JPH08293724A - 合成ループアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本来の通信エリア内では高い強度の磁界強度
を有するが、アンテナからの距離が大きくなるにしたが
って急激に磁界強度が減少し、通信エリア外では確実に
磁界強度を所定の値以下とすることができる合成ループ
アンテナを得る。 【構成】 複数のループアンテナ３-1、３-2を組み合わ
せた合成ループアンテナ２ａにおいて、合成ループアン
テナ２ａからこの合成ループアンテナ２ａの送信波長の
距離範囲内での磁界強度が、合成ループアンテナ２ａか
らの距離のｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰するよう
に、各ループアンテナ３-1、３-2の径、巻数、方向、電
流の絶対値及び電流の位相差の少なくとも一つの要素を
調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屋内等の近距離通信に
使用するループアンテナに関する。さらに詳しくは、本
発明は、本来の通信エリア内では高い強度の磁界を発す
るが、ループアンテナからの距離が大きくなるにしたが
って、急激に磁界強度が減衰し、通信エリア外では所定
の磁界強度以下にすることができる合成ループアンテナ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ループアンテナは、屋内等の近距離での
中波、短波又はＶＨＦ帯等の通信に使用するアンテナと
して多用されている。例えば、質問器（リーダ／ライ
タ）と応答器（カード）との間で信号の授受を行う非接
触式ＩＣカードシステムの通信用アンテナとして、図７
に示すような単一のループコイルからなる微小ループア
ンテナ１が使用されている。

【０００３】このような微小ループアンテナ１による電
磁界強度は、ループアンテナからの距離が大きくなるに
したがって、順次その距離の３乗、２乗、１乗に反比例
して減衰していく。そこで、良好な通信品質を確保しつ
つ通信距離を長くするため、ループアンテナの放射磁界
強度を上げる必要が生じている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ループ
アンテナの放射磁界強度を上げることは近隣機器又は近
隣通信系への干渉や妨害につながる。よって、無制限に
ループアンテナの放射磁界強度を上げることはできな
い。電波法でもループアンテナからの所定の距離におけ
る電磁界強度を所定のレベル以下に制限している。

【０００５】したがって、ループアンテナを使用した近
距離通信系においては、ループアンテナからの放射磁界
強度の制限上、通信品質を確保することができないとい
う問題が度々生じていた。

【０００６】このような問題に対しては、複数のループ
アンテナを用いて合成ループアンテナを構成し、通信エ
リア内では十分な磁界強度が確保されるが、合成ループ
アンテナから所定距離の通信エリア外の点では磁界強度
が０となるように、その点の磁界強度を測定しつつ各ル
ープアンテナの巻数、電流等の要素を調整することが考
えられる。

【０００７】しかし、単に、合成ループアンテナから所
定距離の点における磁界強度が０となるように調整して
も、その点からさらに離れた地点では再度磁界強度が強
まることが考えられる。これに対しては、磁界強度を０
に調整する点を合成ループアンテナから無限遠方に設定
することも考えられるが、無限遠方の磁界強度を測定し
つつその点の磁界強度を０に調整することは実際上不可
能である。

【０００８】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解決しようとするものであり、本来の通信エリア内では
高い強度の磁界強度を有するが、アンテナからの距離が
大きくなるにしたがって急激に磁界強度が減衰し、通信
エリア外では確実に磁界強度を所定の値以下とすること
ができる合成ループアンテナを得ることを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、複数のループアンテナを組み合わせた合
成ループアンテナを製造する方法において、合成ループ
アンテナから該合成ループアンテナの送信波長の距離範
囲内での磁界強度が、合成ループアンテナからの距離の
ｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰するように、各ループ
アンテナの径、巻数、方向、電流の絶対値及び電流の位
相差の少なくとも一つの要素を調整することを特徴とす
る合成ループアンテナの製造方法を提供し、またそのよ
うに磁界強度が調整された合成ループアンテナを提供す
る。

