JPH0225297B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、デジタル信号やアナログ信号の形で
得られる各種のデータ信号を、電磁波を用いて非
接触で伝送する装置に関するもので、運動部分を
有する各種の装置、例えば車両等の交通関係機器
や、工作機械、ロボツト装置、搬送装置その他諸
種の自動機械などにおいて、装置本体の固定体側
に受動用モジユールを、運動体側に能動用モジユ
ールを装着しておく。そして運動体側から送信し
た各種のデジタル信号やデジタル化されたデータ
信号あるいはアナログ信号、例えば形状、位置、
歪、圧力、温度、色彩などに関するデータ信号
を、固定体側に非接触で受信させるような場合に
用いて好適なものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の信号伝送装置としては、電磁波
や光を伝送媒体としてFMテレメータやワイヤレ
スモデムなどが知られているが、何れも運動体側
の送信部に寿命時間に限定のある電池などの電源
を搭載する必要がある。従つてこれを例えば工作
機械の機構内に組み込む場合は、その電池などを
交換し易いように配慮して取り付けることが必要
である。また一般に電池の消耗が激しく不経済で
あり、そのうえ本体に比べて電池の重量が大きい
為に、回転体などに取り付けた場合には、ダイナ
ミツクバランスをとるのに多くの労力が必要であ
つた。しかもその何れの場合にも回路構成が複雑
で高価であるという欠点を有している。

また運動体側の送信部に対し電磁波を用いて非
接触で電力を伝送するように構成された装置にお
いても、送信部と受信部との双方の伝送距離が大
きかつたり、伝送に係わるアンテナやコイルなど
の近傍に構造材の金属などが存在するために、渦
流損や表皮作用などによる伝送損失が大きくなる
場合など、設置条件によつて伝送効率が著しく阻
害される場合がある。そのうえ電力の送信出力が
小さいものしか得られないような条件下において
は、信号伝送を安定に行なうことが困難であつ
た。

殊に損失の程度によつてはそれを単に電力の送
信出力の増大によつて補うことも考えられるが、
これは電波法にもとずく高周波出力についての制
限により不可能な場合があり、また不経済でもあ
る。

このように現用のこの種の装置では、殊に電源
設備を塔載できない運動体側に対し、簡単に効率
良く電力を供給する手段が要望されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、運動体側あるいは固定体側に
装着したモジユールの何れかゞ無電源で動作で
き、かつ双方の距離がある程度大きい場合とか、
周囲の設置環境条件などのために伝送効率が悪く
なる場合、あるいは非接触で供給する送信電力を
大きく出来ない場合などにおいても、信号の伝送
を安定で効率良くかつ間欠的に行える信号伝送装
置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の信号伝送装置は、電気回路で構成した
能動用と受動用との複数のモジユールのそれぞれ
に送信ヘツドと受信ヘツドとを有する伝送部を備
え、他のモジユールの伝送部と互いに対向した状
態で、デジタルやアナログ的な各種のデータ信号
を、電磁波を用いて互いに非接触で伝送すること
ができ、その中の何れか一方のモジユールの動作
に必要な電力を他方のモジールから電磁波により
非接触で伝送するように構成された信号伝送装置
において、前記電力を受電する側のモジユールに
コンデンサや電池の如き蓄電機器を装備して受電
電力により充電し、その充電状態を判定した上
で、これを電源として所要のタイミングで間欠的
に他方のモジユールにデータ信号の送信動作を行
なう回路を備えたことを特徴とするものである。

〔発明の構成〕

本発明に係る信号伝送装置は、少なくともその
一部に運動部分を有する機械装置の、固定体側に
装着する受動用モジユールと運動体側に装着する
能動用モジユールとから構成されている。

そして受動用モジユールは電灯線や電池、発電
機または太陽電池等の発電素子などを直接電源と
して動作させ、能動用モジユールは受動用モジユ
ールから電磁波によつて非接触で供給された電力
を一旦蓄電し、これを電源としてタイミングよく
所定の動作を行なわせようとするものである。

すなはち能動用モジユールに備えた送信ヘツド
と受信ヘツドから、所定のデータ信号を受動用モ
ジユールの受信ヘツドに対して電磁波により送信
する。いわゆる単方向の非接触信号伝送が可能な
構成になつている。あるいは能動用と受動用との
各モジユールにそれぞれ送信ヘツドと受信ヘツド
との両者を備えた構成にしておき、モジユール間
における各種のデータ信号の双方向伝送を可能に
することもできる。

