KR20150028187A - 회전 샤프트 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버 - Google Patents

회전 샤프트 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버 Download PDF

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Abstract

헬리컬 안테나 기반 컴포넌트들의 이용을 포함하여 샤프트들(예컨대, 구동 샤프트들, 또는 다른 회전 물체들)을 포함하는 어셈블리들과 통신하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 이와 관련하여, 헬리컬 안테나 기반 컴포넌트는 샤프트를 둘러싸거나 샤프트 둘레로 감긴 하나 이상의 헬리컬 안테나들을 포함할 수 있고, 하나 이상의 헬리컬 안테나들은 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있을 수 있고, 헬리컬 안테나 기반 컴포넌트는 샤프트가 정지해 있거나 회전하고 있을 때 신호들을 주고받도록 구성될 수 있다.

Description

회전 샤프트 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버{INTEGRATED ANTENNA TRANSCEIVER FOR SENSOR AND DATA TRANSMISSION ON ROTATING SHAFTS}
본 발명의 구체적인 실시예들은 통신에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명의 구체적인 실시예는 회전 샤프트들 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
몇몇 예들에서, 데이터는 기계적 구동 기반 시스템(mechanical drive based system)들과 같은 특정 물체들 또는 구조물들로부터 및/또는 특정 물체들 또는 구조물들로 전달될 수 있다. 이와 관련하여, 데이터 통신은, 예를 들어, 구동 샤프트 토크(torque), 진동(vibration), 및/또는 응력(stress)을 실시간으로 모니터링함으로써, 특히 작동 중인(under operation) 구동 시스템들의 건전성(health)을 모니터링하는 것과 관련이 있을 수 있다. 모니터링(monitoring)은, 예를 들어, 시스템 조작자들로 하여금 기계적 문제점들이 심각해지기 전에 기계적 문제점들을 검출하고 수리하는 것을 가능하게 하고, 고장나기 전에 구동 시스템 컴포넌트들을 교체하고 수리하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이동하는 물체들로부터의 통신 및/또는 이동하는 물체들로의 통신을 용이하게 하기 위해서(예컨대, 조작자들로 하여금 데이터 요청을 전송하는 것을 가능하게 하기 위해서, 및/또는 이동하는 물체들로부터 요청 응답(request response)들 및/또는 센싱 데이터(sensory data)를 포함하는 데이터를 수신하는 것을 가능하게 하기 위해서) 통신 수단들(예컨대, 트랜시버(transceiver)들)이 이용될 수 있다. 몇몇 예들에서, 트랜시버의 사용자는 또한 이동하는 물체들, 그것의 컴포넌트들, 및/또는 이에 부착된 디바이스들 또는 시스템들(예컨대, 센서들 및/또는 트랜시버들)에 전력의 무선 전송을 허용하거나 용이하게 할 수 있다. (즉, 이동하는 물체들로의 및/또는 이동하는 물체들로부터의) 이러한 통신들 및/또는 무선 파워 전송을 수행하기 위한 기존 방법들 및 시스템들은 비용이 많이 들 수 있고, 다루기 어려울(cumbersome) 수 있고, 비효율적일 수 있으며, 예컨대, 이들은 복잡하고 및/또는 이동하는 물체들의 작동에 의해서 영향을 받을 수 있다. 그러므로, 이러한 기능을 달성하기 위하여, 예컨대, 컴팩트(compact)하고 및/또는 단순하지만 효율적인 수단의 이용을 기초로 하여, 최적화된 방식으로 이러한 통신들을 수행하기 위한 시스템 및 방법을 가지는 것은 유익할 것이다.
게다가, 종래의 전형적인 접근법(approach)들의 한계들 및 단점들은 도면들을 참조하여 본 출원의 이하의 부분에서 보이는 바와 같이 몇몇 관점들에서의 이러한 시스템들의 비교를 통해서 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하게 될 것이다.
본 발명은 회전 샤프트들 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항들에서 더욱 완전하게 보이는 바와 같이, 도면들 중의 적어도 하나와 관련하여 설명되고 및/또는 도면들 중의 적어도 하나에서 실질적으로 도시된 바와 같이 회전 샤프트들(특히, 이에 부착된 센서들)과의 데이터 통신(data communication) 및/또는 회전 샤프트들(특히, 이에 부착된 센서들)로의 무선 파워 전송(wireless power transfer)을 위한 통합 안테나 트랜시버의 이용을 위한 장치 및/또는 방법이 제공된다.
하나의 태양(aspect)에 있어서, 샤프트 어셈블리(shaft assembly)(예컨대, 구동 샤프트 또는 다른 회전 물체들과 같은 샤프트를 포함하는 어셈블리)로의/부터의(to/from) 신호들의 통신 및/또는 샤프트 어셈블리로의 무선 파워 전송을 위한 방법은 헬리컬 안테나 컴포넌트(helical antenna component)(예컨대, 적어도 하나의 헬리컬 안테나를 포함하는 컴포넌트)의 이용을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 샤프트의 작동 또는 이용 동안 샤프트로의 통신 및/또는 샤프트로부터의 통신을 가능하게 하기 위해서, 헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트를 둘러쌀 수 있고(또는 샤프트 둘레로 감길 수 있고), 헬리컬 안테나 컴포넌트(또는 적어도 이것의 헬리컬 안테나(들))는 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있을 수 있다.
하나의 실시예에서, 신호들은 샤프트가 정지해 있거나 회전하고 있을 때 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통하여 주고받아질 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 유전성 슬리브(dielectric sleeve)를 이용해서 샤프트로부터 전기적으로 분리되고 있을 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 전송되거나 수신되는 신호들은 샤프트 상의 센서와 관련된 데이터를 주고받는 데 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 파워는 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 수신되는 RF(radio frequency) 신호들을 통해서 무선으로 샤프트 어셈블리에 전송될 수 있다. 이와 관련하여, 전송된 파워의 적어도 일부는 센서, 샤프트 어셈블리에서의 전자 컴포넌트들, 및/또는 샤프트 어셈블리에 연결된 컴포넌트들에 파워를 공급하는 데 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 복수의 헬리컬 안테나들을 포함할 수 있고, 복수의 헬리컬 안테나들 각각이 복수의 별개의, 구별되는, 조밀한 간격의 협대역 주파수들 중의 하나를 이용하여 신호 세퍼레이션(separation) 및 다이버시티(diversity)를 제공할 수 있도록 헬리컬 안테나 컴포넌트가 구성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 하나 이상의 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리(stationary transceiver assembly)들과 상호작용하도록 구성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트 및 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 신호들의 통신 동안 RF(radio frequency) 트랜스포머를 시뮬레이팅하는 코어 둘레에서 권선들을 이용하도록 구성될 수 있고, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트에 설치된 권선을 포함하는 제1 안테나를 포함할 수 있고, 샤프트에 설치된 권선은, 상기 트랜스포머의 한 쪽으로서, 권선 와이어를 포함하거나, 유전성 슬리브에 연결된 얇고 조밀한 간격의 디렉트 와이어 트레이스들을 포함할 수 있고, 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 코어 둘레에서의 와이어 권선을 포함하는 제2 안테나를 포함할 수 있고, 제1 안테나 및 제2 안테나는 트랜시버 쌍을 형성하도록 근접하게 배치될 수 있다.
