JP4943391B2 - 無線中継装置 - Google Patents

Description

本発明は無線中継装置に係り、特に、マンホール蓋の設置箇所において地下に設置された無線機と地上に設置された無線機との間で無線通信する際に用いられるものに関する。

地下（地中）には、上下水道菅、ガス管、電力ケーブル、光ファイバーケーブル等の各種の地下埋設物が敷設されている。これらの地下埋設物は、正常に作動するか否か等の状態が監視されるように構成されている。例えば、特許文献１には、地下埋設物が地中に埋設された消火栓を有する枝管の状態を監視する例が示されている。すなわち、この枝管の先端には、水圧、水質及び流量等を測定する無線式の測定装置が設けられていて、その測定装置のアンテナから送出された測定データを含む電波（信号）が鋳鉄製のマンホール蓋を介して地上に設置された基地局に受信されるように構成されている。したがって、地上側では、マンホール内に作業員が入ることなく地下に敷設された枝管の状態を監視することができる。この特許文献１の鋳鉄製のマンホール蓋は、電気絶縁性部材を介して蓋受け部に接続されるように構成されている。これにより、マンホール蓋は、蓋受け部と同電位にならず、マンホール蓋における電波の遮蔽効果が低減されるので、地下に設置された無線機及び地上に設置された基地局間の無線通信を行うことができる。

鋳鉄製のマンホール蓋を介して地下及び地上間の無線通信を行うことについては、特許文献１以外にも、マンホール蓋そのものをアンテナとして動作させるもの、マンホール蓋に設けられている鍵穴にスロットアンテナを装着してアンテナとして動作させるもの、マンホール蓋の裏面の穴の近傍にアンテナを設置して電磁波を地上に放射して無線接続に利用するもの、マンホールに地上の電波を送受信するアンテナを有する中継器を取り付けるとともに、マンホール内の分岐点に反射板を設置して地上との無線接続に利用するもの等が提案されている。

非特許文献１には、マンホール蓋を利用しない無線中継装置が開示されている。すなわち、ここには、マンホール蓋の周囲に施されたアスファルトあるいはコンクリートの舗装面から電波を通過させて無線通信が行えるように構成された無線中継装置が開示されている。
図６は、この無線中継装置を適用したマンホール部分の概略構成を示す断面図であり、この６図を用いてさらに説明すると、土中２０には、送水管２１が埋設されていて、その送水管２１の一部から枝管２２が分岐して設けられている。そして、その枝管２２には、その枝管２２の上部を取り囲むようにしてコンクリート製で、かつ、内部に十分な空間を有するマンホール２３が埋設されている。このマンホール２３の上部には、鋳鉄製のマンホール蓋２４が設けられている。このマンホール２４は、図６の上部に拡大して示されているように、地表を構成するコンクリート層２５の表面位置と上面位置が一致する鋳鉄製の枠体２４ａと、その枠体２４ａに着脱自在に設けられた鋳鉄製の蓋体２４ｂとから構成されている。

図６中、２６は、マンホール２３内の枝管２２の先端部に設けられた空気弁であって、この空気弁の箇所には、図示しないが、水圧、流速等の各種データを検出するセンサ群が設けられている。そして、これらセンサ群で検出されたデータを含む電波は、マンホール２３内に設けられた地下無線装置２７を介して地上空間に向けて送出されるように構成されている。この地下無線装置２７は、長手方向が蓋体２４ｂの中心部に向けて配置された棒状のλ／４アンテナ２７ａ（λ；波長）と、このλ／４アンテナ２７ａの下部に設けられ、下方の土中２０に向く一次放射を抑えて上方へ向く放射電力を強める反射板２７ｂと、無線装置本体ケース２７ｃと、センサ群で検出されたデータを処理して無線装置本体ケース２７ｃに信号を送出する処理装置２７ｄとから構成されている。

