JP6151831B2 - 3軸ループアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、3軸ループアンテナに関するものである。
磁界を利用した無線通信システムが提案されている(特許文献1)。このようなシステムでは、磁界に対する等方的な検出感度を有する端末が必要である。等方的な磁界検出感度を実現する手段の1つは、磁界ベクトルの絶対値を検出することである。そのためにまず、直交する3つのループアンテナ(導体ループ)からなる3軸ループアンテナを利用し、
磁界ベクトルBの3つの空間成分(Bx, By, Bz)を検出する。さらに、3つの空間成分に対し
て絶対値演算
Figure 0006151831
を行うことで、磁界の絶対値を検出できる。このような検出は、例えば図8の回路構成によって実現可能である。
特開2013−125991号公報
3軸ループアンテナの実現手段として、立方体の6つの面のうち直交する3面にループアンテナ(導体ループ)を配置する構造が提案されている(図9)。
この構造の問題点は、ループアンテナ間の相互インダクタンスが零で無いため、検出される磁界ベクトルの空間成分に誤差が生じることである。具体的な例として、B=(0,0,Bz)の場合について考えてみる。この場合Bzがzループを貫くことにより、zループに受信電流Izが流れる。ところがIzによって生じた磁束がyループとxループを貫き受信電流IyとIxが発生するので、元々は存在しないはずのByとBxが誤検出されてしまう。結果として、検出した磁界の絶対値(|B|)の精度が低下する。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、相互インダクタンスが小さく、磁界を高い精度で検出できる3軸ループアンテナを提供することにある。
上記の課題を解決するために、第1の本発明の3軸ループアンテナは、空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループを備える3軸ループアンテナにおいて、第1の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の前記面に沿って配置され、第3の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の前記面に沿って配置され、第1の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第1基板と、第2の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第2基板と、第3の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第3基板
とを備え、前記第1基板の第1の端面が前記第2基板の一方の表面に対向し、前記第1基板の第1の端面に垂直な第1基板の第2の端面が前記第3基板の一方の表面に対向し、前記第3基板の第1の端面が前記第2基板の前記一方の表面に対向することを特徴とする。
第2の本発明の3軸ループアンテナは、空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループを備える3軸ループアンテナにおいて、第1の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の前記面に沿って配置され、第3の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の前記面に沿って配置され、正方形または長方形の基板であり、該基板の第1の端面には該端面に平行な第2の端面に向けたスリットが形成され、第1の前記導体ループを基板パターンとして有する第1基板と、第2の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第2基板と、第3の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第3基板とを備え、前記第1基板の第1の端面が前記第2基板の一方の表面に対向し、かつ、前記第1基板のスリットの周囲部分が前記第3基板を跨ぐように配置され、前記第3基板の第1の端面が前記第2基板の前記一方の表面に対向することを特徴とする。
本発明の3軸ループアンテナは、相互インダクタンスが小さく、磁界を高い精度で検出できる。
第1の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 第2の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 第1基板2x、第2基板2y、第3基板2zの平面図を示す。 第3の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 第4の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 第5の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 第6の実施の形態に係る3軸ループアンテナを示す。 従来における磁界検出の回路構成の例を示す。 従来の3軸ループアンテナの例を示す。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図1に示す。
