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技術 ウェアラブルパーソナル通信装置

出願人 エヌエックスピービーヴィ
発明者 ボイル,ケヴィンアール
出願日 2000年7月19日 (20年4ヶ月経過) 出願番号 2001-514502
公開日 2003年2月18日 (17年9ヶ月経過) 公開番号 2003-506938
状態 特許登録済
技術分野 電話機の回路等 アンテナの支持 送受信機 電話機の構造 線状基本アンテナ アンテナの細部 電話機の機能
主要キーワード ストラップループ ウェアラブル装置 セルラ式電話 無線周波数受信器 送信特徴 移動式電話 電気アンテナ ブルートゥースリンク
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課題・解決手段

手首に付けられるワイヤレス電話機のようなウェアラブルパーソナル通信におけるアンテナヘリカルアンテナ又は他の物理的に短くされた電気アンテナである。このようなアンテナは、人体の近くにあり、人体に対し垂直であり高められる電界の成分を使用することによって広い向きの範囲で良好な性能を有する。1つの実施例では、マイクロホンはアンテナの上部に配置される。マイクロホンはアンテナに対し頂部負荷として作用することが可能であり、それにより短いアンテナを使用することが可能となる。アンテナは同軸ケーブルから形成され、マイクロホンと装置の本体内受信器回路との間に電気的接続を与えることを可能にする。無線周波数で低いインピーダンスを有するようマイクロホンを配置することによって、同軸ケーブルは誘導スタブとして作用しアンテナを更に短くすることが可能となる。

概要

背景

概要

手首に付けられるワイヤレス電話機のようなウェアラブルパーソナル通信におけるアンテナヘリカルアンテナ又は他の物理的に短くされた電気アンテナである。このようなアンテナは、人体の近くにあり、人体に対し垂直であり高められる電界の成分を使用することによって広い向きの範囲で良好な性能を有する。1つの実施例では、マイクロホンはアンテナの上部に配置される。マイクロホンはアンテナに対し頂部負荷として作用することが可能であり、それにより短いアンテナを使用することが可能となる。アンテナは同軸ケーブルから形成され、マイクロホンと装置の本体内受信器回路との間に電気的接続を与えることを可能にする。無線周波数で低いインピーダンスを有するようマイクロホンを配置することによって、同軸ケーブルは誘導スタブとして作用しアンテナを更に短くすることが可能となる。

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請求項1

アンテナケースとを含み、上記ケースの中に受信器回路が配置されるウェアラブルパーソナル通信装置であって、上記アンテナは物理的に短くされた電気アンテナであることを特徴とする装置。

請求項2

上記物理的に短くされた電気アンテナはヘリカルアンテナであることを特徴とする請求項1記載の装置。

請求項3

上記物理的に短くされた電気アンテナは曲がりくねったメアンダラインアンテナであることを特徴とする請求項1記載の装置。

請求項4

上記アンテナは上記ケースを通る平面に対し横断するように取り付けられることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一項記載の装置。

請求項5

マイクロホンを更に含み、上記マイクロホンは上記ケースから最も遠い上記アンテナの端部に配置されることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一項記載の装置。

請求項6

上記アンテナは同軸ケーブルから形成され、上記同軸ケーブルによって上記マイクロホンと上記受信器回路との間に電気的接続が与えられることを特徴とする請求項5記載の装置。

請求項7

上記アンテナは中空ワイヤから形成され、上記マイクロホンと上記受信器回路との間の第1の電気的接続は上記中空のワイヤによって与えられ、上記マイクロホンと上記受信器回路との間の第2の電気的接続は上記中空のワイヤによって囲まれる導体によって与えられることを特徴とする請求項5記載の装置。

請求項8

上記マイクロホンは無線周波数において低いインピーダンスを供給し、それにより上記アンテナを形成する上記同軸ケーブルが誘導スタブとして作用することを特徴とする請求項6記載の装置。

請求項9

上記マイクロホンは上記アンテナの頂部に付加されることを特徴とする請求項5乃至8のうちいずれか一項記載の装置。

0001

〔発明の属する技術分野〕

0002

本発明は、ウェアラブルパーソナル通信装置係り、例えば手首に付けられるワイヤレス電話機に関する。

0003

〔従来技術〕

0004

ワイヤレス電話機は、一般的に電話機本体にマイクロホン又はスピーカが組み込まれ従来ではハンドヘルド式にされたり又はユーザがハンドフリー式で操作することを可能にするヘッドセットを有し利用可能である。電子部品の小型化が進み、ウェアラブルパーソナル通信電話機を生産することが可能となった。ウェアラブルパーソナル通信電話機は、他のハンドヘルド式の電話機よりも運搬することと操作することがより好都合であるという利点を有する。上述のような装置の最も一般的な例は、腕時計とワイヤレス電話機が組み合わされた装置であるが、ワイヤレス電話機は他の身につけられる物、例えばペンダントにも組み込むことが可能である。

