JP5546510B2 - 小型電子装置 - Google Patents
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Description
このような技術として、特許文献1に、腕時計にアンテナを設ける技術が開示されている。
この技術は、時計の動作機構を収納する金属容器の外周面に、当該円筒筐体に接地する逆Fアンテナを設けたものである。
また、時計の筐体を金属製としたいとの要望もあり、金属筐体の内部にアンテナを設置する場合、金属容器の影響により十分なアンテナの性能が得られない、時計機構の設置スペースが制限される、という問題があった。
請求項2に記載の発明では、前記第1の導電板は、前記凹部の底面と平行に保持されていることを特徴とする請求項1に記載の小型電子装置を提供する。
請求項3に記載の発明では、前記所定距離以下となる部分は、前記凹部の内周部と、前記第2の導電板の外周部の少なくとも一方に形成された突起部によって構成されていることを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の小型電子装置を提供する。
請求項4に記載の発明では、前記突起部は、前記第2の導電板と同一平面内に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の小型電子装置を提供する。
請求項5に記載の発明では、前記第2の導電板は、前記凹部の内周に沿って湾曲又は屈曲していることを特徴とする請求項1から請求項4までのうちの何れか1つの請求項に記載の小型電子装置を提供する。
時計装置1(図1(b))は、金属製の凹状容器で構成された筐体2を有しており、筐体2の凹部10には、時計動作部21のほか、GPS衛星からの電波を受信するための逆Fアンテナ部3が配設されている。
逆Fアンテナ部3は、文字盤11の背面にあるが、文字盤11は、誘電体であるため、逆Fアンテナ部3は、ガラス板12、文字盤11を透過した電波を受信することができる。
また、励起導電板4の形状により励起導電板4に複数の電気長部分を形成して逆Fアンテナ部3を多周波数化することができる。
更に、凹部10の内周面と励起導電板4の外周部の少なくとも一部を所定距離以下に近接させると、逆Fアンテナ部3の共振周波数を低くすることができる。これにより、逆Fアンテナ部3を小型化することができる。
本実施の形態では、時計装置の内部に逆Fアンテナを設置し、一例として、GPS(Global Positioning Systems)衛星からの電波を受信する。
GPS衛星は時刻情報を送信しており、時計装置は、これを用いて表示している時刻を自動補正する。
これにより、GPS衛星からの電波を受信できる場所であれば、世界中どこでも時刻を自動補正することができる。
また、逆Fアンテナは、小型化性、軽量性、占有率(腕時計の筐体内で占める領域の割合)、側面性(腕時計の筐体に合わせて湾曲できる性質)、背面性(文字盤の背面に収納できる収納性)が優れているため、腕時計や、その他の小型電子装置への実装に適している。
なお、煩雑化を避けるため、筐体2と逆Fアンテナ部3を図示し、他の構成は省略してある。
時計装置1は、腕時計用として構成されているが、据置型の時計であってもよい。
なお、本実施の形態では、筐体2は、円筒形に形成するが、矩形の底面と矩形の側面を有する形状など、凹状の容器であればよい。
逆Fアンテナ部3は、接地導電板7、励起導電板4、短絡ピン5、伝送ピン6から構成されており、本実施の形態では、キャビティ装荷型逆Fアンテナを構成している。
励起導電板4の他端は開放端となっている。
このように、励起導電板4の外周部は、湾曲する外周側の辺、湾曲する内周側の辺、及び両端部から構成されている。
また、励起導電板4と接地導電板7の間に誘電体を配置して電波の波長を縮めることにより、励起導電板4や接地導電板7の長さを短くし、逆Fアンテナ部3を更に小型化することも可能である。
