JP4645993B2 - 無線送信機 - Google Patents

Description

本発明はセキュリティ分野等で用いられる無線送信機に関する。

従来、携帯電話やパソコン等においては、パスワードロック／アンロック、又は電源オン／オフ等の自動化が要望されており、また自動車においては、ドアロック／アンロック等の自動化が要望されている。これらの要望に応えるべく、近年、様々な手法が考案されている。例えば、ユニークなＩＤが割り当てられた無線送信機をユーザが携帯することによって、ユーザが離れた場合に携帯電話やパソコン等のパスワードロックが行われ、ユーザが近づいた場合にアンロックが行われる手法が考案されている。

この種の無線送信機では、携帯性の観点から小型かつ薄型であることが好ましく、特にユーザが常時携帯する財布や社員証ホルダ等に収納できるように、できる限り厚みを薄くしたカード形状として携帯性に優れたものが好ましい。例えば、特開２００４−３６３９２９号公報には、キーレスエントリ送信機が無線送信機として記載されている。この種の無線送信機は、人が携帯して使用するものであり、胸ポケットや後ろポケット等、ユーザの使い方によって様々な配置があり得るので、無線送信機のアンテナ指向性は、無指向性であることが好ましい。
特開２００４−３６３９２９号公報

しかし、従来の無線送信機では、無指向性が得られるようにアンテナ設計がなされているものの、従来のアンテナ設計は、無線送信機が人体に携帯されていない状態を想定したものであった。このため、樹脂性（例えば、ＡＢＳ材）の外装ケース内に無線モジュール及び電池等を収容している無線送信機を人体に携帯すると、人体方向に放射される電波が人体に吸収されてしまい、人体方向のアンテナ利得が減衰するという現象が生じていた。このような現象は、無線通信時における電波強度の劣化を引き起こし、無線通信可能範囲が狭小化する要因になり得る。また、人体方向のアンテナ利得減衰に伴い、アンテナ指向性も変化してしまい、無指向性を維持できなくなる。

そこで、本発明は、人体に携帯された状態でアンテナ利得を減衰させることなく、無指向性を得ることが可能な無線通信機を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係わる無線送信機は、無線モジュールと、無線モジュールに電力を供給する電池と、金属板を備える。無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、送信信号を無線伝送するためのアンテナを備える。金属板は、電池の一部及びアンテナの一部を覆うように配置されており、電池は、アンテナと電磁界結合しており、アンテナの主輻射方向は、金属板の主面に平行な方向である。無線送信機は金属板に対向する第一の主面、及び第一の主面の裏側である第二の主面を有する実装基板を更に備える。無線モジュールは、第一の主面に形成されており、無線モジュールのグランド電極は、第二の主面に形成されている。このような実装構造によれば、金属板とグランド電極との間の距離を可能な限り長くし、金属板とグランド電極との間に形成される寄生容量を低減できるので、寄生容量に起因する周波数特性の劣化を効果的に抑制できる。

本発明に係わる無線送信機では、電池の一部及びアンテナの一部が金属板に覆われた状態で予めアンテナ特性（周波数特性や指向特性など）が調整される。金属板の誘電率は、人体の誘電率よりも高いので、電池の一部及びアンテナの一部が金属板に覆われた状態で無線送信機が人体に携帯されたとしても、そのアンテナ特性は、人体の影響を受けることが殆どなく、よって、アンテナの周波数特性や指向特性などが影響を受けることも殆どない。

金属板は、電池の一部及びアンテナの一部に加えて、送信モジュールの一部をも覆うように配置されていることが望ましい。これにより、良好な無指向性を得ることができる。

また、電池とアンテナとが電磁界結合することにより、アンテナだけでなく電池を含めた導体部分全体が放射導体として機能するので、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。なお、アンテナの主輻射方向は、金属板の主面に平行な方向であるため、放射電波が金属板によって遮蔽されることはない。

本発明の好適な実施形態において、金属板は、アンテナ及び電池に電磁界結合することにより、放射導体として機能する。金属板は、人体の影響によるアンテナ特性の変化を回避するためだけでなく、それ自体も放射導体として機能することにより、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。

