JP5115806B2 - 無線通信装置のアンテナ結合構造 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置のアンテナ結合構造に関し、特に、耐圧防爆構造に関するものである。

通信方法に関し、有線通信と比較して通信ケーブルのコストを低減できる無線通信が一般に知られている。そして、無線通信可能なアンテナを結合した無線通信装置は、爆発性ガス（例えば、水素ガス、エチレンガス）などが存在する屋外の危険場所に設置される場合がある。このとき、無線通信装置の内部で爆発が起こった場合、内部爆発による火花が外部の爆発性ガスに引火しないように、無線通信装置には、火花を外部に漏らさない耐圧防爆構造が必要とされる。

屋外の危険場所に設置された耐圧防爆構造の無線通信装置について図４を用いて説明する。図４は無線通信装置９０の縦断面図である。

図４において、無線通信装置９０は、容器１０、アンテナカバー３０、アンテナ５０、電線６０およびＦＭ受信機７０などを備えている。

容器１０は開口部を有し、めねじ２０が開口部に設けられている。アンテナカバー３０は円筒形状であって、一端が閉塞、他端が開放されていて、他端の外周部分におねじ４０が設けられている。

容器１０のめねじ２０がアンテナカバー３０のおねじ４０に螺合して、容器１０がアンテナカバー３０と一体となる。そして、容器１０とアンテナカバー３０は同一の内部空間を有して、耐圧防爆構造が実現される。

アンテナカバー３０内部にアンテナ５０が設けられ、アンテナ５０は、電線６０を介して、容器１０内部のＦＭ受信機７０に接続される。ＦＭ受信機７０は、外部に施設された伝送線路８０ａ、８０ｂに接続される。なお、アンテナカバー３０は、電波を透過する材質から作られていて、アンテナ５０は、アンテナカバー３０を介して電波を送受信する。

つぎに、耐圧防爆構造の無線通信装置のアンテナ結合構造について図５を用いて説明する。図５はアンテナ結合構造を示す縦断面図である。

図５において、容器１００は、側壁１０１に開口部を有し、めねじ１０２が開口部に設けられている。また、開口部周辺に、複数のねじ穴１０３が設けられている。

防爆コネクタ１１０は貫通穴を有し、一端の外周部分（下側）におねじ１１１が設けられるとともに、他端の外周部分（上側）におねじ１１２が設けられている。側壁１０１のめねじ１０２が、防爆コネクタ１１０のおねじ１１１に螺合する。

コネクタ押さえ１３０は、側壁１０１と防爆コネクタ１１０を押さえ、ねじ１４０は、ねじ穴１０３に螺合することによって、コネクタ押さえ１３０を固定する。

アンテナソケット１２１は、内周部分にめねじが設けられている。このめねじが、防爆コネクタ１１０のおねじ１１２に螺合することによって、アンテナ１２０が固定される。

アンテナ１２０は、防爆コネクタ１１０の貫通穴内部に設けられたコンタクト１５０を介して、無線ユニット１６０に接続される。防爆コネクタ１１０の貫通穴には固化絶縁樹脂１７０が充填されている。

そして、容器１００と防爆コネクタ１１０によって、耐圧防爆構造が実現される。すなわち、側壁１０１のめねじ１０２と防爆コネクタ１１０のおねじ１１１とが螺合している部分（距離Ｌ）によって、容器１００の内部爆発による火花が外部に漏れることを防止する。一方、アンテナ１２０は耐圧防爆構造ではない。

なお、特許文献１には、図４で説明した無線通信装置と同様の無線通信装置について、特許文献２には、図５で説明したアンテナ結合構造と同様のアンテナ結合構造について記載されている。

特開平９−１８２２８４号公報 特許第３２５７４２７号公報

ところで、図４の無線通信装置９０は、容器１０とアンテナカバー３０とが一体となり、同一の内部空間を有して耐圧防爆構造を実現するため、容器１０およびアンテナカバー３０は、耐圧防爆構造内部の爆発によって破損しないで、火花を外部に漏らさないことが必要になる。

