JP2012216996A - アンテナ用コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの巻き線数を増やすことなく所定の周波数帯域で高いインピーダンスを得、これによりオルタネータノイズにより発生するＲＦコイル自体の異音を抑制可能なアンテナ用コイル装置を提供する。
【解決手段】巻線コイル１１を、２ターン以下で巻かれる密巻き部位１１ａと、疎巻き部位１１ｂ、１１ｃで構成し、密巻き部位１１ａと疎巻き部位１１ｂ、１１ｃとの間隔を、巻線コイル１１の内径の１／２以上とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に、自動車用ガラスアンテナに使用して好適な、アンテナ用コイル装置に関する。

アンテナ用コイル装置は、フェライトコアにコイルを巻き、コイルの巻き始めと巻き終わりのコイル端子を金属板面に接触させたものである。このコイル端子は、自動車の主にリア窓ガラスに設置されているデフォッガーに電流を供給する端子である。ここで供給される電流値として、最大で２０〜３０［Ａ］程度が要求されている。また、デフォッガーと同じ面上の窓ガラスに設置されているガラスアンテナ（銀などのプリント）や、デフォッガー自体をアンテナとして使用する場合に、アンテナ性能を阻害する成分を除去する働きを持っている。

アンテナがデフォッガーに流入する電流の影響を受けないようにするために、上記した端子は、アンテナの周波数帯域においてインピーダンスが高くなるように設計されている。これを実現するために、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示されるチョークコイル１００は、コイル１０２と筐体１０３、および端子１０４、１０５から構成されており、コイル１０２のインダクタンスとコイル１０２自体の浮遊容量、筐体１０３および端子１０４、１０５の静電容量により、アンテナの周波数帯において４００［Ω］以上のインピーダンスが十分高い状態に設計されている。この技術は、特許文献１に開示されている。

例えば、７６〜１０８［ＭＨｚ］のＦＭラジオ周波数帯の場合、４００［Ω］以上の高いインピーダンスを得るために、コイルのインダクタンスを大きくする必要があり、このために従来、コイルの巻き数を多くする必要があった。コイルの巻き線が増えることで直流抵抗が増すため、発熱を考慮すると流せる電流が少なくなる。また、コイルの材料が増えるためにコストが増し、重量が増え、形状が大きくなり、設置面積（体積）が大きくなってしまう。

また、コイルの巻き数が増えることにより、オルタネータノイズ（オルタネータ（交流発電機）で発電された電流のうち整流しきれていないリップル成分（交流成分）のことをいう）に起因するエネルギーが増大するため、コイル、コアの振動による異音が発生しやすくなる。この現象は、エアコン、照明、ラジオ等のオーディオを同時に使用するような過負荷状態でデフォッガーを使用している時や、バッテリーそのものが弱っている状態でデフォッガーを使用する場合に発生する。

このため、例えば、図６に示されるアンテナ用コイル装置２００のように、巻き線コイル２１６および磁性コア２１７を樹脂２２４で固めることで振動を抑制するか、可聴周波数をずらす等の対策が必要であった。この技術は特許文献２に開示されている。

具体的に、インピーダンスのピーク周波数（共振周波数ｆｐ）は、コイル端子のコイルのインダクタンス（Ｌ）と、コイル端子を形成する筐体の静電容量（Ｃｋ）と、コイル自身の浮遊容量（Ｃｓ）とにより、次の（１）式により求まる。
ｆｐ＝１／（２π√（Ｌ＊（Ｃｋ＋Ｃｓ）））…（１）

一例として、７６〜１０８［ＭＨｚ］のＦＭラジオ周波数帯域で４００［Ω］以上の高いインピーダンスを得るために、ピーク周波数（共振周波数ｆｐ）を、約９７〜１０３［ＭＨｚ］に設定すれば、コイルのインダクタンスは１．０［μＨ］になる。このとき、コイルの巻き数は８ターン（線径Ф１．６［ｍｍ］、コイル径Ф６［ｍｍ］、コア径Ф４．０［ｍｍ］））であり、コイルとコアは１点で接着されているだけであって、特に発振対策はとられていない。このため、供給される電流のオルタネータノイズが大きい場合、過負荷状態で、かつバッテリーそのものが弱った状態でデフォッガーを使用したときに、オルタネータノイズ周波数に応じた振動数でオルタネータノイズ振幅に応じたエネルギーがコイルおよびコアを振動させる。この振動が可聴周波数で可聴音量になった場合にコイルやコアからの異音として聞こえる。