本発明の好適な実施形態において、送信信号の無線周波数に対応する波長λに対して、アンテナの電気長がλ／４になるようにアンテナの給電点の位置が実装基板の角部に設定されている。斯かるアンテナ構造により、アンテナの輻射効率を高めることができる。

本発明によれば、人体に携帯された状態でアンテナ利得を減衰させることなく、無指向性を得ることが可能な無線通信機を提供できる。

以下、各図を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は無線送信機１０及び端末機器７０の機能ブロック図を示す。無線送信機１０は、送信モジュール１４、アンテナ３０、電池２０、及び金属板４０を備える。送信モジュール１４は、信号処理回路１１、高周波回路１２、及びスイッチ１３を備える。

信号処理回路１１は、ＣＰＵとメモリＩＣとから構成されており、消費電力を抑えるための制御やＩＤナンバーの出力処理等を行う。メモリＩＣには、ＩＤナンバーと、通信フォーマットとが予め記憶されている。ＩＤナンバーは、無線送信機を一意に識別するために割り当てられたユニークな識別情報である。通信フォーマットは、所定の通信プロトコル（例えば、４００ＭＨｚ帯特定省電力無線用の通信プロトコル）に準拠している。メモリＩＣとしては、不揮発性メモリや揮発性メモリ等の各種のメモリを適用できる。ＣＰＵは、ＩＤナンバーと共に通信フォーマットをメモリＩＣから読み出し、所定の転送レート（例えば、９６００ｂｐｓ）で変調された所定のインターフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインターフェース形式）の変調信号を高周波回路１２へ断続的かつ定期的に出力する。ＣＰＵとしては、例えば、８ビットマイコンを用いることができる。

信号処理回路１１は、消費電力を抑えるための制御として、間欠動作を実施する。例えば、１５秒間隔の送信サイクルのうち１５ｍｓｅｃの送信期間だけＩＤナンバーが所定の通信フォーマットで出力され、それ以外の１４８５ｍｓｅｃのスリープ期間では、信号処理回路１１及び高周波回路１２の動作はスリープモードになる。信号処理回路１１及び高周波回路１２は、送信モードとスリープモードとを交互に繰り返すことにより、電池２０の消費電力を抑えている。

高周波回路１２は、チップインダクタ、チップコンデンサ、チップ抵抗等の受動部品、トランジスタ等の半導体素子等により構成される。高周波回路１２は、信号処理回路１１からの変調信号を受信し、通信フォーマットに従って、無線送信機１０のＩＤナンバーを含む送信信号（例えば、３００ＭＨｚ帯の２値ＦＳＫ変調信号）に変調する。アンテナ３０は、高周波回路１２によって生成された送信信号を電磁波に変換して放射する。アンテナ３０から放射される電磁波は、基本周波数３１５ＭＨｚの微弱無線規格を遵守する仕様に設計されている。

電池２０は、信号処理回路１１及び高周波回路１２へ電力を供給する。電池２０は、例えば、リチウムイオン電池であり、定格でＤＣ３Ｖの電圧を出力する。電池２０の消費電力は、信号処理回路１１及び高周波回路１２での最低動作電圧レベルによっても変動するが、およそ１．８Ｖ〜３．３Ｖ程度の範囲で電力が消費される。スイッチ１３は、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２へ電力を供給又は遮断するための電源スイッチである。無線送信機１０からの送信信号出力を一時的に停止させたい場合には、スイッチ３０をオフにすることで、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２への電力供給を遮断できる。また、無線送信機１０からの送信信号出力を再開させたい場合には、スイッチ３０をオンにすることで、電池２０から信号処理回路１１及び高周波回路１２への電力供給を再開できる。

