JP6097119B2

JP6097119B2 - 電波レベル計

Info

Publication number: JP6097119B2
Application number: JP2013072204A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　聡; 聡伊藤; 雅夫岸本; 翔堀田
Original assignee: Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: KR101748059B1; JP2014196936A; EP2980539A4; KR20150128692A; US20160041023A1; WO2014157356A1; CN105102942A; US9863800B2; EP2980539A1; CN105102942B; EP2980539B1

Description

本発明は、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計に関し、特に、筐体に内蔵された送受信回路基板と、電波の送受信を行うアンテナ部とを接続するための接続構造を有する電波レベル計に関する。

この種の電波レベル計では、筐体に内蔵され送受信回路が形成された送受信回路基板と、電波の送受信を行うために被測定物の収容された容器内へと鉛直方向に突出されたアンテナ部と、を備えており、このため、この送受信回路基板からアンテナ部とを接続するための接続構造が必要である。

従来の接続構造としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。この例では、筐体内に送受信回路基板が水平向きに配置されており、筐体とプローブ（アンテナ部）とを接続するための接続具を備えている。接続具は中心導体を備え、中心導体の一端が送受信回路基板に形成された孔に挿入されて、直接の電気的接触を行っており、中心導体の他端がプローブと電気的に接続するようになっている。

このような特許文献１の構成では、送受信回路基板が水平向きに設置されるために、水平方向の面積を占有してしまい水平方向の小型化が困難であるという問題がある。このような電波レベル計が設置される現場では、他の機器等が水平方向に並んで設置されることも多く、水平方向の小型化が望まれている。また、接続具の中心導体の一端を受ける孔の位置が、送受信回路基板のほぼ中央位置になるように制約されてしまうために、送受信回路基板の設計自由度が小さいという問題もある。

一方、送受信回路基板を鉛直向きに配置したものとして特許文献１の従来技術（Ｆｉｇ．１）に示された例では、筐体内に送受信回路基板が鉛直向きに配置されており、送受信回路基板から同軸ケーブルが延出されている。そして、この同軸ケーブルとアンテナ部とを接続するものとして、特許文献２に記載されたプラグ接続式接続具を利用したものが知られている。この特許文献２のプラグ接続式接続具は、送受信回路基板から延出された前記同軸ケーブルの端部に接続されたプラグと、アンテナ部側の同軸線路の端部に接続されたソケットとからなり、プラグがソケットに差し込まれると、プラグ側内導体とソケット側内導体とが接触し、プラグ側外導体とソケット側外導体は誘電体を介して容量結合によって接続しており、これによって、送受信回路側のグランドとアンテナ側のグランドとの絶縁を行いつつ送受信回路とアンテナ部とを接続している。

このように送受信回路基板を鉛直向きに配置すれば水平方向の小型化を図ることができる反面で、同軸線路を使用しているために損失が大きいという問題がある。また、同軸線路からアンテナ部への給電点において反射が起こるという問題もある。

米国特許第７４５００５５号明細書米国特許第６７７８０４４号明細書

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、水平方向の小型化を図ることができると共に、反射・損失を抑えて、送受信回路基板とアンテナ部とを接続する接続構造を有する電波レベル計を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、筐体に内蔵された送受信回路基板と、電波の送受信を行うアンテナ部と、送受信回路基板とアンテナ部とを接続するための接続構造とを有し、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計において、
筐体内で送受信回路基板が鉛直方向に配置されており、接続構造は、送受信回路基板に形成された給電端子から給電される導波管によって構成され、導波管は、送受信回路基板からアンテナ部に向かって、送受信回路基板に対して直交するようにして水平方向に延びる円形導波管と、該円形導波管に繋がり鉛直方向に延びる方形導波管と、該方形導波管にさらに繋がり鉛直方向に延びる第２円形導波管とを有することを特徴とする。

また、方形導波管と第２円形導波管との境界部分に跨り、導波管内には誘電体が充填されることを特徴とする。

また、方形導波管と第２円形導波管との境界部分において、前記誘電体の周囲には、送受信回路基板のグランド導体と筐体との絶縁を行う絶縁用誘電体が配置されることを特徴とする。

