JP2011501498A - 電子装置のハウジングを用いたアンテナシステムおよびそれを備える電子装置 - Google Patents

Abstract

電子装置のハウジングを用いたアンテナシステムおよびそれを備える電子装置が開示される。アンテナシステムは、導電性材質から形成され、接地面に接続された電子装置の第１ハウジングと、第１ハウジングから所定間隔離れて配設され、導電性材質から形成され、一端が第１給電素子に接続された電子装置の第２ハウジングと、を備える。第１ハウジングと第２ハウジングは、第２ハウジングの一端から所定距離離れて配設される第１接続素子により互いに接続される。アンテナシステムは、広い放射体を確保することによりアンテナ効率が改善され、別途の素子を用いることなく電子装置のハウジングをアンテナとして用いることにより装置の小型化に寄与する。

Description

本発明は電子装置のハウジングを用いたアンテナシステムおよびそれを備える電子装置に係り、さらに詳しくは、金属材質から製造されたハウジングをアンテナ放射体として用いるアンテナシステムおよびそれを備える電子装置に関する。

ノートパソコン、携帯電話、ＰＤＡなど種々のタイプの電子装置は、内部の回路を保護し、且つ、携帯電話の外観を形成するハウジングを備えている。ハウジングの形状および構造は端末の形状によって異なるが、最近汎用される電子装置はヒンジにより連結された上下部の２つのハウジングを備える折畳式構成を有する場合が多い。

図１に基づき、折畳式構成を有する電子装置の例を説明する。図１の（ａ）は、ノートパソコンの斜視図であり、図１の（ｂ）は携帯電話の斜視図である。通常のノートパソコンは、上部ボディ１２０と下部ボディ１１０を備え、これらはヒンジ１５０により折畳可能に組み合わせられる。上部ボディ１２０にはＬＣＤなどのディスプレイ装置１４０が配設されてユーザーに画像を提供し、上部ボディ１２０の内部にはディスプレイ装置１４０を駆動するための回路が実装されていてもよい。上部ボディ１２０とヒンジ１５０を介して連結された下部ボディ１１０にはキーパッド１３０、タッチパッド１７０などの入力装置が配設されてユーザーの入力を受け、内部には中央演算装置（ＣＰＵ）などを備える主回路基板が実装される。同様に、図１の（ｂ）の携帯電話も、ディスプレイ装置１４０が設けられた上部ボディ１２０とキーパッド１３０が設けられた下部ボディ１１０を備え、これらはヒンジ１５０によって折畳可能に組み合わせられる。下部ボディ１１０には、これらの他に、ユーザーの音声を受信するためのマイク１６０がさらに設けられていてもよい。

上部ボディ１２０と下部ボディ１１０はそれぞれ、外形を維持し、且つ、内部素子を保護するためのハウジングを備える。一般的に、ハウジングは、合成樹脂材質を用いて製造されるが、最近には金属材質の適用が増大しつつある。

この種の電子装置において、移動電話サービスを利用したり、無線ネットワークを利用したりするためには、無線信号の送受信のためのアンテナが設けられることが必要である。従来には別途のアンテナを形成して電子装置の内部に実装したり、電子装置外部のコネクターを介してアンテナを接続する方式により電子装置にアンテナを設けていた。

しかしながら、装置の多機能化が進むに伴い、装置の内部に組み込まれるべき部品点数が増大するのに対し、装置の小型化が益々進んで装置の内部空間は狭くなりつつある。このため、装置の内部にアンテナを設けることは装置の内部空間の活用度を低下させ、しかも、装置の小型化を妨げる要素となっている。これらに加えて、ハウジングが金属材質である場合、アンテナの性能がハウジングにより急激に劣化するという不都合もある。

