(57)【要約】  本明細書に記載されているのは、回転シリンダコンデンサに基づいて容量性リンクを作成するシステム及び方法である。円筒形ローターはシャフトの周りを回転し、円筒形ローターとシャフトの間にエアギャップを維持し、１つ以上のエアギャップコンデンサを形成する。光検出及び測距コンポーネントを具備する第１のサブシステムは、回転子に結合されている。データ分析機能を具備する第２のサブサブシステムがシャフトに結合されている。第１のサブシステムと第２のサブシステムは、エアギャップコンデンサによって形成された容量性リンクを介して結合される。容量性リンクで利用される通信信号伝達は、双方向の差動信号伝達であってもよい。第１のサブシステム及び第２のサブシステムは、ＬＩＤＡＲ光検出及び測距システムを含むことができる。第２のサブシステムは、誘導カップリングを介して第１のサブシステムに電力を供給することができる。【選択図】図５Ａ
2021514157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形ローターの中心に円筒形の穴を具備する円筒形ローターと、
前記円筒形ローター上に配置され結合された送信機と、
前記円筒形ローターの中心にある円筒形の穴の中に配置されたシャフトと、
前記シャフト上に配置され結合された受信機と、
前記円筒形ローターと前記シャフトとの間に配置されたエアギャップコンデンサを介して前記送信機を前記受信機に結合する容量性リンクと、
を具備するシステム。
【請求項２】
前記円筒形ローターの前記円筒形の穴の内側の面に取り付けられた第１のリングと、
前記シャフトの外側の面に取り付けられた第２のリングと、
を具備し、
前記第１のリングと前記第２のリングとの間のエアギャップが前記エアギャップコンデンサを形成することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
データは、前記容量性リンクを介して前記送信機と前記受信機との間で送信されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記円筒形ローターは前記シャフトの周りを回転することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
円筒形ローターの中心に円筒形の穴を具備する円筒形ローターと、
前記円筒形ローターの前記円筒形の穴の内側の面に取り付けられた１つ以上のローターリングと、
前記円筒形ローター上に配置され結合された第１のトランシーバと、
前記円筒形ローターの中心にある円筒形の穴の中に配置されたシャフトであって、前記円筒形ローターは前記シャフトの周りを回転する、シャフトと、
前記シャフトの外側の面に取り付けられた１つ以上のシャフトリングであって、前記１つ以上のシャフトリングの各々は１つ以上のシャフトリングとペアを組むことを特徴とするシャフトリングと、
前記シャフト上に配置され結合された第２のトランシーバと、
リングの各ペアの間のエアギャップにより形成された１つ以上のエアギャップコンデンサと、
前記１つ以上のエアギャップコンデンサに基づき、前記第１のトランシーバと前記第２のトランシーバとの間に結合された１つ以上の容量性リンクと、
を具備するシステム。
【請求項６】
前記１つ以上の容量性リンクは、前記第１のトランシーバと前記第２のトランシーバとの間に１つ以上の対応する別々の接続を形成することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記円筒形ローターと前記シャフトとは、Ｎ個の容量性リンクをサポートする対応するリングのＮ個のペアを具備することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
双方向差動信号が、４つの容量性リンクを用いる前記第１のトランシーバ及び前記第２のトランシーバにより、送信され受信されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記容量性リンクは、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）プロトコルを利用することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記容量性リンクは、シリアライザ／デシリアライザ（ＳＥＲＤＥＳ）インターフェースを利用することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記双方向差動信号は、マンチェスターコードでエンコード及びデコードされることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記双方向差動信号は、エラー検出コードで処理されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記シャフトは、誘導カップリングを介して前記円筒形ローターに電力を供給することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項１４】
シャフトの周りに円筒形ローターを回転させるステップであって、前記円筒形ローターは第１のサブシステムを具備し、前記シャフトは第２のサブシステムを具備することを特徴とするステップと、
前記円筒形ローターに配置された電極のセットと前記第２のサブシステムに配置された別の対応する電極のサブシステムとの間のエアギャップに基づいて、前記第１のサブシステムと前記第２のサブシステムとの間に容量性リンクのセットを形成するステップと、
前記容量性リンクのセットを介して、第１のデータのセットを前記第１のサブシステムから前記第２のサブシステムに送信し、第２のデータのセットを前記第２のサブシステムから前記第１のサブシステムに送信するステップと、
を具備する方法。
【請求項１５】
前記電極のセットの各々の電極の数がＮ個である場合、前記容量性リンクのセットは、Ｎ個の通信リンクを具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
４つの容量性リンクを通じて双方向作動信号伝達により送信するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