伝送ピン(給電ピン)6は、同軸線路等の中心導体(心線)によって構成されており、短絡ピン5よりも励起導電板4の開放端側に、短絡ピン5から所定距離の位置に設けられている。
伝送ピン6の一端は、励起導電板4に接合し、他端は、接地導電板7に設けられた貫通孔8を貫通して図示しない時計動作部に接続している。
励起導電板4が電波によって励起されると、励起導電板4の電位の変化が伝送ピン6によって伝送される。
上述の通り、伝送ピン6を構成する同軸線路等の中心導体は励起導電板4に接続され、一方、同軸線の外部導体は貫通孔8部分で接地導電板7に接続されている。
受信電波が凹部10で共振すると逆Fアンテナ部3の性能が低下するため、凹部10の共振周波数が逆Fアンテナ部3の受信周波数と異なるように凹部10の形状や大きさが設計されている。
より好ましくは、凹部10の共振周波数が逆Fアンテナ部3のバンド幅の外側となるように、凹部10の形状や逆Fアンテナ部3の寸法が設計されている。なお、バンド幅は、励起導電板4と接地導電板7の距離などにより調整することができる。
凹部10の開口部側には、時刻表示用の文字盤11が嵌めてあり、更に、凹部10の開口部端部には、文字盤11などを保護するためのガラス板12が嵌めてある。
文字盤11の背面には逆Fアンテナ部3が配置されている。文字盤11は、誘電体で形成されており、GPS衛星からの電波は、ガラス板12、文字盤11を透過して逆Fアンテナ部3に到達する。
逆Fアンテナ部3は、筐体2の内周面に沿って湾曲しているため、凹部10に時計動作部21を設置する空間を十分に確保することができる。
時計動作部21は、水晶振動子の振動に合わせて、短針22、長針23、秒針(図示せず)などをモータによって駆動する。
時計装置1のユーザは、文字盤11における短針22、長針23により現在時刻を認識することができる。なお、時計装置1を、アナログ式時計でなくデジタル式時計としてもよい。
このように、時計装置1は、逆Fアンテナ部3によってGPS信号を受信し、時刻補正を自動的に行うことができる。
接地導電板7の幅W2は、好ましくは、励起導電板4の幅W1以上であり、より好ましくは、W2≧2W1である。接地導電板7の長さは、励起導電板4の長さ以上が好ましい。
図3(a)は、励起導電板4を内周側と外周側を円弧により形成した例である。この場合、短絡ピン5を対象線に対し、内周側の電気長31が外周側の電気長32よりも短くなる。このため、共振周波数が電気長31に対応するものと電気長32に対応するものの2つが存在し、逆Fアンテナ部3の多周波化を図ることができる。なお、内周側に凸部を形成したり凹凸を形成して電気長31と電気長32を等しくしてもよい。
逆Fアンテナ部3を多周波数化する必要がない場合は、電気長31、32が等しくなるように形成する。一方、図3(a)のように電気長31、32が異なっていても、短絡ピン5と伝送ピン6との間の間隔、または、それらの素子形状等を調整することにより単周波数化することもできる。
スリット43a、43b、43cは、くの字型が励起導電板4の中心線に対して対称となるように、短絡ピン5から励起導電板4の先端に向かってこの順に形成されている。
励起導電板4の内周側に関しては、全内周側に対応する電気長31dの他、スリット43a、43b、43cに対応する電気長31a、31b、31cが存在する。
同様に、励起導電板4の外周側に関しては、電気長32a、32b、32c、32dが存在する。このため、逆Fアンテナ部3において、多周波数化が可能となる。
これにより、内周側と外周側の共振周波数の差をより大きくすることができる。なお、外周側に凸部を形成したり凹凸を形成して電気長差を大きくしてもよい。
本発明者の実験によると、励起導電板4の外周部の近傍に導電部材を設置すると、逆Fアンテナ部3の共振周波数が低下することが見出された。
これは、同じ周波数に対して、導電部材を設置しない場合よりも、導電部材を設置した場合は、逆Fアンテナ部3を小型化できることを意味する。
