▶ 株式会社ネクスティエレクトロニクスの特許一覧 ▶ 学校法人法政大学の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-03
(45)【発行日】2023-02-13
(54)【発明の名称】電界通信システム
(51)【国際特許分類】
H04B 13/00 20060101AFI20230206BHJP
H04B 5/02 20060101ALI20230206BHJP
【ＦＩ】
H04B13/00
H04B5/02
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021530027
(86)(22)【出願日】2020-06-30
(86)【国際出願番号】 JP2020025606
(87)【国際公開番号】W WO2021002341
(87)【国際公開日】2021-01-07
【審査請求日】2022-03-24
(31)【優先権主張番号】P 2019122753
(32)【優先日】2019-07-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】517146655
【氏名又は名称】株式会社ネクスティエレクトロニクス
(73)【特許権者】
【識別番号】502340996
【氏名又は名称】学校法人法政大学
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100162846
【弁理士】
【氏名又は名称】大牧 綾子
(72)【発明者】
【氏名】品川 満
(72)【発明者】
【氏名】浜村 行平
(72)【発明者】
【氏名】中村 宏
(72)【発明者】
【氏名】清水 尚弘
【審査官】浦口 幸宏
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２１３０６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１５７４０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３２４７７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０５７０４５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－１３０３３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１５３９２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０４９９８２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ １３／００
Ｈ０４Ｂ ５／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電界による通信を行う電界通信システムであって、電界を伝達可能な物質で構成される通信媒体であって、部品と本体とを備える通信媒体と、
前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に結合容量を介して接続された第１電極と、大地グランドに結合容量を介して接続された第２電極との間の電位差に応じた電界を発生する送信機であって、前記送信機の信号側に前記第１電極、グランド側に前記第２電極が接続されている、第１送信機であって、前記部品に接触する第１送信機と、
前記本体に接触する第１受信機と、
前記第１送信機から伝達された電界に基づいて生成される信号の大きさが閾値未満である場合に、前記部品が、前記本体から外れていることを検知する処理部と、
を備え、前記第１送信機と前記第１受信機は、前記通信媒体を介して電界による通信を行う、電界通信システム。
【請求項2】
請求項１に記載の電界通信システムであって、前記第１受信機は、大地グランドに結合容量を介して接続される第３電極と、
前記通信媒体側に配置されている第４電極と、
受信回路であって、前記受信回路の信号側に前記第３電極が、前記受信回路のグランド側に前記第４電極が接続されている、受信回路と
を備え、前記受信回路は、前記送信機から伝達された電界により生じた、前記第３電極と前記第４電極との間の電位差に対応する信号を出力する
電界通信システム。
【請求項3】
請求項１に記載の電界通信システムであって、前記第１受信機は、前記大地グランドと、前記通信媒体の間に接触して配置されており、前記第１受信機は、前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に容量結合を介して接続される第３電極と、
前記大地グランド側に配置され、前記大地グランドに容量結合を介して接続される第４電極と
を備える電界通信システム。
【請求項4】
請求項１または請求項３に記載の電界通信システムであって、前記第１送信機は、大地グランドと、前記通信媒体の間に接触して配置されており、前記第１送信機の前記第２電極は、前記大地グランド側に配置されている、電界通信システム。
【請求項5】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電界通信システムであって、さらに前記第１送信機が接触している前記通信媒体の前記部品の状態又は前記部品の周辺環境を検知するセンサを備え、
前記第１送信機は、前記センサからの出力信号に対応する信号を、前記第１電極と前記第２電極間において時間変化する電圧として出力する、電界通信システム。
【請求項6】
請求項５に記載の電界通信システムであって、前記センサは、前記部品の動きを検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の動きに基づいて、前記部品の稼働時間を算出する、電界通信システム。
【請求項7】
請求項５に記載の電界通信システムであって、前記センサは、前記部品の周辺環境を検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の周辺環境に基づいて、前記部品が適正な稼働環境に置かれているかを検知する、電界通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電界の変化を利用して通信するシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、パワーショベル等の様々な作業装置を使用して作業するにあたり、アームの先端に装着した着脱可能な部品等の状態を、通信ネットワークを介して監視し、この作業装置の稼働状況を適切に管理することが求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
無線ネットワークを介してセンサからの信号を収集する場合、センサが取り付けられた部品等と、この部品等の状況を監視する本体側の監視装置とが離れていてもセンサからの信号を受信できるため、部品の着脱を検知することができない。また、無線ネットワークが到達可能な範囲内で、複数の作業装置が動作する場合、監視装置は、この範囲内の作業装置に関連する全てのセンサからの信号を収集する。この結果、通信したい相手であるアームの先端に装着した部品に取り付けられたセンサと、それ以外の部品に取り付けられたセンサからの信号を、信号の大きさそのものからは確実に区別することができない。
【0004】
また、有線ネットワークを介してセンサからの信号を収集する場合には、部品の着脱を確実に検知することは可能である。しかしながら、センサからの信号を通信するためのケーブルや、ケーブルを部品等と接合するコネクタを設ける必要がある。このケーブルやコネクタは、作業装置の動作中に破損しやすく、ケーブルやコネクタが破損してしまうとセンサからの信号を収集できなくなる。
【0005】
