JP2012119830A - 防爆型データ通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】防爆構造を使用した電磁誘導方式を用いた防爆型データ通信システムにおいて、防爆構造の強度を確保しつつ、通信距離を延ばす。
【解決手段】第１機器１０が金属製の防爆筐体１４内に設置され、防爆筐体１４には窓開口１４ｃが設けられて窓開口１４ｃが非金属製の閉塞板１４ｄ、１４ｅによって塞がれている。防爆筐体１４に設けられた窓開口１４ｃには、搬送周波数に同調する共鳴コイル５０、５２が設けられて、共鳴コイル５０、５２を介して第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの磁気結合を行い、第１機器と第２機器との間で非接触データ伝送を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、防爆構造を使用しなければならない環境下において、電磁誘導方式を用いたデータ通信を行う防爆型データ通信システムに関する。

従来の防爆型データ通信システムとしては、特許文献１〜３に記載されたものが知られている。

特許文献１では、質問波を放射する質問器と、受信した質問波を変調し応答波として放射する応答器とから構成され、質問器の筐体に耐圧防爆ケースを使用し、耐圧防爆ケースの一部に送受信用の電波を通過させる電波放射用窓を設けて、電波放射用窓を通して質問波と応答波とを送受している。

特許文献２では、防爆構造の筐体内にアンテナを含む無線基地局装置を収納し、防爆構造の筐体においてアンテナとの対向面を非金属材料によって形成しており、アンテナが突出しないようにし、無線基地局装置がアンテナ及び非金属材料の対向面を介して外部との間で電波の送受信をすることができるようにしている。

特許文献３では、耐圧防爆構造の無線通信機器において、第一のガラス板と第一のガラス板と合わせガラスを構成する第二のガラス板と、第一のガラス板と第二のガラス板との間に挟まれた導電体により防爆アンテナを構成するようにしている。

また、電磁誘導方式を用いた防爆型データ通信システムとしては、特許文献４〜７に記載されたものが知られている。

特許第３００３０６９号公報 特開２００５−３４８５４２号公報 特開２０１０−０１１２２５号公報 特開２００３−３４１７９８号公報 特許第４０７２０２１号公報 特許第４１７００３６号公報 特開２００５−１６２２４８号公報

しかしながら、電磁誘導方式を用いた防爆型データ通信システムにおいて、特許文献１または特許文献２のように防爆筐体内にアンテナを配置した場合には、非金属材料よりなる窓を介して磁界結合を行わなければならず、通信距離を延ばすことができず、外部とのデータ通信が困難であるという問題がある。窓の面積を大きくすれば、通信距離を延ばすことが可能であるが、あまり窓の面積を大きくすることは強度上好ましくない。

特許文献３のように防爆アンテナを防爆筐体よりも突出させると、構造が複雑であり、また、強度上も好ましくない。

また、特許文献３のようにアンテナを窓に一体とした場合には、窓を含む蓋部を開けてメンテナンスを行うとき等に、アンテナからのケーブルが蓋部と防爆筐体本体との間に挟まれるおそれがあり、好ましくない。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、防爆構造を有し、電磁誘導方式を用いた防爆型データ通信において、防爆構造の強度を確保しつつ、通信距離を延ばすことができる防爆型データ通信システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、第１機器と第２機器の一方が金属製の防爆筐体内に設置され、防爆筐体には開口が設けられて開口が非金属製の閉塞板によって塞がれており、開口を通して、第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの間の磁気結合により第１機器と第２機器との間で非接触データ伝送を行う防爆型データ通信システムにおいて、
開口内または閉塞板には、搬送周波数に同調する少なくとも１つの共鳴コイルが設けられて、共鳴コイルを介して第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの磁気結合を行うことを特徴とする。

