JP2017020925A - 通信装置および電子時計 - Google Patents

Abstract

【課題】電子時計において、設計自由度を確保しつつアンテナの感度を向上させる。【解決手段】電子時計１は、極超短波、ミリ波及びマイクロ波を屈折して集中させる風防ガラス２と、この極超短波、ミリ波及びマイクロ波を送受信するアンテナ３とを備え、アンテナ３は、極超短波、ミリ波及びマイクロ波が風防ガラス２を透過して集中する範囲に配設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナを内蔵した通信装置および電子時計に関する。

近年、アンテナ内蔵携帯機器として、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送信される極超短波の衛星信号を受信し、現在位置や現在時刻を計測可能な電子腕時計が知られている。この電子腕時計は、時刻を計時する時計部と、極超短波の衛星信号を受信するアンテナとを有する。このアンテナは、円偏波の極超短波を受信するパッチアンテナで構成される。

特許文献１には、このような電子腕時計の一例が記載されている。特許文献１の要約書の解決手段には、「アンテナ内蔵携帯機器であるリスト機器１は、少なくとも表面側に開口を有する外装ケース２と、開口を塞ぐガラス１３と、外装ケース２の表面に取り付けられて、ガラス１３の周囲に配置される金属製のベゼル１６と、外装ケース２の内側の空間に配置されるアンテナ３０とを備える。アンテナ３０は、最大放射方向Ｒ１が、外装ケース２の厚さ方向Ａ１と交差しかつベゼル１６の外側に向かう方向に配置される平面アンテナである。」と記載されている。

特開２０１５−８１８２５号公報

電子腕時計は、自身の商品性を向上するために小型化することが強く求められ、かつ自由にデザイン可能であることが求められる。電子腕時計を小型化すると、これに搭載するアンテナを小さくしなければならず、よってアンテナの感度が低下するおそれがある。また、アンテナは、金属などの損失や回路ノイズを避けるように配置しなければならないため、その搭載場所が限られ、電子腕時計を自由にデザインできなくなるおそれがある。

特許文献１には、アンテナを機器内の電波遮蔽物と最大放射方向とが重ならないように配置する構成が開示されている。しかし、この構成は、受信感度を向上させることに貢献できるが、アンテナの配置が制限され、設計自由度が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、通信装置および電子時計について、設計自由度を確保しつつアンテナの感度を向上させることを課題とする。

本発明は、上記目的を達成するため、
所定周波数帯域の電波を屈折して集中させるガラスと、
前記所定周波数帯域の電波を通信するアンテナと、を備え、
前記アンテナは、前記所定周波数帯域の電波が前記ガラスを透過して集中する範囲に配設されている、
ことを特徴とする通信装置である。

本発明によれば、設計自由度を確保しつつアンテナの感度を向上させることができる。

第１実施形態における電子時計の構成と動作を示す図である。 電磁波の経路差のない場合と経路差のある場合とをそれぞれ示す図である。 第１実施形態の電子時計の電波の集中範囲を示す図である。 電波レンズの一例を示す図である。 第２実施形態における電子時計の構成と動作を示す図である。 比較例の電子時計の構成と動作を示す図である。

以降、比較例と本発明を実施するための形態とを、各図を参照して詳細に説明する。
（比較例）
図６（ａ），（ｂ）は、比較例の電子時計１Ｂの構成と動作を示す図である。
図６（ａ）は、電子時計１Ｂの横断面図である。
電子時計１Ｂは、中空の短柱形状に形成された金属製の本体ケース６３を備えており、この本体ケース６３内に時計モジュール７、文字板５１、ソーラパネル５２が収容されている。
本体ケース６３の内部には、ほぼ円柱形状に形成された時計モジュール７が配置されている。時計モジュール７は、電子時計１Ｂの指針である秒針４１、分針４２、時針４３を運針させる時計ムーブメント７２（例えば駆動用のモータや輪列機構等。図示せず）、各種電子部品を実装した回路基板７１、ＧＰＳ信号である電波を受信するアンテナ３が、例えば樹脂等によって形成されたハウジング（図示せず）に組み込まれたものである。この時計モジュール７は、時針４３、分針４２、秒針４１を回転駆動して、現在の時刻情報などの各種情報を表示する。

