WO2012066845A1 - アンテナ、及びそのアンテナを備えた携帯端末 - Google Patents

Abstract

　本発明は、携帯端末がオープン状態、クローズ状態、およびリバース状態のいずれの状態であってもアンテナの放射特性の劣化を抑制することが可能なアンテナを提供することを目的とする。本発明のアンテナは、互いに平行に対向配置された一対のアンテナエレメント１，２と、この一対のアンテナエレメント１，２の先端でこれらエレメントを連結して電気的に短絡する連結部材３と、この一対のアンテナエレメント１，２の各々の給電点に対して、容量結合して給電をなす給電部材４，５とを含む。

Description

アンテナ、及びそのアンテナを備えた携帯端末

　本発明は、ＧＰＳ（Global　Positioning　System）用電波を受信するアンテナ、及びそのアンテナを内蔵した携帯端末に関する。

　図１に示すような折り畳み型の携帯端末では、図２に示すように、操作部を有する操作側筐体８に対して、表示部１０を有する表示側筐体９を、ヒンジ１１により開いた状態（オープン状態）とすることができる。この場合、ＧＰＳ用の電波を受信するアンテナ１７は、表示側筐体９の先端に配置されることが多い。その理由は、この折り畳み型の携帯端末をオープン状態として、ナビゲーションなどの機能を利用する際に、上空のＧＰＳ衛星からの電波を受信しやすくするためである。

　また、図３に示すように、携帯端末の両筐体８，９を閉状態（クローズ状態）としたままで、位置情報の取得をなすなどの使用形態も増えてきている。そのために、クローズ状態でも、受信状態を良好に保つために、操作側筐体８からできる限り遠ざけた位置にＧＰＳアンテナ１７が配置されている。その理由は、操作側筐体８は、電池や基板などの多数の金属物で構成されているために、当該筐体８がアンテナ１７へ近づくと放射特性の劣化が生じるためである。

　一方、タッチパネルの普及に伴って、図４に示すように、表示側筐体９を回転させて表示部１０がユーザに見える状態で折り畳む（リバース状態）ことが可能な携帯端末が増加している。

　近年タッチパネルの普及に伴い、携帯端末を表示部が見えるように折り畳んだ状態で使用するシーンが多くなり、図４のように液晶側の筐体が回転する機構を持つ携帯端末が増加してきている。このようなリバース状態においては、アンテナが操作側筐体に接近してしまい、放射特性が著しく劣化するという問題がある。

　そこで、リバース状態とすることが可能な携帯端末では、クローズ状態でもリバース状態でも、操作側筐体からのアンテナ距離を均等に保つような位置にアンテナを配置し、特性劣化を抑えることが考えられる。

　しかしながら、このようなアンテナ配置では、携帯端末を折り畳んだ際の操作側筐体からアンテナまでの距離が充分に取れないために、通常の折り畳み型携帯端末（リバース状態不可の携帯端末）に比べて放射特性が劣化してしまうという問題を抱えている。

　携帯端末に用いるアンテナの例が、特許文献１（特開２００３－２０９４８２号公報）および特許文献２（特開２００９－１００３６２号公報）に開示されている。

特開２００３－２０９４８２号公報 特開２００９－１００３６２号公報

　上述したように、表示部が見える状態でクローズ状態とすることが可能（リバース状態可能）な携帯端末において、リバース状態ではアンテナの放射特性が劣化するという問題がある。

　そこで、本発明は、携帯端末がオープン状態、クローズ状態、およびリバース状態のいずれの状態であってもアンテナの放射特性の劣化を抑制することが可能なアンテナ、及びそのアンテナを備えた携帯端末を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明のアンテナは、互いに平行に対向配置された一対のアンテナエレメントと、前記一対のアンテナエレメントの先端でこれらエレメントを連結して電気的に短絡する連結部材と、前記一対のアンテナエレメントの各々の給電点に対して、容量結合して給電をなす給電部材とを含む。

　上記目的を達成するため、本発明の携帯端末は、上記のアンテナを内蔵している。

　本発明によれば、２つのアンテナエレメントを対称に設け、片方のアンテナエレメントに金属物が近づいた場合にも良好な放射特性を維持できる構造としている。また、アンテナエレメントが対称形なので、どちらのアンテナエレメントに金属物が近づいても、良好な放射特性を維持できることになって、携帯端末に使用した場合には、オープン状態、クローズ状態、リバース状態などの携帯端末の状態に関わらず、良好な放射特性が得られるという効果がある。

