JP6833352B2 - 無線通信装置及び機器 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で双方向通信を行う無線通信装置、及び無線通信装置を備えた機器に関する。

ロボットアームの関節などでは、関節を駆動するために、固定体と回転体との間で双方向通信を行う必要がある。固定体と回転体との間の通信には、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、メンテナンス性の観点で非接触通信が有利であることが知られている。非接触通信の方式には、静電容量を介する電界結合方式、電磁誘導を介する磁界結合方式、発光素子と受光素子間で光を介して伝送する光結合方式等が存在するが、光結合方式では、直流成分まで伝送できる、電磁干渉しにくいといった特徴がある。特許文献１には、回転体に発光素子を配置し、静止体に発光素子を配置した光結合方式について記載されている。

特公平３−１６０５０号公報

しかし、特許文献１に記載の構成では、発光素子が配置された回転体の回転角度に応じて受光素子で受光される光の強度が変化する。即ち、発光素子と受光素子とが対向している場合には、受光素子で受光される光の強度は最大であるが、発光素子が受光素子と対向している状態から回転体が１８０度回転すると、受光素子で受光される光の強度は最小となる。受光側では、光信号を電気信号に変換してデータの論理判別を行う。例えば、電気信号が論理判別レベルを上回っていれば論理１のデータ、下回っていれば論理０のデータと判別する。

ところが、受光素子で受光される光信号の減衰によりハイレベルの信号が論理判別レベルを下回ると、受信側で判別されるデータに誤りが生じてしまう。また、特許文献１には一方向通信の構成について記載されているが、双方向通信を可能にするには、更に、静止体に発光素子、回転体に受光素子を配置する必要がある。したがって、非接触で双方向通信を行う場合には、双方向通信のうちいずれの方向の通信においても受信側で判別されるデータに誤りが生じないようにしなければならない。

このような問題は、特許文献１に記載の光による無線通信だけに発生するものではなく、電波による無線通信、電界や磁界による無線通信等、あらゆる無線通信において発生し得る。

そこで、本発明は、非接触で双方向通信を行う際に、いずれの受信側においても無線信号の減衰により受信側において判別されるデータに誤りが生じるのを、簡単な構成で防止することを目的とする。

本発明の無線通信装置は、第１の部材に設けられた第１の送信部および第２の受信部と、第２の部材に設けられ、前記第１の送信部との相対距離が変化する第１の受信部と前記第２の受信部との相対距離が変化する第２の送信部と、を有する無線通信装置であって、前記第１の送信部は、送信対象である第１のデジタル信号にパイロット信号を重畳させた第１の電気信号を生成して、前記第１の電気信号に応じた強度の第１の無線信号を送信し、前記第１の受信部は、受信した前記第１の無線信号の強度に応じた第２の電気信号を生成して、前記第２の電気信号からパイロット信号成分を検出し、前記パイロット信号成分の減衰量が大きいほど前記第２の電気信号を大きく増幅し、前記第２の送信部は、前記減衰量が大きいほど、送信対象である第２のデジタル信号を大きく増幅させた第３の電気信号を生成して、前記第３の電気信号に応じた強度の第２の無線信号を送信し、前記第２の受信部は、受信した前記第２の無線信号の強度に応じた第４の電気信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、非接触で双方向通信を行う際に、いずれの受信側においても無線信号の減衰により受信側において判別されるデータに誤りが生じるのを、簡単な構成で防止することができる。

第１実施形態に係る機器の一例としてのロボット装置を示す斜視図である。 第１実施形態に係るバス通信システムを示す説明図である。 第１実施形態に係る双方向通信装置を示すブロック図である。 第１実施形態に係るロボットアームの回転関節に配置された駆動装置及び駆動装置の周辺部を示す斜視図である。 第１実施形態における発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。 （ａ）は、基準に対する軸部材の回転角度が０度の状態を示す説明図、（ｂ）は、基準に対する軸部材の回転角度が１８０度の状態を示す説明図である。 第１実施形態における軸部材の回転角度に対する各受光素子の受光強度の相対値を示すグラフである。 発光素子の発光強度を一定とした場合において、軸部材の回転角度に対する受光素子の受光強度の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は送信回路が信号制御装置から入力を受けたデジタル信号を示す波形図である。（ｂ）はパイロット信号重畳回路が生成したパイロット信号を示す波形図である。（ｃ）はデジタル信号にパイロット信号を重畳させて生成した電気信号を示す波形図である。 （ａ）は第２実施形態における発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。（ｂ）は発光素子と受光素子とが対向している状態を示す説明図である。 第３実施形態における発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。 （ａ）は発光素子と受光素子との２つペアのうち、一方のペアが対向している状態を示す説明図である。（ｂ）は発光素子と受光素子との２つペアのうち、他方のペアが対向している状態を示す説明図である。 第３実施形態における軸部材の回転角度に対する各受光素子の受光強度の相対値を示すグラフである。 第３実施形態に係る双方向通信装置を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る機器の一例としてのロボット装置を示す斜視図である。機器であるロボット装置１００は、ロボット２００と、ロボット２００を制御するロボット制御装置である電子制御装置３００_０と、を備えている。ロボット２００は、架台１５０に固定されている。ロボット２００は、垂直多関節のロボットアーム２０１と、ロボットアーム２０１の先端に取り付けられた、ロボット２００の手先であるエンドエフェクタとしてのロボットハンド２０２と、を有している。

ロボットアーム２０１は、関節Ｊ１〜Ｊ６で揺動又は回転可能に連結された複数のリンク２１０〜２１６を有している。第１実施形態では、ロボットアーム２０１は、揺動する４軸と回転する２軸の６軸の関節Ｊ１〜Ｊ６で構成されている。揺動する関節を揺動関節、回転する関節を回転関節という。ロボットアーム２０１では、関節Ｊ１，Ｊ６が回転関節、関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５が揺動関節である。関節Ｊ１では、リンク２１０に対してリンク２１１が相対的に正逆方向に３６０度以上の回転が可能であり、関節Ｊ６では、リンク２１５に対してリンク２１６が相対的に正逆方向に３６０度以上の回転が可能である。

