JP6311993B2 - 無線装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被計量物の流量を計測する流量計測装置のための無線装置に関するものである。
近年、家屋等の建造物に設置された流量計測装置でガス、電気、水道等の使用量を計測し、この計測データを無線通信によって収集する自動検針システムが導入されている。このような自動検針システムでは、設置しやすさ等の観点から小型の流量計測装置が求められている。
このような流量計測装置として、例えば、ガスメータの金属筐体表面に無線アダプタ子機が取り付けられたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の無線アダプタ子機には、基板実装形板状アンテナが内蔵されている。基板実装形板状アンテナでは、接地導体板と放射導体板の短絡導体とがプリント回路基板の配線パターンを介して接続されている。
特開平10−313212号公報
しかしながら、特許文献1に開示されているアンテナを備える無線アダプタ子機であっても、見通し外通信においては、ガス検針親機からの電波は、反射、透過を繰り返し、これらの電波の合成により、フェージングという現象が発生するおそれがある。そして、このフェージングの影響により、無線通信の成功率が低下するという課題があった。
本発明の目的は、アンテナダイバーシティを使用することで、アンテナ性能の向上を図った無線装置を提供することにある。
本発明に係る無線装置は、流量計測装置の無線装置であって、高周波信号をなす電波を放射する複数の放射導体と、前記高周波信号を形成する高周波電力を前記複数の放射導体に供給する給電回路が搭載されている回路基板と、を備え、前記複数の放射導体のうち、1の放射導体である第1放射導体及び前記第1放射導体とは異なる放射導体である第2放射導体は、それぞれが放射する磁界及び電界の方向が異なるように構成されていることを特徴とする。
これにより、通信成功率を向上させ、電波伝搬距離の広範囲化を実現することができる。
本発明に係る無線装置によれば、通信成功率を向上させ、電波伝搬距離の広範囲化を実現することが可能となる。
図1は、本実施の形態1に係る無線装置を備える流量計測装置の概略構成を示す正面図である。 図2は、図1に示す流量計測装置の側面図である。 図3は、図1に示す無線装置の要部を示す斜視図である。 図4は、図1に示す無線装置の要部を示す模式図である。 図5は、本実施の形態2に係る無線装置を備える流量計測装置の概略構成を示す側面図である。 図6は、本実施の形態3に係る無線装置の概略構成を示す模式図である。 図7は、本実施の形態3に係る無線装置の概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。
(実施の形態1)
本実施の形態1に係る無線装置は、流量計測装置の無線装置であって、高周波信号をなす電波を放射する複数の放射導体と、高周波信号を形成する高周波電力を複数の放射導体に供給する給電回路が搭載されている回路基板と、を備え、複数の放射導体のうち、1の放射導体である第1放射導体及び第1放射導体とは異なる放射導体である第2放射導体は、それぞれが放射する磁界及び電界の方向が異なるように構成されている。
また、本実施の形態1に係る無線装置では、第1放射導体は、線状の放射導体で構成され、無線装置の正面から見て、時計回りに周回するように形成されていて、第2放射導体は、線状の放射導体で構成され、無線装置の正面から見て、反時計回りに周回するように形成されていてもよい。
また、本実施の形態1に係る無線装置では、回路基板と対向するように配置され、接地端子により、回路基板と電気的に接続されている接地導体をさらに備えていてもよい。
さらに、本実施の形態1に係る無線装置では、接地導体は、流量計測装置の金属筐体と回路基板との間に配置され、金属筐体と電磁的に接続されていてもよい。
以下、本実施の形態1に係る無線装置の一例について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
[無線装置の構成]
図1は、本実施の形態1に係る無線装置を備える流量計測装置の概略構成を示す正面図である。図2は、図1に示す流量計測装置の側面図である。図3は、図1に示す無線装置の要部を示す斜視図である。
なお、図1においては、図に示す上下方向及び左右方向が、流量計測装置及び無線装置における上下方向及び左右方向を示す。また、図2においては、図に示す上下方向及び前後方向が、流量計測装置及び無線装置における上下方向及び前後方向を示す。
図1〜図3に示すように、本実施の形態1に係る無線装置101は、ガスメータである流量計測装置200の正面(前面)に取り付けられている。流量計測装置200は、金属性の金属筐体201と、メータ表示部202と、流量検知器203と、を備えていて、流量検知器203が検知したガス流量をメータ表示部202に表示するように構成されている。
