JP7312573B2

JP7312573B2 - アンテナ装置

Info

Publication number: JP7312573B2
Application number: JP2019034356A
Authority: JP
Inventors: 裕耳野
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP2020139790A

Description

本発明は、アンテナ装置、特に無線通信機能を有する腕時計に設置されるアンテナ装置に関する。

近年、ＮＦＣ（near field communication）やＲＦＩＤ（radio frequency identifier）により、交流磁界にて無線で電力供給を受けることができるＩＣ（integrated circuit）カードや、腕時計等が製品化されている。

このような腕時計には、交流磁界を受けるアンテナ素子、及び当該アンテナ素子が受けた交流磁界を電力に変換してバッテリの充電を行う回路が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の腕時計では、上記した交流磁界を受けるアンテナ素子として、時計の文字盤と並行に配置されている基板上にプリントした平面状のループアンテナを採用している。このループアンテナは、腕時計の裏蓋を介して外部から交流磁界を受ける。

特開２００３－２１５２７１号公報

よって、このような腕時計の裏蓋としては、交流磁界を減衰させることなくアンテナに到達させることが可能な、例えばセラミック等の非金属材料を使用することが好ましい。

しかしながら、強度を要求される腕時計の裏蓋にセラミック材料を使用するためには、高強度のセラミック材料を用いなければならず、コスト高を招くという問題が生じる。

また、腕時計の裏蓋を介して近距離の無線給電又はデータ通信を行うには、使用者が自身の腕から腕時計を外すという、煩わしい作業が必要になる。

そこで、本発明は、コスト高を抑え且つ無線給電又はデータ通信を行う際の使用者の作業を容易化することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、無線通信機能を有する腕時計のアンテナ装置であって、無線受信機能を有するアンテナアセンブリと、前記アンテナアセンブリ及び前記腕時計の時計機構を支持する筒状の外装ケースと、を含み、前記アンテナアセンブリは、金属線を巻いた螺旋状のスパイラルアンテナと、前記外装ケースの側面に設置されており、前記スパイラルアンテナの一端が前記外装ケースの側面とは反対側を向いた状態で、前記スパイラルアンテナの螺旋中心軸と直交しかつ前記スパイラルアンテナの他端側に位置する回転軸を中心にして前記スパイラルアンテナを前記螺旋中心軸の方向が変わるように回動自在に支持するアンテナ支持機構と、を含むことを特徴とする。

本発明は、腕時計の外装ケースの側面に、アンテナの向きが変更自在なアンテナ素子を設けている。これにより、使用者は、腕時計を外すことなく且つ腕を傾けるという煩わしい作業を行わずとも、無線給電又はデータ通信の相手先のアンテナの方向に、自身のアンテナ素子の中心軸を合わせることが可能となる。

また、アンテナ素子は、腕時計の内部ではなく外面に設置されている。これにより、交流磁界を減衰させることなく当該アンテナ素子を保護するアンテナ保護キャップの材料として、腕時計の外装ケースの材料よりも低強度で安価な材料を用いることが可能となる。

よって、本発明によれば、コスト高を抑え、且つ無線給電又はデータ通信を行う際の使用者の作業を容易化することが可能となる。

本発明に係るアンテナ装置を有する腕時計を時計文字盤の上方から眺めた平面図である。図１に示す破線にて囲まれた領域を抜粋して、アンテナ保護キャップ内の構造、及び外装ケースの内部の構造を時計文字盤の上方から眺めた透視図である。図１に示す破線にて囲まれた領域を白抜き矢印の方向から眺めた透視図である。整合回路、及び通信チップに形成されている電源回路の構成の一例を示す回路図である。腕時計が無線給電を受ける又はデータ通信を行う際の電力／データ通信装置と腕時計との位置関係の一例を表す図である。腕時計が無線給電を受ける又はデータ通信を行う際の電力／データ通信装置と腕時計との位置関係の他の一例を表す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係るアンテナ装置を有する腕時計を時計文字盤の上方から眺めた平面図である。

