JP4645732B2 - アンテナ装置、受信装置および電波時計 - Google Patents

Description

この発明は、電波信号を受信するアンテナ装置および受信装置、ならびに、タイムコードを含んだ標準電波の受信を行う電波時計に関する。

一般に、線状アンテナ、巻線型のバーアンテナ、平面アンテナなど、様々なアンテナが知られている。また、標準電波を受信する電波時計などでは、小さな時計本体にアンテナを搭載する必要があることから巻線型のバーアンテナが用いられる。

また、本発明に関連する従来技術として、特許文献１，２には、磁気抵抗効果素子によって電波の磁界成分に反応することで電波信号を受信するアンテナ装置が開示されている。また、特許文献３には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）作製技術によって形成された振動板に磁性体の薄膜を形成し、この振動板を振動させつつ、この振動板の共振周波数の変化を検出して外部磁場の測定を行う共振型磁気センサが開示されている。
特開２０００−１８８５５８号公報 特開２００７−１２４３３５号公報 特開２００５−２０１７７５号公報

本発明者らは、現在、ＭＥＭＳ作製技術を用いて形成した振動体に磁性体を設け、この振動体を電波信号により共振させて、この共振運動を電気信号に変換させることで、特定周波数帯の電波信号を受信するアンテナ装置の開発を行っている。

しかしながら、上記ＭＥＭＳの振動体は、電波信号の信号レベルが大きく変化した場合に、振動振幅が飽和して、電波信号の振幅に応じた振動が得られなくなるといった事態が発生することが考えられた。特に、高感度な受信を可能とするアンテナ構成では、検出限界の電波強度より１０００倍以上の強度の電波信号が到来することも想定され、そのままの構成では、全てのレベルの電波信号を歪みなしに受信・再生することは難しいと考えられた。

この発明の目的は、振動体を電波信号により共振させて、この共振運動を電気信号に変換することで、電波信号の受信を行うアンテナ装置において、幅広い信号レベルの電波信号を受信可能とすることにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有したアンテナ装置であって、
前記振動体の外部磁界に対する変位の度合いを変化させる感度可変手段と、
取り込まれた前記電気信号に応じて前記感度可変手段による前記変位の度合いの変化量を調整する感度制御手段と、
を備えていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のアンテナ装置において、
前記感度可変手段は、
前記変換手段の出力に対して可変的なインピーダンスを付加する可変インピーダンス手段からなることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のアンテナ装置において、
前記振動体に磁力を及ぼすコイル磁石を備え、
前記感度可変手段は、前記コイル磁石に流れる電流量を変化させる可変電流手段からなることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のアンテナ装置において、
前記感度可変手段は、
前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
前記コイルに流れる電流に対して可変的なインピーダンスを付加する可変インピーダンス手段と、
から構成されることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、
所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有するアンテナ装置であって、
前記アンテナ部が、前記振動体の外部磁界による変位の度合いを異ならせて、複数設けられ、
さらに前記複数のアンテナ部の出力を合成して出力する合成手段を備えていることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、
所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有するアンテナ装置であって、
前記アンテナ部が、前記振動体の外部磁界による変位の度合いを異ならせて、複数設けられ、
前記複数のアンテナ部のうち何れかのアンテナ部からの電気信号を選択的に後段に送るスイッチ手段を備えていることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載のアンテナ装置において、
少なくとも前記アンテナ部が１チップの基板上に形成されていることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、
請求項１〜７の何れか１項に記載のアンテナ装置と、
前記アンテナ装置から送られてくる電気信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された信号に対して復調処理を行う復調器と、
を備えたことを特徴とする受信装置である。

請求項９記載の発明は、
請求項８に記載の受信装置により標準電波を受信するとともに、該標準電波に含まれるタイムコードを復調し、このタイムコードに基づいて時刻修正を行うことを特徴とする電波時計である。

本発明に従うと、幅広い強度レベルの電波信号に対して正常な受信を行えるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の電波時計の全体を示す構成図である。

この実施形態の電波時計１は、タイムコードによって変調された標準電波の受信を行うアンテナ部としてのＭＥＭＳアンテナ１０と、ＭＥＭＳアンテナ１０の感度を変化させる感度可変手段および可変インピーダンス手段としての可変抵抗器１０７と、固定抵抗器１１０（図４参照）、ＭＥＭＳアンテナ１０から入力された受信信号を増幅する増幅器１０１と、受信信号からタイムコードの検波を行う復調器としての検波器１０２と、時計の全体制御を行うマイクロコンピュータ１０３と、時刻の表示出力を行う時刻表示器１０４と、計時を行う計時カウンタ１０５等から構成される。これらの構成のうちＭＥＭＳアンテナ１０、可変抵抗器１０７、増幅器１０１および検波器１０２によって受信装置としての電波受信部１００が構成される。

可変抵抗器１０７は、ＭＥＭＳアンテナ１０の出力端子間に、ＭＥＭＳアンテナ１０の受信動作によって生じる電流を流して配線ｈ１，ｈ２間の電圧変化量を減少させることで、ＭＥＭＳアンテナ１０の受信動作を抑制し、さらにＭＥＭＳアンテナ１０のＱ値を低下させることでＭＥＭＳアンテナ１０の感度を低下させるように機能するものである。可変抵抗器１０７の抵抗値を変化させることで、ＭＥＭＳアンテナ１０の感度の低下量が変化する。

