JP2008022429A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】計測装置を駆動するための配線や電池を不要とした無線通信システムを提供する。
【解決手段】計測装置が計測した例えば温度、湿度等の物理量を、所定周波数の電磁波によって変調し、金属製の空調ダクト内に突出するようにして設けられたアンテナを介して空調ダクト内に送出するとともに、この送出された物理量の情報を含む電磁波を空調制御装置が受信する無線通信システムであって、空調制御装置は、計測装置に対して所定周波数の電磁波を空調ダクトによって送出する一方、計測装置は、この電磁波を受けて整流し、得られた直流電力を蓄電部に蓄えるとともに、この蓄えられた直流電力によって計測装置を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば空調ダクトを利用して情報を伝送するに好適な無線通信システムに関する。

従来、オフィスビル等の空調制御は、温度、湿度等の環境情報を検出するセンサと、ダクト等の吹き出し口における開口部に設けられて、開口部の開度を制御するアクチュエータ、およびセンサが検出した環境情報並びにユーザからの操作指令を受けてアクチュエータの駆動制御を行う空調制御装置を備えて構成される。
ちなみに空調制御に用いられるセンサやアクチュエータは、必ずしも空調制御装置に隣接する位置に設けられるとは限らず、一般に離れた場所に設置されることが多い。また、この種のセンサやアクチュエータは、例えば間仕切りを用いたフロアレイアウトの変更にも柔軟に対応できることが望まれている。このため、これらセンサやアクチュエータと空調制御装置との間で送受されるデータを、金属製の空調ダクトを介して無線伝送することが試みられている（例えば、特許文献１を参照）。

具体的に図１２に示されるように金属製の空調ダクト２を介して無線伝送を行う空調制御装置１は、空調ダクト２内に設けられた質問アンテナ３を介してセンサ１１から電磁波（電波）を用いて送出される環境情報を受信するとともに、アクチュエータ１２に対して電磁波（電波）にて制御データを送信する送受信部４を備えて構成される。この送受信部４は、空調制御装置１の制御を司る制御部５と接続されて、センサ１１から空調ダクト２を介して電波によって伝送される温度情報を受信する。空調制御装置１は、この空調制御装置１に入力された所望の温度を維持するべく、アクチュエータ１２に対してその駆動指令を電波によって送信する。この空調制御装置１には、送受信部４および制御部５を含む空調制御装置１を駆動する外部電源６が接続されている。

一方、センサ１１やアクチュエータ１２は、空調ダクト２内に設けた応答アンテナ１３を介してセンサ１１が検出した環境情報を空調制御装置１に電波によって送信する一方、空調制御装置１から送信される電波によって受け渡される操作指令を応答アンテナ１３によって受け取り、アクチュエータ１２にその操作指令を与える送受信部１４を備えて構成される。

これらのセンサ１１やアクチュエータ１２には、外部電源１５によって電源が供給される。この外部電源１５は、センサ１１、アクチュエータ１２に対して電力供給用の電源ラインを別途配線して供給する方法や、センサ１１を駆動する電池を設ける方法が考えられる。
特開２００４−２２８６９１号公報

しかしながらセンサ１１やアクチュエータ１２と、空調制御装置１との間で送受されるデータを無線伝送する場合は、これらセンサ１１またはアクチュエータ１２を駆動する外部電源１５が必要であり、例えば電源ラインを用意しなければならず、レイアウト変更が困難であるという問題があった。またセンサ１１を電池で駆動する場合、センサ１１の作動不良を防止するべく定期的に交換作業を行わなければならず、特にセンサ１１を多数有する大規模なオフィスビル等では、その電池交換に係る保守作業も甚大となり、また電池の交換漏れの発生による空調装置の作動不良が懸念されるという問題もある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、センサを駆動するための配線や電池を不要とし、それ故、間仕切りを用いたフロアレイアウトの変更にも柔軟に対応できることが可能な無線通信システムを提供する。

上述した目的を達成するべく本発明の無線通信システムは、金属製の筒状体からなる空調ダクトと、所定の物理量を計測し、前記空調ダクト内にその計測した物理量を所定周波数の電磁波にて変調して送信する計測装置と、この計測装置が前記空調ダクト内に送信した前記電磁波を受信してこの電磁波によって搬送された前記物理量を受信する空調制御装置とを有する無線通信システムであって、
前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、第一の周波数の前記電磁波にて前記計測装置が送信した電磁波を受け取る質問アンテナと、この質問アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記物理量を受信する制御装置受信部と、この制御装置受信部に接続されて、この制御装置受信部が作動する電力を供給する外部電源部と、この外部電源部に接続されて、第二の周波数の電磁波を送信する電力送信部と、この電力送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記電力送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す送電アンテナとを備え、
前記計測装置は、計測した前記物理量を前記第一の周波数の電磁波にて変調して送信する計測装置送信部と、この計測装置送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記計測装置送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す応答アンテナと、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記送電アンテナにより送り出された前記第二の周波数域の電磁波を受け取る受電アンテナと、この受電アンテナに接続されて、この受電アンテナが受け取った前記第二の周波数域の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部とを具備し、
前記計測装置は、前記蓄電部に蓄えられた直流電力により駆動されることを特徴としている。

