JP2015144341A

JP2015144341A - ３軸アンテナ

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Publication number: JP2015144341A
Application number: JP2014016545A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　嘉千安; Kachiyasu Sato; 嘉千安佐藤; 和久佐野; Kazuhisa Sano; 一洋伊藤; Kazuhiro Ito
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: CN104821436B; CN104821436A; EP2903087A1; US20150222016A1; US9543656B2; KR20150091231A; JP6287271B2; KR101983105B1; EP2903087B1

Abstract

【課題】従来の３軸アンテナは、低背化されてはいるものの、その厚みは３ｍｍ以上あり、キーホールダのようなものに組み込むことはできても、ＩＣカードのような薄型なものには組み込むことができなかった。【解決手段】第１のアンテナコイルの最大受信感度方向と、第２のアンテナコイルの最大受信感度方向と、第３のアンテナコイルの最大受信感度方向とが、それぞれ略直交するように配置された３軸アンテナであって、前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルと前記第３のアンテナコイルは、巻軸の周方向に巻回された平面状のコイルと、前記コイルの孔に挿入され箔状のコアからなり、前記箔状のコアを、前記コイルの平面と略並行になるように同一平面上に配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等の施錠、解錠を行うキーレスエントリに用いられる、全方向に受信感度を有する３軸アンテナに関する。

ＬＦ帯用のアンテナとして、棒状のコアを巻軸として巻線したバーアンテナが用いられている。このようなバーアンテナは、巻軸方向に受信感度を有し、巻軸方向と直交する方向には受信感度がない領域が存在する。そのため、３つのアンテナコイルをそれぞれの巻軸が直交するように配置することによって、複数のアンテナコイルで互いの受信感度のない領域を補完して、全方向に受信感度を有する無指向性のアンテナを得ている。
近年では、特許文献１に開示されているような、単一のコアに３つのコイルをそれぞれ直交するように巻回して小型化した３軸アンテナが用いられている。

図１５は、従来の３軸アンテナの例である。
図１５に示すように、従来の３軸アンテナ７０は、外形が扁平な円柱状に形成されたフェライトからなるコア８０に、コア８０の上面と底面とで互いに直交するｘ溝８１、ｙ溝８２、および、円柱の外周面にｚ溝８３が設けられ、ｘ溝８１、ｙ溝８２、ｚ溝８３に、それぞれ、ｘ軸コイル９１、ｙ軸コイル９２、ｚ軸コイル９３が巻回されている。
３軸アンテナ７０は、ｘ軸コイル９１、ｙ軸コイル９２、ｚ軸コイル９３のそれぞれの巻軸が互いに直交しているので、全方向に受信感度を有する。

特開２００４−１５１６８号公報特開平１０−７５１１３号公報

上記した従来の３軸アンテナは、低背化されてはいるものの、その厚みは３ｍｍ以上あり、キーホールダのようなものに組み込むことはできても、たとえば、幅８５．６ｍｍ、高さ５４．０ｍｍ、厚み０．７６ｍｍで規格化されたＩＣカードのような薄型なものには組み込むことができなかった。

本発明の３軸アンテナは、第１のアンテナコイルの最大受信感度方向と第２のアンテナコイルの最大受信感度方向と、第３のアンテナコイルの最大受信感度方向とが、それぞれ直交するように配置された３軸アンテナであって、前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルと前記第３のアンテナコイルは、巻軸の周方向に巻回された平面状のコイルと、前記コイルの孔に挿入された箔状のコアからなり、前記箔状のコアを、前記コイルの平面と略並行になるように同一平面上に配置したことを特徴とする。

本願発明の３軸アンテナによれば、ＩＣカード等の薄いものに組み込むことが可能な３軸アンテナを提供することができる。

本発明の３軸アンテナの一実施例を示す斜視図である。アンテナコイルの平面図とその縦断面図である。アンテナコイルの放射特性を示すグラフである。アンテナコイルの放射特性を説明する図である。アンテナコイルの特性を示すグラフである。本発明の３軸アンテナの最大受信感度の方向を説明するための斜視図である。本発明の３軸アンテナの放射特性のシミュレーション結果である。アンテナコイルの別の実施例を示す斜視図である。アンテナコイルの別の実施例の放射特性を示すグラフである。箔コアの様々な実施例を示す図である。アンテナコイルの薄型化を説明するための図である。アンテナコイルの巻線の引き出し位置を説明するための図である。本発明の３軸アンテナの変形実施例を示す平面図である。本発明の３軸アンテナの最大受信感度の方向を説明するための斜視図である。従来の３軸アンテナの斜視図である。

