JP2007266892A - コイルアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】耐振動・耐衝撃強度に優れ、小型化および省スペース化が可能であって回路基板への実装密度が高く、かつ低コストで受信感度の良好な無指向性のコイルアンテナを提供する。
【解決手段】アモルファス合金箔帯などの帯状の磁性体薄膜からなる複数枚の薄板１１１，１２１が互いに交差して交互に積層され少なくとも二方向の巻軸が形成されたコア２０と、前記コア２０に巻回されたコイル１３ａ，１３ｂとを備え、さらに前記二方向と互いに直交する方向を巻軸とする他の巻芯が磁性体薄膜を積層して形成されているコイルアンテナ１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のドアの施錠または開錠を操作するキーレスエントリーシステムの無線電波や、時計の時刻修正をするための標準電波等を受信するコイル式のアンテナであって、回路基板に搭載されるコイルアンテナに関する。

従来、無線信号を送受信する小型アンテナを搭載した装置やシステムが各種提案されている。例えば、自動車の盗難防止用のイモビライザ、自動車や住宅のキーレスエントリーシステム、電波時計、ＡＭラジオなどが代表的である。

これらの装置やシステムに用いられるアンテナのうち最も一般的なものは棒状の焼成フェライトコアにコイルを巻回したバーアンテナであるが、無線信号に対する受信機の姿勢によってその受信感度が大きく変動しないよう、二本のコアの中心軸が平面内で直交するいわゆる十字アンテナが提案されている（例えば下記特許文献１を参照）。十字アンテナは、前記二本の中心軸によって張られる二次元平面内での受信感度が均一化された無指向性アンテナである。
さらに近年では、フェライト製のコアの形状を工夫して、互いに直交する三軸方向に一本の巻線を巻回すことのできる受信アンテナが提案されている（下記特許文献２および３を参照）。かかる受信アンテナは三次元空間内のいずれの方向に対しても受信感度が変動することのない無指向性のコイルアンテナである。
これらの無指向性アンテナによれば、無線信号の発信源と受信アンテナの相対的な姿勢が二次元平面内または三次元空間内で変化した場合でもアンテナの受信感度が大きく変動することがなく、安定した動作が行われるという利点がある。

上記装置やシステムに用いられる無指向性アンテナにおいては、アンテナの受信感度の改善が図られる一方、回路基板への実装密度を高め、また携帯型機器などに搭載される場合は小型で持ち運びやすくするため、アンテナコイルおよびコアの小型／省スペース化が年々進められている。このため、アンテナコイルについては巻線の細径化と巻線密度の向上が、コアについては小型化と薄肉化が求められている。

しかし上記各特許文献に記載のコイル式アンテナでは、とくにフェライトコアの機械的強度の制約から小型化および薄肉化が容易ではなく、現時点においてコアの薄肉化はすでに限界に差し掛かっているものといえる。これは、フェライト材料が金属酸化物と酸化第二鉄の粉体を混合して焼成したセラミックあることから脆性が高く、所定の肉厚がなければ自動車ドアの開閉衝撃や走行時の振動、または携帯型機器の落下衝撃などによって容易に破損する虞があるためである。

これに対し、フェライト材料に比して耐振動・耐衝撃強度に優れ、かつ飽和磁束密度や透磁率の高い材料であるアモルファス合金の箔帯を複数枚積層した積層体を棒状コアとして用いる指向性のバーアンテナの発明が提案されている（例えば下記特許文献４,５を参照）。