3軸ループアンテナは、空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループ1x、1y、1zを備える。ここでいう面とは、幾何学上の面である。つまり、2次元的な広がりをいうものであり、実体を伴う必要はない。
導体ループ1x、1y、1zはそれぞれ、x軸に垂直な面、y軸に垂直な面、z軸に垂直な面に沿って配置される。
第1の導体ループ1xは、第2の導体ループ1yの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の面に沿って配置される。
第2の導体ループ1yは、第3の導体ループ1zの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第2の面に沿って配置される。
ここでいう線対称軸とは、幾何学上の線対称軸であり、実体を伴う必要はない。
面に沿って配置されるとは、理想的には、導体ループの各部が面のいずれかの位置に存
在することをいう。
さらに、図1の例では、第3の導体ループ1zは、第1の導体ループ1xの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の面に沿って配置される。
内側領域、線対称軸、各面については図示省略する。
また、3軸ループアンテナは、立方体1を備える。第1の導体ループ1xは、立方体1の第1面11の中心11c、第1面11に垂直な第2面12の中心12c、第1面11に平行な第3面13の中心、第2面12に平行な第4面14の中心に沿って配置される。
第2の導体ループ1yは、第1面11に垂直な第5面15の中心15c、第2面12の中心12c、第5面15に平行な第6面の中心、第4面14の中心に沿って配置される。
第3の導体ループ1zは、第1面の中心11c、第6面16の中心、第3面13の中心、第5面15の中心15cに沿って配置される
具体的には、絶縁体で形成された立方体1には、各面(11〜16)の中心を通る溝2がループ状に3本形成されている。各溝2に、絶縁体で被覆された導体ループ(1x、1y、1z)が巻かれている。図1における巻き数は1回であるが、巻き数は複数回でもよ
い。このように配置された3本の導体ループは互いに直交し、さらに3つの導体ループの中心が一致する。この場合、任意の導体ループに流れる電流が作る磁束は他の導体ループを貫通しないので、この磁束によって他の導体ループには電流が流れない。言い換えると、導体ループ間の相互インダクタンスは理想的には零である。したがって、図9に示す従来の3軸ループアンテナで起きるような、異なる磁界成分の誤検出は発生しない。すなわち、磁界を高い精度で検出できる。
なお、立方体1を直方体に代えても同様の作用効果が得られる。
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図2に示す。
3軸ループアンテナは、空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループ1x、1y、1zを備える。
導体ループ1x、1y、1zはそれぞれ、x軸に垂直な面、y軸に垂直な面、z軸に垂直な面に沿って配置される。
第1の導体ループ1xは、第2の導体ループ1yの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の面に沿って配置される。
第3の導体ループ1zは、第2の導体ループ1yの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の面に沿って配置される。
内側領域、線対称軸、各面については図示省略する。
具体的には、3軸ループアンテナは、第1の導体ループ1xを基板パターンとして有する正方形または長方形の第1基板2xと、第2の導体ループ1yを基板パターンとして有する正方形または長方形の第2基板2yと、第3の導体ループ1zを基板パターンとして有する正方形または長方形の第3基板2zとを備える。
第1基板2xの第1の端面21xが第2基板2yの一方の表面21yに対向し、第1基板2xの第1の端面21xに垂直な第1基板2xの第2の端面22xが第3基板2zの一方の表面21zに対向し、第3基板2zの第1の端面22zが第2基板2yの一方の表面21yに対向する。
対向するとは、理想的には端面が表面に平行な状態をいい、接していても接していなくてもよい。
導体ループは、例えば、長方形状である。
第1基板2x、第2基板2y、第3基板2zの平面図を図3に示す。
第2基板2yに形成された導体ループ1yの内側領域には、内側領域を線対称に分ける線対称軸A、Bが存在する。線対称軸Aに沿って、第1基板2xの第1の端面21xが配置される。線対称軸Bに沿って、第3基板2zの端面22zが配置される。
第3基板2zに形成された導体ループ1zの内側領域には、内側領域を線対称に分ける線対称軸Cが存在する。線対称軸Cに沿って、第1基板2xが配置される。
第1基板2xと第3基板2zを第2基板2yの上に垂直に立てるため、第1基板2xと第3基板2zは突起部mを有しており、第2基板2yには突起部mを挿入するための孔nが形成されている。
第2の実施の形態においては、導体ループを流れる電流により生じる磁束が他の導体ループを貫通しないので、相互インダクタンスは理想的には零になる。したがって、磁界を高い精度で検出できる。
