JP2011103578A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】平板状部材よりなる積層板で構成した導波路が所望の性能を発揮するには、積層板に振動衝撃が作用し、温度変化がある環境においても積層板同士が密着しておく必要があり、積層板間に隙間や歪が生じない接合構造を得る。
【解決手段】送受信用アンテナ素子を有する平板状部材を含む複数の平板状部材が積層された積層部、及びこの積層部を押圧状態でベース台に組み付け固定する固定部材を備え、積層部の少なくとも一枚の平板状部材を、弾性部材で構成しこの弾性部材の弾性復元力によって各平板状部材を密着させるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、積層部に弾性部材を設けこの弾性部材の弾性力によって、各積層板の接触面に所望の面圧を発生させ積層板を密着させる平面アンテナにするものである。

従来の積層アンテナは、例えば図９、図１０に示すように、導体や誘電体よりなる平板状の積層板０１〜０４によってアンテナ素子２０１及び導波路２０（太線部）が形成され、さらに導波路を形成するベース台０５などで構成され、高周波回路でつくられた電磁波は、導波路２０を通って積層板０１のアンテナ放射面に伝送され、各アンテナ素子２０１から、空間に放射される。

上記の構成において、平板で構成した導波路２０を固定ネジやリベット１０で固定した場合、積層板０１〜０４の応力により、固定部以外の部分に浮きが生じ、積層板（導体や誘電体の接触面２１）の間に隙間ｇが形成されるので、例えば特許文献１（特許第３３５６８６６号）では、地導体面上のスロット板や基板をリベットで精度良く固定する製造方法が提案されている。

特許第３３５６８６６号公報

図９、図１０は、複雑な形状の導波路やアンテナを安価に構成する方法として、平板を積層する方法を用いた場合であるが、このような積層板で構成した導波路２０が所望の性能を発揮するには、積層板に振動衝撃が作用し温度変化がある環境においても積層板同士が密着しておく必要がある。

積層板間に隙間ｇがある状態で電磁波が導波路２０を伝送した場合、隙間ｇから電磁波が漏洩し、伝送損失が増えるばかりでなく、他の導波路とのアイソレーションが悪化する。又、これらの積層板でアンテナを構成した場合、積層板の隙間ｇから電磁波が漏洩することで、励振位相誤差が生じアンテナの指向特性が低下するという問題があった。
この問題を解決するためには、積層板間の隙間ｇを無くし、密着接触させて導通を確保する必要がある。

上述した特許文献１（特許第３３５６８６６号）では、地導体面上のスロット板や基板をリベットで固定する方法が採られているが、ネジやリベットによる固定では、部品点数が多くなるため、加工バラツキで隙間や歪が発生する確率が高くなる。そこでネジやリベットによる固定以外の接合方法として、積層板の接触面全体を接合する拡散接合が考えられるが、拡散接合においても加工に長時間を要し接合できる(導電性)材料が限定されるなどの問題や、異種金属間での接合が困難であるなどの問題がある。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、部品点数や加工時間を削減し、積層板間に隙間や歪を生じない接合構造を得ることを目的とする。又、接合後に剥離等の問題が無く、信頼性が高い固定手段を得ることを目的とする。

この発明に係わる平面アンテナは、送受信用アンテナ素子を有する平板状部材を含む複数の平板状部材が積層された積層部、及びこの積層部を押圧状態でベース台に組み付け固定する固定部材を備え、上記積層部の少なくとも一枚の平板状部材を、弾性部材で構成し、この弾性部材の弾性復元力によって上記各平板状部材を密着させるものである。

この発明の平面アンテナによれば、弾性部材例えば樹脂フィルムで構成した積層板の弾性復元力によって、導波路やアンテナを構成する各積層板の接触面に、所望の面圧を発生させることができるため、積層板導波路やアンテナに振動や衝撃が作用し温度変化がある環境においても、積層板間に隙間が生じず積層板同士を密着した状態で保持でき且つ接触面の導通が確保できるので、接触隙間からの電磁波漏洩を防止することができる。

又、リベット、ネジ等が不要となるため、部品点数や加工時間が削減できるとともに、リベットやネジの応力で発生する積層板間の浮きや歪が防止できる。又、積層板同士は面接触のみであるため、拡散接合などに比べ、導波路を構成する材料が限定されることなく、様々な導電材料を選ぶことができる。

