JP7280918B2 - 広範囲・低周波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、磁気誘導子の分野に関し、特に本発明の目的として、広範囲・低周波アンテナ、特に送信用アンテナに関する。

本発明の広範囲・低周波アンテナは、キーレス・エントリー・システム（ＫＥＳ：keyless Entry System）(パッシブ・キーレス・エントリー（ＰＫＥ：Passive Keyless Entry）とも称する）と、他のＬＦ通信子システムに関する。

低周波ＦＲＩＤ通信システムは、パワー・システムとタグ即ち受動システムを用いて常に動作する。このパワー・システムは、電源（バッテリー又はネットワーク）に接続された送信用アンテナ（ＴＸ）に高（強い）磁界を発生させる。このタグ即ち受動システムは、応答機能を活性化する為に、タグの電子部品を駆動する小（弱い）磁界に極めて敏感な受信用アンテナ（ＲＸ）を有する。

１Ｄとハイブリッド・システム用の送信用アンテナ（ＴＸ）は、以下の特徴を有する。
＊送信用アンテナは高磁界Ｈを放射する。
＊送信用アンテナは高電流に耐えられる。
＊送信用アンテナは、ローカル・キャパシター（アンテナ側の）又はセントラル・キャパシター（ＥＣＵ側の）と組み合わせた動作周波数又は共振周波数で共振する。
＊強磁性コアが飽和するのを回避するために、ＮｘＩ（電流当たりの巻回数）の最大値が存在する。この最大値は、磁気飽和のしきい値Ｂ１ｓａｔを決定し、巻回数が少なく低インダクタンス（１００μＨ－８００μＨのオーダー）のアンテナを構成できる。
＊巻き線は、直径が０．１－１ｍｍのオーダーの太いワイヤを使用し、アンテナは、巻回数は、８０－１５０回で、一層である。
＊送信用アンテナは、５０－５００ｍｍの大きさで、その長さと範囲に応じて以下の３グループに分類される。
＊小型（５０－１００ｍｍ）、到達範囲（１－２ｍ）
＊中型（１００－２００ｍｍ）、到達範囲（１．５－３ｍ）
＊大型（２００－５００ｍｍ）、到達範囲（３ｍ以上）

Ｑ係数と感受性はこのタイプのアンテナでは臨界的パラメータではない。同様にこのタイプのアンテナは、通常単一方向性であり、Ｌ／Ｄ（長さ/直径）の比率は、非常に大きく（通常１０以上）、コア内の有効透磁率（effective magnetic permeability）の影響／効果を最大にしている。ワイヤが正方形又は長方形の場合はＬは等価の直径に相当する。フェライト・コアの特定の形状は、アンテナのインダクタンス、感受性、到達範囲を最大にするよう、企図されている。フェライト・コアは他の軟磁性材料からでも形成できる。軟磁性材料の一例は、ナノ結晶金属、アモルファス金属、ＰＢＭ等である。

特許文献１は、コネクターを組み込んだアンテナ装置とこのアンテナ装置の製造方法を開示する。この製造方法は、電子部品が、半田付けの際に、動くのを阻止する。
ＪＰ２０１７１０３５４９Ａ１ ＥＰ１４５０４３６Ｂ１ ＵＳ２０１５１１６１７１Ａ１ ＵＳ２０１８０３４２８９５Ａ１ ＥＰ４７２１９９Ａ１ ＵＳ５５１４９１３

特許文献２は、以下の（１）～（６）を具備する送信用アンテナを開示する。
（１）フェライト・コア上に巻回されたアンテナコイルと、
（２）アンテナコイルに接続されたキャパシター、
これで直列共振回路を形成する、
（３）ネジ形状の小型のフェライト・コア、
この小型のフェライト・コアの断面積はフェライト・コアのそれより小さく、
（４）非磁性の距離調整機、
これは、フェライト・コアの長手方向端の一端に適合し、小型のフェライト・コアをフェライト・コアに磁気的に結合し、
（５）前記距離調整機に形成されたホール、
前記小型のフェライト・コアは、前記ホール内に移動可能に配置され、フェライト・コアと小型のフェライト・コアの間に距離を調整し、
（６）ケース、
このケースは、アンテナコイル、フェライト・コア、小型のフェライト・コア、距離調整機，キャパシターを収納する。前記フェライト・コアと小型のフェライト・コアとの間に距離調整して、前記直列共振回路の共振周波数を所定の値に設定する。

