JP2013162439A - 空中線装置及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 補強用の金属板に流れる電流の影響による性能低下を回避する。
【解決手段】 空中線装置は、少なくともλ／２相当の一側辺（１９）を有する導電性の金属板（１６）と、前記金属板（１６）の一側辺（１９）から所定の距離（Ｌ）を隔て且つ前記金属板（１６）の一側辺（１９）に平行して延在するλ／４の直線部（２１ｂ）と、前記直線部（２１ｂ）の一端と前記金属板（１６）の一側辺（１９）との間を接続する基部（２０ａ）と、前記直線部（２１ｂ）の他端に接続された給電部（１７）と、前記給電部（１７）を介して前記直線部（２１ｂ）の他端に接続されたλ／４のアンテナ（１８）とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、空中線装置及びそれを用いた電子機器に関し、詳細には、筐体内蔵型の空中線装置及びそれを用いた電子機器に関する。

空中線装置（アンテナともいう）の基本はダイポールアンテナ（dipole antenna）やモノポールアンテナ（monopole antenna）である。
図９は、ダイポールアンテナとモノポールアンテナの構造図である。この図の（ａ）に示すように、ダイポールアンテナ１は、給電点２に２本の直線状の導線（エレメント３、４）を対称に取り付けた構造を有する空中線装置であり、エレメント３、４を大地と平行の水平状態で用いる場合は水平ダイポールアンテナ、傾斜や垂直の状態で用いる場合は垂直ダイポールアンテナと呼ばれる。

一方、（ｂ）に示すように、モノポールアンテナ５は、上記ダイポールアンテナ１の変形型であり、詳細には、ダイポールアンテナ１のエレメント３、４と直交する方向で両エレメントの中間点（つまり給電点２）に電気壁６（大地等の接地電位）を持ってくると、電気壁６以降のエレメント（この図ではダイポールアンテナ１のエレメント３）が不要になるという原理を利用し、ダイポールアンテナ１の片側のエレメント（この図ではダイポールアンテナ１のエレメント４）だけで構成した空中線装置である。モノポールアンテナ５の場合、物理学的に電気壁６の反対側に鏡像（見かけ上のエレメント３′）ができる。

一般的に筐体内蔵型の空中線装置は、モノポールアンテナ５（図９（ｂ）参照）で構成されることが多い。筐体内部の補強用金属板を前記の“電気壁６”として利用することができるからである。ちなみに、補強用金属板とは、筐体外装の剛性確保や液晶ディスプレイ等の平面表示装置の変形防止などを主眼として筐体内に組み込まれる構成要素であって、且つ、内部の電子基板などを電磁的にシールドするための接地電位が与えられている構成要素のことをいう。

図１０は、筐体内蔵型空中線装置の構成図である。この図において、不図示の筐体の内部面積とほぼ同じ面積を有する補強用の金属板７の長辺側の略中央部付近に給電点８が設けられており、この給電点８にλ／４のＬ型モノポールアンテナ９が接続されている。λは波長［ｍ］であり、波の進行速度［ｍ／ｓ］をｖとし、周波数［Ｈｚ］をｆとするとき、λ＝ｖ／ｆである。

このような構成のモノポールアンテナ９に対して給電点８から周波数ｆの高周波電流を流したときの様子を考える。
今、ある時点におけるモノポールアンテナ９の電流をＸで示すことにする。このＸの向きを給電点８からモノポールアンテナ９の先端へと向かう方向とすると、このとき同時に、補強用の金属板７の内部に２つの電流Ｙａ、Ｙｂが発生する。これら２つの電流Ｙａ、Ｙｂはいずれも給電点８を源として流れるため、モノポールアンテナ９の電流Ｘの向きに合わせると、電流Ｙａは同方向、電流Ｙｂは逆方向になる。