本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、作業装置を構成する金属等に誘導される電界を用いて、電界通信を行うシステム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本技術は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、本開示の一態様は、電界による通信を行う電界通信システムであって、電界を伝達可能な物質で構成される通信媒体と、前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に結合容量を介して接続された第１電極と、大地グランドに結合容量を介して接続された第２電極との間の電位差に応じた電界を発生する送信機であって、前記送信機の信号側に前記第１電極、グランド側に前記第２電極が接続されている、第１送信機と、前記通信媒体に接触して配置される第１受信機と、を備え、前記第１送信機と前記第１受信機は、前記通信媒体を介して電界による通信を行う、電界通信システムである。
【0007】
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1A】本開示の一実施形態に係る電界通信システムの概略図である。
【図1B】本開示の一実施形態にかかる電界通信システムの全体構成図である。
【図1C】本開示の一実施形態にかかる電界通信システムの全体構成図である。
【図2】本開示の第１実施形態に係る電界通信システムの概略図である。
【図3】本開示の第１実施形態による電界通信システムの構成例を示す図である。
【図5】本開示の第２実施形態に係る電界通信システムの概略図である。
【図6】本開示の第２実施形態による電界通信システムの構成例を示す図である。
【図9】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である。
【図10A】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機信号電極を通信媒体側に配置）。
【図10B】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機グランド電極を通信媒体側に配置）。
【図11】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である。
【図12A】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機信号電極を通信媒体側に配置）。
【図12B】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機信号電極を通信媒体側に配置し、受信機グランド電極を通信媒体と導通）。
【図12C】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機グランド電極を通信媒体側に配置し、かつ通信媒体と導通）。
【図14】本開示の第３実施形態に係る電界通信システムの概略図である。
【図15A】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（受信機、送信機共に通信媒体上に配置）。
【図15B】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（送信機を通信媒体上に、受信機を通信媒体と大地グランドとの間に配置）。
【図15C】本開示の一実施形態における実験構成を概略的に示す図である（送信機を通信媒体と大地グランドとの間に、受信機を通信媒体上に配置）。
【図15D】本開示の位置実施形態における実験構成を概略的に示す図である（送信機、受信機共に通信媒体と大地グランドとの間に設置）
【図16】本開示の一実施形態に係る電界通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
［本開示の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。本開示の一実施形態は、以下のような構成を備える。
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。本開示の一実施形態は、以下のような構成を備える。
【0010】
（項目１） 項目１によれば、電界による通信を行う電界通信システムであって、
電界を伝達可能な物質で構成される通信媒体と、
前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に結合容量を介して接続された第１電極と、大地グランドに結合容量を介して接続された第２電極との間の電位差に応じた電界を発生する送信機であって、前記送信機の信号側に前記第１電極、グランド側に前記第２電極が接続されている、第１送信機と、
前記通信媒体に接触して配置される第１受信機と、
を備え、前記第１送信機と前記第１受信機は、前記通信媒体を介して電界による通信を行う、電界通信システムが提供される。
電界を伝達可能な物質で構成される通信媒体と、
前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に結合容量を介して接続された第１電極と、大地グランドに結合容量を介して接続された第２電極との間の電位差に応じた電界を発生する送信機であって、前記送信機の信号側に前記第１電極、グランド側に前記第２電極が接続されている、第１送信機と、
前記通信媒体に接触して配置される第１受信機と、
を備え、前記第１送信機と前記第１受信機は、前記通信媒体を介して電界による通信を行う、電界通信システムが提供される。
【0011】
（項目２） 項目２によれば、項目１に記載の電界通信システムであって、
前記通信媒体は、
前記第１送信機に接触している部品と、
前記第１受信機に接触している本体と、
を備えており、前記電界通信システムはさらに、
前記第１送信機から伝達された電界に基づいて生成される信号の大きさが閾値未満である場合に、前記部品が、前記本体から外れていることを検知する処理部
を備える、電界通信システムが提供される。
前記通信媒体は、
前記第１送信機に接触している部品と、
前記第１受信機に接触している本体と、
を備えており、前記電界通信システムはさらに、
前記第１送信機から伝達された電界に基づいて生成される信号の大きさが閾値未満である場合に、前記部品が、前記本体から外れていることを検知する処理部
を備える、電界通信システムが提供される。
【0012】
（項目３） 項目３によれば、項目２に記載の電界通信システムであって、前記第１受信機は、
大地グランドに結合容量を介して接続される第３電極と、
前記通信媒体側に配置されている第４電極と、
受信回路であって、前記受信回路の信号側に前記第３電極が、前記受信回路のグランド側に前記第４電極が接続されている、受信回路と
を備え、前記受信回路は、前記送信機から伝達された電界により生じた、前記第３電極と前記第４電極との間の電位差に対応する信号を出力する
電界通信システムが提供される。
大地グランドに結合容量を介して接続される第３電極と、
前記通信媒体側に配置されている第４電極と、
受信回路であって、前記受信回路の信号側に前記第３電極が、前記受信回路のグランド側に前記第４電極が接続されている、受信回路と
を備え、前記受信回路は、前記送信機から伝達された電界により生じた、前記第３電極と前記第４電極との間の電位差に対応する信号を出力する
電界通信システムが提供される。
【0013】
（項目４） 項目４によれば、項目２に記載の電界通信システムであって、前記第１受信機は、前記大地グランドと、前記通信媒体の間に接触して配置されており、前記第１受信機は、
前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に容量結合を介して接続される第３電極と、
前記大地グランド側に配置され、前記大地グランドに容量結合を介して接続される第４電極と
を備える電界通信システムが提供される。
前記通信媒体側に配置され、前記通信媒体に容量結合を介して接続される第３電極と、
前記大地グランド側に配置され、前記大地グランドに容量結合を介して接続される第４電極と
を備える電界通信システムが提供される。
【0014】
（項目５） 項目５によれば、項目２または項目４に記載の電界通信システムであって、前記第１送信機は、大地グランドと、前記通信媒体の間に接触して配置されており、
前記第１送信機の前記第２電極は、前記大地グランド側に配置されている、電界通信システムが提供される。
前記第１送信機の前記第２電極は、前記大地グランド側に配置されている、電界通信システムが提供される。
