JP2005065151A - アンテナ及びこれを用いた電波腕時計、キーレスエントリーシステム、ｒｆｉｄタグ及びそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 磁心形状の自由度が高く小型軽量で限られたスペース内で高い特性を発揮できるアンテナを提供する。
【解決手段】 複数の磁性体細線からなる磁心にコイルを巻回して束ねたアンテナであって、前記磁性体細線の少なくとも一端部をコイル巻回部よりも広がりを持たせたアンテナである。特に複数の金属細線端部の最外部を繋ぐ多角形から形成される磁心端部断面の断面積が前記コイル巻回部の断面積に対し２倍以上であり、また、複数の磁性体細線の合計断面積の、前記磁性体細線の最端部を繋ぐ軌跡から形成される磁心端部の断面積に対する比率が0.7以下であるアンテナである。電波腕時計、自動車や住居のキーレスエントリーシステム、無線信号によって情報を授受するRFICシステム等に適している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、時刻情報を含む電波を受信して時刻を合わせる、電波時計、あるいは、電波で所有者の接近を検知して自動車や住居のキーを開閉せしめるキーレスエントリーシステム、あるいは、無線信号によって情報を授受する、いわゆるRFIC等に用いられる電波受信用アンテナに関するものである。

ここでは電波時計用のアンテナを例に背景技術の説明を行う。
電波時計は、所定周波数の搬送波によって送られる時刻情報を受信し、その時刻情報を基に時計の時刻を修正する時計を指し、現在置時計、掛け時計、腕時計等さまざまな形態で実用化されている。
上記搬送波は、日本においては40kHz及び60kHzの２種類の電波を使用している。海外においても主に100kHz以下の周波数を用いて時刻情報を提供しているため、これらの周波数の電波を受信するには磁性体を磁心とするアンテナが主に使用されている。

例えば、特許文献１には、磁心部材にアモルファス金属積層体を用いた主に腕時計に使用する小型アンテナが述べられている。
また、特許文献２には、磁心にフェライトを使用するアンテナが述べられている。
さらに、特許文献３には、アモルファス磁性体細線にコイルを巻回し束ねてなるアンテナが述べられている。

特開２００３−１１０３４１号公報（段落番号００７〜００１１） 特開平８−２７１６５９号公報（段落番号００７〜００１０、００１９〜００２２） 特開昭６１−２１９１０９号公報

特許文献１は、衝撃に強いアンテナコアとしてアモルファス箔体の積層体を使用することが記述されている。しかし、材料が箔体である為、同特許文献中の図２等に記載されているように磁心が２次元形状に限定され、形状の自由度に欠けると言う問題があった。磁心形状が制限されると、腕時計型のような体積の限定された電波時計においては、アンテナの指向性、インダクタンス値、Ｑ値等の特性に対する設計自由度が制限される。

特許文献２は、アンテナコアとしてフェライトを使用している。フェライトは陶磁器と同じセラミクスの一種である為、３次元形状は比較的自由に作成可能であるが、その反面、落下等の衝撃に弱く、特許文献２ではその衝撃による割れを防止する為に複数のフェライト部品で一アンテナコアを形成している。しかしながら、それらフェライト部品を所定の場所に納める為に大ぶりなケースを必要としており、アンテナ全体が大型化するという問題がある。また、いずれの方式においても磁心がコイル断面方向には一体型である、あるいは、板状の部材を積み重ねた物であり、磁心形状の自由度が低いという欠点を有している。

その点で特許文献３のアンテナは、図７に示すようにアモルファス磁性体細線をコイルで束ねたものであるから形状の自由度は比較的高いと言える。しかし、細線を束ねただけのものであったからフェライトコアのように一体型の磁心を使用する場合に比べ、磁心占積率が低く、同じ磁心断面積を得るのには直径が大きくなるという問題があった。

同様な問題点はキーレスエントリーシステム、あるいは、RFIDシステムでも同様に存在する。

以上のことより本発明は、磁心の断面積を大きくせず留めたままで反磁界をより小さくし、さらに磁心形状の自由度が高く衝撃に強く、かつ小型軽量のアンテナを提供することを目的とする。また、特に限られたスペース内で高いアンテナ特性を発揮できるもので電波腕時計やキーレスエントリーシステムに適したアンテナを提供するものである。

