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JP2014140088A - ガラスアンテナ及び窓ガラス - Google Patents

ガラスアンテナ及び窓ガラス Download PDF

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JP2014140088A
JP2014140088A JP2011104818A JP2011104818A JP2014140088A JP 2014140088 A JP2014140088 A JP 2014140088A JP 2011104818 A JP2011104818 A JP 2011104818A JP 2011104818 A JP2011104818 A JP 2011104818A JP 2014140088 A JP2014140088 A JP 2014140088A
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修 加賀谷
Ryuta Sonoda
龍太 園田
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Abstract

【課題】アレイアンテナでなくても、特定の方向のアンテナ利得を向上できる、ガラスアンテナを提供すること。
【解決手段】車両に取り付けられるガラス板11に設けられるガラスアンテナであって、ガラス板12と、ガラス板11とガラス板12との間に配置される人工媒質70と、ガラス板12の人工媒質70側とは反対側に配置される給電素子17とを備え、人工媒質70は、誘電体層60と、誘電体層60を挟んで対向する導電素子51,52から構成された一対の導電層とを有し、給電素子17は、導電素子51,52のうち給電素子17に近い方と電磁結合する位置に配置される、ことを特徴とする、ガラスアンテナ。
【選択図】図2

Description

本発明は、車両に取り付けられるガラス板に設けられるガラスアンテナ、ガラスアンテナが設けられた窓ガラスに関する。
近年、ガラスアンテナのニーズは、放送用途のみならず、通信用途にも拡大している。例えば、ITS(Intelligent Transport Systems:高度道路交通システム)の分野では、車車間通信用や路車間通信用のガラスアンテナの開発が進んでいる。このような通信のひとつであるETC通信(Electronic Toll Collection System:ノンストップ自動料金収受システム)に使用できるガラスアンテナの先行技術文献として、例えば特許文献1が挙げられる。
特開2005−269602号公報
車車間通信用や路車間通信用のガラスアンテナは、精度の高い受信感度が求められるため、電気自動車などのように車内側からのノイズが大きい場合には、車外側のアンテナ利得が高くなるような強い指向性を有するアンテナが必要となる。また、車車間通信等の通信用のガラスアンテナは、放送用途のガラスアンテナに比べて、比較的短い距離で電波を送受するため、特定の方向にアンテナ利得が高くなるような強い指向性を有するアンテナが必要となる。しかしながら、図1に例示されるような従来のガラスアンテナでは、アレイアンテナにするなどの対策をしなければ、アンテナ導体5に流れる電流の方向に対して直角な車内側及び車外側の両方の方向(すなわち、アンテナ導体5が設けられたフロントガラス1の法線方向6,7)に同等の受信感度となり、特定の方向にアンテナ利得を向上させることは難しかった。すなわち、法線方向のうち方向6のみ、または法線方向以外の方向にアンテナ利得を向上させることが難しかった。また、アレイアンテナは、給電点を2ヶ所以上に必要なため、接続工程が煩雑となり、また、アンテナを縦に並べると給電線の配設などが困難となる。
そこで、本発明は、アレイアンテナでなくても、特定の方向のアンテナ利得を向上できる、ガラスアンテナ及び窓ガラスの提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るガラスアンテナは、
車両に取り付けられるガラス板に設けられるガラスアンテナであって、
誘電体と、前記ガラス板と前記誘電体との間に配置される媒質と、前記誘電体の前記媒質側とは反対側に配置される給電素子とを備え、
前記媒質は、誘電体層と、該誘電体層を挟んで対向する第1の導電素子と第2の導電素子から構成された一対の導電層とを有し、
