JP2020167564A - 通信システム及び通信システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のアンテナの間での電磁界結合を保ちつつ、当該複数のアンテナを２以上の軸周りに相対回転させられるようにする。【解決手段】 通信システム１００は、第１の輪の形状の少なくとも一部を成す第１アンテナを有する。また通信システム１００は、第２の輪の形状の少なくとも一部を成す第２アンテナであって、電磁界により第１アンテナと結合可能な第２アンテナを有する。さらに通信システム１００は、第１の輪の略中心を通る第１の軸周りに、第１アンテナと第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる回転機構２０１を有する。そして通信システム１００は、第２の輪の略中心を通る第２の軸であって第１の軸と略直交する第２の軸周りに、第１アンテナと第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる回転機構２０２を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、電磁界結合により近接無線通信を行う通信システムに関する。

近年、近接させた複数のアンテナ間での電磁界結合により、機器の可動部におけるデータ通信や送電を無線で行う近接無線通信システムが提案されている。可動部におけるデータ通信等を無線で行うことにより、データ通信等を有線で行う場合よりも可動範囲を拡大することができ、さらにケーブルの摩耗などによる不具合を回避できる。

特許文献１には、回転動作を行う監視カメラの回転部とベース部の間におけるデータ通信及び送電をアンテナにより無線化することで、カメラのパン方向における回転動作の可動範囲を拡大することが開示されている。

特開２０１５−２２６１３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術において、データ通信を行うアンテナ対や送電を行うアンテナ対は、単一の軸周り（パン方向）にしか回転しない。そのため、例えばカメラのチルト方向の可動範囲を拡大させることはできない。

本発明は上記課題に鑑み、複数のアンテナの間での電磁界結合を保ちつつ、当該複数のアンテナを２以上の軸周りに相対回転させられるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る通信システムは、例えば以下の構成を有する。すなわち、第１の輪の形状の少なくとも一部を成す第１アンテナと、第２の輪の形状の少なくとも一部を成す第２アンテナであって、電磁界により前記第１アンテナと結合可能な第２アンテナと、前記第１の輪の略中心を通る第１の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナの少なくとも一方を相対的に回転させる第１回転制御手段と、前記第２の輪の略中心を通る第２の軸であって前記第１の軸と略直交する前記第２の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナの少なくとも一方を相対的に回転させる第２回転制御手段とを有する。

本発明によれば、複数のアンテナの間での電磁界結合を保ちつつ、当該複数のアンテナを２以上の軸周りに相対回転させることができる。

通信システムのシステム構成例を示す図である。 通信システムの形状の例を示す図である。 通信システムの回転動作の例を示す図である。 通信システムのシステム構成例を示す図である。 通信システムの形状の例を示す図である。 無線データ通信を行うための送信部と受信部の構成例を示す図である。 無線データ通信を行うためのカプラ形状の例を示す図である。 無線データ通信の信号波形のシミュレーション結果を示す図である。 通信システムの形状の例を示す図である。 無線データ通信を行うためのカプラ形状の例を示す図である。 無線データ通信の信号波形のシミュレーション結果を示す図である。 無線電力伝送と無線データ通信を行うためのアンテナの例を示す図である。

［システム構成］
以下、図面を用いて本発明における実施形態について説明する。図１に、本実施形態における通信システム１００のシステム構成を示す。本実施形態では、パン方向とチルト方向に回転可能な撮影部を有する撮影装置であるネットワークカメラに通信システム１００が実装された場合の例について説明する。この例において、通信システム１００の各構成要素は、固定台１１０、回転支持台１２０、及び回転撮影部１３０の何れかに設置される。固定台１１０は、ネットワークカメラを壁や天井に設置するためのベース部であり、回転支持台１２０は、固定台１１０に対してパン方向に回転する回転部であり、回転撮影部１３０は、回転支持台１２０に対してチルト方向に回転する回転部である。

固定台１１０は、電源１１１、制御部１１２、送電器１１３、送電アンテナ１１４、駆動部１１５、送信部１１６、受信部１１７、及び画像処理部１１８を有する。回転撮影部１３０は、受電器１３１、受電アンテナ１３２、撮影部１３３、駆動部１３４、受信部１３５、及び送信部１３６を有する。固定台１１０から回転撮影部１３０へは、回転撮影部１３０を動作させるための電力と、回転撮影部を制御するためのデータが伝送される。一方、回転撮影部１３０から固定台１１０へは、撮影部１３３により得られた画像データが伝送される。通信システム１００は、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２とを所定の位置関係（例えばアンテナ間の距離が略一定となる位置関係）を保つように支持するための構造を有する。通信システム１００の構造の詳細については図２等を用いて後述する。

電源１１１は、システム全体を動作させるための電力を供給する。具体的には、電源１１１は、壁や天井に設置されている商用電源から取得した電力をシステム駆動用の電力に変換して、固定台１１０に設置される各構成要素へ電力を供給する。なお、電源１１１は電池から取得した電力を供給してもよい。制御部１１２は、送電器１１３、駆動部１１５、送信部１１６、受信部１１７、及び画像処理部１１８の動作を制御する。