다른 태양에 있어서, 샤프트 어셈블리(예컨대, 구동 샤프트 또는 다른 회전 물체들과 같은 샤프트를 포함하는 어셈블리)로의/부터의 신호들의 통신 및/또는 샤프트 어셈블리로의 무선 파워 전송을 위한 시스템은 헬리컬 안테나 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트를 둘러싸는(또는 샤프트 둘레에 감긴) 하나 이상의 헬리컬 안테나들을 포함할 수 있고, 헬리컬 안테나 컴포넌트(또는 특히, 하나 이상의 헬리컬 안테나들)는 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있고, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트가 정지해 있거나 회전하고 있을 때 신호들을 주고받도록 구성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 주고받는 신호들은: 샤프트 상의 센서와 관련된 데이터의 통신; 및 샤프트 어셈블리로의 파워의 무선 전송; 중의 하나 이상에서 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 전송된 파워의 적어도 일부는 센서, 샤프트 어셈블리에서의 전자 컴포넌트들, 및/또는 샤프트 어셈블리에 연결된 디바이스들에 파워를 공급하는 데 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 유전성 슬리브를 이용해서 샤프트로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
이와 관련하여, 유전성 슬리브는: 직접 기록 방법, 기계가공된 슬리브, 또는 저손실 유전성 폼 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트 상의 센서에 연결될 수 있다.
이와 관련하여, 센서는 토크 및/또는 진동 센서를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 복수의 헬리컬 안테나들을 포함할 수 있다. 몇몇 예들에서, 복수의 헬리컬 안테나들은 복수의 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리들과의 통신을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 헬리컬 안테나들은 복수의 별개의, 구별되는, 조밀한 간격의 협대역 주파수들을 이용해서 신호 세퍼레이션 및 다이버시티를 제공하도록 구성될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트에 유전적으로 연결된 전기 전도성 디스크(예컨대, 금속 디스크) 형태로 접지판에 연결될 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트의 권선 방향은 샤프트의 회전 방향이거나 반대 회전 방향일 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 와이어 권선, 유전성 슬리브 상의 와이어 트레이스를 기초로 하여 임프린팅하는 직접 기록 기술, 감싸진 인쇄 회로 기판, 유전성 슬리브 둘레에 감싸진 플렉스 회로 기판, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리와 통신하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 적어도 헬리컬 안테나 컴포넌트에 의해서 이용되는 모든 주파수들을 커버하기에 충분한 넓은 대역폭(wide bandwidth)을 지원하도록 구성될 수 있다. 몇몇 예들에서, 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는, 신호들을 송신 및/또는 수신하는 데 사용하기 위한, 헬리컬 안테나 컴포넌트에 근접한 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들은 와이어 다이폴, 패치, 프린티드 회로, 스파이럴, 슬롯, 캐버티, 도파관 기반 안테나, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들은 단일한 선형 편파 안테나(single linear polarized antenna), 단일한 원형 편파 안테나(single circular polarized antenna), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 단일한 선형 편파 안테나는 샤프트의 회전과 일치하는 원형 편파 안테나를 생성하기 위하여 크로스 다이폴 엘리먼트에 연결될 수 있다. 샤프트의 중심선에 대한 단일한 선형 편파 안테나의 정렬은 0도(예컨대, 샤프트와 평행한 정렬에 대응함)와 90도(예컨대, 샤프트에 수직인 정렬에 대응함) 사이의 범위에 있을 수 있다.
게다가, 본 발명은 이하의 항목(clause)들에 따른 실시예들을 포함한다:
항목 1. 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리(shaft assembly)로(to) 및/또는 샤프트 어셈블리로부터(from) 헬리컬 안테나 컴포넌트(helical antenna component)를 통하여 신호들을 주고받는 단계를 포함하고,
헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트를 둘러싸고,
헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있는(electrically decoupled) 것을 특징으로 하는 방법.
항목 2. 항목 1에 있어서, 샤프트가 정지해 있거나(stationary) 회전하고 있을(rotating) 때 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통하여 신호들을 주고받는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 3. 항목 1에 있어서, 유전성 슬리브(dielectric sleeve)를 이용해서 샤프트로부터 헬리컬 안테나 컴포넌트를 전기적으로 분리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 4. 항목 1에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 전송되거나 수신되는 신호들을 통해서 샤프트 상의 센서와 관련된 데이터를 주고받는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 5. 항목 1에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 수신되는 RF 신호들을 통해서 무선으로 샤프트 어셈블리에 파워를 전송하는 것을 포함하고,
전송된 파워의 적어도 일부는 센서, 샤프트 어셈블리에서의 전자 컴포넌트(electronic component)들, 및/또는 샤프트 어셈블리에 연결된 컴포넌트들에 파워를 공급하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 6. 항목 1에 있어서, 복수의 헬리컬 안테나들을 포함하는 경우에, 복수의 헬리컬 안테나들 각각이 신호 세퍼레이션(separation) 및 다이버시티(diversity)를 제공하기 위하여 복수의 별개의(separate), 구별되는(distinct), 조밀한 간격의(closely spaced) 협대역 주파수들 중의 하나를 이용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트를 구성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 7. 항목 1에 있어서, 하나 이상의 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리(stationary transceiver assembly)들과 상호작용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트를 구성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 8. 항목 1에 있어서, 신호들의 통신 동안 RF 트랜스포머(transformer)를 시뮬레이팅(simulating)하는 코어(core) 둘레에서 권선들을 이용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트 및 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리를 구성하는 것을 포함하고,
헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트에 설치된 권선(shaft mounted winding)을 포함하는 제1 안테나를 포함하고,
샤프트에 설치된 권선은, 상기 트랜스포머의 한 쪽으로서, 권선 와이어(winding wire)를 포함하거나, 유전성 슬리브에 연결된 얇고 조밀한 간격의 디렉트 와이어 트레이스(direct wire trace)들을 포함하고,
상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 코어를 둘러싸는 와이어 권선(wire winding)을 포함하는 제2 안테나를 포함하고,
제1 안테나 및 제2 안테나는 트랜시버 쌍을 형성하도록 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 9. 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리로(to) 및/또는 샤프트 어셈블리로부터(from) 신호들을 주고받는 데 이용하기 위한 헬리컬 안테나 컴포넌트를 포함하고,
헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트를 둘러싸고,
헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있고,
헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트가 정지해 있거나 회전하고 있을 때 신호들을 주고받도록 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 10. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 주고받는 신호들은: 샤프트 상의 센서와 관련된 데이터의 통신; 및 샤프트 어셈블리로의 파워의 무선 전송; 중의 하나 이상에서 이용되고, 전송된 파워의 적어도 일부는 센서, 샤프트 어셈블리에서의 전자 컴포넌트들, 및/또는 샤프트 어셈블리에 연결된 디바이스들에 파워를 공급하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 11. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 유전성 슬리브를 이용해서 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 12. 항목 11에 있어서, 유전성 슬리브는: 직접 기록(direct write) 방법, 기계가공된 슬리브(machined sleeve), 또는 저손실 유전성 폼(low-loss dielectric foam) 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 13. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트 상의 센서에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 14. 항목 13에 있어서, 센서는 토크 및/또는 진동 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 15. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 복수의 헬리컬 안테나들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 16. 항목 15에 있어서, 복수의 헬리컬 안테나들은 복수의 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리들과의 통신을 가능하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 17. 항목 15에 있어서, 복수의 헬리컬 안테나들은 복수의 별개의, 구별되는, 조밀한 간격의 협대역 주파수들을 이용해서 신호 세퍼레이션 및 다이버시티를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 18. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트에 유전적으로 연결된(dielectrically coupled) 전기 전도성 디스크 형태로 접지판에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 19. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트의 권선 방향은 샤프트의 회전 방향이거나 반대(counter) 회전 방향인 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 20. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 와이어 권선(wire winding), 유전성 슬리브 상의 와이어 트레이스(wire trace)를 기초로 하여 임프린팅하는(imprinting) 직접 기록 기술, 감싸진 인쇄 회로 기판(wrapped printed circuit board), 유전성 슬리브 둘레에 감싸진 플렉스 회로 기판(flex circuit board), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 21. 항목 9에 있어서, 헬리컬 안테나 컴포넌트는 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리와 통신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 22. 항목 21에 있어서, 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 신호들을 송신 및/또는 수신하는 데 사용하기 위한, 헬리컬 안테나 컴포넌트에 근접한 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 23. 항목 22에 있어서, 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들은 와이어 다이폴(wire dipole), 패치(patch), 프린티드 회로(printed circuit), 스파이럴(spiral), 슬롯(slot), 캐버티(cavity), 도파관 기반 안테나(wave guide based antenna), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 24. 항목 22에 있어서, 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들은 단일한 선형 편파 안테나, 단일한 원형 편파 안테나, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 25. 항목 22에 있어서, 하나 이상의 스테이셔너리 안테나들은 샤프트의 회전과 일치하는(matching) 원형 편파 안테나를 생성하기 위하여 크로스 다이폴을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
항목 26. 항목 24에 있어서, 샤프트의 중심선에 대한 단일한 선형 편파 안테나의 정렬은, 샤프트와 평행한 정렬에 대응하는 0도와 샤프트와 수직인 정렬에 대응하는 90도 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
이러한 및 다른 이점들, 태양들, 및 신규한 특징들뿐 아니라 이러한 도시된 실시예의 세부사항들은 이하의 설명 및 도면들로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
논의된 특징들, 기능들, 및 이점들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성되거나, 다른 실시예들에서 조합될 수 있으며, 이들의 추가적인 세부사항들은 이하의 설명 및 도면들을 참조하여 이해될 수 있다.
도 1은 회전 샤프트들을 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 2는 샤프트와 관련된 데이터의 통신에서 이용하기 위한, 회전 샤프트에 부착된 헬리컬 안테나 기반 트랜시버(helical antenna based transceiver) 및 스테이셔너리 트랜시버(stationary transceiver)를 포함하는, 예시적인 통신 셋업을 도시한다.
도 3은 회전 샤프트들과 관련된 데이터의 통신에서 이용하기 위한 예시적인 헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리를 도시한다.
도 4는 회전 샤프트들과 관련된 데이터의 통신에서 이용될 수 있는 트랜시버 어셈블리들에서 이용하기 위한 예시적인 헬리컬 안테나 어셈블리를 도시한다.
도 5는 회전 샤프트들과 관련된 데이터의 통신에서 이용하기 위한 예시적인 멀티-헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리(multi-helical antenna based transceiver assembly)를 도시한다.
도 6은 회전 샤프트들로부터의/회전 샤프트들로의 데이터의 통신에서 이용하기 위한 헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리를 구성하기 위한 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
본 공개에서 도시된 각각의 도면은 제시된 실시예들의 태양의 변형례를 보이며, 차이점들만이 더욱 상세하게 논의될 것이다.
특정 실시예들은 회전 샤프트들 상에서의 데이터 전송 및 센서를 위한 통합 안테나 트랜시버를 이용하기 위한 방법 및 시스템에서 발견될 수 있다. 특정 실시예들의 여러 구체적인 세부사항들은 이러한 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 이하의 설명 및 도면들에서 제공된다. 하지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 추가적인 실시예들이 존재하거나 이 실시예들 중의 어떤 것은 이하의 설명에서 기술되는 여러 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 엘리먼트(element)들을 가리킨다.
본 명세서에서 사용될 때, "회로들" 및 "회로"라는 용어들은 물리적 전자 컴포넌트들(즉, 하드웨어) 및, 하드웨어를 구성하거나, 하드웨어에 의해 실행되거나, 이와 달리 하드웨어와 연계될 수 있는 임의의 소프트웨어 및/또는 펌웨어("코드")를 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, "및/또는"은 "및/또는"에 의해서 연결된 목록에서의 아이템(item)들 중의 임의의 하나 이상을 의미한다. 하나의 예로서, "x 및/또는 y"는 3-원소 집합 {(x), (y), (x, y)} 중의 임의의 원소를 의미한다. 다른 예로서, "x, y, 및/또는 z"는 7-원소 집합 {(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)} 중의 임의의 원소를 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어들 "블록(block)" 및 "모듈(module)"은 하나 이상의 회로들에 의해서 수행될 수 있는 기능들을 지칭한다. 본 명세서에서 사용될 때, "예시적인"이라는 용어는 비제한적인(non-limiting) 예, 사례, 또는 보기로서 기능한다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, "예컨대"라는 용어는 하나 이상의 비제한적인 예들, 사례들, 또는 보기들의 목록을 소개한다.
도 1은 회전 샤프트들을 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다. 도 1을 참조하면, 샤프트(shaft)(100)가 도시된다.
샤프트(100)는 회전하는 물리적 물체를 포함할 수 있고, 이것은 회전 기능들을 제공하거나 수행하기 위해서 다양한 시스템들, 디바이스(device)들 및/또는 셋업(setup)들(또는 이들의 컴포넌트들)에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 샤프트 어셈블리들(예컨대, 보조(auxiliary) 및/또는 지지(support) 컴포넌트들과 함께 샤프트(100)를 포함하는 어셈블리들)은 이동하는 시스템(moving system)들(예컨대, 비히클들(vehicles)(110), 항공기들(aircrafts)(120), 또는 선박들(ships)(130)) 및/또는 고정된 구조물(fixed structure)들(예컨대, 건물들(buildings)(140), 이것은 주거용 또는 건물들을 포함할 수 있음)에서 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 이러한 이동하는 시스템들 및/또는 고정된 구조물들은, 하나 이상의 샤프트 어셈블리들을 포함할 수 있는 하나 이상의 컴포넌트들(예컨대, 기계적 및/또는 전기적)을 포함할 수 있다. 샤프트 어셈블리들의 이용을 통합할 수 있는 컴포넌트들의 예들은 엔진들(및 전체로서 파워트레인(powertrain)들), 제너레이터(generator)들(예컨대, 휴대용(portable) 또는 고정식(stationary) 발전기(electric generator)들, 터빈(turbine)들 등), 트랜스미션(transmission)들, 기어 박스(gear box)들 등을 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명은 시스템들, 구조물들, 또는 그 컴포넌트들의 특정한 타입에 제한되지 않으며, 샤프트들 또는 다른 유사한 회전 물체들이 이용될 때마다 실질적으로 유사한 방식으로 이용될 수 있다.
