JP3843428B2 - チップ状アンテナ素子及びその製造方法、並びにアンテナ実装プリント配線基板 - Google Patents
チップ状アンテナ素子及びその製造方法、並びにアンテナ実装プリント配線基板 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂基板上にアンテナ導体を形成したチップ状アンテナ素子及びその製造方法に関するものであり、さらには、プリント配線基板の一部に直接アンテナ導体を形成したアンテナ実装プリント配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば携帯電話等の移動体通信機や、いわゆるＩＥＥＥ（Institute of Electronic and Electronics Engineers）８０２．１１規格の無線ＬＡＮ（Local Area Network）等、各種無線技術の開発が進められている。そして、これに伴い、無線通信を行うためのアンテナ素子に関する技術も開発されている。
【０００３】
アンテナ素子は、無線通信を行うために必然的に設けられる部材であり、例えば円柱状の誘電体に放射電極や表面電極等を形成したものが知られている。この種のアンテナ素子は、通信機本体の外部に設置されて用いられるのが一般的である。ただし、外部に配設して用いるタイプのアンテナ素子では、小型化の妨げとなること、高い機械的強度が要求されること、部品点数の増加を招くこと等が問題になる。
【０００４】
そこで、これに替わるアンテナ素子として、機器本体内に設けられたプリント配線基板に表面実装し得るチップ状アンテナ素子が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２２１５３７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平３−１９２８０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チップ状アンテナ素子には種々のタイプのものがあるが、基材にセラミック等の高誘電率材料を用いたものが代表的である。例えば、前述の特許文献１には、誘電体基板の表面と平行して貫通孔を設け、この貫通孔内に放射電極を形成するとともに、誘電体基板の側面に給電電極を形成した表面実装型アンテナが開示されている。
【０００８】
しかしながら、セラミック等の高誘電体材料を用いたチップアンテナでは、高誘電体材料自体が高価であることに加えて、その加工が煩雑であるという欠点があり、生産性の低下や製造コストの増大を招く。
【０００９】
このような不都合を解消することを目的として、両面に銅箔を有するプリント配線基板を基材として用い、これにフォトエッチング技術を利用してアンテナ導体を形成したプリントアンテナも提案されている。このプリントアンテナでは、基材に安価なプリント配線基板を用いており、加工も容易であることから、製造コストを大幅に削減することが可能である。
【００１０】
ただし、プリントアンテナにおいては、プリント配線基板の基材、例えばガラスエポキシ樹脂基材の誘電率が小さいことから、利得を確保するためにアンテナ導体の長さを長くせざるを得ず、小型化の妨げになっている。したがって、その改良が望まれている。
【００１１】
基材の誘電率を高くするための技術としては、例えば特許文献２記載の技術がある。特許文献２記載の技術では、誘電率の異なる２種類の誘電体を用い、高誘電率を有する誘電体をアンテナ導体の下部に配している。
【００１２】
しかしながら、特許文献２に記載される複合化技術をそのままプリント配線基板に応用することは難しく、特許文献２の各図面に記載されるような形状で高誘電体材料を挿入することはプリントアンテナにおいては現実的ではない。
【００１３】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消するために提案されたものであり、いわゆるプリントアンテナにおいて、十分な利得を確保しながら小型化することが可能なチップ状アンテナ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、一歩進めて、アンテナ素子をプリント配線基板に実装する必要のない全く新規なアンテナ実装プリント配線基板を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明のチップ状アンテナ素子は、樹脂基板にアンテナ導体が形成されてなり、前記樹脂基板にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれており、前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１５】
上記各構成を有するチップ状アンテナ素子においては、高誘電樹脂により高誘電率が確保されているので、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。高誘電樹脂は、プリント配線基板に設けられたベアホールを埋める形で形成されているため、簡単にプリント配線基板に複合化され、また、高誘電樹脂がプリント配線基板周辺の空間を占有することもないので、小型化の妨げになることもない。さらに、本発明のチップ状アンテナ素子において、アンテナ導体は、樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものである。したがって、本発明のチップ状アンテナ素子においては、アンテナ導体の開放端に比較的大きなキャパシタンスを生じさせることができるため、当該アンテナ導体における共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができることから、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることが可能となる。そして、本発明のチップ状アンテナ素子においては、アンテナ導体の導体パターンを３次元的な構造とすることにより、誘電率が低い基板を用いて構成した場合であっても大型化することがなく、帯域幅も広帯域化することができる。また、本発明のチップ状アンテナ素子は、アンテナ導体の開放端にキャパシタンスが生じることに起因してインピーダンスが低下する問題も解消することができる。
【００１６】
一方、本発明のアンテナ実装プリント配線基板は、配線パターンが形成されたプリント配線基板の一部領域にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれてなり、前記高誘電樹脂が埋め込まれた領域にアンテナ導体が形成されており、前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１７】
上記各構成を有するアンテナ実装プリント配線基板においては、先のチップ状アンテナ素子と同様、高誘電樹脂が容易に複合化され、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。また、本発明のアンテナ実装プリント配線基板では、プリント配線基板上にアンテナ導体が作り込まれており、プリント配線基板へのアンテナ素子の実装が不要である。
【００１８】
さらに、本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法は、樹脂基板の両面に貼られた銅箔をパターニングしてアンテナ導体を形成するアンテナ導体形成工程と、前記アンテナ導体を形成にて形成された前記アンテナ導体を避けるように前記樹脂基板にベアホールを孔空け形成するベアホール形成工程と、前記ベアホール形成工程にて形成された前記ベアホールに高誘電樹脂を埋め込む工程とを備えることを特徴とするものである。
【００１９】
上記各工程からなるチップ状アンテナ素子の製造方法においては、アンテナ導体を形成した後に、アンテナ導体を避けるように樹脂基板にベアホールを孔空け形成して高誘電樹脂を埋め込む。したがって、本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法よって製造された チップ状アンテナ素子においては、高誘電樹脂により高誘電率が確保されているので、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。高誘電樹脂は、プリント配線基板に設けられたベアホールを埋める形で形成されているため、簡単にプリント配線基板に複合化され、また、高誘電樹脂がプリント配線基板周辺の空間を占有することもないので、小型化の妨げになることもない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板について、図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