また、前記導波管内に充填される誘電体の方形導波管側端部と第２円形導波管側端部は、それぞれ先端に向かうに従って連続的または段階的に先細り形状となっていることを特徴とする。

また、前記導波管内に充填される誘電体の外周の一部に電波吸収材が装着されることを特徴とする。

また、前記導波管内に充填される誘電体は、基端側が断面方形で、先端側が断面円形の誘電体ロッドとして構成されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記送受信回路基板、送受信回路基板のグランド導体、非導電性ケース及び前記誘電体ロッドがユニットとして筐体内に差し込まれることを特徴とする。

本発明によれば、筐体内で送受信回路基板が鉛直方向に配置されるために、水平方向の小型化を図ることができると共に、接続構造を導波管で構成し、鉛直方向に配置された送受信回路基板とアンテナ部を円形導波管、方形導波管、第２円形導波管とで接続するようにしたために、損失を小さく抑えることができ、電波の進行方向を円滑に水平方向から鉛直方向へと変更することができる。

送受信回路基板に形成された給電端子は、必ずしも送受信回路基板の基板中心に配置する必要はなく、円形導波管の位置が給電端子に対応するように設けられていればよいために、給電端子の位置自由度が高い。

方形導波管と第２円形導波管との境界部分に跨り誘電体を設けることにより、方形導波管と第２円形導波管との移行部における反射を抑えることができ、また、方形導波管と第２円形導波管との境界部分で送受信回路基板のグランド導体と筐体との絶縁を行うために絶縁用誘電体を設けた場合に、導波管からの電波の漏れまたは反射を抑えることができる。

本発明の実施形態による電波レベル計の概略断面図である。（ａ）は図１の要部拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）中のｂ矢視図、（ｃ）は（ａ）中のｃ−ｃ線に沿って見た断面図、（ｄ）は（ａ）中のｄ−ｄ線に沿って見た断面図である。誘電体ロッドの斜視図である。筐体内の部分破断平面図である。回路ユニットを筐体に組み込む状態を表す分解断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態による電波レベル計１０は、大まかに、金属からなる筐体１２を上側に備え、アンテナ部１４を下側に備えており、アンテナ部１４はその先端から、容器に収容された被測定物に向かって電波を放射し、被測定物までの電波の往復時間を送受信回路で計測することにより、被測定物までの距離を測り、被測定物のレベルを求めるようになっている。以下の説明において、筐体１２に近い側を基端側、アンテナ部１４に近い側を先端側とする。

筐体１２は、その内部に、中心軸が鉛直方向を向いた有底の略円柱状内部空間１２ａを画成しており（図１、４参照）、さらに、略円柱状内部空間１２ａの底部からは略円柱状内部空間１２ａよりも小径な断面円形の円形中心孔１２ｂを画成しており、円形中心孔１２ｂはアンテナ部１４に繋がっている。また、筐体１２の略円柱状内部空間１２ａの上部開口を覆うようにキャップ２４が着脱自在に被着される。

筐体１２の略円柱状内部空間１２ａ内には、回路ユニット３０が内蔵される。回路ユニット３０は、図２に部分拡大して示したように、送受信回路が形成された送受信回路基板３２と、基板３２の裏面に設けられたグランド導体３４と、グランド導体３４の裏面にさらに取り付けられ同様にグランド導体として機能する導体ケース３６と、これら送受信回路基板３２、グランド導体３４及び導体ケース３６を少なくとも部分的に包囲するプラスチック等からなる非導電性ケース３８と、誘電体ロッド４０と、を有する。回路ユニット３０には、さらに他の基板等を含めることも可能である。

送受信回路基板３２上には、マイクロ波を伝送するマイクロストリップ線路が形成されており、その端部には給電端子３２ａが形成される（図２（ｂ））。給電端子３２ａの位置に対応してグランド導体３４には、円形貫通孔３４ａが形成される。さらに導体ケース３６には、グランド導体３４の裏面に対向する面に断面方形の方形溝３６ａが形成されており（図２（ｃ））、この方形溝３６ａの一端が円形貫通孔３４ａに連通しており、方形溝３６ａの他端が筐体１２の円形中心孔１２ｂに連通する。