本発明に関連する折り畳み型の携帯端末の一例を説明するための図である。 図１の携帯端末が開いた状態を示す図である。 図１の携帯端末が折り畳まれたクローズ状態を示す図である。 図１の携帯端末の表示部が回転する様子を示す図である。 本発明のアンテナの実施形態を示す斜視図である。 図５に示すアンテナの６面図である。 図５に示すアンテナが組み込まれた携帯端末のオープン状態を示す図である。 図５の携帯端末のクローズ状態を示す図である。 図５の携帯端末のリバース状態を示す図である。 図７のオープン状態におけるアンテナ部分の拡大図である。 図７のオープン状態におけるアンテナの等価回路を示す図である。 図１１の等価回路の簡略図である。 本実施形態のアンテナが組み込まれた携帯端末のクローズ状態におけるアンテナ部分の拡大図である。 図１３のクローズ状態におけるアンテナの等価回路を示す図である。 図１４の等価回路の更なる等価回路を示す図である。 図１５の等価回路の簡略図である。 本実施形態のアンテナが組み込まれた携帯端末のリバース状態におけるアンテナ部分の拡大図である。 図１７のリバース状態におけるアンテナの等価回路を示す図である。 本発明と関連する携帯端末の一つである「従来１」の携帯端末のオープン状態のアンテナ配置を示す図である。 図１９の携帯端末のクローズ状態のアンテナ配置を示す図である。 図１９の携帯端末のリバース状態のアンテナ配置を示す図である。 図１９に示すオープン状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である。 図２０に示すクローズ状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である。 図２１に示すリバース状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である。 本発明と関連する携帯端末の他の一つである「従来２」の携帯端末のオープン状態のアンテナ配置を示す図である。 図２５の携帯端末のクローズ状態のアンテナ配置を示す図である。 図２５の携帯端末のリバース状態のアンテナ配置を示す図である。 図２５に示すオープン状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である。 図２６に示すクローズ状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である。 図２７に示すリバース状態のアンテナ配置をシミュレーションモデル化した図である 「従来１」の携帯端末におけるオープン状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来１」の携帯端末におけるクローズ状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来１」の携帯端末におけるリバース状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来２」の携帯端末におけるオープン状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来２」の携帯端末におけるクローズ状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来２」の携帯端末におけるリバース状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 本実施形態の携帯端末におけるオープン状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 本実施形態の携帯端末におけるクローズ状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 本実施形態の携帯端末におけるリバース状態のシミュレーション結果であるインピーダンス及びリターンロスを示す図である。 「従来１」の携帯端末と「従来２」の携帯端末との特性の比較を示す図である。 「従来１」の携帯端末及び「従来２」の携帯端末との比較において、本発明の携帯端末の効果を示すための図である。

　以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図５は本発明の実施形態のアンテナの斜視図である。図６は、図５に示すアンテナの６面図である。

　図５、６を参照すると、本実施形態によるアンテナは、基本的には、アンテナエレメント１とアンテナエレメント２との２つのエレメントから構成されている。そして、これら一対のアンテナエレメント１及び２は、それらの先端部が互いに連結部材３により相互に接続され、電気的に短絡状態となっている。

　アンテナエレメント１及び２の略真ん中の部分（給電点）には、部材４，５によるＴ字形状の給電部が設けられている。部材５は給電用部材であり、部材４は、図示せぬ無線部へ接続される接続用部材である。

　また、アンテナエレメント１及び２と給電用部材５との間には、それぞれ間隙部６，７が設けられており、アンテナエレメント１及び２と給電用部材５とが、間隙部６，７を介して、互いに容量結合することにより給電されるようになっている。

　一対のアンテナエレメント１，２は、長方形の平板状の部分と、これら平板状の先端部における屈曲部分（１ｗ，２ｗで示す）とを有している。平板状の平板部分は、互いに一定間隔をもって、互いに平行に対向するように、連結部材３で接続されている。これにより、一対のアンテナエレメント１，２は、線対称の関係になっている。この連結部材３は、互いのアンテナエレメント１，２の先端部分にある屈曲部分１ｗ，２ｗの先端で、両アンテナエレメント１，２を接続している。

　なお、アンテナエレメント１，２の形状として平板状としているが、これに限らず、例えば、棒状のものやＵ字型のものでも良い。屈曲部分１ｗ，２ｗは、アンテナエレメントの実効長さを定めるものである。屈曲数が多ければ、それに比例してアンテナエレメントの実効長さは長くなり、対応する周波数は低くなる。逆に、屈曲数が少なければ、それに比例してアンテナエレメントの実効長さは短くなり、対応する周波数は高くなる。したがって、平板状の部分のみで受信周波数に対応できれば、当該屈曲部分１ｗ，２ｗは不要となる。