ロボットアーム２０１の各関節Ｊ１〜Ｊ６には、関節を駆動する不図示の駆動装置と、駆動装置を制御する電子制御装置３００_１〜３００_６と、が設けられている。不図示の駆動装置は、モータや減速機を備えて構成される。これら電子制御装置３００_０〜３００_６がバス配線３１０で互いに通信可能に接続されて、バス通信システム３２０が構成されている。バス配線３１０は、ロボットアーム２０１の内部又は外部に這わせて設けられている。

電子制御装置３００_０は、各電子制御装置３００_１〜３００_６に、バス配線３１０を介して、モータの目標回転位置を示す位置指令値のデータ信号（デジタル信号）を出力する。各電子制御装置３００_１〜３００_６は、モータに取り付けられたロータリーエンコーダの検出値を取得し、検出値が入力した位置指令値に近づくようにモータの回転を制御する。また、各電子制御装置３００_１〜３００_６は、バス配線３１０を介して検出値のデータ信号（デジタル信号）を電子制御装置３００_０に出力する。

バス通信システム３２０では、大容量データを高速に通信するため、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）が採用されている。第１実施形態では、バス配線３１０に接続されるノードが電子制御装置３００_０〜３００_６である。電子制御装置３００_０〜３００_６は、バス配線３１０におけるデータ信号の通信を、差動信号により行う。

図２は、第１実施形態に係るバス通信システム３２０を示す説明図である。関節Ｊ１，Ｊ６においてリンクが自在に回転するように、図２に示すように、バス配線３１０を複数のバス配線３１０_１，３１０_２，３１０_３に物理的に分離している。そして、バス配線３１０_１とバス配線３１０_２との間、及びバス配線３１０_２とバス配線３１０_３との間には、無線（非接触）で近距離の双方向通信を行う双方向通信装置４００がそれぞれ配置されている。各双方向通信装置４００は、互いに無線通信を行う一対の信号伝送装置４０１，４０２を備えて構成されている。各双方向通信装置４００は、関節Ｊ１，Ｊ６に配置されている。

つまり、電子制御装置３００_０と電子制御装置３００_１，３００_２，３００_３，３００_４，３００_５，３００_６とは、各関節Ｊ１，Ｊ６に配置された双方向通信装置４００を介してデータ通信を行う。なお、各バス配線３１０_１〜３１０_３の両端には、終端抵抗３１５がそれぞれ設けられている。これにより、各バス配線３１０_１〜３１０_３の両端において信号の反射が防止され、バス配線の電圧の適正化が図られる。

図３は、第１実施形態に係る双方向通信装置を示すブロック図である。以下、関節Ｊ１と関節Ｊ６に配置された各双方向通信装置４００は、同一構成であるため、一方の関節Ｊ１に配置された双方向通信装置４００について説明する。なお、ロボットアーム２０１の全ての回転関節に双方向通信装置４００が配置されているが、少なくとも１つの回転関節に双方向通信装置４００が配置されている場合であってもよい。例えば、関節Ｊ１と関節Ｊ６のどちらか一方に双方向通信装置４００を配置し、他方はトグロ配線やスリップリングを用いた場合でもよい。双方向通信装置４００は、固定側であるリンク２１０に設けられた信号伝送装置４０１と、回転側であるリンク２１１に設けられた信号伝送装置４０２とを有する。

信号伝送装置４０１は、バス配線３１０_１に接続された信号制御装置４０５と、信号制御装置４０５に接続された送信部４１２及び受信部４２１と、送信部４１２に接続された発光素子４３２と、受信部４２１に接続された受光素子４４１と、を有する。信号伝送装置４０２は、バス配線３１０_２に接続された信号制御装置４０６と、信号制御装置４０６に接続された送信部４１１及び受信部４２２と、送信部４１１に接続された発光素子４３１と、受信部４２２に接続された受光素子４４２と、を有する。信号制御装置４０５，４０６は、いずれか一方または双方に、２つのバス配線３１０_１，３１０_２を接続するためのＣＡＮリピータ回路を含む。

第１実施形態では、発光素子４３１が第１の送信素子、受光素子４４１が第１の受信素子、発光素子４３２が第２の送信素子、受光素子４４２が第２の受信素子である。また、第１実施形態では、送信部４１１が第１の送信部、受信部４２１が第１の受信部、送信部４１２が第２の送信部、受信部４２２が第２の受信部である。

発光素子４３１，４３２は、ＬＥＤ、より具体的には赤外発光ダイオードである。なお、発光素子４３１，４３２は、これに限定されるものではなく、可視光発光ダイオードやレーザダイオードなどでもよい。第１実施形態では、発光素子４３１と発光素子４３２は、同じ波長の光を発するものであり、同じ規格のものとしている。受光素子４４１，４４２は、フォトダイオード、具体的にはＳｉＰＩＮフォトダイオードである。なお、受光素子４４１，４４２は、これに限定されるものではなく、可視光フォトダイオードなどでもよい。また受光素子４４１，４４２は、フォトトランジスタであってもよい。発光素子４３１，４３２のサイズは、３［ｍｍ］×１．５［ｍｍ］程度のものでよい。受光素子４４１，４４２のサイズは、５．５［ｍｍ］×４．８［ｍｍ］程度のものでよい。この場合、受光素子４４１，４４２の受光面は１辺が５［ｍｍ］程度である。

信号制御装置４０５は、バス配線３１０_１を介して電子制御装置３００_０からデータ信号である差動信号の入力を受けたとき、差動信号をシングルエンド信号に変換して送信部４１２に出力する。

送信部４１２は、信号制御装置４０５から入力を受けたシングルエンド信号に応じて、発光素子４３２の駆動する電気信号を発光素子４３２に供給する。発光素子４３２は、送信部４１２から供給された電気信号の強度（電圧）に応じた発光強度で発光する。これにより、発光素子４３２は、無線信号として光信号を送信する。

