JPWO2015122157A1 - 流量計測装置および無線通信装置 - Google Patents

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Abstract

流量計測装置(100)であって、導電性材料で形成され、被計量物の流量を検出するセンサを収容するように構成された金属ハウジング(101)と、長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体(204)と、短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体(205)とを備えている。また、長距離無線用放射導体(204)および短距離無線用放射導体(205)に電気的に接続するRF回路基板(203)と、長距離無線用放射導体(204)、短距離無線用放射導体(205)およびRF回路基板(203)を収容する樹脂筐体(201)とを備えている。さらに、長距離無線用放射導体(204)を支持する、RF回路基板(203)に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体と、短距離無線用放射導体(205)を支持する、RF回路基板(203)に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体とを備えている。

Description

本発明は、被計量物の流量を計測する流量計測装置、および、流量計測装置に接続される無線通信装置に関する。
近年、家屋等の建造物に設置された流量計測装置によって、ガス、電気、または水道等の使用量を計測し、計測したデータを無線通信によって収集する自動検針システムが導入されている。このような自動検針システムにおいては、設置しやすさ等の観点から、流量計測装置の小型化が求められている。
このような流量計測装置(例えばガスメータ)に、無線通信装置が内蔵されたものが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
特許文献1に記載の無線通信装置には、基板実装型の板状アンテナが内蔵されている。そして、無線通信装置は、この板状アンテナを用いて、流量計測装置により計測された検針値を、数メートルから数十メートル離れた無線親機へ送信する。
また、上記とは異なる自動検針システムとして、RFID(Radio Frequency Identification)を活用するものがある。流量計測装置に接続された無線通信装置と、ハンディターミナルとが近接すると、無線通信装置側に誘導起電力が発生する。この誘導起電力により、ハンディターミナルは、流量計測装置に対し、検針値および管理情報の読み出し、ならびに書き込みを行うことが可能となる(例えば、特許文献2を参照)。
上述のように、自動検針システムとしては、数メートルから数十メートル離れた無線親機に検針値および管理情報を送信する通信形態と、誘導起電力を活用して、近距離内にあるハンディターミナルへ検針値および管理情報を送信する通信形態とが知られている。しかしながら、これら両方の通信形態を兼ね備えたシステムを実現するための技術的解決手段は知られていない。
特開平10−313212号公報 特開2003−323686号公報
本発明は、上述した問題を解決するためになされるものであり、長距離無線通信および近距離無線通信に対応できる無線通信装置を実現するものである。
本発明の流量検出装置は、導電性材料で形成され、被計量物の流量を検出するセンサを収容するように構成された金属ハウジングと、長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体と、短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体とを備えている。また、長距離無線用放射導体および短距離無線用放射導体に電気的に接続するRF回路基板と、金属ハウジング上に配置され、長距離無線用放射導体、短距離無線用放射導体およびRF回路基板を収容する樹脂筐体とを備えている。さらに、長距離無線用放射導体を支持する、RF回路基板に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体と、短距離無線用放射導体を支持する、RF回路基板に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体とを備えている。
また、本発明の無線通信装置は、長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体と、短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体と、長距離無線用放射導体および短距離無線用放射導体に電気的に接続するRF回路基板とを備えている。また、長距離無線用放射導体、短距離無線用放射導体およびRF回路基板を収容する樹脂筐体を備えている。さらに、長距離無線用放射導体を支持する、RF回路基板に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体と、短距離無線用放射導体を支持する、RF回路基板に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体とを備えている。
このような構成により、近距離無線および長距離無線の通信特性を低下させない無線通信装置および流量計測装置を実現することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る流量計測装置の構成を示す正面から見た図である。 図2は、本発明の実施の形態に係る流量計測装置の構成を示す側面から見た図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図1は、実施の形態に係る流量計測装置100の構成を示す正面から見た図である。また、図2は、同流量計測装置100の構成を示す側面から見た図である。
