JP2015204477A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ループアンテナで生成される磁界の減衰特性を改善すること。【解決手段】平行に離間して配置された一対の一重の電流ループ１０，２０を備え、その一対の電流ループ１０，２０が生成する磁界を表した式（１）をテイラー展開した式（４）に現れる複数の累乗項のうちｚ３の項をゼロとするように、各電流ループ１０，２０に流れる電流Ｉ１，Ｉ２の値と各電流ループの半径ａ１，ａ２を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ループアンテナの技術に関する。

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がある（特許文献１）。このようなループアンテナの従来構成を図５に示す。Ｎ個（Ｎ≧１）の電流ループを同一平面上に配置し、各電流ループ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）乗の減衰特性の磁界を得ることができる。３乗以上の減衰特性を得られるため、他のエリアから磁界エリアを明確に限定することができる（特許文献１の図４参照。但し、図４の半径ｒは、図５の電流ループの半径ａに相当する）。

特開２０１３−２２３１１７号公報

上記の従来技術によれば、３乗の次に急峻な減衰特性は５乗（Ｎ＝２）であり、その次は７乗（Ｎ＝３）、更なる次は９乗（Ｎ＝４）である。このような累乗の規則は、数式から理論的に導き出すことができる。

しかしながら、従来のループアンテナでは、４乗や６乗といった偶数乗の減衰特性の磁界を生成することができない。このように奇数の累乗の減衰特性しか選択できない場合、例えば「３乗減衰の磁界を用いると磁界エリアが広すぎるが５乗減衰の磁界では狭すぎる」といった中間的な４乗減衰を望む状況に対応することができない。すなわち、減衰特性を任意に選択することができず、真に利用者の望む空間サイズの磁界を提供できないという課題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ループアンテナで生成される磁界の減衰特性を改善することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載のループアンテナは、平行に離間して配置された一対の一重の電流ループを備え、前記一対の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項のみをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを要旨とする。

本発明によれば、平行に離間して配置された一対の一重の電流ループを備え、その一対の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項のみをゼロとするように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、４乗減衰特性の磁界を生成することができる。また、上記複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

請求項２に記載のループアンテナは、請求項１に記載のループアンテナにおいて、前記最低次項のみをゼロとする場合、一方の電流ループに流れる電流の値に前記一方の電流ループの半径の２乗を積算した値と、他方の電流ループに流れる電流の値に前記他方の電流ループの半径の２乗を積算した値とを加算した値がゼロであることを要旨とする。

請求項３に記載のループアンテナは、平行に離間して配置された一対の同心円状の電流ループ群を備え、前記一対の電流ループ群が生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを要旨とする。

本発明によれば、平行に離間して配置された一対の同心円状の電流ループ群を備え、その一対の電流ループ群が生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、３乗を超え、かつ、偶数乗又は奇数乗の減衰特性の磁界を生成することができる。また、上記複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

請求項４に記載のループアンテナは、平行に離間して配置された複数の一重の電流ループを備え、前記複数の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを要旨とする。

本発明によれば、平行に離間して配置された複数の一重の電流ループを備え、その複数の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、３乗を超え、かつ、偶数乗又は奇数乗の減衰特性の磁界を生成することができる。また、上記複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されているため、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

請求項５に記載のループアンテナは、請求項３又は４に記載のループアンテナにおいて、前記最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、平行配置された前記電流ループ間の距離が設定されていることを要旨とする。

本発明によれば、ループアンテナで生成される磁界の減衰特性を向上することができる。

第１の実施の形態に係るループアンテナの斜視図である。 第２の実施の形態に係るループアンテナの斜視図である。 磁界の減衰特性を示す図である。 第３の実施の形態に係るループアンテナの斜視図である。 従来のループアンテナの斜視図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

〔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１の斜視図である。このループアンテナ１は、平行に離間して配置された一対の一重の電流ループ１０，２０と、各電流ループ１０，２０に電流を入力する図示しない電流制御部と、を備えて構成される。

このようなループアンテナ１において、一方の電流ループ１０に電流Ｉ_１（＞０）のキャリア信号を与え、他方の電流ループ２０に電流Ｉ_２（＞０）のキャリア信号を与える。このとき、このループアンテナ１が生成するｚ軸上の磁界Ｂは式（１）となる。

但し、ａ_１，ａ_２は、各電流ループ１０，２０の半径である。半径ａ_１と半径ａ_２は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。また、μ_０は、真空の透磁率である。なお、各電流ループ１０，２０のループ形成面はｘ−ｙ平面に平行であり、各ループ中心点はｚ軸上に位置するものとする。また、各電流ループ１０，２０は、ｚ軸上の原点から「−ｐ」，「＋ｐ」離れて位置するものとする。