この場合、電力やデータ信号を非接触で伝送す
るための媒体として適用する電磁波は、低周波か
らマイクロ波領域を含むものであり、さらに紫外
から赤外に至る光も伝送媒体として適用できるも
のである。

本発明の信号伝送装置は、電磁波を媒体として
伝送するのに不向きな設置条件などのために伝送
効率が悪い場合とか、送信電力を大きく出来ない
場合、あるいはその他の要因により従来の方法で
は伝送が不安定になる場合でも、安定に信号伝送
を行なうことを可能にしたものである。

能動用モジユールの受信ヘツドは、受動用モジ
ユールの送信ヘツドと互いに対向した状態におい
て、その送信ヘツドから連続的に供給される電力
をコンデンサや電池などの蓄電機器に充電する。
そしてその電荷が適当な閾値に到達した状態にあ
る時、所定のタイミングで間欠的にデータ信号の
送信に係わる回路を動作させ、その送信ヘツドか
ら受動用モジユールに対して比較的短時間に信号
伝送が行なわれるようになつている。

このような回路構成を備えることにより、能動
用モジユールが受電する平均電力が小さい場合で
も、信号の送信動作を安定に司どることが可能に
なる。

この場合、受動用モジユールから能動用モジユ
ールに対して伝送される電力量を略一定とすれ
ば、その平均伝送電力が小さい場合ほど、前記蓄
電機器の（放電時間）／（充電時間）の値すなは
ちデユーテイ比は小さくなるが、これは特殊な場
合を除いて一般にはあまり問題にはならない。

デユーテイ比を決定する方法として次に述べる
如き回路の構成が考えられる。すなはち (1) 蓄電した電荷判定回路を用いて蓄電機器の充
電状態を判別し、所要のタイミングで受動用モ
ジユールにデータ信号の送信動作に係わる回路
を駆動させる。

(2) 蓄電機器に対する充電の時間と、データ信号
の送信に係わる回路の駆動時間すなはち放電時
間のタイミングを決定するための適当なタイマ
ー回路を構成する。

(3) 上記のタイマー回路とは別の手段として、モ
ジユールの各伝送部が互いに対向した状態を検
知する検出回路を設け、その検知信号にもとず
き充電時間と放電時間のタイミングを決定す
る。

また本発明に係る装置において、能動用と受動
用との複数のモジユールを適用することによりマ
ルチチヤンネル信号伝送システムを構成すること
ができる。例えば受動用モジユールを要求するデ
ータ信号に対応するチヤンネル指定コマンドを、
能動用モジユールに対して送信し、当該チヤンネ
ルのデータ信号を能動用モジユールから受動用モ
ジユールに返送するような双方向信号伝送の形式
に構成する。

この場合、受動用モジユールに電磁波による電
力伝送専用の送信ヘツドを設け、コマンドの送信
ヘツドとは別系統にする方式と、受動用モジユー
ルの１個の送信ヘツドから電力を伝送すると共
に、その電磁波に何らかの方法でコマンドを重畳
して伝達する方式とがある。

そして単方向、双方向伝送に係わらず、受動用
モジユールと能動用モジユールとに共通のクロツ
クが必要な場合（例えばデータをシリアルで送る
場合のボーレイトクロツクを共用する場合など）、
電力伝送の電磁波をその周波数で変調するか、ま
たは電力伝送の周波数を伝送したいクロツク周波
数の整数倍にしておくことにより、双方のモジユ
ール間で容易にスケールを合わせることができ共
通のクロツクが得られるようにしておく。

以下に本発明の実施例を説明するが、説明の簡
易化のために受動用モジユールから能動用モジユ
ールに対して電力を伝送し、能動用モジユールは
その電力によつて動作し、所定のデータ信号を受
動用モジユールに伝送する、いわゆる単方向伝送
の場合について例示する。

〔発明の実施例〕

実施例 １ 第１図において、Ａは機械装置の固定体側に装
着される受動用モジユール、Ｂは運動体側に装着
される能動用モジユールのブロツク図である。

受動用モジユールＡの主な機能は、能動用モジ
ユールＢにその動作に必要な電力を電力用搬送波
f₁によつて供給することゝ、能動用モジユールＢ
において取得したデータ信号によつて変調された
信号用搬送波f₂を受信し、これを復調して出力す
ることである。

他方、能動用モジユールＢの主な機能は、受動
用モジユールＡから伝送されて来る電力用搬送波
f₁を受信し、整流平滑のゝち各部の電源として供
給することゝ、データ信号をFM（Frequency
Moduration）波とした信号用搬送波f₂を、受動
用モジユールＡに向けて送信することである。

