(57)【要約】【課題】レーダー方式計測装置に適用した場合に、物理的強度が十分に高いＴＭ０１モードトランスデューサーを得る。【解決手段】導体線７０を垂下させて結合する中心導体５０、中心導体５０に実装されているパッチアンテナ４１、パッチアンテナ４１と静電容量で結合する給電部３６、パッチアンテナ４１と給電部３６を覆う筐体２４、中心導体５０および筐体２４とともにキャビティ８０を形成する誘電体６０、を有し、パッチアンテナ４１はキャビティ８０内に封じ込められ、中心導体５０は、筐体２４に一体に結合されたショートピン５２を有し、中心導体５０にかかる導体線７０の荷重がショートピン５２を介して筐体２４にかかる構造。筐体２４を貫通して給電部３６が設けられ、給電部３６に供給される高周波信号をパッチアンテナ４１がＴＭ０１モードの電磁波に変換する。【選択図】図１
2014134415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体線を垂下させた態様で結合するための中心導体と、
上記中心導体に実装されているパッチアンテナと、
上記パッチアンテナと静電容量で結合する給電部と、
上記パッチアンテナと上記給電部を覆う筐体と、
上記中心導体および筐体とともにキャビティを形成する誘電体と、を有し、
上記パッチアンテナは上記キャビティ内に封じ込められ、
上記中心導体は、上記筐体に一体に結合されたショートピンを有することにより、上記中心導体にかかる上記導体線の荷重が上記ショートピンを介して上記筐体にかかる構造になっており、
上記筐体を貫通して上記給電部へ高周波パルスを給電する給電線および同軸コネクタが設けられ、
上記同軸コネクタから供給される高周波パルス信号を上記パッチアンテナからＴＭ０１モードの高周波パルス信号に変換するＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項２】
中心導体のショートピンは複数あり、この複数のショートピンが筐体に圧入されることにより上記中心導体と上記筐体が一体に結合されている請求項１記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項３】
誘電体は、ベース板と筐体との間に挟み込まれている請求項１または２記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項４】
ベース板と誘電体との間に、キャビティ内を気密にするシール材が介在している請求項３記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項５】
中心導体と誘電体との間に、キャビティ内を気密にする第２のシール材が介在している請求項１乃至４のいずれかに記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項６】
筐体はアースにつながる請求項１乃至５のいずれかに記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項７】
中心導体と筐体は同心の円形であり、中心導体の導体線結合部は上記同心円の中心にある請求項１乃至６のいずれかに記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【請求項８】
中心導体のショートピンの横断面形状は、中心導体の中心軸線を中心とした大小二つの円弧と上記中心軸線を中心とした所定の開き角をもった二つの半径方向の線とで切断された台形状である請求項１乃至７のいずれかに記載のＴＭ０１モードトランスデューサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一線を伝送路として高周波信号を伝搬させる装置に使用するＴＭ０１モードトランスデューサーに関するものである。例えば、時間軸反射係数測定（Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＴＤＲ）技術を応用したパルスレーダー方式液面計測装置のトランスヂューサーとして用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
液位測定に用いられるレーダー方式の一つとしてパルスレーダー方式がある。パルスレーダー方式は、図６に示すように、タンクの天井などの基準点からタンクの底に向かってパルスを照射した時点（ｔ０）から、液面で反射して戻ってきたパルスを受信した時点（ｔ１）より、パルスが伝搬に要した時間（ｔ１−ｔ０）を測定することによって、上記基準位置から電波の反射点までの距離を求めるものである。パルスの伝搬速度をｖとすると、基準点から反射面までの距離Ｌは、