検波器１０２は、振幅変調された受信信号からタイムコードの検波を行う機能に加えて、感度制御手段としても機能するものであり、例えば、内部で受信信号の最大振幅を表わす信号を生成するとともに、この最大振幅が一定の範囲を超えないように上記の可変抵抗器１０７の抵抗値を変化させるＡＧＣ（オートゲイン制御）信号を生成するようになっている。例えば、受信信号の最大振幅が大きくなってきたら可変抵抗器１０７の抵抗値を低下させ、受信信号の最大振幅が小さくなってきたら可変抵抗器１０７の抵抗値を大きくさせるようなＡＧＣ信号を生成する。

なお、ＡＧＣ信号を生成する回路は、検波器１０２に設ける必要はなく、例えば、専用のＡＧＣ回路を設け、このＡＧＣ回路が検波器１０２、増幅器１０１、或いは、ＭＥＭＳアンテナ１０の出力を受けて上記のようなＡＧＣ信号を生成するようにしても良い。また、マイクロコンピュータ１０３が検波器１０２からの検波出力に基づきデジタル的な処理によって上記のようなＡＧＣ信号を生成するように構成することもできる。

電波受信部１００は、例えば、ＭＥＭＳアンテナ１０を含めて、１個の半導体基板上に形成されたものである。また、この電波受信部１００とともに、マイクロコンピュータ１０３や計時カウンタ１０５も含めて１個の半導体基板上に形成することも可能である。

図２は、第１実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０の構成を示す斜視図、図３は、このＭＥＭＳアンテナ１０の縦断面図である。

ＭＥＭＳアンテナ１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）作製技術を用いて半導体基板上に形成された極めて小さな（例えば数ミリメートル以下、或いは、ミクロンオーダーの大きさの）アンテナであり、電波信号の磁界成分を受けてこの受信電波を電気信号に変換するものである。

このＭＥＭＳアンテナ１０は、図２や図３に示すように、基板１１上に形成された梁部１２と、梁部１２の一部を固定している絶縁体からなるスペーサー１５，１５と、梁部１２の可動範囲に形成された磁性体１３と、梁部１２の下側に固定された永久磁石１４と、該梁部１２に形成された面状の電極（第１電極）１６と、梁部１２に対向する基板１１上の部位に形成された面状の電極１７（第２電極）等から構成される。そして、梁部１２の周囲に空間を設けて梁部１２が上下に変位可能な状態で樹脂１９等により周囲が封止されてなる。なお、梁部１２自体に導電性を持たせることで、電極１６を梁部１２と共用にしても良い。

上記の構成のうち、梁部１２と磁性体１３によって振動体が構成され、電極１６，１７により梁部１２の変位を電気信号に変換する変換手段が構成される。

梁部１２は、例えば、シリコンにより形成されたものである。梁部１２は、板状の構成であり、その長手方向が基板１１に沿った向きで、一部の箇所（例えば両端部）がスペーサー１５，１５を介して基板１１に固定され、他の部位が空間をあけて基板１１上に浮いた状態になっている。梁部１２の下側の空間は犠牲層エッチングなどにより形成することができる。そして、この固定されていない部位が基板１１に対して上下に振動するようになっている。

梁部１２の固有振動数は、梁部１２の長さや厚みなどから所望の振動数に設定することが可能になっており、この実施の形態では標準電波の搬送波の周波数（例えば６０ｋＨｚ）と同一になるように設定されている。また、梁部１２にＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）やその他の材料を適宜組み合わせることで、このような振動特性の温度補償を行うことも可能である。

梁部１２に形成される面状の電極１６や、基板１１に形成される面状の電極１７は、対向配置されて電気容量を構成するものであり、例えば、金属材料を蒸着して形成されるものである。この金属材料は磁化しないアルミなどを使用すると好ましい。なお、梁部１２に電極１６を形成する換わりに、梁部１２を形成している材料自体をドーピング等することで導電性を付加した構成とし、この梁部１２自体を電極としても良い。

電極１６，１７には、通常の半導体製造プロセスによって配線ｈ１，ｈ２が接続され、これらの配線ｈ１，ｈ２が基板１１上に引き出された構成となっている。図３では、配線ｈ１，ｈ２を単純化して示しているが、実際には、基板１１側の配線ｈ２はそのまま基板１１上のＭＥＭＳアンテナ１０の外部まで引き出され、梁部１２側の配線ｈ１はスペーサー１５にコンタクトホールを形成して基板１１上まで導いた後、基板１１上のＭＥＭＳアンテナ１０の外部まで引き出されている。

スペーサー１５，１５は、例えば、絶縁性を持たせるためにシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などにより形成されたものである。

永久磁石１４は、梁部１２の磁性体１３に磁力を及ぼすためのものであり、例えば、スパッタリングにより強磁性体の薄膜堆積により強磁性体のブロックを形成した後、この強磁性体のブロックに強い磁界を加えて該強磁性体を特定の方向に磁化させることで形成することができる。

