JP2016181816A - アンテナ及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の放射素子31と、第1の放射素子31が接地する接地点を有するグラウンド板26と、接地点を電気的に共有する位置においてグラウンド板26に接地された第2の放射素子35とを含み、第2の放射素子35の配置は、第1の放射素子31によるグラウンド板26における電流の方向に沿った配置である。
【選択図】図6
Description
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、腕等に近い場所で使用される場合でも感度の低下が少ないアンテナ及び当該アンテナを備えた電子機器を提供することを解決課題とする。
A:アンテナ内蔵式電子機器の機構的な構成
図1に示すように、本実施形態の電子機器1は、ユーザの手首に装着される腕時計型のランニングウォッチであり、上空にある数個のGPS衛星100から送信される衛星信号(GPS信号)をGPS受信機で受信し、現在の位置を算出することが可能なGPS機能を内蔵する。電子機器1は、GPS信号を用いて算出される位置情報と時刻情報により、例えばランニング時に走った距離・速度や経路を測定することができ、ユーザの運動を支援できる。
また、外装ケースとしては、ケース本体11と裏蓋12とを一体に形成したワンピース タイプのものを利用してもよい。ケース本体11と裏蓋12とが一体である場合も、別体である場合にケース本体11に相当する部分をケース本体、裏蓋12に相当する部分を裏蓋と称する。
突起部111の表面側には、ガラス13の支持リング14が係止されている。支持リング14の表面側には、前記ガラス13が載置されている。ガラス13と突条部112との間には、リング状のパッキン15が配置されている。
ケース本体11の突起部111に支持リング14を配置した後、パッキン15を介してガラス13を突条部112内に圧入することで、ガラス13がケース本体11 に取り付けられる。
なお、透光性部材としては、ガラス製に限らず、プラスチック製でもよく、ユーザが透光性部材の表面側から裏面側(後述する表示部20)を視認できる板状の部材であればよい。
溝部161の内周面の直径は、前記突条部112の外周面の直径とほぼ同じ寸法とされている。ガラス13を圧入することで、突条部112が外周側に変形しようとした場合でも、金属製のベゼル16を予め突条部112に圧入して装着しておくことで、突条部112の変形を防止できる。すなわち、ベゼル16は、ガラス13をケース本体11に圧入固定することを補強する機能も有する。そして、ベゼル16によって突条部112が外周側に変形することを防止できるので、前記パッキン15は、ガラス13および突条部112間に隙間無く配置され、必要な防水性を確保できる。
本実施形態においては、第1リボン31と、回路基板26と、第2リボン35とからアンテナ30が構成されている。アンテナ30の詳しい構成については後述する。
回路ケース27は、プラスチックなどの非導電性部材で構成され、二次電池28や振動モータ29等を保持している。また、回路ケース27の上面には、複数のフック271が突出して形成されている。そして、スペーサ25および回路ケース27間に回路基板26を挟んだ状態で、前記フック271を前記スペーサ25に係合することで、スペーサ25、回路基板26、回路ケース27は一体化されている。
次に、本実施形態の電子機器1における回路構成について図5を参照して説明する。本実施形態の電子機器1は、GPS衛星からの電波による測位用信号等を受信して利用するように構成されている。
次に、本実施形態の電子機器1におけるアンテナ30の構成について添付図面を参照して詳細に説明する。
図6及び図7は本実施形態におけるアンテナ30の構成を説明するための模式図である。図6に示すように、本実施形態のアンテナ30は、第1の放射素子としての円弧状の第1リボン31と、第2の放射素子としての円弧状の第2リボン35と、グラウンド板としての回路基板26とを備えている。
第1リボン31は、円弧状のリボン部32と、直線状の給電部33と、直線状のアンテナ電極34とを備えている。
第1リボン31のリボン部32、給電部33、及びアンテナ電極34は、銅線、アルミニウム、銀等のパイプ等を用いて容易に構成できる。抵抗の少ない金属を用いることが好ましい。銅線やアルミニウム等の薄板を用いてもよい。適当な形状の基台に導電性の箔の貼付やエッチング、印刷等によって形成してもよい。ケース本体11の内壁にメッキを施すことによって形成してもよい。また、プラスチック等のコア材にリボンを這わせるような構造も可能である。
リボン部32の一端には、給電部33及びアンテナ電極34が接続され、リボン部32の他の一端は開放されている。給電部33とアンテナ電極34とは回路基板26に接続されている。給電部33は回路基板26の信号パターンに接続され、アンテナ電極34は回路基板26のGNDパターンに接続されている。
第1リボン31は、図2に示すように、平面視においてベゼル16と重なる位置に配置されており、上下方向(図2の平面方向に垂直な方向、表示部20の表示方向)においてベゼル16よりも下方に配置され、無給電素子としてのベゼル16と所定の間隔を有している。
