JP2019092115A - アンテナモジュールおよび無線機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】第１周波数帯域の無線通信を行うアンテナ素子と、第２周波数帯域の無線通信を行うアンテナパターンとを、省スペースに配置することが可能なアンテナモジュール、および該アンテナモジュールを備えることで小型化が可能な無線機器を提供する。【解決手段】アンテナモジュールは、基板と、基板に搭載された第１周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナ素子と、基板に形成され、アンテナ素子の周囲に形成された第２周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナパターンと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、アンテナモジュールおよび無線機器に関する。
携帯電話等の携帯用無線通信端末に用いられるアンテナとして、例えば、基板上にアンテナ素子を実装した構成のものや、基板上にアンテナパターンを形成して構成したものがある。基板上に実装されるアンテナ素子としては、例えば、誘電体もしくは磁性体またはこれら両方の性質を有する材質からなる基体の表面に螺旋状またはジグザグ状の導体パターンを形成してなる、いわゆるチップアンテナ素子がある（例えば、特許文献１参照）。また、基板上に形成されるアンテナパターンとしては、例えばＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）タグで用いられるループアンテナがある（例えば、特許文献２参照）。
一般的に、アンテナ素子に金属構造体が近接するとアンテナ特性が劣化する。このため、基板上に実装されたチップアンテナ素子の周囲は、チップアンテナ素子を動作させるために必要最低限の構成（例えば、チップアンテナ素子への給電導体、インピーダンスマッチング回路）以外のパターンや部品が配置されないアンテナ形成領域とされる。また、チップアンテナ素子は、部品が配置される部品配置領域のグランドパターンから離す必要があるので、基板の端部に実装されることが多い。このため、チップアンテナ素子を用いる場合、基板は、部品配置領域と、部品配置領域から離間した基板の端部にアンテナ形成領域とを確保する必要があるため、ある程度基板面積が必要となる。
ＲＦＩＤタグで用いられるループアンテナは、一端がＲＦＩＤタグＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；集積回路）の一端に接続され、他端がＲＦＩＤタグＩＣの他端に接続されている。外部機器（例えば、ＲＦＩＤリーダライタ）が備えるループアンテナで生じた磁束が、ＲＦＩＤタグのループアンテナを通過することにより、ＲＦＩＤタグのループアンテナには誘導起電力が生ずる。ＲＦＩＤタグＩＣは、この誘導起電力によって動作し、データ伝送を行うことが可能になる。
特許第４１６５３２３号公報 特開平１０−２２４２７７号公報
ところで、無線機器では、チップアンテナ素子を用いて無線ネットワークを介したセンサデータの送信を行い、赤外線通信を用いた非接触通信によりプロビジョニング（Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ）を行う。尚、上記のプロビジョニングとは、無線機器を無線ネットワークに参入させるために必要な設定を行うことである。一方、近年、無線機器に対するプロビジョニングの際の設定を、スマートフォンやタブレット端末等で行うことがある。このような場合、スマートフォンやタブレット端末等に内蔵されたループアンテナを用いた非接触通信によって、設定を行いたいという要望がある。
そのため、無線機器は、チップアンテナ素子とループアンテナとを備える必要があるところ、前述の通り、チップアンテナ素子については、部品配置領域以外の基板の端部にアンテナ形成領域を確保する必要がある。このため、チップアンテナ素子と部品とループアンテナとを離して配置することになり、基板が大型化してしまい、機器を小型化する上で問題があった。尚、ループアンテナを別基板に作成すれば良いとも考えられるが、基板の数が増えることから、小型化の問題は解決されず、低コスト化を図る上でも問題となる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、第１周波数帯域の無線通信を行うチップアンテナ素子と、第２周波数帯域の無線通信を行うアンテナパターンとを、省スペースに配置することが可能なアンテナモジュール、および該アンテナモジュールを備えることで小型化が可能な無線機器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るアンテナモジュール（１）は、基板（１１）と、前記基板に搭載された第１周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナ素子（チップアンテナ素子２１）と、前記基板に形成され、前記アンテナ素子の周囲に形成された第２周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナパターン（ループアンテナ３１、ループアンテナ９３１）と、を備える。