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図4に示す。
第3の実施の形態は第2の実施の形態に類似しているが、第1の導体ループ1xと第3の導体ループ1zに接続されるフィード線fが、第2基板2yの一方の表面21yに形成されているので、各導体ループの端子を狭い領域にまとめて配置できる。これにより、導体ループの端部をアンプなどに接続することが容易になる。また、第2の実施の形態と同様に、各導体ループの相互インダクタンスは理想的には零になるので、磁界を高い精度で検出できる。
[第4の実施の形態]
第4の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図5に示す。
第4の実施の形態は第2の実施の形態に類似しているが、第1基板2xの第1の端面21xには該端面21xに平行な第2の端面23xに向けたスリット24xが形成され、スリット24xの周囲部分が第3基板2zを跨ぐように配置される。
そのため、第1の導体ループ1xの一部が、第2基板2y上に形成されている。第2の実施の形態と同様に、各導体ループの相互インダクタンスは理想的には零になるので、磁界を高い精度で検出できる。
[第5の実施の形態]
第5の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図6に示す。
第5の実施の形態は第2の実施の形態に類似しているが、第1の導体ループ1xは、全て第1基板2x上に形成されている。第4の実施の形態と同様に、各導体ループの相互インダクタンスは理想的には零になるので、磁界を高い精度で検出できる。
[第6の実施の形態]
第6の実施の形態に係る3軸ループアンテナを図7に示す。
第6の実施の形態に係る3軸ループアンテナは、第5の実施の形態において導体ループ1x、1y、1zの巻き数を複数回にしたものである。第5の実施の形態と同様に、各導体ループの相互インダクタンスは理想的には零になるので、磁界を高い精度で検出できる
なお、第2〜第6の実施の形態において、各導体ループの形状は、例えば、長方形、正方形、楕円、円など、線対称軸を有する形状であれば、どのような形状でもよい。
1…立方体
1x…第1の導体ループ
1y…第2の導体ループ
1z…第3の導体ループ
2…溝
2x…第1基板
2y…第2基板
2z…第3基板
11…第1面
11c、12c、15c…中心
12…第2面
13…第3面
14…第4面
15…第5面
16…第6面
21x、22x、22z、23x…端面
21y、21z…表面
24x…スリット
A、B、C…線対称軸

Claims (3)

  1. 空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループを備える3軸ループアンテナにおいて、
    第1の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の前記面に沿って配置され、
    第3の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の前記面に沿って配置され、
    第1の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第1基板と、
    第2の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第2基板と、
    第3の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第3基板とを備え、
    前記第1基板の第1の端面が前記第2基板の一方の表面に対向し、
    前記第1基板の第1の端面に垂直な第1基板の第2の端面が前記第3基板の一方の表面に対向し、
    前記第3基板の第1の端面が前記第2基板の前記一方の表面に対向する
    ことを特徴とする3軸ループアンテナ。
  2. 前記第1の導体ループと前記第3の導体ループに接続されるフィード線が、前記第2基板の一方の表面に形成されていることを特徴とする請求項1記載の3軸ループアンテナ。
  3. 空間において互いに垂直の関係を有する3つの面のそれぞれに沿って配置される導体ループを備える3軸ループアンテナにおいて、
    第1の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第1の前記面に沿って配置され、
    第3の前記導体ループは、第2の前記導体ループの内側領域を線対称に分ける線対称軸を含む第3の前記面に沿って配置され、
    正方形または長方形の基板であり、該基板の第1の端面には該端面に平行な第2の端面に向けたスリットが形成され、第1の前記導体ループを基板パターンとして有する第1基板と、
    第2の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第2基板と、
    第3の前記導体ループを基板パターンとして有する正方形または長方形の第3基板とを備え、
    前記第1基板の第1の端面が前記第2基板の一方の表面に対向し、かつ、前記第1基板のスリットの周囲部分が前記第3基板を跨ぐように配置され、
    前記第3基板の第1の端面が前記第2基板の前記一方の表面に対向する
    ことを特徴とする3軸ループアンテナ。
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