JP5195752B2 - チップアンテナ及びその製造方法、並びにかかるチップアンテナを有するアンテナ装置及び通信機器 - Google Patents
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Description
磁性基体の主相を構成するZ型フェライト及びY型フェライトはいずれも、c面を磁化容易面とする異方性軟磁性フェライトである。図1に示すように、Z型フェライト及びY型フェライトは板状の六方晶系であり、磁化困難方向であるc軸は板面(磁化容易方向であるc面)に垂直な方向である。Y型フェライトは、1 GHz以上の高周波数帯域で高透磁率を有し、1 GHzまでの周波数帯域で磁気損失が小さいので、400 MHzを超える高周波数帯域の用途、例えば470〜770 MHzの周波数帯域を使用する地上デジタル放送用のチップアンテナに好適である。Z型フェライトはY型フェライトに比べて透磁率の周波数特性は劣るものの、透磁率が高い。400 MHz以下では損失係数が小さいので、400 MHz以下の周波数帯域の用途に好適である。Z型フェライトは代表的にはBa3Co2Fe24O41(いわゆるCo2Z)の化学式で、またY型フェライトは代表的にはBa2Co2Fe12O22(いわゆるCo2Y)の化学式でそれぞれ表される六方晶系のソフトフェライトである。但し、Baの一部をSrで置換しても良く、Coの一部をNi、Cu、Zn等の二価の金属で置換しても良い。さらにSi、Li、Na、Mn等の酸化物を添加しても良い。低損失のためには比誘電率は低い方が良いが、本発明の構造ではアンテナの内部損失が比誘電率の影響を受けにくいので、8以上、特に10以上の比誘電率を有するフェライトを用いることができる。
図2(a)及び図2(b) は本発明のチップアンテナの一例を示す。このチップアンテナは、中心軸線に沿って貫通孔2を有する直方体状磁性基体1と、貫通孔2を貫通する直線状の導体3とからなる。図示の磁性基体1は直方体状であるが、円柱状でも良い。図示の貫通孔2(導体3)の断面は円形であるが、四角形でも良い。アンテナ特性と低背化を両立させるには、幅及び高さ(円柱形の場合直径)に対する長さの比は3以上が好ましい。ただし、複数の磁性基体を積層する場合、得られた積層体が上記要件を満たせば良い。
図5(a) 及び図5(b) は、上記(a) の場合の磁性基体1における六方晶フェライト結晶粒11の配向状態を示す。六方晶フェライト結晶粒11のc軸は貫通孔2と実質的に平行に配向しており、c面は横手方向断面X内に揃っている。c軸は貫通孔2と完全に平行である必要はなく、貫通孔2の中心軸線に対して±45°以内の範囲に60%以上のc軸があれば良い。この配向により、貫通孔2を中心軸とする周方向に高い透磁率が得られる。第一の磁性基体はプレス成形、好ましくは磁場中における湿式プレス成形により得られる。
図6(a) 及び図6(b) は、上記(b) の場合の磁性基体1における六方晶フェライト結晶粒11’の配向状態を示す。図6(a) に示すように、結晶粒11’のc軸は貫通孔2に実質的に垂直に配向しており(貫通孔2から放射状に配向しており)、c面は貫通孔2の回りに周方向に沿うように貫通孔2に実質的に平行に配向している。従って、貫通孔2の回りの周方向に高い透磁率を発現する。この配向では、貫通孔2の軸線方向にも高い透磁率を発現する。c軸は貫通孔2に完全に垂直である必要はなく、貫通孔2の垂線に対して±45°以内の範囲に60%以上のc軸があれば良い。
図7は本発明のチップアンテナ組立体の一例を示す。このチップアンテナ組立体10は2つのチップアンテナ10a,10bからなるが、3つ以上のチップアンテナを接続しても良い。各チップアンテナは磁性基体1及び直線状の導体3からなる。図7に示す例では、磁性基体1a及び1bは離間している。両チップアンテナ10a,10bは一本の導体3で接続されているが、別々の導体を設けて、それらを接続導体により直列に接続しても良い。チップアンテナ組立体10は、一のチップアンテナの磁性基体が2分割された構造を有すると見ることもできる。この構造のため、実装空間に応じて磁性基体の配置を変更できる。また個々の磁性基体は短いので、チップアンテナ全体の機械的強度が高く、信頼性が向上している。チップアンテナ組立体10も一体的なチップアンテナと同じアンテナ特性を発揮する。
磁性基体の製造にはプレス成形法又は押出成形法を用いる。プレス成形法は第一の磁性基体の製造に適し、押出成形法は第二の磁性基体の製造に適する。いずれの場合も、Fe2O3、BaCO3、Co3O4等の原料粉を湿式混合(例えば4〜20時間)し、得られた混合粉を仮焼し、湿式粉砕により仮焼粉を形成する。プレス成形法の場合、仮焼粉にPVA等のバインダーを添加した後スプレードライヤ等により造粒し、得られた造粒粉を焼結した後、再度粉砕することにより得た焼結粉を使用するのが好ましい。焼結粉は単結晶の六方晶フェライト粒子を多く含むので、高い配向度が得られる。粉砕する六方晶フェライト焼結体の平均結晶粒径は5〜200μmであるのが好ましい。ただし押出成形法の場合、仮焼粉の坏土を用いることができる。
