JP7401829B2 - 複合部材および構造物 - Google Patents
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Description
本開示は、複合部材および構造物に関する。
電磁的に遮蔽された空間と外部との無線通信を実現するためには、当該空間の外へアンテナを張出す方法がある。また、当該空間が地中に埋設されたマンホール等であり、その上を車両または人が通過する場合、マンホールの蓋等の金属製部材の製造時に凹部を形成し、送受信装置を埋め込む方法がある（例えば、非特許文献１参照）。
"管きょリアルタイム監視用 マンホールアンテナ"、［online］、［令和2年11月2日検索］、インターネット〈URL：https://www.meidensha.co.jp/catalog/bb/BB524-3291.pdf〉
凹部を形成した蓋に送受信装置を埋め込む方法では、蓋の寸法が送受信装置に制限され、特に小型の蓋への適用は困難である。また、蓋を金属材料で構成する場合は、遮蔽された空間の内外の通信が困難となる。一方、蓋を非金属材料で構成する場合は、車両等の重量物が載荷されることを想定して高強度かつ非脆性の材料を用いることが望ましいが、FRP(Fiber Reinforced Plastics)等を適用するとコストが高くなりがちである。このように、高い強度を有し、併せて構造物の内部と外部との通信を可能にする部材が望まれていた。
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、高い強度を有し、併せて構造物の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することにある。
上述の課題を解決するため、本開示に係る複合部材は、非金属を主材料とする母材と、配線パターンを形成した金属材であって、前記母材中に埋設されて前記母材を補強する金属材と、前記金属材への給電点と、を備える。
また、本開示に係る構造物は、本開示に係る複合部材と、センサで検出した情報を送信する通信部と、前記給電点と前記通信部とを接続する給電線と、を備える。
本開示によれば、高い強度を有し、併せて構造物の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
以下、本開示の実施形態について適宜図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は本開示の構成の例であり、本開示は、以下の実施形態に制限されるものではない。
なお、以下の説明における「上」、「下」とは、図面に描かれた座標軸表示のＺ軸に平行な方向を意味するものとし、「水平」とは、図面に描かれた座標軸表示のＸＹ平面に平行な方向を意味するものとする。
図１、図２Ａ、および図２Ｂを参照して、本開示の実施形態に係る複合部材１の概要を説明する。図１に示すように、複合部材１は、母材１０と、金属材２０とを備える。金属材２０は給電点２１を備える。給電点２１に、給電線５１の一方の端部が接続される。給電線５１の他方の端部は送受信装置５に接続される。このように、給電点２１および給電線５１を介して、複合部材１と送受信装置５とが接続される。
複合部材１は構造物２の扉または蓋の少なくとも一部を構成してもよい。本実施形態では、構造物２は水道管用のメーターボックスである。メーターボックスが地中に埋設される場合、複合部材１は、上面が路面上に露出するように設置される。給電線５１は、複合部材１と、メーターボックスの内部に設けられた送受信装置５とを接続する。給電線５１は具体的には、同軸ケーブルおよびコネクタを含んでよい。
母材１０は、略直方体形状であり、電波減衰の小さい非金属材料から成る。母材１０は、具体的には樹脂、コンクリート、モルタル、ガラス、セラミクス等であり、これらの組み合わせであってもよい。より具体的には、樹脂は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）、アクリル等を含む。母材１０は、以下に説明するように金属材２０が構成するアンテナが用いる周波数に応じて、電波の減衰が少ないものが選択されてよい。母材１０は、路面上を通過する車両等の衝撃を考慮した場合には、非脆性材料である樹脂により構成されることが望ましい。
母材１０にコンクリートまたはモルタルを用いた場合には、金属材２０がアルカリ環境下におかれることになる。この場合、金属材２０には一般的な樹脂塗装を施した場合よりも高い防食性が付与される。このように、母材１０の素材によっては金属材２０に防食性を付与することも可能である。
金属材２０は、母材１０の中に埋設される。金属材２０は具体的には、鉄鋼、金、銀、銅、アルミニウム、およびこれらの２種以上の合金等である。本実施形態では、金属材２０は鉄鋼から成る。金属材２０は、リブ付きの鉄筋の形状をとり、母材１０を補強する。金属材２０は棒状または板状の形状であってよく、縦、横、および高さは適宜調整できる。図１では、金属材２０の長手方向がＹ方向へ沿うように延在しているが、これに限られず、母材１０の形状に合わせてＸ方向へ沿うように延在してもよい。図１では、金属材２０の断面は円形であるが、これに限られず矩形であってもよい。金属材２０の直径は、複合部材１が構造物２の扉または蓋を構成する場合に、複合部材１が所定の耐荷重強度を有するよう設定できる。耐荷重強度は、当該扉または蓋が設置される路面上の場所に応じて決められてよく、例えばＴ－２の耐荷重である。
金属材２０は、任意の配線パターンを形成し、給電点２１を介して給電されることでアンテナを構成する。図１において、金属材２０はダイポールアンテナを構成する。これに限られず、金属材２０が構成するアンテナは、モノポールアンテナ、ループアンテナ、スロットアンテナ、逆Ｆアンテナ、ロンビックアンテナ、パッチアンテナ、アレイアンテナ、マイクロストリップアンテナ等であってもよい。金属材２０の長さ、直径および幅の寸法は使用する帯域幅に応じて自由に決められてよい。このように、金属材２０は、補強材として母材１０を補強すると同時に、アンテナとして複合部材１自体からの電波の送信および複合部材１自体への電波の受信を可能にする。