本実施形態は、樹脂基板を基材として、その表面にアンテナ導体を形成したプリントアンテナの一例であり、樹脂基板に形成したベアホールに高誘電樹脂を埋め込んだ例である。
【００２２】
図１は、本実施形態のチップ状アンテナ素子を示すものである。このチップ状アンテナ素子１は、ベース基材となる樹脂基板２上にアンテナ導体３をパターニング形成してなるものであり、いわゆるプリントアンテナと称されるチップ状アンテナ素子である。
【００２３】
上記樹脂基板２には、プリント配線基板の基材として一般に用いられるものであれば、いずれも使用可能である。具体的には、紙フェノール基板（ＸＸＰ、ＸＰＣ等）、紙ポリエステル基板（ＦＲ−２）、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）、ガラス紙コンポジットエポキシ基板（ＣＥＭ−１）、ガラス不織紙コンポジットエポキシ基板（ＣＨＥ−３）、ガラス布エポキシ基板（Ｇ−１０）、ガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）等を挙げることができる。なお、括弧内の記号は、米国電気製造業者協会（ＮＥＭＡ）記号である。これらの中で、吸湿性や寸法変化が少なく、自己消炎性を持つガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）が最も好適である。
【００２４】
上記アンテナ導体３は、上記樹脂基板２上に積層された銅箔をフォトリソ技術によってパターニング（エッチング）することにより形成することができ、他の電極パターン等と同時に形成することができる。アンテナ導体３の種類としては、任意の形状のものを採用することができ、例えば導体を逆Ｆ字状に形成したいわゆる逆Ｆ型アンテナや、導体をコイル状に形成したいわゆるヘリカルアンテナ、ミアンダ状アンテナ等を挙げることができる。ここでは、蛇行状ラインとした蛇行状（櫛歯状）のアンテナパターンとしている。
【００２５】
上述のように、両面に銅箔を有するプリント配線基板を用いてチップ状アンテナ素子１を形成することによって、チップ状アンテナ素子の小型化、薄型化が容易になり、また製造コストの削減にも繋がる。ただし、基材である樹脂基板２の誘電率が低いことから、そのままではアンテナ導体３の長さを長くせざるを得ず、小型化の妨げになる。例えば、上記紙フェノール基板（ＸＸＰ）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．３、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．１、ガラス布エポキシ基板（Ｇ−１０）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．８，ガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．５〜４．８程度であり、チップ状アンテナ素子の誘電率としては不十分である。
【００２６】
そこで、本実施形態では、樹脂基板２にベアホール４を形成し、これを高誘電樹脂５で埋め込むことにより、上記誘電率の不足を補っている。ここで、ベアホール４は、通常のプリント配線基板において層間接続等のために形成されるものと同程度の寸法で形成すればよく、したがって、他のベアホールやスルーホールを形成する工程において、これらベアホールやスルーホールと同時に形成することができる。ただし、このベアホール４に対しては、いわゆるスルーホールメッキは行わない。また、ベアホール４はここでは貫通孔としたが、必ずしもこれに限らず、樹脂基板２を貫通していなくてもよい。
【００２７】
上記ベアホール４は、上記アンテナ導体３を避ける形で、アンテナ導体３が形成されていない部分にのみ形成されている。これは製造上の都合等によるものであり、場合によってはアンテナ導体３の下にもベアホール４を形成し、ここに高誘電樹脂５を埋め込んでもよい。
【００２８】
上記ベアホール４に埋め込まれる高誘電樹脂５は、少なくとも樹脂基板２の誘電率よりも高い誘電率を有することが好ましく、誘電率２０〜４０程度の高誘電樹脂材料を使用することが好ましい。かかる高誘電樹脂材料としては、イミド系樹脂等を挙げることができ、さらには、セラミック等の高誘電率材料の微粒子を分散した樹脂材料等も高誘電樹脂材料として使用可能である。
【００２９】
上記ベアホール４の形成密度は任意であり、十分な誘電率が確保できる程度に設定すればよいが、あまり多数のベアホール４を形成すると、チップ状アンテナ素子全体の強度が低下することから、自ずと限度がある。最適範囲は、埋め込む高誘電樹脂５の誘電率にもよるが、例えば３０〜１００個／ｃｍ２程度に設定することが好ましい。なお、樹脂基板２自体を高誘電樹脂材料で形成することも考えられるが、この場合には反り強度や硬度が低下する虞れがある。
【００３０】
以上が本実施形態のチップ状アンテナ素子１の構成であるが、本実施形態のチップ状アンテナ素子１では、アンテナ導体３近傍に高誘電樹脂５を埋め込んでいるので、波長短縮効果を得ることができ、それによりアンテナ素子を小型化することができる。また、高誘電樹脂５は、樹脂基板２に埋め込まれており、樹脂基板２表面周辺の空間を占有することがないので、この点からもアンテナ素子の小型化に有利である。
【００３１】
次に、上記チップ状アンテナ素子１の作製方法について説明する。上記チップ状アンテナ素子１を作製するには、先ず、図２（ａ）に示すように樹脂基板１１の両面に銅箔１２を貼った両面銅張り基板を用意し、図２（ｂ）に示すように銅箔１２をパターニングして櫛歯状のアンテナ導体１３を形成する。銅箔１２のパターニングは、他の電極パターン等とともに、通常のフォトリソ技術によって行えばよい。すなわち、銅箔１２上にフォトレジスト層を形成し、これを露光、現像してパターニングすることによりレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして銅箔１２をエッチングする。エッチングは、例えばウエットエッチングにより行う。
【００３２】
上記のようにアンテナ導体１３をパターニング形成した後、図２（ｃ）に示すように、ベアホール１４を孔空け形成する。ベアホール１４は、例えば孔空けドリルを用いた機械加工等により容易に形成することができる。
【００３３】
次いで、図２（ｄ）に示すように、上記ベアホール１４を高誘電樹脂１５で埋め込み、さらに樹脂基板１１をチップサイズに切断してチップ状アンテナ素子を完成する。前記高誘電樹脂１５の埋め込みは、塗布や印刷等によって行えばよい。
【００３４】
なお、上記のプロセスでは、予めアンテナ導体１３を形成した後、ベアホール１４の形成や高誘電樹脂１５の埋め込みを行うようにしているが、逆に、樹脂基板１１に予めベアホール１４を形成し、高誘電樹脂１５で埋め込んだ後、銅箔１２を貼り付け、アンテナ導体１３等のパターニングを行うようにしてもよい。この場合には、アンテナ導体１３の下にも高誘電樹脂１５が埋め込まれたベアホール１４が存在する。
【００３５】
本発明者らは、樹脂埋め込みの効果を確認するために、高誘電樹脂を孔埋めしたチップ状アンテナ素子の周波数特性を評価した。評価は、電磁界解析ソフトにて高誘電樹脂の影響について行った。
【００３６】
実験では、図１に示すようなミアンダラインを有するチップ状アンテナ素子の樹脂基板（比誘電率４．４９）に孔を空け、その孔に比誘電率６０の高誘電樹脂を満たして解析を行った。高誘電樹脂の量は、下記式に基づきチップ状アンテナ素子本体に対する体積比で表す。
高誘電樹脂の割合＝（高誘電樹脂の体積）÷（チップ状アンテナ素子の体積）
【００３７】
計算モデルとして、高誘電樹脂が満たされた孔を１列有するもの（１ライン）、２列有するもの（２ライン）、３列有するもの（３ライン）と、孔を持たないもの（０ライン）とを設計し、計算結果を比較した。計算モデルは、裏面ＧＮＤの評価基板（サイズ：５０×１７×０．８ｍｍ）上にチップ状アンテナ素子（サイズ：８×３×０．６５ｍｍ）を実装したものである。表１に、各サンプルの帯域幅ＢＷ、帯域中心周波数ｆcenter、共振周波数ｆ０、電圧定在波比ＶＳＷＲ、及び高誘電樹脂の割合（％）を示す。
【００３８】
【表１】
図３は、高誘電樹脂の割合別に定在波比ＳＷＲを周波数に対してプロットしたものである。高誘電樹脂の割合が高くなるにつれピークが全体的に低周波側へとシフトしていることがわかる。図４は、共振周波数ｆ０及び帯域中心周波数ｆcenterを高誘電樹脂の割合に対してプロットしたものであり、図５は、帯域幅ＢＷと高誘電樹脂の割合の関係を示すものである。
【００３９】
本計算モデルにおいて、比誘電率６０の高誘電樹脂を孔埋めした場合、高誘電樹脂による共振周波数シフトの効果を線形近似すると、アンテナの共振周波数は高誘電樹脂量１％増加につき約１０ＭＨｚの低周波シフトとなる。
【００４０】
（第２の実施形態）
本実施形態は、高誘電樹脂を樹脂基板に埋め込む代わりに、アンテナ導体の表面を覆うように高誘電樹脂層を形成したものである。
【００４１】
