(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、前記送信期間に前記送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路とを備え、前記送信回路は、通過インピーダンスを前記送信信号の信号値に応じて変化させるローパスフィルタをスイッチング素子と信号線との間に備えることを特徴とするデータ伝送装置。
【請求項２】
前記ローパスフィルタは、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入された第１のコンデンサと、第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサおよびスイッチ要素の直列回路とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
【請求項３】
前記ローパスフィルタは、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１および第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素と、信号線の線間に挿入されたコンデンサとからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
【請求項４】
前記ローパスフィルタは、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１のインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
【請求項５】
前記ローパスフィルタは、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび抵抗の直列回路と、抵抗に並列接続されたスイッチ要素とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
【請求項６】
２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、前記送信期間に前記送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路と、スイッチング素子のスイッチング周波数を前記送信信号の信号値に応じて切り換える周波数変換回路とを備えることを特徴とするデータ伝送装置。
【請求項７】
前記送信回路の出力電圧と前記制御回路から出力される電圧制御信号の信号値との差を検出する定電圧制御回路と、定電圧制御回路の出力により送信回路の出力電圧と電圧制御信号の信号値との差を一定に保つ方向に前記スイッチング素子のオンデューティを制御する時比率変換回路とを備えることを特徴とする請求項６記載のデータ伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１台の給電端末と複数台の受電端末とを２線式の信号線を介して接続し、給電端末と受電端末との間で信号線を介してデータ伝送とともに電源供給を行なうデータ伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図１０に示すように、１台の給電端末１と複数台の受電端末２とを２線式の信号線３を介して接続し、信号線３を介して給電端末１と受電端末２との間でデータ伝送を行ない、受電端末２に接続した負荷ＬＤ１〜ＬＤｎを制御するデータ伝送装置が知られている。受電端末２には各種の負荷ＬＤ１〜ＬＤｎ、あるいはセンサ、スイッチなどが適宜に接続される。また、給電端末１には必要に応じてスイッチＳＷが接続される。しかして、給電端末１のスイッチＳＷや受電端末２のスイッチが操作されたり受電端末２に設けたセンサにより特定の状態が検出されると、信号線３を通して伝送される送信データにより負荷ＬＤ１〜ＬＤｎが制御される。負荷ＬＤ１〜ＬＤｎには、発光ダイオードなどを備える表示素子、複数の表示素子を配列した表示器、他の負荷への電源の入切を行なうリレーなどがある。
【０００３】
給電端末１と受電端末２との間で授受される信号を図１１に示す。図１１（ａ）は基本的な伝送手順を示しており、１フレームＦＭの信号は、給電端末１から受電端末２にデータを伝送するタイムスロットＴＳ１と、受電端末２から給電端末１にデータを伝送するタイムスロットＴＳ２とを備える。図示例は伝送制御としてポーリング・セレクティング方式を採用しており、各受電端末２に設定したアドレスを用いて給電端末１が一定規則で受電端末２を呼び出すようになっている。たとえば、簡単な方式としては、給電端末１がアドレス順にサククリックに受電端末２を呼び出す方式が採用される。給電端末１は受電端末２を呼び出したときに受電端末２に接続されたスイッチの操作状態を受け取るとともにその操作状態を記憶し、スイッチを設けた受電端末２に対してアドレスにより対応付けられている他の受電端末２を呼び出したときに、その受電端末２に設けた負荷ＬＤ（ＬＤ１〜ＬＤｎ）の制御を要求する。給電端末１から受電端末２への送信データは電圧信号で伝送され、タイムスロットＴＳ１においては図１１（ｂ）のように信号線３の線間電圧が変化する。給電端末１は信号線３に送出する電流を定電流化する機能を有し、受電端末２から給電端末１に信号を返送するタイムスロットＴＳ２においては、図１１（ｃ）のように給電端末１は信号線３に定電流を流し、このタイムスロットＴＳ２において受電端末２が信号線３の線間に低抵抗を挿入することで信号を伝送すると、受電端末２が信号線３の線間に挿入する抵抗の大きさに応じて信号線３の線間電圧が変化する。このような信号線３の線間電圧の変化によって給電端末１は受電端末２から返送された信号を受信する。
