JP2012244244A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電波の電界強度確保と、コイル軸心方向の体格の小型化とを両立することができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】車両のキー操作フリーシステムの送信機９，１０は、コア１６の外周にコイル１７が巻き付けられたアンテナユニット１５を備えている。アンテナユニット１５は、車両ボディの金属１４に取り付けられる。金属１４とアンテナユニット１５との間に、磁性体シート１８を配置する。磁性体シート１８の長手方向の全長は、コイル１７の軸心方向（コイル軸心方向）の端部からの長さ、つまり出代Ｌが、８〜３０mmの値に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信するアンテナ装置に関する。

従来から周知のように、近年の車両には、電子キーから無線により送信されたＩＤコードでキー照合を行う電子キーシステムが搭載され、ゆえに車体には種々のアンテナ装置が設置されている。この種のアンテナ装置には、例えばバーアンテナ等が使用されている（特許文献１等参照）。ところで、アンテナ装置が電界を出すとき、近くに金属があると、金属に発生する渦電流で電界が消費されてしまうので、電界強度が低下する懸念がある。よって、アンテナ装置を車体に搭載するときには、金属ボディから距離を空けて配置する必要がある。

しかし、この対策をとった場合、アンテナ装置の搭載スペースを車体に確保する必要があるため、例えばアンテナ装置を搭載することができなかったり、車体形状の変更を余儀なくされたりするなどの問題が生じる。そこで、アンテナ装置と金属との間に磁性体部材を配置してアンテナの電界強度低下を抑えることが可能な技術（特許文献２等参照）を応用することにより、前述した問題を解決することが検討されている。

特開２００８−０７８８９９号公報 特開２００５−３４１０２７号公報

ところで、アンテナ装置と金属ボディとの間に磁性体部材を設ける場合、仮にアンテナ装置全体を広く覆う大きさの磁性体部材を使用してしまうと、アンテナ装置及び磁性体部材の両者を含む装置体格が大型化してしまう懸念があった。しかし、磁性体部材を単純に小さくすればよいという問題ではなく、サイズを小さくするにしても、電界強度低下抑制を満足することができる最適なサイズが求められていた。

本発明の目的は、電波の電界強度確保と、コイル軸心方向の体格の小型化とを両立することができるアンテナ装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、高透磁率のコアにアンテナ線を巻き付け、環状の当該アンテナ線が共振回路のコイルとなるアンテナ装置において、前記コイルとアンテナ装置設置場所との間に、前記コイルから放射される磁界を吸収可能な磁性体を設け、当該磁性体のコイル軸心方向の全長を、前記コイルのそれぞれの端部から８〜３０ｍｍ離れた長さに設定したことを要旨とする。

本発明の構成によれば、コイルの電界が磁性体を通るようになるので、電界がアンテナ設置場所側には行き難くなる。よって、アンテナ設置場所側で消費されてしまう損失磁界が少なく抑えられるので、電界強度の低下を抑制することが可能となる。また、アンテナ装置のコイル軸心方向の全長を、それぞれのコイル端から８〜３０ｍｍの長さにすれば、実験の結果、電界強度低下を充分抑えられることが分かった。このため、極力小さいサイズの磁性体によって電界強度の低下を抑えることが可能となるので、アンテナ装置の電界強度確保と、アンテナ装置のコイル軸心方向の体格の小型化とを両立することが可能となる。また、磁性体の低コスト化にも繋がる。

本発明では、前記磁性体は、前記コイルと前記アンテナ装置設置場所の間において、前記アンテナ装置設置場所側に配置されていることを要旨とする。この構成によれば、コイルから出力された電界は、コイルと磁性体との間を通る成分が多くなり、磁性体とアンテナ装置設置場所との間を通る成分が少なく抑えられる。よって、アンテナ装置設置場所に至ってしまう電界が少なく抑えられるので、アンテナ装置の電界強度確保に効果が高くなる。