このため、アンテナカバー３０は、その壁を、爆発圧に耐えうる厚さにする必要がある。耐圧防爆構造内部の容積は、容器１０の容積とアンテナカバー３０の容積との合計になり、爆発圧はこの容積に応じた大きさになる。したがって、爆発圧は大きくなるため、アンテナカバー３０の壁を厚くする必要がある。

一方、アンテナカバー３０の壁を厚くすると、アンテナカバー３０の電波透過率が低下するため、アンテナ５０に到達する受信電波の強度が低下するとともに、アンテナ５０から外部へ伝播する送信電波の強度が低下して、無線通信装置９０の無線通信感度が低下することがある。

また、図５のアンテナ結合構造において、アンテナ１２０は耐圧防爆構造ではないため、無線ユニット１６０からアンテナ１２０へ供給される電気エネルギーによって、アンテナ１２０内部に滞留する爆発性ガスが引火するのを防止する必要がある。このため、アンテナ１２０へ供給する電気エネルギーを、爆発性ガスが引火するエネルギー未満に制限する安全保持回路を無線ユニット１６０に設ける必要がある。

本発明の目的は、アンテナ部分を耐圧防爆構造にするとともに、無線通信感度を向上させる無線通信装置のアンテナ結合構造を提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
アンテナが結合される無線通信装置のアンテナ結合構造において、
前記無線通信装置の容器の開口部と嵌合する第１継手部材と、
この第１継手部材と嵌合する第２継手部材と、
前記アンテナを覆うとともに、前記第２継手部材に接続されるアンテナカバーと、
前記第２継手部材の内部空間の全部または一部に充填される樹脂と、
を備え、
前記容器及び前記第１継手部材の内部を第１耐圧防爆室にするとともに、前記アンテナカバーの内部を第２耐圧防爆室にする、
ことを特徴とする。
請求項２の発明は、
アンテナが結合される無線通信装置のアンテナ結合構造において、
前記無線通信装置の容器の開口部と嵌合する第１継手部材と、
この第１継手部材と嵌合する第２継手部材と、
前記アンテナを覆うとともに、前記第２継手部材に接続されるアンテナカバーと、
前記第２継手部材の内部空間の全部または一部に充填される樹脂と、
を備え、
前記第１および第２継手部材の材料は金属である、
ことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記第１継手部材の線膨張係数は、前記第２継手部材の線膨張係数と同一またはほぼ等しいことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、
前記第２継手部材および前記第１継手部材の内部を通って、前記容器内部の回路に前記アンテナを接続する電線を備え、
前記樹脂が、前記電線の被覆を除去した導線部分に固着した、
ことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、
前記容器の開口部と前記第１継手部材との隙間、前記第１継手部材と前記第２継手部材との隙間、および前記第２継手部材と前記アンテナカバーとの隙間にシール部材を備えた、
ことを特徴とする。

本発明によれば、容器と独立に、アンテナ部分を耐圧防爆構造にするとともに、無線通信感度を向上させる無線通信装置のアンテナ結合構造を実現できる。

［第１の実施例］
第１の実施例について図１を用いて説明する。化学プラントなどのプロセス制御において、無線通信装置として、例えば、無線通信可能なアンテナを結合した圧力伝送器（以下、「無線圧力伝送器」という）が用いられる。無線圧力伝送器（無線通信装置）２９５について、その外観図である図１を用いて説明する。なお、図１（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。

図１（ａ）（ｂ）において、無線圧力伝送器２９５は、容器２００、第１継手部材２１０、第２継手部材２２０（図２参照）、アンテナカバー２３０、アンテナ２４０（図２参照）、ナット２４５、回路２６０（図２参照）、固定ねじ２７０、圧力検知部２９０および表示器２９１などを備えている。

