JP2014168521A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転ユニットと固定ユニット間の近距離で確実な電波の送受信を行い、高速のデータ伝送が可能な無線通信装置を提供する。
【解決手段】回転中心を軸にして相対的に回転する第１のユニットと第２のユニットとの間で通信を行う無線通信装置であって、一端から終端器に至る伝送路に沿って一定の間隔で複数のスロットを形成し、伝送路から電波を輻射する漏洩伝送路を環状にして第１のユニットに取り付け、漏洩伝送路が形成する環状の円弧に対向して切替え可能な第１、第２のアンテナを第２のユニットに間隔Ｌを置いて取り付ける。漏洩伝送路のスロットの間隔をＰとしたとき、Ｌ＝Ｐ／２＋Ｐ×Ｎ（Ｎは０以上の整数）とし、漏洩伝送路又はダイバーシティアンテナの一方に送信機を接続し、他方に受信機を接続する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、漏洩ケーブルとアンテナを用いて固定ユニットと回転ユニット間で無線通信を行う無線通信装置に関する。

従来、固定ユニットと回転ユニット間の無線通信装置として、例えばＸ線ＣＴ（Computed tomography）装置が挙げられる。Ｘ線ＣＴ装置では、ガントリ内の回転ユニットにＸ線管とＸ線検出器を対向配置し、Ｘ線管とＸ線検出器を被検体の回りに回転させながらＸ線を曝射し、被検体を透過し減衰したＸ線を検出し、Ｘ線検出データをもとに断層画像等のＸ線ＣＴ画像を生成するようにしている。

またＸ線ＣＴ装置において、Ｘ線検出データは、非接触で回転ユニットから固定ユニットへと伝送される。特許文献１では、非接触でのデータ伝送装置として光通信による送信及び受信装置が開示されている。光通信では回転ユニット側に発光素子を設け、固定ユニット側に受光素子を設けて通信が行われる。

しかしながら、近距離で確実にデータの送受信を行い、高速のデータ伝送を行うには不十分な点がある。

特許第３４７６４６９号公報

発明が解決しようとする課題は、回転ユニットと固定ユニット間の近距離で確実な電波の送受信を行い、高速のデータ伝送が可能な無線通信装置を提供することにある。

実施形態の無線通信装置は、回転中心を軸にして相対的に回転する第１のユニットと第２のユニットとの間で通信を行う無線通信装置であって、一端から終端器に至る伝送路に沿って一定の間隔で複数のスロットを形成し、前記回転中心を軸に環状を成し円弧の中心が前記回転中心に一致するように前記第１のユニットに取り付け、前記伝送路から電波を輻射する漏洩伝送路と、前記漏洩伝送路が形成する環状の円弧に対向して前記第２のユニットにそれぞれ取り付けられ、前記漏洩伝送路の前記スロットの間隔をＰとしたとき、間隔Ｌ（Ｌ＝Ｐ／２＋Ｐ×Ｎ（Ｎは０以上の整数））を置いて前記漏洩伝送路の輻射する電波の偏波面と一致する向きに設置した、切替え可能な第１のアンテナと第２のアンテナを含むダイバーシティアンテナと、送信機と受信機を含み、前記漏洩伝送路又は前記ダイバーシティアンテナの一方に前記送信機を接続し、他方に前記受信機を接続した無線機と、を備える。

一実施形態に係る無線通信装置の適用例であるＸ線ＣＴ装置を概略的に示す説明図。 一実施形態の無線通信装置に使用する漏洩ケーブルの一例を示す斜視図。 一実施形態に係る無線通信装置を示す構成図。 漏洩ケーブルと平面アンテ間の電力伝達係数を測定する実験図。 漏洩ケーブルと平面アンテ間の電力伝達係数の測定結果を示す図。 一実施形態において第１，第２のアンテナ間の距離Ｌを、Ｌ＝Ｐ／２、Ｌ＝３Ｐ／２に設定した場合の電力伝達係数を示す図。 一実施形態における無線通信装置の変形例を示す構成図。 第２の実施形態に係る無線通信装置を示す構成図。 第２の実施形態における進行波型アンテナの一例を示す構成図。 漏洩ケーブルと進行波型アンテナ間の電波の送受信を示す説明図。 漏洩ケーブルと平面アンテナ間の電波の送受信を示す説明図。

