JP2009201002A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基体の表面に形成される螺旋状の放射導体の印刷精度を高めると共に、基体の実効誘電率を低減する。
【解決手段】アンテナ装置１０は、略直方体状の誘電体からなる基体１１と、基体１１の側面１１Ｃ〜１１Ｆを周回するように形成された螺旋状の放射導体１２と、基体１１の底面１１Ｂに形成された給電電極１４及びグランド電極１５を備えている。基体１１の各側面１１Ｃ〜１１Ｆにおいて、放射導体１２が形成されるべき螺旋状の領域は相対的に突出しており、それ以外の領域には所定の深さの凹部が形成されている。基体１１の側面がこのような凹凸形状を有することから、基体１１の側面に形成された凸面１３ｂに導体ペーストを印刷するだけで所定の位置に所定の形状の放射導体を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関し、特に表面実装型ヘリカルアンテナの構造に関するものである。

携帯電話等の小型携帯端末に内蔵される表面実装型アンテナの一つとしてヘリカルアンテナが知られている。

図７は、従来の表面実装型ヘリカルアンテナの構造の一例を示す略斜視図である。

図７に示すように、このヘリカルアンテナ１００は、略直方体状の基体１１０を有し、基体の表面に螺旋状の放射導体１４０が形成された構造を有している。螺旋状の放射導体１４０は、基体１１０の上面、底面、及び基体の長手方向と平行な２つの側面を周回するように形成されており、一本の連続的な導体パターンを構成している。この場合、ヘリカルの中心軸は、基体の長手方向と直交する２つの側面を貫く方向（Ｘ軸方向）に設定されている（特許文献１参照）。

図８は、従来の表面実装型ヘリカルアンテナの構造の他の例を示す略斜視図である。

図８に示すように、このヘリカルアンテナ２００は、略直方体の基体１１０を有し、基体１１０の表面に放射導体１５０，１６０が形成されているが、図７に示したヘリカルアンテナ構造と異なり、螺旋状の放射導体１６０は基体の４つの側面を周回するように形成されている。この場合、ヘリカルの中心軸は、基体１１０の上下面を貫く方向（Ｚ軸方向）に設定されている（特許文献２参照）。
特開平１０−４１７２２号公報 特開２００４−３０４７８３号公報

一般的に、アンテナ装置の放射導体は、銀等の導体ペーストを基体の平坦面にスクリーン印刷することにより形成されるが、スクリーン印刷の精度はそれほど高くないことから、放射導体の印刷位置がずれる場合がある。特に、スクリーン印刷は面ごとに行われるため、２つの側面が交差する基体の角部において導体部分の正確な位置合わせが非常に困難である。アンテナ装置の動作周波数は、放射導体の形状や位置の変化に対して非常に敏感であることから、放射導体の印刷位置がわずかにずれたとしてもアンテナの動作周波数が変化し、所望の放射特性を得ることができないという問題がある。

また、アンテナ装置に用いる基体としては、セラミックなどの高誘電体材料が好ましく用いられている。セラミックは、樹脂等の他の基体材料に比べて、加工性・耐久性に優れ、熱膨張等の形状変化も小さいという特性を有している。しかしながら、上述した従来のアンテナ装置は、基体として用いる誘電体の波長短縮効果により、所望の波長に対してアンテナ長が短くなり、その結果、アンテナの放射効率が低下してしまうという問題がある。

したがって、本発明の目的は、放射導体の精度を向上させることができ、かつ高い放射効率を得ることが可能なアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるアンテナ装置は、略螺旋状に周回する凹凸パターンを有する基体と、凹凸パターンの凸面に形成された放射導体とを備えることを特徴とするものである。本発明によれば、放射導体の位置や形状を基体の形状で決めることができる。したがって、導体パターンをスクリーン印刷により形成する場合であっても、精度の高い放射導体パターンを形成することができる。

本発明において、放射導体は、基体の実装面と平行な第１の導体部分と、実装面と略直交する第２の導体部分を有することが好ましい。これによれば、凹凸を含めた基体の設計及び加工が容易であり、放射導体の形状及び位置精度を高めることができる。

