(57)【要約】      （修正有）【課題】アンテナと金属との相関を防止するハイインピーダンスシートにおいて、非常に薄いハイインピーダンスシートを提供する。【解決手段】電磁波に比較して、はるかに波長の短い弾性波を用いて、ハイインピーダンスシートを薄形化する。  電極薄膜２１ではさんだ圧電素子薄膜２３を、グランド金属２２上に周期的に配列させることにより、ハイインピーダンスシート３３への入射電磁波から見たインピーダンスをハイインピーダンス化する。金属面への入射電界は逆相で反射されるため、近傍アンテナの特性を劣化させるが、ハイインピーダンス面への入射電界は、同相で反射されるため、近傍のアンテナの放射電界は、同相でアンテナへ戻り、アンテナ特性を劣化させない。【選択図】    図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通電極となる第１の電極と前記第１の電極上に形成された圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に島状に形成された第２の電極を有し、前記第２の電極が離散的に形成されていることを特徴とするシート状構造体。
【請求項２】
島状に形成された前記圧電体薄膜が、離散的に形成され、前記圧電体薄膜上に前記第２の電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項３】
前記離散的に形成された前記圧電体薄膜が、周期性を持って配列されていることを特徴とする請求項２に記載のシート状構造体。
【請求項４】
前記圧電体薄膜が、連続的に形成され、前記圧電体薄膜上に前記第２の電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項５】
前記離散的に形成された前記第２の電極が、周期性を持って配列されていることを特徴とする請求項４に記載のシート状構造体。
【請求項６】
前記離散的の形成された前記圧電体薄膜、もしくは前記離散的に形成された前記第２の電極が、等間隔に配置している請求項３または請求項５記載のシート状構造体。
【請求項７】
前記島状の圧電体薄膜が、１００μｍ×１００μｍ以下あるいは面積が１００００μｍ2以下であることを特徴とする請求項２に記載のシート状構造体。
【請求項８】
前記離散的に形成された第２の電極が、１００μｍ×１００μｍ以下あるいは面積が１００００μｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載のシート状構造体。
【請求項９】
前記第２の電極と間隙を介して形成された薄膜と前記第２の電極との前記間隙により前記圧電体薄膜の振動エネルギーの流出を抑えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のシート状構造体。
【請求項１０】
前記薄膜が、少なくとも前記第２の電極および前記圧電体薄膜と間隙を介して配置されている支持手段により支持されていることを特徴とする請求項９に記載のシート状構造体。
【請求項１１】
前記支持手段が、前記第１の電極上に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のシート状構造体。
【請求項１２】
前記支持手段が、前記薄膜に形成された凹部が形成する側壁であることを特徴とする請求項１１に記載のシート状構造体。
【請求項１３】
第１の電極と前記圧電体薄膜との間に第３の電極が形成されていることを特徴とする請求項２または請求項４に記載のシート状構造体。
【請求項１４】
前記第１の電極の前記圧電体薄膜が配される側と対向する側に基板が配されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のシート状構造体。
【請求項１５】
前記基板が、絶縁性の材料からなることを特徴とする請求項１４に記載のシート状構造体。
【請求項１６】
前記基板が、導電性の材料からなることを特徴とする請求項１４に記載のシート状構造体。
【請求項１７】
前記基板が、導電性の材料からなる基板と絶縁性の材料からなる基板との積層基板であることを特徴とする請求項１４に記載のシート状構造体。
【請求項１８】
前記圧電体薄膜の、振動エネルギーの流出を抑える手段が、前記圧電薄膜の第１の電極が形成される面あるいは第２の電極が形成される面のいずれか一方の側、もしくは両方の側に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれかにに記載のシート状構造体。
【請求項１９】
前記振動エネルギーの流出を抑える手段が音響多層膜であることを特徴とする請求項１８に記載のシート状構造体。
【請求項２０】
前記音響多層膜が、音響インピーダンスの低い材料からなる層と、音響インピーダンスの高い材料からなる層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項１９に記載のシート状構造体。
【請求項２１】
前記音響多層膜が、第１の材料からなる層と、第２の材料からなる層とが交互に積層され、第１の材料の音響インピーダンスが、第２の材料の音響インピーダンスよりも低いことを特徴とする請求項１６に記載のシート状構造体。
【請求項２２】
前記音響インピーダンスの低い材料、高い材料がともに金属であることを特徴とする請求項２０に記載のシート状構造体。
【請求項２３】
前記音響インピーダンスの低い材料がアルミで、前記音響インピーダンスの高い材料が銅であることを特徴とする請求項２２に記載のシート状構造体。
【請求項２４】
前記音響多層膜が、少なくとも前記第１の電極あるいは前記第２の電極の前記圧電体薄膜が配された側に対向する側に設けられたことを特徴とする請求項１９に記載のシート状構造体。
【請求項２５】
前記振動エネルギーの流出を抑える手段が、空気ギャップであることを特徴とする請求項１８に記載のシート状構造体。
【請求項２６】
前記空気ギャップが、前記第１の電極の前記圧電薄膜が形成された面と対向する側の前記圧電薄膜に対向する部位に形成された凹部であることを特徴とする請求項２５に記載のシート状構造体。
【請求項２７】
前記振動エネルギーの流出を抑える手段が、前記第１または第２の電極を覆う前記圧電体薄膜の振動を伝えにくい薄膜であることを特徴とする請求項１８に記載のシート状構造体。
【請求項２８】
前記薄膜が、気泡を含有する有機性樹脂からなることを特徴とする請求項２７に記載のシート状構造体。
【請求項２９】
前記圧電体薄膜が、ＺｎＯもしくはＡｌＮであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のシート状構造体。
【請求項３０】
前記第１の電極、前記第２の電極が、Ａｌであることを特徴とする請求項１から８に記載のシート状構造体。
【請求項３１】
前記音響多層膜が、ＳｉＯ2とＺｎＯからなることを特徴とする請求項１９に記載のシート状構造体。
【請求項３２】
請求項１から３１のいずれかに記載のシート状構造体の、前記第２の電極とアンテナとを絶縁する層、または空気ギャップを介して前記アンテナが配されたことを特徴とするアンテナシステム。
【請求項３３】
前記第２の電極とアンテナとを絶縁する層が、前記圧電薄膜の振動エネルギーの流出を抑える薄膜の層を含むことを特徴とする請求項３２に記載のアンテナシステム。
【請求項３４】
前記薄膜が少なくとも前記アンテナの前記第２の電極に面する側を覆っていることを特徴とする請求項３３に記載のアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナと金属との相関を軽減する構造の小形化に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信は、携帯電話のみならず、家庭内でのＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムや微小な無線チップにより人やモノを識別・管理するＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）等に用いられるようになり、アンテナの小型化・内蔵化の要求が増大している。このため、アンテナを機器内に内蔵するため、小形化、高密度実装化が進んできている。
