JP7185833B2

JP7185833B2 - 受信回路、及び通信装置

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Publication number: JP7185833B2
Application number: JP2019549961A
Authority: JP
Inventors: 優立海
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2038-09-25
Also published as: CN111264034A; JPWO2019082578A1; WO2019082578A1

Description

本発明は、改良された受信回路、及び通信装置に関する。

ケースに収納された制御基板と、ケースの外部に配置された装置との間で無線通信が可能な通信装置が知られている。このような通信装置に関する従来技術として、特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１に示されるような、通信装置は、危険場所において使用される事が想定されたものである。危険場所とは、一般工場などにおいて、爆発性ガスが空気と混合して爆発下限界以上の危険雰囲気を生成するおそれのある場所をいう。危険場所での使用が想定される通信装置は、本質安全防爆要件（ＪＩＳＣ６００７９）に適合させる必要がある。

危険場所において用いられる通信装置は、本質安全防爆要件に適合させるためにインダクタンス及び容量（キャパシタンス）が制限されている。回路内で使用できる上限のインダクタンス値は電流に、上限のキャパシタンス値は電圧に依存する。そのため、抵抗の抵抗値を大きく、ツェナーダイオードの定格を大きくすることで電流・電圧の制限を行うものであるが、本質安全防爆要件を満足する値を考慮すると、受信感度が低下してしまう問題点があった。

特開２００９－０５４９４０号公報

本発明は、受信感度を保ち、且つ防爆要件を満足させることのできる受信回路、及び通信装置の提供を課題とする。

本発明の受信回路は、
アンテナとコンデンサからなるアンテナ回路と、
ツェナーダイオードと抵抗からなる第一、第二のリミッタ回路と、
電子回路と、
を備え、
前記アンテナ回路の一端と前記電子回路の一端は前記第一のリミッタ回路を介して接続され、前記アンテナ回路の別の一端と前記電子回路の別の一端は前記第二のリミッタ回路を介して接続され、
前記アンテナ回路の前記コンデンサは前記第一、第二のリミッタ回路側に配置され、
前記第一、第二のリミッタ回路の前記抵抗は前記電子回路側に配置される、
ことを特徴とする。

本発明の通信装置は、
前述の受信回路を備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、受信感度を保ち、且つ防爆要件を満足させることのできる受信回路、及び通信装置を提供することができる。

本発明の実施形態における検出装置（通信装置）が用いられたプラント機器状態収集システムを模式的に示した図である。図１に示された検出装置の断面図、及び平面図である。図２に示された検出装置の受信回路の第一の実施形態を示す図である。図２に示された検出装置の受信回路の第二の実施形態を示す図である。図２に示された検出装置の受信回路の第二の実施形態における携帯端末との通信可能距離の実測値、及び通信結果を示す図である。

本発明の実施形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１を参照する。図１には、石油化学系のプラントにおけるプラント機器状態収集システム１が示されている。石油化学系のプラントは、非常に広大である。このため、各機器を検出装置（通信装置）１０により検出し、検出された情報をデータ記憶管理装置５において管理している。

より詳細に説明する。検出装置１０は、プラント内の各機器に取り付けられることにより、危険場所ＤＡ内に複数配置されている。これらの検出装置１０において検出された情報は、中継器３を介して、あるいは直接ネットワーク構築装置４に送信され、データ記憶管理装置５に送信される。プラントの管理者は、データ記憶管理装置５に記憶された情報を図示しないノートパソコン（管理端末）を用いて確認することができる。

図１には３つの検出装置１０が示されているが、検出装置１０は、４個以上であってもよく、１又は２個であってもよい。

検出装置１０が検出する状態としては、温度、振動等が挙げられる。管理者は、状態の異常を認識すると、異常を検知した検出装置１０まで作業者を向かわせ、確認を行わせる。

図２を参照する。作業者は、異常が発生した機器に対して修繕等の作業を行った後、データ記憶管理装置５に作業完了を送信するために、タブレット端末等の携帯端末６（通信機器６）を検出装置１０にかざして通信を行う。携帯端末６と検出装置１０との通信には、ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３で定義されるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identifier）規格や、ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０９２で定義されるＮＦＣ（Near Field Communication）規格等の近距離無線通信を採用することができる。例えば、近距離無線通信によって携帯端末６から検出装置１０に書き込みされた作業内容は、検出装置１０から中継器３を介し、あるいは検出装置１０から直接ネットワーク構築装置４に送信され、さらにネットワーク構築装置４からデータ記憶管理装置５に送信される。また、携帯端末６は、検出装置１０の設置の際に近距離無線通信によって検出装置１０に認証情報や動作条件などの各種情報を書き込みしてもよい。

