JP2008312012A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩電流の発生を簡単に抑えることができるループアンテナを提供する。
【解決手段】不平衡型の同軸ケーブルを介して給電されるループアンテナ３０（コイルＬ）において、その電気的中点、つまりグランド点を、同軸ケーブルのアース電位（具体的に、外部導体）に接続する。同軸ケーブルの外部導体は、アース機能を有するように、何らかの経路を介して大地に接続される。このため、アンテナ３０のグランド点における電位は、大地におけるアース電位と同じ電位になる。よって、アンテナ３０→空間→アースという電流の経路が形成されなくなる。またこのため、アンテナ３０に人が近づいた場合でも、アンテナ３０→人間→アースという電流の経路は形成されなくなる。つまり、漏洩電流が発生しないようにすることができる。これによれば、外界に不要な電磁波を発したり、逆に不要な電磁波を受けたりすることもなくなり、また、人にとって安全である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ループアンテナに関するものである。

アンテナやフィーダ（給電線）は、導体が大地に対して電気的に平衡しているか否か、言い換えると、導体の形状が対称か否かによって、平衡型と不平衡型とに分類することができる。

アンテナのうち、ループアンテナは、導体（導線）のループ形状が大地に対して対称となっており、平衡型に分類される。
平衡型のループアンテナに、例えば不平衡型の同軸ケーブルを用いて給電する場合、注意が必要である。図４（ａ）に、ループアンテナに同軸ケーブルで直接給電した場合の電流の流れを示す。尚、図４（ｂ）は、図４（ａ）のループアンテナ１３０を別の表し方で記載した回路図である。

図４（ａ）に示すように、ループアンテナ１３０は、負荷１３２，１３３が平衡に接続された等価回路で表すことができる。
尚、ループアンテナ１３０は共振作用を持っており、図４（ｂ）のように、コイル及びコンデンサの等価回路で表すこともできる。また、ちなみに、図４（ｂ）において、マッチング回路とは、同軸ケーブルのインピーダンス（例えば５０オーム或いは７５オーム）と、ループアンテナのインピーダンス（例えば数百〜数ｋオーム）との整合をとるための回路である。

図４（ａ）において、ループアンテナ１３０における電圧源１３１は、そのループアンテナ１３０の共振作用により出現する電圧成分（アースに対する電圧成分）を表す。送信機１１０は、信号源となるものである。インピーダンス１４０は、アースと送信機１１０との間の何らかの導線、電灯線などのインピーダンスを表す。

送信機１１０を動作させたときにその送信機１１０から出る高周波電流Ｉは、同軸ケーブル１２０の内部導体１２１と外部導体１２２とを、大きさが等しく向きが逆の形で流れ、負荷であるループアンテナ１３０に至る。

次に、ループアンテナ１３０の共振作用により、そのループアンテナ１３０からアースに流れる高周波電流ｉが生じると共に、この高周波電流ｉは、アースから、インピーダンス１４０を介して送信機１１０に至り、更に同軸ケーブル１２０を通ってループアンテナ１３０に戻る経路を形成する。この高周波電流ｉは、漏洩電流とも呼ばれ、以下、そのように称する。また、ちなみに、漏洩電流は、見かけ上、絶縁物である空気を介して、ループアンテナ１３０からアースに流れることから、変位電流とも呼ばれる。尚、ループアンテナ１３０において、その電気的中点（負荷１３２及び１３３の間）がグランド点（電位がグランド電位（基準電位）となる点）とみなせるが、そのグランド点の電位と、図４（ａ）で「アース」と表したアース電位とにずれがあるため、ループアンテナ１３０におけるグランド点からアースに電流（漏洩電流）が流れると考えられる。

ここで、高周波電流Ｉは、同軸ケーブル１２０においてのみ流れると共に、前述のようにその同軸ケーブルの内部導体１２１と外部導体１２２とで大きさが等しく向きが逆のため、電磁波の影響は相殺される。つまり、同軸ケーブル１２０の外界には影響は及ばない。

