JP6241455B2 - 無線機器 - Google Patents

Description

本発明は無線機器に関する。

従来から、プラントや工場等においては、高度な自動操業を実現すべく、フィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）と、これらの制御を行う制御装置とが通信手段を介して接続された分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されている。このような分散制御システムを構成するフィールド機器は、有線通信を行うものが殆どであったが、近年においてはＩＳＡ１００．１１ａやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）等の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行うもの（無線フィールド機器）も実現されている。

上記の無線フィールド機器は、概して工業プロセスにおける状態量（例えば、圧力、温度、流量等）の測定又は操作を行う入出力部と、上記の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行う無線通信部と、無線フィールド機器の動作を統括して制御する制御部とが筐体内に組み込まれており、単一の電源から供給される電力によって各部が動作する。ここで、無線フィールド機器は、従来のフィールド機器のように通信線又は通信バスに接続する必要がなく、基本的に単独でプラント等に設置されることから、上記の単一の電源として電池を内蔵するものが殆どである。

以下の特許文献１には、無線通信部を有しない従来のフィールド機器に取り付けられて、従来のフィールド機器を上記の無線フィールド機器として動作させることが可能な無線機器が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示された無線機器は、従来のフィールド機器に接続されるインターフェイス部と、無線通信を行う無線通信部と、インターフェイス部を介して従来のフィールド機器に電力を供給する電源部とを備える。この無線機器は、フィールド機器からの信号がインターフェイス部を介して入力されてきた場合には、その信号を無線通信部から送信先（例えば、上位のコントローラ）に向けて送信し、フィールド機器宛ての信号を無線通信部で受信した場合には、インターフェイス部を介して受信した信号をフィールド機器に出力する。

米国特許出願公開第２００８／０２１１６６４号明細書

ところで、上述した特許文献１等に開示された無線機器は、フィールド機器との接続線を保護するための配管（コンジット）の設置工事を省略してコストの発生を抑える等の理由から、フィールド機器の近くに設置されることが殆どである。しかしながら、フィールド機器は、パイプや生産設備等が多数設置されて電波の反射や遮蔽が生じやすい環境下に設置されることが多い。このため、上述した特許文献１に開示された無線機器のように、インターフェイス部と無線通信部とが一体化された構成では、安定した無線通信が困難になる可能性が考えられるという問題がある。

ここで、例えばアンテナケーブルを用いてアンテナを無線通信部から分離可能である場合には、アンテナの設置位置の自由度が高くなるため、安定した無線通信が可能になるとも考えられる。しかしながら、アンテナケーブルを伝送する無線信号は損失が大きくノイズの影響を受けやすいので、延長可能なケーブル長さに限界があるため、安定した無線通信が必ずしも実現されるという訳ではないという問題がある。