本発明では、前記コイルは、前記アンテナ線の群を主巻線と補助巻線とに分けた分割巻線であり、この分割によってできたスペースに前記アンテナ線を更に巻き付けることにより、前記コイルのターン数が増やされていることを要旨とする。この構成によれば、コイルのアンテナ線を分割巻線とするとともに、巻線分割によりできるスペースに更にアンテナ線を巻き付けることにより、コイルターン数を増やした。このため、仮に磁性体で電界が消費される状況となっても、電界強度を補完することが可能となるので、電界強度確保に効果が高くなる。

本発明では、少なくとも前記コイルを備えるアンテナユニットと、当該アンテナユニットを収納するケースとを備え、前記磁性体は、前記ケースの裏面に取り付けられていることを要旨とする。この構成によれば、コイルユニットが取着されるケースの裏面に磁性体を取り付けたので、これらを１ユニット部品とすることが可能となる。よって、アンテナ装置の取扱いがし易くなる。

本発明によれば、電波の電界強度確保と、コイル軸心方向の体格の小型化とを両立することができる。

一実施形態のキー操作フリーシステムの構成図。 送信機の内部構成を示す断面図。 送信機の外観を示す分解斜視図。 磁性体シートの面積サイズを示す平面図。 （ａ）は磁性体シートの出代とアンテナ出力の低下量との関係を示すグラフ、（ｂ）はその例示図。 （ａ）はコアから磁性体シートまでの距離とアンテナ出力の低下量との関係を示すグラフ、（ｂ）はその例示図。 （ａ）は磁性体シートがアンテナユニット側にある場合の磁界の通り道を示す模式図、（ｂ）は磁性体シートが金属側にある場合の磁界の通り道を示す模式図。 コイルターン数とアンテナ出力の低下量との関係を示すグラフ。 磁性体シートの厚みとアンテナ出力の低下量との関係を示すグラフ。 コイル分割式の送信機の概略図。 （ａ）はコイルギャップとインダクタンス変化率との関係を示す波形図、（ｂ）は各コイルギャップの例示図。 （ａ）は巻数比とインダクタンス変化率との関係を示す波形図、（ｂ）は各巻数比の例示図。

以下、本発明を具体化したアンテナ装置の一実施形態を図１〜図１２に従って説明する。
図１に示すように、車両１には、車両１からの通信をトリガとして電子キー２と無線によりＩＤ照合を行うキー操作フリーシステム３が設けられている。この場合、車両１には、電子キー２とのＩＤ照合を行うキー照合装置４と、車両ドアの施解錠動作を管理するドアロック装置５と、エンジンの動作を管理するエンジン始動装置６とが設けられ、これらが車内のバス７を介して接続されている。

キー照合装置４には、キー照合装置４を統括制御する照合ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８が設けられている。照合ＥＣＵ８には、電子キー２のＩＤコードが登録されている。照合ＥＣＵ８には、車外にＬＦ（Low Frequency）帯の電波を送信する車外送信機９と、車内にＬＦ電波を送信する車内送信機１０と、ＵＨＦ帯の電波を受信する車両受信機１１とが接続されている。なお、車外送信機９及び車内送信機１０がアンテナ装置を構成する。

車両１が駐車状態のとき、照合ＥＣＵ８は、車外送信機９からリクエスト信号Ｓrqを断続的に送信し、スマート通信（車外スマート通信）を実行する。リクエスト信号Ｓrqの車外通信エリアに電子キー２が進入し、電子キー２がリクエスト信号Ｓrqを受信すると、電子キー２は起動し、ＩＤ信号ＳidをＵＨＦ電波により送信する。ＩＤ信号Ｓidには、電子キー２に登録されたＩＤコードが含まれている。照合ＥＣＵ８は、リクエスト信号Ｓrqの送信後にＩＤ信号Ｓidを受信すると、ＩＤ照合としてスマート照合（車外スマート照合）を行い、この照合が成立すれば、ドアロック施解錠を許可又は実行させる。

