JP2008228227A

JP2008228227A - アンテナ

Info

Publication number: JP2008228227A
Application number: JP2007067561A
Authority: JP
Inventors: Ken Takahashi; 高橋　　研; Tomoyuki Ogawa; 智之小川; Hajime Shinohara; 肇篠原; Kenji Kono; 健二河野
Original assignee: INST OF FUNCTIONAL MATERIALS S; INSTITUTE OF FUNCTIONAL MATERIALS SCIENCE Inc; Tohoku University NUC; Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: INST OF FUNCTIONAL MATERIALS S; INSTITUTE OF FUNCTIONAL MATERIALS SCIENCE Inc; Tohoku University NUC; Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】高い周波数領域においても、異方性のない良好な透磁率特性を得ることができる小型化に好適なアンテナを提供する。
【解決手段】電磁界結合調整体２０としてナノ複合磁性誘電材料を用いる。ナノ複合磁性誘電材料は、有機マトリックス２０Ａ中に磁性ナノ粒子２０Ｂを分散させた構造となっており、超常磁性を示す材料である。この材料は、磁性ナノ粒子２０Ｂの粒径や、有機マトリックス２０Ａに対する充填量を制御することで、ＧＨｚの帯域まで良好な透磁率を維持することができる。また、超常磁性状態であることから、本質的に低損失であり、かつ等方的な特性を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話などの無線通信機器用のアンテナに関し、特にその小型化を図るための改良に関する。

携帯電話などの無線通信を行う電子機器においては、更なる小型化が要求されており、アンテナについても同様である。アンテナの小型化を図るため、従来は、アンテナ素子の形状や構成の改良，誘電材料の適用などが行われたが、誘電材料のみを用いたアンテナの小型化には限界があり、更なる小型化のためには、誘電材料以外の材料の利用が必要となっている。

従来のアンテナの小型化を図るためのアプローチとしては、以下のような手法がある。
(1)電磁界結合を調整する誘電体をアンテナ素子に並置させる、もしくは基体とする。
(2)電磁界結合を調整する磁性材料をアンテナ素子に並置させる、もしくは基体とする。
(3)電磁界結合を調整する磁性薄膜材料をアンテナ素子に並置させる。

まず、前記(1)の手法に関する従来技術としては、例えば、下記特許文献１に開示された「アンテナ，アンテナ用誘電体及び無線通信カード」がある。前記(2)の手法に関する従来技術としては、例えば、下記特許文献２に記載された「アンテナ用チップコイルおよびチップコイル型アンテナ」がある。前記(3)の手法に関する従来技術としては、例えば、下記特許文献３に記載された「高周波用電流抑制体を用いたアンテナ」がある。
国際公開ＷＯ２００４／０４９５０５公報特開２００５−９４７４８公報特開２００１−２８４９４７公報

しかしながら、以上のような従来技術では、次のような不都合がある。まず、前記特許文献１記載の従来技術では、アンテナを十分に小型化することができない。次に、前記特許文献２記載の従来技術は、六方晶系フェライト材料を使用しているが、これは、スピネル系のフェライト材料に比べると高周波領域まで透磁率を維持できるものの、それでも、現在適用を考えている周波数領域（数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）では十分な透磁率を確保することができない。また、損失成分であるｔａｎδも大きくなってしまうという不都合があり、十分なアンテナの小型化には至っていない。

次に、前記特許文献３の従来技術は、グラニュラー磁性膜を使用している。薄膜系の磁性材料の場合、比較的高い透磁率を確保することができ、磁気的な異方性を付加することによって高い周波数領域まで特性を維持することができるという利点がある。しかしながら、前記異方性の付加によって、材料特性，すなわち透磁率にも異方性が生じてしまい、２次元的もしくは３次元的に等方的な特性を得ることができない。また、金属系材料を用いた膜の場合、絶縁性を確保するのが困難という課題もある。

加えて、最近の携帯電話は、通常の無線による音声通話のみならず、ワイヤレスＬＡＮやBluetoothなどの無線通信機能も備えるようになっており、多機能化も進んでいる。このため、各種の無線通信に対応することができる小型のアンテナが要望されている。