マンチェスターコードにより、双方向差動信号のエンコード及びデコードを行うステップをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
誘導カップリングを介して前記第２のサブシステムにより前記第１のサブシステムに電力供給を行うステップをさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のサブシステム及び前記第２のサブシステムはＬＩＤＡＲシステムを具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記エアギャップコンデンサの許容誤差は２０％未満であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、Pravin Kumar Venkatesan、Abhilash Goyal、William B Etheridge、及び、Rajesh Ramalingam Varadharajanを発明者として、２０１８年２月１５日に出願された「非接触円筒形インターフェースを介したデータを送信するのためのシステム及び方法」というタイトルの共同所有の米国特許出願第１５／８９７，８１４号（整理番号２０１５１−２１６２）に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
Ａ．技術分野
【０００２】
本開示は、一般に、容量性カップリングを介したデータを送信するのためのシステム及び方法に関し、さらに詳細には、光検出及び測距システム（ＬＩＤＡＲ）内の回転コンデンサデータリンクの利用に関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｂ．背景
いくつかの電子システムでは、ワイヤレスまたは非接触（コンタクトレス）方式で、電子システム内でデータを送信する必要がある場合がある。可能なワイヤレスまたは非接触方式には、ワイヤレス技術、光リンク、水銀電気接点、誘導ップリング及び容量性カップリングが含まれる。「容量性」という用語は、静電容量、または電荷を収集して保持できるという特性に関連する。選択した方法は、動作周波数、帯域幅、送信速度、電力消費を含むがこれらに限定されない、電子システムのパフォーマンスと効率に影響を与える可能性がある。ＬＩＤＡＲシステムなどのいくつかの実施形態では、データは、静止コンポーネントと非静止回転コンポーネントとの間で転送されることもある。
【０００４】
したがって、電子システムの１つの構成要素と電子システムの残りの部分との間のデータ送信を行う効率的な無線での、又は非接触での方法を提供する。システム及び方法が必要とされている電子システムの１つの構成要素は、残りの電子システムに対して固定することができる。あるいは、電子システムの１つの構成要素は、残りの電子システムに対して回転させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の実施形態を参照し、実施例を添付図に示す。これらの図は、限定ではなく例示を意図するものである。本発明は一般にこれらの実施形態と関連させて説明されているが、本発明の範囲は、これらの特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。図はノンスケールとなっている。
【０００６】
【図１】本明細書の実施形態による光検出及び測距システムの動作を示す。
【０００７】
【図２】本明細書の実施形態による光検出及び測距システムの動作及び複数リターンの光信号を示す。
【０００８】
【図３】本明細書の実施形態による回転鏡を有するＬＩＤＡＲシステムを示す。
【０００９】
【図４Ａ】本明細書の実施形態による同心円筒形コンデンサを示す。
【００１０】
【図４Ｂ】本明細書の実施形態による受信機とトランシーバとの間の容量性リンクを示す。
【００１１】
【図５Ａ】本明細書の実施形態によるローター及びシャフトのローターシャフト構造を示す。
【００１２】
【図５Ｂ】本明細書の実施形態による単一方向差動信号伝達を行う２つの容量性リンクを示す。
【００１３】
【図６】本発明の実施形態による容量性リンクを作り出すためのフローチャートを示す。
【００１４】
【図７】本明細書の実施形態によるカスタムプロトコルで容量性リンクを実装するためのシステムを示す。
【００１５】
【図８】本開示の実施形態による、カスタムプロトコルで容量性リンクを実装するための他のシステムを示す。
【００１６】
【図９】本明細書の実施形態による、コンピューティングデバイス／情報処理システムの簡略化されたブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の記載では、説明目的で、本発明を理解してもらうために具体的詳細が示されている。しかしながら、当業者には、このような詳細な記載がなくても本発明を実施できることが明らかであろう。さらに、当業者は、以下に説明される本発明の実施形態が、プロセス、装置、システム、デバイス、又はタンジブルコンピュータ読み取り可能媒体上での方法のような様々な方法で実施することができることを認識するであろう。
【００１８】
図に示されているコンポーネント又はモジュールは、本発明の例示的な実施形態の例示であり、本発明が不明瞭とならないようにすることを意図している。また、この説明全体を通じて、コンポーネントは、サブユニットを含むことができる別個の機能ユニットとして記述することができるが、当業者は、様々なコンポーネント又はその一部を別個のコンポーネントに分割することができ、又は、単一のシステムまたはコンポーネント内に統合することも含めて、統合することができることを認識することを理解すべきである。本明細書で論じられる機能又は動作を、コンポーネントとして実施できることに留意すべきである。コンポーネントは、ソフトウェア、ハードウェア、又はそれらの組み合わせとして組み込むことができる。
【００１９】
さらに、図中のコンポーネント又はシステム間の接続は、直接接続に限定することを意図しない。むしろ、これらのコンポーネント間のデータは、中間コンポーネントによって修正、再フォーマット、又は変更されることがある。また、接続を追加又は減少させて使用されることがある。「結合された」、「接続された」、又は「通信可能に結合された」という用語は、直接接続、1つ又は複数の中間装置を介した間接接続、及び無線接続を含むと理解されることにも留意すべきである。
【００２０】