ユーザが車内に乗車すると、それまでの車外送信機９に代わり、今度は車内送信機１０がリクエスト信号Ｓrqの送信を開始し、スマート通信（車内スマート通信）を実行する。車内で車外と同様のスマート照合（車内スマート照合）が行われ、この照合が成立すれば、車内に設置されたプッシュモーメンタリ式のエンジンスイッチ１２による電源遷移及びエンジン始動の操作が許可される。

図２〜図４に、車外送信機９の構造を示す。なお、車内送信機１０は車外送信機９と同様の構造をとるので、ここでは車外送信機９についてのみ説明する。車外送信機９には、車外送信機９の各種部品を収納するケース１３が設けられている。ケース１３は、長細い中空の箱状を呈するとともに、樹脂により形成されている。車外送信機９は、例えば車両ドア等の車体ボディ（金属１４）に、ネジ等により組み付けられている。金属１４は、例えば車体を形成する鉄板からなる。なお、金属１４がアンテナ装置設置場所に相当する。

図２に示すように、ケース１３の内部には、車外送信機９のアンテナユニット１５が収納されている。アンテナユニット１５は、高透磁率の材料（例えばフェライト）からなる棒状のコア１６と、このコア１６にアンテナ線（電線）を複数巻回することにより形成されたコイル１７とを備える。コイル１７は、例えばボビン（図示略）に巻回され、ボビンにコア１６が挿し込まれた取り付け状態をとる。アンテナユニット１５は、コイル１７をＬ（インダクタンス）とし、車外送信機９に設けられた基板のコンデンサをＣ（キャパシタンス）とする直列共振回路からなる。

図２及び図４に示すように、ケース１３の裏面には、アンテナの電界強度低下を抑制する磁性体シート１８が取り付けられている。磁性体シート１８は、例えば酸化鉄、フェライト、コバルト等を材質とし、長方形の帯状に形成したシートからなる。また、図４に示すように、磁性体シート１８は、平面視においてアンテナユニット１５よりも広い面積をとるように形成されている。磁性体シート１８は、アンテナから電波として放射される電界成分を、車両ボディの金属１４に至らないようにすることにより、電界強度の低下を抑制する。

次に、本例の磁性体シート１８の作用を、図２、図５〜図１２を用いて説明する。
図２に示すように、金属１４とアンテナユニット１５との間に磁性体シート１８を配置した場合、アンテナユニット１５の磁界は多数が磁性体シート１８を通ることになり、結果として、金属１４に至る磁界を少なく抑えることが可能となる。よって、金属１４に発生する渦電流の量を少なく抑えることが可能となるので、渦電流を要因とする磁界の消失が少なくなる。従って、アンテナユニット１５の金属影響を低減することが可能となり、電界強度確保に効果が高くなる。

図５に、磁性体シート１８の出代Ｌとアンテナ出力の低下量との関係を示す。なお、出代Ｌは、コイル１７の軸心方向（図５のＸ軸方向：コイル軸心方向）の端部から、磁性体シート１８の長手方向（図５のＸ軸方向：シート長手方向）の端部までの長さである。また、磁性体シート１８は、シート長手方向の両側において同じ出代Ｌに設定されている。但し、出代Ｌは左右で同じ長さをとることに限らず、異なっていてもよい。なお、出代Ｌがコイル端からコイル軸心方向に延ばした磁性体シート１８の長さに相当する。

同図に示されるように、出代Ｌが大きくなるに連れて、アンテナ出力の低下量が改善されることが分かる。つまり、出代Ｌが大きくなる程、アンテナの電界強度の低下を抑制できることが分かる。よって、出代Ｌは、コイル１７からはみ出すようにできる限り大きくするのが効果的である。但し、磁性体シート１８が大きくなり過ぎるのも好ましくない。よって、本例の出代Ｌは、アンテナ出力の低下量の値と、磁性体シート１８のサイズとのバランスを考え、例えば８mm〜３０mmに設定されている。

