JP5575780B2 - 頑丈なアンテナおよび回転止め付きワイヤレスフィールド機器 - Google Patents

Description

工業環境では、制御システムは、工業および化学プロセスの在庫などを監視および制御するために用いられる。典型的には、制御システムは、プロセス制御ループによって制御室内で制御回路に連結した工業プロセスにおいて、要所に分布したフィールド機器を用いてこれらの機能を行う。

フィールド機器は、プロセス制御および計測産業によって、多様な目的のために用いられる。通常、このような機器はフィールド硬化筐体を有するので、比較的苛酷な環境にある屋外に設置することができ、気候学的極限の温度、湿度、振動、および機械的ショックに耐えることが可能である。フィールド機器は、典型的には、比較的低電力で動作することもできる。たとえば、周知の４〜２０ｍＡループからの動作電力全てを受けるフィールド機器が、現在入手可能である。

いくつかのフィールド機器は、トランスデューサを含む。トランスデューサは、物理的入力に基づく電気的出力を生成（たとえば、センサ）、または、電気的入力信号に基づく物理的出力を生成（たとえば、アクチュエータ）する機器のいずれかを意味するように理解される。典型的には、トランスデューサは、入力を、異なる形態を有する出力に変換する。トランスデューサの種類は、さまざまな分析装置、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、フロートランスミッタ、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯、およびその他を含む。

典型的には、各フィールド機器は、プロセス制御ループ上で、プロセス制御室または他の回路と通信するために用いられる通信回路も含む。いくつかの設備では、プロセス制御ループは、フィールド機器に電力を供給するために、調整された電流および／または電圧をフィールド機器に送るのにも使用される。

従来、アナログフィールド機器は、２線式プロセス制御電流ループによって制御室に接続され、各機器が、単一の２線式制御ループによって制御室に接続されてきた。いくつかのアナログフィールド機器は、電流ループに流れる電流を、感知されたプロセス変数に比例する電流に変調することによって、制御室へ信号を発信する。他のアナログフィールド機器は、ループに流れる電流の大きさを制御することによって、制御室の制御のもとで動作を行うことができる。加えて、または代わりとして、プロセス制御ループは、フィールド機器との通信のために用いられるデジタル信号を伝えることができる。デジタル通信は、アナログ通信よりはるかに大きい度合いの通信を可能にする。その上、デジタルフィールド機器は、各フィールド機器のために別途の配線を要しない。デジタルで通信するフィールド機器は、制御室および／または他のフィールド機器に応答し、かつ、これらと選択的に通信することができる。さらに、このような機器は、追加の信号伝達、たとえば診断および／または警報を提供することができる。

いくつかの設備では、ワイヤレス技術が、フィールド機器と通信するために用いられ始めた。ワイヤレスの実施は、フィールド機器の配線およびセットアップを簡略化する。工業的な場所におけるワイヤレス通信の１つの特定の形態は、ワイヤレスメッシュネットワークとして周知である。これは比較的新しい通信技術で、低コストでバッテリ式の、商業的計測用途におけるワイヤレス通信に有用であることが立証済みである。ワイヤレスメッシュネットワークは、一般的に、低電力無線周波数通信を採用する近距離ワイヤレス通信システムであり、一般的に、長距離のプラント間、パッド間、またはステーション間通信を対象としない。

一般に、ワイヤレス無線周波数通信は、アンテナの使用を要する。このような厳しい工業環境では、アンテナは、比較的脆弱な物理的構成要素である。その上、アンテナが折れたら、フィールド機器への通信自体が危うくなる可能性がある。筐体に対するアンテナの密閉が、（たとえば、ＵＶ暴露または加水分解劣化により）損傷を受け、または劣化すると、環境密封が機能しなくなり、フィールド機器への損傷の原因となる可能性がある。一般的に、アンテナは、（典型的には金属である）発信機の筐体の上方へ伸びなければならず、風雨を防ぐ密閉および９０°の調節機能を維持しながら、高い振動レベル、衝撃、および極限温度に耐えなければならない。

調節可能なアンテナを提供する試みがなされてきており、そのアンテナは、位置決雌ねじが緩められるとき、自由に回転可能になる。しかしながら、このような自由な回転は、アンテナ内のケーブルがねじれて損傷を与えるのを許してしまうかもしれないと考えられている。周知のワイヤレスフィールド機器は、一般的に、全方向型ダイポールアンテナを採用する。２つの全方向型ダイポールアンテナが最適な通信を有するために、それらは同じ偏波（向き）で搭載されなければならない。さらに、垂直偏波が、一般的に、全方向型アンテナに好ましい。したがって、フィールド機器用の調節可能なアンテナが提供されてきたが、このような調節可能なアンテナ設計は、アンテナ内のケーブル配線を適切に保護しないと考えられている。