【0015】
（項目６） 項目６によれば、項目３から項目５のいずれか１つの項目に記載の電界通信システムであって、さらに
前記第１送信機が接触している前記通信媒体の前記部品の状態又は前記部品の周辺環境を検知するセンサを備え、
前記第１送信機は、前記センサからの出力信号に対応する信号を、前記第１電極と前記第２電極間において時間変化する電圧として出力する、電界通信システが提供される。
前記第１送信機が接触している前記通信媒体の前記部品の状態又は前記部品の周辺環境を検知するセンサを備え、
前記第１送信機は、前記センサからの出力信号に対応する信号を、前記第１電極と前記第２電極間において時間変化する電圧として出力する、電界通信システが提供される。
【0016】
（項目７） 項目７によれば、項目６に記載の電界通信システムであって、
前記センサは、前記部品の動きを検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の動きに基づいて、前記部品の稼働時間を算出する、電界通信システムが提供される。
前記センサは、前記部品の動きを検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の動きに基づいて、前記部品の稼働時間を算出する、電界通信システムが提供される。
【0017】
（項目８） 項目８によれば、項目６に記載の電界通信システムであって、
前記センサは、前記第１部分の周辺環境を検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の周辺環境に基づいて、前記部品が適正な稼働環境に置かれているかを検知する、電界通信システムが提供される。
前記センサは、前記第１部分の周辺環境を検知するセンサであり、
前記処理部は、さらに前記センサが検知した前記部品の周辺環境に基づいて、前記部品が適正な稼働環境に置かれているかを検知する、電界通信システムが提供される。
【0018】
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。しかし、本開示の実施形態は、必ずしもこのような態様に限定されない。本開示の実施形態が、特許請求の範囲において規定される範囲に含まれる様々な態様を取り得ることは、当業者にとって明らかであろう。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。しかし、本開示の実施形態は、必ずしもこのような態様に限定されない。本開示の実施形態が、特許請求の範囲において規定される範囲に含まれる様々な態様を取り得ることは、当業者にとって明らかであろう。
【0019】
図１Ａは本開示の一実施形態にかかる電界通信システム１００Ａの全体構成図である。電界通信システム１００Ａは、本体１３６と、この本体１３６に着脱可能な部品１３２（図１Ａではアタッチメント１３２（１）及び履帯１３２（２）。以下、部品１３２と総称することがある。）を備える様々な作業装置、例えばパワーショベルや、ロボットアーム等に適用可能なシステムである。電界通信システム１００Ａは、部品側装置１１０（図１Ａでは１１０（１）及び１１０（２））と、本体側装置１２０と、電界を伝達する通信媒体１３０とで主に構成される。電界通信システム１００Ａは、部品１３２に設けられた部品側装置１１０と、本体１３６に設けられた本体側装置１２０との間で、通信媒体１３０に誘導される電界ｅｆを通じて通信を行う。以下、電界通信システム１００Ａが、パワーショベルに適用された場合を例に、図１Ａを参照して、本開示に係る電界通信システム１００Ａ構造について概説する。図１Ａに例示するパワーショベルは、部品１３２である着脱可能なアタッチメント１３２（１）と、本体１３６である作業者が乗るキャビンと、接続部１３４であるアーム１３４（１）で主に構成される。
【0020】
部品１３２は、本体側装置１２０と通信する部品側装置１１０が物理的に接触している部分を含む。部品１３２は、例えば、部品周辺の環境（例えば湿度、温度）や、部品自体の状態（温度、加速度、オン／オフ等）を検知される必要があるものである。パワーショベルにおいて部品１３２は、作業装置の先端に取り付けられるアタッチメント１３２（１）や、本体１３６により制御される被制御装置であるパワーショベルの履帯１３２（２）や、各種フィルタ、例えばエンジンフィルタやオイルフィルタを含む。部品１３２は、接続部１３４を介して本体１３６と着脱可能に構成される。部品１３２は、定期交換部品や、消耗品でもよい。なお本開示において、２つの要素が「物理的に接触する」とは、２つの要素間で電界が伝達できる程度に接触していることを指し、実際には接触する２つの要素間に誘電体が存在することがある。一例として、パワーショベルの部品１３２であるアタッチメントと、部品側装置１１０との間に誘電体である部品側装置１１０のプラスチック等で構成された筐体壁が存在してもよい。
【0021】
接続部１３４（図１Ａではアーム１３４（１）及び基礎部分１３４（２）。以下、接続部１３４と総称することがある。）は、部品１３２と、本体１３６との間に接続される部材であり、一方が部品１３２に、他方が本体１３６に物理的に接触している。接続部１３４は、例えば、部品１３２がパワーショベルのアタッチメント１３２（１）の場合、パワーショベルのアーム１３４（１）であり、部品１３２がパワーショベルの履帯１３２（２）の場合、パワーショベルの基礎部分１３４（２）である。上述したように、部品１３２と、接続部１３４とは物理的に接触していればよく、パワーショベルの部品１３２であるアタッチメントと、接続部１３４であるアームとの間に、例えば誘電体である潤滑油が存在していてもよい。
【0022】
本体１３６は、部品側装置１１０と通信する本体側装置１２０が、物理的に接触している部分を含む。本体１３６は、例えばパワーショベルを操作する作業者が乗るキャビンである。
【0023】
通信媒体１３０は、部品１３２と、部品１３２と本体１３６とを接続する接続部１３４と、本体１３６のうち、電界が伝達される物質、例えば導電体や誘電体で構成される部分である。一例として、通信媒体１３０は、金属に代表される導電体（例えば、鉄、アルミ、銅等）で構成される。例えばパワーショベルの本体１３６は、パワーショベルのフレーム、窓、作業者のシートなどで構成されるが、このうち金属等の電界が伝達される物質で構成されるフレームが通信媒体１３０となる。通信媒体１３０の各部（部品１３２、接続部１３４、本体１３６）はそれぞれ異なる種類の電界を伝達可能な物質で構成されてもよいし、同じ種類の電界を伝達可能な物質で構成されてもよい。また、図１Ａに示す部品１３２、接続部１３４、本体１３６は、それぞれ１以上の要素で構成することができる。本開示によると、部品側装置１１０と部品１３２、部品１３２と接続部１３４、接続部１３４と本体１３６、本体１３６と本体側装置１２０とが、それぞれ物理的に接触することで電界通信のためのネットワークが構築される。このため、各部が物理的に接触していない場合、本体側装置１２０と部品側装置１１０との間では通信は確立されない。したがって、たとえ狭い範囲内で複数の作業装置等が動作をしていても、物理的に接触していない相手と通信することはない。なお、通信媒体１３０を構成する部品１３２、接続部１３４、本体１３６は、様々な形状をとることができる。
【0024】
電界通信システム１００は、上記の部品側装置１１０、本体側装置１２０、通信媒体１３０（部品１３２、接続部１３４、本体１３６）に加えて、さらにセンサ１４０（図１Ａでは２つのセンサ１４０（１）、１４０（２））、処理部１５０、外部通信装置１６０を備えることができる。これらについては図１Ｂを参照して詳細に説明する。
【0025】
なお、図１Ａに示すように、１つの本体１３６に対し、複数の部品１３２（図１Ａではアタッチメント１３２（１）と、履帯１３２（２））、複数の部品側装置１１０（図１Ａでは２つの部品側装置１１０（１）、１１０（２））、複数のセンサ１４０（図１Ａでは２つのセンサ１４０（１）、１４０（２））を設けてもよい。各部品側装置１１０（図１Ａの１１０（１）、１１０（２））に個別の識別番号を付与し、各部品側装置１１０と、部品１３２、及びセンサ１４０の対応関係を、予め設定しておく。これにより、本体側装置１２０は、各部品側装置１１０に対応する部品１３２とセンサ１４０、例えば部品側装置１１０（１）に対応するセンサ１４０（１）と部品１３２（１）を区別して通信することができる。
