(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定体と、前記固定体に取付けられた回転軸を中心に回転する略円柱形状の回転体を備え、
前記回転体に設置された少なくとも一つの回転体用通信器と、前記固定体に設置された一つの固定体用通信器との間で、
電波を利用して、前記固定体用通信器から前記回転体用通信器に下り信号を伝送させ、前記回転体用通信器から前記固定体用通信器に上り信号を伝送させて、双方向通信を行う回転体、固定体間の電波を用いた通信装置において、
前記固定体用通信器は複数の固定体用アンテナに接続され、
前記回転体用通信器は少なくとも一つの回転体用アンテナに接続され、
前記固定体用アンテナと前記回転体用アンテナはお互いの放射面が対向するようにそれぞれ前記固定体、前記回転体に配置され、
前記回転体用通信器は前記下り信号の信号強度を検出する信号強度検出部を備え、
前記固定体用通信器は、前記信号強度が所定の値以上となるよう、前記下り信号の位相角を位相シフト量分増減させる位相角調整部と、
前記位相シフト量分増減させるよう位相角調整部を制御する位相角制御部と、
前記下り信号を前記位相角調整部に分配し、前記上り信号を合成し前記固定体用通信器に出力する分配合成部と、
を備えることを特徴とする回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項２】
前記固定体用通信器は、前記回転体の回転角の情報に基づき、前記位相角を増減させることを特徴とする請求項１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項３】
前記固定体用通信器は、前記位相シフト量と、前記回転角と前記信号強度を対応付けた記録を実施することを特徴とする請求項２記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項４】
この通信装置を制御する上位コントローラからの指令により、前記記録を所定時間もしくは所定回転数だけ実施し、以降、記録された情報に基づき、前記位相角を増減させることを特徴とする請求項３記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項５】
前記下り信号が、前記信号強度検出部で検出されるまでの信号到達時間の計測手段を持ち、前記信号到達時間に基づき、前記記録を実施することを特徴とする請求項４記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項６】
前記所定の値が、この通信装置内のノイズ強度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項７】
前記下り信号および前記上り信号の振幅を増減させる振幅調整機能を前記位相角調整部に加え、
前記振幅調整機能を制御する振幅制御機能を前記位相角制御部に加え、
前記信号強度が所定の値以上となるよう、前記位相角調整部により、前記下り信号および前記上り信号の位相角、振幅を増減させることを特徴とする請求項１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項８】
複数のパワーデバイスを制御することに用いられ、
前記回転体用通信器と前記パワーデバイスの間に絶縁素子を配置することを特徴とする請求項１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項９】
固定体と、前記固定体に取付けられた回転軸を中心に回転する略円柱形状の回転体を備え、
前記回転体に設置された一つの回転体用通信器と、前記固定体に設置された一つの固定体用通信器との間で、
電波を利用して、前記固定体用通信器から前記回転体用通信器に下り信号を伝送させる回転体、固定体間の電波を用いた通信装置において、
前記固定体用通信器は少なくとも一つの固定体用アンテナに接続され、
前記回転体用通信器は複数の回転体用アンテナに接続され、
前記固定体用アンテナと前記回転体用アンテナはお互いの放射面が対向するようにそれぞれ前記固定体、前記回転体に配置され、
前記回転体用通信器は前記下り信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記信号強度が所定の値以上となるよう、前記下り信号の位相角を位相シフト量分増減させる位相角調整部と、前記位相シフト量分増減させるよう位相角調整部を制御する位相角制御部と、
前記位相角調整部から出力された前記下り信号を合成し前記固定体用通信器に出力する合成部と、
を備えることを特徴とする回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１０】
前記下り信号の振幅を増減させる振幅調整機能を前記位相角調整部に加え、
前記振幅調整機能を制御する振幅制御機能を前記位相角制御部に加え、
前記信号強度が所定の値以上となるよう、前記位相角調整部により、前記下り信号の位相角、振幅を増減させることを特徴とする請求項９記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１１】
固定体と、前記固定体に取付けられた回転軸を中心に回転する略円柱形状の回転体を備え、
前記回転体に設置された少なくとも一つの回転体用通信器と、前記固定体に設置された一つの固定体用通信器との間で、
電波を利用して、前記固定体用通信器から前記回転体用通信器に下り信号を伝送させ、前記回転体用通信器から前記固定体用通信器に上り信号を伝送させて、双方向通信を行う回転体、固定体間の電波を用いた通信装置において、
前記固定体用通信器は複数の固定体用アンテナに接続され、
前記回転体用通信器は少なくとも一つの回転体用アンテナに接続され、
前記固定体用アンテナと前記回転体用アンテナはお互いの放射面が対向するようにそれぞれ前記固定体、前記回転体に配置され、
前記下り信号を前記固定体用アンテナに分配し、前記上り信号を合成し前記固定体用通信器に出力する分配合成部と、
を備えることを特徴とする回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１２】
前記回転体用アンテナ、前記固定体用アンテナの両者の偏波方向が、前記回転軸を中心とした放射線方向と略一致するように配置されることを特徴とする請求項１１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１３】
前記回転体用アンテナ、前記固定体用アンテナの両者が円偏波動作することを特徴とする請求項１１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１４】
前記回転体用アンテナと前記固定体用アンテナとの距離を、動作周波数の略１／２波長の整数倍とし、
前記回転体用アンテナを、最も近い導体からの距離を動作周波数の略１／４波長の奇数倍とし、
前記固定体用アンテナを、最も近い導体からの距離を動作周波数の略１／４波長の奇数倍とすることを特徴とする請求項１１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【請求項１５】
複数のパワーデバイスを制御することに用いられ、
前記回転体用通信器と前記回転体用アンテナの間に信号分配合成部を配置し、
前記回転体用通信器と前記パワーデバイスの間には絶縁素子を配置することを特徴とする請求項１１記載の回転体、固定体間の電波を用いた通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体と固定体の間で信号を送受する通信器に関するものであり、とくに風力発電システムの回転電機に用いられる通信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー利用への取組みは、地球温暖化の原因物質の一つであるＣＯ２の排出量削減やエネルギーの安定的供給に向けて年々活発化している。特に、風力発電は安定性や採算性の観点から注目されており、その中でも、大規模化、風量安定化のため、今後洋上風車の導入量が増加すると予測されている。【０００３】
しかし、陸上風車に比べ、洋上風車はメンテナンスコストが増大するという課題がある。特に、風力用発電機として多く用いられている交流励磁発電機では、ブラシを通して回転子に電力を供給しているため、ブラシの摩耗や電食が発生し、メンテナンス頻度が多くなり、コスト増に拍車を掛ける。【０００４】
例えば、特許文献１では、メンテナンスを容易にしつつ発電効率向上可能な回転電機等を提供することを目的として、ブラシを用いない交流励磁発電機が記載されている。【０００５】
この公報では、交流励磁発電機と同軸に回転励磁機と電力変換器を設け、系統の電力を直流に整流し、回転励磁機の固定子に通電させ、同期発電機の原理により回転子に電力を供給した後、電力変換器により、電圧、周波数を変換した電力を交流励磁同期発電機の回転子に電力を供給し、発電運転を行うように構成することが開示されている。この構成によると、電力変換器は回転子に取り付けられるため、回転子の回転にともない、電力変換器は回転する。この電力変換器は風車の回転に応じた制御が必要となるが、ブラシレスに制御信号を受信するため、光通信による制御信号伝送を用いることが記載されている。【０００６】