この発明の実施の形態１における平面アンテナを示した斜視図である。 この発明の実施の形態１における平面アンテナの組み立て過程を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態２における平面アンテナを示した斜視図と、積層板の面圧状態を説明するための断面図である。 この発明の実施の形態２における平面アンテナの組み立て過程を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態３における平面アンテナを示した斜視図で、（ａ）は積層部端面を全面にわたり溶接した場合の例を、（ｂ）は部分的に溶接した場合の例を示したものである。 この発明の実施の形態３における平面アンテナの組み立て過程を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態４における平面アンテナを示した斜視図である。 この発明の実施の形態４における平面アンテナの斜視図で、（ａ）は組み立て過程を、（ｂ）は組み込み直前の状態を示す斜視図である。 従来の積層体導波路及びアンテナの組み立て過程を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は図（ａ）のＡ―Ａ線を矢印方向に見た断面図である。 図９のアンテナを組み立てた後の側断面図で、（ａ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ線を矢印方向に見た断面図、（ｂ）はその要部３０を拡大して示した断面図ある。

この発明に係わる各実施の形態における平面アンテナは、複数の平板状部材が積層された積層部を、固定部材によってベース台に押圧状態で組み付け固定する構成であり、さらに積層部の少なくとも一枚の平板状部材を、弾性部材（例えば弾力性を有する積層樹脂フィルム）で構成し、この弾性部材の上下面を加圧して弾性部材を弾性変形させることにより、その弾性復元力によって各平板状部材を密着させることを基本構成としている。

最上部の平板状部材は、弾性部材（積層樹脂フィルム）を加圧するために、平板（金属又は樹脂）、又は金属曲板で構成され、平板の端部又は金属曲板の曲率を持たない直線状端縁部を、その他の積層板と共に平面状のベース台に組み付けることにより固定される。又、最上部が金属曲板の場合、曲率を持たない直線状端縁部は、バネ、もしくは、カシメ
、溶着、圧入などの固定手段によって、金属又は樹脂で構成されたベース台への組み付け固定が行われる。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における平面アンテナを示す斜視図、図２は、この発明の実施の形態１における平面アンテナの製作過程を説明するための斜視図である。
図１、図２において、この実施の形態１にかかる平面アンテナは、アンテナ素子及び導波路を形成する導電性部材（金属）や誘電体部材（樹脂）よりなる四方形の平板状部材（以下「積層板」という）０１〜０４を複数枚積層することにより積層部が形成されている。
積層部の最上部に配置された積層板は、金属（以下「金属平板」という）で構成され、この金属平板０１には、スロット（アンテナ素子）２０１が設けられ空間への電磁波送受信用アンテナ素子を形成しており、又各積層板０２〜０４には、スリット３０１が設けられ、それらをベース台０５上に積層することで、積層板内に電磁波を伝送する導波管が形成される。
なお、アンテナ素子は、積層部の最上部に配置された積層板０１のスロット２０１により形成されるが、導波路は、形状や順路を自由に設定するために複数の積層板で形成され、断面形状や順路を変えるために、スリット３０１の幅や、長さが異なるもの、スリット３０１を長手方向に分割したものなど、積層板を複数枚重ねて用いる。
なおまた、この実施の形態１では、積層部の最上部に配置された平板状部材に金属平板０１を用いたが、導電被覆した硬質の樹脂で形成することもできる。

次に積層部の構成について詳述する。
この実施の形態１において導波路やアンテナは、２種類以上の積層板を組合せて構成するが、最上部の金属平板０１以外の積層板０２〜０４のうち、少なくとも１つの積層板を、樹脂フィルムなどの弾性体で構成する。
樹脂フィルムの材料としては、引っ張り強さが強く、適度な伸びもあり、良好な機械的特性を有する樹脂フィルムの中でも特に腰が強く、弾性回復性が優れており、加工技術の面からも取り扱いやすい、厚み０．１ｍｍ程度のＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)やＰＩ(ポリイミド)等を用いる。又、積層板０２〜０４が所望の厚さになる様に、積層板０２〜０４を複数枚の樹脂フィルムで各々を形成してもよい。

このように樹脂フィルムを配置した積層部は、積層部固定用治具（例えば図６の１２参照）で金属平板０１を押圧することにより積層部を圧縮した状態で、金属平板０１とベース台０５間を、一対の固定部材１１（以下「固定具」という）の両端部１１ａ１、１１ｂ１で、弾性的に挟持することにより、ベース台０５に組み付け固定が行われる。なお、固定具１１は板バネ等で図1、２のように断面が波状に形成されたものである。
このとき、樹脂フィルムの上下面が加圧され樹脂フィルムを弾性変形させることにより、その弾性復元力で各積層板間を密着させることができる。すなわち、組み付け後は、樹脂フィルムの変形量に応じた応力が積層板間の面圧として発生するため、積層板間の接触面が隙間無く密着でき確実に導通を確保できる。
又、樹脂フィルムは、金属板に比べて屈曲性が高いため、金属平板０１や、ベース台０５の形状に沿った形で密着させることが出来る。なお、ベース台０５は、積層部の固定後、金属平板０１や積層板０２〜０４の形状が保たれるように、積層板に対して曲げ強度が十分強い部材（金属又は樹脂）で構成される。