前記防爆筐体は、開口及び閉塞板を含む蓋部と、第１機器または第２機器が納まる本体とを備えており、蓋部は本体に対して変位可能とすることができる。

また、前記磁気結合により、第１機器から第２機器に向けて非接触に電力を伝送することができる。

そして、前記防爆筐体内に前記第１機器が設置されており、第１機器は前記第２機器に格納されたデータを読み出すものとすることができる。

または、前記防爆筐体内に前記第２機器が設置されており、前記磁気結合により、前記第１機器から第２機器に向けて電力が供給されて、磁気結合が確立された状態でのみ第２機器または第２機器に接続された別の機器が動作するものとすることができる。

また、第１機器と第２機器の他方が金属製の別の防爆筐体内に設置されて、別の防爆筐体には開口が設けられて開口が非金属製の閉塞板によって塞がれており、該開口を通して、第１機器と第２機器との間で非接触データ伝送を行うことができる。

前記共鳴コイルは前記閉塞板の内面側に設けられることができる。

また、前記開口には複数の閉塞板が設けられ、該複数の閉塞板の間に共鳴コイルが配置されることができる。

本発明によれば、開口内または非金属製閉塞板に共鳴コイルを設けることにより、防爆筐体による磁束の損失を最小限として、第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの間の磁気結合による通信距離を延ばすことができる。このため、開口の面積が小さくても、防爆筐体内外で通信を行うことができるので、防爆筐体の強度を確保することができる。

さらに、開口内または閉塞板には、コイルアンテナを設ける必要がなく共鳴コイルを設けるだけとすることができるので、開口及び閉塞板を含む蓋部を、防爆筐体の本体に対して変位させたときに、蓋部と共に共鳴コイルが変位し、その際に蓋部からケーブルが垂れ下がることがないので、メンテナンス等を容易に行うことができる。

本発明による第１実施形態によるデータ通信システムを表す断面図である。 本発明による第１実施形態によるデータ通信システムを表す別の断面図である。 本発明による第１実施形態によるデータ通信システムを表すブロック図である。 本発明による第１実施形態によるデータ通信システムの窓開口付近の分解斜視図である。 本発明による第１実施形態に対応する態様を表す断面図である。 本発明による別の態様を表す断面図である。 本発明による別の態様を表す断面図である。 本発明による別の態様を表す断面図である。 共鳴コイルの効果を実証する実験条件を表す概略図である。 図６の実験による伝送効率を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施形態によるデータ通信システムを表す図である。

データ通信システムは、第１機器１０と、第２機器１２とから構成される。第１機器１０はリーダ装置またはリーダ／ライタ装置とすることができ、第２機器１２は、一般的にＩＣカード、ＩＣタグと呼ばれているメモリキャリアとすることができ、第１機器１０から第２機器１２へと電力が供給されると共に第１機器１０からの送信信号に対して第２機器１２から応答信号が返信されるようになっている。

第１機器１０と第２機器１２とは互いに空間的に離れて、且つ、原則的には、相対的に移動可能であり、この実施形態では、第２機器１２が可搬性のメモリキャリアとなっている。

第１機器１０は、金属製の防爆筐体１４内に配置される。防爆筐体１４は、第１機器１０を含めた機器が納まる本体１４ａと、蓋部１４ｂとからなり、蓋部１４ｂは本体１４ａに対して開閉可能となっている。蓋部１４ｂの一部には窓開口１４ｃが設けられ、窓開口１４ｃは、非金属製のガラスまたはプラスチックからなる閉塞板としての窓（第１窓）１４ｄ、窓（第２窓）１４ｅによって塞がれている。窓開口１４ｃ内及び／または窓１４ｄ、１４ｅには、後述の共鳴コイル５０、５２が設けられる。

好ましくは、窓１４ｄ、１４ｅは透明または半透明であり、窓１４ｄ、１４ｅを介して外部から防爆筐体１４内が視認可能となっている。そして、窓開口１４ｃに対向するようにして、ＬＣＤ表示装置１６が設けられる。また、防爆筐体１４内には、その他の任意の機器を含めることができる。第１機器１０を含めて防爆筐体１４内の機器には、防護筐体１４外部から電源ケーブル（不図示）を介して電力が供給される。または、防護筐体１４外部から電力が供給される代わりに、防爆筐体１４内にバッテリが配置されて、バッテリから電力が供給されるようにしてもよい。

