KR101983105B1 - 3축 안테나 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

제1 내지 제3 안테나 코일(20a, 20b, 20c)을 가지는 3축 안테나는 최대 수신 감도의 방향이 서로 직교하도록 배치되며, 제1 내지 제3 안테나 코일은 각각: 원주 방향으로 권선 축에 감겨져 있고 구멍을 가진 평면형 코일(30, 31, 37, 38); 및 상기 구멍에 삽입되어 있는 포일 타입 자심(foil-type core);을 포함하며; 상기 포일 타입 자심(foil-type core)은 상기 제1 내지 제3 코일의 평면과 평행한 평면 상에 배치된다.

Description

3축 안테나{THREE-AXIS ANTENNA}
본 발명은 전방향성 수신 감도 3축 안테나로서, 차량 등의 잠금 또는 잠금 해제를 위한 키리스 엔트리 시스템(keyless entry system)의 수신 장치에 사용되는 것에 관한 것이다.
LF밴드의 안테나로서, 권선 축으로서 막대형 자심에 와이어가 권선된 막대형 안테나(bar-type antenna)가 사용된다. 이 막대기형 안테나는 권선 축의 방향으로 수신 감도를 가지며, 권선 축에 수직인 방향으로는 수신 감도를 가지지 않는다. 그러므로, 복수의 안테나 코일은, 각각의 권선 축이 서로 직교하여 교차하도록 세 개의 안테나 코일을 배치함으로써 수신 감도가 부족한 각각의 영역을 상호 보완해 주어서, 전 방향의 수신 감도를 갖는 전방향성 안테나를 얻는다.
최근에는, 일본 특허공개공보 제2004-15168에 공지된 바와 같은, 세 개의 코일이 하나의 자심에 서로 직교하게 감겨져 있는 소형 3축 안테나가, 널리 사용되고 있다.
도 15는 종래의 3축 안테나의 예를 보여준다. 도 15에 도시된 바와 같이, 종래의 3축 안테나(70)는, 외형이 평평한 디스크 타입(disk-type) 페라이트 자심(ferrite core)(80)으로 구성된 자심(80)으로 형성되며, 상기 자심(80)에는, 자심(80)의 상면과 저면에서 서로 직교하는 x홈(81) 및 y홈(82)가 형성되고 원주의 표면에는 z홈(83)이 형성되며, x축 코일(91), y축 코일(92), 및 z축 코일(93)이 x홈(81), y홈(82), 및 z홈(83)에 각각 감겨져 있다.
3축 안테나(70)는 x축 코일(91), y축 코일(92), 및 z축 코일(93)의 권선 축이 서로 직교하기 때문에 전 방향의 수신 감도를 가진다.
상술한 종래의 3축 안테나 기술은 주목을 받지 못했지만, 그 두께는 3 mm 이상이다. 그러므로, 키 홀더(key holder) 또는 그 밖에 이와 유사한 것에는 적용될 수 있지만, 너비 85.6 mm, 높이 54.0 mm, 및 두께 0.76 mm로 규격화된 IC 카드와 같은 박형 제품에는 적용되기 어렵다.
본 발명은:
최대 수신 감도의 방향이 서로 수직인 제1 내지 제3 안테나 코일을 가지는 3축 안테나이며,
상기 제1 내지 제3 안테나 코일은 각각:
원주 방향으로 권선 축에 감겨져 있고 구멍을 가지는 평면형 코일; 및
상기 코일의 구멍에 삽입되어 있는 포일 타입 자심(foil-type core);
을 포함하며,
상기 포일 타입 자심(foil-type core)은 상기 제1 내지 제3 코일의 평면과 평행한 평면상에 배치되어 있는 것
을 특징으로 하는 3축 안테나이다.
본 발명의 3축 안테나에 의하면, IC 카드, 등과 같은 박형 제품에 적용시킬 수 있는 3축 안테나를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 3축 안테나의 실시예의 사시도이다.