0005

ウェアラブルパーソナル通信装置の他の種類は、ワイヤレス接続性を与える装置を含む。このような装置の例は、ブルートゥース仕様に従って動作し、静止通信環境移動通信環境の両方における短距離アドホックデータ通信音声ワイヤレス通信を目的とする腕時計発信器である。通信は、約2.45GHzの許可されていないISMバンドで行われる。腕時計発信器は例えば、現行移動式電話機のインタフェースとして機能することが可能であり、電話機と腕時計の間でブルートゥースリンクを使用して通信を行う。

0006

手首に付けられる発信器の設計における特定の問題は、(電池寿命を最大にするよう)効率的であり(装置のかさを増加することを阻止するよう)コンパクトであり夫なアンテナが必要であることである。このことに関し多くの研究が行われている。他のウェアラブルパーソナル通信装置にも同じ問題が生じる。

0007

手首に付けられる発信器の最も一般的な配置は、磁気ループアンテナ腕時計ストラップに組み込むことであるが、この対処法は異なる手首の寸法と、ストラップ時計ケースとの間の接合部とストラップの2つの端部の間の接合部によって引き起こされる問題を解決しなければならない。ストラップループアンテナの例は米国特許第5450091号に開示され、腕時計を異なる手首の寸法を有するユーザが付けると、重なり合うストラップの端部の間で電気容量が変動し、それによりループの寸法の変更を補償している。このような設計は、特にストラップがケースに接続されている際に機械的に丈夫であり信頼度が高く形成することが困難である。更に上述のアンテナは、アンテナを取り付けるためのストラップ又は同等の構造を有さない他のウェアラブル受信器に使用することができない。

0008

機械的に丈夫であるように、アンテナを時計ケース自体に組み込むことが試みられた。例えば米国特許第5737699号には時計ケース内に形成される磁気ループアンテナが開示される。しかし、時計機構受信器回路をケースに収容しなくてはならないので、ループアンテナの設計と腕時計電話機の組立が複雑となる。

0009

時計ケース内に取り付けるための他の幾つかのアンテナの設計が提案されるが、それらは全てかなりの問題を抱えている。適合型ダイポールはコンパクトであり得るが、適合する性質により、人体の存在によりかなり減少される人体と平行な電界成分を受信してしまう。時計ケースに使用するのに好適な寸法を有するパッチアンテナは本質的に、例えば2.4GHzでは1%乃至2%の部分的な帯域幅の低い帯域幅を有する。これは、例えば(約2.45GHzの)ブルートゥースでは4%、880乃至960MHzで動作するGSM(汎欧州デジタル移動電話方式)では9%、1900乃至2200MHzで動作するUMTS汎用移動通信システム)では15%など多くの適用に必要とされる部分的な帯域幅よりもかなり少ない。

0010

〔本発明の説明〕

0011

本発明は、パーソナル通信装置用の改善されたアンテナを提供することを目的とする。

0012

本発明では、アンテナとケースとを含み、ケースの中に受信器回路が配置され、アンテナは物理的に短くされた電気アンテナであることを特徴とするウェアラブルパーソナル通信装置を提供する。

0013

〔発明の実施の形態〕

0014

本発明の実施例を、添付図面を参照し例によって説明する。図中、等しい符号は対応する特徴を示すよう使用される。

0015

図1にパーソナル通信装置100のブロック図を示す。本実施例は、GSM式セルラ電話機に基づいているが、同様の原理が他のセルラ式電話規格と例えば2方向無線機のような他のパーソナル通信装置に適用される。

0016

最初に音声電話呼に対し動作する回路受信器側を考える。アンテナ102は遠隔にある基地局からの信号を受信する。信号は強い送信された信号が漏れ出し受信器回路に負荷をかけすぎることを阻止するダイプレクサフィルタ104を通過する。信号は次に無線周波数受信器ブロック(RF)108を通り、RF信号が低い中間周波数(IF)にダウンコンバートされる。

0017

IF信号は中間周波数ブロック(IF)110に供給され、IF信号はベースバンド信号にダウンコンバートされる。次に信号はベースバンド処理ブロック(BB)112に供給される。このブロックは、音声復号化チャネル復号化、及びでインタリーブを含む様々なタスクを行う。受信した音声信号は、スピーカ116又は他の好適な出力装置再生されるようアナログ信号に戻るよう変換される。

