JP2018074347A - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で設置が容易であるとともに、安価で低消費電力のアンテナモジュールを提供する。
【解決手段】アンテナモジュールは、外部から送信されてくる信号を受信してアンテナから無線信号にして送信させるとともに、アンテナで受信された無線信号の処理を行った信号を外部に送信する回路部と、回路部の周囲を覆うように回路部を収容する筒状の筐体と、筐体の一端部又は両端部間に設けられて無線信号の送受信が可能なようにアンテナを収容するアンテナ収容部と、筐体に接合されており、回路部で受送信される信号が送受信される外部機器に接続可能なコネクタ部と、回路部によって処理が行われた信号の中継を行うルータ部と、ルータ部とコネクタ部に接続される外部機器とを通信可能に接続するゲートウェイ部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナモジュールに関する。

従来から、プラントや工場等においては、分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されており、高度な自動操業が実現されている。この分散制御システムは、フィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）と、これらの制御を行う制御装置とが通信手段を介して接続されたシステムである。このような分散制御システムを構成するフィールド機器は、有線通信を行うものが殆どであったが、近年においてはＩＳＡ１００．１１ａやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）等の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行うもの（無線フィールド機器）も実現されている。

例えば、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信システムは、上記の無線フィールド機器、バックボーンルータ、システムマネージャ、及びゲートウェイ等によって構成される。バックボーンルータは、無線フィールド機器との間で無線ネットワークを形成する。システムマネージャは、無線ネットワークを介して行われる無線通信の管理を行う。ゲートウェイは、無線ネットワークに参入している無線フィールド機器で得られる各種データ（例えば、測定データ）の収集及び復号を行うとともに、無線ネットワークに参入している無線フィールド機器に対する各種データ（例えば、制御データ）の暗号化及び送信を行う。

以下の特許文献１には、上述したバックボーンルータがアクセスポイントとして設けられ、上述したシステムマネージャ及びゲートウェイが情報処理装置として設けられた無線通信システムが開示されている。また、以下の特許文献２には、無線通信機能を有しないフィールド機器に対して無線通信機能を追加することで、無線通信機能を有しないフィールド機器を無線フィールド機器にすることが可能なアンテナモジュール及び無線機器が開示されている。

特開２０１５−１４６５６２号公報 特許第５８５００１５号公報

ところで、近年においては、上述した特許文献１に開示されたプラント等で実現される大規模の無線通信システム以外に、小規模の無線通信システムも求められている。このような小規模の無線通信システムは、例えばガス田や油田等の井戸元の周辺の限られた範囲のみに無線ネットワークを形成し、井戸元及びその周辺に設置された無線フィールド機器に対する測定データの収集及び制御データの送信等を、無線ネットワークを介して行う用途に用いられる。

このような小規模の無線通信システムは、上述した特許文献１等に開示されたアクセスポイント及び情報処理装置によって実現することも不可能ではない。しかしながら、上述した特許文献１等に開示されたアクセスポイント及び情報処理装置は、プラント等に設置されて大規模の無線通信システムを実現すること前提として設計されていることから、大型で重量があり、高価であるとともに、消費電力が大きい。このため、上述した特許文献１等に開示されたアクセスポイント及び情報処理装置を、例えば井戸元周辺の制約のある環境に設置し、小規模の無線通信システムを構築して運用することは困難であるという問題がある。

尚、上記の小規模の無線通信システムは、プラント等の外部で実現されるばかりではなく、プラント等の内部で実現されることもあり得る。プラント等の内部で実現される場合には、プラントの内部に小規模の無線通信システムが複数設けられることになるから、上述した特許文献１等に開示されたアクセスポイント及び情報処理装置に相当する装置は、設置が容易であることが望まれる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型軽量で設置が容易であるとともに、安価で低消費電力のアンテナモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアンテナモジュールは、無線ネットワーク（Ｎ１）を介した無線信号の送受信を行うアンテナモジュール（２０）において、外部から送信されてくる信号を受信してアンテナ（２５）から無線信号にして送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行った信号を外部に送信する回路部（２４）と、前記回路部の周囲を覆うように前記回路部を収容する筒状の筐体（２１、２１ａ、２１ｂ）と、前記筐体の一端部又は両端部間に設けられて無線信号の送受信が可能なように前記アンテナを収容するアンテナ収容部（２２）と、前記筐体に接合されており、前記回路部で受送信される信号が送受信される外部機器に接続可能なコネクタ部（２３、２３ａ、２３ｂ）と、前記回路部によって処理が行われた信号の中継を行うルータ部（Ｆ３）と、前記ルータ部と前記コネクタ部に接続される前記外部機器とを通信可能に接続するゲートウェイ部（Ｆ１）と、を備える。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記無線ネットワークを管理する管理部（Ｆ２）を更に備える。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記回路部が、前記コネクタ部を介して前記外部機器から送信されてくる信号を受信して前記ゲートウェイ部に出力するとともに、前記ゲートウェイ部から出力される信号を、前記コネクタ部を介して前記外部機器に送信する送受信部（２４ａ）と、前記ルータ部から出力される信号を無線信号にして前記アンテナから送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行って前記ルータ部に出力する無線信号処理部（２４ｃ、Ｆ４）と、を備える。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記ゲートウェイ部が、前記送受信部から出力されるデータを暗号化して前記ルータ部に出力するとともに、前記ルータ部から出力されるデータを復号して前記送受信部に出力する。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記コネクタ部が、外部の電源（３２）に接続される電源接続部（Ｔ１０）を備える。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記筐体の軸方向における前記アンテナの給電点と前記筐体との最短距離Ｌは、前記筐体の軸に直交して前記アンテナの給電点が含まれる面を基準とした前記アンテナの３ｄＢ半値角をθ、前記筐体の外半径をφとすると、以下の（１）式で表される、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のアンテナモジュール。
Ｌ＝φ×tanθ …（１）