図３に示すように、第１機器１０は、信号処理回路２０、発振器２１、Ｄ／Ａ変換器２２、増幅器２４、第１コイルアンテナ２６、変調器２８、増幅器３０、フィルタ３２、Ａ／Ｄ変換器３４及び相関計算器３６を備える。

第１機器１０において、発振器２１からの発振信号を適宜分周して得られる周波数ｆのデジタル信号は、信号処理回路２０からＤ／Ａ変換器２２を経て、搬送周波数ｆ（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の信号となり、また、信号処理回路２０から出力されるベースバンド信号によって、変調器２８によって変調されて、第１コイルアンテナ２６から磁界が発生され、これが送信信号となる。

ここで、第１コイルアンテナ２６は、コンデンサＣと共にＬＣ並列共振回路を構成しており、搬送周波数ｆに同調されている。但しＬＣ並列共振回路の代わりにＬＣ直列共振回路を構成してもよい。

第２機器１２は、第２コイルアンテナ４０、制御回路４２、不揮発性メモリ４４、拡散符号系列発生回路４６及び負荷変調回路４８を備える。制御回路４２はさらに、図示しないが内部に電源発生回路及び復調回路を備える。

第１コイルアンテナ２６によって発生された磁界により第２コイルアンテナ４０に誘導された電圧は、制御回路４２中の電源発生回路において、整流、平滑され直流電源となる。同時に、制御回路４２の復調回路によって復調が行われ、復調信号に含まれたコマンドに従ったデータが不揮発性メモリ４４から読み出される。そして、そのデータに応じて、拡散符号系列発生回路４６で発生する拡散符号系列が指定される。負荷変調回路４８において、搬送波を分周して副搬送波を発生し、拡散符号系列発生回路４６で発生された拡散符号系列に応じて副搬送波で負荷を変動させて、第２コイルアンテナ４０によって発生させる磁界を変動させて、それを返信信号とする。

尚、第２機器１２は、負荷変調を行う代わりに位相変調することもでき、この場合でも、同様に、第１機器１０においてフィルタ３２で搬送周波数を除去し、返信信号を確実に受信することができる。また、第１機器１０にＰＬＬ回路を備えて位相復調することで、返信信号を復調することができる。

ここで、第２コイルアンテナ４０においても、コンデンサＣと共にＬＣ並列共振回路を構成しており、搬送周波数ｆに同調されている。

第２コイルアンテナ４０からの返信信号は、第１コイルアンテナ２６で捉えられると、増幅器３０で増幅され、フィルタ３２によって搬送周波数と副搬送周波数との差周波数近傍の信号だけが取り出されて、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル変換されて、相関計算器３６に入力される。

相関計算器３６は、ソフトウエアまたはハードウエアによって所定の拡散符号系列との相関をとり、その相関計算結果を信号処理回路２０へと送るものである。

図４に示すように、第１コイルアンテナ２６は、防爆筐体１４の本体１４ａ内に配置され、この例では、ＬＣＤ表示装置１６の表示部１６ａの周囲に数巻して固着される。

また、防爆筐体１４の蓋部１４ｂの窓開口１４ｃ内には、共鳴コイル５０、５２が設けられる。共鳴コイル５０は、第１コイルアンテナ２６との磁界結合が可能な程度に近傍に距離をおいて配置される。この例では、窓開口１４ｃの第１窓１４ｄの裏面（内面）に、第１コイルアンテナ２６と同じように、数巻して固着される。共鳴コイル５０は、コイルの分布容量によってＬＣ共振回路を構成しており、その自己共振周波数ｆは、搬送周波数にほぼ同調されており、そのＱは５０〜２００程度の間に設定される。