尚、腕時計１００は、例えばスマートウォッチであり、時刻表示機能と共に、各種の情報表示機能を有する。更に、腕時計１００は、電力／データ通信装置（後述する）からの無線給電によって内蔵バッテリの充電を行うと共に、当該電力／データ通信装置との間でデータ通信を行う無線通信機能を有する。

図１に示すように、腕時計１００は、筒状の外装ケース１１、及び時計文字盤を覆う表面ガラス１２を含む。

外装ケース１１の開口の一方には表面ガラス１２が支持されており、他方の開口には裏蓋が取り付けられている。また、筒状の外装ケース１１の側面には、バンド取り付け部１３、リューズ１４が設けられている。すなわち、外装ケース１１には、時計文字盤（図示せず）、表面ガラス１２、バンド取り付け部１３、及びリューズ１４等の時計機構１５が支持されている。

更に、外装ケース１１の側面にはアンテナ保護キャップ２０が設置されている。

図２Ａは、図１に示す破線にて囲まれた領域を抜粋して、アンテナ保護キャップ内の構造、及び外装ケースの内部構造の一部を、時計文字盤の上方から眺めた透視図である。また、図２Ｂは、図１に示す破線にて囲まれた領域を、図１に示す白抜き矢印の方向から眺めた透視図である。

アンテナ保護キャップ２０は、例えば非金属のプラスチック材料等からなり、アンテナ素子２００、アンテナ支持機構２０１及び整合回路２０２を覆うように、筒状の外装ケース１１の側面に設置されている。つまり、アンテナ素子２００、アンテナ支持機構２０１、整合回路２０２及びアンテナ保護キャップ２０を含むアンテナアセンブリ２５が、外装ケース１１の側面に設けられている。

アンテナ素子２００は、例えば図２Ａに示すような、金属線を巻いた螺旋状のアンテナ、いわゆるスパイラルアンテナである。アンテナ素子２００は、例えばＮＦＣ（near field communication）規格に準拠した１３．５６ＭＨｚの周波数の交流磁界を受けた場合に、当該交流磁界の強度に対応した交流電圧を整合回路２０２に供給する。また、アンテナ素子２００は、整合回路２０２を介して１３．５６ＭＨｚの搬送波周波数の変調信号を受けた場合には、これを空間に放射する。

アンテナ支持機構２０１は、基板２１、回転軸２２、及び一対の回転軸支持脚２３を含む。

基板２１の両面のうちの一方の面には、アンテナ素子２００の螺旋中心軸がこの一方の面に対して直交するような形態で、当該アンテナ素子２００が固定設置されている。基板２１の他方の面には整合回路２０２が形成されている。

回転軸２２は、基板２１の縁部における互いに対向する一対の箇所の各々から、基板２１の重心点を通る直線に沿って突出する一対の円柱部からなる。一対の回転軸支持脚２３各々の一端は、外装ケース１１の側面に設置されており、夫々の他端には回転軸２２における一対の円柱部各々の先端を貫通させる貫通孔が設けられている。回転軸２２における一対の円柱部は、一対の回転軸支持脚２３各々の貫通孔に嵌合されている。

かかる構成により、アンテナ支持機構２０１は、アンテナ素子２００を図２Ｂの矢印に示す方向において回動自在に支持する。

尚、アンテナ素子２００を構成する金属線の一端及び他端は、基板２１に設けた貫通孔を介して整合回路２０２と電気的に接続されている。これにより、アンテナ素子２００が交流磁界を受けた場合には、当該交流磁界に対応した交流電圧が整合回路２０２に供給される。

整合回路２０２は、前述したようにアンテナ素子２００に接続されていると共に、ワイヤＬ１及びＬ２を介して、外装ケース１１内に設けられている半導体ＩＣチップとしての通信チップ１１１の外部端子ｔ１及びｔ２に接続されている。

通信チップ１１１には、電力／データ通信装置とのデータ通信を行う通信制御回路と共に、この電力／データ通信装置から放出された交流磁界を直流の電源電圧に変換する電源回路（後述する）が形成されている。また、基板１１０が外装ケース１１内に設けられており、基板１１０の一方の面には通信チップ１１１が形成されている。

