JPWO2013121682A1

JPWO2013121682A1 - 複合誘電体材料及びそれを使用した誘導体アンテナ

Info

Publication number: JPWO2013121682A1
Application number: JP2014500060A
Authority: JP
Inventors: 淳一吉野; 尾上　智章; 智章尾上; 勇二岸田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2015-05-11
Also published as: WO2013121682A1

Abstract

黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料およびそれを使用した誘電体アンテナを提供する。シンジオタクチックポリスチレン樹脂と、無機充填材と、エラストマーと、１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍであるカーボンブラックを含み、前記カーボンブラックの含有量が、２〜４体積％であることを特徴とする複合誘電体材料。

Description

本発明は、複合誘電体材料及びそれを使用した誘電体アンテナに関する。

近年、通信機器の小型化・軽量化が進んでおり、誘電体アンテナも小型化・軽量化が求められている。誘電体アンテナの小型化・軽量化は、誘電体アンテナに使用される誘電体材料の特性に大きく関係する。アンテナの共振波長は、アンテナに使用される誘電体材料の誘電率の平方根に反比例する。そのため、高誘電率の材料を用いることによって、共振波長を短くして、アンテナの小型化が可能となる。また、アンテナの重量は、アンテナの誘電体材料の比重に比例する。そのため、アンテナの軽量化のためには、誘電体材料の比重を小さくすることも必要となる。このように、誘電体アンテナの小型化・軽量化の要求を満たすために、誘電体アンテナに使用される誘電体材料には、高誘電率かつ低比重であることが必要とされる。

また、誘電体材料の誘電正接が大きい場合、発熱によるエネルギー損失により、アンテナ性能が低下する。そのため、誘電体アンテナに使用される誘電体材料には、低誘電正接であることも必要である。

従来提案されていた誘電体アンテナには、誘電体材料として誘電体セラミックス単体を使用したものがあった。しかし、誘電体セラミックスは、比重が大きいために、軽量化に対応できず、また、加工性および成形性にも劣るなどの問題があった。

そこで、上述の問題を解消した誘電体材料として、比重が小さく、耐熱性及び高周波特性に優れた有機材料であるシンジオタクチックポリスチレン樹脂（以下、ＳＰＳと記す）を含んだ複合誘電体材料が好適に用いられる。特許文献１には、アンテナの小型化・軽量化の条件を満たし、かつ、有害なクロム酸エッチングなしでのめっき付与が可能な誘電体アンテナの製造方法として、ＳＰＳからなる母体樹脂、無機充填材及びエラストマーを混合して得られる複合誘電体材料が使用された誘電体アンテナの製造方法が開示されている。

ＳＰＳは、低比重であるため、ＳＰＳを含んだ複合誘電体材料は、セラミックス単体からなる誘電体材料よりも軽量になる。また、ＳＰＳを含んだ複合誘電体材料は、セラミックス単体からなる誘電体材料よりも、加工性及び成形性に優れている。また、ＳＰＳは、低誘電正接であるため、アンテナ効率の観点からも良好である。また、複合誘電体材料に含まれる無機充填材は、複合誘電体材料の比誘電率を向上させる役割を果たしている。さらに、複合誘電体材料に含まれるエラストマーは、溶剤に可溶であるため、溶剤エッチングでＳＰＳを含むアンテナ基体の表面を粗面化して、誘電体アンテナにめっき性を付与することを可能にする。また、エラストマーの含有により、めっき膜ピール強度を向上している。このように、ＳＰＳ、無機充填材及びエラストマーを混合して得られる複合誘電体材料を使用することで、誘電体アンテナの小型化・軽量化が可能であり、加工性等の点からも利点がある。