【００１０】

【作用】本発明の合成ループアンテナによれば、合成ル
ープアンテナから該合成ループアンテナの送信波長の距
離範囲内での磁界強度が合成ループアンテナからの距離
のｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰するように、ループ
アンテナの径、巻数、方向、電流の絶対値及び電流の位
相差の少なくとも一つの要素が調整されている。

【００１１】このように合成ループアンテナの磁界強度
を調整することにより、アンテナから無限遠に至るま
で、磁界強度はアンテナからの距離が大きくなるにした
がって減少するようになる。したがって、本発明によれ
ば、通信エリア内では十分に高い磁界強度を確保しつ
つ、通信エリア外の磁界強度を低減させ、近隣機器又は
近隣通信系への干渉や妨害を大きく抑制することが可能
となる。

【００１２】また、この場合の調整作業は、通信エリア
外の無限遠方での磁界強度を測定するのではなく、合成
ループアンテナから該合成ループアンテナの送信波長の
距離範囲内にある任意の２点の磁界強度を測定し、その
２点間での磁界強度の減衰の程度に基づいて、ループア
ンテナの半径、巻数、方向、電流の絶対値又は電流の位
相差というパラメータを調整することにより実際的に行
うことができる。特に、合成ループアンテナを構成する
個々のループアンテナとは別個に、ループアンテナのア
ンテナ回路に可変インダクタンス、可変キャパシター又
は可変抵抗を接続してこれらを調整することにより、あ
るいはループアンテナの周囲に金属箔等を配し、その金
属箔の配置や面積を調整することにより、合成ループア
ンテナの磁界強度の調整作業を容易に行うことが可能と
なる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００１４】実施例１ 図１は本発明の実施例の合成ループアンテナ２ａの模式
図である。同図の合成ループアンテナは、内側ループア
ンテナ３-1と外側ループアンテナ３-2との２つループア
ンテナを１本の導線を用いて同一平面上に形成したもの
である。本発明においては、この合成ループアンテナ２
ａの磁界強度が、この合成ループアンテナ２ａの送信波
長の距離範囲内において、合成ループアンテナ２ａから
の距離のｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰するように、
合成ループアンテナ２ａを構成する個々の内側ループア
ンテナ３-1又は外側ループアンテナ３-2を調整するが、
まず、この点について説明する。

【００１５】一般に、図５に示したように、極座標系
（ｒ，θ，ψ）に２つの微小ループアンテナｃ1 、ｃ2
をおいた場合に、個々のループアンテナｃ1 、ｃ2 から
十分に離れた地点（無限遠方を含む地点）Ｐ（ｒ，θ，
ψ）の磁界強度Ｈは次式で近似することができる。

【００１６】

【数１】 （式中、添字ｉは１又は２であり、個々のループアンテ
ナｃ1 、ｃ2 に対応している。

【００１７】Ｉ_ｉ：個々のループアンテナを流れる供給
電流 ｎ_ｉ：個々のループアンテナの巻数 Ｓ_ｉ：個々のループアンテナを構成する閉曲線で囲まれ
た面積 ω ：信号角周波数 ｋ＝２π／λ （λ ：波長） μ ：透磁率
） したがって、Ｐ点での合成磁界は

【００１８】

【数２】Ｈ_ｒ＝Ｈ_ｒ１＋Ｈ_ｒ２ Ｈ_θ＝Ｈ_θ１＋Ｈ_θ２ Ｅ_ψ＝Ｅ_ψ１＋Ｅ_ψ２ と表される。ここで、個々のループアンテナｃ1 、ｃ2
を、

【００１９】

【数３】ｎ_１Ｉ_１Ｓ_１＝−ｎ_２Ｉ_２Ｓ_２ となるように設定すると、ループアンテナｃ1 、ｃ2 か
ら十分遠方の地点で合成磁界を０とできることがわか
る。しかし、通信エリア外の無限遠方に至るまでの磁界
強度を所定の値以下とするために、無限遠方の地点の磁
界強度を測定しつつ、その地点の磁界強度を０に調整す
ることは不可能である。

