平面アンテナ及びその製造方法
【課題】作製時の技術閾値が低く、アンテナの電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板１と、基板１上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の基板１の表面を被覆する導体膜２と、保護膜６とを備える平面アンテナ１００であって、上記所定のパターンは、放射用スロットパターン３を含み、放射用スロットパターン３は、基板１の一方の主面に形成され、保護膜６は、放射用スロットパターン３、放射用スロットパターン３が形成された基板１の一方の主面を被覆する導体膜２、及び基板１の側面を被覆する導体膜２のそれぞれの上に形成されており、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。また、本発明の平面アンテナの製造方法は、スパッタリング法で導体膜２を形成する工程と、スパッタリング法で保護膜６を形成する工程とを含む。
【解決手段】本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板１と、基板１上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の基板１の表面を被覆する導体膜２と、保護膜６とを備える平面アンテナ１００であって、上記所定のパターンは、放射用スロットパターン３を含み、放射用スロットパターン３は、基板１の一方の主面に形成され、保護膜６は、放射用スロットパターン３、放射用スロットパターン３が形成された基板１の一方の主面を被覆する導体膜２、及び基板１の側面を被覆する導体膜２のそれぞれの上に形成されており、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。また、本発明の平面アンテナの製造方法は、スパッタリング法で導体膜２を形成する工程と、スパッタリング法で保護膜６を形成する工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面アンテナ及びその製造方法に関し、具体的には、耐環境性能を向上させた平面アンテナ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。
【０００３】
ところで、アンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度についても微細加工技術が要求されるようになっている。従来では、エッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成していたが、微細加工がアンテナ特性に与える影響は大きく、従来のエッチング技術では精度良く大量にアンテナを生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の１％以下は必要とされ、例えば、周波数が５０ＧＨｚの場合においては数十μｍの寸法精度が必要とされる。このような要求に対してＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１では、基板上の導体を被覆しない領域である所定のパターンと基板とを射出成形法により一体に形成することにより、所定のパターンを有する平面アンテナのスロットを寸法精度良く形成する方法が提案されている。射出成形法で所定のパターンを有する基板を作製することは、一度所定のパターンを有する基板の金型を形成してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。また、射出成形法はミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供できる。
【０００５】
そして、アンテナにより電磁波を空間に放射するためには、まず能動素子によって作られた電磁波を導波管などにより所定の場所まで誘導し、更にこの電磁波をその外部への放射パターンが目的のものとなるように適切に基板各所にまで誘導する必要がある。そのため、通常、基板を誘電体で構成し、表面に導体膜を配置する。基板の一部には電磁波を放射するために導電体膜が無い領域を適切に設ける。ここで、上記誘電体からなる基板は金属やセラミック材料と比較して一般に吸水性が大きく、また熱膨張も大きい。そのため外部環境にアンテナを設置した場合、導体膜が無い場所から水分が入り、更には温度により膨張収縮を繰り返すことにより導体膜が腐蝕や剥離する懸念がある。
【０００６】
そこで、特許文献２では、スパッタリングによりＢＮ（窒化ホウ素）からなる保護膜を形成して導体膜の腐食などを防止している。また、特許文献３及び特許文献４のように、アンテナ電磁波送信受信部と給電部との一体型としてアンテナを作製することで、導体膜の腐食を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１５８３３号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７４７８号公報
【特許文献３】特許第３３５６８６６号公報
【特許文献４】特許第３３５６８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、アンモニアなどを用いており、保護膜を形成するための技術閾値が高いという問題がある。また、特許文献３及び特許文献４では、精度良く一体型とするための技術閾値が高いという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するため、作製時の技術閾値が低く、アンテナの電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板と、上記基板上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の上記基板の表面を被覆する導体膜と、保護膜とを備える平面アンテナであって、上記所定のパターンは、放射用スロットパターンを含み、上記放射用スロットパターンは、上記基板の一方の主面に形成されており、上記保護膜は、上記放射用スロットパターン、上記放射用スロットパターンが形成された上記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び上記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に形成されており、上記保護膜は、膜厚が１〜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の平面アンテナの製造方法は、上記平面アンテナを製造する方法であって、所定のパターンが形成された基板を準備する工程と、スパッタリング法で導体膜を形成する工程と、スパッタリング法で保護膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の平面アンテナは、放射用スロットパターン、上記放射用スロットパターンが形成された上記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び上記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に、膜厚が１〜２００ｎｍである保護膜を形成することにより、アンテナの電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナを提供できる。また、本発明の平面アンテナの製造方法は、導体膜と保護膜をスパッタリング法で形成することにより、低い技術閾値と、短縮された作業工程時間で、本発明の平面アンテナを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例における平面アンテナの構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施例における所定のパターンを有する基板の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明で用いるスパッタリング装置におけるキャリアとパレットの関係を示す模式的断面図である。
【図４】本発明における環境試験後の比較例１の平面アンテナの表面を示す顕微鏡写真（倍率５００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面などに基づいて、本発明の平面アンテナ及びその製造方法について説明する。
【００１５】
本発明の平面アンテナは、特に限定されないが、例えば、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのディスク形状を有することができ、小型のラジアルスロットアンテナとして用いられる。また、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体被覆面の一部に導体を被覆しない領域を有する誘電体で構成されるいかなるアンテナとしても適用することができる。また、本発明の平面アンテナにおいて、形状及び大きさなどは特に限定されず、用途に応じて適宜決めればよい。
【００１６】
本発明の平面アンテナ１００は、図１に示しているように、誘電体で構成される基板１と、基板１上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の基板１の両主面及び側面を被覆する導体膜２と、保護膜６とを備えている。また、上記所定のパターンは、放射用スロットパターン３を含み、放射用スロットパターン３は、基板１の一方の主面に形成されており、保護膜６は、放射用スロットパターン３、放射用スロットパターン３が形成された基板１の一方の主面を被覆する導体膜２、及び基板１の側面を被覆する導体膜２のそれぞれの上に形成されており、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。また、平面アンテナ１００は、放射用スロットパターン３が形成された基板１の主面とは反対側の基板１の他方の主面に形成された、給電用スロットパターン４を備えている。