同様に、共鳴コイル５２は、共鳴コイル５０との磁界結合が可能な程度に近傍に距離をおいて配置される。この例では、窓開口１４ｃの第２窓１４ｅの裏面（内面）に形成された溝内に配置されるので、共鳴コイル５２は、第１窓１４ｄの表面（外面）側に設けられる。共鳴コイル５２は、コイルの分布容量によってＬＣ共振回路を構成しており、その自己共振周波数ｆは、搬送周波数にほぼ同調されており、そのＱは５０〜２００程度の間に設定される。

以上のように構成されるデータ通信システムにおいては、共鳴コイル５０、５２を窓開口１４ｃ内に設けることによって、そのエネルギー伝送効率を上げることができて、金属製の防爆筐体１４によって磁束の損失が発生したとしても、その磁束の損失を最小限として、第１コイルアンテナ２６と第２コイルアンテナ４０との間の通信距離を延ばすことができる。

よって、窓開口１４ｃの面積が小さくても、防爆筐体１４内外で通信を行うことができるので、防爆筐体１４の強度を確保することができる。

また、蓋部１４ｂを開けて、本体１４ａ内の機器のメンテナンスを行う際にも、共鳴コイル５０、５２には給電ケーブルといったケーブルが一切接続されていないので、ケーブルが挟まったりする恐れも無く、容易に蓋部１４ｂを開閉することができる。

窓開口１４ｃを介してＬＣＤ表示装置１６の表示部１６ａの表示を防爆筐体１４の外部から視認することができ、この際に、第１コイルアンテナ２６、共鳴コイル５０、５２が表示の邪魔になることがない。

表示部１６ａで表示される内容としては、第２機器１２からの返信信号に含まれるデータとしてもよいし、または、防爆筐体１４内の別の機器からのデータ、例えばアラーム等の表示としてもよい。

尚、共鳴コイルとコイルアンテナとの磁界結合の結合係数は、互いの距離が近いときに、共振周波数がスプリットして上下に僅かにずれたところで結合係数が高くなる傾向がある。そして、共振周波数よりも僅かに小さいところでは、コイルアンテナと共鳴コイルの電流の向きが同相となり、共振周波数よりも僅かに大きいところでは、コイルアンテナと共鳴コイルの電流の向きが逆相となるため、共振周波数よりも僅かに小さい方が伝送効率がよい。そのため、ＬＣ共振回路を搬送周波数ｆに同調させるときに、共鳴コイルとコイルアンテナとの間の距離に応じて、その搬送周波数ｆが伝送効率のよい方の周波数に合致するように調整されるとよい。

尚、以上の例では、表示部１６ａを防爆筐体１４外部から視認できるように第１コイルアンテナ２６、共鳴コイル５０、５２を巻線としていたが、これに限らず、プリントコイルとすることもでき、特に、表示部１６ａの視認が不要である場合には、閉塞板自体にプリントコイルを形成することも可能である。また、この場合には、閉塞板は透明または半透明とする必要もない。

図５Ａ〜図５Ｄは、第１実施形態を含めた様々な態様を表す図である。但し、この態様は例示であり、この態様に限らず、任意の態様が可能である。

図５Ａ（ａ）は、防爆筐体１４内に第１機器であるリーダ装置１０が配置され、防爆筐体１４の外部に可搬性の第２機器であるメモリキャリア１２が配置される第１実施形態の例である。

この態様では、防爆筐体１４外のメモリキャリア１２のメモリ４４に格納されるデータを防爆筐体１４内のリーダ装置１０によって読み出すことで、様々な応用をすることができる。

例えば、入退出するメモリキャリア１２内のデータをリーダ装置１０で読み出して、そのデータを管理することで、爆発引火の恐れのある環境下における入退出管理、入出荷管理等を行うことができる。

