JP4550561B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は平面アンテナに係り、特に、不規則な振動が生じる環境において、長時間に渡って故障なく使用できるアンテナに関する。

近年、無線通信機器は、単体で使用されるばかりではなく、ノートパソコン、携帯電話、ヘッドセット、ＰＤＡ（携帯型情報端末：Personal Digital Assistant）、デジタルカメラ等の情報機器に組み込まれて使用される。また、これらの情報機器は、ユーザに携帯されて使用されることが前提となっており、また、移動体に搭載されて使用されることも多い。

また、移動体（船舶を含む）に搭載される情報機器としては、ＧＰＳ（衛星測位システム；Global Positioning System）や、主要な道路の渋滞状況や工事情報等を知らせるＶＩＣＳ（道路交通情報通信システム；Vehicle Information and Communication System）等を利用するカーナビゲーション装置が普及している。また、最近は、有料道路におけるＥＴＣ（自動料金収受システム；Electronic Toll Collection System）を利用した料金自動支払システムが開発されている。更には、車載電話システムとＧＰＳとを利用して事故発生時等に災害救助信号を自動発信する緊急通信システムも実用化されている。

前述の各情報機器が備える無線通信用のアンテナは、歩行者や移動体等の不規則な振動が生じる環境下で使用されている。
従来、前述の情報機器が備えるアンテナは、小型化や無指向性が要求される場合には、誘電体の上面に放射導体を設けると共に下面に接地導体を設けた平面アンテナが多用されている。特に、ＧＰＳ、ＥＴＣ用アンテナでは円偏波の電波を送受信する関係から、特に平面アンテナが多用される。

この平面アンテナの一例としては、例えば、図４に示すようなものがある。

同図に示すように、従来の平面アンテナ８は、誘電体基板８１と、誘電体基板８１の下面に形成された接地導体８８と、誘電体基板８１の上面に形成された放射電極８２と、放射電極８２に接続された給電用電極８３と、給電用電極８３の直下に形成された貫通孔８５を通り、給電用電極８３と回路基板６０上の給電導体６２とを接続する給電ピン８７と、平面アンテナ８を回路基板６０に固定するための両面粘着テープ６７を備えて構成されている。

一般的には給電ピン８６は給電用導体８３、回路基板６０上の給電導体６２と半田付けによって接続される。この際、誘電体基板８１および回路基板６０に形成された貫通孔８５および６５は、内面がメタライズされたスルーホールとなっている。スル−ホ−ル８５および６５の内壁と給電ピン８７の間は半田で充填され、半田層８６及び６６を形成している。

特開２００３−２６４４２４号公報

ところで、上記背景技術で述べた従来の平面アンテナ８にあっては、誘電体基板８１と回路基板６０の線膨張係数が異なるため、熱による膨張・収縮に伴う応力が給電用電極８３と給電ピン８７および給電ピン８７と回路基板６０上の給電導体６２との半田接続部８４および６４に集中するため、半田接続部の機械的強度が低下し、これに更に振動等が加わると半田接続部に亀裂等が発生する場合があるという問題点があった。

尚、上記の半田接続部の機械強度の劣化は短期間の起こるものではなく、相当の長期間にわたって熱膨張や振動等が加えられたときに起こりうるものである。

特許文献１では、両面粘着テープを使用しないで平面アンテナを回路基板に固定する際に問題となる、両端が半田付け固定された給電ピンの軸方向の応力を緩和する方法として例えば図５に示す方法が開示されている。図５では給電ピン９７が回路基板６０を貫通する部分のまわりに凹部６８を形成してその部分の回路基板を薄くしている。これにより、回路基板の薄くした部分が応力により弾性変形し、半田接続部９４および６４に印加される応力を緩和している。