上記地下無線装置２７からは、地表に向けて電波が送出されるが、その送出される電波放射特性は、マンホール２３等の地下埋設構造物の幾何学的構造、λ／４アンテナ２７ａの構造、その配置位置及びその向き、使用する電波の周波数（波長）、土中２０の性質、コンクリート層（アスファルト層）２５等の誘電特性に依存している。そして、コンクリート層２５の表面、すなわち、マンホール蓋２４の周囲の地上の所定位置に地上無線装置（図６では省略されている。）が置かれたときは、地下無線装置２７からの電波を受信することができる。
特開平１１−６１８６７号公報 水品静夫、安達惇、渡辺尚，「マンホール内４３０ＭＨｚアンテナからの放射」，２００７年総合大会講演論文集ＢＳ−５−４，電子情報通信学会，２００７年３月７日，ｐ．Ｓ−３３〜Ｓ−３４

しかしながら、上記特許文献１に示される従来のマンホール蓋を利用した無線中継装置は、マンホール蓋に電気絶縁構造を付加する必要があり、構造が複雑ななる欠点がるとともに、地表側に伝達される無線信号レベルが低いという欠点があった。
また、従来のマンホール蓋を利用した他の無線中継装置においては、マンホール蓋をアンテナとする場合はアンテナのインピーダンスマッチングをとる必要がある等の設計上の問題点を有するとともに、マンホール中蓋を必要とする等の構造が複雑になる欠点がり、マンホール蓋の裏面近傍に給電点及び給電ケーブルを設ける場合はマンホール蓋の開閉によってケーブルを損傷するおそれがあり、マンホール蓋の鍵穴にスロットアンテナを取り付ける場合はマンホール蓋の開閉操作が複雑になるだけでなく、そのスロットアンテナまでの接続ケーブルを必要とするとともに、鍵穴が小さいときは電磁波の遮断による減衰量が大きくなる欠点があり、マンホール蓋に中継器を取り付ける場合はマンホール蓋に穴をあける等の複雑な加工を必要とする欠点があった。
さらに、上記非特許文献１に示されるマンホール蓋を利用しない無線中継装置は、λ／４アンテナ２７ａから放射された電波はマンホール蓋２４で反射され、マンホール２３内の空間に複雑な電磁界分布を作るために複雑な三次元電磁界数値解析を行って放射性特性を予測する必要があるとともに、地表側に伝達される無線信号レベルが低いという欠点があった。

そこで、本発明は、上記欠点を除去するためになされたものであって、その目的は、マンホール蓋の設置箇所においてマンホール蓋を介さずに地下に設置された無線機と地上に設置された無線機との間で無線通信を行えるようにするとともに、地表側に伝達される無線信号レベルを高めることのできる無線中継装置を提供することにある。

本発明に係る無線中継装置は、上記目的を達成するために、マンホール蓋の設置箇所において地下に設置された無線機と地上に設置された無線機との間で無線通信する際に用いられる無線中継装置であって、前記無線機から前記マンホール蓋の裏面側に向けて照射されてくる電波をそのマンホール蓋の周囲の地表の所定位置に向けて反射する反射体を有することを特徴としている。
上記構成からなる無線中継装置において、マンホール蓋の裏面側に向けて照射されてきた電波は、反射体によって反射されてマンホール蓋の周囲の地表の所定位置、すなわちマンホール蓋の周囲の地表の特定位置に向けて照射される。また、その地表の特定位置から地中に向けて電波が照射されたときは、その電波は反射体によって反射されて地下に設置された無線機に受信される。

また、本発明に係る無線中継装置は、反射体には、無線機から照射されてくる電波の反射方向を任意に変更する取付角度調整機構が設けられていることを特徴としている。
上記構成からなる無線中継装置において、反射体は、取付角度調整機構により電波の反射方向を任意に変更でき、電波は所望する方向に向けられる。
さらに、本発明に係る無線中継装置は、反射体の無線機から照射されてくる電波を受ける面形状が扁平に形成されていることを特徴としている。
そして、本発明に係る無線中継装置は、反射体の前記無線機から照射されてくる電波を受ける面形状が凹状を呈していることを特徴としている。
また、本発明に係る無線中継装置は、反射体はグリッドにより構成されていることを特徴としている。
さらに、本発明に係る無線中継装置は、反射体は多孔板等のメッシュにより構成されていることを特徴としている。
そして、本発明に係る無線中継装置は、反射体は金属製からなることを特徴としている。
また、本発明に係る無線中継装置は、反射体は合成樹脂製の基体に電波を反射する材料を被覆して構成されていることを特徴としている。

