JP2018011260A

JP2018011260A - 車両用アンテナ装置

Info

Publication number: JP2018011260A
Application number: JP2016140388A
Authority: JP
Inventors: 正樹沼元; Masaki Numamoto; 康浜田; Yasushi Hamada; 太司黒木; Futoshi Kuroki
Original assignee: Mazda Motor Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Mazda Motor Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: JP6775167B2

Abstract

【課題】アンテナ装置の受信特性が周囲の温度変化によって変動することを防止又は抑止できるようにする。【解決手段】車両用アンテナ装置１０は、給電点２０ｂと接地点２０ａとを有する導体板２０と、給電点２０ｂと接地点２０ａとに接続され、導体板２０の上面から間隔をおき且つ該上面と並行して延設された複数の線状導体を有するアンテナ素子４０とを有している。アンテナ素子４０は、導体板２０と対向して屈曲する少なくとも１つの屈曲部を有し、アンテナ素子４０の厚さは、動作周波数における自由空間波長の３０００分の１以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用アンテナ装置に関し、例えば、キーレスエントリー用のアンテナ装置に関する。

近年、乗用車等の車両には、車両のキーを鍵穴に差すことなく、電波信号により施錠及び解錠を行うキーレスエントリーシステムが備えられるようになってきている。

車両のキーレスエントリーシステムに用いられるアンテナ装置は、アンテナ素子が大きいほど通信性能に優れ、遠距離からでも誤作動することなく車両のドアのロック／アンロックを行うことが可能となる。

一方、車両の、例えばＤピラー（ワゴン型乗用車の場合、最後部の窓柱）の内部で、車体とボディとの間の極めて狭い空間にアンテナ装置を配置し、さらに、車両のデザインの自由度を確保しようとすると、該アンテナ装置を小型化し、且つその受信特性が所定のレベル以上となるように設計する必要がある。

ところで、車両に設けられるキーレスエントリー用の受信アンテナには、樹脂からなる中空のケースにアンテナ素子が収容されたモノポール型のアンテナ構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００５−３１１６０７号公報特開２００４−２７４６５５号公報特開２００９−１４７８４８号公報

上記のモノポール型のアンテナ構造を小型化し、車体とボディとの間に配置しようとすると、アンテナ装置がボディに極めて接近した状態となり、該ボディの、例えば鉄板部分の温度変化による影響を大きく受ける。

本願発明者らは、種々検討の結果、中空のケースを構成する樹脂材の物性、例えば比誘電率が温度等によって変化し、これにより、電波信号の受信特性が変動してしまい、キーレスエントリーシステムが正常に作動しなくなるという問題があることを突き止めた。

本発明は、前記従来の問題を解決し、アンテナ装置の受信特性が周囲の温度変化によって変動することを防止又は抑止することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数のアンテナ素子の厚さを所定値以上に設定して、アンテナの受信特性がケースの構成材料の物性変化によって変動しないようにして、受信特性の広帯域化を図る構成とする。

具体的に、本発明は、車両用アンテナ装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、車両用アンテナ装置であって、給電点と接地点とを有する導体板と、給電点と接地点とに接続され、導体板の上面から間隔をおき且つ該上面と並行して延設された複数の線状導体を有するアンテナ素子とを備え、アンテナ素子は、導体板と対向して屈曲する少なくとも１つの屈曲部を有し、アンテナ素子の厚さは動作波長の３０００分の１以上である。

これによれば、アンテナ素子は、導体板と対向して屈曲する少なくとも１つの屈曲部を有し、アンテナ素子の厚さは動作波長の３０００分の１以上である。このため、例えば、アンテナの動作周波数を３００ＭＨｚ帯とすると、アンテナ素子の厚さは約３００μｍ以上となる。この場合、後述するシミュレーション結果に示すように、動作周波数帯が３００ＭＨｚ帯の場合、アンテナ素子の厚さを約３００μｍ以上とすると、複数の素子間の放射周波数が密結合して、広帯域化を図ることができる。その結果、本発明のアンテナ装置の受信特性における周囲の温度変化による変動を防止又は抑止することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、導体板の上に保持され、中空の空間を有する誘電体からなる蓋状のケースをさらに備え、アンテナ素子の一端は接地点と接続され、且つアンテナ素子の一端側は給電点と接続され、アンテナ素子の一端を除く部位は、ケースの上面の内側に保持されていてもよい。