このとき、インダクタンス１．０［μＨ］を得るために、コイルの巻き数を８ターンとしたため、オルタネータノイズによるコイルの起電エネルギーが増大され（巻き数の増減に比例して発生するエネルギーが増大する）、このオルタネータノイズが可聴周波数の場合に可聴音量となり異音として認識されていた。

特開平１０−１８９３５０号公報 特開２００９−１１８２７０号公報

本発明は、コイルの巻き線数を増やすことなく所定の周波数帯域で高いインピーダンスを得、これによりオルタネータノイズにより発生するＲＦコイル自体の異音を抑制可能なアンテナ用コイル装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、導線を巻回した巻線コイルと、前記巻線コイルの内部に挿通配置された磁性コアと、前記巻線コイルの一端が接続される第１の端子と、前記巻線コイルの他端が接続される第２の端子と、前記巻線コイルを載置する樹脂部材と、からなり、前記巻線コイルは、２ターン以下で巻かれる密巻き部位と、疎巻き部位とからなり、前記密巻き部位と前記疎巻き部位との間隔を前記巻線コイルの内径の１／２以上とすることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のアンテナ用コイル装置において、前記第１の端子と前記第２の端子は、板幅Ｘを有する板状部材で形成されるとともに前記樹脂部材に埋設され、前記樹脂部材の一端に向かって所定の間隔をおいて延び、前記第１の端子の面直交線に沿って見た場合、前記板幅Ｘと、前記第１の端子と前記第２の端子とが前記樹脂部材を挟んで重なる板長Ｙとを乗算して得られる重なり面積を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のアンテナ用コイル装置において、前記樹脂部材として、８〜１２の誘電率を持つ材料を使用することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、巻線コイルを、２ターン以下で巻かれる密巻き部位と、疎巻き部位で構成し、密巻き部位と疎巻き部位との間隔を巻線コイルの内径の１／２以上とすることでコイルの起電エネルギーを小さくすることができる。発明者らの評価によれば、この巻き方とこの巻き数によりコイルとコアの振動は小さく、異音として認識されなかった。

請求項２に係る発明によれば、第１の端子と第２の端子とが樹脂部材を挟んで重なる領域の面積を増やして静電容量を大きくすることで、所定の周波数帯でのインピーダンスを高めることができる。

請求項３に係る発明によれば、樹脂部材として比誘電率が高い、例えばフレクティス（登録商標）を使用することにより、静電容量を更に大きくすることができる。

本発明の実施例に係るアンテナ用コイル装置の構成を示す図である。 本発明の実施例に係るアンテナ用コイル装置で用いられる端子の断面構造を示す図である。 本発明の実施例に係るアンテナ用コイル装置のコイルの巻き線形状を示す図である。 本発明の実施例に係るアンテナ用コイル装置の周波数特性を示す図である。 従来のアンテナ用コイル装置の構成（１）を示す図である。 従来のアンテナ用コイル装置の構成（２）を示す図である。

本発明の実施の形態（以下、本実施例という）を添付図に基づいて以下に説明する。

（実施例の構成）
図１に本実施例に係るアンテナ用コイル装置１０の構成が示されている。図１（ａ）は、正面図、図１（ｂ）は、平面図、図１（ｃ）は、樹脂部材周辺の断面図、図１（ｄ）は、図１（ｃ）のｄ−ｄ断面図である。

図１（ａ）〜（ｄ）に示されるように、本実施例に係るアンテナ用コイル装置１０（以下、ＲＦＣコイル１０という）は、導線を巻回した巻線コイル１１と、巻線コイル１１の内部に挿通配置された磁性コア（コア）１２と、巻線コイル１１の一端が接続される第１の端子１５ａと、巻線コイル１１の他端が接続される第２の端子１５ｂと、巻線コイル１１を載置する樹脂部材１４と、から構成される。符号１３は、樹脂製の接着剤１３である。

図１（ｄ）に示されるように、第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂは、板幅Ｘを有する板状部材で形成される。また、第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂは、樹脂部材１４に埋設され、樹脂部材１４の一端に向かって所定の間隔をおいて延びている。そして、図２に、第１の端子１５ａと、第２の端子１５ｂと、両端子１５ａ、１５ｂに挟まれた樹脂部材１４との断面構造が示されるように、第１の端子１５ａの面直交線Ａに沿って見た場合に、板幅Ｘと、第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂとが樹脂部材１４を挟んで重なる板長Ｙとを乗算して得られる重なり面積を有する。なお、樹脂部材１４として、ポリフェレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やリキッドクリスタルポリマー（ＬＣＰ）に比べて誘電率が高いフレクティス（登録商標）が採用されるものとする。