上記焼結粉を磁場中でプレス成形する。プレス成形中の磁場は、回転磁場又は同一面内で方向が変わる交番磁場が好ましい。また一定方向の磁場中で成形空間を回転させても良い。配向度を上げるために、焼結粉の水性スラリーを用いる湿式プレス成形が好ましい。スラリーにメチルセルロース等のバインダーを添加しても良い。磁場中プレス成形法により、図5に示す面内配向した六方晶フェライト焼結体を得ることができる。成形体は電気炉等で焼結し、必要に応じて機械加工を施す。磁性基体1の幅及び高さ(円柱形の場合直径)に対する長さの比が大きい場合、プレス成形法で一体的に形成するのは困難であるので、複数のフェライト焼結体を接合しても良い。
上記焼結粉に水、バインダー、可塑剤及び潤滑剤を混合した坏土を、例えば図8 に示す構造のダイ30から押出成形する。ダイ30は、スクリュー35を有する押出機34に連結した第一〜第三のブロック30a,30b,30cからなる。第一のブロック30aは拡径する円錐状内面31aを有し、外端面の凹部に、坏土の整流板32が嵌合している。整流板32の中心に貫通孔2を形成するための中心棒33が固定されている。第二のブロック30bはテーパ状の円錐状内面31bを有し、円錐状内面31bの内端は第一のブロック30aの円錐状内面31aの外端と同じ内径を有する。第三のブロック30cは第二のブロック30bの円錐状内面31bの外端と同じ内径を有する四角形状の内面31cを有する。すなわち、内面31cは上流端部が円錐状で、それ以外の部分が四角形状である。中心棒33の先端は第三のブロック30cの外端まで延在する。第一〜第三のブロック30a,30b,30cの内面31a,31b,31cは整流板32まで拡径した後縮径するキャビティを有する。整流板32の下流側で押出し方向に縮径したキャビティを有するために、ダイ30を通過する間に坏土中の板状結晶粒のc面は各辺に沿うように配向する。押出成形体は乾燥後所定の長さに切断する。押出の際に磁場を印加しても良い。
図9(a) 及び図9(b) は、磁性基体1の貫通孔2を通った直線状の導体3の両端部3a,3bが突出しているチップアンテナ20を基板12上の回路に実装したアンテナ装置の一例を示す。導体3の両端部3a,3bは磁性基体1の外で屈曲され、一端部3a(開放端)は導体3と直交する方向に延在する固定電極13にハンダ接合され、他端部3bは給電電極14にハンダ接合され、給電電極14は整合回路16を介して給電回路15に接続されている。このため磁性基体1の表面に電極を形成する必要がなく、容量成分の発生を防止できる。図9に示す例では、チップアンテナ20、固定用電極13、接地電極17及び給電電極14は口の字状に配置されている。固定用電極13の端部は接地電極17と所定の間隔で対向しているので、これらの間の容量成分によりアンテナ特性の調整を行うことができる。
60 mol%のFe2O3、19.5 mol%のBaO及び20.5 mol%のCoOとなる割合に配合したFe2O3、BaCO3及びCo3O4からなる主成分100質量部に、0.6重量部のCuOを添加し、水を媒体として湿式ボールミルで16時間混合した。得られた混合粉を乾燥後、大気中1000℃で2時間仮焼した。仮焼粉を、水を媒体として湿式ボールミルで18時間粉砕した。得られた粉末100質量部に1質量%のバインダー(PVA)を添加し、造粒した後、リング状にプレス成形した。得られた成形体を大気中1200℃で3時間焼結し、外径7.0 mm、内径3.5 mm及び高さ3.0 mmのリング状焼結体(サンプル2)、及び中心軸線に沿って直径0.6 mmの円形断面の貫通孔を有する10 mm×3 mm×3 mmの直方体状の焼結体(サンプル3)を作製した。X線回折の結果、焼結体の主相はY型フェライト[メインピークは(110)]であることが分った。
60 mol%のFe2O3、19.5 mol%のBaO及び20.5 mol%のCoOとなる割合に配合したFe2O3、BaCO3及びCo3O4からなる主成分100質量部に、0.6重量部のCuOを添加し、水を媒体として湿式ボールミルで混合した。得られた混合粉を乾燥後、大気中1100℃で1.5時間仮焼した。仮焼粉を水を媒体として湿式ボールミルで10時間粉砕し、水、バインダー、潤滑剤及び可塑剤を添加して、水分が13.8質量%の坏土を作製した。図8に示すダイを用いて坏土を押出成形し、乾燥後、大気中1150℃で3時間焼結し、中心軸線に沿って直径0.6 mmの円形断面の貫通孔を有し、各角に幅0.5 mmの面取り曲面を有する10 mm×3 mm×3 mmの直方体状焼結体を得た(サンプル4)。X線回折の結果、焼結体の主相はY型フェライト[メインピークは(110)]であることが分った。
貫通孔に1本の導体を通し、25℃及び100 kHzで貫通孔を中心軸とする周方向の透磁率を測定した。
各サンプルの外周に10ターンの巻き線を施し、25℃及び100 kHzで長手方向のインダクタンスを測定した。長手方向のインダクタンスにより貫通孔の軸線方向の透磁率を評価できる。
各サンプルの断面X、Y及びZ(図4に示す)の各々に対して測定したX線回折パターンにおけるY型フェライトのピーク(110)及び(0015)から強度比I(110)/I(0015)を求め、Rx、Ry及びRzとした。なお断面Zは表面から0.3 mmの深さであった。
60 mol%のFe2O3、19.5 mol%のBaO及び20.5 mol%のCoOとなる割合に配合したFe2O3、BaCO3及びCo3O4からなる主成分100質量部に、0.6重量部のCuOを添加し、水を媒体として湿式ボールミルで混合した。得られた混合粉を乾燥後、大気中1050℃で1.5時間仮焼した。仮焼粉を、水を媒体として湿式ボールミルで18時間粉砕した。得られた粉末100質量部に1質量%のバインダー(PVA)を添加し、造粒した後、直方体状にプレス成形した。得られた成形体を大気中1200℃で3時間焼結し、中心軸線に沿って直径0.65 mmの円形断面の貫通孔を有する2 mm×2 mm×5 mmの直方体状の焼結体(サンプル5)を作製した。X線回折の結果、焼結体の主相はY型フェライト[メインピークは(110)]であることが分った。
60 mol%のFe2O3、19.5 mol%のBaO及び20.5 mol%のCoOとなる割合に配合したFe2O3、BaCO3及びCo3O4からなる主成分100質量部に、0.6重量部のCuOを添加し、水を媒体として湿式ボールミルで混合した。得られた混合粉を乾燥後、大気中1050℃で1.5時間仮焼した。仮焼粉を水を媒体として湿式ボールミルで10時間粉砕し、水、バインダー(メチルセルロース)、潤滑剤及び可塑剤を添加して、水分が14.4質量%の坏土を作製した。図8に示すダイを用いて坏土を押出成形し、乾燥した。得られた直方体状の成形体を大気中1150℃で3時間焼結し、中心軸線に沿って円形断面の貫通孔を有し、各角に幅Dが0.12 mmの面取り曲面を有する直方体状焼結体(サンプル6,7)と、各角に幅Dが0.5 mmの面取り曲面を有する直方体状焼結体(サンプル8)を得た。X線回折の結果、サンプル6〜8の主相はY型フェライトであることが分った。
押出成形法を用いて実施例3と同じ条件で作製した3 mm×3 mm×30 mmの直方体状磁性基体の直径0.65 mmの貫通孔に直径0.6 mmの銅線を貫通させ、チップアンテナを作製した。このチップアンテナを幅40 mmのプリント基板上の給電電極及び固定電極にハンダ接続し、図9に示すアンテナ装置Aを作製した。固定電極13の幅は3.5 mmであり、給電電極14は1 mm×13 mmであった。固定電極13の端部と接地電極17との間隔は1 mmとした。固定電極13の端部と接地電極17との間の静電容量を大きくして共振周波数を低くし、チップアンテナを小形化するために、固定電極13を幅広くした。接地電極17はチップアンテナと平行に11 mmの間隔で対向させた。整合回路16は図7(b) に示す構成であり、C1は0.5 pF、L1は68 nH、L3は18 nHであった。インダクタL2の他端に、50Ωの同軸ケーブル、及びアンテナ利得評価装置を介して給電回路15を接続した。
60 mol%のFe2O3、19.5 mol%のBaO及び20.5 mol%のCoOとなる割合に配合したFe2O3、BaCO3及びCo3O4からなる主成分100質量部に、0.6重量部のCuOを添加し、水を媒体として湿式ボールミルで16時間混合した。得られた混合粉を乾燥後、大気中1000℃で2時間仮焼した。仮焼粉を水を媒体として湿式ボールミルで18時間粉砕し、水、バインダー、潤滑剤及び可塑剤を添加して、造粒した。造粒粉をプレス成形し、大気中1200℃で3時間焼結した。得られた焼結体を切削し、30 mm×3 mm×3 mmの直方体状磁性基体とした。この磁性基体にAg-Ptペーストを印刷し、焼き付けることにより、幅0.8 mmで、巻き数12回のヘリカル構造の電極を形成し、チップアンテナを形成した。プリント基板に給電電極及び接地電極を形成し、給電電極にこのチップアンテナの電極の一端を接続し、アンテナ装置Bを作製した。アンテナ装置Bには固定電極を設けず、整合回路も付加しなかった。接地電極は11 mmの間隔でチップアンテナと対向した。
プレス成形により得た磁性基体(サンプル5)を有するチップアンテナと、押出成形により得た磁性基体(サンプル8)を有するチップアンテナとをそれぞれアンテナ装置に取り付け、平均利得及びVSWRを測定した。ただし各磁性基体のサイズは、平均利得の測定の場合3 mm×3 mm×30 mmであり、VSWRの測定の場合2 mm×2 mm×10 mmであった。貫通孔径はいずれも0.65 mmであった。結果を図14及び図15に示す。
Claims (14)
- Z型フェライト又はY型フェライトを主相とし、中心軸線に沿って直線状に延在する貫通孔を有する磁性基体と、前記貫通孔を貫通する導体とを有し、前記磁性相のc軸が前記貫通孔に実質的に平行であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項1に記載のチップアンテナにおいて、前記貫通孔の中心軸線を含む長手方向断面と平行な深さ0.3 mmの断面におけるX線回折パターンのピーク強度比Rz[Z型フェライトの場合I(1016)/I(0018)、Y型フェライトの場合I(110)/I(0015)]と、前記貫通孔と直交する断面におけるX線回折パターンのピーク強度比Rx[Z型フェライトの場合I(1016)/I(0018)、Y型フェライトの場合I(110)/I(0015)]との比(Rz/Rx)が1.5以上であることを特徴とするチップアンテナ。
- Z型フェライト又はY型フェライトを主相とし、中心軸線に沿って直線状に延在する貫通孔を有する磁性基体と、前記貫通孔を貫通する導体とを有し、前記磁性相のc軸が前記貫通孔に実質的に垂直であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項3に記載のチップアンテナにおいて、前記貫通孔の中心軸線を含む長手方向断面と平行な深さ0.3 mmの断面におけるX線回折パターンのピーク強度比Rz[Z型フェライトの場合I(1016)/I(0018)、Y型フェライトの場合I(110)/I(0015)]が1.6以下であり、前記貫通孔と直交する断面におけるX線回折パターンのピーク強度比Rx[Z型フェライトの場合I(1016)/I(0018)、Y型フェライトの場合I(110)/I(0015)]が3.5以上であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項4に記載のチップアンテナにおいて、深さ0.3 mmにおけるRzとRxとの比が0.45以下であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項3〜5のいずれかに記載のチップアンテナにおいて、前記貫通孔の中心軸線を含む長手方向断面におけるX線回折パターンのピーク強度比Ry[Z型フェライトの場合I(1016)/I(0018)、Y型フェライトの場合I(110)/I(0015)]が2.5以下であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項6に記載のチップアンテナにおいて、深さ0.3 mmにおけるRzとRyとの比が0.8以下であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項3〜7のいずれかに記載のチップアンテナにおいて、前記磁性基体における前記磁性相のc軸の配向が、磁性基体表面及び前記貫通孔面でそれらの中間部分より揃っていることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項3〜8のいずれかに記載のチップアンテナにおいて、前記磁性基体の外周面が焼結したままの状態であることを特徴とするチップアンテナ。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の複数のチップアンテナの導体が直列に接続されていることを特徴とするチップアンテナ組立体。
- 請求項1〜9のいずれかに記載のチップアンテナを具備し、前記導体の一端が開放端で他端が給電回路に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項10に記載のチップアンテナ組立体を具備し、前記導体の一端が開放端で他端が給電回路に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
- 請求項11又は12に記載のアンテナ装置を搭載した通信機器。
- Z型フェライト又はY型フェライトを主相とし、中心軸線に沿って直線状に延在する貫通孔を有し、前記磁性相のc軸が前記貫通孔に実質的に垂直である磁性基体と、前記貫通孔を貫通する導体とを有するチップアンテナを製造する方法であって、前記磁性相を有する磁性体粉末を含有する坏土を押出成形することにより前記磁性基体を形成し、前記磁性基体の貫通孔に導体を挿入することを特徴とする方法。
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