JP4651411B2 - アンテナ装置、及び無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線装置、及び当該無線装置に用いるアンテナ装置に関し、特に装置の放熱に関する。

携帯電話機等の携帯型の無線装置は小型化や高性能化が追求されているが、これに伴って、内蔵する電子回路やバイブレータ等を駆動する電気回路等からの発熱が問題となっている。発熱が十分に放熱されないと無線装置内の温度が高温となる。この高温により、電子回路が誤動作するおそれがある他、誤動作を起こさない場合であっても、携帯無線装置の場合には多くは利用者が手や人体頭部に直接接触して利用する利用形態であるため、無線装置に異常が発生したと利用者が誤認したり、不快感を感じるといった不都合が生じる場合がある。

一般に、ＵＬ規格（情報処理機器−ＵＬ１９５０）では機器の表面温度が定められている。これによれば、「接触することができる機器の外面」は金属の場合で温度上昇４５℃以下、プラスチックやゴムでは７０℃以下となっている。周囲温度が２５℃の場合には、筐体外表面では、金属で７０℃、プラスチックやゴムで９５℃である。

この規格で定められる温度による実感では多くの人が高温と感じるため、携帯電話機などでは、多くはこの規格値で定められる温度よりも大きいマージンを設定した設計が行われる。

また、携帯電話機等では、筐体内部の導電部品の構造や、熱を出すＩＣのレイアウト等の自然対流によって放熱を行う構造が一般に適用されている。

しかしながら、携帯電話機ではさらに小型化、高性能化が求められていることで内部での放熱量が高まる傾向にあることや、高い機構強度や金属的な質感を得るために筐体外面の一部に金属が用いられることで利用者に熱が伝わりやすいという機構上の点から、より効率的な放熱機構が求められている。

一方、携帯電話機に代表される携帯無線機ではその利便性や意匠性の要請から、アンテナを筐体内部に内蔵することが求められている。筐体内に内蔵できるアンテナとして、例えば、線状アンテナや板状アンテナが知られ、一般に、送受信特性の上から板状アンテナが多く採用されている。

板状アンテナとしては、例えば、給電点位置の近傍に短絡部を設けた逆Ｆ型アンテナが知られている。その他、ループを平面状に形状するループアンテナも知られている。

板状アンテナでは、回路基板と平行に放射素子が配置されると共に、当該放射素子には高周波信号を供給する給電点とインピーダンス整合を行うための短絡点が設けられている。

図９は従来の無線装置が備えるアンテナ装置の概略を説明するための図である。なお、図９では、無線装置のアンテナ装置に係わる部分のみを簡略化して示している。図９において、無線装置１０１は、回路基板１０２上には電磁シールドボックス１０３が設けられる。電磁シールドボックス１０３は、回路基板１０２上に形成された回路を被うことにより、外部からの回路に侵入する電磁ノイズを防ぐと共に、回路で発生する電磁ノイズが外部に漏れ出すことを防ぐ。

アンテナ装置は、回路基板１０２と平行に設置されている放射素子１１１を有し、当該放射素子１１１と回路基板１０２との間は給電部１１２と短絡部１１４で接続されている。なお、ここではアンテナ装置として逆Ｆ型アンテナ等の短絡部を有する板状アンテナについて示している。給電部１１２と短絡部１１４は、それぞれ給電点１１３と短絡点１１５において回路基板１０２に接続されている。給電点１１３の位置は、λ／４のアンテナ特性を確保するために、回路基板１０２の端部とすることが一般的である。

また、アンテナ装置では、アンテナ特性の観点から、回路基板１０２と放射素子１１１との間にはある程度の距離Ｈを必要としている。この距離Ｈを小さくすると低放射抵抗となり、アンテナ効率の劣化と狭帯域化の原因となるため、ある程度の距離が必要である。この回路基板と放射素子との距離Ｈは、無線装置１０１の厚みを定める一要因であるが、上記したように距離Ｈはある程度よりも小さくすることができないため、アンテナ装置や無線装置を小型化することは難しい。

また、高周波信号の伝送線路の損失を低減するために、高周波回路（ＲＦ回路）は放射素子の近傍に実装することが一般的である。この高周波回路には、発熱量が大きい送信用電力増幅器（パワーアンプ）が設置される他、ＶＣＯ（電圧制御発振器）などの温度特性に対して敏感な回路部品も実装されている。

そのため、回路部品のレイアウトを設計する際には、小型化に加えて熱対策が重要となる。小型化を行うことと良好な冷却性を得ることは背反する要素であるため、場合によっては小型化と熱対策のいずれかあるいは両方が制限されることもある。