梁部１２上の磁性体１３は、電波信号の磁界成分を受けて磁化することで、永久磁石１４に対して斥力や引力を発生させて梁部１２を変位させるように作用するものであり、例えば、スパッタリングを使用した磁性体（例えば軟磁性体）の薄膜堆積により形成することができる。

図４は、このＭＥＭＳアンテナ１０の電気的な構成を示す回路図である。

図４に示すように、ＭＥＭＳアンテナ１０の電極１６，１７は、梁部１２が変位することで電気容量の大きさを変化させる可変容量Ｃｖを構成するものである。半導体基板上には、この可変容量Ｃｖと直列に容量素子Ｃ１が接続され、これらの直列回路に電圧Ｅ１が印加された構成になっている。このような構成により、梁部１２が変位して可変容量Ｃｖの容量値が変化することで、可変容量Ｃｖの端子間に梁部１２の変位に応じた電気信号（電圧）が出力されるようになっている。なお、図４の容量素子Ｃ１の換わりに抵抗素子を可変容量Ｃｖに直列接続しても同様の作用が得られる。

ここで、可変抵抗器１０７の作用について説明する。可変抵抗器１０７は、抵抗値が高く設定されているときには、殆ど電流を流さないため、上記梁部１２の変位および可変容量Ｃｖの容量変化に対してエネルギー的なロスを殆ど及ぼさない。適切に設定された固定抵抗器１１０も同様である。増幅器１０１の入力インピーダンスも非常に高いため、ＭＥＭＳアンテナ１０から増幅器１０１への電流流入は殆どなく、梁部１２の変位および可変容量Ｃｖの容量変化に対してエネルギー的なロスを殆ど及ぼさない。

一方、可変抵抗器１０７の抵抗値が低い値に設定された場合、梁部１２の変位によって可変容量Ｃｖの容量値が変化することで、可変抵抗器１０７に電流が流れて電力消費が発生する。そして、この電力消費は梁部１２の変位を抑制するように作用する。従って、可変抵抗器１０７の抵抗値が低い値に設定されることで、外部磁界に対する梁部１２の変位の度合いが低下し、ＭＥＭＳアンテナ１０の受信感度を低くすることができる。

次に、上記構成の電波時計１および電波受信部１００の動作について説明する。

マイクロコンピュータ１０３は、時刻表示器１０４への出力データを計時カウンタ１０５の計時データに同期させて更新していくことで時刻の表示出力を行う。さらに、マイクロコンピュータ１０３は、所定の時刻になったら、電波受信の制御プログラムを実行して、電波受信部１００を作動させる。それにより、所定周波数帯の搬送波により送信されてくる標準電波が電波受信部１００で受信され、この受信信号からタイムコードが検波される。

図５には、ＭＥＭＳアンテナと従来のコイル型アンテナとの周波数特性を表わしたグラフを示す。

ＭＥＭＳ作製技術によって形成された梁部１２は、帯域の狭い固有振動数の範囲でのみ大きな共振を行うといった周波数特性を有している。それゆえ、本実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０は、梁部１２の固有振動数に対応した周波数帯（例えば６０ｋＨｚ）の標準電波が到来したときには、この電波信号の磁界成分が梁部１２に作用力を及ぼして梁部１２が共振するとともに、梁部１２が電波信号の磁界成分の大きさに応じた変位を行う。

この梁部１２の変位は可変容量Ｃｖの容量変化となって、この容量変化に応じた電気信号がＭＥＭＳアンテナ１０から増幅器１０１に出力される。この電気信号は到来した標準電波をほぼそのまま電気信号に変換した信号となる。そして、この電気信号が増幅器１０１で増幅され、その後、検波器１０２に送られてタイムコードが検波される。

一方、梁部１２の固有振動数から外れた周波数帯の電波が到来したときには、この電波信号の磁界成分が梁部１２に作用力を及ぼすが、梁部１２の固有振動数から外れた周波数で振動する作用力なので、梁部１２において吸収および打ち消されて梁部１２は振動しない。従って、可変容量Ｃｖの容量変化も生じず、ＭＥＭＳアンテナ１０の信号出力はほぼゼロとなる。

また、上記の標準電波とそれ以外の周波数帯の電波が入り混じって到来したときには、両者による作用がそれぞれ重なるように動作するので、梁部１２の固有振動数から外れた周波数帯の電波はカットされ、標準電波のみがＭＥＭＳアンテナ１０で抽出されて受信される。そして、標準電波の信号のみが増幅器１０１と検波器１０２に送られることとなる。

図５の実線に示すように、上記構成のＭＥＭＳアンテナ１０によれば、非常に高いＱ値で、特定の周波数ｆ０（例えば６０ｋＨｚ）の電波のみを受信し、特定周波数ｆ０から外れた電波の入力を大幅にカットすることができる。比較用として、図５の点線にコイル型アンテナの周波数特性を示すが、図５の実線と点線の特性線の比較から分かるように、ＭＥＭＳアンテナ１０は、アンテナ自体の受信利得のＱ値がコイル型アンテナに比べて非常に高くなっている。

