JP3915599B2 - アンテナ及びそのアンテナを有する携帯電話機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の送受信に用いるアンテナ及びそのアンテナを有する携帯電話機に係り、特に、アンテナ特性が安定なアンテナ及びそのアンテナを有する携帯電話機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話機のアンテナの本体を構成する導電材料には、従来、銅或いはリン青銅などの銅を主成分とした合金が主に使用されている。これは、導電材料を銅系のものにすることにより、アンテナに必要な高い導電性を確保することができるためである。
【0003】
この導電材料の表面にニッケルメッキ或いは金メッキを行ったものもある。これは導電材料の表面の酸化を防止するための保護メッキである。金メッキは、端子部分の接触抵抗を低減する目的で行うこともある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
携帯電話機のアンテナは、電波の送信時や受信時に熱が発生する。携帯電話機を長時間使用すると、発生熱によってアンテナに使用されている材料は膨張・変形する。アンテナの変形はアンテナ特性に影響する。例えば、平面アンテナでは、アンテナの表面積やスリットの形状がアンテナ特性(対応周波数、帯域幅、利得)に大きく影響を与える。よって、アンテナ特性を安定させるためには、熱による材料の変形が極力小さいことが望まれる。
【0005】
従来の銅系材料を本体とするアンテナの場合、現状の携帯電話の周波数帯(数百MHz〜約2GHz)では熱膨張によるアンテナ特性のずれは許容範囲に収めることができるが、それより高周波数帯(2GHz〜)では熱膨張がアンテナ特性のずれに与える影響が相対的に大きい、つまりアンテナ特性が熱に対して敏感であるため、アンテナ特性のずれが許容範囲から外れてしまう。従って、従来のアンテナを用いた携帯電話機は、熱が発生したとき、十分な送受信機能を果たすことができない。
【0006】
しかし、変形を防ぐことだけ考慮して、例えば、低熱膨張率のニッケル単体をアンテナ本体に用いた場合、導電特性がアンテナとして十分でなく、しかもニッケル単体は磁性体であるため、ニッケル単体でアンテナを構成することは不適切である。
【0007】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、アンテナ特性が安定なアンテナ及びそのアンテナを有する携帯電話機を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のアンテナは、熱膨張率が13×10-6/K以下である第一の金属材料からなり、板状又は棒状である基材の表面に、電気抵抗率5μΩ・cm以下である第二の金属材料を複合化した複合材を、ポリカーボネート樹脂からなる成形体に圧着して複合一体化したものである。
【0009】
上記第一の金属材料が鉄及びニッケルを主成分とする材料であってもよい。
【0010】
上記第二の金属材料が銅又は銀又は金を主成分とする材料であってもよい。
【0011】
上記第一、第二の金属材料を重ね合わせて圧延することにより複合化してもよい。
【0012】
また、本発明の携帯電話機は、上記第一、第二の金属材料を複合化したアンテナを搭載した携帯電話機である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0014】
図1に示されるように、本発明に係るアンテナは、熱膨張率が小さい第一の金属材料を板状の基材1とし、その基材1の表(おもて)面及び裏面の表面(ひょうめん;以下、注釈なきはひょうめん)に電気抵抗率が小さい第二の金属材料を板状の表面材2として張り合わせることにより複合化したものである。図2に示されるように、基材1の表裏両面に第二の金属材料を表面層3としてメッキすることにより複合化してもよい。
【0015】
本出願人は、前述した従来の問題点を解消する目的のために、アンテナに必要とされる導電特性を有する材料や熱膨張率を低減させる材料について種々検討した結果、アンテナの構造的な主要部分を占める材料(以下、基材という)として、例えば、鉄/ニッケル(Fe−Ni)系合金のような低熱膨張率の金属材料を用い、その基材の表面にアンテナの電気的な役割を担う材料として、例えば、銅などの電気伝導率の高い金属を複合一体化することによって、上記の目的を満足するアンテナを完成するに至った。
【0016】
即ち、本発明では、基材1として熱膨張率の小さいFe−Ni系合金を用いる。ただし、Fe−Ni系合金は、電気伝導率が低いため、この材料のみでアンテナとするのは不適切である。そこで、基材1の表面に電気伝導率の高い銅、銀、金などの表面材2を複合化することで、高周波アンテナに必要とされる導電率と低熱膨張率とを同時に満たすようにした。
【0017】
