JP2018522493A - 付属物装着型小型通信デバイスのためのアンテナ - Google Patents

Abstract

サイズが小さく、アンテナと協働する小型通信デバイスが使用者の身体にごく近接し、かつ使用者によって装着するのに好適な形状因子で、広帯域能力をもって動作する（例えば、機能する）ことを可能にする複数の帯域または広帯域の周波数範囲を呈する、新規かつ発明的なフラクタル及び／または自己相似導電要素を利用するアンテナを提供するアンテナ、アンテナシステム、及び通信デバイスが記載される。上述のように、従来技術のアンテナ／デバイスの従前のサイズ及び性能の制限は、劣るものであり、それらのデバイスの有用性を制限するか、あるいはそれらを動作不能にしていた。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年７月２７日に出願された、「Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ａｐｐｅｎｄａｇｅ−Ｗｏｒｎ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｅｖｉｃｅ」と題された、代理人整理番号０６１７３２−０１０８の米国仮出願第６２／１９７，３７６号の優先権及びその利益を主張し、出願の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

無線通信の最近の傾向は、ハンドヘルドデバイスから、すなわち衣服の一部として、もしくはそれに取り付けられて着用可能であるか、または身体の付属物として、例えば腕時計、ブレスレット、アンクレット、ネックレス、イヤリング等によって着用される無線デバイスに専ら移行することにある。

これらの新しい着用可能型無線デバイスにおける挑戦は、二通りある。１つは、身体へのこれらの近接は、広帯域であり、かつまたは無線通信を達成するための同調に影響されないアンテナを必要とする。２つめは、これらの着用可能型デバイスは、物理的に非常に小さく、しかも広帯域であるか、または広域周波数スペクトルにわたる複数の帯域にわたって動くアンテナを有していなければならない。この問題は、これらの無線デバイスによって用いられる、通常は約４０ｃｍ〜５ｃｍに及ぶ波長を考慮したときに重大になるが、一方で、対照的に、デバイス自体は波長に比して著しく小さい。このように、アンテナは、非常に電気的に小さく、広範なスペクトルにわたる広帯域または複数の帯域にわたって動作することが困難である。さらに、そのような従来技術のアンテナは、関連するＲＦ電子機器との、さらには使用者の身体との実質的な近接場相互作用がある環境では良好に動くことができなかった。

従来技術は、逆Ｆ型アンテナまたはダイポールに類似した多種多様なノッチ付きアンテナ構造体によって明らかにされている。これらのアンテナは、送受話器等の携帯型デバイス上で良好に動く傾向があるが、これらは、小型通信デバイス内に収まるか、または付属物、例えば、腕時計、ペンダント、ネックレス、着用された衣服の小さい部分等への付属品の小さい部品であるには、概ね３０〜５０％大きすぎる。従来技術は、このことを例えばＷｉ−ＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）周波数帯で動作する小型で個別のアンテナを有することによって解決しようと試み得るが、例えば最近のセルフォンで使用可能なデバイスで見られるような十分に広範なスワーフの周波数帯を包含しない。さらに、限られた数のバンドアンテナによっても、より大きな携帯型バンドアンテナによっても、多様なニーズが満たされていない。

そして、１つ以上の身体付属物に取り付けられ得るか、または付属物に取り付けられた小型通信デバイスの一部であるアンテナに対する要求がある。

本開示の実施形態は、サイズが小さく、アンテナと協働する小型通信デバイスが使用者の身体にごく近接し、かつ使用者によって装着するのに好適な形状因子で、広帯域能力をもって動作する（例えば、機能する）ことを可能にする複数の帯域または広帯域の周波数範囲を呈する、新規かつ発明的なフラクタル及び／または自己相似導電要素を利用するアンテナを提供する。上述のように、従来技術のアンテナ／デバイスの従前のサイズ及び性能の制限は、劣るものであり、それらのデバイスの有用性を制限するか、あるいはそれらを動作不能にしていた。

フラクタルまたは自己相似要素を利用することによって、そのようなアンテナは、さもなければ同じ電気的サイズについて可能であるよりもはるかに小さなサイズを有する。小型フラクタルまたは自己相似要素を使用することによって、アンテナは、関連する電気回路からの、例えば、結合された送受信機の近接場におけるより大きな電気分離を提供する。フラクタルまたは自己相似アンテナ要素は、アンテナとＲＦ電子機器との間の、またアンテナと使用者の身体との間のより小さな結合をさらに提供する。それに伴って、アンテナ（アンテナ要素）とＲＦ電子機器との間のより大きな電気分離によって、より小さな誘電値の使用またはそれに対する依拠が可能になり、これは、アンテナにおける損失を低減させ、ひいては、関連する送受信機の効率及び電池寿命を（すべての条件が同じである場合）増大させる。