これにより、第１アンテナが通信で用いる第１周波数帯域と、第２アンテナが通信で用いる第２周波数帯域で無線信号の送信と受信を行うアンテナモジュールを小型化することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールにおいて、前記基板は、前記アンテナパターンを形成可能な少なくとも二層を有しており、前記アンテナパターンは、前記二層のうちの一層目にループ状に形成された第１のループパターンと、前記二層のうちの二層目にループ状に形成され、前記基板の厚み方向において前記第１のループパターンと少なくとも一部が重なるように形成された第２のループパターンと、前記第１のループパターンと、前記第２のループパターンと、を接続する接続部（３１４）と、を有するようにしてもよい。
これにより、アンテナモジュールを小型化でき、アンテナ素子を配置する領域を確保することができる。
また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールにおいて、前記アンテナ素子は、前記アンテナパターンの中心近傍に配置されるようにしてもよい。
これにより、アンテナパターンとアンテナ素子との離間距離が確保できるため、アンテナパターンによるアンテナ素子のアンテナ特性の劣化を低減することができる。なお、アンテナパターンの中心近傍とは、ループパターンの内側領域の中点を含み、ループパターンの内側の縁からアンテナ素子の外側の縁までの上下左右の距離それぞれが所定値以上となる領域を含む。
また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールにおいて、前記基板は、前記アンテナ素子への給電導体以外の導体、及び受動部品で構成されるインピーダンスマッチング回路（２３）以外の回路が形成されていないアンテナ形成領域を有し、前記アンテナ素子および前記アンテナパターンは、前記アンテナ形成領域に形成されているようにしてもよい。
また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールにおいて、前記アンテナ素子は、前記給電導体を介して供給される電力により動作し、前記アンテナパターンは、外部から非接触で供給される電力により動作するようにしても良い。
また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールにおいて、前記アンテナパターン（ループアンテナ９３１）は、少なくとも二重に巻回されたループパターンであるようにしてもよい。
これにより、アンテナモジュールを小型化でき、アンテナ素子を配置する領域を確保することができる。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る無線機器（１００）は、上記のいずれかのアンテナモジュール（１）と、前記アンテナモジュールに電源を給電する電池（７）と、前記アンテナモジュールを用いて外部と無線通信を行う電気回路（ＲＦスイッチ２、トランシーバ部３、ＲＦＩＤタグ制御部４、制御部６）と、を備える。
これにより、第１アンテナが通信で用いる第１周波数帯域と、第２アンテナが通信で用いる第２周波数帯域で無線信号の送信と受信を行い小型化することができる。
また、本発明の一態様に係る無線機器において、前記電池は、前記基板の周囲に配置され、前記アンテナ素子の通信方向と重なり合わない位置に配置されるようにしてもよい。
これにより、電池によるチップアンテナ素子のアンテナ特性の劣化を低減することができる。
また、本発明の一態様に係る無線機器において、前記電気回路は、制御部（６）を備え、前記制御部は、前記アンテナ素子および前記アンテナパターンそれぞれによる送信する期間が重なり合わないように制御するようにしてもよい。
これにより、一方の通信中に他方の通信を行わないように制御するため、アンテナ素子およびアンテナパターンそれぞれのアンテナ特性の通信時の劣化を防ぐことができる。
また、本発明の一態様に係る無線機器は、センサ（５）と、前記電池を収容する電池ケース（１０５）と、前記センサ、前記電池ケースを支持する本体シャーシ（１０２）と、前記本体シャーシに取り付けられ、前記センサ、前記電池ケースを覆う本体カバー（１０４）と、をさらに備えるようにしてもよい。
これにより、第１アンテナが通信で用いる第１周波数帯域と、第２アンテナが通信で用いる第２周波数帯域で無線信号の送信と受信を行うアンテナモジュールを小型化でき、このアンテナモジュールを備える無線通信機器を小型化できる。
本発明によれば、第１周波数帯域の無線通信を行うアンテナ素子と、第２周波数帯域の無線通信を行うアンテナパターンとを、省スペースに配置することが可能である。また、無線機器の小型化が可能である。
本実施形態に係る無線機器の構成例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナモジュールの構成例を示す図である。 本実施形態に係るループアンテナの構成例を示す平面図である。 本実施形態に係るループアンテナの構成例を示す斜視図である。 図４のＡ−Ａ’線における断面図である。 本実施形態に係るループアンテナの内側の例を示す図である。 他の構成例のループアンテナの内側の例を示す図である。 本実施形態に係るループアンテナの内側領域におけるチップアンテナ素子の配置例を示す図である。 他の構成例のループアンテナの内側領域におけるチップアンテナ素子の配置例を示す図である。 本実施形態に係るアンテナモジュールを有する無線機器の部品配置例を示す正面図と側面図である。 比較例のチップアンテナ素子を有する無線機器の構成例を示す図である。 比較例のアンテナモジュールと本実施形態のアンテナモジュールのアンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。 比較例のアンテナモジュールと本実施形態のアンテナモジュールのアンテナ指向性のシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態に係る無線機器における第１周波数帯と第２周波数帯との通信タイミングが重なり合わない例を示す図である。 本実施形態に係る無線機器における第１周波数帯と第２周波数帯との通信タイミングが重なり合った例を示す図である。 本実施形態に係る無線機器における第１周波数帯の通信中に第２周波数帯の通信を行おうとした場合の例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本実施形態に係る無線機器１００の構成例を示す図である。
