KR100795439B1 - 유도적으로 에너지를 공급하고 이동체를 안내하는 장치, 및 정지 데이터 선과 이동체 사이의 유도성 데이터 전송을 위한 방법 - Google Patents

유도적으로 에너지를 공급하고 이동체를 안내하는 장치, 및 정지 데이터 선과 이동체 사이의 유도성 데이터 전송을 위한 방법

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Abstract

본 발명은 에너지 공급과 이동체(mobile object)를 유도적으로 안내하는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 이동체의 지정된 이동 경로를 따라 확장된 도체 루프(conductor loop)(3)의 형태를 가지는 1차 인덕턴스, 이동체에 위치하며 송전(transmission)을 위해 1차 인덕턴스와 자기적으로 결합될 수 있는 2차 인덕턴스, 이동체에 위치하며 1차 인덕턴스의 자기장에 따른 측정신호를 방출하는 몇몇의 수신 인덕턴스들(receiving inductances), 측정신호로부터 도체 루프에 관하여 이동체의 위치를 측정하는 표지기(evaluation device)로 구성된다. 데이터 통신을 위해, 수신 인덕턴스들(5;12)은 데이터 수신기(21,24,27,18,16)에 연결되며, 이 데이터 수신기는 수신 인덕턴스들 중 적어도 하나의 출력 전압으로부터 데이터 신호를 추출하기 위한 소자들(24)을 포함한다. 데이터 선(4a, 4b)은 이동체의 지정된 이동 경로를 따라 위치하며, 이동체의 이동동안 적어도 하나의 수신 인덕턴스와 유도적으로 결합된다.

Description

유도적으로 에너지를 공급하고 이동체를 안내하는 장치, 및 정지 데이터 선과 이동체 사이의 유도성 데이터 전송을 위한 방법{Device for Supplying Energy and for Guiding a Mobile Object Inductively, and Method for Inductive Data Transmission Between a Stationary Data Line and a Mobile Object}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 유도적으로 에너지를 공급하고 이동체를 안내하는 장치에 관한 것이다.
전력의 유도송전(inductive transmission)은 기계적이거나 전기적인 접촉없이 이동부하(mobile load)로 전력이 공급되게 한다. WO 92/17929에 공지된 바와 같은 이러한 목적으로 제공되는 장치들은 변압기의 원리와 마찬가지로 전자기적으로 결합된 1차와 2차 부분들을 포함한다. 1차 부분은 공급 전자기(supply electronics)와 도체 루프(conductor loop)로 구성되며, 도체 루프는 순방향과 역방향 도체들을 가진 경로를 따라 놓여지고, 이들이 각각 평행하게 뻗어 있거나 또는 서로간에 전이(transition)되거나 경로의 단자에 서로 연결되어 있다. 이동부하에 연결된 하나 또는 그 이상의 픽업(pickup)들과 그와 관련된 픽업 회로소자들은 2차 부분을 구성한다. 일반적인 구조의 변압기와는 대조적으로, 이러한 장치의 연결들은 조밀하지 않고, 킬로헤르쯔(kilohertz) 범위의 고주파에서 작동되며, 수 센티미터까지의 큰 공극(air gap)도 교락(橋絡)될 수 있다. 마모가 없고 유지, 보수가 자유로우며 접촉에 관한 안전성과 즉각적인 이용성은 이런 종류의 에너지 공급 시스템의 장점에 해당된다. 일반적으로, 제조 기술상의 자동 물자운송 시스템에 응용되며, 또한 엘리베이터와 전기로 구동되는 버스와 같은 대인운송 시스템에도 응용된다.
이러한 장치에 있어서, 부하가 이동하는 경로는 도체 루프의 진로에서 벗어나지 않기 때문에 상기 부하는 레일 형식의 수송수단이 아니라면 적절히 안내되어야 한다. 이러한 안내자로서는 선회 앞차축(turning front axle)을 가진 수송수단이 사용될 수 있는데, 상기 선회 앞차축의 각위치(angular position)는 수송수단 내의 돌아가는 홈(groove) 안에서 활주하는 제어판(control surface)에 의해 직접적으로 결정된다. 상기 픽업은 연결식의 앞차축(articulated front axle)에 편리하게 배열되어 있어서 가능한한 최대로 주행판(travel surface)에 내장된 도체 루프에 항상 정렬되어 있으며, 심지어 곡선의 경우라도 그러하다. 이러한 해결방안의 단점들은 홈을 절단하는 데 요구되는 노동력, 주행판의 고르지 못함, 및 제어판의 불가피한 기계적 마모 등이 있다.
이러한 단점들을 극복하는 하나의 훌륭한 해결방안이 DE 198 16 762 A1에 기술된 비접촉 유도성 안내기(noncontact inductive guidance)이다. 이 방법에 있어서, 도체 루프에 의해 전송된 자기장은 유도성 감지기 배열(inductive sensor arrangement)에 의해 감지되고, 그 출력신호들은 표지기(evalutaion device)에 전송되며, 표지기는 이러한 신호들로부터 도체 루프에 대해 횡단 방향의 수송수단의 위치를 결정하고, 이러한 위치의 함수로 수송수단의 조향(steering)을 위해 서보모터(servomotor)를 제어한다. 상기 감지기 배열은 수송기 내의 중앙에 배열되고, 수직과 수평 감도축을 가진 하나의 센서로 구성되는데, 수평 감도축은 주행 방향과 수직으로 작동한다. 도체 루프내의 순방향과 역방향 도체들 내의 전류는 모든 시간점에서 동일한 크기이고 방향이 반대이기 때문에, 도체 루프에 대한 수송수단의 중앙 위치에서 수직 감도축을 가진 센서의 신호는 다른 센서의 신호가 0인 동안 최대치에 도달한다.
