JP5292074B2

JP5292074B2 - 小型送信機

Info

Publication number: JP5292074B2
Application number: JP2008305792A
Authority: JP
Inventors: 裕史島; 孝夫堀内
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2008-11-30
Filing date: 2008-11-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-11-30
Also published as: JP2010130593A

Description

本発明は、窓サッシの金属製窓枠などに装着して窓開閉の検出情報などを無線送信するグランドプレーン型のアンテナ構造を内蔵した小型送信機に関する。

従来、窓の開閉を検出して無線により監視盤に送信して警報させる無線式の窓開閉監視装置が知られている。このような窓開閉監視装置にあっては、窓ガラスに配置したマグネットの磁力をホールセンサなどの磁気感知素子で検出し、検出磁力が低下したときに窓開閉と判断して異常検出信号を警報盤に無線送信して警報させる。また窓に設けたクレセント錠の開閉レバーに配置したマグネットの磁力を別の磁気感知素子で検出し、検出磁力が低下したときにクレセント錠の開放と判断して異常検出信号を警報盤に無線送信して警報させている。

窓開閉検出器に内蔵したアンテナは、特定小電力無線局の標準規格に従った周波数を使用しており、使用する周波数の波長に対して充分な大きさを持てない内蔵アンテナは、短縮型の形状をとる場合がほとんどである。これらのアンテナの弱点は、アンテナが設置される周囲の環境により、その性能が著しく左右されるため、システム設置後に電波が届きにくくなるなどの弊害が発生している。

即ち、アンテナを内蔵した送信機の形状が、必要アンテナ長以下の場合、使用するアンテナにローディングコイルなどをつないでアンテナを電気的に延長させる。これは１／４波長以下のアンテナがもつ容量性リアクタンス成分Ｘを打ち消すため、同じ値で極性の異なるリアクタンス成分−Ｘをもつコイルを直列接続し、アンテナの入力インピーダンスを純抵抗のみとして共振させ、電気的に１／４波長に延長させるもので、このコイルがローディングコイル（「延長コイル」ともいう）と呼ばれる。

また使用周波数の１／４波長以下の大きさの筐体をもつ小型送信機では、接地アンテナとして知られたグランドプレーン型のアンテナがよく使用される。グランドプレーン型のアンテナは、給電点の一方をアンテナ導線に接続し、給電点の他方を大地に接続したもので、アンテナ導線を１／４波長とし、大地を完全導体平面とすると、地中に１／４波長のイメージアンテナが存在すると看做すことができ、これは自由空間にある１／２波長ダイポールアンテナと同じになる。

グランドプレーン型のアンテナの放射効率ηは、アンテナ導線の放射抵抗Ｒｒとグランドプレーンの接地抵抗Ｒｇで決まり、
η＝Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｇ）
で与えられる。この関係からアンテナの放射効率を高めるためには接地抵抗Ｒｇを低下させる必要がある。

しかし、窓開閉検出装置のような小型の筐体に内蔵したアンテナをグランドプレーン型のアンテナとして動作させる場合、充分なグランド面積（アース面積）が確保できないため、アンテナ放射特性が設置環境に大きく左右される。特に金属製の窓枠などに設置される場合、アンテナの近傍に金属が設置されることにより、アンテナのパラメータが大きく変化し、電波の放射パターンが円形とならず、放射効率が悪化する問題がある。

本発明は、グランドプレーン型アンテナの放射パターンと放射効率を改善するようにしたアンテナ構造を備えた小型送信機を提供することを目的とする。

本発明は、１／４波長のグランドプレーン型のアンテナを内蔵した小型送信機に於いて、
一端に開いた開放箱型形状を有する筐体と、
前記筐体の底部取付面側に配置された金属導体板と、
給電点の一方に接続され、前記筐体の取付面側から離して配置されたアンテナ導線と、
前記給電点の他方に接続され、前記筐体の底面に沿って布線されて前記金属導体板との間にコンデンサ構造を形成する複数本のグランド導線と、
前記筐体の底面側に前記金属導体板に続いて合成樹脂製のベースを配置し、
前記筐体を金属窓枠に取り付けた場合、前記グランド導線は前記金属導体板との間に介在する前記筐体の底部を誘電体としてコンデンサ構造を形成すると共に、前記金属導体板導体板と金属窓枠との間に介在する前記ベースを誘電体として別のコンデンサ構造を形成したことを特徴とする。

