JP6208592B2 - 給電通信用伝送路 - Google Patents
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Description
最初に、本発明に係る実施の形態の基本的概念について説明する。本実施の形態に係る給電通信構造は、接触給電、非接触給電、電波通信、光通信を、単独又は統合的に行うことが可能な構造であり、給電や通信の次世代インフラを構成するものである。この給電通信構造は、給電通信用伝送路に対して給電通信用接続体を取り付けて構成される。この給電通信用伝送路は、公知の同軸線路、又は公知の誘電体被覆導線を用いた構造を基本に展開される。特に、同軸線路は、電流および電磁波を伝送するだけでなく、直流〜高周波まで送電できてシールド性能を有しているので好適である。
次に、本願発明者が見出した、本実施の形態に係る給電通信用伝送路の原理について説明する。図1(a)は、公知の同軸線路を長手方向に直交する面で切った断面図である。図1(b)は、公知の同軸線路を長手方向に平行な面で中心位置において切った断面図である。
このことを裏付けるように、外部導体2上を流れる電流7を遮断する方向(すなわち、外部導体2の長手方向以外の方向)にスリット9を作り、スリット9間に電界が発生させ、積極的に電磁波放射をさせている例として、漏洩同軸線路がある。漏洩同軸線路は、外部導体2にスリット9を開けているが、斜め方向にスリット9を切っている。異なる方式の漏洩同軸線路では大きめの穴を開ける方法を採用している。両方式は、外部導体2に流れる電流7を意図的に遮断して、スリット9又は穴を形成する金属部に電位差を持たせ、その間に電界を生成させて外部に電磁波放射をさせているものである。
方法1)同軸線路1の軸から見た一方向(特定の仰角方法)に微小開口を開ける。この開口をスリット9と称し全同軸線路の長さ方向に連続させる。
方法2)同軸線路1に設けたスリット9両端の金属間の電位差発生が大きくならないように、軸周りに回転させることができる。
方法3)同軸線路1の外部導体2に開けたスリット9の長さを一定又はランダムな長さとし(スリット9長とスリット9幅がほぼ同じ円形や方形の穴も含む)、これらを外部導体2の周囲に複数かつランダムな仰角および間隔(軸方向)で開けることを可能にする。
方法4)内部導体3を中空パイプで製作すれば、外部導体2に適用した上記方法1)〜3)による構造を内部導体3の壁面に適用することも可能である。すなわち、内部導体3の内部にも電磁波は侵入せず、各種機器に対して妨害を与えずに動作させることが可能になる。
方法5)外部導体2および内部導体3の複数の仰角に同軸線路1と同じ長さのスリット9を設けた場合、スリット9により、外部導体2及び内部導体3が電気的に分断されてしまう。このため、外部導体2を構成する各導体を同電位にする必要がある。同様に、内部導体3を構成する各導体を同電位にする必要がある。二か所以上のスリット9があれば、外部導体2または内部導体3に蓋を付けて開閉することが可能になる。
このように構成したOpenCoax8を用いてシミュレーションされた結果について説明する。このシミュレーションでは、スリット9の形状特性、外部導体2の材質特性、及びシールドカバーの有無に関するシミュレーションが実施されたので、以下で説明する。
まず、このシミュレーションで用いられた試験体(すなわち、OpenCoax8)は、以下に示すような構成が採用されている。具体的には、内部導体3の形状については、内部導体3の直径=20mm、内部導体3の長さ=100mmに設定されている。また、外部導体2の形状については、外部導体2の直径=46mm、外部導体2の長さ=100mm、外部導体2の厚さ=3mmに設定されている。また、内部導体3の材質はアルミニウムに設定され、絶縁体の材質は空気に設定されている。そして、このような試験体に対して、周波数が1MHz(又は10MHz)であり、且つ電力が100Wである電磁波を入射することにより、特性インピーダンス、S21特性(いわゆる伝播特性)、及び放射電界強度(開口部(すなわち、スリット9)の前方50cmでの放射電界強度)が測定された。