次に、標準電波の信号レベルが非常に大きくなった場合について説明する。標準電波の信号レベルが過大になってくると、梁部１２の振動振幅が最大振幅に達して飽和する。すると、標準電波を振幅変調しているタイムコードのハイレベル期間もローレベル期間も、梁部１２の振動振幅にあまり変化が生じなくなる。このような場合、そのままでは、再生したタイムコードの信号波形は歪んでくる。

そこで、この実施形態の電波受信部１００では、ＭＥＭＳアンテナ１０の出力信号の振幅最大値が一定範囲を超えた場合に、それが検知されて、検波器１０２から可変抵抗器１０７の抵抗値を低下させるようなＡＧＣ信号が出力される。

可変抵抗器１０７の抵抗値が下げられると、先に説明したように、可変抵抗器１０７での電力消費によってＭＥＭＳアンテナ１０の梁部１２の振動が抑制される。そして、この振動の抑制作用によって、過大な信号レベルの標準電波が受信されても、梁部１２の振動振幅は可変抵抗器１０７によるＱ値の低下により適性な範囲に収まる。すなわち、図５の一点鎖線の特性線に示されるように、ＭＥＭＳアンテナ１０の受信感度が低下して、過大な信号レベルの標準電波が受信されても、適度な信号レベルの受信信号を出力することができる。そして、この適度な信号レベルの受信信号が検波器１０２に送られて、この受信信号からタイムコードが検波される。

マイクロコンピュータ１０３は、検波されたタイムコードを受けると、このタイムコードから正確な現在時刻を求める。そして、計時カウンタ１０５の計時時刻にずれがある場合に、これを自動的に修正する。このような制御動作によって、常に正確な時刻表示が行われるようになっている。

以上のように、この実施の形態のＭＥＭＳアンテナ１０および電波受信部１００によれば、可変抵抗器１０７によりＭＥＭＳアンテナ１０の受信感度を変化させることができる。従って、受信される標準電波の信号レベルが過大になった場合でも、受信感度を低下させることで、正常な電波受信を行うことができる。

また、受信信号の振幅が過大になってきた場合に、検波器１０２から出力されるＡＧＣ信号により可変抵抗器１０７の抵抗値が自動的に低くなるように制御されるので、標準電波の信号レベルの変化に追従して、ＭＥＭＳアンテナ１０の感度が自動的に調整され、常に、正常な電波受信を行うことが可能となる。

また、ＭＥＭＳアンテナ１０の梁部１２の振動を抑制する感度可変手段として、ＭＥＭＳアンテナ１０の出力端子間に接続した可変抵抗器１０７を採用しているので、半導体製造プロセスによって感度可変手段を容易に形成することができ、また、感度可変手段のチップの占有面積も小さくできる。

また、この実施形態の電波時計１によれば、ＭＥＭＳアンテナ１０を含めて電波受信部１００を極めて小型に構成できる。また、ＭＥＭＳアンテナ１０自体に帯域の狭いフィルタ特性が付与されているので、別途、狭帯域のフィルタなどを設ける必要がなく、電波受信部１００の回路の単純化や実装面積の削減を図ることができる。それゆえ、腕時計本体など小さな装置にも余裕をもってアンテナや受信回路を搭載することができる。

また、コイル型アンテナでは、電波受信に伴ってコイルやコアに比較的大きな磁束の変化が生じるため、周囲の金属に渦電流を発生させて、この渦電流の発生により受信感度が大幅に低下するという問題があったが、ＭＥＭＳアンテナ１０ではこのような渦電流を発生させないので、それによる受信感度が低下することもない。従って、金属の筐体に囲まれた電波時計の内部であっても、アンテナや受信回路の搭載箇所の自由度を増すことができる。

［ＭＥＭＳアンテナの変形例］
図６は、ＭＥＭＳアンテナの変形例を示す縦断面図である。

この変形例のＭＥＭＳアンテナ１０Ａは、梁部１２の上方（基板１１の逆側）にも電極を設けることで、ＭＥＭＳアンテナ１０Ａから比較的に大きな電気信号を取り出せるようにしたものであり、基本的な構成は図２のＭＥＭＳアンテナ１０と同様である。同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

この変形例のＭＥＭＳアンテナ１０Ａにおいては、梁部１２の上方を覆うように板状の覆い板２０が設けられ、この覆い板２０に面状の電極（第３電極）２１が形成されている。覆い板２０は、梁部１２の自由な変位を妨げないように、例えば、スペーサー２２，２２を介して梁部１２から浮いた状態に形成されている。

このような覆い板２０は、例えば梁部１２と同様の材料および製造プロセスによって形成することができる。また、覆い板２０は、梁部１２のように振動することがないように、例えば厚みを増したり硬度を増したりして形成されている。

電極２１は梁部１２の電極１６と同様の材料および製造プロセスによって形成することができ、スペーサー２２，２２は梁部１２を支持するスペーサー１５，１５と同様の材料および製造プロセスにより形成することができる。スペーサー２２，２２は、例えば、梁部１２を支持するスペーサー１５，１５と重なる配置で形成されている。