ここで、ｚ≫ａ_１，ｚ≫ａ_２，ｚ≫ｐ、すなわち、ｚ軸上の原点から磁界Ｂの検出地点Ｔまでの距離が各電流ループ１０，２０のループ半径ａ_１，ａ_２やループ間距離（２ｐ）よりも十分に遠い場合、テイラー展開により式（１）の右辺各項を式（２），式（３）のように表記できる。

ゆえに、磁界Ｂの振る舞いを示した式（１）を式（４）のように書き換えることができる。

なお、式（４）では、簡単のためｚ^５の項よりも高次の項は省略している。

ここで、４乗減衰特性の磁界を生成する場合、式（４）のｚ^３の項を消す必要がある。すなわち、ｚ^３の項がゼロとなるように、各電流ループ１０，２０に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の値と各電流ループ１０，２０の半径ａ_１，ａ_２を設定する。具体的には、式（５）を満たすようにそれらを設定する。

式（５）を満たすには、例えば、ａ_１＝１［ｍ］，Ｉ_１＝１［Ａ］，ａ_２＝１［ｍ］，Ｉ_２＝−１［Ａ］と設定すればよい。ここで、電流値は、反時計回りに流す場合を正とし、時計回りの場合を負とした。

式（５）を満たすように各電流ループ１０，２０の電流と半径を設定することにより、式（４）のｚ^３の項が消え、空間にはｚ^４の項の磁界が出現することになる。すなわち、４乗減衰特性の磁界を生成することができる。これにより、従来のループアンテナでは実現できなかった、３乗を超え、かつ、偶数乗の減衰特性の磁界を実現することができる。

なお、式（４）のいずれの累乗項もゼロとしない場合には、３乗減衰特性の磁界が生成される。各電流ループ１０，２０の電流と半径を適切に調整することにより、３乗又は４乗の減衰特性の磁界を選択的に生成することができる。

本実施の形態によれば、平行に離間して配置された一対の一重の電流ループ１０，２０を備え、その一対の電流ループ１０，２０が生成する磁界を表した式（１）をテイラー展開した式（４）に現れる複数の累乗項のうちｚ^３の項をゼロとするように、各電流ループ１０，２０に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の値と各電流ループ１０，２０の半径ａ_１，ａ_２が設定されるので、４乗減衰特性の磁界を生成することができる。

また、本実施の形態によれば、式（４）に現れた複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループ１０，２０に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の値と各電流ループの半径ａ_１，ａ_２が設定されるので、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態のループアンテナ１を用いて４乗を超える減衰特性の磁界を生成する場合、例えば５乗減衰特性の磁界については、式（４）においてｚ^３の項とｚ^４の項の両方を消すことが必要となる。ここで、ｚ^３の項とｚ^４の項の両方を消すためには、式（６）を更に満たさなければならない。

しかし、式（５）と式（６）を満たす場合とは、電流Ｉ_１と電流Ｉ_２が共にゼロ以外にない。つまり、電流ループ数が２つの場合では、式（５）と式（６）を同時に満たすことができない。そこで、本実施の形態では、対をなす各電流ループ１０，２０のそれぞれの各同一平面上に複数の電流ループを同心円状にそれぞれ追加する。

図２は、第２の実施の形態に係るループアンテナ１の斜視図である。本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例である。かかる変形例では、半径ａ_１と電流Ｉ_１で構成される電流ループ１０の同一平面上に、半径ａ_１と異なる半径を持ち電流Ｉ_１と異なる電流が流れる複数の電流ループ（ａ_３，Ｉ_３），…，（ａ_２ｋ−１，Ｉ_２ｋ−１），…，（ａ_２Ｍ−１，Ｉ_２Ｍ−１）を更に備えている。また、半径ａ_２と電流Ｉ_２で構成される電流ループ２０の同一平面上に、半径ａ_２と異なる半径を持ち電流Ｉ_２と異なる電流が流れる複数の電流ループ（ａ_４，Ｉ_４），…，（ａ_２ｋ，Ｉ_２ｋ），…，（ａ_２Ｍ，Ｉ_２Ｍ）を更に備えている。その他は、第１の実施の形態と同様である。なお、Ｍは同じ平面に含まれる電流ループの個数である。

このような構成を備えたループアンテナ１の場合、空間に生じる磁界Ｂは、式（１）を拡張して式（７）となる。

そして、式（６）をテイラー展開すると式（８）となる。式（８）は、式（４）の拡張式といえる。

そして、ループアンテナ１の生成する磁界Ｂ（式（７））の級数展開式（式（８））において、ｚの各累乗項の係数がゼロとなるように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａと電流ループ間の距離ｐとを設定する。

