JP2008219305A - 送信アンテナ及びそれを用いた送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ特性を落とさずに、軟磁性材料の使用量をできるだけ減らしてコストダウンした送信アンテナ、及びこれを備えた送信装置を提供する。
【解決手段】送信アンテナは、端部に近づくほど断面積が小さい軟磁性材料１からなるコア２にコイルを巻回してなるバーアンテナと、このバーアンテナと共振するキャパシタからなる送信アンテナである。前記コアは、長さの異なるアモルファス金属板またはナノ結晶金属板を積層してなり、又は、フェライトからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、キーレスエントリーシステム、ＲＦＩＤシステム等に低周波で用いられる、磁界を用いた送信アンテナに関する。

近年、自動車や住宅のドア等の施解錠に機械キーを使用しないキーレスエントリーシステムと呼ばれる電子キーシステムが開発されている。電子キーシステムは、電子キーを携帯した人がドアハンドルを握ることやリクエストスイッチを押すことで、ドア部に内蔵された送信アンテナが起動し、送信アンテナは電子キーに対して識別コードを要求するリクエスト電波を放射する。電子キーはリクエスト電波を受信すると識別コードを自動送信し、車両内や住宅内に設けたキーユニットが受ける。キーユニットは予め記憶された自己コードと照合し、一致と判断すると、このキーユニットにつながる制御装置へ信号を出力し、この信号を受けて制御装置はドア施解錠等の所定の制御を行うものである。

例えば、車両のドアハンドルに送信アンテナを内蔵する場合、電子キーシステムは、ドア内やドアハンドル内に送信アンテナを設置する。しかし、これらの場所は一般に設置スペースが狭い。このため、送信アンテナのコアには高透磁率の磁性材料を使用し、小型化が図られている。ＲＦＩＤシステム等に用いられる送信アンテナについても、設置スペースが狭く、同様である。

電子キーシステムにおいては、送信アンテナはドア内やドアハンドル内に設けられる。このドアやドアハンドルは、金属製また金属メッキされたものが多く、その導電性により送信アンテナの放射磁界は抑制され、送信距離も抑えられるという問題点があった。なお、ドアやドアハンドルは、金属製また金属メッキされたものが用いられる理由は、耐久性と装飾性とによる。

例えば、送信アンテナの大型化や電源電圧を高くすることなく、送信距離を延伸できる送信アンテナおよびこれを備えた送信装置が知られている（特許文献１）。

図１０は、特許文献１記載の送信アンテナに用いられた、コア２にコイル３を巻回してなるバーアンテナ６を示す。送信アンテナ８は、図１１に示すように、バーアンテナ６とキャパシタ７とからなる。送信アンテナ８は、ＬＣＲ共振回路を構成し、共振電流によりアンテナ特性が著しく改善されている。ＬＣＲ共振回路のインダクタンスＬと抵抗分Ｒは、バーアンテナ６のインダクタンスと等価直列抵抗に対応する。キャパシタンスＣは、チップコンデンサなどのキャパシタ７に対応する。

特開２００６−１８００３１号公報

従来の送信アンテナにおいて、小型化しつつアンテナ特性を向上する為、軟磁性材料からなるコアとして、アモルファス金属やナノ結晶金属からなるコアを用いたい場合がある。しかし、これらのコアは高価なものであり、コストアップとなる問題点があった。

また、フェライト材料はアモルファス金属やナノ結晶金属に比べると価格が１／１０程度ではあるが、それでもコストダウンを求めるニーズが高かった。キーレスエントリーシステムの需要拡大に欠かせないからである。

そこで、本発明は、アンテナ特性を落とさずに、軟磁性材料の使用量をできるだけ減らしてコストダウンした送信アンテナ、及びこれを備えた送信装置を提供することを目的とする。

［手段１］
本発明は、端部に近づくほど断面積が小さい軟磁性材料からなるコア（２）にコイル（３）を巻回してなるバーアンテナ（６）と、このバーアンテナ（６）と共振するキャパシタ（７）でなる送信アンテナ（８）である。