図７は、変形例のＭＥＭＳアンテナの電気的な接続構成を示す回路図である。

図７に示すように、上記の３つの電極１７，１６，２１は、梁部１２が変位することで各々の電気容量を変化させる２つの可変容量Ｃｖ，Ｃｖ２を構成するものである。詳細には、梁部１２の電極１６と基板１１側の電極１７によって一方の可変容量Ｃｖが構成され、梁部１２の電極１６と覆い板２０の電極２１によってもう一方の可変容量Ｃｖ２が構成される。また、これら２つの可変容量Ｃｖ，Ｃｖ２は直列に接続され、これらの直列回路に定電圧Ｅ１が印加された構成にされる。また、受信信号を出力する可変容量Ｃの両端子間には可変抵抗器１０７が接続されている。

このような構成によれば、梁部１２が変位すると、２つの可変容量Ｃｖ，Ｃｖ２の容量値が互いに正負逆向きに変化する。それにより、可変容量Ｃｖの端子間に梁部１２の変位に応じた電気信号が出力される。この構成によれば、図４に示した上述の回路と比較して、出力電圧の振幅をほぼ二倍近く大きくすることができる。

また、このような構成のＭＥＭＳアンテナ１０Ａにおいても、可変抵抗器１０７の抵抗値を変化させることで、梁部１２の振動の抑制量を変化させて、過大な信号レベルの標準電波が到来したときでも、ＭＥＭＳアンテナ１０Ａから正常な受信信号を出力させることが可能となる。

［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態の電波受信部１００Ｂを示す構成図である。

第２実施形態の電波受信部１００Ｂは、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｅと、その受信感度を変化させる構成のみが、第１実施形態と異なるものである。第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

この実施形態の電波受信部１００Ｂは、コイル磁石２５を有したＭＥＭＳアンテナ１０Ｅと、コイル磁石２５に電流を出力するとともにＡＧＣ信号に応じて電流量を変化させる可変電流手段としてのＶＩ変換器１０８と、受信信号を増幅する増幅器１０１と、受信信号からタイムコードを検波したり受信感度を調整するＡＧＣ信号を出力する検波器１０２とを備えたものである。

図９は、第２実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｅを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は基板面の平面図である。

第２実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｅは、梁部１２の磁性体１３に磁力を与える構成として、永久磁石の替わりにコイル磁石（電磁石）２５を適用したものである。

コイル磁石２５は、図９（ｂ）に示すように、配線を複数回巻回してなり、この巻回された配線に定電流を流すことで所定の磁力を磁性体１３に及ぼすものである。この実施形態においては、コイル磁石２５は、基板１１上の磁性体１３の下方に配置されている。

このコイル磁石２５は、例えば、基板１１上の電極１７Ｅを形成する蒸着工程においてマスクパターンにコイル磁石２５の配線パターンを付加することで、電極１７Ｅと同時に形成されたものである。図９（ｂ）に示すように、電極１７Ｅの中央部位に隙間１７１が設けられ、この部位にコイル磁石２５の巻回配線が形成されている。巻回された配線は多層配線により内側の配線が外側に引き出されている。

また、電極１７Ｅの中央部位から一方の端部にかけてスリット１７２が形成され、このスリット１７２の部位に、コイル磁石２５の巻回配線から外部の端子Ｔ２５ａ，Ｔ２５ｂまで伸びる引き出し線が形成されている。このように電極１７Ｅにスリット１７２を設けて、電極１７Ｅがコイル磁石２５の巻回配線の全周を取り囲まないようにすることで、コイル磁石２５に電流を流すときや停止させるときに、電極１７Ｅの巻回配線の周りで、巻回配線を周回するような渦電流が生じることを回避して、この渦電流によりコイル磁石２５に影響が生じないようにされている。

この第２実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｅによれば、電波受信時にコイル磁石２５に定電流を流すことでコイル磁石２５から磁性体１３に所定の磁力を及ぼすことができ、その他は、第１実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０と同様の動作によって標準電波の受信を行うことができる。

また、この第２実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｅによれば、コイル磁石２５に流す電流量を変化させることで、コイル磁石２５から梁部１２の磁性体１３に及ぼされる磁力の大きさを変化させることができる。コイル磁石２５の磁力が小さくなることで、到来した外部磁界に対して梁部１２の変位量が小さくなり、それにより、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｅの受信感度が低下される。

従って、標準電波の信号レベルが過大になって検波器１０２から出力されるＡＧＣ信号の電圧レベルが低くなると、ＶＩ変換器１０８によってコイル磁石２５に流れる電流が低くされて、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｅの受信感度が低くされる。そして、このような制御によって、過大な信号レベルの標準電波に対しても正常な受信動作が行われて、適度な信号レベルの受信信号を出力することが可能となる。

［第３実施形態］
図１０は、本発明の第３実施形態の電波受信部を示す構成図である。

第３実施形態の電波受信部１００Ｃは、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの構成と、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの受信感度を変化させる構成のみが、第１や第２実施形態と異なるものである。第１と第２の実施形態と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

