JP6268612B2 - 電子機器 - Google Patents
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Description
本開示は、近接検知センサ回路とアンテナ素子と無線通信回路とを備えた電子機器に関する。
近年、携帯電話などのワイアレスサービスが幅広く普及しており、通信機器に関しても、人体に密着し、身につけての使用形態などが考案されている。従来より、電磁波を発する通信機器において生体に及ぼす影響が懸念され、世界各国で無線装置の対象機器が指定され、対象機器で比吸収率(SAR:Specific Absorption Rate)の法規制が施行されている。ここで、例えば局所SARは、日本国及び欧州では、2.0W/kg(10g平均)と規定され、米国では1.6W/kg(1g平均)などと規定されている。また、当初は人体頭部に限定されていた対象部位が他の人体部位に拡張されるなど、規制が強化されつつある。
上述の課題を解決するため、通信機器に人体を検知する近接センサを搭載し、通信モジュールの送信出力を制御する手法が考案されている。このとき電極の容量値を検知する近接センサは、センサ電極を伸ばした範囲を広く検知できる点で有利である。
上述のように通信機器に人体を検知する近接センサとして、種々の静電容量式近接検知センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、SARが高くなる無線通信用アンテナ周辺を検知するために、近接検知センサ回路のためのセンサ電極をアンテナ近傍に設けると、実装空間の増加やアンテナ性能が劣化する(例えば、特許文献2参照)。
本開示は、SARが高くなる無線通信用アンテナ周辺を検知するため、近接検知センサ回路のためのセンサ電極をアンテナ近傍に設けた電子機器において、実装空間の増加を回避し、アンテナ性能の劣化を防止できる電子機器を提供することを目的とする。
本開示にかかる電子機器は、
第1のパターン導体と、
前記第1のパターン導体と電磁的に結合し、複数のサブパターン導体とからなる第2のパターン導体と、
前記複数のサブパターン導体を互いに接続する帯域阻止フィルタと、
前記第1のパターン導体が接続される無線通信回路と、
前記第2のパターン導体が接続される近接検知センサ回路と、
を備える。
第1のパターン導体と、
前記第1のパターン導体と電磁的に結合し、複数のサブパターン導体とからなる第2のパターン導体と、
前記複数のサブパターン導体を互いに接続する帯域阻止フィルタと、
前記第1のパターン導体が接続される無線通信回路と、
前記第2のパターン導体が接続される近接検知センサ回路と、
を備える。
本開示は、SARが高くなる無線通信用アンテナ周辺を検知するため、近接センサをアンテナ近傍に設けた電子機器において、実装空間の増加を回避し、アンテナ性能の劣化を防止できる。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
上述のように、従来技術では、SARが高くなる無線通信用アンテナ周辺を検知するため、近接検知センサ回路のためのセンサ電極をアンテナ近傍に設ける必要があるため、実装空間が増加し、アンテナ性能が劣化するという課題があった。さらに、無線通信装置が電波を通さない金属筐体の場合、無線性能を確保するため金属筐体の外側にアンテナ素子を引き出す必要があるが、容量タイプのセンサ電極も同様に金属筐体での配置に制約を受けるためアンテナ近傍への配置を両立することが課題であった。以上の課題を解決するために、発明者らは、以下の近接検知アンテナ装置を備えた電子機器を発明した。
実施形態1.
