JP6471291B2

JP6471291B2 - 動物用位置情報送信機

Info

Publication number: JP6471291B2
Application number: JP2016013643A
Authority: JP
Inventors: 浩之坂庭; 広一川端; 高田　徹; 徹高田; 東烈宋; 健作松本; 正人矢澤; 政昭後閑; 広和高橋
Original assignee: MATHEMATICAL ASSIST DESIGN LABORATORIES CO., LTD.; Gunma University NUC; Gunma Prefecture
Current assignee: MATHEMATICAL ASSIST DESIGN LABORATORIES CO., LTD.; Gunma University NUC; Gunma Prefecture
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017131146A

Description

本願発明は、農地や果樹園等に侵入して作物に被害を与える鳥類、熊、サル、鹿、猪等、又は、ペットあるいは家畜等の、いわゆる動物に装着させて、それぞれの位置情報を確認することができる装置に関する。

ペットやサル等の動物の位置確認に関するものが、例えば特許文献１に記載されている。首輪に各々固定されている熱電モジュールで発電された電力を、昇圧蓄電回路で昇圧し、この昇圧された電力でＧＰＳモジュールが作動し、現在の位置情報を得て、その位置情報を発信回路により電波として発信されるようになっている。

この特許文献１における熱電モジュールは、首輪の内側に向けて固定されている熱電素子の受熱面と、前記首輪の外側に向けて固定されている前記熱電素子の露出面とで構成されていて、受熱面がペットや野生動物の体からの熱エネルギーを受け、露出面が首輪の外側に露出するように固定されることで、外気と接するため、受熱面と露出面との間に温度差が生じて熱電素子により発電が行われるようになっている。

特開２０１３−３０９１１号公報

しかし、前記特許文献１の技術では構造的に、季節によって発電力が不安定となり、それが原因で、発信される電波も不安定であり、システム全体としても不安定であった。

本願の発明は、動物に付けても、動物が嫌がらず、その行動を制限することなく、しかも、一定の通信距離の確保と、一定期間安定的に使用できる、小型で堅牢な動物用位置情報送信機を提供することを目的とする。

本発明において、上記目的を達成するためになされた請求項１に係る発明は、動物に取付けるベルトに、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤ製の小型アンテナを備えた小型の筐体を設け、前記小型の筐体内にＧＰＳモジュールと、電源バッテリー部を収納して成る動物用位置情報送信機において、
前記ＧＰＳモジュールが、ＧＰＳ電波受信回路部と、該ＧＰＳ電波受信回路部により受信したデータをスペクトラム拡散通信に必要な拡散コードで拡散変調された電波により低速度送信する送信回路部と、スペクトラム拡散方式の信号処理の高速同期法の適用を含む電子回路部とを備えたことを特徴とする動物用位置情報送信機である。

本願の発明では、小型で堅牢で、動物に付けても、動物が嫌がらず、その行動を制限することはない。動物に取付けるベルトに、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤ製の小型アンテナを備えた小型の筐体を設け、そして、前記小型の筐体内にスペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部を備えたことにより、効率の劣る小型アンテナと電源容量に制約のある条件下でもノイズに強く低送信電力でも長距離の通信が可能となり、前記動物用位置情報送信機を移動する動物に付けても、２０km離れた位置に設けられた受信装置により、動物の位置情報がリアルタイムに受信することが可能である。特に、本発明では「スペクトラム拡散方式の通信装置、及び、その高速同期法(特許第3639839号)」を適用することにより毎分100文字程度の低速な通信であるにも係らず、電波を受信ののち数秒で最初の文字が得られる即時性も併せ持っている。重複するが、本発明は、一定の通信距離の確保と、一定期間安定的に使用でき、動物の位置情報をリアルタイムで把握するシステムに用いられる動物用位置情報送信機である。