一般に電子回路における熱設計についての公知技術として例えば非特許文献１に開示されたものがある。また、無線装置における放熱機構として、電力増幅器で発生する熱を内蔵アンテナによって放熱することものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−２１８７２９号公報 「エレクトロニクスのための熱設計完全入門」 国峰尚樹 日刊工業新聞 1997年7月18日

上記特許文献で開示される構成では、アンテナのマスを電力増幅器のマスと回路基板との間に固定する構成であるため、アンテナのマスと電力増幅器のマスが回路基板の部分で固定できるように、アンテナ及び電力増幅器の形状を設計する必要がある。前記したように、携帯電話機等の携帯を要する無線装置では小型であることが求められており、筐体内において各部品を配置するスペースには限りがあるため、上記したアンテナ及び電力増幅器のマスを設けることができるとは限らず、場合によっては必要なマスを設けることができないこともあり得るという問題がある。

また、両マスを設けることができたとしても、筐体内で許されるスペースに合わせて設計した場合には、その形状は複雑な形状となることが予想され、両マス部分を接続するという工程についても複雑さが予想され、長時間を要するという問題が発生するおそれがある。

そこで、本発明は上記課題を解決し、アンテナ装置、及び無線装置において、良好な放熱特性を得ることを目的とする。

本願発明のアンテナ装置及び無線装置は、高周波信号の給電部と短絡部を備えた放射素子を有する構成において、回路基板に設置される発熱部品に短絡部を接地する構成、又は、高周波信号の処理回路を含む電磁シールドボックスに短絡部を接地する構成とすることによって、発熱部品や高周波信号の処理回路で発生する熱を、短絡部を介して放射素子に導き、当該放射素子を放熱部材として用いることによって良好な放熱特性を得る。

本発明による構成では、発熱源の熱を放射素子に導くための熱伝導部分を、放射素子が有する短絡部を用いて構成すると共に、発熱源と短絡点との接続を、回路基板に設置される発熱部品、又は高周波信号の処理回路を含む電磁シールドボックスとすることで行うことによって、筐体内のスペースの形状の影響を受けにくくし、構成を簡易とすると共に、短絡部の接続を容易とする。

発熱部品は電力増幅器やＣＰＵとすることができ、また、放射素子は板状アンテナ又は線状アンテナとすることができる。

放熱特性を高める構成として、例えば、短絡部を、回路基板及び／又は前記電磁シールドボックスの複数箇所で接地する構成や、ヒートシンクを構成する複数のフィンを備える構成とする他、放射素子の面積を増加させる構成とすることができる。放射素子の面積を増加させる構成として、板状アンテナを、回路基板と平行な第１の放射素子面と、回路基板と垂直な第２の放射素子面を備えた構成とし、両放射素子面を電気的、熱伝導的に接続する。

さらに、放射素子と、回路基板及び／又は電磁シールドボックスとの間に、空間領域を備える構成とすることができる。この空間領域によって、限られたスペースの筐体内において、無線装置の部材を配置する配置領域を確保することができる。無線装置は、この空間領域内に、発熱部品を冷却する冷却ファンを構成する樹脂部品の少なくとも一部を配置することができる。

本発明のアンテナ装置によれば、良好な放熱特性を得ることができる。

また、無線装置の限られたスペース内であっても、放射素子の短絡部を、回路基板上又は電磁シールドボックス上に接地する構成とすることで、前記スペースの形状や配置に影響されることなく、放熱の為の機構を容易に構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明のアンテナ装置は板状の放射素子の他に線状の放射素子を用いることができるが、以下の説明では板状の放射素子について説明する。また、板状の放射素子としては、板状逆Ｆ型アンテナの他、ループアンテナのループを平面状に形成して擬似的に板状放射素子とした構成等の種々の形態とすることができるが、以下では主に板状逆Ｆ型アンテナを用いて説明する。

図１は本発明のアンテナ装置の第１の態様の概略を説明するための図である。なお、図１は主に放射素子の構成について説明するための図であり、その他の構成については省略している。図１（ａ）は無線装置１及びアンテナ装置１０の斜視図であり、図１（ｂ）は図中のＡ方向からみた側面図である。

図１において、無線装置１は、回路基板２上に電磁シールドボックス３を備える。電磁シールドボックス３は回路基板２上に形成された回路を被い、外部から回路に侵入する電磁ノイズを防ぐと共に、回路で発生する電磁ノイズが外部に漏れ出すことを防いでいる。