前記給電素子は、前記第1の導電素子と前記第2の導電素子のうち前記給電素子に近い方と電磁結合する位置に配置される、ことを特徴とする、ものである。
本発明によれば、アレイアンテナでなくても、特定の方向のアンテナ利得を向上できる。
従来のガラスアンテナの指向性を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態である車両用の窓ガラス100の分解図である。 給電エレメント15の投影が導電素子52に重複している窓ガラス100の正面図(車内視)である。 給電エレメント15の投影が導電素子52に重複していない窓ガラス100の正面図(車内視)である。 本発明の一実施形態であるガラスアンテナの断面図である。 導電素子51と52がオフセットしている本発明の他の実施形態であるガラスアンテナの断面図である。 ガラス板11と12に導電素子51,52を形成させ、対応する領域の中間膜14をくり抜いて誘電体層60を嵌め込んだ形態である。 ガラス板11と12に導電素子51,52を形成させ、中間膜14を誘電体層60として利用した形態である。 人工媒質をガラス板12に接着した状態で、ガラス板11とガラス板12と中間膜14とを積層した形態である。 給電素子が形成された誘電体基板32と人工媒質とが貼り合わされたアンテナモジュールをガラス板11に接着した形態である。 本発明の一実施形態であるガラスアンテナの透視図(車内視)である。 図6AのB−Bにおける断面図である。 導電素子51と52がオフセットしている本発明の他の実施形態であるガラスアンテナの透視図(車内視)である。 図7AのC−Cにおける断面図である。 従来のガラスアンテナの透視図(車内視)である。 図8AのD−Dにおける断面図である。 図6A,6Bの形態のガラスアンテナの指向性データである。 図7A,7Bの形態のガラスアンテナの指向性データである。 図8A,8Bの形態の従来のガラスアンテナの指向性データである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。なお、形態を説明するための図面において、方向について特に記載しない場合には図面上での方向をいうものとし、各図面の基準の方向は、記号、数字の方向に対応する。また、平行、直角などの方向は、本発明の効果を損なわない程度のズレを許容するものである。また、本発明は、例えば、車両の前部に取り付けられるフロントガラス、車両の後部に取り付けられるリヤガラス、車両の側部に取り付けられるサイドガラス等の窓ガラスに適用できる。
図2は、本発明の一実施形態である車両用の窓ガラス100の分解図である。窓ガラス100は、車外側に配置される第1のガラス板であるガラス板11と車内側に配置される第2のガラス板であるガラス板12とを中間膜14A、14Bを介して貼り合わされた合わせガラスである。図2は、窓ガラス100の構成要素を、ガラス板11(又は、ガラス板12)の表面の法線方向に分離して示している。
窓ガラス100は、ガラス板11と、ガラス板12と、中間膜14A、14Bと、人工媒質70と、給電素子17とを備えている。本発明の人工媒質とは、自然界に存在する物質では実現できない電磁波的な物性を、誘電体と導体との組み合わせにより得た材料をいう(請求項の媒質に相当する)。人工媒質70をガラス板11とで挟み込む誘電体として、ガラス板12を用いている。図2の場合、ガラス板11とガラス板12は同じ大きさであり、ガラス板11の外周縁(11a〜11d)とガラス板12の外周縁(12a〜12d)とは、ガラス板12とガラス板11とが積層する方向(以下、「積層方向」という)から見たときに形状が一致している。
人工媒質70は、ガラス板11とガラス板12との間に配置される。人工媒質70は、誘電体層60と、積層方向で誘電体層60を挟んで対向する導電素子51と導電素子52から構成された一対の導電層とを有している。図2には、一対の導電層を複数備える構成例として、2次元周期配列的に配置された9つの一対の導電層が示されている。各一対の導電層において、導電素子51は、ガラス板11と誘電体層60との間に配置され、導電素子52は、ガラス板12と誘電体層60との間に配置されている。