容器２００は、回路２６０および表示器２９１などを収容し、容器２００の左上部には、第１継手部材２１０、第２継手部材２２０、ナット２４５を介して、アンテナ２４０を覆うアンテナカバー２３０が結合される。なお、このアンテナ結合構造の詳細は、図２を用いて後述する。また、圧力センサ（図示しない）を備えた圧力検知部２９０が、容器２００の下部に接続される。

無線圧力伝送器２９５の動作を説明する。まず圧力測定について説明する。圧力検知部２９０の圧力センサは、被測定対象の圧力を信号に変換し、この変換信号を回路２６０に出力する。回路２６０は、受け取った変換信号に基づいて被測定対象の圧力値を求める。そして、表示器２９１が圧力値を表示する。

無線通信について説明する。無線圧力伝送器２９５が外部のホスト装置（図示しない）などと無線通信を行うために、回路２６０はアンテナ２４０に通信信号（例えば圧力値を表す信号）を送り、アンテナ２４０は通信信号を電波に変換して送信する。また、アンテナ２４０はホスト装置からの電波を受信し、通信信号に変換して回路２６０に出力する。回路２６０は、受け取った通信信号に基づいて、例えばパラメータの設定を行う。

つぎに、アンテナ結合構造について、図２を用いて説明する。図２は、容器２００（左上部）、第１継手部材２１０、第２継手部材２２０、アンテナカバー２３０、アンテナ２４０およびナット２４５などを用いたアンテナ結合構造を表す部分拡大断面図である。

図２において、容器２００は開口部２０１を有し、開口部２０１は、例えば円筒形状であって、貫通穴を有する。なお、容器２００において、開口部２０１以外の部分は密閉されている。

第１継手部材２１０は、例えば円筒形状であって、中央付近で屈曲し、貫通穴を有する。第１継手部材２１０の一端(下側)の外径は、他端（上側）の外径より小さい。また、他端の外周部分におねじ２１３が設けられている。そして、開口部の内周面２０１に、第１継手部材２１０の一端の第１外周面２１１が嵌合されて、第１継手部材２１０が容器２００に結合する。なお、固定ねじ２７０が、開口部２０１の先端近傍のねじ穴に螺合して、第１継手部材２１０の外周面を押すことによって、開口部２０１から抜けないように第１継手部材２１０を固定する。

第２継手部材２２０は、例えば円筒形状であって、貫通穴を有する。第２継手部材２２０の内周部分（上側）にめねじ２２２が設けられている。そして、第２継手部材２２０の一端（下側）の第２外周面２２１が、第１継手部材２１０の他端の第１内周面２１２に嵌合して、第２継手部材２２０が第１継手部材２１０に結合する。

アンテナカバー２３０は、例えば円筒形状であって、一端（下側）が開放、他端(上側)が閉塞されていて、一端の外周部分におねじ２３１が設けられるとともに、一端の近傍はフランジ２３２の形状をしている。そして、アンテナカバー２３０のおねじ２３１が、第２継手部材２２０のめねじ２２２に螺合して、アンテナカバー２３０が第２継手部材２２０に接続する。また、アンテナカバー２３０と第２継手部材２２０との接続は、フランジ２３２を第２継手部材２２０に、ねじ（図示しない）で止めてもよい。

アンテナ２４０は、アンテナカバー２３０に覆われ、アンテナカバー２３０の一端の内側に接着固定される。なお、アンテナカバー２３０は、プラスチックなどの電波を透過する材質から作られていて、アンテナ２４０は、アンテナカバー２３０を介して電波を送受信する。

ナット２４５は、例えば円筒形状であって、貫通穴を有する。ナット２４５の一端（下側）の内周部分にめねじ２４６が設けられている。そして、アンテナカバー２３０にナット２４５の貫通穴を通し、アンテナカバー２３０のフランジ２３２および第２継手部材２２０をナット２４５で押さえる。ナット２４５のめねじ２４６が、第１継手部材２１０のおねじ２１３に螺合して、ナット２４５が、アンテナカバー２３０のフランジ２３２および第２継手部材２２０を介して、第１継手部材２１０に結合する。