受光素子４４２は、無線信号としての光信号を受信（受光）する。受信部４２２は、受光素子４４２にて受光した光信号の強度に応じた電気信号を生成し、生成した電気信号（シングルエンド信号）を信号制御装置４０６に出力する。信号制御装置４０６は、受信部４２２から入力を受けた電気信号の論理判別を行い、判別結果に従って差動信号を生成して、バス配線３１０_２に出力する。

一方、信号制御装置４０６は、バス配線３１０_２を介して電子制御装置３００_１〜３００_６からデータ信号である差動信号の入力を受けたとき、差動信号をシングルエンド信号に変換して送信部４１１に出力する。

送信部４１１は、信号制御装置４０６から入力を受けたシングルエンド信号に応じて、発光素子４３１の駆動する電気信号を発光素子４３１に供給する。発光素子４３１は、送信部４１１から供給された電気信号の強度（電圧）に応じた発光強度で発光する。これにより、発光素子４３１は、無線信号として光信号を送信する。

受光素子４４１は、無線信号としての光信号を受信（受光）する。受信部４２１は、受光素子４４１にて受光した光信号の強度に応じた電気信号を生成し、生成した電気信号（シングルエンド信号）を信号制御装置４０５に出力する。信号制御装置４０５は、受信部４２１から入力を受けた電気信号の論理判別を行い、判別結果に従って差動信号を生成して、バス配線３１０_１に出力する。

このように双方向通信装置４００は、非接触で双方向通信を行う。ここで、発光素子４３１，４３２及び受光素子４４１，４４２の配置について説明する。図４は、第１実施形態に係るロボットアームの回転関節である関節Ｊ１に配置された駆動装置及び駆動装置の周辺部を示す斜視図である。なお、回転関節である関節Ｊ６についても同様の構成であるため、説明を省略する。

関節Ｊ１に配置された駆動装置２５０は、一対のリンク２１０，２１１のうち、一方のリンク２１０に対して他方のリンク２１１を回転駆動するものであり、モータ（及び減速機）を有して構成されている。

駆動装置２５０の固定子は、リンク２１０及びリンク２１１のうちの一方、例えばリンク２１０（図１）に固定されている。駆動装置２５０の固定子が固定されたリンク２１０には、第１の部材である円筒部材４５１が固定して取り付けられている。

駆動装置２５０の回転子から延びる回転シャフト２５１には、第２の部材である軸部材４５２が固定して取り付けられている。軸部材４５２は、円筒部材４５１と同軸に円筒部材４５１の内側に配置され、円筒部材４５１に対して円筒部材４５１の中心軸Ｃ１を中心に相対的に回転する。軸部材４５２は、リンク２１０及びリンク２１１のうちの他方、例えばリンク２１１に固定されている。これにより、駆動装置２５０の駆動力がリンク２１１に伝達され、リンク２１１がリンク２１０に対して回転する。

図５は、発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。図５は、図４に示す構造をＺ方向から見た図である。

信号伝送装置４０２の発光素子４３１及び受光素子４４２は、円筒部材４５１及び軸部材４５２のうちの一方、第１実施形態では軸部材４５２に配置されている。信号伝送装置４０１の発光素子４３２及び受光素子４４１は、円筒部材４５１及び軸部材４５２のうちの他方、第１実施形態では円筒部材４５１に配置されている。より具体的には、発光素子４３１及び受光素子４４２は、軸部材４５２の外周面に固定され、発光素子４３２及び受光素子４４１は、円筒部材４５１の内周面に固定されている。よって、発光素子４３１と受光素子４４２は、軸部材４５２と共に中心軸Ｃ１を中心とする円周方向Ｒ０に回転する。

円周方向Ｒ０は、図５中、時計回りの方向Ｒ１と、反時計回りの方向Ｒ２との二方向あり、軸部材４５２は、駆動装置２５０（図４）により、時計回りの方向Ｒ１と反時計回りの方向Ｒ２の二方向のうちいずれか一方向に選択的に回転駆動される。

軸部材４５２に配置された発光素子４３１の送信相手は、円筒部材４５１に配置された受光素子４４１である。円筒部材４５１に配置された発光素子４３２の送信相手は、軸部材４５２に配置された受光素子４４２である。また、これにより、非接触で通信が行われる。

軸部材４５２は、例えば直径２０［ｍｍ］、長さ１４［ｍｍ］、肉厚２［ｍｍ］の白色樹脂を用いた中空の円筒部材である。円筒部材４５１は、例えば直径６４［ｍｍ］、長さ１４［ｍｍ］、肉厚２［ｍｍ］の白色樹脂を用いた中空の円筒部材である。円筒部材４５１の内周面及び軸部材４５２の外周面は、光が反射する反射面となっている。軸部材４５２の内側には、発光素子４３１や受光素子４４２へ接続された配線が配置されている。

円筒部材４５１のＺ方向の両端部には、図４に示すように、白色樹脂の蓋部材４５３，４５４が配置されている。蓋部材４５３，４５４は光を閉じ込め、拡散による光減衰を低減する役目があり、蓋部材４５３，４５４がない場合と比べ、後述する増幅補正のダイナミックレンジを狭くすることができる。蓋部材４５３，４５４には、軸部材４５２が配置された中心部に直径２０［ｍｍ］の穴が形成されている。

蓋部材４５３の穴は、駆動装置２５０の回転シャフト２５１が貫通するものである。蓋部材４５４の穴は、発光素子４３１や受光素子４４２に接続された配線を引き出すために用いる。軸部材４５２を中空とせずに、軸部材４５２の表面を伝って配線を引き出してもよいが、配線の分だけ軸部材４５２と円筒部材４５１との間に隙間が必要となり、隙間から漏れる光による減衰が起こる。軸部材４５２を中空とすることで隙間からの漏れを低減することができる。