アンテナ３は、外部（例えばＧＰＳ衛星）からの極超短波の無線信号を受信するものである。なお、アンテナ３の通信規格、通信可能な周波数帯は、ＧＰＳに限定されず、電子時計１Ｂによって行われる各種通信に適したもの（すなわち、周波数等が適合するもの）が適宜適用されるが、特に極超短波、ミリ波、マイクロ波などの周波数帯が好適である。また、アンテナ３は小型のものであればよく、種類、形状は特に限定されない。
このアンテナ３は、下側がシールドされており、上側からの電波に限って受信するように構成されている。アンテナ３は、図示しないコネクタ等を介して回路基板７１と電気的に接続されている。

文字板５１の上面には、時針４３と分針４２と秒針４１とが軸を中心に回転可能に配置されている。この文字板５１と時針４３、分針４２、秒針４１は、この電子時計１Ｂが時刻情報を表示する表示手段である。ソーラパネル５２は、光を受けて電力に変換するものであり、時計モジュール７などを駆動する電源として動作する。

本体ケース６３は、表面側（電子時計１Ｂの視認側、図６（ａ）において上側）の開口部と、本体ケース６３の裏面側（図６（ａ）において下側）の開口部とを有している。そして、本体ケース６３の表面側開口部には、リング状のベゼル６１と、その内周の見切り６２とが設けられている。このベゼル６１には、透明ガラスで形成された円板状の風防ガラス２Ｂが表面側開口部を閉塞するように取り付けられている。

風防ガラス２Ｂは、この電子時計１Ｂの表示手段である時針４３、分針４２、秒針４１を保護すると共に、これらをユーザに視認可能とする。
風防ガラス２Ｂは、サファイアガラス、白板ガラス、樹脂ガラス、石英ガラスなど、基本的に透明で強度がある材料で構成されていて、誘電率が大きく損失が小さな材料である。例えば、サファイアの比誘電率は９〜１１程度、白板ガラスの比誘電率は７程度、石英ガラスであれば３．８程度である。また、損失角の正接ｔａｎδは、１０^-3〜１０^-4程度と小さい。

一方、本体ケース６３の裏面側開口部には、裏蓋６４が裏面側開口部を閉塞するように取り付けられている。本実施形態において裏蓋６４は、例えばステンレス、チタニウム等の金属材料によって形成されており、裏面からの電波を遮るようになっている。

図６（ｂ）は、電子時計１Ｂの横断面による電波経路の説明図である。
本体ケース６３と、この裏面側開口部を閉塞する裏蓋６４と、表面側開口部に嵌め込まれたベゼル６１とは金属で構成されており、電磁波を遮断する。よってＧＰＳ衛星からの電波は、この電子時計１Ｂの上側から風防ガラス２Ｂなどを経由してアンテナ３に到来する。風防ガラス２Ｂは円板状なので、電波は収束／発散せずに見切り６２の内周を通ってアンテナ３に達する。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態における電子時計１の構成を示す断面図である。
電子時計１は、比較例と同様に中空の短柱形状に形成された金属製の本体ケース６３を備えており、この本体ケース６３内に時計モジュール７、文字板５１、ソーラパネル５２が設けられている。本体ケース６３の内部には、ほぼ円柱形状に形成された時計モジュール７が配置されている。

本体ケース６３の表面側開口部には、リング状のベゼル６１と、その内周の見切り６２とが設けられている。このベゼル６１には、比較例とは異なり、透明ガラスで形成された凸レンズ状の風防ガラス２が表面側開口部を閉塞するように取り付けられている。つまり風防ガラス２は、中央部が厚く、かつ端部が薄く構成されている。この風防ガラス２の表面は凸状であり、緩やかなカーブであるのに対し、裏面は平面状である。

図１（ｂ）は、第１実施形態における電子時計１の動作を示す図である。ここでは、電磁波がアンテナ３に集中する様子を示している。
見切り６２の内周は、半径Ｒ_fの円である。電子時計１の垂直方向の電磁波は、風防ガラス２を通過したのちに見切り６２の内周を通る。電磁波は、風防ガラス２の中央部において、端部厚みと中央部厚みとの差分だけ長く、誘電率の高い透明ガラスを通る。中央部における電磁波の速度が遅いので、中央部に近いほど伝搬距離が伸びたことと等価で、その分、信号の位相が遅れる。これにより電磁波は屈折し、アンテナ３の高さにおいて半径Ｒ_rの円に集中する。
これを言い換えると、アンテナ３の放射パターンが絞られて指向性がシャープになり、利得を高めることができる。

図２（ａ）は経路差のない場合の電磁波Ｗの経路を示す説明図であり、図２（ｂ）は経路差のある場合の電磁波Ｗの経路を示す説明図である。
図２（ａ）の電磁波Ｗは、平行な経路としてアンテナ３に到達する。これに対して図２（ｂ）の電磁波Ｗは、屈折してアンテナ３に集中している。この電磁波Ｗの屈折について数式で説明する。

風防ガラス２は誘電体であり、これを電波が通過する場合、風防ガラス２の材料の比誘電率の平方根だけ空中を伝わるより遅くなる。誘電体が電波を集中させレンズとして働く様子は、ひとつの考え方として、媒体を通ると電波の速度が誘電率の平方根だけ遅くなることで説明される。
一般的に電磁波の速度Ｃは、以下の式（１）で算出される。

電磁波の真空（≒空気中）の速度Ｃ₀は、以下の式（２）で算出される。

媒体の比透磁率μ_rを１とすると、電磁波の媒体中の速度Ｃ_Bは、以下の式（３）で算出される。

つまり、電磁波の媒体中の速度Ｃ_Bは、空気中の電磁波の速度Ｃ₀を、媒体の比誘電率の平方根で除算した値になる。よって、同一距離を抜けるのに掛かる時間は、空気中よりも媒質中の方が比誘電率の平方根倍となり、電磁波の媒体中経路を空気中の距離に換算すると比誘電率の平方根倍になる。
媒体中距離をaとすると、経路差Ｒは、以下の式（４）で算出される。

電磁波の振動周波数は変わらないので、電磁波の経路差が生じると同一位相の位置が経路差分ずれる。よって、図２（ｂ）の経路差のある場合、同一位相の位置に相当する同心円の重なりは中央に集まり、電磁波Ｗが集中する。これにより、アンテナ３の感度を向上させることができる。
これに対して図２（ａ）の経路差のない場合、同一位相の位置に相当する同心円の重なりは発生せず、電磁波Ｗは集中しない。

図３は、第１実施形態の電子時計１の電波の集中範囲を示す図である。
図３に示す半径Ｒ_fの円は、電子時計１（図１参照）における見切り６２の内周に相当する。半径Ｒ_rの円は、アンテナ３の高さにおける電磁波の集中範囲を示している。つまり、半径Ｒ_fの円の範囲の電磁波は風防ガラス２で屈折し、アンテナ３の高さにおいて半径Ｒ_rの円に集中する。これにより、アンテナ３の感度は向上する。また、ＧＰＳ衛星が電子時計１の垂直方向に位置しているとき、アンテナ３は半径Ｒ_fの円内のいずれに配置されてもよい。よって、アンテナ３の位置にかかる設計自由度を確保することができる。