本発明によれば、ルータ部及びゲートウェイ部がアンテナモジュールに設けられており、無線ネットワークを形成する機能、及び外部機器に接続する機能がアンテナモジュール単体で実現されるため、小型軽量で設置が容易であるとともに、安価で低消費電力のアンテナモジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールが用いられる無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの運用前の設定方法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの運用開始後の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールを模式的に示す図である。 本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるアンテナモジュールについて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
〈無線通信システムの全体構成〉
図１は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールが用いられる無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、無線通信システム１は、無線フィールド機器１０、アンテナモジュール２０、遠隔端末装置３０（外部機器）、及び上位ホストシステム４０を備える。かかる構成の無線通信システム１は、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多元接続）方式による無線通信が可能である。

この無線通信システム１は、例えばプラントや工場等（以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という）に構築される。ここで、上記のプラントとしては、化学等の工業プラントの他、ガス田や油田等の井戸元やその周辺を管理制御するプラント、水力・火力・原子力等の発電を管理制御するプラント、太陽光や風力等の環境発電を管理制御するプラント、上下水やダム等を管理制御するプラント等がある。

尚、本実施形態では理解を容易にするために、無線通信システム１は、ガス田や油田等の井戸元やその周辺を管理制御するプラントに構築されるものとする。具体的に、無線通信システム１を構成する無線フィールド機器１０、アンテナモジュール２０、及び遠隔端末装置３０は、プラントの現場であるガス田や油田等の井戸元或いはその周辺に設置され、無線通信システム１を構成する残りの上位ホストシステム４０は、井戸元から離れた遠隔監視センターに設置されるものとする。

上記の無線ネットワークＮ１は、無線フィールド機器１０及びアンテナモジュール２０によって井戸元の周辺の限られた範囲に形成されて、アンテナモジュール２０によって管理される無線ネットワークである。尚、図１においては、図示を簡略化しているが、無線ネットワークＮ１を形成する無線フィールド機器１０の数は任意である。また、図１に示すネットワークＮ２は、遠隔端末装置３０と上位ホストシステム４０とを接続するネットワークであり、例えば無線通信システム１の基幹となる有線又は無線のバックボーンネットワークである。

無線フィールド機器１０は、上位ホストシステム４０の制御の下でプロセス制御に必要な測定や操作等を行う。具体的に、無線フィールド機器１０は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他の機器である。この無線フィールド機器１０は、電池を電源として省電力動作（例えば、間欠動作）を行い、無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠したＴＤＭＡ方式による無線通信が可能である。

アンテナモジュール２０は、無線信号の送受信を行うアンテナ２５（図２参照）を備えており、無線ネットワークＮ１を介した無線信号の送受信を行う。具体的に、アンテナモジュール２０は、無線フィールド機器１０から無線ネットワークＮ１を介して送信されてきた無線信号をアンテナ２５で受信し、受信した無線信号を処理して遠隔端末装置３０に向けて送信する。また、アンテナモジュール２０は、遠隔端末装置３０から送信されてきた信号を受信し、受信した信号をアンテナ２５から無線信号にして無線フィールド機器１０に向けて送信する。このアンテナモジュール２０は、遠隔端末装置３０に設けられた電源３２（詳細は後述する）から供給される電力によって動作し、無線フィールド機器１０と同様に、無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠したＴＤＭＡ方式による無線通信が可能である。

また、アンテナモジュール２０は、ケーブルＣＢを介して遠隔端末装置３０に接続されており、ケーブルＣＢを介して遠隔端末装置３０と通信を行う。ここで、ケーブルＣＢは、例えば電源線、信号線、及びグランド線を有する多芯のシールドケーブルである。このケーブルＣＢは、差動信号による通信（例えば、半二重通信）が可能なケーブルであることが望ましい。ケーブルＣＢとしては、例えばＲＳ−４８５に準拠したシリアル通信ケーブル等を用いることができる。このようなケーブルＣＢを用いることで、例えばアンテナモジュール２０を遠隔端末装置３０から数十［ｃｍ］〜数百［ｍ］程度離れた位置に設置することが可能となる。

アンテナモジュール２０は、ケーブルＣＢを介して遠隔端末装置３０との間で通信を行う。具体的に、アンテナモジュール２０は、遠隔端末装置３０との間で、コマンドレスポンス方式による通信を行う。例えば、アンテナモジュール２０は、Ｍｏｄｂｕｓ（登録商標）プロトコル、或いはＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルを用いて、コマンドレスポンス方式による通信を行う。

尚、図１では、アンテナモジュール２０と遠隔端末装置３０とがケーブルＣＢによって接続されている例を図示しているが、ケーブルＣＢを用いることなく、アンテナモジュール２０を遠隔端末装置３０に図２のコネクタ部２３によって直接接続することも可能である。ケーブルＣＢを用いてアンテナモジュール２０と遠隔端末装置３０とを接続した場合には、アンテナモジュール２０の設置場所の自由度を高めることが可能になる。これに対し、ケーブルＣＢを用いることなく、アンテナモジュール２０を遠隔端末装置３０に直接接続した場合には、アンテナモジュール２０と遠隔端末装置３０とがコンパクトになるため、取り扱いが容易になる。尚、アンテナモジュール２０の詳細については後述する。