図1は実施形態1に係る電子機器に用いられる近接検知アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図1において、実施形態1に係る近接検知アンテナ装置は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話機等の電子機器の内部において通信機能を実現するモジュールとして設けられる。近接検知アンテナ装置は、図2A及び図2Bの誘電体基板50上に形成されたアンテナセンサ部1と、アンテナセンサ部1と静電容量式近接検知センサ回路2とを接続する同軸ケーブル30と、静電容量式近接検知センサ回路2と、無線通信回路3の送信電力を制御するプロセッサを有するコントローラ10とを備えて構成される。ここで、パターン導体19は給電点となる端子T19を介して無線通信回路3に接続される。
図1は実施形態1に係る電子機器に用いられる近接検知アンテナ装置の構成を示すブロック図である。図1において、実施形態1に係る近接検知アンテナ装置は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話機等の電子機器の内部において通信機能を実現するモジュールとして設けられる。近接検知アンテナ装置は、図2A及び図2Bの誘電体基板50上に形成されたアンテナセンサ部1と、アンテナセンサ部1と静電容量式近接検知センサ回路2とを接続する同軸ケーブル30と、静電容量式近接検知センサ回路2と、無線通信回路3の送信電力を制御するプロセッサを有するコントローラ10とを備えて構成される。ここで、パターン導体19は給電点となる端子T19を介して無線通信回路3に接続される。
アンテナセンサ部1は、無線通信回路3のアンテナ素子であるパターン導体19と、センサ素子部とを備え、センサ素子部は、複数のパターン導体11,12,13に分割されたセンサ素子と、パターン導体11,12間に挿入された帯域阻止フィルタ17と、パターン導体12,13間に挿入された帯域阻止フィルタ18と、メアンダ形状を有し高周波阻止用インダクタを構成するパターン導体14と、例えば矩形形状の接続用パターン導体15と、比較的大きな抵抗値R0を有する高周波阻止用抵抗16とを備えて構成される。抵抗値R0は、センサ素子部から見て高周波的にハイインピーダンスとなり、その先に接続されるケーブルや部品などの影響を低減することができる。図1の一例では、パターン導体11と、帯域阻止フィルタ17と、パターン導体12と、帯域阻止フィルタ18と、パターン導体13〜15と、抵抗16の順序で直列接続されて誘電体基板50上に形成される。また、パターン導体19と、パターン導体11,12,13とは互いに電磁的に結合するように近接してかつ互いに実質的に平行となるように形成されている。ここで、各帯域阻止フィルタ17,18は、例えばコイル形状のインダクタと、その等価キャパシタンスとが並列接続されてなる並列共振回路であって、それぞれ所定の帯域の高周波信号の通過を阻止する。以上に述べた構成により、抵抗値R0から見たパターン導体11〜15と、各帯域阻止フィルタ17,18とを含む一連のセンサ素子部の高周波特性は、アンテナが無線通信で使用する周波数f1,f2で共振の起き難い特性となる。なお、共振周波数f1で動作する帯域阻止フィルタ17は、パターン導体13〜15および11,12の素子長が、それぞれ無線通信で使用しない電気長となる位置に実装することが望ましい。また、共振周波数f2で動作する帯域阻止フィルタ18は、パターン導体12〜15および11の素子長が、それぞれ無線通信で使用しない電気長となる位置に実装することが望ましい。このようにすると、パターン導体11〜15と、各帯域阻止フィルタ17,18とを含む一連のセンサ素子部は、主に無線通信で使用する周波数帯において共振を起さない。つまり、隣接するアンテナ素子とのアイソレーションを改善し、アンテナ性能劣化を抑えることができる。
抵抗16の一端は端子T31及び同軸ケーブル(シールドケーブルともいう)31を介して静電容量式近接検知センサ回路2の接続点P1(図3の検知用端子)に接続される。具体的には当該接続点P1は同軸ケーブル30における内導体31を介して端子T31に接続される。同軸ケーブル30は、内導体31と外皮導体32とを備えて構成される。外皮導体32はその両端が接地されている。同軸ケーブル30は、当該無線信号を扱う場合において低ロスで伝送を行うことできる。同軸ケーブル30において、内導体と外皮導体の間の静電容量値は一定(たとえば100pF/m)で規定できるため、共に外乱の影響を受けることなく設計できる。