なお、本実施の形態1においては、流量計測装置200が、ガス流量を検出するガスメータである形態を例示したが、これに限定されない。流量計測装置200は、水道水の流量又は電力等を計測する計測装置であってもよい。
金属筐体201の上端部には、ガス流入配管204Aとガス流出配管204Bが接続されている。また、金属筐体201の正面上部には、メータ表示部202が設けられていて、金属筐体201の内部には、流量検知器203が配置されている。流量検知器203は、金属筐体201内を通流するガスの流量を取得できればどのような構成であってもよく、例えば、超音波式の流量計又はフローセンサ式の流量計等を用いることができる。
無線装置101は、流量検知器203が検知したガス流量を親機又は中継器に送信する無線通信部を収容する樹脂筐体102を備えている。樹脂筐体102は、ポリプロピレン又はABS等の電気絶縁性を有する樹脂で形成されている。
樹脂筐体102の内部には、接地導体107と、回路基板103と、線状逆L型アンテナの主要部をなす線状の第1放射導体1041及び線状の第2放射導体1042と、が収納されている。具体的には、後方から前方に向かって、接地導体107、回路基板103、及び第1放射導体1041と第2放射導体1042の順で配置されている(図2参照)。なお、本実施の形態1に係る無線装置101においては、2つの放射導体を備える形態を採用したが、これに限定されず、3以上の放射導体を備える形態を採用してもよい。
接地導体107は、その主面が樹脂筐体102の後面(内面)と対向するように配置されている。換言すると、接地導体107は、その主面の法線方向が前後方向と一致するように配置されている。
また、接地導体107は、接地端子108を介して、回路基板103上の銅箔パターンで形成された接続点と電気的に接続されている。なお、接地端子108は、無線装置101の正面から見て、第1放射導体1041及び第2放射導体1042の起点(給電端子1051及び給電端子1052)の中間付近に位置している。
なお、接地導体107が、樹脂筐体102の後面と近接する(樹脂筐体102の後面と接触する、又は樹脂筐体102の後面との距離が小さい(例えば、数mm))ように設けられている場合には、接地導体107は、金属筐体201と電磁的に接続される。
このため、金属筐体201と接地導体107とは高周波的に同電位とみなすことができる。すなわち、金属筐体201が、線状逆L型アンテナのグランドとして機能することになる。これにより、小型無線端末においても、大きなアンテナ接地面積を確保することができるため、高い放射効率を実現することができる。
一方、接地導体107が、樹脂筐体102の後面と離れて配設される場合には、接地導体107が線状逆L型アンテナのグランドとして機能することになる。このため、接地導体107をグランドとして機能させる場合には、接地導体107は、その主面の面積を大きくすることで、大きなアンテナ接地面積を確保することができる。
回路基板103は、例えば、両面銅張基板で形成されていて、その主面の法線方向が前後方向に一致するように配置されている。また、回路基板103の主面には、制御回路及び給電回路等(いずれも図示せず)が搭載されている。制御回路は、データを搬送波に載せて上記アンテナから送信するための送信回路、及びアンテナを介して電波を受信するための受信回路を少なくとも備えている。
より詳説すると、送信回路は、送信用のデータを変調した高周波信号を生成し、給電回路からの電力で増幅してアンテナへ出力する。アンテナは、この高周波信号を外部空間へ放射する。受信回路は、アンテナによって受信された電波(高周波信号)の入力を受け付け、これを増幅及び復調してデータを取得する。なお、回路基板103は、送受信回路と放射導体とを整合させる整合回路、アンプ、発振器、ミキサ、及びメモリ等を、必要に応じて備えていてもよい。
給電回路には、回路基板103の前面に突設された給電端子1051を介して、第1放射導体1041が接続されている。同様に、給電回路には、給電端子1052を介して、第2放射導体1042が接続されている。また、給電回路は、高周波信号を形成する高周波電力を第1放射導体1041及び第2放射導体1042に供給するように構成されている。
第1放射導体1041及び第2放射導体1042は、それぞれが放射する磁界及び電界の方向が異なるように構成されている。換言すれば、第1放射導体1041及び第2放射導体1042は、互いのアンテナ特性の相関関係が低くなるように配置されている。
具体的には、第1放射導体1041及び第2放射導体1042は、それぞれの基端が離間するように配置されていて、第1放射導体1041は、第2放射導体1042よりも下方に位置するように配置されている(図1参照)。
また、第1放射導体1041及び第2放射導体1042は、無線装置101の正面から見て、樹脂筐体102の周面(側面)に沿うようにして、延設されている。なお、本実施の形態1においては、第1放射導体1041よりも第2放射導体1042の方が、占有面積が大きい形態を採用したが、これに限定されず、第2放射導体1042よりも第1放射導体1041の方が、占有面積が大きい形態を採用してもよい。