本願発明者は、上記課題を解決する為に磁性体細線にコイルを巻回して束ねてなる従来のアンテナに対し形状異方性を持たせると共に磁界に対し細線１本１本を有効に働かせることを発想し、最適な形状異方性を追求した結果本発明を想到したものである。
即ち、本発明は、複数の磁性体細線からなる磁心にコイルを巻回して束ねたアンテナにおいて、前記磁性体細線の少なくとも一端部をコイル巻回部よりも広がりを持たせたことを特徴とするアンテナである。

本発明のアンテナにおいて、複数の金属細線端部の最外部を繋ぐ多角形から形成される磁心端部断面の断面積が前記コイル巻回部の断面積に比べて1.3倍以上大きいことが望ましい。さらに望ましくは、1.3〜20倍である。

本発明のアンテナにおいて、複数の磁性体細線の合計断面積の、前記磁性体細線の最端部を繋ぐ軌跡から形成される磁心端部の断面積に対する比率が0.7以下であることが望ましい。さらに望ましくは、0.05〜0.6である。

本発明のアンテナは、複数の金属細線の端部の広がり方はほぼ同一平面状にあることを特徴としており、例えば、時計文字盤のように限られた狭いスペースに平面に沿って広げて配置することが出来る。

本発明のアンテナは、時刻情報を含む電波を受信して時刻を合わせる電波時計に用いるのに適している。
本発明のアンテナは、自動車用スマートキーレスエントリーシステムに用いるのに適している。
本発明のアンテナは、建造物用スマートキーレスエントリーシステムに用いるのに適している。
本発明のアンテナは、RFID及びそのシステムに用いるのに適している。

以上のように、本発明によるアンテナは、磁心に磁性材細線（ワイヤ）をコイルにより巻線部分を束ねた構造であるが、さらに細線（ワイヤ）の先端部を適宜広げることにより、例え磁心の断面積と長さがそのままでも細線１本１本の実効透磁率が有効に働き反磁界をより小さくすることができる。同時に先端部は狭いスペースや磁界に対する障害物を避けて配置することができ、いわゆる形状異方性を持たせることができる。よって、磁心の小型軽量化を図ると共に信号電波に対するアンテナ特性、特に利得を向上させたものである。

ここで細線（ワイヤ）の材料としては、珪素鋼、アモルファス金属、微結晶金属、パーマロイ等、金属系の高透磁率材料が好ましい。又、周波数領域をさらに拡大する場合には高周波特性の良さを考えるとフェライト系の材料の細線を使用することも好ましい。

電波時計等に用いられている電波は40kHz乃至200kHz以下と、長波帯を使用しており、その電波の一波長は数ｋｍという長さである。この電波を、電界として効率よく受信するには数百ｍを越す長さのアンテナ長が必要であり、小型化が必要な腕時計、スマートキーレスシステム、RFIDタグ等に使用することは大変難しく、磁心を用いて磁界として受信することが必要である。

上記電波を磁界として効率良く受信するには磁心の断面積を大きくして、受ける磁束の量を大きくする、あるいは、磁心の長さ対断面積比を大きくすることにより磁心の反磁界係数を小さくすることにより、磁心に巻き回してあるコイルと鎖交する磁束量を大きくすることが重要となる。もちろん、磁心の断面積を大きくすることと、磁心の反磁界係数を小さくすることを同時に実現する事が可能であればさらに良い。

しかし、通常断面積の増加は小型化の観点から望ましいものではない。特に従来のような一体の中実のコアで上述の条件を満足しようと試みると形状、重さともに増大するため、本発明が目指している小型機器の大きな要求である小型軽量化には反する結果とならざるを得ない。

一方、本発明によれば、細線の集合体を磁心とし、巻線を施す部分に対して磁心端部では磁心を形成している細線を適宜広げることによって、磁心端部の実効断面積を広げ、かつ、細線を用いて端部では細線同士の距離を取ることから磁心の反磁界係数を下げ、実効透磁率を高めることが可能になる。なお、上述の実効的な磁心端の断面積は、磁心先端部の円形、四角形、平面的などの広がり方によって調整が可能である。