【００１７】
基板１は、所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって給電回路として機能する。なお、本明細書においては、基板１の表面において、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が形成される部分を除き、導体膜２が形成される部分を基板の導体被覆面５と定義する。図１では、基板１の上面（放射面）に放射用スロットパターン３が凸部からなるパターンとして、基板１の下面（給電面）に給電用スロットパターン４が凸部からなるパターンとして、それぞれ基板１に一体成形されている。上記凸部からなるパターンの高さは、導体膜２の厚さと同じでもよく、導体膜２の厚さより高くてもよい。本明細書において、「凸部からなるパターンの高さ」は、基板１の平坦部からの高さ、つまり導体被覆面５からの高さで示される。また、上記凸部からなるパターンの高さは、凸部の高さ方向に共振回路を構成しないという観点から、基板１内を伝搬する波長の１／１０以下であることが好ましい。
【００１８】
放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を構成する、凸部からなるパターンにおいて、凸部は柱型状の形状を有することが好ましい。断面積がほぼ一定の柱型状であれば、腐食した場合でも、形状の同一性が保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
【００１９】
放射用スロットパターン３は、例えば凸部が、基板１の上面にスパイラル状に形成されている。一方、給電用スロットパターン４は、例えばプラス形状の凸部が、基板１の下面の中心位置に形成されている。なお、給電用スロットパターン４の形状は、プラス形状に限られず、場合によっては円柱状でも良い。また、給電用スロットパターン４が平面アンテナ１００のスロットの中心に給電できないと、放射電力パターンが偏った特性となるため、給電用スロットパターン４は、上述したスパイラル状の放射用スロットパターン３の中心に対向する位置に精度良く設けられている。
【００２０】
また、放射用スロットパターン３の中心と給電用スロットパターン４の中心（電位的意味の中心）のずれが、放射電磁波の波長λの１／５０以内であることが好ましい。このように放射電磁波の位相のずれを抑えることにより、それらの放射電磁波が合成されることにより形成される放射用スロットパターンが良好なものとなる。
【００２１】
基板１の上面（放射面）側の放射用スロットパターン３と基板１の下面（給電面）側の給電用スロットパターン４とを別々に成形を行っても良いが、位置合せジグなどを用いてスロットパターン３及び給電用スロットパターン４を同時に一体成形した方が中心位置のずれが少なくて好ましい。
【００２２】
基板１を構成する誘電体としては、特に限定されないが、耐水性、耐腐食性を高めるという観点から、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂などの低誘電率や低吸水性のある樹脂を用いることができる。低誘電率の樹脂は、一般に分子内に親水性の高い極性基を持たないため、飽和吸水量が小さく疎水性である。また、低誘電率の樹脂は、多孔質でもないために、アルミナなどの無機材料と比較して撥水性である。具体的な低誘電率の樹脂としては、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリスチレンなどの芳香族系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂、炭化水素系樹脂、ジメタノナフタレン系樹脂などが挙げられる。なお、これらの樹脂には、熱膨張率を低減させるなどのため、必要に応じて、二酸化ケイ素などのフィラーやファイバーを混入することも可能である。コストやプロセスを考慮すると、炭化水素系樹脂が特に好ましい。５０ＧＨｚ以上の高周波での使用を考えた場合、ジメタノナフタレン系樹脂が優れている。
【００２３】
また、基板１を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、吸水率が０．０１％以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が含まれる。
【００２４】
また、基板１を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、熱膨張率が７×１０-5以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、例えば、ジメタノナフタレン系樹脂が含まれる。
【００２５】
導体膜２は、導体材料で構成されていればよく、特に限定されない。導体材料としては、例えば、銅、銀、ニッケル、導電性カーボンなどを用いることができる。中でも、高周波に用いるという観点から、銅が好ましい。また、本発明のアンテナをアルミ材で構成される給電構造物と組合せて使用する場合は、簡便に電蝕を防ぐという観点から、導電性カーボンを用いることが好ましい。
【００２６】
導体膜２は、表皮効果の影響を受けないように、表皮深さ以上の所定の膜厚に形成されている。例えば、導体材料として銅を用い、６０ＧＨｚでの使用を目的とする場合は、厚さが０．５μｍ程度であればよい。また、コスト低減の観点から、導体膜の膜厚は、２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることがより好ましい。
【００２７】
保護膜６は、誘電体で構成されている。上記誘電体としては、アンテナの電波特性に影響を及ぼさないものであればよく、特に限定されない。例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどのシリコンを含む誘電体が挙げられる。また、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどを用いてもよい。中でも、コストなどの観点から、シリコンを含む誘電体が好ましく、酸化シリコン、窒化シリコンがより好ましい。
【００２８】
また、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。保護膜６の膜厚が１ｎｍ未満であると、アンテナ表面の腐食や吸水による劣化が生じる。また、保護膜の膜厚が２００ｎｍを超えると、基板の変形が生じやすく、アンテナの電波特性が影響を受けてアンテナの利得が低下する。
【００２９】
なお、給電用スロットパターン４、給電用スロットパターン４が形成された基板１の他方の主面を被覆する導体膜２上には、保護膜が形成されていてもよいが、少なくとも給電部の一部と電気的な接触が保たれるように保護膜を形成する。
【００３０】
次に、本発明の平面アンテナの製造方法について説明する。
【００３１】
＜所定のパターンが形成された基板の準備＞
まず、図２Ａに示すように、誘電体で構成された平板基板７と、放射用スロットパターン３に対応する凹部８を有する金型９と、給電用スロットパターン４に対応する凹部１０を有する金型１１とを用意し、金型９の凹部８が形成されている面と、金型１１の凹部１０が形成されている面との間に、平板基板７を配置する。このとき、基板１の完成時に放射用スロットパターン３と給電用スロットパターン４の中心位置が合うように金型９及び金型１１の位置を調整する。
【００３２】
そして、平板基板７と、金型９及び金型１１とを密着させ、図２Ｂに示すように、熱ナノインプリント装置（図示せず）により、金型９の上面側及び金型１１の下面側から平板基板７に対して、所定の熱と圧力１２を同時に加える。例えば、１７０℃で３０ｋＮの圧力を加えることができる。これにより、金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３、及び金型１１の凹部１０に対応する給電用スロットパターン４を、それぞれ平板基板７の上面及び下面に転写させる。
【００３３】
上記の転写終了後、金型９及び金型１１を取り除き、図２Ｃに示すように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１を得る。
【００３４】
金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３及び金型１１の凹部１０に対応する給電用スロットパターン４は、凸部からなるパターンになる。上記の凸部からなるパターンの高さは、後の導体膜の形成工程で研磨を行う場合は、２０μｍぐらいにすることが好ましい。
【００３５】
このように、所定のパターンに対応する凹部を有する金型と誘電体で構成される平板基板とを、ある特定の温度下で圧力をかけながら密着させ、基板表面に所定のパターンを転写させることにより、基板表面にミクロン単位の高精度で、例えばスロットやパッチなどを形成することができ、最終的には短波長化に好適な小型のアンテナを製造できる。更に、所定のパターンに対応する凹部を有する金型を用いることで、高精度でアンテナの指向性に優れる基板の量産が容易であり、最終的には安価にアンテナを製造可能となる。
【００３６】