送電器１１３は、送電回路を有し、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２との間での電磁界結合に基づく無線電力伝送を制御するための送電制御を行う。具体的には、送電器１１３はスイッチ回路を用いて、電源１１１から供給される直流電圧を電力搬送に適した周波数の交流電圧へ変換し、変換された電圧を送電アンテナ１１４へ印加する。なお、図１では通信システム１００が１対の送受電アンテナを有する例を示しているが、通信システム１００は２対以上の送受電アンテナを有していてもよい。

本実施形態における電磁界結合には、電界結合と磁界結合の両方が含まれる。すなわち、アンテナ間における無線電力伝送は、電界結合によって行われてもよいし、磁界結合によって行われてもよいし、電界結合と磁界結合の両方によって行われてもよい。磁界結合には電磁誘導及び磁界共鳴が含まれる。また、無線電力伝送はマイクロ波を利用した方式で行われてもよい。なお本実施形態では、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２が導体からなるコイルであって、磁界結合による無線電力伝送が行われる場合を中心に説明する。

駆動部１１５は、電源１１１から供給される電力から動力を得るモータ等を有し、制御部１１２からの指示に従って、固定台１１０に対して回転支持台１２０を回転させる回転制御を行う。なお、回転支持台１２０を回転させるための駆動部１１５が、回転支持台１２０に設置されていてもよい。また、駆動部１１５は、回転支持台１２０に対して固定台１１０を回転させてもよい。すなわち、固定台１１０と回転支持台１２０との少なくとも一方が相対的に回転すればよい。

送信部１１６は、制御部１１２による制御に基づいて、回転撮影部１３０を制御するための制御データを受信部１３５へ送信する。受信部１１７は、回転撮影部１３０による撮影により得られた画像データを送信部１３６から受信する。送信部１１６及び受信部１１７を介したデータ通信は、有線で行われてもよいし無線で行われてもよい。データ通信が有線で行われる場合、送信部１１６と受信部１３５との間、及び受信部１１７と送信部１３６との間は、ケーブルにより接続される。データ通信が無線で行われる場合の構成については、図７等を用いて後述する。また、送信部１１６と受信部１３５はスリップリングを介して接続されてもよい。

画像処理部１１８は、受信部１１７が受信した画像データを取得し、画像認識や物体検出処理などの画像処理を行う。なお、受信部１１７が受信した画像データが通信システム１００の外部の装置へ出力され、外部の装置において画像処理が行われてもよい。

回転撮影部１３０は、受電器１３１、受電アンテナ１３２、撮影部１３３、駆動部１３４、受信部１３５、及び送信部１３６を有する。受電器１３１は、受電回路を有し、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２との間での電磁界結合による無線電力伝送を制御するための制御を行う。具体的には、受電器１３１は、送電アンテナ１１４への電圧印加に応じて受電アンテナ１３２に生じた交流電圧を整流して直流電圧とし、回転撮影部１３０の各構成要素へ駆動電力を供給する。撮影部１３３は、受信部１３５が受信した制御データに応じた撮影モードで撮影することで、画像データを取得する。受信部１３５は、送信部１１６から送信された制御データを受信し、駆動部１３４や撮影部１３３へ制御データを出力する。送信部１３６は、撮影部１３３により取得された画像データを受信部１１７へ送信する。

駆動部１３４は、受電器１３１から供給される電力から動力を得るモータ等を有し、受信部１３５が受信した制御データに従って、回転支持台１２０に対して回転撮影部１３０を回転させる回転制御を行う。回転支持台１２０がパン方向に回転し、回転撮影部１３０がチルト方向に回転することで、撮影部１３３は様々な方向を撮影することができる。なお、回転撮影部１３０を回転させるための駆動部１３４が、回転支持台１２０に設置されていてもよい。また、駆動部１３４は、回転撮影部１３０に対して回転支持台１２０を回転させてもよい。すなわち、回転支持台１２０と回転撮影部１３０との少なくとも一方が相対的に回転すればよい。

なお、通信システム１００の適用先は、本実施形態で説明するネットワークカメラに限定されない。例えば、図１において固定台１１０に設置される構成要素がロボットアームのアーム部に実装され、図１において回転撮影部１３０に設置される構成要素がロボットアームのハンド部に実装されてもよい。そして、ハンド部を動作させるための電力と制御データがアーム部からハンド部へ送信され、ハンド部が有するセンサにより得られたセンサデータがハンド部からアーム部へ送信されてもよい。また、図１では通信システム１００内で双方向の通信が行われる場合の例を示したが、これに限らず、単方向の通信が行われてもよい。

［システムの物理構造］
図２を用いて、本実施形態における通信システム１００の形状の例について説明する。図２（ａ）は、固定台１１０を基準とする３次元の座標系２００における斜視図であり、図２（ｂ）は座標系２００のＹ軸方向から見た側面図であり、図２（ｃ）はＺ軸方向から見た上面図である。なお、図２においては見やすさのために、通信システム１００の一部の構成要素を省略している。特に図２（ｃ）においては、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２以外の構成要素を省略している。

固定台１１０は、図１に示した構成要素に加えて、回転機構２０１を有する。回転機構２０１は、駆動部１１５から得られる動力によって、回転支持台１２０をＺ軸方向の軸周りに回転（パン方向に回転）させる。回転機構２０１による回転の軸は、送電アンテナ１１４が成す輪の略中心を通る。そのため、回転支持台１２０が回転しても、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２とがＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。なお、本実施形態におけるアンテナが成す「輪」とは、厳密な円形状のものに限定されず、例えば多角形形状や楕円形状などの閉曲線であってもよい。輪の形状が多角形である場合、輪の中心とはその重心の位置を指すものとする。また、アンテナの外周が成す輪の中心を回転軸としてもよいし、アンテナの内周が成す輪の中心を回転軸としてもよい。

