JP2009218666A - 無指向性バーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】バーアンテナは、電波の波長とは直接関係無く形状を小型にできるが指向性があり、コア（巻線）と垂直な方向からの電波は受信しにくい。
したがって、キーレスエントリーなど全方位の感度を必要とするアプリケーションでは、図１４に示すように、すべての方向の感度を得られるように３つのバーアンテナを互いに直交するように配置しなければならず、その結果、基板上に大きなスペースを占有する、あるいは薄型にできないといった問題があった。
【解決手段】
上記の目的を達成するため、棒状のコアにコイルが巻回されたバーアンテナにおいて、複数の棒状コアからなる第１のコアと、第１のコアをつづら折り状に接続する第２のコアからなり、該第１のコアは平行かつ一本おきに互いに捩れて配置し、第１のコアにコイルを巻回されたことを特徴とするバーアンテナとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無指向性バーアンテナに関するものである。

従来よりＡＭラジオや電波時計のアンテナには、電波の波長とは直接関係無く形状を小型にできることから、例えば図１３に示すような棒状コア１に絶縁皮膜電線３を巻回したバーアンテナが使われてきた。最近では自動車のキーレスエントリーやイモビライザでもＬＦ帯のアンテナとしてこのバーアンテナが利用されている。また牧畜などでもＲＦタグという名称でこのバーアンテナが使われることもある。

バーアンテナは、指向性がありコア（巻線）の軸方向からの電波は受信しにくい。
したがって、キーレスエントリーなど全方位の感度を必要とするアプリケーションでは、図１４に示すように、すべての方向の感度を得られるように３つのバーアンテナを互いに直交するように配置しなければならず、その結果、基板上に大きなスペースを占有する、あるいは薄型にできないといった問題があった。
また各々のアンテナは個別に同調を取るために、アンテナごとに同調用コンデンサとアンプとそれらのアンテナを切り替える受信選択回路が必要であり、同調周波数が異ならないように精度の高い部品を使用するか、あるいは同調周波数を調整する必要があった。
上記問題を解決するため、たとえば特許文献２の発明が提案されているが、コイルを直列接続した場合、外部磁束により磁束が発生するのは一軸方向のコアだけなので、他のコイルは負荷として働くため受信感度が低いという問題があった。

本発明は、アンテナを個別に同調を取る必要がなく、追加部品点数の少ない、全方位に感度を持った薄型なバーアンテナを提供することを目的とする。

特開２００３−９２５０９ 特開２００２−２１７６３５

上記の目的を達成するため、棒状のコアにコイルが巻回されたバーアンテナにおいて、複数の棒状コアからなる第１のコアと、第１のコアをつづら折り状に接続する第２のコアからなり、該第１のコアは平行かつ一本おきに互いに捩れて配置し、第１のコアにコイルを巻回されたことを特徴とするバーアンテナとする。

前記第２のコアは、磁性体を樹脂に混合して磁性を持たせた磁性接着剤であってもよく、前記コイルは磁束の方向が一致するように複数の第１のコアに巻回されても、第１のコアの隣合うそれぞれの間を順次通り該コアの表裏を交互に渡って波状に巻回されてもよく、前記第１のコアは、一本おきの両側にギャップを具備しても、一本おきに透磁率，断面積が違ってもよい。

本発明によれば、アンテナを個別に同調を取る必要がない、全方位に感度を持った薄型なバーアンテナとすることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るバーアンテナの斜視図である。
図１に示すように、本発明のバーアンテナは、複数の棒状のコアからなる第１のコア１と、該棒状のコアをつづら折り状に接続する複数の第２のコア２とコイル３とからなる。
図２はコアの配置を示す説明図である。それぞれ直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、図２（ａ)はＸＹ平面、図２（ｂ）はＸＺ平面の図である。図２（ｃ）はコイルの巻線の状態を示す平面図である。
（１）隣合う第１のコア１ａと１ｂは、ＸＹ平面ではＸ軸に平行に配置され、第１のコア１ａはＸＺ平面において左に捩れて、第１のコア１ｂは右に捩れて配置される。
（２）第２のコア２ａは、第１のコア１ａの一方の端面と直接固定し、第１のコア１ｂの一方の端面にギャップｇを介して配置される。
（３）第１のコア１ｂと隣合う第１のコア１ｃは、第一のコア１ａと同様にＸＹ平面ではＸ軸に平行に配置され、ＸＺ平面において左に捩れて配置される。
（４）第２のコア２ｂは、第１のコア１ｂの他方の端面とギャップｇを介して配置され、第１のコア１ｃの他方の端面に直接固定される。
（５）第１のコア１ｃと隣合う第１のコア１ｄは、第１のコア１ｂと同様にＸＹ平面ではＸ軸に平行に配置され、ＸＺ平面において右に捩れて配置される。
（６）第２のコア２ｃは、第２のコア２ａと同様に、第一のコア１ｃの一方の端面と直接固定し、第１のコア１ｄの一方の端面にギャップｇを介して配置される。

