JP7222160B2 - 電子部品、パッチアンテナ及びそのパッチアンテナを備えるアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は電子部品、パッチアンテナ及びそのパッチアンテナを備えるアンテナ装置に関し、特に、表面実装される電子部品、パッチアンテナ及びそのパッチアンテナがプリント基板上に表面実装されたアンテナ装置に関する。

近年、無線通信を通じて他の電子機器との間で情報を送受信する小型の電子機器が広範な分野で採用されている。このような電子機器には電波を受信する小型のアンテナ装置が搭載され、この種のアンテナ装置として、誘電体パッチアンテナが実用化されている。

誘電体パッチアンテナは、アンテナが内蔵されている誘電体素子の一表面の概ね全面に金属薄膜からなるグラウンド電極を備える。この誘電体パッチアンテナは、そのグラウンド電極をプリント基板のランド上に半田付けすることで表面実装され、小型のアンテナ装置を構成する。

このような表面実装技術では、まず、プリント基板のランドに予めペースト半田を印刷し、そのペースト半田とグラウンド電極が接するように誘電体パッチアンテナをプリント基板のランド上に載置する。そして、リフロー処理により、半田を一旦溶融させた後、再度固化することにより、プリント基板のランドと誘電体パッチアンテナのグラウンド電極とを機械的に固定すると共に電気的に接続する。

一般に、電子部品を表面実装するときには、電子部品を、ランド上で溶融した半田の表面張力により一旦保持させることで、そのセルフアライメント効果により、ランドの位置に対する電子部品の搭載位置を精度よく制御することができることが期待できる。

ところが、金属材料からなるグラウンド電極は、誘電体素子の一表面の概ね全面に形成されている。このような金属材料は半田に対する濡れ性が高く、溶融された半田がグラウンド電極表面の全体に広がることから、表面張力による保持力が低下する。それゆえ、半田を溶融させた後、再度固化するまでの間に、誘電体パッチアンテナがプリント基板上で平行移動及び回転移動して、所定の搭載位置からずれる虞がある。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大面積の電極を有する電子部品、すなわち、大面積のグラウンド電極を有する誘電体パッチアンテナを、高い位置精度をもってプリント基板に表面実装する技術を、低い製造コストで提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の本発明の第１の態様の電子部品によれば、実装面を有する基体と、その基体の実装面に配置され、概ね矩形形状を有する電極と、を備え、電極は、その４つの頂点の各々の近傍に、矩形形状の頂点で交差する２つの辺のうち、一辺に設けられた１つのスリットと他辺に設けられた他のスリットと、を有する、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、１つのスリットは、一辺から内側へ、一辺と概ね直交する方向に延在し、他のスリットは、他辺から内側へ、他辺と概ね直交する方向に延在する、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様のパッチアンテナによれば、第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、を有する誘電体素子と、誘電体素子の第１の面に配置された放射電極と、誘電体素子の第２の面に配置され、概ね矩形形状を有するグラウンド電極と、第２の面にグラウンド電極とは離間して配置された信号電極と、を備えるパッチアンテナであって、グラウンド電極は、その４つの頂点の各々の近傍に、矩形形状の頂点で交差する２つの辺のうち、一辺に設けられた１つのスリットと他辺に設けられた他のスリットと、を有する、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様において、１つのスリットは、一辺からその一辺と概ね直交する方向に延在し、他のスリットは、他辺からその他辺と概ね直交する方向に延在する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様のアンテナ装置によれば、上記第３の態様又は第４の態様において、グラウンド電極のいずれか１つの辺に切り欠き部を有し、切り欠き部に信号電極が配置される、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様によれば、上記第３の態様から上記第５の態様までのいずれか１つの態様のパッチアンテナと、一表面を有し、それぞれが概ね矩形形状である４つのランドが一表面に配置されたプリント基板と、を備え、誘電体素子の第２の面とプリント基板の一表面とが互いに対向し、パッチアンテナのグラウンド電極の４つの頂点の近傍が、プリント基板の４つのランドに、それぞれ接続され、１つのスリットは、４つのランドのうちの対応する１つのランドの１つの辺に隣接して平行に延在し、他のスリットは、４つのランドの内の対応する１つのランドの１つの辺と直交する他の辺に隣接して平行に延在する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様によれば、上記第６の態様において、４つの頂点の各々の近傍において、１つのスリットの長さは、１つのスリットが隣接するランドの１つの辺の長さよりも短く、他のスリットの長さは、他のスリットが隣接するランドの他の辺の長さよりも短い、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様によれば、上記第７の態様において、４つの頂点の各々の近傍において、１つのスリットの長さは、１つのスリットが隣接するランドの１つの辺の長さの２分の１よりも長く、他のスリットの長さは、他のスリットが隣接するランドの他の辺の長さの２分の１よりも長い、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様によれば、上記第６の態様から上記第８の態様までのいずれか１つの態様において、グラウンド電極は、プリント基板の４つのランドに、それぞれ半田を介して接続されている、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様によれば、上記第６の態様から上記第９の態様までのいずれか１つの態様において、４つのランドは、プリント基板の一表面の１つの導電層上に配置されたソルダーレジストの４つの開口により画定される、ことを特徴とする。

