JP5496394B2 - 高速・非接触計測データ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、高速・非接触計測データ通信システムに関し、回転軸上で計測した計測データ（検知データ）を、回転軸側から固定側に正確に伝送することができると共に、回転軸上に配置した装置が消費する電力を可及的に低減することができるように工夫したものである。

高速回転する回転軸は、その作動過程において、しばしば、比較的高いトルク、応力、温度、慣性力及び振動を受けるが、ひとたびそれらパラメータ（回転軸が受ける物理量）の値が許容範囲を超えたときに、その状態が随時発見されないでいると、事故が引き起こされる恐れがあるため、安全面の考慮からそのトルク、応力、温度などのパラメータをリアルタイムでモニタリングする必要がある。

そこで、一般的な技術では、先ず回転軸上に取り付けられたセンサが、回転軸のトルク、応力、温度、慣性力及び振動などのパラメータをリアルタイムで検知・収集し、その後、センサが検知した検知データ（計測データ）をプロセッサに伝送してデータ分析処理を実施するとともに表示するようにしている。
センサは高速回転する回転軸上に取り付けられているため、回転軸側から固定側への最適なデータ伝送方式は、ワイヤレス方式によるデータ通信を実施している。
回転軸上に備えた装置への給電は、電池パックまたは無線エネルギを介してのみ可能であることから、回転軸上のユニット（装置）に対しては、低電力消費であることが、強く要求される。

従来技術においては、しばしば電波による無線またはワイヤレス光を用いた方法により、回転軸上で検知した検知データの固定側への伝送が実現される。

電波による無線方式については、回転軸上にアンテナを配置して発射する必要があるため、システム構造の複雑さが増加し、容易に干渉信号の影響を受けることにもなる。また、無線の波長は比較的長く、情報伝送の速度も比較的遅いため、発射器が連続的に作動しなければ、リアルタイムで収集されたパラメータを随時送信することを保証することができず、これが一定程度において無線方式の電力消費を比較的多くさせている点である。

一方で、ワイヤレス光方式は上記欠点を克服しており、光の波長は無線よりも非常に短く、データの伝送速度も非常に速いため、限られた角度範囲においてはデータの伝送を達成可能である。従来、特許文献１（特許Ｕ．Ｓ．Ｐ ５，０１９，８１４）においては、赤外線通信方式が使われており、そこでは回転軸上に回転軸の一周に沿って８対の発光ダイオードが配置されて８ビットのデータが伝送され、１対の発光ダイオードのうち、一方が１ビットのデータ伝送に責任を負い、他方がデータの同期に責任を負う。
固定端の受信装置には、発光ダイオードに対応する光電トリオードが配置されて発光ダイオードが発射した信号を受信する。

米国特許第5,019,814号明細書

しかし、上述したワイヤレス光方式の装置は体積が大きく、構造も比較的複雑であり、更に発光ダイオードが発射した光は一定の角度範囲を有しているため、互いに隣接する光電トリオードがそれに対応する発光ダイオードが発射したデータを受信する際には、容易に互いに干渉し、特に回転軸の半径が小さく、伝送距離が比較的遠いと、相互干渉は比較的顕著なものとなる。

本発明の目的は、高速回転軸上で検知した検知データ（計測データ）を固定側に伝送する際の現状におけるワイヤレス伝送問題を解決するためであり、構造的にはより簡単で、通信はより確実であり、かつ、エネルギ消費を極めて低くすることができる、高速・非接触計測データ通信システムを提供することである。