サル用首輪型位置情報送信機の実施例の概形図である。 Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤの荷重―歪み特性例を示す図である。シミュレーションによるアンテナの解析を示す図である。インピーダンスの周波数特性を示す図である。整合回路のシミュレーションを示す図である。回路を設定したアンテナの周波数特性を示す図である。サル用首輪型送信機の外観を示す図である。送信機の回路部分を示す図である。試作アンテナの測定を示す図である。試作アンテナの電界強度（５７.６ｄBμV/m）を示す図である。疑似ファントムでの測定を示す図である。放射パターンの測定結果を示す図である。野外での通信実験の位置関係（通信距離は約４.５km）を示す図である。引張試験の荷重の変化を示す図である。圧縮試験の荷重と変位の変化（３試料）を示す図である。衝撃試験での加速度の変化を示す図である。サル用首輪型送信機の正面右上方斜視図である。サル用首輪型送信機の左側面図である。サル用首輪型送信機の背面図である。サル用首輪型送信機の平面図である。

つぎに、本発明に係る動物用位置情報送信機のアンテナおよびＧＰＳモジュールの実施例について図面を参照して具体的に説明する。

（動物用位置情報送信機１のアンテナ７）
動物用位置情報送信機１のアンテナ７おいては、小型で堅牢で、動物に付けても、動物が嫌がらず、その行動を制限することなく、しかも、一定の通信距離の確保と、一定期間安定的に使用できる、動物用位置情報送信機の、アンテナとＧＰＳモジュールの実装される筐体の小型化が必要となり、形状や大きさの検討が重要なテーマである。
本発明では、アンテナ７を長さ１５〜２５cm（実施例では１５cm〜２０cmで、筺体内部まで含めると２５cm)、外径０.４mm〜５mm使用可能（実施例では外径１.８mmを採用）のTi-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤとし、通信距離を２０km以上確保できることを発明目標として、さらに電源バッテリー部２０の容量や筺体の小型化等の実施を行った。

本願発明の実施例では、動物のリアルタイム追跡システムを、半年から1年の長期間に渡る運用も可能で動物の行動を妨げない首輪型の小型で堅牢な位置情報送信機を発明した。本発明の実施例でのサル用首輪型送信機１の背面からの概形を図1に示す。ベルト４（首輪）と、アンテナ７と、筐体１０と、図示されない装着固定具により構成されている。動物において、例えば、サルは、非常に手の使い方が器用で、自分の視野に入ったもの、例えば、首に輪をつけられたらこれを壊して取る習性がある。そのために、アンテナ７の素材を従来の金属製から、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤ製にして、従来材の弾性歪みの値が最大０.２％程度であったものを、遥かに超えた弾性歪みの値が５〜１０％を示す形状の復元性が非常に大きい素材に変更して、動物の視野の外に配置する事により、アンテナの存在を動物が視覚的に認識しアンテナを破壊しようとすることを防ぐ機能を持つ事を特徴とし、また植生に接触する等動物の行動を阻害しないような適切な角度で折り曲げて高温で熱処理を施して形成し、しかも、その長さは１５〜２５cm（実施例では２０cm）と短く、外径０.４mm〜５mm（実施例では外径１.８mmを使用）のアンテナ７を完成した。その結果、例えば、指先の器用なサルが引っ張って変形しても復元性が高いので３％以下の歪みに収まり、形状が容易に変形しない。しかもカラスが嘴で１５０kg/mm^２の剪断力で噛んでも食い千切ることのできない、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金素材を適用した小型アンテナを備えており、動物に壊されにくい小型で堅牢な動物用位置情報送信機の発明となった。
ところで一説によると、野生動物に適する首輪の重さは、例えば、体重の３〜４％ぐらい、熊は８００ｇ〜１ｋｇ、サルは２５０ｇくらいに抑える必要があると言われている。

前記筐体１０には、図示しないＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）による約３０個の人工衛星が発信する電波の内、３個〜４個の人工衛星からの電波を利用し、緯度・経度・高度などを割り出すことができるＧＰＳモジュール１３すなわち、ＧＰＳ電波受信回路部１５と、該ＧＰＳ電波受信回路部１５により受信したデータをスペクトラム拡散通信に必要な拡散コードで拡散変調された電波により送信する送信回路部１７と、スペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部１３ａと、電源バッテリー部２０とが収納され、取り付けられている。