端末機器７０は、例えば、携帯電話やパソコン等の無線通信機能を搭載した電子機器であり、無線モジュール８０、及びＣＰＵ９０を備える。無線モジュール８０は、アンテナ８１、高周波回路８２、及び信号処理回路８３を備える。無線送信機１０から無線電波として放射された送信信号に含まれるＩＤナンバーは、アンテナ８１にて受信され、高周波回路８２にて復調され、信号処理回路８３にて復号されて、所定のインターフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインターフェース形式）でＣＰＵ９０に出力される。ＣＰＵ９０は、無線モジュール８０が受信したＩＤナンバーに基づいて無線送信機１０を認証する。例えば、端末機器７０が携帯電話の場合、無線送信機１０を携帯するユーザが移動することにより、無線送信機１０と端末機器７０とがある一定の距離以上離れると、端末機器７０はロックし、無線送信機１０と端末機器７０とがある一定の距離以内に近づくと、端末機器７０はアンロックする。

次に、図２乃至図４を参照しながら無線送信機１０の各部のレイアウト構成について説明する。図２は無線通信機１０の平面図を示し、図３は図２の３−３線断面図を示し、図４はアンテナ素子３１の平面図を示す。なお、各部の位置関係を明確にする観点からＸＹＺ直交座標系を定義している。無線通信機１０の底面を画定する二辺のうち長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、無線通信機１０の厚み方向をＺ方向としている。但し、図２では、無線送信機１０の内部構成を説明する便宜上、金属板４０を破線で示している点に留意されたい。

図２及び図３に示すように、無線通信機１０の外装ケース５０は、略長方形状のカード型の薄型形状をなしている。外装ケース５０の寸法は、例えば、８５×５５×１．６ｍｍである。説明の便宜上、図２及び図３は、外装ケース５０のうちその裏面のみを図示し、側面及び表面の図示を省略している。外装ケース５０の裏面を基準平面５０ａとして、その基準平面５０ａ上に電池２０及び実装基板１５が互いに平行に横並びになるように並置されている。実装基板１５の表面（第一の主面）には、送信モジュール１４及びアンテナ３０を含む無線モジュール１６が形成され、その裏面（第一の主面に対して裏側にある第二の主面）には、無線モジュール１６のグランド電極１７が形成されている。なお、実装基板１５は、絶縁材料で構成されていればよく、有機系絶縁材料、無機系絶縁材料、又は複合絶縁材料の何れを用いてもよく、また、基板全体が誘電体材料で構成されていてもよく、誘電体材料層と磁性材料層との組み合わせでもよい。具体的には、実装基板１５としては、フレキシブル実装基板（ＦＰＣ基板）やＦＲ４基板等の各種の基板を用いることができる。なお、実装基板１５は、回路基板又は部品搭載基板と称することもできる。電池２０は、薄型のカード形状を成す金属製筐体（図示せず）によってその周囲を覆われている。電池２０は、プラス端子２１及びマイナス端子２２を備えている。プラス端子２１及びマイナス端子２２は、電池２０を覆う金属製筐体の側面から実装基板１５の主面に対して平行に引き出されて、実装基板１５に向けて突出し、実装基板１５に接続されている。具体的には、プラス端子２１は、電源電極（図示せず）に接続し、マイナス端子２２は、グランド電極１７に接続している。

無線通信機１０には、電池２０の一部及びアンテナ３０の一部を覆う金属板４０が電池２０の主面及び無線モジュール１６の主面に対して平行に配置されている。無線通信機１０のアンテナ特性（周波数特性や指向特性など）は、電池２０の一部及びアンテナ３０の一部が金属板４０に覆われた状態で調整される。電池２０の一部及びアンテナ３０の一部の上面に金属板４０を配置すると、アンテナ３０の一部と金属板４０との間に寄生容量が形成されるので、アンテナの上面に金属板を配置しない従来の無線送信機と比較すると、アンテナ３０の周波数対利得特性は、広帯域に設計し易くなる。例えば、従来の無線送信機では、人体に近づけると、人体の影響を受けてアンテナの周波数対利得特性が変化し、高周波領域での利得が減衰してしまうが、本実施形態に係わる無線通信機１０によれば、アンテナ３０の周波数対利得特性は、広帯域に設計されるため、人体の影響を受け難くなり、特に高周波領域での利得の減衰などを効果的に抑制できる。また、金属板４０の誘電率は、人体の誘電率よりも高いので、電池２０の一部及びアンテナ３０の一部が金属板４０に覆われた状態で無線送信機１０が人体に携帯されたとしても、そのアンテナ特性は人体の影響を受けることが殆どなく、よって、アンテナ３０の周波数特性や指向特性などが影響を受けることも殆どない。

