предлагаемого в изобретении устройства не имеет никакого значения, выполнен ли переключающий или усилительный компонент в данном случае в виде исключительно полупроводникового переключателя или в виде линейного усилительного элемента. Поэтому в последующем описании не делается различий между переключателем и усилителем.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения при использовании резонанса напряжений в блоке сигнализации предусмотрен отвод тока, позволяющий отбирать заданную часть резонансного тока. Таким отводом может служить, например, измерительный шунт, трансформатор тока или элемент Холла. Равным образом резонансный ток можно измерять по падению напряжения на одном из резонансных элементов.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения при использовании резонанса токов у блока сигнализации предусмотрены компоненты для отбора заданной части приложенных к параллельному резонансному контуру напряжений. Указанные напряжения могут быть определены и косвенным путем, исходя из величины проходящего через данные элементы тока.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения в блоке сигнализации в случае использования многоконтурной резонансной системы предусмотрены компоненты для определения сочетания заданной части по меньшей мере одной величины напряжения при резонансе токов, соответственно заданной части по меньшей мере одной величины силы тока при резонансе напряжений. При этом возможен такой вариант выполнения блока сигнализации, при котором обработку производят путем простого сложения этих величин по совпадению фаз. Указанный вариант позволяет схеме в зависимости от нагрузки работать с резонансом напряжений или с резонансом токов. Альтернативно этому можно реализовать схему переключения, распознающую наличие резонанса напряжений или токов и соответственно определяющую долю резонансного напряжения, соответственно резонансного тока.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения блок сигнализации имеет фильтры, позволяющие предварительно выбирать съем резонансного либо напряжения, либо тока.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения у блока сигнализации предусмотрен вспомогательный генератор, способствующий нарастанию колебаний в устройстве при подключении питающего напряжения. При подключении питающего напряжения генератор обычно начинает генерировать колебания с шумов. Для обеспечения надежного и быстрого нарастания колебаний в такой генератор можно также подавать пусковой сигнал с заданной частотой. Колебания нарастают особенно быстро, если эта выбранная частота близка к требуемой рабочей частоте. Подача определенного пускового сигнала позволяет обеспечить генерирование колебаний на требуемой резонансной частоте даже при наличии нескольких возможных резонансных частот. Если бы в этом случае пуск генератора начинался с шумов, то мощный осциллятор мог бы начать генерировать колебания не на требуемых резонансных частотах.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрен также дополнительный блок обработки, использующий рабочую частоту самой схемы для определения расстояния между подвижными относительно друг друга деталями. Поскольку рабочая частота при индуктивной, соответственно при емкостной передаче сигнала и/или электроэнергии изменяется в зависимости от расстояния между перемещающимися относительно друг друга элементами, по изменению рабочей частоты можно легко определить соответствующее изменение расстояния между ними.

Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1а-1в - принципиальная схема предлагаемых в изобретении устройств для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии,
на фиг. 2 - первый вариант выполнения изобретения с использованием емкостной связи,
на фиг. 3 - модифицированный по сравнению с показанным на фиг.2 вариант выполнения с симметричной компоновкой устройства и защитным экраном,
на фиг.4 - второй вариант выполнения устройства с использованием индуктивной связи,
на фиг.5 - предлагаемое в изобретении устройство на поворотном трансформаторе,
на фиг. 6а и 6б - сравнение устройства согласно уровню техники и устройства по изобретению при передаче разностного сигнала,
на фиг.7а и 7б - схемы, поясняющие характеристику фильтра нижних частот, и
на фиг.8-10 - различные примеры схем резонансной связи.

Описание примеров выполнения
На чертежах одинаковые или выполняющие одинаковую функцию элементы обозначены одинаковыми позициями, что частично позволяет отказаться от их повторного описания.

На фиг.1а-1в показаны различные варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии, при этом на схемах показана только передающая, и не приемная часть.