さらに、第1放射導体1041及び第2放射導体1042は、左右方向から見て、回路基板103の主面からある間隔だけ離れて、該回路基板103の主面と平行となるように配置されている(図2参照)。
第1放射導体1041は、無線装置101の正面から見て、樹脂筐体102の下部に配置されていて、時計回りに周回するように形成されている。より詳細には、第1放射導体1041は、その基端が、回路基板103の左下の角部に位置していて、その先端は、回路基板103の中央よりも上方の部分に位置している。
また、第1放射導体1041は、第1部分104A〜第4部分104Dを有していて、第1部分104Aと第2部分104Bが直交し、第2部分104Bと第3部分104Cが直交し、第3部分104Cと第4部分104Dが直交するように形成されている。
第1部分104Aは、上下方向に延びるように形成されている。第1部分104Aの基端は第1放射導体1041の基端であり、第1部分104Aの先端は樹脂筐体102の下面近傍に位置し、第2部分104Bの基端と接続されている。第2部分104Bは、左右方向に延びるように形成されている。第2部分104Bの先端は、回路基板103の右下側の角部近傍に位置し、第3部分104Cの基端と接続されている。
第3部分104Cは、上下方向に延びるように形成されている。第3部分104Cの先端は回路基板103の中央部分よりも上方に位置し、第4部分104Dの基端と接続されている。第4部分104Dは、左右方向に延びるように形成されている。第4部分104Dの先端は、第1放射導体1041の先端である。
第2放射導体1042は、無線装置101の正面から見て、樹脂筐体102の上部に配置されていて、反時計回りに周回するように形成されている。より詳細には、第2放射導体1042は、その基端が、回路基板103の左上の角部に位置していて、その先端は、回路基板103の中央よりも上方の部分に位置している。
また、第2放射導体1042は、第1部分104E〜第4部分104Hを有していて、第1部分104Eと第2部分104Fが直交し、第2部分104Fと第3部分104Gが直交し、第3部分104Gと第4部分104Hが直交するように形成されている。
第1部分104Eは、上下方向に延びるように形成されている。第1部分104Eの基端は第2放射導体1042の基端であり、第1部分104Eの先端は、樹脂筐体102の左上の角部よりも下方部分に位置し、第2部分104Fの基端と接続されている。第2部分104Fは、左右方向に延びるように形成されている。第2部分104Fの先端は、樹脂筐体102の右上側の角部よりも下方部分に位置し、第3部分104Gの基端と接続されている。
第3部分104Gは、上下方向に延びるように形成されている。第3部分104Gの先端は、回路基板103の右上の角部よりも外方に位置し、第4部分104Hの基端と接続されている。第4部分104Hは、左右方向に延びるように形成されている。第4部分104Hの先端は、第2放射導体1042の先端である。
[無線装置の作用効果]
次に、本実施の形態1に係る無線装置の作用効果について、図1〜図4を参照しながら説明する。
図4は、図1に示す無線装置の要部を示す模式図である。なお、図4においては、図に示す上下方向及び左右方向が、無線装置における上下方向及び左右方向を示す。
上述したように、本実施の形態1に係る無線装置101では、第1放射導体1041が、時計回りに周回するように形成され、第2放射導体1042が、反時計回りに周回するように形成されている。
このため、図4に示すように、第1放射導体1041に流れる放電電流(進行波)2041は、無線装置101の正面から見て、時計回りに流れ、第2放射導体1042に流れる放電電流(進行波)2042は、反時計回りに流れる。このため、第1放射導体1041に放電電流2041が流れることにより形成される第1発生磁界3041は、前方から後方に向かう向きとなる。また、第2放射導体1042に放電電流2042が流れることにより形成される第2発生磁界3042は、後方から前方に向かう向きとなる。
このように、本実施の形態1に係る無線装置101では、第1発生磁界3041の方向と第2発生磁界3042の方向が逆となり、第1放射導体1041と第2放射導体1042のアンテナ特性の相関関係を低くすることができる。
これにより、第1放射導体1041と第2放射導体1042で、利得の高いダイバーシティを実現することができる。したがって、本実施の形態1に係る無線装置101では、通信成功率を向上させ、電波伝搬距離の広範囲化を実現することができる。
また、本実施の形態1に係る無線装置101では、2以上の放射導体を用いたアンテナダイバーシティを採用することにより、周波数ダイバーシティ又は時間ダイバーシティ等のように1本のアンテナ方式よりも、受信時における使用電力を抑制することができるこのため、無線装置101の製品寿命を延ばすことができる。