給電点２１は、複合部材１の外部に露出させることができる。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、給電点２１は母材１０の底面に露出しているが、これに限られず、例えば母材１０に切り欠きを入れ、給電点２１を母材１０の外部に露出させてもよい。給電点２１には給電線５１を接続することができる。具体的には、給電線５１の一方の端部がコネクタを介して接続され、また、給電線５１の他方の端部が、コネクタを介して送受信装置５に接続される。これにより、高周波電力が金属材２０に給電点２１を介して供給され、また、金属材２０から送受信装置５へと送り込まれる。給電線５１は、後から給電点２１に接続されてもよいし、複合部材１の製造時に予め給電点２１に接続されていてもよい。
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、母材１０の中に埋設された金属材２０はモノポールアンテナを構成する。金属材２０はメーターボックスの扉の強度を向上させ、同時に、扉自体からの電波の発信、および扉自体への電波の受信を可能にする。図２Ａに示すように、金属材２０は複合部材１の上面から見て中央部の領域に配置される。
図２Ｂに示すように、メーターボックスの内部において、金属材２０は給電線５１を介して送受信装置５と接続される。これにより、メーターボックスの外部と内部との情報の送受信が、送受信装置５および複合部材１を介して行うことができる。情報とは、例えば水道管Ｐに設けられたセンサ６が計測した、水道管Ｐ内の水の質、圧力、流量についての情報を含む。
なお、メーターボックスの内部のセンサ６はスマートメーターであってもよい。スマートメーターによる検針の詳細については、例えば下記の文献１に開示されているため、ここでは省略する。
文献１：“東京都水道局 プレス発表”、［online］、［令和2年11月2日検索］、インターネット〈URL：https://www.waterworks.metro.tokyo.jp/press/h31/press200121-01.html〉
文献１：“東京都水道局 プレス発表”、［online］、［令和2年11月2日検索］、インターネット〈URL：https://www.waterworks.metro.tokyo.jp/press/h31/press200121-01.html〉
送受信装置５はセンサ６と有線または無線により接続される。送受信装置５は制御部、および通信部を備える。送受信装置５の制御部は、センサ６が計測した水についての情報を、通信部を介して、センサ６から取得する。制御部は、取得した情報を通信部および給電線５１を介して送信する。このようにして送受信装置５から送信された情報は、複合部材１を介してメーターボックスの外部に送信される。また、送受信装置５は、メーターボックスの外部から情報の取得を要求する信号を受信し、受信した信号に応じて当該情報を取得および送信してもよい。
送受信装置５の制御部は、１つ以上のプロセッサを含む。本実施形態において、「プロセッサ」は、汎用のプロセッサまたは特定の処理に特化した専用のプロセッサであるが、これらに限られない。専用のハードウェアによって構成されてもよいし、汎用のプロセッサ又は特定の処理に特化したプロセッサによって構成されてもよい。制御部は、送受信装置５の各部を制御しながら、送受信装置５全体の動作に関わる処理を実行する。
送受信装置５の通信部は、少なくとも１つの通信用インタフェースを含む。通信用インタフェースは、例えば、Bluetooth（登録商標）などの近距離無線通信に対応したインタフェース、またはＬＡＮインタフェースである。通信部は、送受信装置５の動作に用いられる情報を受信し、また送受信装置５の動作によって得られる情報を送信する。
本実施形態では、複合部材１は構造物２としての水道管用のメーターボックスの扉を構成するが、これに限られない。複合部材１は例えば、構造物２としての側溝、マンホール、サイロ等の各種貯蔵槽等の蓋を構成してもよい。複合部材１は例えば、構造物２としての倉庫室、電気室、機械室、物置、貨物車または貨物列車の貨物室等の扉を構成してもよい。この場合、構造物２の内部に設けられたセンサ６が計測した情報を送受信装置５が取得し、複合部材１を介して構造物２の外部に送信できる。当該センサ６は温湿度センサ、水位センサ、臭気センサ、腐食センサ、ガスセンサ等の各種センサを含む。
図３は、構造物２としてのメーターボックスの扉に、ダイポールアンテナを構成する金属材２０を適用した場合の指向性を示す。図３から、金属材２０の下方、すなわちメーターボックスの内部の方向へも電波が放射されていることがわかる。メーターボックスの内部の方向へ放射される電波は、反射板を用いて金属材２０の上方へ反射させ、メーターボックスの外部への指向性を高めてもよい。反射板は例えば金属製である。反射板は、図２ＢのＡ－Ａ’線で示すように、複合部材１の底面に設けることができる。
上述のように、本実施形態にかかる複合部材１は、非金属を主材料とする母材１０と、配線パターンを形成した金属材であって、母材１０中に埋設されて母材１０を補強する金属材２０と、金属材２０への給電点２１と、を備える。
本実施形態によれば、複合部材１中の金属材２０が補強効果とアンテナ機能とを同時に実現することができる。金属材２０が母材１０中で鉄筋として機能することにより、金属製品に相当する強度を低コストで実現できる。また、母材１０は一般的な材料である樹脂等を用いることでコストを抑制することができる。よって複合部材１により、高い強度を有し、併せて構造物２の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
