JP6026950B2 - 磁束ベクトル方向検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、受信した電波において磁束のベクトル方向を検出可能な磁束ベクトル方向検出装置に関する。

従来、例えば３軸アンテナ（Ｘ軸アンテナ、Ｙ軸アンテナ、Ｚ軸アンテナ）を備えた電波受信装置が周知である（例えば、特許文献１等参照）。３軸アンテナの電波受信装置の場合、電波を３方向で受信することが可能となるので、電波の受信特性がよくなる。

特開２００９−２７４２号公報

図９に、３軸アンテナを備えた電波受信装置のＸ−Ｙ軸における受信電波の座標系を示す。例えば、受信電波のＸ軸方向強度をｘａ、受信電波のＹ軸方向強度をｙａとすると、受信電波を強度でしか測定できない場合、Ｘ−Ｙ軸における受信電波としては、２つのベクトルＲ１，Ｒ２が算出されてしまう。即ち、Ｘ−Ｙ軸における受信電波の正負を区別することができず、ベクトルＲ１，Ｒ２を認識できない問題があった。なお、この問題は、Ｙ−Ｚ軸やＸ−Ｚ軸においても同様に生じる。

本発明の目的は、受信電波の磁束のベクトル方向を算出することができる磁束ベクトル方向検出装置を提供することにある。

前記問題点を解決する磁束ベクトル方向検出装置は、Ｘ軸方向の電波を受信するＸ軸アンテナと、Ｙ軸方向の電波を受信するＹ軸アンテナと、Ｚ軸方向の電波を受信するＺ軸アンテナと、前記Ｘ軸アンテナ及び前記Ｙ軸アンテナに対して４５°傾くアンテナ、及び前記Ｙ軸アンテナ及び前記Ｚ軸アンテナに対して４５°傾くアンテナのうち、少なくとも一方からなる軸傾きアンテナと、前記軸傾きアンテナで受信した電波の強度レベルを用い、受信した磁束においてベクトル成分の正負を算出する磁束ベクトル方向算出部とを備えた。

本構成によれば、Ｘ軸アンテナ、Ｙ軸アンテナ及びＺ軸アンテナに加え、所定の軸に対して４５°傾く軸傾きアンテナを更に設けた。受信電波の磁束のベクトル成分を算出するとき、軸傾きアンテナが追加されれば、磁束のベクトル方向を算出するためのパラメータが１つ増えることとなる。このため、軸傾きアンテナにおける受信電波の強度レベルを用いれば、受信アンテナがＸ，Ｙ，Ｚの３軸のみのときには判別できなかった磁束のベクトル成分の正負が分かる。よって、より詳細な磁束のベクトル方向の情報を得ることが可能となる。

前記磁束ベクトル方向検出装置において、前記軸傾きアンテナは、前記Ｘ軸アンテナ及び前記Ｙ軸アンテナに対して４５°傾くＸＹ軸アンテナ、及び前記Ｙ軸アンテナ及び前記Ｚ軸アンテナに対して４５°傾くＹＺ軸アンテナの両方からなり、前記磁束ベクトル方向算出部は、前記ＸＹ軸アンテナ及び前記ＹＺ軸アンテナの各々で受信した電波の強度レベルを用いて、受信した磁束のベクトル成分の正負を算出することが好ましい。この構成によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸アンテナに、ＸＹ軸アンテナ及びＹＺ軸アンテナの２つのアンテナを追加したので、磁束のベクトル方向を算出するためのパラメータが更に増えることとなる。よって、磁束のベクトル成分の正負を、より精度よく判定するのに有利となる。

前記磁束ベクトル方向検出装置において、前記Ｘ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｘ、前記Ｙ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｙ、前記Ｚ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｚとすると、前記ＸＹ軸アンテナの受信電波の強度レベルを比較する際に使用する第１閾値をＫxy、前記ＹＺ軸アンテナの受信電波の強度レベルを比較する際に使用する第２閾値をＫyzは、

から算出され、前記磁束ベクトル方向算出部は、前記ＸＹ軸アンテナの受信電波の強度レベルと前記第１閾値とを比較することにより、磁束ベクトルのＸ−Ｙ軸平面における正負を算出し、前記ＹＺ軸アンテナの受信電波の強度レベルと前記第２閾値とを比較することにより、磁束ベクトルのＹ−Ｚ軸平面における正負を算出し、Ｘ−Ｙ軸の磁束ベクトルとＹ−Ｚ軸の磁束ベクトルとの組み合わせにより、磁束ベクトルのＺ−Ｘ軸平面における正負を算出することが好ましい。この構成によれば、簡素な演算処理により、磁束のベクトル成分の正負を算出することが可能となる。