도 2a는 실시예의 안테나 코일의 평면도이다.
도 2b는 안테나 코일의 길이 방향 단면도이다.
도 3은 안테나 코일의 방사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 안테나 코일의 방사 특성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 안테나 코일의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3축 안테나의 최대 수신 감도의 방향을 나타내는 도식적인 사시도이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명에 따른 3축 안테나의 방사 특성의 시뮬레이션(simulations)을 나타낸다.
도 8은 다른 예의 안테나 코일의 사시도이다.
도 9는 다른 예의 안테나 코일의 방사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10a 내지 10e는 여러 가지의 포일 자심(foil core)을 나타낸다.
도 11은 안테나 코일의 박형화를 설명하기 위한 안테나 코일의 단면도이다.
도 12는 권선의 접속을 위한 말단의 위치를 나타내는 안테나 코일의 단면도이다.
도 13a는 본 발명에 따른 3축 안테나의 다른 실시예의 평면도이다.
도 13b는 본 발명에 따른 3축 안테나의 또 다른 실시예의 평면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 3축 안테나의 최대 수신 감도의 방향을 나타내는 사시도이다.
도 15는 종래의 3축 안테나의 사시도이다.
도 1은 본 발명에 따른 3축 안테나의 실시예의 평면도이다. 도 2a와 도 2b는 3축 안테나에 사용되는 안테나 코일을 나타내는 실시예의 평면도와 단면도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 3축 안테나(10)는 x-y 평면에 배치되어 있는 세 개의 평면형 안테나 코일(20a, 20b, 20c)을 포함하고 있다.
안테나 코일(20a, 20b, 20c)은, 도 2a와 도 2b에 나타난 바와 같이, 내부 지름 d0, 외부 지름 d1, 및 두께 t30이고 절연 피복 와이어가 권선 축 N에 원주 방향으로 감겨져 있는 평평한 모양의 평면형 코일(30), 그리고 길이 L, 너비 W, 및 두께 t40이고 PET, 등의 기자재 상에 연 자성체의 박막이 형성된, 사각형의 포일 타입 자심(foil-type core)(이하 포일 자심(foil core))(40)을 포함한다.
포일 자심(foil core)(40)은 비자성체의 기자재와 이에 부착되어 있는 자성 포일로 이루어져 있으며, 평면에 거의 평행하고 평면형 코일(30)의 권선 축 N에서 약 90°에 배치되어 있어서, 포일 자심(foil core)(40)의 한쪽 끝의 하단 면이 평면형 코일(30)의 상단 면과 접촉되어 있고, 상기 포일 자심(foil core)(40)의 다른 쪽 끝의 상단 면이 상기 평면형 코일(30)의 하단 면과 접촉되어 있다.
a축, b축, c축을 각각의 안테나 코일(20a, 20b, 20c)의 포일 자심(foil core)(40)의 길이 방향이라 할 때, a축, b축, c축은 하나의 점에서 교차하고 그 축들이 서로 120°의 각도를 형성하도록 방사상으로 배치된다.
이하, 3축 안테나(10)의 전 방향성과 이것의 조건을 설명하겠다.
도 3은 도 2a와 도 2b의 안테나 코일의 방사 특성을 나타내는 그래프이다. 도 3에서, 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 x 방향으로 하고 평면형 코일(20a)의 권선 축 N은 z 방향으로 하였다. 여기서, 평면형 코일(30)은 내부 지름 d0 = 8 mm, 외부 지름 d1 = 19 mm, 및 두께 t30 = 0.2 mm로, 지름 0.045 mm의 자기 융착 와이어(self-fusion wire)로 332번 감겨져 형성되고, 포일 자심(foil core)(40)은 비투자율 μr = 104, 길이 L = 20 mm, 너비 W = 6 mm, 및 두께 t40 = 0.060 mm이다.
막대형 자심에 권선된 종래의 막대형(bar-type) 안테나는, 길이 방향으로 최대 유도 전압을 발생시키며 최대 수신 감도를 가진다. 이와 반대로, 도 2a와 도 2b에 나타난 안테나 코일에서 최대 수신 감도의 방향은, 즉, 최대 유도 전압 Vmax을 발생시키는 방향은, 도 4에 나타난 바와 같이, 평면형 코일(30)의 평면으로부터 그에 직교하는 방향으로 경사 각도 θ(0°≤θ≤90°)를 형성한다. 도 4에 있는 각도 θ는 대략 50°이다.
여기서, 최대 수신 감도는 안테나 코일이 1μT의 자기장에 위치할 때 안테나 코일에서 발생한 최대 유도 전압이다.
경사 각도 θ는, 최대 유도 전압 Vmax와 함께, 포일 자심(foil core)(40)의 모양, 비투자율 μr, 등을 변경함으로써 조정될 수 있다. 즉, 길이 L이 길어지나, 단면적이 커지거나, 비투자율이 증가하는 경우, 경사 각도 θ는 작아진다.
도 5는 포일 자심(foil core)(40)의 길이 L이 변경될 때 경사 각도 θ와 최대 유도 전압 Vmax의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에서, 가로 축은 코일 자심(foil core)의 길이 L을 나타내고, 세로 축은 경사 각도 θ[°]와 최대 유도 전압 Vmax[V]를 나타내며, 실선은 경사 각도 θ를 나타내고, 점선은 최대 유도 전압 Vmax를 나타낸다. 평면형 코일은 도 3에서 방사 특성의 측정에 사용된 안테나 코일과 동일한 것이다.
도 5에서, 포일 자심(foil core)의 길이 L이 길수록, 경사 각도 θ는 작아지고 최대 유도 전류 Vmax는 커지는 것을 알 수 있다.
도 6은 안테나 코일(20a, 20b, 20c)의 최대 수신 감도의 방향을 나타내는 도식적인 사시도이다. 도 6에서,
안테나 코일(20a)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 a축으로, 최대 수신 감도의 방향은 α축으로, 그 경사 각도는 θ로 가정하며,
안테나 코일(20b)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 b축으로, 최대 수신 감도의 방향은 β축으로, 그 경사 각도는 θ로 가정하며,
안테나 코일(20c)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 c축으로, 최대 수신 감도의 방향은 γ축으로, 그 경사 각도는 θ로 가정하며,
a축은 x축으로 가정하며,
a축, b축, 및 c축 사이의 각도는 각각 120°이고, 상기 축들은 원점 o에서 서로 교차한다.
도 6에서 나타난 바와 같이, 3축 안테나(10)를 전방향성 안테나로 하기 위해, α축, β축, 및 γ축이 서로 수직으로 교차하면 되므로, 경사 각도 θ가 35.26°를 이루는 것이 충분 조건이 된다. 도 5의 그래프에서, 경사 각도 35.26°를 얻기 위한 포일 코일(foil core)(40)의 길이 L은 약 27 mm이다.
도 7a 내지 7d는 3축 안테나(10)에서 경사 각도 35.26°를 가진 안테나 코일(20a, 20b, 20c)을 사용한 시뮬레이션(simulations)의 결과인 방사 특성을 보여준다.
도 7a는 안테나 코일(20a)의 방사 특성을 보여주며,
도 7b는 안테나 코일(20b) 의 방사 특성을 보여주며,
도 7c는 안테나 코일(20c) 의 방사 특성을 보여주며,
도 7d는 안테나 코일(20a, 20b, 20c)의 방사 특성의 논리합으로 얻어진 3축 안테나(10)의 방사 특성을 보여준다.
도 7d에서 나타난 바와 같이, 3축 안테나(10)는 전 방향의 수신 감도를 가진 전 방향성 안테나이다.