特許第４５０５９０４号

近年、電子機器の多様化に伴って、アンテナに対するユーザーの要求は小型化・軽量化に止まらず、より多様なものとなってきている。最近の通信機器では、アンテナがユーザーの目に触れる場所に使用されることがあり、この場合、筐体が黒色の場合には、アンテナも黒色であることが求められている。アンテナ基体の黒色化には、その材料自体を黒色化するために、複合誘電体材料に黒色化材料を添加することが考えられる。しかしながら、黒色化材料の中には導電性を有するものがあり、導電性を有する材料を用いた場合には、複合誘電体材料における交流電界下での分極量が増加し、その配合によっては、誘電正接が許容範囲外まで上昇し、アンテナとして所望の特性が得られなくなるおそれがある。そのため、黒色であって、かつ、アンテナとして備えるべき所望の特性を備えた複合誘電体材料が望まれる。

それゆえに、本発明の主たる目的は、黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料、および、それを使用した誘電体アンテナを提供することである。

本発明は、シンジオタクチックポリスチレン樹脂と、無機充填材と、エラストマーと、１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍであるカーボンブラックを含み、前記カーボンブラックの含有量が、２〜４体積％であることを特徴とする。

前記複合誘電体材料において、該複合誘電体材料中のカーボンブラック以外の成分は、前記ＳＰＳの含有量が３０〜６０体積％であること、前記無機充填材の含有量が１５〜２０体積％であること、および、前記エラストマーの含有量が２０〜５０体積％であることが好ましい。

前記複合誘電体材料において、より好ましくは、前記エラストマーの含有量が、２８〜５０体積％であることである。

また、本発明は、前記本発明に係る複合誘電体材料からなるアンテナ基体と、放射電極と、給電電極と、接地電極とを含む誘電体アンテナである。

本発明によれば、黒色であって、かつ、アンテナとして所望な特性を備えた複合誘電体材料が得られるため、黒色の誘電体アンテナを提供することができる。すなわち、本発明に係る複合誘電体材料が、無機充填材を含むため、アンテナの小型化に対応可能である誘電率を有し、この複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナの小型化が可能である。また、該複合誘電体材料が、低誘電正接かつ低比重であるＳＰＳを含むため、この複合誘電体材料により、アンテナ効率が良く、軽量化が可能な誘電体アンテナを提供できる。また、該複合誘電体材料にカーボンブラックが適当量添加されていることにより、アンテナ効率に十分な誘電正接を維持しながら、複合誘電体材料を黒色にできる。これにより、黒色の誘電体アンテナを得ることができ、黒色の誘電体アンテナが必要である場合に対応できる。

また、本発明に係る複合誘電体材料は、ＳＰＳの含有量を３０〜６０体積％、無機充填材の含有量を１５〜２０体積％、エラストマーの含有量を２０〜５０体積％となるように配合することにより、誘電体アンテナとして使用するのに十分な弾性率、寸法安定性、衝撃強度および誘電率を有する複合誘電体材料を得ることができる。

さらに、本発明に係る複合誘電体材料において、エラストマーの含有量を２８〜５０体積％とすることによって、より好ましい衝撃強度を有する該複合誘電体材料を得ることができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明に係る複合誘電体材料を使用した誘電体アンテナの一実施形態の斜視図を示す。

以下、図１を参照して本発明に係る複合誘電体材料およびそれを使用した誘電体アンテナの一実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る誘電体アンテナ１の斜視図である。誘電体アンテナ１は、アンテナ基体２、放射電極３（３ａ，３ｂ）、給電電極４及び接地電極５を備える。

アンテナ基体２の材料は、ＳＰＳ、無機充填材、エラストマーおよびカーボンブラックを混合して得られる複合誘電体材料である。

ＳＰＳは、上述したように、成形性や耐熱性に優れており、低誘電正接であるため、アンテナ効率の観点からもアンテナ基体の材料として良好である。

無機充填材は、ＳＰＳの低い誘電率を補うため、高誘電率のセラミック粉末を使用する必要がある。例えば、二酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、チタン酸ネオジウム、チタン酸バリウムネオジウム、チタン酸バリウムスズ、チタン酸カルシウムマグネシウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、タンタル酸バリウムマグネシウム、ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛、ニオブ酸バリウムマグネシウム、ニオブ酸鉛マグネシウム、ニオブ酸鉛ニッケル、タングステン酸鉛、タングステン酸カルシウム、タングステン酸鉛マグネシウム等を用いることができる。なお、無機充填材の誘電率は１００以上であることが好ましい。