本発明者の実験によれば、無線送信機から１ｍ離れた地点で放射電波の受信感度を測定したところ、従来の無線通信機の指向性比（最小利得／最大利得）は、０．０２であったのに対し、本実施形態に係わる無線送信機１０では、電池２０の主面の総面積の８０％を金属板４０が覆うとともに、アンテナ３０の形成領域の総面積の８０％を金属板４０が覆う場合、その指向性比（最小利得／最大利得）は０．８であり、電池２０の主面の総面積の４０％を金属板４０が覆うとともに、アンテナ３０の形成領域の総面積の４０％を金属板４０が覆う場合、その指向性比（最小利得／最大利得）は０．５という良好な結果が得られた。

上述の実験結果は、電池２０の主面の総面積に対する、金属板４０が電池２０の主面を覆う面積の割合、及びアンテナ３０の形成領域の総面積に対する、金属板４０がアンテナ３０の形成領域を覆う面積の割合は、それぞれ多い程、無線送信機１０の指向性比が向上することを示している。指向性比向上の観点からは、電池２０の全面積及びアンテナ３０の全形成領域が金属板４０によって覆われることが望ましい。

金属板４０は、電池２０の一部及びアンテナ３０の一部に加えて、送信モジュール１４の一部を更に覆うように配置されているのが望ましい。送信モジュール１４は、アンテナ３０と電磁界結合することにより、放射導体として機能しているため、送信モジュール１４の一部を金属板４０によって覆うことにより、アンテナ３０の周波数対利得特性をより広帯域に設計できる。これにより、無線送信機１０が人体に携帯されたとしても、そのアンテナ特性は人体の影響を受けることが殆どないという利点を有する。

本実施形態に係わる無線送信機１０では、電池２０の主面の総面積の１００％を金属板４０が覆うとともに、無線モジュール１６の形成領域の総面積の１００％を金属板４０が覆う場合、その指向性比（最小利得／最大利得）は１．０であり、電池２０の主面の総面積の８０％を金属板４０が覆うとともに、無線モジュール１６の形成領域の総面積の８０％を金属板４０が覆う場合、その指向性比（最小利得／最大利得）は０．９という良好な結果が得られた。

上述の実験結果は、無線モジュール１６の形成領域の総面積に対する、金属板４０が無線モジュール１６の形成領域を覆う面積の割合は多い程、無線送信機１０の指向性比が向上することを示している。指向性比向上の観点からは、電池２０の全面積及び無線モジュール１６の全形成領域が金属板４０によって覆われることが望ましい。

なお、無線通信機１０を人体に携帯するときは、外装ケース５０の二つの主面（表面及び裏面）のうち金属板４０が配置されている方の主面（表面）を人体に向ける点に留意されたい。

本実施形態では、電池２０は、アンテナ３０に電磁界結合するように構成され、且つ金属板４０は、アンテナ３０及び電池２０に電磁結合するように構成されている。これにより、アンテナ３０だけでなく電池２０と金属板４０を含めた導体部分全体が放射導体として機能し、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。電池２０をアンテナ３０に電磁界結合させるためには、例えば、導電部材を使用して電池２０をアンテナ３０に接続してもよく、電池２０をアンテナ３０に接触させてもよく、或いは電池２０をアンテナ３０に近接配置してもよい。同様に、金属板４０をアンテナ３０及び電池２０に電磁結合させるためには、導電部材を使用して金属板４０をアンテナ３０及び電池２０に接続してもよく、金属板４０をアンテナ３０及び電池２０に接触させてもよく、或いは金属板４０をアンテナ３０及び電池２０に近接配置してもよい。

なお、本実施形態では、アンテナ３０の主輻射方向は、金属板の主面に平行な方向（特に、実装基板１５の側面に対向する電池２０の側面に平行なＹ軸方向）を向くようにアンテナ３０が形成されているので、放射電波が金属板４０によって遮蔽されることはない。金属板４０の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス材が好適である。

無線モジュール１６のグランド電極１７は、実装基板１５の二つの主面（表面及び裏面）のうち金属板４０に対向している表面ではなく、その裏面に形成されているので、金属板４０とグランド電極１７との間の距離を可能な限り長くし、金属板４０とグランド電極１７との間に形成される寄生容量を低減できるので、このような寄生容量に起因するアンテナ３０の周波数特性の劣化を効果的に抑制できる。

アンテナ３０は、複数のアンテナ素子３１、複数の導体パターン３２、給電点３３、及び開放端３４を含む。アンテナ素子３１、給電点３３、及び開放端３４は、導体パターン３２によって接続されている。送信信号の無線周波数に対応する波長をλとすると、アンテナ３０の電気長がλ／４になるように、給電点３３の位置を実装基板１５の角部に設定するのが好ましい。斯かるアンテナ構造により、アンテナ３０の輻射効率を高めることができる。

図４に示すように、アンテナ素子３１は、アンテナ導体３１０とアンテナ基板３１１とから構成される。アンテナ導体３１０は導電性薄膜であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、銅箔パターンを用いることができる。アンテナ基板３１１としては、実装基板１５よりも高い誘電率を有する基板（例えば、誘電体基板）が好ましく、例えば、ＦＲ４基板（実効比誘電率εｒ＝４．０，実効比透磁率μｒ＝１．０）等の各種の基板を用いることができる。なお、実装基板１５とアンテナ基板３１１とを必ずしも別基板にする必要はなく、実装基板１５の一部をアンテナ基板３１１として使用してもよい。アンテナ導体３１０は、ヘリカル状であって、アンテナ基板３１１の厚みをアンテナ開口の二辺とし、アンテナ基板３１１の主面と平行な一方向に巻き進む。より詳細には、アンテナ導体３１０は、第１の導体片３１０ａ，第二の導体片３１０ｂ，第三の導体片３１０ｃ，及び第四の導体片３１０ｄから成り、第１の導体片３１０ａは、アンテナ基板３１１の表面（第一の主面）に一方向に所定ピッチで形成されるとともに、第二の導体片３１０ｂは、アンテナ基板３１１の裏面（第一の主面に対して裏側にある第二の主面）に第１の導体片３１０ａと同一方向及び同一ピッチで形成されている。そして、アンテナ基板３１１を厚み方向に貫通する第三の導体片３１０ｃ及び第四の導体片３１０ｄによりヘリカル接続となるように、第１の導体片３１０ａ及び第二の導体片３１０ｂの端部が順次接続される。斯かる構成により、第１の導体片３１０ａ，第二の導体片３１０ｂ，第三の導体片３１０ｃ，及び第四の導体片３１０ｄによって囲まれたアンテナ開口が形成される。アンテナ開口から発生する磁界は、アンテナ開口面に対して垂直であるため、アンテナ基板３１１の厚み方向と平行な方向にアンテナ開口面を形成することにより、アンテナ３０から発生する磁界は、アンテナ基板３１１の主面に平行な方向となる。ここで、アンテナ基板３１１の厚み方向とは、アンテナ基板３１１の主面に対して垂直な方向を意味する。

なお、図４に示すアンテナ構成は、アンテナ３０の一例を示すものであり、様々なアンテナ構成を採用し得る。例えば、各種の平面的又は立体的な形状（スパイラル形状、ヘリカル形状、一巻き形状、直線形状、ミアンダ形状など）を有する導体パターンによってアンテナ３０を構成してもよい。

端末機器７０に搭載される無線モジュール８０のアンテナは、無線通信機１０のアンテナ３０と同じアンテナ設計を有していることが好ましい。これにより、無線通信機１０及び無線モジュール８０のそれぞれの周波数特性や指向特性を近づけることができる。例えば、無線モジュール８０のアンテナが複数のアンテナ素子と導体パターンとから構成される場合、そのアンテナ素子の構成及び個数は、無線通信機１０のアンテナ３０を構成するアンテナ素子３１の構成及びその個数と同じであることが好ましい。無線通信機１０及び無線モジュール８０のアンテナ素子の個数が異なる場合、導体パターンの長さや幅などで両者の周波数特性や指向特性を近づけてもよい。

