JP2004304753A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末において、低消費電力を実現する。
【解決手段】特定方向へ指向性を持つ第１のアンテナと、複数の放射器からなる第２のアンテナによって基地局からの電波の方向を検出し、その基地局側に対し第１のアンテナの指向性を圧電アクチュエータによって向けた後、端末の送信電力を下げ低消費電力を実現する。
【選択図】 図１

Description

この発明は無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末等に搭載されるアンテナ装置に関するものである。

無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末は、基地局との間でデータや音声の情報をやりとりする。基地局は大型のアンテナ装置と商用電源に接続されているが、一方、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末は可搬性をよくするため、より小型な筐体を求められており、このため有限な容量である蓄電池を電源としている。このため、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末の使用できる送信電力には制限がある。

また、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末は、基地局と情報のやりとりをする電波の送受信を行うためのアンテナを持つ。アンテナには、ある面に対して等方向へ電波を放射する無指向性アンテナと、特定の方向へ電波をより強く放射するが、その他の方向へは電波を弱く放射するという特徴を持つ指向性アンテナがある。指向性アンテナの代表的な例として八木アンテナが挙げられる。

通信を行う場合には、指向性アンテナを用いて通信の相手方または相手方から到来する電波の強い方向へアンテナの指向性を向けた方が妨害は少なくなり安定した通信が可能になる。
アンテナの指向性を任意の方向へ向ける技術はおおまかに２つある。ひとつはアンテナを任意の方向へ回転させることにより、アンテナの指向性を目的の方向へ向ける技術であり、もうひとつはアンテナの輻射パターンを制御する技術である。前者は特許文献１に見られ、後者は特許文献２に見られる。また、端末が可視範囲にある目標に対してアンテナの指向性を向ける先行技術例としては特許文献３が挙げられる。

ところが、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末および基地局に用いられるアンテナは一般に水平面に対して無指向性のアンテナを用いている。これは子局と基地局の位置関係が子局の移動に伴って変化するため、電波の到来方向が予測できないためである。
アンテナの指向性が向き合っている場合には低い送信電力で効率のよい通信が実現できるが、位置関係が不明な場合にはむしろ通信の効率は悪くなる。
特開平４−３１９８０３号公報 特開２００１−５３６６１号公報 特開平６−１２０８７６号公報

無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末等の移動体機器には形状と使用できる電力に制限があることから、これらの機器は小型化で低消費電力であることが要求されている。そこで、低消費電力を実現するために、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末に指向性を持つアンテナを使い、基地局へアンテナの指向性を向けることが必要である。
ところが、従来の技術では以下の問題がある。

第１に無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末などには形状の制約があり、特許文献１にあるようなアンテナを回転させるためのモーターを搭載することは困難である。さらにモーター自体の持つ消費電力が大きくなるという欠点を持つ。
第２にアクティブフェイズドアレーアンテナに見られるような、アンテナの輻射パターンを制御し指向性を可変できるアンテナを用いるような場合にはアンテナの構造が大きくなるため、小型化を要求される無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末に組み込むことはできない。また、これらのアンテナでは指向性の輻射幅が小さくなり利得が大きいという利点があるが、制御するために頻繁に指向性を変える必要がある。このことは消費電力の増大を意味する。また、アクティブフェイズドアレーアンテナの場合にはアンテナの面に垂直な方向を中心に指向性を変えるため、指向性の可変範囲が狭いという欠点を持つ。

第３に基地局と子局の間に障害物があった場合には、何らかの反射された電波によって到達する可能性がある。したがって、光学的に基地局を追尾する方法では基地局と子局が可視範囲に入っている必要性があり、遮蔽物が存在した場合に正しい指向性をあわせることができなくなるという問題がある。
以上のような問題点が存在するため、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末等の機器には水平面に対して無指向性のアンテナを用いる場合が多く、小型端末としての低消費電力化が困難である。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、特定方向へ指向性を持つ第１のアンテナと、複数の放射器からなる第２のアンテナによって基地局からの電波の方向を検出し、その基地局側に対し第１のアンテナの指向性を圧電アクチュエータによって向けた後、端末の送信電力を下げ低消費電力を実現するものである。

第１の発明は、特定の方向に指向性を持つ第１のアンテナと、前記アンテナを支持する円盤状のフィルムと、前記円盤状のフィルムを回転させアンテナの方向を変えることが可能な駆動手段と、前記円盤状のフィルムに対して平行に、かつ、前記円盤状のフィルムの回転軸を中心として第１のアンテナとは別に放射状に複数の放射器からなる第２のアンテナを配置し、前記複数の放射器を持つアンテナの任意の１対を選択し、電気的に接続できる給電部を用いて、前記給電部からの出力を比較した結果基地局からの電波の到来方向を検出でき、前記円盤状のフィルムに設置されたアンテナを前記手段によって検出した電波の到来方向に向けることができるアンテナ装置である。

第１の発明によれば、特定の方向に指向性の強い第１のアンテナを電波の到来方向に向けることができる。しかる後に、本発明のアンテナ装置を持つ無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話装置の送信電力を通信に必要最小限の電力まで下げ、消費電力を抑えることができるという効果がある。
第２の発明は前記第１のアンテナは給電部と放射器を持ち、前記の第１のアンテナを支持する前記円盤状のフィルムと同一平面上に前記第1の放射器と平行に配置し、かつ前記放射器の配置された方向を軸として対称に配置された複数の導波器を持つことことを特徴とする。

第２の発明によれば、第１のアンテナの指向性は放射器の配置された方向を軸として対称な指向性を示す。これは、第２のアンテナによって検出された電波の到来方向が１８０度ずれていた場合においてもアンテナの指向性を電波の到来方向に間違えることなく向けるという効果がある。
第３の発明は第２のアンテナはダイポールアンテナによるものである。第３の発明によれば、第２のアンテナは放射パターンが放射器を軸として対称になる。これにより、電波の到来する軸を検出することが可能になるという効果がある。

第４の発明は前記第２のアンテナは前記給電部と６０度乃至４５度毎の角度を変えて配置された複数の放射器からなり、それぞれの放射器を電気的に切替えて接続することを特徴とするアンテナである。
第４の発明によれば、６０度乃至４５度毎の角度を変えて配置した複数のダイポールアンテナの給電点をそれぞれ切り替えることによって、ダイポールアンテナの指向性から基地局からの電波の到来方向をアンテナを回転させることなく検出できるという効果がある。

第５の発明は、前記アンテナ装置を収納するケースの一部が、電磁波を遮蔽しない物質である。
第５の発明によれば、アンテナの部分が電磁波を遮蔽しない物質に収納されることによって、アンテナの機能を損なうことなく、第１のアンテナを電波の到来方向へ向けることが可能となる効果がある。

第６の発明は、前記アンテナ装置を収納するケースの一部が、透明であるものである。
第６の発明によれば、ケースを透明にすることによって内部の第１のアンテナの状態を使用者が視覚により、アンテナの向いている方向を視認できるなどの効果がある。
第７の発明は、前記アンテナ装置の組み込まれる本体に対し、収納と突出が可能なスライド機構をもつものである。

第７の発明によれば、本発明のアンテナ装置を使用しない場合に、本体に収納することにより、アンテナ装置の保護をするという効果があり、また、使用時に本発明のアンテナ装置をスライド機構を用いて本体から突出させることにより、アンテナ装置をより効率よく動作させることが可能になるという効果がある。
第８の発明は、前記第１のアンテナ装置を支持する前記円盤状のフィルムに前記第１のアンテナ装置の持つ指向性の方向を示す印を前記円盤状のフィルム面上に表示したものである。

第８の発明によれば、使用者は第１のアンテナに示された印をみることによって、本発明のアンテナ装置が受信している電波の到来方向を知ることが可能となり、使用者は電波がより強く到来する場所へ本発明によるアンテナ装置を用いた機器を移動させ、より安定した通信が可能となるという効果がある。
第９の発明は、前記第１のアンテナと、前記第１のアンテナを回転させる駆動手段とを備える第１のアンテナ装置において、前記駆動手段を含む前記第１のアンテナ装置の回転軸の厚さが５ｍｍ以下、かつ前記円盤状のフィルムの直径が５０ｍｍ以下である。

第９の発明によれば、本発明のアンテナ装置はパーソナルコンピュータのカード型インタフェイスに収納できるという効果がある。
第１０の発明は、長辺が短辺の２倍以上の長さを有する略長方形形状の板状圧電素子と補強部とが積層された振動板と、前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を振動可能に支持する支持部材と、前記圧電素子に電力を供給する（この記述だと支持部材にも電力供給されるが）ことにより、前記圧電素子を伸縮させて前記振動板を振動させる駆動手段とを具備し、前記振動板の前記圧電素子の伸縮により、前記長手方向に伸縮する縦振動、および前記長手方向と直交する幅方向に揺動する屈曲振動を生じるようになされているものである。

第１０の発明によれば、これらの縦振動と屈曲振動とが組合わさった振動による前記一端部の変位によって、前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであるため、本発明のアンテナ駆動手段を極めてコンパクトに、かつ簡単な構成で実現できる。しかも、長辺が短辺の２倍以上の長さを有する略長方形形状の板状圧電素子で構成されているため、十分大きな屈曲振動が得られ駆動効率が良いという効果がある。

第１１の発明は、前記第２のアンテナから得られた基地局からの電波の到来方向に向けて前記圧電アクチュエータを用いて前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナを回転させている間は、前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナから放射する空中線電力を前記第１のアンテナが静止していたときよりも増加させるものである。

第１１の発明によれば、第２のアンテナによって電波の到来方向を検出した結果により、圧電アクチュエータを用いて第１のアンテナを回転させている間、第１のアンテナの指向性が基地局に対して外れることによって、一時的基地局と本発明を使用した端末とのリンクが切断されること防ぐという効果がある。
第１２の発明は、指向性を持つ第１のアンテナと、前記第１のアンテナを支持する円盤状のフィルムと、前記円盤状のフィルムを前記円盤状のフィルムの中心を軸として回転させ前記第１のアンテナの方向を変えることが可能な駆動手段と、前記円盤状のフィルムに平行、かつ前記円盤状のフィルムとの平行面内に第１のアンテナとは別の複数の放射器からなる第２のアンテナと、前記複数の放射器の内、任意の１対と電気的に接続できる給電部を具備し、それぞれの放射器と接続した時の前記給電部の出力を比較することで基地局からの電波の到来方向を検出する電波到来方向検出手段と、前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナを回転して、特定の方向に前記第１のアンテナの指向性を合わせるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記第１のアンテナの回転方向の角度変化量を検出する角度変化量検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、少なくとも基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となったとき、前記第１のアンテナを前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量に基づいてリンク接続時の角度位置に戻すように前記駆動手段を制御するアンテナ角度変化制御手段と、該アンテナ角度変化制御手段が非作動状態であるときに、前記第１のアンテナを前記電波到来方向検出手段で検出した電波の到来方向へ回転させるように前記駆動手段を制御するアンテナ方向制御手段とを備えることを特徴とする。