Ｌ＝ｖ×（ｔ１−ｔ０）／２
の式で求めることができる。
【０００３】
パルスレーダー方式液面計では、単一線をタンク内に垂直に張り、この単一線にパルスを伝搬させて計測する場合がある。この時に単一線伝送路用トランスデューサーを用いる。
【０００４】
図７は、単一線伝送路用トランスデューサーを用いたパルスレーダー方式液面計の概要を示す。図７において、タンカーなどに備えられているタンク１には、原油、液化ガス、その他の液体２が収容されている。タンク１の天井１１には単一線伝送路用のトランスデューサー３が取り付けられている。液面計３からはワイヤ５がタンク１の底１２に向かって垂直に張られ、ワイヤ５は直線をなすように張られた状態で下端がタンク１の底面に固定されている。ワイヤ５の一部は液体２の中に没している。
【０００５】
給電点４には、ワイヤ５の自重による荷重がかかる。また、タンカーにおいては、航行中の船体揺動によりタンク内の液体２が移動し、その都度ワイヤ５にスロッシング荷重がかかるため、給電点４に大きな荷重が集中して加わる。したがって、単一線伝送用トランスデューサーでは、上記荷重に対する耐荷重性能を十分に高く確保する必要がある。
【０００６】
本明細書において「トランスデューサー」とはアンテナと同じ意味である。上記トランスデューサー３は、図示されない高周波パルス信号源からの給電線が給電点４においてワイヤ５に接続され、給電点４からワイヤ５に高周波パルスが給電される構成になっている。上記トランスデューサー３はＴＭ０１モードを励振する構造であって、このトランスデューサーからＴＭ０１モードで励振された高周波パルスがワイヤ５を伝搬する。
【０００７】
ＴＭ０１モードを励振するための本発明に関連のある技術として、円環アンテナがある（例えば、非特許文献１の第１７６ページ参照）。また、ショートピンを使ったＴＭ０１モード円環パッチアンテナも知られている（例えば、非特許文献２の第２２８ページ参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】後藤尚久著、オーム社発行「アンテナがわかる本」
【非特許文献２】後藤尚久著、電波新聞社発行「アンテナ工学入門講座」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ワイヤの自重やタンク内スロッシング荷重に対して、物理的強度面から十分に高い強度を確保し、かつ、パルスレーダー方式液面計測装置のトランスデューサーとして用いた場合に計測精度を高めることができるＴＭ０１モードトランスデューサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーは、
導体線を垂下させた態様で結合するための中心導体と、
上記中心導体に実装されているパッチアンテナと、
上記パッチアンテナと静電容量で結合する給電部と、
上記パッチアンテナと上記給電部を覆う筐体と、
上記中心導体および筐体とともにキャビティを形成する誘電体と、を有し、
上記パッチアンテナは上記キャビティ内に封じ込められ、
上記中心導体は、上記筐体に一体に結合されたショートピンを有することにより、上記中心導体にかかる上記導体線の荷重が上記ショートピンを介して上記筐体にかかる構造になっており、
上記筐体を貫通して上記給電部へ高周波パルスを給電する給電線および同軸コネクタが設けられ、
上記同軸コネクタから供給される高周波パルス信号を上記パッチアンテナからＴＭ０１モードの高周波パルス信号に変換することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
中心導体に導体線を結合して垂下させると、導体線の荷重は中心導体のショートピン、筐体にかかり、誘電体および給電部には荷重がかからない。導体線の揺れなどによって中心導体の導体線結合部にかかる荷重が変動しても、誘電体に圧力は加わらない。したがって、本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーを、単一線伝搬によるパルスレーダー方式計測装置のトランスデューサーとして用いると荷重の影響を受けることなく安定した精度で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーの実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】上記実施例中の中心導体を示す斜視図である。
【図４】上記中心導体のショートピンの部分の横断面拡大図である。