몇몇 예들에서, 이것은 샤프트들로의 데이터의 통신 및/또는 샤프트들로부터의 데이터의 통신을 위한 기능을 용이하게 하거나 및/또는 통합하기 위하여 바람직하거나 필요할 수 있다. 예를 들어, 기계적 구동 시스템(예컨대, 하나 이상의 샤프트(100)들을 포함함)에서, 작동 중인 기계적 구동 시스템의 '건전성'을 모니터링하는 것을 가능하게 함으로써 시스템 조작자들로 하여금 문제점들이 심각해지기 전에 문제점들을 검출하고 수리하는 것을 가능하게 하고, 및/또는 고장나기 전에 구동 시스템(또는 샤프트들을 포함하는 그 컴포넌트들)을 교체하고 수리하는 것을 가능하게 하기 위하여, 시스템 조작자로 하여금 (샤프트들을 포함하는) 시스템의 다양한 컴포넌트들과 상호작용할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 모니터링은 샤프트들이 이용되는 경우들에 있어서 샤프트들 및 그 작동들과 관련된 물리적 및/또는 기계적 정보를 추적하는 것 및/또는 수집하는 것을 수반할 수 있고, 이후 그 데이터는 시스템 조작자에게 보고되어야 할 것이다.
(예컨대, 정보에 대한 요청들과 같은 조작자 명령(command)들/인스트럭션(instruction)들의 수신 및/또는 모니터링 관련 데이터와 같은 정보의 전송을 가능하게 하는) 통신은 무선 연결을 경유하는 것을 포함하여 다양한 방식들로 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 무선 통신을 용이하게 하기 위해서, (안테나들을 포함하는) 트랜시버들은 샤프트들로의/샤프트들로부터의 데이터를 운반하는 RF 신호들의 필요한 전송 및/또는 수신을 가능하게 하기 위하여 샤프트들에 연결될 수 있다. 이후, 샤프트측 트랜시버(shaft-side transceiver)는 해당 피어 트랜시버(peer transceiver)와 상호작용할 것이고, 이것은 시스템 조작자에 의해 이용될 수 있는 다른 디바이스들에 연결될 수 있다. 샤프트들과 함께 하는 무선 통신을 용이하게 하기 위하여, 샤프트측에서 트랜시버들을 설계하거나 구현하는 현재의 접근법들은 몇 가지 문제점들을 초래할 수 있다. 예를 들어, 샤프트들의 회전(및 샤프트 전체로서의 임의의 움직임)은, 이 트랜시버들에 통합될 수 있는(또는 이 트랜시버들에 연결될 수 있는) 안테나들과 관련하여 고려되어야만 한다 ― 예컨대, (샤프트의 물리적 움직임/회전을 방해하지 않도록) 안테나들 등의 배치에 대한 일정한 조정(constant adjustment)이 필요하다.
예시적인 사용 시나리오에서, 시스템의 '건전성'을 모니터링하기 위하여, SAW(Surface Wave Acoustics) 센서들은 압력, 가속도, 토크, 진동 등과 같은 샤프트들/기어들의 동작에 관한 다양한 파라미터들의 측정을 제공하도록 구동 샤프트 및 기어들 상에 배치될 수 있다. 하지만, 이러한 센서들의 이용은 작동하기 위하여, 그리고 이후에 그 신호를 도로(back) 전송하기 위하여 파워를 필요로 할 수 있다. 이 SAW 센서들은 흔히 RFID 태그에 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 전형적으로, 샤프트를 둘러싸는 안테나들 및 전자장치들의 대형 세트(large set)는 샤프트 상의 SAW 센서들 및/또는 디바이스들에 파워를 전송하고, 센서들/디바이스들에 질의하고(interrogate), 센서들/디바이스들에 의해 도로 보고되는 정보를 수신하는 데 이용될 수 있다. 안테나(다이폴(dipole) 또는 패치(patch))는 (예컨대, 샤프트는 전자장치들 및 안테나들의 링(ring)에 의해 둘러싸여질 수 있는데, 신호들이 샤프트에 보내지거나 샤프트로부터 수신되는 것을 가능하게 하기 위해서) 트랜시버 회로에 연결된 회전하는(rotating) SAW 센서에 부착될 수 있다.
따라서, 다양한 구현예들에서, 샤프트들은 예컨대 향상된 트랜시버 안테나 쌍(transceiver antenna pair)에 의해서 컴팩트하고, 단순하고 통합된 방식으로 샤프트들로 및 샤프트들로부터 무선으로 신호들의 전송 및/또는 수신을 가능하게 할 수 있는 수단들을 통합하도록 구성될 수 있다. 게다가, 몇몇 구현예들에서, 트랜시버 안테나 쌍들은 샤프트들, 그 컴포넌트들, 및/또는 이에 부착되거나 결합된 시스템들에 파워(예컨대, 전력)의 무선 전송을 제공하는 데 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 몇몇 예들에서, 모니터링은 작동(operation)들을 모니터링하는 것과 함께 이용될 수 있는 샤프트들 상의 센서들 및/또는 다른 전자장치들에 전력을 공급하는 것을 또한 수반할 수 있다. 유선 수단들(wired means)에 의해서 전력을 공급하는 것은 샤프트들의 작동에 영향을 미치거나 작동을 방해할 수 있기 때문에, 이 컴포넌트들을 구동하는 데 필요한 파워를 무선으로 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 데이터 통신들에서 이용되는 동일한 트랜시버들 쌍을 이용해서 전력의 무선 전송이 수행될 수 있고, 이후 전송되는 파워의 적어도 일부는 이 컴포넌트들(예컨대, 센서들)을 구동하는 데 이용될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 샤프트로의 및/또는 샤프트로부터의 필요한 통신을 용이하게 하기 위해서, 샤프트 상으로 직접 통합될 수 있는, 서큘러 헬리컬(circular helical) 같은 또는 감긴(wound) 트랜스포머 안테나를 이용함으로써, 움직이는(moving) 구동 샤프트로의 및/또는 움직이는 구동 샤프트로부터의 RF(radio frequency) 신호들의 전송 및/또는 수신을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 예컨대, 토크 센서들, 건전성 모니터링 센서들, 또는 구동 샤프트 상에 위치한 센서 또는 디바이스들로부터 데이터가 수집되어야 하는 다른 디바이스들로부터 샤프트 및/또는 그 작동들과 관련된 데이터가 획득될 수 있다. 통신 셋업은 트랜시버 쌍을 포함할 수 있는데, 트랜시버 쌍의 한 쪽은 샤프트 상의 트랜시버에 해당한다(또는 이와 연결된다). 이러한 샤프트측 트랜시버는 샤프트 상에 직접 위치한 안테나 또는 안테나들의 세트를 포함할 수 있고, 헬리컬 안테나 설계 접근법(design approach)을 기초로 한다. 트랜시버 쌍의 다른 쪽은 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리를 포함할 수 있는데, 이것은 트랜시버 회로 및 스테이셔너리 안테나―예컨대, 단일한 선형 편파 안테나(single linear polarized antenna), 단일한 원형 편파 안테나(single circular polarized antenna), 또는 이들의 조합을 포함함―를 포함할 수 있다. 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 샤프트 상의 헬리컬 안테나(들)에 근접하게(in close proximity) 배치될 수 있다. 샤프트 상에 직접적으로 이러한 서큘러 헬리컬 또는 감긴 트랜스포머 같은 안테나를 이용하는 것은 샤프트에 부착되는 대형 트랜시버에 대한 필요성을 제거하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 대형 트랜시버 회로(및 그것의 어레이(array) 전자장치들)은, 그 권선이 샤프트의 회전과 일치되는(matched)(또는 반대되는(counter)) 원형 안테나 또는 임의의 선형 편파 안테나일 수 있는 단순한 단일한 안테나에 의해서 교체될 수 있다. 이러한 구현예의 예가 도 2에서 더욱 상세하게 제공된다. 대안적인 실시예에서, 트랜시버 쌍, 서큘러 헬리컬 같은 또는 감긴 트랜스포머 안테나는 샤프트 상의 센서들 및 트랜시버에 무선 파워를 제공하는 데 이용될 수 있다.