本発明に係る無線中継装置は、無線機からマンホール蓋の裏面側に向けて照射されてくる電波をそのマンホール蓋の周囲の地表の所定位置、すなわちマンホール蓋の周囲の地表の特定位置に向けて反射する反射体を有しているので、マンホール蓋を介さずに地下に設置された無線機と地上に設置された無線機との間で無線通信を行うことができる。これにより、マンホール蓋の取り扱いが容易になるとともに、マンホール蓋に穴をあける等の複雑な加工を必要とせず、マンホール蓋の堅牢性を損なうこともなく、設計・施工の容易な無線中継装置とすることができる。さらに、反射体により地表の特定位置に向けて照射される電波を集約できるので、地表側に伝達される無線信号レベルを高めることのできることができる。
また、本発明に係る無線中継装置は、反射体に取付角度調整機構が設けられているので、マンホール蓋周囲の地表の特定位置に向けて容易に反射することができる。
そして、本発明に係る無線中継装置は、反射体の面形状が扁平又は凹状を呈しており、また、その反射体がグリッド又はメッシュからなり、さらに、反射体が金属製又は合成樹脂製の基体に電波を反射する材料を被覆して構成することができるので、反射体を容易に得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る無線中継装置を適用したマンホール部分の概略構成を示す断面図、図２は、図１のＸ₁−Ｘ₁線拡大断面図である。

図中、１は、土中２に埋設されたコンクリート製のマンホールであって、その内部には、作業員が作業できる十分な空間が設けられている。このマンホール１の底部は、送水管等の所定の地下埋設物（図示せず）の一部分に対設されている。そして、その上部には、マンホール蓋３が着脱自在に設けられている。このマンホール蓋３は、図示しないが、上述した図６と同様に、地表を構成するアスファルト層（コンクリート層の場合もある。）４の表面位置と上面位置が一致する鋳鉄製の枠体と、その枠体に着脱自在に設けられた蓋体とから構成されている。なお、図示の例では、マンホール蓋３の平面形状は円形を呈しているが、平面計上が矩形を呈するマンホール蓋であってもよい。

図中、５は、マンホール１内、すなわち地下に設置された無線機であって、後述する反射体を介して地下埋設物から取得された各種データを含む電波を地上に向けて、すなわちマンホール１の上部側に設けられているマンホール蓋３の裏面側に向けて送出できるように構成されている。この無線機５には、図示しないセンサを介して地下埋設物から検出した各種データを処理する機能及びその処理されたデータを無線通信により外部に送出する機能が含まれている。例えば、地下埋設物が上述した図６と同様に送水管の場合、この無線機５は、水圧、流速等の各種データを含む電波を地上に向けて送出できるように構成される。

この無線機５で使用される電波は、周波数が３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚのＵＨＦ（極超短波）であり、マンホール蓋３の周囲の材質がアスファルト層４（又はコンクリート層）であっても、そのアスファルト層４を通過して容易に無線通信を行うことができる特長がある。なぜならば、この周波数帯におけるアスファルト又コンクリートの電波吸収率は土に比べて低いからであり、材質がアスファルトの場合は、その厚さが１０cm〜３０cmであっても問題なく無線通信を行うことが可能である。なお、マンホール蓋３の周囲の材質が土であっても、後述する反射体で電波が集約されるので無線通信を行うことは可能できる。
このように、本発明の無線中継装置では、マンホール蓋３の周囲にあるアスファルトやコンクリート等の電波透過性構造材料を、電波が積極的に通過するなるように、後述する反射体１０ａや無線機が配置されている。

この無線機５は、図１に破線矢印で示されるように、地下から地上に向けて電波を送出するだけでなく、地上からの電波を受信できるように構成されている。もちろん、無線機５は、地下から地上に向けてのみ電波を送出する一方向型とすることもできる。図示のように、無線機５を双方向型としたときは、地上側からのデータ要求信号に応じて地下埋設物のデータを地上に向けて送出することができる特長がある。