特開２００４−２２９１４４号公報 特開２００３−９２５０９号公報 特開２００４−１５１６８号公報 特開平５−２６７９２２号公報 特開２００３−１１０３４１号公報

上記特許文献４または５に記載のコイル式アンテナは、リボン状のアモルファス合金箔帯を積層した細長形状の棒状コアを備え、コアの軸方向についてのみ高い受信感度を有する指向性のアンテナであるため、二次元平面内または三次元空間内の受信感度を均一化した無指向性アンテナとして用いることはできない。
そこで本発明者らは、図５に参考例として示すように、磁性体薄膜であるアモルファス合金箔帯の積層体からなる従来の棒状コアを組み合わせて無指向性のコイル式アンテナを得ることを検討した。同図（ａ）は、Ｘ軸方向に伸びる棒状コア（Ｘ軸コア）１０１と、Ｙ軸方向に伸びる二本に分割された棒状コア（Ｙ軸コア）１０２とをそれぞれアモルファス合金箔帯の積層体によりまず成形したのち、Ｘ軸コア１０１の側面中央部に対しＹ軸コア１０２の先端面をそれぞれ接着剤にて接合して十字状のコアを構成し、さらに該コアにアンテナコイル１０３を巻回した十字アンテナ１００の斜視図である。また同図（ｂ）は、互いにねじれ位置に置かれたＸ軸コア１０１とＹ軸コア１０２とを中間部同士で接着接合して平面視十字状のコアを構成し、これにアンテナコイル１０３を巻回した十字アンテナ１００の斜視図である。

これらの十字アンテナ１００によれば、ＸＹ平面内の受信感度が平均化された無指向性アンテナとしての機能を得ることができ、かつアモルファス合金材料のもつ高い飽和磁束密度と透磁率によりその受信感度を改善することもできる。
しかし同図（ａ）にかかる十字アンテナ１００の場合、箔帯を複数枚積層したＹ軸コア１０２の先端面は平滑でないため、特別な表面研磨等を行うか、または接着剤を多量に塗布しない限りＸ軸コア１０１との接着性が十分には得られず、従来のフェライトコアと比較して良好な耐振動・耐衝撃強度を得ることが困難である。なお、Ｙ軸コア１０２の先端面に塗布する接着剤を増量してＸ軸コア１０１と接着した場合は、非磁性材料である接着剤の存在により特にコアのＹ軸方向の透磁率が低下し、アンテナの無指向性や受信感度が損なわれるという問題が生じる。

他方、同図（ｂ）にかかる十字アンテナ１００の場合、コア同士の接着が平滑な箔帯表面同士によって行われるため、かかる箇所についての接着性は良好といえる。しかし、両コアが高さ方向（Ｚ軸方向）にオフセットして接合されることから、アンテナに作用する振動や衝撃などの外力は接着面に剪断力として作用することとなり、また接着接合がコアの表面同士の当接部分のみで行われることから、その機械的強度が従来のフェライトコアアンテナに対して十分に高められたとは言い難い。また棒状の両コアがねじれ位置にあることで、アンテナコアの高さ寸法は、棒状コア二本分の合計厚さに加え、更にこれにアンテナコイルの巻線厚さを加えた量に達することとなる。したがってかかるコイルアンテナを回路基板に搭載する場合は相当の実装体積を要し、ロススペースが大きくなるため、回路基板への実装密度の向上を図るという当初の目的を達成することができないという問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、耐振動・耐衝撃強度に優れ、小型化および省スペース化が可能であって回路基板への実装密度が高く、かつ低コストで受信感度の良好な無指向性のコイルアンテナを提供することを目的とするものである。

本発明は、
（１）帯状の磁性体薄膜からなる複数枚の薄板が互いに交差して交互に積層され少なくとも二方向の巻軸が形成されたコアと、前記コアに巻回されたコイルと、を備えるコイルアンテナ；
（２）前記二方向と互いに直交する方向を巻軸とする他の巻芯が磁性体薄膜を積層して形成されている上記（１）に記載のコイルアンテナ；
（３）一本または二本以上の前記他の巻芯が、前記二方向の巻軸に挟まれた位置に、前記コアと別離して形成されている上記（２）に記載のコイルアンテナ；
（４）交互に積層された薄板同士の隙間に、該薄板の法線方向を巻軸とする他のコイルが巻回されている上記（１）に記載のコイルアンテナ；
を要旨とする。

また本発明においては、
（５）巻芯部を構成する薄板の積層枚数が、該巻芯部の伸びる方向ごとに相違することを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載のコイルアンテナ；
（６）それぞれの方向に伸びる巻芯部の長さが互いに相違することを特徴とする上記（１）から（５）に記載のコイルアンテナ；
によっても上記本発明の目的を達成することができる。