上述のような構成により、ベゼル16を第1リボン31に電磁界結合させることが可能になる。本実施形態では、後述するように、電磁界結合させたベゼル16を直線素子(電流素子)の延長として利用している。
第1リボン31には、給電点を移動させるための給電部33が接続されている。アンテナ電極34は回路基板26のGNDパターンに接続され、給電部33は回路基板26の信号パターンに接続されている。当該構成においては、アンテナ電極34とベゼル16が電流ベクトルを発する電流素子として動作し、リボン部32が磁流ベクトルを発する磁流素子として動作する。つまり、回路基板26はGND板として機能し、回路基板26は前記上下方向において第1リボン31の下方に配置されている。
但し、ベゼル16は、切欠きのないO字形状のリングなので、ベゼル16に流れる電流には対称性があり、ループ素子としては機能しない。つまり、仮にベゼル16の1点に給電したとしても、電流は、当該給電点から双方向に流れることになる。したがって、ベゼル16は、等価的に一本の直線素子として考えられ、等価電気長は、ベゼル16の周長ではなく、直径に近い長さとなる。
本実施形態の電子機器1は、上述したように約1.5GHz、1波長(1λ)が約200mmのGPS電波を受信する。したがって、ベゼル16の等価電気長は、1λよりも十分に短くなっている。本実施形態のアンテナ30においては、ベゼル16の等価電気長と、第1リボン31の等価電気長と、アンテナ電極34の等価電気長とを加えた等価電気長が、1/4λとなるように設定されている。
第2リボン35のリボン部36及びアンテナ電極37は、第1リボン31と同様に、銅線、アルミニウム、銀等のパイプを用いて容易に構成できる。抵抗の少ない金属を用いることが好ましい。銅線やアルミニウム等の薄板を用いてもよい。適当な形状の基台に導電性の箔の貼付やエッチング、印刷等によって形成してもよい。ケース本体11の内壁にメッキを施すことによって形成してもよい。また、プラスチック等のコア材にリボンを這わせるような構造も可能である。
リボン部36の一端には、アンテナ電極37が接続され、リボン部36の他の一端は開放されている。アンテナ電極37は回路基板26のGNDパターンに接続されている。
第2リボン35のアンテナ電極37は回路基板26のGNDパターンに接続されており、第1リボン31のアンテナ電極34の接地点を電気的に共有する位置に接続されている。第1リボン31には給電部33が設けられており給電が行われるが、第2リボン35には給電を行う必要がないため、給電部は設けられていない。したがって、L字型のリボンとなる。
なお、外装ケース2を構成するケース本体11の内側には、例えば図示しない溝が形成されており、第2リボン35は当該溝内に収容され保持される。第2リボン35を保持する方法は、溝を用いる方法だけでなく、例えばケース本体11の内側に第2リボン35を案内する凸部を複数個所に設け、これらの凸部によって保持する方法を用いてもよい。
また、本実施形態においては、ベゼル16の等価電気長と第1リボン31の等価電気長を加えた等価電気長が1/4λとなるように設定されており、第2リボン35の等価電気長も1/4λとなるように設定されている。したがって、本実施形態のアンテナ30は、グランドプレーンアンテナのように、等価電気長が1/2λのアンテナとして動作することになる。
以上のように、本実施形態においては、表示部20とアンテナ30が外装ケース2の内部にあり、外装ケース2は裏蓋12を含む。そして、無給電素子としてのベゼル16の位置は、表示部20に対して裏蓋12とは反対側の位置となっている。さらに、第1の放射素子としての第1リボン31の位置は、ベゼル16と裏蓋12との間の位置となっている。 なお、ベゼル16の代わりとして、無給電素子として機能する金属を含む部材を、表示部20上に設けるようにしてもよい。無給電素子として機能する金属を含む部材を表示部20上に設ける場合も、無給電素子の位置は、表示部20に対して裏蓋12とは反対側の位置である。さらに、第1の放射素子としての第1リボン31の位置は、無給電素子と裏蓋12との間の位置となっている。
しかし、GND板が十分には大きくない場合には、図21に矢印D及び矢印Eで示すように第1リボン31の片側(回路基板26の内側)に電流分布が偏るため、GND板が十分に大きい場合のように腕に水平な電流がキャンセルされなくなる。したがって、第1リボン31のみの場合には影像アンテナの形が崩れると考えられ、グランドプレーンアンテナではなく、腕に水平な方向に置いたダイポールアンテナの動作に近づいてしまう。したがって、図19Aに示すようにアンテナの指向性が腕の方向を向いてしまい、腕の方向に向いた電力が腕に吸収され感度劣化が生じることになる。
第1リボン31は、図9に示すように、一例として、リボン部32の幅が2mm、リボン部32の長さが35.5mm、アンテナ電極34の長さが7mmのものを使用している。当該長さは、1/4λを約50mmとした場合に、1/4λ×0.85の長さとなる。厚さは100μmとなっている。
ベゼル16の等価電気長は、原則的にベゼル16の直径を通る所定の線に対称に電流が流れるため、ベゼル16の円周の約半分の長さである45mmである。しかし、ベゼル16は、腕時計の平面視で第1リボン31と重なる位置に配置されている。当該配置により、腕時計の平面視で第1リボン31と重なるベゼル16部分(以下、重複部と称する)はアンテナ30の等価電気長として第1リボン31とベゼル16とで重複して機能する。本実施形態では、重複部の長さは約35mmであるので、ベゼル16の実質的な等価電気長は、約10mmとなっている。
したがって、本実施形態では、ベゼル16の等価電気長と第1リボン31のリボン部32の長さとアンテナ電極34の長さとを足した長さが約52.5mmで1.15×(1/4λ)となるように設定されている。
第1リボン31及び第2リボン35の垂直部分であるアンテナ電極34,37による電界と、水平部分であるリボン部32,36による電界が概略等しいときに、原理上円偏波が最も強くなる。したがって、垂直部分であるアンテナ電極34,37の長さと水平部分であるリボン部32,36の長さが等しいときが最も放射効率が高くなる。例えば、1/4λを約50mmとした時に、リボン部32,36の長さが25mmで、アンテナ電極34,37が25mmの時に最も放射効率が高くなる。
しかしながら、例えば腕時計型の電子機器の場合には、電子機器の高さは10mm程度なので、アンテナ電極34,37が25mmに設定することはできない。そこで、本実施形態のように、アンテナ電極34,37の長さ、つまり、回路基板26とリボン部32,36との距離として、3〜7mm程度を採用している。
なお、これらの長さは、モメント法などのシミュレーションによって決めることができる。
本実施形態では、上述したように、第2リボン35のリボン部36の長さ35.2mm程度に設定しているため、第1リボン31だけでは30%であった放射効率を、50%まで大幅に改善することができた。
次に、本発明の第2実施形態について図12を参照しつつ説明する。以下の説明において、第1実施形態と共通の構成については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。第1実施形態においては、第2リボン35を第1リボン31の影像の位置、つまり、回路基板26に対して第1リボン31と対称な位置に設けた構成について説明した。しかしながら、本実施形態においては、第2リボン35を第1リボン31と同じ側に設ける。
そこで、本実施形態においては、回路基板26を十分に大きくできない場合に欠落することになる電流分布を、第1リボン31と同じ面側に設けた第2リボン35により補っている。
第2リボン35の長さは、第1実施形態と同様に1/4λ付近に設定し、アンテナの周波数と共振させる。したがって、有限長の第2リボン35に最大限電流を流すことができる。本実施形態においては、上述したように回路基板26の外側に位置することになる電流の分布を、第2リボン35に流れる電流によって再現している。
したがって、回路基板26が十分に大きい場合と同様に、腕方向の指向性を減少させることができ、腕で消費される電力を減少させて感度低下を防止することができる。
さらに、第2リボン35の位置は、平面視において第1リボン31よりも内側に位置していてもよい。第1リボン31よりも内側に位置した場合には、回路基板26の位置することになる電流分布を回路基板26の内側に位置に発生させることになり、同様の効果が得られる。
また、図12におけるZ方向上の位置が、第1リボン31よりも高い位置であってもよい。第1リボン31よりも高い位置場合には、回路基板26の位置することになる電流分布を回路基板26の上方の位置に発生させることになり、同様の効果が得られる。
いずれの場合も、第2の放射素子としての第2リボン35を、理論上流れる電流の密度の高い場所に配置することが好ましい。本実施形態においては、第1放射素子としての第1リボン31による回路基板26上の電流の方向に沿って配置している。なお、第2リボン35の配置は、回路基板26における電流の方向に沿った配置に限定されるものではなくも、回路基板26の外側に理論上流れる電流の方向に沿った配置でもよい。また、第2リボン35は、電流分布のうち電流が強い部分の方向に概ね沿っていれば良い。 第1リボン31と第2リボン35の接地点は、第1の実施形態と同様に、電気的に共有される位置に設けることが重要である。例えば、本実施形態のように、回路基板26の縁部付近に接地点を設けることにより、それぞれの接地点が距離的に近くなり、電気的に共有されることになる。
次に、本発明の第3実施形態について図13を参照しつつ説明する。以下の説明において、第1実施形態及び第2実施形態と共通の構成については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。上述の実施形態においては、金属製のベゼル16を用いる構成について説明したが、本実施形態は金属製のベゼル16を用いない構成となっている。
金属製のベゼル16を用いる場合には、厳密にはベゼル16の影像として回路基板26に対して対称なエレメントが必要になる。したがって、図13に示すように、金属製のベゼルを用いない構成の方が本発明の効果を顕著に発揮することができる。例えば、金属製のベゼル16と第2リボン35を用いた場合には、放射効率は−3.3dB(46%)であるのに対し、金属製のベゼル16を用いずに第2リボン35を用いた場合には、放射効率は−3.1dB(48%)であった。なお、金属製のベゼル16を用いて第2リボン35を用いない場合には、放射効率は−4.5dB(35%)であるのに対し、金属製のベゼル16も第2リボン35も用いない場合には、放射効率は−4.8dB(33%)であった。
図13に示す例は、第1実施形態の図6に対応する図であり、金属製のベゼル16が備えられていない点が第1実施形態と異なっている。
金属製のベゼルを用いない場合とは、プラスチック製のベゼルを用いる場合、あるいは、ベゼルそのものを用いない構成が含まれる。
本実施形態によれば、逆F型のアンテナとしての第1リボン31に対して、影像のアンテナである第2リボン35を実際に設けた構成としたので、GND板としての回路基板26を十分に大きくすることができない場合でも、腕方向の指向性を減少させて放射効率を向上させ、感度低下を防ぐことができる。
次に、本発明の第4実施形態について図14を参照しつつ説明する。以下の説明において、第1実施形態ないし第3実施形態と共通の構成については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。上述の実施形態においては、板状のリボンを用いる構成について説明したが、本実施形態では、針金状のリボンを用いる構成である。
上述した実施形態においては、製造状の利便性を重視して、薄い板状金属を用いて第1リボン31と第2リボン35を形成していた。これらのリボンは大きな金属版をプレス等で当該形に切り抜くことにより低コストで寸法精度良く製造できる。また面積をとることで表皮効果によって流れる電流の面積を広くし、これによってリボンの単位長さあたりの抵抗を小さくし放射効率を0.1〜0.3dB程度改善することもできる。
なお、本実施形態においても、第3実施形態のように金属製のベゼル16を用いない構成としてもよい。
次に、本発明の第5実施形態について図15を参照しつつ説明する。以下の説明において、第1実施形態ないし第4実施形態と共通の構成については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。上述の実施形態においては、円弧状の第2リボン35を用いる構成について説明したが、本実施形態では、一部が屈曲した形状の第2リボン35を用いる。
図15は本実施形態におけるアンテナ30の概略構成を示す斜視図である。図15に示すように、本実施形態の第2の放射素子としての第2リボン35は、一部に屈曲部36aを備えている。第2リボン35の一部に屈曲部36aが形成されていても、接地点に接続された第2リボン35のアンテナ電極37の端部から、第2リボン35の開放された端部36bまでの方向が、第1リボン31による回路基板26上の電流の方向に沿って配置されていれば、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、第2リボン35の配置は、回路基板26における電流の方向に沿った配置に限定されるものではなくも、回路基板26の外側に理論上流れる電流の方向に沿った配置でもよい。また、第2リボン35は、電流分布のうち電流が強い部分の方向に概ね沿っていれば良い。本実施形態においても、第2リボン35は、理論上流れる電流の密度の高い場所に配置することが好ましい。 本実施形態によれば、第2リボン35の一部に屈曲部36aを設けたので、円弧状の第2リボン35を配置することが困難な場合であっても本発明のアンテナの構成を実現することができる。
次に、本発明の第6実施形態について図16を参照しつつ説明する。以下の説明において、第1実施形態ないし第5実施形態と共通の構成については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。第1実施形態においては、電子機器の一例として、デジタル式のランニングウォッチに本発明を適用した。本実施形態は、電子機器の一例として、アナログ式のGPSウォッチに本発明を適用する。
外装ケース80の表面側の開口は、ベゼル16を介してカバーガラス84で塞がれており、カバーガラス84を通じて、内部の文字板81、指針17(時針17a、分針17b、秒針17c)が視認可能となっている。
なお、上述した第2実施形態から第5実施形態の構成を指針式のGPSウォッチに適用してもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば次に述べるような各種の変形が可能である。また、次に述べる変形の態様は、任意に選択された一または複数を、適宜に組み合わせることもできる。
上述した各実施形態では、第1リボン31及び第2リボン35として、円弧状のリボンを採用した例について説明した。しかし、本発明は当該例に限定される訳ではなく、例えば、四角形状であってもよい。
図17は、第1リボン31a及び第2リボン35aとして、四角形状(口の字形状)のリボンを採用した場合のアンテナ30aの構成を説明するための模式図である。表示部の表示面に垂直な方向から平面視したとき、外装ケースが円筒形ではなく、矩形の筒形であるウォッチ等の電子機器の場合には、外装ケースに合わせて第1リボン31a及び第2リボン35aも四角形状に形成することができる。