また、特許文献２では、回転体の無線通信技術が開示されている。回転体もしくは固定体の少なくとも一方に複数のアンテナが回転の周辺に沿う方向に少なくともほぼ規則的な分布で配置される。複数のアンテナは送信装置もしくは受信装置に並列に接続される。【０００７】
個々のアンテナの長さは、回転の周辺に沿う方向に重なり合っており、これらのアンテナは、回転軸の半径方向もしくは長手方向に、少なくとも部分的にオフセットされて配置される。送信装置から個々のアンテナへ、遅延素子により位相シフトされた信号が供給され、アンテナで受信された信号が、受信装置によって、遅延素子で位相シフトされて重ね合わせられる。すなわち、回転体側もしくは固定体側の一つのアンテナの指向性にヌル点があっても、もう一方の規則的に配置された複数のアンテナの受信信号の合成により信号強度を向上できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３６１９１号公報
【特許文献２】特開２００９−２７３１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１記載の交流励磁発電機において、電力変換器との非接触な通信手段として用いている光通信は信号の直進性が強いため通信可能領域が狭い。したがって、回転時にも安定的に連続通信を行うには多数の光素子を用いて通信可能領域を拡大する必要がある。大型の発電機ほどこの傾向は顕著になり、より多数の光素子が必要となる。また、発電機内は高温になることも想定されるが、一般的に、光素子は高温動作により寿命が著しく劣化するため、結果的にメンテナンス頻度を増加させてしまう要因となりうる。【００１０】
特許文献２記載の回転体無線通信技術は、電波を用いるため、上述のような通信可能領域が狭いことや、短寿命の課題を改善するものである。さらに、遅延素子を用いた信号合成によりアンテナのヌル点をリカバーできる。【００１１】
しかし、本技術は、遅延素子による位相シフト量を制御する手段を持たないため、導体から成る筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下への対応が困難である。【００１２】
特に、使用する電波の波長に対して導体筐体が大きい場合、より複雑なマルチパス環境となり、回転中にも信号強度の変動を生じさせる。また、本技術は１対１の通信について記載されているが、上述の電力変換器には１対Ｎの通信が必要である。【００１３】
上述の電力変換器はＮ個の高電圧パワーデバイスから構成されており、これらのパワーデバイスは各々のタイミングでオンオフする。したがって、各パワーデバイス間では絶縁が不可欠であるため、1対Ｎの通信が求められる。さらに、ブラシレスの交流励磁発電機では、回転子側の様々なセンシング情報から制御信号が生成されるため、制御信号とセンシング情報を双方向通信によりやりとりすることも上述と併せて必要とされる。【００１４】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が可能な回転体通信装置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】
【００１５】
本発明の代表的なものの一例を示せば、次のとおりである。【００１６】
固定体と、
前記固定体に取付けられた回転軸を中心に回転する略円柱形状の回転体を備え、
前記回転体に設置された少なくとも一つの回転体用通信器と、
前記固定体に設置された一つの固定体用通信器との間で、電波を利用して、前記固定体用通信器から前記回転体用通信器に下り信号を伝送させ、
前記回転体用通信器から前記固定体用通信器に上り信号を伝送させて、双方向通信を行う回転体通信装置において、
前記固定体用通信器は複数の固定体用アンテナに接続され、前記回転体用通信器は少なくとも一つの回転体用アンテナに接続され、
前記固定体用アンテナと前記回転体用アンテナはお互いの放射面が対向するようにそれぞれ前記固定体、前記回転体に配置され、
前記回転体用通信器は前記下り信号の信号強度を検出する信号強度検出部を備え、前記固定体用通信器は、前記信号強度が所定の値以上となるよう、前記下り信号および前記上り信号の位相角を位相シフト量分増減させる位相角調整部と、
前記位相シフト量分増減させるよう位相角調整部を制御する位相角制御部と、前記下り信号を前記位相角調整部に分配し、前記上り信号を合成し前記固定体用通信器に出力する分配合成部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が可能な回転体通信装置を提供することができる。【００１８】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１に係る回転体通信装置２００の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１に係り、回転軸３の長さ方向から固定体１を見た透視図である。
【図３】実施例１に係り、円周Ｘと、アンテナ間距離Ｄａを高さに持つ円柱の曲面を展開した図である。
【図４】実施例１に係り、固定体用通信器と回転体用通信器間でやりとりされる信号の位相角制御の処理を説明するフローチャートである。
【図５】実施例１に係り、位相シフト量の組合せの一例を示す図である。
【図６】実施例１に係る送受信器８の変形例である。
【図７】実施例１に係る回転体通信装置２００の変形例を示す図である。
【図８】実施例１に係るアンテナに用いる面状伝搬媒体１００を示す図である。
【図９】実施例１に係り、面状伝搬媒体１００を用いた回転体通信装置２００の変形例を示す図である。
【図１０】実施例１に係る回転体通信装置２００を用いた風力発電システム２０１の構成図である。
【図１１】実施例２に係る回転体通信装置３００の構成を示すブロック図である。
【図１２】実施例３に係る回転体通信装置４００の構成を示すブロック図である。
【図１３】実施例３に係り、固定体用通信器と回転体用通信器間でやりとりされる信号の位相角制御の処理を説明するフローチャートである。
【図１４】実施例４に係る回転体通信装置５００の構成を示すブロック図である。
【図１５】実施例４に係り、固定体用通信器と回転体用通信器間でやりとりされる信号の位相角制御の処理を説明するフローチャートである。
【図１６】実施例４に係り、位相シフト量の一例を示す図である。
【図１７】実施例５に係る回転体通信装置６００の構成を示すブロック図である。
【図１８】実施例５に係り、回転軸３の長さ方向から固定体１を見た透視図である。
【図１９】実施例５に係り、図１８のアンテナ放射部のみを記載した簡略図である。
【図２０】実施例５に係る回転体通信装置６００の回転軸中心線を含む面での断面図である。
【図２１】実施例５に係る回転体通信装置６００の計算結果である。
【図２２】実施例５に係り、回転体用通信器への電力供給手段の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の実施例において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２１】
また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２２】
また、以下の実施例において、「導体」と言うときは、電磁波の伝搬に用いる電磁波周波数帯において導電体であるものを指し、「誘電体」と言うときは、電磁波の伝搬に用いる電磁波周波数帯において誘電体であるものを指す。
【００２３】
従って、例えば直流電流に対して導体であるか半導体であるか誘電体であるか等によって、直接的には何ら制約されるものではない。また、導体と誘電体とは、電磁波との関係においてその特性により定義されるものであって、固定であるか液体であるか気体であるか等の態様または構成材料を制限するものではない。
【００２４】
また、以下の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例１に係る回転体通信装置を図１〜図７を用いて説明する。【００２６】
図１は回転体通信装置２００の構成を示すブロック図である。【００２７】
アンテナの配置についての理解を容易にするため、アンテナ実装部分に関しては透視図で示している。回転体通信装置２００は、回転体２に取り付けられた電力変換器１７と、固定体１に取り付けられたコントローラ１６との間の双方向の無線通信に用いられる。コントローラ１６は、電力変換器１７を構成するパワーデバイス１８ａ〜１８ｄを制御する。【００２８】
なお、図示していないが、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄにはドライバ回路も含まれる。【００２９】
円柱形状をした回転体２は、中空円筒形状をした固定体１内に回転軸３に支えられて、回転軸３を中心にモータ（図示せず）によって回転される。【００３０】
回転体通信装置２００は、固定体１に取り付けられた固定体用通信器６と固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体２に取り付けられた回転体用通信器７ａ〜７ｄと回転体用アンテナ５ａ〜５ｄ、モニタ部５５で構成されている。【００３１】
固定体１、回転体２、回転軸３は導体で構成されている。【００３２】
固定体用通信器６は、送受信器８、信号合成分配器９、位相角制御部１０、記憶部１１、位相角調整部１２ａ〜１２ｄを有する。【００３３】