図１に示すように、無線機器１００は、アンテナモジュール１、ＲＦスイッチ２（電気回路）、トランシーバ部３（電気回路）、ＲＦＩＤタグ制御部４（電気回路）、センサ５、制御部６（電気回路）、および電池７を備える。アンテナモジュール１は、チップアンテナ素子２１、およびループアンテナ３１（アンテナパターン）を備える。
無線機器１００は、不図示の無線ゲートウェイと第１周波数帯域の無線信号の送信と受信を行う。第１周波数帯とは、例えばＬＰＷＡＮ（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の１つであるＬｏＲａ（登録商標）アライアンスの通信規格であるＬｏＲａ通信方式が使用する周波数帯である。無線機器１００は、不図示の端末と第２周波数帯域の無線信号の送信と受信を行う。第２周波数帯域とは、例えばＲＦＩＤタグの通信が使用する周波数帯である。不図示の端末は、例えば、ＲＦＩＤリーダライタ機能を有するスマートフォン、タブレット型又はノート型のパーソナルコンピュータ等である。
チップアンテナ素子２１は、第１周波数帯域の無線信号の送信と受信を行う。チップアンテナ素子２１は、受信した第１周波数帯域の無線信号を、ＲＦスイッチ２に出力する。チップアンテナ素子２１は、ＲＦスイッチ２が出力する第１周波数帯域の無線信号を送信する。なお、チップアンテナ素子２１は、自己給電により動作する。つまり、チップアンテナ素子２１は、電池７から出力された電力をトランシーバ部３によって送信するための電力に変換された電力の供給を受けて動作する。なお、以下の説明では、アンテナ素子の例としてアンテナがチップ部品として構成されているチップアンテナ素子を例に説明するが、アンテナ素子は、他の構成のアンテナであってもよい。また、チップアンテナ素子２１は、基板１１の表面に実装されていても良く、基板１１に内蔵されていても良い。
ループアンテナ３１は、第２周波数帯域の無線信号の送信と受信を行う。ループアンテナ３１は、受信した第２周波数帯域の無線信号を、ＲＦＩＤタグ制御部４に出力する。ループアンテナ３１は、ＲＦＩＤタグ制御部４が出力する第２周波数帯域の無線信号を送信する。なお、ループアンテナ３１は、外部からの非接触給電により動作する。
ＲＦスイッチ２は、無線信号の経路を切り換えるスイッチである。ＲＦスイッチ２は、チップアンテナ素子２１が出力する第１周波数帯域の無線信号をトランシーバ部３に出力する。ＲＦスイッチ２は、トランシーバ部３が出力する第１周波数帯域の無線信号をチップアンテナ素子２１に出力する。
トランシーバ部３は、ＲＦスイッチ２が出力する第１周波数帯域の無線信号に対して所定の信号処理を行って、情報を抽出する。トランシーバ部３は、抽出した情報を制御部６に出力する。トランシーバ部３は、制御部６が出力する情報に対して所定の信号処理を行って、第１周波数帯域の無線信号を生成する。トランシーバ部３は、生成した第１周波数帯域の無線信号をＲＦスイッチ２に出力する。制御部６が出力する情報は、例えばセンサ５が計測した計測情報である。
ＲＦＩＤタグ制御部４は、外部から非接触で供給される電力によって動作し、ループアンテナ３１が出力する第２周波数帯域の無線信号に対して所定の信号処理を行って、情報を抽出する。例えば、不図示の端末からプロビジョニングのための情報が送信されてきた場合には、ＲＦＩＤタグ制御部４は、そのプロビジョニングのための情報を抽出する。ＲＦＩＤタグ制御部４は、抽出した情報を制御部６に出力する。ＲＦＩＤタグ制御部４は、制御部６が出力する情報に対して所定の信号処理を行って、第２周波数帯域の無線信号を生成する。ＲＦＩＤタグ制御部４は、生成した第２周波数帯域の無線信号をループアンテナ３１に出力する。
センサ５は、例えば温度センサ、湿度センサ、気圧センサ、振動センサ等である。センサ５は、計測した計測情報を制御部６に出力する。
制御部６は、センサ５が出力する計測情報を、例えば所定の周期でトランシーバ部３に出力する。制御部６は、トランシーバ部３が出力する情報を取得する。なお、トランシーバ部３が出力する情報には、例えば、不図示の無線ゲートウェイから受信した要求等が含まれている。制御部６は、ＲＦＩＤタグ制御部４が出力する情報を取得する。ＲＦＩＤタグ制御部４が出力する情報には、例えば上述したプロビジョニングのための情報が含まれている。制御部６は、例えば、ＲＦＩＤタグ制御部４が出力する情報に基づいて、チップアンテナ素子２１を介した無線通信を実現するための設定処理（プロビジョニング）を行う。
電池７は、無線機器１００のループアンテナ３１を除く各構成要素に電力を供給する。電池７は、一次電池または二次電池である。
図２は、本実施形態に係るアンテナモジュール１の構成例を示す図である。図２において、基板１１の長手方向をｙ軸方向、短手方向をｘ軸方向、厚み方向をｚ軸方向とする。
