(57)【要約】【課題】供給電力と、そこに重畳される信号が互いに影響し合うことをより高精度に防いで信号の劣化を防ぎ、しかも装置構成の小型化に有利な電力線通信装置及び電力線通信システムを提供する。【解決手段】負荷となる子機装置６に電力を供給する電源２と、子機装置６に送信される信号を発生する送受信機４と、電源２から供給される電力と送受信機４から発生した信号とを子機装置６に供給する一対の信号共用電源線である電源線３１ａ、３１ｂと、信号が流れる一次コイル４１と、一次コイル４１により生じた磁束の変化によって電磁誘導を生じる二次コイル４３と、二次コイル４３と電磁気的に同一の二次コイル４４とに対し、一次コイル４１、二次コイル４３、４４の同極性端をそれぞれ電源線３１ａ、３１ｂに接続し、二次コイル４３と二次コイル４４の対極の端は基準電位端子ｔ３に接続して電力線通信装置を構成する。【選択図】図１
2020092371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷となる機器に電力を供給する電圧源と、前記機器に送信される信号を発生する信号源と、前記電圧源から供給される電力と前記信号源から発生した前記信号とを前記機器に供給する一対の電力と信号共用電源線と、前記信号源によって発生した前記信号が流れる第一コイルと、前記第一コイルにより生じた磁束の変化によって電磁誘導を生じる第二コイルと、前記第二コイルと電磁気的に同一の第三コイルと、前記第一コイル、前記第二コイル及び前記第三コイルが巻回されている一つの磁心を含むトランス装置を備え、前記第二コイルと前記第三コイルの同極性端がそれぞれ前記一対の共用電源線の各々に接続され、前記第二コイルと第三コイルの対極の端は信号基準電位点に接続されている電力線通信装置。
【請求項２】
前記基準電位点が大地に接続されている、請求項１に記載の電力線通信装置。
【請求項３】
前記基準電位点が、大地とは別の電位に接続されている、請求項１に記載の電力線通信装置。
【請求項４】
前記第二コイルと前記第三コイルの信号基準電位点に接続される容量素子を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力線通信装置。
【請求項５】
前記電圧源が交流電圧源である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力線通信装置。
【請求項６】
前記電圧源が直流電圧源である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力線通信装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の電力線通信装置と、前記機器とを含む、電力線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力線通信装置及び電力線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の供給に使用される電力線（ケーブル）に通信用の信号を重畳する技術は、電力線通信：（PLC:Power Line Communications）と呼ばれている。電力線通信の公知の例は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の電力線通信システムは、電気自動車と給電装置とを電力線を含む充電ケーブルにより接続し、電気自動車に備えられた装置と給電装置に備えられた装置とが互いに電力線を介して通信を行うものである。特許文献１の図１によれば、電気自動車は、充電ケーブルのＡＣ線に接続され、充電スタンド及び充電ケーブルからの電力をＡＣ線で電気自動車内の充電器へ導いている。また、２本のＡＣ間にコンデンサが接続され、一方のＡＣ線には、充電ケーブルの接続点からコンデンサの接続点までの間にカップリングトランスの一次コイルが介装されている。ＡＣ線間のコンデンサは、フィルタ回路を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７５５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の電力線通信システムは、電気自動車と給電装置という比較的短距離の間で行われている。しかしながら、電力線通信は、例えば、鉄道等屋外での運行を管理するシステム等の長距離通信においても使用される。長距離の電力線通信システムでは、高周波信号電圧の減衰が大きく、また、信号品質の劣化が懸念される。このため、長距離の電力線通信では、特許文献１のようにコンデンサをフィルタにするだけでは足りず、より高精度に信号品質の劣化を防いで通信を行うことが要求されている。
【０００５】