これによって、円形貫通孔３４ａによって水平方向に延びる円形導波管Ｗ１が形成され、方形溝３６ａによって鉛直方向に延びる方形導波管Ｗ２が形成され、円形中心孔１２ｂによって鉛直方向に延びる円形導波管Ｗ３が形成され（図２（ｄ））、これらの導波管によって送受信回路基板３２とアンテナ部１４とを接続する接続構造が構成される。

直交する円形導波管Ｗ１と方形導波管Ｗ２との整合をとるために、方形溝３６ａの基端側の端面は、方形溝３６ａの長手方向に垂直な垂直面ではなくやや傾斜した傾斜面３６ｂとなっている。これによって、円形導波管Ｗ１から垂直の方形導波管Ｗ２へと円滑に電波を伝送していくことができる。このような傾斜面等を形成することにより、円形導波管同士を直交に連結するよりも、効率よく電波の伝送を行うことができる。

以上の導波管内の一部を充填するようにして誘電体ロッド４０が挿入される。誘電体ロッド４０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）といった化学的に耐性のある材料から構成されるとよい。

誘電体ロッド４０の基端部４０ａは、方形溝３６ａの断面に一致した方形断面となっており、前記方形導波管Ｗ２に挿入される。また、誘電体ロッド４０の先端部４０ｂは、筐体１２の円形中心孔１２ｂの断面に一致した円形断面となっており、前記円形導波管Ｗ３の途中まで挿入される。

また、図３に示すように、誘電体ロッド４０の基端部４０ａの端部には、その一部が切り欠かれて段部４０ｃが形成されている。そして、段部４０ｃよりもさらに基端側の部分の幅が端部に向かうに従って漸次狭くなるようになっている。このような誘電体ロッド４０の基端部４０ａの端部の付形形状によって、前記方形溝３６ａの端部の傾斜面３６ｂの付形形状と共に、円形導波管Ｗ１と方形導波管Ｗ２との移行部及び誘電体ロッド４０の基端部４０ａといった非連続部における整合をとることができ、反射を低減させることができる。

また、誘電体ロッド４０の先端部４０ｂの端部には円錐部４０ｄが形成されており、端部に向かうに従って漸次外径が小さくなるようになっている。このような誘電体ロッド４０の先端部４０ｂの端部の付形形状によって、円形導波管Ｗ３内における非連続部としての誘電体ロッド４０の先端部４０ｂにおける整合をとることができ、反射を低減させることができる。

誘電体ロッド４０の先端部４０ｂの外周面には環状凹部４０ｅが形成されており、環状凹部４０ｅ内にはシート状の電波吸収材４６が配置される（図２）。

誘電体ロッド４０は、誘電体ロッド４０を貫通してグランド導体３４及び導体ケース３６の間に架設される脱落防止ピン４１によって回路ユニット３０からの脱落が防止されており、よって、誘電体ロッド４０の基端部４０ａは、導体ケース３６とグランド導体３４によって囲繞されるのに対して、先端部４０ｂは、回路ユニット３０から突出するようになっている（図５）。但し、誘電体ロッド４０は、脱落防止ピン４１以外の任意の脱落防止手段で脱落を防止するようにしてもよい。

非導電性ケース３８は、回路ユニット３０のグランド導体３４及び導体ケース３６が筐体１２と電気的に直接接触しないように設けられており、非導電性ケース３８が筐体１２に直接締着されることで、回路ユニット３０が筐体１２の略円柱状内部空間１２ａ内に固定され、送受信回路基板３２、グランド導体３４及び導体ケース３６は、略円柱状内部空間１２ａ内で鉛直方向に配置される。即ち、略円柱状内部空間１２ａ内の中心軸を含む面内またはその近傍を占有するように回路ユニット３０が配置されることで、略円柱状内部空間１２ａ内を有効利用することができる（図４）。

略円柱状内部空間１２ａの底面の円形中心孔１２ｂの周囲には、円形凹部１２ｃが形成されており、円形凹部１２ｃには、ディスク形状をした絶縁用誘電体プレート４２が嵌入される。絶縁用誘電体プレート４２によって、グランド導体３４と筐体１２とは、電気的に直接接触しないようになっており、容量結合によってのみ結合される。絶縁用誘電体プレート４２は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはこれらの組み合わせによって構成することができ、１部品または複数部品から構成することができる。