図１は、本発明の３軸アンテナの一実施例を示す平面図であり、図２は、アンテナコイルを詳しく説明するための平面図とその断面図である。

図１に示すように、３軸アンテナ１０は、ｘｙ平面上に配置された３つの平面状のアンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃで構成されている。
アンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、図２に示すように、絶縁被覆された導線を巻軸Ｎの周方向に巻回した、内径ｄ_０、外径ｄ_１、厚さｔ_３０の扁平形状の平面コイル３０と、軟磁性材料の薄膜をＰＥＴ材等の基材上に形成した、長さＬ、幅Ｗ、厚さｔ_４０の矩形箔状の箔コア４０からなる。
箔コア４０は、平面コイル３０の平面と略並行になるように、平面コイル３０の巻軸Ｎから略９０°倒して配置されていて、箔コア４０の一端側の下端面と平面コイル３０の上面側とが接し、箔コア４０の他端側の上端面と平面コイル３０の裏面側とが接している。
アンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれの箔コア４０の長手方向をａ軸、ｂ軸、ｃ軸としたとき、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸は一点で交わり、各々が互いに１２０°の角度をなすように放射状に配置されている。

以下に、３軸アンテナ１０が無指向性であることを、その条件とともに説明する。
図３は、図２に示したアンテナコイルの放射特性を示すグラフである。図３において、箔コア４０の長手方向をｘ方向、平面コイル２０ａの巻軸Ｎをｚ軸方向としている。なお、平面コイル３０は、直径０．０４５ｍｍの自己融着線を３３２ターン巻回し、内径ｄ_０＝８ｍｍ、外径ｄ_１＝１９ｍｍ、厚さｔ_３０＝０．２ｍｍとしたものを用い、箔コア４０は、比透磁率μ_ｒが１０^４、長さＬ＝２０ｍｍ、幅Ｗ＝６ｍｍ、厚さｔ_４０＝０．０６０ｍｍのものを用いた。

棒状のコアに巻線した一般的なバーアンテナは、棒状のコアの軸の方向に最大受信感度を有するが、図２に示したアンテナコイルは図４に示すように、最大受信感度Ｖ_ｍａｘの方向が、平面コイル３０の巻軸Ｎから外周方向に倒した箔コア４０の軸の方向から、巻軸Ｎに起こす方向に傾斜角θ（０°≦θ≦９０°）を有している。図４において、傾斜角θは、約５０°である。

この傾斜角θは、最大誘起電圧Ｖ_ｍａｘの大きさとともに、箔コアの形状、比透磁率μ_ｒ等で調整可能である。

図５は、箔コア４０の長手方向の寸法Ｌを変化させた場合の、傾斜角θおよび最大誘起電圧Ｖ_ｍａｘの変化を示すグラフである。図５において、横軸は箔コアの長手方向の寸法Ｌ［ｍｍ］、縦軸は傾斜角θ［°］、または、最大誘起電圧Ｖ_ｍａｘ［Ｖ］を表し、実線は傾斜角θ、点線は最大誘起電圧Ｖ_ｍａｘを表わす。なお、平面コイルは、図３の放射特性の測定を行ったアンテナコイルに用いた平面コイルと同じものを用いた。
図５より、箔コアの長手方向の寸法Ｌを長くするにしたがって、傾斜角θは小さく、最大誘起電圧Ｖ_ｍａｘは大きくなることがわかる。

図６は、３軸アンテナ１０におけるアンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃ（図示せず）の最大受信感度の方向を説明するための斜視図である。図６において、アンテナコイル２０ａの箔コアの長手方向をａ軸（ｘ軸）、最大受信感度の方向をα軸、傾斜角をθ、
アンテナコイル２０ｂの箔コアの長手方向をｂ軸、最大受信感度の方向をβ軸、傾斜角をθ、
アンテナコイル２０ｃの箔コアの長手方向をｃ軸、最大受信感度の方向をγ軸、傾斜角をθとし、
ａ軸をｘ軸とし、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸が、それぞれの軸の間が１２０°の角度をなし、原点Ｏで交差するように配置されている。

図６から、３軸アンテナ１０を無指向性とするためには、α軸、β軸、γ軸がそれぞれ直交すればよいので、傾斜角θは３５．２６°とすればよいことがわかる。図５から、傾斜角θが３５．２６°になるための箔コア４０の長手方向の長さＬは、略２７ｍｍである。

図７は、傾斜角θ＝３５．２６°としたアンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを用いた３軸アンテナ１０のシミュレーション結果であり、図７（ａ）は、アンテナコイル２０ａの放射特性を示し、
図７（ｂ）は、アンテナコイル２０ｂの放射特性を示し、
図７（ｃ）は、アンテナコイル２０ｃの放射特性を示し、
図７（ｄ）は、アンテナコイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの放射特性を論理和演算した３軸アンテナ１０の放射特性を示す。図７（ａ）〜（ｄ）の結果から、３軸アンテナ１０は、全方位に受信感度を有する無指向性であることがわかる。