本発明の高速・非接触計測データ通信システムは、
回転軸（１）の周面に取り付けられていると共に、計測データを出力するセンサ（７）と、
前記回転軸（１）の周面に取り付けられている回転軸モジュール（Ｍｍ）と、
前記回転軸（１）に対して間隔をあけつつ前記回転軸（１）の周面に対向し、且つ、前記回転軸（１）と共に前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が回転してくることによりこの回転軸モジュール（Ｍｍ）に対して間欠的に対向することができる位置に固定して取り付けられた固定モジュール（Ｍｆ）を有し、
前記固定モジュール（Ｍｆ）は、
前記回転軸（１）に向かってトリガレーザ光を連続的に送出することにより、前記回転軸（１）と共に回転している前記回転軸モジュール（Ｍｍ）に対して間欠的にトリガレーザ光を照射するトリガレーザ（３）と、
前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が前記固定モジュール（Ｍｆ）に対向した状態のときに、前記回転軸モジュール（Ｍｍ）から送出されてきた光信号を受信し、受信した光信号を電気信号に変換して出力する光信号受信器（４）と、
前記光信号受信器（４）から出力された電気信号を信号処理する光信号受信処理部（１３）とを有し、
前記回転軸モジュール（Ｍｍ）は、
前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が前記固定モジュール（Ｍｆ）に対向した状態のときに、前記トリガレーザ光を受信した時点でトリガパルスを出力するトリガ信号受信器（５）と、
前記センサ（７）が出力した計測データをバッファリングすると共に、前記トリガ信号受信器（５）から出力された前記トリガパルスを受信すると、このトリガパルスを受信した時点において、前記バッファリングされた計測データを送出し、当該計測データを送出してから次のトリガパルスを受信するまでの間においては前記センサ（７）が出力した計測データのバッファリングはするが計測データの送出はしない光信号発射処理部（１２）と、
前記光信号発射処理部（１２）から計測データが送出された時にのみ、この計測データを光信号に変換し、変換した光信号を、前記固定モジュール（Ｍｆ）の前記光信号受信器（４）に向けて送出する光信号発射器（６）とを有することを特徴とする。
この場合、
前記トリガレーザ（３）は、前記回転軸（１）の径方向に沿いトリガレーザ光を送出し、
前記光信号発射器（６）は、前記回転軸（１）の径方向に沿い光信号を送出することを特徴とする。
また、前記光信号発射器（６）には、この光信号発射器（６）に流れる電流を制限する抵抗が直列に接続されていることを特徴とする。

本発明の有意的な効果は、以上のプロセスにより、本システムが間断（間欠的）通信方式により検知データの伝送を実現する点にある。この種の通信方式では、回転軸が各１周の特定角度範囲内を回転する際にのみ、シリアル通信方式によりデータを光信号に変換して固定モジュールに伝送し、その他の角度領域において、光信号発射器はいずれも作動せず、それにより回転軸モジュールのエネルギ利用は極めて大きく向上し、エネルギ消費は低減されるため、回転軸モジュールが長時間作動しても回転軸の動作を停止させて電池を交換する必要がないことを保証することができる。また、一定の角度内でのみ通信する単一の光信号発射器及び受信器であるため、構造面ではより簡単となり、通信はより確実となる。

本発明の第一実施例における構造を示す見取図である。 本発明における間断通信のプロセスを示す見取図である。 本発明における間断通信のプロセスを示す見取図である。 本発明における間断通信のプロセスを示す見取図である。 本発明における間断通信のプロセスを示す見取図である。 本発明における固定モジュールの回路原理を示すブロック図である。 本発明における回転軸モジュールの回路原理を示すブロック図である。 本発明の別の実施例におけるデュアルコアマイクロコントローラ案を示す原理図である。 本発明の別の実施例における光信号発射器の接線方向発射案の原理を示す見取図である。 本発明における光信号発射器の径方向発射案及び接線方向発射案の光信号受信器における平面投影形状を比較して示す見取図である。 本発明の別の実施例における異なる通信距離に対する作動モード設定を示す見取図である。

以下においては、添付図及び具体的実施例に基づき、本発明について更に説明する。

先ず図１では、本発明の第一実施例に基づく高速・非接触計測データ通信システムについて説明されている。図１によれば、本システムは、固定モジュールＭｆ及び回転軸１に取り付けられて回転軸１の回転に伴い回転する回転軸モジュールＭｍの２つの部分を主要部材としている。

固定モジュールＭｆは、回転軸１に対して一定距離だけ離間したある固定装置上に取り付けられ、それにはトリガレーザ３及び光信号受信器４が含まれ、光信号受信器４は、受信した光信号を電気信号に変換するための光電トリオードやフォトダイオードとすることができる。
固定モジュールＭｆの回路原理ブロック図は図３ａに示す通りであり、光信号受信器４が受信した光信号を電気信号に変換した後、光信号受信ＭＣＵ（光信号受信処理部）１３によりデータのバッファリング及び処理を実施し、その変換された標準シリアルポート信号を、ＲＳ−２３２接続ポート８を介してモニタリングに責任を負うコンピュータ９に転送する。
なお１０は電源である。

