JP7158834B2 - 通信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、無線による電力伝送および通信を行う装置に関する。
近年、機器の可動性と制御の要求に対応するため、信号を伝送することができる旋回可動部を設けた機器が多くなっている。例として、ロボットのハンド部や、ネットワークカメラの雲台の接続部や、モバイル機器のコネクタ等が挙げられる。
従来から、このような機器の旋回可動部において、無線で信号を伝送する技術が提案されている。高速な伝送レート及び低遅延性能を実現可能な無線信号伝送方式として、特許文献１や特許文献２の近傍電磁界結合による通信が提案されている。
機器の旋回可動部において、無線による信号伝送のみならず、無線による電力伝送ができれば、ケーブルやフレキシブル基板（以下「ケーブル等」という）を完全に省略することができるようになる。機器の旋回可動部を完全にワイヤレス化できれば、ケーブル等の劣化を防止することができるだけでなく、製造時において、狭小部でケーブル等を接続する必要がなく、製造を容易にすることができる。
しかし、信号伝送のためのアンテナと電力伝送のためのアンテナを近接して配置し、近傍電磁界結合による非接触の信号伝送および電力伝送を行う場合、電力伝送に用いるアンテナから信号伝送に用いるアンテナに対して、干渉が発生することがある。この干渉により信号伝送の品質が劣化するという課題があった。
本発明は上記課題に鑑み、非接触の信号伝送と電力伝送を近接して行う場合における、電力伝送が信号伝送に与える干渉を抑制し、非接触の信号伝送の通信品質を改善することができる通信装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決する手段として、本発明による通信システムは、第１通信装置と第２通信装置とを有する通信システムであって、前記第１通信装置は、第１コイルと第１アンテナとを有し、前記第２通信装置は、前記第１通信装置が有する前記第１コイルとの間で電界及び磁界の少なくとも何れかにより結合する第２コイルと、前記第１通信装置へ前記第２コイルを介して所定の電力伝送周波数で無線送電する送電回路と、第２アンテナと、前記第１通信装置から前記第１アンテナを介してベースバンド方式で送信された信号を、前記第２アンテナを介して受信する受信回路と、前記送電回路による無線送電によって前記第２アンテナから前記受信回路へ入力される前記電力伝送周波数の信号を抑制するフィルタ回路と、を有し、前記第２通信装置は、第３アンテナをさらに有し、前記第１通信装置は、第４アンテナと、前記第２通信装置から前記第３アンテナを介して送信された信号を、前記第４アンテナを介して受信する第２受信回路と、前記第１通信装置が有する前記送電回路による無線送電によって前記第４アンテナから前記第２受信回路へ入力される前記電力伝送周波数の信号を抑制する第２フィルタ回路と、をさらに有する。
本発明によれば、非接触の信号伝送と電力伝送を近接して行う場合に、無線電力伝送が無線信号伝送に与える干渉を抑制し、近接通信の通信品質を改善することが可能である。
以下、本発明の一実施形態による通信装置１００について説明する。本実施形態は、無線電力伝送と無線通信が互いに近接した位置で同時に行われることがある通信装置１００に関する。
本実施形態では無線電力伝送を行う電力伝送アンテナとして、コイル状の導体が用いられるものとする。以下ではこの媒体を「コイル」という（特に区別する場合、送電側を「送電コイル」、受電側を「受電コイル」という）。一方、通信を行う通信アンテナ（送信アンテナ及び受信アンテナ）としては、プリント基板上に電極のパターンが形成された結合器が用いられるものとする。以下ではこの媒体を「カプラ」という。また以下では、無線電力伝送を行う媒体と通信を行う媒体が一体化された構成を「アンテナ」という。ここで「通信」とは、機器を制御する信号や機器が取得した情報や機器の状態を示す情報を送受信することをいう。「電力伝送」とは、制御対象の機器や通信を行う機器に電力を供給するために、送電コイルから受電コイルへ無線で電力を伝送することをいう。
