JP6145141B2 - アタッチメントアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、電波状態が悪い場所で使用する装置との無線での通信を可能にするためのアタッチメントアンテナに関する。

非特許文献１に示されているように電波は水中を伝搬しにくく、例えば、一般的な近距離の通信に使用される２．４５ＧＨｚ帯や９２０ＭＨｚ帯の電波の場合、水深が数ｃｍでも通信できない。そこで、水中カメラの映像を水上（もしくは地上）で確認するために特許文献１ではケーブルを用いている。

特開２０１２−９８４１２号公報

国立研究開発法人海洋研究開発機構，"実験！海中で電波は使えない？"，［平成２７年５月２１日検索］、インターネット<http://www.jamstec.go.jp/j/kids/jiyu-kenkyu/006/>．

しかしながら、従来技術はケーブルを水中カメラの中から引きださなければならないので、水中用の特別なカメラを用いる必要がある。つまり、既に普及している無線通信機能を備えたデジタルカメラは使用できないという課題がある。

本発明は、デジタルカメラのような無線通信機能を有する装置を水中に入れた場合でも、その装置と簡易に通信できるようにすることを目的とする。

本発明のアタッチメントアンテナは、近接アンテナ、防水部、取付け手段、外部アンテナ、同軸ケーブルを備える。防水部は、近接アンテナの周囲に防水性を有するように誘電材料で形成される。取付け手段は、無線通信機能を有する装置と防水部との間に水が浸入しないように、装置に当該アタッチメントアンテナを取り付け可能な手段である。外部アンテナは、防水部の外に存在する。同軸ケーブルは、近接アンテナと外部アンテナとを電気的に接続する。そして、防水部の取付け手段が設けられている面の反対側の面は、近接アンテナから無線通信に使用する電波の空気中の波長の１／２５以上離れている。

本発明のアタッチメントアンテナによれば、近接アンテナの後ろ側（取付け手段の反対側）に水が浸入しない領域を空気中の１／２５波長以上確保することで、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を抑えている。したがって、本発明のアタッチメントアンテナを用いれば、一般的なデジタルカメラのような無線通信機能を有する装置を水中に入れた場合でも、その装置と簡易に通信できる。

本発明のアタッチメントアンテナの構成例を示す図。 図１の矢印Ａの方向から防水部１２０、取付け手段１３０を見た図。 無線通信機能を有する装置にアタッチメントアンテナを取り付けて使用している状態を示す図。 第１のシミュレーションでの近接アンテナと防水部と装置の構成を示す図。 第１のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を示す図。 第１のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナのリターンロスを示す図。 第１のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離が２０ｍｍのときと、水がない場合（空気中の場合）の結合損失の違いを示す図。 第２のシミュレーションでの近接アンテナと防水部と装置の構成を示す図。 第２のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を示す図。 第２のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナのリターンロスを示す図。 第２のシミュレーションでの防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離が５３ｍｍのときと、水がない場合（空気中の場合）の結合損失の違いを示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

図１に、本発明のアタッチメントアンテナの構成例を示す。アタッチメントアンテナ１００は、近接アンテナ１１０、防水部１２０、取付け手段１３０、外部アンテナ１４０、同軸ケーブル１５０を備える。図２は、図１の矢印Ａの方向から防水部１２０、取付け手段１３０を見た図である。図３は、無線通信機能を有する装置にアタッチメントアンテナを取り付けて水が充満したマンホール内に入れた状態を示す図である。無線通信機能を有する装置としては、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚや９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ（例えば、ＷｉＦｉ：ワイヤレスフィデリティー）での無線通信機能を有するデジタルカメラがある。本発明を適用する対象として、ＷｉＦｉでの通信機能を有するデジタルカメラが最も効果を説明しやすい。また、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚや９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚは簡易な通信によく利用されている周波数帯であり、周波数の低い電波よりも水による減衰量が大きいので、本発明の効果が得やすい周波数帯である。ただし、無線通信をＷｉＦｉに限定するものではなく、装置をデジタルカメラに限定するものでもない。

防水部１２０は、近接アンテナ１１０の周囲に防水性を有するように誘電材料で形成される。防水部１２０は、中空のケースでもよいし、内部に誘電材料が充填されていてもよい。なお、内部に誘電材料を充填すれば防水性を確保しやすいという長所がある。そして、後述のシミュレーションで示すように、防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離は、使用する電波の空気中での波長の１／２５以上（例えば、２．４ＧＨｚのときは５ｍｍ、９２０ＭＨｚのときは１３ｍｍ）である。なお、空気中の波長の１／１２以上にすれば、さらに結合損失を小さくできるので有効である。また、防水部１２０を小型にすることも考慮すると、使用する電波が２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚのときは距離を２０ｍｍ以内とすればよい。使用する電波が９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚであれば、少し大きくなるが距離を５０ｍｍ以内とすればよい。

