FI115263B - Langaton tehon- ja tiedonsiirto - Google Patents

Description

1 115263

Langaton tehon- ja tiedonsiirto Keksinnön ala

Keksintö liittyy yhdistettyyn langattomaan tehon- ja tiedonsiirtoon ja erityisesti valolähteiden hyödyntämiseen siinä.

5 Keksinnön tausta

Langatonta tehonsiirtoa on tunnetusti käytetty tilanteissa, joissa fyysisten johtimien ja kaapeleiden vetäminen teholähteen ja tehon kulutuspisteen välille on hankalaa, jopa mahdotonta. Sähkömekaanisissa laitteissa on perinteisesti käytetty induktiivisia elementtejä tehonsiirrossa esimerkiksi pyörivien 10 tai muusta syystä toisistaan erotettujen komponenttien välillä. Induktiivista tehonsiirtoa käytetään myös esimerkiksi pienitehoisten akkujen lataamiseen. Induktiivisessa tehonsiirrossa teholähteen ja tehon kulutus- tai latauspisteen tulee sijaita lähellä toisiaan ja nämä joudutaan usein eristämään ympäristöstä galvaanisesti, koska induktion aiheuttama sähkömagneettinen säteily saattaa 15 aiheuttaa häiriöitä ympäröivissä laitteissa.

Tunnetaan myös ratkaisuja, joissa tehonsiirto suoritetaan radiotaajuisena lähetyksenä lähettimeltä yhdelle tai useammalle vastaanottimelle, kuten radiotaajuiset tunnistus- ja avainkortit. Tällainen ratkaisu sopii vain hyvin vähäisen tehon siirtämiseen, koska lähetykseen käytettävän kokonaistehon 20 kohdistaminen määrätyille vastaanottaville antenneille on hankalaa ja käytän- • nössä siirtohäviöt ovat erittäin suuret. Lisäksi radiotaajuisessa tehonsiirrossa »tl · . · ·. hyötysuhde heikkenee voimakkaasti etäisyyden funktiona.

Eräs mahdollisuus langattoman tehonsiirron suorittamiseksi on ’ . ! käyttää valolähdettä teholähettimenä, jolloin lähetetty valo vastaanotetaan fo- 25 todetektorilla ja muunnetaan sähkövirraksi. Valolähde on helpompi kohdistaa vastaanottimelle, jolloin on mahdollista päästä parempaan hyötysuhteeseen I ·

• · kuin esimerkiksi radiotaajuisessa tehonsiirrossa. Esimerkiksi julkaisuissa EP

734110 ja US 4 078 747 kuvataan ratkaisuja, joissa käytetään suurteholaserei-ta suurten virtojen siirtämiseen langattomasti sähköjunien tehonsyötössä ja , 30 vastaavasti avaruudessa generoidun aurinkoenergian siirrossa.

Ongelmana yllä kuvatuissa ratkaisuissa on niiden soveltumatto-: muus tehokkaaseen langattomaan tehonsiirtoon tiloissa, joissa liikkuu ihmisiä, sillä käytettävän laserin teho on olennaisesti hengenvaarallinen. Vaikka tehoa pienennettäisiin huomattavastikin, ovat hyötysuhteeltaan riittävän hyvät tehon 35 suuruudet kuitenkin sitä luokkaa, että laser ainakin vaurioittaa näköä pahoin 115263 2 osuessaan silmään. Lisäksi mainitut turvallisuusongelmat aiheuttavat sen haittatekijän, että vaikka optinen tiedonsiirto on sinänsä tunnettua, sen toteuttamisen langattomasti turvallisella tavalla on vaikeaa, minkä takia optiseen tiedonsiirtoon tyypillisesti käytetään optista kuitua.

5 Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on näin ollen kehittää parannettu menetelmä ja menetelmän toteuttava laitteisto siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoitteet saavutetaan menetelmällä, järjestelmällä, lähettimellä ja vastaanottimella, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itse-10 näisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että siirretään dataa langattomassa te-honsiirtojärjestelmässä, joka käsittää teholähettimen, joka käsittää ensimmäi-15 sen valolähteen ja välineet ensimmäisen valolähteen emittoiman valon kohdistamiseksi haluttuun suuntaan, ja ainakin yhden tehovastaanottimen, joka käsittää ensimmäisen fotodetektorin emittoidun valon vastaanottamiseksi ja muuntamiseksi sähkövirraksi. Datan siirtämiseksi lähetetään teholähettimen käsittämällä toisella valolähteellä olennaisesti yhdensuuntaisesti mainitun ensim- » · ; ·; 20 mäisen valolähteen emittoiman valon ympärille sovitettua valoa pulsseina, joi den teho on olennaisesti pienitehoisempaa kuin mainitun ensimmäisen valo- 1 1 : lähteen emittoiman valon teho, ja joihin pulsseihin on koodattu databittejä ta- valla, joka määrittää maksimiaikavälin kahdelle peräkkäiselle pulssille. Teho-vastaanottimen käsittämällä toisella fotodetektorilla ilmaistaan mainitun toisen 25 valolähteen emittoimat valopulssit ja määritetään valopulssien käsittämää dataa ja peräkkäisten vastaanotettujen valopulssien välistä aikaa. Jos peräkkäis- '. ten vastaanotettujen valopulssien välinen aika ei ylitä mainittua maksimiaika- ,'···, väliä kahdelle peräkkäiselle pulssille, lähetetään tehovastaanottimelta kontrol-

» I

'; * lisignaali häiriöttömästi vastaanotetusta datasta kuittauksena teholähettimelle.

