JP2004153135A

JP2004153135A - 電磁波吸収体

Info

Publication number: JP2004153135A
Application number: JP2002318280A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Narita; 毅成田; Yutaka Kagawa; 豊香川; Mitsuo Yamamoto; 光雄山本
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】入射する電磁波の反射が少なく、しかも入射角度に関わらず優れた電磁波吸収性能を有する電磁波吸収体を提供する。
【解決手段】第１の誘電材料からなるマトリックス中に、第２の誘電材料からなる一定形状の散乱体が複数、周期的に配列していることを特徴とする電磁波吸収体。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不要な電磁波を吸収するために用いられる電磁波吸収体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度道路通信システム（ＩＴＳ）の一つある自動車走行支援システム（ＡＨＳ）では、各車輌に搭載されたレーダ等の検出装置が道路の各所に設置されたレーンマーカを検出し、走行経路を予測し、行路からの逸脱時や障害物の出現時に運転者へ危険を知らせるなどして安全な走行を支援するものである。このようなＡＨＳにおいては、走行中の車両が対象であるので比較的高い周波数（一般に３０ＧＨｚ）の電磁波が利用されるが、この比較的高周波の電磁波はビル壁や道路の防護壁、トンネルの内壁、ガードレール等によって乱反射しやすく、不要な電磁波が発生する。この不要な電磁波が車輌の受信器に受信されると、誤った発信源からの情報と誤認され、走行に危険を生じる可能性がある。
【０００３】
そこで、誤動作の原因となる不要な電磁波を吸収する目的で、電磁波吸収体が用いられている。電磁波の吸収機構は、（Ａ）抵抗損失、（Ｂ）誘電損失、（Ｃ）磁性損失に大別されるが、誘電損失により電磁波を吸収する誘電体を用いた電磁波吸収体が主流となっている。
【０００４】
ところで、電磁波吸収体に電磁波が入射すると、図７に示すように、大気中から電磁波吸収体１００に入射した電磁波の一部は電磁波吸収体１００の表面１０１で反射する。この反射は電磁波が異なる物質間を通過する際に必ず生じる。一方、反射しなかった電磁波は電磁波吸収体１００の内部に浸透し、減衰しながら電磁波吸収体１００の裏面１０２に達する。そして、減衰せずに残った一部の電磁波は反射波となって電磁波吸収体１００の内部を逆行し、電磁波吸収体１００の表面１０１から外界に出る。また、残りの電磁波は電磁波吸収体１００の裏面１０２を出て外界へ透過する。この電磁波吸収体１００の裏面１０２からの透過は、裏面１０２に金属板１１０のような完全反射体を配置することで防止することが可能である。しかし、その一方で反射波が多くなり、電磁波吸収体１００の表面１０１から外界に出る電磁波の量が多くなる。この電磁波吸収体１００の表面１０１から出てくる電磁波を吸収する有効な方法はなく、裏面１０２で反射して表面１０１から外界に出てくる他の反射波によって干渉させる他にない。
【０００５】
そこで、材料から電磁波の吸収性能を改善することも行われており、通常は、誘電損失の大きな材料を用いて電磁波吸収体内部での電磁波の減衰量を高めることが行われている。また、誘電損失粉体と繊維とをバインダーで結着した複合材料で形成した電磁波吸収体も知られている（例えば、特許文献１参照）。この複合材料からなる電磁波吸収体は、誘電損失体粉末の誘電損失作用と、繊維間に形成される複雑な空隙による電磁波散乱吸収作用とにより、電磁波の吸収性能を高めている。
【特許文献１】
特開平８−１８１４８２号公報
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の複合体からなる電磁波吸収体では、繊維と誘電損失粉体とがランダムで、空隙の大きさも一様ではないため、電磁波の散乱効果にムラがある。また、構造骨格を形成する繊維は一般に誘電率が低いため、電磁波が透過しやすく、電磁波の散乱そのものが起こり難い。一般に、誘電率が高い材料からなる電磁波吸収体では、表面で反射しやすく、電磁波が内部に浸透し難いため、上記の複合体からなる電磁波吸収体でも反射が起こり電磁波の散乱が更に起こり難くなる。このような反射は、電磁波が電磁波吸収体に対して斜めに入射した場合により顕著となる。更には、ＡＨＳ等に用いられる比較的高い周波数の電磁波に対する吸収性能にも劣っている。