回転支持台１２０は、図１に示した構成要素に加えて、回転機構２０２を有する。回転機構２０２は、駆動部１３４から得られる動力によって、回転機構２０１による回転の軸と略直交する軸周りに回転撮影部１３０を回転（チルト方向に回転）させる。回転機構２０２による回転の軸と回転機構２０１による回転の軸とが略直交することにより、回転撮影部１３０が回転しても、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２とがＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。なお、図２では回転撮影部１３０が球形の場合の例を示しているが、回転撮影部１３０の形状はこれに限定されず、例えば卵形や涙形、円板形でもよい。

ここで、通信システム１００の回転動作の説明のために、回転座標系２１０を定める。回転座標系２１０においては、回転機構２０２による回転の軸の方向をＸ’軸方向とし、回転撮影部１３０の中心から撮影部１３３に向かう方向をＺ’軸方向とし、Ｚ’軸からＸ’軸への回転に応じて右ねじの進む方向をＹ’軸方向とする。

受電アンテナ１３２は、回転機構２０１による回転の軸を囲むようなループを成す。また受電アンテナ１３２は、回転機構２０２による回転の軸を略中心とする輪の形状の一部（円弧形状）を成す。すなわち、Ｘ’軸方向から見て、受電アンテナ１３２は撮影部１３３の部分が途切れた輪の形状である。そのため、回転撮影部１３０が回転しても、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２とがＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。

回転機構２０２は回転機構２０１に直接接続されず、回転支持台１２０を介して接続されており、回転機構２０１と回転機構２０２は独立して回転可能である。本実施形態では、受電アンテナ１３２が回転支持台１２０と共にＺ軸方向の軸周りに全周回転（３６０度回転）可能であり、回転撮影部１３０と共にＸ‘軸方向の軸周りに全周回転可能であるものとする。ただしこれに限らず、回転支持台１２０と回転撮影部１３０の少なくとも何れかの回転可能な範囲が制限されていてもよい。また、通信システム１００の回転機構は図２に示す例に限定されない。例えば、回転機構は両支持でもよいし、片支持でもよい。また、回転機構は回転軸となる棒を有してもよいし、転がり軸受やすべり軸受を用いた回転機構であってもよい。すなわち、本実施形態における回転機構２０１および回転機構２０２の回転の軸は、回転動作の中心を表す概念であり、軸の位置に物理的なシャフトが存在してもしなくてもよい。

また、受電アンテナ１３２の形状は図２に示すものに限定されず、受電アンテナ１３２はＸ‘軸方向から見て輪の形状の少なくとも一部を成せばよい。例えば、受電アンテナ１３２はＸ’軸方向から見て、途切れていない輪の形状を成してもよいし、回転撮影部１３０の回転可能な範囲に応じた長さの弧形を成してもよい。また、図２では受電アンテナ１３２が回転撮影部１３０の表面上に設定された場合の例を示しているが、これに限らず、受電アンテナ１３２が回転撮影部１３０の内部に設置されていてもよい。

次に図３を用いて、通信システム１００の回転動作の例について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２に示す状態から回転支持台１２０がＺ軸方向の軸周りに回転した状態における側面図と上面図を示している。図２（ａ）に示すように、回転機構２０１による回転の結果、回転支持台１２０とともに回転機構２０２、回転撮影部１３０、受電アンテナ１３２、及び撮影部１３３がＺ軸方向の軸周りに回転する。図２（ｂ）に示すように、回転支持台１２０が回転しても、Ｚ軸方向から見て受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４とが少なくとも一部重なり、受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４は電磁界により結合できる。

図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す状態からさらに回転撮影部１３０がＸ‘軸方向の軸周りに回転した状態における側面図と上面図を示している。図３（ｃ）に示すように、回転機構２０２による回転の結果、回転撮影部１３０とともに受電アンテナ１３２と撮影部１３３がＸ‘軸方向の軸周りに回転する。図３（ｄ）に示すように、回転撮影部１３０が回転しても、Ｚ軸方向から見て受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４とが少なくとも一部重なり、受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４は電磁界により結合できる。

図３では回転動作によって変化する通信システム１００の状態の一例を示しているが、他の回転状態においても同様に、受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４は電磁界において結合し、通信システム１００は無線電力伝送を行うことができる。ただし、通信システム１００は、受電アンテナ１３２と送電アンテナ１１４との間での電磁界結合による無線電力伝送を行えない状態を一時的に取り得るような構成であってもよい。

［システム構造の変形例］
以上の説明では送電アンテナ１１４が固定台１１０に設置されるものとしたが、送電アンテナ１１４の配置はこれに限定されない。以下では、送電アンテナ１１４が回転支持台１２０に設置される変形例について説明する。図４は、本変形例における通信システム１００の構成を示す。以下では図１に示した構成と異なる部分を中心に説明する。図４において、送電器１１３、送電アンテナ１１４、送信部１１６、及び受信部１１７は、固定台１１０ではなく回転支持台１２０に設置される。