装置９００は、アンテナ９１０を備えた本体９２０と防水ケース９５０と操作棒９６０で構成されている。本体９２０が、一般的なデジタルカメラなどに相当する。なお、本体９２０自体に防水性がある場合は、防水ケース９５０は不要であり、操作棒９６０を本体９２０に直接取り付ければよい。

取付け手段１３０は、無線通信機能を有する装置９００と防水部１２０との間に水が浸入しないように、装置９００にアタッチメントアンテナ１００を取り付け可能な手段である。例えば、柔軟性を有する厚みのある両面テープを取付け手段１３０とし、両面テープで装置９００と防水部１２０を張り付けてもよい。または、ゴムのシートとバンドを取付け手段１３０とし、ゴムのシートを装置９００と防水部１２０の間に配置し、バンドで装置９００に防水部１２０を締め付けてもよい。

外部アンテナ１４０は、防水部１２０の外に存在する。同軸ケーブル１５０は、近接アンテナ１１０と外部アンテナ１４０とを電気的に接続する。外部アンテナ１４０は、図３に示すように操作棒９６０の一端に取り付けてもよいし、道路上に置いてもよい。

＜第１のシミュレーション＞
図４に第１のシミュレーションでの近接アンテナと防水部と装置の構成を示す。このシミュレーションでは、２．４５ＧＨｚを使用することを前提としている。防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を図５に、装置内のアンテナと近接アンテナのリターンロスを図６に示す。図７に、防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離が２０ｍｍのときと、水がない場合（空気中の場合）の結合損失の違いを示す。

シミュレーションでは、近接アンテナと装置内のアンテナは厚さ１ｍｍのＦＲ４（Flame Retardant Type 4）に形成された２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ用のアンテナとし、防水部、本体ケース、防水ケースは、厚さ１ｍｍのＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂）で形成されているとした。近接アンテナの大きさは４１×４１ｍｍ、装置内のアンテナは５０×５０ｍｍである。防水部の装置とは反対側の面と近接アンテナとの距離（水の無い部分の距離）をＤとしている。寸法の詳細は図４に示す。なお、水の部分は、厚さ２ｍｍの金属壁に置き換えてシミュレーションした。

図５〜７の図中の寸法の情報は、距離Ｄを示している。シミュレーションの結果では共振周波数が低域側にずれているが、図５から、距離Ｄを大きくしていくと結合損失が小さくなっていることが分かる。また、図７の空気中の場合の結合損失と比較してみると、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚでは距離Ｄが５ｍｍ〜２０ｍｍのときに空気中と同等以上の結合損失であることが分かる。また、距離Ｄが５ｍｍ以上であればリターンロスも３ｄＢ程度確保できている。したがって、距離Ｄを５ｍｍ以上とすればよい。なお、５ｍｍは２．４ＧＨｚの場合の空気中の１／２５波長である。

なお、水中では水壁に囲まれた範囲に電波が閉じ込められるため、距離Ｄが２０ｍｍの場合などで空気中よりも結合損失が小さい現象が生じていると考えられる。シミュレーションの範囲（距離Ｄ＝２０ｍｍまで）では距離Ｄを大きくすると結合損失が小さくなっているが、空気中を距離Ｄが無限大と考えると、距離Ｄを大きくし続けるといずれは結合損失が大きくなっていくと考えられる。また、距離Ｄを大きくすると防水部１２０が大きくなってしまう。したがって、距離Ｄは５ｍｍ〜２０ｍｍ程度が実用的と考えられる。

＜第２のシミュレーション＞
図８に第２のシミュレーションでの近接アンテナと防水部と装置の構成を示す。このシミュレーションでは、９００ＭＨｚを使用することを前提としている。防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離Ｄを変化させたときの、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を図９に、装置内のアンテナと近接アンテナのリターンロスを図１０に示す。図１１に、防水部１２０の取付け手段１３０が設けられている面の反対側の面と近接アンテナ１１０との距離が５３ｍｍのときと、水がない場合（空気中の場合）の結合損失の違いを示す。