» 30 Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti tehovas- taanottimelta lähetetään mainittua kontrollisignaalia teholähettimelle mainitun .·! : toisen valolähteen emittoimien valopulssien vastaanotosta säännöllisin vä- * i · | liajoin, jolloin vasteena sille, että mainitun toisen valolähteen emittoimissa va lopulsseissa havaitaan häiriö, lopetetaan mainitun kontrollisignaalin lähettämi-35 nen.

115263 3

Edelleen keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti mainittu toinen valolähde käsittää useita erillisiä valolähteitä, jotka on jäljestetty olennaisesti ympyrämuotoon mainitun ensimmäisen valolähteen ympärille, jolloin tehovastaanottimella ilmaistaan mainittujen useiden erillisten valolähtei-5 den emittoimat valopulssit loogisina binääriarvoina, ja vasteena sille, että ainakin yhden mainitun erillisen valolähteen emittoiman valopulssin binääriarvo poikkeaa muiden valopulssien samanaikaisista binääriarvoista, lopetetaan mainitun kontrollisignaalin lähettäminen.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja jäijestelmän etuna on, että 10 hyödynnetään langattomaan tehonsiirtoon sovitettua järjestelmää edullisesti myös datan yksisuuntaiseen siirtoon teholähettimeltä tehovastaanottimelle. Lisäksi etuna on, että ei tarvita erillistä siirtotietä, esimerkiksi radiolinkkiä, datan välittämiseen, vaan samaa valopulssia, jota käytetään teholähettimen "vir-tuaalieristeen" muodostamiseen, hyödynnetään myös datansiirrossa, lisäksi 15 etuna on, että datansiirto virtuaalieristeen avulla ei edellytä samanaikaista te-honsiirtoa lähettimen ensimmäiseltä valolähteeltä (teholähteeltä), vaan datansiirto voidaan suorittaa aktivoimalla pelkästään virtuaalieriste. Etuna on kuitenkin myös se, että datansiirto virtuaalieristeen avulla voidaan suorittaa myös samanaikaisesti tehonsiirron kanssa.

20 Kuvioiden lyhyt selostus ; Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- :. - teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista : kuvio 1 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen järjestelmän pe- rusrakennetta; 25 kuvio 2 esittää kaavamaisesti eräiden keksinnössä hyödynnettävien • i valolähteiden ja fotodetektorien ominaisuuksia; kuvio 3 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista va-'.'!! losädejärjestelyä; ; kuviot 4a ja 4b esittävät lohkokaavioina keksinnön erään suoritus- ': 30 muodon mukaisesti toteutettuja lähetinyksikköä ja vastaanotinyksikköä; ja : : liitteet 1 ja 2 esittävät eräitä arvoja lasersäteen maksimialtistusajalle : standardin ANSI Z136.1 taulukoiden 5a ja 5b avulla.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Viitaten kuvioon 1, esitetään seuraavassa järjestelmän perusraken-35 ne. Järjestelmä käsittää lähettimen 100 ja vastaanottimen 120, johon on edel- 115263 4 leen liitetty tehoa käyttävä ulkoinen laite 130 ja varausvälineet 140 sähköenergian tallentamiseksi, tyypillisesti akku. Lähetin 100 käsittää edelleen ensimmäisen valolähteen 102, toisen olennaisesti pienempitehoisemman valolähteen 104, kohdistusvälineet 106 ainakin ensimmäisen valolähteen 102 emit-5 toiman valon kohdistamiseksi vastaanottimeen ja skannausvälineet 108 ainakin toisen valolähteen 104 emittoiman valon poikkeuttamiseksi eri suuntiin vastaanottimien etsimiseksi. Edelleen lähetin käsittää vastaanottimen 110 kontrol-lisignaalin vastaanottamiseksi. Vastaanotin 120 käsittää ensimmäisen fotode-tektorin 122 mainitun ensimmäisen valolähteen 102 emittoiman valotehon vas-10 taanottamiseksi, toisen fotodetektorin 124 mainitun toisen valolähteen 104 emittoiman valotehon vastaanottamiseksi ja johdinvälineet 126 ensimmäisen fotodetektorin vastaanotetusta valotehosta muodostaman sähkövirran johtamiseksi ulkoiselle laitteelle 130 ja varausvälineille 140. Edelleen vastaanotin käsittää lähettimen 128 kontrollisignaalin lähettämiseksi lähettimelle 100.

15 Tehonsiirtoprosessi toimii järjestelmässä yksinkertaistettuna seu raavasti: lähetin 100 käynnistää toisen valolähteen 104, jonka lähetysteho on olennaisesti niin pieni, että se ei aiheuta vaaraa esimerkiksi silmille. Mikäli lähetintä 100 ei ole valmiiksi kohdistettu vastaanottimeen 120, suoritetaan kohdistus toisen valolähteen 104 ja skannausvälineiden 108 avulla. Toinen valo-20 lähde 104 käsittää edullisesti useita erillisiä pienitehoisia valolähteitä, jotka on " , järjestetty ympyränmuotoisesti ensimmäisen valolähteen 102 ympärille. Tätä /* toisen valolähteen eli useiden valolähteiden joukon lähettämää valoa voidaan :·: i kutsua virtuaalieristeeksi. Vaihtoehtoisesti virtuaalieriste voidaan saada aikaan

• · I

yhdellä valolähteellä, jonka emittoima valo levitetään säteenlevittimellä (beam • 25 expander) siten, että se leviää ympyränmuotoisesti ensimmäisen valolähteen 102 ympärille.

