JP2022068790A - 無線伝送システム、制御方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 無線による電力伝送と通信とを行う無線伝送システムにおいて、無線通信に用いる素子を適切に配置することで、無線伝送システムをより小型化することを目的とする。【解決手段】 無線による電力の伝送に用いられるコイル１０４と、その内側に配置された、無線通信に用いられる発光素子１０２と、発光素子１０２と同一円周上に配置された受光素子１０３とが配置された基板１０１が、別の基板２０１上に配置された発光素子２０２および受光素子２０３と、発光素子１０２および受光素子１０３とが対向するように、別の基板２０１と対向して配置される無線伝送システム１００。【選択図】 図１

Description

本発明は、無線伝送システムに関する。

ロボットの関節部などでは、関節の先にあるモータを動作させるなどの制御を実行するために、固定体と回転体との間でモータ駆動電力を伝送しながら双方向通信を行う。回転体は回転軸を中心として設けられたシャフトで固定体側に対して相対的に回転させることが一般的である。固定体と回転体との間の通信には、シャフト周囲にトグロ状に巻いた導線やスリップリングを用いる方法があるが、メンテナンス性などの観点から無線化（ワイヤレス化）することが有利であることが知られている。

特許文献１には、シャフト周囲に複数配置された発光素子と受光素子を用いた光結合と、トランス巻線を用いた電磁誘導を用いて、無線による通信と電力の伝送とを実現する方法が開示されている。

特開２００５－３０２９６４号公報

しかしながら、ロボットへの精密動作の要求が増していることから、関節部は短く小型な形状とし、イナーシャの影響を極力減らしながら信頼性の高い通信を実現することが求められている。特許文献１に記載の方法では、双方向の光通信間での光干渉による通信信頼性低下を回避するために、上り通信と下り通信を行う光通信路を空間的に分離して光を遮断することで、光干渉をなくした高信頼通信を実現している。この場合に、特許文献１に開示の方法では、シャフトの軸方向や径方向に分離された２つの光通信空間が必要であり、さらに無線電力伝送のためのトランス巻線も配置する必要があることから必然的に関節部が大型となる。

上記課題を鑑み、本発明は、無線による電力伝送と通信とを行う無線伝送システムにおいて、無線通信に用いる素子を適切に配置することで、無線伝送システムをより小型化することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る無線伝送システムは、第１の基板と、第１の基板上に配置された、無線による電力の伝送に用いる第１のコイルと、第１の基板上かつ第１のコイルの内側において同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第１の発光素子と、前記少なくとも１つの第１の発光素子と同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第１の受光素子と、第２の基板と、第２の基板上に配置された、無線による電力の伝送に用いる第２のコイルと、第２の基板上かつ第２のコイルの内側において同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第２の発光素子と、前記少なくとも１つの第２の発光素子と同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第２の受光素子と、を有し、前記第１のコイル、前記少なくとも１つの第１の発光素子、前記少なくとも１つの第１の受光素子と、前記第２のコイル、前記少なくとも１つの第２の発光素子、前記少なくとも１つの第２の受光素子とが対向するように、前記第１の基板と前記第２の基板とが対向して配置されることを特徴とする。

本発明によれば、無線による電力伝送と通信とを行う無線伝送システムにおいて、無線通信に用いる素子を適切に配置することで、無線伝送システムをより小型化することができる。

無線伝送システム１００の構造を示す図である。 無線伝送システム１００のシステム構成を示す図である。 無線伝送システム１００の構成の別の例を示す図である。 無線伝送システム１００における発光素子および受光素子の配置の一例を示す図である。 無線伝送システム１００において、回転側の受光素子が出力した信号電圧の測定結果を示すグラフである。 無線伝送システム１００において、差動アンプを用いた場合と用いなかった場合の比較を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

図１に、本実施形態にかかる無線伝送システム１００の構造を説明するための図を示す。図１（ａ）は無線伝送システム１００をシャフト２００に対して垂直方向から見たときの図で、図１（ｂ）は無線伝送システム１００を図１（ａ）に示した面Ｐ１においてシャフト２００に対して鉛直方向から見たときの図である。図１（ｂ）は、面Ｐ１において回転側基板２０１の方向に無線伝送システム１００を見たときと、面Ｐ１において固定側基板１０１の方向に無線伝送システム１００を見たときとの両方の場合を示している。