以下、発明を実施するための実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態に係る無線通信装置が適用される機器の一例であるＸ線ＣＴ装置の構成を概略的に示す説明図である。図１において、Ｘ線ＣＴ装置１００は、回転ユニット１１と固定ユニット１２から成る架台（ガントリ）１０を有している。回転ユニット１１は、回転駆動するリングであり、Ｘ線管１２とＸ線検出器１３を対向して配置している。回転ユニット１１の中央部分は開口しており、開口部に、寝台の天板１７に載置された被検体Ｐが挿入される。

Ｘ線管１３は、有効視野領域内に載置された被検体Ｐに対してＸ線を曝射する。Ｘ線検出器１４は、被検体Ｐを透過したＸ線を検出するものであり、例えば、シンチレータとフォトダイオードを組み合わせて構成した複数の検出素子が、二次元的に配列されている。

回転ユニット１１の回転により、Ｘ線管１３とＸ線検出器１４とが対向しながら、被検体Ｐの体軸をほぼ中心として回転することになる。この回転と同時に天板１７を被検体Ｐの対軸方向に沿うように移動させれば、螺旋状に被検体をスキャンする所謂ヘリカルスキャンが可能となる。

データ収集部１５は、ＤＡＳ(Data Acquisition System) と呼ばれ、Ｘ線検出器１４からチャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにデジタル信号に変換する。このデジタル信号は、非接触型のデータ伝送装置１６を介してコンピュータシステムを構成するコンソール部（図示せず）に送られ、ディジタルデータに画像処理を施すことによって、被検体の断層画像情報を取得することができる。

本実施形態では、回転ユニット１１と固定ユニット１２間の非接触データ伝送装置１６として、漏洩ケーブルを用いた無線通信装置が使用される。以下、回転ユニット１１と固定ユニット１２間で通信を行う無線通信装置の具体的な構成を説明する。

図２は、第１の実施形態の無線通信装置に使用する漏洩ケーブルを示す斜視図であり、（ａ）は漏洩ケーブルの伝送路の主要部を示す斜視図であり、（ｂ）は環状に曲げた漏洩ケーブルの全体図である。

図２（ａ）において、漏洩ケーブル２０は、中心導体２１を絶縁体２２で覆い、絶縁体２２の外周に外部導体２３を有している。外部導体２３には、スロット２４と呼ばれる穿孔が一定間隔Ｐで周期的に設けられ、このスロット２４から電波を送受信する。また図２（ｂ）に示すように、漏洩ケーブル２０による漏洩伝送路は、環状を成し、給電端２５から終端抵抗２６に向って円環状に曲がっている。

図３は、一実施形態に係る無線通信装置を示す構成図であり、Ｘ線ＣＴ装置に採用した例を示す。図３（ａ）は側面図であり、（ｂ）は正面図である。

Ｘ線ＣＴ装置１００は、図１で示したように、Ｘ線を発するＸ線管１３やＸ線検出器１４を備えたガントリ１０、天板１７（寝台）及び操作を行うコンソールから主に構成される。ガントリ１０は、固定ユニット１２に回転ユニット１１用の軸受１８が固定され、この軸受１８によって回転ユニット１１を保持する。回転ユニット１１には、Ｘ線を発するＸ線管１３と、Ｘ線管１３と対向する位置にＸ線検出器１４が設置される。Ｘ線検出器１４で検出されたデータ収集部１５（図１）を介して、非接触のデータ伝送装置１６によって固定ユニット１２側に送信される。

