JP7061019B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電エラストマー駆動要素を用いてアンテナ特性が可変であるアンテナ装置に関する。

特定の周波数の電波の送受信における電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）は、アンテナ特性の代表例である。より広範な周波数の電波のＶＳＷＲを低減させることを目的としたアンテナ装置が提案されている。特許文献１には、アンテナ特性が可変であるアンテナ装置の一例が開示されている。同文献においては、アンテナ長をモータを用いて伸縮させることにより、アンテナ特性を可変とし、より広い周波数帯の電波の送受信を行うことが意図されている。また、近年は、新たな無線通信システムとしてＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）が提案されている。ＭＩＭＯは、送信機と受信機との双方で、複数のアンテナを用いることにより、通信品質を向上させることが意図されている。このようなシステムにおいては、個々のアンテナ特性を送受信状態に応じてより最適化することが望ましい。

特開昭６４－２４０７号公報

しかしながら、駆動源としてのモータは、相応の体積を有し、金属部品からなるため比較的重い。このため、アンテナ装置の小型化や軽量化が、モータによって制限されるという問題がある。また、モータは、電波の送受信において導体とみなされるものであり、電圧定在波比を増大（悪化）させたり、電波を遮蔽する遮蔽物となったりする等の問題がある。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、アンテナ特性を向上させつつ、小型化および軽量化を図るのに適したアンテナ装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供されるアンテナ装置は、電波の送信および受信の少なくともいずれかを行うアンテナを備えたアンテナ装置であって、誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有し、且つ前記アンテナのアンテナ特性を可変させる誘電エラストマー駆動要素、を備えることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記アンテナ特性は、前記アンテナの特定物理量に依存する周波数ごとの電圧定在波比であり、前記誘電エラストマー駆動要素は、前記特定物理量を可変させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記特定物理量は、前記アンテナのアンテナ素子の物理長である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記アンテナは、モノポールアンテナまたはダイポールアンテナである。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記アンテナは、アンテナ素子と反射部とを有するコーナーリフレクタアンテナであり、前記アンテナ特性は、前記導電部と前記反射部との距離、および前記反射部の角度、の少なくともいずれかに依存する電圧定在波比であり、前記誘電エラストマー駆動要素は、前記導電部と前記反射部との距離、および前記反射部の角度、の少なくともいずれかを可変させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記アンテナは、反射器、輻射器および導波器の順で並べられた八木・宇田アンテナであり、前記アンテナ特性は、前記反射器、前記輻射器および前記導波器の相互距離の少なくともいずれかに依存する電圧定在波比であり、前記誘電エラストマー駆動要素は、前記反射器、前記輻射器および前記導波器の相互距離少なくともいずれかを可変させる。

本発明によれば、より広い周波数帯においてアンテナ装置のアンテナ特性を向上させつつ、アンテナ装置の小型化および軽量化を図ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置を示す装置構成図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置を示す装置構成図である。 本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置を示す装置構成図である。 本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置を示す装置構成図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１～図３は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置を示している。本実施形態のアンテナ装置Ａ１は、アンテナ１、誘電エラストマー駆動要素２、通信機３および駆動制御部４を備えている。

アンテナ１は、高周波電気エネルギーを電波として空間に送信すること、および電波を高周波電気エネルギーとして受信すること、の少なくともいずれかを行うものである。本実施形態のアンテナ１は、いわゆるモノポールアンテナとして構成されており、１つのアンテナ素子１１からなる。アンテナ素子１１は、グランド面Ｇに対して直立姿勢で設置される。

本実施形態のアンテナ素子１１は、第１部材１１１および第２部材１１２からなる。第１部材１１１および第２部材１１２は、それぞれが棒状の部材であり、金属からなる。また、図示された例においては、第２部材１１２が円筒形状とされており、第１部材１１１の少なくとも一部が第２部材１１２に収容されている。第１部材１１１は、中実の棒状部材であってもよいし、円筒形状の部材であってもよい。第１部材１１１と第２部材１１２とは、互いに摺動可能である。これにより、アンテナ素子１１は、伸縮可能であり、長さＬが可変である。なお、第１部材１１１と第２部材１１２とは、一方が他方に収容される構成に限定されず、互いが導通した状態を保ちつつ、それぞれを併せた長さＬが可変の構成であればよい。図示された例においては、第２部材１１２の下端が支持部材１９に支持されている。

誘電エラストマー駆動要素２は、アンテナ１のアンテナ素子１１の長さＬを伸縮させるためのアクチュエータである。本実施形態の誘電エラストマー駆動要素２は、誘電エラストマー層２１、一対の電極層２２および弾性部材２５を有する。本実施形態においては、誘電エラストマー駆動要素２は、アンテナ素子１１の第２部材１１２に収容されているが、これは、誘電エラストマー駆動要素２の配置構造の一例であり、誘電エラストマー駆動要素２の配置構造は特に限定されない。たとえば、誘電エラストマー駆動要素２が、アンテナ素子１１の外部に配置された構成であってもよい。

誘電エラストマー層２１は、弾性変形が可能であるとともに、絶縁強度が高いことが求められる。このような誘電エラストマー層２１の材質は特に限定されないが、好ましい例として、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマー、スチレンエラストマー等が挙げられる。図示された例においては、誘電エラストマー層２１は、円筒形状とされている。図２に示すように、図示された例においては、誘電エラストマー層２１の上端が第１部材１１１の下端に固定されており、誘電エラストマー層２１の下端が、支持部材１９に固定されている。

一対の電極層２２は、誘電エラストマー層２１を挟んでおり、駆動制御部４によって電圧が印加されるものである。一対の電極層２２は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層２１の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。誘電エラストマー層２１に導電性を付与する材料は、弾性変形可能な材質に添加されていても良く、導電性を付与する材料として、フィラーが挙げられる。前記フィラーの好ましい例として、炭素材料が挙げられ、たとえばカーボンナノチューブが挙げられる。本実施形態においては、円筒形状とされた誘電エラストマー層２１の内外面に一対の電極層２２が設けられている。

弾性部材２５は、誘電エラストマー層２１を伸張させる弾性力を付与するものであり、たとえば金属ばねである。図示された例においては、弾性部材２５は、円筒形状とされた誘電エラストマー層２１に収容されている。また、弾性部材２５の上端が第１部材１１１の下端に固定されており、弾性部材２５の下端が電気的に絶縁された支持部材１９に固定されている。

なお、弾性部材２５の配置は、図示された例に限定されない。また、誘電エラストマー駆動要素２は、弾性部材２５を有する構成に限定されず、たとえば互いに連結された複数の誘電エラストマー層２１が互いに弾性力を付与し合うことにより、アクチュエータとして機能する構成であってもよい。

通信機３は、アンテナ１を用いた従来公知の電波の送信および受信の少なくともいずれかを制御するものである。通信機３は、アンテナ１に電気的に接続されている。図示された例においては、通信機３は、たとえば従来公知の同軸ケーブルによってアンテナ１に接続されている。

駆動制御部４は、誘電エラストマー駆動要素２の駆動を制御するものであり、たとえば誘電エラストマー駆動要素２の一対の電極層２２に電圧を印加する電源部を有する。

図２は、駆動制御部４によって誘電エラストマー駆動要素２に電圧が印加されていない状態を示している。この場合、円筒形状の誘電エラストマー層２１は、電圧による変形が生じていない。一方、弾性部材２５は、軸方向に圧縮された状態である。このため、弾性部材２５は、誘電エラストマー層２１を軸方向に伸張させる弾性力を付与している。これにより、誘電エラストマー層２１は、軸方向に伸ばされている。

図３は、駆動制御部４によって誘電エラストマー駆動要素２に所定の電圧が印加された状態を示している。電圧が印加されると、クーロン力によって一対の電極層２２が互いに引き合う。これにより、誘電エラストマー層２１の厚さが減じられ、軸方向寸法が増大する。この変形と弾性部材２５の弾性力により、誘電エラストマー駆動要素２は、軸方向に伸張し、第１部材１１１が第２部材１１２に対して図中上方に移動する。この結果、アンテナ素子１１の長さＬが長くなる。なお、誘電エラストマー駆動要素２が図示された伸張動作を行う場合、第１部材１１１とグランド面Ｇとの距離が変化する。この距離変化によっても、アンテナ装置Ａ１のアンテナ特性が依存する特定物理量が変化する。

駆動制御部４から印加する電圧を適宜調整することにより、アンテナ素子１１の長さＬを連続的に変更することができる。たとえば、モノポールアンテナであるアンテナ装置Ａ１の場合、アンテナ素子１１の長さＬが、送受信の対象である電波の波長（λ）の１／４となるように、駆動制御部４から印加する電圧を調整すればよい。この調整により、アンテナ装置Ａ１と通信機３とのインピーダンスマッチングを改善し、電圧定在波比を低減させることができる。

次に、アンテナ装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、誘電エラストマー駆動要素２によって、アンテナ素子１１の物理長である長さＬが可変とされている。誘電エラストマー駆動要素２は、必須の構成要素に金属部品等を含まず、誘電エラストマー層２１および電極層２２によって構成される。このため、たとえばモータ等のアクチュエータと比較して、誘電エラストマー駆動要素２は、小型化や軽量化を図りやすい。したがって、アンテナ装置Ａ１のアンテナ特性を向上させつつ、小型化および軽量化を図ることができる。

また、誘電エラストマー駆動要素２は、たとえばモータと比べて、電波の送受信においてノイズを生じたり、電波を不当に遮蔽および吸収するおそれが少ない。このため、本実施形態のように、アンテナ素子１１に誘電エラストマー駆動要素２が内蔵された構成であっても、アンテナ装置Ａ１のアンテナ特性を低下させることを回避することができる。

図４～図６は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置を示している。本実施形態のアンテナ装置Ａ２は、ダイポールアンテナとして構成されたアンテナ１を備えている。

本実施形態のアンテナ１は、２つのアンテナ素子１１を有している。それぞれのアンテナ１の構成は、例えばアンテナ装置Ａ１のアンテナ素子１１と同様であってもよいし、異なる構成であってもよい。図示された例においては、アンテナ装置Ａ１のアンテナ素子１１と同様の構成のアンテナ素子１１が採用されている。２つのアンテナ素子１１は、互いに１８０°の角度をなすように配置されている。図示された例においては、通信機３は、２つのアンテナ素子１１と従来公知の同軸ケーブルによって接続されている。一方のアンテナ素子１１は、同軸ケーブルの芯線（内部導体）を介して通信機３の信号線端子に接続されている。他方のアンテナ素子１１は、同軸ケーブルのシールド線（外部導体）に接続されている。なお、以降の実施形態においては図示を省略するが、アンテナ素子１１と通信機３との接続には、同軸ケーブルを適宜用いることが好ましい。

アンテナ装置Ａ２は、２つの誘電エラストマー駆動要素２を備えている。２つの誘電エラストマー駆動要素２は、２つのアンテナ素子１１を個別に伸縮させるために設けられている。それぞれの誘電エラストマー駆動要素２の配置構造は特に限定されず、図示された例においては、アンテナ装置Ａ１と同様の配置構造が採用されている。

アンテナ１がダイポールアンテナである場合、２つのアンテナ素子１１を合計した長さＬが、波長λの１／２となるように、２つの誘電エラストマー駆動要素２に駆動制御部４から電圧が印加される。なお、図示された例は、２つのアンテナ素子１１を個別に伸縮させることが可能な構成であるが、１つの誘電エラストマー駆動要素２のみを備えることにより、２つのアンテナ素子１１を連動して伸縮させる構成であってもよい。

本実施形態によっても、アンテナ装置Ａ２のアンテナ特性を向上させつつ、小型化および軽量化を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置を示している。本実施形態のアンテナ装置Ａ３は、コーナーリフレクタアンテナとして構成されたアンテナ１を備えている。

本実施形態のアンテナ１は、上述したダイポールアンテナを構成する２つのアンテナ素子１１に加えて反射部１２を有する。反射部１２は、アンテナ素子１１が送受信する電波を反射するものであり、たとえば金属からなる。

反射部１２は、反射板１２１および反射部１２２を有する。反射板１２１および反射部１２２は、金属平板あるいは格子状の導体平板である。反射板１２１および反射部１２２は、互いに角度θをなして配置されている。アンテナ１は、反射板１２１と反射部１２２とに挟まれる位置に設けられている。

アンテナ装置Ａ３は、２つの誘電エラストマー駆動要素２Ａおよび１つの誘電エラストマー駆動要素２Ｂを有する。２つの誘電エラストマー駆動要素２Ａは、２つのアンテナ素子１１を個別に伸縮させるためのアクチュエータである。誘電エラストマー駆動要素２Ｂは、反射板１２１および反射部１２２を開閉させることにより、角度θを調節するためのアクチュエータである。誘電エラストマー駆動要素２Ａおよび誘電エラストマー駆動要素２Ｂの具体的構造は特に限定されず、図示された例においては、アンテナ装置Ａ１の誘電エラストマー駆動要素２と同様の構成が採用されている。

本実施形態によっても、アンテナ装置Ａ３のアンテナ特性を向上させつつ、小型化および軽量化を図ることができる。また、誘電エラストマー駆動要素２Ｂによって角度θを調節することにより、アンテナ装置Ａ３のアンテナ特性の一例である指向性を可変することができる。

また、アンテナ装置Ａ３の変形例として、アンテナ素子１１と反射部１２との距離が可変である構成を採用してもよい。

＜第４実施形態＞
図６は、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置を示している。本実施形態のアンテナ装置Ａ４は、八木・宇田アンテナとして構成されたアンテナ１を備えている。

本実施形態においては、アンテナ１は、互いに離間して配置された反射器１３、輻射器１４および導波器１５を有する。輻射器１４は、波長λの１／２の長さに設定される。反射器１３は、波長λの１／２より長いものに設定される。導波器１５は、波長λの１／２よりも短いものに設定される。

図示された例においては、アンテナ装置Ａ４は、誘電エラストマー駆動要素２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅを備える。誘電エラストマー駆動要素２Ａは、反射器１３と輻射器１４との距離Ｄ１を可変とするアクチュエータである。誘電エラストマー駆動要素２Ｂは、輻射器１４と導波器１５との距離Ｄ２を可変とするアクチュエータである。

誘電エラストマー駆動要素２Ｃ，２Ｄ，２Ｅは、反射器１３、輻射器１４および導波器１５の長さを、波長λに応じて個別に可変させるものである。誘電エラストマー駆動要素２Ｃ，２Ｄ，２Ｅは、たとえば上述したアンテナ装置Ａ２，Ａ３の誘電エラストマー駆動要素２，２Ａと同様の構成であり、図４においては便宜上省略している。

本実施形態によっても、アンテナ装置Ａ４のアンテナ特性を向上させつつ、小型化および軽量化を図ることができる。また、本実施形態と異なり、アンテナ装置Ａ４の特定物理量を変化させるために、モータを用いた場合、上述した５つの自由度（誘電エラストマー駆動要素２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ）に対応して、５つのモータを備える必要がある。これらのモータは、金属部品を有するため、アンテナ素子１１の電波の送受信を阻害するものとなる。このため、本実施形態のアンテナ装置Ａ４が奏するアンテナ特性の向上を図る以前に、モータ自身が電波の送受信に与えうる影響を排除する方策を適用することが強いられるという問題がある。本実施形態によれば、このような問題を解消することができる。

本発明に係るアンテナ装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るアンテナ装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。また、本発明に係るアンテナ装置の用途は特に限定されず、たとえば携帯型情報通信端末に用いてもよい。

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４：アンテナ装置
１ ：アンテナ
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ：誘電エラストマー駆動要素
３ ：通信機
４ ：駆動制御部
１１ ：アンテナ素子
１２ ：反射部
１３ ：反射器
１４ ：輻射器
１５ ：導波器
１９ ：支持部材
２１ ：誘電エラストマー層
２２ ：電極層
２５ ：弾性部材
１１１ ：第１部材
１１２ ：第２部材
１２１ ：反射板
１２２ ：反射部
Ｄ１，Ｄ２：距離
θ ：角度

Claims (6)

1. 電波の送信および受信の少なくともいずれかを行うアンテナ素子を含むアンテナを備えたアンテナ装置であって、
   誘電エラストマー層および当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有し、且つ前記アンテナのアンテナ特性を可変させる誘電エラストマー駆動要素、を備え、
   前記誘電エラストマー駆動要素は、前記アンテナ素子とは別体のものとして構成されており、
   前記一対の電極層は、炭素材料を含むことによって導電性が付与されていることを特徴とする、アンテナ装置。
2. 前記アンテナ特性は、前記アンテナの特定物理量に依存する周波数ごとの電圧定在波比であり、
   前記誘電エラストマー駆動要素は、前記特定物理量を可変させる、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記特定物理量は、前記アンテナ素子の物理長である、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナは、伸縮可能である前記アンテナ素子からなるモノポールアンテナまたはダイポールアンテナであり、
   前記誘電エラストマー駆動要素が、前記アンテナ素子に収容されている、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナは、前記アンテナ素子と反射部とを有するコーナーリフレクタアンテナであり、
   前記アンテナ特性は、前記アンテナ素子と前記反射部との距離、および前記反射部の角度、の少なくともいずれかに依存する電圧定在波比であり、
   前記誘電エラストマー駆動要素は、前記アンテナ素子と前記反射部との距離、および前記反射部の角度、の少なくともいずれかを可変させる、請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナは、反射器、輻射器および導波器の順で並べられた八木・宇田アンテナであり、
   前記アンテナ特性は、前記反射器、前記輻射器および前記導波器の相互距離少なくともいずれかに依存する電圧定在波比であり、
   前記誘電エラストマー駆動要素は、前記反射器、前記輻射器および前記導波器の相互距離の少なくともいずれかを可変させる、請求項１に記載のアンテナ装置。

Images