信号品質の劣化と共に通信を困難にするのがＳ／Ｎ比、つまり信号対ノイズ比の低下である。これは信号の減衰によるほか、電源側の問題からも起こり得る。
近年、電源変圧器に代わってインバーターＡＣ電源装置が使用される事例が増加している。これは高周波スイッチングのＰＷＭ変調により５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの出力を生成する物であるため出力電圧にスイッチング周波数とその高調波成分がリップルノイズとして含まれている。また、このリップル電圧は通信信号電圧より大きい。
リップルノイズは、その周波数帯域がＰＬＣ通信の周波数帯域である１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚと重なるために除去困難なノーマルモードノイズとなる。特許文献１に記載の電力線通信システムのフィルタ回路は、このようなノイズを除去することができない。また、ノイズの周波数が通信周波数と重なる場合、ノイズだけを除去することができない。
上記の電源ノイズ問題は、ＤＣ電源であってもスイッチング電源装置であれば上記と同様のリップルノイズが含まれており、リップル電圧は通信信号電圧と同等以下であるが、程度の差はあっても上記同様のＳ／Ｎ比低下問題が発生する。
【０００６】
また、特許文献１に記載の電力線通信システムは、段落[０００２]に記したようにＡＣ線の途中にカップリングトランスの一次コイルが介装されているため、一次コイルに数十アンペアの充電電流が流れる。この電流により発生する磁化力によってカップリングトランスの磁気回路が磁気飽和することを防ぐには、磁気回路にエアギャップを設ける、あるいは鉄芯体積を大きくする、さらには一次コイルに大電流に見合った太い電線を巻回すための大きな巻線スペースが必要になる。このような対策は、機器の構成を小型化することに不利である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、供給電力と、そこに重畳される信号が互いに影響し合うことをより高精度に防いで信号の劣化を防ぎ、しかも装置構成の小型化に有利な電力線通信装置及び電力線通信システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電力線通信装置は、負荷となる機器に電力を供給する電圧源と、前記機器に送信される信号を発生する信号源と、前記電圧源から供給される電力と前記信号源から発生した前記信号とを前記機器に供給する一対の電力と信号共用電源線と、前記信号源によって発生した前記信号が流れる第一コイルと、前記第一コイルにより生じた磁束の変化によって電磁誘導を生じる第二コイルと、前記第二コイルと電磁気的に同一の第三コイルと、前記第一コイル、前記第二コイル及び前記第三コイルが巻回されている一つの磁心を含むトランス装置を備え、前記第二コイルと前記第三コイルの同極性端がそれぞれ前記一対の共用電源線の各々に接続され、前記第二コイルと第三コイルの対極の端は信号基準電位点に接続されている。
【０００８】
本発明の電力線通信システムは、上記電力線通信装置と、前記機器とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、供給電力と、そこに重畳される信号が互いに影響し合うことをより高精度に防いで信号の劣化を防ぎ、しかも装置構成の小型化に有利な電力線通信装置及び電力線通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の電力線通信システム及び電力線通信装置を説明するための図である。
【図２】図１に示した電力線通信システム及び電力線通信装置の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。本実施形態では、電源を有する機器（親機装置と記す）と電源から電力の供給を受ける他の機器（子機装置と記す）とによって構成される電力線通信システムの例をあげて説明する。
【００１２】
［構成］
まず、本実施形態の電力線通信装置の構成について説明する。
図１は、本実施形態の親機となる電力線通信装置１０及び子機となる電力線通信装置１１を含む電力線通信システム１を説明するための模式的な回路図である。電力線通信装置１０と電力線通信装置１１とは双方向に信号を送受信して通信することが可能である。双方向通信を円滑に行うため、電力線通信装置１０、１１は同一仕様のものとする。
【００１３】