이 안테나 코일의 두께 T (도 2b에 나타난 바와 같이, T = t40 + t30 x 2)는 약 0.32 mm이다. 이것은 IC 카드의 두께 0.76 mm에서 외부의 상단 면과 하단 면의 각 두께 0.20 mm를 제외하고 얻어진 기자재의 두께보다 얇으므로, 3축 안테나(10)는 IC 카드에 매립될 수 있다.
더욱이, 3축 안테나(10)는, 포일 코일(foil core)과 박형 평면형 코일을 사용함으로써, 깨지기 쉬운 페라이트(ferrite)를 사용한 종래의 3축 안테나와 다르며, IC 카드, 등에 매립하기 이상적인 적절한 유연성을 가질 수 있다.
게다가, 경사 각도 35.26°는 이론상으로는 이상적이지만, 안테나 코일은 최대 수신 감도에서 약간 어긋난 수신 감도를 가진다. 그러므로, 경사 각도 θ와 안테나 코일의 배치에 차이가 있더라도, 수신 감도를 가지지 못하는 영역이 상호 보완되어, 안테나가 전 방향성이 된다.
포일 자심(foil core)은, 사각형 모양으로 한정되는 것이 아니라, H자 형상도 될 수 있다. 도 8은 3축 안테나의 안테나 코일의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 안테나 코일(21)은 평면형 코일(31)과 그 평면형 코일(31)의 구멍에 삽입되어 있는 H자 형상 포일 자심(foil core)(41)과 평면형 코일(31)로 이루어진다. 포일 자심(foil core)(41)은 길이 La, 너비 Lb, 및 두께 t41인 사각형의 자심 편(片)(41a)과, 자심 편(片)(41a)의 맞은편의 끝에 배치되어 있는, 길이 Lb, 너비 Wb, 및 두께 t41인, 두 사각형 자심 편(片)(41b)으로 구성되어 있다.
도 9는 Wa = Wb = 6 mm, La = Lb = 20 mm, t41 = 0.060 mm인 도 8의 안테나 코일(21)의 방사 특성을 나타내는 그래프이다. 평면형 코일(31)은, 측정된 방사 특성이 도 3에 나타난 안테나 코일에 사용된 평면형 코일과 같다. 도 9는 안테나 코일(21)이 도 1에 나타난 안테나 코일(20)에 비해 더 높은 최대 유도 전압을 발생시키고 더 작은 경사 각도 θ를 가진다는 것을 보여준다.
그러므로, 최대 유도 전압과 경사 각도는 조절 가능하고 포일 자심(foil core)의 모양에 좌우된다. 또한, 안테나 코일(21)의 인덕턴스 값(inductance value)은 안테나 코일(20)의 인덕턴스 값(inductance value)에 비교해볼 때 더 높아진다. 뿐만 아니라, 최대 유도 전압은 안테나 코일(20)의 권선의 수에 의해 조절 가능하다.
도 10a 내지 도 10e는 안테나 코일에 사용되는 포일 자심(foil core)의 다양한 실시예(42 -46)의 사시도이다.
도 10a는 T자 형상 자심 편(片)(42a)과 I자 형상 자심 편(片)(42b)을 결합하여 형성한, H자 형상 포일 자심(foil core)(42)의 예를 보여준다. 자심 편(片)의 중첩 부분이 한 부분으로 한정되므로, 안테나 코일의 두께를 얇게 할 수 있다.
도 10b는 두 개의 T자 형상 자심 편(片)(43a, 43a)을 결합하여 형성한 H자 형상 포일 자심(foil core)(43)의 예를 보여준다. 자심 편(片)이 평판형 코일의 구멍에서 중첩되므로, 중첩 부분은 안테나 코일의 두께에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 안테나 코일의 두께를 훨씬 얇게 할 수 있다.
도 10c는 I자 형상 자심 편(片)(44a)과 반원 형상 자심 편(片)(44a, 44b)을 결합하여 형성한 H자 형상 포일 자심(foil core)(44)의 예를 보여준다. 포일 자심(foil core)(44)의 외부 형상이 평면형 코일의 외부 형상과 비슷하기 때문에, 안테나 코일의 중첩 부분을 줄일 수 있다.