また、上述した特許文献１等に開示された無線機器から高次高調波等のスプリアスが不要輻射として放射されてしまうと、その不要輻射は周囲に配置されている他の無線機器に悪影響を及ぼす可能性がある。このため、例えば無線機器に設けられた無線通信部をシールド（例えば、金属製の箱状部材）で覆う等の対策を行って不要輻射が外部に放射されないようにする必要がある。ここで、無線通信部の周囲をシールドで完全に覆ってしまえば不要輻射をほぼ零にすることができるが、無線信号も放射されなくなるため、アンテナを介した通常の無線通信を行うことができなくなる。従って、特許文献１等に開示された無線機器では、アンテナを介した通常の無線通信を可能としつつも不要輻射を極力抑える必要があるという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、不要輻射を抑えつつフィールド機器の設置位置に拘わらず安定した無線通信を実現することが可能な無線機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアンテナモジュールは、無線信号の送受信を行うアンテナ（２５）を備えるアンテナモジュール（２０、４０）において、外部から送信されてくる信号を受信して前記アンテナから無線信号にして送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行った信号を外部に送信する回路部（２４）と、前記回路部の周囲を覆うように前記回路部を収容する筒状の筐体（２１、４１）と、前記筐体の一端部又は両端部間に設けられて無線信号の送受信が可能なように前記アンテナを収容するアンテナ収容部（２２、４２）と、前記筐体に接合されており、前記回路部で送受信される信号が入出力される外部のコネクタ（Ｃ０、Ｃ１２）に接続可能なコネクタ部（２３、４３ａ、４３ｂ）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、外部から送信されてきた信号は、筐体に収容された回路部によって受信されて無線信号にされた後にアンテナ収容部に収容されたアンテナから送信され、アンテナで受信された無線信号は、筐体に収容された回路部によって処理されて処理後の信号が外部に送信される。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記回路部が、前記コネクタ部を介して外部から送信されてくる信号を受信するとともに、前記コネクタ部を介して外部に信号を送信する送受信回路（２４ａ）と、前記送受信回路で受信された信号を無線信号にして前記アンテナから送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行う無線信号処理回路（２４ｂ、２４ｃ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記コネクタ部が、前記外部のコネクタを介して前記回路部の基準電位を規定するシグナルグランド（ＳＧ）に接続される第１グランド接続部（Ｔ２２）と、前記外部のコネクタを介して前記筐体の電位を規定するフレームグランド（ＦＧ）に接続される第２グランド接続部とを備えることを特徴としている。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記コネクタ部が、前記外部のコネクタの信号入出力端に接続される信号接続部（Ｔ２１）と、前記外部のコネクタを介して前記回路部の電源（Ｂ）に接続される電源接続部（Ｔ２０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記筐体の内部が、樹脂が充填されていることを特徴としている。
また、本発明のアンテナモジュールは、前記筐体の軸方向における前記アンテナの給電点（Ｑ）と前記筐体との最短距離Ｌは、前記筐体の軸に直交して前記アンテナの給電点が含まれる面を基準とした前記アンテナの３ｄＢ半値角をθ、前記筐体の外半径をφとすると、以下の（１）式で表されることを特徴としている。
Ｌ＝φ×tanθ …（１）
本発明の無線機器は、フィールド機器（ＦＤ）からの第１信号を無線信号にして送信し、無線信号で送信されてくる前記フィールド機器への第２信号を受信する無線機器（１）において、上記の何れかに記載のアンテナモジュール（２０、４０）と、前記フィールド機器及び前記アンテナモジュールに接続され、前記フィールド機器からの前記第１信号を前記アンテナモジュールに送信するとともに、前記アンテナモジュールからの前記第２信号を受信して前記フィールド機器に出力する信号処理モジュール（１０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の無線機器は、前記信号処理モジュールが、前記アンテナモジュールのコネクタ部が直接又はケーブル（ＣＢ）を介して接続されるコネクタ（Ｃ０）を備えることを特徴としている。
また、本発明の無線機器は、前記信号処理モジュールのコネクタと前記アンテナモジュールのコネクタ部とが前記ケーブルを介して接続される場合に用いられる前記ケーブルが、前記アンテナモジュールに設けられた前記回路部の基準電位を規定するシグナルグランド（ＳＧ）に接続されるグランド線（Ｌ１２）と、前記回路部に接続されて前記第１，第２信号の送受信が行われる信号線（Ｌ１１）と、前記回路部の電源（Ｂ）に接続される電源線（Ｌ１０）と、前記グランド線、前記信号線、及び前記電源線の周囲に設けられ、前記アンテナモジュールの筐体の電位を規定するフレームグランドに接続されるシールド（ＳＤ）とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、無線機器を、フィールド機器との間で通信を行う信号処理モジュールと、無線通信を行うアンテナモジュールとに分けて構成し、これら信号処理モジュール及びアンテナモジュールの間で授受される信号を、コネクタ又はケーブルを介して送受信するようにしている。また、アンテナモジュールは、無線信号を取り扱う回路部の周囲を筐体で覆いつつ、無線信号の送受信が可能なようにアンテナをアンテナ収容部に収容するようにしている。このため、不要輻射を抑えつつフィールド機器の設置位置に拘わらず安定した無線通信を実現することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による無線機器の使用状態の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールに設けられる送受信切替部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による無線機器が備えるアンテナモジュールと信号処理モジュールとの接続状態を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。 本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールを模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるアンテナモジュール及び無線機器について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による無線機器の使用状態の一例を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の無線機器１は、信号処理モジュール１０とアンテナモジュール２０とを備えており、配管ＰＬに取り付けられているフィールド機器ＦＤに接続されて、フィールド機器ＦＤからの信号（第１信号）を無線信号にして送信し、無線信号で送信されてくるフィールド機器ＦＤへの信号（第２信号）を受信する。尚、無線機器１は、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う。

ここで、フィールド機器ＦＤは、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発するマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他のプラントの現場に設置される機器である。また、配管ＰＬは、例えば原油やガス等の流体が流れる配管である。尚、本実施形態では、理解を容易にするために、フィールド機器ＦＤは、配管ＰＬを流れる流体の流量を測定するセンサ機器であるものとする。

このフィールド機器ＦＤは、プラントの現場に敷設されるネットワークや伝送線（例えば、「４〜２０ｍＡ」信号の伝送に使用される伝送線）に接続されて、ネットワーク等からの電源供給を受けてネットワーク等を介した通信が可能である。具体的に、フィールド機器ＦＤは、ＨＡＲＴ（登録商標）、ＢＲＡＩＮ、ファウンデーションフィールドバス（Foundation Fieldbus：登録商標）、プロフィバス（PROFIBUS：登録商標）、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ（登録商標）、ＣＣ−Ｌｉｎｋ（登録商標）、ＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ（登録商標）等のプロセス工業用の汎用通信プロトコルを用いた通信が可能である。

信号処理モジュール１０は、フィールド機器ＦＤ及びアンテナモジュール２０に接続されて、フィールド機器ＦＤとの間における通信処理、アンテナモジュール２０との間における通信処理、及び通信プロトコルの変換処理等の信号処理を行う。この信号処理モジュール１０は、いわばフィールド機器ＦＤとアンテナモジュール２０との間で授受される各種信号を中継する中継モジュールと言うこともできる。

具体的に、信号処理モジュール１０は、接続コネクタＣＮによってフィールド機器ＦＤに接続されており、接続コネクタＣＮを介してフィールド機器ＦＤと通信（アナログ通信又はディジタル通信）を行う。つまり、信号処理モジュール１０には、フィールド機器ＦＤとの間の通信を可能とするために、フィールド機器ＦＤに実装されている通信プロトコルと同じ通信プロトコルが実装されている。

また、信号処理モジュール１０は、ケーブルＣＢを介してアンテナモジュール２０に接続されており、ケーブルＣＢを介してアンテナモジュール２０と通信（例えば、ＲＳ−４２２等のシリアル通信）を行う。尚、図１では、信号処理モジュール１０とアンテナモジュール２０とがケーブルＣＢによって接続されている例を図示しているが、ケーブルＣＢを用いることなく、アンテナモジュール２０を信号処理モジュール１０に直接接続することも可能である。つまり、信号処理モジュール１０が備えるコネクタＣ０には、ケーブルＣＢを接続することも、アンテナモジュール２０を接続することも可能である。