0018

次に回路の送信側を考える。音声信号がマイクロホン114又は他の好適な入力装置によって受信され、信号はベースバンド処理ブロック112に供給されデジタル形式にされる。ベースバンド処理ブロック112は音声を符号化し、チャネル符号化及びインタリーブを行い受信したビット誤り率を減少させる。結果として得られる送信用の信号は変調されIFブロック110に供給される。ここでは、ベースバンド信号はIF周波数に変えられる。

0019

IF信号はRF受信器ブロック108に供給されRF送信周波数となるよう混合され、電力増幅器(PA)106によって要求される電力にまで増幅される。信号はダイプレクサフィルタ104を通過し、アンテナ102によって送信される。

0020

本発明の実施例を、手首に付けられるパーソナル通信装置100の平面図を示す図2とパーソナル通信装置100の側面図を示す図3とによって説明する。装置は、ケース202とストラップ204とを含む。ヘリカルアンテナ102はケース上に取り付けられ、ヘリカルアンテナの軸は、ケース202を通る平面に対し略垂直である。パーソナル通信装置の回路の大部分はケースの内側に配置され、アンテナ102に接続される。マイクロホン114とスピーカ116はケース202の開口の後ろに配置される。装置には更に、ディスプレイ206と装置100を制御するためのキーボード208が設けられる。

0021

人体の付近電磁波は人体があることによりかなり影響を受けることは周知である。特に、人体に対し垂直な磁界はその自由空間値に相対して最大6dBまで減少され、人体に対し平行な磁界はその自由空間値に相対して最大6dBまで高められる。(例えば、K Fujimoto及び J R Jamesによる「Mobile Antenna Systems Handbook」Artech House, 1994, の178乃至181頁を参照されたい。)この加減は、入射波反射波との間の干渉によって引き起こされる。インタフェースにおける電気反射係数磁気反射係数とは反対の符号を有し、従って磁界の成分が(弱め合う干渉によって)減少されると、電界の等しい係数は(強め合う干渉によって)高められる。従って、人体と平行な電界は磁界の変更の量と同様の量で減少され、人体に対し垂直な電界は磁界の変更の量と同様の量で高められる。

0022

人体による磁界への影響は、動作の際にユーザの体に対し直角となるよう配置されループアンテナが典型的に組み込まれるページャでは有利に使用され、従って人体に平行の高められた磁界の成分を受信する。

0023

現在及び将来の無線通信システムに使用される周波数は約900MHz乃至2GHz以上の範囲である。このような周波数では、電磁波の電界成分を受信するアンテナ102は一般的に(同様のアンテナ寸法に対し)磁気ループアンテナよりもかなり効率がよい。そのようなアンテナ102の1つの例は1つ以上の導体を含み螺旋状にまかれたヘリカルアンテナである。ヘリカルアンテナはダイポールアンテナと同様の効率を有し、一方で非常にコンパクトである。

0024

約900MHzのGSMに使用するのに好適なアンテナは典型的に5mmの直径と10mmの高さを有する。寸法は受信されるべき電磁波の波長に関連するので、高い周波数ではヘリカルアンテナの寸法はそれに応じて減少される。従って、ヘリカルアンテナ102の寸法は、ヘリカルアンテナが900MHzのGSM腕時計発信器に使用されるのに好適であり、更により高い周波数で動作する装置に使用されることがより好適であることが分かる。

0025

多くの無線通信システムにおける伝送は、垂直方向分極された電界を有する。ユーザが腕を差し出して腕時計発信器を見る際には発信器のフェースは一般的に水平方向に保持される。従って、アンテナ102は垂直方向に分極された伝送を最適に受信するよう垂直方向に整列する。発信器を見るとき以外の時間はユーザの腕は典型的に体の脇にあるので水平方向に整列され、アンテナ102と送信された信号の間にかなりの極性不一致を生じさせる。

0026

多くの無線通信システムは、多重路信号のかなりのレベルを有する環境において動作する。K. Siwiakによる「Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications」Second Edition, Artech House, 1998の209乃至211頁には、そのような信号は送信された界よりも約6dB下のレベルでは送信された界とは反対の極性の界を発生させることが示される。人体があることによって人体に対し垂直な電界の成分が高められることと組み合わされたとき、発信器がユーザの体の脇に保持されるときに受信する信号のレベルは、発信器が使用される際に水平方向に保持されるときに受信する信号のレベルと同様となる。