内部ケーブル配線をよりよく保護する、頑丈なワイヤレス通信アンテナを有する工業フィールド機器の提供は、ワイヤレスフィールド機器通信の技術を進歩させるだろう。

フィールド機器は、少なくとも１つのアンテナ受け入れ孔を有する筐体を含む。フィールド機器の電子機器は、筐体内に配置され、ワイヤレスプロセス情報を通信するように構成されたワイヤレス通信回路を含む。アンテナアセンブリは、筐体のアンテナ受け入れ孔内で係合したアンテナ台座を含む。アンテナアセンブリは、ワイヤレス通信回路に動作可能に連結したアンテナを含む。アンテナアセンブリは、１回のフル回転未満の量だけ孔内で回転可能であり、アンテナアセンブリの回転は、アンテナの向きを変動させる。

本発明の実施形態によるワイヤレスフィールド機器のブロック図である。 本発明の実施形態による、アンテナアセンブリを有するフィールド機器の部分断面図である。 本発明の実施形態による、アンテナ搭載部の、フィールド機器アンテナ受け入れ孔との具体的な係合を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態による、頑丈な回転制限付きワイヤレス通信アンテナ付きワイヤレスフィールド機器の側面図である。 本発明の実施形態による、アンテナ台座に近接して配置された回転止めの拡大斜視図である。 本発明の実施形態による、回転止めによって制限されたワイヤレス通信アンテナの回転の斜視図である。

図１は、本発明の実施形態によるワイヤレスフィールド機器のブロック図である。ワイヤレスフィールド機器１００は、長方形の箱として概略的に図示されている筐体１０２を含む。しかしながら、長方形の箱は、筐体１０２の実際の形状を描写することを意図しない。ワイヤレス通信モジュール１０４は、筐体１０２内に配置され、接続１０８を介してアンテナ１０６に電気的に連結する。アンテナ１０６は、プリント回路基板上の単なる導電性のある配線を含む、任意の適した配置であることができる。ワイヤレス通信モジュール１０４は、電源モジュール１１２とともにコントローラ１１０に連結もしている。ワイヤレス通信モジュール１０４は、無線周波数信号を生成するために有用な、任意の適した回路を含む。

用途によっては、ワイヤレス通信モジュール１０４は、ワイヤレスネットワーク技術（たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク機器および／またはＩＥＥＥ８０２．１１（ｂ）ワイヤレスアクセスポイント、およびカリフォルニア州IrvineのLinksysによって製造されたワイヤレスネットワーク機器）、セルラーまたはデジタルネットワーク技術（たとえば、カリフォルニア州San JoseのAeris Communications Inc.によるMicroburst（登録商標））、超広帯域、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ）、汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトル拡散技術、ショート・メッセージ・サービス／テキスト・メッセージ（ＳＭＳ）、または任意の他の適した無線周波数ワイヤレス技術に制限されないが、これらを含む任意の適したワイヤレス通信プロトコルに準拠して通信するように適応させてもよい。さらに、ワイヤレス通信モジュール１０４と同様のモジュールを採用する複数のフィールド機器が、もう一つのもののワイヤレス動作範囲内で共存および動作することができるように、周知のデータ衝突技術を採用することができる。このような衝突防止は、たくさんの異なる無線周波数チャネルおよび／または拡散スペクトル技術を含むことができる。加えて、通信モジュール１０４は、市販のブルートゥース通信モジュールであることができる。図１に図示される実施形態では、ワイヤレス通信モジュール１０４は、アンテナ１０６に連結した筐体１０２内の構成要素である。

コントローラ１１０は、ワイヤレス通信モジュール１０４に連結し、ワイヤレス通信モジュール１０４と双方向で通信する。コントローラ１１０は任意の回路または装置であり、１つ以上の指示を実行して所望の結果を得ることが可能である。好ましくは、コントローラ１１０はマイクロプロセッサを含むが、適した補助回路、たとえばオンボードメモリ、通信バスなども含むことができる。

ワイヤレス通信モジュール１０４およびコントローラ１１０のそれぞれは、電源モジュール１１２に連結する。電源モジュール１１２は、好ましくは、ワイヤレス通信モジュール１０４およびコントローラ１１０に、フィールド機器１００を動作するのに必要な全電気エネルギを供給してもよい。電源モジュール１１２は、ワイヤレス通信モジュール１０４およびコントローラ１１０に、保存または生成された電気を供給することが可能な、任意の機器を含む。電源モジュール１１２を含むことができる機器の例は、（再充電可能な、またはそうでない）バッテリ、キャパシタ、太陽光アレイ、熱電発電装置、振動系発電装置、風力系発電装置、燃料電池などを含む。代わりとして、電源モジュール１１２は、２線式プロセス制御ループに接続され、ワイヤレス通信モジュールによって使用するための電力を取得および保存してもよい。さらに、電源モジュール１１２は、たとえば、２４ボルトの電力供給を受け入れる、電力線の電力へ単に接続されてもよい。