【０００３】
しかしながら、アンテナを小型化して機器内に内蔵すると、アンテナの近傍に例えば回路基板のグランド面等の金属を配置せざる得なくなる。しかしながら、アンテナの近傍に金属が配置されるとアンテナ特性が劣化するという問題があり、アンテナ特性を劣化させず、アンテナを小型化し機器内に内蔵するための技術の開発が急務となっている。
【０００４】
図１２は、アンテナ近傍に金属がある場合の例で、図１２（ａ）は、アンテナの近傍に金属がある場合のアンテナと金属との関係を示す概略図で、金属板１０の上にダイポールアンテナ１が配された状態を示している。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）を紙面に垂直な面の断面を示す図で、放射・反射電界が示されている。図１２（ｂ）のａ側に示すように放射電界ベクトル３は、アンテナの法線方向に放射される（図１２（ｂ）ブロック矢印参照）。
【０００５】
ダイポールアンテナ１の近傍に金属板１０が配されている場合、ダイポールアンテナ１から放射された放射電界ベクトル３（図１２（ｂ）矢印参照）の一部が、金属板１０に放射され、金属板１０の表面で反射される。
【０００６】
金属面は低インピーダンス面であり、放射された放射電界ベクトル３は、金属表面で面の接線方向電界がゼロとなるように、反射電界ベクトル４が生成される。すなわち、放射電界ベクトル３と反射電界ベクトル４は、金属面で位相が１８０°異なっている。
【０００７】
金属板とアンテナとの間隔をｄとすると、ｄ＝λ／４＋ｎλ／２の時、アンテナの位置で放射電界ベクトル３と反射ベクトル４とが同相になり、ｄ＝λｎ／２のとき、アンテナ１の位置で放射電界ベクトル３と反射ベクトル４とが逆相になる（ｎは、０以上の整数）。
【０００８】
アンテナ１と金属板１０の間の距離が波長に比べて非常に短い場合、アンテナ１の放射電界ベクトル３と、反射してアンテナ１に戻ってきた反射電界ベクトル４が逆相で重なるため、アンテナ１の放射電界を打ち消してしまいアンテナの性能が著しく劣化する。
【０００９】
尚、図１２（ｂ）では、アンテナから放射された放射電界ベクトルを紙面の右向きの矢印で示し、アンテナから放射された放射電界と逆相のベクトルを紙面左向きの矢印で示している。
【００１０】
アンテナの位置で放射電界ベクトル３と反射電界ベクトル４との位相を同相にすることでアンテナの特性を改善するためには、アンテナと金属板とを少なくとも１／４波長の距離だけ離す必要がある。このため、アンテナを金属に近接させて、アンテナの必要とする空間をコンパクトにするために、金属表面をハイインピーダンスにするハイインピーダンス基板がある。（非特許文献１等）。
【００１１】
図１３を用いてハイインピーダンス基板１４の構造を説明する。図１３（ａ）は、ハイインピーダンス基板１４の外観を示す図で、ガラスエポキシまたはテフロンなどの樹脂からなる絶縁基板２の一方の面に島状の金属膜５が、他方の面にグランド金属膜６が形成されている。図１３（ｂ）は、ハイインピーダンス基板１４の断面図で、島状の金属膜５とグランド金属膜６とは、絶縁基板２を貫通する支柱金属７で接続されている。
【００１２】
図１４は、ハイインピーダンス基板１４の金属部分の構造を示している。図１４に示すように板状金属５と、グランド金属６は、支柱金属７で接続され、板状金属５と支柱金属７と、グランド金属６から構成される単位構造が、グランド金属６上に周期構造を形成している。図示しないが、金属間に樹脂を充填することでハイインピーダンス基板１４が形成できる。
【００１３】
ハイインピーダンス基板の原理を、図１５を用いて説明する。ダイポールアンテナ１から、放射電界ベクトル３が放射される。放射電界ベクトル３の一部は、ハイインピーダンス基板１４に照射される。ハイインピーダンス基板１４上の隣接する板状金属５の一方を、電極８、他方を電極９とする。放射電界ベクトル３が板状金属５に入射すると、電極８、９間に電圧が励起され、電極８と９との間にｉ（電流）１２が流れる。
【００１４】
電極８と電極９との間の電界により電極８および９の間でキャパシタンス１１が形成され、電流１２が電極８から電極９の間を、支持金属７−１、グランド金属膜６、支持金属７−２を介して流れ、電極８と９との間にインダクタンスを形成する。従って、電極８と９と間の等価回路は、図１６の示すような、電流１２の作るインダクタンス（Ｌ）１３と、キャパシタンス（Ｃ）１１の並列接続構造となる。
【００１５】
図１６の共振回路の共振周波数は、式１のように示すことができる。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
尚、図中の矢印は、図１２（ｂ）と同様である。
【００１８】
ＬとＣが並列共振状態になると、電極８と９との間のインピーダンスは無限大となる。
【００１９】
ＬとＣが並列共振状態では、反射電界ベクトル４は、ハイインピーダンス基板１４への入射電界ベクトルと同相で反射される。従って、ダイポールアンテナとハイインピーダンス基板の距離が、波長に比べて極めて短い場合には、ダイポールアンテナ１の位置で、放射電界ベクトル３と反射電界ベクトル４とは同相となる。そのため、ハイインピーダンス基板１４からの反射電界ベクトル４は、ダイポールアンテナ１の放射電界ベクトル３を打ち消さず、アンテナ特性を劣化させない。
【００２０】
このように、アンテナ近傍の金属の表面をこのようなハイインピーダンス構造とするか、または、このようなハイインピーダンス基板をアンテナと金属の間に挿入することによって、アンテナの必要とする空間をコンパクトにできる。
【非特許文献１】Ｄａｎ  Ｓｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒ、ｅｔ．ａｌ．，”Ｈｉｇｈ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｂａｎｄ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＶｏＬ．４７，Ｎｏ．１１  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９９，ｐ２０５９−２０７４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来のハイインピーダンス基板は、厚みを波長の１／５０程度（２．４ＧＨｚ帯の場合、自由空間波長が１２５ｍｍになり、厚さは、１２５ｍｍ÷５０＝２．５ｍｍ程度になる）にするのが限界で、それ以上薄くすると、有効な周波数帯域幅が狭くなる。
【００２２】
一方、非特許文献１に、共振周波数を下げる方法として、隣接する電極を重ねて、大きなキャパシタンスを得る方法が開示されているが、非特許文献１にあるように、キャパシタンスが増えると、有効帯域幅が減少してしまう問題が発生する。このために、２．４ＧＨｚ帯で、帯域幅として少なくとも１００ＭＨｚ以上、好ましくは２００ＭＨｚ以上必要であるが、そのような帯域幅を確保するには、２．４ＧＨｚ帯でのハイインピーダンス基板の厚みは、最低でも２ｍｍ以上は必要である。
【００２３】
すなわち、従来のハイインピーダンス基板は基板自体が厚いため、アンテナとグランド面との距離はあまり短縮されず、アンテナの低背化にはあまり寄与しなかった。また、従来の構造では、電磁波の立体回路の共振を利用するため、波長に対してあまり小さい共振構造ができない。例えば、２．４ＧＨｚ帯では、単位構造となる電極の寸法は、おおよそ１０ｍｍ×１０ｍｍ程度となる。そのため、ハイインピーダンス基板の面積を小さくすると、多周期構造が作れず、受けた電磁波の一部のエネルギーがハイインピーダンス基板表面に沿って流れ、エネルギー損失を生じるといった問題もある。