さて、空中線装置を筐体に内蔵する場合は、スペースの制約から、どうしても、図１０のように、モノポールアンテナ９を補強用の金属板７の長辺側に沿わせる形態をとらざるを得ない。とりわけ、携帯型のような小型の筐体の場合はその傾向が強い。
しかしながら、このような形態（モノポールアンテナ９を補強用の金属板７の長辺側に沿わせる形態）にすると、上記の逆向きの電流Ｙｂの磁界の影響により、モノポールアンテナ９の電流Ｘの磁界が弱められてしまい、モノポールアンテナ９の性能低下（特に利得の減少）を招いてしまうという問題点がある。

したがって、筐体、特に携帯型のような小型の筐体に内蔵する空中線装置においては性能低下を招かない技術が求められている。
筐体内蔵型の空中線装置に関する先行技術としては、たとえば、筐体に内蔵された１つのアンテナを異なる２つの周波数で使用できるようにした技術（下記の特許文献１参照：以下、第１の先行技術という）、または、ヒンジ部を介して連結された２つの筐体の内部に各々設けられた第１の接地導体層と第２の接地導体層とをアンテナの共振部として用いるものにおいて、第１の接地導体層と第２の接地導体層のいずれか一方の前記ヒンジ部近傍位置にスリットを設けることにより、筐体折り畳み時の共振特性悪化を抑制した技術（下記の特許文献２参照：以下、第２の先行技術という）などがある。

特開２００３−１０１３２６号公報 特開２０１０−１０９７０３号公報

しかしながら、第１の先行技術は、１つのアンテナを異なる２つの周波数で使用できるようにしたものに過ぎず、また、第２の先行技術は、筐体折り畳み時の共振特性悪化を抑制したものに過ぎず、いずれも前記の問題点、すなわち、図１０に示すように、モノポールアンテナ９を補強用の金属板７の長辺側に沿わせた形態にすると、補強用の金属板７に流れる逆向きの電流Ｙｂの磁界の影響により、モノポールアンテナ９の電流Ｘの磁界が弱められてしまい、モノポールアンテナ９の性能低下（特に利得の減少）を招いてしまうという問題点を解決することができない。

そこで、本発明は、補強用の金属板に流れる電流の影響による性能低下を回避した空中線装置及びそれを用いた電子機器を提供することにある。

本発明の空中線装置は、少なくともλ／２相当の一側辺を有する導電性の金属板と、前記金属板の一側辺から所定の距離を隔て且つ前記金属板の一側辺に平行して延在するλ／４の直線部と、前記直線部の一端と前記金属板の一側辺との間を接続する基部と、前記直線部の他端に接続された給電部と、前記給電部を介して前記直線部の他端に接続されたλ／４のアンテナとを有することを特徴とする。
本発明の電子機器は、請求項１乃至３いずれかに記載の空中線装置を内蔵したことを特徴とする。

本発明によれば、補強用の金属板に流れる電流の影響による性能低下を回避した空中線装置及びそれを用いた電子機器を提供することができる。

携帯型電子機器１０の外観図である。 携帯型電子機器１０の概略的な内部構造図である。 金属板１６の平面図である。 アンテナ１８の動作説明図及びアンテナ１８の電流定在波を示す図である。 第１及び第２の変形例を示す図である。 第３の変形例を示す図である。 第４の変形例を示す図である。 第４の実施形態の具体的構成図である。 ダイポールアンテナとモノポールアンテナの構造図である。 筐体内蔵型空中線装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態を、携帯電話機等の携帯型電子機器への適用を例にして、図面を参照しながら説明する。
図１は、携帯型電子機器１０の外観図である。この図において、携帯型電子機器１０は、特にそれに限定されないが、たとえば、スマートフォンなどと呼ばれるタブレット型の携帯電話機であり、片手で保持できる程度の小型で薄い筐体１１の主面（主たる操作面である表面）に、その主面の多くの部分を専有する表示窓１２を設け、この表示窓１２の直下の筐体１１の内部にタッチパネル付き液晶ディスプレイ等の平面型表示装置（以下、単に表示装置という）１３を実装して構成されている。なお、筐体１１の主面には、さらに、スピーカ用拡声孔１４やマイク用集音孔１５などが設けられており、また、筐体１１の側面等の任意面には、不図示の電源スイッチや充電端子兼用信号端子などが設けられている。

図２は、携帯型電子機器１０の概略的な内部構造図である。この図に示すように、筐体１１の内部には、少なくとも、表示装置１３と補強用の金属板１６と給電点１７とアンテナ１８とが組み込まれている。金属板１６の役割は二つある。第１の役割は、筐体１１外装の剛性確保と表示装置１３の変形防止であり、第２の役割は、筐体１１内部の不図示の電子基板などに対する電磁シールド（遮蔽）である。

金属板１６は、前記第１の役割のために、筐体１１の内部平面サイズと略同等またはそれに近い面積を有する剛性素材が用いられている。これにより、筐体１１外装の剛性確保を図り、且つ、表示装置１３の変形防止、たとえば、表示装置１３の複数の位置（たとえば、四隅などの位置）を金属板１６の上にボルト止め等で保持させることによって、表示装置１３の変形防止も図っている。加えて、金属板１６は、前記第２の役割のために、接地電位を有する導電体（導電性の金属板）とされており、不図示の電子基板などに対する外部ノイズの遮蔽または同電子基板などから発生する輻射ノイズの遮蔽を図っている。

なお、この図では省略しているが、筐体１１の内部の所定位置、たとえば、表示装置１３の背面側や、あるいは、補強金属板１６の任意面側には、この携帯型電子機器１０の動作に必要な各種電子回路を実装した電子基板とバッテリが設けられており、さらに、その電子基板から引き出された平行またはツイスト状の２線ケーブルが給電点１７に接続されている。

図３は、金属板１６の平面図である。この図に示すように、金属板１６は、少なくともλ／２相当の長さの一方側の長辺１９を有し、且つ、一方側の短辺（この図では上側の短辺２０）の側方にＬ字形状部２１を一体形成した平面形状を有している。このような平面形状は、たとえば、金属板を打ち抜き加工することによって得られるが、この加工法に限定されない。図示の平面形状が得られる加工法であればよく、たとえば、別部品のＬ字形状部２１を金属板に接合するなどして図示の平面形状を作り出してもよい。

Ｌ字形状部２１は、金属板１６の短辺２０から側方に延びる矩形状の基部２１ａと、その基部２１ａから９０度屈曲して金属板１６の一方側の長辺１９に沿って平行する直線部２１ｂとから構成されている。直線部２１ｂの長さはλ／４であり、直線部２１ｂの幅は、たとえば、２ｍｍである。ただし、λはアンテナ１８の周波数ｆの１波長［ｍ］である。
金属板１６の長辺１９と直線部２１ｂとの間には、その直線部２１ｂの全長に渡って距離Ｌの隙間（スリット１６ａ）が形成されており、この距離Ｌ（スリット１６ａの幅）は、諸特性（放射効率、帯域幅）とのトレードオフとなるが、おおむね２〜５ｍｍ程度である。

給電点１７の他端に接続されたアンテナ１８はモノポールアンテナであり、このアンテナ１８は金属板１６の一方側の長辺１９に沿って平行に配設されているとともに、給電点１７を介して（Ｌ字形状部２１の）直線部２１ｂの先端に接続されている。

ここで、アンテナ１８はλ／４、すなわち、所定の周波数ｆの１波長［ｍ］の１／４の長さを有するモノポールアンテナであり、一例としてＷｉＭＡＸの２．５ＧＨｚ帯においてはλ／４≒３０ｍｍの長さになるが、この長さは、厳密には「アンテナ１８の長さ＝（λ／４）×短縮率」である。ここに、短縮率はアンテナ１８の材質や太さなどから決まる係数（＜１）である。

次に、アンテナ１８の動作を説明する。
図４（ａ）は、アンテナ１８の動作説明図である。この図は、アンテナ１８に対して給電点１７から周波数ｆの高周波電流を流したときの様子を模式的に示している。

今、ある時点におけるアンテナ１８の電流をＡで示すことにする。この電流Ａの向きを給電点１７からアンテナ１８の先端へと向かう方向とすると、このとき同時に、Ｌ字形状部２１の直線部２１ｂに電流Ｂが発生するとともに、金属板１６の長辺１９に沿って２つの電流Ｃ、Ｄが発生する。

電流Ａ、Ｂは給電点１７を基点にして流れるため、これらの電流Ａ、Ｂの向きは同じであり、さらに、金属板１６の長辺１９に沿って流れる２つの電流Ｃ、Ｄの向きも、それぞれ電流Ａ、Ｂに応答して流れる共振電流であるから、電流Ａ、Ｂと同じ向きであり、結局のところ、図示の４つの電流Ａ〜Ｄのすべてが同じ向きである。

ここで、冒頭で説明した課題は、図１０において、モノポールアンテナ９を補強用の金属板７の長辺側に沿わせた形態にすると、補強用の金属板７に流れる逆向きの電流Ｙｂの磁界の影響により、モノポールアンテナ９の電流Ｘの磁界が弱められてしまい、モノポールアンテナ９の性能低下（特に利得の減少）を招くことにあった。
本実施形態のアンテナ１８の場合、そのような逆向きの電流は生じない。４つの電流Ａ〜Ｄの向きがすべて同じだからである。このため、アンテナ１８の電流Ａの磁界が弱められることがなく、したがって、アンテナ１８の性能低下（特に利得の減少）を招かないという特有の効果が得られる。

図４（ｂ）は、アンテナ１８の電流定在波を示す図である。この図において、区間アはλ／４のアンテナ１８の電流定在波を示しており、同区間アでは給電点１７で最大、アンテナ端で最小（０）となる電流Ａが流れる。また、区間イに相当する給電点１７からＬ字形状部２１の基部２１ａまでの長さ（直線部２１ｂの長さ）もアンテナ１８と同じλ／４であるため、この区間イにおいても、給電点１７で最大、基部２１ａと直線部２１ｂとの接続境界で最小（０）となる電流Ｂが流れる。これら２つの区間（区間ア、イ）を合わせた長さはλ／４の２倍、すなわち、λ／２となり、この２つの区間ア、イにおける電流定在波（電流Ａ、Ｂ）は所定極性（ここでは負極性）の半波長相当になる。

一方、区間ウと区間エは、金属板１６に流れる電流Ｃ、Ｄを示しており、これらの電流Ｃ、Ｄは、区間アと区間イで示す電流Ａ、Ｂに対して逆相、すなわち、正極性の半波長相当の定在波になる。なお、この図では電流Ａ、Ｂの定在波を負極性、電流Ｃ、Ｄの定在波を正極性としているが、逆であってもよい。区間ア〜エで１波長の定在波になればよい。

この図に示すように、本実施形態によれば、電流Ａ、Ｂの極性（向きに）対して電流Ｃ、Ｄを逆相（逆方向）とし、且つ、それらの４つの電流Ａ〜Ｄの向きを図４（ａ）に示す平面において、同じ方向にできるから、前記のとおり、アンテナ１８の性能低下（特に利得の減少）を招かないようにできるという特有の効果が得られる。

実施形態は、前記の例示に限定されず、他の様々な変形例を包含する。
たとえば、以下のように変形してもよい。

＜第１の変形例＞
図５（ａ）は、第１の変形例を示す図である。この図に示すように、金属板１６の他方側の長辺２２にも第２のアンテナ２３を設けてもよい。すなわち、金属板１６の短辺２０の左側方にも、第２の基部２４ａと、その第２の基部２４ａから９０度屈曲して金属板１６の他方側の長辺２２に沿って平行し、且つ、その長辺２２との間に所定の間隔Ｌを隔てて延在するλ／４長の第２の直線部２４ｂとからなるＬ字形状部（第２のＬ字形状部２４）を一体形成するとともに、その第２の直線部２４ｂの先端に第２の給電点２５の一端を接続し、その第２の給電点２５の他端に第２のアンテナ２３を接続した構成としてもよい。

＜第２の変形例＞
あるいは、この第１の変形例をさらに変形させてもよい。
図５（ｂ）は、第２の変形例を示す図である。この図に示すように、金属板１６の他方側の短辺２６の左側方に、第２の基部２４ａと、その第２の基部２４ａから９０度屈曲して金属板１６の他方側の長辺２２に沿って平行し、且つ、その長辺２２との間に所定の間隔Ｌを隔てて延在するλ／４長の第２の直線部２４ｂとからなるＬ字形状部（第２のＬ字形状部２４）を一体形成するとともに、その第２の直線部２４ｂの先端に第２の給電点２５の一端を接続し、その第２の給電点２５の他端に第２のアンテナ２３を接続した構成としてもよい。

第１の変形例は、金属板１６の左右の形をシンメトリックにしたものであり、第２の変形例は、金属板１６の左右の形を１８０度回転させて相似させたものである。いずれの変形例を採用するかは、金属板１６の加工のしやすさ、あるいは、筐体１１の内部への実装のしやすさなどを考慮して適宜に決定すればよい。

なお、これらの第１及び第２の変形例では、二つのアンテナ１８、２３を使用する。このため、たとえば、複数のアンテナでデータの送受信を行なう無線通信技術であるＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）などに適用することができる。ＭＩＭＯは同一の周波数を使い、複数経路で高速のデータ通信を行う技術であるため、ＭＩＭＯに適用する場合、二つのアンテナ１８、２３や二つの直線部２１ｂ、２４ｂの長さは同一のλ／４になる。

二つのアンテナ１８、２３を異なる用途に使用してもよい。たとえば、アンテナ１８を電話用とし、アンテナ２３をＷｉＦｉ等の近距離無線用とするなどである。異なる用途で使用する場合、二つのアンテナ１８、２３や二つの直線部２１ｂ、２４ｂの長さは、各々の使用周波数ｆに応じたものとなることは当然である。

＜第３の変形例＞
図６は、第３の変形例を示す図である。この図に示すように、金属板１６の基部２１ａを、折り曲げ線２７に沿って略９０度屈曲させるようにしてもよい。このようにすると、金属板１６の強度を高めることができ、前記第１の役割（筐体１１外装の剛性確保と表示装置１３の変形防止）を確実なものとすることができるから好ましい。なお、この第３の変形例は、先に説明した実施形態（図３）のみならず、第１の変形例や第２の変形例（図５）のいずれにも適用できる。

＜第４の変形例＞
図７は、第４の変形例を示す図である。この図に示すように、第３の変形例の構成に加え、さらに、金属板１６の長辺１９のうち、直線部２１ｂが対向しない部分１９ａに沿って張り出し部２８を設け、この張り出し部２８を折り曲げ線２９に沿って略９０度屈曲させるようにしてもよい。このようにすると、金属板１６の強度をより高めることができ、前記第１の役割（筐体１１外装の剛性確保と表示装置１３の変形防止）を一層確実なものとすることができる。なお、この第４の変形例についても、先に説明した実施形態（図３）のみならず、第１の変形例や第２の変形例（図５）のいずれにも適用できることはもちろんである。

図８は、第４の実施形態の具体的構成図である。この図に示すように、金属板１６の基部２１ａを折り曲げ線２７に沿って略９０度屈曲させるとともに、さらに、金属板１６の長辺に沿って設けられた張り出し部２８を折り曲げ線２９に沿って略９０度屈曲させているので、金属板１６の強度をより一層高めることができるという効果が得られる。
また、基部２１ａから延びるλ／４長の直線部２１ｂの先端に給電点１７の一端を接続するとともに、給電点１７の他端にλ／４のアンテナ１８を接続するという構成を有しているため、アンテナ１８の電流Ａと直線部２１ｂの電流Ｂ、及び、金属板１６の長辺に沿って流れる電流Ｃ、Ｄの方向をすべて同一にすることができ、アンテナ１８の電流Ａの磁界を弱めることなく、アンテナ１８の性能低下（特に利得の減少）を招かないという効果が得られる。
また、電子基板にＧＮＤ層を設け、このＧＮＤ層を直線部２１ｂとして利用してもよい。この場合、給電点１７への給電は電子基板内に配設可能なストリップライン（トリプレート線路）を利用することが可能である。また、電位の安定性を向上させるために、基部２１ａにて、電子基板のＧＮＤと金属板１６とを接続するのが望ましい。また、接続箇所は短辺の延長線上でなくともよく、たとえば、給電点１７から１／４λの位置であってもよい。

なお、以上の説明では、携帯型電子機器１０への適用を例にしたが、これに限定されない。また、携帯型でなくてもよい。要は空中線装置を内蔵する電子機器であればよく、たとえば、ゲーム機、テレビ受信機、ラジオ受信機、無線通信機、近距離無線用アクセスポイントなどであってもよい。
また、空中線装置の通信方式や周波数も前記の例示（ＷｉＭＡＸの２．５ＧＨｚ帯）に限らない。ＷｉＭＡＸ以外の通信方式であってもよく、また、その周波数も特に限定されない。
さらに、以上の説明では、モノポールアンテナとしたが、たとえば、線状逆Ｆ型アンテナやヘリカルアンテナなど様々なタイプにも適用可能である。

以下、本発明の特徴を付記する。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
付記１は、
少なくともλ／２相当の一側辺を有する導電性の金属板と、
前記金属板の一側辺から所定の距離を隔て且つ前記金属板の一側辺に平行して延在するλ／４の直線部と、
前記直線部の一端と前記金属板の一側辺との間を接続する基部と、
前記直線部の他端に接続された給電部と、
前記給電部を介して前記直線部の他端に接続されたλ／４のアンテナと
を有することを特徴とする空中線装置である。
（付記２）
付記２は、
前記金属板の一側辺と前記基部との間を折り曲げたことを特徴とする付記１に記載の空中線装置である。
（付記３）
付記３は、
前記金属板の一側辺のうち、前記直線部が対向しない部分に張り出し部を設け、前記金属板の一側辺と該張り出し部との間を折り曲げたことを特徴とする付記１または２に記載の空中線装置である。
（付記４）
付記４は、
付記１乃至３いずれかに記載の空中線装置を内蔵したことを特徴とする電子機器である。

Ｌ 距離
１０ 携帯型電子機器（電子機器）
１６ 金属板
１７ 給電部
１８ アンテナ
１９ 一側辺
２１ａ 基部
２１ｂ 直線部
２８ 張り出し部

Claims (4)

1. 少なくともλ／２相当の一側辺を有する導電性の金属板と、
   前記金属板の一側辺から所定の距離を隔て且つ前記金属板の一側辺に平行して延在するλ／４の直線部と、
   前記直線部の一端と前記金属板の一側辺との間を接続する基部と、
   前記直線部の他端に接続された給電部と、
   前記給電部を介して前記直線部の他端に接続されたλ／４のアンテナと
   を有することを特徴とする空中線装置。
2. 前記金属板の一側辺と前記基部との間を折り曲げたことを特徴とする請求項１に記載の空中線装置。
3. 前記金属板の一側辺のうち、前記直線部が対向しない部分に張り出し部を設け、前記金属板の一側辺と該張り出し部との間を折り曲げたことを特徴とする請求項１または２に記載の空中線装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の空中線装置を内蔵したことを特徴とする電子機器。

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