トランスデューサ１１４はコントローラ１１０に連結し、フィールド機器１００を物理プロセスに結合させる。トランスデューサの例は、センサ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯などを含む。本質的には、トランスデューサ１１４は、コントローラ１１０からの信号を物理的現象、たとえばバルブの動きに変換することが可能な任意の機器、または現実世界の条件、たとえばプロセス流体の圧力に基づいて、コントローラ１１０へ電気的信号を生成する任意の機器である。

本発明の実施形態は、一般的に、フィールド機器筐体を環境から遮断する工業用アンテナ取付構造を提供し、アンテナが、フィールド機器のあらゆる向きにおいて垂直偏波を実現する調節を可能にする。本発明の実施形態はアンテナ用の回転止めも提供して、アンテナがフル回転、好ましくは約３００°未満より大きく回転するのを防止する。これは、アンテナ１０６からワイヤレス通信モジュール１０４までの内部を通るケーブル配線がねじれるのを防止する。

図２は、本発明の実施形態による、アンテナアセンブリに連結したフィールド機器の部分断面図である。図２に示すように、アンテナアセンブリ２００は、フィールド機器筐体１０２の孔２０４内に収まるアンテナ台座２０２を含む。図２に図示されるように、フィールド機器筐体１０２内の孔２０４の軸は、２つの所望のアンテナ位置に対して約４５°の角度に向けられる。アンテナ取付部２０２は、好ましくは筐体１０２内のテーパ状の穴である孔２０４の中へ押し込まれ、その中に、好ましくは金属のスナップリングを用いて保持される。いったん台座２０２が孔２０４内の適した距離で係合すると、スナップリング（図３に示す）は、筐体１０２内の共同の溝に飛び込み、その中で台座２０４を保持する。台座２０２は好ましくは、レドーム２１０の協働する内面のねじ山領域を受け入れる、外面のねじ山領域２０８を含む。好ましくは、１つ以上のＯリングが、台座２０２の外径と孔２０４との間に置かれて、所望の回転方位でアンテナアセンブリ２００を保つための摩擦を提供するとともに、防水密閉を提供する。アンテナアセンブリ２００は、孔２０４の軸のまわりに回転することができ、それによって、一定した密閉を維持しながら、２つの向きの間でアンテナ１０６を９０°動かす。

図３は、台座２０２の孔２０４との具体的な係合を示す拡大断面図である。見て取れるように、金属のスナップリング２１２は、台座２０２内の溝２１４も係合しながら、部分的に抜け出して孔２０４内の溝２１４を係合する。いったんスナップリング２１２が配置されると、孔２０４に対する台座２０２の軸方向変位量は実質的に固定される。フィールド機器／アンテナアセンブリを組み立てるために、台座２０２は、拡がって、リング２１２が溝２１４に達するまで台座２０２の外径上をスライドするスナップリング２１２を有する。溝２１６は、スナップリング２１２が溝内で完全に縮むことができ、それによって、台座２０２のその部分の外径を越えて伸びないようなサイズにされる。この条件では、台座２０２は、筐体１０２の孔２０４の中にスライドすることができる。いったんスナップリング２１２が孔２０４内にスライドすると、台座２０２が、溝２１４および２１６が揃う軸方向の位置に至ったら、自然に溝２１４の中にはまる。認識されるように、孔２０４内のテーパ状の部分２１８が備えられることで、台座２０２が孔２０４の中へ軸方向に挿入されるにつれて、スナップリング２１２が自動的に縮むのを可能にする。これは、台座２０２が初めに孔２０４の中に挿入されるので、スナップリング２１２がいかなる程度にも縮むことを必要としない組み立てを容易にする。そして、搭載部２０２がテーパ２１８に至ると、テーパ２１８の壁面は、溝２１６内でスナップリング２１２の外径を縮める。

また、図３で分かるように、好ましくは、１つ以上のＯリング２２０，２２２を提供して、孔２０４とアンテナ台座２０２との間の接合部分を、水分または他の望ましくない物質から遮断する。

筐体に対するアンテナアセンブリの回転は、孔２０４の内面に突き当たるＯリング２２０，２２２の摩擦に単に対抗することが好ましい一方で、本発明の実施形態は、機械的留め具（たとえば、位置決雌ねじ）、またはアセンブリ２００の回転向きの固定を可能にする他の適した機器の利用も含む。その上、このような留め具の利用は、留め具自体に導電性があれば、アンテナシールド（接地）の筐体への容易な接続を提供することができる。これは、電気的過渡現象が、同軸ケーブルのシールド上の筐体に入って電子機器を損傷させないようにする点で重要になる可能性がある。