【００２４】
このよう、従来のハイインピーダンス基板は、基板が厚く、広さも必要で、更に柔軟性もなかった。一方、携帯電話のみならず、家庭内でのＬＡＮシステムや微小な無線チップにより人やモノを識別・管理するＲＦＩＤ等の機器は小型化が要求され、機器内のアンテナの設置位置の形状に合わせて狭い場所に貼り付けが可能な柔軟な薄い基板が要求されるため小型化を要求される機器への使用は困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、弾性波を利用しているので、２．４ＧＨｚの弾性波の波長は数ミクロン程度の長さしかないため、共振構造を非常に小さくできる。
【００２６】
特に、電磁界構造ではキャパシタンスは小さく作れても、ＧＨｚ帯ではインダクタンスを小さく作ることができない。通常の磁性材料はＧＨｚ帯では透磁率が低下し、損失が大きくなり、その結果、磁性体はＧＨｚ帯ではあまり使用できないことから、電磁界の共振構造は大きくなるが、本発明の弾性波の共振構造を用いることで、大きなインダクタンスを小さな構造で形成することができる。
【００２７】
本発明は、共通電極となる第１の電極と第１の電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に離散的、あるいは、一定の配列で島状に形成された第２の電極とを有していることを特徴とするシート状構造体である。このシート状構造体は、圧電体薄膜が、一定の配列（一定の間隔）で島状に形成され、該島状の圧電体薄膜上に第２の電極が形成されている構造であっても良く、この構造の場合、第１の電極と圧電体薄膜との間に第３の電極を形成することができる。
【００２８】
本発明のシート状構造体は、更に、圧電薄膜の振動エネルギーの流出を抑える手段を、少なくとも第１の電極あるいは第２の電極の一方の電極の圧電素子と対向する側に設けることが好ましく、第１の電極および第２の電極の両方の電極の圧電素子と対向する側に設けることが更に好ましい。
【００２９】
エネルギーの流出を抑える手段は、エアーギャップあるいは音響多層膜であることが好ましい。
【００３０】
第２の電極と間隙を介して形成された薄膜との間隙によりエアーギャップを形成することでエネルギーの流出を抑えることができる。第２の電極上に形成された薄膜と第２の電極との間隙は、薄膜を、少なくとも前記第２の電極および前記圧電体薄膜と間隙を介して配置されている支持手段により支持することで形成することができ、支持手段は、第１の電極上に形成することができる。支持手段は、更に、薄膜に凹部を形成し、凹部で第２の電極と圧電体薄膜とを覆うことで達成することができる。薄膜は凹部を形成する側壁で支持されている。
【００３１】
エアーギャップは、第１の電極の圧電薄膜が形成された面と対向する側の圧電薄膜に対向する部位に形成された凹部であっても良い。
【００３２】
更に、エネルギーの流出を抑える手段は、第１の電極の下部もしくは第２の電極の上部に接した、圧電体薄膜の振動を伝えにくい薄膜であっても良く、この薄膜は、スポンジ状有機樹脂（気泡を含有する有機樹脂）であっても良く、更に、音響多層膜からなるシートを、気泡を含有する有機樹脂に換えることもできる。
【００３３】
本発明のハイインピーダンスシートからなるシート状構造体の第２の電極と、アンテナとを絶縁する層を介してアンテナを配することで、アンテナシステムを構築することができる。第２の電極とアンテナとを絶縁する層が、圧電薄膜の振動エネルギーの流出を抑える薄膜であることが好ましい。この場合、少なくとも圧電薄膜の振動エネルギーの流出を抑える薄膜は、アンテナの第２の電極に面する側を覆っていれば良い。また、第２の電極とアンテナとを空気ギャップで絶縁しても良い。
【発明の効果】
【００３４】
本発明のハイインピーダンスシートは、圧電素子を用い、弾性波を利用することにより、共振回路を小形化しているため、従来に比較して、シートの厚みを非常に薄くして、電磁波から見たシートへの入力インピーダンスをほぼ無限大の大きさにできる。電磁波から見たシートへの入力インピーダンスがほぼ無限大になるので、ハイインピーダンスシートへの入射波を同相で反射することが可能となり、アンテナの近傍に金属がある場合でも、アンテナと金属の間に本発明のハイインピーダンスシートを挿入することで、アンテナ特性の劣化を低減できる。
【００３５】
また、圧電膜は、音響多層膜によってはさまれているため、ハイインピーダンスシートの上にアンテナがのっていても、圧電膜は自由に振動できる。
【００３６】
さらに、本構造は、圧電膜は離散的配置、もしくは薄い連続膜であり、その他は金属であるので、柔らかい構造ができる。圧電体膜や金属膜は薄いため、これにより、任意形状の金属上に貼り付け可能な薄いＲＦＩＤや、同じく金属上に貼り付けられる薄いテープ状のアンテナが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明のハイインピーダンスシートは、板状導体上に周期的（一定の間隔をおいて、離散的）に島状の圧電体薄膜を単位構造とする共振回路が構成されている。
【００３８】
すなわち、アンテナから放射される放射電界ベクトルが、周期配列された島状の圧電体薄膜において、隣接する圧電体薄膜上の電極間に、電圧を誘起し、その結果、圧電体薄膜の膜厚方向に縦振動（粗密波）からなる弾性波が生成される。
【００３９】
弾性波の速度は光の速度よりもはるかに遅い（光：３０万Ｋｍ／ｓ、弾性波の速度（材質のより変わるが）：約１１〜６Ｋｍ／ｓ）ため、同じ周波数でも、弾性波の波長は、電磁波の波長のおおよそ１０-5程度と非常に短く、そのため、弾性波を使った共振回路を構成する単位構造の寸法は、電磁波を使った従来の共振回路よりも非常に小さくすることが可能となる。
【００４０】
自由空間の電磁波の速度は３０万Ｋｍ／ｓで、２．４ＧＨｚの波長は１２５ｍｍであるが、例えば圧電体ＺｎＯ中の弾性波の速度は、約６ｋｍ／ｓであるので、波長は２．５μｍ程度である。また圧電体ＡｌＮでも弾性波の速度は約１１．３ｋｍ／ｓであるので、弾性波の波長は、４．７μｍにすぎない。
【００４１】
共振構造は２分の１波長程度の大きさになるので、弾性波の共振構造は電磁波の共振構造に比較して著しく小さくなる。
【００４２】
このように、ハイインピーダンスシートの共振構造を、弾性波を使用して実現することにより、共振回路の単位構造を非常に小さくできる。圧電体の厚み方向の縦振動（粗密波）を利用する場合、圧電体厚みは半波長となり、２．４ＧＨｚでは１〜２μｍ程度にしかならない。
【００４３】
基板の厚みを除けば、圧電体上下の積層膜構造を入れても、単位構造の寸法は数十μｍ角×７〜８μｍ程度にまで小さくすることができる。
【００４４】
共振回路の単位構造を非常に小さくできるので狭い領域に、非常に多くの単位構造を作れ、多周期性が確保できる。通常、ハイインピーダンスシートの共振周波数付近にはストップバンドが形成されるため、周期性が確保できれば、シート表面を通って流れる出るエネルギー損失も抑制できるという効果も得ることができる。
【００４５】
ハイインピーダンスシートの単位構造の厚さを数μｍ程度にまで薄くできるので、圧電材料のような脆性材料を使っても、脆性材料の薄さや、離散的な分布から、フレキシブルなシートを得ることができる。
【００４６】
図面を用いて本実施形態を詳細に説明する。
【００４７】