第１２の発明によれば、基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となった場合には、検出した角度変化量だけアンテナを回転させることによって、基地局があると予想される方向へ向けて、素早く通信を回復させることができるという効果がある。
第１３の発明は、前記アンテナ角度変化制御手段は、基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となり、且つ前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量が設定変化量以上であるとき、前記第１のアンテナを前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量に基づいてリンク接続時の角度位置に戻すように前記駆動手段を制御することを特徴とする。

第１３の発明によれば、アンテナの位置が、通信が可能であった位置から設定変化量以上に急速に変化したことによりリンクが切断された場合にのみ、角度変化量に基づく通信の回復を試みるので、本発明を使用した端末の位置が変化していない場合や、微小変化したことによりリンクが切断した場合には非作動とすることができるという効果がある。
第１４の発明は、前記角度変化量検出手段は、前記第１のアンテナの回転方向の角度変化を検出するセンサと、該センサの出力値を増幅する増幅器と、該増幅器の出力値を積分する積分手段とを有することを特徴とする。

第１４の発明によれば、本発明のアンテナ装置を使用した端末が所定時間の間に回転した角度変化量を確実に検出することができるという効果がある。
第１５の発明は、前記センサは、前記第１のアンテナの角速度を検出するように構成されていることを特徴とする。
第１５の発明によれば、本発明のアンテナ装置を使用した端末の角速度に基づいて、この端末が所定時間の間に回転した角度変化量を確実に検出することができるという効果がある。

第１６の発明は、前記センサは、ジャイロセンサにより構成されていることを特徴とする。
第１６の発明によれば、本発明のアンテナ装置を使用した端末が所定時間の間に回転した角度変化量を確実に検出することができると共に、センサのサイズが小型であるため、アンテナ装置等に搭載することができるという効果がある。

第１７の発明は、前記積分手段は、ローパスフィルタにより構成されていることを特徴とする。
第１７の発明によれば、比較的簡単な構成で、容易に出力信号を積分することができるという効果がある。
第１８の発明は、前記駆動制御手段は、基地局からの信号を復調する復調器を有し、基地局からの信号に含まれる符号誤り情報の変化に基づいて、基地局とのリンクの接続状態を判断することを特徴とする。

第１８の発明によれば、基地局からの信号に含まれるビットエラーレートに基づいて基地局とのリンクの接続状態を判断するので、リンク接続状態からリンク切断状態となったことを確実に検出し、素早くリンクの回復処理を行うことができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明によるアンテナ装置が使用する電波の周波数帯は、例えば５ＧＨｚである。この５ＧＨｚの周波数帯における電波の波長は約６センチであり、半波長ダイポール給電部の長さは約３センチとなる。このときダイポールアンテナの指向性を示すビームパターンは図３のような８字の特性を持つ。このダイポールアンテナにより鋭利な指向性をもたせるために導波器と反射器をもたせたものは図４のものが知られている。

アンテナの指向性を電波の到来方向へ向けることにより、安定した通信が実現できる。これにより送信するための電力をより減らすことが可能になる。
一般に無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置では端末と基地局では基地局側のアンテナ設備や送信電力に余裕があり、本発明によるアンテナ装置が搭載される端末側の設備や送信電力に制限がある場合がほとんどである。すなわち、先ほど述べたアンテナを回転させることによって生じる基地局とのリンクが切断されるという問題の原因は無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置の送信側の電波がアンテナの指向性が外れることによって基地局側の受信装置によって受信できなくなることによる可能性が高いと予想される。逆に基地局側から送信される電波については出力も十分であるため、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置の端末側から受信できなくなる可能性は前者より少ないと考えてよい。

本発明はダイポールアンテナを組み合わせることによって、受信側の状態を逐次監視し、その情報を元に圧電アクチュエータを用いて指向性を持つアンテナを基地局からの電波の到来方向に向けるものであり、圧電アクチュエータを用いることにより、コンパクトな筐体にアンテナ装置の収容を可能にし、少ないエネルギーでアンテナ本体を回転させ所定の方向へ向けることが可能である。

以下に動作の詳細を説明する。
本発明の実施形態を図１に示す。図１はＰＣＭＣＩＡと呼ばれる一般的なパーソナルコンピュータに装着することができるカード型のアダブタである。本発明によるアンテナ装置は筐体面１０３上に形成され、１０２の溝に沿ってカード型のアダブタ内部１０１に収納することができ、使用時には外部に引き出して使用する。

筐体面１０３を引き出したとき、アンテナを搭載した円盤状のフィルムを保護するために電磁波を透過する材質の透明なケースで筐体面１０３を被っている。本発明の使用者はこの透明なケースを介して印１２４を見ることによって電波の到来方向を知ることが可能になる。もし、電波の強度が弱くて端末と基地局の接続がうまくいかないような場合には使用者はこの印１２４を見ながら自己の位置を移動させることによって接続を安定させることも可能である。

