JP7295489B2

JP7295489B2 - アンテナ内蔵タイヤ

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Publication number: JP7295489B2
Application number: JP2022516477A
Authority: JP
Inventors: 淳竹内; 章志望月; 昌幸津田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2023-06-21
Anticipated expiration: 2040-04-20
Also published as: WO2021214821A1; JPWO2021214821A1; US20230150316A1

Description

本発明は、アンテナ内蔵タイヤに関する。

地中埋設された各種インフラ構造物（電気・通信・ガス・水道など）の埋設位置の調査において、電磁波を用いた地中探査レーダが用いられている（非特許文献１、２）。地中探査レーダは、レーダ波（電磁波）を地中に向けて放射し、レーダ波が地中埋設物に衝突した際に生じる反射波を受信することで、地中埋設物の埋設位置を特定する。

GSSI、"UtilityScan"、［online］、インターネット＜URL: https://www.geophysical.com/products/utilityscan＞アイレック技建株式会社、"iエスパー"、［online］、インターネット＜URL: https://www.airec.co.jp/products/espar/iespar.html＞

一般的な地中探査レーダ装置は、車輪の付いた台車の上に設置される。地中探査レーダ装置のアンテナから放射されるレーダ波は、自由空間伝播を経て地中へ入射される。

自由空間中の空気の比誘電率と、地中の比誘電率には大きな差異があることから、アンテナから放射されたレーダ波の多くが地表面の境界において反射されてしまい、エネルギー的な損失が生じることが課題となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、アンテナから地中に放射されるレーダ波の地表面で生じる反射を抑制するアンテナ内蔵タイヤを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、アンテナが内蔵されたタイヤであって、内部に電波透過性の樹脂が充填され、前記電波透過性の樹脂内に配置されたアンテナを備え、前記アンテナは、当該アンテナの輻射面に対向するタイヤのアンテナ面が地面と接触すると、レーダ波を送信する。

本発明の一態様は、送信用タイヤと受信用タイヤとを備えるアンテナ内蔵タイヤであって、前記送信用タイヤおよび前記受信用タイヤは、隣接して並列に配置され、内部に電波透過性の樹脂が充填され、前記送信用タイヤは、前記電波透過性の樹脂内に配置された送信アンテナを備え、前記送信アンテナは、当該送信アンテナの輻射面に対向する前記送信用タイヤのアンテナ面が地面と接触すると、レーダ波を送信し、前記受信用タイヤは、前記電波透過性の樹脂内に配置された受信アンテナを備え、前記受信アンテナは、当該受信アンテナの輻射面に対向する前記受信用タイヤのアンテナ面が地面と接触すると、前記レーダ波の反射波を受信する。

本発明によれば、アンテナから地中に放射されるレーダ波の地表面で生じる反射を抑制するアンテナ内蔵タイヤを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の地中探査レーダ装置の構成図である。地中探査部の構成を示す構成図である。比較例における反射波のレーダ受信波形を示すグラフである。第１の実施形態における反射波のレーダ受信波形を示すグラフである。本発明の第２の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを模式的に示す図である。本発明の第３の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを模式的に示す図である。本発明の第４の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを模式的に示す図である。本発明の第５の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを模式的に示す図である。ハードウェア構成例である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の地中探査レーダ装置の構成図である。本実施形態の地中探査レーダ装置は、フレーム６（台）にタイヤ１（車輪）が装着された台車型の構造を有する。図示する地中探査レーダ装置は、フレーム６に搭載された地中探査部５と、タイヤと、を備える。

地中探査レーダ装置が備える複数のタイヤのうち、少なくとも１つのタイヤが、アンテナを内蔵したタイヤ１（アンテナ内蔵タイヤ）である。本実施形態のタイヤ１の内部には樹脂２が充填され、樹脂２内にアンテナ３が配置されている。

アンテナ３は、当該アンテナ３の輻射面３１に対向（対応）するタイヤ１のアンテナ面１１が地面と接触すると、レーダ波（電磁波）を送受信する。具体的には、アンテナ３は、タイヤ１のアンテナ面１１が接地したタイミングで、地中探査部５から指示を受信し、当該指示に従ってレーダ波を地中に向けて照射（送信）する。その後、アンテナ３は、当該レーダ波が地中埋設物に衝突した際に生じる反射波（レーダ波）を受信する。タイヤ１のアンテナ面１１は、地面に接触するタイヤ１表面の一部であって、アンテナ３から地中へ向けての輻射が最大となる領域である。