特許文献３は、以下の（１）～（４）を具備する棒状アンテナを開示する。
（１）複数のコア部品を直列接続する棒状コア
（２）前記棒状コアの少なくとも一部をカバーするボビン、
（３）前記ボビンの所定範囲に巻かれる巻き線、
（４）棒状コアとその中に配置されたボビンを有するケース
前記棒状コアとボビンは、ケース内にポッティング材料で充填され、前記棒状コアは、前記複数のコア部品の連結部分で、所定の外力で、曲げることができる。

特許文献４は、磁性材料製のコアとこのコアを搭載する要素とを具備するバー形状の誘導性構造物を開示する。このコアは、一連の個別の磁気コアに分割されている。この一連の個別の磁気コアの端部は、保持要素の手段により、重なり合うように、互いに隣接している。この一連の個別の磁気コアは、複数の層内で、互いにずれて、配置されている。

特許文献４の解決方法は、個別の磁気コアの間のギャップで発生する磁気フラックスのリークを回避するのを、個別の磁気コアをジグザグに即ち互い違いに配置して、それらを再度チャネリングすることにより、行っている。これにより、剛性が増し、Ｑ係数は低くなり、個別の磁気コアの組の有効透磁率はギャップのない単一のコアのそれよりも低くなるからである。バー形状の誘導性要素の高さは２倍になる不利な点があるが、このアンテナは衝撃に耐えられる利点がある。

他の公知の解決法は、スプリングにより圧縮された円筒状磁気コア要素の使用すること、アモルファス金属又はナノ結晶金属を保護しカプセル化することである。

磁気コアに沿って一定の断面積を有するアンテナは公知である。広い範囲のアンテナを提供するために、磁気コアは、より小型のコア部品を複数個一体に組み立てることにより、形成される。

これは、長いコアの製造は複雑だからである。「バナナ効果」が原因である。この「バナナ効果」は、フェライト、セラミックの湾曲による変形が原因である。これは、複数の部品の大きさに大きな差がある場合、高温による焼き入れ又は焼結過程を経る時に起きる。理想的な球や立方体ではこのような効果／影響は受けない。しかし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の寸法差が大きくなると、焼結過程で発生する収縮力の差も大きくなる。その結果、これらは、湾曲した不均一な部品となる。この湾曲がバナナに似ていることから、「バナナ効果」と命名された。

幅と高さより長さが大きいフェライトは、Ｙ／Ｘ比が５－１２になることがあるが、非常に脆く、その熱分布変動により最長の軸即ちＹ軸でより伸びる。

Ｙ軸方向における膨張により物が細長くなり、その結果、その軸方向の圧縮が起こる。これが、フェライトの透磁率に影響し、アンテナのインダクタンスＬに影響し、ＬＣタンクの共振周波数の偏りを生じさせる。このことが、実務上、アンテナの到達範囲を減らし、アンテナを動作不能にする。これは共振周波数の偏りが原因である。

同じ非対称の効果／影響は低温時の収縮でも起きる。この収縮はＹ軸でより顕著である。このことは、同じ好ましくない効果／影響とは逆の符号の偏りを引き起こす。

これらの好ましくない効果／影響即ち磁化時における形状又は寸法の変化は、全てのフェライトと強磁性材料で発生し、「磁気ひずみ」として知られている。

本発明の目的は、機械的信頼性と熱的安定性が高く広範囲受信が可能で、衝撃抵抗のある広範囲・低周波アンテナを提供することである。

この為、本発明は、細長い剛性のあるアンテナ／インダクターの使用を提案する。このアンテナ／インダクターは、ある実施例では１つの要素或いは別の実施例では複数の要素即ち剛性の強磁性コアを有する。複数の要素は、その端部でジョイント形式で結合される。その結果、剛性の組立体が形成され、インダクターの完全性を壊すリスク無しに、性能低下と偏りを吸収できる。

本明細書において、「細長いインダクター」とは、そのＬ／Ｄ（長さ／直径）比が、３０－４５である単一の磁性コア又は組み合わせた磁性コアで形成される。コアが四角形の場合は、（排水量の）直径が等価である。
ｄ_ｅ＝１．３０（ａ＊ｂ）^{０．６２５}／（ａ＋ｂ）^０．２５
ここで、ａ，ｂは、四角形の側面の長さである。
μ_ｒｏｄ：は、３０００＜μ_ｒｏｄ＜４０００であり、初期の透磁率が３０００と４０００の間のコア材料の有効透磁率である。

Ｌ＝μ_０μ_ｒｏｄＮ^２Ａ／Ｉ（Ｈ）

ここで、
Ｌ：インダクタンス（単位：ヘンリー）
μ_０：真空中で透磁率：４π１０^－７Ｎ／Ａ^２
μ_ｒｏｄ：有効透磁率
Ｎ：巻回数
Ａ：断面積
Ｌ：長さ
Ｉ：電流

表Ｉは、コアのＬ／Ｄ比と図３に基づいて、最終インダクタンスに与える影響を示す。これは、有効透磁率の変動に起因するインダクタンスの変動を示す。表Ｉと図３から解るように、所定の磁性材料において、有効透磁率の変動とＬ／Ｄ比との関係を対数で表す。
本発明の目的は、請求項１記載の特徴を有するアンテナで達成される。

本発明の一実施例によれば、広範囲・低周波アンテナ即ちインダクターは、磁性コア、特に剛性の磁性コアと、前記磁性コアを包囲するコイルと、ボビン（前記磁性コアが前記ボビンの空洞内に入り込み）と、前記ボビン上に防水仕様でオーバーモールドされたハウジングとを有する。

本発明のアンテナは、前記磁性コアの端部に配置されるダンパーを有する。好ましくは、このダンパーは、樹脂を含む熱的に安定な弾性化合物と、天然無機充填材により形成された第１充填材とで形成される。

前記磁性コアの軸方向の伸長、収縮、機械的衝撃、振動のいずれもが、ダンパーで吸収され、前記コイルのインダクタンスの変動に及ぼす影響を回避する。ここに提案された解決法は、磁性コアが、破損するのを防止し、クラックが生じた場合、コイルのインダクタンスの変動の発生を阻止する。

前記磁性コアは、複数の磁性コア部分から構成され、それらは、互いに突きあわせて接続される。前記突きあわせて接続される部分は、様々な自己接着性強磁性シート状スティフナーを有する。更に磁性コアを、複数の場所に沿って包囲する弾性環状ホルダーも有する。

本発明の一実施例によれば、本発明のアンテナは、ダンパーを２個有し、それぞれが、前記磁性コアの端部に当てて配置される。別の構成として、本発明のアンテナは、ダンパーを複数個有し、磁性コアの壁に当てて、連続的又は個別に配置される。

本発明の一実施例によれば、本発明のアンテナは、ダンパーを有し、このダンパーが、磁性コアを完全にカバーし、ケーシングを形成する。

本発明の一実施例によれば、天然無機充填材は、石英、珪岩、大理石、砂、炭酸カルシウムのいずれかを含む。これらは微細粒になっている。第１充填材は、熱的に安定な弾性化合物内に含まれており、その割合は５０－９０％の間である。一実施例によれば、前記天然無機充填材は、様々な粒子サイズの複数の充填材を含む。

本発明の一実施例によれば、熱的に安定な弾性化合物は、所定量の水酸化アルミニウムを含む第２充填材を含む。一例として、所定量の水酸化アルミニウムは、熱的に安定な弾性化合物の全重量に対し、１－５ｗ％の範囲である。

前記磁性コアは、２００－５００ｍｍの範囲の長さを有する。
前記ボビンは、２つの別個の中空部品を有し、前記２つの中空部品は、そのエッジに形成された複数の相互接続特徴を介して、互いに組み合わされる。前記ボビンは、その端部に形成された貫通穴を有する単一部品を有し、前記磁性コアの挿入を容易にする。前記ボビンは、溝が切られているか又はスロットを有し、前記溝又はスロットに、前記磁性コア５のコイル８のワイヤが配置される。

ボビン上でのハウジングのオーバーモールディングは、例えば、固化可能な熱安定性材料を型枠内に注入することにより、行い、漏れのないシェルを形成する。このオーバーモールディングを行う公知の技術は、特許文献５，６（ハウジングを型枠内に保持する格納可能な位置決めピンの使用）に開示されているもの、或いは、ハウジングをフレキシブル容器内に又は変形可能なシェル内に、熱安定性材料が固まる間、入れて形成することである。

本発明の一実施例の広範囲・低周波アンテナを構成する部品の展開図。 本発明の他の実施例の広範囲・低周波アンテナを構成する部品の展開図。 有効透磁率の変動に起因するインダクタンスの変動の感受性を示すグラフ。 表１を示す。

図１に、本発明の広範囲・低周波アンテナの実施例が示されている。この実施例によれば、広範囲・低周波アンテナは、ハウジング１と、ボビン２，３と、細長い磁性コア５と、ダンパー４とから構成される。このボビン２，３は、２つの別々の中空部品（サンドウイチ構造に類似する）から構成され、これらの部品を、ボビン２，３の各エッジに形成された三角形状の相互接続特徴を介して、互いに係合させる。

磁性コア５は、圧縮され（＞３００Ｔ）焼結された磁性材料を、順次行われる切断プロセスを適用するプロセスにより製造／形成される。かくして、この種のコアの通常の製造プロセスで発生することにある不良品と「バナナ効果」を回避できる。

磁性コア５は、特に軟磁性材料製で、形成される。このコアは、フェライト（例、ＭｎＺｎ）製の平行六面体の立体構造をしており、形は、長い（２００－５００ｍｍ）が、幅は狭く、厚さは極小である。これにより、焼結プロセスで発生する「バナナ効果」を回避している。

一実施例においては、磁性コア５は、（Ａ）圧縮行程と焼結行程を経たブロックを確保し、（Ｂ）このスーパー・ブロックを、その一方の側に接着材を配置した金属製支持部材の手段により、包み込み、（Ｃ）このスーパー・ブロックを、所望のサイズの矩形体に、切断する。この切断プロセス（Ｃ）は、ダイアモンド製の刃で、ゆっくりと正確な操作で、常時、フェライトの切断、貫通、剥離の深さを制御しながら、行う。全体プロセスは、冷却材で冷却し、監視して行う。スーパー・ブロックの包み込みプロセス（Ｂ）により、切断は、同時に可能になり、矩形体が切り出された後は、残った部分の位置決め機能を失うことなく、行われる。磁性コア５が得られた後は、設計と最終組立プロセスと、フェライトに直接接触する或いは近くに配置される材料の選択が行われ、最小の透磁率の変動（＜５％）が達成できる。

図１において、磁性コア５はコイル８を受け止める（拡大Ｉを参照のこと）。コイル８は、強磁性材料のワイヤ製であり、ボビン２，３の外側側面壁内に、壁に切られた溝内、スロット内のいずれかに、配置される。溝又はスロットにより、コイル８のワイヤは、自動的に調整可能に取り付けられ、製造プロセス又はストレスをかけるプロセスの間、ワイヤが横方向に動かないようにしている。

図１のアンテナの様々な構成要素を組み立てる為に、一実施例においては、ダンパー４が磁性コア５の端部に配置され、ダンパー４が、磁性コア５を完全にカバーする。磁性コア５は、その後、ボビン２，３の空洞内に挿入され、溝又はスロットに沿って、コイル８のワイヤと係合する。ボビン２，３が閉じられると、ハウジング１は、ボビン２，３上に、防水仕様で、オーバーモールドされる。

他の一実施例において、図示していないが、本発明の広範囲・低周波アンテナは、磁性コア５の一端のみに配置されるダンパー４を１個有してもよい。さらに、広範囲・低周波アンテナは、ダンパー４を複数個有してもよい。これらのダンパー４は、磁性コア５の側面、上面、底面の何れか又は全てに当てて、配置できる。これらのダンパー４は、連続的に、又は離れて、配置される。

ダンパー４は、樹脂（特にシロキサン又はシリコン系の樹脂）と天然無機充填材等を含む熱的に安定な弾性化合物から形成される。天然無機充填材は、石英、珪岩、大理石、砂、炭酸カルシウムのいずれかを含む。これらは、細かく粉砕されている。この熱的に安定な弾性化合物は、組み合わせた硬度と膨張係数を有し、通常の温度変動（－４０℃から８５℃）の条件下で、磁性矩形コア５にかかる疲労度と圧力を、最小にする又は無くす。これは、「ビラリー（Vilary）」効果（ジュールの磁気ひずみの逆作用／効果）を発生させない為である。そのため、ダンパー４を広範囲・低周波アンテナに含めることにより、磁性矩形コア５の軸方向の伸長、収縮、機械的衝撃、振動が吸収され、コイル８のインダクタンス変動に対する影響を回避できる。

熱的に安定な弾性化合物内にある第１充填材の比率は、５０－９０％の間で変化する。一実施例によれば、この第１充填材は異なった粒子サイズの複数の天然無機充填材を含む。

一実施例によれば、熱的に安定な弾性化合物は、所定量の水酸化アルミニウム又はその誘導体を含有する第２充填材を含む。前記水酸化アルミニウムの所定量は、樹脂を含む熱的に安定な弾性化合物の総重量の１－５重量％である。

一実施例によれば、ハウジング１は、ＨＰＭ技術でオーバーモールドされる。即ち、ボビンの動的なホルダーによる完全なオーバーモールディングにより、ガラス・ファイバー・ロードＰＡ６６，ＰＢＴによる熱安定性ポリマーの注入の最終フェーズにおいて、気泡が存在しなくなる。支持部材は動的に取り除かれ、ボビンはキャスチング上に浮遊しており、支持部材の痕跡を残さない。かくしてハウジング１の機械的剛性、衝撃耐性、防水性が得られる。

図２に、広範囲・低周波アンテナの別の実施例を示す。図１の実施例とは異なり、磁性コア５は、複数の磁性コア部分５Ａ、５Ｂ，５Ｃで置換される。これらは、端部を突きあわせて接続又は連結されている。更に広範囲・低周波アンテナは、ダンパー４を２つ有する。それぞれ、磁性コア５の各端部に当てられている。

各磁性コア部分５Ａ、５Ｂ，５Ｃは、端部で湾曲している（凹凸状に）。この湾曲形状により、２重の機能が得られる。１つは衝撃と落下に対する感受性を減らすこと、他はこれらの部品の間の接触面積を提供することである。落下と曲げによる破損のリスクを増やす構造的な接着材が不要となる。

磁性コア部分５Ａ、５Ｂ，５Ｃの接続部は、自己接着性強磁性シート状スティフナー６を有する。その厚さは０．１－０．４ｍｍの間で、初期透磁率は２００以上である。これは二重の効果／作用を有する。その１つは磁性コア５の透磁率の変動を最小にすること、他はＱ係数とインダクタンスの低下を回避できることである。同様に、磁性コア５とボビン２，３との間の機械的分離を達成する為に、複数の弾性環状（リング状）ホルダー７を含む。この弾性環状ホルダー７は、その材料の一例はシリコン・ゴム、低硬度の粘弾性材料であり、外部からの振動、落下、曲げに対する吸収材として、機能する。

図示しない実施例においては、ボビン２，３は、その端部に形成された貫通穴を有する単一部品を有し、前記磁性コア５の挿入を容易にする。

本明細書と特許請求の範囲において、特に指定されない限り、記載された長さ、幅、濃度、割合（％）を表す数字（値）は、ある実施例では±１０％、別の実施例では±５％の変動幅を有することがある。かくして、上記したように、本明細書と特許請求の範囲に記載した数字は、製品性能の望む特性により変化する。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１：ハウジング
２，３：ボビン
４：ダンパー
５：磁性コア
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ：磁性コア部分
６：自己接着性強磁性シート状スティフナー
７：弾性環状ホルダー
８：コイル

Claims (14)

1. 広範囲の低周波アンテナにおいて、
   細長い磁性コア（５）と、
   前記磁性コア（５）を包囲するコイル（８）と、
   空洞内に前記磁性コア（５）が挿入される空洞を有するボビン（２，３）と、
   前記ボビン（２，３）上に防水仕様でオーバーモールドされたハウジング（１）と、
   前記磁性コア（５）の端部に配置されるダンパー（４）と、
   を有し、
   前記ダンパー（４）は熱的に安定な弾性化合物で形成され、前記弾性化合物は樹脂と第１充填材を含有し、前記第１充填材は天然無機充填材を含み、前記天然無機充填材は石英、珪岩、大理石、砂、炭酸カルシウムのいずれかを含み、
   前記磁性コア（５）の軸方向の伸長、収縮、機械的衝撃、振動のいずれもが、前記ダンパー（４）で吸収され、前記コイル（８）のインダクタンスの変動に及ぼす影響を回避する
   ことを特徴とする広範囲の低周波アンテナ。
2. 前記ダンパー（４）を２個有し、それぞれが、前記磁性コア（５）の端部に当てて配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
3. 前記ダンパー（４）を複数個有し、それぞれが複数の磁性コア（５）の端部に当てて配置され、前記複数の磁性コア（５）が連続して又は離れて配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
4. 前記ダンパー（４）が、前記磁性コア（５）を完全にカバーしケーシングを形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の広範囲の低周波アンテナ。
5. 前記弾性化合物は、所定量の水酸化アルミニウムを含む第２充填材を含む
   ことを特徴とする請求項１－４のいずれかに記載の広範囲の低周波アンテナ。
6. 前記磁性コア（５）は、２００－５００ｍｍの範囲の長さを有する
   ことを特徴とする請求項１－４のいずれかに記載の広範囲の低周波アンテナ。
7. 前記磁性コア（５）は、複数の磁性コア部分（５Ａ、５Ｂ，５Ｃ）から構成され、前記磁性コア部分（５Ａ、５Ｂ，５Ｃ）は、互いに突きあわせて接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
8. 前記突きあわせて接続される部分は、複数の自己接着性強磁性シート状スティフナー（６）を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の広範囲の低周波アンテナ。
9. 複数の弾性環状ホルダー（７）を更に有し、前記弾性環状ホルダー（７）は、前記磁性コア部分（５Ａ、５Ｂ，５Ｃ）を、複数の場所に沿って、包囲する
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の広範囲の低周波アンテナ。
10. 前記ボビン（２，３）は、２つの中空部品を有し、前記２つの中空部品は、そのエッジに形成された複数の相互接続特徴を介して、互いに組み合わされる
    ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
11. 前記ボビン（２，３）は、その端部に形成された貫通穴を有する単一部品を有し、前記磁性コア（５）の挿入を容易にする
    ことを特徴とする請求項１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
12. 前記ボビン（２，３）は、溝が切られているか又はスロットを有し、前記溝又はスロットに、前記磁性コア（５）のコイル（８）のワイヤが配置される
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の広範囲の低周波アンテナ。
13. 前記天然無機充填材は、様々な粒子サイズの複数の充填材を含む
    ことを特徴とする請求項１－４のいずれかに記載の広範囲の低周波アンテナ。
14. 前記弾性化合物内の第１充填材の比率は、５０－９０％の間である
    ことを特徴とする請求項１－４のいずれかに記載の広範囲の低周波アンテナ。

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