Lähettimen kohdistamiseksi vastaanottimeen lähetin aktivoi virtuaa-.:. lieristeen ja aloittaa lähettimen ympäristön skannaamisen siinä tilassa, johon lähetin on asetettu. Skannaus suoritetaan edullisesti etukäteen määritettynä • ‘ 30 kaksi- tai kolmeulotteisena järjestelmällisenä liikeratana, jota toistetaan läpi : : lähettimen ympäröivän tilan, kunnes virtuaalieriste osuu vastaanottimeen. Vas- :": taanottimen toinen fotodetektori 124 on järjestetty vastaanottamaan valoa vas- . . : taavalla aallonpituudella, jolla virtuaalieriste lähetetään. Kun virtuaalieriste .·. · osuu vastaanottimen toiseen fotodetektoriin, kohdistetaan virtuaalieriste mai- 35 nittuun fotodetektoriin myöhemmin tarkemmin kuvattavalla tavalla.

115262 5

Kun virtuaalieriste on kohdistettu vastaanottimeen toiseen fotode-tektoriin, voidaan lähettimessä käynnistää ensimmäinen valolähde 102, jonka emittoima valo siis lähetetään virtuaalieristeen ympäröimänä ja jonka valoteholla varsinainen tehonsiirto tapahtuu. Vastaanottimen ensimmäinen fotode-5 tektori 122 on taas vastaavasti jäljestetty vastaanottamaan valoa olennaisesti samalla aallonpituudella, jota ensimmäinen valolähde lähettää. Ensimmäinen fotodetektori 122 muuntaa vastaanottamansa valotehon sähkövirraksi, joka johdetaan edelleen johdinvälineiden 126 avulla ulkoiselle laitteelle 130 ja/tai akulle 140. Keksinnön mukaisella menettelyllä päästään huomattavasti tunnet-10 tuja ratkaisuja parempaan hyötysuhteeseen tehonsiirrossa. Nykyisillä valolähteillä ja fotodetektoreilla voidaan saavuttaa olennaisesti ainakin 20% hyötysuhde.

Jäijestelmä on tarkoitettu käytettäväksi esimerkiksi yleisten toimistolaitteiden ja viihde-elektroniikkalaitteiden tehon syöttämiseen, jolloin jäijes-15 telmää käytetään myös tiloissa, joissa liikkuu ihmisiä ja esimerkiksi lemmikkieläimiä. Täten käytettäessä ensimmäisessä valolähteessä 102 suurta tehoa valon synnyttämiseksi, saattaa muodostuva valo olla vaarallista esimerkiksi silmille, vaikkei valo olisikaan näkyvän valon aallonpituudella. Tämän estämiseksi järjestelmässä käytetään edellä kuvattua virtuaalieristettä, jonka tehtä-20 vänä on eristää varsinainen tehonsiirtoon tarkoitettu valonsäde ja ilmoittaa järjestelmälle, jos eriste "hajoaa” eli jokin este osuu virtuaalieristeen tielle. Tällöin ensimmäisen valolähteen tehonsyöttö katkaistaan välittömästi. Kun virtuaa-: lieristeen tielle osunut este poistetaan, voidaan tehonsyöttöprosessi aloittaa .: uudelleen varmistamalla ensin virtuaalieristeen kohdistus vastaanottimeen, ja 25 mikäli virtuaalieriste toimii moitteettomasti, käynnistämällä sen jälkeen itse te-’: honsiirtoon käytettävä valonsäde.

Valolähteinä järjestelmässä voidaan käyttää esimerkiksi valoa emittoivaa diodia LED (Light Emitting Diode) tai laseria. Käytettävä valolähde ja sen aallonpituus tulee taas vastaavasti sovittaa käytettävään fotodetektoriin.

• · 30 Tätä voidaan havainnollistaa kuvion 2 mukaisella kaaviolla, jossa esitetään eri-; : laisista materiaaleista muodostettujen fotodetektorien kvanttitehokkuus eli vas taanoton hyötysuhde eri valon aallonpituuksilla. Kvanttitehokkuutta kuvataan . . .* pystyakselilla ja vaaka-akselilla kuvataan valon aallonpituutta ja vastaavasti aallonpituudella välittyvää fotonienergiaa, jonka suhde on käänteinen aallonpi- * > » 35 tuuteen. Edelleen kuviossa 2 on esitetty eräiden tällä hetkellä käytössä olevien valolähteiden aallonpituusalueet.

115263 6

Kuviosta 2 nähdään, että jos halutaan lähettää mahdollisimman paljon tehoa, on edullista käyttää mahdollisimman pientä aallonpituutta, koska tällöin vastaavasti välittyvä fotonienergia kasvaa. Toisaalta, jotta välittyvä teho voidaan myös hyödyntää, tulee käytettävän fotodetektorin olla sovitettu vas-5 taavalle aallonpituudelle. Jos halutaan käyttää mahdollisimman suurta aallonpituutta eli fotonienergiaa, voidaan valolähteenä käyttää laseria, jonka aallonpituus on olennaisesti 0,30 um, jolloin vastaavasti fotodetektorina voidaan käyttää kohtuullisen hyvän kvanttitehokkuuden omaavaa Ag-Zns-fotodetektoria. Vastaavasti, jos kvanttitehokkuus halutaan maksimoida, voi-10 daan fotodetektorina käyttää n. 0,8 um alueelle sijoittuvaa Si-fotodetektoria, jolloin valolähteenä voidaan käyttää LED:iä, laseria tai mahdollisesti infrapuna-alueella toimivaa LED:iä. Keksinnössä voidaan hyödyntää fotodetektorina myös muita kuviossa 2 mainittuja materiaaleja. On huomattava, että tässä yhteydessä on kuvattu vain esimerkinomaisesti tällä hetkellä edullisesti sovellet-15 tavissa olevia valolähteitä ja fotodetektoreja. Keksinnön toteutus ei kuitenkaan ole sidottu käytettävään laseriin ja/tai fotodetektoriin tai näiden hyödyntänein aallonpituuksiin, vaan tekniikan kehittyessä voidaan sekä valolähteenä että fotodetektorina käyttää muista materiaaleista valmistettuja ja muita aallonpituuksia käyttäviä komponentteja.