一方、漏洩電流ｉは、外界に開いたループに沿って流れるため、外界において不要な電磁波を発生したり、また、受けたりする。また、同軸ケーブル１２０に流れる高周波電流Ｉに作用し、悪影響を及ぼす。

この漏洩電流ｉは、ループアンテナ１３０のような平衡型の回路に、同軸ケーブル１２０のような不平衡型の回路を接続した場合に生じることが従来より知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３６３３０号公報

漏洩電流ｉが生じ、不要な電磁波を発生したり受けたりする悪影響としては、周辺機器が誤動作したり、ＴＶＩやＡＭＰ−Ｉが生じたりすることが挙げられる。ＴＶＩとは、テレビ画面に縞が入ったりテレビ画面の色が無くなってしまったりする現象（ＴＶ受信妨害）のことであり、ＡＭＰ−Ｉとは、例えばステレオ、テープレコーダ等にノイズが混入する現象のことである。

さらに怖いことには、図４のインピーダンス１４０に漏洩電流ｉが流れると、その両端に電圧が発生し、これが感電の原因ともなり得る。
また、ループアンテナ１３０からの電波を受信する受信機（例えば、ＲＦＩＤタグ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を人が所持している場合、漏洩電流ｉは、その人の人体中を流れ、送信機１１０に戻ることになる。そして、この人体中を流れる漏洩電流ｉは、数ｍＡにも及ぶことが本願出願人の実験により明らかになっている。図５は、人体中を流れる漏洩電流ｉを測定するために本願出願人が行った実験を表す図面である。

図５において、送信機１１０、同軸ケーブル１２０、及びループアンテナ１３０は、図４と同様の構成のものである。被験者Ｂは、ループアンテナ１３０からの電波を受信するＲＦＩＤタグ１５０を所持し、いすＣの上に乗っている。被験者Ｂの足先と大地との間には、電流計１７０を接続する。尚、電流計１７０は、直流電流対応のものである。そして、ダイオード１６０は、その電流計１７０により高周波電流を検出できるように設けたものである。これにより、被験者Ｂの足先から大地に流れる電流（漏洩電流ｉ）の大きさが電流計１７０により測定できる。そして、本願出願人の実験によれば、被験者ＢがＲＦＩＤタグ１５０をループアンテナ１３０に近づけて電波を受信した際、電流計１７０は、数ｍＡの値を示した。

このように、被験者Ｂにおいて数ｍＡにも及ぶ漏洩電流ｉが流れるために、被験者Ｂが気分を悪くしてしまうおそれがある。また、被験者Ｂが例えばペースメーカを装着しているような人の場合には、そのペースメーカの誤動作を引き起こし、重大な事故を招くおそれもある。さらに、ペースメーカの電極（被絶縁物）と人体（絶縁物）との間に起電力が生じるという現象も起こり得る。

ここで、漏洩電流ｉを低減するために、同軸ケーブル１２０とループアンテナ１３０との間に、平衡不平衡変換回路（バラン：Ｂａｌａｎｃｅ ｔｏ ｕｎｂａｌａｎｃｅ）を接続する方法も考えられる（例えば、特許文献１参照）。バランには様々な種類があるが、不平衡型の入力を平衡型の出力に変換する（或いは、その逆を実現する）機能を有する。

しかし、バランを用いると、部品点数が増加してしまい、そのため組み立て工数も増加する。また、バランを接続して漏洩電流ｉを無くすには、非常にシビアな調整が必要であると共に、同軸ケーブル１２０の長さを特定の長さにしないと効果が得られないなど、量産性・汎用性に欠けるものとなる。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、漏洩電流の発生を簡単に抑えることができるループアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、ループ状に形成された導体を有するループアンテナであって、導体の電気的中点における電位が、大地におけるアース電位と同じ電位になるように構成されていることを特徴とするループアンテナである。

