JP2013175383A

JP2013175383A - 複合誘電体材料及びそれを使用した誘導体アンテナ

Info

Publication number: JP2013175383A
Application number: JP2012039613A
Authority: JP
Inventors: Junichi Yoshino; 淳一吉野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料およびそれを使用した誘電体アンテナを提供する。
【解決手段】本発明にかかる誘電体アンテナ１は、アンテナ基体２、放射電極３（３ａ，３ｂ）、給電電極４及び接地電極５を備える。アンテナ基体２の上面には放射電極３ａが形成され、アンテナ基体２の側面に放射電極３ｂが形成される。２つの放射電極３ｂは、給電電極４と接地電極５とにそれぞれ接続される。アンテナ基体２の材料は、液晶ポリマー、無機充填材、および、チタンブラックを含み、前記チタンブラックの含有量が、４〜８体積％であることを特徴とする複合誘電体材料である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合誘電体材料及びそれを使用した誘電体アンテナに関する。

近年、通信機器の小型化・軽量化が進んでおり、誘電体アンテナも小型化・軽量化が求められている。誘電体アンテナの小型化・軽量化は、誘電体アンテナに使用される誘電体材料の特性に大きく関係する。アンテナの共振波長は、アンテナに使用される誘電体材料の誘電率の平方根に反比例する。そのため、高誘電率の材料を用いることによって、共振波長を短くして、アンテナの小型化が可能となる。また、アンテナの重量は、アンテナの誘電体材料の比重に比例する。そのため、アンテナの軽量化のためには、誘電体材料の比重を小さくすることも必要となる。このように、誘電体アンテナの小型化・軽量化の要求を満たすために、誘電体アンテナに使用される誘電体材料には、高誘電率かつ低比重であることが必要とされる。

また、誘電体材料の誘電正接が大きい場合、発熱によるエネルギー損失により、アンテナ性能が低下する。そのため、誘電体アンテナに使用される誘電体材料には、誘電正接が小さいこと、すなわち、誘電正接の逆数であるＱ値が高いことも必要である。さらに、誘電体アンテナを実装するにあたり、たとえばはんだリフロー工程に適用させるためには、耐熱性も必要となる。

このような背景の下、特許文献１には、誘電体アンテナに使用される誘電体材料として、液晶ポリマーと無機充填材を含んだ複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナが開示されている。樹脂である液晶ポリマーは、誘電体セラミックスよりも低比重であるため、誘電体アンテナの軽量化に好適である。また、複合誘電体材料に含まれた無機充填材は、複合誘電体材料の誘電率を向上させることができるため、誘電体アンテナの小型化に寄与する。このように、液晶ポリマーと無機充填材を含んだ複合誘電体材料は、高誘電率、かつ、低比重であるため、それを使用した誘電体アンテナは小型化・軽量化が可能である。

さらに、液晶ポリマーは、耐熱性に優れているため、それを含む複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナは、はんだリフローに耐え得る耐熱性を有することができる。さらに、上述の無機充填材が炭酸カルシウムを含む場合には、炭酸カルシウムが複合誘電体材料のＱ値の向上に寄与するため、アンテナ効率に好適である。そのため、液晶ポリマーと無機充填材を含んだ複合誘電体材料は、誘電体アンテナに使用される材料として、小型化・軽量化の点からだけでなく、耐熱性やアンテナ効率等の点からも好適である。

国際公開第２０１１／０９３１５４（Ａ１）号パンフレット

近年、電子機器の多様化に伴って、アンテナに対するユーザーの要求は小型化・軽量化に止まらず、より多様なものとなってきている。最近の通信機器では、アンテナがユーザーの目に触れる場所に使用されることがあり、この場合、筐体が黒色の場合には、アンテナも黒色であることが求められている。アンテナ基体の黒色化には、その材料である複合誘電体材料に黒色化材料を添加することによって、該複合誘電体材料自体を黒色化することが考えられる。誘電体アンテナ以外の分野において使用されている黒色着色剤として、たとえばカーボンブラックがあるが、カーボンブラックは導電性を有するため、複合誘電体材料に添加すると、該複合誘電体材料のＱ値が大きく低下してしまう問題がある。また、誘電体アンテナ以外の分野において、アジン系染料も黒色着色剤として使用されるが、液晶ポリマーが緻密な結晶構造を有するために、液晶ポリマーに十分に分散されず、アジン系染料では、十分に着色できない。そのため、黒色であって、かつ、アンテナとして備えるべき所望の特性を備えた複合誘電体材料が望まれる。