発光素子４３１、発光素子４３２、受光素子４４１及び受光素子４４２は、無線伝送路となる同一の空間に配置されており、省スペース化が図られている。これにより、ロボットアーム２０１の小型化を実現することができ、また、軽量化を図ることができるので、ロボットアーム２０１の制御性が向上する。

第１実施形態では、発光素子４３１、発光素子４３２、受光素子４４１及び受光素子４４２は、中心軸Ｃ１の延びるＺ方向において同一位置に配置されている。

図５に示すように、軸部材４５２において、発光素子４３１と受光素子４４２とが重ならないように、発光素子４３１と受光素子４４２とが円周方向Ｒ０において異なる位置に配置されている。同様に、円筒部材４５１において、発光素子４３２と受光素子４４１とが重ならないように、発光素子４３２と受光素子４４１とが円周方向Ｒ０において異なる位置に配置されている。

ここで、Ｚ方向から見て、中心軸Ｃ１から発光素子４３１の中心に延びる直線Ｌ１と中心軸Ｃ１から受光素子４４２の中心に延びる直線Ｌ２との成す角の角度（第１の角度）を角度θ１とする。また、Ｚ方向から見て、中心軸Ｃ１から発光素子４３２の中心に延びる直線Ｌ３と中心軸Ｃ１から受光素子４４１の中心に延びる直線Ｌ４との成す角の角度（第２の角度）を角度θ２とする。

発光素子４３１，４３２及び受光素子４４１，４４２は、Ｚ方向から見て、角度θ１と角度θ２とが等しくなる位置に配置されている。第１実施形態では、角度θ１，θ２は、１８０度である。このように、軸部材４５２に固定された発光素子４３１と受光素子４４２との位置関係と、円筒部材４５１に固定された発光素子４３２と受光素子４４１との位置関係とが１８０度で対称となっている。

図６（ａ）は、発光素子と受光素子とが対向している状態を基準とし、基準に対する軸部材の回転角度が０度の状態を示す説明図、図６（ｂ）は、基準に対する軸部材の回転角度が１８０度の状態を示す説明図である。

円筒部材４５１側の信号伝送装置４０１から軸部材４５２側の信号伝送装置４０２への通信を上り通信とし、発光素子４３２から受光素子４４２への上り通信の光路をＰ_Ｕで表す。また、軸部材４５２側の信号伝送装置４０２から円筒部材４５１側の信号伝送装置４０１への通信を下り通信とし、発光素子４３１から受光素子４４１への下り通信の光路をＰ_Ｄで表す。

図６（ａ）に示すように、軸部材４５２の回転角度が０度のとき、発光素子４３１と受光素子４４１、発光素子４３２と受光素子４４２が、それぞれ対向している。よって、発光素子４３１と受光素子４４１、発光素子４３２と受光素子４４２が最も近接しており、光路Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｄが最も短く、上り通信、下り通信の双方とも光の減衰量が最も小さく、受光素子４４１，４４２にて受光される受光強度が最も高い。

一方、図６（ｂ）に示すように、軸部材４５２の回転角度が１８０度のとき、発光素子４３１と受光素子４４１、発光素子４３２と受光素子４４２が、それぞれ反対側を向いている。よって、光路Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｄが最も長く、上り通信、下り通信の双方とも光の減衰量が最も大きく、受光素子４４１，４４２にて受光される受光強度が最も低い。

図７は、第１実施形態における軸部材４５２の回転角度に対する各受光素子４４１，４４２の受光強度の相対値を示すグラフである。図７において、受光素子４４２（上り通信）の受光強度を実線で示し、受光素子４４１（下り通信）の受光強度を破線で示す。軸部材４５２側の発光素子４３１と受光素子４４２との位置関係と、円筒部材４５１側の発光素子４３２と受光素子４４１との位置関係とが対称となっている。即ち角度θ１と角度θ２とが１８０度で等しい。このため、図７に示すように、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４１の受光強度の変化と、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４２の受光強度の変化が等しい。

角度θ１，θ２を１８０度とすることで、発光素子４３１から受光素子４４２に伝わる光の強度が最も低くなり、発光素子４３２から受光素子４４１に伝わる光の強度が最も低くなる。また、受光素子４４２の受光感度は、発光素子４３２が発した光を受光する強度に対して、妨害光となる発光素子４３１が発した光を受光する強度の比と相関がある。同様に、受光素子４４１の受光感度は、発光素子４３１が発した光を受光する強度に対して、妨害光となる発光素子４３２が発した光を受光する強度の比と相関がある。よって、角度θ１，θ２を１８０度とすることで、各受光素子４４１，４４２の受光感度が最も高くなる。

図８は、発光素子４３２の発光強度を一定とした場合において、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４２の受光強度の測定結果を示すグラフである。図８において、横軸が軸部材４５２の回転角度、縦軸が受光素子４４２の相対受光強度である。発光素子４３１と受光素子４４１とが対向して最も近接する０度のときに対し、最も遠くなる１８０度では受光強度が２０［ｄＢ］低下している。角度θ１，θ２が共に１８０度であるので、受光素子４４２においても受光素子４４１と同じ受光強度となる。

第１実施形態では、図３に示すように、送信部４１１は、送信回路５０１と、パイロット信号重畳回路５０２と、を有して構成される。送信部４１２は、送信回路５１１と、増幅量調整回路５１２と、を有して構成される。受信部４２１は、受信回路５２１と、パイロット信号検出回路５２２と、増幅量調整回路５２３と、を有して構成される。受信部４２２は、受信回路５３１で構成される。

まず、下り通信について説明する。送信回路５０１は、信号制御装置４０６から送信対象であるローレベル又はハイレベルの第１のデジタル信号（シングルエンド信号）である電気信号の入力を受ける。

パイロット信号重畳回路５０２は、入力を受けた電気信号とは異なる周波数帯域のパイロット信号（例えば所定周波数の正弦波）を生成する。このパイロット信号の振幅は一定とする。送信回路５０１は、デジタル信号にパイロット信号を重畳させた電気信号を生成する。