記憶部１１には、固定体用通信器と回転体用通信器間でやりとりされる信号の位相角を設定するためのテーブルや数式が格納されている。【００３４】
回転体用通信器７ａ〜７ｄはそれぞれ送受信器１３ａ〜１３ｄ、受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄを有する。【００３５】
固定体用通信器６の送受信器８は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換する。【００３６】
各パワーデバイスへの制御信号はそれぞれ固有であるため、異なるキャリア周波数の高周波制御信号として搬送する。【００３７】
変換された複数の高周波制御信号は、信号合成分配器９にて分配される。ここで分配された高周波制御信号はそれぞれ、複数のキャリア周波数を有している状態である。【００３８】
これらの高周波制御信号は位相角調整部１２ａ〜１２ｄにて、それぞれ所定量の位相シフトを受け、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄに入力される。位相角調整部１２ａ〜１２ｄでの位相シフト量Φは数１および数２で表され、位相角制御部１０にて制御される。【００３９】
【数１】
0005890917.tif 000002
【００４０】
ここで位相シフト量Φは、記憶部１１に記録されている回転角αと以下で表される位相シフト量のテーブルΨ（α）にて、回転計１５で計測された現在の回転角αに対応させて設定される。【００４１】
【数２】
0005890917.tif 000003
【００４２】
固定体用アンテナ４ａ〜４ｄから放射された高周波制御信号は、回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで受信される。受信された高周波制御信号は回転体用通信器７ａ〜７ｄの送受信器１３ａ〜１３ｄにそれぞれ入力され、制御信号に再変換されて、ドライブ回路を介してパワーデバイス１８ａ〜１８ｄに入力される。【００４３】
ここで、送受信器７ａ〜７ｄに入力された信号は受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄにおいて、以下に示す数３の信号強度Ｓを検出する。【００４４】
【数３】
0005890917.tif 000004
【００４５】
検出された信号強度情報は、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報と併せてセンシング信号として、送受信器１３ａ〜１３ｄから高周波信号に変換されて回転体用アンテナ５ａ〜５ｄに送られる。【００４６】
なお、受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄで信号強度Ｓが検出されなかった場合は、不検出を示す情報が送られる。【００４７】
また、これらの高周波センシング信号は、前述した高周波制御信号とはキャリア周波数が異なるため、送受信器８および１３ａ〜１３ｄ内のフィルタにて分離可能であり混信することは無い。【００４８】
回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄから放射された高周波センシング信号は、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄで受信される。これらの高周波センシング信号は位相角調整部１２ａ〜１２ｄにて、前述と同量の位相シフトを受け、信号合成分配器９にて合成され、送受信器８に入力される。【００４９】
入力された高周波センシング信号はセンシング信号に再変換され、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報はコントローラ１６に送られ制御信号生成に用いられ、信号強度情報は位相角制御部１０および記憶部１１に送られ、必要に応じてテーブルが更新される。回転は反復運動であり、テーブルの取得は少なくて済む。【００５０】
例えば、回転体通信装置の起動時に所定時間、所定回転数もしくは所定回数だけテーブルを取得し、その後は記録された情報に基づき信号の位相角を調整すればよい。【００５１】
もしくは、風力発電システムなどの上位システムからの指令をトリガにしたり、一定周期毎にテーブルを取得してもよい。【００５２】
システム起動時に、パワーデバイスを切り離した状態でテーブル取得することも有効である。ここでの高周波制御信号および高周波センシング信号は、例えば２．４ＧＨｚ帯を利用することで、５００ＭＨｚ程度までの周波数領域を持つインバータのスイッチングノイズや、モータから磁界ノイズに対する通信品質の耐性を大きくすることができる。【００５３】
さらに、用いるアンテナは共振を利用しているためバンドパスフィルタの特性を持ち、上記ノイズ耐性はさらに高めることができる。【００５４】
また、位相角制御部１０にはモニタ部５５が接続されており、回転角や位相シフト量、受信信号強度の情報を作業者が目視で確認することができる。【００５５】
なお、ここでは信号多重化方式として、周波数分割多重を用いて説明したが、時間分割多重、符号分割多重の可能性を否定するものではない。さらに、信号変調方式については、リアルタイム性が重視されるため、ＡＭ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調や、ＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調等のアナログ変調が有効であり、その中でもノイズ耐性の高いＦＭ変調が望ましい。また、制御信号とセンシング信号では求められるデータレート、通信遅延が異なるため、双方向で異なる変調方式を用いてもよい。  固定体用アンテナ４ａ〜４ｄと回転体用アンテナ５ａ〜５ｄは回転軸３を中心に同心円状に、それぞれに対して対向して配置されている。【００５６】
固定体用アンテナ４ａ〜４ｄと回転体用アンテナ５ａ〜５ｄの間の高周波信号は、固定体１、回転体２、回転軸３が導体で成り、固定体１内に多重反射による複雑なマルチパス環境が形成されるため、安定して伝送させることが非常に難しく、回転中にも信号強度の変動が生じる。【００５７】
特に、使用する電波の波長に対して導体筐体が大きい場合、マルチパス環境はより複雑になる。例えば、回転体用アンテナ５ａが受ける信号は、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄの出力された信号の直接波と反射波（１回反射、２回反射、・・・）の合成になり、各アンテナの位置関係や導体までの距離等により、信号強度の強弱が生じ、弱ければ通信品質が劣化する。【００５８】
しかし、上述のように複数アンテナから放射される信号の位相角を変化させれば、信号強度の強弱がコントロールされ、回転時にも安定的に連続通信を行うことが可能になる。【００５９】
また、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄは高電圧動作し、各々のタイミングでオンオフする。【００６０】
したがって、各パワーデバイス間では絶縁が不可欠であり、安全規格（例えば、ＪＩＳＣ１０１０−１）で決められている最小沿面距離以上離している。これは、気体と誘電体の境界に２つの電極があるケースにおいて、コロナ放電あるいは火花放電によって誘電体の表面に沿って樹枝状の放電路が形成される、いわゆる沿面放電の発生を防止するための規格である。【００６１】
一般的に沿面放電は空間放電よりも短い電極間距離、低い印加電圧で発生するため、重要な設計項目である。この沿面放電は、固定体用アンテナ５ａ〜５ｄを誘電体材料により被覆することで軽減も可能である。【００６２】
この誘電体材料としては、ソルダーレジスト材、シリコン系コーティング材が候補として挙げられる。なお、ここでは、固定体用アンテナ、回転体用アンテナそれぞれ４個ずつ用いた例を説明したが、固定体用アンテナは２個以上、回転体用アンテナは１個以上で効果が得られる。【００６３】
図２は、回転軸３の長さ方向から固定体１を見た透視図である。【００６４】
説明の簡素化のため、回転体用アンテナ５ａの一つのみ図示している。【００６５】
また、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体用アンテナ５ａは回転軸３の中心からの距離ｒを半径として同心円配置されている。アンテナには、遠心加重軽減のため、プリント基板で構成されるパッチアンテナ等の平面アンテナを用いている。【００６６】
図３は、この円周Ｘと、アンテナ間距離Ｄａを高さに持つ円柱の曲面を展開した図である。固定体用アンテナ４ａ〜４ｄはそれぞれビーム半値幅θの放射領域４４ａ〜４４ｄを有している。【００６７】
各放射領域を接するように設定しているので、回転体用アンテナ５ａがＸ方向に移動しても常に放射領域４４ａ〜４４ｄ内に収まり、直接波に関してはカバーされることが分かる。【００６８】
固定体用アンテナによって全円周をカバーするには、数４で表されるＮ個の固定体用アンテナがあればよい。【００６９】
なお、遠心加重軽減のため、回転軸３の導体の影響によりアンテナ特性が著しく劣化しない程度に距離ｒを小さくできる。【００７０】
【数４】
0005890917.tif 000005
【００７１】
また、固定体用アンテナ同士の間隔ｐは１／２波長以上離れていると、アンテナ間の信号の相関性が小さくなり、位相角制御の効果が大きくなる。【００７２】
ここでは、パッチアンテナを例に挙げて説明したが、信号強度向上のためビームを集光させるレンズアンテナや、実装面積を削減できるロッドアンテナ、漏れ波を用いる漏洩同軸等も利用可能である。【００７３】
図４、図５を用いて、本実施例における固定体用通信器と回転体用通信器間の位相角制御の処理について説明する。【００７４】
図４は、固定体用通信器と回転体用通信器間の位相角制御の処理を説明するフローチャートである。【００７５】
図５は、位相シフト量の組合せの一例を示す図である。【００７６】
固定体用通信器６において、位相角制御部１０は回転計１５から回転角αを取得する（Ｓ１０１）。【００７７】
位相角制御部１０は取得した回転角情報に対応した位相シフト量Ψ（α）を記憶部１１より読み取り、位相シフト量Φ＝Ψ（α）となるように位相角調整部１２ａ〜１２ｄを制御する（Ｓ１０２）。【００７８】
初期状態では、全回転角の位相シフト量のテーブルは図５におけるｋ＝１が記憶されている。【００７９】
つまり、各位相角調整部において位相角調整を行わない。送受信器８は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換し、信号合成分配器９、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄを介して送信する（Ｓ１０３）。【００８０】
回転体用通信器７ａ〜７ｄの送受信器１３ａ〜１３ｄは、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄからの高周波制御信号を受信する（Ｓ１０４）。【００８１】
受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄは、高周波制御信号の信号強度Ｓを検出する（Ｓ１０５）。検出された信号強度情報は、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報と併せてセンシング信号として、送受信器１３ａ〜１３ｄから高周波信号に変換されて回転体用アンテナ５ａ〜５ｄ、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、信号合成分配器９を介して送受信器８に入力される。【００８２】
このとき、信号強度Ｓが送受信器１３ａ〜１３ｄおよび８の最小感度よりも小さく、想定される時間内に信号が受信されなかった場合（Ｓ１０７）、もしくは、信号強度Ｓが閾値以下の場合（Ｓ１０８）、位相角制御部１０が、位相角調整部１２ａ〜１２ｄの位相シフト量Φを変更し（Ｓ１０９）、再度、高周波制御信号を送信する（Ｓ１０３）。【００８３】
このとき、位相シフト量Φは図５のｋ＝２〜１９の中から各位相シフト量の変化量が最小となるように選択される。【００８４】
ｋ＝２から昇順に選んでも良いし、ランダムに選んでも構わない。【００８５】
ここで閾値は、回転体通信装置内のノイズ強度よりも大きく、回転体通信装置２００に必要とされる通信品質によって決定される。高い通信品質が要求される場合には、回転体通信装置内のノイズ強度からのマージンが大きく設定される。【００８６】
また、Ψａｋ＝０で固定としているのは以下の理由による。【００８７】
固定体用アンテナ４ａからの高周波制御信号は、固定体内部での多重反射により、回転体用アンテナ５ａに複数の伝搬経路で受信される。つまり直接波と複数の反射波との間で干渉が生じる。この干渉は、Ψａｋを０度〜３６０度のいずれの値に設定しても必ず生じる。したがって、Ψａｋ＝０と固定して構わない。【００８８】
もちろん、Ψａｋの値は、ゼロ以外の値に設定されてもよく、０度〜３６０度の範囲の任意の値であってもよい。【００８９】
送受信器８が、所定時間内に閾値以上の信号を受信した場合、そのとき用いた位相シフト量Φを記憶部１１の位相シフト量のテーブルΨ（α）として更新し（Ｓ１１０）、回転角取得（Ｓ１０１）のフローに戻る。【００９０】
一連のフローは、前述したように、予め定められている所定時間、所定回転数、所定回数が終了した場合、もしくは上位システムの指令があった場合に完了する。【００９１】
また、通信速度に対して回転速度が無視できない場合は、固定側の通信器からの信号が回転側の信号強度検出部で検出されるまでの遅延量の計測手段を設けることで、より信号強度の安定性が得られる。【００９２】
具体的には、遅延量と回転角、回転速度から、信号強度検出時の回転角を算出し、これに基づき信号の位相角を調整する、もしくは記憶部に記録することが有効である。【００９３】
また、図５の位相シフト量の組合せは一例であり、より小さいステップで、より広い角度範囲の位相シフト量の組合せを用いた方が信号強度向上できる可能性が高くなる。【００９４】
逆に、位相シフト量の組合せが少ないと一連のフローの所要時間を小さくできる。このように、リアルタイム性や通信品質等のシステム要求に応じて選択が可能である。【００９５】
また、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄから回転体用アンテナ５ａ〜５ｄへ送られる高周波制御信号の伝搬特性と、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄから固定体用アンテナ４ａ〜４ｄへ送られる高周波センシング信号の伝搬特性とは、アンテナの可逆定理により全く同じになるため、送受信器８、１３ａ〜１３ｄが同一性能であるとすれば、受信信号強度検出部は固定体用通信器６と回転体用通信器７ａ〜７ｄのどちらか片方に配置されれば良い。【００９６】
本実施例の回転体通信装置２００では、制御信号の通信品質が最優先されるため、受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄが回転体用通信器７ａ〜７ｄ内に配置されることを説明した。実際には伝搬特性、送受信器性能は上述のように理想的ではないため、送受信器８にも受信信号強度を観測する機能を持たせ、その信号強度と受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄでの信号強度の両者が、図４のＳ１０８において閾値以上かどうかを判断することは位相角制御の高精度化につながり有効である。【００９７】
図６は、本実施例における固定体側の送受信器８の変形例である。固定体用送受信器４５は送受信部４６ａ〜４６ｄと信号合成分配器４７で構成される。【００９８】
なお、本図では、送受信部４６ａ〜４６ｄとコントローラ１６および位相角制御部１０との結線は省略している。コントローラ１６からは各パワーデバイスの個別の制御信号が送受信部４６ａ〜４６ｄに入力される。【００９９】
送受信部４６ａ〜４６ｄは、これらの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換する。上述したようにこれらの高周波制御信号は、それぞれ異なるキャリア周波数で構成される。変換された複数の高周波制御信号は、信号合成分配器４７にて一旦合成され、信号分配合成器９で再度分配される。【０１００】
したがって、信号分配合成器９の出力は、複数の高周波制御信号を混在させて生成される。これにより、送受信器８を簡素な構成とすることができる。【０１０１】
本実施例では、円柱形状の回転体、固定体の平面部分に各アンテナを配置して説明したが、図７のように円柱の曲面に取り付けることも可能である。固定体用アンテナ４８ａ〜４８ｄは固定体１の曲面部分に等角度間隔で配置され、回転体用アンテナ４９ａ〜４９ｄは回転軸３の曲面部分に等角度間隔で配置されている。アンテナを省スペースに配置でき、固定体内のモータ等の部品の配置スペースや放熱の問題を解決しうる手段である。【０１０２】
また、本実施例は、各アンテナの偏波方向は問わず、直線偏波でも円偏波でも構わない。【０１０３】
直線偏波を用いる場合は、後述する実施例５のように、偏波方向を回転軸を中心とした放射線方向と略一致させて、アンテナを等角度、同心円配置するのが望ましい。【０１０４】
円偏波の場合は、軸比が劣化しないように、近傍導体の影響を考慮した設計が望ましい。【０１０５】
図８、図９を用いて、本実施例にかかる回転体通信装置２００の変形例を説明する。【０１０６】
図８は、回転体通信装置２００に用いる面状伝搬媒体１００を示す図である。【０１０７】
面状伝搬媒体１００は面状導体７０、面状メッシュ導体７２で面状誘電体７１を挟み、その間で電磁波を伝達可能にするとともに、面状メッシュ導体７２の近傍に滲み出るエバネッセント波を介して、非接触に電磁波エネルギーのやりとりを可能にする。面状メッシュ導体７２は碁盤目状になって広がっており、メッシュのピッチによって、電磁波が外界へ滲み出す量を制御することができる。エバネッセント波と呼ばれる外界へ滲み出す電磁波は、伝搬距離に対して指数関数的に減衰する。【０１０８】
典型的には、振幅が１／ｅに減衰する距離は１ｃｍ程度である（ｅ：自然対数の底）。従って、面状メッシュ導体７２近傍にのみ電磁波を局在させ、外界への不要放射を極めて小さくできる。また、放射素子の可逆原理により、外界からの妨害波からの影響をほとんど受けない。面状誘電体７１は、伝搬効率を考慮すると低誘電率かつ低誘電正接である材料が望ましい。【０１０９】
図では面状伝搬媒体１００の端面は開放構造となっているが、端面を電波吸収体で覆い終端とすることが望ましい。【０１１０】