本発明の第１１の態様によれば、上記第６の態様から上記第１０の態様までのいずれか１つの態様において、４つのランドのそれぞれは、正方形からなる、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様によれば、上記第６の態様から上記第１１の態様までのいずれか１つの態様において、グラウンド電極の外形は、正方形からなる、ことを特徴とする。

本発明の第１３の態様によれば、上記第６の態様から上記第１２の態様までのいずれか１つの態様において、プリント基板は、４つのランドの内の互いに隣接する２つのランドの間に、２つのランドと一直線上に配置された矩形形状の更なるランドを含み、グラウンド電極は、更なるランドの１つの辺に隣接して平行に延在する更なる１つのスリットと、更なるランドの１つの辺と互いに対向する他の辺に隣接して平行に延在する更なる他のスリットと、を有する、ことを特徴とする。

本発明の第１４の態様によれば、上記第６の態様から上記第１３の態様までのいずれか１つの態様において、プリント基板の一表面に配置され、４つのランドのいずれとも電気的に分離されている信号用ランドを、更に有し、信号電極は、信号用ランドと接続されている、ことを特徴とする。

本発明の電子部品、パッチアンテナ及びそのパッチアンテナを備えるアンテナ装置によれば、溶融した半田が、グラウンド電極に沿って広範囲に広がることを防止することにより、表面張力による保持力を維持し、セルフアライメント効果が得られる。

従って、大面積の電極を有する電子部品、すなわち、大面積のグラウンド電極を有する誘電体パッチアンテナを、高い位置精度をもってプリント基板に表面実装する技術を、低い製造コストで提供することができる。

図１は、一実施形態のパッチアンテナを透視した斜視図である。 図２は、一実施形態のパッチアンテナのグラウンド電極の平面図である。 図３は、一実施形態のアンテナ装置の分解図である。 図４は、一実施形態のパッチアンテナを透視したアンテナ装置の斜視図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。

図１は、一実施形態のパッチアンテナ１を透視した斜視図である。パッチアンテナ１は、概ね扁平な直方体形状からなる誘電体素子２を備え、その内部に電波を受信するアンテナパターン（図では省略）を有する。

このパッチアンテナ１は、例えば、表面実装用の電子部品であり、その基体を成す誘電体素子２は、扁平な直方体形状の互いに対向する上面と下面とをなす、第１の面２ａと第２の面２ｂとを有する。この第１の面２ａには放射電極３が配置され、第２の面にはグラウンド電極６及び信号電極４が配置されている。グラウンド電極６及び信号電極４は互いに離間しており、グラウンド電極６は、信号電極４とその近傍を除いて、第２の面２ｂの概ね全面を覆っている。

図２は、一実施形態のパッチアンテナ１のグラウンド電極６の平面図である。グラウンド電極６は概ね矩形形状を呈する外形を有する。その外形は、例えば、正方形であってよい。グラウンド電極６の外形の１つの頂点６ｃの近傍には、当該頂点６ｃで交差する２つの辺のうち、一辺に設けられた１つのスリット６ａと他辺に設けられた他のスリット６ａとが設けられている。

１つのスリット６ａは、グラウンド電極６の外形の一辺から内側へ向かって、当該一辺と概ね直交する方向で、グラウンド電極６を切り欠くように延在する。又、他のスリット６ａは、グラウンド電極６の外形の他辺から内側へ向かって、当該他辺と概ね直交する方向で、グラウンド電極６を切り欠くように延在する。

他の３つの頂点６ｃの各々の近傍にも同様に、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａが、それぞれの対応する辺から内側へ向かって、当該それぞれの辺と概ね直交する方向で、グラウンド電極６を切り欠くように延在する。

又、互いに隣接する２つの頂点６ｃを結ぶ１つの辺に設けられた２つのスリット６ａの間には、グラウンド電極６の外形の当該１つの辺から内側へ向かって、当該１つの辺と概ね直交する方向で、グラウンド電極６を切り欠くように延在する、更なるスリット６ｂが設けられてよい。