電力線通信装置１０は、負荷となる機器である電力線通信装置１１に電力を供給する電圧源である電源２を備えている。また、電力線通信装置１０は、電力線通信装置１１に送信される信号を発生する信号源である送受信機４と、電源２から供給される電力と送受信機４から発生した信号とを電力線通信装置１１に供給する一対の電力と信号共用の電源線３１ａ、３１ｂと、送受信機４によって発生した信号が流れる一次コイル４１と、一次コイル４１により生じた磁束の変化によって電磁誘導を生じる二次コイル４３と、二次コイル４３と電磁気的に同一の二次コイル４３と、一次コイル４１、二次コイル４３及び二次コイル４４が巻回されている一つの磁心４２を含む三巻線トランスＴｒ１を備え、二次コイル４３と二次コイル４４の同極性端がそれぞれ電源線３１ａ、電源線３１ｂに別々に接続され、二次コイル４３と二次コイル４４の対極の端は基準電位端子ｔ３に接続されている。
【００１４】
電源２は、商用電力から給電される定格５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、出力電圧１００Ｖまたは２００Ｖの電源トランスであってもよいし、定格５０Ｈｚから４００Ｈｚ、出力電圧１００Ｖから２４０Ｖ出力のインバーターＡＣ電源装置であってもよい。さらに、電源２は、１２Ｖから４８Ｖ出力のＤＣ電源装置であってもよい。
電源２は、出力のいずれの端子も大地から分離・絶縁された非接地（Floating）方式で送電できるものでなければならない。また、電源２の電流ループにつながり負荷となる子機装置６も同様に大地から電気的に分離されていなければならない。
【００１５】
図１において、電力線通信装置１０の外部配線接続端子は、一対のケーブル端子ｔ１、ｔ２は外部ケーブル３３ａ、３３ｂを接続する。電源端子ｔ２１、ｔ２２には電源２の出力を接続する。通信信号の基準電位となる信号グランドには、基準電位端子ｔ３が接続されている。 
電力線通信装置１０の内部回路としては、ケーブル端子ｔ１、ｔ２と電源端子ｔ２１、ｔ２２を接続する一対の電源線３１a、３１ｂと、双方向通信回路により送信と受信を行う送受信機４と、送受信機４と電源線３１ａ、３１ｂを絶縁しながら信号を注入、分離する個々に絶縁された一次コイル４１及び二次コイル４３、４４を有する三巻線トランスＴｒ１と、二次コイル４３、４４のトランス端子ｔ４５、ｔ４６と電源線３１ａ、３１ｂとを接続してハイパスフィルタを構成するコンデンサ４５、４６と、電源線３１ａ、３１ｂと接続するトランス端子ｔ４５、４６の巻線対極性端子共用端子（以下、単に「共用端子」と記す）ｔ４７と基準電位端子ｔ３とを接続し、不平衡電流抑圧とハイパスフィルタを兼ねるコンデンサ４７を備えている。
【００１６】
電源線３１ａ及び電源線３１ｂは、電力線通信装置１０内にあって電力線通信装置１０の外部ケーブル３３ａ、３３ｂとそれぞれ接続される導線部分である。電源線３１ａ及び電源線３１ｂは、いわゆる絶縁電線による配線に限らず、例えば、電源線３１ａは、ケーブル端子ｔ１、接続点ｊ１及び電源端子ｔ２１の３つを含む一体の端子形状とすることができる。電源線３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、電源線３１ａと同様に構成されている。電源線３１ａ及び電源線３１ｂは、外部ケーブル３３ａ、３３ｂによって結ばれた電力線通信装置１１内を通る閉回路を構成する。
閉回路において電源端子ｔ２１から電源端子ｔ２２に向かう電流の方向を矢線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で示す。このような電流のうち、矢線Ｐ１で示す電源電流（以下、「矢線Ｐ１の電源電流」と記す）が子機装置６を動かす電力として消費される。矢線Ｐ２の電源電流と矢線Ｐ３の電源電流も電源２から供給される電流であるが、ここで矢線Ｐ２の電源電流と矢線Ｐ３の電源電流は矢線Ｐ１の電源電流より充分に小さいので、矢線Ｐ２の電源電流及び矢線Ｐ３の電源電流をシステムの電力としては無視し、Ｐ１に加算してない。
【００１７】
外部ケーブル３３ａ、３３ｂは、布設された時の対地インピーダンスが高く、この対地インピーダンスが等しいことが望ましい。このため、外部ケーブル３３ａ、３３ｂは、キャプタイヤ電源ケーブルであって接地線を含まない二芯平行の長丸ケーブル、または芯線を二本撚り合わせた丸ケーブルが好ましい。
【００１８】
送受信機４は、内部に送信回路（図示せず）と受信回路（図示せず）と双方向通信回路（図示せず）とを持ち、一通信路での同時通信に対応している。双方向通信の方式は時分割方式、帯域分割方式、方向性結合（ハイブリッドトランス）などの公知の技術のいずれの方式でも良いが、本実施形態では帯域分割方式と時分割方式を併用する。
【００１９】
また、本実施形態と異なり、通信が一方向固定である場合は送受信機４、５の一方を送信専用通信装置とし、他方を受信専用通信装置とする。このように、親機装置と子機装置を送受信で使い分ければ、双方向通信回路を省略できる。このような電力線通信システムの構成は本実施形態の構成要素の送受信機４、５から送信、受信の一方の機能要素と双方向通信回路を除くものであり、電力線通信システム１と同様に動作する。送受信機４、５の一方を送信専用通信装置とし、他方を受信専用通信装置とする通信システムは、電力線通信システム１の下位互換装置であるから、その説明を省く。