無線伝送システム１００は、固定側基板１０１と回転側基板２０１との間で、無線による通信と電力の伝送との両方を行うシステムである。回転側基板２０１はシャフト２００に固定されており、シャフト２００が回転するのに合わせて回転側基板２０１も回転する。固定側基板１０１はシャフト２００と固定されておらず、シャフト２００が回転しても、固定側基板１０１は回転しない。

固定側コイル１０４から生じた磁界が、固定側磁性体１０５と回転側磁性体２０５を通じて、回転側コイル２０４へ到達することで固定側から回転側へ、無線で電力が伝送される。固定側コイル１０４は固定側磁性体１０５に、回転側コイル２０４は回転側磁性体２０５に接着材等で固定されている。また、固定側磁性体１０５は固定側基板１０１に、回転側磁性体２０５は回転側基板２０１に接着剤等で固定されている。固定側コイル１０４の端部は固定側基板１０１上の配線に接続され、回転側コイル２０４の端部は回転側基板２０１上の配線に接続されている。

光通信空間３００は、固定側基板１０１、固定側磁性体１０５、回転側磁性体２０５、回転側基板２０１、およびシャフト２００で囲まれた閉空間である。閉空間を形成しているため、通信信頼性を下げる要因となる外部からのノイズ光が入りにくく、高信頼な通信ができる。

光通信空間３００では、固定側発光素子１０２から生じた光が回転側受光素子２０３に到達することで固定側から回転側へ無線で通信信号が伝送される。さらに回転側発光素子２０２から生じた光が固定側受光素子１０３に到達することで回転側から固定側へ無線で通信信号が伝送される。本実施形態に示した無線伝送システム１００は、固定側と回転側との間で双方向に通信することができる。なお、回転側発光素子１０２および回転側受光素子２０３は回転側基板２０１上に配置され、固定側発光素子１０２および固定側受光素子１０３は固定側基板１０１上に配置される。

回転側基板２０１が回転しても、どの角度でも双方向に通信ができるようにするため、固定側発光素子１０２と回転側発光素子２０２は円周上に複数配置されている。固定側受光素子１０３と回転側受光素子２０３は、それぞれ固定側発光素子１０２と回転側発光素子２０２と同一円周上に配置される。固定側発光素子１０２、固定側受光素子１０３、回転側発光素子２０２、回転側受光素子２０３の少なくとも何れか１つが、基板上に１つあるいは複数配置される。

図２に、本実施形態にかかる無線伝送システム１００のシステム構成を示した。無線電力伝送については、まず固定側基板１０１に電力が入力される。入力された電力は、電力送電回路により、固定側コイル１０４から回転側基板２０１の回転側コイル２０４へ、磁界結合を介して無線で伝送される。回転側コイル２０４に伝送された電力は、電力受電回路を介して回転側基板２０１に接続される負荷へ供給される。

無線信号伝送については、まず固定側基板１０１にバス信号が入力される。入力されたバス信号は、インターフェース回路を介して固定側発光素子１０２から光信号として出力される。そして、出力された光信号は、回転側基板２０１の回転側受光素子２０３で受光され、インターフェース回路を介して回転側基板２０１に接続されるバス配線へ出力される。一方、回転側基板２０１にバス信号が入力されるとインターフェース回路を介して回転側発光素子２０２から光信号として出力される。そして出力された光信号は、固定側基板１０１の固定側受光素子１０３で受光され、インターフェース回路を介して固定側基板１０１に接続されるバス配線へ出力される。このように、無線伝送システム１００は、回転側からの信号の送信と、固定側からの信号の送信との両方を実行することができる。

なお、この双方向の光通信は１つの光通信空間３００の中で行われるため、固定側発光素子１０２が出力した光信号は、回転側受光素子２０３だけでなく固定側受光素子１０３も受光する。同様に回転側発光素子２０２が出力した光信号は固定側受光素子１０３だけでなく回転側受光素子２０３も受光する。バス通信は１つのバス通信線に接続された複数のノードが、バス通信線の信号電圧レベルを共通認識することで行われている。すなわち、あるノードがバス配線に送信した信号は、送信したノード自身も受信している。無線伝送システム１００における双方向光通信は、バス通信の信号電圧レベルを光の明暗に置き換えたものであるため、自分で出力した光信号を自分で受光して問題ない。そのため１つの光通信空間３００で双方向通信を行うことができ、小型化を実現している。

