JP2017118377A - 電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンテナの感度劣化を抑制しやすい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は、本発明の第1実施形態に係る電子機器を含むGPSシステムの一例を模式的に示す全体図である。図1に示すように、本実施形態の電子機器1は、ユーザーの手首または腕に装着される腕装着型のランニングウォッチである。このランニングウォッチは、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、ユーザーの運動を支援できる。
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、ユーザーが透光性部材の表面側から透光性部材よりも裏面側(表示部20)を視認できる板状の部材であればよい。
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4を参照して説明する。本実施形態の電子機器1は、GPS衛星100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の構造について図5乃至図10を参照して説明する。
本実施形態のアンテナ30は、板状逆F型アンテナ(PIFA(Plate Inverted F AntennaまたはPlanar Inverted F Antenna))を応用したアンテナである。板状逆F型アンテナは、第2の電極板としての導体板と、第1の電極板としての放射板とを互いに対向するように配置し、短絡部を用いて導体板と放射板を短絡すると共に、給電素子により放射板に給電して電波放射を得る構造となっている。
図5に示す比較例の板状逆F型アンテナ300は、導体板301と同じ大きさの放射板302を用いると共に、Z軸方向から見た時の導体板301と放射板302のX軸方向の位置およびY軸方向の位置が一致するように重ね合わされて配置される。また、比較例の板状逆F型アンテナ300は、導体板301のX軸方向の幅および放射板302のX軸方向の幅と等しい幅の短絡部303を用いている。給電素子304は短絡部303の近くに設けられる。板状逆F型アンテナ300においては、図5に多数の矢印で示すように、短絡部303のY軸方向に延びた辺302aに平行な電流が流れる。したがって、矢印Bに示すように電流経路の長さは、辺302aの長さとなる。比較例の板状逆F型アンテナ300において、λを受信する信号の波長として、電流経路の長さがλ/4に設定されているとすると、例えば、辺302aの長さを36mmとした場合には、λ/4が36mmとなる。したがって、比較例の板状逆F型アンテナ300共振周波数は2.077GHzとなる。
例えば、円形部26b,34bの直径W2を36mmとした場合には、短絡部32の幅W1は15mmに設定されている。短絡部32の幅W1は、15mm以下であればよく、適宜変更可能である。本実施形態では、短絡部32の幅W1を、回路基板26とアンテナ電極34の円形部26b,34bの直径W2よりも狭く設定している。したがって、図6に示す板状逆F型アンテナ400と同様に電流経路を長くすることができ、誘電体を用いることなく、λ/4のアンテナのサイズを縮小することができる。なお、円形部26b,34bの直径W2は20mmから50mmの範囲で適宜変更が可能である。
短絡部32の幅W1は、アンテナ電極34の最大幅より狭く、且つ回路基板26の両方の最大幅よりも狭い必要がある。例えば、アンテナ電極34あるいは回路基板26の一方の最大幅が、短絡部32の幅W1以下である場合には、アンテナ電極34あるいは回路基板26の他方(幅が広い方)も、一方(幅が狭い方)の最大幅だけしかアンテナとして有効に機能しない。その結果、上述したような電流の経路が変化する現象が発生しなくなるからである。
次に、図10乃至図37を参照しつつ、本実施形態におけるアンテナの指向性について説明する。図10は、短絡部403のX軸方向の幅を導体板401および放射板402のX軸方向の幅よりも狭くした本実施形態の板状逆F型アンテナ400を示す模式図である。図11は図10に示す板状逆F型アンテナ400の指向性を3次元で示す図である。図12乃至図14は図10に示す板状逆F型アンテナ400の指向性を2次元で示す図である。なお、図12はZX平面における角度と板状逆F型アンテナ400の利得との関係を示しており、角度については、導体板401から放射板402へZ軸に沿う方向を0度、右回りの方向をプラス、半周を180度としている。以下、角度については、アンテナの指向性を2次元で示す図において同様である。また、図12における利得円は、−1.67dB、−0.33dB、1.00dBを示している。図13はZY平面における角度と板状逆F型アンテナ400の利得との関係を示しており、図13における利得円は、−1.67dB、−0.33dB、1.00dBを示している。図14はXY平面における角度と板状逆F型アンテナ400の利得との関係を示しており、図14における利得円は、−2.00dB、−1.00dB、0.00dB、1.00dBを示している。