【図５】上記実施例の使用態様を示す縦断面図である。
【図６】パルスレーダー方式計測装置の測定原理を説明するための波形図である。
【図７】従来のＴＭ０１モードトランスデューサーを用いた液面計の使用例を示すモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーの実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１４】
図１、図２において、ＴＭ０１モードトランスデューサー２０は、筐体２４、パッチアンテナ４１、ショートピン５２、中心導体５０、誘電体６０、給電部３６、同軸コネクタ３０、導体線７０を主要な構成部品として有している。
【００１５】
筐体２４の解放端すなわち図１において下端にはフランジ２６が形成され、このフランジ２６がベース板２２に締結されることにより、フランジ２６とベース板２２が密着した状態で一体に結合されている。
【００１６】
筐体２４の内周側には、筐体２４の解放端側の径を拡大することによって段部が形成されていて、この段部とベース板２２の上面との間に生じている空間に誘電体６０の外周縁部が挟み込まれている。誘電体６０は、タンク内の液体がキャビティ８０内に浸透することを防止するために設けられている。誘電体６０は、誘電性を備えた素材からなる円環状の部材で、上記段部とベース板２２の上面との間に生じている空間の間隔とベース板２２の厚さを合わせた厚さを持ち、同軸コネクタ３０へのリターンロスが最小になるように設定されている。誘電体６０の外周縁部は、上記空間に挟まれている部分と、この部分よりも径の小さい部分とによって段状に形成されている。この誘電体６０の段状の部分にベース板２２の内周縁部を進入させることにより、誘電体６０とベース板２２の密着度を高めている。
【００１７】
さらに、誘電体６０の外周縁部には、下面側が解放した周溝６２が形成され、周溝６２はＯリングからなるシール材６６が嵌められている。シール材６６は、ベース板２２によって押圧され、弾性変形してベース板２２と誘電体６０に密着している。こうして、誘電体６０とベース板２２と筐体２４相互間の密閉性が保たれている。
【００１８】
前記中心導体５０は、図３に示すように、全体としては独楽のような形をした導電性の素材からなる部材である。中心導体５０の本体部分の上部にはフランジ５１が形成され、フランジ５１の上面からは、４つのショートピン５２が、中心導体５０の中心軸線と平行に上方に向かって突出している。４つのショートピン５２は中心導体５０の周方向に等間隔で形成されている。
【００１９】
中心導体５０の本体部分の上面にはパッチアンテナ４１が形成されている。中心導体５０の下端部には導体線結合部５８が設けられている。各ショートピン５２およびパッチアンテナ４１は中心導体５０の本体部分と一体に成形されている。
【００２０】
中心導体５０は、その本体部分が誘電体６０の中心部の孔に密着した状態で嵌め込まれている。誘電体６０の内周部上面側は横断面において段状の溝６４が全周にわたり形成されていて、溝６４にはＯリングからなる第２のシール材６８が嵌められている。シール材６８は、上記溝６４の底面と周壁に接し、また、誘電体６０の周壁とフランジ５１の下面に接している。こうして、中心導体５０と誘電体６０相互間の密閉性が保たれている。
【００２１】
筐体２４の内周壁面と誘電体６０の上面および中心導体５０の一部とによって、密閉されたキャビティ８０が形成されている。パッチアンテナ４１はキャビティ８０を介して筐体２４で覆われ、キャビティ８０内に封じ込められている。主として、筐体２４の内径、中心動体５０の外径によってキャビティ８０の容積が決まる。
【００２２】
筐体２４の上面中央には、外部の送受信機とＴＭ０１モードトランスデューサー２０を結ぶケーブルを接続するための同軸コネクタ３０が固定されている。同軸コネクタ３０内の導体は、給電線３４として筐体２４の中心孔２８の周壁から隔てられてキャビティ８０まで伸び、給電部３６に接合されている。給電部３６は、パッチアンテナ４１の径よりも小さい円板状の部材で、パッチアンテナ４１に対し小さな間隙をおいて静電容量結合により給電している。ただし、場所によっては給電線３４とパッチアンテナ４１を直接接続してもよい。
【００２３】
中心導体５０の下部には導体線結合部５８が設けられている。導体線結合部５８には導体線７０の一端部が圧入されている。導体線７０は、後で詳細に説明するようにタンクの底まで伸びるものであるから、かなり大きな荷重がかかり、タンク内の液体がうねることにより横方向の荷重がかかる。これらの荷重は、中心導体５０の本体部分、ショートピン５２を介して筐体２４にかかり、誘電体６０および給電部３６にはかからない構成になっている。
【００２４】
パッチアンテナ４１と各ショートピン５２の形状について、図４を参照しながらさらに詳細に説明する。図４に示すように、パッチアンテナ４１上に配置される各ショートピン５２の横断面形状は、パッチアンテナ４１の中心軸線を中心とした大小二つの円弧と上記中心軸線を中心とした所定の開き角θをもった二つの半径方向の線とで切断された台形状である。上記二つの円弧のうち大きい円弧の半径をＰ，小さい円弧の半径をＣとする。これらの円弧に沿った各ショートピン５２の外側面および内側面は円筒面になるが、開き角θは比較的小さいため、各ショートピン５２の横断面形状は台形状になっている。
【００２５】
前述のとおり、中心導体５０には、高周波パルス信号を伝搬させるためのワイヤが結合され、ワイヤは液体を収納するタンク内に垂直方向に張った状態で設置される。中心導体５０には上記ワイヤの荷重がかかるため、中心導体５０は筺体２４に強固に結合されていなければならない。中心導体５０を筺体２４に強固に結合するために、例えば、中心導体５０の４つのショートピン５２の上端から上方に延びる延長部を一体に設け、これらの延長部を筐体２４の孔に圧入して固着する構造にするとよい。あるいは、中心導体５０と筺体２４を結合した形で、一つの一体成形部品としてもよい。
【００２６】
以上説明したＴＭ０１モードトランスデューサーの実施例の使用態様を図５に示す。図５において、タンカーなどに構築されているタンク８２の天井８６に、上記実施例に係るＴＭ０１モードトランスデューサー２０が設置されている。タンク８２は天井８６および底板８４を含めて導電体である金属で構築され、トランスデューサー２０の筐体２４がベース板２２を介在させて天井８６に結合されることにより、筐体２４はアースにつながっている。また、筐体２４とともに中心導体５０もアースにつながっている。タンク８２内には積荷である原油その他の液体８８が収納されている。
【００２７】
中心導体５０の導体線結合部５８には導体線７０の上端部が結合され、導体線７０の下端はタンク８２の底板８４に結合されている。パルスレーダーの送信機から、高周波パルス信号を、同軸コネクタ３０を経てＴＭ０１モードトランスデューサー２０に入力すると、相対向する給電部３６が静電容量結合しているパッチアンテナ４１に高周波パルス信号が伝わる。給電部３６からパッチアンテナ４１に高周波パルス信号を入力することにより、中心導体５０の周囲に、その中心軸線を中心とした同心円状に円形磁界が発生し、この円形磁界によって、フレミングの右手の法則により導体線７０に電流が発生し、この電流が導体線７０を下方に向かって伝搬する。
【００２８】
導体線７０を伝搬する高周波パルス信号は、液体８８の上面に達すると、タンク８２の上部の気体と液体８８との比誘電率の違いなどによるインピーダンスの違いによって液面で反射される。反射された高周波パルス信号は導体線７０を上に向かって伝搬し、ＴＭ０１モードトランスデューサー２０に戻り、パルスレーダーの受信機で受信される。
【００２９】
この種のパルスレーダーは、計測精度を上げるために、パルス信号のパルス幅が極めて小さくなっている。このため、トランスデューサー２０には、例えば１０ＧＨｚ程度の高いキャリア周波数で、かつ、例えば１ＧＨｚ程度に広い周波数帯域幅の性能が求められる。これに加えて、トランスデューサー２０から垂下する導体線７０の荷重および導体線７０が液体８８のうねりに伴って揺らされることによる荷重がトランスデューサー２０にかかる。トランスデューサー２０は上記荷重に耐えられる構造にする必要があるとともに、上記荷重がかかることによるパルスレーダーの計測精度の低下を避ける工夫が求められる。
【００３０】
その点、図示の実施例によれば、導体線７０の荷重および中心導体５０の荷重は、前述のように、ショートピン５２を介して筐体２４にかかる。筐体２４はタンク８２の天井８６で支えられているため、筐体２４にかかる荷重は天井８６にかかり、誘電体６０あるいは給電部３６にはかからない。したがって、導体線７０の揺れなどによって中心導体５０の導体線結合部５８にかかる荷重が変動しても、誘電体６０あるいは給電部３６に加わる圧力に変化はなく、電気的インピーダンスが変動することもない。よって、本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーを、上記導体線７０のような単一線に電磁波を伝搬させるようにしたレーダー方式計測装置のトランスデューサーとして用いると計測精度を高めることができる。
【００３１】
原油や液化ガスなどの液体を収納するタンクは気密状態に維持されている必要があるため、上記トランスデューサー２０のタンクへの設置部も気密状態に維持されている必要がある。図示のトランスデューサー２０の構造においては、誘電体６０と筐体２４の間がシール材６６でシールされ、誘電体６０と中心導体５０の間がシール材６８でシールされ、キャビティ８０の気密性が保たれている。筐体２４は適宜のシール材を介在させてタンク８２（図５参照）の天井に設置されるため、タンク８２の気密性も保たれる。
【００３２】
誘電体６０もタンク８２のシール材として機能している。誘電体６０の材料として例えばフッ素樹脂を用いるとよい。
【００３３】
ＴＭ０１モードトランスデューサーは、共振周波数および帯域幅の最適化を図ることが求められる。前記本発明のＴＭ０１モードトランスデューサーの実施例によれば、ショートピン５２の形状が独特の形状であり、パッチアンテナ４１を用いていることによって、共振周波数および帯域幅の最適化を図ることができる。ショートピン５２は、図４について説明したように、横断面形状が台形状である。台形状のショートピン５２の高さすなわち前記半径Ｐと半径Ｃの差は、トランスデューサー２０のインピーダンスに影響する。台形状のショートピン５２の底辺の長さすなわち図４においてショートピン５２の外側面の周方向長さＬはトランスデューサー２０の共振周波数に影響する。
【００３４】
また、パッチアンテナ４１の半径もトランスデューサー２０の共振周波数に影響する。給電部３６とパッチアンテナ４１との間隔は、トランスデューサー２０の周波数帯域幅およびインピーダンスに影響する。相対向する上記給電部３６とパッチアンテナ４１はコンデンサを構成しており、給電線３４から上記コンデンサを直列に介して高周波信号がパッチアンテナ４１に供給される。この直列給電回路を構成する上記コンデンサの静電容量はトランスデューサー２０のインピーダンスに影響する。
【００３５】
上記実施例に係るＴＭ０１モードトランスデューサーによれば、台形状のショートピン５２の台形の高さ、底辺の長さを調整することにより、共振周波数およびインピーダンスを、使用目的に適合した最適設計値に設定することが可能になる。また、パッチアンテナ４１の半径、給電部３６とパッチアンテナ４１の間隔、上記直列コンデンサの静電容量を調整することにより、トランスデューサー２０の周波数帯域幅およびインピーダンスを、最適値に設定することが可能になる。
【００３６】
上記のようにして共振周波数およびインピーダンスを最適値に設定し、キャビティ８０の共振周波数が最適値になるようにキャビティ８０の構造パラメータを調整すると、トランスデューサー２０の周波数帯域幅の拡大および最適化を図ることができる。特に、上記台形状のパラメータを利用してパッチアンテナ４１による周波数帯域幅およびインピーダンスの調整と組み合わせることは知られていない。また、トランスデューサー２０の周波数帯域幅が拡大する効果も知られていない。このように、本発明の実施例によれば、ＴＭ０１モードトランスデューサーの適用範囲を広げることができる。
【００３７】
キャビティ８０の構造パラメータと、最適化することができる特性項目との関係は以下のとおりである。
キャビティ８０の内径：共振周波数
中心導体５０の外径：周波数帯域幅、インピーダンス
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係るＴＭ０１モードトランスデューサーは、主としてパルスレーダー式の距離計測装置例えば液面計のトランスデューサーを想定しているが、他の機器のトランスデューサーとして用いることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
２０    ＴＭ０１モードトランスデューサー
２２    ベース板
２４    筐体
２６    フランジ
２８    中心孔（同軸線路の外部導体）
３０    同軸コネクタ
３２    誘電体
３４    給電線（同軸線路の内部導体）
３６    給電部
４１    パッチアンテナ
５０    中心導体
５２    ショートピン
６６    Ｏリング
６８    Ｏリング
７０    導体線
８０    キャビティ
【図１】
2014134415.tif 000003
【図２】
2014134415.tif 000004
【図３】
2014134415.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2014134415.tif 000008
【図７】
2014134415.tif 000009