ケーブルＣＢを用いて信号処理モジュール１０とアンテナモジュール２０とを接続した場合には、アンテナモジュール２０の設置場所の自由度を高めることが可能になる。これに対し、ケーブルＣＢを用いることなく、アンテナモジュール２０を信号処理モジュール１０に直接接続した場合には、アンテナが固定された従来の無線機器と同様に無線機器１を取り扱うことができる。尚、詳細は後述するが、上記のケーブルＣＢとしては、電源線、信号線、及びグランド線を有する多芯のシールドケーブルが用いられる。

この信号処理モジュール１０は、電源Ｂ（図４参照）を備えており、ケーブルＣＢを介してアンテナモジュール２０に電力を供給する。この電源Ｂとしては、電池（例えば、塩化チオニルリチウム電池等の自己放電が極めて少ない一次電池や二次電池）、燃料電池、キャパシタ、或いは環境発電（所謂、太陽電池等のエナジーハーベスト）を行う発電回路等を用いることができる。尚、電源Ｂは、信号処理モジュール１０に内蔵されるものであっても、信号処理モジュール１０の外部に設けられるものであっても良い。

アンテナモジュール２０は、無線信号の送受信を行うアンテナ２５（図２参照）を備えており、信号処理モジュール１０との間で通信を行うとともに、アンテナ２５を介した無線信号の送受信を行う。具体的に、アンテナモジュール２０は、信号処理モジュール１０から送信されてくる信号を受信してアンテナ２５から無線信号にして送信するとともに、アンテナ２５で受信した無線信号を処理して信号処理モジュール１０に向けて送信する。

図２は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、アンテナモジュール２０は、筐体２１、アンテナキャップ２２（アンテナ収容部）、コネクタ部２３、回路部２４、及びアンテナ２５を備えており、外形形状が円柱形状又は多角柱形状（例えば、四角柱形状）のモジュールである。このアンテナモジュール２０は、外形形状が柱形状にされているため、従来の無線機器に設けられていたアンテナ（スリーブアンテナ或いはホイップアンテナ）のように、信号処理モジュール１０に直接接続することが可能である。

筐体２１は、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された筒状（円筒状、或いは多角筒状）の部材であり、回路部２４の周囲を覆うように回路部２４を収容する。ここで、回路部２４の周囲を金属製の筐体２１で覆うのは、回路部２４で発生する不要輻射（例えば、高次高調波等のスプリアス）がアンテナモジュール２０の外部に漏れるのを極力抑えて、周囲に配置されている他の無線機器に悪影響を及ぼすのを防止するためである。

また、筐体２１は、本質安全防爆規格を満たすべく、その内部に樹脂が充填されている。つまり、筐体２１の内部に収容される回路部２４は、筐体２１の内部に充填された樹脂によって封止されている。ここで、筐体２１の内部に樹脂を充填してしまうとアンテナモジュール２０のコスト及び重量の増大を招いてしまうため、筐体２１の内部に樹脂を充填せずに回路部２４の表層のみを樹脂でコーティングするように部分的に充填するものであっても良い。

アンテナキャップ２２は、内部にアンテナ２５を収容する樹脂製の部材であり、筐体２１の外径の同程度の外径を有しており、筐体２１の一端部に設けられる。このアンテナキャップ２２は、アンテナ２５が筐体２１の外部に配置されるように（筐体２１がアンテナ２５の周囲を覆わないように）アンテナ２５を収容する。これは、アンテナ２５から送信される無線信号、或いはアンテナ２５で受信されるべき無線信号が筐体２１によって遮られないようにして、アンテナ２５が無線信号を送受信できるようにするためである。尚、アンテナキャップ２２は、樹脂の他、無線信号を透過する材質であれば良い。

コネクタ部２３は、アンテナモジュール２０をケーブルＣＢ或いは信号処理モジュール１０に接続する接続部であり、筐体２１の他端部に接合されている。具体的に、コネクタ部２３が、外部のコネクタ（ケーブルＣＢの端部に設けられているコネクタ、或いは信号処理モジュール１０に設けられているコネクタ）と螺合又は嵌合されることにより、アンテナモジュール２０は、ケーブルＣＢ或いは信号処理モジュール１０に固定され、且つ電気的に接続される。

このコネクタ部２３は、回路部２４に接続された複数の接続端子Ｔ２０〜Ｔ２２（図４参照）を備えており、これら接続端子Ｔ２０〜Ｔ２２を介して信号処理モジュール１０からの電力の受電や、アンテナモジュール２０と信号処理モジュール１０との間で送受信される信号の入出力が行われる。このコネクタ部２３は、アンテナモジュール２０が屋外に設置されることが考えられるため、ＩＰ（International Protection）規格やＮＥＭＡ（National Electrical Manufacturers Association）規格等の防水防塵規格に適合するものを用いるのが望ましい。尚、アンテナモジュール２０と外部のコネクタとの電気的接続の詳細については後述する。

回路部２４は、送受信部２４ａ（送受信回路）、信号処理部２４ｂ（無線信号処理回路）、無線部２４ｃ（無線信号処理回路）、及び送受信切替部２４ｄを備える。かかる構成の回路部２４は、信号処理モジュール１０から送信されてくる信号を受信してアンテナ２５から無線信号にして送信するとともに、アンテナ２５で受信した無線信号を処理して信号処理モジュール１０に向けて送信する。