図17は図15の状態の板状逆F型アンテナ400の指向性を3次元で示す図、図18は図15の状態の板状逆F型アンテナ400の指向性を2次元で示す図である。図18はZY平面における角度と板状逆F型アンテナ400の利得との関係を示しており、図18における利得円は、−21.50dB、−14.50dB、−7.50dB、−0.50dB、を示している。
このような指向性は、回路基板26とアンテナ電極34の円形部26b,34bの直径W2に対して短絡部32の幅W1を狭くした図2および図7に示すアンテナ30においても同様に得られる。
アンテナ30を図2に示すように電子機器1の内部に配置し、当該電子機器1を図16に示すようにユーザーの左腕406に装着した状態では、アンテナ30はY軸方向に指向性を有することになる。ユーザーが電子機器1を左腕に装着してランニングの姿勢を取ると、一般的には、手の甲が天頂方向に対してほぼ垂直な方向を向く(言い換えると、ユーザーの親指側すなわち橈骨側が天頂方向を向く)ことになる。したがって、図16に示す電子機器1は、表示部20の面に垂直なZ軸方向が、天頂方向に対してほぼ垂直な方向を向くことになり、左腕の長手方向に沿うX軸方向とZ軸方向とに垂直なY軸方向が天頂方向に沿う方向となる。図2および図7に示すアンテナ30を、アンテナ30のアンテナ電極34と回路基板26の面が、図16に示すXY平面に平行となるように電子機器1に配置し、ユーザーが電子機器1を左腕に装着してランニングの姿勢を取ったとする。この場合、アンテナ30は、Y軸方向、即ち、天頂方向に指向性を有することになり、GPS衛星100からの電波を受信し易くなる。
板状逆F型アンテナの指向性は、次のような第1の指向性と第2の指向性との合成で決定される。第1の指向性とは、第1の電極板と第2の電極板のX軸方向の先端(開放端)の縁に沿って流れる磁流によって発生するX軸を中心にドーナツ状に広がる指向性である。第2の指向性とは、第1の電極板と第2の電極板の間をZ軸に平行に流れる電流によって発生するZ軸を中心にドーナツ状に広がる指向性である。
アンテナ300の場合には、短絡部303のX軸方向の幅が、導体板301および放射板302のX軸方向の幅と等しいため、ダイポールアンテナとして働くことがなく、前記第1の指向性の方が前記第2の指向性よりも強くなる。その結果、図27に示すように、Z軸方向にも強い指向性を示す同心円状の指向性を示すことになる。
Z軸を中心としたφ方向に発生する電界(磁界)と、X軸を中心としたθ方向に発生する電界(磁界)という、90度角度の異なる2つの電界(磁界)が90度の位相差を持って重なることで、円偏波が発生する。
ここでωは信号の角周波数、θは信号の位相、Cはコンデンサーの容量である。
この式で示されるようにIとEの間には90度の位相差がある。また電界のθ成分はZ軸方向なので主に放射板402と導体板401の間の電圧E[V]によって発生し、 E[V]と同相である。これに対して電界のφ成分は主に図33の横向き電流がトリガーとなって電流と概同相で発生する。以上のようなメカニズムを主とし、電界のφ成分とθ成分は概90度の位相差を持つことになり、電界のφ成分のベクトルと電界のθ成分のベクトルで概90度の向きの差があれば円偏波を発生する。
1 左回転向き 上向き 右旋
2 右回転向き 上向き 左旋
3 右回転向き 下向き 右旋
4 左回転向き 下向き 左旋
なお、180度と360度を範囲に含めるのは、短絡部32の位置がこれらの角度にある場合には、右旋偏波と左旋偏波の指向性が半々となり、受信性能の境界に当たるためである。
なお、ここで、「ケース2の中心」とは、ケース2の正面、背面、左側面、右側面、平面、及び底面に接する直方体の重心を意味する。
さらに別な言い方をすれば、短絡部の位置は次のように定義することも可能である。前記バンド3を用いて前記ケース2をユーザーの腕または手首に装着した状態で、前記バンド3の長手方向に平行な直線を含み、かつ、前記表示部20に垂直な平面で前記ケース2を掌側と肩側とに体積が等しくなるように二等分した場合を考える。この場合、前記短絡部32は、前記短絡部32の一部又は全部が前記肩側に含まれるように配置される。
なお、図44に示すベゼル16の短い部分があった方が左旋円偏波を発生させる電流成分を打ち消す効果は大きいが、ベゼル16の短い部分を除去して、ベゼル16の長い部分のみにしても効果を得ることができる。この場合、ベゼル16は1つの切り込み19を有していると言うことができる。本発明においては、図44に示す中心線CLのX軸の正方向側を0度とし、ベゼル16の1周を360度としたときに、0度以上180度以下の位置に少なくとも1つの切り込み19を設ければよい。
なお、アンテナ30に左旋円偏波を受信させたい場合にはアンテナ30の中心線に対してY軸の負方向側において、アンテナ30の中心線に平行な線とベゼル16との交点の位置に切り込み19を設けるようにすればよい。
第2パターン:回路基板26−アンテナ30−二次電池28