また、エラストマーは、良好な耐衝撃性を得るために用いられる。このようなエラストマーとして、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、塩ビ系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーなどの熱可塑性エラストマーから選ぶことができる。

カーボンブラックは、誘電体アンテナを黒くするために用いられるが、分散性が良い方が誘電特性上好ましく、そのためにはＳＰＳとの相溶性が重要であるため、カーボンブラック表面は疎水性であることが望ましい。

ここで、配合されるカーボンブラックの１次粒子径やその配合量によって、得られる複合誘電体材料の特性、特に誘電正接と黒色着色度は変わってくる。配合されるカーボンブラックの１次粒子径を小さくすると、複合誘電体材料の交流電界下での分極量が増え、誘電正接が大きくなってしまう傾向がある。一方、カーボンブラックの含有量は、少なすぎると、黒色着色度が十分ではなく、また、含有量が多すぎると、交流電界下での分極量上昇から誘電正接が大きくなってしまう。本発明に係る複合誘電体材料では、１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍであるカーボンブラックの含有量が２〜４体積％となるように配合されている。カーボンブラックの１次粒子平均粒径とその含有量をこのように限定して配合することにより、誘電体アンテナとして所望な範囲の誘電正接および黒色着色度を有する複合誘電体材料を得ることができることが確認された。

一方、誘電体アンテナとしては、低誘電正接だけでなく、落下等の衝撃に耐え得る衝撃強度や小型化対応のために高誘電率であることが望ましい。また、誘電体アンテナの厚みの変化は、比誘電率の変動につながるため、安定したアンテナ特性を得るために、複合誘電体材料が寸法安定性を有することが好ましい。ここで、前記複合誘電体材料に含まれるＳＰＳが少なく、エラストマーが多くなりすぎる場合、その材料を使用して得られる誘電体アンテナの弾性率は低下し、寸法安定性が悪くなるという問題があり、その逆に、前記複合誘電体材料に含まれるＳＰＳが多く、エラストマーが少ない場合には、その材料を使用して得られる誘電体アンテナの衝撃強度が低下することが分かっている。また、前記複合誘電体材料に含まれる無機充填材は、前記複合誘電体材料がアンテナ小型化対応可能な誘電率を有し、かつ、許容範囲内の誘電正接を有するような割合で含有されている必要がある。

このような理由から、前記複合誘電体材料を構成するカーボンブラック以外の成分の各含有量は、ＳＰＳが３０〜６０体積％、無機充填材が１５〜２０体積％、エラストマーが２０〜５０体積％の範囲にあることが好ましい。このような含有量で各成分が配合されることにより、黒色であって、かつ、アンテナとして所望な低誘電正接、弾性率、寸法安定性、衝撃強度および誘電率を有する複合誘電体材料を得ることができる。

また、前記複合誘電体材料において、誘電体アンテナの衝撃強度の観点から、エラストマーの含有量を２８〜５０体積％とすることが、より好ましい。これにより、シャルピー衝撃強度において、ノッチ（切り欠き）をつけた条件で、ねじ止めや落下時のクラックを防止するために必要である１０ｋＪ／ｍ²以上を超えることが可能である。

アンテナ基体２は、射出成形によって、直方体の下面が開口されたケース状に形成されている。これは機能に不要な複合誘電体成形物の部分を削り、軽量化を図ったものである。但し、アンテナ基体２の形状はこのような形状に限るものではない。アンテナ基体２の形状としては、例えば、平板、あるいは円板等の形状が挙げられる。また、前記平板等を複数枚積み重ねた、積層体等であってもよい。

アンテナ基体２の上面には放射電極３ａが形成される。また、放射電極３ｂは、アンテナ基体２の側面に２つ形成され、給電電極４と接地電極５とにそれぞれ接続される。

放射電極３、給電電極４及び接地電極５は、低コスト化、及び工程数を減らすため、インサート成形もしくはアウトサート成形されることが好ましい。この放射電極３の形状により、アンテナ基体２との共振周波数が調整されるので、放射電極３、給電電極４及び接地電極５の形状及び配置は適宜、調整される。なお、放射電極３、給電電極４及び接地電極５として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びそれらの合金等の材料を用いることができる。一般的に、コスト面を考慮して、Ｃｕ及びその合金が用いられる。また、経時安定性などの点から、複数層のめっき品を用いる場合もある。