以上の機能を具体的に説明すれば次のようにな
る。

すなはち電力用搬送波f₁の整数分の一の周波数
を発振するf₁発振回路１の出力を、f₁周波数逓倍
回路２によつて空間伝送に適した周波数の搬送波
f₁に逓倍し、f₁電力アンプ３によつて所要の電力
に増幅したのち、電力送信ヘツド４から電磁波と
して放射する。

この電力用搬送波f₁は、電力受信ヘツド５によ
つて捕捉され整流平滑回路６により直流化され、
コンデンサや電池などの蓄電機器７を充電する。
この充電電圧は電圧コンパレータ８により参照電
圧Vrと比較され、充電電圧がその閾値以上にな
つた場合にトリガ回路９を導通させる。このよう
にしてf₂電力アンプ１４に間欠的に電荷を供給し
て充電し作動させる。

この場合、蓄電機器７がコンデンサであれば、
その容量をＣ、充電される電荷をＱとすると、放
電直前のＱの値は Ｑ＝Ｃ・Vr となり、また充放電のインターバルに関係する充
電時間の時定数Ｔは Ｔ＝Ｃ・Ｒ・log（Vr／Vs） である。但しＲは時定数回路を構成する抵抗また
は回路の等価インピーダンスであり、またVsは
その時定数回路に印加される受動用モジユールＡ
から伝送された電力による電源電圧である。

従つて伝送に必要な電荷Ｑを一定とすると、伝
送された電力の強度によつて放電するまでのイン
ターバル、すなはち能動用モジユールＢから受動
用モジユールＡに対して伝送する信号のインター
バルが変動するが、一般的には能動用モジユール
Ｂにおいて取得されるデータ信号Dsの変化速度
と比べた場合十分に速いので問題はない。

なおブロツクダイアグラム中に点線で示した２
２，２３，および２４は、後述する別の実施例の
回路を併記したもので、こゝでは関係の無いもの
である。

何れにしてもこのようにして動作に必要な電力
を確保した能動用モジユールＢは、その外部から
採取したデータ信号Dsを受動用モジユールＡに
伝送するために、まず入力バツフアアンプ１０に
より増幅し、信号用搬送波f₂の整数分の一の周波
数を発振するf₂発振回路１１によつて駆動される
FM回路１２へ入れ、データ信号Dsに対応した
FM波にする。しかしこの周波数のまゝでは伝送
効率の点で空間伝送には不適当であるのと、所要
の周波数偏移を得るためにf₂周波数逓倍回路１３
で周波数を高くする。そしてトリガ回路９が前述
のようにして導通している場合であれば、f₂電力
アンプ１４が作動して電力増幅を行ない、信号送
信ヘツド１５から電磁波として受動用モジユール
Ｂに向け放射する。

この信号用搬送波f₂は、信号受信ヘツド１６に
よつて捕捉され高周波アンプ１７により増幅した
のち、FM復調回路１８によりデータ信号Dsに対
応した信号に復調されたのち、サンプルホールド
機能を持つSH回路１９と出力バツフアアンプ２
０を経てデータとして出力される。

但し能動用モジユールＢの信号伝送に係わる出
力は前述の如く間欠的に行なわれるので、高周波
アンプ１７による受信信号の増幅出力をf₂強度検
出回路２１で検出し、その値があるレベル以上に
なつたタイミングにおいてゲートバルスを発生さ
せサンプルホールドを行なうように構成してお
く。

実施例 ２ 使用条件によつては、前記のインターバルが一
定でないと周囲の装置と適合しない場合がある。
そのような場合には適当なタイマー回路により、
充電の時間と信号の送信に係わる回路の駆動時間
などのタイミングを決定するような構成にしてお
けばよい。

これは例えば第１図における８と２１の代り
に、点線で併示したＡカウンタ２２とＢカウンタ
２３とをそれぞれ接続することによつて達成する
ことができる。

すなはち受動用モジユールＡのf₁発振回路１の
発振周波数を電力用搬送波f₁の周波数の整数分の
一にしておき、その周波数をf₁周波数逓倍回路２
により整数倍して電力用搬送波f₁を送信する。と
同時に、f₁発振回路１の発振周波数をＡカウンタ
２２によつて逓減するように構成しておく。他
方、能動用モジユールＢの電力受信ヘツド５で捕
捉された電力用搬送波f₁の周波数を、Ｂカウンタ
２３によつて整数分の一に逓減した周波数として
得るようにする。

この場合、Ａカウンタ２２とＢカウンタ２３の
周波数逓減比を選ぶことによつて、双方のモジユ
ールに共通の周波数を得ることができるから、そ
の逆数を共通のインターバルにすることができ
る。