これらならびにその他の構成要素、ステップ、特徴、目的、利益及び利点は、例示的な実施形態、添付の図面及び特許請求の範囲の以下の詳細な説明を検討すれば明らかになるであろう。

図面は例示的な実施形態のものである。それらは、すべての実施形態を説明するものではない。他の実施形態を追加してまたは代わりに使用することができる。明らかであるか不必要であるかもしれない詳細は、空間を節約するために、またはより効果的な説明のために省略する場合がある。いくつかの実施形態は、追加の構成要素またはステップによって、及び／または図示された構成要素またはステップのすべてを伴わずに実施されてもよい。異なる図面に同じ数字が示されている場合、同じまたは同様の構成要素またはステップを指す。

腕時計の内部に動作アンテナとともに実装された、本開示の主題技術による通信デバイスが実装された実施形態の写真または写真に由来する図である。 腕時計の内部に動作アンテナとともに実装された、本開示の主題技術による通信デバイスが実装された実施形態の写真または写真に由来する図である。 異なる観点から示された、図１の実施形態の写真である。 さらなる実施形態に示された、写真または写真に由来する図面である。

例示的な実施形態をここで説明する。他の実施形態を追加してまたは代わりに使用することができる。明らかであるか不必要であるかもしれない詳細は、空間を節約するために、またはより効果的な説明のために省略する場合がある。いくつかの実施形態は、追加の構成要素またはステップによって、及び／または記述された構成要素またはステップのすべてを伴わずに実施されてもよい。

本開示の実施形態は、サイズが小さく、アンテナと協働する小型通信デバイスが使用者の身体にごく近接し、かつ使用者によって装着するのに好適な形状因子で、広帯域能力をもって動作する（例えば、機能する）ことを可能にする複数の帯域または広帯域の周波数範囲を呈する、新規かつ発明的なフラクタル及び／または自己相似導電要素を利用するアンテナを提供する。上述のように、従来技術のアンテナ／デバイスの従前のサイズ及び性能の制限は、劣るものであり、それらのデバイスの有用性を制限するか、あるいはそれらを動作不能にしていた。

フラクタルまたは自己相似要素を利用することによって、そのようなアンテナは、さもなければ同じ電気的サイズについて可能であるよりもはるかに小さなサイズを有する。小型フラクタルまたは自己相似要素を使用することによって、アンテナは、関連する電気回路からの、例えば、結合された送受信機の近接場におけるより大きな電気分離を提供する。フラクタルまたは自己相似アンテナ要素は、アンテナとＲＦ電子機器との間の、またアンテナと使用者の身体との間のより小さな結合をさらに提供する。それに伴って、アンテナ（アンテナ要素）とＲＦ電子機器との間のより大きな電気分離によって、より小さな（例えば、空気によって生じるような）誘電値の使用またはそれに対する依拠が可能になり、これは、アンテナにおける損失を低減させ、ひいては、関連する送受信機の効率及び電池寿命を（すべての条件が同じである場合）増大させる。

図１は、腕時計の内部に動作アンテナとともに実装された、本開示の主題技術による通信デバイス１００が実装された実施形態の、それぞれ写真または写真に由来する図面の２つの図（Ａ）−（Ｂ）を含む。図（Ａ）は、第１の部分１０４（上側部分）及び第２の部分１０６（下側部分）を有するハウジング内部のアンテナまたはアンテナ導電要素（１０２で示される）を含み、バンド１０８によって使用者の手首に保持されたデバイス１００を示す。

図１を引き続き参照すると、図（Ｂ）は、第２の部分１０６から取り除かれた第１の部分１０４を表示し、アンテナ要素１０２が見える斜視図を示す。示されたように、アンテナ要素１０２は、例えば２次または３次の矩形のジェネレータモチーフを有し得る。空気インターフェース規格または信号プロトコルとも称される無線規格または技術仕様に従って、デジタル及び／またはアナログ形式のＲＦ信号を合成（変調）し、送信し、受信し、復調するように動作するＲＦ送受信機電子機器／回路（図示せず）を含み得る回路基板１１０が示され、その例は、ＬＴＥ（４Ｇ）、５Ｇ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩＥＥＥ８０２．１１バージョンのいずれか及びすべて、ＵＭＴＳ、ならびに全地球測位システム（ＧＰＳ）、２Ｇ及び／または３Ｇ規格、例えばＩＳ−９５、ＩＳ−５４、ＧＳＭ（登録商標）、ＩＭＴ−２０００、及び他の帯域を含むが、これらに限定されない。示されるように、背面１１２がさらに含まれ得る。回路基板１１０をアンテナ要素１０２に連結するための接続１１４が示される。リチウム電池等の好適な電力源（図示せず）を用いて、アンテナ及び回路基板１１０に電力を供給する。

