JP4514814B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体を用いたアンテナ装置、特に車両や住宅等に用いられるキーレスリモートシステムやスマートエントリーシステムなどのアンテナ装置に関するものである。

従来、小型化を図ったアンテナとして例えば特許文献１が開示されている。このアンテナは、放射導体をループ状に形成し、一端側に給電し、他端側を接地導体に接続したループアンテナであって、ループ状放射導体の一部をミアンダ状に形成したミアンダ部と、他の一部を幅広に形成した幅広部を有している。そして、ミアンダ部が板状誘電体の一面側に形成され、幅広部がミアンダ部形成面の裏面側に形成されている。このように、ループ状放射導体の一部をミアンダ状とした効果と誘電体による波長短縮効果とにより線路長を稼いで、小型アンテナを実現している。
特開２００４−１１２０４４号公報

しかしながら、特許文献１に示されるアンテナでは、板状の誘電体の一面のみにミアンダ部が設けられている。したがって、使用周波数帯が低く、波長が誘電体体格に対し長いアンテナ装置（例えば車両や住宅等に用いられるキーレスリモートシステム用の無線機のように、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯といった比較的波長の長い（数十ｃｍ〜数ｍ）領域の電波を使用するアンテナ装置）に適用する場合、ミアンダ部のみで共振できず、外部にインダクタなどを挿入するなどの線路長延長手段が必要となる。そのため、放射に寄与しない外部インダクタによる損失が生じ、放射利得（アンテナの利得）が低下してしまう。なお、ほぼ同じ利得であればアンテナの体格を小型化することが困難となる。また、誘電体の誘電率を高くすることで波長短縮効果を向上し、放射利得の向上（又は体格の小型化）を図ることも考えられるが、一般的に誘電率が高いほど誘電正接（tanδ）が高くなるので、誘電体損失により放射利得が低下してしまう。

これに対し、本出願人は、一方を信号線とし、他方をＧＮＤ線とする２つのエレメントとして、螺旋状に延びる外部エレメントの内部に、外部エレメントの軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋状の内部エレメントを、間隔を隔てて配置してなる２重螺旋構造の終端開放型アンテナを提案している（特開２００７−４３６５３号公報）。このように内部エレメントを螺旋状とすると２重螺旋構造によって電気長（線路長）が確保されるので、アンテナの体格を小型化しつつ、使用周波数帯が低くともアンテナ自身で共振周波数を得ることができる。そして、このようなアンテナを、誘電体からなる保持部材により所定の位置関係に保持してなるアンテナ装置についても提案している（例えば特願２００７−６２４６２号）。これによれば、保持部材によって２つのエレメントを所定の位置関係に保持し、上記した２重螺旋構造の終端開放型アンテナの性能を保持することができる。また、誘電体による高周波電流の波長短縮効果により、共振周波数をさらに低くすることができる。

しかしながら、このような終端開放型のアンテナでは、軸方向において２つのエレメントにおける同一側の端部が、信号の入・出力される端部側（給電点側、すなわち高周波源側）となっており、接続端とは反対側の端部（終端）が開放されている。これにより、各エレメントにおける終端側にはともに電流が殆ど流れず、この部位では誘電体による波長短縮効果が見込めない。したがって、アンテナの体格を維持しつつ使用周波数帯がより低いアンテナ装置に適用する場合には、アンテナ自身で共振特性を得ることができずに、外部に線路延長手段としてのインダクタを挿入したり、誘電率の高い誘電体を使用せざるを得なくなる。

本発明は上記問題点に鑑み、螺旋状に延びる外部エレメントの内部に、外部エレメントの軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋状の内部エレメントを、間隔を隔てて配置してなる２重螺旋構造のアンテナを備えたアンテナ装置において、インダクタ挿入による損失や誘電損失を抑制しつつ、小型で共振周波数のより低いアンテナ装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載のアンテナ装置は、螺旋状に延びる螺旋部を有する外部エレメントと、外部エレメントにおける螺旋部の内側に間隔を隔てて配置され、外部エレメントにおける螺旋部の軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部を有する内部エレメントとを有し、高周波源と接続される２重螺旋構造のアンテナと、誘電体からなり、２つのエレメントにおける各螺旋部に接触されて、２つのエレメントを所定の位置関係に保持する保持部材と、を備えている。そして、保持部材は、各エレメントの伸延方向において２つのエレメントにおける螺旋部全体と接触され、軸方向における一端側で２つのエレメントの一方が高周波源と接続されるとともに、軸方向における他端側で２つのエレメントの他方が高周波源と接続されて、アンテナが終端短絡型のアンテナとして機能することを特徴とする。

このように本発明によれば、アンテナを構成する２つのエレメントがともに螺旋状とされ、アンテナが２重螺旋構造となっているので、これにより長い電気長を確保して、アンテナの体格を小型化しつつ、アンテナ自身の共振周波数を低くすることができる。

