JP6512857B2 - 無線通信装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに対向して配置された金属部材を備えた無線通信装置、及び無線通信装置を備えた電子機器に関する。

スマートフォン等の撮像装置やパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の近年の電子機器には、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等で通信を行う無線通信装置が搭載されてきている。また、近年のデジタルカメラやＸ線画像診断装置等の撮像装置には、他のカメラやＰＣへ撮像画像を伝送するために、先に述べた無線通信装置を搭載したものが普及してきている。

無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信には、２．４［ＧＨｚ］帯や５［ＧＨｚ］帯の電波が使用される。無線通信装置を備えた電子機器では、無線通信用のアンテナが取り付けられており、そのアンテナの形式として、例えばモノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、逆Ｆアンテナ、パッチアンテナ、チップアンテナなど、様々なアンテナが用いられている。

これらのアンテナは、電子機器の小型化やデザイン性の向上のために限られた空間に実装しなければならず、かつ、コストの低減も要求されている。この小型化と低コスト化のため、アンテナは製品筐体の内部に配置されることが多い。しかし、小型の電子機器においてアンテナを内蔵した場合、アンテナと周囲の金属部材を近接して配置させなければならず、それによりアンテナの共振特性が変動するという問題があった。

従来、このような問題を防ぐ手段の一つとして、例えば半導体パッケージからなる無線機への供給電力を上げて放射電力の劣化分を補い、通信周波数での電波放射量を高める方法が知られている（非特許文献１）。

平沢一紘著「アンテナの特性と解法の基礎技術」日刊工業新聞社（２０１１年２月１７日、Ｐ１１３〜Ｐ１３９）

しかしながら、供給電力を上げると、無線通信装置における消費電力が大きくなる。このため、例えばバッテリーを用いる場合には、電力供給が可能な時間が短くなり、１回の充電で通信可能なデータ量は少なくなるという問題があった。また、供給電力を上げると、特に無線機で発熱量が増加し、熱の逃げ場が作りにくい電子機器では、別途放熱対策が必要になるため、コストが増加するという問題があった。

そこで、本発明は、無線機による通信周波数での通信利得を向上させることを目的とする。

本発明の無線通信装置は、アンテナと、前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、前記アンテナは、一端部が開放されたアンテナ素子と、前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、を有し、前記金属部材の表面には、前記アンテナの側から平面視した際に、前記通信周波数の電力を前記アンテナに給電した場合に前記アンテナにおいて磁界強度に対する電界強度の比が最小値となる領域と重なる位置に、凹部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の無線通信装置は、アンテナと、前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、前記アンテナは、グラウンド導体と、一端部が開放され、他端部が前記グラウンド導体に接続されたアンテナ素子と、一端部が前記アンテナ素子の一端部と他端部との間に接続された信号線と、を有し、前記金属部材の表面には、前記アンテナの側から平面視した際に、前記信号線の少なくとも一部と重なる凹部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の無線通信装置は、アンテナと、前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、前記アンテナは、一端部が開放されたアンテナ素子と、前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、を有し、前記通信周波数の電力を前記アンテナに給電した場合に前記アンテナの表面において磁界強度に対する電界強度の比が最小値となる領域と、前記金属部材の表面との間隔が、前記アンテナの表面において磁界強度に対する電界強度の比が最大値となる領域と、前記金属部材の表面との間隔よりも広いことを特徴とする。

本発明によれば、磁界強度に対する電界強度の比が小さい場所でアンテナと金属部材とが遠ざかり、打ち消し磁界が発生するのを抑制することができる。これにより、アンテナと金属部材との共振周波数が通信周波数の側にシフトし、通信周波数での通信利得が向上する。

本発明の実施形態に係る無線通信装置を備えた電子機器の一例であるＸ線画像診断装置を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。 （ａ）は本発明の実施形態におけるアンテナを構成するプリント配線板の第１導体層を示す平面図である。（ｂ）は本発明の実施形態におけるアンテナを構成するプリント配線板の第２導体層を示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施形態におけるアンテナを−Ｚ方向に見て、アンテナにおける電界強度または磁界強度が高い領域を示す説明図である。（ｂ）は本発明の実施形態におけるアンテナと凹部との位置関係を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置において、アンテナの信号線と金属部材との間の磁界の様子を示す模式図である。 （ａ）は実施例のアンテナの第１導体層のシミュレーションモデルを示す平面図である。（ｂ）は実施例のアンテナの第２、３、４導体層のシミュレーションモデルを示す平面図である。（ｃ）は実施例のアンテナ及び金属部材のシミュレーションモデルの位置関係を示す平面図である。 （ａ）は実施例における波動インピーダンスの値を示すグラフである。（ｂ）は（ａ）において波動インピーダンスの値が１００［Ω］以下の範囲を拡大したグラフである。 （ａ）は実施例において面積Ｓに対するアンテナの全放射電力を示すグラフである。（ｂ）は実施例において間隔ｄ_１に対するアンテナの全放射電力を示すグラフである。 比較例の無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。 （ａ）は比較例におけるアンテナのグラウンドパターンと金属部材との位置関係を示す模式図である。（ｂ）は比較例におけるアンテナのグラウンドパターンと金属部材の両部材に形成される近傍電界を示す模式図である。 通信周波数よりも高い周波数で共振している状態において、周波数に対するアンテナの放射効率を示すグラフである。 （ａ）は図９のＸＩＩＡ線に沿うアンテナ及び金属部材の断面を−Ｘ方向に見たときの電流及び磁界の様子を示す模式図である。（ｂ）は図９のＸＩＩＢ線に沿うアンテナ及び金属部材の断面を−Ｘ方向に見たときの電流及び磁界の様子を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る無線通信装置を備えた電子機器の一例であるＸ線画像診断装置を示す説明図である。ここで、図１に示すＸ，Ｙ，Ｚ方向は、互いに直交（交差）する方向である。