도 10d는 두 개의 T자 형상 자심 편(片)(45a, 45b)과 평면형 코일의 구멍에 배치되는 자심 편(片)(45b)을 결합하여 형성한 H자 형상 포일 자심(foil core)(45)의 예를 보여준다. 자심 편(片)이 평면형 코일의 구멍에서 겹쳐져 있으므로, 겹쳐진 부분은 안테나 코일의 두께에 영향을 미치지 않는다.
도 10e는 T자 형상인 포일 자심(foil core)(46)의 예를 보여준다. 위에서 보여지듯이, 포일 자심(foil core)은 축 방향에 비대칭일 수 있다. 그러나, 포일 자심(foil core)이 비대칭일지라도, 안테나 코일의 방사 특성은 대칭적이다.
포일 자심(foil core)의 형상과 유사하게, 평면형 코일도 원형 모양에 한정되는 것이 아니라, 타원형과 다각형 모양을 포함한 다양한 모양을 가질 수 있다.
안테나 코일은 얇을수록 좋다. 도 11은 안테나 코일의 또 다른 실시예를 보여주는 길이 방향의 단면도이다. 안테나 코일의 두께 T1는 평면형 코일(37)의 상단과 하단을 눌러 납작하게 하거나 사전에 변형시켜 얇게 할 수 있다.
권선이 안에서 시작하여 바깥에서 끝나는 평면형 코일을 감는 방법은 여러 가지가 있다. 일반적인 방법으로는, 내측 말단이 코일의 외주로 인출됨에 따라, 코일의 두께는 인출되는 말단으로 인해 증가하게 된다.
도 12는 안테나 코일의 말단을 인출하는 위치를 나타내는 안테나 코일의 길이 방향의 단면도이다. 도 12에 나타난 바와 같이, 안테나 코일의 두께는, 포일 자심(foil core)(48)의 길이 방향에 직교하는 방향에 있는 평면형 코일(38)의 구멍을 통해 평면형 코일(38)의 내측 말단이 인출됨으로 인해 얇아질 수 있다.
도 13a와 도 13b는 3축 안테나의 안테나 코일의 배치의 다른 실시예의 평면도이다. 3축 안테나(11)는, 도 13a에 나타난 바와 같이, 포일 자심(foil core)의 길이 방향을 각각 나타내는, a축, b축, 및 c축이 정삼각형의 각 변에 배치되는, 안테나 코일(29a, 29b, 29c)를 가지고 있다.
안테나 코일의 포일 자심(foil core)간의 길이가 늘어나므로, 위에 언급된 배치는, 성능을 떨어뜨리는 안테나 코일 사이의 결합을 회피하는 장점이 있다.
도 13b의 3축 안테나(12)는 안테나 코일(29a, 29b, 29c)이 열을 따라 늘어서 있다. 여기서 나타난 바와 같이, 안테나 코일은, 각 포일 자심(foil core)의 길이 방향인, a축, b축, c축의 방향만 올바르다면, 다양한 방법으로 평면 상에 배치될 수 있다.
위에 언급되어 있는 실시예에서, 같은 형상과 같은 특성을 가진 세 개의 안테나 코일은 그 포일 자심(foil core)의 길이 방향이 각도 120°를 이루도록 배치된다. 그러나, 전 방향성 안테나는 다른 특성의 안테나 코일을 사용하여 실현될 수도 있다.
도 14는 다른 특성의 안테나 코일을 사용하여 형성된, 본 발명에 따른 3축 안테나의 최대 수신 감도의 방향을 나타낸 특성 도표이다.
