(57)【要約】【課題】内蔵型アンテナ素子の耐衝撃性を確保しつつ放射効率を高める。【解決手段】誘電体を材料とする基体１１０に放射電極１１２を設けることにより、アンテナ素子１００が形成される。アンテナ素子１００を外部衝撃から保護するため、筐体１０２とアンテナ素子１００の間には空隙が設けられる。この空隙を固形部材１２０で埋める。この固形部材１２０の比誘電率ε３は、筐体１０２の比誘電率ε２以上、基体１１０の比誘電率ε１以下に設定される。また、固形部材１２０は、弾性体として形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を材料とする基体の少なくとも上面に放射電極が形成されたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の前記上面を覆う樹脂製の筐体と、
前記筐体と前記アンテナ素子の間に設けられる固形部材と、
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記固形部材は、弾性体であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記固形部材は、ペースト状の樹脂を前記アンテナ素子に塗布した後に硬化させ、前記アンテナ素子と前記筐体の間に固定されるように形成されることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記固形部材は、前記筐体の比誘電率以上の比誘電率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記固形部材は、前記基体の比誘電率以下の比誘電率を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記固形部材は、前記アンテナ素子の電磁波放射面および前記基体の側面の上部のみを覆う形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記放射電極は、前記基体の上面に形成された上面電極と、前記基体の側面に形成された側面電極を含み、
前記側面電極には、前記側面における下面側にギャップが設けられており、
前記固形部材は、前記ギャップの露出が妨げられないように前記アンテナ素子を覆うことを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置に関し、特に、アンテナ装置の放射効率を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの小型無線端末に内蔵されるアンテナ素子には、小型化と高放射効率の双方が求められる。このような要請に応えるため、アンテナ素子を構成する誘電体の材料や放射電極の形状等にさまざまな工夫が施されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
肌身離さず持ち歩かれることが多い携帯電話の場合、胸ポケット程度の高さから地面へ落下は十分に想定される状況である。このとき、携帯電話の筐体が一時的に変形し、内部のアンテナ素子に衝撃が伝わる可能性がある。外部から加わる衝撃に対する耐性(以下、「耐衝撃性」とよぶ）を考慮して、通常、アンテナ素子と筐体の間には１ｍｍ程度の空隙（マージン）が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−５３５２８号公報
【特許文献２】特開２００７−７４５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、耐衝撃性の観点から設けられる空隙が、アンテナの放射効率低下要因になっているのではないかと着目した。本発明は、この空隙と放射効率の関係について考察を進めた結果として得られた技術的知見に基づき完成された発明である。
【０００６】
本発明は、本発明者による上記着目を起点として完成された発明であり、その主たる目的は、内蔵型のアンテナ素子の放射効率を向上させるための技術、を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様におけるアンテナ装置は、誘電体を材料とする基体の少なくとも上面に放射電極が形成されたアンテナ素子と、その上面を覆う樹脂製の筐体と、筐体とアンテナ素子の間に設けられる固形部材を備えることを特徴とする。
【０００８】