遠隔端末装置３０は、コントローラ３１及び電源３２を備えており、上位ホストシステム４０の下で無線フィールド機器１０及びアンテナモジュール２０の制御を行うとともに、アンテナモジュール２０に対する電源供給を行う。コントローラ３１は、例えば遠方監視制御装置（ＲＴＵ：Remote Terminal Unit）であり、無線フィールド機器１０から送信されてアンテナモジュール２０で受信された各種データ（例えば、測定データ）を上位ホストシステム４０に向けて送信するとともに、上位ホストシステム４０から送信されてきた各種データ（例えば、制御データ）を、アンテナモジュール２０を介して無線フィールド機器１０に送信する。

電源３２は、アンテナモジュール２０に対して電力を供給する。尚、図１に示す通り、アンテナモジュール２０と遠隔端末装置３０とがケーブルＣＢによって接続されている場合には、電源３２は、ケーブルＣＢを介してアンテナモジュール２０に電力を供給する。電源３２としては、電池（例えば、塩化チオニルリチウム電池等の自己放電が極めて少ない一次電池や二次電池）、燃料電池、キャパシタ、或いは環境発電（所謂、太陽電池等のエナジーハーベスト）を行う発電回路等を用いることができる。尚、電源３２は、遠隔端末装置３０に内蔵されるものであっても、遠隔端末装置３０の外部に設けられるものであっても良い。

上位ホストシステム４０は、ネットワークＮ２を介して遠隔端末装置３０と通信を行い、遠隔端末装置３０を介して無線フィールド機器１０及びアンテナモジュール２０の各種情報を収集するとともに、遠隔端末装置３０を介して無線フィールド機器１０及びアンテナモジュール２０の制御を行う。この上位ホストシステム４０は、例えば分散制御システム（ＤＣＳ）、或いはスキャダ（ＳＣＡＤＡ：Supervisory Control And Data Acquisition）である。

〈アンテナモジュール〉
図２は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、アンテナモジュール２０は、筐体２１、アンテナキャップ２２（アンテナ収容部）、コネクタ部２３、回路部２４、及びアンテナ２５を備えており、外形形状が円柱形状又は多角柱形状（例えば、四角柱形状）のモジュールである。このアンテナモジュール２０は、外形形状が柱形状にされているため、従来の無線機器に設けられていたアンテナ（スリーブアンテナ或いはホイップアンテナ）のように、遠隔端末装置３０に直接接続することが可能である。

筐体２１は、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された筒状（円筒状、或いは多角筒状）の部材であり、回路部２４の周囲を覆うように回路部２４を収容する。ここで、回路部２４の周囲を金属製の筐体２１で覆うのは、回路部２４で発生する不要輻射（例えば、高次高調波等のスプリアス）がアンテナモジュール２０の外部に漏れるのを極力抑えて、周囲に配置されている他の無線機器に悪影響を及ぼすのを防止するためである。

また、筐体２１は、本質安全防爆規格を満たすべく、その内部に樹脂が充填されている。つまり、筐体２１の内部に収容される回路部２４は、筐体２１の内部に充填された樹脂によって封止されている。ここで、筐体２１の内部に樹脂を充填してしまうとアンテナモジュール２０のコスト及び重量の増大を招いてしまうため、筐体２１の内部に樹脂を充填せずに回路部２４の表層のみを樹脂でコーティングするように部分的に充填するものであっても良い。

アンテナキャップ２２は、内部にアンテナ２５を収容する樹脂製の部材であり、筐体２１の外径の同程度の外径を有しており、筐体２１の一端部に設けられる。このアンテナキャップ２２は、アンテナ２５が筐体２１の外部に配置されるように（筐体２１がアンテナ２５の周囲を覆わないように）アンテナ２５を収容する。これは、アンテナ２５から送信される無線信号、或いはアンテナ２５で受信されるべき無線信号が筐体２１によって遮られないようにして、アンテナ２５が無線信号を送受信できるようにするためである。尚、アンテナキャップ２２は、樹脂の他、無線信号を透過する材質であれば良い。

コネクタ部２３は、アンテナモジュール２０をケーブルＣＢ或いは遠隔端末装置３０に接続する接続部であり、筐体２１の他端部に接合されている。具体的に、コネクタ部２３が、外部のコネクタ（ケーブルＣＢの端部に設けられているコネクタ、或いは遠隔端末装置３０に設けられているコネクタ）と螺合又は嵌合されることにより、アンテナモジュール２０は、ケーブルＣＢ或いは遠隔端末装置３０に固定され、且つ電気的に接続される。

このコネクタ部２３は、回路部２４に接続された複数の接続端子Ｔ１０〜Ｔ１２を備えており、これら接続端子Ｔ１０〜Ｔ１２を介して遠隔端末装置３０からの電力の受電や、アンテナモジュール２０と遠隔端末装置３０との間で送受信される信号の入出力が行われる。具体的に、接続端子Ｔ１０は、回路部２４の電源入力端Ｔ２０に接続された電源接続端子（電源接続部）であり、接続端子Ｔ１１は、回路部２４の信号入出力端Ｔ２１に接続された信号接続端子であり、接続端子Ｔ１２は、回路部２４のグランド端Ｔ２２に接続されたグランド接続端子である。このコネクタ部２３は、アンテナモジュール２０が屋外に設置されることが考えられるため、ＩＰ（International Protection）規格やＮＥＭＡ（National Electrical Manufacturers Association）規格等の防水防塵規格に適合するものを用いるのが望ましい。