このように、第２のコア２ｂと第１のコア１ｃおよび第２のコア２ｃと第１のコア１ｄが繰り返して配置され、全体としてつづら折り状に配置されたコアとなる。
すなわち第１のコア１ａと１ｃ、１ｂと１ｄは平行で、捩れた状態で配置されている。
そして、このつづら折り状に配置された複数の第１のコアに磁束の方向が一致するようにそれぞれコイルが巻回されている。すなわち、図２（ｃ）に示すように、コイル３は隣合う第１のコア１同士で巻線軸方向を互いに逆向きにし、巻線軸に巻回する方向も逆回転となるように巻線する。

文献によれば一般的に、実効長ｌ_ｅ，実効断面積Ｓ_ｅ，透磁率μのコアの磁気抵抗Ｒ_ｍは、Ｒ_ｍ=ｌ_ｅ／（μＳ_ｅ）で表され、透磁率に反比例する。また、磁束は磁気抵抗の小さい側に選択的に向かう性質がある。
また、２つの磁性体（磁性体１と磁性体２）の境界面において、それぞれの比透磁率をμ_１，μ_２とし境界面の法線と磁性体１の磁束の方向がなす角（入射角）をθ_１、同じく法線と磁性体２の磁束の方向がなす角(屈折角)をθ_２とすると、ｔａｎθ_１／ｔａｎθ_２=μ_１／μ_２となり、磁性体１から磁性体２に磁束が進むとき、磁性体１に対して比磁性体２の透磁率が大きいと屈折角は入射角より大きくなり（θ_２＞θ_１）、逆に磁性体１に対して磁性体２の比透磁率が小さいと屈折角は入射角より小さくなる（θ_２＜θ_１）。なお空気は比透磁率＝１の磁性体と考えるということが知られている。なお文献は、「電磁気学」，著者 奥澤隆志，出版社 近代科学社，１９９３年発行のものを参照した。

以下、図１に示した第１の実施形態におけるＸ，Ｙ，Ｚ各方向からの磁界に対する働きを図３を用いて説明する。図３（ａ）は、Ｘ方向からの磁界を説明する図であり、図３（ｂ）はＹ方向からの磁界を説明する図であり、図３（ｃ）はＺ方向からの磁界を説明する図である。図３においてコアの中の矢印は磁束の向きと大きさを表す。

図３（ａ）に示すようにＸ方向からの磁界の場合、
第１のコア１ａと第２のコア２ａからなるコア（１ａ＋２ａ）と、
第１のコア１ｂと、
第２のコア２ｂと第１のコア１ｃと第２のコア２ｃからなるコア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）と、
第１のコア１ｆ
の４つの部分に分けて考える。
コア（１ａ＋２ａ）において、コア１ａの一方の端面６ａから受ける磁界による磁束により、コア１ａの磁束の向きはＸ方向となる。
コア１ｂにおいて、コア２ｂの一方の側面６ｂから受ける磁界による磁束はギャップｇ２による磁気抵抗のためにほとんどがコア１ｃに向かい、コア２ｂからコア１ｂへの磁束は少ない。したがって、コア（１ａ＋２ａ）からギャップｇ１を介してコア１ｂへ向かう磁束により、コア１ｂの磁束の向きは−Ｘ方向となる。
コア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）において、コア２ｂの一方の側面６ｂから受ける磁界による磁束はギャップｇ２による磁気抵抗のためにほとんどがコア１ｃに向かう。したがって、コア１ｃの磁束はＸ方向となる。
コア１ｆにおいて、コア２ｅからコア１ｆへの−Ｘ方向の磁束は、コア１ｆの一方の端面６ｃから受ける磁界によるＸ方向の磁束により、ほぼ打ち消される。
以上より、全体としてＸ方向の磁界に感度が得られる。