図４は、電波レンズの一例を示す図である。
図４の風防ガラス２は、比誘電率か5、中央の厚さが3mm、端部の厚さが1mm、半径が15mmとして構成される。
風防ガラス２の上面から電磁波が進入した場合、風防ガラス２下面から7mm離れた面にて、半径12.63mmに電磁波が集中する。これは電磁波が、風防ガラス２の端部にて直進に対して18.7°屈折するからである。
この風防ガラス２により、半径15mmの円内の電磁波は、半径12.63mmの円内に集中する。よってアンテナ３における電磁波の密度は、１．４倍に増加する。なお、図５の数値は、あくまでもレンズとして動作する概念を説明するためのものであり、必ずしも最適値とは限らない。また実際の設計において、他の数値を採用してもよい。

図５（ａ）は、第２実施形態における電子時計１Ａの構成図である。
電子時計１Ａは、第１実施形態と同様に中空の短柱形状に形成された金属製の本体ケース６３を備えており、この本体ケース６３内に時計モジュール７、文字板５１、ソーラパネル５２が設けられている。本体ケース６３の内部には、ほぼ円柱形状に形成された時計モジュール７が配置されている。

本体ケース６３の表面側開口部には、リング状のベゼル６１と、その内周の見切り６２とが設けられている。このベゼル６１には、透明ガラスで形成された凸レンズ状の風防ガラス２Ａが表面側開口部を閉塞するように取り付けられている。この風防ガラス２Ａは、表面は凸状であり、裏面は凹面状であるが、全体として中央部が厚く、かつ端部が薄く構成されている。つまり表面の曲がりに対して、裏面の曲がりが緩やかである。

図５（ｂ）は、第２実施形態における電子時計１Ａの動作を示す図である。ここでは、電磁波がアンテナ３に集中する様子を示している。
見切り６２の内周は、半径Ｒ_fの円である。電子時計１Ａの垂直方向の電磁波は、風防ガラス２Ａを通過したのちに見切り６２の内周を通る。電磁波は、中央部において端部厚みと中央部厚みとの差分だけ長く、誘電率の高い透明ガラスを通る。中央部における電磁波の速度が遅いので、中央部に近いほど伝搬距離が伸びたことと等価であり、その分、信号の位相が遅れる。これにより電磁波は屈折し、アンテナ３の高さにおいて半径Ｒ_rの円に集中する。

（発明の効果）
第１・第２の実施形態では、アンテナ３の開口部に位置する誘電体である風防ガラス２，２Ａの中央を厚くしたので、中央部ほど電波の位相遅れが大きくなり誘電体レンズとして作用する。これにより電波が集中し、アンテナ２に投影されるエネルギが増えるので受信感度が向上する利点がある。
電子時計１の風防ガラス２の形状を変えることで、部品を追加することなく感度を向上できる利点がある。アンテナ３の受信感度が向上するので、アンテナ３を小さくすることができ、時計を小型、薄型に構成できる利点がある。
アンテナ３の配置に応じて風防ガラス２の形状を変えればよいので、感度を犠牲にすることなく、アンテナ３の配置の自由度が向上する。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）〜（ｇ）のようなものがある。
（ａ） アンテナ３は、外部からの無線信号を送信または受信するものであればよく、受信に限定されない。
（ｂ） 本発明は電子時計に限定されず、任意の通信装置に適用してもよい。
（ｃ） アンテナ３の通信規格、通信可能な周波数帯は、ＧＰＳと極超短波に限定されず通信装置によって行われる各種通信に適したものであればよい。すなわち、Bluetooth（登録商標）やWi-Fi（登録商標）の通信規格と、この通信が可能な周波数帯域であってもよい。
（ｄ） 風防ガラス２の形状は、回転対称な凸レンズ状に限られない。風防ガラス２は、非対称な形状であっても、アンテナ３の近傍に厚みを有し、所望の周波数帯域の電波を透過させてアンテナ３に集中させることができればよい。
（ｅ） アンテナ３の位置は、中央部分に限定されず、所望の周波数帯域の電波が風防ガラス２を透過して集中する範囲に配設されていればよい。
（ｆ） 風防ガラス２の形状を凸レンズ状にして電磁波を屈折することに限られず、風防ガラス２のうちアンテナの近傍の比誘電率を増大させて、電磁波を屈折させてもよい。
（ｇ） 本発明にて電子時計等が通信する電波は、極超短波に限られず、ミリ波、マイクロ波であってもよい。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
所定周波数帯域の電波を屈折して集中させるガラスと、
前記所定周波数帯域の電波を通信するアンテナと、を備え、
前記アンテナは、前記所定周波数帯域の電波が前記ガラスを透過して集中する範囲に配設されている、
ことを特徴とする通信装置。
＜請求項２＞
所定周波数帯域の電波を屈折して集中させるガラスと、
前記所定周波数帯域の電波を送受信するアンテナと、を備え、
前記ガラスは、前記所定周波数帯域の電波を透過させて前記アンテナに集中させる、
ことを特徴とする通信装置。
＜請求項３＞
前記ガラスは、前記アンテナの近傍に厚みを有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信装置。
＜請求項４＞
前記ガラスは、前記アンテナの近傍の誘電率が高い、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信装置。
＜請求項５＞
前記所定周波数帯域の電波は、極超短波、ミリ波、マイクロ波のうちいずれかである、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の通信装置。
＜請求項６＞
前記所定周波数帯域の電波は、GPS、Bluetooth（登録商標）、Wi-Fi（登録商標）のうちいずれかの電波である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の通信装置。
＜請求項７＞
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の通信装置を備えることを特徴とする電子時計。
＜請求項８＞
極超短波を屈折して集中させるガラスと、
極超短波を送受信するアンテナと、を備えた電子時計であって、
前記アンテナは、極超短波が前記ガラスを透過して集中する範囲に配設されている、
ことを特徴とする電子時計。
＜請求項９＞
極超短波を屈折して集中させるガラスと、
極超短波を送受信するアンテナと、を備えた電子時計であって、
前記ガラスは、極超短波を透過させて前記アンテナに集中させる、
ことを特徴とする電子時計。

１，１Ａ，１Ｂ 電子時計
２，２Ａ，２Ｂ 風防ガラス
３ アンテナ
６１ ベゼル
６２ 見切り
６３ 本体ケース
６４ 裏蓋
７ 時計モジュール
７１ 回路基板
７２ 時計ムーブメント
Ｗ 電磁波

Claims (9)

1. 所定周波数帯域の電波を屈折して集中させるガラスと、
   前記所定周波数帯域の電波を通信するアンテナと、を備え、
   前記アンテナは、前記所定周波数帯域の電波が前記ガラスを透過して集中する範囲に配設されている、
   ことを特徴とする通信装置。
2. 所定周波数帯域の電波を屈折して集中させるガラスと、
   前記所定周波数帯域の電波を送受信するアンテナと、を備え、
   前記ガラスは、前記所定周波数帯域の電波を透過させて前記アンテナに集中させる、
   ことを特徴とする通信装置。
3. 前記ガラスは、前記アンテナの近傍に厚みを有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信装置。
4. 前記ガラスは、前記アンテナの近傍の誘電率が高い、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信装置。
5. 前記所定周波数帯域の電波は、極超短波、ミリ波、マイクロ波のうちいずれかである、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の通信装置。
6. 前記所定周波数帯域の電波は、GPS、Bluetooth（登録商標）、Wi-Fi（登録商標）のうちいずれかの電波である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の通信装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の通信装置を備えることを特徴とする電子時計。
8. 極超短波を屈折して集中させるガラスと、
   極超短波を送受信するアンテナと、を備えた電子時計であって、
   前記アンテナは、極超短波が前記ガラスを透過して集中する範囲に配設されている、
   ことを特徴とする電子時計。
9. 極超短波を屈折して集中させるガラスと、
   極超短波を送受信するアンテナと、を備えた電子時計であって、
   前記ガラスは、極超短波を透過させて前記アンテナに集中させる、
   ことを特徴とする電子時計。

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