また本実施形態では、電力伝送するために使用する周波数を「電力伝送周波数」といい、通信を行うために使用する周波数を「通信周波数」というものとする。なお、通信装置１００による通信は、通信周波数の搬送波の変復調を伴う通信方式に限らず、搬送波の変復調を伴わないベースバンド方式で行われてもよい。本実施形態において、ベースバンド方式における通信周波数とは、伝送される信号の平均的な周波数を指すものとする。
図１は本実施形態による通信装置１００の構成を示す構成図である。なお、以下で説明する構成は、そのすべてが必須であるとは限られない。
以下の説明では、電力の伝送においては、図１のＡ側からＢ側に無線で電力を伝送する（図１の実線の矢印方向）場合を例に説明する。また、無線通信においては、Ａ側とＢ側との間で双方向に通信を行うことが可能であるが、以下ではＢ側からＡ側に信号を送信する場合を中心に説明する（図１の破線の矢印方向）。
例えば、撮像部が雲台に対して旋回するネットワークカメラに通信装置１００が実装される場合、雲台内に存在するＡ側の構成から撮像部内に存在するＢ側の構成に対して電力が供給され、撮像部で撮像された画像データなどの情報がＢ側からＡ側に伝送される。
符号１０１は無線電力伝送のための電力源である外部直流電源を示している。符号１０２は、外部直流電源１０１から供給された電力をスイッチングして交流電流（ＡＣ電流）に変換する送電回路を示している。符号１０３、１０４は電力伝送のそれぞれ送電側と受電側のアンテナを示している。アンテナ１０３、１０４はそれぞれ送受電のコイルとカプラを有しているが、このことは後に再び説明する。符号１０５は、アンテナ１０３からアンテナ１０４に伝送された電力を整流して出力する受電回路を示している。符号１０７は、伝送される信号により制御される機器を示しており、本実施形態ではカメラを示している。符号１２３は、カメラ１０７が撮像した映像データあるいはカメラの状態信号の入力を受け付け、信号伝送により送信するための送信回路を示している。受電回路１０５から出力された電力は、カメラ１０７と送信回路１２３に供給され、それぞれの動作のために用いられる。
符号１２２は、送信回路１２３から送信された信号を受信する受信回路を示している。なお、本実施形態では、アンテナ１０４が信号の送信側、アンテナ１０３が信号の受信側になっている場合を説明しているため、送信回路と受信回路がそれぞれアンテナ１０４側とアンテナ１０３側に位置しているが、信号伝送方向が逆の場合は送信回路と受信回路が入れ替わることは言うまでもない。この場合、フィルタ回路１５１の位置も入れ替わることになる。また、アンテナ１０４とアンテナ１０３との間で双方向通信が行われる場合には、通信装置１００のＡ側とＢ側のそれぞれに送信回路と受信回路の両方が含まれていてもよい。そしてこの場合、フィルタ回路１５１はＡ側とＢ側の何れか一方に存在していてもよいし、両方に存在していてもよい。
アンテナ１０３と受信回路１２２の間には、フィルタ回路１５１が設けられている。フィルタ回路１５１は、無線電力伝送の無線通信に対する影響を低減させるフィルタを有している。符号１０６は雲台内の制御部を示している。
図２は、アンテナの構造と、カプラとフィルタ回路と受信回路の接続を模式的に示した説明図である。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アンテナ１０３は送電コイル２０１と受信側カプラ２０２を有している。送電コイル２０１と受信側カプラ２０２は互いに同心円状に配置されている。アンテナ１０４は、受電コイル２１１と送信側カプラ２１２を有している。受電コイル２１１と送信側カプラ２１２も互いに同心円状に配置されている。送電コイル２０１と受電コイル２１１、および、受信側カプラ２０２と送信側カプラ２１２はそれぞれ互いに対向して近接して設けられている。送電コイル２０１側に交流電力が流れることにより、該電力が受電コイル２１１に伝送されるようになっている。