도 2는 샤프트와 관련된 데이터의 통신에서 사용하기 위한, 스테이셔너리 트랜시버 및 회전 샤프트에 부착된 헬리컬 안테나 기반 트랜시버를 포함하는, 예시적인 통신 셋업을 도시한다. 도 2를 참조하면, 구동 샤프트(drive shaft)가 도시된다. 이와 관련하여, 구동 샤프트(200)는 예를 들어, 도 1의 회전 샤프트(100)들 중의 하나에 대응할 수 있다. 또한 도 2에서는 헬리컬 안테나(helical antenna)(210), 슬리브(sleeve)(220), 센서(sensor)(240), 및 지지 구조물(support structure)(260)을 가진 스테이셔너리 트랜시버(stationary transceiver)(250)가 도시된다.
몇몇 예들에서, 구동 샤프트(200) 및/또는 그 작동들과 관련된 데이터가 구동 샤프트(200)로 및/또는 구동 샤프트(200)로부터 전달될 수 있다. 예를 들어, 센서(240)는 구동 샤프트(200) 및/또는 그 작동들과 관련된 센싱 정보(sensory information)를 획득하는 데 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 센서(240)는 센싱 관련 작동들을 수행하기 위하여 적절한 회로, 인터페이스(interface)들, 로직(logic) 및/또는 코드(code)를 포함할 수 있다. 센서(240)는, 예를 들어, 토크 센서, 진동 센서 등을 포함할 수 있다. 센서(240)를 통해서 획득된 센싱 정보는 전송될(예컨대, 제어 시스템들과 같은 다른 컴포넌트들에 보고될) 필요가 있고, 및/또는 제어 메시징(control messaging)(예컨대, 센서(240)의 작동들을 조정하는 것 및/또는 특정한 정보/측정값(reading)들을 요청하는 것)이 수신될 필요가 있다. 몇몇 예들에서, 센서(240)의 이용 또는 작동은 (예컨대, 정보의 수집, 사용자 메시지들의 수신, 및/또는 수집된 데이터의 통신 동안) 센서(240)를 구동하기 위한 파워를 공급하는 것을 필요로 할 수 있다. 따라서, 센서(240)는, 스테이셔너리 트랜시버(250)로부터 헬리컬 안테나(210)로의 무선 RF 전송을 거치는 것과 같은 파워의 전송을 기초로 하여 파워를 공급받을 수 있다.
따라서, 다양한 구현예들에서, 추가적인 통신 관련 컴포넌트들이 샤프트로의 임의의 필요한 파워의 전송, 및/또는 샤프트로의 및/또는 샤프트로부터의 임의의 필요한 데이터의 통신을 용이하게 하기 위해서 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 통신 관련 컴포넌트들 중의 몇몇은 구동 샤프트측에서 데이터의 통신을 지원하기 위해서 구동 샤프트(200)에 부착되거나, 구동 샤프트(200)에 연결되거나, 및/또는 구동 샤프트(200)에 통합될 수 있고, 상응하는 통신 컴포넌트들/시스템들이 다른 측에서의 데이터의 통신을 지원하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 트랜시버 어셈블리는 구동 샤프트(200)에 연결되거나 부착될 수 있고, 그래서 구동 샤프트(200)로의/구동 샤프트(200)로부터의 데이터의 통신을 가능하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 샤프트-기반(shaft-based) 트랜시버 어셈블리는 그 중에서도 구동 샤프트(200)로 및/또는 구동 샤프트(200)로부터 무선 인터페이스(들)를 통하여 데이터의 무선 통신을 가능하게 할 하나 이상의 안테나들을 포함할 수 있다.
스테이셔너리 트랜시버(250)는 (예컨대, 센싱 데이터 및/또는 제어 메시징의 통신에서 상응하는 피어(corresponding peer)로서 기능하는) 헬리컬 안테나(210)와 통신하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 스테이셔너리 트랜시버(250)는, 구동 샤프트(200)로부터 전송된 센싱 데이터를 수신(및 처리)할 수 있는 제어 시스템들에 연결되거나 결합될 수 있고, (예컨대, 센서(240)로부터 정보를 요청하거나 그 작동들을 조정하는) 제어 메시지들을 전송할 수 있고, 및/또는 센서(240)에 (무선으로) 파워를 공급할 수 있다. 스테이션 트랜시버(station transceiver)(250)는 스테이셔너리 지지물 컴포넌트(stationary support component)(260)를 포함할 수 있고, 이것은 헬리컬 안테나(210)와 통신하는 데 이용되는 안테나 컴포넌트를 잡고 있도록 구성될 수 있다. 스테이셔너리 트랜시버(250)의 안테나 컴포넌트는, 예를 들어, 크로스 다이폴 안테나(cross dipole antenna)(270)를 포함할 수 있다.