以下、Ｍ＝２の場合について、５乗と６乗の各減衰特性の磁界の生成法を説明する。例えば、５乗減衰特性の磁界を生成するには、式（８）において、ｚ^３の項とｚ^４の項の両方を消せばよい。ここで、式（８）にＭ＝２を代入すると式（９）となる。

式（９）のｚ^３とｚ^４の項を消すため、以下の式（１０）と式（１１）に示される条件を適用する。

式（１０）と式（１１）を同時に満たすには、例えば、ａ_１＝１［ｍ］，Ｉ_１＝１［Ａ］，ａ_２＝１［ｍ］，Ｉ_２＝−１［Ａ］，ａ_３＝０．５［ｍ］，Ｉ_３＝−４［Ａ］，ａ_４＝０．５［ｍ］，Ｉ_４＝４［Ａ］と設定すればよい。式（１０）と式（１１）を満たすことにより、ｚ^３の項とｚ^４の項の両方が消え、ループアンテナ１から放射される磁界は５乗減衰となる。

また、更に式（９）のｚ^５の項も消すことにより、６乗減衰特性の磁界を得ることができる。ｚ^５の項を消すには、式（１０）と式（１１）に加えて、以下の式（１２）に示される条件を更に満たす必要がある。

式（１０）〜式（１２）を同時に満たすには、例えば、ａ_１＝１［ｍ］，Ｉ_１＝１［Ａ］，ａ_２＝１［ｍ］，Ｉ_２＝１［Ａ］，ａ_３＝０．５［ｍ］，Ｉ_３＝−４［Ａ］，ａ_４＝０．５［ｍ］，Ｉ_４＝−４［Ａ］と設定すればよい。式（１０）〜式（１２）を満たすことにより、ｚ^３，ｚ^４，ｚ^５の各項が消え、ループアンテナ１から放射される磁界は６乗減衰となる。

ここまで、５乗と６乗の各減衰特性の磁界の生成法を説明した。一方、本実施の形態に係るループアンテナ１であっても、式（１０）の条件のみを満たすことにより、４乗減衰特性の磁界を生成することができる。よって、式（１０）のみを満たす場合と、式（１０）と式（１１）を満たす場合と、式（１０）と式（１１）と式（１２）とを満たす場合と、式（１０）〜式（１２）のうちいずれも満たさない場合とを、各電流Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，Ｉ_４を切り換えたり電流値の大きさを調整したりすることで選択可能であり、任意に３，４，５，６乗減衰特性の磁界を選ぶことができる。これにより、利用者の意向によって磁界の減衰特性を選択でき、時間的に減衰特性を切り替えるなどの調節を行うこともできる。

本実施の形態に係るループアンテナ１で生じた磁界の減衰特性を図３に示す。とりうる電流の値を変化させることにより、同じループアンテナ１から異なった減衰特性を生じさせることができる。

本実施の形態によれば、平行に離間して配置された一対の同心円状の電流ループ群を備え、その一対の電流ループ群が生成する磁界を表した式（８）をテイラー展開した式（９）に現れる複数の累乗項のうちｚ^３の項から任意の高次項までをゼロとするように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａが設定されるので、３乗を超え、かつ、偶数乗又は奇数乗の減衰特性の磁界を生成することができる。

また、本実施の形態によれば、式（９）に現れた複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａが設定されるので、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

〔第３の実施の形態〕
図４は、第３の実施の形態に係るループアンテナ１の斜視図である。本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例である。かかる変形例では、ループ中心がｚ軸上に位置するように平行に離間して配置されたＮ対の一重の電流ループを備えて構成される。ｉ番目の対の各電流ループにおいて、それぞれに流れる電流をＩ_２ｉ，Ｉ_２ｉ―１とし、その各電流ループの半径をａ_２ｉ，ａ_２ｉ−１とする。

このとき、ループアンテナ１から空間に生じる磁界Ｂは、ｚの累乗の和で表され、式（１）を拡張して式（１３）となる。

ここで、ｚ≫ａ_２ｋ−１，ｚ≫ａ_２ｋ，ｚ≫ｐ_ｋ（ｋ＝１，２，…，Ｎ）、すなわち、ｚ軸上の原点から磁界Ｂの検出地点Ｔまでの距離が各電流ループのループ半径ａやループ間距離ｐよりも十分に遠い場合、テイラー展開により式（１３）を式（１４）のように表記できる。

なお、式（７）においてｐは各電流ループに共通の値であったが、式（１３）における各ｐ_ｋは同じ値はとらないものとする。

そして、ループアンテナ１の生成する磁界Ｂ（式（１３））の級数展開式（式（１４））において、ｚの各累乗項の係数がゼロとなるように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａと電流ループ間の距離ｐとを設定する。

