JPWO2012070242A1 - 無線機 - Google Patents

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崇士 渡邊
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Abstract

本発明は、高周波信号を電波に変換して放射する放射導体(101)と、前記放射導体(101)と電気的に接続され、かつ前記放射導体(101)に前記高周波信号を供給する電気回路が搭載された回路基板(102)と、前記回路基板(102)の前記電気回路と電気的に接続され、前記放射導体(101)に対向し、かつ前記放射導体(101)のグラウンドを構成する平面状の接地導体(103)と、前記放射導体(101)、前記回路基板(102)および前記接地導体(103)を収納する樹脂製の筐体(104)とを備える。ここで、前記接地導体(103)、前記回路基板(102)および前記放射導体(101)は、前記回路基板(102)の厚み方向に、この順で配置される無線機(100)である。

Description

本発明は、無線機に関し、特に、ガスメータ、電力メータ、水道メータなどを収納するメーターボックスに取り付けられる無線機に関する。
近年、家屋などの建造物に設置されたメータでガス、電気、水道などの使用量を計測し、この計測データを無線通信によって収集する自動検針システムが導入されている。このような自動検針システムでは、メーターボックスへの設置しやすさの観点から、アンテナを内蔵した小型の無線機が求められている。
このような無線機として、たとえば、接地導体板と放射導体部の短絡導体とがプリント回路基板の配線パターンを介して接続される基板実装形板状アンテナを含む無線機が挙げられる。この無線機では、接地導体板が、放射導体部のグラウンドとして利用され、放射導体板とプリント回路基板との間に設けられている(例えば、特許文献1参照)。
また、無線通信装置では、長手導体部が、プリント基板の上に対向して設けられている。プリント基板の上にグラウンドパターンが配され、長手導体部に対向する領域の一部のグラウンドパターンは取り除かされている。そして、長手導体部は、接地用導体部を介してグラウンドパターンと電気的に接続され、給電用導体部を介してプリント基板の給電点と電気的に接続されている。このため、接地用導体部の付近ではグラウンドパターンがプリント基板と長手導体部との間に配置されている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、無線機を含む自動検針用無線機では、樹脂製筐体の中に無線機および板状アンテナが収容され、無線機は金属製筐体の中に配置されている。板状アンテナは金属製筐体に金属材接続部により接続され、金属製筐体は板状アンテナのグラウンドとして利用されている。また、金属製筐体と板状アンテナとの間に給電部が設けられている(例えば、特許文献3参照)。
特開平10−313212号公報 特開2003−92510号公報 特開平9−27092号公報
しかしながら、放射導体に対するグラウンドのサイズがアンテナの動作周波数の波長に対して小さいと、周囲に存在する金属の影響をアンテナが受け、利得や放射効率などのアンテナ特性が低下してしまう。
たとえば、従来の基板実装形板状アンテナを含む無線機では、放射導体のグラウンドとなる接地導体のサイズが大きいと、金属によるアンテナ特性の低下が防げるが、無線機自体のサイズが大型化してしまう。
一方、放射導体のグラウンドのサイズが小さいと、周囲の金属の影響によりアンテナ特性が低下してしまう。特に、基板実装形板状アンテナを含む無線機が金属面に取り付けられると、金属面の上に、プリント回路基板、接地導体部および放射導体部がこの順番で配置される。これにより、接地導体部と金属面との間にプリント回路基板が配され、接地導体部と金属面との間の距離が大きくなる。よって、金属面の影響によりアンテナのインピーダンスが大きくなるため、アンテナの特性が低下してしまう。
従来の無線通信装置についても、従来の基板実装形板状アンテナを含む無線機と同様である。
これに対し、従来の自動検針用無線機が金属面に取り付けられても、板状アンテナのグラウンドとして利用される金属製筐体が、アンテナに供給される高周波信号の波長に対応するサイズに比べて大きい。このため、板状アンテナは金属面の影響を受けにくい。しかし、大きな金属製筐体を板状アンテナの近傍に設ける必要があり、無線機のサイズが大型化する上、部品点数が増加し、製品コストがかさんでしまう。
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、金属によるアンテナ特性の低下を抑えた、小型の無線機を提供することを目的とする。
本発明のある形態に係る、無線機は、高周波信号を電波に変換して放射する放射導体と、前記放射導体と電気的に接続され、かつ前記放射導体に前記高周波信号を供給する電気回路が搭載された回路基板と、前記回路基板の前記電気回路と電気的に接続され、前記放射導体に対向し、かつ前記放射導体のグラウンドを構成する平面状の接地導体と、前記放射導体、前記回路基板および前記接地導体を収納する樹脂製の筐体と、を備える。ここで、前記接地導体、前記回路基板および前記放射導体は、前記回路基板の厚み方向に、この順で配置される。
本発明は、以上に説明した構成を有し、金属によるアンテナ特性の低下を抑えた、小型の無線機を提供することができるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の第2実施形態に係る無線機が装着されたメーターボックスを示す斜視図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機を示す分解斜視図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機における放射導体、回路基板および接地導体を示す斜視図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機における放射導体、回路基板および接地導体を後側から視た模式図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機における放射導体、回路基板および接地導体を左側から視た模式図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機における放射導体、回路基板および接地導体を上側から視た模式図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機の電波の周波数に対する電圧定在波比を示すグラフである。 