(57)【要約】【課題】地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置を提供する。【解決手段】この発明の地中埋設型送信装置は、入力側光学系装置２１と光ファイバー３１とを用いて太陽光などの光を地中に誘導することができ、この誘導光を太陽電池４１で電気に変換し、その電気を電気二重層キャパシタ４３に蓄電して活用することができ、地上と地中の送信アンテナ用の増幅器１９とを結ぶ電源ケーブルを用いない構成とすることができ、電気二重層キャパシタ４３を埋設したままでこの電気二重層キャパシタ４３を充放電させることができ、電気二重層キャパシタ４３への充電のために地上に引き上げる必要が全く無いし、送信用ダイポール・アンテナ１も位置変更させることなく長期間にわたって埋設したままとすることができる。【選択図】図１
2009270919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中環境をモニタリングするレーダーに用いられる地中埋設型送信装置であって、
地上側で太陽光または人工光源による光を集光する、地上側に設けられた集光手段と、
地盤に形成したボーリング孔内に挿入された、前記集光手段で集光された太陽光または人工光源による光を地中内に伝送する光伝送手段と、
前記光伝送手段で伝送されてきた太陽光または人工光源による光を電気に変換する、前記ボーリング孔内に設けられた太陽電池と、
前記太陽電池で発生した電気を蓄電する、前記ボーリング孔内に設けられた蓄電手段と、
入力光信号を高周波電気信号に変換する、前記ボーリング孔内に設けられた光電変換手段と、
前記蓄電手段からの電力で駆動し、前記光電変換手段からの高周波電気信号を増幅出力する、前記ボーリング孔内に設けられた増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された高周波電気信号が給電される、前記ボーリング孔内に設けられた送信アンテナと、
を備えていることを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項３】
請求項２に記載の地中埋設型送信装置において、
前記送信アンテナは、筒状のアンテナ部を備え、
前記筒状のアンテナ部の内部に、少なくとも前記蓄電手段と前記増幅手段と前記光電変換手段とを備えていることを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項４】
請求項３に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段を覆う電磁シールド部材を備えていることを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項５】
請求項４に記載の地中埋設型送信装置において、
前記光伝送手段は、その一端側が前記集光手段からの光が入力される入力端とし、その他端側が地中に埋設されて光出力する出力端とする光伝送部材と、前記光伝送部材の前記出力端から出力された光が入射され、その入射光を前記太陽電池の受光面に出射するように拡散出力する光拡散出力手段とを備えている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項６】
請求項５に記載の地中埋設型送信装置において、
前記太陽電池は、その受光面が前記アンテナ部の筒内中心側に向けて当該筒内に設けられ、
前記光拡散出力手段は、前記アンテナ部の筒開口側を、前記光伝送手段の出力端から出力された光が入射される入射面とし、前記入射面から入射された光を前記太陽電池の受光面に向けて出射する、当該太陽電池の受光面と対向する出射面を備えている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項７】
請求項６に記載の地中埋設型送信装置において、
前記太陽電池を複数個備え、
前記複数個の太陽電池は、前記アンテナ部の筒内でその筒長さ方向に並べて設けられており、
前記光拡散出力手段は、前記入射面から入射された光を前記複数個の太陽電池の各受光面に向けて出射するように前記出射面を、前記アンテナ部の筒長さ方向に長くした形状とし、前記複数個の太陽電池の受光面と対向させている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項８】
請求項６に記載の地中埋設型送信装置において、
前記光拡散出力手段は、二枚の板状の光拡散板をその背面同士を当接させて配置したものであり、前記背面は光反射面であり、前記各光拡散板での前記光反射面と対向する面が前記出射面となるものであり、
前記太陽電池を複数個備え、
前記複数個の太陽電池のうちで一方の太陽電池は、その受光面が一方の前記光拡散板の前記出射面に対向し、前記複数個の太陽電池のうちで他方の太陽電池は、その受光面が他方の前記光拡散板の前記出射面に対向するように、前記アンテナ部の筒内に設けられている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項９】
請求項７に記載の地中埋設型送信装置において、
前記光拡散出力手段は、二枚の板状の光拡散板をその背面同士を当接させて配置したものであり、前記背面は光反射面であり、前記各光拡散板での前記光反射面と対向する面が前記出射面となるものであり、
前記太陽電池を複数個備え、
前記複数個の太陽電池のうちで所定数一列に並べた一方列の太陽電池は、その受光面が一方の前記光拡散板の前記出射面に対向し、前記複数個の太陽電池のうちでその残数を一列に並べた他方列の太陽電池は、その受光面が他方の前記光拡散板の前記出射面に対向するように、前記アンテナ部の筒内に設けられている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の地中埋設型送信装置において、
前記光伝送手段とは別体で、前記光電変換手段に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材とを備えている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の地中埋設型送信装置において、
前記光伝送手段とは別体で、前記光電変換手段に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材とを備えている
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１２】
請求項６に記載の地中埋設型送信装置において、
複数本の光伝送部材を一本に束ねたもののうちの一部を、前記光電変換手段に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材とし、それ以外の前記複数本の光伝送部材を前記太陽電池への光伝送用とする
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の地中埋設型送信装置において、
複数本の光伝送部材を一本に束ねたもののうちの一部を、前記光電変換手段に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材とし、それ以外の前記複数本の光伝送部材を前記太陽電池への光伝送用とする
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記制御手段への外部制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての外部制御光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された，前記制御手段への外部制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての外部制御光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１６】
請求項１２に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記制御手段への外部制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての外部制御光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記制御手段への外部制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての外部制御光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１８】