ループアンテナ（ループ状に形成された導体）の電気的中点が、ループアンテナにおけるグランド点（電位がグランド電位（基準電位）となる点）とみなすことができることは、よく知られている。また、ループアンテナは、電波の出入り口として空間と結合しており、無限遠点のアースと接続されている、と考えることができる。そして、ループアンテナ（導体）のグランド点における電位と、アース電位とにずれがあると、そのグランド点からアースに電流が流れる（漏洩電流が生じる）可能性があるが、請求項１のループアンテナでは、ループアンテナ（導体）の電気的中点、つまりグランド点が、大地と同じアース電位になるように構成されているため、グランド点とアースとに電位の差は生じない。このため、漏洩電流の発生を抑えることができる。

具体的に、ループアンテナ→アース→そのループアンテナに給電するための送信機（高周波電源）或いはフィーダ（例えば同軸ケーブル）、というような電流の還流経路が形成されないようにすることができる。

これによれば、漏洩電流が生じることによる様々な悪影響（周辺機器の誤動作、ＴＶＩ・ＡＭＰ−Ｉの発生等）を抑えることができる。
また、特に、ループアンテナからの電波を受信する受信機を人が所持している場合において、ループアンテナ→受信機→人体→アース→送信機・フィーダという電流の還流経路が形成されることを防止することができる。つまり、人体中に漏洩電流が流れることを防止することができる。したがって、人体に悪影響を及ぼすことを防止したり、人体に装着された例えばペースメーカ等の誤動作を防止したりすることができる。

他には、漏洩電流が生じることを抑えることができることから、ひいては不要な電磁波を発したり、また、受けたりすることがない。つまり、ノイズを発生したり、受けたりすることがない。このため、より少ない電力で、通信距離をより稼ぐことが可能なループアンテナを提供できる。

そして、請求項１のループアンテナでは、具体的に、請求項２のように構成すれば良い。
請求項２のループアンテナは、請求項１のループアンテナにおいて、電気的中点は、導体において、その導体の経路長を２等分するところであることを特徴としている。

導体のうち、導体の経路長が２等分されるところ（以下、２等分点と記載する）から導体の両端の一方までの部分と、その２等分点から導体の両端の他方までの部分と、のそれぞれのインピーダンスは等しくなる。つまり、２等分点は電気的な中点と言える。このため、請求項２のように構成すれば、確実に、導体の電気的中点が大地と同じアース電位となって、請求項１の効果を確実に得られるようになる。

次に、請求項１，２のループアンテナでは、請求項３のように構成するとより実用的である。
請求項３のループアンテナは、請求項１，２のループアンテナにおいて、該ループアンテナは、導体に、同軸ケーブルを介して給電されて使用されるループアンテナであり、導体の電気的中点が、同軸ケーブルの外部導体と接続されるようになっていることを特徴としている。

同軸ケーブルの外部導体は、内部導体を伝わる電波（信号）を外部に漏らさない、或いは外部からの信号を内部導体に侵入させない機能、いわゆるアース機能を実現する。つまり、同軸ケーブルの外部導体は、何らかの経路を介して大地（アース）に接続されている。このため、導体の電気的中点を同軸ケーブルの外部導体に接続することで、その導体の電気的中点における電位が、大地のアース電位と同じ電位になる。このため、請求項１のような効果を得ることができるようになる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明のループアンテナが用いられた非接触自動改札システム１の概略図である。

図１のシステム１において、自動改札機２には、本発明のループアンテナ３０が組み込まれている。また、自動改札機２には、ループアンテナ３０に給電する信号源としての送信機１０が組み込まれていると共に、その送信機１０から、給電線（例えば同軸ケーブル）２０を介して、ループアンテナ３０に給電される（無線信号として送信すべき信号が供給される）。ループアンテナ３０は、送信機１０から同軸ケーブル２０を介して給電されて（信号の供給を受けて）、所定の周波数の電波を放射する。