（アンテナの高弾性の形状回復特性）
Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤを用いた荷重―歪み特性の代表的な例として直径２．３mmの場合を図２に示す。図２を参照して、本発明で用いたTi-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤの基本特性を調べるために、常温下で行った引張試験での荷重―歪み曲線を示す。荷重の増加とともに歪み３％までにはほぼ荷重―歪みの線形的な挙動を示すが、その後は応力誘起マルテンサイト変態によって見かけ上の塑性変形を起こしており、約８％歪み付近で除荷すれば、ほぼ初期の状態まで形状が回復する超弾性効果を示していることが分る。
このことから、本発明で用いたTi-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤは、従来の金属材と比べて変形に対する極めて高い形状復元性と適度な強度とを有した動物用ＧＰＳ送信機用アンテナ素材への適用性を確認することができた。

（アンテナの小型化）
アンテナ７は形状や大きさにより電力の供給位置である給電点から見たときのインピーダンスが周波数により変化する。また、一般に送信回路側のインピーダンスとも異なることから、給電点に於いてはインピーダンスの不整合が発生している。そのためアンテナ７から放射される電磁波は送信回路から供給される電力の一部であり、利用可能な電力を十分に利用していない。
本発明では、１４２ＭＨｚ帯に於いて小型化されたアンテナ７のインピーダンスの周波数特性を電磁界シミュレーションにより把握し、整合回路により電力供給の最適設計を行った後、実際にアンテナ７に適用して特性の改善を測定により確認した。

（アンテナ７のインピーダンス特性のシミュレーション）
シミュレーションはモーメント法による解析ソフトであるＳＯＮＮＥＴＬｉｔｅを用いて行った。解析したアンテナの形状を図３に示す。アンテナ７は断面が１mm角で２５cmの棒状のモノポールアンテナとしている。シミュレーションでは解析領域を設定する必要があるが、ここでは、大きな矩形のチューブの底面にアンテナが設定されている状態を想定している。

次に、アンテナ７のインピーダンスの計算結果を図４に示す。用いる周波数の１４２ＭＨｚに於いて、
インピーダンスはＺｉｎ＝４７.８６-ｊ３４４、反射係数はΓ＝０.９６ ∠-１６.２３である。これよりインピーダンスの不整合があり、対策を行わないとアンテナ７に給電される電力1-Γ２は送信回路の出力の約８％に過ぎないことが分かる。

次に、アンテナ７と送信回路の整合回路として、本発明では調整範囲の広いπ型回路を用いた。
また、整合回路の状態を推定するためにシミュレーションソフトＭｒＳｍｉｔｈを用いた。直列のインダクタンスＬ＝４２２ｎＨを設定した場合の整合状態の様子を図５に示す。整合状態を表す中心近くに回路側から見たときのインピーダンスが変換されていることが分かる。このときの反射係数は、Γ＝０.０２３ ∠１６４.１であり送信回路の出力の９９％以上がアンテナ７に供給されることが分かる。

実際に作成したアンテナ７のインピーダンスの整合の様子を図６に示す。アンテナ７単体では、スミスチャートの周辺部分にある特性が、整合回路を設定することで中心近くに移動していることが分かる。ここでは、直列に挿入したインダクタンスは２２０ｎＨで最適となった。測定環境による影響での特性の違いや実際のインダクタンスは理想的な場合と異なり損失等のあることを考慮するとシミュレーションの結果を反映していると思われる。

（電波暗室でのアンテナ７特性の測定）
アンテナ７(１.５mmφの超弾性形状記憶合金ワイヤ、２０cm)と整合回路を首輪型送信機に組み込んだときのサル用首輪型送信機１の外観を図７に、筐体１０から取り出した電子回路部１３ａの部分を図８に示す。首輪型送信機の試験では整合回路を介してアンテナ７に信号発振器から-２０ dBｍの信号を供給したときの３ｍ離れた位置での受信電界強度を測定し、基準となるダイポールアンテナの場合と比較したときのアンテナの相対利得、及び試作アンテナ７を１回転させたときの指向性パターンの測定を群馬県立産業技術センターの小型電波暗室で行った。暗室に設定されたときのアンテナの状態を図９に示す。また、受信電界強度の測定結果を図１０に示す。試作アンテナ７は基準アンテナに対して長さが短くなったために効率が７.６dB＝約０.４２倍に低下することが分かった。また、整合回路のない３３.７dBの低下の場合と比較して大きく改善されることも分かった。

次に、サルを模擬して水道水を満たした塩ビパイプで作成した疑似ファントム２５にサル用首輪型送信機１を装着して全体を回転させたときの受信電界強度の放射パターンの測定を行った。擬似ファイントム２５と測定結果のパターンを図１１及び図１２に示す。電界強度が角度により最大の場合から約２０dB＝０.１倍に弱くなる部分が見られるが４０度程度の角度範囲であること、他の角度では１０dB＝０.３倍の範囲にあることが分かった。全体としては全方向に電波が放射されていると言える。

（野外での通信距離の測定）
作成された動物用送信機１の通信距離を確認するために、動物用送信機１と該動物用送信機１の信号を受信・解析する受信機を用いて野外での通信実験を行った。市街地郊外の群馬県立産業技術センターから国道５０号線沿いに約４.５km離れた地点でも十分に通信が可能であることを確認できた。このときの位置関係を図１３に示す。
すなわち、本発明ではスペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部とを備えたことにより、周波数１４２ＭＨｚ、放射電力２．５ｎＷ〜１０ｍＷの超微電力通信が確認された。

（筐体１０の小型化と堅牢性）
ＧＰＳ電波受信回路部１５と、該ＧＰＳ電波受信回路部１５により受信したデータをスペクトラム拡散通信に必要な拡散コードで拡散変調された電波により送信する送信回路部１７と、スペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部１３ａと、電源バッテリー部２０とが収納され、ベルト４に取り付けられている送信機の筐体１０は、３Ｄプリンタ（ＭＵＴＯＨ製３Ｄプリンタ）を用いてＡＢＳ樹脂により作成した。ベルト４及び筐体１０は、サルへの装着を考慮して、ベルト４の内径を９cm〜２１cmの使用可能長さとし、筐体１０の左右長さを４cm〜１０cmの使用可能長さとし、（実施例では、図１に示すように、ベルト４の内径は１４.５cmとし、筐体１０においては、左右長さ６.３cm、高さ６cm、奥行き３cmとし、概略１４４cm³の大きさ）、として設計を行った。
堅牢性は、ＪＩＳ規格に則って、筺体１０の引張試験と圧縮試験、及び電子回路を含めた衝撃試験と振動試験を実施し、後者の試験では実施後に送信機等が正常に動作することを確認した。

（引張試験及び圧縮試験）
ＡＢＳ樹脂で作成された筺体１０の強度を把握するために引張試験と圧縮試験を行った。
引張試験では首輪のベルト４に取り付けた筺体１０が外れるときの強度が１６２Ｎで、筺体１０とベルト４とを固定しているねじの部分が破断された。このときの引張の負荷の変化の様子を図１４に示す。
また、圧縮試験では３種類の試料に対し、１６kN〜２０kNのときに５mm〜８mm程度の変形が発生することが分かった。このときの荷重と変位の様子を図１５に示す。

（衝撃試験及び振動試験）
電子回路を含んだサル用首輪型送信機１に衝撃や振動を加えた後、送信機の機能が正常に保たれるか試験を行った。試験条件は一般的な電子機器に対するものを想定し、JIS C60068の環境試験方法(電気・電子)規格に基づいた試験を実施した。
JIS C 60068-2-27 衝撃試験方法(Ea)
JIS C 60068-2-64 広帯域ランダム振動試験方法及び指針(Fh)
何れの試験に於いても、実施後にＧＰＳの受信による測位及び送信機能は正常に動作することが確認された。衝撃試験で５０Ｇの加速度を印加したときの変化の様子を図１６に示す。