回転軸モジュールＭｍは、スリーブ２を介して回転軸１の周面上に固定され、それにはトリガ信号受信器５、光信号発射器６が含まれる。センサ７も回転軸１の周面上に固定されており、センサ７と回転軸モジュールＭｍとが電気的に接続されている。
回転軸モジュールＭｍの回路原理ブロック図は図３ｂに示す通りであり、センサ７が持続（連続）的に回転軸パラメータのデータを検知・収集し、センサ７は検知・収拾した検知データを出力し、それら検知データ（計測データ）はＡ／Ｄコンバータ１４を介して変換された後、光信号発射ＭＣＵ（光信号発射処理部）１２によりバッファリング及び処理される。トリガ信号受信器５は、トリガレーザ信号を受信した後、１つのトリガパルスを発射して光信号発射ＭＣＵ１２に与えることができるよう、光電トリオードやフォトダイオードとすることができ、その際、光信号発射ＭＣＵ１２は、バッファリングされたデータを光信号発射器６を介して発射可能であり、そのうち、光信号発射器６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。
なお１１は、電池などの電源である。

ここで、固定モジュールＭｆと回転軸モジュールＭｍの位置関係や、各モジュールＭｆ，Ｍｍの主要部材の構成・動作などを、更に詳述する。

回転軸１の周面には、スリーブ２が環装・固定されており、このスリーブ２を介して、センサ７と回転軸モジュールＭｍが、回転軸１の周面に固定されている。

センサ７は、回転軸１のトルク、応力、温度、慣性力及び振動等のパラメータ（物理量）を検知し、検知信号を連続的に出力する。

固定モジュールＭｆは、固定装置上に固定して取り付けられている。これにより、固定モジュールＭｆは、回転軸１に対して間隔を開けつつ、回転軸１の周面に対向している。しかも、固定モジュールＭｆは、回転軸１と共に回転軸モジュールＭｍが回転してくることにより、この回転軸モジュールＭｍに対して間欠的に対向することができる位置に固定して取り付けられている。

固定モジュールＭｆは、トリガレーザ３と、光信号受信器４と、光信号受信処理部（光信号受信ＭＣＵ）１３を主要部材として有している。

トリガレーザ３は、回転軸１に向かって、回転軸１の半径方向に沿いトリガレーザ光を連続的に送出している。このため、回転軸１と共に回転している回転軸モジュールＭｍに対して間欠的にトリガレーザ光を照射することができる。
光信号受信器４は、回転軸モジュールＭｍが固定軸モジュールＭｆに対向した状態のときに、回転軸モジュールＭｍの光信号発射器６から送出されてきた光信号を受信し、受信した光信号を電気信号に変換する。
光信号受信処理部１３は、光信号受信部４から出力された電気信号を、バッファリングおよび処理をする。

回転軸モジュールＭｍは、トリガ信号受信器５と、光信号発射処理部（光信号発射ＭＣＵ）１２と、光信号発射器６を主要部材として有している。

トリガ信号受信器５は、回転軸モジュールＭｍが固定軸モジュールＭｆに対向した状態のときに、トリガレーザ３が出力したトリガレーザ光を受信するように、配置されている。つまり、トリガ信号受信器５の受信ウインドウは、回転軸モジュールＭｍが固定軸モジュールＭｆに対向した状態のときに、トリガレーザ３が出力したトリガレーザ光を受信するように、配置・設定されている。
このトリガ信号受信器５は、トリガレーザ光を受信した時点で１つのトリガパルスを光信号発射処理部１２に送出する。

光信号発射処理部１２は、センサ７が検知しＡ／Ｄ変換器１４によりＡ／Ｄ変換した検知データ（計測データ）をバッファリング及び処理をしており、トリガパルスが入力されると、バッファリングした検知データ（計測データ）を光信号発射器６に送出する。

光信号発射器６は、光信号発射処理部１２から検知データ（計測データ）が送出されたときには、この検知データ（計測データ）を光信号に変換し、変換した光信号を、回転軸１の径方向に沿い発射する。つまり、光信号発射器６は、回転軸モジュールＭｍから固定モジュールＭｆに向かって、回転軸１の径方向に沿い、光信号を発射する。

