JP5443447B2 - 車両用電力線通信システムおよび送信機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信機器が電力線を用いて通信を行う車両用電力線通信システムおよび送信機に関する。

車両内に配置された複数のＥＣＵ（Electronic Control Unit）は、相互に通信を行うことに応じて車両内の各種制御を円滑に行っている。このため、電力線通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）システムの導入が検討されている。この電力線通信システムは、信号を高周波キャリアに重畳して伝送して通信する技術である。

このような技術の一例が特許文献１に開示されている。この特許文献１記載の技術によれば、平行二線路からなる平衡給電線が、ループ状に形成されている結合器に近接して移動体に取り付けられている。これにより、移動体と平衡給電線との間で電磁誘導結合できる。

特開２００５−４５３２７号公報

しかしながら、このような従来技術を用いて電磁誘導結合を行い、電力又は信号通信を行うと、電力又は信号を授受する部分（結合部）以外での漏れ磁束が多いことが発明者らにより明らかになっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、送信機および受信機間の電磁誘導結合を強力にして電力線通信できるようにした車両用電力線通信システムおよび送信機を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、送信機が端部で芯線が結合してループ状に形成された一対のツイスト線を電力線および通信線として用い、この一対のツイスト線に高周波信号を重畳して電力および信号を送信する。受信機は、一対のツイスト線の通電電流に応じて当該一対のツイスト線に発生する電磁界を電磁誘導結合してループ状の開口アンテナによって一対のツイスト線の高周波電力を受信する。そして受信機は送信機から送信される電力を使用して動作する回路を備えている。受信機の開口アンテナは、一対のツイスト線の複数の撚部間の開口領域に対向した開口領域を備えるため、電磁誘導結合を強力にして電力線通信することができる。しかも、一対のツイスト線を用いるため漏れ磁束を少なくできる。整合回路は、一対のツイスト線にコンデンサを直列又は並列に接続して整合するときには送信機の整合を行うことができ、開口アンテナにコンデンサを直列又は並列に接続して整合するときには受信機の整合を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、送信機はループコイルを電力線および通信線として使用し、このループコイルに高周波信号を重畳して電力および信号を送信し、受信機は、ループコイルの通電電流に応じて当該ループコイルに発生する電磁界をループ状の開口アンテナを用いて電磁誘導結合により高周波電力を受信する。そして受信機は送信機から送信される電力を使用して動作する回路を備えている。送信機のループコイルは、受信機の開口アンテナの開口領域に対向した開口領域が他の開口領域より拡大しているため、電磁誘導結合を強力にして電力線通信することができる。整合回路は、ループコイルにコンデンサを直列又は並列に接続して整合するときには送信機の整合を行うことができ、開口アンテナにコンデンサを直列又は並列に接続して整合するときには受信機の整合を行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、一対のツイスト線が、隣接する複数の撚部間の開口領域が受信機の開口アンテナと対向する領域のみ他の複数の隣接する撚部間の開口領域よりも拡大した構成とされているため、電磁誘導結合を一層強力にして電力線通信することができる。

請求項４、５記載の発明によれば、開口領域間にコアが挿通されているため、電磁誘導結合を一層強力にして電力線通信できる。

本発明の第１実施例を示すものであり、車両に搭載される電力線通信システムを概略的に示す電気的構成図 整合回路の一例を示す回路図（（ａ）〜（ｄ）送信側、（ｅ）〜（ｆ）受信側） 実験条件の説明図（（ａ）は一対のツイスト線路、（ｂ）は単一開口線路） 漏洩電力の実験結果を表す周波数特性図 本発明の第２実施例を示す図１相当図 図３相当図 （ａ）は伝達特性の周波数特性図、（ｂ）は漏れ磁束の周波数特性図 本発明の第３実施例を示す電力通信線の配置態様を示す図 本発明の他の実施例を示す図１相当図

