JP2016152531A - 無線通信装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】無線機による消費電力を抑えながら、無線機による通信周波数での通信特性を向上させる。
【解決手段】無線通信装置は、アンテナ３００と、アンテナ３００に接続されたＩＣ１０５と、アンテナ３００に対向して配置された金属部材４００と、を備えている。アンテナ３００は、一端部３１０Ａが開放されたアンテナ素子３１０と、アンテナ素子３１０のグラウンドとして用いられるグラウンド導体３２０と、グラウンド導体３２０において磁界強度に対する電界強度の比が最大となる箇所を含む領域Ｒを覆うように設けられ、領域Ｒの面積よりも大きい表面積の導体片３５０と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナに対向して配置された金属部材を備えた無線通信装置、及び無線通信装置を備えた電子機器に関する。

スマートフォン等の撮像装置やパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の近年の電子機器には、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等で通信を行う無線通信装置が搭載されてきている。また、近年のデジタルカメラやＸ線画像診断装置等の撮像装置には、他のカメラやＰＣへ撮像画像を伝送するために、先に述べた無線通信装置を搭載したものが普及してきている。

無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信には、２．４［ＧＨｚ］帯や５［ＧＨｚ］帯の電波が使用される。無線通信装置を備えた電子機器では、無線通信用のアンテナが取り付けられており、そのアンテナの形式として、例えばモノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナ、チップアンテナなど、様々なアンテナが用いられている。

これらのアンテナは、電子機器の小型化やデザイン性の向上のために限られた空間に実装しなければならず、かつ、コストの低減も要求されている。この小型化と低コスト化のため、アンテナは製品筐体の内部に配置されることが多い。しかし、小型の電子機器においてアンテナを内蔵した場合、アンテナと周囲の金属部材を近接して配置させなければならず、それによりアンテナの共振特性が変動するという問題があった。

従来、このような問題を防ぐ手段の一つとして、例えば半導体パッケージからなる無線機への供給電力を上げて放射電力の劣化分を補い、通信周波数での電波放射量を高める方法が知られている（非特許文献１）。

平沢一紘著「アンテナの特性と解法の基礎技術」日刊工業新聞社（２０１１年２月１７日、Ｐ１１３〜Ｐ１３９）

しかしながら、供給電力を上げると、無線通信装置における消費電力が大きくなる。このため、例えばバッテリーを用いる場合には、電力供給が可能な時間が短くなり、１回の充電で通信可能なデータ量は少なくなるという問題があった。また、供給電力を上げると、特に無線機で発熱量が増加し、熱の逃げ場が作りにくい電子機器では、別途放熱対策が必要になるため、コストが増加するという問題があった。

そこで、本発明は、無線機による消費電力を抑えながら、無線機による通信周波数での通信特性を向上させることを目的とする。

本発明の無線通信装置は、アンテナと、前記アンテナに接続された無線機と、前記アンテナに対向して配置された金属部材と、を備え、前記アンテナは、一端部が開放されたアンテナ素子と、前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、前記グラウンド導体において磁界強度に対する電界強度の比が最大となる箇所を含む領域を覆うように設けられ、該領域の面積よりも大きい表面積の導体片と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナと金属部材との共振周波数が通信周波数側にシフトし、無線機による消費電力を抑えながら、無線機の通信周波数での通信特性が向上する。

本発明の実施形態に係る無線通信装置を備えた電子機器の一例であるＸ線画像診断装置を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。（ｂ）は、アンテナの導体の接続状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置のアンテナのグラウンド導体及び導体片と金属部材との容量結合の様子を示す模式図である。 （ａ）は、アンテナに形成される電界分布を示す模式図である。（ｂ）は、アンテナに形成される磁界分布を示す模式図である。 （ａ）は、実施例のプリント配線板で形成したアンテナの第１層の計算モデルを示す図である。（ｂ）は、実施例のプリント配線板で形成したアンテナの第２、第３、第４層の計算モデルを示す図である。 （ａ）は、実施例のアンテナ及び金属部材の寸法および配置位置を示す平面図である。（ｂ）は、実施例のアンテナ及び金属部材の寸法および配置位置を示す斜視図である。 （ａ）は、実施例のグラウンドパターンの端部における波動インピーダンスの値を示すグラフである。（ｂ）は、実施例のグラウンドパターンの端部における波動インピーダンスの値を示すグラフである。（ｃ）は、実施例のグラウンドパターンの端部における波動インピーダンスの値を示すグラフである。 実施例における導体片の辺の長さに対する放射電力を示すグラフである。 実施例における導体片の辺の長さに対する放射電力を示すグラフである。 実施例における導体片の辺の長さに対する放射電力を示すグラフである。 （ａ）は、導体片の変形例を示す説明図である。（ｂ）は、導体片の変形例を示す説明図である。 （ａ）は、比較例の逆Ｆアンテナの近傍に金属部材が配置された場合を示す斜視図である。（ｂ）は、比較例のグラウンド導体と金属部材との両部材に形成される電界を示す模式図である。（ｃ）は、比較例のグラウンド導体と金属部材との容量結合状態を示す模式図である。 （ａ）は、比較例のアンテナに金属部材を近接配置していない場合のアンテナの放射効率の周波数特性を示す図である。（ｂ）は、比較例のアンテナに金属部材を近接配置した場合のアンテナの放射効率の周波数特性を示す図である。 比較例のアンテナと金属部材との距離に対する放射電力を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る無線通信装置を備えた電子機器の一例であるＸ線画像診断装置を示す説明図である。ここで、図１に示すＸ，Ｙ，Ｚ方向は、互いに直交（交差）する方向である。