そこで、以下では、励起導電板4の近傍に導電部材として金属部材を設置する例について説明する。
突起部51は、金属板によって形成されており、励起導電板4と同一平面、もしくは、励起導電板4の上面または下面に形成されている。
突起部51の外周側は、凹部10の内周面に接地されており、内周側は、開放端となっている。
また、接地導電板7と励起導電板4の間に誘電体を設け、更に小型化を図ることもできる。
図4(c)は、励起導電板4の開放端側と短絡ピン5側の両方に突起部51を設けた例である。このように、突起部51を複数設けると、より共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。
励起導電板4の短絡ピン5側には、励起導電板4の端部と対向する突起部51が凹部10の内周面に設けてある。このように、励起導電板4を矩形形状に形成することも可能である。
図4(f)は、励起導電板4の短絡ピン5側、及び自由端側の両方に突起部51を設けた例である。
この場合、突起部51を設けずとも、励起導電板4の共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。
短絡ピン5は、長軸状の端部側に設けられ、当該端部は、筐体2の内周面に近接して設けられている。
励起導電板4の外周と凹部10の内周の距離は、短絡ピン5から遠ざかるほど大きくなり、短絡ピン5に近いほど、小さくなる。このため、短絡ピン5付近では容量が装荷され、励起導電板4の共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。
このように、励起導電板4の外周部に突起部51を設け、当該突起部51と凹部10の内周面が所定値以下となることによっても、励起導電板4の共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。
自由端の外周側に、凹部10の内周面と近接する突起部51が設けられている。突起部51は、凹部10の内周の方に設けてもよい。
このように、励起導電板4を屈曲して形成してもよい。
なお、図4(a)から(f)、図4(j)および(k)では、突起部51は、励起導電板4の端部に相当する位置に設けられたが、中間点などに設けても良く、その位置は限定されることは無い。
複数の励起導電板4が容量によって結合することにより共振周波数が低周波数側にシフトすると共に、励起導電板4が湾曲しているため、共振周波数の多周波数化を実現することができる。
なお、図の煩雑化を避けるため、筐体2、接地導電板7などは図示していない。
図5(a)では、励起導電板4aは、短絡ピン5aで接地されると共に、伝送ピン6aが設けられている。一方、励起導電板4bは、短絡ピン5bが設けられている。
この場合、励起導電板4aで電波を受信する。励起導電板4a、4bが容量により結合するため、励起導電板4aの共振周波数は、シフトする。
この場合、励起導電板4a、4bの双方を電波の受信に用いることができ、共振周波数のシフトと多周波数化を図ることができる。
この場合、励起導電板4bで電波を受信する。励起導電板4a、4bが容量により結合するため、励起導電板4bの共振周波数は、低周波数側にシフトする。
この場合、励起導電板4bで電波を受信する。励起導電板4bは、励起導電板4a、4cと容量により結合するため励起導電板4bの共振周波数はシフトする。
励起導電板4aの外周側、及び励起導電板4cの内周側に、更に、多くの励起導電板4を配置してもよい。
なお、図5(a)から(d)では、各々の励起導電板は同じ開き角であったが、各々異なった開き角、長さであってもよい。
何れも、接地導電板7から所定距離を隔てて励起導電板4aを接地導電板7に平行に設け、励起導電板4aの上側に励起導電板4aから所定距離を隔てて励起導電板4bを励起導電板4aに平行に設けたものである。ここで平行の意味は、完全なる平行でなくても良く、電気的に接触しない範囲で支持された状態であれば良く、例えば、多少ずれた平行状態であってもよい。