請求項１０に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
時刻を計測する、前記ボーリング孔内に設けられた時計手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記時計手段への時間光信号を伝送するための時間信号用光伝送手段と、
前記時間信号用光伝送手段を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記時計手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、
前記制御手段は、前記時計手段が所定時間となることに基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項１９】
請求項１１に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
時刻を計測する、前記ボーリング孔内に設けられた時計手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記時計手段への時間光信号を伝送するための時間信号用光伝送手段と、
前記時間信号用光伝送手段を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記時計手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、
前記制御手段は、前記時計手段が所定時間となることに基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項２０】
請求項１２に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
時刻を計測する、前記ボーリング孔内に設けられた時計手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記時計手段への時間光信号を伝送するための時間信号用光伝送手段と、
前記時間信号用光伝送手段を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記時計手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、
前記制御手段は、前記時計手段が所定時間となることに基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項２１】
請求項１０に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、地上側からの測定制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての測定制御光信号を測定制御電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段からの測定制御電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【請求項２２】
請求項１２に記載の地中埋設型送信装置において、
前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、
地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、地上側からの測定制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、
前記制御信号用光伝送手段を介しての測定制御光信号を測定制御電気信号に変換する信号変換手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記信号変換手段からの測定制御電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行う
ことを特徴とする地中埋設型送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中の断層や地下水、放射性廃棄物などの状況を電磁波により探査するボアホール・レーダー（Borehole Radar）などの地中環境モニタリングレーダーに用いられる地中埋設型送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ボアホール・レーダーを用いて、地中の断層や地下水、放射性廃棄物などの状況の探査が試みられている。ボアホール・レーダーとは、電磁波を送受信するアンテナをボーリング孔内に埋め込み、地中の断層や地下水、放射性廃棄物などの状況を電磁波により計測するものである。
【０００３】
ここで、従来のボアホール・レーダーによる地中環境モニタリングについて説明する。まず、地表上の第１位置と、同じく地表上でこの第１位置から所定距離（例えば約１０メートル）離れた第２位置とに、所定深さ（例えば、約１００メートル深さ）のボーリング孔がボーリングマシンなどにより形成される。一方のボーリング孔内に送信アンテナを埋設し、他方のボーリング孔内に受信アンテナを埋設する。
【０００４】
送信系の地上側装置としては、高周波電気信号（ＲＦ信号）を生成する発振器と、この発振器からの高周波電気信号を光信号に変換して出力するレーザーダイオードとが設けられている。
【０００５】
また、このレーザーダイオードからの光信号は、光ファイバーを介して地中の送信アンテナの前段に設けられたフォトダイオードに伝送されている。このフォトダイオードは、入力された光信号を高周波電気信号に変換する。その変換された高周波電気信号は、フォトダイオードの出力側に設けられた増幅器で増幅されて送信アンテナに給電されている。
【０００６】
送信アンテナから電磁波（例えば、数１０MHｚ〜数１００MHｚ）が送信され、その地中内の透過波や散乱波を、埋設された受信アンテナで受信し、地上側の信号処理装置に伝送されて解析され、２個のボーリング孔の間での地中環境の状況がモニタリングできるようになっている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】S. Ebihara, “Directional borehole radar with dipole antenna array using optical modulators,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 42, no. 1 pp. 45-58, January 2004 (p.45-58, Fig3,12)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来のボアホール・レーダーでは以下の問題がある。
【０００８】
従来のボアホール・レーダーを稼動するためには、前述したように送信アンテナ側の増幅器に電力を供給する必要があるため、地上から電源ケーブルをボーリング孔内に敷設して増幅器に電力供給している。しかしながら、計測に電磁波を利用する、つまり、送信アンテナから電磁波を送信するため、地上から電源ケーブルを用いて増幅器に電力供給する構成では、電源ケーブルからの電磁波の影響や、金属給電線がアンテナ特性に影響を与えるため、計測データに大きく影響するという問題がある。
【０００９】
そこで、かかる問題を解決するために、前述した地上側と地中内とを結ぶ電源ケーブルを排除し、送信アンテナ内に二次電池を備えるという構成が考えられるが、二次電池は充電のために頻繁に送信アンテナを地上に引き上げる必要があり、送信アンテナの埋設および引き上げ作業が頻繁に必要となり、その作業が非常に負担となるという問題が生じる。さらに、送信アンテナを地中内に再埋設する際には、以前に取得したデータとの再現性などを確保するべく、以前と同じ埋設位置に送信アンテナを設定する必要があり、当該送信アンテナの埋設位置の微調整に非常に手間がかかるという問題もある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置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】
【００１１】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明に係る地中埋設型送信装置は、
地中環境をモニタリングするレーダーに用いられる地中埋設型送信装置であって、
地上側で太陽光または人工光源による光を集光する、地上側に設けられた集光手段と、
地盤に形成したボーリング孔内に挿入された、前記集光手段で集光された太陽光または人工光源による光を地中内に伝送する光伝送手段と、