本明細書における「１つの実施形態」、「好ましい実施形態」、又は「実施形態」との表現は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、特性、又は機能が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味し、複数の実施形態が含まれることもある。また、本明細書の様々な場所におけるこれらの表現は、必ずしもすべて同じ実施形態又は複数の実施形態を意味するとは限らない。
【００２１】
本明細書の様々な場所での特定の用語の使用は、例示のためのものであり、限定するためであると解釈すべきではない。サービス、機能、又はリソースは、単一のサービス、機能、又はリソースに限定されず、これらの用語の使用は、分散又は集約されることもある関連するサービス、機能、又はリソースのグループを意味することがある。
【００２２】
「含む」、「含まれる」、「具備する」、及び「具備している」という用語は非限定用語であると理解されるべきであり、言及される項目は例示であり、言及された項目に限定されることを意味しない。本書で使用されている見出しは、整理を目的としたものであり、説明又は特許請求の範囲を限定するものではない。この本明細書に記載した各参考文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２３】
さらに、当業者は、（１）特定のステップは、任意に実行されてもよいこと、（２）ステップは、ここに記載された特定の順序に限定されないこと、（３）特定のステップは異なる順序で実行できること、（４）特定のステップを同時に実行できること、を認識すべきである。
Ａ．光検出及び測距システム
【００２４】
ＬＩＤＡＲシステムのような光検出及び測距システムは、システムを取り巻く周囲の形状及び輪郭を測定するためのツールとすることができる。ＬＩＤＡＲシステムは、自律航法と表面の空中写真図化の両方を含む多くのアプリケーションに適用することができる。ＬＩＤＡＲシステムは、システムが動作している周囲のオブジェクトから反射されることになる、光パルスを放出する。各パルスが放出されてから受信されるまで飛行している時間（すなわち、飛行時間「ＴＯＦ」）を測定して、オブジェクトとＬＩＤＡＲシステムとの間の距離を決定することができる。この技術は光の物理学と光学に基づいている。
【００２５】
ＬＩＤＡＲシステムでは、光はすばやく発射するレーザーから放射される。レーザー光は媒体を通過し、建物、木の枝、乗り物などの周囲の物体のポイントで反射される。反射光エネルギーはＬＩＤＡＲレシーバー（検出器）に戻り、そこで記録されて周囲のマッピングに使用される。
【００２６】
図１は、本明細書の実施形態による、光検出及び測距コンポーネント１０２並びにデータ分析及びデータ解釈１０９の動作１００を示す。光検出及び測距コンポーネント１０２は、放射された光信号１１０を送信する送信機１０４と、検出器を具備する受信機１０６と、システム制御及びデータ収集１０８とを具備することができる。放射された光信号１１０は、媒体を通って伝播し、オブジェクト１１２で反射する。戻り光信号１１４は、媒体を通って伝播し、受信機１０６で受信される。システム制御及びデータ取得１０８は、送信機１０４からの発の放射を制御することができ、データ取得は、受信機１０６で検出された戻り光信号１１４を記録することができる。データ分析及びデータ解釈１０９は、システム制御及びデータ取得１０８からの接続１１６を介して出力を受け取り、データ分析機能を実行することができる。接続１１６は、無線又は非接触通信方法で実施することもできる。送信機１０４及び受信機１０６は、光学レンズ（図示せず）を含むことができる。送信機１０４は、特定の順序で複数のパルスを有するレーザービームを放射することができる。いくつかの実施形態では、光検出及び測距コンポーネント１０２並びにデータ分析及びデータ解釈１０９は、ＬＩＤＡＲシステムを具備する。
【００２７】
図２は、本明細書の実施形態による、複数リターンの光信号、すなわち（１）戻り信号２０３及び（２）戻り信号２０５を含む光検出及び測距システム２０２の動作２００を示す。光検出及び測距システム２０２は、ＬＩＤＡＲシステムとすることができる。レーザーのビームの広がりにより、１回のレーザーの発射で複数のオブジェクトに突き当たり、複数の反射が発生することがしばしば生じる。光検出及び測距システム２０２は、複数の戻りを分析し、最強の戻り、最後の戻り、又は両方の戻りのいずれかを報告することができる。図２に示されるように、光検出及び測距システム２０２は、近くの壁２０４及び遠くの壁２０８の方向にレーザーを放射する。図示のように、ビームの大部分は領域２０６で近くの壁２０４に当たり、結果として戻り信号２０３となり、ビームの別の部分は領域２１０で遠くの壁２０８に当たり、戻り信号２０５となる。戻り信号２０３は、戻り信号２０５と比較して、短いＴＯＦ及び強い受信信号強度を有することができる。光検出及び測距システム２０２は、２つのオブジェクト間の距離が最小距離よりも大きい場合にのみ、両方の戻りを記録することができる。単一の及び複数リターンのＬＩＤＡＲシステムの両方で、正確なＴＯＦが計算されるように、リターン信号が送信された光信号と正確に関連付けられることが重要である。
【００２８】
ＬＩＤＡＲシステムのいくつかの実施形態では、距離データを２Ｄ（すなわち、単一平面）ポイントクラウド方式で捕捉することができる。これらのＬＩＤＡＲシステムは、産業用アプリケーションで使用されることが多く、しばしば、測量、マッピング、自律航法、その他の用途に再利用することができる。これらのデバイスのいくつかの実施形態は、少なくとも１つの平面全体の走査を実行するために、いくつかのタイプの移動鏡と組み合わされた単一のレーザーエミッタ／検出器ペアの使用に頼る。この鏡は、ダイオードから放出された光を反射するだけでなく、戻り光を検出器へと反射することもできる。このアプリケーションで回転鏡を使用することが、システム設計と製造の両方を簡素化しながら、９０度−１８０度−３６０度の方位角ビューを実現するための手段になる場合がある。
【００２９】
図３は、本明細書の実施形態による回転鏡を有するＬＩＤＡＲシステム３００を示す。ＬＩＤＡＲシステム３００は、回転鏡と組み合わせた単一のレーザーエミッタ／検出器を使用して、平面全体を効果的にスキャンする。そのようなシステムによって実行される距離測定は、事実上２次元（つまり、平面）であり、捕捉された距離ポイントは、２次元（つまり、単一平面）のポイントクラウドとしてレンダリングされる。いくつかの実施形態では、回転鏡は非常に速い速度、例えば、毎分数千回転で回転するが、これに限定するものではない。回転鏡は、スピニングミラーとも呼ばれる。
【００３０】
ＬＩＤＡＲシステム３００は、単一の発光器及び光検出器を具備するレーザーエレクトロニクス３０２を具備する。放射されたレーザー信号３０１は、放射されたレーザー信号３０１を回転鏡３０６に向けて反射させるための固定鏡３０４に向けることができる。回転鏡３０６が「回転する」につれて、放射されたレーザー信号３０１を、その伝搬経路にあるオブジェクト３０８は反射することができる。反射信号３０３は、回転鏡３０６及び固定鏡３０４を介して、レーザーエレクトロニクス３０２内の検出器に結合することができる。
【００３１】
前述のように、飛行時間、つまりＴＯＦは、ＬＩＤＡＲシステムが周囲をマッピングするために使用する方法であり、ターゲットオブジェクトの検出に使用される実行可能な実証済みの技術を提供する。同時に、レーザーが放射されると、ＬＩＤＡＲシステム内のファームウェアが受信データを分析及び測定することができる。ＬＩＤＡＲシステム内の受光レンズは、環境から戻ってくる光量子を集める望遠鏡のように機能する。システムで使用されるレーザーが多ければ多いほど、環境に関する多くの情報が収集される。単一のレーザーＬＩＤＡＲシステムは、複数のレーザーを備えたシステムと比較して、取得する光量子が少なく、取得できる情報が少ないため、不利な場合がある。ＬＩＤＡＲシステムのいくつかの実施形態では、８、１６、３２、６４、及び１２８個のレーザーで実装されているが、これに限定されるものではない。また、いくつかのＬＩＤＡＲシステムの実施形態では、レーザービームが０．１度程度の狭い間隔で最大１２０度の垂直視野（ＦＯＶ）を有し、毎秒５〜２０回転の回転速度を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００３２】
回転ミラー機能は、ＭＥＭＳなどのソリッドステートテクノロジーで実装することもできる。
Ｂ．コンデンサカップリング
【００３３】
ＬＩＤＡＲシステムのようないくつかの電子システムでは、無線又は非接触方式で電子システム内でデータを送信する必要がある場合がある。無線又は非接触方式の選択肢として、無線技術、水銀電気接点、光リンク、誘導カップリング及び容量性カップリングを含むことができる。これらの選択肢の特性を検討すると、容量性カップリングに利点があるかもしれない。たとえば、容量性カップリングと比較して、無線技術では３０倍から４０倍の電力を必要とし、より高価になる可能性がある。誘導カップリングでは、送信回数が１／１０となってしまう。水銀電気接点は自動車用途には適さない場合があり、光通信はデータ伝送が１つのリンクに限定される。光通信を除いて、代替案はコンデンサカップリングよりもデータ転送が遅い可能性がある。
【００３４】
いくつかの実施形態では、図１のＬＩＤＡＲシステムを参照すると、光検出及び測距コンポーネント１０２は、ローター上に配置することができ、データ分析及びデータ解釈１０９は、ローターの中心に挿入されるシャフト上に配置することができる。動作中、ローターはシャフトの周りを回転し、ローターとシャフトの間にエアギャップコンデンサが付いている。この構造には、無線又は非接触の接続が必要となる。エアギャップコンデンサは、光検出及び測距コンポーネント１０２とデータ分析及び解釈１０９との間の容量性リンク、すなわち接続１１６を容易にする。他のいくつかの実施形態では、データ分析機能の一部をローターに配置することができる。
【００３５】
誘導カップリングは、光検出及び測距コンポーネント１０２とデータ分析及び解釈１０９との間のデータ転送及び電力転送を行うための機能的解決策となることができる。２つの導体は、一方のワイヤを流れる電流の変化が電磁誘導を介して他方のワイヤの両端に電圧を誘導するように構成されている場合、誘導カップリングされている、又は磁気結合されていると称される。２つの導体間の誘導カップリングの量は、相互インダクタンスによって測定される。インダクタの両端の電圧は、印加電圧の変化率に比例するが、進みではなく遅れとなる。誘導カップリングにより、不要な寄生発振が発生し、送信周波数が制限される可能性がある。前述のように、誘導カップリングは、コンデンサ結合と比較してデータ転送速度が遅くなる可能性がある。
【００３６】
静電容量は、システム内の電荷の変化とそれに対応する電位の変化の比率である。すなわち、電界により、導体内の電荷が導体間のギャップに向かって移動する。単純なコンデンサには、絶縁ギャップで分離された２つのプレートが含まれる。絶縁ギャップは、エアギャップであってもよい。コンデンサの端子に電圧が印加されると、電子が一方のプレートからもう一方のプレートに移動し、一方が正に帯電し、もう一方が負に帯電する。コンデンサへの電流は、電圧の変化率に比例し、ＡＣが印加されたときに電圧の位相を進める。
【００３７】
容量性カップリングとは、コンデンサを使用して回路の１つのセグメントから別のセグメントに交流電気信号又はエネルギーを転送することである。カップリングは、ＤＣエネルギーを遮断しながら、ＡＣ信号伝達手段を提供する。容量性カップリングは、ＡＣカップリングとも呼ばれ、デジタル回路で使用して、ＤＣ平衡信号として知られる、ゼロのＤＣ成分を持つデジタル信号を送信できる。ＤＣ平衡波形は、ＡＣ結合電気接続の代わりに使用して、接続されたシステム又はコンポーネント間の電圧不均衡の問題や電荷の蓄積を回避することができるため、通信システムで役立てることができる。ほとんどのモデムラインコードは、ユニポーラ、ポーラー、バイポーラ、マンチェスターエンコーディング／デコーディングを含むＤＣバランス波形を生成するように設計されている。
【００３８】
図４Ａは、本明細書の実施形態による同心円筒形コンデンサ４００を示す。同心円筒形コンデンサ４００は、２つの同心円筒を具備することができ、ここで、ａ＝内側円筒の半径、ｂ＝外側円筒の半径、及びＬ＝両方の円筒の長さである。静電容量のエアギャップはｂ−ａに等しくなる。２つの同心円筒の静電容量は次のとおりとなる。
【数１】
2021514157.tif 000003
ここで、ε０は空気の誘電率、εｒは比誘電率である。
【００３９】
同心円筒形コンデンサ４００は、外側の円筒が静止した内側の円筒の周りを回転する場合、又はその逆の場合、その値を維持する。
【００４０】
図４Ｂは、本文書の実施形態による、受信機４２４と送信機４２２との間の容量性リンク４２０を示す。図示の通り、送信機４２２は、同心円筒、例えば、同心円筒４００の外側円筒上に配置されたＰＣＢ（プリント回路基板）の構成要素となることができる。受信機４２４は、同心円筒、例えば、同心円筒４００の内側円筒上に配置されたＰＣＢの構成要素となることができる。送信機４２２及び受信機４２４は、エアギャップコンデンサ４２６を介してコンデンサ結合することができ、したがって、受信機４２４と送信機４２２との間に容量性リンクを作り出す。外側のシリンダーＰＣＢは、静止した内側のシリンダーＰＣＢの周りを回転することができる。
【００４１】
図４Ｂは、エアギャップコンデンサ４２６によってサポートされる容量性リンクを示す。この容量性リンクは、単一の通信リンクをサポートする。追加の通信リンクが必要な場合は、追加のエアギャップコンデンサが必要になることがある。例えば、エアギャップコンデンサ４２６のうちの２つは、２つの通信リンクを提供し、双方向又は差動信号伝達のいずれかをサポートすることができる。したがって、４つのエアギャップコンデンサ４２６は、４つの通信リンクを提供することができ、双方向差動信号伝達をサポートすることができる。
Ｃ．容量性リンク
【００４２】
システム内のコンポーネント間の非接触カップリングのいくつかの実施形態は、誘導カップリングに基づくことができる。回転ビームと固定円筒ビームには、２つの誘導カップリング接続があり、１つはデータの転送用、もう１つは他のデバイスに電力を供給するためである。差動モードでの２つの誘導カップリング接続は、単一の誘導リンクと比較して改善された信号インテグリティを提供する可能性があります。改善された信号インテグリティとは、歪や信号損失が改善された（すなわち低減された）信号が２点間で転送されることを意味する。
【００４３】
本明細書は、誘導カップリングに代えて、より高速なデータ転送を可能にする、容量性カップリングを利用する方法及び装置を説明する。差動信号伝達をサポートするために、１つのインダクタを２つのコンデンサに置き換えることができる。有効なデータレートは１Ｇｂｐｓである。設計の進化により、将来のデータレートは１０Ｇｂｐｓになる可能性もある。この方法及び装置は、システムの１つのＰＣＢと他のＰＣＢの間に容量性リンクを作り出すために、回転電極板と固定電極板の間のエアギャップを使用することに基づいている。非接触リンクのいくつかの実施形態では、データは容量性リンクを利用して転送することができ、電力は誘導性リンクを利用して転送することができる。データ転送用の専用パス（容量性リンク）により、干渉除去を行うためのエネルギー転送に関連するノイズを避けることができる。
【００４４】
図５Ａは、本明細書の実施形態による、ローター５０１及びシャフト５１１のローターシャフト構造５００を示す。ローター５０１は、円筒形状を有することができ、回転子５０１の中心に円筒形の穴を具備することができる。シャフト５１１は、円筒形の穴の内側に配置することができる。図示の通り、ローター５０１はシャフト５１１の周りを回転する。これらのコンポーネントは、ＬＩＤＡＲシステムに含めることができる。ローター５０１はローターコンポーネント５０２を含むことができ、シャフト５１１はシャフトコンポーネント５１６を含むことができる。ローターコンポーネント５０２には、上部ＰＣＢが含まれ、シャフトコンポーネント５１６には、下部ＰＣＢが含まれる。いくつかの実施形態では、ローターコンポーネント５０２は、光検出及び測距コンポーネント１０２を含むことができ、シャフトコンポーネント５１６は、図１のデータ分析及び解釈１０９を含むことができる。
【００４５】
接続５０４を介して回転子構成要素５０２に結合されるのは、リング５０６及びリング５０８である。リング５０６及びリング５０８は、回転子５０１の内面又は内側に配置された円形バンドであり、エアギャップコンデンサの片側に電極板機能を提供する。接続５１４を介してシャフトコンポーネント５１６に結合されるのは、リング５１０及びリング５１２である。リング５１０及びリング５１２は、シャフト５１１の外面に配置された円形バンドであり、エアギャップコンデンサの反対側に電極板機能を提供する。コンデンサＣ１は、リング５０６とリング５１０との間の空間に基づいて形成することができる。他のコンデンサＣ２は、リング５０８とリング５１２との間のスペースに基づいて形成することができる。前述のコンデンサの静電容量は、エアギャップ５１８及び、部分的に、容量性リング５０６、５０８、５１０及び５１２の幅によって定めることができる。リング５０６及びリング５０８はローターリングであり、リング５１０及びリング５１２はシャフトリングである。
【００４６】
リング５０６及びリング５１０は、コンデンサＣ１の電極板コンポーネントであり、リング５０８及びリング５１２は、コンデンサＣ２の電極板コンポーネントである。リング５０６とリング５０８との間の垂直ギャップ５２０は、垂直ギャップ５２０の値が２つのコンデンサ間の干渉のレベルを決定することができるので、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との間の容量性リンクの性能に影響を及ぼすことができる。当業者であれば、ローター５０１及びシャフト５１１がそれぞれ、Ｎ個の容量性リンクをサポートすることができるＮ個のリングを含むことができることを認識するであろう。
【００４７】
図５Ｂは、本明細書の実施形態による単一方向差動信号伝達を行う容量性リンク５４０を示す。容量性リンク５４０は、図５Ａのローターシャフト構造５００の一部として実装することができる。複数リターン光信号は、ローターコンポーネント５０２で受信され、続いてデコードされ、そして処理されて、信号５４２をもたらすことができる。最小限のノイズでシャフトコンポーネント５１６へのデータの質の高い転送を達成するために、差動信号伝達を利用することができる。したがって、信号５４２を、インバータ５４４及び増幅器５４６に結合することができる。インバータ５４４の出力は、図５Ａのリング５０６に相当するリング５５２に結合される。増幅器５４６は、図５Ａのリング５０８に相当するリング５５４に結合される。リング５５２及びリング５５４はそれぞれ、対応するリング５５６及びリング５５８へのエアギャップと位置合わせされて、それぞれコンデンサＣ１及びＣ２を形成することができる。結果として生じる差動信号は、信号５５０を生成するために差動増幅器５４８に結合される。したがって、差動信号伝達を行うには、２つの容量性リンクが必要になる場合がある。１つの容量性リンクはコンデンサＣ１によって提供され、もう１つの容量性リンクはコンデンサＣ２によって提供される。双方向差動信号伝達を行うには、４つの容量性リンクが必要になる場合がある。「ワイヤキャップ」と表示されたコンデンサは、「ボードルーティングコンデンサ」とも呼ばれこともある。