以下、非接触のデータ伝送装置１６を実現する無線通信装置について詳細に説明する。

第１の実施形態の無線通信装置２００は、円環状に曲げた漏洩ケーブル２０と、送信機３１、受信機３２、平面アンテナ３３，３４及び切替器３５を備える。平面アンテナ３３，３４（以下単にアンテナ３３，３４と呼ぶこともある）は、回転ユニット１１にそれぞれ取り付けられ、アンテナ３３と３４は所定の間隔Ｌを置いて設置される。また円環状に曲げた漏洩ケーブル２０が固定ユニット１２の固定具１９に取り付けられる。平面アンテナ３３，３４と漏洩ケーブル２０は、近接した距離Ｄをおいて対向配置しており、漏洩ケーブル２０が形成する環状の円弧に対向して平面アンテナ３３，３４が位置する。

尚、漏洩ケーブル２０は、受信用のアンテナとして機能する。また、回転ユニット１１又は固定ユニット１２の一方は、漏洩ケーブル２０が取り付けられる第１のユニットを構成し、回転ユニット１１又は固定ユニット１２の他方は、平面アンテナ３３，３４が取り付けられる第２のユニットを構成し、第１のユニットと第２のユニットは回転中心Ｘを軸に相対的に回転する。

平面アンテナ３３，３４は、ダイバーシティアンテナを構成し、切替器３５を介して送信機３１に接続され、Ｘ線検出器１４からの検出データがデータ収集部１５及びＬＡＮケーブルを介して送信機３１に供給される。以下、説明を分かり易くするためＸ線検出器１４が送信機３１に接続されたものとして図示する。

送信機３１と切替器３５は、同軸ケーブルで接続される。また漏洩ケーブル２０の一端（給電端２５）は、受信機３２に接続され、受信機３２は画像処理部４０に接続される。漏洩ケーブル２０と受信機３２は同軸ケーブルで接続され、受信機３２と画像処理部４０はＬＡＮケーブルで接続される。尚、送信機３１と受信機３２は無線機を構成する。

漏洩ケーブル２０の曲げ半径は、例えば漏洩ケーブルの外径の１０倍以上とする。これは、漏洩ケーブル２０のスロット２４が潰れて仕様通りの特性が得られなくなることを防止するためである。また漏洩ケーブル２０は、環の中心が回転ユニット１１の回転中心Ｘと一致するように固定ユニット１２の固定具１９に設置する。つまり、回転ユニット１１が回転しても、回転ユニット１１に取付けたアンテナ３３，３４と固定ユニット１２に設置した漏洩ケーブル２０が常に対向した位置関係を維持するためである。

また、漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３，３４は偏波が一致するようにし、距離Ｄだけ離れるように設置する。また、漏洩ケーブル２０は、スロット２４が回転ユニット１１側を向くようにし、スロット２４とアンテナ３３，３４の放射面が対向するように設置する。

次に平面アンテナ３３と３４の設置間隔Ｌについて説明する。図２に示したように、漏洩ケーブル２０は外部導体２３にスロット２４と呼ばれる穿孔が一定間隔Ｐで周期的に設けられ、スロット２４から電波を送受信する。

図４は、漏洩ケーブル２０に対する平面アンテナ３３，３４による電力伝達を確認するための実験図である。漏洩ケーブル２０は、伝送路の一端に給電端２５を有し、伝送路の他端に終端器である終端抵抗２６を有している。送信機３１が接続された給電端２５から終端抵抗２６までが漏洩伝送路を構成する。

実験では、図４に示すようにネットワークアナライザ５０のポート（Port 1）に漏洩ケーブル２０の一端（給電端）２５を接続し、ポート（Port 2）に平面アンテナ３３を接続した。漏洩ケーブル２０としては、スロット２４の間隔Ｐが７．２ｃｍのものを使用した。漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３の距離Ｄは４ｃｍとし、平面アンテナ３３を漏洩ケーブル２０の伝送路に沿って１ｃｍ毎に移動させ、電力伝達係数Ｓ２１を測定した。

実験結果を図５に示す。図５から分かるように、漏洩ケーブル２０に対する平面アンテナ３３の位置によって、スロット２４の間隔Ｐと同一周期で電力伝達係数Ｓ２１が７〜８ｄＢ程度の振幅Ａで変動していることが分かる。電力伝達係数Ｓ２１の低下は、そのまま受信レベル（図３の例では漏洩ケーブル２０での受信レベル）の低下を意味する。