【０００４】
給電端末１には各種構成が知られているが、本発明者らは先に特願平１０−２０８２７５号において図１２に示す構成を提案した。この給電端末１は、降圧形のチョッパ回路を用いた送信回路１５を備え、送信回路１５は、スイッチング素子であるトランジスタＱ０のオンデューティを制御することによって、出力電圧を変化させるように構成されている。すなわち、直流電源である電源Ｅの両端間にトランジスタＱ０のエミッタ−コレクタとインダクタＬ０とコンデンサＣ０との直列回路を接続し、インダクタＬ０とコンデンサＣ０との直列回路に還流用のダイオードＤ０を並列接続してある。トランジスタＱ０にはｐｎｐ形のものを用い、エミッタ−ベース間に抵抗ＲＢを接続してある。電源Ｅは直流電源であることを示すために図１２では電池の記号を用いて示しているが、一般には商用電源を整流し平滑ないし安定化した直流電源を用いる。また、信号線３の線間には検出回路１６を接続してある。
【０００５】
送信回路１５では、トランジスタＱ０が高周波でオンオフされるのであって、トランジスタＱ０のオン期間にインダクタＬ０およびコンデンサＣ０を通して電流が流れ、この期間にインダクタＬ０に蓄積されたエネルギが、トランジスタＱ０のオフ期間にコンデンサＣ０およびダイオードＤ０を通して放出される。つまり、電源Ｅの電圧を降圧した電圧がコンデンサＣ０の両端電圧となり、コンデンサＣ０の両端電圧はトランジスタＱ０のオンオフの比率に応じて調節可能になる。言い換えると、トランジスタＱ０により電源Ｅを高周波で断続させ、インダクタＬ０とコンデンサＣ０とからなるチョークインプット形のローパスフィルタで高周波成分を除去していることになる。また、コンデンサＣ０の一端は検出抵抗Ｒｓを介して信号線３に接続され、他端は信号線３に直結される。この送信回路１５では、トランジスタＱ０のオンデューティを制御することによって、信号線３の線間電圧を変化させることができる。
【０００６】
タイムスロットＴＳ１において、給電端末１から受電端末２に伝送する信号は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する）を主構成とする制御回路１１からベースバンド信号である電圧制御信号Ｖｒｅｆとして出力される。電圧制御信号Ｖｒｅｆは、定電圧制御回路１２において、信号線３の線間電圧を抵抗Ｒ１０，Ｒ１１により分圧した電圧と比較され、定電圧制御回路１２からは両電圧の差に比例した電圧が出力される。定電圧制御回路１２の出力は時比率変換回路１３に入力され制御回路１１から出力される基準信号Ｖｏｓｃと比較される。基準信号Ｖｏｓｃは鋸歯状波または三角波であって、時比率変換回路１３の出力は、定電圧制御回路１２から出力される信号Ｖｒｅｆ’（送信信号に相当する）の電圧が基準信号Ｖｏｓｃの瞬時電圧よりも高い期間にＨレベルになる。したがって、定電圧制御回路１２の出力電圧の高い期間に低い期間よりもパルス幅の広くなる矩形波信号が出力される。この矩形波信号の周波数は基準信号Ｖｏｓｃの周波数ｆｓｗと一致する。
【０００７】
時比率変換回路１３から出力された矩形波信号は駆動回路１４を通してトランジスタＱ０に与えられ、矩形波信号によりトランジスタＱ０がオンオフされる。つまり、トランジスタＱ０のスイッチング周波数ｆｓｗは基準信号Ｖｏｓｃの周波数によって決まり、オンデューティは信号Ｖｒｅｆ’に応じて決定されることになる。
【０００８】
送信回路１５では、トランジスタＱ０のオン期間が長いほどコンデンサＣ０に蓄積される電荷が多くなり、コンデンサＣ０の両端電圧Ｖｏを上昇させることができる。そこで、信号Ｖｒｅｆ’の電圧値が高くなればトランジスタＱ０のオン期間を長くし、電圧値が低くなればトランジスタＱ０のオン期間を短くするように制御する。この制御によって、コンデンサＣ０の両端電圧Ｖｏつまり信号線３の線間電圧は、信号Ｖｒｅｆ’の差がほぼ一定に保たれるようにフィードバック制御され、直流電圧にベースバンド信号を重畳した形の電圧信号を信号線３に送出することができる。
【０００９】
一方、受電端末２は、給電端末１から信号線３に送出された電圧信号を、コンデンサＣ２１を通して直流電源から分離しコンパレータ２２に入力する。コンデンサＣ２１を通して信号線３から受け取った電圧信号をコンパレータ２２で適宜の閾値Ｖｔと比較すれば、閾値Ｖｔ以上のレベルの信号を波形整形して給電端末１からの送信データを再生することができる。こうしてコンパレータ２２で再生された送信データをマイコンを主構成とする制御回路２１に入力すれば、給電端末１からの送信データを処理することができる。また、給電端末１に返送する返信データは、信号送信回路２３を通して信号線３に送出される。信号送信回路２３はたとえばトランジスタと低抵抗との直列回路を信号線３の線間に挿入する構成を有し、制御回路２１で発生するデジタル信号である返信データに応じてトランジスタをオンオフさせることにより、信号線３に流れる電流を変化させるように構成されている。制御回路２１にはスイッチＳＷや負荷ＬＤ（図示例では発光ダイオード）が接続され、給電端末１からのデータにより負荷がオンオフされたり、スイッチＳＷの操作情報を給電端末１に返送したりする。
【００１０】