【００４８】
コンデンサの一般的な値は次のとおりである。すなわち、Ｃ１＝Ｃ２＝１０．９ｐＦ、Ｃ３＝２．２５ｐＦ、そして、Ｃ４＝２．２５ｐＦである。前述のように、コンデンサＣ１及びＣ２は、図５Ａのエアギャップ５１８に基づいて定まる。コンデンサＣ３は、垂直ギャップ５２０に基づいて定まる。いくつかの実施形態では、エアギャップ５１８は５ミル（０．１２７ｍｍ）とすることができ、垂直ギャップ５２０は１．５３ｍｍの垂直ギャップ、及び６．３５ｍｍの高さとすることができる。これらの値に基づいて、一般的なＣ１及びＣ２コンデンサは１０ｐＦ〜１５ＰＦになる。より大きなエアギャップコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）は、より高い伝送データレートを含む容量性リンクのパフォーマンスをさらに向上させることができる。将来の設計では、５０ｐＦから２００ｐＦを達成することができる。いくつかの実施形態では、Ｌ１ＡＲシステムの動作のために、コンデンサＣ１及びＣ２の値について２０％未満の変動又は許容誤差が必要とされることがある。コンデンサＣ３とＣ４は寄生コンデンサであり、Ｃ３コンデンサの各々と各Ｃ４コンデンサの各々の値は異なる場合がある。最大のパフォーマンスを得るには、Ｃ３とＣ４の値を最小にすることが望ましい。
【００４９】
図５Ａのローターシャフト構造５００は、ローター５０１上の２つ以上のリング及びシャフト５１１上の２つ以上の対応するリングで構成することができる。前述の通り、双方向信号伝達又は差動信号伝達は、ローター５０１の２つのリングとシャフト５１１の２つの対応するリングで送信することができる。双方向差動信号伝達の場合、ローター５０１には４つのリング、シャフト５１１には４つの対応するリングが必要となる。この構成は、４つの個別の通信リンクをサポートする。効果的には、ローターシャフト構造５００のアーキテクチャによって提供される通信リンクの数は、拡張可能である。コンデンサ結合を介して付加的な通信リンクを追加するために、付加的なリングのペアをローター５０１とシャフト５１１に追加（つまり、堆積）することができる。付加的なリングの機械的仕様は、部分的に、エアギャップ５１８及び垂直ギャップ５２０に基づくことができる。要約すると、ローターシャフト構造５００は、コンデンサ結合に基づく非接触円筒形インターフェースを実装する。
【００５０】
図６は、本発明の実施形態による容量性リンクを形成するためのフローチャート６００を示している。この方法には、以下のステップを具備する。
【００５１】
第２のサブシステムを中心に第１のサブシステムを回転させる（ステップ６０２）。
【００５２】
第１のサブシステムに配置された電極のセットと第２のサブシステムに配置された別の対応する電極のセットとの間のエアギャップに基づいて、第１のサブシステムと第２のサブシステムの間に容量性リンクのセットを形成する（ステップ６０４）。
【００５３】
容量性リンクのセットを介して、第１のデータセットを第１のサブシステムから第２のサブシステムに送信し、第２のデータセットを第２のサブシステムから第１のサブシステムに送信する（ステップ６０６）。
【００５４】
電極の各セットの電極の数が４である場合、容量性リンクのセットは４つの通信リンクを具備する。４つの通信リンクを有する第１のサブシステムと第２のサブシステムとの間のデータの送信のために、双方向差動信号伝達を利用することができる。この方法は、以下を含むことができる。すなわち、マンチェスター方式を用いた双方向差動信号の符号化及び復号、エラー検出コードによる双方向差動信号の処理、そして、誘導カップリングを介して第２のサブシステムによる第１のサブシステムへの電力の供給、である。エラー訂正コードは、周期的冗長検査（ＣＲＣ）とすることができる。マンチェスター方式による符号化／復号により、信号の遷移時間と動作頻度を向上させることができる。いくつかの実施形態では、電極のセットのそれぞれの電極の数がＮ個である場合、容量性リンクのセットはＮ個の通信リンクを具備する。
【００５５】
説明した通り、本明細書の実施形態によるシステムは、円筒形ローターの中心に円筒形の穴を有する円筒形ローターと、円筒形回転子の円筒形の穴の内側に取り付けられた１つ以上のローターリングと、円筒形ローター上に配置され、結合された第１のトランシーバと、円筒形ローターの中心にある円筒形の穴の中に配置されたシャフトとを具備することができる。円筒形ローターはシャフトの周りを回転することができる。システムはまた、シャフト上に配置され、結合された第２のトランシーバと、リングの各ペア間のエアギャップによって作成された１つ以上のエアギャップコンデンサと、１つ以上のエアギャップコンデンサに基づいて、第１のトランシーバと第２のトランシーバとの間で結合された１つ以上の容量性リンクとを具備することができる。
【００５６】
１つ以上の容量性リンクにより、第１のトランシーバと第２のトランシーバとの間に１つ以上の対応する別個の接続を形成することができる。円筒形のローター及びシャフトは、Ｎ個の対応する対のリングを備えることができる。双方向差動信号は、４つの容量性リンクを利用して、第１トランシーバと第２トランシーバによって送受信される。容量性リンクは、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）プロトコルを利用するか、又は、容量性リンクは、シリアライザ／デシリアライザ（ＳＥＲＤＥＳ）インターフェースを利用する。双方向差動信号は、マンチェスターコードでエンコード及びデコードできる。双方向差動信号は、周期的冗長検査（ＣＲＣ）などのエラー検出コードで処理できる。第１のトランシーバ及び第２のトランシーバは、ＬＩＤＡＲシステムを具備することができる。
Ｄ．容量性リンクの実装
【００５７】