本実施形態のアンテナ３は輻射面３１に広がりが生じるが、アンテナからの輻射が最大となる向きが、地中方向となるようにタイヤ１内にアンテナ３を配置する。

本実施形態のアンテナ３は、地中探査部５が１つのアンテナ３を高速に切り替えることで、送信アンテナと受信アンテナを兼用する。なお、本実施形態のアンテナ３は、レーダ波を送受信するが、アンテナ３は、レーダ波の送信のみを行う送信アンテナであってもよい。この場合、地中探査レーダ装置は、レーダ波の反射波を受信する受信アンテナを別に備えていてもよい。また、アンテナ３に使用するアンテナは、低指向性アンテナおよび高指向性アンテナのどちらを用いてもよい。

本実施形態では、例えばポリエチレン、テフロンなどの電波透過性の樹脂２をタイヤ１に充填する。樹脂２には、自由空間の誘電率（すなわち比誘電率＝1）よりも、地中の誘電率に近い誘電率を有する樹脂を用いる。具体的には、樹脂２の誘電率と地中の誘電率との差（乖離）が、自由空間の誘電率と地中の誘電率との差よりも小さくなる樹脂２を用いる。また、樹脂２に、一般的な地中と同程度の誘電率を有する樹脂を用いることが好ましい。一般的な地中の誘電率は、例えば、約10～15である。

これにより、アンテナ３から放射されたレーダ波が、タイヤ１内の樹脂２を伝播して地表面に到達するため、タイヤ１と地表面との境界で生じる反射波は、自由空間を伝播する場合よりも低減され、より多くのエネルギー（強度）が維持されたレーダ波を地中に入射できる。

図２は、地中探査部５の構成を示す構成図である。地中探査部５は、アンテナ３を用いて、レーダ波を地中に向けて放射し、レーダ波が地中埋設物に衝突した際に生じる反射波を受信することで、地中埋設物の埋設位置を特定する。地中探査部５は、タイヤ１に配置されたアンテナ３と、ケーブルなどで接続されている。

図示する地中探査部５は、制御部５１と、送信回路５２と、受信回路５３とを備える。制御部５１は、タイヤ１のアンテナ面１１が地面に接触したことを検知すると、送信回路５２を介してアンテナ３にレーダ波の照射を指示する。このとき、制御部５１は、アンテナ３の切替スイッチを、送信回路５２側に切り替え、送信回路５２とアンテナ３とを接続している。

その後、制御部５１は、アンテナ３の切替スイッチを、受信回路５３側に切り替え、受信回路５３とアンテナ３とを接続し、アンテナ３が受信した反射波を用いて地中埋設物の埋設位置を特定する。

制御部５１がアンテナ面１１の接地を検知する方法として、例えば、タイヤ１の車軸回転と連動してタイヤ１の接地面の向き（角度）を検知するセンサをタイヤ１の車軸に設置する。この場合、制御部５１は、センサからタイヤ１の接地面の向きを受信し、接地面の向きがアンテナ面１１と一致する場合、タイヤ１のアンテナ面１１が地面に接触したと判定し、レーダ波の照射をアンテナ３に指示する。

また、制御部５１は、タイヤ１のアンテナ面１１に、レーダ波に干渉しない仕組みの感圧センサを設置してもよい。この場合、制御部５１は、感圧センサから所定の閾値を超える圧力を受信すると、タイヤ１のアンテナ面１１が地面に接地したと判定し、レーダ波の照射をアンテナ３に指示する。

送信回路５２は、例えば、図示しないパルス発生器、増幅器、フィルタなどを備える。パルス発生器は、制御部５１からの指示に基づいて送信パルス波を発生する。送信パルス波は、増幅器で増幅され、フィルタで周波数調整されてアンテナ３に入力される。これにより、アンテナ３はレーダ波を地中に向けて放射する。

受信回路５３は、例えば、図示しないサンプリング回路、増幅器、フィルタなどを備える。アンテナ３が受信したレーダ波（反射波）は、フィルタで周波数調整され、増幅器で増幅され、サンプリング回路でＡ／Ｄ変換されて制御部５１に入力される。

以上説明した第１の実施形態のタイヤ１（アンテナ内蔵タイヤ）は、内部に電波透過性の樹脂２が充填され、電波透過性の樹脂２内に配置されたアンテナ３を備え、アンテナ３は、当該アンテナ３の輻射面３１に対向するタイヤのアンテナ面１１が地面と接触すると、レーダ波を送信する。

本実施形態では、アンテナ３から放射されたレーダ波は、タイヤ１内の樹脂２を伝播して地表面に入射される。これにより、タイヤ１と地表面との境界で生じる反射波は、自由空間を伝播して地中に入射される場合より低減されるため、より多くのエネルギー（強度）を有するレーダ波を地中に入射することができる。したがって、本実施形態の地中探査レーダ装置では、より高感度な地中埋設物探査が可能となる。

