(57)【要約】【課題】電力効率よく通信することができるフィールド機器を提供する。【解決手段】本発明にかかるフィールド機器は、無線通信を行う無線回路１４と、アナログ信号が入力されるアナログ信号入力部１３と、無線回路１４に電源を供給するために設けられた少なくとも１つのキャパシタ２１と、アナログ信号に基づいて、キャパシタ２１を充電するために設けられた電源回路１５と、電源回路１５に直列に接続された計測回路１６と、キャパシタ２１が、電源回路１５に並列接続された第１の（充電）状態と、無線回路１４に並列接続された第２の（放電）状態とを、切り換えるスイッチ部２３と、スイッチ部２３による切り換えが間欠的に行われるように制御するスイッチ制御回路２０と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信を行う無線回路と、
アナログ信号が入力されるアナログ信号入力部と、
前記無線回路に電源を供給するために設けられた１つのキャパシタと、
前記アナログ信号に基づいて、前記キャパシタを充電するために設けられた電源回路と、
前記電源回路に直列に接続された計測回路と、
前記キャパシタが、前記電源回路に並列接続された第１の状態と、前記無線回路に並列接続された第２の状態とを、切り換えるスイッチ部と、
前記スイッチ部による切り換えが間欠的に行われるように制御するスイッチ制御部と、を備えるフィールド機器。
【請求項２】
無線通信を行う無線回路と、
アナログ信号が入力されるアナログ信号入力部と、
前記無線回路に電源を供給するために設けられた複数のキャパシタと、
前記アナログ信号に基づいて、前記キャパシタを充電するために設けられた電源回路と、
前記電源回路に直列に接続された計測回路と、
前記複数のキャパシタが、前記電源回路に並列接続された第１の状態と、複数のキャパシタが直列接続されて、かつ前記無線回路に並列接続された第２の状態とを、切り換えるスイッチ部と、
前記スイッチ部による切り換えが間欠的に行われるように制御するスイッチ制御部と、を備えるフィールド機器。
【請求項３】
前記第２の状態において、前記キャパシタの＋極が前記無線回路の＋端子側に接続され、前記キャパシタの−極が前記無線回路及び前記計測回路の共通のグランドに接地されることを特徴とする請求項１、又は２に記載のフィールド機器。
【請求項４】
前記キャパシタの容量値が、前記無線回路の動作特性と、前記スイッチ部の動作周期から求められることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィールド機器。
【請求項５】
前記スイッチが半導体スイッチで構成され、
スイッチ制御信号線が前記スイッチと絶縁されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフィールド機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド機器に関し、特に詳しくは、無線通信機能を有するフィールド機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントや工場などの設備には、各種のフィールド機器が設置されている。そして、フィールド機器は、温度、流量、圧力、位置などの物理量を検出している。そして、このようなフィールド機器からのフィールドデータを収集することで、設備の制御、管理などを行うことができる。
【０００３】
このようなフィールド機器において、無線通信機能を有するものが開示されている（特許文献１参照）。この文献では、フィールド機器であるバルブポジショナが、４−２０ｍＡの電流信号を受信している。そして、この電流信号に基づいて、バルブが所定のバルブ位置になるように操作信号を出力している。無線通信を行うことで、配線コストを削減することができる。たとえば、フィールド機器がさらに、特許文献１のフィールド機器では、４−２０ｍＡ信号（ループ電流）からの余剰電流を蓄電池やコンデンサに畜電している（請求項６）
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５７８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のフィールド機器では、ループ電流を分流して、無線回路へ給電している。すなわち、４−２０ｍＡのループ電流が計測回路と、無線回路の電源回路に分流されている。ここで、ループ電流による電力は既存の計測回路のほとんど使われてしまうため、コンデンサへの充電を十分に行うことができない。例えば、４−２０ｍＡのループ電流のうち、コンデンサへの充電に使うことができる電流は、最大で０．５ｍＡ程度になってしまう。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、電力効率よく無線通信することができるフィールド機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかるフィールド機器は、無線通信を行う無線回路と、アナログ信号が入力されるアナログ信号入力部と、前記無線回路に電源を供給するために設けられた１つのキャパシタと、前記アナログ信号に基づいて、前記キャパシタを充電するために設けられた電源回路と、前記電源回路に直列に接続された計測回路と、前記キャパシタが、前記電源回路に並列接続された第１の状態と、前記無線回路に並列接続された第２の状態とを、切り換えるスイッチ部と、前記スイッチ部による切り換えが間欠的に行われるように制御するスイッチ制御部と、を備えるものである。これにより、電力効率よく無線通信することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかるフィールド機器は、上記のフィールド機器であって、無線通信を行う無線回路と、アナログ信号が入力されるアナログ信号入力部と、前記無線回路に電源を供給するために設けられた複数のキャパシタと、前記アナログ信号に基づいて、前記キャパシタを充電するために設けられた電源回路と、前記電源回路に直列に接続された計測回路と、前記複数のキャパシタが、前記電源回路に並列接続された第１の状態と、前記複数のキャパシタが並列接続されて、かつ前記無線回路に並列接続された第２の状態とを、切り換えるスイッチ部と、前記スイッチ部による切り換えが間欠的に行われるように制御するスイッチ制御部と、を備えるものである。これにより、電力効率よく無線通信することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかるフィールド機器は、上記のフィールド機器であって、第２の状態において、前記キャパシタの＋極が前記無線回路の＋端子側に接続され、前記キャパシタの−極が前記無線回路及び前記計測回路の共通のグランドに接地されることを特徴とするものである。これにより、ノイズ耐性の強い無線通信をすることができる。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかるフィールド機器は、上記のフィールド機器であって、前記キャパシタの容量値が、前記無線回路の動作特性と、前記スイッチ部の動作周期から求められることを特徴とするものである。これにより、簡便に無線通信に十分な電力を供給することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかるフィールド機器は、上記のフィールド機器であって、前記スイッチが半導体スイッチで構成され、スイッチ制御信号線が前記スイッチと絶縁されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、本来の計測機能を損なうことなく、電力効率よく無線通信することができるフィールド機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態にかかるフィールド機器の構成を示す回路図である。
【図２】本実施の形態にかかるフィールド機器が充電されている状態を示す図である。
【図３】本実施の形態にかかるフィールド機器が放電されている状態を示す図である。
【図４】本実施の形態にかかるフィールド機器の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図５】本実施の形態にかかるフィールド機器に設けられたスイッチ制御回路の構成を示す図である。
【図６】別構成のフィールド機器が充電されている状態を示す図である。
【図７】別構成のフィールド機器が放電されている状態を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施の形態にかかるフィールド機器について、図１を用いて説明する。図１は、フィールド機器の構成を示す回路図である。フィールド機器は、プラントや工場、その他の設備に設置される。フィールド機器の例としては、例えば、発信器やバルブポジショナなどが挙げられる。もちろん、温度、流量、圧力、位置などの物理量を検出する各種センサであってもよい。
【００１５】
フィールド機器１０には、アナログ信号入力部１３、無線回路１４、電源回路１５、計測回路１６が設けられている。アナログ信号入力部１３は、アナログ信号が入力される。アナログ信号は、例えば、４〜２０ｍＡのループ電流である。従って、アナログ信号入力部１３は、端子１１と端子１２を有している。そして、端子１１から端子１２に向かって、４〜２０ｍＡのループ電流が流れる。このループ電流は、計測データの値に応じて変化する。例えば、圧力等のデータ値がループ電流に変換されている。また、アナログ信号入力部１３には、例えば、２４Ｖの電源電圧が印加されている。
【００１６】
無線回路１４は、外部と無線通信を行うための無線通信機能を有している。無線回路１４は、たとえば、アンテナ、変調器、復調器を有している。そして、無線回路１４は、収集した計測データなどの各種信号を無線で送信する。この無線信号を外部の情報処理装置が受信して、フィールドデータを収集する。あるいは、設定されるパラーメータのデータが外部から無線で送信される。これにより、外部配線などが不要となる。設備へのフィールド機器の設置、メンテナンスを容易に行うことができるようになる。
【００１７】
電源回路１５は、無線回路１４に電源を供給する電源を生成する回路である。そのため、電源回路１５には、ループ電流が入力されている。そして、ループ電流に基づいて、無線回路１４に所定の電源を供給する。計測回路１６には同じくループ電流から自己の電源を供給する回路（レギュレータなど）が内蔵されている。
【００１８】
計測回路１６は、データの計測を行う。計測回路１６は、電源回路１５に直列接続されている。すなわち、端子１１と端子１２の間には、電源回路１５と計測回路１６が直列接続されている。無線回路１４と計測回路１６は、共通のグランド１９に接続されている。このグランド１９は、例えば、フィールド機器１０のケース（筐体）に接続されている。これにより、安定に動作させることができる。
【００１９】
さらに、電源回路１５には、本実施形態にかかるフィールド機器１０の技術的な特徴の一つであるスイッチ部２３が設けられている。スイッチ部２３には、キャパシタ２１及びスイッチ２２が設けられている。ここでは、４つのキャパシタ２１が設けられている。そして、４つのキャパシタ２１の接続を切り換えるため、８つのスイッチ２２が設けられている。すなわち、各キャパシタ２１の両側には、それぞれスイッチ２２が接続されている。そして、全てのスイッチ２２が同じタイミングで切り替わることによって、キャパシタ２１の接続状態が変化する。スイッチ２２は、例えば、半導体トランジスタなどの半導体スイッチによって構成される。
【００２０】
スイッチ部２３と無線回路１４の間には、逆流防止用のダイオード１７が設けられている。また、計測回路１６と無線回路１４の間には、逆流防止用の定電流ダイオード１８が設けられている。また、無線回路１４には、スイッチ制御回路２０が設けられている。スイッチ制御回路２０は、例えば、マイコンで実装されており、スイッチ部２３の切り換えを制御するための制御信号を出力する。さらに、スイッチ制御回路２０は、計測回路１６の各種計測データの取得を行うこともできる。そして、スイッチ制御回路２０は、無線回路１４に内蔵されていなくてもよい。すなわち、スイッチ制御回路２０は、無線回路１４以外の箇所に設けられていてもよい。たとえば、計測回路１６にスイッチ制御回路２０が設けられていてもよく、その他の箇所に設けられていてもよい。
【００２１】
スイッチ部２３は、４つのキャパシタ２１の接続状態を切り換える。無線回路１４が無線通信を行っている間、スイッチ部２３はキャパシタ２１を放電状態にする。これにより、キャパシタ２１に蓄積された電力によって、無線回路１４が駆動する。一方、無線回路１４が無線通信を行わない場合は、スイッチ部２３は、キャパシタ２１を充電状態にする。これにより、無線通信時に使用される電力が、キャパシタ２１に蓄積する。スイッチ部２３の接続状態の切り換えは、スイッチ制御回路２０によって実行される。スイッチ制御回路２０は、間欠的に接続状態を切り換える。たとえば、スイッチ制御回路２０は、所定の周期でスイッチ２２を切り換えるパルス信号を出力する。これにより、全てのスイッチ２２が同時に切り換わる。よって、放電状態と充電状態とが間欠的に切り換わる。
【００２２】
ここで、図２を用いて、キャパシタ２１の充電状態について、説明する。図２は、充電状態を示す回路図であり、一部の構成については、適宜省略している。図２に示すように、充電状態では、４つのキャパシタ２１が、並列に接続されている。そして、４つのキャパシタ２１は電源回路１５に接続されて、充電される。なお、充電状態では、無線回路１４は、キャパシタ２１と切り離されている。このとき、無線回路１４はスリープ状態になっている。
【００２３】
次に、図３を用いて、キャパシタ２１の放電状態について説明する。図３は、放電状態を示す回路図であり、一部の構成については、適宜省略している。図３に示すように、放電状態では、４つのキャパシタ２１が、直列に接続されている。そして、それら４つのキャパシタ２１は無線回路１４に並列に接続されて、放電される。直列接続されたキャパシタ２１のプラス端（正極）は、無線回路１４の＋端子側に接続され、マイナス端（負極）がグランドに接続される。キャパシタ２１に蓄積した電荷がダイオード１７を通じて無線回路１４に流れ、無線通信用の電力が供給される。無線回路１４が無線通信を行う。なお、放電状態では、電源回路１５は、キャパシタ２１と切り離されている。
【００２４】
このように、無線動作のスリープ時に電源回路１５からキャパシタ２１を充電する。充電時には、電源回路１５と計測回路１６が直列接続され、電源回路１５に複数のキャパシタ２１が並列接続されている。一方、計測回路１６の電源から、数μＡ電流で無線回路のスリープ状態を維持することができる。無線通信動作時に、スイッチ２２によって充電済みの複数のキャパシタ２１を直列に接続する。さらに、プラス端とマイナス端を無線回路の電源とグランドに接続して、電力を供給する。そして、無線通信動作が完了したら、スイッチ２２を元に戻して、キャパシタ２１を並列に復元する。これにより、キャパシタ２１が充電される。このようにすることで、効率よく、無線電力を供給することができる。よって、ＡＣ電源や、バッテリを用いることなく、無線通信を行うことができる。よって、設備への設置を容易に行うことができる。配線コストやバッテリ保守コストなどを削減することができる。
【００２５】
充電状態と放電状態の切り換え動作について、図４を用いて説明する。図４は、切り換え動作を示すタイミングチャートである。
【００２６】
図４に示すように、スイッチ制御信号は、所定の周期のパルス信号であり、スイッチ２２がＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。すなわち、放電期間と充電期間が一定時間毎に繰り返す。充電期間では、無線回路１４のスリープ電流が無線消費電流となる。無線通信機能の停止中に、キャパシタ２１が充電される。この状態では、計測回路１６が電源回路に直列に接続されている。従って、ループ電流が計測回路１６に供給される。このため、計測回路１６の電流ロスを低減することができる。たとえば、ループ電流が下限値の４ｍＡであっても、計測回路１６に供給される電流値が４ｍＡを下回ることがない。なお、電源回路１５にはキャパシタ２１が並列接続されているため、電源回路１５において、電圧がいくらかドロップする。しかしながら、電流ロスを低減できるため、電圧がドロップした場合でも、計測回路１６が問題なく動作する。
【００２７】
一方、放電期間では、まず、マイコン動作電流で流れ、マイコンであるスイッチ制御回路が動作する。無線動作電流が流れ、無線回路１４において無線通信を行う。無線動作電流は、例えば、１０ｍＡ程度である。そして、無線通信が終了した後、マイコン動作が終了する。これを繰り返すことで、無線通信が間欠的に行われる。間欠的に無線動作を行うためのスイッチ制御信号を出力するだけで、無線通信することが可能になる。すなわち、充電状態を監視する必要がなくなり、容易に制御することができる。
【００２８】
次に、スイッチ部２３の具体例について、図５を用いて説明する。図５は、スイッチ部２３の具体例を示す図である。
【００２９】
スイッチ部２３には、アイソレータ５１が接続されている。すなわち、スイッチ制御回路２０と、電源回路１５は、別々のグランドを持っているので、アイソレータ５１が利用されている。そして、スイッチ制御回路２０からアイソレータ５１にスイッチの切り換えを制御するための、マイコン制御信号が入力される。アイソレータ５１によって、スイッチ制御信号線をスイッチと絶縁することができる。また、スイッチ部２３の電源Ｖ＋は、電源回路から供給されている。マイコン制御信号によって、スイッチ２２が切り換わる。スイッチ２２を制御できるアナログ電圧範囲は−０．５Ｖ〜＋０．５Ｖである。ここでは、キャパシタ２１の電力でスイッチ２２を駆動している。すなわち、キャパシタ２１に蓄積された電力によって、スイッチ２２が動作する。このため、スイッチ部２３のグランドＧＮＤは、キャパシタ２１のＣＯＭ２に接続され、電源Ｖ＋は、キャパシタ２１のＣＯＭ１に接続されている。
【００３０】
なお、上記の説明では、キャパシタ２１の数を４個としたが、４個以外であってもよい。キャパシタ２１の数を複数とすることが好ましい。これにより、昇圧することができる。また、図６、７に示すように、キャパシタ２１の数を１つとしてもよい。
【００３１】
電源回路１５の電源レギュレータ電圧は、０．５〜１Ｖ程度でよい。また、電源回路１５は、ダイオード、シャントレギュレータ、トランジスタなどで構成すればよい。
【００３２】
なお、キャパシタ２１の特性、及び段数は、無線回路の動作特性、及び動作周期によって求めることができる。以下にキャパシタ２１の容量Ｃを概算する。ここでは計算のため、間欠動作が１秒周期で、無線通信動作がデューティ１％（すなわち、０．０１秒）とする。また、電源回路１５の電圧レギュレータ電圧はＶ＝１とする。
【００３３】
チャージされる電荷は、Ｑ＝Ｃ×Ｖ＝Ｃ（単位ｑ：クーロン）で求まる（ただし、チャージ時間は微小であるため無視する）。ここで、無線通信回路が１０ｍＡ消費するとしたら、１回の無線動作には、０．１ｍｑ以上チャージする必要がある。
【００３４】
すなわち、キャパシタ２１が１つの場合、１０ｍＡを０．０１秒流すためには、０．１ｍｑ必要である。そのためには、Ｃ＝０．１ｍＦ（１００μＦ）以上であればよい。ただし、無線回路１４が１Ｖで動作できる場合である。
【００３５】
次に、キャパシタ２１がｎ個の場合、直列キャパシタ電圧は、ｎ×Ｖに昇圧されるわけであるが、１０ｍＡを０．１秒流す必要が変わらなければ、やはりそれぞれのキャパシタに充電する電荷は０．１ｍｑ必要となる。この場合、キャパシタ２１の容量は、Ｃ＝０．１ｍＦ（１００μＦ）以上である必要がある。
もちろん、無線回路１４がｎ×Ｖ電圧では、消費電流が１／ｎで動作するような場合には、キャパシタ２１は、１／ｎ程度の小さな分割容量で済む。
以上のように、キャパシタ２１の段数及び特性（容量）は、無線通信の動作特性、周期によって求めることができる。すなわち、無線通信の動作特性（電流）と、動作周期（デューティ、繰り返し周波数）によってキャパシタの容量を決定することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  フィールド機器
１１  端子
１２  端子
１４  無線回路
１５  電源回路
１６  計測回路
１７  ダイオード
１８  ダイオード
１９  グランド
２０  スイッチ制御部
２１  キャパシタ
２２  スイッチ
２３  スイッチ部
５１  アイソレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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