작동 시에, 구동 샤프트(200)의 작동들은 (예컨대, 센서(240)를 이용해서) 모니터링될 수 있다. 이와 관련하여, 센서(240)는 샤프트(200) 및/또는 그 작동들과 관련된 상이한 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어, 센서(240)는 토크와 같은 이러한 정보를 수집하도록 구성된 SAW 센서를 포함할 수 있다. 수집된 정보는 인테그레이터 시스템(integrator system)(예컨대, 샤프트(200)를 포함하는 컴포넌트들을 모니터링하는 조작자(들)에 의해 이용되는 적절한 시스템/디바이스)에 보고될 수 있다. 이와 관련하여, 수집된 정보는 헬리컬 안테나(210)를 통해서 전송될 수 있고, 스테이셔너리 트랜시버(250)를 통해서 다른 측에서 수신될 수 있다. 정보의 수집은 상이한 방식들로 수행될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 예들에서, 모니터링은 예컨대 인테그레이터 시스템으로부터의 요청들을 필요로 하지 않으면서 특정한 간격으로 정보의 자동 수집을 기초로 하여 수행될 수 있고, 수집된 정보는 이후에 보고될 수 있다. 하지만, 다른 예들에서, 정보의 수집은 인테그레이터 시스템으로부터의 요청들을 기초로 해서만 수행될 수 있다. 따라서, 헬리컬 안테나(210)는 (스테이셔너리 트랜시버(250)를 통해서 전송될 수 있는) 이러한 요청들을 운반하는 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다. 동일한 통신 링크(link)(즉, 스테이셔너리 트랜시버(250)를 통한 전송 및 헬리컬 안테나(210)를 통한 수신)는 또한 (예컨대, 샤프트(200) 또는 샤프트(200)를 포함하는 컴포넌트의 작동들을 조정하기 위한) 다른 사용자 명령들 또는 인스트럭션들과 같은 다른 메시지들을 샤프트(200)에 전달하는 데 이용될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 헬리컬 안테나(210)는 구동 샤프트(200) 둘레로 감긴 4 턴(four turn)의 단일한 헬리컬 안테나를 포함할 수 있다. 헬리컬 안테나(210)의 피드(feed)는 센서(240)에 직접 부착될 수 있다. 헬리컬 안테나(210)는 슬리브(220)를 이용해서 센서(240)로부터 분리될 수 있는데, 슬리브(220)는 비전도성(non-conductive) 슬리브를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 슬리브(220)는 유전성(예컨대, 저손실 유전성 폼(low-loss dielectric foam)) 슬리브를 포함할 수 있고, 이것은 금속 구동 샤프트로부터 (헬리컬 안테나(210)의) 헬리컬 권선을 이격시키는 데 이용될 수 있다. 대안적인 구현예에서, 슬리브(220)는 복수의 재료들 및 두께들을 포함할 수 있다. 대안적인 구현예에서, 슬리브(220)는 헬리컬 안테나(210)를 에워싸고 감쌀 수 있다. 몇몇 예들에서, 접지판(ground plate)들의 이용이 ― 헬리컬 안테나들의 적절한 작동을 위해서 ― 필요할 수 있다. 금속 디스크(metal disk)(230)가 샤프트(200)에 부착될 수 있고, 헬리컬 안테나(210)를 위한 접지판을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 접지판들의 이용이 헬리컬 안테나들의 적절한 작동을 위해서 필요할 수 있다(예컨대, 필요한 '접지(grounding)'를 제공함). 대안적인 구현예에서, 금속 디스크(230)는 와이어 메쉬(wire mesh), 금속 포일(metal foil), 탄소-섬유(carbon-fiber), 및 금속성 스프레이 코팅(metallic spray coating)들을 포함하되 이에 한정되지 않는 복수의 전도성 재료들로 이루어질 수 있다. 슬리브(220)와 접지(금속) 디스크(230)의 이용은 샤프트(200) 또는 그 작동들에 영향을 주지 않는 방식으로 헬리컬 안테나(210)를 이용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 슬리브(220)의 이용은 안테나에 의해서 초래될 수 있는 임의의 손상으로부터 샤프트를 보호할 수 있다. 또한, 슬리브(220) 및/또는 접지(금속) 디스크(230)의 이용은 안테나(210)가 샤프트(200)로부터 전기적으로 분리되는 것을 보장할 수 있다.
인테로게이터 시스템(interrogator system)은 스테이셔너리 트랜시버(250)를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 스테이셔너리 트랜시버(250)는 구동 샤프트(200)로부터 어느 정도의 거리만큼 떨어지되 헬리컬 안테나(210) 및 구동 샤프트(200)에 근접하게 스테이셔너리 지지물(stationary support)(260)을 이용해서 지지되는 스테이셔너리 안테나(270)를 포함하는 단일한 안테나 기반 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 도시된 바와 같이, 스테이셔너리 안테나(270)는 샤프트(200)의 회전 방향과 일치하는 원형 편파 안테나를 만들기 위해서 크로스 다이폴 안테나를 포함할 수 있다. 원형 안테나의 권선은 또한 샤프트(200)의 회전 방향에 반대로 되도록 이루어질 수 있다.
하지만, 본 발명은 도 2와 관련하여 설명된 설계에 한정되지 않는다. 이와 관련하여, (도 2와 관련하여 설명된 바와 같은) 구현예의 다양한 태양들이 변경되거나 수정될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예들에서, 헬리컬 안테나의 설계는 ― 예컨대, 권선들(턴들)의 상이한 수, 와이어(wire)의 지름의 변경, 권선의 방향, 접지판(disk)의 사이즈 및 형상 등의 이용을 기초로 하여 ― 바뀔 수 있다. 또한, 예컨대, 직접 기록(direct write) 기술들, 굽어진/감싸진(bent/wrapped) 인쇄 회로 기판들, 및/또는 유전성 슬리브 둘레에 감싸진 플렉스 회로 기판(flex circuit board)들의 이용을 포함하는 구성의 다른 방법들이 이용될 수 있다. 슬리브(220)는 직접 기록 방법들, 기계가공된(machined) 슬리브들, 및/또는 저손실 유전성 폼들의 이용에 의해서 구성될 수 있다.
또한, 몇몇 구현예들에서, 인테로게이터 시스템의 설계가 수정될 수 있는데, 예컨대, 선형 편파 안테나들의 이용을 포함할 수 있다. 인테로게이터 시스템에서 이용되는 안테나는 와이어 다이폴(wire dipole), 패치(patch), 프린티드(printed), 스파이럴(spiral), 슬롯(slot), 및 캐버티(cavity), 또는 도파관(wave guide) 기반 안테나를 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 표준 안테나 설계 접근법을 이용해서 만들어질 수 있다. 또한, 인테로게이터 시스템의 설치 및/또는 배치는 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 도시된 바와 같이, 인테로게이터 시스템은 샤프트를 향해서 기울어질 수 있다. 하지만, 다른 구현예들에서, 인테로게이터 시스템의 위치, 지향(orientation), 및 기울기(tilt)(또는 정렬(alignment))는 변경될 수 있는데, 예컨대, 기울기(또는 정렬)는 0°(즉, 샤프트와 평행하거나 동축임(co-axial)) 내지 수직(또는 90°)―즉, 샤프트에 수직임― 사이의 임의의 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 샤프트측 상에서 및/또는 인테로게이터 시스템측 상에서 이용되는 안테나들은 예컨대, RF 트랜스포머들과 유사한 (즉, '코어'를 둘러싸는 권선 와이어들에 의해서) 권선들의 세트를 이용하도록 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 샤프트 상에 설치된 안테나에 대해서, 이 안테나는 권선 와이어를 포함할 수 있고, 또는 유전성 슬리브의 위에서 얇고(thin) 조밀한 간격의(closely spaced) 디렉트 와이어 트레이스(direct wire trace)들을 포함할 수 있고, 트랜스포머 권선의 한 쪽을 형성한다. 이와 관련하여, 직접 기록 트레이스(direct write trace)들의 간격의 얇기(thinness) 및/또는 조밀함(closeness)은 다양한 기준―예컨대, 안테나의 성능을 최적화하는 것, 안테나와 샤프트 간의 이격(isolation)을 유지하는 것 등―을 기초로 하여 결정될 수 있다. 인테로게이터 시스템측에 대해서, 코어 둘레로 상이한 권선이 이용될 수 있다. 이후, 두 개의 권선들은 '트랜스포머(transformer)' 쌍을 형성하면서 근접하게 배치될 수 있다.