前記光伝送手段で伝送されてきた太陽光または人工光源による光を電気に変換する、前記ボーリング孔内に設けられた太陽電池と、
前記太陽電池で発生した電気を蓄電する、前記ボーリング孔内に設けられた蓄電手段と、
入力光信号を高周波電気信号に変換する、前記ボーリング孔内に設けられた光電変換手段と、
前記蓄電手段からの電力で駆動し、前記光電変換手段からの高周波電気信号を増幅出力する、前記ボーリング孔内に設けられた増幅手段と、
前記増幅手段で増幅された高周波電気信号が給電される、前記ボーリング孔内に設けられた送信アンテナと、
を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
［作用・効果］請求項１に記載の発明の地中埋設型送信装置の作用・効果は次のとおりである。
地上側に設けられた集光手段は、地上側で太陽光または人工光源による光を集光する。光伝送手段は、地盤に形成したボーリング孔内に挿入されており、集光手段で集光された太陽光または人工光源による光を地中内の太陽電池に伝送する。なお、このボーリング孔内には、太陽電池と蓄電装置と光電変換手段と増幅手段と送信アンテナとが埋設されている。太陽電池は、光伝送手段によって地中内に伝送されてきた太陽光または人工光源による光を電気に変換する。蓄電手段は、太陽電池で発生した電気を蓄電する。なお、この蓄電手段に蓄電された電力は、増幅手段に供給される。
【００１３】
光電変換手段は、入力光信号を高周波電気信号に変換する。増幅手段は、蓄電手段からの電力で駆動し、光電変換手段からの高周波電気信号を増幅出力する。送信アンテナには、増幅手段で増幅された高周波電気信号が給電され、この送信アンテナから電磁波が放射される。
【００１４】
したがって、集光手段と光伝送手段とを用いて太陽光または人工光源による光を地中に誘導することができ、この誘導光を太陽電池で電気に変換し、その電気を蓄電手段に蓄電して活用することができる。つまり、地上と地中の送信アンテナ用の増幅器とを結ぶ電源ケーブルを用いない（電力ケーブルレス）構成とすることができ、電源ケーブルからの電磁波の影響や、金属給電線がアンテナ特性に影響を与えるため、計測データに大きく影響するという問題を解消することができ、高精度なデータ取得を実現できる。
【００１５】
また、蓄電手段を埋設したままでこの蓄電手段を充放電させることができ、蓄電手段への充電のために地上に引き上げる必要が全く無いし、送信アンテナも位置変更させることなく長期間にわたって埋設したままとすることができ、送信アンテナの引き上げや埋設位置ずれに起因する再現性低下などの測定精度の低下を解消することができる。また、蓄電手段のメンテナンスを不要とすることができ、送信アンテナなどの引き上げ作業を皆無とすることができる。
【００１６】
したがって、地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置を提供することができる。
【００１７】
また、前記蓄電手段は、電気二重層キャパシタであることが好ましい（請求項２）。電気二重層キャパシタは半永久的に充放電使用でき、交換の必要性がほとんどないので、電気二重層キャパシタを埋設したままでこの電気二重層キャパシタを充放電させることができ、電気二重層キャパシタへの充電のために地上に引き上げる必要が全く無い。電気二重層キャパシタは、充放電時に化学変化を伴わないため、急速大電流の充放電が可能であり、広い温度範囲において安定した充放電挙動を示すなどの利点に優れる。
【００１８】
なお、狭義の電気二重層キャパシタは、電極の正極と負極の両方に電気二重層容量を用いた対称型の電気二重層キャパシタを意味するが、広義の電気二重層キャパシタには対称型の他に、片極が電池、片極が電気二重層容量となっている非対称型や、酸化還元反応を伴って発生する容量を用いた疑似容量なども含まれる。本発明は広義の電気二重層キャパシタに適用可能であるので、以下では広義の電気二重層キャパシタを、電気二重層キャパシタあるいは単にＥＤＬＣと記す。
【００１９】
また、前記送信アンテナは筒状のアンテナ部を備え、前記筒状のアンテナ部の内部に、少なくとも前記蓄電手段と前記増幅手段と前記光電変換手段とを備えている（請求項３）ので、蓄電手段と増幅手段と光電変換手段とを筒状のアンテナ部によって電磁シールドされ、蓄電手段と増幅手段と光電変換手段などによる外部への電磁的影響を低減することができる。
【００２０】
また、送信アンテナの筒内に設けられた前記蓄電手段は電磁シールド部材で覆われている（請求項４）ので、蓄電手段がさらに電磁シールド部材で電磁シールドされ、蓄電手段による外部への電磁的影響を低減できる。
【００２１】
また、前記光伝送手段は、その一端側が前記集光手段からの光が入力される入力端とし、その他端側が地中に埋設されて光出力する出力端とする光伝送部材と、前記光伝送部材の前記出力端から出力された光が入射され、その入射光を前記太陽電池の受光面に出射するように拡散出力する光拡散出力手段とを備えている（請求項５）ので、光伝送部材を介して地中内に誘導された太陽光または人工光源による光を光拡散出力手段により太陽電池の受光面に拡散出力することができ、太陽電池の受光面全体で光を受けることができ、受光面を効率良く活用でき、太陽光または人工光源による光から電気への変換量を効率良くできる。
【００２２】
また、太陽電池は、その受光面が前記アンテナ部の筒内中心側に向けて当該筒内に設けられ、前記光拡散出力手段は、前記アンテナ部の筒開口側を、前記光伝送手段の出力端から出力された光が入射される入射面とし、前記入射面から入射された光を前記太陽電池の受光面に向けて出射する、当該太陽電池の受光面と対向する出射面を備えるようにしてもよい（請求項６）。この場合には、送信アンテナでの筒状のアンテナ部の内部において、光拡散出力手段の出射面と太陽電池の受光面とをアンテナ部の筒長さ方向と平行で、かつ、光拡散出力手段の出射面と太陽電池の受光面とを対向配置させることができ、光拡散出力手段および太陽電池を省スペースに配置でき、受光面を効率良く活用でき、太陽光または人工光源による光から電気への変換量を効率良くできる。
【００２３】
また、前記太陽電池を複数個備え、前記複数個の太陽電池は、前記アンテナ部の筒内でその筒長さ方向に並べて設けられており、前記光拡散出力手段は、前記入射面から入射された光を前記複数個の太陽電池の各受光面に向けて出射するように前記出射面を、前記アンテナ部の筒長さ方向に長くした形状とし、前記複数個の太陽電池の受光面と対向させているようにしてもよい（請求項７）。この場合には、筒状のアンテナ部形状をうまく活用して複数個の太陽電池を配置することができ、増加した太陽電池の分だけ、より多くの太陽光または人工光源による光を電気に変換できることから、より多くの電力を確保できる。
【００２４】
また、前記光拡散出力手段は、二枚の板状の光拡散板をその背面同士を当接させて配置したものであり、前記背面は光反射面であり、前記各光拡散板での前記光反射面と対向する面が前記出射面となるものであり、前記太陽電池を複数個備え、前記複数個の太陽電池のうちで一方の太陽電池は、その受光面が一方の前記光拡散板の前記出射面に対向し、前記複数個の太陽電池のうちで他方の太陽電池は、その受光面が他方の前記光拡散板の前記出射面に対向するように、前記アンテナ部の筒内に設けられているようにしてもよい（請求項８）。この場合には、さらに多くの太陽電池を配置することができ、増加した太陽電池の分だけ、より多くの太陽光または人工光源による光を電気に変換できることから、より多くの電力を確保できる。
【００２５】
また、前記光拡散出力手段は、二枚の板状の光拡散板をその背面同士を当接させて配置したものであり、前記背面は光反射面であり、前記各光拡散板での前記光反射面と対向する面が前記出射面となるものであり、前記太陽電池を複数個備え、前記複数個の太陽電池のうちで所定数一列に並べた一方列の太陽電池は、その受光面が一方の前記光拡散板の前記出射面に対向し、前記複数個の太陽電池のうちでその残数を一列に並べた他方列の太陽電池は、その受光面が他方の前記光拡散板の前記出射面に対向するように、前記アンテナ部の筒内に設けられているようにしてもよい（請求項９）。この場合には、さらに多くの太陽電池を配置することができ、増加した太陽電池の分だけ、より多くの太陽光または人工光源による光を電気に変換できることから、より多くの電力を確保できる。
【００２６】
また、前記光伝送手段とは別体で、前記光電変換手段に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材を備えるようにしてもよい（請求項１０，１１）。
【００２７】
