JP4044932B2 - 近接電場を用いた不平衡情報伝送システム - Google Patents

Description

本発明は送信器から受信器へ情報を伝送する情報伝送システムに関する。本発明はまたこの情報伝送システムのための送信器と受信器、及びこの情報伝送システムの自動車のタイヤ圧測定システムにおける使用に関する。

無線で信号を伝送する従来の情報伝送システムには、アンテナ２１を有する無線送信器２０（図４）が存在しており、このアンテナ２１によって電磁波（稲妻のような破線矢印で図示）が放射される。無線受信器２３のアンテナ２２は電磁波を受信し、この電磁波から伝送された情報を抽出する。

本来の情報伝送は遠隔場における電磁放射によって行われる。このためには、各アンテナ２１，２２は放射された電磁場の周波数に合わせられていなければならない。さもなければ、情報伝送の品質は大きく低下する。

高周波領域におけるこのような無線伝送の欠点は、例えばアンテナ２１，２２、ＨＦ送受信部、制御部、ベースバンドなどのような高価な材料及びコンポーネントを必要とするということである。このような無線伝送は、特に伝送経路上での損失を補償するために、非常に大きな電流を消費する。そのうえ、振幅が緩慢にしか減少しないため、電磁波は不所望な周辺領域にも送られてしまう。このことは、伝送された情報が容易に傍受又は破壊されうることにつながる。さらに、他のシステムとの妨害干渉が生じる。この妨害干渉は一方では受信の質を低下させ、他方では他のシステムに不都合な影響を与えかねない。さらに、無線伝送チャネルの加入者の数が制限されている。

情報は周知のように高周波領域において有線で伝送することもできる。このために、往路及び復路を有する線路に交流電流が供給される。その際、線路インダクタンスと線路容量はエネルギー輸送に影響を与える。この場合、伝搬速度は限定される。伝送される周波数が高ければ高いほど、線路の形成はより費用のかかる高価なものとならざるを得ない。

この情報伝送の欠点は、環境から電気的に絶縁された往復路を必要とすることである。線路のタップは情報伝送の品質低下につながる。したがって、出力結合点は特別に形成されなければならない。往復路は短絡が生じないように絶縁によって環境条件に適合させなければならない。

本発明の課題は、簡単に形成され、既存のインフラストラクチャを利用して信頼性の高い情報伝送を保証し、さらに汎用的に使用可能な、送信器及び受信器を備えた情報伝送システムを提供することである。

この課題は、請求項１に記載されている情報伝送システム、請求項８に記載されている送信器、及び請求項９に記載されている受信器によって解決される。

この情報伝送システムは、実質的に近接場である電場を放射する結合エレメント２を備えた送信器を有している。この電場は導電性エレメントを有するインフラストラクチャに入力結合され、この導電性エレメントに有線で伝導電流が導かれる。伝導電流は結合エレメント２を有する受信器によって出力結合することができる。電流回路は、送信器及び受信器の出力結合容量と接地容量を通って流れ、またアース又は導電接地を通って還流する変位電流を介して閉じられる。

このことの利点は、インフラストラクチャに対して容量性の入力結合が行われるため、放射システムの損失が回避され、その結果、送信器及び受信器における電流消費が非常に小さいということにある。送信器からインフラストラクチャへの入力結合は非常に到達距離の短い近接電場によって行われるので、広範囲に伝搬する不所望な漂遊電場が生じない。インフラストラクチャとしては、少なくとも部分的な導電性は有するエレメントを備えた既存のすべての構造を使用することができる。主損失は送信器／受信器とアースとの間の結合容量においてしか発生しない。その他には、結合エレメントとインフラストラクチャとの間の距離が大きすぎる場合に、結合エレメントとインフラストラクチャとの間に小さな損失が生じる。