上述の無線通信システムは、空調制御装置の送電アンテナから空調ダクト内に送信された電磁波（電波）を計測装置の受電アンテナが受けて、この受けた電磁波（電波）を整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄えるととともに、この蓄電部に蓄えられた直流電力を用いて計測装置が無電源で駆動される。そして計測装置が計測した環境情報は、応答アンテナを介して空調ダクト内に送信されて、質問アンテナから空調制御装置に取り込まれる。

また、本発明の無線通信システムは、金属製の筒状体からなる空調ダクトと、この前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて変調した制御データを送り出す空調制御装置と、この空調制御装置が前記空調ダクト内に送り出した所定の制御データを受けて、予め定められた制御動作を実行する駆動装置とを有する無線通信システムであって、
前記空調制御装置は、制御データを前記第一の周波数の電磁波にて変調して送信する制御装置送信部と、この制御装置送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記制御装置送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す質問アンテナと、前記制御装置送信部に接続されて、この制御装置送信部が作動する電力を供給する外部電源部と、この外部電源部に接続されて、第二の周波数の電磁波を送信する電力送信部と、この電力送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記電力送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す送電アンテナとを備え、
前記駆動装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、この応答アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記制御データを受信する駆動装置受信部と、この駆動装置受信部が受信した制御データを受けて所定の動作を実行するアクチュエータと、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記送電アンテナにより送り出された前記第二の周波数域の電磁波を受け取る受電アンテナと、この受電アンテナに接続されて、前記受電アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部とを具備し、
前記駆動装置受信部および前記アクチュエータは、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴としている。

上述の無線通信システムは、空調制御装置の送電アンテナから空調ダクト内に送信された電磁波（電波）を計測装置の受電アンテナが受けて、この受けた電磁波（電波）を整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄えるととともに、この蓄電部に蓄えられた直流電力を用いて駆動装置受信部およびアクチュエータがそれぞれ無電源で駆動される。
或いは、本発明の無線通信システムは、金属製の筒状体からなる空調ダクトと、所定の物理量を計測し、前記空調ダクト内にその計測した物理量を所定周波数の電磁波にて変調して送り出す計測装置と、この計測装置が前記空調ダクト内に送り出した前記電磁波を受け取る空調制御装置とを有する無線通信システムであって、
前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた質問アンテナと、この質問アンテナに接続されて、前記計測制御装置により計測されて前記所定周波数の電磁波にて変調されて送り出された物理量を受信する制御装置受信部とを備え、
前記計測装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、この応答アンテナに接続されて、前記計測した所定の物理量を前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて送信する計測装置送信部と、前記応答アンテナに接続されて、この応答アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部とを具備し、
前記計測装置は、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴としている。

上述の無線通信システムは、空調制御装置の質問アンテナから空調ダクト内に送信された電磁波（電波）を計測装置の応答アンテナが受けて、この受けた電磁波（電波）を整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄えるととともに、この蓄電部に蓄えられた直流電力を用いて計測装置が無電源で駆動される。そして計測装置が計測した環境情報は、応答アンテナを介して空調ダクト内に送信されて、質問アンテナから空調制御装置に取り込まれる。

また本発明の無線通信システムは、金属製の筒状体からなる空調ダクトと、この前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて変調した制御データを送り出す空調制御装置と、この空調制御装置が前記空調ダクト内に送り出した所定の制御データを受けて、予め定められた制御動作を実行する駆動装置とを有する無線通信システムであって、
前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた質問アンテナと、この質問アンテナに接続されて、前記空調ダクト内に前記所定の周波数の電磁波にて前記制御データを送り出す制御装置送信部とを備え、
前記駆動装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、この応答アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記制御データを受信する駆動装置受信部と、この駆動装置受信部が受信した制御データを受けて所定の動作を実行するアクチュエータと、前記応答アンテナに接続されて、この応答アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部とを具備し、
前記駆動装置受信部とアクチュエータは、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴としている。

上述の無線通信システムは、空調制御装置の質問アンテナから空調ダクト内に送信された電磁波（電波）を駆動装置の応答アンテナが受けて、この受けた電磁波（電波）を整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄えるととともに、この蓄電部に蓄えられた直流電力を用いて駆動装置受信部およびアクチュエータがそれぞれ無電源で駆動される。
また前記各アンテナは、それぞれダイポールアンテナ、ホイップアンテナ、スリーブアンテナ、 八木アンテナまたはループアンテナのいずれかで構成される。

好ましくは前記各アンテナは、少なくともその一つが前記空調ダクトの内壁面に貼り付される平面アンテナであることが望ましい。
上述の無線通信システムは、特に指向性を有する平面アンテナを用いることで、平面アンテナから空調ダクト内に送信された電磁波（電波）が受信側に効率よく提供される。
好ましくは前記質問アンテナおよび前記応答アンテナの少なくとも一方には、前記空調ダクトを介してそれぞれ互いのアンテナを望む背後に位置付けられて、前記電磁波を前記各アンテナに反射する反射器を備えることが望ましい。

或いは前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方には、前記空調ダクトを介してそれぞれ互いのアンテナを望む背後に位置付けられて、前記電磁波を前記各アンテナに反射する反射器を備えて提供される。
上述の無線通信システムは、質問アンテナおよび送電アンテナから放射された電磁波（電波）が例えば金属製の板状の反射板（反射器）によって反射され応答アンテナおよび受電アンテナに効率よく提供される。