각각 다른 특성을 가진 세 개의 안테나 코일(20a, 20b, 20c)(도시되지 않음)을 포함하는 3축 안테나(10’)(도시되지 않음)가 동일한 x-y평면 상에 원점 주위에 배치된 경우,
안테나 코일(20a)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 a축, 최대 수신 감도의 방향은 α축, a축과 α축 사이의 각도는 θ1로 가정하며,
안테나 코일(20b)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 b축, 최대 수신 감도의 방향은 β축, b축과 β축 사이의 각도는 θ2로 가정하며,
안테나 코일(20c)의 포일 자심(foil core)의 길이 방향은 c축, 최대 수신 감도의 방향은 γ축, c축과 γ축 사이의 각도는 θ3로 가정하며,
a축과 b축 사이의 각도는 ψ1, b축과 c축 사이의 각도는 ψ2, 그리고 c축과 a축 사이의 각도는 ψ3로 가정한다. 예를 들어, θ1 = 20.00°, θ2 = 28.02 °, θ3 = 54.47 °, 그리고 ψ1 = 101.2°, ψ2 = 138.2°, ψ3 = 120.6°라고 가정한다면, α축, β축, 및 γ축은 서로 직교할 수 있다. 그 결과, 전 방향성 안테나는 각각 다른 형상과 다른 특성을 가지는 세 개의 안테나 코일을 사용하여 구현될 수 있다. 여기서, ψ1, ψ2, ψ3 는, 기하학적으로, 90°보다 크고 180°보다 작다.
위에서 언급한 바와 같이, 세 개의 평면형 안테나 코일이 같은 평면 상에 배치될 때, 본 발명에 따른 3축 안테나에서는, 각각의 안테나 코일의 최대 수신 감도의 방향이, 각각의 안테나 코일의 자심의 길이 방향이 서로 수직으로 교차되지 않더라도, 안테나 코일의 경사 각도와 같은 평면 상의 안테나 코일의 배치를 조정하여 수직으로 교차하게 될 것이다. 그러므로, 전 방향의 수신 감도를 가지는 3축 안테나가 만들어진다.
10, 11, 12, 70:3축 안테나
20a, 20b, 20c, 21, 29a, 29b, 29c:안테나 코일
30, 31, 37, 38:평면형 코일
38a:권선의 말단
40, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48:포일 타입 자심(foil-type core)
41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b, 45a, 45b:자심 편(片)
80:자심

Claims (6)

  1. 3축 안테나로서,
    제1 내지 제3 안테나 코일(20a, 20b, 20c)을 가지며,
    상기 제1 내지 제3 안테나 코일은 최대 수신 감도의 방향이 서로 수직이 되도록 상기 제1 내지 제3 안테나 코일이 배치되며,
    상기 제1 내지 제3 안테나 코일은 각각:
    원주 방향으로 권선 축에 감겨져 있고 구멍을 가진 평면형 코일(30,31,37,38); 및
    상기 구멍에 삽입되어 있는 포일 타입 자심(foil-type core)(40,42-48);
    을 포함하며,
    상기 포일 타입 자심(foil-type core)은 상기 제1 내지 제3 코일의 평면과 평행한 평면상에 배치되어 있고,
    상기 제1 내지 제3 안테나 코일은 동일한 평면상에 배치되어 있는, 3축 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평면의 평면시(視)에서, 상기 제1 내지 제3 안테나 코일의 자심의 길이 방향의 방향 중, 인접하는 코어가 이루는 각도는 90°보다 크고 180°보다 작은, 3축 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인접하는 코어가 이루는 각도는 120°이며,
    상기 제1 내지 제3 안테나 코일은 각각 같은 형태를 가지는, 3축 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자심의 형상은 H자 형상, I자 형상, 또는 T자 형상 중 어느 하나를 가지는, 3축 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자심은 다수의 자심 편(片)이 조합되고 상기 H자 형상, I자 형상, 또는 T자 형상으로 형성되는, 3축 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일의 내측의 권선 말단은, 상기 코일의 구멍으로부터 해당 코일의 구멍에 삽입된 상기 자심의 길이 방향에 직교하는 방향을 따라 인출되어 있는, 3축 안테나.
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