本発明において、基体は略直方体状であり、放射導体は、基体の長手方向と直交する第１及び第２の側面及び基体の長手方向と平行な第３及び第４の側面を周回するように形成されていることが好ましい。これによれば、プリント基板と対向する基体の底面全体を実装面として使用できるだけでなく、十分なグランド面を確保することができる。

本発明において、凹部は、基体の底面から所定の高さ以上の領域において形成されていることが好ましい。これによれば、基体の底面全体を実装面として使用することができ、プリント基板との接触面を最大限に確保して実装の安定性を図ることができる。

このように、本発明のアンテナ装置によれば、放射導体の精度を高めることができ、且つ高い放射効率を得ることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。また、図２は、図１に示すアンテナ装置の展開図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１０は、略直方体状の誘電体からなる基体１１と、基体１１の各面に形成された導体パターンを備えている。導体パターンは、基体１１の４つの側面１１Ｃ〜１１Ｆを周回するように形成された螺旋状の放射導体１２と、基体１１の底面１１Ｂに形成された給電電極１４及びグランド電極１５からなる。なお、基体１１の上面１１Ａには導体パターンは形成されていない。

基体１１の大きさは、目的とするアンテナ特性に応じて適宜設定すればよい。特に限定されるものではないが、本実施形態においては１０×２×４．５（ｍｍ）とすることができる。

基体１１の材料としては、特に限定されるものではないが、Ｂａ−Ｎｄ−Ｔｉ系材料（比誘電率８０〜１２０）、Ｎｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率４３〜４６）、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓｒ−Ｔｉ（比誘電率３８〜４１）、Ｂａ−Ｔｉ系材料（比誘電率３４〜３６）、Ｂａ−Ｍｇ−Ｗ系材料（比誘電率２０〜２２）、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系材料（比誘電率１９〜２１）、サファイヤ（比誘電率９〜１０）、アルミナセラミックス（比誘電率９〜１０）、コージライトセラミックス（比誘電率４〜６）などを用いることができる。基体１１は、金型を用いてこれらの材料を焼成することによって作製される。

誘電体材料は、目的とする周波数に応じて適宜選択すればよい。比誘電率ε_ｒが大きくなるほど大きな波長短縮効果が得られ、放射導体の長さはより短くなるため、必ずしも比誘電率ε_ｒが大きければよいというわけではなく、適切な値が存在する。例えば、目的とする周波数が２．４０ＧＨｚである場合、比誘電率ε_ｒが５〜３０程度の材料を用いることが好ましい。これによれば、十分な利得を確保しつつ放射導体の小型化を図ることができる。比誘電率ε_ｒが５〜３０程度である材料としては、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを好ましく挙げることができる。Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックとしては、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＳｉＯ_２を含有するＭｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックを用いることが特に好ましい。

放射導体１２は、基体１１の側面１１Ｃ〜１１Ｆを周回するように形成された螺旋状の導体パターンである。基体１１の各側面に形成された帯状の導体パターンの端部同士が基体１１の角部において連結されることにより、連続する一本の導体パターンを構成している。

詳細には、基体１１の長手方向と直交する第１の側面１１Ｃに形成された帯状の導体パターン１２ａ，１２ｅと、第１の側面１１Ｃと対向する第２の側面１１Ｄに形成された帯状の導体パターン１２ｃ，１２ｇと、基体１１の長手方向と平行な第３の側面１１Ｅ形成された帯状の導体パターン１２ｂ，１２ｆと、第４の側面１１Ｆに形成された帯状の導体パターン１２ｄ，１２ｈを備えており、これらの導体パターン１２ａ〜１２ｈの端部同士が順に接続されることにより、螺旋構造の放射導体１２が形成される。特に限定されるものではないが、帯状の導体パターンの幅は０．４ｍｍ程度であることが好ましい。

このように、放射導体１２が基体１１の複数の面にわたって形成されているので、基体１１自体を小型化しても所望の電気長を確保することができる。また、放射導体１２の螺旋軸はＺ軸方向であり、導体パターン１２ａ〜１２ｈは、基体１１の側面１１Ｃ〜１１Ｆに形成されている。つまり、図７に示した従来のアンテナ１００と異なり、基体１１の底面１１Ｂには放射導体１２が形成されていないので、底面１１Ｂ全体を実装面として使用できるだけでなく、十分なグランド面を確保することができる。