この例では、絶縁用誘電体プレート４２は、階段状に二段になって、円形凹部１２ｃより外側に広がる鍔部４２ａを備えている。誘電体ロッド４０は、この絶縁用誘電体プレート４２を貫通するようにして配設される。従って、絶縁用誘電体プレート４２は、方形導波管Ｗ２と円形導波管Ｗ３との境界部分に設けられ、その形状等を調整することで、誘電体ロッド４０と共にこの境界部分の整合を図り、反射を抑制している。

以上の各部品の寸法は、使用する電波の周波数によって適宜調整するとよいが、誘電体ロッド４０の先端部４０ｂの円形断面の直径をＡとし、図２に示すように、絶縁用誘電体プレート４２の円形中心孔１２ｂに嵌入される部分の直径をＢ、絶縁用誘電体プレート４２の厚みをＣ、誘電体ロッド４０の基端部４０ａの方形断面の一辺をＤ、他辺をＥ、基端部４０ａの切り欠いた鉛直方向長さをＦ、切り欠いて残った部分の水平方向長さをＧとすると、それぞれＢ＝１．６〜２．４Ａ、Ｃ＝０．３〜０．６Ａ、Ｄ＝０．５〜０．８Ａ、Ｅ＝０．６〜０．９Ａ、Ｆ＝０．２〜０．４Ａ、Ｇ＝０．３〜０．５Ａの範囲となるように設定すると好ましい。また、方形溝３６ａの端面の傾斜面３６ｂの角度θは、９０°より大きく、１３５°以下とするとよい。

回路ユニット３０を筐体１２に組み込むに際しては、図５に示すように、まず、筐体１２に対して、その上部開口から絶縁用誘電体プレート４２を挿入して、略円柱状内部空間１２ａの底面の円形凹部１２ｃに嵌入する。次いで、予め組み立てておいた回路ユニット３０を筐体１２の上方から差し込む。このとき、回路ユニット３０から突出している誘電体ロッド４０の先端部４０ｂを、筐体１２の円形中心孔１２ｂに整列させて、円形中心孔１２ｂ内に挿入する。そして、回路ユニット３０の非導電性ケース３８を筐体１２にネジ４８等で締着することで、筐体１２内の送受信回路基板３２とアンテナ部１４とを接続することができる。また、絶縁用誘電体プレート４２及び非導電性ケース３８によって、グランド導体３４及び導体ケース３６と筐体１２との直接の電気的接触を防ぐことができる。

このように、回路ユニット３０がユニット化されていることにより、回路ユニット３０を筐体１２の略円柱状内部空間１２ａ内に差し込むことで、簡単に組み立てることができ、送受信回路基板３２を鉛直方向に配置することができる。

アンテナ部１４は、筐体１２に連結されて、筐体１２の円形中心孔１２ｂによって形成される円形導波管Ｗ３に繋がっている。アンテナ部１４は任意の構成とすることができ、この例では、アンテナ部１４として、ホーンアンテナを用いた例としているが、これに限るものではなく、ロッドアンテナを用いた例とすることも可能である。

以上のように構成される電波レベル計においては、送受信回路が形成された送受信回路基板３２の給電端子３２ａから円形導波管Ｗ１に給電され、方形導波管Ｗ２を伝搬し、さらに、円形導波管Ｗ３を伝搬して、アンテナ部１４から放射される。

このように、送受信回路基板３２の給電端子３２ａとアンテナ部１４との間を、導波管を介して接続するようにしたため、損失を小さく抑えることができる。円形導波管と方形導波管とによって電波の進行方向を円滑に水平方向から鉛直方向へと変更することができる。

また、送受信回路が形成された送受信回路基板３２及びグランド導体３４が鉛直方向に配置されるために、水平方向の小型化を図ることができるようになっている。

送受信回路基板３２に形成された給電端子３２ａは、必ずしも送信回路基板３２の基板中心に配置する必要はなく、円形貫通孔３４ａによって形成される円形導波管Ｗ１の位置が給電端子３２ａに対応するように設けられていればよいために、給電端子３２ａの位置自由度が高くなっている。