アンテナ２４０に接続された電線２５０は、第２継手部材２２０および第１継手部材２１０の内部を通って、回路２６０に接続される。

第２継手部材２２０の内部空間の全部または一部に、エポキシ樹脂などの樹脂２５５が充填される。例えば、樹脂２５５の充填は、アンテナカバー２３０、アンテナ２４０、電線２５０および第２継手部材２２０が結合された単体の状態で、第２継手部材２２０の一端の貫通穴から充填することができる。

第１シール部材２８０は、容器２００の開口部２０１と第１継手部材２１０との隙間、具体的には、開口部の内周面２０１と第１継手部材２１０の第１外周面２１１との隙間に備えられている。

第２シール部材２８１は、第１継手部材２１０と第２継手部材２２０との隙間、具体的には、第１継手部材２１０の第１内周面２１２と第２継手部材２２０の第２外周面２２１との隙間に備えられている。

第３シール部材２８２は、第２継手部材２２０とアンテナカバー２３０との隙間、具体的には、第２継手部材２２０のめねじ２２２近傍とアンテナカバー２３０のおねじ２３１近傍との隙間に備えられている。

なお、第１シール部材２８０、第２シール部材２８１および第３シール部材２８２には、Ｏリング（オーリング）などが用いられる。

つぎに、図２のアンテナ結合構造の耐圧防爆構造について説明する。開口部の内周面２０１と第１継手部材２１０の第１外周面２１１との嵌合によって、防爆隙間が形成される（以下、「第１防爆隙間」という）。

第２継手部材２２０の第２外周面２２１と第１継手部材２１０の第１内周面２１２との嵌合によって、防爆隙間が形成される（以下、「第２防爆隙間」という）。なお、第１および第２防爆隙間は、幅を狭くし、長さを長くすることによって、内部爆発による火花の外部への漏れを防止する。

第２継手部材２２０の内部空間に充填および固着された樹脂２５５は、その固着接合部の奥行きの長さ（縦方向の厚さ）によって、内部爆発による火花の外部への漏れを防止する。火花の漏れを防止できる奥行きの長さであれば、樹脂２５５の充填は、第２継手部材２２０の内部空間の一部であってもよい。

そして、第１防爆隙間、第２防爆隙間および樹脂２５５によって、容器２００および第１継手部材２１０の内部の耐圧防爆構造を実現でき、この内部を第１耐圧防爆室２０５という。第１耐圧防爆室２０５と独立に、樹脂２５５によって、アンテナカバー２３０内部の耐圧防爆構造を実現でき、この内部を第２耐圧防爆室２３５という。

本実施例によれば、容器２００を耐圧防爆構造（第１耐圧防爆室２０５）にするとともに、容器２００と独立に、アンテナ部分を耐圧防爆構造（第２耐圧防爆室２３５）にすることができる。これによって、無線圧力伝送器２９５は、屋外の危険場所に設置することができる。

また、第２耐圧防爆室２３５の容積は、第１耐圧防爆室２０５の容積より小さい。このため、第２耐圧防爆室２３５内部の爆発圧は、第１耐圧防爆室２０５内部の爆発圧より小さく、図４の容器１０およびアンテナカバー３０内部の爆発圧より小さくなる。したがって、アンテナカバー２３０の壁は、第２耐圧防爆室２３５内部の爆発圧に耐えうる厚さであればよいので、薄くすることができる。アンテナカバー２３０の壁を薄くすることによって、アンテナカバー２３０の電波透過率は向上し、無線圧力伝送器２９５の無線通信感度を向上させることができる。

また、アンテナ部分は耐圧防爆構造（第２耐圧防爆室２３５）であるため、無線圧力伝送器２９５は、回路２６０からアンテナ２４０へ供給する電気エネルギーを制限する安全保持回路を必要としない。このため、安全保持回路のコストおよび設置スペースが低減できる。