図６に、コア１６から磁性体シート１８までの距離Ｒ１と、アンテナ出力の低下量との関係を示す。なお、図６の特性図では、コア１６と金属１４との間の高さ方向（図６のＺ軸方向）の間隔を一定とし、この一定距離の中で、コア１６から磁性体シート１８までの距離Ｒ１と、磁性体シート１８から金属１４までの距離Ｒ２との比率を変えている。同図に示されるように、コア１６から磁性体シート１８までの距離Ｒ１が大きくなるに連れて、アンテナ出力の低下量が改善されることが分かる。つまり、磁性体シート１８が金属１４に近づく程、アンテナの電界強度の低下を抑制できることが分かる。

この原理を図７に示すと、図７（ａ）に示すように、磁性体シート１８がアンテナユニット１５側にある場合、金属１４と磁性体シート１８との間に空間があるため、アンテナユニット１５の磁界（磁束）が金属１４側に回り込む面積が大きくなる現状がある。よって、金属１４に発生する渦電流が多くなり、磁界が打ち消されてしまう。このため、磁界のエネルギーがロスし、結果、電界強度の低下が大きくなる。一方、図７（ｂ）に示すように、磁性体シート１８が金属１４側にある場合、金属１４と磁性体シート１８との間に空間（隙間）がないため、ここに磁界（磁束）が回り込まず、金属１４に衝突する磁界（磁束）は磁性体シート１８外の場所のみとなる。よって、金属１４に発生する渦電流が少なく済み、打ち消される磁界量も少なく抑えられる。このため、磁界のエネルギーロスが少なく、結果、電界強度の抑制が低下できると考えられる。よって、本例の磁性体シート１８は、金属１４に密着されることにより、磁性体シート１８から金属１４までの距離Ｒ２が０に設定されている。

図８に、磁性体シート１８の厚みＷと、アンテナ出力の低下量との関係を示す。同図に示されるように、磁性体シート１８を厚みＷを大きくするに連れて、アンテナ出力の低下量が改善されることが分かる。よって、磁性体シート１８の厚みＷは、車外送信機９のサイズが大きくならない程度に大きくすることが好ましい。

図９に、コイル１７のターン数（巻数）Ｎと、アンテナ出力の低下量との関係を示す。同図に示されるように、コイルターン数Ｎが多くなるに連れて、アンテナ出力の低下量が改善されることが分かる。よって、コイルターン数Ｎは、なるべく多くするのが好ましい。

ところで、金属１４及びアンテナユニット１５の間に磁性体シート１８を設けた場合、金属１４に発生する渦電流の量は抑制できるものの、磁界の一成分は磁性体シート１８にて消費されるので、アンテナ効率を高めたい要望もある。よって、この場合は、図１０に示すように、コイル１７を第１分割コイル１７ａ及び第２分割コイル１７ｂに分ける分割式とすることで対応する。このように、コイル１７を分割式とすると、巻線を更に巻くスペースができるので、コイル１７のターン数Ｎを増大できる利点に繋がることになる。なお、コイルターン数Ｎを増やすには、コイル１７を分割することの他に、例えばコイル１７の巻線間を広げる、つまり巻き幅に余裕を持たせてコイル１７を巻くことでも対応可能である。なお、第１分割コイル１７ａ及び第２分割コイル１７ｂが分割巻線を構成する。

ここで、アンテナの共振周波数ｆｃは、直列共振回路のインダクタンスをＬとし、キャパシタンスをＣとすると、次式により求まることが知られている。

よって、アンテナのインダクタンスを調整すれば、結果として、共振周波数ｆｃを所望の値に切り換えることが可能である。

図１１に、コイル１７を分割したときのコイルギャップＴと、インダクタンスの変化率との関係を示す。なお、本例の場合、紙面左側を第１分割コイル１７ａと、紙面右側を第２分割コイル１７ｂとし、第１分割コイル１７ａ及び第２分割コイル１７ｂの間の間隔をコイルギャップＴとしている。