Источник S сигнала соединен системой проводников 2 с элементами С связи, соответственно элементами L связи, а также имеет волновое сопротивление Z₀, обеспечивающее согласование нагрузки, т.е. отсутствие отраженных сигналов. В случае использования блока с предлагаемой в изобретении схемой в качестве приемной части в месте расположения источника S сигнала происходит съем передаваемого сигнала. Показанные на этих чертежах устройства имеют симметричную компоновку, поскольку она является наиболее предпочтительной. Однако, как очевидно, предлагаемое устройство может иметь и несимметричную компоновку.

На фиг. 1а показан пример, в котором используется емкостная связь, при этом к сплошному проводнику 2 через тупиковую линию или непосредственно, как показано в данном примере, примыкают плоские токопроводящие элементы С, обеспечивающие емкостную связь.

На фиг.1б показан пример, в котором используется индуктивная связь, при этом система проводников 2 образует петли, формируя тем самым дискретные элементы L, обеспечивающие индуктивную связь.

На фиг.1в показан пример, в котором используется и индуктивная, и емкостная связь, при этом предусмотрены как петли, образуемые токопроводящими элементами L связи, так и плоские токопроводящие элементы С.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах, представленных на других чертежах.

На фиг. 2 показан пример выполнения изобретения с емкостной связью в несимметричной компоновке. На основании 1, например на печатной плате, которая может быть выполнена, в частности, гибкой, расположена система проводников, соответственно сетка токопроводящих дорожек 2, соединяющая друг с другом емкостные элементы 3а, 3b и 3с связи.

Передача электрических сигналов и/или энергии осуществляется посредством этих элементов связи и подвижного относительно них блока 4 связи, служащего приемным блоком. Очевидно, что в качестве блока 4 связи можно использовать элементы такой же конструкции, а также обычные приемные блоки. В показанном на чертеже примере выполнения устройства (см. вид сбоку по фиг.2) блоком 4 связи является обычный приемный блок, расположенный сбоку рядом с элементами 3а-3с связи. С обратной стороны печатной платы необязательно может быть предусмотрена контактная площадка для замыкания на корпус.

На фиг. 3 в поперечном сечении показан модифицированный вариант выполнения устройства по фиг.2, отличающийся симметричной компоновкой и наличием защитного экрана. Это устройство имеет симметричную сетку токопроводящих дорожек, соответственно симметричную систему проводников, включающую первый проводник 2 и второй проводник 12, по которым запитываются емкостные элементы 3 и 13 связи.

Блок 4 связи в этом варианте выполнен симметричным и П-образно охватывает печатную плату 1 с расположенными на ней сеткой токопроводящих дорожек и элементами связи. Кроме того, предусмотрен защитный экран 6, который, охватывая всю конструкцию, закрывает ее. Основание 1, которым и в этом случае может служить печатная плата, крепится при этом изоляторами 5 и 15 к защитному экрану 6.

На фиг.4 показан второй вариант выполнения устройства, в котором использована индуктивная связь. На основании 1, обратная сторона которого может быть покрыта электропроводным слоем, и в этом варианте предусмотрена система проводников 2, соединяющих индуктивные элементы 3а-3с связи. При этом образующие элементы 3а-3с связи проводники имеют форму петли. Позицией 4 и в этом случае обозначен блок связи обычного типа.

Предлагаемое в изобретении устройство, описанное выше на примерах по фиг. 1-4, имеет целый ряд преимуществ, которые подробнее поясняются ниже со ссылкой на фиг.5-7.

На фиг. 5 показан пример выполнения предлагаемого устройства, в котором оно может располагаться, например, на поворотном трансформаторе. Выполненная согласно изобретению система проводников 2 с емкостными элементами 3 (и/или индуктивными элементами) может быть изготовлена при этом из плоской фольги или в виде печатной платы 1, в которой выполняют прорези, позволяющие изгибать ее до малых радиусов. В случае использования известной из уровня техники полосковой линии это было бы невозможно.

Кроме того, преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит в том, что в случае с изогнутой компоновкой и при связи с использованием разностного сигнала возникающие различия в длине проводников, приводящие к разности во временной задержке сигналов и в результате к их искажению и к нежелательному излучению, лишь незначительны. По этой причине предлагаемое в изобретении устройство наиболее пригодно для передачи разностных сигналов, преимущество которой в свою очередь состоит в том, что излучение в окружающее пространство минимально за счет практически полной взаимной компенсации полей снаружи.