また、転写を熱ナノインプリント法で行うことにより、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の大きさや配置を忠実に再現することが可能であり、精度が高く、アンテナの指向性に優れるスロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１が得られる。なお、熱ナノインプリント法に限られず、光ナノインプリント法や射出成形法を用いても良い。
【００３７】
＜導体膜の形成＞
次いで、スパッタリング法で、図２Ｄに示すように、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１（以下において、単にワークとも記す。）の表面を被覆するように導体膜２を形成する。これにより、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１本体一様に導体膜２が形成される。
【００３８】
上記において、ワーク表面に対して導体膜を形成する装置として、以下のようなスパッタリング装置を用いる。スパッタリング装置は、ワークを導入して適切な位置に設置するためのキャリアを備えている。また、スパッタリング装置は、大気からの荒引きを行うロードロック室と実際にスパッタリング成膜を行う成膜室から成るが、キャリアにはこの２つの部屋間を移動するための移動機構が備わっている。また、図３に示しているように、キャリア５１内には、パレット５２と呼ぶ、ワークを固定する面５３を１２０ｒｐｍまで回転させる機構があり、かつギアの連結によってパレット５２自身を自転させることができる。即ち、キャリア５１の回転機構であるパレット５２により、ワークは成膜中にターゲット材料とある時間間隔をもって対向非対向を繰り返すとともに、その間ワーク自身もキャリア５１の回転を受けて回転している。またギアと連動してパレット５２内でワーク自身も自転している。ここでワークのパレット５２に対する固定方法をワークとパレット５２が接する面だけにしている。即ち、ワーク側面には固定用の治具が無いようにしている。スパッタリングによる成膜は通常スパッタリングターゲットから対向した面にしか材料が成膜されないが、上記のようにすることにより、ワークは成膜中に高速回転しているため、薄くではあるがワーク側面にもスパッタリングターゲットを付着させることができる。
【００３９】
上記のスパッタリング装置を用い、導体膜２を形成する場合、プロセスガスとしては、例えば、９９．９９％以上の高純度アルゴンガスを用い、ガス流量は、例えば、５〜２００ｓｃｃｍにすることが好ましく、１０〜１００ｓｃｃｍにすることがより好ましい。また、スパッタリングレートは、例えば、０．０５〜１．０ｎｍ／ｋＷｓであることが好ましく、０．１〜０．５ｎｍ／ｋＷｓであることがより好ましい。また、導体膜２は、基板１の両面から同時にスパッタリング法により形成した方がストレスや熱の影響が少なくて好ましい。また、スパッタリング時の熱を低減するため、一定厚さ毎にワークの成膜面を変え、数回に分けて成膜することにより導体膜をワーク両面に形成してもよい。
【００４０】
なお、上記図２Ｄに示した状態では、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４は、導体が被覆された凸部からなるパターンであり、電気的なアンテナパターンとして機能しない。そこで、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を電気的なアンテナパターンとするため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２を剥離する。放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２の剥離は、機械的な手段、例えば、研削や研磨作業により行うことができる。この際、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を形成する凸部を被覆する導体膜２と凸部の先端部を同時に除去することにより、凸部の高さと基板１の導体被覆面５を被覆した導体膜２の高さをほぼ同じにすることができる。もちろん、後述するように導体膜のみを剥離してもよい。製造の容易性の観点から、凸部の先端部と導体膜を同時に除去することが好ましい。この際、スロット径が変化しないように凸部は柱状であることが好ましい。なお、放射面の平坦性が充分でないと研磨は偏ってしまいうまく剥離できないため、上記の表面アンテナの製造工程で、基板が変形しないようにすることが好ましい。
【００４１】
そして、導体膜２を形成する前に、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４と導体膜との密着力を下げるための処理（以下において、単に密着力低下処理とも記す。）を行った場合は、導体膜のみを簡単に剥離することができる。上記密着力低下処理としては、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４に、顔料インクなどの離型剤を塗布する方法や紫外線を照射する方法などを用いることができる。なお、紫外線照射を行う場合、樹脂からなる誘電体で構成される基板は、ある程度のエネルギー（所定量の紫外線照射量）の紫外線を照射することにより基板表面が改質され、導体膜に対する密着力が向上するため、上記基板密着力低下処理工程では、上記密着力が向上する紫外線照射量よりも多量の紫外線の照射を行うことで、基板表面と導体膜との密着力を低下させる。具体的には、基板に対する紫外線の照射時間を長くすれば良い。例えば、波長が１８５ｎｍの紫外線照射用ランプを用い、このランプと基板１との距離を５ｃｍ離間させた状態で、照度が約１５ｍＷ／ｃｍ2の紫外線照射を５分間行う。上記のように導体膜を形成した後、有機溶剤などによる超音波洗浄又は粘着テープなどの接着力を用いて、手作業で導体膜を簡単に剥離することができる。
【００４２】
上記のように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２を剥離することにより、図２Ｅに示すように、基板１上の所定の領域に形成されたスロットパターン３及び給電用スロットパターン４以外の、基板１の導体被覆面５を被覆する導体膜２が形成される。
【００４３】
＜保護膜の形成＞
次いで、上記で得られた導体膜が被覆されたワークに対し、図２Ｆに示すように、放射用スロットパターン３が形成されている主面と側面側だけに、スパッタリング法で保護膜６を形成して、平面アンテナ１００を得る。なお、スパッタリングには、上述した導体膜２の形成時に用いたスパッタリング装置を用い、スパッタリングレートは、例えば０．１〜０．５ｎｍ／ｋＷｓとする。
【００４４】
保護膜を窒化シリコンで構成する場合は、スパッタリングターゲットとしてはシリコンを用い、スパッタリング装置に、ガス流量が異なる窒素ガスとアルゴンガスを共に導入し、アルゴンガスの流量は、例えば、１０〜１００ｓｃｃｍにし、窒素ガスの流量は１０〜１００ｓｃｃｍにする。また、放電安定性の観点から、窒素ガスの流量とアルゴンガスの流量の比は、０．５〜３であることが好ましい。
【００４５】
保護膜を酸化シリコンで構成する場合は、スパッタリングターゲットとしてはシリコンを用い、スパッタリング装置に、ガス流量が異なる酸素ガスとアルゴンガスを共に導入し、アルゴンガスの流量は、例えば、１０〜１００ｓｃｃｍにし、酸素ガスの流量は１０〜１００ｓｃｃｍにする。また、放電安定性の観点から、窒素ガスの流量とアルゴンガスの流量の比は、０．５〜３であることが好ましい。
【００４６】
本発明の平面アンテナの製造方法によれば、導体膜と保護膜をスパッタリング法で形成することにより、低い技術閾値と、短縮された作業工程時間で、電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナを作製できる。また、金型成形によりすべてのスロットの寸法及び位置関係を高い精度で均一化することができるので、指向性の鋭い、特性の良好なアンテナを得ることができる。また、量産性にも優れる為、製造コストの削減をもたらすことができる。
【００４７】
以上において、スロットアンテナを例として示したが、例えば、パッチアンテナではスロットパターンが導体膜として構成されるだけで、その他においてはスロットアンテナと同様の構成を示しており、製造方法にも変わりは無い。
【００４８】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
＜所定のパターンが形成された基板の準備＞
まず、図２Ａに示すように、シクロオレフィンポリマー樹脂で構成される平板基板７（厚さ１．２ｍｍ、直径６０ｍｍ）と、放射用スロットパターン３に対応する凹部８を有する金型９と、給電用スロットパターン４に対応する凹部１０を有する金型１１とを用意し、金型９の凹部８が形成されている面と、金型１１の凹部１０が形成されている面との間に、平板基板７を配置した。このとき、基板１の完成時に放射用スロットパターン３と給電用スロットパターン４の中心位置が合うように金型９及び金型１１の位置を調整した。
【００５１】
そして、平板基板７と、金型９及び金型１１とを密着させ、図２Ｂに示すように、熱ナノインプリント装置（図示せず）により、金型９の上面側及び金型１１の下面側から平板基板７に対して、所定の熱と圧力１２を同時に加えた。具体的には、１７０℃で３０ｋＮの圧力を加えた。これにより、金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３及び金型１０の凹部９に対応する給電用スロットパターン４をそれぞれ平板基板７の上面及び下面に転写させた。
【００５２】