更に、互いに隣接する他の２つの頂点６ｃを結ぶ他の辺に設けられた２つのスリット６ａの間には、グラウンド電極６の外形の他の辺から内側へ向かって、グラウンド電極６に凹部を形成するように窪ませた切り欠き部５が設けられ、その切り欠き部５の内部に信号電極４が配置されている。

なお、グラウンド電極６は導電材料からなり、例えば、銀を主成分とする薄膜であってよい。この銀を主成分とする薄膜は、銀ペーストを誘電体素子２の第２の面２ｂに所定のパターンでスクリーン印刷し、印刷された銀ペーストを高温の熱処理により焼結して得ることができる。

スクリーン印刷は、印刷に不要な位置を乳剤などで固めて銀ペーストが透過しないように作製されたスクリーンを用いて行うことができる。例えば、誘電体素子２の第２の面２ｂにグラウンド電極６のパターンを転写するスクリーンを載置し、スクリーン上に銀ペーストを載せる。そして、スクリーン上でスキージを摺動されることで、銀ペーストがスクリーンを透過し、あらかじめスクリーンに描かれたパターンで、誘電体素子２の第２の面２ｂに印刷される。

スクリーンの材料としては、ナイロン等の繊維、あるいはステンテレス等の細い金属からなる針金を織ったものを使用することができる。スクリーンは、印刷に不要な位置を乳剤などで固めるだけで容易に作製できるので、スリット６ａ及び切り欠き部５を有するグラウンド電極６並びに切り欠き部５の内部に配置された信号電極４、のパターン全体を１枚のスクリーン上に描画し得る。

次に、パッチアンテナ１をプリント基板１０に搭載して構成されるアンテナ装置２０について説明する。図３に、パッチアンテナ１とプリント基板１０とからなるアンテナ装置２０の分解図を示した。

プリント基板１０の一表面１１には、パッチアンテナ１の信号電極４と接続する信号用ランド１２及びグラウンド電極６の４つの頂点の近傍に接続される４つのランド１４が配置されている。プリント基板１０は絶縁材料からなる基板と導電層とを交互に複数層積層した多層配線構造であってよい。信号用ランド１２及び４つのランドのそれぞれは、その多層配線の最上層の配線層で形成することが好ましい。

信号用ランド１２は、プリント基板１０の内部で、パッチアンテナ１から出力される信号を伝送する配線に電気的に接続されている。４つのランド１４の各々は、プリント基板１０の内部で接地電位を画定するグラウンド配線層に電気的に接続されている。信号用ランド１２及び４つのランドのそれぞれは、電気的に互いに分離されている。

グラウンド電極６に接続されるランド１４は原理的には１つでもよいが、パッチアンテナ１の接地電位をより安定なものするためには、グラウンド電極６とプリント基板１０のグラウンド配線層との間の直列抵抗を極力低減すると共に、グラウンド電極６の平面方向に分布する直列抵抗の影響を最小化することが求められる。そのためには、少なくとも４つのランド１４を設けて、それぞれをグラウンド電極６の４つの頂点６ｃの近傍に接続することが好適である。

又、プリント基板１０の最上層の配線層に、４つのランド１４を配置する領域の全体を覆う大面積の導電層を設置しておいて、その大面積の導電層の表面をソルダーレジストで覆い、導電層上の所定の位置に４つの開口を設けることで４つのランド１４としてもよい。

更に、プリント基板１０は、更なるランド１４ｂ及び中央ランド１４ｃを含み得る。例えば、更なるランド１４ｂは、４つのランド１４のうち、互いに隣接する２つのランドの間に配置されてよい。又、中央ランド１４ｃは、グラウンド電極６の中央付近と接続可能な位置に配置されてよい。これらの追加された更なるランド１４ｂ及び中央ランド１４ｃは、上述のパッチアンテナ１の接地電位の更なる安定化に貢献する。

図４に、一実施形態のパッチアンテナ１をプリント基板１０に搭載して構成されるアンテナ装置２０を示す。パッチアンテナ１の誘電体素子２の実装面である第２の面２ｂとプリント基板１０の一表面１１が、互いに対向するように載置されている。

パッチアンテナ１のグラウンド電極６とランド１４、更なるランド１４ｂ、中央ランド１４ｃのそれぞれとが、ペースト半田をリフロー処理により溶融させた後、再度固化させることで、半田を介して機械的に固定すると共に電気的に接続する表面実装技術により載置される。信号電極４及び信号用ランド１２も、グラウンド電極６と同一工程で同時に接続される。

