JP6183206B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、導電体で覆われた特定空間内で無線通信を行う技術に関する。

車両に搭載された電子機器間で無線通信を行う場合、金属製のボディに設けられた開口部から車外への電波の漏洩を抑制する必要がある。特に、ドアやリアゲート等が開放された場合に、大きな開口部が形成されるため、電波の漏洩が増大する。

これに対して、ループアンテナを送信用アンテナとして使用し、このループアンテナを、ドアの開放時にループが形成されなくなるよう、車体の内周に沿って周回させた配置する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−２６４４１５号公報

しかし、上述の従来技術では、ドアの開放時には無線通信が途絶えることになるため、様々な機能が制約を受けてしまうという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、導体で覆われた特定空間内で無線通信を行う無線通信システムにおいて、特定空間が開閉部材によって外部空間に開放された状態でも、無線通信を止めることなく外部空間への電波の漏洩を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明の無線通信システムは、アンテナ部と送信機とを備える。アンテナ部は、一つ以上のアンテナで構成され、少なくとも水平方向の周囲が導電体で覆われた特定空間に設置され、該特定空間を開閉する開閉部材によって外部空間に開放される特定空間の境界面を開放面として、前記水平方向かつ前記開放面に沿った方向に電波を放射する。通信装置はアンテナ部を用いて電波を送信する。そして、アンテナ部から放射される電波の周波数は、電波の放射方向に沿って特定空間内に定在波が形成される大きさに設定されている。

このような構成によれば、電波の放射方向に定在波を形成することによって、放射方向に対して直交する方向への電波の漏洩が抑制される。その結果、開閉部材によって特定空間が開放された状態にある場合でも、開閉部材によって形成される開放面は、放射方向に対して直交する方向に存在するため、無線通信を止めることなく外部空間への電波の漏洩を抑制することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述した無線通信システムの他、当該無線通信システムを構成要素とする各種構造体、特定空間内におけるアンテナの配置方法など、種々の形態で実現することができる。

第１実施形態の無線通信システムの全体構成および各部の配置を示す説明図であり、（ａ）が無線通信システムを適用した車両の平面図、（ｂ）が側面図である。 無線通信システムを構成する通信装置の全体構成を示すブロック図である。 各放射モードにおける定在波の分布状態を例示する説明図であり、（ａ）が縦モード、（ｂ）が横モード、（ｃ）が縦横モードである。 通信装置の制御部が実行する制御の内容を示すフローチャートである。 励振モード設定処理の詳細を表すフローチャートである。 乗降用ドアおよびバックゲートが全て閉じている時の動作を示す説明図である。 バックゲートが開いている時の動作を示す説明図である。 乗降用ドアが開いている時の動作を示す説明図である。 定在波の波数とアンテナの配置およびアンテナに供給する送信信号の位相の関係を示す説明図である。 第１実施形態においてアンテナ部の構成を変形させた各変形例についての説明図である。 （ａ）は第２実施形態の無線通信システムにおけるアンテナ部の構成および配置を示す説明図、（ｂ）はその変形例を示す説明図である。 第２実施形態においてアンテナ部の構成を変形させた各変形例についての説明図である。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
本実施形態の無線通信システムは、車両に搭載され、図１に示すように、無線通信によって各種指令を送信する通信装置１と、無線通信によって受信した指令に従って所定の機能を実現する電子機器３とを備える。車両は、左右両側に乗降用ドアを備えると共に、後部にトランクルームを開閉するリアゲートを備える。図中、点線で囲った部位は、水平面に沿った全ての方向が金属製のボディによって囲われている特定空間ＳＰであり、トランクルームと車室のうちウインドウより下方に位置する部分とを含む。

電子機器３は、無線通信を行う機能と、割り当てられた所定の処理を実現する機能とを備えた周知のものであり、トランクルーム内に設置される。
通信装置１は、アンテナ部１０と通信装置本体２０とを備え、通信装置本体２０は、ドライバシートの下方に設置される。また、アンテナ部１０は、四つのアンテナ１０Ｆ，１０Ｒ，１０Ｄ，１０Ｐからなり、特定空間ＳＰ内において、アンテナ１０Ｆは車両の前側端、アンテナ１０Ｒは車両の後側端、アンテナ１０Ｄは車両の右側（ドライバ席側）端、アンテナ１０Ｐは車両の左側（助手席側）端に配置される。但し、アンテナ１０Ｆ，１０Ｒおよびアンテナ１０Ｒ，１０Ｌはそれぞれ互いに対向する位置に配置され、しかも、いずれのアンテナ１０Ｆ，１０Ｒ，１０Ｄ，１０Ｐも特定空間ＳＰの境界となる金属製のボディに沿ってかつ特定空間ＳＰの下端付近に配置される。

なお、電子機器３および通信装置本体２０の配置は、これに限るものではなく、電子機器３は特定空間ＳＰ内であればどこに配置してもよく複数存在してもよい。また、通信装置本体２０は特定空間ＳＰ内に限らず特定空間ＳＰ外に配置してもよい。アンテナ１０Ｆ，１０Ｒ，１０Ｄ，１０Ｐの配置は、金属製ボディに沿っていれば必ずしも特定空間ＳＰの下端付近でなくてもよい。

アンテナ１０Ｆは車両の後方を電波の放射方向とし、アンテナ１０Ｒは車両の前方を電波の放射方向とする。つまりアンテナ１０Ｆ，１０Ｒは、乗降用ドアの開放時に形成される特定空間ＳＰの開口面に沿った方向が電波の放射方向となるように設置されている。また、アンテナ１０Ｄは車両の前進方向を見て右から左に向かう方向を電波の放射方向とし、アンテナ１０Ｐは車両の前進方向を見て左から右に向かう方向を電波の放射方向とする。つまり、アンテナ１０Ｄ，１０Ｐは、リアゲートの開放時に形成される特定空間ＳＰの開口面に沿った方向が電波の放射方向となるように設置されている。

＜通信装置本体＞
通信装置本体２０は、図２に示すように、通信処理部２１と、アンテナ選択部２２と、位相切替部２３と、制御部２４とを備える。通信処理部２１は、図示しない操作入力部からの指示入力や車両の状態や車両周囲の状態を表す各種センサからの入力信号に基づいて電子機器３への指令を生成し、その指令に基づいてアンテナ部１０に供給する送信信号を生成する。

アンテナ選択部２２は、各アンテナ１０Ｆ，１０Ｐ，１０Ｄ，１０Ｐへ個別に給電を行う給電線路中それぞれ設けられたスイッチ２２Ｆ，２２Ｒ，２２Ｄ，２２Ｐからなり、制御部２４からの指示に従って、個別にオンオフを切替可能に構成されている。

位相切替部２３は、アンテナ選択部２２を構成する各スイッチと同様に、個別の給電線路中にそれぞれ設けられた位相切替器２３Ｆ，２３Ｐ，２３Ｄ，２３Ｒからなり、制御部２４からの指示に従って、送信信号の位相を、個別に正相か逆相かに切替可能に構成されている。但し、各アンテナへの給電線路は、位相切替器２３Ｆ，２３Ｐ，２３Ｄ，２３Ｒが全て正相、または全て逆相に設定されている場合、各アンテナ１０Ｆ，１０Ｐ，１０Ｄ，１０Ｐから送出される電波の位相が全て同位相となるように配線されている。

制御部２４は、ドアやトランクフード（またはリアゲート）の開閉状態（以下単に「ドア等の開閉状態」という）を個別に検出するために車両に設けられたドアセンサ群５からの検出結果に基づいて、後述する三つの励振モードのいずれかで電波が放射されるように、アンテナ選択部２２および位相切替部２３の設定を適宜切り替える励振モード切替処理を実行する。

＜周波数の設定＞
ここで、送信信号（ひいてはアンテナ部１０から放射される電波）の周波数の設定について説明する。平面形状が矩形でありその全周が導体で囲まれた特定空間ＳＰ内に形成される定在波の固有共振周波数をｆ_ｌｍとすると、この固有共振周波数ｆ_ｌｍは、（１）式で表される。但し、ａは特定空間ＳＰの車体前後方向の寸法、ｂは特定空間ＳＰの車体左右方向の寸法、ｃは光速、ｌは車体前後方向に形成される定在波の波数、ｍは車体左右方向に形成される定在波の波数である。なお、波数ｌ，ｍ（いずれも整数）は励振モードを表す。

そして、Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓをいずれも２以上の整数として、縦モード（ｌ，ｍ）＝（Ｐ，１）、横モード（ｌ，ｍ）＝（１，Ｑ）、縦横モード（ｌ，ｍ）＝（Ｒ，Ｓ）という三つの励振モードで周波数ができるだけ近い値（適用される通信システムの周波数帯域内に含まれていることが望ましい）となるようなＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓを求める。

例えば、ａ＝３．６ｍ、ｂ＝１．６ｍとした場合、使用したい周波数が３００ＭＨｚ付近であるとすると、（ｌ，ｍ）＝（７，１）の時にｆ_ｌｍ＝３０６ＭＨｚ、（ｌ，ｍ）＝（２，３）の時にｆ_ｌｍ＝２９３ＭＨｚ、（ｌ，ｍ）＝（１，３）の時にｆ_ｌｍ＝２８４ＭＨｚとなる。図３は各励振モードにおける定在波の分布を模式的に示した説明図であり、（ａ）が縦モード（ｌ，ｍ）＝（７，１）、（ｂ）が横モード（ｌ，ｍ）＝（１，３）、（ｃ）が縦横モード（ｌ，ｍ）＝（２，３）を示す。この場合、三つの共振周波数の中心付近の周波数（例えば２９５ＭＨｚ）を、送信信号の周波数に設定すればよい。

図３では、定在波によって形成される磁界を楕円で表している。互いに隣接する定在波において、磁界の向き（回転方向）は逆方向となり、これに伴い電界の向きは上下逆方向となる（図９参照）。以下、図６〜図９において、図中の「正」「逆」は、これら磁界や電界の向きを表すものとする。

＜励振モード切替処理＞
ここで制御部２４が実行する励振モード切替処理の内容を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。本処理は、車両のＡＣＣ電源がオンになると起動し、オフになると停止する。

本処理が起動すると、制御部２４は、アンテナ選択部２２および位相切替部２３の設定を切り替えることで励振モードを縦横モードに設定する（Ｓ１１０）。
次に、制御部２４は、ドアセンサ群５からの検出結果に基づき、ドア等の開閉状態に変化があるか否かを判断する（Ｓ１２０）。但し、初期状態では全てのドア等が全て閉じた状態にあるものとして、その状態からの変化を判断する。ドア等の開閉状態に変化がなければ（Ｓ１２０：ＮＯ）、Ｓ１２０に戻り、開閉状態が変化するまで待機する。

ドア等の開閉状態に変化がある場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、制御部２４は、ドアセンサ群５からの検出結果に基づいて、リアゲートが開放されているか否かを判断し（Ｓ１３０）、リアゲートが開放されていなければ（Ｓ１２０：ＮＯ）、乗降用ドアのいずれかが開放されているか否かを判断する（Ｓ１５０）。

リアゲートが開放されていると判断した場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、制御部２４は、アンテナ選択部２２および位相切替部２３の設定を切り替えることで励振モードを横モードに設定して（Ｓ１４０）、Ｓ１２０に戻る。また、乗降用ドアのいずれかが開放されていると判断した場合（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、制御部２４は、アンテナ選択部２２および位相切替部２３の設定を切り替えることで励振モードを縦モードに設定して（Ｓ１６０）、Ｓ１２０に戻る。リアゲートも乗降用ドアも閉じていると判断した場合（Ｓ１５０：ＮＯ）、Ｓ１１０に戻る。つまり、励振モードを縦横モードに設定する。

ここで、先のＳ１１０，Ｓ１４０，Ｓ１６０で実行する励振モードの設定時に行う処理の詳細を、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
制御部２４は、まずアンテナ選択部２２を構成する各スイッチのオン／オフ状態を、設定する励振モードに応じて設定する（Ｓ２１０）。

具体的には、縦横モードの場合、全てのスイッチ２２Ｆ，２２Ｒ，２２Ｄ，２２Ｐをオンに設定し、横モードの場合、スイッチ２２Ｆ，２２Ｒをオフ、スイッチ２２Ｄ，２２Ｐをオンに設定し、縦モードの場合、スイッチ２２Ｆ，２２Ｒをオン、スイッチ２２Ｄ，２２Ｐをオフに設定する。

次に、制御部２４は、位相切替部２３を構成する各位相切替器を、励振モードから特定される波数に応じて設定する（Ｓ２２０）。
具体的には、図６〜図８に示すように、各励振モードで生じる定在波を正相，逆相で表した時に、電波を放射しているアンテナの最も近くに位置する定在波の位相に合わせて設定する。なお、図６〜図８は、図面を見やすくするために、縦横モード（ｍ，ｌ）＝（３，３）、縦モード（ｍ，ｌ）＝（４，１）、横モード（ｍ，ｌ）＝（１，３）である場合について示したものである。

図６に示す縦横モードの場合、動作に関係のある全ての位相切替器２３Ｆ，２３Ｒ，２３Ｄ，２３Ｐを正相に設定し、図７に示す横モードの場合、動作に関係のある位相切替器２３Ｄ，２３Ｐをいずれも正相に設定し、図８に示す縦モードの場合、動作に関係のある位相切替器２３Ｆを正相、位相切替器２３Ｒを逆相に設定する。

つまり、位相切替器２３Ｆ，２３Ｒは、波数ｍが奇数であれば、いずれも正相またはいずれも逆相となるように設定し、波数ｍが偶数であれば、一方が正相、他方が逆相となるように設定する。位相切替器２３Ｄ，２３Ｐは、波数ｌが奇数であれば、いずれも正相またはいずれも逆相となるように設定し、波数ｌが偶数であれば、一方が正相、他方が逆相となるように設定する。縦横モードの場合は、上述の関係を満たし、かつ以下で説明する関係を満たすように設定する。すなわち、例えば図６中の左上の定在波を基点とた場合に、基点から左右方向にｐ番目（図ではｐ＝２）に位置する定在波とアンテナ１０Ｆ，１０Ｒとが対向し、基点から前後方向にｑ番目（図ではｑ＝２）に位置する定在波とアンテナ１０Ｄ，１０Ｐとが対向しているものとして、位相切替器２３Ｆ，２３Ｄは、（ｐ＋ｑ−１）が奇数であれば互いに同相となり、（ｐ＋ｑ−１）が偶数であれば互いに逆相となるように設定する。別の具体例として、図９に示すように、縦横モード（ｍ，ｌ）＝（４，２）であり、定在波とアンテナの位置関係がｐ＝１，ｑ＝２である場合、位相切替器２３Ｆ，２３Ｐを正相、位相切替器２３Ｒ，２３ そして、アンテナ部１０の放射効率をよくするためには、各アンテナ１０Ｆ，１０Ｒ，１０Ｄ，１０Ｐを、各励振モードで形成される定在波のはらの部分（磁流がアンテナ面と平行となる位置）と対向する位置にできるだけ近づけて設置することが望ましい。

なお、制御部２４が実行する制御は、ロジック回路等のハードウェアによって実現してもよいし、制御部２４をマイクロコンピュータによって構成し、上記制御をマイクロコンピュータが実行する処理、すなわちソフトウェアによって実現してもよい。

＜動作＞
このように構成された無線通信システムでは、乗降用ドアおよびバックゲートが全て閉じた状態の時には、励振モードが縦横モードとなり、図６に示すように、縦方向および横方向のいずれにも定在波が形成される。

バックゲートが開いた状態の時には、励振モードが横モードとなり、図７に示すように、アンテナ１０Ｄ，１０Ｐによる定在波の形成方向（左右方向）に対して直交する方向への電波の放射が抑制される。その結果、バックゲートの開放時に形成される特定空間ＳＰの開口面から外部への電波の漏洩が抑制されることになる。

乗降用ドアが開いた状態の時には、励振モードが縦モードとなり、図８に示すように、アンテナ１０Ｆ，１０Ｒによる定在波の形成方向（縦方向）に対して直交する方向への電波の放射が抑制される。その結果、乗降用ドアの開放時に形成される特定空間の開口面から外部への電波の漏洩が抑制されることになる。

＜効果＞
以上説明したように本実施形態では、乗降用ドアまたはバックゲートが開放された場合、その開放されたドア類によって形成される特定空間ＳＰの開口面の位置に応じて、励振モードを縦モードまたは横モードに切り替えることによって、開口面からの電波の漏洩を抑制している。このため、乗降用ドアやバックゲートが開放された状態でも通信を継続することができる。

また、乗降用ドアやバックゲートがいずれも閉まっている場合、励振モードを縦横モードに切り替えることによって、特定空間ＳＰ内に車両前後左右方向へ分布する定在波が形成されるようにしているため、縦モードや横モードで動作する場合と比較して、車室内の電界強度をより均一にかつ高く保つことができる。

＜変形例＞
本実施形態では、車室内における車両の前側端，後側端，右側端，左側端のそれぞれに計４個のアンテナを設けているが、図１０（ａ）に示すように、アンテナ１０Ｄ，１０Ｐのうちいずれか一方（図ではアンテナ１０Ｐ）を省略したり、図１０（ｂ）に示すように、アンテナ１０Ｆ，１０Ｒのうちいずれか一方（図ではアンテナ１０Ｒ）を省略したりしてもよい。更に、図１０（ｃ）に示すように、アンテナ１０Ｄ，１０Ｐのうちいずれか一方、かつアンテナ１０Ｆ，１０Ｒのうちいずれか一方（図ではアンテナ１０Ｐ，１０Ｒ）を省略してもよい。これらの場合、省略したアンテナに対応するスイッチ、位相切替器を省略することができ、装置構成を簡略化することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、アンテナ部１０を４個のアンテナで構成し、ドアの開閉に応じて励振モードを切り替えている。これに対して、本実施形態では、図１１（ａ）に示すように、アンテナ部１０をアンテナ１０Ｆ，１０Ｒだけで構成し、縦モードに相当する動作だけを行う。

本実施形態によれば、乗降用ドアの開放時に形成される特定空間ＳＰの開口面からの電波の漏洩が抑制されるため、乗降用ドアが開いても通信を継続することができる。また、ドアの開閉状態に応じて励振モードを切り替える必要がないため、装置構成を簡略化することができる。

＜変形例＞
本実施形態において、図１１（ｂ）に示すように、アンテナ部１０を構成するアンテナ１０Ｆ，１０Ｒのうちいずれか一方（図ではアンテナ１０Ｒ）を省略してもよい。この場合、アンテナ間の位相調整が不要なため、装置構成をより簡略化することができる。

第２実施形態では、アンテナ部１０をアンテナ１０Ｆ，１０Ｒだけで構成しているが、図１２（ａ）に示すように、アンテナ部１０をアンテナ１０Ｄ，１０Ｐだけで構成し、横モードに相当する動作だけを行うようにしてもよい。更に、図１２（ｂ）に示すように、アンテナ部１０を構成するアンテナ１０Ｄ，１０Ｐのうちいずれか一方（図ではアンテナ１０Ｐ）を省略してもよい。これらの場合、リアゲートの開放時に形成される特定空間ＳＰの開口面からの電波の漏洩が抑制されるため、リアゲートが開いても通信を継続することができる。また、特に後者の場合、アンテナ間の位相調整が不要なため、装置構成をより簡略化することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記実施形態では、無線通信システムを車両に搭載する場合について説明したが、これに限るものではなく、導電体で覆われかつ開閉部材によって外部空間に開放される可能性のある特定空間内で通信を行う必要のある各種移動体や建造物等に適用してもよい。

（２）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１…通信装置 ３…電子機器 ５…ドアセンサ群 １０…アンテナ部 ２０…通信装置本体 ２１…通信処理部 ２２…アンテナ選択部 ２３…位相切替部 ２４…制御部 ＳＰ…特定空間

Claims (5)

1. 少なくとも水平方向の周囲が導電体で覆われた特定空間（ＳＰ）に設置され、該特定空間を開閉する開閉部材によって外部空間に開放される前記特定空間の境界面を開放面として、前記水平方向かつ前記開放面に沿った方向に電波を放射する一つ以上のアンテナからなるアンテナ部１０と、
   前記アンテナ部を用いて電波を送信する通信装置（２０）と、
   を備え、前記アンテナ部から放射される電波の周波数が、前記電波の放射方向に沿って前記特定空間内に定在波が形成される大きさに設定されていることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記開閉部材は、前記開放面の向きが互いに異なるように複数箇所に設けられ、
   前記アンテナ部は、前記開放面の向きの各々に対応づけられた複数のアンテナを備え、
   前記通信装置は、
   前記開閉部材の開閉状態を個別に監視する監視手段（２４：Ｓ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１５０）と、
   該監視手段によって開状態であると検出された開閉部材の開放面を対象面として、該対象面に対応づけられたアンテナが選択されるように、使用するアンテナを切り替える切替手段（２２、２４：Ｓ２１０）と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記アンテナ部は、同じ開放面に対応づけられた互いに対向する一対のアンテナを含み、
   前記通信装置は、前記一対のアンテナから放射された電波によって形成する定在波の波数によって、該一対のアンテナに供給する送信信号の位相が同位相または逆位相となるように調整する位相調整手段（２３、Ｓ２４：Ｓ２２０）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記特定空間は、車両の車室空間であ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項に記載の無線通信システム。
5. 前記開閉部材は、前記車両のドアおよびリアゲートのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。