図５を用いて、本変形例における通信システム１００の形状について説明する。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）はＹ軸方向からみた側面図であり、図５（ｃ）はＸ軸方向から見た側面図である。なお図５（ｃ）において、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２以外の構成要素は省略している。Ｘ‘軸方向における送電アンテナ１１４の位置と受電アンテナ１３２の位置は重なるため、回転機構２０２により回転撮影部１３０がＸ’軸周りに回転しても、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２は電磁界により結合できる。

なお、図５に示す送電アンテナ１１４の位置は一例であり、これに限定されない。通信システム１００は、送電アンテナ１１４がＺ軸方向の軸周りに回転し、且つ受電アンテナ１３２がＸ‘軸周りに回転しても送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２との間の電磁界結合による無線電力伝送が可能であるような、他の構造を有していてもよい。

［無線データ通信］
以上の説明では、通信システム１００において無線電力伝送を行うための構成について説明した。一方、以下では通信システム１００において無線データ通信を行うための構成について説明する。図６（ａ）は、図１に示す通信システム１００において無線データ通信を実現するための、送信部１１６及び受信部１３５の構成を示す。なお、データ通信を無線化する場合に、固定台１１０から回転撮影部１３０への電力伝送は上述のように無線で行われてもよいし、有線で行われてもよい。電力伝送が有線で行われる場合、送電器１１３と受電器１３１とはケーブルで接続される。また、送電器１１３と受電器１３１がスリップリングを介して接続されてもよい。

図６（ａ）に示すように、送信部１１６は送信回路６０３と送信カプラ６０４を有し、受信部１３５は受信回路６０５と受信カプラ６０６を有する。送信カプラ６０４及び受信カプラ６０６は、データ通信を行うための通信アンテナとして機能する導体である。送信回路６０３と受信回路６０５は、送信カプラ６０４と受信カプラ６０６との間の電磁界結合に基づく無線データ通信を制御する通信制御を行う。具体的には、送信回路６０３は、制御部１１２による制御に基づいて電気信号を生成し、電気信号を変調せずに伝送するベースバンド方式に従って送信カプラ６０４から受信カプラ６０６へ電気信号を送信する。受信回路６０５は、受信カプラ６０６を介して受信した電気信号を駆動部１３４や撮影部１３３へ出力する。

図６（ｂ）は、無線データ通信における信号波形を示す。送信回路６０３は、送信すべきデータに応じたデジタルの信号６０７を無変調で送信カプラ６０４に入力する。送信カプラ６０４への信号６０７の入力に応じて、受信カプラ６０６には電磁界結合により微分信号６０８が生じる。受信回路６０５は、受信カプラ６０６に生じた微分信号６０８を、閾値６０９を有する比較器を用いて処理することにより、デジタルの信号６１０を復元する。なお、本実施形態では送信回路６０３が出力する信号が”１”又は”０”で表される２値のデジタル信号であるものとして説明するが、これに限定されず、例えば電圧の離散量でデータを表現する２値以上の多値信号が用いられてもよい。

なお、無線データ通信の方式はベースバンド方式に限定されず、例えば送信カプラ６０４から受信カプラ６０６へ送信される搬送波を、送信回路６０３により生成される電気信号により変調することで、搬送通信が行われてもよい。また、カプラ間における無線データ通信は、電界結合によって行われてもよいし、磁界結合によって行われてもよいし、電界結合と磁界結合の両方によって行われてもよい。また、以下では、送信カプラ６０４と受信カプラ６０６がそれぞれ１対の電極を有し、差動伝送によって無線データ通信が行われる場合を中心に説明する。差動伝送によれば、通信されるデータのノイズを抑制することができる。

次に図７を用いて、無線データ通信を行うためのカプラの形状の例について説明する。ここでは電力伝送が有線で行われるものとし、図２又は図５に示した送電アンテナ１１４の位置に送信カプラ６０４が設置され、受電アンテナ１３２の位置に受信カプラ６０６が設置されるものとする。なお、データ通信と電力伝送の両方を無線で行う場合の構造については、図１２を用いて後述する。

送信カプラ６０４は基板７０１のパターンとして構成された電極７０３と電極７０４を有し、受信カプラ６０６は基板７０２のパターンとして構成された電極７０５と電極７０６を有する。送信回路６０３は、差動伝送による無線データ通信を行うために、電極７０３に入力する信号と逆位相の信号を電極７０４に入力する。その入力に応じて、電磁界結合により、電極７０５と電極７０６には互いに逆位相の信号が伝送される。電極７０３は主に電極７０５と電磁界により結合し、電極７０４は主に電極７０６と電磁界により結合する。すなわち、各電極は無線データ通信を行うための通信アンテナとして機能する。

電極７０３の中心と電極７０４が成す輪の中心とは略一致し、回転支持台１２０のＺ軸方向の回転軸は電極７０４が成す輪の略中心を通る。そのため、回転支持台１２０と共に受信カプラ６０６がＺ軸方向の軸周りに回転しても、電極７０３と電極７０５がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持され、電極７０４と電極７０６がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。

また、電極７０５が成す輪の中心と電極７０６が成す輪の中心とは略一致し、回転撮影部１３０のＸ‘軸方向の回転軸は電極７０５が成す輪の略中心を通る。そのため、回転撮影部１３０と共に受信カプラ６０６がＸ’軸方向の軸周りに回転しても、電極７０３と電極７０５がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持され、電極７０４と電極７０６がＺ軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。すなわち、通信システム１００は、送信カプラ６０４と受信カプラ６０６とが電磁界により結合した状態を保ちながら、パン方向とチルト方向に回転し、無線データ通信を行うことができる。