システム１の利用者Ａが、所定の情報（例えば定期券としての情報や、チャージされている料金の情報）が書き込まれたＲＦＩＤタグ（ＲＦＩＤ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）５０を、自動改札機２のループアンテナ３０に近づけると、そのＲＦＩＤタグ５０がループアンテナ３０からの電波を受信すると共に、その電波を受信することにより生じる起電力（誘導電力）により駆動して、その記憶されている所定の情報を返信する。自動改札機２側では、ＲＦＩＤタグ５０から返信された情報の内容が適切か否か（例えば、定期券の有効期限内か否か、或いは、チャージされている料金は充分か否か）を検査すると共に、例えば精算に必要な情報（例えば乗車駅の情報）や、或いは精算後の残金の情報等をループアンテナ３０を介してＲＦＩＤタグ５０に送信して、その情報がそのＲＦＩＤタグ５０に書き込まれるようにする。尚、図示しないが、上記のような検査をしたり、送信機１０を制御したりする制御装置が、自動改札機２の中に組み込まれている。

このようにして、システム１によれば、ＲＦＩＤタグ５０と自動改札機２側とが非接触で通信を行って、簡易に料金の精算等をできるようにしている。
次に、図２は、本実施形態のループアンテナ３０の具体的構成を表す図面である。尚、ループアンテナ３０は、プリント基板として構成しても良い。

図２に示すように、ループアンテナ３０は、絶縁板３１上に、アンテナ素子としての導体３２がループ状に形成されてなるものである。
そして、導体３２の両端のうち、ループ形状の外側に位置する一端に給電点３２ａが設けられ、また、その導体３２上において導体３２の経路長をおおよそ２等分する点に給電点３２ｃが設けられている。この給電点３２ｃが設けられた点、つまり、導体３２の経路長をおおよそ２等分する点は、導体３２の電気的中間点である。具体的に、その給電点３２ｃから各両端３２ａ、３２ｂまでの各道のりが等しくなり、その給電点３２ｃ〜一端（給電点）３２ａの部分のインピーダンス、及び給電点３２ｃ〜一端３２ｂまでの部分のインピーダンスがおおよそ等しくなる点である。

そして、その給電点３２ａ，３２ｃは、同軸ケーブル２０と接続される。より詳しくは、同軸ケーブル２０の内部導体２１と給電点３２ａとが接続され、同軸ケーブル２０の外部導体２２と給電点３２ｃとが接続される。つまり、給電点３２ｃは、同軸ケーブル２０のアース電位に接続される。尚、同軸ケーブル２０の外部導体２２は、内部導体２１を伝わる電波（信号）を外部に漏らさない、或いは外部からの信号を内部導体２１に侵入させない機能、いわゆるアース機能を実現するものであり、何らかの経路を介して大地（アース）に接続されている。

また、導体３２の各一端の３２ａと３２ｂとの間には、ループアンテナ３０の共振周波数を決定するためのコンデンサ３３が接続されている。このコンデンサ３３は、可変容量コンデンサであっても良い。

ところで、図２では図示していないが、同軸ケーブル２０のインピーダンス（例えば５０オーム或いは７５オーム）と、ループアンテナ３０（導体３２）のインピーダンス（例えば数百〜数ｋオーム）との整合をとるマッチング回路が、同軸ケーブル２０と導体３２との間に接続される。この点については図３で後述する。

図３は、図２の構成を回路図で表したものである。
ループアンテナ３０は、共振作用を有しており、図３に示すように、コイルＬとコンデンサＣとの等価回路で表すことができる。

また、図３においては、前述のマッチング回路も記載している。マッチング回路は、図３にも示すように、３つコンデンサから構成される。
そして、ループアンテナ３０のコイルの一端は同軸ケーブル２０の内部導体２１と接続され、ループアンテナ３０のコイルの電気的中点（物理的中点）は、同軸ケーブル２０の外部導体２２（つまり、アース電位）に接続される。

このような本実施形態のループアンテナ３０によれば、ループアンテナ３０（導体３２）の電気的中点、つまりループアンテナ３０（導体３２）のグランド点が、同軸ケーブル２０の外部導体２２、つまり大地のアース電位と同じ電位に接続されるため、ループアンテナ３０（導体３２）のグランド点における電位と、大地のアース電位とが等しくなる。このため、ループアンテナ３０（導体３２）から、直接、アースに電流が流れることを防止することができる。したがって、利用者ＡがＲＦＩＤタグ５０をループアンテナ３０に近づけたときに、そのループアンテナ３０から、ＲＦＩＤタグ５０、及び利用者Ａを介して、アースに電流が流れてしまうことを防止することができる。つまり、利用者Ａの人体中に電流が流れないようにすることができる。

これによれば、利用者Ａに悪影響を及ぼしたり、その利用者Ａがペースメーカを装着しているような場合においてそのペースメーカの誤動作を引き起こしたりすることがない。また、ペースメーカを装着している人の人体中に電流が流れると、そのペースメーカの電極と人体中との間に起電力が生じるおそれもあるが、本実施形態のループアンテナ３０では、そもそも人体中に電流が還流しないようにすることができるため、そのようなおそれがない。つまり、利用者Ａにとって安全な非接触自動改札システム１を提供することができる。

また、ループアンテナ３０→アース→送信機１０→同軸ケーブル２０、という電流の還流経路が形成されないようにすることができるため、言い換えると、漏洩電流が生じることを抑えることができるため、不要な電磁波を発生したり受けたりすることが無くなる。このため、ノイズを発生することで周囲の機器に悪影響を及ぼしたりすることがない。また、ノイズを拾うことで受信感度が著しく劣化しまうことを防止することができる。例えば、受信レベルを上げるためには送信出力を上げればよいが、そのようなことをする必要がなくなる。つまり、より少ない電力で、より遠くへ無線信号を送信できるようになる。このため、自動改札機２の送信出力を抑えることができるようになって、安全性が向上する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。
例えば、上記実施形態のループアンテナを、店舗における盗難防止ゲートに用いても良い。盗難防止ゲートは、例えばレンタルＣＤショップ等で用いられていることが良く知られている。盗難防止ゲートは、具体的に、周辺に電波を送出すると共に、その盗難防止ゲートを通過する商品（人が所持する商品）に付されたタグの情報を読み取り、未精算であることが検出されると、その旨をブザー等で周囲に報知するものである。このような盗難防止ゲートに上記実施形態のループアンテナを用いれば、上記実施形態と同じ効果を得ることができる。具体的に、商品を所持する人に漏洩電流が流れてしまうことを防止することができる。また、ノイズを発生したりノイズを拾ったりすることがないため、商品のタグの情報をより確実に検出できる。また、盗難防止ゲートの送信出力を抑えることができるようになって、安全性が向上する。

また、上記実施形態のループアンテナを、例えば、物流倉庫や販売店における在庫管理のためのＲＦＩＤシステムに用いても良い。
また、官公庁や企業、テーマパーク等における入退場の管理のためのＲＦＩＤシステムに用いても良い。

以上のように、本実施形態のループアンテナは、どのような場面においても使用することができると共に、そのどのような場面においても、上述したような優れた効果を得ることができる。

本実施形態のループアンテナが使用される非接触自動改札システムの概略図である。 本実施形態のループアンテナの構成を表す図である。 本実施形態のループアンテナの回路図である。 従来のループアンテナを説明する図である。 漏洩電流を測定するために本願出願人が行った実験の概略図である。

符号の説明

１…非接触自動改札システム
２…自動改札機
１０…送信機
２０…同軸ケーブル
２１…内部導体
２２…外部導体
３０…ループアンテナ
３２…導体
３３…コンデンサ
５０…ＲＦＩＤタグ
１１０…送信機
１２０…同軸ケーブル
１２１…内部導体
１２２…外部導体
１３０…ループアンテナ
１３１…電圧源
１３２、１３３…負荷

Claims (3)

1. ループ状に形成された導体を有するループアンテナであって、
   前記導体の電気的中点における電位が、大地におけるアース電位と同じ電位になるように構成されていることを特徴とするループアンテナ。
2. 請求項１に記載のループアンテナにおいて、
   前記電気的中点は、前記導体において、その導体の経路長を２等分するところであることを特徴とするループアンテナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のループアンテナにおいて、
   該ループアンテナは、前記導体に、同軸ケーブルを介して給電されて使用されるループアンテナであり、
   前記導体の電気的中点が、同軸ケーブルの外部導体と接続されるようになっていることを特徴とするループアンテナ。

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