給電電極１４は、基体１１の底面１１Ｂの長手方向の一端に形成された矩形状の導体パターンである。また、グランド電極１５は、基体１１の底面１１Ｂの長手方向の中央部から他端までの範囲に形成された矩形状の導体パターンである。よって、グランド電極１５の面積は給電電極１４よりも広い。

放射導体１２の一方の端部１２ｊは、第１の側面１１Ｃと底面１１Ｂとが直交する角部において給電電極１４に接続されており、放射導体１２の他方の端部１２ｋは、第３の側面１１Ｅにおいて開放端を構成している。ここで、放射導体１２の一方の端部１２ｊの幅は、第３の側面１１Ｅの幅と等しく設定されている。このように、放射導体１２の端部１２ｊの幅を広げることで、放射導体１２と給電電極１４との接続を確実にすることができる。

放射導体１２を構成する導体パターン１２ｂ〜１２ｈのうち、導体パターン１２ｂ，１２ｃ，１２ｅ〜１２ｈは、基体１１の実装面に対して平行に形成されている。また、導体パターン１２ｄは、基体１１の実装面と直交する部分を有している。したがって、螺旋軸（Ｚ軸）方向への変位に寄与する部分は第４の側面１１Ｆに形成された導体パターン１２ｄである。

本実施形態において、基体１１の側面１１Ｃ〜１１Ｆは凹凸形状を有している。基体１１の各側面１１Ｃ〜１１Ｆにおいて、放射導体１２が形成された領域以外の領域には所定の深さの凹部１３ａが形成されており、放射導体１２の形成領域は相対的に突出している。このように、基体１１の側面が単なる平面ではなく凹凸形状を有することから、基体１１の凸面に導体ペーストをスクリーン印刷するだけで螺旋状の導体パターンを形成することができる。特に、２つの側面が交差する角部において印刷ずれ等に起因する帯状の導体パターンの端部が段違いになって不連続になるおそれがない。スクリーン印刷では、凸面の幅に対してスクリーンマスクを広めに取るようにする。このように、印刷ずれを見越した広めのマージンを確保することで、凸面全体に確実に印刷することができる。基体１１の凹凸形状は金型を用いて成型されるが、金型による加工精度はスクリーン印刷よりも十分に高い。したがって、導体パターンの印刷精度によらず、螺旋状の放射導体１２を確実に形成することができる。

凹部１３ａは、基体１１の底面１１Ｂから所定の高さ以上の領域に形成されている。つまり、凹部１３ａの形成によって基体の底面１１Ｂの面積が減ることがないように配慮されている。したがって、基体１１の底面１１Ｂとプリント基板との接触面を最大限に確保することができ、実装の安定性を図ることができる。

図３は、アンテナ装置１０が実装された状態を示す略斜視図である。また、図４は、アンテナ装置１０が実装されるプリント基板のパターンレイアウトを詳細に示す略平面図であって、（ａ）はプリント基板の上面のレイアウト、（ｂ）は底面のレイアウトをそれぞれ示している。

図３及び図４（ａ）に示すように、プリント基板２０の上面２０Ａには、グランドパターンが設けられていないグランドクリアランス領域２１Ａと、グランドクリアランス領域２１Ａの周囲に設けられたグランドパターン２２Ａと、グランドクリアランス領域２１Ａ内に設けられた第１及び第２のランドパターン２４，２５と、第１のランドパターン２４に接続された給電ライン２６とを備えている。なお、破線２１ａで示す領域はアンテナ装置１０の実装領域（アンテナ実装領域）である。また、図示しないが、プリント基板２０の適所には、無線通信機器を構成するための様々な電子部品が実装されている。

