JP2005109870A

JP2005109870A - 繊維強化樹脂アンテナ

Info

Publication number: JP2005109870A
Application number: JP2003340476A
Authority: JP
Inventors: Susumu Katagiri; 片桐　　進; Takeshi Morimoto; 剛森本
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】導電性が高くかつ導電性に関する異方性が小さいために受発信の効率が高く、その変動が少なく安定し、強度が大きくかつ耐久性の大きい繊維強化樹脂アンテナを提供する。
【解決手段】繊維径０．５〜３００ｎｍ、繊維長１０００μｍ以下、アスペクト比３〜５００を有する、筒状の炭素層が重なり合う多層構造を有し、その中心軸が空洞構造の微細炭素繊維１〜８０質量％と、樹脂９９〜２０質量％とを含む混合物の成形物からなり、好ましくは体積抵抗率が１０^９Ω・ｃｍ以下であり、衝撃強度が０．１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上である繊維強化樹脂アンテナ。
【選択図】なし

Description

本発明は、繊維強化樹脂アンテナ、更に詳しくは、導電性が高くかつその異方性が小さいために受発信の効率が高く、かつその変動が小さく安定し、更に軽量であるにも拘わらず強度が大きく、かつ耐久性、耐候性の大きい繊維強化樹脂アンテナに関する。

マイクロ波、ミリ波を利用する、携帯機器、車両、船舶、航空機、人工衛星などの各種移動体通信、インターネット通信、宇宙通信、放送、レーダーなどの送受信、衛星によるテレビ放送の受信用などのアンテナとして、ロッド状アンテナ、パラボラアンテナ、ループアンテナなどの各種のアンテナが現在広く使用され、今後益々高性能のものが要求されようとしている。また、アンテナのサイズも携帯機器用の極めて小さいものから宇宙通信用などの極めて大きいものまで用途に応じてさまざまである。

従来、これらのアンテナとして、鉄やアルミニウムなどの金属製のものが使用されていたが、金属製のものは、重量の関係で問題であるばかりでなく、その成形上も困難な場合がある。近年では、軽量化及び成形性も有利なために、ガラス繊維などで補強した強化樹脂製のアンテナも広く使用されている。しかし、樹脂製のアンテナは、導電性を付与するために、成形品の表面に金属溶射、スパッタリングなどにより導電性膜を形成する必要があった。しかし、これらの導電性膜と樹脂とは必ずしも接着性がよいものではなく、剥離防止のために境界面を前処理したり、皮膜塗装などを設けなければならず、煩雑な作業を要し、コストが高くなる問題を有している。

一方、樹脂の補強繊維として、カーボンブラックなどの炭素粒子、炭素繊維などの導電性物質を添加することにより樹脂成形品自体に導電性をもたしめ、上記の問題を避ける樹脂アンテナも知られている。（特許文献１、特許文献２、特許文献３など参照）しかし、この樹脂アンテナは、必ずしも特性がよいものではない。その主な理由は、導電性物質自体が高い導電性を有するものでない上に、導電性物質は樹脂中に必ずしも均一に分散していないために異方性を有することに起因するものと思われる。
特開昭５９−２０１５０５号公報特開昭５９−２２３００７号公報特公平８−４２０４号公報

本発明は、従来技術では達成が困難であった、導電性が高くかつその異方性が小さいために受発信の効率が高く、かつその変動が小さく安定し、更に軽量であるにも拘わらず強度が大きく、かつ耐久性、耐候性の大きい繊維強化樹脂アンテナの提供を目的とする。

また、本発明は、宇宙通信、放送、レーダーなどの送受信から各種の移動体通信に使用される大中の大きさのアンテナから、集積回路やマイクロチップなどに組み込み可能な極めて微小なサイズでも優れた機能を発揮するマイクロアンテナの提供を目的とする。

本発明者は、上記の目的を達成すべく研究を重ねたところ、以下を要旨とする本発明により上記目的が達成されることが見出された。
（１）繊維径０．５〜３００ｎｍ、繊維長１０００μｍ以下、アスペクト比３〜５００を有する、筒状の炭素層が重なり合う多層構造を有し、その中心空洞構造を有する微細炭素繊維１〜８０質量％と樹脂９９〜２０質量％とを含む混合物の成形物からなることを特徴とする繊維強化樹脂アンテナ。
（２）成形物の体積抵抗率が１０^９Ω・ｃｍ以下であり、衝撃強度が０．１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上である上記（１）に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
（３）微細炭素繊維が、気相法による炭素繊維及び／又はカーボンナノチューブである上記（１）又は（２）に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
（４）樹脂が、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー、又はそれらのブレンドである上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
（５）アンテナが、ロッド状アンテナである上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
（６）アンテナが、パラボラアンテナである上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
（７）アンテナが、集積回路やマイクロチップに組み込まれるマイクロアンテナである上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。