【0026】
図１Ｂは、本開示の一実施形態にかかる電界通信システム１００Ｂの全体構成図である。電界通信システム１００Ｂは、図１Ａに示した電界通信システム１００Ａと同様に、部品側装置１１０と、本体側装置１２０と、電界を伝達する通信媒体１３０とで主に構成される。図１Ｂの電界通信システム１００Ｂは、さらに部品側装置１１０が送信機２１０ａを、本体側装置１２０が受信機２２０ｂを備える点で、図１Ａに示した電界通信システム１００Ａとは異なる。また、図１Ｂは、通信媒体１３０を伝達する電界ｅｆを例示する。電界ｅｆは、部品１３２と、接続部１３４と、本体１３６のうち電界を伝達可能な物質、例えば金属で構成された部分を通信媒体１３０として伝達する。
【0027】
部品側装置１１０は、本体側装置１２０の受信機２２０ｂへ信号を送信する送信機２１０ａを備える。部品側の送信機２１０ａは、一例として、各送信機２１０ａに割り当てられた識別信号や、センサ１４０から受信した出力信号を受信機２２０ｂへ送信する。部品側の各送信機２１０ａに割り当てられた個別の識別番号により、各送信機２１０ａを一意に識別できる。
【0028】
本体側装置１２０は、部品側装置１１０の送信機２１０ａからの信号を受信し、送信機２１０ａとは離れた位置に配置される受信機２２０ｂを備える。電界通信の際には受信機２２０ｂは、送信機２１０ａが発生した電界内に配置されればよい。
【0029】
本開示によると、受信機２２０ｂを送信機２１０ａが発生した電界内に配置し、受信機２２０ｂと送信機２１０ａを通信媒体１３０と接触させることで、作業装置の電界を伝達可能な物質、例えば金属で構成される部分を通信媒体１３０として通信ネットワーク等を確立する。このため、ケーブル等を含む有線設備や、アンテナ等を含む無線設備を設ける必要がない。有線設備が不要となる結果、重いケーブルが不要になり、例えばパワーショベルの作業時間当たりの燃費の向上を図ることができ、また、作業の際に邪魔なケーブルが不要になることで、作業の効率化を図ることができる。
【0030】
さらに、本開示によると、送信機２１０ａから送信された信号の大きさを受信機２２０ｂ側で検知することで、部品１３２の着脱を監視するための装置を別途設けることなく、部品１３２等の着脱状態を検出することができる。一例として、受信機２２０ｂが受信する信号の大きさが閾値未満の場合、部品１３２が接続部１３４から外れていると判断することができる。
【0031】
図１Ｂに戻り、センサ１４０，処理部１５０、外部通信装置１６０について説明する。センサ１４０は、部品１３２の状態を示す様々な物理量を検知するセンサであり、例えば部品の動きを検知するセンサ（振動センサ、速度センサ、加速度センサ、角速度センサ等）や、部品１３２の環境を測定するセンサ（部品１３２の温度を測定する温度センサ、部品１３２周辺環境の湿度を測定する湿度センサ）、あるいはこれらの組み合わせを含む。センサ１４０は、部品１３２の状態を検知すると、この状態を示す出力信号を、部品側装置１１０へ送信する。なお、１つの部品１３２に複数のセンサ１４０（例えば、温度センサ、湿度センサ、気圧センサの３つのセンサ）を配置してもよい。これら複数のセンサからの出力信号を、各センサ１４０に割り当てられた識別番等と共に、部品側装置１１０へ送信する。部品側装置１１０は、各センサの識別番号と、複数のセンサからの出力信号を、通信媒体１３０を介して本体側装置１２０へ伝達する。
【0032】
処理部１５０は、主たる構成要素として、プロセッサ（不図示）と、メモリ（不図示）とを備える。処理部１５０は、本体側装置１２０から取得したデータをプロセッサが適宜処理し、処理したデータをメモリに格納する。処理部１５０はさらに、メモリに格納されたデータ等を、外部通信装置１６０や本体側装置１２０へ出力することができる。なお、この図示例では、処理部１５０は、本体側装置１２０の上に配置されているが、これに限られるものではなく、本体側装置１２０と、外部通信装置１６０とに通信可能に接続されていればよい。
【0033】
処理部１５０は、部品１３２が、接続部１３４から外れたか否かを検知することができる。処理部１５０は、本体側装置１２０の受信機２２０ｂが受信した、部品側装置１１０の送信機２１０ａから伝達された電界に基づいて生じる電位差により生成される信号の大きさが閾値未満、あるいは略ゼロである場合に、部品が接続部１３４から外れていると判断する。
【0034】
さらに、処理部１５０は、本体側装置１２０から取得した各種センサ１４０からのデータと、部品側の送信機２１０ａに割り当てられた識別番号とを用いて、本体１３６に接続した状態での各部品１３２の状況、例えば稼働時間を算出することができる。
【0035】
より具体的には、処理部１５０は、本体１３６に装着されている部品１３２の送信機２１０ａに割り当てられた識別信号を取得するとともに、部品１３２の動きを検知するセンサ１４０からの出力信号を取得する。処理部１５０は、センサ１４０から取得した出力信号が閾値以上である時間を積算し、この積算時間から部品１３２が装着された状態での、部品の稼働時間を算出することができる。これにより、処理部１５０は、稼働時間が規定時間を超過した場合に、部品１３２のメンテナンスあるいは、部品１３２の交換を促す警報音を発したり、表示を行ったりして、部品１３２を制御している作業者等に通知することができる。
【0036】
また、処理部１５０は、部品１３２の周辺環境を検知するセンサ１４０（例えば温度センサや湿度センサ）からの出力信号、及び送信機２１０ａの識別信号に基づいて、各部品１３２が本体１３６に装着された状態での稼働環境を把握することができる。これにより、処理部１５０は、適正な稼働環境（例えば、適正な温度、適正な湿度）で部品１３２による作業がなされているかを判断、監視することができる。処理部１５０は、部品による作業の稼働環境が適正ではない場合、作業者等に、部品１３２が適正な稼働環境に置かれていないことを警報音や、表示で通知することができる。
【0037】
外部通信装置１６０は、処理部１５０にて取得した各部品の稼働状況等を、外部のコンピュータ（不図示）にインターネット等のネットワークを介して送信する装置である。外部管理者は、外部のコンピュータが外部通信装置１６０から受信した情報に基づいて、各部品１３２の稼働状況を一括して管理することができる。このため、外部管理者は、作業装置が動作している現場へ赴いて作業装置を定期的に点検等することなく、交換部品の発注等を適切なタイミングで行うことができる。なお、この図示例では、外部通信装置１６０は処理部１５０の上に配置されているが、これに限られるものではなく、処理部１５０と、外部のコンピュータ（不図示）と通信可能に接続されていればよい。
【0038】
本開示によると、センサ１４０から取得した部品１３２の状態を示す様々な物理量に基づいて、処理部１５０が部品の稼働状況を求め、作業者に通知し、あるいは外部通信装置１６０が外部管理者へ通知することができる。このため、作業者や、外部管理者は、本体１３６に接触した状態での部品１３２の稼働状況を把握することができ、部品１３２の適切な管理を行うことができる。その結果、部品の異常摩耗や過負荷に伴う不具合を減らすことができ、作業の安全性を高め、作業の効率化を図ることができる。
【0039】
なお、部品１３２と、接続部１３４と、本体１３６との組み合わせは様々な種類の作業装置に適用できる。電界通信システム１００Ｂは、上述したパワーショベル（図１Ａ）の他に、他の建機（ブルドーザ、クレーン車、ロードローラ等）や、車、電車、ロボットアーム、工具、医療機器（メス、鉗子等）などにも適用できる。
【0040】
例えば、本開示の電界通信システム１００Ｂが車に適用される場合、部品１３２はタイヤのホイールやドア等、接続部１３４は車体を構成するフレーム等、本体１３６は車体のコントローラである。なお、この例では、部品１３２と、接続部１３４と、本体１３６は別体で構成しているが、部品１３２と接続部１３４が一体で構成されてもよく、この場合一つの部品１３２’と本体１３６とが物理的に接触する。例えば、本開示の電界通信システム１００が車に適用される場合、部品１３２’は車のドア、本体１３６は車のコントローラとしてもよい。部品１３２’に、パワーウィンドウのスイッチのセンサ１４０と、該センサ１４０からの信号を送信する送信機２１０ａとを設ける。本体１３６に、該コントローラに送信機から２１０ａの信号を受信する受信機２２０ｂを設ける。これによりパワーウィンドウの上げ下げ指示をセンサ１４０で検知すると、電界通信によりセンサ１４０からの出力信号を車のコントローラへ送信することができる。あるいは、部品１３２と、接続部１３４と、本体１３６とが一体となった一つの本体１３６’上に、部品側装置１１０と、本体側装置１２０とを配置してもよい。