本開示によるアンテナまたはアンテナ要素に好適なフラクタル形状の例は、本開示の譲受人が所有する以下の特許、米国特許第６、４５２、５５３号、同第６，１０４，３４９号、同第６、１４０、９７５号、同第７、１４５、５１３号、同第、７，２５６，７５１号、同第６，１２７，９７７号、同第６，４７６，７６６号、同第７，０１９，６９５号、同第７，２１５，２９０号、同第６，４４５，３５２号、同第７，１２６，５３７号、同第７，１９０，３１８号、同第６，９８５，１２２号、同第７，３４５，６４２号、及び同第７、４５６、７９９号のうちの１つ以上に記載されたフラクタル形状のいずれかを含むことができるが、これらに限定されず、それらすべての内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる。

アンテナ要素構造体のための他の好適なフラクタル形状は、以下の、コッホフラクタル、ミンコフスキーフラクタル、カントールフラクタル、トーンスクエア（ｔｏｒｎ ｓｑｕａｒｅ）フラクタル、マンデルブロー、ケリーツリー（Ｃａｌｅｙ ｔｒｅｅ）フラクタル、モンキーズスイング（ｍｏｎｋｅｙ’ｓ ｓｗｉｎｇ）フラクタル、シェルピンスキーのガスケット、及びジュリアフラクタル、輪郭設定（ｃｏｎｔｏｕｒ ｓｅｔ）フラクタル、シェルピンスキーの三角形フラクタル、メンガーのスポンジフラクタル、ドラゴン曲線フラクタル、空間充填曲線フラクタル、コッホ曲線フラクタル、リアプノフフラクタル、及びクライン群フラクタルのいずれかを含むことができる。

先に述べたように、主題技術の例は、使用者の身体の様々な領域に装着される送受信機のために用いられるアンテナのために用いられることができる。図２は、異なる視点から示された図１の実施形態１００の、写真または写真に由来する図面である。図２では、デバイス１００は、使用者の足首に装着されて示されている。

図３は、主題技術によるアンテナ及び通信デバイスのさらなる実施形態３００の内部を示す、写真または写真に由来する図面である。図中では、フラクタルまたは自己相似導電アンテナ要素は、ハウジング部３０４の内部に添付されて示されている。ハウジング部３０４は、例えばスマートウォッチ等の着用可能型通信デバイスの一部であってもよい。プロセッサ及びメモリを備えるプリント回路基板３０６がさらに示され、回路基板３０６及びその電子機器／回路は、空気インターフェース規格または信号プロトコルとも称される無線規格または技術仕様に従って、デジタル及び／またはアナログ形式のＲＦ信号を合成（変調）し、送信し、受信し、復調（合成解除）するように動作し、その例は、ＬＴＥ（４Ｇ）、５Ｇ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩＥＥＥ８０２．１１バージョンのいずれか及びすべて、ＵＭＴＳ、ならびに全地球測位システム（ＧＰＳ）、２Ｇ及び／または３Ｇ規格、例えばＩＳ−９５、ＩＳ−５４、ＧＳＭ、ＩＭＴ−２０００、及び他の帯域を含むが、これらに限定されない。リチウム電池等の好適な電力源（図示せず）を用いて、例えばアンテナ及び回路基板１１０のためのデバイスに電力を供給する。