一方、図４（ｂ）に示すように、プリント基板２０の底面２０Ｂには、プリント基板２０の上面２０Ａと同様、グランドパターンが設けられていないグランドクリアランス領域２１Ｂと、グランドクリアランス領域２１Ｂの周囲に設けられたグランドパターン２２Ｂが設けられている。ただし、底面側のグランドクリアランス領域２１Ｂは、上面側のグランドクリアランス領域２１Ａよりも少し広く設定されている。そして、グランドクリアランス領域２１Ａ，２１Ｂに挟まれたプリント基板２０の内層にはグランドパターンやその他の導体パターンは存在していない。つまり、本実施形態のプリント基板２０はオフグランドタイプである。

グランドクリアランス領域２１Ａ，２１Ｂはプリント基板２０の端部２０ｘに接して設けられている。そのため、グランドクリアランス領域２１Ａ，２１Ｂの周囲３方向はグランドパターン２２Ａ，２２Ｂに囲まれているが、残りの一方向は基板の存在しない開放空間である。

グランドクリアランス領域２１Ａ内の第１のランドパターン２４は、アンテナ装置１０の給電電極１４に対応しており、第２のランドパターン２５はグランド電極１５に対応している。したがって、プリント基板２０上にアンテナ装置１０を実装したとき、給電電極１４は第１のランドパターン２４、グランド電極１５は第２のランドパターン２５にそれぞれ半田接続される。

第１のランドパターン２４から延びるグランド接続部分２４ａは、周囲のグランドパターン２２Ａに接続されている。これにより、本実施形態のアンテナ装置１０は逆Ｆ給電構造を有している。

給電ライン２６は第１のランドパターン２４に接続されており、給電ライン２６とグランドパターン２２Ａとの間にはインピーダンス調整手段であるチップリアクタ２８が実装されている。チップリアクタ２８の実装位置は、グランドクリアランス領域２１Ａの外側であって、このグランドクリアランス領域２１Ａにできるだけ近い位置であることが好ましい。

第２のランドパターン２５とグランドパターン２２Ａとの間には周波数調整手段であるチップリアクタ２９が実装されている。チップリアクタ２９は、第２のランドパターン２５のリード部分２５ａとグランドパターン２２Ａとの間に直列に挿入されている。チップリアクタ２９の実装位置は、グランドクリアランス領域２１Ａの外側であって、このグランドクリアランス領域２１Ａにできるだけ近い位置であることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置１０は、略直方体状の誘電体からなる基体１１を備え、基体１１の側面には略螺旋状に周回する凹凸パターンが形成されており、放射導体１２は凹凸パターンの凸面１３ｂに形成されているので、導体パターンの印刷精度が高くない場合であっても、位置精度の高い放射導体パターンを形成することができる。また、本実施形態によれば、凹部１３ａを形成することによって基体１１の一部が除去されていることから、基体１１の実効誘電率を下げることができ、アンテナの放射効率を向上させることができる。

図５は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。

図５に示すように、このアンテナ装置３０の特徴は、放射導体１２を構成する帯状の導体パターン１２ａ〜１２ｈのうち、導体パターン１２ｂ，１２ｄ，１２ｆが、基体の実装面と直交する部分を有している点にある。すなわち、第１の実施形態に比べて、螺旋軸方向への変位を徐々に行うようにしたものである。その他の構成については第１の実施形態と同様であることから、同一の構成要素に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置３０によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。つまり、アンテナ装置３０は、基体１１の各側面１１Ｃ〜１１Ｆのうち放射導体１２の形成領域を除いた領域に凹部１３ａを備え、当該凹部１３ａは、放射導体１２の形成領域を相対的に突出させるように形成されていることから、導体パターンの印刷精度が高くない場合であっても、放射導体の加工精度を向上させることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。