図９（ａ）は、送信回路５０１が信号制御装置４０６から入力を受けたデジタル信号を示す波形図である。図９（ｂ）は、パイロット信号重畳回路５０２が生成したパイロット信号を示す波形図である。図９（ｃ）は、デジタル信号にパイロット信号を重畳させて生成した電気信号を示す波形図である。

図９（ａ）に示すように、送信回路５０１が入力する信号は、第１のデジタル信号であるデジタル信号Ｓ１であり、ハイレベルの電圧が例えば０．４［Ｖ］、ローレベルの電圧が例えば０である。パイロット信号重畳回路５０２は、図９（ｂ）に示すように、デジタル信号Ｓ１のハイレベルの電圧よりも低い電圧の振幅、例えば０．０５［Ｖ］の振幅のパイロット信号ＳＰを生成する。

図９（ｃ）に示すように、送信回路５０１は、デジタル信号Ｓ１にパイロット信号ＳＰを重畳させた電気信号ＳＴ１を生成して発光素子４３１に出力（印加）する。ここで、第１実施形態では、デジタル信号Ｓ１がローレベルの状態であっても発光素子４３１を発光させるために、バイアスした電気信号ＳＴ１を発光素子４３１に出力（印加）する。例えば、１．１［Ｖ］バイアスする。ハイレベルとローレベルとの中間電圧は、１．３［Ｖ］である。なお、送信回路５０１がデジタル信号Ｓ１をバイアスするものとしたが、信号制御装置４０６が行ってもよい。

発光素子４３１は、送信部４１１にて生成された電気信号ＳＴ１に応じた強度の光信号（無線信号）を受光素子４４１に送信する。つまり、発光素子４３１は、送信部４１１にて生成された電気信号ＳＴ１の強度（電圧）に応じた強度で発光する。発光素子４３１から出射された光は、軸部材４５２と円筒部材４５１との間の空間を伝搬し、受光素子４４１に到達する。受光素子４４１は、発光素子から送信された光信号（無線信号）を受光（受信）する。

受信回路５２１は、受光素子４４１にて受光（受信）された光（無線信号）の強度に応じた電気信号を生成する。この電気信号には、デジタル信号成分と、パイロット信号成分とが含まれている。そして、パイロット信号成分は、デジタル信号成分と同様、軸部材４５２の回転角度に応じて減衰する。

パイロット信号検出回路５２２は、フィルター回路で構成され、受信回路５２１から出力された電気信号からパイロット信号成分を検出し、その検出結果であるパイロット信号成分の強度を増幅量調整回路５２３へ出力する。第１実施形態では、電気信号（パイロット信号成分も含む）の強度とは、電圧のことである。

増幅量調整回路５２３は、パイロット信号成分の強度と、予め定めた基準強度（基準電圧）とを比較し、基準強度に対するパイロット信号成分の強度の減衰量に応じて、受信回路５２１が入力を受けた電気信号の強度を増幅する。具体的には、増幅量調整回路５２３は、減衰量を相殺するように、減衰量が大きいほど大きい増幅量で電気信号の強度を増幅する。このように、パイロット信号成分の減衰量の分だけ受信回路５２１で得られた電気信号の受信強度を増幅する。これにより、軸部材４５２の回転角度に応じて光強度の減衰量が変化しても、受信部４２１の受信回路５２１からはハイレベルとローレベルが安定した電気信号が出力される。増幅された電気信号は、信号制御装置４０５に出力され、信号制御装置４０５にて論理判別が行われる。これにより、信号制御装置４０５にて判別されるデータ（論理０，１）に誤りが生じるのを防止することができる。なお、信号制御装置４０５の論理判別に支障がなければ、受信部４２１から出力される電気信号にパイロット信号成分が重畳されていてもよい。よって、第１実施形態では、パイロット信号成分を分離する分離回路を受信回路５２１の後段に配置する必要がない。

次に、上り通信について説明する。送信回路５１１は、信号制御装置４０５から送信対象であるローレベル又はハイレベルの第２のデジタル信号（シングルエンド信号）である電気信号の入力を受ける。

第１実施形態では、パイロット信号検出回路５２２は、パイロット信号成分の強度を送信部４１２の増幅量調整回路５１２へ出力する。増幅量調整回路５１２は、パイロット信号成分の強度と予め定めた基準強度と比較し、基準強度に対するパイロット信号成分の強度の減衰量に応じて、送信回路５１１が入力したデジタル信号の強度を増幅する。具体的には、増幅量調整回路５１２は、減衰量を相殺するように、減衰量が大きいほど大きい増幅量で電気信号の強度を増幅する。

つまり、角度θ１，θ２が共に１８０度であるため、発光素子４３２から送信され受光素子４４２にて受信される光は、発光素子４３１から送信され受光素子４４１にて受信される光と同様の減衰傾向にある。よって、ある瞬間において、下り通信における光信号の減衰量と上り通信における光信号の減衰量は等しい。したがって、第１実施形態では、下り通信において受信部４２１で電気信号を増幅したのと同様に、上り通信において送信部４１２で電気信号を増幅する。このように増幅により生成された電気信号は、発光素子４３２へ出力（印加）される。

発光素子４３２は、送信部４１２にて生成された電気信号に応じた強度の光信号（無線信号）を受光素子４４２に送信する。つまり、発光素子４３２は、送信部４１２にて生成された電気信号の強度（電圧）に応じた強度で発光する。発光素子４３２から出射された光は、軸部材４５２と円筒部材４５１との間の空間を伝搬し、受光素子４４２に到達する。受光素子４４２は、発光素子から送信された光信号（無線信号）を受光（受信）する。

受信回路５３１は、受光素子４４２にて受光（受信）された光（無線信号）の強度に応じた電気信号を生成する。

受光素子４４２で受光した光信号は、空間を伝搬した際の減衰を受けているが、送信部４１２で増幅をしているため、その減衰が相殺されている。したがって、軸部材４５２の回転に伴う光の減衰の影響を受けずに受光素子４４２にて安定した強度の光信号が受信される。これにより、軸部材４５２の回転角度に応じて光強度の減衰量が変化しても、受信部４２２の受信回路５３１からはハイレベルとローレベルが安定した電気信号が信号制御装置４０６に出力される。これにより、信号制御装置４０６にて判別されるデータ（論理０，１）に誤りが生じるのを防止することができる。