図１に示すＸ線画像診断装置２００は、Ｘ線撮像素子（撮像素子）２０１と、無線通信装置２０２と、を備えている。撮像素子２０１にて撮像されて生成された画像信号は、無線通信装置２０２に出力される。画像信号の入力を受けた無線通信装置２０２は、画像信号を通信周波数帯の周波数に変調した信号波を、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信より、不図示の他のカメラやＰＣ等の他の電子機器へ伝送する。無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信には、２．４［ＧＨｚ］帯（例えば２．４５［ＧＨｚ］）や５［ＧＨｚ］帯の電波が使用される。

無線通信装置２０２は、樹脂等の非導電性材料で形成された、Ｘ線画像診断装置２００の筐体でもある筐体１０３と、筐体１０３の内部に配置された、プリント回路板１００、ケーブル１０６、アンテナ３００及び金属部材４００と、を備えている。金属部材４００は、電磁波を遮蔽するための部材である。電磁波を遮蔽するとは、電磁波を吸収又は反射することを意味する。本実施形態では、金属部材４００の金属材料としては、例えば、ステンレスの場合について説明するが、電磁波を遮蔽するいかなる金属材料であってもよい。例えば、金属材料として、鉄、銅又はアルミニウムであってもよい。また、本実施形態では、金属部材４００は、筐体１０３の補強も兼ねている。また、金属部材４００には、プリント回路板１００やアンテナ３００がマウントされ、アンテナ３００と金属部材４００とは近接している。

プリント回路板１００は、プリント配線板１０４を有している。また、プリント回路板１００は、プリント配線板１０４に実装された、無線機としてのＩＣ１０５と、ＩＣ１０５にプリント配線板１０４の配線で接続されたコネクタ１０７と、を有している。ケーブル１０６の一端には、アンテナ３００が接続されている。ケーブル１０６の他端は、コネクタ１０７に接続されている。これにより、ＩＣ１０５は、アンテナ３００にケーブル１０６を介して接続されている。ＩＣ１０５は、信号波を、アンテナ３００を介して無線で送受信するための無線機である。即ち、ＩＣ１０５の内部には、送信機と受信機とが内蔵されている。なお、本実施形態では、無線機であるＩＣ１０５が、送信機と受信機とを有し、信号波の送受信が可能である場合について説明するが、無線機が送信機としてのみ機能する場合、又は無線機が受信機としてのみ機能する場合であってもよい。また、送信機と受信機とが１つのＩＣ１０５（半導体パッケージ）で構成されている場合について説明するが、送信機と受信機とがそれぞれ個別の半導体パッケージで構成されていてもよい。

ＩＣ１０５は、取得した画像信号を処理して通信周波数帯（例えば、２．４［ＧＨｚ］帯や５［ＧＨｚ］帯）の周波数に変調した信号波を、アンテナ３００を介して無線で送信する。

アンテナ３００は、通信周波数で効率よく電磁波を発するものであればよく、本実施形態では、逆Ｆアンテナである。

図２は、本発明の実施形態に係る無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、金属部材４００は、アンテナ３００に対向して配置されている。具体的には、図１中、Ｚ方向において筐体１０３の内面と金属部材４００の一方の表面４００Ａとの間にアンテナ３００が配置されている。なお、アンテナ３００と金属部材４００との間に誘電体（絶縁体）からなる不図示の部材が介在していてもよい。

図１に示すように、撮像素子２０１は、金属部材４００に対してＺ方向でアンテナ３００が配置されている側とは反対側に配置されている。具体的には、撮像素子２０１は、図１中、Ｚ方向において金属部材４００の他方の表面と筐体１０３の内面との間に配置されている。

金属部材４００は、図１及び図２に示すように、アンテナ３００に対向する側の表面４００Ａを有する金属板である。金属部材４００の表面４００Ａには、アンテナ３００から遠ざかる−Ｚ方向に凹む、−Ｚ方向に見て長方形状の凹部４０２が形成されている。

アンテナ３００の金属部材４００に対向する側の表面３００Ａと金属部材４００の表面４００Ａとは、概略平行になるように配置されている。なお、プリント回路板１００は、金属部材４００に対しＺ方向でアンテナ３００が配置されている側に配置されている。即ち、プリント回路板１００は、金属部材４００の表面４００Ａに対向して配置されている。

金属部材４００は、撮像素子２０１やプリント回路板１００等の部品支持用の板状部材である。なお、金属部材４００が、金属板である場合について説明するが、電気的なシールドボックスのような箱状部材でもよい。この場合、箱状部材の一面がアンテナ３００に対向する。

アンテナ３００は、プリント配線板で構成され、少なくとも２つの導体層、本実施形態では、図２に示すように、導体層３０１，３０２を有する。導体層３０１と導体層３０２とは絶縁体層を介して隣接している。導体層３０１，３０２は、主に導体が配置される層であり、絶縁体層は、主に絶縁体（誘電体）が配置される層である。アンテナ３００を構成するプリント配線板の導体以外の絶縁体は、例えばＦＲ４等のガラスエポキシ樹脂である。

アンテナ３００は、アンテナ素子３１０と、グラウンド導体３２０と、信号線３３０と、を有する。アンテナ素子３１０、グラウンド導体３２０及び信号線３３０は、導電体で形成されている。グラウンド導体３２０は、アンテナ素子３１０のグラウンドとして用いられる。