これによれば、マイクロストリップ型で並列共振型の線路を実現することができると共に、アンテナ素子が誘電体からなる蓋状のケース内に保持されている場合であっても、該ケースの物性の温度変化の影響を受け難くなる。

本発明によれば、アンテナ装置における受信特性が周囲の温度変化によって変動することを防止又は抑止することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る車両用アンテナ装置を示す透視斜視図である。図２は本発明の一実施形態に係る車両用アンテナ装置を示す透視平面図である。図３は本発明の一実施形態に係る車両用アンテナ装置を搭載した車両を示す模式的な斜視図である。図４は図２のIV−IV線における部分断面図である。図５は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３００μｍの場合の内側エレメントの端部の長さに対する外側エレメント及び内側エレメントの各周波数特性を表すグラフである。図６は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３００μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが８ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図７は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３００μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが１０ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図８は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３００μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが１２ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図９は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３００μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが１４ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図１０は本発明の一参考例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３５μｍの場合の内側エレメントの端部の長さに対する外側エレメント及び内側エレメントの各周波数特性を表すグラフである。図１１は本発明の一参考例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３５μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが６ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図１２は本発明の一参考例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３５μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが１１ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図１３は本発明の一参考例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３５μｍで且つ内側エレメントの端部の長さが１６ｍｍの場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図１４は本発明の一実施例に係る車両用アンテナ装置におけるケースの構成材料の比誘電率ε_ｒを−５．０％から＋５．０％まで、２．５％ずつ変化させた場合の反射係数の周波数特性を表すグラフである。図１５は本発明の一参考例に係る車両用アンテナ装置におけるエレメント厚さが３５μｍで且つ内側エレメントの端部の長さを変化させた場合の最大反射係数の周波数特性を表すグラフである。

（一実施形態）
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る車両用アンテナ装置の構成をそのアンテナ素子部分を透視して表している。図２は本実施形態に係る車両用アンテナ装置の透視した平面構成を表している。

図１及び図２に示すように、アンテナ装置１０は、接地電位が印加される導体板２０と、該導体板２０を中空に覆う誘電体、例えば樹脂からなる蓋状のケース３０と、該ケース３０の内部に収容され、２素子からなるアンテナ素子（以下、エレメントと呼ぶ。）４０とから構成されている。

導体板２０は、金属、例えば銅からなるグランドプレーンである。導体板２０には、接地点２０ａと、該接地点２０ａから例えば８ｍｍのポート位置に配置され、導体板２０と絶縁された給電点２０ｂとが設けられている。導体板２０は、プリント基板のように、その裏面が樹脂等の絶縁性材料に覆われていてもよく、また、その側面はケース３０に覆われていてもよい。また、導体板２０には、アンテナ装置１０の受信回路（図示せず）、並びに外部回路及び電源等と接続されるコネクタ（図示せず）が設けられていてもよい。また、導体板２０は、例えば樹脂又は金属等からなるブラケット５０の上に保持されていてもよく、ブラケット５０が金属からなる場合には、該ブラケット５０と導体板２０とは電気的に絶縁されている必要がある。なお、導体板２０は、必ずしも平面状でなくてもよく、緩い曲面、すなわち曲率半径が相対的に大きい曲面状であってもよい。