樹脂フィルムは、組み付け後の使用寿命内で破壊しないように、樹脂フィルムの受ける
応力の最大値を、ある値以下にする必要がある。高温時のクリープ破壊については、時間とともに破壊応力が低下するので、使用寿命に応じて破壊しない限界応力を決める。特に、樹脂は弾性係数が低いので、破壊よりもひずみ（変形）を考慮する必要がある。
樹脂では１％のひずみ、又はそれに対応する応力をクリープ限度としており、この実施の形態１においても、下記の式（１）を用いて、面圧をクリープ限度以下に設定する。
非強化樹脂の場合、室温での弾性係数は、大体２〜５ＧＰaであるが、特に高温時は、
強度が半分以下に低下するため、樹脂フィルム組み付け時の応力すなわち面圧は、１０〜２５ＭＰa以下にする必要がある。

Ｐ＝σ＝Ｅ＊ε＝Ｆ/Ａ…………（１）
Ｐ：面圧、 σ：応力、 Ｅ：弾性係数、
ε：ひずみ、 Ｆ：組み付け力、 Ａ：接触面積、

一方、振動や衝撃等の外乱による影響を考慮すると、組み付け時の面圧は、できる限り高く設定する必要があり、衝撃等で積層板間に隙間を発生させないためには、クリープ限度に近い値で組み付けける必要がある。この相反する条件を満足させるために、図１、図２に示すように、この実施の形態１では、固定具１１をバネとすることで、樹脂フィルムにクリープ変形が生じても面圧低下を防ぐことを可能とした。

樹脂フィルムへのアンテナ素子や導波路の形成は、樹脂フィルムにＹＡＧレーザでスロットやスリットなどの穴あけ加工を行い、スパッタや電気メッキなどのメタライジング法により、穴の側壁や樹脂フィルム上下面に金属皮膜を付着する方法を用いる。樹脂フィルムに先に穴をあけ、後に成膜を行い、その上に表、裏、穴内を同時に電気メッキ（メタライズ）をして、金属層を形成する方法は、既に量産化されている技術であるため、この製造方法を用いればアンテナ素子や導波路を安価に形成できる。
なお、アンテナ素子の場合、積層部の最上部に配置された積層板０１に形成されたスロット２０１は、樹脂フィルムに穴をあけ、その断面を含む積層板の表裏面を導電体で覆うことで形成する。
導波管の場合は、内層された積層板０２〜０４に設けたスリット３０１と積層板０１、０５により管状に形成され、スリット３０１も、樹脂フィルムに設けた長穴の断面を含む積層板の表裏面を導電体で覆うことで、管状の導波管が形成される。

実施の形態２．
この実施の形態２にかかる平面アンテナは、最上部の金属平板０１に四方形の湾曲平板を採用したものである。
図３（ａ）は、この発明の実施の形態２における平面アンテナを示す斜視図、（ｂ）は、樹脂フィルムを用いた導波管を形成する場合の面圧状態を示す断面図、（ｃ）は、樹脂フィルムを用いて同軸線路を形成する場合の面圧状態を示す断面図、図４（ａ）（ｂ）は、この実施の形態２における平面アンテナの製作過程を説明するための斜視図である。

図４（ａ）において、四方形の金属製湾曲平板（以下「金属曲板」という）０１は、一方向にのみ曲率をもつ板であり、その曲面は、次の式（２）で算出した曲率で形成される。

Ｙ＝１６ＹmaxＸ（Ｘ^３−２ＬＸ^２＋Ｌ^３）／（５Ｌ^４）…………（２）
Ｙ：たわみ量、 Ｙmax ： 最大たわみ量、 Ｌ：金属曲板の固定点間
隔、
Ｘ：板状部材の２つの固定点を結んだ方向の位置（固定点から任意の距離）、

この式（２）において、たわみ量Ｙは曲板固定点(曲板端部)からの距離Ｘの関数となり
、最大たわみ量を決めて、各場所のたわみ量を導き出し、たわみ量は固定点(曲板端部)から離れるほど大きくなり、中央部で最大となるように曲板を形成し、この曲板を平板になる様に固定することで、面圧が等分布となる。
又、金属曲板０１の押圧により発生する接触面圧を等分布とするために、曲率を持たない方向で対向する２辺（直線状端縁部）０１ａを固定具１１にて固定し、１辺当たりの固定力Ｋは、次の式（３）の値以下とする。