また、面状伝搬媒体１００は全体の厚みを薄くし、フレキシブル性を持たせることもできる。図９は面状伝搬媒体１００を用いた回転体通信装置２００の変形例を示す図である。固定体用面状伝搬媒体７３は固定体１の曲面部分に配置され、回転体用面状伝搬媒体７４ａ〜７４ｄは回転体２の曲面部分に等角度間隔で配置されている。【０１１１】
この変形例を用いれば、固定体用面状伝搬媒体７３と回転体用面状伝搬媒体７４ａ〜７４ｄはエバネッセント波を介して信号のやりとりが可能となり、さらに、外界への不要放射を極めて小さくできる。【０１１２】
固定体用面状伝搬媒体７３と回転体用面状伝搬媒体７４ａ〜７４ｄが対向していればよいので、固定体１や回転体２の平面部分に実装しても同様の効果が得られる。【０１１３】
図１０は、本実施例にかかる回転体通信装置２００を用いた風力発電システム２０１の構成図である。【０１１４】
回転子２２と固定子２３から成る主発電機２１が電力変換器１７を介して、回転子２５と固定子２６から成る補助発電機２４に接続されている。【０１１５】
系統２９の電力が補助発電機２４の固定子２６に通電され、同期発電機の原理により回転子２５に電力が供給される。【０１１６】
その後、電力変換器１７が、電圧、周波数を変換した電力を主発電機２１の回転子２２に電力を供給し、発電運転を行う。これにより、ブレード２７が受けた風のエネルギーを風力発電システム２０１が電気エネルギーに変換し、系統２９に送電することができる。【０１１７】
この構成において、電力変換器１７は回転子２２、２５に取り付けられるため、回転子の回転にともない、電力変換器１７は回転する。この電力変換器１７はブレード２７の回転に応じた制御が必要となるため、回転体通信装置２００によりブラシレスに制御信号を受信している。【０１１８】
さらに、回転子側の様々なセンシング情報から制御信号が生成されるため、制御信号とセンシング情報を双方向にやりとりしている。【０１１９】
なお、電力変換器１７と並列に遮断機を設けても良い。これにより、系統故障時に加わる過大な電力から、電力変換器１７を保護できる。また、本実施例は、増速機を付加したシステムへの適用も可能である。【０１２０】
また、回転体通信装置２００を並列に複数個を設置することや、回転体通信装置２００を構成する固定体用通信器６または回転体用通信器７を並列に複数個を設置することにより、より高信頼な風力発電システムを実現できる。【０１２１】
以上のように本実施例に係る回転体通信装置２００は、回転体と固定体間の無線通信に用いられ、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が実現できる。【０１２２】
また、本実施形態１例を風力発電システムに適用することで、メンテナンスを容易にしつつ発電効率向上可能なブラシを用いない風力発電システムを実現できる。【０１２３】
また、本実施例によれば、回転体通信装置２００は、高周波信号を伝送させることができるので、５００ＭＨｚ程度までの周波数領域を持つインバータのスイッチングノイズや、モータから磁界ノイズに対する通信品質の耐性を大きくすることができる。【０１２４】
さらに、用いるアンテナは共振を利用しているためバンドパスフィルタの特性を持ち、上記ノイズ耐性はさらに高めることができる。
【実施例２】
【０１２５】
以下、本発明の実施例２に係る回転体通信装置について図１１を用いて説明する。【０１２６】
図１１は回転体通信装置３００の構成を示すブロック図である。アンテナの配置についての理解を容易にするため、アンテナ実装部分に関しては透視図で示している。【０１２７】
回転体通信装置３００は、固定体１に取り付けられた固定体用通信器６と固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体２に取り付けられた回転体用通信器５１と回転体用アンテナ５ａ〜５ｄ、絶縁ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）５４ａ〜５４ｄで構成されている
回転体用通信器５１は信号分配合成器５０、送受信器５２、受信信号強度検出部５３を有する。回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで受信された高周波制御信号は回転体用通信器５１の信号分配合成器５０で合成され、送受信器５２に入力される。送受信器５２では、各パワーデバイスの制御信号に再変換される。【０１２８】
これらの制御信号は絶縁ＩＣ５４ａ〜５４ｄに入力され、ドライブ回路を介してパワーデバイス１８ａ〜１８ｄに入力される。絶縁ＩＣにはフォトカプラやトランスが用いられ、周辺回路の構成によっては双方向通信用に各パワーデバイス毎に２個ずつ必要となる。【０１２９】
ここで、送受信器５２に入力された信号は受信信号強度検出部５３にて信号強度Ｓを検出される。検出された信号強度情報は、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報と併せてセンシング信号として、送受信器５２から高周波信号に変換されて、信号分配合成器５０で分配され、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄに送られる。なお、受信信号強度検出部５３で信号強度が検出されなかった場合は、不検出の情報が送られる。【０１３０】
また、これらの高周波センシング信号は、高周波制御信号とはキャリア周波数が異なるため、送受信器８、５２内のフィルタにて分離可能であり混信することは無い。【０１３１】
上述のように複数アンテナから放射される信号の位相角を変化させれば、信号強度の強弱がコントロールされ、回転時にも安定的に連続通信を行うことが可能になる。さらに、回転体用アンテナの信号は信号分配合成器５０で束ねられるので、位相角制御が容易になる。また、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄ間の絶縁は、絶縁ＩＣが担保しているが、沿面放電に対する考慮は必要で、安全規格（例えば、ＪＩＳＣ１０１０−１）で決められている最小沿面距離以上離すことが望ましい。【０１３２】
なお、ここでは、固定体用アンテナ、回転体用アンテナそれぞれ４個ずつ用いた例を説明したが、固定体用アンテナは２個以上、回転体用アンテナは２個以上で効果が得られる。【０１３３】
以上のように本実施例２に係る回転体通信装置３００は、回転体と固定体間の無線通信に用いられ、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が実現できる。【０１３４】
また、本実施例２によれば、回転体用通信器の個数を最小限にすることができ、小型化、低コスト化を図れる。【０１３５】
また、本実施例２によれば、回転体用アンテナの信号は信号分配合成器により束ねられるので、位相角制御が容易になる。
【実施例３】
【０１３６】
以下、本発明の実施例３に係る回転体通信装置について図１２、図１３を用いて説明する。図１２は回転体通信装置４００の構成を示すブロック図である。【０１３７】
アンテナの配置についての理解を容易にするため、アンテナ実装部分に関しては透視図で示している。回転体通信装置４００は、固定体１に取り付けられた固定体用通信器５６と固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体２に取り付けられた回転体用通信器５７と回転体用アンテナ５ａ〜５ｄ、絶縁ＩＣ５４ａ〜５４ｄで構成されている。【０１３８】
固定体用通信器５６は、送受信器６４、信号合成分配器９を有する。回転体用通信器５７は、位相角制御部５８、記憶部５９、位相角調整部６０ａ〜６０ｄ、信号合成分配器６１、送受信器６２、受信信号強度検出部６３を有する。【０１３９】
記憶部５９には、固定体用通信器と回転体用通信器間でやりとりされる信号の位相を設定するためのテーブルや数式が格納されている。【０１４０】
固定体用通信器５６の送受信器６４は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換する。各パワーデバイスへの制御信号はそれぞれ固有であるため、異なるキャリア周波数の高周波制御信号として搬送する。【０１４１】
変換された複数の高周波制御信号は、信号合成分配器９にて分配され、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄに入力される。【０１４２】
固定体用アンテナ４ａ〜４ｄから放射された高周波制御信号は、回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで受信される。【０１４３】
受信された高周波制御信号は位相角調整部６０ａ〜６０ｄにて、それぞれ所定量の位相シフトを受け、信号合成分配器６１にて合成される。位相角調整部６０ａ〜６０ｄでの位相シフト量Φは、位相角制御部５８にて制御される。【０１４４】
ここで位相シフト量Φは、記憶部５９に記録されている回転角αと位相シフト量のテーブルΨ（α）にて、回転計１５で計測された現在の回転角αに対応させて設定される。【０１４５】
合成された高周波制御信号は、送受信器６２に入力され、制御信号に再変換されて、絶縁ＩＣ５４ａ〜５４ｄを経てドライブ回路を介してパワーデバイス１８ａ〜１８ｄに入力される。【０１４６】