本発明の第2実施形態に係る無線機をメータに取り付けた際の軸を説明するための図である。 本発明の第2実施形態に係る無線機の指向特性を示すグラフである。 本発明の第3実施形態に係る無線機における放射導体および回路基板を示す模式図である。 本発明の第4実施形態に係る無線機を示す分解斜視図である。 本発明の第4実施形態に係る無線機をメーターボックスに設置した状態を示す模式図である。 本発明の第4実施形態に係る無線機の放射効率と、メーターボックスとの間隔dとの関係を示すグラフである。 本発明の第4実施形態に係る無線機の放射効率と、短絡端子および接地端子の距離sとの関係を示すグラフである。 本発明の第5実施形態に係る無線機を示す分解斜視図である。 本発明の第5実施形態に係る無線機に実装される導体素子の他の構成を示す斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る無線機の構成を示すブロック図である。 本発明の別の実施形態に係る無線機における回路基板および接地導体を示す斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る無線機における回路基板および接地導体を示す斜視図である。
本発明のある形態に係る、無線機は、高周波信号を電波に変換して放射する放射導体と、前記放射導体と電気的に接続され、かつ前記放射導体に前記高周波信号を供給する電気回路が搭載された回路基板と、前記回路基板と電気的に接続され、前記放射導体に対向し、かつ前記放射導体のグラウンドを構成する平面状の接地導体と、前記放射導体、前記回路基板および前記接地導体を収納する樹脂製の筐体とを備える。ここで、前記接地導体、前記回路基板および前記放射導体は、前記回路基板の厚み方向に、この順で配置される。
この構成によれば、接地導体、回路基板および放射導体が回路基板の厚み方向にこの順で配置され、かつ接地導体が放射導体のグラウンドを構成する。これにより、接地導体と放射導体との間の距離をできるだけ大きくすることができ、アンテナの周波数帯域幅が広くなり、アンテナの特性が優れる。
しかも、たとえば、このような無線機が金属面に取り付けられると、無線機の中で接地導体が金属面に最も近づけられる。これにより、接地導体と金属面との間隔が狭く、これらが電気的に結合されるため、アンテナの実効体積が大きくなる。よって、動作周波数の波長に対して小さな無線機であっても、金属の影響による放射効率の劣化が防止され得る。
無線機は、前記接地導体と、前記筐体の前記接地導体に対向する面とが互いに平行に配置されてもよい。
この構成によれば、接地導体に対向する筐体の面が金属面に対向するように、筐体が金属面に平行に取り付けられると、接地導体は金属面と平行に配置される。よって、接地導体が金属面に対して均一に近づけられ、接地導体の全体が金属面と電気的に結合でき、放射効率の劣化をより改善することが可能となる。
無線機は、前記放射導体と、前記接地導体と、前記回路基板とが互いに平行に配置されてもよい。
この構成によれば、放射導体、接地導体および回路基板が互いに平行に配置されることにより、放射導体と接地導体との間の厚みが小さくなり、無線機が小型化され得る。
無線機は、前記放射導体は平面状の導体素子で構成されてもよい。
この場合、前記放射導体は板状逆Fアンテナで構成されてもよい。
この構成によれば、板状逆アンテナなどの平面状の導体素子が放射導体として用いられることにより、動作周波数の波長に対して放射導体のサイズを小さくすることができる。
無線機は、前記回路基板の電気回路と前記放射導体とを電気的に接続し、前記回路基板から前記放射導体に前記高周波信号を供給する給電端子と、前記回路基板の電気回路のグラウンド部と前記放射導体とを電気的に接続し、前記放射導体を前記電気回路のグラウンド部に接地する短絡端子と、前記接地導体と前記回路基板の電気回路のグラウンド部とを電気的に接続し、前記グラウンド部において前記短絡端子が接地された位置の近傍に配置される接地端子とをさらに備えてもよい。
この構成によれば、短絡端子および接地端子を介して放射導体は接地導体に電気的に接続され、接地導体が放射導体に直接接続されていない。このため、接地導体が金属面に取り付けられても、接地導体は金属面から離れているため、金属の影響をアンテナが受けにくく、放射効率の劣化が抑えられる。
また、回路基板の電気回路のグラウンド部において接地端子が短絡端子の近傍に接続されることにより、この間を電流が流れる距離が短いことにより、電力の損失が少なくできるため、放射効率の低下が防止され得る。
無線機は、前記放射導体は前記回路基板の一対の主面のうち前記接地導体から遠い方の主面の上に形成された配線で構成されてもよい。
この構成によれば、回路基板に含まれる配線が放射導体として利用されることにより、部品点数が削減され、無線機が小型化されるとともに、製品コストが削減される。
無線機は、前記放射導体は線状の導体素子で構成されてもよい。
この構成によれば、線状の導体素子により放射導体が構成されても、面状の導体素子と同様のアンテナの特性が得られる。
無線機は、前記回路基板の一対の主面のうち前記放射導体から遠い方の主面の上に前記接地導体としての導体層が形成されてもよい。
無線機は、前記回路基板の一対の主面のうち前記放射導体に近い方の主面の上に前記電気回路を含む層が形成されてもよい。
この構成によれば、回路基板に接地導体としての導体層が形成され、この導体層、電気回路を含む層および放射導体がこの順で重ね合されている。これにより、たとえば、このような無線機が金属面に取り付けられると、無線の中で導体層が金属面に最も近づけられる。このため、導体層と金属面との間隔が狭く、これらが電気的に結合できるため、アンテナの実効体積が大きくなる。よって、動作周波数の波長に対して小さな無線機であっても、金属の影響による放射効率の劣化が防止され得る。
また、回路基板の導体層が放射導体のグラウンドとして利用されるため、無線機が小型化されるとともに、部品点数が削減され、低コストが実現される。
無線機は、前記筐体は、開口を有する容器状の本体と、前記本体の開口を塞ぐ蓋とを有してもよい。ここで、前記本体および前記蓋のいずれか一方に、前記開口を囲む線状の導体素子が配置される。また、前記本体に、前記開口の近傍に前記放射導体が位置するようにして、前記放射導体、前記回路基板および前記接地導体が収容されている。
