JP4456588B2 - アンテナ構造及びヘッドセット - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドセットに設けて近距離無線通信信号を受信するのに好適なアンテナ構造及び該アンテナ構造を用いたヘッドセットに関する。

現在、携帯電話機等の音源装置から音声・楽曲等のデータを近距離無線通信で送信し、耳部に装着したヘッドセットのアンテナで受信し、ヘッドセット内蔵のスピーカで再生するワイヤレスのヘッドセット装置がある。ヘッドセットのアンテナとして、円弧状をなす誘電体基板の外縁部に沿って対構成の導体パターンを配し、対構成の導体パターンの基端部にそれぞれ給電端を設け、ダイポールアンテナを形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図６（ａ）（ｂ）は基板上に面状逆Ｆ型のパターンアンテナを形成した従来例の平面図である。耳部に装着するヘッドセットの場合、誘電体基板１００はスピーカ内蔵ユニットに合わせて略円形をなし、アンテナ形成面（図６（ａ））及びその裏面（図６（ｂ））には回路部品を配置するための銅箔１０１ａ，１０１ｂが一面に形成されている。そして、誘電体基板１００のアンテナ形成面側は、逆Ｆ型アンテナの形成領域となる所定領域１０２において帯状に銅箔１０１ａが除去されており、そこに逆Ｆ型の導体パターン１０３が形成されている。導体パターン１０３の給電部１０４は図示していない給電ラインに接続され、接地部１０５はグラウンドとなる銅箔１０１ａの一部に接続されている。また、誘電体基板１００の裏面においても逆Ｆ型アンテナの形成領域１０２に対向する所定領域１０６から銅箔１０１ｂが除去される。このように誘電体基板上に形成されるパターンアンテナの場合、誘電体基板１００の両面においてアンテナ形成領域から銅箔１０１ａ、１０１ｂが除去される構成となる。
特開２００２−１１１３５２号公報

しかしながら、パターンアンテナの形成領域に相当する所定領域１０２，１０６の銅箔１０１ａ，１０１ｂを除去する必要があるため、当該所定領域１０２，１０６に回路部品を配置できなくなり、その分だけ基板を大型化する必要があった。

また、ヘッドセットを人体の耳に装着した場合、パターンアンテナの形成領域から銅箔が除去されていて、アンテナと人体との間を電磁的に遮蔽する遮蔽物が存在しないので、人体への接近状態などによりアンテナ特性が変動してしまうという問題があった。

本発明は、回路部品を実装可能な所望パターンを基板全面に形成することができて基板の小型化を図ることができると共に、人体による影響を受けづらく安定したアンテナ特性を実現できるアンテナ構造及びヘッドセットを提供することを目的とする。

本発明のアンテナ構造は、頭部の耳に当て付けて用いられるスピーカ内蔵ユニットのアンテナ構造であって、第１及び第２の主面を有する回路基板と、前記回路基板の第１の主面から離れた位置に配置された金属平板からなる放射導体と、前記放射導体を前記第１の主面上に支持すると共に給電端となる第１の脚部と、前記放射導体を前記第１の主面上に前記第１の脚部と共に支持すると共に接地端となる第２の脚部と、前記第１の主面及び又は前記第２の主面であって前記放射導体と対向する領域に設けられた接地導体とを備え、前記放射導体がダイポールアンテナを構成し、前記放射導体は、一部が開放した環状をなし、前記放射導体の一部にインピーダンス調整用のスロットを形成し、前記放射導体の内周部から延出すると共に前記第１の脚部に接続された第１の延出部と当該第１の延出部から前記開放端とは反対方向に沿って形成された第１のスロット形成片とで一方のスロットを形成し、前記放射導体の内周部から延出すると共に前記第２の脚部に接続された第２の延出部と当該第２の延出部から前記開放端とは反対方向に沿って形成された第２のスロット形成片とで所定寸法の他方のスロットを形成したことを特徴とする。

