JP2008547306A - 導電性インクを用いるアンテナ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含むアンテナが開示される。本発明の一実施形態におけるアンテナ放射体は、アンテナの使用周波数に対する浸透深さと同じ厚さで形成され、アンテナの利得が低下しないながらも少量の導電性インクでアンテナを製造することができる。また、本発明の他の実施形態におけるアンテナ放射体は、所定の周波数に対するホットスポットにおける該当周波数に対する浸透深さと同じ厚さで形成され、アンテナの利得を保持しながらも導電性インクの使用量を一層減らすことができる。
Description
本発明は、無線通信用アンテナに係り、特に、導電性インクによりアンテナ放射体が形成され、アンテナの使用周波数により放射体の厚さが決定される無線通信用アンテナに関する。
一般に、無線通信用アンテナは、給電部及び接地部を有し、これらを介して端末機の内部のRF回路と接続されるアンテナ放射体、及びアンテナ放射体を支持する基材を含む。
アンテナ放射体は、導電体からなり、所定の電気的長さを有することにより、目的周波数で共振して電磁波を放射及び/または受信するように構成され、放射体として機能する。アンテナ放射体は、その形成位置及び許容空間によってメアンダー形(meander type)、 ヘリカル形(helical type)、長方形、円形などの多様な形状を有する。基材はアンテナ放射体を支持する形状を有する一方、電磁波の有効波長を減少させてアンテナ放射体の電気的長さを減少できるように誘電体からなる。
一方、近年、通信端末の小型化及び軽量化傾向に伴い、内蔵型アンテナの使用が高まっている。図1は、従来の内蔵型アンテナを示す図である。従来の内蔵型アンテナは基板110及び基板上に形成された導電性のアンテナ放射体120を含む放射体部100、放射体部100を支持する基材部200、及びアンテナ放射体120とRF回路(図示せず)を接続する端子部300を含む。端子部300は端子ホール220を介して基材部200と結合し、放射体部100は接続突起230によって基材部200と結合する。このように結合した場合、アンテナ放射体120の接続部130と端子部300が接続され、端子部はRF回路と接続されてアンテナが動作する。
このような従来の内蔵型アンテナにおいて、アンテナ放射体120は、基板110上に導電体を蒸着して形成されることが一般的である。しかしながら、蒸着工程によって放射体120を形成することは、作業もわずらわしく、かつコストが高くなるという問題点があった。
これを改善するために、基板110上に導電性インクを印刷してアンテナ放射体120を形成する方法が提案された。導電性インクは、銀(Ag)などの微細な導体粒子を含み、導電性を有するので、基板110上に印刷されて放射体として機能することができる。このような導電性インクをシルク印刷などの方法で基板110上に所定形状に印刷することにより、アンテナ放射体120を形成することができる。導電性インクを用いてアンテナ放射体120を形成する場合、その印刷工程が極めて簡単で生産性向上を図り、各種形状の放射体を形成することができる。
しかし、導電性インクを用いてアンテナ放射体を形成した場合、アンテナの利得が低下するという問題点があった。また、導電性インクは非常に高価なものなのでアンテナの製造コストが高くなるという問題点があった。
したがって、導電性インクを用いることにより、アンテナの製造工程を簡素化し、高い設計自由度を実現し、しかも良好な利得を有し、製造コストの低減を図るアンテナ及びその製造方法が切望されている。
本発明は、良好な利得を有する導電性インクを用いたアンテナ及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、製造コストが安価である導電性インクを用いたアンテナ及びその製造方法を提供することを目的とする。
一般に、電磁波が導体中を伝播する際に、電磁波は下記式で与えられる減衰定数(attenuation constant)αで減衰される。
ここで、fは周波数、μは導体の透磁率(permeability)、σは導体の導電率(conductivity)を示す。
したがって、導体における電磁波は、下記式で与えられる浸透深さ(skin depth)δ以上のところでは1/e に減衰されて実質的に消滅し、それによる電流は浸透深さδ内に制限される。これを表皮効果(skin effect)と呼ぶ。
上記式2に示すように、電磁波の周波数が高くなるほど浸透深さは減少し、電磁波の周波数が低くなるほど浸透深さは増加する。例えば、銅の浸透深さは、3MHzで0.0038mmとなるが、10GHzでは0.66μmとなる。
本発明の発明者らはこれに着目して研究した結果、従来の導電性インクを用いたアンテナは、表皮効果と関連した電流損失によって利得の低下が発生することを発見した。具体的に、浸透深さがアンテナ放射体の厚さよりも大きい場合には、電磁波の一部が基板によって遮られて損失が発生する。図2を参照すると、電流(Ip及びIa)は浸透深さδ内で流れる。しかし、放射体の厚さhが浸透深さδよりも小さい場合、厚さhを超過する部分の電流Iaは導体放射体120ではない基板110を通して流れ、結果として、電流Iaの一部は伝播せずに損失となる。このため、アンテナの利得が減少し、特性が低下する問題が発生する。