図６に本実施形態のチップ状アンテナ素子２１を示す。樹脂基板２２上に蛇行状のアンテナ導体２３が形成されていることは、先の第１の実施形態のものと同様であり、それぞれの構成も先の第１の実施形態のものと同様である。
【００４２】
本実施形態のチップ状アンテナ素子２１では、樹脂基板２２にはベアホールは形成されておらず、高誘電樹脂も埋め込まれていない。その代わりに、アンテナ導体２３を覆って高誘電樹脂層２４が形成されている。
【００４３】
上記高誘電樹脂層２４は、先の第１の実施形態においてベアホールに埋め込まれる高誘電樹脂と同様のものを用いて形成することができ、これを塗布、あるいは印刷することにより簡単に形成することができる。
【００４４】
上記高誘電樹脂層２４は、アンテナ導体２３の全てを覆って形成することが好ましいが、必ずしもこれに限らず、アンテナ導体２３の一部を覆うように形成することも可能である。ただし、アンテナ導体２３を覆う面積が多いほど効果が高く、実効的な効果を実現するためには、アンテナ導体２３の５０％以上を覆うように形成することが好ましい。高誘電樹脂層２４の厚さは、任意に設定することができるが、１０〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。下限である１０μｍを下回ると、十分な効果が得られない虞れがある。逆に上限である１０００μｍを越えて厚くなると、高誘電樹脂層２４が樹脂基板２２表面周辺の空間を占有することになり、小型化の妨げになる。
【００４５】
実際、本発明者らは、次のような実験を行って高誘電樹脂層２４の厚さに関する検討を行った。実験に用いたサンプルを図７（ａ）に示す。樹脂基板２２としては厚さ０．６ｍｍのＦＲ−４（ＭＣＬ−ＢＥ−６７Ｇ（Ｈ））基板を用いた。高誘電樹脂層２４の形成に用いたポッティング材は、イミド系樹脂（誘電率ε＝約９０）である。アンテナ導体２３のパターンの各寸法は図７（ｂ）に示す通りである。ここで、表２に示す通り、パターン幅Ｗの異なる複数のサンプルを作製した。
【００４６】
【表２】
各サンプルについて、高誘電樹脂層２４の厚さｄを０ｍｍ、０．２ｍｍ、０．６ｍｍ、１．０ｍｍと変え、それぞれについてピーク周波数（ＭＨｚ）及びセンター周波数（ＭＨｚ）を測定した。結果を表３及び図８（ａ），（ｂ）に示す。また、高誘電樹脂層２４の厚さｄがゼロ（ｄ＝０）における測定値を基準とした時の、高誘電樹脂層２４の厚さｄによる周波数変化を表４及び図９に示す。
【００４７】
【表３】
【表４】
これらの結果より、高誘電樹脂層２４が無い場合のサンプルＡ１−１（パターンサイズ８×１．９２５ｍｍ）と同等の周波数特性をサンプルＡ１−５（パターンサイズ８×１．１２５ｍｍ）のサイズで実現しようとする場合、誘電率ε＝約９０の高誘電樹脂層２４の厚さは１．０ｍｍ以上が必要であることがわかる。また、高誘電樹脂層２４の厚さによる周波数シフト量は、下記近似式で表され、各厚さでの周波数シフト量は表５に示す通りとなる。
【００４８】
Ｙ＝ａ１×Ｘ＋ａ２×Ｘ２
ａ１＝−３６７．８５２
ａ２＝８０．６２３４３
｜ｒ｜＝０．９５９０６８７
【００４９】
【表５】
以上の構成を有するチップ状アンテナ素子２１は、先の図２（ｂ）に示す工程までは第１の実施形態と同様に行い、形成されたアンテナ導体を覆って高誘電樹脂層２４を塗布、あるいは印刷形成することにより作製することができる。あるいは、樹脂基板上に予め高誘電樹脂層を形成した後、この上に銅箔を貼り合わせ、これをパターニングしてアンテナ導体を形成するようにしてもよい。この場合には、アンテナ導体２３は高誘電樹脂層２４の表面に形成されることになるが、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
本実施形態のチップ状アンテナ素子２１は、アンテナ導体２３を覆って高誘電樹脂層２４を形成しているので、波長短縮効果を得ることができ、それによりアンテナ素子を小型化することができる。また、高誘電樹脂層２４は、樹脂基板２２の表面に薄い層として形成されているので、樹脂基板２２表面周辺の空間をほとんど占有することがなく、この点からもアンテナ素子の小型化に有利である。
【００５１】
（第３の実施形態）
本実施形態は、プリント配線基板の一部領域を高誘電率化し、ここにアンテナ素子を一体的に形成したものである。
【００５２】
図１０に示すように、本実施形態のアンテナ実装プリント配線基板３１は、通常のプリント配線基板３２の一部領域にアンテナ導体３３を形成し、アンテナ素子を一体化したものである。アンテナ導体３３が形成される領域には、図１０（ｂ）に拡大して示すように、先の第１の実施形態と同様、アンテナ導体３３の周囲にベアホール３４が形成されている。そして、これらベアホール３４には高誘電樹脂３５が埋め込まれている。プリント配線基板３２の他の領域には、所定の配線パターン３６が形成されており、各種部品が実装される。
【００５３】
通常のプリント配線基板では、回路設計上の都合等により、あまり高誘電率を有する基板を用いることはできない。本実施形態では、ベアホール３４に高誘電樹脂３５を埋め込むことによりプリント配線基板３２を部分的に高誘電率化して、他の回路設計に影響を与えることなくアンテナ素子の一体形成を実現している。
【００５４】
以上の構成を有するアンテナ実装プリント配線基板では、他の回路と同じ基板上に小型アンテナを作り込むことができ、チップアンテナとして別途形成し、これを実装するといった作業が不要である。また、チップアンテナを実装するための専用のランドも不要である。
【００５５】
なお、プリント配線基板を部分的に高誘電率化する手法としては、前述のようにベアホールに高誘電樹脂を埋め込み形成する方法の他、図１１に示すように、先の第２の実施形態と同様、アンテナ導体３３を覆って高誘電樹脂層３７を形成する方法により行うようにしてもよい。
【００５６】
（第４の実施形態）
【００５７】
本実施形態は、プリントアンテナの他の例を示すものである。本実施形態のプリントアンテナは、先の第１の実施形態〜第３の実施形態のアンテナ導体として適用可能である。
【００５８】
プリントアンテナ４０は、図１２に示すように、断面の大きさが例えば３ｍｍ×８．８ｍｍの矩形状を呈する薄板状の基板をエッチングすることにより、放射電極としての複数の導体４１，４２，４３，４４，４５が基板の表面に露出形成されて構成される。具体的には、プリントアンテナ４０においては、基板上に、略コ字状の導体４１と矩形状の導体４２，４３，４４，４５とが形成される。また、プリントアンテナ４０は、放射電極としての複数の矩形状の導体４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２が基板の下面に露出形成されて構成される。このうち、導体５１は、給電用の導体であり、導体５２は、接地用の導体として用いられる。
【００５９】
さらに、プリントアンテナ４０においては、内部に銅箔が施されて底面まで貫通した複数のスルーホール４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２，４５１，４５２が穿設される。具体的には、スルーホール４１１，４２１，４２２，４４１，４４２が、互いに略等間隔に一列に穿設されるとともに、スルーホール４１２，４３１，４３２，４５１，４５２が互いに略等間隔に一列に穿設され、スルーホール４１１，４２１，４２２，４４１，４４２からなるスルーホール群と、スルーホール４１２，４３１，４３２，４５１，４５２からなるスルーホール群とが、互いに平行に配列される。
【００６０】
そして、スルーホール４１１は、基板の上面側に設けられた導体４１における一の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４７における一の端部を終点として穿設され、スルーホール４１２は、導体１１における他の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４８における一の端部を終点として穿設される。また、スルーホール４２１は、基板の上面側に設けられた導体４２における一の端部を始点とするとともに、導体４７における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４２２は、導体４２における他の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４９における一の端部を終点として穿設される。さらに、スルーホール４３１は、基板の上面側に設けられた導体４３における一の端部を始点とするとともに、導体４８における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４３２は、導体４３における他の端部から下面側に設けられた導体５０における一の端部を終点として穿設される。さらにまた、スルーホール４４１は、基板の上面側に設けられた導体４４における一の端部を始点とするとともに、導体４９における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４４２は、導体４４における他の端部から下面側に設けられた導体５１における一の端部を終点として穿設される。また、スルーホール４５１は、基板の上面側に設けられた導体４５における一の端部を始点とするとともに、導体５０における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４５２は、導体４５における他の端部から下面側に設けられた導体５２における一の端部を終点として穿設される。