【0041】
また、例えば、本開示の電界通信システム１００がロボットアームに適用される場合、部品１３２はロボットアームの先端に取り付けられるロボットハンドなどの先端ツール、接続部１３４はロボットアーム、本体１３６がロボットアームの台座である。
【0042】
さらに、例えば、本開示の電界通信システム１００が電動工具に適用される場合、部品１３２は、工具のアーム先端に取り付けられたアタッチメント、接続部１３４は工具のアームであり、本体１３６は工具の本体である。
【0043】
図１Ｃは、本開示の一実施形態にかかる電界通信システム１００Ｃの全体構成図である。電界通信システム１００Ｃは、部品側装置１１０が、送信機２１０ａに加えて受信機２２０ａを、本体側装置１２０が、受信機２２０ｂに加えて送信機２１０ｂを備える点で、図１Ｂに示した電界通信システム１００Ｂと異なる。以下では図１Ｂにおいて既に説明した構成について説明を省略する。
【0044】
部品側装置１１０の受信機２２０ａは本体側装置１２０の送信機２１０ｂから信号を受信する。部品側の受信機２２０ａは、一例として、送信機２１０ｂから送信された部品１３２を制御する信号、例えばセンサ１４０に対するセンサ情報の送信要求信号を受信する。
【0045】
本体側装置１２０の送信機２１０ｂは、部品側装置１１０の受信機２２０ａへ信号を送信する。なお、図１Ｂや、図１Ｃに示す電界通信システム１００Ｂ、１００Ｃは例示であって、電界通信システムの構成はこれに限られない。一例として、電界通信システム１００は、受信機２２０ａを備える部品側装置１１０と、送信機２１０ｂを備える本体側装置１２０で構成されてもよい。
【0046】
＜第１実施形態＞
図２は、電界通信システム１００Ｃ（図１Ｃ）の第１実施形態に係る構成を示す概略図である。以下、図２を参照して、第１実施形態に係る電界通信システム２００の通信原理を概略的に説明する。図２に示す電界通信システム２００は、部品側装置１１０（図１Ｃ）の送信機２１０ａ（図１Ｃ）と、本体側装置１２０（図１Ｃ）の受信機２２０ｂ（図１Ｃ）との通信、あるいは、部品側装置１１０の受信機２２０ａ（図１Ｃ）と、本体側装置１２０の送信機２１０ｂ（図１Ｃ）との間の通信を、通信媒体１３０を介して電界通信するシステムである。以下では、部品側装置の送信機２１０ａ、本体側装置の送信機２１０ｂを単に送信機２１０と総称し、部品側装置の受信機２２０ａと本体側装置の受信機２２０ｂを単に受信機２２０と総称することがある。
図２は、電界通信システム１００Ｃ（図１Ｃ）の第１実施形態に係る構成を示す概略図である。以下、図２を参照して、第１実施形態に係る電界通信システム２００の通信原理を概略的に説明する。図２に示す電界通信システム２００は、部品側装置１１０（図１Ｃ）の送信機２１０ａ（図１Ｃ）と、本体側装置１２０（図１Ｃ）の受信機２２０ｂ（図１Ｃ）との通信、あるいは、部品側装置１１０の受信機２２０ａ（図１Ｃ）と、本体側装置１２０の送信機２１０ｂ（図１Ｃ）との間の通信を、通信媒体１３０を介して電界通信するシステムである。以下では、部品側装置の送信機２１０ａ、本体側装置の送信機２１０ｂを単に送信機２１０と総称し、部品側装置の受信機２２０ａと本体側装置の受信機２２０ｂを単に受信機２２０と総称することがある。
【0047】
送信機２１０は第１電極２１２と、第１電極２１２に平行に配置される第２電極２１４と、これら各電極に接続され、これら電極の間に設けられた電界通信用の送信回路２１６とで主に構成される。第１電極２１２は、送信回路２１６の信号側に接続され、第２電極２１４は、送信回路２１６のグランド側に接続される。本開示において、送信回路２１６の信号側に接続された電極を信号電極、送信回路２１６のグランド側に接続された電極をグランド電極と称する。第１電極２１２と、第２電極２１４と、送信回路２１６とは絶縁体で構成した１つの筐体内に具備される。第１電極２１２は、通信媒体１３０側の、筐体内の一方の内表面に配置され、第２電極２１４は、筐体内の他方の内側面に配置される。第２電極２１４の第１電極２１２に対向する面と反対側の面は、送信機２１０周辺の空間を向いている。第１電極２１２と、第２電極２１４は、好ましくはほぼ同一の大きさや形状を有しており、それぞれ電界通信のための十分な面積の平面体の形状を有する。第１電極２１２と、第２電極２１４は、例えば矩形である。
【0048】
受信機２２０は第３電極２２２と、第３電極２２２と平行に配置される第４電極２２４と、それら各電極に接続され、これら電極の間に設けられた電界通信用の受信回路２２６とで主に構成される。第３電極２２２は、受信回路２２６の信号側に接続され、第４電極２２４は、受信回路２２６のグランド側に接続される。本開示において、受信回路２２６の信号側に接続された電極を信号電極、受信回路２２６のグランド側に接続された電極をグランド電極と称する。第３電極２２２と、第４電極２２４と受信回路２２６とは絶縁体で構成した１つの筐体内に具備される。第３電極２２２は、通信媒体１３０側の、筐体内の一方の内表面に配置されている。第４電極２２４は、筐体内の他方の内表面に配置され、第４電極２２４の第３電極２２２に対向する面と反対側の面は、受信機２２０周辺の空間を向いている。第３電極２２２と、第４電極２２４は、好ましくはほぼ同一の大きさや形状を有しており、それぞれ電界通信のための十分な面積の平面体の形状を有する。第３電極２２２と、第４電極２２４は、例えば矩形である。
【0049】
送信機２１０（送信回路２１６）は、センサ１４０（図１Ａから図１Ｃ）からの出力信号等を、受信機２２０側に送信したい電気信号へ変調し、この電気信号を、第１電極２１２及び第２電極２１４間において時間変化する電圧として出力する。例えば、送信機２１０は、センサ１４０（図１Ｃ）から取得した信号を、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換し、この変換されたデジタル信号を、第１電極２１２と、第２電極２１４との間において時間変化する電圧(例えばＡＳＫ変調信号)として出力する。すると、第１電極２１２及び第２電極２１４の間に電位差が生じ電界が発生する。この電界が、通信媒体１３０を介して受信機２２０に伝達される。受信機２２０は、送信機２１０が発生した電界内に配置されており、この発生した電界により受信機２２０の第３電極２２２と第４電極２２４との間に電位差が生じると、受信回路２２６これを検知して、復調することで、送信機２１０から送信されたデータを得ることができる。
【0050】
送信機２１０は、内部に、送信回路２１６を動作させるための電力を供給するための内部電源２１８を備えてもよい。内部電源２１８は、例えば、部品１３２の振動によるエネルギで電力を発電する振動発電機や、太陽光で発電するソーラー発電機、バッテリである。バッテリは、例えば、本体側装置１２０から伝達された電界により蓄電するバッテリでもよい。本開示の電界通信システム２００によると、電界を伝達することにより、送信機２１０と、受信機２２０との間でデータの送受信を行うのではなく、データの送受信に代えて、電力の送受を行うことができる。これにより、一例として、本体側装置１２０の送信機２１０ｂ（図１Ｃ）から部品側装置１１０の受信機２２０ａ（図１Ｃ）に電力を送ることで、部品側装置１１０のバッテリ等の電源が不要となる。また部品側装置１１０の内部電源が２次電池等の場合は、電界を伝達することにより、この２次電池の充電が可能となる。なお、受信機２２０も、送信機２１０と同様に、内部電源２２８を備えてもよい。
【0051】
図３は、本開示の一実施形態による図２に示す電界通信システム２００の構成例を示す図である。図３に示す電界通信システム３００は、図２に示す電界通信システム２００と同様に、送信機２１０と、受信機２２０と、通信媒体１３０とを備える。
【0052】
