JP2017028369A - アンテナ、情報処理装置、および情報端末 - Google Patents

Abstract

【課題】情報端末の小型化、多機能化とアンテナ特性を両立させる。【解決手段】情報端末の主動作部に内蔵される主基板部３０の端にアンテナ素子３４を設け、給電点４２から給電する。また、ユーザが把持して操作を行う入力手段を備えた入力部に内蔵される副基板部３２の回路基板４０を、アンテナ素子３４の中心軸と平行に、空間Ｓを隔てて基板の一部の左辺が位置するような配置および形状とすることで、無給電素子として利用する。【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信を行う情報機器に関する。

携帯ゲーム機、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、タブレット端末など、無線通信機能を有する携帯端末の普及により、ネットワークを利用して電子コンテンツを楽しんだり情報を取得・共有したりすることが、場所を問わず日常的に行われている。近年では、端末サイズやデザイン上の制約により、通信に必要なアンテナは端末に内蔵されるのが一般的である。このような制約のもと、常に良好な通信を行えるようにする様々な技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／１３６３９８号

アンテナは周囲の空間を含めた実装体積が大きいほど、広帯域、高利得の特性が得られることが知られている。しかし上述のような端末サイズやデザイン上の制約が厳しくなるにつれ、十分な実装体積を確保することが難しくなっている。また、装置内部の各種モジュールによる電磁場の影響や通信波の受信しやすさなどの観点から、アンテナの実装位置にも制約がある。携帯端末が多機能になり内蔵するモジュールが増えるほど、このような制約が厳しくなり、結果としてアンテナ感度を良好に保つのが難しくなっていく。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、情報端末が小型化・多機能化しても良好な無線通信を実現できる技術を提供することにある。

本発明のある態様はアンテナに関する。このアンテナは、給電回路から給電される線状のアンテナ素子と、アンテナ素子の最長直線部分と間隙を有して略平行に対向する端辺を有する接地電位の回路基板と、を備えたことを特徴とする。

本発明の別の態様は情報処理装置に関する。この情報処理装置は、上記特徴を有するアンテナと、回路基板上に備えた回路および前記アンテナ素子から取得した電気信号に基づき情報処理を行う情報処理部と、を備えたことを特徴とする。

本発明のさらに別の態様は情報端末に関する。この情報端末は、ディスプレイを備えた主動作部と、ユーザ操作のための入力手段を備えた入力部と、が側面の一部が間隙を有して略平行に対向するように連結され、主動作部は、入力部と対向している側面の内部にアンテナ素子を備えることを特徴とする。

本発明のさらに別の態様も情報端末に関する。この情報端末は、線状のアンテナ素子および当該アンテナ素子へ給電を行う給電回路と、アンテナ素子および給電回路を備えるとともに、アンテナ素子の最長直線部分と略平行な形状で前記アンテナ素子と隣接する切り欠き部分を有する接地電位の回路基板と、を備えたことを特徴とする。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によると、無線通信機能を有する情報端末の小型化・多機能化とアンテナ特性を両立させることができる。

本実施の形態の情報端末の外観例を示す図である。 本実施の形態の情報端末の内部構造例を示す図である。 本実施の形態において良好なアンテナ効率を得るために望ましい基板の配置条件を説明するための図である。 本実施の形態によるアンテナ効率に対する効果を示す図である。 本実施の形態におけるアンテナ素子周囲の電流分布のシミュレーション結果を比較する図である。

図１は、本実施の形態の情報端末の外観例を示している。ここで例示する情報端末は、入力装置、情報処理装置、表示装置を一体化してなる端末であり、特に携帯ゲーム機を想定している。ただし情報端末の用途はこれに限定されず、無線通信機能を有する端末であれば、携帯電話、タブレット端末、ＰＤＡ、リモートコントローラなどのいずれでもよい。またそのような端末の用途に応じて、操作ボタンなどの入力手段の外観形状や構成も様々であることは当業者には理解されるところである。