これにより、ループアンテナ１は、通常の３乗以上で（２Ｎ＋２）乗以下の減衰特性の磁界を任意に発生させることができる。すなわち、Ｎ＝１（電流ループが１対）の場合は３乗および４乗減衰特性、Ｎ＝２の場合は３〜６乗減衰特性、Ｎ＝３の場合は３〜８乗減衰特性の磁界を生成することができる。

以下、Ｎ＝２の場合について説明する。式（１４）にＮ＝２を代入すると式（１５）となる。

式（１５）において、ｚ^３の項を消すことにより４乗減衰特性の磁界を生成できる。同様に、ｚ^３とｚ^４の項を消せば５乗減衰特性の磁界、ｚ^３とｚ^４とｚ^５の項を消せば６乗減衰特性の磁界を生成できる。

ｚ^３の項を消すには、例えば、ａ_１＝１［ｍ］，Ｉ_１＝１[Ａ]，ａ_２＝１[ｍ]，Ｉ_２＝１[Ａ]，ａ_３＝１[ｍ]，Ｉ_３＝−１[Ａ]，ａ_４＝１[ｍ]，Ｉ_４＝−１[Ａ]と設定すればよい。

また、ｚ^３とｚ^４の項を共に消すには、例えば、ａ_１＝１［ｍ］，Ｉ_１＝１[Ａ]，ａ_２＝１[ｍ]，Ｉ_２＝−１[Ａ]，ａ_３＝０．５[ｍ]，Ｉ_３＝−４[Ａ]，ａ_４＝０．５[ｍ]，Ｉ_４＝４[Ａ]と設定すればよい。

また、ｚ^３とｚ^４とｚ^５の項を全て消すには、例えば、ａ_１＝１[ｍ]，Ｉ_１＝１[Ａ]，ａ_２＝１[ｍ]，Ｉ_２＝１[Ａ]，ａ_３＝２[ｍ]，Ｉ_３＝−４[Ａ]，ａ_４＝２[ｍ]，Ｉ_４＝−４[Ａ]，ｐ_１＝１[ｍ]，ｐ_２＝４[ｍ]と設定すればよい。

このように、式（１５）におけるｚの多項式を低次の累乗項から消すことにより、より高次の減衰特性を生じさせることができる。従来の奇数乗の（２Ｎ＋１）乗減衰に限定されず、奇数乗と偶数乗のどちらの減衰特性も生じさせることができるため、利用者により最適な減衰特性を持つ磁界を提供することができる。また第２の実施の形態と異なり、複数巻きの構成をとらないので、ループアンテナ１の内側に空間的な余裕があるため、電子部品等を内包することができるという利点を有する。

なお、式（１５）のいずれの累乗項もゼロとしない場合には、３乗減衰特性の磁界が生成される。各電流ループ１０，２０の電流と半径を適切に調整することにより、３乗以上の減衰特性の磁界を選択的に生成することができる。

本実施の形態によれば、平行に離間して配置された複数の一重の電流ループを備え、その複数の電流ループが生成する磁界を表した式（１３）をテイラー展開した式（１４）に現れる複数の累乗項のうちｚ^３の項から任意の高次項までをゼロとするように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａが設定されるので、３乗を超え、かつ、偶数乗又は奇数乗の減衰特性の磁界を生成することができる。

また、本実施の形態によれば、式（１４）に現れた上記複数の累乗項のうち、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流Ｉの値と各電流ループの半径ａが設定されるので、３乗減衰特性の磁界を生成することができる。

以上より、各実施の形態１〜３によれば、３乗以上の任意乗の減衰特性を持つ磁界を発生させるループアンテナ１を実現することができる。

１…ループアンテナ
１０，２０…電流ループ

Claims (5)

1. 平行に離間して配置された一対の一重の電流ループを備え、
   前記一対の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項のみをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを特徴とするループアンテナ。
2. 前記最低次項のみをゼロとする場合、一方の電流ループに流れる電流の値に前記一方の電流ループの半径の２乗を積算した値と、他方の電流ループに流れる電流の値に前記他方の電流ループの半径の２乗を積算した値とを加算した値がゼロであることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
3. 平行に離間して配置された一対の同心円状の電流ループ群を備え、
   前記一対の電流ループ群が生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを特徴とするループアンテナ。
4. 平行に離間して配置された複数の一重の電流ループを備え、
   前記複数の電流ループが生成する磁界を表した数式をテイラー展開した数式に現れる複数の累乗項のうち最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、又は、いずれの累乗項もゼロとしないように、各電流ループに流れる電流の値と各電流ループの半径が設定されていることを特徴とするループアンテナ。
5. 前記最低次項から任意の高次項までをゼロとするように、平行配置された前記電流ループ間の距離が設定されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のループアンテナ。

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