【００２０】
電力線通信装置１０に含まれる三巻線トランスＴｒ１は、送受信機４の出力信号が流れる一次コイル４１と、一対の二次コイル４３、４４とを備えている。本実施形態では、二次コイル４３の巻始めがトランス端子ｔ４５に接続され、コンデンサ４５を介して電源線３１ａの接続点ｊ１に接続されている。二次コイル４４の巻始めはトランス端子ｔ４６に接続され、コンデンサ４６を介して電源線３１ｂの接続点ｊ２に接続されている。また二次コイル４３、４４のそれぞれの巻終りが共用端子ｔ４７に接続されていて、共用端子ｔ４７はコンデンサ４７を介して信号基準点に接続されている。本実施形態では、基準電位端子ｔ３を信号基準点とし、基準電位端子ｔ３を接地するものとする。
【００２１】
三巻線トランスＴｒ１では、二次コイル４３、４４の電磁気的特性が一致していることが好ましく、また、一次コイル４１から二次コイル４３、４４への伝送損失を少なくするために相互誘導の結合係数を高くする必要がある。このため本実施形態では、一次コイル４１、二次コイル４３、４４に同一の線材を使用し、計３本の線材を３本平行に並べて同一の回数巻回している。結合係数を高めるための巻線法には、上記の並列巻線の他に３本の線材を撚り線として巻回すことも巻数が比較的少ないトランスにとって効果的である。
ここでいう三巻線とは、３個の巻線が存在することに限らず、複数の巻線を直列あるいは並列に接続して電気的に１つのコイルとしていれば、それを一巻線として扱う。
【００２２】
また、本実施形態では、コンデンサ４５、４６の静電容量が同一であることが好ましい。ここで「静電容量が同一」とは、容量の相違が数％程度と小さいことを含む。このような例を実現するには、例えば、コンデンサ４５、４６の静電容量の差が最小となるように複数のコンデンサから二つを選別して使用してもよい。
上記コンデンサの静電容量は、以下の条件で選定する。
コンデンサのインピーダンスＺｃは、以下の式によって表される。
Ｚｃ＝１／（２πｆ  Ｃ）
上記式において、ｆは周波数（Ｈｚ）、Ｃは静電容量（Ｆ）である。
本実施形態では、インピーダンスＺｃが通信周波数に対して十分小さく、電源周波数に対して十分大きくなるように選定する。
ＤＣ電源の場合、ｆ＝０であるから直流のインピーダンスＺｃは無限大になり、直流電流はコンデンサを通れないので通信周波数でのインピーダンスのみ考慮すればよい。コンデンサ４７の静電容量としては、高精度である必要はないがコンデンサ４５の容量とコンデンサ４６の容量の合計値と同等の容量を有するものが好ましい。
【００２３】
電力線通信装置１０では、コンデンサ４５、４６、４７が二次コイル４３、４４の両端に直列に接続されているので直列ＬＣ共振フィルタのように見えるが、本実施形態では以下の理由によりＬＣ共振フィルタとしては利用していない。
三巻線トランスＴｒ１の巻線は純粋な自己インダクタンスではなく、電磁結合している他のコイルとの相互誘導によって並列インピーダンスが存在し、一般のＬＣフィルタとは異なっている。また、本実施形態の三巻線トランスＴｒ１では二次コイル４３、４４に電流が流れると、磁気回路的には磁化力が逆向きになり、二次コイル４３、４４の相互誘導で磁束が打ち消し合うために見かけ上自己インダクタンスはゼロになる。このため、電源線３１ａ、３１ｂ間の電源２等のＡＣ電圧源に対してはＬＣフィルタになり得ない。
一方、電源線３１ａ、３１ｂと基準電位端子ｔ３との間に電圧が存在する場合、三巻線トランスＴｒ１はＬＣフィルタになり得る。ただし、前述の相互誘導による並列インピーダンスと、自己インダクタンスのバラつき管理が難しく実用が困難になる。そのような周波数共振通過型フィルタの例についてはここでは説明しない。
本実施形態は、三巻線トランスの伝送特性を信号周波数帯域（１０ｋＨｚから５００ｋＨｚ）内に共振を生じないように設計する。つまり、本実施形態は、帯域内の全ての周波数に対して平等の出力及び受信感度が得られるように設計し、通信周波数以外の周波数のノイズの除去は受信回路に設けた帯域分割通信用の狭帯域フィルタにより担保する。
【００２４】
次に、コンデンサ４５、４６と三巻線トランスＴｒ１による電源２のフィルタリングについて説明する。電源線３１ａ、３１ｂ間には、接続点ｊ１−コンデンサ４５−二次コイル４３−（共用端子ｔ４７）−二次コイル４４−コンデンサ４６−接続点ｊ２からなる直列回路が形成されている。電源２は便宜的に接続点ｊ１側を正極、接続点ｊ２側を負極とし、出力電圧をＶ１とする。二次コイル４３、４４のインピーダンスは自己インダクタンスのインピーダンスと、相互誘導により送受信機４の内部インピーダンス（等価抵抗Ｒとする）が並列に見えており、これらの並列成分に加えて巻線の抵抗が直列に存在する。