また、外部エレメントの螺旋部内には内部エレメントの螺旋部が配置され、一方のエレメントに流れる電流により、他方のエレメントに２次電流（イメージ電流）が誘起されるようになっている。すなわち、２つのエレメントは、物理的に接続されていないものの、電気的に接続されたと同様になっている。そして、２つのエレメントは、軸方向において互いに異なる側の端部で、高周波源（換言すれば給電点）と接続されている。したがって、２つのエレメントからなるアンテナが、終端短絡型のアンテナ（ループアンテナ、磁界型アンテナ）として機能（動作）する。この点については、本発明者によって確認されている。

ここで、各エレメントに流れる電流の密度は、高周波源（給電点）との接続端から離れるほど小さくなるが、本発明では、上記したように、２つのエレメントにおける高周波源との接続端が、軸方向において両端に分かれており、アンテナがループアンテナとして動作する。したがって、軸方向においてアンテナ全体に電流が流れ、２重螺旋構造の終端開放型アンテナ（電界型アンテナ）に比べて、アンテナにおける軸方向での電流密度の偏りが小さくなる。また、誘電体からなる保持部材は、各エレメントの伸延方向において２つのエレメントにおける螺旋部全体と接触されている。したがって、螺旋部全体（軸方向におけるアンテナ全体）で、誘電体による波長短縮が生じ、この効果により、アンテナの共振周波数をさらに低域にシフトさせることができる。

以上から、本発明に示すアンテナ装置は、螺旋状に延びる外部エレメントの内部に、外部エレメントの軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋状の内部エレメントを、間隔を隔てて配置してなる２重螺旋構造のアンテナを備えたアンテナ装置であって、インダクタなどの整合回路による損失や誘電損失を抑制しつつ、小型で、共振周波数のより低いアンテナ装置となっている。

請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、２つのエレメントの一方は、軸方向における一端側の端部が第１スイッチング素子を介して高周波源と接続され、軸方向における他端側の端部が第２スイッチング素子を介して高周波源と接続されており、２つのエレメントの他方は、軸方向における一端側の端部が高周波源と接続されており、所定のタイミングにおいて、第１スイッチング素子がオフ状態、第２スイッチング素子がオン状態とされ、２つのエレメントが軸方向における異なる側で高周波源と接続されて、アンテナが終端短絡型のアンテナとして機能し、所定のタイミングとは異なるタイミングにおいて、第１スイッチング素子がオン状態、第２スイッチング素子がオフ状態とされ、２つのエレメントが軸方向における同一側で高周波源と接続されて、アンテナが終端開放型のアンテナとして機能する構成としても良い。

本発明では、２つのエレメントのうち、一方のエレメントについて、両方の端部が高周波源（給電点）との接続端とされ、各接続端と高周波源との間には、スイッチング素子がそれぞれ介在されている。そして、各スイッチング素子のオン・オフ状態により、２つのエレメントが、軸方向において互いに異なる側の端部で高周波源と接続された場合には、アンテナを終端短絡型のアンテナとして機能させることができる。また、２つのエレメントが、軸方向において同じ側の端部で高周波源と接続された場合には、アンテナを終端開放型のアンテナとして機能させることができる。このように、１つのアンテナを、終端短絡型のアンテナと終端開放型のアンテナとして機能（動作）させることができるので、インダクタなどの整合回路を用いなくとも、アンテナ装置を複数の周波数で使用することができる。

請求項１又は請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、エレメントにおける高周波源との接続端に対応したランドを有する基板を備え、２つのエレメントにおける螺旋部の軸方向が、基板のランド形成面と略平行とされて、アンテナが基板に実装された構成とすると良い。

これによれば、２つのエレメントにおける高周波源（給電点）との接続端が、軸方向において両端に分かれた構成において、基板に対するアンテナの実装構造を簡素化することができる。

また、上記したが、キーレスリモートシステム用の無線機（所謂キーレス受信機）のように、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯といった比較的波長の長い（数十ｃｍ〜数ｍ）領域の電波を使用するアンテナ装置では、アンテナ装置の体格に対してアンテナの大きさが支配的である。そして、基板におけるランド形成面と略垂直な方向（以下、単に垂直方向と示す）のほうが、基板におけるランド形成面と略平行な方向よりも、アンテナ装置の体格に対するアンテナの影響が大きい。これに対し、請求項３に記載の発明では、２つのエレメントにおける螺旋部の軸方向が、基板におけるランド形成面と略平行となっているので、アンテナ装置の体格をより小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す平面図（基板の表面上方から見た上面視平面図）である。ただし、図１においては、便宜上、保持部材に覆われている内部エレメントの部位を図示している。図２は、アンテナユニットの概略構成を示す斜視図である。なお、本実施形態に係るアンテナ装置は、車両のキーレスリモートシステムの受信機として構成されている。

図１及び図２に示すように、アンテナ装置１００は、要部として、アンテナユニット１１０を構成するアンテナ１２０及び保持部材１３０と、アンテナユニット１１０が実装された基板１４０とを有している。なお、基板１４０は、絶縁材料からなる基材（例えば誘電率３程度の樹脂基材）を用いて構成されている。