また本発明の無線通信システムにおいて、前記空調ダクトに屈曲部を有するとき、前記質問アンテナおよび前記応答アンテナは、この屈曲部を挟み込む前記空調ダクト内の所定の位置に配置される。或いは前記送電アンテナおよび前記受電アンテナは、この屈曲部を挟み込む前記空調ダクト内の所定の位置に配置される。
上述の無線通信システムは、質問アンテナや前記送電アンテナから放射された電磁波（電波）が空調ダクトの屈曲部に到来し、この屈曲部にて反射された電磁波（電波）が応答アンテナや前記受電アンテナに到達する。

本発明の無線通信システムによれば、外部電源から供給された電力を空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた送電アンテナから第二の周波数域の電磁波を送出する電力送信部を空調制御装置が備える一方、計測装置は、空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた受電アンテナが電力送信部から送出された第二の周波数域の電磁波を受け、整流部によって整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄え、この蓄えた直流電力によって計測装置（例えば、センサ）および駆動装置（例えば、アクチュエータ）または、これらを備える計測制御装置を駆動している。つまり電力送信部から送信された電磁波は、金属製の空調ダクト内を反射しながら少ない漏洩電力で計測装置まで、高効率で伝送される。したがって計測装置は、外部電源がなくても作動することができる。

また、本発明の無線通信システムは、空調制御装置が外部電源から供給される電力を空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた質問アンテナから電磁波を送出する一方、計測制御装置等は、空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナが電力送信部から送出された第二の周波数域の電磁波を受け、この電磁波を整流部によって整流して直流電力を取り出して蓄電部に蓄え、この蓄電部に蓄えられた直流電力によって計測装置やアクチュエータを駆動している。したがってこれら計測装置等は、外部電源がなくても作動することができる。また、これらの計測制御装置等の作動に要する電力を環境情報送出用の応答アンテナを介して受け取っているので、構造が簡単である。特にこの方法は、空調制御装置の構成を変えることなく実現できるので好ましい。

更に本発明の無線通信システムは、上記各アンテナとしてダイポールアンテナ、ホイップアンテナ、スリーブアンテナ、 八木アンテナまたはループアンテナのいずれかを用いて構成しているので、簡易な構造で実現することが可能である。或いは本発明の無線通信システムは、平面アンテナまたは放射器を有するアンテナを用いて提供されるので、空調制御装置と計測装置間で効率よく電磁波（電波）の送受を行うことができる。特に平面アンテナは、高次モードで作動させると、放射角が低くなり、また半値幅が狭くなるのでより効率よく電磁波が有するエネルギーを伝達することができる。

また本発明の無線通信システムは、質問アンテナおよび前記送電アンテナから放射された電磁波（電波）が空調ダクトの屈曲部に到来し、この屈曲部にて反射された電磁波（電波）が応答アンテナおよび前記受電アンテナに到達するように構成されているので、空調ダクトに屈曲部があったとしても計測装置に外部電源がなくても作動させることができるという実用上、多大な効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１〜図１１は発明を実施する形態の一例であって、図中、図１２と同一の符号を付した部分は同一物を表し、基本的な構成は図１２に示す従来のものと同様であるので、その説明を省略する。
まず本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムを説明する。この第一の実施形態は、例えばアクチュエータ近傍の温度、湿度等の環境情報を検出するセンサを駆動する外部電源を不要としたものである。

さて、図１において１は、空調ダクト２を介して無線伝送を行う空調制御装置である。この空調制御装置１は、後述する計測制御装置１０が備えるセンサ１１が検出し、空調ダクト２内に第一の周波数（例えば２.４ＧＨｚ帯）の電磁波（電波）によって変調されて搬送される物理量としての環境情報（温度、湿度等）を空調ダクト２内に突出するように設けられた質問アンテナ３を介して空調ダクト２外に導いて受信するとともに、後述するアクチュエータ１２に対してこの質問アンテナ３を介して第一の周波数の電磁波（電波）にて制御データを変調して送信する制御装置送信部および計測制御装置１０が送信した物理量を受信する制御装置受信部の役割を担う送受信部４を備えて構成される。この送受信部４は、空調制御装置１の制御を司る制御部５と接続されている。

空調制御装置１は、例えば、ユーザによって図示しない入力部から入力された温度設定値や湿度設定値等の環境条件を維持するべくセンサ１１からの環境情報を受信し、アクチュエータ１２に駆動指令を送信する役割を担う。ちなみに空調制御装置１には、送受信部４および制御部５を含む空調制御装置１を駆動する外部電源６が接続される。
また空調制御装置１は、外部電源６から供給される電力を受けて、第一の周波数と異なる第二の周波数（例えば８００ＭＨｚ帯）の電磁波（電波）を空調ダクト２内に設けられた送電アンテナ２０を用いて送信する電力送信部２１を備える。この電力送信部２１は、例えば数Ｗ〜数十Ｗ程度の所定周波数の搬送波を送電アンテナ２０によって空調ダクト２内に送り出す。