Ｋ＝１９２Ｅｂｈ^３Ｙmax／（６０Ｌ^３）…………（３）
Ｅ：板材の縦弾性係数、 ｂ： 金属曲板端部の曲率を持たない辺０１ａの長さ、
ｈ：金属曲板の厚み、 Ｙmax：最大たわみ量、
Ｌ：金属曲板の固定間隔、

この金属曲板０１は、導波管だけでなく、同軸線路、平面線路など、又、導波管給電アンテナ、同軸線路給電アンテナ、平面回路アンテナなどいずれにも適用できる。又、積層板で構成される導波路、又はアンテナのいずれにおいても、積層板の最上部を金属曲板０１にて構成することで、接触面圧を等分布とすることが可能である。
すなわち、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、導波管、同軸線路とも、管壁（ａ、ｂ、ｃ）部分の積層板０１から０５は互いに接触しているため、最上部の積層板０１が平面となるまで、積層板０５側に押し付け固定することにより、管壁（ａ、ｂ、ｃ）に面圧が発生する。ここで、最上部の曲面積層板０１を式（２）で形成することで、管壁の長手方向のどの位置でも面圧ａ、ｂ、ｃは等分布となる。平面回路アンテナにおいても、同様に最上部の積層板を曲板で形成することにより、接触部の面圧を均一にできる。

次に、図４に基づいて、カシメ方法による固定手段を説明する。
このカシメ方法による固定手段においては、積層部固定用治具（以下「固定用治具」という）１２を用いて、金属曲板端部の曲率を持たない２辺周辺部（直線状端縁部）０１ａをカシメることで、積層板０１〜０４を一体化し固定する。
図４（ａ）において、まず積層板０２〜０４と最上部の金属曲板０１を、ベース台０５に予め挿入植設された固定具１１に合わせてベース台０５上に積層する。
次に、固定用治具１２で金属曲板０１が平面になるまでベース台０５側に押し付け、その押し付け状態で、図４（ｂ）に示すように、固定用治具の凹部１２ａで固定具１１の先端部１１ａ２を折り曲げ(カシメ)て固定する。なお、固定具１１を折り曲げ(カシメ)易くするために、固定具１１の先端部１１a２の外側面にＶ溝（切欠き）を設けても良い。又
、固定具１１に熱を加えて熱カシメしても良い。

積層部の固定後は、積層板間の面圧が均一となるように固定する必要があるため、カシメ時に、金属曲板０１や積層板０２〜０４に過大な力が加えることなく固定できる固定用治具１２を用いる必要がある。又図４（ｂ）に示すように、固定用治具１２は、押圧した金属曲板０１が、ベース台０５側に押付けられ、平面となった状態で、固定用治具１２の先端部１２ｂがベース台０５に当たり止まるようなものとした。

この実施の形態２では、図３に示すように、固定具の先端部１１a２の折り曲げ（カシ
メ）固定後、すなわち固定用治具１２を取り除いた後は、最上部の金属曲板０１が弾性変形して平面となっているため、その復元力（弾性力）と内層された樹脂フィルムの弾性復元力との両作用により、積層板０１及び０２〜０４とベース台０５の各々がともに押付けられた状態となる。
このように構成することによって、金属曲板０１や、ベース台０５の形状に沿った形で樹脂フィルムを密着させることが出来るとともに、樹脂フィルムにクリープ変形を生じても、金属曲板０１の弾性力で、面圧低下を防ぐことを可能とした。従って、積層板に振動
衝撃が作用し、温度変化がある環境においても、積層板同士の密着を保つことができる。

実施の形態３．
この実施の形態３にかかる平面アンテナは、金属曲板端部の曲率を持たない２辺周辺部（直線状端縁部）ｃを溶接して、積層板を一体化し固定するものである。
図５（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態３における平面アンテナの２態様の溶接完了状態を示す斜視図、図６（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態３における平面アンテナの製作過程を説明するための斜視図である。