アンテナ装置１０は、回路基板２と平行に設置された放射素子１１を有し、当該放射素子１１と回路基板２との間は給電部１２と短絡部１４によって接続されている。なお、ここではアンテナ装置として逆Ｆ型アンテナ等の短絡部を有する板状アンテナについて示している。

給電部１２は、回路基板２上の給電点１３で接続され、高周波回路（図示していない）からの高周波電流を放射素子１１に供給する。なお、給電点１３の位置は、λ／４のアンテナ特性を確保するために、回路基板１０２の端部とすることが一般的であるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。

また、短絡部１４は、電磁シールドボックス３上の短絡点１５で接続され、電磁シールドボックス３を介して回路基板２に接地されることによってインピーダンス整合が行われる。また、短絡部１４は、電磁シールドボックス３の熱を放射素子１１へ伝導する。電磁シールドボックス３内では、電力増幅器やＣＰＵ等の発熱部品が短絡点１５の真下あるいはその近傍に配置されるように実装することで、電力増幅器やＣＰＵ等の発熱部品で発生した熱を短絡部１２に熱伝達する効率を良好なものとすることができる。

なお、図１では、短絡点１５を電磁シールドボックス３上としているが、電力増幅器（パワーアンプ）等の発熱部品が電磁シールドボックス３で被われていない場合には、電力増幅器に接続してもよく、これによって、電力増幅器で発生した熱を、短絡部１４を介して放射素子１１に熱を伝導し、放射素子１１において放熱してもよい。短絡部１４を電力増幅器等の発熱部品に接続する場合には、熱伝導性の良いシリコンを短絡点１５の周囲に充填してもよい。

アンテナ装置１０の放射素子１１を短絡部１４及び短絡点１５を介して電磁シールドボックス３に接続することによって、電磁シールドボックス３内に設けられた電力増幅器やＣＰＵ等の発熱部品で発生した熱を放射素子１１に熱伝達させ、放射素子１１から外部に放熱することができる。

無線装置１において、アンテナ装置１０を被う筐体面には、通常アンテナ特性を確保するために金属部品が配置されることはなく樹脂等で被われる。そのため、仮に利用者がこの放射素子１１が配置される筐体部分を接触した場合であっても、アンテナ装置１０の放射素子１１から放熱された熱は樹脂部分を介して利用者に伝わることになる。樹脂は金属と比較して熱伝導率が低いため、利用者は金属部分に接触したときのように、高温による不快感を感じることがない。

また、アンテナ特性を確保する観点から、通常、筐体内に配置される内蔵アンテナは、利用者の持ち手が触れにくい場所にレイアウトされたり、持ち手が触れにくいように筐体構造が設計されるため、発熱部分に触れる可能性は他の場所よりも小さいといえる。

即ち、アンテナ装置の放射素子を放熱機構の一部として利用する構成は、アンテナ特性や筐体の構造等の無線装置の実使用環境の点からも有効な構成といえ、アンテナ特性に影響を与えることなく簡易な構成によって熱対策を講じることができる。

次に、本発明の第２の態様について図２を用いて説明する。第２の態様は、短絡点を複数箇所とすることによって、熱の伝導性を向上させるものである。なお、以下では、前記した第１の態様と相違する部分のみ説明し、共通する部分については説明を省略する。

図２（ａ）に示す斜視図において、アンテナ装置１０は２つの短絡部１４ａ，１４ｂを有し、電磁シールドボックス３上の２つの短絡点１５ａ，１５ｂで短絡すると共に、電磁シールドボックス３側の熱を放射素子１１に伝導する。

なお、図２（ｂ）は図２（ａ）中の矢印Ａの方向から見た側面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）中の矢印Ｂの方向から見た側面図である。

短絡点１５ａ，１５ｂは、電磁シールドボックス３上において近接して設ける構成とする他に、電磁シールドボックス３内の発熱部品の配置に応じて設けてもよく、各発熱部品の真上位置など近い位置に設けることで熱の伝導性を向上させることができる。

また、図２では２つの短絡点で接地しているが、短絡点は２つに限らず３つ以上としてもよく、また、１つの短絡部に対して複数の短絡点を設ける構成としてもよい。また、短絡部の部材の幅を、例えば３ｍｍ等の幅広に設定してもよい。

次に、本発明の第３の態様について図３，４を用いて説明する。第３の態様は、放射素子にヒートシンクを設けることによって、熱の伝導性を向上させるものである。なお、以下では、前記した第１の態様と相違する部分のみ説明し、共通する部分については説明を省略する。