給電素子17は、ガラス板12のガラス板11側とは反対側(図2の場合、車内側)の面に配置される。給電素子17は、給電部16と、給電部16に接続される給電エレメント15とを備えている。給電素子17は、導電素子51よりも給電素子17に近い導電素子52と電磁結合する位置に配置される。給電素子17と電磁結合する導電素子52を備える一対の導電層は、一つでもよいし、二つ以上あってもよい。図2の場合、給電素子17は、給電エレメント15が3つの一対の導電層を構成している3つの導電素子52に電磁結合するように、給電素子17のガラス板11側への投影領域21がその3つの一対の導電層に重なる位置に配置されている。
給電部16は、ガラス板12のガラス板11側とは反対側の面に設けられた単極の電極である。単極とは、給電部が1つしかないことを示しており、接地側の給電部がガラス板11,12には設けられていない。すなわち、図2に例示される給電素子17は、モノポール型である。ただし、本発明は、モノポール型に限らず、ダイポール型にも適用できる。
本発明者は、このような構成を採用することにより、人工媒質70の導電素子51と導電素子52との間に形成された電磁界から、導電素子52と電磁結合する給電素子17によって電流を取り出すことができ、ガラスアンテナをアレイアンテナにしなくても、給電素子17から人工媒質70に向かう特定の方向でアンテナ利得が向上することを見出した。すなわち、車外側の特定方向のみのアンテナ利得を向上させることが可能となる。
その結果、電気自動車などで問題となる車内側で発生するノイズの受信感度よりも、車外側の特定方向のアンテナ利得を高めることができるので、車外側の通信相手との間で良好な通信品質が得られる。例えば、電子料金収受システム用通信装置等の路側通信装置との間で路車間通信する場合に好適である。
また、人工媒質70は合わせガラスに封入できるので、ガラスアンテナの実装性を高めることもできる。
次に、本発明の実施形態について、更に詳細に説明する。図2に示される窓ガラス100は、ガラス板11とガラス板12との間に人工媒質70が層状に配置される積層構造を有している。
人工媒質70を構成する導電素子51,52は、パッチ状の導体である。導電素子51,52の形状は、図2のような正方形に限らず、送受信する周波数帯や要求される性能に応じて寸法、形状など適宜変更される。例えば、長方形や菱形等の方形状でもよいし、円状でもよいし、三角形等の多角形状でもよい。
また、導電素子51,52は、銅等の導電性物質からなる、例えば、厚さ5μm〜50μm程度の箔状体によって形成されてもよく、また、銀ペースト等の、導電性金属を含有するペーストをプリントして形成されてもよい。なお、この形成方法に限定されず、銀、白金等の導電性金属を蒸着処理によって形成されてもよい。
誘電体層60は、好ましくは比誘電率が2〜50の基板である。例えば熱可塑性樹脂とフィラーとにより構成される。樹脂可塑性樹脂には、例えば、シンジオタクティックポリスチレン(SPS)(比重1.04)が使用される。また、フィラーには、たとえば、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)の粒子、またはチタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウム(BaTiO)の混合粒子が使用される。後者の場合、組成比は、例えば、3:7(SrTiO:BaTiO)である。熱可塑性樹脂とフィラーは混練機(またはミキサー)により混練され、高温に保持したプレス機を用いて加圧成形することにより誘電体層60が成形される。しかし、これに限定されず、所定の比誘電率を有する樹脂製またはセラミック製の基板であってもよい。なお、比誘電率は、より好ましくは4〜30であり、さらに好ましくは10〜20である。
ガラス板11と人工媒質70との間には、中間膜14Aが配置され、人工媒質70とガラス板12との間には、中間膜14Bが配置される。ガラス板11と人工媒質70は、中間膜14Aによって接合され、人工媒質70とガラス板12は、中間膜14Bによって接合される。中間膜14A,14Bは、例えば、熱可塑性のポリビニルブチラールである。中間膜14A,14Bの比誘電率εrは、合わせガラスの一般的な中間膜の比誘電率である2.8以上3.0以下が適用できる。
ガラス板11,12は、透明な板状の誘電体である。また、ガラス板11,12のいずれか一方が半透明でもよいし、ガラス板11,12の両方が半透明でもよい。
図3Aは、車体の窓開口部に取り付けられた窓ガラス100の正面図(車内視)である。41〜44は、車体の窓開口部を形成する車体フランジの端部である。給電部16は、積層方向から給電部16を投影したときの給電部16の投影領域が一対の導電層に重ならないように、車体フランジの端部41と一対の導電層との間の領域に位置している。しかしながら、給電部16は、積層方向から給電部16を投影したときの給電部16の投影領域が一対の導電層に重なる位置に配置されてもよい。