筐体面１０３には給電点１１４を中心に回転させることが可能な円盤状のフィルム１１０があり、この円盤状のフィルム１１０には電波を放射することが可能な一対の放射器１２１、１２２と導波器１２３と反射器１２０が乗せてある。この円盤状のフィルム１１０の面に対して平行に円盤１１３があり、この円盤１１３を駆動装置１３０によって駆動することによりフィルム１１０を給電点１１４を軸として回転させることができるようになっている。なお、給電点１１４はスリップリングユニット１５０に接続されており、スリップリング１５０内部のブラシ（図示せず）によってフィルム１１０が回転することにより部品基板１５１に接続された配線が捻れて切断することを防いでいる。

図１０ならびに図１１はアンテナ装置の詳細を示し、図１０が平面図、図１１が断面図である。図１０、１１において駆動装置１３０は、補強板１３４の両面に圧電素子１３１が固着され、圧電素子１３１の表面には、分割電極１３３が形成されている。前記駆動装置１３０は略長方形形状であり、長方形形状の長手方向のほぼ中央部に補強板１３４から突出した支持部１３２が駆動装置台１４０にネジ１４３で固定されている。前記分割電極１３３は、圧電素子１３１の一面に対しほぼ相似形で４つに分割されている。

補強板の長手方向の先端には突起部１３５が形成され、前記突起部１３５は、駆動装置台１４０に内輪を固定されたベアリング１４２の外周に押圧されている。ベアリング１４２の外輪には円盤状のフィルム１１０の固着された円盤１１３が固定されているためアンテナ装置は、ベアリング１４２の回転によって同様に回転する。
駆動装置１３０を動作させるには、同一面の対角にある分割電極１３３に同一位相の電圧を印加することで、圧電素子１３１の電圧印加部を同相で伸長収縮させ、また裏面同位置の分割電極１３３によっても、裏面の圧電素子１３１を同相で伸長収縮させる。一方、逆の対角の電極には位相の異なる電圧を印加する。この駆動方法により駆動装置１３０は、支持部材１３２を節としたＳ字型の屈曲運動を行い、その結果、突起部１３５は楕円運動を行う。従って、突起部１３５が押圧されたベアリング１４２は、楕円運動に従って回転するのである。しかも対角の２種類の印加電圧の位相を変化させることで回転方向は自由に設定できるのである。しかも、長辺が短辺の２倍以上の長さを有する略長方形形状の板状圧電素子で構成されているため、十分大きな屈曲振動が得られ駆動効率が良い。なお、圧電素子の長辺が短辺の３倍以上の長さを有するとさらに屈曲振動は大きくなるが、５倍以上になると強度的な問題が生じるため、長辺の長さは短辺の２倍から５倍の間にとることが望ましい。これにより、アンテナを回転させ、指向性を特定の方向へ向けることが可能である。

ところで、アンテナを電波の到来する方向へ向けるためには電波の到来する方向を知る必要がある。電波の到来する方向をしるためにはアンテナを回転させ、一番信号強度が強い場所を知ればよい。したがって、図１の円盤状のフィルム１１０を給電点１１４を中心として一周回転させればよいが、アンテナの指向性の特徴からアンテナの指向性から外れた場合は受信できる電波の信号強度が低下することになる。すなわち、電波の一番強い方向を探すために、円盤状のフィルム１１０を給電点１１４を中心に一周回転させた場合、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末と基地局との間の接続が切断される恐れがある。

一般に本発明が使用されるような無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末は電源に制限があるため、基地局に比べて送信出力が弱い。したがって接続が切断されるのは無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末から送信される電波がアンテナを回転させたことによって指向性がはずれてしまい、基地局側で受信できなくなってしまうという確率のほうが基地局からの送信電波が無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末が受信できなくなってしまうという確率よりも大きいと考えられる。

そこで、本発明では次の方法でこの問題を解決した。
図２は図１に記した円盤状のフィルム１１０の下に配置される、基地局からの電波の到来方向を知るための複数のダイポールアンテナを説明したものである。図２では筐体面２０２上に３対のダイポールアンテナが放射状に形成されている。素子２１０と素子２１３、素子２１１と素子２１４、素子２１２と素子２１５はそれぞれ６０度の角度で交差して配置される。

この筐体面２０２上に形成された３対ダイポールアンテナ素子対に対して、接続を切り替えることによって３対のうち任意のダイポールアンテナと電気的接続を行うことができる給電部２１６が配置されている。給電部２１６が素子２１０と素子２１３、素子２１１と素子２１４、素子２１２と素子２１５によって構成される３対のダイポールアンテナの１対と任意の時間間隔で順次接続をすることによって、接続をした時点での受信強度を知ることができる。したがって、３対のダイポールアンテナのすべてと接続を終わった時点でどの方向から電波が到来しているかがわかることになる。

本発明の無線ＬＡＮ装置や携帯電話端末が送受信に用いるアンテナは特定の方向に指向性を持つアンテナを使用している。このような指向性を持つアンテナには電波を放射するための放射器と指向性を先鋭化させて電波の放射利得を上げるため導波器や反射器を用いている。導波器は放射器に対して長さが短いという特徴がある。また、反射器は前記の放射器の長さに対して長いという特徴がある。これらの技術は図５のアンテナがよく知られている。図５のアンテナでは指向性の放射パターンはダイポールアンテナと比較した場合、放射器からみて導波器のある方向により強く、また放射器からみて反射器のある方向側により弱く放射されるという特徴がある。