受信側カプラ２０２と送信側カプラ２１２は、電界または磁界またはその両方による結合に基づいて通信することができるように、互いに十分近づけられて設けられている。受信側カプラ２０２と送信側カプラ２１２の間隙は例えば１ｍｍ以下とすることができる。
図２（Ｃ）は、カプラとフィルタ回路と受信回路の接続を示している。本実施形態の通信は差動ディジタル信号で行われるようになっている。カプラはインピーダンスを持ち、差動方式で入出力を行う。受信側カプラ２０２は、差動方式で通信できるようにフィルタ回路１５１に接続される。そのため、受信側カプラ２０２は、図２（Ｃ）に示すように、通信ポートを二つ有している。二つの通信ポートは差動信号を構成する正と負の信号のそれぞれの伝送路を構成している。フィルタ回路１５１は、受信側カプラ２０２と受信回路１２２の間の伝送路に設けられている。なお、送信側カプラ２１２と送信回路１２３との間も、上記と同様に差動通信を行うための二つの通信ポートを介して接続される。ただし、送信側と受信側との通信は差動方式でなくシングルエンド方式によって行われてもよく、その場合には各カプラが有する通信ポートが一つであってもよい。
本実施形態の通信装置１００にとって、無線の電力伝送を行うための構成としては、少なくとも受電コイル２１１と送電コイル２０１があればよい。すなわち、外部直流電源１０１と送電回路１０２は外部の装置とし、交流電流を送電コイル２０１に直接供給するようにしてもよい。
また、本実施形態の通信装置１００にとって、無線の信号伝送を行うための構成としては、少なくとも送信回路１２３と、送信側カプラ２１２と、受信側カプラ２０２と、フィルタ回路１５１と、受信回路１２２があればよい。
図３は、本実施形態によるアンテナ１０３のポート位置を示す斜視図である。なお、アンテナ１０４も同様の構成であり、受電コイル２１１が図３の送電コイル２０１と同様に配置され、送信側カプラ２１２が図３の受信側カプラ２０２と同様に配置される。
図３に示すように、本実施形態では送電コイル２０１と受信側カプラ２０２は同心円状に配置されている。本実施形態では差動ディジタル信号を伝送するために、受信側カプラ２０２は図に示すように通信ポート３０１と通信ポート３０２の二つの通信ポートを有している。また、送電コイル２０１は一つの電力伝送ポート３０３を有している。
以上の構成により、本実施形態の通信装置１００は以下のように作用する。外部直流電源１０１から直流電力が送電回路１０２に入力され、送電回路１０２においてスイッチングによりＡＣ電流に変換され、アンテナ１０３の送電コイル２０１に供給される。なお、このスイッチングの周波数が電力伝送周波数となる。送電コイル２０１に交流電流が流れることにより、受電コイル２１１に交流電流が発生し、すなわち、送電コイル２０１から受電コイル２１１に電力が伝送され、受電回路１０５に入力される。受電回路１０５では、交流電流を必要な電圧の直流電流に変換し、送信回路１２３とカメラ１０７に供給し、それらの機器の動作の動力源として使用させる。
カメラ１０７は撮像を行い、取得した画像データとカメラの状態信号（たとえばカメラのパン、チルト、ズーム（ＰＴＺ）の状態を示す状態信号）を出力し、送信回路１２３に送る。送信回路１２３は、入力された信号を差動ディジタル信号に変換し、送信側カプラ２１２に送る。受信側カプラ２０２と送信側カプラ２１２は電界、磁界、またはその両方で結合されているため、送信側カプラ２１２に入力された信号が受信側カプラ２０２に伝送される。この時、送電コイル２０１及び受電２１１がそれぞれ受信側カプラ２０２及び送信側１２１に近接して設けられ、かつ、電力の伝送波形の振幅が通信信号の伝送波形の振幅より大きく変動するため、受信側カプラ２０２に伝送された信号には、電力伝送に起因するノイズが混入しうる。そこで通信装置１００は、ノイズを抑制するためのフィルタ回路１５１を備える。