アンテナ素子３１０は、長い帯状の導体パターンで形成されている。アンテナ素子３１０の長手方向の一端部３１０Ａは、開放された開放端部であり、アンテナ素子３１０の長手方向の他端部３１０Ｂは、グラウンド導体３２０に短絡（接続）されている。

アンテナ素子３１０の他端部３１０Ｂは、グラウンド導体３２０との接続部分３２０Ｃでもある。アンテナ素子３１０は、直線状に形成されていてもよいが、本実施形態では、アンテナ素子３１０の長手方向の一端部３１０Ａがグラウンド導体３２０に近づくように、Ｌ字形状に折り曲げて形成されている。具体的には、アンテナ素子３１０は、他端部３１０Ｂから折れ曲がり部３１０Ｃまで＋Ｙ方向に延び、折れ曲がり部３１０Ｃから一端部３１０ＡまでＹ方向に交差（直交）する−Ｘ方向に延びて形成されている。

信号線３３０は、ＩＣ１０５から信号波の電流がケーブル１０６を介して供給される給電線である。また、信号線３３０は、アンテナ素子３１０にて受信された信号波の電流が供給される給電線である。

信号線３３０は、Ｙ方向に延びて形成された導体パターンである。信号線３３０の長手方向（Ｙ方向）の一端部３３０Ａは、ケーブル１０６に接続されている。即ち、信号線３３０の一端部３３０Ａは、ケーブル１０６を介して無線機であるＩＣ１０５に接続されている。信号線３３０のＹ方向の他端部３３０Ｂは、アンテナ素子３１０の一端部３１０Ａと他端部３１０Ｂとの間の接続部分３１０Ｄに接続されている。アンテナ素子３１０及び信号線３３０は、導体層３０１に形成されている。

図３（ａ）は、アンテナ３００を構成するプリント配線板の第１導体層である導体層３０１を示す平面図であり、図３（ｂ）は、アンテナ３００を構成するプリント配線板の第２導体層である導体層３０２を示す平面図である。即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２に示す金属部材４００の面４００Ａに垂直な垂直方向（アンテナ３００の側から金属部材４００の側に向かう対向方向：−Ｚ方向）にアンテナ３００を見た図である。−Ｚ方向に見て、金属部材４００の外形の面積は、アンテナ３００の外形の面積よりも大きい。

グラウンド導体３２０は、導体層３０１に形成された第１グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２１と、導体層３０１に形成された第２グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２２と、を有する。また、グラウンド導体３２０は、導体層３０２に形成された第３グラウンドパターンであるグラウンドパターン３２３を有する。また、グラウンド導体３２０は、グラウンドパターン３２１，３２２とグラウンドパターン３２３とを接続する複数のヴィア３２４を有する。これにより、グラウンドパターン３２３と、グラウンドパターン３２１，３２２とが複数のヴィア３２４で導通している。グラウンドパターン３２１，３２２は、信号線３３０の配線方向（Ｙ方向）と交差（直交）するＸ方向の両側に配置されている。グラウンドパターン３２１，３２２は、−Ｚ方向に見て、外形四角形状（より具体的には外形長方形状）に形成されている。また、グラウンドパターン３２３は、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２１，３２２を包含する外形四角形状（より具体的には外形長方形状）に形成されている。

グラウンド導体３２０は、Ｘ方向の第１端部である端部３２０Ａと、端部３２０Ａとは反対側のＸ方向の第２端部である端部３２０Ｂとを有する。一対の端部３２０Ａ，３２０Ｂのうちアンテナ素子３１０の一端部３１０Ａに相対的に近接しているのが、端部３２０Ａである。即ち、アンテナ素子３１０は、端部３２０Ａに近接する側にＬ字形状に折れ曲がって形成されている。＋Ｙ方向は、アンテナ素子３１０の他端部３１０Ｂから折れ曲がり部３１０Ｃまでアンテナ素子３１０が延びる配線方向である。

本実施形態では、グラウンド導体３２０は、信号線３３０のＸ方向の両側に配置された一対のグラウンドパターン３２１，３２２と、Ｘ方向に延びるグラウンドパターン３２３と、を有する。グラウンドパターン３２３は、Ｘ方向の端部３２３Ａと、Ｘ方向の端部３２３Ａとは反対側の端部３２３Ｂと、を有する。グラウンドパターン３２１は、Ｘ方向で信号線３３０に隣接する側とは反対側の端部３２１Ａを有する。グラウンドパターン３２２は、Ｘ方向で信号線３３０に隣接する側とは反対側の端部３２２Ｂを有する。そして、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ａと、グラウンドパターン３２１の端部３２１Ａとは重なっている。また、−Ｚ方向に見て、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂと、グラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂとは重なっている。

したがって、グラウンド導体３２０の端部３２０Ａとは、グラウンドパターン３２１の端部３２１Ａ、又はグラウンドパターン３２３の端部３２３Ａである。また、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂとは、グラウンドパターン３２２の端部３２２Ｂ、又はグラウンドパターン３２３の端部３２３Ｂである。

なお、−Ｚ方向に見て、端部３２１Ａと端部３２３Ａとが重なる場合について説明するが、いずれか一方が−Ｘ方向に張り出している場合は、張り出している端部がグラウンド導体３２０の端部３２０Ａである。また、−Ｚ方向に見て、端部３２２Ｂと端部３２３Ｂとが重なる場合について説明するが、いずれか一方が＋Ｘ方向に張り出している場合は、張り出している端部がグラウンド導体３２０の端部３２０Ｂである。