送信機２１０は、第１電極２１２と、第２電極２１４を備える。第１電極２１２は、通信媒体１３０と結合容量を介して接続され、第２電極２１４は大地グランド３０２、及び通信媒体１３０と結合容量を介して接続される。Ｃ１は、第２電極２１４と大地グランド３０２との間の静電容量、Ｃ２は第１電極２１２と第２電極２１４との間の静電容量、Ｃ３は第２電極２１４と通信媒体１３０との間の静電容量、Ｃ４は、第１電極２１２と通信媒体１３０との間の静電容量である。例えば、通信媒体１３０を構成する部品１３２（図１Ｃ）が、通信媒体１３０を構成する接続部１３４（図１Ｃ）から外れると、静電容量Ｃ４が小さくなり、送信機２１０と通信媒体１３０との電気的な結合が弱くなる。このため、送信機２１０と受信機２２０との間の電界が伝達されにくく、あるいは伝達されなくなる。
【0053】
受信機２２０は、第３電極２２２と第４電極２２４と、受信回路２２６とを備える。第３電極２２２は、受信機２２０に接触する通信媒体１３０と結合容量を介して接続され、第４電極２２４は、大地グランド３０２、及び通信媒体１３０と結合容量を介して接続される。また、第４電極２２４は、受信回路２２６のバッテリグランドと結合し、その結果、通信媒体１３０と導通している。Ｃ５は通信媒体１３０の大地グランド３０２に対する静電容量、Ｃ６は第４電極２２４と通信媒体１３０との間の静電容量、Ｃ７は第３電極２２２と第４電極との間の静電容量、Ｃ８は第２電極２１４と第４電極２２４との間の静電容量、Ｃ９は第４電極２２４と大地グランド３０２との間の静電容量、Ｃ１０は第３電極２２２と通信媒体１３０との間の静電容量である。受信回路２２６の信号側に第３電極２２２が接続され、受信回路２２６のグランド側に第４電極２２４が接続される。受信機２２０の第４電極２２４を、大地グランド３０２を介して静電結合し、及び送信機２１０の第２電極２１４を、大地グランド３０２を介して静電結合し、大地グランド３０２を帰還伝送路として利用する。
【0054】
通信媒体１３０は、受信回路２２６のバッテリグランドと接続されており、抵抗ＲとインダクタンスＬの集中定数で表すことができる。
【0055】
図４Ａから図４Ｅは、図３に示す電界通信システム３００に示す各点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）における電圧の時間変化を例示するグラフである。図４Ａは、送信機２１０の第１電極２１２（送信側信号電極、Ｐ１）における電圧、図４Ｂは、受信機２２０の第４電極２２４（受信側グランド電極、Ｐ２）における電圧と、大地グランド３０２に対するバッテリグランド（Ｐ３）における電圧、図４Ｃは、受信機２２０の第３電極２２２（受信側信号電極、Ｐ４）における電圧をそれぞれ示す。図４Ｄは、Ｐ２における電圧と、Ｐ４における電圧の両方を示した図である。図４Ｅは、Ｐ５、すなわち受信回路２２６における受信信号の電圧の時間変化を示し、これは図４Ｄに示すＰ２の電圧と、Ｐ４の電圧の電位差に相当する。
【0056】
図３に示すように、電界通信システム３００では、受信回路２２６の第４電極２２４と通信媒体１３０とが受信回路２２６を経由して導通（２４０）される。これにより、第３電極２２２と、第４電極との電位差が減少する。図４Ｂに示す受信機２２０のグランド電極（第４電極２２４）における電位Ｐ２と、図４Ｃに示す受信機２２０の信号電極（第３電極２２２）における電位Ｐ４とは、同相でかつ振幅が同程度になる。したがって、図４Ｅに示すように、受信機信号電極（第３電極２２２）における電位Ｐ４と受信機グランド電極（第４電極２２４）における電位Ｐ２との間の電位差は生じるものの、その電位差は大きくはない。
【0057】
【0058】
図５に示す送信機２１０は、図２において説明した送信機２１０と同様に構成されるからここでは説明を省略する。図５に示す受信機２２０’は、第３電極２２２と、第３電極２２２と平行に配置される第４電極２２４と、それら各電極に接続され、これら電極の間に設けられた電界通信用の受信回路２２６とで主に構成される。第３電極２２２は、受信回路２２６の信号側に接続され、第４電極２２４は、受信回路２２６のグランド側に接続される。第３電極２２２と、第４電極２２４と、受信回路２２６とは、絶縁体で構成した１つの筐体内に具備される。第３電極２２２は、筐体内の一方の内表面に配置されており、第３電極２２２の第４電極に対抗する面と反対側の面は、受信機２２０’周辺の空間を向いている。第４電極２２４は、通信媒体１３０側の筐体内の内表面に配置される。第４電極２２４は、受信回路２２６のバッテリグランドと結合し、その結果、通信媒体１３０と導通している。あるいは、第４電極２２４は導体（導線や、金属のネジ等）を介して通信媒体１３０と直接導通（２４０）してもよい。
【0059】
図６は、本開示の一実施形態による図５に示す電界通信システム５００の構成例を示す図である。図６に示す電界通信システム６００の送信機２１０と、受信機２２０’と、通信媒体１３０は、それぞれ、図５に示す電界通信システム５００の、送信機２１０と、受信機２２０’と、通信媒体１３０とに対応する。
【0060】
図６に示す送信機２１０は、図３において既に説明した送信機２１０と同様に構成されるから説明を省略する。図６に示す受信機２２０’は、第３電極２２２と第４電極２２４と、受信回路２２６とを備える。第３電極２２２は、受信機２２０に接触する通信媒体１３０、及び大地グランド３０２と結合容量を介して接続される。第４電極２２４は、通信媒体１３０と導通している。Ｃ６’は第３電極２２２と通信媒体１３０との間の静電容量、Ｃ７は第３電極２２２と第４電極との間の静電容量、Ｃ８’は第２電極２１４と第３電極２２２との間の静電容量、Ｃ９’は第３電極２２２と大地グランド３０２との間の静電容量である。受信機２２０の第３電極２２２を、大地グランド３０２を介して静電結合し、及び送信機２１０の第２電極２１４を、大地グランド３０２を介して静電結合し、大地グランド３０２を帰還伝送路として利用する。
【0061】
本実施形態における電界通信システム６００の特徴の一つは、第４電極２２４を通信媒体１３０側に配置することである。第４電極２２４を通信媒体１３０側に配置することで、図７Ａから図７Ｅを参照して以下に説明するように、受信機２２０側の第４電極２２４（グランド電極）と第３電極２２２（信号電極）との間の電位差を大きくし、受信回路２２６に入力する信号の振幅を大きくすることができる。
【0062】
図７Ａから図７Ｅは、図６に示す電界通信システム６００に示す各点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）における電圧の時間変化を例示するグラフである。図７Ａは、送信機２１０の第１電極２１２（送信機信号電極、Ｐ１）における電圧、図７Ｂは、受信機２２０の第４電極２２４（受信側グランド電極、Ｐ２）における電圧、及び大地グランド３０２に対するバッテリグランド（Ｐ３）の電圧、図７Ｃは、受信機２２０の第３電極２２２（受信側信号電極、Ｐ４）における電圧をそれぞれ示す。図７Ｄは、Ｐ２における電圧と、Ｐ４における電圧の両方を示した図である。図４Ｅは、受信回路２２６（Ｐ５）における受信信号の電圧の時間変化を示し、これは図７Ｄに示すＰ２における電圧と、Ｐ４における電圧の電位差に相当する。
【0063】
図７Ｃに示す第３電極２２２（受信機信号電極、Ｐ４）における電圧は、図４Ｃに示す第３電極２２２（受信機信号電極、Ｐ４）における電圧よりも振幅が小さい。これは、図３に示す構成よりも図６の構成では第３電極２２２が、通信媒体１３０から遠いため、通信媒体１３０と第３電極２２２との間の容量結合が小さくなり、第３電極２２２（受信機信号電極）に入る信号の振幅が小さくなるためである。従って、図７Ｅに示すように、第４電極２２４（受信機グランド電極）を通信媒体１３０に導通したときの、受信機グランド電極における電圧と、受信機信号電極における電圧の電位差は、図４Ｅに示す電位差よりも大きくなる。その結果、受信回路２２６に入力する信号を大きくできる。
【0064】
図８は、図６に示す電界通信システム６００の等価回路の例である。図８における信号源８０２及び静電容量Ｃ２は、図６の送信機２１０に対応する。図８に例示する受信回路２２６は、シングルエンド出力アンプであり、第４電極２２４は、受信回路２２６のグランド側に接続されている。なお、受信回路２２６は、差動アンプであってもよい。
【0065】