本発明の図５のようなアンテナを無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置が送受信に用いた場合、前述の手段で電波の到来方向を知る場合にはアンテナの方向に１８０度の誤差が生じている場合があるため、図６に示すアンテナのように単一方向のみに指向性の放射パターンがあるような場合には基地局に対して十分な電波の送受信が行えなくなる恐れがある。そこで、本発明で無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置が送受信に用いるアンテナは放射器にたいして平行にかつ、放射器の設置されている方向を軸として対称の位置に導波器のみを設置してある。このことにより、図７に示すように放射器の持つ８字の放射パターンを崩すことなく利得を向上させている。

また、以上の手段に電波の到来方向を知ったときに前記の特定の方向に指向性を持つ第１のアンテナを電波の到来方向に対して向ける場合に、無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置の送信電力を増やしている。このことにより、アンテナが一時的に方向を変えている間に無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置の電波が基地局から受信できなくなることによる回線の切断を防ぐ働きをしている。

図８は本発明を用いた無線ＬＡＮ端末装置や携帯電話端末装置を使用していないときの形態である。本発明は使用時には図９に示すようにアンテナ部分１００を引き出して使用する。また、アンテナ部分は透明な電磁波を透過する材質でできており、前記の特定の方向に指向性を持つ第１のアンテナが電波の到来方向に対して前記の手段によって指向性を向けた結果を円盤状のフィルム上にある印１２４を見ることによって使用者が電波の到来方向を知ることが可能になっている。もし、使用者が電波の到来条件のよりよい方向へ移動することが可能ならば、この印を見ることによって、電波の到来方向へ自己の位置を移動し、より安定した通信を行うことが可能となる。

次に、第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となったときに、アンテナの角度変化量に基づいて、切断前に電波が到来していた方向にアンテナの指向性を合わせてリンクの回復を試みるようにしたものである。
図１５は本発明を携帯型端末装置（ラップトップコンピュータ）１０に適用した場合を示す図である。図中１００はアンテナ装置であり、このアンテナ装置１００は、ＰＣＭＣＩＡ型カードスロット１１に挿入されるように構成され、使用時には図１６のようにアンテナ装置１００を引き出して使用し、使用しないときには、図１７に示すようにＰＣＭＣＩＡ型カードスロット１１に挿入して収納する。

アンテナ装置１００には、アンテナの角度変化を検出するセンサとしてのジャイロセンサ１２が設置されている。
そして、このジャイロセンサ１２で検出したアンテナの角度変化に基づいて、基地局とのリンクが接続している状態から切断した状態となったと判断したときに、上述した図１０及び図１１に示すアンテナ装置１００に設けられた駆動装置１３０によってアンテナを乗せたフィルムを回転駆動して、電波の到来方向へアンテナの指向性を合わせることにより、リンクの回復を試みる。

ジャイロセンサ１２は角速度を検出するセンサであって、その出力値は０．５［Ｖ］以上４．５［Ｖ］以下の範囲内であり、横軸を回転した角度とすると、図１８（ａ）に示すように回転した方向及び角度に応じて変化するように構成され、回転角度が大きいほど出力値の変化の絶対値は大きくなる。
また、ジャイロセンサ１２が検知することのできる角速度は、−１００［ｄｅｇ／ｓｅｃ］以上１００［ｄｅｇ／ｓｅｃ］以下の範囲内であり、図１８（ｂ）に示すように、センサ出力値に基づいて角速度を検知する。

図１９は、ジャイロセンサ１２の出力を、時間を横軸として取った場合の一例を示している。縦軸は角速度あり、例えば、時間Ｔ₁からＴ₂の間に筐体が筐体面の鉛直方向を軸にして回転し始めてから静止するまでに、オフセットから正又は負の方向に出力される。
また、斜線部分は、時間Ｔ₁からＴ₂までをオフセット値を横軸として積分したものであり、総和は時間Ｔ₁からＴ₂の間に筐体が筐体面の鉛直方向を軸にして回転した角度を表している。このように、ジャイロセンサ１２から出力される角速度データを積分することにより一定の時間間隔の間に回転した角度θを求め、回転角度θに基づいて所定時間あたりの角度変化量Δθを求めることにより、アンテナの急な角度変化を検出することができる。

図２０は、本発明の第２の実施形態を示す概略構成図であり、図中１００はアンテナ装置、２０は角度変化量検出装置である。
角度変化量検出装置２０で検出した信号は駆動制御用コントローラ３０に出力され、この駆動制御用コントローラ３０では、角度変化量検出装置２０から入力された信号からアンテナが回転した角度θを取得すると共に、所定時間あたりの角度変化量Δθを算出し、基地局とのリンクが接続している状態から切断した状態となったことを判断し、且つ角度変化量Δθが設定変化量θ_SET以上であるときに、リンク切断の直前に電波が到来していた方向にアンテナを回転角度θ分だけ回転させるような回転駆動指令値θ_Sをアンテナ装置１００に設けられた駆動装置１３０に出力する。