また、本実施形態では、アンテナ３００を構成するプリント配線板の導体層が２つとしたが、導体層が３つ以上であってもよく、その場合、グラウンドパターン３２３が導体層３０１以外の各導体層にそれぞれ配置されていてもよい。

Ｌ字形状のアンテナ素子３１０の長手方向（信号伝搬方向）の寸法Ｌ１は、効率よく電磁波を発するため、通信周波数ｆ_１の波長λの１／４の長さに設定されている。

ここで、比較例の無線通信装置について説明する。図９は、比較例の無線通信装置のプリント回路板、アンテナ及び金属部材の配置関係を説明するための分解斜視図である。なお、図９に示す金属部材４００Ｘが、本実施形態の金属部材４００と異なる。即ち、比較例の金属部材４００Ｘは、凹部のない金属板である。比較例のプリント回路板１００及びアンテナ３００は、本実施形態のプリント回路板１００及びアンテナ３００と同様の構成である。

図１０（ａ）は、比較例におけるアンテナ３００のグラウンドパターン３２３と金属部材４００Ｘとの位置関係を示す模式図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）において点線で囲われた領域５０１において、グラウンドパターン３２３と金属部材４００Ｘの両部材に形成される近傍電界を示す模式図である。

金属部材４００Ｘがアンテナ３００に近接して配置されると、グラウンドパターン３２３の端部３２３Ａ，３２３Ｂと金属部材４００Ｘとの間で、図１０（ｂ）中の矢印で示すような電気力線による容量結合が生じ、特定の周波数で共振現象が起こる。

図１０（ｂ）中、点線で示す電界分布５０６は、グラウンドパターン３２３の中央では電界が弱く両端部３２３Ａ，３２３Ｂでは強くなる。よって、図１０（ｂ）中、一点鎖線で示す経路５０４のループ状アンテナのように作用する。このループは一周の経路長が波長λ’の長さとなる周波数で共振する。

グラウンドパターン３２３の両端部３２３Ａ，３２３Ｂ間の長さ（λ’／２）が、通信周波数の波長λの１／２以下になる（λ’＜λ）場合、アンテナ３００の共振周波数より高い周波数で共振現象が起こる。逆に、グラウンドパターン３２３の両端部３２３Ａ，３２３Ｂ間の長さ（λ’／２）が、通信周波数の波長λの１／２以上になる（λ’＞λ）場合、アンテナ３００の共振周波数より低い周波数で共振現象が起こる。

図１１は、通信周波数ｆ_１よりも高い周波数ｆ_０で共振している状態において、周波数に対するアンテナ３００の放射効率を示すグラフである。図１１に示すように、通信周波数ｆ_１と経路５０４の共振周波数ｆ_０にエネルギーが分散し、放射効率が減少する。

図１２（ａ）は、図９のＸＩＩＡ線に沿うアンテナ３００及び金属部材４００Ｘの断面を−Ｘ方向に見たときの電流及び磁界の様子を示す模式図である。図１２（ｂ）は、図９のＸＩＩＢ線に沿うアンテナ３００及び金属部材４００Ｘの断面を−Ｘ方向に見たときの電流及び磁界の様子を示す模式図である。即ち、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）には、−Ｘ方向に見たアンテナ３００及び金属部材４００Ｘの断面（ＹＺ平面）を図示している。

図１２（ａ）において、信号線３３０には電流Ｉ_１が強く流れており、電流Ｉ_１に対し右ねじ方向に磁界Ｈ_１が発生する。磁界Ｈ_１が金属部材４００Ｘに鎖交すると、ファラデーの法則により、磁界Ｈ_１の変化を妨げる方向に電流Ｉ_２が発生する。そして、電流Ｉ_２に対し右ねじ方向に磁界Ｈ_２が発生する。ここで、電流Ｉ_１と電流Ｉ_２は互いに異符号となるため、磁界Ｈ_１とＨ_２も互いに異符号となり打ち消し合う。このとき、アンテナ３００と金属部材４００Ｘとの間の全インダクタンスＬは、アンテナ３００の自己インダクタンスＬ_ＡＮＴおよびアンテナ３００と金属部材４００Ｘとの間の相互インダクタンスＭを用いて、以下の式（１）で表される。

上式（１）は、打ち消し磁界Ｈ_２の発生により、相互インダクタンスＭが負の値として働くことを意味している。このとき、金属部材４００Ｘがないときに比較して全インダクタンスＬが小さくなるため、共振周波数ｆ_０＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））（Ｃ：静電容量）は高い周波数にシフトする。

図１２（ｂ）において、グラウンドパターン３２３は電界が強いため、金属部材４００Ｘが近接すると、グラウンドパターン３２３を始点とした電界Ｅ_１が金属部材４００Ｘを終点として容量結合する。そのため、アンテナ３００と金属部材４００Ｘと間の静電容量Ｃが大きくなるため、共振周波数ｆ_０＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））は低い周波数にシフトする。

以上より、アンテナ３００の磁界の強い場所に金属部材４００Ｘが近接すると共振周波数は高域に、アンテナ３００の電界の強い場所に金属部材４００Ｘが近接すると共振周波数は低域にシフトする。

よって、アンテナ３００と金属部材４００との共振周波数ｆ_０を、通信周波数ｆ_１にシフトさせるには、前述のインダクタンスＬ又は静電容量Ｃを大きくすることで、（Ｌ×Ｃ）を大きくする必要がある。