励起導電板4a、4bの形状は、湾曲しているものとするが、矩形であってもよい。
このように図6の各例で示した逆Fアンテナ部3によれば、励起導電板4aと励起導電板4bを備え、一方に伝送ピン6を接続することで給電アンテナとし、他方を給電アンテナと結合する無給電アンテナとして機能させることができる。そして、励起導電板4aと励起導電板4bの長さを同じa1とすることで、周波数帯域を広げ、広帯域対応を可能とすることができる。
この例では、短絡ピン5aと短絡ピン5bは、それぞれ励起導電板4aと励起導電板4b同一位置(図の例では端部)に配置されている。
そして励起導電板4aは、短絡ピン5aにより接地導電板7に接地している。
一方、励起導電板4bは、短絡ピン5bを励起導電板4aと励起導電板4b間に配置することで、短絡ピン5a、励起導電板4aの端部、短絡ピン5bを介して接地導電板7に短絡されている。
この逆Fアンテナ部3では、図6(a)の例とは異なり、励起導電板4bと接地導電板7を短絡ピン5bで直接短絡している。
上述した図6(a)、(b)の逆Fアンテナ部3では、下側の励起導電板4aを給電アンテナ、上側の励起導電板4bを無給電アンテナとしたのに対し、図6(c)、(d)の逆Fアンテナ部3では上側の励起導電板4bを給電アンテナとし、下側の励起導電板4aを無給電アンテナとして、電波を受信するように構成したものである。
図6(c)、(d)に示されるように、上側の励起導電板4bに伝送ピン6を接続するため、下側にある励起導電板4aには、接地導電板7に設けられた貫通孔とほぼ同位置に伝送ピン6を貫通させる貫通孔が設けられる。
図6(d)に示すように、上側の励起導電板4bを給電アンテナとすると共に、短絡ピン5bにより直接接地導電板7に直接短絡している。
図7(a)〜(d)に示した各逆Fアンテナ部3における、励起導電板4a、短絡ピン5a、励起導電板4b、短絡ピン5b、伝送ピン6、接地導電板7の配置関係は、図6(a)〜(d)に示したものと同じである。
図6に示した各逆Fアンテナ部3では、励起導電板4aと励起導電板4bの長さが共に同じ長さa1であったのに対し、図7に示した逆Fアンテナ部3では、励起導電板4aの長さa2と、励起導電板4bの長さa1とを異なる長さにしている。
このように、励起導電板4aの長さと、励起導電板4bの長さとを変えることで、広帯域に、又は多周波数に対応させることができる。
長さa1、a2の値については、受信する周波数により適宜選択することになる。
これにより、図7(a)では給電アンテナが無給電アンテナよりも長くなり、図7(c)では給電アンテナ側が無給電アンテナよりも短くなる。
なお、図7(a)、(c)において、上側の励起導電板4bの長さa1よりも、下側の励起導電板4aの長さa2を短くする(a1>a2)構成としてもよい。
なお、図7(b)、(d)において、上側の励起導電板4bの長さa1を、下側の励起導電板4aの長さa2よりも短くする(a1<a2)構成としてもよい。
図8の逆Fアンテナ部3では、給電アンテナ側の励起導電板において、伝送ピン6が接続されている給電点に対する短絡ピンの位置を変更することで、アンテナの特性を変化させている。
図8(a)〜(d)に示した各逆Fアンテナ部3における、励起導電板4a、短絡ピン5a、励起導電板4b、短絡ピン5b、伝送ピン6、接地導電板7の配置関係は、伝送ピン6に対する給電アンテナ側の短絡ピン5a、又は5bの位置が異なる点を除き、図6(a)〜(d)に示したものと同じである。
このように、給電アンテナ側の短絡ピン5a、又は短絡ピン5bを、伝送ピン6に近づけることにより、アンテナのインピーダンスが減少し、アンテナの周波数特性などの各種特性を変化させることが可能になる。
各短絡ピン5a、5bと伝送ピン6との距離は、要求される逆Fアンテナ部3の特性に応じて決定される。
なお、無給電アンテナとなる側の励起導電板4a又は4bに接続される短絡ピン5a又は5bの伝送ピン6に対する位置を変更しても、アンテナの特性に大きな変化はないので、図8の各状態でもよく、給電アンテナ側の短絡ピンにあわせて移動するようにしてもよい。
