JP6332867B2 - 磁界分布生成装置および磁界分布生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界分布において指向性が得られる磁界分布生成装置および磁界分布生成方法に関する。

図７は、従来のループアンテナの一例を示す図である。絶縁体基板１０は、空間をＸＹＺ軸で定義した場合のＸＹ平面に配置され、絶縁体基板１０には、ループアンテナとして、円形の導体ループ１１が形成される。導体ループ１１は開ループであり、端部間に電圧を印加すると電流Ｉが流れる。

図８は、図７のループアンテナにより生成される磁界分布を示す図である。図は、ＹＺ平面における＋Ｚ側の磁界分布を示す。等磁界線の間隔は１０ｄＢである。ループアンテナの半径は１０ｃｍである。各等磁界線は、ループアンテナに近いものを除いては、ほぼ半円形である。つまり、等しい磁界強度の点の集合を「等磁界面」と定義すると、各等磁界面は、ほぼ球形である。磁界分布に指向性はない。

例えば、ある等磁界面の外側にある通信機器とループアンテナとでは通信をせず、内側（認証エリアという）にある通信機器とでは通信を行うというような応用が可能となる。

佐々木愛一郎、外４名「複数の導体ループを利用した磁界分布制御の基本検討 ―短距離無線認証のために―」,信学技報, vol. 113, no. 85, SRW2013-13, pp. 7-12, 第16回短距離無線通信研究会,2013年6月17日, 富士通川崎工場本館, 川崎. 佐々木愛一郎、外４名「磁界を利用したエリア識別のための等方性受信端末」,電子情報通信学会2014年総合大会, B-1-9. A. Sasaki, R. Okuizumi, T. Mizota, H. Morimura, and O. Kagami,"An isotropic receiver for area discrimination with magnetoquasistatic fields,"in Proc. 2014 Asia-Pacific Microwave Conf., Sendai, Japan, Nov. 4-7, TH3G-31, pp. 967-970.

しかし、磁界分布に指向性がないので、例えば、ループアンテナからＹ軸方向に５０ｃｍ離れた位置の通信機器とでは通信せず、ループアンテナからＺ軸方向に同じ５０ｃｍ離れた位置の通信機器とでは通信を行うというような応用は不可能である。電流を変えても、磁界分布に指向性はなく、このような応用は不可能である。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、磁界分布において指向性が得られる磁界分布生成装置および磁界分布生成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の磁界分布生成装置は、第１の導体ループと、前記第１の導体ループが配置される平面において前記第１の導体ループの内側に配置され、前記第１の導体ループの中心の位置に中心を有する第２の導体ループと、前記第１の導体ループに第１の電流を流し、前記第１の電流の向きに対して逆向きの第２の電流を前記第２の導体ループに流し、前記第１の電流の大きさおよび前記第２の電流の大きさの比を制御し、前記第１の導体ループの磁気モーメントの大きさと前記第２の導体ループの磁気モーメントの大きさを相違させることで、磁界分布において指向性を発生させる電流供給部とを備え、前記第２の導体ループの磁気モーメントを前記第１の導体ループの磁気モーメントより大きくし、前記平面の面内方向よりも、前記平面に対して垂直方向に強い磁界を生じさせることを特徴とする。

また、本発明の磁界分布生成方法は、第１の導体ループに、第１の電流を流し、第２の導体ループに、前記第１の電流の向きに対して逆向きの第２の電流を流し、前記第１の電流の大きさおよび前記第２の電流の大きさの比を制御し、前記第１の導体ループの磁気モーメントの大きさと前記第２の導体ループの磁気モーメントの大きさを相違させることで、磁界分布において指向性を発生させ、前記第２の導体ループは、前記第１の導体ループが配置される平面において前記第１の導体ループの内側に配置され、前記第１の導体ループの中心の位置に中心を有し、前記第２の導体ループの磁気モーメントを前記第１の導体ループの磁気モーメントより大きくし、前記平面の面内方向よりも、前記平面に対して垂直方向に強い磁界を生じさせることを特徴とする。

本発明の磁界分布生成装置および磁界分布生成方法によれば、磁界分布において指向性が得られる。

本発明の一実施例に係る磁界分布生成装置を示す図である。 電流供給部３の構成の一例を示す図である。 μが１以下の場合の磁界分布を示す図である。 μが１より大きい場合の磁界分布を示す図である。 ループアンテナの形状に係る変形例を示す図である。 ループアンテナの巻き数に係る変形例を示す図である。 従来のループアンテナの一例を示す図である。 従来のループアンテナにより生成される磁界分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る磁界分布生成装置を示す図である。
磁界分布生成装置は、第１の導体ループ１と第２の導体ループ２と電流供給部３とを備える。空間をＸＹＺ軸で定義した場合のＸＹ平面に絶縁体基板１０が配置され、絶縁体基板１０には、円形の導体からなる導体ループ１、２が寝かせるように形成される。導体ループ１、２は、例えば、プリント配線の技術により形成される。