上記の転写終了後、金型９及び金型１１を取り除き、図２Ｃに示すように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１を得た。得られたワークは、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの円盤状であった。
【００５３】
＜導体膜の形成＞
まず、導体膜を形成する前に、放射用スロットパターン及び給電用スロットパターンと導体膜との密着力を下げるため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を形成する凸部に離型剤を塗布した。
【００５４】
ワーク表面に対して導体膜を形成する装置として、以下のようなスパッタリング装置を用いた。スパッタリング装置は、ワークを導入して適切な位置に設置するためのキャリアを備えている。また、スパッタリング装置は、大気からの荒引きを行うロードロック室と実際にスパッタリング成膜を行う成膜室から成るが、キャリアにはこの２つの部屋間を移動するための移動機構が備わっている。また、図３に示しているように、キャリア５１内には、パレット５２と呼ぶ、ワークを固定する面５３を１２０ｒｐｍまで回転させる機構があり、かつギアの連結によってパレット５２自身を自転させることができる。即ち、キャリア５１の回転機構であるパレット５２により、ワークは成膜中にターゲット材料とある時間間隔をもって対向非対向を繰り返すとともに、その間ワーク自身もキャリア５１の回転を受けて回転している。またギアと連動してパレット５２内でワーク自身も自転している。ここでワークのパレット５２に対する固定方法をワークとパレット５２が接する面だけにしている。即ち、ワーク側面には固定用の治具が無いようにしている。スパッタリングによる成膜は通常スパッタリングターゲットから対向した面にしか材料が成膜されないが、上記のようにすることにより、ワークは成膜中に高速回転しているため、薄くではあるがワーク側面にもスパッタリングターゲットを付着させることができる。
【００５５】
上記のスパッタリング装置を用い、以下のように、銅で構成される導体膜２を形成した。まず、スパッタリングターゲットとして９９．９９％の純銅を用い、プロセスガスとしては高純度アルゴンガスを用い、そのガス流量は１００ｓｃｃｍにした。なお、スパッタリングレートは０．８ｎｍ／ｋＷｓであった。スパッタリングはワークの両面に対して行い、スパッタリング時の熱を低減するため５００ｎｍ厚さ毎にワークの成膜面を変え、２回づつ成膜することにより膜厚が１μｍの銅で構成される導体膜をワーク両面に形成した。なお、上記のようにワークの両面に対して銅で構成される導体膜２が成膜されている間に、ワークの側面にも導体膜２が成膜されていることを確認した。次に、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の凸部に付着した導体膜２をスクライバーで取り除いた。上述したように凸部には導体膜を形成する前に離型剤を塗布しておいたため、簡単な手作業でも取り除く(剥離する)ことができた。
【００５６】
＜保護膜の形成＞
続いて、上記で得られたワークの放射用スロットパターンが形成されている面側だけに、スパッタリング法で、膜厚が２ｎｍの誘電体薄膜を保護膜６として形成し、平面アンテナ１００を得た。上記において、スパッタリングターゲットとしては９９．９９％のシリコンを用い、スパッタリング装置に窒素ガスとアルゴンガスを共に導入し、ガス流量はアルゴンガス５０ｓｃｃｍに対して窒素ガスは３０ｓｃｃｍとした。上記のように形成した保護膜は、窒化シリコンで構成されている。
【００５７】
（実施例２）
保護膜形成時に、スパッタリング装置に３０ｓｃｃｍの酸素ガスと５０ｓｃｃｍのアルゴンガスを共に導入した以外は、実施例１と同様にして、平面アンテナを得た。実施例２において、保護膜は、酸化シリコンで構成されている。
【００５８】
（実施例３）
保護膜の膜厚を５０ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例３の平面アンテナを得た。
【００５９】
（実施例４）
保護膜の膜厚を１００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例４の平面アンテナを得た。
【００６０】
（実施例５）
保護膜の膜厚を２００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例５の平面アンテナを得た。
【００６１】
（比較例１）
保護膜の膜厚を０．５ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、比較例１の平面アンテナを得た。
【００６２】
（比較例２）
保護膜の膜厚を５００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、比較例２の平面アンテナを得た。
【００６３】
実施例及び比較例の平面アンテナと、アルミ材で構成される給電構造物とを銀ペーストにて構造的、電気的に接続させた後、下記のように環境試験、基板変形及びアンテナ特性測定を行い、その結果を下記表１に示した。上記において、接続に関しては少なくともアンテナ表面の導体膜と給電構造物とが銀ペースと接するようにした。なお、銀ペーストで平面アンテナと給電構造物を接触させたのは、銅で構成された導体膜とアルミ材で構成された給電構造物の直接接触による電蝕を防止するためである。
【００６４】
〔環境試験〕
温度６０℃、相対湿度（ＲＨ）９０％の条件下で、１週間保存した後、放射用スロットパターンが形成された側のアンテナの表面を顕微鏡（キーエンス製）で観察し、導体膜の腐食の有無について判断した。
【００６５】
〔基板変形〕
キーエンス製レーザー変位計を用いて基板変形を測定した。なお各測定点への移動は回転ステージとｘ軸ステージを組合せることによりアンテナ面全体を測定できるようにした。
【００６６】
〔アンテナの電波特性〕
アンテナの電波特性は、アンテナ利得で示しており、具体的には、以下のように測定した。
【００６７】
＜測定系の準備＞
ミリ波帯でのアンテナ測定のために、電波暗室内に送受信機を配置し、送受信アンテナ部が互いに対向位置となるように設置した。また送信機入力部に別に用意したカメラからの出力信号を、受信機出力信号をモニター入力端子に繋げた。
【００６８】
＜アンテナ利得の測定＞
まず、準備した測定系のチェックのため、送受信機のアンテナ部にアンテナ利得の基準となるホーンアンテナを設置し、更に送受信アンテナの間にミリ波帯仕様のパワーメータを配置し、送受信のチェックを行った。次に、上記送信側ホーンアンテナにアッテネーターを配置し、アッテネーター値を増やしながら送受信が正しく出来なくなる量を調べた。具体的にはモニター画面が正常に映らなくなる点を閾値とした。ホーンアンテナの利得は分かっているため、以上により測定系の利得基準値が分かった。次に、ホーンアンテナの代わりに実施例及び比較例のアンテナを設置し、同様にしてアッテネーター値を調べることによりアンテナ利得を調べた。得られた実施例及び比較例のアンテナ利得を、測定系の利得基準値と比較して、アンテナ電波特性の低下量とした。
【００６９】
【表１】
【００７０】
また、図４に、環境試験後における比較例１の平面アンテナの表面を示す顕微鏡写真（倍率５００倍）を示した。図４から分かるように、比較例１の平面アンテナの表面の一部に銅の錆び６１が出てきた。具体的データを示してないが、保護膜を他の誘電体材料で構成した場合でも、保護膜の膜厚が１ｎｍ未満であると同様の結果が得られた。これは、保護膜の膜厚が１ｎｍ未満であると、保護膜がアンテナ上に一様に形成されなかったためであると考えられる。
【００７１】
上記表１から分かるように、実施例の平面アンテナは、温度６０℃、相対湿度（ＲＨ）９０％の条件下で、１週間保存した後でも導体膜の腐食がなく、アンテナの電波特性も良好である。一方、保護膜の厚みが１ｎｍ未満である比較例１では、平面アンテナ表面の一部において、導体膜が腐食している。また、保護膜の厚みが２００ｎｍを超える比較例２では、基板の変形が大きく、アンテナの電波特性が低下している。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の平面アンテナは、ミリ波帯（周波数３０乃至３００ＧＨｚ、波長１乃至１０ｍｍの電波）に適した小型な平面アンテナである。特に、大容量で低コストな多様な無線システムに適用可能である。具体的には、本発明の平面アンテナは、例えば、自動車衝突防止用のレーダ、短距離通信システム、無線ＬＡＮ、及び家庭の屋内配線の無線化などに好適である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 基板
２ 導体膜
３ 凸部からなる放射用スロットパターン
４ 凸部からなる給電用スロットパターン
５ 導体被覆面
６ 保護膜
７ 誘電体の平板基板
８ 放射用スロットパターンに対応する凹部
９ 放射用スロットパターン用金型
１０ 給電用スロットパターンに対応する凹部
１１ 給電用スロットパターン用金型
１２ 熱ナノインプリント時の加圧方向
５１ キャリア
５２ パレット
５３ ワークを固定する面
６１ 銅の錆び
１００ 平面アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面アンテナ及びその製造方法に関し、具体的には、耐環境性能を向上させた平面アンテナ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。
【０００３】