0027

導電性の時計ケース202によって、異なる向きにおける性能は平均化される。ケース202はアンテナ102の軸に対し略垂直なので、ケースはその中にヘリカルアンテナ102によって受信された電界の極性とは反対の電界の極性によって誘導された電流を有する。時計ケース202とアンテナ102の間の接続の好適な設計によって、時計ケース内に誘導された電流は受信信号の強さを改善するよう使用され得る。

0028

腕時計発信器にヘリカルアンテナ102を使用することは、他の種類のアンテナを使用することよりも多くの利点を有する。アンテナ102は使用する際に時計ケース202によって遮蔽されず、効率が改善されて、パッチアンテナ及びループアンテナよりも広い帯域幅に亘って動作する。通常の使用位置では、時計はユーザの腕が差し出されて略水平となりアンテナは略垂直となる。この位置では、アンテナの放射パターンは水平平面では略全方向に向き、最適な送信特徴及び受信特徴が得られる。

0029

上述に説明される配置の便利な変更は、図4に示されるようにマイクロホン114をアンテナ102の上に取り付けることである。ヘリカルアンテナ102は同軸ケーブルによって形成され、接続ワイヤ402によってマイクロホン114がケーブル内の導体の1つの端部に接続され、ケーブル内の導体のもう1つの端部は接地される。マイクロホン114の第2の接続ワイヤ404はアンテナ102の上部でケーブルに接続される。或いは、アンテナ102は中空ワイヤから形成され、その中を第1の接続ワイヤが通されてマイクロホンが接地される場合もある。

0030

アンテナ102の下部において、マイクロホン114からの音声信号とアンテナ102によって受信又は送信されるRF信号が容易に分離される。共用接続部406はアンテナの下部において同軸ケーブル(又は中空アンテナワイヤ)の外側に出される。この接続部から、マイクロホンからの音声信号は低域通過フィルタ(ここでは単一のインダクタ408として示される)を通り音声出力410に接続され、一方でRF信号は高域通過フィルタ(ここでは単一のコンデンサ412として示される)を通りRF出力412に接続される。

0031

上述の接続部に関し他の可能性も考えることが可能である。例えば、マイクロホン114からの2つの接続ワイヤが中空アンテナワイヤを通され、フィルタの必要性が無くなる。或いは、接続ワイヤはヘリカルアンテナ102の中心を通って置かれ、アンテナが単線によって形成されることが可能にされる。

0032

マイクロホン114をアンテナ102の上部に配置することの利点は特に、マイクロホンパッケージが頂部に付加されて(放射抵抗を増加させ容量性リアクタンスを減少させ)、それにより短いアンテナ102を使用することが可能となる。アンテナ102が同軸ケーブルで形成される実施例においてマイクロホン114も低いRFインピーダンスを示す場合、ヘリカルアンテナの上部に短い回路を与える。その場合、螺旋内の送信ラインは誘導インピーダンスを供給する短絡スタブであり、それによりアンテナ102の容量性リアクタンスが減少され、より短いアンテナ102を使用することが可能になる。

0033

上述の本発明の実施例はヘリカルアンテナ102を使用する。しかし、他の種類の物理的に短くされた電気アンテナを代わりに使用することも可能である。そのようなアンテナは、それらの電気的な長さよりも物理的に小さいモノポールアンテナ又はダイポールアンテナ状のアンテナであり主に電界を受信する。そのようなアンテナの更なる例は曲がりくねったメアンダラインアンテナである。

0034

上述された実施例は腕時計電話機に関連するが、本発明は他のウェアラブルパーソナル通信装置にも同様に適用することが可能である。例として使用されないときは身に付けられ使用するときは取り外すことが可能である首の周りに付けられるペンダント及びブローチがあげられる。

0035

更に、本発明はGSM、DECT(欧州デジタルコードレス電気通信標準)、及びUMTSのような通信システムにおける使用に制限されるものではない。ブルートゥース及びHomeRF組織によって決められるような無線に基づいたローカル領域ネットワークにも適用され得、そのネットワーク内で腕時計発信器は好適に装備されたテレビジョンコンピュータ、及び移動式電話機のような他の装置と相互に作用することが可能である。本発明は更に、ワイヤレス接続を有するイヤーピース又はヘッドホンにも適用される。

0036

業者は、本発明の説明を読むことによって他の変更が可能であることが明らかになろう。そのような変更はパーソナル通信装置とパーソナル通信装置の構成部分の設計、製造、及び仕様において既に既知である他の特徴を含み、上述された特徴の代わりに又は上述された特徴に追加して使用される場合がある。

0037

本明細書において単数で示される要素は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。更に、「含む」という表現は列挙された要素又は段階以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。

0038

本発明は、無線通信システムにおいて使用されるウェアラブル装置に適用されることが好適である。

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