本発明にかかるコイルアンテナによれば、第一に、磁性体薄膜からなる帯状の薄板を複数枚積層してなるコア材料を用いることにより、その靭性ゆえフェライトコアアンテナに比べて特に耐振動・耐衝撃強度が向上する。このためコアを全体に小型化および薄肉化した場合も所定の機械的強度を維持することができ、アンテナ全体の省スペース化が可能となる。
第二に、少なくとも二方向に伸びる巻芯部が形成されることにより、例えばこれを略直交させることで二次元平面内における無指向性が得られる。
第三に、本発明においては、帯状の磁性体薄膜からなる薄板を互いに交差するよう交互に積層して一体化する方式を採るため、薄板の接合面が磁性体薄膜の表面同士となる。このため、例えば図５（ａ）に図示の如く予めブロック状に積層成形したコアの積層端面を接着する方式と異なり、良好な接合性が得られる。また本発明によれば、コアの各軸方向とも、ひと続きの帯状の磁性体薄膜が通じていることとなり、途中でこれが非磁性体の接着剤層によって分断されることがないため、コアの高い透磁率を得ることができる。
第四に、薄板同士が交互に積層して接合されることにより、例えば図５（ｂ）に図示の接合方法に比べ、両コアがオフセットして接合されることがなく重心安定性に優れ、また両コアの接合面が各薄板の上下面にそれぞれ形成されるため十分な機械的強度が得られ、振動や衝撃などの外力に対する強度が格段に向上するという利点がある。
第五に、例えば予め十字状に打ち抜いたアモルファス合金シートを単純に厚さ方向に積層してコアを得る方法と異なり、帯状の薄膜を各軸方向ごとに長さを揃え、これらを交互に積層して一体に接合するだけで本発明にかかるコアが得られるため、材料どりに一切の無駄が生じることがなく、また加工コストが低いという利点がある。
第六に、本発明においては、例えば二方向に伸びる複数枚の薄板がその略中央部で互いに交差して巻芯部が積層形成される場合についていえば、薄板同士が交差する中央の交差部ではコアの厚さが他の部分の約二倍になるものの、かかる厚肉の交差部にはアンテナコイルが巻回されることがないため、図５（ｂ）に図示の如き十字アンテナに比べ、アンテナコイルの巻線厚さに相当する分だけロススペースを削減することができる。

また本発明にかかるコイルアンテナにおいては、巻芯部の伸びる平面の法線方向を巻軸方向とする他の巻芯を形成することにより、三次元空間内にわたって受信感度を均一化した無指向性アンテナを得ることができる。
さらに本発明にかかるコイルアンテナにおいては、交互に積層された薄板同士の間に所定の隙間が形成される場合があることから、かかる隙間に他のコイルを挿通して巻回すことにより、新たな巻芯を設けることなく、薄板の交差部を巻芯として、三次元空間内の受信感度を均一化した無指向性アンテナが得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて具体的に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態にかかるコイルアンテナの斜視図であり、同図（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である。コイルアンテナ１０は、複数枚の薄板１１１，１２１が互いに交差して交互に積層され、少なくとも二方向の巻軸が形成されたコア２０に、コイル１３ａおよび１３ｂを巻回してなる。
巻軸が二方向の場合、同図に示すように薄板１１１および１２１をそれぞれの長手方向の中央部で互いに直交するよう交差させることで、コイルアンテナ１０はいわゆる十字アンテナとなり、二方向の巻軸によって張られる平面内での受信感度がもっとも平均化される。

ただし本発明においては、例えば巻軸を１２０度間隔で三方向に配するなど、コア２０の備える巻軸の方向は二方向以上であれば特に限定されるものではない。
また例えば巻軸が二方向の場合、これを構成する薄板１１１および１２１の交差する角度は同図に示すように９０度であるほか、６０度や４５度など各種を採り得る。すなわち本発明にかかるコイルアンテナ１０においては、巻軸を少なくとも二方向に設けることで単方向性のバーアンテナよりも受信角度を拡大させつつ、例えば無線信号が送信される蓋然性の高い所定の方向について特に高い受信感度を得ることもできる。なお、本発明にかかる無指向性のコイルアンテナ１０を回路基板に搭載するに際しては、表面実装方式とすることも、ピン挿入方式とすることもできる。