ところが特許文献１にも記載されているように給電ピンの軸方向の応力は、平面アンテナを回路基板に固定する際に両面粘着テープを使用することで緩和することができる。しかしながら、図４に示すような一つの誘電体基板に複数の給電箇所が存在し、その給電に給電ピンを使用する場合には、回路基板６０と誘電体基板８１の線膨張係数の差に起因する応力が給電ピン８７に対して、放射電極８２が形成されている誘電体基板８１の主面と平行な方向に発生する。特に、誘電体基板８１と回路基板６０にスル−ホ−ル８５および６５が設けられ、そこに給電ピン８７が挿入された上で半田付けが行われると、スル−ホ−ル内に半田が流れ込み、給電ピン８７の周囲が半田によって充填される。これによって、給電ピン８７に対する保持力が増す反面、線膨張係数の差に起因する応力がほとんど緩和されることなく、半田接続部８４および６４に印加されることになる。一般的に、誘電体基板８１の厚みより回路基板６０の厚みの方が薄いために、この応力は給電ピン８７と給電用電極８３の接続部よりも給電ピン８７と回路基板６０の接続部の半田により大きな影響を及ぼす。その影響のために長期的な膨張・収縮と振動等によって半田部に亀裂等が生じる場合がある。特許文献１に開示されている方法では前述の応力を緩和することは困難である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、給電ピンと回路基板との接続部の半田が、熱による膨張・収縮にともなう応力によって機械的強度が低下することを抑止でき、信頼性の高い平面アンテナを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、発明者等は鋭意研究を重ねた。その結果、給電ピンの平面アンテナ側の固定部と回路基板側の固定部の間に緩衝部を形成し、この緩衝部がバネのような役割をして、熱による膨張・収縮などによって発生した応力を解放することができることが判明した。これによって、振動等が加わっても半田クラックの生成を抑制できることが判明した。

この発明は上述した研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の平面アンテナの第１の態様は、誘電体基板の上面に形成された放射電極と、前記誘電体基板の下面に形成された接地導体と、回路基板上に形成された外部回路と前記放射電極とを電気的に接続する複数の給電ピンとを有する平面アンテナであって、前記平面アンテナは前記回路基板上に固定されるとともに、前記給電ピンが、前記平面アンテナと前記回路基板の双方に固定され、且つ平面アンテナ側の固定箇所と回路基板側の固定箇所の間に応力によって変形可能な緩衝部を有し、前記緩衝部が、前記誘電体基板に設けられ、前記回路基板の前記平面アンテナ側の面から前記平面アンテナ側の固定箇所に向かう所定の長さを有する前記給電ピンの一部の領域の周囲に空間を設けることによって形成され、前記給電ピンは、前記誘電体基板の側面部に固着された電極支持部に固定されており、さらに前記電極支持部の下面と前記回路基板との間に空間を設け、前記電極支持部は前記緩衝部と別に形成されることを特徴とする。

このように構成することにより、給電ピンの緩衝部が熱による膨張・収縮による応力によって変形し、給電ピンと回路基板の接続部、特に半田部への応力を抑制することができる。また、誘電体基板の大きさを抑えることができるとともに、給電ピンの緩衝部を容易に形成することができる。

この発明の平面アンテナの第２の態様は、前記緩衝部の長さを前記誘電体基板の厚みの１／４〜２／３としたことを特徴とする。

このような構成とすることで、より充分な緩衝機能を有する緩衝部を形成することができる。

この発明の平面アンテナの第３の態様は、前記誘電体基板と前記電極支持部とを一体構造として形成したことを特徴とする。

このように構成することにより、電極支持部の存在や、電極支持部と誘電体基板との固着具合によるアンテナ特性のばらつきを抑止すると共に、製造工程を簡素化して、大量生産を可能にすることができる。

以上説明したように、本発明の平面アンテナによれば、平面アンテナ側の固定箇所と回路基板側の固定箇所の間に応力によって変形可能な緩衝部を設けることにより、誘電体基板の熱による膨張・収縮に応じてこの部分が変形し、給電ピンと回路基板の接続部への応力の集中が抑制され、この部分の信頼性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の平面アンテナの最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの構造を示すものである。
同図において、本実施形態の平面アンテナ１は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１の下面に形成された接地導体１８と、誘電体基板１１の上面に形成された放射電極１２と、誘電体基板１１の側面部に設けられた電極支持部１９と、電極支持部１９の貫通孔を通り、放射電極１２と別体の回路基板６０の給電導体６２とを電気的に接続している給電ピン１７とを備えて構成されている。

本実施形態では、電極支持部１９の個数を２個としているが、これに限定されるものではなく、３個或いはそれ以上の場合でも適用可能である。

電極支持部１９は、誘電体基板１１の側面部に設けられ、上面が誘電体基板１１の上面と同一平面または略同一平面をなし、厚みが誘電体基板１１よりも薄くなっている。これにより、電極支持部１９の下面と回路基板６０の上面間にて給電ピン１７の周囲が空間となり、緩衝部が形成される。緩衝部が形成されることによって、半田接続部１４及び６４に印加される機械的なストレスを低減している。

図２は本発明の第２の実施形態を示す。図２の平面アンテナ２は従来の平面アンテナ８と同様な構成である。即ち、誘電体基板２１と、誘電体基板２１の下面に形成された接地導体２８と、誘電体基板２１の上面に形成された放射電極２２と、放射電極２２に接続された給電用電極２３と、給電用電極２３の直下に形成された貫通孔２５を通り、給電用電極２３と回路基板６０上の給電導体６２とを接続する給電ピン２７と、平面アンテナ２を回路基板６０に固定するための両面粘着テープ６７を備えて構成されている。