第1リボン31aは、リボン部32aを備えており、リボン部32aの一端に矩形のアンテナ電極34aと給電部33aとを接続する。同様に、第2リボン35aは、リボン部36bを備えており、リボン部36bの一端に矩形のアンテナ電極37aを接続する。第2リボン35aは、回路基板26aに対して、対称の位置に設けられている。第1リボン31aと第2リボン35aの接地点は、電気的に共有される位置に設定されている。
なお、本変形例においてベゼルを用いる場合には、ベゼルも四角枠形状にすればよい。また、いずれの場合も、リボンの一部に屈曲部が形成されていてもよい。
上述した各実施形態及び各変形例においては、本発明のアンテナにおいて1.5GHzのGPS電波を受信する場合について説明したが、本発明は当該構成に限定されるものではない。本発明のアンテナは、例えば、周波数が100MHzから30GHzの電波を受信に好適である。
本発明を腕時計のサイズの電子機器に適用する場合には、GPSの1.5GHz、あるいは無線LANの2.4GHz付近が最適である。また、本発明を携帯電話のサイズの電子機器に適用する場合には、携帯電話で使っている700MHzあるいは900MHzが最適になる。
利用可能な測位用衛星の信号としては、GPSの他に、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO、BeiDou(BeiDou Navigation Satellite System)、WAAS(Wide Area Augmentation System)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)等が挙げられる。
上述した各実施形態及び各変形例においては、第1の放射素子としての第1リボンと、第2の放射素子としての第2リボンとの等価電気長がそれぞれ1/4波長の場合について説明したが、本発明は当該構成に限定されるものではない。例えば、前記等価電気長は、1/4波長の整数倍であればよい。
上述した各実施形態及び各変形例においては、本発明の電子機器の例として、ランニングウォッチ、及びGPSウォッチを挙げたが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、アンテナにより電波を受信して情報を表示する種々の電気機器に適用可能である。例えば、腕時計型の心拍計、イヤホン型のGPS機器、スマートフォン等の電子機器(電子端末)、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルな電子機器にも適用可能である。
Claims (9)
- 第1の放射素子と、
前記第1の放射素子が接地する接地点を有するグラウンド板と、
前記接地点を電気的に共有する位置において前記グラウンド板に接地された第2の放射素子と、を含み、
前記第2の放射素子の配置は、前記第1の放射素子による前記グラウンド板における電流の方向に沿った配置である、
ことを特徴とするアンテナ。 - 前記第2の放射素子は、前記グウランド板に対して前記第1の放射素子と対称な位置にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 - 前記第2の放射素子と前記第1の放射素子とは、前記グウランド板の同じ面側の位置にある、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。 - 前記第1の放射素子および前記第2の放射素子は、前記グラウンド板に対する平面視において円弧状である、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のアンテナ。 - 前記第2の放射素子は、屈曲部を含む、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のアンテナ。 - 前記第1の放射素子及び前記第2の放射素子の等価電気長は1/4波長である、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のアンテナ。 - 第1の放射素子と、
前記第1の放射素子が接地する接地点を有するグラウンド板と、
前記接地点を電気的に共有する位置において前記グラウンド板に接地された第2の放射素子と、を含み、
前記第2の放射素子の配置は、前記第1の放射素子による前記グラウンド板を流れる電流の方向に沿った配置である、
ことを特徴とする電子機器。 - 表示部と、
前記表示部および前記アンテナを収容し、裏蓋を含むケースと、
金属を含む無給電素子と、を含み、
前記無給電素子の位置は、前記表示部に対して前記裏蓋とは反対側であり、
前記第1の放射素子の位置は、前記無給電素子と前記裏蓋との間である、
ことを特徴とする請求項7に記載の電子機器。 - 前記グラウンド板は前記電子機器の回路基板である、
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の電子機器。
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