シミュレーションでは、近接アンテナと装置内のアンテナは厚さ１ｍｍのＦＲ４（Flame Retardant Type 4）に形成された９００ＭＨｚ用のアンテナとし、防水部、本体ケース、防水ケースは、厚さ１ｍｍのＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂）で形成されているとした。近接アンテナの大きさは１１０×１１０ｍｍ、装置内のアンテナは１３０×１３０ｍｍである。防水部の装置とは反対側の面と近接アンテナとの距離（水の無い部分の距離）をＤとしている。寸法の詳細は図８に示す。なお、水の部分は、厚さ２ｍｍの金属壁に置き換えてシミュレーションした。

図９〜１１の図中の寸法の情報は、距離Ｄを示している。シミュレーションの結果では共振周波数が低域側にずれているが、図９から、距離Ｄを大きくしていくと結合損失が小さくなっていることが分かる。また、図１１の空気中の場合の結合損失と比較してみると、９００ＭＨｚでは距離Ｄが１３ｍｍ〜５３ｍｍのときに空気中と同等以上の結合損失であることが分かる。また、距離Ｄが１３ｍｍ以上であればリターンロスも２ｄＢ程度確保できている。したがって、距離Ｄを１３ｍｍ以上とすればよい。なお、１３ｍｍは９２０ＭＨｚの場合の空気中の約１／２５波長である。また、２６ｍｍ以上（約１／１２波長以上）とすれば、９００ＭＨｚでのリターンロスを４ｄＢ確保できる。

なお、水中では水壁に囲まれた範囲に電波が閉じ込められるため、距離Ｄが５３ｍｍの場合などで空気中よりも結合損失が小さい現象が生じていると考えられる。シミュレーションの範囲（距離Ｄ＝５３ｍｍまで）では距離Ｄを大きくすると結合損失が小さくなっているが、空気中を距離Ｄが無限大と考えると、距離Ｄを大きくし続けるといずれは結合損失が大きくなっていくと考えられる。また、距離Ｄを大きくすると防水部１２０が大きくなってしまう。したがって、距離Ｄは１３ｍｍ〜５０ｍｍ程度が実用的と考えられる。

＜効果＞
本発明のアタッチメントアンテナによれば、近接アンテナの後ろ側（取付け手段の反対側）に水が浸入しない領域を空気中での波長の１／２５以上確保することで、装置内のアンテナと近接アンテナとの結合損失を抑えている。したがって、本発明のアタッチメントアンテナを用いれば、無線通信機能を有する装置を水中に入れた場合でも、その装置と簡易に通信できる。

本体９２０がデジタルカメラの場合であれば、水にある程度の透明度があれば、水をくみ出さなくてもマンホール内部を視覚による点検ができるため、点検作業が容易になる。また、デジタルカメラ以外の測定器の場合でも、水中に測定器を入れた状態で測定結果を得ることができるので、測定作業が容易になる。

１００ アタッチメントアンテナ １１０ 近接アンテナ
１２０ 防水部 １３０ 取付け手段
１４０ 外部アンテナ １５０ 同軸ケーブル
９００ 装置 ９１０ アンテナ
９２０ 本体 ９５０ 防水ケース
９６０ 操作棒

Claims (4)

1. 無線通信機能を有する装置に取り付けるアタッチメントアンテナであって、
   平面状のアンテナである近接アンテナと、
   前記近接アンテナの周囲に防水性を有するように誘電材料で形成された防水部と、
   前記装置と前記防水部との間に水が浸入しないように、前記装置に当該アタッチメントアンテナを取り付け可能な取付け手段と、
   前記防水部の外に存在する外部アンテナと、
   前記近接アンテナと前記外部アンテナとを電気的に接続する同軸ケーブルと、
   を備え、
   前記防水部の前記取付け手段が設けられている面の反対側の面は、前記近接アンテナから無線通信に使う電波の空気中での波長の１／２５以上離れている
   ことを特徴とするアタッチメントアンテナ。
2. 請求項１記載のアタッチメントアンテナであって、
   前記防水部は、内部に前記誘電材料が充填されている
   ことを特徴とするアタッチメントアンテナ。
3. 請求項１または２記載のアタッチメントアンテナであって、
   前記装置は、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの周波数帯を用いて無線通信を行い、
   前記防水部の前記取付け手段が設けられている面の反対側の面と前記近接アンテナとの距離は５ｍｍ以上２０ｍｍ以内である
   ことを特徴とするアタッチメントアンテナ。
4. 請求項１または２記載のアタッチメントアンテナであって、
   前記装置は、９２０ＭＨｚ帯の周波数帯を用いて無線通信を行い、
   前記防水部の前記取付け手段が設けられている面の反対側の面と前記近接アンテナとの距離は１３ｍｍ以上５０ｍｍ以内である
   ことを特徴とするアタッチメントアンテナ。