本発明による情報伝送システムの別の利点は、伝送経路を放射遠隔場から高周波交流を用いた準定常近接場に移すことである。これにより、この高周波エネルギーの周囲への放射が原則的に阻止される。さもなければ、この高周波エネルギーの周囲への放射は未知のシステム及び自らのシステムにおける妨害の増大を生じさせかねない。妨害の到達距離と振幅を非常に小さく保つことができので、無線管轄官庁の認可ももはや必要ない。伝送経路上での損失は低減され、電流消費も最小化することができる。放射された電磁場は直流結合又は容量結合によってインフラストラクチャに入力結合されるので、アンテナも必要ない。したがって、情報伝送システムは融通性と移動性をもって使用することができる。アンテナを使用しないことで、電子機器が簡略化され、アンテナのための特別な位置調整も必要なくなり、センサ、制御部、及び伝送ユニットを半導体チップ上に実装することができるようになる。

準定常電場での信号伝送は受信側でのタイミング抽出を必要としない。なぜならば、システムクロックは伝送媒体（導体エレメントを備えたインフラストラクチャ）に均一に供給されるからである。この情報伝送システムでは、搬送波の処理、変調、多重化、受信、及び復調のような無線技術の方法を無制限に使用することができる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている特徴によって示される。これに関して特に有利なことは、既存のインフラストラクチャを情報の伝送に利用することである。このために媒体、すなわち、インフラストラクチャの導体エレメントを特別に形成する必要はない。伝送品質が低下しないように、導体エレメントが時不変に導電性を有していれば十分である。その他に、インフラストラクチャがアース電位に対して電気インピーダンスを有していると有利である。これにより、情報伝送の際にアースを介した復路が形成される。有利には、５ＭＨｚから５０ＭＨｚまでの範囲の周波数帯域を使用することにより、省電流のＣＭＯＳ技術で電子回路を実施することができるようになる。

特に有利には、この情報伝送システムは自動車のタイヤ圧測定システムにおいて使用することができる。この場合には車体及び車台（タイヤ付きホイールを含む）がインフラストラクチャとして使用される。各タイヤには、それぞれ１つの送信器が配置されており、この送信器は伝送すべきデータ／情報を導電性の金属製車台（リム及び車軸）及び車体を介して車両側の受信器に伝送する。センサ及び／又はアクチュエータからの又はセンサ及び／又はアクチュエータへの別のワイヤレス情報伝送も同様にして実現することができる。

以下では、本発明の実施例を概略的な図面に基づいてより詳細に説明する。

図１は、本発明による情報伝送システムのブロック回路図を示す。
図２は、図１による情報伝送システムの送信器／受信器のブロック回路図を示す。
図３は、自動車のタイヤ圧測定システムにおいて使用した場合の情報伝送システムの実施例のブロック回路図を示す。
図４は、従来の無線情報伝送システムのブロック回路図を示す。

本発明による情報伝送システムは送信エレメントＴｘを備えた送信器１を有している。この送信器１は結合エレメント２を介して漂遊電場として近接電場を生じさせる。この電場により信号電流がインフラストラクチャ３内に誘導され、情報（データ、情報、信号）が伝送されなければならない。受信側には、信号電流により誘導された電場を「受信」するために同様に結合エレメント５を有する受信器４がある。

送信器１と受信器４との間には、アース（アース電位）から電気的に絶縁された１つ又は複数の導電性エレメント６（導体エレメント又は導電体と呼ぶ）を有するインフラストラクチャ３が配置されている。送信器１と受信器４はアースに対してそれぞれ１つの容量（以下では接地容量Ｃ_Ｂと呼ぶ）を有している。

情報伝送のために、送信器１は結合エレメント２を介して準定常近接電場を形成する。この近接電場はインフラストラクチャ３の導電性エレメント内に広がる。結合エレメント２と導電性エレメント６との間の空隙は、結合エレメント２と導電性エレメント６との間の「仮想的」な容量Ｃ_Ｍ（図１では破線により図示）を介して流れる変位電流によって橋渡しされる。導電性エレメント６の中には、高周波の伝導電流Ｉ_ＨＦ（図１の導電性エレメント６の中の破線矢印）が流れる。この高周波伝導電流Ｉ_ＨＦは受信器４の結合エレメント５の領域において準定常近接電場を形成し、この準定常近接電場が結合エレメント２の中へ広がることによって、伝送された情報が受信される。