アンテナユニット１１０は、アンテナ１２０と、該アンテナ１２０を保持する保持部材１３０とが一体化されたものである。アンテナ１２０は、図１に示すように、基板１４０の表面１４１に沿って（表面１４１と略平行に）螺旋状に延びる螺旋部１２１ａを有する外部エレメント１２１と、外部エレメント１２１における螺旋部１２１ａの内側に間隔を隔てて配置され、螺旋部１２１ａの軸方向（以下、単に軸方向と示す）に沿って螺旋状に延びる螺旋部１２２ａを有する内部エレメント１２２とにより構成されている。そして、各エレメント１２１，１２２は、軸方向における異なる側の端部１２１ｂ，１２２ｂ（以下、実装部１２１ｂ，１２２ｂと示す）側にて高周波源（交流電源）と接続されている。すなわち、各エレメント１２１，１２２における信号を入力及び／又は出力するための端部が、軸方向の両端側に分かれている。なお、各エレメント１２１，１２２における実装部１２１ｂ，１２２ｂとは反対側の端部（終端）は、ランドとは接続されずにフリーとなっている。

本実施形態では、図１に示すように、外部エレメント１２１の実装部１２１ｂが、基板１４０の表面１４１に設けられた配線部１４２のランド１４２ａと接続され、ＧＮＤ１４２ｂを含む配線部１４２を介して給電点１４４と接続されている。また、内部エレメント１２２の実装部１２２ｂが、基板１４０の表面１４１に設けられた配線部１４３のランド１４３ａと接続され、配線部１４３を介して給電点１４４と接続されている。そして、給電点１４４を介して、図示しない高周波源（送信回路及び／又は受信回路）と接続されている。

より詳しくは、２つのエレメント１２１，１２２において、軸方向における異なる側の端部が、基板１４０の表面１４１に略平行とされ、各エレメント１２１，１２２における実装部１２１ｂ，１２２ｂとなっている。そして、各実装部１２１ｂ，１２２ｂは、基板１４０の表面１４１に設けられた対応するランド１４２ａ，１４３ａ上に配置され、図示しないはんだを介してランド１４２ａ，１４３ａと接続されている。このように、実装部１２１ｂ，１２２ｂの構造として表面実装構造を採用すると、２つのエレメント１２１，１２２をリフローによって基板１４０に一括実装することが可能であり、基板１４０に対するエレメント１２１，１２２の実装を効率化することができる。本実施形態においても、各エレメント１２１，１２２は、基板１４０に対して、リフローによって一括実装されている。

なお、２つのエレメント１２１，１２２における螺旋部１２１ａ，１２２ａの形態は、特に限定されるものではなく、外部エレメント１２１における螺旋部１２１ａ内に、内部エレメント１２２における螺旋部１２２ａの少なくとも一部が非接触で配置された構造であれば採用することができる。たとえば各エレメント１２１，１２２の螺旋形状としては、平面略円形、平面略矩形、矩形以外の平面多角形などを採用することができる。また、各エレメント１２１，１２２における螺旋部１２１ａ，１２２ａの巻き数（軸方向において隣接する螺旋部間の距離）も、特に限定されるものではない。本実施形態では、内部エレメント１２２における螺旋部１２２ａの巻き数ｎが、外部エレメント１２１における螺旋部１２１ａの巻き数ｍよりも少なく（ｎ＜ｍ）なっている。また、本実施形態では、軸方向における体格の小型化を考慮して、軸方向において、螺旋部１２１ａ，１２２ａの長さが略等しくされ、螺旋部１２１ａ，１２２ａ同士が、軸方向においてお互いほぼ全域で相対するようになっている。このような構成とすると、例えば外部エレメント１２１の螺旋部１２１ａに流れる電流により、内部エレメント１２２の螺旋部１２２ａに、軸方向全体にわたって２次電流（イメージ電流）が誘起されることとなる。さらには、外部エレメント１２１の中心軸と内部エレメント１２２の中心軸が一致するように、各エレメント１２１，１２２が配置されている。

ここで、アンテナ１２０は、上記したように、螺旋状に延びる外部エレメント１２１の内部に、所定の間隔を隔てて螺旋状の内部エレメント１２２を配置してなる非接触構造となっている。したがって、２つのエレメント１２１，１２２の位置関係がアンテナ１２０の性能（共振特性）に対して重要である。例えば、２つのエレメント１２１，１２２の対向領域の間隔が変化すると、２つのエレメント１２１，１２２の対向領域間に構成されるコンデンサの容量が変化するため、共振周波数が変化し放射特性に影響を与える。

保持部材１３０は、このような問題を解決するため（アンテナ１２０の性能を保持するため）に、２つのエレメント１２１，１２２の螺旋部１２１ａ，１２２ａにそれぞれ接触されて、２つのエレメント１２１，１２２が所定の位置関係に保持するように構成されている。この保持部材１３０により、外部エレメント１２１の中心軸と内部エレメント１２２の中心軸が一致されている。また、保持部材１３０は誘電体からなる。したがって、エレメント１２１，１２２（螺旋部１２１ａ，１２２ａ）に流れる高周波電流の波長短縮が生じ、誘電体が配置されない構成に比べて、アンテナ１２０の共振周波数を低域にシフトさせることができる。