又、細線を用いることで磁心形状の自由度が増加する。例えば複数の金属細線の端部の広がりをほぼ同一平面状になすことが出来る。これは巻線部分を湾曲させる、あるいは、磁心の巻線からはみ出した端部を時計文字盤等の被取付け部材の同一平面あるいは同一曲面上に沿わせることで、磁心端部厚みをほぼ磁心を構成する細線と同じ厚みまで薄くする事が可能となり、他の部品と干渉することを避ける事が可能となる。又、金属ケース等の電波を妨げる部品が近傍に存在する場合にも、磁心が巻線からはみ出した端部で、磁心を同一平面あるいは同一曲面上に沿わせる事で、磁心端部厚みをほぼ磁心を構成する細線と同じ厚みまで薄くする事で、他の部品に妨げられることなく磁界が良く受信可能な部分まで磁心端部を延長して、アンテナの電波受信感度を向上させる事が可能となる。

本発明のアンテナによれば、束ねた金属系のワイヤを使用し端部を広げること、また上記した形状異方性を持たせることにより以下の特徴と効果を有する。
１）磁心端部で素線を広げることにより、実効的な磁心断面積を増大し、磁心の反磁界係数を下げる事が可能である。
２）長さ方向形状の自由度が得られる。
３）断面形状の自由度が得られる。
４）巻線後に曲げることで自由形状がとれる。
５）巻線が金属ベースであり、衝撃に強い。

これらの特徴から、以下の効果が期待される。
１）巻線部分の磁心を、従来の一体フェライトあるいは薄板積層品の角形断面に比べて、細い線を集合されることで円形断面に出来ることから巻線の総延長長さを短くでき抵抗値が減少し、Ｑ値を増加させることが可能である。
２）巻線部分端部が薄型に出来ることから、薄型アンテナが形成でき腕時計用として適している。
３）別巻線を作成して、磁心に挿入、ボビン磁心に挿入後巻線を行う、磁心を絶縁固着後、巻線など、さまざまな巻線工程が可能である。
４）磁心端部を平面状、立体状に広げることが可能である。これは巻線後でも曲げることが可能であるのでアンテナ基材の共通化ができて製造工程も簡略できる。
５）コイル部分からはみ出させた磁心端部を平面に沿わせることで、磁心端部の厚みを際薄の場合には磁心素線とほぼ同じ厚みまで薄型化が可能であり、薄型化する事で他の部品と干渉することなく磁束を集め易い部分まで磁心端部を延長するなど、設置場所の自由度が増加する。

以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１に、本発明によるアンテナ１の第１の実施例を示す。この実施例において、磁心２には3.5%Si-Fe細線（ＪＦＥスチール(株)社製のいわゆるケイ素鋼線）、直径0.33ｍｍ、長さ25ｍｍを36本使用した。束ねる形態は縦横方向に正方形に並べる方法を用い、束ねた鉄芯の最外周寸法は一辺が2mmの正方形に収まっている。
巻線３は巻線径0.07ｍｍのエナメル被覆銅線を別工程でボビンレス巻線方式によって1200ターン巻き、長さ10ｍｍ、内のり一辺2.2mmの正方形のコイルを製作した。そのコイル中央に上記磁心２を挿入、熱硬化樹脂によって磁心と接着した。その後、巻線部分３から左右に突き出した磁心端部４を所定のジグにより所定の間隔と断面形状となるように形状異方性を持たせた。尚、巻線コイルの形状は特に限定するものではないが、製造上は円形や正方形が望ましい。

磁心端部４の形状は、広げられた個々の磁心素線の最も外側の線を結んだ軌跡からなる多角形の面を仮想的な磁心端部断面と、またこの磁心端部断面の形成する面積を磁心端部断面積と定義し、このコア内部を通る、すなわち、コイルと鎖交する磁束を測定し、磁心端部断面積との相関を求めた。磁心端部断面積の計算は、図３に示すようなほぼ四角形状に広げた場合は、図３中axbを磁心端部断面として計算することができる。又、細線が平面状に広げられている場合には、同様に、図４中axbを磁心端部断面として計算することができる。

ここで本実施例のコイル巻回部の断面積は4mm²となっており、磁心の断面積は各細線の断面積約0.087mm²を36倍した、3.14mm²である。従来例のように細線をそのまま真直ぐに伸ばした場合には両端部の磁心端部断面積は2x2=4mm²と計算される。
また、図１にその模式図を示した如く、細線を端部で広げる事で磁心端部断面積を広げることが出来る。本実施例では磁心端部断面形状は両端ともに図３に示すようなほぼ四角形状に広げた。その寸法は図３中axbを磁心端部断面として計算することができ、今回の例ではその具体的な数値は2x3.3mm、3.3x3.3mmであり、磁心端部断面積6.6mm²、10.9mm²となる。ここで、磁心端部の広がり率を記述する為に、「磁心端部稠密度」という用語を定義する。磁心端部稠密度は、磁心材料の自身の正味断面積の、磁心端部断面積に対する比を表し、言い換えれば磁心端部断面積に占める全細線の合計断面積の割合である。従って、この数字が大きいほど磁心端部での磁心材料の存在する比率が高く、バルク材料では磁心端部稠密度は１である。無論１以上の数値を取ることはない。一方で磁心端部では各磁性体素線を端部で広げてゆくので、これに従い、磁心端部稠密度は小さくなる。

前述の実施例では、磁心を真直ぐに伸ばした例では、磁心端部稠密度は3.14÷4＝0.785、磁心端部形状を2ｘ3.3ｍｍまで広げた例では磁心端部稠密度は3.14÷6.6＝0.476、3.3ｘ3.3ｍｍまで広げた例では3.14÷10.9＝0.288という数字になる。なお、それぞれの数字は小数点以下３桁で丸めてある。

本実施例では、コアの軸方向をｚ軸、それと直交する方向をｘｙ軸とすると、広げる角度は、ｘｙ軸方向に左右対称に広げた。広げ方は中心軸に対して左右対称としている。

また、比較の為に比較例として、断面形状が2x2mm、長さが25mm、板厚0.5mmの珪素鋼板を積層して形成した太さの一定であるコアを用意し、外周に上記実施例と同様の条件でコイルを巻回して、コア内部を通る磁束を実施例と同様に測定した。

磁界はｚ軸方向に磁束密度5μTの一様磁界を十分大きなヘルムホルツコイルを用いて印加した。

測定結果を図２に示す。磁心端部稠密度が低下するに従い、アンテナコアを通過する総磁束量も増加する結果となった。細線を束ねて端部を広げる場合を、比較例の棒状のバルク磁心を用いたアンテナの場合と比べると、細線を束ねたアンテナの磁心端部稠密度が0.7以下の場合にバルク磁心を用いたアンテナ、或いは細線磁心を用いたものであるが端部を真直ぐに伸ばしたままのアンテナを上回る鎖交磁束量を得られることが測定から判明した。しかし、細線の強度やスペースの状況によって端部を広げるにも限度がある。磁心端部緻密度が0.05以下では目的とする周波数以外の磁界によって一部の磁心素線が飽和する場合があり現実的には望ましくなく、よって磁心端部緻密度としてはおよそ0.6〜0.05が望ましい。

また、このときアンテナ端部の広がりをコイル巻回部の断面積と比較してみると、1.6〜20倍となる。

以上の測定結果から、本発明によるアンテナによれば、従来のバルク状磁心を用いたアンテナと同等以上の特性を有し、かつ、磁心体積を抑えることが可能であり小型軽量であるという特徴も併せ持つアンテナを実現することが可能であることが確認された。

なお、ここには測定結果を示していないが、端部を広げる角度がｚ軸中心に対して非対称な場合でも同様な結果を得ることが出来た。

以上述べたように、磁心として磁性体細線を用いて、その端部を広げるような形態をとることで、バルク状の磁心を用いるアンテナに対して、また細線を束ねただけの磁心を用いるアンテナに比較して、コイルを巻き回している部分の断面積を小さくして、コイルを形成する電線の長さを短くでき、コイルの直流抵抗が低く、鎖交磁束密度が同等以上のものを得ることが出来る。よって、軽量小型でアンテナ特性の高いアンテナを得ることが可能となった。

なお、上記実施例では3.5Si-Feを主組成とする磁性体細線を磁心として用いたが、例えば磁心素材としてアモルファス金属、微結晶金属、パーマロイ等、他の金属系の高透磁率材料からなる細線を用いてもよい。
又、巻線は本実施例では別工程でコイルを形成しているが、他に磁性体細線を形成した後に、その細線周りでコイルを巻いても良い。又、形状寸法精度が問題となる場合はボビンを用いて別工程で巻線を形成してボビン内に磁心を挿入する、あるいは、磁心の周りにボビンを設け、そのボビンに巻線を施すことも可能である。