導体ループ１、２は開ループであり、巻き数は例えば１である。導体ループ２は、導体ループ１の内側に配置され、導体ループ１の中心の位置に中心を有する。導体ループ１、２を総称してループアンテナという。また、導体ループ１に囲まれた領域の面積をＳ_１、導体ループ２に囲まれた領域の面積をＳ_２とする。

電流供給部３は、導体ループ１の端子＋−に交流電圧を印加し、導体ループ２の端子＋−には、導体ループ１とは電圧の印加方向を逆として、つまり逆位相で、交流電圧を印加する。これにより、導体ループ１に電流Ｉ_１が流れ、電流Ｉ_１の向きに対して逆向きの電流Ｉ_２が導体ループ２に流れる。

図２は、図１に示す電流供給部３の構成の一例を示す図である。
電流供給部３においては、信号源３１の出力がアンプ３２、３３の入力に接続される。アンプ３２から出力される電流Ｉ_１は、バランＢ_１を通り、導体ループ１を流れ、再びバランＢ_１を通り、抵抗Ｒ_１を介して、グラウンドに流れる。アンプ３３から出力される電流Ｉ２は、バランＢ_２を通り、導体ループ２を流れ、再びバランＢ_２を通り、抵抗Ｒ_２を介して、グラウンドに流れる。
なお、導体ループ１、２の配置は、実際には、図１の通りである。

マイクロコントローラ３４は、電流Ｉ_１、Ｉ_２にそれぞれ比例する回路節点Ｍ_１、Ｍ_２の電位が、制御装置４から指示される電流Ｉ_１、Ｉ_２の目標値に対応するように、アンプ３２、３３の利得を制御する。

制御装置４においては、入力部４１が、導体ループ１、２の形状や巻き数、面積Ｓ_１、Ｓ_２を入力する。また、ある等磁界面（同じ磁界強度の点の集合）の外側にある通信機器とでは通信をせず、内側（認証エリアという）にある通信機器とでは通信を行うというような場合、入力部４１は、その磁界強度、認証エリアのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の長さを入力する。

電流計算部４２は、これらパラメータにより、電流Ｉ_１、Ｉ_２の目標値を計算する。出力部４３は、電流Ｉ_１、Ｉ_２の目標値をマイクロコントローラ３４に指示する。

図３は、図１のループアンテナにより生成される磁界分布の一例を示す図である。図は、シミュレーションにより求めたＹＺ平面における＋Ｚ側の磁界分布を示す。等磁界線の間隔は１０ｄＢである。導体ループ１の半径は１０ｃｍ、導体ループ２の半径は５ｃｍである。よって、Ｓ_１：Ｓ_２＝４：１である。

一般的に、ループアンテナに囲まれた領域の面積Ｓと、ループアンテナに流れる電流Ｉの積ｍを磁気モーメントの大きさという。
ｍ＝Ｓ×Ｉ （１）

よって、導体ループ１の磁気モーメントの大きさｍ_１、導体ループ２の磁気モーメントの大きさｍ_２は、以下のように定義される。
ｍ_１＝Ｓ_１×Ｉ_１、ｍ_２＝Ｓ_２×Ｉ_２ （２）

ここで磁気モーメントの大きさの比μを以下のように定義する。
μ＝ｍ_２／ｍ_１ （３）

図３は、μが１の場合と１未満の場合の磁界分布を示す図である。
電流供給部３は、Ｉ_１、Ｉ_２の比を変え、これにより、図のようにμが変わる。
μ＜１（磁気モーメントｍ_１が磁気モーメントｍ_２より大きい）場合、同じ等磁界線で囲まれる領域のＹ軸方向の長さは、Ｚ軸方向の長さより長い。つまり、Ｚ軸方向よりも、Ｙ軸方向に強い磁界が発生する。図示しないが、Ｘ軸方向にも同様に、Ｚ軸方向よりも強い磁界が発生する。

すなわち、ｍ_１、ｍ_２を相違させることで、磁界分布において指向性が得られる。例えば、磁界の弱い方向（図３ではＺ軸方向）を他のアンテナ（図示せず）に向けることで、そのアンテナにより生成される磁界との干渉を防ぐことができる。

また、ｍ_１、ｍ_２を相違させ、特に、μ＜１とすることで、ループアンテナが形成されるＸＹ平面方向の磁界強度を特に高めることができる。

また、μ＜１の場合、Ｚ軸（Ｙ軸上のＹ＝０の点（原点）から右に伸びる線）上に磁界極小点が生じる。μが大きくなるにしたがって、磁界極小点はループアンテナから離れ、μ＝１となると無限遠に消失する。

従来例を表す図8と比較しながら図3を観察すると、磁界極小点とループアンテナ(原点)の間の部分では、等磁界線の形状が平坦になっていることがわかる。つまり、この部分では、ループアンテナが形成されるXY平面に対向する平坦な等磁界面が形成される。

例えば、応用事例によっては、認証エリアに対応する等磁界面（認証エリアと外部エリアの境界面）の一部は、湾曲しているよりも平坦である方が好ましい。すなわち、μ＜１とすることで、磁界極小点を発生させ、認証エリアと外部エリアの境界面の一部を、応用事例によっては好ましい平坦なものにすることができる。

図４は、μが１より大きい場合の磁界分布を示す図である。
具体的には、μ＝１．１００の場合の磁界分布である。これ以外の条件は、図３の場合と同じである。μ＞１（磁気モーメントｍ_２が磁気モーメントｍ_１より大きい）場合、Ｙ軸方向よりも、Ｚ軸方向に強い磁界が発生する。図示しないが、Ｚ軸方向の磁界は、Ｘ軸方向の磁界よりも強い。

すなわち、μ＞１として、ｍ_１、ｍ_２を相違させることでも、磁界分布において指向性が得られる。例えば、磁界の弱い方向（図４ではＸ軸方向やＹ軸方向）を他のアンテナ（図示せず）に向けることで、そのアンテナにより生成される磁界との干渉を防ぐことができる。

特に、μ＞１とすることで、ループアンテナが形成されるＸＹ平面に垂直なＺ軸方向の指向性を高め、つまり、狭指向性を得ることができる。

（変形例）
図５は、ループアンテナの形状に係る変形例を示す図である。
これまでは、図１に示すような円形のループアンテナを例として説明した。しかし、ループアンテナから生成される磁界分布の形状は、信号の波長がアンテナ径に比べて十分長ければ、アンテナ形状にはほとんど依存せず、磁気モーメントの比μのみに依存する。したがって、ループアンテナの形状には大きな自由度があり、円だけでなく、図５に示すように楕円、正方形、長方形、多角形など様々な形状が許され、それらの組み合わせてもよい。

なお、各導体ループ１、２は、直交する２直線のそれぞれに対して線対称であることが好ましい。図５の例では、各導体ループ１、２は、中心を通る図の上下方向と左右方向の直線のそれぞれに対して線対称である。図１に示す円形の例でも同様である。

図６は、ループアンテナの巻き数に係る変形例を示す図である。
この変形例では、導体ループ１の巻き数が３、導体ループ２の巻き数が２となっている。このように、巻き数は２以上でもよく、導体ループ１と導体ループ２で異なっていてもよい。

導体ループ１の巻き数をＮ_１、導体ループ２の巻き数をＮ_２とすると、導体ループ１の磁気モーメントの大きさｍ_１、導体ループ２の磁気モーメントの大きさｍ_２は、以下のように定義される。
ｍ_１＝Ｓ_１×Ｉ_１×Ｎ_１、ｍ_２＝Ｓ_２×Ｉ_２×Ｎ_２ （４）

この変形例でも、磁気モーメントの大きさの比μを１未満とすることで図３と同様な磁界分布を得ることができ、１より大きくすることで図４と同様な磁界分布を得ることができる。

なお、電流供給部３は、μを可変できるものとしたが、μが一定となるようにしてもよい。例えば、複数の互いに異なる形状や大きさの認証エリアを同一の磁界分布生成装置で生成する場合はμを可変とする。一方、同じ形状、大きさの認証エリアを生成する場合はμが一定であってもよい。

１ 第１の導体ループ
２ 第２の導体ループ
３ 電流供給部

Claims (2)

1. 第１の導体ループと、
   前記第１の導体ループが配置される平面において前記第１の導体ループの内側に配置され、前記第１の導体ループの中心の位置に中心を有する第２の導体ループと、
   前記第１の導体ループに第１の電流を流し、前記第１の電流の向きに対して逆向きの第２の電流を前記第２の導体ループに流し、前記第１の電流の大きさおよび前記第２の電流の大きさの比を制御し、前記第１の導体ループの磁気モーメントの大きさと前記第２の導体ループの磁気モーメントの大きさを相違させることで、磁界分布において指向性を発生させる電流供給部と
   を備え、
   前記第２の導体ループの磁気モーメントを前記第１の導体ループの磁気モーメントより大きくし、
   前記平面の面内方向よりも、前記平面に対して垂直方向に強い磁界を生じさせる
   ことを特徴とする磁界分布生成装置。
   
2. 第１の導体ループに、第１の電流を流し、
   第２の導体ループに、前記第１の電流の向きに対して逆向きの第２の電流を流し、
   前記第１の電流の大きさおよび前記第２の電流の大きさの比を制御し、前記第１の導体ループの磁気モーメントの大きさと前記第２の導体ループの磁気モーメントの大きさを相違させることで、磁界分布において指向性を発生させ、
   前記第２の導体ループは、前記第１の導体ループが配置される平面において前記第１の導体ループの内側に配置され、前記第１の導体ループの中心の位置に中心を有し、
   前記第２の導体ループの磁気モーメントを前記第１の導体ループの磁気モーメントより大きくし、
   前記平面の面内方向よりも、前記平面に対して垂直方向に強い磁界を生じさせる
   ことを特徴とする磁界分布生成方法。