この構成によれば、回路基板の第１の主面から離れた位置に配置された金属平板からなる放射導体でダイポールアンテナを構成するので、放射導体付近の回路基板面から銅箔を除去する必要が無く、回路基板における放射導体との対向領域にも銅箔を設けることができる。したがって、回路部品の実装面積がアンテナ形成面を確保するために縮小されるといった不都合が無くなり、基板の小型化を図ることができる。
しかも、第１の主面及び又は第2の主面であって放射導体と対向する領域に設けられた接地導体が人体頭部との間で遮蔽体として機能するので、人体からの影響を軽減することができる。
また、これにより、ダイポールアンテナとして動作するものの給電位置を変更することなく、スロット寸法を調整するだけでインピーダンスを調整可能となり、インピーダンスの調整作業が簡易化される。
さらに、これにより、給電端となる第１の脚部との接続に用いる第１の延出部並びに接地端となる第２の脚部との接続に用いる第２の延出部を利用して第１及び第２のスロットを形成でき、放射導体の主要部を変更することなくインピーダンスを調整することが可能になる。

また本発明は、上記アンテナ構造において、前記放射導体は、一部が開放した円環状をなすことを特徴とする。

この構成により、耳の形状に合わせて回路基板の外形を円形にした場合、放射導体を一部が開放した円環状となすことで回路基板の外形に沿って配置することができる。

また本発明のヘッドセットは、左右の耳にそれぞれ当て付けて用いられる左右一対のスピーカ内蔵ユニットを備えたヘッドセットであって、少なくとも一方のスピーカ内蔵ユニットに上記アンテナ構造を設けたことを特徴とする。

また本発明のヘッドセットは、左右の耳にそれぞれ当て付けて用いられる左右一対のスピーカ内蔵ユニットを備えたヘッドセットであって、前記各スピーカ内蔵ユニットに上記アンテナ構造を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、回路部品を実装可能な所望パターンを基板全面に形成することができて基板の小型化を図ることができ、人体による影響を受けづらく安定したアンテナ特性を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ構造の構成を示す図であり、同図（ａ）はアンテナ形成面側から見た平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は斜視図である。

本実施の形態に係るアンテナ構造１は、人体の耳に装着するヘッドセットの一つである耳架け式ハンズフリーイヤホンのユニットに取り付けられるものとして説明する。なお、本発明に係るアンテナ構造１は、耳架け式ハンズフリーイヤホン用アンテナに限定されるものではなく、その他の無線通信機器にも適用可能である。

アンテナ構造１の誘電体基板２は、第１の主面及び第２の主面を有するユニットの回路基板を構成し、当該ユニットの平面形状に合わせて略円形をなしている。誘電体基板２のアンテナ形成面側（第１の主面）及び裏面側（第２の主面）の双方にグラウンド及び所定パターンとなる銅箔３，４が基板面全体に形成されている。誘電体基板２のアンテナ形成面側には、第１の主面から所定高さの位置に金属平板からなる放射導体５が設置されている。放射導体５を構成する金属材料として、表面処理をした銅板・鉄板等を用いることができる。放射導体５は基板面上の２箇所に立設した第１及び第２の脚部６、７により基板表面から所定の高さの位置に浮かせた状態で支持されている。第１の脚部６は給電端となり図示していない給電ラインに接続され、第２の脚部７は接地端となりグラウンドに接続される。

放射導体５は、円形をなす誘電体基板２の外径と同一径の円環状をなすと共に一部を開放してＣ字形状とした円環部１１を有する。円環部１１の外径長は略λ／２に設定している。円環部１１の内周部における一対の対向位置から所定幅の延出部１２，１３が内側に向かって延出形成されている。円環部１１の中心点と開放部Ｒの中心点とを通過する水平線に対して円環部１１の中心点を通る垂直線を基準とすると、延出部１２，１３の形成位置は、当該垂直線と円環部１１との交点よりも開放部Ｒとは反対側（図１（ａ）中左側）に所定距離移動した位置に設定されている。延出部１２，１３の先端部下面に第１及び第２の脚部６、７がそれぞれ接続されている。

