JP2007028150A - 空間空中線及びこれを用いた通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケースの影響を排除して効率の良い送信受信用の空中線及び通信機器を提供すること
【解決手段】 通信機器１０は、ベゼル２０の裏面にループ状の輻射器１１０を取り付ける。文字板１００は、電波を反射する反射器とする。カバーガラス９０は、ベゼル２０と文字板１００との間に配置して、絶縁性を有している。カバーガラス９０は、ベゼル２０が上方になるように、ケース３０に取り付けるられる。ケース３０に内側には、時刻を表示するムーブメント１５０を配置し、ムーブメント１５０は、絶縁性を有する絶縁ムーブメント受け１８０により、ケース３０に支持される。
【選択図】 図９

Description

電波を輻射する方向から飛来する電波を受信する双方向通信に用いられる空中線、及びこの空中線を用いた腕時計型の通信手段やモバイル型の通信手段の分野に属する。

本発明の空間空中線は３方を金属で囲まれた空間から、残りの一方に電波を輻射し、また、電波を輻射する方向から飛来する電波を受信する双方向通信に用いられる空中線であり、この空中線を用いた腕時計型の通信手段やモバイル型の通信手段の分野に属する。

腕時計型の通信機器で、データを送受信する文献が開示されている。例えば、時計本体ケースは、下面を金属製の裏蓋で閉鎖され、ケース内側の上面側に金属部材を内蔵している。この時計本体ケースには、電磁誘導により信号を送受信するデータキャリア側アンテナが収容されている。そして、データ送受信時には、ケースの上面から下面側の側部を通る磁束経路が確保される（特許文献１参照）。

また、電磁誘導ではなく、アンテナをベゼルに配置した文献も開示されている。例えば、電子モジュール、表示装置及び電源を内蔵するケースで、そのケースは外側本体とベゼルで構成される。ベゼルはその外面に、信号を受信及び／又は送信するアンテナを保有する（特許文献２参照）。

補足すると、従来から腕時計の中に無線機能を組み込んだ無線時計は存在していた。その中でも最も一般的に知られている腕時計は時刻情報を含んだ標準電波を受信して、その時刻に腕時計の時刻に合わせる腕時計として電波時計である。時刻情報を含んだ標準電波は日本に於いては本州の２カ所から定刻に且つ一方的に送信され、その標準電波を電波時計に組み込まれた無線装置が受信する。つまり電波時計の無線機能は受信機能のみを持った無線装置である。従って、電波時計に用いられる空中線は受信効率を最大に高めることのみに重点が於かれる設計となっている。

無線装置は通信機との意味合いから情報を受けたり送ったりする機能、双方向通信機能をもったものが一般的である。腕時計にも双方向通信機能を持った無線装置を搭載したものは既に存在している。腕時計では一般的に電源として電池、特にボタン電池が用いられる為、電源の制限があるために無線の種類としてはＰＨＳや微弱無線といった大きな電力を消費しない無線形式のものが使われている。無線装置その物は小型化が進んでいる為に、腕時計の様な小さな筐体に組み込む事も容易になっているが、双方向通信、特に送信に用いられる空中線は物理的な形状が空中線の電波発射効率の良否を左右する為、その効率を落とさずに敷設するには物理的な制約が多い。また、電波時計と異なり送信効率及び受信効率の双方を最大にする空中線の設計が必要となるため、電波時計に用いられる受診専用の空中線とは考え方や空中線の敷設方法が異なる。電波を送信する為の空中線に於いては自由空間に置かれた直線状態のものが最適であるが、空中線の良否が電波の放射効率及び受信効率に影響を及ぼす為、可能な限り効率の良い空中線を腕時計に敷設するかが大きな課題だった。

双方向通信機能を持った無線装置を装備した腕時計は一般的に時計の外装は非金属、特にケースには主にプラスチック等の樹脂製やバンドにはプラスチック製や皮製の物が多かった。その理由としては空中線の形状は直線上になることが電波の輻射を高める為に必要となる故に、腕時計に於いて空中線を敷設する為の長さを確保する場所としてバンドの中に敷設するか又はバンドに沿うように敷設することが好ましかった。反面、金属バンドを空中線として用いるとバンドは人体と接する為、人体が大きなグランドとなって電波の輻射効率が極端に落ちると言う問題があった。また、腕時計をグランドである人体から離す事で電波の輻射効率を高める為に腕時計の本体ケースを非金属、特にプラスチック製にする場合が多かった。

双方向通信機能を持った無線装置を装備した腕時計の表示部分は液晶パネル等を用いたディジタル表示が一般的だった。その理由としては無線通信を行う上での条件設定やデータの表示を行う場合に液晶パネル上に表示すべき内容を表示するのに液晶パネルを用いる事で多用な表示が可能であった。

しかしながら外装が樹脂系の素材を用いた腕時計や表示に液晶パネルを用いた腕時計は一般的には高級感が出ず、低い価格帯のものとして見られる場合が多かった。反面、機械式時計を含めた高級と言われる腕時計に於いて外装、特にケースは金属製のものが、時刻表示に於いては文字板に分針及び時針で表示されるものが一般的である。

金属ケースはそれ自体で電波を吸収する性質があり、また腕時計を装着したときは金属ケースが人体に触れる為に電気的に接地された状態となり、電波の輻射効率を大きく下げる要因となっている。

高級時計用バンドとしては金属製又はバンドが皮革製のものが主流である。金属製のバンドは金属ケースと同様、人体に接することで接地されてしまう為、空中線としては使用できない。皮革の中に金属の空中線を埋め込むことは可能であるが、高級時計は宝飾としても用いられるために、バンド等を頻繁に交換する可能性があり、また、皮革バンドは金属バンドと異なり披露等で劣化するので、交換必要が出てしまう。空中線がバンド内に敷設される構造となっている場合、バンドを交換することを想定した空中線の接続度に空中線の空中線の切断及び接続をする必要が出てくる為、不便である。

従って、従来の技術を用いて効率の良い双方向通信用の空中線を腕時計内に敷設することは難しかった。
特開２０００−２８６７６１号公報（第８−９頁、第２図） 特表２００４−５３４２３９号公報（第５−６頁、第１図）

近年、腕時計型の電波時計が広がりをみせ、当初は樹脂系のケースを用いて製造されていた電波時計は、その高級感から金属ケースが用いられるようになり、金属ケースを用いた電波時計が一般的になりつつある。従って、電波時計用受信専用空中線にも金属ケースの影響と言う課題が課せられる為、本発明の双方向通信用空中線に課せられる課題と共通するところがあるが、電波を受信する事が目的の電波時計用空中線は本発明の双方向通信用空中線とは根本的に異なる。

双方向通信に於ける典型的な空中線は自由空間に置かれたダイポール空中線と考えられる。ダイポール空中線として一般的なものは半波ダイポール空中背員と呼ばれ、素子全体の長さが放射する電波の周波数に対し１／２波長の長さを持ち、その中央部分から電流給電するものである。図１４は半波ダイポール空中線を示す模式図である。しかし、半波第ダイポール空中線は送信用電波で共振させると空中線両端の電圧が最大となる為に、近くに金属等が存在すると、その影響を受けて電波の輻射効率が著しく低下する問題を抱えている。一方、ループ状の空中線は共振して電圧が最大になる場所ができても、半波ダイポール空中線ほど近傍の影響を受けにくい調書を持つが、素子自体の長さは送信する電波の１波長が一般的である。従って、長さにおいて不利である。この様に空中線は形式によって一長一短がある為、どの形式の空中線を選択するかが重要となる。

従って、本発明で解決しようとしている課題は適切な形式の空中線を選択し、腕時計としての高級感を保つために違和感を与えるような構造物を作らず、金属ケースの影響を排除して効率の良い送信受信兼用の空中線を腕時計本体に敷設することを課題とする。

本発明の空間空中線は、ループ状の放射器を裏面に取り付けたベゼルと、電波を反射する反射器とする文字板と、前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスより構成される。

本発明の空間空中線は、導波器として作用するベゼルと、裏面に輻射器を取り付けた文字板と、前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスより構成される。

本発明の通信機器は、ループ状の輻射器を裏面に取り付けたベゼルと、電波を反射する反射器とする文字板と、前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、前記ベゼルを前記カバーガラスよりも上方になるように前記カバーガラスを取り付けるケースと、前記ケースに内側に配置し、時刻を表示するムーブメントと、前記ムーブメントを前記ケースに支持する絶縁性を有する絶縁ムーブメント受けと、から構成される。

本発明の通信機器は、導波器として作用するベゼルと、裏面に輻射器を取り付けた文字板と、前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、前記ベゼルを前記カバーガラスよりも上方になるように前記カバーガラスを取り付けるケースと、 前記ケースに内側に配置し、時刻を表示するムーブメントと、前記ムーブメントを前記ケースに支持する絶縁性を有する絶縁ムーブメント受けと、から構成される。

本発明の通信機器は、前記ケースが金属製であってもよい。

本発明は人体に接地されている金属ケースを持った腕時計から効率良く電波を発射し、電波を受信する為の腕時計の金属ケース内空間に敷設された双方向通信用空中線である。電波を輻射する場合、空中線は自由空間に於かれるのが輻射効率を高める上で必要条件であるが、腕時計と言う、限られたサイズと条件の中で効率良い空中線を敷設する為には周波数の選択や空中線の形状が重要となる。とは言え、金属ケースの影響は大きく、空中線のマッチング調整が狭い範囲に留まった。また、大きさの制限から本発明では２．４ＧＨｚ帯の電波に対応することができる。本発明の空間空中線を使用することにより、金属ケースを用いた腕時計が双方向通信用の無線機能を持てることが実証された。

本発明を図面に基づいて説明する。

図１は金属ケースを用いた腕時計の側面図を、図２は同じく金属ケースを用いた腕時計の正面図を示す。この時計１０は、水晶発信子で発信した信号を分周回路で分周し、分周した信号を用いてステッピングモータを駆動し、ステッピングモータで得た物理的な力でギアを介して分針７１や時針７２を動かすアナログクォーツ式の腕時計である。腕時計１０は、通常３．０Ｖ又は１．５Ｖで駆動されている。腕時計１０に搭載された無線装置で電力を消費する状態は送信出力に依存するが、送信時だと考えられる。本発明では送信効率を高める為に高い電圧、つまり３．０Ｖで駆動する時計回路を選択する。

次に、送受信供用の空中線を考える上で、効率の良い送信空中線を作る事で同時に効率の良い受信空中線となる故、空中線の設計に於いては送信用空中線の電波輻射効率を最大にする為の設計を行った。電波を輻射する方向については、金属ケースは電波を吸収してしまうこと、また金属ケースが人体に接触する事を考慮し、電波の発射方向は表面に金属でない部分になる。

図３は、金属ケースと非金属バンドで構成された腕時計が人の腕に装着された状態を示す模式図である。この場合に於いて、金属ケース３０の裏蓋５０が腕８０と接触する為、金属ケース３０全体が接地されてしまうことが判る。従って、金属ケース３０を用いる時計１０に於いて金属が表面に無い部分、つまり開口部はカバーガラスに垂直な方向しかないことになる。人間が携帯する無線装置に於いては、人体が動体である事から不規則な動きをするので、通信を確実にする為に無線用の空中線は本来、どの方向からでも情報が得られ、どの方向にも情報を送れるように、無指向性の空中線が好ましい。しかし、当該発明のように３方向を金属が存在している場合は金属が存在しない方向のみに電波の輻射を集中させることが、効率の良い空中線を作ることとなる。

図４は、腕時計用の金属ケースに対する電波の輻射方向を示す。空中線の敷設位置に付いては、電気的に接地となる人体や人体に接地されている金属ケース３０から極力離れた位置に敷設するのが好ましい。これは、図３の腕時計に於いて、ベゼル２０が人体から離れた位置にあることに該当する。従って、ベゼル２０を空中線にするか、ベゼル２０に空中線を埋設するかの方法が考えられる。ベゼル２０は通常金属製であり、ベゼル２０に直接給電して空中線とする事は可能である。同時に金属ケース３０を用いた腕時計１０に於いては、電波の輻射方向が一方方向に限られる事を考慮し、電波を一つの方向に集中させる空中線、つまり指向性空中線を敷設する検討を行った。

本発明に於いて考慮する必要があるのは、電波法による周波数の割り当てと、その周波数に於いての変調方式、転送速度及び空中線電力である。日本国内で一般的に用いられている使用者免許が不要な無線規格として３１５ＭＨｚ帯の微弱無線、４２６ＭＨｚ帯及び４２９ＭＨｚ帯の特定省電力無線及び２．４ＧＨｚの通称ＩＭＳバンドと呼ばれる無線である。各無線規格の特徴としては３１５ＭＨｚ帯は伝搬電解強度の制限があり、通宅距離が短い問題があり、４２６ＭＨｚ及び４２９ＭＨｚの特定省電力無線に於いてはセグメント化された周波数変調のみが許可されている為にデータの転送速度に制限がある。また、２．４ＧＨｚは波長が短い為に人体に吸収されて悪影響を及ぼし、電波が壁などにぶつかって反射すると減衰が大きく、また直進性が高い為に、回折や回り込みが少なく、その結果として通達エリアを狭くする結果となっている。

一方、空中線の長さについては１波長が３１５ＭＨｚでは９５センチメートル、４２６ＭＨｚでは７０センチメートル、２．４ＧＨｚでは１２．５センチメートルとなり、周波数が高い方が長さにおいて敷設し容易なることがわかる。ベゼル２０を空中線に於ける輻射器又は空中線の一部としたときに、どの周波数に共振するかを調べ、電波法に照らし合わせて使用とする周波数を特定する必要がある。

図５は、本発明で使用した腕時計に使われているベゼルの形状と大きさを表している。ベゼル２０は、円形で中心の直径が３７ミリメートルある。このベゼル２０を１波長のループ型空中線とした場合に、共振周波数は光速÷（直径×円周率÷（１−短縮率）で計算されるところから、共振周波数は約２．５０７ＧＨｚと算出される。この場合、空中線の短縮率を３％として計算した。ここで得られたベゼルの共振周波数は、電波法が示す２．４ＧＨｚの通称ＩＭＳバンドに近い周波数であることが判った。また、共振周波数が目的とする周波数と比較して高めであることからベゼルに２．４ＧＨｚ帯の周波数を給電すると空中線は容量性のなる為、コイル等のインダクタンスを挿入することでマッチングを取ることが可能である。

次に、ベゼル２０を２．４ＧＨｚ帯の空中線に於ける輻射器として使えることが判ったが、当該ベゼル２０の共振周波数が２．４ＧＨｚ帯の周波数よりも高い事に注目し、指向性空中線の導波器としても使用が可能なので、実施例１ではベゼルを輻射器として、実施例２ではベゼルを導波器として用いたときの例を示す。

ループ形状の輻射器を持つ指向性空中線の代表的な例は２素子のループ型空中線である。図６は、２素子のループ型空中線の構造を示す。円形の輻射器１１０に給電がされるが、通常はマッチング回路１４０を経由して反射波が最小になるようにして、給電線１３０を通じて給電される。マッチング方式としては多々あるが、ベゼル２０に切り込み等を入れると不自然に見える為、切り込みを入れずに給電及びマッチングを取る方法が好ましい。本実施例では、ガンママッチを用いて空中線との整合をとった。ガンママッチの原理を図７に示す。ガンママッチ整合器はショートバー７２０、ガンマロッド７３０、マッチングコンデンサー７４０、同軸ケーブル７５０で構成される。ショートバー７２０の位置、輻射器７１０とガンマロッド７３０との距離、マッチングコンデンサー７４０の容量等を変化させる事で空中線と給電周波数との整合を取るマッチング方法である。このマッチング方法をベゼルの裏側に敷設することで外部から見えない形とした。

図６の反射器１２０については、その形状は放射器１１０の外形よりも数％大きい。例えば、３％大きい外形を持つループ状か、又は円盤状のものが好ましい。輻射器と反射器の間隔は給電する電波の波長の１／３２から１／８程度が好ましい。給電する波長が２．４５ＧＨｚの場合は１５ミリメートルから３．８ミリメートルに相当する。電波の反射器１２０としては、腕時計の文字板１００を使用することが考えられる。本実施例では、金属製の文字板１００を金属ケース３０から絶縁して反射器１２０を構成させた。文字板１００の大きさは、２．４ＧＨｚ帯の中心周波数２．４５ＧＨｚを考慮し、これに対して３％大きな外周を持つように計算し、直径を４．０センチメートルとした。

図８はベゼルを電波の輻射器として、文字板を電波の反射器として用いた２素子ループ状指向性空中線を腕時計に敷設した状態を示す状態図である。更に、図９は、ベゼルを輻射器に文字板を反射器に用いた２素子ループ型指向性空中線を敷設した腕時計の断面図である。ベゼル２０は、通常の腕時計１０では金属ケース３０に組み込まれているが、本実施例では絶縁性とベゼル２０を金属ケース３０から離す目的で、カバーガラス９０の上に張り付けで固定した。ベゼル２０は本来の機能通り、回転が可能な機能を持たせたが、本発明の趣旨と異なる為、その内容を省略する。文字板１００は、絶縁文字板受け１６０を介して金属ケース３０に固定されている。絶縁文字板受け１６０は樹脂製のリングを使用した。文字板１００の中心には同様に樹脂製のリングを置き、ムーブメント１５０から伸びる時針７１、分針７２を駆動する軸を固定する軸受けとした。本実施例で用いられた無線装置１５は、ムーブメント１５０の基板上に実装されている為、給電用同軸ケーブル１３０はムーブメント１５０からカバーガラス９０に明けられた穴を通ってベゼル２０に接続されている。

２素子間の間隔、つまりベゼル２０の下面から文字板１００の上面までの距離は、カバーガラス９０の厚みを調整することで、若干の変化を持たせることができる。腕時計１０が装着される腕８０の位置から測定したベゼル２０迄の距離が長いほど人体の影響を受けにくくなる為、ベゼル２０の位置は人体から離れているほうが好ましい。しかし、カバーガラス９０の厚みは２ミリメートルを越えると外観上高級感を失うおそれがあり得る。本実施例では、カバーガラス９０に２ミリメートルの厚みを持つサファイヤガラスを用いた。また、カバーガラス９０の下面から文字板１００の上面までは、２ミリメートルのクリアランスを取ることができた結果、ベゼル２０の下面から文字板１００の上面までの距離は４ミリメートル取ることができた。これによって、素子間の距離として１／３２波長以上の距離を於いて２素子を配置することができた。

次に、ベゼルを導波器として用いた場合について説明する。図１０は、反射器の代わりに導波器を用いた場合の２素子のループ型指向性空中線の構造を示す模式図である。導波器１９０の位置は、輻射器１１０に対して指向性を持たせたい方向に位置し、その長さは輻射器１１０の長さに対して５％から７％程度短いのが特徴である。図１２に示すように、本実施例の場合、ベゼル２０を導波器１９０として用いる為、ベゼル２０自体に対する給電は行わず、腕時計本体に輻射器１１０を敷設して、その輻射器に給電をすることで空中線として作動をする。

輻射器１１０の接地場所に於いて、本実施例では文字板１００の内側に被服導線を用いて輻射器１１０とした。なお、文字板１００が金属製の場合、敷設した輻射器１１０が空中線の一部として可動しない為、文字板１００の材質を非金属製に変える必要がある。しかし、文字板１００は薄い上に強度を要求される為、樹脂系の材質では強度が充分保てないので本実施例では０．７５ミリメートル厚みの直径４．０ミリメートルのアルミナセラミックの円盤を用いた。アルミナセラミックは多孔質であるため、そのものでは高級感がでない。従って、アルミナセラミック製の文字板１００の上面に印刷と金属片の接着を行い、文字板の高級感をだし。なお、実施例１の場合と比較すると、コスト的に割高となる場合がある。

図１３は、本実施例のベゼルを導波器として使用した場合の２素子ループ型指向性空中線を敷設した腕時計の断面図を示す。基本構成は実施例１と同じであるので、実施例１とと異なる部分について説明する。本実施例と実施例１との違いは、文字板１００の材質が絶縁体を用いていることと、ベゼル２０に直接給電していないことと、文字板１００の裏面に輻射器１１０が敷設されており、この輻射器１００に給電されていることの３点が異なる。

金属ケースの腕時計の側面図 金属ケースの腕時計の正面図 金属ケースを持つ腕時計の装着状態 腕時計金属ケースに於ける電波の輻射方向 ベゼルの直径と放射器との関係 ガンママッチの原理に関する模式図 ２素子ループ型空中線の構造 腕時計中に敷設した２素子ループ系指向性空中線 ベゼルと文字板で構成される２素子ループ型指向性空中線の構造 ２素子のループ型指向性空中線（導波器型）の模式図 ２素子のループ型指向性空中線の腕時計部品との関連 腕時計中に敷設した導波器型２素子ループ系指向性空中線 ベゼルを導波器とした２素子ループ型指向性空中線の構造 半波ダイポール空中線の模式図

符号の説明

１０ 腕時計
１５ 無線装置
２０ ベゼル
３０ ケース（金属ケース）
４０ 竜頭
５０ 裏蓋
６０ バンド（金属バンド）
６１ バンド（非金属バンド）
７１ 時針
７２ 分針
８０ 腕
９０ カバーガラス
１００ 文字板
１１０、７１０ 輻射器
１２０ 反射器
１３０ 給電線
１４０ マッチング回路
１５０ ムーブメント
１６０ 絶縁文字板受け
１７０ 絶縁軸受け
１８０ 絶縁ムーブメント受け
１９０ 導波器
７２０ ショットバー
７３０ ガンマロッド
７４０ マッチングコンデンサ
７５０ 同軸ケーブル

Claims (5)

1. ループ状の輻射器を裏面に取り付けたベゼルと、
   電波を反射する反射器とする文字板と、
   前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、
   からなる空間空中線。
2. 導波器として作用するベゼルと、
   裏面に輻射器を取り付けた文字板と、
   前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、
   からなる空間空中線。
3. ループ状の放射器を裏面に取り付けたベゼルと、
   電波を反射する反射器とする文字板と、
   前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、
   前記ベゼルを前記カバーガラスよりも上方になるように前記カバーガラスを取り付けるケースと、
   前記ケースに内側に配置し、時刻を表示するムーブメントと、
   前記ムーブメントを前記ケースに支持する絶縁性を有する絶縁ムーブメント受けと、
   を有する通信機器。
4. 導波器として作用するベゼルと、
   裏面に輻射器を取り付けた文字板と、
   前記ベゼルと前記文字板との間にある絶縁性を有するカバーガラスと、
   前記ベゼルを前記カバーガラスよりも上方になるように前記カバーガラスを取り付けるケースと、
   前記ケースに内側に配置し、時刻を表示するムーブメントと、
   前記ムーブメントを前記ケースに支持する絶縁性を有する絶縁ムーブメント受けと、
   を有する通信機器。
5. 前記ケースが金属製である請求項３又は４に記載の通信機器。

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