なお、光信号発射処理部１２は、１つのトリガパルスを受けると、その時点においてバッファリングしていた検知データ（計測データ）を送出（出力）するが、検知データの送出後、次のトリガパルスを受信するまでの間では、検知データ（計測データ）の出力はしない。光信号発射処理部１２は、検知データの送出後、次のトリガパルスを受信するまでの間では、センサ７が連続的に出力している検知データ（計測データ）をバッファリング及び処理をしている。
このため、光信号発射器６は、光信号発射処理部１２が、１つのトリガパルスを受けて検知データ（計測データ）を送出したときには、作動して光信号を発射するが、光信号発射処理部１２が検知データの送出後、次のトリガパルスを受信するまでの間では、作動せず光信号の発射はしない。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃ及び図２ｄには、本発明における間断通信の作動プロセスについて描写されており、図２ａ、図２ｂ及び図２ｃの段階において、トリガレーザ３は持続（連続）的に途切れずにトリガレーザ光を発射し、同時にセンサ７も持続（連続）的にデータを検知・収集して検知データを出力するが、光信号発射器６は作動しない。

回転軸１が適当な位置まで回転し、図２ｄに示すように、トリガ信号受信器５がトリガ信号を受信可能となると、光信号発射ＭＣＵ１２はバッファリングした検知データを光信号発射器６に送り、光信号発射器６は検知データを光信号に変換して、光信号方式で光信号を発射開始する。
光信号は情報の伝送速度が速いため、通信プロセス全体は非常に速く、光信号発射器６は、データの発射完了後、次に回転軸又はトリガ信号受信器５がトリガ信号を受信可能となる位置に回転するまで、作動を停止する。本ワイヤレス光伝送、ピックアップ装置は、実際の作動中、以上の間断通信の作動プロセスを繰り返す。

本発明に基づく別の実施例２においては、複数チャネルの検知データ状況に対して、図４に示すように、デュアルコアマイクロコントローラを使用する案が用いられる。複数のセンサ７−０〜７−３により検出した複数チャネルの検知データはマイクロコントローラが制御するサンプリング及び通信における時間シーケンスの衝突を容易に招くため、光信号発射ＭＣＵ１２（図３ａ，図３ｂ参照）を用いるだけでは、データのバッファリング、変換及び信号の発射をリアルタイムで制御することは困難である。
実施例２では、図４に示すように、デュアルコアマイクロコントローラＭＣＵ１２ａ及びＭＣＵ１２ｂを用いて単一の光信号発射ＭＣＵ１２に代替させると、この問題を非常に良好に解決することができ、そのうちＭＣＵ１２ａがデータの収集及びバッファリングプロセスに責任を負い、その後、データをシリアル方式でＭＣＵ１２ｂに伝送し、ＭＣＵ１２ｂがデータの変換及び信号の発射を制御する。

本発明に基づく別の実施例においては、図５に示すように、光信号発射器１５は、実際に応じて、最適化された光信号の発射角度又は経路を用いることができる。本発明の第一実施例において、光信号発射器６は回転軸の径方向に沿って光信号を発射し、この種の光信号が収束する光信号受信器平面上での投影は円形または近似円形となり、図６内のＡ領域に示す通りである。

図５に示すように、光信号発射器１５により、回転軸の接線方向に沿って光信号を発射させると、光信号受信器平面上での投影は楕円形となり、図６内のＢ領域に示す通りである。図６内の陰影部分Ｃ領域は、回転軸の接線方向に沿った発射が回転軸の径方向に沿った発射に比べて光信号受信器平面上で浪費する無効な光投影であり、なぜならこの部分の光が光信号受信器には受信されないためである。

従って、光信号受信器の回転軸の径方向に沿った光信号の発射案は、光信号のエネルギがより集中し、効率はより高く、かつ、回転軸が同様の速度で１周回転した場合、回転軸の接線方向に沿った発射案に対して、より小さな発射角度でデータの通信を完成可能であるため、光信号発射器のエネルギ消費は低減される。