送信器１から受信器４への及びその逆の電流回路は、送信側では結合エレメント２とインフラストラクチャの導体エレメント６との間の結合容量Ｃ_Ｍを通過し、導電性エレメント６を通って、受信側では導体エレメント６と受信器４の結合エレメント５との間の結合容量Ｃ_Ｍを通過し、受信器４とアースとの間の結合容量Ｃ_Ｂを通過し、そして導電体としてのアースを通って戻り、アースと送信器１との間の結合容量すなわち接地容量Ｃ_Ｂで閉じる。ここで、各結合容量Ｃ_Ｂ，Ｃ_Ｍには無線伝送から周知の変位電流が流れ、インフラストラクチャ３の導体エレメント６及びアースには伝導電流が流れる。

導電性エレメント６を備えたインフラストラクチャ３として、例えば、自動車の車体、工作機械の基礎台、ゴムベルトコンベア、タービン翼、金属製の製品タグ、建造物内の暖房施設などのような既存のインフラストラクチャ３を使用することができる。

結合エレメント２とインフラストラクチャ３との間に準定常近接電場があるおかげで、この近接場を介して導体エレメント６内に相応する交流電圧を誘導するには、比較的小さな電力で十分である。伝送システムは省エネルギーであり、したがって小さな損失しか有していない。ただし、近接場の到達距離は非常に短いので、結合エレメント２，５は導電性エレメント６を備えたインフラストラクチャ３の近傍にそれぞれ配置されなければならない。しかし、このことは、伝送された情報を遠くから傍受又は操作することが難しいという利点を有している。というのも、遠隔場には場は伝搬せず、漂遊電場の振幅は（１／ｒ^２又は１／ｒ^３に比例して）非常に急速に減少するからである。

搬送周波数は、接地容量Ｃ_Ｂのインピーダンスと、結合エレメント２，５とインフラストラクチャ３との間の結合容量Ｃ_Ｍのインピーダンスが非常に低くなるように選ぶことができる。それゆえ、この低インピーダンスにより生じる電圧降下とその結果である損失は小さい。さらにまた、各々の結合エレメント２，５とインフラストラクチャ３との間の結合容量Ｃ_Ｍは個々の適用態様における相互間の距離と寸法（平板コンデンサの容量と同じように計算することができる）に依存している。

インフラストラクチャ３の導電性エレメント６は広範囲にわたって均質な材料から成っていなければならず、その導電性は時不変（すなわち、時間的に変化しない）でなければならない。これにより高周波交流電流の伝送媒体が得られる。この伝送媒体は再現可能な状態を有する複雑なＲＣＬ回路である。それでも、損失は高周波無線チャネルの場合よりも大幅に小さい。導電性エレメント６は単一体でなくてもよい。導体間の短い間隙（非導電部分）は、変位電流によって容易に橋渡しされ得る結合容量を表す。

送信器１又は受信器４の図式的な構造は図２に示されている。送信器１又は受信器４はそれぞれハウジング７を有しており、このハウジング７の中に送信エレメントＴｘ又は受信エレメントＲｘが配置されている。送信器１と受信器４はそれぞれ、独立したエネルギー源８、物理量を測定するための考えられ得るセンサ９、制御ユニット（コントローラ）１０、ならびに、各々の結合エレメント２，５及び接地結合エレメント１１を有している。

送信器１及び受信器４にはそれぞれ、容量性電極として示された１つの結合エレメント２，５が電気的に接続されている。結合エレメント２，５としてコンデンサを使用してもよい。結合エレメント２，５によって実質的に近接場である電場（漂遊電場）が形成され、近傍領域に放射される。結合エレメント２，５は直流結合で置き換えてもよい。その場合には、高周波伝導電流が送信器１から図示されていない整合回路網と直流結合とを介して直接インフラストラクチャ３の導体エレメント６へ流れる。

送信器１と直流結合との間には整合回路網がある。この整合回路網は、例えば少なくとも１つの集中コンデンサを有し、この集中コンデンサを介して、放射された近接場が直流結合に入力結合される。