図１に示すＸ線画像診断装置２００は、Ｘ線撮像素子（撮像素子）２０１と、無線通信装置２０２と、を備えている。撮像素子２０１にて撮像されて生成された画像信号は、無線通信装置２０２に出力される。画像信号の入力を受けた無線通信装置２０２は、画像信号を通信周波数帯の周波数に変調した信号波を、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信より、不図示の他のカメラやＰＣ等の他の電子機器へ伝送する。無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信には、２．４［ＧＨｚ］帯（例えば２．４５［ＧＨｚ］）や５［ＧＨｚ］帯の電波が使用される。

無線通信装置２０２は、樹脂等の非導電性材料で形成された、Ｘ線画像診断装置２００の筐体でもある筐体１０３と、筐体１０３の内部に配置された、プリント回路板１００、ケーブル１０６、アンテナ３００及び金属部材４００と、を備えている。金属部材４００は、電磁波を遮蔽するための部材である。電磁波を遮蔽するとは、電磁波を吸収又は反射することを意味する。本実施形態では、金属部材４００の金属材料としては、例えば、ステンレスの場合について説明するが、電磁波を遮蔽するいかなる金属材料であってもよい。例えば、金属材料として、鉄、銅又はアルミニウムであってもよい。また、本実施形態では、金属部材４００は、筐体１０３の補強も兼ねている。また、金属部材４００には、プリント回路板１００やアンテナ３００がマウントされ、アンテナ３００と金属部材４００とは近接している。

プリント回路板１００は、プリント配線板１０４を有している。また、プリント回路板１００は、プリント配線板１０４に実装された、無線機としての無線ＩＣ（以下、「ＩＣ」という）１０５と、ＩＣ１０５にプリント配線板１０４の配線で接続されたコネクタ１０７と、を有している。ケーブル１０６の一端には、アンテナ３００が接続されている。ケーブル１０６の他端は、コネクタ１０７に接続されている。これにより、ＩＣ１０５は、アンテナ３００にケーブル１０６を介して接続されている。ＩＣ１０５は、信号波を、アンテナ３００を介して無線で送受信するための無線機である。即ち、ＩＣ１０５の内部には、送信機と受信機とが内蔵されている。なお、本実施形態では、無線機であるＩＣ１０５が、送信機と受信機とを有し、信号波の送受信が可能である場合について説明するが、無線機が送信機としてのみ機能する場合、又は無線機が受信機としてのみ機能する場合であってもよい。また、送信機と受信機とが１つのＩＣ１０５（半導体パッケージ）で構成されている場合について説明するが、送信機と受信機とがそれぞれ個別の半導体パッケージで構成されていてもよい。

ＩＣ１０５は、取得した画像信号を処理して通信周波数帯（例えば、２．４［ＧＨｚ］帯や５［ＧＨｚ］帯）の周波数に変調した信号波を、アンテナ３００を介して無線で送信する。アンテナ３００は、通信周波数で効率よく電磁波を発するものであればよく、本実施形態では、逆Ｆアンテナである。

図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。図１及び図２（ａ）に示すように、金属部材４００は、アンテナ３００に対向して配置されている。具体的には、Ｚ方向において筐体１０３の内面と金属部材４００の一方の表面４００Ａとの間にアンテナ３００が配置されている。なお、アンテナ３００と金属部材４００との間に誘電体（絶縁体）からなる不図示の部材が介在していてもよい。

図１に示すように、撮像素子２０１は、金属部材４００に対してＺ方向でアンテナ３００が配置されている側とは反対側に配置されている。具体的には、撮像素子２０１は、図１中、Ｚ方向において金属部材４００の他方の表面と筐体１０３の内面との間に配置されている。

金属部材４００は、アンテナ３００に対向する側の表面４００Ａを有する金属板である。アンテナ３００の金属部材４００に対向する側の表面３００Ａと金属部材４００の表面４００Ａとは、概略平行になるように配置されている。なお、プリント回路板１００は、金属部材４００に対しＺ方向でアンテナ３００が配置されている側に配置されている。即ち、プリント回路板１００は、金属部材４００の表面４００Ａに対向して配置されている。

金属部材４００は、撮像素子２０１やプリント回路板１００等の部品支持用の板状部材である。なお、金属部材４００が、金属板である場合について説明するが、電気的なシールドボックスのような箱状部材でもよい。この場合、箱状部材の一面がアンテナ３００に対向する。−Ｚ方向（アンテナ３００の側から金属部材４００の側に向かう方向：対向方向）に見て、金属部材４００の外形の面積は、アンテナ３００の外形の面積よりも大きい。

アンテナ３００は、プリント配線板で構成され、少なくとも２つの導体層、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、導体層３０１，３０２を有する。導体層３０１と導体層３０２とは絶縁体層３０３を介して隣接している。導体層３０１，３０２は、主に導体が配置される層であり、絶縁体層３０３は、主に絶縁体（誘電体）３４０が配置される層である。アンテナ３００を構成するプリント配線板の導体以外の絶縁体３４０は、例えばＦＲ４等のガラスエポキシ樹脂である。