【００６１】
換言すれば、導体４１，４７がスルーホール４１１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４１，４８がスルーホール４１２を介して電気的に導通可能に接続される。同様に、導体４２，４７がスルーホール４２１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４２，４９がスルーホール４２２を介して電気的に導通可能に接続される。さらには、導体４３，４８がスルーホール４３１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４３，５０がスルーホール４３２を介して電気的に導通可能に接続される。さらにまた、導体４４，４９がスルーホール４４１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４４，５１がスルーホール４４２を介して電気的に導通可能に接続される。また、導体４５，５０がスルーホール４５１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４５，５２がスルーホール４５２を介して電気的に導通可能に接続される。したがって、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４２，４３，４４，４５，４７，４８，４９，５０，５１，５２が互いに電気的に導通可能に接続され、一連の導体として構成される。
【００６２】
より具体的には、プリントアンテナ４０は、複数のスルーホール４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２，４５１，４５２を介してミアンダ状に接続した複数の導体４１，４２，４３，４４，４５，４７，４８，４９，５０，５１，５２を、導体１１を中心にして略コ字状に屈曲させたような一連の導体パターンを形成して構成される。
【００６３】
このように、プリントアンテナ４０は、誘電率が低い基板を用いた場合には、通常であれば、周辺に存在するグラウンドの影響を考慮して長い導体パターンを形成し、これにともない大型化してしまうところ、３次元的な構造を呈する導体パターンを形成することにより、周辺に存在するグラウンドの影響に耐え得る値までインピーダンスを大きくすることができることから大幅な小型化を図ることができ、帯域幅も広帯域化することができる。
【００６４】
このようなプリントアンテナ４０は、導体４１，４６が基板の厚さ分だけ空間的に離隔されて配置されることにより、開放端を形成する。具体的には、プリントアンテナ４０は、導体４６がプリント基板にはんだ等を介して直接的に溶着される一方で、この導体４６と高さ方向に離隔されて導体４１が設けられる。これにより、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４６の間に比較的大きなキャパシタンスが生じる。
【００６５】
ここで、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４６によって形成される開放端に最大電圧を生じ、この開放端が、例えば接地用の電極といったように、各種モジュールの一部としてプリント基板上に実装される他の金属体の近傍に設けられた場合には浮遊容量が発生する。
【００６６】
しかしながら、プリントアンテナ４０は、導体４１，４６を空間的に離隔して積極的に大きなキャパシタンスを形成することにより、たとえ導体４６と金属体との間の距離にバラツキが生じた場合であっても、共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができる。したがって、プリントアンテナ４０は、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることができる。
【００６７】
なお、プリントアンテナ４０は、導体４１，４６の間にキャパシタンスが生じることにより、これに起因してインピーダンスが低下するが、上述したように、３次元的な構造を呈する導体パターンを形成することにより、この問題を解消することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明のチップ状アンテナ素子及び本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法によって製造されたチップ状アンテナ素子によれば、いわゆるプリントアンテナにおいて、十分な利得を確保しながら小型化することが可能である。また、本発明のアンテナ実装プリント配線基板によれば、他の回路と同じ基板上にアンテナ素子を作り込むことができ、チップアンテナを実装する必要はない。さらに、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板において、アンテナ導体は、樹脂 基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであり、アンテナ導体の開放端に比較的大きなキャパシタンスを生じさせることができるため、当該アンテナ導体における共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができ、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることが可能となる。そして、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板においては、アンテナ導体の導体パターンを３次元的な構造とすることにより、誘電率が低い基板を用いて構成した場合であっても大型化することがなく、帯域幅も広帯域化することができる。また、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板は、アンテナ導体の開放端にキャパシタンスが生じることに起因してインピーダンスが低下する問題も解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用したチップ状アンテナ素子の一例を示すものであり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】 図１に示すチップ状アンテナ素子の製造プロセスを示す概略斜視図であり、（ａ）は両面銅貼り基板を示し、（ｂ）はアンテナ導体パターニング工程、（ｃ）はベアホール形成工程、（ｄ）は高誘電樹脂埋め込み工程を示す。
【図３】 高誘電樹脂の割合別に定在波比ＳＷＲを周波数に対してプロットした特性図である。
【図４】 共振周波数ｆ０及び帯域中心周波数ｆcenterを高誘電樹脂の割合に対してプロットした特性図である。
【図５】 帯域幅ＢＷと高誘電樹脂の割合の関係を示す特性図である。
【図６】 本発明を適用したチップ状アンテナ素子の他の例を示すものであり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図７】 実験に使用したサンプルの構成を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はアンテナ導体パターンの平面図である。
【図８】 高誘電樹脂層の厚さによる特性の相違を示すものであり、（ａ）は各厚さにおけるパターン幅とピーク周波数の関係を示す特性図、（ｂ）は各厚さにおけるパターン幅とセンター周波数の関係を示す特性図である。
【図９】 高誘電樹脂層の厚さによる周波数変化を示す特性図である。
【図１０】 本発明を適用したアンテナ実装プリント配線基板の一例を示す概略斜視図である。
【図１１】 本発明を適用したアンテナ実装プリント配線基板の他の例を示す概略斜視図である。
【図１２】 プリントアンテナの一例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２１ チップ状アンテナ素子
２，２２ 樹脂基板
３，２３，３３ アンテナ導体
４，３４ ベアホール
５，３５ 高誘電樹脂
２４，３７ 高誘電樹脂層