送受信部２４ａは、ケーブルＣＢを介して信号処理モジュール１０との間で通信（例えば、ＲＳ−４２２等のシリアル通信）を行う。具体的に、送受信部２４ａは、コネクタ部２３を介して送信されてくる信号処理モジュール１０からの信号を受信して信号処理部２４ｂに出力するとともに、信号処理部２４ｂから出力される信号（信号処理モジュール１０に送信すべき信号）を、コネクタ部２３を介して送信する。

信号処理部２４ｂは、送受信部２４ａからの信号、或いは無線部２４ｃからの信号に対して予め規定された信号処理を行う。具体的に、信号処理部２４ｂは、送受信部２４ａからの信号に対しては、同期処理、データ変換処理、通信プロトコルの変換処理、暗号化処理、変調処理等を行い、無線部２４ｃからの信号に対しては、復調処理、復号処理、通信プロトコルの変換処理、データ変換処理、同期処理等を行う。また、信号処理部２４ｂは、送受信切替部２４ｄの切り替え制御も行う。

無線部２４ｃは、信号処理部２４ｂからの信号を用いてアンテナ２５から送信すべき無線信号を生成し、或いはアンテナ２５からの無線信号を受信する処理を行う。具体的に、無線部２４ｃは、信号処理部２４ｂからの信号に対しては、同期処理、暗号化処理、周波数変換処理等を行い、アンテナ２５からの無線信号に対しては、周波数変換処理、複合処理、同期処理等を行う。

送受信切替部２４ｄは、信号処理部２４ｂの制御の下で、無線信号の送受信の切り替えを行う。具体的に、送受信切替部２４ｄは、無線信号の送信時には、無線部２４ｃで生成された無線信号がアンテナ２５に入力されるように無線信号の伝送経路を切り替え、無線信号の受信時にはアンテナ２５で受信された無線信号が無線部２４ｃに入力されるように無線信号の伝送経路を切り替える。

図３は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールに設けられる送受信切替部の構成を示すブロック図である。図３に示す通り、送受信切替部２４ｄは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、出力調整部３１、フィルタ部３２、高周波アンプ３３、出力レベル検出部３４、バンドパスフィルタ３５、及び増幅器３６を備える。尚、これらのうちの出力調整部３１〜出力レベル検出部３４は、送信経路Ｒ１上に設けられており、バンドパスフィルタ３５及び増幅器３６は受信経路Ｒ２上に設けられている。上記送信経路Ｒ１は、無線部２４ｃで生成された無線信号をアンテナ２５に入力させるための伝送経路であり、上記受信経路Ｒ２は、アンテナ２５で受信された無線信号を無線部２４ｃに入力させるための伝送経路である。

スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、信号処理部２４ｂの制御の下で、無線部２４ｃに接続された入出力端Ｔ１とアンテナ２５に接続された入出力端Ｔ２との間の伝送経路を送信経路Ｒ１にするか受信経路Ｒ２にするかを切り替える。出力調整部３１は、信号処理部２４ｂによって制御され、入出力端Ｔ１から入力されてスイッチＳＷ１を介した無線信号の出力調整を行う。フィルタ部３２は、出力調整部３１からの無線信号に重畳しているイメージ信号や高次高調波等のスプリアスを除去する。

高周波アンプ３３は、フィルタ部３２を通過した無線信号を所定の増幅率で増幅する。尚、高周波アンプ３３の増幅率は、信号処理部２４ｂによって制御される。出力レベル検出部３４は、高周波アンプ３３で増幅された無線信号の出力レベルを検出する。尚、出力レベル検出部３４の検出結果は、信号処理部２４ｂに出力されて、信号処理部２４ｂが出力調整部３１或いは高周波アンプ３３の減衰率又は増幅率等を制御する際に用いられる。

バンドパスフィルタ３５は、入出力端Ｔ２から入力されてスイッチＳＷ２を介した無線信号のうちの信号成分のみを通過させることによって、その無線信号に重畳されている雑音成分を除去する。増幅器３６は、バンドパスフィルタ３５を通過した無線信号を所定の増幅率で増幅する。尚、増幅器３６の増幅率は、高周波アンプ３３の増幅率と同様に、信号処理部２４ｂによって制御される。

アンテナ２５は、送受信切替部２４ｄの入出力端Ｔ２に接続されており、送受信切替部２４ｄからの無線信号を送信するとともに、送信されてきた無線信号を受信して送受信切替部２４ｄに出力する。このアンテナ２５は、アンテナキャップ２２内に収容される小型のアンテナであれば良く、例えば基板上に形成されたマイクロストリップアンテナを用いることができる。

図４は、本発明の第１実施形態による無線機器が備えるアンテナモジュールと信号処理モジュールとの接続状態を説明するための図である。図４に示す通り、信号処理モジュール１０は、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属或いは樹脂によって形成されて、内部に基板ＳＢを収容する中空箱状の筐体１１を備える。この筐体１１の上面には金属製のコネクタ台座１２が取り付けられており、コネクタ台座１２上にはコネクタＣ０（図１参照）と、フレームグランドＦＧに接続される接地端子１３とが設けられている。つまり、信号処理モジュール１０は、少なくともコネクタ台座１２、接地端子１３、及びコネクタＣ０のシェル（外周の金属部分）がフレームグランドＦＧの電位とされる。