以上、第１実施形態によれば、軸部材４５２の回転により光信号が減衰を受けても、安定した双方向通信が可能となる。また、第１実施形態によれば、上り通信では、下り通信におけるパイロット信号の検出結果を用いて信号を増幅しているため、下り通信と同様のパイロット信号重畳回路及びパイロット信号検出回路を必要としない。即ち、送信部４１２では、パイロット信号重畳回路を省略することができ、受信部４２２では、パイロット信号検出回路を省略することができる。このような簡単な構成で双方向通信においてデータが誤って判別されるのを防止することができる。

なお、第１実施形態では、下り通信においてパイロット信号の送受信を行う場合について説明したが、これに限定するものではなく、上り通信においてパイロット信号の送受信を行ってもよい。この場合は、下り通信を行う送信部４１１及び受信部４２１においてパイロット信号重畳回路及びパイロット信号検出回路を省略することができる。しかし、回転側にパイロット信号検出回路と２つの増幅量調整回路が必要となり、回転側の回路実装面積や回路の消費電力が大きくなる。一般にロボットアーム２０１の回転関節のような、回転側の方がサイズや電力に制約があるため、下り通信においてパイロット信号の送受信を行う方が有効である。

また、例えば固定側の受光素子において、固定側の発光素子がローを送信した場合の受光強度が、回転側の発光素子がハイを送信した場合の受光強度を上回るような場合は、固定側の受光素子におけるロー／ハイ判別がしにくくなる場合がある。固定側の発光素子と固定側の受光素子を１８０度の位置に配置したことにより、固定側の発光素子の光を固定側の受光素子で受光しやすいため、上記の問題が起こりやすいが、回転側の受光素子は回転側の発光素子の光を受けにくい。よって、上記の問題を回避するためには、回転側の発光素子４３１にパイロット信号を重畳させるようにし、固定側の発光素子４３２がローのときは、固定側の発光素子４３２を光らないようにすればよい。以上のことからも、第１実施形態の構成が有効である。

また、発光素子と受光素子との位置関係を角度θ１，θ２で表現し、それぞれの角度θ１，θ２を１８０度とした場合について説明したが、角度θ１，θ２は、受光強度の変化が０〜−６［ｄＢ］の範囲内で１８０度に対して誤差があってもよい。例えば受光素子４４１，４４２の受光面の１辺が５［ｍｍ］、軸部材４５２と円筒部材４５１の間の径方向の間隔が２０［ｍｍ］の場合、角度θ１，θ２は、減衰量が−６［ｄＢ］未満となる１７３度〜１８７度の範囲であればよい。なお、角度θ１，θ２のずれ量が分かっていれば、その分だけ増幅量を調整してもよい。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る双方向通信装置について説明する。図１０（ａ）は、第２実施形態における発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。第２実施形態の双方向通信装置では、発光素子４３１と受光素子４４２との配置関係、及び発光素子４３２と受光素子４４２との配置関係が第１実施形態と異なる。

具体的には、第１実施形態では、角度θ１，θ２が共に１８０度の場合について説明したが、第２実施形態では、角度θ１，θ２が共に９０度である。そして、第２実施形態では、円周方向Ｒ０の二方向Ｒ１，Ｒ２について、発光素子４３１から受光素子４４２へ向かう方向Ｒ２と、発光素子４３２から受光素子４４１へ向かう方向Ｒ１とが反対である。

図１０（ｂ）は、発光素子と受光素子とが対向している状態を示す説明図である。第１実施形態と同様、発光素子４３１と受光素子４４１が対向しているとき、発光素子４３２と受光素子４４２も対向している。したがって、発光素子４３１と受光素子４４１、発光素子４３２と受光素子４４２が最も近接しており、光路Ｐ_Ｕ，Ｐ_Ｄが最も短い。よって、第１実施形態と同様、上り通信、下り通信の双方とも光の減衰量が最も小さく、受光素子４４１，４４２にて受光される受光強度が最も高い。

この状態から軸部材４５２が１８０度回転したとき、発光素子４３１と受光素子４４１、発光素子４３２と受光素子４４２が、それぞれ反対側を向くことになる。したがって、第１実施形態と同様、上り通信、下り通信の双方とも光の減衰量が最も大きく、受光素子４４１，４４２にて受光される受光強度が最も低い。

第１実施形態と同様、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４１の受光強度の変化と、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４２の受光強度の変化が等しく、図７に示すようになる。したがって、各送信部４１１，４１２及び各受信部４２１，４２２は、第１実施形態と同様の構成である（図３参照）。その際、受信部４２１は、パイロット信号成分の減衰量が大きいほど大きい増幅量で受信した電気信号の強度を増幅すればよく、送信部４１２は、パイロット信号成分の減衰量が大きいほど大きい増幅量で送信する電気信号の強度を増幅すればよい。以上、第２実施形態においても、第１実施形態と同様、軸部材４５２の回転角度によらず双方向通信を安定して行うことができる。

なお、発光素子と受光素子との位置関係を角度θ１，θ２で表現し、それぞれの角度θ１，θ２を９０度とした場合について説明したが、角度θ１，θ２は、受光強度の変化が０〜−６［ｄＢ］の範囲内で９０度に対して誤差があってもよい。

また、角度θ１，θ２は、９０度に限定するものではなく、０度よりも大きく１８０度よりも小さい角度であっても、同じ角度であれば同様の作用効果を奏する。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る双方向通信装置について説明する。図１１は、第３実施形態における発光素子及び受光素子の配置関係を示す説明図である。なお、第３実施形態において、第１，第２実施形態と同様の構成については説明を省略する。第３実施形態の双方向通信装置では、発光素子４３１と受光素子４４２との配置関係、及び発光素子４３２と受光素子４４２との配置関係が第１，第２実施形態と異なる。更に第３実施形態では、第２の送信部の機能が第１，第２実施形態と異なる。