本開示の電界通信システム８００の特徴の一つは、図６に関する説明で上述したように、第４電極２２４を通信媒体１３０側に配置することである。このように構成することで、第４電極２２４と第３電極２２２との間の電位差が大きくなり、受信回路２２６に入力される信号を大きくすることができる。第１実施形態に係る構成と、第２実施形態に対応する構成を実際に構築し、両者で受信機２２０から出力される信号の大きさを実験により比較した。以下、図９及び図１０を参照して実験の構成を、図１１を参照して実験結果について説明する。
【0066】
図９は、本開示の一実施形態における実験構成９００を概略的に示す図である。実験構成９００の受信機２２０は、第３電極２２２、第４電極２２４、受信回路２２６、電気／光変換器９１０を備える。本実験では、スペクトルアナライザ（ＳＰＡ）９３０を用いて、送信機２１０から受信機２２０、２２０’（以下、受信機２２０、２２０’を受信機２２０と総称することがある。）へ伝達され、受信機２２０から出力される信号を計測した。電気／光変換器（Ｅ／Ｏ）９１０、光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）９２０は、受信回路２２６と、ＳＰＡ９３０との間の高周波干渉を防ぐためのものであり、絶縁体である筐体の中に配置されている。
【0067】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ図９に示す実験構成の断面図である。図１０Ａは第３電極２２２（受信機信号電極）を通信媒体１３０側に配置しており、図３に示す第１実施形態に係るシステム３００に対応する。図１０Ｂは第４電極２２４（受信機グランド電極）を通信媒体１３０と導通し、かつ通信媒体１３０側に配置しており、図６に示す第２実施形態に係るシステム６００に対応する。実験では、図１０Ａの構成、図１０Ｂの構成のそれぞれにおいて、スペクトルアナライザ９３０を用いて受信機２２０、２２０’側における出力信号のグラフを得た。得られた出力信号のグラフから、出力信号強度を解析した結果、受信機２２０側における出力信号強度は、図１０Ａの構成では－６１．１７ｄＢｍ、図１０Ｂの構成では－４１．７６ｄＢｍとなり、図１０Ｂの構成の方が、受信機側で得られる信号レベルが高くなった。
【0068】
図１１は、本開示の一実施形態における実験構成１１００を概略的に示した図である。実験構成１１００の送信機２１０は第１電極２１２、第２電極２１４を備え、受信機２２０（２２０’）は、第３電極２２２、第４電極２２４を備える。本実験では、各電極（第１電極２１２、第２電極２１４、第３電極２２２、第４電極２２４）にそれぞれオシロスコープ１１０２の信号線を接続して、受信機２２０の第３電極２２２、及び第４電極２２４において受信される出力電圧波形の時間変化を観測した。、
【0069】
図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃは、いずれも図１１に示す実験構成１１００に対応する構成の簡略図である。図１２Ａ及び図１２Ｂでは第３電極２２２（受信機信号電極）を通信媒体１３０側に配置しており、図３に示す第１実施形態に係るシステム３００に対応する。なお、図１２Ｂの受信機２２０は、第４電極２２４（受信機グランド電極）が通信媒体１３０に導通している点で図１２Ａに示す受信機２２０と異なる。図１２Ｂの受信機２２０の構成は、図１２Ａの受信機２２０’’の構成よりも実運用での構成に近い。すなわち、本開示の構成をパワーショベルに適用した場合には、受信回路２２６のバッテリグランドと、通信媒体１３０であるパワーショベルのフレーム部分が、受信回路２２６を経由して導通されており、結果として第４電極２２４が通信媒体１３０と導通する。図１２Ｃは第４電極２２４（受信機グランド電極）を通信媒体１３０側に配置し、かつ通信媒体１３０と導通して配置しており、図６に示す第２実施形態に係るシステム６００に対応する。
【0070】
図１３Ａは図１２Ａの構成、図１３Ｂは図１２Ｂの構成、図１３Ｃは図１２Ｃの構成をシミュレーションした結果得られた、出力信号の波形の一部をそれぞれ示す。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃに示すグラフにおいて、濃色は第４電極２２４（受信機グランド電極、Ｐ２）における電位の時間変化、薄色は第３電極２２２（受信機信号電極、Ｐ４）における電位における時間変化を示す。
【0071】
シミュレーション結果によると、図１３Ｂに示す第３電極２２２における電位と第４電極２２４における電位との差の方が、図１３Ａに示す第３電極２２２における電位と第４電極２２４における電位との差よりも小さい。これは、図１２Ｂの構成では、第４電極２２４が通信媒体１３０と導通することで、第４電極２２４（グランド電極）における電圧が大きくなり、第３電極２２２と、第４電極との電位差が減少するためである。
【0072】
また、シミュレーション結果によると、図１３Ｃに示す第３電極２２２における電圧と第４電極２２４における電圧の電位差の方が、図１３Ｂに示す、第３電極２２２における電圧と第４電極２２４における電圧の電位差よりも大きい。これは、図１２Ｃに示すように、第４電極２２４を通信媒体側に配置し、第３電極２２２を通信媒体１３０側から離れて配置することで、通信媒体１３０と第３電極２２２との間の容量結合が小さくなり、第３電極２２２における電圧の振幅が小さくなった結果、第４電極２２４との電位差が大きくなるためである。
【0073】
本開示によると、図１２Ｃに示すように、第４電極２２４を通信媒体１３０側に配置することで、図１２Ａや図１２Ｂに示すように第３電極２２２を通信媒体１３０側に配置する構成よりも、第４電極２２４における電位Ｐ２と第３電極２２２における電位Ｐ４との間の電位差を大きくし、送信機２１０と受信機２２０との間の通信効率を高めることができる。
【0074】
＜第３実施形態＞
図１４は、本開示の一実施形態による電界通信システム１４００の構成例を示す図である。電界通信システム１４００は、図３に示す電界通信システム３００と同様に、送信機２１０と、受信機２２０と、通信媒体１３０とを備えるものの、送信機２１０と、受信機２２０とを配置する位置が異なる。すなわち、図１４において、送信機２１０と、受信機２２０とは、通信媒体１３０と、大地グランド３０２との間に配置される。図１４に示す電界通信システム１４００は、図３において説明した電界通信システム３００と等価回路は変わらず、このため図３において既に説明した構成と同等の構成については、説明を省略する。
図１４は、本開示の一実施形態による電界通信システム１４００の構成例を示す図である。電界通信システム１４００は、図３に示す電界通信システム３００と同様に、送信機２１０と、受信機２２０と、通信媒体１３０とを備えるものの、送信機２１０と、受信機２２０とを配置する位置が異なる。すなわち、図１４において、送信機２１０と、受信機２２０とは、通信媒体１３０と、大地グランド３０２との間に配置される。図１４に示す電界通信システム１４００は、図３において説明した電界通信システム３００と等価回路は変わらず、このため図３において既に説明した構成と同等の構成については、説明を省略する。
【0075】
上述したように、送信機２１０と、受信機２２０とは、通信媒体１３０と大地グランド３０２との間に物理的に接触して配置される。このため、第２電極２１４（送信機グランド電極）と大地グランド３０２との間の距離が短くなり、第２電極２１４と大地グランド３０２との間の静電容量Ｃ１が大きくなる。また、第４電極２２４（受信機グランド電極）と大地グランド３０２との間の距離が短くなり、第４電極２２４と大地グランド３０２との間の静電容量Ｃ９が大きくなる。静電容量Ｃ１、Ｃ９が大きくなるとそれぞれインピーダンスＸ１、Ｘ９（不図示）が減少し、これらのインピーダンスにかかる電圧が下がる。分圧の法則により、相対的に他の静電容量、例えば第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧が高くなる。これにより、受信機２２０側で得られる信号強度が高くなり、電圧利得が改善する。以下、図１５Ａから図１５Ｄに示すように、送信機２１０と受信機２２０との配置位置を様々に変更して、受信機２２０で得られる信号強度がどのように変化するかを計測した。
【0076】