종종, 자동운송 시스템에는 수송장치들과 중앙제어국 사이의 데이터 통신이 필요하다. 이러한 목적으로, DE 39 16 610 A1에 궤도 안내자(track guidance)와 데이터 전송이 동시에 존재하는 장치가 개시되어 있고, 상기 장치에서는 그러나, 궤도 안내자 도체는 궤도 안내만을 위해 사용되며, 전력을 수송수단에 전송하지는 않는다. 궤도 안내를 위한 상기 감지기 배열은 상술한 바와 동일하며, 데이터 통신을 위한 송신기(transmitter)와 수신 장치(receiver device)에 대한 구체적 설명은 생략한다.
다음에, 본 발명의 실시태양들이 회로도에 근거하여 개시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치 일부의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 장치 일부의 개략적인 평면도이다.
도 3은 동작 방향에 수직인 위치의 함수로 나타낸 수신 인덕턴스의 출력 전압의 분석표이다.
도 4는 도 1을 확대, 단순화시킨 절단도이다.
도 5는 본 발명에 따른 장치를 위한 송신 인덕턴스의 두가지 실시태양이다.
도 6은 양방향 통신을 하기에 충분한 인덕턴스들 배열의 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 배열의 개략적인 평면도이다.
도 8은 도 6과 도 7의 인덕턴스 배열을 가진 연결의 작동을 위한 표지부, 수신부, 및 송신부의 블록 회로도이다.
상술한 종래기술로부터 출발하여, 본 발명은 유도성 전력 공급과 이동체 안내를 위한 장치의 부가적인 기능으로 데이터 통신을 구현하는 유리한 방법을 제공하는 과제에 기반을 둔다.
본 과제는 청구항 1에 제시된 특성을 가진 장치의 본 발명에 따라 해결된다. 본 발명의 유리한 구성들은 종속항에 제시되었다. 본 발명에 따른 장치의 작동을 위한 설계 방법은 청구항 28의 대상이다.
본 발명의 하나의 본질적인 장점은 이동부하의 위치를 결정하는데 필요한 인덕턴스들이 동시에 데이터 수신을 위해서도 사용되는 점인데, 다시 말해, 안내와 데이터 수신을 위해 단지 하나의 유도성 안테나만 있으면 된다. 평판 코일(flat coil)들의 2개의 열(row)의 배열로 특히 충분한데, 평판 코일들은 서로가 오프셋(offset)되며, 동작 방향에 수평인 종축 방향을 가진 이동부하에 배열되어 있다. 이러한 평판 코일들은 쉽게 인쇄회로기판(printed-circuit board)에 탑재될 수 있으며, 극단적인 경우에, 평판 코일들은 인쇄회로기판에 완전히 평면으로 구현될 수 있다.
이러한 수신코일 배열이 양쪽에서 전력 전송을 위해 사용된 도체 루프의 도체들 중 적어도 하나를 커버하기에 충분히 넓고, 데이터 선이 부하가 이동하는 경로의 곡선 구간이라도 루프의 선에 근접할 때, 정밀한 위치 결정과 잡음없는 데이터 수신을 위한 데이터 선과 하나 이상의 수신 인덕턴스와의 결합이 항상 보장된다. 또한, 이는 안테나가 이동부하의 연결식 앞차축의 중앙에 배열될 수 없고, 곡선의 측면 편차(lateral deflection)가 발생할 때, 적용된다. 여기에서, 각 수신코일의 측정신호들의 비교 또는 각 수신코일들 사이의 진폭 그래프의 내삽(interpolation)으로부터 선의 위치(line position)가 결정될 수 있다.
이론상, 수신 인덕턴스들 또한 데이터 신호들을 송신하는데 사용될 수 있지만, 이러한 목적으로는 데이터 선에 자기장을 보다 더 집중시키는 강자성체 철심(ferromagnetic core)을 가진 인덕턴스들을 분리시켜 배열하는 것이 보다 더 유리하고, 서로에 대해 오프셋하는 인덕턴스들의 2개의 열 또한 특히 바람직한 해결방안이라 생각된다. 송신 인덕턴스들과 수신 인덕턴스들의 양 관점에서, 그들의 순간적인 측면 위치(lateral position)에 의한 데이터 선과 최적의 결합을 하는 것이 위치 결정의 결과에 기초한 통신 작동을 위해 선택된다. 이러한 단계는 이론상 다수의 송신 및/또는 수신코일들을 가지는 어떠한 유도성 안테나 배열에도 적용될 수 있다.
도 1과 도 2에 있어서, 본 발명에 따른 장치의 일부분이 단면도와 평면도로 각각 개략적으로 도시되었다. 2개의 홈(groove) 2a와 2b는 트랙 1로 분할되며, 그 트랙상에서 전기 수송장치가 움직인다. 도체 루프 3의 순방향 도체 3a와 역방향 도체 3b는 상기 홈 2a와 2b내로 삽입된다. 이러한 루프의 약간의 단면만을 도 2에 도시하였다. 도체 루프 3은 전원공급장치(도시되지 않음)에 의해 가동되고 수송수단위에 올려진 부하에 의해 형성되는 2차 인덕턴스를 가진, 공간상으로 분포된 변압기의 1차 인덕턴스처럼 작용한다. 이러한 방법으로, 상기 수송수단은 작동을 위해 요구되는 전기 에너지를 공급받는다. 이러한 시스템의 전형적인 작동 변수들은 100mm의 1차 중심선 간격, 10mm의 공극, 100A의 전류, 및 20kHz의 주파수이다.
또한, 전선 4a와 4b로 이루어진 또 하나의 데이터 선이 홈 2b에 배열된다. 여기에서, 단면의 데이터 선 4는 도체 루프 3에 의해 정의된 평면에 수직이다. 다시 말해, 전선 4a와 4b의 중심점들을 연결하는 선은 도체 3a와 3b의 중심점들을 연결하는 선에 대해 수직이다. 이러한 방식으로, 도체 루프 3으로부터 데이터 선 4의 최적 유도 디커플링(optimum inductive decoupling)이 얻어질뿐만 아니라, 곡선내 데이터 선 4의 설계도 단순화되는데, 이는 평평한 2개의 전선으로 구체화 된 상기 데이터 선 4가 다른 것보다 이러한 방향으로 현저히 더 유동적이기 때문이다. 2개의 홈 2a와 2b는 필요하다면 다른 데이터 선을 위한 공간이 홈 2a 내에 사용 가능하도록 하며, 단순화를 위해 동일한 단면으로 도시하였다. 본 발명에 있어서, 도체 3a나 3b의 어느 쪽에 데이터 선 4가 위치하는 가는 상관없다. 이렇게, 내부의 수직 배열 또는 도체 3a 또는 3b 위의 수평 배열은 도면에 도시된 외부의 수직 배열과 마찬가지로 충분하다.
5개의 평판 코일 5a 내지 5e로 구성된 유도성 수신 안테나 5는 도시되지 않은 수송수단위에 트랙의 표면으로부터 10mm 대의 거리로 탑재된다. 코일 5a 내지 5e는 모두 서로에 대해 평행하게 위치하며, 종단 평행 표면 또는 트랙 1의 표면과 수직인 도면 상 점선으로 표시된 축을 가진다. 코일 5a 내지 5e는 일직선을 형성하고, 이는 이동체의 이동방향에 대해 수직으로 확장되고, 수송수단의 정확한 위치를 위해, 도체 루프 3의 종축 방향과 일치한다. 이것은 또한 코일 5d와 5e에도 마찬가지로 적용되는데, 상기 코일 5d와 5e는 역방향 도체 3b의 종축 방향 및 코일 열 5a 내지 5c에 대한 횡축방향으로 시프트된다. 종축방향으로의 이동은 이 방향의 코일의 두께보다 다소 크다. 횡축방향으로의 이동은 이 방향의 코일 두께의 절반과 일치한다. 도 2의 타원형의 단면을 가진 코일의 묘사는 단순히 예로 나타낸 것이며, 실제적인 단면은 원형 또는 거의 사각에 가깝다. 코일의 단면두께는 10 내지 30mm 대이다.
수신코일 5a 내지 5e는 안테나 5와 운동방향에 수직으로 상기 안테나 5가 탑재된 수송수단의 위치를 확인하기 위해 도체 루프 3 내의 전류의 자기장을 측정하도록 최초에 맞춰져있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 코일 5a 내지 5e는 전자 표지기에 연결되어 있고, 상기 전자 표지기는 전술한 코일 5a 내지 5e의 자기장에 의해 유도된 전압의 진폭을 설정하고, 비교하며, 평가하여 역방향 도체 3b에 대한 안테나 5의 위치를 결정한다. 이러한 위치 결정에 근거하여, 하나 또는 그 이상의 서보모터를 위한 제어신호가 제어기에 의해 발생되는데, 이는 도체 3의 경로를 따라 자동으로 수송수단을 조향하기 위함이다.
위치 결정은 유도전압 U의 진폭이 수신코일 5a 내지 5e의 측면 위치 S의 함수로 일정한 수직 거리에서 다수의 극치(extreme)들을 가진 그래프를 보인다. 도 3에서, 이러한 그래프는 정성적으로 반대 방향의 전류흐름을 가진 두 전선의 2중 회선의 계자도(field diagram)를 재현한다. 여기에서, 좌표의 원점은 순방향 도체 3a와 역방향 도체 3b 사이에 정확히 중앙에 위치한다. 도체 3a와 3b의 위치는 도 3에서 각각 H와 R로 구별된다. 루프형태로의 자기장선의 알려진 그래프에 따라, 중앙점들은 각각 두 선을 연결하는 선 상위에 놓여지지만 중간의 공간 H-R의 모든 외부, 2개의 대칭적인 최소값들은 거의 H와 R의 위치 근처에서 발생된다. 이러한 최소점에서 상호연결된 자속은 이 점에서의 자기선의 수평 그래프에 따라 거의 0이 된다. 최대값은 정확히 가운데 위치하고, 양 전선으로부터 똑같은 크기의 양(positive)의 자기 분포의 합에 기인한다.
이러한 그래프는 다수의 코일들이 경로 S를 따라 배열되고 그들의 출력전압이 전자 표지기 내에서 비교되고 평가된다는 점에서 극치를 구함으로 위치를 결정하는 간단한 방법에 사용될 수 있다. 여기에서, 최소값은 그 인근에서의 현저히 가파른 곡선 그래프로 인해 기준으로 삼기에 유리하다. 코일 배열을 가진 경로 S를 따라 불연속 점들만이 모아질 수 있기 때문에, 도 3에 따른 곡선 그래프의 비선형 내삽을 이러한 기준점들 사이에서 수행하는 방법이 제기된다. 첫째열 5a 내지 5c에 대한 두 코일 열 5d와 5e의 오프셋은 코일의 가로두께의 절반정도 첫째 코일 열 5a 내지 5c에 대한 공간 스캐닝 간격을 2등분한다.
그러나, 수송수단의 곡선 경로에서 도체 루프 3의 곡률의 반지름은 종축방향으로의 두 코일 열 5a 내지 5c 및 5d와 5e의 거리에 대해 상대적으로 커야 하는데, 이러한 종축 간격에 의해 야기된 오차들이 곡선의 정확도를 얻지 못하게 함을 방지하기 위함이다. 곡선 또는 두 경로의 분지점-레일 시스템과 연관된 통상적인 용어를 따라 아래에 스위치점이라고 부른다-에서의 도체 루프 3의 횡방향곡률(lateral curvature)은 표지기에 결정된 최소값의 위치가 외부로 편류되기 시작하는 점에서 현저해 진다. 수송수단의 안테나 5의 위치에 의해 예정된 이상적인 위치와 현재 위치의 편차는 수송수단의 경로조절에 이용될 수 있다.
또 다른 안테나 5의 기능은 데이터 신호들의 유도수신이며, 상기 데이터 신호들은 중앙 제어부(도시되지 않음)에 의해 직접적으로 역방향 도체 3b와 인접하게 배열된 데이터 선 4를 통해 수송수단으로 전송된다. 각각 수직축을 가진 2개의 평판 수신코일 5d와 5e에 대한 데이터 선 4의 위치는 도 4에 확대 도시되었다. 10 내지 20mm 범위의 두 도체 4a와 4b 사이의 비교적 큰 거리에 따라, 비교적 큰 값의 고유 임피던스를 가지며 이전의 통상적인 형태의 300Ω 안테나에 견줄만하다. 얇은 절연체 연결 조각은 기계적으로 도체 4a와 4b를 연결하고 전체적으로 일정한 간격을 유지시킨다.
도체 4a와 4b에서 ×와 ⊙로 표시된 바와 같이, 데이터 케이블 4의 전류가 도시된 횡단면을 통해 도체 4a의 상층부에서 아래로 흐르고 도체 4b의 하층부에서 위로 어느 시간대에서 흐를때, 선 4와 수신코일 5d와 5e 사이의 공간에 도시된 바와 같은 자기장 특성을 보이는데, 즉, 자기선들은 중심점 근처에서 시계방향으로 원을 그리며, 도체 중심점을 연결하는 선 상의 도체 4a의 상층부 위에 위치한다. 그려진 자기선 B의 두 점에서, 자속밀도의 수평 성분 BH과 수직 성분 BV이 예로서 도시되었다.
데이터 케이블 4위의 수신코일 5d 또는 5e의 정확한 중심 위치에 있어서, 유도결합은 이 점에서 단순히 자기장 B의 수평 특성에 따라 최소값을 나타내며, 다시 말해, 이론적으로 이 점에서 0이 된다.
또 한편으로는, 자속 밀도 B는 선 4로부터 코일 5d 또는 5e의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 이 사실로부터, 코일 5d 또는 5e와 데이터 선 4 근방의 상층선 4a 사이의 주어진 수직 거리에서 유도결합이 최대로 일어나지만, 상술한 중심점에서는 결합이 약해진다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 다수의 수신코일 5a 내지 5e의 규칙적인 배열을 사용하기 위해, 수신기 5a 내지 5e 중 명백히 하나는 항상 이 최대가 일어나는 위치에 가장 근접하게 놓이며, 이는 데이터를 수신하는데 가장 적합하다.
따라서, 상술한 표지기는 항상 위치 결정을 위해 수신코일 5a 내지 5e의 최적 위치를 선택하며, 이 코일만을 다중송신전자시스템(multiplexer)을 통해 데이터 수신기에 연결한다. 이런 식으로, 수송수단이 이동함에 따라, 최적의 수신코일 5a 내지 5e의 선택은 반복적으로 변화하고, 특히 곡선에서의 방향변화 동안이나 스위치점에서 그러하며, 수신 안테나 5는 일시적으로 도체 루프 3에 대한 정상 위치로부터 외부까지 편류(wander)하며, 조향제어를 함에도 불구하고 데이터 선 4에 대해서도 그러하다. 상기의 데이터 선 4에 대한 편류현상은 안테나가 수송장치의 연결식 앞차축 아래에 비정상으로 놓일 수 있을때 더 불가피하다. 그러나, 최적 위치의 수신코일 5a 내지 5e의 일정한 전환을 통해, 원활한 데이터 수신이 비직선 경로에서도 보장된다.
이론상으로, 상술한 형태의 안테나 5는 데이터 선 4를 통해, 수송수단으로부터 중앙제어국으로 유도적으로 데이터를 전송하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 전송의 효율을 증가시키기 위해, 데이터 선 4의 자장집중을 위한 강자성체 철심을 가진 별도의 전송 코일을 사용하는 것이 유리하다. 도 5에서, 이러한 코일 6과 9의 가능한 두 모델을 제시하고 있다.
좌측의 전송 코일 6은 이미 도 1과 도 4에서 도시된 것과 같은 2개의 수직 도체 4a와 4b를 가진 데이터 선 4에서 사용이 적합하다. 철심 7은 이 예에서 U자 모양을 하고 있으며, 코일 6은 U자 모양의 철심 7의 두 발(leg)이 데이터 선 4를 수직으로 가리키도록 수송수단에 탑재된다. 코일 감음(winding) 8은 두 발 사이의 수평 부분에 위치한다. 이러한 배열에서는 데이터 선 4에 대해 코일 6의 도시된 중심 위치에서 유도결합이 최대가 된다.
우측의 전송 코일 9는 2개의 수평 도체 4a와 4b를 가진 데이터 선 4에서 사용이 적합하다. 이 도체 배열은 데이터 선 4와 도체 루프 3 사이의 바라지 않은 유도결합이 발생한다는 점과 선 합성(line composite)의 수평 곡선들이 물리적으로 휘기 쉽다는 점에서 수직 배열보다는 못하지만 이론상 고려해 볼 만은 하다. 철심 10은 이 예에서 E자 모양을 하고 있으며, 코일 9는 E자 모양의 철심 10의 세 발이 데이터 선 4와 수직을 이루도록 수송수단에 탑재된다. 코일 감음 11은 중간 발에 위치한다. 이러한 배열에서는 데이터 선 4에 대해 코일 9의 도시된 중심 위치에서 유도결합이 최대가 된다.
안테나 5에 대해서도 똑같이, 유도 송신 안테나는 수송수단의 이동 방향에 대해 수직으로 배열된 규칙적인 다수의 선형 송신코일로 구성되며, 수직으로 배열됨은 심지어 곡선을 주행할 때라도 항상 데이터 선 4로의 원활한 전송을 위함이다. 또한, 2개의 코일 열 배열의 장점과 위치 분해능을 증가시키기 위한 서로에 대한 측면으로의 오프셋은 수신 안테나 5로부터 송신 안테나로 직접적으로 전달될 수 있다. 논리적으로, 송신 안테나는 수신 안테나 5와 같이 수송수단의 가로방향에서 동일 위치에 탑재되어야 하고, 이는 수신 안테나에 대해 수직 방향으로 이동되도록 하기 위함이다.
수신과 송신코일 사이의 고정된 공간 할당을 위한 최적의 송신코일의 선택은 최적의 수신코일의 선택에 기초하여 이루어질 수 있다. 이런 식으로, 수신 안테나에 대한 송신 안테나의 세로방향의 오프셋을 위해, 최적의 송신코일이 최적의 수신코일과 동일한 측면 위치에 자리할 필요는 없지만, 대신 경로의 곡선 구간에서, 최적 위치의 송신코일은 최적의 수신코일에 대한 측면에서 오프셋일 수 있다. 송신코일을 선택함에 있어서 이러한 고려는 표지기에 의한 경로 데이터의 일시적인 저장을 요구한다.
도 6과 도 7에서, 본 발명에 따른 안내와 통신 시스템이 단면도 또는 평면도 내에서 최대한 기능 위주로 도시되었다. 이러한 장치는 도 1과 도 2를 참조하여 상술한 안테나와 이론적으로 일치하는 수신 안테나 12를 가지지만 역방향 도체 3b와 순방향 도체 3a에서와 모두 다르며 도체 루프 3의 전체 폭을 커버하고 있다. 송신 안테나 13은 수신 안테나 12에 대해 세로 방향으로 시프트되어 수신 안테나 12과 유사한 구조를 하고 있고, 동일 방식으로 완전히 도체 루프 3을 커버하며 도 5의 좌측에 도시된 형태의 송신코일 6으로부터 조립되었다. 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 두번째 데이터 선 14는 또한 수직의 위치로 순방향 도체 3a에 인접한 홈 2a내에 위치하고 있다.
또한, 도 6과 도 7에 따른 시스템의 장점은 스위치점(경로 분지점) 구역에서의 기능성이며, 수송수단에서 안테나 12와 13은 도체 3a 또는 3b 중 하나로부터 좀 떨어져 있고, 일시적으로 도체 3a 또는 3b 중 하나만이 안테나 12와 13의 근처에 존재한다. 그러므로, 데이터 선 14와 4는 도체 3a와 3b의 각각에 지정되어 있고, 이 들 데이터 선 14와 4의 각각은 수신 및 송신 안테나 12와 13에 의해 커버되기 때문에 잡음없는 데이터 통신이 매 시간 가능하게 된다.
동일한 방식이 수송수단의 트랙 안내에도 적용된다. 다시 말해, 도 1과 도 2에 도시된 경우에는, 도체 3a 나 3b 중 하나만 수신 안테나 5에 의해 커버되고, 수송수단의 트랙이 스위치점에서 상기 도체와 떨어진 위치에 있으면, 위치 결정이 이루어지지 않으며, 결과적으로, 안테나 5가 새로운 도체 3a 나 3b를 다시 찾을 때까지 조향제어는 불가능하다. 이에 비해, 도 6과 도 7의 안테나 배열의 경우에는, 수신 안테나 12가 항상 1개 이상의 도체 3a 나 3b에 근접해 있고, 방해받지 않는 위치 결정이 스위치점에서 가능하게 된다.
이러한 관점들이 특별한 응용에서 결정변수가 아니라면, 이론상 양방향 데이터 통신을 위해 도 6과 도 7에 도시된 안테나 배열 12, 13의 절반만으로 충분하고 두번째 데이터 선 14는 제거될 수 있다. 이는 2개의 부가적인 송신코일 6의 열을 가진 도 1과 도 2의 배열과 일치하며, 가로방향에서 서로에 대해 오프셋이며 수신코일 5a 내지 5e 후방에 세로방향으로 놓인다. 도 1과 2에 도시된 두 열의 5개의 수신코일 5a 내지 5e와 도 6과 7에 도시된 두 열의 11개의 송신 및 수신코일은 단지 예에 불과하다. 특별한 경우에, 바람직한 성능 데이터를 수득하기 위해, 더 적은 수의 코일 및/또는 열로 충분할 수 있고, 또한 더 많은 코일 및/또는 열이 필요할 수도 있다.
표지기와 데이터 통신장치 15가 결합된 블록 회로도는 도 8에 도시되었다. 데이터 통신장치 15의 핵심은 마이크로컴퓨터 16이며, 장치 15의 모든 디지털 처리 기능을 모니터한다. 마이크로컴퓨터 16은 수신 안테나 12에 의해 감지된 아날로그 위치 측정신호를 읽기위해 아날로그/디지털 변환기 17과 송신 안테나 13을 통해 데이터 선 4와 14로 전송될 디지털 데이터 신호의 출력 뿐만 아니라 데이터 선 4와 14로부터 수신 안테나 12를 통해 수신된 디지털 데이터 신호를 읽기 위한 디지털 입/출력기 18을 구비한다. 마이크로컴퓨터 16은 또한 수송수단의 전자제어부와 통신하기 위한 적절한 디지털 인터페이스도 구비한다. 예를 들어, 계산된 위치 데이터를 조향제어기에 전송하기 위해, 별도의 CAN 모선 인터페이스 19가 구비될 수 있고, 데이터 선 4와 14에 전송될 상태 정보를 읽기위함뿐만 아니라 제어 명령을 내보내기 위한 RS232 인터페이스도 사용된다. RS232 인터페이스의 대체품으로 RS485 또한 적절하다.
수신 안테나 12는 장치 15에 다중송신전자시스템 21을 통해 연결되어 있고, 제어모선 22를 통해 마이크로컴퓨터 16에 의해 제어된다. 이렇게, 수신 안테나 12에 대해 연결된 단일 수신코일만이 항상 제어모선 22를 통해 선택되고 다중송신전자시스템 21에 의해 출력으로 전환된다. 대역필터(bandpass filter) 23과 24는 다중송신전자시스템 21의 출력부에 평행하게 연결되어 있다. 대역필터 23이 전력송전을 위해 사용되며 20kHz 대에 있는 도체 루프 3의 작동 주파수에 동조되는 한편, 대역필터 24는 데이터 선 4와 14에서 데이터 전송을 위해 선택된 주파수 대역에 동조되며, 약 1MHz 대에 있을 수 있다. 이 대역필터 23과 24는 도체 루프 3의 자기장으로부터의 위치 측정신호와 데이터 선 4와 14로부터의 데이터 신호출력을 분리한다.
첫번째 대역필터 23으로부터 위치 측정신호는 다중송신전자시스템 21과 같은 부가적인 제어선 26을 통해 마이크로컴퓨터 16에 의해 제어되는 샘플 및 홀드 유닛 25에 제공된다. 샘플 및 홀드 유닛 25의 출력은 A/D 변환기 17의 입력부에 연결된다. 두번째 대역필터 24로부터의 데이터 신호는 복조기(demodulator) 27에 제공되는데, 상기 복조기는 이 데이터 신호로부터 디지털 기반 대역신호를 재생하고, 그것을 마이크로컴퓨터 16의 디지털 입/출력 인터페이스 18로 출력한다.
디지털 변조기(modulator) 28은 복조기 27의 대응부를 형성한다. 수송수단으로부터 제어국으로 전송될 데이터가 이 변조기에 기저대역 신호(base band signal)로서 마이크로컴퓨터 16의 디지털 입/출력 인터페이스 18로부터 제공되며, 그것을 주파수변이변조방식(FSK: frequency shift keying) 등을 통해 반송파 신호로 변조한다. 이런 식으로 발생된 송신신호는 송신 안테나 13에 연결된 구동기 29로 출력한다. 이 구동기 29는 변조기 28로부터의 데이터 신호를 증폭하고 제어모선 22에 적용된 마이크로컴퓨터 16의 제어하에 송신 안테나 13에 연결된 하나만의 송신코일상으로 교환한다. 이렇게, 구동기 29 자체는 도 8에서 별도로 도시하지 않은 또 하나의 다중송신전자시스템를 포함한다. 충분한 교환율을 보장하기 위해, 제어모선 22는 다중송신전자시스템 21과 구동기 29내에 포함된 다른 다중송신전자시스템 각각의 어드레스 선을 포함한다.
어떤 시간에 사용되는 송신 및 수신코일의 선택은 마이크로컴퓨터 16에 의해 그것에 의해 계산된 안테나 12와 13의 위치를 참조하여 이루어진다. 이러한 계산은 수신 안테나 12의 모든 수신코일의 위치 측정신호를 포함하는데, 다중송신전자시스템 21을 통해 교환되고 서로서로 읽혀진다. 이렇게, 데이터 통신을 위해서, 최적 위치를 가진 송신 및 수신코일만이 항상 사용된다. 여기에서, 수신 안테나 12의 개별 수신코일에 의해 전달된 데이터 신호의 진폭은 선택 기준으로 또한 사용될 수 있고, 다시 말해, 대역필터 24의 관련 출력신호가 사용되지만 위치신호, 즉, 대역필터 23의 지정된 출력신호위치신호는 것이 바람직한데, 이러한 신호는 데이터 선 4와 14에 비해 도체 루프 3에서의 더 큰 전류로 인해 현저히 강하기 때문이다.
또한, 수신 안테나 12는 위치표시를 위해 도체 루프 3을 따라 적정된 위치에 배열된 송신기로부터 신호를 받는데 사용될 수도 있다. 이러한 위치표시 송신기는 일반적으로 경로를 따라 적정 위치에 도달되거나 지나쳐버린 자동제어 수송수단에 신호를 발신하는데 사용된다. 바람직하게는, 이러한 송신기는 도체 루프 3의 측면에 배열된 송신코일을 제공하는데, 이는 수송수단이 지나갈때, 적어도 수신 안테나 12의 코일 중 하나가 일시적으로 유도결합에 인도되고, 정지 송신코일로부터 수신 안테나 12로의 데이터 신호를 전송하는 짧은 시간동안 유도결합이 가능하도록 하기 위함이다.
이러한 데이터 신호는 도체 루프 3을 따라 송신기의 위치를 지시하는 디지털 코드를 포함한다. 도체 루프 3에서 수송수단으로의 전력송신 및 데이터 선(4, 14)과 수송수단 사이의 데이터 전송을 위한 이러한 단향성 위치 데이터 송신의 파열을 방지하기 위해, 세 영역의 주파수 또는 주파수 대역은 충분하고 명확하게 구분되어야만 한다. 즉, 대역필터 23, 24 이외에 또 하나의 대역필터에 의한 위치 데이터 신호의 추출이 가능해야 한다. 명백히, 또 하나의 복조기도 도 8의 중앙 신호 경로 24-27-18의 복제에 해당하는 대역필터의 출력부에 연결되어야 한다. 위치표시 데이터의 디코딩 및 포워딩은 부가 기능으로써 마이크로컴퓨터 16에 의한 부가 수단없이 수행될 수 있다.
도체 루프 3으로부터 위치표시 송신기의 적정 측면 위치에서, 데이터 선(4, 14)으로부터 데이터 신호수신을 위한 최적의 수신코일의 선택 후, 최적의 수신코일은 또한 위치표시 송신기 중 하나로부터 다른 데이터 신호를 수신하기 위한 간단한 방법으로 결정될 수 있는데, 모든 변수 하에서 이러한 단계는 2개의 다른 수신코일에 관계한다. 수신 안테나 12는 3개의 다른 신호들을 거의 동시에 수신할 수 있다.
본 발명은 유도적으로 에너지를 공급하기 위함과 동시적인 유도 데이터 통신을 가진 이동체를 위해 결합된 시스템을 나타내는데, 본 발명이 달성되기 위해서는 데이터 통신을 위한 각 경우에서의 최소사양(single-master, half-duplex, 9600 baud transmission rate, 100ms reaction time)이 필요하다. 그러나, 시스템의 성능 데이터는 증가되는 요구에 대한 부가적인 수단없이도 개조될 수 있다. 이것은 전송속도와 반응시간에만 적용되는 것은 아니다. 또한, 이렇게, 두번째 데이터 선 14의 구비는 도 6과 7을 참조하여 기술한 바와 같이, 양방향 동시 전송방식(full-duplex) 작동의 가능성을 열었다.
비록, 최소한의 수신 안테나, 송신 안테나, 및 표지기와 데이터 통신기 각각이 단일 모듈을 형성하거나, 이러한 모든 요소들이 단일 모듈내로 통합되는 것이 바람직하지만, 본 발명의 구현을 위한 필수조건은 아니다. 다수의 개별 코일의 사용과 수송수단을 위한 중앙 제어 전자의 통합 요소로써 표지기 및 데이터 수신기의 구현은 본 발명의 실시예들을 나타내며, 이 실시예들은 본 청구항의 보호범위내에 포함된다.

Claims (28)

  1. 이동체(mobile object)의 경로를 따라 도체 루프(conductive loop)(3)의 형태로 확장된 1차 인덕턴스 소자, 상기 이동체에 배열되며 전력송전을 위해 1차 인덕턴스 소자와 자기적으로 결합될 수 있는 2차 인덕턴스 소자, 상기 이동체에 배열되며 1차 인덕턴스 소자의 자기장에 따른 측정신호를 송출하는 다수의 수신 인덕턴스 소자, 및 상기 측정신호로부터 도체 루프에 대하여 이동체의 위치를 확인하여 표시하는 표지기로 구성된 장치에 있어서, 다음과 같은 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치:
    (ⅰ) 상기 수신 인덕턴스 소자(5; 12)는 규칙적으로 배열되고, 이동체 상에서 이동 방향에 대해 수직 또는 거의 수직으로 확장되며;
    (ⅱ) 상기 수신 인덕턴스 소자(5; 12)는 데이터 수신기(21,24,27,18,16)에도 동시에 연결되며, 상기 데이터 수신기는 수신 인덕턴스 소자(5; 12) 중 적어도 하나의 수신 인덕턴스 소자의 출력전압으로부터 데이터 신호를 추출하기 위한 수단(24)을 포함하고; 및,
    (ⅲ) 이동체가 이동하는 동안 데이터 신호를 송신하기에 충분한 수신 인덕턴스 소자(5; 12) 중 적어도 하나와 유도결합(inductive coupling)을 하는 데이터 선 중 적어도 하나는 이동체의 이동 경로를 따라 위치한다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 선과 도체 루프(3)는 하나의 선을 공통으로 이용하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 선은 도체 루프(3)와는 별도로 구비되는 데이터 선(4)인 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수신 인덕턴스 소자(5; 12)는 서로 유사한 형태의 다수의 코일로 구성되며, 상기 수신 인덕턴스 소자의 종축은 서로에 대해 평행하게 확장되어 있고, 모든 코일들의 축의 끝은 1개 내지 2개의 평행한 평면위에 놓이도록 배열됨을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 코일들은 인쇄회로기판(printed-circuit board) 상의 전도 트랙(conductor track)처럼 평면 형태로 구현됨을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 코일들은, 그들의 종축이 상기 이동체의 이동방향에 대해 수직방향으로 배열됨을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수신 인덕턴스 소자(5; 12)는 또한 이동체의 이동방향으로 연장되어 배열되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수신 인덕턴스 소자(5; 12)는 적어도 두 개의 열의 코일들로 구성되어 이동체의 이동방향에 대하여 전후로 구비되며, 상기 각 열은 서로 가로 방향으로 엇갈린(offset) 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 표지기(21, 23, 25, 17, 16)는 위치의 함수로 도체 루프(3)에 대한 이동체의 위치를 측정함으로써, 유도된 측정신호의 최대값(extreme)을 결정하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 표지기(21, 23, 25, 17, 16)는 적어도 하나의 극치를 결정하기 위해 수신 인덕턴스 소자(5; 12)를 구성하는 다수의 코일들의 측정신호들 사이의 비선형 보간(nonlinear interpolation)을 수행함을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  11. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항, 제 6항, 제 8항 및 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동체에는 데이터 송신기(data transmitter device)(16, 18, 28, 29)가 제공되며, 상기 데이터 송신기는 적어도 하나의 송신 인덕턴스 소자(transmitting inductance)(13)와 연결되고, 상기 송신 인덕턴스 소자(13)는 데이터 신호를 송신하기에 충분한 데이터 선과 유도결합하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 송신 인덕턴스 소자(13)의 적어도 하나와 표지기(21, 23, 25, 17, 16)에 연결된 수신 인덕턴스 소자(5; 12)가 동일한 것임을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 이동체는, 그 이동체 상에 다수의 송신 인덕턴스 소자(13)가 규칙적으로 배열되어 있고, 상기 송신 인덕턴스 소자는 이동체의 이동 방향에 적어도 수직 또는 거의 수직으로 확장되어 있으며, 표지기(21, 23, 25, 17, 16)에 연결된 수신 인덕턴스 소자(5; 12)와는 