図３（ｂ）に示すようにＹ方向からの磁界の場合、
第２のコア２ａと第１のコア１ａからなるコア（１ａ＋２ａ）と、
第１のコア１ｂと、
第２のコア２ｂと第１のコア１ｃと第２のコア２ｃからなるコア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）と、
第１のコア１ｆ
の４つの部分に分けて考える。
コア（１ａ＋２ａ）において、コア２ａは一方の端面７ａからの磁界によりＹ方向の磁束が得られるのと、コア１ｂからＹ方向の磁束が得られるので、コア１ａの磁束はＸ方向となる。
コア１ｂにおいて、コア２ａは一方の端面７ａからの磁界による磁束と、コア２ｂは一方の端面７ｂからの磁界による磁束により、Ｙ方向に磁束が得られるので、コア１ｂの磁束は−Ｘ方向となる。
コア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）において、コア２ｂは一方の端面７ｂからの磁界によるＹ方向の磁束と、コア２ｃは一方の端面７ｃからの磁界によるＹ方向の磁束が得られ、さらにコア１ｄからコア２ｃにＹ方向の磁束が得られるので、コア１ｃの磁束はＸ方向となる。
コア１ｆにおいて、コア２ｅは一方の端面７ｅからの磁界によりＹ方向の磁束が得られるので、コア１ｆの磁束は−Ｘ方向となる。
以上より、全体としてＹ方向の磁界に感度が得られる。

図３（ｃ）に示すようにＺ方向からの磁界の場合、
ＸＺ平面において正の傾きを持つコア１ｅと、
ＸＺ平面において負の傾きを持つコア１ｆ
の２つの部分に分けて考える。
磁性体に入射する磁束の方向は磁性体面の入射角に対して屈折角が大きくなる方向になるので、コア１ｆの磁束はＸ方向となり、コア１ｅの磁束は−Ｘ方向となり、全体としてＺ方向の磁界に感度が得られる。

以上の説明のように、Ｘ，Ｙ，Ｚの全ての方向に感度が得られ、また任意の一軸の磁界に対してつづら折りの各段すべてに磁束が得られるため、コイルを直列接続することによる受信感度の低下はない。

図４は、第１の実施例に係るコア構造の変形例を示す説明図である。第１のコアの一段おきに設けた第１のコアと第２のコアとのギャップは空気である必要はなく、磁気特性が不連続であればよい。図４に示すようにギャップ部分ｇに磁性樹脂など比透磁率の小さい物質を詰めれば、その比透磁率により感度の調整ができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係るコアの構造を示す。
Ｘ方向からの磁界の感度は、ギャップを設ける代わりに、第１のコアの透磁率を一本おきに変えることでも得られる。
図５において第１のコア１ａの透磁率は、第１のコア１ｂの透磁率より大きくなっている。
以下、第２の実施形態についてバーアンテナのＸ方向からの磁界に対する働きを図６（ａ）を用いて説明する。Ｙ，Ｚ方向からの磁界に対する働きは、第１の実施例と同じである。

図６（ａ）に示すようにＸ方向からの磁界の場合、
つづら折り状のコアは、
第１のコア１ａと第２のコア２ａからなるコア（１ａ＋２ａ）と、
第１のコア１ｂと、
第２のコア２ｂと第１のコア１ｃと第２のコア２ｃからなるコア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）と、
第１のコア１ｆ
の４つの部分に分けられる。
コア（１ａ＋２ａ）において、コア１ａの一方の端面６ａから受ける磁界による磁束により、コア１ａの磁束の向きはＸ方向となる。
コア１ｂにおいて、コア２ｂの一方の側面６ｂから受ける磁界による磁束はコア１ｂとコア１ｃで、より透磁率の高いコア１ｃに向かい、コア２ｂからコア１ｂへの磁束は少ない。したがって、コア（１ａ＋２ａ）からコア１ｂへの磁束は減らされるが、コア１ｂの磁束の向きは−Ｘ方向となる。
コア（２ｂ＋１ｃ＋２ｃ）において、コア２ｂの一方の側面６ｂから受ける磁界による磁束はコア１ｂとコア１ｃで、より透磁率の高いコア１ｃに向かう。したがって、コア１ｃの磁束はＸ方向となる。
コア１ｆにおいて、コア２ｅからコア１ｆへの−Ｘ方向の磁束は、コア１ｆの一方の端面６ｃからの磁界によるＸ方向の磁束により、ほぼ打ち消される。
以上より、全体としてＸ方向の磁界に感度が得られる。