上記したアンテナコイルの厚みＴ（＝ｔ_４０＋ｔ_３０×２）は、０．３２ｍｍ程度である。これは、ＩＣカードの厚さ０．７６ｍｍからカードの表面と裏面の外装０．２０ｍｍを除いた基材部分の厚みより薄いので、３軸アンテナ１０は、ＩＣカードに埋め込むことが可能である。
また、このような３軸アンテナ１０は、脆弱なフェライトを用いた従来の３軸アンテアと異なり、箔コア、薄い平面コイルを用いているので、ある適度の可撓性が期待でき、ＩＣカード等に組み込むのに好適である。

なお、理論的には傾斜角θは３５．２６°が好適だが、アンテナコイルは最大受信感度の方向から多少外れても受信感度があるので、傾斜角θおよびアンテナコイルの配置に多少の誤差があっても、それぞれのアンテナコイルの受信感度のない領域を相互に補完可能であり、無指向性とすることができる。

箔コアの形状は矩形に限らず、たとえばＨ字形状としてもよい。図８は、アンテナコイルの別の実施例を示す斜視図である。
図８に示すように、アンテナコイル２１は、平面コイル３１と、平面コイル３１の孔に挿入されたＨ字形状の箔コア４１からなり、箔コア４１は、長さＬ_ａ、幅Ｗ_ａ、厚さｔ_４１の矩形のコア片４１ａと、コア片４１ａの両端に配置された長さＬ_ｂ、幅Ｗ_ｂ、厚さｔ_４１の矩形のコア片４１ｂからなる。

図９は、図８に示したアンテナコイル２１において、Ｗ_ａ＝Ｗ_ｂ＝６ｍｍ、Ｌ_ａ＝Ｌ_ｂ＝２０ｍｍ、ｔ_４１＝０．０６０ｍｍとした場合の放射特性を示すグラフである。平面コイル３１は、図３の放射特性の測定を行ったアンテナコイルに用いた平面コイルと同じものを用いた。アンテナコイル２１は、アンテナコイル２０に比べて最大誘起電圧が大きく、傾斜角θが小さくなっていることがわかる。
このように、最大誘起電圧、傾斜角は、箔コアの形状により調整可能である。なお、アンテナコイル２１は、アンテナコイル２０に比べてインダクタンス値が大きくなる。また、最大誘起電圧は、アンテナコイル２０の巻き数でも調整可能である。

図１０は、箔コアの様々な実施形態を示す斜視図である。
図１０（ａ）は、Ｔ字形状のコア片４２ａとＩ字形状のコア片４２ｂとを組み合わせてＨ字形状の箔コア４２とした例を示す。コア片とコア片の重なりが一箇所だけなので、アンテナコイルの厚さを薄くすることができる。
図１０（ｂ）は、２つのＴ字形状のコア片４３ａ、４３ａを組み合わせてＨ字形状の箔コア４３とした例を示す。平面コイルの孔でコア片が重なっているので、重なりがアンテナコイルの厚さに影響しない。その結果、アンテナコイルの厚さをさらに薄くすることができる。
図１０（ｃ）は、Ｉ字形状のコア片４４ａと、円弧状のコア片４４ｂ、４４ｂを組み合わせてＨ字形状の箔コア４４とした例を示す。箔コア４４の外形を平面コイルの外形に合わせているので、アンテナコイルの専有面積を小さくすることができる。
図１０（ｄ）は、２つのＴ字形状のコア片４５ａ、４５ａと、平面コイルの孔に配置したコア片４５ｂとを組み合わせてＨ字形状の箔コア４５とした例を示す。平面コイルの孔でコア片が重なっているので、重なりがアンテナコイルの厚さに影響しない。
図１０（ｅ）は、箔コア４６をＴ字形状とした例を示す。このように、箔コアを軸方向に非対称にしてもよい。なお、箔コアを非対称としても、アンテナコイルの放射特性は対称となる。
このように、箔コアは、所望の特性を得るために、種々の形状を選択可能であり、複数のコア片を組み合わせてもよい。
また、箔コアの形状と同様に、平面コイルも円形に限るものではない。楕円形状や多角形状など、種々の形状を選択可能である。

アンテナコイルは、なるべく薄型であることが望ましい。図１１は、アンテナコイルのさらに別の実施例を示す。平面コイル３７の上下方向から加圧したり、予め変形させたりして、アンテナコイルの厚みＴ_１を薄くしてもよい。

平面コイルとして種々の巻線方法がある。巻き始めを内側、巻き終わりを外側とする一般的な巻線では、内側の端末をコイル外周に引き出す際に、引き出した導線によりコイルの厚みが増してしまうという問題がある。

図１２は、アンテナコイルの巻線端末の引き出し位置を説明するための縦断面図である。図１２に示すように、平面コイル３８の内側の巻線の端末３８ａを、平面コイル３８の孔から、箔コア４８の長手方向と直交する方向に引き出すことにより、巻線端末の引き出しによるアンテナコイルの厚みの増加を抑えることができる。