ここで、送受信器６２に入力された信号は受信信号強度検出部６３にて信号強度Ｓを検出される。検出された信号強度情報は、位相角制御部５８および記憶部５９に送られ、必要に応じてテーブルが更新される。【０１４７】
パワーデバイス１８ａ〜１８ｄのセンシング信号は、送受信器６２で高周波信号に変換されて、信号合成分配器６１にて分配され、位相角調整部６０ａ〜６０ｄにて、それぞれ所定量の位相シフトを受け、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄに送られる。【０１４８】
回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄから放射された高周波センシング信号は、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄで受信される。これらの高周波センシング信号は信号合成分配器９にて合成され、送受信器６４に入力される。【０１４９】
入力された高周波センシング信号はセンシング信号に再変換され、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報はコントローラ１６に送られ制御信号生成に用いられる。【０１５０】
上述のように複数アンテナで受信される信号の位相角を変化させれば、信号強度の強弱がコントロールされ、回転時にも安定的に連続通信を行うことが可能になる。なお、ここでは、固定体用アンテナ、回転体用アンテナそれぞれ４個ずつ用いた例を説明したが、固定体用アンテナは１個でも良く、その場合、信号分配合成器９は不要である。また、回転体用アンテナは２個以上で効果が得られる。【０１５１】
図１３は、本実施例における、固定体用通信器と回転体用通信器間の位相角制御の処理を説明するフローチャートである。【０１５２】
回転体用通信器５７において、位相角制御部５８は回転計１５から回転角αを取得する（Ｓ２０１）。位相角制御部５８は取得した回転角情報に対応した位相シフト量Ψ（α）を記憶部１１より読み取り、位相シフト量Φ＝Ψ（α）となるように位相角調整部６０ａ〜６０ｄを制御する（Ｓ２０２）。【０１５３】
初期状態では、全回転角の位相シフト量のテーブルは図５におけるｋ＝１が記憶されている。【０１５４】
つまり、各位相角調整部において位相角調整を行わない。回転体用通信器５７の送受信器６２は、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄからの高周波制御信号を位相角調整部６０ａ〜６０ｄ、信号合成分配器６１を介して受信する（Ｓ２０４）。受信信号強度検出部６３は、高周波制御信号の信号強度Ｓを検出する（Ｓ２０５）。【０１５５】
検出された信号強度Ｓが閾値以下の場合（Ｓ２０８）、位相角制御部５８が、位相角調整部６０ａ〜６０ｄの位相シフト量Φを変更し（Ｓ２０９）、再度、高周波制御信号を受信する（Ｓ２０４）。【０１５６】
送受信器６２が、閾値以上の信号を受信した場合、そのとき用いた位相シフト量Φを記憶部５９の位相シフト量のテーブルΨ（α）として更新し（Ｓ２１０）、回転角取得（Ｓ２０１）のフローに戻る。【０１５７】
一連のフローは、予め定められている所定時間、所定回転数、所定回数が終了した場合、もしくは上位システムの指令があった場合に完了する。【０１５８】
以上のように本実施例３に係る回転体通信装置４００は、回転体と固定体間の無線通信に用いられ、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が実現できる。【０１５９】
また、本実施例３によれば、位相角調整部と受信信号強度検出部、回転計の全てが回転体側に配置されているので、位相シフト量と信号強度、回転角が時間差無く記憶部に記録でき、より安定的な通信が可能となる。【０１６０】
また、本実施例３によれば、固定体用アンテナの個数を最小限にすることができ、小型化、低コスト化を図れる。
【実施例４】
【０１６１】
以下、本発明の実施例４に係る回転体通信装置を図１４〜図１６を用いて説明する。図１４は回転体通信装置５００の構成を示すブロック図である。【０１６２】
アンテナの配置についての理解を容易にするため、アンテナ実装部分に関しては透視図で示している。【０１６３】
回転体通信装置５００は、固定体１に取り付けられた固定体用通信器６９と固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体２に取り付けられた回転体用通信器７ａ〜７ｄと回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで構成されている。【０１６４】
固定体用通信器６９は、送受信器８、信号合成分配器９、振幅制御部６６、記憶部６８、位相角調整部６７ａ〜６７ｄを有する。記憶部６８には、信号振幅を設定するためのテーブルや数式が格納されている。【０１６５】
固定体用通信器６９の送受信器８は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換する。変換された複数の高周波制御信号は、信号合成分配器９にて分配される。【０１６６】
これらの高周波制御信号は振幅調整部６７ａ〜６７ｄにて、それぞれ所定量の振幅調整を受け、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄに入力される。振幅調整部６７ａ〜６７ｄでの振幅調整量Ａは数５で表され、振幅制御部６６にて制御される。【０１６７】
【数５】
0005890917.tif 000006
【０１６８】
ここで振幅量Ａは、記憶部６８に記録されている回転角αと以下で表される、数６、即ち、振幅調整量のテーブルＥ（α）にて、回転計１５で計測された現在の回転角αに対応させて設定される。【０１６９】
【数６】
0005890917.tif 000007
【０１７０】
なお、振幅調整部６７ａ〜６７ｄは、可変ゲインアンプを適用しても良いし、高周波スイッチでも構わない。固定体用アンテナ４ａ〜４ｄから放射された高周波制御信号は、回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで受信される。受信された高周波制御信号は回転体用通信器７ａ〜７ｄの送受信器１３ａ〜１３ｄにそれぞれ入力され、制御信号に再変換されて、ドライブ回路を介してパワーデバイス１８ａ〜１８ｄに入力される。【０１７１】
ここで、送受信器７ａ〜７ｄに入力された信号は受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄにて信号強度Ｓを検出される。検出された信号強度情報は、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報と併せてセンシング信号として、送受信器１３ａ〜１３ｄから高周波信号に変換されて回転体用アンテナ５ａ〜５ｄに送られる。【０１７２】
回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄから放射された高周波センシング信号は、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄで受信される。【０１７３】
これらの高周波センシング信号は振幅調整部６７ａ〜６７ｄにて、前述と同量の振幅調整を受け、信号合成分配器９にて合成され、送受信器８に入力される。【０１７４】
入力された高周波センシング信号はセンシング信号に再変換され、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報はコントローラ１６に送られ制御信号生成に用いられ、信号強度情報は振幅制御部６６および記憶部６８に送られ、必要に応じてテーブルが更新される。【０１７５】
なお、ここでは、固定体用アンテナ、回転体用アンテナそれぞれ４個ずつ用いた例を説明したが、固定体用アンテナは２個以上、回転体用アンテナは１個以上で効果が得られる。【０１７６】
図１５、図１６を用いて、本実施例における固定体用通信器と回転体用通信器間の振幅制御の処理について説明する。【０１７７】
図１５は、固定体用通信器と回転体用通信器間の振幅制御の処理を説明するフローチャートである。【０１７８】
図１６は、振幅調整量の組合せの一例を示す図である。【０１７９】
固定体用通信器６９において、振幅調整部６６は回転計１５から回転角αを取得する（Ｓ３０１）。位相角制御部６６は取得した回転角情報に対応した振幅調整量Ｅ（α）を記憶部１１より読み取り、振幅調整量Ａ＝Ｅ（α）となるように位相角調整部６７ａ〜６７ｄを制御する（Ｓ３０２）。【０１８０】
初期状態では、全回転角の振幅調整量のテーブルは図１６におけるｋ＝１が記憶されている。つまり、各振幅調整部において振幅調整を行わない。【０１８１】
送受信器８は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換し、信号合成分配器９、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄを介して送信する（Ｓ３０３）。【０１８２】
回転体用通信器７ａ〜７ｄの送受信器１３ａ〜１３ｄは、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄからの高周波制御信号を受信する（Ｓ３０４）。【０１８３】