ここで、第１のコアの、透磁率の変化による磁気抵抗の変化は、コアの断面積を変えることであってもよく、第１のコア１ａと第１のコア１ｂの接続は、第２のコアではなく磁性体樹脂による接着でもよい。図７は本発明の第２の実施例に係るコアの変形例を示す。図７においての第１のコア１ａと第１のコア１ｂは側面が磁性接着材２０で接続されている。

上記で述べた、つづら折り状のバーアンテナの作製は、巻線の機械化が困難であり、量産しにくい。各段を別々に巻回して最後に組み立てを行えば量産性は向上するが、各巻線の端末処理が面倒である。
そこでコイルを第１のコアの各段毎に巻回をせず、図８に示すように、第１のコア１ａからの電線は隣合う第１のコアを表裏に順次縫って第１のコア１ｆまで波状に巻回されて前列の巻線３ａとなり、第１のコア１ｆで方向を変えて前列の巻線の上に前列巻線３ａとは互い違いに第１のコアの間を縫って通るよう当列の巻線３ｂを波状に巻回することを繰り返して、第１のコアを織り込むように一本の電線で巻回する。これにより隣合う第１のコア間で巻回の向きは逆向きとなり、つづら折りの各段の磁束の方向に自動的に一致する。

以下、従来の巻線と折り込み巻線について図９を用いて詳細に説明する。
図９（ａ）は、各々段ごとに巻線して接続したバーアンテナの等価回路であり、図９（ｂ）は織り込み巻線のバーアンテナの等価回路である。簡単のため、各コアの比透磁率は等しく巻数は各々２ターンとする。ここでＬは１／２ターンのインダクタンスである。

図９（ａ）に示す各コアごとに巻線したコイルの場合、コア内の結合係数をｋ_０、コア間の結合係数は隣合うコアの結合係数ｋ_１のみとすると、
つづら折りの両端のコイルのインダクタンスＬ_ｅは、
Ｌ_ｅ＝（４＋１２ｋ_０＋１６ｋ_１）×Ｌであり、
つづら折りの内側のコイルのインダクタンスＬ_ｍは、
Ｌ_ｍ＝（４＋１２ｋ_０＋３１ｋ_１)×Ｌであり、したがってインダクタンスＬ_{ｓｅｒｉｅｓ}は、
Ｌ_{ｓｅｒｉｓｅ}＝２Ｌ_ｅ+４Ｌ_ｍ＝（２４＋７２ｋ_０＋１６０ｋ_１）×Ｌである。
一方、図９（ｂ）に示す織り込み巻線したコイルの場合は、１層のインダクタンスをＬ_Ｒとすると、
Ｌ_Ｒ＝（６＋１８ｋ_０+１０ｋ_１＋６ｋ_１＋２４ｋ_１）×Ｌである。
したがって、全体のインダクタンスＬ_{ｆａｂｒｉｃ}は、
Ｌ_{ｆａｂｒｉｃ}＝４×Ｌ_Ｒ＝（２４＋７２ｋ_０＋１６０ｋ_１)である。

以上より、各コアごとに巻線を行って接続したコイルと織り込み巻線したコイルはインダクタンスが等しく、バーアンテナの感度はその磁気構造とインダクタンスにより決定されるので、両バーアンテナは全く等価となる。

次に織り込み巻線の作製手順について説明する。
図１０に示すように、まず第１のコア１を治具などを利用して整列し、次に１層目の巻線３ａを織物のようにコアの間を縫うようにして巻回する（図１０（ａ））。
つづいて電線をそのまま折り返して２層目３ｂも同様に巻回する（図１０（ｂ））。これを繰り返してコアに巻線を施し（図１０（ｃ））、最後に第１のコアに第２のコア２を接着（図１０（ｄ））して組み立てが完了する。
巻回には、例えば先端を輪にした針金９などを使用すればよい。

