JP5945082B1 - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ループアンテナの消費電力を低減する。【解決手段】中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナにおいて、外周に沿って１巻以上のループ群１１が巻かれている中空柱状のコア１０の中空部１２に、外周に沿って１巻以上のループ群２１が巻かれている柱状のコア２０を内包する。これにより、コア１０，２０によって磁界強度を高めることができるので、通信時に必要となる電流を大幅に削減し省エネルギー化が可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、コイルに電流を流して磁界を発生させるアンテナに関する。

近年、意図的に通信エリアを限定してユーザの意思や行動に連動したサービスを提供可能なエリア限定無線通信のニーズが高まっている。

特許文献１には、特定の空間において大きな磁束密度を実現することで安定した通信品質を確保し、かつ、特定の空間以外においては磁束密度を急減衰させることで通信範囲を制限したループアンテナが開示されている。以下、特許文献１のループアンテナについて簡単に説明する。

特許文献１のループアンテナは、同一平面上に径の異なる円形ループアンテナを同心円状に複数配置している。半径ｒ（ｍ）の単独の円形ループアンテナに定常電流Ｉ（Ａ）を流したとき、その中心からｚ（ｍ）離れた中心軸上の点Ｐでの磁界Ｈは次式（１）で表される。

円形ループアンテナから十分離れた条件、すなわちｚ＞＞ｒを満たす場合において、磁界Ｈは中心軸上の距離ｚの３乗に逆比例して減衰する。

上記特許文献１のループアンテナから生じる磁界は、各円形ループアンテナから生じる磁界の和で表すことができる。すなわち、次式（２）に示すように式（１）の和で表される。

式（２）は、Ｔａｙｌｅｒ展開により次式（３）のように書き換えられる。

式（３）の右辺の項の一部を０にする条件を設定することで、距離ｚの３乗減衰を上回る５乗、７乗、・・・、（２Ｎ＋１）乗減衰を実現できる。

特許文献２には、径の異なる２つのループアンテナを同心状に配置し、各ループアンテナを互いに逆回りに電流が流れるように直列に接続した逆相二重ループアンテナが開示されている。この逆相二重ループアンテナは、特許文献１のループアンテナにおいて２つの円形ループアンテナを配置したときと同様の磁界分布が得られる。特許文献２の逆相二重ループアンテナは、特許文献１のループアンテナよりも消費電力を低減できることを特徴としている。特許文献２の図１に示す逆相二重ループアンテナの給電点は１つであるが、ループの数は２と考える。なお、コイルの数は給電点単位で数えて、特許文献２の図１に示す逆相二重ループアンテナのコイルの数は１と考える。

特開２０１３−２２３１１７号公報 特開２０１４−２１２３８３号公報

特許文献１のループアンテナは、一般的な単一ループアンテナと比べると、ある地点に対して同じ距離で同じレベルの磁界を生成する場合、必要とする電流が大幅に大きいという課題があった。これは、距離ｚの３乗減衰を上回る磁界の減衰特性を得るために、式（３）の項の一部を０にする、つまり逆向きの電流を与えることにより項の一部を０としていることに起因する。半径ｒ＝１０ｃｍの単一円形ループアンテナと、半径ｒ１＝１０ｃｍ、ｒ２＝６．５ｃｍとする特許文献１のループアンテナとで、距離１ｍの地点に同じ磁界を与えるときの電流を比較すると、単一円形ループアンテナに０．００２４Ａの電流を流したときと同じ磁界を特許文献１のループアンテナで得るためには計１Ａ必要であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ループアンテナの消費電力を低減することを目的とする。

第１の本発明に係るアンテナは、中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナであって、中空部を備えた中空柱状のコアと、前記中空柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第１のループ群と、柱状のコアと、前記柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第２のループ群と、を有し、前記中空部に前記柱状のコアを内包することを特徴とする。

第２の本発明に係るアンテナは、中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナであって、中空部を備えた中空柱状のコアと、前記中空柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第１のループ群と、前記中空柱状のコアの中空部の内周に沿って１巻以上のループが巻かれた第２のループ群と、を有し、前記第１のループ群と前記第２のループ群は、互いに電流が逆向きに流れるように直列に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、ループアンテナの消費電力を低減することができる。