逆に、放射体120の厚さが浸透深さより大きい場合、電流の損失もなくアンテナ利得の減少もない。しかしながら、浸透深さ以上の放射体120部分はアンテナ特性にほとんど影響を及ぼさない。そこで、本発明の発明者らは、放射体120の厚さをアンテナの使用周波数に対応する浸透深さで設定することにより、アンテナの性能を保持しながらも使用導電性インクの量を減らすことができ、これによりアンテナの製造コストを低減することができることを見出した。
本発明は、このような発見に基づいたものであり、本発明の一実施形態によれば、基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナにおいて、前記放射体の厚さが、前記アンテナの共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナが提供される。
好ましくは、前記アンテナは、2以上の共振周波数を有し、前記浸透深さは、前記共振周波数のうち最低共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである。
また、好ましくは、前記共振周波数は、824〜894MHzの範囲に存在する。
一方、好ましくは、前記導電性インクは、65〜70 重量%の銀粒子を含む。
本発明の他の実施形態によれば、基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナにおいて、前記放射体において前記アンテナの共振周波数に対するホットスポット(hot spot)での前記放射体の厚さが、前記共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナが提供される。
好ましくは、前記アンテナは2以上の共振周波数を有し、前記浸透深さは前記共振周波数のち最低共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである。
また、好ましくは、前記ホットスポット以外での前記放射体の厚さは、前記共振周波数のうち最高共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である。
また、好ましくは、前記共振周波数は、824〜894MHzの範囲に存在する。
一方、好ましくは、前記導電性インクは、65〜70 重量%の銀粒子を含む。
本発明のさらなる他の実施形態によれば、基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含み、2以上の共振周波数を有する無線通信用アンテナにおいて、前記放射体において前記共振周波数のそれぞれに対するホットスポット(hot spot)における前記放射体の厚さが、前記共振周波数のそれぞれに対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナが提供される。
好ましくは、前記導電性インクは、65〜70 重量%の銀粒子を含む。
本発明のさらなる他の実施形態によれば、基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナを製造する方法において、前記基板上に前記アンテナ放射体の形状に第1厚さで前記導電性インクを印刷するステップと、前記アンテナ放射体において第1周波数に対する第1ホットスポットに第2厚さで前記導電性インクを印刷するステップであって、前記第2厚さは、前記第1ホットスポットでの前記放射体の厚さが実質的に前記第1周波数に対する前記放射体の浸透深さとなるようにする厚さであるステップ、を含む、無線通信用アンテナの製造方法が提供される。
好ましくは、前記第1周波数は、前記アンテナの共振周波数のうち最低共振周波数である。
また、好ましくは、前記第1厚さは、実質的に前記アンテナの共振周波数のうち最高共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである。
一方、好ましくは、前記アンテナ放射体において第2周波数に対する第2ホットスポットに第3厚さで前記導電性インクを印刷するステップであって、前記第3厚さは、前記第2ホットスポットでの前記放射体の厚さが実質的に前記第2周波数に対する前記放射体の浸透深さとなるようにする厚さであるステップをさらに含む。
本発明によれば、導電性インクを用いて、アンテナにおける電流の損失を防止して良好な利得を有するアンテナを単純な工程で製造することができる。
また、本発明によれば、アンテナの性能に影響を与えず、高価の導電性インクの印刷量を最小化してアンテナを低コストで製造することができる。
以下、添付図を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。図3は、本発明の第1実施形態による単一帯域アンテナを示す上面図であり、図4は、図3のアンテナのA−A’線による断面図である。図3に示すように、本実施形態のアンテナは、基板10上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体12を含み、アンテナ放射体12には接地部14及び給電部16が形成されている。