つぎに、第１継手部材２１０および第２継手部材２２０の材料について説明する。第１継手部材２１０の線膨張係数が、第２継手部材２２０の線膨張係数と同一またはほぼ等しければ好ましい。例えば、第１継手部材２１０と第２継手部材２２０の材料が同一、または、異なる材料であっても互いの線膨張係数がほぼ等しい材料であればよい。

無線圧力伝送器２９５の周囲温度が変化したとき、第１継手部材２１０および第２継手部材２２０は膨張または収縮する。このとき、互いの線膨張係数が同一またはほぼ等しければ、同じ様に膨張または収縮して、第２防爆隙間の幅は大きく変化しないため、防爆隙間を確保して、耐圧防爆構造を維持することができるからである。したがって、周囲温度が変化しても、防爆隙間を確保できる程度に、互いの線膨張係数がほぼ等しければよい。

なお、もし第２継手部材２２０を用いないで、アンテナカバー２３０を第１継手部材２１０に嵌合して防爆隙間を形成すると、アンテナカバー２３０の材料がプラスチックおよび第１継手部材２１０の材料が金属の場合、互いの線膨張係数は異なるため、周囲温度が大きく変化したとき、防爆隙間を確保できず、耐圧防爆構造を維持することができないことがある。

ここで、第１継手部材２１０と第２継手部材２２０の材料が異なる場合について例示する。第１継手部材２１０の材料がステンレス、第２継手部材２２０の材料が黄銅の場合、それぞれの線膨張係数は、１７×１０^-6（／℃）、１９×１０^-6（／℃）であって、ほぼ等しい。

第２継手部材２２０の第２外周面２２１の外径と第１継手部材２１０の第１内周面２１２の内径は約２４ｍｍとする。線膨張係数の差は２×１０^-6（／℃）であり、周囲温度が１２０℃変化したとき、第２防爆隙間の幅は約０．００５８ｍｍ変化する（２×１０^-6×１２０×２４）。この変化分に、第２外周面２２１の外径と第１内周面２１２の内径の寸法公差を加えても、防爆隙間を確保して、耐圧防爆構造を維持することが可能となる。

一方、もし第２継手部材２２０を用いないで、アンテナカバー２３０を第１継手部材２１０に嵌合して防爆隙間を形成すると、第１継手部材２１０の材料がステンレス、アンテナカバー２３０の材料がプラスチック樹脂の場合、それぞれの線膨張係数は、１７×１０^-6（／℃）、３×１０^-5（／℃）である。

この場合、周囲温度変化による防爆隙間の幅の変化を同様に計算すると、線膨張係数の差は１３×１０^-6（／℃）であり、周囲温度が１２０℃変化したとき、防爆隙間の幅は約０．０３７ｍｍ変化する（１３×１０^-6×１２０×２４）。この変化分に同様の寸法公差を加えると、防爆隙間を確保できず、耐圧防爆構造を維持することができないことがある。

また、第１継手部材２１０および第２継手部材２２０の材料は、ステンレスなどの金属が好ましい。金属は衝撃力などに強いため、第１継手部材２１０および第２継手部材２２０は、内部爆発によって破損しないで、火花を外部に漏らさず、耐圧防爆構造を維持することができるからである。なお、内部爆発によって破損しなければ、第１継手部材２１０および第２継手部材２２０の材料は、他の材料とすることもできる。

なお、同様に、容器２００の線膨張係数が、第１継手部材２１０の線膨張係数と同一またはほぼ等しく、また、容器２００の材料は金属が好ましい。容器２００は、周囲温度が変化しても、第１防爆隙間を確保して耐圧防爆構造を維持することができ、また、内部爆発によって破損しないからである。

また、第１シール部材２８０、第２シール部材２８１および第３シール部材２８２によって、雨水などが、無線圧力伝送器２９５内部に浸入するのを防止して、無線圧力伝送器２９５は、屋外の危険場所に設置することができる。

［第２の実施例］
第２の実施例について図３を用いて説明する。図３は、第２継手部材２２０、樹脂２５５および電線２５０の部分拡大断面図である。

図３において、電線２５０の被覆２５１の一部分が除去されて、内部の導線２５２が剥き出しになっている。そして、樹脂２５５が、導線２５２および被覆２５１に固着している。