回路部２４は、送受信部２４ａ、信号処理部２４ｂ、無線部２４ｃ（無線信号処理部）、及び送受信切替部２４ｄを備える。かかる構成の回路部２４は、外部（例えば、遠隔端末装置３０）からコネクタ部２３を介して送信されてくる信号を受信してアンテナ２５から無線信号にして送信するとともに、アンテナ２５で受信した無線信号の処理を行った信号を、コネクタ部２３を介して外部（例えば、遠隔端末装置３０）に向けて送信する。

送受信部２４ａは、外部（例えば、遠隔端末装置３０）との間で、例えばコマンドレスポンス方式による通信を行う。具体的に、送受信部２４ａは、コネクタ部２３を介して送信されてくる外部からの信号（例えば、上位ホストシステム４０からネットワークＮ２及び遠隔端末装置３０を介して送信されてくる信号）を受信して信号処理部２４ｂに出力する。また、送受信部２４ａは、信号処理部２４ｂから出力される信号（例えば、遠隔端末装置３０及びネットワークＮ２を介して上位ホストシステム４０に送信すべき信号）を、コネクタ部２３を介して送信する。

信号処理部２４ｂは、送受信部２４ａからの信号、或いは無線部２４ｃからの信号に対して予め規定された信号処理を行う。具体的に、信号処理部２４ｂは、送受信部２４ａからの信号に対しては、同期処理、データ変換処理、通信プロトコルの変換処理、暗号化処理、変調処理等を行い、無線部２４ｃからの信号に対しては、復調処理、復号処理、通信プロトコルの変換処理、データ変換処理、同期処理等を行う。また、信号処理部２４ｂは、送受信切替部２４ｄの切り替え制御も行う。

この信号処理部２４ｂは、ゲートウェイ部Ｆ１、システムマネージャ部Ｆ２（管理部）、バックボーンルータ部Ｆ３（ルータ部）、及び無線通信処理部Ｆ４（無線信号処理部）を備える。ゲートウェイ部Ｆ１は、システムマネージャ部Ｆ２及びバックボーンルータ部Ｆ３と遠隔端末装置３０とを通信可能に接続する。そして、ゲートウェイ部Ｆ１は、システムマネージャ部Ｆ２及びバックボーンルータ部Ｆ３で入出力される各種データと、ケーブルＣＢ或いは遠隔端末装置３０で送受信される各種データとの中継を行う。

また、ゲートウェイ部Ｆ１は、送受信部２４ａから出力されるデータを暗号化してバックボーンルータ部Ｆ３に出力するとともに、バックボーンルータ部Ｆ３から出力されるデータを復号して送受信部２４ａに出力する。ゲートウェイ部Ｆ１が、このような暗号化を行うのは、無線ネットワークＮ１を介して行われる無線通信のセキュリティを確保するためである。

また、ゲートウェイ部Ｆ１は、外部（例えば、上位ホストシステム４０）からの要求に応じて自身の情報を外部に出力可能である。ここで、ゲートウェイ部Ｆ１から出力される自身の情報としては、例えばアクセスカウンタ値（送受信部２４ａによる通信回数を示す情報）、動作状態を示す情報、異常発生を示す情報、識別情報（例えば、デバイスタグ）等が挙げられる。

システムマネージャ部Ｆ２は、無線ネットワークＮ１の管理を行う。具体的には、無線フィールド機器１０、並びにゲートウェイ部Ｆ１及びバックボーンルータ部Ｆ３に対する通信リソース（タイムスロット及び通信チャネル）の割り当て制御を行って、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡによる無線通信を実現する。また、システムマネージャ部Ｆ２は、無線フィールド機器１０を無線ネットワークＮ１に参入させるか否かの処理（ジョイン処理）を行う。

また、システムマネージャ部Ｆ２は、外部（例えば、上位ホストシステム４０）からの要求に応じて、無線フィールド機器１０に関する情報を外部に出力可能である。ここで、システムマネージャ部Ｆ２から出力される無線フィールド機器１０に関する情報としては、例えば無線ネットワークＮ１に対する接続状態を示す情報、電池寿命を示す情報、プロセスデータの到達度を示す情報、ＰＥＲ（Packet Error Rate）やＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）等の通信品質を示す情報、無線フィールド機器１０の診断情報（例えば、自己診断情報）等が挙げられる。尚、これら無線フィールド機器１０に関する情報をゲートウェイ部Ｆ１に記憶しておき、ゲートウェイ部Ｆ１が外部からの要求に応じて外部に出力するようにしても良い。

バックボーンルータ部Ｆ３は、無線ネットワークＮ１を形成するとともに、無線ネットワークＮ１と、ゲートウェイ部Ｆ１及びシステムマネージャ部Ｆ２とを接続し、無線ネットワークＮ１とゲートウェイ部Ｆ１及びシステムマネージャ部Ｆ２との間で送受信されるデータの中継を行う。また、バックボーンルータ部Ｆ３は、無線ネットワークＮ１に対して、広告（無線フィールド機器１０を無線ネットワークＮ１に参入させるために必要となる情報）の送信処理を行う。尚、バックボーンルータ３３も、前述した無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を実現する。

無線通信処理部Ｆ４は、無線ネットワークＮ１を介した無線通信を行うために必要となる処理を行う。無線通信処理部Ｆ４は、例えばバックボーンルータ部Ｆ３からの信号に対して、同期処理、変調処理等行う。また、無線通信処理部Ｆ４は、無線部２４ｃからの信号に対しては、復調処理、同期処理等を行う。尚、無線通信処理部Ｆ４は、前述した送受信切替部２４ｄの切り替え制御も行う。

無線部２４ｃは、信号処理部２４ｂからの信号を用いてアンテナ２５から送信すべき無線信号を生成し、或いはアンテナ２５からの無線信号を受信する処理を行う。具体的に、無線部２４ｃは、信号処理部２４ｂからの信号に対しては、同期処理、暗号化処理、周波数変換処理等を行い、アンテナ２５からの無線信号に対しては、周波数変換処理、複合処理、同期処理等を行う。

送受信切替部２４ｄは、信号処理部２４ｂの制御の下で、無線信号の送受信の切り替えを行う。具体的に、送受信切替部２４ｄは、無線信号の送信時には、無線部２４ｃで生成された無線信号がアンテナ２５に入力されるように無線信号の伝送経路を切り替え、無線信号の受信時にはアンテナ２５で受信された無線信号が無線部２４ｃに入力されるように無線信号の伝送経路を切り替える。

アンテナ２５は、送受信切替部２４ｄに接続されており、送受信切替部２４ｄからの無線信号を送信するとともに、無線ネットワークＮ１を介して送信されてきた無線信号を受信して送受信切替部２４ｄに出力する。このアンテナ２５は、アンテナキャップ２２内に収容される小型のアンテナであれば良く、例えば基板上に形成されたマイクロストリップアンテナを用いることができる。

上記構成のアンテナモジュール２０は、無線フィールド機器１０と同様に、省電力動作（例えば、間欠動作）が可能である。例えば、予め規定された無線通信タイミング（無線フィールド機器１０との間で無線信号の送受信を行うタイミング）になったときにスリープ状態（低消費電力状態）を解除し、無線通信が完了したときにスリープ状態に移行する動作が可能である。或いは、回路部２４の送受信部２４ａが外部（例えば、遠隔端末装置３０）からのリクエストを受信したときにスリープ状態を解除し、外部にレスポンスを返信したときにスリープ状態に移行する動作が可能である。尚、アンテナモジュール２０のスリープ状態とは、回路部２４（送受信部２４ａを除く）の電力消費が低減された状態（或いは、零になった状態）をいう。

また、アンテナモジュール２０は、外部（例えば、上位ホストシステム４０、或いは端末装置ＴＭ（図４参照））の指示に基づいて、無線ネットワークＮ１に接続されている無線フィールド機器１０に対し、各種のコマンドを送信可能である。アンテナモジュール２０から無線フィールド機器１０に対して送信されるコマンドとしては、ファームウェアの更新を指示するコマンド、再起動を指示するコマンド、機器情報の取得を指示するコマンド、電池使用量の初期化を指示するコマンド、ログの取得を指示するコマンド等が挙げられる。

〈アンテナモジュールにおけるアンテナの取り付け位置〉
図３は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。尚、以下では説明を簡単にするために、アンテナ２５が、筐体２１の軸に直交する面（図３（ａ）中の基準面Ｐ）内において無指向性である場合を例に挙げて説明する。

図３（ａ）に示す通り、筐体２１の軸に直交してアンテナ２５の給電点Ｑが含まれる基準面Ｐを基準としたアンテナ２５の３ｄＢ半値角をθとし、筐体２１の外半径をφとする。アンテナ２５は、筐体２１の軸方向における給電点Ｑと筐体２１との距離が以下の（２）式で示される最短距離Ｌとなる位置に取り付けられる。
Ｌ＝φ×tanθ×α …（２）

ここで、筐体２１の外径形状が円筒形状である場合には、図３（ｂ）に示す通り、筐体２１の外半径φは、筐体２１の軸上に位置する給電点Ｑから筐体２１の外周までの距離となる。これに対し、筐体２１の外径形状が四角筒形状である場合には、図３（ｃ）に示す通り、筐体２１の外半径φは、筐体２１の軸上に位置する給電点Ｑを通る対角線の半分の長さとなる。

また、上記（２）式の右辺の変数αは、機械的な製造誤差等を考慮したマージンを示す定数である。つまり、この変数αは、アンテナ２５から放射される無線信号が筐体２１の影響を受けにくくする（筐体２１で遮られないようにする）ために規定されるものである。具体的に、変数αは、アンテナ２５から放射される無線信号の放射角（基準面Ｐに対する角度）の精度、筐体２１の製造精度、回路部２４の製造精度等を考慮して値が定められ、例えば値「１．０５」が設定される。尚、マージンを考慮しない場合（α＝１の場合）には、上記（２）式は上記（１）式と等しくなる。

アンテナ２５を上記の位置に取り付けるのは、アンテナ２５の性能に影響を与えることなく不要輻射を極力抑えるためである。つまり、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも短くなる位置にアンテナ２５が取り付けられると、金属で形成された筐体２１に無線信号が遮られてアンテナ２５の性能低下を招いてしまう。これに対し、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも長くなる位置にアンテナ２５が取り付けられると不要輻射が大きくなってしまう。このため、アンテナは上記の位置に取り付けられる。尚、不要輻射が許容できる限りにおいて、アンテナ２５は、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも僅かに長くなる位置に取り付けられていても良い。

〈運用前の設定方法〉
図４は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの運用前の設定方法を説明するための図である。アンテナモジュール２０の設定を行う場合には、図４に示す通り、アンテナモジュール２０と変換アダプタＡＰ及び電源ＢＴとをケーブルＣＢ１によって接続するとともに、変換アダプタＡＰ及び電源ＢＴと端末装置ＴＭ（外部機器）とをケーブルＣＢ２によって接続する。つまり、アンテナモジュール２０は、図１に示す運用状態になる前に、図４に示す接続がされて各種設定が行われる。ここで、ケーブルＣＢ１は、図１に示すケーブルＣＢと同様のものであり、例えばＲＳ−４８５に準拠したシリアル通信ケーブル等である。また、ケーブルＣＢ２は、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブルである。