一方、計測制御装置１０は、この計測制御装置１０近傍の物理量としての環境情報（温度、湿度等）を検出する計測装置を構成するセンサ１１、このセンサ１１が検出した環境情報を、空調制御装置１に対して前記第一の周波数の電磁波によって変調して送信する計測装置送信部１６（以下、単に送信部１６と称する）、およびこの送信部１６が送信した環境情報を空調ダクト２内に送出する応答アンテナ１３を備える。この応答アンテナ１３は、空調ダクト２内に突出するように設けられている。

計測制御装置１０は、空調ダクト２内に突出するように設けられて空調制御装置１の送電アンテナ２０から送り出された第二の周波数の電磁波を受ける受電アンテナ３０を備える。この受電アンテナ３０が捉えた第二の周波数の電磁波は、この電磁波が有するエネルギーを整流して直流電力として取り出す整流部３１に与えられる。この整流部３１は、例えばダイオード等の電力用半導体デバイスを用いたブリッジ整流回路や半波整流回路等の整流回路が適用される。そして整流部３１によって取り出された直流電力は、この直流電力を蓄える蓄電部３２に導かれる。ちなみに蓄電部３２は、例えば電気二重層コンデンサや二次電池等の充放電可能なデバイスにより構成され、センサ１１および送信部１６に作動用の電力を供給する電源部の役割を担う。

また計測制御装置１０は、空調制御装置１の制御部５から出された駆動指令を受けて駆動される駆動装置の主体となるアクチュエータ１２を備える。このアクチュエータ１２は、応答アンテナ１３を介して空調制御装置１から空調ダクト２内に送出された駆動指令を受信する駆動装置受信部１７（以下、単に受信部１７と称する）に接続されている。これらアクチュエータ１２および受信部１７は、前述した蓄電部３２に蓄えられた直流電力によって駆動される。

ちなみに計測制御装置１０が備えるアクチュエータ１２および受信部１７は、別電源によって駆動されることもある。
尚、前述した質問アンテナ３、送電アンテナ２０、応答アンテナ１３および受電アンテナ３０は、それぞれのアンテナが送受信する周波数の１／２波長となるアンテナ長を有するダイポールアンテナを用いればよい。しかしながら各アンテナのアンテナ長およびアンテナの形式は、１／２波長ダイポールアンテナに限定されるものではなく、１波長ダイポールアンテナ、ホイップアンテナ、スリーブアンテナまたはループアンテナの他、後述する平面アンテナ、八木アンテナ等であってもかまわない。つまり、所定周波数の電波を空調ダクト２内に送り出し、受け取るものであればその形式等は限定されるものではない。

或いは、特に図示しないが質問アンテナ３から応答アンテナ１３を望む方向に対して、それぞれのアンテナの背後方向における所定の位置、および送電アンテナ２０から受電アンテナ３０に向かう方向に対して、それぞれのアンテナの背後方向における所定の位置にそれぞれ金属製の平板等で構成される反射器を設け、この反射器によって各アンテナから送出された電磁波を反射する構成をとるとよい。この反射器は、詳細は後述するが質問アンテナ３、送電アンテナ２０、応答アンテナ１３および受電アンテナ３０に所定の指向特性を与える役割を担っている。

例えば質問アンテナ３から空調ダクト２内に放射される電波を直接波とし、この直接波の一部が上記反射器によって反射された電波を反射波とすれば、直接波と反射波が同位相で合成され応答アンテナ１３の方向に放射される。同様に応答アンテナ１３も質問アンテナ３から応答アンテナ１３に直接到達する直接波と、応答アンテナ１３の背後の位置付けられた反射器によって反射された反射波とが応答アンテナ１３で合成されて受信電力（受信電界強度）を高めることができる。

尚、質問アンテナ３とこの背後方向に位置付けられる反射器の距離または応答アンテナ１３とこの背後方向に位置付けられた反射器との距離は、それぞれのアンテナで直接波と反射波が同位相で合成される場所に位置付ければよい。つまり、各アンテナ３，１３と反射器との距離は、送受信される電磁波の波長をλとすれば、λ／４、３λ／４、５λ／４・・・（２ｎ−１）λ／４（ただし、ｎ≧０の整数）となるように位置付ければよい。

また、上記各アンテナの背後方向に位置付けられる反射器は、空調ダクト２内における空気抵抗を低くするため、反射器に到達する電磁波の波長λよりも細かい目をもつメッシュ状の金属板であることが好ましい。
概略的には上述したように構成される本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムは、空調制御装置１の電力送信部２１が例えば８００ＭＨｚ帯の電磁波を送電アンテナ２０によって空調ダクト２内へ送出する。この電磁波は、金属製の空調ダクト２の内壁面を反射しながら、或いは直接に計測制御装置１０の受電アンテナ３０に到達する。

一方、計測制御装置１０は、受電アンテナ３０が受けた８００ＭＨｚ帯の電磁波が有するエネルギーを整流部３１で直流電力に変換して取り出し、その取り出した直流電力を蓄電部３２に蓄える。蓄電部３２が蓄えた直流電力は、センサ１１および送受信部１４を駆動するエネルギーとして放出される。
尚、空調ダクト２が方形形状である場合、例えば３００mm×３００mmであるとき、その遮断周波数は５００ＭＨｚであるから、８００ＭＨｚ帯および２.４ＧＨｚ帯の電磁波は、空調ダクト２によって確実に伝送することができる。