この実施形態の電波受信部１００Ｃは、感度調整用コイル２５Ｆを有したＭＥＭＳアンテナ１０Ｆと、感度調整用コイル２５Ｆに流れる電流に対して可変的な抵抗を付加する可変インピーダンス手段としての可変抵抗器１０９と、受信信号を増幅する増幅器１０１と、受信信号からタイムコードを検波したり受信感度を調整するＡＧＣ信号を出力する検波器１０２とを備えたものである。

図１１は、第３実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｆを示すもので（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は感度調整用コイルの基板面を示す平面図である。

この実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｆは、図６に示したＭＥＭＳアンテナ１０Ａの覆い板２０に、図１１（ａ），（ｂ）に示す感度調整用コイル２５Ｆを形成したものである。感度調整用コイル２５Ｆの巻回配線や引き出し線は、覆い板２０の電極２１を形成する半導体製造プロセスにおいてマスクパターンに感度調整用コイル２５Ｆの配線パターンを付加することで形成することができる。

この実施形態のＭＥＭＳアンテナ１０Ｆによれば、可変抵抗器１０９の抵抗値が小さな値に設定されると、標準電波の磁界成分によって梁部１２が振動したときに、梁部１２の磁性体１３によって生起される磁束の変化が感度調整用コイル２５Ｆを貫く。そして、それにより、感度調整用コイル２５Ｆに電流が流れて、この電流により可変抵抗器１０９で電力消費が発生する。この電力消費は梁部１２の変位を抑制するように作用するため、外部磁界に対する梁部１２の変位の度合いが低下し、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの受信感度が低下することになる。

さらに、可変抵抗器１０９の抵抗値が小さな値に設定されることで、標準電波の磁界成分によって感度調整用コイル２５Ｆに電流が流れ、それにより標準電波の一部が吸収される。そして、これによりＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの受信感度が低下するように作用する。

一方、可変抵抗器１０９の抵抗値が大きな値に設定されると、感度調整用コイル２５Ｆには、梁部１２の振動に起因した電流や、標準電波の磁界成分に起因した電流が流れなくなる。それゆえ、上記のような受信感度を低下させる作用は働かなくなる。従って、可変抵抗器１０７の抵抗値を変化させることで、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの感度を調整することが可能となる。

第３実施形態の電波受信部１００Ｃにおいても、標準電波の信号レベルが過大になって検波器１０２から可変抵抗器１０９の抵抗値を下げるようなＡＧＣ信号が出力されることで、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの受信感度が低くされる。そして、このような制御によって、過大な信号レベルの標準電波に対して正常な受信動作を行って、適度な信号レベルの受信信号を出力することが可能となる。

なお、第３実施形態では、感度調整用コイル２５Ｆを電極２１の一部の範囲を切欠いてこの中に形成した例を示したが、感度調整用コイル２５Ｆの形成方法や形成配置は種々の変形が可能である。

図１２には、感度調整用コイルの第１変形例を表わした平面図を、図１３には、感度調整用コイルの第２変形例を表わした斜視図を示す。

第１変形例の感度調整用コイル２５Ｄは、図１２に示すように、覆い板２０から電極２１を省き、その分、大きな範囲に感度調整用コイル２５Ｄを形成したものである。感度調整用コイル２５Ｄの巻回配線を大きく形成することで、ＭＥＭＳアンテナ１０Ｆの感度の調整幅を大きくすることができる。

第２変形例の感度調整用コイル２５Ｇは、図１３に示すように、基板１１上の梁部１２の周囲に梁部１２を取り巻くように巻回配線を形成したものである。図示は省略しているが、感度調整用コイル２５Ｇの端子間には可変抵抗器が接続されている。

感度調整用コイル２５Ｇを、このような配置としても、梁部１２の振動に起因して感度調整用コイル２５Ｇに電流を流してＭＥＭＳアンテナ１０Ｇの感度を変化させたり、外部から到来する標準電波の一部を感度調整用コイル２５Ｇで吸収することでＭＥＭＳアンテナ１０Ｇの感度を変化させることができる。

［第４実施形態］
図１４は、本発明の第４実施形態の電波受信部を示す構成図である。

第４実施形態の電波受信部１００Ｄは、受信感度の異なる複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚを設け、これらの中から到来した標準電波の信号レベルに適した受信感度のＭＥＭＳアンテナを選択的に使用して電波受信を行うようにしたものである。

この電波受信部１００Ｄは、受信感度の異なる複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚと、これら複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚのうち何れか１つと選択的に接続するスイッチ手段としてのスイッチ回路２０１と、スイッチ回路２０１を介して取り込まれた受信信号を増幅する増幅器１０１と、受信信号からタイムコードを検波するとともにＡＧＣ信号を出力する検波器１０２と、ＡＧＣ信号を受けてその大きさに応じたスイッチ回路２０１の切り換えを行う制御ロジック２００等を備えている。

複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚは、例えば、梁部１２に形成される磁性体１３の体積を異ならせることで、外部磁界に対する梁部１２の変位量の度合い、すなわち、アンテナの受信感度をそれぞれ異ならせたものである。これら複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚは同一の製造プロセスにより同一のチップ上に形成されたものである。また、これら複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚにおいて、梁部１２の固有振動数は皆同一に設定されている。

スイッチ回路２０１は、例えば、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタを組み合わせて形成したスイッチであり、複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚの複数の出力端子ｔ１，ｔ１，…ｔ１の何れか１つと、増幅器１０１の入力端子ｔ２とを選択的に接続するものである。

制御ロジック２００は、例えば、ＡＧＣ信号の電圧レベルが高くなってきたらＭＥＭＳアンテナの接続が一段受信感度の低いものに切り換わるように選択信号を出力し、また、ＡＧＣ信号の電圧レベルが低くなってきたらＭＥＭＳアンテナの接続が一段受信感度の高いものに切り換わるように選択信号を出力するように組まれている。

このような構成の電波受信部１００Ｄにおいても、スイッチ回路２０１の接続を切り換えることにより、異なる受信感度のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚの何れか１つから電波受信が行われることになる。従って、受信される標準電波の信号レベルが過大になった場合に、受信感度の低いＭＥＭＳアンテナが選択されることで、正常な電波受信を行うことができる。

［第５実施形態］
図１５は、本発明の第５実施形態の電波受信部を示す構成図である。

第５実施形態の電波受信部１００Ｅは、受信感度の異なる複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚからそれぞれ出力される複数の受信信号を合成して、この合成された受信信号からタイムコードの検波を行うようにしたものである。

この電波受信部１００Ｅは、受信感度の異なる複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚと、複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚの出力を合成する合成器（合成手段）２０２と、合成器２０２を介して取り込まれた受信信号を増幅する増幅器１０１と、受信信号からタイムコードを検波する検波器１０２等から構成される。

合成器２０２は、例えば、複数の入力信号の信号レベルをそのままアナログ的に加算して出力する回路である。

この電波受信部１００Ｅによれば、例えば、信号レベルの低い標準電波が受信された場合には、受信感度の高いＭＥＭＳアンテナ１０ｚにおいて、梁部１２の適度な振動が生起されて、適度な信号レベルの受信信号が出力される。また、受信感度の異なる他のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ…では、梁部１２に生起される振動が小さくなって、この梁部１２の振動により信号レベルの低い受信信号が出力される。そして、これらの受信信号が合成器２０２で合成されることで、タイムコードによる変調成分が大きく乗った受信信号を増幅器１０１に送ることができる。

一方、信号レベルの非常に高い標準電波が受信された場合には、受信感度の低いＭＥＭＳアンテナ１０において、梁部１２の適度な振動が生起されて、適度の信号レベルの受信信号が出力される。また、受信感度の高いＭＥＭＳアンテナ１０ｚでは、信号レベルの非常に高い標準電波によって梁部１２の振動振幅が最大振幅に達して飽和する。そのため、このＭＥＭＳアンテナ１０ｚからはタイムコードによる変調成分が余り含まれない受信信号が出力される。また、中間の受信感度のＭＥＭＳアンテナ１０ａ…からは、これらの中間の受信信号が出力される。従って、これらの受信信号が合成器２０２で合成されることで、タイムコードによる変調成分が一定以上含まれた受信信号が出力されてこれを増幅器１０１に送ることができる。

従って、この第５実施形態の電波受信部１００Ｅにおいても、受信される標準電波の信号レベルが過大になった場合でも、正常な電波受信と正常なタイムコードの検波とを行うことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記第１と第３の実施形態では、可変インピーダンス手段として可変抵抗器を採用した例を示したが、梁部１２の振動成分の信号を受けて振動変位量を可変にできるものであれば、抵抗器に限られるものではない。

また、上記第１〜第５の実施形態では、梁部１２の磁性体１３に磁力を及ぼす磁石１４やコイル磁石２５を、梁部１２の下方に配置した例を示したが、スペーサーを介して梁部１２の上方に配置したり、側方に配置したり、種々に変更可能である。さらに、ＭＥＭＳアンテナの製造プロセスとは別の工程で、ＭＥＭＳアンテナが形成されたチップに対して磁石やコイル磁石を後付するようにしても良い。

また、上記第１〜第５の実施形態では、ＭＥＭＳアンテナをシリコン基板上に形成した例を示したが、シリコン基板に限られず、例えば、ガラス基板や有機材料などの上に集積化することもできる。また、振動体として両端が支持され中央部位が上下に振動する梁部１２を例示したが、例えば、片持支持されたカンチレバー型の振動体を適用したり、音叉構造の振動体を適用したりしても良い。

また、上記第１〜第５の実施形態では、梁部１２の一部に磁性体１３を形成した例を示したが、梁部１２の全体に磁性体を薄く形成するようにしても良い。また、梁部１２自体を磁性体から構成するようにしても良い。また、電波信号の磁界成分を受けて磁性体のみで変位する大きさの電波信号を受信する構成であれば、磁性体に磁力を及ぼす磁石を省略しても良い。