送信器１と受信器４はアースに対してそれぞれ１つの結合容量（接地容量Ｃ_Ｂと呼ばれる）を有しており、この結合容量は、送信器１の電極（接地結合エレメント１１とも呼ばれる）と導電接地とによって第２の電極として形成される。さらに、各送信器１と各受信器４はそれぞれ少なくとも１つの結合エレメント２，５（媒体結合子とも呼ばれる）を有している。この結合エレメント２，５はインフラストラクチャ３の導電性エレメント６への電気的結合を行う。

制御ユニット１０によって、センサ信号又はセンサから受け取ったデータは、伝送すべきデータとして高周波搬送波で変調又は復調することができる。この種の送信器１及び受信器４では、変調及び復調のような、当業者には十分周知の情報伝送の従来技術を使用することができる。

インフラストラクチャ３の導体エレメント６には高周波伝導電流（Ｉ_ＨＦ）が流れるので、導体エレメント６に沿った減衰は、より強い損失を伴う変位電流が流れる無線通信の場合に比べて格段に小さい。したがって、それでも伝送のために比較的大きな到達範囲を維持するために従来の無線技術よりもエネルギーを節約するには、より低いエネルギーの電場を形成するだけで十分である。

インフラストラクチャ３を介して一方向にしかデータが伝送されない場合であっても、システムクロックを伝送媒体に供給することにより、一様な同期化−双方向システムの場合のように−を行うことができる。こうした理由から、結合エレメント２，５の間にただ１つの導電性エレメント６、すなわち、ただ１つの電気的接続しか必要ない。これは不平衡導電性エレメント６と呼ばれるものであり、復路としてアース電位を使用する。インフラストラクチャ３へのエネルギー供給も同様に不平衡に行われる。

情報伝送は−従来のデータ伝送の場合と同様に−双方向で行うこともできる。また、情報技術から周知のように、パラレルな多重伝送を使用することもできる。

図３には、自動車のタイヤ圧測定システムにおいて使用される情報伝送システムの実施例（使用例）が示されている。車両の各タイヤ１２には、それぞれ１つの送信器Ｔｘ_１〜Ｔｘ_５がある（スペアタイヤにも送信器Ｔｘ_５を設けてよい）。タイヤは導電性リム１３と車軸１４とを介して自動車の車体１５に結合されている。リム１３、車軸１４、及び車体１５は導電性であり、導体エレメント６を備えたインフラストラクチャ３を形成している。

中央受信器Ｒｘ（又は各車輪にそれぞれ割り当てられた受信器Ｒｘ_ｉ）は間接的に又は直接的に導電性の車体と電気的に接続されており、車両の適切な位置に配置されている。タイヤ圧、タイヤ内温度、タイヤの識別番号などのようなデータを各送信器Ｔｘ_ｉから受信器Ｒｘへ（又は逆方向に）伝送するために、導電性エレメントを備えた既存のインフラストラクチャ３，１３，１４，１５が利用される。このために、各送信器Ｔｘ_ｉはリム１３に入力結合される準定常近接電場を形成する。そこから伝導電流Ｉ_ＨＦが車軸１４を介して車体１５へと流れる。受信器Ｒｘは車体１５の近傍で準定常近接電場を出力結合することによって信号を出力結合し、この信号からデータを復調することができる。

電流は、受信器Ｒｘの接地容量Ｃ_Ｂ３の準定常近接電場内の変位電流を介してアースへ、アース内の伝導電流Ｉ_ＨＦを経て、送信器Ｔｘ_１，２の接地容量Ｃ_Ｂ１及びＣ_Ｂ２を介して再び送信器Ｔｘ_１，２へ還流する。リム１３と車軸１４と車体１５の間に直接の電気的接続が存在していない場合でも、情報伝送は中断されない。なぜならば、この部分は互いに対する結合容量を有しており、変位電流を介して容易に且つ大きな損失なしに橋渡しされ得るからである。