なお、送信カプラ６０４が有する電極７０４は、輪の形状の少なくとも一部を成せばよい。例えば、電極７０４は弧形状であってもよいし、輪の半径方向のスリットを有していてもよい。また、電極７０３の形状も円形に限らず、電極７０３が輪の形状の少なくとも一部を成してもよい。同様に、受信カプラ６０６が有する電極７０５と電極７０６は、Ｘ‘軸方向から見て輪の形状の少なくとも一部を成せばよい。例えば、電極７０５及び電極７０６はＸ’軸方向から見て、途切れていない輪の形状を成してもよいし、回転撮影部１３０の回転可能な範囲に応じた長さの弧形を成してもよい。

図８は、図７に示した構成の送信カプラ６０４と受信カプラ６０６との間で伝送される信号のシミュレーション結果を示す。図８（ａ）は送信カプラ６０４へ入力される信号の波形を示し、図８（ｂ）は受信カプラ６０６から出力される信号の波形を示す。図８から分かるように、入力信号の立ち上り時と立ち下がり時に、対応する微分波形が受信カプラ６０６から出力される。また、受信カプラ６０６から出力される信号波形の一部分８０１などにリンギングが生じているが、入力信号の立ち上がりと立ち下がりに対応する微分波形の信号に対して振幅が十分に小さいことが分かる。具体的には、図８（ｂ）に示す信号のピークの電圧が４５ｍＶ程度であるのに対し、リンギング部分の電圧は５ｍＶ程度である。そのため、図８（ｂ）に示す信号に対して適切な閾値（例えば２５ｍＶ）の比較器による処理を行うことで、送信部１１６から送信されたデジタル信号を受信部１３５により復元することができる。

以上では、送信部１１６と受信部１３５との間のデータ通信を無線化する構成について説明したが、受信部１１７と送信部１３６との間のデータ通信も同様に無線化できる。例えば、送信部１３６は、撮影部１３３による撮影に基づく画像データに応じた信号を、図７に示す受信カプラ６０６と同様の構造のカプラに入力してもよい。そして受信部１１７は、送信カプラ６０４と同様の構造のカプラから出力される信号を受信してもよい。すなわち、図７に示す受信カプラ６０６が送信側の通信アンテナとして機能し、送信カプラ６０４が受信側の通信アンテナとして機能してもよい。

なお、通信システム１００内における無線データ通信は、差動伝送に限定されず、シングルエンド伝送で行われてもよい。この場合、送信カプラ６０４は電極７０３と電極７０４の何れか一方のみを有し、受信カプラ６０６は電極７０５と電極７０６の何れか一方のみを有していてもよい。また、送信部１１６が電極７０３に信号を入力し、送信部１３６が電極７０６に信号を入力することで、通信システム１００内における双方向通信が行われてもよい。また、通信システム１００が有するカプラの数は上述の例に限定されない。

［システム構造の変形例］
以上の説明では、送信カプラ６０４が有する電極と受信カプラ６０６が有する電極とがＺ軸方向の視点において少なくとも一部重なることで電磁界結合を生じさせるものとしたが、カプラの位置関係はこれに限定されない。以下では、送信カプラ６０４が有する電極と受信カプラ６０６が有する電極とがＸ‘軸方向の視点において少なくとも一部重なることで電磁界結合を生じさせる変形例について説明する。

図９は、本変形例における通信システム１００の構造を示す。以下では図２に示した構造と異なる部分を中心に説明する。図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）はＹ軸方向から見た側面図である。図９に示す構成において、回転撮影部１３０にはＸ‘軸周りの円周方向に幅が数ミリの溝９０１を形成され、溝９０１の内側の側面に受信カプラ６０６が設置される。また、回転機構２０１は筒状であり、その中を通るように軸９０３が固定台１１０に設置される。そして、軸９０３に巻かれる形で、受信カプラ６０６と対向するように送信カプラ６０４が設置される。

図１０は、本変形例の構造におけるカプラ部分を拡大した図である。図１０（ａ）は斜視図であり、図１０（ｂ）はＸ軸方向から見た側面図である。無線データ通信を差動伝送により行うために、送信カプラ６０４は電極１００３と電極１００４を有し、受信カプラ６０６は電極１００５と電極１００６を有する。電極１００３は主に電極１００６と電磁界により結合し、電極１００４は主に電極１００５と電磁界により結合する。

電極１００３の中心と電極１００４が成す輪の中心とは略一致し、回転支持台１２０のＺ軸方向の回転軸は電極１００４が成す輪の略中心を通る。そのため、回転支持台１２０と共に受信カプラ６０６がＺ軸方向の軸周りに回転しても、電極１００３と電極１００５がＸ‘軸方向から見て少なくとも一部重なり、且つ電極１００４と電極１００６がＸ’軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。なお、回転支持台１２０の回転と共に軸９０３がＺ軸周りに回転してもよい。