依つて前例と同様に信号受信ヘツド１６で受信
したデータ信号について、当該インターバルに係
わる受信タイミングによりSH回路１９を駆動し
てサンプルホールドを行ない、出力バツフアアン
プ２０を経て出力する。

但しインターバルについては前例と異なりＡお
よびＢカウンタによつて一義的に決定されてしま
うので、能動用モジユールＢの設置条件などによ
り影響される受電電力すなはち充電時間に予め余
裕をみておかないと、信号送信時の電力に不足を
生じ動作が不安定になる場合も起こり得るので、
これに対しては適切な対策をとるようにする。

実施例 ３ 前記２つの実施例は電荷の充電に係わる時定数
やタイマー回路によつて当該インターバルを決定
していたが、使用条件によつては不適当な場合が
ある。例えば運動体側が固定体側に対して相対的
な往復運動や擦れ違い動作を行なうような機構を
もつた装置の場合である。

すなはち第２図に例示したように、矢印の方向
に移動する台車２５に装着した能動用モジユール
Ｂ（送、受信ヘツドのみを分離して装着する場合
もあり得る）によつて採取したデータ信号を、そ
の送信ヘツドから固定体側に装着した受動用モジ
ユールＡの受信ヘツドに伝送できるタイミング
は、その送信ヘツドと受信ヘツドとが互いに対向
した状態の時である。

殊に運動体側が高速度で移動するような場合に
は、両者が対向した瞬間に信号の授受を行なわな
ければならない。

このような場合には、両者が対向した瞬間を検
知し、この検知信号にもとづいて動作する内部回
路などを用い、前記蓄電機器に対する充電時間お
よび当該記号の送信動作に係わる回路の駆動時間
などに関するタイミングを得るようにする。

その実施例として、第１図における２２，２３
および８を除き、その代わりにf₂強度検出回路２
１とf₁強度検出回路２４とを接続して成る検出回
路を用いる方法について説明する。

受動用モジユールＡから能動用モジユールＢに
対して伝送される電力用搬送波f₁の電磁界は、電
力送信ヘツド４と電力受信ヘツド５とが対向した
状態の時に最も大きくなる。従つてf₁強度検出回
路２４の出力があるレベル以上の値になつた時
に、トリガ回路９を駆動し蓄電機器７に充電され
た電荷をf₂電力アンプ１４に供給して作動させ
る。

他方、受動用モジユールＡにおいても信号用搬
送波f₂の電磁界が最も大きくなるのは、信号送信
ヘツド１５と信号受信ヘツド１６とが対向した状
態の時である。従つて高周波アンプ１７の出力を
f₂強度検出回路２１で検知し、その検知信号があ
るレベル以上の値になつた時にSH回路１９を駆
動して、FM復調回路７の出力をサンプルホール
ドし出力バツフアアンプ２０を経てデータ信号
Dsを出力する。

このように双方のモジユールの各伝送部が互い
に対向した状態を検知する手段により、所定の信
号伝送を行なわせることができる。

このような効果は、上述のような内部回路によ
つて行なう以外に、例えば各伝送部に適当なセン
サやスイツチなどのタイミング検知素子を付加し
て成る検出回路を適用してもよく、或いはそれら
を適当に組み合わせた回路構成にしても同様の結
果を得ることができる。

以上の実施例では、複数のモジユールのうち、
Ａを受動用、Ｂを能動用として説明したが、双方
とも受動用または能動用とする場合もあり得る。

また実施例では変調方式にFM変調方式を用い
たが、これは通常の無線通信に用いられる各種の
変調方式が殆ど適用来ることは自明である。また
必要となれば能動用モジユールに電池等の補助電
源を付加する場合もあり得る。

なお電力送信ヘツド４、電力受信ヘツド５およ
び信号送信ヘツド１５や信号受信ヘツド１６は
色々な方式のものを用い得るが、一般にはコンデ
ンサを並列接続したコイルを用いることができ
る。この場合、各ヘツドのコイルをそれぞれ単捲
コイルにして２対分を構成してもよいが、一つの
磁性対コアに２つのコイルをそれぞれ捲いて一方
を送信用、他方を受信用として使用すれば一対の
みで済み全体の形を小さくすることができる。

また例えば第３図に示す如き設置例において、
本発明に係る能動用モジユールＢがある機構上の
シヤフト２６と共に装着され、第１図における電
力受信ヘツド５と信号送信ヘツド１５とに相当す
る、電力受信コイル２７と信号送信コイル２８と
がそれぞれその外周に巻き付けられている。

