JP2010016562A

JP2010016562A - 無線送信機

Info

Publication number: JP2010016562A
Application number: JP2008173784A
Authority: JP
Inventors: Masashi Takahara; 誠志高原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: JP4730674B2

Abstract

【課題】人体に携帯された状態でアンテナ利得を減衰させることなく、無指向性を得ることが可能な無線通信機を提供する。
【解決手段】無線送信機１０は、送信モジュール１４、アンテナ３０、及び電池２０を備える。アンテナ３０は、アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を有するアンテナ導体を備えており、アンテナ基板の主面に平行な方向（Ｙ方向）に電波を放射する。これにより、無線送信機１０を人体に携帯した場合に、人体方向へ向けて電波が放射されることに起因するアンテナ利得減衰を抑制できる。電池２０は、アンテナ３０と電磁界結合するように配置されたマイナス端子２２を備える。これにより、アンテナ３０だけでなく電池２０を含めた導体部分全体が放射導体として機能するので、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明はセキュリティ分野等で用いられる無線送信機に関する。

従来、携帯電話やパソコン等においては、パスワードロック／アンロック、又は電源オン／オン等の自動化が要望されており、また自動車においては、ドアロック／アンロック等の自動化が要望されている。これらの要望に応えるべく、近年、様々な手法が考案されている。例えば、ユニークなＩＤが割り当てられた無線送信機をユーザが携帯することによって、ユーザが離れた場合に携帯電話やパソコン等のパスワードロックが行われ、ユーザが近づいた場合にアンロックが行われる手法が考案されている。

この種の無線送信機では、携帯性の観点から小型かつ薄型であることが好ましく、特にユーザが常時携帯する財布や社員証ホルダ等に収納できるように、できる限り厚みを薄くしたカード形状として携帯性に優れたものが好ましい。例えば、特許文献１には、回路基板の裏面にボタン電池を配置して成るキーレスエントリ送信機が無線送信機として記載されている。この種の無線送信機は、人が携帯して使用するものであり、胸ポケットや後ろポケット等、ユーザの使い方によって様々な配置があり得る。無線送信機の配置場所による誤認識を回避する観点から、無線送信機のアンテナ指向性は、無指向性であることが好ましい。
特開２００４−３６３９２９号公報

しかし、従来の無線送信機では、薄型のカード形状にするために、無線送信機の回路基板の主面と平行な方向にアンテナ開口面が形成されていたので、磁界が無線送信機の厚み方向に発生する。このような無線送信機を人体に携帯すると、人体方向に放射される電波が人体に吸収されてしまい、アンテナ利得が減衰する。本発明者の実験によると、人体方向のアンテナ利得は、１０ｄＢ〜２０ｄＢ減衰することが確認されている。この現象は、無線通信時における電波強度の劣化を引き起こし、無線通信可能範囲が狭小化する要因となる。また、人体方向のアンテナ利得減衰に伴い、アンテナ指向性も変化してしまい、無指向性を維持できなくなる。

そこで、本発明は、人体に携帯された状態でアンテナ利得を減衰させることなく、無指向性を得ることが可能な無線通信機を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係わる無線送信機は、無線モジュールと、無線モジュールに電力を供給する電池とを備える。無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、送信信号を無線伝送するためのアンテナとを備える。アンテナは、アンテナ基板と、アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を有するアンテナ導体とを備える。電池は、アンテナと電磁界結合するように配置された端子を備える。アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を形成することで、アンテナ基板の主面と平行な方向に磁界が発生するので、無線送信機を人体に携帯した場合に、人体方向へ向けて電波が放射されることに起因するアンテナ利得減衰を抑制できる。また、電池とアンテナとが電磁界結合することにより、アンテナだけでなく電池を含めた導体部分全体が放射導体として機能するので、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。

本発明に係わる無線送信機において、アンテナの主輻射方向は、電池の端子側側面に略平行であるのが好ましい。斯かる構成により、電池が障壁となることに起因する、アンテナの放射強度の低下を抑制し、アンテナの無指向性を確保できる。

本発明に係わる無線送信機において、アンテナ開口面は、アンテナの主輻射方向に垂直な面に投影された電池の端子側側面及び端子を二辺とする平行四辺形状の空間内部の少なくとも一部を占めるのが好ましい。斯かる構成により、アンテナと電池との距離を短くし、両者の電磁界結合を強めることができる。

本発明に係わる無線送信機において、アンテナの厚みは、電池の厚みよりも薄い方が好ましい。斯かる構成により、アンテナ開口内部の磁界密度を高め、アンテナと電池との電磁界結合をより一層強めることができる。

本発明に係わる無線送信機において、アンテナ開口面は、アンテナの主輻射方向に垂直な面に投影された電池の端子側側面及び端子を二辺とする平行四辺形状の空間内部の少なくとも一部を占めており、電池の端子側側面に投影されたアンテナ基板の第一の主面及びその裏面側の第二の主面は、端子側側面の内部に位置するのが好ましい。斯かる構成により、アンテナと電池との距離を短くできる上に、アンテナ開口内部の磁界密度を高めることができるので、アンテナと電池との間の電磁界結合を強めることができる。

本発明に係わる無線送信機は、人体に携帯される無線送信機であって、無線モジュールと、無線モジュールに電力を供給する電池とを備える。無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、送信信号を無線伝送するためのアンテナとを備える。アンテナは、アンテナ基板と、アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を有するアンテナ導体とを備える。アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を形成することで、アンテナ基板の主面と平行な方向に磁界が発生するので、無線送信機を人体に携帯した場合に、人体方向へ向けて電波が放射されることに起因するアンテナ利得減衰を抑制できる。

本発明によれば、アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面が形成されているので、人体に携帯された状態でアンテナ利得を減衰させることなく、無指向性を得ることが可能な無線通信機を提供できる。

以下、各図を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は無線送信機１０及び端末機器７０の機能ブロック図を示す。無線送信機１０は、送信モジュール１４、アンテナ３０、及び電池２０を備える。送信モジュール１４は、信号処理回路１１、高周波回路１２、及びスイッチ１３を備える。

信号処理回路１１は、ＣＰＵとメモリＩＣとから構成されており、消費電力を抑えるための制御やＩＤナンバーの出力処理等を行う。メモリＩＣには、ＩＤナンバーと、通信フォーマットとが予め記憶されている。ＩＤナンバーは、無線送信機を一意に識別するために割り当てられたユニークな識別情報である。通信フォーマットは、所定の通信プロトコル（例えば、４００ＭＨｚ帯特定省電力無線用の通信プロトコル）に準拠している。メモリＩＣとしては、不揮発性メモリや揮発性メモリ等の各種のメモリを適用できる。ＣＰＵは、ＩＤナンバーと共に通信フォーマットをメモリＩＣから読み出し、所定の転送レート（例えば、９６００ｂｐｓ）で変調された所定のインターフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインターフェース形式）の変調信号を高周波回路１２へ断続的かつ定期的に出力する。ＣＰＵとしては、例えば、８ビットマイコンを用いることができる。

信号処理回路１１は、消費電力を抑えるための制御として、間欠動作を実施する。例えば、１５秒間隔の送信サイクルのうち１５ｍｓｅｃの送信期間だけＩＤナンバーが所定の通信フォーマットで出力され、それ以外の１４８５ｍｓｅｃのスリープ期間では、信号処理回路１１及び高周波回路１２の動作はスリープモードになる。信号処理回路１１及び高周波回路１２は、送信モードとスリープモードとを交互に繰り返すことにより、電池２０の消費電力を抑えている。

高周波回路１２は、チップインダクタ、チップコンデンサ、チップ抵抗等の受動部品、トランジスタ等の半導体素子等により構成される。高周波回路１２は、信号処理回路１１からの変調信号を受信し、通信フォーマットに従って、無線送信機１０のＩＤナンバーを含む送信信号（例えば、３００ＭＨｚ帯の２値ＦＳＫ変調信号）に変調する。アンテナ３０は、高周波回路１２によって生成された送信信号を電磁波に変換して放射する。アンテナ３０から放射される電磁波は、基本周波数３１５ＭＨｚの微弱無線規格を遵守する仕様に設計されている。

電池２０は、信号処理回路１１及び高周波回路１２へ電力を供給する。電池２０は、例えば、リチウムイオン電池であり、定格でＤＣ３Ｖの電圧を出力する。電池２０では、信号処理回路１１及び高周波回路１２での最低動作電圧レベルにもよるが、１．８Ｖ〜３．３Ｖ程度の範囲で電力が消費される。スイッチ１３は、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２へ電力を供給又は遮断するための電源スイッチである。無線送信機１０からの送信信号出力を一時的に停止させたい場合には、スイッチ３０をオフにすることで、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２への電力供給を遮断できる。また、無線送信機１０からの送信信号出力を再開させたい場合には、スイッチ３０をオンにすることで、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２への電力供給を再開できる。

端末機器７０は、例えば、携帯電話やパソコン等の無線通信機能を搭載した電子機器であり、無線モジュール８０、及びＣＰＵ９０を備える。無線モジュール８０は、アンテナ８１、高周波回路８２、及び信号処理回路８３を備える。無線送信機１０から無線電波として放射された送信信号に含まれるＩＤナンバーは、アンテナ８１にて受信され、高周波回路８２にて復調され、信号処理回路８３にて復号されて、所定のインターフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインターフェース形式）でＣＰＵ９０に出力される。ＣＰＵ９０は、無線モジュール８０が受信したＩＤナンバーに基づいて無線送信機１０を認証する。例えば、端末機器７０が携帯電話の場合、無線送信機１０を携帯するユーザが移動することにより、無線送信機１０と端末機器７０とがある一定の距離以上離れると、端末機器７０はロックし、無線送信機１０と端末機器７０とがある一定の距離以内に近づくと、端末機器７０はアンロックする。

次に、図２乃至図４を参照しながら無線送信機１０の各部のレイアウト構成について説明する。図２は無線通信機１０の正面図（ＸＹＺ直交座標系のＸＹ平面における図）を示し、図３はアンテナ３０の正面図（ＸＹＺ直交座標系のＸＹ平面における図）を示し、図４は、図２の４−４線矢視断面図（ＸＹＺ直交座標系のＸＺ平面における図）を示す。なお、これらの図２乃至図４において、無線通信機１０の底面を画定する二辺のうち長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、無線通信機１０の厚み方向をＺ方向としている。

図２に示すように、無線通信機１０の外装ケース５０は、略長方形状のカード型の薄型形状をなしている。外装ケース５０の寸法は、例えば、８５×５５×１．６ｍｍである。説明の便宜上、外装ケース５０のうちその裏面のみを図示し、側面及び表面の図示を省略している。外装ケース５０の裏面を基準平面５０ａとして、その基準平面５０ａ上に電池２０及び回路基板１５が互いに平行に横並びになるように並置されている。回路基板１５の表面（第一の主面）には、送信モジュール１４が形成され、その裏面（第一の主面に対して裏側にある第二の主面）には、アンテナ３０が形成されている。アンテナ３０は、回路基板１５の裏面に形成されているので、図２には本来図示されないものであるが、説明の便宜上、破線でその位置を図示している。送信モジュール１４及びアンテナ３０によって、無線モジュール１６が構成される。なお、回路基板１５は、絶縁材料で構成されていればよく、有機系絶縁材料、無機系絶縁材料、又は複合絶縁材料の何れを用いてもよく、また、基板全体が誘電体材料で構成されていてもよく、誘電体材料層と磁性材料層との組み合わせでもよい。具体的には、回路基板１５としては、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ基板）やＦＲ４基板等の各種の基板を用いることができる。電池２０は、薄型のカード形状を成す金属製の筐体（図示せず）によってその周囲を覆われている。電池２０は、プラス端子２１及びマイナス端子２２を備えている。プラス端子２１及びマイナス端子２２は電池２０を覆う筐体の側面から回路基板１５の主面と平行に引き出されて、回路基板１５に向けて突出しており、半田付け等の接続手段により回路基板１５に接続されている。

図３に示すように、アンテナ３０は、アンテナ導体３１と、アンテナ基板３２とから構成される。アンテナ導体３１は、導電性薄膜であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、銅箔パターンを用いることができる。アンテナ基板３２としては、絶縁材料から成るものであればよく、例えば、ＦＲ４基板（実効比誘電率εｒ＝４．０，実効比透磁率μｒ＝１．０）等の各種の基板を用いることができる。なお、回路基板１５とアンテナ基板３２とを必ずしも別体にする必要はなく、回路基板１５の一部をアンテナ基板３２として使用してもよい。アンテナ導体３１は、ヘリカル状であって、アンテナ基板３２の厚みをアンテナ開口の二辺とし、アンテナ基板３２の面と平行な一方向に巻き進む。より詳細には、アンテナ導体３１は、第１の導体片３１ａ，第二の導体片３１ｂ，第三の導体片３１ｃ，及び第四の導体片３１ｄから成り、第１の導体片３１ａは、アンテナ基板３２の表面（第一の主面）に一方向に所定ピッチで形成されるとともに、第二の導体片３１ｂは、アンテナ基板３２の裏面（第一の主面に対して裏側にある第二の主面）に第１の導体片３１ａと同一方向及び同一ピッチで形成されている。そして、アンテナ基板３２を厚み方向に貫通する第三の導体片３１ｃ及び第四の導体片３１ｄによりヘリカル接続となるように、第１の導体片３１ａ及び第二の導体片３１ｂの端部を順次接続する。斯かる構成により、第１の導体片３１ａ，第二の導体片３１ｂ，第三の導体片３１ｃ，及び第四の導体片３１ｄによって囲まれたアンテナ開口が形成される。アンテナ開口の面積は、第１の導体片３１ａ（又は第二の導体片３１ｂ）の有効長Ｐと、第三の導体片３１ｃ（又は第四の導体片３１ｄ）の有効長Ｑとの積Ｐ＊Ｑによって定まる（図４参照）。なお、図３において符号３１ｅは、アンテナ３０の給電点を示し、符号３１ｆは、その開放端を示す。給電点３１ｅは、送信モジュール１４に接続されている。

アンテナ開口から発生する磁界は、アンテナ開口面に対して垂直であるため、アンテナ基板３２の厚み方向にアンテナ開口面を形成することにより、アンテナ３０から発生する磁界は、アンテナ基板３２の主面に平行な方向となる。ここで、アンテナ基板３２の厚み方向とは、アンテナ基板３２の主面に対して垂直な方向を意味し、アンテナ３０のアンテナ開口面は、アンテナ３０の主輻射方向に垂直なアンテナ基板３２の断面に対して平行に形成される点に留意されたい。なお、本明細書において、「アンテナ開口面」とは、アンテナ開口を含む平面を意味するものとする。このようなアンテナ３０を有する無線送信機１０が胸ポケットや後ろポケット等に携帯された場合、従来のように人体方向に向けて無線送信機１０の厚み方向に電波が放射されることはなく、無線送信機１０の主面に平行な方向に電波が放射されるので、人体吸収によるアンテナ利得の減衰を効果的に抑制できる。

なお、アンテナ導体３１の巻回方向（電波の主輻射方向）は、Ｙ方向、即ち、電池２０の側面に略平行な方向（図２参照）であることが好ましい。これにより、電池２０が障壁となることに起因する、アンテナ３０の放射強度の低下を抑制し、アンテナ３０の無指向性を確保できる。

図４に示すように、マイナス端子２２は、アンテナ３０と電池２０とが電磁界結合するようにアンテナ３０に近接する位置に形成されている。アンテナ３０と電池２０とが電磁界結合すると、アンテナ３０のみならず電池２０のマイナス端子２２や電池２０を覆う金属製の筐体を含む導体部分全体が放射導体４０として機能する（図１参照）。これにより、無線送信機１０は、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。良好な無指向性を得るには、外装ケース５０の床面積（基準平面５０ａの占有面積）に占める電池２０の床面積の割合は、５０％以上が好ましい（図２参照）。電池２０の床面積が大きい程、放射導体４０として機能する導体部分の面積が大きくなるので、放射方向の偏りが少なくなり、良好な無指向性を得る上で効果的である。

アンテナ３０と電池２０との間の電磁界結合を強めるには、アンテナ開口を薄くし、アンテナ開口内部の磁界密度を高めるのが好ましい。アンテナ開口内部の磁界密度を高めるため、アンテナ３０の厚み（有効長Ｑ）は、電池２０の厚みよりも薄い方が好ましい。ここで、アンテナ３０の厚みとは、基準平面５０ａに垂直な方向のアンテナ３０の厚みを意味し、電池２０の厚みとは、基準平面５０ａに垂直な方向の電池２０の厚みを意味するものとする。また、アンテナ導体３１の端部と、マイナス端子２２の先端部との間の距離Ｄ１は、できるだけ長い方がアンテナ３０とマイナス端子２２との間の電磁界結合を強める上で効果的である。また、アンテナ開口の中心部と電池２０のマイナス端子側の側面との間の距離Ｄ２は、できるだけ短い方がアンテナ３０と電池２０との間の電磁界結合を強める上で効果的である。言い換えれば、アンテナ３０の主輻射方向に垂直な面に投影されたマイナス端子２２と電池２０のマイナス端子側の側面とを二辺とする平行四辺形状の空間内部に占めるアンテナ３０の断面積（アンテナ開口の断面積）が多い程、アンテナ３０とマイナス端子２２との間の電磁界結合を強める上で効果的である。電池２０の端子側側面に投影されたアンテナ基板３２の表面及び裏面は、電池２０の端子側側面の内部に位置するのが好ましい。斯かる構成によれば、アンテナ３０と電池２０との距離を短くできる上に、アンテナ開口内部の磁界密度を高めることができるので、アンテナ３０と電池２０との間の電磁界結合を強めることができる。アンテナ３０と電池２０とを電磁界結合させるには、電池２０のプラス端子２１とアンテナ３０とを電磁界結合させてもよく、電池２０のプラス端子２１及びマイナス端子２２の両方をアンテナ３０と電磁界結合させてよく、或いは、電池２０に設けられた金属端子（電極端子以外の用途に利用される何等かの金属端子）とアンテナ３０とを電磁界結合させてもよい。

なお、図５に示すように、アンテナ基板３２に磁性体シート６０を形成すると、波長短縮効果により、波長短縮前のアンテナ利得と同じアンテナ利得を得るために必要とされるアンテナ開口の厚みを短くすることが可能となり、アンテナ３０を低薄化する上で効果的である。アンテナ基板３２の厚み方向にアンテナ開口面を形成すると、アンテナ開口の厚み寸法が無線送信機１０を薄型化する上で制約となるが、磁性体シート６０を用いることで、そのような制約を緩和することができる。磁性体シート６０は、回路基板１５の裏面に接しているアンテナ基板３２の表面３２ａ（第一の主面）に形成してもよく、アンテナ基板３２の裏面３２ｂ（第一の主面に対して裏側にある第二の主面）に形成してもよいが、実装上の都合を考慮すると、裏面３２ｂに形成するのが好ましい。磁性体シート６０としては、実効比誘電率εｒ＝４．０，実効比透磁率μｒ＝１．０の磁性材料が好適である。

アンテナ開口面が回路基板の主面に平行に形成されている従来の無線送信機では、人体に携帯されたときのアンテナ利得の減衰量は、人体方向で−４０ｄＢｉ，人体方向とは逆方向で−３０ｄＢｉであり、無線送信機と端末機器との間の通信可能距離は０．５ｍ以下であった。これに対し、本実施形態に係わる無線送信機１０では、人体に携帯されたときのアンテナ利得の減衰量は、人体方向で−２４ｄＢｉ，人体方向とは逆方向で−２２ｄＢｉであり、無線送信機と端末機器との間の通信可能距離は２．５ｍ程度であった。

本実施形態に係わる無線送信機１０によれば、アンテナ基板３２の厚み方向にアンテナ開口面を形成することで、アンテナ基板３２の主面と平行な方向に磁界が発生するので、無線送信機１０を人体に携帯した場合に、人体方向へ向けて電波が放射されることに起因するアンテナ利得減衰を抑制できる。また、電池２０とアンテナ３０とが電磁界結合することにより、アンテナ３０だけでなく電池２０のマイナス端子２２や電池２０を覆う金属製の筐体を含めた導体部分全体が放射導体４０として機能するので、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。

本実施形態に係わる無線送信機１０では、アンテナ基板３２の厚み方向にアンテナ開口面を形成するので、アンテナ基板３２の厚み寸法が無線送信機１０の薄型化の制約になるものの、アンテナ基板３２に磁性体シート６０を形成することで、波長短縮効果により、アンテナ３０の低背化を可能にできる。

本形態に係わる無線送信機１０によれば、無線モジュール１６、及び電池２０は、カード形状の外装ケース５０の内部に並置されており、外装ケース５０の床面積に占める電池２０の床面積の割合は、５０％以上となっているので、放射方向の偏りが少なくなり、良好な無指向性を得ることができる。

本実施形態に係わる無線送信機及び端末機器の機能ブロック図である。本実施形態に係わる無線通信機の正面図である。本実施形態に係わるアンテナの正面図である。図２の４−４線矢視断面図である。図２の４−４線矢視断面図である。

符号の説明

１０…無線送信機１１…信号処理回路１２…高周波回路１３…スイッチ１４…送信モジュール１５…回路基板１６…無線モジュール２０…電池２１…プラス端子２２…マイナス端子３０…アンテナ３１…アンテナ導体３２…アンテナ基板４０…放射導体５０…外装ケース６０…磁性体シート７０…端末機器８０…無線モジュール８１…アンテナ８２…高周波回路８３…信号処理回路９０…ＣＰＵ

Claims

無線モジュールと、前記無線モジュールに電力を供給する電池とを備え、
前記無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、前記送信信号を無線伝送するためのアンテナとを備え、
前記アンテナは、アンテナ基板と、前記アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を有するアンテナ導体とを備え、
前記電池は、前記アンテナと電磁界結合するように配置された端子を備える、無線送信機。
請求項１に記載の無線送信機であって、
前記アンテナの主輻射方向は前記電池の前記端子側側面に略平行である、無線送信機。
請求項１又は請求項２に記載の無線送信機であって、
前記アンテナ開口面は、前記アンテナの主輻射方向に垂直な面に投影された前記電池の前記端子側側面及び前記端子を二辺とする平行四辺形状の空間内部の少なくとも一部を占める、無線送信機。
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の無線送信機であって、
前記アンテナの厚みは、前記電池の厚みよりも薄い、無線送信機。
請求項１に記載の無線送信機であって、
前記アンテナ開口面は、前記アンテナの主輻射方向に垂直な面に投影された前記電池の前記端子側側面及び前記端子を二辺とする平行四辺形状の空間内部の少なくとも一部を占めており、
前記電池の前記端子側側面に投影された前記アンテナ基板の第一の主面及びその裏面側の第二の主面は、前記端子側側面の内部に位置する、無線送信機。
人体に携帯される無線送信機であって、
無線モジュールと、前記無線モジュールに電力を供給する電池とを備え、
前記無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、前記送信信号を無線伝送するためのアンテナとを備え、
前記アンテナは、アンテナ基板と、前記アンテナ基板の厚み方向にアンテナ開口面を有するアンテナ導体とを備える、無線送信機。