アンテナ３００は、アンテナ素子３１０と、グラウンド導体３２０と、信号線３３０と、導体片３５０とを有する。アンテナ素子３１０、グラウンド導体３２０、信号線３３０及び導体片３５０は、導電体（金属部品）で形成されている。グラウンド導体３２０は、アンテナ素子３１０のグラウンドとして用いられる。導体片３５０は、グラウンド導体３２０の所定の領域Ｒに覆うように領域Ｒに対向している。具体的には、導体片３５０は、領域Ｒに誘電体（例えば接着剤）又は導電体（例えばはんだ）の接続部材３５１で取り付けられている。本実施形態では、接続部材３５１は、接着剤等の誘電体である。導体片３５０は、直方体状に形成されている。この領域Ｒは、グラウンド導体３２０の表面における領域である。

アンテナ素子３１０は、長い帯状の導体パターンで形成されている。アンテナ素子３１０の長手方向の一端部３１０Ａは、開放された開放端部であり、アンテナ素子３１０の長手方向の他端部３１０Ｂは、グラウンド導体３２０に短絡（接続）されている。

アンテナ素子３１０の他端部３１０Ｂは、グラウンド導体３２０との接続部分３２０Ｃでもある。アンテナ素子３１０は、直線状に形成されていてもよいが、本実施形態では、−Ｚ方向に見て、アンテナ素子３１０の長手方向の一端部３１０Ａがグラウンド導体３２０に近づくように、Ｌ字形状に折り曲げて形成されている。具体的には、アンテナ素子３１０は、他端部３１０Ｂから折れ曲がり部３１０ＣまでＹ方向（第１方向）に延び、折れ曲がり部３１０Ｃから一端部３１０ＡまでＹ方向に交差（直交）するＸ方向（第２方向）に延びて形成されている。

信号線３３０は、ＩＣ１０５から信号波の電流がケーブル１０６を介して供給される給電線である。また、信号線３３０は、アンテナ素子３１０にて受信された信号波の電流が供給される給電線である。

信号線３３０は、Ｙ方向に延びて形成された導体パターンである。信号線３３０の長手方向（Ｙ方向）の一端部３３０Ａは、ケーブル１０６に接続されている。即ち、信号線３３０の一端部３３０Ａは、ケーブル１０６を介して無線機であるＩＣ１０５に接続されている。信号線３３０のＹ方向の他端部３３０Ｂは、アンテナ素子３１０の一端部３１０Ａと他端部３１０Ｂとの間の接続部分３１０Ｄに接続されている。アンテナ素子３１０及び信号線３３０は、導体層３０１に形成されている。

図２（ｂ）は、アンテナの導体の接続状態を示す斜視図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、グラウンド導体３２０は、導体層３０１に形成された第１グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２１と、導体層３０１に形成された第２グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２２と、を有する。また、グラウンド導体３２０は、導体層３０２に形成された第３グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２３を有する。また、グラウンド導体３２０は、図２（ｂ）に示すように、グラウンドパターン３２１，３２２とグラウンドパターン３２３とを接続する複数のヴィア３２４を有する。これにより、グラウンドパターン３２３と、グラウンドパターン３２１，３２２とが複数のヴィア３２４で導通している。グラウンドパターン３２１，３２２は、信号線３３０の配線方向（Ｙ方向：第１方向）と交差（直交）するＸ方向（第２方向）の両側に配置されている。グラウンドパターン３２１，３２２は、−Ｚ方向に見て、外形四角形状（より具体的には外形長方形状）に形成されている。また、グラウンドパターン３２３は、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２１，３２２を包含する外形四角形状（より具体的には外形長方形状）に形成されている。

グラウンド導体３２０は、Ｘ方向の第１端部である端部３２０Ａと、端部３２０Ａとは反対側のＸ方向の第２端部である端部３２０Ｂとを有する。一対の端部３２０Ａ，３２０Ｂのうちアンテナ素子３１０の一端部３１０Ａに相対的に近接しているのが、端部３２０Ａである。即ち、アンテナ素子３１０は、端部３２０Ａに近接する側にＬ字形状に折れ曲がって形成されている。

本実施形態では、グラウンド導体３２０は、信号線３３０のＸ方向の両側に配置された一対のグラウンドパターン３２１，３２２と、Ｘ方向に延びるグラウンドパターン３２３と、を有する。グラウンドパターン３２３は、Ｘ方向の端部３２３Ａと、Ｘ方向の端部３２３Ａとは反対側の端部３２３Ｂと、を有する。

グラウンドパターン３２１は、Ｘ方向で信号線３３０に隣接する側とは反対側の端部３２１Ａを有する。グラウンドパターン３２２は、Ｘ方向で信号線３３０に隣接する側とは反対側の端部３２２Ｂを有する。

そして、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ａと、グラウンドパターン３２１の端部３２１Ａとは重なっている。また、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂと、グラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂとは重なっている。

したがって、グラウンド導体３２０の端部３２０Ａとは、グラウンドパターン３２１の端部３２１Ａ、又はグラウンドパターン３２３の端部３２３Ａである。また、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂとは、グラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂ、又はグラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂである。