受信信号強度検出部１４ａ〜１４ｄは、高周波制御信号の信号強度Ｓを検出する（Ｓ３０５）。検出された信号強度情報は、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報と併せてセンシング信号として、送受信器１３ａ〜１３ｄから高周波信号に変換されて回転体用アンテナ５ａ〜５ｄ、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、信号合成分配器９を介して送受信器８に入力される。【０１８４】
このとき、信号強度Ｓが送受信器１３ａ〜１３ｄおよび８の最小感度よりも小さく、想定される時間内に信号が受信されなかった場合（Ｓ３０７）、もしくは、信号強度Ｓが閾値以下の場合（Ｓ３０８）、振幅制御部６６が、振幅調整部６７ａ〜６７ｄの振幅調整量Ａを変更し（Ｓ３０９）、再度、高周波制御信号を送信する（Ｓ３０３）。【０１８５】
このとき振幅調整量Ａは図１６のｋ＝２〜１５の中から各振幅量の変化量が最小となるように選択される。【０１８６】
ｋ＝２から昇順に選んでも良いし、ランダムに選んでも構わない。【０１８７】
送受信器８が、所定時間内に閾値以上の信号を受信した場合、そのとき用いた振幅調整量Ａを記憶部１１の振幅調整量のテーブルＥ（α）として更新し（Ｓ３１０）、回転角取得（Ｓ３０１）のフローに戻る。【０１８８】
一連のフローは、前述したように、予め定められている所定時間、所定回転数、所定回数が終了した場合、もしくは上位システムの指令があった場合に完了する。【０１８９】
また、通信速度に対して回転速度が無視できない場合は、固定側の通信器からの信号が回転側の信号強度検出部で検出されるまでの遅延量の計測手段を設けることで、より信号強度の安定性が得られる。具体的には、遅延量と回転角、回転速度から、信号強度検出時の回転角を算出し、これに基づき信号振幅を調整する、もしくは記憶部に記録することが有効である。【０１９０】
また、図１６の振幅調整量の組合せは一例であり、より小さいステップで、より広い範囲の振幅調整量の組合せを用いた方が信号強度向上できる可能性が高くなる。逆に、振幅調整量の組合せが少ないと一連のフローの所要時間を小さくできる。このように、リアルタイム性や通信品質等のシステム要求に応じて選択が可能である。【０１９１】
以上のように本実施例４に係る回転体通信装置５００は、回転体と固定体間の無線通信に用いられ、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が実現できる。【０１９２】
また、本実施例４によれば、回転体通信装置５００は振幅調整部を高周波スイッチで構成することも可能なので、簡易かつ廉価な構成で実現できる。
【実施例５】
【０１９３】
以下、本発明の実施例５に係る回転体通信装置について図１７〜図２２を用いて説明する。【０１９４】
図１７は回転体通信装置６００の構成を示すブロック図である。【０１９５】
アンテナの配置についての理解を容易にするため、アンテナ実装部分に関しては透視図で示している。回転体通信装置６００は、固定体１に取り付けられた固定体用通信器５６と固定体用アンテナ４ａ〜４ｄ、回転体２に取り付けられた回転体用通信器６５ａ〜６５ｄと回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで構成されている。【０１９６】
固定体用通信器６は、送受信器６４、信号合成分配器９を有する。固定体用通信器６の送受信器６４は、入力されたコントローラ１６からの制御信号をアップコンバートし、高周波制御信号に変換する。【０１９７】
変換された複数の高周波制御信号は、信号合成分配器９にて分配され、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄに入力される。固定体用アンテナ４ａ〜４ｄから放射された高周波制御信号は、回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄで受信される。【０１９８】
受信された高周波制御信号は回転体用通信器６５ａ〜６５ｄにそれぞれ入力され、制御信号に再変換されて、ドライブ回路を介してパワーデバイス１８ａ〜１８ｄに入力される。【０１９９】
パワーデバイス１８ａ〜１８ｄのセンシング信号はそれぞれ、回転体用通信器６５ａ〜６５ｄで高周波信号に変換されて、回転体用アンテナ５ａ〜５ｄに送られる。【０２００】
回転中の回転体用アンテナ５ａ〜５ｄから放射された高周波センシング信号は、固定体用アンテナ４ａ〜４ｄで受信される。【０２０１】
これらの高周波センシング信号は信号合成分配器９にて合成され、送受信器６４に入力される。入力された高周波センシング信号はセンシング信号に再変換され、パワーデバイス１８ａ〜１８ｄの動作状態等を示す各情報はコントローラ１６に送られ制御信号生成に用いられる。【０２０２】
図１８は回転軸３の長さ方向から固定体１を見た透視図である。【０２０３】
固定体用アンテナ３１ａ〜３１ｄのみを図示し、同構成で対称配置となる回転体用アンテナは省略している。【０２０４】
また、固定体用アンテナ３１ａ〜３１ｄは回転軸３を中心に同心円配置されている。アンテナには、遠心加重軽減のため、プリント基板で構成されるパッチアンテナを用いている。【０２０５】
すなわち、固定体用アンテナ３１ａと同サイズの設置導体と誘電体、固定体用アンテナ放射素子３２を重ね合わせて構成される。固定体用アンテナ放射素子３２に対する給電点３３の位置によって偏波方向３４が決定される。
固定体用アンテナ放射素子３２の二つの長辺の中点を結ぶライン上に給電点３３が配置されているとき、偏波方向３４は短辺が伸びる方向となる。つまり、偏波方向３４は、回転軸を中心とした放射線方向と一致する。固定体用アンテナ３１ｂ〜３１ｄも同様である。【０２０６】
固定体１と回転軸３は導体であるため、固定体内部は、擬似的に円筒状の導波管が形成される。この導波管の伝搬モードでは、電界方向が偏波方向３４と同じになる。したがって、固定体アンテナ放射素子３２からの放射が低損失で円筒状の導波管に変換され、固定体アンテナから回転体アンテナまでの通過損失を小さく抑えることができる。【０２０７】
図１９は、図１８のアンテナ放射素子のみを記載した簡略図である。説明の簡素化のため、回転体側は回転体用アンテナ放射素子３５の一つのみ図示している。【０２０８】
また、固定体用アンテナ放射素子３２ａ〜３２ｄ、回転体用アンテナ放射素子３５は回転軸の中心からの距離ｒを半径として同心円配置されている。回転体用アンテナ放射素子３５は回転角αだけ回転軸を中心に回転している。【０２０９】
また、回転角αは、固定体用アンテナ放射素子３２ａと回転体用アンテナ放射素子３５の偏波方向の角度差を示している。一般に、この角度差が４５度のときは、０度に比べて信号強度は１／２、９０のときはほぼゼロとなる。なお、回転軸の半径はｒ１、固定体の半径はｒ２としている。【０２１０】
図２０は回転体通信装置６００の回転軸中心線を含む面での断面図である。固定体用アンテナ４ａ、４ｂは、固定体上に設置された固定体用スペーサ４１ａ、４１ｂ上に配置されている。同様に、回転体用アンテナ５ａ、５ｂは、回転体上に設置された回転体用スペーサ４２ａ、４２ｂ上に配置されている。【０２１１】
固定体用スペーサ４１ａ、４１ｂ、回転体用スペーサ４２ａ、４２ｂはすべて、厚さＤｃの誘電体で構成されている。【０２１２】
また、固定体用アンテナ４ａ、４ｂと回転体用アンテナ５ａ、５ｂとは距離Ｄａだけ離れている。【０２１３】
固定体１が導体であるため、マルチパスにより定在波が励起されることが想定される。したがって、Ｄａは１／２実効波長の整数倍、Ｄｃは１／４実効波長の奇数倍に近づけるように設定することで、固定体用アンテナと回転体用アンテナの位置で定在波の山となり、信号強度を向上させることができる。【０２１４】
また、固定体１内において定在波が起きない、もしくは複雑化しないように使用する電波の周波数を選択することも有効である。すなわち、使用する周波数を、固定体１内の閉空間の伝搬モードのカットオフ周波数と略同じ、もしくは小さく設定する。【０２１５】
具体的には、（図１９においてｒ２−ｒ１）が１／２実効波長以下となるように使用周波数を選べばよい。電波が使用される空間は固定体１により略密閉状態にあるので、外部への電波漏れレベル、外部からの干渉レベルは十分小さい。また、固定体１に使用する電波の波長に比べて十分小さいメッシュ状の穴を設けて、発電機等の冷却に用いてもよい。【０２１６】
図２１に、設計の一例として、上述した回転体通信装置の通過量の回転角特性の計算結果を示す。回転角αは図１９で定義される。全ての通過量には４分配回路の通過量―８ｄＢが含まれている。通過量３７は、固定体用アンテナ放射素子３２ａから回転体用アンテナ放射素子３５への通過量であり、偏波方向が一致するα＝０ｄｅｇに比べて、α＝４５ｄｅｇは−３ｄＢ（約５０％）、αが９０ｄｅｇに近づくにつれて低下していく。【０２１７】
回転角が変わっても、アンテナ放射領域内であり、距離変動も小さいため、ほぼ上述した傾向となっている。【０２１８】
通過量３８は、固定体用アンテナ放射素子３２ｂから回転体用アンテナ放射素子３５への通過量であり、全く逆の傾向を示す。通過量３９は、固定体用アンテナ放射素子３２ｃから回転体用アンテナ放射素子３５への通過量である。通過量４０は、固定体用アンテナ放射素子３２ｄから回転体用アンテナ放射素子３５への通過量である。通過量３９、４０は回転軸に遮蔽されるため、全体的に通過量が小さい。【０２１９】
