JP7217207B2 - アンテナ装置およびマンホール蓋の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置およびアンテナ装置に使用するマンホール蓋の製造方法に関する。

上水道、下水道、電気、ガス、電話等の多くのインフラ施設は、地下に埋設・設置されている。地下に埋設されるインフラ施設では、一般に、その保守点検を行うために多くのマンホールが設けられている。このようなインフラ施設を安定して正常に機能させるには保守点検作業は欠かせないが、マンホールの数は非常に多く、かつ狭い空間内の作業を伴うことから、人手による保守点検作業は大変な重労働である。また、マンホールの穴を塞ぐための蓋の上を車両や人などが通行するので、いつでも自由に保守点検作業を実施することができないという問題もある。

このような実情に鑑み、マンホール内の施設の保守点検に必要な情報（データ）を検出するセンサを設け、このセンサで検出したデータを逐次無線装置により保守管理を行うセンター内のサーバに伝送し、作業者がこれらのデータを監視して保守点検を行うことにより、保守点検作業の負担を軽減する保守管理システムが採用されている。

ところで、このようなシステムでは、マンホール内に設置された無線装置のアンテナが放出する電波を外部空間に設置される基地局に確実に伝送し、この基地局を介してサーバに伝送する必要がある。しかし、マンホールの上部には金属製の蓋（以下、マンホール蓋という。）が設けられている。そのため、マンホール内に設置された無線装置の電波がそのマンホール蓋により吸収・減衰されて、外部空間に設置された基地局まで届きにくくなるという問題がある。その場合、確実に電波を基地局に到達させるには、電波の強度（電力）が大きい大出力の無線装置を設置すれば良いが、そのような無線装置は高価であり、非常に多くのマンホールに対して大出力の高価な無線装置を設置することは現実的ではない。また、そのような無線装置は、バッテリー電源の消費が大きいので長期間安定的に使用することができず、頻繁にバッテリー交換作業を行う必要がある。

そのため、従来から、マンホール蓋による電波の減衰を少なくし、マンホール内の無線装置の電波が確実に外部基地局に伝送されるように工夫されたアンテナ装置の技術が知られている。例えば、特開２００４－７２１０号公報（特許文献１）には、マンホール蓋の鍵穴の内面側（マンホールの蓋の裏面）にスロットアンテナを設置し、そのアンテナの発する電波を鍵穴から外部空間に放出させる技術が開示されている。さらに、この特許文献１には、矩形状のハンドホール（小さなマンホール）の蓋の縁部に、断面がコ字状でありかつハンドホールの本体側がＬ字状である金属材にスロットを形成したスロットアンテナを設けた技術が開示されている。

特開２００４－７２１０号公報

ところで、特許文献１における、スロットアンテナをマンホール蓋の裏側に取付ける構成では、鍵穴が小さく、鍵穴から十分に電波が放出されないことが推定される。さらに、磁石によりスロットアンテナを鍵穴裏側に取付けているが、車両の通行や地震等による振動によりスロットアンテナの設置位置がずれる可能性がある。また、スロットアンテナに電源を供給するための配線も必要である。

また、特許文献１における、矩形状のハンドホールの縁にスロットアンテナを設置する構成では、ハンドホール蓋にアンテナを設置するために、スロットアンテナの複雑な形状からなる金属部材を用いたスロットアンテナを用意する必要があり、製造コストが高くなる。また、複雑な形状の金属部材であることから、マンホールのサイズや形状は多種多様であるので、複雑な形状のアンテナをうまく嵌め込み設置する作業は大変である。

このように、特許文献１に開示されている技術は、いずれもマンホール蓋にスロットアンテナを設置するものであり、スロットアンテナを用意する必要がある。そのため、アンテナ装置全体のコストが増加する。

そこで、本発明の目的は、構造が簡単でありながら無線装置の放出する電波の減衰を少なくした低コストのアンテナ装置及びアンテナ装置に使用するマンホール蓋の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げると、内部空間を構成する構造体と、該構造体の外部空間側を仕切るための蓋又は扉と、前記内部空間内に設置される無線装置と、前記外部空間に設置され前記無線装置との間で電波の送受信を行う基地局と、を有するアンテナ装置であって、前記蓋又は前記扉の縁に所定長さを有する少なくとも１つの切欠部を形成し、前記蓋又は前記扉を前記構造体に取付けてできる空隙部をスロットアンテナとしたアンテナ装置の縁に所定長さを有する少なくとも１つの切欠部を形成してスロットアンテナとしたアンテナ装置である。

本発明によれば、蓋又は扉の縁に切欠部を形成しただけでスロットアンテナを形成することができるので、非常に簡単で電波の減衰が少なく低コストのアンテナ装置を提供することができる。

本発明の実施例１におけるアンテナ装置の要部の斜視図である。 図1に示す実施例１の上面図である。 図1に示す実施例１のＡ－Ａ’断面を示す断面図である。 図1に示す実施例１の動作原理を説明するための図である。 本発明の実施例における切欠部断面の一例を示す図である。 本発明の実施例における切欠部断面の他の一例を示す図である。 本発明の実施例における切欠部断面の他の一例を示す図である。 本発明の実施例における切欠部の形状の一例を示す図である。 本発明の実施例２におけるアンテナ装置の要部の斜視図である。 本発明の実施例３におけるアンテナ装置の要部の斜視図である

以下、本発明をマンホールに適用した具体的な実施例を、図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する場合がある。

＜実施例１＞
本発明の実施例１について、図１～図８を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１におけるアンテナ装置の要部の斜視図である。図２は、図1に示す実施例１を上から見た場合の上面図である。図３は、図1に示す実施例１のＡ－Ａ’断面を示す断面図である。図４は、図1に示す実施例１の動作原理を説明するための図である。図５～図８は、マンホール蓋の切欠部における形状例を示すものである。

（実施例１のアンテナ装置説明）
まず、図１～図４により本発明の実施例１のアンテナ装置を説明する。図１において、マンホール１０は、地中に埋設されるマンホール本体２（以下、本体と称する。）と、本体２の地表面側の開口を覆う（塞ぐ）ためのマンホール蓋１とで構成されている。なお、これらの図では、マンホール蓋１を本体２の開口２１に取付け（嵌め込み）たり取外すため、及び蓋を固定するために利用する鍵穴等は省略している。

図１～図３において、マンホール蓋１には、その縁の一部に切欠部１１が形成される。この切欠部１１を有するマンホール蓋１を本体２の開口２１に嵌め込む（取付ける）と、本体２の開口２１の内側と、マンホール蓋１の切欠部１１との間にスロット状の空隙部３が形成される。このスロット状の空隙部３の長さＬ（図２参照）は、無線装置の電波を励振可能な所定長さとしている。この例では、切欠部１１の長さＬは、図３に示す無線装置５のアンテナ５１から放射された電波の波長λの略１／２の長さとしており、この開口２１と切欠部１１とで構成された空隙部３がスロットアンテナとして機能するようにしている。すなわち、マンホール蓋１に切欠部１１を形成しておき、そのマンホール蓋１を取付けることにより空隙部３を有するスロットアンテナが形成され、マンホール内部の電波を外部に放出するための中継アンテナとして機能する。

（実施例１の機能原理説明）
次に、この実施例１におけるスロットアンテナ（空隙部３）の機能原理について図４を用いて説明する。図４において、マンホール１０内部に設置された無線装置５は、そのアンテナ５１から図示しないセンサの検出データを含んだ電波を放射する。この電波は、空隙部３の長さがＬ＝λ／２となるように形成されたスロットアンテナにおいて共振し、外部空間に再放射される。このようにしてスロットアンテナは中継アンテナとしての役目を果たすので、マンホール蓋１による電波の減衰はほとんどない。再放射された電波は、外部の基地局２０に受信され、基地局２０を介して図示しないサーバに伝送される。このように、空隙部３の縁部の長さをλ／２としたスロットアンテナを有することにより、無線装置５による電波の到達距離を長くすることができ、確実に基地局２０に到達するようになる。