本発明により提供されるアンテナは、導電性が極めて高く、強度が大きい微細炭素繊維がアンテナを構成する成形物内にランダムな方向に均一に分散されて含有されているので、高い送受信効率を有し、かつ方向に異方性がなく、安定し他特性を有する。微細炭素繊維で強化された樹脂成形物からなるアンテナは、軽量であり、衝撃強度などの機械的強度が大きい、また、耐候性が高く、風雨や太陽光による劣化が小さく、更には、微細炭素繊維で強化された樹脂は、成形性がよく、容易に成形できるので大量生産ができ、コストも安い。

かくして本発明によれば、携帯機器、車両、航空機、ミサイルなどの各種移動体通信、宇宙通信などに有利に使用される大中サイズのロッド状アンテナ、ループアンテナ、パラボラアンテナなどの各種のアンテナから、集積回路やマイクロチップなどに組み込み可能な極めて微小なサイズでも優れた機能を発揮するマイクロアンテナが提供される。

本発明で使用される微細炭素繊維としては、繊維径０．５〜３００ｎｍ以下、繊維長１０００μｍ以下、アスペクト比３〜５００を有する、筒状の炭素層が重なり合う多層構造を有し、その中心軸が空洞構造の微細炭素繊維が使用される。かかる微細炭素繊維は、従来のPAN、ピッチ、セルロースなどの繊維を熱処理した炭化することによって得られる、繊維径が５〜１０μｍの所謂有機系カーボンファイバーとは大きく異なるものである。本発明で使用される微細炭素繊維は、有機系カーボンファイバーと比べて繊維径や繊維長さが異なるだけでなく、構造的にも、筒状の炭素層が重なり合う多層構造を有し、その中心空洞構造を有する点で大きく異なる。導電性、熱伝導性、摺動性などの物性の点で極めて優れるものである。

本発明で使用される微細炭素繊維は、その繊維径が３００ｎｍより大きい場合、また、繊維長１０００μｍより大きい場合には、アンテナの表面が凸凹が生じたり、組成が不均一になり、いずれも本発明の目的を達成できない。なかでも、本発明で使用される微細炭素繊維は、繊維径が１０〜２００ｎｍ、繊維長が５０〜２００μｍ、アスペクト比が５〜３００を有するものが特に好ましい。

本発明で使用される好ましい微細炭素繊維は、気相法による炭素繊維、及び／又はカーボンナノチューブである。気相法炭素繊維は、VGCF（Vapor、Grown Carbon Fiber）とも呼ばれ、特開２００３−１７６３２７号公報に記載されるように、炭化水素などのガスを有機遷移金属系触媒の存在下に水素ガスとともに気相熱分解することによって製造される。この気相法炭素繊維はさらに好ましくは２５００〜３２００℃で黒鉛化処理したものが好ましい。気相法炭素繊維は繊維径が好ましくは５０〜３００ｎｍ、繊維長が好ましくは５０〜２００μｍ、アスペクト比は、好ましくは３〜５００のものが好ましい。

また、本発明で使用されるカーボンナノチューブは、グラファイトウイスカー、フィラメンタスカーボン、炭素フィブリルなどとも呼ばれているもので、チューブを形成するグラファイト膜が一層である単層カーボンナノチューブと、多層である多層カーボンナノチューブとがあり、本発明ではそのいずれも使用できる。しかし、単層カーボンナノチューブの方が高い導電性や機械的強度の成形物が得られるので好ましい。

本発明で使用されるカーボンナノチューブは、例えば、「カーボンナノチュ−ブの基礎」（コロナ社発行、２３〜５７頁、１９９８年発行）に記載されるようにアーク放電法、レーザ蒸発法及び熱分解法などにより製造される。カーボンナノチューブは、繊維径が好ましくは０．５〜１００ｎｍ、繊維長が好ましくは１〜５００μｍ、アスペクト比は好ましくは３〜５００のものが好ましい。

なお、本発明において微細炭素繊維の繊維径や繊維長は、電子顕微鏡により測定することができる。

本発明において微細炭素繊維は、樹脂と混合されるが、本発明で使用される熱可塑性樹脂としては、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン（６、６／６、６／１０、６／１２、１１１、１２など）、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリウレタン、フッ素樹脂などが挙げられる。

本発明で使用される熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。

本発明において微細炭素繊維と樹脂との混合比は重要であり、本発明では、微細炭素繊維の含有量が小さいにも拘わらず、導電性および機械的強度に優れたアンテナが得られることに特徴がある。従来の炭素粒子や炭素繊維の場合には、導電性を高めようとして含有量を増加させると機械的強度が著しく低下してしまう。かくして、微細炭素繊維と樹脂とは、微細炭素繊維１〜８０質量％と、樹脂９９〜２０質量％の混合比で混合される。微細炭素繊維の量が多すぎると成形やコーティングが困難になり、また、微細炭素繊維の量が少なすぎると導電性や強度が不足し、本発明の目的を達成できない。なかでも、微細炭素繊維と樹脂とは、微細炭素繊維３〜６０質量％と、樹脂９７〜４０質量％の混合比が好ましく、特には、微細炭素繊維４〜５０質量％と、樹脂９６〜５０質量％の混合比が好適である。