この構成によれば、第1筐体の開口の近傍に放射導体が配置され、この開口部を線状の導体素子が囲むことにより、線状の導体素子は放射導体の近傍に位置する。よって、線状の導体素子と放射導体とが電気的に結合することができるため、放射する電波の周波数の波長に対して十分に小さな無線機であっても、高い放射効率が得られる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
図17は、本発明の第1実施形態に係る無線機100の構成を示すブロック図である。
無線機100は放射導体101、回路基板102および接地導体103を備える。
放射導体101は、高周波信号を電波に変換して放射する。
回路基板102には、無線通信用の電気回路が搭載されている。この電気回路は、例えば、集積回路を備えている。無線通信用の集積回路は、放射導体101と電気的に接続され、データ収集用の集積回路からのデータに応じて放射導体101に高周波信号を供給する。
接地導体103は、平面状であって、回路基板102の電気回路のグラウンド部と電気的に接続される。接地導体103は、放射導体101に対向し、かつ放射導体101のグラウンドを構成する。
放射導体101、回路基板102および接地導体103は、回路基板102の厚み方向にこの順で配置され、樹脂製の筐体104の中に収納される。
このような無線機100において、メータの計測値などのデータが取得されると、無線通信用の集積回路は、このデータに応じて高周波信号を作成して、これを放射導体101に与える。放射導体101は高周波信号を電波に変換して放射する。
このようにして、第1実施形態では、放射導体101、接地導体103および回路基板102が筐体104の中に、回路基板102の厚み方向にこの順で配置されることにより、筐体104において放射導体101および接地導体103はこの間ができるだけ離れるように配置される。よって、放射導体101と接地導体103との間隔が大きくなることにより、アンテナの周波数帯域幅が広くなり、アンテナの特性が優れる。
また、たとえば、接地導体103が金属面側になるように、無線機100が金属面上に設置されると、接地導体103が金属面に近接する。このため、接地導体103および金属面が金属的に結合し、接地導体103に加えて金属面も放射導体101のグラウンドとして機能することにより、接地導体103のサイズが動作周波数の波長に対して小さくても、アンテナのインピーダンスが増加しない。よって、無線機100は小型であっても、金属によるアンテナ特性の劣化を抑えることができる。
(実施形態2)
図1は、本発明の第2実施形態に係る無線機100が装着されたメーターボックス200を示す斜視図である。
メーターボックス200は、ガス、電気および水道水などの使用量を計測するメータを収めた箱である。メーターボックス200は金属で形成され、メーターボックス200の前壁には表示部201が設けられる。メーターボックス200の前壁に無線機100が装着される。
第2実施形態に係る無線機100は、第1実施形態の放射導体101、回路基板102、接地導体103の具体的構造等を特定して例示したものである。無線機100は、例えば、メータにより計測されたデータを無線通信でガス、電気および水道水などの供給業者の検針員が携帯する検針用端末に送信する装置である。無線機100は、薄い直方体状の筐体104を有し、メーターボックス200にビス、両面テープまたはフック等の取り付け具により取り付けられる。筐体104の第2筐体104bの表面はメーターボックス200の前壁と同じ方向を向き、第1筐体104aはメーターボックス200の前壁に面する。第1筐体104aおよびメーターボックス200の前壁は、接していてもよいし、小さい間隔を隔てて設けられていてもよい。ただし、後述するように、これらの間隔は、接地導体103とメーターボックス200の前壁とが近傍にあって金属的に結合する距離であればよい。
無線機100は、メーターボックス200から計測値を取得する回路およびプログラムを備える。計測値の取得方法として、特に限定されない。たとえば、メーターボックス200から出力されるパルス波形をカウントし、ガスなどの流量を無線機100で測定することにより、計測値が得られる。また、流量に応じて磁石が変位する機構がメーターボックス200に組み込まれており、この磁石の変位を無線機100で検知することにより、計測値が得られる。さらに、流量に応じて変位する磁石の動きをパルス波形に変換するユニットをさらに設け、このユニットからのパルス波形を無線機100でカウントすることにより、計測値が得られる。なお、流量をカウントする機構を有する無線機100は、ハーネスなどによりメーターボックス200と電気的に接続され、ハーネスを介してパルス波形を取得してもよい。また、無線機100は、メーターボックス200と接続されないリードスイッチなどによりパルス波形を検出してもよい。
図2は、無線機100の分解斜視図である。図3は、無線機100における放射導体101、回路基板102および接地導体103を示す斜視図である。図4は、放射導体101、回路基板102および接地導体103を後側から視た模式図である。図5は、放射導体101、回路基板102および接地導体103を左側から視た模式図である。図6は、放射導体101、回路基板102および接地導体103を上側から視た模式図である。なお、上下、前後および左右の方向は、図3〜図6の矢印により示される。
筐体104は、ポリプロピレンやABSなど電気絶縁性を有する樹脂により形成される。筐体104は第1筐体104aおよび第2筐体104bを有する。第1筐体104aは、開口を有する容器状に形成されている。ここでは、一面が開放された直方体状に形成されている。第2筐体104bは、第1筐体104aの開口部を覆う(塞ぐ)ように形成されていて、例えば、平面形状に形成されている。第1筐体104aと第2筐体104bとが接着、溶着またはビスなどで結合(接合)され、筐体104が形成される。筐体104の中に、バッテリー105および回路基板102が組み込まれている。
バッテリー105は、回路基板102に実装される電子部品などに電力を供給する電源である。バッテリー105は、配線(図示せず)などにより回路基板102の電気回路と接続され、回路基板102より第2筐体104b側に配置される。
回路基板102は絶縁体の基板の表面に電気回路を構成する電子部品が取り付けられ、電子部品間は銅箔や銀箔などの配線により接続されている。電子部品としては、無線通信用の集積回路(以下、「無線回路」と称する。)106、各部品を制御する集積回路(以下、「制御回路」と称する。)が挙げられる。また、基板上の配線において、電子部品が実装されていない領域が電気回路(回路基板)のグラウンド部として機能する。