また、上記第１〜第５の実施形態では、梁部１２の固有振動数を受信電波の周波数帯と一致させた例を示したが、梁部１２が実際に共振する場合に、本来の固有振動数から僅かに振動数がずれるような場合には、この振動数のズレを反映させた特性で梁部１２を形成するようにしても良い。

また、第４と第５の実施形態においては、梁部１２上の磁性体１３の体積を異ならせることで、複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚの受信感度をそれぞれ異ならせた例を示したが、例えば、個々のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚごとに永久磁石１４の磁力の大きさを異ならせるようにしても良いし、また、永久磁石１４の換わりにコイル磁石２５を適用させ、コイル磁石２５に流す電流値を個々のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚごとに異ならせるようにしても良い。また、複数のＭＥＭＳアンテナ１０，１０ａ〜１０ｚを全て同一種類のものとする必要はなく、異なる構造のＭＥＭＳアンテナを混在させるようにしても良い。

本発明の第１実施形態の電波時計の全体を示す構成図である。 図１のＭＥＭＳアンテナ１０の構成を示す斜視図である。 図１のＭＥＭＳアンテナ１０の縦断面図である。 図１のＭＥＭＳアンテナの電気的な構成を示す回路図である。 ＭＥＭＳアンテナと従来のコイル型アンテナとの周波数特性を表わしたグラフを示す。 ＭＥＭＳアンテナの第１変形例を示す縦断面図である。 第１変形例のＭＥＭＳアンテナの電気的な接続構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態の電波受信部を示す構成図である。 図８のＭＥＭＳアンテナを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は基板面の平面図である。 本発明の第３実施形態の電波受信部を示す構成図である。 図１０のＭＥＭＳアンテナを示すもので（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は感度調整用コイルの基板面を示す平面図である。 感度調整用コイルの第１変形例を示す平面図である。 感度調整用コイルの第２変形例を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態の電波受信部を示す構成図である。 本発明の第５実施形態の電波受信部を示す構成図である。

符号の説明

１ 電波時計
１０，１０ａ〜１０ｚ，１０Ａ，１０Ｆ，１０Ｇ ＭＥＭＳアンテナ（アンテナ部）
１１ 基板
１２ 梁部
１３ 磁性体
１４ 永久磁石
１５ スペーサー
１６ 電極（第１電極）
１７ 電極（第２電極）
２０ 覆い板
２１ 電極（第３電極）
２５ コイル磁石
Ｃｖ，Ｃｖ２ 可変容量
１００，１００Ｂ〜１００Ｅ 電波受信部（受信装置）
１０１ 増幅器
１０２ 検波器（復調器）
１０３ マイクロコンピュータ
１０４ 時刻表示器
１０５ 計時カウンタ
１０７ 可変抵抗器（可変インピーダンス手段）
１０８ ＶＩ変換器（可変電流手段）
２５Ｆ，２５Ｄ，２５Ｇ 感度調整用コイル
１０９ 可変抵抗器（可変インピーダンス手段）
２００ 制御ロジック
２０１ スイッチ回路
２０２ 合成器

Claims (9)

1. 所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有したアンテナ装置であって、
   前記振動体の外部磁界に対する変位の度合いを変化させる感度可変手段と、
   取り込まれた前記電気信号に応じて前記感度可変手段による前記変位の度合いの変化量を調整する感度制御手段と、
   を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記感度可変手段は、
   前記変換手段の出力に対して可変的なインピーダンスを付加する可変インピーダンス手段からなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記振動体に磁力を及ぼすコイル磁石を備え、
   前記感度可変手段は、前記コイル磁石に流れる電流量を変化させる可変電流手段からなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記感度可変手段は、
   前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
   前記コイルに流れる電流に対して可変的なインピーダンスを付加する可変インピーダンス手段と、
   から構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有するアンテナ装置であって、
   前記アンテナ部が、前記振動体の外部磁界による変位の度合いを異ならせて、複数設けられ、
   さらに前記複数のアンテナ部の出力を合成して出力する合成手段を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
6. 所定の固有振動数で振動する特性を有するとともに外部磁界を受けて変位する振動体、および、該振動体の運動を電気信号に変換する変換手段を備え、前記振動体を共振させる周波数帯の電波信号が到来したときに、当該電波信号の磁界成分によって前記振動体が共振し、この共振が前記変換手段により電気信号に変換されることで、当該周波数帯の電波信号が電気信号にされて取り込まれるアンテナ部を有するアンテナ装置であって、
   前記アンテナ部が、前記振動体の外部磁界による変位の度合いを異ならせて、複数設けられ、
   前記複数のアンテナ部のうち何れかのアンテナ部からの電気信号を選択的に後段に送るスイッチ手段を備えていることを特徴とするアンテナ装置。
7. 少なくとも前記アンテナ部が１チップの基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアンテナ装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置から送られてくる電気信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器により増幅された信号に対して復調処理を行う復調器と、
   を備えたことを特徴とする受信装置。
9. 請求項８に記載の受信装置により標準電波を受信するとともに、該標準電波に含まれるタイムコードを復調し、このタイムコードに基づいて時刻修正を行うことを特徴とする電波時計。

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