さらに、受電端末２の内部電源は、信号線３を通して給電端末１から伝送される電圧信号をインダクタＬ２１を通して分離し、電源回路２４に入力することにより得られる。この電源回路２４は信号線３に印加されている電圧を降圧し安定化して受電端末２の内部回路に供給する。また、電源回路２４の出力はスイッチＳＷの操作状態の検出や負荷ＬＤの制御にも用いられる。ただし、電流容量の大きい負荷を制御する場合には、受電端末２の負荷ＬＤとしてリレーを用い、このリレーの２次側に接続した電流容量の大きい負荷に対して別電源から電源を供給すればよい。このような形で用いるときには、リレーの１次側には電源回路２４から給電される。
【００１１】
給電端末１が受電端末２からの返信データを受信する際には、上述のように信号線３に定電流を流しておき、受電端末２において信号線３の線間に低抵抗が挿入されたか否かを信号線３の線間の電圧変化により検出する。この電圧変化は検出回路１６を用いて検出され、給電端末１の制御回路１１では検出回路１６の出力によって受電端末２からの返信データを受信する。このように、タイムスロットＴＳ２においては、信号線３に定電流を流す必要があるから、定電流制御回路１７においてコンデンサＣ０と信号線３との間に挿入した検出抵抗Ｒｓの両端電圧と制御回路１１から出力される電流制御信号Ｉｒｅｆとの差に比例した電圧を求め、定電流制御回路１７の出力を時比率変換回路１３に入力する。この構成によって、信号線３に流れる電流は電流制御信号Ｉｒｅｆにより設定された定電流を保つようにフィードバック制御される。なお、電流制御信号Ｉｒｅｆは電流値設定部１８により設定可能になっている。
【００１２】
上述のように、給電端末１から受電端末２へ信号線３を通して伝送される信号は、制御回路１１から出力される電圧制御信号Ｖｒｅｆとほぼ同波形の矩形波状の信号であって、トランジスタＱ０を高周波でオンオフさせながらも、トランジスタＱ０のオンオフの周波数よりも低い矩形波状の信号を信号線３に送出するために、インダクタＬ０とコンデンサ０とからなるローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｌｐと、トランジスタＱ０のスイッチング周波数（つまり、制御回路１１から出力される基準信号Ｖｏｓｃの周波数）ｆｓｗと、信号線３に送出される電圧信号の周波数（つまり、電圧制御信号Ｖｒｅｆの周波数）ｆｓｉｇとは、ｆｓｉｇ＜ｆｌｐ＜ｆｓｗの関係になるように設定される。要するに、トランジスタＱ０のスイッチングによる高周波成分をローパスフィルタで除去するために、ｆｌｐ＜ｆｓｗの関係とし、かつ信号線３を伝送される電圧信号がローパスフィルタを通過するように、ｆｓｉｇ＜ｆｌｐの関係としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明から明らかなように、基準信号Ｖｏｓｃの周波数ｆｓｗは電圧信号の周波数ｆｓｉｇよりも高く設定することが必要である。その一方でデータ伝送速度を高めようとすれば、伝送すべき情報であるベースバンド信号の周波数、つまり電圧信号の周波数ｆｓｉｇを高める必要があり、電圧信号の周波数ｆｓｉｇが高くなるのに伴って基準信号Ｖｏｓｃの周波数ｆｓｗも高くしなければならない。その結果、トランジスタＱ０のスイッチング周波数が高くなり、スイッチング損失が増加して電源供給効率が低下することがある。また、スイッチング損失の増加に伴って外部に漏洩するノイズが増加するから、ノイズ対策も必要になる。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、２線式の信号線を介して給電端末から受電端末へのデータの伝送とともに電源の供給を可能とし、しかも電力の供給効率が高いのはもちろんのこと、送信回路のスイッチング周波数を高めることなくデータ伝送速度を従来より高めることを可能してスイッチング損失やノイズの増加を抑制しながらもデータ伝送速度を高めることができるようにしたデータ伝送装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、前記送信期間に前記送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路とを備え、前記送信回路は、通過インピーダンスを前記送信信号の信号値に応じて変化させるローパスフィルタをスイッチング素子と信号線との間に備えるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入された第１のコンデンサと、第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサおよびスイッチ要素の直列回路とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１および第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素と、信号線の線間に挿入されたコンデンサとからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１のインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび抵抗の直列回路と、抵抗に並列接続されたスイッチ要素とからなり、前記送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものである。
【００２０】
