(57)【要約】【課題】磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナを提供する。【解決手段】メインループ１は、絶縁体で形成された平面基板（図示せず）に形成され、信号源５や受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ、Ｔを有し、開ループとなっている。巻き数は１である。図１は、例として信号源５を接続した図になっている。メインループ１には抵抗Ｒ１と容量Ｃ１が直列に接続されている。メインループ１が形成された平面基板の同一面に、メインループ１に極めて近接して増幅用ループ２が形成されている。増幅用ループ２は、端子を備えず、閉ループとなっている。巻き数は１である。増幅ループ２はメインループ１の内側に配置されている。【選択図】図１
2016174327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置される
ことを特徴とするループアンテナ。
【請求項２】
信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置される
ことを特徴とするループアンテナ。
【請求項３】
前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載のループアンテナ。
【請求項４】
前記メインループの巻き数と前記増幅用ループの巻き数が等しい
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のループアンテナ。
【請求項５】
前記メインループと前記増幅用ループのそれぞれに抵抗と容量が直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のループアンテナ。
【請求項６】
前記メインループは前記信号源に接続され、
前記メインループの自己インダクタンスと前記増幅用ループの自己インダクタンスが等しい場合、
前記メインループの前記容量Ｃ１、前記増幅用ループの前記容量Ｃ２が次の式の条件を満たす、
【数１】
2016174327.tif 000004
ただし、Ｌは、前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、
ωは、前記メインループに印加する信号の角周波数、
Ｒ０は、前記信号源の内部抵抗、
Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ前記メインループ、前記増幅用ループの前記抵抗である
ことを特徴とする請求項５に記載のループアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、磁界を利用した無線システムが提案されている。磁界は、電波と異なり、人体や誘電体との相互作用が極めて小さいので、人体や障害物に乱されない明確な無線エリアを形成する上で有利である。また、電波の距離減衰特性は２０ｄＢ／ｄｅｃ．であるが、磁界の距離減衰特性は６０ｄＢ／ｄｅｃ．であり、無線エリア境界を明確に区別する上でも磁界が適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２５９９１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３５５３８号公報
【特許文献３】特開２０１４−１３５５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電波に比べて急峻な磁界の距離減衰特性（６０ｄＢ／ｄｅｃ．）は、無線エリアを拡大する上では不利な要因となる。従来、磁界を用いた無線システムにおいてエリアを拡大するには、送信機から供給する電流を増やす必要があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置されることを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るループアンテナによれば、信号源を用いる場合は、メインループを流れる電流よりも十分大きな電流を増幅用ループに蓄積することができるので、結果的に大きな磁界を生成することが可能になる。
【０００９】
また、本発明に係るループアンテナによれば、受信回路を用いる場合には、磁界を受信する際に大きな電流が増幅用ループに蓄積される効果によって、増幅用ループを用いない場合に比べて、メインループにて大きな受信電流を受信することが可能になる。
【００１０】
以上の結果、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態のループアンテナの一例を示す図である。
【図２】第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【図３】第３の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【図４】第４の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【図５】増幅用ループ２の電流Ｉ２と容量Ｃ１とＣ２の関係を示す図である。
【図６】Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合のＩ１、Ｉ２の周波数依存性（計算値）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のループアンテナの一例を示す図である。
【００１４】
ループアンテナは、共鳴型のループアンテナであり、メインループ１と増幅用ループを備える。
【００１５】
メインループ１は、絶縁体で形成された平面基板（図示せず）に形成され、信号源５や受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ、Ｔを有し、開ループとなっている。巻き数は１である。図１は、例として信号源５を接続した図になっている。メインループ１には抵抗Ｒ１と容量Ｃ１が直列に接続されている。
【００１６】