【００２０】そこで、本発明においては、ループアンテ
ナの送信波長の距離範囲内の地点、即ち、ループアンテ
ナｃ1 、ｃ2 が送信する電磁波の波長より短い距離にあ
る地点Ｐでの磁界強度を考える。この地点Ｐでの磁界強
度は、それよりも遠方の地点と同様に表すことはできな
いが、ループアンテナｃ1 、ｃ2 が円形である場合に、
その中心軸上の距離ｒにおける磁界成分Ｈ_ｒｉは、次式
で近似できる。

【００２１】

【数４】 （式中、ｒ_ｉ：円形ループアンテナの半径 Ｓ_ｉ：円形ループアンテナの面積（Ｓ_ｉ＝πｒ_ｉ ^２）
である。） したがって、合成磁界Ｈ_ｒは次式のように表される。

【００２２】

【数５】 ここで、個々の円形ループアンテナが次式（１）

【００２３】

【数６】 ｎ_１Ｉ_１Ｓ_１＝−ｎ_２Ｉ_２Ｓ_２ （１） を満たすように設定すると、合成磁界Ｈ_ｒは

【００２４】

【数７】 となる。この式から、この場合の合成磁界Ｈ_ｒは次式
（２）のように近似することができる。

【００２５】

【数８】 これにより、ループアンテナｃ1 、ｃ2 が送信する電磁
波の波長より短い距離の範囲内では、式（１）を満たす
ように個々の円形ループアンテナを設定した場合に、磁
界強度が、円形ループアンテナからの距離の５乗に反比
例して減衰すると近似できることがわかる。

【００２６】ただし、式（１）を満たすように個々の円
形ループアンテナを調整しようとしても、実際上は、そ
のループアンテナの径の誤差、巻数誤差、電流誤差、そ
の他種々の影響を受けるので、磁界強度は、円形ループ
アンテナからの距離の５乗に厳密に反比例して減衰する
のではなく、ｎ乗（ｎ＞３）、通常は略３〜５乗に反比
例して減衰することとなる。したがって、本発明におい
ては、磁界強度が合成ループアンテナからの距離のｎ乗
（ｎ＞３）に反比例して減衰するようにループアンテナ
を調整する。

【００２７】また、上記の説明では、個々のループアン
テナｃ1 、ｃ2 が円形であり、それらが図５に示したよ
うに同一平面上にある場合について説明したが、個々の
ループアンテナが円形でない場合あるいはそれらが同一
平面上にない場合にも、ループアンテナｃ1 、ｃ2 が送
信する電磁波の波長より短い距離の範囲内について、合
成磁界強度を上記の近似式（２）に準じて得ることがで
きる。したがって、本発明の合成ループアンテナは、そ
れを構成する複数のループアンテナが円形であって、そ
れらが同一平面上に配されている場合に限られることは
ない。

【００２８】合成ループアンテナからの距離のｎ乗（ｎ
＞３）に反比例して減衰するように、合成ループアンテ
ナを構成している個々のループアンテナを調整する具体
的方法としては、例えば、図１に示した合成ループアン
テナ２ａの場合、合成ループアンテナの送信波長の距離
範囲内であって通信エリア外の任意の２地点の磁界強度
を測定し、その２地点間の磁界強度の減衰の状態が、合
成ループアンテナ２ａからの距離の５乗に反比例するよ
うに（即ち、前述の式（１）

【００２９】

【数９】 ｎ_１Ｉ_１Ｓ_１＝−ｎ_２Ｉ_２Ｓ_２ （１） が満足されるように）、内側ループアンテナ３-1又は外
側ループアンテナ３-2のアンテナのパラメータを適宜調
整すればよい。この場合、アンテナのパラメータとして
は、アンテナ径、巻数、方向、電流の絶対値及び電流の
位相差をあげることができるが、アンテナ径を調整する
ことは実際上困難であるため、通常は巻数や電流を調整
する。

【００３０】このように調整した合成ループアンテナに
ついて、合成ループアンテナからの距離と磁界強度との
関係は、図６に実線で示したように、距離の５乗に反比
例し磁界強度が減衰するので、通信エリア内では高い磁
界強度を有するが、距離が大きくなるにしたがって急激
に磁界強度が減衰し、通信エリア外でも磁界強度は無限
遠で０となるように減衰する。したがって、本来の通信
エリア内では高い通信品質を確保しつつ近隣機器又は近
隣通信系への干渉や妨害を抑制することが可能となる。
比較のために、単一のループアンテナであって、上記実
施例と放射磁界強度が等しいものについて、そのループ
アンテナからの距離と磁界強度との関係を図６に合わせ
て示す。このように単一のループアンテナによると、ア
ンテナからの距離に応じた磁界強度の減衰の程度が少な
いため、本来の通信エリア内で高い磁界強度を確保でき
るようにすると、通信エリア外の磁界強度を十分に低下
させることができず、近隣機器又は近隣通信系に悪影響
が及ぼされることとなる。

【００３１】実施例２ 図２は、本発明の好ましい態様の模式図である。この合
成ループアンテナ２ｂは、図１の内側ループアンテナ３
-1と外側ループアンテナ３-2に、磁界強度微調整手段と
して、フェライトコア可変インダクター４を接続したも
のである。

【００３２】一般に、ループアンテナを１本の導線を巻
回して形成する場合には、コアのような固定部材に導線
を巻回す場合と異なり、所定の位置に精度よく巻回すこ
とが困難である。そのため、合成ループアンテナからの
距離の５乗に反比例して磁界強度が減衰するように調整
することも困難となる。即ち、上述の式（２）におい
て、ループアンテナｃ2 が所期の半径ｒ_２に対してαの
誤差を有していた場合、式（２）は次式のように表さ
れ、

【００３３】

【数１０】 さらに次のように近似できる。

【００３４】

【数１１】 したがって、磁界強度は誤差αの２乗の影響を受け、磁
界強度の減衰の程度が小さくなることがわかる。合成ル
ープアンテナにフェライトコア可変インダクター４を設
けると、このようなループアンテナの巻き回し精度のず
れに起因する磁界強度のずれを容易に補正することがで
きる。また、磁界強度がループアンテナからの距離の５
乗に反比例して減少するようにするための条件

【００３５】

【数１２】 ｎ_１Ｉ_１Ｓ_１＝−ｎ_２Ｉ_２Ｓ_２ （１） を満たすように調整する作業も容易となる。

【００３６】実施例３ 図３も、本発明の好ましい態様の模式図である。この合
成ループアンテナ２ｃも実施例２と同様に磁界強度微調
整手段として、フェライトコア可変インダクター４を接
続したものであるが、フェライトコア可変インダクター
４の接続位置が実施例２と異なっている。

【００３７】実施例４ 図４も、本発明の好ましい態様の模式図である。この合
成ループアンテナ２ｄは、内側ループアンテナ３-1と外
側ループアンテナ３-2を、基板５上の銅箔６をパターニ
ングすることにより形成したものである。また、磁界強
度微調整手段として、磁界強度微調整用パターン７を、
同様に基板５上の銅箔６のパターニングにより形成した
ものである。

【００３８】このように基板上の金属箔のパターニング
により、個々のループアンテナ３-1、３-2を形成する
と、１本の導線を巻回して形成する場合に比して精度よ
く形成できるので好ましく、また、個々のループアンテ
ナと磁界強度微調整用パターンとを同時に形成できると
いう利点も有する。