無線通信回路3は、パターン導体19によるアンテナ素子により受信された無線信号を受信して復調などの信号処理を行う。また、無線通信回路3は、ベースバンド信号を変調することによって、パターン導体19が送信すべき無線信号を生成する処理を行う。
図2Aは図1のアンテナセンサ部1の誘電体基板50の第1の面50a上のパターン導体を示す平面図であり、図2Bは図1のアンテナセンサ部1の誘電体基板50の第2の面50b上のパターン導体を点線で示す透視平面図である。ここで、誘電体基板50は互いに平行な第1の面50aと第2の面50bとを有する。
図2Aにおいて、誘電体基板50の第1の面50a上に、パターン導体11と、パターン導体19のサブパターン導体19aと、接地パターン導体19gaとが形成されている。ここで、当該例では、パターン導体11とサブパターン導体19aとは互いにその長手方向が平行しかつ互いに電磁的に結合するように近接して形成されている。また、図2Bにおいて、誘電体基板50の第2の面50b上に、パターン導体12〜15と、パターン導体19のサブパターン導体19bと、接地パターン導体19gbとが形成されており、帯域阻止フィルタ17,18及び抵抗16が設けられている。
ここで、図2Aのパターン導体11の他端は、誘電体基板50を厚さ方向に貫通して形成されるビア導体41を介して図2Bの帯域阻止フィルタ17の一端に接続され、その他端はパターン導体12の一端に接続される。パターン導体12の他端は帯域阻止フィルタ18を介してパターン導体13の一端に接続され、その他端はメアンダ形状のパターン導体14を介してパターン導体15に接続される。さらに、パターン導体15は抵抗16を介して端子T31に接続される。
また、図2Aのサブパターン導体19aの他端はビア導体42を介して図2Bのサブパターン導体19bに接続され、サブパターン導体19bの左端部には、無線通信回路3に接続される端子T19が設けられている。さらに、接地パターン導体19ga,19gbはビア導体43を介して接続され、端子T19gに接続されている。
図1の静電容量式近接検知センサ回路2は、所定の周期で例えば数100kHzのバースト信号を発生させる。静電容量式近接センサ回路2は容量検知素子として動作するアンテナセンサ部1のパターン導体11,12,13に当該バースト信号を送信する。パターン導体11,12,13は当該バースト信号を受けると帯電する。静電容量式近接センサ回路2はパターン導体11,12,13の帯電状況から容量値を検出する。具体的には静電容量式近接センサ回路2は、接続点P1において検知される帰還信号の電圧を検出する。なお、本開示において容量検知信号とは、当該バースト信号を含み、また、当該帰還信号を含む。静電容量式近接センサ回路2は当該帰還信号の電圧に基づいてパターン導体11,12,13での容量を検知する。静電容量式近接センサ回路2は当該検知した容量に基づいてパターン導体11,12,13から所定のしきい値距離内に人体が近接したか否かをハードウェア処理により判断して検出する。静電容量式近接検知センサ回路2は人体近接を検出したときは、所定の検知信号を発生してコントローラ10に送信する。コントローラ10は所定の検知信号を受信すると、無線通信回路3に対して送信する無線信号の送信電力を低減するなどの制御を行う。なお、容量値に基いて人体が近接したか否かを判定する機能は、コントローラ10自体や、無線通信回路3に持たせても良い。具体的にはコントローラ10が静電容量式近接検知センサ回路2から容量値または所定の電圧値を取得し、コントローラ10が保持するしきい値に基づいて人体が近接したか否かをソフトウェア処理により判断しても良い。または、コントローラ10は単に容量値を無線通信回路3に送信し、無線通信回路3が、人体が近接したか否かを判断しても良い。