本発明に基づく別の実施例において、我々は光信号発射器の作動モードの切り換えを設計している。回転軸モジュールは低エネルギ消費に対して非常に高い要求を有しているため、回転軸上の各部分のエネルギ消費を最大限に低減させることが本発明の主な目的の１つである。実際の応用において、近距離通信及び遠距離通信では、光信号発射器の光信号強度に対する要求は同一ではなく、図７に示すように、低電力消費モード下では、５０ｍｍ〜５００ｍｍの通信要求を実現可能であるが、通信距離が比較的短いと、必要とする光信号の強度は５００ｍｍ通信距離時の要求よりも非常に低いため、依然としてこの種の作動モード下で作動すると、エネルギの浪費が引き起こされる。

そのため、本実施例においては、光信号発射器に抵抗を直列接続することにより、その電流を制限し、それによりその光信号強度を低減させており、それは図７内に示されている超低電力消費モードであり、それは５０ｍｍ〜２００ｍｍの通信距離に適用される。２種類の作動モードは、スイッチにより直列接続の抵抗の大きさを変更することにより切り換えられる。

１ 回転軸
２ スリーブ
３ トリガレーザ
４ 光信号受信器
５ トリガ信号受信器
６ 光信号発射器
７，７−０，７−１，７−２，７−３ センサ
８ 接続ポート
９ コンピュータ
１０ 電源
１１ 電源
１２ 光信号発射ＭＣＵ
１２ａ，１２ｂ ＭＣＵ
１３ 光信号受信ＭＣＵ
１４ Ａ／Ｄコンバータ
１５ 光信号発射器

Claims (3)

1. 回転軸（１）の周面に取り付けられていると共に、計測データを出力するセンサ（７）と、
   前記回転軸（１）の周面に取り付けられている回転軸モジュール（Ｍｍ）と、
   前記回転軸（１）に対して間隔をあけつつ前記回転軸（１）の周面に対向し、且つ、前記回転軸（１）と共に前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が回転してくることによりこの回転軸モジュール（Ｍｍ）に対して間欠的に対向することができる位置に固定して取り付けられた固定モジュール（Ｍｆ）を有し、
   前記固定モジュール（Ｍｆ）は、
   前記回転軸（１）に向かってトリガレーザ光を連続的に送出することにより、前記回転軸（１）と共に回転している前記回転軸モジュール（Ｍｍ）に対して間欠的にトリガレーザ光を照射するトリガレーザ（３）と、
   前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が前記固定モジュール（Ｍｆ）に対向した状態のときに、前記回転軸モジュール（Ｍｍ）から送出されてきた光信号を受信し、受信した光信号を電気信号に変換して出力する光信号受信器（４）と、
   前記光信号受信器（４）から出力された電気信号を信号処理する光信号受信処理部（１３）とを有し、
   前記回転軸モジュール（Ｍｍ）は、
   前記回転軸モジュール（Ｍｍ）が前記固定モジュール（Ｍｆ）に対向した状態のときに、前記トリガレーザ光を受信した時点でトリガパルスを出力するトリガ信号受信器（５）と、
   前記センサ（７）が出力した計測データをバッファリングすると共に、前記トリガ信号受信器（５）から出力された前記トリガパルスを受信すると、このトリガパルスを受信した時点において、前記バッファリングされた計測データを送出し、当該計測データを送出してから次のトリガパルスを受信するまでの間においては前記センサ（７）が出力した計測データのバッファリングはするが計測データの送出はしない光信号発射処理部（１２）と、
   前記光信号発射処理部（１２）から計測データが送出された時にのみ、この計測データを光信号に変換し、変換した光信号を、前記固定モジュール（Ｍｆ）の前記光信号受信器（４）に向けて送出する光信号発射器（６）とを有する、
   ことを特徴とする高速・非接触計測データ通信システム。
2. 前記トリガレーザ（３）は、前記回転軸（１）の径方向に沿いトリガレーザ光を送出し、
   前記光信号発射器（６）は、前記回転軸（１）の径方向に沿い光信号を送出することを特徴とする請求項１に記載の高速・非接触計測データ通信システム。
3. 前記光信号発射器（６）には、この光信号発射器（６）に流れる電流を制限する抵抗が直列に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速・非接触計測データ通信システム。