本発明は、アンテナによる送受信時に使用される高周波がアンテナの表面から厚さ数μmの領域を流れるという高周波特有の現象(表皮効果)を利用したものである。この表皮効果により、アンテナ電流の大部分が表面材2を流れることになり、基材1の電気伝導率が低いことは問題とならない。
【0018】
第一、第二の金属材料の複合化は、第一の金属材料を板状に形成した基材1と第二の金属材料を板状に形成した表面材2とをクラッド圧延によって一体化する方法、或いは基材1の表面に第二の金属材料をメッキして表面層3とする方法などがある。
【0019】
第一の金属材料としては、インバー合金を代表とするFe−Ni系合金のみに限らず、熱膨張率が13×10-6/K以下のものであれば、好適である。
【0020】
第二の金属材料としては、銅や銅を含む合金に限らず、電気抵抗率が5μΩ・cm以下のものであれば、好適である。従って、銀、銀を含む合金、金、金を含む合金なども好適である。
【0021】
また、図1、図2のように板状の金属材料を複合化した複合材を使って平面アンテナを構成するに限らず、図4に示されるように、丸棒状の基材1の表面に表面材2を複合化することによって、ロッド型のアンテナを構成してもよい。
【0022】
以下、本発明によるアンテナ特性の評価を試作品によって行う。
【0023】
図3に示されるように、複合材又は単体材料からなる導体板4をアンテナとして機能させるためにプレスで打ち抜いて放射素子7、接地(GND)8、給電点9を形成し、ポリカーボネート樹脂(PC)を射出成形して導体板4を取り付けるための平面部とその平面部を支持するための折曲部とを有するポリカーボネート成形体5を作成し、このポリカーボネート成形体5に上記のプレス加工した導体板4を圧着して複合一体化する。この一体化品をポリ塩化ビフェニル(PCB)の基板6に取り付ける。この図3に示した構造のアンテナを各種材料の導体板4によって試作した。
【0024】
試作#1;基材1としてFe−42wt%Ni合金条(厚さ23mm)、表面材2として銅条(厚さ0.15mm)を使用し、圧延法によりクラッドして複合材を作成し、さらに圧延を繰り返して基材1及び表面材2の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0025】
試作#2;基材1としてFe−50wt%Ni合金条(厚さ23mm)、表面材2として銅条(厚さ0.15mm)を使用し、圧延法によりクラッドして複合材を作成し、さらに圧延を繰り返して基材1及び表面材2の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0026】
試作#3;基材1としてFe−23wt%Ni合金条(厚さ23mm)、表面材2として銅条(厚さ0.15mm)を使用し、圧延法によりクラッドして複合材を作成し、さらに圧延を繰り返して基材1及び表面材2の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0027】
試作#4;基材1としてFe−50wt%Ni合金条(厚さ10mm)、表面層3のメッキ材料として銀Agを使用し、基材1に圧延を繰り返し、その上に銀メッキを行い、基材1及び表面層3の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0028】
試作#5;単体材料としてNi条(厚さ150μm)を使用し、この単体材料からなる導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0029】
試作#6;基材1としてNi条(厚さ23mm)、表面材2として銅条(厚さ0.15mm)を使用し、圧延法によりクラッドして複合材を作成し、さらに圧延を繰り返して基材1及び表面材2の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0030】
試作#7;基材1としてSUS304条(厚さ23mm)、表面材2として銅条(厚さ0.15mm)を使用し、圧延法によりクラッドして複合材を作成し、さらに圧延を繰り返して基材1及び表面材2の合計の厚さを150μmとした。この導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0031】
試作#8;単体材料として銅板(厚さ0.15mm)を使用し、この単体材料からなる導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0032】
試作#9;単体材料としてリン青銅板(Cu−6.0wt%Sn−0.1wt%P)(厚さ0.15mm)を使用し、この単体材料からなる導体板4をプレス成形により図3の形状に加工してポリカーボネート成形体5に圧着した。
【0033】
#1〜#4は、導体板4が低熱膨張率の材料と低電気抵抗率の材料とを複合化してなる本発明に該当するものである。#8、#9は、導体板4が単体材料からなる従来技術に該当するものである。#5〜#7は、比較対照のために作成したものである。
【0034】
これらの試作品について、対応周波数(GHz)、帯域幅(MHz)、反射損失(リターンロス)を計測し、表1にまとめた。
【0035】
なお、対応周波数は、1.8GHz、5.0GHzをそれぞれ目標としたときの実測値であり、帯域幅、反射損失は、その各条件での実測値である。これらのアンテナ特性の計測は、試験前に30分間の通電を行った直後に実施した。
【0036】
【表1】
【0037】
表1において、#1〜#4は本発明の実施例、#5〜#7は比較例、#8、#9は従来例と区分している。複合材の構成の欄には、複合材の各材料又は単体材料の名称を元素記号、重量比、ステンレス規格などで示した。複合材の場合は、表面材/基材/表面材という書式で記入した。総合評価は、対応周波数、帯域幅、反射損失に関する個別評価を総合したもので、○はアンテナ特性が良好、×は不良であることを表す。
【0038】
表1によれば、#1〜#4では、他と比較して、目標とする周波数どおりの対応周波数を確保できている。これに対し、#8、#9は、対応周波数が目標周波数と数十MHzのずれを生じており、5.0GHzでは特にそのずれが大きい。
【0039】
また、#1〜#4は、#8、#9と比較して目標対応周波数1.8GHz、5.0GHzで帯域幅が共に広く、いずれも150MHzを超えている。#8、#9は、1.8GHzでは150MHzを超える帯域幅を確保できているものの、5.0GHzでは50MHz以下の帯域幅しか得られていない。
【0040】
また、#1〜#4は、目標対応周波数1.8GHz、5.0GHzで反射損失が共に−10dB以下であるのに対し、#8、#9は、対応周波数で反射損失が−2dB程度であった。
【0041】
従来技術による#8、#9のアンテナ特性の低下は、試験前の通電で発生した熱によって導体板4が熱膨張したことが主原因であると考えられる。本発明による#1〜#4のアンテナ特性が良好なのは、基材1の熱膨張率が小さいために導体板4の熱膨張が抑えられたことが奏効していると考えられる。
【0042】
#5、#6は、Niの磁性がアンテナ特性に影響を与えて、アンテナとして十分に機能していない。
【0043】
#7は、熱膨張率が表面材2のCuと同等であるSUS304を基材1として使用したため、#8、#9と同様のアンテナ特性の低下が見られる。
【0044】
以上の試作評価により本発明の有効性が実証された。
【0045】
本発明のアンテナは、汎用性のあるFe−Ni系合金及びCu系材料によって構成できるため、材料コストが安価であることを保持し、かつ、アンテナ特性を大幅に向上させることができる。
【0046】
本発明に係る携帯電話機は、低熱膨張率の金属材料と低電気抵抗率の金属材料とを複合したアンテナを図1〜図4に示した形態或いは携帯電話機の構造に合わせた形状に形成し、従来のアンテナに代えて使用したものである。この場合、携帯電話機の長時間使用によってアンテナの温度が高くなっても、アンテナの変形がなく、2GHz以上の高周波数帯においてもアンテナ特性が低下しない。
【0047】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0048】
(1)低熱膨張率の基材により熱膨張が抑えられると共に、高周波電流が表皮効果によって高電気伝導率の表面材に流れるので、高いアンテナ特性を実現しつつそのアンテナ特性を発熱条件下でも安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態を示すアンテナの断面図である。
【図2】 本発明の一実施形態を示すアンテナの断面図である。
【図3】 本発明の一実施形態を示すアンテナの斜視図である。
【図4】 本発明の一実施形態を示すアンテナの断面図である。
【符号の説明】
1 基材(第一の金属材料)
2 表面材(第二の金属材料)
3 表面層(第二の金属材料)
4 導体板
5 ポリカーボネート成形体
Claims (5)
- 熱膨張率が13×10-6/K以下である第一の金属材料からなり、板状又は棒状である基材の表面に、電気抵抗率5μΩ・cm以下である第二の金属材料を複合化した複合材を、ポリカーボネート樹脂からなる成形体に圧着して複合一体化したことを特徴とするアンテナ。
- 上記第一の金属材料が鉄及びニッケルを主成分とする材料であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
- 上記第二の金属材料が銅又は銀又は金を主成分とする材料であることを特徴とする請求項1又は2いずれか記載のアンテナ。
- 上記第一、第二の金属材料を重ね合わせて圧延することにより複合化したことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のアンテナ。
- 請求項1〜4いずれか記載のアンテナを搭載したことを特徴とする携帯電話機。
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