ここで、アンテナ導線は１／４波長に満たないアンテナ長であり、アンテナ導線を電気的に略１／４波長に延長させるローディングコイルを直列接続する。

本発明によれば、窓枠に取り付けて使用するなどの理由によりグランド面を充分な大きさに確保できないグランドプレーン型のアンテナを内蔵した小型送信機であっても、グランド導線を筐体底面に沿って布線し、アンテナ導線を筐体の取付面側から離して配置することで取付面側に配置した金属導体板との間にコンデンサ構造を形成して容量結合させ、これによって見かけ上のグランド面を広く取ることができ、接地抵抗を低減してアンテナの放射パターンと放射効率を改善することができる。

また、金属窓枠に取り付けた場合には、更に、小型送信機の金属導体板と金属窓枠との間に別のコンデンサ構造が形成されて金属窓枠を含む広いグランド面を確保して、アンテナ放射パターンと放射効率を改善することができる。

図１は本発明による小型無線機として窓開閉検出装置を例にとってその設置状態を示した説明図である。図１において、本発明の窓開閉検出装置１０は監視対象とする引き違い窓の窓サッシ１２ａ，１２ｂの縦枠に両面テープ又はビスなどにより固定される。

窓開閉検出装置１０の上側には、窓サッシ１２ａ，１２ｂを閉じた状態で、相対する位置に窓開閉検出マグネット１４を両面テープで貼り付けており、窓開閉検出マグネット１４からの磁力を内蔵した磁気感知素子としてホールセンサにより検出している。

窓サッシ１２ａ，１２ｂを開くと、窓開閉検出マグネット１４が窓開閉検出装置１０から離れることで磁力が低下し、この磁力の低下をホールセンサで検出して窓開を示す検出信号を別途設置された監視装置に無線で送信して警報させる。

また窓開閉検出装置１０はその下端を窓サッシ１２ａ，１２ｂに設けているクレセント錠１６に近接するように配置し、クレセント錠１６の開閉レバー１８に貼り付けたクレセント錠検出マグネット２０の磁力を下端側に内蔵した別のホールセンサで検出している。

クレセント錠１６は開閉レバー１８を図示の垂直方向に回した操作位置で窓サッシ１２ａ，１２ｂを施錠しており、このときクレセント錠検出マグネット２０は窓開閉検出装置１０に最も近接してホールセンサで検出する磁力が最大となり、施錠状態を検出している。

開閉レバー１８を下側に回してクレセント錠１６を開錠すると、クレセント錠検出マグネット２０が離れることで磁力が低下し、この磁力の低下をホールセンサで検出して解錠状態を示す検出信号を監視装置に無線送信して警報させる。

図２は本実施形態による窓開閉検出装置１０について、カバー部材２４を装置本体２２から外した状態を示した説明図である。装置本体２２の上部には、赤色ＬＥＤと緑ＬＥＤを用いた表示部６６、施錠検出用ホールセンサ４８で検出した磁力を判定するための閾値の登録処理を実行させる登録スイッチ７０、カバー部材２４の着脱を検出するタンパスイッチ７４が設けられている。装置本体２２の両側のベース側には係止爪２５，２７が形成され、カバー部材２４の嵌め込みを受けて嵌合固定する。

カバー部材２４は装置本体２２に対し着脱自在あり、正面中央に表示窓５７を設け、装置本体２２の表示部６６の表示状態が見えるようにしている。

図３は本発明による窓開閉検出装置の実施形態を示した組立分解図である。図３において、本実施形態の窓開閉検出装置１０は装置本体２２とカバー部材２４で構成される。

装置本体２２は、底部側から、ベース３０、金属導体板３２、底蓋３４、筐体３６、アンテナ４０を備えた回路基板３８及び本体カバー４２を組み立てており、更に電池４４が着脱自在に設けられる。カバー部材２４のクレセント錠側に位置する端部には、円錐状の集磁体２６がホルダー部材２８に組み込み固定された状態で収納される。