また、電極１００５が成す輪の中心と電極１００６が成す輪の中心とは略一致し、回転撮影部１３０のＸ‘軸方向の回転軸は電極１００５が成す輪の略中心を通る。そのため、回転撮影部１３０と共に受信カプラ６０６がＸ’軸方向の軸周りに回転しても、電極１００３と電極１００５がＸ‘軸方向から見て少なくとも一部重り、且つ電極１００４と電極１００６がＸ’軸方向から見て少なくとも一部重なった状態が維持される。すなわち、通信システム１００は、送信カプラ６０４と受信カプラ６０６とが電磁界により結合した状態を保ちながら、パン方向とチルト方向に回転し、無線データ通信を行うことができる。

なお、送信カプラ６０４が有する電極１００３と電極１００４は、輪の形状の少なくとも一部を成せばよい。すなわち、これらの電極は軸９０３の全周にわたって巻き付けられていなくてもよい。また、受信カプラ６０６が有する電極１００５と電極１００６は、Ｘ‘軸方向から見て輪の形状の少なくとも一部を成せばよい。例えば、電極１００５及び電極１００６はＸ’軸方向から見て、途切れていない輪の形状を成してもよいし、回転撮影部１３０の回転可能な範囲に応じた長さの弧形を成してもよい。

図１１は、図１０に示した構成の送信カプラ６０４と受信カプラ６０６との間で伝送される信号のシミュレーション結果を示す。図１１（ａ）は送信カプラ６０４へ入力される信号の波形を示し、図１１（ｂ）は受信カプラ６０６から出力される信号の波形を示す。図１１から分かるように、入力信号の立ち上り時と立ち下がり時に、対応する微分波形が受信カプラ６０６から出力される。また、受信カプラ６０６から出力される信号波形の一部分１１０１などにリンギングが生じているが、入力信号の立ち上がりと立ち下がりに対応する微分波形の信号に対して振幅が十分に小さいことが分かる。具体的には、図１１（ｂ）に示す信号のピークの電圧が１２ｍＶ程度であるのに対し、リンギング部分の電圧は１ｍＶ程度である。そのため、図１１（ｂ）に示す信号に対して適切な閾値（例えば１０ｍＶ）の比較器による処理を行うことで、送信部１１６から送信されたデジタル信号を受信部１３５により復元することができる。

なお、図７を用いて説明したカプラの構造と同様に、図１０を用いて説明したカプラについても、通信の方向は限定されない。すなわち、図１０に示す受信カプラ６０６が送信側の通信アンテナとして機能し、送信カプラ６０４が受信側の通信アンテナとして機能してもよい。また、通信システム１００内における無線データ通信がシングルエンド伝送で行われる場合、送信カプラ６０４は電極１００３と電極１００４の何れか一方のみを有し、受信カプラ６０６は電極１００５と電極１００６の何れか一方のみを有していてもよい。また、送信部１１６が電極１００３に信号を入力し、送信部１３６が電極１００５に信号を入力することで、通信システム１００内における双方向通信が行われてもよい。

以上では、図９及び図１０を用いて、無線データ通信を実現するための通信アンテナとしての送信カプラ６０４と受信カプラ６０６の構造の変形例について説明した。ただし、この構造の適用先は通信アンテナに限定されず、無線電力伝送を実現するための送電アンテナ１１４及び受電アンテナ１３２の構造に上述の変形例を適用してもよい。

［無線電力伝送と無線データ通信の併用］
図１２を用いて、図１に示す通信システム１００において無線データ通信と無線電力伝送を併用するための、アンテナの形状の例について説明する。固定台１１０に設置される基板１３０１には、送電アンテナ１１４と、送信部１１６が有する送信カプラを構成する電極１３０４及び１３０５と、受信部１１７が有する受信カプラを構成する電極１３０６及び電極１３０７が、パターンとして配置される。回転撮影部１３０に設置される基板１３０２には、受電アンテナ１３２と、受信部１３５が有する受信カプラを構成する電極１３０９及び電極１３１０と、送信部１３６が有する送信カプラを構成する電極１３１１及び電極１３１２が配置される。

図１２に示すように、送電アンテナ１１４、電極１３０４、電極１３０５、及び電極１３０６はそれぞれ、Ｚ軸方向から見て、回転支持台１２０の回転軸上の位置を略中心とする輪の形状の少なくとも一部をなす。また、受電アンテナ１３２、電極１３０９、電極１３１０、電極１３１１、及び電極１３１２はそれぞれ、Ｘ‘軸方向から見て、回転撮影部１３０の回転軸上の位置を略中心とする輪の形状の少なくとも一部を成す。なお、電極１３０７の形状も円形に限らず、例えば送電アンテナ１１４と同心円となるような輪の形状の一部を成してもよい。

電極１３０４と電極１３０９、電極１３０５と電極１３１０、電極１３０６と電極１３１１、電極１３０７と電極１３１２が、それぞれＺ軸方向の視点において少なくとも一部重なり、電磁界により結合する。また、送電アンテナ１１４と受電アンテナ１３２とがＺ軸方向の視点において少なくとも一部重なり、電磁界により結合する。このような送受信カプラ間及び送受電アンテナ間の位置関係は、回転支持台１２０と共に基板１３０２がＺ軸方向の軸周りに回転した場合も、回転撮影部１３０と共に基板１３０２がＸ‘軸方向の軸周りに回転した場合も、維持される。

