JP2015167317A

JP2015167317A - 非接触回転伝送装置

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Publication number: JP2015167317A
Application number: JP2014041278A
Authority: JP
Inventors: 河田　裕志; Hiroshi Kawada; 裕志河田; 和哉鴇; Kazuya Toki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-24

Abstract

【課題】回転の軸機構の設計範囲を高め、広帯域伝送ができる非接触回転伝送装置を提供する。【解決手段】複数の第１アンテナ４０と複数の第２アンテナ５０が、夫々回転軸１５を中心にギャップＧを有して相対的に回転する第１部材１１と第２部材１２に、回転方向において分離して設けられ、互いに対向している。第１アンテナ部２０は、送信部１１１からは帯域分割された信号に対応する異なる伝送帯域に設けられ、第２アンテナ部３０の複数の第１アンテナは、整合回路７１から見たアンテナの共振周波数が同じに設けられている。制御部１１５は、第１アンテナ４０と第２アンテナ５０の相対的な回転位置に基づいて、帯域分割された信号の伝送線路１０１の接続を切換える切換えスイッチ７２と、第１アンテナ部２０の伝送帯域に第２アンテナ部３０を整合させる整合回路７１とを有する整合部７０を制御し、異なる帯域の信号を同時に伝送する。【選択図】図１

Description

本発明は、信号を非接触で伝送する非接触回転伝送装置に関する。

従来の非接触回転伝送装置として、例えば、図１０、図１１に示すように、回転ヘッド型磁気記録再生装置に用いる多チャンネルのロータリートランスが知られている。

回転ヘッド型磁気記録再生装置は、デジタル情報信号などを記録、再生する際、高伝送レート化を図るため記録ヘッド、再生ヘッドを多チャンネル化している。そのため回転側ドラム９１と固定側ドラム９２には、各チャンネルに対応した信号を伝送するための送信側のコイル９５と受信側のコイル９６が、空隙を介して回転軸９７を中心として環状に対向配設され、非接触で信号が伝送される。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１に示すものが知られている。

特開２００４−１９９８２１号公報

このような従来の非接触回転伝送装置において、回転軸に対し環状に設けた伝送用のコイルは、数百ＭＨｚ以上の広帯域の信号を各チャンネルで伝送を行う場合、帯域幅が狭く、広帯域伝送が難しいという課題があった。また、高い周波数帯域の伝送用のコイルは、ループサイズが小さく限られた範囲となるため、回転カメラ等の回転部分において回転軸となるシャフト等の軸機構の径サイズが制限され軸強度の不足等が生じてしまう課題があった。

本発明は、軸機構の設計自由度を高め、広帯域伝送ができる非接触回転伝送装置を提供する。

上記目的を達成するために本発明は、回転軸を中心にギャップを有して相対的に回転する第１部材と第２部材と、回転方向において分離して第１部材に設けられた第１アンテナを有し、異なる伝送帯域を有する複数の第１アンテナ部と、回転方向において分離して第２部材に設けられた第２アンテナを有する複数の第２アンテナ部と、第２アンテナと複数の伝送線路とに接続し、第２アンテナ部に設けられた整合部と、第１アンテナと第２アンテナの相対的な回転位置に基づいて、前記整合部を制御して第１アンテナ部の伝送帯域に第２アンテナ部を整合させる制御部と、を備えた非接触回転伝送装置である。

以上のように本発明によれば、第１アンテナと第２アンテナは回転方向において分離して設けられるため、各アンテナ内に回転軸が含まれないように配設させることができ、軸機構の設計自由度を高めることができる。さらに、第１アンテナ部の異なる伝送帯域に第２アンテナ部を整合させるため、異なる周波数帯域の信号を同時に伝送でき広帯域伝送を行うことができる。

実施の形態における非接触回転伝送装置のアンテナの構成を示す斜視図実施の形態における非接触回転伝送装置の回路ブロック図実施の形態における非接触回転伝送装置における対向面から見た第１アンテナと発光素子の構成を示す平面図実施の形態における非接触回転伝送装置における対向面から見た第２アンテナと受光素子の構成を示す平面図実施の形態における非接触回転伝送装置の第１アンテナ部の受信電力の周波数特性図実施の形態における非接触回転伝送装置における整合回路の一例の回路図実施の形態における非接触回転伝送装置における位置センサの動作を説明するための概略図実施の形態における非接触回転伝送装置における対向面から見た他の第１アンテナの構成を示す平面図実施の形態における非接触回転伝送装置における対向面から見た他の第２アンテナの構成を示す平面図従来の非接触回転伝送装置の概略断面図従来の非接触回転伝送装置における対向面から見た概略平面図