【００２５】
上記直列回路に電源２が接続されると、接続点ｊ１、ｊ２間に電圧Ｖ１が印加されて矢線Ｐ２の電源電流が流れる。二次コイル４３を流れるコイル電流ｉ３、二次コイル４４を流れるコイル電流ｉ５は、矢線Ｐ２の電源電流と値が等しく、かつ互いに等しい（ｉ３＝ｉ５）が、コイル電流ｉ５は共用端子ｔ４７で折り返されるので三巻線トランスＴｒ１の磁気回路的には電流の向きが逆向きで値がコイル電流ｉ３と等しくなる。
二次コイル４３、４４は、巻数が等しいので磁化力の源となる電流と巻数の積も等しく、発生する磁化力は方向が逆向きで値が等しいものとなる。このため、磁心４２内に逆向きの双子の磁束が発生することになるが、この磁束は見かけ上打ち消し合って消滅する。換言すれば、二次コイル４３、４４の磁化力が相互誘導で打ち消し合う結果、自己インダクタンスが無くなるので、二次コイル４３、４４と一次コイル４１との相互誘導もなくなるため等価抵抗Ｒは存在しなくなる。従って二次コイル４３、４４のインピーダンスは巻線の直流抵抗成分だけになる。
【００２６】
また、磁束が打ち消された結果、一次コイル４１に電圧は誘起されず、コイル電流ｉ３５は流れない。このような電磁気現象により、電源線３１ａ、３１ｂに接続される二次コイル４３、４４から送受信機４に接続される一次コイル４１への電圧移行が阻止されて、送受信機４に対する電源２の干渉障害が防止される。
この磁束及びインダクタンスの消滅は、ＡＣ電源に対してだけでは無く接続点ｊ１−接続点ｊ２間に電圧として存在する全ての交流電圧についても同様に生じる。このため、ＡＣ電源またはＤＣ電源に含まれるリップルノイズも三巻線トランスＴｒ１内で消滅する。また、電源２から発生するノイズの他に外部から侵入するノイズであっても、接続点ｊ１−接続点ｊ２間に電圧として存在するノイズは同様の電磁気現象により三巻線トランスＴｒ１内で消滅する。
例えば、電源線３１ａ、３１ｂに雷サージが侵入した場合、対地雷電圧はアレスター等で防御しても線間に電源電圧を超えるサージ電圧が残ることがある。このようなサージ電圧によるサージ電流が発生すると、接続点ｊ１−接続点ｊ２間に電圧を生じるが、前述の電磁気現象により三巻線トランスＴｒ１内で消滅し、送受信機４の障害を防止することができる。
【００２７】
次に、三巻線トランスＴｒ１と電源線３１ａ、３１ｂをつないでいるコンデンサ４５、４６のフィルタ効果について説明する。電源線３１ａ、３１ｂ間には、接続点ｊ１−コンデンサ４５−二次コイル４３−（共用端子ｔ４７）−二次コイル４４−コンデンサ４６−接続点ｊ２からなる直列回路が形成されている。ここの説明では、電源２は便宜的に接続点ｊ１の側を正極、接続点ｊ２の側を負極とし、電源２の出力電圧を電圧Ｖ１とする。
二次コイル４３、４４のインピーダンスとしては、自己インダクタンスのインピーダンス（Ｚｅとする）と、相互誘導により送受信機４の内部インピーダンス（ここでは送信器の出力抵抗）が並列に見えており、この等価並列抵抗をＲとする。二次コイル４３、４４の巻線抵抗をＲｗとする。コンデンサ４５、４６のインピーダンスはＺｃとする。
ここで、三巻線トランスＴｒ１においては、通常、インピーダンスＺｅが等価並列抵抗Ｒより充分大きいが、本実施形態の動作状態では二次コイル４３、４４の自己インダクタンスが消滅し、Ｚｅ≒０Ωとなる。このことから、等価並列抵抗Ｒも消滅し、二次コイル４３、４４のインピーダンスは巻線の直流抵抗Ｒｗのみになる。
【００２８】
本実施形態では、インピーダンスＺｃが直流抵抗Ｒｗよりも充分大きくなっていて（Ｒｗ＜＜Ｚｃ）、直流抵抗Ｒｗを無視することができる。接続点ｊ１−接続点ｊ２間の直列回路の電源に対するインピーダンスＺ１２は、コンデンサ４５、４６の直列回路となり、以下のように表される。
Ｚ１２≒２Ｚｃ
上記のインピーダンスＺｃは通信信号周波数に対して十分小さい必要がある。許容されるインピーダンスＺｃの最大値として送受信機の入出力インピーダンスと同値として、例えば１０ｋＨｚで１５０Ωとすれば、定格５０Ｈｚの電源２に対するインピーダンスは（１００００／５０）倍の３０ｋΩとなり、インピーダンスＺ１２はインピーダンスＺｃの２倍の６０ｋΩとなる。
【００２９】
接続点ｊ１から接続点ｊ２に流れる矢線Ｐ２の電源電流は、Ｖ１／６０ｋΩの式によって算出される。この式においてＶ１＝２００Ｖとすると、矢線Ｐ２の電源電流（式では便宜上Ｐ２と標記）は、Ｐ２＝３．３ｍＡとなる。このような値は、一通信路での同時通信で使用される微少電流値の範囲内である。
以上説明した方法で、本実施形態は、信号周波数に対して十分小さく、電源周波数に対して十分大きいインピーダンスを持つ静電容量のコンデンサを設定することができる。