（マンホール蓋による放射方位の調整）
図２は、図１の実施例１を上から見た図である。図２のスロット状の空隙部３は、本体２とマンホール蓋１との間に形成されている。ここで、時計方向で示した矢印Ｘは、マンホール蓋１の回動可能であることを表示したものである。マンホール蓋１を本体２に取付ける（載置する）際に、マンホール蓋１を電波が基地局に届きやすいように、適切にＸ方向に回動させながら取付ける。もちろん半時計方向に回動しても良い。具体的には、マンホール蓋１を基地局２０に向けて強い電波を放出するように調整する。このような調整を行うことにより確実に基地局に電波が到達できるようになる。この場合、本実施例では、スロットアンテナを簡単に形成できるだけでなく、マンホール蓋１の回動のみで電波放出の方位を調整することができる。なお、図３は、図１のＡ－Ａ’断面図であり、マンホール内部に無線装置が配置され、マンホール蓋１の縁部に空隙部３が形成されていることを示す。なお、内部の状況を検出する各種センサはここでは省略している。

（マンホール蓋の切欠部の長さ）
すでに述べたように、マンホール蓋の切欠部１１の所定の長さＬは、基本的には使用する電波の波長をλとすると、Ｌ＝λ／２の長さとする。これは、Ｌ＝λ／２の長さとすることにより励振され最も効率よく電波を放出できるからである。ところで、この長さＬは、切欠部１１で形成される空隙部３内に誘電体である樹脂を充填することにより、励振する周波数が異なることが知られている。そのため、この実施例１において、樹脂を充填する場合には、その長さＬを所定長さに調節する必要がある。すなわち、樹脂を充填しない場合に対して、樹脂を充填する場合には長さＬは樹脂の誘電率等に対応して短くした所定の長さとする。スリット状の空隙部３に樹脂を充填することにより、マンホール蓋１に形成する切欠部１１の長さＬを短くすることができるので、その分だけマンホール蓋１の強度はより強くなる。また、樹脂を充填することにより、雨水やほこり等がマンホール内部に流入することを防ぐことができ、内部の無線装置やセンサ等を保護するのに有用である。

（スロットアンテナを構成する空隙部の形状）
次に、空隙部３の幅について説明する。図１の実施例では、マンホール蓋の縁の切欠部１１により形成される空隙部３の幅は、マンホール蓋の厚み方向（図の上下方向）で同じであり、この幅Ｇは、１～１０ｍｍの範囲内としている。そして、マンホール蓋１の厚さ方向において空隙部の幅が同じになるようにしている。

ここで、この幅Ｇをマンホール蓋１の厚さ方向で異なるような形状に構成すると、スロットアンテナにおける帯域を広げるためのインピーダンス調整を行うことができる。それにより、効率の良いスロットアンテンとすることが可能である。このような空隙部の幅をマンホール蓋１の厚さ方向で変更した例を図５～図７に示す。図５は、マンホール蓋１の厚み方向の途中で幅Ｇ１を、幅Ｇ２に変更した構成である。また、図６は、マンホール蓋１の厚み方向において、Ｇ１からＧ２にテーパ状に変更した例である。図７は、マンホール蓋１の厚み方向において、Ｇ１からＧ２に変更し、Ｇ２からＧ１になるように変更した例である。このような幅の変更の程度を調整することによりインピーダンスの調整が容易となる。また、図８は、空隙部３の形状を縁部の切欠部１１の長さ方向の形状を一定とせず、途中で変更したものである。このような構成によっても、図５～図７と同様に帯域を広げるためにインピーダンス調整を容易にすることができる。

（マンホール蓋の製造方法）
次に、実施例１におけるマンホール蓋１の切欠部１１の成形方法について説明する。本発明では、マンホール蓋１の縁部に所定長さの切欠部１１を形成する必要がある。この場合、切欠部１１は、切削加工等でも形成することができるが、マンホール蓋の材料は鋳鉄が用いられる場合が多く、鋳鉄は硬いので加工が大変であり、均質な切欠部１１を成形することは困難である。大量のマンホール蓋の製造方法としては良い方法とは言えない。

そこで、実施例１における切欠部１１を有するマンホール蓋は、鋳造段階で切欠部が成形できるようにする。すなわち、マンホール蓋１を鋳型に鋳込む段階で、その所定長さの切欠部１１が成形できる鋳型を用意し、その鋳型に溶融金属を注入してマンホール蓋１を鋳造する。その結果、自動的に所定長さの切欠部１１を有するマンホール蓋１を成形することができる。このような製造方法により本発明に使用するマンホール蓋を製造する方法は、製造が簡単であり、均質なマンホール蓋を大量生産ができるので好ましい。なお、鋳型による鋳造のみでは切欠部１１の長さを正確に形成することが難しい場合は、必要に応じて、鋳型から取出した後、切削、研磨等を行う。また、上述した図５～図７に示すような厚さ方向の幅を変化させるためには、鋳型を、切欠部の前記マンホール蓋の厚さ方向において傾斜又は階段状の切欠部が形成される構成にすれば良い。