アンテナ放射体12の形成に用いられる導電性インクは、公知のものを用いることができるが、好ましくは65〜70重量%の銀(Ag)と30〜35重量%の添加剤の配合物を用いる。添加剤は、樹脂、乾燥剤及び分散制の混合物であり得る。樹脂は、銀(Ag)と酸素の直接的な接触を防いで腐食を防止する役割を果たし、乾燥剤は、インクの乾燥を促進してアンテナ製造時間を短縮させ、分散制は、銀粒子の分散性を高める。
一方、印刷を容易に行うために導電性インクの粘度は、20000〜24000cpsにすることが好ましい。また、銀(Ag)粒子を様々なサイズに微細化し、板状に形成することにより、粒子間の相互連結性を向上させることができる。
図4を参照すると、アンテナ放射体12の厚さhは、実質的にアンテナの使用周波数における放射体12の浸透深さδであり得る。本実施形態のアンテナは、単一帯域アンテナであることから、アンテナの使用周波数で単一の共振周波数を有するように設計する。したがって、厚さhを使用周波数に対する浸透深さδとする場合、アンテナ放射体12に沿って伝達される電磁波は、実質的に損失せずに伝達できる。その結果、アンテナの利得低下が防止される。
また、上述のように、厚さhを浸透深さδよりも大きくしてもアンテナ特性には影響を与えないので、放射体12の厚さhを浸透深さδと同一にすることにより、放射体12形成に用いられる導電性インクの量を最小化することができる。その結果、高価の導電性インクの必要最小量のみを用い、アンテナの製造コストを低減することができる。また、本実施形態のアンテナは、1回の印刷で形成できることから、製造工程が簡単で生産性を向上させることができる。
図5は、本発明の第2実施形態による二重帯域アンテナを示す上面図であり、図6は、図5のアンテナのB−B’線による断面図である。本実施形態のアンテナは、基板10上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体18を含む。また、アンテナ放射体18には接地部20及び給電部22が形成される。アンテナ放射体18は、上述の実施形態と同じ導電性インクの印刷によって形成できる。一方、本実施形態のアンテナ放射体18は、E字型に印刷されて二重帯域特性を示す。放射体18の形状は、E字型に制限されず、アンテナの使用周波数帯域及び多重帯域特性により、メアンダー形、長方形、三角形、円形など種々の形状を有することができ、当業者であれば容易に認識できるであろう。
図6を参照すると、アンテナ放射体18は、浸透深さδと実質的に同じ厚さhを有することができる。本実施形態のアンテナは、二重帯域アンテナであって、低周波帯域の共振周波数fL及び高周波帯域の共振周波数fHの2個の共振周波数を有する。上述したように浸透深さは低周波に対してより大きいので、表皮効果による損失は低周波に対してより大きい。このため、放射体18の厚さhは、下記式で与えられる低周波共振周波数fLに対する放射体18の浸透深さδLで設定できる。
この場合、高周波数の電磁波だけでなく低周波数の電磁波に対しても損失が発生せず、アンテナの利得低下を防止することができる。
また、浸透深さδLは、高周波及び低周波電磁波の両方に対して良好なアンテナ特性を確保するための最小厚さであるので、放射体18の厚さを浸透深さδLですることにより、アンテナの特性を保持しながらも放射体18の形成に必要な導電性インクの量を最小化することができ、アンテナ製造コストを低減することができる。このように、導電性インクの印刷を用い、低周波共振周波数に対する浸透深さでアンテナ放射体18を形成することにより、最低コストで1回の印刷工程で良好な利得を有するアンテナを製造することが可能である。
第2実施形態の原理は、二重帯域アンテナのみならず三重帯域以上のアンテナにも適用することができる。アンテナ放射体の厚さを数個の共振周波数のうち最低の共振周波数に対する浸透深さとすることにより、1回の印刷工程で良好な利得を有する三重帯域以上のアンテナを低コストで製造することができる。この場合、メアンダーライン(meander line)、スロット付きパッチ型などの各種形状の放射体18を形成して三重帯域以上の多重帯域特性を得ることができ、このような変形は当業者が容易に認識できる範囲のものである。
図7は、本発明の第3実施形態による二重帯域アンテナを示す上面図であり、図8は、図7のアンテナのC−C’線による断面図である。本実施形態のアンテナは、基板10上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体18を含む。また、アンテナ放射体18には接地部20及び給電部22が形成される。アンテナ放射体18は、前述の実施形態と同じ導電性インクの印刷によって形成できる。本実施形態のアンテナ放射体18は、E字型に形成されて二重帯域特性を有する。放射体18の形状は、E字型に限定されず、アンテナの使用周波数帯域及び多重帯域特性により、メアンダー形、長方形、三角形、円形など多様な形状を有することができ、当業者であれば容易に認識できるであろう。
一般に、二重帯域アンテナは2個の共振周波数を有し、アンテナ放射体18では2種の周波数の電磁波が放射/受信される。このとき、それぞれの周波数により、放射体18上の相異なる位置で電磁波(すなわち、それによる電流)の大きさは最大値を示し、その位置はアンテナの形態及び周波数によって決定される。このように電流が最大値をとる個所を本明細書で「ホットスポット(hot spot)」と称する。ホットスポットにおける利得低下によりアンテナ全体の利得が変わり、よって、ホットスポットにおける利得低下を防止することでアンテナ全体の利得を向上させることができる。