即ち、第１実施形態では、角度θ１，θ２が共に１８０度の場合について説明したが、第３実施形態では、角度θ１，θ２が共に９０度である。そして、第３実施形態では、円周方向Ｒ０の二方向Ｒ１，Ｒ２について、発光素子４３１から受光素子４４２へ向かう方向Ｒ１と、発光素子４３２から受光素子４４１へ向かう方向Ｒ１とが同一である。

図１２（ａ）は、発光素子と受光素子との２つペアのうち、一方のペアが対向している状態を示す説明図である。図１２（ｂ）は、発光素子と受光素子との２つペアのうち、他方のペアが対向している状態を示す説明図である。即ち、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）の状態に対して軸部材４５２を１８０度回転させた状態を図示している。

図１２（ａ）に示すように、発光素子４３２と受光素子４４２とが対向しているとき、発光素子４３１と受光素子４４１とは向きが反対となっている。この場合、発光素子４３２と受光素子４４２とが最も近接しており、光路Ｐ_Ｕは最も短くなるが、光路Ｐ_Ｄは最も長くなる。したがって、上り通信における光の減衰量は最も小さいが、下り通信における光の減衰量は最も大きい。そのため、受光素子４４２にて受光される受光強度は最も高いが、受光素子４４１にて受光される受光強度は最も低い。

一方、図１２（ｂ）に示すように、発光素子４３１と受光素子４４１とが対向しているとき、発光素子４３２と受光素子４４２とは向きが反対となっている。この場合、発光素子４３１と受光素子４４１とが最も近接しており、光路Ｐ_Ｄは最も短くなるが、光路Ｐ_Ｕは最も長くなる。したがって、下り通信における光の減衰量は最も小さいが、上り通信における光の減衰量は最も大きい。そのため、受光素子４４１にて受光される受光強度は最も高いが、受光素子４４２にて受光される受光強度は最も低い。

図１３は、第３実施形態における軸部材４５２の回転角度に対する各受光素子４４１，４４２の受光強度の相対値を示すグラフである。図１３において、受光素子４４２（上り通信）の受光強度を実線で示し、受光素子４４１（下り通信）の受光強度を破線で示す。軸部材４５２側の発光素子４３１と受光素子４４２との位置関係と、円筒部材４５１側の発光素子４３２と受光素子４４１との位置関係とが対称となっている。即ち角度θ１と角度θ２とが９０度で等しい。しかし、発光素子４３１から受光素子４４２へ向かう方向Ｒ１と、発光素子４３２から受光素子４４１へ向かう方向Ｒ１とが同一である。このため、図１３に示すように、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４１の受光強度の変化（破線）と、軸部材４５２の回転角度に対する受光素子４４２の受光強度の変化（実線）との関係が逆、即ち破線と実線とが逆位相となっている。

図１４は、第３実施形態に係る双方向通信装置を示すブロック図である。双方向通信装置４００Ａは、固定側であるリンク２１０（図１）に設けられた信号伝送装置４０１Ａと、回転側であるリンク２１１（図１）に設けられた信号伝送装置４０２とを有する。信号伝送装置４０２については第１実施形態で説明した図３と同様の構成である。

信号伝送装置４０１Ａは、上述した発光素子４３２及び受光素子４４１と、第２の送信部である送信部４１２Ａと、第１実施形態と同様の受信部４２１及び信号制御装置４０５と、を有する。送信部４１２Ａは、送信回路５１１と、増幅量調整回路５１２と、反転回路５１３とを有する。即ち、第３実施形態の送信部４１２Ａは、第１実施形態で説明した送信部４１２の構成に反転回路５１３を追加したものである。

反転回路５１３は、パイロット信号検出回路５２２で検出したパイロット信号成分の強度を反転して増幅量調整回路５１２へ出力するものである。具体的には、反転回路５１３は、第１実施形態で説明した基準強度からパイロット信号成分の強度を差し引いた反転強度を増幅量調整回路５１２へ出力する。よって、増幅量調整回路５１２は、反転強度と基準強度とを比較し、反転強度に応じて送信回路５１１が入力したデジタル信号の強度を増幅する。このように、増幅量調整回路５１２は、基準強度に対するパイロット信号成分の強度の減衰量に応じて、増幅量調整回路５２３とは反転した増幅量で、デジタル信号の強度を増幅する。具体的には、増幅量調整回路５１２は、反転強度が大きいほど大きい増幅量で電気信号の強度を増幅する。換言すると、増幅量調整回路５１２は、パイロット信号成分の強度の減衰量が小さいほど大きい増幅量で送信回路５１１が信号制御装置４０５から入力を受けた電気信号の強度を増幅する。

このように、回転角度に対する受光強度の変化が上り通信、下り通信で反転していても、角度θ１，θ２が等しければ、第１実施形態と同様に、増幅補正が可能となる。

受光素子４４２では、下り通信の強度と反転した強度の光を受光することとなる。受光素子４４２で受光した光信号は、空間を伝搬した際の減衰を受けているが、送信部４１２Ａでは下り通信に対して反転した増幅量で増幅されるため、その減衰が相殺されている。したがって、軸部材４５２の回転に伴う光の減衰の影響を受けずに受光素子４４２にて安定した強度の光信号が受信される。これにより、軸部材４５２の回転角度に応じて光強度の減衰量が変化しても、受信部４２２の受信回路５３１からはハイレベルとローレベルが安定した電気信号が信号制御装置４０６に出力される。これにより、信号制御装置４０６にて判別されるデータ（論理０，１）に誤りが生じるのを防止することができる。