筐体１１内に収容される基板ＳＢは、信号パターンＳＰ及びグランドパターンＧＰが形成された多層基板であり、前述した信号処理（フィールド機器ＦＤ及びアンテナモジュール２０との間における通信処理や通信プロトコルの変換処理等）を行う複数の半導体チップＣＰが搭載されている。また、筐体１１内には、信号処理モジュール１０及びアンテナモジュール２０を動作させる電力を供給する電源Ｂが設けられている。

電源Ｂは、一端が基板ＳＢ上に搭載された複数の半導体チップＣＰに接続され、他端が筐体１１内に設定されたシグナルグランドＳＧに接続されている。このシグナルグランドＳＧは、信号処理モジュール１０内の基準電位を規定するとともに、アンテナモジュール２０に設けられた回路部２４の基準電位を規定するものである。尚、基板ＳＢに形成されたグランドパターンＧＰもシグナルグランドＳＧに接続されている。また、コネクタＣ０には、電源Ｂの一端に接続された電源接続端子Ｔ１０、信号パターンＳＰに接続された信号接続端子Ｔ１１、及びシグナルグランドＳＧに接続されたグランド接続端子Ｔ１２が設けられている。

ケーブルＣＢは、電源線Ｌ１０、信号線Ｌ１１、グランド線Ｌ１２、及びシールドＳＤを備える多芯のシールドケーブルである。ここで、電源線Ｌ１０、信号線Ｌ１１、及びグランド線Ｌ１２は芯線であり、シールドＳＤはこれら芯線の周囲に設けられる編組線やアルミ箔等である。このシールドＳＤは、ケーブルＣＢの両端部に設けられたコネクタＣ１１，Ｃ１２のシェル（外周の金属部分）と電気的に接続されている。

アンテナモジュール２０のコネクタ部２３には、回路部２４の電源入力端に接続された電源接続端子Ｔ２０（電源接続部）、回路部２４の信号入出力端（図２に示す送受信部２４ａに接続される端子）に接続された信号接続端子Ｔ２１（信号接続部）、及び回路部２４のグランド端に接続されたグランド接続端子Ｔ２２（第１グランド接続部）が設けられている。また、コネクタ部２３のシェル（外周の金属部分：第２グランド接続部）が筐体２１に接合されている。

ケーブルＣＢのコネクタＣ１１が信号処理モジュール１０のコネクタＣ０に接続されると、電源線Ｌ１０が電源接続端子Ｔ１０に接続され、信号線Ｌ１１が信号接続端子Ｔ１１に接続され、グランド線Ｌ１２がグランド接続端子Ｔ１２に接続される。また、シールドＳＤが、ケーブルＣＢのコネクタＣ１１のシェル及びコネクタＣ０のシェルを介してフレームグランドＦＧに接続される。

ケーブルＣＢのコネクタＣ１２がアンテナモジュール２０のコネクタ部２３に接続されると、電源線Ｌ１０が電源接続端子Ｔ２０に接続され、信号線Ｌ１１が信号接続端子Ｔ２１に接続され、グランド線Ｌ１２がグランド接続端子Ｔ２２に接続される。また、シールドＳＤが、コネクタＣ１２のシェル及びコネクタ部２３のシェルを介して筐体２１に接続される。

従って、アンテナモジュール２０の電源接続端子Ｔ２０は、ケーブルＣＢの電源線Ｌ１０を介してコネクタＣ０の電源接続端子Ｔ１０に接続され、これにより回路部２４と電源Ｂの一端とが電気的に接続される。また、アンテナモジュール２０の信号接続端子Ｔ２１は、ケーブルＣＢの信号線Ｌ１１を介してコネクタＣ０の信号接続端子Ｔ１１に接続され、これにより回路部２４と基板ＳＢに形成された信号パターンＳＰとが電気的に接続される。

また、アンテナモジュール２０のグランド接続端子Ｔ２２は、ケーブルＣＢのグランド線Ｌ１２を介してコネクタＣ０のグランド接続端子Ｔ１２に接続され、これにより回路部２４がシグナルグランドＳＧに接続される。尚、アンテナモジュール２０のコネクタ部２３のシェルは、ケーブルＣＢのコネクタＣ１２のシェル、シールドＳＤ、及びコネクタＣ１１のシェルを介してコネクタＣ０のシェルに接続され、これにより、アンテナモジュール２０の筐体２１がフレームグランドＦＧに接続される。

このように、信号処理モジュール１０及びアンテナモジュール２０がケーブルＣＢによって接続されると、信号処理モジュール１０のコネクタＣ０からアンテナモジュール２０の回路部２４までの信号経路の周囲が、フレームグランドＦＧに接続された金属部材で覆われることになる。尚、上記の金属部材は、コネクタＣ０のシェル、ケーブルＣＢのコネクタＣ１１，Ｃ１２のシェル及びシールドＳＤ、並びにアンテナモジュール２０のコネクタ部２３のシェル及び筐体２１である。このため、回路部２４で発生する不要輻射（例えば、高次高調波等のスプリアス）がアンテナモジュール２０の外部に漏れるのを極力抑えることができるとともに、外部ノイズの悪影響を軽減することができる。

尚、アンテナモジュール２０が信号処理モジュール１０のコネクタＣ０に直接接続される場合には、アンテナモジュール２０の電源接続端子Ｔ２０、信号接続端子Ｔ２１、及びグランド接続端子Ｔ２２が、コネクタＣ０の電源接続端子Ｔ１０、信号接続端子Ｔ１１、及びグランド接続端子Ｔ１２にそれぞれ直接接続される。また、アンテナモジュール２０のコネクタ部２３のシェルは、コネクタＣ０のシェルに直接接続される。

次に、アンテナモジュール２０が備えるアンテナ２５の取り付け位置について説明する。図５は、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。尚、以下では説明を簡単にするために、アンテナ２５が、筐体２１の軸に直交する面（図５（ａ）中の基準面Ｐ）内において無指向性である場合を例に挙げて説明する。

図５（ａ）に示す通り、筐体２１の軸に直交してアンテナ２５の給電点Ｑが含まれる基準面Ｐを基準としたアンテナ２５の３ｄＢ半値角をθとし、筐体２１の外半径をφとする。アンテナ２５は、筐体２１の軸方向における給電点Ｑと筐体２１との距離が以下の（２）式で示される最短距離Ｌとなる位置に取り付けられる。
Ｌ＝φ×tanθ×α …（２）

ここで、筐体２１の外径形状が円筒形状である場合には、図５（ｂ）に示す通り、筐体２１の外半径φは、筐体２１の軸上に位置する給電点Ｑから筐体２１の外周までの距離となる。これに対し、筐体２１の外径形状が四角筒形状である場合には、図５（ｃ）に示す通り、筐体２１の外半径φは、筐体２１の軸上に位置する給電点Ｑを通る対角線の半分の長さとなる。

また、上記（２）式の右辺の変数αは、機械的な製造誤差等を考慮したマージンを示す定数である。つまり、この変数αは、アンテナ２５から放射される無線信号が筐体２１の影響を受けにくくする（筐体２１で遮られないようにする）ために規定されるものである。具体的に、変数αは、アンテナ２５から放射される無線信号の放射角（基準面Ｐに対する角度）の精度、筐体２１の製造精度、回路部２４の製造精度等を考慮して値が定められ、例えば値「１．０５」が設定される。尚、マージンを考慮しない場合（α＝１の場合）には、上記（２）式は上記（１）式と等しくなる。

アンテナ２５を上記の位置に取り付けるのは、アンテナ２５の性能に影響を与えることなく不要輻射を極力抑えるためである。つまり、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも短くなる位置にアンテナ２５が取り付けられると、金属で形成された筐体２１に無線信号が遮られてアンテナ２５の性能低下を招いてしまう。これに対し、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも長くなる位置にアンテナ２５が取り付けられると不要輻射が大きくなってしまう。このため、アンテナは上記の位置に取り付けられる。尚、不要輻射が許容できる限りにおいて、アンテナ２５は、給電点Ｑと筐体２１との距離が上記の最短距離Ｌよりも僅かに長くなる位置に取り付けられていても良い。

次に、上記構成における無線機器１の動作について説明する。尚、以下では、フィールド機器ＦＤからの信号を無線信号にして送信する動作（送信動作）、及び無線信号で送信されてくるフィールド機器ＦＤへの信号を受信する動作（受信動作）を順に説明する。

〈送信動作〉
フィールド機器ＦＤから信号が出力されると、この信号は接続コネクタＣＮを介して信号処理モジュール１０に入力され、通信プロトコルの変換処理等の信号処理が行われた後に、信号処理モジュール１０とアンテナモジュール２０との間で行われる通信によってアンテナモジュール２０に向けて送信される。信号処理モジュール１０から送信された信号は、図４に示すコネクタＣ０の信号接続端子Ｔ１１、ケーブルＣＢの信号線Ｌ１１、及びアンテナモジュール２０の信号接続端子Ｔ２１を順に介してアンテナモジュール２０の回路部２４に入力される。

回路部２４に入力された信号は、図２に示す送受信部２４ａで受信されて信号処理部２４ｂに出力され、同期処理、データ変換処理、通信プロトコルの変換処理、暗号化処理、変調処理等の信号処理が行われる。信号処理部２４ｂで信号処理が行われた信号は、無線部２４ｃに出力される。そして、無線部２４ｃにおいて、信号処理部２４ｂからの信号を用いて同期処理、暗号化処理、周波数変換処理等の処理が行われることによって無線信号が生成される。

無線部２４ｃで生成された無線信号は、図３に示す送受信切替部２４ｄの入出力端Ｔ１に入力され、送信経路Ｒ１上に設けられた出力調整部３１、フィルタ部３２、高周波アンプ３３、及び出力レベル検出部３４を順に通過した後に入出力端Ｔ２から出力される。尚、送信動作時には、信号処理部２４ｂの制御によって、入出力端Ｔ１，Ｔ２間の伝送経路が送信経路Ｒ１となるようにスイッチＳＷ１，ＳＷ２が切り替えられている。入出力端Ｔ２から出力された無線信号はアンテナ２５の給電点Ｑに入力され、これによりアンテナ２５から無線信号が送信される。

〈受信動作〉
アンテナ２５で無線信号が受信されると、この無線信号は、図３に示す送受信切替部２４ｄの入出力端Ｔ２に入力され、受信経路Ｒ２上に設けられたバンドパスフィルタ３５及び増幅器３６を順に通過した後に入出力端Ｔ１から出力される。尚、受信動作時には、信号処理部２４ｂの制御によって、入出力端Ｔ１，Ｔ２間の伝送経路が受信経路Ｒ２となるようにスイッチＳＷ１，ＳＷ２が切り替えられている。

入出力端Ｔ１から出力された無線信号は、図２に示す無線部２４ｃに入力されて周波数変換処理、複合処理、同期処理等が行われる。無線部２４ｃから出力された信号は信号処理部２４ｂに入力され、復調処理、復号処理、通信プロトコルの変換処理、データ変換処理、同期処理等の信号処理が行われる。信号処理部２４ｂで信号処理が行われた信号は、送受信部２４ａに出力され、信号処理モジュール１０との間で行われる通信によって信号処理モジュール１０に向けて送信される。

アンテナモジュール２０から送信された信号は、図４に示すコネクタ部２３の信号接続端子Ｔ２１、ケーブルＣＢの信号線Ｌ１１、及びコネクタＣ０の信号接続端子Ｔ１１を順に介して信号処理モジュール１０に入力される。信号処理モジュール１０に入力された信号は、通信プロトコルの変換処理等の信号処理が行われた後に、接続コネクタＣＮを介してフィールド機器ＦＤに向けて送信される。

以上の通り、実施形態では、無線機器１を、フィールド機器ＦＤとの間で通信を行う信号処理モジュール１０と、無線通信を行うアンテナモジュール２０とに分けて構成し、これら信号処理モジュール１０及びアンテナモジュール２０の間で授受される信号を、ケーブルＣＢを介して送受信するようにしている。また、アンテナモジュール２０は、無線信号を取り扱う回路部２４の周囲を筒状の筐体２１で覆いつつ、無線信号の送受信が可能なようにアンテナ２５をアンテナキャップ２２に収容するようにしている。

これにより、アンテナモジュール２０の設置場所の自由度を高めることができるため、電波状態が良い場所にアンテナモジュール２０を設置すれば安定した無線通信を行うことができる。また、アンテナモジュール２０の無線信号を取り扱う回路部２４から放射される不要輻射の多くは筐体２１で遮られるため、不要輻射を極力抑えることができる。このように、本実施形態では、不要輻射を抑えつつフィールド機器の設置位置に拘わらず安定した無線通信を実現することができる。

〔第２実施形態〕
図６は、本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールを模式的に示す図である。図６に示す通り、本実施形態のアンテナモジュール４０は、筐体４１、アンテナ収容部４２、コネクタ部４３ａ，４３ｂ、及びアンテナ２５を備えており、アンテナモジュール２０と同様に、信号処理モジュール１０から送信されてくる信号を受信してアンテナ２５から無線信号にして送信するとともに、アンテナ２５で受信した無線信号を処理して信号処理モジュール１０に向けて送信する。

上述した第１実施形態のアンテナモジュール２０は、アンテナ２５が筐体２１の一端部に設けられたアンテナキャップ２２に収容されたものであった。これに対し、本実施形態のアンテナモジュール４０は、アンテナ２５が筐体４１の両端部間（端部Ｅ１と端部Ｅ２との間）に設けられたアンテナ収容部４２に収容されたものであって、２つのコネクタ部４３ａ，４３ｂを備えるものである。

筐体４１は、２つの筐体４１ａ，４１ｂからなる。これら筐体４１ａ，４１ｂは、アンテナモジュール２０の筐体２１と同様に、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された筒状（円筒状、或いは多角筒状）の部材であり、回路部（図示省略）の周囲を覆うように回路部を収容する。尚、回路部は筐体４１ａ，４１ｂの何れか一方に収容されていいても、筐体４１ａ，４１ｂの双方に収容されていても良い。これら筐体４１ａ，４１ｂの内部は、本質安全防爆規格を満たすために、樹脂が充填されていても良い。

アンテナ収容部４２は、円環状又は多角環状に成形された樹脂製の部材であり、筐体４１ａ，４１ｂの外径の同程度の外径を有しており、筐体４１ａと筐体４１ｂとの間に配置されて、内部にアンテナ２５を収容する。このアンテナ収容部４２は、図２に示すアンテナキャップ２２と同様に、アンテナ２５が筐体４１の外部に配置されるように（筐体４１がアンテナ２５の周囲を覆わないように）アンテナ２５を収容する。

コネクタ部４３ａ，４３ｂは、図４に示すコネクタ部２３と同様のものである。つまり、コネクタ部４３ａ，４３ｂは、電源接続端子Ｔ２０、信号接続端子Ｔ２１、グランド接続端子Ｔ２２、及びフレームグランドＦＧに接続されるシェル（外周の金属部分）をそれぞれ備える。このように、２つのコネクタ部４３ａ，４３ｂを設けるのは、アンテナモジュール４０の上方側（端部Ｅ１側）及び下方側（端部Ｅ２側）の双方側からケーブルＣＢを接続可能とするためである。尚、コネクタ部４３ａ，４３ｂは、何れか一方を省略することも可能である。

図７は、本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールのアンテナの取り付け位置を説明するための図である。尚、本実施形態においても、説明を簡単にするために、アンテナ２５が、基準面Ｐ内において無指向性である場合を例に挙げて説明する。図７に示す通り、筐体４１（筐体４１ａ，４１ｂ）の軸に直交してアンテナ２５の給電点Ｑが含まれる基準面Ｐを基準としたアンテナ２５の３ｄＢ半値角をθとし、筐体４１の外半径をφとする。尚、外半径φは、筐体４１の外径形状が円筒形状である場合には、図５（ｂ）に示す通り定義され、筐体４１の外径形状が四角筒形状である場合には、図５（ｃ）に示す通り定義される。

アンテナ２５は、筐体４１の軸方向における給電点Ｑと、筐体４１ａの端部Ｅ１１及び筐体４１ｂの端部Ｅ１２との距離が前述した（２）式で示される最短距離Ｌとなる位置に取り付けられる。つまり、第１実施形態では、アンテナ２５が筐体２１の一端部に設けられたアンテナキャップ２２に収容されるため、筐体２１の影響を考慮してアンテナ２５の取り付け位置が決められていた。これに対し、本実施形態では、アンテナ２５が、筐体４１ａと筐体４１ｂとの間に配置されるアンテナ収容部４２に収容されるため、筐体４１ａ，４１ｂの影響を考慮してアンテナ２５の取り付け位置が決められる。尚、不要輻射が許容できる限りにおいて、アンテナ２５は、給電点Ｑと筐体４１ａ，４１ｂの少なくとも一方との距離が上記の最短距離Ｌよりも僅かに長くなる位置に取り付けられていても良い。

本実施形態のアンテナモジュール４０は、第１実施形態のアンテナモジュール２０とは、アンテナ２５の取り付け位置及びコネクタ部の数が異なるだけであり、機能は同じである。このため、アンテナモジュール２０と同様に、設置場所の自由度を高めることができるため、電波状態が良い場所にアンテナモジュール２０を設置すれば安定した無線通信を行うことができる。また、アンテナモジュール４０の無線信号を取り扱う回路部から放射される不要輻射の多くは筐体４１で遮られるため、不要輻射を極力抑えることができる。このように、本実施形態においても、不要輻射を抑えつつフィールド機器の設置位置に拘わらず安定した無線通信を実現することができる。

以上、本発明の実施形態によるアンテナモジュール及び無線機器について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、信号処理モジュール１０に電源Ｂが設けられており、信号処理モジュール１０からアンテナモジュール２０に電力が供給される例について説明した。しかしながら、信号処理モジュール１０の電源Ｂを省略して、フィールド機器ＦＤからの電力を信号処理モジュール１０及びアンテナモジュール２０に供給するようにしても良い。また、アンテナモジュール２０に電源を設けても良い。

また、上記実施形態では、無線機器１が、工業プロセスにおける状態量として流体の流量を測定するものであるとして説明したが、本発明は、他の状態量（例えば、圧力、温度等）を測定する無線機器にも適用することができる。また、上記実施形態では、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う無線機器を例に挙げて説明したが、本発明はＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器、或いはＺｉｇＢｅｅ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線機器にも適用することができる。

１ 無線機器
１０ 信号処理モジュール
２０ アンテナモジュール
２１ 筐体
２２ アンテナキャップ
２３ コネクタ部
２４ 回路部
２４ａ 送受信部
２４ｂ 信号処理部
２４ｃ 無線部
２５ アンテナ
４０ アンテナモジュール
４１ 筐体
４２ アンテナ収容部
４３ａ，４３ｂ コネクタ部
Ｂ 電源
Ｃ０ コネクタ
Ｃ１２ コネクタ
ＣＢ ケーブル
ＦＤ フィールド機器
ＦＧ フレームグランド
Ｌ１２ グランド線
Ｌ１０ 電源線
Ｌ１１ 信号線
Ｑ 給電点
ＳＤ シールド
ＳＧ シグナルグランド
Ｔ２０ 電源接続端子
Ｔ２１ 信号接続端子
Ｔ２２ グランド接続端子

Claims (2)

1. フィールド機器からの第１信号を無線信号にして送信し、無線信号で送信されてくる前記フィールド機器への第２信号を受信する無線機器において、
   無線信号の送受信を行うアンテナを有し、前記フィールド機器の外部に設置されるアンテナモジュールと、
   前記フィールド機器の外部に設置され、前記フィールド機器に接続されるとともにケーブルを介して前記アンテナモジュールに接続され、前記フィールド機器との間における通信処理、前記ケーブルを介した前記アンテナモジュールとの間における通信処理、及び通信プロトコルの変換処理を行う半導体チップと、該半導体チップを収容する筐体とを有する信号処理モジュールと
   を備え、
   前記アンテナモジュールは、前記ケーブルを介して前記信号処理モジュールから送信されてくる前記第１信号を受信して前記アンテナから無線信号にして送信させるとともに、前記アンテナで受信された無線信号の処理を行った前記第２信号を、前記ケーブルを介して前記信号処理モジュールに送信する回路部と、
   前記回路部の周囲を覆うように前記回路部を収容する筒状の筐体と、
   前記筐体の一端部又は両端部間に設けられて無線信号の送受信が可能なように前記アンテナを収容するアンテナ収容部と、
   前記筐体に接合されており、前記ケーブルの一端が接続されるコネクタ部と
   を備え、
   前記信号処理モジュールは、前記ケーブルの他端が接続されるコネクタを備える
   ことを特徴とする無線機器。
2. 前記ケーブルは、前記アンテナモジュールに設けられた前記回路部の基準電位を規定するシグナルグランドに接続されるグランド線と、
   前記回路部に接続されて前記第１，第２信号の送受信が行われる信号線と、
   前記回路部の電源に接続される電源線と、
   前記グランド線、前記信号線、及び前記電源線の周囲に設けられ、前記アンテナモジュールの筐体の電位を規定するフレームグランドに接続されるシールドと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の無線機器。

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