そして、送信部１１６と受信部１３５とが電磁界結合に基づく無線データ通信を制御し、受信部１１７と送信部１３６とが電磁界結合に基づく無線データ通信を制御し、送電器１１３と受電器１３１とが電磁界結合に基づく無線電力伝送を制御する。これにより、通信システム１００は、パン方向とチルト方向の２軸周りに回転しながら、無線電力伝送及び双方向の無線データ通信を行うことができる。

図１２に示す構造において、電極１３０４、電極１３０５、及び電極１３０６は、つながったループを形成しないように半径方向のスリットを有している。これにより、無線電力伝送のために送電アンテナ１１４から生じる磁界に応じた電流が電極に流れることを抑制できるため、無線データ通信におけるノイズを低減でき、且つ無線電力伝送の効率を向上させることができる。ただし、例えば磁界結合を主として利用しない電力伝送（電界結合による電力伝送など）が行われる場合においては、電極がループを形成していてもよい。

なお、図１２の例ではシステムの小型化のために同一基板上に電力伝送用のアンテナと送信カプラと受信カプラとが設置されているが、それらの少なくとも何れかが異なる基板に設置されていてもよい。また、電力伝送用のアンテナ及びデータ通信用のアンテナは、ＦＲ４基板に構成されていてもよいし、テフロン（登録商標）基板、セラミック基板、及びフレキ基板などに構成されていてもよい。また、アンテナが基板上に構成されずに、板状又は線状の導体のみで構成されていてもよい。

また図１２の例では、Ｚ軸方向から見て電力伝送用のアンテナの内側に送信カプラ及び受信カプラが配置されているが、これ限らず、送信カプラと受信カプラの少なくとも何れかが電力伝送用のアンテナの外側に配置されてもよい。また、図１２に示す構成において、送信カプラと受信カプラの配置を入れ替えてもよい。さらに、固定台１１０に受電器を設置し、回転撮影部１３０に送電器を設置して、図１２に示す送電アンテナ１１４と同様の形状のアンテナを受電用のアンテナとして利用し、受電アンテナ１３２と同様の形状のアンテナを送電用のアンテナとして利用してもよい。

また、図１２に示す例では、基板１３０１を図２の送電アンテナ１１４の位置に配置し、基板１３０２を図２の受電アンテナ１３２の位置に配置するものとしたが、この構成に限定されない。例えば、図５の送電アンテナ１１４の位置に基板１３０１を配置し、図５の受電アンテナ１３２の位置に基板１３０２を配置してもよい。また、図９の送信カプラ６０４の位置に送信カプラ、受信カプラ、及び送電アンテナを配置し、図９の受信カプラ６０６の位置に送信カプラ、受信カプラ、及び受電アンテナを配置してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る通信システム１００は、第１の輪の形状の少なくとも一部を成す第１アンテナ（例えば送電アンテナ１１４又は送信カプラ６０４の電極）を有する。また通信システム１００は、第２の輪の形状の少なくとも一部を成す第２アンテナであって、電磁界により第１アンテナと結合可能な第２アンテナ（例えば受電アンテナ１３２又は受信カプラ６０６の電極）を有する。さらに通信システム１００は、第１の輪の略中心を通る第１の軸（例えばＺ軸方向の軸）周りに、第１アンテナと第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる駆動部１１５を有する。そして通信システム１００は、第２の輪の略中心を通る第２の軸であって第１の軸と略直交する第２の軸（例えばＸ‘方向の軸）周りに、第１アンテナと第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる駆動部１３４を有する。

上記のような構成によれば、複数のアンテナの間での電磁界結合を保ちつつ、当該複数のアンテナを２以上の軸周りに相対回転させることができる。それにより、無線電力伝送、無線データ通信、又はその両方を行う通信システム１００の可動範囲を拡大させることができる。

また、上述した各構成の通信システム１００は、例えば以下のような方法で製造することができる。まず、ベース部となる固定台１１０に対して、第１の軸周りに回転可能となるように回転支持台１２０を取り付ける。さらに、回転支持台１２０に対して、第１の軸と略直交する第２の軸周りに回転可能となるように回転撮影部１３０を取り付ける。また、第１アンテナを固定台１１０又は回転支持台１２０に設置する。そして、電磁界により第１アンテナと結合可能な第２アンテナを、回転撮影部１３０に設置する。このようにして製造された通信システム１００を用いることで、上述したように、電磁界により結合する複数のアンテナを２以上の軸周りに相対回転させることができる。なお、各部材を取り付ける順番は上記の例に限定されず、変更可能である。

本実施形態では通信システム１００がパン方向とチルト方向の２軸周りに回転する場合について説明したが、回転の方向はこれに限定されない。例えば、図５に示すようなアンテナ配置によれば、回転撮影部１３０がロール方向（Ｙ‘軸方向）の軸周りに回転しても、アンテナ間の電磁界結合を維持できる。さらに、通信システム１００は３以上の軸周りに回転してもよい。また、本実施形態ではアンテナが成す輪の中心を回転軸とした回転が行われるものとしたが、回転軸は輪の中心に限定されない。アンテナが回転してもアンテナ間の結合度が所定の範囲内に収まるような位置が回転軸であればよい。

１００ 無線通信システム
１１０ 固定台
１１４ 送電アンテナ
１３２ 受電アンテナ
１２０ 回転支持台
１３０ 回転撮影部
２０１ 回転機構
２０２ 回転機構

Claims (22)