前述の実施例に示した他にも磁心に軟磁性材料細線を用いることで様様な利点を創造する事が可能である。
図５に示したのは他の実施例の正面図と側面図である。この実施例は巻線を含め、時計文字盤裏側の面に本発明のアンテナを取り付けたものである。このように磁心端部を押し付けるように平面に沿って広げたもので下部の空間を有効に利用することが出来る。本例の磁心端部断面は図４に示した例が相当し、このように端部を広げることでも鎖交磁束密度の向上が達成され、上記実施例と同様にアンテナ特性を高め小型軽量化することができることの一例である。

従来のアンテナは厚みが厚いため、腕時計の周辺ケース部分を主にプラスチックによって形成し、そのケース内部にアンテナを形成する必要があった。
しかるに、本発明による薄型で柔軟性のあるアンテナを使用することにより巻線部を周辺ケース部分に設置し、磁束を空中から集める磁心端部を文字盤付近に導入して金属ケースの場合にも電波を受信しやすい構成をとることが出来る。

又、本発明では必要な部分の断面形状を薄くする事が可能であるので、文字盤中央に設置して、時計本体を小さくし、かつ、金属ケース開口部分にアンテナを設置可能であることから電波を受信しやすい構成をとる事が出来る。文字盤表あるいは裏、コイル部分のみ文字盤を切り抜き意匠的にコイルを見せることも可能である。

次に、図６に示したのは、キーレスエントリーシステムの個人携帯端末の横断面模式図である。このアンテナ１は中央のコイル巻回部３を平板（プリント基板）７０上に配置し、両端の磁心細線は平面状に広がりをもたせて電子部品６０、６１の上に載置するようにしている。このようにIC等の他の電子部品の上に磁心を設置することで狭スペースを有効に利用して小型化を図ることが可能となる。また同時に、通常の立体実装の場合にありがちな半田付けの困難さも、巻線部分を他の電子部品と同様にプリント基板上に設置可能であることから回避可能である。そして、RFIDタグ及びそのシステムについても同様の利点を得ることが出来る。

本発明のアンテナは、電波時計に用いられる電波受信用アンテナや自動車、住宅等のキーレスエントリーシステム、RFIDタグ及びそのシステムに用いることができる。特に形状の自由度が大きいので電波腕時計に適している。

本発明の実施例を示すアンテナの正面図である。 本発明のアンテナにおける磁心端部緻密度とコアを通過する磁束量を示す図である。 本発明のアンテナの磁心端部断面積の一例を示す図である。 本発明のアンテナの磁心端部断面積の他の例を示す図である。 本発明のアンテナを電波時計の文字盤に取り付けた例を示す正面図と側面図である。 本発明のアンテナをキーレスエントリーシステムに取り付けた例を示す側面図である。 従来の細線をコイルで束ねたアンテナを示す正面図である。

符号の説明

１、１０：アンテナ
２、２０：細線
３、３０：コイル巻回部
４：広がり部
５：時計文字盤
６０，６１：電子部品
７０：プリント基板
８０：キーレスエントリーシステム

Claims (10)

1. 複数の磁性体細線からなる磁心にコイルを巻回して束ねたアンテナにおいて、前記磁性体細線の少なくとも一端部をコイル巻回部よりも広がりを持たせたことを特徴とするアンテナ。
2. 複数の金属細線端部の最外部を繋ぐ多角形から形成される磁心端部断面の断面積が前記コイル巻回部の断面積に比べて1.3倍以上大きいことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 複数の磁性体細線の合計断面積の、前記磁性体細線の最端部を繋ぐ軌跡から形成される磁心端部の断面積に対する比率が0.7以下であ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. 複数の金属細線の端部の広がり方はほぼ同一平面状にあることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のアンテナ。
5. 複数の金属細線の端部は平板の裏側にほぼ沿って平がっていることを特徴とする請求項１〜３に記載のアンテナ。
6. 請求項１〜５のアンテナを時刻情報を含む電波を受信して時刻を合わせる電波時計に用いたことを特徴とする電波腕時計。
7. 請求項１〜５のアンテナの複数の金属細線の端部は時計文字盤の裏側にほぼ沿って平がっていることを特徴とする請求項６に記載の電波腕時計。
8. 請求項１〜５のアンテナを、用いたことを特徴とする自動車用スマートキーレスエントリーシステム。
9. 請求項１〜５のアンテナを、用いたことを特徴とする建造物用スマートキーレスエントリーシステム。
10. 請求項１〜５のアンテナを、用いたことを特徴とするRFID及び、そのシステム。

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