以上のように構成された実施形態1に係る近接検知アンテナ装置において、検知電極である接続点P1はパターン導体11,12,13に直流的に接続される。当該接続に利用される信号線は、同軸ケーブル30を介してパターン導体11,12,13に接続して構成されている。このときセンサ構造全体を構成する、パターン導体11〜15、同軸ケーブル30のそれぞれ持つ寄生容量の合計値を抑えて設計することで、センサ検知距離の劣化を抑制することができる。具体的には当該寄生容量の合計値は静電容量式近接検知センサ回路2の駆動に必要な容量値の範囲内で設計することが好ましい。寄生容量の合計値を下げるためにはパターン導体11〜15、同軸ケーブル30を互いに近接させて配置すること望ましい。
図3は図1の静電容量式近接検知センサ回路2の一例の構成を示す回路図である。図3において、静電容量式近接検知センサ回路2は、当該回路の動作を制御するコントローラ20と、クロック発生器21と、電圧レギュレータ22と、コンパレータ23と、定電圧ダイオードD1と、抵抗R1と、スイッチSWと、ダイオード25及び電流源26を含むカレントミラー回路24と、サンプリングキャパシタCsと、電解コンデンサCVDD及びCregと、容量検知電極である接続点P1とを備える。図3において、CXはパターン導体11,12,13と接続点P1との間の浮遊容量であり、CTはパターン導体11,12,13に人間の指がタッチし又は人体が近接するときに発生される容量である。
電圧レギュレータ22は入力される電源電圧VDDを所定の動作電圧に変換する。電圧レギュレータ22によって変換された電圧は抵抗R1を介して定電圧ダイオードD1にて設定される基準電圧に変換されてコンパレータ23の反転入力端子に入力されるとともに、ダイオード25に入力される。カレントミラー回路24において、ダイオード25に流れる電流に比例する電流が電流源26からサンプリングキャパシタCSに流れる。
図4は図3の静電容量式近接検知センサ回路2から発生される信号電圧を示す図である。図5は図2A及び図2Bの静電容量式近接検知センサ回路2により検出される検知電圧を示す図である。以下、図3〜図5を参照して、図4の静電容量式近接検知センサ回路2の動作について説明する。
コントローラ20は、まず、スイッチSWを接点a側に切り替える。スイッチSWが接点a側に切り替えられると、図4に示すように、例えば数百kHz程度のバースト期間tburstを有するバースト信号が例えば10〜1000ms程度のサンプリング周期tsamplingで発生して接続点P1からパターン導体11,12,13に対して印加される。バースト信号が印加されるとパターン導体11,12,13は所定の電圧になるように充電される。コントローラ20はバースト信号間の期間において、スイッチSWを接点b側に切り替える。スイッチSWが接点b側に切り替えられると、充電電圧がカレントミラー回路24を介してサンプリングキャパシタCsにコピーされる。コントローラ20はサンプリングキャパシタCsを所定の基準電圧とコンパレータ23により比較することにより、例えば図5に示すように、検知電圧が所定のしきい値電圧Vthを超えているか否かに応じて人体検知したか否かを判断する。コントローラ20は、人体検知したときは検知信号をコントローラ10に出力する。以上の処理は上記サンプリング周期tsamplingで周期的に繰り返される。
図6は図1の近接検知アンテナ装置の実験結果であって、アンテナ素子であるパターン導体19の電圧定在波比(VSWR)の周波数特性を示すグラフである。横軸に示される周波数軸において周波数帯域704〜894MHz,1710〜2170MHz,2500〜2700MHzはアンテナ装置が対応する無線周波数である。図6に示されるようにパターン導体19は上記述べた3個の周波数帯域においてVSWR<3.5の良好な特性を示す。比較例は帯域阻止フィルタ17,18が挿入されていない為、当該帯域f1,f2において不要共振が発生する。本実施形態で述べた近接検知アンテナ装置は、各帯域阻止フィルタ17,18を備えたことにより比較例よりも当該帯域での不要共振が少なくなる。
図7は図1の近接検知アンテナ装置を実装した電子機器である電子タブレット100の外観を示す斜視図である。図7において、図1の近接検知アンテナ装置を、例えば電子タブレット100の上部縁端部101に実装している。