図１（ａ）は、本実施形態のハイインピーダンスシートの概念図を示すハイインピーダンスシート３３の単位構造のペアを示す図である。圧電体薄膜２３が電極３１及び電極３２に狭持されている。電極３２の圧電体薄膜が配された面と対向する面にグランド電極３４が配されている。グランド電極３４は、電極３２と接触する部分に穴が形成されている。圧電体薄膜２３を狭持する電極３１および３２を金属の薄膜にし、圧電体薄膜２３に対向するグランド電極に開口部が形成されているので圧電体薄膜２３は自由に振動できる。圧電膜から見て、何もないように見え、自由振動に近くなる。つまり、圧電体の下のグランド金属に空洞を作ったことにより振動エネルギーの流出を抑えることができる。図１（ａ）では、ペアの一方の側の電極及び圧電体薄膜に添え字ａを、他方の側の電極及び圧電体薄膜に添え字ｂを付けている。
【００４８】
グランド電極３４の下に、基板を設けても良く、この場合基板は、セラミックやＳｉ基板でもよいが、樹脂製の薄膜、金属膜あるいは樹脂製の薄膜と金属膜との積層膜であっても良い。柔軟性を持ったハイインピーダンスシートの場合、基板の厚さの上限は、柔軟性を維持できる厚さで、下限は、加工性を維持できる厚さである。
【００４９】
樹脂製の薄膜の場合、４００μｍ以下であれば柔軟性を失うことはなく、１０μｍ以上の厚さであれば加工性を失うことはない。
【００５０】
基板に金属膜の場合、１０〜５０μｍ程度が最適であるが、アルミニウムや銅のように柔らかい金属の場合２０〜１００μ程度の膜厚であっても柔軟性を失うことはない。金属膜は、基板として用いる場合、グランド電極３４を基板として用いることもできる。
【００５１】
グランド電極の厚さは、２．４ＧＨｚ帯のような高い周波数帯で使用する場合、電流は表面に集中するの（表皮効果：ｓｋｉｎ  ｅｆｆｅｃｔ）ので、電流の流れる深さ（表皮深さ（ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ））程度の厚さである数μｍ程度欲しいが、グランド電極３４を基板として用いる場合は、上記の膜厚が必要となることは言うまでもない。
【００５２】
図１（ａ）では、圧電体薄膜２３を電極３１あるいは電極３２で狭持するようになっているが、後述の積層構造を考える場合には、図９に示すように、圧電体薄膜２３が、穴のないグランド電極２２の上に直接乗っていても良い。
【００５３】
なお、グランド電極の厚みは穴の有無に関わらず、表皮深さ程度が好ましい。しかし、特性設計上や、製造しやすさからは、表皮深さ以下の厚みになる場合が多く、表皮深さに達していなくても、特に問題はない。
【００５４】
また、振動エネルギーの損失があっても、構造の簡単さから、グランド電極を基板と兼用にしたい場合には、強度の関係で数十μｍ以上のグランド電極厚が必要である。アルミニウムや銅のように、柔らかい金属を用いれば、グランド電極が厚くても、柔軟性は確保できる。
【００５５】
図１（ａ）に示すように、ハイインピーダンスシートは、アンテナからの放射電界ベクトルにより隣接する電極３１ａと３１ｂとの間に電圧が誘起され、電極３１ａと３１ｂとの間にグランド電極３４を介して電流が流れ、さらに、電極３１ａと３１ｂとの間に容量Ｃが形成される。
【００５６】
図２は、図１（ａ）の単位構造とその等価回路を示す図である。
【００５７】
図２（ａ）に示すようにハイインピーダンスシートの単位構造は、圧電体薄膜２３を電極３１と電極３２とで狭持した状態である。図２（ａ）の構造を等価回路で占めすと、図２（ｂ）のように、直列に接続された抵抗Ｒ１、容量Ｃ１およびインダクタンスＬ１とそれに並列に接続されたＣ０のように表すことができる。
【００５８】
図２（ｂ）の等価回路の周波数特性は、インピーダンスのリアクタンス分が０の直列共振の共振周波数ｆｒと、リアクタンス分が±無限大になる並列共振の反共振周波数ｆａを持ち、共振周波数ｆｒと、反共振周波数ｆａは、以下の式２、および式３のように示される。
【００５９】
なお、以降は、リアクタンス０の共振を「共振」、リアクタンス∞の共振を「反共振」と呼んで、区別する。
【００６０】
【数２】
2007060607.tif 000004
【００６１】
【数３】
2007060607.tif 000005
【００６２】
図２（ｃ）は、アドミッタンスと共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａの関係を示す図である。
【００６３】
従って、２．４ＧＨｚで反共振させるように寸法を選べば、図２の構造のインピーダンスをほぼ無限大にできる。
【００６４】
また、共振周波数ｆｒは、圧電体薄膜の厚さｔと、以下の関係がある。
【００６５】
【数４】
2007060607.tif 000006
【００６６】
ここでＶは、音速を示す。
【００６７】
ただし、実際には電極の質量付加効果により、共振周波数は下がる方向に動き、圧電体薄膜の厚みｔは上式から得られる値よりもかなり薄くなる場合が多い。
【００６８】
図３は、図１（ａ）に示した隣接する２個の単位構造の等価回路を示す図である。図２（ａ）に示す単位構造が２個直列に接続され、電極間の容量Ｃがそれに並列に接続されたものとなる。
【００６９】
図３の等価回路から明らかになるように、単位構造間の容量Ｃが小さい場合には、各単位構造を反共振とすることにより、電極３１ａと３１ｂとの間のインピーダンスをほぼ無限大にでき、また、単位構造間の容量Ｃが大きい場合には、単位構造のインピーダンスを適切なインダクタンスにとれば、電極３１ａと３１ｂとの間のインピーダンスをほぼ無限大とすることができる。
【００７０】
図２（ａ）の圧電モデルの動作解析から、等価なＣ０，Ｌ１，Ｃ１を求め、図３の等価回路の動作解析を実施した例を図４に示す。図４からわかるように、２．４５ＧＨｚ付近で、ハイインピーダンスシートの表面インピーダンスＺｓがほぼ無限大になっていることがわかる。
【００７１】
アンテナからの放射電界の様子を図５に示す。
【００７２】
アンテナ１から放射電界ベクトル３が放射される。放射電界ベクトル３は近傍のハイインピーダンスシート３３に入射し、ハイインピーダンスシート３３の表面インピーダンスに従って、位相を変化させて反射し、反射電界ベクトル４を生成する。
【００７３】
また、図５に示すように、平面波がハイインピーダンス面に入射した場合の、ハイインピーダンスシート表面の等価回路は、図６のようになる。
【００７４】
電圧反射係数をΓｖ、真空の波動インピーダンスをη０、ハイインピーダンスシートの表面インピーダンスをＺｓとした場合、電圧反射係数Γｖは、以下の式５で表せる。
【００７５】
【数５】
2007060607.tif 000007
【００７６】
この場合、式５から、電圧反射係数Γｖを極座標で表すと式６のように表すことができる。
【００７７】
【数６】
2007060607.tif 000008
【００７８】
真空の波動インピーダンスη０は、下記の式７で求めることができ、約３７７Ωである。
【００７９】
【数７】
2007060607.tif 000009
【００８０】
ここで、ε0：真空の誘電率    μ0：真空の透磁率
式６の電圧反射係数の位相θは、入射電界と反射電界の位相差を示している。図７に、入射電界と反射電界の位相差の周波数特性を示す。
【００８１】
図７から、反射電界ベクトルと放射電界ベクトルの位相差が、−π／２〜π／２の間であれば、アンテナの特性の劣化は生じないことがわかり、位相差が−π／２からπ／２の間の周波数が有効周波数範囲となる。
【００８２】
図７から広い帯域で、有効な反射特性が得られることがわかる。この例では、圧電膜のサイズ７０ｘ７０μｍで、圧電材料はＡｌＮである。単位構造のサイズを小さくとって、電極間容量Ｃ０を小さくすることにより、有効周波数範囲を広くできる。
【００８３】
実施形態では図１（ｂ）のように、下部電極３２を連続体にし、グランド電極を兼ね、グランド電極３４と材料を別にして、グランド電極３４をエッチングして穴あけするなどの製造方法も考えられる。この例では圧電薄膜２３も連続体としている。
【００８４】