一方、高周波帯域において高い透磁率を得ることができる材料として、下記特許文献４に記載された磁性ナノ粒子（鉄超微粒子）があり、その応用が検討されている。
特開２００６−３４２３９９公報

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、高い周波数領域においても、異方性のない良好な透磁率を得ることができる小型化に好適なアンテナを提供することである。

前記目的を達成するため、本発明は、アンテナ素子に電磁界結合調整体を設けたアンテナであって、前記電磁界結合調整体として、超常磁性を示す磁性ナノ粒子を非磁性のマトリックス中に分散させたナノ複合磁性誘電材料を用いたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記磁性ナノ粒子として、金属系もしくは酸化物系の磁性体を使用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、電磁界結合調整体としてナノ複合磁性誘電材料を使用することとしたので、波長短縮，低損失，等方性といった特性に基づいて、高周波数領域においても異方性のない良好な透磁率を得ることができ、アンテナの小型化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１を参照しながら、本発明の基本構成を示す実施例１について説明する。本例は、携帯電話などの内蔵アンテナとしては一般的な平板逆Ｆアンテナの例である。図１(A)は本実施例のアンテナの斜視図，同図(B)は平面図，同図(C)は側面図である。これらの図において、アンテナ１０は、例えば携帯電話の金属筐体１２に、アンテナ素子としての金属平板１４を適宜の間隔を置いて対向配置するとともに、両者を短絡ピン１６，１８で接合した構造となっている。金属平板１４の背面，すなわち金属筐体側には、電磁界結合調整体２０が形成されている。

前記電磁界結合調整体２０としては、図１(D)に拡大して示すようなナノ複合磁性誘電材料が用いられる。ナノ複合磁性誘電材料は、有機マトリックス２０Ａ中に磁性ナノ粒子２０Ｂを分散させた構造となっており、超常磁性を示す材料である。この材料は、磁性ナノ粒子２０Ｂの粒径や、有機マトリックス２０Ａに対する充填量を制御することによって、透磁率の周波数特性を制御でき、ＧＨｚの帯域まで良好な透磁率特性を維持することができる。また、超常磁性状態を使用することから、本質的に低損失であり、かつ等方的な特性を示す。

ナノ複合磁性誘電材料の一例を示すと、有機マトリックス２０Ａとしては、例えばポリテトラフルオロエチレンを用い、磁性ナノ粒子２０Ｂとしては、例えば超常磁性を示すマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を用いる。このナノ粒子は、熱分解法又は還元法を用いて作製する。例えば、粒径が９．５ｎｍ，粒径分散は２０％以下とする。

次に、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子が分散したトルエン溶液中に、粉末状のポリテトラフルオロエチレンを混入する。ここで、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子とポリテトラフルオロエチレンの体積比率を変化させることによって、ナノ複合磁性誘電材料の特性を制御できる。例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子：ポリテトラフルオロエチレン＝３：７とする。このようにして得た溶液を高温状態に保ち、攪拌しながらトルエンを蒸発させることによって固形物が得られる。そして、その後に圧縮成形を行って、ナノ複合磁性誘電材料を得る。

なお、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子の粒径を大きくすると、磁気的な性質は強磁性となる。別言すれば、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子の粒径を、強磁性の状態から減じていくと、やがて超常磁性を示すようになる。この径の大きさがナノオーダーの大きさであり、これをナノ粒子と称している。

このようにして作製したナノ複合磁性誘電材料の透磁率の周波数特性を測定したところ、約２の実数透磁率が得られ、その値は共鳴周波数である８ＧＨｚ近傍までほぼ一定であった。また、透磁率の虚数成分も共鳴周波数近傍まで小さく抑えられ、その結果高周波領域まで低損失（低tanδ）化が達成された。

上述したように、有機マトリックス２０Ａに対する磁性ナノ粒子２０Ｂの体積充填率によって透磁率特性を制御することができるが、体積充填率は、５％以上６０％未満が好ましい。体積充填率が５％以下の場合は、十分な透磁率が確保できなくなる。一方、体積充填率が６０％以上の場合は、高周波領域での透磁率特性を確保できなくなる。以上のようなナノ複合磁性誘電材料によって形成された電磁界結合調整体２０上に金属平板１４がメッキや印刷などの方法で形成・接合される。