（第１実施例）
以下、第１実施例について図１ないし図４を参照しながら説明する。図１は、車両用電力線通信システムの構成を概略的に示している。

車両用電力線通信システム１は、マスタとなる通信機器（送信機に相当）２、スレーブとなる通信機器３Ａ…３Ｚを備えて構成されている。通信機器２にはバッテリ（図示せず）が接続されている。この通信機器２は、バッテリ（図示せず）の電力に応じてスレーブである複数の通信機器３Ａ…３Ｚに電力線を通じて電力を供給し、スレーブとなる複数の各通信機器３Ａ…３Ｚがこれらの供給電力に応じて動作する。これらの通信機器３Ａ…３Ｚにはそれぞれセンサ、アクチュエータからなる負荷５Ａ…５Ｚが接続されている。

マスタとなる通信機器２は、通信やその他の機能の制御を行う制御回路２ａ、高周波電力発生回路２ｂ、変復調回路２ｃ、重畳／分離回路２ｄ、整合回路２ｅを通信機器本体２ｆに内蔵し、当該通信機器本体２ｆから送信用アンテナとなる一対のツイスト線４を接続して構成される。高周波電力発生回路２ｂは、制御回路２ａの制御信号に応じて高周波信号（搬送波信号）を生成し、電力信号として重畳／分離回路２ｄに出力する。

変復調回路２ｃは、マスタ側の通信データを変調し重畳／分離回路２ｄに通信データを変調信号として出力する。重畳／分離回路２は、これらの搬送波信号および変調信号をミキシングし整合回路２ｅに出力する。

図２（ａ）〜図２（ｄ）は、整合回路２ｅの等価回路を示している。整合回路２ｅは、トランスおよびその一次側に直列または並列接続されたコンデンサ、トランスの二次側に直列または並列接続されたコンデンサを具備し、変調信号が重畳した搬送波信号（電力および信号）を一対のツイスト線４に送出する。ツイスト線４は、車両内に設置され、本体２ｆの出力端子から最遠部まで１ｍ程度の所定長延伸している。図１、図２に示すように、一対のツイスト線４は、ケーブル芯線の最遠端部（端部）が結合したループ状に形成されている。

スレーブ側の各通信機器３Ａ…３Ｚは、それぞれ、制御回路３ａ、変復調回路３ｃ、重畳／分離回路３ｄ、整合回路３ｅ、整流回路３ｆを内蔵している。整合回路３ｅには受信用の開口アンテナ３ｇが接続されている。この開口アンテナ３ｇは、円形状などのループ状に成形されており、前述の一対のツイスト線４が発生した電磁界を電磁誘導結合により受信する。

図２（ｅ）〜図２（ｆ）は、受信側の整合回路３ｅの等価回路を示している。整合回路３ｅは、開口アンテナ３ｇに並列または直列接続されたコンデンサを具備したマッチング回路であり、搬送波信号（電力および信号）を受信すると重畳／分離回路３ｄに送信する。重畳／分離回路３ｄは、受信した搬送波信号について電力交流信号および通信データ信号に分離し、電力交流信号を整流回路３ｆに送出する。整流回路３ｆは、電力交流信号を整流して直流電力として変復調回路３ｃ、制御回路３ａ、負荷５Ａに供給する。変復調回路３ｃは供給された電力によって動作し、通信データ信号を復調しデータを制御回路３ａに送出する。

制御回路３ａは、整流回路３ｆから供給された電力により動作し、変復調回路３ｃによる復調データを受信し、負荷５Ａ…５Ｚを動作させる。これによりマスタからスレーブに通信データを送信できる。スレーブ側では、負荷５Ａ…５Ｚがセンサの場合にはセンサ信号を取得し、負荷５Ａ…５Ｚがアクチュエータの場合アクチュエータを駆動する。

逆に、スレーブ側からマスタ側にデータ送信するときには次のように動作する。スレーブとなる通信機器３Ａ…３Ｚの制御回路３ａは、変復調回路３ｃによりデータを変調し、変調信号を重畳／分離回路３ｄに送信する。重畳／分離回路３ｄは、搬送波信号に変復調回路３ｃの変調信号を重畳し整合回路３ｅに出力する。整合回路３ｅは、変調信号が重畳された搬送波信号を開口アンテナ３ｇに出力し、開口アンテナ３ｇは電波信号として出力する。

一対のツイスト線４は、マスタの通信機器２の本体２ｆから撚り対線としてスレーブとなる他の通信機器３Ａ…３Ｚの近傍まで延設されている。一対のツイスト線４は、例えばシールドが施されていないＵＴＰ（アンシールドツイステッドペア）のツイストペアケーブルであり、信号送信時においては、その高周波信号による通電電流で発生する隣接する撚り目（撚部に相当）４Ａ、４Ｂ、…間の磁束が隣同士で反転し互いに打ち消しあうため外部にノイズを出力しにくい。また、信号受信時において、ツイスト線４は、外来電波に応じた磁束が鎖交する領域が少ないため、外部からの到来電波の影響を受けにくい。したがって、ノイズ発生抑制および外来ノイズ除去には好適な態様となっている。

これらの一対のツイスト線４は、多数の撚り目４Ａ…のうち、一部の撚り目４Ａおよび４Ｂ間の開口領域がスレーブの通信機器３Ａの開口アンテナ３ｇに対向して配置されている。また、一部符号を図示していないが、通信機器３Ｂ…３Ｚのそれぞれの開口アンテナ３ｇも同様に、撚り目（通信機器３Ｚの開口アンテナ３ｇは４Ｃおよび４Ｄ）間の開口領域に対向して配置されている。

ここで、図１では、特にツイスト線４の撚り目４Ａ、４Ｂ、…、４Ｃ、４Ｄの構成などをわかりやすくするため、ツイスト線４の開口領域（ツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ間）と開口アンテナ３ｇの開口領域とを、ｘ方向のみ一致させて図示しているが、実際にはｙ方向にも一致しており、開口領域が２重に重なるように設置されている。

したがって、ツイスト線４の各撚り目（４Ａ、４Ｂ、…、４Ｃ、４Ｄ）間の開口領域で発生する電磁界が、通信機器３Ａ…３Ｚの開口アンテナ３ｇとの間で強力に電磁誘導結合することになるため、各通信機器３Ａ…３Ｚの開口アンテナ３ｇは、高周波信号に応じたツイスト線４の撚り目４Ａおよび４Ｂ（４Ｃおよび４Ｄ）間の開口領域に生じる電磁界により電力および信号を非接触で強力に受電、受信できる。また、逆に、各通信機器３Ａ…３Ｚの開口アンテナ３ｃから信号を送信すると、ツイスト線４の撚り目（４Ａ、４Ｂ、…、４Ｃ、４Ｄ）間の開口領域を通じて信号を非接触で受信できる。

図３（ａ）は、発明者らが実施した実験による漏れ磁束の測定条件を示しており、図３（ｂ）は、比較例における漏れ磁束の測定条件を示している。図４は、それらの実験結果の周波数特性を示している。

一対のツイスト線４は、図３（ａ）に示すように、通信機器２の本体２ｆから所定ピッチで撚りながら所定長（１［ｍ］）所定方向（ｘ方向）に直線状に伸張した端部で芯線が結合した構造を用いており、そのツイストピッチ（複数の撚り目４ａ，４ｂ…間の間隔：所定ピッチ）を２０［ｍｍ］としている。芯線は被覆されており、その被覆材の厚さは０．３５［ｍｍ］のものを用いているため、一対のツイスト線４の互いの芯線間の間隔は０．７＋α［ｍｍ］程度となっている。

また、図３（ｂ）は、比較例として、芯線が所定方向（ｘ方向）に延設され当該長手方向の端部で結合された線路５（以下、単一開口線路と称す）を用いた漏れ磁束特性を示している。この比較例では、単一開口線路５の幅方向（ｙ方向）に互いに所定間隔（１０［ｍｍ］）だけ離間して所定長（１［ｍ］）だけ所定方向（ｘ方向）に直線状に伸張し端部で芯線を結合した構造を用いている。なお、幅方向（ｙ方向）は、ツイスト線４の延伸方向（ｘ方向）に直交する方向である。

発明者らは、図３（ａ）に示す測定系において、受信用の開口アンテナ３ｇを想定した測定用アンテナ６と、漏洩電力測定用の基準アンテナ７とを互いに影響を及ぼさない程度の間隔だけ離間して配置し、一対のツイスト線４の基端部（本体２ｆとの接続部）、測定用アンテナ６、基準アンテナ７、にネットワークアナライザのそれぞれ別のポートを接続し、一対のツイスト線４の基端部に測定用の基準電力（０ｄＢｍ：周波数十数ＭＨｚ）を与え、測定用アンテナ６により受信電力を測定すると共に、基準アンテナ７によって漏れ磁束を測定した。

また、図３（ｂ）に示す比較例の測定系において、受信用の開口アンテナ３ｇを想定した測定用アンテナ６と、漏洩電力測定用の基準アンテナ７とを前記と同様の間隔だけ離間して配置し、単一開口線路５の基端部（本体２ｆとの接続部）、測定用アンテナ６、基準アンテナ７、にネットワークアナライザのそれぞれ別のポートを接続し、単一開口線路５に測定用の基準電力（０ｄＢｍ：周波数十数ＭＨｚ）を与え、測定用アンテナ６により受信電力を測定すると共に、基準アンテナ７によって漏れ磁束を測定した。

図４に示す漏れ磁束特性を考慮すれば、図３（ａ）に示すような一対のツイスト線４を用いて構成することで、図３（ｂ）に示すような単一開口線路５を用いるのに比較して漏れ磁束を低減できることを把握できる。

すなわち、単一開口線路５を用いると、通信周波数約１３［ＭＨｚ]においてピーク値が約１２８［ｄＢμＡ／ｍ］であるのに対し、一対のツイスト線４を用いると、通信周波数約１３．８［ＭＨｚ］においてピーク値が約１０１［ｄＢμＡ／ｍ］であり、これらの測定周波数の全範囲にわたり漏れ磁束を低減できることを確認できる。

本実施例では、一対のツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ間の開口領域が、通信機器３Ａ…３Ｚの開口アンテナ３ｇの開口領域に対向して設置されているため、一対のツイスト線４を用いて電力を分岐できると共に信号を通信できる。単一開口線路５を用いた通信に比較して漏れ磁束を低減できる。これにより、電力および信号を効率よく伝播できる。また、通信機器２および通信機器３Ａ…３Ｚ間で非接触電力線通信を行うことができる。
通信機器２は、通信機器３Ａ…３Ｚに電力および信号を分岐でき、分岐の際にハーネス、コネクタなどの他部品を用いる必要がなくなる。

（第２実施例）
図５ないし図７は、本発明の第２実施例を示すもので、前述実施例と異なるところは、一対のツイスト線の複数の撚部間が開口アンテナと対向する領域のみ他の撚部間の開口領域よりも拡大した構成とされているところにある。前述実施例と同一部分については同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

図５に示すように、一対のツイスト線４の撚り目により構成される開口領域は、開口アンテナ３ｇと対向した撚り目４Ａ−４Ｂ間のみ幅方向（ｙ方向）に拡大している。ツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ間の開口領域と、開口アンテナ３ｇの開口領域とは対向設置されている。図５では、特にツイスト線４の撚り目４Ａ、４Ｂ、…、４Ｃ、４Ｄの構成などの説明をわかりやすくするため、ツイスト線４の開口領域（ツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ間）と開口アンテナ３ｇの開口領域とを、ｘ方向のみ一致させて図示しているが、実際にはｙ方向にも一致しており、開口領域が２重に重なるように設置されている。

この実施例における電力伝達特性の向上効果を確認するため、発明者らは、以下の実験を行った。図６（ａ）は本実施例の実験条件、図６（ｂ）は比較例の実験条件を示している。また、図７（ａ）は電力伝達特性、図７（ｂ）は電力漏れ特性の実験結果を示している。

図６（ａ）に示す実験条件では、ツイスト線４の撚り目４ａ−４ｂ間の開口領域が、開口アンテナ３ｇと同等の幅方向の径を有する構成を適用して測定を行っている。図６（ｂ）に示す比較例では、単一開口線路５に測定用アンテナ６、基準アンテナ７を対向させている。その他の実験条件は、前述実施例と同様の実験条件を用いている。

図７（ａ）に示すように、伝達特性の最大値は単一開口線路５とツイスト線４で特性変化はない。また、図７（ｂ）に示すように、漏れ磁束特性は、ツイスト線４の方が単一開口線路５よりも良いことを確認できた。したがって、前述実施形態に比較してツイスト線４と開口アンテナ３ｇとの間の電磁誘導結合を強力にできることが確認できた。

本実施例のように、一対のツイスト線４の複数の撚り目４Ａ−４Ｂ（４ａ−４ｂ）間が開口アンテナ３ｇと対向する開口領域のみ他の撚り目間の開口領域よりも拡大した構成とされていると、高周波漏洩電力を抑制しつつ電磁誘導結合を強力にできる。

（第３実施例）
図８は、本発明の第３実施例を示すもので、前述実施例と異なるところは、端部で芯線が結合した一対のツイスト線に代えてループコイルを用いて電力線通信を行い、受信機の開口アンテナの開口領域に対向したループコイルの開口領域が他の開口部分よりも拡大した構成とされているところにある。前述実施例と同一または類似の部分には同一または類似の符号を付して説明を省略し以下異なる部分について中心に説明する。

図８は、本実施例のアンテナ部分の構成例を示している。図８に示すように、ループコイル８は、通信機器２の本体２ｆから所定方向（ｘ方向）に直線状に延伸し、所定方向端部で芯線が結合したループ状に成形されている。このループコイル８は、受信用の開口アンテナ３ｇと対向した領域だけ一部幅方向（ｙ方向）に芯線間の間隔が拡大した構造をなしている。

通信機器本体２ｆは、ループコイル８に高周波信号を重畳して電力および信号を送信し、通信機器３Ａ…３Ｚ（３Ｂ…３Ｚは図示せず）は、ループコイル８の通電電流に応じてループコイル８に発生する電磁界をループ状の開口アンテナ３ｇを用いて電磁誘導結合によりループコイル８の搬送波信号（電力および信号）を受信する。

ループコイル８が、受信用の開口アンテナ３ｇと対向した領域だけ一部幅方向（ｙ方向）に芯線間の間隔が拡大した構造をなしているため電磁誘導結合を強化できる。また、図８に示すように、ループコイル８の拡大開口領域と開口アンテナ３ｇの開口領域との間に、フェライトなどのコア９を設けても良いし、設けなくても良い。

本実施例によれば、ループコイル８を用いて電力線通信を行い、通信機器３Ａ…３Ｚの開口アンテナ３ｇの開口領域に対向したループコイル８の開口領域が他の開口部分よりも拡大した構成とされているため、特に第１実施例と同様に電磁誘導結合を強力にすることができる。

（他の実施例）
本発明は、上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
第１実施例、第２実施例におけるツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ（４ａ−４ｂ）間の開口領域と開口アンテナ３ｇの開口領域との間に第３実施例で説明したコア９が挿通して構成されても良い。

図９に示すように、各通信機器３Ａ…３Ｚは、整流回路３ｆに代わる整流／蓄電回路３ｈを用いて構成しても良い。この図９では、特にツイスト線４の撚り目４Ａ、４Ｂ、…、４Ｃ、４Ｄの構成などの説明をわかりやすくするため、ツイスト線４の開口領域（ツイスト線４の撚り目４Ａ−４Ｂ間）と開口アンテナ３ｇの開口領域とを、ｘ方向のみ一致させて図示しているが、実際にはｙ方向にも一致しており、開口領域が２重に重なるように設置されている。

整流／蓄電回路３ｈは、マスタとなる通信機器２から電力供給されたときに電力を蓄電するものであり、この場合、通信機器２から電力供給されなくても、各通信機器３Ａ…３Ｚは、蓄電電力によって単独で個別に動作できる。したがって、例えば通信機器３Ａ…３Ｚに接続された負荷５Ａ…５Ｚ（センサ、アクチュエータ）を単独で動作させることができる。

図面中、１はバッテリ、２は通信機器（送信機）、２ａは制御回路、２ｂは高周波電力発生回路、２ｃは変復調回路、２ｄは重畳／分離回路、２ｅは整合回路、２ｆは通信機器本体、３Ａ…３Ｚは通信機器（受信機）、３ａは制御回路、３ｃは変復調回路、３ｄは重畳／分離回路、３ｅは整合回路、３ｆは整流回路、３ｇは開口アンテナ、４は一対のツイスト線、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄは撚り目、５は単一開口線路、６は測定用アンテナ、７は基準アンテナ、８はループコイル、９はコアを示す。

Claims (7)

1. 端部で芯線が結合してループ状に形成された一対のツイスト線を電力線および通信線として用い、この一対のツイスト線に高周波信号を重畳して電力および信号を送信する送信機と、
   前記一対のツイスト線の通電電流に応じて当該一対のツイスト線に発生する電磁界を電磁誘導結合して前記一対のツイスト線の高周波電力を受信するループ状の開口アンテナを具備すると共に前記送信機から送信される電力を使用して動作する回路を備えた受信機と、
   前記一対のツイスト線又は／及び前記開口アンテナにコンデンサを直列又は並列に接続して整合する整合回路と、を備え、
   前記受信機の開口アンテナは、前記一対のツイスト線の複数の撚部間の開口領域に対向した開口領域を備えることを特徴とする車両用電力線通信システム。
2. ループコイルを電力線および通信線として使用し、このループコイルに高周波信号を重畳して電力および信号を送信する送信機と、
   前記ループコイルの通電電流に応じて当該ループコイルに発生する電磁界を電磁誘導結合して前記ループコイルの高周波電力を受信するループ状の開口アンテナを具備すると共に前記送信機から送信される電力を使用して動作する回路を備えた受信機と、
   前記ループコイル又は／及び前記開口アンテナにコンデンサを直列又は並列に接続して整合する整合回路と、を備え、
   前記送信機のループコイルは、前記受信機の開口アンテナの開口領域に対向した開口領域が他の開口領域よりも拡大した構成とされていることを特徴とする車両用電力線通信システム。
3. 請求項１記載の車両用電力線通信システムにおいて、
   前記一対のツイスト線は、隣接する前記複数の撚部間の開口領域が、前記受信機の開口アンテナと対向する領域のみ他の複数の隣接する撚部間の開口領域よりも拡大した構成とされていることを特徴とする車両用電力線通信システム。
4. 請求項２記載の車両用電力線通信システムにおいて、
   前記ループコイルの拡大した開口領域と、前記開口アンテナの開口領域との間にコアが挿通されていることを特徴とする車両用電力線通信システム。
5. 請求項１または３記載の車両用電力線通信システムにおいて、
   前記一対のツイスト線による開口領域と、前記開口アンテナの開口領域との間にコアが挿通されていることを特徴とする車両用電力線通信システム。
6. 請求項１、３、５の何れかに記載の車両用電力線通信システムの送信機において、
   前記一対のツイスト線は、隣接する前記複数の撚部間の開口領域が他の隣接する複数の撚部間の開口領域よりも広く形成された部分を含むことを特徴とする送信機。
7. 請求項２または４記載の車両用電力線通信システムの送信機において、
   前記ループコイルは、開口領域の一部が他の開口部分よりも広く形成された部分を含むことを特徴とする送信機。

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