1. 第１の輪の形状の少なくとも一部を成す第１アンテナと、
   第２の輪の形状の少なくとも一部を成す第２アンテナであって、電磁界により前記第１アンテナと結合可能な第２アンテナと、
   前記第１の輪の略中心を通る第１の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる第１回転制御手段と、
   前記第２の輪の略中心を通る第２の軸であって前記第１の軸と略直交する前記第２の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる第２回転制御手段とを有することを特徴とする通信システム。
2. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとは、前記第１の軸方向の視点又は前記第２の軸方向の視点において少なくとも一部が重なることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記第１回転制御手段は、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を全周回転させることができ、
   前記第２回転制御手段は、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を全周回転させることができることを特徴とする請求項１又は２に記載の通信システム。
4. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線電力伝送を制御する送電制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の通信システム。
5. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線データ通信を制御する通信制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の通信システム。
6. 前記通信システムは、第３アンテナと、電磁界により前記第３アンテナと結合可能な第４アンテナとを有し、
   前記第１回転制御手段は、前記第１の軸周りに、前記第３アンテナと前記第４アンテナとの少なくとも一方を回転させ、
   前記第２回転制御手段は、前記第２の軸周りに、前記第３アンテナと前記第４アンテナとの少なくとも一方を回転させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の通信システム。
7. 前記第３アンテナは、前記第１の軸上の位置を略中心とする第３の輪の形状の少なくとも一部を成し、
   前記第４アンテナは、前記第２の軸上の位置を略中心とする第４の輪の形状の少なくとも一部を成すことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 前記第１アンテナと前記第３アンテナとは同一の基板に設置され、
   前記第２アンテナと前記第４アンテナとは同一の基板に設置されることを特徴とする請求項６又は７に記載の通信システム。
9. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合により伝送させる信号と逆位相の信号を、前記第３アンテナと前記第４アンテナとの間での電磁界結合により伝送させることで、差動伝送による無線データ通信を制御する通信制御手段を有することを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の通信システム。
10. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線データ通信を制御する通信制御手段と、
    前記第３アンテナと前記第４アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線電力伝送を制御する送電制御手段を有することを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の通信システム。
11. 前記第１アンテナは、撮影装置の第１部分に含まれ、
    前記第２アンテナは、前記撮影装置の第２部分に含まれ、
    前記通信制御手段は、前記撮影装置により取得された画像データを伝送する前記無線データ通信を制御することを特徴とする請求項５又は１０に記載の通信システム。
12. 前記第１アンテナが設置されたベース部と、
    前記第１回転制御手段による制御により前記ベース部に対して前記第１の軸周りに回転可能な第１回転部と、
    前記第２アンテナが設置された第２回転部であって、前記第２回転制御手段による制御により前記第１回転部に対して前記第２の軸周りに回転可能な第２回転部とを有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の通信システム。
13. ベース部と、
    前記ベース部に対して第１の軸周りに回転可能な第１回転部と、
    前記第１回転部に対して、前記第１の軸と略直交する第２の軸周りに回転可能な第２回転部と、
    第１アンテナと、
    電磁界により前記第１アンテナと結合可能な第２アンテナであって、前記第２回転部に設置された第２アンテナとを有することを特徴とする通信システム。
14. 前記第１アンテナは、前記ベース部に設置されることを特徴とする請求項１３に記載の通信システム。
15. 前記第２アンテナは、前記第１回転部に設置されることを特徴とする請求項１３に記載の通信システム。
16. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとは、前記第１の軸方向の視点又は前記第２の軸方向の視点において少なくとも一部が重なることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の通信システム。
17. 前記第１アンテナは、前記第１の軸上の位置を略中心とする円形状または円弧形状であり、
    前記第２アンテナは、前記第２の軸上の位置を略中心とする円形状または円弧形状であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の通信システム。
18. 前記第１アンテナは、前記第１の軸上の位置を略中心とする楕円形状または多角形形状であり、
    前記第２アンテナは、前記第２の軸上の位置を略中心とする楕円形状または多角形形状であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の通信システム。
19. 第１の輪の形状の少なくとも一部を成す第１アンテナと、第２の輪の形状の少なくとも一部を成す第２アンテナであって電磁界により前記第１アンテナと結合可能な第２アンテナとを有する通信システムの制御方法であって、
    前記第１の輪の略中心を通る第１の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる第１回転制御工程と、
    前記第２の輪の略中心を通る第２の軸であって前記第１の軸と略直交する前記第２の軸周りに、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を回転させる第２回転制御工程とを有することを特徴とする制御方法。
20. 前記第１回転制御工程は、前記第１アンテナと前記第２アンテナとが前記第１の軸方向の視点又は前記第２の軸方向の視点において少なくとも一部重なる状態を保ちながら、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を前記第１の軸周りに回転させ、
    前記第２回転制御工程は、前記第１アンテナと前記第２アンテナとが前記第１の軸方向の視点又は前記第２の軸方向の視点において少なくとも一部重なる状態を保ちながら、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの少なくとも一方を前記第２の軸周りに回転させることを特徴とする請求項１９に記載の制御方法。
21. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線電力伝送を制御する送電制御工程を有することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の制御方法。
22. 前記第１アンテナと前記第２アンテナとの間での電磁界結合に基づく無線データ通信を制御する通信制御手段を有することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の制御方法。

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