かくして本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムは、空調制御装置１が外部電源６から供給される電力を空調ダクト２内に突出するように位置付けられた送電アンテナ２０から環境情報の送受信を行う周波数（例えば、２.４ＧＨｚ帯）の電磁波とは異なる例えば８００ＭＨｚ帯の電磁波を送出する電力送信部２１を備えるとともに、計測制御装置１０は、この８００ＭＨｚ帯の電磁波を空調ダクト２内に突出するように位置付けられた受電アンテナ３０が受けて整流部３１によって整流して直流電力を取り出し、蓄電部３２に蓄えて計測制御装置１０の駆動用の電源として利用している。また、電力送信部２１から送信された電磁波は、計測制御装置１０まで金属製の空調ダクト２内を反射しながら少ない漏洩電力で、即ち高効率で伝送することができる。このため計測制御装置１０は、計測に要する外部電源がなくても作動することができる。

次に本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムを図２に示す概略構成図を参照しながら説明する。この第二の実施形態が前述した第一の実施形態と異なるところは、空調制御装置１の送電アンテナ２０と電力送信部２１を省いた点、計測制御装置１０の受電アンテナ３０を省き、応答アンテナ１３が受けた電磁波を整流部３１に導く点にある。
このような特徴ある本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムについて図２を参照しながら説明する。尚、図中、図１および図１２と同一の符号を付した部分は同一物を表し、基本的な構成は第一の実施形態および従来のものと同様であるので、その説明を省略する。

この第二の実施形態は、空調制御装置１から空調ダクト２内に設けられた質問アンテナ３を介して空調ダクト２内に送出された所定周波数（例えば２.４ＧＨｚ帯）の電磁波（電波）を計測制御装置１０の応答アンテナ１３が受け、この受けた電磁波を整流部３１に与えてエネルギーを直流電力として取り出し、蓄電部３２に蓄える。そして蓄電部３２に蓄えられた直流電力は、センサ１１および送信部１６をそれぞれ駆動する電源として用いられる。また蓄電部３２に蓄えられた直流電力は、アクチュエータ１２および受信部１７をそれぞれ駆動する電源として適用してもよい。

かくして本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムは、空調制御装置１と計測制御装置１０との間で送受信を行う周波数（例えば、２.４ＧＨｚ帯）の電磁波を用いて計測制御装置１０を駆動させる電力を空調ダクト２内に送出する一方、計測制御装置１０は、この周波数の電磁波を空調ダクト２内に突出するように位置付けられた応答アンテナ１３で受け、この受けた電磁波を整流部３１によって整流して蓄電部３２に蓄え、計測制御装置１０を駆動する電源として利用している。また、空調制御装置１の送受信部４から送信された電磁波は、計測制御装置１０まで金属製の空調ダクト２内を反射しながら少ない漏洩電力で、即ち高効率で伝送することができる。このため計測制御装置１０は、外部電源がなくても作動させることができる。特にこの方法は計測制御装置１０が作動するための電力を応答アンテナ１３によって受け取っているので、構造が簡単である。更に本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムは、空調制御装置１の構成を変えることなく実現できるのでより好ましい。

ところで発明者らは、このようなすぐれた効果を得ることができる本発明の無線通信システムに関し、シミュレーションを行いその効果を確認した。このシミュレーションは、レイトレーシング法を用いた伝送シミュレーションであり、次の５つの異なる場合について、それぞれ受信点における受信電力比較を行った。
＜１＞正方形状の断面を有する直線状ダクト内と自由空間との受信電力比較
＜２＞円形状の断面を有する直線状ダクト内と自由空間との受信電力比較
＜３＞屈曲部を有するダクト内と自由空間との受信電力比較
＜４＞基本モード平面アンテナおよび高次モード平面アンテナを用いた場合の直線状ダクト内の受信電力比較
＜５＞反射器（反射板）の有無による直線状ダクト内の受信電力比較
まず、正方形状の断面を有する直線状ダクト内と自由空間との受信電力比較については、次の条件でシミュレーションを実施した。
（Ａ）空調ダクト
断面：３００mm×３００mmの正方形状
材質：スチール
（Ｂ）送信アンテナおよび受信アンテナ：空調ダクトの断面の中央部に、その断面方向に対して垂直に延伸する位置に配置した１／２波長ダイポールアンテナ
（Ｃ）送信アンテナと受信アンテナとの距離：１m〜４０mまでの１m毎
（Ｄ）周波数：２４５０MHz
（Ｅ）送信出力：０dBm
（Ｆ）送信アンテナから受信アンテナに至るまでの間、空調ダクト内で反射する電磁波の回数：５回以下
（Ｇ）比較対象：自由空間における受信電力とダクト内における受信電力
尚、上述した送信アンテナは、空調ダクト２内に電磁波を送り出す送電アンテナ２０、応答アンテナ１３または質問アンテナ３であり、受信アンテナは、空調ダクト２によって伝搬された電磁波を受け取る受電アンテナ３０、質問アンテナ３または応答アンテナ１３である。

その結果、図３の破線に示すように、自由空間おける受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−４２dBm、距離が１０mの地点で−５５dBm、距離が２０mの地点で−６２dBm、距離が３０mの地点で−６５dBm、距離が４０ｍの地点で−６８dBmであった。
それに対して空調ダクト内における受信電力は、同図の実線にて示されるように送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−２３dBm、距離が１０mの地点で−５１dBm、距離が２０mの地点で−５２dBm、距離が３０mの地点で−５８dBm、距離が４０ｍの地点で−５９dBmであった。