無線回路106には、無線通信によりデータを送信するための送信回路、無新通信により受信したデータを処理するための受信回路、およびそれらを接続する整合回路など等が含まれる。
回路基板102の電気回路に、放射導体101および接地導体103が電気的に接続される。
放射導体101は、回路基板102からの高周波信号を電波に変換して放射したり、外部からの電波を受けて高周波信号に変換したりするものである。放射導体101は、平板形状を有し、銅などの導体で形成される。放射導体101に複数のスリットが設けられる。スリットの数、サイズおよび位置などは、送信および受信する電波の共振周波数に応じて調整される。放射導体101の一方端部に給電端子107および短絡端子108が配され、他方端部に第1支持部109が配される。
給電端子107および短絡端子108は、たとえば、放射導体101と一体的に形成されている。たとえば、放射導体101、給電端子107および短絡端子108の形状を有する一枚の金属板を折り曲げることにより、放射導体101、給電端子107および短絡端子108のそれぞれが形成される。ただし、給電端子107および短絡端子108が放射導体101と電気的に接続されていれば、これらが別体であってもよい。この場合、給電端子107および短絡端子108が放射導体101に溶着などで接続される。
給電端子107は、放射導体101に対して直交する方向に延びる。給電端子107は、放射導体101と回路基板102上の無線回路106とを電気的に接続し、無線回路106から放射導体101に高周波信号を供給する。
短絡端子108は、給電端子107と平行に、放射導体101に対して直交する方向に延びる。短絡端子108は、回路基板102上の電気回路における配線で形成されたグラウンド部に放射導体101を接地する。給電端子107および短絡端子108のそれぞれの幅と、これらの間の間隔とは、放射導体101と無線回路106とのインピーダンス整合が取れるような値に設定される。
なお、給電端子107は無線回路106に、短絡端子108は回路基板102のグラウンド部に半田により接続される。ただし、接続方法は、これらが電気的に接続されていれば、これに限定されない。たとえば、これらがビスやコネクタなどを介して接続されてもよい。
第1支持部109は、短絡端子108および給電端子107と共に回路基板102に対して放射導体101を支えるものである。第1支持部109は、L字状の形状を有し、電気絶縁性の樹脂などにより形成されている。第1支持部109は、短絡端子108および給電端子107に平行で、放射導体101から直交する方向に延びて、放射導体101において短絡端子108および給電端子107と対角の位置に設けられる。これにより、放射導体101は、回路基板102と対向し、回路基板102に対して間隔を隔てて平行に配置される。
接地導体103は、放射導体101と対向し、かつ放射導体101のグラウンドを構成するものである。接地導体103は、平板形状を有し、銅などの導体で形成される。接地導体103は、回路基板102を挟んで、放射導体101と反対側に設けられる。接地導体103の一方端部に接地端子110が配され、他方端部に第2支持部111が配されている。
接地端子110は、接地導体103に対して直交する方向に延び、接地端子110は、接地導体103と回路基板102の電気回路のグラウンド部とを電気的に接続する。これにより、回路基板102のグラウンド部の電位と接地導体103の電位とが等しくなる。
接地端子110と回路基板102のグラウンド部との接続位置は、短絡端子108がグラウンド部に接地された位置の近傍に配される。このため、短絡端子108および接地端子110は、連続せず、間隔を隔てて設けられる。この回路基板102において、短絡端子108の接続位置と接地端子110の接続位置との間の距離s(図11)は、例えば、放射導体101から放出される電波の波長の1/20以下であることが望ましい。
第2支持部111は、接地端子110と共に回路基板102に対して接地導体103を支えるものである。第2支持部111は、電気絶縁性の樹脂などにより形成され、接地端子110と電気的には接続されていない。第2支持部111は、接地端子110と平行で、放射導体101から直交する方向に延びて、放射導体101において短絡端子108および給電端子107と対角の位置に設けられる。これにより、接地導体103は、回路基板102と対向し、回路基板102に対して間隔を隔てて平行に配置される。
このようにして、接地導体103を放射導体101のグラウンドとして用いた板状逆Fアンテナが構成される。図2に示すように、接地導体103が第1筐体104aの背面に面しかつ平行になるように、板状逆Fアンテナが第1筐体104aの中に配され、この板状逆Fアンテナの前にバッテリー105が配される。そして、図1に示すように、第1筐体104aの開口が第2筐体104bにより塞がれて、無線機100が形成される。この無線機100において、第1筐体104aの背面、接地導体103、回路基板102、放射導体101および第2筐体104bの表面は、それぞれが対向しかつ平行になるように配置される。そして、第1筐体104aの背面がメーターボックス200の表壁部に面しかつ平行になるように、無線機100がメーターボックス200に設置される。この第1筐体104aの背面とメーターボックス200の表壁部との間隔d(図12(B)参照)は、後述するように、接地導体103とメーターボックス200とが静電容量によって強く結合するように、1/50波長以下に設定することが望ましい。
そして、メーターボックス200から計測値のデータが取得されると、給電端子107を介して無線回路106は高周波信号を放射導体101に与え、放射導体101は高周波信号を電波に変換してこれを放射する。このとき、接地導体103とメーターボックス200の前壁との間隔は非常に小さいため、接地導体103はメーターボックス200と電気的に結合する。これにより、メーターボックス200は接地導体103と同様に放射導体101のグラウンドとして作用するため、放射導体101のグラウンドは電波の波長に対して十分大きくなる。よって、放射導体101の近傍に金属製のメーターボックス200が存在しても、板状逆Fアンテナのインピーダンスが増加せず、利得や放射効率などのアンテナ特性は低下しない。却って、無線機100を金属製のメーターボックス200に近接配置した場合の電波の放射効率は、後述するように、無線機100単体の場合の電波の放射効率に比べて大きいこともある。