または、防爆筐体１４内で動作するリーダ装置である第１機器１０のデータを書き換える必要がある場合に、メモリキャリア１２を用いて外部からそのデータを書き換えて、第１機器の設定や調整を行うことができる。

尚、必要に応じて、可搬性のメモリキャリア１２も別個の防爆筐体７０内に配置することが可能である（図５Ａ（ｂ））。この場合には、別の防爆筐体７０に設けられた開口７０ａが非金属製の閉塞板７０ｂによって閉塞されており、開口７０ａ及び閉塞板７０ｂを通して磁気結合が行われる。

図５Ｂは、防爆筐体１４内に第２機器であるメモリキャリア１２が配置され、防爆筐体１４の外部に可搬性の第１機器１０である携帯型リーダ／ライタ装置が配置される態様である。第１機器１０にはバッテリ６０が内蔵されている。

この態様では、メモリキャリア１２内のメモリ４４に格納されるデータを防爆筐体１４外部の第１機器１０で書き換えることで、メモリキャリア１２自身の設定、またはメモリキャリア１２のメモリ４４のデータを利用する別途の機器の設定や調整を行うことができる。

尚、必要に応じて、可搬性の第１機器１０も別個の防爆筐体７０内に配置することが可能である（図５Ｂ（ｂ）参照）。

図５Ｃは、防爆筐体１４内に第２機器１２であるメモリキャリアが配置され、防爆筐体１４の外部に可搬性の第１機器１０である携帯型リーダ装置または携帯型リーダ／ライタ装置が配置される態様である。第１機器１０にはバッテリ６０が内蔵されており、第２機器１２はメモリ４４を有すると共に、第１機器１０によって供給される電力によって動作する別の機器６２に接続されている。別の機器６２としては、無電源回路、スイッチ、センサ等とすることができ、第１機器１０によって電力を供給されたときに一時的に動作するものとすることができる。

別の機器６２は、動作を行った結果のデータを第２機器１２のメモリ４４に格納することができ、このデータを携帯型リーダ装置１０または携帯型リーダ／ライタ装置１０で読み取ることもできる。

また、別の機器６２の動作条件等をメモリ４４に格納することができ、この動作条件等をリーダ／ライタ装置１０で書き換えることができる。

尚、必要に応じて、可搬性の第１機器１０も別個の防爆筐体７０内に配置することが可能である（図５Ｂ（ｂ）参照）。

図５Ｄは、防爆筐体１４内に第２機器１２であるメモリキャリアが配置され、防爆筐体１４の外部に可搬性の第１機器１０である携帯型リーダ装置または携帯型リーダ／ライタ装置が配置される態様である。第１機器１０にはバッテリ６０が内蔵されており、第２機器１２はメモリ４４を有すると共に、第１機器１０によって供給される電力によって動作する別の機器６２に接続されている。さらに、防爆筐体１４内にはバッテリ６４が設けられて、該バッテリ６４で蓄電された電力で第２機器１２または別の機器６２が動作することができるようになっている。

バッテリ６４は、第１機器１０から供給される電力を蓄電することができ、第１機器１０との非接触通信が行われているときに蓄電することができる。

（実験例）
図６は、共鳴コイルの効果を実証するための実験例の説明図である。図において、第１コイルアンテナ２６、共鳴コイル５０、共鳴コイル５２及び第２コイルアンテナ４０は、それぞれ以下の条件とし、第１コイルアンテナ２６を防爆筐体１４内に配置した。また、窓開口１４ｃの大きさを６７ｍｍ×１２５ｍｍとした。

共鳴コイル５０及び５２がないとした場合（比較例１）、防爆筐体１４の外部にある第２コイルアンテナ４０では全く、通信を行うことができなかった。

第１コイルアンテナ２６から１０mm離れた位置に１つの共鳴コイル５０だけを防爆筐体１４の窓開口１４ｃに配置した場合（実施例１）、防爆筐体１４の金属表面から５ｍｍの位置にある第２コイルアンテナ４０で通信が可能となった。