請求項６の発明は、２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、前記送信期間に前記送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路と、スイッチング素子のスイッチング周波数を前記送信信号の信号値に応じて切り換える周波数変換回路とを備えるものである。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記送信回路の出力電圧と前記制御回路から出力される電圧制御信号の信号値との差を検出する定電圧制御回路と、定電圧制御回路の出力により送信回路の出力電圧と電圧制御信号の信号値との差を一定に保つ方向に前記スイッチング素子のオンデューティを制御する時比率変換回路とを備えるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
従来構成では給電端末１から受電端末２に対して矩形波状の電圧信号を用いてデータを伝送していたが、本実施形態では矩形波状の電圧信号に代えてリプルを含む信号を伝送信号として用い、信号値を表すためにリプルの量を用いている。すなわち、図１に示すように、本実施形態の基本構成は図１２に示した従来構成と同様であるが、定電圧制御回路１２は設けず、またコンデンサＣ０に代えて、２個のコンデンサＣ１，Ｃ２とスイッチ要素ＳＷ１とからなる容量可変回路Ｃｖを設けている。コンデンサＣ２はスイッチ要素ＳＷ１に直列接続され、コンデンサＣ２とスイッチ要素ＳＷ１との直列回路はコンデンサＣ１に並列接続されている。したがって、スイッチ要素ＳＷ１がオフであれば容量可変回路Ｃｖの容量はコンデンサＣ１のみの容量になり、スイッチ要素ＳＷ１がオンであれば容量可変回路Ｃｖの容量はコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との並列回路の合成容量になる。
【００２３】
また、従来構成では、電圧制御信号Ｖｒｅｆに基づいて信号線３に送出する電圧信号を生成していたが、本実施形態では制御回路１１から送信信号Ｖｓｉｇを出力し、この送信信号によってスイッチ要素ＳＷ１をオンオフさせることによって、信号線３に送出する伝送信号を生成している。
【００２４】
さらに具体的に説明する。本実施形態の送信回路１５は、降圧形のチョッパ回路であって、直流電源である電源Ｅの両端間にトランジスタＱ０のエミッタ−コレクタとインダクタＬ０と容量可変回路Ｃｖとの直列回路を接続し、インダクタＬ０と容量可変回路Ｃｖとの直列回路に還流用のダイオードＤ０を並列接続してある。トランジスタＱ０にはｐｎｐ形のものを用い、エミッタ−ベース間に抵抗ＲＢを接続してある。電源Ｅには商用電源を整流し平滑ないし安定化した直流電源を用いる。
【００２５】
送信回路１５ではトランジスタＱ０が高周波でオンオフされ、トランジスタＱ０のオン期間にインダクタＬ０および容量可変回路Ｃｖを通して電流が流れ、この期間にインダクタＬ０に蓄積されたエネルギが、トランジスタＱ０のオフ期間に容量可変回路ＣｖおよびダイオードＤ０を通して放出される。また、容量可変回路Ｃｖの一端は検出抵抗Ｒｓを介して信号線３に接続されており、トランジスタＱ０のオンデューティを制御することによって、信号線３に流れる電流を変化させることが可能になっている。
【００２６】
ここに、インダクタＬ０と容量可変回路Ｃｖとはチョークインプット型のローパスフィルタを構成しており、容量可変回路Ｃｖは送信信号ＶｓｉｇがＨレベルのときにＬレベルのときよりも容量が大きくなるから、ローパスフィルタのカットオフ周波数は、送信信号ＶｓｉｇがＨレベルになったときのほうがＬレベルになったときよりも低くなる。つまり、トランジスタＱ０のスイッチング周波数ｆｓｗはローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｌｐに対して、ｆｌｐ＜ｆｓｗの関係に設定されるから、トランジスタＱ０のスイッチングによって信号線３に送出されるリプルは、図２（ｄ）のように、送信信号Ｖｓｉｇ（図２（ｂ）参照）がＨレベルとなるときのほうがＬレベルとなるときよりも少なくなる。つまり、受電端末２ではリプルの大きさをコンパレータ２２により検出することによって給電端末１からの送信信号Ｖｓｉｇを復調し、データの内容を解析することが可能になる。
【００２７】
また、リプルの大きさによって送信信号Ｖｓｉｇを伝送するから、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｌｐと、トランジスタＱ０のスイッチング周波数ｆｓｗと、送信信号Ｖｓｉｇの周波数ｆｓｉｇとを、ｆｌｐ＜ｆｓｉｇ≦ｆｓｗの関係に設定することが可能であり、データ伝送速度を高めるために送信信号Ｖｓｉｇの周波数ｆｓｉｇを従来構成より高く設定したとしても、トランジスタＱ０のスイッチング周波数ｆｓｗを高くする必要がなく、単にｆｌｐ＜ｆｓｗの関係が維持されていればよいことになる。
【００２８】
すなわち、制御回路１１は送信信号Ｖｓｉｇとして、図２（ｂ）のようなベースバンド信号（２値信号）を出力する。送信信号Ｖｓｉｇは送信期間Ｔａにおいて容量可変回路Ｃｖのスイッチ要素ＳＷ１のオンオフに用いられる。
【００２９】