本実施形態に係わる無線送信機１０によれば、電池２０の一部及びアンテナ３０の一部の上面を覆う金属板４０が配置された状態でアンテナ特性が予め調整されているので、無線送信機１０が人体に携帯されたとしても、そのアンテナ特性は人体の影響を受けることが殆どないという利点を有する。

本実施形態に係わる無線送信機１０によれば、電池２０は、アンテナ３０に電磁界結合するように構成され、且つ金属板４０は、アンテナ３０及び電池２０に電磁結合するように構成されているので、アンテナ３０だけでなく電池２０と金属板４０を含めた導体部分全体が放射導体として機能し、無指向性に優れたアンテナ特性を得ることができる。

本実施形態に係わる無線送信機１０によれば、無線モジュール１６のグランド電極１７は、実装基板１５の二つの主面（表面及び裏面）のうち金属板４０に対向している表面ではなく、その裏面に形成されているので、金属板４０とグランド電極１７との間の距離を可能な限り長くし、金属板４０とグランド電極１７との間に形成される寄生容量を低減できる。斯かる実装構造は、金属板４０とグランド電極１７との間に形成される寄生容量に起因するアンテナ３０の周波数特性の劣化を抑制する上で効果的である。

本実施形態に係わる無線送信機及び端末機器の機能ブロック図である。 本実施形態に係わる無線通信機の平面図である。 図２の３−３線断面図である。 アンテナ素子の平面図である。

符号の説明

１０…無線送信機 １１…信号処理回路 １２…高周波回路 １３…スイッチ １４…送信モジュール １５…実装基板 １６…無線モジュール ２０…電池 ２１…プラス端子 ２２…マイナス端子 ３０…アンテナ ３１…アンテナ導体 ３２…アンテナ基板 ４０…放射導体 ５０…外装ケース ６０…磁性体シート ７０…端末機器 ８０…無線モジュール ８１…アンテナ ８２…高周波回路 ８３…信号処理回路 ９０…ＣＰＵ

Claims (6)

1. 無線モジュールと、前記無線モジュールに電力を供給する電池と、金属板とを備え、
   前記無線モジュールは、送信信号を生成する送信モジュールと、前記送信信号を無線伝送するためのアンテナとを備え、
   前記金属板は、前記電池の一部及び前記アンテナの一部を覆うように配置されており、
   前記電池は、前記アンテナと電磁界結合しており、
   前記アンテナの主輻射方向は、前記金属板の主面に平行な方向であり、
   前記無線送信機は、前記金属板に対向する第一の主面、及び前記第一の主面の裏側である第二の主面を有する実装基板を更に備え、
   前記無線モジュールは、前記第一の主面に形成されており、前記無線モジュールのグランド電極は、前記第二の主面に形成されている、無線送信機。
2. 請求項１に記載の無線送信機であって、
   前記金属板は、前記送信モジュールの一部を更に覆うように配置されている、無線送信機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の無線送信機であって、
   前記金属板は、前記アンテナ及び前記電池に電磁界結合することにより、放射導体として機能する、無線送信機。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の無線送信機であって、
   前記送信信号の無線周波数に対応する波長λに対して前記アンテナの電気長がλ／４になるように前記アンテナの給電点の位置が前記実装基板の角部に設定されている、無線送信機。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の無線送信機であって、
   前記無線モジュール、前記電池、及び前記金属板を収容するカード型の外装ケースを更に備え、
   前記無線モジュール及び前記電池は、前記外装ケースの内部に並置されており、
   前記金属板は、前記電池の主面及び前記無線モジュールの主面に対して平行に配置されている、無線送信機。
6. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の無線送信機であって、
   カード型の薄型形状をなした外装ケースを更に備え、
   前記外装ケースの裏面上に前記アンテナを含む前記無線モジュール、前記電池、及び前記送信モジュールが互いに横並びになるように並置されている、無線送信機。

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