アンテナ装置１０は、例えば図２Ａ及び図２Ｂに示すような、アンテナアセンブリ２５と外装ケース１１によって構成される。

図３は、整合回路と、通信チップに形成されている電源回路との構成を示す回路図である。

図３に示すように、整合回路２０２は、アンテナ素子２００のインピーダンスに対して整合を図るキャパシタＣ０を含む。キャパシタＣ０の両電極のうちの一方の電極はアンテナ素子２００の一端に接続されていると共に、ワイヤＬ１を介して通信チップ１１１の外部端子ｔ１に接続されている。キャパシタＣ０の他方の電極はアンテナ素子２００の他端に接続されていると共に、ワイヤＬ２を介して通信チップ１１１の外部端子ｔ２に接続されている。尚、整合回路２００とワイヤＬ１及びＬ２との各接続点は、基板２１が回動した際にワイヤＬ１及びＬ２が切断されないように、回転軸２２の軸上に沿った位置に設けられている。

ここで、アンテナ素子２００のＱ値（quality factor）は、その値が高いほど損失が少なくなるが、アンテナ素子２００及びキャパシタＣ０間を接続する配線の寄生抵抗値が大きいほど当該Ｑ値が低下する。つまり、アンテナ素子２００及びキャパシタＣ０間の配線長が長くなるほど、アンテナ素子２００の損失が多くなる。

そこで、キャパシタＣ０及びアンテナ素子２００間の配線長を短くし、且つ通信チップ１１１との接続が容易となるように、図２Ａに示すように整合回路２０２を基板２１に形成している。つまり、基板２１の両面のうちでアンテナ素子２００が設けられている面に対向する他方の面における、アンテナ素子２００と対向する領域に、整合回路２０２が形成されている。

図３に示すように、電源回路ＰＷＣは、４つの整流用のダイオードが接続されたダイオードブリッジ部ＤＢ、平滑用のキャパシタＣ１及び抵抗Ｒ１を有する。

図３に示す構成により、電源回路ＰＷＣは、アンテナ素子２００が受けた交流磁界に対応した交流電圧を、キャパシタＣ０、ワイヤＬ１及びＬ２、外部端子ｔ１及びｔ２を介して受ける。そして、電源回路ＰＷＣは、当該交流電圧を全波整流し且つ平滑化した直流の電圧を電源電圧Ｖｄｄとして生成し、これを電源ラインＶＬを介して出力する。

すなわち、電源回路ＰＷＣは、電力／データ通信装置からの無線給電によってアンテナ素子２００が受けた交流磁界に対応した電源電圧Ｖｄｄを生成する。

通信チップ１１１に形成されている通信制御回路は、この電源電圧Ｖｄｄを受けることで動作し、電力／データ通信装置との間でデータ通信を行う。

以下に、腕時計１００が電力／データ通信装置から無線給電を受ける、又は電力／データ通信装置とデータ通信を行う際の両者の位置関係について、図４及び図５を参照しつつ説明する。尚、図４及び図５に示す電力／データ通信装置としての電力／データ通信装置５００は、例えばＮＦＣに準拠した１３．５６ＭＨｚの周波数を有する交流磁界によって腕時計１００に対して無線給電又はデータ通信を行うアンテナ５０を有する。

無線給電又はデータ通信を行う場合には、図４又は図５に示すようにアンテナ保護キャップ２０の先端を、アンテナ５０の交流磁界の放射軸の方向（白抜き矢印にて示す）に沿って当該アンテナ５０に近づけるように腕時計１００を移動させる。

よって、使用者が腕時計１００を外すことなく、腕時計１００は、電力／データ通信装置５００からの給電、或いは電力／データ通信装置５００とのデータ通信を行うことが可能となる。

更に、腕時計１００のアンテナ素子２００は、アンテナ支持機構２０１により、その中心軸の方向を変更可能になっている。よって、図４及び図５に示すように、電力／データ通信装置５００のアンテナ５０から放射された交流磁界の放射軸の方向に拘らず、使用者は自身の腕を傾けることなく、その交流磁界の放射軸の方向にアンテナ素子２００の中心軸を合わせることが可能となる。これにより、使用者に対して腕を傾ける等の作業を強いることなく、最適な通信状態で無線給電又はデータ通信を行うことが可能となる。