図7(A)は、無線機100単体の電波の周波数に対する電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)を示した図である。図7(B)は、メーターボックス200に装着された無線機100の電波の周波数に対する電圧定在波比を示している。
図7(A)に示すように、無線機100単体の共振周波数は460MHzである。これに対し、図7(B)に示すように、メーターボックス200に取り付けられた無線機100の共振周波数は430MHzとなっている。このため、無線機100がメーターボックス200に取り付けられたことにより、共振周波数は30MHzずれてしまう。
しかしながら、無線機100がメーターボックス200に装着された場合の電圧定在波比が3以下となる帯域幅は、無線機100単体の場合の帯域幅と同等である。すなわち、電圧定在波比が高いと、電波を送信した際に反射波の電圧が大きく、電力効率が悪くなる。よって、アンテナして実用可能な電圧定在波比は、一般的に3以下である。この電圧定在波比が3以下となる帯域幅は、図7(A)に示すように、無線機100が単体であるとき、約20MHzである。また、図7(B)に示すように、無線機100がメーターボックス200に装着された場合、電圧定在波比が3以下となる帯域幅は、20MHzである。
したがって、メーターボックス200に無線機100を取り付ける際、無線機100の共振周波数が、無線機100単体の共振周波数より30MHzずらして設定される。これにより、電圧定在波比が最も低く、電力効率が最もよくなる。ただし、何かの原因により電波の周波数が変化しても、電波の周波数が共振周波数を中心に20MHzの帯域幅にあれば、電圧定在波比が3以下に収まる。これは、無線機100が単体の場合であっても、無線機100がメーターボックス200に取り付けられた場合でも、同様である。よって、電圧定在波比が高くなっても、メーターボックス200に取り付けられた無線機100においても無線機100単体と同等の放射効率が得られる。
図9は、図8に示すようにX軸、Y軸、Z軸を定めた際の、XY軸、XZ軸における無線機100の指向特性を示す。図9において、A−1は無線機100が単体である時のXY軸方向における指向特性を示し、A−2は無線機100が単体である時のXZ軸方向における指向特性を示す。図9において、B−1は無線機100がメーターボックス200に装着された時のXY軸方向における指向特性を示し、A−2は無線機100がメーターボックス200に装着された時のXZ軸方向における指向特性を示す。なお、各グラフにおいて、太線は垂直偏波を示し、細線は水平偏波を示す。
XY軸方向について、B−1に示す垂直偏波はA−1に示す垂直偏波に比べて窪んでいるため、メーターボックス200に装着した無線機100の指向特性は、無線機100単体の指向特性に比べて劣化している。ただし、B−1に示す水平偏波はA−1に示す水平偏波に比べて大きくなっていることから、メーターボックス200に装着した無線機100の指向特性は、無線機100単体の指向特性に比べて大幅に向上している。よって、全体として、無線機100をメーターボックス200に取り付けることにより、XY軸方向の指向特性は向上している。
XZ軸方向について、A−2に示す水平偏波はB−2に示す水平偏波と同等である。ただし、A−2に示す垂直偏波はB−2に示す垂直偏波に比べて大きくなっており、メーターボックス200に装着した無線機100の指向特性は、無線機100単体の指向特性に比べて大幅に向上している。
また、それぞれの指向特性より算出した無線機100単体の放射効率が−5dBであり、メーターボックス200に装着された無線機100の放射効率が−2dBである。
これは、無線機100をメータに取り付けることにより、無線機100内の接地導体103が金属製メーターボックス200の表壁部と電気的に結合し、アンテナの実効体積が大きくなっている効果が現れているためである。このように、無線機100がメーターボックス200に取り付けられることにより、指向特性や放射効率などのアンテナの特性が向上する。
このように、第2実施形態によれば、メーターボックス200に取り付けられる小型のサイズに無線機100の大きさが制限されている条件において、放射導体101、回路基板102および接地導体103を、回路基板102の厚み方向にこの順で並べることにより、金属製のメーターボックス200に取り付けられる際のアンテナの特性の劣化を抑えることができる。
すなわち、放射導体101と接地導体103との間に回路基板102などが配置されることは好ましくはない。しかし、放射導体101および接地導体103ができるだけ離れて配置されるため、アンテナの周波数帯域幅が広くなり、アンテナの特性を向上させることができる。また、無線機100のサイズは大きくならずに小型のまま維持できる。
また、接地導体103がメーターボックス200にできるだけ近づけられるため、これらが電気的に結合し、接地導体103およびメーターボックス200が放置導体のグラウンドとして機能する。よって、このグラウンドが放置導体から発せられる電波の波長に比べて大きくなるため、周囲の金属の影響を無線機100は受けにくくなる。したがって、接地導体103のサイズを大型化しなくても、全体的に、無線機100を金属製のメーターボックス200に取り付けられることによるアンテナの特性の劣化が防止され得る。
また、第2実施形態によれば、放射導体101、回路基板102および接地導体103を互いに平行に設けることにより、無線機100の厚みを小さくすることができる。
さらに、第2実施形態によれば、接地導体103およびメーターボックス200が互いに平行に設けられることにより、これらが対向し、その間隔が一定でかつ小さく設定される。よって、接地導体103およびメータボックスが強くかつ広い範囲で電磁的に結合することができ、アンテナ特性の劣化をより一層防止することができる。
さらに、第2実施形態によれば、放射導体101は短絡端子108および給電端子107により回路基板102に電気的に接続され、接地導体103は接地端子110により回路基板102に接続されている。このため、放射導体101が接地導体103に直接接続されていないことにより、接地導体103が金属製メーターボックス200に近づけられても、放射導体101は金属製メーターボックス200に近づかない。これにより、アンテナのインピーダンスの増加が抑えられ、アンテナの特性の劣化が防止され得る。
また、第2実施形態によれば、接地端子110と回路基板102のグラウンド部との接続位置は、短絡端子108がグラウンド部に接地された位置の近傍に配される。このため、この間を電流が流れる距離が短くなり、アンテナのインピーダンスの増加が抑えられ、アンテナの特性の劣化が防がれる。