ここでいう「上面」とは、アンテナ素子が固定される側の反対側、たとえば、実装基板の反対側であってもよい。「固形部材」とは、固体であればよく、弾性や粘性、塑性を備える物質であってもよい。このような態様によれば、アンテナ素子と筐体の間に挿入される固形部材により、外部からの衝撃が内部のアンテナ素子にまで伝わるのを抑制しやすくなる。また、空隙の全部または一部が固形部材により埋められるため、放射効率を向上させやすい。
【０００９】
この固形部材を弾性体とすれば、固定部材はいっそう効果的な緩衝材となる。
【００１０】
固形部材は、ペースト状の樹脂をアンテナ素子に塗布した後に硬化させ、アンテナ素子と筐体の間に固定されるように形成されてもよい。
【００１１】
このような態様によれば、アンテナ素子と筐体の空隙を確実に排除しやすい。
【００１２】
固形部材は、筐体の比誘電率以上の比誘電率となるような材料を用いることが好ましい。また、固形部材は、基体の比誘電率以下の比誘電率となるような材料を用いることも好ましい。
【００１３】
このような態様によれば、アンテナ素子から放射された電磁波は、高誘電率の基体、中誘電率の固形部材、低誘電率の筐体を経由して外界に放出される。したがって、電磁波の伝達経路における誘電率の変化がなだらかになるため、放射効率を向上させやすい。
【００１４】
固形部材は、アンテナ素子の電磁波放射面および基体の側面の上部のみを覆う形状であってもよい。
【００１５】
アンテナ素子の放射効率を向上させる上では、少なくとも、アンテナ素子から放射された電磁波の伝達経路に固形部材が存在すればよい。したがって、電磁波放射面および基体の側面の上部のみを固形部材で覆うことにより、固形部材を過度に使用することなく、放射効率と耐衝撃性の双方を向上させやすくなる。また、固形部材の使用量を抑制するとともに放射効率向上分をアンテナ素子の小型化に向ければ、携帯電話等の小型化にも資する。
【００１６】
放射電極は、基体の上面に形成された上面電極と側面に形成された側面電極を含み、側面電極には、側面における下面側にギャップが設けられており、固形部材は、ギャップの露出が妨げられないようにアンテナ素子を覆ってもよい。
【００１７】
アンテナ素子においては、その基体上において、複数の電極をギャップを介して対向させることが多い。ギャップを固形部材で覆ってしまうとアンテナ素子の放射特性自体が変化してしまう。したがって、ギャップを除く領域だけを固形部材が覆うこと、いいかえれば、ギャップの露出を固形部材が妨げないことが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、内蔵型のアンテナ素子の放射効率を向上させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】アンテナ素子１００を内蔵する携帯電話１０４の外観図である。
【図２】アンテナ素子から外界に放射される電磁波の一般的な伝達経路を説明するための模式図である。
【図３】本実施の形態におけるアンテナ素子の外観図である。
【図４】アンテナ素子から外界に放射される電磁波の本実施の形態における伝達経路を説明するための模式図である。
【図５】固形部材の存否による放射効率の変化を計測した結果を示すグラフである。
【図６】固形部材の誘電率による放射効率の変化を計算した結果を示すグラフである。
【図７】図５に関連する実験において、固形部材とアンテナ素子、筐体の位置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態においては、携帯電話に内蔵されるアンテナ素子を題材として説明する。このアンテナ素子を内蔵する携帯電話としてアンテナ装置が形成される。
【００２１】
図１は、アンテナ素子１００を内蔵する携帯電話１０４の外観図である。携帯電話１０４においては、筐体１０２により実装基板１０６が密閉されている。そして、実装基板１０６上にアンテナ素子１００が設置されている。すなわち、アンテナ素子１００も筐体１０２により密閉されている。同図においては筐体１０２の厚みが示されていないが、実際には、１ｍｍ程度の厚みがある。アンテナ素子１００は、誘電体を材料とする基体１１０上に放射電極１１２が形成される構成となっている。具体的には、セラミック系材料の誘電体に、銀や銅等のペースト焼き付けにより放射電極１１２を形成している。
【００２２】
本実施の形態においては、同図の矢印１０８にて示す方向、すなわち、実装基板１０６に設置される側の面とは反対方向に放射される電磁波を対象として説明する。この電磁波は、アンテナ素子１００の放射電極１１２から放射され、筐体１０２を通過して、外界に出る。受信の場合、外界から到来した電磁波は、筐体１０２を通過して、アンテナ素子１００の放射電極１１２に到達する。
【００２３】
図２は、アンテナ素子１００から外界に放射される電磁波の一般的な伝達経路を説明するための模式図である。同図は、図１におけるアンテナ素子１００の近傍、特に、矢印１０８方向に沿って、アンテナ素子１００の上部から筐体１０２の付近を拡大した図である。ここでは、一般的なアンテナ素子１００と筐体１０２の関係を示し、その問題点を指摘する。
【００２４】
一般的には、アンテナ素子１００と筐体１０２の間には、耐衝撃性上の理由から、空気層１１４（空隙）が設けられている。ここで、基体１１０の比誘電率をε１、空気層１１４の比誘電率をε０、筐体１０２の比誘電率をε２とする。また、外気領域１１６は、通常、空気であるから、外気領域１１６の比誘電率もε０とする。具体的には、基体１１０の比誘電率ε１、いいかえれば、アンテナ素子１００の比誘電率ε１は５．０〜２０．０、空気層１１４や外気領域１１６の比誘電率ε０は約１．０、筐体１０２の比誘電率ε２は３．０であるとする。波長短縮効果を得るためにアンテナ素子１００には誘電率の高い材料が用いられることが多い。また、ポリカーボネート（Polycarbonate）などの樹脂で形成される筐体１０２の誘電率は、空気の誘電率よりは高いがアンテナ素子１００の誘電率ほどは高くないのが一般的である。
【００２５】
アンテナ素子１００、空気層１１４、筐体１０２および外気領域１１６の比誘電率の関係を示したのが、図２の下に示すグラフである。このグラフからもわかるように、アンテナ素子１００から放射された電磁波は、最も高い比誘電率ε１の領域（基体１１０）からいったん最も低い比誘電率ε０の領域（空気層１１４）に入射し、さらに、ε１とε０の中間の比誘電率ε２の領域（筐体１０２）を通過してから、再び比誘電率ε０の領域（外気領域１１６）に到達している。受信時においてはこの逆である。
【００２６】
このような一般的な電磁波放射経路の場合、電磁波が外気領域１１６に到達するまでの誘電率の変化が大きい。本発明者は、このような比誘電率の変化の大きさによりアンテナの放射効率が低下しているのではないかという仮説を立てた。
【００２７】
図３は、本実施の形態におけるアンテナ素子１００の外観図である。本実施の形態におけるアンテナ素子１００自体は、一般的なアンテナ素子１００と同等であってもよい。このアンテナ素子１００の側面には、ギャップ１１８が設けられている。本実施の形態においては、アンテナ素子１００の上面が固形部材１２０により覆われている。固形部材１２０の比誘電率ε３は、筐体１０２の比誘電率ε２以上、アンテナ素子１００の比誘電率ε１以下であることが好ましい。いずれにしても、固形部材１２０の比誘電率ε２は、アンテナ素子１００の比誘電率ε１と筐体１０２の比誘電率ε２の段差を緩和できればよい。
【００２８】
固形部材１２０は、更に、アンテナ素子１００の側面も覆ってもよい。ただし、アンテナ素子１００としての基本特性に対する影響を抑制するため、固形部材１２０はギャップ１１８を覆わない。いいかえれば、ギャップ１１８は直接空気と接触している。また、固形部材１２０が実装基板１０６にまで達すると、アンテナ素子１００や実装基板１０６の電気的特性に対する影響が大きいため、固形部材１２０はアンテナ素子１００上部のみを覆う形状であることが好ましい。固形部材１２０は、特に限定されるものではないが、ここでは、空気の比誘電率ε０以上、アンテナ素子１００の比誘電率ε１以下の比誘電率ε３となる材料により形成されているとして説明する。
【００２９】
図４は、アンテナ素子１００から外界に放射される電磁波の本実施の形態における伝達経路を説明するための模式図である。同図も、図１におけるアンテナ素子１００の近傍、特に、矢印１０８方向に沿って、アンテナ素子１００の上部から筐体１０２の付近を拡大した図である。本実施の形態においては、アンテナ素子１００と筐体１０２の間は、空気層１１４（空隙）ではなく、固形部材１２０により埋められている。
【００３０】
固形部材１２０の比誘電率をε３とする（ε２≦ε３≦ε１）。アンテナ素子１００、固形部材１２０、筐体１０２および外気領域１１６の比誘電率の関係を示したのが、図４の下に示すグラフである。このグラフからもわかるように、アンテナ素子１００から放射された電磁波は、最も高い比誘電率ε１の領域（基体１１０）から、それよりも低い比誘電率ε３の領域（固形部材１２０）に入射し、さらに、それよりも低い比誘電率ε２の領域（筐体１０２）に入射し、最後に、最も比誘電率の低い領域（外気領域１１６）に到達している。受信時においてはこの逆である。
【００３１】
このような本実施の形態における電磁波放射経路の場合、電磁波が外気領域１１６に到達するまでに誘電率は段階的に低下していく。すなわち、図２に関連して説明した一般的な実施形態よりも誘電率の変化がなだらかとなっている。
【００３２】
本実施の形態の場合、更に、固形部材１２０が緩衝材の役割を果たすので、筐体１０２に加わる外力は、アンテナ素子１００に直接伝わらない。このため、筐体１０２に加わる外力からアンテナ素子１００を保護する上でも固形部材１２０は有効である。特に、アンテナ素子１００をシリコーンゴム等の弾性体により形成すれば、耐衝撃性の面でいっそう有効である。
【００３３】
固形部材１２０は、図３に示したように、くぼみが設けられた直方体形状として形成されてもよい。そして、このくぼみにアンテナ素子１００の上部分を収めてもよい。あるいは、ペースト状の樹脂をアンテナ素子１００に塗布し、それを硬化させることにより固形部材１２０を形成してもよい。後者の場合には、固形部材１２０が粘性のある状態で塗布されるため、アンテナ素子１００と筐体１０２の間隙を効率よく埋めやすいというメリットがある。
【００３４】
以上、実施の形態に基づいて、携帯電話１０４の放射効率を高める方法について説明した。筐体１０２とアンテナ素子１００の間に固形部材１２０を挿入することにより、アンテナ素子１００から外気領域１１６に至る電磁波伝達経路の誘電率の変化をなだらかにし、放射効率を高めることができる。また、固形部材１２０が緩衝材となり、アンテナ素子１００を外力から保護しやすくなる。特に、固形部材１２０が弾性体であるときには、いっそう効果的である。ペースト状の樹脂をアンテナ素子１００に塗布し、その後に硬化させて固形部材１２０を形成することにより、空気層１１４を排除しやすくなる。
【００３５】
空気層１１４が完全に排除されるように固形部材１２０を挿入することが望ましいが、少なくとも、空気層１１４の幅を固形部材１２０により狭めることができれば、固形部材１２０が存在しないときよりも放射効率を改善できる。したがって、固形部材１２０は、必ずしも筐体１０２と放射電極１１２の双方に接触する必要はなく、筐体１０２側のみ、あるいは、放射電極１１２側のみに接触する構造であってもよい。特に、アンテナ素子１００から空気層１１４に電磁波が入射するときには、比誘電率はε１からε０に大きく変化する。そこで、このような大きな変化が発生しないように、少なくともアンテナ素子１００と固形部材１２０を確実に接触させることが望ましい。
【００３６】
固形部材１２０によって空気層１１４を完全に排除するのではなく、少しだけ空気層１１４を残す場合には、固形部材１２０は弾性体でなくてもよい。狭まったとはいえ、空気層１１４により、筐体１０２からアンテナ素子１００へ直接衝撃が伝わらないためである。また、固形部材１２０全体が弾性体である必要はない。たとえば、２つの非弾性体で弾性体を挟むことにより固形部材１２０を形成してもよい。非弾性体の候補としては、石英や酸化アルミニウムといった既知の材料の中から最適な材料を実験により選択することが好ましい。
【００３７】
なお、固形部材１２０の比誘電率ε２は、図４に示したような固定値でなくてもよい。たとえば、アンテナ素子１００側から筐体１０２側に向かって誘電率が徐々に低下するように形成されてもよい。
【００３８】
固形部材１２０の比誘電率ε３は、筐体１０２の比誘電率ε２以上であることが好ましい。しかし、少なくとも空気層１１４の比誘電率ε０以上であれば、図３に関連して説明した一般的な実施形態に比べて放射伝達経路における比誘電率の変化を緩和できる。同様に、固形部材１２０の比誘電率ε３は、基体１１０の比誘電率ε１以下であることが好ましい。しかし、基体１１０の比誘電率ε１から空気層１１４の比誘電率ε０への変化量、ε０から筐体１０２の比誘電率ε２への変化量の合計値よりも、基体１１０の比誘電率ε１から固形部材１２０の比誘電率ε３への変化量、ε３から筐体１０２の比誘電率ε２への変化量の合計値の方が小さければ、図３に関連して説明した一般的な実施形態に比べて比誘電率の変化を緩和できる。したがって、固形部材１２０の比誘電率ε３が、基体１１０の比誘電率ε１より大きい場合にも一定の効果を期待できる。
【００３９】
また、アンテナ素子１００の放射電極１１２やアンテナ素子１００の側面上部のみを固形部材１２０が覆うようにすれば、固形部材１２０の使用量を抑制しつつ、高放射効率と耐衝撃性という２つの目的を達成しやすい。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【実施例１】
【００４１】
図５は、固形部材１２０の存否による放射効率の変化を計測した結果を示すグラフである。固形部材１２０の存在によりアンテナ装置としての電磁波放射効率が実際に改善されるかを検証するための実験を行った。実験に用いた筐体１０２の大きさは縦１１２ｍｍ×横５２ｍｍ×高さ１５ｍｍである。また、厚みは１ｍｍである。筐体１０２の材料としてポリカーボネートを使用している。この筐体１０２内には、縦１００ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ１ｍｍの実装基板１０６を設置した。また、実装基板１０６には、長手１２ｍｍ×幅２．５ｍｍ×高さ４．５ｍｍのアンテナ素子１００を設置した。アンテナ素子は、通常のセラミック系材料により形成されている。アンテナ素子１００と筐体１０２との間に設けられる空隙（空気層１１４）の幅は１ｍｍとした。
【００４２】
固形部材１２０としては、シリコーンゴム（信越シリコン：KE347T）を用いた。５０Ｈｚにおけるカタログ上の比誘電率は２．９である。ペースト状のシリコーンゴムをアンテナ素子１００の１１２に塗布した後に硬化させることにより、アンテナ素子１００の放射電極１１２を覆うかたちで固形部材１２０を形成した。具体的な構成を図７に示す。固形部材１２０によりギャップ１１８の露出が妨げられないようにしている。このアンテナ素子１００は、ＧＰＳ（Global Positioning System）としての使用を想定し、１５７５ＭＨｚで利得が最大化するように調整した。
【００４３】
図５において横軸は周波数、縦軸は放射効率（放射電力／入力電力）を示す。細い実線で示すグラフ１３０は、固形部材１２０を設けない場合のアンテナ素子１００の放射効率と周波数の関係を示している。最大放射効率は６９％であった。点線で示すグラフ１３２は、固形部材１２０を設けた場合のアンテナ素子１００の放射効率と周波数の関係を示している。固形部材１２０の影響により、共振周波数が２０ＭＨｚほど低下している。この共振周波数の低下をアンテナ素子の調整により補正してグラフ１３０とピークをあわせたのがグラフ１３４である。グラフ１３４の場合、最大放射効率は７１％であった。すなわち、固形部材１２０を設けることにより、２％ほど放射効率が改善されている。また、周波数帯域幅も広くなっている。
【００４４】
この実験においては、チューブから竹串にシリコーンゴムを塗布し、この竹串によりシリコーンゴムを基体１１０に塗布した。シリコーンゴムの量や塗布位置により、周波数に与える影響が変化する。したがって、量産時においては、たとえば、シリコーンゴムをシリンジに入れ、エア圧や吐出時間により吐出量を制御することが好ましい。同様に、マークや治具により塗布位置を安定させることが好ましい。
【実施例２】
【００４５】
図６は、固形部材１２０の材質による放射効率の変化を計算した結果を示すグラフである。固形部材１２０の比誘電率ε３を変化させると、放射効率がどのように変化するかをシミュレーション計算した。シミュレータとしては、ＨＦＳＳのバージョン１０（アンソフト・ジャパン社製）を用いた。筐体１０２、実装基板１０６、アンテナ素子１００の各サイズ等は、図５に関連して説明した実験の設定と同等である。
【００４６】
比誘電率ε３＝１に対応するグラフは、固形部材１２０を挿入しないときの状態を示している。ε３＝３や２０の固形部材１２０を挿入すると、放射効率が大きく改善している。ε３＝２０以上の固形部材１２０を挿入しても、放射効率はそれほど改善されなくなっている。また、固形部材１２０の比誘電率ε３が特に高い場合には、固形部材１２０の電気的損失（ｔａｎδ）や電気的温度特性（ε）のアンテナ素子１００の周波数特性に影響を及ぼすのではないかと考えられる。このため、実際には、固形部材１２０比誘電率ε３は、基体１１０の比誘電率ε１程度を上限値とした方がよいと考えられる。したがって、固形部材１２０の比誘電率ε３は、筐体１０２の比誘電率ε２以上、基体１１０の比誘電率ε１以下であることが好ましい。
【符号の説明】
【００４７】
１００  アンテナ素子
１０２  筐体
１０４  携帯電話
１０６  実装基板
１１０  基体
１１２  放射電極
１１４  空気層
１１６  外気領域
１１８  ギャップ
１２０  固形部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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