図３（ａ），図４（ａ）に示す斜視図、及び図３（ｂ），図４（ｂ）に示す側面図において、アンテナ装置１０は放射素子１１にヒートシンク１６やヒートシンク１７が設けられる。ヒートシンク１６は複数枚の板状の放熱フィンから構成され、ヒートシンク１７は複数本のステック状の放熱ピンから構成される。

これらヒートシンク１６，１７は、回路基板２と放射素子１１との間の隙間によって形成された空間部分（空間領域２０）に配置することができる。この空間はアンテナ特性の観点から通常は利用されない部分であるため、この空間部分を無線装置が有する部材を配置する空間領域２０とすることで有効利用することができる。

また、このヒートシンク１６，１７の一部を電磁シールドボックス３に接触させて短絡点とする構成としてもよく、放射素子１１による放熱を良好とする他、電磁シールドボックス３の熱を放射素子１１に伝導させる構成部材として利用することもできる。

なお、図３（ｂ），図４（ｂ）はそれぞれ図３（ａ），図４（ａ）中の矢印Ａの方向から見た側面図である。

次に、本発明の第４の態様について図５を用いて説明する。第４の態様は、放射素子を延長して放熱面積を拡大することによって、熱の放熱性を向上させるものである。なお、以下では、前記した第１の態様と相違する部分のみ説明し、共通する部分については説明を省略する。

図５（ａ）に示す斜視図において、アンテナ装置１０は、放射素子１１に加えて拡張部１１ａを備える。なお、図５（ｂ）は図５（ａ）中の矢印Ａの方向から見た側面図である。

図５において、放射素子１１は回路基板２に対して平行に設置されるのに対して、拡張部１１ａは回路基板２に対して垂直に設置される。放射素子１１と拡張部１１ａとは、一体の板材を折り曲げることによって形成する他、放射素子１１と拡張部１１ａとを別部材で用意しておき、これらの部材間を少なくとも電気的に接続することで構成することができる。なお、図５に示す構成例では、拡張部１１ａを回路基板２の短辺側に形成した例を示しているが、拡張部１１ａを回路基板２の長辺側に形成する構成、及び短辺側と長辺側の両側に形成する構成としてもよい。

放射素子１１に拡張部１１ａを設けることによって放熱面積を拡大させ、放熱効率を向上させることができる。

次に、本発明の第５の態様について図６，図７を用いて説明する。第５の態様は、放射素子の下方位置に発熱部品を設け、この発熱部品との間あるいは発熱部品を被う電磁シールドボックスとの間において放射素子と短絡することによって、熱の放熱性を向上させるものである。なお、以下では、前記した第１の態様と相違する部分のみ説明し、共通する部分については説明を省略する。なお、図６（ｂ），図７（ｂ）はそれぞれ図６（ａ），図７（ａ）中の矢印Ａの方向から見た側面図である。

図６は電磁シールドボックスの延長する構成例を示している。図６において、電磁シールドボックス３の一部を放射素子１１の下方部分まで延長し、当該延長部３ａ上に短絡点１５を設ける。短絡部１４は、放射素子１１と延長部３ａ上の短絡点１５との間を接続し、電磁シールドボックス３からの熱を放射素子１１に伝導する。

通常、放射素子１１の下方位置には、アンテナ特性の観点から金属部品は設けられないが、電磁シールドボックス３の延長部３ａは放射素子１１の下方の一部のみとすることによってアンテナ特性の劣化を抑制することができる。

また、図７は放射素子の下方の回路基板上に発熱部品を設ける構成例を示している。図７において、放射素子１１の下方の回路基板２上に電力増幅器４を設け、当該電力増幅器４上に短絡点１５を設ける。短絡部１４は、放射素子１１と電力増幅器４上の短絡点１５との間を接続し、電力増幅器４からの熱を放射素子１１に伝導する。

通常、放射素子１１の下方位置には、アンテナ特性の観点から金属部品は設けられないが、電力増幅器４が占める面積は、放射素子１１の面積と比較して小さく抑えることによって、アンテナ特性の劣化を抑制することができる。電力増幅器４は、例えば４ミリ角の素子で構成されるものが知られており、放射素子１１の面積と比較して充分小さいものとすることができる。

次に、本発明の第６の態様について図８を用いて説明する。第６の態様は、放射素子と回路基板との間の空間部分に冷却機構を設け、この冷却機構によって、熱の放熱性を向上させるものである。なお、以下では、前記した第１の態様と相違する部分のみ説明し、共通する部分については説明を省略する。なお、図８（ｂ）は図８（ａ）中の矢印Ａの方向から見た側面図である。