本開示の実施形態、及び本明細書で説明された本発明は、１つ以上のアンテナ部を小型化し、多くの周波数帯で動く能力がある小型通信デバイスを可能にするフラクタル設計を用いることができる。そのような周波数帯の例は、空気インターフェース規格または信号プロトコルとも称される周知の無線規格または技術仕様によって特定されるもの、例えばＬＴＥ（４Ｇ）、５Ｇ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩＥＥＥ８０２．１１バージョンのいずれか及びすべて、ＵＭＴＳ、ならびに全地球測位システム（ＧＰＳ）、及び他の帯域を含むが、これらに限定されない。本発明は、アンテナ、これらのアンテナ、及びそれらを用いる小型通信デバイスを設計し作製する方法を包含し、ペンダント、バッジ、包帯、腕時計、及び首、腕、脚、耳、指、つま先、足、足首、そして他の動物については、それらの関連する付属物、例えば、尾、鼻、胴等他の付属物に取り付けられたデバイスを含むが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、好適な導電性インクトレースのために使用される。
例示的な実施形態は、その少なくとも一部が、ジェネレータモチーフ構造体の２つ以上のスケーリング（スケール変更バージョン）、回転、及びまたはオフセットを含むフラクタルまたは自己相似形状寸法によって表される導電要素を含むアンテナを含み、アンテナ要素は、身体付属物に取り付けられて装着されるように適合されたハウジング内に収納されるかまたはそれに含まれる。例示的な実施形態は、アンテナの誘電体として空気を用い得る。

さらなる例示的な実施形態は、導電要素その少なくとも一部が、ジェネレータモチーフ構造体の２つ以上のスケーリング（スケール変更バージョン）、回転、及びまたはオフセットを含むフラクタルまたは自己相似形状寸法によって表される導電要素を含むアンテナを含み、アンテナは、身体付属物に直接取り付けられるかまたは触覚で感知できるように近接して装着される、ＲＦ送受信機等の小型通信デバイスに取り付けられる。

上述のアンテナは、複数の周波数帯で、例えば８００ＭＨｚ〜３６００ＭＨｚの周波数範囲内で、または８００ＭＨｚ〜６０００ＭＨｚの周波数範囲内で動作し得る。

本明細書で論じたアンテナ要素及び／または関連する回路の形状、及び／または通信デバイスの動作は、構成要素について本明細書で論じた機能を実行するように特に構成された専用のコンピュータシステムで実装されるかまたは設計されることができる。各コンピュータシステムは、１つ以上のプロセッサ、有形のメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、及び／またはプログラム可能読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭＳ））、有形の格納デバイス（例えば、ハードディスクドライブ、ＣＤ／ＤＶＤドライブ、及び／またはフラッシュメモリ）、システムバス、ビデオ処理構成要素、ネットワーク通信構成要素、入出力ポート、及び／またはユーザインターフェースデバイス（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイ、マイクロフォン、サウンド再生システム、及び／またはタッチスクリーン）を含む。

各コンピュータシステムは、ラップトップコンピュータ、ノートブックコンピュータ、タブレットコンピュータ、ＰＤＡ、スマートフォン、またはより大きなシステムの部分、例えば、車両、電化製品、及び／または電話システムのようなデスクトップコンピュータまたは携帯型コンピュータであってもよい。

各コンピュータシステムは、同一または異なる場所に１つ以上のコンピュータを含んでもよい。異なる場所にあるとき、コンピュータは、有線及び／または無線ネットワーク通信システムを介して互いに通信するように構成されてもよい。

各コンピュータシステムは、ソフトウェア（例えば、１つ以上のオペレーティングシステム、デバイスドライバ、アプリケーションプログラム、及び／または通信プログラム）を含むことができる。ソフトウェアが含まれている場合、ソフトウェアにはプログラミング命令が含まれ、関連するデータとライブラリが含むことができる。含まれる場合、プログラミング命令は、本明細書で列挙されるように、コンピュータシステムの機能のうちの１つ以上を実装する１つ以上のアルゴリズムを実装するように構成される。各コンピュータシステムによって実行される各機能の説明も、その機能を実行するアルゴリズムの説明を構成する。

ソフトウェアは、１つ以上のハードディスクドライブ、ＣＤ、ＤＶＤ、及び／またはフラッシュメモリなどの１つ以上の固定の有形の格納デバイス上またはそれらの中に格納されてもよい。ソフトウェアは、ソースコード及び／またはオブジェクトコード形式であってもよい。関連するデータは、任意のタイプの揮発性及び／または不揮発性メモリに格納することができる。ソフトウェアは、固定のメモリにロードされ、１つ以上のプロセッサによって実行されてもよい。

説明した構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、及び利点は、単なる例示に過ぎない。それらのいずれも、それに関する議論でも、保護の範囲を制限することを意図しない。多数の他の実施形態も考えられる。これらは、より少ない、追加の、及び／または異なる構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、及び／または利点を有する実施形態を含む。これらには、構成要素及び／またはステップが異なるように配列及び／または順序付けされる実施形態も含まれる。