カスタムプロトコルで容量性リンクを実装する２つのアプローチについて説明する。第１のアプローチは、図７に関連させて説明する。シリアライザ／デシリアライザ（ＳＥＲＤＥＳ）インターフェースに基づく第２のアプローチは、図８に関連させて説明する。図７は、本明細書の実施形態による、カスタムプロトコルを用いた容量性リンクを実装するためのシステム７００を示す。システム７００の特性には、低レイテンシ、低コスト、低い最大速度（〜２５０Ｍｂｐｓ）が含まれる。システム７００は、ボード（１）７０２、エアギャップコンデンサ７０４及びボード（２）７０６を具備する。図７に示すように、７５０Ｍｈｚクロックにより、２５０Ｍｂｐｓデータはクロックバッファチップに結合される。クロックバッファチップの２つの出力はそれぞれ、エアギャップコンデンサ7０４の２つのコンデンサの１つに結合され、エアギャップコンデンサ7０４はボード（２）７０６に結合される。ボード（２）７０６では、データは共振器、整流器、終端とレベルシフトにより処理される。その後の出力は２５０Ｍｂｐｓの差動データとなる。
【００５８】
図８は、本開示の実施形態による、カスタムプロトコルで容量性リンクを実装するための別のシステム８００を示す。システムは、２つの異なるＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はカスタムＳＯＣ（システムオンチップ）間のシリアライザ／デシリアライザ（ＳＥＲＤＥＳ）インターフェースを使用して、追加コンポーネントなしでリンクを形成する。このシステムの特徴として、高レイテンシ、ＳＥＲＤＥＳをサポートするＦＰＧＡ又はＳＯＣ、高速化の可能性（〜２Ｇｂｐｓの可能性）、そして実装の容易さ、が含まれる。
【００５９】
図８は、上部ＰＣＢ８０２、エアギャップコンデンサ８０４及び下部ＰＣＢ８０６からなる。動作中、６．２５Ｇｂｐｓデータは、エアギャップコンデンサ８０４を介して結合されたＦＰＧＡ及びコンデンサを通してエンコードされる。次に、符号化されたデータを含む信号は、下部ＰＣＢ８０６内のＦＰＧＡによって受信される。
【００６０】
システム８００の特徴には、ＡＣ結合インターフェースとして、上部及び下部ＦＰＧＡからの内部ＳＥＲＤＥＳを使用すること、ＡＣキャップがハイパスフィルターとして機能するため、より高速のＳＥＲＤＥＳが推奨されること、信号が低速パターンに依存している場合、ＳＥＲＤＥＳがロックする起動シーケンスが関心事となること、起動時に最低周波数のコンテンツを確認する必要があることが含まれる。ここでは、８ｂ／ｌ０ｂエンコーディングを無効にできると想定されている。それ以外の場合は、８ｂ／ｌ０ｂエンコーディング又はその他のコーディングスキームを使用して、十分な高周波コンテンツを維持することもできるが、最低周波数コンテンツを確認し、より低い帯域幅を受け入れる必要がある場合がある。
Ｅ．システム実施形態
【００６１】
実施形態では、本特許出願明細書に記載の態様には、情報処理システム／コンピューティングシステムを対象とするか、又はそれに実装することができる。この開示の目的のために、コンピューティングシステムは、演算、計算、決定、分類、処理、送信、受信、取得、発信、ルーティング、切り替え、保存、表示、通信、マニフェスト、検出、記録、複製、操作、又はあらゆる形式の情報、インテリジェンス、又はビジネス、科学、制御、又はその他の目的ためのデータの使用、のために動作する手段又は手段の集合を含めることができる。例えば、コンピューティングシステムは、周囲のオブジェクトをマッピングするために飛行時間を用いるＬＩＤＡＲシステムのような光学測定システムとすることができる。コンピューティングシステムには、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、中央処理装置（ＣＰＵ）又はハードウェア制御ロジック又はソフトウェア制御ロジック、ＲＯＭ、及び／又は他のタイプのメモリのような１つ以上の処理リソースを含めることができる。コンピューティングシステムの追加のコンポーネントには、１つ以上のネットワークポート又はワイヤレスポート、及び、キーボード、マウス、タッチスクリーン、及び／又はビデオディスプレイのような様々な入出力（Ｉ／Ｏ）装置を含むことができる。コンピューティングシステムにはまた、様々なハードウェアコンポーネント間の通信を行うような動作が可能な１つ又は複数のバスを含めることができる。
【００６２】
図９は、本明細書の実施形態によるコンピューティングデバイス／情報処理システム（又はコンピューティングシステム）の簡略化されたブロック図を示す。システム９００について示された機能として、情報処理システムの様々な実施形態をサポートするような動作行うことが理解できるであろうが、情報処理システムを別の構成とし、異なるコンポーネントを有するようにすることもできることを理解すべきである。
【００６３】
図９に示すように、システム９００には、コンピューティング資源を提供し、コンピュータを制御する１つ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）９０１が含まれる。ＣＰＵ９０１は、マイクロプロセッサ等に実装することができ、１つ以上のグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）９１７及び／又は数学的計算のための浮動小数点コプロセッサを有することができる。システム９００はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、又はその両方の形態となることのあるシステムメモリ９０２を有することができる。
【００６４】