本発明によれば、受信電波の磁束のベクトル方向を算出することができる。

一実施形態の磁束ベクトル方向検出装置の構成図。 ５軸の各アンテナの座標軸図。 受信した磁束のＸ−Ｙ軸の座標系。 受信した磁束のＹ−Ｚ軸の座標系。 （ａ）〜（ｃ）はＺ−Ｘ磁束ベクトル方向の判別概念を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）はＺ−Ｘ磁束ベクトル方向の判別概念を示す説明図。 磁束ベクトル方向の組み合わせ表。 磁束ベクトル方向の分布図、及び磁束の強度レベルの分布図。 従来の正負が判別できない磁束ベクトルを示す磁束のＸ−Ｙ軸の座標系。

以下、磁束ベクトル方向検出装置の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１に示すように、電波受信装置１には、各々異なる方向の電波を受信可能な複数（本例は５本）のアンテナ２〜６と、アンテナ２〜６で受信した電波を増幅や変調等してデータ読み取りする受信制御回路７とが設けられている。本例のアンテナ２〜６は、５軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ＸＹ軸、ＹＺ軸）のアンテナからなり、Ｘ軸アンテナ２、Ｙ軸アンテナ３、Ｚ軸アンテナ４、ＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６を備える。なお、ＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６が軸傾きアンテナの一例である。

図２に、５軸のアンテナ２〜６によって構築される座標軸を示す。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに９０度の角度をなす軸である。ＸＹ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の各々に対して４５度傾く軸に設定されている。また、図示はしないが、ＹＺ軸も同様に、Ｙ軸及びＺ軸の各々に対して４５度傾く軸に設定されている。

図１に示すように、受信制御回路７には、電波を各アンテナ２〜６で受信した際の強度レベルを測定する受信強度レベル測定部８と、受信した磁束においてベクトル成分（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の正負を判別する磁束ベクトル方向判別部９と設けられている。磁束ベクトル方向判別部９は、Ｘ軸アンテナ２、Ｙ軸アンテナ３、Ｚ軸アンテナ４、ＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６の受信電波の強度レベルを基に、受信電波において、Ｘ−Ｙ軸平面における磁束のベクトル方向、Ｙ−Ｚ軸平面における磁束のベクトル方向、及びＸ−Ｚ軸平面における磁束のベクトル方向を判別する。なお、受信強度レベル測定部８及び磁束ベクトル方向判別部９が磁束ベクトル方向算出部の一例である。

次に、図１，図３〜図８を用いて、磁束のベクトル方向において正負の算出手順を説明する。
［磁束ベクトル方向の判別処理］
図１に示すように、電波受信時、受信強度レベル測定部８は、５軸のアンテナ２〜６における受信電波の各々の強度レベルを測定する。即ち、受信強度レベル測定部８は、Ｘ軸アンテナ２の強度レベル「ｘ」と、Ｙ軸アンテナ３の強度レベル「ｙ」と、Ｚ軸アンテナ４の強度レベル「ｚ」と、ＸＹ軸アンテナ５の強度レベル「ｘｙ」と、ＹＺ軸アンテナ６の強度レベル「ｙｚ」とを測定する。

図３に示すように、例えばＸ−Ｙ軸平面における磁束のベクトル方向（以降、Ｘ−Ｙ磁束ベクトル方向と記す）は、３軸アンテナの従来の場合、２つのＸ−Ｙ磁束ベクトルＢxy1，Ｂxy2としてしか算出できない。本例の磁束ベクトル方向判別部９は、受信した磁束のＸ−Ｙ軸平面におけるベクトル方向が、２つのＸ−Ｙ磁束ベクトルＢxy1，Ｂxy2のうち、どちらのベクトル成分であるのかを判別する。

磁束ベクトル方向判別部９は、第１の判定ステップとして、Ｘ−Ｙ軸平面の磁束のベクトル方向を判別する。このとき、磁束ベクトル方向判別部９は、次式(1)を用いて、Ｘ−Ｙ軸判定用の閾値Ｋxyを算出する。なお、閾値Ｋxyが第１閾値の一例である。

磁束ベクトル方向判別部９は、ＸＹ軸アンテナ５で測定した強度レベルである「ｘｙ」と閾値Ｋxyとの大小関係を確認する。

ここで、図３に示すように、閾値Ｋxyは、例えばＢxy1（Ｂxy2）のベクトル長を直径とする円軌跡において、Ｙ軸上の点からＸＹ軸に下ろした垂線の交点Ｐａに相当する。このため、強度レベル「ｘｙ」と閾値Ｋxyとを比較するということは、いま判別しようとしているＸ−Ｙ磁束ベクトルの頂点からＸＹ軸に下ろした垂線の交点が、交点Ｐａよりも上に位置するのか、或いは下に位置するのかを確認するのと同義である。磁束ベクトル方向判別部９は、「ｘｙ≧Ｋxy」が成立すれば、いま受信している磁束のベクトル方向をＸ−Ｙ磁束ベクトルＢxy1と判定する。一方、磁束ベクトル方向判別部９は、「ｘｙ＜Ｋxy」が成立すれば、いま受信している磁束のベクトル方向をＸ−Ｙ磁束ベクトルＢxy2と判別する。

図４に示すように、例えばＹ−Ｚ軸平面における磁束のベクトル方向（以降、Ｙ−Ｚ磁束ベクトル方向と記す）は、３軸アンテナの従来の場合、２つのＹ−Ｚ磁束ベクトルＢyz1，Ｂyz2としてしか算出できない。本例の磁束ベクトル方向判別部９は、受信した磁束のＹ−Ｚ軸平面におけるベクトル方向が、２つのＹ−Ｚ磁束ベクトルＢyz1，Ｂyz2のうち、どちらのベクトル成分であるのかを判別する。

磁束ベクトル方向判別部９は、第２の判定ステップとして、Ｙ−Ｚ軸平面の磁束のベクトル方向を判別する。このとき、磁束ベクトル方向判別部９は、次式(2)を用いて、Ｙ−Ｚ軸判定用の閾値Ｋyzを算出する。なお、閾値Ｋyzが第２閾値の一例である。

ここで、図４に示すように、閾値Ｋyzは、例えばＢyz 1（Ｂyz 2）のベクトル長を直径とする円軌跡において、Ｚ軸上の点からＹＺ軸に下ろした垂線の交点Ｐｂに相当する。このため、強度レベル「ｙｚ」と閾値Ｋyzとを比較するということは、いま判別しようとしているＹ−Ｚ磁束ベクトルの頂点からＹＺ軸に下ろした垂線の交点が、交点Ｐｂよりも上に位置するのか、或いは下に位置するのかを確認するのと同義である。磁束ベクトル方向判別部９は、「ｙｚ≧Ｋyz」が成立すれば、いま受信している磁束のベクトル方向をＹ−Ｚ磁束ベクトルＢyz1と判定する。一方、磁束ベクトル方向判別部９は、「ｙｚ＜Ｋyz」が成立すれば、いま受信している磁束のベクトル方向をＹ−Ｚ磁束ベクトルＢyz2と判別する。

続いて、図５に、受信した磁束のＹ−Ｚ軸平面におけるベクトル方向（以降、Ｚ−Ｘ磁束ベクトル方向と記す）の判別原理を図示する。例えば、図５（ａ）に示すように、Ｘ−Ｙ磁束ベクトル方向がＸ−Ｙ座標系の第１象限及び第３象限を横断する方向をとる場合、座標（ｘ，ｙ）は、（＋，＋）又は（−，−）の組み合わせをとる。図５（ｂ）に示すように、Ｙ−Ｚ磁束ベクトル方向がＹ−Ｚ座標系の第１象限及び第３象限を横断する方向をとる場合、座標（ｙ，ｚ）は、（＋，＋）又は（−，−）の組み合わせをとる。よって、図５（ｃ）に示すように、Ｚ−Ｘ座標系を考えた場合、座標（ｚ，ｘ）は、座標（ｘ，ｙ）＝（＋，＋）と座標（ｙ，ｚ）＝（＋，＋）とによって（＋，＋）が導かれ、座標（ｘ，ｙ）＝（−，−）と座標（ｙ，ｚ）＝（−，−）とによって（−，−）が導かれる。即ち、Ｚ−Ｘ磁束ベクトル方向は、Ｚ−Ｘ座標系において第１象限及び第３象限を横断する方向のベクトルと判定できる。

また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｙ磁束ベクトル方向がＸ−Ｙ座標系の第１象限及び第３象限を横断する方向をとり、Ｙ−Ｚ磁束ベクトル方向がＹ−Ｚ座標系の第２象限及び第４象限を横断する方向をとる場合を考える。このとき、座標（ｘ，ｙ）は（＋，＋）又は（−，−）の組み合わせをとり、座標（ｙ，ｚ）は（＋，−）又は（−，＋）の組合せをとる。よって、図６（ｃ）に示すように、座標（ｚ，ｘ）は、座標（ｘ，ｙ）＝（＋，＋）と座標（ｙ，ｚ）＝（＋，−）とによって（−，＋）が導かれ、座標（ｘ，ｙ）＝（−，−）と座標（ｙ，ｚ）＝（−，＋）とによって（＋，−）が導かれる。即ち、Ｚ−Ｘ磁束ベクトル方向は、Ｚ−Ｘ座標系において第２象限及び第４象限を横断する方向のベクトルと判定できる。

磁束ベクトル方向判別部９は、図５及び図６で説明した原理を用いて、受信電波のＺ−Ｘ軸平面におけるベクトル方向を判別する。以上のようにして、磁束ベクトル方向判別部９は、受信電波において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の正負を判別する。

図７に、磁束ベクトル方向のＸ，Ｙ，Ｚの正負の組み合わせをまとめた表１０を図示する。同図に示されるように、磁束のＸ−Ｙ軸平面、Ｙ−Ｚ軸平面及びＺ−Ｘ軸平面の各ベクトル方向の組み合わせは、合計４つパターンをとることが分かる。このように、電波受信時、受信した電波の磁束がＸ，Ｙ，Ｚのどの方向を向くのかを更に細分化して精度よく識別することが可能となる。

［電波受信装置の一使用例］
図８に示すように、電波受信装置１は、ある距離離れた送信アンテナ１１から送信される電波を受信するよう動作をとる。本例の電波受信装置１は、受信電波の磁束のベクトル方向を精度よく判別することが可能であるので、磁束ベクトル方向の分布図１２からも分かるように、磁束ベクトル方向を確認することにより、ある程度の精度で自位置を判定することが可能である。また、電波受信装置１は、受信電波の強度レベルも計測可能であるので、強度レベルの分布図１３からも分かるように、強度レベルを確認すれば、ある程度の精度で自位置を判定することが可能である。

このように、磁束ベクトル方向と強度レベルとを組み合わせれば、電波受信装置１の位置を精度よく判定することができるはずである。そうすれば、送信アンテナ１１が形成する電波のエリアを精度よく形成したり、送信アンテナ１１を少なくしたりできるなどに有利となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）Ｘ軸アンテナ２、Ｙ軸アンテナ３及びＺ軸アンテナ４の各アンテナに対し、軸が４５°傾くＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６を追加する。電波受信時、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ＸＹ軸及びＹＺ軸の５方向の強度レベルを測定し、これら測定値を基に受信電波の磁束のベクトル方向を算出する。このとき、Ｘ−Ｙ軸平面、Ｙ−Ｚ軸平面及びＺ−Ｘ軸平面における磁束のベクトル方向の正負を、ＸＹ軸アンテナ５の強度レベル、及びＹＺ軸アンテナ６の強度レベルを用い、識別する。このため、受信アンテナがＸ，Ｙ，Ｚの３軸のみのときには判別できなかったベクトル成分の正負が分かる。よって、より詳細な磁束のベクトル方向の情報を得ることができる。

（２）追加する受信アンテナは、ＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６の２つである。よって、磁束のベクトル方向を算出するためのパラメータを多くとることが可能となるので、磁束のベクトル成分の正負を、より精度よく判定するのに有利となる。

（３）Ｘ−Ｙ軸平面における磁束のベクトル成分の正負は、ＸＹ軸アンテナ５の強度レベルを閾値Ｋxyと比較することで判別し、Ｙ−Ｚ軸平面における磁束のベクトル成分の正負は、ＹＺ軸アンテナ６の強度レベルを閾値Ｋyzと比較することで判別する。そして、明らかとなったＸ−Ｙ軸平面の磁束ベクトルの正負とＹ−Ｚ軸平面の磁束ベクトルの正負との組み合わせから、Ｚ−Ｘ軸平面の磁束ベクトルの正負を判別する。よって、比較的簡素な演算処理により、磁束のベクトル成分の正負を算出することができる。

（４）磁束のベクトル方向の正負が分かれば、ベクトル方向を確認することにより、送信アンテナ１１からの電波を受信したときの自位置を判定することもできる。また、ベクトル方向の正負と受信電波の強度とを組み合わせて位置判定すれば、一層精度よく自位置を判定することができる。ひいては、送信アンテナ１１が形成する通信エリアの精度向上に有利であり、またこれは用意する送信アンテナ１１が少なく済むという利点にも繋がる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・軸傾きアンテナは、ＸＹ軸アンテナ５及びＹＺ軸アンテナ６の何れかであればよい。
・軸傾きアンテナは、Ｘ軸及びＺ軸に各々４５°傾くＺＸ軸アンテナでもよい。

・磁束ベクトル方向のＸ，Ｙ，Ｚの正負の算出方法は、軸傾きアンテナで計測される電波の強度レベルを使用したロジックであれば、種々の算出方法が適用可能である。
・磁束ベクトル方向検出装置は、車両の電子キーシステムに使用されることに限らず、種々の機器や装置に適用可能である。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（イ）前記磁束ベクトル方向検出装置において、前記ベクトル方向算出部は、前記軸傾きアンテナで受信した電波の強度レベルを用い、受信した磁束において、Ｘ−Ｙ軸平面の正負、Ｙ−Ｚ軸平面の正負、及びＺ−Ｘ軸平面の正負を各々算出する。

（ロ）前記磁束ベクトル方向検出装置において、前記軸傾きアンテナは、２つの直交する軸の２等分線を軸とするアンテナである。

２…Ｘ軸アンテナ、３…Ｙ軸アンテナ、４…Ｚ軸アンテナ、５…軸傾きアンテナを構成するＸＹ軸アンテナ、６…軸傾きアンテナを構成するＹＺ軸アンテナ、８…磁束ベクトル方向算出部を構成する受信強度レベル測定部、９…磁束ベクトル方向算出部を構成する磁束ベクトル方向判別部、Ｋxy…第１閾値としてのＸ−Ｙ軸判定用の閾値、Ｋyz…第２閾値としてのＹ−Ｚ軸判定用の閾値。

Claims (3)

1. Ｘ軸方向の電波を受信するＸ軸アンテナと、
   Ｙ軸方向の電波を受信するＹ軸アンテナと、
   Ｚ軸方向の電波を受信するＺ軸アンテナと、
   前記Ｘ軸アンテナ及び前記Ｙ軸アンテナに対して４５°傾くアンテナ、及び前記Ｙ軸アンテナ及び前記Ｚ軸アンテナに対して４５°傾くアンテナのうち、少なくとも一方からなる軸傾きアンテナと、
   前記軸傾きアンテナで受信した電波の強度レベルを用い、受信した磁束においてベクトル成分の正負を算出する磁束ベクトル方向算出部と
   を備えたことを特徴とする磁束ベクトル方向検出装置。
2. 前記軸傾きアンテナは、前記Ｘ軸アンテナ及び前記Ｙ軸アンテナに対して４５°傾くＸＹ軸アンテナ、及び前記Ｙ軸アンテナ及び前記Ｚ軸アンテナに対して４５°傾くＹＺ軸アンテナの両方からなり、
   前記磁束ベクトル方向算出部は、前記ＸＹ軸アンテナ及び前記ＹＺ軸アンテナの各々で受信した電波の強度レベルを用いて、受信した磁束のベクトル成分の正負を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁束ベクトル方向検出装置。
3. 前記Ｘ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｘ、前記Ｙ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｙ、前記Ｚ軸アンテナの受信電波の強度レベルをｚとすると、前記ＸＹ軸アンテナの受信電波の強度レベルを比較する際に使用する第１閾値をＫxy、前記ＹＺ軸アンテナの受信電波の強度レベルを比較する際に使用する第２閾値をＫyzは、
   から算出され、
   前記磁束ベクトル方向算出部は、前記ＸＹ軸アンテナの受信電波の強度レベルと前記第１閾値とを比較することにより、磁束ベクトルのＸ−Ｙ軸平面における正負を算出し、前記ＹＺ軸アンテナの受信電波の強度レベルと前記第２閾値とを比較することにより、磁束ベクトルのＹ−Ｚ軸平面における正負を算出し、Ｘ−Ｙ軸の磁束ベクトルとＹ−Ｚ軸の磁束ベクトルとの組み合わせにより、磁束ベクトルのＺ−Ｘ軸平面における正負を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁束ベクトル方向検出装置。