図２（ａ）は、検出装置１０の断面図を示し、図２（ｂ）は、検出装置１０の平面図を示す。検出装置１０は、金属製のケース１１と、このケース１１に空けられた開口部４３に設けられた窓部材５０と、ケース１１に固定された制御基板１４と、この制御基板１４に接続されたサブ基板６０と、サブ基板６０に実装された電子回路６３と、サブ基板６０に接続され窓部材５０の下面に近接して配置された近距離無線通信を行うフレキシブルプリント基板６１と、制御基板１４に実装された通信モジュール１６と、制御基板１４に接続され機器の状態を検知するセンサ７０と、ケーブル２１ａを介して制御基板１４をセンサ７０と接続するセンサコネクタ２１と、制御基板１４に電力を供給する電池等からなるバッテリーモジュール８０と、ケーブル２２ａを介して制御基板１４をバッテリーモジュール８０と接続するバッテリーコネクタ２２と、ケース１１の上面に設けられた通信アンテナ２３と、ケーブル２４ａを介して制御基板１４を通信アンテナ２３と接続するコネクタ２４と、ケーブル２１ａとセンサ７０のコネクタ７１とを接続するコネクタ２５と、ケーブル６２ａを介してフレキシブルプリント基板６１とサブ基板６０とを接続するコネクタ６２と、を主な構成要素とする。検出装置１０の中心から通信アンテナ２３の方向をｘ軸正方向、通信アンテナ２３をｘ軸正方向に置いた時の検出装置１０の中心から奥行方向をｙ軸正方向、検出装置１０の鉛直方向上側をｚ軸正方向とする。

ケース１１は、下部に配置され上方が開口している第１分割体３０と、この第１分割体３０に重ね合わされた第２分割体４０と、からなる。これらの第１分割体３０及び第２分割体４０は、図示しないボルト及びナットによって締結されている。ケース１１は、必要に応じて表面に塗装等の表面処理が行われる。

制御基板１４は、多層プリント基板が採用されている。制御基板１４は、ビス２６によって、第２分割体４０の裏面に固定されている。制御基板１４は、接地されている。なお、制御基板１４に、制御基板１４によって点灯、点滅、消灯が切り替えられる発光素子を設けてもよい。

通信モジュール１６は、例えば回路で構成され、前記回路は、少なくとも１つのプロセッサ（例えば、中央処理装置（Central Processing Unit；CPU））、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit；ASIC）、および／または、少なくとも１つのフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field-Programmable Gate Array；FPGA）などの少なくとも１つの半導体集積回路を含み、図１に示す検出装置１０の機能の少なくとも一部を実行可能である。通信モジュール１６は、設定された間隔で自動的に起動され、センサ７０が検知した情報や携帯端末６から近距離無線通信によって入力された情報を通信アンテナ２３を介して中継器３及びネットワーク構築装置４に送信する機能を持つ。

第１分割体３０は、底面視において略長方形を呈する底部３１と、この底部３１のそれぞれの縁から立ち上げられた下部側壁部３２と、からなる。

底部３１の一部は、下方に突出し、コネクタ２５が収納されたコネクタ収納部３３とされている。

下部側壁部３２は、接地されている（アースされている）。

第２分割体４０は、平面視において略長方形を呈する蓋部４１と、この蓋部４１のそれぞれの縁から下げられた上部側壁部４２と、からなる。

蓋部４１の中央には、略長方形状の開口部４３が空けられている。平面視における開口部４３の面積は、１６００ｍｍ^２以下に設定されている。開口部４３に隣接して、通信アンテナ２３が取り付けられるアンテナ取付孔（図示しない）が空けられている。