本発明に係る給電素子は、給電エレメント15が一対の導電層と電磁結合する位置に配置されていればよい。したがって、例えば図3Bに示されるように、積層方向から給電エレメント15を投影したときの給電エレメント15の投影領域が一対の導電層に重ならない位置にあってもよい。
図3Aの場合、給電エレメント15は、直線状に形成されている。しかしながら、本発明に係る給電エレメントは、所定の通信周波数帯で一対の導電層と電磁結合して電流を取り出せる限り、図示の形態(形状、寸法など)に限られない。給電エレメントの形状の具体例として、ループ状、L字状、格子状などが挙げられる。なお、給電エレメント自体もアンテナとして機能してよい。
また、給電素子17及び一対の導電層のガラス板上の配置位置は、所望の周波数帯の電波の送受に適した位置であれば、特に限定されない。例えば、図3A,3Bの場合、本態様のアンテナは、車両用窓ガラスの取り付け部位である車体フランジのルーフ側の近傍に配置されている。本発明のアンテナは、車体フランジのような金属が近接していてもアンテナ利得にほとんど影響しないので、アンテナ設計の自由度が高い。よって、ピラー側の車体フランジの端部42又は44に近づくように、図3A,3Bに示す位置から右方又は左方に移動した位置に配置されてもよい。また、シャーシー側の車体フランジの端部43の近傍に配置されてもよい。
図3Aの場合、給電エレメント15の長手方向は、車体フランジの端部41又は43の辺に直交する方向に一致する。しかしながら、給電エレメント15の長手方向は、車体フランジの端部(又は、導電膜13の外縁)の辺に対して必ずしも直交していなくてもよく、その辺に対する給電エレメント15の長手方向の角度が、5°以上90°未満であってもよい。
車両に対する窓ガラスの取り付け角度は、マッチング容易性及び放射効率向上の点で、水平面(地平面)に対し、15〜90°、特には、30〜90°が好ましい。
給電部16は、外部の信号処理装置(例えば、車載アンプ)の信号経路に所定の導電性部材を介して電気的に接続される。この導電性部材として、例えば、AV線や同軸ケーブルなどの給電線が用いられる。AV線を用いる場合には給電部16に電気的に接続する。同軸ケーブルを用いる場合には、同軸ケーブルの内部導体を給電部16に電気的に接続し、同軸ケーブルの外部導体を車体にアース接続すればよい。また、信号処理装置に接続されている導線等の導電性部材を給電部16に電気的に接続するためのコネクタを、給電部16に実装する構成を採用してもよい。このようなコネクタによって、AV線や同軸ケーブルの内部導体を給電部16に取り付けることが容易になる。また、給電部16に突起状の導電性部材を設置し、窓ガラス100が取り付けられる車体のフランジにその突起状の導電性部材が接触、嵌合するような構成としてもよい。
給電部16の形状は、上記の導電性部材又はコネクタの実装面の形状等を考慮して決めるとよい。例えば、正方形、略正方形、長方形、略長方形などの方形状や多角形状が実装上好ましい。なお、円、略円、楕円、略楕円などの円状でもよい。
また、給電素子17(給電部16及び給電エレメント15)は、銀ペースト等の、導電性金属を含有するペーストを、例えばガラス板12の車内側表面にプリントし、焼付けて形成される。しかし、この形成方法に限定されず、銅等の導電性物質からなる、線状体又は箔状体を、ガラス板12の車内側表面に形成してもよく、ガラス板12に接着剤等により貼付してもよい。
また、給電部16を車外側から見えなくするために、給電部16と(図3A,3Bにおいて、紙面奥側の)ガラス板11との間に、ガラス板の面に形成される隠蔽膜を設けてもよい。隠蔽膜は黒色セラミックス膜等の焼成体であるセラミックスが挙げられる。この場合、窓ガラスの車外側から見ると、隠蔽膜により隠蔽膜上に設けられている給電部16の部分が車外から見えなくなり、デザインの優れた窓ガラスとなる。さらに、本発明のアンテナは、車体フランジの端部41に近接させて配置すること可能であるため、ガラス板の外周縁に沿って形成された隠蔽膜の領域内に給電素子17及び人工媒質70の全部又は大部分を配置させることが外観を向上させる点で、好適である。