さらに、上記条件を満たさない場合には、電波の到来方向を検出するための検出指令値Ｆ_Dを電波検出装置４０へ出力し、電波検出装置４０により検出した電波の到来方向へアンテナを回転させるような回転駆動指令値θ_Sを、駆動装置１３０に出力する。電波検出装置４０では、アンテナ装置１００に設けられた、上述した図２に示すダイポールアンテナにより電波の到来方向を検索する。

そして、駆動装置１３０では、入力された回転駆動指令値θ_Sに基づいてアンテナを乗せたフィルムを回転駆動させて、アンテナの指向性を特定の方向へ向けるように構成されている。
また、角度変化量検出装置２０では、図２１に示すように、ジャイロセンサ１２から出力した角速度データを増幅器２１で増幅した後、積分手段としてのローパスフィルタ２２を介して積分することにより、基地局とのリンクが接続している状態から切断された状態となるまでの間に回転した角度を求める。

つまり、基地局とのリンクが接続しており、且つジャイロセンサ１２で検出した角速度が０である状態を正常なリンク接続状態であると判断し、この状態から角速度の値が変化し始めたときに、アンテナが回転し始めたと判断してローパスフィルタ２２における積分を開始し、リンクが切断されるまで継続する。そして、リンク切断状態となったとき、この積分値から、基地局とのリンク接続状態から切断状態となるまでの間に回転した角度θを得る。

駆動制御用コントローラ３０は図２１に示す制御ブロックを構成しており、図中３１は基地局からの信号をデコードするデコーダであり、このエラーレートの変化によって基地局とのリンク接続状態を判別することができる。また、３２は一定の時間を調べるタイマであり、このタイマ３２の出力で、角度変化量検出装置２０から入力されるアンテナの回転角度θを、サンプリング・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路３３によってサンプルする。そして、回転角度θに基づいて所定時間あたりの角度変化量Δθを算出して、レジスタ３４に回転角度θ及び角度変化量Δθを一時記憶するように構成されている。

駆動制御判断部３５では、デコーダ３１から出力される基地局からの信号に基づいて、基地局とのリンク接続状態を判定し、リンクが接続している状態から切断された状態となったと判断したとき、レジスタ３４に記憶された角度変化量Δθを読込む。
そして、その角度変化量Δθが設定値θ_SET以上である場合には、回転駆動指令値θ_Sをアンテナ装置１００に設けられた駆動装置１３０に出力することにより、駆動装置１３０によって、回転した角度θ分だけアンテナが回転した方向とは逆方向へ回転させてリンクの回復を試みる。

図２１において、角度変化量検出装置２０が角度変化量検出手段に対応し、駆動制御用コントローラ３０が駆動制御手段に対応し、電波検出装置４０が電波到来方向検出手段に対応している。
図２２は、本発明の第２の実施形態における、駆動制御判断部３５で実行される駆動制御処理を示すフローチャートであって、この駆動制御処理は所定時間毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップＳ１で、デコーダ３１からの出力信号を読込み、次いでステップＳ２で、基地局とのリンクが接続されているか否かを判定する。

前記ステップＳ２の判定結果が、基地局からの信号が受信可能であり、リンクが接続されているときには駆動制御処理を終了し、リンクが切断されているときには、ステップＳ３に移行して、前回のサンプリングにおいて、リンクが接続されていたか否かを判定する。
前記ステップＳ３の判定結果が、前回はリンクが接続されていた場合には、回転角度θ分だけアンテナを回転させればリンクは回復すると判断してステップＳ４に移行し、前回もリンクが切断されていた場合には後述するステップＳ９に移行する。

ステップＳ４では、レジスタ３４に記憶された、ジャイロセンサ１２で検出したアンテナのリンク接続時からリンク切断時までの回転角度θ及び所定時間あたりの角度変化量Δθを読込み、次いでステップＳ５に移行して、角度変化量Δθが予め設定された設定変化量θ_SET以上（例えば、３０度以上）であるか否かを判定する。
前記ステップＳ５の判定結果が、Δθ＜θ_SETであるときには後述するステップＳ９に移行し、Δθ≧θ_SETであるときには、アンテナの位置が急速に変化してリンクが切断されたと判断してステップＳ６に移行し、回転駆動指令値θ_Sを駆動装置１３０に出力して、アンテナを回転角度θ分だけ角度変化を打ち消す方向へ回転させる。

次いで、ステップＳ７に移行して、前記ステップＳ６の駆動装置１３０によるアンテナの回転が終了したか否かを判定する。駆動装置１３０が駆動中であり、アンテナを回転角度θ分だけ回転させている最中である場合には、この角度変化制御が終了するまで待機し、角度変化制御が終了してからステップＳ８に移行する。
ステップＳ８では、再度基地局とのリンクが接続されているか否かを判定し、リンクが切断されたままであるときにはステップＳ９に移行し、リンクが回復し、接続されているときには駆動制御処理を終了する。

ステップＳ９では、電波検出装置４０へ検出指令値Ｆ_Dを出力することにより、上述した図２に示す基地局からの電波の到来方向を知るための複数のダイポールアンテナによって電波の到来方向を検索する。次いでステップＳ１０に移行して、回転駆動指令値θ_Sを駆動装置１３０に出力し、アンテナを回転させて指向性を前記ステップＳ７で検索した電波の到来方向へ向けてから駆動制御処理を終了する。

図２２において、ステップＳ６の処理がアンテナ角度変化制御手段に対応し、ステップＳ１０の処理がアンテナ方向制御手段に対応している。
したがって、今、図１５に示す携帯型端末装置１０に搭載したアンテナ装置１００によって、基地局とのリンクが接続し、通信が可能な状態であるとする。この場合には、図２２に示す駆動制御処理において、ステップＳ２でリンクが接続されていると判断して駆動制御処理を終了する。

この状態から、アンテナの位置が急速に変化し、基地局とのリンクが切断された場合には、前回のサンプリング処理ではリンクが接続していたので、ステップＳ３の判定により、アンテナが回転した角度θ分だけアンテナを逆回転させればリンクは回復すると判断してステップＳ４に移行する。アンテナの所定時間あたりの角度変化量Δθは設定変化量θ_SET以上であるので、ステップＳ５からステップＳ６に移行し、ステップＳ６では、回転駆動指令値θ_Sを駆動装置１３０に出力することにより、アンテナを回転角度θ分だけ角度変化を打ち消す方向へ回転させて、リンクが切断される以前に向いていた方向へアンテナを向ける。これにより、基地局とのリンクが回復した場合には、ステップＳ８の判定により駆動制御処理を終了する。

一方、アンテナを回転角度θ分だけ回転させてもリンクが回復されない場合には、ステップＳ８からステップＳ９に移行して、電波検出装置４０へ検出指令値Ｆ_Dを出力する。これにより、図２に示す３対のダイポールアンテナの１対と任意の時間間隔で順次接続され、接続をした時点での受信強度を知ることによって、電波の到来方向を探す。次いでステップＳ１０に移行して、回転駆動指令値θ_Sを駆動装置１３０に出力することにより、電波の到来方向へアンテナを向けて、基地局とのリンクの回復を試みる。

また、設定変化量θ_SETより小さい角度変化量Δθでアンテナが移動して、基地局とのリンクが接続している状態から切断した状態へ移行した場合には、角度変化はゆっくりであるので、図２に示すダイポールアンテナによる電波の到来方向の検索に基づいてリンクの回復が可能であると判断し、ステップＳ５から前記ステップＳ９に移行する。
このように、上記第２の実施形態では、通信が可能であった位置からアンテナの位置が変化することによって、基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となった場合には、ジャイロセンサで検出したアンテナの回転角度だけアンテナを回転させることによって、基地局があると予想される方向へ向けて、素早く通信を回復させることができる。

また、ジャイロセンサで検出したアンテナの所定時間あたりの角度変化量が予め設定した変化量以上である場合にのみ、角度変化制御による通信の回復を試みるので、携帯型端末装置の角度が変化していない場合や、携帯型端末装置の角度変化が微小であって通常のダイポールアンテナによる電波到来方向の検索によって基地局とのリンク接続が可能な場合には、アンテナの角度変化制御による通信回復処理を非作動とすることができる。

なお、上記第２の実施形態においては、ステップＳ２で実際の基地局からの信号の受信可否によってリンクの接続状態を判断する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、基地局からの信号に含まれるエラーレートが予め設定した閾値より高い状態をリンク切断状態であると判断するようにしてもよい。
また、上記第２の実施形態においては、ジャイロセンサをアンテナ装置に設置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、アンテナ装置以外の場所、例えば、図２３に示すように携帯型端末装置に内蔵するようにしてもよい。

さらに、上記第２の実施形態においては、アンテナの角度変化を検出するセンサとしてジャイロセンサを適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、地磁気センサや光学センサ等、アンテナの回転角度変化量を検出可能で且つアンテナ装置等に搭載可能な他の小型センサを適用してもよい。

本発明の上面の説明図 本発明の下面の説明図 ダイポールアンテナ例を示す図 ダイポールアンテナの指向性特性図 指向性を持つアンテナの例を示す図 指向性を持つアンテナの指向性特性図 本発明で送受信に用いる第１のアンテナの指向性特性図 本発明の収納時の実施形態を示す図 本発明の使用時の実施形態を示す図 圧電アクチュエータ駆動装置要部分の上面図 圧電アクチュエータ部の断面図 従来のアンテナ例を示す図 従来のアンテナの水平面の指向性特性図 従来のアンテナの垂直面の指向性特性図 本発明の第２の実施形態を示す図 本発明の第２の実施形態における使用時を示す図 本発明の第２の実施形態における収納時を示す図 ジャイロセンサのセンサ出力値を示す図 ジャイロセンサの時間と角速度との関係を示す図 本発明の第２の実施形態を示す概略構成図 図２０の角度変化量検出装置及び駆動制御用コントローラの具体例を示すブロック図 図２０の駆動制御判断部における駆動制御処理を示すフローチャート 本発明の第２の実施形態における他の例を示す図

符号の説明

１００ アンテナ装置、１０１ ＰＣＭＣＩＡ型カードアダブタ部、１０３ 筐体面 １１０ 円盤状のフィルム、１２０ 反射器、１２１ 放射器、１２３ 導波器、１３０ 駆動装置、１３１ 圧電素子、１３２ 支持部材、１４０ 駆動装置台

Claims (18)

1. 指向性を持つ第１のアンテナと、
   前記第１のアンテナを支持する円盤状のフィルムと、
   前記円盤状のフィルムを前記円盤状のフィルムの中心を軸として回転させ前記第１のアンテナの方向を変えることが可能な駆動手段と、
   前記円盤状のフィルムに平行、かつ前記円盤状のフィルムとの平行面内に第１のアンテナとは別の複数の放射器からなる第２のアンテナを配置し、
   前記複数の放射器の内、任意の１対と電気的に接続できる給電部を具備し、それぞれの放射器と接続した時の前記給電部の出力を比較することで基地局からの電波の到来方向を検出し、
   前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナを前記駆動手段によって基地局からの前記電波の到来方向に前記第１のアンテナの指向性を合わせること
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナは給電部と放射器を持ち、
   前記の第１のアンテナを支持する前記円盤状のフィルムと同一平面上に前記第1の放射器と平行に配置し、
   かつ前記放射器の配置された方向を軸として対称に配置された複数の導波器を持つこと
   を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第２のアンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２のアンテナは前記給電部と６０度乃至４５度毎の角度を変えて配置された複数の放射器からなり、それぞれの放射器を電気的に切替えて接続することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナ装置を収納するケースの一部が、電磁波を遮蔽しない物質であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナ装置を収納するケースの一部が、透明であることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナ装置は、アンテナ装置の組み込まれる本体に対し、収納と突出が可能なスライド機構をもつことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナ装置は、前記第１のアンテナ装置を支持する前記円盤状のフィルムに前記第１のアンテナ装置の持つ指向性の方向を示す印を前記円盤状のフィルム面上に表示したことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１のアンテナと、前記第１のアンテナを回転させる駆動手段とを備える第１のアンテナ装置において、前記駆動手段を含む前記第１のアンテナ装置の回転軸の厚さが５ｍｍ以下、かつ前記円盤状のフィルムの直径が５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
10. 前記第１のアンテナ装置の駆動手段は、
    長辺が短辺の２倍以上の長さを有する略長方形形状の板状圧電素子と補強部とが積層された振動板と、
    前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を振動可能に支持する支持部材と、前記圧電素子に電力を供給することにより、前記圧電素子を伸縮させて前記振動板を振動させる駆動手段とを具備し、
    前記振動板の前記圧電素子の伸縮により、前記長手方向に伸縮する縦振動、および前記長手方向と直交する幅方向に揺動する屈曲振動を生じるようになされており、これらの縦振動と屈曲振動とが組合わさった振動による前記一端部の変位によって、前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであること
    を特徴とする請求項１乃至２に記載のアンテナ装置。
11. 前記第２のアンテナから得られた基地局からの電波の到来方向に向けて前記圧電アクチュエータを用いて前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナを回転させている間は、前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナから放射する空中線電力を前記第１のアンテナが静止していたときよりも増加させることを特徴とした請求項１乃至１０に記載のアンテナ装置。
12. 指向性を持つ第１のアンテナと、
    前記第１のアンテナを支持する円盤状のフィルムと、
    前記円盤状のフィルムを前記円盤状のフィルムの中心を軸として回転させ前記第１のアンテナの方向を変えることが可能な駆動手段と、
    前記円盤状のフィルムに平行、かつ前記円盤状のフィルムとの平行面内に第１のアンテナとは別の複数の放射器からなる第２のアンテナと、
    前記複数の放射器の内、任意の１対と電気的に接続できる給電部を具備し、それぞれの放射器と接続した時の前記給電部の出力を比較することで基地局からの電波の到来方向を検出する電波到来方向検出手段と、
    前記円盤状のフィルムに設置された前記第１のアンテナを回転させて、特定の方向に前記第１のアンテナの指向性を合わせるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
    前記第１のアンテナの回転方向の角度変化量を検出する角度変化量検出手段とを備え、
    前記駆動制御手段は、少なくとも基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となったとき、前記第１のアンテナを前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量に基づいてリンク接続時の角度位置に戻すように前記駆動手段を制御するアンテナ角度変化制御手段と、該アンテナ角度変化制御手段が非作動状態であるときに、前記第１のアンテナを前記電波到来方向検出手段で検出した電波の到来方向へ回転させるように前記駆動手段を制御するアンテナ方向制御手段とを備えることを特徴とするアンテナ装置。
13. 前記アンテナ角度変化制御手段は、基地局とのリンクが接続されている状態から切断された状態となり、且つ前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量が設定変化量以上であるとき、前記第１のアンテナを前記角度変化量検出手段で検出した角度変化量に基づいてリンク接続時の角度位置に戻すように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１２に記載のアンテナ装置。
14. 前記角度変化量検出手段は、前記第１のアンテナの回転方向の角度変化を検出するセンサと、該センサの出力値を増幅する増幅器と、該増幅器の出力値を積分する積分手段とを有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載のアンテナ装置。
15. 前記センサは、前記第１のアンテナの角速度を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のアンテナ装置。
16. 前記センサは、ジャイロセンサにより構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のアンテナ装置。
17. 前記積分手段は、ローパスフィルタにより構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のアンテナ装置。
18. 前記駆動制御手段は、基地局からの信号を復調する復調器を有し、基地局からの信号に含まれる符号誤り情報の変化に基づいて、基地局とのリンクの接続状態を判断することを特徴とする請求項１２乃至１７の何れかに記載のアンテナ装置。

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