JP2013223117A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】特定の空間において大きな磁束密度を実現することで安定した通信品質を確保し、かつ、それ以外の空間においては磁束密度を著しく急減衰させることで情報の伝達を制限し、高性能な空間限定を実現するループアンテナを提供する。
【解決手段】ループアンテナは、同一平面状に配置された中心を同じくする複数Ｎ個の電流ループからなり、ｋを１以上Ｎ以下の整数として、第ｋの電流ループについて、流れる電流をＩ_ｋ、巻き数をＭ_ｋ、半径をｒ_ｋとするとき、以下の条件
【数２２】

を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流ループに電流を流して磁界を発生させるループアンテナに関するものである

近年、非接触型ＩＣカードやＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などの非接触通信を行う通信装置が普及している。この通信装置は、例えばコイル状のアンテナであるループアンテナを有し、このループアンテナでの交流磁界を利用した磁界結合により非接触通信を行う。このような通信装置による磁界結合は、ラジオや携帯電話等の通信に使用される遠距離の無線通信に比べて通信距離が短いため、近距離における非接触通信に適している。

特開２０００−１１３１４２号公報

東京電機大学"入門電磁気学"東京電機大学出版局、２００６

従来において、図１１に示すように、半径ｒ（ｍ）の円形コイルに定常電流Ｉ（Ａ）を流したとき、その中心からｚ（ｍ）離れた中心軸上の点Ｐに生じる磁束密度は、以下の式で表される。

式１によると、円形コイルから十分離れた条件、すなわちｒ＞＞ｚを満たす場合において、磁束密度Ｂはｚの３乗に逆比例して減衰する。

式１は円形コイルに定常電流を流した場合に成立する式であるが、周波数が低い場合においては交流電流を流した場合にも近似的に成立する。交流電流を使用して行う磁界通信において用いられるループアンテナから生じる磁束密度の減衰特性も上式に従う。

無線通信においてセキュリティを確保する手段の一つに、通信エリアを狭くし、遠方から傍受される可能性を減らすことがあげられる。しかし、ループアンテナによって形成される磁束密度は式１によりループアンテナからの距離の３乗に逆比例し、それ以上の勾配を持つ減衰特性を得ることはできない。また、通信エリアを狭くするためには、ループアンテナの巻き数を減らす、またはループアンテナに流す電流値を小さくするという手段もあるが、どちらの手段もループアンテナから放射される磁束密度を通信すべき空間において一様に小さくしてしまうため、通信品質を損なう可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特定の空間において大きな磁束密度を実現することで安定した通信品質を確保し、かつ、それ以外の空間においては磁束密度を著しく急減衰させることで情報の伝達を制限し、高性能な空間限定を実現するループアンテナを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、同一平面に配置された中心を同じくする複数Ｎ個の電流ループからなり、ｋを１以上Ｎ以下の整数として、第ｋの電流ループについて、流れる電流をＩ_ｋ、巻き数をＭ_ｋ、半径をｒ_ｋとするとき、以下の条件

を満たすことを特徴とするループアンテナをもって解決手段とする。

本発明によれば、Ｎ個のループアンテナに適切な大きさの電流を適切な向きに流すことにより、（２Ｎ＋１）乗に逆比例する減衰特性を示す多重ループアンテナを実現し、特定のエリアでは大きな磁束密度を確保しそれ以外のエリアでは逆比例の累乗が３乗を越える急峻な磁束密度の減衰特性を実現することができる。