図１は、下段に情報端末１０の正面（ディスプレイ面）図、上段に情報端末１０の上面図を示している。情報端末１０は主に３つの筐体ブロックからなり、ディスプレイ２２を備えた主動作部１２の両側に、操作ボタンなどの入力手段を備えた入力部１４、１６を、接続部１８、２０により接続した構成を有する。より詳細には、情報端末１０は破線で囲まれた部分１９のように、主動作部１２の筐体部分の側面の一部が、入力部１４の筐体部分の側面の一部と間隙を有して対向するような凹みを含む形状を有する。

ユーザは、入力部１４、１６を両側から把持することにより、ディスプレイ２２に表示された画像を見ながら、把持する手指で入力部１４、１６が備える各種入力手段を操作する。主動作部１２は、ディスプレイ２２の背後にＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリ、アンテナ、バッテリー、各種センサー、通信モジュールなど、情報端末１０が有する各種機能を実現させるための回路を備える。

ディスプレイ２２は液晶パネルなど、ゲーム画面や各種コンテンツの画面を表示する表示手段であり、その前面を透明なタッチパッドで覆うことによりタッチパネルを構成してもよい。また主動作部１２の上面や背面には、各種入出力端子やメモリカードスロットなどが備えられていてもよい。主動作部１２はさらに、図示しないカメラやスピーカーなどを備えていてもよい。

入力部１４、１６は、ユーザが押下したり傾動したりすることにより、それに割り当てられた操作入力を行えるハードウェアを備える。ただし場合によってはその一部または全部がソフトウェアキーであってもよい。右側の入力部１４は、正面に△ボタン２４ａ、○ボタン２４ｂ、□ボタン２４ｃ、×ボタン２４ｄ、およびジョイスティック２８ａを備える。また上面には、Ｒ１／Ｒ２ボタン２９ａを上下に備える。

左側の入力部１６は、正面に上下左右の方向キー２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、およびジョイスティック２８ｂを備える。また上面には、Ｌ１／Ｌ２ボタン２９ｂを上下に備える。△ボタン２４ａ、○ボタン２４ｂ、□ボタン２４ｃ、×ボタン２４ｄ、Ｒ１／Ｒ２ボタン２９ａ、Ｌ１／Ｌ２ボタン２９ｂは、押下することにより、情報端末１０が実施するアプリケーションに応じて割り当てられた機能を入力するための手段である。

方向キー２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは、押下することによりそれぞれが示す方向を入力するための手段である。ジョイスティック２８ａ、２８ｂは、傾動することにより傾動方向および傾動量を入力するための手段である。情報端末１０を携帯ゲーム機などとした場合、図示するような多数の操作ボタンが必要となる。操作ボタンでなくとも、情報端末１０を多機能化するほど、内部のモジュールが増加する。

一般的にはモジュールが増えるほど、また、端末を小型化するほど、それらとの余計な共振によってアンテナの放射抵抗が低下し、放射効率が劣化する。本実施の形態では、モジュールを搭載した回路基板の一部を、無給電素子として利用できるように配置することにより、アンテナの放射効率を向上させ、広帯域において良好な通信状態が実現されるようにする。

図２は情報端末１０の内部構造例を示している。ただし本実施の形態に直接関連しない回路などの構成については図示を省略している。同図左側の図（ａ）は、図１で示した正面図と同じ方向から、特に右端部分の内部構造を見た図であり、右側の図（ｂ）は、その一部分の斜視図である。すなわち図（ａ）における主基板部３０は、図１の主動作部１２の右端部分に対応し、副基板部３２は右側の入力部１４に対応する。

主基板部３０は、主動作部１２を構成する各種回路モジュールを搭載した導体の回路基板３６と、その右側、すなわち主基板部３０の右端に配置された、導体のアンテナ素子３４を備える。アンテナ素子３４は、端部の給電点４２において、主基板部３０に搭載された図示しない給電回路からの給電を受けるとともに、最長直線部分が、主基板部３０の右辺とおよそ平行になるように給電点４２から屈曲させた形状を有する線状の導体である。アンテナ素子３４が受信した電気信号は増幅回路などを経て適宜、ＣＰＵなどの回路モジュールに送信され、情報処理に用いられる。