개별적으로 구현되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 송신 인덕턴스 소자(13)는 서로 유사한 코일(6; 9)이며, 상기 코 일들 각각은 강자성체 철심(ferromagnetic core)(7; 10)을 가지며, 자속(magnetic flux)의 입구 및 출구 표면들이 이동체의 이동 경로의 접선 평면에 대해 수직 또는 거의 수직으로 확장된 형태로 배열됨을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 송신 인덕턴스 소자(13)는 또한 이동체의 이동 방향으로 확장되는 배열을 함을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 송신 인덕턴스 소자(13)는 그 중 최소 2개의 열이 이동체의 이동방향에 대하여 전후로 이어져 구비되며, 상기 2개의 열은 서로 엇갈린(offset) 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 데이터 송신기를 이용한 데이터 송신에 사용되는 주파수 대역(frequency band)은 전원장치(power supply)의 작동 주파수(operating frequency)와 현저히 다르며, 적어도 하나의 여파기(filter device)(23, 24)에 의하여 위치 측정신호들과 데이터 신호들로 분리되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  18. 제 1항, 제 10항, 제 12항 및 제 13항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 표지기(21, 23, 25, 17, 16)는 수신 인덕턴스 소자(5; 12) 중 어느 하나를 선택하는데, 상기 선택된 수신 인덕턴스 소자는 데이터 전송을 위한 매 시간 수신 인덕턴스 소자(5; 12)에 의해 제공된 측정신호들에 관해 데이터 선(4)과 최대한 근접한 위치에 자리하며, 매 시간 데이터 신호를 수신하는데 사용되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  19. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 표지기(21, 23, 25, 17, 16)는 송신 인덕턴스 소자(13) 중 어느 하나를 선택하는데, 상기 선택된 송신 인덕턴스 소자는 데이터 전송을 위한 매 시간 수신 인덕턴스 소자(5; 12)에 의해 제공된 측정신호들에 관해 데이터 선(4)과 최대한 근접한 위치에 자리하며, 매 시간 데이터 신호를 송신하는데 사용되는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  20. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 선(4)은 두 개의 도체들(4a, 4b)로 구성되며, 상기 도체는 도체 루프(3)의 두 개의 도체들 중 하나(3b)에 인접하도록 배열되고, 횡단면에서, 데이터 선(4)의 도체 중심 점들을 연결하는 선이 도체 루프(3)의 두 개의 도체들(3a, 3b)의 도체 중심 점들을 연결하는 선에 대해 수직 또는 거의 수직이 됨을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  21. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 데이터 선(4, 14)이 존재하고, 이 중 하나는 도체 루프(3)의 인출선(outgoing line)(3a)과 인접하며, 나머지 하나는 도체 루프(3)의 귀로선(return line)(3b)에 인접함을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  22. 제 1항, 제 8항, 제 10항, 제 12항 및 제 13항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 인덕턴스 소자(12)는 도체 루프(3)의 전체 폭을 커버하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  23. 제 12항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 인덕턴스 소자(13)는 도체 루프(3)의 전체 폭을 커버하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 수신기(21, 24, 27, 18, 16)는 적어도 하나의 수신 인덕턴스(5; 12)의 출력전압으로부터 또 하나의 데이터 신호를 추출하기위한 수단을 포함하고, 상기 이동체를 위해 제공된 이동경로를 따라 적어도 하나의 데이터 송신기가 있으며, 상기 데이터 송신기는 송신 인덕턴스 소자(transmitting inductance)에 의해 또 하나의 데이터 신호를 전송하고, 상기 송신 인덕턴스 소자는 이동체가 지나가는 동안만 다른 데이터 신호를 전달하는데 충분한 수신 인덕턴스 소자(5; 12) 중 적어도 하나와 유도결합을 하고 있음을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 데이터 송신기는 도체 루프(3)를 따라 그 위치를 제공하는 코드를 전송하는 것을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 데이터 송신기는 전원장치의 작동 주파수 및 이동체, 데이터 선(4, 14) 사이의 데이터 전송을 위한 주파수와 현격히 다른 주파수 대역에서 전송하며, 출력전압으로부터 다른 데이터 신호를 추출하기 위한 적어도 하나의 수신 인덕턴스 소자(5; 12)가 자체의 여파기를 가짐을 특징으로 하는
    유도적인 에너지 공급과 이동체 안내를 위한 장치.
  27. 이동체는 데이터 선과 평행하게 확장되어 있는 이동경로를 따라 안내되고, 경로안내를 위해 이동방향에 대해 수직으로 위치하는 이동체의 위치를 확인하고, 상기 이동경로의 안내에 사용하는 방법에 있어서, 다음과 같은 특성을 가지는 정지 데이터 선과 이동체 사이의 유도성 데이터 전송을 위한 방법:
    (ⅰ) 이동체에는 수신 안테나, 송신 안테나, 또는 수신 안테나 및 송신 안테나가 구비되며, 상기 수신 안테나 또는 송신 안테나는 다수의 개별 수신 또는 송신 인덕턴스 소자(12; 13)를 포함하고;
    (ⅱ) 상기 수신 또는 송신 인덕턴스 소자(12; 13) 중 하나는 데이터 선(4; 14)과 최대한 근접한 거리에 위치하고 매 시간 경로안내를 위해 확인된 이동체의 위치에 따라 선택되며; 및,
    (ⅲ) 상기 선택된 수신 또는 송신 인덕턴스 소자는 매 시간 데이터 전송을 수신하거나 송신하기 위해 사용된다.
  28. 삭제
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