以下本実施の形態および実施例においては、Ｘ方向に長手方向が揃えられた薄板１１１を複数枚積層したＸ方向巻芯部１１と、Ｙ方向に長手方向が揃えられた薄板１２１を複数枚積層したＹ方向巻芯部１２とからなる十字状のコア２０について説明する。すなわち薄板１１１と薄板１２１とはそれぞれの長手方向の中央で互いに直交して交差し、また両者は交互に積層および一体化されて、ＸＹ平面内で中心軸が直交するＸ方向巻芯部１１およびＹ方向巻芯部１２を有するコア２０が形成されている。

薄板１１１および１２１は、それぞれ帯状の磁性体薄膜を１枚または複数枚積層した積層体からなる。本発明において磁性体薄膜とは軟磁性材料からなる可撓性薄膜であって、一例として塩素化ポリエチレン、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂もしくはシリコン樹脂などの樹脂材料をバインダーとして、センダスト（鉄シリコンアルミ合金粉末）、鉄コバルト合金、コバルト系アモルファス合金、鉄系アモルファス合金もしくはモリブデンパーマロイなどの磁性体粉末を混成したもの、またはアモルファス合金を溶湯急冷法によって薄膜化した箔帯や、いわゆるナノ結晶磁性体合金材料やパーマロイ（鉄ニッケル合金）からなる可撓性薄膜を挙げることができる。上記可撓性薄膜であれば、磁性特性上および材料物性上から、受信感度と機械的強度に優れるコイルアンテナを得ることができる。本発明に用いる磁性体薄膜は１５〜３５μｍ程度の厚さとし、さらに幅数ｍｍ乃至数十ｍｍの帯状に切断して得ることができる。また薄板１１１および１２１には、巻軸方向ごとまたは積層される薄板ごとに異なる磁性体薄膜を使用してもよい。また薄板１１１および１２１の幅および厚さは個々に相違してもよい。すなわち薄板１１１、１２１の幅をそれぞれ均一とすることで、Ｘ方向巻芯部１１、Ｙ方向巻芯部１２は縦断面が矩形となる。また例えば薄板１１１について、高さ（Ｚ）方向の上方および下方の幅を小さく、中間部の幅を大きくすることで縦断面が円形のＸ方向巻芯部１１を得ることもできるなどコア２０の寸法や形状は特に限定されない。

帯状の複数枚の磁性体薄膜を積層して薄板１１１または１２１を得る場合は、例えばエポキシ系などの熱硬化性接着剤を用いて磁性体薄膜同士を接着接合することができるほか、磁性体薄膜が熱可塑性の樹脂バインダーに磁性体粉末を混成してなる場合は薄膜同士を熱融着により一体化することもできる。
また、交差する薄板１１１および１２１を交互に積層してコア２０を得るにあたっては、例えばその全面に熱硬化性接着剤を塗布し、全体を加熱押圧して一体成形することができる。

コア２０は、薄板１１１および１２１の交差する交差部２１が高さ（Ｚ）方向に膨出し、幅（Ｘ）方向および奥行（Ｙ）方向の先端部では肉厚がこれよりも小さくなる。ただし図１（ｂ）に示すように、肉厚の薄いコア２０の各先端部にはコイル１３ａ、１３ｂが所定の巻厚にて巻回されることから、コイルの最外面とコア中央の膨出部とはほぼ面一となり、膨出部の厚さがアンテナ実装時にロススペースを生じる要因とはならない。
なお、コア２０の中央の膨出部と両端部との間には薄板１１１または１２１の厚さに相当する隙間１４が形成されるが、後述するようにコイルを巻回す挿通孔として利用する場合のほかは、これを接着剤などによって充填してもよい。
コイル１３ａの巻軸であるＸ方向巻芯部１１の中心軸と、コイル１３ｂの巻軸であるＹ方向巻芯部１２の中心軸とは略同一のＸＹ平面内にあるため、本実施の形態によれば、該平面内の受信感度が均一化された無指向性のコイルアンテナ１０を得ることができる。