また、延出部１２には隣接する円環部１１内周部との間にスロット１４を形成するスロット形成片１５が一体形成されている。スロット形成片１５は、開放部Ｒとは反対側（図１（ａ）中左側）にスロット１４が形成されるように延出されている。同様に、もう一方の延出部１３には円環部１１内周部との間にスロット１６を形成するスロット形成片１７が一体形成されている。スロット形成片１７は、開放部Ｒとは反対側（図１（ａ）中左側）にスロット１６が形成されるように延出されている。なお、円環部１１自体にスロットを形成してインピーダンスを調整することも可能であるが、放射導体５の主要部をなす円環部１１よりも延出部１２，１３の幅又はスロット形成片１５，１７の長さを調整する方が調整作業は容易である。

本実施の形態は、金属板からなる放射導体５を基板面から離間させた構造であるので、導体パターン（アンテナ素子）とグラウンドパターンとを誘電体基板の同一面内にプリントする従来のパターンアンテナと異なり、放射導体５（１１〜１３、１５，１７）の下面と対向する基板面に銅箔３（グラウンド面及び又は所定パターン）を形成することができる。また、誘電体基板２の裏面においても放射導体５（１１〜１３、１５，１７）と対向する領域に銅箔４（グラウンド面及び又は所定パターン）を形成することができる。放射導体５を支持する第１及び第２の脚部６、７の高さは、放射導体５下方の基板面に回路部品を実装可能な寸法とするのが望ましい。

以上のように構成されたアンテナ構造１は、基板外形に合わせて変形した金属板を基板上に設置したダイポールアンテナの基本構造となっている。アンテナ構造１の動作も基本動作はダイポールアンテナと同じとなり、全方向に放射する無指向性となり、アンテナ特性も安定したものとなる。

一方、ダイポールアンテナの場合、インピーダンス調整は給電位置を変更する必要があるため調整作業は困難であった。本実施の形態のアンテナ構造１は、開放部Ｒを有する円環部１１の内周部に延出部１２，１３を設けるとともにスロット形成片１５，１７を形成してスロット１４，１６を形成したので、給電位置を変更することなくスロット１４，１６の寸法を変更するだけでインピーダンスを調整できる。すなわち、スロット１４，１６の長さを調整する簡単な作業でインピーダンスを調整することができ、給電位置を変更するのに比べてインピーダンス調整作業が大幅に簡易化される。

図２は放射導体５において円環部１１の開放部Ｒ側の先端部の長さを変えた場合の模式図である。図２（ａ）は図１に示す放射導体５を模式的に表現した平面図であり、アンテナとしての機能は図１に示すものと同一機能を有する。ダイポールアンテナとして動作させるために、λ／２のアンテナ外径長を確保しようとすると、円環部１１と基板面との距離が小さくなるのに応じて図２（ａ）に示す延長部Ｑ１，Ｑ２の長さを長くする必要がある。円環部１１の開放端に延長部Ｑ１，Ｑ２を設けずにλ／２のアンテナ外径長が確保されている場合、図２（ｂ）に示すように２本の平行線が互いの放射波を打ち消し合わない程度まで離間させることができる。一方、円環部１１の高さを低くして円環部１１の開放部に延長部Ｑ１，Ｑ２を形成した場合、図２（ｃ）に示すように２本の平行線が長くなると共に互いに接近するので放射波が打ち消し合うようになり放射しづらいアンテナ特性となる。

本実施の形態に係るヘッドセット用アンテナ構造１は、円環部１１の開放部に延長部Ｑ１，Ｑ２を形成することにより薄型化が可能であるが、アンテナ構造１の高さは所要の放射性能を得られる程度までに抑える必要がある。

このように本実施の形態によれば、誘電体基板２の基板面から起立した脚部６，７にて金属板からなる放射導体５を基板面から浮かせた状態で支持すると共に放射導体５の外径を基板外縁部に沿って配設可能な形状とし、一方の脚部６を給電端とし他方の脚部７を接地端としたので、アンテナとしての基本動作がダイポールアンテナとなり、放射方向を全方向の無指向性にすることができると共に、安定したアンテナ特性を実現することができる。