なお、−Ｚ方向に見て、端部３２１Ａと端部３２３Ａとが重なる場合について説明するが、いずれか一方が−Ｘ方向に張り出している場合は、張り出している端部がグラウンド導体３２０の端部３２０Ａである。また、−Ｚ方向に見て、端部３２２Ｂと端部３２３Ｂとが重なる場合について説明するが、いずれか一方が＋Ｘ方向に張り出している場合は、張り出している端部がグラウンド導体３２０の端部３２０Ｂである。

また、本実施形態では、アンテナ３００を構成するプリント配線板の導体層が２つとしたが、導体層が３つ以上であってもよく、その場合、グラウンドパターン３２３が導体層３０１以外の各導体層にそれぞれ配置されていてもよい。

Ｌ字形状のアンテナ素子３１０の長手方向（信号伝搬方向）の寸法Ｌ１（全長）は、効率よく電磁波を発するため、通信周波数ｆ_０の波長λの１／４の長さに設定されている。

ところで、近年、電子機器の小型化に伴いグラウンドパターンの面積を小さく設計することが多く、本実施形態でも、アンテナ３００の小型化を図るべく、グラウンドパターン３２１，３２２，３２３の面積をできるだけ小さく設計している。そこで、グラウンド導体３２０（グラウンドパターン３２３）の長尺方向（Ｘ方向）の長さ（λ’／２）が、通信周波数の波長λの１／２以下になる（λ’＜λ）場合について述べる。

なお、図２（ａ）では、グラウンドパターン３２１とグラウンドパターン３２２とは、信号線３３０を介して分離しているように見えるが、図２（ｂ）に示すように、ヴィア３２４とグラウンドパターン３２３により導通されている。

本実施形態では、導体片３５０は、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂ、即ちグラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂを含む領域Ｒに配置されている。つまり、導体片３５０は、グラウンドパターン３２２の表面において端部３２２Ｂを含む領域Ｒに配置されている。そして、導体片３５０は、グラウンド導体３２０に対し金属部材４００の側とは反対側に突出して設けられている。なお、本実施形態では、導体片３５０は、グラウンドパターン３２２に配置されている場合について説明するが、金属部材４００に面する側のグラウンドパターン３２３の端部３２２Ｂを含む領域に配置されていてもよい。

ここで、図１２（ａ）は、比較例の逆Ｆアンテナ１３００の近傍に金属部材４００が配置された場合を示す斜視図である。逆Ｆアンテナ１３００は、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、導体片３５０がない状態のアンテナである。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中の点線に沿う断面において、グラウンド導体３２０と金属部材４００との両部材に形成される電界を示す模式図である。なお、図１２（ｂ）において、グラウンド導体３２０は、模式的に１枚の金属板としている。金属部材４００が逆Ｆアンテナ１３００に近接して配置されると、グラウンド導体３２０の両端部と金属部材４００との間で、図１２（ｂ）中実線で示すような電気力線による容量結合が生じる。

図１２（ｃ）は、グラウンド導体３２０と金属部材４００との容量結合状態を示す模式図である。図１２（ｃ）において、グラウンド導体３２０と金属部材４００とは、キャパシタンスＣ_０で容量結合する。この容量結合により、ある周波数で共振現象が起こる。すると、図１２（ｂ）中、点線で示すように、グラウンド導体３２０の中央では電界が弱く両端部では強くなり、図１２（ｂ）中一点鎖線で示す経路のループ状アンテナのように作用する。このループ状の経路長は波長λ’の長さとなる周波数で共振する。

グラウンド導体３２０の両端部間の長さ（λ’／２）が、通信周波数の波長λの１／２よりも低い（λ’＜λ）場合、逆Ｆアンテナ１３００の共振周波数ｆ_１より高い周波数ｆ_２で、逆Ｆアンテナ１３００と金属部材４００との共振現象が起こる。

図１３（ａ）は、比較例のアンテナ１３００に金属部材４００を近接配置していない場合のアンテナ１３００の放射効率の周波数特性を示す図である。図１３（ａ）に示すように、通信周波数ｆ_０に対して周波数ｆ_１でアンテナ１３００が共振する。

図１３（ｂ）は、比較例のアンテナ１３００に金属部材４００を近接配置した場合のアンテナ１３００の放射効率の周波数特性を示す図である。グラウンド導体３２０と金属部材４００との容量結合によるキャパシタンスＣ_０により、図１３（ｂ）に示すように、逆Ｆアンテナ１３００の共振周波数ｆ_１より高い周波数ｆ_２で、逆Ｆアンテナ１３００と金属部材４００との共振現象が起こる。

この共振現象によってエネルギーが分散し、通信周波数ｆ_０における放射効率がη_０からη_１に減少する（η_０＞η_１）。そのため、アンテナ１３００の電波放射量が低下する。なお、アンテナ１３００から信号波を送信する場合について説明したが、アンテナ１３００で信号波を受信する場合についても同様であり、アンテナ１３００の電波受信量が低下する。

本実施形態では、導体片３５０をグラウンド導体３２０に設けたことにより、金属部材４００がアンテナ３００に近付くことで生じる共振周波数ｆ_２を、通信周波数ｆ_０にシフトさせるものである。

図３は、本発明の実施形態に係る無線通信装置のアンテナのグラウンド導体及び導体片と金属部材との容量結合の様子を示す模式図である。図３に示すように、導体片３５０をグラウンド導体３２０に設けたことにより、導体片３５０の各面と金属部材４００とは、キャパシタンスＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，Ｃ_４で容量結合する。その結果、導体片３５０の配置によって合成キャパシタンスＣの値がキャパシタンスＣ_０よりも大きくなる。共振周波数ｆ_２＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））で算出すると、共振周波数ｆ_２は、低い周波数ｆ_０の方向にシフトする。導体片３５０の各面を通信周波数ｆ_０と共振周波数ｆ_２とが一致するような寸法（面積）とすれば、放射効率を高めることができる。

次に、導体片３５０の配置位置について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、導体片３５０は、グラウンド導体３２０において、アンテナ素子３１０の一端部３１０Ａに近接する端部３２０Ａとは逆側の端部３２０Ｂに配置している。

仮に、端部３２０Ａ側に導体片３５０を配置した場合、アンテナと金属部材４００とによる共振周波数ｆ_２は低い周波数へシフトするが、同時にアンテナ素子３１０に導体片３５０が近付くことによって、アンテナの共振周波数ｆ_１も低い周波数へシフトする。その結果、二つの共振周波数ｆ_１，ｆ_２がシフトするため、放射効率の向上の大きな効果は得られない。

導体片３５０を配置するのに適した位置は、アンテナ素子３１０に影響しない、端部３２０Ａと逆側の端部３２０Ｂであり、本実施形態では、端部３２０Ｂを含む領域Ｒに導体片３５０が設けられている。

ここで、図４（ａ）は、アンテナに形成される電界分布を示す模式図、図４（ｂ）は、アンテナに形成される磁界分布を示す模式図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、実線が電界又は磁界が強い領域、点線は二番目に電界又は磁界が強い領域を示している。図４（ｂ）中、矢印は電流の流れを示している。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）中、導体片３５０の図示は省略している。

信号線３３０から給電された電流は、アンテナ素子３１０に流れ込む。アンテナ素子３１０の開放端部である一端部３１０Ａは、電界が支配的であり、グラウンド導体３２０のグラウンドパターン３２１と結合する。グラウンドパターン３２１は、アンテナ素子３１０の一端部３１０Ａとの距離が近いので、アンテナ素子３１０の一端部３１０Ａの電界と結合し、グラウンドパターン３２１には多くの帰路電流が流れる。グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂは電界が強く、端部３２０Ａ側に比較して電流すなわち磁界が弱い箇所である。その結果、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂは、波動インピーダンスが最も高くなる箇所になる。ここで、波動インピーダンスは、磁界強度Ｈに対する電界強度Ｅの比（Ｅ／Ｈ）である。導体片３５０は、この波動インピーダンスＥ／Ｈが最も高い箇所に配置すればよい。

よって、本実施形態では、導体片３５０は、グラウンド導体３２０の表面における波動インピーダンスＥ／Ｈが最大となる箇所を含む領域Ｒを覆うように設けられている。

ここで、導体片３５０は、直方体であり、直方体の１つの面が、領域Ｒの外形と同一形状で同じ面積である。つまり、グラウンド導体３２０において導体片３５０の１つの面が対向する領域が領域Ｒである。したがって、導体片３５０が領域Ｒに設けられたとき、導体片３５０において外部に露出する表面の面積（表面積）は、領域Ｒよりも大きくなる。これにより、キャパシタンスＣが大きくなり、その結果、共振周波数ｆ_２が通信周波数ｆ_０の方向にシフトする。このような導体片３５０の配置により、通信周波数ｆ_０における放射効率が高められ、ＩＣ１０５による給電電力（消費電力）を上げることなく、通信周波数ｆ_０での電波放射量、即ち通信特性を高めることが可能になる。なお、ＩＣ１０５により信号波を送信する場合について説明したが、受信する場合も同様に、電波受信量、即ち通信特性を高めることができる。つまり、送受信利得（通信利得）が向上する。これにより、例えばＸ線画像診断装置２００がバッテリーで駆動される場合、一回の充電でより多くのデータ伝送が可能になり、無線通信時の省電力化を図ることができる。

［実施例］
上述した原理に基づき、上記実施形態の構成によって放射効率を高められることを示すため、一例として以下のような数値実験を行った。通信周波数ｆ_０を２．４５［ＧＨｚ］として放射効率［％］を求めた。また、放射効率は、逆Ｆアンテナ３００に給電する電力に対する放射電力の比として計算した。計算は、ＡＥＴ社製電磁界シミュレータのＭＷ−ＳＴＵＤＩＯを用いた。

図５は、導体層が４層であるプリント配線板で形成したアンテナ３００の計算モデルを示した図である。図５（ａ）は、プリント配線板で形成したアンテナ３００の第１層の計算モデルを示す図、図５（ｂ）は、プリント配線板で形成したアンテナ３００の第２、第３、第４層の計算モデルを示す図である。グラウンドパターン３２１，３２２，３２３は、ヴィア３２４で接続されている。配線の厚みは３５［μｍ］、層間距離は、第１層，第２層間および第３層，第４層間は０．２［ｍｍ］、第２層，第３層間は０．８７５［ｍｍ］とした。誘電体の厚みは１．３４５［ｍｍ］とした。誘電体はＦＲ４（比誘電率４．３）とし、配線は銅（導電率５．８×１０^７［Ｓ／ｍ］）を用いた。

図６（ａ）は、アンテナ３００及び金属部材４００の寸法および配置位置を示す平面図である。図６（ｂ）は、アンテナ３００及び金属部材４００の寸法および配置位置を示す斜視図である。図６（ａ）において、ブロック状の導体片３５０が配置される領域Ｒは、点線で示している。金属部材４００の厚みは０．５［ｍｍ］とした。

以下、導体片３５０のサイズを変更した場合の検討結果を示すが、原点を点Ｐ５０１として寸法ｎ_２，ｍ_２を変更した。また導体片３５０の固定に関し、接続部材３５１は、接着剤を想定して寸法ｎ_２，ｍ_２、厚みｐ_２＝０．１［ｍｍ］、比誘電率３．５の誘電体とした。

表１に図５及び図６の各寸法を示す。金属部材４００の面４００Ａとアンテナ３００の面３００Ａとが平行になるように配置し、金属部材４００の面４００Ａからアンテナ３００の面３００Ａまでの距離ｄ_０とした。

表２に、導体片３５０の寸法をｍ_２＝８．５［ｍｍ］、ｎ_２＝７［ｍｍ］、ｏ_２＝１０［ｍｍ］とし、ｄ_０＝２［ｍｍ］としたとき、導体片３５０がある場合と無い場合の放射電力および放射効率を示す。表２により、導体片３５０を設けることで放射効率が１０倍以上高まっていることがわかる。

ここで、導体片３５０は、直方体であるので、−Ｚ方向に見たときには、図６（ａ）に示すように、外形が長方形状である。即ち、導体片３５０は、−Ｚ方向に見たとき、図６（ａ）に示すように、Ｙ方向に延びる辺（第１辺）３５０Ａと、辺３５０Ａに交差する、Ｘ方向に延びる辺（第２辺）３５０Ｂとを有する長方形となる。この導体片３５０の長方形状の面が領域Ｒに取り付けられる。導体片３５０は、図６（ｂ）に示すように、高さ方向（Ｚ方向）に延びる辺（第３辺）３５０Ｃを有する。即ち、導体片３５０は、互いに交差する辺３５０Ａ，３５０Ｂ，３５０Ｃを有する直方体であり、辺３５０Ａ，３５０Ｂの長方形の部分が対向して取り付けられるグラウンド導体３２０の表面の領域が領域Ｒである。導体片３５０の辺３５０Ａとグラウンド導体３２０の端部３２０Ｂとが重なり、導体片３５０における辺３５０Ａと辺３５０Ｂとの角部とグラウンド導体３２０の端部３２０Ｂ側の角部（点Ｐ５０１）とが重なるように導体片３５０が配置されている。

次に、配置位置及び各変数について寸法の規定を行う。アンテナ１３００に給電する電力を１００［ｍＷ］とし、導体片３５０が無い状態で間隔ｄ_０［ｍｍ］を変化させたときの放射電力［ｍＷ］の推移を図１４に示す。即ち、図１４は、比較例のアンテナ１３００と金属部材４００との距離に対する放射電力を示すグラフである。図１４より、金属部材４００からアンテナ１３００までの間隔ｄ_０を小さくしていくと放射電力が低下していくことがわかる。

本実施例において、グラウンド導体３２０に対する導体片３５０の配置位置について示す。上述したように、導体片３５０は、グラウンド導体３２０の表面において、電界が強く磁界が弱い箇所、即ち波動インピーダンスＥ／Ｈ［Ω］が最大となる箇所に重なるように配置することで、アンテナ３００における放射効率が改善する。

図７は、図６（ｂ）において導体片３５０、及び誘電体である接続部材３５１が無い場合、アンテナ１３００のグラウンド導体３２０と金属部材４００との共振周波数２．６７［ＧＨｚ］における、波動インピーダンス［Ω］の値を示している。なお、図６（ｂ）における間隔ｄ_０は２．０［ｍｍ］とした。

図７（ａ）は、図５（ｂ）に示すグラウンドパターン３２３の端部３２３Ａにおいて点Ｐ５０４から点Ｐ５０８に向かう方向の距離に対する波動インピーダンスの値を示すグラフである。図７（ａ）より、点Ｐ５０４からの距離が８．５［ｍｍ］のとき、つまり点Ｐ５０８において、波動インピーダンスの値が１８２０［Ω］となることがわかる。

図７（ｂ）は、図５（ｂ）に示すグラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂにおいて、点Ｐ５０３から点Ｐ５０２に向かう方向の距離に対する波動インピーダンスの値を示すグラフである。図７（ｂ）より、点Ｐ５０３からの距離が８．５［ｍｍ］のとき、つまり点Ｐ５０２において、波動インピーダンスの値が２２４０［Ω］となり最大であることがわかる。

図７（ｃ）は、図５（ｂ）に示すグラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂにおいて、点Ｐ５０８から点Ｐ５０２に向かう方向の距離に対する波動インピーダンスの値を示すグラフである。図７（ｃ）より、点Ｐ５０８からの距離が４９．１［ｍｍ］のとき、つまり点Ｐ５０２において、波動インピーダンスの値が２２４０［Ω］となり最大であることがわかる。

以上より、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ａ，３２３Ｂ，３２３Ｃにおいて波動インピーダンスが最大となる箇所は点Ｐ５０２であることがわかる。点Ｐ５０１及び点Ｐ５０２における波動インピーダンスはほぼ同じであるため、導体片３５０の一部が点Ｐ５０１又は点Ｐ５０２と近接するように配置すればよい。

次に、ｎ_２＝７［ｍｍ］、ｏ_２＝９［ｍｍ］、ｄ_０＝２［ｍｍ］に固定し、ｍ_２を変化させた場合の通信特性について評価する。ここで、寸法ｍ_２は、導体片３５０の辺３５０Ａの長さである。寸法ｎ_２は、導体片３５０の辺３５０Ｂの長さである。寸法ｏ_２は、導体片３５０のＺ方向の長さ、即ち導体片３５０の辺３５０Ｃの長さである。また、金属部材４００と導体片３５０との間のＺ方向の間隔をｑ_２とする。

図８は、図６（ａ）に示した点Ｐ５０１からグラウンドパターン３２２の短尺方向（Ｙ方向）に沿ってｍ_２の値を０．５［ｍｍ］から１５［ｍｍ］まで変化させた場合の放射電力を示すグラフである。即ち、図８は、実施例における導体片３５０の辺３５０Ａの長さに対する放射電力を示すグラフである。

図８に示すように、導体片３５０が無い場合の放射電力６．５［ｍＷ］に比較して２倍以上になる寸法ｍ_２は、１．５［ｍｍ］以上１２．５［ｍｍ］以下である。より好ましくは、導体片３５０が無い場合に比較して５倍以上になる寸法ｍ_２は、５．８［ｍｍ］以上１１．２［ｍｍ］以下である。寸法ｍ_２が９．５［ｍｍ］の場合に、最大の効果が得られる。

また、図５（ａ）に示すように、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂ（グラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂ）におけるＹ方向の長さをｍとする。導体片３５０の寸法ｍ_２をｍに対する比率として規格化する。導体片３５０が無い場合に比較して２倍以上になる寸法ｍ_２の範囲は、０．１７６≦ｍ_２／ｍ≦１．４７１となる。即ち、放射電力が２倍以上となる辺３５０Ａの長さは、グラウンド導体３２０の端部３２０ＢにおけるＹ方向の長さの０．１７６倍以上１．４７１倍以下である。

次に、ｍ_２＝８．５［ｍｍ］、ｏ_２＝９［ｍｍ］、ｄ_０＝２［ｍｍ］に固定し、寸法ｎ_２を変化させた場合の通信特性について評価する。図９は、図６（ａ）に示した点Ｐ５０１からグランウドパターンの長尺方向（Ｘ方向）に沿って寸法ｎ_２を０．１［ｍｍ］から３５［ｍｍ］まで変化させた場合の放射電力を示している。即ち、図９は、実施例における導体片３５０の辺３５０Ｂの長さに対する放射電力を示すグラフである。

図９に示すように、導体片３５０が無い場合に比較して２倍以上になる寸法ｎ_２は、０．１［ｍｍ］以上３０［ｍｍ］以下である。より好ましくは、導体片３５０が無い場合に比較して５倍以上になる寸法ｎ_２は、３［ｍｍ］以上２０［ｍｍ］以下である。寸法ｎ_２が９［ｍｍ］の場合に、最大の効果が得られる。

また、図５（ａ）に示すように、グラウンド導体３２０における端部３２０Ｂと、アンテナ素子３１０の他端部３１０Ｂが接続された接続部分３２０Ｃにおいて端部３２０Ａに近接する側の接続点Ｐ５１１とのＸ方向の長さ（間隔）をｕとする。導体片３５０の辺３５０Ｂの寸法ｎ_２を寸法ｕに対する比率として規格化する。導体片３５０が無い場合に比較して放射電力が２倍以上になる寸法ｎ_２の範囲は、０．００５≦ｎ_２／ｕ≦１．４９３となる。即ち、放射電力が２倍以上となる導体片３５０の辺３５０Ｂの長さｎ_２は、寸法ｕの０．００５倍以上１．４９３倍以下である。

次に、ｍ_２＝８．５［ｍｍ］、ｎ_２＝１４［ｍｍ］、ｄ_０＝２［ｍｍ］に固定し、寸法ｏ_２を変化させた場合の通信特性について評価する。図１０は、寸法ｏ_２を０．１［ｍｍ］から３０［ｍｍ］まで変化させた場合の放射電力を示している。即ち、図１０は、実施例における導体片３５０の辺３５０Ｃの長さに対する放射電力を示すグラフである。導体片３５０が無い場合に比較して２倍以上になる寸法ｏ_２は、５［ｍｍ］以上１３［ｍｍ］以下である。より好ましくは、導体片３５０が無い場合に比較して５倍以上になる寸法ｏ_２は、８［ｍｍ］以上１４［ｍｍ］以下である。寸法ｏ_２が１０．５［ｍｍ］の場合に、最大の効果が得られる。

図３に示したように、キャパシタンスＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，Ｃ_４の容量結合は、導体片３５０と金属部材４００との間で形成される。そこで、金属部材４００からアンテナ３００までの距離ｄ_０と誘電体からなる接続部材３５１の厚みｐ_２とアンテナ３００の厚み１．４１５［ｍｍ］を足した値ｑ_２＝３．５１５［ｍｍ］を用いて、導体片３５０の寸法ｏ_２をｑ_２に対する比率として規格化する。導体片３５０が無い場合に比較して放射電力が２倍以上になるｏ_２の範囲は、２．２７６≦ｏ_２／ｑ_２≦３．９８３となる。即ち、放射電力が２倍以上となる導体片３５０の辺３５０Ｃの長さｏ_２は、寸法ｑ_２の２．２７６倍以上３．９８３倍以下である。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。