本実施の形態にかかるコイルアンテナ１０は、磁性体薄膜の靭性により、従来のフェライトコアアンテナに比べて特に耐振動・耐衝撃強度が向上する。特に磁性体薄膜を接着剤によって互いに積層接着する場合は、更に接着剤の靭性および衝撃吸収性がコア２０に付与されるため、さらに高い耐振動・耐衝撃強度が発揮される。また交互に積層される薄板１１１および１２１がそれぞれ交差部２１の上下面で互いに接着されることから十分な接着面積が確保され、全体に小型化・薄肉化が可能である。
また中心軸が互いに直交する二方向の巻芯部を有するコア２０をもつことにより、該二方向の張る平面内において受信感度が均一化する。また二方向に伸びる薄板１１１および１２１を構成するアモルファスリボン箔帯は、コイルアンテナ１０の幅方向および奥行方向の途中で分断されることがないため、コア２０の高い透磁率が得られる。

さらに薄板１１１もしくは１２１の積層枚数、または薄板１１１，１２１をそれぞれ構成する磁性体薄膜の積層枚数を変化させることにより、Ｘ方向巻芯部１１もしくはＹ方向巻芯部１２の肉厚を任意に調整することができる。また薄板１１１および１２１の交差角度、Ｘ方向巻芯部１１またはＹ方向巻芯部１２の長さ、交差部２１の長手方向位置などについても巻軸方向ごとに任意に調整することができるなど、薄板を積層してコア２０を成形する本発明は、フェライトコアアンテナに比べて設計自由度が格段に向上する。このため、例えば回路基板に対する実装上の制約から所定方向の巻芯部の長さが十分に確保されない場合は、該方向の薄板を短くするかわりにその肉厚や幅を拡大することで受信感度を維持するなど、軸単位でのアンテナ特性の設計が可能になるという利点がある。

図２は、本発明の第一の実施例にかかるコイルアンテナ１０の斜視図である。本実施例にかかるコイルアンテナ１０は、Ｘ軸方向をコイルの巻軸とするＸ方向巻芯部１１と、Ｙ軸方向をコイルの巻軸とするＹ方向巻芯部１２とが直交して形成された十字状のコア２０に加え、これらの二方向と互いに直交するＺ方向を巻軸とする他の巻芯であるＺ方向巻芯部３０を備えることを特徴とする。四本のＺ方向巻芯部３０がコア２０と別離して形成され、これらは図示しないアンテナ基板に載置および固定されている。またＺ方向巻芯部３０にはそれぞれコイル１３ｃが巻回されている。四本のＺ方向巻芯部３０は、それぞれＸ方向巻芯部１１とＹ方向巻芯部１２に挟まれる位置に設けられ、またコア２０の厚さと同程度のＺ方向長さを有している。このため、本実施例にかかるコイルアンテナ１０は、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向に受信感度が均一化された無指向性を有するとともに、その全体を包絡する実装体積は図１に図示のコイルアンテナと同程度である。Ｚ方向巻芯部３０は、磁性体薄膜を積層した薄板１３１から構成することができる。かかる構成とすることで、コア２０と同程度の機械的強度を得ることができるとともに、Ｚ方向の受信感度の設計自由度を高めることができ好適である。Ｚ軸方向巻芯部３０を構成する磁性体薄膜と、Ｘ軸方向またはＹ軸方向巻芯部を構成する磁性体薄膜とは同一材料であっても互いに相違してもよく、各軸方向に求められる磁性特性や荷重負荷環境などに基づいてそれぞれ決定することができる。

すなわち本実施例では、十字状のコア２０の二方向の巻軸をＸＹ平面の座標軸と見立てた場合の第一乃至第四象限に相当する領域に、Ｚ軸方向を巻軸とする一本または二本以上の巻芯を配設することにより、実装空間を有効に利用することができる。特に、Ｘ方向巻芯部１１およびＹ方向巻芯部１２の各先端を通る円を仮想した場合、かかる円の内部に収まる位置にＺ方向巻芯部３０が配設された場合、十字状のコア２０を収納するための図示しないアンテナハウジングを拡大する必要がなく、高い実装効率を得ることができる。
なおＺ方向巻芯部３０は、図示のように各象限に一本ずつ合計四本を配置する態様に限らず、例えば十字アンテナの交差部２１を中心に点対称の位置に二本配置してもよい。