図１１は、第１の実施形態によるバーアンテナの一実施例を示す。図１１において、第１のコア１の巻線部分の直径１．２ｍｍであり、隣合う第１のコアの中心線８ｅと８ｆのなす角ｄは６°であり、コイルは、長さｙ＝８．７ｍｍ、幅ｘ＝９ｍｍの５回つづら折りのコア（μ_ｒ）＝２４００）に、磁束の方向が一致するように第１のコアの各段に３６ターン、合計２１６ターン巻回されている。
上記アンテナを、１２５ｋＨｚで共振するように並列にキャパシタを接続し、ヘルムホルツコイルなどで磁束密度の最大値１μＴの交番磁界をＸ，Ｙ，Ｚ各々の方向に与えると、コイルには与えた磁束密度に応じた誘導起電力が発生する。
このときのＸ，Ｙ，Ｚ各方向の起電力は表１のようであり、すべての方向の起電力がほぼ同程度の比率で得られ、全方向に感度があった。

比較のために、前記実施例のコアをつづら折りにしないで、長さ５４ｍｍの１本のコアとして２１６ターンの巻回を施したアンテナの場合は、表２のように非常に大きな起電力がＸ方向だけ発生した。
受信機の入力レベルをＸ方向に合わせると、その他の方向の起電力が検知できなくなるので、このアンテナは一方向しか感度がなく、したがって全方向で感度を得るには別々に３個のコイルを使う必要がある。

図１２は、第２の実施形態によるバーアンテナの一実施例を示す。図１２において、第１のコア１の巻線部分の直径１．２ｍｍであり、隣合う第１のコアの中心線８ｅと８ｆのなす角ｄは６°であり、コイルは、長さＹ＝８．７ｍｍ、幅ｘ＝８ｍｍの５回つづら折りのコアに、磁束の方向が一致するように第１のコアの各段に３６ターン、合計２１６ターン巻回されている。ここで、第１のコア１ｅの比透磁率（μ_ｒ）は２４００であり、第１のコア１ｆの比透磁率は２００、第１のコアと第２のコア２の接続部分の比透磁率は１０である。
上記アンテナを、前記実施例と同様の条件としたときのＸ，Ｙ，Ｚ各方向の起電力は表３のようであり、すべての方向の起電力がほぼ同程度の比率で得られ、全方向に感度があった。

本発明のバーアンテナの第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明のコアの構成を説明する図である。 第１の実施形体のＸ，Ｙ，Ｚの各方向の磁界に対する働きの説明図である。 第１の実施形態のコアの変形例を示す図である。 第２の実施形態のコアの示す図である。 第２の実施形態のＸ，Ｙ，Ｚの各方向の磁界に対する働きの説明図である。 第２の実施形態のコアの変形例を示す図である。 第三の実施形態の巻線構造を示す断面図である。 第三の実施形態と従来の巻線に関する説明図である。 第三の実施形態の製造方法を示す図である。 第１の実施形態の一実施例を示す図である。 第２の実施形態の一実施例を示す図である 従来のバーアンテナを示す図である。 従来のバーアンテナにより全方位の感度を得る例を示す図である。

符号の説明

１,１ａ〜１ｆ 第１のコア
２,２ａ〜２ｅ 第２のコア
３ コイル
５ 磁性樹脂
２０ 磁性接着剤
ｇ，ｇ１〜ｇ３，ｇ５ ギャップ

Claims (7)

1. 棒状のコアにコイルが巻回されたバーアンテナにおいて、
   複数の棒状コアからなる第１のコアと、第１のコアをつづら折り状に接続する第２のコアからなり、該第１のコアは平行かつ一本おきに互いに捩れて配置し、第１のコアにコイルを巻回したことを特徴とするバーアンテナ。
2. 前記第２のコアは、磁性接着剤からなることを特徴とする請求項１に記載のバーアンテナ。
3. 前記第１のコアと第２のコアの接続部は、第１のコアの一本おきの両端にギャップを具備することを特徴とする請求項１または２に記載のバーアンテナ。
4. 前記第１のコアは、一本おきに透磁率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載のバーアンテナ。
5. 前記第１のコアは、一本おきに断面積が異なることを特徴とする請求項１または２に記載のバーアンテナ。
6. 前記コイルは、磁束の方向が一致するように複数の第１のコアに巻回されることを特徴とする請求項１から５に記載のバーアンテナ。
7. 前記コイルは、それぞれ隣合う第１のコアの間を順次通り、該コアの表裏を交互に渡って波状に巻回されたことを特徴とする請求項１から５に記載のバーアンテナ。

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