送信器Ｔｘ_１及びＴｘ_２はそれぞれ接地容量Ｃ_Ｂ１、Ｃ_Ｂ２を有しており、車軸１４は導体エレメントとしてアース電位に対する接地容量として電気インピーダンスＣ_Ｂ４を有している。受信器は接地容量Ｃ_Ｂ３を有している。

タイヤ圧測定システムでの使用は、車輪が回転しているときでさえも、送信された信号が広範囲にわたって一定の振幅で受信されるという利点を有している。それというのも、信号はそれぞれのリム１３とリム１３の中心に配置された車軸１４とを介して伝送され、つねに同じ距離を進まなければならないからである。これに対して無線システムでは、車輪が回転しているときには振幅は車輪回転数に伴って周期的に変化する。なぜならば、送信器Ｔｘと受信器Ｒｘとの間の距離及び位相位置が車輪回転数に伴って周期的に変化するからである。

このような用途においては、送信器Ｒｘと受信器Ｔｘとの間に専用の情報伝送線路を敷設する必要がない。導体エレメント６を備えた既存のインフラストラクチャ３で十分である。隣接する車両からの信号は遠く離れて過ぎているので車体１５に入力結合されず、したがって妨害として作用しない。

ＨＦ電流（伝導電流Ｉ_ＨＦと変位電流）の流れは実質的に導電部分に集中しており、そのため他の電気ユニットに影響を及ぼさない。漂遊電場は比較的短い距離ですでに作用しなくなるので、情報の傍受も困難である。

一般に、このような情報伝送システムでは、情報の伝送に５ＭＨｚから５０ＭＨｚの間の搬送周波数を使用すべきである。もちろん−用途と幾何的寸法とに応じて−他の周波数を使用してもよい。

情報伝送システムの別の可能な用途は、例えば、工作機械の本体を介したセンサ信号伝送、工程編成、金属部材を有するベルトコンベアにおける制御、金属処理された導電性の付け札を有する食品包装のための情報伝送、自動車、飛行機、貨物自動車又は（コンテナ）船舶の貨物庫及び冷蔵庫におけるセンサ信号及び信号の伝送、伝導電流が流れる金属フレームを有する会議テーブルを使用した会議室内でのワイヤレス信号伝送、又は、例えば暖房システムを介した建築物内での信号伝送である。

この情報伝送システムをバスシステムの代用とすることもできる。したがって、別個のバス線路を敷設する必要はなく、既存のインフラストラクチャを使用することができる。この情報伝送システムは交通技術（鉄道輸送）において有効に使用することができる。というのも、専用の信号線路を敷設しなくても、レールを導体として使用することができるからである。例えばレールを介して鉄道車両内の受信器４に信号を伝送する送信器４を適切な位置に設けるだけで十分である。

この情報伝送システムは測定技術において、そのうちでも特に、無線接続又は有線伝送に不利な極端な環境条件が存在しているような用途において有効に使用することができる。したがって、この情報伝送システムは、適切な伝送媒体がすでに存在しているならば、例えば高温、強い妨害電場、高圧力、腐食性雰囲気などの下でも使用することができる。

インフラストラクチャ３は伝導電流Ｉ_ＨＦを通すことのできる導電性部分（導体エレメント６）を有していなければならない。結合エレメント２，５と導電媒体（導体エレメント６）との間の距離は、まだ十分な大きさの電場が導体エレメント６内に広がることができるためには、過度に大きくてはならない。導体エレメント６は時不変の導電性を有する広範囲にわたって均質な材料で製造されなければならない。人体はこれに関して十分には適してはいない。というのも、人体は一方では高い「入力抵抗」（皮膚抵抗）を有しており、他方では時変の不均一な導電性、すなわち、多くの条件に依存しており、同様に無条件には再現可能な結果をもたらさない従属的な導電性を有している。さらに、人体とは十分に電気的接触を行うことができない。そのかぎりで、インフラストラクチャ３が代替的な伝送媒体として使用される。