ところで、アンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度についても微細加工技術が要求されるようになっている。従来では、エッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成していたが、微細加工がアンテナ特性に与える影響は大きく、従来のエッチング技術では精度良く大量にアンテナを生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の１％以下は必要とされ、例えば、周波数が５０ＧＨｚの場合においては数十μｍの寸法精度が必要とされる。このような要求に対してＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１では、基板上の導体を被覆しない領域である所定のパターンと基板とを射出成形法により一体に形成することにより、所定のパターンを有する平面アンテナのスロットを寸法精度良く形成する方法が提案されている。射出成形法で所定のパターンを有する基板を作製することは、一度所定のパターンを有する基板の金型を形成してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。また、射出成形法はミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供できる。
【０００５】
そして、アンテナにより電磁波を空間に放射するためには、まず能動素子によって作られた電磁波を導波管などにより所定の場所まで誘導し、更にこの電磁波をその外部への放射パターンが目的のものとなるように適切に基板各所にまで誘導する必要がある。そのため、通常、基板を誘電体で構成し、表面に導体膜を配置する。基板の一部には電磁波を放射するために導電体膜が無い領域を適切に設ける。ここで、上記誘電体からなる基板は金属やセラミック材料と比較して一般に吸水性が大きく、また熱膨張も大きい。そのため外部環境にアンテナを設置した場合、導体膜が無い場所から水分が入り、更には温度により膨張収縮を繰り返すことにより導体膜が腐蝕や剥離する懸念がある。
【０００６】
そこで、特許文献２では、スパッタリングによりＢＮ（窒化ホウ素）からなる保護膜を形成して導体膜の腐食などを防止している。また、特許文献３及び特許文献４のように、アンテナ電磁波送信受信部と給電部との一体型としてアンテナを作製することで、導体膜の腐食を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１５８３３号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７４７８号公報
【特許文献３】特許第３３５６８６６号公報
【特許文献４】特許第３３５６８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、アンモニアなどを用いており、保護膜を形成するための技術閾値が高いという問題がある。また、特許文献３及び特許文献４では、精度良く一体型とするための技術閾値が高いという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するため、作製時の技術閾値が低く、アンテナの電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板と、上記基板上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の上記基板の表面を被覆する導体膜と、保護膜とを備える平面アンテナであって、上記所定のパターンは、放射用スロットパターンを含み、上記放射用スロットパターンは、上記基板の一方の主面に形成されており、上記保護膜は、上記放射用スロットパターン、上記放射用スロットパターンが形成された上記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び上記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に形成されており、上記保護膜は、膜厚が１〜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の平面アンテナの製造方法は、上記平面アンテナを製造する方法であって、所定のパターンが形成された基板を準備する工程と、スパッタリング法で導体膜を形成する工程と、スパッタリング法で保護膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の平面アンテナは、放射用スロットパターン、上記放射用スロットパターンが形成された上記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び上記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に、膜厚が１〜２００ｎｍである保護膜を形成することにより、アンテナの電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナを提供できる。また、本発明の平面アンテナの製造方法は、導体膜と保護膜をスパッタリング法で形成することにより、低い技術閾値と、短縮された作業工程時間で、本発明の平面アンテナを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例における平面アンテナの構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施例における所定のパターンを有する基板の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明で用いるスパッタリング装置におけるキャリアとパレットの関係を示す模式的断面図である。
【図４】本発明における環境試験後の比較例１の平面アンテナの表面を示す顕微鏡写真（倍率５００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面などに基づいて、本発明の平面アンテナ及びその製造方法について説明する。
【００１５】
本発明の平面アンテナは、特に限定されないが、例えば、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのディスク形状を有することができ、小型のラジアルスロットアンテナとして用いられる。また、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体被覆面の一部に導体を被覆しない領域を有する誘電体で構成されるいかなるアンテナとしても適用することができる。また、本発明の平面アンテナにおいて、形状及び大きさなどは特に限定されず、用途に応じて適宜決めればよい。
【００１６】
本発明の平面アンテナ１００は、図１に示しているように、誘電体で構成される基板１と、基板１上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の基板１の両主面及び側面を被覆する導体膜２と、保護膜６とを備えている。また、上記所定のパターンは、放射用スロットパターン３を含み、放射用スロットパターン３は、基板１の一方の主面に形成されており、保護膜６は、放射用スロットパターン３、放射用スロットパターン３が形成された基板１の一方の主面を被覆する導体膜２、及び基板１の側面を被覆する導体膜２のそれぞれの上に形成されており、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。また、平面アンテナ１００は、放射用スロットパターン３が形成された基板１の主面とは反対側の基板１の他方の主面に形成された、給電用スロットパターン４を備えている。
【００１７】
基板１は、所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって給電回路として機能する。なお、本明細書においては、基板１の表面において、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が形成される部分を除き、導体膜２が形成される部分を基板の導体被覆面５と定義する。図１では、基板１の上面（放射面）に放射用スロットパターン３が凸部からなるパターンとして、基板１の下面（給電面）に給電用スロットパターン４が凸部からなるパターンとして、それぞれ基板１に一体成形されている。上記凸部からなるパターンの高さは、導体膜２の厚さと同じでもよく、導体膜２の厚さより高くてもよい。本明細書において、「凸部からなるパターンの高さ」は、基板１の平坦部からの高さ、つまり導体被覆面５からの高さで示される。また、上記凸部からなるパターンの高さは、凸部の高さ方向に共振回路を構成しないという観点から、基板１内を伝搬する波長の１／１０以下であることが好ましい。
【００１８】
放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を構成する、凸部からなるパターンにおいて、凸部は柱型状の形状を有することが好ましい。断面積がほぼ一定の柱型状であれば、腐食した場合でも、形状の同一性が保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
【００１９】
放射用スロットパターン３は、例えば凸部が、基板１の上面にスパイラル状に形成されている。一方、給電用スロットパターン４は、例えばプラス形状の凸部が、基板１の下面の中心位置に形成されている。なお、給電用スロットパターン４の形状は、プラス形状に限られず、場合によっては円柱状でも良い。また、給電用スロットパターン４が平面アンテナ１００のスロットの中心に給電できないと、放射電力パターンが偏った特性となるため、給電用スロットパターン４は、上述したスパイラル状の放射用スロットパターン３の中心に対向する位置に精度良く設けられている。
【００２０】
また、放射用スロットパターン３の中心と給電用スロットパターン４の中心（電位的意味の中心）のずれが、放射電磁波の波長λの１／５０以内であることが好ましい。このように放射電磁波の位相のずれを抑えることにより、それらの放射電磁波が合成されることにより形成される放射用スロットパターンが良好なものとなる。
【００２１】
基板１の上面（放射面）側の放射用スロットパターン３と基板１の下面（給電面）側の給電用スロットパターン４とを別々に成形を行っても良いが、位置合せジグなどを用いてスロットパターン３及び給電用スロットパターン４を同時に一体成形した方が中心位置のずれが少なくて好ましい。
【００２２】
基板１を構成する誘電体としては、特に限定されないが、耐水性、耐腐食性を高めるという観点から、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂などの低誘電率や低吸水性のある樹脂を用いることができる。低誘電率の樹脂は、一般に分子内に親水性の高い極性基を持たないため、飽和吸水量が小さく疎水性である。また、低誘電率の樹脂は、多孔質でもないために、アルミナなどの無機材料と比較して撥水性である。具体的な低誘電率の樹脂としては、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリスチレンなどの芳香族系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂、炭化水素系樹脂、ジメタノナフタレン系樹脂などが挙げられる。なお、これらの樹脂には、熱膨張率を低減させるなどのため、必要に応じて、二酸化ケイ素などのフィラーやファイバーを混入することも可能である。コストやプロセスを考慮すると、炭化水素系樹脂が特に好ましい。５０ＧＨｚ以上の高周波での使用を考えた場合、ジメタノナフタレン系樹脂が優れている。
【００２３】
また、基板１を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、吸水率が０．０１％以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が含まれる。
【００２４】
また、基板１を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、熱膨張率が７×１０-5以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、例えば、ジメタノナフタレン系樹脂が含まれる。
【００２５】
導体膜２は、導体材料で構成されていればよく、特に限定されない。導体材料としては、例えば、銅、銀、ニッケル、導電性カーボンなどを用いることができる。中でも、高周波に用いるという観点から、銅が好ましい。また、本発明のアンテナをアルミ材で構成される給電構造物と組合せて使用する場合は、簡便に電蝕を防ぐという観点から、導電性カーボンを用いることが好ましい。
【００２６】
導体膜２は、表皮効果の影響を受けないように、表皮深さ以上の所定の膜厚に形成されている。例えば、導体材料として銅を用い、６０ＧＨｚでの使用を目的とする場合は、厚さが０．５μｍ程度であればよい。また、コスト低減の観点から、導体膜の膜厚は、２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることがより好ましい。
【００２７】
保護膜６は、誘電体で構成されている。上記誘電体としては、アンテナの電波特性に影響を及ぼさないものであればよく、特に限定されない。例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどのシリコンを含む誘電体が挙げられる。また、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどを用いてもよい。中でも、コストなどの観点から、シリコンを含む誘電体が好ましく、酸化シリコン、窒化シリコンがより好ましい。
【００２８】
また、保護膜６は、膜厚が１〜２００ｎｍである。保護膜６の膜厚が１ｎｍ未満であると、アンテナ表面の腐食や吸水による劣化が生じる。また、保護膜の膜厚が２００ｎｍを超えると、基板の変形が生じやすく、アンテナの電波特性が影響を受けてアンテナの利得が低下する。
【００２９】
なお、給電用スロットパターン４、給電用スロットパターン４が形成された基板１の他方の主面を被覆する導体膜２上には、保護膜が形成されていてもよいが、少なくとも給電部の一部と電気的な接触が保たれるように保護膜を形成する。
【００３０】
次に、本発明の平面アンテナの製造方法について説明する。
【００３１】
＜所定のパターンが形成された基板の準備＞
まず、図２Ａに示すように、誘電体で構成された平板基板７と、放射用スロットパターン３に対応する凹部８を有する金型９と、給電用スロットパターン４に対応する凹部１０を有する金型１１とを用意し、金型９の凹部８が形成されている面と、金型１１の凹部１０が形成されている面との間に、平板基板７を配置する。このとき、基板１の完成時に放射用スロットパターン３と給電用スロットパターン４の中心位置が合うように金型９及び金型１１の位置を調整する。
【００３２】
そして、平板基板７と、金型９及び金型１１とを密着させ、図２Ｂに示すように、熱ナノインプリント装置（図示せず）により、金型９の上面側及び金型１１の下面側から平板基板７に対して、所定の熱と圧力１２を同時に加える。例えば、１７０℃で３０ｋＮの圧力を加えることができる。これにより、金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３、及び金型１１の凹部１０に対応する給電用スロットパターン４を、それぞれ平板基板７の上面及び下面に転写させる。
【００３３】
上記の転写終了後、金型９及び金型１１を取り除き、図２Ｃに示すように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１を得る。
【００３４】
金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３及び金型１１の凹部１０に対応する給電用スロットパターン４は、凸部からなるパターンになる。上記の凸部からなるパターンの高さは、後の導体膜の形成工程で研磨を行う場合は、２０μｍぐらいにすることが好ましい。
【００３５】
このように、所定のパターンに対応する凹部を有する金型と誘電体で構成される平板基板とを、ある特定の温度下で圧力をかけながら密着させ、基板表面に所定のパターンを転写させることにより、基板表面にミクロン単位の高精度で、例えばスロットやパッチなどを形成することができ、最終的には短波長化に好適な小型のアンテナを製造できる。更に、所定のパターンに対応する凹部を有する金型を用いることで、高精度でアンテナの指向性に優れる基板の量産が容易であり、最終的には安価にアンテナを製造可能となる。
【００３６】
また、転写を熱ナノインプリント法で行うことにより、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の大きさや配置を忠実に再現することが可能であり、精度が高く、アンテナの指向性に優れるスロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１が得られる。なお、熱ナノインプリント法に限られず、光ナノインプリント法や射出成形法を用いても良い。
【００３７】
＜導体膜の形成＞
次いで、スパッタリング法で、図２Ｄに示すように、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１（以下において、単にワークとも記す。）の表面を被覆するように導体膜２を形成する。これにより、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１本体一様に導体膜２が形成される。
【００３８】
上記において、ワーク表面に対して導体膜を形成する装置として、以下のようなスパッタリング装置を用いる。スパッタリング装置は、ワークを導入して適切な位置に設置するためのキャリアを備えている。また、スパッタリング装置は、大気からの荒引きを行うロードロック室と実際にスパッタリング成膜を行う成膜室から成るが、キャリアにはこの２つの部屋間を移動するための移動機構が備わっている。また、図３に示しているように、キャリア５１内には、パレット５２と呼ぶ、ワークを固定する面５３を１２０ｒｐｍまで回転させる機構があり、かつギアの連結によってパレット５２自身を自転させることができる。即ち、キャリア５１の回転機構であるパレット５２により、ワークは成膜中にターゲット材料とある時間間隔をもって対向非対向を繰り返すとともに、その間ワーク自身もキャリア５１の回転を受けて回転している。またギアと連動してパレット５２内でワーク自身も自転している。ここでワークのパレット５２に対する固定方法をワークとパレット５２が接する面だけにしている。即ち、ワーク側面には固定用の治具が無いようにしている。スパッタリングによる成膜は通常スパッタリングターゲットから対向した面にしか材料が成膜されないが、上記のようにすることにより、ワークは成膜中に高速回転しているため、薄くではあるがワーク側面にもスパッタリングターゲットを付着させることができる。
【００３９】
上記のスパッタリング装置を用い、導体膜２を形成する場合、プロセスガスとしては、例えば、９９．９９％以上の高純度アルゴンガスを用い、ガス流量は、例えば、５〜２００ｓｃｃｍにすることが好ましく、１０〜１００ｓｃｃｍにすることがより好ましい。また、スパッタリングレートは、例えば、０．０５〜１．０ｎｍ／ｋＷｓであることが好ましく、０．１〜０．５ｎｍ／ｋＷｓであることがより好ましい。また、導体膜２は、基板１の両面から同時にスパッタリング法により形成した方がストレスや熱の影響が少なくて好ましい。また、スパッタリング時の熱を低減するため、一定厚さ毎にワークの成膜面を変え、数回に分けて成膜することにより導体膜をワーク両面に形成してもよい。