しかも、本実施の形態によれば、放射導体５と基板面との間の銅箔３及び基板裏面側の放射導体５に対向する領域の銅箔４を除去する必要がないので、かかる領域にも回路部品を配置することができ、その分だけ基板の小型化を図ることができる。また、放射導体５に対向する領域から銅箔３，４を除去しないことにより、当該アンテナ構造１が設けられたヘッドセットを耳に装着した際に放射導体５に対向する領域から銅箔３，４が電磁波を遮断する遮蔽物として機能するので、人体による影響を遮断してアンテナ特性の安定化を図ることも可能である。

なお、以上の説明ではヘッドセット用アンテナ構造１であったので耳に装着されるヘッドセットユニットの形状に合わせて円形としたが、Ｕ字型、Ｖ字型、その他の形状にすることも可能である。また、ヘッドセット装着時の人体による影響を抑制する目的であれば、放射導体５と対向するいずれか一方の基板面に銅箔が設けられていれば良く、必ずしも基板両面に設ける必要はない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るヘッドセットは、上記第１の実施の形態に係るヘッドセット用アンテナ構造１を備えた例である。図３に示すように、本実施の形態に係るヘッドセット２０は、頭部形状に合わせた形状をなし弾力性を有するバンド２１の両端部にスピーカ内蔵のユニット２２，２３が取り付けられている。ユニット２２，２３は、例えば耳の形状に適合した円形をしているものとする。

本実施の形態では、左右のユニット２２，２３で独立して近距離無線通信及び音声再生を行えるように構成している。左右のユニット２２，２３において独立して受信可能にするためアンテナ２４、２５を備えている。アンテナ２４、２５は第１の実施の形態に係るヘッドセット用アンテナ構造１と同様の構成を有するものとする。すなわち、放射導体５が基板面から離れて配置されていて放射導体５から見て頭部側には銅箔３及び又は４が遮蔽物として存在する。

なお、ユニット２２，２３には、外部機器との間で近距離無線通信を行う近距離無線通信機能を有する無線通信モジュールと、当該無線通信モジュールにおいて復調された音声データを電気−音響変換して音声出力するスピーカとを内蔵する。無線通信モジュールは近距離無線通信プロトコルとしてBluetooth（登録商標）を用いるものとするが、その他の近距離無線通信プロトコルを採用することも可能である。

図４は本実施の形態に係るヘッドセット２０を頭部に装着した状態を示す模式図である。左右のユニット２２，２３に備えられたアンテナ２４，２５は、それぞれ無指向性のダイポールアンテナとして動作して全方向に放射する。左側のアンテナ２４から見て右側に人体頭部２６が存在する場合、人体頭部２６の影響により右方向の放射利得は大きく減衰するが、右側のアンテナ２５により右方向の放射はカバーされることになる。同様に、右側のアンテナ２５による左方向への放射利得が人体頭部２６の影響により減衰されたとしても左側のアンテナ２４により左方向の放射はカバーされることになる。したがって、全方向に対して十分な放射利得が得られることとなる。

また、一方のアンテナ側から他方のアンテナ側に向けても放射されるため、アンテナ間に何の遮蔽物も存在しない場合は左右のアンテナが結合して性能が劣化する。本実施の形態は、図４に示すように左右のアンテナ２４，２５間に人体頭部２６が存在するため、十分なアイソレーションが確保される。

図５（ａ）〜（ｃ）は片側にだけアンテナを備えたヘッドセットによる比較例を示す図である。同図（ｂ）に示すように、ヘッドセットを未装着の状態では全方向に十分な放射利得が達成されている場合であっても、同図（ｃ）に示すようにヘッドセットを装着した状態では人体頭部により片側（図５では左側）への放射利得が著しく低下する。このため、無線信号を送信する音源装置が左側に存在する場合は受信感度が著しく低下してデータ受信できない状態となる可能性がある。

このように本実施の形態によれば、左右のユニット２２，２３にスピーカを内蔵するヘッドセットにおいて、各ユニット２２，２３に第1の実施の形態と同様のアンテナ２４，２５を設けたので、第1の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。また、左右のユニット２２，２３のそれぞれにダイポールアンテナとして動作するアンテナ２４，２５を設けたので、全周囲において良好な音声通信を行うことができる。