そこで、複数のアンテナ３３，３４を使用し、受信レベルが高くなる方のアンテナ値を用いる手法が有効となる。電力伝達係数Ｓ２１は周期的に変化しているので、円環状に曲げられた漏洩ケーブル２０の円弧に対向する円周上に平面アンテナ３３と平面アンテナ３４を設置し、その円周上の設置間隔Ｌを、
Ｌ＝Ｐ／２＋Ｎ×Ｐ（Ｎは０以上の整数）…（１）
とし、漏洩ケーブル２０での受信レベルが高くなるように切替器３５でアンテナの切替えを行う。

図６は、アンテナ３３と３４間の距離Ｌを、Ｌ＝Ｐ／２、Ｌ＝３Ｐ／２に設定した場合の電力伝達係数を示す。太い点線はＬ＝Ｐ／２の場合の電力伝達係数であり、太い実線はＬ＝３Ｐ／２の場合の電力伝達係数を示す。細い点線は図５の実験結果に相当する。図６から分かるように、アンテナ３３と３４間の距離Ｌを（１）式のように設定することにより、変動の振幅Ａが約半分になり、振幅Ａの平均レベルＢ−Ｃよりも高い受信レベルが得られた。したがって、実施形態では平面アンテナ３３と３４の設置間隔Ｌを、Ｌ＝Ｐ／２＋Ｎ×Ｐを使用することとした。これにより、実験では電力伝達係数Ｓ２１の低かった部分が、高くなることが分かる。

次に本実施形態におけるアンテナ切替え手法と空間ダイバーシティとの相違について述べる。一般に、空間ダイバーシティでは、送受信アンテナの距離が遠方界として扱われる以上に離れており、マルチパスによるフェージング等による受信レベルの変動に対応する技術である。これに対し、本実施形態では、平面アンテナ３３，３４と漏洩ケーブル２０の位置関係によって決まる受信レベル変動に対応する点にある。

また、空間ダイバーシティでは、複数アンテナのアンテナ間隔を相関距離以上に離すこととし、一般には無線通信で使用する周波数の波長に対し、半波長以上とするのに対し、本実施形態では、アンテナ３３と３４の間隔Ｌを、（１）式で示す距離に設定した点にある。

次に、送信機３１と受信機３２を含む無線機について説明する。例えば、Ｘ線ＣＴ装置の画像データ伝送には、最低でも２８０Ｍｂｐｓ以上の通信速度が要求される。近距離で高速な無線通信の要求を満たす技術として、例えばTransferJet等が知られている。しかし、TransferJetは、簡単な操作で数ｃｍの近距離での通信を前提としており、受信レベル変動を抑えるため、アンテナを切替えるといった機能を有していない。

本実施形態では、受信レベル変動を抑えるためアンテナ切替機能を有するダイバーシティアンテナ（アンテナ３３，３４で成る）を設けている。アンテナ３３，３４の切替えは、切替器３５によって行い、切替器３５の切替え制御は、送信機３１が行う。

アンテナ３３（又は３４）と漏洩ケーブル２０による伝達特性は、図５から分かるように、周期的に受信レベルが変化するため、アンテナ３３，３４を（１）式、つまりＬ＝Ｐ／２＋Ｎ×Ｐ（Ｎ：０以上の整数）の間隔で配置することにより、一方のアンテナ３３からの受信レベルが高いときは、他方のアンテナ３４からの受信レベルは低くなる。また他方のアンテナ３４からの受信レベルが高いときは、一方のアンテナ３３のからの受信レベルは低くなる。したがって、漏洩ケーブル２０での受信レベルが良好になるように、アンテナ３３，３４を周期的に切替えることにより、漏洩ケーブル２０からは、安定したレベルで電波を受信することができる。

尚、本実施形態における無線機は、TransferJetに特定されるものではなく、要求される通信速度や、漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３，３４間の距離Ｄによって適宜選択する必要がある。

