JP4365365B2 - 無線装置を備えた機器および無線装置の収納構造 - Google Patents

Description

本発明は、無線タグ等の無線装置を備えた機器をおよび無線装置の収納構造に関する。

従来、液晶テレビ、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、デジタルスチルカメラ、カムコーダ、家庭用電気機器等の生産や流通等において機器の情報を管理するために、無線装置として無線タグを各機器に取り付けたり、アンテナをプリント配線板に設けたりして機器の管理を行っているものがある。

この無線タグは、メモリ、制御部、送受信部を有し、電池を内蔵しない無電源方式がよく知られている。この無電源方式の無線タグとは、無線タグの内部にＬ Ｃ 共振回路を設けておき、無線タグ外部の質問器から発信された電波をアンテナによって受信し、この電波を利用して無線タグ内部のＬ Ｃ 回路で共振起電力を発信させる。そして、この起電力を電源として無線タグ内部のメモリのデータの入出力や無線タグ外部の質問器とのデータの送受信を行うようにしている。

これらの機器において、機器内部の電子回路からの不要な電波を遮蔽したり、筐体や、筐体内部の強度を高めたりする目的で、一部または全部に、金属や、金属メッキ、導電性塗料などの導電性部材が用いられている。

例えば特許文献１には、ＩＣチップが非常に小さい場合であってもアンテナとの接続を容易に行なうことができる、スロットアンテナを備えた無線タグについて開示されている。

また、特許文献２には、機器の表示装置として使用する液晶表示装置等の平面表示装置において、無線タグを平面表示装置に内蔵し、そのうち少なくともアンテナをアレイ基板に設けているため電波の送受信を確実に行うことができるため容易にその製品情報を管理することについて開示されている。

特開２００２−３５８４９４号公報 特開２００４−２５８５５９号公報

しかしながら、無線タグのためにはアンテナが不可欠で、このアンテナは、導電性部材を近傍に位置したり、導電性部材で覆ったりすると、著しく感度が劣化するため、無線タグ取り付け位置周辺の筐体や、筐体内部の一部または全部を導電性部材ではなくプラスチックス等にする必要があった。筐体や筐体内部にプラスチック等を使用すると、不要な電波が遮蔽できなかったり、強度が低くなったりする問題があった。

特許文献1には、スロットアンテナを備えた無線タグについて記載されている。また、特許文献２には、平面表示装置に無線タグを備え商品管理をすることについて記載されている。ところが、特許文献１，２のいずれにも、無線タグの通信方向に導電性部材が配置されると、通信状態が劣化することさえ示されていない。

なお、ここでは無線装置として無線タグを備えた機器について説明したが、このような課題は、無線装置を備えた機器であれば、無線ＬＡＮ用機器やブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)）用機器をはじめとする無線通信機能を備えた機器などにおいても発生し得ることである。

本発明の目的は、無線装置の通信方向に導電性部材が配置されても、無線装置による通信が可能な機器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、スロットアンテナを含み、無電源方式で無線通信を行う無線装置と、
前記無線装置の通信可能な方向の少なくとも一方に配置された導電性部材とを備えており、
前記導電性部材に、前記スロットアンテナと略平行で略同じ方向に延びて対向する開口部を設け、
前記無線通信に用いる通信用電波は、前記開口部と前記スロットアンテナとの間で共振し、
前記スロットアンテナは、前記無線装置以外の電子部品が配線パターンに接続されたプリント配線板に形成され、
前記プリント配線板は、複数の導体層を有し、
前記複数の導体層のうちの一層に前記スロットアンテナを構成するスロット線路が形成されると共に、前記スロット線路の給電部に前記無線装置を構成するＩＣチップが接続され、
前記複数の導体層のうちで、前記スロット線路が形成された導体層以外の少なくも一層には、前記スロット線路と重ならないように、前記無線装置以外の電子部品に接続される前記配線パターンが前記スロット線路の外周に沿う形状に形成されていることを特徴とする機器である。

本発明により、導電性部材にスロットアンテナと略平行で略同じ大きさのスロットを設け、スロットアンテナから出力される通信用電波と共振する開口部とすることにより、外部と通信可能で、導電性部材が通信方向に配置された無線装置を内蔵する機器を提供することができる。また無線装置を、他の電子部品が実装された基板に搭載することができるため、部品点数や、作業工数を削減することができる。また無線装置以外の電子部品が実装された多層の導体層のプリント配線板に、スロットアンテナを形成するときに、スロットアンテナを構成するパターン導体層以外の導体層は、スロットアンテナのスロット線路と重なる位置を除いて、配線パターンを配置することができる。

また本発明は、前記導電性部材の開口部は、
長手方向の長さが無線装置での通信に用いる電波の波長λの略１／２であることを特徴とする。

本発明により、長手方向の長さが電波の波長λの略１／２の開口部を導電性部材に開けることにより、開口部から波長λの電波を通過させることができる。

本発明によれば、無線装置の通信方向に配置された導電性部材に、無線装置のスロットアンテナと略平行で略同じ方向に延びて対向する位置に開口部を設けることにより、無線装置は、導電性部材の影響をほとんど受けず通信を行うことが可能となる。

また、導電性部材の開口部からは、通信に用いる周波数の電波を通過させ、かつ不要な電波を極力通過させないようにできる。これにより、必要であれば、無線装置による通信が可能となることに加えて、導電性部材による電磁シールド効果をも得ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では液晶テレビを例に説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、無線装置を備えた様々な機器、たとえばパーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、デジタルスチルカメラ、カムコーダ、家庭用電気機器に適用可能なものである。

図１は本発明の実施形態による機器ヘの適用例の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１の破線部分で囲った領域Ｘを拡大した図である。

液晶テレビ１は、液晶パネル１０、導電性部材（ベゼル）１１、プリント配線板１４から構成される。

液晶パネル１０は、受信した画像信号を表示するための出力装置である。ベゼル１１は、液晶パネル１０の表示面以外を覆っている金属製の筐体である。

プリント配線板１４は、導電性部材１１の筐体内部に取り付けられている。プリント配線板１４には、無線タグ（無線装置）１３と、液晶パネル１０に駆動信号を出力する回路部品１７が搭載されている。無線タグ１３は、スロットアンテナ１６を構成するスロット線路と、スロット線路の給電部に給電するＩＣチップ１５とで構成される。無線タグ１３は、図示しない外部の質問器から発信された電波をスロットアンテナ１６で受信し、この電波を利用して無線タグ１３のＬ Ｃ 回路で共振起電力を発信させる。そして、この起電力を電源としてＩＣチップ１５のメモリのデータの入出力や、無線タグ外部の質問器との信号の送受信を行う。これにより無線タグ１３は、無線タグ１３を搭載する機器の生産管理、流通管理、リサイクル管理等の用途に利用される。

ここで、より詳細に説明すれば、生産管理においては、スロットアンテナ１６が形成されたプリント配線板１４にＩＣチップ１５を搭載することにより、無線タグとして動作が可能となり、これ以降の生産工程において、工程管理や作業指示に用いることができ、そのプリント配線板１４を液晶パネル１０に取付け後には、液晶パネル１０の生産管理に用いることでき、更には液晶テレビ１の生産管理に用いることができる。また、流通管理において、製品番号等を無線タグ１３のＩＣチップ１５のメモリに記憶しておくことにより、製造後の液晶テレビ１について、倉庫、輸送途中、売り場等での物品管理に用いることができる。さらに、リサイクル管理においては、無線タグ１３のＩＣチップ１５のメモリに記憶された製造年月日等のデータから、適宜リサイクル可能な部品を特定するなどに利用できる。

ベゼル１１には、プリント配線板１４に形成されたスロットアンテナ１６と対向する位置に開口部であるスロット１２が開けられている。スロット１２の開口部の長辺は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波を通過させ、それ以外の周波数帯の電波を極力遮断させるために、波長λの略１／２の長さであることが好ましい。なお、ここで、開口部（スロット１２）は、導電性材料が存在していなければ空洞になっている必要はなく、例えば絶縁体材料が充填されていたり、表裏面のいずれか一方又は両面に絶縁体材料のシート状部材が貼り着けられていても良い。また、スロット１２は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波以外の外来波による無線タグ１３の誤動作を防ぐために、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波の透過を許容するフィルタであっても良い。

図３は、第１の実施形態における導電性部材１１と無線タグ１３の位置関係を示す斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。

プリント配線板１４は、誘電体層２２と誘電体層２２上の表面導体層２１とで構成される。無線タグ１３は、プリント配線板１４の表面導体層２１に形成した平面構造のタグで、表面導体層２１に、両端が短絡されたスロットアンテナ１６と、スロットアンテナ１６の短辺をまたぎ表面導体層に接続されたＩＣチップ１５で構成される。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６の通信方向にある導電性部材１１に、スロットアンテナ１６と略平行で略同じ方向に延びて対向する位置にスロット１２が開けられている。スロット１２の開口部の長辺は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波を通過させ、それ以外の周波数帯の電波を極力遮断させるために、波長λの略１／２の長さであることが好ましい。

図５は、第１の実施形態における、導電性部材１１と無線タグ１３の間隔Ｌと無線タグ１３に対する通信可能距離（理論値）を示すグラフである。図６は、導電性部材１１と無線タグ１３の間隔Ｌを示す図であり、図４に対応するものである。図５のグラフは、通信周波数２．４ＧＨｚ、３００ｍＷの電波を出力する質問器と、図６の無線タグ１３との通信距離可能距離をシミュレートした結果のグラフである。図５で示すとおり、導電性部材１１と無線タグ１３の通信可能距離は間隔Ｌが０〜５ｍｍでは略減衰せず１．１ｍであり、間隔Ｌが１１ｍｍでも１．０ｍ迄通信可能である。

次に無線タグ１３の動作を説明する。
図７は、第１の実施形態における、ＲＦＩＤシステムの基本構成を示す図である。ＲＦＩＤシステムは、質問器３０と無線タグ１３とから構成されており、無線タグ１３は、導電性部材１１の筐体内部に取り付けられている。導電性部材１１には、無線タグ１３のスロットアンテナ１６と対向する位置にスロット１２が開けられている。質問器３０は、無線タグ１３に対して電波信号を送出し、無線タグ１３のＩＣチップ１５内のメモリのデータの入出力や、無線タグ１３から返送された電波信号を受信し、無線タグ１３の情報を取り出す機能を有する。

まず、図７において、質問機３０から送られた電波信号は、導電性部材１１に開けられたスロット１２により、スロット１２の長手方向と直交する偏波（図７では水平偏波）の信号を通過させ、導電性部材１１の筐体内にある無線タグ１３のスロットアンテナ１６で受信し、この電波を利用して無線タグ１３のＬＣ回路で共振起電力を発信させる。この起電力を電源としてＩＣチップ１５のメモリの書き換えや、ＩＣチップ１５のメモリ情報により変調された信号を、再びスロットアンテナ１６から送出する。このとき、スロットアンテナ１６から放射される信号は、スロットアンテナ１６の前後方向に水平偏波の信号が放射され、スロット１２を通過し、質問器３０のアンテナで受信され復調される。これにより、無線タグ１３が動作して、無線タグ内の情報が質問器３０で取り出される。なお、ここで、質問機３０からの電波はスロット１２とスロットアンテナ１６との間で共振し、スロットアンテナ１６から送出される電波はスロットアンテナ１６とスロット１２の間で共振する。

また、図８は、第１の実施形態における変形例の導電性部材１１と無線タグ１３の位置関係を示す斜視図である。図９は、図５のＢ−Ｂ断面図である。

図３、図４に示した構成では表面導体層２１とＩＣチップ１５とスロットアンテナ１６が、導電性部材と対向する面に形成されているが、図８、図９に示した構成では、表面導体層２１とＩＣチップ１５とスロットアンテナ１６がプリント配線板の反対面に形成されている。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６から放射される信号は、スロットアンテナ１６の面に対して垂直方向に指向性があるため、図８、図９のように、プリント配線板の導電性部材１１と対向する面と反対の面に形成しても同じ効果が得られる。

図１０は、第２の実施形態における導電性部材１１と無線タグ１３の位置関係を示す斜視図である。図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。図１２は、図１０および図１１のプリント配線板の表面導体層２１と導体層２３のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。図１２においては、分かり易くするために誘電体層２２を省略している。

プリント配線板１４は、第1層の表面導体層２１と、第２層から第４層の３層の導体層２３と、それぞれの導体層の間に導体層を絶縁するための誘電体層２２で構成される多層基板である。無線タグ１３は、プリント配線板１４の第1層である表面導体層２１に形成した平面構造のタグで、表面導体層２１に、両端が短絡されたスロットアンテナ１６と、スロットアンテナ１６の短辺をまたぎ表面導体層に接続されたＩＣチップ１５で構成される。プリント配線板１４の２層目以下の導体層２３は、表面導体層２１に形成されているスロットアンテナ１６と重なる位置に、スロット線路１７が形成されている。スロット線路１７は、パターンを配置する面積を大きくとれるために、スロットアンテナ１６と同じ大きさであることが好ましい。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６の通信方向にある導電性部材１１に、スロットアンテナ１６と略平行で略同じ方向に延びて対向する位置にスロット１２が開けられている。スロット１２の開口部の長辺は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波を通過させ、それ以外の周波数帯の電波を極力遮断させるために、波長λの略１／２の長さであることが好ましい。

なお、この例において無線タグ１３の動作は前記した第１の実施形態と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

第３の実施形態における導電性部材１１と無線タグ１３の関係を示す斜視図は図１０と同じであるため省略する。図１３は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。図１４は、図１０および図１１のプリント配線板の表面導体層２１と導体層２３と配線パターン２４のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。図１３において、分かり易くするために誘電体層２２を省略している。

プリント配線板１４は、第1層の表面導体層２１と、第２層と第４層の導体層２３と、第３層の配線パターン層２４と、それぞれの導体層の間に導体層を絶縁するための誘電体層２２で構成される多層基板である。無線タグ１３は、プリント配線板１４の第1層である表面導体層２１に形成した平面構造のタグで、表面導体層２１に、両端が短絡されたスロットアンテナ１６と、スロットアンテナ１６の短辺をまたぎ表面導体層に接続されたＩＣチップ１５で構成される。プリント配線板１４の２層目と４層目の導体層２３は、表面導体層２１に形成されているスロットアンテナ１６と重なる位置に、スロット線路１７が形成されている。スロット線路１７は、パターンを配置する面積を大きくとれるために、スロットアンテナ１６と同じ大きさであることが好ましい。３層目の配線パターン層２４は、電源、ＧＮＤ、信号線などの配線パターンが、第１層のスロットアンテナ１６と重なる位置を除いて配線されている。３層目の配線パターン層２４のスロット線路１７は、配線パターンを配置する面積を大きくとれるために、スロットアンテナ１６と同じ大きさであることが好ましい。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６の通信方向にある導電性部材１１に、スロットアンテナ１６と略平行で略同じ方向に延びて対向する位置にスロット１２が開けられている。スロット１２の開口部の長辺は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波を通過させ、それ以外の周波数帯の電波を極力遮断させるために、波長λの略１／２の長さであることが好ましい。

なお、この例において、配線パターン層２４は、２層目および４層目の導体層２３に形成されていても特に問題がなく利用することができる。

また、無線タグ１３の動作は前記した第１の実施形態と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

第４の実施形態における導電性部材１１と無線タグ１３の関係を示す斜視図は図１０と同じであるため省略する。図１５は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。図１６は、図１０および図１５のプリント配線板の表面導体層２１と導体層２３のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。図１５において、分かり易くするために誘電体層２２を省略している。

プリント配線板１４は、第1層の表面導体層２１と、第２層と第３層の導体層２３と、第４層の反射導体層２５と、それぞれの導体層の間に導体層を絶縁するための誘電体層２２で構成される多層基板である。表面導体層２１と反射導体層２５の間の誘電体層２２は、プリント配線板の厚みを薄くさせるために、高誘電率な素材であることが好ましい。また、誘電体層２２の効果により、スロットアンテナ１６の線長を短くすることができる。無線タグ１３は、プリント配線板１４の第１層である表面導体層２１に形成した平面構造のタグで、表面導体層２１に、両端が短絡されたスロットアンテナ１６と、スロットアンテナ１６の短辺をまたぎ表面導体層に接続されたＩＣチップ１５で構成される。プリント配線板１４の２層目と３層目の導体層２３は、表面導体層２１に形成されているスロットアンテナ１６と重なる位置に、スロットアンテナ１６以上の大きさのスロット線路１７が形成されている。４層目の反射導体層２５は、表面導体層２１に形成されているスロットアンテナ１６と重なる位置に、スロットアンテナ１６の面積以上の大きさの導体パターンが形成されている。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６の通信方向にある導電性部材１１に、スロットアンテナ１６と略平行で略同じ方向に延びて対向する位置にスロット１２が開けられている。スロット１２の開口部の長辺は、無線タグ１３の通信に用いる周波数帯の電波を通過させ、それ以外の周波数帯の電波を極力遮断させるために、波長λの略１／２の長さであることが好ましい。

次に無線タグ１３の動作を、前述の説明で参照した図９を用いて説明する。
まず、図９において、質問機３０から送られた電波信号は、導電性部材１１に開けられたスロット１２により、スロット１２の長手方向と直交する偏波（図９では水平偏波）の信号を通過させ、導電性部材１１の筐体内にある無線タグ１３のスロットアンテナ１６で受信し、この電波を利用して無線タグ１３のＬＣ回路で共振起電力を発信させる。この起電力を電源としてＩＣチップ１５のメモリの書き換えや、ＩＣチップ１５のメモリ情報により変調された信号を、再びスロットアンテナ１６から送出する。このとき、スロットアンテナ１６から放射される信号は、スロットアンテナ１６の前後方向に水平偏波の信号が放射されるが、反射導体層２５により、後方への電波は反射され、前方向にのみ水平偏波の信号が放射される。スロットアンテナ１６から送出された信号は、スロット１２を通過し、質問器３０のアンテナで受信され復調される。これにより、無線タグ１３が動作して、無線タグ内の情報が質問器３０で取り出される。

無線タグ１３のスロットアンテナ１６から放射される信号は、スロットアンテナ１６の面に対して垂直方向に指向性があるが、４層目に反射導体層２５があるため、通信に用いる信号は、スロットアンテナ１３から反射導体層２５と逆方向のみに放射される。

なお、この例において、反射導体層２０は、２層目から４層目の導体層２３のうちのいずれか１層に形成されていても特に問題がなく利用することができる。例えば、２層目に反射導体層２０を形成したとき、３層目および４層目のパターン配線は制限なく利用することができる。また、３層目に反射導体層２０を形成した場合には、２層目にはスロット線路１７を形成しておき、４層目のパターン配線は制限なく利用することができる。つまり、スロットアンテナ１６と反射導体層２５との間に配置される導体層２３にはスロット線路１７を形成し、反射導体層２５に対してスロットアンテナ１６の反対側に位置する導体層については自由にパターン配線を施すことができる。

また、スロットアンテナ１６は反射導体層２５との間でインピーダンスマッチングされて形成されているため、プリント配線板１４の反射導体層２５の面を導電性部材と近接させて配置しても通信可能距離に影響がでないため、プリント配線板の配置の自由度が向上する。

なお、上記各実施形態において、機器内部に設けられた無線タグを例として用いたが、無線ＬＡＮや、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線装置が設けられた機器にも利用可能である。

また、無線装置とは、機器の製造工程または機器製造後の少なくとも一部で、無線通信を行う機能を有する装置であり、製造工程で無線通信を行うだけのものや、無線機器の本来の機能として使用段階で無線通信を行うだけのもの、廃品として回収後に無線通信を行うものなど様々な装置を含むものである。

本発明の実施形態による機器ヘの適用例の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態による機器ヘの適用例を示すもので、図１の破線部分Ｘの拡大図である。 第１の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示す斜視図である。 第１の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示すもので、図３のＡ−Ａにおける断面図である。 本発明の導電性部材と無線タグの間隔と通信可能距離を示す図である。 本発明の導電性部材と無線タグの間隔を示す図である。 本発明のＲＦＩＤシステムの基本構成を示す図である。 第１の実施形態における変形例の導電性部材と無線タグの位置関係を示す斜視図である。 第１の実施形態における変形例の導電性部材と無線タグの位置関係を示すもので、図５のＢ−Ｂにおける断面図である。 第２の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示す斜視図である。 第２の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示すもので、図１０のＣ−Ｃにおける断面図である。 第２の実施形態における導電層のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。 第３の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示すもので、図１０のＣ−Ｃにおける断面図である。 第３の実施形態における導電層のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。 第４の実施形態における導電性部材と無線タグの位置関係を示すもので、図１０のＣ−Ｃにおける断面図である。 第４の実施形態における導電層のパターンレイアウトを示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 液晶テレビ
１０ 液晶パネル
１１ 導電性部材（ベゼル）
１２ スロット
１３ 無線タグ
１４ プリント配線板
１５ ＩＣチップ
１６ スロットアンテナ
２１ 表面導体層
２２ 誘電体層
２３ 導体層
２４ 配線パターン
２５ 反射導体層
３０ 質問器

Claims (2)

1. スロットアンテナを含み、無電源方式で無線通信を行う無線装置と、
   前記無線装置の通信可能な方向の少なくとも一方に配置された導電性部材とを備えており、
   前記導電性部材に、前記スロットアンテナと略平行で略同じ方向に延びて対向する開口部を設け、
   前記無線通信に用いる通信用電波は、前記開口部と前記スロットアンテナとの間で共振し、
   前記スロットアンテナは、前記無線装置以外の電子部品が配線パターンに接続されたプリント配線板に形成され、
   前記プリント配線板は、複数の導体層を有し、
   前記複数の導体層のうちの一層に前記スロットアンテナを構成するスロット線路が形成されると共に、前記スロット線路の給電部に前記無線装置を構成するＩＣチップが接続され、
   前記複数の導体層のうちで、前記スロット線路が形成された導体層以外の少なくも一層には、前記スロット線路と重ならないように、前記無線装置以外の電子部品に接続される前記配線パターンが前記スロット線路の外周に沿う形状に形成されていることを特徴とする機器。
2. 前記導電性部材の開口部は、長手方向の長さが無線装置での通信に用いる電波の波長λの略１／２であることを特徴とする請求項１に記載の機器。

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