また、前記光伝送手段は、複数本の光伝送部材を一本に束ねたものであり、前記複数本の光伝送部材のうちの一部を前記光電変換手段用とし、それ以外の前記複数本の光伝送部材を前記太陽電池への光伝送用とするようにしてもよい（請求項１２，１３）。
【００２８】
また、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記制御手段への外部制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、前記制御信号用光伝送手段を介しての外部制御光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、を備え、前記制御手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を行うようにしてもよい（請求項１４〜１６）。この場合には、地上側からの外部信号に基づいて増幅手段が駆動され、この際に送信アンテナから電磁波を送信させることができるので、送信アンテナから常時に送信するのではなく、間欠的に送信させたり、予め決められた時間帯のみ送信させたりでき、長期間にわたる地中環境モニタリングに適している。
【００２９】
また、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、時刻を計測する、前記ボーリング孔内に設けられた時計手段と、地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、前記時計手段への時間光信号を伝送するための時間信号用光伝送手段と、前記時間信号用光伝送手段を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換手段と、を備え、前記時計手段は、前記信号変換手段で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、前記制御手段は、前記時計手段が所定時間となることに基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行うようにしてもよい（請求項１８〜２０）。この場合には、時計手段は、地上側からの時間光信号を変換した電気信号に基づいて時刻を修正するので、埋設された状態のままで時計手段の時刻を修正することができ、時計手段の時刻修正のために地中から引き上げる必要がない。また、制御手段は、時計手段が所定時間となることに基づいて、蓄電手段から増幅手段への電力供給を所定期間行い、増幅手段が駆動され、この際に送信アンテナから電磁波を送信させることができるので、送信アンテナから常時に送信するのではなく、間欠的に送信させたり、予め決められた時間帯のみ送信させたりでき、長期間にわたる地中環境モニタリングに適している。
【００３０】
また、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を制御する、前記ボーリング孔内に設けられた制御手段と、地上側から前記ボーリング孔内に挿入された、地上側からの測定制御光信号を伝送するための制御信号用光伝送手段と、前記制御信号用光伝送手段を介しての測定制御光信号を測定制御電気信号に変換する信号変換手段と、を備え、前記制御手段は、前記信号変換手段からの測定制御電気信号に基づいて、前記蓄電手段から前記増幅手段への電力供給を所定期間行うようにしてもよい（請求項２１，２２）。この場合には、時計手段は、地上側に設置しているので、送信アンテナを引き上げずに時計手段の再設定ができる。また、制御手段は、地上側からの測定制御光信号を地下側の信号変換手段で変換した測定制御電気信号に基づいて、蓄電手段から増幅手段への電力供給を所定期間行い、増幅手段が駆動され、この際に送信アンテナから電磁波を送信させることができるので、送信アンテナから常時に送信するのではなく、間欠的に送信させたり、予め決められた時間帯のみ送信させたりでき、長期間にわたる地中環境モニタリングに適している。
【発明の効果】
【００３１】
この発明に係る遊技機によれば、集光手段と光伝送手段とを用いて太陽光または人工光源による光を地中に誘導することができ、この誘導光を太陽電池で電気に変換し、その電気を蓄電手段に蓄電して活用することができる。つまり、地上と地中の送信アンテナ用の増幅器とを結ぶ電源ケーブルを用いない（電力ケーブルレス）構成とすることができ、電源ケーブルからの電磁波の影響や、金属給電線がアンテナ特性に影響を与えるため、計測データに大きく影響するという問題を解消することができ、高精度なデータ取得を実現できる。また、蓄電手段を埋設したままでこの蓄電手段を充放電させることができ、蓄電手段への充電のために地上に引き上げる必要が全く無いし、送信アンテナも位置変更させることなく長期間にわたって埋設したままとすることができ、送信アンテナの引き上げや埋設位置ずれに起因する再現性低下などの測定精度の低下を解消することができる。また、蓄電手段のメンテナンスを不要とすることができ、送信アンテナなどの引き上げ作業を皆無とすることができる。その結果、地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、地中環境をモニタリングするレーダーに用いられる地中埋設型送信装置の各種の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、実施例のボアホール・レーダーとその地中埋設型送信装置の一例を示すブロック図である。
【００３４】
まず、ボアホール・レーダーの計測原理について、図１を用いて簡単に説明する。まず、送信する信号をレーザーダイオード１３により光信号に変換し、地中へ送る。次に、その光信号を高周波電気信号に変換した後、アンプで増幅し送信用ダイポール・アンテナ１に給電し、電磁波を送信する。送信された電磁波のうち、透過・散乱した電磁波を受信アンテナ５で受信し、その信号を記録・解析する。
【００３５】
なお、図１では、埋設された送信用ダイポール・アンテナ１および受信アンテナ５の間には、例えば、モニタリング対象である放射性廃棄物Ｒが埋設されている。この放射性廃棄物Ｒは、例えば、緩衝材Ｇ（ガラス固化体）で包んだ状態で埋設される。放射性廃棄物Ｒのモニタリングの必要性としては、以下の理由が挙げられる。放射能が緩衝材Ｇを通過し地下水に流れ出し、この放射能汚染された地下水が地表に流れ出すおそれが考えられるからである。このため放射性廃棄物Ｒの周囲の含水率分布情報を３次元的に把握することは安全上重要である。また、放射性廃棄物Ｒが高温になるおそれもあることから、含水率計で直接計測することは好ましくない。このため、放射性廃棄物Ｒから離れたところから長期間にわたってモニタリングすることが必要になる。
【００３６】
なお、前述した受信アンテナ５には、光変調器（例えば、マッハツェンダー（Mach-Zehnder）型光変調器）が設けられている。この光変調器は、アンテナ受信電圧で光に変調をかけるので、アンテナ受信電圧を直接に光信号に変換することができる。光変調器でアンテナ受信信号を光信号に変換し、受信側の光ファイバーを介して地上側の信号処理装置に光信号（受信データ）が伝送されるため、受信アンテナ５の周囲に金属給電線、能動回路、バッテリなどの電磁界を乱すものが存在せず、理想的な電界測定が可能となる。
【００３７】
本実施例のボアホール・レーダーの構成について、もう少し詳細に説明する。まず、地表上の第１位置と、同じく地表上でこの第１位置から所定距離（例えば約１０メートル）離れた第２位置とに、所定深さ（例えば、約１００メートル深さ）のボーリング孔ＢＨ１，ＢＨ２がボーリングマシンなどによりそれぞれ形成される。なお、この二個のボーリング孔ＢＨ１，ＢＨ２は、モニタリング対象である放射性廃棄物Ｒを間に挟むようにして形成されていることは言うまでもない。後述するように、一方のボーリング孔ＢＨ１の内部に送信アンテナ（送信用ダイポール・アンテナ１）を埋設し、他方のボーリング孔ＢＨ２の内部に受信アンテナ５を埋設する。
【００３８】
ボアホール・レーダーの送信系の地上側装置としては、高周波電気信号（ＲＦ信号）を生成する発振器１１と、この発振器１１からの高周波電気信号を光信号に変換して出力するレーザーダイオード１３とが設けられている。
【００３９】
また、このレーザーダイオード１３からの光信号は、送信信号用光ファイバー１５を介して地中の送信用ダイポール・アンテナ１の前段に設けられたフォトダイオード１７に伝送されている。このフォトダイオード１７は、入力された光信号を高周波電気信号に変換する。その変換された高周波電気信号は、フォトダイオード１７の出力側に設けられた増幅器１９で増幅されて送信用ダイポール・アンテナ１に給電されている。
【００４０】