. 20 Lähetettävä valo, siis sekä virtuaalieristeen että teholähteen valo, ;; voidaan kohdistaa lasereita käytettäessä suoraan haluttuun syöttökohteeseen.

' : Tällöin valolähteen suuntaaminen voidaan toteuttaa esimerkiksi mikropiirioh- : jattuna laserpoikkeutuksena, jolloin itse laserit suunnataan suoraan vastaanot- timeen. Jos taas valolähteinä käytetään esimerkiksi valoa emittoivia diodeja 25 LED, voidaan suuntaus tehdään peilien avulla ns. peiliohjattuna poikkeutukse-na. Tällöin valolähteen suuntaamiseen käytetään edullisesti riittävää määrää peiliservoja, joita ohjataan erillisellä ohjausyksiköllä. Myös lasereiden poikkeu-,tus voidaan tehdä peiliohjattuna poikkeutuksena.

Varsinkin virtuaalieristeen kohdistamisessa voidaan aina käyttää

> I

30 apuna säteenlevitintä (beam expander), jolla kapean valolähteen säde levite-tään leveämmäksi yhdensuuntaiseksi säteeksi. Säteenlevitin käsittää lähetti-men yhteyteen sovitetut kaksi linssiä, joista ensimmäinen linssi hajoittaa valo-.·! ; lähteeltä tulevan valonsäteen. Toinen linssi on asetettu ensimmäisen linssin , t läheisyyteen siten, että toinen kokoaa ensimmäisen linssin levittämän valonsä- ‘ * 35 teen ja taittaa sen yhdensuuntaiseksi. Näin esimerkiksi 1 mm läpimitan omaa va valolähteen valonsäde voidaan muuntaa 5 mm valosäteeksi, jonka kohden- 115263 7 taminen vastaanottimen fotodetektoreihin on helpompaa. Täten virtuaalieriste voidaan muodostaa useista, ehkä 5 - 7 valolähteestä, jotka kukin levitetään säteenlevittimen avulla pyöreäksi valoverhoksi siten, että ne ovat ainakin osittain päällekkäisiä. Tällöin valolähteiden määrä on riittävä, jotta voidaan varmis-5 taa virtuaalieristeen turvallinen toiminta siten, että mistä suunnasta tahansa tehonsiirtosädettä kohti tuleva este aiheuttaa riittävän ajoissa turvatinkin katkaisemisen ja sitä seuraavan tehonsiirtosäteen sammuttamisen. Tätä havainnollistetaan vastaavasti kuviossa 3, jossa tehosäteen 312 ympärillä on useita levitettyjä, verhomaisia virtuaalieristesäteitä 314 - 324.

10 Virtuaalieriste on edullista toteuttaa suhteellisten heikkotehoisten pulssilasereiden avulla, jotka toimivat eri aallonpituudella kuin varsinainen teholähde. Tällaiset laserit ovat hinnaltaan edullisia, ne tuottavat valmiiksi kohe-renttia valoa, joka ei tarvitse erillisiä suuntausvälineitä, eikä eri aallonpituudella emittoitu valo aiheuta virhetilanteita varsinaisen tehonsiirtovalon fotodetekto-15 rissa. Virtuaalieristeen lähettäminen voidaan edullisesti suorittaa valopulsseina käyttäen erittäin suurella taajuudella, esimerkiksi 10-100 MHz, toimivia pulssi-lasereita. Virtuaalieristeen toiminnan ohjaus voi edullisesti perustua siihen, että mikäli virtuaalieriste toimii moitteettomasti, lähettää vastaanotin säännöllisesti kontrollisignaalia lähettimelle. Mikäli kontrollisignaalin vastaanotto lähet-20 timessä katkeaa, katkaistaan myös ensimmäisen valolähteen tehonsyöttö vä- > · littömästi. Kontrollisignaalivastaanottimeen 110 yhdistetyt säätövälineet tark-kailevat kontrollisignaalin vastaanottoa. Tällöin mikäli kontrollisignaalin vas-: taanotto lähettimessä viivästyy pidemmäksi kuin ennalta on määritetty (ts. yksi : kontrollisignaali jää vastaanottamatta), katkaisevat säätövälineet valolähteen 25 1 02 tehonsyötön välittömästi.

Keksinnön mukaisesti virtuaalieristeen valopulsseja voidaan hyödyntää myös datansiirtoon lähettimeltä 100 vastaanottimelle 120. Tällöin myös ensimmäisessä valolähteessä 102 (teholähde) muodostettavan valon aallonpi-’···, tuus ja tehotiheys tulee valita siten, että valonsäteen lyhytaikainen silmäkon- T 30 takti on mahdollinen ilman, että silmä vahingoittuu valonsäteestä. Tämä lähe- : ' : tetyn valonsäteen silmäturvalliseksi määritetty aika eli maksimialtistus (MPE,

Maximum permissible exposure) vaikuttaa siihen, kuinka usein virtuaalieris-/! ; teen fotodetektorin tulee vastaanottaa valopulssi, jotta virtuaalieristeen eheys ,voidaan turvallisesti todeta. Maksimialtistus taas on tehon siirtämiseen käyte-35 tyn valonsäteen aallonpituuden ja tehotiheyden (W/cm2) funktio. Standardi 115263 8 ANSI 136.1, josta esitetään eräitä esimerkinomaisia arvoja liitteissä 1 ja 2, määrittää nämä arvot tarkemmin.