本実施形態では、説明を簡単にするために単位構造となる圧電体を単位構造毎に独立した形状で説明を行なったが、製造の容易性から、本実施形態の変形例のような構造が考えられる。
【００８５】
以下、本実施例の変形例を、図８を用いて説明する。
【００８６】
基板２６上に音響多層膜２５、グランド金属２２および圧電体膜２３を形成し、圧電体薄膜２３上に電極２１が島状に形成されている。
【００８７】
音響多層膜２５は、音響インピーダンスの高い材質の膜と音響インピーダンスの低い材質の膜が交互に積層された多層膜で、各層の厚さは、各層の弾性波の波長の１／４である。
【００８８】
詳細は後述するが、音響多層膜２５があると、グランド電極２２から多層膜、基板側を見た音響インピーダンスが０に近付き、グランド電極が十分薄ければ、圧電膜から見て、何もないように見え、自由振動に近くなる。そのため、圧電体の下のグランド金属に空洞を作ったのと、同じ効果となり、振動エネルギーの流出を抑えることができる。
【実施例】
【００８９】
本発明を、２．４ＧＨｚ帯のハイインピーダンスシートの場合で、図面を用いて説明する。
【００９０】
図９（ａ）は、本実施例の上面図を示し、図９（ａ）に示すように、電極薄膜２１がグランド金属薄膜２２上に周期的に配列されている状態を示している。
【００９１】
図９（ｂ）は図９（ａ）の丸で囲んだ部分のＡ−Ａ’部の部分断面図で、基板２６上に、音響インピーダンスの高い材質と低い材質が交互に積層された音響多層膜２５が形成され、音響多層膜２５上にグランド金属２２が形成され、グランド金属２２上に、圧電体薄膜２３（以下、圧電体と略す場合もある）と電極薄膜２１とがこの順に積層された積層膜が周期的に配列されている。
【００９２】
圧電体薄膜２３は、本実施例では、厚さ２．１μｍのＡｌＮである。
【００９３】
ＡｌＮ以外に、ＺｎＯ、ＰｚＴ、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＢ4Ｏ7など圧電特性のある材料が使用可能であるが、軽くて、比誘電率が低くて、tanδの小さい材料の方が好ましく、ＡＬＮやＺｎＯが好ましい。る。電極２１は厚さ０．３μｍのＡｌを用いた。Ａｌ以外に、Ｍｏや、銅、銀、金、ニッケル、白金、チタン、クロムなどを用いることができる。
【００９４】
電極２１とグランド電極２２は、軽い方が電極の質量効果による反共振周波数の低下を押さえることができ、その結果として、圧電薄膜を厚くでき、電極間キャパシタンスが増加するのを抑制する。そのため、電極２１とグランド電極２２は、軽い方が図７の入射波反射波位相差−π／２〜π／２の有効周波数範囲を広くとれる。従って、電極２１やグランド金属２２はＡｌのような軽い金属が好ましい。
【００９５】
圧電薄膜材料としては、電極間キャパシタンスを抑制して、有効周波数範囲を広くできるため、軽くて比誘電率が小さい材料が好ましい。
【００９６】
圧電体薄膜２３および電極２１は、一辺の長さ７０μｍの積層構造であり、２０μｍ間隔に周期的に配置されている。
【００９７】
音響多層膜２５は、音響インピーダンスの高い材質と低い材質が交互に積層された多層膜で、各層の厚さは、各層の弾性波の波長の１／４である。本実施例では、厚さ０．５４μｍのＳｉＯ2と厚さ０．５９μｍのＺｎＯを交互に積層した多層膜である。
【００９８】
音響多層膜２５は、圧電体薄膜２３が発生する圧電振動を、基板２６へ伝えない役目をし、基板２６への弾性波を打ち消すことにより、圧電体薄膜２３を自由振動させる。
【００９９】
ハイインピーダンスシートの上に何か触れる場合には、エネルギー流出防止のため、圧電振動が伝わらないようにする必要がある。
【０１００】
音響インピーダンスの低い材料ほど振動は伝わらないが、音響インピーダンスは密度とヤング率の積の平方根のため、密度が低く、弾性変形しやすい柔らかい材料が、音響インピーダンスは低くなる。
【０１０１】
図９（ｃ）は、ハイインピーダンスシート３３の上に置いたアンテナなどの物に圧電体薄膜２３の振動が伝わらないように、振動を伝えにくい発泡ウレタンのような柔らかいスポンジ状の樹脂カバー２４でハイインピーダンスシートを覆った状態を示す図である。
【０１０２】
尚、ハイインピーダンスシートを、圧電体薄膜２３の振動が伝わらないように、振動を伝えにくい発泡ウレタンのような柔らかいスポンジ状の樹脂カバー２４で覆うかわりに、アンテナを、振動を伝えにくい発泡ウレタンのような柔らかいスポンジ状の樹脂で覆い、ハイインピーダンスシート上に配置しても、ハイインピーダンスシートを柔らかいスポンジ状の樹脂で覆うのと同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１０３】
図９（ｄ）は、図９（ｂ）の変形例で、図９（ｂ）の第１の電極２２よりも上部の構造のみを示す部分断面図である。図９（ｂ）では、圧電体薄膜２３と第２の電極２１とを同じ大きさにしているが、図９（ｄ）では、圧電体薄膜２３上に第２の電極２１を島状に形成したものである。
【０１０４】
グランド金属２２は、本実施例では厚さ２．１μｍのＡｌを用いている。
【０１０５】
グランド金属２２の厚さは、表皮深さ程度とっておくことができれば望ましいが、厚いと質量効果で反共振周波数が下がるので、必ずしも表皮深さに達していなくてもよい。Ａｌ以外にも、Ｍｏ、銅、銀、金、ニッケル、白金、チタン、クロムなどの金属を用いることができるが、軽い金属の方が望ましい。
【０１０６】
基板２６は、本実施例では、厚さ４００μｍのシリコン基板を用いたが、金属や樹脂でも良く、柔軟性を持たせるためには、厚み１００μｍ程度のＡｌ、銅、銀、金などの柔らかい金属か、もしくは、有機樹脂が良い。樹脂としては、１０〜４００μｍの厚さで柔軟であれば良く、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、エチレンビニル共重合体樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、セルロース樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、酢酸ビニル樹脂等を用いることが可能であり、テフロン樹脂、ガラスエポキシ樹脂（ＦＲ４）、ＡＢＳ樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂を用いることが好ましい。これ以外の樹脂でも使用できるが、基板によるロスを小さくするためには、比誘電率およびｔａｎδがともに小さいポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネートおよびポリテトラフルオロエチレン樹脂等の材料が好ましい。
【０１０７】
有機樹脂からなる基板上に共通電極・圧電体薄膜・電極を形成することも可能で、金属膜は、スパッタ法を用いて成膜することができ、圧電体薄膜や音響多層膜も例えば、常温で成膜可能なエアロゾルデポジション法（Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）等を用いることで、常温で成膜することができる。
【０１０８】
基板２６上に形成する、音響多層膜２５、グランド電極２２、圧電体薄膜２３および電極薄膜２１からなる積層膜は、スパッタ法・ＣＶＤ法等の、通常の半導体装置、あるいは、ソーデバイスの製造方法を用いて作ることができることは言うまでもない。また、基板２６と音響多層膜２５との間に、接着を良くする目的で、１／１００μｍ厚程度の極薄いクロム層を入れても良い。
【０１０９】
次に、音響多層膜２５について、説明する。音響多層膜２５は、音響インピーダンスの高い材質と低い材質が交互に積層された多層膜で、厚みは各層の弾性波の波長の１／４である。音響インピーダンスの高い材質の膜（高音響インピーダンス膜）の音響インピーダンスをＺｈｉｇｈ、音響インピーダンスの低い材質の膜（低音響インピーダンス膜）の音響インピーダンスをＺｌｏｗとし、圧電体側の音響多層膜の第１層を低音響インピーダンス層とした場合、圧電体側から音響多層膜、および基板を見た際の音響インピーダンスＺｌｏａｄは、式８のように表すことができる。