パッチアンテナ１がプリント基板１０に載置された状態では、グラウンド電極６の４つ頂点６ｃの内の１つ頂点６ｃの近傍において、１つのスリット６ａはランド１４の１つの辺に隣接して平行に延在し、他のスリット６ａは、このランド１４の１つの辺と直交する他の辺に隣接して平行に延在する。

パッチアンテナ１をプリント基板１０に表面実装する手順の一工程であるリフロー処理において、ランド１４に印刷されたペースト半田が溶融される。溶融された半田は、プリント基板１０側では各ランド１４の領域内で保持され、パッチアンテナ１側ではグラウンド電極６の表面に沿って移動しようとする。しかし、グラウンド電極６の表面に沿う半田の移動は、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａにより停止され、半田が広がる範囲は、それらのスリット６ａの位置により画定される。

その結果、グラウンド電極６とランド１４との位置関係は、１つのスリット６ａがランド１４の１つの辺に対して平行な状態で隣接し、他のスリット６ａがランド１４の１つの辺と直交する他の辺に平行な状態で隣接するように、溶融された半田の表面張力により生じるセルフアライメント効果により位置合わせがなされる。

このセルフアライメント効果は、グラウンド電極６の４つの頂点６ｃの近傍の各々に、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａを配置することでより顕在化する。又、グラウンド電極６の矩形形状の外形が、概ね正方形であるとき、前後左右及び回転方向の各方向に対して均等なセルフアライメント効果が得られ、より好適である。

セルフアライメント効果は、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａのそれぞれの長さがランド１４の各辺の長さと一致しているときに最も大きくなる。しかしながら、ランド１４の各辺の長さと一致するまでスリット６ａを延在させてしまうと、グラウンド電極６の頂点６ｃの近傍の部分が、グラウンド電極６の中央部分と切り離されて、グラウンド電極６としての本来の機能が損なわれる。

従って、頂点６ｃの近傍の部分が切り離されない程度に、すなわち、グラウンド電極６の頂点６ｃの近傍の部分と中央部分との間の電気抵抗の増大による悪影響が顕在化しない程度に、頂点６ｃの近傍の部分と中央部分とを接続するグラウンド電極６の幅を確保する必要がある。そのゆえ、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａのそれぞれの長さは、ランド１４の各辺の長さよりも短くすることが必須である。

一方、矩形形状のランド１４上に溶融された半田が保持された状態では、ランド１４の各辺の中点付近で、半田が横方向に拡がろうとする力が強くなる。従って、溶融した半田がグラウンド電極６の表面に沿って横方向の広がることを抑制してセルフアライメント効果を得るためには、１つのスリット６ａ及び他のスリット６ａのそれぞれの長さは、少なくともランド１４の各辺の長さの２分の１以上とすることが必要である。

又、ランド１４の形状が正方形であるとき、表面張力によるセルフアライメント効果がランド１４の４辺の方向に対して均等となり、より好適である。

プリント基板１０に、互いに隣接する２つのランド１４の間に、更なるランド１４ｂが２つのランド１４と一直線上に並ぶように配置されているとき、グラウンド電極６に、更なるランド１４ｂの１つの辺に隣接して平行に延在する１つの更なるスリット６ｂと、更なるランド１４ｂの１つの辺と互いに対向する他の辺に隣接して平行に延在する他の更なるスリット６ｂが配置されてよい。

ここで、パッチアンテナ１の信号電極４と信号用ランド１２との接続も、グラウンド電極６とランド１４とを半田リフローにより接続する実装工程において、同時に行われることが好ましい。同時に行われることで、グラウンド電極６とランド１４とのセルフアライメント効果により、信号電極４と信号用ランド１２との位置合わせ精度も向上する。

以上説明したとおり、本発明の電子部品、パッチアンテナ及びそのパッチアンテナを備えるアンテナ装置によれば、溶融した半田が、グラウンド電極に沿って広範囲に広がることを防止することにより、表面張力による保持力を維持し、セルフアライメント効果が得られる。

従って、大面積の電極を有する電子部品、すなわち、大面積のグラウンド電極を有する誘電体パッチアンテナを、高い位置精度をもってプリント基板に表面実装する技術を、低い製造コストで提供することができる。

１ パッチアンテナ
２ 誘電体素子
２ａ 第１の面
２ｂ 第２の面
３ 放射電極
４ 信号電極
５ 切り欠き部
６ グラウンド電極
６ａ スリット
６ｂ 更なるスリット
６ｃ 頂点
１０ プリント基板
１１ 一表面
１２ 信号用ランド
１４ ランド
１４ｂ 更なるランド
１５ ランドの辺
２０ アンテナ装置

Claims (12)

1. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を有する誘電体素子と、
   前記誘電体素子の前記第１の面に配置された放射電極と、
   前記誘電体素子の前記第２の面の概ね全面を覆うように配置され、概ね矩形形状を有するグラウンド電極と、
   前記第２の面に前記グラウンド電極とは離間して配置された信号電極と、を備えるパッチアンテナであって、
   前記グラウンド電極は、その４つの頂点の各々の近傍に、矩形形状の頂点で交差する２つの辺のうち、一辺から内側へ向かって前記電極を切り欠くように延在するように設けられた１つのスリットと他辺から内側へ向かって前記電極を切り欠くように延在するように設けられた他のスリットと、を有し、
   前記グラウンド電極のいずれか１つの辺は、当該辺から内側に向かって凹部を形成するように窪ませた切り欠き部を有し、前記切り欠き部に前記信号電極が配置される、パッチアンテナ。
2. 前記１つのスリットは、前記一辺から前記一辺と概ね直交する方向に延在し、前記他のスリットは、前記他辺から前記他辺と概ね直交する方向に延在する、請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を有する誘電体素子と、
   前記誘電体素子の前記第１の面に配置された放射電極と、
   前記誘電体素子の前記第２の面に配置され、概ね矩形形状を有するグラウンド電極と、
   前記第２の面に前記グラウンド電極とは離間して配置された信号電極と、を備えるパッチアンテナであって、
   前記グラウンド電極は、その４つの頂点の各々の近傍に、矩形形状の頂点で交差する２つの辺のうち、一辺に設けられた１つのスリットと他辺に設けられた他のスリットと、を有する、パッチアンテナと、
   一表面を有し、それぞれが概ね矩形形状である４つのランドが前記一表面に配置されたプリント基板と、を備え、
   前記誘電体素子の前記第２の面と前記プリント基板の前記一表面とが互いに対向し、前記パッチアンテナの前記グラウンド電極の前記４つの頂点の近傍が、前記プリント基板の前記４つのランドに、それぞれ接続され、
   前記１つのスリットは、前記４つのランドのうちの対応する１つのランドの１つの辺に隣接して平行に延在し、前記他のスリットは、前記４つのランドの内の対応する１つのランドの前記１つの辺と直交する他の辺に隣接して平行に延在し、
   前記４つの頂点の各々の近傍において、
   前記１つのスリットの長さは、前記１つのスリットが隣接するランドの前記１つの辺の長さよりも短く、前記他のスリットの長さは、前記他のスリットが隣接するランドの前記他の辺の長さよりも短い、アンテナ装置。
4. 前記１つのスリットは、前記一辺から前記一辺と概ね直交する方向に延在し、前記他のスリットは、前記他辺から前記他辺と概ね直交する方向に延在する、請求項３に記載のパッチアンテナ。
5. 前記グラウンド電極のいずれか１つの辺に切り欠き部を有し、前記切り欠き部に前記信号電極が配置される、請求項３又は４に記載のパッチアンテナ。
6. 前記４つの頂点の各々の近傍において、
   前記１つのスリットの長さは、前記１つのスリットが隣接するランドの前記１つの辺の長さの２分の１よりも長く、前記他のスリットの長さは、前記他のスリットが隣接するランドの前記他の辺の長さの２分の１よりも長い、請求項３から５までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記グラウンド電極は、前記プリント基板の前記４つのランドに、それぞれ半田を介して接続されている、請求項３から６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記４つのランドは、前記プリント基板の前記一表面の１つの導電層上に配置されたソルダーレジストの４つの開口により画定される、請求項３から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 前記４つのランドのそれぞれは、正方形からなる、請求項３から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記グラウンド電極の外形は、正方形からなる、請求項３から９までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
11. 前記プリント基板は、前記４つのランドの内の互いに隣接する２つのランドの間に、前記２つのランドと一直線上に配置された矩形形状の更なるランドを含み、
    前記グラウンド電極は、前記更なるランドの１つの辺に隣接して平行に延在する更なる１つのスリットと、前記更なるランドの前記１つの辺と互いに対向する他の辺に隣接して平行に延在する更なる他のスリットと、を有する、請求項３から１０までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
12. 前記プリント基板の前記一表面に配置され、前記４つのランドのいずれとも電気的に分離されている信号用ランドを、更に有し、
    前記信号電極は、前記信号用ランドと接続されている、請求項３から１１までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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