また、受電端末２からの返信データの受信期間Ｔｂには、３個の演算増幅ＯＰ１〜ＯＰ３を用いた定電流制御回路１７により信号線３に流れる電流を定電流化する動作に移行する。信号線３に流れる電流を定電流制御回路１７により定電流化するのは受電端末２からの返信データの受信時だけではなく、給電端末１から送信信号が送出される期間を除いては全期間にわたって定電流化を行なう。信号線３を流れる電流は、容量可変回路Ｃｖと信号線３との間に挿入した検出抵抗Ｒｓの両端電圧に比例するから、この両端電圧を定電流制御回路１７に入力してトランジスタＱ０のオンオフを制御することにより信号線３に流れる電流を定電流化する。定電流化に際しては、検出抵抗Ｒｓの両端電圧が上昇すれば、容量可変回路Ｃｖの蓄積電荷量を減少させるようにトランジスタＱ０のオン期間を短くし、検出抵抗Ｒｓの両端電圧が低下すれば、容量可変回路Ｃｖの蓄積電荷量を増加させるようにトランジスタＱ０のオン期間を長くする。
【００３０】
さらに具体的に説明する。定電流制御回路１７は、演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ３を用いた増幅器と、演算増幅器ＯＰ２を用いて検出抵抗Ｒｓの両端電圧と制御回路１１からの電流制御信号Ｉｒｅｆとを比較する比較器とを備える。比較器はツェナーダイオードＤｚとダイオードＤ１との直列回路を出力端と反転入力端との間に接続してあり、出力値の上限を制限するリミッタとしても機能する。
【００３１】
定電流制御回路１７は時比率変換回路１３に出力Ｖｒｅｆ’を与えており、制御回路１１は図２（ａ）のような一定周波数の鋸歯状波である基準信号Ｖｏｓｃを出力している。時比率変換回路１３では、基準信号Ｖｏｓｃと定電流制御回路１７の出力値とを比較し、定電流制御回路１３の出力値が基準信号Ｖｏｓｃの瞬時電圧よりも高い期間に出力をＨレベルにする。したがって、定電流制御回路１３の出力値の高い期間に低い期間よりもパルス幅の広くなる矩形波信号が時比率変換回路１４から出力される。この矩形波信号の周波数は基準信号Ｖｏｓｃの周波数ｆｓｗと一致するのは言うまでもない。なお、上述の例では基準信号Ｖｏｓｃを鋸歯状波としているが基準信号Ｖｏｓｃを三角波としても同様である。
【００３２】
この矩形波信号は駆動回路１４を通してトランジスタＱ０に与えられ、矩形波信号によりトランジスタＱ０がオンオフされる。つまり、トランジスタＱ０のスイッチング周波数ｆｓｗは基準信号Ｖｏｓｃの周波数によって決まり、オンデューティは定電流制御回路１７の出力Ｖｒｅｆ’に応じて決定されることになる。
【００３３】
以上の構成によって、定電流制御回路１７では、信号線３に流れる電流が増加して検出抵抗Ｒｓの両端電圧が上昇すると、容量可変回路Ｃｖの蓄積電荷量を低減するようにトランジスタＱ０のオン期間を短くし、逆に信号線３に流れる電流が減少すればトランジスタＱ０のオン期間を長くするようにフィードバック制御を行うのである。このようなフィードバック制御により信号線３に流れる電流をほぼ一定に保つことができる。
【００３４】
また、上述したように、信号線３に流れる電流が増加するとトランジスタＱ０のオン期間が短くなるから容量可変回路Ｃｖの両端電圧が低下し、逆に信号線３に流れる電流が減少するとトランジスタＱ０のオン期間が長くなるから容量可変回路Ｃｖの両端電圧が上昇するのであって、信号線３の線間インピーダンスの変化を信号線３の線間電圧の変化に変換する機能も備える。つまり、電流制御信号Ｉｒｅｆを一定値としていることにより、図２（ｃ）のように受信期間Ｔｂに受電端末２から返信データが返送されると、返信データに応じて信号線３の線間電圧が変化するから、この電圧変化を検出回路１６で検出し、制御回路１１の受信端子Ｒｘに入力することによって受電端末２からの返信データの内容を解読することができる。
【００３５】
ここに、定電流制御回路１７は、上述のように、上限を制限するリミッタを備えているから、信号線３に流れる電流の上限値が制限されることになる。また、信号線３に流れる電流を決める電流制御信号Ｉｒｅｆは、制御回路１１に接続された電流値設定部１８により設定される。電流値設定部１８はたとえばディップスイッチよりなり、信号線３に流す電流を適宜に設定できるようにしてある。また、容量可変回路Ｃｖはスイッチ要素ＳＷ１をオンオフさせることによって、容量を２段階に切り換えるものを用いているが、送信信号Ｖｓｉｇにより容量が可変となる構成であれば他の構成を用いることも可能である。
【００３６】
さらに、送信回路１５として、上述した例では降圧形のチョッパ回路を用いているが、昇圧形あるいは極性反転形のチョッパ回路を用いたり、フォワード形やフライバック形のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたりすることも可能である。いずれの構成においても、スイッチング素子を高周波でオンオフさせ、かつスイッチング素子の制御によって出力電圧の調節が可能であるから、インダクタを小型化し給電端末１を小型化することが可能である。
【００３７】
上述したように、給電端末１は送信期間Ｔａ以外には信号線３に流れる電流を定電流化しているから、信号線３に複数台の給電端末１が接続されている場合でも送信信号の送信および返信データの受信が可能になる。この場合、給電端末１の台数に応じて各給電端末１での電流制御信号Ｉｒｅｆを調節すれば、各受電端末２に流れる電流量を給電端末１が１台の場合と等しくすることができる。また、複数台の給電端末１を用いれば１台当たりの電流供給能力を低減することが可能であるから給電端末１の小型化につながり、１台当たりの電流供給能力を１台の場合と同じに設定しているのであればシステム全体としての電流供給能力が大きくなるから受電端末２の台数を増加させることが可能になる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態で説明したように、送信回路１５を構成するローパスフィルタのインピーダンスを送信データに応じて変化させれば、送信データの信号値に応じて信号線３に送出する送信信号のリプルの大きさを変化させることができる。第１の実施の形態ではローパスフィルタを構成する容量成分を送信データに応じて変化させていたが、本実施形態では、図３に示すように、ローパスフィルタを構成する誘導成分を送信データに応じて変化させるものである。