フレクティス（登録商標）は、ベース材料として使用されるＰＰＳならびにＬＣＰは、耐熱性、寸法安定性、成形加工特性に優れていることから表面実装用電子部品に広く使用されている。更に、これら材料は、高周波領域における誘電損失が低いことから基本的に高周波用デバイス材料として適した特性を有している。フレクティス（登録商標）は、大塚化学工業株式会社が開発した高誘電率セラミックをＰＰＳおよびＬＣＰと複合化し、５〜２０の範囲で誘電率の制御を可能にした成形材料である。

図３に、巻線イル１１の巻きパターンを５例（ａ〜ｅ）示した。図３（ａ）は、巻き数１２で巻き方を密にしたパターンであり、１．８［μＨ］のインダクタンスを有する。また、図３（ｂ）は、巻き数８で巻き方を、疎−密（６ターン）−疎にしたパターンであり、１［μＨ］のインダクタンスを有する。図３（ｃ）は、巻き数５で巻き方を、疎−密（３ターン）−疎にしたパターンであり、０．３［μＨ］のインダクタンスを有する。図３（ｄ）は、巻き数５で巻き方を疎巻きにしたパターンであり、０．３［μＨ］のインダクタンスを有する。図３（ｅ）は、巻き数４で巻き方を、疎−密（２ターン）−疎にしたパターンであり、０．２［μＨ］のインダクタンスを有する。

ここでは、オルタネータノイズ（リップル成分）により、異音が確認できない範囲での巻きパターンを選択して採用するものとした。具体的に、図３（ｅ）に巻線コイル１１の巻きパターンが示されているように、巻線コイル１１は、２ターン以下で巻かれる密巻き部位１１ａと、疎巻き部位１１ｂ、１１ｃとからなり、密巻き部位１１ａと疎巻き部位１１ｂ、１１ｃとの間隔は、巻線コイル１１の内径の１／２以上になっている。

例えば、線径Ф１．６［ｍｍ］、コイル径Ф６［ｍｍ］、コア径Ф４．０［ｍｍ］のＲＦＣコイル１０の場合、図３（ｅ）に示されるように、巻線コイル１１の巻き方および巻き数を、疎巻きー密巻き（２ターン）−疎巻きとすれば、コア１２も含めたインダクタンスは、０．３［μＨ］となり、図３（ｄ）の５ターンの疎巻きで形成した場合の０．２［μＨ］と比較して大きな値となり、以下の（表１）に示すように異音が確認されなかった。

なお、上記した（表１）は、ＲＦＣコイル１０の実車でのノイズ評価と、ベンチでのノイズ評価を並べて示したものである。（表１）によれば、インダクタンスが０．３（Ｌ）［μＨ］のときと、０．２［μＨ］のときに巻線コイル１１の起電エネルギーが小さくなり、巻線コイル１１とコア１２による振動は小さく、異音として認識されていない。このため、本実施例では、図３（ｅ）に示す巻きパターンを採用することとした。

但し、このままでは共振周波数が高いため、ＦＭ周波数帯域では十分なインピーダンス（４００［Ω］以上）が得られていない。そこで、樹脂部材１４として誘電率が高い樹脂を採用し、かつ、樹脂部材１４と、第１の端子１５ａ、第２の端子１５ｂからなる重なり部分の静電容量を大きくすることで、上記した（１）式により得られるピーク周波数を所定の周波数（例えば、ＦＭラジオ周波数帯域の場合 ピーク周波数（共振周波数）ｆｐを９６〜１０２［ＭＨｚ］）になるようにすることで、所定の周波数（例えば、ＦＭ周波数帯域）で十分なインピーダンスになるようにした。これにより、アンテナがデフォッガーに流入する電流の影響を受けないようになる。

ところで、インピーダンスが最も高くなるのは、上記により得られる静電容量（Ｃｋ）と、巻き線コイル１１のインダクタンス（Ｌ）とから求まる共振周波数ｆｐである。ｆｐは上記した（１）式から求まる。ここで、Ｃｋは 樹脂部材１４中に、金属製の第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂが埋め込まれる構造とすることにより、平行平板コンデンサと等価な以下の（２）式で示す静電容量Ｃｋを持つキャパシタとして働く。

