JP6321449B2 - 携帯端末キーシステム - Google Patents

Description

本発明は、携帯端末の通信を通じて作動機器を作動することが可能な携帯端末キーシステムに関する。

従来、例えば高機能携帯電話等の携帯端末を車両キーとして使用する携帯端末キーシステムが周知である（特許文献１等参照）。この種の携帯端末を車両キーとして使用できれば、専用の電子キーをわざわざ所持せずに済み、利便性の観点から有利である。

特開２０１２−２１５０４７号公報

ところで、携帯端末を車両キーとして使用するにあたっては、携帯端末に予め設けられている通信機能を利用して、車両とＩＤ照合の通信を行うとよい。そして、携帯端末には、通常、ブルートゥース（Bluetooth：登録商標）の通信機能が設けられていることが多く、このブルートゥース通信を用いたＩＤ照合において、携帯端末の車内外位置を判定したいニーズがあった。

本発明の目的は、携帯端末によって無線により作動機器を作動させるにあたり、携帯端末の位置について室内外を判定することができる携帯端末キーシステムを提供することにある。

前記問題点を解決する携帯端末キーシステムは、キー機能を有する携帯端末と作動機器とを、電子キーとは異なる周波数の電波によって通信させ、正当な前記携帯端末によって前記作動機器を作動させることが可能な構成において、前記作動機器に設けられることにより当該作動機器において前記通信を行うものであり、室内外を切り分けられる箇所に配置されたアンテナと、前記アンテナ及び前記携帯端末が通信するときの電波の受信信号強度を測定する強度測定部と、電波が車体に影響を受けずに相手側に届く直接波、又は電波が前記車体に影響を受けて相手側に届く合成波のうち、通信時の電波の受信信号強度がいずれの電波に準じた値をとるのかを確認することにより、前記携帯端末が室内又は室外のどちらに位置するのかを判定する位置判定部とを備えた。

本構成によれば、作動機器において室内外を切り分けられる箇所にアンテナを配置すると、携帯端末が室外に位置するときには、２者間に障害物がないことから、通信される電波は直接波で相手側に伝搬し、携帯端末が室内に位置するときには、電波が回折又は反射するなどして室内に回り込む経路をとって相手側に至ることから、通信される電波は合成波で相手側に伝搬する。直接波は伝搬ロスの周波数変動が少ないのに対し、合成波は伝搬ロスの周波数変動が多い。この点に着目し、通信される電波の伝搬ロスの周波数変動が少なければ、携帯端末の位置を室外と判定し、通信される電波の伝搬ロスの周波数変動が多ければ、携帯端末の位置を室内と判定する。よって、携帯端末によって無線により作動機器を作動させるにあたり、携帯端末の位置について室内外を判定することが可能となる。

前記携帯端末キーシステムにおいて、前記携帯端末及び作動機器の通信は、特定帯域内の複数の周波数において周波数を選択的に使用して通信する形式をとることが好ましい。この構成によれば、携帯端末で作動機器を作動させる通信に、例えばブルートゥースなどの通信を使用することが可能となる。よって、携帯端末が高機能携帯電話等であれば、それに予め設けられている通信機能を通じて、作動機器を作動させることが可能となる。

前記携帯端末キーシステムにおいて、前記位置判定部は、測定された前記受信信号強度を基に複数の周波数の電波の伝搬損失を演算し、その変動幅の値が許容範囲内に収まるとき、電波を直接波と識別し、逆に許容範囲外であるとき、電波を合成波と識別することが好ましい。この構成によれば、伝搬損失の値（レベル）を確認するという簡素な処理により、受信電波の種類（直接波又は合成波）、すなわち携帯端末の室内外を判定することが可能となる。

前記携帯端末キーシステムにおいて、前記作動機器は、車両であり、前記アンテナは、車両ドアの外壁に取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、車両ドアにアンテナを取り付ければ、金属製の板材で区切られた箇所にアンテナを設置することが可能となる。よって、電波の車内外の切り分けがし易くなり、携帯端末の車内外の位置判定をより正しく行うのに有利となる。

前記携帯端末キーシステムにおいて、前記伝搬損失は、単に電波を受信したときの受信レベルであることが好ましい。この構成によれば、伝搬損失を簡素な判定によって求めることが可能となる。

本発明によれば、携帯端末によって無線により作動機器を作動させるにあたり、携帯端末の位置について室内外を判定することができる。

一実施形態の携帯端末キーシステムの構成図。 車両アンテナの取付位置を示す概要図。 携帯端末キーシステムで判定したい車内外の各エリア図。 直接波及び合成波の概要図。 直接波の波形特性を示し、（ａ）は「Ｓ２１」の伝搬損失の波形図、（ｂ）は「Ｓ２１」の位相波形図。 合成波の波形特性を示し、（ａ）は「Ｓ２１」の伝搬損失の波形図、（ｂ）は「Ｓ２１」の位相波形図。

以下、携帯端末キーシステムの一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、車両１は、電子キーとは異なる周波数で携帯端末２と無線により認証を行う携帯端末キーシステム３を備える。携帯端末２は、例えばスマートフォン等の高機能携帯電話であることが好ましい。電子キーは、車両１を作動し得る専用キーとして位置付けられた通信端末である。携帯端末キーシステム３の通信は、例えばブルートゥースを使用するとよい。

車両１は、携帯端末２を認証する端末認証ＥＣＵ（Electric Control Unit）４と、車載機器の電源を管理するボディＥＣＵ５と、エンジン７を制御するエンジンＥＣＵ６とを備える。これらＥＣＵは、車内に設けられた通信線８を通じて電気接続されている。通信線８は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）やＬＩＮ（Local Interconnect Network）が使用される。端末認証ＥＣＵ４のメモリ９には、車両１に登録された携帯端末２の固有ＩＤである携帯端末キーＩＤが書き込み保存されている。

作動機器１０（一例は車両１）は、作動機器１０（一例は車両１）において携帯端末キーシステム３の通信を実行するアンテナ（以降、車両アンテナ１１と記す）を備える。端末認証ＥＣＵ４には、車両アンテナ１１から電波を受信する図示しない受信機が内蔵されるものとする。車両アンテナ１１は、例えば電波の送信及び受信の両方を行うことが可能な送受信アンテナであるとよい。車両アンテナ１１は、例えばブルートゥース通信に準拠した電波を送受信する。車両アンテナ１１は、例えば低プロファイルの逆Ｌ型アンテナでもよいし、ダイポールアンテナでもよいが、いずれにせよ金属製の車両ドア１２に影響を受け難い特性を持つアンテナであるとよい。

車両１は、車両電源を切り替えるときに操作するエンジンスイッチ１３を備える。エンジンスイッチ１３は、例えばモーメンタリスイッチからなり、ノブ操作時に操作信号を端末認証ＥＣＵ４に出力する。車両電源は、エンジンスイッチ１３の操作に応じて、例えばＩＧオフ、ＡＣＣオン、ＩＧオン、エンジンスタートのいずれかに切り替えられる。ボディＥＣＵ５は、車両ドア１２の施解錠を切り替えるメカ部位であるドアロック機構１４の作動を制御する。

携帯端末２は、携帯端末２の動作を制御する端末制御部１５と、携帯端末２において車両１との通信の際に電波を送受信する通信アンテナ１６とを備える。端末制御部１５のメモリ１７には、各携帯端末２の固有ＩＤである携帯端末キーＩＤが書き込み保存されている。この携帯端末キーＩＤは、例えばブルートゥース通信のペアリングに用いる固有ＩＤ、ネットワーク等の通信を通じて専用のサイト（センター）からダウンロードすることにより携帯端末２に登録されるＩＤ、又はそれらの両方でもよい。

図２に示すように、車両アンテナ１１は、例えば車両ドア（一例は運転席ドア）１２のドア外壁１２ａに取り付けられる。このように、本例の車両アンテナ１１は、作動機器１０（一例は車両１）において室内外（車内外）が切り分けられる箇所に配置されることが好ましい。車両アンテナ１１は、車両ドア１２の縁寄りの位置（ドア縁）に配置されるとよい。また、ドア外壁１２ａに傷が付くのを防止する緩衝材１８がドア外壁１２ａに設けられているのであれば、その緩衝材１８に車両アンテナ１１を取り付けてもよい。この緩衝材１８としては、ドアガード、ドアモール、エッジモールなどがある。

図１に戻り、携帯端末キーシステム３は、携帯端末２及びアンテナ（車両アンテナ１１）が通信するときの電波の受信信号強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）を測定する強度測定部１９を備える。強度測定部１９は、例えば携帯端末２に設けられることにより、車両１から送信された電波を携帯端末２で受信したときの電波の受信信号強度を測定するとよい。なお、強度測定部１９を車両１（端末認証ＥＣＵ４）に設けて、携帯端末２の電波を車両アンテナ１１で受信したときの受信信号強度を測定してもよい。

携帯端末キーシステム３は、携帯端末２が室内外のどちらに位置するのかを判定する位置判定部２０を備える。位置判定部２０は、例えば端末認証ＥＣＵ４に設けられる。位置判定部２０は、車両１及び携帯端末２の通信において、電波が車体２１（図４等参照）に影響を受けずに相手側に届く直接波Ｓａ、又は電波が車体２１の影響を受けて相手側に届く合成波Ｓｂのうち、通信時の電波の受信信号強度がいずれの電波に準じた値をとるのかを確認することにより、携帯端末２が室内又は室外のどちらに位置するのかを判定する。

次に、図３〜図６を用いて、携帯端末キーシステム３の動作を説明する。
図３に示すように、車外に位置する携帯端末２でＩＤ照合が成立するときに車両ドア１２の施解錠を許可又は実行し、車内に位置する携帯端末２でＩＤ照合が成立するときにエンジンスイッチ１３の操作による車両電源の切り替えを許可するためには、携帯端末２が車内外のどちらに位置するのかを判定する必要がある。このように、携帯端末キーシステム３のＩＤ照合においては、携帯端末２が車外エリアＥａ又は車内エリアＥｂのどちらに存在するのかを判定したいニーズがある。

端末認証ＥＣＵ４は、車両１が駐停車している所定タイミングのとき、携帯端末２を起動させるウェイク信号Ｓwkを車両アンテナ１１から断続的に送信する。ちなみに、ブルートゥースの電波は通信距離が数十ｍあるので、ウェイク信号Ｓwkは車外及び車内の両方のエリアに届く。ウェイク信号Ｓwkの送信タイミングは、例えば（I）電波を所定間隔で繰り返し送信する定期又は不定期の送信タイミング、（II）車外ドアハンドルのトリガボタン（トリガセンサ）を操作したタイミング、（III）車両ドア１２の開閉を検知したタイミング、（IV）エンジンスイッチ１３を操作したタイミングなどがある。

なお、ここでは、ウェイク信号Ｓwk及びアック信号Ｓackの通信例を述べたが、このときに実施される通信は、例えばブルートゥース通信のプロトコルに従ったペアリング済み機器のリンク確立と同義である。すなわち、ウェイク信号Ｓwk及びアック信号Ｓackの通信は、ペアリング済み機器のリンク確立に変更することも可能である。

携帯端末２は、車両アンテナ１１から送信されたウェイク信号Ｓwkを受信すると、例えばキー機能が起動し、アック信号Ｓackを車両１に返信する。端末認証ＥＣＵ４は、ウェイク信号Ｓwkを送信してから所定時間内にアック信号Ｓackを受信できると、ブルートゥース通信が確立したと認識する。

端末認証ＥＣＵ４は、携帯端末２との通信が確立すると、車両アンテナ１１から携帯端末２に車両電波Ｓcrを送信し、この車両電波Ｓcrによって携帯端末２から端末電波Ｓteを返信させて、ＩＤ照合を実行する。具体的に述べると、ＩＤ照合は、例えば車両コード照合、チャレンジレスポンス認証、携帯端末キーＩＤ照合などを含む照合であることが好ましい。車両コード照合は、車両１の固有ＩＤである車両コードを携帯端末２に送信し、携帯端末２において車両コードを確認させる照合である。チャレンジレスポンス認証は、送信の度にコードが毎回変わるチャレンジコードを車両１から携帯端末２に送信して携帯端末２の暗号鍵に通し、このレスポンスコードを車両１に返信させ、車両１において同様に演算したレスポンスコードにより、車両１において携帯端末２のレスポンスコードの正当性を確認する認証である。携帯端末キーＩＤ照合は、携帯端末２に登録された携帯端末キーＩＤを車両１において確認する照合である。端末認証ＥＣＵ４は、これら照合の全てが成立することを確認できると、正規相手からの通信と認識する。

図４に、直接波Ｓａ及び合成波Ｓｂの概要を図示する。ブルートゥース通信の電波は、ＵＨＦ帯の電波の中では直進性が高いものの、通信経路上に障害物があると、回折や屈折する特性がある。具体的にいうと、車両ドア１２のドア外壁１２ａに車両アンテナ１１を取り付けた場合、携帯端末２が車外に位置するときには、間に障害物がないので、車両アンテナ１１の電波は「直接波Ｓａ」で携帯端末２に伝搬するが、携帯端末２が車内に位置するときには、車両アンテナ１１の電波は、車体２１に衝突することにより回折や反射などし、「合成波Ｓｂ」として携帯端末２に伝搬する。

図５（ａ）に、直接波Ｓａの各周波数における振幅変化の伝搬特性を図示する。車外に携帯端末２が位置するときには、携帯端末２及び車両アンテナ１１の間に障害物がないので、車両アンテナ１１の電波は直接波Ｓａで携帯端末２に伝搬する。このように、携帯端末２が車外に位置するとき、携帯端末２及び車両アンテナ１１の間の伝搬特性のうちの通過特性、またはＳパラメータで表すと「Ｓ２１」の値（レベル）は距離減衰のみに依存し、ブルートゥース通信の全帯域において、Ｓパラメータ「Ｓ２１」の値（レベル）はほぼ一定となることが分かる。ここで例示したＳパラメータ「Ｓ２１」を測定したときのポート１は携帯端末２側であり、ポート２は車両アンテナ１１側である。図５（ａ）の現象は、図５（ｂ）に示すように、ブルートゥース通信の帯域において、受信した電波の位相が距離に応じて線形に変位すること、すなわち１波長ごとに位相が３６０度回る三角波の繰り返し波形をとることからも分かる。

ところで、車両アンテナ１１の電波が車外の携帯端末２に伝搬するとき、地面で反射する成分Ｓａ’（図４参照）がある。しかし、地面で反射する成分Ｓａ’の影響は微少である。これは、直進的に携帯端末２に届く伝搬距離ｄ１と、地面に反射して携帯端末２に届く伝搬距離ｄ２とでは、圧倒的に伝搬距離ｄ２の方が長いので、直進的に携帯端末２に届いた電波のレベルは地面の反射した成分Ｓａ’に比べて距離波長が大きくなり、また地面の反射率が低いので、地面で反射する成分Ｓａ’はあまり影響しないからである。

図６（ａ）に、合成波Ｓｂの各周波数における振幅変化の伝搬特性を図示する。車内に携帯端末２が位置するとき、車両アンテナ１１の電波は、金属製の車両ドア１２を回り込むような回折をした後、車内天井等で反射をして、車内の携帯端末２に伝搬する。このため、車両アンテナ１１の電波は、回折波や反射波が入り乱れた合成波Ｓｂとなって携帯端末２に届く。よって、このときのＳパラメータ「Ｓ２１」は、ブルートゥース通信の帯域において、ひどく変動する。このことは、図６（ｂ）に示すように、ブルートゥース通信の帯域において、受信した電波の位相が距離に応じて線形にならず、不規則な変化の波形をとることからも分かる。

携帯端末２で受信信号強度を測定する場合、携帯端末２は、車両アンテナ１１からブルートゥース通信により送信された電波を受信したとき、その受信信号強度を強度測定部１９で測定する。強度測定部１９は、ブルートゥース通信の帯域内の各周波数において、それぞれ受信信号強度を測定する。ブルートゥース通信は周波数ホッピング変調であるが、一定時間経過すれば、帯域内の全データが揃う。そして、携帯端末２は、測定した受信信号強度データを、ブルートゥース通信の通信過程において車両１（端末認証ＥＣＵ４）に送信する。受信信号強度データは、アック信号Ｓackの送信過程で車両１に通知されてもよいし、端末電波Ｓteの送信過程で車両１に通知されてもよい。端末認証ＥＣＵ４は、この通信によってブルートゥース通信の受信信号強度データ（ＲＳＳＩ）を取得する。

位置判定部２０は、携帯端末２から受信した受信信号強度のデータ群を基に、Ｓパラメータ「Ｓ２１」に相当する減衰特性を得る。位置判定部２０は、ＲＳＳＩの最大と最小の幅が許容範囲Ｋｔ内に収まるか否かを確認することにより、携帯端末２が車内外のどちらに位置するのかを判定することが好ましい。具体的にいうと、位置判定部２０は、ＲＳＳＩの幅が許容範囲Ｋｔ内に収まれば、携帯端末２が車外に位置すると判定し、ＲＳＳＩの幅が許容範囲Ｋｔ外であれば、携帯端末２が車内に位置すると判定する。

端末認証ＥＣＵ４は、車外に携帯端末２が位置すると判定されている状況下においてＩＤ照合が成立すると、車外照合が成立したと認識する。これにより、ボディＥＣＵ５による車両ドア１２の施解錠が許可又は実行される。端末認証ＥＣＵ４は、車内に携帯端末２が位置すると判定されている状況下においてＩＤ照合が成立すると、車内照合が成立したと認識する。これにより、エンジンスイッチ１３の操作による車両電源の遷移（例えばエンジン７の始動操作）が許可される。

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）車両ドア１２のドア外壁１２ａに車両アンテナ１１を設置することにより、車外に位置する携帯端末２には、車両アンテナ１１の電波を直接波Ｓａで伝搬させ、車内に位置する携帯端末２には、車両アンテナ１１の電波を合成波Ｓｂで伝搬させる。直接波Ｓａは伝搬ロスの周波数変動が少ないのに対し、合成波Ｓｂは伝搬ロスの周波数変動が多い。この点に着目し、ブルートゥース通信における受信電波の伝搬ロスの周波数変動が少なければ、携帯端末２の位置を車外と判定し、ブルートゥース通信における受信電波の伝搬ロスの周波数変動が多ければ、携帯端末２の位置を室内と判定する。よって、携帯端末２によって無線により作動機器１０（車両１）を作動させるにあたり、携帯端末２の位置について車内外を判定することができる。

（２）携帯端末キーシステム３（携帯端末２−作動機器１０）の通信には、ブルートゥース通信が使用される。すなわち、携帯端末キーシステム３の通信は、特定帯域内の複数周波数において周波数を選択的に使用して通信を行う形式をとる。よって、携帯端末２が高機能携帯電話等であれば、それに予め設けられている通信機能（ブルートゥース通信機能）を通じて、作動機器１０を作動させることができる。

（３）携帯端末２の車内外の位置判定は、ＲＳＳＩの最大と最小の幅が所定の許容範囲Ｋｔ内に収まるか否かを確認する処理である。よって、演算値が範囲内に収まるか否かという簡素な処理により、受信電波が直接波Ｓａ又は合成波Ｓｂのどちらであるのか、すなわち携帯端末２の室内外を判定することができる。

（４）車両ドア１２のドア外壁１２ａに車両アンテナ１１を取り付ければ、金属製の板材で区切られた箇所に車両アンテナ１１を設置することができる。これにより、電波の車内外の切り分けがし易くなり、携帯端末２の車内外の位置判定をより正しく行うのに有利となる。

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。
・車両１は、携帯端末キーシステム３のみを搭載することに限らず、電子キーシステムが並設されてもよい。電子キーシステムには、例えば車両１からの通信を契機に電子キーと狭域無線によりＩＤ照合を行うキー操作フリーシステム、電子キーからの通信を契機に狭域無線によりＩＤ照合を行うワイヤレスキーシステム、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）を使用したイモビライザーシステム、ＮＦＣ（Near Field Communication）等の近距離無線を用いた近距離無線システムなどがある。

・ブルートゥース通信の帯域内において伝搬損失の受信レベルの平均値をとるとともに偏差（一例は標準偏差）を求め、この偏差が大きく平均値が高いとき、携帯端末２が車内にあると判定し、偏差が小さく平均値が低いとき、携帯端末２が車外にあると判定してもよい。

・車両アンテナ１１の配置箇所は、車両ドア１２のドア外壁１２ａに限らず、例えば車体２１の屋根など、他の位置に変更可能である。すなわち、車両アンテナ１１は、車内外（室内外）を切り分けられる箇所であれば、様々な位置に取り付けることができる。

・携帯端末２は、高機能携帯電話に限らず、例えばＩＣカード、タブレット端末など、種々の端末に変更可能である。
・携帯端末キーシステム３の通信形式は、ブルートゥースに限定されず、例えばＷｉＦｉなど、他の形式に変更可能である。

・携帯端末キーシステム３の通信に使用する周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず、例えば５ＧＨｚなど、他の値に変更可能である。
・携帯端末キーシステム３の通信に使用する周波数は、マイクロ波帯付近の値であればよい。

・車両アンテナ１１は、電波送受の両方が可能なアンテナに限定されず、電波送信のみを実現するアンテナ、電波受信のみを実現するアンテナに変更してもよい。
・受信信号強度は、アック信号Ｓack、車両電波Ｓcr、端末電波Ｓteなどで測定してもよい。

・伝搬ロスの演算方式は、種々の態様が採用可能である。
・位置判定部２０は、車両１（端末認証ＥＣＵ４）ではなく携帯端末２に設けてもよい。

・携帯端末２の位置判定は、Ｓパラメータ「Ｓ２１」を用いた方法に限らず、他のパラメータを用いた演算方法を採用してもよい。
・作動機器１０は、車両１に限らず、他の機器や装置に変更可能である。

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、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）前記携帯端末キーシステムにおいて、前記車両ドアには、ドア壁に傷が付くのを防止する緩衝材が設けられ、この緩衝材の内部に前記車両アンテナが組み込まれている。この構成によれば、緩衝材を車両アンテナの配置スペースとして有効利用することが可能となる。

１…車両、２…携帯端末、３…携帯端末キーシステム、１１…アンテナ（車両アンテナ）、１０…作動機器、１２…車両ドア、１２ａ…ドア外壁、１９…強度測定部、２０…位置判定部、２１…車体、Ｓａ…直接波、Ｓｂ…合成波、Ｓ２１…伝搬損失を表すＳパラメータ。

Claims (3)

1. キー機能を有する携帯端末と作動機器とを、電子キーとは異なる周波数の電波によって通信させ、正当な前記携帯端末によって前記作動機器を作動させることが可能な携帯端末キーシステムにおいて、
   前記作動機器に設けられることにより当該作動機器において前記通信を行うものであり、室内外を切り分けられる箇所に配置されたアンテナと、
   前記アンテナ及び前記携帯端末が通信するときの電波の受信信号強度を測定する強度測定部と、
   電波が車体に影響を受けずに相手側に届く直接波、又は電波が前記車体に影響を受けて相手側に届く合成波のうち、通信時の電波の受信信号強度がいずれの電波に準じた値をとるのかを確認することにより、前記携帯端末が室内又は室外のどちらに位置するのかを判定する位置判定部とを備え、
   前記携帯端末及び作動機器の通信は、特定帯域内の複数の周波数において周波数を選択的に使用して通信する形式をとり、
   前記位置判定部は、測定された前記受信信号強度を基に複数の周波数の電波の伝搬損失を演算し、その変動幅の値が許容範囲内に収まるとき、電波を直接波と識別し、逆に許容範囲外であるとき、電波を合成波と識別する
   ことを特徴とする携帯端末キーシステム。
2. 前記作動機器は、車両であり、
   前記アンテナは、車両ドアの外壁に取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯端末キーシステム。
3. 前記伝搬損失は、単に電波を受信したときの受信レベルである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末キーシステム。