（実施の形態）
本発明の実施の形態の非接触回転伝送装置について説明する。

図１に示すように実施の形態の非接触回転伝送装置は、回転軸１５を中心にギャップＧを有して相対的に自在に回転する第１部材１１と第２部材１２とを備えている。第１部材１１、第２部材１２が、夫々固定側、回転側として説明するが、これに限らず相対的に回転すればよい。

第１部材１１、第２部材１２として、ガラスエポキシ等のプリント基板を用いることができる。

第１部材１１と第２部材１２とが対向する第１部材１１と第２部材１２の対向面１３、１４は平坦状に設けられ、第１部材１１の対向面１３には複数の第１アンテナ４０が配設され、第２部材１２の対向面１４には複数の第２アンテナ５０が配設されている。

図２に示すように、複数の帯域の信号の一つが複数の第２アンテナ部３０の一つから送信され、第２アンテナ部３０と１対１に対応して複数の第１アンテナ部２０の一つに受信される。第１アンテナ部２０は、中心周波数が送信される信号の帯域の中心周波数と同じに設けられ、第１アンテナ部２０同士は、互いに異なる伝送帯域に設けられている。

図２では、第１アンテナ部２０は、第１アンテナ４０から構成されるため、第１アンテナ部２０の伝送帯域の中心周波数が第１アンテナ４０の共振周波数と一致する。

なお、第１アンテナ４０に整合回路を接続し第１アンテナ部２０を構成してもよく、第１アンテナ４０を小型化できる。

第２アンテナ部３０は、第２部材１２側に設けられ、第２アンテナ５０と第２アンテナ５０に接続する整合部７０とから構成される。整合部７０は、第２アンテナ５０と複数の伝送線路１０１とに接続され、整合回路７１と切換えスイッチ７２とを有している。整合回路７１は第２アンテナ５０と切換えスイッチ７２間に設けられている。

複数の伝送線路１０１は、送信部１１１に接続され異なる帯域の信号が伝送される。

整合部７０は、第２部材１２側に設けられた制御部１１５により、第１アンテナ部２０の伝送帯域に第２アンテナ部３０を整合させる。このとき、切換えスイッチ７２は、制御部１１５からの切換え信号ＳＣにより、伝送が行われる第１アンテナ部２０の伝送帯域に対応した伝送線路１０１を選択する。整合回路７１は、制御部１１５の整合信号ＭＣにより、第２アンテナ部３０の伝送帯域の中心周波数が、第１アンテナ部２０の伝送帯域の中心周波数に一致するように設定され、第２アンテナ５０と伝送線路１０１とのインピーダンス整合が行われる。

第２部材１２が回転し、第２アンテナ５０の一つが、第１アンテナ４０の一つに近接すると、整合部７０により、この第２アンテナ部３０の共振周波数が切り換わり、第１アンテナ４０と対向された第２アンテナ５０と間で無線通信が行われる。このとき、近接された第１アンテナ４０と第２アンテナ５０間で伝送されるため、微弱な電力であっても伝送できる。

このようにして複数の第１アンテナ部２０と１対１に対応する１組の第２アンテナ部３０とで非接触伝送が同時に行われる。これにより信号を帯域分割や周波数分割多重した伝送に対応でき、広帯域伝送ができる。この非接触伝送は、電磁波結合の他に、電磁誘導結合により行うことができる。

第１アンテナ４０と第２アンテナ５０は、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ等を用いることができる。ダイポールアンテナが好ましく、同心円に沿って配設が容易にでき軸機構の設計自由度を高めることができ、また時計回り・反時計回りの回転に対して制御が対称にでき簡素化できる。

以下、第１アンテナ４０と第２アンテナ５０にダイポールアンテナを用いた場合について、図３、図４を用いて説明する。

図３、図４は、対向面から見た第１アンテナと発光素子、第２アンテナと受光素子を示している。

図３に示すように、第１部材１１には複数の第１アンテナ４１、４２として２つのダイポールアンテナが設けられ、夫々低域側と高域側の伝送帯域に対応している。第２部材１２には複数の第２アンテナ５１〜５４として４つのダイポールアンテナが設けられている。