【００３９】
すなわち、図１２に示した従来構成におけるインダクタＬ０に代えて、図３のように、２個のインダクタＬ１，Ｌ２の直列回路と、一方のインダクタＬ２に並列接続したスイッチ要素Ｑ２とからなるインダクタンス可変回路Ｌｖを設けている。この回路構成では、制御回路１１から出力される送信信号Ｖｓｉｇに応じてスイッチ要素ＳＷ２をオンオフさせることによって、ローパスフィルタのインダクタンス成分を変化させることができる。したがって、ローパスフィルタのカットオフ周波数が変化し、第１の実施の形態と同様に、信号線３を伝送される送信データのリプルの大きさを変化させることができる。なお、本実施形態の構成は送信回路１５を降圧形のチョッパ回路で構成する場合にのみ有効である。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様である。また、インダクタンス可変回路Ｌｖは、上述した回路構成に限らず、図４に示すように、コンデンサＣ３とインダクタＬ３との直列回路と、インダクタＬ３に並列接続したスイッチ要素ＳＷ３とからなるインダクタンス可変回路Ｌｖを用いるなど、送信信号Ｖｓｉｇに応じてインダクタンスを変化させることができるものであればどのような構成を採用してもよい。
【００４０】
（第３の実施の形態）
本実施形態は、図５に示すように、送信回路１５を構成するローパスフィルタのインピーダンスを変化させるために、図１２に示した従来構成におけるコンデンサＣ０に代えて、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ３との直列回路と、抵抗Ｒ３に並列接続したスイッチ要素ＳＷ３とからなるインピーダンス可変回路Ｉｖを設けている。この構成では、スイッチ要素ＳＷ３を送信信号Ｖｓｉｇによりオンオフさせると、送信回路１５の出力インピーダンスを変化させることができ、信号線３に送出される伝送信号のリプルの大きさを変化させることができる。本実施形態の構成では、スイッチ要素ＳＷ３がオフになってコンデンサＣ３に抵抗Ｒ３が直列接続された状態では、上述した他の実施形態に比較すると送信回路１５の出力インピーダンスが大きくなり損失が増加するが、ローパスフィルタのカットオフ周波数を変化させることなくリプルの大きさを変化させているから、送信回路１５の動作の安定性が向上する。本実施形態の構成は、第１の実施の形態と同様に、送信回路１５を降圧形のチョッパ回路とする以外に、昇圧形や極性反転形のチョッパ回路を用いたり、送信回路１５としてフォワード形やフライバック形のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたりすることも可能である。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様である。また、インピーダンス可変回路Ｉｖは、コンデンサＣ３に直列接続される抵抗値を送信信号Ｖｓｉｇに応じて変化させることが可能な構成であればどのような構成でもよい。
【００４１】
（第４の実施の形態）
上述した各実施形態は、信号線３の線間電圧を変化させる形式の伝送信号を用いていたが、受電端末２では信号線３を通して給電端末１から給電されているものであるから、信号線３の線間電圧が比較的低い周波数で変動すると受電端末２の内部電源を安定的に得るためには大型のローパスフィルタが必要になり、受電端末２が大型化することになる。
【００４２】
そこで、本実施形態では制御回路１１から出力される送信信号Ｖｓｉｇの信号値に応じて給電端末１から信号線３に送出する伝送信号として、伝送信号に含まれるリプルの周波数を変化させることで、給電端末２に比較的高い周波数の伝送信号を伝送するようにしてある。このことによって、給電端末２では小型のローパスフィルタを設けるだけで内部電源を安定的に得ることが可能になる。
【００４３】
すなわち、図６に示すように、給電端末１は図１２に示した従来構成と同様に降圧形のチョッパ回路からなる送信回路１５を有しているが、制御回路１５からの送信信号Ｖｓｉｇの信号値に応じてトランジスタＱ０のスイッチング周波数を切り換えるようにしてある。トランジスタＱ０のオンオフは、従来構成と同様に、駆動回路１４を通して与えられる時比率変換回路１３の出力により制御される。従来構成では、制御回路１１から出力され時比率変換回路１３に入力される基準信号Ｖｏｓｃを一定周波数としていたが、トランジスタＱ０をオンオフさせる周波数は、時比率変換回路１３に入力される基準信号Ｖｏｓｃの周波数により決定されるから、本実施形態では周波数変換回路１９から時比率変換回路１３に２つの周波数を選択的に入力させている。つまり、周波数変換回路１９は、制御回路１１の送信端子Ｔｘから出力される送信信号Ｖｓｉｇの信号値に応じて出力周波数を選択する回路であって、鋸歯状波ないし三角波状の信号を出力する。また、時比率変換回路１３において基準信号Ｖｏｓｃと比較される信号Ｖｒｅｆ’は、本実施形態では制御回路１１から出力される一定電圧になっている。
【００４４】