次に、スリット9の形状特性に関するシミュレーションの結果について説明する。表1は、スリット9の形状特性に関するシミュレーションの結果を示す表である。表1においては、スリット9の開き角度を12.4度から120.8度まで変化させた試験体の特性インピーダンス、S21特性、及び放射電界強度が示されている。ここで、「スリット9の開き角度」とは、OpenCoax8の断面のうち当該OpenCoax8の長手方向に略直交する同一断面において、少なくとも1つ以上のスリット9の各々における外部導体2側の端部の一方と内部導体3の長手方向の中心軸とを結ぶ第1の直線と、当該少なくとも1つ以上のスリット9の各々における外部導体2側の端部の他方と内部導体3の長手方向の中心軸とを結ぶ第2の直線とによって形成される内角度の合計値を意味する。なお、外部導体2の材質はアルミニウムに設定されている(後述する表3の外部導体2の材質についても同様とする)。
次に、外部導体2の材質特性に関するシミュレーションの結果について説明する。表2は、外部導体2の材質特性に関するシミュレーションの結果を示す表である。表2においては、外部導体2の材質を、アルミニウムのみ、鉄のみ、及び、鉄とアルミニウムを組み合わせたもの(具体的には、アルミニウムを鉄よりも内部導体3側に配置している)とした試験体の特性インピーダンス、S21特性、及び放射電界強度が示されている。なお、このシミュレーションにおけるスリット9の開き角度=51.6度に設定されている(後述する表3のスリット9の開き角度についても同様とする)。また、鉄とアルミニウムを組み合わせた試験体については、鉄の厚さ=2.9mm、アルミニウム=0.1mmに設定された試験体と、鉄の厚さ=2.5mm、アルミニウム=0.5mmに設定された試験体とが用いられた。
次に、スリット9を覆うためのシールドカバーの有無に関するシミュレーションの結果について説明する。表3は、シールドカバーの有無に関するシミュレーションの結果を示す表である。表3においては、シールドカバーを無しとした試験体、及びシールドカバーを有りとした試験体の特性インピーダンス、S21特性、及び放射電界強度が示されている。なお、シールドカバーが有りとした試験体については、シールドカバーが金属板にて形成されている。また、OpenCoax8の長手方向に略直交する同一断面において、シールドカバーと外部導体2との重複部分の長さが10mmに設定され、シールドカバーと外部導体2との相互間に50μmの隙間が設けられている。また、導電性の粘着剤でシールドカバーと外部導体2とを固定しない試験体と、導電性の粘着剤でシールドカバーと外部導体2とを固定した試験体とが用いられた。
次に、給電通信構造のコンセプトについて説明する。本実施の形態に係る給電通信構造としてのOpenCoax8は、同軸線路1又は誘電体被覆導線をベースとして、接触給電、非接触給電、電波通信、及び光通信を可能とし、ソフトウェア、プロトコル、IP(Internet Protocol)等に裏打ちされたネットワーク環境を提案するものである。本実施の形態では、特に物理層について提案するものとし、その概要を表4に示す。なお、周波数や電力は一つの目安であり、これに限定されるものではない。また、下記に示す必要要件は、OpenCoax8が充足することが好ましい要件であるが、必ずしも全ての要件を充足する必要はない。
同軸線路1又は誘電体被覆導線を用いて直流給電を行うためには、内部導体3と外部導体2とが相互に接触することを防止することにより、直流がショートすることを防止する必要がある。このため、OpenCoax8は、その長手方向の端部を含む各位置において、内部導体3と外部導体2とは絶縁部である伝播空間4を介して相互に絶縁されて、相互に非接触とする必要がある。
次に、給電通信用伝送路の構成について説明する。給電通信用伝送路の構成については、単数の同軸線路1又は誘電体被覆導線を備える構造(以下、「単層構造」と称する)と、複数の同軸線路1又は誘電体被覆導線を備える構成(以下、「複層構造」と称する)とに大別される。以下、これら単層構造と複層構造とについて説明する。
まず、単層構造の給電通信用伝送路の構成について説明する。図3、図4は、単層構造のOpenCoaxを長手方向に直交する面で切った断面図である。図3に示すように、単層構造のOpenCoaxには、以下に示す構成が採用される。
次に、複層構造の給電通信用伝送路の構成について説明する。図8、図9は、複層構造のOpenCoaxを長手方向に直交する面で切った断面図である。図8、図9に示すように、複層構造のOpenCoaxには、以下に示す構成が採用される。