図２に示すように、アンテナモジュール１は、基板１１のｙ軸方向の一端にアンテナ形成領域４１を備え、アンテナ形成領域４１以外の領域に部品配置領域１２を備える。なお、基板１１は、少なくとも２層を有する多層基板である。
アンテナ形成領域４１の表面には、チップアンテナ素子２１が装着されている。また、アンテナ形成領域４１の２つの層には、ループアンテナ３１が形成されている。部品配置領域１２には、給電部２５が形成されている。そして、アンテナ形成領域４１には、チップアンテナ素子２１への給電導体以外の導体、及びインピーダンスマッチング回路２３以外の導体回路が形成されていない。
部品配置領域１２には、例えば、図１に示したＲＦスイッチ２、トランシーバ部３、ＲＦＩＤタグ制御部４、および制御部６が配置される。チップアンテナ素子２１と給電部２５とは、給電パターン２４で接続されている。また、チップアンテナ素子２１と給電部２５との間には、インピーダンスマッチング回路２３が形成されている。インピーダンスマッチング回路２３は、例えばインダクタ、コンデンサ等の受動部品で構成され、チップアンテナ素子２１とトランシーバ部３とのインピーダンスのマッチング（整合）を取ることができる。なお、電池７から出力された電力は、トランシーバ部３で送信するための電力に変換される。そして、変換された電力は、ＲＦスイッチ２、給電パターン２４及びインピーダンスマッチング回路２３を介して、チップアンテナ素子２１に供給されることで、無線信号として送信される。インピーダンスマッチング回路２３は、アンテナ形成領域４１の表面に実装または構成されている。なお、インピーダンスマッチング回路２３は、アンテナ形成領域４１の内部に構成されていてもよい。
なお、給電パターン２４は、ループアンテナ３１が形成されていない他の層に形成されている。
すなわち、本実施形態のアンテナモジュール１は、１つの基板１１のアンテナ形成領域４１にチップアンテナ素子２１が装着され、ループアンテナ３１が形成されている。
次に、ループアンテナ３１の構成例を説明する。
図３は、本実施形態に係るループアンテナ３１の構成例を示す平面図である。図４は、本実施形態に係るループアンテナ３１の構成例を示す斜視図である。
図３、図４において、ループアンテナ３１の長手方向をｘ軸方向、短手方向をｙ軸方向、厚み方向をｚ軸方向とする。
図３、図４に示すように、ループアンテナ３１は、アンテナパターン３１１（１ターン目、第１のループパターン）と、アンテナパターン３１２（２ターン目、第２のループパターン）、および接続部３１４を備えている。また、アンテナパターン３１１は、接続部３１３、接続部３１４によって給電パターン３１５、アンテナパターン３１２に接続されている。さらに、アンテナパターン３１２は、接続部３１４によってアンテナパターン３１１に接続されている。また、アンテナパターン３１２の他端３１２ｂは、給電パターン３１６に接続されている。なお、図４に示すように、アンテナパターン３１２の他端３１２ｂと給電パターン３１６とは、連続して形成されていてもよい。さらに、アンテナパターン３１１、３１２は、給電パターン３１５、３１６を介してＲＦＩＤタグ制御部４に接続されている。
アンテナパターン３１１は、１ターン目のアンテナパターンであり、基板１１（図２）の第１の層に例えば銅箔パターンによって形成されている。アンテナパターン３１１の一端３１１ａは、接続部３１３を介して基板１１の第２の層に形成されている給電パターン３１５に接続されている。アンテナパターン３１１の他端３１１ｂは、接続部３１４を介して基板１１の第２の層に形成されているアンテナパターン３１２の一端３１２ａに接続されている。アンテナパターン３１１、アンテナパターン３１２それぞれは、ｘ軸方向の幅およびｙ軸方向の幅それぞれが、例えば０．７ｍｍであり、ｚ軸方向の厚みが、例えば３５μｍである。
アンテナパターン３１２は、２ターン目のアンテナパターンであり、基板１１の第２の層に例えば銅箔パターンによって形成されている。アンテナパターン３１２の一端３１２ａは、接続部３１４を介して基板１１の第１の層に形成されているアンテナパターン３１１に接続されている。アンテナパターン３１２の他端３１２ｂは、基板１１の第２の層に形成されている給電パターン３１６に接続されている。アンテナパターン３１２は、ｘ軸方向の幅およびｙ軸方向の幅それぞれが、例えば０．７ｍｍであり、ｚ軸方向の厚みが、例えば３５μｍである。
接続部３１３、３１４それぞれは、例えばビア（ＶＩＡ）である。
図５は、図４のＡ−Ａ’線における断面図である。
図５に示すように、基板１１は、ｚ軸方向に対して、第１の層１１１ａの下層に絶縁層１１１ｂが形成され、絶縁層１１１ｂの下層に第２の層１１１ｃが形成されている。
また、第１の層１１１ａに１ターン目のアンテナパターン３１１が形成され、第２の層１１１ｃに２ターン目のアンテナパターン３１２が形成されている。このように、アンテナパターン３１１とアンテナパターン３１２とは、ｚ軸方向（ｚ軸方向から見て）に少なくとも一部が重なるように形成されている。
このように構成することで、本実施形態によれば、アンテナモジュール１を小型化でき、チップアンテナ素子２１を配置する領域を確保することができる。
ここで、ループアンテナ３１の内側の広さについて説明する。
図６は、本実施形態に係るループアンテナ３１の内側の例を示す図である。なお、図６では、チップアンテナ素子２１を除いて図示している。図６において、ループアンテナ３１の長手方向をｘ軸方向とし、短手方向をｙ軸方向とする。上述したように、ループアンテナ３１の２ターンが、アンテナ形成領域４１の２層に形成されている。