図３および図４は、地面との境界面で生じる反射波のレーダ受信波形と、地中埋設物からの反射波のレーダ受信波形とを示すグラフである。図３は、アンテナが図１の地中探査部５またはフレーム６に搭載された比較例のレーダ受信波形を示すグラフである。この場合、アンテナが放射するレーダ波は、自由空間を伝播して地中に入射される。自由空間中の空気の比誘電率と、地中の比誘電率には大きな差異があることから、アンテナから放射されたレーダ波の多くが地表面の境界において反射され、レーダ波のエネルギー的な損失が生じる。すなわち、地面との境界面で、不要な大きなエネルギーの反射波８１が生じてしまう。そのため、地中に入射されるレーダ波のエネルギーが減少し、地中埋設物からの反射波８２のエネルギーも減少し、レーダの感度（探査能力）が低下する。

図４は、本実施形態の反射波のレーダ受信波形を示すグラフである。本実施形態のアンテナ３から放射されたレーダ波は、タイヤ１内の樹脂２を伝播して地表面に入射される。これにより、地面との境界面で発生する不要な反射波９１のエネルギーが減少し、図３に示す比較例よりも地中に入射されるレーダ波のエネルギーが増加する。地中に入射されるレーダ波のエネルギーが増加することで、地中埋設物からの反射波９２のエネルギーも増加し、レーダの感度を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを示す図である。本実施形態のタイヤ１Ａは、図１に示すような地中探査レーダ装置に用いられる。

図示するタイヤ１Ａは、図１に示すタイヤ１に、金属製のスポーク４を備える。スポーク４は、タイヤ１Ａのハブ（中心）とリム（外周部分）とを繋げている棒である。

本実施形態のタイヤ１Ａは、金属製のスポーク４を備えることで、タイヤ１Ａの剛性を向上するとともに、アンテナ３が放射するレーダ波がタイヤ１Ａ内部へ伝播することを防ぐことができる。これにより、地中に入射されるレーダ波のエネルギーを増加させることができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを示す図である。本実施形態のタイヤ１Ｂは、図１に示すような地中探査レーダ装置に用いられる、
本実施形態のタイヤ１Ｃには、２つの種類の樹脂が充填される。すなわち、タイヤ１Ｃ内部の外側には電波透過性の樹脂２が充填され、タイヤ１Ｃ内部の内側には電波吸収性の樹脂２１が充填される。第１の実施形態と同様のアンテナ３は、電波透過性の樹脂２と、電波吸収性の樹脂２１の境界、または、電波透過性の樹脂２内に配置される。電波吸収性の樹脂２１は、例えば、カーボン粉末やフェライト粉末を含有させたゴム、発泡ウレタン、エポキシ樹脂などである。電波透過性の樹脂２は、例えばポリエチレン、テフロンなどである。

これにより、本実施形態では、タイヤ内部（中心）方向へのレーダ波を減衰させることができる。タイヤ内部方向へのレーダ波は、地中に伝播しない、ノイズの原因となる不要なレーダ波であるため、減衰させてノイズの影響を低減させる。なお、図示するタイヤ１Ｃは、第２の実施形態のスポーク４を備えるが、スポーク４を備えなくてもよい。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを示す図である。本実施形態のタイヤ１Ｃは、図１に示すような地中探査レーダ装置に用いられる。

本実施形態のタイヤ１Ｃは、複数のアンテナ３を備える。図示する例では、タイヤ１Ｄは、４つのアンテナを備えるが、アンテナの数はこれに限定されない。アンテナ３は、図１に示すアンテナ３と同様である。

図１に示すように１つのタイヤに１つのアンテナを内蔵した場合、タイヤ１が１回転する度に１回のレーダ波しか照射できない。これに対し、１つのタイヤ１Ｃに複数のアンテナ３を内蔵する場合、各アンテナ３のアンテナ面１１が地面と接する度に、レーダ波が送受信される。このため、タイヤ１Ｃが１回転する間に、複数回の反射波が地中探査部５の制御部５１に入力され、探査ピッチが増加される。これにより、制御部５１は、レーダの解像度を向上することができる。

なお、図示するタイヤ１Ｃは、第２の実施形態のスポーク４を備え、第３の実施形態の２種類の樹脂２、２１が充填されている。しかしながら、本実施形態のタイヤ１Ｃは、スポーク４を備えなくてもよく、あるいは、電波透過性の樹脂２のみが充填されていてもよい。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを示す図である。本実施形態のタイヤ１Ｄ、１Ｆは、図１に示すような地中探査レーダ装置に用いられる。

本実施形態のタイヤは、送信用タイヤ１Ｄと、受信用タイヤ１Ｆとを備え、これらのタイヤ１Ｄ、１Ｆは、隣接して並列に配置されて、地中探査レーダ装置に装着される。送信用タイヤ１Ｄは、電波透過性の樹脂２内に配置された送信アンテナ３Ｄを備える。送信アンテナ３Ｄは、当該送信アンテナ３Ｄの輻射面３１に対向する送信用タイヤ１Ｄのアンテナ面１１が地面と接触すると、レーダ波を送信する。受信用タイヤ１Ｆは、電波透過性の樹脂２内に配置された受信アンテナ３Ｆを備える。受信アンテナ３Ｆは、当該受信アンテナ３Ｆの輻射面３１に対向する受信用タイヤ１Ｆのアンテナ面１１が地面と接触すると、送信アンテナ３Ｄが送信したレーダ波の反射波を受信する。