前述したように、通常、樹脂２５５によって耐圧防爆構造を実現できるため、電線２５０の被覆２５１の一部分を除去しなくてもよい。しかしながら、電線２５０の内部において、被覆２５１と導線２５２との間には僅かな空間（以下、「電線内空間」という）が存在する。電線内空間が大きければ、容器２００内部（第１耐圧防爆室２０５）の爆発圧が、電線内空間を通ってアンテナカバー２３０内部（第２耐圧防爆室２３５）に伝達される場合がある。これによって、アンテナカバー２３０内部の爆発圧が増加して、アンテナカバー２３０が破損して、火花が外部に漏れる場合が考えられる。

本実施例によれば、電線内空間を通って上がってくる容器２００内部の爆発圧は、導線２５２に固着された樹脂２５５（Ａ部）によって遮断されることによって、アンテナカバー２３０内部（第２耐圧防爆室２３５）への爆発圧の伝達が防止されるとともに、アンテナカバー２３０内部の爆発圧の増加が防止されて、耐圧防爆構造を維持できる。

なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。また、前述した各構成要素の組み合わせ以外の組み合わせを含むことができる。

本発明を適用した無線圧力伝送器（無線通信装置）の外観図の例である。なお、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。 図１の無線圧力伝送器のアンテナ結合構造を表す部分拡大断面図の例である。 第２継手部材、樹脂および電線の部分拡大断面図の例である。 背景技術で示した無線通信装置の縦断面図の例である。 背景技術で示したアンテナ結合構造を示す縦断面図の例である。

符号の説明

２００ 容器
２０１ 開口部
２１０ 第１継手部材
２２０ 第２継手部材
２３０ アンテナカバー
２４０ アンテナ
２４５ ナット
２５０ 電線
２５１ 被覆
２５２ 導線
２５５ 樹脂
２６０ 回路
２８０ 第１シール部材
２８１ 第２シール部材
２８２ 第３シール部材
２９５ 無線圧力伝送器（無線通信装置）

Claims (5)

1. アンテナが結合される無線通信装置のアンテナ結合構造において、
   前記無線通信装置の容器の開口部と嵌合する第１継手部材と、
   この第１継手部材と嵌合する第２継手部材と、
   前記アンテナを覆うとともに、前記第２継手部材に接続されるアンテナカバーと、
   前記第２継手部材の内部空間の全部または一部に充填される樹脂と、
   を備え、
   前記容器及び前記第１継手部材の内部を第１耐圧防爆室にするとともに、前記アンテナカバーの内部を第２耐圧防爆室にする、
   ことを特徴とする無線通信装置のアンテナ結合構造。
2. アンテナが結合される無線通信装置のアンテナ結合構造において、
   前記無線通信装置の容器の開口部と嵌合する第１継手部材と、
   この第１継手部材と嵌合する第２継手部材と、
   前記アンテナを覆うとともに、前記第２継手部材に接続されるアンテナカバーと、
   前記第２継手部材の内部空間の全部または一部に充填される樹脂と、
   を備え、
   前記第１および第２継手部材の材料は金属である、
   ことを特徴とする無線通信装置のアンテナ結合構造。
3. 前記第１継手部材の線膨張係数は、前記第２継手部材の線膨張係数と同一またはほぼ等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置のアンテナ結合構造。
4. 前記第２継手部材および前記第１継手部材の内部を通って、前記容器内部の回路に前記アンテナを接続する電線を備え、
   前記樹脂が、前記電線の被覆を除去した導線部分に固着した、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の無線通信装置のアンテナ結合構造。
5. 前記容器の開口部と前記第１継手部材との隙間、前記第１継手部材と前記第２継手部材との隙間、および前記第２継手部材と前記アンテナカバーとの隙間にシール部材を備えた、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の無線通信装置のアンテナ結合構造。

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