送信用ダイポール・アンテナ１から電磁波（例えば、数１０MHｚ〜数１００MHｚ）が送信され、その地中内の透過波や散乱波を、埋設された受信アンテナ５で受信し、地上側の信号処理装置に伝送されて解析され、２個のボーリング孔ＢＨ１，ＢＨ２の間での地中環境の状況がモニタリングできるようになっている。
【００４１】
ここで、本実施例のボアホール・レーダーにおける地中埋設型送信装置の構成について、もう少し詳細に説明する。
【００４２】
本実施例の地中埋設型送信装置は、図１に示すように、地中環境をモニタリングするレーダーに用いられる送信装置であって、地上側で太陽光（あるいは人工光源による光であってもよい）を集光する、地上側に設けられた入力側光学系装置２１と、地盤に形成したボーリング孔ＢＨ１の内部に挿入された、入力側光学系装置２１で集光された太陽光を地中内に伝送する光ファイバー３１と、この光ファイバー３１で伝送されてきた太陽光を電気に変換する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた太陽電池４１と、この太陽電池４１で発生した電気を蓄電する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた電気二重層キャパシタ４３（Electric Double Layer Capacitor: ＥＤＬＣ）と、入力光信号を高周波電気信号に変換する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられたフォトダイオード１７と、電気二重層キャパシタ４３からの電力で駆動し、フォトダイオード１７からの高周波電気信号を増幅出力する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた増幅器１９と、この増幅器１９で増幅された高周波電気信号が給電される、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた送信用ダイポール・アンテナ１と、を備えている。
【００４３】
また、図１に示すように、フォトダイオード１７に入力光信号を伝送するための送信信号用光ファイバー１５が、太陽電池４１への光誘導のための光ファイバー３１とは別体で備えられている。
【００４４】
以下に、地中埋設型送信装置の各構成について順番に説明する。
【００４５】
送信用ダイポール・アンテナ１は、筒状のアンテナ部３を備えている。具体的には、２個のアンテナ部３を直線状に配置したアンテナである。この２個のアンテナ部３の筒内径は、例えば、φ６０ｍｍとしており、アンテナ部３の長手方向の長さは、例えば、２０００ｍｍとしている。また、２個のアンテナ部３のうちで上方の筒状のアンテナ部３の内部には、後述するように、光ファイバー３１の出力側の凹レンズ３３とシリンドリカルレンズ３５と電気二重層キャパシタ４３と増幅器１９とフォトダイオード１７とを備えている。なお、一方のアンテナ部３の筒内部に、少なくとも電気二重層キャパシタ４３と増幅器１９とフォトダイオード１７とを備えた構成としてもよい。
【００４６】
また、図１に示すように、電気二重層キャパシタ４３は、電磁シールド材４５で覆われた状態で、アンテナ部３の筒内に設けられている。この電磁シールド材４５としては、電磁シールドシートや電波吸収シートなど各種のものが挙げられる。
【００４７】
入力側光学系装置２１は、太陽光を集光する凸レンズ２３（例えば、φ４６４ｍｍの光径）と、この凸レンズ２３で光径が絞られた太陽光が入射されて平行光にする凹レンズ２５（例えば、φ２５ｍｍの光径）と、この凹レンズ２５を介した平行光を所定方向に反射させる第１ミラー２７と、この第１ミラー２７からの光を所定方向に反射させて、ボーリング孔ＢＨ１の内部の光ファイバー３１の入射面に供給するための第２ミラー２９とを備えている。
【００４８】
また、この凸レンズ２３の出射面側には、紫外線と赤外線を低減するフィルターが設けられている。紫外線を低減することで、この凸レンズ２３以降の光学部材や太陽電池４１などへの紫外線損傷を低減することができ、赤外線を低減することで太陽電池４１などが熱を持つことを低減できる。このフィルターは、紫外線カットフィルターと赤外線カットフィルターとからなる二枚構成としてもよいし、入力側光学系装置２１の凹レンズ２５やミラーの箇所など任意の箇所に設けるようにしてもよい。
【００４９】
ボーリング孔ＢＨ１の内部の光ファイバー３１は、その一端側が入力側光学系装置２１からの光が入力される入力端とし、その他端側が地中に埋設されて光出力する出力端とする光伝送部材であり、例えば、φ２０ｍｍの光径のものを採用している。
【００５０】
この光ファイバー３１の出力端側には、図１に示すように、当該光ファイバー３１の出力端から出力された光が入射される凹レンズ３３と、この凹レンズ３３を介した円形光（横断面視で円形の光）を、光拡散出力部材３７の矩形状の入射面に合わせるべく角形光（横断面視で角形の光）に変換出力するシリンドリカルレンズ３５と、このシリンドリカルレンズ３５からの角形光が入射され、その入射光を太陽電池４１の受光面に出射するように拡散出力する光拡散出力部材３７とが順に備えられている。
【００５１】
光拡散出力部材３７は、アンテナ部３の筒開口側を、シリンドリカルレンズ３５から出力された光が入射される入射面とし、この入射面から入射された光を太陽電池４１の受光面に向けて出射する、当該太陽電池４１の受光面と対向する出射面を備えている。
【００５２】
太陽電池４１は、その受光面が、アンテナ部３の筒内中心側に向けられ、かつ、光拡散出力部材３７の出射面と対向させるようにして当該アンテナ部３の筒内に設けられている。
【００５３】
ここで、光拡散出力部材３７および太陽電池４１について、図２も用いてもう少し詳細に説明する。図２（ａ）は、光ファイバー３１の出射端と光拡散出力部材３７と太陽電池４１の構成を示す正面図であり、図２（ｂ）はその側面図である。
【００５４】
図２に示すように、太陽電池４１はアンテナ部３の筒内に複数個（例えば、４個）設けられており、正確には、このうちの２個の太陽電池４１は、アンテナ部３の筒内でその筒長さ方向に一列（第一列）に並べて設けられ、残りの２個の太陽電池４１も、アンテナ部３の筒内でその筒長さ方向に第一列とは別の一列（第二列）に並べて設けられている。つまり、太陽電池４１は、アンテナ部３の筒内に、２個を一列に並べたものを２列用意した合計４個設けられている。
【００５５】
光拡散出力部材３７は、図２に示すように、二枚の板状の光拡散板３９をその背面同士を当接させて配置したものであり、この背面は光反射面であり、各光拡散板３９での光反射面と対向する面が出射面となるものであり、一方の光拡散板３９の入射面から入射された光を、第一列に並べた２個の太陽電池４１の各受光面に向けて出射するようにその光拡散板３９の出射面を、アンテナ部３の筒長さ方向に長くした形状とし、第一列に並べた２個の太陽電池４１の受光面と対向させており、他方の光拡散板３９の入射面から入射された光を、第二列に並べた２個の太陽電池４１の各受光面に向けて出射するようにその光拡散板３９の出射面を、アンテナ部３の筒長さ方向に長くした形状とし、第二列に並べた２個の太陽電池４１の受光面と対向させている。
【００５６】
ここで、太陽電池４１と電気二重層キャパシタ４３などからなる蓄電部システム３０について図３を用いて説明する。図３は、蓄電部システム３０の電気的構成を示すブロック図である。
【００５７】
蓄電部システム３０は、図３に示すように、太陽電池４１と電気二重層キャパシタ４３と５ボルト（５Ｖ）用昇圧回路４７と１．５ボルト（１．５Ｖ）用降圧回路４９と時計５１と出力制御回路５３と１５ボルト（１５Ｖ）用昇圧回路５５とを備えている。なお、図３に示した蓄電部システム３０による出力（５ボルトと１５ボルト）は、図１に示す増幅器１９に供給される。
【００５８】
電気二重層キャパシタ４３の出力電圧は蓄積電荷量により変化するため、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて安定化させている。つまり、本実施例のボアホール・レーダーでは、例えば５ボルトと１５ボルトの２電源を必要とするので、５ボルト用昇圧回路４７としての昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより電気二重層キャパシタ４３の出力電圧をまず５ボルトに昇圧し、そこからさらに１５ボルト用昇圧回路５５としての昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより１５ボルトに昇圧している。なお、ボアホール・レーダーで必要とされる電源の数や電圧に応じて、所定の電圧を出力する昇圧型あるいは降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを必要な数だけ採用すればよい。