Valopulssien pienin sallittu vastaanottotaajuus f määräytyy maksi-mialtistusajan MPE perusteella siten, että samalla otetaan huomioon myös se 5 viive D, joka kuluu virtuaalieristeen hajoamisen havaitsemisesta siihen, kunnes valolähteen 102 tehonsyöttö katkaistaan. Näin ollen f = 1/(MPE - D), josta saadaan suurin sallittu aika T kahden virtuaalieristeen valopulssin välillä: T = 1/f = MPE - D.

Tätä seikkaa voidaan hyödyntää datansiirrossa virtuaalieristeen 10 avulla. Lähetettävä data tulee koodata jollakin koodaustavalla, joka mahdollistaa pulssikoodatun bitin nousevan tai laskevan reunan havaitsemisen ja yhden bitin ajallisen keston määrittämisen siten, että tiedetään maksimitauko kahden peräkkäisen reunan välillä. Eräs sopiva koodaustapa on ns. Manchester-koodaus, jossa bittien arvot määritetään siten, että jokaisen bittijakson keskel-15 lä tapahtuu siirtymä nollasta yhteen (nouseva reuna) tai yhdestä nollaan (laskeva reuna). Bittijakson pituus on ennalta määritetty ja näytteistys tapahtuu bittijakson keskellä, jolloin myös siirtymä tapahtuu. Näytteistyksessä havaittu nouseva reuna antaa bitin arvoksi yksi ja laskeva reuna taas vastaavasti antaa bitin arvoksi nolla. Jokaisen bittijakson aikana siis havaitaan arvoa yksi edus-20 tava pulssi ja arvoa nolla edustava pulssi, joiden keskinäisen järjestyksen perusteella määritetään bitin arvon.

Näin ollen virtuaalieristeen avulla välitettävä data voidaan koodata siten, että passitettuun signaaliin koodataan arvo yksi lähettämällä valopulssi, ’: jonka kesto on puolet bittijakson kestosta ja arvo nolla keskeyttämällä valon : 25 lähettäminen bittijakson puolikkaan ajan. Tällöin maksimitauko kahden valo- : " ; pulssin välillä on korkeintaan yhden bittijakson mittainen, mikä tapahtuu siis silloin, kun bittiarvoa nolla seuraa bittiarvo yksi, ts. nollabitin ensimmäisellä puolikkaalla ja ykkösbitin jälkimmäisellä puolikkaalla lähetetään valopulssi. Käytännön toteutuksessa tämä maksimitauko vastaa siten edellä määritettyä '; 30 suurinta sallittua aikaa T kahden virtuaalieristeen valopulssin välillä, joka mää- ': : räytyy järjestelmän ominaisuuksien perusteella ja joka siten asettaa raja-arvon ' datasignaalin bittijakson kestolle.

; Kontrollisignaalin ohjaus voidaan toteuttaa perustuen esimerkiksi siihen, että virtuaalieristeen havaitut valopulssit määritetään loogisena 1:nä ja 35 ajanjaksot, jolloin valoa ei vastaanoteta, loogisena 0:na. Virtuaalieristeen foto-detektorilla on edullisesti jäljestetty suoritettavaksi looginen AND-operaatio 115263 9 vastaanotetuista valopulsseista. Tällöin virtuaalieriste tulkitaan ehjäksi, jos AND-operaation tuloksena on 1 eli kaikki virtuaalieristesäteet välittävät samanaikaisesti saman loogisen arvon ja edellisen loogisen 1-arvon eli valopulssin vastaanotosta on kulunut aikaa korkeintaan yhden bittijakson verran. Jos 5 nämä ehdot eivät toteudu, ainakin yhden virtuaalieristesäteen vastaanotto ei ole onnistunut. Tämä tarkoittaa todennäköisesti sitä, että ainakin yhden virtu-aalieristeessä olevan valolähteen emittoiman valon tiellä on este. Tällöin kont-rollisignaalin lähetys vastaanottimesta katkaistaan välittömästi. Koska bittijakson koodausnopeudessa on jo huomioitu järjestelmän viive virtuaalieristeen 10 hajoamisen havaitsemisesta kontrollisignaalin lähetyksen katkaisuun, ei te-hosäteen mahdollinen osuminen silmään ehdi vaurioittaa silmää.

Näin virtuaaiieristettä voidaan edullisesti hyödyntää myös yksisuuntaiseen datansiirtoon lähettimeltä vastaanottimelle, jolloin ei tarvita erillistä siirtotietä, esimerkiksi radiolinkkiä, datan välittämiseen. Virtuaaiieristettä voidaan 15 erityisesti käyttää ei-reaaliaikaisen datan, kuten erilaisten tiedostojen tai puskuroitavan suoratoistovideon (streaming) lähettämiseen vastaanottimeen yhdistetylle laitteelle. On huomattava, että datansiirto virtuaalieristeen avulla ei edellytä samanaikaista tehonsiirtoa lähettimen ensimmäiseltä valolähteeltä (teholähteeltä), vaan datansiirto voidaan suorittaa aktivoimalla pelkästään vir-20 tuaalieriste. Luonnollisesti datansiirto virtuaalieristeen avulla voidaan suorittaa = · · myös samanaikaisesti tehonsiirron kanssa.

Kontrollisignaalin lähetys voidaan suorittaa esimerkiksi suhteellisen : heikkotehoisella ympärisäteilevällä LED:llä, joka toimii infrapuna-alueella. Täl- lainen LED on hinnaltaan edullinen ja ympärisäteilyn ansiosta lähettimen ja 25 vastaanottimen keskinäisellä sijainnilla ei ole olennaista merkitystä kontrol-lisignaalin vastaanottoon lähettimessä. Vaihtoehtoisesti kontrollisignaalin lähetys voidaan suorittaa esimerkiksi heikkotehoisella radiolähettimellä. Te-.hosäteen lähetystä ohjaavaa kontrollisignaalia voidaan kutsua turvalinkiksi.