上述のように、本実施形態にかかる複合部材１では、配線パターンの形状により、金属材２０がアンテナを構成する。
本実施形態によれば、金属材２０の配線パターンを検討し、金属材２０が構成するアンテナの指向性を自由に設計することができる。金属材２０と送受信装置５とが接続され、複合部材１から直接、減衰のない電波発信を実現できる。また、送受信装置５とアンテナとが分離されることで、構造物２の蓋または扉の小型化が実現できる。よって複合部材１により、高い強度を有し、併せて構造物２の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
上述のように、本実施形態にかかる複合部材１では、母材１０は、樹脂、コンクリート、モルタル、ガラス、セラミクス、またはこれらの組み合わせからなる。
本実施形態によれば、非脆性材料であり、かつ安価である樹脂等の材料を母材１０として用いて複合部材１を提供できる。よって複合部材１により、高い強度を有し、併せて構造物２の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
上述のように、母材１０が、コンクリートまたはモルタルである場合には、金属材２０は、母材１０により防食性を付与され、母材１０中の金属材２０に防食被膜を付与することができる。金属材２０に樹脂塗装を施した場合と比較し、金属材２０がより高い防食性を確保してアンテナを構成できる。よって複合部材１により、高い強度を有し、併せて構造物２の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
上述のように、本実施形態にかかる複合部材１では、給電点２１は、母材１０の外部に露出している。このため、給電点２１への給電線５１の接続を容易に行うことができる。これにより給電線５１が劣化した場合等も、交換の作業を素早く行うことができ、複合部材１を介した通信を安定的に保つことができる。よって複合部材１により、高い強度を有し、併せて構造物２の内部と外部との通信を可能にする部材を提供することができる。
上述のように、本実施形態にかかる構造物２は、本実施形態にかかる複合部材１と、センサ６で検出した情報を送信する通信部と、給電点２１と通信部とを接続する給電線５１と、を備える。
本実施形態によれば、構造物２の内部でセンサ６が検出した情報を、送受信装置５が、複合部材１と給電線５１とを介して構造物２の外部に送信できる。アンテナ機能を有する複合部材１と、通信部を有する送受信装置５とが給電線５１で接続されることにより、構造物２の内部と外部とのより確実な通信が可能となる。
上述のように、本実施形態にかかる構造物２では、複合部材１は、構造物２の扉または蓋の少なくとも一部を構成する。
本実施形態によれば、構造物２の内部と外部との境界に複合部材１が配置される。複合部材１自体がアンテナ機能を実現することで、構造物２の内部と外部との安定的な通信が実現できる。
上述のように、本実施形態にかかる構造物２は、メーターボックスである。この場合、メーターボックスの内部のセンサ６が検出した情報を送受信装置５および複合部材１を介して外部に送信できる。メーターボックスの外部から情報を適宜取得できることで、人手による確認が不要となり、効率化を図ることができる。
本開示を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。
本開示の変形例として、複合部材１の母材１０が異なる材料の組み合わせであってもよい。例えば、母材１０の一部をアクリル等の樹脂で構成し、他の部分をコンクリートで構成してもよい。
本変形例によれば、母材１０のうち、アクリル等の樹脂で構成した部分が電波を透過しやすくし、コンクリートで構成した部分が金属材２０の防食性を高める。このように、母材１０の設計の自由度を高めることで、複合部材１の強度を高め、併せて効率的な通信を実現できる。
１ 複合部材
２ 構造物
５ 送受信装置
６ センサ
１０ 母材
２０ 金属材
２１ 給電点
５１ 給電線
２ 構造物
５ 送受信装置
６ センサ
１０ 母材
２０ 金属材
２１ 給電点
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Claims (8)
- 非金属を主材料とする母材と、
配線パターンを形成した金属材であって、前記母材中に埋設されて前記母材を補強する金属材と、
前記金属材への給電点と、
を備える複合部材。 - 前記配線パターンの形状により、前記金属材がアンテナを構成する、請求項１に記載の複合部材。
- 前記母材は、樹脂、コンクリート、モルタル、ガラス、セラミクス、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１または２に記載の複合部材。
- 前記母材は、コンクリートまたはモルタルであり、
前記金属材は、前記母材により防食性を付与される、請求項３に記載の複合部材。 - 前記給電点は、前記母材の外部に露出している、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合部材。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の複合部材と、
センサで検出した情報を送信する通信部と、
前記給電点と前記通信部とを接続する給電線と、
を備える構造物。 - 前記複合部材は、前記構造物の扉または蓋の少なくとも一部を構成する、請求項６に記載の構造物。
- 前記構造物は、メーターボックスである、請求項６又は７に記載の構造物。
Applications Claiming Priority (1)
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