３２ プリント配線基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂基板上にアンテナ導体を形成したチップ状アンテナ素子及びその製造方法に関するものであり、さらには、プリント配線基板の一部に直接アンテナ導体を形成したアンテナ実装プリント配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば携帯電話等の移動体通信機や、いわゆるＩＥＥＥ（Institute of Electronic and Electronics Engineers）８０２．１１規格の無線ＬＡＮ（Local Area Network）等、各種無線技術の開発が進められている。そして、これに伴い、無線通信を行うためのアンテナ素子に関する技術も開発されている。
【０００３】
アンテナ素子は、無線通信を行うために必然的に設けられる部材であり、例えば円柱状の誘電体に放射電極や表面電極等を形成したものが知られている。この種のアンテナ素子は、通信機本体の外部に設置されて用いられるのが一般的である。ただし、外部に配設して用いるタイプのアンテナ素子では、小型化の妨げとなること、高い機械的強度が要求されること、部品点数の増加を招くこと等が問題になる。
【０００４】
そこで、これに替わるアンテナ素子として、機器本体内に設けられたプリント配線基板に表面実装し得るチップ状アンテナ素子が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２２１５３７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平３−１９２８０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チップ状アンテナ素子には種々のタイプのものがあるが、基材にセラミック等の高誘電率材料を用いたものが代表的である。例えば、前述の特許文献１には、誘電体基板の表面と平行して貫通孔を設け、この貫通孔内に放射電極を形成するとともに、誘電体基板の側面に給電電極を形成した表面実装型アンテナが開示されている。
【０００８】
しかしながら、セラミック等の高誘電体材料を用いたチップアンテナでは、高誘電体材料自体が高価であることに加えて、その加工が煩雑であるという欠点があり、生産性の低下や製造コストの増大を招く。
【０００９】
このような不都合を解消することを目的として、両面に銅箔を有するプリント配線基板を基材として用い、これにフォトエッチング技術を利用してアンテナ導体を形成したプリントアンテナも提案されている。このプリントアンテナでは、基材に安価なプリント配線基板を用いており、加工も容易であることから、製造コストを大幅に削減することが可能である。
【００１０】
ただし、プリントアンテナにおいては、プリント配線基板の基材、例えばガラスエポキシ樹脂基材の誘電率が小さいことから、利得を確保するためにアンテナ導体の長さを長くせざるを得ず、小型化の妨げになっている。したがって、その改良が望まれている。
【００１１】
基材の誘電率を高くするための技術としては、例えば特許文献２記載の技術がある。特許文献２記載の技術では、誘電率の異なる２種類の誘電体を用い、高誘電率を有する誘電体をアンテナ導体の下部に配している。
【００１２】
しかしながら、特許文献２に記載される複合化技術をそのままプリント配線基板に応用することは難しく、特許文献２の各図面に記載されるような形状で高誘電体材料を挿入することはプリントアンテナにおいては現実的ではない。
【００１３】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消するために提案されたものであり、いわゆるプリントアンテナにおいて、十分な利得を確保しながら小型化することが可能なチップ状アンテナ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、一歩進めて、アンテナ素子をプリント配線基板に実装する必要のない全く新規なアンテナ実装プリント配線基板を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明のチップ状アンテナ素子は、樹脂基板にアンテナ導体が形成されてなり、前記樹脂基板にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれており、前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１５】
上記各構成を有するチップ状アンテナ素子においては、高誘電樹脂により高誘電率が確保されているので、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。高誘電樹脂は、プリント配線基板に設けられたベアホールを埋める形で形成されているため、簡単にプリント配線基板に複合化され、また、高誘電樹脂がプリント配線基板周辺の空間を占有することもないので、小型化の妨げになることもない。さらに、本発明のチップ状アンテナ素子において、アンテナ導体は、樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものである。したがって、本発明のチップ状アンテナ素子においては、アンテナ導体の開放端に比較的大きなキャパシタンスを生じさせることができるため、当該アンテナ導体における共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができることから、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることが可能となる。そして、本発明のチップ状アンテナ素子においては、アンテナ導体の導体パターンを３次元的な構造とすることにより、誘電率が低い基板を用いて構成した場合であっても大型化することがなく、帯域幅も広帯域化することができる。また、本発明のチップ状アンテナ素子は、アンテナ導体の開放端にキャパシタンスが生じることに起因してインピーダンスが低下する問題も解消することができる。
【００１６】
一方、本発明のアンテナ実装プリント配線基板は、配線パターンが形成されたプリント配線基板の一部領域にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれてなり、前記高誘電樹脂が埋め込まれた領域にアンテナ導体が形成されており、前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１７】
上記各構成を有するアンテナ実装プリント配線基板においては、先のチップ状アンテナ素子と同様、高誘電樹脂が容易に複合化され、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。また、本発明のアンテナ実装プリント配線基板では、プリント配線基板上にアンテナ導体が作り込まれており、プリント配線基板へのアンテナ素子の実装が不要である。
【００１８】
さらに、本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法は、樹脂基板の両面に貼られた銅箔をパターニングしてアンテナ導体を形成するアンテナ導体形成工程と、前記アンテナ導体を形成にて形成された前記アンテナ導体を避けるように前記樹脂基板にベアホールを孔空け形成するベアホール形成工程と、前記ベアホール形成工程にて形成された前記ベアホールに高誘電樹脂を埋め込む工程とを備えることを特徴とするものである。
【００１９】
上記各工程からなるチップ状アンテナ素子の製造方法においては、アンテナ導体を形成した後に、アンテナ導体を避けるように樹脂基板にベアホールを孔空け形成して高誘電樹脂を埋め込む。したがって、本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法よって製造された チップ状アンテナ素子においては、高誘電樹脂により高誘電率が確保されているので、アンテナ導体の長さを短くしても十分な利得が得られる。高誘電樹脂は、プリント配線基板に設けられたベアホールを埋める形で形成されているため、簡単にプリント配線基板に複合化され、また、高誘電樹脂がプリント配線基板周辺の空間を占有することもないので、小型化の妨げになることもない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板について、図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
本実施形態は、樹脂基板を基材として、その表面にアンテナ導体を形成したプリントアンテナの一例であり、樹脂基板に形成したベアホールに高誘電樹脂を埋め込んだ例である。
【００２２】
図１は、本実施形態のチップ状アンテナ素子を示すものである。このチップ状アンテナ素子１は、ベース基材となる樹脂基板２上にアンテナ導体３をパターニング形成してなるものであり、いわゆるプリントアンテナと称されるチップ状アンテナ素子である。
【００２３】