図１は、第１の実施の形態におけるアンテナの構成を示す図である。 図１のアンテナが有する２つのコアを別々に示した図である。 ２つのコアの長さが異なる例を示す図である。 ループ群の巻き数が異なる例を示す図である。 コアにギャップとして隙間をあけた例を示す図である。 ３つのコアを備えた例を示す図である。 第２の実施の形態におけるアンテナの構成を示す図である。 図７のアンテナのループ群を別々に示した図である。 第２の実施の形態における別のアンテナの構成を示す図である。 図９のアンテナのループを別々に示した図である。 第２の実施の形態のアンテナの中空部に柱状のコアを内包する例を示す図である。

以下、本発明の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、本実施の形態におけるアンテナの構成を示す図である。図２は、図１のアンテナが有する２つのコアを別々に示した図である。本実施の形態におけるアンテナは、コア１０，２０と、コア１０，２０のそれぞれの外周に巻きつけられたループ群１１，２１を有する。図２に示すように、コア１０は中空柱状であり、コア２０は円柱状である。

コア１０の外周にはＮ個の同一半径のループ１１Ａ，１１Ｂ，・・・，１１Ｎからなるループ群１１が巻きつけられている。コア２０の外周にはＮ個の同一半径のループ２１Ａ，２１Ｂ，・・・，２１Ｎからなるループ群２１が巻きつけられている。ループ１１Ａ，・・・，１１Ｎ，２１Ａ，・・・，２１Ｎを構成するワイヤには、伝導体の外周を絶縁体で覆って絶縁したワイヤを用いる。本願では、単一ループもしくは複数巻のコイルの１巻分をループとする。同一半径のループの集合体をループ群とする。給電点単位でみるループの集合体をコイルとする。図１に示すアンテナでは、ループ群１１，２１のそれぞれに給電点（図示せず）があり、ループ群１１，２１のそれぞれが別々のコイルである。

コア２０は、コア１０の中空部１２に、コア１０とコア２０の中心軸つまりループ群１１とループ群２１の中心軸が一致するように内包される。

コア１０，２０の材質は、コアの形状を保てるものであれば何でもよく、紙や木などの絶縁体やフェライトなどの磁性体が好ましい。両コア１０，２０の材質は異なっていてもよい。コア２０にループ群２１を巻きつけた後に、コア２０と同じ材質もしくは異なる材質の樹脂等でコア１０を一体形成してもよい。一体形成した場合であっても、両コア１０，２０の製造段階が異なるので、別々のコアとみなす。

コア１０，２０の形状は、コア１０は中空で、かつ、コア２０を内包できれば、円柱状でなくても良く、例えば角柱状であってもよい。コア２０も同様に円柱状でなくてもよく、角柱状であってもよい。コア１０，２０に巻きつけたループ群１１，２１が多角形であっても、ｚ＞＞ｒの領域、つまりアンテナから十分離れた領域においては、円形のループ群１１，２１と性質が等価なものとして扱える。なお、コア１０，２０の形状は互いに異なっていてもよい。例えば、コア１０が円柱状でコア１０の中空部１２も円柱状である場合に、コア２０が角柱状であってもよい。

続いて、本実施の形態において単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する条件について説明する。各コア１０，２０に巻きつけられたループ群１１，２１に流れる電流をＩ_ｋ、各ループ群１１，２１の半径をｒ_ｋ、各ループ群１１，２１の巻き数をＭ_ｋとすると、本アンテナから生じる磁界は、次式（４）で表される。

単一ループアンテナよりも急峻に（２Ｎ＋１）乗減衰を実現するためには、次式（５）を満たすことが条件となる。

Ｎ＝２，３，４とするにつれてｚ＞＞ｒにおいて５，７，９乗減衰特定が得られる。

続いて、コア１０，２０として磁性体を使うときの効果について説明する。コア入りのソレノイドコイルのインダクタンスをＬ、コアの比透磁率をμ’、空芯ソレノイドコイルのインダクタンスをＬ_０とすると、コア入りのソレノイドコイルのインダクタンスＬは次式（６）となる。

一般的に、コアには比透磁率が１００以上のものを選択すると良い。例えばフェライトであれば比透磁率は約６００となる。フェライトのコアを使う場合とコアを使わない場合とを比べるとインダクタンスは６００倍になる。

ソレノイドコイルの巻き数をＮ、断面積をＳ、ソレノイドコイルに流す電流をＩとすると、インダクタンスで発生する磁界Ｈは次式（７）となる。

フェライトのコアを使う場合、磁界を６００倍に増強することができる。

また、上式（７）より、コイルに流す電流Ｉを１０倍にすると、磁界Ｈは１０倍になることがわかる。つまり、フェライトのコアを使う場合、コイルの巻き数Ｎと断面積Ｓが一定ならば、同じ磁界Ｈを得るために、コアを使わない場合と比べて電流Ｉを１／６００に小さくできることを意味する。