これらの通過量の合計値が合成通過量３６であるが、回転角αが０から９０ｄｅｇまで変化してもほとんど変化せず、安定した通信ができることを示している。【０２２０】
なお、計算周波数は２．４ＧＨｚとしている。その他の計算パラメータは以下のとおりである。図１９において、回転軸半径ｒ１＝３０ｍｍ、アンテナ配置半径ｒ＝４９ｍｍ、固定体半径ｒ２＝６７．５ｍｍ、図２０においてアンテナ間距離Ｄａ＝５０ｍｍ、アンテナと導体間距離Ｄｔ＝２０ｍｍとした。【０２２１】
また、サイズ３０ｍｍ×３０ｍｍのアンテナを用いて計算している。ここでは、固定体用アンテナ、回転体用アンテナそれぞれ４個ずつ用いた例を説明したが、固定体用アンテナは３個以上、回転体用アンテナは１個以上で効果が得られる。【０２２２】
図２２は本実施例にかかる回転体用通信器への電力供給手段の一例である。面状伝搬媒体７５は、図８で説明したものと同構成であり、回転体２の曲面に巻きつけるように配置されている。【０２２３】
回転体用通信器７６ａ〜７６ｄは面状伝搬媒体７５の面状メッシュ導体上に絶縁膜（図示せず）をはさんで設置されている。回転体用通信器７６ａ〜７６ｄはエバネッセント波を受け取る受電インターフェース７９ａ〜７９ｄを有しており、面状伝搬媒体７５と電力をやりとりすることができる。面状伝搬媒体７５の面状メッシュ導体上には、エバネッセント波を送る送電インターフェース７７が設置されており、送電インターフェース７７には送電装置７８が接続されている。【０２２４】
送電装置７８からはマイクロ波帯の電力が送られる。受電インターフェース７９ａ〜７９ｄは面状伝搬媒体７上でありさえすれば、電力が供給されるため、配置の自由度が高い。【０２２５】
また、受電インターフェース数が増えても電力供給がなされる。【０２２６】
絶縁膜は受電インターフェース７９ａ〜７９ｄと面状伝搬媒体７５の間のインピーダンス整合と、回転体用通信器７６ａ〜７６ｄ間の絶縁の役割を果たす。受電インターフェース７９ａは、多層プリント基板上で構成できるパッチアンテナやダイポールアンテナ、ループアンテナ等を用いることで、回転体用通信器７６ａを同一基板上に設けることができる。受電インターフェース７９ｂ〜７９ｄについても同様である。【０２２７】
送電インターフェース７７についても同様に、多層プリント基板上で構成できるアンテナを用いることで送電装置７８と一体化が可能である。【０２２８】
以上により、送電装置７８から送電インターフェース７７を介して面状伝搬媒体７５に電力が送られ、受電インターフェース７９ａ〜７９ｄで受電され、回転体用通信器７６ａ〜７６ｄ内に内蔵された整流回路でマイクロ波から直流に整流されて、回転体用通信器７６ａ〜７６ｄの電源に利用される。【０２２９】
本例では、エバネッセント波を利用しているため、外界への不要放射を極めて小さくできる。【０２３０】
以上のように本実施例５に係る回転体通信装置６００は、回転体と固定体間の無線通信に用いられ、導体筐体内の多重反射による複雑なマルチパス環境下においても、少ない部品点数で、回転時にも安定的に連続通信を行うことができ、１対Ｎ通信や双方向通信が実現できる。【０２３１】
また、本実施例５によれば、回転体通信装置６００は、アンテナからの放射が固定体内部に形成された擬似的な円筒状の導波管の伝搬モードに低損失に変換されるため、固定体アンテナから回転体アンテナまでの通過損失を小さく抑えることができる。【０２３２】
また、本実施例５によれば、回転体通信装置６００は、固定体内部の定在波環境においても、アンテナの配置を最適化し、信号強度を向上させることができる。【０２３３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。【０２３４】
また、ある実施例の構成例の一部を、同じ実施例の他の構成例または他の実施例の構成例に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成例に、同じ実施例の他の構成例または他の実施例の構成例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０２３５】
１              ：固定体
２              ：回転体
３              ：回転軸
４ａ〜４ｄ      ：固定体用アンテナ
５ａ〜５ｄ      ：回転体用アンテナ
６              ：固定体用通信器
７、７ａ〜７ｄ  ：回転体用通信器
８              ：送受信器
９              ：信号合成分配器
１０            ：位相角制御部
１１            ：記憶部
１２ａ〜１２ｄ  ：位相角調整部
１３ａ〜１３ｄ  ：送受信器
１４ａ〜１４ｄ  ：受信信号強度検出部
１５            ：回転計
１６            ：コントローラ
１７            ：電力変換器
１８ａ〜１８ｄ  ：パワーデバイス
１９            ：高周波制御信号
２０            ：高周波センサ信号
２１            ：主発電機
２２、２５      ：回転子
２３、２６      ：固定子
２７            ：ブレード
２９            ：系統
３０            ：固定体
３１ａ〜３１ｄ  ：固定体用アンテナ
３２            ：固定体用アンテナ放射素子
３２ａ〜３２ｄ  ：固定体用アンテナ放射素子
３３            ：給電点
３４            ：偏波方向
３５            ：回転体用アンテナ放射素子
３６            ：合成通過量
３７            ：通過量
３８            ：通過量
３９            ：通過量
４０            ：通過量
４１ａ、４１ｂ  ：固定体用スペーサ
４２ａ、４２ｂ  ：回転体用スペーサ  
４４ａ〜４４ｄ  ：固定体用アンテナの放射領域
４５            ：固定体用送受信器
４６ａ〜４６ｄ  ：送受信部
４７            ：信号合成分配器
４８ａ〜４８ｄ  ：固定体用アンテナ
４９ａ〜４９ｄ  ：回転体用アンテナ
５０            ：信号合成分配器
５１            ：回転体用通信器
５２            ：送受信器
５３            ：受信信号強度検出部
５４ａ〜５４ｄ  ：絶縁ＩＣ
５５            ：モニタ部
５６            ：固定体用通信器
５７            ：回転体用通信器
５８            ：位相角制御部
５９            ：記憶部
６０ａ〜６０ｄ  ：位相角調整部
６１            ：信号合成分配器
６２            ：送受信器
６３            ：受信信号強度検出部
６４            ：送受信器
６５ａ〜６５ｄ  ：回転体用通信器
６６            ：振幅制御部
６７ａ〜６７ｄ  ：振幅調整部
６８            ：記憶部
６９            ：固定体用通信器
７０            ：面状導体
７１            ：面状誘電体
７２            ：面状メッシュ導体
７３            ：固定体用面状伝搬媒体
７４ａ〜７４ｄ  ：回転体用面状伝搬媒体
７５            ：面状伝搬媒体
７６ａ〜７６ｄ  ：回転体用通信器
７７            ：送電インターフェース
７８            ：送電装置
７６ａ〜７６ｄ  ：受電インターフェース
１００          ：面状伝搬媒体
２００          ：回転体通信装置
２０１          ：風力発電システム
３００          ：回転体通信装置
４００          ：回転体通信装置
５００          ：回転体通信装置
６００          ：回転体通信装置
【図１】
0005890917.tif 000008
【図２】
0005890917.tif 000009
【図３】
0005890917.tif 000010
【図４】
0005890917.tif 000011
【図５】
0005890917.tif 000012
【図６】
0005890917.tif 000013
【図７】
0005890917.tif 000014
【図８】
0005890917.tif 000015
【図９】
0005890917.tif 000016
【図１０】
0005890917.tif 000017
【図１１】
0005890917.tif 000018
【図１２】
0005890917.tif 000019
【図１３】
0005890917.tif 000020
【図１４】
0005890917.tif 000021
【図１５】
0005890917.tif 000022
【図１６】
0005890917.tif 000023
【図１７】
0005890917.tif 000024
【図１８】
0005890917.tif 000025
【図１９】
0005890917.tif 000026
【図２０】
0005890917.tif 000027
【図２１】
0005890917.tif 000028
【図２２】
0005890917.tif 000029