ここで、ループアンテナ３１のｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれの幅がＬ３であるとする。ループアンテナ３１の内側領域４１ａにおけるｘ軸方向の長さがＬ１であるとする。ループアンテナ３１の内側領域４１ａにおけるｙ軸方向の長さがＬ２であるとする。
なお、図６の符号５１に示すように、１ターン目と２ターン目との接続部をｙ軸方向かつループアンテナ３１の内側領域４１ａに向かってｘｙ平面で曲げる例を示したが、これに限らない。符号５１の接続部は、直線であってもよい。この場合は、例えば、符号５２が示す領域に１ターン目と２ターン目との接続部を配置するようにしてもよい。
図７は、他の構成例のループアンテナ９３１の内側の例を示す図である。図７の座標は、図６と同様である。ループアンテナ９３１の２ターンが、アンテナ形成領域９４１の１層に形成されている。なお、ループアンテナ９３１は、アンテナ形成領域９４１の表面、または同一の層、あるいは内部に、少なくとも二重に巻回されたループパターンである。ここで、アンテナ形成領域４１と他の構成例のアンテナ形成領域９４１とは、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれの長さが同じであるとする。
ここで、ループアンテナ９３１のｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれの幅がＬ３であるとする。また、１ループ目と２ループ目との間隔がＬ４であるとする。
この結果、ループアンテナ９３１の内側領域９４１ａにおけるｘ軸方向の長さＬ９０１は、Ｌ１−（Ｌ３＋Ｌ４）×２である。また、ループアンテナ９３１の内側領域９４１ａにおけるｙ軸方向の長さＬ９０２は、Ｌ２−（Ｌ３＋Ｌ４）×２である。
すなわち、本実施形態では、ループアンテナ３１の２ターンを、ｚ軸方向において少なくとも一部が重なるように形成したので、他の構成例のように単相（１層）に形成した場合と比較して、ループアンテナ３１の内側におけるｘ軸方向、ｙ軸方向の長さそれぞれが（Ｌ３＋Ｌ４）×２長くなる。以上のように、本実施形態のループアンテナ３１の内側領域４１ａの面積は、他の構成例の内側領域９４１ａの面積と比べて、上部と左右が少なくともＭ１＋Ｍ２×２＝（Ｌ３＋Ｌ４）×Ｌ１＋［（Ｌ３＋Ｌ４）×｛Ｌ２−（Ｌ３＋Ｌ４）×２｝］×２広くなる。
本実施形態では、ループアンテナ３１の内側領域４１ａにチップアンテナ素子２１を配置する。
図８は、本実施形態に係るループアンテナ３１の内側領域４１ａにおけるチップアンテナ素子２１の配置例を示す図である。図８の座標は、図６と同様である。なお、チップアンテナ素子２１の大きさは、ｘ軸方向の長さが３ｍｍ、ｙ軸方向の長さが１０．５ｍｍである。また、ループアンテナ３１のｘ軸方向の幅、ｙ軸方向の幅それぞれは、０．７ｍｍである。
チップアンテナ素子２１の上側とループアンテナ３１との幅Ｌ２１は、３．９５ｍｍである。チップアンテナ素子２１の下側とループアンテナ３１との幅は、最も狭い部分の幅Ｌ２２が９．５５ｍｍであり、広い部分の幅Ｌ２３が１０．９５ｍｍである。また、チップアンテナ素子２１の側面とループアンテナ３１との左右の幅Ｌ１１それぞれは、７．４ｍｍである。
このように構成することにより、本実施形態によれば、アンテナパターンによるチップアンテナ素子のアンテナ特性の劣化を低減することができる。
図９は、他の構成例のループアンテナ９３１の内側領域９４１ａにおけるチップアンテナ素子２１の配置例を示す図である。なお、図９のループアンテナ９３１は、図８のループアンテナ３１を形成したアンテナ形成領域４１と同じ面積に形成した例である。図９の座標は、図８と同様である。チップアンテナ素子２１の大きさは、図８と同じである。
チップアンテナ素子２１の上側とループアンテナ３１との幅Ｌ９２１は、２．５５ｍｍである。チップアンテナ素子２１の下側とループアンテナ９３１との幅Ｌ９２２は、９．５５ｍｍである。また、チップアンテナ素子２１の側面とループアンテナ９３１と左右の幅Ｌ９１１それぞれは、６ｍｍである。
このように、図８に示した本実施形態では、図９に示した他の構成例と比較して、チップアンテナ素子２１とループアンテナ３１との間隔を長く確保することができる。なお、他の構成例に示した図９の構成であっても、図８に示した構成よりアンテナ特性が劣るものの、図８と同様にループアンテナ９３１の内側にチップアンテナ素子２１を配置しているので、小型化を実現できる。
なお、図８に示した配置は一例であり、これに限らない。図８のように、幅Ｌ２３が幅Ｌ２１より長くなる位置にチップアンテナ素子２１に配置した理由は、図１０を用いて後述するように、無線機器１００に組み込んだときに電池７による通信の影響を低減するためである。このため、電池７の高さが低ければ、ループアンテナ３１の内側領域４１ａの中心近傍が望ましい。なお、ループアンテナ３１の内側領域４１ａの中心近傍とは、ループアンテナ３１の内側領域４１ａの中点を含み、ループアンテナ３１の内側の縁からチップアンテナ素子２１の外側の縁までの上下左右の距離それぞれが所定値以上となる領域を含む。
次に、アンテナモジュール１を有する無線機器１００の部品配置例を説明する。
図１０は、本実施形態に係るアンテナモジュール１を有する無線機器１００の部品配置例を示す正面図と側面図である。図１０（Ａ）は、無線機器１００の正面図である。図１０（Ｂ）は、無線機器１００の側面図である。