第3パターン:液晶パネル21−第1の電極板−回路基板26−第2の電極板−二次電池28
第4パターン:液晶パネル21−第1の電極板−回路基板26−二次電池28−第2の電極板
次に、本発明の第2実施形態について図46乃至図60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。
また、本実施形態では、図46に示すように、アンテナ電極34と回路基板26のY軸方向の開放端付近を外側とし、短絡部32が設けられた側を内側とし、さらに外側と内側の中間を中央としている。
図59と図60を比較すると明らかなように、本実施形態では、コンデンサー60は短絡部32に近い位置に配置し、IC回路44は短絡部32から遠くなるように配置した。このようなレイアウトで、比較例と本実施形態の感度の改善量の実測を行ったところ、1.8dBの感度改善が確認された。
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、図8に示すように、回路基板26を導体板(第2の電極板)として用い、放射板(第1の電極板)としてのアンテナ電極34を液晶シールドと兼用した例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、図61に示すように、アンテナ電極34c、34dを、回路基板26および液晶シールドと別体に設けるようにしてもよい。
図62に示すように、短絡部32とは別に、第2短絡部としての周波数調整バー32aを、アンテナ電極34と回路基板26との間に取付けることにより、周波数の調整を行うようにしてもよい。この場合には、周波数調整バー32aの本数と取り付け位置を変えることにより、周波数の調整が可能となっている。これは、周波数調整バー32aを設けることにより、短絡部32の幅を変化させたのと同等の効果が得られるためである。周波数を調整する場合には、周波数調整バー32aの本数と取り付け位置を変えた場合の共振周波数をシミュレーションに算出して行えばよい。
アンテナ30は、放射板(第1の電極板)であるアンテナ電極34と、導体板(第2の電極板)である回路基板26との重なり位置がずれると、共振周波数ずれを起こしてアンテナ感度が劣化する。あるいは、目的の電波を受信できなくなる。そこで、アンテナ電極34と回路基板26との重なり位置のずれを防止するため、図63に示すように、スペーサー35の十字部分35bの2箇所に、凸部35c、35dを設ける。また、アンテナ電極34と回路基板26には、凸部35c、35dの位置に合わせて凹部(貫通している穴を含む、以下穴という)を形成し、35c、35dを穴に嵌め合わせる。このように凸部35c、35dと穴により嵌合部を形成し、アンテナ電極34と回路基板26との重なり位置のずれを防止するようにしてもよい。なお、スペーサー35、アンテナ電極34および回路基板26は嵌合できれば良いので、スペーサー35が穴を有しても良いし、穴と凸部とを有してもよい。また、接着剤等によってアンテナ電極34と回路基板26とを固定しても、固定をしない場合と比較してアンテナ感度の劣化を抑制できるが、製造誤差によって接着位置がずれる可能性がある。嵌合部によって固定する方が、そのようなずれが発生しないため、より好適である。
上述した各実施形態およ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)が挙げられる。その他にも、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およ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およ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、GPS機能を搭載した腕時計型の活動量計等のウェアラブルな電子機器にも適用可能である。
上述した各実施形態および各変形例においては、表示部の例として、液晶パネルを挙げたが、電子制御式の表示装置であれば同様に使用することができる。例えば、有機EL(有機エレクトロルミネッセンス)やEPD(Electro Phoretic Display)等を用いてもよい。
上述した各実施形態および各変形例においては、ケースの180度以上360度以下の範囲に短絡部を配置することで、右旋の円偏波を受信しやすくする例を示したが、逆にすれば、左旋の円偏波の受信に適した電子機器を提供できる。すなわち、ケースの0度以上180度以下の範囲に短絡部を配置することで、ユーザーがランニング姿勢を取った場合に天頂方向に差旋の円偏波の強い指向性を得ることができる。
上述した各実施形態において短絡部32は、第1の電極板と第2の電極板との端部に設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図6における短絡部403は、第1の電極板としての放射板402および第2の電極板としての導体板401の端部に設けられておらず、端部から内側に入った位置に設けられている。