　本実施形態では、ＧＰＳ電波を受信するために屈曲部を設けてＧＰＳ用の周波数に対応させている。

　部材４，５による給電部の位置は、図示の例（アンテナエレメントのほぼ真ん中）に限らず、連結部材３に近い方に寄せることも可能であるが、この場合には、アンテナ特性が劣化することになり、好ましくはない。

　このような構成とした本実施形態によるアンテナでは、片方のアンテナエレメントに金属物が近づいた場合、このアンテナエレメントと金属物との容量結合により、このアンテナエレメントと金属物との電位差が小さくなる。この金属物がＧＮＤ（接地）電位の場合は、金属物が近づいたアンテナエレメントもＧＮＤ電位と同電位となる。そのため、アンテナエレメントは、連結部材３によりＧＮＤ接地された逆Ｆ型アンテナとして動作する。

　給電部材５とアンテナエレメント１，２との間にそれぞれ間隙６，７が存在することにより、給電部材５とアンテナエレメント１，２とがそれぞれに短絡状態となって、アンテナエレメント長の変化が防止されると共に、アンテナエレメント１や２の給電点への給電が可能となる。

　以上により、片方のアンテナエレメントに金属物が近づいた場合にも良好な放射特性を維持でき、またアンテナエレメントが対称形のために、どちらのアンテナエレメントに金属物が近づいても、同様な放射特性を維持できる。

　図５，６に示したアンテナは、エレメント１，２となる金属導体を立体的に配置し、各パーツ間のクリアランスには精度が要求される。そのため、アンテナの製造方法としては、金属板を樹脂で一体形成するような製造方法や、チップアンテナなどに代表される誘電体に金属膜を印刷するような製造方法などが適している。

　図７は、図５，６に示した本実施形態によるアンテナを、携帯端末に使用した場合の例を示すための概略図である。図７において、図５，６や図２などと同等部分は、同一符号で示している。

　操作側筐体８と、液晶表示部１０を有する表示側筐体９とはヒンジ１１で接続されている。表示側筐体９は、図８に示したように、回転ユニット１２により回転可能な構造である。これは一般的な携帯端末の構成の一つである。

　このような携帯端末の表示側筐体９の先端部に、本実施形態によるアンテナを配置した場合、アンテナエレメント１及び２は図に示すような位置関係となる。すなわち、表示側筐体９の先端部分において、互いに平行とされたアンテナエレメント１及び２の長手方向が、筐体９の長手方向に直交する方向に平行になるように、アンテナが筐体内に収納されている。

　図７の携帯端末を折り畳んだ状態（クローズ状態）を、図８に示している。電池や基板など多数の金属物で構成される操作側筐体８に対し、アンテナエレメント１は最も近づく位置、すなわち容量結合が大きい位置に配置される。このとき、アンテナエレメント２は操作側筐体８から最も離れた位置、すなわち放射特性が最も良くなる位置に配置される。

　図７に示した携帯端末を、液晶表示部１０がユーザから見えるように折り畳んだ状態であるリバース状態が、図９に示す状態である。この状態では、アンテナエレメント２は操作側筐体８に最も近づく位置、すなわち容量結合が大きい位置に配置される。一方、アンテナエレメント１は操作側筐体８から最も離れた位置、すなわち放射特性が最も良くなる位置に配置される。

　次に、本実施形態によるアンテナを、図７～９に示したような使用態様で使用した場合における作用について、以下に説明する。図１０は、携帯端末のオープン状態において、主要な金属部分を抽出し、アンテナ１３の部分を拡大して示している。アンテナ１３の周囲の金属物は、表示側筐体の基板９と表示部１０である。これらはアンテナ特性に大きな影響を与えるものではない。

　このオープン状態におけるアンテナの等価回路を示したものが図１１である。アンテナの構成は図５と同様であり、アンテナエレメント１と２とが連結部材３で接続され、接続用部材である給電部４により給電される。この給電部４とアンテナエレメント１，２の間の間隙は、容量結合であるので、等価的にコンデンサ６，７で表される。図１１の等価回路は、更に簡略化すると、図１２の回路ように表せる。これは、逆Ｌ型アンテナ（または、Ｔ字型アンテナ）の回路である。従ってアンテナの動作も逆Ｌ型アンテナと同様となる。

　次に、筐体クローズ状態において、主要な金属部分を表したものが図１３である。アンテナ部分の拡大図において、本発明によるアンテナ１３の周囲の金属物は、表示側筐体の基板９と操作側筐体の基板８及び液晶表示部１０である。この液晶表示部１０は、クローズ状態では、表示側筐体の基板９と操作側筐体の基板８の間に位置する。このクローズ状態では、アンテナエレメント２と操作側筐体の基板８は非常に接近しており、よって容量結合となっている。