図中、１０ａは、本発明の無線中継装置の本体の一部をなす反射体であって、平面形状が矩形の金属板からなり、無線機５から照射されてくる電波を受ける面は扁平に構成されている。この反射体１０ａは、上端側がマンホール蓋３の裏面に固定されている支持棒１１の下端側に取付角度調整機構１２を介して取り付けられている。この反射体１０ａの電波を受ける面の大きさは、無線機５から照射されてくる電波を効率よく反射できるように決められている。すなわち、反射体１０ａの一辺の長さは、使用する電波の１／２以上、好ましくは３〜５波長にきめられている。そして、この反射体１０ａは、無線機５から照射されてくる電波がマンホール蓋３に衝突することなく、そのマンホール蓋３の周囲のアスファルト層４の一部を通過して地表の所定位置に向くように（図１の破線矢印参照）、所定の角度を付して支持棒１１に取り付けられている。電波の通過するアスファルト層４の地表の所定位置、すなわち地表の特定位置Ｐには、地下に設置された無線機５と通信するのに好適な位置を示す所定の目印が設けられる。

上記地表の特定位置は、アスファルト層４内の電波の通過距離を短くするために、マンホール蓋３に可能な限り接近して設定される。この特定位置Ｐの設定は、取付角度調整機構１２を介して反射体１０ａの取付角度を調整することにより容易に行うことができる。すなわち、この取付角度調整機構１２は、周知の取付角度調整機構と同様に構成されている。例えば、この取付角度調整機構１２は、支持棒１１の下端側の取付部と反射体１０ａの取付部との間の一方の取付部に球体を設けるとともに、他方の取付部にその球体を可動自在に囲む挟持部を設けて構成することができる。

図１において、反射体１０ａは、マンホール蓋３に固定された支持棒１１に取り付けられているが、マンホール１への作業員の出入に支障がない位置であれば、支持棒１１はマンホール１の内壁に取り付けることもできる。この場合は、支持棒１１の設置位置が固定されるので、上記の地表の特定位置Ｐが変化しないという特長が得られる。

上記構成からなる無線中継装置を用いて、地下に設置された無線機５と地上に設置された図示しない無線機との間で無線通信を行う場合は、地上の無線機のアンテナが上記の地表の特定位置Ｐに置かれる。この特定位置Ｐは、反射体１０ａにより電波が集約されているので、地表側に伝達される無線信号レベルが高く地下から地上への無線通信を高精度に行うことができるとともに、地上から地下への無線通信も高精度に行うことができる。

上記構成からなる無線中継装置は、反射体１０ａを有しているので、電波を集約して高精度の無線通信ができるだけでなく、マンホール蓋３を介さずに地下に設置された無線機５と地上に設置された無線機との間で無線通信を行うことができるので、マンホール蓋３の取り扱いが容易になるとともに、マンホール蓋３に穴をあける等の複雑な加工を必要とせず、マンホール蓋３の堅牢性を損なうこともなく、設計・施工の容易な無線中継装置とすることができる。しかも、上記構成からなる無線中継装置は、反射体１０ａに取付角度調整機構１２が設けられているので、マンホール蓋３周囲の地表の任意の位置に特定位置Ｐを設定することができる。

図３（ａ），（ｂ）に示される反射体１０ｂは、他の形状の反射体を示していて、その電波を受ける面が凹状に形成されている。すなわち、この反射体１０ｂは金属製からからなり、パラボラアンテナ型に形成されている。この反射体１０ｂは、電波を受ける面が凹状に形成されているので、特定位置Ｐに対する電波の集約効果をより高めることができる。

図４（ａ），（ｂ）に示される反射体１０ｃは、さらに他の形状の反射体を示している。この反射体１０ｃは、平面形状が矩形の金属製グリッドから構成されていて、無線機５から照射されてくる電波を受ける面が扁平に構成されている。そして、そのグリッドのピッチは、使用される電波の十分の一以下に決められていて電波の反射損失が抑制されている。この反射体１０ｃは、グリッド構成であるので、反射体の軽量化を図ることができる特長を有している。なお、このグリッド構成の反射体１０ｃは、上記図３（ａ），（ｂ）に示されると同様のパラボラアンテナ型にすることもできる。

