(57)【要約】【課題】  位相量を制御可能な小型の位相器を提供する。【解決手段】  入力端子１と、出力端子２と、入力端子１と出力端子２との間を接続してて電気信号を伝送する伝送路３とを有し、この伝送路３の長さを変化させて入力端子１と出力端子２の間における電気信号の位相量を変化させる位相器Ｐにおいて、前記伝送路３が形状記憶合金を用いて形成され、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段４をも備えることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と、出力端子と、入力端子と出力端子との間を接続して電気信号を伝送する伝送路とを有し、この伝送路の長さを変化させて入力端子と出力端子の間における電気信号の位相量を変化させる位相器において、前記伝送路が形状記憶合金を用いて形成され、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段をも備えることを特徴とする位相器。
【請求項２】
前記温度変更手段は、形状記憶合金に電流を供給するものであることを特徴とする請求項１記載の位相器。
【請求項３】
前記伝送路は、変形温度の異なる複数の形状記憶合金が直列接続されたものであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の位相器。
【請求項４】
前記伝送路の周囲温度を測定する温度測定手段と、この温度測定手段で検出された周囲温度に応じて温度変更手段が形状記憶合金に与えるまたは形状記憶合金から奪う熱エネルギーを制御する制御手段をも備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の位相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相量を制御可能な位相器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などにおける通信の信頼性向上のため、位相量を制御可能な位相器を用いてアンテナビームのビームチルトを行うダイバーシティー技術が導入されている。位相量を制御可能な位相器は、以下の２つの方式に大別される。
【０００３】
１つは、位相量が固定の複数の位相器を、例えば図１０に示すようにｃ接点の複数の高周波リレーＲ１，Ｒ２に接続して位相器Ｐ１，Ｐ２を切り換えるものである。このようにすることにより、高周波リレーＲ１，Ｒ２の接点がともにａ側にあるときには位相器Ｐ１に接続され、高周波リレーＲ１，Ｒ２の接点がともにｂ側にあるときに位相器Ｐ１よりも電気長が長い伝送路を有する位相器Ｐ２に接続される。したがって、高周波リレーＲ１，Ｒ２により切り換えて２つの異なる位相量の位相器を選択して用いることができる。しかしながら、この方式においては、高価な高周波リレーＲ１，Ｒ２を複数個用いる必要があるので、位相器Ｐの形状が大きなものとなり、携帯機器などの小型の端末に用いることは困難であった。
【０００４】
もう一つは、伝送路の形状を変化させるもので、特許文献１には、移動導体の装荷位置を連続的に変化させて位相量を手動で調整することができる位相器の構成が開示されている。このような移動導体の動作を制御可能にするものとして、例えば図１１に示すように、入力端子１と出力端子２からそれぞれ伸びる基板Ｄ３上に形成された平行な２本のストリップラインＳＬ１，ＳＬ２の間に、それぞれに直交して摺動する移動導体ＢＬを配設して伝送路を形成し、電気信号に応じて、この移動導体ＢＬをストリップラインＳＬ１，ＳＬ２の延伸方向に動かすモータＭを有する構成が考えられる。このようにすると、移動導体ＢＬをモータＭにより摺動動作させ、伝送路の電気長を連続的に変化させることができ、そのため、位相量を連続的に変化させることができる。しかしながら、この方式においては、モータＭのような駆動部が必要となるので、位相器Ｐの形状が大きいものとなり、携帯機器などの小型の端末に用いることは困難であった。
【特許文献１】特開平８−２６５００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、上述の背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、位相量を制御可能な小型の位相器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願発明は、入力端子と、出力端子と、入力端子と出力端子との間を接続して電気信号を伝送する伝送路とを有し、この伝送路の長さを変化させて入力端子と出力端子の間における電気信号の位相量を変化させる位相器において、前記伝送路が形状記憶合金を用いて形成され、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段をも備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の位相器においては、伝送路は形状記憶合金を用いて形成され、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段を備えるので、温度変更手段により形状記憶合金の温度を変形温度以上または以下に変化させて伝送路の電気長を変化させることができ、そのため、位相量を変化させることができる。したがって、モータなどの駆動部や高周波リレーを用いないで位相量を制御することができるので、位相量を制御可能な小型の位相器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本願発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。この位相器Ｐは、入力端子１と、出力端子２と、入力端子１と出力端子２との間を接続して電気信号を伝送する伝送路３とを有し、この伝送路３の長さを変化させて入力端子１と出力端子２の間における電気信号の位相量を変化させるものである。そして、伝送路３は、形状記憶合金を用いて形成されており、位相器Ｐは、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段４を備えている。
【０００９】
以下、この実施形態の位相器Ｐについて詳細に説明する。ケース５は、各面が板状の導体で直方体状に形成されたものであり、その内部には中空の収納部５ｂが形成されている。ここで図示していないが、ケース５は、上面部も有し、収納部５ｂの全周を取り囲んでいる。収納部５ｂは、伝送路３と後述のヒータ線４ｂとを収納している。
【００１０】
伝送路３は、形状記憶合金の線材で上面視コ字状に形成されたものであり、その端部はそれぞれ細い円柱状の導体である入力端子１と、出力端子２とに接続されている。そして、入力端子１と出力端子２は、ケース５に設けた貫通孔を通して外部に引き出され、ケース５に固定されている。ここで、入力端子１は、図１（ｂ）のように、ケース５の貫通孔に取り付けられた樹脂製のスリーブ７を通して外部に引き出されており、ケース５とは接触せず、電気的に絶縁されている。そして、伝送路３と点Ｓ１で、この位相器Ｐを接続する外部回路につながる信号線１０と点Ｓ２で、はんだ接続されている。出力端子２についても入力端子１の場合と同様にしてケース５に取り付けられ、伝送路３と、位相器Ｐを接続する外部回路につながる信号線２０に接続されている。
【００１１】
また、伝送路３は、２本の樹脂製のばね６により、上面視コ字状の角部と、ケース５の入力端子１と出力端子２を取り付けた面の対向面とが接続され、その間にばね６の引っ張り方向の弾性力が働くようにしている。このばね６の弾性力のため、伝送路３は、ケース３の底面と、自身のコ字状部が形成する面とが平行となるように収納部５ｂ内で支持されており、ケース５の上面と底面からの距離を一定に保っている。したがって、伝送路３の電気信号の伝送特性を確保することができる。
【００１２】
伝送路３を形成する形状記憶合金は、ニッケルの含有量は５０％〜６０％のチタン−ニッケル合金であり、形状記憶合金の線材が短くなるマルテンサイト相からオーステナイト相への変化温度は６０℃〜７０℃、形状記憶合金の線材が長くなるオーステナイト相からマルテンサイト相への変化温度はオーステナイト相の変化温度より１０℃〜１５℃低い温度である。したがって、伝送路３は、変形温度としてマルテンサイト相からオーステナイト相に変化する変化温度とオーステナイト相からマルテンサイト相に変化する変化温度の２つを有する。そして、伝送路３の長さは、マルテンサイト相からオーステナイト相への変化温度においては短くなり、オーステナイト相からマルテンサイト相の変化温度においては長くなる。このオーステナイト相とマルテンサイト相との間における長さの変化は形状記憶合金の線材の長さの約３％〜５％である。以下の実施形態において、伝送路３の形状記憶合金は、温度変更手段４を働かせないときには、マルテンサイト相の状態で形成されている。
【００１３】
温度変更手段４は、伝送路３の形状記憶合金を加熱して熱エネルギーを与えるものであり、給電回路部４ａと、ヒータ線４ｂとにより構成されている。給電回路部４ａは、ヒータ線４ｂに電流を流すものであり、ループ状のヒータ線４ｂの一端に、マイナス側を接地した直流電源Ｂ１とスイッチＳＷ１を直列接続したものを接続し、他端を接地している。このように接続してスイッチＳＷ１をオンにすることにより、ヒータ線４ｂに電流を流すことができる。ここで、スイッチＳＷ１は、電気信号が入力されることでオンオフを切り換えるスイッチング回路であってもよいし、手動でオンオフするものであってもよい。
【００１４】
ヒータ線４ｂは、抵抗値の高い線材で矩形のループ状に形成され、伝送路３と入力端子１と出力端子２を結ぶ線とで形成される長方形の上面視で内方に、伝送路３と対応する各辺が所定の距離離れて平行になるようにケース５の収納部５ｂに設けられる。この所定の距離とは、ヒータ線４ｂで伝送路３の形状記憶合金の温度を上昇させることができる距離である。このヒータ線４ｂは、ケース５に設けられた貫通孔を通して給電回路部４ａと接続されている。また、このヒータ線４ｂは、伝送路３が形状記憶合金の作用により変形するときにその変形による動作を妨げないように伝送路３よりも若干下方に設けられている。
【００１５】
次に、第１の実施形態の動作について説明する。この位相器Ｐは、温度変更手段４を働かせないときにはマルテンサイト相における伝送路３の電気長分の位相量だけ電気信号の位相を変化させる。ここで、温度変更手段４の給電回路部４ａのスイッチをオンにすると、ヒータ線４ｂに電流が流れ、ヒータ線４ｂは熱を発生する。そして、その熱により伝送路３の温度を上昇させる。そして、伝送路３の温度が形状記憶合金の変形温度（マルテンサイト相からオーステナイト相への変化温度）になると、形状記憶合金の長さが短くなり方向Ｄに移動する。そのため、伝送路３の電気長が減少し、電気信号の位相の変化量は減少する。つまり、高周波リレーやモータなどの駆動部を用いずに位相量を可変にした小型の位相器Ｐを提供できる。
【００１６】
次に、この位相器Ｐをアンテナアレーに使用した例について図２、図３を用いて説明する。このアンテナアレーは、誘電体Ｄ１，Ｄ２上にそれぞれ形成される一般的なパッチアンテナを２つ用いてアンテナ素子Ｙ１，Ｙ２とするものである。これらのアンテナ素子Ｙ１，Ｙ２間の距離は、受信する電波Ｗの波長λと同じにして同一平面内に設けられ、アンテナ素子Ｙ１の出力には位相器Ｐが設けられている。ここで、このアンテナアレーの受信する電波Ｗの周波数を２ＧＨｚとすると、波長λは０．１５ｍとなる。位相器Ｐの出力とアンテナ素子Ｙ２の出力とは、アンテナ素子Ｙ１からの電気長とアンテナ素子Ｙ２からの電気長とが等しくなるようにして接続され、その接続点は受信器に接続されている。このアンテナアレーにおいては、アンテナ素子Ｙ２から接続点までの伝送路の長さを、形状記憶合金の変形前における位相器Ｐの伝送路３と同じ長さになるようにしている。
【００１７】
ここで、変形前の位相器Ｐの伝送路３の長さを０．４２ｍとし、形状記憶合金の変形後に変形前よりも５％短くなるものとすると、変形後の伝送路３の長さは０．０２ｍ短くなり約０．４０ｍとなる。そのため、位相器Ｐにおける変形前後の位相量の変化は、０．０２／０．１５×３６０＝５０．４°となる。また、図３に示すように、アンテナアレーの指向性パターンは、形状記憶合金の変形前の特性である曲線Ｋ１から、θ＝ａｒｃｔａｎ（０．０２／０．１５）＝約８°振れた曲線Ｋ２のようになる。このアンテナビームの中心角度は、位相器Ｐの伝送路３に用いられる形状記憶合金の長さを長くすることにより、大きく変化させることができる。このように、本実施形態の位相器Ｐをアンテナアレーに用いることにより、アンテナビームの中心角度を変化させることができ、受信感度を高めて通信の信頼性を向上することができる。
【００１８】
したがって、第１の実施形態においては、伝送路３は形状記憶合金を用いて形成され、この形状記憶合金の温度を変化させる温度変更手段４を備えるので、温度変更手段４により形状記憶合金の温度を変形温度にして伝送路３の電気長を変化させ、そのため、位相量を変化させることができる。したがって、モータなどの駆動部や高周波リレーを用いないで位相量を制御することができるので、位相量を制御可能な小型の位相器Ｐを提供することができる。
【００１９】
なお、ここでは、ヒータ線４ｂが伝送路３と平行に設けられた１本のもので形成されているものについて説明したがそれに限るものではなく、面状の電気ヒータを用いてもよいし、複数のヒータ線４ｂからなるものであってもよい。
【００２０】
次に本願発明の第２の実施形態について、図４に基づいて説明する。このものは、第１の実施形態と比較して、温度変更手段４の構成と、出力端子２にインダクタンスＬ３が設けられている点が異なっており、その他は第１の実施形態と同じ構成である。
【００２１】
温度変更手段４は、給電回路部４ａと、伝送路３とから構成され、伝送路３が自身の温度を上昇させるヒータ線４ｂの働きを行う。給電回路部４ａは、マイナス側が接地された直流電源Ｂ２と、スイッチＳＷ２と、高周波信号を遮断するためのインダクタンスＬ１，Ｌ２とをこの順に直列接続し、インダクタンスＬ２を入力端子１に接続する。また、このものは、高周波信号を遮断するためにＬ１とＬ２の間の点をコンデンサＣを介して接地している。このようにすることにより、スイッチＳＷ２をオンにすると、伝送路３に流れる高周波信号（高周波電流）を直流電流に重畳することができる。つまり、伝送路３の形状記憶合金に電流を供給することができる。そうすると、伝送路３の形状記憶合金は、自身に流れる電流により発生するジュール熱により、温度が上昇するので、伝送路３とは別に設けられるヒータ等を必要とせず、位相器Ｐをさらに小型化することができる。また、インダクタンスＬ３が、一端が出力端子２に、他端が接地されるように接続されている。これは、伝送路３に流れる直流電流を遮断して、外部回路につながる信号線２０に高周波信号のみを流すためである。
【００２２】
ここで、伝送路３に用いている形状記憶合金の抵抗値は、０．１ｍで１０Ω程度である。したがって、伝送路３の長さを０．１ｍとすると、伝送路３に３Ｖの直流電圧を印加したときに、伝送路には３００ｍＡの電流が流れる。そのため、伝送路３の形状記憶合金には９００ｍＷの電力が印加され、一般的な周囲温度であれば、数秒以内に変形温度（マルテンサイト相からオーステナイト相への変化温度）の領域まで温度を上昇させることができる。
【００２３】
このように、第２の実施形態においては、温度変更手段４が伝送線路３に電流を供給し、伝送路３の形状記憶合金は、自身に流れる電流により発生するジュール熱により温度が上昇するので、伝送路とは別に設けられるヒータ等を必要とせず、位相器をさらに小型化することができる。
【００２４】
次に、第３の実施形態について、図５を用いて説明する。このものは、第２の実施形態と比較して、伝送路３と、ばね６の構成が異なっており、その他は第２の実施形態と同じ構成である。ここで、給電回路部４ａとインダクタンスＬ３を省略し、図示していない。
【００２５】
伝送路３は、上面視で鋸歯状にジグザグに配設されており、その各角部と、入力端子１と出力端子２の設けられた面もしくはその対向面のうち近い方とがばね６により引っ張り方向の弾性力が生じるように接続されている。
【００２６】
このように、第３の実施形態においては、少ない空間で長い形状記憶合金を用いることができ、変形温度になったときの伝送路３の電気長の変化を大きくして位相量の変化を大きくすることができる。
【００２７】
次に、第４の実施形態について、図６を用いて説明する。このものは、第２の実施形態と比較して、伝送路３が複数の形状記憶合金により形成されている点が異なっており、その他は第２の実施形態と同じ構成である。ここで、給電回路部４ａとインダクタンスＬ３を省略し、図示していない。
【００２８】
伝送路３は、第２の実施形態と同じ形状であり、４種類の異なる形状記憶合金で形成された伝送路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを直列接続することにより形成されている。これらの伝送路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成している形状記憶合金は、チタン−ニッケル合金であり、それぞれのニッケルの含有量は互いに異なっている。そのため、伝送路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成する形状記憶合金の変形温度（マルテンサイト相からオーステナイト相の変化温度など）が異なっているので、それぞれの長さについては、図７のような温度特性を示している。ここでは、曲線Ｃａが伝送路３ａ、曲線Ｃｂが伝送路３ｂ、曲線Ｃｃが伝送路３ｃ、曲線Ｃｄが伝送路３ｄの特性を示している。したがって、伝送路３全体で見ると、図８のような温度特性となる。したがって、伝送路３は、温度の上昇に伴って、５段階に長さが変化する。つまり、温度変更手段４により伝送路３に印加する直流電流量を変化させることにより、位相量を５段階に変化することができる。
【００２９】
このように、第４の実施形態においては、伝送路３は、変形温度の異なる複数の形状記憶合金が直列接続されているので、温度変更手段４が伝送路３の温度を変化させることにより、形状記憶合金がその温度に応じて種類ごとに動作するので複数の段階で位相量を変化させることができる。
【００３０】
次に、第５の実施形態を図９に基づいて説明する。このものは、第２の実施形態の給電回路部４ａにおけるスイッチＳＷ２の代わりにスイッチング素子Ｔｒ（ここでは、トランジスタ）を設け、温度測定手段８と、温度変更手段４が形状記憶合金に与えるエネルギーを制御する制御手段９とを有している点が異なっており、その他は第２の実施形態と同じ構成である。
【００３１】
給電回路部４ａは、第２の実施形態のスイッチＳＷ２の代わりにスイッチング素子Ｔｒを設けることにより、外部からの電気信号によりスイッチング素子Ｔｒがオンのときに伝送路３に直流電流を流し、オフの時に直流電流を流さないように構成されている。したがって、外部からの信号により直流電流の印加を制御することができる。ここで、Ｖ１は、正の電位であり、この電位は伝送路３の温度を上昇させるための加熱能力を考慮して適宜定められる。
【００３２】
温度測定手段８は、サーミスタであり、伝送路３の形状記憶合金の周囲（ここではケース５の内部）に設けられている。この周囲というのは、ケース５の内部であっても外部であってもよく、伝送路３の形状記憶合金の周囲温度と定めたものを検知できるところであればよい。この温度測定手段８は、抵抗Ｒと直列接続し、正電位であるＶ２とグラウンドとを接続している。したがって、温度測定手段８の高電位側から温度に対応する電圧信号を取り出すことができる。
【００３３】
制御部９は、アナログ−ディジタル変換回路（以後、Ａ／Ｄ変換器と呼ぶ）９ａと、ＣＰＵ部９ｂと、メモリ部９ｃとを有して構成されている。Ａ／Ｄ変換器９ａは、温度測定手段８の高電位側と、ＣＰＵ部９ｂに接続されている。このものは、温度測定手段８の高電位側に現れる温度に対応した電圧が入力され、それをディジタル化した温度情報としてＣＰＵ部９ｂに出力する。
【００３４】
ＣＰＵ部９ｂは、中央処理装置であり、ＡＤ変換器９ａと、メモリ部９ｃと、給電回路部４ａのスイッチング素子Ｔｒとに接続されている。このものは、メモリ部９ｃに記憶されているプログラムに基づいて動作し、ＡＤ変換器９ａから入力される温度情報に応じてスイッチング素子Ｔｒのオン，オフを制御するパルス信号をスイッチング素子Ｔｒに出力する。ここでは、入力される温度情報から伝送路３の形状記憶合金を加熱するのに必要な電力を算出し、パルス信号のパルス幅で温度変更手段４のスイッチング素子Ｔｒに出力する。このようにすることにより、形状記憶合金の周囲の温度が高いときには少ない電力で伝送路３（ヒータ線４ｂ）を変形温度まで上昇させることができ、低いときには多くの電流を流すことにより、変形温度まで達する時間を一定にすることができる。また、形状記憶合金が変形した後は、変形を維持するための最低限の電力を供給するように制御することができる。
【００３５】
メモリ部９ｃは、ＣＰＵ部９ｂと接続された不揮発性の半導体メモリであり、ＣＰＵ部９ｂが動作するためのプログラム及びデータが記憶されている。
【００３６】
このように、第５の実施形態においては、伝送路３の周囲温度を測定してその周囲温度に応じて温度変更手段４を制御するので、周囲温度を考慮して少ないエネルギーで伝送路３の形状記憶合金を変形温度にしたり、変形を維持した状態を保つことができる。
【００３７】
なお、温度変更手段４は、伝送路３の形状記憶合金を加熱するものについてのみ説明したが、ペルチェ素子などを用いることにより形状記憶合金を冷却してオーステナイト相からマルテンサイト相に変化させるものであってもよい。また、伝送路３のすべての部分を形状記憶合金で形成するものについて説明したが、それに限るものではなく、その一部のみが形状記憶合金で形成されているものであってもよい。
【００３８】
また、温度変更手段４の給電回路部４ａがケース５の外部に存在するものについてのみ説明したが、それに限るものではなく、ケース５の収納部５ｂに収納されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本願発明の第１の実施形態の位相器を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は入力端子の取付部の断面図である。
【図２】本願発明の位相器を用いた２素子のアンテナアレーを示す模式図である。
【図３】本願発明の位相器を用いた２素子のアンテナアレーの指向性パターンを示す特性図である。
【図４】本願発明の第２の実施形態の位相器を示す斜視図である。
【図５】本願発明の第３の実施形態の位相器を示す斜視図である。
【図６】本願発明の第４の実施形態の位相器を示す斜視図である。
【図７】本願発明の第４の実施形態の位相器に用いられた４本の形状記憶合金の長さの温度特性を示す特性図である。
【図８】本願発明の第４の実施形態の位相器における伝送路の長さの温度特性を示す特性図である。
【図９】本願発明の第５の実施形態の位相器を示す構成図である。
【図１０】位相量を制御可能な位相器の従来例を示す構成図である。
【図１１】位相量を制御可能な位相器の他の従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    入力端子
２    出力端子
３    伝送路
４    温度変更手段
４ａ  給電回路部
４ｂ  ヒータ線
５    ケース
５ｂ  収納部
６    ばね
７    スリーブ
１０  信号線
２０  信号線
【図１】
2005045545.tif 000003
【図２】
2005045545.tif 000004
【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】
2005045545.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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