以上説明したように、本実施形態においては、無線用アンテナ素子であるパターン導体19と、近接検知センサ回路2のパターン導体11,12,13をと互いに電磁的に結合するように平行に配置した。これにより、アンテナ素子に沿って伸張したセンサ素子部により、アンテナ素子の占有する領域の広範囲にわたって人体等の接近を検知することができるので別途センサ回路を配置する空間を必要としない。結果としてアンテナ装置全体の小型化が可能となる。また、センサ素子部は、アンテナ素子と類似した長さで隣接する導体素子で構成されることから電気的な結合を生じ、特にアンテナで使用する高周波特性に影響を及ぼす要因となるところを、帯域阻止フィルタ17,18及びメアンダ形状のパターン導体14を、パターン導体11,12,13と近接検知センサ回路2との間に挿入したことにより、アンテナ装置の共振周波数における容量センサの共振を回避することができ、アンテナ性能への影響を抑えることが可能となる。特に、帯域阻止フィルタ17,18の共振周波数においてアンテナ装置のVSWRを大幅に改善させることができる。例えば、図6の比較例では、アンテナ素子が無線通信で使用する当該周波数f1,f2で共振すると、センサ素子部も電気的な結合により、f1,f2で共振し、アイソレーションやアンテナ効率などのアンテナ特性の劣化要因となるが本実施の形態によれば当該劣化要因を軽減することができる。本実施形態において帯域阻止フィルタ17,18はLC共振回路で構成したがこれは一例である。
以上のように、本開示における実装の例示として、実施形態1を説明した。しかしながら、本開示は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態についてまとめて説明する。
変形例.
以上の実施形態においては、シールドケーブルである同軸ケーブル30を用いているが、これに限らず、マイクロストリップ線路などの伝送線路を用いてもよい。
以上の実施形態においては、シールドケーブルである同軸ケーブル30を用いているが、これに限らず、マイクロストリップ線路などの伝送線路を用いてもよい。
以上の実施形態においては、図3において静電容量式近接検知センサ回路2の一例を図示しているが、これに限らず、他の回路の静電容量式近接検知センサ回路を用いてもよい。
以上の実施形態においては、センサ素子用パターン導体を3つのパターン導体11,12,13に分割してそれらの間にそれぞれ2個の帯域阻止フィルタ17,18を挿入しているが、センサ素子用パターン導体を複数のサブパターン導体に分割してそれらの間にそれぞれ所定の共振周波数を有する帯域阻止フィルタを挿入してもよい。
以上の実施形態においては、センサ素子用パターン導体11と、アンテナ素子用パターン導体19との間が電磁的に結合するように近接しかつ平行に配置しているが、センサ素子用パターン導体11,12,13の少なくとも一部がパターン導体19の少なくとも一部と互いに近接して平行になるように配置してもよい。
図8A、図8B及び図8Cは、図1のパターン導体11,12,13,19の変形例を表す平面図である。図8Aはパターン導体11,12,13,19の変形例1を表す平面図である。図8Aに示したように、アンテナ素子用パターン導体19を取り囲むようにセンサ素子用パターン導体11,12,13を配置することもできる。図8Bはパターン導体11,12,13,19の変形例2を表す透過平面図である。図8Bに示したように、アンテナ素子用パターン導体19とセンサ素子用パターン導体11,12,13を同一の誘電体基板の異なる層に設け、一部を重複して構成してもよい。図8Cはパターン導体11,12,13,19の変形例3を表す透過平面図である。図8Cに示したように、アンテナ素子用パターン導体19とセンサ素子用パターン導体11,12,13を同一の誘電体基板の異なる層に設け、全体を重複して構成することもできる。これら各変形例で構成とすることでも、アンテナ素子用パターン導体19およびセンサ素子用パターン導体11,12,13を一体で構成することもできるため、無線装置の占有空間を小さくすることができる。
また、帯域阻止フィルタ17,18の個数は必ずしも2個に限定するものではなく追加して設けることができる。
以上の実施形態において、電子機器は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話機等のなどの電子機器である。