それゆえに、本発明の主たる目的は、黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料、および、それを使用した誘電体アンテナを提供することである。

本発明は、液晶ポリマー、無機充填材およびチタンブラックを含み、前記チタンブラックの含有量が、４〜８体積％であることを特徴とする。

また、本発明は、上記本発明に係る複合誘電体材料からなるアンテナ基体と、放射電極と、給電電極と、接地電極とを含むことを特徴とする誘電体アンテナである。

本発明によれば、黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料が得られるため、黒色の誘電体アンテナを提供することができる。
すなわち、本発明に係る複合誘電体材料が、耐熱性に優れている液晶ポリマーを有しているため、それを使用した誘電体アンテナは、はんだリフローに耐え得る耐熱性を有することができる。また、該複合誘電体材料が、無機充填材を含むことにより、アンテナとして所望の誘電率を有することができる。
また、チタンブラックは、顔料であるため、染料に比べて樹脂に対する分散性が良く、黒色タイプの誘電体アンテナとして求められる黒色着色度にまで黒色にできる。さらに、チタンブラックは、添加によるＱ値の大幅な低下を引き起こしにくい。そのため、該複合誘電体材料にチタンブラックが適当量添加されていることにより、アンテナとして所望な特性を維持した黒色の複合誘電体材料を得られる。これにより、黒色の誘電体アンテナを得ることができ、黒色の誘電体アンテナが必要である場合に対応できる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明に係る複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナの一実施形態の斜視図を示す。

以下、図１を参照して本発明に係る複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナの一実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る誘電体アンテナ１の斜視図である。誘電体アンテナ１は、アンテナ基体２、放射電極３（３ａ，３ｂ）、給電電極４及び接地電極５を備える。

アンテナ基体２は、射出成形によって、直方体の下面が開口されたケース状に形成されている。これは機能に不要な複合誘電体成形物の部分を削り、軽量化を図ったものである。但し、アンテナ基体２の形状はこのような形状に限るものではない。アンテナ基体２の形状としては、例えば、平板、あるいは円板等の形状が挙げられる。また、前記平板等を複数枚積み重ねた、積層体等であってもよい。

アンテナ基体２の上面には放射電極３ａが形成される。また、放射電極３ｂは、アンテナ基体２の側面に２つ形成され、給電電極４と接地電極５とにそれぞれ接続される。

放射電極３、給電電極４及び接地電極５は、低コスト化、及び工程数を減らすため、インサート成形もしくはアウトサート成形されることが好ましい。この放射電極３の形状により、アンテナ基体２との共振周波数が調整されるので、放射電極３、給電電極４及び接地電極５の形状及び配置は適宜、調整される。なお、放射電極３、給電電極４及び接地電極５として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びそれらの合金等の材料を用いることができる。一般的に、コスト面を考慮して、Ｃｕ及びその合金が用いられる。また、経時安定性などの点から、複数層のめっき品を用いる場合もある。

以上のように構成された誘電体アンテナ１では、給電電極４から放射電極３に対して高周波電力が供給される。これにより、誘電体アンテナ１は、高周波電磁界を発生し、電波を送信する。また、放射電極３は、電波を受信したとき、高周波電流を誘起し、接地電極５を介してＲＦ回路へと伝達する。

次に、本実施形態に係る誘電体アンテナ１の形成方法について説明する。

まず、あらかじめ準備した金属箔から所定の形状を打ち抜くことで、放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成する。次に、放射電極３、給電電極４及び接地電極５からなる金属部材を所定の金型内に配置した後、本実施形態に係る誘電体アンテナ１に用いられる複合材料を加熱溶融させた状態で、金型内に射出成形することで、アンテナ基体２と放射電極３、給電電極４及び接地電極５を一体成形し、目的とする誘電体アンテナ１を得ることができる。

また、アンテナ基体２、放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成する方法について、アンテナ基体２を成形した後に、該アンテナ基体２の形状に合わせた放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成し、一体化する方法を用いることもできる。また、放射電極３、給電電極４及び接地電極５は、めっき、スパッタ、蒸着などの方法を用いて形成してもよい。

以下、上述したアンテナ基体２の材料である、本発明に係る複合誘電体材料について説明する。

アンテナ基体２の材料は、液晶ポリマー、無機充填材およびチタンブラックを混合して得られる複合誘電体材料である。

液晶ポリマーは、上述したように、耐熱性に優れているため、それを含む複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナは、はんだリフローに耐え得る耐熱性を有することができる。液晶ポリマーとしては、２−ヒドロキシ−６−ナフトエ酸、ハイドロキノン、２，６−ナフタレンジカルボン酸、およびテレフタル酸を構成モノマーとするものが有利に用いられる。

アンテナ基体の材料として液晶ポリマーを用いる場合の留意点としては、アンテナ基体を射出成形する際に、液晶ポリマーを用いた場合には糸曳きが発生しやすいことである。射出成形時の糸曳きは、連続成形を阻害することにつながるため、複合誘電体材料には、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）が含まれることが好ましい。複合誘電体材料が、ＰＴＦＥを２〜１５体積％含むことにより、射出成形時の糸曳きが抑制される。ここで、複合誘電体材料がＰＴＦＥを含む場合には、アンテナ基体にブリスターが発生しやすくなることが分かっているが、液晶ポリマーの流動開始温度が３１０℃以上かつ３３５℃以下であるようにすることで、ブリスターを抑制することができる。

無機充填材は、液晶ポリマーの低い誘電率を補うため、高誘電率のセラミック粉末を使用することが望ましい。例えば、二酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、チタン酸ネオジウム、チタン酸バリウムネオジウム、チタン酸バリウムスズ、チタン酸カルシウムマグネシウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、タンタル酸バリウムマグネシウム、ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛、ニオブ酸バリウムマグネシウム、ニオブ酸鉛マグネシウム、ニオブ酸鉛ニッケル、タングステン酸鉛、タングステン酸カルシウム、タングステン酸鉛マグネシウム等を用いることができる。なお、無機充填材の誘電率は１００以上であることが好ましい。

また、無機充填材は、Ｑ値向上により寄与する炭酸カルシウムを含むことが好ましい。

チタンブラックは、複合誘電体材料の黒色化のために用いられる。

本発明に係る複合誘電体材料は、該複合誘電体材料を黒色化するための黒色着色剤として、チタンブラックの含有量を４〜８体積％と限定することを特徴としている。このように、チタンブラックの含有量を限定させることによって、その緻密な結晶構造のために着色が困難である液晶ポリマーを含む複合誘電体材料を、黒色タイプの誘電体アンテナとして求められる黒色着色度にまで黒色化でき、かつ、アンテナとしての特性を劣化させず、所望な特性が得られることが確認された。

本発明に係る複合誘電体材料を材料とすることにより、耐熱性及びアンテナとして必要な特性を有した黒色のアンテナ基体を得ることができる。このアンテナ基体を用いることにより、筐体が黒色である通信機器等に使用される誘電体アンテナを得ることができる。

以下、本発明に係る複合誘電体材料の実施例及び比較例について説明する。

（１）本実施例及び比較例に係る複合誘電体材料の作製に用いた材料
本発明に係る複合誘電体材料は、液晶ポリマー、無機充填材およびチタンブラックを含む。

本実施例と比較例では、アンテナ基体の射出成形時の糸曳きを抑制する働きをする上述したＰＴＦＥを複合誘電体材料に混合した。

無機充填材としては、主として誘電率の向上により寄与するチタン酸カルシウム、および、主としてＱ値の向上により寄与する炭酸カルシウムを用意した。

チタンブラックは、１次粒子径が６２〜１００ｎｍのものが市販されており、この中から選ぶことができるが、ここでは、一次粒子径が１００ｎｍのものを用意した。

また、本発明に係る複合誘電体材料と比較するための複合誘電体材料として、チタンブラック以外の着色剤を使用して得られる複合誘電体材料を作製するために、カーボンブラック着色用カーボンブラック（三菱化学製＃４５ＬＢ）とアジン系染料（オリヱント化学工業製ＴＨ−８０７）を用意した。

（２）本実施例及び比較例に係る複合誘電体材料の組成比
実施例及び比較例の複合誘電体材料の組成比が、表１に示される。各実施例及び各比較例は、黒色着色剤の種類とその含有量の点で、それぞれ互いに異なる。実施例１〜実施例３、比較例１および比較例２では、複合誘電体材料に混合した黒色着色剤として、チタンブラックを使用している。チタンブラックを含むこれらの複合誘電体材料は、実施例１〜３では、チタンブラックの含有量が、４〜８体積％の範囲内であるのに対し、比較例１及び比較例２では、それぞれ、その範囲外の３体積％及び９体積％である点で異なる。また、他の成分の含有量も異なっているが、微差であり、得られる複合誘電体材料の特性に違いを与えるものではない。

一方、比較例３及び比較例４の複合誘電体材料は、黒色着色剤として、それぞれ、カーボンブラック及びアジン系染料を使用した。

（３）特性評価用試験片の作製
上述した液晶ポリマー、ＰＴＦＥ、チタン酸カルシウム、炭酸カルシウムおよびチタンブラック等の黒色着色剤をそれぞれ表１に示す組成比となるように秤量し、次いで、２軸の押出し機を用いて、３３０℃の温度にて、これらを溶融混練した。得られた複合材料を、溶融混練時にヘッド穴を通して糸状にしながら、ペレタイザーにより直径２ｍｍ×長さ５ｍｍ程度の寸法にカットして、射出成形用ペレットとした。

（４）評価方法
次に、上記射出成形用ペレットから射出成形機にて直径５５ｍｍ×厚さ１．３ｍｍの円板を作製し、ネットワークアナライザー（アジレントテクノロジー社製［ＨＰ８５１０］）を用いて、摂動法により３ＧＨｚでの比誘電率ε_ｒ、およびＱ値を求めた。黒色度の評価には、色の明度を表すＬ値を、色差計を用いて測定した。

（５）目標値
比誘電率ε_ｒは、誘電体アンテナの小型化に対応可能であることから、６以上の比誘電率を目標値とした。Ｑ値は、アンテナ効率の観点から４００以上を目標値とした。また、色の明度を表すＬ値は、黒色タイプの誘電体アンテナとして求められる３０以下とした。

（６）測定結果
実施例１〜３と比較例１〜４について、測定された結果を表１に示す。

表１に示すように、チタンブラックの含有量が４〜８体積％の範囲内である実施例１〜３では、比誘電率ε_ｒ、Ｑ値、および、Ｌ値の全ての項目で目標値を満足している。しかし、チタンブラックの含有量が４体積％未満の３体積％である比較例１では、チタンブラックの含有量が黒色化に十分ではなく、黒色度を示すＬ値が目標値を満足しなかった。また、チタンブラックの含有量が８体積％より大きい９体積％である比較例２では、Ｑ値が４００を下回った。また、カーボンブラックを４体積％配合した比較例３では、黒色度は目標値を満足したが、Ｑ値が４００を下回った。これは、カーボンブラックの導電性がチタンブラックよりも導電性がより高いためであると考えられる。アジン系染料を８体積％配合した比較例４では、黒色度が不十分であった。これは、アジン系染料が、顔料ではないため、樹脂に対する分散性が悪いためであると考えられる。
チタンブラックの含有量を４〜８体積％と限定させることによって、黒色タイプの誘電体アンテナとして求められる黒色着色度にまで黒色化され、かつ、アンテナとして所望な特性を有する液晶ポリマー系の複合誘電体材料が得られることが確認された。

１誘電体アンテナ
２アンテナ基体
３（３ａ，３ｂ）放射電極
４給電電極
５接地電極

Claims

液晶ポリマーと、
無機充填材と、
チタンブラックと、を含み、
前記チタンブラックの含有量は、４〜８体積％であることを特徴とする、複合誘電体材料。
請求項１に記載の複合誘電体材料からなるアンテナ基体と、
放射電極と、
給電電極と、
接地電極と、を含むことを特徴とする、誘電体アンテナ。