JP4941685B2 - アンテナ及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ及びそれを用いた通信装置に関する。

アンテナは、通信装置に不可欠なものであり、従来より、多種多様のものが提案され、実用に供されてきた。そのうちの一つに、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）でなるアンテナ素子を用い、ＦＰＣの有する接着力を利用して、アンテナ素子を誘電体基体に貼り付けたアンテナが知られている（例えば特許文献１）。

ＦＰＣを用いたアンテナ素子によれば、アンテナ電極のパターン精度が高く、共振周波数のバラツキ度合いの小さいアンテナを容易に製造することができる。しかも、アンテナ素子を誘電体基体に貼り付けるだけでよいので、製造・組立も容易である。

しかし、誘電体基体に対するＦＰＣの取り付け位置が変動すると、それにつれて、共振周波数が変動してしまうという問題点を抱えている。

特開２００７−２７４６６５号公報

本発明の課題は、ＦＰＣで構成されたアンテナ素子の取り付け位置の変動に伴う周波数特性変化の小さいアンテナ及びそれを用いた通信装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るアンテナは、誘電体基体と、アンテナ素子とを含む。前記誘電体基体は、外面に、前記誘電体基体の比誘電率よりも低い比誘電率を有する目印を有している。一方、前記アンテナ素子は、ＦＰＣフィルムで構成される。この前記ＦＰＣフィルムは、一面側にアンテナ電極を有し、他面側に接着層を有する可撓性絶縁フィルムを含み、前記アンテナ電極の端部又は屈曲部を前記目印に位置合せして、前記誘電体基体の前記外面上に貼付されている。

上述したように、アンテナ素子は、ＦＰＣフィルムで構成される。このＦＰＣフィルムは、一面側にアンテナ電極を有し、他面側に接着層を有する可撓性絶縁フィルムを含んでいて、誘電体基体の前記外面上に貼付されている。従って、アンテナ素子のパターン精度が高く、共振周波数のバラツキ度合いの小さいアンテナを実現することができる。また、ＦＰＣを誘電体基体に貼付する構成であるので、その製造が容易である。

本発明に係るアンテナは、その特徴的構成として、誘電体基体が、外面に目印を有しており、ＦＰＣフィルムは、アンテナ電極を目印に位置合せして、誘電体基体の外面上に貼付されている。この構成によれば、誘電体基体に対するアンテナ電極の相対位置を一定化し、ＦＰＣの取り付け位置の変動に伴う周波数特性変化の小さいアンテナを実現することができる。

アンテナ電極の先端部又は屈曲部を利用して位置合せする際、アンテナ電極の先端部または屈曲部が目印の外側にずれたり、或いは内側にずれたりすることがある。ここで、目印は、誘電体基体の比誘電率よりも低い比誘電率を有するから、仮に、アンテナ電極に位置ずれを生じた場合でもアンテナ電極の電気長の変化が小さくて済む。このため、取り付け位置の変動に伴う周波数特性の変化が小さくなる。

前記目印は、好ましくは、誘電体基体の外面に備えられた凹部で構成する。この構成によれば、凹部は、空気の比誘電率εｒをもつことになるから、目印付近のアンテナ電極に対しては、空気の比誘電率εｒと、誘電体基体の比誘電率ε１とによって定まる実効比誘電率εeが働く。この実効比透磁率εeは、当然、誘電体基体の比誘電率ε１よりも低くなるから、アンテナ電極の取り付け位置の変動に伴う周波数特性の変化を、効果的に抑制することができる。

しかも、凹部でなる目印は、誘電体基体の外面を削除するだけの簡単な手段によって形成することができる。更に、他の有機物又は無機物による目印と異なって、空気は、経年変化による比誘電率の変化を招くことがないから、安定した周波数特性を維持することができる。

本発明は、誘電体基体の表面にアンテナ電極を形成したタイプのアンテナであれば、広く適用することができる。中でも、有用なのは、λ/４モノポールアンテナの一種である複共振アンテナへの適用である。

複共振アンテナにおいて、アンテナ電極は、第１のアンテナ電極と、第２のアンテナ電極とを含んでいる。前記第１のアンテナ電極及び前記第２のアンテナ電極は、前記可撓性絶縁フィルム上に併設され、一端が共通に接続され、他端が自由端になっている。前記第１のアンテナ電極は、前記一端から前記他端までの長さが、前記第２のアンテナ電極のそれよりも長く、折り返されている。

この複共振アンテナへの本発明の適用においては、第１のアンテナ電極もしくは第２のアンテナ電極の先端部、または、折り返されている第１のアンテナ電極に生じる屈曲部に、目印を設けることになる。

複共振アンテナの場合、前記第２のアンテナ電極を、前記第１のアンテナ電極の前記折り返しまでの往路部分と、折り返し後の復路部分とによって挟む構成と採ることにより、高周波側のアンテナ特性と、低周波側のアンテナ特性とをバランスさせることができる。

本発明は、更に、上述したアンテナを用いた通信装置についても開示する。

以上述べたように、本発明によれば、ＦＰＣの取り付け位置の変動に伴う周波数特性変化の小さいアンテナを提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

本発明に係るアンテナの一実施形態を示す斜視図である。 図１におけるII-II線断面図である。 図１に示したアンテナに付加された目印の部分を拡大して示す平面図である。 図３におけるIV-IV線断面図である。 図１〜図４に示したアンテナに用いられているＦＰＣの平面図である。 図５に示したＦＰＣの一例を示す拡大断面図である。 本発明に係るアンテナにおける目印の作用を説明する平面図である。 目印を持たない場合の周波数−ＶＳＷＲ特性を示すシミュレーション・データである。 本発明に係るアンテナの周波数−ＶＳＷＲ特性を示すシミュレーション・データである。 本発明に係るアンテナの別の実施の形態を示す斜視図である。 図１０に示したアンテナに用いられている誘電体基体の一部を示す平面図である。 本発明に係るアンテナの更に別の実施の形態を示す斜視図である。 図１２に示したアンテナに用いられている誘電体基体を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナの更に別の実施の形態を示す斜視図である。 図１４に示したアンテナに用いられている誘電体基体を示す斜視図である。 本発明に係るアンテナを用いた通信装置のブロック図である。

まず、図１及び図２を参照すると、複共振アンテナの例が示されている。複共振アンテナは、１チップでありながら、２つの異なる周波数帯に対応することができるもので、アンテナ素子２と、誘電体基体３とを含む。

誘電体基体３は、好ましくは、合成樹脂と誘電体セラミックス粉末とを混合した複合誘電体材料によって構成する。合成樹脂としては、一例であるが、ＡＢＳ(Acrylonitrile butadiene styrene)樹脂やＰＣ(Polycarbonate)樹脂などを用いることができる。誘電体セラミック粉末としては、酸化チタン系セラミック粉末やチタン酸バリウム系セラミック粉末を用いることができる。このような複合誘電体材料を用いることの利点は、誘電体基体３の比誘電率を調整することができること、成形技術を適用して、要求される形状に成形できること、及び、顔料混入によって誘電体基体３を着色できることなどである。誘電体基体３の比誘電率は、上述した合成樹脂及び誘電体セラミック粉末の両者の比誘電率及び組成比率によって調整することができる。一例であるが、合成樹脂として、ＡＢＳ樹脂及びＰＣ樹脂を用い、この合成樹脂に酸化チタン（TiO_２）でなる誘電体セラミック粉末を、４５ｗｔ％〜５５ｗｔ％の範囲で混合し、誘電体基体３の比誘電率を、５．５〜８．０の範囲に設定することができる。

誘電体基体３は、中実のブロック形状であってもよいし、中身の大部分が抜かれて、外壁面を有する形状であってもよい。この実施の形態では、後者の形状が選択されており、天面３１と４側壁３２〜３５とを有し、天面３１と対向する底面が開口する外形六面体状となっている。もっとも、外形は、六面体状に限定されるものではない。他の形状を採用することもできる。

誘電体基体３は、特徴的構成として、その外面に、目印３０を有している。目印３０は、誘電体基体３の比誘電率ε１よりも低い比誘電率εｒを有する。実施の形態に示された目印３０は、誘電体基体３の天面３１の表面にＣ溝状に形成された凹部でなる。したがって、目印（凹部）３０は、空気の比誘電率εｒを持つことになる。

図３及び図４を参照すると、目印３０を構成する凹部は、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２を貼付する貼付領域３００を、３方から包囲するように形成されている。貼付領域３００は、先端面３０１、その両端から後方に延びる２つの側端面３０２、３０３を有する。先端面３０１、及び、側端面３０２、３０３は、位置合せ基準面となる。これらの端面３０１〜３０３は、溝幅ｄ１を隔てて、外側の壁面３０４、３０５及び３０６と向き合っている。目印３０を構成する凹部は、貼付領域３００の基部３０７、及び、底面３０８において閉じられている。もっとも、底部３０８のない貫通溝であってもよい。目印（凹部）３０の溝幅ｄ１、底部３０８までの深さｈ１及び占有面積は、ＦＰＣフィルムの位置ずれを考慮して、その変動幅に追従できるディメンションに定められる。また、貼付領域３００の幅Ｗ０は、アンテナ電極に適合する寸法に定められている。

一方、アンテナ素子２は、ＦＰＣフィルムで構成される。その詳細を示す図５及び図６を参照すると、このＦＰＣフィルムは、一面側に第１及び第２のアンテナ電極２１、２２及び給電電極２３を有し、他面側に可撓性絶縁フィルム２０を有する。可撓性絶縁樹脂フィルム２０は、第１の接着層２０１、支持フィルム層２０２及び第２の接着層２０３を、この順序で順次に積層した構造を有する。第１の接着層２０１は、ＦＰＣフィルムを誘電体基体３に接着するために用いられ、第２の接着層２０３は第１及び第２のアンテナ電極２１、２２及び給電電極２３を接着している。このＦＰＣフィルムは透明であって、第１及び第２の第１及び第２のアンテナ電極２１、２２及び給電電極２３のない部分では、表から裏が透けて見える。

具体的には、第１の接着層２０１は、例えば、５０μｍ程度の層厚とし、支持フィルム層２０２は、例えば、ＰＥＴを用いて２５μｍ程度の層厚とし、第２の接着層２０３は、、例えば、１２μｍ程度の層厚とする。第１及び第２のアンテナ電極２１、２２及び給電電極２３は、Ｃｕを主成分とする導電材料により、例えば２５μｍ程度の層厚とする。第１及び第２のアンテナ電極２１、２２及び給電電極２３の表面に、保護層となるレジスト層２０４を、例えば１５μｍ程度の層厚となるように塗布してあってもよい。

図５を参照すると、アンテナ電極配置の一例が拡大図として、図示されている。図５において、第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２のそれぞれは、λ/４モノポールアンテナとして構成され、給電電極２３から分岐されている。第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２は、誘電体基体３の天面３１の表面に、互いに間隔を隔てて併設されている。第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２は、一端が共通に接続され、他端が自由端になっている。共通に接続された一端は、給電電極２３に接続されている。

上述した貼付領域３００の幅Ｗ０は、第１のアンテナ電極２１の幅Ｗ１及び第２のアンテナ電極２２の幅Ｗ２に関して、例えば、Ｗ０＝Ｗ１、Ｗ２となるように選定されている。

第１のアンテナ電極２１は、一端から他端までの長さＬ１が、第２のアンテナ電極２２の長さＬ２よりも長く、折り返され、一端から折り返しまでの往路部分２１１と、折り返し後の復路部分２１２とを有している。往路部分２１１と復路部分２１２は、折返し部分２１３によって連続する。第１のアンテナ電極２１の長さＬ１は、幅中心を通る中心線に沿って計測された寸法である。

第２のアンテナ電極２２は、第１のアンテナ電極２１の往路部分２１１と、折り返し後の復路部分２１２とによって挟まれている。即ち、第２のアンテナ電極２２は、一側辺が間隔を隔てて第１のアンテナ電極２１の往路部分２１１と平行し、先端辺が間隔を隔てて第１のアンテナ電極２１の折返し部分２１３と向き合い、他側辺が間隔を隔てて第１のアンテナ電極２１の復路部分２１２と平行している。

第１のアンテナ電極２１の長さＬ１は、対象とする周波数、及び、誘電体基体３の比誘電率を考慮し、λ/４の電気長となるように定められる。第２のアンテナ電極２２の長さＬ２も同様にして定められる。例えば、複共振アンテナが、ＧＰＳ（Global Positioning System）の機能と、Bluetooth（登録商標 以下省略）の機能とを有する移動体通信装置、例えば携帯電話機に用いられる場合、ＧＰＳでは、１．５７ＧＨｚ帯の電波を用いており、Bluetoothでは２．４５ＧＨｚ帯の電波を用いている。そこで、第１のアンテナ電極２１の長さＬ１は、誘電体基体３の比誘電率を考慮に入れ、ＧＰＳで用いられている１．５７ＧＨｚ帯の電波に対応する寸法に定められ、第２のアンテナ電極２２の長さＬ２は、Bluetoothで用いられている２．４５ＧＨｚ帯の電波に対応する寸法に定められる。

上述したアンテナ素子は、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の先端部を目印３０に位置合せして、誘電体基体３の外面上に位置決めされ、かつ、貼付されている。即ち、第１のアンテナ電極２１を構成する復路部分２１２の先端部、および、第２のアンテナ電極２２の先端部を、目印３０における貼付領域３００の先端面３０１に位置合せする。

ここで、上述したように、アンテナ素子２は、ＦＰＣフィルムで構成されており、このＦＰＣフィルムは、一面側に第１及び第２のアンテナ電極２１、２２を有し、他面側に接着層を有する可撓性絶縁フィルムを含んでいて、誘電体基体３の前記外面上に貼付されている。従って、アンテナ素子２のパターン精度が高く、共振周波数のバラツキ度合いの小さいアンテナを実現することができる。また、ＦＰＣを誘電体基体３に貼付する構成であるので、その製造が容易である。

また、ＦＰＣフィルムは、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２を目印３０に位置合せして、誘電体基体３の外面上に位置決めされ、かつ、貼付されているから、誘電体基体３に対する第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の相対位置を一定化し、ＦＰＣの取り付け位置の変動に伴う周波数特性変化の小さいアンテナを実現することができる。

第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の先端部を目印３０に位置合せをする際、図７に図示するように、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の先端部が、アンテナ貼付領域３００の先端面３０１及び側壁面３０２、３０３に対して、長さ方向ＸにΔＸ、幅方向ＹにΔＹだけずれることがある。

ここで、実施の形態では、目印３０は、誘電体基体３の外面に備えられた凹部で構成されている。この構成によれば、目印３０は、空気の比誘電率εｒをもつことになるから、目印３０の付近の第１及び第２のアンテナ電極２１、２２に対しては、空気の比誘電率εｒと、誘電体基体の比誘電率ε１とによって定まる実効比誘電率εeが働く。

実効比透磁率εeは、誘電体基体の比誘電率ε１よりも低くなるから、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の取り付け位置の変動に伴う周波数特性の変化を、効果的に抑制することができる。この点について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、図１〜図６に示したアンテナであるが、目印３０を持たない比較例たるアンテナの周波数―ＶＳＷＲ特性を示し、図９は図１〜図６に示したアンテナで目印３０を有する本発明に係るアンテナの周波数―ＶＳＷＲ特性を示している。これらの特性は、図７において、ΔＸを一定（ex. ΔＸ＝０）としたままで、ＦＰＣフィルムを、基準位置（ex. ΔＹ＝０）からＹ軸方向に、ΔＹ＝＋０．１ｍｍ、ΔＹ＝−０．１ｍｍだけ動かして得られたものである。

図８において、曲線Ｃ０は、基準位置にあるときの特性、曲線Ｃ１１はΔＹ＝＋１ｍｍのときの特性、曲線Ｃ１２はΔＹ＝−１ｍｍのときの特性をそれぞれ示している。図９において、曲線Ｃ０は、基準位置にあるときの特性、曲線Ｃ２１はΔＹ＝＋０．１ｍｍのときの特性、曲線Ｃ２２はΔＹ＝−０．１ｍｍのときの特性をそれぞれ示している。

図８に図示された特性と、図９に図示された特性とを対比すると明らかなように、ＦＰＣフィルムがΔＹ＝±０．１ｍｍの範囲で変動した場合、目印３０のないときの周波数変動幅ΔＦ１に対して、目印３０があるときの周波数変動幅ΔＦ２は、ΔＦ２＜ΔＦ１となっている。従って、本発明によれば、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２の取り付け位置の変動に伴う周波数特性の変化を、効果的に抑制しえることは明らかである。

しかも、目印３０となる凹部は、誘電体基体３の外面を削除するだけの簡単な手段によって形成することができる。更に、他の有機物又は無機物による目印３０と異なって、空気は、経年変化による比誘電率の変化を招くことがないから、安定した周波数特性を維持することができる。

実施の形態は複共振アンテナを示しており、第１及び第２のアンテナ電極２１、２２が、誘電体基体３に併設され、その一端が共通に接続され、他端が自由端になっている。第１のアンテナ電極２１は、一端から他端までの長さが、第２のアンテナ電極２２のそれよりも長くなっている。これにより、第１のアンテナ電極２１を、低周波側とし、第２のアンテナ電極２２を高周波側とする１チップの複共振アンテナが実現される。

しかも、第１のアンテナ電極２１は、折り返されているので、誘電体基体３の外形寸法を縮小し、全体形状を小型化しながら、第１のアンテナ電極２１について、必要な物理的長さＬ１を確保することができる。

また、第２のアンテナ電極２２は、第１のアンテナ電極２１の折り返しまでの往路部分２１１と、折り返し後の復路部分２１２とによって挟まれている。この構成によれば、低周波側である第１のアンテナ電極２１のアンテナ特性と、高周波側である第２のアンテナ電極２２のアンテナ特性のバランスを保ちながら、高いアンテナ特性を確保することができる。なお、アンテナ特性には、送信及び受信の特性が含まれる。

しかも、第１のアンテナ電極２１を、折り返して、その物理的な長さを拡張してあるので、誘電体基体３の比誘電率を大幅に上げる必要がなくなる。これも、高周波側のアンテナ特性と、低周波側のアンテナ特性とをバランスさせる方向に作用する。

もっとも、本発明は、実施の形態として示した複共振アンテナに限らず、誘電体基体３の表面にアンテナ電極を形成したタイプのアンテナであれば、広く適用することができる。

目印３０の形成位置及び態様は、第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２の形成位置及び態様によって変化する。そのような実施の形態の一例を、図１０〜図１５に図示してある。

まず、図１０及び図１１を参照すると、図１、図２に示した第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２の配置について、往路部分２１１と折返し部分２１３との間に生じる屈曲部の内側、及び、折返し部分２１３と復路部分２１２との間に生じる屈曲部の内側のそれぞれに、凹部による目印３０を設けてある。第１のアンテナ電極２１及び第２のアンテナ電極２２の先端部にも、図１、図２の実施の形態と同様に、凹部による目印３０を設けてある。

図１２、図１３の実施の形態では、第１のアンテナ電極２１の往路部分２１１は、第２のアンテナ電極２２が設けられている天面３１と直交する側壁３２の表面に設けられている。第１のアンテナ電極２１は、側壁３２から天面３１に延び、復路部分２１２が天面３１に配置されているので、側壁３２と天面３１との間の稜角部を通る。そこで、側壁３２と天面３１との間の稜角部において、第１のアンテナ電極２１に沿うようにして、凹部による目印３０、３０を設けてある。

次に、図１４、図１５を参照すると、第１のアンテナ電極２１の復路部分２１２は、第２のアンテナ電極２２の設けられている天面３１と直交する側壁３２の表面に設けられている。第２のアンテナ電極２２は、その幅の半分が天面３１にあり、残りの半部が側壁３２にある。従って、第２のアンテナ電極２２は、その幅の中心部付近が、天面３１と側壁３２との稜角部上に位置することになる。そこで、側壁３２と天面３１との間の稜角部において、第１のアンテナ電極２１に沿うようにして、凹部による目印３０を設けるとともに、第２のアンテナ電極２２の先端部に沿うようにして、凹部による目印３０を設けてある。

本発明は、更に、上述したアンテナを用いた通信装置についても開示する。図１６に、その一例を示す。図示の通信装置は、本発明に係る複共振アンテナ７と、低周波通信部８と、高周波通信部９とを含んでいる。

アンテナ７は、第１のアンテナ電極２１と第２のアンテナ電極２２とを含んでいる。その詳細については、既に述べたとおりである。アンテナ７の給電路は、低周波通信部８及び高周波通信部９の入出力側に接続されている。低周波通信部８は、例えばＧＰＳ機能を有し、高周波通信部９はBluetooth機能を有する。なお、低周波及び高周波は、相対的な表現である。低周波通信部８及び高周波通信部９は、それぞれ、送信回路部８１、９１及び受信回路部８２、９２を有する。図示はされていないが、この種の通信装置として必要な回路部分は、当然に付加される。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

２１ 第１のアンテナ電極
２２ 第２のアンテナ電極
３ 誘電体基体
３０ 目印

Claims (5)

1. 誘電体基体と、アンテナ素子とを含むアンテナであって、
   前記誘電体基体は、外面に、その比誘電率よりも低い比誘電率を有する目印を有しており、
   前記アンテナ素子は、ＦＰＣフィルムで構成され、
   前記ＦＰＣフィルムは、一面側にアンテナ電極を有し、他面側に接着層を有する可撓性絶縁フィルムを含み、前記アンテナ電極の先端部又は屈曲部を前記目印に位置合せして、前記誘電体基体の前記外面上に貼付されており、
   前記目印は、前記誘電体基体の前記外面に備えられた凹部であり、
   前記凹部は、前記アンテナ電極の先端部を貼付する貼付領域を、３方から連続して包囲するように形成されている、
   アンテナ。
2. 請求項１に記載されたアンテナであって、前記誘電体基体は、合成樹脂とセラミック粉末とを含有する複合誘電体材料でなる、アンテナ。
3. 請求項１又は２に記載されたアンテナであって、
   前記アンテナ電極は、第１のアンテナ電極と、第２のアンテナ電極とを含んでおり、
   前記第１のアンテナ電極及び前記第２のアンテナ電極は、前記可撓性絶縁フィルム上に併設され、一端が共通に接続され、他端が自由端になっており、
   前記第１のアンテナ電極は、前記一端から前記他端までの長さが、前記第２のアンテナ電極のそれよりも長く、折り返されている、
   アンテナ。
4. 請求項３に記載されたアンテナであって、前記第２のアンテナ電極は、前記第１のアンテナ電極の前記折り返しまでの往路部分と、折り返し後の復路部分とによって挟まれている、アンテナ。
5. アンテナと、通信回路部とを含む通信装置であって、
   前記アンテナは、請求項１乃至４の何れかに記載されたものであり、前記通信回路部に接続されている、
   通信装置。
   

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