以上のように、添付図面及び詳細な説明によって、出願人がベストモードと考える実施の形態と他の実施の形態とを提供した。これらは、特定の実施の形態を参照することにより、当業者に対して、特許請求の範囲に記載の主題を例証するために提供されるものである。したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、それ以外の構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されているからといって、直ちにそれらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定を受けるべきではない。また、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、上述の実施の形態に対して、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、SARが高くなる無線通信用アンテナ周辺を検知するため、近接センサをアンテナ近傍に設けた電子機器において、実装空間の増加を回避し、アンテナ性能の劣化を防止できる。
1…アンテナセンサ部、
2…静電容量式近接検知センサ回路、
3…無線通信回路、
10…コントローラ、
11〜15,19…パターン導体、
16…抵抗、
17,18…帯域阻止フィルタ、
19a,19b,19c…サブパターン導体、
19ga,19gb…接地パターン導体、
20…コントローラ、
21…クロック発生器、
22…電圧レギュレータ、
23…コンパレータ、
24…カレントミラー回路、
25…ダイオード、
26…電流源、
30…同軸ケーブル、
31…内導体、
32…外皮導体、
41,42,43…ビア導体、
50…誘電体基板、
50a…第1の面、
50b…第2の面、
C1,C2…キャパシタ、
CS…サンプリングキャパシタ、
CX…寄生容量、
CT…静電容量、
CVDD,Creg…電解コンデンサ、
D1…ダイオード、
P1,P2,P3…接続点、
R0,R1…抵抗、
L1,L2…インダクタ、
SW…スイッチ、
T19,T19g,T31…端子。
2…静電容量式近接検知センサ回路、
3…無線通信回路、
10…コントローラ、
11〜15,19…パターン導体、
16…抵抗、
17,18…帯域阻止フィルタ、
19a,19b,19c…サブパターン導体、
19ga,19gb…接地パターン導体、
20…コントローラ、
21…クロック発生器、
22…電圧レギュレータ、
23…コンパレータ、
24…カレントミラー回路、
25…ダイオード、
26…電流源、
30…同軸ケーブル、
31…内導体、
32…外皮導体、
41,42,43…ビア導体、
50…誘電体基板、
50a…第1の面、
50b…第2の面、
C1,C2…キャパシタ、
CS…サンプリングキャパシタ、
CX…寄生容量、
CT…静電容量、
CVDD,Creg…電解コンデンサ、
D1…ダイオード、
P1,P2,P3…接続点、
R0,R1…抵抗、
L1,L2…インダクタ、
SW…スイッチ、
T19,T19g,T31…端子。
Claims (7)
- 第1のパターン導体と、
前記第1のパターン導体と電磁的に結合し、複数のサブパターン導体とからなる第2のパターン導体と、
前記複数のサブパターン導体を互いに接続する帯域阻止フィルタと、
前記第1のパターン導体が接続される無線通信回路と、
前記第2のパターン導体が接続される近接検知センサ回路と、
を備える電子機器。 - 前記帯域阻止フィルタは前記第1のパターン導体が共振する帯域の信号を阻止するフィルタである、
請求項1に記載の電子機器。 - 前記第1のパターン導体は複数の帯域において共振し、
前記第2のパターン導体は前記帯域阻止フィルタを複数有する、
請求項1に記載の電子機器。 - 前記無線通信回路及び前記近接検知センサ回路を制御するコントローラを更に有し、
前記コントローラは、前記近接検知センサ回路から近接検知信号が入力され、前記近接検知信号に基づいて前記無線通信回路に対して前記第1のパターン導体に出力する電力を低減させる、
請求項1に記載の電子機器。 - 前記第2のパターン導体の少なくとも一部はミアンダ形状を有する、
請求項1に記載の電子機器。 - 前記第1のパターン導体と前記第2のパターン導体は同一基板上に形成された、
請求項1に記載の電子機器。 - 前記第1のパターン導体の少なくとも一部と前記第2のパターン導体の少なくとも一部は前記基板上に平行に形成された、
請求項6に記載の電子機器。
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