Ｃｋ＝（ε＊Ｓ）／ｌ …（２）
但し、ε＝ε_０×ε_Ｓ
ε_０ ：真空中の誘電率８．８５５^＊１０^−１２
ε_Ｓ ：端子間物質の比誘電率
Ｓ ：第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂとが重なり合った面積［ｍｍ^２］
Ｓ＝Ｘ×Ｙ
ｌ ：第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂとの間隔［ｍｍ］

本実施例に係るＲＦＣコイル１０では、第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂの重なり面積を従来の１．５倍とすることで、２．７［ｐＦ］から４．０５［ｐＦ］の静電容量が得られる。但し、実装するためのサイズ上の制約があるため、現行の１．１倍〜２倍とした。また、静電容量を大きく２〜３倍にするために、樹脂部材１４を誘電率の高い、例えば、フレクティス（登録商標）を使用することで、ＰＰＳの４から１２（３倍）までに引き上げることができる。この結果、静電容量Ｃｋは、１２．２［ｐＦ］になった。

また、実車でのノイズ評価で、異音が発生しなかった０．２［μＨ］の巻線コイル１１と、これら端子１５ａ、１５ｂとの組み合わせでは、従来、共振周波数（ピーク周波数）が２２０［ＭＨｚ］であったものが、１０２［ＭＨｚ］となり、ＦＭラジオ周波数帯域において高いインピーダンス（４００［Ω］以上）を得ることができた。

（性能評価）
次に、発明者らは、本実施例に係るＲＦＣコイル１０のインピーダンス対周波数特性を評価した。ＦＭラジオ帯域についてチョーク性能を得るためには、この帯域（帯域幅３２［ＭＨｚ］）で高いインピーダンスが必要である。以下の（表２）に示す通り、０．２［μＨ］、０．３［μＨ］の巻線コイル１１を有するアンテナ用コイル装置１０は、この条件も満たしている。但し、インピーダンスの下限値を４００［Ω］または５００［Ω］とした場合に制限される。

理想状態では、共振周波数でのインピーダンスは無限大になるが、実際はインダクタンスが高いほど共振周波数でのインピーダンスは大きくなる。このため、実際、高いインピーダンスの帯域を広く採るためには、巻き線コイル１１のインピーダンスを大きくすることが有利ではあるが、巻線コイル１１の巻数を多くする必要から、直流抵抗の増大に伴い発熱量が増え、あるいは重量が増え、材料代が増えるといった不都合がある。図４に、本実施例に係るアンテナ用コイル装置１０のインピーダンス対周波数特性のグラフが示されている。

図４のグラフによれば、０．２［μＨ］と、０．３［μＨ］のインダクタンスを有するアンテナ用コイル装置１０は、ともにハイインピーダンスの帯域幅をクリアしている。このときの実測結果から、ベース容量は約２．７［μＨ］であった。本実施例に係るアンテナ用コイル装置１０では、ベース容量を大きくすることで共振周波数を１００［ＭＨｚ］にしている。例えば、以下の（表３）に示されるように、インダクタンスが０．３［μＨ］の場合、共振周波数を１００［ＭＨｚ］にするために５．７５［ｐＦ］だけベース容量を増やす必要がある。

このベース容量を増やすために、本実施例に係るアンテナ用コイル装置１０では、対向する端子間（第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂ）の重なり面積を広げた。但し、端子の大きさ制限があるため、１．１〜２倍程度とした。また、対向する端子間の樹脂部材１４に、耐熱性や機械的強度はそのままとして、誘電率の高いフレクティス（登録商標）を使用した。以下の（表４）に、誘電率の高いフレクティス（登録商標）を樹脂部材１４として使用しつつ、端子間の重なり面積を増やした場合の静電容量と共振周波数との関係が示されている。

（表４）において、Ｉは、ベース対向面積が１．５倍で誘電率が４のＰＰＳを樹脂部材１４として使用した場合、ＩＩは、ベース対向面積が２倍で誘電率が８のフレクティス（登録商標）を樹脂部材１４として使用した場合、ＩＩＩは、ベース対向面積が３倍で、誘電率が１２のフレクティス（登録商標）を樹脂部材１４として使用した場合におけるそれぞれの静電容量と共振周波数との関係が示されている。

例えば、対向する端子間の重なり面積を１．５倍とし、樹脂部材１４をＰＰＳからフレクティス（登録商標）に変更したとする。この場合、インダクタンスが０．２［μＨ］で、誘電率が１２のフレクティス（登録商標）を樹脂部材１４として使用すれば、共振周波数が１０２［ＭＨｚ］になり、高いインピーダンスでＦＭラジオ周波数帯域をカバーすることができるようになる。また、０．３［μＨ］の場合、誘電率が８（ＰＰＳの２倍）のフレクティス（登録商標）を樹脂部材１４として使用すれば、同様にＦＭラジオ周波数帯域をカバーすることができるようになる。

（実施例の効果）
以上説明のように本実施例に係るＲＦＣコイル１０によれば、巻線コイル１１を、２ターン以下で巻かれる密巻き部位１１ａと、疎巻き部位１１ｂ、１１ｃで構成し、密巻き部位１１ａと疎巻き部位１１ｂ、１１ｃとの間隔を、巻線コイル１１の内径の１／２以上とすることで、巻き線コイル１１の起電エネルギーが小さくなる。発明者らの評価によれば、巻き線コイル１１とコア１２の振動は小さく、異音として認識されない。また、第１の端子１５ａと第２の端子１５ｂとが樹脂部材１４を挟んで重なる領域の面積を増やして静電容量を大きくすることで、所定の周波数帯でのインピーダンスを高めることができる。このとき、樹脂部材１４として、誘電率の高いフレクティス（登録商標）を使用することで静電容量を更に大きくすることができる。

このように、本実施例に係るＲＦＣコイル１０によれば、必要最小の構成で所定の周波数帯域でチョーク性能を得ることができる。このとき、低いインダクタンスで実現が可能であるため、巻き線コイル１１の線材を少なくできる。また、直流抵抗が減少するため電流容量が増大する。また、巻線コイル１１とコア１２の振動を下げるために固定している接着剤１３を交換する、あるいは充填する等の後付け対策が不要になるため、コストダウンに貢献できる。

なお、異音の無いＲＦＣコイル１０を達成するために、巻き線コイル１１の巻き条件は、上記した評価結果から以下の（表５）のように纏めることができる。

（表５）によれば、巻き線の径φは１．６［ｍｍ］，コア１２の径φは４［ｍｍ］，巻き線コイル１１の径φは６．０［ｍｍ］、密巻き部位の巻き数は２ターン以下であり、疎巻き部位は、巻き線の間隔がコイル径の１／２である３［ｍｍ］以上あるものとする。

なお、本実施形態に係るＲＦＣコイル１０によれば、ＦＭラジオ周波数帯域を対象に受信するアンテナを例示したが、今後、アナログＴＶのサービス終了時に空きとなるＶＨＦ帯域のローバンド（９０〜［ＭＨｚ］）、ミッドバンド（１０８〜１７０［ＭＨｚ］）、ハイバンド（１７０〜２２２［ＭＨｚ］）や、ＤＡＶバンドＩＩＩ（１７４〜２４５［ＭＨｚ］）等でチョーク性能を得るアンテナ用コイル装置１０としても適用可能である。

１０…アンテナ用コイル装置（ＲＦＣコイル）、１１…巻線コイル、１１ａ…密巻き部位、１１ｂ…疎巻き部位、１２…磁性コア（コア）、１３…接着剤、１４…樹脂部材、１５ａ…第１の端子、１５ｂ…第２の端子

Claims (3)

1. 導線を巻回した巻線コイルと、
   前記巻線コイルの内部に挿通配置された磁性コアと、
   前記巻線コイルの一端が接続される第１の端子と、前記巻線コイルの他端が接続される第２の端子と、
   前記巻線コイルを載置する樹脂部材と、からなり、
   前記巻線コイルは、
   ２ターン以下で巻かれる密巻き部位と、疎巻き部位とからなり、前記密巻き部位と前記疎巻き部位との間隔を前記巻線コイルの内径の１／２以上とすることを特徴とするアンテナ用コイル装置。
2. 前記第１の端子と前記第２の端子は、
   板幅Ｘを有する板状部材で形成されるとともに前記樹脂部材に埋設され、前記樹脂部材の一端に向かって所定の間隔をおいて延び、前記第１の端子の面直交線に沿って見た場合、前記板幅Ｘと、前記第１の端子と前記第２の端子とが前記樹脂部材を挟んで重なる板長Ｙとを乗算して得られる重なり面積を有することを特徴とする請求項１記載のアンテナ用コイル装置。
3. 前記樹脂部材として、
   ８〜１２の比誘電率を持つ材料を使用することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ用コイル装置。

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