回路基板３８の上部側にはセンサ基板４５が起立され、ここに窓開閉検出用ホールセンサ４６を配置している。また回路基板３８の下端にはクレセント錠検出用ホール素子４８が設置されている。更に回路基板３８には電池コネクタ３７が設けられる。

図４は本実施形態におけるアンテナ構造の詳細を図３の回路基板３８について示した説明図である。図４に於いて、アンテナ４０は１／４波長のグランドプレーン型のアンテナであり、回路基板３８の左側上部にアンテナ導線５０を配置しており、アンテナ導線５０は途中に屈曲部５０ａを形成し、屈曲部５０ａを図３に示した筐体３６の側面に設けられた図示しない溝に掛け回して固定している。アンテナ導線５０は取付面よりも上方に離して装置本体２２の上方側に配置される。

アンテナ導線５０のアンテナ長は、本実施形態で使用する特定小電力無線局の標準規格に従った使用周波数で決まる１／４波長に満たない長さであり、これを補償して電気的に略１／４波長のアンテナ長を確保するため、アンテナ導線５０と直列にローディングコイル５２を直列接続している。

このためローディングコイル５２の給電端５２ａが回路基板３８に実装している無線送信回路の終電点の一方に接続される。ローディングコイル５２のインダクタンス成分は、アンテナ導線５０のもつ容量性リアクタンス成分を相殺してアンテナ純抵抗のみとするように設定される。

回路基板３８に実装した無線送信回路による給電点の他方には、本実施形態にあっては、４本のグランド導線５４が給電端５４ａにより接続されアンテナ導線５０と反対方向に伸びている。グランド導線５４は図３の筐体３６の下側に装着する底蓋３４の内側となる底面に沿って布線され、取付面側に配置した図３の金属導体板３２との間で、合成樹脂製の底蓋３４を誘電体として挟むことで、コンデンサ構造を形成している。

グランド導線５４、底蓋３４及び金属導体板３２で形成されるコンデンサ構造により、金属導体板３２との間の接地抵抗Ｒｇが低下し、これはグラント面を広げたことに相当し、接地抵抗Ｒｇの低下に伴ってアンテナの放射効率ηが改善される。

また本実施形態の窓開閉検出装置１０は、図１に示したように、アルミニウムサッシなどの窓の金属枠に取り付けられており、その結果、窓枠取り付け状態で、図３に示した金属導体板３２と取付先の金属窓枠との間に別のコンデンサ構造を形成し、２重のコンデンサ構造を介して金属窓枠を含む広いグランド面が確保される。

また、取り付ける窓枠が木製の場合には、装置に内蔵した金属導体板３２に対するコンデンサ結合によってグランド面を確保でき、木製の窓枠であってもアンテナの放射効率を充分に高めることができる。

図５は本実施形態によるアンテナ放射パターンを従来と対比して示した説明図である。図５（Ａ）が本実施形態によるアンテナ放射パターンであり、図５（Ｂ）の従来パターンに比べ、アンテナ利得が２０ｄＢ増加し（同心円の間隔は１０ｄＢを示す）、パターン形状も全方向に均一な円形パターンとなり、大幅なアンテナ放射効率の改善が達成されている。

図６は本実施形態による窓開閉検出装置の回路構成を示したブロック図である。図６において、制御部として設けられたプロセッサ６０はワンチップマイコンとして知られたコンピュータであり、１チップにＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、ＡＤ変換ポート、各種の入出力ポートなどを備えており、本実施形態ではＥＥＰＲＯＭなどの不揮発メモリ７８を外付けしている。

窓開閉検出用ホールセンサ４６で検出した窓ガラスに設けた窓開閉検出マグネット１４による磁力レベル検出信号は、増幅回路６２で増幅された後にＡＤ変換ポート８０に与えられ、デジタル変換した磁力レベル（ＡＤ変換値）をプロセッサ６０に取り込み、ＡＤ変換データに変換される。