図７は、第１の実施形態に係る無線通信装置２００の変形例を示す構成図である。図７の例は、回転ユニット１１に環状の漏洩ケーブル２０を取り付け、固定ユニット１２に平面アンテナ３３，３４を取り付けたものである。漏洩ケーブル２０は送信機３１に接続され、アンテナ３３，３４は切替器３５を介して受信機３２に接続されている。漏洩ケーブル２０とアンテナ３３，３４は一定間隔Ｄで対抗し、かつ漏洩ケーブル２０の偏波面と一致する向きでアンテナ３３，３４を設けている。

またアンテナ３３，３４は、（１）式で示すように、漏洩ケーブル２０の円環に沿って、スロット２４の間隔の半分の奇数倍離れた間隔Ｌで配置されている。また一対のアンテナ３３，３４で電波を受信する際に、受信レベルの高い方のアンテナを選択するように切替器３５を設けている。切替器３５の切替え制御は、受信機３２で行う。

以上説明した第１の実施形態によれば、固定ユニット１２または回転ユニット１１の一方に円環状に曲げた漏洩ケーブル２０を布設し、他方にダイバーシティアンテナ（切替え可能な一対のアンテナ３３，３４）を設けている。一対のアンテナ３３，３４は、漏洩ケーブル２０の円環に沿ってスロット２４の間隔の半分の奇数倍離れた間隔で、漏洩ケーブル２０の偏波面と一致する向きで設置しており、かつ電波を受信する際に、受信レベルが高くなるようにアンテナを切替器３５で選択するため、漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３，３４の位置関係によって生じる受信レベルの変動を約１／２に抑えることができ、確実な電波の送受信が可能となるので、高速なデータ伝送が可能となる。

なお、第１の実施形態では、平面アンテナ３３，３４に限定されるものではなく、平面アンテナ３３，３４に代えて進行波型アンテナ等を用いてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る無線通信装置について、図８を参照して説明する。図８（ａ）は、第２の実施形態の無線通信装置２００が設置されたＸ線ＣＴ装置１００の側面図であり、図８（ｂ）は正面図である。第１の実施形態の構成と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。第１の実施形態と異なる点は、平面アンテナ３３，３４と切替器３５で構成されていた部分を進行波型アンテナ３６へ置き換えた点にあり、切替器３５は不要となる。

図８では、固定ユニット１２に環状の漏洩ケーブル２０を取り付け、回転ユニット１１に進行波型アンテナ３６を取り付けた例を示している。回転ユニット１１又は固定ユニット１２の一方は、漏洩ケーブル２０が取り付けられる第１のユニットを構成し、回転ユニット１１又は固定ユニット１２の他方は、進行波型アンテナ３６が取り付けられる第２のユニットを構成し、第１のユニットと第２のユニットは回転中心Ｘを軸に相対的に回転する。

ここで、進行波型アンテナ３６について説明する。図９は、進行波型アンテナの１つであるマイクロストリップラインアレーアンテナを示す構成図である。進行波型アンテナ３６は、マイクロストリップラインを周期的に折り曲げ、その折り曲げ、即ち不連続部分からの放射を利用したアンテナである。放射素子３７からの放射は比較的弱く、アンテナとしての放射効率を高めるために、多数の放射素子３７を必要とする。

次に、漏洩ケーブル２０との通信に使うアンテナとして進行波型アンテナ３６を用いることが効果的であることについて説明する。図１０は、漏洩ケーブル２０と進行波型アンテナ３６間の電波の送受信を示し、図１１は、漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３（３４）の電波の送受信を示す。図１０，図１１の矢印は漏洩ケーブル２０の電波輻射方向を示す。進行波型アンテナ３６の場合、電波を送受信するための放射素子３７の成す面積が広い。したがって、電波送受信エリア３８が広く、アンテナ３６の最大利得は低いといった特徴がある。