ケース３０は、強度、弾性率及び耐衝撃性に優れるエンジニアリングプラスチックである、例えば、ポリアセタール（ポリオキシメチレン：ＰＯＭ）等を用いることができる。

エレメント４０は、例えば銅等の金属（箔）からなり、それぞれ面内で並行して屈曲する複数の屈曲部を有する外側エレメント４０ｂ及び内側エレメント４０ｃと、これらエレメント４０ｂ、４０ｃを接続すると共に、導体板２０の接地点２０ａと電気的に接続され且つ導体板２０からほぼ垂直に延びる短絡部４０ａとから構成されている。ここで、外側エレメント４０ｂ及び内側エレメント４０ｃは、短絡部４０ａにおけるケース３０の上面の内側との当接点から延伸し、且つ該ケース３０の上面の内側に保持されている。また、外側エレメント４０ｂ及び内側エレメント４０ｃは、上述した給電点２０ｂとは、導体板２０を絶縁されて貫通する給電線４２によって電気的に接続されている。ここで、外側エレメント４０ｂ及び内側エレメント４０ｃは、モノポール型であって、ケース３０の上面内でほぼ直角に屈曲しながら渦巻き状に形成されて導体板２０と対向する、いわゆる並列共振型の逆Ｆスパイラルアンテナであり、導体板２０を接地電位とするマイクロストリップ線路を構成している。

本実施形態に係るアンテナ装置１０は例えば、自動車等の車両１のドアの開閉制御及びエンジンの始動制御等に用いられ、キーレスエントリー送信機と共にキーレスエントリーシステムを構成する。具体的には、図３に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置１０は、例えば、車体右側のＣピラー（通常の乗用車の場合、前部から３番目の窓柱）の内部等に配設される。

キーレスエントリー送信機２は、使用者の操作を受け付けるスイッチ６（例えば、ドアをロックするロックスイッチ、ドアをアンロックするアンロックスイッチ等）と、所定の周波数帯域の無線信号を送信するための送信回路と、該送信回路を制御する制御装置とを備えている。

使用者がスイッチ６を操作すると、その操作に応じた信号がスイッチ６から制御装置に入力される。制御装置はスイッチ６から入力された信号に基づいて送信回路を制御し、使用者の操作に応じた無線信号を送信回路から送信する。なお、アンテナ装置１０は、車両１のＣピラーに限られず、インストルメントパネルの内部に設けてもよい。また、当該アンテナ装置１０は、車両用に限られず、住宅の玄関ドア、さらには住宅の電力用又はガス用のスマートメータ等に用いることもできる。

＜エレメントの厚さｔに関する検証＞
次に、本実施形態に係るエレメント４０の厚さｔを所定値に設定することにより、アンテナ装置１０の広帯域化が可能となることを検証する。

図４は図２のIV−IV線における部分断面図、すなわち、導体板２０の給電点２０ｂを通る部分断面図を表している。図４に示すように、給電点２０ｂと接続された給電線４２は、その中心部に配置された給電部４２ａと、該給電部４２ａを絶縁状態で取り囲む接地部４２ｂとから構成されている。ここでは、エレメント４０の厚さをｔとし、厚さｔを約３００μｍとする実施例と、厚さｔを約３５μｍとする参考例とに分けて検証する。

外側エレメント４０ｂ及び内側エレメント４０ｃからなるエレメント４０の形成方法は、厚さｔが約３５μｍの場合は、プリント基板の配線と同様の方法（例えば、フォトリソグラフィ及びエッチングによる）で形成することができる。また、厚さｔが約３００μｍの場合は、例えば放電ワイヤ加工法を用いれば形成することができる。放電ワイヤ加工法を用いる場合には、作製されたエレメント４０をケース３０内の上面の内側に固着する。

図２に示すように、ここでは、各エレメント４０ｂ、４０ｃのライン幅は１ｍｍとし、スペース幅は１．５ｍｍとしている。また、外側エレメント４０ｂの長さは、エレメント４０の短絡部４０ａと反対側の端部の長さｌ_０を１０ｍｍの固定とし、例えば、その全長を１８１ｍｍとしている。これに対し、内側エレメント４０ｃの長さは、エレメント４０の短絡部４０ａと反対側の端部の長さをｌ_１（ｍｍ）の変数とし、例えば、その全長を２１６．５＋ｌ_１（ｍｍ）としている。但し、アンテナのエレメント長としては、短絡部４０ａの長さをそれぞれに加える必要がある。この並列共振型の構成により、本実施形態に係るアンテナ装置１０は、複数の周波数帯域で動作（マルチバンド化）することが可能である。