流量計測装置100は、例えば、ガス、水道水および電気等のうち、いずれかの被計量物を計測するものである。流量計測装置100の正面には、無線通信装置200が備え付けられている。
金属ハウジング101は、実質的な直方体形状(直方体形状を含む)に形成され、導電性材料で形成されている。導電性材料としては、例えば、アルミニウムおよびステンレス等から選択される金属、ならびに導電性樹脂等が挙げられる。
無線通信装置200は、樹脂筐体201により形成されている。そして、樹脂筐体201内には、メータコントローラ基板202、RF回路基板203、長距離無線用放射導体204、短距離無線用放射導体205、基板間接続ケーブル206、長距離無線用支持体207、短距離無線用支持体208、およびRF回路基板用接続ケーブル209が収納されている。
樹脂筐体201は、金属ハウジング101の正面側の壁面上に配されており、非導電性材料で形成されている。非導電性材料としては、例えば、ポリプロピレンおよびABS等から選択される、電気絶縁性を有する樹脂が挙げられる。樹脂筐体201は、上下方向の寸法および左右方向の寸法に比べて、前後方向の厚み寸法の小さい、直方体形状に形成されている。
メータコントローラ基板202は、プログラムが実装された集積回路を備えている。集積回路は、検知信号に基づいて、伝送すべき信号を生成する信号生成回路を含んでいる。集積回路がプログラムに基づいて動作することにより、検出値に基づいて、ガスおよび水道水等から選択される被計測物の流量が取得される。ここで、本発明は、計測値の取得方法を特に限定するものではない。例えば、計量対象がガスであれば、膜式および超音波式等から選択される、公知の何れの方法を採用してもよい。採用された計量方法に基づいて、計量値を算出するのに必要なプログラムが集積回路に実装されていればよい。
RF回路基板203は、長距離無線送信回路、長距離無線受信回路、短距離無線送信回路、短距離無線受信回路、長距離無線用放射導体204、短距離無線用放射導体205、整合回路、および、集積回路が基板に搭載された構成となっている。長距離無線送信回路は、無線通信により無線親機へデータを送信するための回路である。長距離無線受信回路は、無線通信により親機から受信されたデータを処理するための回路である。短距離無線送信回路は、近距離無線通信によりハンディターミナルへデータを送信するための回路である。短距離無線受信回路は、近距離無線通信によりハンディターミナルから受信されたデータを処理するための回路である。
整合回路は、長距離無線送信回路、長距離無線受信回路、短距離無線送信回路、および短距離無線受信回路を整合させるための回路である。集積回路は、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205と電気的に接続され、かつ、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205に高周波信号を供給する給電回路を含む回路である。
RF回路基板203とメータコントローラ基板202とは、基板間接続ケーブル206によって電気的に接続されている。さらに、RF回路基板203は、基板平面に対して垂直に伸びる長距離無線用支持体207を介して、長距離無線用放射導体204と電気的に接続されている。また、RF回路基板203は、基板平面に対して垂直に伸びる短距離無線用支持体208を介して、短距離無線用放射導体205と電気的に接続されている。そして、メータコントローラ基板202上の集積回路は、計測されたデータに応じて、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205に電位を付与することにより、計測されたデータを示す高周波信号を発信させる。
長距離無線用放射導体204は、長距離無線送信回路にて変調された高周波信号を電波として放射したり、外部からの電波(高周波信号)を受信して、これを復調する長距離無線受信回路に受け渡す。また、短距離無線用放射導体205は、短距離無線送信回路にて変調された高周波信号を電波として放射したり、外部からの電波(高周波信号)を受信して、これを復調する短距離無線受信回路に受け渡す。
長距離無線用放射導体204は、長距離無線用支持体207を介してRF回路基板203と接続され、短距離無線用放射導体205は、短距離無線用支持体208を介してRF回路基板203と接続されている。そして、長距離無線用支持体207は、短距離無線用支持体208よりも短く構成されているため、長距離無線用放射導体204と比較して、短距離無線用放射導体205の方がより前面(RF回路基板203から離れた位置、かつ、樹脂筐体201の前面に近い位置)に位置することになる。このような構成により、長距離無線用放射導体204を、RF回路基板203から離すことができるとともに、樹脂筐体201および金属ハウジング101からも適度な距離を保つことが可能となる。これにより、樹脂筐体201の内部にある金属物、および金属ハウジング101による通信への影響を抑えることができる。一方で、短距離無線用放射導体205は樹脂筐体201の前面付近に位置するので、数センチメートルの範囲内でハンディターミナルとの通信を良好に行うことができる。
長距離無線用放射導体204は、折り返しダイポールアンテナの構造を有している。短距離無線用放射導体205は、ループアンテナの構造を有している。