なお、送信用タイヤ１Ｄのアンテナ面１１と、受信用タイヤ１Ｆのアンテナ面１１とは同じタイミングで地面に接触するように設定する。例えば、送信用タイヤ１Ｄと、受信用タイヤ１Ｆとを、同一の車軸に固定させて、並列に隣接して配置することで、これらのタイヤ１Ｄ、１Ｆのアンテナ面１１を同時に設置させることができる。これにより、送信アンテナ３Ｄが送信したレーダ波の反射波を受信アンテナ３Ｆが受信することができる。

第１から第４の実施形態のアンテナ３のように、１つのアンテナ３で送信と受信を兼用する場合、制御部５１での高速な切り替え処理が発生する。具体的には、制御部５１は、アンテナ３の接続先を送信回路５２または受信回路５３に高速に切り替える必要がある。

これに対し、本実施形態では、送信アンテナ３Ｄと受信アンテナ３Ｆを備えることで、制御部５１による高速な切り替え処理が不要となる。すなわち、本実施形態の地中探査部は、図２に示す地中探査部５と、アンテナの切り替えスイッチを備えず、送信回路５２に送信用タイヤ１Ｄの送信アンテナ３Ｄが接続され、受信回路５３に受信用タイヤ１Ｆの受信アンテナ３Ｆが接続される点において異なる。

なお、本実施形態の送信用タイヤ１Ｄおよび受信用タイヤ１Ｆを、第１から第４のいずれのタイヤ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに適用してもよい。

（ハードウェア構成）
上記説明した制御部５１は、例えば、図９に示すような汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。図示するコンピュータシステムは、CPU（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：Hard Disk Drive、SSD：Solid State Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える。メモリ９０２およびストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、CPU９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、制御部５１の各機能が実現される。

また、制御部５１は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また、制御部５１は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。制御部５１用のプログラムは、HDD、SSD、USB（Universal Serial Bus）メモリ、CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。

なお、本発明は上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態から第５の実施形態のアンテナ内蔵タイヤを、任意に組み合わせてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：アンテナ内蔵タイヤ
１Ｄ：送信用アンテナ内蔵タイヤ
１Ｆ：受信用アンテナ内蔵タイヤ
２：電波透過性の樹脂
２１：電波吸収性の樹脂
３：アンテナ
３Ｄ：送信アンテナ
３Ｆ：受信アンテナ
４：スポーク

Claims

アンテナが内蔵されたタイヤであって、
内部に電波透過性の樹脂が充填され、
前記電波透過性の樹脂内に配置されたアンテナを備え、
前記アンテナは、当該アンテナの輻射面に対向するタイヤのアンテナ面が地面と接触すると、レーダ波を送信する
アンテナ内蔵タイヤ。
前記アンテナは、前記アンテナ面が地面と接触すると、前記レーダ波の反射波を受信する
請求項１記載のアンテナ内蔵タイヤ。
前記タイヤは、金属製のスポークを備える
請求項１または２記載のアンテナ内蔵タイヤ。
前記タイヤ内部の外側には前記電波透過性の樹脂が充填され、前記タイヤ内部の内側には電波吸収性の樹脂が充填され、
前記アンテナは、前記電波透過性の樹脂と前記電波吸収性の樹脂の境界、または、前記電波透過性の樹脂内に配置される
請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ内蔵タイヤ。
複数の前記アンテナを備え、
前記アンテナの各々は、当該アンテナの輻射面に対向するタイヤのアンテナ面が地面と接触すると、レーダ波を送信する
請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ内蔵タイヤ。
前記タイヤは、地中探査レーダ装置に用いられる
請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ内蔵タイヤ。
送信用タイヤと受信用タイヤとを備えるアンテナ内蔵タイヤであって、
前記送信用タイヤおよび前記受信用タイヤは、隣接して並列に配置され、内部に電波透過性の樹脂が充填され、
前記送信用タイヤは、
前記電波透過性の樹脂内に配置された送信アンテナを備え、
前記送信アンテナは、当該送信アンテナの輻射面に対向する前記送信用タイヤのアンテナ面が地面と接触すると、レーダ波を送信し、
前記受信用タイヤは、
前記電波透過性の樹脂内に配置された受信アンテナを備え、
前記受信アンテナは、当該受信アンテナの輻射面に対向する前記受信用タイヤのアンテナ面が地面と接触すると、前記レーダ波の反射波を受信する
アンテナ内蔵タイヤ。