以上のことから、本発明に係る動物用位置情報送信機１の実施例によれば、本発明では鳥獣被害等の対策に対応するために動物の位置情報をリアルタイムで把握するシステムに用いられる動物用位置情報送信機の発明を行った。動物において、例えば、サルは、非常に手の使い方が器用で、自分の視野に入ったもの、例えば、首に輪をつけられたらこれを壊して取る習性がある。そのために、アンテナ７の素材を従来の金属製から、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤ製にして、従来材の弾性歪みの値が最大０.２％程度であったものを、遥かに超えた弾性歪みの値が５〜１０％を示す形状の復元性が非常に大きい素材に変更して、そして、首輪（ベルト４）は、サルの首の周囲に巻き付ける形で装着し、そのベルト４に筐体１０を取り付けた。そして、その動物用位置情報送信機１の筐体１０が、サルの顎の下に位置し、アンテナ７の突設状態を、前記筐体１０の右側壁部から鉛直方向に対して約３２．５度の立体角度（図１９の背面図参照）とし、そして、サルの首が挿入されるベルト４の中心線に対して約５０度の立体角度（図２０の平面図参照）とし、そして、ベルト４の後端面に対して約３０度の立体角度（図１８の左側面図参照）となるように整形した。これによりアンテナ７の位置を、動物の視野の外に配置する事により、アンテナの存在を動物が視覚的に認識しアンテナを破壊しようとすることを防ぐ機能を持つ事を特徴とし、また植生に接触する等動物の行動を阻害しないような適切な角度で折り曲げて高温で熱処理を施して形成し、しかも、その長さは１５〜２５cm（実施例では２０cm）と短く、ワイヤの外径１.２mm〜３mm（実施例では外径１.８mmを使用）のアンテナ７を完成した。その結果、例えば、指先の器用なサルが引っ張っても変形は３％以下の歪みに収まり、復元性が非常に大きく、容易に変形せず、しかもカラスが嘴で１５０kg/mm２の剪断力で噛んでも食い千切ることのできない、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金素材を適用した小型アンテナを備えており、アンテナ７を素材と形状と取付け位置の三方向から、動物に壊されにくい小型で堅牢な動物用位置情報送信機の発明となった。
本発明では、特にアンテナ７の長さを１５〜２５cm（実施例では２０cm）に小型化でき、筺体１０の容積も略１４４cm3に小型化できた。首輪に取り付けられた筐体１０は、内部にＧＰＳモジュール１３と、スペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部１３ａと、電源バッテリー部２０とを収納し、堅牢性に対しても一般的な電子機器に要求されるJIS C60068の環境試験方法(電気・電子)規格に基づいた衝撃、振動試験に対して形状も機能も動作上の問題も発生せず正常に動作することが確認できた。また、通信距離も市街地郊外の野外実験で４.５km以上の通信が達成できた。稼働時間は用いたバッテリーの容量から１時間間隔の送信で半年程度である。

本願発明に係る出願人の１人は、特許第３６３９８３９号の「スペクトラム拡散方式の通信装置、及び、その高速同期確立法」を所有しており、これまでに野生動物の行動を調査研究し、森林原野において種々の実験を手がけてきており、本願発明を完成することに大いに役だった。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明の範囲は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、疑似ファントム２５に動物用送信機１を装着して、監視ロボットとすれば、設置場所等の安全管理等の応用が可能である。

１‥‥動物用ＧＰＳ送信機、
４‥‥ベルト、
７‥‥アンテナ、
１０‥‥筐体、
１３‥‥ＧＰＳモジュール、
１３ａ‥‥スペクトラム拡散方式の信号処理を含む電子回路部、
１５‥‥ＧＰＳ電波受信回路部、
１７‥‥送信回路部、
２０‥‥電源バッテリー部、
２５‥‥疑似ファントム。

Claims

動物に取付けるベルトに、Ti-Ni系の超弾性形状記憶合金ワイヤ製の小型アンテナを備えた小型の筐体を設け、前記小型の筐体内にＧＰＳモジュールと、電源バッテリー部を収納して成る動物用位置情報送信機において、
前記ＧＰＳモジュールが、ＧＰＳ電波受信回路部と、該ＧＰＳ電波受信回路部により受信したデータをスペクトラム拡散通信に必要な拡散コードで拡散変調された電波により低速度送信する送信回路部と、スペクトラム拡散方式の信号処理の高速同期法の適用を含む電子回路部とを備えたことを特徴とする動物用位置情報送信機。