【００５９】
本実施例でのボアホール・レーダーでは、１日の測定時間は例えば１０分間であるため、出力制御回路５３と時計５１とを用いて、増幅器１９への電源出力（本実施例では、図３に示す５ボルトと１５ボルト）をＯＮ／ＯＦＦ制御している。
【００６０】
出力制御回路５３としては、例えば、型番「PIC12F675」などのＰＩＣ(Peripheral Interface Controller：周辺機器接続制御用ＩＣ)を採用している。
【００６１】
また、この時計５１としては、余分な電力消費を抑えるため、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ）タイプの液晶表示時計を採用している。また、この時計５１に電力を供給するため、１．５ボルト（１．５Ｖ）用降圧回路４９としての降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて電気二重層キャパシタ４３の出力電圧を１．５ボルトまで降圧している。
【００６２】
次に、本実施例で採用した電気二重層キャパシタ４３について説明する。電気二重層キャパシタ４３は、分極性電極となる活性炭とイオン伝導性の電解液との界面に形成される電気二重層に、電荷を蓄積して使用する蓄電デバイスである。本実施例では、例えば、最大使用電圧２．７Ｖ（ボルト）、公称静電容量６００Ｆ（ファラッド）、外形寸法が９０×６０×２８ｍｍ（ミリ）で、使用温度範囲―４０〜６０℃、寿命時間１０年、繰返し寿命５０万回のものを採用した。なお、電気二重層キャパシタ４３としては前述したタイプのものに限定されず、前述したタイプのもの以外に種々のタイプのものを採用してもよい。
【００６３】
また、実施例の地中埋設型送信装置は、図３に示すように、地上側からボーリング孔ＢＨ１の内部に挿入された、時計５１への時間光信号を伝送するための時間信号用光ファイバー５７と、この時間信号用光ファイバー５７を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換器５９と、を備え、時計５１は、信号変換器５９で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、出力制御回路５３は、時計５１が所定時間となることに基づいて、電気二重層キャパシタ４３から増幅器１９への電力供給を所定期間行う。
【００６４】
なお、上述した入力側光学系装置２１は本発明における集光手段に相当し、上述した光ファイバー３１は本発明における光伝送手段に相当し、上述した電気二重層キャパシタ４３は本発明における蓄電手段に相当し、上述したフォトダイオード１７は本発明における光電変換手段に相当し、上述した増幅器１９は本発明における増幅手段に相当し、上述した送信用ダイポール・アンテナ１は本発明における送信アンテナに相当し、上述した電磁シールド材４５は本発明における電磁シールド部材に相当し、上述した出力制御回路５３は本発明における制御手段に相当し、上述した時間信号用光ファイバー５７は本発明における時間信号用光伝送手段に相当し、上述した時計５１は本発明における時計手段に相当し、上述した信号変換器５９は本発明における信号変換手段に相当する。
【００６５】
続いて、本実施例の地中埋設型送信装置の制御方法について、図４を用いて説明する。図４は、地中埋設型送信装置の制御フローチャートである。
【００６６】
地中埋設型送信装置の出力制御は、出力制御回路５３を用いて行われる。まず、ステップＳ１では、出力制御回路５３は、初期設定を行う。次に、ステップＳ２では、出力制御回路５３は、入力があるか否かを判定する。つまり、出力制御回路５３は、時計５１からのアラーム信号を検知すると、ステップＳ３に進み、内部のＦＥＴ（Field Effect Transistor）をＯＮにし、増幅器１９（負荷）に電力を供給する。
【００６７】
なお、このように増幅器１９に電力供給されているときには、当然に、送信信号用光ファイバー１５を介してフォトダイオード１７に伝送され、このフォトダイオード１７で高周波電気信号に変換され、その変換された高周波電気信号が増幅器１９に入力されていることから、高周波電気信号が増幅器１９で増幅されて送信用ダイポール・アンテナ１に給電され、送信用ダイポール・アンテナ１から電磁波が送信されていることは言うまでもない。その地中内の透過波や散乱波を、埋設された受信アンテナ５で受信し、地上側の信号処理装置に伝送されて解析され、２個のボーリング孔ＢＨ１，ＢＨ２の間での地中環境の状況がモニタリングされる。
【００６８】
そして、ステップＳ４に進み、出力制御回路５３は、同時にタイマーをスタートさせ、１０分をカウントする。この間、他の入力は無視する。すなわち、割り込み処理を無効とする。
【００６９】
１０分後、ステップＳ５では、出力制御回路５３は、内部のＦＥＴをＯＦＦにし、増幅器１９（負荷）への電力供給を停止し、割り込み処理を有効にし、ステップＳ６のスリープモードに入り、次のアラーム信号入力を検知するまで待機する。
【００７０】
なお、このように増幅器１９への電力供給が停止されているときには、基本的に、地上側の発振器１１での高周波電気信号（ＲＦ信号）の生成は停止されている。
【００７１】
続いて、本実施例の地中埋設型送信装置の充電実験について、図５を用いて説明する。図５は、電源装置により０．２（Ａ）の定電流で充電を行った結果を示す図である。
【００７２】
＜充電実験＞
充電実験は、太陽電池４１を４枚並列接続した場合、公称最大電流が０．２４アンペア（Ａ）であるため、電源装置により０．２（Ａ）の定電流で充電を行った。その結果を図５に示す。図５に示すように、完全放電状態から満充電までに約８時間３０分を要した。
【００７３】
続いて、本実施例の地中埋設型送信装置の放電実験について、図６，図７を用いて説明する。図６は、出力制御を行わない場合の放電特性を示す図である。図７は、出力制御を行った場合の放電特性を示す図である。
【００７４】
＜放電実験＞
放電は、ボアホール・レーダーの消費電力２ワット（Ｗ）に相当するセメント抵抗を用意し、満充電状態から行った。実験は、出力制御を行わない場合（常時出力の場合）と、実際の使用条件に合わせて出力制御を行った場合（１日１０分稼働の場合）の２通り行った。それらの結果を図６，図７に示す。
【００７５】
図６において、「１５Ｖ出力」が出力されているとき、負荷への電力供給がなされていることを表している。この場合、約１時間分の電力を供給できた。
【００７６】
また、図７は実際の使用条件「１日１０分間」に合わせて出力制御を行った場合の放電特性である。この場合、４日分の電力を供給できた。電力供給がなされていないときの電力消費は、制御系のみの消費である。
【００７７】
＜検討＞
電気二重層キャパシタ４３（キャパシタ）が完全放電の状態から行った充電時間の測定結果は８時間３０分であったが、実際には完全放電状態になることはない。なぜなら、図６からキャパシタの出力電圧が２ボルト（Ｖ）を下回ると、５ボルト用の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が低下し、ボアホール・レーダーを稼動させることができない。したがって、キャパシタの出力電圧の低下は約２ボルト（Ｖ）までとなる。これを考慮すると、実際の充電時間は、キャパシタの出力電圧が２ボルト（Ｖ）付近から満充電状態まででよいので、図５から６時間程度となる。
【００７８】
また、ボアホール・レーダーの使用条件に合わせた放電実験は満充電状態から行ったが、実験中は追加充電していない。しかし、太陽電池４１は雨の日でも少しは発電するので、図７の結果から、本実施例の地中埋設型送信装置（特に、太陽電池４１および電気二重層キャパシタ４３などによる蓄電部）は、非日照の状態で、ボアホール・レーダーに４日分の電力を供給できることになる。この結果から、この太陽電池４１および電気二重層キャパシタ４３などによる蓄電部は、ボアホール・レーダーを稼働するのに十分な電力を確保できたと言える。
【００７９】
