(57)【要約】【課題】  小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムを提供する。【解決手段】  この親機１Ａと子機１Ｂは、それぞれ送信部３、受信部４、及び相手の親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３の３次元位置を算出する３次元位置算出部６０とＭＥＭＳ素子を駆動する素子駆動部６１とからなる制御部６により構成されている。親機１Ａないし子機１Ｂの送信部３から指向性の広い送信光５を送信し、子機１Ｂないし親機１Ａの受信部４により受光し、送信光５の指向角を絞るとき、受信光の強度分布から受信光の送信部３の３次元位置を算出する。その算出結果に基づいて、それぞれの送信部３の光源位置をＭＥＭＳ素子等により走査し、送信方向を互いの受信部４に向うように調整し、しかる後に通信を開始する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査する走査手段と、
前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置。
【請求項２】
主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査手段と、
前記走査手段を駆動して前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置。
【請求項３】
主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、
前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査手段と、
前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記送信光の指向角をも制御することを特徴とする請求項１又は３記載の光無線装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記受信光の指向角をも制御することを特徴とする請求項２又は３記載の光無線装置。
【請求項６】
前記送信光用集光レンズおよび前記受信光用集光レンズとして１つの共通の集光レンズを用い、
前記発光素子および前記受光素子は、前記発光素子から送信される送信光、および前記受光素子が受光する受信光が前記共通の集光レンズを介して送受信されるように配置されたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の光無線装置。
【請求項７】
前記発光素子は、前記送信光用集光レンズの焦点位置近傍に配置され、
前記走査手段は、前記発光素子を３次元的に移動可能に支持し、
前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記発光素子を３次元的に移動させて前記送信光の送信方向および指向角を制御することを特徴とする請求項１又は３記載の光無線装置。
【請求項８】
前記受光素子は、前記受信光用集光レンズの焦点位置近傍に配置され、
前記走査手段は、前記受光素子を３次元的に移動可能に支持し、
前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記受光素子を３次元的に移動させて前記受信光の受信方向および指向角を制御することを特徴とする請求項２又は３記載の光無線装置。
【請求項９】
前記受光素子は、２次元アレイ状に配列された複数の受光セルから構成され、
前記制御手段は、前記走査手段を駆動して前記複数の受光セルのうち受信光を受光する１個又は少数個の前記受光セルに限定することを特徴とする請求項２又は３記載の光無線装置。
【請求項１０】
親機と子機との間で送受信する光無線システムにおいて、
前記親機および前記子機は、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、
前記親機および前記子機の少なくとも一方は、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査する走査手段と、
前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線システム。
【請求項１１】
前記親機および前記子機の少なくとも一方の前記送信部は、指向角の広い送信光を送信し、他方の前記受信部は、前記指向角の広い送信光を受信して、送受信を開始することを特徴とする請求項１０記載の光無線システム。
【請求項１２】
前記親機および前記子機の少なくとも一方の前記送信部は、指向角の広い送信光を送信し、他方の前記受信部は、前記指向角の広い送信光を受信して、送受信を開始した後、前記一方あるいは前記他方の前記送信部あるいは前記受信部は、前記送信光あるいは前記受信光の指向角を狭めて送信あるいは受信を行うことを特徴とする請求項１０記載の光無線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相手装置との間で情報信号を送受信する光無線装置、および親機と子機との間で情報信号を送受信する光無線システムに関し、特に、小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光無線は、電波無線と同様に配線が要らないこと、電波無線に比べて、１００Ｍｂｐｓ以上と言った高速の通信が比較的簡単にできることなどから、パソコンやプリンタなどの固定・半固定機器やＰＤＡ（Personal Data Assistance）機器などのモバイル機器とＬＡＮとを繋ぐ方式として有望視されている。モバイル機器だけでなく、固定・半固定機器においては、それぞれの機器に光無線装置が取り付けられる程度に小型であることと、低消費電力であることなどが求められている。特にモバイル機器の光無線通信では、一度の充電により長時間の送受信ができることが重要であり、極力低消費電力化することが重要である。また、画像の高精細化や動画画像の増大に伴い、１００Ｍｂｐｓ以上、できれば１Ｇｂｐｓと言った通信の高速化が求められている。そのため、受信入力の増大が必要となり、効率の良い送受信が課題となっている。
【０００３】
従来、光通信の標準規定であるＩｒＤＡ（赤外線データ通信）を中心として、これらのモバイル機器での課題や問題の解決を目指して多くの光通信方式が開発されて来た。古くは、親機と子機間を指向角の広い光線や狭い指向角で繋いで交信を行うタイプが開発されたが、前者（指向角の広い光通信）では、十分なＳＮ比を保って信号処理をするためには、送信出力を大きくしなければならず、後者（指向角の狭い光通信）では、低電力での送信が可能であるが、手動で方向を設定する必要があり、さらに子機が移動する場合には、その接続を保つのが困難であり、モバイル機器に使用することは難しいなどの問題があった。
【０００４】
その後、指向角の狭い第１送信光を出力する第１の発光素子、および指向角の広い第２送信光を出力する第２の発光素子を備えた送信装置と、受光素子を備えた受信装置と、この受信装置の受光強度を表示するモニタＴＶとから構成された光無線システムにおいて、指向角の大きな第２送信光で送信装置と受信装置間の認識を行って送受信の開始を可能とした後、指向角の狭い第１送信光で送受信を行うタイプが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
他の従来例としては、親機からは指向性の広い送信光を送信し、子機においては受信素子と送信素子を並列して配置し、それらを同時に二次元的に走査して親機を探し、親機からの送信光を受信し、その方向に送信するタイプの光無線システムが開発され、実用化されている。この子機の場合、別々の集光レンズを有する送信素子と受信素子とを同一ホルダー上に並列配置して、そのホルダーに取り付けたモータの回転により、指向方向を２次元的に調節する。
【特許文献１】特開平６−２３２８１８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光無線システムによれば、子機が移動する場合、親機との接続を保つのが困難であり、送信開始時に大出力が必要であり、装置や信号処理が複雑となるため、モバイル機器に使用することは難しいという問題があった。また、別々の集光レンズを有する送信素子と受信素子とを同一ホルダー上に並列配置して、そのホルダーに取り付けたモータの回転により、指向方向を２次元的に調節する子機を使用する従来の光無線システムによれば、子機のサイズが１０センチ前後ないしそれ以上と大きくなると共に、消費電力が２ワット程度と非常に大きくなるため、モバイル機器に使用することは困難であるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、小型化と低消費電力化を図り、モバイル機器に適用可能な光無線装置および光無線システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置を提供する。
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置を提供する。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するため、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、相手装置との間で送受信する光無線装置において、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線装置を提供する。
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するため、親機と子機との間で送受信する光無線システムにおいて、前記親機および前記子機は、主に発光素子と送信光用集光レンズとからなる送信部と、主に受光素子と受信光用集光レンズとからなる受信部とを有して構成され、前記親機および前記子機の少なくとも一方は、前記送信光用集光レンズに対して相対的に前記発光素子を走査し、前記受信光用集光レンズに対して相対的に前記受光素子を走査する走査手段と、前記走査手段を駆動して前記発光素子から送信される送信光の送信方向、および前記受光素子が受信する受信光の受信方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光無線システムを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光無線装置および光無線システムによれば、送信部あるいは受信部において、集光レンズに対して相対的に発光素子あるいは受光素子のみを走査することにより、可動部の大幅な小型化が可能となり、光無線装置および光無線システムを大幅に小型化することができ、高速走査も可能となる。また、発光素子および受光素子の走査により、受信素子への入射光量を増すことができ、低消費電力で送受信を行うことが可能となる。従って、モバイル機器に適用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光無線システムを示す。この第１の実施の形態の光無線システムは、光無線装置としての親機１Ａと、同じく光無線装置としての子機１Ｂとの間で情報信号を送受信するものである。この親機１Ａと子機１Ｂは同一の構成を有しており、それぞれ送信部３、受信部４、及び相手の親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３の３次元位置を算出する３次元位置算出部６０と後述するＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子を駆動する素子駆動部６１とを有する制御部６により構成されている。
【００１４】
図１（ａ）は送受信開始時の状態を、図１（ｂ）は送受信継続中の状態を示す。送受信開始時では、図１（ａ）に示すように、まず、親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３から指向性の広い送信光５を送信し、その送信光５を子機１Ｂ又は親機１Ａの受信部４により受光し、相手の親機１Ａ又は子機１Ｂを認識する。次に、図１（ｂ）に示すように、送信光５の指向角を絞り、制御部６の３次元位置算出部６０で受信光の強度分布から相手の親機１Ａ又は子機１Ｂの送信部３の３次元位置を算出する。制御部６は、その算出結果に基づいて、それぞれの送信部３の光源位置を後述するＭＥＭＳ素子等により走査し、送信方向を相手の受信部４に向うように調整し、しかる後に通信を開始する。また、定期的に互いの３次元位置を算出し、子機１Ｂの移動や傾きなどの動きに追従させる。動きの検出には、一方の送信光５の送信方向を微小角で繰り返し偏向し、他方の受信部４においてその偏向周波数で同期検波することにより、移動方向を算出し、常に最大感度が得られるように、送信角と受光角を調整する。
【００１５】
図２は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂを示す。子機１Ｂにおいては、図２に示すように、基板２上に送信部３と受信部４が装着されており、送信部３から送信光５を送信し、受信部４において受信光５’を受信する。なお、子機１Ｂでは、小型化のために送信部３及び受信部４の直径はそれぞれ５ｍｍとし、親機１Ａの送信部３及び受信部４の直径は、集光効率を上げるためそれぞれ約２０ｍｍと大きくし、親機１Ａ及び子機１Ｂはそれぞれ直径程度の距離をおいて送信部３と受信部４を基板２上に配置する。
【００１６】
図３は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂの送信部３を示す。送信部３は、図３に示すように、集光レンズ７の焦点位置付近にＧａＡｓ系半導体レーザからなる発光素子８が配置されている。集光レンズ７は、入射面、出射面とも非球面とし、収差を抑えて送信光５にほぼガウス型の分布を持たせている。また、発光素子８は、静電的に２次元走査可能なＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子９上に設けられ、２次元的に走査される。また、ＭＥＭＳ素子９は、ボイスコイル１０の中に設置されており、このコイル１０に電流を印加することにより、ＭＥＭＳ素子９に取り付けられた磁石１１が電磁力により駆動され、それによって発光素子８が集光レンズ７の光軸方向１４に走査され、送信光５の指向角を調節する。この構成により、指向角を０度（平行ビーム）から３０度まで、出射方向を±１０度程度振ることが可能となる。ホルダー部１５は、基板２の一部に設けられて集光レンズ７やボイスコイル１０などを保持するものである。
【００１７】
発光素子８としては、子機１Ｂ側には、波長８５０ｎｍのＧａＡｓＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）を、親機１Ａ側に１Ｂは波長９８０ｎｍ発振のＩｎＧａＡｓＬＤ（端面発光レーザ）を使用している。子機１Ｂ側のＶＣＳＥＬの活性層の直径は１０μｍと比較的大きい。このためマルチモード発振となるが、出力は大きく、１０ｍＷ以上が可能である。親機１Ａ側のＬＤは、低価格化を図るため、ファイバ増幅に使用されるものを用いる。このように親機１Ａと子機１Ｂの送信波長を変えることにより、両者を簡単な色ガラスで分離することが可能となる。子機１Ｂの発光素子８は、Ｘ，Ｙ方向の２次元方向１２の走査を可能とするＭＥＭＳ素子９の上に搭載し、これにより、送信光源の２次元走査が可能となる。
【００１８】
図４（ａ）は、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）素子９の主要部を示す。このＭＥＭＳ素子９は、磁石１１に固定されたＭＥＭＳ基板２３と、ＭＥＭＳ基板２３に対してＹ方向に可動するＹ方向可動部２２と、Ｙ方向可動部２２に対してＸ方向に可動するＸ方向可動部２１とを備え、Ｘ方向可動部２１の中心に発光素子８が搭載された構成を有している。Ｘ方向可動部２１とＹ方向可動部２２との間には、櫛形駆動素子２４ａ，２４ｂがＸ方向可動部２１の左右に配置され、Ｙ方向可動部２２と基板２３との間には、櫛形駆動素子２５ａ，２５ｂがＹ方向可動部２２の上下に配置されている。
【００１９】
櫛形駆動素子２４ａは、図４（ｂ）に示すように、Ｘ方向に延びる５μｍ幅、１５０μｍ長さの一対の櫛形電極２１ａ、２２ａから形成され、これらの両電極２１ａ、２２ａに素子駆動部６１から静電圧を印加することにより、Ｘ方向の走査が行われるようになっている。他方の櫛形駆動素子２４ｂも図４（ｂ）に示す櫛形駆動素子２４ａと同様に構成され、素子駆動部６１からの静電圧の印加によりＸ方向の走査が行われるようになっている。櫛形駆動素子２５ａ，２５ｂは、Ｙ方向に延びる５μｍ幅、１５０μｍ長さの一対の櫛形電極から形成され、これらの両電極に素子駆動部６１から静電圧を印加することにより、Ｙ方向の走査が行われるようになっている。Ｘ、Ｙ方向に駆動することにより駆動距離は±1００μｍとなり、それにより出射光は約１０度２次元に走査される。
【００２０】
図５は、第１の実施の形態に係る子機１Ｂの受信部４を示す。この受信部４は、図５に示すように、図３に示す送信部３とは発光素子８を受光素子１６に置き換えたのみであり、他は送信部３と同様に構成されており、ＭＥＭＳ素子９上に、２次元アレイ型ピンフォトダイオードからなる受光素子１６が設置されている。
【００２１】
図６は、第１の実施の形態に係る受光部４の受光素子１６を示す。この受光素子１６は、２０×２０個の５μｍ角を有するピンフォトダイオード１７の２次元アレイから構成されている。この受光素子１６がＸ、Ｙ方向の２次元走査可能なＭＥＭＳ素子９上に設置され、２次元方向に走査される。
【００２２】
このようにして、受信光５’を受光素子１６に集光するとともに、その集光強度分布を図１（ｂ）に示す状態のときに計測することにより、３次元位置算出部６０は、受信光５’の送信部３の３次元位置を算出し、算出結果に基づいてＸ、Ｙ方向に位置決めする。さらに、素子駆動部６１により受光素子１６を走査することにより、アレイ中の１つ（又は２〜４個の少数個）に限定されたピンフォトダイオード１７に集光させることにより、高感度、高速の信号処理を可能とする。
【００２３】
第１の実施の形態によれば、集光レンズ７を固定したまま、発光素子８および受光素子１６のみを走査することにより、可動部の大幅な小型化が可能となり、光無線装置を１センチ以下に大幅に小型化することができ、高速走査も可能となる。また、発光素子８および受光素子１６を走査して送受信の指向角をも変えることにより、送受信開始時に指向角の広い送信光を使用することができ、これにより着実に送受信開始ができ、かつ、データの送受信中には、指向角の狭い低出力の送信光を送信することにより、受光素子８への入射光量を増すことができ、高速で、高感度の送受信が可能となる。従って、モバイル機器に適用可能となる。
【００２４】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光無線装置を示す。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、発光素子８と受光素子１６を、共通のビームスプリッタ１９及び集光レンズ７を介して送受信するように集光レンズ７の付近に配置したものである。この第２の実施の形態によれば、発光素子８と受光素子１６の位置を、共通の集光レンズ７に対して走査し、送受信の方向と指向角を制御して送信を行うように送信部と受信部を一体化することにより、さらに光無線装置の小型化が図れる。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々変形実施が可能である。例えば、受光素子１６として、ピンフォトダイオードアレイの代わりにＣＣＤ（Charge-Coupled Device）アレイを用いてもよい。これにより低価格化が図れる。この場合は、高速化を図るため、行毎に信号処理を行うことが好ましい。
【００２６】
また、本実施の形態では、発光素子８と受光素子１６を静電的に走査したが、ＭＥＭＳ素子９に電磁石を取り付けることにより、電磁的に走査してもよく、また、ＭＥＭＳ素子９の代わりに、光ディスク用のピックアップにおいて自動焦点制御とトラッキングに使用される４枚の細幅の板バネを用いて発光素子８及び受光素子１６を支え、電磁的に走査してもよい。これにより、数百μｍの走査ができ、指向角を大幅に変えることができるとともに、大口径のレンズを用いても十分な角度で受信光を走査でき、高感度の受信が可能となる。
【００２７】
また、発光素子８を受光素子１６の上に積層してもよく、それによりさらに装置の小型化が図れる。この場合には、発光素子８の送信光が受光素子１６に入射しないように、送信光５を遮断する干渉フィルターを発光素子８と受光素子１６の間に挟むとよく、それにより、親機１Ａと子機１Ｂ間の双方向通信が可能となる。
【００２８】
また、発光素子８あるいは受光素子１６に対して集光レンズ７を移動させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、相手の親機又は子機の動きに追従させられるため、ＰＤＡや携帯電話などのモバイル機器の高速通信に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光無線システムを示す図であり、（ａ）は送受信開始時の状態を示す図、（ｂ）は送受信継続中の状態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る子機の概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る子機の送信部の断面図である。
【図４】（ａ）は図３に示すＭＥＭＳ素子の主要部を示す平面図であり、（ｂ）はＭＥＭＳ素子の櫛形駆動素子の拡大平面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る子機の受信部の断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る受光部の受光素子を示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光無線装置の概略平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１Ａ  親機  
１Ｂ  子機
２    基板
３    送信部
４    受信部
５    送信光
５’  受信光
６    制御部
７    集光レンズ
８    発光素子
９    ＭＥＭＳ素子
１０  ボイスコイル
１１  磁石
１２  二次元方向
１４  光軸方向
１５  ホルダー部
１６  受光素子
１７  ピンフォトダイオード
１９  ビームスプリッタ
２１  Ｘ方向駆動部
２１ａ，２２ａ  櫛形電極
２２  Ｙ方向駆動部
２３  ＭＥＭＳ基板
２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ  櫛形駆動素子
６０  ３次元位置算出部
６１  素子駆動部
【図１】
2005064992.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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