JP4415322B2 - 磁性体で封止したアンテナを有する電子回路 - Google Patents

Description

本発明はいわゆる電波時計や、スマートキーレスエントリーシステム等の、５００ｋHz以下の長波を主に使用するシステムにおいて、そのアンテナの受信感度を向上させることのできる電子回路に関するものである。

電波時計は、標準時刻電波を受信して時刻合わせを行う時計の事を称する。例えば、日本国内では40kHzと60kHzの２周波数の長波で発信されている標準時刻信号電波を受信して時刻合わせを行う。なお、世界的に見ると９０ｋＨｚまで様々な周波数が各国で選定されているのが実態である。この信号は日本国内の最低レベルが3pTという大変微弱な電波であり、通常アンテナのインダクタンスと、アンテナに並列接続したコンデンサを用いて同調を行い、共振現象を利用して増幅し、その後段の能動増幅回路に信号を渡す事を行っている。

この共振による同調特性をQ値と言い、Q=ωoL/Rで計算される。ここでωoは直列共振時の角周波数、Lはアンテナの共振インダクタンス、Rは共振回路の、その周波数での直列抵抗値にあたる。上式において、Q値はRに反比例するため、このRを減少させることはアンテナの特性を向上させるために大変重要な役割を果たす。この為、従来のアンテナではその鉄心に40kHz以上で損失の低い材質、たとえばフェライトや、アモルファス金属のような薄膜磁性金属等を使用してきた。

腕時計ケース内部に設置する電波腕時計用アンテナの場合、電波腕時計用アンテナとしては大変劣悪な環境にある。まず、近傍に金属が存在している。一方、特に電波腕時計においては腕時計の金属筐体がアンテナ近傍に存在する事で、共振回路の一素子としてのアンテナから放射される、共振電流によって誘起される磁束が金属筐体を鎖交する事で金属筐体内部に渦電流を生じ、この渦電流が上記アンテナQ値の計算式中のRを増加させる事に繋がる。我々の実験では、腕時計金属筐体外部でのアンテナQ値が１００であった物が、腕時計金属筐体内部に設置する事で１０以下に減少する事もあり、腕時計などの金属筐体がアンテナ近傍に存在する、あるいは、金属筐体内部にアンテナを設置するような用途では、アンテナと金属筐体を磁気的に分離する事によりアンテナQ値を向上する事が可能である。

アンテナと金属筐体を磁気的に分離する方法の一つとして、本発明者等はすでに特願2004-191351で、補助磁心を用いる方法を提案している。この方法は受信する電波はアンテナの端部で受信し、共振電流による磁束は半閉磁路をなす鉄心部分で鉄心内部にて還流することによりアンテナと外部の金属部品、金属筐体等との磁気的な分離を図ったものである。この特願2004-191351により、アンテナ特性は向上したが、一方、補助磁心を加えた為にアンテナ形状が大きくなる場合が多く、機器の小型化の妨げになると言う問題点も指摘される。

同様な問題点は他の技術でも指摘されており、例えば自動車等のドアを携帯子機との間を電波で通信し、自動的に開閉する、いわゆるキーレスエントリーシステムにおいても、車載側のアンテナは自動車を構成する金属に近く設置されることが多い。又、携帯子機においても金属筺体内部に設置する、あるいは、携帯中に他の金属物や磁気カード類と共に携帯されることも多く、アンテナ特性の変化による不具合も指摘されている。前述のキーレスエントリーシステムにおいては使用周波数は135kHz近傍であり、電波時計アンテナに近い周波数である。

ＩＣタグにおいても同様に金属近傍に設置される事も多いため、同様の問題点が発生する可能性がある。

一方、もう一つのアンテナ特性を低下させる問題点として時計内部から発生するノイズが挙げられる。時計内部での電波時計情報処理には各種ＩＣが用いられている。アンテナにより取得された時刻情報電波は、同調、増幅等を行う前段の回路によって処理され、時刻情報が抽出される。この抽出された時刻情報を後段のデジタルＩＣによってさまざまに加工され、時計の表示等に用いられるわけであるが、特に後段のデジタルＩＣからの電磁ノイズがアンテナ、あるいは前段の回路に侵入することでアナログ波形を歪ませる、あるいは回路のＳＮ比を低下させる等の弊害が起こる。特にお互いの距離を近くせざるを得ない腕時計や小型電波時計モジュール、キーレスエントリー携帯機、ＩＣタグ等においてはこの影響が顕著である。

この問題を解決する一手段が特許文献１に記載されている。すなわち、アナログICとデジタルICとが混在している機器において、電磁波ノイズ抑制材料にてアナログIC及び、又は、デジタルICを被う事でアナログICに入力するデジタル系回路からのノイズを抑制する手段である。特許文献１の発明によれば、その一例を図４に示す如く、アナログ電子回路部２をノイズ吸収材料４によって封止する事でデジタル電子回路３から発生する高周波ノイズが空中を伝播、あるいは、電子回路内を伝播してアナログ電子回路部分２に悪影響を与える事を軽減する事は可能であると思われる。