【０１１０】
【数８】
2007060607.tif 000010
【０１１１】
式８から、音響多層膜は、層を重ねるに従い、Ｚｌｏａｄが０に近付く。すなわち、圧電膜から見て、何もないように見え、自由振動に近くなる。そのため、圧電体の下のグランド金属に空洞を作ったのと、同じ効果となり、振動エネルギーの流出を抑えられる。
【０１１２】
電極２１上を、間隙を介して薄膜で覆うことにより、空気ギャップを設け、圧電体薄膜の振動の流出を抑えることができる。薄膜は間隙を維持できるように支持部材を介して固定されていることが好ましい。支持部材は、共通電極上に柱あるいは壁状の構造体を形成し支持する方法やハイインピーダンスシートを配置する場所に柱あるいは壁状の支持部材を配しても良いが、図１０に示すように、薄膜に凹部を形成し、該凹部により圧電体薄膜と電極を覆うこともできる。図面を用いて詳細に説明する。
【０１１３】
図１０（ａ）、（ｂ）に示すような、穴２８ａの開いた樹脂カバー２８を、図１０（ｃ）のように圧電体薄膜２３、電極２１に接触しないように穴２８ａの位置を合わせて、ハイインピーダンスシート３３を覆うことで圧電体薄膜２３をカバーすることで、圧電体薄膜２３、電極２１に物が接触することによる圧電振動エネルギーの流出を防ぐこともできる。
【０１１４】
図１０（ｃ）では、樹脂カバー２８が接触することなく、圧電薄膜２３および電極２１を覆っている。樹脂材料としては、誘電率およびｔａｎδがともに小さい材料が好ましい。
【０１１５】
尚、図１０（ｃ）では、複数（図中では２個）の圧電薄膜２３と電極２１からなる単位構造を１箇所の穴２８ａに配置する例を示したが、１箇所の穴に、１個の単位構造を配しても良いし、３個以上の単位構造を配することができることは言うまでもない。
【０１１６】
また、前述の図９（ｄ）の様に圧電体薄膜２３上に第２の電極を島状に形成することも可能であるが、この例では、樹脂カバー２４に、図９（ｃ）で用いたスポンジ状の樹脂を用いている。樹脂カバー２４がスポンジ状の場合は、樹脂カバー２４の厚みは、ハイインピーダンスシートを薄くするためにも薄い方がよく、厚さは０．１ｍｍから０．５ｍｍが好ましい。
【０１１７】
また、図１１に示すように、圧電体薄膜２３、電極２１の上に、音響多層膜２９を形成することによっても、圧電振動を閉じ込めて、エネルギーロスを抑えることができる。
【０１１８】
また、以上のようなハイインピーダンスシートにおいて、２枚のハイインピーダンスシートのそれぞれのグランド側を付けて貼り合わせることによって、両面ともハイインピーダンス構造とすることができる。このような両面ハイインピーダンスシートを２つの隣接アンテナの間に置けば、隣接アンテナの干渉を抑えることができる。
【０１１９】
次に、図１９を用いて本発明の他の実施形態を詳細に説明する。
【０１２０】
以下の説明では、ハイインピーダンスシート上に圧電体薄膜の振動を伝えにくい膜を配したもの全体を総称してハイインピーダンスシートと称する。
【０１２１】
図１９（ａ）は、本実施例のハイインピーダンスシート３３の平面図で、グランド金属２２上に、単位構造体４７が周期的に島状に配置されている。
【０１２２】
図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＡ−Ａ’の断面を示す図で、単位構造体４７は圧電体薄膜２３を、音響多層膜２５ではさんだ構造をしている。音響多層膜２５は音響インピーダンスの高い金属と低い金属を交互に積層させた金属多層膜で構成している。ただし、圧電体薄膜と直接接する層は、低音響インピーダンス層としている。金属で構成された音響多層膜２５は、圧電体薄膜２３の上側と下側の電極を兼ねている。
【０１２３】
前述したように、音響インピーダンスは、密度とヤング率の積の平方根であるので、各材料の音響インピーダンスを計算できる。計算した表を表１に示す。
【０１２４】
【表１】
2007060607.tif 000011
【０１２５】
少ない層数で圧電体薄膜から多層膜側を見た音響インピーダンスを小さくするには、式８のＺｌｏｗ／Ｚｈｉｇｈを小さくする必要がある。
【０１２６】
５〜６層の多層膜Ｚｌｏａｄが０に近付けることができるの（Ｚｌｏｗ／Ｚｈｉｇｈ）＜０．５を満たすようにすることが好ましい。表１より、
高音響インピーダンスグループ（音響インピーダンス＞３０００００００）：ＡｌＮ，ＺｎＯ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＰＴ
低音響インピーダンスグループ（音響インピーダンス＜２０００００００）：ＳｉＯ２，ＡＬとして、それぞれのグループから材料を選ぶこともできる。
【０１２７】
これから、低インピーダンス層ＳｉＯ2、高インピーダンス層ＺｎＯの代わりに、金属を用いて、低インピーダンス層アルミニウム、高インピーダンス層銅でも音響多層膜が構成できることがわかる。できるだけ軽い材料の方が、質量効果による共振周波数低下を軽減でき、圧電膜を厚くして電極間容量を低減でき、その結果、有効帯域幅を広くとれることから、アルミニウム、銅の組み合わせは適切と考えられるが、高インピーダンス層材料として、ＭＯやＰｔを選べば、層数を減らすことができる。
【０１２８】
音響多層膜２５としてはアルミニウムと銅を交互に積層した積層体を用いている。音響多層膜を構成するアルミニウム層および銅層の厚さはともに当該層を構成する金属の弾性波波長の１／４の長さと同じ厚さとしている。
【０１２９】
圧電体薄膜２３は、圧電体薄膜２３を狭持する音響多層膜２５の低音響インピーダンス層であるアルミニウム層により狭持されている。圧電体薄膜２３を狭持するアルミニウム層をアルミ電極４８とする。周波数を２．４５ＧＨｚとすると、アルミ電極４８は、非常に薄く厚みは０．４６μｍである。また高音響インピーダンス層である銅層の厚みは０．３４μｍになる。
【０１３０】
圧電体薄膜２３としては、ＺｎＯ、ＡｌＮなどが使用できる。厚みは弾性波波長の１／２であり、ＺｎＯで２．４５ＧＨｚでは１．２μｍ厚になる。
なお、弾性波波長の整数倍が足されてもよい。
【０１３１】
図１９のハイインピーダンスシートの動作を、図２０を用いて説明する。
【０１３２】
アンテナ１から放射された電界ベクトル３は、ハイインピーダンスシート３３の電極４８ａ、４８ｂに衝突する。その結果、電極４８ａ、４８ｂ間に電界がかかり、キヤパシタンスＣを形成するとともに、電流ｉを形成する。圧電体の両端電極には電圧が生じるため、圧電薄膜の電極間に縦波（粗密波）生じる。
【０１３３】
圧電薄膜の電気的等価回路は、図２と同様にあらわすことができ、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａを持つ。
【０１３４】
ここで、共振周波数はインピーダンス０の周波数、反共振周波数はインピーダンス∞の周波数である。
【０１３５】
共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａは、上述と同様に式２および式３で表せる。
【０１３６】
式２および式３において、Ｃｏは、圧電体をはさむ電極間のキャパシタンスである。Ｒ１，Ｃ１，Ｌ１は圧電体薄膜の等価な直列抵抗分、キヤパシタンス分、インダクタンス分である。
【０１３７】
また、圧電薄膜の共振周波数ｆｒは、圧電薄膜の厚みｔにより決まり、圧電薄膜中の弾性波の音速をＶとして、上述の式４で求まる。
【０１３８】
ただし、実際には電極の質量負荷効果により、共振周波数ｆｒは、上式よりも、かなり小さくなる。
【０１３９】
以上により、電極４８ａ、４８ｂ間の等価回路は、後述の音響多層膜を無視したモデルでは、図３のようになる。
【０１４０】
ここで、Ｌは電流ｉが作るインダクタンスである。
【０１４１】