他方、受動用モジユールＡの各伝送部が、機構
上の制約などからシヤフト２６の外周のある範囲
しか占有出来ないような設置条件の場合には、図
示の如く強磁性体を伴つた電力送信ヘツド４と信
号受信ヘツド１６とを分離して設置すればよい。

また本発明に係る各伝送部の構造は、上述のコ
イルの如き閉鎖状のものではなくてもよい。例え
ば一般のアンテナの如き開放状のものでも、信号
伝送に係わる周波数の選定や、信号受信系の感
度・選択度を向上させるなどの処置によつて十分
に適用できる。

第４図は信号伝送系に信号送信アンテナ２９と
信号受信アンテナ３０を使用して、本発明を実施
する例である。このような場合には電力伝送系か
ら信号伝送系に対する誘導の影響も少なくなるの
で、たとえ信号受信アンテナ３０を電力送信ヘツ
ド４の近傍に設置したり、信号伝送アンテナ２９
を電力受信コイル２７の極く近傍に設置、あるい
は一緒に巻き付けるなどしても安定に動作させる
ことができる。

〔発明の効果〕

従来、この種の信号伝送装置は高価なものが多
く、また設置する環境条件などによつては使用で
きない場合が多かつたが、非接触伝送回路系の無
電源側のモジユールに蓄電機器を備え、その充電
状態を判定した伝送系全体を所定のインターバル
で間欠的に動作させ得るようにした本発明の構成
によつて、拙悪な設置条件下においても安定に動
作させ得るので、その適応範囲が大幅に増大する
という効用がある また良好な条件下においては、従来のこの種の
装置ではみられなかつた伝送距離の飛躍的な増大
をもたらすという極めて大きい効果がある。

また能動用モジユール側で得た充電電力により
発振しまたは送信する周波数を、受動用モジユー
ル側のそれと合わせ相互の基準クロツクとするこ
とにより、回路構成を単純化できると共に動作の
安定化をもたらすなど、実用上いくつかの効用が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る信号伝送装置の実施例を
示すブロツクダイアグラムであり、第２図，第３
図および第４図は設置例を示す斜視図である。 Ａは受動用モジユール、Ｂは能動用モジユー
ル、符号１はf₁発振回路、２はf₁周波数逓倍回
路、３はf₁電力アンプ、４は電力送信ヘツド、５
は電力受信ヘツド、６は整流平滑回路、７は蓄電
機器、８は電圧コンパレータ、９はトリガ回路、
１０は入力バツフアアンプ、１１はf₂発振回路、
１２はFM回路、１３はf₂周波数逓倍回路、１４
はf₂電力アンプ、１５は信号送信ヘツド、１６は
信号受信ヘツド、１７は高周波アンプ、１８は
FM復調回路、１９はSH回路、２０は出力バツ
フアアンプ、２１はf₂強度検出回路、２２はＡカ
ウンタ、２３はＢカウンタ、２４はf₁強度検出回
路、２５は台車、２６はシヤフト、２７は電力受
信コイル、２８は信号送信コイル、２９は信号送
信アンテナ、３０は信号受信アンテナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電気回路で構成した能動用と受動用との複数
   のモジユールのそれぞれに送信ヘツドと受信ヘツ
   ドとを有する伝送部を備え、他のモジユールの伝
   送部と互いに対向した状態で、デジタルやアナロ
   グ的な各種のデータ信号を、電磁波を用いて互い
   に非接触で伝送することができ、その中の何れか
   一方のモジユールの動作に必要な電力を他方のモ
   ジールから電磁波により非接触で伝送するように
   構成された信号伝送装置において、前記電力を受
   電する側のモジユールにコンデンサや電池の如き
   蓄電機器を装備して受電電力により充電し、その
   充電状態を判定した上で、これを電源として所要
   のタイミングで間欠的に他方のモジユールにデー
   タ信号の送信動作を行なう回路を備えたことを特
   徴とする信号伝送装置。 ２ 前記一方のモジユールと他方のモジールとの
   両伝送部が互いに対向した状態で行なわれる前記
   蓄電機器の充電の時間と、前記データ信号の送信
   に係わる回路の駆動時間などのタイミングを、タ
   イマー回路により司るようにした特許請求の範囲
   第１項記載の信号伝送装置。 ３ 前記モジユールの各伝送部が互いに対向した
   状態を検知する検出回路を備えることによつて、
   その検知信号にもとずき前記蓄電機器に対する充
   電の時間や前記データ信号の送信動作に係わる回
   路の駆動時間などのタイミングを司るようにした
   特許請求の範囲第１項記載の信号伝送装置。