また、方形導波管Ｗ２から円形導波管Ｗ３へと変化する部分に誘電体ロッド４０を設けて、誘電体ロッド４０の周囲に設けられた絶縁用誘電体プレート４２によってグランド導体３４と筐体１２との絶縁を行い防爆に対応している。グランド導体３４は、図示しない配線によって筐体１２とは別の接地を行う。誘電体ロッド４０があることによって、空気のみである場合と比較して電波を誘電体ロッド４０内に拘束して、この絶縁部分における反射及び漏れを一層、抑えることができる。また、誘電体ロッド４０によって反射及び漏れを防ぐことができるために、絶縁用誘電体プレート４２の厚みを大きくとることができるから、絶縁性も高めることができる。

また、誘電体ロッド４０の基端部４０ａ及び先端部４０ｂの端部はそれぞれ形状が連続的または段階的に先細りになるように付形されているために、この部分での反射を防ぐことができる。また、誘電体ロッド４０内を往復伝搬するおそれのある高次モードについては、誘電体ロッド４０の外周面に設けられた電波吸収材４６によって吸収することで、防ぐことができる。

１０電波レベル計
１２筐体
１４アンテナ部
３０回路ユニット
３２送受信回路基板
３２ａ給電端子
３４グランド導体
３８非導電性ケース
４０誘電体ロッド
４２絶縁用誘電体プレート
４６電波吸収材
Ｗ１円形導波管
Ｗ２方形導波管
Ｗ３円形導波管

Claims

筐体に内蔵された送受信回路基板と、電波の送受信を行うアンテナ部と、送受信回路基板とアンテナ部とを接続するための接続構造とを有し、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計において、
筐体内で送受信回路基板が鉛直方向に配置されており、接続構造は、送受信回路基板に形成された給電端子から給電される導波管によって構成され、導波管は、送受信回路基板からアンテナ部に向かって、送受信回路基板に対して直交するようにして水平方向に延びる円形導波管と、該円形導波管に繋がり鉛直方向に延びる方形導波管と、該方形導波管にさらに繋がり鉛直方向に延びる第２円形導波管とを有し、
方形導波管と第２円形導波管との境界部分に跨り、導波管内には誘電体が充填され、
方形導波管と第２円形導波管との境界部分において、誘電体の周囲には、送受信回路基板のグランド導体と筐体との絶縁を行う絶縁用誘電体が配置されることを特徴とする電波レベル計。
筐体に内蔵された送受信回路基板と、電波の送受信を行うアンテナ部と、送受信回路基板とアンテナ部とを接続するための接続構造とを有し、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計において、
筐体内で送受信回路基板が鉛直方向に配置されており、接続構造は、送受信回路基板に形成された給電端子から給電される導波管によって構成され、導波管は、送受信回路基板からアンテナ部に向かって、送受信回路基板に対して直交するようにして水平方向に延びる円形導波管と、該円形導波管に繋がり鉛直方向に延びる方形導波管と、該方形導波管にさらに繋がり鉛直方向に延びる第２円形導波管とを有し、
方形導波管と第２円形導波管との境界部分に跨り、導波管内には誘電体が充填され、
該誘電体の外周の一部に電波吸収材が装着されることを特徴とする電波レベル計。
筐体に内蔵された送受信回路基板と、電波の送受信を行うアンテナ部と、送受信回路基板とアンテナ部とを接続するための接続構造とを有し、電波によって被測定物のレベルを測定する電波レベル計において、
筐体内で送受信回路基板が鉛直方向に配置されており、接続構造は、送受信回路基板に形成された給電端子から給電される導波管によって構成され、導波管は、送受信回路基板からアンテナ部に向かって、送受信回路基板に対して直交するようにして水平方向に延びる円形導波管と、該円形導波管に繋がり鉛直方向に延びる方形導波管と、該方形導波管にさらに繋がり鉛直方向に延びる第２円形導波管とを有し、
方形導波管と第２円形導波管との境界部分に跨り、導波管内には誘電体が充填され、
該誘電体は、基端側が断面方形で、先端側が断面円形の誘電体ロッドとして構成され、
送受信回路基板、送受信回路基板のグランド導体、非導電性ケース及び誘電体ロッドがユニットとして筐体内に差し込まれることを特徴とする電波レベル計。
前記導波管内に充填される誘電体の方形導波管側端部と第２円形導波管側端部は、それぞれ先端に向かうに従って連続的または段階的に先細り形状となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電波レベル計。