JP4502320B2 - コイルアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、低中波帯における無線信号の送信及び／又は受信に用いられるコイルアンテナに関し、特に、１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲内の周波数の無線信号の送信及び／又は受信に適したコイルアンテナに関する。

従来、低中波帯の無線信号を送信及び／又は受信する装置、システム、端末など様々なものが使用され又は提案されている。例えば、周知且つ典型的なシステムの一つとしてはＡＭラジオが挙げられる。また、比較的新しいところでは電波時計、特に、電波腕時計がある（特許文献１参照）。その他の比較的新しいシステムとしては、自動車用のイモビライザ、自動車用又は住設用の遠隔キーレスエントリシステム（自動車用のシステムについては特許文献２参照）、ＲＦＩＤシステムなどもある。

上記した装置等に共通する重要な構成要素の一つとして、磁芯及びそこに巻回されたコイルを備えるコイルアンテナがある。コイルアンテナ用の既存の磁芯の例としては、焼結フェライトコアや、アモルファス合金薄膜からなる積層コアが知られている。しかしながら、前者の焼結フェライトコアは、破損しやすく且つその硬度に起因して設計自由度も低い。後者の積層コアは製作性が悪く且つ高価であるためコスト増を招く。

これに対して、特許文献３には上記の問題を有しないコイルアンテナが開示されている。特許文献３に開示されたコイルアンテナは、電波時計又は電波腕時計用として用いられるものであり、その磁芯はフェライト又は金属の粉末又はフレークとプラスチックとからなる。フェライト又は金属の粉末又はフレークとプラスチックとからなる磁芯と、例えば上記の焼結フェライトコアや積層コアなどのより硬い磁芯とを組み合わせることとしても良い。フェライト又は金属の粉末又はフレークとプラスチックとからなる磁芯は、焼結フェライトコアなどと比較して柔らかいことから高い耐衝撃性を有し、また、低コストで成形可能という利点を有する。

米国特許第６，１３４，１８８号公報 米国特許第６，６７７，８５１号公報 特開２００１−３３７１８１号公報

しかしながら、特許文献３にはある種の先入観があり、そのため、コイルアンテナにおける設計自由度を高めることができるにも関わらず、そういった発展が阻害されている。具体的には、コイルアンテナ用の磁芯が自由に曲げられ得るものであるならばコイルアンテナの設計自由度が劇的に向上するにも関わらず、そういった考察は全くなされていない。

さらには、自由に曲げられ得る磁芯について全く考慮されていないことから、当然のごとく、どのような構造が自由に曲げられ得る磁芯に適切なのかといったことについても全く考察がなされていない。

本発明は、上記したような先入観を排除し、自由に曲げられ得るとした場合に適切な構造を備えた磁芯を有するコイルアンテナを提供することを目的とする。

本発明によれば、磁芯と該磁芯に巻回されたコイルとを備えたコイルアンテナにおいて、前記磁芯は軟磁性体粉末及び有機結合剤の混成物からなり、可撓性を有し且つ自由に曲げることができるものであり、前記軟磁性体粉末はそれぞれ絶縁体層でコーティングされている、ことを特徴とするコイルアンテナが得られる。

軟磁性体粉末のそれぞれが絶縁体層でコーティングされていることから、本発明によるコイルアンテナは、たとえ使用中に曲げられた場合であっても、又、曲げられた状態を保持したまま使用された場合であったとしても、１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲の周波数帯域において良好なμ’特性を有することができる。

以下、本発明の実施の形態として２つのコイルアンテナについて説明する。一方は送信用コイルアンテナであり、他方は受信用コイルアンテナである。各コイルアンテナは磁芯及びそれに巻回されたコイルを備えている。磁芯は軟磁性体粉末と有機結合剤との混成物からなり、可撓性を有し自由に曲げられ得るように形成されている。軟磁性体粉末はそれぞれ絶縁体層でコーティングされている。