図４（ａ）は、アンテナ３００を−Ｚ方向に見て、アンテナ３００における電界強度または磁界強度が高い領域を示す説明図である。アンテナ３００における領域Ｒ１は、アンテナ素子３１０の開放端である一端部３１０Ａから強い電界が放射され、グラウンドパターン３２１に結合して強く電流が流れるため、電界強度・磁界強度ともに高い領域となる。

アンテナ３００における領域Ｒ２は、信号線３３０、アンテナ素子３１０およびグラウンドパターン３２２で短絡された閉ループとなっているため、インピーダンスが低くなり電流が強く流れ、磁界強度が電界強度に対して非常に高い領域となっている。即ち、アンテナ３００の表面３００Ａにおける領域Ｒ２は、磁界強度Ｈに対する電界強度Ｅの比（Ｅ／Ｈ）が最小値となる領域である。

アンテナ３００における領域Ｒ３は、アンテナ素子３１０や信号線３３０から離れた位置にあり、インピーダンスが高いため、電界強度が磁界強度に対して非常に高い領域となっている。即ち、アンテナ３００の表面３００Ａにおける領域Ｒ３は、磁界強度Ｈに対する電界強度Ｅの比（Ｅ／Ｈ）が最大値となる領域である。

よって、アンテナ３００の領域Ｒ２と金属部材４００の表面４００ＡとのＺ方向の間隔が、アンテナ３００の領域Ｒ３と金属部材４００の表面４００ＡとのＺ方向の間隔よりも相対的に大きくなるようにしている。本実施形態では、金属部材４００の表面４００Ａにおいて領域Ｒ２に対向する部分に凹部４０２が形成されている。

図４（ｂ）は、アンテナ３００と凹部４０２との位置関係を示す説明図である。図４（ｂ）は、図１の−Ｚ方向に見た投影面（ＸＹ平面）として表示している。凹部４０２の外形を点線で示している。凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、少なくとも信号線３３０の一部、好ましくは信号線３３０の全部と重なる位置に形成されている。

具体的に説明すると、−Ｚ方向に見て、信号線３３０の端部３３０Ａにおいて端部３２０Ａ（３２１Ａ）に近接する側の端点をＰ_Ｏ、アンテナ素子３１０の折れ曲がり部３１０Ｃにおける外側の角の頂点をＰ_Ｃとする。凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、点Ｐ_Ｏ，Ｐ_Ｃを対角の頂点とする長方形の領域に少なくとも一部（好ましくは全部）と重なるように形成されている。図４（ｂ）では、凹部４０２の外形と長方形の領域とが一致している。ここで、グラウンドパターン３２１の端部３２１Ａにおいてアンテナ素子３１０の一端部３１０Ａに近接する側の角の頂点をＰ_１、グラウンドパターン３２２において端部（端辺）３２２Ｂと接続部分３２０Ｃ側の端辺との角の頂点をＰ_２とする。また、接続部分３２０Ｃにおいて端部３２０Ｂ（３２２Ｂ）に近接する側の端点をＰ_Ｇとし、点Ｐ_１と点Ｐ_２とを結ぶ直線Ｌ_Ｘと、信号線３３０の端辺とが交差する交差点のうち、端部３２０Ａ（３２１Ａ）に近接する側の交差点をＰ_Ｓとする。

このように、アンテナ３００に金属部材４００の凹部４０２を対向して配置することにより、共振周波数が変動する。本実施形態では、凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、共振周波数ｆ_０を通信周波数ｆ_１側にシフトさせる位置に配置（形成）されている。

図５は、本発明の実施形態に係る無線通信装置において、グラウンド導体３２０の端部３２０Ｂ付近におけるアンテナ３００と金属部材４００との間の磁界の様子を示す模式図である。図５には、Ｘ方向から見た断面（ＹＺ平面）を図示している。

本実施形態の無線通信装置２０２では、凹部４０２を設けることで磁界Ｈ_１のうち金属部材４００へ交差する量を減らし、打消し磁界Ｈ_２’の発生を抑制している。これにより、式（１）において相互インダクタンスＭを小さくすることができ、全インダクタンスＬを大きくすることができる。

ここで、凹部４０２には、グラウンド導体３２０に対向する側の底面４０２Ａが存在する。グラウンド導体３２０（本実施形態ではグラウンドパターン３２３）は、金属部材４００に対向する側の表面３２３Ｃを有する。

凹部４０２の底面４０２Ａとグラウンド導体３２０の表面３２３ＣとのＺ方向の間隔、即ち、凹部４０２の底面４０２Ａとアンテナ３００の表面３００ＡとのＺ方向の間隔をｄ_１とする。また、金属部材４００の表面４００Ａにおける凹部４０２以外の部分とグラウンド導体３２０の表面３２３ＣとのＺ方向の間隔、即ち、金属部材４００の表面４００Ａにおける凹部４０２以外の部分とアンテナ３００の表面３００ＡとのＺ方向の距離をｄ_０とする。

このとき、静電容量Ｃは、凹部４０２を配置したことにより小さくなる。しかし、信号線３３０の近傍は、電界強度が他の位置の電界強度よりも相対的に小さい、即ち（Ｅ／Ｈ）比が小さいため、凹部４０２でグラウンド導体３２０との間隔が大きくなったとしても、静電容量Ｃの低減量は小さい。よって、Ｌ×Ｃが増大し、共振周波数ｆ_０が小さくなる。