以上、第３実施形態によれば、軸部材４５２の回転により光信号が減衰を受けても、安定した双方向通信が可能となる。また、第３実施形態によれば、上り通信では、下り通信におけるパイロット信号の検出結果を用いて信号を増幅しているため、下り通信と同様のパイロット信号重畳回路及びパイロット信号検出回路を必要としない。即ち、送信部４１２Ａでは、パイロット信号重畳回路を省略することができ、受信部４２２では、パイロット信号検出回路を省略することができる。このような簡単な構成で双方向通信においてデータが誤って判別されるのを防止することができる。

なお、第３実施形態では、下り通信においてパイロット信号の送受信を行う場合について説明したが、これに限定するものではなく、上り通信においてパイロット信号の送受信を行ってもよい。

また、発光素子と受光素子との位置関係を角度θ１，θ２で表現し、それぞれの角度θ１，θ２を９０度とした場合について説明したが、角度θ１，θ２は、受光強度の変化が０〜−６［ｄＢ］の範囲内で９０度に対して誤差があってもよい。

また、角度θ１，θ２は、９０度に限定するものではなく、０度よりも大きく１８０度よりも小さい角度であっても、同じ角度であれば同様の作用効果を奏する。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されない。

上述の実施形態では、光通信を行う場合について説明したが、これに限定するものではない。光通信を行うのが好適であるが、電波による通信や、電界又は磁界による通信を行う場合であってもよい。例えば、送信素子及び受信素子がアンテナ等の共振部で構成され、送信部が変調回路、受信部が復調回路を有して構成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、双方向通信装置がロボットアームの回転関節に搭載されている場合について説明したが、これに限定するものではなく、ロボットハンド等のエンドエフェクタの回転部に双方向通信装置が搭載されていてもよい。また、回転関節に限らず、ロボットにおいて無線通信が必要となる部分に双方向通信装置を搭載してもよい。更に、双方向通信装置は、ロボット装置に限らず、バス通信において無線通信を行う必要がある機器全般に搭載することが可能である。

１００…ロボット装置（機器）、２０１…ロボットアーム、４００…双方向通信装置、４１１…送信部（第１の送信部）、４１２…送信部（第２の送信部）、４２１…受信部（第１の受信部）、４４２…受信部（第２の受信部）、４３１…発光素子（第１の送信素子）、４３２…発光素子（第２の送信素子）、４４１…受光素子（第１の受信素子）、４４２…受光素子（第２の受信素子）

Claims (15)

1. 第１の部材に設けられた第１の送信部および第２の受信部と、第２の部材に設けられ、前記第１の送信部との相対距離が変化する第１の受信部と前記第２の受信部との相対距離が変化する第２の送信部と、を有する無線通信装置であって、
   前記第１の送信部は、送信対象である第１のデジタル信号にパイロット信号を重畳させた第１の電気信号を生成して、前記第１の電気信号に応じた強度の第１の無線信号を送信し、
   前記第１の受信部は、受信した前記第１の無線信号の強度に応じた第２の電気信号を生成して、前記第２の電気信号からパイロット信号成分を検出し、
   前記パイロット信号成分の減衰量が大きいほど前記第２の電気信号を大きく増幅し、
   前記第２の送信部は、前記減衰量が大きいほど、送信対象である第２のデジタル信号を大きく増幅させた第３の電気信号を生成して、前記第３の電気信号に応じた強度の第２の無線信号を送信し、
   前記第２の受信部は、受信した前記第２の無線信号の強度に応じた第４の電気信号を生成することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第１の部材と前記第２の部材のいずれか一方の部材がシャフトに固定されており、他方の部材に対して相対的に回転する部材であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記第１の送信部が第１の送信素子を有し、前記第１の受信部が第１の受信素子を有しており、
   前記第１の送信素子と前記第１の受信素子とは、前記シャフトの回転軸の延びる方向において同じ面内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記第２の送信部が第２の送信素子を有し、前記第２の受信部が第２の受信素子を有しており、
   前記第２の送信素子と前記第２の受信素子とは、前記シャフトの回転軸の延びる方向において、前記第１の送信素子および前記第１の受信素子と同じ面内に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 前記第１の送信素子、前記第２の送信素子、前記第１の受信素子及び前記第２の受信素子は、前記回転軸の延びる方向から見て、前記回転軸から前記第１の送信素子に延びる直線と前記回転軸から前記第２の受信素子に延びる直線との成す角の第１の角度と、前記回転軸から前記第２の送信素子に延びる直線と前記回転軸から前記第１の受信素子に延びる直線との成す角の第２の角度とが等しくなる位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記第１の角度及び前記第２の角度が１８０度であることを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記シャフトの回転方向の二方向について、前記第１の送信素子から前記第２の受信素子へ向かう方向と、前記第２の送信素子から前記第１の受信素子へ向かう方向とが同一であることを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
8. 前記シャフトの回転方向の二方向について、前記第１の送信素子から前記第２の受信素子へ向かう方向と、前記第２の送信素子から前記第１の受信素子へ向かう方向とが反対であることを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
9. 前記第１の角度及び前記第２の角度が９０度であることを特徴とする請求項７または８に記載の無線通信装置。
10. 前記第１の送信素子は、発光する発光素子であり、
    前記第１の受信素子は、受光する受光素子であることを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載の無線通信装置。
11. 前記第２の送信素子は、発光する発光素子であり、
    前記第２の受信素子は、受光する受光素子であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載の無線通信装置。
12. 前記第１の部材は、円筒部材であり、
    前記第２の部材は、前記円筒部材の内側に前記円筒部材と同軸に配置された軸部材であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の無線通信装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の無線通信装置と、
    前記第２の部材を回転駆動する駆動装置と、を備えた機器。
14. 前記機器が、複数の関節を有し、前記複数の関節うち先端の関節にてハンドが着脱可能なロボットアームを備え、
    前記無線通信装置及び前記駆動装置は、前記複数の関節の少なくとも１つに搭載されていることを特徴とする請求項１３に記載の機器。
15. 前記機器が、ハンドと複数の関節を有するロボットアームとを備え、
    前記無線通信装置は前記複数の関節の少なくとも１つに設置されていることを特徴とする請求項１３に記載の機器。

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