図7を参照すると、本実施形態のアンテナにおいて、低周波電流に対するホットスポットは放射体の端部24である。上述したように、アンテナの利得低下は表皮効果と関連するので、放射体端部24における放射体の厚さを実質的に放射体の浸透深さで設定することにより、放射体端部24における利得低下を防止することができる。
具体的に、図8に示すように、端部24以外における放射体厚さh1は、下記式で与えられる高周波数の共振周波数fHに対する放射体の浸透深さで設定できる。
一方、端部24における放射体厚さh2は、上記式3で与えられる低周波数の共振周波数fLに対する浸透深さδLで設定できる。
このように、放射体18の厚さを浸透深さδH、δLとすることにより、最小量の導電性インクを用いて良好な利得を有するアンテナ放射体を形成することができる。特に、上述の実施形態とは異なり、低周波に対するホットスポットにおける放射体厚さh2だけを低周波数の浸透深さδLとすることにより、アンテナ利得の低下を実質的に防止しながらも、上述の実施形態に比べて使用される導電性インクの量を一層減らすことができ、アンテナの製造コストを一層低減することができる。
次に、図7及び図9を参照して、本実施形態のアンテナの製造方法を説明する。先ず、ステップS100において、基板10上にアンテナ放射体18の形状が形成されたスクリーンを配置する。その次、スクリーン上に導電性インクを実質的に浸透深さδHで印刷して全体的なアンテナ放射体を形成する(ステップS110)。
次に、ステップS120において、放射体18が印刷された基板10上に、端部24の形態が形成されたスクリーンを配置する。このとき、端部24の位置及び形態はアンテナのホットスポットの位置及び形態とすることができる。ホットスポットの位置及び形態は、アンテナの設計時に予測できる。また、ステップS110における1次印刷後、アンテナの電流分布を測定してホットスポットの位置及び形態を測定することも可能である。この場合、ホットスポットの位置及び形態は1回のみ測定され、その後の同じ形態のアンテナ放射体18に対しては同じ位置及び形態が利用できる。
最後に、ステップS130において、端部24の厚さが実質的に浸透深さδLとなるように導電性インクを印刷してアンテナ放射体18の形成を完了する。ステップS110で既に厚さδHの放射体が形成されているので、本ステップでは厚さδL-δHの導電性インクのみをさらに印刷することができる。
本実施形態のアンテナの製造方法によれば、少量の導電性材料を用いてアンテナの製造コストを低減しながらも利得が低下しないアンテナを製造することができる。
二重帯域アンテナと関連して第3実施形態を説明したが、本実施形態の原理は、三重帯域以上のアンテナに対しても適用可能である。この場合、最も高い共振周波数に対する浸透深さで全体的なアンテナ放射体を形成し、第2共振周波数及び第3共振周波数のそれぞれに対するホットスポット位置にそれぞれ第2共振周波数に対する浸透深さ及び第3共振周波数に対する浸透深さで放射体を形成することができる。したがって、導電性インクの使用を最小化しながらも多数の周波数帯域に対して良好な利得を得ることができる。一方、メアンダーライン、スロット付きパッチ型など多様な形状に放射体18を形成して三重帯域以上の多重帯域特性を得ることができ、このような変形は当業者が容易に認識できる範囲のものである。
また、三重帯域以上のアンテナの製造方法においては、それぞれの周波数に対する浸透深さの厚さで更なる印刷を行うことができる。例えば、三重帯域アンテナの最低共振周波数fLOWEST(<fL)に対する浸透深さがδLOWESTであるとき、最低共振周波数fLOWESTに対するホットスポットが周波数fLに対するホットスポットと重なると、ステップS130後に重畳領域に対してδLOWEST−δLの厚さで導電性インクを印刷するステップをさらに行うことができる。
一方、第1〜第3実施形態のアンテナは、そのもの自体で端末機の内のRF回路の接地部及び給電部と接続して使用することができる。また、RF回路との接続を容易にし、アンテナを安定的に固定するために、図10に示すように、誘電体の基材26上にアンテナ放射体が印刷された基板10を結合して使用することができる。この場合、基板10上のアンテナ放射体は、別途の端子部(図示せず)を介してRF回路と接続することができ、端子部は基材26内に収容できる。
図11及び図12は、それぞれGSM850の使用周波数帯域及びUSPCSの使用周波数帯域におけるアンテナ放射体の厚さによる利得変化を示すグラフである。
非抵抗測定に基づいて得られた各周波数における使用導電性インクの浸透深さは、下記表のとおりである。
図11のグラフは、それぞれ824MHz、849MHz、869MHz及び894MHzにおける放射体厚さによる利得変化を示すグラフである。図示されたように、導電性インクの印刷厚さが、浸透深さより小さい約10μmから浸透深さより大きい15μmに増加すると、急激な利得の向上が得られたが、それ以上に増加しても、アンテナの利得に別に影響がなかった。したがって、約850MHz帯域の低周波に対しては浸透深さの厚さで放射体を形成することにより、アンテナの利得の低下を防止すると共に、アンテナの性能に影響を与えずに放射体の厚さを最小化することができることが確認された。