微細炭素繊維と樹脂とは充分に混合することが好ましいが、混合する手段としては、押し出し機、ロール、ニーダー、バンバリミキサー、ヘンシェルミキサー、プラネタリーミキサーなどの樹脂の分野で一般的に広く用いられる混合機、混練機を使用して均一に混合される。

本発明では、上記微細炭素繊維及び樹脂に加えて、機械的強度、導電性、成形性、耐久性、耐候性、硬度などを改善するために、繊維径が大きい従来の有機系炭素繊維、ガラス繊維、紫外線安定剤、酸化防止剤、滑剤、撥水剤、などを使用することができる。

本発明で微細炭素繊維と樹脂とを含む混合物を成形してアンテナを得るが、混合物を成形して直接最終形状のアンテナに製造することもできる。しかし、微細炭素繊維、樹脂、必要に応じて使用される上記した添加物を加えたものを予め混合、混練し、これを、顆粒、ペレット、タブレットなどを製造し、これを使用して最終的なアンテナに成形することもできる。また、樹脂を溶剤に溶かした樹脂溶液又は液状樹脂と微細炭素繊維、必要に応じて使用される上記した添加物を加えたものを予め混練し、これを乾燥、又はゲル化させて得られるプリプレグとし、このプリプレグを使用して最終的なアンテナに成形することもできる。

微細炭素繊維と樹脂とを含む混合物の成形法としては、アンテナの種類に応じた種々の方法が使用できるが、射出成形、射出圧縮成形、圧縮成形、トランスファー成形などの一般的な成形法が使用できる。

更に、本発明では、微細炭素繊維と樹脂とを含む混合物からアンテナの製造は、金属製、合成樹脂製、又はセラミクス製の基材に対して、微細炭素繊維と樹脂を適宜の媒体に分散させた液状物を吹き付け若しくははけ塗りするか、または基材を上記液状物中に浸漬することにより、基材の表面に液状物を被覆することによっても行うことができる。この製造方法は、大型から中型の強度が必要とされるアンテナの製造に有利である。この場合の基材としては、剛性の大きい導電性の材料が使用される。

本発明では、このようにして得られる微細炭素繊維と樹脂とを含む混合物を成形して得られる成形物は、その体積抵抗率が１０^９Ω・ｃｍ以下であり、衝撃強度が０．１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上である場合に上記したような優れた特性を有するアンテナが得られる。ここで、衝撃強度は、イゾット衝撃強度としてＡＳＴＭ法Ｄ２５６に従って測定される。上記体積抵抗率が１０^９Ω・ｃｍより大きい場合には導電性が不足し、また、衝撃強度が０．１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍより小さい場合には強度が不足し、本発明の目的は達成できない。なかでも、成形物の体積抵抗率が好ましくは１０^７Ω・ｃｍ以下、特に好ましくは１０^６Ω・ｃｍ以下であり、衝撃強度が好ましくは０．５ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上、特に好ましくは、１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上である場合が特に好ましい。

本発明の繊維強化樹脂アンテナは、導電性が高くかつ導電性に関する異方性が小さいために受発信の効率が高く、その変動が少なく安定し、かつ軽量であるのに強度が大きく、かつ耐久性の大きい特性を有する。従って、本発明のアンテナは、携帯機器、車両、航空機、ミサイルなどの各種移動体通信、宇宙通信などに使用されるロッド状アンテナ、ループアンテナ、パラボラアンテナなどの各種のアンテナとして、また、集積回路やマイクロチップなどに組み込み可能な極めて微小なサイズでも優れた機能を発揮するマイクロアンテナとして広く使用できる。

Claims

繊維径０．５〜３００ｎｍ以下、繊維長１０００μｍ以下、アスペクト比３〜５００を有する、筒状の炭素層が重なり合う多層構造を有し、その中心軸が空洞構造の微細炭素繊維１〜８０質量％と、樹脂９９〜２０質量％とを含む混合物の成形物からなることを特徴とする繊維強化樹脂アンテナ。
成形物の体積抵抗率が１０^９Ω・ｃｍ以下であり、衝撃強度が０．１ｋｇ・ｃｍ／ｃｍ以上である請求項１に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
微細炭素繊維が、気相法による炭素繊維、カーボンナノチューブ、及び炭層フィブリルからなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項１又は２に記載の請求項１に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
樹脂が、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー、又はそれらのブレンドである請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
アンテナが、ロッド状アンテナである請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
アンテナが、パラボラアンテナである請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。
アンテナが、集積回路やマイクロチップに組み込まれるマイクロアンテナである請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂アンテナ。