JP4882771B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に係り、特にグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）アンテナ等に使用される平面型の小型のアンテナ装置に関する。

近年の移動体通信機器等、小型の通信機器（例えばＧＰＳ方式のカーナビゲーション装置や携帯用ナビゲーション装置、衛星波受信機等）の発達に伴い、これらの機器に用いられるアンテナ装置に関して、小型化、高性能化が要求されている。この点、アンテナ装置の中でも平面型アンテナ装置（例えば、円偏波パッチアンテナ等）は、その構造上薄く、小型であり、半導体回路との集積化が比較的容易であるとの利点を備えるため、小型の通信機器用のアンテナとして広く応用されている。

このような平面型アンテナ装置としては、例えば、セラミックス等の高誘電体で形成された基板とこの基板の表面に設けられた放射素子と、回路基板と、を備えた構成のものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。このような構成のアンテナ装置においては、高誘電体によりアンテナの静電容量を確保することができるため、共振周波数が低くなり放射導体板の小型化を図ることができる。
特開２００１−３３９２３２号公報 特開２００１−３３９２３３号公報 特開２００１−３３９２３４号公報

しかしながら、セラミックスは重量が重く価格も高い。また、その表面に設けられる放射素子は、一般に銀の薄膜が用いられることが多いが、これも高価である。また、セラミックスの焼成設備や銀の薄膜の印刷設備等の設備が必要となるため、結局、特許文献１に記載されているような小型の平面型アンテナ装置にセラミックスを搭載して銀の薄膜を形成すると、アンテナ装置の製造コストが高くなってしまうという問題があった。

また、セラミックスは誘電率が非常に高いためアンテナ装置の小型化には寄与するが、誘電率や静電容量がばらつくため、装置の１つ１つについてパッチのパターンに切れ込みを入れてパターンの周囲長を調整しなければならない。このように誘電率や静電容量のばらつき管理が必ずしも容易でなく歩留まりが低く、結果的にアンテナ装置の製造コストをアップさせてしまうという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型で製造コストが低く、かつ十分な静電容量を確保することのできるアンテナ装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のアンテナ装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板と所定間隔を有して配設された金属板からなるアンテナエレメントと、
前記アンテナエレメントから前記誘電体基板に向かって延びる複数の脚片と、
前記脚片および前記誘電体基板と電気的に接続されるチップコンデンサと、
前記誘電体基板と前記アンテナエレメントとの間に挿入される樹脂製のインサート部材と
を備え、
前記脚片は、前記アンテナエレメントの中心に対して点対称に配置され、
前記チップコンデンサは、
前記誘電体基板の前記アンテナエレメントに対向する側の面上に設けられており、前記誘電体基板と前記アンテナエレメントとの間に挿入される前記インサート部材中に埋没されているとともに、
前記各脚片に対応して前記アンテナエレメントの中心に対して点対称の位置に設けられており、
前記誘電体基板の前記面に直交する方向から前記誘電体基板を見た場合に、前記各チップコンデンサの長手方向が、当該チップコンデンサに対応する前記脚片と当該脚片の右隣または左隣に隣接する前記脚片とを結ぶ線の延在方向を向くようにそれぞれ配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアンテナ装置において、前記インサート部材は、前記誘電体基板と前記金属板との間にインサート成形により充填されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置において、前記インサート部材は、ＡＢＳ樹脂または液晶ポリマーを材料とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板上には、回路が形成された導体層と、前記導体層と絶縁された導通部とが設けられ、
前記脚片は、一端部が前記導通部と接触し、
前記チップコンデンサは、前記導通部の一端部と前記導体層との双方に接触するように設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置において、
前記誘電体基板の前記導通部と前記導通層との間には絶縁部が設けられ、
前記導通部は前記絶縁部により囲まれていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、誘電体基板やアンテナエレメント、インサート部材はそれぞれ安価に形成できるため、アンテナ装置の製造コストを非常に安価に抑えることが可能となる。また、インサート部材を構成する樹脂は、それ自体がアンテナエレメントや誘電体基板等に密着するため、接着剤等で接着する必要がなくなり、その分さらに安価に装置を製造することが可能となる。

また、誘電体基板とアンテナエレメントとの間に樹脂製のインサート部材を充填したことにより、十分に大きな静電容量を確保することが可能となり、装置をより小型化することが可能となる。また、両者の間にチップコンデンサを設けたことにより、静電容量がさらに大きくなるため、装置をさらに小型化させることが可能となる。
さらに、前記効果に加え、脚片がアンテナエレメントの中心に対して点対称に配置されているので、アンテナとしての性能が安定する。また、チップコンデンサが各脚片それぞれに対応して設けられているので、チップコンデンサが対称位置に配置されることによりアンテナとしての性能が安定するという効果を奏する。

請求項２に記載の発明によれば、インサート成形により誘電体基板とアンテナエレメントとの間に樹脂を充填させてインサート部材を形成することで、製品が効率良く製造される。しかも、誘電率や静電容量に大きな影響を与える空気の層を形成しない状態でインサート部材の樹脂がアンテナエレメント等に密着するため、製品ごとのインサート部材の静電容量のばらつきを実用上問題とならないレベルにまで低減することが可能となる。そのため、前記請求項１に記載の発明の効果がより効率良くかつ効果的に発揮される。

請求項３に記載の発明によれば、前記各発明の効果に加え、インサート部材をＡＢＳ樹脂や液晶ポリマーを材料として形成することで、安価にかつ容易にインサート部材を形成することが可能となるとともに、インサート部材がインサート成形によって形成される場合にはアンテナエレメントと誘電体基板との間を良好に充填して誘電率や静電容量にばらつきがほとんどないアンテナ装置を製造することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、アンテナエレメントの脚片がチップコンデンサを介して誘電体基板の導体層と電気的に接続されているので、アンテナエレメントと誘電体基板との間の静電容量をより大きくすることができ、装置のさらなる小型化を図ることが可能となり、前記各発明の効果がより有効に発揮される。

請求項５に記載の発明によれば、前記各発明の効果に加え、誘電体基板の導通部と導体層とを絶縁部によって隔てているので、導通部と導体層とが確実に絶縁される。

以下、本発明に係るアンテナ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし発明の範囲は、図示例に限定されるものではない。

図１は本実施形態に係るアンテナ装置の斜視図である。図２は図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の上面側を表す図であり、インサート部材６は省略されている。図３は図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の下面の一部の拡大図であり、図４は図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の上面の一部の拡大図である。また、図５はアンテナエレメントを誘電体基板に固定した状態を表す斜視図であり、図６はインサート成形の手順を説明する模式図である。

なお、本実施形態では、誘電体基板のアンテナエレメントに対向する側の面を誘電体基板の上面、その反対側の面を誘電体基板の下面という。

図１および図２に示すように、アンテナ装置１は、上下両面に銅薄膜等の導体層２１、２７を有する誘電体基板２を有している。誘電体基板２は四角形状に形成されており、誘電体基板２の各角部近傍にはそれぞれ４つの透孔２２が設けられている。また、誘電体基板２の中心からやや偏倚した位置には、後述する給電ピン３を挿入する挿入孔２３が設けられている。

誘電体基板２の下面においては、図３に示すように、透孔２２および挿入孔２３の周縁には絶縁部２４が設けられており、透孔２２は導体層２１から絶縁されている。

一方、誘電体基板２の上面においては、図２および図４に示すように、透孔２２の周縁には導通部２５が透孔２２を囲むように設けられている。この導通部２５の周縁および前記挿入孔２３の周縁には、絶縁部２６が導通部２５および挿入孔２３を囲むように設けられている。絶縁部２６の周囲は全て導体層２７で覆われている。

また、誘電体基板２の上面には、各導通部２５の一端部に接触して集中定数素子としてのチップコンデンサ４がそれぞれ設けられている。各チップコンデンサ４は、絶縁部２６を挟んで一端が導通部２５に接触し、他端が導体層２７に接触するように配置されている。

チップコンデンサ４は、例えば、セラミックス等の導電体を金属板等で挟んで構成される積層セラミックチップコンデンサであるが、小型軽量のコンデンサであれば適用可能であり、その構成は特に限定されない。また、チップコンデンサ４は、絶縁部２６を挟んで一端が導通部２５に接触し、他端が導体層２７に接触する位置に配置されていればよく、その位置は図示例に限定されない。

なお、本実施形態では、導通部２５やチップコンデンサ４を誘電体基板２の上面側に形成する場合について説明したが、これらを誘電体基板２の下面側に形成することも可能である。

また、誘電体基板２の下面に設けられた絶縁部２４のうち、透孔２２の周縁に設けられた絶縁部２４の長手方向の大きさと誘電体基板２の下面に設けられた導通部２５の長手方向の大きさとはほぼ同じとされており、透孔２２の周縁に設けられた絶縁部２４は導通部２５と対向している。これにより導通部２５と上面の導体層２１とは対向されないようになっている。

誘電体基板２の挿入孔２３には、給電ピン３が、誘電体基板２を貫通するように挿入されている。給電ピン３の下端部すなわち誘電体基板２の下面側から突出している端部は、図示しない携帯端末などの電子機器の回路基板上に本アンテナ装置が実装され、回路基板上の受信回路に信号が送られるようになっている。雑音増幅器（ＬＮＡ）等の回路素子が実装されたＬＮＡ基板に実装され、同軸ケーブルを介して受信回路に信号が送られるようになっていてもよい。

誘電体基板２の上面側の上方には、所定の間隔を有して誘電体基板２と平行に配設された平板状のアンテナエレメント５が設けられている。アンテナエレメント５は、例えば銅板等の金属板から構成されている。

アンテナエレメント５の中心からやや偏倚した位置には給電点５１が設けられており、この給電点５１には誘電体基板２を貫通する給電ピン３の上端部が半田付けされている。なお、本実施形態では、アンテナエレメント５の金属板の部分の略中央には穴５４が設けられており、後述するようにインサート成形の際の樹脂流入口としても利用することができる。

アンテナエレメント５の各角部近傍には、それぞれ金属平板の脚片５２が、誘電体基板２に向かって垂設されており、脚片５２は、アンテナエレメント５の中心に対してほぼ点対称に配置される。脚片５２は、例えばアンテナエレメント５の一部を曲折することによりアンテナエレメント５と一体に形成されている。なお、脚片５２は、アンテナエレメント５の中心に対してほぼ点対称に配置されていればよく、脚片５２の数、形状等はここに例示したものに限定されない。

この複数の脚片５２の誘電体基板２側の端部は、図２および図３に示すように、それぞれ脚辺５２より狭幅の固定片５３とされており、各固定片５３が、誘電体基板２の各角部近傍にそれぞれ設けられた前記透孔２２に嵌挿されてアンテナエレメント５が誘電体基板２上仮固定される。固定片５３は、誘電体基板２の下面側の面と一致するか、又は下面側から突出しない程度の長さとされている。

前述したように誘電体基板２の下面側において透孔２２の周縁は導通部２５で囲まれており、脚片５２は、図示しない半田等により固定されている。また、各脚片５２は導通部２５と接触して固定されることにより、この導通部２５と接続されている前述のチップコンデンサ４を介して誘電体基板２の導体層２７と電気的に接続されるようになっている。

アンテナエレメント５と誘電体基板２との間には、樹脂製のインサート部材６が形成されている。本実施形態では、インサート部材６は、後述するインサート成形により樹脂がアンテナエレメント５と誘電体基板２との間に充填されて形成されるようになっている。

インサート部材６に用いる樹脂は、その誘電率や溶融温度、インサート成形のしやすさ等の観点から適宜選択され、特定の樹脂に限定されないが、上記観点からＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂）や液晶ポリマー等がその材料として好ましく用いられる。

インサート部材６のインサート成形の方法については通常の方法を用いることができる。ここで、インサート部材６のインサート成形について一例を挙げて具体的に説明する。

前述したように、まず、図５に示すようにアンテナエレメント５を誘電体基板２に固定した状態で、図６（Ａ）に示すように金型１０の下型１１に誘電体基板２側から入れる。そして、図６（Ｂ）に示すように上型１２を下型１１の上方から被せて金型１０を閉じる。そして、図６（Ｃ）に示すように金型１０を閉じた状態で上型１２内の溶けた樹脂Ｒが上型１２の注出口１３を介して注出される。

注出された樹脂Ｒは、図５に示したアンテナエレメント５の穴５４からアンテナエレメント５と誘電体基板２との間に注入され、両者の間隙に進入していき、最終的に両者の間に隙間なく充填される。そして、図示を省略するが、金型１０が開放され、充填された樹脂が固化してインサート部材６とされたアンテナ装置１（図１参照）が金型１０から取り出されてインサート成形が完了する。

次に、本実施形態に係るアンテナ装置１の作用について説明する。

本実施形態に係るアンテナ装置１は、アンテナエレメント５と一体に形成されている複数の脚片５２の端部に設けられた固定片５３を、誘電体基板２に設けられた透孔２２にそれぞれ嵌挿して仮固定し、脚片５２を誘電体基板２の上面に設けられた導通部２５に半田付けすることにより固定される。

これにより脚片５２が抜け落ちることなく誘電体基板２に固定されるとともに、各導通部２５の一端部と導体層２７との双方に接触する位置に設けられているチップコンデンサ４を介して、各脚片５２が誘電体基板２の導体層２７に導通する。

また、給電ピン３を誘電体基板２の挿入孔２３に挿入するとともに、給電ピン３の上端部をアンテナエレメント５の給電点５１に半田付けする。これにより、給電ピン３は、誘電体基板２と導通せずに誘電体基板２を貫通し、アンテナエレメント５と接続される。

給電ピン３を介して所定の高周波信号がアンテナエレメント５に供給されると、電界が形成されてアンテナエレメント５から円偏波電波が放射される。一方、信号電波がアンテナエレメント５によって受信されると、この電気的信号がＬＮＡ回路や同軸ケーブル等を経て外部の受信回路に出力される。

また、アンテナエレメント５と誘電体基板２との間に樹脂製のインサート部材６を充填させることで、両者の間に高誘電体が挿入された状態が形成され、両者間に大きな静電容量を確保することが可能となる。

さらに、本実施形態のように、インサート部材６を樹脂のインサート成形により形成すれば、アンテナエレメント５と誘電体基板２との間に樹脂が隙間なく充填され、それにより、インサート部材６が金属板のアンテナエレメント５や誘電体基板２の上面、脚片５２等に密着し、接着剤等を用いることなく確実に接着される。

また、インサート部材６がアンテナエレメント５や誘電体基板２等に隙間なく密着することで、アンテナエレメント５とインサート部材６との間やインサート部材６と誘電体基板２との間に空気の層が形成されることが阻止される。そのため、空気の層が形成されることによるインサート部材６の誘電率のばらつきがなくなり、インサート部材６の誘電率やそれに応じた静電容量の製品ごとのばらつきが抑制される。

また、アンテナエレメント５の脚片５２と誘電体基板２の導体層２７とがチップコンデンサ４を介して導通されているため、アンテナエレメント５と誘電体基板２との間にさらに静電容量が確保される。そして、チップコンデンサ４の容量値を調整することで、アンテナエレメント５と誘電体基板２との間の静電容量を容易に調整することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るアンテナ装置１によれば、誘電体基板２やアンテナエレメント５、インサート部材６はそれぞれ安価に形成することが可能であるから、アンテナ装置１の製造コストを非常に安価に抑えることが可能となる。また、前述したように、インサート部材６を構成する樹脂は、それ自体がアンテナエレメント５や誘電体基板２等に密着するため、接着剤等で接着する必要がなくなり、その分さらに安価に装置を製造することが可能となる。

また、誘電体基板２とアンテナエレメント５との間に樹脂製のインサート部材６を充填したことにより、十分に大きな静電容量を確保することが可能となり、装置をより小型化することが可能となる。また、両者の間にチップコンデンサ４を設けたことにより、静電容量がさらに大きくなるため、装置をさらに小型化させることが可能となる。

さらに、前述したように樹脂がアンテナエレメント５等に密着して、誘電率や静電容量に大きな影響を与える空気の層を形成させないため、製品ごとのインサート部材６の静電容量のばらつきを実用上問題とならないレベルにまで低減することが可能となる。

そのため、誘電率や静電容量のばらつき管理が非常に容易であり、前述したようにチップコンデンサ４の容量値を調整することでアンテナエレメント５と誘電体基板２との間の静電容量を調整することは可能ではあるが、実際にはチップコンデンサ４による調整が必要ない程度にまでばらつきを抑制することが可能となる。

なお、脚片５２がアンテナエレメント５の中心に対して点対称に配置されているので、アンテナとしての性能が安定する。また、チップコンデンサ４が各脚片５２それぞれに対応して設けられているので、チップコンデンサ４が対称位置に配置されることによりアンテナとしての性能が安定する。

また、インサート部材６やチップコンデンサ４の容量を調整することによりアンテナ装置１の小型化の比率を調整することができる。その他、本発明が上記実施の形態に限定されず、適宜変更可能であるのは言うまでもない。

本実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。 図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の上面側を表す図である。 図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の下面の一部を拡大した図である。 図１に示すアンテナ装置の誘電体基板の上面の一部を拡大した図である。 アンテナエレメントを誘電体基板等に固定した状態を表す斜視図である。 インサート成形の手順を説明する模式図である。

符号の説明

１ アンテナ装置
２ 誘電体基板
４ チップコンデンサ
５ アンテナエレメント
５２ 脚片
６ インサート部材
２５ 導通部
２６ 絶縁部
２７ 導体層

Claims (5)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板と所定間隔を有して配設された金属板からなるアンテナエレメントと、
   前記アンテナエレメントから前記誘電体基板に向かって延びる複数の脚片と、
   前記脚片および前記誘電体基板と電気的に接続されるチップコンデンサと、
   前記誘電体基板と前記アンテナエレメントとの間に挿入される樹脂製のインサート部材と
   を備え、
   前記脚片は、前記アンテナエレメントの中心に対して点対称に配置され、
   前記チップコンデンサは、
   前記誘電体基板の前記アンテナエレメントに対向する側の面上に設けられており、前記誘電体基板と前記アンテナエレメントとの間に挿入される前記インサート部材中に埋没されているとともに、
   前記各脚片に対応して前記アンテナエレメントの中心に対して点対称の位置に設けられており、
   前記誘電体基板の前記面に直交する方向から前記誘電体基板を見た場合に、前記各チップコンデンサの長手方向が、当該チップコンデンサに対応する前記脚片と当該脚片の右隣または左隣に隣接する前記脚片とを結ぶ線の延在方向を向くようにそれぞれ配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記インサート部材は、前記誘電体基板と前記金属板との間にインサート成形により充填されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記インサート部材は、ＡＢＳ樹脂または液晶ポリマーを材料とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記誘電体基板上には、回路が形成された導体層と、前記導体層と絶縁された導通部とが設けられ、
   前記脚片は、一端部が前記導通部と接触し、
   前記チップコンデンサは、前記導通部の一端部と前記導体層との双方に接触するように設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記誘電体基板の前記導通部と前記導通層との間には絶縁部が設けられ、
   前記導通部は前記絶縁部により囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

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