外付け型アンテナを用いる場合には、アンテナが突き出てしまい、装置の外観を損なう恐れがある。また、アンテナを着脱式のものにする場合であってもユーザーが別途のアンテナを持ち運ぶことを余儀なくされるという不都合を招くだけではなく、アンテナの組付け時には外付け型アンテナが有する問題点が依然としてある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナの内部空間を占めたり装置の外観を損なったりすることなく無線信号を送受信可能なアンテナの構成方案およびこれを適用した電子装置を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、導電性材質から形成され、接地面に接続された電子装置の第１ハウジングと、第１ハウジングから所定間隔離れて配設され、導電性材質から形成され、一端が第１給電素子に接続された電子装置の第２ハウジングと、第２ハウジングの一端から所定距離離れて配設され、第１ハウジングと第２ハウジングとを接続する第１接続素子と、を備えるアンテナシステムが提供される。

第２ハウジングは矩形であり、矩形の長辺の長さはアンテナシステムの共振波長の１／４以上であってもよい。

第２ハウジングの一端と第１接続素子との間の距離は、アンテナシステムが目的周波数帯域において共振するように定められることが好ましい。また、第１ハウジングと第２ハウジングとの間の間隔は、アンテナシステムが目的帯域幅を有するように定められることが好ましい。第１接続素子はインダクターを備えていてもよい。

第２ハウジングの他端は第２給電素子に接続され、アンテナシステムは、第２ハウジングの他端から所定距離離れて配設され、第１ハウジングと第２ハウジングとを接続する第２接続素子をさらに備えていてもよい。第１接続素子と第２接続素子との間に接地面に接続される信号ラインが配設されることが好ましい。

第１ハウジングと第２ハウジングはヒンジにより折畳可能に組み合わせられていてもよい。

本発明の他の態様によれば、無線通信機能を有する電子装置であって、導電性材質から形成され、接地面に接続された第１ハウジングと、第１ハウジングから所定間隔離れて配設され、導電性材質から形成され、一端が第１給電素子に接続された第２ハウジングと、第２ハウジングの一端から所定距離離れて配設され、第１ハウジングと第２ハウジングとを接続する第１接続素子と、を備えるアンテナシステムを有する電子装置が提供される。

第２ハウジングは矩形であり、矩形の長辺の長さはアンテナシステムの共振波長の１／４以上であってもよい。

第２ハウジングの一端と第１接続素子との間の距離は、アンテナシステムが目的周波数帯域において共振するように定められることが好ましい。なお、第１ハウジングと第２ハウジングとの間の間隔は、アンテナシステムが目的帯域幅を有するように定められることが好ましい。第１接続素子はインダクターを備えていてもよい。

第２ハウジングの他端は第２給電素子に接続され、アンテナシステムは、第２ハウジングの他端から所定距離離れて配設され、第１ハウジングと第２ハウジングとを接続する第２接続素子をさらに備えていてもよい。電子装置は、第１接続素子と第２接続素子との間に配設され、接地面に接続される信号ラインをさらに備えていてもよい。

第１ハウジングと第２ハウジングはヒンジにより折畳可能に組み合わせられてもよい。

本発明によれば、アンテナの内部空間を占めたり外観を損なったりしないアンテナおよびこれを備える電子装置が得られる。また、本発明によれば、別途のアンテナ素子を含めることなく容易にダイバーシティアンテナまたは多重帯域アンテナシステムを実現することができる。加えて、アンテナによる占有空間が無くなる結果、電子装置の小型化およびデザインの多様化を達成することができる。

従来の電子装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるアンテナシステムを示す図である。 本発明の一実現例によるアンテナシステムの定在波比を示す図である。 本発明の他の実施形態によるアンテナシステムを示す図である。 本発明の一実現例によるアンテナのＳパラメータを示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるアンテナシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による電子装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面に基づき、本発明の具体的な実施形態を説明するが、これらは単なる例示に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に制限されない。この明細書において、電子装置とは、携帯電話、個人向け携帯情報端末 (ＰＤＡ: Personal Data Assistant)、ノートパソコン、デスクトップパソコンなど無線通信機能を有し、且つ、ハウジングを備えるあらゆる装置をいう。

図２は、本発明の一実施形態によるアンテナシステムを示す図である。この実施形態におけるアンテナシステムは、第１ハウジング２１０と、第１ハウジング２１０から所定間隔離れて配設された第２ハウジング２２０と、を備える。これらのハウジング２１０、２２０は導電性材質、例えば、アルミニウムから製造可能である。

第１ハウジング２１０は電子装置の上部ボディに組み付けられるハウジングであって、その内部に中央演算装置（ＣＰＵ）通信モジュール、スピーカーなど種々の素子を実装することができる。第１ハウジング２１０は接地面に接続されて電子装置の内部回路に対する接地面と同じ電位を有する。

第２ハウジング２２０は第１ハウジング２１０から所定距離離れて配設され、一端、例えば、角部２２２において給電素子２３０に接続される。また、給電素子２３０は第１ハウジング２１０にも接続されるため、実質的に接地面と第２ハウジング２２０との間に接続される。このため、基本的な接続構成によれば、第１ハウジング２１０と第２ハウジング２２０はダイポールアンテナと類似する構成を有する。

しかしながら、第１ハウジング２１０と第２ハウジング２２０のサイズは電子装置のサイズにより決定されるものであり、一般的にダイポールアンテナとして動作するための電気長を有さない。無線通信に用いられる周波数範囲が数百ＭＨｚから数ＧＨｚであることを考慮すると、ハウジング２１０、２２０が矩形であるノートパソコンの場合、それぞれの長辺の長さは一般的なダイポールアンテナにおいて１放射体の電気長であるλ／４以上となる。

このような問題を解消するために、第２ハウジング２２０の給電素子と接続された一端２２２から所定距離離れた個所に、第１ハウジング２１０と第２ハウジング２２０とを接続する接続素子２４０を配設する。これにより、給電素子２３０が接続された一端２２２から接続素子２４０の接続個所までは電流が進んで位相変化が起こるが、接続素子２４０の接続個所以降においては接地面との接続によって同位相の回路となる。このため、第１ハウジング２１０と第２ハウジング２２０はスロットアンテナと同様に動作し、実質的にスロットの役割を果たす給電素子２３０の接続個所２２２から接続素子２４０の接続個所までのハウジング２１０、２２０において主として電磁気波の放射が起こる。

このような構成において、一端２２２から接続素子２４０の接続個所までの距離Ｄがアンテナ共振周波数の決定に最も大きな影響を及ぼす。この距離Ｄを目的共振周波数に対する波長の１／４に近づけることによりアンテナを目的共振周波数において動作させることができる。また、第１ハウジング２１０と第２ハウジング２２０との間の間隔Ｗがアンテナのインピーダンスに影響を及ぼすため、間隔Ｗを調整することによりアンテナの帯域幅を調整することができる。しかしながら、距離Ｄと間隔Ｗがそれぞれ共振周波数と帯域幅に主として影響を及ぼすだけであり、これらが独立してアンテナ特性を決定するわけではないため、正確なアンテナ特性を得るためには両者を微調整する必要があり、これは当業者であれば容易に認識可能であろう。

一方、一般的に電子装置は第２ハウジング２２０に設けられたディスプレイ装置に信号を伝達するための信号ライン２５０を備える。信号ライン２５０も信号の円滑な伝送のために接地面を有する。このため、上述したスロットアンテナの動作を妨げないために、信号ラインは接続素子２４０の配設位置の外側に設ける必要がある。

この実施形態におけるアンテナシステムはハウジング２１０、２２０を放射体として用いるため、従来のアンテナに比べて極めて大きな放射領域を確保することができる。このため、アンテナ利得に優れており、広帯域特性が得られる。放射領域の拡張により比吸収率（ＳＡＲ：Specific Absorption Ratio）の低減および外部環境影響の減少といった効果が得られる。

さらに、別途のアンテナ素子を設けることが不要になることから、電子装置の内部空間の利用効率を高めることができ、電子装置のデザインの自由度が上がり、しかも、小型化が可能になる。これらに加えて、金属材質のハウジングによるアンテナ性能劣化も当然のことながら防止される。

この実施形態におけるアンテナを仮想的に実現してシミュレーションを行い、その結果を図３に示す。シミュレーションツールとしては、ＣＳＴ社のMicrowave Studio（登録商標）を使用し、ハウジングのサイズは３００Ｘ４３０ｍｍ²、接続素子までの距離Ｄは５０ｍｍ、ハウジング同士の間隔Ｗは５ｍｍであった。

アンテナシステムの電流分布を調べてみると、実際に電流は両ハウジング２１０、２２０間のスロット部において最も強く現れるため、スロット位置において多大な放射が起こることが分かる。なお、ハウジングの左縁部においても放射が起こることを確認することができる。

図３は、アンテナシステムの電圧定在波比ＶＳＷＲを示す図である。目的周波数帯域をブルートゥース^TMまたはＷｉＦｉ^TMにおいて利用する２．４ＧＨｚに設定し、同図に示すように、ＶＳＷＲ＝２を基準として約７００ＭＨｚの広い帯域幅を得ることができた。

図４は、本発明の他の実施形態によるアンテナシステムを示す図である。本発明のアンテナシステムもまた、接地面に接続された第１ハウジング５１０と、第１ハウジング５１０から所定間隔離れて配設された第２ハウジング５２０と、を備える。

第２ハウジング５２０の一端５２２は第１給電素子５３０に接続され、一端５２２から所定間隔離れた個所に第１接続素子５４０が配設されて第１ハウジング５１０と第２ハウジング５２０が接続される。前述の実施形態のように、第１給電素子５３０は第１ハウジング５１０と第２ハウジング５２０との間に接続される。

また、第２ハウジング５２０の他端５２４に第２給電素子５６０が接続され、他端５２４から所定距離離れた個所において第２接続素子５７０により第１ハウジング５１０と第２ハウジング５２０が接続される。同様に、第２給電素子５６０は第１ハウジング５１０にも接続される。

このように２つの給電素子５３０、５６０がそれぞれ第２ハウジング５２０の両端５２２、５２４に接続され、２つの接続素子５４０、５７０がこれらから離れて第１ハウジング５１０と第２ハウジング５２０を接続することにより、この実施形態におけるアンテナシステムは２つのアンテナを備えることになる。具体的に、第１給電素子５３０の接続個所から第１接続素子５４０までの領域が第１アンテナスロットとなり、第２給電素子５６０の接続個所から第２接続素子５７０までの領域が第２アンテナスロットとなる。このため、この実施形態におけるアンテナシステムはダイバーシティアンテナとして動作することができる。あるいは、２本のアンテナスロットの長さを異ならせることにより、それぞれ異なる共振周波数を持たせることができ、この場合には多重帯域アンテナシステムとして動作することができる。

２つのアンテナを同時に動作させる場合、両アンテナ間の隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を確保する必要がある。このために、この実施形態においては、信号ライン５５０を利用する。信号ライン５５０は信号伝送のために接地面に接続されるため、信号ラインによって２つのアンテナは隔離可能である。このため、信号ライン５５０を第１接続素子５４０と第２接続素子５７０との間に、好ましくは、電子装置の中央部に配設することにより、アンテナの動作を妨げないと共に、２つのアンテナを隔離する効果が得られる。

実際に、図３と結び付けて説明した条件と同じ条件下でアンテナを実現してシミュレーションを行い、その結果を図５に示す。同図に示すように、Ｓ２２パラメータにより定められる帯域幅内においてＳ１２パラメータ値が相対的に低く測定され、これにより、良好な離隔度が確保されたことを確認することができる。

一方、目的共振周波数におけるアンテナ動作を確保するにはハウジングのサイズが小さな場合が存在する。例えば、携帯電話の場合にはハウジング長辺の長さがλ／４未満になる場合もある。この場合にも、本発明のアンテナシステムを適用することができ、これと関連する実施形態を図６に基づいて説明する。

図６の実施形態もまた、接地面に接続された第１ハウジング７１０と、これから離れて配設された第２ハウジング７２０と、を備える。第２ハウジング７２０の一端７２２は給電素子７３０と接続されており、給電素子７３０は第１ハウジング７１０に接続されて接地される。また、第１ハウジング７１０と第２ハウジング７２０は接続素子７４０により給電素子７３０の接続点から距離Ｄだけ離れた個所において接続される。

上述したように、この実施形態におけるアンテナの共振周波数は主として距離Ｄによって決定される。しかしながら、ハウジング７１０、７２０のサイズ、特に、接続素子７４０が接続される辺の長さが十分に長くない場合、目的共振周波数を達成することができなくなる場合がある。

これを解消するために、この実施形態は、接続素子７４０としてインダクターを採用する。インダクターを接続素子７４０として利用する場合、インダクターの位相遅延効果によって実質的な電気長が延びる効果も奏される。このため、たとえハウジング７１０、７２０のサイズが制限されているとしても、インダクターのインダクタンスを調整することにより実際に距離Ｄが延びる効果が得られ、目的共振周波数を達成することができる。インダクターそのものが接続素子７４０として用いられることも可能であるが、接続素子７４０内にインダクターが組み込まれ、他の素子がさらに組み込まれうることは言うまでもない。

本発明の他の実施形態によれば、上述した実施形態のアンテナシステムを採用した電子装置が提供され、これを図７に基づいて説明する。

図７は、本発明の一実施形態による電子装置の構成を示すブロック図である。電子装置は、大きく上部ボディ８２０と下部ボディ８１０を備え、アンテナ８３０を備えて無線通信機能を有する。具体的に、電子装置は、ブルートゥース^TM、ＷｉＦｉ^TMなどの近距離無線通信機能を有することもでき、ＧＳＭ、ＰＣＳ、ＨＳＤＰＡなどの移動通信サービスを利用できるように構成されてもよい。なお、アンテナは、ＤＭＢ、MediaＦＬＯ、ＤＶＢ−Ｈなどの移動放送サービスを受信できるように構成されてもよい。

上部ボディ８２０にはＬＣＤ、ＰＤＰなどの表示装置８２２と表示装置８２２を駆動するための駆動回路８２４が設けられていてもよい。この種の表示装置８２２と駆動回路８２４は金属材質のハウジングにより保護される。

下部ボディ８１０にはＣＰＵを備えてシステム全体を制御する制御部８１４が設けられる。制御部８１４においては、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラムなどの各種のプログラムを起動して電子装置に様々な機能を行わせる。また、制御部８１４はキーボード、キーパッド、マウス、タッチパッドなどの入力装置８１２と連結されて入力装置８１２を駆動し且つ制御する。入力装置８１２からの入力信号は制御部８１４に入力されて、制御部８１４がプログラムを起動するのに必要とされる情報を提供したり制御部８１４の動作を調整したりする。

また、制御部８１４は信号処理部８１６と接続されて通信を行う。信号処理部８１６は、制御部８１４が無線にて外部の機器及び／又はネットワークと通信できるように信号をデコード／エンコードし、且つ適切に変換するものであって、アンテナ８３０を介して無線通信を行う。具体的に、信号処理部８１６は制御部８１４から受信した信号をエンコードし且つ変調してアンテナ８３０を介して伝送し、アンテナ８３０を介して受信した信号を復調し且つデコードして制御部８１４に提供する。

下部ボディ８１０に組み込まれる制御部８１４、入力装置８１２および信号処理部８１６もまた金属材質のハウジングにより保護される。

このような電子装置において、アンテナ８３０は、上部ボディ８２０と下部ボディ８１０の金属ハウジングを用いて実現される。すなわち、所定距離離れて配設された２つの金属ハウジングを用いてアンテナ放射体を実現し、これらの間の接続を通じてアンテナの共振周波数を調整することにより所要の周波数帯域において共振するアンテナを実現することができる。アンテナ８３０の構成は先の実施形態において説明したのと実質的に同様であるため、ここでは具体的な説明を省略する。

このようにアンテナ８３０を電子装置のハウジングによって実現することにより、アンテナ放射体の面積を広げることができてアンテナの効率が増大される。のみならず、別途のアンテナ素子を備えないことから、電子装置の内部空間の活用の効率が増大され、電子装置の小型化が可能になる。なお、ハウジングの両端を用いて２つのアンテナを実現することができることから、ダイバーシティアンテナまたは多重帯域アンテナシステムを容易に実現することができる。

以上、本発明の具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、これらは単なる例示に過ぎず、これらが本発明の範囲を制限するものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱しない範囲内において説明された実施形態を変更または変形することができる。特に、上述の実施形態において第１ハウジングと第２ハウジングの機能は互いに変わっても構わなく、これは当業者が容易に認識することができる。この明細書において説明された各機能ブロックは電子回路、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）など公知の様々な素子により実現可能であり、それぞれ別々に実現されたり、２以上が一つに統合されて実現される。この明細書および請求範囲において別々のものであると説明された手段などの構成要素は単に機能上区別されたものであって、物理的には一つの手段として実現可能であり、単一のものであると説明された手段などの構成要素も数個の構成要素の結合からなる場合がある。のみならず、この明細書において説明された様々な実施形態はそれぞれ独立して、あるいは、適切に組み合わせられて実現可能である。よって、本発明の範囲は説明された実施形態ではなく、請求範囲およびその均等物により定められるべきである。

Claims (16)

1. 導電性材質から形成され、接地面に接続された電子装置の第１ハウジングと、
   前記第１ハウジングから所定間隔離れて配設され、導電性材質から形成され、一端が第１給電素子に接続された電子装置の第２ハウジングと、
   前記第２ハウジングの前記一端から所定距離離れて配設され、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとを接続する第１接続素子と、
   を備えるアンテナシステム。
2. 前記第２ハウジングは矩形であり、前記矩形の長辺の長さは前記アンテナシステムの共振波長の１／４以上である、請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 前記第２ハウジングの前記一端と前記第１接続素子との間の距離は、前記アンテナシステムが目的周波数帯域において共振するように定められた、請求項１に記載のアンテナシステム。
4. 前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとの間の間隔は、前記アンテナシステムが目的帯域幅を有するように定められた、請求項１に記載のアンテナシステム。
5. 前記第１接続素子はインダクターを備える、請求項１に記載のアンテナシステム。
6. 前記第２ハウジングの他端は第２給電素子に接続され、
   前記アンテナシステムは、
   前記第２ハウジングの前記他端から所定距離離れて配設され、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとを接続する第２接続素子をさらに備える、請求項１に記載のアンテナシステム。
7. 前記第１接続素子と前記第２接続素子との間に前記接地面に接続される信号ラインが配設された、請求項６に記載のアンテナシステム。
8. 前記第１ハウジングと前記第２ハウジングはヒンジにより折畳可能に組み合わせられた、請求項１に記載のアンテナシステム。
9. 無線通信機能を有する電子装置において、
   導電性材質から形成され、接地面に接続された第１ハウジングと、
   前記第１ハウジングから所定間隔離れて配設され、導電性材質から形成され、一端が第１給電素子に接続された前記第２ハウジングと、
   前記第２ハウジングの前記一端から所定距離離れて配設され、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとを接続する第１接続素子と、
   を備えるアンテナシステムを有する電子装置。
10. 前記第２ハウジングは矩形であり、前記矩形の長辺の長さは前記アンテナシステムの共振波長の１／４以上である、請求項９に記載の電子装置。
11. 前記第２ハウジングの前記一端と前記第１接続素子との間の距離は前記アンテナシステムが目的周波数帯域において共振するように定められた、請求項９に記載の電子装置。
12. 前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとの間の間隔は前記アンテナシステムが目的帯域幅を有するように定められた、請求項９に記載の電子装置。
13. 前記第１接続素子はインダクターを備える、請求項９に記載の電子装置。
14. 前記第２ハウジングの他端は第２給電素子に接続され、
    前記アンテナシステムは、
    前記第２ハウジングの前記他端から所定距離離れて配設され、前記第１ハウジングと前記第２ハウジングとを接続する第２接続素子をさらに備える、請求項９に記載の電子装置。
15. 前記第１接続素子と前記第２接続素子との間に配設され、前記接地面に接続される信号ラインをさらに備える、請求項１４に記載の電子装置。
16. 前記第１ハウジングと前記第２ハウジングはヒンジにより折畳可能に組み合わせられた、請求項９に記載の電子装置。

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