このように、インダクタンスＬを大きくすることにより、共振周波数ｆ_０＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））を小さくすることができ、図１１に示す共振周波数ｆ_０を下げて通信周波数ｆ_１に移動させ、放射効率ηをη_ａよりも高めることができる。以上、凹部４０２により、ＩＣ１０５において信号波をアンテナ３００を介して送信する際には、ＩＣ１０５への供給電力を上げることなく通信周波数での電波放射量を高めることができる。また、ＩＣ１０５において信号波をアンテナ３００を介して受信する際には、通信周波数での信号波の受信量を高めることができ、受信した信号の増幅度を上げる必要がなくなり、無線通信装置２０２における消費電力を低減することができる。このように、アンテナ３００の磁界強度に対する電界強度の比が低い場所でアンテナ３００と金属部材４００との磁気結合が弱められ、アンテナ３００と金属部材４００との共振周波数ｆ_０が通信周波数ｆ_１側にシフトする。したがって、通信周波数ｆ_１での送受信利得（通信利得、即ち通信特性）が向上する。

［実施例］
実施例として、図１に示す無線通信装置２０２について、三次元電磁界シミュレーションを実施した結果について説明する。計算は、ＣＳＴ社の三次元電磁界シミュレータＭＷ−ＳＴＵＤＩＯを用いた。アンテナ３００は、４層のプリント配線板で形成されたシミュレーションモデルとした。

図６（ａ）はアンテナ３００の第１導体層のシミュレーションモデルを示す平面図である。図６（ｂ）はアンテナ３００の第２、３、４導体層のシミュレーションモデルを示す平面図である。図６（ｃ）はアンテナ３００及び金属部材４００のシミュレーションモデルの位置関係を示す平面図である。

配線の厚みは３５［μｍ］、１−２層間および３−４層間の層間距離は、０．２［ｍｍ］、２−３層間の層間距離は、０．９１［ｍｍ］とした。誘電体の厚みは１．３４５［ｍｍ］とした。誘電体はＦＲ４（比誘電率４．３）とし、配線は銅（導電率５．８×１０^７［Ｓ／ｍ］）とした。金属部材４００の厚みを０．５［ｍｍ］とした。金属部材４００はＳＵＳ３０４（導電率１．３９×１０^６［Ｓ／ｍ］）とした。また、アンテナ３００の表面３００Ａと金属部材４００の表面４００Ａ（凹部以外の部分）との間隔ｄ_０（図５）を１．０［ｍｍ］とした。

図６（ａ）〜図６（ｃ）においてアルファベットで示した各部寸法値について以下に示す。図６（ａ）に示す各部寸法値は、ａａ＝５．３［ｍｍ］、ｂ＝４１．８［ｍｍ］、ｃ＝０．９［ｍｍ］、ｄ＝３．０［ｍｍ］、ｅ＝２５．０［ｍｍ］、ｆ＝１８．０［ｍｍ］、ｇ＝２．５［ｍｍ］、ｈ＝２４．４［ｍｍ］である。また、ｉ＝２６．５［ｍｍ］、ｊ＝２．４［ｍｍ］、ｋ＝８．５［ｍｍ］である。また、図６（ｂ）に示す各部寸法値は、ｌ＝５０．９［ｍｍ］、ｍ＝５０．０［ｍｍ］、ｎ＝４９．１［ｍｍ］、ｏ＝１０．２［ｍｍ］、ｐ＝１９．８［ｍｍ］である。また、図６（ｃ）に示す各部寸法値は、ｑ＝７．９［ｍｍ］、ｒ＝７．８［ｍｍ］、ｓ＝１５．０［ｍｍ］、ｔ＝１５．０［ｍｍ］、ｕ＝８０．９［ｍｍ］、ｖ＝４９．８［ｍｍ］である。

まず、実施例の無線通信装置２０２において、通信周波数ｆ_１での電波放射量を改善できる凹部４０２の配置位置について示す。凹部４０２は、アンテナ３００の電界強度が小さく磁界強度が大きい場所に重なるように配置する必要がある。そのため、凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、磁界強度Ｈ［Ａ／ｍ］に対する電界強度Ｅ［Ｖ／ｍ］の比である波動インピーダンスＥ／Ｈ［Ω］が小さい場所に重なる位置に配置されている。

図７（ａ）は、シミュレーション結果を示すグラフであり、図６（ａ）の点Ｐ_１と点Ｐ_２とを結ぶＸ方向の実線Ｌ_Ｘにおいて点Ｐ_１から点Ｐ_２に向かう＋Ｘ方向の距離に対する波動インピーダンスの値を示すグラフである。図７（ｂ）は、図７（ａ）において、波動インピーダンスが１００［Ω］以下の範囲を拡大したグラフである。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、点Ｐ_１からの距離が大きくなると、波動インピーダンスが減少し、距離２３［ｍｍ］の位置つまり点Ｐ_Ｓ（図６（ａ））において、最小値１１［Ω］となる。この点Ｐ_Ｓを＋Ｘ方向に超えると波動インピーダンスが緩やかに増加し、距離３２［ｍｍ］の位置、つまり点Ｐ_Ｇ付近から波動インピーダンスが急激に増加する。つまり、アンテナ３００において、波動インピーダンス（Ｅ／Ｈ）が最小となるのは、信号線３３０となる。

よって、凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、少なくとも信号線３３０の一部、好ましくは信号線３３０の全部と重なる位置に形成されている。

なお、凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、信号線３３０と全て重なっているのが好ましいが、これに限定するものではなく、信号線３３０に対して少しずれていてもよい。即ち、信号線３３０に対する凹部４０２の配置位置の範囲としては、波動インピーダンス（Ｅ／Ｈ）が、急激に増加し始める距離３２［ｍｍ］の点Ｐ_Ｇにおける値、２５［Ω］以下の範囲となる。つまり凹部４０２と信号線３３０とが少なくとも一部が重なる必要がある波動インピーダンスＥ／Ｈの範囲は、以下の式（２）となる。