［手段２］
本発明はまた、前記コアが長さの異なるアモルファス金属板を積層してなる［手段１］記載の送信アンテナである。

［手段３］
本発明はまた、前記コアが長さの異なるナノ結晶金属板を積層してなる［手段１］記載の送信アンテナである。

［手段４］
本発明はまた、前記コアがフェライトからなる［手段１］記載の送信アンテナである。

［手段５］
本発明はまた、［手段１］乃至［手段４］のいずれかに記載の送信アンテナを備えた送信装置である。

本発明者は、端部に近づくほど断面積を小さくしても、アンテナ特性に影響の無いことを見出した。図１（ａ）を用いて説明する。コイル３に通電すると、発生した磁束はコアの先端からだけでなくその途中からも放出される。よって、図１（ｂ）に示すように、コア中の磁束量は先端に近づくほど小さくなるので、端部に近づくほど断面積を小さくしても磁気飽和しないことを知見した。なお、図１（ａ）（ｂ）は、送信アンテナのセンターから右半分を図示している。実際の送信アンテナは、左右対称に左側にも延在している。図１（ｂ）は、送信アンテナのセンターからの距離Ｌと、検出コイルで測定した磁束量の関係を示したものである。縦軸は、任意目盛りである。

それだけではなく、端部に近づくほど断面積を小さくしても、従来の様に断面積が均一なコアを用いた時と、殆ど同一の磁界分布の得られることを知見した。すなわち、アンテナの放射パターンが従来のものと殆ど同一であるにも拘わらず、材料の使用量を大幅に低減できる訳である。それにより、軟磁性材料の使用量をできるだけ減らしてコストダウンできることを知見した。特に、アモルファス金属やナノ結晶金属などに、その効果は大きい。なお、フェライトでもコストダウンの絶対値は小さいが、効果の有ることに変わりは無い。

本発明によれば、送信アンテナ特性を落とさずに、軟磁性材料の使用量をできるだけ減らしてコストダウンした送信アンテナ、及びこれを備えた送信装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図２（ａ）は、送信用のバーアンテナ６に用いるコア２を示す図である。他方、図２（ｂ）は、従来の送信アンテナに用いるコア２を示す図である。図２（ａ）（ｂ）ともに、薄帯の積層体でなるコア２を、積層方向と直交する横方向から見た図である。図２（ａ）に示すコア２は、長さの異なる軟磁性金属からなる軟磁性板１を積層してなる。端部に近づくほど断面積が小さくなっている。それに対して、図２（ｂ）に示すコア１は、従来通り同じ長さの軟磁性板１を積層したものである。本発明に係るコア２の材料使用量が、大幅に低減できることが、図２からも分かる。

ここで、軟磁性板１とは、長さが幅より大きく扁平な軟磁性材料で成る板を云い、薄帯（リボンとも呼ばれる）や箔と呼ばれる薄いものまでを包含する。通常は、厚さ５〜３０μｍ程度の薄帯が用いられる。好ましくは１４〜２６μｍ、より好ましくは１８〜２０μｍ程度である。板厚が薄いほど渦電流損を低減できるが、送信アンテナの製造コストが高く、逆に２６μｍを超えると、現状の技術では送信アンテナの駆動電圧を高くせざるを得ない。但し、バーアンテナ６に用いるコア１は、それより薄いものでも、逆に厚いものにでも本発明の技術的思想を拡張できる。今後の材料開発の動向による。

軟磁性板１は、必ずしも文言通りの板に限定されるものではない。例えば、線状や棒状のものにも、本発明の技術的思想は適用できる。端部に近づくほど断面積が小さければ良いからである。

軟磁性板１の材質は、必ずしも同質のものに限定されない。例えば、一部をアモルファス金属、ナノ結晶金属とし、残部をパーマロイなどとして組合せることもできる。それにより磁束の流れを制御することもできる。また、コストダウンに結びつけることもできる。

本発明に係る送信アンテナ８に用いるバーアンテナ６は、コア２とコイル３とからなる。コア２を積層体とすることで、渦電流の発生を抑制するアンテナとすることができる。渦電流損失の低減は、アンテナの損失低減に直結する。

コア２に用いる軟磁性材料は、珪素鋼、パーマロイ、アモルファス金属、ナノ結晶金属等５０００〜１０００００程度の高比透磁率材料が使用できる。特に、アモルファス金属あるいはナノ結晶金属が好適である。珪素鋼、パーマロイと比べて高透磁率であり、且つ材料費低減効果が大きいので、本発明に係る送信アンテナの用途に好適だからである。