等価回路の形から、電極４８ａ，４８ｂの間でも、インピーダンスが∞となる反共振周波数が存在することが分かる。
【０１４２】
インピーダンスが∞となるハイインピーダンス状態では、反射電界ベクトル４は、ハイインピーダンスシート３３への入射電界ベクトル３と同相で反射される。従って、ダイポールアンテナ１２とハイインピーダンスシート３３の距離が、波長に比べて極めて短い場合には、ダイポールアンテナ１２の放射電界ベクトル３と同相で、反射電界ベクトル４が、アンテナへ戻ってくる。
【０１４３】
この場合、アンテナ特性は劣化しない。
【０１４４】
次に、音響多層膜２５について、説明する。音響多層膜２５は、音響インピーダンスの高い材質と低い材質が交互に積層された多層膜で、厚みは各層の弾性波の波長の１／４である。音響インピーダンスの高い材質の膜（高音響インピーダンス膜）の音響インピーダンスをＺｈｉｇｈ、音響インピーダンスの低い材質の膜（低音響インピーダンス膜）の音響インピーダンスをＺｌｏｗとし、圧電体薄膜側の音響多層膜の第１層を低音響インピーダンス層とした場合、圧篭体側から音響多層膜、および基板を見た際の音響インピーダンスＺｌｏａｄは、上述の式８のように表すことができる。
【０１４５】
式８から、音響多層膜は、層を重ねるに従い、Ｚｌｏａｄが０に近付く。すなわち、圧電体薄膜から見て、何もないように見え、自由振動に近くなる。そのため、圧電体薄膜の下のグランド金属に空洞を作ったのと、同じ効果となり、振動エネルギーの流出を抑えられる。
【０１４６】
式８を一般化する。積層膜ではさまれた圧電薄膜は、図２１の等価回路で示される。
【０１４７】
図２１の上部負荷インピーダンスＺＬは、本発明のハイインピーダンスシート上部に何も載っていなければ０である。何か載っていれば、その物体の音響インピーダンスである。
【０１４８】
図２１で、
Ｚｐａ＝−ｊ・Ｚｐ／ｓｉｎ（ｋjＬＰ）
Ｚｐｂ＝ｊＺｐ・ｔａｎ（ｋjＬｐ／２）
Ｚｐ＝ρｐ・Ｓ・ｖｐ：圧電体薄膜の音響インピーダンス
ｖｐ＝（ｃｐ３３’／ρｐ）1/2：圧電体薄膜の変位速度（音速）（ｍ／ｓ）
ｃｐ３３’＝ｃｐ３３＋ｅｐ３３2／εｐ３３
ρｐ：圧電体薄膜の密度（ｋｇ／ｍ3）
ｃｐ３３：圧電体薄膜の弾性ステイフネス（Ｎ／ｍ2）
ｅｐ３３：圧電体薄膜の圧電係数（Ｃ／ｍ2）
εｐ３３：圧電体薄膜の誘電率（Ｆ／ｍ）
Ｓ：電極面積（ｍ2）
Ｌｐ：圧電体薄膜厚（ｍ）
Ｃｄ＝εｐ３３・Ｓ／Ｌｐ：圧電体薄膜の電極間容量（Ｆ〉
変圧比Φ＝ｅｐ３３・Ｓ／Ｌｐ
Ｚｅ＝ρｅ・Ｓ・ｖｅ：上部電極の音響インピーダンス
ｖｅ＝（Ｃｅ３３Ｅ／ρｅ）1/2：上部電極の音速（ｍ／ｓ）
ρｅ：上部電極の密度（ｋｇ／ｍ3）
ｖｅ：上部電極の音速（ｍ／ｓ）
Ｃｅ３３Ｅ：上部電極の弾性ステイフネス（ヤング率）（Ｎ／ｍ2）
Ｌｅ：上部電極厚（ｍ）
Ｚｇａ＝−ｊ・Ｚｇ／ｓｉｎ（ｋjＬｇ）
Ｚｇｂ＝ｊＺｇ・ｔａｎ（ｋjＬｇ／２）
Ｚｇ＝ρｇ・Ｓ・ｖｇ：グランド電極の音響インピーダンス
ｖｇ＝（Ｃｇ３３Ｅ／ρｇ〉1/2：グランド電極の音速（ｍ／ｓ〉
ρｇ：グランド電極の密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｃｇ３３Ｅ：グランド電極の弾性ステイフネス（ヤング率）（Ｎ／ｍ2）
Ｌｇ：グランド電極厚（ｍ）
Ｚ１ａ＝−ｊ・Ｚ１／ｓｉｎ（ｋjＬ１〉
Ｚ１ｂ＝ｊＺ１・ｔａｎ（ｋjＬ１／２）
Ｚ１：第１音響膜の音響インピーダンス
Ｌ１：第１音響膜厚（ｍ）
Ｚ１＝ρ１・Ｓ・ｖ１：第１音響膜の音響インピーダンス
ｖ１＝（Ｃ１３３／ρ１）1/2：第１音響膜の音速（ｍ／ｓ）
Ｃ１３３：第１音響膜の弾性ステイフネス（ヤング率）（Ｎ／ｍ2）
ρ１：第１音響膜の密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｖ１：第１音響膜の音速（ｍ／ｓ）
Ｚｎａ＝−ｊ・Ｚｎ／ｓｉｎ（ｋjＬｎ）
Ｚｎｂ＝ｊＺｎ・ｔａｎ（ｋjＬｎ／２）
Ｌｎ：第ｎ音響膜厚（皿）
Ｚｎ：第ｎ音響膜の音響インピーダンス
Ｚ１＝ρｎ・Ｓ・ｖｎ：第ｎ音響膜の音響インピーダンス
ｖｎ＝（Ｃｎ３３／ρｎ）1/2：第ｎ音響膜の音速（ｍ／ｓ）
ρｎ：第ｎ音響膜の密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｃｎ３３：第ｎ音響膜の弾性ステイフネス（ヤング率）〈Ｎ／ｍ2）
Ｖｎ：第ｎ音響膜の音速（ｍ／ｓ）
Ｚｓｕｂ＝ρｓｕｂ・Ｓ・ｖｓｕｂ＝ρＳｕｂ・Ｓ・（Ｃｓｕｂ３３Ｅ／ρｓｕｂ〉1/2：基板の音響インピーダンス
ρＳｕｂ：基板の密度（ｋｇ／ｍ3）
ｖｓｕｂ：基板の音速（ｍ／ｓ）
Ｃｓｕｂ３３Ｅ：基板の弾性ステイフネス（ヤング率）（Ｎ／ｍ2）
Ｖ：圧電体薄膜の端子電圧
Ｉ：圧電体薄膜の端子電流
下側電極と積層膜と同様に、上側電極と積層膜のパラメータも定義できる。
【０１４９】
ここで、波数ベクトルｋjは複素数であり、
ｋj＝ｋ＋ｊα
＝２πｆ／ｖ＋ｊπｆ／（ｖＱ）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｖ：変位速度（音速）（Ｖ／ｍ）
Ｑ：Ｑ値
また、音響多層膜２５は、低音響インピーダンス材としてアルミニウム、高音響インピーダンス材として、銅を使用しており、ともに金属を使用している。
【０１５０】
これにより、圧電体薄膜の両端の電極を音響多層膜で構成できる。
【０１５１】
このモデルにより圧電薄膜のインピーダンスＺｐ（＝Ｖ／Ｉ）を求めと、ハイインピーダンスシートヘの入射波の反射係数は、図２２のモデルから計算できる。
【０１５２】
ここで、ηは自由空間の波動インピーダンスで、上述の式７と同様であり、３７７Ωとなる。
【０１５３】
簡単のため、ＣとＬを無視すると、ハイインピーダンスシートの表面インピーダンスＺｓは、
Ｚｓ＝２Ｚｐ
となり、また、ハイインピーダンスシートの電圧反射係数Γｖは、上述の式５で表せる。
【０１５４】
Γｖは複素数のため、上述の式６のように表せる。
【０１５５】
θは、入射波と反射波の位相差を表している。
【０１５６】
図２３に、アルミ、銅多層膜構成で、入射波・反射波位相差を計算した例を示す。
【０１５７】
２．５ＧＨｚ付近に反射波と入射波の位相差が−９０度から＋９０度の間にある周波数帯が出てきている。この周波数範囲では、位相差が小さいため、ハイインピーダンスシートの近傍のアンテナの特性を劣化させない。
【０１５８】
図１９の構造では、アルミニウム基板上に、銅（０．３４μｍ厚）−アルミニウム（０．４５μｍ厚）−銅−アルミニウムの４層構造の金属多層膜を置き、最後のアルミニウム層は圧電体薄膜の電極と兼用としている。圧電薄膜はＺｎ０で１．４μｍとし、その上にアルミニウム（０．４５μｍ）−銅（０．３４μｍ）−アルミニウム−銅の４層構造の金属多層膜を置いている。
圧電体薄膜はアルミニウム層で挟んでいる。
また、最上部の銅層の上に、酸化防止用に極薄いアルミニウム層（０．０５μｍ厚程度）があっても良い。
【０１５９】
圧電体薄膜と電極のサイズは７０μｍＸ７０μｍとしている。
【０１６０】
圧電体薄膜と電極面積を大きくすると、電極間容量Ｃｏが増えて、入射波反射波の位相差が−９０度から＋９０度に入る周波数幅がせまくなる。
【０１６１】
すなわち、電極間容量は圧電体の厚みが一定なら、圧電体の形よりもむしろ電極の面積で決まる。そのため、圧電体薄膜の上側電極を島状にする場合、説明では、正方形の形状で説明してきたが、長方形、三角形あるいは４角形以上の多角形であっても良い。１００μｍ×１００μｍ＝１００００μｍ2以下であれば、電極間容量が小さいため、広い帯域幅が、期待できる。
【０１６２】
音響多層膜を金属材料で構成すると、音響多層膜とグランド金属や圧電体薄膜の電極金属との間で熱膨張率の差が小さいので、スバッタなどで薄膜を作成する際に剥離する可能性はほとんどなくなる。
【０１６３】
さらに、音響多層膜も離散的に配置しているので、剥離の可能性はない。
【０１６４】