: Vastaanottimien löytämiseksi ja kohdistamiseksi voidaan käyttää 30 virtuaaiieristettä, kuten aiemmin kerrottiin. Lähettimen kohdistamiseksi vas-: taanottimeen lähetin aktivoi virtuaalieristeen ja aloittaa lähettimen ympäristön : skannaamisen siinä tilassa, johon lähetin on asetettu. Tällöin tilassa olevat ,: vastaanottimet ja itse laitteet, joihin vastaanottimet on liitetty, toimivat akkujen- j sa varassa. Skannaus suoritetaan etukäteen määritettynä liikeratana, jota tois- 35 tetaan läpi lähettimen ympäröivän tilan, kunnes virtuaalieriste osuu vastaanottimeen. Kun virtuaalieriste osuu vastaanottimen toiseen fotodetektoriin, ilmoit- 115263 10 taa vastaanotin tästä lähettimelle turvalinkin välityksellä. Koska itse skannaus suoritetaan edullisesti suurella nopeudella, voidaan kohdistus suorittaa siten, että turvalinkki ilmoittaa virtuaalieristeen hetkellisestä yhteydestä, mikä luonnollisesti vastaanotetaan lähettimessä pienen viiveen jälkeen. Tällöin lähetin 5 pysäyttää skannausprosessin ja siirtää virtuaalieristettä hitaasti taaksepäin mainitun viiveen aikana edetyn matkan, kunnes yhteys muodostuu uudelleen. Tämän jälkeen lähetin määrittää vastaanottimen sijaintikoordinaatit ja tarvittaessa jatkaa toisten vastaanottimien etsimistä kyseisestä tilasta.

Jos tilaan tuodaan uusia laitteita, joille halutaan järjestää langaton 10 tehonsyöttö, käynnistetään lähettimeltä skannausprosessi uudestaan. Vaihtoehtoisesti lähetin voi tehdä automaattiskannauksen määrätyin väliajoin. Uusien laitteiden sijaintikoordinaatit määritetään vastaavalla skannaamalla, minkä jälkeen lähetin tallentaa koordinaatit muistiin. Tilassa jo aiemmin olleiden laitteiden koordinaatit on tallennettu jo valmiiksi lähettimen muistiin, joten uusilla 15 skannauskierroksilla vanhat laitteet voidaan edullisesti jättää huomioimatta, mikä nopeutta tilan skannausta.

Itse tehonsiirto usealle vastaanottavalle laitteelle tapahtuu siten, että kullekin syöttökohteelle syötetään tehoa tietty aika, jonka jälkeen lähettimen ensimmäinen valolähde (teholähde) sammutetaan ja kohdistetaan virtuaa-20 lieriste seuraavaan syöttökohteeseen. Tämä voidaan suorittaa edullisesti il-

► · I

- ’ · man skannausta, koska syöttökohteiden koordinaatit on määritetty jo aiemmin v ; ja ne on tallennettu lähettimen muistiin. Kun virtuaalieriste on kohdistettu seu- : raavan vastaanottimen virtuaalieristeen fotodetektoriin, käynnistää mainittu vastaanotin turvalinkin, jolloin lähetin tietää, että kohdistus on suoritettu on-25 gelmitta ja että se voi käynnistää ensimmäisen valolähteen (teholähteen). Lä-hetin syöttää taas tehoa määrätyn ajan, sammuttaa teholähteen ja siirtyy taas seuraavaan syöttökohteeseen.

Kuvioissa 4a ja 4b esitetään yksinkertaistetusti keksinnön mukaisen ! lähetinyksikön 400 ja vastaanotinyksikön 440 toimintalohkot. Lähetinyksikkö 30 400 käsittää lähettimen ohjauslogiikan 402, joka voidaan edullisesti toteuttaa : esimerkiksi ohjelmoitavina IC-piireinä, ohjelmistona tai näiden yhdistelmänä.

*:"i Ohjauslogiikka 402 ohjaa laitteen toiminnan aikana edelleen virtuaalieristeen ,·[ i syötönohjausta 404, josta säädellään virtuaalieristeen heikkoteholasereita ! 406, 408, 410, 412 ja 414. Ohjauslogiikka käsittää myös toiminnot datasignaa- ' : 35 Iin koodaamiseksi virtuaalieristepulsseiksi edellä kuvatulla tavalla. Lisäksi oh jauslogiikka 402 ohjaa laitteen toiminnan aikana teholaserin syötönohjauspiiriä 115263 11 416, josta säädellään varsinaisen teholähteen (laserin) 418 toimintaa. Edelleen ohjauslogiikka 402 kontrolloi sekä virtuaaiieristeen että teholähteen lase-reiden poikkeutusta haluttuun syöttökohteeseen. Poikkeutuksesta huolehtii poikkeutusyksikkö 420, joka voidaan toteuttaa esimerkiksi mikropiiriohjattuna 5 laserpoikkeutuksena, jolloin itse laserit suunnataan suoraan vastaanottimeen, tai peiliohjattuna poikkeutuksena, jolloin käytettäessä valolähteinä esimerkiksi valoa emittoivia diodeja LED suuntaus tehdään peilien avulla. Tällöin poikkeutusyksikkö 420 käsittää edullisesti riittävän määrän peiliservoja 420a ja näitä ohjaavan ohjausyksikön 420b. Olennainen osa lähetinyksikön 400 turvallista 10 toimintaa on turvalinkin vastaanotin 422, jolta vastaanotettu turvalinkkisignaali syötetään vahvistimen 424 kautta ohjausyksikölle 402.

Kuviossa 4b esitetään vastaavasti keksinnön mukaisen vastaan-otinyksikön 440 toimintalohkot. Myös vastaanotinyksikkö 440 käsittää ohjaus-logiikan 442, joka voidaan vastaavasti toteuttaa esimerkiksi ohjelmoitavina ΙΟΙ 5 piireinä, ohjelmistona tai näiden yhdistelmänä. Virtuaaiieristeen fotodetektoreil-ta 444, 446, 448, 450 ja 452 vastaanotetaan lähetinyksikön heikkoteholaserei-den lähettämiä laserpulsseja. Vastaanotetut laserpulssit voivat käsittää myös dataa, joka dekoodataan vastaanottimen ohjauslogiikan avulla. Vastaanotettujen pulssien ja niiden vastaanottoajankohtien perusteella vastaanottimen ohja-20 uslogiikka myös päättelee, onko virtuaalieriste ehjä ja mikäli näin on, antaa ·; ; turvalinkin syöttöpiirille 456 ohjeet turvalinkkisignaalin lähettämiseksi lähetti men 458 kautta, joka voi olla edullisesti esimerkiksi infrapuna-LED tai heikko-: tehoinen radiolähetin. Teholaserin fotodetektori 460 toimii varsinaisen siirrettä-

I I I

:vän tehon vastaanottajana, jolta vastaanotetusta valotehosta muunnettu säh-: ‘ ': 25 kövirta syötetään latauksen valvontayksikön 462 kautta liitännälle 464, josta se voidaan edelleen syöttää joko ulkoiselle laitteelle tai varausvälineille, kuten I « i akulle.

.;. Edellä kuvattu tehonsiirtojärjestelmä ja siihen yhdistetty datansiir- tomenettely on sovitettavissa lukuisten erilaisten laitteiden yhteyteen. Vas-30 taanotinyksikkö voidaan sovittaa esimerkiksi erilaisten toimistolaitteiden, kuten ‘ : tulostimien, kannattavien tietokoneiden, näppäimistöjen, langattoman verkon • ’ · tukiasemien tai puhelimien, yhteyteen tai erilaisten henkilökohtaisten tai viihde- .·, ; elektroniikkalaitteiden, kuten radio-ja stereolaitteiden, aktiivikaiuttimien, puhe- , , ' linlatureiden jne, yhteyteen. Edelleen järjestelmää voidaan käyttää erilaisissa 35 valvonta- ja hälytysjärjestelmissä, joissa langallinen tehonsyöttö saattaa olla hankalasti järjestettävissä. Tällaisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi langat- 115263 12 tomat valvontakamerat, liiketunnistimet, erilaiset valvonta-anturit ja hälytyslaitteet. Sovelluskohteita ei luonnollisesti ole rajoitettu vain edellä mainittuihin kohteisiin.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin-5 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

I Ψ t

Claims (14)

1. Menetelmä datan siirtämiseksi langattomassa tehonsiirtojärjestel-mässä, joka käsittää teholähettimen, joka käsittää ensimmäisen valolähteen ja välineet ensimmäisen valolähteen emittoiman valon kohdistamiseksi haluttuun 5 suuntaan, ja ainakin yhden tehovastaanottimen, joka käsittää ensimmäisen fotodetektorin emittoidun valon vastaanottamiseksi ja muuntamiseksi sähkövirraksi, tunnettu siitä, että lähetetään teholähettimen käsittämällä toisella valolähteellä olennaisesti yhdensuuntaisesti mainitun ensimmäisen valolähteen emittoiman valo lon ympärille sovitettua valoa pulsseina, joiden teho on olennaisesti pienitehoi-sempaa kuin mainitun ensimmäisen valolähteen emittoiman valon teho, ja joihin pulsseihin on koodattu databittejä tavalla, joka määrittää maksimiaikavälin kahdelle peräkkäiselle pulssille, ilmaistaan tehovastaanottimen käsittämällä toisella fotodetektorilla 15 mainitun toisen valolähteen emittoimat valopulssit, määritetään valopulssien käsittämää dataa ja peräkkäisten vastaanotettujen valopulssien välistä aikaa, ja lähetetään tehovastaanottimelta kontrollisignaali häiriöttömästi vastaanotetusta datasta teholähettimelle vasteena sille, että peräkkäisten vastaan- * .. j* 20 otettujen valopulssien välinen aika ei ylitä mainittua maksimiaikaväliä kahdelle Ί ': peräkkäiselle pulssille.

: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, * · · · j··'. että *« » lähetetään tehovastaanottimelta mainittua kontrollisignaalia teholä- ,···, 25 hettimelle mainitun toisen valolähteen emittoimien valopulssien vastaanotosta • · säännöllisin väliajoin, , vasteena sille, että mainitun toisen valolähteen emittoimissa valo- • »· ;;; pulsseissa havaitaan häiriö, lopetetaan mainitun kontrollisignaalin lähettämi- ’ nen. ·;*·· 30

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu ....: siitä, että • » / ( lähetetään mainittuja valopulsseja mainitun toisen valolähteen käsit- • ” tämillä useilla erillisillä valolähteillä, jotka on järjestetty olennaisesti ympyrä- . ’ *: muotoon mainitun ensimmäisen valolähteen ympärille.

1 1 526.7

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 115263 ilmaistaan tehovastaanottimella mainittujen useiden erillisten valolähteiden emittoimat valopulssit loogisina binääriarvoina, jolloin vasteena sille, että ainakin yhden mainitun erillisen valolähteen emittoiman valopulssin binääriarvo poikkeaa muiden valopulssien saman-5 aikaisista binääriarvoista, lopetetaan mainitun kontrollisignaalin lähettäminen.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vasteena teholähettimellä vastaanotetusta kontrollisignaalista, käynnistetään teholähettimen mainittu ensimmäinen valolähde tehon siirtämiseksi 10 mainitulle tehovastaanottimelle.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetetään mainitun ensimmäisen valolähteen valoa aallonpituudella ja tehotiheydellä, jotka mahdollistavat lyhytaikaisen silmäaltistuksen.

7. Langaton tehonsiirtojärjestelmä, joka käsittää teholähettimen, jo ka käsittää ensimmäisen valolähteen ja välineet ensimmäisen valolähteen emittoiman valon kohdistamiseksi haluttuun suuntaan, ja ainakin yhden teho-vastaanottimen, joka käsittää ensimmäisen fotodetektorin emittoidun valon vastaanottamiseksi ja muuntamiseksi sähkövirraksi, tunnettu siitä, että 20 teholähetin käsittää toisen valolähteen, jonka emittoimien valopuls- sien teho on olennaisesti pienitehoisempaa kuin mainitun ensimmäisen valo- • »« v ·' lähteen emittoiman valon teho ja jotka pulssit on sovitettu lähetettäväksi olen- i naisesti yhdensuuntaisesti mainitun ensimmäisen valolähteen emittoiman va- lon ympärille, ja joihin pulsseihin on koodattu databittejä tavalla, joka määrittää ;V. 25 maksimiaikavälin kahdelle peräkkäiselle pulssille, tehovastaanotin käsittää toisen fotodetektorin mainitun toisen valo- lähteen emittoimien valopulssien ilmaisemiseksi, välineet valopulssien käsittä- , män datan ja peräkkäisten vastaanotettujen valopulssien välisen ajan määrittä- * · ; miseksi ja mainitulle määrittämiselle vasteelliset lähetysvälineet, jotka on sovi- / 30 tettu lähettämään kontrollisignaali teholähettimelle vasteena sille, että peräk- ' i käisten vastaanotettujen valopulssien välinen aika ei ylitä mainittua maksimiai- ; kaväliä kahdelle peräkkäiselle pulssille.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen tehonsiirtojärjestelmä, t u n -; n e 11 u siitä, että : 35 tehovastaanotin on sovitettu lähettämään mainittua kontrollisignaalia teholähettimelle mainitun toisen valolähteen emittoiman valon vastaanotosta 11526? säännöllisin väliajoin, ja vasteena sille, että mainitun toisen valolähteen emittoimassa valossa havaitaan häiriö, lopettamaan mainitun kontrollisignaalin lähettäminen.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen tehonsiirtojärjestelmä, 5 tunnettu siitä, että mainittu toinen valolähde käsittää useita erillisiä valolähteitä, jotka on järjestetty olennaisesti ympyrämuotoon mainitun ensimmäisen valolähteen ympärille.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen tehonsiirtojärjestelmä, tun-10 nettu siitä,että tehovastaanotin on järjestetty ilmaisemaan mainittujen useiden erillisten valolähteiden emittoimat valopulssit loogisina binääriarvoina, jolloin vasteena sille, että ainakin yhden mainitun erillisen valolähteen emittoiman valopulssin binääriarvo poikkeaa muiden valopulssien saman-15 aikaisista binääriarvoista, tehovastaanotin on järjestetty lopettamaan mainitun kontrollisignaalin lähettäminen.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 7-10 mukainen tehonsiirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että vasteena teholähettimellä vastaanotetulle kontrollisignaalille, teholä-, 20 hetin on järjestetty käynnistämään mainittu ensimmäinen valolähde tehon siir- •; ; tämiseksi mainitulle tehovastaanottimelle. V

; 12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-11 mukainen tehonsiirtojärjestel- » · i.: : mä, tunnettu siitä, että teholähetin on järjestetty lähettämään mainitun ensimmäisen valo-25 lähteen valoa aallonpituudella ja tehotiheydellä, jotka mahdollistavat lyhytaikai-sen silmäaltistuksen.

13. Langattoman tehonsiirtojärjestelmän teholähetin, joka käsittää ensimmäisen valolähteen ja välineet ensimmäisen valolähteen emittoiman va-lon kohdistamiseksi haluttuun suuntaan, tunnettu siitä, että 30 teholähetin käsittää toisen valolähteen, jonka emittoimien valopuls- sien teho on olennaisesti pienitehoisempaa kuin mainitun ensimmäisen valo-: lähteen emittoiman valon teho ja jotka pulssit on sovitettu lähetettäväksi olen- ; naisesti yhdensuuntaisesti mainitun ensimmäisen valolähteen emittoiman va- ! lon ympärille, ja joihin pulsseihin on koodattu databittejä tavalla, joka määrittää : 35 maksimiaikavälin kahdelle peräkkäiselle pulssille. 115263

14. Langattoman tehonsiirtojärjestelmän tehovastaanotin, joka käsittää ensimmäisen fotodetektorin ensimmäisen valolähteen emittoiman valon vastaanottamiseksi ja muuntamiseksi sähkövirraksi, tunnettu siitä, että tehovastaanotin käsittää toisen fotodetektorin teholähettimen toisen 5 valolähteen emittoimien valopulssien ilmaisemiseksi, välineet valopulssien käsittämän datan ja peräkkäisten vastaanotettujen valopulssien välisen ajan määrittämiseksi ja mainitulle määrittämiselle vasteelliset lähetysvälineet, jotka on sovitettu lähettämään kontrollisignaali teholähettimelle vasteena sille, että peräkkäisten vastaanotettujen valopulssien välinen aika ei ylitä ennalta määri-10 tettyä maksimiaikaväliä kahdelle peräkkäiselle pulssille. *»♦ ♦ » * I 115263