上記実施形態では、キャパシタンスＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３が形成される面をＺ方向、すなわちアンテナ３００のグラウンドパターンの面と垂直方向に設けたが、これに限定するものではない。図１１（ａ）は、導体片の変形例を示す説明図である。図１１（ａ）に示すように、導体片１３５０が、グラウンドパターン３２２の面と水平方向に設けた導体板であってもよい。

また、上記実施形態では、導体片３５０が、グラウンド導体３２０に対して金属部材４００の側とは逆側に配置されている場合、即ち金属部材４００に向かう側とは反対側に突出して形成されている場合について説明したが、これに限定するものではない。図１１（ｂ）は、導体片の変形例を示す説明図である。図１１（ｂ）に示すように、導体片２３５０が、グラウンド導体３２０に対して金属部材４００の側に配置されている場合、即ち金属部材４００に向かう側に突出して形成されている場合であってもよい。

また、上記実施形態では、導体片３５０を誘電体からなる接着剤（接続部材）を用いて接着固定したが、例えば半田などの金属（導電体）の接続部材を用いてグラウンド導体３２０に固定してもよい。また、導体片を、グラウンド導体と一体成型してもよい。

また、上記実施形態では、図２（ｂ）に示すように、アンテナと金属部材による共振周波数ｆ_２が通信周波数ｆ_０よりも高い周波数で発生する場合について述べた。逆に低い周波数で発生する場合は、導体片３５０を波動インピーダンスの低い箇所、すなわち図７（ｃ）に示すグラウンドパターンの長尺方向における中央付近に配置すればよい。

また、上記実施形態では、導体片３５０の形状を直方体とした場合について説明したが、円柱状や多角柱状であってもよく、段差や曲面を設けてもよい。

また上記実施形態では、導体片３５０の内部が金属で充填されている場合について説明したが、図３に示すキャパシタンスＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３が形成される側面あれば、導体片の内部は空洞であってもよい。また、一つの側面がない器状や複数の側面がなくてもよい。即ち、領域Ｒの面積よりも大きい表面積となれば、導体片の外形の形状は、どのような形状であってもよい。

また、上記実施形態では、アンテナ３００が逆Ｆアンテナに適用した場合について説明したが、アンテナ素子とグラウンドパターンが同一平面もしくは互いに平行な面に配置されたパターン状のアンテナであれば本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、電子機器が、撮像装置の一例としてＸ線画像診断装置の場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、撮像装置として、デジタルカメラやスマートフォン等であってもよく、また、撮像装置以外の電子機器についても本発明は適用可能である。

１０５…ＩＣ（無線機）、２００…Ｘ線画像診断装置（電子機器）、２０２…無線通信装置、３００…アンテナ、３１０…アンテナ素子、３１０Ａ…一端部、３１０Ｂ…他端部、３２０…グラウンド導体、３２０Ａ…端部（第１端部）、３２０Ｂ…端部（第２端部）、３３０…信号線、３５０…導体片、Ｒ…領域

Claims (8)

1. アンテナと、
   前記アンテナに接続された無線機と、
   前記アンテナに対向して配置された金属部材と、を備え、
   前記アンテナは、
   一端部が開放されたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、
   前記グラウンド導体において磁界強度に対する電界強度の比が最大となる箇所を含む領域を覆うように設けられ、該領域の面積よりも大きい表面積の導体片と、を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記アンテナ素子の他端部は、前記グラウンド導体に接続されており、
   前記アンテナ素子は、前記アンテナの側から前記金属部材の側に向かう対向方向に見て、前記グラウンド導体の側にＬ字形状に折れ曲がって形成されており、
   前記導体片が設けられた前記領域は、前記グラウンド導体において、前記アンテナ素子の他端部から折れ曲がり部に向かう第１方向に対して交差する、前記アンテナ素子の折れ曲がり部から一端部に向かう第２方向の両端部のうち、前記アンテナ素子の一端部に近接する第１端部とは反対側の第２端部を含む領域であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記導体片は、前記対向方向に見たときに、前記第１方向に延びる第１辺と、前記第２方向に延びる第２辺とを有する長方形となるように形成されており、
   前記第１辺の長さが、前記グラウンド導体の前記第２端部における前記第１方向の長さの０．１７６倍以上１．４７１倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記導体片は、前記対向方向に見たときに、前記第１方向に延びる第１辺と、前記第２方向に延びる第２辺とを有する長方形となるように形成されており、
   前記第２辺の長さが、前記グラウンド導体における前記第２端部と、前記アンテナ素子の他端部が接続された接続部分において前記第１端部に近接する側の接続点との前記第２方向の長さの０．００５倍以上１．４９３倍以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信装置。
5. 前記導体片は、前記対向方向に見たときに、前記第１方向に延びる第１辺と、前記第２方向に延びる第２辺とを有する長方形となるように形成され、かつ前記金属部材に向かう側とは反対側に突出して形成されており、
   前記導体片の前記対向方向の長さが、前記金属部材と前記導体片との間の前記対向方向の間隔の２．２７６倍以上３．９８３倍以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. 前記アンテナは、一端部が前記無線機に接続され、他端部が前記アンテナ素子の一端部と他端部との間に接続された信号線を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
7. 前記導体片は、前記グラウンド導体に誘電体又は導電体の接続部材で取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の無線通信装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の無線通信装置を備えた電子機器。

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