上部側壁部４２は、下部側壁部３２と連続している。

窓部材５０は、第２分割体４０の開口部４３を塞ぐように設けられる。窓部材５０の素材は、電気絶縁性を有し近距離無線通信に用いる電波または磁気を透過する樹脂からなる。

サブ基板６０は、多層プリント基板が採用されている。サブ基板６０は、電子回路６３
を備えている。サブ基板６０は、制御基板１４にスペーサ２７、及びＢｔｏＢ（Board to Board）コネクタ２８，２９を介して接続される。

サブ基板６０は、ケーブル６２ａとコネクタ６２を介して、アンテナ６４（図３参照）を備えたフレキシブルプリント基板６１と接続されている。フレキシブルプリント基板６１は、可撓性に富むため、配置の自由度が高い。アンテナ６４をより窓部材５０に近づけることができ、高い通信性を確保することができる。

図３の受信回路６５の第一の実施形態を併せて参照する。検出装置１０は、携帯端末６と近距離無線通信を行うための受信回路６５を備える。受信回路６５は、電子回路６３、アンテナ回路６６、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８からなる。サブ基板６０には、アンテナ回路６６のコンデンサＣ、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８、電子回路６３が実装されており、フレキシブルプリント基板６１には、アンテナ回路６６のアンテナ６４が実装されている。

電子回路６３は、例えば集積回路（IC）からなり、携帯端末６との近距離無線通信、もしくはコネクタ２８及び２９を通じた制御基板１４からの電力供給によって起動し、通信モジュール１６あるいは携帯端末６から入力された情報を記憶する機能や、記憶した情報を通信モジュール１６あるいは携帯端末６に送信する機能を持つ。

アンテナ６４は、携帯端末６との近距離無線通信を行うためのアンテナである。アンテナ６４は、導電性を有する材料によりフレキシブルプリント基板６１に形成されたパターンアンテナ、もしくはコイルからなる。

アンテナ回路６６のコンデンサＣは、アンテナ６４の共振周波数調整用に用いられ、その容量は近距離無線通信の周波数に合わせて決定される。

第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は、配線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されている（配線毎に抵抗が１つずつ設けられている）。抵抗Ｒ１，Ｒ２は配線Ｌ１，Ｌ２から受信回路６５に供給される電流を制限する電流制限素子として機能する。また、配線Ｌ１，Ｌ２には、アンテナ回路６６のコンデンサＣと抵抗Ｒ１，Ｒ２との間でツェナーダイオードＺ１１，Ｚ２１が並列に接続される（配線毎にツェナーダイオードが１つずつ設けられている）。ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ２１は、負極が配線Ｌ１，Ｌ２と接続され、正極が接地される。ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ２１は、配線Ｌ１，Ｌ２から受信回路６５に印加される電圧を制限する電圧制限素子として機能する。これにより本質安全防爆要件において、数えられる故障の概念を適用しない保護レベルを満足することが出来る。

図４の受信回路６５の第二の実施形態を参照する。第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は、配線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されている（配線毎に抵抗が１つずつ設けられている）。抵抗Ｒ１，Ｒ２は配線Ｌ１，Ｌ２から受信回路６５に供給される電流を制限する電流制限素子として機能する。また、配線Ｌ１，Ｌ２には、アンテナ回路６６のコンデンサＣと抵抗Ｒ１，Ｒ２との間でツェナーダイオードが２つ並列に接続される。すなわち、配線Ｌ１にツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２が並列に接続され、配線Ｌ２にツェナーダイオードＺ２１，Ｚ２２が並列に接続される（配線毎にツェナーダイオードが２つずつ設けられている）。ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２は、負極が配線Ｌ１，Ｌ２と接続され、正極が接地される。ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２のツェナー電圧は、略同等であるがばらつきがあるため一致しない。そのため、ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２の一方、及びＺ２１，Ｚ２２の一方は、配線Ｌ１，Ｌ２から受信回路６５に印加される電圧を制限する電圧制限素子として機能する。ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２の別の一方、及びＺ２１，Ｚ２２の別の一方は、電圧制限素子として機能せず、冗長化のために用いられる。これにより本質安全防爆要件において、全ての保護レベルを満足することが出来る。