第１アンテナ４１、４２のダイポールアンテナは、左右対称の２本の導線が回転軸１５を中心とした仮想円１２１の円周上に配設され円弧状に設けられている。高域側の第１アンテナ４１は、ダイポールアンテナの両端に対する中心角が、低域側の第１アンテナ４２のダイポールアンテナの両端に対する円周角より小さく設けられている。

高域側の第１アンテナ４１と低域側の第１アンテナ４２は、回転軸１５に対して互いに対向して配設されている。これにより、第１アンテナ４１、４２同士の電磁波や磁界の干渉による伝送への影響を低減できる。

図５は、第１アンテナ部の受信電力を概念的に示す周波数特性図である。

低域側と高域側の第１アンテナ４１、４２は、夫々の共振周波数がｆ_H0、ｆ_L0であり、各共振周波数ｆ_L0、ｆ_Hの約±２０％の範囲内の周波数帯域を伝送帯域Ｗ_L0、Ｗ_H0域とし、伝送帯域が隣接する伝送帯域と一部が重なるように設けられ低域側と高域側が連続した伝送帯域Ｗ_Tにより広帯域の伝送ができる。

ここでは、伝送帯域を共振周波数の上記所定の範囲内としているが、これに限定されずに、伝送帯域は受信部が復調可能な振幅が得られる帯域幅であればよく、システムの設計事項により適宜設けることができる。例えばイコライザを備えた受信部であれば振幅補正が可能であるため、小さい振幅まで許容可能となるため伝送帯域を広くすることができる。

図４に示すように、第２部材１２側に示される仮想円１２１は、第１部材１１側の仮想円１２１を回転軸１５の方向に投射したものである。仮想円１２１の内側に設けられた１組の第２アンテナ５１、５３が、整合部７０により選択されて第１アンテナ部２０との伝送が行われるとき、仮想円１２１の外側に設けられた１組の第２アンテナ５２、５４は、整合部７０により選択されずに第１アンテナ部２０との伝送が切断されている。

このように選択された１組の第２アンテナ５１、５３は、選択されない１組の第２アンテナ５２、５４とは異なる同心円上に設けられている。

選択された１組の第２アンテナ５１、５３と選択されない１組の第２アンテナ５２、５４同士のダイポールアンテナは、アンテナの長さが略同じであり、整合回路７１から見たアンテナの共振周波数が略同じに設けられている。

そのため、整合回路７１の整合条件を異なる組の第２アンテナ５０同士で同じとすることができ、アンテナの構造や整合回路７１の制御を簡素化できる。なお、異なる組の第２アンテナ５０同士は、アンテナの共振周波数が異なって設けられてもよい。

また、第２アンテナ５０の共振周波数は、第１アンテナ４０の共振周波数の最大値と最小値の間に設けられている。

なお、第１アンテナ、第２アンテナは、伝送帯域、帯域幅、送受信回路方式等に応じて適宜設計することができる。

第２アンテナ５１〜５４のダイポールアンテナの一部は、この第２アンテナに隣接する第２アンテナ５１〜５４のダイポールアンテナの一部と、同心から延びる放射直線（切換え基準線）に重なるように配設される。これにより、任意の回転角度に対し第１アンテナ部２０と第２アンテナ部３０間の受信電力のばらつきをなくすことができる。

送信部１１１の入力信号は、帯域が１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるものを適用でき、例えば、地上デジタル信号、ＲＧＢ信号、ＨＤＭＩ（登録商標）信号、ＵＳＢ信号等を適用することができる。

送信部１１１では、入力信号に対してデジタル信号処理により帯域分割又は周波数分割多重を行い、信号が低域信号と高域信号に分割されて異なる伝送線路１０１に流される。

図２に示すように、低域信号と高域信号の伝送線路１０１は、切換えスイッチ７２の低域接点と高域接点に夫々接続している。制御部１１５は、第２アンテナ部３０に低域信号を伝送する場合は、第２アンテナ５３の第２アンテナ部３０のように切換えスイッチ７２を低域接点に接続し、整合回路７１を低域の整合条件に変更する。第２アンテナ部３０に高域信号を伝送する場合は、第２アンテナ５１の第２アンテナ部３０のように切換えスイッチ７２を高域接点に接続し、高域の整合条件に変更する。また第２アンテナ部３０に伝送しない場合は、第２アンテナ５２、５４の第２アンテナ部３０のように切換えスイッチ７２を切断接点に接続し整合回路７１と伝送線路１０１とを切断する。