　これを等価回路で表したものが図１４である。図１４において、コンデンサ１４はアンテナエレメント２と操作側筐体の基板８の間の容量を示す。ここで、アンテナエレメント２と操作側筐体の基板８とは非常に近いので、コンデンサ１４の容量は非常に大きな値であり、０Ωと近似できる。よって、等価回路は図１５のように表せる。

　図１５を簡略化すると図１６のように表される。これは逆Ｆ型アンテナの回路に相当する。従って、筐体クローズ時は、本発明によるアンテナは逆Ｆ型アンテナとして動作する。

　図１７は、筐体リバース状態において主要な金属部分を表したものである。操作側筐体の基板８と接近するアンテナエレメントは、エレメント１である以外は、前述のクローズ時と同様であるため説明を省略する。よって、等価回路もクローズ時と同様に、図１８のように表されるので、アンテナは、筐体リバース時も逆Ｆ型アンテナとして動作する。

　上述した本発明によるアンテナは、２つのアンテナエレメントを有し、片方のアンテナエレメントに金属物が近づいた場合にも良好な放射特性を維持できる構造となっている。
また、アンテナエレメントが平行に対向して対称形の構造であるために、どちらのアンテナエレメントに金属物が近づいても、良好な放射特性を維持できる。よって、携帯端末に使用した場合には、オープン状態、クローズ状態、リバース状態など、携帯端末の形態に関わらず良好な放射特性が得られるという効果がある。

　上述した本発明による効果について、電磁界シミュレータによりシミュレーションした結果を参照しつつ説明する。この場合において、シミュレーションに用いた本発明によるアンテナのオープン状態、クローズ状態、リバース状態のシミュレーションモデルを、それぞれ図１０、図１３、図１７に示す。

　比較用の従来端末を想定したシミュレーションモデルは、「従来１」と「従来２」の２種類とする。「従来１」は通常の折り畳み型携帯端末（表示側筐体が回転しないタイプ）と同様のアンテナ配置とし、「従来２」は「従来１」の劣化を改善した現行モデルのアンテナ配置とした。

　「従来１」のオープン状態、クローズ状態、リバース状態のアンテナ配置を示した図が、それぞれ図１９、図２０、図２１であり、それをシミュレーションモデル化したものが図２２、図２３、図２４である。

　「従来２」のオープン状態、クローズ状態、リバース状態のアンテナ配置を示した図が、それぞれ図２５、図２６、図２７であり、それをシミュレーションモデル化したものが図２８、図２９、図３０である。

　「従来１」、「従来２」ともに、アンテナエレメント以外の構成については、図７～１０及び図１３、図１７と共通であるので、説明を省略する。「従来１」のアンテナエレメント１５、「従来２」のアンテナエレメント１６については、それぞれ形状が僅かに異なるが、それは共振周波数を合わせるための調整の結果であり、放射特性の優劣には影響しない。また、シミュレーションについては、比較しやすい様に、筐体オープン状態で常に最良の放射効率が得られるような調整としている。

　図３１、図３２、図３３は「従来１」のインピーダンス及びリターンロスを示し、それぞれ、筐体オープン状態、クローズ状態、リバース状態である。マーカー（三角印の１）は、ＧＰＳで使用される１５７５．４２ＭＨｚとした。先に述べたように、筐体オープン状態（図３１）では、リターンロスが－１０ｄＢ以下であり、良好な特性を示している。しかし、クローズ状態（図３２）では操作側筐体が近づくために、インピーダンスずれが発生し、リターンロスが劣化している。リバース状態（図３３）では、アンテナと操作側筐体が最も近づくので、著しくリターンロスが劣化している。

　「従来１」のリバース状態での劣化を改善するためのアンテナ配置である「従来２」については、図３４、図３５、図３６にその結果を示す。筐体オープン状態（図３４）では、リターンロスが－１０ｄＢ以下であり、良好な特性を示している。「従来２」では、クローズ状態でもリバース状態でも、アンテナエレメントと操作側筐体の距離が同等となる位置にアンテナエレメントを配置しているので、クローズ状態（図３５）とリバース状態（図３６）とはほぼ同等のリターンロスである。「従来１」でのリバース状態における大幅劣化は改善しているものの、クローズ状態はアンテナエレメントと操作側筐体の距離が近づいているために、「従来１」よりも劣化している。