同図に示されるように、コイルギャップＴが大きくなれば、インダクタンスの変化率が大きくなることが分かる。よって、共振周波数ｆｃを細かな値で切り換えたい場合は、コイルギャップＴを小さめに設定し、一方で共振周波数ｆｃを大きく切り換えたい場合は、コイルギャップＴを大きめに設定する。

また、図１２に、第１分割コイル１７ａ及び第２分割コイル１７ｂの巻数比Ｍと、インダクタンスの変化率との関係を示す。同図に示されるように、巻数比Ｍが大きくなれば、インダクタンスの変化率が大きくなることが分かる。よって、共振周波数ｆｃを細かな値で切り換えたい場合は、巻数比Ｍを小さめに設定し、一方で共振周波数ｆｃを大きく切り換えたい場合は、巻数比Ｍを大きめに設定する。

以上により、本例においては、金属１４とアンテナユニット１５との間に磁性体シート１８を配置したので、アンテナユニット１５の磁界を、積極的に磁性体シート１８に導くことが可能となる。よって、アンテナユニット１５から金属１４に至る磁界成分を少なく抑えることが可能となるので、金属１４に発生する渦電流が少なく抑えられる。このため、渦電流を要因とする電界強度低下が少なく抑えられるので、アンテナユニット１５の電界強度確保に効果が高くなる。

また、磁性体シート１８の出代Ｌを８〜３０mmの値に設定したので、実験結果からも分かるように、電界強度低下を抑制しつつ、磁性体シート１８も無駄に大きなサイズにさせずに済む。よって、磁性体シート１８の電界強度確保とアンテナのサイズ小型化とを両立させることが可能となる。さらに、本例の場合、コア１６から磁性体シート１８までの距離、コイル１７のターン数Ｎ、磁性体シート１８の厚さＷなどを、実験結果から導かれる好適な値に設定可能としたので、電界強度低下を効果的に抑制することも可能である。

さらに、コイル１７を分割式（第１分割コイル１７ａ及び第２分割コイル１７ｂ）にすれば、その開いたスペースに更にアンテナ線を巻き付けることが可能となるので、その分だけコイルターン数Ｎを増やせる。よって、渦電流発生防止を目的に磁性体シート１８を設けた場合、磁性体シート１８自体に吸収される磁界成分が出てきてしまうが、この吸収されてしまう磁界成分をこのターン数増加で補完することが可能となるので、アンテナ効率を向上することも可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）アンテナユニット１５と金属１４との間に磁性体シート１８を配置したので、渦電流を要因とする磁界損失が少なくなり、アンテナユニット１５の電界強度を確保することができる。また、磁性体シート１８の出代Ｌを８〜３０mmに設定したので、電界強度低下抑制とサイズ大型化防止とを両立することができる。

（２）磁性体シート１８を高さ方向（Ｚ軸方向）において金属１４側に配置したので、アンテナユニット１５から出力される磁界は、アンテナユニット１５と磁性体シート１８の間を通る成分が多くなり、一方で磁性体シート１８と金属１４との間を通る成分が少なく抑えられる。よって、金属１４における渦電流発生防止に効果が高くなるので、結果、電界強度低下抑制に繋がる。

（３）出代Ｌ、距離Ｒ１，Ｒ２、厚さＷ、コイルターン数Ｎを、実験結果から分かる好適な値に設定すれば、車外送信機９や車内送信機１０を電界強度の高い好適なアンテナとすることができる。

（４）コイル１７を分割式とした場合、これによってできるスペースに更にアンテナ線を巻き付けて、コイルターン数Ｎを増加させることができる。よって、仮に磁性体シート１８自体で電界損失が発生したとしても、このターン数増加にて補完することができる。