但し、図４とは異なり、接地導体２８の直下にスペ−サ４１を備えている。これにより、スル−ホ−ル６５の直上の給電ピン２７の周囲に空間２９が形成され、これが緩衝部として機能することになる。

図３は本発明の第３の実施形態を示す。図３の平面アンテナ３では、図１の電極支持部１９のような部位を設ける代わりに、誘電体基板３１の接地導体３８側から、給電ピン３７の周囲に座繰り３９を設けている。これによって、給電ピン３７の周囲に空間が形成され、緩衝部として機能することになる。

以上の第１乃至第３の実施形態において形成される緩衝部は、誘電体基板１１の厚みをｈとした場合に、給電ピンの長手方向に１／４ｈ〜２／３ｈの範囲の長さを有することが望ましい。但し、本発明は、一般には上記の範囲に制限されるものではない。

このように構成したことにより、平面アンテナが外気温の変動を伴う環境下で使用されたとしても、周囲に空間が形成された給電ピンの一部が弾性変形して緩衝作用をもたらし、前述の熱による膨張・収縮にともなう応力が給電ピンと回路基板上の給電導体との接続部に集中するのを緩和し、この部分の信頼性を向上させることができる。

上記の実施形態では、平面アンテナを上記のとおり構成したので、平面アンテナを、ノートパソコン、携帯電話、ヘッドセット、ＰＤＡ、デジタルカメラ等の情報機器に組み込んで使用することが可能でなり、また、これらの情報機器は、ユーザに携帯・携行されて使用されてもよい。

また、本実施形態に係る平面アンテナを、移動体に搭載される情報機器として、ＧＰＳや、主要な道路の渋滞状況や工事情報等を知らせるＶＩＣＳ等を利用するカーナビゲーション装置に組み込むことも可能である。また、有料道路におけるＥＴＣを利用した料金自動支払システムに利用することもできる。

尚、上記の実施例では複数の給電点を有する平面アンテナとしたが、例えば１つの給電点を有するアンテナを１つの誘電体基板上に複数配置した場合にも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナの構造を示すものである。 本発明の第２の実施形態に係る平面アンテナの構造を示すものである。 本発明の第３の実施形態に係る平面アンテナの構造を示すものである。 従来の平面アンテナの構造を示すものである。 従来のアンテナの給電部の構造の別の例である。

符号の説明

１、２、３ 平面アンテナ（本発明のアンテナ）
８、９ 平面アンテナ（従来例）
１１、２１、３１、８１、９１ 誘電体基板
１２、２２、３２、８２、９２ 放射電極
１３、２３、３３，８３，９３ 給電用電極
１４、２４，３４，６４，８４，９４ 半田接続部
１５、２５、３５，６５，８５，９５ スル−ホ−ル
１６，２６，３６，６６，８６，９６ 半田
１７，２７，３７，８７，９７ 給電ピン
１８，２８，３８，８８，９８ 接地用導体
１９ 電極支持部 ２９ 空間 ３９、６８ 座繰り
６１ 回路基板の誘電体 ６２ 給電用導体
６３ 回路基板の接地用導体 ６７ 両面粘着テ−プ

Claims (3)

1. 誘電体基板の上面に形成された放射電極と、前記誘電体基板の下面に形成された接地導体と、回路基板上に形成された外部回路と前記放射電極とを電気的に接続する複数の給電ピンとを有する平面アンテナであって、
   前記平面アンテナは前記回路基板上に固定されるとともに、
   前記給電ピンが、前記平面アンテナと前記回路基板の双方に固定され、且つ平面アンテナ側の固定箇所と回路基板側の固定箇所の間に応力によって変形可能な緩衝部を有し、
   前記緩衝部が、前記回路基板の上方に設けられ、前記回路基板の前記平面アンテナ側の面から前記平面アンテナ側の固定箇所に向かう所定の長さを有する前記給電ピンの一部の領域の周囲に空間を設けることによって形成され、
   前記給電ピンは、前記誘電体基板の側面部に固着された電極支持部に固定されており、
   さらに前記電極支持部の下面と前記回路基板との間に空間を設け、
   前記電極支持部は前記緩衝部と別に形成される、
   ことを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記緩衝部の長さを前記誘電体基板の厚みの１／４〜２／３とした、
   ことを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。
3. 前記誘電体基板と前記電極支持部とを一体構造として形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の平面アンテナ。