（変形実施例）

図１３は、３軸アンテナのアンテナコイルの配置の変形実施例を示す平面図である。
図１３（ａ）に示す３軸アンテナ１１は、アンテナコイル２９ａ、２９ｂ、２９ｃのそれぞれの箔コアの長手方向ａ軸、ｂ軸、ｃ軸が正三角形の辺上になるように配置している。このような配置にすることで、アンテナコイルの箔コアと他のアンテナコイルの箔コアとの間の距離が遠くなり、３軸アンテナの性能低下の原因であるアンテナコイル間の結合を小さくすることができる。
図１３（ｂ）に示す３軸アンテナ１２は、アンテナコイル２９ａ、２９ｂ、２９ｃを横一列に配置している。
このように、箔コアの長手方向であるａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向が正しければ、アンテナコイルは同一平面上にどのように配置しても構わない。

上記した実施例では、画一化された同じ特性の３つのアンテナコイルを、箔コアの長手方向がなす角を１２０°になるように配置した。しかし、特性の異なるアンテナコイルを用いても、無指向性を実現することができる。図１４は、本発明の３軸アンテナの最大受信感度の方向を説明するための斜視図である。
３つの特性の異なるアンテナコイル２００ａ、２００ｂ、２００ｃ（図示せず）で構成された３軸アンテナ１００（図示せず）がｘｙ平面上に原点を中心として配置された場合、
アンテナコイル２００ａの箔コアの長手方向をａ軸（ｘ軸）、最大受信感度の方向をα軸、ａ軸とα軸の間の角度をθ_１、
アンテナコイル２００ｂの箔コアの長手方向をｂ軸、最大受信感度の方向をβ軸、ｂ軸とβ軸の間の角度をθ_２、
アンテナコイル２００ｃの箔コアの長手方向をｃ軸、最大受信感度の方向をγ軸、ｃ軸とγ軸の間の角度をθ_３、
ａ軸とｂ軸の間の角度をφ_１、ｂ軸とｃ軸の間の角度φ_２、ｃ軸とａ軸の間の角度φ_３とすると、
θ_１=２０．００°、θ_２=２８．０２°、θ_３=５４．４７°、φ_１＝１０１．２°、φ_２＝１３８．２°、φ_３＝１２０．６°とすれば、α軸、β軸、γ軸がそれぞれ直交する。なお、φ_１、φ_２、φ_３は幾何的に、９０°より大きく、１８０°以下である。

上記したように、本発明の３軸アンテナは、同一平面上に３つの平面状のアンテナコイルを配置したとき、それぞれのアンテナコイルのコアの長手方向は直交していなくても、アンテナコイルの傾斜角および平面上での配置を調整することにより、それぞれのアンテナコイルの最大受信感度の方向を直交させることができ、全方向に受信感度を有する３軸アンテナとすることができる。

１０、１１、１２、７０３軸アンテナ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２１、２９ａ、２９ｂ、２９ｃアンテナコイル
３０、３１、３７、３８、平面コイル
３８ａ巻線端末
４０、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８箔コア
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂコア片
８０コア

Claims

第１のアンテナコイルの最大受信感度方向と
第２のアンテナコイルの最大受信感度方向と、
第３のアンテナコイルの最大受信感度方向とが、それぞれ略直交するように配置された３軸アンテナであって、
前記第１のアンテナコイルと前記第２のアンテナコイルと前記第３のアンテナコイルは、
巻軸の周方向に巻回された平面状のコイルと、
前記コイルの孔に挿入され箔状のコアからなり、
前記箔状のコアを、前記コイルの平面と略並行になるように同一平面上に配置した
ことを特徴とする３軸アンテナ。
前記同一平面上において、
前記第１のアンテナコイルのコアの長手方向と、
前記第２のアンテナコイルのコアの長手方向と、
前記第３のアンテナコイルのコアの長手方向とがなす角は、９０°より大きく、１８０°以下である請求項１に記載の３軸アンテナ。
前記なす角は、１２０°であり、
前記第１のアンテナコイルと、前記第２のアンテナコイルと、前記第３のアンテナコイルとは、同じ形状である
請求項１または請求項２のいずれかに記載の３軸アンテナ。
前記コアは、Ｈ字形状、Ｉ字形状、Ｔ字形状のいずれかの形状である
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の３軸アンテナ。
前記コアは、複数のコア片を組み合わせてなる
Ｈ字形状、Ｉ字形状、Ｔ字形状のいずれかの形状である
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の３軸アンテナ。
前記コイルの内側の端末は、
前記コイルの内径から前記コアの方向と直交する方向に、
前記コイルの外周に引き出される
請求項４または請求項５に記載の３軸アンテナ。