特に断りのない限り、本明細書に記載されているすべての測定値、値、定格、位置、大きさ、及び他の仕様は、以下の特許請求の範囲を含めて概算であり正確ではない。それらは、関連する機能と関係する従来技術の慣習的なものと一致する合理的な範囲を有することが意図されている。

本開示で引用されたすべての記事、特許、特許出願、及び他の刊行物は、参照により本明細書に組み込まれる。

特許請求の範囲において使用される場合、「手段（ｍｅａｎｓ）」という句は、記載された対応する構造及び材料及びそれらの等価物を包含するように解釈ように意図され、解釈されるべきである。同様に、請求項において使用される場合の「のステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」という句は、記載された対応する動作及びそれらの等価物を包含するように意図され、解釈されるべきである。特許請求の範囲からのこれらの句の不在は、特許請求の範囲が、これらの対応する構造、材料、または動作、またはそれらの均等物に限定されることを意図され、解釈されるべきではない。

保護の範囲は、以下に続くクレームによってのみ制限される。その範囲は、特定の意味が示されている場合を除いて、本明細書及び以下の訴追履歴に照らして解釈されるときに、特許請求の範囲で使用される言語の通常の意味と一致するように広く意図され、すべての構造的及び機能的等価物を包含することを意図している。

「第１」及び「第２」などの関係用語は、実際の関係またはそれらの間の順序を必ずしも要求または暗示することなく、ある存在または行動を別の存在または行動と見分けるためにのみ使用することができる。明細書または特許請求の範囲の要素のリストと関連して使用される場合、その用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、及びその任意の他の変形は、リストが排他的ではなく、他の要素が含まれ得ることを示すことが意図される。同様に、「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」が前に付加されている要素は、それ以上の制約がなければ、同じ型の追加要素の存在を排除しない。

請求項のいずれも、特許法第１０１条、第１０２条または第１０３条の要件を満たさない主題を包含することを意図するものではないか、またはそのように解釈されるべきではない。そのような主題の意図しない任意の範囲は、本明細書では放棄される。この段落に記載されている場合を除き、請求範囲に列挙されているかどうかにかかわらず、記述され、図示されているものが、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、利点、またはそれに相当するものを公衆に献呈させることを意図され、解釈されるべきではない。

この要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認するのを助けるために提供される。請求の範囲または意味を解釈または制限するために使用されないことを理解して提示される。加えて、前述の詳細な説明における様々な特徴は、本開示を簡素化するために様々な実施形態において、共にグループ化される。本開示方法は、各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を要求する請求項を必要とすると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、単一の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ないものである。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、別々に請求される主題として独立して立証される。

Claims (6)

1. 導電要素であって、前記導電要素の少なくとも一部が、ジェネレータモチーフ構造体の２つ以上のスケーリング、回転、及び／またはオフセットを含むフラクタルまたは自己相似形状寸法によって表される導電要素と、
   前記アンテナ要素を保持し、身体付属物に取り付けられて装着されるように適合されたハウジングとを備える、アンテナシステム。
2. 小型ＲＦ通信デバイスが、
   ジェネレータモチーフ構造体の２つ以上のスケーリング、回転、及び／またはオフセットを含む形状寸法によって表される少なくとも一部を備えるアンテナと、
   前記アンテナ要素を保持し、身体付属物に取り付けられて装着されるように適合されたハウジングと、
   所望の広帯域周波数範囲のＲＦ信号を合成し、送信し、受信し、復調するように動作するＲＦ送受信機とを備え、
   前記通信デバイスが、使用者の身体付属物に直接取り付けられるかまたは触覚で感知できるように近接して装着されるように構成され、
   前記通信デバイスが、前記使用者の身体付属物と前記ＲＦ送受信機とが、双方とも前記デバイスの近接場にあるときに動作する、小型ＲＦ通信デバイス。
3. 前記アンテナが、複数周波数帯で動作し、前記周波数帯のうちの少なくとも１つが、８００ＭＨｚ〜３６００ＭＨｚの周波数範囲内で動作している、請求項２に記載の通信デバイス。
4. 前記アンテナが、複数周波数帯で動作し、前記周波数帯のうちの少なくとも１つが、８００ＭＨｚ〜６０００ＭＨｚの周波数範囲内で動作している、請求項２に記載の通信デバイス。
5. 前記アンテナの誘電体として空気が用いられる、請求項２に記載の通信デバイス。
6. 前記システムが、前記使用者の身体付属物が前記アンテナの近接場にあるときに動作する、請求項１に記載のアンテナシステム。

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