このシミュレーションの結果が示すように空調ダクト内を伝搬する電磁波の受信強度（受信点における電界強度）は、自由空間を伝搬する電磁波に比べて約１０dB高くなることがわかる。これは、自由空間における電磁波は、自由空間に放射状に広がりながら拡散していくのに対して、空調ダクト２内の送信アンテナから放射される電磁波は、空調ダクト２の内壁面で反射を繰り返しながら受信アンテナに到達することによる。

また発明者らは、円形状の断面を有する直線状ダクト内と自由空間との受信電力比較に関するシミュレーションを行った。このシミュレーションは、直径３００mmの直径を有する真円形の断面形状を有する空調ダクト２を用いたもので、これ以外は、上述と同一の条件である。
その結果、図４の実線に示されるように空調ダクト内における受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−５dBm、距離が１０mの地点で−２５dBm、距離が２０mの地点で−３２dBm、距離が３０mの地点で−３８dBm、距離が４０ｍの地点で−４３dBmであった。

このシミュレーションの結果が示すように空調ダクト内を伝搬する電磁波の受信点における電界強度は、自由空間を伝搬する電磁波に比べて約２０dB高くなることが確かめられた。これは、角形の空調ダクトに比べて円形形状の内壁面で反射された電磁波が効率的に受信アンテナに到達することによる。
次に発明者らは、図５に示すように屈曲部を有する空調ダクト内と自由空間との受信電力比較に関し、その伝送特性をシミュレーションによって確かめた。このシミュレーションは、次に示す条件で行った。
（Ａ）空調ダクト
断面：３００mm×３００mmの正方形状
材質：スチール
曲げ角度：９０°
曲げ部の内半径：５００mm
曲げ部の外半径：８００mm
（Ｂ）送信アンテナおよび受信アンテナ：空調ダクトの断面の中央部に、その断面方向に対して垂直に延伸する位置に配置した１／２波長ダイポールアンテナ
（Ｃ）送信アンテナと曲げ部の距離：５m固定
（Ｄ）曲げ部と受信アンテナの距離：１m〜１０m（即ち送信アンテナから、６m〜１５m）までの１ｍ毎（図６）
（Ｅ）周波数：２４５０MHz
（Ｆ）送信出力：０dBm
（Ｇ）送信アンテナから受信アンテナに至るまでの間、空調ダクト内で反射する電磁波の回数：５回以下
（Ｈ）比較対象：自由空間における受信電力とダクト内における受信電力
その結果、図７の実線に示されるように、空調ダクト内における受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が６mの地点で―４０dBm、距離が１０mの地点で−３７dBm、距離が１５mの地点で−４９dBmであった。

このシミュレーションの結果が示すように空調ダクト内を伝搬する電磁波の受信点における電界強度は、自由空間を伝搬する電磁波に比べて１０dB以上高くなることが検証できた。これは、空調ダクトにおける屈曲部の内壁面が凹面鏡のように作用し、屈曲部を有さない直管タイプの空調ダクトに比べて受信電界強度が高くなったことによる。
更に発明者らは、上述したシミュレーションで用いた１／２波長ダイポールアンテナに代えて、平面アンテナを空調ダクトの内壁面に設置したときの受信電力の変化をシミュレーションした。この平面アンテナは、図８に示す指向特性を有する利得が９dBiの基本モード平面アンテナと、図９に示す指向特性を有する利得が６dBiの高次モード平面アンテナを用い、次の条件でシミュレーションを行った。
（Ａ）空調ダクト
断面：３００mm×３００mmの正方形状
材質：スチール
（Ｂ）送信アンテナおよび受信アンテナ：双方のアンテナとも基本モード平面アンテナと高次モードアンテナを適用
（Ｃ）送信アンテナと受信アンテナとの距離：１m〜２０mまでの１m毎
（Ｄ）周波数：２４５０MHz
（Ｅ）送信出力：０dBm
（Ｆ）送信アンテナから受信アンテナに至るまでの間、空調ダクト内で反射する電磁波の回数：５回以下
（Ｇ）比較対象：基本モード平面アンテナと高次モード平面アンテナにおける受信電力
その結果、図１０の破線に示されるように基本モードアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナに用いた場合の受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−３２dBm、距離が５mの地点で−６７dBm、距離が１０mの地点で−８６dBm、距離が１５mの地点で−７７dBm、距離が２０ｍの地点で−７７dBmであった。

それに対して高次モードアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナに用いた場合の受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−２０dBm、距離が５mの地点で−４１dBm、距離が１０mの地点で−５９dBm、距離が１５mの地点で−５８dBm、距離が２０ｍの地点で−５８dBmであった。
このシミュレーションの結果が示すように円錐状の指向特性をもつ高次モードアンテナは、基本モードアンテナに比べて受信点における受信電力が約２０dB増加することが確認できる。

この種の平面アンテナは、空調ダクトの内壁面に貼り付けるように取り付けることができるので、空調ダクト内を流れる流体の流路抵抗を増加させることなく好ましい。
次に発明者らは、アンテナの後方に反射板を設けた場合の伝送シミュレーションを行った。送信アンテナの反射板は、送信アンテナから受信アンテナに向かう方向に対して送信アンテナの背後に位置するように設置される。同様に受信アンテナの反射板は、受信アンテナから送信アンテナに向かう方向に対して受信アンテナの背後に位置するように設置される。