給電端末１は上述した構成によって、トランジスタＱ０のスイッチング周波数を送信信号Ｖｓｉｇの信号値に応じて変化させるのであり、図７（ａ）に示すように電圧制御信号Ｖｒｅｆを一定電圧とし、図７（ｂ）のような送信信号を制御回路１１から発生させると、周波数変換回路１９からは図７（ｃ）のように送信信号の信号値に応じて２つの周波数の基準信号Ｖｏｓｃを選択的に出力する。したがって、時比率変換回路１３では、基準信号Ｖｏｓｃと電圧制御信号Ｖｒｅｆとを比較することによって、図７（ｄ）のように、送信信号Ｖｓｉｇの信号値に応じて周波数の変化する矩形波を生成し、この矩形波によりトランジスタＱ０をオンオフさせることができる。ここで、送信回路１５を構成するインダクタＬ０とコンデンサＣ０とからなるローパスフィルタはカットオフ周波数が一定であるから、トランジスタＱ０のスイッチング周波数が変化すれば、図７（ｅ）に示すように、送信回路１５から出力される伝送信号は、ほぼ一定の直流電圧に周波数の変化するリプルが重畳された形になる。図示例では送信信号ＶｓｉｇがＨレベルのときにＬレベルのときよりもリプルの周波数が高くなるように設定してある。
【００４５】
このような伝送信号を受信するために受電端末２には伝送信号に含まれるリプルの周波数成分を検出するための周波数検出回路２５を設けてあり、周波数検出回路２５ではリプルの周波数値に応じて伝送信号に含まれる２値を抽出し、制御回路２１に入力して解析する。また、受電端末２から給電端末１への返送データは従来構成と同様に電流信号により伝送され、給電端末１に設けた検出回路１６ではこの電流信号を検出し、検出された電流信号の信号値は制御回路１１の受信端子Ｒｘに入力されて制御回路１１において解析される。
【００４６】
上述した構成において、制御回路１１から出力する送信信号Ｖｓｉｇの波形を矩形波状としているが、台形波や正弦波状の波形を用いてもよい。送信信号Ｖｓｉｇとしてこのような波形の信号を用いると、矩形波に比較して内部回路に用いている演算増幅器ないしコンパレータの周波数特性やスルーレートのような素子特性による波形歪の影響が軽減されるからである。また、周波数変換回路１９としては、図８のように電圧に比例した出力が得られる特性を有した電圧制御型の発振回路を用いているが、送信信号の信号値に応じて出力周波数を変化させることができるものであれば、他の特性のものを用いてもよい。
【００４７】
本実施形態は、送信回路１５を降圧形のチョッパ回路とする以外に、昇圧形や極性反転形のチョッパ回路を用いたり、送信回路１５としてフォワード形やフライバック形のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたりすることも可能である。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様である。
【００４８】
（第５の実施の形態）
本実施形態は、図９に示すように、第４の実施の形態の構成に加えて、定電圧制御回路１２を付加したものである。つまり、定電圧制御回路１２は、図１２に示した従来構成の定電圧制御回路１２と同様の機能を持つものであって、コンデンサＣ０の両端電圧を抵抗Ｒ１０，Ｒ１１により分圧した電圧と、制御回路１１から発生する電圧制御信号Ｖｒｅｆとを比較して差に比例した電圧を信号Ｖｒｅｆ’として出力する。つまり、コンデンサＣ０の両端電圧が上昇すると時比率変換回路１３に入力する信号Ｖｒｅｆ’と抵抗Ｒ１０，Ｒ１１により分圧された電圧との差が大きくなるから、コンデンサＣ０の両端電圧を抵抗Ｒ１０，Ｒ１１により分圧した電圧が高いほど時比率発生回路１３から出力される矩形波のパルス幅を小さくする。このような動作により、コンデンサＣ０の両端電圧をほぼ一定に保つことができるのである。つまり、制御回路１１から出力される電圧制御信号Ｖｒｅｆを目標値として、コンデンサＣ０の両端電圧がフィードバック制御されるから、信号線３に接続される機器のインピーダンスの変化などによる外乱が生じたときにも、その影響を受けにくく、受電端末２に安定した電源供給が行えるともに信号伝送も安定的に行うことができる。他の構成および動作は第４の実施の形態と同様である。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１の発明は、２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、送信期間に送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路とを備え、送信回路は、通過インピーダンスを送信信号の信号値に応じて変化させるローパスフィルタをスイッチング素子と信号線との間に備えるものであり、ローパスフィルタの通過インピーダンスを変化させて伝送信号のリプルを変化させることにより送信データを伝送するから、ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも送信信号の周波数を高くすることも可能であり、スイッチング素子をスイッチングさせる周波数を変化させることなく送信信号の周波数を高くしてデータ伝送速度を向上させることが可能になる。つまり、データ伝送速度を向上させてもスイッチング素子のスイッチングに伴うノイズの増加がなく、またスイッチング損失も増加しないという利点がある。