第１の実施の形態に係るループアンテナ（（２Ｎ＋１）乗減衰ループアンテナ）の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係るループアンテナの構成の一例（５乗減衰ループアンテナ）を示す図である。 第１の実施の形態に係るループアンテナの構成の一例（７乗減衰ループアンテナ）を示す図である。 第１の実施の形態に係るループアンテナ（（２Ｎ＋１）乗減衰ループアンテナ）から生成される磁束密度の特性を示す図である。 第２の実施の形態に係るループアンテナ（（２Ｎ＋１）乗減衰ループアンテナ）の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係るループアンテナ（５乗減衰ループペア）の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係るループアンテナの減衰特性の計算結果を示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナ（多角形ループアンテナ）の構成を示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナ（（２Ｎ＋１）乗減衰多角形ループアンテナ）から生じる磁束密度の計算結果を示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナ（５乗減衰多角形ループペア）から生じる磁束密度の計算結果を示す図である。 電流ループおよび座標の位置関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態に係るループアンテナの構成を示す図である。図２は第１の実施の形態に係るループアンテナの構成の一例を示す図である。図３は第１の実施の形態に係るループアンテナの構成の一例を示す図である。図４は第１の実施の形態に係るループアンテナから生成される磁束密度の特性を示す図である。

図１に示すループアンテナは、例えば、ゲートの出入りの際の認証等に使用される。他の実施の形態についても、同様にループアンテナは認証等に使用される。

ループアンテナは、同一平面に配置された第１の電流ループＡ１、第２の電流ループＡ２、…、第ｋの電流ループＡ３、…、第Ｎの電流ループＡ４で構成される。電流ループＡ１〜Ａ４は同じ中心を持つように配置される。ここで、各電流ループＡ１からＡ４で生じる磁束密度は式１に従うため、ループアンテナから生じる磁束密度は全ループから生じる磁束密度の和で表すことができ、すなわち式２に示すとおり式１の和で表される。

ここで、Ｔａｙｌｅｒの展開公式より

式３を用いて式２を書き換えると式４となる。

式４における右辺は多項式になっており、これらの項の一部を０にするような条件を設定することで、距離ｚの３乗減衰を上回る５乗、７乗、…、（２Ｎ＋１）乗減衰を実現できる。

（２Ｎ＋１）乗減衰の一例として、５乗減衰を実現する条件を示す。式４より、第１項が０になる条件を設定するとき、すなわち式５の条件を満たす設定にするとき、

式４において距離ｚの３乗に逆比例する項が消え、磁束密度は距離ｚの５乗に逆比例した減衰特性を示す。５乗減衰を実現する例として、２重の電流ループ（Ｎ＝２）で構成されるループアンテナの場合においては、たとえば図２に示すようにＩ_１＝１［Ａ］、Ｉ_２＝−４［Ａ］、ｒ_１＝１［ｍ］、ｒ_２＝０．５［ｍ］
と設定することで、式５に相当する以下の式６を満たすことができる。

上記の設定値を用いるとき、２重の電流ループで構成されるループアンテナから生じる磁束密度は式７のように書き換えられ、減衰特性は距離ｚの最高次数の項に依存するため、距離ｚの５乗に逆比例した減衰特性が実現できる。

同様に、７乗減衰を実現する例について示す。式４における第１項および第２項が０になる条件を設定するとき、すなわち以下の条件を設定するとき、

式４の右辺において距離の３乗および５乗に逆比例する項が消え、磁束密度は距離の７乗に逆比例した減衰特性を示す。距離の７乗に逆比例する減衰特性を実現する例として、３重の電流ループ（Ｎ＝３）で構成されるループアンテナの場合においては、たとえば図３に示すようにＩ_１＝１［Ａ］、Ｉ_２＝−５０［Ａ］、Ｉ_３＝１７５［Ａ］、ｒ_１＝５［ｍ］、ｒ_２＝２［ｍ］、ｒ_３＝１［ｍ］と設定することで、式５かつ式８に相当する以下の式９かつ式１０を満たすことができる。

上記の設定値を用いるとき、３重の電流ループで構成されるループアンテナから生じる磁束密度は式１１のように書き換えられ、距離ｚの７乗に逆比例した減衰特性が実現できる。

上記の５乗減衰および７乗減衰の条件を一般化し、Ｎ個の電流ループからなるループアンテナにおいて（２Ｎ＋１）乗減衰を実現するＩ_ｋ，ｒ_ｋの条件設定が可能である。その条件設定とは式４の右辺において第１項から第Ｎ項までが０になるＩ_ｋ，ｒ_ｋを選択することであり、式１２のように表記できる。