도 3은 회전 샤프트들에 관련된 데이터의 통신에서 사용하기 위한 예시적인 헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리를 도시한다. 도 3을 참조하면, 도 2의 구동 샤프트(200), 헬리컬 안테나(210), 슬리브(220), 및 센서(240)가 도시된다. 이와 관련하여, 도 3은 샤프트(200), 및 정보를 수집하는 데 이용되는 추가적인 컴포넌트들(예컨대, 센서(240))과 정보를 보고하는 데 이용되는 추가적인 컴포넌트들(예컨대, 헬리컬 안테나(210), 슬리브(220), 및 금속 디스크(230))의 더욱 명확한 측면도를 제공한다.
도 4는 회전 샤프트들에 관한 데이터의 통신에서 이용될 수 있는 트랜시버 어셈블리들에서 이용하기 위한 예시적인 헬리컬 안테나 어셈블리를 도시한다. 도 4를 참조하면, 헬리컬 안테나 어셈블리(helical antenna assembly)(400)가 도시된다.
헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 신호들을 주고받는 데 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 데이터 및/또는 제어 메시징을 운반하는 신호들을 주고받는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 구동 샤프트(200)로부터 및/또는 구동 샤프트(200)로 센싱 데이터 및/또는 제어 메시징을 운반하는 신호들을 주고받는 데 이용하기 위하여 헬리컬 안테나 컴포넌트로서 샤프트 어셈블리들(예컨대, 도 2의 구동 샤프트(200)를 통합하는 샤프트 어셈블리)에 통합될 수 있다. 도 4에서 도시된 예시적인 구현예에서, 헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 예를 들어, 헬리컬 안테나(410), 피드 핀(feed pin)(420), 및 금속 디스크(430)를 포함할 수 있다.
작동 시, 헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 특정한 방식으로 신호의 통신을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 헬리컬 안테나 어셈블리(400)는 ― 예컨대, 샤프트 둘레로 구현된(감싸진(wrapped)) ― 회전 샤프트들로의 통신 및/또는 회전 샤프트들로부터의 통신을, 예를 들어, 지원하는 데 이용하도록 구성될 수 있다. 헬리컬 안테나 어셈블리(400)를 구성하는 것은 헬리컬 안테나 어셈블리(400)의 상이한 컴포넌트들과 관련이 있을 수 있는 다양한 파라미터들을 선택하는 것, 설정하는 것, 및/또는 조정하는 것을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 설정되거나 구성될 수 있는 파라미터들의 예는 헬리컬 안테나(410)의 권선들(턴들)의 수, 턴(turn)들 간의 헬릭스 간격(helix spacing)(460), 헬리컬 안테나(410)의 권선의 방향, 헬리컬 안테나(410)의 헬릭스 지름(helix diameter)(450)(이것은 샤프트의 지름 및 슬리브의 두께를 기초로 하여 설정될 수 있음), 헬리컬 안테나(410)의 와이어 지름(wire diameter)(470), 접지판(금속 디스크)(430)의 사이즈 및 형상(예컨대, 접지판 폭(440), 피드 핀 높이(480)) 등을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 헬릭스 지름(450), 간격(460), 및/또는 와이어 지름(470)은 불균일(non-uniform)할 수 있고, 샤프트의 축을 따라서 변할 수 있다. 몇몇 예들에서, 파라미터들의 적어도 일부는 적절한 소프트웨어 애플리케이션 또는 프로그램을 이용해서 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 소프트웨어 애플리케이션 또는 프로그램은 샤프트의 지름들, 원하는 통신 성능(예컨대, 레인지(range), 예상 데이터 레이트(expected data rate)들, 방향성(directionality) 등)과 같은 하나 이상의 입력 파라미터들 또는 기준들을 기초로 하여 파라미터들의 일부를 출력하도록 구성될 수 있다. 소프트웨어 애플리케이션 또는 프로그램은 적절한 시스템들 또는 디바이스들(예컨대, 퍼스널 컴퓨터 등) 상에서 실행될 수 있다.
도 5는 회전 샤프트들과 관련된 데이터의 통신에 이용하기 위한 예시적인 멀티-헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리를 도시한다. 도 5를 참조하면, 구동 샤프트(500), 슬리브(510), 및 복수의 헬리컬 안테나들이 도시된다(예컨대, 도 5에서 도시된 구현예에서, 4개의 헬리컬 안테나들이 존재할 수 있고, 그 중에서 헬리컬 안테나들(520 및 530)이 도시되고, 다른 두 개의 안테나들은 샤프트(500)에 의해서 가려지는데, 즉, 샤프트(500)의 다른/반대 쪽에 존재한다).
구동 샤프트(500)는 도 2의 샤프트(200)와 유사할 수 있다. 헬리컬 안테나들(520 및 530) 각각은 도 2의 안테나(210)와 유사할 수 있다. 슬리브(510)는 도 2의 슬리브(220)와 유사할 수 있다.
작동 시, 몇몇 예들에서, 복수의 헬리컬 안테나들은 단일한 샤프트로 통합될 수 있다. 이것은 (예컨대, 정보의 상이한 타입들을 보고하기 위하여) 복수의 센서들의 이용을 지원하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 예시적인 구현예에서, 샤프트(500)는 예컨대 4개의 센서들을 가지는 복수 센서 구성을 포함하도록 설계될 수 있다. 인테로게이터 안테나(들) 및 접지판(예컨대, 금속 디스크)은 도시되지 않지만, 이 엘리먼트들 또한 이용될 것이라고 이해되어야 한다. 성능을 향상시키기 위하여, 복수의 안테나들을 단일한 헬리컬 안테나 어셈블리에 통합시킬 때, 복수의 안테나들은 충분한 신호 세퍼레이션 및 다이버시티를 제공하기 위하여 별개의(separate), 구별되는(distinct), 및/또는 조밀한 간격의(closely spaced) 협대역 주파수들을 이용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 예시적인 구현예에서, 4개의 안테나들은 별개의, 구별되는 협대역 주파수들을 이용하도록 구성될 수 있고, 이 협대역 주파수들은 예컨대 이들이 신호 세퍼레이션 및 다이버시티(즉, 대역들 간의 간섭이 최소임(minimal))를 제공하도록 (예컨대, 분석을 기초로 하여) 선택될 수 있다. 게다가, 이용가능한 무선 스펙트럼의 이용을 최적화하기 위해서, 이 대역들은 충분한 세퍼레이션 및 다이버시티를 계속 보장하면서 서로에 대해 가능한 한 가깝게 있을 수 있도록 선택될 것이다. 게다가, 복수의 헬리컬 안테나들은 이들의 성능을 최적화하고 및/또는 이들 간의 간섭을 감소시키도록 (예컨대, 이들의 특성들, 이들이 샤프트(500) 둘레로 감싸질 수 있는 방식 등이) 구현될 수 있다. 예를 들어, 헬리컬 안테나들은 센서들의 모든 4개의 주파수들을 커버(cover)하기 위하여 대역폭이 충분히 넓도록 설계될 수 있다.
도 6은 회전 샤프트들로부터의/샤프트들로의 데이터의 통신에서 이용하기 위한 헬리컬 안테나 기반 트랜시버 어셈블리를 구성하기 위한 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 회전 샤프트로부터의/샤프트로의 데이터의 통신에서 이용되는 트랜시버 어셈블리에서 이용하기 위한 헬리컬 안테나를 설계 및/또는 구성하기 위하여 수행될 수 있는 복수의 예시적인 단계들을 포함하는 흐름도(600)가 도시된다.