図１５Ａから図１５Ｄは、それぞれ図９に示す実験構成に対応する簡略図である。図１５Ａから図１５Ｄは、送信機２１０と受信機２２０を、通信媒体上、あるいは通信媒体１３０と大地グランド３０２との間にそれぞれ物理的に接触して配置したものである。図１５Ａに示す構成は、図３に示す電界通信システム３００の構成に対応し、図１５Ｄに示す構成は、図１４に示す電界通信システム１４００の構成に対応する。
【0077】
図１５Ａでは、送信機２１０、受信機２２０の両方が通信媒体１３０に物理的に接触して通信媒体１３０上に配置されている。より詳細には、送信機２１０の第１電極２１２、受信機２２０の第３電極２２２は、通信媒体１３０側に配置される。図１５Ａに示す構成において、受信機２２０にて得られる信号の利得は、-１０６．６３５ｄＢであった。
【0078】
図１５Ｂでは、送信機２１０が通信媒体１３０に接触して通信媒体１３０上に物理的に接触して配置され、受信機２２０が、通信媒体１３０と大地グランド３０２との間に配置される。受信機２２０の一方の側面は、通信媒体１３０に物理的に接触して配置されている。より詳細には、送信機２１０の第１電極２１２と、受信機２２０の第３電極２２２は、通信媒体１３０側に配置され、通信媒体１３０に容量結合を介して接続される。受信機２２０の第４電極２２４は、大地グランド３０２側に配置され、大地グランド３０２に容量結合を介して接続される。本構成によると、第４電極２２４と大地グランド３０２との間の静電容量Ｃ９（図１４）が大きくなる。静電容量Ｃ９が増えるとインピーダンスＸ９（不図示）が減少し、これらのインピーダンスにかかる電圧が下がる。分圧の法則により、相対的に第３電極２２２と第４電極との間の静電容量にかかる電圧が、図１５Ａの構成において測定される第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧よりも高くなる。したがって、図１５Ｂに示す構成において、受信機２２０から出力される信号の利得は、-９８．３５４５ｄＢであり、図１５Ａの構成において得られる信号の利得よりも高い。
【0079】
図１５Ｃは、送信機２１０が通信媒体１３０と大地グランド３０２との間に物理的に接触して配置され、受信機２２０が通信媒体１３０に接触して通信媒体１３０上に物理的に接触して配置されていることを示す。送信機２１０の一方の側面は、通信媒体１３０に、物理的に接触して配置されている。より詳細には、送信機２１０の第１電極２１２は、通信媒体１３０側に配置され、通信媒体１３０に容量結合を介して接続される。送信機２１０の第２電極２１４は、大地グランド３０２側に配置され、大地グランド３０２に容量結合を介して接続される。本構成によると、第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧が、図１５Ａの構成において測定される第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧よりも高くなる。したがって、図１５Ｃに示す構成において、受信機２２０から出力される信号の利得は、-９９．１７４５ｄＢであり、図１５Ａの構成において得られる信号の利得よりも高い。
【0080】
図１５Ｄは、送信機２１０、受信機２２０共に通信媒体１３０と大地グランド３０２との間にそれぞれ接触して配置していることを示す。すなわち、送信機２１０の第１電極２１２、受信機２２０の第３電極２２２は通信媒体１３０側に配置され、送信機２１０の第２電極２１４、受信機２２０の第４電極２２４は、大地グランド３０２側に配置される。本構成によると、第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧は、図１５Ｂ、図１５Ｃの構成において測定される第３電極２２２と第４電極との間の静電容量Ｃ７にかかる電圧よりも高くなる。したがって、図１５Ｄに示す構成において、受信機２２０から出力される信号の利得は、-８９．１６４５ｄＢであり、図１５Ｂ、図１５Ｃの構成において得られる信号の利得よりも高い。
【0081】
本開示によると、図１５Ｂ、図１５Ｃに示すように、送信機２１０と、受信機２２０のいずれかを、通信媒体１３０と大地グランド３０２との間に配置することで、図１５Ａに示す構成よりも、受信機２２０で高い利得が得られる。さらに、図１５Ｄに示すように、送信機２１０、受信機２２０の両方を、通信媒体１３０と大地グランド３０２との間に配置することで、図１５Ｂ、図１５Ｃに示す構成よりも、受信機２２０でさらに高い利得が得られる。例えば、図１５Ａに示す構成で測定した利得は－１０６．６３５ｄＢであるのに対し、図１５Ｄに示す構成で測定した利得は－８９．１６４５ｄＢであり、その差は約１７．５ｄＢであった。
【0082】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその均等物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、実施形態および変形例の任意の組み合わせが可能であり、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。
【0083】
例えば、図１６は、本開示の一実施形態に係る電界通信システム１６００の概略図である。部品側装置１１０は、送信機２１０ａに加えて受信機２２０ａ’を、本体側装置１２０は、受信機２２０ｂ’に加えて送信機２１０ｂを備える。電界通信システム１２００の送信機２１０ａ、受信機２２０ｂ’は、それぞれ図５に説明した送信機２１０、受信機２２０’に対応するからここでは説明を省略する。
【0084】
本体側装置１２０は通信媒体１３０に物理的に接触する。本体側装置１２０の送信機２１０ｂは、第５電極３１２と、第６電極３１４と、送信回路３１６を備える。送信回路３１６の信号側に第５電極３１２（信号電極）、グランド側に第６電極３１４（グランド電極）が接続される。送信回路３１６は、通信媒体に結合容量を介して接続された第５電極３１２（信号電極）と、大地グランド３０２及び通信媒体１３０と結合容量を介して接続された第６電極３１４（グランド電極）との間の電位差に応じた電界を発生する。
【0085】
部品側装置１１０は通信媒体１３０に物理的に接触する。部品側装置１１０の受信機２２０ａ’は、第７電極３２２と、第８電極３２４と、受信回路３２６を備える。受信回路３２６の信号側に第７電極３２２（信号電極）、グランド側に第８電極３２４（グランド電極）が接続される。受信回路３２６は、通信媒体１３０及び大地グランド３０２と結合容量を介して接続された第７電極と、通信媒体１３０と導通している第８電極との間に生じた電位差を検知して、送信機から送信されたデータを得る。本体側装置１２０の送信機２１０ｂと、部品側装置１１０の受信機２２０ａ’は、通信媒体１３０を介して電界による通信を行う。
【符号の説明】
【0086】
ｅｆ…電界
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、２００、３００、５００、６００、１２００…電界通信システム
１１０…部品側装置
１２０…本体側装置
１３０…通信媒体
１３２…部品
１３４…接続部
１３６…本体
１４０…センサ
１５０…処理部
１６０…外部通信装置
２１０…送信機
２１２…第１電極(送信機信号電極)
２１４…第２電極(送信機グランド電極)
２１６…送信回路
２２０、２２０’、２２０’’…受信機
２２２…第３電極(受信機信号電極)
２２４…第４電極(受信機グランド電極)
２２６…受信回路
２４０…導通
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、２００、３００、５００、６００、１２００…電界通信システム
１１０…部品側装置
１２０…本体側装置
１３０…通信媒体
１３２…部品
１３４…接続部
１３６…本体
１４０…センサ
１５０…処理部
１６０…外部通信装置
２１０…送信機
２１２…第１電極(送信機信号電極)
２１４…第２電極(送信機グランド電極)
２１６…送信回路
２２０、２２０’、２２０’’…受信機
２２２…第３電極(受信機信号電極)
２２４…第４電極(受信機グランド電極)
２２６…受信回路
２４０…導通
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図16】