図１０（Ａ）に示すように、土台となる取り付け部材１０３と一体化された本体シャーシ１０２に、取り付け部材１０３によって基板１１が取り付けられている。なお、基板１１は、部品配置領域とアンテナ形成領域を有している。そして、アンテナ形成領域にアンテナモジュール１が形成されている。アンテナモジュール１は、チップアンテナ素子２１とループアンテナ３１を備える。そして、ループアンテナ３１の内側領域にチップアンテナ素子２１が装着されている。また、部品配置領域には、例えば、図１に示したＲＦスイッチ２、トランシーバ部３、ＲＦＩＤタグ制御部４、および制御部６が配置されている。また、符号１０４は、本体カバーである。なお、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）では、内部を説明するために本体カバー１０４の外形を示してある。
図１０（Ｂ）に示すように、センサ５は、取り付け部材１０３と一体化された本体シャーシ１０２に取り付けられている。電池７は、基板１１に近接して配置されている電池ケース１０５によって保持されている。電池ケース１０５は、取り付け部材１０３と一体化された本体シャーシ１０２に取り付けられている。本体カバー１０４は、本体シャーシ１０２に取り付けられ、センサ５、電池７、電池ケース１０５及び基板１１を覆っている。このように、電池７は、本体カバー内の基板１１の周囲に配置されている。基板１１の周囲とは、基板１１の近傍であり、基板１１に接していてもよい。ここで、チップアンテナ素子２１は、ｘｙ平面において、ｘｙ平面を水平面とする水平方向に水平偏波のアンテナ特性を有する。また、チップアンテナ素子２１は、ｙｚ平面において、ｙｚ平面を水平面とする水平方向に水平偏波のアンテナ特性を有する。また、チップアンテナ素子２１は、ｚｘ平面において、ｚｘ平面を水平とする水平方向に垂直偏波のアンテナ特性を有する。ここで、チップアンテナ素子２１が、例えば−ｚ軸方向と＋ｚ軸方向に無線通信を行う場合を検討する。この場合は、チップアンテナ素子２１が装着されている基板１１の裏側、すなわち、基板１１と電池７が配置されている側において、チップアンテナ素子２１のｚｘ平面におけるｚｘ平面を水平面とする水平方向に対しての垂直偏波、及びｙｚ平面におけるｙｚ平面を水平面とする水平方向に対しての水平偏波による無線通信を遮断しないことが好ましい。このため、本実施形態では、電池７を、チップアンテナ素子２１の無線方向を遮蔽しない位置、高さとなるように配置する。これにより、本実施形態では、ｙ軸方向において、電池７が無線信号を遮蔽することを防止でき、チップアンテナ素子２１と重ならないように配置し、すなわちアンテナチップの通信を妨げない高さに配置する。これにより、本実施形態によれば、電池７によるチップアンテナ素子２１の特性劣化を低減することができる。
＜シミュレーション結果＞
次に、特性をシミュレーションした結果を説明する。比較例として、図１１に示すチップアンテナ素子のみを有するアンテナモジュールについてもシミュレーションを行った。
図１１は、比較例のチップアンテナ素子を有する無線機器の構成例を示す図である。
図１１に示すように、比較例の無線機器のアンテナモジュール９１１は、アンテナ形成領域にチップアンテナ素子９１２が配置されている。
なお、チップアンテナ素子に供給する周波数は、ＬｏＲａ通信方式で用いる９２４ＭＨｚである。
図１２は、比較例のアンテナモジュール９１１と本実施形態のアンテナモジュール１のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。符号ｇ１１が示すグラフは、比較例のアンテナモジュール９１１のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。符号ｇ１２が示すグラフは、本実施形態のアンテナモジュール１のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。図１２において、横軸は周波数、縦軸はＳパラメータのＳ１１（リターンロス）の大きさを表している。
符号ｇ１１が示すグラフのように、アンテナ形成領域にループアンテナが形成されていずチップアンテナ素子９１２の場合の比較例では、周波数９２４ＭＨｚにおけるＳ１１の大きさが、−３２．８５ｄＢであった。
一方、符号ｇ１２が示すグラフのように、本実施形態のアンテナモジュール１では、周波数９２４ＭＨｚにおけるＳ１１の大きさが、−２１．６０ｄＢであった。
このように、本実施形態では、ループアンテナ３１の内側領域にチップアンテナ素子２１を装着しても、周波数９２４ＭＨｚにおけるＳ１１の大きさが、−２１．６０ｄＢを得ることができる。
一方、本実施形態によれば、符号ｇ１２が示すグラフに示したように、チップアンテナ素子２１で利用する周波数の９２４ＭＨｚ以外の周波数への影響を低減することができる。
図１３は、比較例のアンテナモジュール９１１と本実施形態のアンテナモジュール１のアンテナ指向性のシミュレーション結果を示す図である。符号ｇ２１が示すグラフは、比較例のアンテナモジュール９１１のアンテナ指向性のシミュレーション結果を示す図である。符号ｇ２２が示すグラフは、本実施形態のアンテナモジュール１のアンテナ指向性のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１３は、９２４ＭＨｚにおける水平面と垂直偏波におけるアンテナの指向性を示している。また、図１３において、縦軸は利得を示し、０、９０、１８０、２７０、−９０は、角度を示す。
図１３に示すように、本実施形態のアンテナモジュール１は、比較例と同等の指向性を得ることができる。