　本発明によるアンテナのシミュレーション結果を、図３７、図３８、図３９に示す。筐体オープン状態（図３７）では、リターンロスが－１０ｄＢ以下であり、良好な特性を示している。また、クローズ状態（図３８）とリバース状態（図３９）のリターンロスは同等、かつ「従来１」及び「従来２」と比較して良好な値が得られている。

　以上をアンテナ放射効率でまとめたものが図４０、図４１である。図４０は「従来１」と「従来２」との比較である。図４０を参照すると、「従来１」でのリバース状態の大幅劣化が「従来２」では改善されるものの、クローズ状態では「従来１」と比較して「従来２」では３ｄＢ程度劣化する。

　図４１は本発明によるアンテナを［従来１」及び「従来２」と比較したものである。本発明によるアンテナでは、クローズ状態では「従来１」と同等の放射効率が得られ、かつリバース状態においても「従来１」のクローズ状態と同等の放射効率を得ることができる。

　また、本発明では、操作側筐体が電池や基板や筐体の補強板金などの多数の金属で満たされていても充分な放射特性が得られるようにした。そのため、従来の携帯端末のように、折り畳んだ際に表示側筐体に配置されたアンテナに対向する、操作側筐体の金属を避ける必要がない。よって、操作側筐体の先端まで補強板金を配置することも可能であり、従来よりも高強度の携帯端末を実現できるという効果もある。

　上述した本実施形態の携帯端末では、ＧＰＳアンテナを例として説明したが、エレメント形状や給電部の位置の変更により、容易に対応周波数を変更できる。そのため、本実施形態の携帯端末は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や無線ＬＡＮなど，他の周波数帯のアンテナとしても利用可能であり、またＧＰＳ同様の効果を期待できる。

　また、本発明によるアンテナの製造方法に関しては、アンテナエレメントの給電点と給電部の間隔を一定に設定しておく必要があり、かつ１ｍｍ以下の高い精度が要求される。そのため、本実施形態では、金属導体を樹脂で一体成形する製造方法を例としてあげたが、チップアンテナに代表される誘電体に金属膜を塗布するような形状でも実現が可能である。更に、アンテナエレメントと給電部との間隙は、チップ部品に置き換えることも可能である。この場合、基板アンテナとして製造することも可能である。

　アンテナエレメントの形状として、上述したように、平板状の他に棒状のものなどを用いることができる。携帯端末の折り畳み状態（クローズ状態やリバース状態）で、アンテナエレメントと端末のＧＮＤ（接地）部分とが容量結合してアンテナエレメントがＧＮＤとして動作させるためには、端末のＧＮＤ面（基板面）に平行となる面が大きくなって、容量結合が実現しやすいように、棒状よりは面状（平板状を含む）のアンテナエレメントが望ましい。

　本発明では、逆Ｆ型アンテナとしての動作を目指しており、一般的に、この逆Ｆ型アンテナは面状のエレメント構成であることを考慮すれば、面状のアンテナエレメントの方が適している。

　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０１０年１１月１７日に出願された日本出願特願２０１０－２５６３７５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１，２　アンテナエレメント
１ｗ，２ｗ　屈曲部
３　連結部材
４　接続用部材
５　給電用部材
６，７　間隙
８　操作側筐体
９　表示側筐体
１０　表示部
１１　ヒンジ
１２　回転ユニット
１３　アンテナ

Claims (7)

1. 　互いに平行に対向配置された一対のアンテナエレメントと、
   　前記一対のアンテナエレメントの先端でこれらエレメントを連結して電気的に短絡する連結部材と、
   　前記一対のアンテナエレメントの各々の給電点に対して、容量結合して給電をなす給電部材と、を含むアンテナ。
2. 　前記給電部材と前記一対のアンテナエレメントの各々の給電点とは、所定間隙を有する請求項１記載のアンテナ。
3. 　前記一対のアンテナエレメントは平板状エレメント構成であり、これら平板状エレメントが互いに平行に対向配置されている請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナを内蔵した携帯端末。
5. 　操作側筐体に対して表示側筐体が折り畳み可能であり、前記表示側筐体の先端部において、前記アンテナのアンテナエレメントの長手方向が、前記表示側筐体の長手方向とは直交する方向になるように収納されている請求項４に記載の携帯端末。
6. 　前記操作側筐体に対して、表示部がユーザに見えない状態に前記表示側筐体を折り畳んだときに、前記一対のアンテナエレメントのうち、前記操作側筐体に近い方のエレメントが接地状態になる請求項５に記載の携帯端末。
7. 　前記操作側筐体に対して、表示部がユーザに見える状態に前記表示側筐体を折り畳んだときに、前記一対のアンテナエレメントのうち、前記操作側筐体に近い方のエレメントが接地状態になる請求項５に記載の携帯端末。

Images