副基板部３２は、入力部１４を構成する各種回路モジュールを搭載した導体の回路基板４０を備える。副基板部３２の回路基板４０と主基板部３０の回路基板３６は、入力部１４を構成する各種入力手段に対する操作により生じた電気信号を伝送するためのフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）３８で接続される。なお回路基板３６と回路基板４０の水平面を一致させることが可能な場合は両者を共通の基板としてもよい。ＦＰＣ３８により伝送された電気信号は適宜、ＣＰＵなどの回路モジュールに送信され、情報処理に用いられる。

副基板部３２の回路基板４０は接地電位に短絡しているとともに、その一部の左辺が、主基板部３０のアンテナ素子３４の実装部分と空間Ｓを隔て、かつアンテナ素子３４の最長直線部分とおよそ平行になるような形状および配置とする。これにより、アンテナ素子３４と副基板部３２の回路基板４０を電磁界結合させてアンテナ素子３４の放射効率を向上させる。すなわち別途、無給電素子を設けることなくアンテナ効率を向上させることができる。

なおアンテナ素子３４の形状は図示するものに限らず、実用化されているアンテナ形状を適宜採用してよい。また回路基板３６と回路基板４０を１枚の共通した基板で形成する場合は、接地電位に短絡させた当該基板において、空間Ｓが形成されるように、アンテナ素子３４と隣接する位置で切り欠き部分を設ければよい。またアンテナ素子３４の最長直線部分と、それと対向する回路基板４０の左辺は厳密な平行でなくてもよく、一般的なアンテナにおける給電素子と無給電素子に対し形成される平行と同程度の角度範囲を有していてよい。

図３は、良好なアンテナ効率を得るために望ましい基板の配置条件を説明するための図である。ここで、アンテナ素子３４の最長直線部分に垂直な軸をｘ軸、平行な軸をｙ軸とする。そして図示するように、アンテナ素子３４の最長直線部分と、それに対向する回路基板４０の左辺とのｘ軸方向の距離をＬ１、アンテナ素子３４の給電点４２からＦＰＣ３８の中心までのｙ軸方向の距離をＬ２、ＦＰＣ３８のｘ軸方向の長さをＬ３、ＦＰＣ３８の中心から回路基板４０のうちアンテナ素子３４に対向する側の端（上端）までのｙ軸方向の距離をＬ４、回路基板４０のｘ軸方向の幅をＬ５とする。本願発明者は、これらのパラメータが次のような条件を満たすようにすると良好なアンテナ特性が得られるという知見を得た。

Ｌ１≦λ／４
Ｌ２≧λ／４
Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５≧λ／４
ここでλはアンテナ素子３４が共振する周波数である。このような条件により、他のモジュールによる余分な共振を抑えつつ、回路基板４０を無給電素子として利用して良好なアンテナ特性を得ることができる。

図４は回路基板４０を上述のように配置したことによる、アンテナ効率に対する効果を示している。同図実線は回路基板４０を設けた場合、破線は回路基板４０のない場合、すなわち単に装置の端にアンテナ素子を設けた場合の、周波数帯に対するアンテナ効率をそれぞれ表している。この結果から明らかなように、回路基板４０を設けることにより、アンテナを小型化することによって不利になりやすい１ＧＨｚ以下の周波数帯において、アンテナ効率が著しく向上する。その結果、共振点を可変にするためのアンテナスイッチなどを別途導入せずとも、広帯域に対応した通信が可能になる。

図５は７００Ｈｚの周波数におけるアンテナ素子３４周囲の電流分布のシミュレーション結果を回路基板４０の有無で比較している。図の上段は回路基板４０がない場合、下段は回路基板４０を設けた場合であり、双方、図の左側には主基板部３０が、下段にはさらに右側に回路基板４０を含む副基板部３２が設けられている。またアンテナ素子３４の周辺において図の輝度が大きいほど電流が大きいことを表している。同図によれば、回路基板４０を設けることにより、電流分布の範囲が明らかに広がっており、アンテナ素子３４の放射効率が向上していることがわかる。