(第3実施形態)
第2実施形態では、接地導体103が放射導体101のグラウンドとして用いられた。これに対し、第3実施形態では、回路基板120のグラウンド層123が、放射導体101のグラウンド(接地導体)として機能する。
図10(A)は放射導体101および回路基板120の正面図である。図10(B)は放射導体101および回路基板120の側面図である。
回路基板120に、放射導体101および無線回路106が実装されている。回路基板120は、多層で構成され、絶縁体の基板上に導電体の配線が施された層が重ねられており、第1回路層121、第2回路層122およびグラウンド層123を有する。第1回路層121および第2回路層122は、無線送受信を行うための回路を構成し、回路基板120の一対の主面のうち放射導体101に近い方の主面の上に形成されている。グラウンド層123は、金属等の導体からなる導体層で構成され、回路基板120の一対の主面のうち放射導体101から遠い方の主面の上に接地導体として形成され、放射導体101のグラウンドを構成する。
この場合、第1筐体104aの背面にグラウンド層123が面するように、回路基板120が第1筐体104aの中に配置され、第1筐体104aの開口が第2筐体104bで塞がれる。
このように構成された第3実施形態によれば、このような無線機100の第1筐体104aの背面が金属製のメーターボックス200の表壁部に設置されると、回路基板120のグラウンド層123は表壁部に平行に対向する。グラウンド層123と表壁部との間隔は小さいため、グラウンド層123は表壁部面と電気的に(静電容量によって)結合する。これにより、グラウンド層123および表壁部面は放射導体101のグラウンドとして機能し、アンテナの実効体積が大きくなる。よって、周囲の金属の影響を無線機100が受けにくくなり、周囲の金属による放射特性の劣化が防がれる。また、周波数が低い帯域で使用する無線機100で、大きなグラウンドを無線機100内に設ける必要がなく、放射特性の高いアンテナを実装した無線機100を小型化することが可能になる。
また、第3実施形態によれば、多層構造の回路基板120の1層を放射導体101のグラウンドに割り当てることにより、放射導体101のグラウンドを別途設ける必要がない。よって、無線機100のサイズが小型化され、かつ、部品点数が減らせ、製品コストが削減される。
(第4実施形態)
第4実施形態は、第1筐体および第2筐体の形状が第2実施形態と異なるが、これ以外の部分に関しては第2実施形態と同様である。
図11は、無線機100の分解斜視図を示す。なお、便宜上、バッテリーおよび無線回路が省略されている。
筐体130の第1筐体130aおよび第2筐体130bは、開口を有する容器状であって、例えば、電波に対して低損失な特性を有する材料であるポリプロピレンやABSなどの樹脂材料で形成される。第1筐体130aのサイズは第2筐体130bのサイズと等しい。第1筐体130aおよび第2筐体130bは、お互いの開口が重ね合わせられ、ビス、接着また溶着などにより互いに接合され且つ固定される。
なお、回路基板102、放射導体101、給電端子107、短絡端子108、接地導体103および接地端子110は、第2実施形態と同様である。
ただし、給電端子107および短絡端子108の位置が第2実施形態と異なる。しかし、第2実施形態においても第4実施形態においても、短絡端子108と給電端子107とは、互いに平行で、放射導体101および回路基板102のそれぞれの端に設けられ、かつこれらの間隔が放射導体101と無線回路106とのインピーダンス整合が取れるような値に設定されている。このため、これらの条件が満たされていれば、給電端子107および短絡端子108の位置は第2実施形態においても第4実施形態の位置に限定されない。
また、接地端子110の位置も、第2実施形態および第4実施形態では異なる。ただし、両実施形態において、接地端子110が、回路基板102および接地導体103のそれぞれの端に設けられ、かつ、回路基板102において短絡端子108の接地位置の近傍に接続されている。よって、この条件が満たされていれば、接地端子110は、第2および第4実施形態の位置に限定されない。
図12(A)は、メーターボックス200に無線機100が設置された状態を示す正面図であり、図12(B)は図12(A)の側面図である。なお、図12(A)では、便宜上、第1筐体130aが表されていない。
板状逆Fアンテナを含む無線機100はメーターボックス200の表壁部に設置される。この板状逆Fアンテナの動作周波数は、たとえば433MHzに設定される。
メーターボックス200は、たとえば、ガスの流量を計測する金属製の計測装置であって、直方体形状を有する。メーターボックス200のサイズは、たとえば、長さ200mm(0.289波長)、幅200mm(0.289波長)、厚み100mm(0.144波長)に設定される。
無線機100について、放射導体101の長さLr1が45mm(0.065波長)に、幅Lr2が66mm(0.095波長)に設定される。接地導体103の長さLs1が62mm(0.089波長)に、幅Ls2が66mm(0.095波長)に設定される。回路基板102と放射導体101との間隔hが18.5mm(0.027波長)に、短絡端子108と短接地端子110との平面距離sが5mm(0.007波長)に設定される。
無線機100は、メーターボックス200の表壁部に配置された表示部201の下部に設置される。このとき、第1筐体130aの背面がメーターボックス200の表壁部に面するように、無線機100が設置されるため、接地導体103はメーターボックス200に近接する。この第1筐体130aの背面とメーターボックス200の表壁部との間は、間隔dである。この間隔dは、たとえば1/50波長以下に設定される。この間隔dが小さいことにより、接地導体103はメーターボックス200と電気的に容量結合し、接地導体103はメーターボックス200と高周波的に同電位とみなされる。よって、接地導体103に加えてメーターボックス200が板状逆Fアンテナのグラウンドとして機能し、小型無線機100においても大きなグラウンド面積が確保され、高い放射効率が実現され得る。
図13は、無線機100単体の利得、および間隔dに対するメーターボックス200に装着された無線機100の利得を示す。縦軸は、板状逆Fアンテナの利得を示す。なお、間隔d以外の値は図12(A)および図12(B)で示した値である。