変換アダプタＡＰは、端末装置ＴＭをアンテナモジュール２０に接続して通信可能にするためのものである。この変換アダプタＡＰは、例えばＲＳ−４８５で規定される電気的仕様とＵＳＢで規定される電気的仕様とを相互に変換するアダプタである。尚、ここにいう電気的仕様は、ＯＳＩ参照モデルにおける物理層の電気的仕様である。電源ＢＴは、アンテナモジュール２０を動作させるために必要な電力を供給する。尚、ケーブルＣＢ２を介して端末装置ＴＭから供給される電力（所謂バスパワー）を利用可能な場合には、電源ＢＴを省略することが可能である。

端末装置ＴＭは、アンテナモジュール２０や無線フィールド機器１０の設定を行うための装置である。この端末装置ＴＭとしては、ケーブルＣＢ２（ＵＳＢケーブル）が接続されるＵＳＢ端子を備えたパーソナルコンピュータを用いることができる。アンテナモジュール２０に対する設定は、アンテナモジュール２０が設置されるプラントの現場であるガス田や油田等の井戸元或いはその周辺で行われることが多いと考えられることから、ノート型、或いはタブレット型のパーソナルコンピュータを用いるのが望ましい。

図４に示す接続がされた状態において、作業者が端末装置ＴＭを操作して各種指示を入力すると、入力された指示に応じた設定情報の書込要求が、ケーブルＣＢ２、変換アダプタＡＰ、及びケーブルＣＢ１を順に介してアンテナモジュール２０に送信される。アンテナモジュール２０では、端末装置ＴＭから送信された書込要求に従って、設定情報を設定する処理が行われる。例えば、無線ネットワークＮ１に参入させる無線フィールド機器１０の機器情報、及びコントローラ３１との接続設定情報等がアンテナモジュール２０の回路部２４に設定される。

ここで、アンテナモジュール２０に設定される無線フィールド機器１０の機器情報としては、例えば以下のものが挙げられる
・無線フィールド機器１０に一意に割り当てられた識別情報
・無線フィールド機器１０と無線通信を行う通信周期や通信頻度
・無線フィールド機器１０のアドレス
・通信異常の判定値
・通信項目

また、アンテナモジュール２０に設定されるコントローラ３１との接続設定情報としては、例えば以下のものが挙げられる
・コントローラ３１を識別するための識別情報
・コントローラ３１と通信を行うときの通信レート
・コントローラ３１のアドレス
・通信フォーマット

〈運用開始後の動作〉
上述した設定方法によってアンテナモジュール２０に対する設定が完了すると、図４に示すケーブルＣＢ１からアンテナモジュール２０を取り外し、ケーブルＣＢを用いて遠隔端末装置３０に接続する。そして、図１に示す通り、アンテナモジュール２０が、遠隔端末装置３０及びネットワークＮ２を介して上位ホストシステム４０に接続された状態にする。遠隔端末装置３０に設けられた電源３２の電力が、ケーブルＣＢを介してアンテナモジュール２０に供給されると、図５に示すタイミングチャートの通り、アンテナモジュール２０のバックボーンルータ部Ｆ３から広告の送信が開始される。

図５は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの運用開始後の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５に示す通り、アンテナモジュール２０のバックボーンルータ部Ｆ３からは、定期的に広告が送信される（ステップＳ１１）。無線フィールド機器１０の電源が投入されると、無線フィールド機器１０は広告の受信待ち状態（Discovery状態）になる。アンテナモジュール２０から送信された広告が無線フィールド機器１０で受信されると、無線フィールド機器１０からアンテナモジュール２０に対して無線ネットワークＮ１へのジョイン要求（参入要求）が送信される（ステップＳ１２）。

無線フィールド機器１０からのジョイン要求がアンテナモジュール２０で受信されると、受信されたジョイン要求はバックボーンルータ部Ｆ３からシステムマネージャ部Ｆ２に渡される。そして、システムマネージャ部Ｆ２において、無線フィールド機器１０を無線ネットワークＮ１に参入させるか否かの処理（ジョイン処理）が行われる（ステップＳ１３）。このジョイン処理によって、ジョイン要求を送信した無線フィールド機器１０の認証が行われると、無線ネットワークＮ１への参入を許可する旨を示すジョイン許可が、システムマネージャ部Ｆ２からバックボーンルータ部Ｆ３を介して無線フィールド機器１０に送信される（ステップＳ１４）。アンテナモジュール２０からのジョイン許可を受信すると、無線フィールド機器１０は、無線ネットワークＮ１に参入した状態になる。

無線フィールド機器１０が無線ネットワークＮ１に参入すると、アンテナモジュール２０と無線フィールド機器１０との間で通信が行われ、無線フィールド機器１０からプロセスデータ、通信品質情報、及び診断情報を取得する処理がアンテナモジュール２０で行われる（ステップＳ１５）。具体的に、プロセスデータを取得する処理は、アンテナモジュール２０のゲートウェイ部Ｆ１によって行われ、通信品質情報及び診断情報を取得する処理は、アンテナモジュール２０のシステムマネージャ部Ｆ２で行われる。尚、システムマネージャ部Ｆ２で取得された通信品質情報及び診断情報は、ゲートウェイ部Ｆ１に渡される。このため、図５では、図示を簡略化して、無線フィールド機器１０から取得されたデータ及び各種情報は、ゲートウェイ部Ｆ１に入力されるとして図示している。