本実施形態では、樹脂とセラミックの混合材料からなり、リフロー実装に対する耐熱性を有する誘電率（ε）が１０の誘電体によって、保持部材１３０が構成されている。そして、保持部材１３０は、図１及び図２に示すように、軸方向の長さが螺旋部１２１ａ，１２２ａの長さよりも若干長い略直方体（例えば軸方向の長さ２４ｍｍ、基板１４０の表面１４１に沿い且つ軸方向に垂直な方向の長さ３ｍｍ、表面１４１に垂直な方向の長さが２ｍｍ）とされ、保持部材１３０の内部に内部エレメント１２２の螺旋部１２２ａ全体が配置されている。すなわち、螺旋部１２２ａを覆うように、螺旋部１２２ａの周囲に保持部材１３０が配置されている。また、図２に示すように、保持部材１３０の表面（外面）に外部エレメント１２１の螺旋部１２１ａが軸方向に沿って巻回されている。すなわち、２つのエレメント１２１，１２２の螺旋部１２１ａ，１２２ａ間の相対する領域全てに、保持部材１３０が介在されている。なお、図１及び図２に示すように、外部エレメント１２１の実装部１２１ｂは、軸方向における保持部材１３０の一端に隣接して配置され、内部エレメント１２２の実装部１２２ｂは、保持部材１３０から露出されて、軸方向における保持部材１３０の他端に隣接して配置されている。

次に、上記構成のアンテナ装置１００の製造方法の一例について説明する。図３は、アンテナ装置の製造工程のうち、アンテナユニットの上側部分を形成する工程を示す斜視図である。図４は、アンテナ装置の製造工程のうち、アンテナユニットの下側部分を形成する工程を示す斜視図である。なお、ここでいう上下方向とは、基板１４０の表面１４１に対し略垂直な方向（以下、単に垂直方向と示す）であり、下側とは表面１４１に近い側、上側とは表面１４１に遠い側である。

先ず、アンテナ１２０を構成する２つのエレメント１２１，１２２、保持部材１３０、基板１４０をそれぞれ準備する。本実施形態では、金属板に打ち抜き、曲げ加工など施すことで、所定の巻き数ｎを有する内部エレメント１２２を準備する。

また、外部エレメント１２１として、図３及び図４に示すように、下側エレメント１２３ａと上側エレメント１２４ａを有し、垂直方向において２分割された構造のものを準備する。下側エレメント１２３ａは、螺旋部１２１ａのうちの基板１４０の表面１４１に配置される部分であり、金属板に打ち抜き、曲げ加工など施すことで、図３に示すように、リードフレーム１２３の一部として構成されている。なお、図３に示す符号１２３ｂは、下側エレメント１２３ａ（螺旋部１２１ａ）の長手方向において、それぞれの端部側で下側エレメント１２３ａ同士を連結する連結部１２３ｂである。この連結部１２３ｂは、アンテナ１２０としては不要な部分であり、後に除去される。また、上側エレメント１２４ａは、外部エレメント１２１のうちの下側エレメント１２３ａを除く部分（螺旋部１２１ａの一部及び実装部１２１ｂ）であり、金属板に打ち抜き、曲げ加工など施すことで、図４に示すように、リードフレーム１２４の一部として構成されている。なお、図４に示す符号１２４ｂは、上側エレメント１２４ａの長手方向において、螺旋部１２１ａを構成する部分のそれぞれの端部側で上側エレメント１２４ａ同士を連結する連結部１２４ｂである。この連結部１２４ｂも、アンテナ１２０としては不要な部分であり、後に除去される。

また、誘電体からなる保持部材１３０として、図３及び図４に示すように、下側保持部材１３０ａと上側保持部材１３０ｂを有し、垂直方向において２分割された構造のものを準備する。下側保持部材１３０ａは、上記したように樹脂とセラミックの混合材料を用いて略直方体状に成形されており、その上面から側面にかけて、内部エレメント１２２が嵌めこまれる溝（図示略）が設けられている。また、下面には、下側エレメント１２３ａが嵌めこまれる溝（図示略）が設けられている。上側保持部材１３０ｂも、下側保持部材１３０ａと同じ材料を用いて略直方体状に成形されており、その上面から側面にかけて、上側エレメント１２４ａが嵌めこまれる溝（図示略）が設けられている。

次に、下側保持部材１３０ａ対応する溝にリードフレーム１２３の下側エレメント１２３ａを嵌め込むとともに、対応する溝に内部エレメント１２２を嵌め込む。これにより、図３に示すように、下側保持部材１３０ａ、内部エレメント１２２、リードフレーム１２３が一体化されたユニットとなる。また、同様に、上側保持部材１３０ｂ対応する溝にリードフレーム１２４の上側エレメント１２４ａを嵌め込む。これにより、図４に示すように、上側保持部材１３０ｂとリードフレーム１２４が一体化されたユニットとなる。そして、下側保持部材１３０ａと上側保持部材１３０ｂを嵌め合わせて一体化し、保持部材１３０とする。これにより、内部エレメント１２２の螺旋部１２２ａが、保持部材１３０によって覆われた状態となる。また、外部エレメント１２１の螺旋部１２１ａを構成する下側エレメント１２３ａと上側エレメント１２４ａとの対応する端部同士が重なった状態となる。

次に、下側エレメント１２３ａと上側エレメント１２４ａの重なった部分にレーザ光を照射し、端部同士をレーザ溶接する。そして、レーザ溶接後、リードフレーム１２３，１２４の不要部分である連結部１２３ｂ，１２４ｂを除去することで、図２に示すアンテナユニット１１０が形成される。

次に、別途準備した基板１４０のランド１４２ａ，１４３ａ上に、スクリーン印刷やディスペンサなどで図示しないはんだを塗布した後、実装部１２１ｂ，１２２ｂが対応するランド１４２ａ，１４３ａ上に載置されるように、アンテナユニット１１０を、基板１４０の表面１４１上に位置決め載置する。そして、この位置決め状態で、リフローを実施することにより、実装部１２１ｂ，１２２ｂと対応するランド１４２ａ，１４３ａとがはんだを介して接合され、上記したアンテナ装置１００が形成される。

なお、アンテナユニット１１０を基板１４０に配置する際に、実装部１２１ｂ、１２２ｂ以外の箇所を基板１４０の表面１４１に固定することで、基板１４０に対するアンテナ１２０の実装構造を安定化させることもできる。例えば、外部エレメント１２１の一部（例えばレーザ溶接部や保持部材１３０の下側の部分）を基板１４０との接続部（電気的な接続機能を提供しない接続部）としても良い。

次に、本実施形態に係るアンテナ装置１００の効果について説明する。本出願人は、先に特開２００７−４３６５３号公報にて、螺旋状に延びる外部エレメントの内部に、間隔を隔てて内部エレメントが配置されたアンテナにおいては、外部エレメントを流れる電流により、該電流と同じ大きさで逆向きの２次電流（イメージ電流）が内部エレメントに作用して、内部エレメントに流れる電流と２次電流との合成により、内部エレメントの電流分布が螺旋状となる点を明らかとしている。また、内部エレメントを螺旋状とすると、螺旋分布する電流の経路が確保されて電気長を稼ぐことができるとともに、使用電波以外の不要な電流ベクトルが流れにくくなる。そして、これにより、アンテナの体格を小型化しつつ、アンテナ自身の共振周波数を低くすることができることを明らかとしている。

本実施形態においても、アンテナ装置１００は、上記したように、基板１４０の表面１４１に沿って螺旋状に延びる螺旋部１２１ａを有する外部エレメント１２１と、外部エレメント１２１における螺旋部１２１ａの内側に間隔を隔てて配置され、軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部１２２ａを有する内部エレメント１２２とにより構成された２重螺旋構造のアンテナ１２０を有している。これにより、軸方向におけるアンテナ１２０の長さを抑制しつつ長い電気長（線路長）を確保することができるので、アンテナの体格を小型化しつつ、アンテナ自身の共振周波数を低くすることができる。

また、本実施形態においても、アンテナ１２０が２重螺旋構造となっているので、アンテナ１２０の動作時において、一方のエレメント（例えば外部エレメント１２１）に流れる電流により、他方のエレメント（例えば内部エレメント１２２）に２次電流（イメージ電流）が誘起される。これにより、２つのエレメント１２１，１２２は、物理的に接続されていないものの、電気的に接続されたと同様となる。また、２つのエレメント１２１，１２２は、軸方向において互いに異なる側の端部で、給電点１４４と接続されている。したがって、２つのエレメント１２１，１２２からなる２重螺旋構造のアンテナ１２０が、終端短絡型のアンテナ（ループアンテナ、磁界型アンテナ）として機能（動作）する。

このように、本実施形態に示すアンテナ装置１００において、アンテナ１２０が終端短絡型のアンテナとして動作する点については、本発明者によって確認されている。その結果を図５及び図６に示す。図５は、図１に示したアンテナ装置において、アンテナ動作時における電流の分布を、ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションした結果を示す図である。図６は、図１に示したアンテナ装置の放射指向性の実測値を示す図であり、水平偏波を実線、垂直偏波を破線で示している。なお、アンテナ装置は、共振周波数を３１４ＭＨｚとし、上記した２４ｍｍ×３ｍｍ×２ｍｍの保持部材１３０と一体化されるアンテナ１２０の電気長をλ／２とした。その結果、図５において、破線矢印方向に（ループ状に）電流が流れていることから、２重螺旋構造のアンテナ１２０が、ループアンテナとして機能していることが明らかである。また、図６において、垂直偏波（水平方向成分）が略円形の指向性を示すことからも、アンテナ１２０がループアンテナとして機能していることが明らかである。