図9(a)は、逆Fアンテナ部3に対する筐体2の影響を調べる実験に用いた装置を説明するための図である。
本実験では、実験設備の関係上、時計装置1の3分の1程度の大きさで装置を作成した。このため、周波数は、実験値をほぼ3分の1倍したものが時計装置1での値となる。
筐体2の底面に設置された誘電体は、厚さhが0.6[mm]で、比誘電率εrが2.6である。
励起導電板4は、誘電体の上面に筐体2と同心に設置されており、曲率半径rが2.63[mm]、幅がw=2.0[mm]である。
そして、短絡ピン5と伝送ピン6の距離sは、0.28[mm]である。
グラフの縦軸はリターンロスを表し、横軸は周波数を表している。
グラフの破線は、励起導電板4を筐体2に収納して計測した結果で、実線は、筐体2の円筒部を取り払った状態で計測した結果である。
即ち、破線は、逆Fアンテナ部3を筐体2に収納した状態に対応し、実線は、逆Fアンテナ部3を筐体2に入れない状態に対応している。
時計装置1のサイズでは、4.5÷3=1.5[GHz]で共振し、GPS衛星が送信する電波の周波数となっている。
励起導電板4の自由端側の外周側に所定距離Wcにて突起部51が対向するように、筐体2の内周面に金属製の突起部51を設ける。他の寸法は、図9(a)の値を3倍し、時計装置1の大きさに対応させてある。
このように構成された装置を用いて、Wcと励起導電板4の共振周波数の関係を調べた。
グラフから明らかなように、Wcが0.5[mm]以上の領域では、突起部51は、励起導電板4の影響はなく、Wcが0.5[mm]以下の領域では、1.59[GHz]程度から1.56[GHz]程度まで、Wcが小さくなるに従って共振周波数が低周波数側に移動している。
これは、励起導電板4と突起部51が近接することにより、両者が容量として機能しているためと思われる。
(1)金属製の凹状容器で構成された筐体2内に逆Fアンテナ部3を配置し、筐体2の影響をあまり受けずに逆Fアンテナ部3を機能させることができる。
(2)時計装置1、特に腕時計型の時計装置1の内部に逆Fアンテナ部3を設置し、GPS衛星からの電波を受信することができる。
(3)時計装置1は、GPS衛星からの電波から時刻情報を取得して時刻補正することができる。GPS衛星の電波が受信できる場所であれば、世界中どこでも時刻補正できる。
(4)励起導電板4が筐体2に沿った湾曲形状であっても、内周側と外周側の電気長を等しくすることにより、同一周波数の電波を内周側と外周側の両方で受信できるため、感度を向上させることができる。
(5)励起導電板4の形状により、逆Fアンテナ部3の多周波数化を図ることができる。
(6)GPS衛星の電波は、円偏波であるが、従来例では、金属容器の側面に沿って励起導電板が設けられていたため、偏波面が励起導電板と平行でないときは感度が低下し、円偏波を効率よく受信することができなかったが、時計装置1は、凹部10の底面と平行に励起導電板4が設置されているため、円偏波を効率よく受信することができる。
(7)従来例では、金属容器の側面に平行に励起導電板が設けられていたため、時計を腕に装着した状態では、励起導電板の腕側が電波の受信に寄与できなかったが、時計装置1では、接地導電板7の何れの側も電波の受信に寄与することができる。
(8)励起導電板4の近傍に導電部材を設けることにより、励起導電板4に容量を装荷し、励起導電板4の共振周波数を下げることができる。これによって、逆Fアンテナ部3を小型化することができる。
また、伝送ピン6に給電して、逆Fアンテナ部3から電波を送信することも可能である。
また、逆Fアンテナ構造を壊さない範囲で、アンテナを曲げる方向や、給電点、短絡点の位置は、適宜変更することができる。
更に、逆Fアンテナ部3をセンサなどの他の金属筐体のデバイスに設置し、これらデバイスと無線通信するように構成することもできる。