단계 602에서, 샤프트 파라미터들(특히, 샤프트로부터의/샤프트로의 신호의 통신과 관련이 있는 것들 ― 예컨대, 샤프트 지름, 회전 속도/주파수 등)이 결정될 수 있다. 단계 604에서, 통신 파라미터들(예컨대, 통신 레인지, 방향성, 데이터 레이트 등) 및/또는 RF 무선 파워 전송 파라미터들(예컨대, 레인지, 파워 전송 레벨(power transfer level), 파형, 주파수들 등)이 결정될 수 있다. 예를 들어, 통신 파라미터들 중의 적어도 몇몇은 ('원하는(desired)' 파라미터들로서) 시스템 조작자에 의해 결정될 수 있다. 단계 606에서, 예컨대 결정된 구동 샤프트 파라미터들 및/또는 통신 파라미터들을 기초로 하여 헬리컬 안테나 파라미터들(예컨대, 헬릭스 폭 및/또는 간격(spacing), 턴들의 수, 와이어 지름, 피드 핀 높이/지름, 턴들의 수, 접지판 폭)이 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 헬리컬 안테나 파라미터들은 (예컨대, 두 개의 엘리먼트들을 분리시키는 슬리브를 가지고) 샤프트 둘레로 헬리컬 안테나를 통합하는 것을 가능하게 하도록 적어도 부분적으로 선택될 수 있다. 헬리컬 안테나 파라미터들은 예를 들어, 적절한 소프트웨어를 포함하는 상이한 방식들로 결정될 수 있다.
단계 608에서, 헬리컬 안테나는 헬리컬 안테나 파라미터들 기초로 하여 제조 및/또는 구성될 수 있고, 그 결과적인 헬리컬 안테나는 (다른 엘리먼트들―예컨대, 슬리브―과 함께) 구동 샤프트 상으로 설치될 수 있다. 몇몇 예들에서, 본 프로세스는 복수의 헬리컬 안테나들을 구성 및/또는 설치할 수 있는 방식으로 수행될 수 있다.
다른 실시예들은 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독가능 매체 및/또는 저장 매체, 및/또는 비일시적인 기계 판독 매체 및/또는 저장 매체를 제공할 수 있고, 여기에 기계 및/또는 컴퓨터에 의해서 실행가능한 적어도 하나의 코드 부분을 갖는 기계 코드(machine code) 및/또는 컴퓨터 프로그램(computer program)을 저장함으로써 기계 및/또는 컴퓨터로 하여금 회전 샤프트들 상에서의 데이터 전송 및 센서에 대한 통합 안테나 트랜시버를 위한 본 명세서에서 설명된 바와 같은 단계들을 수행하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다. 본 실시예들은 적어도 하나의 컴퓨터 시스템에서 중앙집중화된(centralized) 방식으로 구현되거나, 상이한 엘리먼트들이 여러 서로 연결된 컴퓨터 시스템들에 걸쳐서 흩어져 있는 분산된(distributed) 방상으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 방법들을 수행하기 위해서 적용되는 임의의 종류의 컴퓨터 시스템 또는 다른 시스템이 적합하다. 하드웨어와 소프트웨어의 전형적인 조합은, 로딩되고(loaded) 실행될 때 본 명세서에서 설명된 방법들을 수행하도록 컴퓨터 시스템을 제어하는 컴퓨터 프로그램을 가진 범용 컴퓨터 시스템일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 또한, 본 명세서에서 설명된 방법들의 구현예를 가능하게 하는 모든 특징들을 포함하고 컴퓨터 시스템에 로딩될 때 이 방법들을 실행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품에 내장될 수 있다. 현재 문맥에서 컴퓨터 프로그램은 정보 처리 능력을 갖는 시스템으로 하여금 즉시 또는 다음의: a) 다른 언어, 코드, 또는 표기(notation)로의 변환; b) 다른 재료 형태(material form)에서의 재생성(reproduction); 둘 중의 하나 또는 둘 다 이후에 특정 기능을 수행하는 것을 초래하도록 의도된 인스트럭션들의 세트의, 임의의 언어, 코드 또는 표기로 된, 임의의 표현을 의미한다.
특정한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 다양한 변형들이 만들어질 수 있고, 현재 설명된 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않으면서 등가물(equivalent)들이 교체될 수 있다는 점이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 게다가, 그 범위를 벗어나지 않으면서 특정 상황 또는 물질을 본 교시(teaching)들에 적용하도록 많은 변형들이 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 공개된 특정 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 항목들의 범위 내에 속하는 모든 실시예들을 포함할 것으로 의도된다.

Claims (8)

  1. 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리(shaft assembly)로(to) 및/또는 샤프트 어셈블리로부터(from) 헬리컬 안테나 컴포넌트(helical antenna component)를 통하여 신호들을 주고받는 단계를 포함하고,
    헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트를 둘러싸고,
    헬리컬 안테나 컴포넌트가 샤프트로부터 전기적으로 분리되어 있는(electrically decoupled) 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    샤프트가 정지해 있거나(stationary) 회전하고 있을(rotating) 때 헬리컬 안테나 컴포넌트를 통하여 신호들을 주고받는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    유전성 슬리브(dielectric sleeve)를 이용해서 샤프트로부터 헬리컬 안테나 컴포넌트를 전기적으로 분리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 전송되거나 수신되는 신호들을 통해서 샤프트 상의 센서와 관련된 데이터를 주고받는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    헬리컬 안테나 컴포넌트를 통해서 수신되는 RF 신호들을 통해서 무선으로 샤프트 어셈블리에 파워를 전송하는 것을 포함하고,
    전송된 파워의 적어도 일부는 센서, 샤프트 어셈블리에서의 전자 컴포넌트(electronic component)들, 및/또는 샤프트 어셈블리에 연결된 컴포넌트들에 파워를 공급하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    복수의 헬리컬 안테나들을 포함하는 경우에, 복수의 헬리컬 안테나들 각각이 신호 세퍼레이션(separation) 및 다이버시티(diversity)를 제공하기 위하여 복수의 별개의(separate), 구별되는(distinct), 조밀한 간격의(closely spaced) 협대역 주파수들 중의 하나를 이용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트를 구성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리(stationary transceiver assembly)들과 상호작용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트를 구성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    신호들의 통신 동안 RF 트랜스포머(transformer)를 시뮬레이팅(simulating)하는 코어(core) 둘레에서 권선들을 이용하도록 헬리컬 안테나 컴포넌트 및 상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리를 구성하는 것을 포함하고,
    헬리컬 안테나 컴포넌트는 샤프트에 설치된 권선(shaft mounted winding)을 포함하는 제1 안테나를 포함하고,
    샤프트에 설치된 권선은, 상기 트랜스포머의 한 쪽으로서, 권선 와이어(winding wire)를 포함하거나, 유전성 슬리브에 연결된 얇고 조밀한 간격의 디렉트 와이어 트레이스(direct wire trace)들을 포함하고,
    상응하는 스테이셔너리 트랜시버 어셈블리는 코어 둘레에서의 와이어 권선(wire winding)을 포함하는 제2 안테나를 포함하고,
    제1 안테나 및 제2 안테나는 트랜시버 쌍을 형성하도록 근접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
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