本実施の形態における磁芯はいずれも板状（又は角材状）のものである。詳しくは、送信用アンテナの磁芯のサイズは８×８×６０ｍｍ^３であり、そこに１０Ｔのポリウレタン線（ポリウレタン被膜銅線）が巻回されている。一方、受信用アンテナの磁芯のサイズは２×１０×６０ｍｍ^３であり、そこに１００Ｔのポリウレタン線が巻回されている。板状の磁芯はいずれも当該板状体よりも薄いシート状の磁芯を複数枚積み重ねて形成されている。かかる形成方法によれば、大きいサイズの磁芯を作製する場合であっても、大きなプレス機を用いる必要がなく、また、シート状の磁芯はカッターやハサミで簡単に切って加工することができることから、複雑な形状を有する磁芯を作製する場合であっても、それに応じた複雑な形状の金型を用意する必要がない。磁芯は例えば紐状であっても良い。

上述したシート状の磁芯は、常圧下において、軟磁性体粉末と有機結合剤とからなる前述の混成物を注型又は成型し且つ硬化させて得られるものである。このように、本実施の形態においては、圧縮成型も射出成型も不要である。

本実施の形態において、送信用コイルアンテナと受信用コイルアンテナとは、上述したように、それらのサイズ及び各コイル線による磁束密度を除き、互いに同様な構成を備えている。以下、これら２つのコイルアンテナに共通する事項について説明する。

本実施の形態における軟磁性体粉末は、鉄シリコンアルミ合金粉末（センダスト）である。軟磁性体粉末は他の粉末であっても良い。例えば、軟磁性体粉末は、カーボニル鉄、フェライト粉末又は純鉄圧粉であっても良い。また、軟磁性体粉末は、鉄シリコンアルミ合金、鉄ニッケル合金（パーマロイ）、鉄コバルト合金、鉄コバルトシリコン合金、鉄シリコンバナジウム合金、鉄コバルトボロン合金、コバルト系アモルファス合金、鉄系アモルファス合金、又はモリブデンパーマロイからなる粉末であっても良い。更には、軟磁性体粉末は、上述した粉末の組み合わせであっても良い。

本実施の形態における軟磁性体粉末は扁平状の粉末である。各粉末は５以上のアスペクト比を有し、且つ、約３５μｍの粒径を有する。

軟磁性体粉末のそれぞれの表面に形成される絶縁体層は非磁性体からなる。具体的には絶縁体層は酸化膜であり、軟磁性体粉末をアニールすることにより形成される。酸化膜は他の手段によって形成されていても良い。また、酸化膜に代えて、絶縁体層を有機結合剤で形成することとしても良い。絶縁体層を有機結合剤で形成する場合、当該有機結合剤は混成物における有機結合剤と同じであっても良いし、異なるものであっても良い。

本実施の形態における有機結合剤（混成物に含まれるもの）は塩素化ポリエチレンであり、本実施の形態においては、そこにチタネート系カップリング剤が添加されている。これに代えて、シラン系カップリング剤やアルミネート系カップリング剤を用いてもよいし、カップリング剤を用いなくても良い。

有機結合剤は他のエラストマーであっても良い。例えば、有機結合剤は熱可塑性樹脂であっても良い。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、塩素化ポリエチレン、ポリビニルブチラール樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリ酢酸ビニル、フェノキシ樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂、若しくはポリアクリロニトリル樹脂、又はそれらの共重合体を用いることができる。有機結合剤は熱硬化性樹脂であっても良い。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アミド系樹脂、イミド系樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂若しくはシリコーン樹脂又はそれらの組み合わせを用いることができる。更に、有機結合剤は合成ゴムであっても良い。合成ゴムの例としては、ニトリル−ブタジエン系ゴム、スチレン−ブタジエン系ゴム又はそれらの組み合わせが挙げられる。更には、可撓性を有し自由に曲げられ得るような磁芯を得ることができる限り、有機結合剤としてプラストマーを用いることも可能である。加えて、上述していない更に別のカップリング剤を添加することとしても良い。