第一の実施形態、及び第二の実施形態において、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８のツェナーダイオードの寄生容量を３０ｐＦ以下、且つ抵抗の抵抗値を５１Ωとすることが出来る。これにより受信感度を保ちつつ、本質安全防爆要件を満足することが出来る。

本質安全防爆要件では、回路内に印加される電圧で使用できるキャパシタンス値が決定され、その電圧は外部回路から流入する電力をツェナーダイオードのツェナー電圧で制限することで決定できる。しかしながら、ツェナーダイオードの寄生容量はローパスフィルタとして機能するため、アンテナ６４の受信信号が減衰し通信性能（受信感度）が低下する。そのため、ツェナーダイオードの前記寄生容量は十分に小さいことが望ましく、本発明では３０ｐＦ以下であることを見出した。

本質安全防爆要件では、回路内に印加される電流で使用できるインダクタンス値が決定され、その電流は外部回路から流入する電力を抵抗で制限することで決定できる。しかしながら、抵抗値を大きくすると受信感度が低下し、小さくすると回路に流れる電流が大きくなるため本質安全防爆要件を満すことが難しくなる。そのため、本発明では受信感度を保ちつつ、本質安全防爆要件を満たす抵抗値を５１Ωと見出した。

図５の第二の実施形態における検出装置１０と携帯端末６の通信可能距離の実測値、及び通信結果を参照する。アンテナ６４の中心をｘ＝０ｍｍ，ｙ＝０ｍｍ、第２分割体４０の蓋部４１及び窓部材５０の上面をｚ＝０ｍｍとしたとき、検出装置１０と携帯端末６のｚ方向の通信可能距離、及び通信結果を測定した。図示するように、携帯端末６がアンテナ６４の中心に位置する場合が最も通信可能距離が長く、且つ通信可能である。携帯端末６をｘ方向、及びｙ方向にずらした場合においても、通信可能距離は短くなるが通信可能である。

上述したように、第二の実施形態における第一、第二のリミッタ回路６７及び６８のツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２の別の一方、及びＺ２１，Ｚ２２の別の一方は、電圧制限素子として機能せず、冗長化のために用いられる。そのため、ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２の別の一方、及びＺ２１，Ｚ２２の別の一方は、その寄生容量が十分に小さい場合に、動作中の第一、第二のリミッタ回路６７及び６８において無いものとみなすことが出来る。したがって、図５に示される通信可能距離、及び通信結果は、第一の実施形態においても適用可能である。

また、第一の実施形態において、アンテナ回路６６、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は配線部領域を備え、前記配線部領域において配線Ｌ１、及びＬ２の配線幅を２ｍｍ以上にすることが出来る。例えば第一の実施形態において、サブ基板６０上のアンテナ回路６６のコンデンサＣと第一のリミッタ回路６７のツェナーダイオードＺ１１の間に配線部領域ＬＡ１を、アンテナ回路６６のコンデンサＣと第二のリミッタ回路６８のツェナーダイオードＺ２１の間に配線部領域ＬＡ２を備えている。これにより本質安全防爆要件において、アンテナ回路６６のコンデンサＣと第一、第二のリミッタ回路６７及び６８のツェナーダイオードＺ１１，Ｚ２１の間を、配線が切れないとみなすことが出来る。これにより、コンデンサＣに印加される電圧値が決定され、キャパシタンス評価が可能となる。

さらに、第二の実施形態において、アンテナ回路６６、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は配線部領域を備え、前記配線部領域において配線Ｌ１、及びＬ２の配線幅を２ｍｍ以上にすることが出来る。例えば第二の実施形態において、サブ基板６０上のアンテナ回路６６のコンデンサＣと第一のリミッタ回路６７のツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２の間に配線部領域ＬＡ１を、アンテナ回路６６のコンデンサＣと第二のリミッタ回路６８のツェナーダイオードＺ２１，Ｚ２２の間に配線部領域ＬＡ２を備えている。これにより本質安全防爆要件において、アンテナ回路６６のコンデンサＣと第一、第二のリミッタ回路６７及び６８のツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２、及びＺ２１，Ｚ２２の間を、配線が切れないとみなすことが出来る。これにより、コンデンサＣに印加される電圧値が決定され、キャパシタンス評価が可能となる。