また、第2の実施の形態のヘッドセット２０では、左右のスピーカ内蔵ユニット２２，２３にアンテナ２４，２５が設けられているので、２つのアンテナ２４，２５を用いたダイバーシティ受信を行うように構成することもできる。受信電界強度の高い方のアンテナを選択したり、受信電界強度が低い場合に左右のアンテナ２４，２５で受信される信号を合成したりするように構成しても良い。

なお、以上の説明では左右のユニット２２，２３のそれぞれにアンテナ２４，２５を備えている構成を示したが、ダイバーシティ受信を行わないのであれば、片側のみにアンテナを設置する構成を採ることも可能である。

（ａ）は第１の実施の形態に係るアンテナをアンテナ形成面側から見た平面図、（ｂ）は第１の実施の形態に係るアンテナの側面図、（ｃ）は第１の実施の形態に係るアンテナの斜視図 放射導体において円環部開放端の長さを変えた場合の模式図 第２の実施の形態に係るヘッドセットの構成図 第２の実施の形態に係るヘッドセットを装着した状態を示す図 片側にのみアンテナを備えたヘッドセットの比較例を示す図 （ａ）は従来の逆Ｆ字型のパターンアンテナが形成された基板平面図、（ｂ）は逆Ｆ字型のパターンアンテナが形成された基板の裏面図

符号の説明

１…ヘッドセット用アンテナ、２…誘電体基板、３、４…銅箔、５…放射導体、６…第１の脚部、７…第２の脚部、８…ケーブル、１１…円環部、１２…延出部（給電側）、１３…延出部（接地側）、１４…スロット（給電側）、１５…スロット形成片（給電側）、１６…スロット（接地側）、１７…スロット形成片（接地側）、２０…ヘッドセット、２１…バンド、２２、２３…ユニット、２４、２５…アンテナ

Claims (6)

1. 頭部の耳に当て付けて用いられるスピーカ内蔵ユニットのアンテナ構造であって、
   第１及び第２の主面を有する回路基板と、前記回路基板の第１の主面から離れた位置に配置された金属平板からなる放射導体と、前記放射導体を前記第１の主面上に支持すると共に給電端となる第１の脚部と、前記放射導体を前記第１の主面上に前記第１の脚部と共に支持すると共に接地端となる第２の脚部と、前記第１の主面及び又は前記第２の主面であって前記放射導体と対向する領域に設けられた接地導体とを備え、前記放射導体がダイポールアンテナを構成し、
   前記放射導体は、一部が開放した環状をなし、
   前記放射導体の一部にインピーダンス調整用のスロットを形成し、
   前記放射導体の内周部から延出すると共に前記第１の脚部に接続された第１の延出部と当該第１の延出部から前記開放端とは反対方向に沿って形成された第１のスロット形成片とで一方のスロットを形成し、
   前記放射導体の内周部から延出すると共に前記第２の脚部に接続された第２の延出部と当該第２の延出部から前記開放端とは反対方向に沿って形成された第２のスロット形成片とで所定寸法の他方のスロットを形成したことを特徴とするアンテナ構造。
2. 前記放射導体は、一部が開放した円環状をなすことを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造。
3. 左右の耳にそれぞれ当て付けて用いられる左右一対のスピーカ内蔵ユニットを備えたヘッドセットであって、少なくとも一方のスピーカ内蔵ユニットに請求項１又は請求項２記載のアンテナ構造を内蔵したことを特徴とするヘッドセット。
4. 左右の耳にそれぞれ当て付けて用いられる左右一対のスピーカ内蔵ユニットを備えたヘッドセットであって、前記各スピーカ内蔵ユニットに請求項１又は請求項２記載のアンテナ構造を設けたことを特徴とするヘッドセット。
5. 外部機器との間で近距離無線通信を行うことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のヘッドセット。
6. 左右のスピーカ内蔵ユニットのアンテナ構造にてダイバーシティ受信を行うことを特徴とする請求項３から請求項５の何れかに記載のヘッドセット。

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