На фиг. 6 дано сравнение выполненных в виде дифференциальной структуры обычных полосковых линий SL (фиг. 6а) и предлагаемого в изобретении устройства (фиг.6б).

Как показано на фиг.6а и 6б, у предлагаемого устройства проводники 2 и 12 с элементами связи 3 и 13 расположены очень близко друг к другу, благодаря чему различие их радиусов r₁ и r₂ очень незначительно. В результате разница в их длине, а следовательно, и разница во временной задержке сигналов минимальны.

В случае же с полосковыми линиями SL различие их радиусов r₁ и r₂, а вместе с ними и разница во временной задержке сигналов сравнительно велики.

На фиг. 7а показана упрощенная электрическая эквивалентная схема предлагаемого в изобретении устройства. Как показано на фиг.7а, предлагаемое устройство имеет характеристику фильтра нижних частот. Благодаря этому преимущество указанного устройства состоит в высокой помехоустойчивости, поскольку помехи, частота которых выше частоты среза такого фильтра, дальше не передаются и не могут, следовательно, ни приниматься, ни излучаться.

Пример расчетной частотной характеристики предлагаемого в изобретении устройства показан на графике по фиг.7б, где по оси абсцисс отложена частота (в МГц), а по оси ординат отложено напряжение принимаемого сигнала (в В). Как следует из этого графика, предлагаемое устройство имеет в диапазоне от 1 МГц до почти 300 МГц практически постоянную частотную характеристику, резко спадающую до нуля примерно на уровне 300 МГц. Очевидно, что можно выбрать и другие, отличные от 300 МГц, более высокие или более низкие частоты среза.

На фиг. 8 показано предлагаемое в изобретении устройство с резонансной связью, имеющее один индуктивный, соответственно емкостный элемент 83 связи, запитывающий нагрузку 84. Этот элемент связи дополнен по меньшей мере одним реактивным элементом 82, в результате чего образуется резонансный контур. Блок 85 сигнализации формирует на основании резонансных токов, соответственно напряжений в элементе связи, соответственно во вспомогательных реактивных элементах сигнал положительной обратной связи с такими амплитудой и фазой, при которых переключающий, соответственно усилительный элемент 81 вместе с последовательно подключенными к нему реактивными элементами 82 и 83 выполняет условие возникновения колебаний.

На фиг.9 показан пример устройства по изобретению с использованием емкостного блока передачи. Емкостный элемент 93 связи запитывает нагрузку 94. Дополненный индуктивностью 92 он образует резонансный контур. Блок сигнализации состоит в данном случае из измерительного шунта 95, посылающего на переключающий или усилительный элемент 91 сигнал, пропорциональный величине тока при резонансе напряжений, деленной на величину индуктивности и емкости.

На фиг. 10 показан пример наиболее простого варианта выполнения предлагаемого в изобретении устройства при использовании резонанса токов в индуктивном элементе связи. В данном случае индуктивный элемент 103 связи запитывает нагрузку 104. Дополненная емкостью 102 индуктивность образует параллельный резонансный контур. Блок сигнализации состоит в этом случае из делителя напряжения с двумя резисторами 105 и 106, снимающими на индуктивности и емкости заданную часть напряжения при резонансе токов и передающими ее на переключающий, соответственно усилительный компонент.

Хотя выше изобретение рассмотрено на конкретных примерах его осуществления, их не следует рассматривать как ограничивающие его объем и общие возможности его применения. В частности, настоящее изобретение может использоваться не только для поворотных трансформаторов, как это имеет место, например, в компьютерных томографах, радарных установках, но и для прямолинейно перемещающихся трансформаторов, необходимых, например, в подъемных кранах и т. д. Настоящее изобретение можно применять и в трансформаторах, совершающих сложное движение.