（５）ケース１３の裏面に磁性体シート１８を貼り付けたので、これらを１ユニット部品とすることができる。よって、車外送信機９及び車内送信機１０の取扱いをし易くすることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・出代Ｌは、８〜３０mmの範囲内の値であれば、どの値をとっていてもよい。
・コイルギャップＴやコイルターン数Ｎは、必要とする電界強度に応じて、適宜変更可能である。また、アンテナ出力や共振周波数に関係してくる他のパラメータも同様である。

・共振回路は、直列共振回路に限定されず、並列共振回路としてもよい。
・磁性体シート１８は、平面視においてアンテナユニット１５、つまりコア１６及びコイル１７が一体となった部品よりも面積が大きいことに限定されない。要は、磁性体シート１８がコイル軸心方向においてコイル１７よりも大きければよい。

・磁性体シート１８は、高さ方向において金属１４側に配置されることに限定されず、高さ位置は適宜変更可能である。
・磁性体シート１８は、ケース１３に貼り付ける取り付け状態をとることに限定されず、アンテナユニット１５と金属１４との間に配置されていればよい。

・磁性体は、シート状の部材に限定されず、他の形状を採用してもよい。また、磁性体シート１８は、長方形に限定されず、真円や正四角形など、他の形状を採用可能である。
・アンテナ装置は、バーアンテナに限らず、他のアンテナ種類が採用可能である。

・コイル１７を分割式とするとき、２つに分割することに限定されず、３つ以上としてもよい。
・アンテナ装置設置場所は、車両ボディに限定されず、金属１４であればどこでもよい。

・アンテナ装置は、車外送信機９及び車内送信機１０の両方に適用されることに限らず、一方のみに適用してもよい。
・アンテナ装置は、車両用アンテナに限定されず、他の機器や装置に適用してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項１〜４のいずれかにおいて、前記磁性体は、シート状に形成されるとともに、平面視において前記アンテナユニットよりも大きな面積で形成されている。この構成によれば、磁性体が充分な大きさをとるので、電界強度確保に効果が高くなる。

（ロ）請求項１〜４、前記技術的思想（イ）のいずれかにおいて、前記長さは、８〜２５mm、８〜２０mm、８〜１５mm、１０〜１５mm離れた長さに設定されている。この構成によれば、離れ長さを適度な距離に設定することで、所望の電界低下抑制効果を得ることができる。

９…アンテナ装置を構成する車外送信機、１０…アンテナ装置を構成する車内送信機、１３…ケース、１４…アンテナ装置設置場所としての金属、１５…アンテナユニット、１６…コア、１７…コイル、１７ａ…分割巻線を構成する第１分割コイル、１７ｂ…分割巻線を構成する第２分割コイル、１８…磁性体としての磁性体シート、Ｌ…出代としての長さ、Ｎ…ターン数。

Claims (4)

1. 高透磁率のコアにアンテナ線を巻き付け、環状の当該アンテナ線が共振回路のコイルとなるアンテナ装置において、
   前記コイルとアンテナ装置設置場所との間に、前記コイルから放射される磁界を吸収可能な磁性体を設け、当該磁性体のコイル軸心方向の全長を、前記コイルのそれぞれの端部から８〜３０ｍｍ離れた長さに設定した
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記磁性体は、前記コイルと前記アンテナ装置設置場所の間において、前記アンテナ装置設置場所側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記コイルは、前記アンテナ線の群を主巻線と補助巻線とに分けた分割巻線であり、この分割によってできたスペースに前記アンテナ線を更に巻き付けることにより、前記コイルのターン数が増やされている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 少なくとも前記コイルを備えるアンテナユニットと、
   当該アンテナユニットを収納するケースとを備え、
   前記磁性体は、前記ケースの裏面に取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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