アンテナのコアに用いられるナノ結晶磁性合金の組成としては、例えば、一般式：(Ｆｅ１‐ａＭａ)１００‐ｘ‐ｙ‐ｚ‐ｂＡｘＭ’ｙＭ’’ｚＸｂ（原子％）（式中ＭはＣｏ,Ｎｉから選ばれた少なくとも1種の元素を、ＡはＣｕ,Ａｕから選ばれた少なくとも1種の元素、Ｍ’はＴｉ,Ｖ,Ｚｒ,Ｎｂ,Ｍｏ,Ｈｆ,ＴａおよびＷから選ばれた少なくとも1種の元素、Ｍ’’はＣｒ,Ｍｎ,Ｓｎ,Ｚｎ,Ａｇ,Ｉｎ,白金属元素,Ｍｇ,Ｃａ,Ｓｒ,Ｙ,希土類元素,Ｎ（窒素）,Ｏ（酸素）およびS（イオウ）から選ばれた少なくとも1種の元素、ＸはＢ,Ｓｉ,Ｃ,Ｇｅ,Ｇａ,ＡｌおよびＰから選ばれた少なくとも1種の元素を示し、ａ,ｘ,ｙ,ｚおよびｂはそれぞれ０≦ａ≦０.５、０≦ｘ≦１０、０.１≦ｙ≦２０、０≦ｚ≦２０、２≦ｂ≦３０を満足する数である）を挙げることができる。前記Ａは結晶粒組織をより均一微細にする効果を有する。前記Ｍ‘は、結晶粒を微細化する効果がある。Ｍ’‘は、耐蝕性善、磁性改善効果がある。Ｘは、アモルファス化を容易にし、結晶粒組織の均一微細化、比抵抗の上昇、軟磁気特性の改善等に効果がある。

高周波特性、熱安定性及び経時安定性に優れたナノ結晶磁性合金薄帯の積層物を、コアとして使用すると、１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の周波数によって信号を送信する際においても、信号の減衰を極めて小さくするとともに安定性に優れたアンテナが実現される。従って、十分な受信レベルを維持した上で、アンテナの小型化が可能となる。

コア２に用いる金属板は、薄帯のままでも、スリッタやパンチによってより幅狭の条片に加工したものでも良い。コア２に用いる金属棒、線材は、スピンメルト法で製造したワイヤなどが使える。

コイル３として、例えば表面を絶縁したビニール被覆電線やエナメル被膜銅線が挙げられる。断面は、円形、矩形、長方形など必要に応じて選択できる。或いは、パターン印刷法により形成することも可能である。

図３は、本発明に係る送信アンテナに用いるコアの別の実施例を示す図である。端部に近づくほど断面積の小さいものなら、図３（ａ）〜（ｅ）に例示した形状以外のものでも使用できる。図３（ａ）は、同じ幅の薄帯で長さが異なるものを積層したものである。図３（ｂ）は、線材を積層したものである。図３（ｃ）は、図２（ａ）とは逆に、左右に空洞部が形成される形状である。空洞部は、そのままでも良いが、樹脂で充填しても良い。図３（ｃ）は薄帯を積層したもの、図３（ｄ）は線材を積層したものである。図３（ｃ）（ｄ）に示すコアは、巻線が容易であるという利点がある。図３（ｅ）は、薄帯を巻回したもので、端部に近づくほど断面積が小さくなるように、楕円形に巻回したものである。

巻線はコアの長さ方向に巻ける範囲でできるだけ広い範囲にわたって巻くことが好ましい。したがって本発明においては断面積が一定のコア中央部と断面積が小さくなるコア端部に巻線することが好ましい。ただし、コアの余りに端部、例えば両端約５ｍｍでは巻線処理が困難となるので巻線しない。送信磁束はターン数×電流に比例する。ターン数は共振させる周波数に対するＬ値で固定される。広い範囲で巻くとターン数が多くともＬ値は上がり難いためターン数を増やすことができ、より多くの送信磁束を発生させることができる。ただし極端にターン数が多くなると銅損が増える。

図４は、本発明に係る送信アンテナ用コアを構成する軟磁性体の形状の一例を示す平面図である。図４（ａ）は薄帯そのままのもの、図４（ｂ）は薄帯のコーナー部を面取りしたものである。コーナー部の面取りにより、端部での磁束の流れにおける集中を回避できる。