ノイズは主に電力伝送のために直流を交流に変換する時の電力伝送周波数を中心に存在するため、フィルタ回路１５１は電力伝送周波数の近傍帯域の信号を除去するように構成される。フィルタ回路１５１からノイズが除去された信号が受信回路１２２に入力され、受信回路１２２は差動ディジタル信号の少なくともエッジ信号を検出するようにする。受信回路１２２はさらにコンパレータを有し、検出した信号を整形して復調する。なお、コンパレータにおける電流又は電圧の閾値の設定により電力伝送周波数以外のノイズをさらに除去するようにしてもよい。受信回路１２２によって復調された信号は制御部１０６に送られ、所定のデータ処理に利用される。
なお、カメラ１０７を制御するため、制御部１０６から制御用信号をカメラ１０７に送る場合は、制御部１０６から送信回路、カプラ、受信回路、カメラの順番に信号を送ればよい。このとき、受信回路１２２と送信回路１２３がそれぞれ送信回路と受信回路として機能することは既述した通りである。この場合、信号を受信するカメラ側における受信回路とカプラとの間にもフィルタ回路１５１を設けるのが好ましい。
次に、フィルタ回路１５１が高域通過フィルタを有する場合のフィルタの効果について図４を用いて説明する。
図４は、高域通過フィルタによる干渉の減衰量のシミュレーション結果を示す。図４（Ａ）、（Ｂ）において、縦軸は電力伝送ポート３０３から各通信ポートへの干渉度を示し、干渉度の値が低くければ低いほど、電力伝送が信号伝送に与える影響が低いことを示す。横軸は通信周波数を示す。
図４（Ａ）は通信装置１００がフィルタ回路１５１を実装しない場合のグラフ、図４（Ｂ）はフィルタ回路１５１を実装した場合のグラフを示している。電力伝送周波数は１．８ＭＨｚであると想定し、電力伝送周波数を遮断する高域通過フィルタが用いられる。電力伝送ポート３０３、通信ポート３０１、通信ポート３０２は、それぞれ図３に示すように配置されているものとする。４０１と４０３は電力伝送ポート３０３から通信ポート３０１への干渉度を示しており、４０２と４０４は電力伝送ポート３０３から通信ポート３０２への干渉度を示している。
図４（Ａ）に示すように、フィルタ回路１５１を実装しない場合、通信周波数１．８ＭＨｚでの干渉度は、電力伝送ポート３０３から通信ポート３０１に対する干渉度は約－２９ｄＢ、電力伝送ポート３０３から通信ポート３０２に対する干渉度は約－３９ｄＢであった。
図４（Ｂ）に示すように、フィルタ回路１５１を実装する場合、通信周波数１．８ＭＨｚでの干渉度は、電力伝送ポート３０３から通信ポート３０１に対する干渉度は約－５５ｄＢ、電力伝送ポート３０３から通信ポート３０２に対する干渉度は約－６５ｄＢであった。
以上より、フィルタ回路１５１による干渉度の改善はいずれの通信ポートに対しても約２６ｄＢの効果があることが分かる。
なお、フィルタ回路１５１のフィルタの方式は上記の高域通過フィルタに限られない。
図５は、フィルタの方式と特性を示したグラフである。
図５（Ａ）にノッチフィルタの特性を示す。縦軸に通過特性、横軸に周波数を示す。
符号ｆ１は送電回路１０２のスイッチングによる電力伝送周波数、符号ｆ２は信号を伝送する通信周波数を示している。また符号ｆ３は、図５（Ｂ）との比較のために、高域通過フィルタの遮断周波数を示している。電力伝送周波数ｆ１は１．８ＭＨｚを想定している。
ノッチフィルタは、所定の周波数の信号のみを遮断するフィルタである。本実施形態のノッチフィルタには、通信周波数ｆ２の信号を通過させ、電力伝送周波数ｆ１の信号を遮断あるいは少なくとも抑制するノッチフィルタが用いられる。すなわち、周波数ｆ１の信号と周波数ｆ２の信号のうち、電力伝送周波数ｆ１の信号のみを減衰させるようにフィルタの特性が調整される。
図５（Ａ）に示すように、このようなノッチフィルタをアンテナ１０３の受信側カプラ２０２と受信回路１２２の間に挿入する事で無線通信への無線電力伝送の影響を減衰させることが出来る。
なお、スイッチング周波数が変化する場合、それに応じてフィルタ特性を適宜変更させるような構成とすることで、変化に対応して信号の干渉を抑制することができる。