以上のように、本実施例の地中埋設型送信装置によれば、地上側で太陽光を集光する、地上側に設けられた入力側光学系装置２１と、地盤に形成したボーリング孔ＢＨ１の内部に挿入された、入力側光学系装置２１で集光された太陽光を地中内に伝送する光ファイバー３１と、この光ファイバー３１で伝送されてきた太陽光を電気に変換する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた太陽電池４１と、この太陽電池４１で発生した電気を蓄電する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた電気二重層キャパシタ４３（Electric Double layer Capacitor: ＥＤＬＣ）と、入力光信号を高周波電気信号に変換する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられたフォトダイオード１７と、電気二重層キャパシタ４３からの電力で駆動し、フォトダイオード１７からの高周波電気信号を増幅出力する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた増幅器１９と、この増幅器１９で増幅された高周波電気信号が給電される、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた送信用ダイポール・アンテナ１と、を備えているので、入力側光学系装置２１と光ファイバー３１とを用いて太陽光を地中に誘導することができ、この誘導光を太陽電池４１で電気に変換し、その電気を電気二重層キャパシタ４３に蓄電して活用することができる。つまり、地上と地中の送信アンテナ用の増幅器１９とを結ぶ電源ケーブルを用いない（電力ケーブルレス）構成とすることができ、電源ケーブルからの電磁波の影響や、金属給電線がアンテナ特性に影響を与えるため、計測データに大きく影響するという問題を解消することができ、高精度なデータ取得を実現できる。
【００８０】
また、電気二重層キャパシタ４３を埋設したままでこの電気二重層キャパシタ４３を充放電させることができ、電気二重層キャパシタ４３への充電のために地上に引き上げる必要が全く無いし、送信用ダイポール・アンテナ１も位置変更させることなく長期間にわたって埋設したままとすることができ、送信用ダイポール・アンテナ１の引き上げや埋設位置ずれに起因する再現性低下などの測定精度の低下を解消することができる。また、電気二重層キャパシタ４３のメンテナンスを不要とすることができ、送信用ダイポール・アンテナ１などの引き上げ作業を皆無とすることができる。
【００８１】
したがって、地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置を提供することができる。
【００８２】
また、電気二重層キャパシタ４３は半永久的に充放電使用でき、交換の必要性がほとんどないので、電気二重層キャパシタ４３を埋設したままでこの電気二重層キャパシタ４３を充放電させることができ、電気二重層キャパシタ４３への充電のために地上に引き上げる必要が全く無い。電気二重層キャパシタ４３は、充放電時に化学変化を伴わないため、急速大電流の充放電が可能であり、広い温度範囲において安定した充放電挙動を示すなどの利点に優れる。
【００８３】
また、送信用ダイポール・アンテナ１は筒状のアンテナ部３を備え、この筒状のアンテナ部３の内部に、少なくとも電気二重層キャパシタ４３と増幅器１９とフォトダイオード１７とを備えているので、電気二重層キャパシタ４３と増幅器１９とフォトダイオード１７とを筒状のアンテナ部３によって電磁シールドされ、電気二重層キャパシタ４３と増幅器１９とフォトダイオード１７などによる外部への電磁的影響を低減することができる。
【００８４】
また、送信用ダイポール・アンテナ１の筒内に設けられた電気二重層キャパシタ４３は電磁シールド材４５で覆われているので、電気二重層キャパシタ４３がさらに電磁シールド材４５で電磁シールドされ、電気二重層キャパシタ４３による外部への電磁的影響を低減できる。
【００８５】
また、一端側が入力側光学系装置２１からの光が入力される入力端とし、他端側が地中に埋設されて光出力する出力端とする光ファイバー３１と、この光ファイバー３１の出力端から出力された光が入射され、その入射光を太陽電池４１の受光面に出射するように拡散出力する光拡散出力部材３７とを備えているので、光ファイバー３１を介して地中内に誘導された太陽光を光拡散出力部材３７により太陽電池４１の受光面に拡散出力することができ、太陽電池４１の受光面全体で光を受けることができ、受光面を効率良く活用でき、太陽光から電気への変換量を効率良くできる。
【００８６】
また、光拡散出力部材３７は、二枚の板状の光拡散板３９をその背面同士を当接させて配置したものであり、この背面は光反射面であり、各光拡散板３９での光反射面と対向する面が出射面となるものであり、一方の光拡散板３９の入射面から入射された光を、第一列に並べた２個の太陽電池４１の各受光面に向けて出射するようにその光拡散板３９の出射面を、アンテナ部３の筒長さ方向に長くした形状とし、第一列に並べた２個の太陽電池４１の受光面と対向させており、他方の光拡散板３９の入射面から入射された光を、第二列に並べた２個の太陽電池４１の各受光面に向けて出射するようにその光拡散板３９の出射面を、アンテナ部３の筒長さ方向に長くした形状とし、第二列に並べた２個の太陽電池４１の受光面と対向させているので、さらに多くの太陽電池４１を配置することができ、増加した太陽電池４１の分だけ、より多くの太陽光を電気に変換できることから、より多くの電力を確保できる。
【００８７】
また、電気二重層キャパシタ４３から増幅器１９への電力供給を制御する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた出力制御回路５３と、時刻を計測する、ボーリング孔ＢＨ１の内部に設けられた時計５１と、地上側からボーリング孔ＢＨ１の内部に挿入された、時計５１への時間光信号を伝送するための時間信号用光ファイバー５７と、この時間信号用光ファイバー５７を介しての時間光信号を電気信号に変換する信号変換器５９と、を備え、時計５１は、信号変換器５９で変換された電気信号に基づいて、時刻を修正する機能を備え、出力制御回路５３は、時計５１が所定時間となることに基づいて、電気二重層キャパシタ４３から増幅器１９への電力供給を所定期間行うので、時計５１は、地上側からの時間光信号を変換した電気信号に基づいて時刻を修正するので、埋設された状態のままで時計５１の時刻を修正することができ、時計５１の時刻修正のために地中から引き上げる必要がない。また、出力制御回路５３は、時計５１が所定時間となることに基づいて、電気二重層キャパシタ４３から増幅器１９への電力供給を所定期間行い、増幅器１９が駆動され、この際に送信用ダイポール・アンテナ１から電磁波を送信させることができるので、送信用ダイポール・アンテナ１から常時に送信するのではなく、間欠的に送信させたり、予め決められた時間帯のみ送信させたりでき、長期間にわたる地中環境モニタリングに適している。
【実施例２】
【００８８】
以下、図面を参照して本発明の実施例２の地中埋設型送信装置を説明する。図８は、実施例２のボアホール・レーダーとその地中埋設型送信装置の一例を示すブロック図である。
【００８９】
前述した実施例１の地中埋設型送信装置では、図１に示すように、太陽光を誘導する光ファイバー３１と、フォトダイオード１７に光信号を伝送するための送信信号用光ファイバー１５と、時計５１への時間光信号を伝送するための時間信号用光ファイバー５７（図３参照）と、を別体としている。
【００９０】
これに対して、実施例２の地中埋設型送信装置では、図８に示すように、複数本の単位光ファイバー（光伝送部材）を一本に束ねた光ケーブル６１のうちの一部（例えば１本）を、フォトダイオード１７に入力光信号を伝送するための入力光信号用光伝送部材６１ａとし、もう一本を時計５１への時間光信号を伝送するための時間信号伝送部材６１ｂとし、それ以外の残り全ての単位光ファイバー（光伝送部材）を太陽電池４１への光伝送用部材６１ｃとしている。これらの点が、前述の実施例１とは異なっている。
【００９１】
図８に示すように、光ケーブル６１のうち１本の単位光ファイバーは、フォトダイオード１７への入力光信号用光伝送部材６１ａとなっている。また、光ケーブル６１のうち他の１本の単位光ファイバーは、時計５１への時間光信号を伝送するための時間信号伝送部材６１ｂとなっている。さらに、光ケーブル６１のうちでその二本以外の全ての単位光ファイバー（光伝送用部材６１ｃ）は、太陽電池４１への光伝送用となっている。
【００９２】
本実施例２の場合でも、好適に太陽電池４１への光誘導ができ、フォトダイオード１７への入力光信号や時計５１への時間光信号を好適に伝送できる。
【実施例３】
【００９３】
以下、図面を参照して本発明の実施例３の地中埋設型送信装置を説明する。図９は、実施例３の蓄電部システム３０の電気的構成を示すブロック図である。
【００９４】
前述した実施例１，２の地中埋設型送信装置では、図１，図８に示すようにボーリング孔ＢＨ１に埋設された送信アンテナ（送信用ダイポール・アンテナ１）の内部の蓄電部システム３０に、図３に示す時計５１を設けている。つまり、時計５１を地下に埋設している。
【００９５】