図５は、本発明に係る送信アンテナ用コアの別の実施例を示す図である。図５（ａ）は端部にテーパーをつけた断面、図５（ｂ）は全体が滑らかな曲線を描く略楕円形状の断面を有する。更に、図５（ａ）（ｂ）に示した形状は、断面に限らず平面形状であっても良い。すなわち、同じ厚さと長さの薄帯を図５（ａ）（ｂ）の形状に打ち抜いて積層しても良い。
或いは、図５（ａ）（ｂ）に示した形状になるように加工した金型でフェライトを成形することもできる。フェライトを用いる場合は、低価格なものが得られる。

図６は、本発明に係る送信装置の構成例を示す図である。電源電圧Ｖ１は４つのＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ動作により、方形波電圧に変換され、送信アンテナに印加される。Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ動作は、変調回路６により、基本周波数（キーレスエントリーシステムでは例えば１２５ｋＨｚ）に変調成分が重畳されるように制御される。送信アンテナ８は、キャパシタンスＣ、インダクタンス分Ｌ、抵抗分Ｒの直列回路で示される。実際の構成部品としては、バーアンテナ６とキャパシタ７とからなる。キャパシタンスＣはキャパシタ７の静電容量に対応する。インダクタンス分Ｌと抵抗分Ｒは、バーアンテナ６のインダクタンスと等価直列抵抗に対応する。図６において、直流の電源電圧Ｖ１は、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４によりスイッチングされて矩形波となる。そして、矩形波を印加された送信アンテナ８には、ＬＣ直列共振により正弦波状の電流が流れる。これが搬送波を形成する一方、変調回路９により信号波が搬送波に変調されて載り、駆動電流Ｉｄとなる。この駆動電流Ｉｄにより、送信アンテナ８が励振され電波が放射される。このように、本発明に係る送信装置は簡単な構成であり、且つ本発明に係るコア２により安価なものとなる。このことは、今後のキーレスエントリーシステムの発展に大きな意味を持つ。

図７は、送信アンテナ８の送信磁界強度の評価方法を説明するための図である。アンテナドライバは、送信アンテナ８を駆動する回路である。５ＶＲｅｇは、５Ｖのレギュレータであり、アンテナドライバに電源電圧を供給する。ＣＯＮ／ＶＣＣは、変調制御用の制御／電源端子である。限流抵抗ＳＲは、アンテナ８の駆動電流を調整するための抵抗である。発振器ＯＳＣは、アンテナ８に基本周波数の搬送波を供給する。電流計Ａは、アンテナ８の駆動電流を測定する為のものである。校正受信アンテナは、送信磁界強度を評価される送信アンテナ８から１ｍ離して設置され、ＦＥＴプローブで検出した電圧が所定値のときに、キーレスエントリー用の送信アンテナ８としての規格を充足すると決めた測定用に構成された受信アンテナである。校正受信アンテナを使用することにより、送信アンテナ８の磁束分布を測定しなくても、ＦＥＴプローブで検出した電圧値により簡易測定できる。

本発明に係る送信アンテナ８に用いるコア６は、積層後にエポキシ樹脂含浸法や耐熱性ポリイミド樹脂塗布加熱圧着法により樹脂コートしてもよい。占積率向上、層間絶縁、コアの剛性向上のため等である。特に、耐熱性のポリイミド樹脂を塗布した後に加熱圧着する耐熱性ポリイミド樹脂塗布加熱圧着法によると、エポキシ樹脂含浸法に比べて、高い送受信感度（Ｑ特性）を維持したまま、占積率を８１％から９１％に上げることができ、一層の小型化が可能となる。

［実施例］
日立金属社製のナノ結晶金属であるＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ合金系のＦＭ１８（商品名）の厚み１８μｍ，幅６ｍｍ，長さ６０ｍｍの薄帯を３０枚用意した。比較例として、３０枚全てを積層して長さ６０ｍｍのコア１を製作した（図２（ｂ））。他方、本発明の実施例として、図２（ａ）に示すように、長さの異なる薄帯を用意した。すなわち、図８に示すように、薄帯を樹脂で出来たトレー１０の溝内に載置すれば製造能率が良いばかりでなく、トレー１０を巻線用のボビンに兼用することもできる。この実施例では、長さ６０ｍｍの薄帯を７枚積層したものの上に、長さ５０ｍｍのものを３枚積層、更にその上に長さ４０ｍｍのものを２枚積層、更にその上に長さ３０ｍｍのものを２枚積層、更にその上に長さ２０ｍｍのものを１枚積層した。反対側は、長さ６０ｍｍの薄帯を７枚積層したものの下に、長さ５０ｍｍのものを３枚積層、更にその下に長さ４０ｍｍのものを２枚積層、更にその下に長さ３０ｍｍのものを２枚積層、更にその下に長さ２０ｍｍのものを１枚積層して、３０枚を積層して図２（ａ）に図示したコアを製作した。実施例におけるナノ結晶金属の使用量は、比較例に比べると１９％低減することができた。それだけでなく、下記に説明するように、アンテナとしての磁束分布、アンテナ特性も従来のものと略同一なものの得られることが分かった。また、同時に重量も１９％低減できた。

図９は、共振周波数が１２５ｋＨｚとなる［実施例］記載の送信アンテナと、比較例の記載の送信アンテナとを、図４の送信装置で駆動した結果を示したものである。キャパシタ７（図１１参照）は１５０００ｐＦ、電源電圧Ｖ１は５Ｖとし、周波数１２５ｋＨｚで駆動した時の最大駆動電流の波高値Ｉｐｐを測定し、巻数ＮとＩｐｐの積を最大起磁力として記載した。コアは幅８ｍｍ，高さ４ｍｍであり、検出コイルは５ターン巻回した。駆動電流は制限無く流せるものではなく、キャパシタ４の定格電圧とコア１の飽和磁束密度の両方で制約される。この最大起磁力は送信アンテナの発生磁界に比例するので、この大きさで、送信性能を判断できる。図９の縦軸は、最大起磁力に比例した値であって、検出コイルに発生する電圧をオシロスコープで積分した電圧時間積［μＶｓ］であり、図９の横軸は、図１に示すバーアンテナのセンターからの距離Ｌ［ｍｍ］である。

図９から、本発明に係る送信アンテナは、従来例と同等の電圧時間積の分布を持っており、送信性能が略同等であることが判る。それだけでなく、前述の通り、ナノ結晶金属の使用量は比較例に比べると１９％低減した。

以上、キーレスエントリーシステムに用いられる送信アンテナ及びそれを用いた送信装置について説明したが、本発明の用途は限定的ではなく、ＲＦＩＤシステムなどにも利用できる。

本発明は、キーレスエントリーシステム、ＲＦＩＤシステム等に利用できる。また、本発明は電子キーシステムに限定されるものではなく、店舗等に用いる盗難防止システムを含めた短距離のデータ伝送システム全般にも更に適用できる。

本発明に係る送信アンテナの原理を説明するための図である。 本発明に係る送信アンテナに用いるコアを示す図である。（ａ）は本発明に係る送信アンテナ用、（ｂ）は従来の送信アンテナ用コアを積層方向と直角方向から見た図である。 本発明に係る送信アンテナに用いるコアの別の実施例を示す図である。 本発明に係る送信アンテナ用コアを構成する軟磁性体の形状の一例を示す図である。 本発明に係る送信アンテナ用コアをフェライトにした場合の一実施例を示す図である。 本発明に係る送信装置の構成を示す図である。 送信アンテナの送信磁界強度の評価方法を示す図である。 本発明に係る送信アンテナ用コアの製造方法の一例を示す図である。 本発明に係る送信アンテナの送信磁界強度を、従来例と比較した図である。 従来の送信アンテナを示す図である。 送信アンテナの構成要素を示すブロック図である。

符号の説明

１：軟磁性板
２：コア
３：コイル
４：軟磁性棒
５：フェライトコア
６：バーアンテナ
７：キャパシタ
８：送信アンテナ
９：変調回路
１０：トレー
Ｃ：キャパシタンス
Ｉｄ：駆動電流
Ｌ：インダクタンス分
Ｑ１〜Ｑ４：ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）
Ｒ：抵抗分
Ｖ１：電源電圧

Claims (5)

1. 端部に近づくほど断面積が小さい軟磁性材料からなるコアにコイルを巻回してなるバーアンテナと、該バーアンテナと共振するキャパシタとでなることを特徴とする送信アンテナ。
2. 前記コアは、長さの異なるアモルファス金属板を積層してなる請求項１記載の送信アンテナ。
3. 前記コアは、長さの異なるナノ結晶金属板を積層してなる請求項１記載の送信アンテナ。
4. 前記コアは、フェライトからなる請求項１記載の送信アンテナ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の送信アンテナを備えたことを特徴とする送信装置。
   

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