ここで、各エレメント１２１，１２２に流れる電流の密度は、給電点１４４（高周波源）との接続端からそれぞれ離れるほど小さくなる（給電点１４４に近いほど大きい）。しかしながら、本実施形態においては、上記したように、アンテナ１２０がループアンテナとして動作するため、図５に示したように、軸方向においてアンテナ１２０全体に電流が分布する。これは、給電点（高周波源）との接続端が、２つのエレメントで軸方向における異なる端部側に分けられており、単純に各エレメントで軸方向に流れる電流の分布の傾向（２次電流の作用を除く）が逆となるためである。これに対し、本出願人による特開２００７−４３６５３号公報にて示された２重螺旋構造の終端開放型アンテナ（電界型アンテナ）では、給電点（高周波源）との接続端が、２つのエレメントで軸方向における同一側となっており、単純に各エレメントで軸方向における電流分布の傾向が同じ（２次電流が作用しても傾向は同じ）であるため、図７に示すように、軸方向において、アンテナ２０における給電点４４に近い側では電流密度が大きいものの、給電点４４との接続端とは反対側の端部付近５０では、殆ど電流が流れない状態となる。図７は、比較例としての２重螺旋構造の終端開放型アンテナにおける電流分布を、ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションした結果を示す図である。図７においては、本実施形態に示したアンテナ装置１００と対応する要素について１００を減じた値を符号として付与している。なお、図７に示すアンテナ装置１０の構成は、給電点４４との接続端が異なる以外は、図５に示す構成と同じとなっている。

したがって、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、同じ２重螺旋構造でありながら終端開放型アンテナに比べて、アンテナ１２０における軸方向での電流密度の偏りを小さくする（電流の流れない部分を低減乃至無くす）ことできる。これにより、本実施形態に示すように、誘電体からなる保持部材１３０が、各エレメント１２１，１２２の伸延方向において２つのエレメント１２１，１２２における螺旋部１２１ａ，１２２ａ全体と接触される構成においては、螺旋部１２１ａ，１２２ａ全体（軸方向におけるアンテナ１２０全体）で、誘電体による波長短縮効果が期待できる。そして、この効果により、アンテナ１２０の共振周波数をさらに低域にシフトさせることができる。

なお、本実施形態に示すアンテナ装置１００のほうが、同じ２重螺旋構造でありながら終端開放型アンテナを備えるアンテナ装置（上記図７に示したもの）に比べて、共振周波数をさらに低域にシフトさせることができる点については、本発明者によって確認されている。その結果を図８及び図９に示す。図８及び図９は、電磁界シミュレーションによる波長短縮効果を示す図であり、横軸を周波数、縦軸を反射係数としている。図８では、本実施形態に示したアンテナ装置１００において、保持部材１３０の誘電率が２０のものを実線、誘電率１０を破線、誘電率７を一点鎖線で示している。また、図９は、比較例としての２重螺旋構造の終端開放型アンテナを備えたアンテナ装置において、保持部材の誘電率が２０のものを実線、誘電率１０を破線、誘電率７を一点鎖線で示している。なお、図９で適用したアンテナ装置の構成は、給電点との接続端が異なる以外は、本実施形態に示す構成と同じ（すなわち、螺旋部の形態、保持部材の形態などが同じ）となっている。図８及び図９に示すように、いずれの誘電率においても、本実施形態に示すアンテナ装置１００（終端短絡型のアンテナ１２０）のほうが、終端開放型アンテナを備えたアンテナ装置よりも、共振周波数が低くなることが明らかである。例えば、３１０ＭＨｚ程度の共振周波数とするには、本実施形態に示すアンテナ装置１００では、保持部材１３０として適用する誘電体の誘電率を１０程度とすればよいが、２重螺旋構造の終端開放型アンテナを備えたアンテナ装置の場合、誘電率２０程度としなければならない。

以上から、本実施形態に係るアンテナ装置１００は、螺旋状に延びる外部エレメント１２１の内部に、外部エレメント１２１の軸方向に沿って螺旋状に延びる内部エレメント１２２を、間隔を隔てて配置してなる２重螺旋構造のアンテナ１２０を備えたアンテナ装置であって、インダクタなどの整合回路による損失や誘電損失を抑制しつつ、小型で、共振周波数のより低いアンテナ装置となっている。

また、本実施形態では、アンテナ１２０を構成する２つのエレメント１２１，１２２の螺旋部１２１ａ，１２２ａが、基板１４０の表面１４１に沿って延びている。すなわち、アンテナ１２０が基板１４０の表面１４１に略平行に配置されている。ここで、上記したように、比較的波長の長い（数十ｃｍ〜数ｍ）領域の電波を使用するアンテナ装置では、アンテナ装置の体格に対してアンテナの大きさが支配的である。また、基板の表面に略垂直な方向のほうが、基板の表面に略平行な方向よりも、アンテナ装置の体格に対するアンテナの影響が大きい。したがって、本実施形態によれば、螺旋部１２１ａ，１２２ａの軸方向が、基板１４０の表面１４１に対して略垂直とされた構成よりも、アンテナ装置１００の体格をより小型化することができる。また、２つのエレメント１２１，１２２における給電点１４４との接続端（実装部１２１ｂ，１２２ｂ）が、軸方向において両端に分かれた構成において、基板１４０に対するアンテナ１２０の実装構造を簡素化することができる。