図４は、本発明の実施形態による、アンテナアセンブリに連結したフィールド機器の側面図である。フィールド機器２５０は、任意の適したフィールド機器であることができ、一般的に、その中に電子機器を有する筐体２５２を含む。図４にさらに図示されるように、筐体２５２は、上述のように、アセンブリ２００に対して２つの異なる９０°の向きから約４５°の軸を有する孔をその中に含むアンテナ受け入れ部分２５４を含む。図４は、本発明の実施形態によるアンテナ回転止め２５６も示す。止め２５６は、部分２５４の平面２５８の上方に立ち上がる。アンテナアセンブリ２００上の協働する特徴部は止め２５６を係合して、孔２０４内のアンテナアセンブリ２００の回転を約３００°に制限する。図５は、アンテナアセンブリ２００に近接した平面２５８の上方へ立ち上がる回転止め２５６を示す拡大図である。

図６は、アンテナアセンブリ２００が矢印２６２によって表示された方向に回転するので、最終的に回転止め２５６に対して係合することになり、アンテナアセンブリ２００のさらなる回転を阻止する、アンテナアセンブリ２００の協働する特徴部２６０を図示する。特徴部２６０は、好ましくは、アンテナ台座２０２の単一部品として、ダイカストまたは他の方法で形成されている。アンテナ台座２０２および筐体２５２は、金属または頑丈なプラスチックで構成されることが好ましい。より好ましくは、アンテナ台座２０２は、好ましくはダイカストであり、金属、たとえば亜鉛またはアルミニウムで構成することができる。しかしながら、本発明の実施形態によると、他の適した物質を用いることができる。

図６を参照すると、特徴部２６０は、好ましくは、止め２５６のそれぞれの表面２６８，２７０と係合する一対の表面２６４，２６６を含む。このようにして、部分２６０が最終的に止め２５６を係合するとき、係合は、互いに突き当たる２つの本質的に平らな面の間で起こる。回転止め２５６との平坦な接触をなす平面の利用は、２つの表面が互いに繰り返し係合するとき、塗装損傷を防止するのに役立つ。図６に図示されるように、特徴部２６０上の表面２６４，２６６は、互いに対してある角度で配置される。好ましくは、この角度は、９０度と等しいか、またはそれ未満である。しかしながら、本発明の実施形態は、特徴部２６０および止め２５６に適した任意の構造で実施することができる。具体的には、特徴部２６０は、台座２０２の外径から伸びる単なるタブであり得るし、止め２５６は、フィールド機器筐体１０２内の適切なサイズの穴に押し込まれるピンまたは他の適した構造であり得る。これは、アンテナ台座２０２が孔２０４の中にねじ込まれている実施形態において特に適切である。そのため、いったんアンテナ台座２０２が孔２０４の中に適した程度ねじ込まれると、止め／ピンは、孔２０４の中に押し込まれ、そして孔２０４内のアンテナアセンブリの回転をさらに制限し得る。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の精神および範囲から逸脱しない範囲で、形態および詳細に改変がなされてもよいことが認識される。

Claims (5)

1. その中に少なくとも１つのアンテナ受け入れ孔を有する金属の筐体、
   金属の筐体内に配置されたフィールド機器の電子機器であって、ワイヤレスプロセス情報を通信するように構成されたワイヤレス通信回路と、ワイヤレス通信回路に連結されたコントローラと、及びフィールド機器を物理プロセスに結合するためにコントローラに連結されたトランスデューサとを含むフィールド機器の電子機器、
   金属の筐体のアンテナ受け入れ孔内で係合したアンテナ台座を含むアンテナアセンブリであって、ワイヤレス通信回路に動作可能に連結したアンテナを含むアンテナアセンブリ
   を含み、
   アンテナアセンブリは、１回のフル回転未満の量だけ孔内で回転可能であり、アンテナアセンブリの回転は、アンテナの向きを変動させ、
   筐体が、上方へ立ち上がる回転止めを含み、及びアンテナ台座が、その外径から伸び、所定の量を超える回転を防止するために回転止めと係合する特徴部を含む、
   フィールド機器。
2. アンテナ台座に連結して、その中にアンテナを密閉するレドームをさらに含む、請求項１記載のフィールド機器。
3. 回転止めが、アンテナ台座の特徴部と係合するように配置された、少なくとも１つの平面を含む、請求項１記載のフィールド機器。
4. 回転止めが、一対の平面を含む、請求項３記載のフィールド機器。
5. 一対の平面が、互いに対してある角度で配置され、その角度が９０゜より大きい、請求項４記載のフィールド機器。

Images