（一実施例）
図５は、エレメント厚さｔが３００μｍの場合の、内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１に対する各エレメント４０ｂ、４０ｃの周波数特性のシミュレーション結果を表している。すなわち、外側エレメント４０ｂの端部の長さｌ_０を１０ｍｍに固定した状態で、内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１を、０ｍｍから２１ｍｍまで変化させた場合の、外側エレメント４０ｂの動作周波数(４０ｂ)と、内側エレメント４０ｃの動作周波数(４０ｃ)の計算結果である。本実施例においては、アンテナ装置１０における動作周波数帯として、３１５ＭＨｚを用いている。この場合の自由空間波長は、約９５２．４ｍｍである。

図５から分かるように、エレメント４０の厚さが３００μｍの場合は、内側エレメント４０ｃの長さが大きくなるにつれて、その動作周波数は単調に低下してゆく。内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１が１０ｍｍの辺りで、内側エレメント４０ｃの動作周波数と外側エレメント４０ｂの動作周波数とが結合し、これにより、リターンロスが双方性特性を示す、すなわちアンテナ特性が広帯域化する。この様子を図６〜図９の反射係数の周波数特性として表す。図６は内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１が８ｍｍの場合であり、図７は当該端部の長さｌ_１が１０ｍｍの場合であり、図８は当該端部の長さｌ_１が１２ｍｍの場合であり、図９は当該端部の長さｌ_１が１４ｍｍの場合である。なお、図６から図９は、反射係数の値として対数表示で表しており、符号を反転すれば、そのままリターンロスとなる。

（一参考例）
図１０は、エレメント厚さｔが３５μｍの場合の、内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１に対する各エレメント４０ｂ、４０ｃの周波数特性のシミュレーション結果を表している。すなわち、外側エレメント４０ｂの端部の長さｌ_０を１０ｍｍに固定した状態で、内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１を、０ｍｍから２１ｍｍまで変化させた場合の、外側エレメント４０ｂの動作周波数(４０ｂ)と、内側エレメント４０ｃの動作周波数(４０ｃ)の計算結果である。

図１０から分かるように、エレメント４０の厚さが３５μｍの場合は、内側エレメント４０ｃの長さが大きくなるにつれて、その動作周波数は単調に低下する。しかし、端部の長さｌ_１が９ｍｍの辺り（領域Ａ）で、外側エレメント４０ｂの動作周波数が内側エレメント４０ｃの動作周波数と急激に一致し、端部の長さｌ_１が１３ｍｍの辺りで、その逆の現象（解離）が急激に現れる。この様子を図１１〜図１３の反射係数の周波数特性として表す。図１１は内側エレメント４０ｃの端部の長さｌ_１が６ｍｍの場合であり、図１２は当該端部の長さｌ_１が１１ｍｍの場合であり、図１３は当該端部の長さｌ_１が１６ｍｍの場合である。

（実施例と参考例との考察）
エレメント４０の厚さが３５μｍの場合の、このような振る舞いは、エレメント４０の厚さが小さいほど、マイクロストリップ線路における偶奇モードの結合が弱くなるためと考えられる。本実施形態のように、複数のエレメント４０ｂ、４０ｃによってアンテナ装置１０の広帯域化を図る場合は設計が困難となる。

これに対し、本実施例のように、エレメント４０の厚さが大きいと、互いに隣接するエレメント４０ｂ、４０ｃの側面に発生する浮遊容量のために、偶奇モードの結合が強くなって、上記の現象が低減される結果、アンテナ装置１０の広帯域化の設計が容易となる。