送信器１と受信器４は１つの半導体チップに集積してもよい。搬送周波数に合わせた長いアンテナが不要となるので、送信器１と受信器４は狭い環境での使用においても、遮蔽された領域においてさえも使用することができる。送信器１はさらに種々の（マイクロ）センサ９及び制御プロセッサ（制御ユニット１０）を有することもでき、したがって関心のある物理量が生じる場所に直接配置することもできる。このことの利点は、一方で物理量をより正確にその場で測定することができ、他方でセンサ９と送信器１との間の経路が短く、妨害の影響を受けないことである。

無線システムの場合に存在するようなＥＭＣ問題を本発明による情報伝送システムは有していない。なぜならば、漂遊電場は外に向かって小さな到達範囲しか有していないからである（１／ｒで減衰する遠隔場とは違って、近接場は１／ｒ^２又はより高次のｒで減衰する）。

不平衡な給電と伝送によって材料は節約される。「伝送線路」、すなわち、導体エレメント６は特別に設計する必要はなく、すでにインフラストラクチャ３の一部として存在している。

本発明による情報伝送システムのブロック回路図を示す。 図１による情報伝送システムの送信器／受信器のブロック回路図を示す。 自動車のタイヤ圧測定システムにおいて使用した場合の情報伝送システムの実施例のブロック回路図を示す。 従来の無線情報伝送システムのブロック回路図を示す。

Claims (8)

1. 送信器（１）と、既存のインフラストラクチャ（３）と、受信器（４）とを有する情報伝送システムであって、
   前記送信器（１）は少なくとも１つの結合エレメント（２）を有しており、該結合エレメント（２）を介して実質的に近接場である電場が放射され、
   前記インフラストラクチャ（３）はアースから電気的に絶縁された導電性の導体エレメント（６）を有しており、前記電場は該導体エレメント（６）に容量結合され、
   前記受信器（４）は前記導体エレメント（６）に伝送された電場を容量的に出力結合する結合エレメント（５）を有している形式のものである情報伝送システムにおいて、
   前記導電性エレメントは自動車の車体（１５）の一部であり、各タイヤ（１２）に送信器（Ｔｘｉ）が配置されており、対応する受信器（Ｒｘｉ）が車両において前記車体（１５）の近傍に配置されていることを特徴とする情報伝送システム。
2. 送信器（１）と、既存のインフラストラクチャ（３）と、受信器（４）とを有する情報伝送システムであって、
   前記送信器（１）は少なくとも１つの結合エレメント（２）を有しており、送信器（１）と、既存のインフラストラクチャ（３）と、受信器（４）とを有する情報伝送システムであって、
   前記送信器（１）は少なくとも１つの結合エレメント（２）を有しており、該結合エレメント（２）を介して電場が放射され、
   前記インフラストラクチャ（３）はアースから電気的に絶縁された導電性の導体エレメント（６）を有しており、前記電場は該導体エレメント（６）に直流結合され、
   前記受信器（４）は前記導体エレメント（６）を容量的に出力結合する結合エレメント（５）を有している形式のものである情報伝送システムにおいて、
   前記導電性エレメントは自動車の車体（１５）の一部であり、各タイヤ（１２）に送信器（Ｔｘｉ）が配置されており、対応する受信器（Ｒｘｉ）が車両において前記車体（１５）の近傍に配置されていることを特徴とする情報伝送システム。
3. 前記導体エレメント（６）は実質的に均質な材料から成っており、時不変の導電性を有している、請求項１又は２記載の情報伝送システム。
4. 前記導体エレメント（６）はアース電位に対して電気インピーダンス（ＣＢｉ）を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の情報伝送システム。
5. 前記導体エレメント（６）は、情報伝送のための復路としてアース電位を使用する不平衡導体エレメントである、請求項１から４のいずれか１項記載の情報伝送システム。
6. 前記電場は伝送すべき情報で変調される、請求項１から５のいずれか１項記載の情報伝送システム。
7. 搬送周波数がほぼ５ＭＨｚから５０ＭＨｚの間である、請求項６記載の情報伝送システム。
8. 請求項１又は２に記載の情報伝送システムを自動車のタイヤ圧測定システムにおいて使用する方法。

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