板状逆F型アンテナにおいては、短絡部を第1の電極板と第2の電極板との端部に設けることが、アンテナの感度を向上させる観点から好ましい。しかしながら、実際のアンテナにおいては、例えば、部品配置の関係から、短絡部を端部に設けることができない場合もあり得る。そのような場合であっても、ある周波数におけるアンテナの感度は、電流経路の長さにも依存する。このため、第1の電極板の最大幅および第2の電極板の最大幅よりも短絡部の幅(図5に示す例ではX軸方向の長さ)が狭ければ、電流経路の長さを長くすることができる。よって、本発明のアンテナは、短絡部の幅が第1の電極板の最大幅および第2の電極板の最大幅と一致する従来のアンテナと比較して、ある周波数のアンテナの感度を高めることができる。また、図6に示す例では、短絡部403の幅方向であるX軸方向と、第1の電極板としての放射板402および第2の電極板としての導体板401の幅方向が一致したが、本発明はこれに限定されるものではなく、短絡部403の幅方向がX軸に対して若干傾いているものであってもよい。ただし、アンテナの感度の観点からは、短絡部の幅方向と第1の電極板および第2の電極板の幅方向が一致することが好ましい。
Claims (10)
- 第1の電極板と、第2の電極板と、前記第1の電極板と前記第2の電極板とを短絡する短絡部と、を含むアンテナと、
表示部と、
前記アンテナおよび前記表示部を収容するケースと、
前記ケースに接続されたバンドと、を含み、
前記短絡部は、前記短絡部の前記第1の電極板に接続する位置と前記第2の電極板に接続する位置とを結ぶ線分に交差する方向における幅が、前記交差する方向に沿う方向における前記第1の電極板の最大幅および前記第2の電極板の最大幅よりも狭く、
前記表示部に垂直な方向から、かつ、前記表示部の側から前記ケースを平面視した場合において、前記バンドの長手方向に平行な線に沿う方向を上下方向とした文字を前記表示部に表示した場合に前記文字の上方向を0度、右回りの方向をプラス、1周を360度としたときに、前記短絡部の一部又は全部は、前記ケースの180度以上360度以下の範囲に配置されている、
腕装着型の電子機器。 - 第1の電極板と、第2の電極板と、前記第1の電極板と前記第2の電極板とを短絡する短絡部と、を含むアンテナと、
表示部と、
前記アンテナおよび前記表示部を収容するケースと、
前記ケースに接続されたバンドと、を含み、
前記短絡部は、前記短絡部の前記第1の電極板に接続する位置と前記第2の電極板に接続する位置とを結ぶ線分に交差する方向における幅が、前記交差する方向に沿う方向における前記第1の電極板の最大幅および前記第2の電極板の最大幅よりも狭く、
前記バンドを用いて前記ケースをユーザーの腕または手首に装着した状態で、前記表示部に垂直な方向から前記ケースを平面視した場合において、
前記ケースの中心を通り前記バンドの長手方向に平行な直線において、前記中心から前記ユーザーの小指に向かう側を0度、右回りの方向をプラス、1周を360度としたときに、前記短絡部の一部又は全部は、前記ケースの180度以上360度以下の範囲に配置されている、
腕装着型の電子機器。 - 前記第1の電極板と前記第2の電極板との間隙を保持する間隙保持部材をさらに含み、
前記間隙には空気が充填されている。
請求項1または請求項2に記載の電子機器。 - 前記間隙保持部材は、前記第1の電極板と嵌合する凹部または凸部、および前記第2の電極板と嵌合する凹部または凸部を含む、
請求項3に記載の電子機器。 - 前記短絡部とは異なる位置において前記第1の電極板と前記第2の電極板を短絡させる第2短絡部をさらに含む、
請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の電子機器。 - 前記表示部に垂直な方向から前記ケースを平面視した場合に前記アンテナと重なる位置に配置された、環状の導体をさらに含み、
前記導体は、前記1周を360度としたときに、0度以上180度以下の位置に少なくとも1つの切り込みが設けられている、
請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の電子機器。 - 前記第2の電極板は、回路基板である、
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の電子機器。 - 前記表示部は電子制御式の表示装置であり、
前記短絡部と前記ケースとの間に配置され、前記表示部と前記第2の電極板とを接続する配線をさらに含む、
請求項7に記載の電子機器。 - 前記第1の電極板を前記平面視した場合の形状と前記表示部を前記平面視した場合の形状とは実質的に合同であり、
前記第1の電極板は、前記第2の電極板よりも前記表示部に近い位置に配置されている、
請求項8に記載の電子機器。 - 前記第1の電極板と前記第2の電極板との間に配置された回路基板をさらに含む、
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の電子機器。
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