次に、給電通信構造により非接触給電を行うための構成について説明する。図10は、非接触給電を行うための給電通信構造を構成するOpenCoaxを長手方向に直交する面で切った断面図であり、図10(a)は、非接触給電を行うための給電通信構造を構成するOpenCoaxを長手方向に直交する面で切った断面図、図10(b)は、図10(a)のOpenCoaxに給電通信用接続体である電界結合型受電カード45を挿入した状態の断面図である。
次に、給電通信構造により接触給電を行うための構成について説明する。上述したように、給電通信構造の給電方法としては、非接触方法のみだけでなく、OpenCoax8に給電通信用接続体であるプローブを取り付ける等することで接触給電を行うことも可能である。これにより、直流の入出力、非接触給電用のMF帯高周波の入出力、及び電波通信用のUHF帯高周波の入出力を行うことも可能になる。ここで、この接触給電を行うための構成については、プローブを所定位置に固定する固定式と、プローブを任意の位置に移動可能とするスライド式とに大別される。以下、これら固定式とスライド式とについて説明する。
まず、固定式の給電通信構造の構成について説明する。図12、図13は、固定式の給電通信構造の長手方向に直交する面で切った断面図である。図12、図13に示すように、固定式の給電通信構造には、以下に示す構成が採用される。
次に、スライド式の給電通信構造の構成について説明する。図15は、スライド式の給電通信構造の概要を示す図である。図16は、電界結合用ピン24等の接触状態を示す図である。図17は、スライド式の給電通信構造の斜視図である。図18、図19は、コネクタ及びOpenCoaxの一部の断面図である。図15から図19に示すように、スライド式の給電通信構造には、以下に示す構成が採用される。
次に、給電通信構造により通信を行うための構成について説明する。通信(電波)は、OpenCoaxに接続される多くの受電部53との通信および制御を行うために有用である。しかしながら、通信は、電磁波放射を低減するとともに、VSWR(電圧定在波比)を低く抑えて、S/Nを改善した環境で行うことが好ましい。このような目的で、以下の構成が採用される。
次に、給電通信用伝送路を連接するための構成について説明する。給電通信用伝送路を連接するための構成としては、1)外部導体接合部で特性インピーダンスの連続性が得られること(非接触電力供給及び通信信号)、2)低コストかつ簡易敷設が可能なこと、3)安定したシステムであること、4)電磁波放射が無いこと、5)コネクタが確実にケーブルに固定できること、6)直流送電が可能なことが望ましい。この目的が達成されるためには、以下に示す連接構成が検討された。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、上述の内容に限定されるものではなく、発明の実施環境や構成の細部に応じて異なる可能性があり、上述した課題の一部のみを解決したり、上述した効果の一部のみを奏することがある。従来の伝送路よりも、給電通信用接続体の取り付けが容易にできない場合であっても、本願発明の手段が従来の伝送路の手段と異なっている場合には、本願発明の課題が解決されている。
上記説明では、給電通信構造を、公知の同軸線路又は公知の誘電体被覆導線を用いた構造を基本に展開したものとして説明したが、上記特記した部分以外においても、公知の同軸線路又は公知の誘電体被覆導線の構成をそのまま受け継ぐことなく任意に変更することができ、外部導体2、内部導体3、あるいは伝播空間4の形状や材質について、公知の同軸線路又は公知の誘電体被覆導線とは異なる形状や材質としてもよい。また、上記説明した各種の給電通信構造の構成のうち、一部を省略してもよく、例えば、接触給電、非接触給電、電波通信、光通信のうち、任意の一部の機能のみが必要な場合には、他の機能のみに必要な構成を省略してもよい。つまり、給電通信構造は、給電機能のみが必要な場合には通信機能を省略した給電構造として構成することができ、通信機能のみが必要な場合には給電機能を省略した通信構造として構成することができる。
実施の形態や図面において例示した構成要素に関して、形状、数値、又は複数の構成要素の構造若しくは時系列の相互関係については、本発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。
2 外部導体、トレンチ