接地導電板7は、励起導電板4を設置するため、接地部として機能する第1の導電板として機能している。
励起導電板4は、GPS衛星から送信されてきた電波により励起され、また、接地導電板7と所定距離を隔てて平行に配置されているため、前記第1の導電板と平行に配置された励起用の第2の導電板として機能している。
短絡ピン5は、一端が接地導電板7に接続し、他端が励起導電板4に接続して両者を短絡しているため、一端が前記第1の導電板に接続し、他端が前記第2の導電板に接続した短絡部材として機能している。
伝送ピン6は、励起導電板4と接続して、接地導電板7の貫通孔8を貫通しているため、前記短絡部材と所定の距離を隔てて前記第2の導電板に接続し、前記第1の導電板を貫通する伝送部材として機能している。
時計動作部21は、伝送ピン6を介してGPS衛星からの信号を受信し、これから時刻情報を取得して自動的に時刻補正するため、電波送信元より送信された電波によって前記第2の導電板に生じた励起を、前記伝送部材を介して検出して前記電波による信号を受信する受信部を備えている。
筐体2は、凹部10を有し、上記要素から構成される逆Fアンテナ部3を収納しているため、前記第1の導電板、前記第2の導電板、前記短絡部材、前記伝送部材、及び前記受信部を収納する凹部が形成された導電性の筐体として機能している。
そして、時計装置1は、これらを具備した小型電子装置として機能している(第1の構成)。
そこで、本実施の形態により、逆Fアンテナ部3による次の構成を提供することができる。
第1の構成において、前記第2の導電板の外周部の少なくとも一部に対して、前記第2の導電板の共振周波数を低周波数側にシフトさせるための導電部材が所定距離以下に配設されていることを特徴とする小型電子装置を提供する(第11の構成)。
また、第2の導電板の外周側と内周側の電気長の違いから多周波数化を図ることもできる。
更に、共振周波数をシフトさせることにより第2の導電板を小型化することができる。
2 筐体
3 逆Fアンテナ部
4 励起導電板
5 短絡ピン
6 伝送ピン
7 接地導電板
8 貫通孔
10 凹部
11 文字盤
12 ガラス板
21 時計動作部
22 短針
23 長針
31、32 電気長
51 突起部
Claims (5)
- 接地部として機能する第1の導電板と、
前記第1の導電板と平行に配置された励起用の第2の導電板と、
一端が前記第1の導電板に接続し、他端が前記第2の導電板に接続した短絡部材と、
前記短絡部材と所定の距離を隔てて前記第2の導電板に接続し、前記第1の導電板を貫通する伝送部材と、
電波送信元より送信された電波によって前記第2の導電板に生じた励起を、前記伝送部材を介して検出して前記電波による信号を受信する受信部と、
凹部が形成され、当該凹部の内側に、前記第1の導電板、前記第2の導電板、前記短絡部材、前記伝送部材、及び前記受信部が収納された導電性の筐体と、
を具備し、
前記凹部の内周部と、前記第2の導電板の外周部の少なくとも一部は、前記第2の導電板の共振周波数が低周波数側にシフトする所定距離以下に配設されていることを特徴とする小型電子装置。 - 前記第1の導電板は、前記凹部の底面と平行に保持されていることを特徴とする請求項1に記載の小型電子装置。
- 前記所定距離以下となる部分は、前記凹部の内周部と、前記第2の導電板の外周部の少なくとも一方に形成された突起部によって構成されていることを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の小型電子装置。
- 前記突起部は、前記第2の導電板と同一平面内に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の小型電子装置。
- 前記第2の導電板は、前記凹部の内周に沿って湾曲又は屈曲していることを特徴とする請求項1から請求項4までのうちの何れか1つの請求項に記載の小型電子装置。
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