（実施例１の効果）
以上説明したように、本発明の実施例１では、マンホール蓋の一部に切欠部を形成し、このマンホール蓋を取付けることによりスロットアンテナを形成することができ、そのスロットアンテナにより電波を確実に外部空間に放出することが可能となる。これにより電波到達距離を長くすることができる。この実施例１の装置では、スロットアンテナを用意し、そのアンテナをと設置する必要はなくなり、マンホール蓋を設置する（取付ける）ことのみでスロットアンテナが構成できるので、簡単で低コストのアンテナ装置を実現することができる。マンホールは非常に多数設置されており、かつ多種類（種々の大きさ、種々の形状）のものが存在するため、マンホール蓋に切欠部を形成するだけで、スロットアンテナを実現できることのメリットは非常に大きい。また、マンホール蓋を取付ける際に回動させることにより、外部の基地局に電波が届きやすくなるように電波放出の方位（指向性）を調整できる。さらに、空隙部３に樹脂を充填することによりマンホール蓋の切欠部の長さを短くすることができる。

＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施例２のアンテナ装置の概略を示す斜視図である。この実施例２は、上述した実施例１と基本的に同様の構成であるが、実施例２ではマンホール蓋１に複数の切欠部を有し、本体２側とマンホール蓋１の切欠部によって形成される空隙部によるスロットアンテナが複数形成されている点で異なる。したがって、ここでは、その違いを中心に説明し、その他の説明は省略する。

図９において、マンホール蓋１には、長さがＬa、Ｌb、Ｌcの３つの切欠部（符号を省略）が形成されている。このようなマンホール蓋１を本体２の開口２１に取付けると、長さがＬa、Ｌb、Ｌcである３つのスリット状の空隙部３a、３ｂ、３ｃが形成される。これにより、３つのスリットアンテナが形成される。マンホール１０の内部には、図示しない無線装置（図示せず）が設置され、複数（この例では３種類）の波長の電波を放出するものとする。それら波長をλa、λb、λcとすると、Ｌa、Ｌb、Ｌcの空隙部による各スロットアンテナが、それらの波長λa、λb、λcにより励振されるように選択していると、３つの帯域の周波数を有する電波はマンホール蓋１により減衰することなく、各スロットアンテナを介して外部空間に放射される。

この実施例２においても、空隙部に誘電体である樹脂を充填することにより、マンホール蓋１に形成する切欠部の長さを短くすることができる。更に誘電体を用いることで、マンホール内に雨水やほこりなどの流入を防止することができる。マンホール蓋１の固定等にも有効となる。なお、この例では、マンホール蓋に３つの切欠部を設けているが、２つの場合であっても、あるいは４以上であっても良い。また、この実施例におけるマンホール蓋の製造は、実施例１で説明したように、複数の切欠部を形成可能な鋳型を用意し、その鋳型に溶融金属を注入すればよい。切欠部の長さは、スロットアンテナとして無線装置の電波に共振する所定の長さとする。

このように、この実施例２によれば、上記実施例１における効果を有するだけでなく、マンホール蓋の切欠部により形成される各スロットアンテナの長さを所望の周波数に適合した値にすることにより、複数の周波数帯域に使用可能となる。

＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施例３のアンテナ装置の概略を示す斜視図である。この実施例３は、上述した実施例１と基本的に同様の構成であるが、実施例３ではマンホール蓋１に２つの切欠部を有し、本体２側とマンホール蓋１の切欠部によって形成される空隙部（スロットアンテナ）が２つ形成されている点で異なる。したがって、ここでは、その違いを中心に説明し、その他の説明は省略する。