特開２００２−１３４６７９号公報

しかしながら、特許文献１の発明によれば、デジタルICからアンテナに伝播するノイズの抑制にはならない。又、電磁波ノイズ抑制材料の十分な厚みを確保する事で機器上の占有面積が増加してしまうという問題があった。

したがって本発明の目的は、金属筐体内部にアンテナを設置するような用途でアンテナと金属筐体を磁気的に分離する事によりアンテナQ値を向上する事のできる電子回路を提供することにある。本発明の別の目的は、時計内部から発生するノイズの影響を受けてアンテナ特性が低下することを抑制できる電子回路を提供することにある。

本願発明者は、これらの近傍金属によるアンテナ特性劣化と電子回路からの電磁雑音によるノイズによる特性低下を同時に低減する方法として、ノイズ吸収材料によってアンテナ及び信号処理を行う前段回路部分を封止する事が有効であることを見出した。

すなわち本願第一の発明は、基板上に実装したアンテナとアナログ回路部および／またはデジタル回路部とを電磁波吸収体樹脂で封止した電子回路であって、前記アンテナは磁性体からなる磁心を有し、前記磁心と前記電磁波吸収体樹脂とで副磁路を構成することを特徴とする電子回路である。

本発明において電磁波吸収体樹脂の比透磁率は２以上であることが好ましく、５乃至１００であることが更に好ましい。

本願第二の発明は、本願第一の発明の電子回路を用いたことを特徴とする電波時計である。

本願第三の発明は、本願第一の発明の電子回路を用いたことを特徴とするキーレスエントリー携帯機である。

本願第四の発明は、本願第一の発明の電子回路を用いたことを特徴とするＩＣタグである。

かかる発明によると、比透磁率が２以上、好ましくは５乃至１００であり、かつ、使用周波数以上の周波数においてノイズ吸収特性を有する連続した磁性部材でアンテナとアナログ回路部分および／またはデジタル回路部分とを封止することで、前記封止部材が、受信する電波はアンテナの端部で受信し、共振電流により発生する磁束は封止部材内部にて還流することによりアンテナと外部の金属部品、金属筐体等との磁気的な分離を図る目的と、デジタル回路からのノイズがアンテナあるいはアナログ回路部分に影響を与える事を抑制する目的とを同時に満たす事が出来、機器の高性能化と小型化とを両立させる事が可能になる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

本発明では、電磁波吸収体樹脂として例えばアモルファス金属の粉やフェライトの粉、ナノ結晶磁性材料の粉、他結晶金属の粉等を樹脂に混練して使用周波数での比透磁率を調整し、かつ、使用されている周波数帯域、すなわち10〜200kHz付近では損失が小さく、必要以上の周波数、例えば500kHz以上、では損失が大きいために電磁波を吸収する特性を有する物が適当である。

電磁波吸収体樹脂の比透磁率の調整は、電磁波吸収材料内部に含有される磁性体の含有率を変化させる、あるいは、個々の磁性体粒子の形状を針状、扁平状、球状など変化させることで個々の磁性粒子の形状異方性を付与する、あるいは、磁性粒子間の磁気抵抗を充填率や形状充填方向を設定する、等の手法で可能である。

電磁波吸収体樹脂の電磁波吸収特性は材料の特性自体で設けられるほか、比透磁率と同様に一つ一つの粒子形状、あるいは充填率、充填方法などで調節が可能である。

前述のような電磁波吸収体樹脂（封止材料）をプリント基板上に設置されたアンテナ周辺に配置、封止することで補助磁心を形成する。まず、アンテナが標準時刻電波を受信するとアンテナと共振コンデンサによって生じる共振電流によってアンテナコアから磁束が放射される。アンテナコアは空気よりも比透磁率の高い封止材料中に封止され、封止材料は補助磁心として機能し、アンテナコアと補助磁心とで副磁路を形成する。このためアンテナコアから放射された磁束は補助磁心中に導かれ副磁路に還流する。このようにして補助磁心以外の損失の大きい金属部分、たとえば腕時計の筐体などと上記共振磁束との鎖交を減少させることができるのである。アンテナコア材料の比透磁率はおおむね500以上と上記封止材料に比べて十分に大きいため到来する標準時刻電波のほとんどはアンテナコアに入射する。補助磁心を設けてもアンテナに入射する磁束の減少はほとんど起こらない。同時に、周辺のデジタルＩＣから放射される、あるいは配線を伝導して来る高周波ノイズに関しては上述封止材料の電磁波吸収特性によって減衰させられ、アンテナの巻線と鎖交する高周波ノイズ量が大幅に少なくなる。