また、施錠検出用ホールセンサ４８で検出したクレセント錠１６の開閉レバー１８に設けたクレセント錠検出マグネット２０による磁力レベル検出信号も増幅回路６４で増幅された後にＡＤ変換ポート８２に与えられ、デジタル変換した磁力レベル（ＡＤ変換値）をプロセッサ６０に取り込み、同じくＡＤ変換データに変換される。

プロセッサ６０に対しては、表示部６６、周波数切替スイッチ６８、登録スイッチ７０、テストスイッチ７２、タンパスイッチ７４、及びアンテナ４０を備えた無線送信部７６が設けられている。

表示部６６は赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの２色ＬＥＤを設けており、例えば窓開や解錠などの異常検出で赤色ＬＥＤを点灯し、その後の正常復帰で緑色ＬＥＤを点灯して監視状態を表示する。周波数切替スイッチ６８は無線送信部７６について予め準備された複数の使用可能チャネルのいずれか１つを選択する。

登録スイッチ７０は本実施形態の窓開閉検出装置１０の使用開始時に行う施錠登録モードの設定に使用される。テストスイッチ７２はリードスイッチが使用されており、テスト用のマグネットを近づけるとテストスイッチ７２が動作してテスト用電文を無線送信部７６から監視装置に送信させる。タンパスイッチ７４はカバー部材２４の開閉を検出するスイッチである。

無線送信部７６には送信回路が設けられ、監視状態を監視盤に対して無線通信を行う。

不揮発メモリ７８には装置の工場製造段階での測定処理を通じて窓開閉検出用ホールセンサ４６から取得した磁力レベルに基づいて求めた窓開閉検出の窓判定閾値ＴＨ１が記憶されている。

また不揮発メモリ７８には、窓開閉検出装置１０を窓に設置した状態で行われるクレセント錠登録処理で施錠検出用ホールセンサ４８から取得した磁力レベルに基づいて求めた錠開閉検出の錠判定閾値ＴＨ２が記憶されている。

プロセッサ６０にはＣＰＵによるプログラムの実行により実現される機能として、登録処理部８４、窓開閉監視部８６、施錠監視部８８、及び通信制御部９０が設けられている。

登録処理部８４は、図１のように、窓開閉検出装置１０、窓開閉検出マグネット１４及びクレセント錠検出マグネット２０の取り付け配置が完了した後、クレセント錠１６の開閉レバー１８を解錠位置に操作した状態とし、この状態で図２に示したようにカバー部材２４を外して装置本体２２の登録スイッチ６０を操作すると、登録モードが設定され、登録処理が実行される。

登録処理は、所定周期で施錠検出用ホールセンサ４８により検出した磁力レベルを取得し、予め設定した所定の有効レベルと比較し、有効レベルを超えていた場合には、不揮発メモリ７８に磁力レベル初期登録し、初期登録した磁力レベルに対し所定比率低い値を算出し、クレセント錠の施錠解錠を判断する錠判定閾値ＴＨ２として不揮発メモリ７８に登録し、施錠監視部８８によるクレセント錠の施錠監視を開始させる。

この場合には、開閉レバー１８を解錠位置に戻し、カバー部材２４を開いて登録スイッチ７０を操作することで、再度、磁力レベルの初期登録を行うことになる。

窓開閉監視部８６は窓開閉検出用ホールセンサ４６から得られた磁力レベルを不揮発メモリ７８から読み出した窓判定閾値ＴＨ１と比較し、窓の開又は閉を判定し、判定結果を示す電文を無線送信部７６から監視装置に送信して警報又は警報解除を行わせる。

施錠監視部８８は施錠検出用ホールセンサ４８から得られた磁力レベルを錠判定閾値ＴＨ２と比較し、錠判定閾値ＴＨ２以下となった場合にクレセント錠の開と判断して錠開を示す電文を無線送信部７６から監視装置に送信して警報させる。また、施錠監視部８８は、錠開を検出した後に、錠閉に戻った場合にも、その旨の電文を監視装置に無線送信する。