以上の処理が終了すると、無線フィールド機器１０から取得されたプロセスデータ、通信品質情報、及び診断情報を、コントローラ３１に送信可能な信号に変換する処理がゲートウェイ部Ｆ１で行われる（ステップＳ１６）。このような変換処理が終了した後に、コントローラ３１からアンテナモジュール２０に対し、上記信号の送信要求（リクエスト）が送信されると（ステップＳ１７）、アンテナモジュール２０のゲートウェイ部Ｆ１は、コントローラ３１からリクエストのあった信号を、コントローラ３１に向けて送信する（ステップＳ１７）。尚、コントローラ３１は、必要に応じてアンテナモジュール２０から送信された信号を、上位ホストシステム４０に向けて送信する。

以上の通り、本実施形態では、ゲートウェイ部Ｆ１、システムマネージャ部Ｆ２、及びバックボーンルータ部Ｆ３が、アンテナモジュール２０に設けられており、無線ネットワークＮ１を形成して管理する機能、及びネットワークＮ２に接続する機能がアンテナモジュール２０単体で実現される。このため、小型軽量で設置が容易であるアンテナモジュールを実現することができる。また、ゲートウェイ部Ｆ１、システムマネージャ部Ｆ２、及びバックボーンルータ部Ｆ３が、アンテナモジュール２０に設けられていることから、これら各部の機能を別々の装置として実現する場合に比べて、安価且つ低消費電力にすることができる。また、本実施形態では、アンテナモジュール２０が、無線フィールド機器１０と同様に、省電力動作可能であることから、消費電力を更に抑えることができる。

〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。尚、図６においては、図２に示す構成と同じ構成には同一の符号を付してある。図６に示す通り、本実施形態のアンテナモジュール２０は、図２に示すアンテナモジュール２０のシステムマネージャ部Ｆ２を省略したものである。

このようなアンテナモジュール２０は、例えば接続される無線フィールド機器１０の数が少なく、複雑な通信リソースの割り当て制御が不要な用途に用いて好適である。本実施形態のアンテナモジュール２０は、システムマネージャ部Ｆ２が省略されていることから、例えば無線フィールド機器１０との通信に用いる通信リソースが予め固定されており、固定された通信リソースのみを用いて通信が行われる。

本実施形態では、ゲートウェイ部Ｆ１及びバックボーンルータ部Ｆ３が、アンテナモジュール２０に設けられており、無線ネットワークＮ１を形成する機能、及びネットワークＮ２に接続する機能がアンテナモジュール２０単体で実現される。このため、小型軽量で設置が容易であるアンテナモジュールを実現することができる。また、本実施形態においては、第１実施形態と同様に、安価且つ低消費電力にすることができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールを模式的に示す図である。尚、図７においては、図２及び図６に示す構成に相当する構成には同一の符号を付してある。前述した第１，第２実施形態のアンテナモジュール２０は、アンテナ２５が筐体２１の一端部に設けられたアンテナキャップ２２に収容されたものであった。これに対し、本実施形態のアンテナモジュール２０は、アンテナ２５が筐体２１の両端部間（端部Ｅ１と端部Ｅ２との間）に設けられたアンテナキャップ２２に収容されたものであって、２つのコネクタ部２３ａ，２３ｂを備えるものである。

筐体２１は、２つの筐体２１ａ，２１ｂからなる。これら筐体２１ａ，２１ｂは、第１、第２実施形態によるアンテナモジュール２０の筐体２１と同様に、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された筒状（円筒状、或いは多角筒状）の部材であり、回路部（図示省略）の周囲を覆うように回路部を収容する。尚、回路部は筐体２１ａ，２１ｂの何れか一方に収容されていいても、筐体２１ａ，２１ｂの双方に収容されていても良い。これら筐体２１ａ，２１ｂの内部は、本質安全防爆規格を満たすために、樹脂が充填されていても良い。

アンテナキャップ２２は、円環状又は多角環状に成形された樹脂製の部材であり、筐体２１ａ，２１ｂの外径の同程度の外径を有しており、筐体２１ａと筐体２１ｂとの間に配置されて、内部にアンテナ２５を収容する。このアンテナキャップ２２は、図２に示すアンテナキャップ２２と同様に、アンテナ２５が筐体２１の外部に配置されるように（筐体２１がアンテナ２５の周囲を覆わないように）アンテナ２５を収容する。

コネクタ部２３ａ，２３ｂは、図２に示すコネクタ部２３と同様のものである。つまり、コネクタ部２３ａ，２３ｂは、回路部に接続された複数の接続端子Ｔ１０〜Ｔ１２を備える。このように、２つのコネクタ部２３ａ，２３ｂを設けるのは、アンテナモジュール２０の上方側（端部Ｅ１側）及び下方側（端部Ｅ２側）の双方側からケーブルＣＢを接続可能とするためである。尚、コネクタ部２３ａ，２３ｂは、何れか一方を省略することも可能である。

図８は、本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。尚、本実施形態においても、説明を簡単にするために、アンテナ２５が、基準面Ｐ内において無指向性である場合を例に挙げて説明する。図８に示す通り、筐体２１（筐体２１ａ，２１ｂ）の軸に直交してアンテナ２５の給電点Ｑが含まれる基準面Ｐを基準としたアンテナ２５の３ｄＢ半値角をθとし、筐体２１の外半径をφとする。尚、外半径φは、筐体２１の外径形状が円筒形状である場合には、図３（ｂ）に示す通り定義され、筐体２１の外径形状が四角筒形状である場合には、図３（ｃ）に示す通り定義される。