一方、平面アンテナ３３（３４）の場合、電波受信エリア３９が狭く、アンテナの最大利得は高いといった特徴がある。Ｘ線ＣＴ装置では、漏洩ケーブル２０と平面アンテナ３３又は進行波型３６との距離は数ｃｍ程度が想定されるため、アンテナ利得は低く、漏洩ケーブル２０との電波送受信エリアが広いアンテナが要望される。そのため、平面アンテナ３３よりも進行波型アンテナ３６の方が電波の送受信を確実に行え、効果的であると言える。

以上説明した第２の実施形態によれば、固定ユニット１２または回転ユニット１１の一方に円環状に曲げた漏洩ケーブル２０を布設し、他方に進行波型アンテナ３６を設けている。また漏洩ケーブル２０の円環に沿って漏洩ケーブル２０の偏波面と一致する向きで進行波型アンテナ３６を設け、電波の送受信エリアを広くしているので、漏洩ケーブル２０と進行波型アンテナ３６の距離が数ｃｍ程度の近距離においても確実な電波の送受信が可能となるので、高速なデータ伝送が可能となる。

また図８の構成においても、図７と同様に回転ユニット１１に環状の漏洩ケーブル２０を取り付け、固定ユニット１２に進行波型アンテナ３６を取り付けるようにしても良い。

尚、本発明のいくつかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…Ｘ線ＣＴ装置
２００…無線通信装置
１１…回転ユニット
１２…固定ユニット
１６…非接触データ伝送装置
１８…回転ユニット用軸受
１９…固定具
２０…漏洩ケーブル（漏洩伝送路）
２１…中心導体
２２…絶縁体
２３…外部導体
２４…スロット
２５…給電端
２６…終端抵抗
３１…送信機
３２…受信機
３３，３４…平面アンテナ
３５…切替器
３６…進行波型アンテナ
３７…放射素子

Claims (5)

1. 回転中心を軸にして相対的に回転する第１のユニットと第２のユニットとの間で通信を行う無線通信装置であって、
   一端から終端器に至る伝送路に沿って一定の間隔で複数のスロットを形成し、前記回転中心を軸に環状を成し円弧の中心が前記回転中心に一致するように前記第１のユニットに取り付け、前記伝送路から電波を輻射する漏洩伝送路と、
   前記漏洩伝送路が形成する環状の円弧に対向して前記第２のユニットにそれぞれ取り付けられ、前記漏洩伝送路の前記スロットの間隔をＰとしたとき、間隔Ｌ（Ｌ＝Ｐ／２＋Ｐ×Ｎ（Ｎは０以上の整数））を置いて前記漏洩伝送路の輻射する電波の偏波面と一致する向きに設置した、切替え可能な第１のアンテナと第２のアンテナを含むダイバーシティアンテナと、
   送信機と受信機を含み、前記漏洩伝送路又は前記ダイバーシティアンテナの一方に前記送信機を接続し、他方に前記受信機を接続した無線機と、
   を備える無線通信装置。
2. 前記漏洩伝送路の前記複数のスロットの面と、前記第１、第２のアンテナの放射面が互いに対向する請求項１記載の無線通信装置。
3. 環状を成す前記漏洩伝送路の半径が、前記漏洩伝送路を構成する漏洩ケーブルの外形の１０倍以上である請求項１記載の無線通信装置。
4. 回転中心を軸にして相対的に回転する第１のユニットと第２のユニットとの間で通信を行う無線通信装置であって、
   一端から終端器に至る伝送路に沿って一定の間隔で複数のスロットを形成し、前記回転中心を軸に環状を成し円弧の中心が前記回転中心に一致するように前記第１のユニットに取り付け、前記伝送路から電波を輻射する漏洩伝送路と、
   前記漏洩伝送路が形成する環状の円弧に対向して前記第２のユニットに取り付けられ、前記漏洩伝送路の輻射する電波の偏波面と一致する向きに設置した進行波型アンテナと、
   送信機と受信機を含み、前記漏洩伝送路又は前記進行波型アンテナの一方に前記送信機を接続し、他方に前記受信機を接続した無線機と、
   を備える無線通信装置。
5. 前記漏洩伝送路の前記複数のスロットの面と、前記進行波型アンテナの放射面が互いに対向する請求項４記載の無線通信装置。

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