【００４０】
なお、上記図２Ｄに示した状態では、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４は、導体が被覆された凸部からなるパターンであり、電気的なアンテナパターンとして機能しない。そこで、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を電気的なアンテナパターンとするため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２を剥離する。放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２の剥離は、機械的な手段、例えば、研削や研磨作業により行うことができる。この際、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を形成する凸部を被覆する導体膜２と凸部の先端部を同時に除去することにより、凸部の高さと基板１の導体被覆面５を被覆した導体膜２の高さをほぼ同じにすることができる。もちろん、後述するように導体膜のみを剥離してもよい。製造の容易性の観点から、凸部の先端部と導体膜を同時に除去することが好ましい。この際、スロット径が変化しないように凸部は柱状であることが好ましい。なお、放射面の平坦性が充分でないと研磨は偏ってしまいうまく剥離できないため、上記の表面アンテナの製造工程で、基板が変形しないようにすることが好ましい。
【００４１】
そして、導体膜２を形成する前に、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４と導体膜との密着力を下げるための処理（以下において、単に密着力低下処理とも記す。）を行った場合は、導体膜のみを簡単に剥離することができる。上記密着力低下処理としては、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４に、顔料インクなどの離型剤を塗布する方法や紫外線を照射する方法などを用いることができる。なお、紫外線照射を行う場合、樹脂からなる誘電体で構成される基板は、ある程度のエネルギー（所定量の紫外線照射量）の紫外線を照射することにより基板表面が改質され、導体膜に対する密着力が向上するため、上記基板密着力低下処理工程では、上記密着力が向上する紫外線照射量よりも多量の紫外線の照射を行うことで、基板表面と導体膜との密着力を低下させる。具体的には、基板に対する紫外線の照射時間を長くすれば良い。例えば、波長が１８５ｎｍの紫外線照射用ランプを用い、このランプと基板１との距離を５ｃｍ離間させた状態で、照度が約１５ｍＷ／ｃｍ2の紫外線照射を５分間行う。上記のように導体膜を形成した後、有機溶剤などによる超音波洗浄又は粘着テープなどの接着力を用いて、手作業で導体膜を簡単に剥離することができる。
【００４２】
上記のように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を被覆した導体膜２を剥離することにより、図２Ｅに示すように、基板１上の所定の領域に形成されたスロットパターン３及び給電用スロットパターン４以外の、基板１の導体被覆面５を被覆する導体膜２が形成される。
【００４３】
＜保護膜の形成＞
次いで、上記で得られた導体膜が被覆されたワークに対し、図２Ｆに示すように、放射用スロットパターン３が形成されている主面と側面側だけに、スパッタリング法で保護膜６を形成して、平面アンテナ１００を得る。なお、スパッタリングには、上述した導体膜２の形成時に用いたスパッタリング装置を用い、スパッタリングレートは、例えば０．１〜０．５ｎｍ／ｋＷｓとする。
【００４４】
保護膜を窒化シリコンで構成する場合は、スパッタリングターゲットとしてはシリコンを用い、スパッタリング装置に、ガス流量が異なる窒素ガスとアルゴンガスを共に導入し、アルゴンガスの流量は、例えば、１０〜１００ｓｃｃｍにし、窒素ガスの流量は１０〜１００ｓｃｃｍにする。また、放電安定性の観点から、窒素ガスの流量とアルゴンガスの流量の比は、０．５〜３であることが好ましい。
【００４５】
保護膜を酸化シリコンで構成する場合は、スパッタリングターゲットとしてはシリコンを用い、スパッタリング装置に、ガス流量が異なる酸素ガスとアルゴンガスを共に導入し、アルゴンガスの流量は、例えば、１０〜１００ｓｃｃｍにし、酸素ガスの流量は１０〜１００ｓｃｃｍにする。また、放電安定性の観点から、窒素ガスの流量とアルゴンガスの流量の比は、０．５〜３であることが好ましい。
【００４６】
本発明の平面アンテナの製造方法によれば、導体膜と保護膜をスパッタリング法で形成することにより、低い技術閾値と、短縮された作業工程時間で、電波特性を良好に保ちつつ、耐環境性能にも優れる平面アンテナを作製できる。また、金型成形によりすべてのスロットの寸法及び位置関係を高い精度で均一化することができるので、指向性の鋭い、特性の良好なアンテナを得ることができる。また、量産性にも優れる為、製造コストの削減をもたらすことができる。
【００４７】
以上において、スロットアンテナを例として示したが、例えば、パッチアンテナではスロットパターンが導体膜として構成されるだけで、その他においてはスロットアンテナと同様の構成を示しており、製造方法にも変わりは無い。
【００４８】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
＜所定のパターンが形成された基板の準備＞
まず、図２Ａに示すように、シクロオレフィンポリマー樹脂で構成される平板基板７（厚さ１．２ｍｍ、直径６０ｍｍ）と、放射用スロットパターン３に対応する凹部８を有する金型９と、給電用スロットパターン４に対応する凹部１０を有する金型１１とを用意し、金型９の凹部８が形成されている面と、金型１１の凹部１０が形成されている面との間に、平板基板７を配置した。このとき、基板１の完成時に放射用スロットパターン３と給電用スロットパターン４の中心位置が合うように金型９及び金型１１の位置を調整した。
【００５１】
そして、平板基板７と、金型９及び金型１１とを密着させ、図２Ｂに示すように、熱ナノインプリント装置（図示せず）により、金型９の上面側及び金型１１の下面側から平板基板７に対して、所定の熱と圧力１２を同時に加えた。具体的には、１７０℃で３０ｋＮの圧力を加えた。これにより、金型９の凹部８に対応する放射用スロットパターン３及び金型１０の凹部９に対応する給電用スロットパターン４をそれぞれ平板基板７の上面及び下面に転写させた。
【００５２】
上記の転写終了後、金型９及び金型１１を取り除き、図２Ｃに示すように、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１を得た。得られたワークは、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの円盤状であった。
【００５３】
＜導体膜の形成＞
まず、導体膜を形成する前に、放射用スロットパターン及び給電用スロットパターンと導体膜との密着力を下げるため、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４を形成する凸部に離型剤を塗布した。
【００５４】
ワーク表面に対して導体膜を形成する装置として、以下のようなスパッタリング装置を用いた。スパッタリング装置は、ワークを導入して適切な位置に設置するためのキャリアを備えている。また、スパッタリング装置は、大気からの荒引きを行うロードロック室と実際にスパッタリング成膜を行う成膜室から成るが、キャリアにはこの２つの部屋間を移動するための移動機構が備わっている。また、図３に示しているように、キャリア５１内には、パレット５２と呼ぶ、ワークを固定する面５３を１２０ｒｐｍまで回転させる機構があり、かつギアの連結によってパレット５２自身を自転させることができる。即ち、キャリア５１の回転機構であるパレット５２により、ワークは成膜中にターゲット材料とある時間間隔をもって対向非対向を繰り返すとともに、その間ワーク自身もキャリア５１の回転を受けて回転している。またギアと連動してパレット５２内でワーク自身も自転している。ここでワークのパレット５２に対する固定方法をワークとパレット５２が接する面だけにしている。即ち、ワーク側面には固定用の治具が無いようにしている。スパッタリングによる成膜は通常スパッタリングターゲットから対向した面にしか材料が成膜されないが、上記のようにすることにより、ワークは成膜中に高速回転しているため、薄くではあるがワーク側面にもスパッタリングターゲットを付着させることができる。
【００５５】
上記のスパッタリング装置を用い、以下のように、銅で構成される導体膜２を形成した。まず、スパッタリングターゲットとして９９．９９％の純銅を用い、プロセスガスとしては高純度アルゴンガスを用い、そのガス流量は１００ｓｃｃｍにした。なお、スパッタリングレートは０．８ｎｍ／ｋＷｓであった。スパッタリングはワークの両面に対して行い、スパッタリング時の熱を低減するため５００ｎｍ厚さ毎にワークの成膜面を変え、２回づつ成膜することにより膜厚が１μｍの銅で構成される導体膜をワーク両面に形成した。なお、上記のようにワークの両面に対して銅で構成される導体膜２が成膜されている間に、ワークの側面にも導体膜２が成膜されていることを確認した。次に、放射用スロットパターン３及び給電用スロットパターン４の凸部に付着した導体膜２をスクライバーで取り除いた。上述したように凸部には導体膜を形成する前に離型剤を塗布しておいたため、簡単な手作業でも取り除く(剥離する)ことができた。