アンテナ２５は、筐体２１の軸方向における給電点Ｑと、筐体２１ａの端部Ｅ１１及び筐体２１ｂの端部Ｅ１２との距離が前述した（２）式で示される最短距離Ｌとなる位置に取り付けられる。つまり、第１実施形態では、アンテナ２５が筐体２１の一端部に設けられたアンテナキャップ２２に収容されるため、筐体２１の影響を考慮してアンテナ２５の取り付け位置が決められていた。これに対し、本実施形態では、アンテナ２５が、筐体２１ａと筐体２１ｂとの間に配置されるアンテナキャップ２２に収容されるため、筐体２１ａ，２１ｂの影響を考慮してアンテナ２５の取り付け位置が決められる。尚、不要輻射が許容できる限りにおいて、アンテナ２５は、給電点Ｑと筐体２１ａ，２１ｂの少なくとも一方との距離が上記の最短距離Ｌよりも僅かに長くなる位置に取り付けられていても良い。

本実施形態のアンテナモジュール２０は、第１，第２実施形態のアンテナモジュール２０とは、アンテナ２５の取り付け位置及びコネクタ部の数が異なるだけであり、機能は同じである。このため、本実施形態のアンテナモジュール２０には、第１，第２実施形態と同様に、ゲートウェイ部Ｆ１及びバックボーンルータ部Ｆ３（更には、システムマネージャ部Ｆ２）が設けられており、無線ネットワークＮ１を形成する機能、及びネットワークＮ２に接続する機能（更には、無線ネットワークＮ１を管理する機能）がアンテナモジュール２０単体で実現される。このため、小型軽量で設置が容易であるアンテナモジュールを実現することができ、安価且つ低消費電力にすることができる。

以上、本発明の実施形態によるアンテナモジュールについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、遠隔端末装置３０に電源３２が設けられており、遠隔端末装置３０からアンテナモジュール２０に電力が供給される例について説明した。しかしながら、アンテナモジュール２０に電源が設けられていても良い。

また、上記実施形態では、ゲートウェイ部Ｆ１、システムマネージャ部Ｆ２、及びバックボーンルータ部Ｆ３が回路部２４に設けられている例について説明した。しかしながら、これらゲートウェイ部Ｆ１、システムマネージャ部Ｆ２、及びバックボーンルータ部Ｆ３は、必ずしも回路部２４に設けられている必要はなく、例えば筐体２１に収容された状態で回路部２４の外部に設けられていても良い。

また、上記実施形態では、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う無線機器を例に挙げて説明したが、本発明はＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器、或いはＺｉｇＢｅｅ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器にも適用することができる。また、上記実施形態では、アンテナモジュール２０に外部機器としてのコントローラ３１或いは端末装置ＴＭが接続される例について説明したが、コントローラ３１等に代えて、分散制御システム（ＤＣＳ）、スキャダ（ＳＣＡＤＡ）、レコーダ等が外部機器として接続されても良い。

２０ アンテナモジュール
２１ 筐体
２１ａ，２１ｂ 筐体
２２ アンテナキャップ
２３ コネクタ部
２３ａ，２３ｂ コネクタ部
２４ 回路部
２４ａ 送受信部
２４ｃ 無線部
２５ アンテナ
３２ 電源
Ｆ１ ゲートウェイ部
Ｆ２ システムマネージャ部
Ｆ３ バックボーンルータ部
Ｆ４ 無線通信処理部
Ｎ１ 無線ネットワーク
Ｎ２ ネットワーク
Ｔ１０ 接続端子

Claims (6)

1. 無線ネットワークを介した無線信号の送受信を行うアンテナモジュールにおいて、
   外部から送信されてくる信号を受信してアンテナから無線信号にして送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行った信号を外部に送信する回路部と、
   前記回路部の周囲を覆うように前記回路部を収容する筒状の筐体と、
   前記筐体の一端部又は両端部間に設けられて無線信号の送受信が可能なように前記アンテナを収容するアンテナ収容部と、
   前記筐体に接合されており、前記回路部で受送信される信号が送受信される外部機器に接続可能なコネクタ部と、
   前記回路部によって処理が行われた信号の中継を行うルータ部と、
   前記ルータ部と前記コネクタ部に接続される前記外部機器とを通信可能に接続するゲートウェイ部と、
   を備えるアンテナモジュール。
2. 前記無線ネットワークを管理する管理部を更に備える、請求項１記載のアンテナモジュール。
3. 前記回路部は、前記コネクタ部を介して前記外部機器から送信されてくる信号を受信して前記ゲートウェイ部に出力するとともに、前記ゲートウェイ部から出力される信号を、前記コネクタ部を介して前記外部機器に送信する送受信部と、
   前記ルータ部から出力される信号を無線信号にして前記アンテナから送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行って前記ルータ部に出力する無線信号処理部と、
   を備える請求項１又は請求項２記載のアンテナモジュール。
4. 前記ゲートウェイ部は、前記送受信部から出力されるデータを暗号化して前記ルータ部に出力するとともに、前記ルータ部から出力されるデータを復号して前記送受信部に出力する、請求項３記載のアンテナモジュール。
5. 前記コネクタ部は、外部の電源に接続される電源接続部を備える、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のアンテナモジュール。
6. 前記筐体の軸方向における前記アンテナの給電点と前記筐体との最短距離Ｌは、前記筐体の軸に直交して前記アンテナの給電点が含まれる面を基準とした前記アンテナの３ｄＢ半値角をθ、前記筐体の外半径をφとすると、以下の（１）式で表される、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のアンテナモジュール。
   Ｌ＝φ×tanθ …（１）

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