信号線３３０における波動インピーダンスをη_ＭＩＮとして上式（２）を正規化すると、以下の式（３）となる。

つまり、凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、アンテナ３００において磁界強度Ｈに対する電界強度Ｅの比（Ｅ／Ｈ）が最小値η_ＭＩＮの１．０倍以上１．８倍以下となる領域のうち、少なくとも一部と重なる位置に形成されている。凹部４０２は、−Ｚ方向に見て、最小値η_ＭＩＮとなる領域の全部と重なる位置に形成されていればより好ましく、通信周波数ｆ_１での電波放射量を効果的に改善できる。

次に、実施例の無線通信装置２０２において、通信周波数ｆ_１での電波放射量を改善できる凹部４０２の形状について規定する。なお、図９に示す比較例の無線通信装置についても、実施例と同様にモデル化した。実施例のシミュレーションモデルと異なる点は、図６（ｃ）において凹部４０２がない点のみであり、その他の各部寸法は同様とした。実施例および比較例のそれぞれのモデルについて、アンテナ３００に給電する電力は１００［ｍＷ］とし、通信周波数を２．４５［ＧＨｚ］としてアンテナ３００から放射される全放射電力［ｍＷ］を求めた。

図８（ａ）は、−Ｚ方向に見たときの凹部４０２とアンテナ３００との重なり部分の面積Ｓに対するアンテナ３００の全放射電力を示すグラフである。アンテナ３００の表面３００Ａと凹部４０２の底面４０２Ａとの間隔ｄ_１（図５）を２．５［ｍｍ］に固定した。そして、図６（ｃ）において、−Ｚ方向に見たときの凹部４０２とアンテナ３００とが重なる部分の面積Ｓを変化させたときの全放射電力［ｍＷ］の値を観測した。

図８（ａ）中、実線は、図６（ｃ）における凹部４０２の縦の長さｍ２を１６．３［ｍｍ］（＝寸法ｒと寸法ｋの和）に固定して横の長さｎ２を変化させたときの特性（シミュレーション結果）である。また、図８（ａ）中、点線は、図６（ｃ）における凹部４０２の横の長さｎ２を７．２［ｍｍ］に固定して、縦の長さｍ２を点Ｐ_Ｃまで変化させたときの特性（シミュレーション結果）である。

凹部４０２の面積Ｓ＝０のときの全放射電力が比較例の計算結果であり、その値は３．２［ｍＷ］であった。実施例において、比較例の全放射電力３．２［ｍＷ］に対して２倍以上の効果がある範囲は、実線で示す７８［ｍｍ^２］≦Ｓ≦２２０［ｍｍ^２］と、点線で示すＳ≧６２［ｍｍ^２］の範囲である。

つまり両範囲が重なる、比較例に対して２倍以上の効果がある範囲は７８［ｍｍ^２］≦Ｓ≦２２０［ｍｍ^２］である。

−Ｚ方向に見て、信号線３３０の一端部３３０Ａにおいて端部３２０Ａに近接する側の端点がＰ_Ｏであり、アンテナ素子３１０の折れ曲がり部３１０Ｃの外側の角の頂点がＰ_Ｃである。−Ｚ方向に見て、点Ｐ_Ｏ，Ｐ_Ｃを対角の頂点とする長方形の領域（（ｒ＋ｋ）×ｑの領域）の面積をＳ_０［ｍｍ^２］とする。

７８［ｍｍ^２］≦Ｓ≦２２０［ｍｍ^２］の範囲は、面積Ｓ_０［ｍｍ^２］（＝（ｒ＋ｋ）×ｑ＝１２９［ｍｍ^２］）で正規化すると、式（４）の範囲となる。

つまり、−Ｚ方向に見て、面積Ｓは、長方形の領域の面積Ｓ_０の０．６倍以上１．７倍以下の範囲内であるのが好ましい。

この中で、特に大きく効果が出る範囲として、比較例の１０倍以上の効果がある範囲は、図８（ａ）中、実線で１０６［ｍｍ^２］≦Ｓ≦１３６［ｍｍ^２］、点線でＳ≧９２［ｍｍ^２］の範囲である。つまり両範囲が重なる、比較例に対して１０倍以上の効果がある範囲は、１０６［ｍｍ^２］≦Ｓ≦１３６［ｍｍ^２］である。この範囲についても面積Ｓ_０で正規化すると、式（５）の範囲となる。

つまり、−Ｚ方向に見て、面積Ｓは、長方形の領域の面積Ｓ_０の０．８倍以上１．１倍以下の範囲内であるのがより好ましい。

図８（ｂ）は、実施例において間隔ｄ_０を固定し間隔ｄ_１を変化させたときの間隔ｄ_１に対するアンテナ３００の全放射電力を示すグラフである。図８（ｂ）におけるシミュレーション結果は、間隔ｄ_０［ｍｍ］を１．０［ｍｍ］に固定し、アンテナ３００と凹部４０２との間隔ｄ_１［ｍｍ］を−Ｚ方向に変化させたときの全放射電力［ｍＷ］の値を観測したものである。図８（ｂ）示すグラフは、図８（ａ）で最も効果が得られた条件として、図６（ｃ）においてｍ２＝１６．３［ｍｍ］、ｎ２＝７．２［ｍｍ］（面積Ｓ＝１１７［ｍｍ^２］）に固定して間隔ｄ_１を変化させたときの特性である。

ここで、間隔ｄ_１＝１．０［ｍｍ］のときの全放射電力が比較例の計算結果であり、その値は３．２［ｍＷ］である。実施例において、比較例の全放射電力３．２［ｍＷ］に対して２倍以上の効果がある範囲は、１．８［ｍｍ］≦ｄ_１の範囲である。この範囲を、図５のグラウンドパターン３２３と金属部材４００の表面４００Ａとの間隔ｄ_０［ｍｍ］（＝１．０［ｍｍ］）で正規化すると、以下の式（６）となる。

つまり、間隔ｄ_１は、間隔ｄ_０の１．８倍以上の範囲内であるのが好ましい。

この中で、特に大きく効果が出る範囲として、比較例の１０倍以上の効果がある範囲は、２．２［ｍｍ］≦ｄ_１≦３．１［ｍｍ］である。この範囲についても間隔ｄ_０で正規化すると、以下の式（７）となる。

つまり、間隔ｄ_１は、間隔ｄ_０の２．２倍以上３．１倍以下の範囲内であるのがより好ましい。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。

上記実施形態では、凹部４０２（底面４０２Ａ）の形状を、−Ｚ方向に見て長方形とした場合について説明したが、これに限定するものではなく、−Ｚ方向に見て円形や多角形等、いかなる形状であってもよい。

また、上記実施形態では、金属部材４００の表面４００Ａに凹部４０２を形成した場合について説明したが、これに限定するものではない。アンテナ３００の表面３００Ａにおける領域Ｒ２と金属部材４００の表面４００ＡとのＺ方向の間隔が、アンテナ３００の表面３００Ａにおける領域Ｒ３と金属部材４００の表面４００ＡとのＺ方向の間隔よりも大きければよい。例えば、金属部材４００の表面４００Ａに段差やアンテナ３００の表面３００Ａに対して傾斜する傾斜面を設けてもよい。

また、上記実施形態では、アンテナ３００が逆Ｆアンテナに適用した場合について説明したが、アンテナ素子とグラウンドパターンが同一平面もしくは互いに平行な面に配置されたパターン状のアンテナであれば本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、電子機器が、撮像装置の一例としてＸ線画像診断装置の場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、撮像装置として、デジタルカメラやスマートフォン等であってもよく、また、撮像装置以外の電子機器についても本発明は適用可能である。

２００…Ｘ線画像診断装置（電子機器）、２０２…無線通信装置、３００…アンテナ、３００Ａ…表面、３１０…アンテナ素子、３１０Ａ…一端部、３１０Ｂ…他端部、３２０…グラウンド導体、３３０…信号線、３３０Ａ…一端部、３３０Ｂ…他端部、４００…金属部材、４００Ａ…表面、４０２…凹部

Claims (10)

1. アンテナと、
   前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、
   前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、
   前記アンテナは、
   一端部が開放されたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、を有し、
   前記金属部材の表面には、前記アンテナの側から平面視した際に、前記通信周波数の電力を前記アンテナに給電した場合に前記アンテナにおいて磁界強度に対する電界強度の比が最小値となる領域と重なる位置に、凹部が形成されていることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記アンテナ素子の他端部は、前記グラウンド導体に接続されており、
   前記アンテナは、一端部が前記アンテナ素子の一端部と他端部との間に接続された信号線を更に有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. アンテナと、
   前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、
   前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、
   前記アンテナは、
   グラウンド導体と、
   一端部が開放され、他端部が前記グラウンド導体に接続されたアンテナ素子と、
   一端部が前記アンテナ素子の一端部と他端部との間に接続された信号線と、を有し、
   前記金属部材の表面には、前記アンテナの側から平面視した際に、前記信号線の少なくとも一部と重なる凹部が形成されていることを特徴とする無線通信装置。
4. 前記アンテナ素子は、前記平面視した際に、前記グラウンド導体の側にＬ字形状に折れ曲がって形成されており、
   前記平面視した際に、前記アンテナと前記凹部との重なり部分の面積は、前記信号線の他端部と前記アンテナ素子の折れ曲がり部とを対角の頂点とする長方形の領域の面積の０．６倍以上１．７倍以下の範囲内であることを特徴とする請求項２又は３に記載の無線通信装置。
5. 前記平面視した際に、前記重なり部分の面積は、前記長方形の領域の面積の０．８倍以上１．１倍以下の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記凹部の底面と前記アンテナの表面との間隔は、前記金属部材の表面における前記凹部以外の部分と前記アンテナの表面との間隔の１．８倍以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
7. 前記凹部の底面と前記アンテナの表面との間隔は、前記金属部材の表面における前記凹部以外の部分と前記アンテナの表面との間隔の２．２倍以上３．１倍以下の範囲内であることを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
8. アンテナと、
   前記アンテナを介して通信周波数において無線通信が可能な無線機と、
   前記アンテナの表面に対向する表面を有する金属部材と、を備え、
   前記アンテナは、
   一端部が開放されたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子のグラウンドとして用いられるグラウンド導体と、を有し、
   前記通信周波数の電力を前記アンテナに給電した場合に前記アンテナの表面において磁界強度に対する電界強度の比が最小値となる領域と、前記金属部材の表面との間隔が、前記アンテナの表面において磁界強度に対する電界強度の比が最大値となる領域と、前記金属部材の表面との間隔よりも広いことを特徴とする無線通信装置。
9. 前記通信周波数が２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯の周波数であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の無線通信装置。
10. 画像信号を出力する撮像素子と、前記画像信号を取得して外部へ転送する無線通信装置と、を備えた電子機器であって、
    前記無線通信装置が、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の無線通信装置であることを特徴とする電子機器。

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