また、RF回路基板203は、RF回路基板用接続ケーブル209を介して、グラウンドに相当する金属ハウジング101と電気的に接続されている。本実施の形態によれば、RF回路基板203側の部分のうち、金属ハウジング101とRF回路基板203とがRF回路基板用接続ケーブル209によって電気的に接続されている部分と、長距離無線用支持体207が接続されている部分とをできるだけ近くすることができる。これにより、金属ハウジング101をアンテナグランドとして最大限に活用することが可能となり、アンテナ特性を改善する効果を最大限に得ることができる。
ここで、近距離通信と長距離通信とを実現する際の課題について説明する。両方の通信形態を実現するためには、流量計測装置100に取り付けられる無線通信装置200に、検針値等のデータを無線親機へ送信する長距離無線通信回路、および、ハンディターミナルに対して必要な情報通信を行う近距離無線通信回路の2つの無線回路を搭載する必要がある。
しかしながら、無線通信装置200を長距離無線通信と近距離無線通信とに対応させるためには、いくつかの考慮すべき問題がある。
問題の1つは、長距離無線通信回路と近距離無線通信回路とを実装するスペースには限りがある中で、近距離無線通信回路を実装する基板の占める割合が大きくなる傾向があることである。
近距離無線通信においては、誘導起電力がなるべく多く発生するように、アンテナをループ形状とし、そのループ面積をなるべく広くする必要がある。さらに、このアンテナには、マッチングに必要な高周波整合回路、および、メイン基板と有線信号ラインで接続するためのコネクタを実装する必要がある。よって、マッチング回路の面積分、および、コネクタを実装する面積分のために、近距離無線通信回路を実装する基板の形状が大きくなってしまう。これに伴い、長距離無線用のアンテナの設置面積は小さくならざるを得ない。
また別の問題は、長距離無線通信回路および近距離無線通信回路の実装スペースには限りがある一方で、長距離無線通信回路を実装する基板と、近距離無線通信回路を実装する基板とは、容易に1つの基板に統合できないことである。
169MHz帯、400MHz帯、および800MHz帯等の周波数帯により実現される、数メートルから数十メートルの距離を通信する長距離無線通信用アンテナは、長距離無線通信回路を実装する基板、または金属製の流量計測装置100が近くにあると通信特性が低下する。このため、アンテナを、なるべく流量計測装置100および長距離無線通信回路を実装する基板(RF回路基板203)から離して配置する必要がある。上述した特許文献1においては、長距離無線通信回路を実装する基板は、流量計測装置に近い位置に設置され、長距離無線通信用のアンテナは、基板から垂直に立ち上がり、基板が内蔵された無線通信装置のケース内側に折れ曲がるように設置されている。
一方で、NFC(Near Field Communication)により実現される、数センチメートル範囲の近距離通信用のアンテナは、通常基板表面に形成される。
ここで、長距離無線通信回路を実装する基板と、近距離無線通信回路を実装する基板とを1つの基板に統合しようとすると、流量計測装置100に近い位置に設置された長距離無線通信回路を実装する基板の表面上に、近距離通信用のアンテナを形成することになる。しかしながら、こうした構成では、近距離通信用のアンテナが無線通信装置200のケースの奥方に覆われてしまうので、近距離通信用のアンテナとハンディターミナルとを数センチメートルといった距離で近接させることができなくなってしまう。
また、流量計測装置100が、ガスメータ用、水道メータ用、および電気メータ用から選択される用途を有する場合には、無線通信装置200の筐体の大きさをあまり大きくすることができない。この場合は、小型化できるλ/4(λ=1波長)のモノポールアンテナを使用することもある。
この長距離無線用放射導体204は、周波数が169MHzの場合には、λ/4は、45cm程度になる。これに対して、樹脂筐体201の樹脂ケースは10cm×20cm程度の大きさであり、長距離無線用放射導体204を、λ/4の大きさでケース内に実現しようとすると、ケース一杯にアンテナを広げる必要がある。
これに対して、短距離無線用放射導体205は、13.65MHzの周波数を用いて、例えばNFC(Near Field Communication)規格により、数センチメートル範囲内の無線通信が実現される。短距離無線回路は、通常無通電状態であり、アンテナで電流を励起することで誘導起電力を発生させる必要があり、アンテナはある程度の大きさが必要になる。アンテナは、通常、7cm×4cm程度の大きさが必要である。そして、この短距離無線用放射導体205は通常基板上に形成されるが、このとき、前述したように、基板上には少なくともアンテナ整合回路と基板間結合用コネクタとを実装する必要があるので、基板面積が大きくなってしまうという課題がある。
この課題を解決するために、本実施の形態では、短距離無線用放射導体205を自立型線状アンテナによって実現している。これにより、基板上に必要であった基板信号専用コネクタを不要にし、かつ、アンテナ整合回路をメイン基板上に実装することで、整合回路分の面積も削減できる。
また、長距離無線用放射導体204と短距離無線用放射導体205それぞれは、支持体によって、RF回路基板203を基準として、異なる高さに配置されている。これによって、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205のアンテナエレメントにより形成されるループ形状のループ面積を、最大限に大きく配置することができる。また、基板上にアンテナを形成した場合と比べて、きわめて低コストでアンテナを実現することができる。