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、入射する電磁波の反射が少なく、しかも入射角度に関わらず優れた電磁波吸収性能を有する電磁波吸収体を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、第１の誘電材料からなるマトリックス中に、第２の誘電材料からなる一定形状の散乱体が複数、周期的に配列していることを特徴とする電磁波吸収体を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電磁波吸収体に関して図面を参照して詳細に説明する。尚、以降の説明において、断面図は何れも電磁波の入射面と直交する面を示してある。
【００１０】
図１に斜視図にて示すように、本発明の電磁波吸収体は、第１の誘電材料からなるマトリックス１０に、第２の誘電材料からなる一定形状の散乱体２０が複数、周期的に、即ちある特定の間隔で規則的に配列されている。散乱体２０の配列方法は制限されるものではなく、同図（ａ）に示すように、平板状のマトリックス１０と平板状の散乱体２０とが交互に積層した配列（一次元配列）、同図（ｂ）に示すように、マトリックス１０に、円筒状の散乱体２０が複数、等間隔で層状に形成された配列（二次元配列）、同図（ｃ）に示すように、マトリックス１０に、球状の散乱体２０が複数、等間隔で分散した配列（三次元配列）等が可能である。尚、図１（ａ）の電磁波吸収体では、マトリックス１０の平面部分が電磁波の入射面１１となり、図１（ｂ）の電磁波吸収体では、分散体２０の軸線と対面する面が電磁波の入射面１１となる。また、図１（ｃ）の電磁波吸収体では、入射面は特定されない。これらの電磁波吸収体の中では、各方向からの入射波に対しても散乱効果が同様であり、且つ、一方向からの入射波に対して当る箇所で散乱方向が異なり、複雑な散乱効果が望める球形状（三次元配列）、円柱形状（二次元配列）が好ましい。
【００１１】
また、図１（ｂ）の電磁波吸収体における散乱体２０は円筒状の他に、断面形状が楕円、半円、三角形、四角形、多角形、不定形等の柱状体とすることができる。図１（ｃ）の電磁波吸収体における散乱体２０も、球状の他に楕円球、半円球、三角錐、立方体、多面体、不定形の立体等とすることもできる。更に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の各電磁波吸収体における散乱体２０の配列様式は、図２（ａ）に示すような三角格子や、図２（ｂ）に示すような四角格子とすることができ、更には図示は省略するが、蜂の巣格子等とすることも可能である。
【００１２】
これらの電磁波吸収体の中では、散乱体２０が円柱状である図１（ｂ）に示した電磁波吸収体及び散乱体２０が球状である図１（ｃ）に示した電磁波吸収体が、各方向からの入射電磁波に対しても散乱効果が同様であり、且つ、一方向からの入射電磁波に対して複雑な散乱効果が望めることから、特に好ましい。
【００１３】
マトリックス１０及び散乱体２０を形成する材料は誘電材料であれば、その種類（複素比誘電率）は特に制限されない。また、マトリックス１０及び散乱体２０は緻密質であっても多孔質であっても構わない。但し、多孔質である場合は多孔質を構成する骨格材料及び気孔のサイズが、吸収対象の電磁波によって散乱効果を持たないサイズであることが必要である。吸収対象の電磁波の波長のおよそ１／１０〜１／１００以下である物質はほとんど散乱に寄与しないことがわかっている。
【００１４】
また、マトリックス１０、散乱体２０の一方が空気であっても良い。マトリックス１０が空気のときは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した電磁波吸収体が可能であり、具体的には図１（ａ）に従えば板状の散乱体２０を並べたフィン状の電磁波吸収体となり、図１（ｂ）に従えば散乱体２０が櫛状に並んだ電磁波吸収体となる。一方、散乱体２０が空気である場合には図１（ａ）〜（ｃ）に示した電磁波吸収体が可能であり、具体的には図１（ａ）に従えば板状のマトリックス１０を並べたフィン状の電磁波吸収体なり、図１（ｂ）に従えば貫通気孔が形成された電磁波吸収体となり、図１（ｃ）に従えば独立気孔が形成された電磁波吸収体となる。このように、散乱体２０を空気とする場合は、軽量化及びコストの削減が図られる。
【００１５】