図4Aは、図3Aに示したA−Aにおける窓ガラス100の断面図である。45は、車体から窓開口部に向かって内側に折れ曲がって窓ガラス100を設置するために形成された車体フランジである。ガラス板11とガラス板12で構成される合わせガラスは、接着剤46(又は、パッキン)によって車体フランジ45に固定される。
また、導電素子51と導電素子52との位置関係を変化させることで、ガラス板の法線方向以外の方向のアンテナ利得を向上させ、容易に指向性を制御できる。図4Bに示されるように、導電素子51は、導電素子52と対向する方向に対して直角な方向にオフセットさせる。このように構成することで、後述の実施例で示されるように、ガラス板11の法線方向以外の特定の方向のアンテナ利得を向上できることを見出した。すなわち、ガラス板11の法線方向(一点鎖線の方向)に対して角度θ傾いた方向のアンテナ利得を向上させることができる。
図4Bの場合、導電素子51は、車体フランジ45のルーフ側の端部41から離れる方向に、導電素子52に対してオフセットしている。このようにオフセットすることで、ガラスアンテナの指向性(全方向のうちアンテナ利得の一番高い方向)を、ガラス板11の法線方向に対して、端部41から離れる方向に傾けることができる。
その結果、アンテナ利得の高い方向を通信相手の存在する方向に合うように調整することで、その通信相手との間で良好な通信品質が得られる。例えば、先行車両等の周辺車両との間で車車間通信する場合や、電子料金収受システム用通信装置等の路側通信装置との間で路車間通信する場合に好適である。
図5A−5Dは、図4A,4Bと同様に、本発明に係る窓ガラスが有する積層形態のバリエーションを示した断面図である。図4A,4B,5A,5Bの場合、ガラス板11とガラス板12の間に、誘電体層を挟んで対向する導電素子51,52を有する媒質と、中間膜とが配置されている。
図4A,4Bは、ガラス板11のガラス板12との対向面に接した中間膜14Aとガラス板12のガラス板11との対向面に接する中間膜14Bとの間に、誘電体層60を挟んで対向する導電素子51,52から構成された人工媒質が挟まれた形態である。
図5A,5Bは、ガラス板11のガラス板12との対向面に、導体素子51が蒸着処理されることによって、ガラス板12の表面に導体素子51がコーティングされた形態である。導体素子52についても同様にガラス板12の表面に形成される。また、導電素子51をガラス板11に埋め込み、導電素子52をガラス板12に埋め込んでもよい。図5Aは、中間膜14の人工媒質を配置する領域をくり抜いて誘電体層60を嵌め込んで、ガラス板11とガラス板12とで積層されており、導電素子51,52が形成された領域には中間膜14ではなく誘電体層60が積層されて人工媒質が構成された形態である。図5Bは、中間膜14そのものを誘電体層60として利用することによって人工媒質が構成された形態である。
図5Cは、導電素子51,52と誘電体層60から構成された人工媒質をガラス板12に接着剤38によって接着した状態で、ガラス板11とガラス板12と中間膜14とを積層した形態である。人工媒質はガラス板11に接着させてもよい。
また、本発明に係る窓ガラスは、合わせガラスでなくてもよい。例えば、図5Dに示されるように、給電部16と給電エレメント15を形成できる程度の大きさの誘電体基板を、ガラス板11に組み合わせたものでもよい。
図5Dは、導電素子51,52と誘電体層60から構成された人工媒質に、給電部16と給電エレメント15が形成された誘電体基板32を、接着層39を介して貼り合わされたアンテナモジュールを作成し、アンテナモジュールを接着剤38によってガラス板11に接着して構成された形態である。
誘電体基板32は、例えば樹脂製の基板である。具体例として、給電部16と給電エレメント15がプリントされた樹脂製のプリント基板(例えば、FR4に銅箔を取り付けたガラスエポキシ基板)が挙げられる。
給電素子が形成されたガラス板に人工媒質を組み合わせて構成された本発明に係るガラスアンテナを、コンピュータ上で数値計算を行って、従来のガラスアンテナと比較した。図6A,6Bは、導電素子51と52がオフセットしていない形態の本発明に係るガラスアンテナである。図7A,7Bは、導電素子51が導電素子52に対してY方向にオフセットしている形態の本発明に係るガラスアンテナである。図8A,8Bは,人工媒質の無い従来のガラスアンテナである。各図において、参照符号18は、車体のフランジを想定したグランドプレーンである。給電点は、給電素子17のグランドプレーン18側の端点である。また、数値計算上、簡単化のため、車外側のガラス板と中間膜は省略している。また、誘電体層60を挟んで対向する一対の導電層を構成する導電素子51,52は、全て同一形状の正方形のパッチ状導体とした。隣接する導電素子間のX方向及びY方向の距離G2は、全て同一寸法とした。また、図7Bにおいて、各導電素子51のオフセット量G4は、全て同一である。
各図において、各部の寸法は、単位をmmとすると、
L1:69
L2:50
L3:70
W1:2
W2:50
W3:140
G1:1
G2:5
G3:5
G4:5
T1:3
T2:2
給電素子17の厚さ:0.01
グランドプレーン18の厚さ:0.01
導電素子51の厚さ:0.01
導電素子52の厚さ:0.01
とした。また、ガラス板12の比誘電率を7、誘電体層60の比誘電率を16とした。
図9〜11は、YZ平面における周波数700MHzについての指向性のシミュレーション結果を示す。図9は、図6A,6Bの形態の本発明に係るガラスアンテナの指向性データである。図10は、図7A,7Bの形態の本発明に係るガラスアンテナの指向性データである。図11は、図8A,8Bの形態の従来のガラスアンテナの指向性データである。
各図において、Z方向は、ガラス板12の法線方向を表す。Z方向の正側が、車内側に相当し、Z方向の負側が、車外側に相当する。また、Y方向は、ガラス板12の法線方向に直角な方向であって、直線状の給電素子17の延伸方向を表す。Y方向の正側が、車体のルーフから離れる向き(給電点から離れる向き)に相当する。
図8A,8Bの形態の従来のガラスアンテナは、図11に示すように、車内側と車外側に同一のアンテナ利得が得られる結果となっている。それに対して図6A,6Bの形態のガラスアンテナは、図9から明らかなように、ガラス板12に人工媒質を設けることにより、車内側のアンテナ利得に対して車外側のアンテナ利得を向上させることができる。また、図7A,7Bの形態のガラスアンテナは、図10から明らかなように、導電素子51を導電素子52に対してオフセットすることにより、アンテナ利得が一番高い方向を、ガラス板12の法線方向に対して導電素子51を導電素子52に対してオフセットした方向にチルトできる。図10の結果では、アンテナ利得が一番高い方向がガラス板12の法線方向に対して28°チルトされ、その方向のアンテナ利得が2.5dB向上した。
1 フロントガラス
5 アンテナ導体
6,7 法線方向
11 車外側ガラス板
11a〜11d 車外側ガラス板の外周縁
12 車内側ガラス板
12a〜12d 車内側ガラス板の外周縁
14,14A,14B 中間膜
15 給電エレメント
16 給電部
17 給電素子
18 グランドプレーン
21 投影領域
32 誘電体基板
38 接着剤
39 接着層
41 ルーフ側の車体フランジの端部
42,44 ピラー側の車体フランジの端部
43 シャーシー側の車体フランジの端部
45 車体フランジ
51,52 導電素子
60 誘電体層
70 人工媒質
100 窓ガラス

Claims (6)

  1. 車両に取り付けられるガラス板に設けられるガラスアンテナであって、
    誘電体と、前記ガラス板と前記誘電体との間に配置される媒質と、前記誘電体の前記媒質側とは反対側に配置される給電素子とを備え、
    前記媒質は、誘電体層と、該誘電体層を挟んで対向する第1の導電素子と第2の導電素子から構成された一対の導電層とを有し、
    前記給電素子は、前記第1の導電素子と前記第2の導電素子のうち前記給電素子に近い方と電磁結合する位置に配置される、ことを特徴とする、ガラスアンテナ。
  2. 前記給電素子は、該給電素子を前記ガラス板側に投影すると前記一対の導電層に重なる位置に配置される、請求項1に記載のガラスアンテナ。
  3. 前記第1の導電素子は、前記第2の導電素子と対向する方向に対して直角な方向にオフセットして配置された、請求項1又は2に記載のガラスアンテナ。
  4. 前記一対の導電層を複数備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のガラスアンテナ。
  5. 前記誘電体は、前記ガラス板と異なる他のガラス板であり、前記ガラス板と前記他の板ガラスとの間に中間膜を備える請求項1から4のいずれか一項に記載のガラスアンテナ。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載のガラスアンテナが設けられた窓ガラス。
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