図５（Ｂ）は、高域通過フィルタによって無線通信に対する無線電力伝送の影響を減衰させる方式とフィルタ特性を示している。
図５（Ｂ）は、高域通過フィルタによって無線通信に対する無線電力伝送の影響を減衰させる方式とフィルタ特性を示している。
図５（Ａ）と同様に、縦軸に通過特性、横軸に周波数を示す。符号ｆ１は送電回路１０２のスイッチングによる電力伝送周波数、符号ｆ２は信号を伝送する通信周波数、符号ｆ３はフィルタの遮断周波数をそれぞれ示している。
高域通過フィルタは、その遮断周波数以上の信号を通過させるものである。本実施形態では、遮断周波数ｆ３が電力伝送周波数ｆ１より大きく、かつ、通信周波数ｆ２より小さい高域通過フィルタを用いるようにする。
図５（Ｂ）に示すように、このような高域通過フィルタを用いることにより、通信周波数ｆ２における信号の損失が十分に小さく、かつ、電力伝送周波数ｆ１においては大きな損失を有する急峻な減衰特性を得ることができる。
上述したように、ノッチフィルタの代わりに高域通過フィルタを用いても、無線通信に対する無線電力伝送の影響を減衰させることができる。
なお、送信回路１２３は、複数種類の信号を、それぞれ別の周波数で変調して同時に送信し、受信回路１２２は各周波数で各信号を復調してもよい。
また、複数種類の信号を異なる周波数で伝送する方法に代えて、シリアルパラレル変換手段とパラレルシリアル変換手段を用いても良い。この場合、信号の送信回路１２３の上流にパラレルシリアル変換回路を設け、受信回路１２２の下流にシリアルパラレル変換回路を設けるようにする。
この場合、複数種類の信号は、送信回路１２３に入力される前に、パラレルシリアル変換回路に入力され、パラレルシリアル変換回路によってシリアル信号に変換される。シリアル信号に変換された信号は、シリアル信号の状態で送信側カプラ２１２と受信側カプラ２０２との間で伝送される。受信側に伝送されたシリアル信号も電力伝送のノイズが混入されるため、フィルタ回路１５１によってノイズが除去され、しかる後に受信回路１２２に入力される。受信回路１２２はシリアル信号を整形及び復調した後に、シリアルパラレル変換回路に該信号を入力する。シリアルパラレル変換回路は、シリアル信号を元の複数種類の信号に変換し、以降の処理に供する。
以上では、通信装置１００がネットワークカメラに実装される例を説明したが、これに限らず、ロボットハンド、船舶等に搭載の旋回式レーダー、風力発電用プロペラなどに通信装置１００を適用することもできる。また、通信及び電力伝送を行うアンテナは、機器の旋回部に限らず、スライド移動する部分や、可動でない固定された部分に配置されてもよい。さらに、図１に示す通信装置１００のＡ側の部分とＢ側の部分とが、それぞれ独立した別々の機器に実装されることで、電力伝送及び通信を行う複数の機器による通信システムが構成されてもよい。
また、アンテナ１０３、１０４は旋回可能な円形状のアンテナを例にとり説明したが、アンテナの形状は円形、矩形、立体の円筒形、立方形、平行形など、その形を問わない。また、上記の説明では電力伝送を行うための媒体としてコイルが用いられるものとしたが、これに限らず、例えばコイルの代わりに電極を用いて電界結合による無線電力伝送が行われてもよい。
さらに、本実施形態ではコイルとカプラが同心円状に配置される場合について説明したが、その他の配置であっても効果を得ることができる。例えば、コイルとカプラを平行に配置しても同様の効果を得ることができる。また、コイルとカプラの配置は、カプラがコイルの外側に配置されてもよいし、コイルとカプラが順不同に混在する場合でも本実施形態の効果を得ることができる。
また、基板でアンテナを構成する場合、材料、材質、基板厚、外径、パターンの太さ、パターン間隔などは任意に決められる。また、基板以外によってもアンテナを実現可能で、例えばリード線やリッツ線が巻かれて構成されたアンテナであってもよい。