式１２を満たすことで任意に（２Ｎ＋１）乗の減衰特性を選択および実現できる。

本実施の形態による効果として、減衰特性の計算結果を図４に示す。Ｚ＞＞ｒにおいてＮ＝２，３，４とするにつれて５，７，９乗減衰特性が得られる。

ループアンテナの巻き数を減らす、または流す電流値を小さくするという従来の手法では通信すべき空間において一様に磁束密度を小さくしてしまうのに対して、本実施の形態においては、磁束密度がＺ＞＞ｒにおいて顕著に急減衰する。

この減衰特性をもって、特定のエリアでは大きな磁束密度を確保することで安定した通信品質を提供し、それ以外のエリアでは急峻な減衰により磁束密度を検出不可能にすることで高い安全性を提供することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の変形例である。

図５は第２の実施の形態に係るループアンテナの構成を示す図である。

かかる変形例では、第１の実施の形態における各電流ループが単数もしくは複数回巻かれている。逆に言えば、第１の実施の形態は、第２の実施の形態における各電流ループがすべて１巻きである場合である。

各電流ループが複数回巻かれているという差異のため、（２Ｎ＋１）乗減衰を実現する条件式も式１２から変更され、各電流ループに流れる電流をＩ_ｋ、各電流ループの巻き数をＭ_ｋ、各電流ループの半径をｒ_ｋとするとき、正の整数ｋが１からＮのとりうるすべての数に対して、式１３を満たすことが条件となる。

その他については第１の実施の形態と同様である。

（２Ｎ＋１）乗減衰の一例として、７乗減衰を実現する条件を示す。これは式１３におけるＮ＝３の場合であるので、次の式１４および式１５を満たすことで７乗減衰する磁束密度が実現でき
る。

式１４および式１５はたとえば、Ｉ_１＝１［Ａ］、Ｉ_２＝−５［Ａ］、Ｉ_３＝７［Ａ］、ｒ_１＝５［ｍ］、ｒ_２＝２［ｍ］、ｒ_３＝１［ｍ］、Ｍ_１＝１、Ｍ_２＝１０、Ｍ_３＝２５とすれば成立する。

かかる変形例によれば、電流ループの巻き数を複数回にすることで、その電流ループに流す電流値を小さくすることができる。たとえば、第１の実施例の形態では、Ｉ_３＝１７５［Ａ］であったが、第２の実施例の形態で巻き数を２５回とすることで、Ｉ_３＝７［Ａ］に低減できている。

電流値を小さくできることで、通信機器の消費電力を低減でき、電気代を節約できる。

また通信機器にバッテリーを用いる場合は、動作時間を長くすることができる。

［第３の実施の形態］
図６は第３の実施の形態に係るループアンテナの構成を示す図である。本ループアンテナは２個の電流ループで構成される電流ループペアを２組使用し、計４個の電流ループで構成される。

上記２組のペアのうちの１組は、中心を同じくする第１の電流ループおよび第２の電流ループからなり、第１の電流ループに流れる電流および電流ループの半径をＩ_１、ｒ_１とし、第２の電流ループに流れる電流および電流ループの半径をＩ_２、ｒ_２とするとき、以下の条件

を見たす電流ループペアＡ００１である。電流ループペアＡ００１から生じる磁界の磁束密度は、第１の実施の形態の原理によって距離ｚの５乗に逆比例する減衰特性を示す。

上記２組のペアのうちの残りの１組は、中心を同じくする第３の電流ループおよび第４の電流ループからなり、第３の電流ループに流れる電流および電流ループの半径をＩ_３、ｒ_３とし、第４の電流ループに流れる電流および電流ループの半径をＩ_４、ｒ_４とするとき、以下の条件、