また、メインループ１が形成された平面基板の同一面に、メインループ１に極めて近接して増幅用ループ２が形成されている。増幅用ループ２は、端子を備えず、閉ループとなっている。巻き数は１である。増幅用ループ用２はメインループ１の内側に配置されている。
【００１７】
メインループ１と増幅用ループ２の距離ｄは、例えば、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。増幅用ループ２には抵抗Ｒ２と容量Ｃ２が直列に接続されている。
【００１８】
信号源５からメインループ１に交流電流Ｉ１が供給されると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスにより、増幅用ループ２に交流電流Ｉ２が流れる。一般に、Ｒ２をＲ１より小さくすると、Ｉ２はＩ１より大きくなる。よって、ループアンテナにより発生する磁界のエリアを拡大できる。
【００１９】
Ｉ２は、周波数、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２、信号源５の内部抵抗Ｒ０、ループ形状など複数の要素に依存する。そのため、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２を調整し、Ｉ２を最大化するのが好ましい。
【００２０】
なお、図１は、ループアンテナに信号源５を接続し、送信アンテナとして用いた場合の例を示しているが、信号源５の代わりに受信回路を接続し、ループアンテナを受信アンテナとして用いてもよい。
【００２１】
この場合、外部から受信する磁界により、増幅用ループ２に大きな交流電流Ｉ２が蓄積されるが、相互インダクタンスがあるために、メインループ１を流れる交流電流Ｉ１も、増幅用ループ２が存在しない場合に比べて大きくなる。周波数、ループ形状などに応じて、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２を設定することで、Ｉ１を最大化することができる。よって、相手側にとってみても、磁界のエリアを拡大できる。
【００２２】
したがって、第１の実施の形態のループアンテナによれば、磁界を利用した無線システムのエリアを拡大できる。
【００２３】
なお、増幅ループ２はメインループ１の外側に配置してもよい。後述の実施の形態でも同様である。
【００２４】
また、例えば、所望の電流、エリアが得られるなら、場合によっては、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２のいずれか１つ以上を用いなくてもよい。後述の実施の形態でも同様である。
【００２５】
［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【００２６】
第１の実施の形態のメインループ１、増幅用ループ２共に、巻き数は１であったが、第２の実施の形態では巻き数は共に３であり、これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。増幅ループ２はメインループ１の内側に配置されている。
【００２７】
本発明において巻き数は任意であり、いずれの巻き数でも有効である。また、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数が異なってもよいが、巻き数を２以上とする場合、メインループ１の巻き数と増幅用ループ２の巻き数を等しくすることで、相互インダクタンスを大きくすることができ、電流の増幅効果を高めることができるので好ましい。
【００２８】
［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【００２９】
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、メインループ１と増幅用ループ２を平面基板の同一平面に設け、かつ、近接させるために、増幅ループ２をメインループ１の内側または外側に配置した。
【００３０】
第３の実施の形態では、メインループ１が平面基板の表面に形成され、増幅用ループ２が同じ平面基板の裏面に形成される。これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００３１】
メインループ１と増幅用ループ２を同じ平面基板の表裏に形成したことで、メインループ１と増幅用ループ２を同一形状とし、かつ、互いを近接させることができる。この場合、メインループ１と増幅用ループ２の距離は、平面基板の厚さにほぼ一致する。距離は、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。
【００３２】
メインループ１と増幅用ループ２が同一形状なので、磁気結合係数を１に近づけることができ、相互インダクタンスを大きくすることができる。よって、信号源５を用いる場合は、一定のＩ１に対してより大きなＩ２を得ることができ、受信回路を用いる場合は、一定のＩ２に対してより大きなＩ１を得ることができる。つまり、磁界のエリアを拡大できる。
【００３３】
なお、メインループ１と増幅用ループ２は、平面基板を多層化した構造において、異なる平面基板に配置されていてもよい。この場合、メインループ１と増幅用ループ２の距離は、平面基板の厚さの整数倍（１倍、２倍、…）のいずれかにほぼ一致する。距離は、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。
【００３４】
［第４の実施の形態］
図４は、第４の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
【００３５】
第４の実施の形態では、第３の実施の形態のループアンテナにおいて、巻き数を３にした構成である。これ以外の構成は、第３の実施の形態と同様である。
【００３６】
図２に示すように、平面基板の同一面に巻き数の多いメインループ１と増幅用ループ２を形成すると、メインループ１に囲まれ領域の面積と、増幅用ループ２に囲まれる領域の面積の差が大きくなるという問題点がある。この差が大きすぎると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスが減少し、磁界のエリア拡大が困難になる。
【００３７】
第４の実施の形態では、メインループ１と増幅用ループ２は、例えば、同一の平面基板の異なる面に配置されるので、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数を多くしても、メインループ１と増幅用ループ２を近接させることができる。メインループ１と増幅用ループ２を、平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置した場合でも同様である。
【００３８】
よって、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスが減少せず、磁界のエリアを拡大でき、巻き数を増やす分、その効果を高めることができる。
【００３９】
また、巻き数を等しくすることで、さらに相互インダクタンスを高め、磁界のエリアを拡大できる。
【００４０】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態のループアンテナは、メインループ１と増幅用ループ２に接続した容量を最適化したものであり、その他については、第１〜第４の実施の形態と同様である。
【００４１】
例えば、信号源５から発生する信号の周波数ｆを１０ＭＨｚ、メインループ１に接続する抵抗Ｒ１を２５Ω、増幅用ループ２に接続する抵抗Ｒ２を１Ω、信号源５の内部抵抗Ｒ０を２５Ωとする。
【００４２】
また、メインループ１と増幅用ループ２の自己インダクタンスＬは等しく１μＨとする。
【００４３】
さらに、メインループ１と増幅用ループ２の幾何学形状が同様であれば、自己インダクタンスも等しくなるので、ループアンテナを作製することは容易である。
【００４４】
図５は、増幅用ループ２の電流Ｉ２と容量Ｃ１とＣ２の関係を示す図である。
【００４５】
上記の条件の下、容量Ｃ１とＣ２を変数としてＩ２をシミュレートすると、図５のようになる。Ｉ２が最大になるのは、Ｃ１が３０ｐＦ付近かつＣ２が２２０ｐＦ付近の場合であることがわかる。
【００４６】
一方、上記のパラメータを以下の式
【００４７】
【数１】
2016174327.tif 000003
に代入すると、Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］が得られる。
【００４８】
よって、この式により計算した値のＣ１、Ｃ２をメインループ１と増幅用ループ２に接続すれば、、Ｉ２を最大にでき、最大の増幅効果が得られる。
【００４９】
図６は、Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合のＩ１、Ｉ２の周波数依存性（計算値）を示す図である。
【００５０】
図に示すように１０ＭＨｚにおいて電流増幅効果が最大である。つまり、Ｉ１が１０ｍＡであるのに対して、Ｉ２は７０ｍＡ以上であり、７倍以上の電流を流すことできる。したがって、生成可能な磁界の振幅を7倍以上に増幅することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  メインループ
２  増幅用ループ
５  信号源
Ｃ１、Ｃ２  容量
Ｉ１、Ｉ２  電流
Ｒ０  内部抵抗
Ｒ１、Ｒ２  抵抗
Ｔ  端子
【図１】
2016174327.tif 000005
【図２】
2016174327.tif 000006
【図３】
2016174327.tif 000007
【図４】
2016174327.tif 000008
【図５】
2016174327.tif 000009
【図６】
2016174327.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月22日(2016.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置され、
前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である
ことを特徴とするループアンテナ。
【請求項２】
信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置され、
前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である
ことを特徴とするループアンテナ。
【請求項３】
前記メインループの巻き数と前記増幅用ループの巻き数が等しい
ことを特徴とする請求項１または２記載のループアンテナ。
【請求項４】
前記メインループと前記増幅用ループのそれぞれに抵抗と容量が直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のループアンテナ。
【請求項５】
前記メインループは前記信号源に接続され、
前記メインループの自己インダクタンスと前記増幅用ループの自己インダクタンスが等しい場合、
前記メインループの前記容量Ｃ１、前記増幅用ループの前記容量Ｃ２が次の式の条件を満たす、
【数１】
2016174327.tif 000011
ただし、Ｌは、前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、
ωは、前記メインループに印加する信号の角周波数、
Ｒ０は、前記信号源の内部抵抗、
Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ前記メインループ、前記増幅用ループの前記抵抗である
ことを特徴とする請求項４に記載のループアンテナ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置され、前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
第２の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置され、前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下であることを特徴とする。