アンテナ単体のみならずプリント基板上のアナログ電子回路部および／またはデジタル電子回路部を上述の電磁波吸収体樹脂で封止する事で、デジタル電子回路部のデジタルＩＣから発生する電磁ノイズがアナログ電子回路部へ進入することを同時に妨げる効果があり、アンテナ単体を封止する場合と同等以上の効果が得られる。

封止する手段としては、例えばスラリー状の磁性素材を塗布して溶剤を放散させることにより固化させる、あるいは、熱硬化性の樹脂と磁性粉末を混ぜた物を塗布して高温暴露する事により固化させる、あるいは、所定の形状に成形したパッケージを被せる、あるいは、所定の形状に成形したケースに内蔵する等の方法が考えられる。

図１に第１の実施例を示す。キーレスエントリーシステムの携帯機に使用した場合を表している。この場合、アンテナコア1aは比透磁率４０００のMnZnフェライトを用いており、封止材料には１０ｋHzでの比透磁率３８のフェライト粉末と樹脂の混合物を用いている。このフェライト粉末と樹脂の混合物の磁気特性は図３の様に、損失が500kHz付近の周波数以上で増加する特性を有しており、スマートキーレスエントリーシステムで使用する１２５ｋHzでは損失が少なく、デジタルICの高調波ノイズの発生する可能性のある領域では電磁波抑制能力を持つ。図１の様にアナログ回路部２とアンテナ１とを一体の磁性体４で封止する事により、前記封止材料４がアンテナ１の副磁路とノイズ抑制部材との２つの作用を持つ事が可能になり、それぞれ独立した副磁路とノイズ抑制部材を用いるよりも余裕のある副磁路断面積を持ち、かつ、機器全体を小型にする事が可能になる。又、アンテナ周辺の磁気環境が封止材４により安定するため、例えばキーレスエントリーシステム携帯機に金属製エマージェンシーキー６が内蔵される場合、あるいは、ポケットに本携帯機を入れ、直近に鍵束や磁気カードが存在する場合など、自由空間に本携帯機が置かれた場合に比べて磁気環境が変化して、その結果共振周波数が変化し、受信感度が低下する等の悪影響を抑制する効果もある。

図２に第二の実施例を示す。電波腕時計へ使用した場合を表している。この場合、アンテナ部分１は腕時計金属筐体７に大変近く、本発明を適用しない場合には共振電流によりアンテナから放射される磁束が近傍金属筐体と鎖交する事により、アンテナの等価抵抗が増加してアンテナシステムのQ値が低下する。これに対し、本発明を適用する事により、金属筐体７とアンテナ１から放射される磁束とが鎖交する割合が低下するため、金属筐体により近くアンテナを設置することが可能となり、かつ、アナログ回路部とデジタル回路部とが近く設置可能であるので小型の電波腕時計が実現可能である。

本発明はいわゆる電波時計や、スマートキーレスエントリーシステム等の、５００ｋHz以下の長波を主に使用するシステムにおいて、そのアンテナの受信感度を向上させることのできる電子回路に利用出来る。

本発明の電子回路を使用したキーレスエントリーシステムの携帯機を示す平面図（ａ）とその断面図（ｂ）である。 本発明の電子回路を使用した電波腕時計を示す平面図（ａ）とその断面図（ｂ）である。 本発明の電子回路に用いる電磁波吸収体樹脂の周波数特性の一例を示す図である。 従来の電子回路を使用したキーレスエントリーシステムの携帯機を示す平面図（ａ）とその断面図（ｂ）である。

符号の説明

１ アンテナ
１ａ アンテナコア
１ｂ アンテナ巻線
２ アナログ回路部
３ デジタル回路部
４ 封止磁性体（電磁波吸収体樹脂）
５ プリント基板
６ エマージェンシーキー
７ 時計金属筐体

Claims (6)

1. 基板上に実装したアンテナとアナログ回路部および／またはデジタル回路部とを電磁波吸収体樹脂で封止した電子回路であって、
   前記アンテナは磁性体からなる磁心を有し、前記磁心と前記電磁波吸収体樹脂とで副磁路を構成することを特徴とする電子回路。
2. 前記電磁波吸収体樹脂の比透磁率が２以上である請求項１に記載の電子回路。
3. 前記電磁波吸収体樹脂の比透磁率が５乃至１００である請求項１に記載の電子回路。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の電子回路を用いたことを特徴とする電波時計。
5. 請求項１乃至３の何れかに記載の電子回路を用いたことを特徴とするキーレスエントリー携帯機。
6. 請求項１乃至３の何れかに記載の電子回路を用いたことを特徴とするＩＣタグ。