図９に示すように、いくつかのコントローラ及び周辺装置も取り付けることができる。入力コントローラ９０３は、キーボード、マウス、又はスタイラスのような様々な入力デバイス９０４とのインターフェースを表す。無線デバイス９０６と通信する無線コントローラ９０５も取り付けることができる。システム９００はまた、それぞれが、本発明の種々の特徴を実行するプログラムの実施形態を含むことができるオペレーティングシステム、ユーティリティ、及びアプリケーションの命令プログラムを記憶するために用いることができる、フラッシュメモリ又は光媒体のような記憶媒体を有する１つ以上の記憶デバイス９０８とのインターフェースを行うための記憶コントローラ９０７を有することができる。記憶デバイス９０８はまた、本発明に従って処理したデータ又は処理すべきデータを記憶するために使用することができる。システム９００はまた、ディスプレイデバイス９１１とのインターフェースを行うためのディスプレイコントローラ９０９を有することができる。コンピューティングシステム９００はまた、自動車９１３と通信するための自動車信号コントローラ９１２を有することができる。通信コントローラ９１４は、１つ又は複数の通信デバイス９１５とインターフェースすることができ、これにより、システム９００が、車載ネットワーク、インターネット、クラウドリソース（例えば、イーサネットクラウド、ファイバーチャンネル・オーバー・イーサネット（ＦＣｏＥ）／データセンターブリッジング（ＤＣＢ）クラウド、等）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ）、又は赤外線信号を含む適切な電磁キャリア信号を含む様々なネットワークのいずれかを介してリモートデバイスに接続できるようになる。
【００６５】
図示のシステムでは、すべての主要なシステム構成要素は、バス９１６に接続することができ、ここでバス９１６は、複数の物理バスを意味することができる。ただし、様々なシステムコンポーネントが互いに物理的に近接している場合とそうでない場合がある。例えば、入力データ及び／又は出力データを、物理的に１つの場所から別の場所にリモートで送信することができる。さらに、本発明の様々な態様を実装するプログラムには、ネットワークを介して遠隔（例えば、サーバー）からアクセスすることができる。そのようなデータ及び／又はプログラムは、ハードディスク、フロッピーディスク、及び磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭやホログラフィックデバイスのような光学メディア、光磁気メディア、及び特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、フラッシュメモリデバイス、ＲＯＭ及びＲＡＭデバイスのようなプログラムコードを格納又は格納して実行するように特別に構成されたハードウェアデバイスを含むがこれらに限定されない様々な機械読み取り可能媒体のいずれかを介して伝達することができる。
【００６６】
本発明の実施形態では、１つ以上のプロセッサ又は処理ユニットにステップを実行させるための命令を、１つ以上の非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体上にエンコードすることができる。１つ以上の非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体は、揮発性メモリ及び不揮発性メモリを含むことに留意すべきである。ハードウェアでの実施又はソフトウェア／ハードウェアでの実施を含む代替的実施が可能であることに留意すべきである。ハードウェアでの実施機能は、ＡＳＩＣ、プログラマブルアレイ、デジタル信号処理回路、等を使用して実現できる。従って、請求項の「手段」という用語は、ソフトウェアでの実施とハードウェアでの実施の両方を包含するものとする。同様に、本明細書で使用される「コンピュータ読み取り可能媒体」という用語には、それにより実行される命令のプログラムを有するソフトウェア及び／又はハードウェア、あるいはそれらの組み合わせが含まれる。これらの実施形態の代替案を念頭に置いて、図及び付随する説明は、必要な処理を実行するために当業者がプログラムコード（すなわち、ソフトウェア）を記述し、及び／又は回路（すなわち、ハードウェア）を製造するために必要とする機能情報を提供するものであることを理解すべきである。
【００６７】
本発明の実施形態はさらに、様々なコンピュータに実装された操作を実行するためのコンピュータコードを有する非一時的なタンジブルコンピュータ読み取り可能媒体を備えたコンピュータ製品に関するものであることに留意すべきである。メディア及びコンピュータコードは、本発明の目的のために特別に設計及び構築されたものとすることができ、又は、当業者に知られているか又は利用可能な種類のものとすることができる。タンジブルコンピュータ読み取り可能媒体の例として、ハードディスク、フロッピーディスク、及び磁気テープのようなの磁気媒体、Ｄ−ＲＯＭやホログラフィックデバイスなどの光学メディア、光磁気メディア、及びアプリケーション固有の集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、フラッシュメモリデバイス、ＲＯＭ及びＲＡＭデバイスのような、プログラムコードを格納又は格納し実行するように特別に構成されたハードウェアデバイス、が含まれるが、これらに限定されない。コンピュータコードの例には、コンパイラによって生成されるようなマシンコード、及びインタプリタを使用してコンピュータによって実行される高いレベルのコードを含むファイルが含まれる。本発明の実施形態は、処理デバイスによって実行されるプログラムモジュール内に収納することができる機械で実行可能な命令として、全体的又は部分的に実施することができる。プログラムモジュールの例には、ライブラリ、プログラム、ルーチン、オブジェクト、コンポーネント、及びデータ構造が含まれる。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールは、ローカル、リモート、又はその両方の設定で物理的に配置できる。
【００６８】
当業者であれば、コンピューティングシステム又はプログラミング言語は本発明の実施に重要でないことを理解するであろう。当業者であれば、上述のいくつかの要素を物理的及び／又は機能的にサブモジュールに分離することができ、又は一緒に組み合わせることができることも理解するであろう。
【００６９】
前述の例及び実施形態は例示であり、本開示の範囲を限定するものではないことが当業者には分かるであろう。明細書を読み、図面を検討することで、当業者には明らかな、すべての置換、強化、均等物、組み合わせ、及び改善は、本開示の思想及び範囲内に含まれるものとする。また、すべての請求項の構成要素は、複数の依存関係、構成、及び組み合わせを有することを含めて、異なる構成とすることができることにも留意すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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