(57)【要約】【課題】構成が簡単で、優れたアンテナ特性を発揮することができるアンテナ素子及びそれを用いたアンテナを提供する。【解決手段】アンテナ１２は、コイル状炭素繊維からなるアンテナ素子１１が、合成樹脂からなる媒質１３内で位置決めされ、アンテナ素子１１が銅線等からなるリード線１４に接続されて構成されている。アンテナ素子１１は、コイルの長さが１ｎｍ〜２ｍｍであり、コイルの長さが０．０１μｍ〜１００ｍｍである。また、アンテナ素子１１のアンテナ特性を向上させるために、メタライズ処理、金属蒸着等を施してコイル状炭素繊維の外周面に被覆層が形成される。さらに、アンテナ１２は、アンテナ素子１１が複数個一定方向に配列されることにより、高利得及び高指向性を有することができるように構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルの直径が１ｎｍ〜２ｍｍ及びコイルの長さが０．０１μｍ〜１００ｍｍであるコイル状炭素繊維より構成されていることを特徴とするアンテナ素子。
【請求項２】
媒質中に請求項１に記載のアンテナ素子が配設されて構成されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ素子は複数個一定方向に配列されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ素子を構成するコイル状炭素繊維の外周面が導電性の金属で被覆されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル状炭素繊維を利用し、例えば携帯電話などの電波等を送受信することが可能なアンテナ素子及びそれを用いたアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のアンテナとしては、以下のような構成のものが知られている。すなわち、プラスチック等の絶縁体でできた円筒体の外周面に、螺旋状の導体パターンを形成したものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、例えば携帯無線機用アンテナとしては、３本のアンテナ素子から構成されているものである。第１のアンテナ素子は棒状に形成されており、絶縁性樹脂のチューブ等で覆われている。第１のアンテナ素子の先端には螺旋状に形成された第２のアンテナ素子が接続されている。内部に第１のアンテナ素子が摺動されるホルダーには螺旋状に形成された第３のアンテナ素子が備えられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−１０１３２７号公報（第２〜３頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−２５１１１３号公報（第３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来構成の場合、前者のアンテナは、絶縁体でできた円筒体の外周面に導体パターンが螺旋状に形成され、電磁波の輻射パターンの乱れを抑制することができるというアンテナ特性を発揮できるものであるが、少なくとも２部品を必要としていた。
【０００６】
また、後者のアンテナは、３本のアンテナ素子を組み合わせて構成され、アンテナ長の短縮が可能なものであるが、少なくとも３部品を必要とし、構成が複雑であった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、構成が簡単で、優れたアンテナ特性を発揮することができるアンテナ素子及びそれを用いたアンテナを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、コイルの直径が１ｎｍ〜２ｍｍ及びコイルの長さが０．０１μｍ〜１００ｍｍであるコイル状炭素繊維より構成されているものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、媒質中に請求項１に記載のアンテナ素子が配設されて構成されているものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアンテナにおいて、前記アンテナ素子は複数個一定方向に配列されているものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載のアンテナにおいて、前記アンテナ素子を構成するコイル状炭素繊維の外周面が導電性の金属で被覆されているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のアンテナ素子１１はコイルの直径が１ｎｍ〜２ｍｍ及びコイルの長さが０．０１μｍ〜１００ｍｍであるコイル状炭素繊維より構成されている。
【００１２】
コイル状炭素繊維は、１本の炭素繊維で螺旋構造を形成する一重螺旋構造、又は２本以上の炭素繊維がそれぞれ同じ巻き方向で螺旋構造を形成する多重螺旋構造のいずれかの螺旋構造を有している。加えて、炭素繊維の巻き方向にはコイルの軸線を中心として右巻きと左巻きとがあり、一重螺旋構造及び多重螺旋構造のコイル状炭素繊維は、右巻き又は左巻きのいずれかの形態をそれぞれ有している。
【００１３】
このコイル状炭素繊維は、電波等を受けたときにはファラデーの法則に従って誘導起電力が発生する。また、二重螺旋構造のアンテナ素子１１は対称軸を持たない不斉（キラル）物質であり、このコイル状炭素繊維に照射された直線偏波は、コイル状炭素繊維により右旋回円偏波及び左旋回円偏波に分離される。コイル状炭素繊維は、非晶質の炭素繊維により構成されたものでもよいが、非晶質の炭素繊維に加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有するものが好ましい。なお、コイル状炭素繊維には２重量％以下の水素、酸素及び硫黄等が含まれていてもよい。
【００１４】
コイル状炭素繊維のコイルの直径は１ｎｍ〜２ｍｍであり、コイルの長さは０．０１μｍ〜１００ｍｍである。また、繊維径は好ましくは０．０１〜１μｍであり、コイルピッチは好ましくは０．０１〜１μｍである。コイルの直径が１ｎｍ未満では、コイル状炭素繊維の製造が困難になる。また、コイルの長さが０．０１μｍ未満では、コイルの長さが短いためにコイル状炭素繊維がアンテナとしての機能を発揮することができない。一方、コイルの直径が２ｍｍを超える、又はコイルの長さが１００ｍｍを超えると、コイル状炭素繊維の製造に時間を要し、製造効率が低下する。さらに、コイル状炭素繊維により構成されているアンテナ素子１１が大きくなるために、アンテナの小型化が困難になる。また、コイル状炭素繊維の電気抵抗値は、導電性を維持するために０．１〜１０Ω・ｃｍであることが好ましい。
【００１５】
コイル状炭素繊維はどのような製法で製造されたものであってもよいが、触媒活性化ＣＶＤ（化学気相成長）法等の気相成長法により製造されたものが、コイル状炭素繊維のコイルの直径やコイルの長さを上記範囲に容易にすることができるために好ましい。この気相成長法は、炭素材料としてのアセチレン等の炭化水素又は一酸化炭素を金属触媒の存在下６００〜３０００℃に加熱し、気相中で炭化水素又は一酸化炭素を分解反応させる方法である。
【００１６】
コイル状炭素繊維は、その螺旋構造に基づくインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有し、ＬＣＲ共振回路として機能する。ここで、Ｌ成分は自己誘導係数や相互誘導係数の電磁誘導特性、Ｃ成分は静電容量、Ｒ成分は電気抵抗を意味する。従って、かかる共振回路に基づく共振作用により、アンテナ素子１１に流れる電流を増大させることができる。
【００１７】
次に、本実施形態のアンテナ１２は、合成樹脂からなる媒質１３と、媒質１３中に配設されたアンテナ素子１１と、アンテナ素子１１に接続されて電流を供給するためのリード線１４とから構成されている。なお、アンテナ１２をガラスなどで保護するように構成してもよい。また、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、媒質１３中に配置されているアンテナ素子１１と、リード線１４とは直接接続されることなく、媒質１３を介して配置されていてもよい。
【００１８】
媒質１３について説明すると、媒質１３はアンテナ素子１１を構成するコイル状炭素繊維よりも導電性が低いものであり、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂等が用いられる。これらは単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。この媒質１３はアンテナ素子１１を位置決めするようにして重合硬化されている。また、媒質１３は誘電体により形成され、キャパシタンス（Ｃ）成分を有するものであることが好ましい。この場合には、ＬＣＲ共振回路の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。
【００１９】
次に、リード線１４は銅等の金属材料により形成されており、該リード線１４はアンテナ素子１１に直接接続されている。
また、図３（ａ）に示すように、コイル状炭素繊維は扁平状をなすコイル状炭素繊維が二重螺旋状に形成され、さらに引張力が加えられて一定の間隔（ピッチ）を有するように構成されている。図３（ｂ）に示すように、コイル状炭素繊維の外周面には、導電性の金属よりなる被覆層１５が形成されていることが導電性を向上させる観点から好ましい。例えば、金蒸着処理をして被覆層１５を設けたアンテナ素子１１と、金蒸着処理前のアンテナ素子１１とは、長さ４．４３５ｍｍ、直径５．１μｍのアンテナ素子１１について、金蒸着処理前の電気抵抗値２３６．０ｋΩに対して、金蒸着処理後の電気抵抗値は２１．５ｋΩとなり、流れる電流は１１倍となる。導電性の金属の具体例としては、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、マンガン等又はそれらの化合物や合金等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２０】
被覆層１５は、コイル状炭素繊維に対して１〜５０質量％の割合で形成されるのが好ましい。さらに、被覆層１５の厚みは０．１ｎｍ〜５μｍが好ましく、０．１〜２００ｎｍがより好ましい。被覆層１５のアンテナ素子１１に対する割合が１質量％未満または被覆層１５の厚みが０．１ｎｍ未満では、アンテナ素子１１の導電性を十分に向上させることができない。一方、被覆層１５のアンテナ素子１１に対する割合が５０質量％または被覆層１５の厚みが５μｍを超えると、被覆層１５の形成に時間を要し、アンテナ１２の製造効率が低下するおそれがある。
【００２１】
被覆層１５は、無電解メッキ法、電解メッキ法、真空蒸着法やスパッタリング法等の物理的蒸着法、化学的蒸着法、溶射法、塗装法、浸漬法及び微細粒子を機械的に固着させるメカノケミカル法から選ばれる一つの方法により形成される。これらの方法の中でも、無電解メッキ法が被覆層１５をコイル状炭素繊維の外周面に均一に形成させることができるために好ましい。
【００２２】
なお、媒質１３中に分散されているアンテナ素子１１は、コイルの直径等が互いに異なるコイル状炭素繊維により構成されてもよいし、コイルの直径等が同じコイル状炭素繊維により構成されてもよい。
【００２３】
さて、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、受信の際には、アンテナ１２がある周波数をもつ電波を受けることにより高周波電流が誘起される。ちなみに、高周波とは、周波数が３５００Ｈｚを超える電磁波のことである。また、ＬＣＲ共振特性を有したアンテナ素子１１は、アンテナ素子１１の長さが５ｍｍ、アンテナ素子１１の直径が１０μｍでは、１０ＧＨｚの高周波電流を誘起させることができる。
【００２４】
一方、送信の際には、図示しない電源から高周波の交流電流がリード線１４を介してアンテナ素子１１に給電され、アンテナ素子１１から電波が送信され、送信アンテナとして作用する。
【００２５】
上記実施形態のアンテナ１２によれば、以下のような効果を得ることができる。
・  本実施形態のアンテナ素子１１は、コイルの直径が１ｎｍ〜２ｍｍ及びコイルの長さが０．０１μｍ〜１００ｍｍであるコイル状炭素繊維より構成されている。このため、構成が簡単であると共に、誘電特性及び共振特性により優れたアンテナ特性を発揮することができる。また、アンテナ１２は、アンテナ素子１１により構成されている。このため、従来のアンテナに比べて構成を簡単にすることにより、アンテナ１２全体の構成を簡単にすることができ、優れたアンテナ特性を発揮することができる。従って、携帯電話用のアンテナの他に、土壌水分、雨、地球の放射、太陽光の地球による反射光等の地球観測、電波天文観測及び衛星通信等として有用である。
【００２６】
・  さらに、コイル状炭素繊維の外周面は、蒸着処理によって金で被覆されている。このため、アンテナ素子１１に給電を行うときの電気抵抗が軽減され、高周波電流に対して優れたアンテナ特性を発揮することができる。
【００２７】
・  加えて、このアンテナ１２によれば、電磁波の送受信を行うことができることから、ワイヤレスで電力の輸送を効果的に行うことができる（ワイヤレス送電）。
【００２８】
なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
・  図４（ａ）に示すように、媒質１３中に２つのアンテナ素子１１をそれらの間に媒質１３を介在させて直列に配置してもよい。
【００２９】
・  図４（ｂ）に示すように、図１（ａ）及び（ｂ）に示すようなアンテナ素子１１よりコイルの長さが長い（０．０１μｍ〜１００ｍｍの範囲内）アンテナ素子１１を媒質１３中に配置してもよい。
【００３０】
・  図４（ｃ）に示すように、２つのアンテナ素子１１を並列に配置し、リード線１４との間に媒質１３を介在させてもよい。図４（ｄ）に示すように、２つのアンテナ素子１１を媒質１３中で並列に配置し、各アンテナ素子１１の両端に一対のリード線１４を取り付けてもよい。このように構成した場合、高利得及び高指向性を発揮させることができる。
【００３１】
・  本実施形態のアンテナ素子１１を図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、アンテナ素子１１を一定間隔で規則正しく配列（アレイ化）してもよい。図６（ａ）に示すアレイ化アンテナ１２ａは、円柱状の媒質１３内に同方向に複数のアンテナ素子１１を配列させてボタン状に形成したマイクロアンテナチップである。図６（ｂ）に示す再アレイ化アンテナ１２ｂは、図６（ａ）のマイクロアンテナチップを基板１６上に複数配置したものである。
【００３２】
また、図７（ａ）に示すアレイ化アンテナ１２ａは、極薄平板状に形成された媒質１３内に複数のアンテナ素子１１が同一方向に配置されたもので、平面状のマイクロアンテナチップである。図７（ｂ）〜（ｄ）に示す再アレイ化アンテナ１２ｂは、図７（ａ）に示す平面状のマイクロアンテナチップを基板１６上に、直列、並列又は９０度方向を変えて配置したものである。このように構成した場合、感度、すなわち利得及び指向性を飛躍的に向上させることができ、マイクロアンテナチップを適切に配列させることで、任意のアンテナパターンと利得とを持つ超小型のアンテナ１２を構成することができる。
【００３３】
【実施例】
次に、実施例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
アンテナ素子の特性評価試験
図３（ａ）、（ｂ）に示すようなコイル状炭素繊維の外周面に金蒸着処理をしたアンテナ素子１１を用い、図５に示すような実験装置から、利得及び指向性を測定した。まず、内部に図示しないモータを有する支持台１７の上方には、そのモータの回転軸１８に支持されたターンテーブル１９が配設されている。ターンテーブル１９の上には、アンテナ１２が偏心位置に設けられた三脚２０の上に配置されている。アンテナ１２はリード線１４によってネットワークアナライザ２１に接続されている。ネットワークアナライザ２１はホーンアンテナ２２とも接続線２３を介して接続されており、該ホーンアンテナ２２はネットワークアナライザ２１からの信号をアンテナ１２に送信するものである。前記モータは導電線２４によりターンテーブル回転角制御装置２５及び制御装置２６を介してネットワークアナライザ２１に接続されている。そして、モータは制御装置２６からの指令に基づきターンテーブル回転角制御装置２５によって一定速度で回転される。モータの回転によりターンテーブル１９が回転すると、アンテナ１２が偏心回転され、アンテナ１２とホーンアンテナ２２との距離が変化する。アンテナ１２とホーンアンテナ２２との間には電波暗室等に用いられる電波吸収体２７が配置されている。そして、ネットワークアナライザ２１によりリード線１４を介してターンテーブル１９の順方向回転と逆方向回転の両方で全範囲の振幅特性と位相特性の測定が行われ、アンテナ１２からの利得が測定される。また、制御装置２６はアンテナ１２から得られたデータを収集して記憶する。
【００３４】
上記実験結果の利得は周波数が１０ＧＨｚのとき、金で被覆をしたアンテナ素子１１では−５ｄＢ〜５ｄＢ、被覆をしなかったアンテナ素子１１では−５ｄＢ、リード線１４のみでは−１５ｄＢとなった。従って、アンテナ素子１１としては、驚くべき高い利得値と考えられる。特に被覆をしたアンテナ素子１１は、被覆をしなかったアンテナ素子１１と比べて５倍、リード線１４のみの場合と比べて１０倍の利得を示した。
【００３５】
また、指向性については、アンテナ１２の放射線パターンが、周波数１１．５Ｈｚで、アンテナ１２と直交方向の３６０度にわたって−５ｄＢの利得を示した。この結果、アンテナ１２と直交方向にドーナツ状に広がる水平の指向性を有していることが示された。また、１本のアンテナ素子１１で高利得が得られることが判明したことにより、図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）〜（ｄ）に示すようにアンテナ素子１１をアレイ化することによってさらに高利得、高指向性のアンテナ１２を構成することができる。従って、アレイ化アンテナ１２ａ又は再アレイ化アンテナ１２ｂについては、そのアレイ化したアンテナ１２の配置によってコイル状炭素繊維のコイルの延びる方向へのダイポールモードの指向性も発揮することができる。
【００３６】
ＶＳＷＲ値（電圧定在波比）が完全には良好でない（理想的には＜１．２）にも拘らず、０ｄＢ前後の利得が得られていることから、適切な接続法によりアンテナ素子１１は、極めて感度の高いアンテナ１２であることを示している。ちなみに、ＶＳＷＲ値とは、高周波伝送路線中の不連続部分で発生する反射波と、入射波の間で発生する電圧定在波の最大値と最小値の比を表す。
【００３７】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
・  アンテナ素子は媒質外に配置された給電装置から給電するためのリード線が媒質に接続され、媒質を介してリード線と接続されている請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ。このように構成した場合、ＬＣＲ共振回路の静電容量の調整の幅を大きくすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、次のような効果を奏する。
請求項１に記載の発明のアンテナ素子及び請求項２に記載の発明のアンテナによれば、構成が簡単で、優れたアンテナ特性を発揮することができる。
【００３９】
請求項３に記載の発明のアンテナによれば、請求項２に記載の発明の効果に加えて、感度を向上させることができる。
請求項４に記載の発明のアンテナによれば、請求項２又は請求項３に記載の発明の効果に加えて、高周波電流に対して優れたアンテナ特性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本実施形態のアンテナを示す斜視図、（ｂ）は図１（ａ）の断面図。
【図２】（ａ）はアンテナを示す斜視図、（ｂ）は図２（ａ）の断面図。
【図３】（ａ）はアンテナ素子を示す斜視図、（ｂ）はアンテナ素子を示す断面図。
【図４】（ａ）はアンテナ素子が間隔をおいて直列に配置されているアンテナを示す斜視図、（ｂ）は長いアンテナ素子が配置されているアンテナを示す斜視図、（ｃ）はアンテナ素子が並列に配置されているアンテナを示す斜視図、（ｄ）はアンテナ素子が並列に配置され、かつリード線が接続されているアンテナを示す斜視図。
【図５】特性評価試験装置の概略を示す説明図。
【図６】（ａ）はボタン状のマイクロアンテナチップを示す斜視図、（ｂ）はボタン状のマイクロアンテナチップを複数個配置したアンテナを示す斜視図。
【図７】（ａ）は極薄平板状のマイクロアンテナチップを示す斜視図、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は平板状のマイクロアンテナチップを複数個配置したアンテナを示す斜視図。
【符号の説明】
１１…アンテナ素子、１２…アンテナ、１２ａ…アレイ化アンテナ、１２ｂ…再アレイ化アンテナ、１３…媒質、１５…被覆層。
【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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