さらに、本実施の形態1に係る無線装置101では、接地導体107又は金属筐体201がアンテナのグランドとして機能する。このため、大きなアンテナ接地面積を確保することができ、高い放射効率を実現することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態2に係る無線装置は、回路基板と流量計測装置の筐体とを電気的に接続する接地ケーブルをさらに備えている。
[無線装置の構成]
図5は、本実施の形態2に係る無線装置を備える流量計測装置の概略構成を示す側面図である。なお、図5においては、図に示す上下方向及び前後方向が、流量計測装置及び無線装置における上下方向及び前後方向を示す。
図5に示すように、本実施の形態2に係る無線装置101は、実施の形態1に係る無線装置101と基本的構成は同じであるが、接地導体107及び接地端子108に代えて、接地ケーブル110とビス111を備えている点が異なる。
ビス111は、該ビス111に取り付けられたナット112とともに、無線装置101の樹脂筐体102と金属筐体201を固定している。また、ビス111及びナット112は、導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えば、アルミニウム又は鉄等の金属、導電性樹脂等が挙げられる。
接地ケーブル110は、導電性を有していて、一端が回路基板103の接続点と接続され、他端がビス111を介して金属筐体201と接続されている。これにより、回路基板103と金属筐体201が電気的に接続される。
このように構成された本実施の形態2に係る無線装置101であっても、実施の形態1に係る無線装置101と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態2に係る無線装置101では、接地ケーブル110を介して、回路基板103の接続点と金属筐体201が電気的に接続されているので、金属筐体201を第1放射導体1041及び第2放射導体1042のグランドとして機能させることができる。
このため、本実施の形態2に係る無線装置101では、高い放射効率を実現することができる。また、接地導体107及び接地端子108を削除することができるため、製品コストを削減することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態3に係る無線装置は、整合回路をさらに備え、回路基板は、給電回路と、第1放射導体又は第2放射導体と、の接続を電気的に切り換えるスイッチを備え、スイッチは、第1放射導体及び第2放射導体のうち、送信に使用しない方の放射導体を整合回路に接続するように構成されている。
[無線装置の構成]
図6及び図7は、本実施の形態3に係る無線装置の概略構成を示す模式図である。
本実施の形態3に係る無線装置101は、実施の形態1に係る無線装置101と基本的構成は同じであるが、整合回路405をさらに備え、回路基板103がスイッチ404を備えている点が異なる。
具体的には、図6及び図7に示すように、スイッチ404は、第1放射導体1041又は第2放射導体1042と、送信信号入力端子402との接続を切り換えるように構成されている。また、スイッチ404は、整合回路405を接続する整合回路接続端子403と、スイッチ制御信号入力端子406と、を備えている。整合回路405は、例えば、接続された放射導体の接地インピーダンスを(未接続の状態よりも)十分に高めることのできるLC回路等で構成されている。
そして、スイッチ404は、スイッチ制御信号入力端子406に入力される制御信号により、第1放射導体1041及び第2放射導体1042のいずれか一方の放射導体を送信信号入力端子402と接続し、他方の放射導体を整合回路接続端子403と接続する。
なお、本実施の形態3に係る無線装置101は、実施の形態1に係る無線装置101と基本的構成を同じとする形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態2に係る無線装置101と基本的構成は同じとする形態を採用してもよい。
[無線装置の動作]
例えば、スイッチ制御信号入力端子406に第1放射導体1041と整合回路405(整合回路接続端子403)を接続し、第2放射導体1042と送信信号入力端子402を接続するという制御信号が入力されたとする。
すると、図6に示すように、第1アンテナスイッチ内部信号経路4071が第1放射導体1041と整合回路接続端子403を接続することで、第1放射導体1041と整合回路405を接続する。また、第2アンテナスイッチ内部信号経路4072が第2放射導体1042と送信信号入力端子402を接続することで、第2放射導体1042から送信信号が出力される。
また、例えば、スイッチ制御信号入力端子406に第1放射導体1041と送信信号入力端子402を接続し、第2放射導体1042と整合回路405(整合回路接続端子403)を接続するという制御信号が入力されたとする。