なお、本実施の形態においては、長距離無線用放射導体204、および短距離無線用放射導体205としては、線状アンテナの放射導体が用いられている。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、放射導体は、これ以外の板状の導体素子でも構成され得る。なお、線状の導体素子としては、例えば、ループアンテナおよびメアンダラインアンテナ等が挙げられる。
なお、長距離無線用放射導体204および長距離無線用支持体207は、別体で構成されても、一体で構成されていてもよい。長距離無線用放射導体204および長距離無線用支持体207が別体で構成される場合には、同じ素材であっても異なる素材であってもよい。同様に、短距離無線用放射導体205および短距離無線用支持体208は、別体で構成されても、一体で構成されてもよい。そして、短距離無線用放射導体205および短距離無線用支持体208が別体で構成される場合には、同じ素材であっても異なる素材であってもよい。
また、本実施の形態では、長距離無線用放射導体204、および短距離無線用放射導体205に線状の導体素子が用いられているが、前述したように、放射導体はこれ以外の導体素子で構成され得る。例えば、板状逆Fアンテナ、線状逆Lアンテナ、および、板状のダイポールアンテナ等から選択される、平面状の導体素子が放射導体として用いられてもよい。
なお、上述の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明は実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなくその構造および機能の少なくともいずれかの詳細を実質的に変更することができる。
さらに、上述の説明では、無線通信装置200は、流量計測装置100に一体的に取り付けられている構成を用いて説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、導電性材料で形成された金属ハウジングを備えた流量計測装置とは別体に無線通信装置200が構成され、流量計測装置に取り付けられている構成であってもよい。
以上述べたように、本実施の形態の流量計測装置100は、導電性材料で形成され、被計量物の流量を検出するセンサを収容するように構成された金属ハウジング101と、長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体204と、短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体205とを備えている。また、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205に電気的に接続するRF回路基板203と、金属ハウジング101上に配置され、長距離無線用放射導体204、短距離無線用放射導体205およびRF回路基板203を収容する樹脂筐体201と、を備えている。さらに、長距離無線用放射導体204を支持する、RF回路基板203に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体207と、短距離無線用放射導体205を支持する、RF回路基板203に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体208とを備えている。
これような構成によれば、低コストで、近距離無線の通信可能距離の確保と、長距離無線のアンテナの通信距離の確保を両立することが可能となる。
また、長距離無線用放射導体204は、折り返しダイポールアンテナを用いて、RF回路基板203に対して実質的な平行方向に構成され、短距離無線用放射導体205は、自立型線状アンテナを用いて、RF回路基板203に対して実質的な平行方向に構成されていてもよい。
このような構成により、長距離無線用放射導体204を折り返しダイポールアンテナで実現することで、高いアンテナ利得特性を実現し、これを線状の金属で実現することができる。よって、材料が安価で、製造も安価で実現でき、別途アンテナと基板を接続するためのコネクタや接続ケーブルを準備する必要もなくなる。また、短距離無線用放射導体205を線状の自立型アンテナで実現することにより、ハンディターミナルと短距離無線用放射導体205との距離を短くでき、線状の金属でこのアンテナを実現することができる。このため、材料が安価で、製造も安価で、アンテナ自身で自立ができ、別途アンテナと基板を接続するためのコネクタや接続ケーブルを準備する必要もなくなる。つまり、総合的に安価で、かつ高いアンテナ性能を実現することができる。
また、長距離無線用支持体207により支持される長距離無線用放射導体204と、RF回路基板203との距離は、短距離無線用支持体208により支持される短距離無線用放射導体205と、RF回路基板203との距離よりも短い構成であってもよい。
このような構成によれば、長距離無線用放射導体204は、樹脂筐体201の前面からある程度の距離をとって配置される。ガスメータ等の流量計測装置100は、住宅の外観を損ねないように、前面扉が金属製である収納ボックス内に設置されることがある。この場合、収納ボックスの金属製の前面扉が閉じられていると、前面扉と長距離無線用放射導体204との距離が短くなり、長距離無線通信の通信特性が低下してしまう。上記構成によれば、流量計測装置100が、前面扉が金属製である収納ボックス内に設置された場合であっても、長距離無線通信の通信特性の低下を低減させることができる。
また、長距離無線用放射導体204と短距離無線用放射導体205とは、放射導体の金属同士が影響をできるだけ与えないように、距離を置く必要がある。その一方で、無線通信装置200の大きさの上限から、距離を確保する実装スペースは限られている。そこで、長距離無線用放射導体204と短距離無線用放射導体205それぞれの高さを変えて立体的に設置することにより、同一の高さで設置する場合と比べて、お互いの放射導体間の距離を一定以上確保しつつ、正面から見てそれぞれのループ形状のループ面積を最大限にすることができる。