図５（ａ），（ｂ）に示される反射体１０ｄは、さらに他の形状の反射体を示している。この反射体１０ｄは、平面形状が矩形の金属製多孔板のメッシュから構成されていて、無線機５から照射されてくる電波を受ける面が扁平に構成されている。そして、そのメッシュの一辺は、使用される電波の十分の一以下に決められていて電波の反射損失が抑制されている。この反射体１０ｄは、メッシュ構成であるので、反射体の軽量化を図ることができる特長を有している。なお、このメッシュ構成の反射体１０ｄは、上記図３（ａ），（ｂ）に示されると同様のパラボラアンテナ型にすることもできる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳説したが、具体的な構成は、上記実施の形態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設計変更等が可能である。
例えば、上述の例では反射体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを金属製としたが、反射体の基体を合成樹脂製とし、その基体に電波を反射する材料をメッキや蒸着により被覆したものであってもよい。この場合は、より軽量化された反射体を安価に得ることができる。
また、上述の例では、偏平に形成された反射体として、平面形状が矩形状の反射体１０ａを用いているが、これに限られることなく、平面形状が円状、楕円状あるいは４角形以外の多角形状（３角形状、５角形状等）の反射体を用いてもよい。
また、上述の例では、電波を受ける面が凹状でかつ平面視円状とされた反射体１０ｂを用いているが、これに限られることなく、電波を受ける面が凹状でかつ平面視が楕円状あるいは多角形状（３角形状、４角形状、５角形状等）の反射体を用いてもよい。
また、上述の例では、マンホール１は、作業員の出入れする大型の例を示したが、作業員の手のみが出入れする、いわゆるハンドホールであってもよい。したがって、本発明でマンホールというときは、このような作業員が出入れしないも形式のものも含んでいる。
さらにまた、上述の例では、マンホール蓋３の周囲の材質をアスファルト層４又はコンクリート層としたが、マンホール蓋３の周囲はゴムや合成樹脂などの誘電体材料であってもよい。例えば、マンホール蓋３の周囲が緩衝材としてゴムで覆われていてもよく、この場合であっても、電波の通過を効率よく行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る無線中継装置を適用したマンホール部分の概略構成を示す断面図である。 図１のＸ₁−Ｘ₁線拡大断面図である。 （ａ）は反射体の電波を受ける面形状を凹状にしたときの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ₂−Ｘ₂線断面図である。 （ａ）は反射体をグリッドで構成したときの正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ₃−Ｘ₃線断面図である。 （ａ）は反射体をメッシュで構成したときの正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ₄−Ｘ₄線断面図である。 従来の無線中継装置を適用したマンホール部分の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１……マンホール、２……土中、３……マンホール蓋、４……コンクリート層、５……無線機、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ……反射体、１１……支持棒、１２……取付角度調整機構，Ｐ……特定位置（地表の所定位置）

Claims (8)

1. マンホール蓋の設置箇所において地下に設置された無線機と地上に設置された無線機との間で無線通信する際に用いられる無線中継装置であって、
   前記無線機から前記マンホール蓋の裏面側に向けて照射されてくる電波をそのマンホール蓋の周囲の地表の所定位置に向けて反射する反射体を有することを特徴とする無線中継装置。
2. 前記反射体には、前記無線機から照射されてくる電波の反射方向を任意に変更する取付角度調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の無線中継装置。
3. 前記反射体の前記無線機から照射されてくる電波を受ける面形状は、扁平に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線中継装置。
4. 前記反射体の前記無線機から照射されてくる電波を受ける面形状は、凹状を呈していることを特徴とする請求項１又は２に記載の無線中継装置。
5. 前記反射体は、グリッドにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線中継装置。
6. 前記反射体は、メッシュにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無線中継装置。
7. 前記反射体は、金属製からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の無線中継装置。
8. 前記反射体は、合成樹脂製の基体に電波を反射する材料を被覆して構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の無線中継装置。

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