このようにして得たアンテナ１０につき、そのアンテナ特性を測定した結果、波長短縮効果が確認された。これは、上述したナノ複合磁性誘電材料の透磁率が影響しており、電波の電界分布のみならず磁界分布も影響しているものと考えられる。加えて、ナノ複合磁性誘電材料の低損失性により、損失特性の悪化を伴うことなくアンテナの小型化ができ、ナノ複合磁性誘電材料の等方性によっても効率よくアンテナを小型化できる。

そこで、アンテナの小型化について検討を行ったところ、数百ＭＨｚ以上の設計周波数で、ナノ複合磁性誘電材料を配置しない場合と比べて、アンテナの体積を５０％程度まで低減できることが分かった。

以上のように、本実施例によれば、ナノ複合磁性誘電材料による波長短縮，低損失，等方性といった特性を利用することで、高い周波数領域においても、異方性のない良好な透磁率を得ることができ、アンテナの小型化を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料や形状は一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更可能である。例えば、前記実施例では、金属平板１４の背面に電磁界結合調整体２０を設けたが、図２(A)〜(C)に示すように電磁界結合調整体２０を設けてもよい。図２(A)に示すアンテナ３０は、金属筐体１２と金属平板１４との間の空間を電磁界結合調整体３２で満たした例である。図２(B)に示すアンテナ４０は、前記図２(A)に加えて、金属平板１４及び短絡ピン１６，１８の全体を電磁界結合調整体４２で覆った例である。図２(C)に示すアンテナ５０は、前記図１の実施例に加えて、金属平板１４及び短絡ピン１６，１８の露出部分を電磁界結合調整体５２で覆った例である。更に、電磁界結合調整体２０の厚さも適宜設定してよい。これらは、適用する電波の周波数などによって最適となるように設計する。
(2)前記実施例では、電磁界結合調整体２０を構成するナノ複合磁性誘電材料に含まれる磁性ナノ粒子として、Ｆｅ_３Ｏ_４を用いたが、他の材料として、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉとその他の元素を含む多元系合金材料が好適である。例えば、Ｆｅ，ＦｅＳｉＡｌ，ＦｅＡｌＯ，ＦｅＮ，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＢ，ＦｅＣｏＡｌＯ，ＦｅＣｏＳｉ，ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉＦｅなどの磁性ナノ粒子を利用してもよい。
(3)前記実施例は、本発明を平板逆Ｆアンテナに適用した例であるが、各種のアンテナに適用してよい。例えば、パッチアンテナ、ヘリカルアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、スリーブアンテナ、スロットアンテナ、ノッチアンテナ、ループアンテナ等がある。図２(D)はパッチアンテナ６０の例で、グランド６２と放射エレメント６４との間に、電磁界結合調整体６６が挟まれた構造となっている。

本発明によれば、ナノ複合磁性誘電材料を使用することで、高い周波数領域においても異方性のない良好な透磁率を得ることができ、アンテナの小型化を図ることができるので、携帯電話やワイヤレスＬＡＮなどのアンテナとして好適である。

本発明のアンテナの実施例を示す図である。(A)は斜視図，(B)は平面図，(C)は側面図，(D)は主要部の拡大図である。他の実施例を示す図である。(A)〜(C)は前記実施例の変形例，(D)はパッチアンテナの例である。

符号の説明

１０，３０，４０，５０，６０：アンテナ
１２：金属筐体
１４：金属平板
１６，１８：短絡ピン
２０：電磁界結合調整体
２０Ａ：有機マトリックス
２０Ｂ：磁性ナノ粒子
３２，４２，５２，６６：電磁界結合調整体
６２：グランド
６４：放射エレメント

Claims

アンテナ素子に電磁界結合調整体を設けたアンテナであって、
前記電磁界結合調整体として、超常磁性を示す磁性ナノ粒子を非磁性のマトリックス中に分散させたナノ複合磁性誘電材料を用いたことを特徴とするアンテナ。
前記磁性ナノ粒子として、金属系もしくは酸化物系の磁性体を使用したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ。