(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトと略直交する磁界を有するようにステアリングシャフト上に配置されたループアンテナを有し、導体リングでできており中心から周囲に延長された複数の支持導体で支えられ前記導体リングを絶縁材料で覆ったステアリングホイールを反射器として作動させ、半波長がステアリングホイールの外径程度となる放射波が前記ループアンテナから前方及び側方の開口窓を通して放射されるようにしたことを特徴とする車載アンテナ装置。
【請求項２】
前記ループアンテナは、誘電体基板または絶縁材料で支持した導体をループ状にした第１ループ導体の両端部に容量素子が装架されるように形成した第１のループと、前記第１ループ導体の両端部からほぼ等距離にある導体部を給電線のグランド端子とし、給電線の信号線側端子には、前記グランド端子を起点とし第２ループ導体の終端が接続された第２のループとを備え、第２のループが第１のループの作る磁束の１部だけを鎖交させることにより、平衡型である第１のループに対し、不平衡−平衡型の変換をすると同時にインピーダンスを整合させるように構成したことを特徴とする請求項１記載の車載アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用の無線データ通信として使用され、特に電波を利用して自動車から離れた地点からドアロック操作をするキーレスエントリーシステム用や、エンジン始動システム等の送受信アンテナとして好適な小型のアンテナ装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のアンテナは、一般に受信器内に内蔵した形式のものが多いが、受信器筐体と離して別の位置に設置し、ケーブルで受信器と接続する場合もある。なお双方向通信機能を持たせたキーレスエントリーシステムでは、車内に設置したアンテナを送信用としても使用されているが、車載用アンテナとしては、小型化の必要性から、ループアンテナやヘリカルアンテナが使用されてきた。短縮ループアンテナは、電磁波の放射量が寸法の４乗に比例して減少するため、アンテナ効率またはアンテナ利得が小さく、これを補うため、取り付け位置の選定が大切である。車載アンテナの取り付け位置は、車室内電磁界とアンテナとが結合しやすく、周囲全方向に対する指向性ができるだけ均一となり、かつ運転者の操作や乗員の行動の邪魔にならない場所でなければならない。そのため、アンテナ取り付け位置を決めるに、試行錯誤の実験が必要であった。また、車内に設置するアンテナは、設置場所の付近にある金属壁や受信器に接続されたワイヤーハーネスからの影響を受けやすく、アンテナ単独の同調周波数をあらかじめずらせた、オフセット周波数設定が必要であった。更に、車載アンテナは、占有スペースの関係から、寸法が半波長に対して著しく短縮されており、放射抵抗が導体の直列抵抗に比較して小さいため、内部損失によってアンテナの効率及びアンテナ利得が著しく低下するという問題があった。例えば、図５は車両に取り付けられた、従来のヘリカルアンテナ４１を内蔵したキーレス受信器の概略図である。ヘリカルアンテナ４１は、円筒状の絶縁材料４２に、長さ４分の１波長弱の導体４３を上端を開放にして螺旋状に巻ことによって構成され、基板４４のアース導体４５の上に配置される。ヘリカルアンテナ４１の給電線４６は、整合回路４７を構成するキャパシタンスを経て受信器４８に接続される。また４９は、透波性の樹脂カバーであり、受信器４８は取り付け金具４０によって車両の内部金属板５１に取り付けられている。受信器４８の信号及び電源の系統は、接続ケーブル５２とコネクタ５３を経由して、車両のワイヤーハーネス５４に接続されている。次に内蔵アンテナと車の外部の電磁波との結合のさせ方につていて、便宜的にヘリカルアンテナ４１の動作を送信モードにして考える。ヘリカルアンテナ４１の導体４３は、分布漂遊容量があるため、分布定数線路になり高周波電流が流れて一次波源となり電磁波を車内に放射すると共に、その電流が作る磁界によって、近接した一つの内部金属板５１の表面に導体４３と同方向の成分を有する誘導電流５５が二次波源として作りだされ、誘導電流５５がまた車両内電磁波を形成する作用をなす。そしてヘリカルアンテナ４１は、占有スペースを少なくするため、内部金属板５１に接近させるが、この場合、アンテナ共振周波数の変化は増大する。ここで、アース導体４５の寸法が波長程度大きいときは、ヘリカルアンテナ４１の鏡像を作り、高周波電流がヘリカルアンテナ４１の近くにだけ流れる。ところが実際は寸法が小さいので不完全グランドとなり、通常高周波特性が規定されていない接続ケーブル５２及びワイヤーハーネス５４にはアース導体４５から高周波電流が流れ、ヘリカルアンテナ４１の放射特性に影響を与える。これが受信器４８の特性の再現性を悪くする原因の一つであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、短縮アンテナの効率を改善し、自動車実装時の特性変化低減並びに方向による受信感度変化の低減を目的とした車載アンテナ装置を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明では、ステアリングシャフトと略直交する磁界を有するようにステアリングシャフト上に配置されたループアンテナを有し、導体リングでできており中心から周囲に延長された複数の支持導体で支えられ前記導体リングを絶縁材料で覆ったステアリングホイールを反射器として作動させ、半波長がステアリングホイールの外径程度となる放射波が前記ループアンテナから前方及び側方の開口窓を通して放射されるようにしている。