【００５０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入された第１のコンデンサと、第１のコンデンサに並列接続された第２のコンデンサおよびスイッチ要素の直列回路とからなり、送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものであり、請求項３の発明は、請求項１の発明において、ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１および第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素と、信号線の線間に挿入されたコンデンサとからなり、送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものであり、請求項４の発明は、請求項１の発明において、ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入された第１のインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび第２のインダクタの直列回路と、第２のインダクタに並列接続されたスイッチ要素とからなり、送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものであって、いずれの構成もローパスフィルタのカットオフ周波数を変化させることによって、伝送信号のリプルを変化させているから、簡単な構成で請求項１の発明を実現することができる。
【００５１】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、ローパスフィルタが、スイッチング素子と信号線との間に挿入されたインダクタと、信号線の線間に挿入されたコンデンサおよび抵抗の直列回路と、抵抗に並列接続されたスイッチ要素とからなり、送信信号によりスイッチ要素がオンオフされるものであり、この構成ではローパスフィルタのカットオフ周波数を変化させずに、出力インピーダンスを変化させているから、送信回路を安定的に動作させるのが容易になる。
【００５２】
請求項６の発明は、２線式の信号線を介して給電端末と受電端末とを接続し、直流電圧に送信データを重畳した伝送信号を送信期間において給電端末から信号線に送出し、給電端末から信号線に直流を供給している受信期間において受電端末で信号線の線間のインピーダンスを変化させることにより受電端末から給電端末に返信データを伝送するデータ伝送装置において、給電端末は、送信期間に送信データを構成する２値の送信信号を発生する制御回路と、スイッチング素子を備え直流電源を入力電源としスイッチング素子のオンデューティに応じて変化する出力電圧を信号線の線間に印加するＤＣ−ＤＣコンバータよりなる送信回路と、スイッチング素子のスイッチング周波数を送信信号の信号値に応じて切り換える周波数変換回路とを備えるものであり、この構成では伝送信号に含まれるリプルの周波数が変化するだけであって、伝送信号の電圧がほとんど変化しないから、受電端末において内部電源を得るための回路構成が簡単なものになり、受電端末の動作の安定性が高くなるという利点がある。また、スイッチング素子のスイッチング周波数を変化させることなく送信信号の周波数を高くしてデータ伝送速度を向上させることが可能になる。つまり、データ伝送速度を向上させてもスイッチング素子のスイッチングに伴うノイズの増加がなく、またスイッチング損失も増加しないという利点がある。
【００５３】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、送信回路の出力電圧と制御回路から出力される電圧制御信号の信号値との差を検出する定電圧制御回路と、定電圧制御回路の出力により送信回路の出力電圧と電圧制御信号の信号値との差を一定に保つ方向に前記スイッチング素子のオンデューティを制御する時比率変換回路とを備えるものであり、定電圧制御回路を設けていることにより信号線の線間電圧をほぼ一定に保つことができるから、受電端末の内部電源を得るための回路構成が一層簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図４】同上の他の構成例を示す回路図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態を示す回路図である。
【図１０】従来例を示すブロック図である。
【図１１】同上の動作説明図である。
【図１２】同上の回路図である。
【符号の説明】
１  給電端末
２  受電端末
３  信号線
１１  制御回路
１２  定電圧制御回路
１４  時比率変換回路
１５  送信回路
１９  周波数変換回路
Ｃ０  コンデンサ
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｃｖ  容量可変回路
Ｄ０  ダイオード
Ｅ  直流電源
Ｉｖ  インピーダンス可変回路
Ｌ０  インダクタ
Ｌ１，Ｌ２  インダクタ
Ｌｖ  インダクタンス可変回路
Ｑ０  トランジスタ
Ｒ３  抵抗
Ｒ１０，Ｒ１１  抵抗
Ｒｓ  検出抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３  スイッチ要素
【図１】
0003570259.tif 000002
【図２】
0003570259.tif 000003
【図３】
0003570259.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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