図６に示すように、このアンテナ装置４０の特徴は、放射導体１２を構成する導体パターン１２ａから１２ｈのうち、放射導体１２ｂ，１２ｄ，１２ｆが、基体の実装面に対して平行ではなく、所定の角度をもって緩やかに傾斜している点にある。すなわち、第１及び第２の実施形態に比べて、螺旋軸方向への変位をさらに徐々に行うようにしたものである。その他の構成については第１の実施形態と同様であることから、同一の構成要素に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置４０によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。つまり、アンテナ装置４０は、基体１１の各側面１１Ｃ〜１１Ｆのうち放射導体１２の形成領域を除いた領域に凹部１３ａを備え、当該凹部１３ａは、放射導体１２の形成領域を相対的に突出させるように形成されていることから、導体パターンの印刷精度が高くない場合であっても、放射導体の加工精度を向上させることができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記各実施形態においては、螺旋状の放射導体は、基体の側面１１Ｃ〜１１Ｆを周回するように形成されているが、放射導体１２の形成面は基体の側面１１Ｃ〜１１Ｆに限定されるものではなく、例えば図７に示したヘリカルアンテナのように、基体の上面１１Ａ、底面１１Ｂ、及び２つの側面１１Ｃ，１１Ｄを周回するように形成されていても良い。

また、上記各実施形態においては、基体１１の基本形状が直方体状であるが、厳密な直方体であることは必須でなく、例えば、直方体の角部にその向きを特定するためのテーパーが設けられていても構わない。さらに、基体１１の基本形状は直方体状に限定されるものではなく、例えば、円筒状であってもよい。この場合、螺旋状の放射導体は円筒状の基体の側面を周回するように形成され、放射導体の形成領域を除いた所定の領域に凹部が形成されることになる。

また、上記実施形態においては、インピーダンス調整手段や周波数調整手段としてチップリアクタ２８，２９を用いているが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、導体パターンを用いてもよい。

また、上記各実施形態においては、基体１１の材料として誘電体を用いているが、誘電体以外に誘電性を有する磁性体を用いてもよい。この場合、１／｛（ε×μ）^１／２｝の波長短縮効果が得られるので、透磁率μの高い磁性体を用いることによって、大きな波長短縮効果を得ることができる。また、μ／εが電極のインピーダンスを決定するため、μの高い磁性体を用いることによってインピーダンスを高めることができる。これにより、高すぎるアンテナのＱを低下させて、広帯域特性を得ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。 図２は、図１に示すアンテナ装置１０の展開図である。 図３は、アンテナ装置１０が実装された状態を示す略斜視図である。 図４は、アンテナ装置１０が実装されるプリント基板のパターンレイアウトを示す略平面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。 図６は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置の構造を示す略斜視図である。 図７は、従来の表面実装型ヘリカルアンテナの構造の一例を示す略斜視図である。 図８は、従来の表面実装型ヘリカルアンテナの構造の他の例を示す略斜視図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置
１１ 基体
１１Ａ 基体の上面
１１Ｂ 基体の底面
１１Ｃ 基体の第１の側面
１１Ｄ 基体の第２の側面
１１Ｅ 基体の第３の側面
１１Ｆ 基体の第４の側面
１２，１２ａ-１２ｈ 導体パターン
１２ｊ 放射導体の一方の端部
１２ｋ 放射導体の他方の端部
１３ａ 基体の凹部
１３ｂ 基体の凸面
１４ 給電電極
１５ グランド電極
２０ プリント基板
２０Ａ プリント基板の上面
２０Ｂ プリント基板の底面
２０ｘ プリント基板の端部
２１Ａ グランドクリアランス領域（上面側）
２１Ｂ グランドクリアランス領域（底面側）
２１ａ アンテナ実装領域
２２Ａ グランドパターン（上面側）
２２Ｂ グランドパターン（底面側）
２４ 第１のランドパターン
２４ａ 第１のランドパターンのグランド接続部分
２５ 第２のランドパターン
２５ａ 第２のランドパターンのリード部分
２６ 給電ライン
２８ チップリアクタ
２９ チップリアクタ
３０ アンテナ装置
４０ アンテナ装置

Claims (4)

1. 略螺旋状に周回する凹凸パターンを有する基体と、前記凹凸パターンの凸面に形成された放射導体とを備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記放射導体は、前記基体の実装面と平行な第１の導体部分と、前記実装面と略直交する第２の導体部分を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記基体は、略直方体状であり、前記放射導体は、前記基体の長手方向と直交する第１及び第２の側面及び前記基体の長手方向と平行な第３及び第４の側面を周回するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記凹部は、前記基体の底面から所定の高さ以上の領域において形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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