これに対して、実施例３の地中埋設型送信装置は、図９に示すように、蓄電部システム３０の内部にあった時計５１を、ボアホール・レーダーの送信系の地上側装置に備えるようにし、時計５１に基づいて地上部出力制御回路８４からの測定制御光信号（例えば、測定開始光信号や測定終了光信号）が地下の送信用ダイポール・アンテナ１の内部の蓄電部システム３０（時計５１を存しない）に伝送され、この測定制御光信号に基づいて蓄電部システム３０の増幅器１９への電源出力（本実施例では、図３に示す５ボルトと１５ボルト）をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしている。これらの点が、前述の実施例１，２とは異なっている。
【００９６】
図９に示すように、ボアホール・レーダーの送信系の地上側装置は、地上部太陽電池８０と、地上部ＥＤＬＣ８１と、昇圧回路８２と、時計５１と、地上部出力制御回路８４と、地上部光モジュール８５とを備えている。
【００９７】
この昇圧回路８２は、地上部ＥＤＬＣ８１の出力電圧を所定電圧（例えば、３ボルト、５ボルト）に昇圧し、時計５１（例えば電波時計）、地上部出力制御回路８４および地上部光モジュール８５に電源供給する。
【００９８】
地上部出力制御回路８４は、地上部ＥＤＬＣ８１の電圧の監視と、時計５１からの測定制御光信号（例えば、測定開始光信号や測定終了光信号）の受信と、地上部光モジュール８５の制御を行っている。
【００９９】
地上部光モジュール８５と地下部光モジュール８７とは、地上部と地下部の間で測定制御光信号の送受信を行うためのものである。
【０１００】
なお、地上側装置では、地上部太陽電池８０と地上部ＥＤＬＣ８１とを用いているが、これに替えて直流電源装置からの電源電力を用いるようにしてもよい。
【０１０１】
また、図１，図８に示したボーリング孔ＢＨ１に埋設された送信アンテナ（送信用ダイポール・アンテナ１）の内部の蓄電部システム３０は、図９に示すように、地上部光モジュール８５と光ファイバー８６で接続された地下部光モジュール８７と、前述の実施例１，２と同様の太陽電池４１，ＥＤＬＣ４３，昇圧回路４７，出力制御回路５３および昇圧回路５５を備えている。
【０１０２】
地下部、つまり、送信用ダイポール・アンテナ１の内部の蓄電部システム３０では、図９に示すように、昇圧回路４７は、ＥＤＬＣ４３の出力電圧を地下部光モジュール８７と出力制御回路５３の電源用として５ボルトに昇圧する。出力制御回路５３は、ＥＤＬＣ４３の出力電圧の監視と、地下部光モジュール８７からの信号に基づいてボアホール・レーダーに対する電力供給（具体的には、増幅器１９への電力供給）の制御を行っている。
【０１０３】
地上部出力制御回路８４は、時計５１からの測定制御光信号（測定開始光信号）を受信すると、地上部光モジュール８５にその信号を送信する。地上部光モジュール８５は、光ファイバー８６を経由して地下部光モジュール８７に測定制御光信号（測定開始光信号）を送信する。測定制御光信号（測定開始光信号）を受信した地下部光モジュール８７は、測定開始光信号を測定開始電気信号に変換して出力制御回路５３に出力する。出力制御回路５３は、測定開始電気信号に基づいて、増幅器１９に電力（５ボルトと１５ボルト）を供給するよう制御する。増幅器１９に電力供給されることで、レーザーダイオード１３からの光信号に基づく電磁波が送信用ダイポール・アンテナ１から送信される。
【０１０４】
そして、地上部出力制御回路８４は、時計５１からの測定制御光信号（測定終了光信号）を受信すると、地上部光モジュール８５にその信号を送信する。地上部光モジュール８５は、光ファイバー８６を経由して地下部光モジュール８７に測定制御光信号（測定終了光信号）を送信する。測定制御光信号（測定終了光信号）を受信した地下部光モジュール８７は、測定終了光信号を測定終了電気信号に変換して出力制御回路５３に出力する。出力制御回路５３は、測定終了電気信号に基づいて、増幅器１９に電力（５ボルトと１５ボルト）を供給停止する。増幅器１９への電力供給が停止されることで、送信用ダイポール・アンテナ１からの送信が停止される。
【０１０５】
なお、上述した光ファイバー８６は本発明における制御信号用光伝送手段に相当し、上述した地下部光モジュール８７は本発明における信号変換手段に相当する。
【０１０６】
時計５１が地下に埋め込まれている場合において、ＥＤＬＣ４３の電圧が何らかの理由により低下して時計５１への電力供給が停止することがあると、再びＥＤＬＣ４３が充電され、再起動しても時間設定を行えないという問題が生じるおそれがある。
【０１０７】
本実施例３の場合には、時計５１を地上部に設置しているので、送信アンテナ（送信用ダイポール・アンテナ１）を引き上げずに時計５１の再設定ができる。
【０１０８】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【０１０９】
（１）上述した実施例では、４個の太陽電池４１を設けているが、１個または４個以外の複数個としてもよい。
【０１１０】
（２）上述した実施例では、図１に示すように光拡散出力部材３７と太陽電池４１とを備えたものとしているが、図１０（ａ）に示すように、光ファイバー３１の出力端と太陽電池４１の受光面とを凹レンズ７１を介して対向配置させた構成や、図１０（ｂ）に示すように、光ファイバー３１の出力端側に複数個（例えば２個）のハーフミラー７３を設け、各ハーフミラー７３の出力側にシリンドリカルレンズ７５と凹レンズ７７とを設け、水平姿勢の光拡散出力部材３７の入射面に光を案内し、この光拡散出力部材３７の出射面からの光を太陽電池４１で受けるという構成を採用してもよい。
【０１１１】
（３）上述した実施例では、時計５１を内蔵した構成を採用しているが、時計５１を内蔵するのではなく、地上側からの外部制御光信号に基づいて出力制御回路５３が増幅器１９に電力供給するようにしてもよい。
【０１１２】
（４）上述した実施例では、光ファイバー３１を採用しているが、ガラス棒（例えば、直径数センチ）などを採用してもよい。
【０１１３】
（５）上述した各実施例では、太陽光を集光しているが、人工光源による光を集光するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上のように、本発明は、地中環境モニタリングを長期間にわたって高精度に行うことができ、かつ、送信アンテナ系のメンテナンス不要な地中埋設型送信装置を構築できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】実施例１のボアホール・レーダーとその地中埋設型送信装置の一例を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、実施例１での光ファイバーの出射端と光拡散出力部材と太陽電池の構成を示す正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図３】実施例１の蓄電部システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】実施例１の地中埋設型送信装置の制御フローチャートである。
【図５】実施例１の地中埋設型送信装置に対して電源装置により０．２（Ａ）の定電流で充電を行った結果を示す図である。
【図６】出力制御を行わない場合の地中埋設型送信装置の放電特性を示す図である。
【図７】出力制御を行った場合の地中埋設型送信装置の放電特性を示す図である。
【図８】実施例２の地中埋設型送信装置の一例を示すブロック図である。
【図９】実施例３の蓄電部システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図１０】変形例の地中埋設型送信装置の太陽電池などを示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１    …  送信用ダイポール・アンテナ
１７  …  フォトダイオード
１９  …  増幅器
２１  …  入力側光学系装置
３１  …  光ファイバー
４３  …  電気二重層キャパシタ
４５  …  電磁シールド材
５１  …  時計
５３  …  出力制御回路
５７  …  時間信号用光ファイバー
５９  …  信号変換器
【図１】
2009270919.tif 000003
【図２】
2009270919.tif 000004
【図３】
2009270919.tif 000005
【図４】
2009270919.tif 000006
【図５】
2009270919.tif 000007
【図６】
2009270919.tif 000008
【図７】
2009270919.tif 000009
【図８】
2009270919.tif 000010
【図９】
2009270919.tif 000011
【図１０】
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