В устройстве для бесконтактной передачи электрических сигналов и/или энергии между по меньшей мере двумя подвижными относительно друг друга деталями на указанных деталях, между которыми должна происходить передача сигналов и/или энергии, предусмотрено несколько определенных электромагнитных элементов связи, поле в ближней зоне которых обеспечивает указанную бесконтактную передачу. Предлагаемое в изобретении устройство отличается тем, что элементы связи по меньшей мере на одной детали образуют выполненную в виде каскадной схемы систему проводников с согласованной нагрузкой, а каждый элемент связи независим от других элементов связи на данной детали и образует резонансную систему, резонансная частота которой больше наибольшей частоты передаваемых широкополосных сигналов. Другой вариант выполнения устройства отличается тем, что каждый из предусмотренных по меньшей мере на одной детали элементов связи имеет по меньшей мере один резонатор, состоящий из одного единственного элемента, который способен резонировать сам по себе и независимо от остальных элементов связи и резонансная частота которого примерно равна частоте передаваемых сигналов, при этом отдельные резонаторы соединены друг с другом линией с согласованной нагрузкой. Техническим результатом является создание устройства для передачи сигналов и/или энергии между подвижными деталями, которое обеспечивает широкую полосу пропускания и большую скорость передачи данных при низкой чувствительности к помехам. 2 с. и 34 з. п.ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для бесконтактной передачи электрических сигналов между по меньшей мере двумя подвижными друг относительно друга деталями, у которого на указанных деталях, между которыми должна происходить передача сигналов и/или энергии, предусмотрено несколько электромагнитных элементов связи, поле в ближней зоне которых обеспечивает указанную бесконтактную передачу, отличающееся тем, что элементы связи по меньшей мере на одной детали имеют следующее исполнение: каждый элемент (3а, 3b, 3с) связи образует по меньшей мере один независимый от других элементов связи резонатор, резонансная частота которого примерно равна частоте передаваемых сигналов, и отдельные элементы (3а, 3b, 3с) связи соединены друг с другом проводником (2) или системой проводников (2), причем вся состоящая из проводника или системы проводников и элементов связи система имеет согласованную нагрузку, а на других деталях предусмотрены элементы связи в таком же исполнении и/или элементы связи известного из уровня техники исполнения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резонатором или резонаторами являются объемные, коаксиальные, диэлектрические, ферримагнитные и/или пьезоэлектрические резонаторы. 3. Устройство для бесконтактной передачи электрических сигналов между по меньшей мере двумя подвижными друг относительно друга деталями, у которого на указанных деталях, между которыми должна происходить передача сигналов и/или энергии, предусмотрено несколько электромагнитных элементов связи, поле в ближней зоне которых обеспечивает указанную бесконтактную передачу, отличающееся тем, что элементы связи по меньшей мере на одной детали имеют следующее исполнение: элементы связи образуют выполненную в виде каскадной схемы систему проводников (2; L, L,...) с согласованной нагрузкой и каждый элемент связи (3а, 3b, 3с) образует по меньшей мере один независимый от других элементов связи резонатор (L, С), резонансная частота которого больше наибольшей частоты передаваемых широкополосных сигналов, а на других деталях предусмотрены элементы связи в таком же исполнении и/или элементы связи известного из уровня техники исполнения. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что образованная резонаторами система имеет характеристику фильтра нижних частот. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что система проводников в совокупности не обладает способностью к резонансу. 6. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что каждый резонатор состоит из одного звена, включающего по меньшей мере один компонент с индуктивным и емкостным действием, а последующий резонатор в качестве входного сигнала снимает напряжение, соответственно ток по меньшей мере с одного реактивного элемента предыдущего резонатора. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что каждый резонатор включает по меньшей мере одну, предпочтительно единственную, индуктивность и по меньшей мере одну емкость. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что отдельные индуктивности различных резонаторов на одной детали включены последовательно. 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что отдельные индуктивности соответствующих резонаторов образованы сплошным проводником. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что емкости выполнены в виде плоских токопроводящих элементов, соединенных со сплошным проводником тупиковыми линиями или непосредственно примыкающих к нему сбоку. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что плоские токопроводящие элементы предусмотрены по обеим сторонам сплошного проводника. 12. Устройство по любому из пп.6-11, отличающееся тем, что индуктивности, соответственно емкости выполнены в виде структур на печатной плате. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что печатная плата представляет собой гибкую плату. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что печатная плата имеет прорези. 15. Устройство по любому из пп.6-14, отличающееся тем, что индуктивности и/или емкости представляют собой дискретные элементы.,