【００３０】
コンデンサ４７は、接続点ｊ１−接続点ｊ２間の直列回路の共用端子ｔ４７と基準電位端子ｔ３を接続し、不平衡電流を抑制する。不平衡電流は、主に電源線３１ａ、３１ｂの対地インピーダンスが一致していない場合に発生する。電源線３１ａ、３１ｂの対地インピーダンスは、主に電源線３１ａ、３１ｂの大地との静電容量によるが、完全に一致させることは難しい。対地インピーダンスが一致していなければ、電圧Ｖ１は対地インピーダンスの比に分圧され、分圧点である大地と算術中間電圧との間に電位差が生じる。共用端子ｔ４７は、算術中間電圧に合せて設計されており、ｔ４７を直接ｔ３の接地に接続すれば前記電位差による電流が大地に流れることになる。
【００３１】
不平衡電流は、コイル電流ｉ３とコイル電流ｉ５の電流値の差として表れ、打ち消すべき磁束が完全には打ち消せなくなって一次コイル４１に電圧を生じてしまう。このような不平衡電圧は注意深く設計施工されたシステムでは無視できる程小さいが、ケーブル周辺の電磁的環境の一時的擾乱、例えば電車の通過などにより、一時的に大きくなることがあり得る。このような場合に発生する不平衡電流を抑制する目的で、本実施形態は、予防的にコンデンサ４７を備えているが、通信システムの動作に必須の構成要素では無い。
【００３２】
以上のように、電源２に対するフィルタ効果は、コンデンサ４５、４６を設けたことによって微少な電流しか流れず、流れた電流による起磁力は相殺されて磁束を生じないので電磁的干渉を起こさない。また、本実施形態は、電源２からの電流が微少である上、磁束を生じないので磁気飽和することがない。このような本実施形態の電力線通信システム１は、三巻線トランスＴｒ１が使用する信号電力に必要な分を超える過剰なコア体積や電線直径を必要としないので小型化に有利である。
【００３３】
次に、電力線通信システム１において送受信される送受信信号の伝送ループについて説明する。便宜的に、親機側から送信し子機側で受信している状態とする。
電力線通信システム１では、電力線通信装置１０内の送受信機４から送出された信号電圧によって三巻線トランスＴｒ１の一次コイル４１に励磁電流が流れ、磁心４２に磁束が発生して二次コイル４３、４４に電圧を誘起する。一次コイル４１、二次コイル４３、４４は巻数が同一であるのでコイル端子電圧の値は全て同じである。本実施形態では、コイル端子の電圧が送信信号電圧となる。
二次コイル４３の電圧により発生したコイル電流ｉ２は、トランス端子ｔ４５からコンデンサ４５を通り接続点ｊ１から電源線３１ａに流れ込む。接続点ｊ１には子機装置６に向かう信号電流Ｓ１と電源２の側に向かう電流ＮＧ１が存在する。
【００３４】
二次コイル４４の電圧により発生したコイル電流ｉ４は、トランス端子ｔ４６からコンデンサ４６を通り、接続点ｊ２から電源線３１ｂに流れ込む。接続点ｊ２には、子機装置６に向かう信号電流Ｓ２と電源２の側に向かう電流ＮＧ１が存在する。ここで、電源線３１ａの電流ＮＧ１の通路であるトランス端子ｔ４５−接続点ｊ１−電源端子ｔ２１と、電源線３１ｂの電流ＮＧ１の通路トランス端子ｔ４６−接続点ｊ２−電源端子ｔ２２のインピーダンスが同一で、トランス端子ｔ４５、ｔ４６の電圧が同一であるから、電源端子ｔ２１と電源端子ｔ２２での信号電圧は同一となり、電源２の内部インピーダンスの両端に電位差が無いので電流は流れない。
【００３５】
また、電源２は大地から絶縁されているために対地インピーダンスが高いので、電源端子ｔ２１、ｔ２２から大地への漏れ電流は無視できる。このため、本実施形態では電流ＮＧ１は存在しないとみなすことができる。
以上のことから、電力線通信システム１において、信号電流Ｓ１＝コイル電流ｉ２、信号電流Ｓ２＝コイル電流ｉ４の関係が成立する。
上記二つの流れ出し電流の起磁力に対し、相互誘導で一次コイル４１には、等アンペアターンの法則によりｉ１＝（ｉ２＋ｉ４）の電流が送信器から流れ込む。この過程を送受信器４からの視点で見れば、送信電流が三巻線トランスＴｒ１の一次から二つの二次コイル４３、４４に分流したことと等価である。
【００３６】
ここで、信号電流Ｓ１が通る回路をＳ１ループ、信号電流Ｓ２が通る回路をＳ２ループとする。Ｓ１ループは、トランス端子ｔ４５−コンデンサ４５−接続点ｊ１−ケーブル端子ｔ１−外部ケーブル３３ａ−ケーブル端子ｔ４−接続点ｊ４−コンデンサ５５−トランス端子ｔ５５−二次コイル５３−共用端子ｔ５７−コンデンサ５７−基準電位端子ｔ６−大地−基準電位端子ｔ３−コンデンサ４７−二次コイル４３−トランス端子ｔ４５のループとなる。また、Ｓ２ループは、トランス端子ｔ４６−コンデンサ４６−接続点ｊ２−ケーブル端子ｔ２−ケーブル３３ｂ−ケーブル端子ｔ５−接続点ｊ５−コンデンサ５６−トランス端子ｔ５６−二次コイル５４−共用端子ｔ５７−コンデンサ５７−基準電位端子ｔ６−大地−基準電位端子ｔ３−コンデンサ４７−二次コイル４４−トランス端子ｔ４５のループとなる。
Ｓ１ループ及びＳ２ループは、相応する同種の回路要素がそれぞれ同一の特性になるよう設定されているので、Ｓ１ループとＳ２ループのインピーダンスの相違は同一とみなせる程度に僅少である。従って、トランス端子ｔ４５、ｔ４６で同電圧の信号電流Ｓ１、Ｓ２はいずれもコイル電流ｉ１の１／２（Ｓ１＝Ｓ２＝（ｉ１／２）である。
【００３７】
続いて、子機装置６の側への伝送ループについて説明する。ここでは、上記のＳ１ループとＳ２ループとでインピーダンスが等しいことを前提としている。電力線通信装置１０から出力された信号電流Ｓ１、Ｓ２は、ケーブル端子ｔ１、ｔ２から二芯の外部ケーブル３３ａ、３３ｂを伝い、電力線通信装置１１のケーブル端子ｔ４、ｔ５に達する。この間のＳ１ループ、Ｓ２ループのインピーダンスは、伝送路の距離に比例して増加し、信号電圧が減衰するが、受信器が感知できる最小受信電圧には限界がある。本実施形態では、有効感度電圧は送信出力電圧の１／１００が限界であり、これにより通信距離が制約される。
接続点ｊ４、ｊ５から先に向かう電流は、三巻線トランスＴｒ２の側に向かう信号電流Ｓ１、Ｓ２と子機装置６の側に向かう電流ＮＧ２に分かれるが、子機装置６の側の電源端子ｔ６１、ｔ６２が同電位になり子機装置６の内部インピーダンスに電流は流れず、子機装置６は大地から絶縁されているので対地インピーダンスが高いため、対地漏れ電流は無視できるので電流ＮＧ２は存在しないとみなす。
従って、電力線通信システム１においては、信号電流Ｓ１とコイル電流ｉ７の値が等しく、信号電流Ｓ２とコイル電流ｉ９の値が等しくなる。信号電流Ｓ１、Ｓ２が流れ込むことによって生じる起磁力は、同方向であるから加算され、磁心５２に２倍の磁束を発生させる。このとき、一次コイル５１には等アンペアターンの法則によりコイル電流ｉ７とコイル電流ｉ９との合成電流であるコイル電流ｉ６（ｉ６＝ｉ７＋ｉ９）が送受信機５に向かって流れる。この過程を送受信器５からの視点で見れば、送受信機５が受信に使用する信号電力を二つのループで半分ずつ分担して運んだことと等価である。本実施形態の電力線通信システム１は、電源ケーブル二芯に信号電流が半分ずつ分流したことにより信号電圧減衰も半分になるので長距離通信に有利になる。
【００３８】
Ｓ１ループを通ってきた信号電流Ｓ１、Ｓ２ループを通ってきた信号電流Ｓ２は、共用端子ｔ５７で合流して帰還電流Ｓ３となる。帰還電流Ｓ３は、コンデンサ５７を経由し基準電位端子ｔ６に達する。基準電位端子ｔ３、ｔ６は、電力線通信装置１０と電力線通信装置１１それぞれの側の基準電位点で接地されている。基準電位端子ｔ３、ｔ６では、同一の帰還電流Ｓ３が逆向きに大地に流れ込み、互いに相殺されていると見ることができるので、仮想等電位点になる。見かけ上帰還電流Ｓ３は、基準電位端子ｔ６から大地を通り、基準電位端子ｔ３からコンデンサ４７を介して共用端子ｔ４７に達する。さらに、帰還電流Ｓ３は、三巻線トランスＴｒ１の二次コイル４３にコイル電流ｉ２、二次コイル４４にコイル電流ｉ４として還流する。このような帰還電流Ｓ３によってＳ１ループ、Ｓ２ループが完結し、電力線通信装置１０、１１間の信号伝送が完了する。
【００３９】
また、子機装置６の側の矢線Ｐ３の電源電流は、親機として機能する電力線通信装置１０の側の前述した矢線Ｐ２の電源電流と同様に流れる。電力線通信装置１０、１１は同一の構造を有し、また、矢線Ｐ２の電源電流と矢線Ｐ３の電源電流は略等しい（Ｐ２≒Ｐ３）ので、ここでは説明を省略する。三巻線トランスＴｒ２においては、三巻線トランスＴｒ１内の矢線Ｐ２の電源電流と同様に、矢線Ｐ３の電源電流による磁化力は相殺されて磁束が消滅する。このような作用により、本実施形態の電力線通信システム１では、子機側である電力線通信装置１１においても電源による送受信機５に対する干渉、障害が生じない。
【００４０】
電力線通信装置１０、１１のコンデンサ４７、５７は、帰還電流Ｓ３に対するハイパスフィルタであるとともに、電力線通信装置１０、１１の親機と子機の接地電位の差電圧とその不規則変動による交流成分が通信信号ループ内に侵入し障害となることを抑制するフィルタとして機能する。しかしながら、通信システムの動作に必須の構成要素では無い。
【００４１】
上記通信信号ループにおける信号品質について要約する。
（１）送信信号電流を電源ケーブル二芯に分流し、受信側で加算する結果、信号電圧減衰が従来技術によるものより少ない。
（２）電源ケーブル二芯間に存在する電源由来ノイズおよび外来ノイズは三巻線トランス内で相殺消滅することにより、受信器側に移行しない。この効果により、通信信号周波数と同じ周波数のノイズも除去される。
（３）上記（１）と（２）の効果により長距離通信においてもＳ／Ｎ比の低下が少ない。
以上説明のように、本実施形態の電力線通信システム１及び電力線通信装置１０、１１は、電源２が交流でも、直流であっても、信号品質の高い電力通信を行うことができる。
【００４２】
［変形例］
次に、以上説明した電力線通信システム１の変形例を説明する。
図１で説明した本実施形態は、信号基準電位を大地とした電力線通信方式を示している。しかし、本実施形態は、大地への接地ができない場合であっても同様の効果を得る電力線通信システムを構成することができる。
図２は、接地に替えて信号グランド線３３ｃを使用した本実施形態の変形例である。図１で説明した電力線通信システム１は、電力線通信装置１０（親機側）、電力線通信装置１１（子機側）とも十分良好な接地が得られることを前提としているが、電力線通信装置１０、電力線通信装置１１のどちらか、または両方が接地できない場合も考えられる。その場合は、図２の電力線通信システム１００のように、基準電位端子ｔ３、ｔ６を絶縁電線で接続する事ができる。
図２に示す電力線通信システム１００は、信号グランド線３３ｃだけが図１の電力線通信システム１と異なるものであって、他は電力線通信システム１と同様に構成されている。このため、変形例では、信号グランド線３３ｃの部分以外の説明を省略する。
【００４３】
信号グランド線３３ｃは、帰還電流Ｓ３が基準電位端子ｔ６から基準電位端子ｔ３へ流れる信号線となる。信号グランド線３３ｃのインピーダンスによる信号電圧減衰を少なくするため、信号グランド線３３ｃには、信号電流Ｓ１の外部ケーブル３３ａ及び信号電流Ｓ２のケーブル３３ｂと同様に、対地インピーダンスが高いものが好ましい。また、信号グランド線３３ｃは、帰還電流Ｓ３に応じて十分な導体面積の電線を使用することが好ましい。ただし、信号グランド線３３ｃは、外部ケーブル３３ａ、３３ｂより太い必要は無い。このような信号グランド線３３ｃには、三芯撚り合せ丸型キャプタイヤケーブルを使用し、三芯中の一芯を信号グランド線３３ｃとして使用し、他の二芯を３３ａ、３３ｂとして使用することが好ましい。
【００４４】
上記実施形態及び実施例は、以下の技術思想を包含する。
（１）負荷となる機器に電力を供給する電圧源と、前記機器に送信される信号を発生する信号源と、前記電圧源から供給される電力と前記信号源から発生した前記信号とを前記機器に供給する一対の電力と信号共用電源線と、前記信号源によって発生した前記信号が流れる第一コイルと、前記第一コイルにより生じた磁束の変化によって電磁誘導を生じる第二コイルと、前記第二コイルと電磁気的に同一の第三コイルと、前記第一コイル、前記第二コイル及び前記第三コイルが巻回されている一つの磁心を含むトランス装置を備え、前記第二コイルと前記第三コイルの同極性端がそれぞれ前記一対の共用電源線の各々に接続され、前記第二コイルと第三コイルの対極の端は信号基準電位点に接続されている電力線通信装置。
（２）前記基準電位点が大地に接続されている、（１）の電力線通信装置。
（３）前記基準電位点が、大地とは別の電位に接続されている、（１）の電力線通信装置。
（４）前記第二コイルと前記第三コイルの信号基準電位点に接続される容量素子を有する、（１）から（３）のいずれか一つの電力線通信装置。
（５）前記電圧源が交流電圧源である、（１）から（４）のいずれか一つの電力線通信装置。
（６）前記電圧源が直流電圧源である、（１）から（４）のいずれか一つの電力線通信装置。
（７）（１）から（６）のいずれか一つの電力線通信装置と、前記機器とを含む、電力線通信システム。
【符号の説明】
【００４５】
１、１００・・・電力線通信システム
２・・・電源
ｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５・・・ケーブル端子
４、５・・・送受信機
６・・・子機装置
１０、１１・・・電力線通信装置
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ・・・電源線
３３ａ、３３ｂ・・・外部ケーブル
３３ｃ・・・信号グランド線
４１、５１・・・一次コイル
４２、５２・・・磁心
４３、４４、５３、５４・・・二次コイル
４５、４６、４７、５５、５６，５７・・・コンデンサ
ｊ１、ｊ２、ｊ４、ｊ５・・・接続点
ｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５・・・ケーブル端子
ｔ２１、ｔ２２、ｔ６１、ｔ６２・・・電源端子
ｔ３、ｔ６・・・基準電位端子
ｔ４５、ｔ４６、ｔ５５、ｔ５６・・・トランス端子
Ｔｒ１、Ｔｒ２・・・三巻線トランス
【図１】
2020092371.tif 000003
【図２】
2020092371.tif 000004