無線の電力伝送の方式は、電磁誘導方式、磁界共鳴方式など、方式に制限はない。また、無線通信の方式は、本実施形態では電界、磁界、又はその両方による結合を用いた通信方式としたが、これに限らず、例えばＷｉ－Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの通信方式であってもよい。これらの場合にも同様の効果を得ることができる。
上記通信のための信号は２値のディジタル信号であるものとして説明したが、通信用の信号は２値に限られず、多値の信号であってもよい。
本実施形態によれば、小さいアンテナを介して無線で電力と信号を同時に伝送する場合において、信号伝送に対する電力伝送の影響を抑制することができる。これにより、例えば、種々の機器の旋回可動部を完全にワイヤレス化することができ、構造が簡単であり、かつ、製造が容易な機器を実現することができる。
本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
１００ 通信装置
１０１ 外部直流電源
１０２ 送電回路
１０３ アンテナ
１０４ アンテナ
１０５ 受電回路
１０６ 制御部
１０７ カメラ
１２２ 受信回路
１２３ 送信回路
１５１ フィルタ回路
２０１ 送電コイル
２０２ 受信側カプラ
２１１ 受電コイル
２１２ 送信側カプラ
１０１ 外部直流電源
１０２ 送電回路
１０３ アンテナ
１０４ アンテナ
１０５ 受電回路
１０６ 制御部
１０７ カメラ
１２２ 受信回路
１２３ 送信回路
１５１ フィルタ回路
２０１ 送電コイル
２０２ 受信側カプラ
２１１ 受電コイル
２１２ 送信側カプラ
Claims (5)
- 第１通信装置と第２通信装置とを有する通信システムであって、
前記第１通信装置は、第１コイルと第１アンテナとを有し、
前記第２通信装置は、
前記第１通信装置が有する前記第１コイルとの間で電界及び磁界の少なくとも何れかにより結合する第２コイルと、
前記第１通信装置へ前記第２コイルを介して所定の電力伝送周波数で無線送電する送電回路と、
第２アンテナと、
前記第１通信装置から前記第１アンテナを介してベースバンド方式で送信された信号を、前記第２アンテナを介して受信する受信回路と、
前記送電回路による無線送電によって前記第２アンテナから前記受信回路へ入力される前記電力伝送周波数の信号を抑制するフィルタ回路と、
を有し、
前記第２通信装置は、第３アンテナをさらに有し、
前記第１通信装置は、
第４アンテナと、
前記第２通信装置から前記第３アンテナを介して送信された信号を、前記第４アンテナを介して受信する第２受信回路と、
前記第１通信装置が有する前記送電回路による無線送電によって前記第４アンテナから前記第２受信回路へ入力される前記電力伝送周波数の信号を抑制する第２フィルタ回路と、をさらに有することを特徴とする通信システム。 - 前記フィルタ回路は、前記電力伝送周波数の信号の通過を抑制するノッチフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
- 前記第１コイルと前記第１アンテナとは、第１基板上において同心円状に構成され、
前記第２コイルと前記第２アンテナとは、前記第１基板に対向する第２基板上において同心円状に構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信システム。 - 前記第１基板と前記第２基板との少なくとも何れかを旋回させる旋回制御手段を有することを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
- 前記第１通信装置と前記第２通信装置とは、ネットワークカメラ又はロボットハンドにおけるそれぞれ異なる部位に含まれることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の通信システム。
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