さらに、２つの共鳴コイル５０及び５２を互いの距離を２０ｍｍとして、防爆筐体１４の窓開口１４ｃに配置した場合（実施例２）、防爆筐体１４の金属表面から４０ｍｍの位置にある第２コイルアンテナ４０で通信が可能となった。

図７は、第２コイルアンテナ４０をプローブコイルとし、共鳴コイル５０及び５２がない場合の金属表面から５０ｍｍ離れた位置にプローブコイルを設置した場合（比較例２）、第１コイルアンテナ２６から１０ｍｍ離れた位置に共鳴コイル５０のみを設けた場合の金属表面から５０ｍｍ離れた位置にプローブコイルを設置した場合（実施例３）及び金属表面から１０ｍｍ離れた位置にプローブコイルを設置した場合（実施例４）、共鳴コイル５０と共鳴コイル５２との間を３０ｍｍとして２つの共鳴コイル５０、５２を設けた場合の金属表面から５０ｍｍ離れた位置にプローブコイルを設置した場合（実施例５）、について、それぞれベクトルネットワークアナライザー（ＶＮＡ）を用いて、挿入損失Ｓ２１、リターンロスＳ１１を求めた結果である。共鳴コイルを有る場合と無い場合とで、最大１５ｄＢの差が得られた。

以上のことにより共鳴コイルによる通信距離延長の効果が立証された。

１０ 第１機器（リーダ装置）
１２ 第２機器（メモリキャリア）
１４ 防爆筐体
１４ｃ 窓開口（開口）
１４ｄ、１４ｅ 窓（閉塞板）
１６ ＬＣＤ表示装置（別の機器）
２６ 第１コイルアンテナ
４０ 第２コイルアンテナ
５０ 共鳴コイル
５２ 共鳴コイル
６２ 別の機器
７０ 別の防爆筐体
７０ａ 開口
７０ｂ 閉塞板

Claims (8)

1. 第１機器と第２機器の一方が金属製の防爆筐体内に設置され、防爆筐体には開口が設けられて該開口が非金属製の閉塞板によって塞がれており、前記開口を通して、第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの間の磁気結合により第１機器と第２機器との間で非接触データ伝送を行う防爆型データ通信システムにおいて、
   前記開口内または前記閉塞板には、搬送周波数に同調する少なくとも１つの共鳴コイルが設けられて、共鳴コイルを介して第１機器のコイルアンテナと第２機器のコイルアンテナとの磁気結合を行うことを特徴とするデータ通信システム。
2. 前記防爆筐体は、開口及び閉塞板を含む蓋部と、第１機器または第２機器が納まる本体とを備えており、蓋部は本体に対して変位可能であることを特徴とする請求項１記載のデータ通信システム。
3. 前記磁気結合により、第１機器から第２機器に向けて非接触に電力が伝送されることを特徴とする請求項１または２記載のデータ通信システム。
4. 前記防爆筐体内に前記第１機器が設置されており、第１機器は前記第２機器に格納されたデータを読み出すものであることを特徴とする請求項３に記載のデータ通信システム。
5. 前記防爆筐体内に前記第２機器が設置されており、前記磁気結合により、前記第１機器から第２機器に向けて電力が供給されて、磁気結合が確立された状態でのみ第２機器または第２機器に接続された別の機器が動作することを特徴とする請求項３に記載のデータ通信システム。
6. 第１機器と第２機器の他方が金属製の別の防爆筐体内に設置されて、別の防爆筐体には第２開口が設けられて該第２開口が非金属製の閉塞板によって塞がれており、該第２開口を通して、第１機器と第２機器との間で非接触データ伝送を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のデータ通信システム。
7. 前記共鳴コイルは前記閉塞板の内面側に設けられることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のデータ通信システム。
8. 前記開口には複数の閉塞板が設けられ、該複数の閉塞板の間に共鳴コイルが配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のデータ通信システム。

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