発明者らは、このような反射器（反射板）の有無による直線状ダクト内の受信電力比較に関し、その伝送特性をシミュレーションによって確かめた。このシミュレーションは、次に示す条件で行った。
（Ａ）空調ダクト
断面：３００mm×３００mmの正方形状
材質：スチール
（Ｂ）送信アンテナおよび受信アンテナ：空調ダクトの断面の中央部に、その断面方向に対して垂直に延伸する位置に配置した１／２波長ダイポールアンテナ
（Ｃ）反射板：送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれ背後の位置に、それぞれのアンテナから９０mm（３／４波長）離れた位置にスチール板を設置
（Ｄ）送信アンテナと受信アンテナとの距離：１m〜４０mまでの１m毎
（Ｅ）周波数：２４５０MHz
（Ｆ）送信出力：０dBm
（Ｇ）送信アンテナから受信アンテナに至るまでの間、空調ダクト内で反射する電磁波の回数：５回以下
（Ｈ）比較対象：ダクト内における反射板がないときの受信電力と反射板があるときの受信電力
その結果、反射板がない場合の受信点における受信電力は、図１１の破線に示されるように空調ダクト内の受信電力と同一であるが、反射板を設けた場合、図１１の実線に示されるように空調ダクト内における受信電力は、送信アンテナから受信アンテナまで至る距離が１mの地点で−２０dBm、距離が１０mの地点で−４２dBm、距離が２０mの地点で−４３dBm、距離が３０mの地点で−４９dBm、距離が４０ｍの地点で−５１dBmであった。

このように送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれの背後に反射板を設けた場合、空調ダクト内を伝搬する電磁波の受信点における電界強度は、反射板が自由空間を伝搬する電磁波に比べて約１０dB高くなることがわかる。これは送信アンテナの場合、送信アンテナから放射される直接波と、この直接波の一部が反射板によって反射された反射波とが同位相で合成されて受信アンテナの方向に放射されることによる。同様に受信アンテナも受信アンテナに直接到来する直接波と、反射板によって反射された反射波とが受信アンテナで同位相で合成されて受信電力が強くなることによる。

尚、送信アンテナと反射板の距離または受信アンテナと反射板との距離は、それぞれのアンテナで直接波と反射波が同位相で合成されればよい。つまり、各アンテナと反射板との距離は、送受信される電磁波の波長をλとすれば、λ／４、３λ／４、５λ／４・・・（２ｎ−１）λ／４（ただし、ｎ≧０の整数）となるように位置付ければよい。
上述したように本発明の無線通信システムは、空調ダクト２を電磁波の伝搬路として用いることで、センサを駆動するための配線や電池が不要な無線通信システムを提供することができるという実用上多大なる効果を奏することが確かめられた。

尚、本発明の無線通信システムは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることが可能である。

本発明の第一の実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示すブロック図。 本発明の第二の実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示すブロック図。 レイトレーシング法を用いた自由空間内と方形ダクト内における受信電力シミュレーション結果を示すグラフ。 レイトレーシング法を用いた自由空間内と円形ダクト内における受信電力シミュレーション結果を示すグラフ。 屈曲部を有するダクトの外観を示す斜視図。 屈曲部を有するダクトの外観を示す平面図。 レイトレーシング法を用いた自由空間内と屈曲部を有するダクト内における受信電力シミュレーション結果を示すグラフ。 基本モード平面アンテナの指向特性を示すグラフ。 高次モード平面アンテナの指向特性を示すグラフ。 レイトレーシング法を用いた基本モード平面アンテナと高次モード平面アンテナのダクト内における受信電力シミュレーション結果を示すグラフ。 レイトレーシング法を用いて反射板の有無による受信電力をシミュレーションした結果を示すグラフ。 従来の無線通信システムの概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１ 空調制御装置
２ 空調ダクト
３ 質問アンテナ
４ 送受信部
５ 制御部
６ 外部電源
１０ 計測制御装置
１１ センサ
１２ アクチュエータ
１３ 応答アンテナ
１４ 送信部
２０ 送電アンテナ
２１ 電力送信部
３０ 受電アンテナ
３１ 整流部
３２ 蓄電部

Claims (10)