なお、本実施形態に係るアンテナ装置１００の製造方法は上記例に限定されるものではない。それ以外にも、例えば、金属線（ワイヤ）を加工して２つのエレメント１２１，１２２を形成し、このエレメント１２１，１２２を上記した構成の保持部材１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の溝に嵌め込んでアンテナユニット１１０としても良い。また、保持部材１３０を射出成形する際に、２つのエレメント１２１，１２２の少なくとも一方をインサート部品としても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、第２実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す平面図（基板の表面上方から見た上面視平面図）である。ただし、図１０においては、便宜上、保持部材に覆われている内部エレメントを破線で示している。

第２実施形態に係るアンテナ装置は、第１実施形態に示したアンテナ装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、２つのエレメント１２１，１２２からなる２重螺旋構造のアンテナ１２０が、終端短絡型アンテナ（ループアンテナ、磁界型アンテナ）としてのみ機能する例を示した。これに対し、本実施形態においては、２重螺旋構造のアンテナ１２０が、所定のタイミングにおいては終端短絡型アンテナ（ループアンテナ、磁界型アンテナ）としてのみ機能し、前記タイミングとは異なるタイミングにおいては、終端開放型アンテナ（電界型アンテナ）としてのみ機能する点を特徴とする。すなわち、磁界型アンテナと電界型アンテナを使い分けることができる点を特徴とする。

図１０に示すように、アンテナ１２０を構成する２つのエレメント１２１，１２２のうち、内部エレメント１２２は、第１実施形態に示したアンテナ装置１００同様、軸方向における一端のみが実装部１２２ｂとして、対応する配線部１４３のランド１４３ａと接続されている。

外部エレメント１２１は、第１実施形態に示したアンテナ装置１００同様、軸方向における実装部１２２ｂとは反対側の端部が実装部１２１ｂとして、対応する配線部１４２のランド１４２ａと接続されている。また、外部エレメント１２１における実装部１２１ｂとは反対側（内部エレメント１２２の実装部１２２ｂ側）の端部も、実装部１２１ｃとして基板１４０の表面１４１に設けられた配線部１４５のランド１４５ａと接続されている。この配線部１４５は、配線部１４２同様、ＧＮＤ１４２ｂを介して給電点１４４と接続されている。すなわち、ＧＮＤ１４２ｂが、給電点１４４と実装部１２１ｂと繋ぐ配線部１４２の一部でもあるとともに、給電点１４４と実装部１２１ｃと繋ぐ配線部１４５の一部ともなっている。このように、本実施形態では、２つのエレメント１２１，１２２のうち、外部エレメント１２１の両端が基板１４０との実装部１２１ｂ，１２１ｃ（給電点１４４との接続端）となっている。

また、外部エレメント１２１の実装部１２１ｂ，１２１ｃ（両端）と接続された配線部１４２，１４５の途中には、オン状態で電流を流し、オフ状態で電流を遮断するスイッチング素子１４６，１４７がそれぞれ設けられている。すなわち、実装部１２１ｂは、スイッチング素子１４６を介して給電点１４４と接続され、実装部１２１ｃは、スイッチング素子１４７を介して給電点１４４と接続されている。なお、本実施形態では、配線部１４２，１４５におけるＧＮＤ１４２ｂと各ランド１４２ａ，１４５ａとの間に、スイッチング素子１４６，１４７が設けられている。そして、両スイッチング素子１４６，１４７は、図示されないＥＣＵなどからの指示信号により、オン・オフ状態が切り替えられるようになっている。

具体的には、スイッチング素子１４６がオン状態、スイッチング素子１４７がオフ状態とされると、外部エレメント１２１が、軸方向において実装部１２２ｂとは反対側の実装部１２１ｂにて給電点１４４と接続されることとなる。すなわち、２つのエレメント１２１，１２２が軸方向における異なる側で給電点１４４と接続され、第１実施形態に示したように、アンテナ１２０が終端短絡型のアンテナ（ループアンテナ、磁界型アンテナ）として機能（動作）することとなる。また、スイッチング素子１４６がオフ状態、スイッチング素子１４７がオン状態とされると、外部エレメント１２１が、軸方向において実装部１２２ｂとは同一側の実装部１２１ｃにて給電点１４４と接続されることとなる。すなわち、２つのエレメント１２１，１２２が軸方向における同一側で給電点１４４と接続され、アンテナ１２０が終端開放型のアンテナ（電界型アンテナ）として機能（動作）することとなる。

このように、本実施形態に係るアンテナ装置１００によれば、２重螺旋構造の１つのアンテナ１２０を、終端短絡型のアンテナと終端開放型のアンテナとして機能（動作）させることができる。すなわち、磁界型アンテナと電界型アンテナを使い分けることができる。また、第１実施形態（図８及び図９参照）にて示したように、終端短絡型のアンテナと終端開放型のアンテナとでは、アンテナユニット１１０の構成が同じでも、共振周波数が異なる（終端短絡型のほうが終端開放型よりも共振周波数が低くなる）。したがって、インダクタなどの整合回路を用いなくとも、アンテナ装置１００を複数の周波数で使用することができる。