通信制御部９０は窓開閉監視部８６及び施錠監視部８８の判断に基づく電文の送信に加え、一定時間間隔で定期通報の電文を送信させる。

図７は図６のプロセッサ６０による本実施形態の監視処理を示したフローチャートである。

図７において、図１に示したような現場設置が済んだ状態で電池４４のコネクタ接続により電源が投入されると、ステップＳ１で初期化処理と自己診断処理が実行され、異常が無ければステップＳ２に進み、不揮発メモリ７８に記憶されている窓開閉監視の窓判定閾値ＴＨ１を含むデータを読み込む。

続いてステップＳ３に進み、施錠監視登録モードか否か判定し、カバー部材２４を開いて登録スイッチ７０をオン操作することによって施錠監視登録モードの設定が判別されると、ステップＳ４に進んで施錠検出用ホールセンサ４８による磁力レベルの初期登録と、クレセント錠１６の施錠と解錠を検出するための錠判定閾値ＴＨ２の登録を含む施錠監視登録処理を実行する。

続いてステップＳ５で所定タイミングの監視周期への到達の有無を判定しており、監視周期への到達を判定するとステップＳ６に進んで電池４４に対するローバッテリ監視処理を実行する。このとき電池電圧が規定電圧以下に低下していると、ローバッテリを示す電文を監視装置に無線送信して障害表示を行わせる。

次にステップＳ７で窓開閉監視処理を実行し、窓開又は窓閉を判定すると、その内容を示す電文を監視装置に送信する。更にステップＳ１８で施錠監視処理を実行し、錠開又はその後の錠閉を判定すると、その内容を示す電文を監視装置に送信する。続いてステップＳ９で定期通報時間経過かを判別し、経過を判別した場合にはステップＳ１０に進み、定期通報電文を監視装置に送信する定期通報処理を行う。

なお、上記の実施形態は小型送信機として窓開閉監視装置を例にとっているが、これ以外に適宜の用途と機能を備えて情報を内蔵アンテナから無線送信する小型送信機として機能する装置であれば、適宜の装置に本発明をそのまま適用することができる。

また、本発明はその目的と利点を損なうことの無い適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

本発明による小型送信機の設置状態を示した説明図本実施形態による小型送信機についてカバー部材を装置本体から外した状態を示した説明図本実施形態による小型送信機の組立分解状態を示した説明図本実施形態の小型送信機におけるアンテナ構造の詳細を示した説明図本実施形態によるアンテナ放射パターンを従来と対比して示した説明図本実施形態による小型送信機の回路構成を示したブロック図図６のプロセッサによる本実施形態の窓開閉検出処理を示したフローチャート

符号の説明

１０：窓開閉検出装置
１２ａ，１２ｂ：窓サッシ
１４：窓開閉検出マグネット
１６：クレセント錠
１８：開閉レバー
２０：クレセント錠検出マグネット
２２：装置本体
２４：カバー部材
３６：筐体
４０：アンテナ
４６：窓開閉検出用ホールセンサ
４８：施錠検出用ホールセンサ
５０：アンテナ導線
５０ａ，５４ａ：給電端
５２：ローディングコイル
５４：グランド導線
７６：無線送信部
８４：登録処理部
８６：窓開閉監視部
８８：施錠監視部
９０：通信制御部

Claims

１／４波長のグランドプレーン型のアンテナを内蔵した小型送信機に於いて、
一端に開いた開放箱型形状を有する筐体と、
前記筐体の底部取付面側に配置された金属導体板と、
給電点の一方に接続され、前記筐体の取付面側から離して配置されたアンテナ導線と、
前記給電点の他方に接続され、前記筐体の底面に沿って布線されて前記金属導体板との間にコンデンサ構造を形成する複数本のグランド導線と、
前記筐体の底面側に前記金属導体板に続いて合成樹脂製のベースを配置し、
前記筐体を金属窓枠に取り付けた場合、前記グランド導線は前記金属導体板との間に介在する前記筐体の底部を誘電体としてコンデンサ構造を形成すると共に、前記金属導体板導体板と金属窓枠との間に介在する前記ベースを誘電体として別のコンデンサ構造を形成したことを特徴とする小型送信機。
請求項１記載の小型送信機に於いて、前記アンテナ導線は１／４波長に満たないアンテナ長であり、前記アンテナ導線を電気的に略１／４波長に延長させるローディングコイルを直列接続したことを特徴とする小型送信機。