また、圧電体薄膜の上側の音響多層膜は、圧電体薄膜の上に物が接触しない場合には、多層膜である必要はなく、単一材料の電極でよい。
【０１６５】
電極材料としては、軽いアルミニウムが好ましい。
【０１６６】
このような構造と材料構成により、薄くて柔らかいハイインピーダンスシートが得られる。
【０１６７】
以上述べたように、アンテナ近傍に金属があっても、このようなハイインピーダンスシートをアンテナと金属との間に挿入することにより、アンテナ特性の劣化を防止できる。
【０１６８】
本発明の他の実施形態を、図２４に示す。
【０１６９】
アルミニウムからなるグランド金属２６の上に、金属からなる音響多層膜２５−１、圧電体薄膜２３があり、これらはすべて離散的ではなく、連続膜である。
【０１７０】
これらの連続膜の上に、金属からなる音響多層膜２５が離散的に配置されている。圧電薄膜２３の両側の電極は、金属音響多層膜２５，２５−１で兼ねている。
【０１７１】
圧電薄膜２３に直接接する金属多層膜層はアルミニウムであり、圧電薄膜２３はＺｎ０である。
【０１７２】
音響多層膜２５及び２５−１は、アルミニウムと銅とが交互に積層された金属多層膜である。音響多層膜のそれぞれの層の厚みはそれぞれの金属の弾性渡波長の１／４、具体的には０．４５μｍのアルミニウムと０．３４μｍの銅である。ＺｎＯの厚みは弾性波の１／２波長程度で１．４μｍ程度である。
【０１７３】
この構成では、圧電膜中の電界が空間に出やすいため、同相反射波が空間に出やすく、効果が改善される。
【０１７４】
本発明の実施形態の変形例を図２５に示す。前の実施例の図１９と同様な構成であるが、圧電体薄膜２３の上部に音響多層膜のかわりに、低音響インピーダンス材料１６をおいている。
【０１７５】
音響インピーダンスは、密度とヤング率の積のルートであり、低密度で大きく弾性変形するスポンジのような材料が、低音響インピーダンス材料１６としてふさわしい。
【０１７６】
次に、ハイインピーダンスシート上にアンテナを実装した例を、図面を用いて詳細に説明する。
【０１７７】
図１７はグランド４２を構成する金属膜上にハイインピーダンスシート４４を敷き、その上に薄い樹脂膜４５からなる樹脂基板を配し、樹脂基板上に、給電線４１から高周波電力が供給されるアンテナ４０を載置したものである。
【０１７８】
アンテナ４０としては、誘電体アンテナや、樹脂で一体成型した板金アンテナ等を用いることができる。
【０１７９】
薄い樹脂基板４５にはアンテナ４０を実装するためのランドパターン４３が設けられ、ランドパターンとアンテナ４０とは半田付けで接続されている。
【０１８０】
ハイインピーダンスシート４４とグランド４２との間は、半田付け、接着剤もしくは粘着テープで固定され、ハイインピーダンスシート４４と薄い樹脂膜４５からなる樹脂基板との間は接着剤か粘着テープで固定されている。
【０１８１】
図１８は、薄い樹脂膜４５からなる樹脂基板または樹脂シート上に導体パターンを形成することでアンテナ４０を形成したものである。この場合、アンテナ４０へ高周波電力を供給する給電線４１も導体パターンで薄い樹脂膜４５上に形成することが好ましい。薄い樹脂膜上に導体パターンを形成する方法は、通常の印刷等の方法を用いることで形成することができる。
【０１８２】
図１７、図１８のような構成により、グランドなどの金属上にアンテナを低姿勢で実装でき、アンテナを含む装置の薄形化を実現できる。
【０１８３】
近年、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれる、微小な無線チップにより人やモノを識別・管理することが研究され、実用化されている。ＲＦＩＤは、半導体集積回路装置（ＩＣチップ）上にコイル状のアンテナが形成されている、あるいは、外部に形成されたコイル状のアンテナと一体化したもので、通常は、値札タグ等に加工される。さらに、携帯電話等に実装する、いわゆるお財布携帯と呼ばれる使用方法が提案され、実用化されている。
【０１８４】
携帯電話にＲＦＩＤを実装する場合も、ＲＦＩＤチップの裏面に金属あるいは金属からなるグランド面がある場合、ＲＦＩＤのアンテナ特性が劣化する場合があった。
【０１８５】
図２６は、本発明のハイインピーダンスシート３３の上に絶縁層２０を介して、アンテナ４０、半導体集積回路チップ４６を置いたＲＦＩＤ１９である。粘着テープ１８がハイインピーダンスシート３３の下に設けてあるのでこのＲＦＩＤ１９は金属上に直接貼ることができる。
【０１８６】
アンテナ４０は板金かまたは、絶縁層２０の上に貼った銅箔である。
【０１８７】
ハイインピーダンスシート３３の厚みは０．１ｍｍ以下、絶縁層２０の厚みは０．５ｍｍ程度である。粘着テープ層の厚みは０．１ｍｍ程度である。
【０１８８】
このような構成にすることにより、薄いＲＦＩＤが金属上に貼られても、良好なアンテナ特性を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８９】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図。
【図２】本発明の単位構造を示す図。
【図３】本発明の等価回路を示す図。
【図４】図３の等価回路の周波数特性を示す図。
【図５】本発明のハイインピーダンスシートとアンテナから電波の反射状態を示す図。
【図６】アンテナの反射状態の等価回路を示す図。
【図７】本発明のハイインピーダンスシートの入射波と反射波との位相差を示す図。
【図８】本発明の第１の実施形態の変形例を示す図。
【図９】本発明の第１の実施例に覆いを設けた図。
【図１０】本発明の第１の実施例の変形例を示す図。
【図１１】本発明の第１の実施例の変形例を示す図。
【図１２】従来技術を示す図。
【図１３】従来技術のハイインピーダンス基板を示す図。
【図１４】従来技術のハイインピーダンス基板の金属部の外観を示す図。
【図１５】従来技術のハイインピーダンス基板の効果の説明図。
【図１６】従来技術のハイインピーダンス基板の等価回路を示す図。
【図１７】本発明のハイインピーダンスシートにアンテナを実装した例を示す図。
【図１８】本発明のハイインピーダンスシートにアンテナを実装した例を示す図。
【図１９】本発明の他の実施形態を示す図。
【図２０】他の実施形態の動作を説明する図。
【図２１】本発明の他の実施形態の等価回路を示す図。
【図２２】他の実施形態の入射波と反射波との位相差を計算する等価回路を示す図。
【図２３】他の実施形態の入射波と反射波との位相差を示す図。
【図２４】本発明のハイインピーダンスシートを示す図。
【図２５】本発明のハイインピーダンスシートを示す図。
【図２６】ハイインピーダンスシートにアンテナを実装した例を示す図。
【符号の説明】
【０１９０】
１  アンテナ
２  絶縁基板
３  放射電界ベクトル
４  反射電界ベクトル
５  板状金属
６  グランド金属
７  金属支柱
８、９  端子
１０  金属板
１１  キャパシタンス
１２  電流
１３  インダクタンス
１４  ハイインピーダンス基板
１６  低音響インピーダンス材料
１９  ＲＦＩＤ
２０  絶縁層
２１  電極
２２  グランド金属
２３  圧電体薄膜
２４  スポンジ状の樹脂カバー
２５  音響多層膜
２６  基板
２８  樹脂カバー
２８ａ  穴
３１、３２  電極端子
３３  ハイインピーダンスシート
３４  グランド電極
４０  アンテナ
４１  給電線
４２  グランド
４３  実装用ランドパターン
４４  ハイインピーダンスシート
４５  薄い樹脂膜よりなる樹脂基板
４６  半導体集積回路チップ
４７  単位構造体
４８  アルミ電極
４８ａ、ｂ  電極
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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