本実施の形態において、混成物における軟磁性体粉末の配合比率は８０重量％であり、有機結合剤及びカップリング剤の総配合比率は２０重量％である。実用に適するアンテナ特性を得ると共に磁芯に可撓性を持たせるためには、混成物における軟磁性体粉末の配合比率は６０重量％以上９５重量％以下であることが好ましく、また、混成物における有機結合剤の配合比率が５重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。カップリング剤を用いる場合、カップリング剤の混成物における配合比率は５重量％以下とする。

混成物には、例えば、ハロゲン化物、臭素化ポリマー又はそれらの組み合わせといった有機系難燃剤を更に加えることもできる。

本実施の形態による送信用コイルアンテナ及び受信用コイルアンテナについて検証すべく、上述したコイルアンテナを作製し、それらの特性の測定を行った。また、比較例として、焼結フェライトコアを備えるコイルアンテナを送信用、受信用の２つ作製した。ここで、比較例のコイルアンテナは、磁芯材料が異なることを除き、構造、形状、サイズとも実施の形態のものと同じにした。その上で、比較例のコイルアンテナの特性も測定した。このようにして測定された結果は以下の通りである。

ＪＩＳ Ｋ６２５３に従い、タイプＡデュロメータを用いて測定した結果、本実施の形態による磁芯はいずれも６０以上のゴム硬度を有していた。また、ＪＩＳ Ｋ６２６３に従って測定された引っ張り強さは３．８ＭＰａであった。

本実施の形態による送信用コイルアンテナは比較例の送信用コイルアンテナ（焼結フェライトコアを有するもの）と比較してより優れた送信特性を有していた。同様に、本実施の形態による受信用コイルアンテナは比較例の受信用コイルアンテナと比較してより優れた受信特性を有していた。

更には、これら優れた送信／受信特性は、コイルアンテナが曲げられた場合であっても、特に劣化するようなことはなかった。これは、軟磁性体粉末の粉粒が互いに別個独立して、それぞれ“マイクロコア”として動作するためである。本実施の形態においては、各粉粒は酸化膜にて被膜されているため、コイルアンテナが曲げられた場合にもマイクロコアの総数には変化がなく、従って優れた送信／受信特性を維持することができる。

上述したコイルアンテナは、１０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの無線信号を送信／受信可能な無線送信／受信システムに適用可能である。例えば、上述したコイルアンテナは、該コイルアンテナを用いて受信した無線信号に従って自動的に時間調整を行う時間調整機構を更に備えた電波腕時計に適用することができる。より具体的には、電波腕時計はケース（文字盤等を収容するもの）と該ケースから延びる時計バンドを更に備えている。かかる電波腕時計において、コイルアンテナは時計バンドに埋め込まれても良いし、上述した磁芯をケースの底面部に平行な面内において曲げ且つケースの周囲部の内側に沿って延びるようにして設けることとしても良い。更には、本実施の形態によるコイルアンテナは、遠隔キーレスエントリシステムにおいて、ユーザにより携帯されている物体から送信されたユーザ識別信号を受信するためのアンテナとして、用いることもできる。特に、その遠隔キーレスエントリシステムが自動車に採用された場合、本実施の形態によるコイルアンテナを自動車の一部に搭載することとしても良い。更に具体的には、コイルアンテナを自動車のドアハンドル部に設けることとしても良い。

Claims (27)

1. 磁芯と該磁芯に巻回されたコイルとを備えたコイルアンテナにおいて、前記磁芯は軟磁性体粉末及び有機結合剤の混成物からなり、可撓性を有し且つ自由に曲げることができるものであり、前記軟磁性体粉末はそれぞれ絶縁体層でコーティングされている、ことを特徴とするコイルアンテナ。
2. 前記磁芯は板状、シート状、又は紐状の形状を有する、ことを特徴とする請求項１記載のコイルアンテナ。
3. 前記磁芯は前記混成物を常圧の下で注型又は成型し且つ硬化させて得られるものである、ことを特徴とする請求項１又は２記載のコイルアンテナ。
4. 前記有機結合剤はプラストマーからなる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコイルアンテナ。
5. 前記有機結合剤はエラストマーからなる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコイルアンテナ。
6. 前記有機結合剤は熱可塑性樹脂からなる、ことを特徴とする請求項５記載のコイルアンテナ。
7. 前記有機結合剤は、ポリエステル系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、塩素化ポリエチレン、ポリビニルブチラール樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリ酢酸ビニル、フェノキシ樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂、若しくはポリアクリロニトリル樹脂、又はそれらの共重合体からなる、ことを特徴とする請求項６記載のコイルアンテナ。
8. 前記有機結合剤は熱硬化性樹脂からなる、ことを特徴とする請求項５記載のコイルアンテナ。
9. 前記有機結合剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アミド系樹脂、イミド系樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂若しくはシリコーン樹脂又はそれらの組み合わせからなる、ことを特徴とする請求項８記載のコイルアンテナ。
10. 前記有機結合剤は合成ゴムからなる、ことを特徴とする請求項５記載のコイルアンテナ。
11. 前記有機結合剤は、ニトリル−ブタジエン系ゴム、スチレン−ブタジエン系ゴム又はそれらの組み合わせからなる、ことを特徴とする請求項１０記載のコイルアンテナ。
12. 前記軟磁性体粉末は、鉄シリコンアルミ合金、鉄ニッケル合金、鉄コバルト合金、鉄コバルトシリコン合金、鉄シリコンバナジウム合金、鉄コバルトボロン合金、コバルト系アモルファス合金、鉄系アモルファス合金、又はモリブデンパーマロイからなる粉末、若しくはカーボニル鉄、フェライト粉末又は純鉄圧粉、又はそれらの組み合わせからなる、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のコイルアンテナ。
13. 前記混成物における前記有機結合剤の配合比率が５重量％以上４０重量％以下であり、前記混成物における前記軟磁性体粉末の配合比率は６０重量％以上９５重量％以下である、ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のコイルアンテナ。
14. 前記混成物は有機系難燃剤を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のコイルアンテナ。
15. 前記有機系難燃剤はハロゲン化物、臭素化ポリマー又はそれらの組み合わせからなる、ことを特徴とする請求項１４記載のコイルアンテナ。
16. 前記軟磁性体粉末は扁平状の粉末である、ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のコイルアンテナ。
17. 前記扁平状の粉末は、それぞれ、５以上のアスペクト比を有する、ことを特徴とする請求項１６記載のコイルアンテナ。
18. 前記絶縁体層は非磁性体からなる、ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載のコイルアンテナ。
19. 前記絶縁体層は酸化膜からなる、ことを特徴とする請求項１８記載のコイルアンテナ。
20. 前記絶縁体層は有機結合剤からなる、ことを特徴とする請求項１８記載のコイルアンテナ。
21. １０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの無線信号を送信可能／受信可能な無線送信／受信システムであって、請求項１乃至２０のいずれかに記載のコイルアンテナを備え、前記無線信号を送信／受信する、ことを特徴とする無線送信／受信システム。
22. 請求項１乃至２０のいずれかに記載のコイルアンテナと、該コイルアンテナを用いて受信した無線信号に従って自動的に時間調整を行う時間調整機構とを備えたことを特徴とする電波腕時計。
23. ケース及び該ケースから延びる時計バンドを更に備えており、前記コイルアンテナは前記時計バンドに備えられている、ことを特徴とする請求項２２記載の電波腕時計。
24. ケース及び該ケースから延びる時計バンドを更に備えており、前記ケースは底面部と周囲部とを備え、前記磁芯は前記底面部に平行な面内において曲げられ且つ前記周囲部の内側に沿って延びるようにして設けられている、ことを特徴とする請求項２２記載の電波腕時計。
25. ユーザにより携帯されている物体から送信されたユーザ識別信号を受信するためのアンテナとして、請求項１乃至２０のいずれかに記載のコイルアンテナを備えている、ことを特徴とする遠隔キーレスエントリシステム。
26. 請求項２５記載の遠隔キーレスエントリシステムを採用した自動車であって、前記コイルアンテナが前記自動車の一部に搭載されている、ことを特徴とする自動車。
27. 前記コイルアンテナは当該自動車のドアハンドル部に設けられている、ことを特徴とする請求項２６記載の自動車。