なお図１に示した例では、アンテナ素子３４と回路基板４０の間の空間が外観上からも視認されるような形状の筐体としたが、筐体内部において、図２に示したように回路基板４０が空間を隔ててアンテナ素子３４と対向していれば、筐体の形状は特に限定されない。すなわち情報端末は、主動作部１２と入力部１４、１６を全体的に覆う、凹みのない形状の筐体であってもよい。また、主動作部１２に端子を設け、ユーザが必要に応じて入力部１４等を接続することで図２に示したような内部構造が実現されるようにしてもよい。

以上述べた本実施の形態によれば、情報端末に内蔵する回路基板の一部を、内蔵するアンテナと平行に、かつ所定の間隔を有して基板端が位置するような形状および配置とする。このようにすることで回路基板を無給電素子として利用できるため、アンテナの放射効率が向上し、広い周波数帯で良好なアンテナ特性が得られる。このようなアンテナ特性を得るためには本来、ある程度以上のアンテナの実装体積が必要であったり、別途、無給電素子やアンテナスイッチを搭載したりする必要があるため、端末の小型化や多機能化の妨げとなっていた。

本実施の形態では回路基板の形状と配置の変更によりこれを実現するため、製造コストを増大させることなく、端末の小型化と多機能化に対する通信性能の高い頑健性を実現できる。また、アンテナ素子３４のさらに外側に筐体を設けた構造を利用して、当該筐体を、ユーザが把持しつつ各種入力手段を操作するための入力部とすることにより、操作性に優れ外観上の違和感のない情報端末を実現できる。このときアンテナ素子は中央部分の主動作部に備えられるため、アンテナ素子からの信号を取得するための配線の取り回しも複雑化しない。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば本実施の形態では回路基板を無給電素子として利用したが、装置内部のモジュールとして接地電位に短絡させる導体があれば、それを利用してもよい。この場合も、当該導体がアンテナ素子の最長直線部分と間隙を有して平行になるような回路構成とすれば、本実施の形態と同様の効果が得られる。

１０ 情報端末、 １２ 主動作部、 １４ 入力部、 １６ 入力部、 ３０ 主基板部、 ３２ 副基板部、 ３４ アンテナ素子、 ３６ 回路基板、 ４０ 回路基板、 ４２ 給電点。

Claims (7)

1. 給電回路から給電される線状のアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子の最長直線部分と間隙を有して略平行に対向する端辺を有する接地電位の回路基板と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ。
2. 前記アンテナ素子の共振周波数をλとしたとき、
   前記アンテナ素子の最長直線部分と、それと対向する前記回路基板の端辺との間隔Ｌ１が、
   Ｌ１≦λ／４
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記回路基板と、前記アンテナ素子および前記給電回路を備えた回路基板との間において、前記間隙を形成するように垂直方向に渡る接続部をさらに備え、
   前記アンテナ素子の給電点から前記接続部の中心までの、前記アンテナ素子の最長直線部分方向の距離Ｌ２が、
   Ｌ２≧λ／４
   を満たすことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記間隙を渡る方向の前記接続部の長さＬ３、前記接続部の中心から、前記アンテナ素子の最長直線部分方向における前記アンテナ素子に対向する回路基板の端までの距離Ｌ４、前記アンテナ素子の最長直線部分に垂直な方向における前記アンテナ素子に対向する回路基板の幅Ｌ５が、
   Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５≧λ／４
   を満たすことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のアンテナと、
   前記回路基板上に備えた回路および前記アンテナ素子から取得した電気信号に基づき情報処理を行う情報処理部と、
   を備えたことを特徴とする情報処理装置。
6. ディスプレイを備えた主動作部と、
   ユーザ操作のための入力手段を備えた入力部と、
   が側面の一部が間隙を有して略平行に対向するように連結され、
   前記主動作部は、前記入力部と対向している側面の内部にアンテナ素子を備えることを特徴とする情報端末。
7. 線状のアンテナ素子および当該アンテナ素子へ給電を行う給電回路と、
   前記アンテナ素子および前記給電回路を備えるとともに、前記アンテナ素子の最長直線部分と略平行な形状で前記アンテナ素子と隣接する切り欠き部分を有する接地電位の回路基板と、
   を備えたことを特徴とする情報端末。