図12のグラフは、それぞれ1850MHz、1910MHz、1930MHz及び1990MHzにおける放射体厚さによる利得変化を示すグラフである。同図に示すように、1.8〜1.9GHzの高周波では放射体の厚さの変化による利得の変化がほとんど見られなかった。しかし、これは導電性インクの浸透深さが10μm以下であるためグラフ上に効果が現われていないものに過ぎない。とはいうものの、アンテナ利得の改善は相対的に低周波帯域で一層実用的であることを確認した。
以上具体的な実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、これらの実施形態は説明を目的として提供された例示的なものに過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。当業者は、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で各種の変形及び変更が可能であり、また、その変形及び変更は、本発明の範ちゅうに属する。例えば、例えば、本発明の原理は、無線通信端末のハウジング内部に印刷されるアンテナ、印刷された導電性のアンテナ放射体を含むRFIDタグ(Tag)などRF信号を送信及び/または受信する多様な素子に適用することができる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物によって限定され得るものである。
Claims (15)
- 基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナにおいて、
前記放射体の厚さは、前記アンテナの共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナ。 - 2以上の共振周波数を有し、
前記浸透深さは、前記共振周波数のうち最低共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである、請求項1に記載の無線通信用アンテナ。 - 前記共振周波数は、824〜894MHz範囲に存在する、請求項1に記載の無線通信用アンテナ。
- 前記導電性インクは、65〜70重量%の銀粒子を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の無線通信用アンテナ。
- 基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナにおいて、
前記放射体において前記アンテナの共振周波数に対するホットスポットでの前記放射体の厚さは、前記共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナ。 - 2以上の共振周波数を有し、
前記浸透深さは、前記共振周波数のうち最低共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである、請求項5に記載の無線通信用アンテナ。 - 前記ホットスポット以外での前記放射体の厚さは、前記共振周波数のうち最高共振周波数に対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、請求項6に記載の無線通信用アンテナ。
- 前記共振周波数は、824〜894MHz範囲に存在する、請求項5に記載の無線通信用アンテナ。
- 前記導電性インクは、65〜70重量%の銀粒子を含む、請求項5〜8のいずれかに記載の無線通信用アンテナ。
- 基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含み、2 以上の共振周波数を有する無線通信用アンテナにおいて、
前記放射体において前記共振周波数のそれぞれに対するホットスポットでの前記放射体の厚さは、前記共振周波数のそれぞれに対する前記放射体の浸透深さと実質的に同一である、無線通信用アンテナ。 - 前記導電性インクは、65〜70重量%の銀粒子を含む、請求項10に記載の無線通信用アンテナ。
- 基板及び前記基板上に導電性インクを印刷して形成されたアンテナ放射体を含む無線通信用アンテナを製造する方法において、
前記基板上に前記アンテナ放射体の形状に第1厚さで前記導電性インクを印刷するステップと、
前記アンテナ放射体において第1周波数に対する第1ホットスポットに第2厚さで前記導電性インクを印刷するステップであって、前記第2厚さは、前記第1ホットスポットでの前記放射体の厚さが実質的に前記第1周波数に対する前記放射体の浸透深さとなるようにする厚さであるステップと、を含む、無線通信用アンテナの製造方法。 - 前記第1周波数は、前記アンテナの共振周波数のうち最低共振周波数である、請求項12に記載の無線通信用アンテナの製造方法。
- 前記第1厚さは、実質的に前記アンテナの共振周波数のうち最高共振周波数に対する前記放射体の浸透深さである、請求項12に記載の無線通信用アンテナの製造方法。
- 前記アンテナ放射体において第2周波数に対する第2ホットスポットに第3厚さで前記導電性インクを印刷するステップであって、前記第3厚さは、前記第2ホットスポットでの前記放射体の厚さが実質的に前記第2周波数に対する前記放射体の浸透深さとなるようにする厚さであるステップをさらに含む、請求項12に記載の無線通信用アンテナの製造方法。
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