【０００５】
この構成によれば、ループアンテナがステアリングシャフト上にあるので、運転者の操作や乗員の行動の邪魔にならないと共に、ステアリングホイールを反射器として、ループアンテナからの放射波が前方及び側方の開口窓を通して放射されるようにしているので、車載アンテナ装置の主ビームの方向をステアリングホイールから見て前方側に設定することができる。
【０００６】
また、ループアンテナを、誘電体基板または絶縁材料で支持した導体をループ状にした第１ループ導体の両端部に容量素子が装架されるように形成した第１のループと、前記第１ループ導体の両端部からほぼ等距離にある導体部を給電線のグランド端子とし、給電線の信号線側端子には、前記グランド端子を起点とし第２ループ導体の終端が接続された第２のループとを備え、第２のループが第１のループの作る磁束の１部だけを鎖交させることにより、平衡型である第１のループに対し、不平衡−平衡型の変換をすると同時にインピーダンスを整合させるように構成してもよい。
【０００７】
この構成によれば、第２のループが第１のループの作る磁束の１部だけを鎖交させるだけの簡単な構造で、平衡型である第１のループに対し、不平衡型の給電線を整合させることができ、金属壁や受信器に接続されたワイヤーハーネスからの影響を受けても正確に動作するとともに、内部損失を低減させ、アンテナの高効率を達成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に沿って説明する。
尚、最初に本発明のループアンテナ１の構造の説明から始める。図１は、本発明の車載アンテナ装置の一次放射器をなすループアンテナ１の構造図である。プリント基板２上に２分の１波長より短い第１ループ導体３が形成されており、第１ループ導体３の両端部４，５にコンデンサー６を接続して、共振周波数を目的の動作周波数に合わせる。ループアンテナ１の共振周波数は、第１ループ導体３のインダクタンスとその分布容量並びに接続したコンデンサ６によって決定される。
【０００９】
このときの電圧電流分布は、分布常数線路の場合に似ており、第１ループ導体３に流れる電流は、導体基部１０が最大で、コンデンサー６の接続部は最小である。また電圧についてはコンデンサー６の端子電圧が最も高く、第１ループ導体３の中点である導体基部１０の位置が最小になり、この電圧最小位置をグランド点とする。
【００１０】
ループアンテナ１の同軸給電線１１の外部導体は、電圧最小の導体基部に接続すれば、同軸給電線１１の外皮に流れる高周波電流を最小にすることができる。一般に小型アンテナは、本体は共振器として大電流を流して放射量を増加させ、給電線には、整合負荷に対応した必要な電流だけ取り出すように設計する。
【００１１】
本車載アンテナ装置の整合の取り方は、一種の電圧タップ法を用い、電力と電圧から決まるインピダンスが丁度整合インピダンスになるようなアンテナ電圧点を給電点とする。すなわち、第２ループ導体である分岐導体８は、導体基部１０を基点として第１のループを形成する第１ループ導体３の一方の途中の分岐点７から分岐して第２のループを形成させると、第１のループの作る磁束の一部分だけが鎖交することになり、第１ループの端部電圧より低い電圧をつくり整合を得るのである。この分岐導体８と中継導体９との間に挿入されたコンデンサー１２は、分岐導体８によって作られた第２のループのリアクタンス分を相殺させ、整合帯域幅を改善するのに役立つ。コンデンサー６は、簡便のため省略することもでき、その場合には、コンデンサー１２で、共振周波数の補正をすればよい。
【００１２】
上記分岐導体８からなる整合回路は、平衡型のループアンテナ共振器系を不平衡型の同軸線路系に変換する作用を兼ね備えている。不平衡型の線路とは、二つの線路導体の片方が接地された形式である。
【００１３】
本構成によって、アンテナ内の最小の要素回路でインピダンス整合と、平衡不平衡変換を行うことによって、回路損失を低減し、給電線から外部へアンテナ共振電流が漏洩するのを防止することができる。上記手段によって、アンテナの高効率と特性の安定化が達成できた。
【００１４】
図２は、本発明の車載アンテナ装置の構成図であって、本実施例においては、一次放射器２２として、第１図に示すループアンテナ１を使用し、乗用車２０のステアリングシャフト２１上に、ループ軸が直交するように、すなわち、アンテナ給電線２４に接続される同軸給電線１１が上側後方となる向きで、プリント基板２がステアリングシャフト２１と平行となる向きに、そして、ステアリングホイール２６から数センチ（約１／１０波長程度）以上離して配置している。
【００１５】
尚、同軸給電線１１が下側前方となる向きに配置されていてもよい。ここで、ループ軸とは、図１を参照して、ループアンテナ１が形成されているプリント基板２の面に対する法線方向を指している。
【００１６】
ステアリングホイール２６は具体的には図示していないが、導体リングでできており、中心から周囲に延長された複数の支持導体で支えられ、これら全体が絶縁材料で覆われた構造となっている。そして、ステアリングホイール２６は、大きさが１波長程度またはそれ以上の周長を持ち、外径寸法はアンテナの動作周波数の半波長程度程度であり、支持導体で仕切られた枠内は半波長より小さくなる。従って、支持導体で仕切られた小さい枠内は電波が通過せず反射するため、このステアリングホイール２６は良好な反射器として働く。
【００１７】
また、受信器２５はステアリングシャフト２１に沿ってステアリングホイール２６に近い位置に設置し、一次放射器２２からの信号は、図１で説明した誘導電流を低減したアンテナ給電線２４で導く。
【００１８】
一次放射器２２とステアリングホイール２６を反射器とした、本車載アンテナ装置においては、主ビームの方向が前方下向きとなる結果、放射波の１部は前方及び側方の開口窓２３、２７を通して外部に放射され、他の大部分は、車内の多重反射で拡散され、再度、開口窓２３，２７及び２８，２９等から外部に、全周方向に放射される。
【００１９】
ループアンテナ１は、ステアリングホイール２６の面から前方の位置に、ループ軸がステアリングシャフト２１に直交する向きに取り付けられ、ループアンテナ１の直近のステアリングシャフト２１に誘導される高周波誘導電流を最小にしているため、アンテナの共振周波数変化並びに放射特性のシャフト長依存性、すなわちステアリングシャフトの長さに対する影響度を減少させることができる。
【００２０】
図３は、本発明の車載アンテナ装置の、図２の一次放射器２２として図１のループアンテナ１を使用しこのループアンテナ１と、ステアリングシャフト２１及びステアリングホイール２６を反射器とした部分を放射器系として受信器２５に接続し、測定用リモコン送信器と直接対向させ、送信電力レベルを変化して、地上での到達距離を測定したものである。
【００２１】
ここで、図３に示した送信器１，２及び３の送信電力は、地上３ｍ離れた地点の電界強度（ｄＢμＶ／ｍ）の値にしてそれぞれ４９，５３及び５９に相当したものである。上記アンテナ系で到達距離が大きいのは、角度は多少正面からずれているが、ステアリングホイールから見て前方であり、主ビームがその向きであることを示している。また逆の方向は距離が最小になることから、ステアリングホイールが良好な反射器として作動していることがわかる。完全な反射器を備えたアンテナは、主ビーム方向からの到来波に対し、一次アンテナ付近の磁界強度が２倍になるが、本アンテナ装置はこれにほぼ等しく、ステアリングホイール反射器が到来波とループアンテナとの結合を助ける作用をすることがわかる。
【００２２】
図４は、本発明の車載アンテナ装置を実車評価したものを表に表したものであって、到達距離は最大値、平均値とも、従来のヘリカルアンテナ方式に比較して、大幅に増加増加できることが確かめられた。またアンテナの占有体積については、両者同程度であって、どちらも支障がない。
【００２３】
本実施例では、一次ループアンテナの軸、磁界の方向をステアリングシャフトと直交させたが、ループの軸の角度は本発明の効果に対しそれほど敏感ではなく、多少の傾きは許容できる。
【００２４】
また別の実施例として、一次ループアンテナと受信器の間を、同軸線路の代わりに、受信器の基板上に構成したマイクロストリップ線路にしても、同じ効果が得られる。更に、ループアンテナは、基板上の導体で構成する代わりに、立体的な導体で構成しても差し支えない。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明は、車載アンテナとして、ステアリングホイールを反射器として利用し、ループアンテナからの放射波が前方及び側方の開口窓を通して放射されるようにしているので、車載アンテナ装置の主ビームの方向をステアリングホイールから見て前方側に設定することができる。
【００２６】
この構成によれば、ループアンテナがステアリングシャフト上にあるので、運転者の操作や乗員の行動の邪魔にならない。
【００２７】
また、ループアンテナを、誘電体基板または絶縁材料で支持した導体をループ状にした第１ループ導体の両端部に容量素子が装架されるように形成した第１のループと、前記第１ループ導体の両端部からほぼ等距離にある導体部を給電線のグランド端子とし、給電線の信号線側端子には、前記グランド端子を起点とし第２ループ導体の終端が接続された第２のループとを備え、第２のループが第１のループの作る磁束の１部だけを鎖交させることにより、平衡型である第１のループに対し、不平衡−平衡型の変換をすると同時にインピーダンスを整合させるようにしているため、簡単な構造で、設置場所の付近にある金属壁や受信器に接続されたワイヤーハーネスからの影響を受けても正確に動作するとともに、内部損失を低減させ、アンテナの高効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の一形態におけるループアンテナの斜視図
【図２】  本発明の実施の一形態における車載用アンテナの乗用車への取付位置を示す概略図
【図３】  車載アンテナ装置の部分的放射特性実測図
【図４】  本発明の車載アンテナ装置を実車評価したものを表に表した図
【図５】  従来のヘリカルアンテナの断面図
【符号の説明】
１ ループアンテナ
３ 第１ループ導体
１１ 同軸給電線
２１ ステアリングシャフト
２２ 一次放射器
２６ ステアリングホイール
２３，２７，２８，２９ 開口窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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