以上のように、本実施形態では、ループアンテナ３１を２層に形成し、ｚ軸方向において１ターン目と２ターン目の少なくとも一部が重なるようにアンテナ形成領域に形成した。そして、本実施形態では、ループアンテナ３１の内側領域４１ａにチップアンテナ素子２１を配置した。換言すると、本実施形態のアンテナモジュール１は、ループアンテナ３１のアンテナパターンをチップアンテナ素子２１の周囲に形成した。そして、本実施形態では、チップアンテナ素子２１とループアンテナ３１との距離を遠ざけるために、１ターン目のアンテナパターンと異なる層に２ターン目のアンテナパターンを配線する多層基板構造を利用した巻線構造を採用した。これにより、本実施形態では、チップアンテナ素子２１とループアンテナ３１のアンテナパターンとの距離を遠ざけチップアンテナ素子２１の特性劣化を抑える構造とした。
これにより、本実施形態によれば、２つのアンテナを１つの基板に効率的に配置することによるアンテナ占有面積の省スペース化を行うことができる。また、本実施形態によれば、チップアンテナ素子２１のアンテナ特性の劣化を極力抑える効率的なアンテナパターンを実現することができる。この結果、本実施形態によれば、チップアンテナ素子２１の特性の劣化を極力抑えつつ、アンテナ形成領域の面積の省スペース化を行うことかができる。
＜通信タイミング＞
次に、２つのアンテナ（チップアンテナ素子２１、ループアンテナ３１）を用いた通信タイミングの例を、図１４から図１６を用いて説明する。図１４から図１６において、横軸は時間、縦軸は電圧である。なお、無線機器１００の構成は、図１に示した構成である。なお、第１周波数帯は、チップアンテナ素子２１が通信に用いる周波数帯である。また、第２周波数帯は、ループアンテナ３１が通信に用いる周波数帯である。また、図１４から図１６において、符号ｇ１０１は、第１周波数帯での無線通信状態を表し、符号ｇ１０２は、第２周波数帯での無線通信状態を表す。
なお、チップアンテナ素子２１は、期間Ｔ１毎に、第１周波数帯での無線通信を行う。そして、チップアンテナ素子２１の通信タイミングの制御は、制御部６（図１）が行う。
また、ループアンテナ３１による通信は、利用者がループアンテナ３１に不図示の端末を近づけたときに行われる。
図１４は、本実施形態に係る無線機器１００における第１周波数帯と第２周波数帯との通信タイミングが重なり合わない例を示す図である。図１４において、横軸は時刻である。
チップアンテナ素子２１は、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ５〜ｔ６、時刻ｔ９〜ｔ１０、時刻ｔ１１〜ｔ１２それぞれの期間に情報を送信する。
ループアンテナ３１は、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ７〜ｔ８それぞれの期間に、第２周波数帯での無線通信を行う。
このように、図１４に示した例では、チップアンテナ素子２１の通信期間と、ループアンテナ３１の通信期間とが重なっていない。このため、チップアンテナ素子２１による通信も、ループアンテナ３１による通信も図１４のタイミングで行われる。
図１５は、本実施形態に係る無線機器１００における第１周波数帯と第２周波数帯との通信タイミングが重なり合った例を示す図である。図１５において、横軸は時刻である。
図１５に示す例では、まず、チップアンテナ素子２１が時刻ｔ１０１〜ｔ１０２の期間に第１周波数帯によって情報を送信し、ループアンテナ３１が時刻ｔ１０３〜ｔ１０４の期間に第２周波数帯での無線通信を行う。
利用者がループアンテナ３１に不図示の端末を近づけたため、ループアンテナ３１は、時刻ｔ１０５〜ｔ１０８の期間に第２周波数帯での無線通信を行う。時刻ｔ１０５〜ｔ１０８は、チップアンテナ素子２１が通信を行う予定の時刻ｔ１０６〜ｔ１０７を含んでいる。この場合、制御部６は、予定の時刻にチップアンテナ素子２１を用いた通信を行わず、ループアンテナ３１を用いた通信が終わった後、所定の期間Ｔ２の後、時刻ｔ１０９〜ｔ１１０の期間にチップアンテナ素子２１によって情報を送信するように制御する。
さらに制御部６は、次回のチップアンテナ素子２１を用いた通信を、時刻ｔ１０９から期間Ｔ１後の時刻ｔ１１１〜ｔ１１２の期間に行うように制御する。
すなわち、第２周波数帯の無線通信中に第１周波数帯の無線通信を行うタイミングとなった場合、制御部６は、第２周波数帯での無線通信中に第１周波数帯での無線通信を行わないように制御する。そして、制御部６は、第２周波数帯での無線通信が終了したことを検出した後、期間Ｔ２経過後に第１周波数帯での無線通信を再開するよう制御する。
図１６は、本実施形態に係る無線機器１００における第１周波数帯の通信中に第２周波数帯の通信を行おうとした場合の例を示す図である。図１６において、横軸は時刻である。
図１６に示す例では、まず、チップアンテナ素子２１が時刻ｔ２０１〜ｔ２０２の期間に第１周波数帯によって情報を送信し、ループアンテナ３１が時刻ｔ２０３〜ｔ２０４の期間に第２周波数帯での無線通信を行う。制御部６は、時刻ｔ２０１から期間Ｔ１後の時刻ｔ２０５〜ｔ２０６の期間に行うように制御する。
時刻ｔ２０５〜ｔ２０６の期間（期間Ｔ３）に、利用者がループアンテナ３１に不図示の端末を近づけた場合、制御部６は、チップアンテナ素子２１による通信が終了した後の時刻ｔ２０６〜ｔ２０７の期間にループアンテナ３１による通信を行うように制御する。
すなわち、第１周波数帯の無線通信中に第２周波数帯の無線通信を行おうとした場合、制御部６は、第１周波数帯の無線通信が行われている区間は第２周波数帯での無線通信を許可しない区間とする。これにより、第１周波数帯の無線通信が終了するまで第２周波数帯の無線通信は不可となる。そして、制御部６は、第１周波数帯の無線通信が終了した時点で、第２周波数帯の無線通信が可能となるよう制御する。なお、制御部６は、通信不可区間、第２周波数帯用のＲＦＩＤタグ制御部４を低消費電力モードに制御するようにしてもよい。