無線機100が単体の時の利得は約−8dBであるのに対し、メーターボックス200に装着された無線機100の利得は約−3dB以上である。よって、無線機100がメーターボックス200に取り付けられることにより、利得が5dB以上改善されることがわかる。これは、メーターボックス200と接地導体103とが電気的に容量結合し、板状逆Fアンテナのグラウンド面積が大きくなったためであると考えられる。
また、無線機100とメーターボックス200との間隔dが4mm、5mmおよび10mmと大きくなるほど、利得が低下している。この間隔dが1mm(0.001波長)大きくなる毎に、利得が0.2dBずつ劣化している。よって、接地導体103をメーターボックス200にできるだけ近づけることにより、これらの結合容量が大きくなり、利得を向上させることができる。
図14は、無線機100がメーターボックス200に取り付けられた場合の、短絡端子108と接地端子110との平面距離sと板状逆Fアンテナの利得との関係を示す。縦軸は、板状逆Fアンテナの利得を示す。なお、平面距離s以外の値は図12(A)および図12(B)で示した値である。
短絡端子108と接地端子110との平面距離sが5mm(0.007波長)であるとき、利得は約−2.5dBである。平面距離sが60mmのとき、利得は約−4dBである。よって、距離sが小さいと、利得が大きくなる。これは、基板回路における短絡端子108の接続位置と接地端子110の接続位置との距離sが大きいほど、回路基板102における電流の流れが変わり、接地導体103に分布する電流が変化し、放射抵抗が低下したためと考えられる。
以上に説明したように、第4実施形態によれば、接地導体103がメーターボックス200と電気的に容量結合するほど近くに、無線機100をメーターボックス200に配置すれば、このときのアンテナの特性は、無線機100単体のときより上回る。特に、無線機100とメーターボックス200との間隔を小さくするほど、アンテナの特性は向上する。
また、第4実施形態によれば、回路基板102における短絡端子108の接地位置の近傍に接地端子110を設置することにより、アンテナの特性は優れる。特に、回路基板102における短絡端子108と接地端子110との平面距離sが短いほど、アンテナの特性がより良くなる。
さらに、第4実施形態によれば、第2実施形態と同様に、放射導体101、回路基板102、接地導体103およびメーターボックス200の表壁部がこの順でかつ平行に並べられることにより、小型の無線機100において優れたアンテナの特性が得られる。また、放射導体101は短絡端子108および給電端子107により回路基板102に電気的に接続され、接地導体103は接地端子110により回路基板102に接続されているため、アンテナの特性の劣化が防止され得る。
(第5実施形態)
第4実施形態では第1筐体130aおよび第2筐体130bをビス、接着および溶着などにより固定したが、第5実施形態では第1筐体130aおよび第2筐体130bを導体素子132による溶着で固定する点が異なる。これ以外の部分に関しては第2および第4実施形態と同様である。
図15は、無線機100の分解斜視図を示す。なお、便宜上、バッテリーが省略されている。
第1筐体130aは、第2筐体130bとの接合面に溝131を有し、溝131は第1筐体130aの開口部を囲むように設けられる。溝131に導体素子132が嵌め込まれている。導体素子132は、鉄や銅などの金属の導体で形成された線状物である。導体素子132の両端はそれぞれ連結され、導体素子132は環状に形成される。
このような導体素子132が装着された第1筐体130aに第2筐体130bが重ね合わせられて、導体素子132のA点からB点に通電されると、導体素子132の抵抗により導体素子132が発熱する。そして、導体素子132から発せられた熱により、第1筐体130aおよび第2筐体130bのそれぞれの接合面は溶融し、第1筐体130aおよび第2筐体130bは溶着されて、筐体130が形成される。この筐体130は密閉されている。
また、このような無線機100において、放射導体101に高周波信号が与えられると、放射導体101は近傍に存在する導体素子132と電気的に結合する。これにより、導体素子132が放射素子として利用され、アンテナの実効体積が大きくなるため、アンテナ性能が一層向上される。
以上、第5実施形態によれば、無線機100の筐体130が密閉され、無線機100の中身が空気や水から遮断される。よって、放射導体101や接地導体103などが酸化されず、放射導体101のインピーダンスの変化が防がれるため、安定したアンテナの特性を維持することができる。
さらに、第5実施形態によれば、第1および第2筐体130bの溶着に利用される導体素子132が放射導体101の近傍に配置されることにより、これらが電気的に結合し、放射導体101の放射性能が向上する。
また、第5実施形態によれば、上記実施形態と同様に、無線機100をメーターボックス200の近傍に配置すれば、アンテナの特性が向上する。さらに、放射導体101、回路基板102、接地導体103およびメーターボックス200の表壁部がこの順でかつ平行に並べられることにより、小型の無線機100において優れたアンテナの特性が得られる。さらに、回路基板102における短絡端子108の接地位置の近傍に接地端子110を設置することにより、アンテナの特性は優れる。また、放射導体101は短絡端子108および給電端子107により回路基板102に電気的に接続され、接地導体103は接地端子110により回路基板102に接続されているため、アンテナの特性の劣化が防止され得る。
なお、第2実施形態では凹部状の第1筐体130aおよび平板状の第2筐体130bが用いられ、第4実施形態では凹部状の第1筐体130aおよび第2筐体130bが用いられた。ただし、第1筐体130aおよび第2筐体130bは、放射導体101などの構成要素を収容すれば、これらの形状に限定されない。たとえば、第1筐体130aが平板状であって、第2筐体130bが凹部状であってもよい。
また、第5実施形態では線状の導体素子132により第1筐体130aおよび第2筐体130bを溶着したが、他の実施形態においても線状の導体素子132で第1筐体130aおよび第2筐体130bを固定することもできる。
さらに、第5実施形態では、導体素子132はその両端を連結した環形状を有していたが、これに限定されない。たとえば、図16(A)に示すように、導体素子132の両端が連結されずに、この両端の間が開放され、導体素子132において1つの間隙が設けられてもよい。また、図16(B)に示すように、2本の導体素子132が間隔を隔てて配置され、導体素子132において2つの間隙が設けられてもよい。この導体素子132の長さが共振周波数に設定されると、導体素子132が放射導体101と電気的に結合され得る。