を満たす電流ループペアＡ００２である。電流ループペアＡ００２から生じる磁界の磁束密度は、第１の実施の形態の原理によって距離ｚの５乗に逆比例する減衰特性を示す。

本実施の形態のループアンテナは、電流ループペアＡ００１と電流ループペアＡ００２が同心円状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。

本実施の形態の一例として、たとえば図６に示すようにＩ_１＝１［Ａ］、Ｉ_２＝−４［Ａ］、ｒ_１＝１［ｍ］、ｒ_２＝０．５［ｍ］、Ｉ_３＝−２［Ａ］、Ｉ_３＝８［Ａ］、ｒ_３＝０．８［ｍ］、ｒ_４＝０．４［ｍ］と設定する。

この設定条件における減衰特性の計算結果を図７に示す。

本実施の形態により、ループアンテナから生じる磁束密度は、ｚ＞＞ｒにおいて５乗に逆比例する減衰特性を示すことに加え、任意の空間地点において窪み特性を生じることで局所的に逆比例が５乗を越える急減衰特性を示すため、より厳密な通信エリアの制限を操作性高く行える。

また、各電流ループは複数回巻かれていてもよい。その場合、各電流ループの巻き数をＭ_ｋとすると、満たすべき条件は以下の通りとなる。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、第１〜３の実施の形態の変形例である。

かかる変形例では、第１〜３の実施の形態における各電流ループが円形ではなく、多角形（３以上の角をもつ形、長方形でもよい）であることを特徴としている。多角形のアンテナは円形アンテナよりも製造が容易であるため、製造コストが安くなり、ひいては製品価格が低くできるという利点がある。

図８は第４の実施の形態に係るループアンテナの構成を示す図である。図８における記号は、各電流ループに流れる電流をＩ_ｋ、各電流ループの巻き数をＭ_ｋ、電流ループの中心から頂点までの長さをｒ_ｋとする。

ループアンテナが多角形であっても、ｚ＞＞ｒの領域、つまりループアンテナから十分に遠方においては、円形のループアンテナと性質が等価なものとして扱える。

本実施の形態の一例として、八角形のループアンテナの規格化した減衰特性の計算結果を図９および図１０に示す。図９は（２Ｎ＋１）乗減衰多角形ループアンテナから生じる磁束密度を示しており、図１０は５乗減衰多角形ループペアから生じる磁束密度を示している。

図９および図１０において、黒色の点線が八角形ループアンテナの減衰特性であり、灰色の実線が円形のループアンテナの減衰特性である。図９における灰色の実線は図４の計算結果と同じものであり、図１０における灰色の実線は図７の計算結果と同じものである。

図９において両線は重なっており、多角形と円形のループアンテナから生じる（２Ｎ＋１）乗減衰特性が等しいことがわかる。また図１０において両線は重なっており、多角形と円形のループペアから生じる、任意の空間地点において窪み特性を生じる（２Ｎ＋１）乗減衰特性が等しいことがわかる。

Ｉ_ｋ 電流
Ｍ_ｋ 巻き数
ｒ_ｋ 半径

Claims (4)

1. 同一平面に配置された中心を同じくする複数Ｎ個の電流ループからなり、
   ｋを１以上Ｎ以下の整数として、第ｋの電流ループについて、流れる電流をＩ_ｋ、巻き数をＭ_ｋ、半径をｒ_ｋとするとき、以下の条件
   を満たす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であって、
   さらに、以下の条件
   を満たすことを特徴とするループアンテナ。
3. 請求項１に記載のループアンテナであって、
   Ｎ＝４とし、
   第１の電流ループおよび第２の電流ループからなり、以下の条件
   を満たす第１のループペアと、
   第３の電流ループおよび第４の電流ループからなり、以下の条件
   を満たす第２のループペアとが、
   同心円状に配置されていることを特徴とするループアンテナ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のループアンテナであって、
   ループアンテナを構成する各電流ループの形状が、円形、多角形のいずれかであることを特徴とするループアンテナ。