図１４に、エレメント４０の厚さを３００μｍに設定した場合の、ケース３０の構成材料であるポリアセタールの比誘電率ε_ｒを−５．０％から＋５．０％まで、２．５％刻みで変化させた場合の反射係数の周波数特性のシミュレーション結果を表す。ここで、ポリアセタールの比誘電率ε_ｒは、例えば、３．７としている。また、比誘電率ε_ｒにおける±２．５％のずれは、ケース３０の製造プロセスで発生し得る比誘電率ε_ｒの変動に対応している。

図１４において、太実線は比誘電率ε_ｒの変化が０％の場合、細実線は比誘電率ε_ｒの変化が＋２．５％の場合、破線は比誘電率ε_ｒの変化が−２．５％の場合、一点鎖線は比誘電率ε_ｒの変化が＋５％の場合、二点鎖線は比誘電率ε_ｒの変化が−５％の場合をそれぞれ表している。図１４から分かるように、エレメント４０の厚さを３００μｍに設定して、周波数の広帯域化を図った場合に、エレメント４０を単一構成（１エレメント）とする場合と比べて、周波数帯域は明らかに広がっている。その上、ケース３０の構成材料における比誘電率に±２．５％の変動が生じたとしても、その動作周波数において、所望の反射係数、すなわち所望のリターンロスを満たしている。

これに対し、エレメント４０の厚さを３５μｍに設定した図１５の場合は、動作周波数の調整が図１０から図１３に示したように、極めて変化しやすく、いわゆるクリティカルであることから、周波数の広帯域化は困難であった。

−効果−
本発明は、エレメント（アンテナ素子）４０の厚さを、アンテナ装置１０の動作周波数における自由空間波長の３０００分の１以上とすることを特徴とする。本実施例においては、例えば、３１５ＭＨｚの動作周波数を用いており、その自由空間波長は約９５２．４ｍｍである。この３０００分の１以上とは約３１７μｍ以上である。また、動作周波数の他の例として、例えば３３０ＭＨｚとすると、その自由空間波長は約９０９．１ｍｍであり、その３０００分の１以上とは約３０３μｍ以上である。

このように、本実施例においては、アンテナ装置１０の形態として、並列共振型のマイクロストリップ線路を用いており、マルチバンド化が可能である。また、エレメント４０の厚さを、アンテナ装置１０の動作周波数における自由空間波長の３０００分の１以上とすることは、エレメント４０の厚さの最小値が規定されることを意味する。

従って、アンテナ装置１０の小型化を図りつつ、所望のリターンロス特性及び広帯域化をも図ることができる。

以上説明した実施形態及び実施例は、本質的に例示に過ぎず、本発明の範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。典型的には、例えば、アンテナ装置１０における動作周波数、並びに導体板２０、ケース３０及びエレメント４０の各構成材料等である。

本発明に係る車両用アンテナ装置は、その受信特性が周囲の温度変化による変動を防止又は抑止可能なアンテナ装置として有用である。

１０アンテナ装置
２０導体板
２０ａ接地点
２０ｂ給電点
３０ケース
４０エレメント（アンテナ素子）
４０ａ短絡部
４０ｂ外側エレメント
４０ｃ内側エレメント
４２給電線
５０ブラケット

Claims

車両用アンテナ装置であって、
給電点と接地点とを有する導体板と、
前記給電点と前記接地点とに接続され、前記導体板の上面から間隔をおき且つ該上面と並行して延設された複数の線状導体を有するアンテナ素子とを備え、
前記アンテナ素子は、前記導体板と対向して屈曲する少なくとも１つの屈曲部を有し、
前記アンテナ素子の厚さは、動作周波数における自由空間波長の３０００分の１以上である、車両用アンテナ装置。
請求項１に記載の車両用アンテナ装置において、
前記導体板の上に保持され、中空の空間を有する誘電体からなる蓋状のケースをさらに備え、
前記アンテナ素子の一端は前記接地点と接続され、且つ前記アンテナ素子の一端側は前記給電点と接続され、
前記アンテナ素子の一端を除く部位は、前記ケースの上面の内側に保持されている、車両用アンテナ装置。