上記の如く構成される本発明の電磁波吸収体では、図３に示すように、入射した電磁波がマトリックス１０に浸透すると、入射面近傍の散乱体２０により散乱され、更に他の散乱体２０により散乱され、散乱を重ねる間に減衰していく。従って、電磁波が散乱体２０に確実に衝突するように、電磁波の波長（周波数）に応じて、単位周期配列Ａにおける各散乱体２０の大きさ（径）や間隔（図２のａ，ｂ）、単位周期配列Ａの厚み方向における繰り返し数、マトリックス１０及び散乱体２０の各誘電材料（特に、複素比誘電率）等を適宜調整、選択する必要がある。
【００１６】
例えば、散乱体２０のサイズを大きくしていくと、吸収対象の電磁波の波長になるまで散乱率が大きくなり、それ以後はあまり変化がない。従って、電磁波吸収体全体のサイズ、特にその厚さを小さくするためには、散乱体２０のサイズを吸収対象の電磁波の波長と同等とすることが好ましい。尚、散乱体２０のサイズと電磁波の波長が同等な場合の散乱の挙動は「ミー散乱」と呼ばれ、本発明においてもこのミー散乱によって散乱を繰り返すことによる減衰も可能である。
【００１７】
また、単位周期配列Ａの繰り返し数は多いほど良いが、３ないし４周期で十分であり、これを越しても電磁波の吸収性能の更なる向上は少なく、むしろ電磁波吸収体の厚みが厚くなるだけで設置に支障を来たすようになる。
【００１８】
また、マトリックス１０及び散乱体２０の複素比誘電率の調整は、吸収対象の電磁波の波長に比べてはるかに小さいサイズの誘電体や気孔を分散することで達成できる。
【００１９】
本発明の電磁波吸収体では、図３に示した吸収機構から理解されるように、入射する電磁波の反射がより少なく、マトリックス１０に浸透し易くさせることが好ましい。そのためには、電磁波吸収体の電磁波入射面近傍のマトリックス１０を他の部分よりも複素比誘電率を低くすることが有効である。あるいは、マトリックス１０の全体を複素比誘電率の低い材料で形成してもよい。また、この複素比誘電率の低い材料を用いることにより、マトリックス１０の内部での散乱がより起こりやすくなり、電磁波吸収効果が更に高まるという利点もある。具体的な材料としては、複素比誘電率（εｒ＝Ｒ−ｊＸ）の比誘電率（Ｒ）で１０以下、更には４以下、あるいは比誘電損失（Ｘ）が１以下の誘電材料でも使用することができる。一般的に、通常の電磁波吸収体では複素比誘電率が低くなると電磁波の吸収効果が低下するが、本発明のように一定形状の散乱体２０を複数、周期的に配列することで、例えばマトリックス１０に使用される材料の比誘電率（Ｒ）が１０以下でも十分な電磁波の吸収能力を得ることができ、更には４以下であっても電磁波の吸収効果に大きな低減が見られない。比誘電率と同様に比誘電損失（Ｘ）が１以下という電磁波の吸収能力が低い材料を使用した場合でも電磁波の吸収効果の低減が小さい。従って、本発明においては、電磁波の吸収能力が低い比誘電率が４以下という汎用的な材料であっても電磁波吸収体として使用することができ、材料の選択の自由度を向上させることができる。但し、マトリックス１０の複素比誘電率が低くなるほど電磁波の減衰効果が低下するため、散乱体２０の単位周期配列Ａの繰り返し数を増すなどの対処が必要になる場合もある。
【００２０】
更に、入射する電磁波の反射を抑えるために、図４に示すように、電磁波吸収体の電磁波入射面に凹部３０を形成することが有効である。この凹部３０は、散乱体２０が空気の場合には、電磁波入射面に最も近い散乱体２０を二分するようにマトリックス１０を水平に切断すればよい。
【００２１】
また、散乱体２０が空気で無い場合には、入射する電磁波の反射を抑えるために、図示は省略するが、電磁波吸収体の電磁波入射面に凸部を形成することも有効である。この凸部は、マトリックス１０に散乱体２０を収容できる空孔を形成した後、電磁波入射面に最も近い空孔を二分するようにマトリックス１０を水平に切断し、形成された凹部及びその他の空孔に散乱体２０を設置すればよい。
【００２２】
また、散乱体２０の配列様式において、隣接する散乱体２０の面方向の間隔ａと厚み方向の間隔ｂとを変える（ａ≠ｂ）ことも有効である（図２参照）、電磁波が斜め方向から入射しても、マトリックス１０に浸透した電磁波が散乱体２０により電磁波入射面の方向に反射された場合でも、隣接する散乱体２０によりマトリックス１０の内部側へと反射される可能性が高くなり、結果として反射される電磁波が少なくなる。
【００２３】
本発明の電磁波吸収体は、電磁波一般（３×１０^１８Ｈｚ以下）に適用でき、吸収対象の電磁波の波長に合わせてマトリックス１０や散乱体２０（空気以外）を形成する誘電材料を選択する。マトリックス１０や散乱体２０（空気以外）を形成する誘電材料は市場から入手可能であるが、極端に高い周波数の電磁波を吸収するには特殊な加工が必要になるため、加工の容易さを考慮すると電波（３ＴＨｚ以下）の領域を対象とすることが有効である。
【００２４】