図３は、本発明の第二の実施例にかかるコイルアンテナ１０の斜視図である。本実施例にかかるコイルアンテナ１０は、Ｘ方向巻芯部１１およびＹ方向巻芯部１２を有する十字状のコア２０の外周に、Ｚ軸方向を巻軸とするコイル１３ｃが巻回されている。すなわち本実施例にかかるコイルアンテナ１０では、放射状に伸びる巻芯部を備えるコア２０の先端面を他の巻軸として用い、Ｚ軸方向を巻軸とするコイル１３ｃを巻成している。
かかるコイルアンテナ１０によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向に受信感度を均一化した無指向性アンテナの機能を得ることができる。またＺ軸方向を巻軸とするコイル１３ｃは、他のコイル１３ａ、１３ｂよりも口径が大きく、巻数あたりの受信感度がＸ軸方向およびＹ軸方向よりも高いことから、逆にいえばコイル１３ｃは少ない巻数でコイルアンテナ１０の無指向性を得ることができる。したがって同図に示すようにＺ軸方向の巻軸の長さはコア２０の厚さ程度で足り、またコア２０の先端に膨出するコイル１３ｃの巻厚も小さくてよいことから、コイルアンテナ１０を包絡する体積を実質的に拡張することがない。

図４は、本発明の第三の実施例にかかるコイルアンテナであり、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である。本実施例にかかるコイルアンテナ１０は、交互に積層された薄板１１１と１２１との隙間１４にコイル１３ｃを巻回してなることを特徴とするものである。すなわち、コア２０のうち薄板１１１および１２１の交差部２１の周囲には、それぞれの板厚に相当する隙間１４が形成されるため、かかる隙間１４に巻線を挿通することで、交差部２１を巻芯としてコイル１３ｃを設けることができる。換言すると、交差部２１をＺ方向巻芯部として利用することで、コア２０の包絡域を拡大することなくその内部にコイル１３ｃを設けたものである。
これにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸方向に受信感度を均一化することができるとともに、その占有体積が図１に示す態様と実質的に同等となるため、高い実装効率が得られる。
なお、隙間１４には一本または二本以上の巻線を挿通することができるため、コイルアンテナ１０のＺ軸方向の受信感度は、隙間１４ごとの巻数によって調整可能である。また、磁性体薄膜を交互に積層する構造は、一枚ずつ交互積層するものであっても、任意の一枚または複数枚ごとに交互積層するものであってもよい。

本発明の実施の形態にかかるコイルアンテナであり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である。 第一の実施例にかかるコイルアンテナの斜視図である。 第二の実施例にかかるコイルアンテナの斜視図である。 第三の実施例にかかるコイルアンテナであり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である。 参考例にかかる十字アンテナの斜視図である。

符号の説明

１０ コイルアンテナ
１１ Ｘ方向巻芯部
１２ Ｙ方向巻芯部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ コイル
２０ コア
３０ Ｚ方向巻芯部
１１１，１２１，１３１ 薄板

Claims (4)

1. 帯状の磁性体薄膜からなる複数枚の薄板が互いに交差して交互に積層され少なくとも二方向の巻軸が形成されたコアと、前記コアに巻回されたコイルと、を備えるコイルアンテナ。
2. 前記二方向と互いに直交する方向を巻軸とする他の巻芯が磁性体薄膜を積層して形成されている請求項１に記載のコイルアンテナ。
3. 一本または二本以上の前記他の巻芯が、前記二方向の巻軸に挟まれた位置に、前記コアと別離して形成されている請求項２に記載のコイルアンテナ。
4. 交互に積層された薄板同士の隙間に、該薄板の法線方向を巻軸とする他のコイルが巻回されている請求項１に記載のコイルアンテナ。

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