上記樹脂基板２には、プリント配線基板の基材として一般に用いられるものであれば、いずれも使用可能である。具体的には、紙フェノール基板（ＸＸＰ、ＸＰＣ等）、紙ポリエステル基板（ＦＲ−２）、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）、ガラス紙コンポジットエポキシ基板（ＣＥＭ−１）、ガラス不織紙コンポジットエポキシ基板（ＣＨＥ−３）、ガラス布エポキシ基板（Ｇ−１０）、ガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）等を挙げることができる。なお、括弧内の記号は、米国電気製造業者協会（ＮＥＭＡ）記号である。これらの中で、吸湿性や寸法変化が少なく、自己消炎性を持つガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）が最も好適である。
【００２４】
上記アンテナ導体３は、上記樹脂基板２上に積層された銅箔をフォトリソ技術によってパターニング（エッチング）することにより形成することができ、他の電極パターン等と同時に形成することができる。アンテナ導体３の種類としては、任意の形状のものを採用することができ、例えば導体を逆Ｆ字状に形成したいわゆる逆Ｆ型アンテナや、導体をコイル状に形成したいわゆるヘリカルアンテナ、ミアンダ状アンテナ等を挙げることができる。ここでは、蛇行状ラインとした蛇行状（櫛歯状）のアンテナパターンとしている。
【００２５】
上述のように、両面に銅箔を有するプリント配線基板を用いてチップ状アンテナ素子１を形成することによって、チップ状アンテナ素子の小型化、薄型化が容易になり、また製造コストの削減にも繋がる。ただし、基材である樹脂基板２の誘電率が低いことから、そのままではアンテナ導体３の長さを長くせざるを得ず、小型化の妨げになる。例えば、上記紙フェノール基板（ＸＸＰ）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．３、紙エポキシ基板（ＦＲ−３）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．１、ガラス布エポキシ基板（Ｇ−１０）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．８，ガラス布エポキシ基板（ＦＲ−４）の誘電率（１ＭＨｚ）は４．５〜４．８程度であり、チップ状アンテナ素子の誘電率としては不十分である。
【００２６】
そこで、本実施形態では、樹脂基板２にベアホール４を形成し、これを高誘電樹脂５で埋め込むことにより、上記誘電率の不足を補っている。ここで、ベアホール４は、通常のプリント配線基板において層間接続等のために形成されるものと同程度の寸法で形成すればよく、したがって、他のベアホールやスルーホールを形成する工程において、これらベアホールやスルーホールと同時に形成することができる。ただし、このベアホール４に対しては、いわゆるスルーホールメッキは行わない。また、ベアホール４はここでは貫通孔としたが、必ずしもこれに限らず、樹脂基板２を貫通していなくてもよい。
【００２７】
上記ベアホール４は、上記アンテナ導体３を避ける形で、アンテナ導体３が形成されていない部分にのみ形成されている。これは製造上の都合等によるものであり、場合によってはアンテナ導体３の下にもベアホール４を形成し、ここに高誘電樹脂５を埋め込んでもよい。
【００２８】
上記ベアホール４に埋め込まれる高誘電樹脂５は、少なくとも樹脂基板２の誘電率よりも高い誘電率を有することが好ましく、誘電率２０〜４０程度の高誘電樹脂材料を使用することが好ましい。かかる高誘電樹脂材料としては、イミド系樹脂等を挙げることができ、さらには、セラミック等の高誘電率材料の微粒子を分散した樹脂材料等も高誘電樹脂材料として使用可能である。
【００２９】
上記ベアホール４の形成密度は任意であり、十分な誘電率が確保できる程度に設定すればよいが、あまり多数のベアホール４を形成すると、チップ状アンテナ素子全体の強度が低下することから、自ずと限度がある。最適範囲は、埋め込む高誘電樹脂５の誘電率にもよるが、例えば３０〜１００個／ｃｍ２程度に設定することが好ましい。なお、樹脂基板２自体を高誘電樹脂材料で形成することも考えられるが、この場合には反り強度や硬度が低下する虞れがある。
【００３０】
以上が本実施形態のチップ状アンテナ素子１の構成であるが、本実施形態のチップ状アンテナ素子１では、アンテナ導体３近傍に高誘電樹脂５を埋め込んでいるので、波長短縮効果を得ることができ、それによりアンテナ素子を小型化することができる。また、高誘電樹脂５は、樹脂基板２に埋め込まれており、樹脂基板２表面周辺の空間を占有することがないので、この点からもアンテナ素子の小型化に有利である。
【００３１】
次に、上記チップ状アンテナ素子１の作製方法について説明する。上記チップ状アンテナ素子１を作製するには、先ず、図２（ａ）に示すように樹脂基板１１の両面に銅箔１２を貼った両面銅張り基板を用意し、図２（ｂ）に示すように銅箔１２をパターニングして櫛歯状のアンテナ導体１３を形成する。銅箔１２のパターニングは、他の電極パターン等とともに、通常のフォトリソ技術によって行えばよい。すなわち、銅箔１２上にフォトレジスト層を形成し、これを露光、現像してパターニングすることによりレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして銅箔１２をエッチングする。エッチングは、例えばウエットエッチングにより行う。
【００３２】
上記のようにアンテナ導体１３をパターニング形成した後、図２（ｃ）に示すように、ベアホール１４を孔空け形成する。ベアホール１４は、例えば孔空けドリルを用いた機械加工等により容易に形成することができる。
【００３３】
次いで、図２（ｄ）に示すように、上記ベアホール１４を高誘電樹脂１５で埋め込み、さらに樹脂基板１１をチップサイズに切断してチップ状アンテナ素子を完成する。前記高誘電樹脂１５の埋め込みは、塗布や印刷等によって行えばよい。
【００３４】
なお、上記のプロセスでは、予めアンテナ導体１３を形成した後、ベアホール１４の形成や高誘電樹脂１５の埋め込みを行うようにしているが、逆に、樹脂基板１１に予めベアホール１４を形成し、高誘電樹脂１５で埋め込んだ後、銅箔１２を貼り付け、アンテナ導体１３等のパターニングを行うようにしてもよい。この場合には、アンテナ導体１３の下にも高誘電樹脂１５が埋め込まれたベアホール１４が存在する。
【００３５】
本発明者らは、樹脂埋め込みの効果を確認するために、高誘電樹脂を孔埋めしたチップ状アンテナ素子の周波数特性を評価した。評価は、電磁界解析ソフトにて高誘電樹脂の影響について行った。
【００３６】
実験では、図１に示すようなミアンダラインを有するチップ状アンテナ素子の樹脂基板（比誘電率４．４９）に孔を空け、その孔に比誘電率６０の高誘電樹脂を満たして解析を行った。高誘電樹脂の量は、下記式に基づきチップ状アンテナ素子本体に対する体積比で表す。
高誘電樹脂の割合＝（高誘電樹脂の体積）÷（チップ状アンテナ素子の体積）
【００３７】
計算モデルとして、高誘電樹脂が満たされた孔を１列有するもの（１ライン）、２列有するもの（２ライン）、３列有するもの（３ライン）と、孔を持たないもの（０ライン）とを設計し、計算結果を比較した。計算モデルは、裏面ＧＮＤの評価基板（サイズ：５０×１７×０．８ｍｍ）上にチップ状アンテナ素子（サイズ：８×３×０．６５ｍｍ）を実装したものである。表１に、各サンプルの帯域幅ＢＷ、帯域中心周波数ｆcenter、共振周波数ｆ０、電圧定在波比ＶＳＷＲ、及び高誘電樹脂の割合（％）を示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
本計算モデルにおいて、比誘電率６０の高誘電樹脂を孔埋めした場合、高誘電樹脂による共振周波数シフトの効果を線形近似すると、アンテナの共振周波数は高誘電樹脂量１％増加につき約１０ＭＨｚの低周波シフトとなる。
【００４０】
（第２の実施形態）
本実施形態は、高誘電樹脂を樹脂基板に埋め込む代わりに、アンテナ導体の表面を覆うように高誘電樹脂層を形成したものである。
【００４１】
図６に本実施形態のチップ状アンテナ素子２１を示す。樹脂基板２２上に蛇行状のアンテナ導体２３が形成されていることは、先の第１の実施形態のものと同様であり、それぞれの構成も先の第１の実施形態のものと同様である。
【００４２】
本実施形態のチップ状アンテナ素子２１では、樹脂基板２２にはベアホールは形成されておらず、高誘電樹脂も埋め込まれていない。その代わりに、アンテナ導体２３を覆って高誘電樹脂層２４が形成されている。
【００４３】
上記高誘電樹脂層２４は、先の第１の実施形態においてベアホールに埋め込まれる高誘電樹脂と同様のものを用いて形成することができ、これを塗布、あるいは印刷することにより簡単に形成することができる。
【００４４】