図１０において、マンホール蓋１には、２つの切欠部１１、１２が形成されている。この実施例では、切欠部１１と１２の長さＬは同じとする。マンホール蓋１を本体２の開口２１に取付けると、長さＬの２つの空隙部３d、３eが形成され、スロットアンテナが形成される。このスロットアンテナを形成する空隙部３d、３eの長さＬは、内部の無線装置５（図示せず）の発する電波の波長λに共振するように選択されている。実施例３におけるこのような構成により、各スロットアンテナの指向性方向を異ならせることができ、任意の方向をカバーすることが可能となる。例えば、図１０に示す構成において、基地局２０（図示せず）に向けて強い電波を発するようマンホール蓋１を回動させることにより、スロットアンテナからは放射された電波の指向性方向を基地局に向けることができるので、確実に伝送を行うことが可能となる。

なお、図１０の実施例３では、スロット状の空隙部３d、３eにより形成される２つのスロットアンテナの長さＬを同じとしたが、実施例２の場合のように、これらを異ならせても良い。その場合、スロットアンテナから２つの周波数を放射することが可能となり、かつスロットアンテナの指向性方向を異ならせることができる。また、この実施例２においても、空隙部３d、３eに誘電体（樹脂）を充填することにより、マンホール蓋１に形成する切欠部の長さを短くすることができる。更に誘電体を用いることで、マンホール内に雨水やほこりなどの流入を防止することができる。マンホール蓋１を固定する場合にも有効となる。

このように、実施例３によれば、上述した実施例１におけるような効果を有するだけでなく、各スロットアンテナの指向性方向を異ならせることができ、任意の方向をカバーすることが可能となる。

＜その他の実施例＞
本発明は、上述した本発明の一実施例限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において種々の変形が含まれる。すなわち、本発明は、マンホールにおけるデータ伝送を行うためのアンテナ装置に限られるものではなく、内部空間と外部空間とを仕切るための導電製の蓋または扉と、内部空間内に設置される無線装置と、前記外部空間に設置され、前記無線装置との間で電波の送受信を行う基地局と、を有するアンテナ装置に対して広く適用することができる。

１…マンホール蓋、２…マンホール本体、３…空隙部、３a～３e…空隙部、４…地表、５…無線装置、１０…マンホール、１１…切欠部、１２…切欠部、２０…基地局、２１…開口

Claims (11)

1. 内部空間を構成する構造体と、該構造体の外部空間を仕切るための蓋又は扉と、前記内部空間に設置された無線装置と、前記外部空間に設置され前記無線装置との間で電波の送受信を行う基地局と、を有するアンテナ装置であって、
   前記蓋又は前記扉の縁に所定長さを有する少なくとも１つの切欠部を形成し、前記蓋又は前記扉を前記構造体に取付けてできる空隙部をスロットアンテナとしたアンテナ装置。
2. 請求項１記載のアンテナ装置において、前記切欠部は複数有していることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２記載のアンテナ装置において、複数の前記切欠部の長さが同じ長さであることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項２記載のアンテナ装置において、複数の前記切欠部の長さが異なる長さであり、前記無線装置が複数周波数の前記電波を発する場合に、複数の前記切欠部の長さは、前記複数周波数にそれぞれ共振可能となる所定の長さであることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１記載のアンテナ装置において、前記切欠部に誘電体を充填したことを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１記載のアンテナ装置において、前記空隙部の幅が、前記蓋又は前記扉の厚さ方向で異なるように前記切欠部を形成したことを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１記載のアンテナ装置において、前記空隙部の幅が、前記切欠部の長さ方向で異なるように前記切欠部を形成したことを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項１記載のアンテナ装置において、前記構造体はマンホールであり、前記蓋はマンホール蓋であることを特徴とするアンテナ装置。
9. マンホールに取付けるマンホール蓋の製造方法であって、
   前記マンホール蓋を前記マンホールに取付けた際に、スロットアンテナを形成するための所定長さの切欠部が形成される鋳型を用意し、
   前記鋳型に溶融金属を注入して前記マンホール蓋を鋳造すること、
   を特徴とするマンホール蓋の製造方法。
10. 請求項９記載のマンホール蓋の製造方法において、前記鋳型は、前記切欠部を複数有する前記マンホール蓋を製造するように構成されたものであることを特徴とするマンホール蓋の製造方法。
11. 請求項９記載のマンホール蓋の製造方法において、前記鋳型は、前記切欠部の前記マンホール蓋の厚さ方向において傾斜又は階段状となるような構成にしていることを特徴とするマンホール蓋の製造方法。

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