3 内部導体
4 伝播空間、誘電体、絶縁体
5 電界
6 磁界
7 電流
8 スリット付同軸線路、OpenCoax
9 スリット、スリット開口部、導電性ゲート
10 内部導体平坦部
11 金属平板
12 強磁性金属板
13 非磁性金属板
14 バルク導体
15 固定基板
16 結束バンド(導電体)
17 分割外部導体
18 カバー
19 装置実装空間
20 回転シャフト
21 押圧力
22、22a ニードルピン
22b ニードルピン絶縁外皮
23、23a ネジ式ピン
23b ネジ式ピン絶縁外皮
23c 溶接式ピン
23d 溶接式ピン絶縁外皮
24 電界結合用ピン
25 コネクタ
26 絶縁層付内部導体
27 絶縁層付外部導体
28 固定ネジ
29 コネクタ底部電極
30 反力
31 弾性誘電体
32 直流電源
33 制御装置
34 電流計
35 トランシーバ
36 ヒューズ
37 チョークコイル
38 HPF(高域透過フィルタ)
39 負荷
40 インバータ
41 整流・平滑回路
42 共振回路
43 導電性粘着層付メタルテープ
44 シールド板
45 電界結合型受電カード
46 受電電極(カード下面)
47 受電電極(カード上面)
48 直列共振用インダクタ
49 並列共振回路
50 カードに加わる力
51 カードストッパ
52 送電部
53 受電部
54 並列共振
55 直列共振
56 トランス
57 シールドベルト
58 金属スプリング
59 溶接部
60 流線型コネクタ外部導体
61 シールドベルト固定部
62 端部シールド面
63 高周波帯吸収部
64 スライド体ボディ部
65 位置固定ボール
66 ローラー
67 支持柱
68 吊り下げ物
69 ガイドレール
70a 被覆なし同軸線路
70b 被覆付同軸線路
71 同軸線路外部導体
72 同軸線路内部導体
73 同軸線路被覆
74 誘電体被覆導線
75 導線
76 誘電体被覆
77 接合部
78 接合ピン
79 高周波用接合ピン
80 スリット付外部導体
81 直流送電・通信線路
82 コーキング材
83 ヒートシンク
84 コンバータ
85 DC/DC変換器
86 結合容量
Claims (4)
- 長尺状に形成された内部導体と、
長尺状に形成されたものであって、前記内部導体の外部において、当該内部導体に対して同心状に配置された外部導体であって、当該外部導体を構成する各導体が同一電位に保持された外部導体と、
前記内部導体と前記外部導体との相互間に配置されたものであって、これら内部導体と外部導体とを相互に絶縁する絶縁体とを備える給電通信用伝送路であって、
当該給電通信用伝送路に対して取り付けられる給電通信用接続体の少なくとも一部を前記外部導体の外部から前記内部導体に至るように挿通させるための長尺方向に略直線状かつ同一幅のスリットを、
前記外部導体に少なくとも1つ以上形成し、
当該給電通信用伝送路の断面のうち当該給電通信用伝送路の長手方向に略直交する同一断面において、前記少なくとも1つ以上のスリットの各々における前記外部導体側の端部の一方と前記内部導体の長手方向の中心軸とを結ぶ第1の直線と、当該少なくとも1つ以上のスリットの各々における前記外部導体側の端部の他方と前記内部導体の長手方向の中心軸とを結ぶ第2の直線とによって形成される内角度の合計値が100度以下となるように、前記スリットの形状を設定した、
給電通信用伝送路。 - 前記外部導体を金属板にて形成し、
前記外部導体の断面のうち当該外部導体の長手方向に略直交する断面の断面形状を略凸状、略凹状、又は略凹凸状にすることにより、前記少なくとも1つ以上のスリットを前記外部導体に形成した、
請求項1に記載の給電通信用伝送路。 - 前記外部導体をバルク金属体にて形成し、
前記外部導体の側面のうち当該外部導体の長手方向に略沿った側面に少なくとも1つ以上の凹部を設けることにより、前記少なくとも1つ以上のスリットを前記外部導体に形成した、
請求項1又は2に記載の給電通信用伝送路。 - 前記外部導体を強磁性体にて形成し、
前記外部導体と前記絶縁体との相互間に、非磁性導体を設け、
前記非磁性導体の厚さを、当該非磁性導体のスキンデブスよりも厚くした、
請求項1から3のいずれか一項に記載の給電通信用伝送路。
Priority Applications (1)
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