上記高誘電樹脂層２４は、アンテナ導体２３の全てを覆って形成することが好ましいが、必ずしもこれに限らず、アンテナ導体２３の一部を覆うように形成することも可能である。ただし、アンテナ導体２３を覆う面積が多いほど効果が高く、実効的な効果を実現するためには、アンテナ導体２３の５０％以上を覆うように形成することが好ましい。高誘電樹脂層２４の厚さは、任意に設定することができるが、１０〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。下限である１０μｍを下回ると、十分な効果が得られない虞れがある。逆に上限である１０００μｍを越えて厚くなると、高誘電樹脂層２４が樹脂基板２２表面周辺の空間を占有することになり、小型化の妨げになる。
【００４５】
実際、本発明者らは、次のような実験を行って高誘電樹脂層２４の厚さに関する検討を行った。実験に用いたサンプルを図７（ａ）に示す。樹脂基板２２としては厚さ０．６ｍｍのＦＲ−４（ＭＣＬ−ＢＥ−６７Ｇ（Ｈ））基板を用いた。高誘電樹脂層２４の形成に用いたポッティング材は、イミド系樹脂（誘電率ε＝約９０）である。アンテナ導体２３のパターンの各寸法は図７（ｂ）に示す通りである。ここで、表２に示す通り、パターン幅Ｗの異なる複数のサンプルを作製した。
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
Ｙ＝ａ１×Ｘ＋ａ２×Ｘ２
ａ１＝−３６７．８５２
ａ２＝８０．６２３４３
｜ｒ｜＝０．９５９０６８７
【００４９】
【表５】
【００５０】
本実施形態のチップ状アンテナ素子２１は、アンテナ導体２３を覆って高誘電樹脂層２４を形成しているので、波長短縮効果を得ることができ、それによりアンテナ素子を小型化することができる。また、高誘電樹脂層２４は、樹脂基板２２の表面に薄い層として形成されているので、樹脂基板２２表面周辺の空間をほとんど占有することがなく、この点からもアンテナ素子の小型化に有利である。
【００５１】
（第３の実施形態）
本実施形態は、プリント配線基板の一部領域を高誘電率化し、ここにアンテナ素子を一体的に形成したものである。
【００５２】
図１０に示すように、本実施形態のアンテナ実装プリント配線基板３１は、通常のプリント配線基板３２の一部領域にアンテナ導体３３を形成し、アンテナ素子を一体化したものである。アンテナ導体３３が形成される領域には、図１０（ｂ）に拡大して示すように、先の第１の実施形態と同様、アンテナ導体３３の周囲にベアホール３４が形成されている。そして、これらベアホール３４には高誘電樹脂３５が埋め込まれている。プリント配線基板３２の他の領域には、所定の配線パターン３６が形成されており、各種部品が実装される。
【００５３】
通常のプリント配線基板では、回路設計上の都合等により、あまり高誘電率を有する基板を用いることはできない。本実施形態では、ベアホール３４に高誘電樹脂３５を埋め込むことによりプリント配線基板３２を部分的に高誘電率化して、他の回路設計に影響を与えることなくアンテナ素子の一体形成を実現している。
【００５４】
以上の構成を有するアンテナ実装プリント配線基板では、他の回路と同じ基板上に小型アンテナを作り込むことができ、チップアンテナとして別途形成し、これを実装するといった作業が不要である。また、チップアンテナを実装するための専用のランドも不要である。
【００５５】
なお、プリント配線基板を部分的に高誘電率化する手法としては、前述のようにベアホールに高誘電樹脂を埋め込み形成する方法の他、図１１に示すように、先の第２の実施形態と同様、アンテナ導体３３を覆って高誘電樹脂層３７を形成する方法により行うようにしてもよい。
【００５６】
（第４の実施形態）
【００５７】
本実施形態は、プリントアンテナの他の例を示すものである。本実施形態のプリントアンテナは、先の第１の実施形態〜第３の実施形態のアンテナ導体として適用可能である。
【００５８】
プリントアンテナ４０は、図１２に示すように、断面の大きさが例えば３ｍｍ×８．８ｍｍの矩形状を呈する薄板状の基板をエッチングすることにより、放射電極としての複数の導体４１，４２，４３，４４，４５が基板の表面に露出形成されて構成される。具体的には、プリントアンテナ４０においては、基板上に、略コ字状の導体４１と矩形状の導体４２，４３，４４，４５とが形成される。また、プリントアンテナ４０は、放射電極としての複数の矩形状の導体４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２が基板の下面に露出形成されて構成される。このうち、導体５１は、給電用の導体であり、導体５２は、接地用の導体として用いられる。
【００５９】
さらに、プリントアンテナ４０においては、内部に銅箔が施されて底面まで貫通した複数のスルーホール４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２，４５１，４５２が穿設される。具体的には、スルーホール４１１，４２１，４２２，４４１，４４２が、互いに略等間隔に一列に穿設されるとともに、スルーホール４１２，４３１，４３２，４５１，４５２が互いに略等間隔に一列に穿設され、スルーホール４１１，４２１，４２２，４４１，４４２からなるスルーホール群と、スルーホール４１２，４３１，４３２，４５１，４５２からなるスルーホール群とが、互いに平行に配列される。
【００６０】
そして、スルーホール４１１は、基板の上面側に設けられた導体４１における一の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４７における一の端部を終点として穿設され、スルーホール４１２は、導体１１における他の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４８における一の端部を終点として穿設される。また、スルーホール４２１は、基板の上面側に設けられた導体４２における一の端部を始点とするとともに、導体４７における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４２２は、導体４２における他の端部を始点とするとともに、下面側に設けられた導体４９における一の端部を終点として穿設される。さらに、スルーホール４３１は、基板の上面側に設けられた導体４３における一の端部を始点とするとともに、導体４８における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４３２は、導体４３における他の端部から下面側に設けられた導体５０における一の端部を終点として穿設される。さらにまた、スルーホール４４１は、基板の上面側に設けられた導体４４における一の端部を始点とするとともに、導体４９における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４４２は、導体４４における他の端部から下面側に設けられた導体５１における一の端部を終点として穿設される。また、スルーホール４５１は、基板の上面側に設けられた導体４５における一の端部を始点とするとともに、導体５０における他の端部を終点として穿設され、スルーホール４５２は、導体４５における他の端部から下面側に設けられた導体５２における一の端部を終点として穿設される。
【００６１】
換言すれば、導体４１，４７がスルーホール４１１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４１，４８がスルーホール４１２を介して電気的に導通可能に接続される。同様に、導体４２，４７がスルーホール４２１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４２，４９がスルーホール４２２を介して電気的に導通可能に接続される。さらには、導体４３，４８がスルーホール４３１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４３，５０がスルーホール４３２を介して電気的に導通可能に接続される。さらにまた、導体４４，４９がスルーホール４４１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４４，５１がスルーホール４４２を介して電気的に導通可能に接続される。また、導体４５，５０がスルーホール４５１を介して電気的に導通可能に接続され、導体４５，５２がスルーホール４５２を介して電気的に導通可能に接続される。したがって、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４２，４３，４４，４５，４７，４８，４９，５０，５１，５２が互いに電気的に導通可能に接続され、一連の導体として構成される。
【００６２】
より具体的には、プリントアンテナ４０は、複数のスルーホール４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４４２，４５１，４５２を介してミアンダ状に接続した複数の導体４１，４２，４３，４４，４５，４７，４８，４９，５０，５１，５２を、導体１１を中心にして略コ字状に屈曲させたような一連の導体パターンを形成して構成される。