【００５６】
＜保護膜の形成＞
続いて、上記で得られたワークの放射用スロットパターンが形成されている面側だけに、スパッタリング法で、膜厚が２ｎｍの誘電体薄膜を保護膜６として形成し、平面アンテナ１００を得た。上記において、スパッタリングターゲットとしては９９．９９％のシリコンを用い、スパッタリング装置に窒素ガスとアルゴンガスを共に導入し、ガス流量はアルゴンガス５０ｓｃｃｍに対して窒素ガスは３０ｓｃｃｍとした。上記のように形成した保護膜は、窒化シリコンで構成されている。
【００５７】
（実施例２）
保護膜形成時に、スパッタリング装置に３０ｓｃｃｍの酸素ガスと５０ｓｃｃｍのアルゴンガスを共に導入した以外は、実施例１と同様にして、平面アンテナを得た。実施例２において、保護膜は、酸化シリコンで構成されている。
【００５８】
（実施例３）
保護膜の膜厚を５０ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例３の平面アンテナを得た。
【００５９】
（実施例４）
保護膜の膜厚を１００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例４の平面アンテナを得た。
【００６０】
（実施例５）
保護膜の膜厚を２００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、実施例５の平面アンテナを得た。
【００６１】
（比較例１）
保護膜の膜厚を０．５ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、比較例１の平面アンテナを得た。
【００６２】
（比較例２）
保護膜の膜厚を５００ｎｍにした以外は、実施例２と同様にして、比較例２の平面アンテナを得た。
【００６３】
実施例及び比較例の平面アンテナと、アルミ材で構成される給電構造物とを銀ペーストにて構造的、電気的に接続させた後、下記のように環境試験、基板変形及びアンテナ特性測定を行い、その結果を下記表１に示した。上記において、接続に関しては少なくともアンテナ表面の導体膜と給電構造物とが銀ペースと接するようにした。なお、銀ペーストで平面アンテナと給電構造物を接触させたのは、銅で構成された導体膜とアルミ材で構成された給電構造物の直接接触による電蝕を防止するためである。
【００６４】
〔環境試験〕
温度６０℃、相対湿度（ＲＨ）９０％の条件下で、１週間保存した後、放射用スロットパターンが形成された側のアンテナの表面を顕微鏡（キーエンス製）で観察し、導体膜の腐食の有無について判断した。
【００６５】
〔基板変形〕
キーエンス製レーザー変位計を用いて基板変形を測定した。なお各測定点への移動は回転ステージとｘ軸ステージを組合せることによりアンテナ面全体を測定できるようにした。
【００６６】
〔アンテナの電波特性〕
アンテナの電波特性は、アンテナ利得で示しており、具体的には、以下のように測定した。
【００６７】
＜測定系の準備＞
ミリ波帯でのアンテナ測定のために、電波暗室内に送受信機を配置し、送受信アンテナ部が互いに対向位置となるように設置した。また送信機入力部に別に用意したカメラからの出力信号を、受信機出力信号をモニター入力端子に繋げた。
【００６８】
＜アンテナ利得の測定＞
まず、準備した測定系のチェックのため、送受信機のアンテナ部にアンテナ利得の基準となるホーンアンテナを設置し、更に送受信アンテナの間にミリ波帯仕様のパワーメータを配置し、送受信のチェックを行った。次に、上記送信側ホーンアンテナにアッテネーターを配置し、アッテネーター値を増やしながら送受信が正しく出来なくなる量を調べた。具体的にはモニター画面が正常に映らなくなる点を閾値とした。ホーンアンテナの利得は分かっているため、以上により測定系の利得基準値が分かった。次に、ホーンアンテナの代わりに実施例及び比較例のアンテナを設置し、同様にしてアッテネーター値を調べることによりアンテナ利得を調べた。得られた実施例及び比較例のアンテナ利得を、測定系の利得基準値と比較して、アンテナ電波特性の低下量とした。
【００６９】
【表１】
【００７０】
また、図４に、環境試験後における比較例１の平面アンテナの表面を示す顕微鏡写真（倍率５００倍）を示した。図４から分かるように、比較例１の平面アンテナの表面の一部に銅の錆び６１が出てきた。具体的データを示してないが、保護膜を他の誘電体材料で構成した場合でも、保護膜の膜厚が１ｎｍ未満であると同様の結果が得られた。これは、保護膜の膜厚が１ｎｍ未満であると、保護膜がアンテナ上に一様に形成されなかったためであると考えられる。
【００７１】
上記表１から分かるように、実施例の平面アンテナは、温度６０℃、相対湿度（ＲＨ）９０％の条件下で、１週間保存した後でも導体膜の腐食がなく、アンテナの電波特性も良好である。一方、保護膜の厚みが１ｎｍ未満である比較例１では、平面アンテナ表面の一部において、導体膜が腐食している。また、保護膜の厚みが２００ｎｍを超える比較例２では、基板の変形が大きく、アンテナの電波特性が低下している。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の平面アンテナは、ミリ波帯（周波数３０乃至３００ＧＨｚ、波長１乃至１０ｍｍの電波）に適した小型な平面アンテナである。特に、大容量で低コストな多様な無線システムに適用可能である。具体的には、本発明の平面アンテナは、例えば、自動車衝突防止用のレーダ、短距離通信システム、無線ＬＡＮ、及び家庭の屋内配線の無線化などに好適である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 基板
２ 導体膜
３ 凸部からなる放射用スロットパターン
４ 凸部からなる給電用スロットパターン
５ 導体被覆面
６ 保護膜
７ 誘電体の平板基板
８ 放射用スロットパターンに対応する凹部
９ 放射用スロットパターン用金型
１０ 給電用スロットパターンに対応する凹部
１１ 給電用スロットパターン用金型
１２ 熱ナノインプリント時の加圧方向
５１ キャリア
５２ パレット
５３ ワークを固定する面
６１ 銅の錆び
１００ 平面アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体で構成される基板と、前記基板上に形成された所定のパターンと、前記所定のパターン以外の前記基板の表面を被覆する導体膜と、保護膜とを備える平面アンテナであって、
前記所定のパターンは、放射用スロットパターンを含み、前記放射用スロットパターンは、前記基板の一方の主面に形成されており、
前記保護膜は、前記放射用スロットパターン、前記放射用スロットパターンが形成された前記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び前記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に形成されており、
前記保護膜は、膜厚が１〜２００ｎｍであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記保護膜は、誘電体で構成されている請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記保護膜は、シリコンを含む誘電体で構成されている請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の平面アンテナの製造方法であって、
所定のパターンが形成された基板を準備する工程と、
スパッタリング法で導体膜を形成する工程と、
スパッタリング法で保護膜を形成する工程とを含むことを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１】
誘電体で構成される基板と、前記基板上に形成された所定のパターンと、前記所定のパターン以外の前記基板の表面を被覆する導体膜と、保護膜とを備える平面アンテナであって、
前記所定のパターンは、放射用スロットパターンを含み、前記放射用スロットパターンは、前記基板の一方の主面に形成されており、
前記保護膜は、前記放射用スロットパターン、前記放射用スロットパターンが形成された前記基板の一方の主面を被覆する導体膜、及び前記基板の側面を被覆する導体膜のそれぞれの上に形成されており、
前記保護膜は、膜厚が１〜２００ｎｍであることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記保護膜は、誘電体で構成されている請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記保護膜は、シリコンを含む誘電体で構成されている請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の平面アンテナの製造方法であって、
所定のパターンが形成された基板を準備する工程と、
スパッタリング法で導体膜を形成する工程と、
スパッタリング法で保護膜を形成する工程とを含むことを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−５４８２６（Ｐ２０１２−５４８２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６８２４（Ｐ２０１０−１９６８２４）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
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