【００３９】磁界強度微調整用パターン７を用いて、磁
界強度がこの合成ループアンテナ２ｃからの距離の５乗
に反比例して減少するように調整する場合、磁界強度微
調整用パターン７を適宜剥離又は追加することにより、
容易に調整を行うことができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、本来の通信エリア内で
は高い強度の磁界強度を有するが、アンテナからの距離
が大きくなるにしたがって急激に磁界強度が減少し、通
信エリア外では確実に磁界強度を所定の値以下とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の合成ループアンテナの模式図である。

【図２】実施例の合成ループアンテナの模式図である。

【図３】実施例の合成ループアンテナの模式図である。

【図４】実施例の合成ループアンテナの模式図である。

【図５】２つの微小ループアンテナの合成磁界強度を考
える場合のモデル図である。

【図６】アンテナからの距離と磁界強度との関係図であ
る。

【図７】従来の単一の微小ループアンテナの模式図であ
る。

【符号の説明】

１ ループアンテナ ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 合成ループアンテナ ３-1 内側ループアンテナ ３-2 外側ループアンテナ ４ フェライトコア可変インダクター ５ 基板 ６ 銅箔 ７ 磁界強度微調整用パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳堀 進 栃木県鹿沼市さつき町12−３ ソニーケミ カル株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のループアンテナを組み合わせた合
   成ループアンテナにおいて、合成ループアンテナから該
   合成ループアンテナの送信波長の距離範囲内での磁界強
   度が、合成ループアンテナからの距離のｎ乗（ｎ＞３）
   に反比例して減衰するように、各ループアンテナの径、
   巻数、方向、電流の絶対値及び電流の位相差の少なくと
   も一つの要素が調整されていることを特徴とする合成ル
   ープアンテナ。
2. 【請求項２】 ｎが略５である請求項１記載の合成ルー
   プアンテナ。
3. 【請求項３】 合成ループアンテナから該合成ループア
   ンテナの送信波長の距離範囲内での磁界強度が、合成ル
   ープアンテナからの距離のｎ乗（ｎ＞３）に反比例して
   減衰するように、合成ループアンテナの磁界強度を微調
   整する磁界強度微調整手段が設けられている請求項１又
   は２記載の合成ループアンテナ。
4. 【請求項４】 磁界強度微調整手段が、アンテナ回路に
   接続された可変インダクタンス、可変キャパシター、可
   変抵抗又はループアンテナの周囲に配された金属箔から
   なる請求項３記載の合成ループアンテナ。
5. 【請求項５】 各ループアンテナが略円形であり、それ
   らが同一平面上に配されている請求項１〜４のいずれか
   に記載の合成ループアンテナ。
6. 【請求項６】 複数のループアンテナを組み合わせた合
   成ループアンテナを製造する方法において、合成ループ
   アンテナから該合成ループアンテナの送信波長の距離範
   囲内での磁界強度が、合成ループアンテナからの距離の
   ｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰するように、各ループ
   アンテナの径、巻数、方向、電流の絶対値及び電流の位
   相差の少なくとも一つの要素を調整することを特徴とす
   る合成ループアンテナの製造方法。
7. 【請求項７】 ｎを略５とする請求項６記載の合成ルー
   プアンテの製造方法。
8. 【請求項８】 合成ループアンテナの磁界強度を微調整
   する磁界強度微調整手段を設け、該磁界強度微調整手段
   により、合成ループアンテナから該合成ループアンテナ
   の送信波長の距離範囲内での磁界強度が、合成ループア
   ンテナからの距離のｎ乗（ｎ＞３）に反比例して減衰す
   るように調整する請求項６又は７記載の合成ループアン
   テナの製造方法。
9. 【請求項９】 磁界強度微調整手段として、アンテナ回
   路に可変インダクタンス、可変キャパシター又は可変抵
   抗を設けるか、あるいはループアンテナの周囲に金属箔
   を設ける請求項８記載の合成ループアンテナの製造方
   法。
10. 【請求項１０】 各ループアンテナを略円形とし、それ
    らを同一平面上に配する請求項６〜９のいずれかに記載
    の合成ループアンテナの製造方法。