さらに、長距離通信するための高周波信号電波の周波数は169MHz帯であり、短距離通信するための高周波信号電波の周波数は13.65MHz帯とした構成であってもよい。
この構成によれば、169MHzでアンテナ特性を最大限に得ようとするとき、アンテナの大きさは、1/4波長、つまり約45cmを実現する必要がある。しかしながら、本実施の形態の技術を使用して、できるだけアンテナ長を1/4波長に近づけることで、最大限にアンテナ特性を得ることができる。そして、欧州では、この169MHz帯を使用することで、送信出力を、アンテナ出力で最大500mW出すことが可能になり、長距離無線の伝播距離を最大限にすることができる。
また、この構成を使用することで、短距離通信用のアンテナを無線通信装置の表面ケースの内側ぎりぎりまで近づけることができるので、13.6MHz帯による、数センチメートルでの通信を実現できる。
また、本実施の形態の無線通信装置200は、長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体204と、短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体205と、長距離無線用放射導体204および短距離無線用放射導体205に電気的に接続するRF回路基板203とを備えている。また、長距離無線用放射導体204、短距離無線用放射導体205およびRF回路基板203を収容する樹脂筐体201と、長距離無線用放射導体204を支持する、RF回路基板203に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体207と、短距離無線用放射導体205を支持する、RF回路基板203に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体208とを備えている。
このような構成によれば、低コストで、近距離無線の通信可能距離の確保と、長距離無線のアンテナの通信距離の確保を両立することが可能となる。
以上述べたように、本発明によれば、限られた実装スペースであっても近距離無線通信および長距離無線通信に対応できる、という格別な効果を奏することができる。よって、本発明は、被計量物の流量を計測する流量計測装置、および流量計測装置に接続される無線通信装置等として有用である。
100 流量計測装置
101 金属ハウジング
200 無線通信装置
201 樹脂筐体
202 メータコントローラ基板
203 RF回路基板
204 長距離無線用放射導体
205 短距離無線用放射導体
206 基板間接続ケーブル
207 長距離無線用支持体
208 短距離無線用支持体
209 RF回路基板用接続ケーブル

Claims (5)

  1. 導電性材料で形成され、被計量物の流量を検出するセンサを収容するように構成された金属ハウジングと、
    長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体と、
    短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体と、
    前記長距離無線用放射導体および前記短距離無線用放射導体に電気的に接続するRF回路基板と、
    前記金属ハウジング上に配置され、前記長距離無線用放射導体、前記短距離無線用放射導体および前記RF回路基板を収容する樹脂筐体と、
    前記長距離無線用放射導体を支持する、前記RF回路基板に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体と、
    前記短距離無線用放射導体を支持する、前記RF回路基板に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体とを備えた、
    流量計測装置。
  2. 前記長距離無線用放射導体は、折り返しダイポールアンテナを用いて、前記RF回路基板に対して実質的な平行方向に構成され、
    前記短距離無線用放射導体は、自立型線状アンテナを用いて、前記RF回路基板に対して実質的な平行方向に構成される、
    請求項1に記載の流量計測装置。
  3. 前記長距離無線用支持体により支持される前記長距離無線用放射導体と、前記RF回路基板との距離は、前記短距離無線用支持体により支持される前記短距離無線用放射導体と、前記RF回路基板との距離よりも短い、
    請求項2に記載の流量計測装置。
  4. 前記長距離通信するための前記高周波信号電波の周波数は169MHz帯であり、
    前記短距離通信するための前記高周波信号電波の周波数は13.65MHz帯である、
    請求項3に記載の流量計測装置。
  5. 長距離通信するための高周波信号電波を放射する長距離無線用放射導体と、
    短距離通信するための高周波信号電波を放射する短距離無線用放射導体と、
    前記長距離無線用放射導体および短距離無線用放射導体に電気的に接続するRF回路基板と、
    前記長距離無線用放射導体、前記短距離無線用放射導体および前記RF回路基板を収容する樹脂筐体と、
    前記長距離無線用放射導体を支持する、前記RF回路基板に対して垂直方向に伸びる長距離無線用支持体と、
    前記短距離無線用放射導体を支持する、前記RF回路基板に対して垂直方向に伸びる短距離無線用支持体とを備えた、
    無線通信装置。
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