中空柱状のコア１０と柱状のコア２０に共にフェライトを使う場合、外側のループ群１１の中に、同じ材質のコア１０とコア２０を内包することになる。この時、磁界は両コア１０，２０を合体させたコアとほぼ等しい磁界の増強効果が期待できる。

また、コア１０，２０への巻きやすさからループ群１１，２１はソレノイドコイルが適しているが、コイルの種類によらず、ヘリカルコイルでもよい。コイルの巻き方は単層巻ではなく複層巻でもよい。

次に、第１の実施の形態におけるアンテナの変形例について説明する。

図３は、コア１０，２０の長さＨ１，Ｈ２が異なる例を示す図である。図４は、ループ群１１，２１の巻き数が異なる例を示す図である。

巻き数をＮ、単一ループアンテナの磁界をＨ_０とすると、同一半径のソレノイドコイルの磁界Ｈは巻き数Ｎにほほ比例し、次式（８）となる。

特許文献１のループアンテナでは、半径比を変えることで急減衰特性を作成していたが、巻き数Ｎを変更し、式（４）の右辺の一部の項を０として急減衰特性を作成することもできる。

図５は、コア１０，２０にギャップ１３，２３として隙間をあけた例を示す図である。

一般的に、ギャップはコアの材質を変えずに、インダクタンス及び磁界の値を変更する場合に適している。ギャップ長を小さくするほど、インダクタンス及び磁界は大きくなる。上記図３，４のアンテナでは、コアの長さ及びコイルの巻き数を変えることで急減衰特性を作成していた。図５のアンテナのように、ギャップ長を変更して磁界の大きさを変えることによって、式（４）の右辺の一部の項を０として急減衰特性を作成することもできる。なお、コア１０，２０それぞれのギャップ１３，２３の大きさが異なってもよいし、どちらか一方のコア１０，２０にギャップ１３，２３を設けなくてもよい。

図６は、３つのコア１０，２０，３０を備えた例を示す図である。

外周にコイルを巻きつけた中空状のコア１０の中空部に、外周にコイルを巻きつけた中空状の別のコア３０を内包させ、さらに、コア３０の中空部に外周にコイルを巻きつけた柱状のコア２０を内包させる。コアが２つの場合と比べて、さらに急峻な減衰特性の磁界が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナにおいて、外周に沿って１巻以上のループ群１１が巻かれている中空柱状のコア１０の中空部１２に、外周に沿って１巻以上のループ群２１が巻かれている柱状のコア２０を内包することによって、コア１０，２０によって磁界強度を高めることができるので、通信時に必要となる電流を大幅に削減し省エネルギー化が可能となる。

ソレノイドコイルを使って特許文献１のループアンテナを実現する場合、多層基板上に平面的にソレノイドコイルを構成する方法が考えられるが、アンテナ形状は平面状となる。これに対して、本実施の形態では、コア１０，２０にループ群１１，２１を巻きつけるので、立体的なアンテナを形成できる。

本実施の形態のアンテナは、例えば、ゲートの出入りの際の認証等に使用できる。

［第２の実施の形態］
図７は、本実施の形態におけるアンテナの構成を示す図である。図８は、図７のアンテナのループ群を別々に示した図である。

本実施の形態におけるアンテナは、中空柱状のコア１０と、コア１０の外周に巻きつけられたループ群１１と、コア１０の中空部１２の内側表面に沿って巻きつけられたループ群３１を備える。ループ群１１とループ群３１とは、配線１４によって直列に接続され、ループ群１１，３１のそれぞれに給電点１５，３５を１つずつ備えて、１個のコイルを構成する。ループ群１１，３１とを接続することで、給電点を減らすことができる。

ループ群１１，３１は、互いに逆方向に電流が流れるように接続される。外側のループ群１１及び内側のループ群３１をそれぞれ単体でみると、ループ群１１，３１のそれぞれがソレノイドコイルとなる。

図７のアンテナにおいても、式（５）を満たすように、巻き数や半径などを変更し、式（４）の右辺の一部の項を０として急減衰特性を作成することができる。

図９は、本実施の形態における別のアンテナの構成を示す図である。図１０は、図９のアンテナのループを別々に示した図である。

図９に示すアンテナはコア１０にギャップ１３を備え、外側と内側のそれぞれのループ１１Ａ，３１Ａ，・・・、１１Ｎ，３１Ｎが、ギャップ１３に通じた配線によって接続される。具体的には、対応する外側のループ１１Ａ，１１Ｂ，・・・，１１Ｎと内側のループ３１Ａ，３１Ｂ，・・・，３１Ｎは、コア１０上での高さが等しくなるように配置し、ギャップ１３内で最短距離、かつ、互いに逆方向に電流が流れるように外側のループ１１Ａ，１１Ｂ，・・・，１１Ｎと内側のループ３１Ａ，３１Ｂ，・・・，３１とを直列に接続する。図１０を用いて説明すると、ループ１１Ａを反時計回りにコア１０の外周に巻きつけ、ワイヤをギャップ１３を通し、ループ３１Ａを時計回りにコア１０の中空部１２の内周に沿って巻きつける。このように、対応するループの組（例えばループ１１Ａとループ３１Ａ）で特許文献２の逆相二重ループアンテナを形成する。ギャップ１３までループ３１Ａを巻きつけると、ギャップ１３を通して、次の外周のループ１１Ｂを反時計回りにコア１０の外周に巻きつける。以上を繰り返してＮ巻のループ群１１，３１となる。ループ群１１，３１は、特許文献２の逆相二重ループアンテナを縦方向に並べて直列に接続したものである。ループ群１１，３１のそれぞれに給電点１５，３５を備えて１つのコイルとする。

コイルの磁界は、各ループ１１Ａ，１１Ｂ，・・・，３１Ａ，３１Ｂ，・・・，３１Ｎで発生する磁界の和となる。コイルをソレノイド状に巻く必要はなく、図９，１０に示す巻き方でもよい。図９のアンテナにおいても、図７のアンテナと同様の特性が得られ、式（５）を満たすように、巻き数や半径などを変更し、式（４）の右辺の一部の項を０として急減衰特性を作成することができる。

なお、図１１に示すように、第２の実施の形態のアンテナの中空部に、ループ群２１を外周に巻いた柱状のコア２０を内包してもよい。図１１のアンテナは、３つのループ群１１，２１，３１を備える。この場合、コイルの数は、コア１０の外周と内周に巻いたループ群１１，３１のコイルとコア２０の外周に巻いたループ群２１のコイルの２つとなる。図１１のアンテナは、図７，９のアンテナよりも急峻な急減衰効果が得られる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナにおいて、中空柱状のコア１０の外周に沿って１巻以上のループ群１１を巻き、コア１０の中空部１２の内周に沿って１巻以上のループ群２１を巻いて、ループ群１１，２１は、互いに電流が逆向きに流れるように直列に接続することにより、コア１０によって生成される磁界強度を高めることができるので、通信時に必要となる電流を大幅に削減し省エネルギー化が可能となる。

１０，２０，３０…コア
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｎ，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｎ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｎ…ループ
１１，２１，３１…ループ群
１２…中空部
１３，２３…ギャップ
１４…配線
１５，３５…給電点

Claims (8)

1. 中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナであって、
   中空部を備えた中空柱状のコアと、
   前記中空柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第１のループ群と、
   柱状のコアと、
   前記柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第２のループ群と、を有し、
   前記中空部に前記柱状のコアを内包することを特徴とするアンテナ。
2. １巻以上のループが外周に沿って巻かれた前記中空柱状のコアを複数個備え、
   中空柱状のコアの中空部により小さな中空柱状のコアを内包することを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記コアは材質もしくは長さが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 中心軸が一致し、半径の異なる複数のループに電流を流すことで単一のループよりも急峻に磁界が距離減衰する合成磁界を生成するアンテナであって、
   中空部を備えた中空柱状のコアと、
   前記中空柱状のコアの外周に沿って１巻以上のループが巻かれた第１のループ群と、
   前記中空柱状のコアの中空部の内周に沿って１巻以上のループが巻かれた第２のループ群と、を有し、
   前記第１のループ群と前記第２のループ群は、互いに電流が逆向きに流れるように直列に接続されることを特徴とするアンテナ。
5. 前記コアの少なくとも１つは磁性体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ。
6. 前記コアの少なくとも１つは隙間を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアンテナ。
7. 前記第１のループ群と前記第２のループ群との巻き数が異なることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のアンテナ。
8. 前記第１のループ群及び前記第２のループ群の少なくとも１つはソレノイドコイルであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のアンテナ。

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