【００６３】
このように、プリントアンテナ４０は、誘電率が低い基板を用いた場合には、通常であれば、周辺に存在するグラウンドの影響を考慮して長い導体パターンを形成し、これにともない大型化してしまうところ、３次元的な構造を呈する導体パターンを形成することにより、周辺に存在するグラウンドの影響に耐え得る値までインピーダンスを大きくすることができることから大幅な小型化を図ることができ、帯域幅も広帯域化することができる。
【００６４】
このようなプリントアンテナ４０は、導体４１，４６が基板の厚さ分だけ空間的に離隔されて配置されることにより、開放端を形成する。具体的には、プリントアンテナ４０は、導体４６がプリント基板にはんだ等を介して直接的に溶着される一方で、この導体４６と高さ方向に離隔されて導体４１が設けられる。これにより、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４６の間に比較的大きなキャパシタンスが生じる。
【００６５】
ここで、プリントアンテナ４０においては、導体４１，４６によって形成される開放端に最大電圧を生じ、この開放端が、例えば接地用の電極といったように、各種モジュールの一部としてプリント基板上に実装される他の金属体の近傍に設けられた場合には浮遊容量が発生する。
【００６６】
しかしながら、プリントアンテナ４０は、導体４１，４６を空間的に離隔して積極的に大きなキャパシタンスを形成することにより、たとえ導体４６と金属体との間の距離にバラツキが生じた場合であっても、共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができる。したがって、プリントアンテナ４０は、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることができる。
【００６７】
なお、プリントアンテナ４０は、導体４１，４６の間にキャパシタンスが生じることにより、これに起因してインピーダンスが低下するが、上述したように、３次元的な構造を呈する導体パターンを形成することにより、この問題を解消することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明のチップ状アンテナ素子及び本発明のチップ状アンテナ素子の製造方法によって製造されたチップ状アンテナ素子によれば、いわゆるプリントアンテナにおいて、十分な利得を確保しながら小型化することが可能である。また、本発明のアンテナ実装プリント配線基板によれば、他の回路と同じ基板上にアンテナ素子を作り込むことができ、チップアンテナを実装する必要はない。さらに、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板において、アンテナ導体は、樹脂 基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであり、アンテナ導体の開放端に比較的大きなキャパシタンスを生じさせることができるため、当該アンテナ導体における共振周波数の変動を無視できる程度に抑制することができ、周辺に存在するグラウンドの影響に対する耐性を非常に強くすることができ、むしろ近傍にグラウンドを配置し、このグラウンドを利用してマッチングをとることが可能となる。そして、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板においては、アンテナ導体の導体パターンを３次元的な構造とすることにより、誘電率が低い基板を用いて構成した場合であっても大型化することがなく、帯域幅も広帯域化することができる。また、本発明のチップ状アンテナ素子及びアンテナ実装プリント配線基板は、アンテナ導体の開放端にキャパシタンスが生じることに起因してインピーダンスが低下する問題も解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用したチップ状アンテナ素子の一例を示すものであり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】 図１に示すチップ状アンテナ素子の製造プロセスを示す概略斜視図であり、（ａ）は両面銅貼り基板を示し、（ｂ）はアンテナ導体パターニング工程、（ｃ）はベアホール形成工程、（ｄ）は高誘電樹脂埋め込み工程を示す。
【図３】 高誘電樹脂の割合別に定在波比ＳＷＲを周波数に対してプロットした特性図である。
【図４】 共振周波数ｆ０及び帯域中心周波数ｆcenterを高誘電樹脂の割合に対してプロットした特性図である。
【図５】 帯域幅ＢＷと高誘電樹脂の割合の関係を示す特性図である。
【図６】 本発明を適用したチップ状アンテナ素子の他の例を示すものであり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図７】 実験に使用したサンプルの構成を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はアンテナ導体パターンの平面図である。
【図８】 高誘電樹脂層の厚さによる特性の相違を示すものであり、（ａ）は各厚さにおけるパターン幅とピーク周波数の関係を示す特性図、（ｂ）は各厚さにおけるパターン幅とセンター周波数の関係を示す特性図である。
【図９】 高誘電樹脂層の厚さによる周波数変化を示す特性図である。
【図１０】 本発明を適用したアンテナ実装プリント配線基板の一例を示す概略斜視図である。
【図１１】 本発明を適用したアンテナ実装プリント配線基板の他の例を示す概略斜視図である。
【図１２】 プリントアンテナの一例を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２１ チップ状アンテナ素子
２，２２ 樹脂基板
３，２３，３３ アンテナ導体
４，３４ ベアホール
５，３５ 高誘電樹脂
２４，３７ 高誘電樹脂層
３２ プリント配線基板
Claims (9)
- 樹脂基板にアンテナ導体が形成されてなり、
前記樹脂基板にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれており、
前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするチップ状アンテナ素子。 - 前記ベアホールは、前記アンテナ導体を避けるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のチップ状アンテナ素子。
- 前記樹脂基板は、ガラス布エポキシ基板からなることを特徴とする請求項１記載のチップ状アンテナ素子。
- 前記アンテナ導体は、前記樹脂基板の表面から裏面にかけて貫通するように穿設されその内部に銅箔が施された１又は複数のスルーホールを介して複数の導体が互いに電気的に導通可能に接続されることによって前記導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項記載のチップ状アンテナ素子。
- 配線パターンが形成されたプリント配線基板の一部領域にベアホールが形成されるとともに、このベアホールに高誘電樹脂が埋め込まれてなり、
前記高誘電樹脂が埋め込まれた領域にアンテナ導体が形成されており、
前記アンテナ導体は、前記樹脂基板に、互いに高さ方向に離隔された２つの導体によって形成された開放端を含む３次元的な構造を呈する導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とするアンテナ実装プリント配線基板。 - 前記ベアホールは、前記アンテナ導体を避けるように形成されていることを特徴とする請求項５記載のアンテナ実装プリント配線基板。
- 前記プリント配線基板は、ガラス布エポキシ基板を基材とすることを特徴とする請求項５記載のアンテナ実装プリント配線基板。
- 前記アンテナ導体は、前記樹脂基板の表面から裏面にかけて貫通するように穿設されその内部に銅箔が施された１又は複数のスルーホールを介して複数の導体が互いに電気的に導通可能に接続されることによって前記導体パターンが形成されて構成されたものであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のうちいずれか１項記載のアンテナ実装プリント配線基板。
- 樹脂基板の両面に貼られた銅箔をパターニングしてアンテナ導体を形成するアンテナ導体形成工程と、
前記アンテナ導体を形成にて形成された前記アンテナ導体を避けるように前記樹脂基板にベアホールを孔空け形成するベアホール形成工程と、
前記ベアホール形成工程にて形成された前記ベアホールに高誘電樹脂を埋め込む工程とを備えることを特徴とするチップ状アンテナ素子の製造方法。
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