16. Устройство по любому из пп.1-15, отличающееся тем, что несколько настроенных на различные частотные диапазоны и выполненных в виде элементов связи резонаторов пространственно расположены близко друг к другу, образуя в результате настроенную на эти частотные диапазоны резонансную структуру. 17. Устройство по любому из пп. 1-16, отличающееся тем, что с обеих сторон печатной платы предусмотрены системы проводников с контактной площадкой для замыкания на корпус, емкостями и/или индуктивностями. 18. Устройство по любому из пп.1-17, отличающееся тем, что резонаторы выполнены в виде дифференциальных резонаторов, на которые подается разностный сигнал. 19. Устройство по п. 18, отличающееся симметричной компоновкой дифференциальных резонаторов. 20. Устройство по любому из пп.1-19, отличающееся тем, что на всех деталях предусмотрены согласованные друг с другом резонаторы. 21. Устройство по любому из пп.1-20, отличающееся тем, что резонаторы предусмотрены лишь на одной детали, а на других деталях в качестве резонаторов предусмотрены обычные передающие, соответственно приемные блоки. 22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что передающие, соответственно приемные блоки имеют катушки, ферритовые сердечники и/или конденсаторы. 23. Устройство по любому из пп.1-22, отличающееся тем, что служащие для ввода передаваемых сигналов, соответственно энергии, соответственно для дальнейшей передачи передаваемых сигналов, соответственно энергии системы проводников экранированы и тем самым развязаны с резонаторами. 24. Устройство по любому из пп.1-23, отличающееся тем, что предусмотрен по меньшей мере один возбуждающий блок, активизирующий соответствующий резонатор лишь при приближении резонаторов той детали, которая подвижна относительно данной детали. 25. Устройство по любому из пп.1-24, отличающееся тем, что резонаторы выполнены таким образом, что их электрические свойства выходят на рабочую точку лишь под воздействием диэлектрических или магнитных свойств приближающегося резонатора. 26. Устройство по любому из пп.1-25, отличающееся тем, что связь резонаторов с системой проводников обеспечивается через дополнительные активные или пассивные компоненты такие, например, как усилители и/или полупроводниковые переключатели. 27. Устройство по любому из пп.1-26, отличающееся тем, что резонаторы защищены от окружающего пространства защитным экраном из электропроводного материала. 28. Устройство по любому из пп.1-27, отличающееся тем, что энергия к резонаторам подводится переключающим, соответственно усилительным элементом. 29. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что имеется дополнительный блок сигнализации, формирующий на основании напряжений и токов резонансных элементов такой сигнал положительной обратной связи для переключающего, соответственно усилительного элемента, который обеспечивает возникновение колебаний по меньшей мере на одной резонансной частоте. 30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что блок сигнализации выполнен таким образом, чтобы формировать сигнал по величине пропорциональный отбираемой части тока при резонансе напряжений. 31. Устройство по п.29, отличающееся тем, что блок сигнализации выполнен таким образом, чтобы формировать сигнал по величине пропорциональный отбираемой части напряжения при резонансе токов. 32. Устройство по п.29, отличающееся тем, что при наличии нескольких резонансов блок сигнализации выполнен таким образом, чтобы формировать комбинированный сигнал, по величине пропорциональный силе тока при резонансе напряжений и пропорциональный напряжению при резонансе токов. 33. Устройство по любому из пп.29-32, отличающееся наличием дополнительного вспомогательного генератора, сигнал которого подается в блок сигнализации, что способствует нарастанию колебаний в схеме. 34. Устройство по любому из пп.29-33, отличающееся наличием блока обработки, служащего для определения рабочей частоты установки и формирования на основании этого сигнала, соответствующего расстоянию между подвижными друг относительно друга узлами. 35. Устройство по любому из пп.1-34, отличающееся тем, что относительное движение деталей является вращательным. 36. Устройство по любому из пп.1-35, отличающееся тем, что относительное движение деталей является поступательным.

Приоритет по пунктам:
03.01.1997 по пп.1-28;
16.01.1997 по пп.29-36.