なお、図１４〜図１６に示した通信タイミングは一例であり、これに限らない。例えば、図１５において、制御部６は、ループアンテナ３１による通信が終了した時刻ｔ１０８から期間Ｔ２を待たずにチップアンテナ素子２１による通信を行うように制御してもよい。
図１４〜図１６に示した例のように、本実施形態では、チップアンテナ素子２１およびループアンテナ３１それぞれによる送信タイミングが重なり合わないように制御するようにした。
これにより、本実施形態によれば、一方の通信中に他方の通信を行わないため、チップアンテナ素子２１およびループアンテナ３１それぞれのアンテナ特性の通信時の劣化を防ぐことができる。
また、チップアンテナ素子２１の配置位置は、前述した位置に限定されるものではなく、無線機器１００が要求するアンテナ特性を満たす範囲で適宜変更可能である。
また、ループアンテナ３１のアンテナパターンが２ターン構成を例に説明したが、これに限らない。ループアンテナ３１は、ＲＦＩＤタグの通信特性を改善させるために、多層基板を利用し３ターン、４ターンと巻き数を増やしインダクタンスＬ値を増加させてもよい。この場合であっても、各層のアンテナパターンは、対応して重なるように形成されている。
なお、ループアンテナ３１の形状は、図６等に示した形状に限らない。ループアンテナ３１の形状は、正方形、多角形、円、楕円等であってもよい。
なお、本発明における無線機器１００のアンテナモジュール１以外の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線機器１００（除くアンテナモジュール１）が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。
１００…無線機器、１…アンテナモジュール、２…ＲＦスイッチ、３…トランシーバ部、４…ＲＦＩＤタグ制御部、５…センサ、６…制御部、７…電池、２１…チップアンテナ素子、２３…インピーダンスマッチング回路、２４…給電パターン、２５…給電部、３１，９３１…ループアンテナ、４１…アンテナ形成領域、４１ａ…ループアンテナの内側領域、３１３，３１４…接続部、３１５，３１６給電パターン

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板に搭載された第１周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナ素子と、
    前記基板に形成され、前記アンテナ素子の周囲に形成された第２周波数帯域の無線信号を用いた無線通信を行うアンテナパターンと、
    を備えるアンテナモジュール。
  2. 前記基板は、前記アンテナパターンを形成可能な少なくとも二層を有しており、
    前記アンテナパターンは、前記二層のうちの一層目にループ状に形成された第１のループパターンと、
    前記二層のうちの二層目にループ状に形成され、前記基板の厚み方向において前記第１のループパターンと少なくとも一部が重なるように形成された第２のループパターンと、
    前記第１のループパターンと、前記第２のループパターンと、を接続する接続部と、
    を有する、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 前記アンテナ素子は、前記アンテナパターンの中心近傍に配置される、請求項１または請求項２に記載のアンテナモジュール。
  4. 前記基板は、前記アンテナ素子への給電導体以外の導体、及び受動部品で構成されるインピーダンスマッチング回路以外の回路が形成されていないアンテナ形成領域を有し、
    前記アンテナ素子および前記アンテナパターンは、前記アンテナ形成領域に形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  5. 前記アンテナ素子は、前記給電導体を介して供給される電力により動作し、
    前記アンテナパターンは、外部から非接触で供給される電力により動作する、請求項４に記載のアンテナモジュール。
  6. 前記アンテナパターンは、少なくとも二重に巻回されたループパターンである、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナモジュールと、
    前記アンテナモジュールに電源を給電する電池と、
    前記アンテナモジュールを用いて外部と無線通信を行う電気回路と、
    を備える無線機器。
  8. 前記電池は、前記基板の周囲に配置され、前記アンテナ素子の通信方向と重なり合わない位置に配置される、請求項７に記載の無線機器。
  9. 前記電気回路は、制御部を備え、
    前記制御部は、前記アンテナ素子および前記アンテナパターンそれぞれによる送信する期間が重なり合わないように制御する、請求項７または請求項８に記載の無線機器。
  10. センサと、
    前記電池を収容する電池ケースと、
    前記センサ、前記電池ケースを支持する本体シャーシと、
    前記本体シャーシに取り付けられ、前記センサ、前記電池ケースを覆う本体カバーと、
    をさらに備える、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の無線機器。
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