また、アンテナ素子２００を覆うアンテナ保護キャップ２０は、プラスチック等の安価な材料で構成することができるので、外装ケース１１内にアンテナを設けた場合に比べて、コスト高を抑えることが可能となる。

よって、詳述したように、アンテナ素子２００及びアンテナ支持機構２０１によれば、コスト高を抑え且つ無線給電又はデータ通信を行う際の使用者の作業を容易化することが可能となる。

尚、上記実施例では、アンテナ保護キャップ２０の材料として例えばプラスチックを採用しているが、交流磁界を減衰させることなくアンテナ素子２００を外部接触から保護できるものであれば、その材料は限定されない。

また、上記実施例では、アンテナ素子２００として、図２Ａに示すようなスパイラルアンテナを採用しているが、螺旋状又はループ状の電極パターンを基板２１の一方の面にプリントした、いわゆるパターンアンテナを採用しても良い。

また、上記実施例では、アンテナ支持機構２０１として、アンテナ素子２００の向きを図２Ｂの矢印方向において変更自在にアンテナ素子２００を支持するものを採用している。しかしながら、当該アンテナ支持機構２０１としては、アンテナ素子２００の向きを全方位において変更自在に支持可能なものを採用しても良い。

また、上記実施例では、アンテナアセンブリ２５は、交流磁界によるデータの送信及び受信（無線給電を含む）の双方を行っているが、少なくともデータの受信及び無線給電を受けることができるものであれば良い。

要するに、無線通信機能を有する腕時計１００のアンテナ装置（１０）としては、少なくとも受信機能を呈するアンテナアセンブリ（２５）と、このアンテナアセンブリ（２５）及び腕時計の時計機構（１５）を支持する筒状の外装ケース（１１）と、を含むものであれば良い。尚、アンテナアセンブリ（２５）は、アンテナ素子（２００）と、外装ケース（１１）の側面に設置されておりアンテナ素子の向きを変更自在に当該アンテナ素子を支持するアンテナ支持機構（２０１）と、を含む。

１０アンテナ装置
１５時計機構
２０アンテナ保護キャップ
２１基板
２５アンテナアセンブリ
１００腕時計
１１１通信チップ
２００アンテナ素子
２０１アンテナ支持機構
２０２整合回路

Claims

無線通信機能を有する腕時計のアンテナ装置であって、
無線受信機能を有するアンテナアセンブリと、
前記アンテナアセンブリ及び前記腕時計の時計機構を支持する筒状の外装ケースと、を含み、
前記アンテナアセンブリは、
金属線を巻いた螺旋状のスパイラルアンテナと、
前記外装ケースの側面に設置されており、前記スパイラルアンテナの一端が前記外装ケースの側面とは反対側を向いた状態で、前記スパイラルアンテナの螺旋中心軸と直交しかつ前記スパイラルアンテナの他端側に位置する回転軸を中心にして前記スパイラルアンテナを前記螺旋中心軸の方向が変わるように回動自在に支持するアンテナ支持機構と、を含むことを特徴とするアンテナ装置。
前記アンテナ支持機構は、前記スパイラルアンテナが一方の面に設置されている基板を含み、
前記アンテナアセンブリは、前記基板の他方の面に設置され、前記スパイラルアンテナのインピーダンスを整合する整合回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記アンテナアセンブリは、
前記スパイラルアンテナ及び前記アンテナ支持機構を覆うように前記外装ケースの側面に設置されているアンテナ保護キャップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
前記スパイラルアンテナは、前記螺旋中心軸が前記基板の前記一方の面と直交する形態で前記一方の面に設置されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
前記スパイラルアンテナは、交流磁界を受けた場合に前記交流磁界の強度に対応した交流電圧を生成することを特徴とする請求項１～４のいずれか１に記載のアンテナ装置。
前記交流磁界は、ＮＦＣ（near field communication）規格に準拠した１３．５６ＭＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。