なお、本実施形態に示す例では、２つエレメント１２１，１２２のうち、外部エレメント１２１のみがその両端で実装され、外部エレメント１２１における信号を入力及び又は出力する端部が、２つの実装部１２１ｂ，１２１ｃで切り替え可能とされた例を示した。しかしながら、内部エレメント１２２のみがその両端で実装され、内部エレメント１２２における信号を入力及び又は出力する端部が、２つの実装部で切り替え可能な構成としても良い。この場合、各実装部と給電点１４４との間、すなわち、配線部の途中にスイッチング素子が設けられることとなる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態において、アンテナ装置１００を車載用キーレス受信機に適用する例を示した。しかしながら、本実施形態に示すアンテナ装置１００の適用範囲は上記例に限定されるものではない。スマートエントリーシステムなどのアンテナ装置に適用することもできる。また、受信機だけでなく送信機に適用することができるのは言うまでもない。

本実施形態では、内部エレメント１２２の螺旋部１２２ａが、誘電体からなる保持部材１３０によって覆われ、保持部材１３０の表面（外面）に、外部エレメント１２１の螺旋部１２１ａが巻回された例を示した。しかしながら、保持部材１３０の形態としては上記例に限定されるものではない。保持部材１３０は、各エレメント１２１，１２２の伸延方向において２つのエレメント１２１，１２２における螺旋部１２１ａ，１２２ａ全体と接触されていれば良い。

本実施形態では、外部エレメント１２１の実装部１２１ｂと給電点１４４とを接続する配線部１４２が、その一部としてＧＮＤ１４２ｂを有する例を示した。しかしながら、ＧＮＤ１４２ｂのない構成としても良い。

第１実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す平面図である。 アンテナユニットの概略構成を示す斜視図である。 アンテナ装置の製造工程のうち、アンテナユニットの上側部分を形成する工程を示す斜視図である。 アンテナ装置の製造工程のうち、アンテナユニットの下側部分を形成する工程を示す斜視図である。 図１に示したアンテナ装置において、アンテナ動作時における電流の分布を、ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションした結果を示す図である 図１に示したアンテナ装置の放射指向性の実測値を示す図であり、水平偏波を実線、垂直偏波を破線で示している。 比較例としての２重螺旋構造の終端開放型アンテナにおける電流分布を、ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションした結果を示す図である。 図１に示したアンテナ装置における波長短縮効果を示す図であり、横軸を周波数、縦軸を反射係数としている。 比較例としての２重螺旋構造の終端開放型アンテナにおける波長短縮効果を示す図であり、横軸を周波数、縦軸を反射係数としている。 第２実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１００・・・アンテナ装置
１２０・・・アンテナ
１２１・・・外部エレメント
１２１ａ・・・螺旋部
１２１ｂ，１２１ｃ・・・実装部
１２２・・・内部エレメント
１２２ａ・・・螺旋部
１２２ｂ・・・実装部
１３０・・・保持部材
１４０・・・基板
１４４・・・給電点

Claims (3)

1. 螺旋状に延びる螺旋部を有する外部エレメントと、前記外部エレメントにおける螺旋部の内側に間隔を隔てて配置され、前記外部エレメントにおける螺旋部の軸方向に沿って螺旋状に延びる螺旋部を有する内部エレメントとを有し、高周波源と接続される２重螺旋構造のアンテナと、
   誘電体からなり、２つの前記エレメントにおける各螺旋部に接触されて、２つの前記エレメントを所定の位置関係に保持する保持部材と、を備えるアンテナ装置であって、
   前記保持部材は、各エレメントの伸延方向において２つの前記エレメントにおける螺旋部全体と接触され、
   前記軸方向における一端側で２つの前記エレメントの一方が前記高周波源と接続されるとともに、前記軸方向における他端側で２つの前記エレメントの他方が前記高周波源と接続されて、前記アンテナが終端短絡型のアンテナとして機能することを特徴とするアンテナ装置。
2. ２つの前記エレメントの一方は、前記軸方向における一端側の端部が第１スイッチング素子を介して前記高周波源と接続され、前記軸方向における他端側の端部が第２スイッチング素子を介して前記高周波源と接続されており、
   ２つの前記エレメントの他方は、前記軸方向における一端側の端部が前記高周波源と接続されており、
   所定のタイミングにおいて、前記第１スイッチング素子がオフ状態、前記第２スイッチング素子がオン状態とされ、２つの前記エレメントが前記軸方向における異なる側で前記高周波源と接続されて、前記アンテナが終端短絡型のアンテナとして機能し、
   前記所定のタイミングとは異なるタイミングにおいて、前記第１スイッチング素子がオン状態、前記第２スイッチング素子がオフ状態とされ、２つの前記エレメントが前記軸方向における同一側で前記高周波源と接続されて、前記アンテナが終端開放型のアンテナとして機能することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記エレメントにおける高周波源との接続端に対応したランドを有する基板を備え、
   ２つの前記エレメントにおける螺旋部の軸方向が、前記基板のランド形成面と略平行とされて、前記アンテナが前記基板に実装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。

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