また、第4および第5実施形態では、接地導体103を放射導体101のグラウンドとして用いたが、第3実施形態と同様に、回路基板102のグラウンド層123を放射導体101のグラウンドとして利用することもできる。
さらに、第2、第4および第5実施形態では、板状逆Fアンテナが放射導体101として用いられたが、放射導体101はこれ以外の平面状の導体素子132で構成され得る。たとえば、線状逆Lアンテナ、板状のダイポールアンテナなどが平面状の導体素子として用いられる。
また、上記全ての実施形態では、放射導体101および接地導体103に平板状の導体が用いられたが、線状の導体素子や回路基板上の金属箔の配線が放射導体に用いられてもよい。
さらに、線状の導体素子としては、たとえば、ダイポールアンテナ、ループアンテナまたはメアンダラインアンテナなどの線状アンテナが挙げられる。この場合、図18に示すように、回路基板102に線状導体素子の放射導体140が電気的に接続される。放射導体140は、回路基板102から垂直に延びてから、直角に曲がり、回路基板102に平行に延びる。このため、放射導体140、回路基板102および接地導体103は、回路基板102の厚み方向にこの順で平行に配置される。
回路基板上の金属箔の配線が放射導体に用いられる場合、図19(A)に示すように、多層構造の回路基板102が用いられる。回路基板102は回路層および放射導体の層を有し、回路基板102の表面に現れている金属箔の配線141が放射導体の層として機能する。この場合も、金属箔の配線141、回路基板102の回路層および接地導体103がこの順で平行に配置される。この場合、部品点数が削減され、無線機のサイズが小型化する上、製品コストが抑えられる。
また、回路基板上の金属箔の配線が放射導体に用いられる場合、図19(B)に示すように、2つの回路基板102、142が用いられる。回路基板142は、回路基板102に対して垂直に設けられ、表面に金属箔の配線143が配されている。この金属箔の配線143が放射導体として機能する。金属箔の配線143は、回路基板102に対して垂直に延びた後、垂直に曲がり、回路基板102に対して平行に延びる。よって、金属箔の配線143、回路基板102および接地導体103はこの順で平行に配置される。
さらに、上記全ての実施形態において、回路基板102が、回路規模や信頼性などを考慮し、多層基板、両面基板または片面基板で構成されてもよい。
上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明は実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなくその構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
以上のように、本発明にかかる無線機100は、金属筐体130で構成されたメータに設置された状態において、小型な構造にも関わらず高い放射効率が得られるという効果を有し、例えば、メーターボックス200などの自動検針システム用の無線機100として有用である。
100 無線機
101 放射導体
102 回路基板
103 接地導体
104 筐体
104a 第1筐体
104b 第2筐体
106 無線回路(電気回路)
107 給電端子
108 短絡端子
110 接地端子
120 回路基板
123 グラウンド層
124 放射導体
130 筐体
130a 第1筐体
130b 第2筐体
132 導体素子
140 放射導体
141 金属箔の配線(放射導体)
143 金属箔の配線(放射導体)

Claims (11)

  1. 高周波信号を電波に変換して放射する放射導体と、
    前記放射導体と電気的に接続され、かつ前記放射導体に前記高周波信号を供給する電気回路が搭載された回路基板と、
    前記回路基板の前記電気回路と電気的に接続され、前記放射導体に対向し、かつ前記放射導体のグラウンドを構成する平面状の接地導体と、
    前記放射導体、前記回路基板および前記接地導体を収納する樹脂製の筐体と、
    を備え、
    前記接地導体、前記回路基板および前記放射導体は、前記回路基板の厚み方向に、この順で配置される、無線機。
  2. 前記接地導体と、前記筐体の前記接地導体に対向する面とが互いに平行に配置される、
    請求項1記載の無線機。
  3. 前記放射導体と、前記接地導体と、前記回路基板とが互いに平行に配置される、
    請求項1または2に記載の無線機。
  4. 前記放射導体は平面状の導体素子で構成される、
    請求項1ないし3のいずれか一項に記載の無線機。
  5. 前記放射導体は板状逆Fアンテナで構成される、
    請求項4に無線機。
  6. 前記回路基板の電気回路と前記放射導体とを電気的に接続し、前記回路基板から前記放射導体に前記高周波信号を供給する給電端子と、
    前記回路基板の電気回路のグラウンド部と前記放射導体とを電気的に接続し、前記放射導体を前記電気回路のグラウンド部に接地する短絡端子と、
    前記接地導体と前記回路基板の電気回路のグラウンド部とを電気的に接続し、前記グラウンド部において前記短絡端子が接地された位置の近傍に配置される接地端子とをさらに備える、
    請求項1ないし5のいずれか一項に記載の無線機。
  7. 前記放射導体は前記回路基板の一対の主面のうち前記接地導体から遠い方の主面の上に形成された配線で構成される、
    請求項1ないし3のいずれか一項に記載の無線機。
  8. 前記放射導体は線状の導体素子で構成される、
    請求項1ないし3のいずれか一項に記載の無線機。
  9. 前記回路基板の一対の主面のうち前記放射導体から遠い方の主面の上に前記接地導体としての導体層が形成されている、請求項1記載の無線機。
  10. 前記回路基板の一対の主面のうち前記放射導体に近い方の主面の上に前記電気回路を含む層が形成されている、請求項9記載の無線機。
  11. 前記筐体は、開口を有する容器状の本体と、前記本体の開口を塞ぐ蓋とを有し、
    前記本体および前記蓋のいずれか一方に、前記開口を囲む線状の導体素子が配置され、
    前記本体に、前記開口の近傍に前記放射導体が位置するようにして、前記放射導体、前記回路基板および前記接地導体が収容されている、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の無線機。
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