以上に説明した本発明は、以下の効果を奏する。

検出装置１０の受信回路６５は、アンテナ６４とコンデンサＣからなるアンテナ回路６６と、ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ２１と抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる第一、第二のリミッタ回路６７及び６８と、電子回路６３と、を備え、アンテナ回路６６の一端と電子回路６３の一端は第一のリミッタ回路６７を介して接続され、アンテナ回路６６の別の一端と電子回路６３の別の一端は第二のリミッタ回路６８を介して接続される。これによれば、数えられる故障の概念を適用しない保護レベルを満足することが可能であり、高い本質安全防爆性を備えることができる。

受信回路６５の第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は、ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２、及びツェナーダイオードＺ２１，Ｚ２２を並列に接続することができる。これによれば、全ての保護レベルを満足することが可能であり、より高い本質安全防爆性を備えることができる。

受信回路６５の第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は、ツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２の寄生容量を３０ｐＦ以下とし、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を５１Ωとすることができる。これによれば、受信感度と高い本質安全防爆性の両方を備えることができる。

受信回路６５のアンテナ回路６６、第一、第二のリミッタ回路６７及び６８は配線部領域を備え、前記配線部領域において配線Ｌ１、及びＬ２の配線幅を２ｍｍ以上にすることが出来る。これによれば、コンデンサＣとツェナーダイオードＺ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２間の配線が切れないとみなすことが出来る。これによれば、キャパシタンス値が上限に収まっているか評価することが可能となり、高い本質安全防爆性を備えることができる。

なお、本発明による通信装置は、石油化学系のプラントに用いられる場合を例に説明したが、この他の危険場所であっても用いることができる。危険場所としては、例えば、ＬＰガス充填所、トンネル掘削工事現場、火力発電所、塗装工場等が挙げられる。

また、通信装置は、検出装置を例に説明したが、ケース外部の機器との間で無線通信を行う装置であれば、検出装置に限らず他の装置にも適用可能である。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、窓部材及びサブ基板が第２分割体に一体的に設けられ、制御基板が第１分割体に固定されてもよい。

本発明の受信回路、及び通信装置は、石油化学系プラントに用いられる検出装置として好適である。

６…携帯端末（通信機器）
１０…検出装置（通信装置）
１１…ケース
１４…制御基板
３０…第１分割体
４０…第２分割体
４１…蓋部
５０…窓部材
６０…サブ基板
６１…フレキシブルプリント基板
６３…電子回路
６４…アンテナ
６５…受信回路
６６…アンテナ回路
６７，６８…リミッタ回路
８０…バッテリーモジュール
Ｃ…コンデンサ
ＤＡ…危険場所
Ｌ１，Ｌ２…配線
ＬＡ１，ＬＡ２…配線部領域
Ｒ１，Ｒ２…抵抗（電流制限素子）
Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２…ツェナーダイオード（電圧制限素子）

Claims

アンテナとコンデンサからなるアンテナ回路と、
ツェナーダイオードと抵抗からなる第一、第二のリミッタ回路と、
電子回路と、
を備え、
前記アンテナ回路の一端と前記電子回路の一端は前記第一のリミッタ回路を介して接続され、前記アンテナ回路の別の一端と前記電子回路の別の一端は前記第二のリミッタ回路を介して接続され、
前記アンテナ回路の前記コンデンサは前記第一、第二のリミッタ回路側に配置され、
前記第一、第二のリミッタ回路の前記抵抗は前記電子回路側に配置される、
ことを特徴とする受信回路。
前記第一、第二のリミッタ回路は、
それぞれが並列に接続される２つのツェナーダイオードを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の受信回路。
前記第一、第二のリミッタ回路は、
前記ツェナーダイオードの寄生容量が３０ｐＦ以下であり、且つ前記抵抗の抵抗値が５１Ωである、
ことを特徴とする請求項１乃至２の何れか１つに記載の受信回路。
前記アンテナ回路と前記第一、第二のリミッタ回路は配線部領域を備え、
前記配線部領域は、２ｍｍ以上の配線幅で接続される、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の受信回路。
請求項１及至４の何れか１つに記載の受信回路を備えてなる、
ことを特徴とする通信装置。