しかし、このままではループバックによるラッチが生じて通信ができなくなってしまう場合があるため、その場合はそれを回避する回路が無線伝送システム１００に必要である。例えば固定側発光素子１０２が出力した光信号を固定側受光素子１０３が受光すると、インターフェース回路を介して固定側基板１０１に接続されている入出力バス配線へ送信する。すると、インターフェース回路でそれを受信して再度固定側発光素子１０２から信号を出力してしまうループバックが生じ、バス通信仕様によってはラッチして通信ができなくなる。そのため、無線伝送システム１００のインターフェース回路は、このループバックによるバス通信のラッチ現象を回避する機能を持ってもよい。例えば、インターフェース回路は、信号出力時には入力信号を通過させない論理回路などを含んでもよい。

さらに、インターフェース回路は受信したバス信号を、発光素子を駆動する信号に変換する機能と、受光素子の出力信号をバス配線に送信する機能とを持つ。例えばインターフェース回路は、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）トランシーバなどを含む。

図３には、無線伝送システム１００のコイルを配線パターンで形成した場合の構造を示した。図１と同様に、図３（ａ）には無線伝送システム１００をシャフト２００に対して垂直方向から見たときの図を示した。また、図３（ｂ）には、無線伝送システム１００を図３（ａ）に示した面Ｐ２において、シャフト２００に対して鉛直方向から見たときの図を示した。図３（ｂ）は、面Ｐ２において回転側基板２０１の方向に無線伝送システム１００を見たときと、面Ｐ２において固定側基板１０１の方向に無線伝送システム１００を見たときとの両方の場合を示している。

図１と異なる点のみを説明する。回転側コイル基板２０６はシャフト２００に固定されており、シャフト２００が回転すると回転側基板２０１と同様に回転する。固定側コイル基板１０６はシャフト２００と固定されておらず、シャフト２００が回転しても、固定側コイル基板１０６は回転しない。

固定側コイル基板１０６上に形成された固定側コイル配線１０７から生じた磁界が、回転側コイル基板２０６上の回転側コイル配線２０７へ到達することで、固定側から回転側へ無線で電力が伝送される。固定側コイル基板１０６は固定側基板１０１から電力を供給され、回転側コイル基板２０６は回転側基板２０１へ電力を供給する。コイルを配線パターンで形成することでプリント基板の製造プロセスで製造できるため図１の磁性体を用いたコイルに比べて安く製作でき、特性ばらつきも少ない。なお、図３では固定側基板１０１と固定側コイル基板１０６を別基板として説明したが、固定側コイル配線１０７を固定側基板１０１上に形成して固定側コイル基板１０６を省略してもよい。回転側についても同様に、回転側コイル配線２０７を回転側基板２０１上に形成することで回転側コイル基板２０６を省略してもよい。

図４には、無線伝送システム１００における発光素子および受光素子の配置に一例を示した。図４では、発光素子が８個、受光素子が２個の場合を例として示したが、発光素子および受光素子の数はこれに限らない。また、図４では図１（ａ）に示した無線伝送システム１００を面Ｐ１においてシャフト２００に対して鉛直方向から見た固定側基板１０１を例として説明するが、これに限らず回転側基板２０１についても同様である。

固定側基板１０１上には、固定側発光素子１０２が８個、シャフト２００を中心として４５°ごとに略等間隔で配置されている。また、固定側受光素子１０３は、固定側発光素子１０２と同一円周上に２個配置されており、固定側受光素子１０３同士は２２．５°離れて配置されている。本図に示したように、受光素子を２個とし、その配置間隔を発光素子の半分とすることで、回転に伴う受光強度の変動量が少なくなり、受信回路のスレッショルド電圧の設定値を高く保つことができる。結果として通信のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が向上し、通信エラーレートが下がる。

図４において、回転に伴う受光強度の変動量が少なくなることについて詳細に説明する。単純に発光素子、受光素子の配置数を増やせば、回転側基板２０１が回転しても、どの角度でも強く受光できるため、受光強度の変動量は少なくなる。しかし、実装面積、消費電力、コストなどの観点から、部品数はなるべく少なくすることが求められる。

図５には、本実施形態にかかる無線伝送システム１００の測定結果を示すグラフである。横軸は回転側基板２０１の回転角度、縦軸は固定側発光素子１０２が出力した光を回転側受光素子２０３が回転しながら受光して出力した信号電圧を表している。

実線のグラフは図１で示した無線伝送システム１００における測定結果である。この場合の発光素子は８個、受光素子は２個で、素子は合計１０個用いられている。破線のグラフは、図１の無線伝送システム１００より素子の数が多い場合のグラフで、発光素子が１２個配置されている場合の測定結果である。この場合、発光素子は３０°ごとに略等間隔に配置されている。また、受光素子は発光素子と同一円周上に１個配置されており、素子を合計１３個用いた場合の結果である。どちらの形態も図５の横軸の０°の位置に発光素子を配置し、そこから略等間隔に残りの発光素子が並んでいる。受光素子は、発光素子の間に配置されている。なお、素子を配置した円周の直径は８１ｍｍとしている。図５では、０°から１８０°の測定結果を示しているが、１８０°から３６０°は０°から１８０°と対称な測定結果となるので省略している。

まず、破線で示した測定結果を見ると、３０°ごとに信号電圧強度が高くなっていることがわかる。しかし、発光素子の配置間隔のちょうど半分となる１５°、４５°、７５°、１０５°、１３５°、および１６５°では、回転側の受光素子の位置が隣接する２つの固定側の発光素子のちょうど間の位置となるため、受光強度が大きく低下している。それに対して実線の測定結果は、発光素子を４５°ごとに配置しているが、２２．５°ごとに信号電圧強度が高くなっている。これは２つの回転側の受光素子のうち、一方の受光素子の位置が、隣接する２つの固定側の発光素子のちょうど間となる２２．５°、６７．５°１１２．５°、１５７．５°のときに、もう一方の受光素子の位置が２２．５°ずれるためである。すなわち、４５°、９０°、１３５°１８０°となり、一方の受光素子の位置が発光素子の位置から最も遠くなるときに、もう一方の受光素子の位置が発光素子の位置と一致する。よって、２つの受光素子の出力を合算することで受光強度の低下を抑制できるということである。また、受光強度の変動量が少ないだけでなく、２つの受光素子の出力を合算するので、信号電圧が全体的に破線の結果より高くなり、よりＳＮ比がよくなる。このように、受光素子を複数配置し、さらに配置する角度を発光素子の半分にすることで、発光素子および受光素子の合計数が少なくなっても安定して通信することができるようになる。

なお、本実施形態で示した発光素子と受光素子の位置と数の関係は逆であってもよい。すなわち、受光素子の方が発光素子より数が多くてもよい。この場合、受光素子は同一円周上に略等間隔で配置され、また発光素子の配置間隔は受光素子の配置間隔の半分となる。

なお無線伝送システム１００は、その構造上、受光素子とコイルの距離が近くなるため、無線給電回路のスイッチングノイズがコイルから磁界として放射され、受光素子に飛び込むことでＳＮ比が低下する場合がある。この場合、受光素子の受信回路であるトランスインピーダンスアンプを２つ用意し、一方の入力を受光素子、もう一方の入力を、受光素子を模擬したＲＣ等価回路と接続し、それぞれのトランスインピーダンスアンプの出力を差動アンプの入力と接続する。スイッチングノイズはどちらのトランスインピーダンスアンプの出力にも同相で重畳するため、差動アンプを用いることでキャンセルされる。図６には無線伝送システム１００において、差動アンプを用いた場合と用いなかった場合と比較を示すためのグラフを示した。図６（ｂ）は図６（ａ）の一部を拡大して表示したグラフである。いずれのグラフも、各波形は上から順に、受光素子を接続した方のトランスインピーダンスアンプの出力電圧、差動アンプの出力電圧、無線給電回路のスイッチング波形の電圧を示す。トランスインピーダンスアンプの出力電圧に対して、差動アンプの出力電圧はスイッチング波形に同期したリンギングノイズの振幅が減っていることが確認できる。このように、無線伝送システム１００にさらに差動アンプを用いることで、より安定して通信を行うことができる。なお、固定側受光素子１０３と回転側受光素子２０３のどちらか一方に差動アンプを接続してもよいし、それぞれに差動アンプを接続してもよい。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ等）によっても実現可能である。また、そのプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。

１０１ 固定側基板
１０２ 固定側発光素子
１０３ 固定側受光素子
１０４ 固定側コイル
１０５ 固定側磁性体
２００ シャフト
２０１ 回転側基板
２０２ 回転側発光素子
２０３ 回転側受光素子
２０４ 回転側コイル
２０５ 回転側磁性体
３００ 光通信空間

Claims (11)

1. 無線伝送システムであって、
   第１の基板と、
   第１の基板上に配置された、無線による電力の伝送に用いる第１のコイルと、
   第１の基板上かつ第１のコイルの内側において同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第１の発光素子と、
   前記少なくとも１つの第１の発光素子と同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第１の受光素子と、
   第２の基板と、
   第２の基板上に配置された、無線による電力の伝送に用いる第２のコイルと、
   第２の基板上かつ第２のコイルの内側において同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第２の発光素子と、
   前記少なくとも１つの第２の発光素子と同一円周上に配置された、無線通信に用いる少なくとも１つの第２の受光素子と、を有し、
   前記第１のコイル、前記少なくとも１つの第１の発光素子、前記少なくとも１つの第１の受光素子と、前記第２のコイル、前記少なくとも１つの第２の発光素子、前記少なくとも１つの第２の受光素子とが対向するように、前記第１の基板と前記第２の基板とが対向して配置されることを特徴とする無線伝送システム。
2. 前記第１のコイルは前記第１の基板に固定された第１の磁性体に固定され、
   前記第２のコイルは前記第２の基板に固定された第２の磁性体に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム。
3. 前記第１のコイルと前記第２のコイルとは、それぞれ配線パターンによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線伝送システム装置。
4. 前記少なくとも１つの第１の発光素子は、前記第１の基板において同一円周上に略等間隔に配置され、
   前記少なくとも１つの第２の発光素子は、前記第２の基板において同一円周上に略等間隔に配置されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の無線伝送システム。
5. 前記少なくとも１つの第１の受光素子の配置間隔は、前記少なくとも１つの第１の発光素子の配置間隔の半分であり、
   前記少なくとも１つの第２の受光素子の配置間隔は、前記少なくとも１つの第２の発光素子の配置間隔の半分であることを特徴とする請求項４に記載の無線伝送システム。
6. 前記少なくとも１つの第１の受光素子は、前記第１の基板において同一円周上に略等間隔に配置され
   前記少なくとも１つの第２の受光素子は、前記第２の基板において同一円周上に略等間隔で配置されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の無線伝送システム。
7. 前記少なくとも１つの第１の発光素子の配置間隔は、前記少なくとも１つの第１の受光素子の配置間隔の半分であり、
   前記少なくとも１つの第２の発光素子の配置間隔は、前記少なくとも１つの第２の受光素子の配置間隔の半分であることを特徴とする請求項６に記載の無線伝送システム。
8. 前記少なくとも１つの第１の受光素子と、前記少なくとも１つの第２の受光素子の受信回路の出力の少なくとも一方が、差動アンプの一方の入力と接続されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の無線伝送システム。
9. 前記差動アンプの他方の入力に、受光素子を模擬したＲＣ等価回路が接続されていることを特徴とする請求項８に記載の無線伝送システム。
10. 第１のコイルと、同一円周上に配置された少なくとも１つの第１の発光素子と、前記少なくとも１つの第１の発光素子と同一円周上に配置された少なくとも１つの第１の受光素子と、が配置された第１の基板と、
    第２のコイルと、同一円周上に配置された少なくとも１つの第２の発光素子と、前記少なくとも１つの第２の発光素子と同一円周上に配置された少なくとも１つの第２の受光素子と、が配置された第２の基板とが対向して配置されている無線伝送システムの制御方法であって、
    前記第１のコイルと前記第２のコイルとを用いた無線による電力の伝送を行う電力伝送工程と、
    前記少なくとも１つの第１の発光素子と、前記少なくとも１つの第１の受光素子と、前記少なくとも１つの第２の発光素子と、前記少なくとも１つの第２の受光素子とを用いた無線通信を行う無線通信工程と、
    を有することを特徴とする制御方法。
11. コンピュータに、請求項１０に記載の制御方法で無線伝送システムを制御させるためのプログラム。
    

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