図８は、冷却機構として冷却ファン１８を設ける構成例を示している。図８において、放射素子１１と回路基板２との間の隙間に形成される空間に冷却ファン１８の構成部材を設ける。前記したように、通常、放射素子１１の下方位置には、アンテナ特性の観点から金属部品は設けられないが、樹脂等のアンテナ特性に影響を与えない部材であれば配置が可能である。そこで、冷却ファンの内で樹脂製のファン１８をこの空間部分に設置し、このファン１８を駆動することによって強制冷却を行う。

なお、ファン１８を駆動するモータ等の金属部分を有する構成部材は、回路基板２の裏面等のアンテナ特性に影響を及ぼさない部分に設けることができる。

なお、第６の態様では、放射素子１１と回路基板２との間に形成される空間に冷却機構を設ける構成としているが、前記第２の態様で示したように、無線装置が備える他の部材を配置してもよい。

本発明のアンテナ装置は、携帯電話機に限らず携帯可能な無線装置に適用することができる。

本発明のアンテナ装置の第１の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第２の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第３の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第３の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第４の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第５の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第５の態様の概略を説明するための図である。 本発明のアンテナ装置の第６の態様の概略を説明するための図である。 従来の無線装置が備えるアンテナ装置の概略を説明するための図である。

符号の説明

１…無線装置、２…回路基板、３…電磁シールドボックス、３ａ…延長部、４…電力増幅器、１０…アンテナ装置、１１…放射素子、１１ａ…拡張部、１２…給電部、１３…給電点、１４、１４ａ，１４ｂ…短絡部、１５,１５ａ，１５ｂ…短絡点、１６，１７…ヒートシンク、１８…フィン、２０…空間領域。

Claims (14)

1. 発熱部品が設置された回路基板と、前記回路基板上で発熱部品を被う電磁シールドボックスとを有する無線装置のアンテナ装置において、
   高周波信号の給電部と短絡部を備えた板状の放射素子を備え、
   前記電磁シールドボックスの一端側において、前記板状の放射素子と前記回路基板との間に前記電磁シールドボックスが存在しない空間領域が形成され、前記空間領域において前記給電部が前記回路基板上の給電点に接続されるとともに、前記短絡部が前記電磁シールドボックス上に接地されたことを特徴とする、アンテナ装置。
2. 前記発熱部品は電力増幅器及び／又はＣＰＵであることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記放射素子は板状逆Ｆ型アンテナの放射素子であることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記放射素子は、ヒートシンクを構成する複数のフィンを備えることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記短絡部は、前記電磁シールドボックスの複数箇所で接地することを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記板状の放射素子は、前記回路基板と平行な第１の放射素子面と、前記回路基板と垂直な第２の放射素子面を備え、前記第１の放射素子面と第２の放射素子面は電気的及び熱伝導的に接続することを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 高周波信号の給電部と短絡部を備えた板状の放射素子と、
   発熱部品が設置された回路基板と、
   前記回路基板上で前記発熱部品を被う電磁シールドボックスとを備え、
   前記電磁シールドボックスの一端側において、前記板状の放射素子と前記回路基板との間に前記電磁シールドボックスが存在しない空間領域が形成され、前記空間領域において前記給電部が前記回路基板上の給電点に接続されるとともに、前記短絡部が前記電磁シールドボックス上に接地されたことを特徴とする、無線装置。
8. 前記発熱部品は無線装置が備える電力増幅器及び／又はＣＰＵであることを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。
9. 前記放射素子は板状逆Ｆ型アンテナの放射素子であることを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。
10. 前記放射素子は、ヒートシンクを構成する複数のフィンを備えることを特徴とする、請求項９に記載の無線装置。
11. 前記短絡部は、前記電磁シールドボックス上の複数箇所で接地することを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。
12. 前記板状の放射素子は、前記回路基板と平行な第１の放射素子面と、前記回路基板と垂直な第２の放射素子面を備え、前記第１の放射素子面と第２の放射素子面は少なくとも電気的に接続し、前記第１，第２の放射素子面を筐体の内壁と絶縁して配置することを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。
13. 前記板状の放射素子は、前記回路基板と平行な第１の放射素子面と、前記回路基板と垂直な第２の放射素子面を備え、前記第１の放射素子面と第２の放射素子面は電気的及び熱伝導的に接続することを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。
14. 前記無線装置が備える発熱部品を冷却する、樹脂部品で構成された冷却ファンを備え、
    前記冷却ファンの少なくとも一部を前記空間領域内に配置することを特徴とする、請求項７に記載の無線装置。

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