また、高周波数の電磁波には小さいサイズの散乱体２０が配置され、低周波数の電磁波には大きなサイズの散乱体２０が配置されることから、電磁波入射面から順次サイズが大きくなるように散乱体２０を配置することにより、広い周波数にわたり電磁波を吸収できるようになる。
【００２５】
尚、本発明の電磁波吸収体の製造方法には制限がないが、例えば以下のようにして製造することができる。図１（ａ）に示した電磁波吸収体は、マトリックス１０を形成する板状の誘電材料と、分散体２０を形成する板状の誘電材料とを交互に積層することにより得られる。また、図１（ｂ）に示した電磁波吸収体は、マトリックス１０を形成する誘電材料からなるブロックに、ドリル等の切削工具により等間隔で貫通孔を設けることにより得られる。また、図１（ｃ）に示した電磁波吸収体は、マトリックス１０を形成する板状の誘電材料からなり、面上に半球状の凹部が形成されたブロック同士を複数層に重ね合わせることにより得られる。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
エポキシ樹脂に炭化ケイ素（ＳｉＣ）をその配合量を変えて配合し、下記に示す複素比誘電率となるように調整した誘電材料をブロック状に加工し、ドリルにより直径１０ｍｍの貫通孔を等間隔で平行に複数個開け、図１（ｂ）に示した構造を有し、空気（複素比誘電率εｒ＝１．０−ｊ０．００）を散乱体とした電磁波吸収体Ａを作製した。尚、貫通孔（分散体）の単位周期配列は、図２（ａ）に示したａ＝１４．０ｍｍ、ｂ＝１４．８ｍｍの三角格子とし、厚み方向に３列とした。

【００２８】
（比較例２）
実施例１と同様の誘電材料のブロックを用い、貫通孔を形成せずに電磁波吸収体Ｂとした。
【００２９】
（電磁波吸収試験）
電磁波吸収体Ａ，Ｂについて、電磁波の吸収を自由空間法によって測定した。即ち、平面波を放出する一組のアンテナの間に電磁波吸収体Ａ，Ｂを置き、ネットワークアナライザーを用いてＳパラメータ法によって測定した。尚、電磁波の波長は１０ｍｍ（周波数３０ＧＨｚ）とし、電磁波の入射角度を０°とした。
【００３０】
測定結果を図５に示すが、実線が実施例１の電磁波吸収体Ａであり、破線が比較例例１の電磁波吸収体Ｂによる結果である。同図から明らかなように、分散体を形成することにより、マトリックスの誘電率に関わらず優れた電磁波吸収性能が得られることがわかる。
【００３１】
（実施例２）
実施例１で作製した電磁波吸収体Ａの中で、複素比誘電率εｒが２．５−ｊ１．４×１０^−２の誘電材料をマトリックスとしたものを用い、同様の電磁波吸収試験を行った。但し、電磁波の入射角度を０°、１５°、３０°、４５°、６０°、７５°とした。
【００３２】
測定結果を図６に示すが、入射角度の変化による吸収率の変化が少ないことがわかる。
【００３３】
以上の結果から、本発明によれば、入射する電磁波の反射を抑える上で有利な、複素比誘電率の低い誘電材料を用いることができ、しかも入射角度に関わらず十分な電磁波吸収性能が得られることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射する電磁波の反射が少なく、また入射角度に関わらず優れた電磁波吸収性能を有する電磁波吸収体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電磁波吸収体の実施形態を示す模式図であり、（ａ）は分散体を一次元的に配置した例、（ｂ）は分散体を二次元的に配置した例、（ｃ）は分散体を三次元的に配置した例を示す。
【図２】二次元配列及び三次元配列における散乱体の配置様式を示す図である。
【図３】本発明の電磁波吸収体における電磁波吸収機構を説明するための図である。
【図４】本発明の電磁波吸収体の他の例を示す断面図である。
【図５】実施例１及び比較例１の各電磁波吸収体について電磁波吸収試験を行った結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の電磁波吸収体について電磁波吸収試験を行った結果を示すグラフである。
【図７】電磁波吸収体による電磁波の吸収機構を説明するための図である。
【符号の説明】
１０マトリックス
１１電磁波入射面
２０分散体
３０凹部

Claims

第１の誘電材料からなるマトリックス中に、第２の誘電材料からなる一定形状の散乱体が複数、周期的に配列していることを特徴とする電磁波吸収体。
散乱体が空気であることを特徴とする請求項１記載の電磁波吸収体。
電磁波入射面に多数の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電磁波吸収体。