以上のように構成された誘電体アンテナ１では、給電電極４から放射電極３に対して高周波電力が供給される。これにより、誘電体アンテナ１は、高周波電磁界を発生し、電波を送信する。また、放射電極３は、電波を受信したとき、高周波電流を誘起し、ＲＦ回路へと伝達する。

次に、本実施形態に係る誘電体アンテナ１の形成方法について説明する。

まず、あらかじめ準備した金属箔から所定の形状を打ち抜くことで、放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成する。次に、放射電極３、給電電極４及び接地電極５からなる金属部材を所定の金型内に配置した後、本実施形態に係る誘電体アンテナ１に用いられる複合材料を加熱溶融させた状態で、金型内に射出成形することで、アンテナ基体２と放射電極３、給電電極４及び接地電極５を一体成形し、目的とする誘電体アンテナ１を得ることができる。

また、アンテナ基体２、放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成する方法について、アンテナ基体２を成形した後に、該アンテナ基体２の形状に合わせた放射電極３、給電電極４及び接地電極５を形成し、一体化する方法を用いることもできる。また、放射電極３、給電電極４及び接地電極５は、めっき、スパッタ、蒸着などの方法を用いて形成してもよい。

以下では、本発明に係る複合誘電体材料の実施例及び比較例について説明する。

（１）本実施例及び比較例に係る複合誘電体材料の作製に用いた材料
本発明に係る複合誘電体材料は、ＳＰＳ、無機充填材、エラストマーおよびカーボンブラックを混合して得られる。

ＳＰＳは、本実施例及び比較例では、出光興産製ザレックＳ１０５ナチュラルタイプを使用した。

無機充填材は、本実施例及び比較例では、チタン酸カルシウムの粉末を使用した。

エラストマーは、本実施例及び比較例では、マレイン酸変性スチレン系エラストマー（クレイトンジャパン製ＦＧ１９０１）およびオレフィン系エラストマー（三井化学製ミラストマー、９０７０）を使用した。

カーボンブラックは、本実施例及び比較例では、疎水性であることを示すｐＨ７〜８のカーボンブラック（東海カーボン製トーカブラック＃７４００［２８ｎｍ］、＃７２７０ＳＢ［３６ｎｍ］、＃７０５０［６６ｎｍ］、旭カーボン製ＳＢ２２０［１２２ｎｍ］、［］内は１次粒子平均粒径を示す）を使用した。なお、１次粒子平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって算出した。

（２）本実施例及び比較例に係る複合誘電体材料の組成比
実施例と比較例では、特に、カーボンブラックの１次粒子平均粒径及び含有量の点で互いに異なる。すなわち、実施例１〜７では、１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍであるカーボンブラックの含有量が、２〜４体積％の範囲内にあるが、比較例１〜３ではその範囲外である。比較例１では、含有されているカーボンブラックの１次粒子平均粒径が、２８ｎｍ、すなわち、３６〜１２２ｎｍの範囲外である。また、比較例２および比較例３では、１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍの範囲内にある６６ｎｍのカーボンブラックを、それぞれ、５体積％および１体積％含むため、どちらもカーボンブラックの含有量が２〜４体積％の範囲外である。

また、実施例１〜実施例５では、エラストマーの含有量が２８〜５０体積％の範囲内にある。一方、実施例６および実施例７のエラストマーの含有量は、それぞれ、２８〜５０体積％の範囲外である２５体積％および２０体積％である。

（３）特性評価用試験片の作製
上述したＳＰＳ、エラストマー、無機充填材およびカーボンブラックをそれぞれ表１に示す組成比となるように秤量し、次いで、２軸の押出し機を用いて、２７０〜２９０℃の温度にて、これらを溶融混練した。得られた複合材料を、溶融混練時にヘッド穴を通して糸状にしながら、ペレタイザーにより直径２ｍｍ×長さ５ｍｍ程度の寸法にカットして、射出成形用ペレットとした。

（４）評価方法
次に、上記射出成形用ペレットから射出成形機にて直径５５ｍｍ×厚さ１．３ｍｍの円板を作製し、ネットワークアナライザー（アジレントテクノロジー社製［ＨＰ８５１０］）を用いて、摂動法により３ＧＨｚでの比誘電率ε_r、および誘電正接を求めた。黒色度の評価には、色の明度を表すＬ値を、色差計を用いて測定した。シャルピー衝撃強度は、ＪＩＳＫ７１１１−１に基づいて、ペレットにノッチ（切り欠き）をつけて２３℃で測定した。

（５）目標値
比誘電率ε_rは、誘電体アンテナの小型化に対応可能であることから、６〜７の比誘電率を目標値とし、誘電正接は、アンテナ効率の観点から０．００３以下を目標値とした。また、色の明度を表すＬ値は、黒色タイプの誘電体アンテナとして求められる３０以下とした。また、シャルピー衝撃強度は、ノッチをつけた条件で、ねじ止めや落下時のクラックを防止するために必要である１０ｋＪ／ｍ²以上を目標値に定めた。

（６）測定結果
実施例１〜７と比較例１〜３について、測定された結果を表１に示す。

表１に示すように、一次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍのカーボンブラックを２〜４体積％配合した実施例１〜７では、比誘電率ε_r、誘電正接、Ｌ値の項目が目標値を満足していることが分かる。しかし、比較例１の結果から分かるように、一次粒子平均粒径が２８ｎｍのカーボンブラックを使用した場合には、カーボンブラックの含有量が４体積％であっても、誘電正接が目標値を満足しなかった。これは、カーボンブラックの粒径が小さくなると、複合誘電体材料の交流電界下での分極量が増加するためである。また、比較例２の結果から分かるように、一次粒子平均粒径が６６ｎｍであるカーボンブラックを５体積％含有させた場合にも、同じく誘電正接が目標値を満足しなかった。これは、カーボンブラックが導電性を有するため、カーボンブラックの配合量が増えることにより、複合誘電体材料全体の交流電界下での分極量が増加したためである。一方、比較例３の結果に示すように、比較例２と同じ一次粒子平均粒径である、すなわち、一次粒子平均粒径が６６ｎｍであるカーボンブラックを１体積％しか配合しなかった場合は、カーボンブラックの含有量が黒色化に十分ではなく、黒色度を示すＬ値が目標値を満足しなかった。

また、エラストマーの含有量を２８〜５０体積％の範囲内とした実施例１〜５では、シャルピー衝撃強度が目標値を満足した。一方、実施例６および実施例７では、エラストマーの含有量が低かったため、シャルピー衝撃強度が目標値を満足しなかった。実施例６および実施例７の衝撃強度は、シャルピー衝撃強度の目標値には達していないが、誘電体アンテナとしての使用には実用上問題ない。

１誘電体アンテナ
２アンテナ基体
３（３ａ，３ｂ）放射電極
４給電電極
５接地電極

Claims

シンジオタクチックポリスチレン樹脂と、
無機充填材と、
エラストマーと、
１次粒子平均粒径が３６〜１２２ｎｍであるカーボンブラックと、を含み、
前記カーボンブラックの含有量は、２〜４体積％であることを特徴とする、複合誘電体材料。
前記シンジオタクチックポリスチレン樹脂の含有量が３０〜６０体積％であること、
前記無機充填材の含有量が１５〜２０体積％であること、および、
前記エラストマーの含有量が２０〜５０体積％であること、を特徴とする、請求項１に記載の複合誘電体材料。
前記エラストマーの含有量は、２８〜５０体積％であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の複合誘電体材料。
請求項１、請求項２又は請求項３に記載の複合誘電体材料からなるアンテナ基体と、
放射電極と、
給電電極と、
接地電極と、を含むことを特徴とする、誘電体アンテナ。