切断された第２アンテナ部３０は、整合回路７１を任意の整合条件とすることができ、例えば、回転方向が既知の場合、整合条件を次に接続する高域、低域の整合条件としてもよく、切換えが迅速にでき高速回転での伝送ができる。

図６は、整合回路７１の一例としてＬＣＬ型のＴ型整合回路を示し、この整合回路には直列に接続したインダクタＬ１、Ｌ２の接続点とグランド間に並列に接続した固定容量コンデンサＣ１と可変容量コンデンサＣ２が接続されている。可変容量コンデンサＣ２は、例えばバリキャップダイオードが用いられる。制御部１１５の整合信号ＭＣの電圧がバリキャップダイオードに印加されることにより可変容量コンデンサＣ２の容量が変化する。

なお、整合回路は、これに限定させず、値の異なるインダクタを切り換えるマルチプレクサ等の手段を用いてもよい。

低域の整合条件では、可変容量コンデンサＣ２の容量値を大きくし、第２アンテナ部３０の共振周波数が低域側の第１アンテナ４２の共振周波数ｆ_L0に一致するように補正される。高域の整合条件では、可変容量コンデンサＣ２の容量値を小さくして、第２アンテナ部３０の中心周波数が高域側の第１アンテナ４１の共振周波数ｆ_H0に一致するように補正される。

これにより、広帯域の信号が低域側と高域側に帯域分割や周波数分割多重化された信号を用いて、この伝送帯域に対応する第１アンテナ部２０と第２アンテナ部３０間で非接触伝送することができ、広帯域の信号を伝送できる。

次に、回転に応じた制御について、説明する。

伝送に用いられる第２アンテナ５０は、第１アンテナ４０と第２アンテナ５０との相対的な位置に基づいて選択され、この相対的な位置は、位置センサ１１６の出力信号ＰＳを用いて制御部１１５により算出される。

位置センサ１１６は、光センサ、磁気抵抗素子等の磁気センサ等の公知の方法を用いることができる。ここでは、光センサを用いた位置センサ１１６について説明する。

図３、図４に示すように、位置センサ１１６は、発光素子１３１のＬＥＤが高域側又は低域側の何れかの第１アンテナ４１、４２の円周上の中央に設けられ、受光素子１３２のホトダイオードが各第２アンテナ５１〜５４のダイポールアンテナの１本の導線の円周上の中央に対応して設けられ、８つの受光素子１３２が同一円周上に配設され、受光素子１３２の出力が制御部１１５に入力される。図７に示すように、発光素子１３１の照射範囲は、隣接する複数の受光素子１３２が受光できるように設けられ、これにより相対的な位置を連続して判定することができる。

切換えスイッチ７２は、高域側の第１アンテナ４１の中央に設定された切換えポイント１２２が、第２アンテナ５１〜５４に設定された切換え基準線と重なったときに接続する接点が切り替わる。第２アンテナ５１〜５４の切換え基準線は、外側の第２アンテナ５２、５４のダイポールアンテナの端部に交わり、回転角が９０度毎に設けられている。

切換えポイント１２２が対向範囲１に対向する場合、図２に示す整合条件に相当し、対向範囲１と対向範囲３の第２アンテナ５１、５３に対して、第１アンテナ４１、４２に対応して伝送する帯域が選択される。対向範囲１の第２アンテナ５１は、高域側の第１アンテナ４１間で高域信号を伝送し、対向範囲３の第２アンテナ５３は、低域側の第１アンテナ４２間で低域信号を伝送し、低域信号と高域信号が同時に伝送される。また、対向範囲２と対向範囲４の第２アンテナ５２、５４に対しては、伝送されない切断状態にする。

次に、第２部材１２が回転することにより、切換えポイント１２２の対向する位置が、対向範囲１から対向範囲２に移動するとき対向範囲１と対向範囲２の間の切換え基準線に重なると、対向範囲２の第２アンテナ５２と高域側の第１アンテナ４１間で高域信号が伝送され、対向範囲４の第２アンテナ５４と低域側の第１アンテナ４２間で低域信号が伝送される。対向範囲１と対向範囲３の第２アンテナ５１、５３が第１アンテナ４１、４２に対して伝送されない切断状態とする。

高域側と低域側の第１アンテナ４１、４２から夫々出力された高域信号と低域信号は、アンプ１１３を介して受信部１１２に入力され、さらに受信部１１２では受信信号が復調され、デジタル信号処理により分割された帯域を合成する。