1. 金属製の筒状体からなる空調ダクトと、
   所定の物理量を計測し、前記空調ダクト内にその計測した物理量を所定周波数の電磁波にて変調して送信する計測装置と、
   この計測装置が前記空調ダクト内に送信した前記電磁波を受信してこの電磁波によって搬送された前記物理量を受信する空調制御装置と
   を有する無線通信システムであって、
   前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、第一の周波数の前記電磁波にて前記計測装置が送信した電磁波を受け取る質問アンテナと、
   この質問アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記物理量を受信する制御装置受信部と、
   この制御装置受信部に接続されて、この制御装置受信部が作動する電力を供給する外部電源部と、
   この外部電源部に接続されて、第二の周波数の電磁波を送信する電力送信部と、
   この電力送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記電力送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す送電アンテナと
   を備え、
   前記計測装置は、計測した前記物理量を前記第一の周波数の電磁波にて変調して送信する計測装置送信部と、
   この計測装置送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記計測装置送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す応答アンテナと、
   前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記送電アンテナにより送り出された前記第二の周波数域の電磁波を受け取る受電アンテナと、
   この受電アンテナに接続されて、この受電アンテナが受け取った前記第二の周波数域の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、
   この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部と
   を具備し、
   前記計測装置は、前記蓄電部に蓄えられた直流電力により駆動されることを特徴とする無線通信システム。
2. 金属製の筒状体からなる空調ダクトと、
   この前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて変調した制御データを送り出す空調制御装置と、
   この空調制御装置が前記空調ダクト内に送り出した所定の制御データを受けて、予め定められた制御動作を実行する駆動装置と
   を有する無線通信システムであって、
   前記空調制御装置は、制御データを前記第一の周波数の電磁波にて変調して送信する制御装置送信部と、
   この制御装置送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記制御装置送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す質問アンテナと、
   前記制御装置送信部に接続されて、この制御装置送信部が作動する電力を供給する外部電源部と、
   この外部電源部に接続されて、第二の周波数の電磁波を送信する電力送信部と、
   この電力送信部に接続されて、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記電力送信部が送信した電磁波を前記空調ダクト内に送り出す送電アンテナと
   を備え、
   前記駆動装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、
   この応答アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記制御データを受信する駆動装置受信部と、
   この駆動装置受信部が受信した制御データを受けて所定の動作を実行するアクチュエータと、
   前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられて、前記送電アンテナにより送り出された前記第二の周波数域の電磁波を受け取る受電アンテナと、
   この受電アンテナに接続されて、前記受電アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、
   この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部と
   を具備し、
   前記駆動装置受信部および前記アクチュエータは、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴とする無線通信システム。
3. 金属製の筒状体からなる空調ダクトと、
   所定の物理量を計測し、前記空調ダクト内にその計測した物理量を所定周波数の電磁波にて変調して送り出す計測装置と、
   この計測装置が前記空調ダクト内に送り出した前記電磁波を受け取る空調制御装置と
   を有する無線通信システムであって、
   前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた質問アンテナと、
   この質問アンテナに接続されて、前記計測制御装置により計測されて前記所定周波数の電磁波にて変調されて送り出された物理量を受信する制御装置受信部と
   を備え、
   前記計測装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、
   この応答アンテナに接続されて、前記計測した所定の物理量を前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて送信する計測装置送信部と、
   前記応答アンテナに接続されて、この応答アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、
   この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部と
   を具備し、
   前記計測制御装置は、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴とする無線通信システム。
4. 金属製の筒状体からなる空調ダクトと、
   この前記空調ダクト内に所定周波数の電磁波にて変調した制御データを送り出す空調制御装置と、
   この空調制御装置が前記空調ダクト内に送り出した所定の制御データを受けて、予め定められた制御動作を実行する駆動装置と
   を有する無線通信システムであって、
   前記空調制御装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた質問アンテナと、
   この質問アンテナに接続されて、前記空調ダクト内に前記所定の周波数の電磁波にて前記制御データを送り出す制御装置送信部と
   を備え、
   前記駆動装置は、前記空調ダクトの壁面に穿たれた孔部を介して、この空調ダクト内に突出するように位置付けられた応答アンテナと、
   この応答アンテナに接続されて、前記第一の周波数の電磁波にて搬送された前記制御データを受信する駆動装置受信部と、
   この駆動装置受信部が受信した制御データを受けて所定の動作を実行するアクチュエータと、
   前記応答アンテナに接続されて、この応答アンテナが受け取った前記所定周波数の電磁波を整流して直流電力を取り出す整流部と、
   この整流部によって取り出された前記直流電力を蓄える蓄電部と
   を具備し、
   前記駆動装置受信部とアクチュエータは、前記蓄電部に蓄えられた電気エネルギーにより駆動されることを特徴とする無線通信システム。
5. 前記各アンテナは、それぞれダイポールアンテナ、ホイップアンテナ、スリーブアンテナ、 八木アンテナまたはループアンテナのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線通信システム。
6. 前記各アンテナは、少なくともその一つが前記空調ダクトの内壁面に貼付される平面アンテナであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線通信システム。
7. 前記質問アンテナおよび前記応答アンテナの少なくとも一方には、前記空調ダクトを介してそれぞれ互いのアンテナを望む背後に位置付けられて、前記電磁波を前記各アンテナに反射する反射器を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の無線通信システム。
8. 前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方には、前記空調ダクトを介してそれぞれ互いのアンテナを望む背後に位置付けられて、前記電磁波を前記各アンテナに反射する反射器を備えることを特徴とする請求項１、２、５、６または７のいずれかに記載の無線通信システム。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の無線通信システムであって、
   前記空調ダクトに屈曲部を有するとき、前記質問アンテナおよび前記応答アンテナは、この屈曲部を挟み込む前記空調ダクト内の所定の位置に配置されることを特徴とする無線通信システム。
10. 請求項１、２、５、６または７のいずれかに記載の無線通信システムであって、
    前記空調ダクトに屈曲部を有するとき、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナは、この屈曲部を挟み込む前記空調ダクト内の所定の位置に配置されることを特徴とする無線通信システム。