すると、図7に示すように、第1アンテナスイッチ内部信号経路4071が第1放射導体1041と送信信号入力端子402を接続することで、第1放射導体1041から送信信号が出力される。また、第2アンテナスイッチ内部信号経路4072が第2放射導体1042と整合回路接続端子403を接続することで、第2放射導体1042と整合回路405を接続する。
[無線装置の作用効果]
ところで、アンテナダイバーシティは、二つの放射導体を用いて実施し、無線装置101を送信器として使用する場合は、上記のように何れか一つの放射導体を送信アンテナとし、他方の放射導体は使用しない。この場合、この二つの放射導体が距離的に近いと、送信用に選択された放射導体に対し、使用しない方の放射導体が影響を与え、送信用に選択された放射導体を単独で使用した場合に比べて特性が劣化することがあり、この特性劣化を軽減する必要がある。
具体的には、波長λに対し、λ/4以上の距離を放射導体間で離す必要がある。特に、周波数が低いと、この距離が大きくなり、十分なダイバーシティ特性を実現することができない。例えば169MHzでは、λ/4は、44cmであり、流量計測装置で使用する、通常の無線装置では、2つの放射導体を44cm以上離して、内蔵することは困難である。
しかしながら、本実施の形態3に係る無線装置101では、二つの放射導体のお互いの影響を軽減するように、スイッチ404の切換えにより、出力を送信するために使用しない方の放射導体を、整合回路405を通してグランド(接地導体107又は金属筐体201)と接続することで、出力を送信するために使用している放射導体への影響を軽減することができる。
そして、この効果により、本実施の形態3に係る無線装置101では、出力を送信するときには、放射導体を単体で使用した場合に近い放射特性を実現することが可能になる。
なお、上記実施の形態1〜3の無線装置101では、第1放射導体1041と第2放射導体1042ともに線状逆Lアンテナで実現しているが、この2つの放射導体のうち、一方を板状の逆F型放射導体にしてもよく、両方とも板状の逆F型放射導体にしてもよい。また、第1放射導体1041と第2放射導体1042は、例えば、板状ダイポールアンテナ、ループアンテナ、又はメアンダラインアンテナ等であってもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明に係る無線装置は、アンテナ性能の向上を図った無線装置として有用である。
101 無線装置
102 樹脂筐体
103 回路基板
104A 第1部分
104B 第2部分
104C 第3部分
104D 第4部分
104E 第1部分
104F 第2部分
104G 第3部分
104H 第4部分
107 接地導体
108 接地端子
110 接地ケーブル
111 ビス
112 ナット
200 流量計測装置
201 金属筐体
202 メータ表示部
203 流量検知器
204A ガス流入配管
204B ガス流出配管
402 送信信号入力端子
403 整合回路接続端子
404 スイッチ
405 整合回路
406 スイッチ制御信号入力端子
1041 第1放射導体
1042 第2放射導体
1051 給電端子
1052 給電端子
2041 放電電流
2042 放電電流
3041 第1発生磁界
3042 第2発生磁界
4071 第1アンテナスイッチ内部信号経路
4072 第2アンテナスイッチ内部信号経路

Claims (5)

  1. 流量計測装置の無線装置であって、
    高周波信号をなす電波を放射する複数の放射導体と、
    前記高周波信号を形成する高周波電力を前記複数の放射導体に供給する給電回路が搭載されている回路基板と、を備え、
    前記複数の放射導体のうち、1の放射導体である第1放射導体及び前記第1放射導体とは異なる放射導体である第2放射導体は、それぞれが放射する磁界及び電界の方向が異なるように構成されていて、
    前記第1放射導体は、線状の放射導体で構成され、前記無線装置の正面から見て、時計回りに周回するように形成されていて、
    前記第2放射導体は、線状の放射導体で構成され、前記無線装置の正面から見て、反時計回りに周回するように形成されている、無線装置。
  2. 整合回路をさらに備え、
    前記回路基板は、前記給電回路と、前記第1放射導体又は前記第2放射導体と、の接続を電気的に切り換えるスイッチを備え、
    前記スイッチは、前記第1放射導体及び前記第2放射導体のうち、送信に使用しない方の放射導体を前記整合回路に接続するように構成されている、請求項1に記載の無線装置。
  3. 前記回路基板と対向するように配置され、接地端子により、前記回路基板と電気的に接続されている接地導体をさらに備える、請求項1又は2に記載の無線装置。
  4. 前記接地導体は、前記流量計測装置の金属筐体と前記回路基板との間に配置され、前記金属筐体と電磁的に接続されている、請求項に記載の無線装置。
  5. 前記回路基板と前記流量計測装置の金属筐体とを電気的に接続する接地ケーブルをさらに備える、請求項1又は2に記載の無線装置。
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