JP5207519B2

JP5207519B2 - 自己変形型空中線装置

Info

Publication number: JP5207519B2
Application number: JP2008013395A
Authority: JP
Inventors: 弘吉田; 利春向井; 嘉宏中坊
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: JP2008206144A

Description

本発明は、指向性を有する空中線（アンテナ）のビーム方向を調整することが可能な自己変形型空中線装置に関する。

従来、指向性を有する空中線の向きを調整したり、変えたりする手段としては、手動的に調整する手動式空中線装置と、電動モータ等の回転を利用して調整する機械制御式空中線装置と、位相合成を利用して電気回路で指向性を調整する電気制御式空中線装置との３つの手段が知られている。

手動式空中線装置は、例えば、特許文献１に開示されているように、空中線本体の仰角の角度および向きを手動的に調整する装置である。
機械制御式空中線装置は、例えば、１つ以上の電動モータを動力源として歯車機構により空中線本体の仰角の角度および向きを電動的に調整する装置である。
電気制御式空中線装置は、例えば、特許文献２に開示されているように、複数のアンテナエレメント（アンテナ素子）からの受信信号をそれぞれの移相器で移相して、その移相器で制御された複数の受信信号を合成器で合成することにより空中線の指向性を電気回路的に調整する装置である。

ところで、近年、ヘビなどの生物のように柔軟な動きができるロボットの開発において、人工筋肉（「ソフトアクチュエータ」とも言われている）と称されているものが注目されている。この人工筋肉には、イオン伝導性アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータ、形状記憶合金等がある。

人工筋肉としては、例えば、特許文献３に開示されているようなアクチュエータ素子がある。このアクチュエータ素子は、アニオン交換樹脂成形品の表面に相互に絶縁状態で形成された金属電極、およびこの金属電極上に形成された導電性高分子膜からなる。アクチュエータ素子は、金属電極間に電位差をかけることによってアニオン交換樹脂成形品を湾曲および変形させるようになっている。

図６は、従来の多関節制御の人工筋肉を示す概略図である。
図６に示す人工筋肉１００は、ゲル状の導電性高分子膜（ＩＰＭＣ（Ionic Polymer Metal Composite）アクチュエータ）を使用したものであり、イオン導電性高分子の膜２００の両面に金等の貴金属をメッキして電極３００を形成し、その電極３００に２Ｖ程度の電圧を印加すると人工筋肉１００が屈曲するようになっている。メッキによって形成された電極３００は、レーザトリミング等によって複数のスリット３２０を並設して分断し、複数の多関節電極３１０を形成している。各多関節電極３１０には、筋肉制御用低周波信号を送る電源４００がそれぞれ接続されている。
特開平９−３６６３５号公報（段落００１８、および図１）特開２００３−１６８９１２号公報（段落００１９、および図４）特開２００３−１７０４００号公報（段落００１４、および図１、図２）

しかしながら、前記特許文献１に記載されたような手動式空中線装置では、空中線の向きを手動的手段で修正するので、空中線の向きを調整する場合に、遠隔操作して自動的に空中線の向き合わせをすることができないという問題点がある。

このような問題点を解消して遠隔操作を可能にしたものとしては、空中線の向きを電動モータ等によって調整する前記機械制御式空中線装置がある。
しかしながら、このような機械制御式空中線装置では、空中線を機械的に動かすモータ歯車機構等からなる電動駆動機構と、その機構を制御する制御装置とが必要なため、機械制御式空中線装置の装置全体が大型化・重量化するという問題点がある。さらに、モータ歯車機構を使用することによって、振動の発生や、構造の複雑化や、応答速度が遅い等の問題点もある。

このような機械制御式空中線装置の問題点を解消して小型化した空中線装置としては、特許文献２に記載されたような電気制御式空中線装置がある。電気制御式空中線装置は、空中線を電気的に動かす装置を備えたことによって装置全体を小型化できると共に、空中線の指向性を電気処理によって高速に可変することが可能である。
しかしながら、このような電気制御式空中線装置では、複数の空中線にそれぞれ移相器を設けてその移相を合成制御することによって電波の指向性を調整しているため、移相器や信号処理に精度が要求され、装置全体が高価な空中線系（アンテナシステム）となるという問題点がある。

なお、前記特許文献３に記載されているようなアクチュエータや、図６に示すような人工筋肉１００を空中線装置に使用したものは現存していない。

そこで、本発明は、前記問題点に鑑み創案されたものであり、簡単な構造によってビーム方向を変えることができる自己変形型空中線装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の自己変形型空中線装置は、シート状の人工筋肉のシート面に電極を設けた空中線と、前記電極に接続して給電するための制御手段と、を備えた自己変形型空中線装置であって、前記電極は、前記人工筋肉のシート面の両面に複数設けられると共に、複数のアンテナエレメントと、当該複数のアンテナエレメントが設けられた前記人工筋肉を曲げて指向性方向を変える複数の動作用電極とを構成し、前記制御手段は、前記電極に信号を送信して目的物の位置する方向、または、目的物からの電波の到来方向に前記空中線のビーム方向を指向させるように前記人工筋肉を向けることを特徴とする。

かかる構成によれば、自己変形型空中線装置は、シート状の人工筋肉のシート面に設けた空中線の電極が複数のアンテナエレメントを構成することによって、人工筋肉が曲がると複数のアンテナエレメントの向きを機械的に変えることができるため、ビーム方向を変化させることができる。しかも、空中線は、人工筋肉自体で形成しているので、従来の電磁モータと比較した場合、柔軟な動き、軽量化、無音化、安定化、低電圧作動化、高速応答化等が可能となる。

請求項２に記載の自己変形型空中線装置は、請求項１に記載の自己変形型空中線装置であって、前記人工筋肉は、導電性の高分子化合物からなる導電性高分子膜と、この導電性高分子膜の両面に設置された前記電極と、を備え、前記両面の電極間に電圧を印加することによって曲がることを特徴とする。
ここで、「両面」とは、導電性高分子膜の表面と裏面とをいう。

かかる構成によれば、自己変形型空中線装置は、電極に電圧を印加すると、導電性高分子膜中の陽イオンおよび水分子が一方の面（一方の表面）に設けられた電極側に移動することによって、一方の面が膨張し、他方の面（他方の裏面）が収縮するため、人工筋肉と共に複数のアンテナエレメントが曲がる。自己変形型空中線装置は、複数のアンテナエレメントが曲がることによって、空中線のビーム方向をこの空中線を形成する人工筋肉自体で変更できる。
なお、人工筋肉は、導電性高分子膜（ＩＰＭＣアクチュエータ）から形成されていることによって、構造が簡単で入手し易い材料で容易に形成することができると共に、低電圧で応答速度が速く、変化量が大きいので、空中線の指向性方向を変える動力源として適している。

請求項３に記載の自己変形型空中線装置は、請求項２に記載の自己変形型空中線装置であって、前記導電性高分子膜は、陽イオンと水分子とを含んだイオン導電性高分子膜からなり、前記電極は、前記導電性高分子膜の両面に設けた複数の金属パターンから形成され、前記複数のアンテナエレメントは、前記導電性高分子膜の両面に形成された複数の金属パターンのうちの少なくとも片面に形成された複数の金属パターンを間隔をあけて並設してなることを特徴とする。

かかる構成によれば、自己変形型空中線装置は、電極に電圧を印加すると、導電性高分子膜中の陽イオンおよび水分子が一方の面に設けられた電極側に移動することによって、一方の面が膨張し、他方の面が収縮するため、複数のアンテナエレメントが曲がり、空中線のビーム方向が変更される。
また、自己変形型空中線装置は、アンテナエレメントが、導電性高分子膜の表面に複数の金属パターンを設けてなることにより、指向性利得が高く、指向性が鋭くなってデータの秘匿性を向上できる。その結果、電波の放射が最大となる放射角におけるエネルギーが強くなり、空中線の通信距離を遠くに延長することができる。さらに、関節電極は、複数の金属パターンからなることにより、多関節電極を形成するようになるため、人工筋肉を複雑に曲げることも、各関節電極を一様に動かして大きく曲げることも可能になる。

請求項４に記載の自己変形型空中線装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置であって、前記複数のアンテナエレメントに前記人工筋肉の制御信号を送信する低周波信号供給線は、高インピーダンス線路に形成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、複数のアンテナエレメントに人工筋肉の制御信号を送信する低周波信号供給線は、高インピーダンス線路が接続されていることによって、インピーダンスが周波数に比例して変化する。すると、低周波電力が、インピーダンスの高い高インピーダンス線路でなく低い伝送路側に流れるようになり、人工筋肉を作動させるための各アンテナエレメントへの供給をスムーズに行えるようになる。
例えば、低周波信号供給線にコイルを用いてインピーダンスを変換する電気回路とした場合、高周波信号のときには、低周波信号供給線の抵抗が非常に高くなり、人工筋肉駆動信号源等の電源が何も繋がっていない状態と同じになる。そして、低周波信号のときには、低周波信号供給線の抵抗が非常に小さくなり、人工筋肉駆動信号源が繋がった状態になる。
したがって、人工筋肉駆動信号源が１つの場合、各アンテナエレメントは、高周波信号において、それぞれが独立した状態になるので高周波用空中線として機能するようになる。そして、各アンテナエレメントは、低周波信号において、全てのアンテナエレメントが接続された１つの状態なるので、人工筋肉が変動して曲がり、空中線のビーム方向（指向性方向）を変化させることができる。

請求項５に記載の自己変形型空中線装置は、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置であって、前記電極は、高周波信号が供給される給電点を備えると共に、前記空中線の高周波信号と、前記人工筋肉を制御する低周波信号とが同期されることを特徴とする。

かかる構成によれば、自己変形型空中線装置は、電極に高周波信号が供給される給電点を備えたことにより、給電点に所望の高周波信号が供給されると、電極が空中線のアンテナエレメントとして動作する。一方、電極に低周波信号を供給した場合には、導電性高分子膜、およびこの導電性高分子膜の表面に設けた各アンテナエレメントが曲がり、空中線のビーム方向が変化する。空中線用の高周波信号と導電性高分子膜制御用の低周波信号とを同期させて、前記電波の到来方向に空中線のビームを向けたときに、前記高周波信号にデータを載せて発信すると、特定の相手にデータを送信できるようになる。

請求項６に記載の自己変形型空中線装置は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置であって、前記制御手段は、前記複数のアンテナエレメントの現在の位置から電波の到来方向に前記人工筋肉を曲げる移動量を算出し、その移動量に基づいて前記人工筋肉を曲げて前記複数のアンテナエレメントのビーム方向を制御する演算部と、前記複数のアンテナエレメントからデータを送受信させるための通信部と、を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、自己変形型空中線装置は、制御手段が、複数のアンテナエレメントの現在の位置から前記電波の到来方向に人工筋肉を曲げる移動量を算出し、その移動量に基づいて人工筋肉を曲げて複数のアンテナエレメントのビーム方向を制御する演算部と、複数のアンテナエレメントからデータを送受信させるための通信部と、を有することにより、人工筋肉を空中線のビーム方向に自動的に曲げて送受信できるようになる。

請求項７に記載の自己変形型空中線装置は、請求項２ないし請求項６のずれか１項に記載の自己変形型空中線装置であって、前記導電性高分子膜は、両側表面のそれぞれの一部に前記電極を付設すると共に、前記電極が付設されてない部位に絶縁性のシール材をコーティングし、水分を含んだゲル状の前記導電性高分子膜の外周面全体が前記シール材と前記電極とによってコーティングされていることを特徴とする。

かかる構成によれば、人工筋肉は、導電性高分子膜の表面の一部に電極を付設すると共に、電極が付設されてない部位に絶縁性のシール材をコーティングしたことにより、導電性高分子膜中の水分が放出されて乾燥することを阻止できる。このため、人工筋肉を水中以外の場所でも使用可能にする。

本発明の請求項１に係る自己変形型空中線装置によれば、人工筋肉が曲がることによって複数のアンテナエレメントの向きを変えることができるため、部品点数を削減した簡単な構造でビーム方向を調整でき、小型で安価な空中線を提供することができる。
さらに、自己変形型空中線装置は、小規模の電気回路でできるため、低価格なビームフォーミングアンテナが実現できる。
また、自己変形型空中線装置は、空中線を人工筋肉自体で形成したので、従来の電磁モータによって指向方向を変化させる空中線装置と比較した場合、柔軟な動き、動作の安定化、軽量化、無音化、低電圧作動化、高速応答化等が可能となる。

本発明の請求項２に係る自己変形型空中線装置によれば、自己変形型空中線装置は、空中線のビーム方向をこの空中線を形成する人工筋肉自体を動力源として変更できるため、装置全体の構造を簡素化することができる。
また、複数のアンテナエレメントを備えた人工筋肉が導電性高分子膜から成形されているため、水中や、空気中の湿度の高い水辺でも使用可能な小型の空中線（ビームフォーミングアンテナ）を提供できる。

本発明の請求項３に係る自己変形型空中線装置によれば、関節電極が、複数の金属パターンからなることにより、多関節電極を形成するため、人工筋肉を複雑に曲げるか、または、各関節電極を一様に動かして大きく曲げて、空中線の指向方向を変えることができる。
さらに、自己変形型空中線装置は、アンテナエレメントが、導電性高分子膜の表面に複数設けられたことにより、指向性利得が高くなるに伴って指向性が鋭くなるため、空中線の通信距離を遠くに延長することができる。

本発明の請求項４に係る自己変形型空中線装置によれば、自己変形型空中線装置は、各アンテナエレメントに人工筋肉の制御信号を送信する低周波信号供給線が、高インピーダンス線路に形成されたことによって、エネルギーの伝送路内での電気信号の反射や損失を防止して、伝送路を安定した状態にすることができる。

本発明の請求項５に係る自己変形型空中線装置によれば、自己変形型空中線装置は、電極に給電点を設けたことにより、その給電点に所望の高周波信号が供給されると、その電極を空中線のアンテナエレメントとして動作させることができる。
さらに、自己変形型空中線装置は、空中線用の高周波信号と導電性高分子膜制御用の低周波信号とを同期させることによって、前記電波の到来方向に空中線のビームを向けたときに、前記高周波信号にデータを載せて発信することで、特定の相手にデータを送信することができる。その結果、自己変形型空中線装置は、同時に複数の相手に１周波数で通信ができる。

本発明の請求項６に係る自己変形型空中線装置によれば、制御手段は、複数のアンテナエレメントのビーム方向が前記電波の到来方向に人工筋肉を曲がるように制御する演算部と、複数のアンテナエレメントからデータを送受信させるための通信部と、を有することによって、人工筋肉を空中線の指向性方向に自動的に追随させて曲げることができる。

本発明の請求項７に係る自己変形型空中線装置によれば、人工筋肉が、導電性高分子膜の表面の一部に電極を付設すると共に、電極が付設されてない部位に絶縁性のシール材をコーティングしたことによって、導電性高分子膜中の水分の放出を阻止して乾燥することを防止できる。その結果、水中等の水分がある箇所以外の場所でも自由に空中線として使用可能にすることができる。

次に、本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置を図１〜図４を参照して説明する。図１は、本発明の自己変形型空中線装置の一例を示すブロック図である。

≪自己変形型空中線装置の構成≫
図１に示すように、自己変形型空中線装置Ａは、例えば、目的物である人工衛星２等の存在する方向を電波到来方向（空中線ＡＮの指向性方向）として、その方向に人工筋肉１によって自動的に空中線ＡＮのビーム方向の向きを変化させる装置である。この自己変形型空中線装置Ａは、空中線ＡＮとしての機能を果たすアンテナエレメント１１Ａ、およびこのアンテナエレメント１１Ａの姿勢角を制御するための機能を果たす姿勢角制御部１２（関節電極１１Ｂ）を有する人工筋肉１と、この人工筋肉１の外部に設置された制御手段３、姿勢角センサ４、および位置センサ５と、を備えている。この自己変形型空中線装置Ａは、例えば、潜水艦や海底探査機や水中作業機械や海洋機器等の移動体の外面部に設置される。
以下、人工衛星２と送受信する場合を例に挙げて本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置を説明する。

図２は、本発明の自己変形型空中線装置に使用される人工筋肉の一例を示す作動原理図であり、（ａ）はＯＦＦ状態を示す概略図、（ｂ）は電極に電圧が印加されたＯＮ状態を示す概略図である。図３は、本発明の自己変形型空中線装置の人工筋肉に設置されるアンテナエレメントの設置状態を示す概略図である。
ここで、図１に示す自己変形型空中線装置Ａの各部の構成を説明する前に、図２および図３を参照して人工筋肉１について説明する。

≪人工筋肉の構成≫
人工筋肉１とは、いわゆるソフトアクチュエータやＩＰＭＣアクチュエータやＩＣＰＦ（Ionic Conductive Polymer Film）アクチュエータと言われているものであって、例えば、イオン伝導性アクチュエータ、導電性高分子アクチュエータ、形状記憶合金等があり、いずれのものであっても構わない。
本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置Ａは、人工筋肉１にアンテナエレメント１１Ａと姿勢角制御部１２とを設けたものであれば、全ての種類の人工筋肉１に適用が可能であり、以下、イオン伝導性アクチュエータからなる人工筋肉１を例に挙げて説明する。

人工筋肉１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、導電性の高分子化合物からなるイオン導電性高分子膜（以下「導電性高分子膜」という）１３の両面（表面および裏面）に電極１１，１１を接合した接合体である。この人工筋肉１は、例えば、水中等において、導電性高分子膜１３の両面の電極１１，１１間に１〜２Ｖ程度の比較的低い電圧を印加することによって曲がる性質を有する。この人工筋肉１は、導電性高分子膜１３と、この導電性高分子膜１３の両面に積層した状態に設置されて互いに電気的に接続された電極１１，１１と、電波を送受信するためのアンテナエレメント１１Ａと、を備えている。

＜導電性高分子膜の構成＞
導電性高分子膜１３は、人工筋肉１の主成分を構成するゲル状のものであり、Ｎａ^＋等からなる陽イオン１３ａと、水分子１３ｂとを含んでいる。導電性高分子膜１３は、両面の電極１１に電圧を印加すると、陽イオン１３ａが−電極１１側に移動し、これに伴って水分子１３ｂも同方向に移動することによって、一方の−電極１１側が膨張し、他方の＋電極１１側が収縮するため、例えば、図２（ａ）に示す直線状態から図２（ｂ）に示すように曲がるようになっている。導電性高分子膜１３は、人工筋肉１を曲げる動力源となるものであり、この導電性高分子膜１３に設けたアンテナエレメント１１Ａを曲げることによって、空中線ＡＮのビーム方向（指向性方向）を調整できるようになっている。
この導電性高分子膜１３は、例えば、フッ素系陽イオン交換樹脂膜や、陰イオン交換樹脂等からなる。

＜電極の構成＞
図３に示すように、電極１１は、導電性高分子膜１３に電圧源１４から供給される電圧を印加するための導電体の役目と、アンテナ素子としての役目とを果たすものであり、例えば、金、白金等の貴金属から形成されている。この電極１１は、例えば、導電性高分子膜１３の両面に無電解メッキ法等でそれぞれ１枚の導電性金属箔を形成し、その両面の導電性金属箔を接合し、さらに、レーザー加工等によって図３に示すような適宜な形状の複数の金属パターン１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに分断されている。
複数に分断された電極１１は、設定した所望の周波数で動作する空中線ＡＮとして機能する複数のアンテナエレメント１１Ａと、このアンテナエレメント１１Ａが並設された導電性高分子膜１３を曲げて指向性方向を変える人工筋肉１として機能させるための関節電極１１Ｂと、からなる。

なお、電極１１は、導電性高分子膜１３に設置した少なくとも一対の関節電極１１Ｂを構成し、そのうちの１つの片面の電極１１がアンテナエレメント１１Ａを構成する導電体であって、人工筋肉１の動作に応じて曲がるものであればよく、電極１１の厚さや数や材質等は特に限定されない。電極１１は、アンテナエレメント１１Ａの数を増やせば空中線ＡＮの指向性を鋭くでき、また、関節電極１１Ｂの数を増やせば人工筋肉１を大きく、かつ、複雑に曲げることができるようになっている。

アンテナエレメント１１Ａに人工筋肉１の制御信号を送信する低周波信号供給線１６には、導電性高分子膜１３を制御するための低周波信号と、空中線用の高周波信号とを分離するために、高インピーダンス線路１７が接続されている。この高インピーダンス線路１７は、例えば、導電性高分子膜１３に不図示の導電パターンを設けて、この導電パターンにコンデンサチップ、コイル、抵抗等を設けてなる。

＜アンテナエレメントの構成＞
図３に示すアンテナエレメント１１Ａは、電波を送受信するための通信用電極であり、導電性高分子膜１３の表面に複数（例えば、アンテナエレメント１１Ａの素数の数が５つ）設けられた電極１１中の金属パターン１１ｂ〜１１ｆの導電性アンテナパターンからなる。アンテナエレメント１１Ａ（金属パターン１１ｂ〜１１ｆ）は、人工衛星２（図1参照）に対して略直交する方向に延在する金属箔、または、平板状部材からなる。各アンテナエレメント１１Ａの長さおよび設置間隔は、送受信する波長に適合した適宜な長さに形成し、適切な間隔をあけて設置することが望ましい。その金属パターン１１ｂ〜１１ｆは、抵抗またはコンデンサを設置してなる高インピーダンス線路１７を介してそれぞれの電圧源１４に電気的に接続されている。少なくともアンテナエレメント１１Ａに含まれる電極１１には、高周波信号が供給される給電点１１Ｃが設けられ、所望の高周波信号が供給されれば、空中線ＡＮとして機能するようになっている。

なお、人工筋肉１に設けられたアンテナエレメント１１Ａは、例えば、平面八木アンテナ、スパイラルアンテナ、スマートアンテナ等の指向性を有する空中線ＡＮとして使用することが可能である。

＜関節電極の構成＞
図３に示す関節電極１１Ｂは、この関節電極１１Ｂに低周波信号を加えることにより導電性高分子膜１３を動かして、人工筋肉１を自由に曲げ、空中線ＡＮのビーム方向（指向性方向）を変えるための動作用電極である。この関節電極１１Ｂは、例えば、導電性高分子膜１３の片側の表面に複数設けられた電極１１中の金属パターン１１ａ〜１１ｆからなり、多関節電極を構成する。
このように人工筋肉１として作動させるために使用される関節電極１１Ｂは、アンテナエレメント１１Ａによる空中線用の高周波信号と、人工筋肉１の制御用の低周波信号とを同期させることで曲がり、さらに、複数の電極１１から構成されることによって、複雑に動くように構成されている。そして、電極１１中の金属パターン１１ｂ〜１１ｆは、アンテナエレメント１１Ａと関節電極１１Ｂとを兼用している。金属パターン１１ａは、電圧源１４に電気的に接続されている。

なお、電極１１中の金属パターン１１ａは、自己変形型空中線装置Ａにおいて、あってもなくてもどちらでもよい。すなわち、金属パターン１１ａは、導電性高分子膜１３に設置されてなくても、アンテナエレメント１１Ａ中の１つの金属パターン１１ｂ〜１１ｆと関節電極１１Ｂ中の１つの金属パターン１１ｂ〜１１ｆがあれば、複雑な動きが可能な人工筋肉１と、アンテナエレメント１１Ａとしての機能を果たす。

＜給電点の構成＞
給電点１１Ｃは、電極１１において、高周波信号を供給するための部分である。なお、給電点１１Ｃは、導電性高分子膜１３の表面に形成したものでも、リード線であってもよい。

≪空中線（人工筋肉）の構成≫
次に図１を参照しながら空中線ＡＮ（人工筋肉１）を説明する。
空中線ＡＮは、高周波電流を電波として空間に放射（送信）、あるいは逆に空間の電波を高周波電流へ相互に変換（受信）する機器であり、人工筋肉１によって形成されている。空中線ＡＮは、高周波信号を通信部３１に送受信するアンテナエレメント１１Ａと、演算部３２から制御信号を受けて人工筋肉１を作動させ姿勢角を調整するための姿勢角制御部１２と、を備えている。
なお、空中線ＡＮは、例えば、各金属パターン１１ａ〜１１ｆ間にスリットを形成して分断された平面八木アンテナ等からなり、各金属パターン１１ｂ〜１１ｆ（関節電極１１Ｂ）が一様に動いて曲がることによって指向性を変化させるようになっている（図３参照）。

姿勢角制御部１２は、人工筋肉１を曲げるためのものであり、導電性高分子膜１３（図３参照）の片面に配置された金属パターン１１ｂ〜１１ｆ（図３参照）からなる関節電極１１Ｂによって主に構成されている。

≪制御手段の構成≫
図１に示す制御手段３は、人工筋肉１を空中線ＡＮが向くべき所望方向に曲がるように制御すると共に、人工筋肉１に設置された電極１１から電波を送受信できるように制御するための装置である。この制御手段３は、アンテナエレメント１１Ａのビーム方向が電波の到来方向に人工筋肉１を曲げるように制御する演算部３２と、アンテナエレメント１１Ａからデータを送受信させるための通信部３１と、を有し、人工筋肉１の外部に設置されている。

その他、この制御手段３は、関節電極１１Ｂに空中線ＡＮが所望の方位を向くべき低周波信号を送るためのドライバ回路（図示せず）と、自己変形型空中線装置Ａを駆動させるための電源回路（図示せず）と、予め判っている人工衛星（静止衛星）２の絶対座標等を記録するメモリ回路（図示せず）と、を備えている。この制御手段３は、各電極１１にそれぞれ電気的に接続されている。

＜通信部の構成＞
通信部３１は、データ等の情報信号を高周波信号に変換してアンテナエレメント１１Ａから送信させるため機能と、アンテナエレメント１１Ａで受信した人工衛星２からの信号（高周波信号）を情報信号に変換して機器（図示せず）に送信する機能とを備えた装置である。

＜演算部の構成＞
演算部３２は、人工衛星２の絶対座標と、空中線ＡＮの絶対位置および姿勢角とによって空中線ＡＮの向くべき方向を算出して、その方向に人工筋肉１を曲げるための制御をする装置である。すなわち、この演算部３２は、姿勢角センサ４からの人工筋肉１の現在位置の姿勢角信号と、ＧＰＳアンテナ６に基づく位置センサ５からの座標信号とから人工筋肉１を動かす移動量を算出して、この算出された移動量に応じた周波数と電圧信号（低周波信号）を生成し、各電極１１にその低周波信号を出力して人工筋肉１を人工衛星２の方向に指向するように駆動制御するための装置である。演算部３２は、例えば、前記ドライバ回路と共にＣＰＵからなる。

姿勢角センサ４は、移動体に搭載された空中線ＡＮの傾きを検出するセンサであり、人工筋肉１の外部に設置されて、演算部３２に電気的に接続されている。この姿勢角センサ４は、例えば、慣性計測装置（３軸ジャイロ）からなる。

位置センサ５は、移動体に搭載した人工筋肉１（空中線ＡＮ）の絶対位置を検出するセンサ（ＧＰＳ）であり、一方がＧＰＳアンテナ６に、他方が演算部３２にそれぞれ電気的に接続されている。

≪作用≫
次に、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置Ａの作用を説明する。

空中線ＡＮを曲げる場合には、まず、図１に示す演算部３２によって、予め判っている人工衛星２の絶対座標（Ｘ_ＡＳ，Ｙ_ＡＳ，Ｚ_ＡＳ）と、位置センサ５によって計測した潜水艦（移動体）の絶対座標（Ｘ_ＩＰＭＣ，Ｙ_ＩＰＭＣ，Ｚ_ＩＰＭＣ）と、姿勢角センサ４で計測した潜水艦に対する人工衛星２の傾きである姿勢角（Ｒ，Ｐ，Ｙ）により、空中線ＡＮが向くべき最適な方向（電波到来方向）を算出して、姿勢角制御部（関節電極１１Ｂ）１２の姿勢を決定する。

そして、演算部３２では、位置センサ５で計測した空中線ＡＮの絶対位置と、姿勢角センサ４で計測した空中線ＡＮの姿勢角とから空中線ＡＮの指向角のずれを算出して決定する。演算部３２では、このずれを調整して低周波の制御信号を図３に示す高インピーダンス線路１７がある低周波信号供給線１６を介して各関節電極１１Ｂに送る。

例えば、高周波信号を１ＧＨｚ、低周波信号を１Ｈｚにして、１ｕＨのコイルを高インピーダンス線路１７に設けた場合には、それぞれの周波数に対するインピーダンスは、
Ｚ１ＧＨｚ＝２π×１ＧＨｚ×１ｕＨ＝６．３ｋΩ
Ｚ１Ｈｚ＝２π×１Ｈｚ×１ｕＨ＝０Ω
となる。アンテナ特性から見ると１ｋΩを超えるインピーダンスは、何もいない開放端の状態になる。
一方、人工筋肉１を駆動させる駆動信号の周波数は、全く抵抗にならない。

例えば、自己変形型空中線装置ＡがＯＦＦ状態のときは、人工筋肉１が矢印Ｂ方向を向いて、平らな状態になっている。人工筋肉１の電極１１（関節電極１１Ｂ）に、所望の方位を向くべき人工筋肉制御用の低周波信号が入力され、その低周波信号と空中線用の高周波信号とを同期させて、導電性高分子膜１３がＯＮ状態になると、人工筋肉１は、人工衛星２（図１参照）がある矢印Ｃ方向に向けて曲がる。

すなわち、人工筋肉１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、導電性高分子膜１３内の陽イオン１３ａがマイナスの電極１１側へ移動するのに伴い、水分子１３ｂがプラスの電極１１側に素早く移動して、マイナスの電極１１側の含水率が高まり、膨潤圧によってプラスの電極１１側に屈曲する。そして、人工筋肉１は、空中線ＡＮの方向を、目的物である人工衛星２からの電波の到来方向に合わせて曲げて、自動的に指向させる。
なお、電圧の向きを逆にすれば人工筋肉１が逆方向に曲がるようになる。

このように、空中線ＡＮの指向方向が人工衛星２（図１参照）から電波の到来する一定の方向に向けられたことによって、空中線ＡＮは、最高感度の状態で、電波を送受信することが可能となる。

図４は、本発明に係る自己変形型空中線装置の実験データを示す図であり、（ａ）は水平方向の指向性特性図、（ｂ）は垂直方向の指向性特性図である。

図４（ａ）、（ｂ）は、測定周波数が１．７ＧＨｚ、測定最大受信レベルが−４０ｄＢｍ、平均受信レベルが−４１．８ｄＢｍ（なお、同時に計測した標準ダイポールの受信レバルから換算した空中線利得は、平均利得が−０．８ｄＢｉとなる）のときの空中線ＡＮに実験結果である。この実験結果によって、空中線ＡＮは、人工筋肉１の表面に設けた電極１１がアンテナとして動作することが確認できた。

［変形例］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。

図５は、本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置の変形例を示す人工筋肉の概略図である。なお、前記実施形態と同一のものは、図面に同一の符号を付記してその説明を省略する。

本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置Ａは、図２（ａ）、（ｂ）に示すような導電性高分子膜１３の両面に電極１１を設けて、人工筋肉１が、ゲル状の導電性高分子膜１３中に水分を含んだ湿潤状態を維持するために、水中や湿度の高い大気中等で使用することに限定されている。
しかしながら、本発明に係る自己変形型空中線装置Ａは、このような水中や湿度の高い大気中等で使用するのに適した人工筋肉１に限定されるものではなく、乾燥状態の空気中であっても使用可能な人工筋肉７（図５参照）であってもよい。

この場合、人工筋肉７は、導電性高分子膜１３の両側表面のそれぞれの一部に電極７１，７１を付設すると共に、その電極７１，７１が付設されてない部位に絶縁性のシール材７２をコーティングすることにより、導電性高分子膜１３中の水分が外部に抜けるのを阻止して内部が乾燥しないように保水することができる。
人工筋肉７は、導電性高分子膜１３の外周面全体がシール材７２と電極７１とによって完全にコーティングされていることにより、常に、空中線ＡＮ１を曲げるための動力源として使用できるようになるため、空気中であっても自由に使用することができる。

そして、電極７１，７１は、導電性高分子膜１３の両面にそれぞれ設置して、両方の電極７１，７１を関節電極１１Ｂ，１１Ｂとし、少なくともどちらかの片方の電極７１をアンテナエレメント７１Ａとすることによって、人工筋肉７が空中線ＡＮ１として機能するようになる。

なお、シール材７２の材料は、導電性高分子膜１３の表面を覆って被着可能でフレキシブルな絶縁体であればよく、特に限定されない。シール材７２は、例えば、導電性高分子膜１３を薄膜状にマスクするフォットレジスト等が挙げられる。

[その他の変形例]
また、前記実施形態および変形例で説明した空中線ＡＮ，ＡＮ１は、例えば、人工衛星２の追尾を可能にするため、偏波面がなく、軸上で回転させる回転台が不要な円偏波アンテナ等であってもよい。
この場合、空中線ＡＮ，ＡＮ１は、大地に平行な面（Ｘ軸−Ｙ軸）上で人工筋肉１，７を曲げることによって、空中線ＡＮ，ＡＮ１全体を傾けてビーム方向を調整するようになっている。

また、人工筋肉１は、人工衛星２等の目的物からの受信信号が最大となる電波の到来方向（空中線ＡＮ，ＡＮ１の指向性が高くなる方位）にアンテナエレメント１１Ａが向くように曲げて、空中線ＡＮ，ＡＮ１の指向方向を制御してもよい。
この場合、制御手段３の演算部３２によって、人工衛星２からの電波の到来方向と、アンテナエレメント１１Ａの指向性の高くなるビーム方向とが一致するように人工筋肉１を人工衛星２の方向に曲がるように関節電極７１Ｂに制御信号（低周波信号）を送って駆動制御するようにすればよい。

また、駆動制御した空中線ＡＮ，ＡＮ１の向きと人工衛星２の方向との指向角のずれが許容範囲外の場合や、自己変形型空中線装置Ａのセンサ類を搭載することが困難な場合は、電界強度が最大の方向に空中線ＡＮ，ＡＮ１を動かして探索し決定してもよい。

例えば、空中線ＡＮ，ＡＮ１が平面八木アンテナのときには、大地に対して水平面内で移動するような移動局を固定局から追尾する場合や、秘匿性の高い通信を陸上固定局同士や、固定局や、移動局で通信を行う場合に有効である。
なお、平面八木アンテナでは、空中線ＡＮ，ＡＮ１の性能が大きく変化せずに屈曲できる範囲が±６０〜８０度程度であり、平面上の全方位をカバーするためには３基〜４基の平面八木アンテナを用いる必要がある。
また、自己変形型空中線装置は、６０００ｍを超える深海や海上を往来する気圧が大きく異なる環境に用いる探索船等に使用することができる。

本発明の自己変形型空中線装置の一例を示すブロック図である。本発明の自己変形型空中線装置に使用される人工筋肉の一例を示す作動原理図であり、（ａ）はＯＦＦ状態を示す概略図、（ｂ）は電極に電圧が印加されたＯＮ状態を示す概略図である。本発明の自己変形型空中線装置の人工筋肉に設置されるアンテナエレメントの設置状態を示す概略図である。本発明に係る自己変形型空中線装置の実験データを示す図であり、（ａ）は水平方向の指向性特性図、（ｂ）は垂直方向の指向性特性図である。本発明の実施形態に係る自己変形型空中線装置の変形例を示す人工筋肉の概略図である。従来の多関節制御の人工筋肉を示す概略図である。

符号の説明

１，７人工筋肉
２人工衛星（目的物）
３制御手段
１１，７１電極
１１Ａ，７１Ａアンテナエレメント
１１ａ〜１１ｆ金属パターン
１１Ｂ，７１Ｂ関節電極
１１Ｃ給電点
１３導電性高分子膜
１３ａ陽イオン
１３ｂ水分子
１６低周波信号供給線
１７高インピーダンス線路
３１通信部
３２演算部
７２シール材
Ａ自己変形型空中線装置
ＡＮ，ＡＮ１空中線

Claims

シート状の人工筋肉のシート面に電極を設けた空中線と、
前記電極に接続して給電するための制御手段と、を備えた自己変形型空中線装置であって、
前記電極は、前記人工筋肉のシート面の両面に複数設けられると共に、複数のアンテナエレメントと、当該複数のアンテナエレメントが設けられた前記人工筋肉を曲げて指向性方向を変える複数の動作用電極とを構成し、
前記制御手段は、前記電極に信号を送信して目的物の位置する方向、または、目的物からの電波の到来方向に前記空中線のビーム方向を指向させるように前記人工筋肉を向けることを特徴とする自己変形型空中線装置。
前記人工筋肉は、導電性の高分子化合物からなる導電性高分子膜と、この導電性高分子膜の両面に設置された前記電極と、を備え、前記両面の電極間に電圧を印加することによって曲がることを特徴とする請求項１に記載の自己変形型空中線装置。
前記導電性高分子膜は、陽イオンと水分子とを含んだイオン導電性高分子膜からなり、
前記電極は、前記導電性高分子膜の両面に設けた複数の金属パターンから形成され、
前記複数のアンテナエレメントは、前記導電性高分子膜の両面に形成された複数の金属パターンのうちの少なくとも片面に形成された複数の金属パターンを間隔をあけて並設してなることを特徴とする請求項２に記載の自己変形型空中線装置。
前記複数のアンテナエレメントに前記人工筋肉の制御信号を送信する低周波信号供給線は、高インピーダンス線路に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置。
前記電極は、高周波信号が供給される給電点を備えると共に、
前記空中線の高周波信号と、前記人工筋肉を制御する低周波信号とが同期されることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置。
前記制御手段は、前記複数のアンテナエレメントの現在の位置から電波の到来方向に前記人工筋肉を曲げる移動量を算出し、その移動量に基づいて前記人工筋肉を曲げて前記複数のアンテナエレメントのビーム方向を制御する演算部と、
前記複数のアンテナエレメントからデータを送受信させるための通信部と、
を有することを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の自己変形型空中線装置。
前記導電性高分子膜は、両側表面のそれぞれの一部に前記電極を付設すると共に、前記電極が付設されてない部位に絶縁性のシール材をコーティングし、水分を含んだゲル状の前記導電性高分子膜の外周面全体が前記シール材と前記電極とによってコーティングされていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のずれか１項に記載の自己変形型空中線装置。