図８、図９（位置センサは図示せず）は、ダイポールアンテナを用いた他の第１アンテナと第２アンテナを示している。

図８に示す第１アンテナ４３〜４５は、夫々高域から低域に渡って設けられた３つの異なる伝送帯域に対応し、仮想円１２１の同心円上に順次、等間隔で配置されている。

図９に示す第２アンテナ５５〜６０は、アンテナの長さが略同一であり高域側の第１アンテナ４３より大きく中域側の第１アンテナ４４より小さく設けられ、仮想円１２１の内側と外側に交互に順次、仮想円１２１に沿って配置されている。隣接する第２アンテナ同士は、同心円から伸びる放射直線に重なるように配置される。

図９には、切換え基準線を境界として円周が６分割された対向範囲１〜６を示している。切換えポイント１２２が対向範囲１に対向する場合、対向範囲１、５、３の第２アンテナ５５、第２アンテナ５９、第２アンテナ５７が、夫々整合回路により第１アンテナ４３、第１アンテナ４４、第１アンテナ４５に整合され、伝送が行われる。一方、対向範囲２、４、６の第２アンテナ５６、５８、６０は切換えスイッチにより伝送線路と切断される。そして、回転により切換えポイント１２２が、切換え基準線と重なると、第１アンテナに近接する第２アンテナとの伝送に順次切り替わり、回転に応じて広帯域の伝送ができる。

図３、４と図８、９は、第１アンテナに対し２倍の数の第２アンテナが配置されたものである。さらに伝送帯域をより高周波とする場合には、例えば、第１アンテナ、第２アンテナをより小さくしても、第１アンテナに対し第２アンテナの数を２倍より増やすことにより、アンテナが配置される同心円の径を変えることなく伝送が可能となる。そのため、シャフトの径サイズが制限されずに、軸機構の設計自由度を高めることができる。

以上、第１アンテナ部２０を受信側、第２アンテナ部３０を送信側として説明したが、第１アンテナ部２０を送信側、第２アンテナ部３０を受信側とすることができる。この場合、図２のアンプ１１３と受信部１１２の代わりに送信部１１１に変更し、図２の送信部１１１の代わりにアンプ１１３と受信部１１２に変更する。また、第１アンテナ部２０と第２アンテナ部３０を用いて双方向伝送ができる。この場合、送受時分割方式等の送受信切り換えシステムを用いることにより、双方向伝送が可能である。

以上のように、任意の回転角度において、第２アンテナ部３０と第１アンテナ部２０間で複数の帯域を同時に伝送でき、広帯域伝送ができる。

１１第１部材
１２第２部材
１３、１４対向面
１５回転軸
２０第１アンテナ部
３０第２アンテナ部
４０、４１、４２、４３〜４５第１アンテナ
５０、５１〜５４、５５〜６０第２アンテナ
７０整合部
７１整合回路
７２切換えスイッチ
１０１伝送線路
１１１送信部
１１２受信部
１１３アンプ
１１５制御部
１１６位置センサ
１２１仮想円
１２２切換えポイント
１３１発光素子
１３２受光素子

Claims

回転軸を中心にギャップを有して相対的に回転する第１部材と第２部材と、
回転方向において分離して第１部材に設けられた第１アンテナを有し、異なる伝送帯域を有する複数の第１アンテナ部と、
回転方向において分離して第２部材に設けられた第２アンテナを有する複数の第２アンテナ部と、
第２アンテナと複数の伝送線路とに接続し、第２アンテナ部に設けられた整合部と、
第１アンテナと第２アンテナの相対的な回転位置に基づいて、前記整合部を制御して第１アンテナ部の伝送帯域に第２アンテナ部を整合させる制御部と、
を備えた非接触回転伝送装置。
複数の第１アンテナ部と同時に伝送する第２アンテナ部の第２アンテナは、共振周波数が同じに設けられた請求項１に記載の非接触回転伝送装置。
前記複数の第１アンテナ部の第１アンテナは、同一円周上に設けられた請求項１に記載の非接触回転伝送装置。
第２アンテナの一部と、この第２アンテナに隣接する他の第２アンテナの一部とが、同心から延びる放射直線に重なるように配設される請求項１に記載の非接触回転伝送装置。
第１アンテナと第２アンテナは、ダイポールアンテナである請求項１から請求項４の何れかに記載の非接触回転伝送装置。