以下、図６に基づいて溶接による積層板の一体化固定手段を説明する。
まず、実施の形態２のカシメ固定手段と同様に、ベース台０５上に積層板０２〜０４と金属曲板０１とを、金属曲板０１を最上部にして積層する。
その後、図６（ｂ）に示すように、固定用治具１２で最上部の金属曲板０１が平面になるまでベース台０５側に押し付け、その押し付け状態で金属曲板０１の曲率を持たない直線状端縁部ｃと、積層板０２〜０４の端縁部ｄと、ベース台０５の端側面ｅとを溶着して固定する。
溶着方法としては、レーザなどを用いた溶接、又はロー付け、半田付けなどで行ない、溶着の態様としては、図５（ａ）に示すようにベース台０５の側面全面と積層板０１〜０５とを溶着（ｃｄｅ）し一体化固定する場合と、図５（ｂ）に示すように、ベース台０５の側面の一部と積層板０１〜０５を溶着し部分溶着（ｃｄｅ）によって一体化固定する場合がある。

積層部の固定後は、実施の形態２のカシメ同様、最上部の金属曲板０１が弾性変形して平面となっているため、その復元力（弾性力）と内層された樹脂フィルムの弾性復元力とにより、積層板０１及び０２〜０４とベース台０５の各々がともに押付けられた状態となる。
この実施の形態３においても、金属曲板０１や、ベース台０５の形状に沿った形で樹脂フィルムを密着させることが出来るとともに、樹脂フィルムにクリープ変形を生じても、金属曲板０１の弾性力で、面圧低下を防ぐことが可能である。
従って実施の形態２と同様に積層板に振動衝撃が作用し、温度変化がある環境においても、積層板同士の密着を保つことができる。

実施の形態４．
この実施の形態４にかかる平面アンテナは、金属曲板端部の曲率を持たない２辺周辺部（直線状端縁部）０１ａを、凸部１１ａ４、１１ｂ４によって形成されたコ字形固定具１１の凹部１１ｃに圧入することで、積層板０１〜０４及びベース台０５を一体化し固定するものである。
図７は、この発明の実施の形態４における平面アンテナの固定完了状態を示す斜視図、図８（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態４における平面アンテナの製作過程を説明するための斜視図である。

以下、図８に基づいてコ字形固定具１１による積層板の一体化固定手段を説明する。
まず、実施の形態２、３の固定手段と同様に、ベース台０５上に積層板０２〜０４と金属曲板０１とを、金属曲板０１を最上部にして積層する。その後、図８（ｂ）に示すように、固定用治具１２で最上部の金属曲板０１が平面になるまでベース台０５側に押し付け、その押し付け状態で金属曲板０１の曲率を持たない直線状端縁部０１ａと、積層板０２〜０４の端縁部と、ベース台０５の端側面とを固定具１１の凹部１１ｃに圧入して一体化固定し、図７に示すように組み付けが完了する。

実施の形態1〜４で述べたように、金属曲板０１を含む、積層板０２〜０４を、ベース
台０５に組み付け後は、アンテナ開口面の励振位相を均一に保つため金属曲板０１は、平面で保持される必要がある。そのために、積層体導波路のベース台０５は、金属曲板０１や積層板０２〜０４に対し、断面係数が十分に高いもので構成する。
又実施の形態1〜４によれば、導波路やアンテナ開口面を直線状に、隙間なく保持でき
ることから導波路や、アンテナ開口面で励振位相の均一化が可能である。

０１ 最上部の積層板（平板状部材、金属曲板）
０１ａ 金属曲板０１の曲率を持たない直線状端縁部（２辺周辺部）
０２〜０４ 複数の積層板（平板状部材、樹脂フィルム）
０５ ベース台
２０１ アンテナ素子（スロット）
３０１ スリット
１０ 固定ネジ（リベット）
１１ 固定具
１１ａ１、１１ｂ１ 固定具１１の両端部
１１ａ２ 固定具１１の先端部
ｃ 金属曲板０１の曲率を持たない直線状端縁部
ｄ 積層板０２〜０４の端縁部
ｅ ベース台０５の端側面
１１ａ４、１１ｂ４ コ字形固定具１１の凸部
１１ｃ 固定具１１の凹部
１２ 積層部固定用治具
１２ａ 積層部固定用治具の凹部
１２ｂ 積層部固定用治具１２の先端部（ベース台０５との接触面）
２０ 導波路
２１ 積層板接触面
３０ 積層隙間。

Claims (6)

1. 送受信用アンテナ素子を有する平板状部材を含む複数の平板状部材が積層された積層部、
   及びこの積層部を押圧状態でベース台に組み付け固定する固定部材を備え、
   上記積層部の少なくとも一枚の平板状部材を、弾性部材で構成し、この弾性部材の弾性復元力によって上記各平板状部材を密着させることを特徴とする平面アンテナ。
2. 上記弾性部材は、樹脂フィルムで構成したことを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 送受信用アンテナ素子を有する上記平板状部材は、湾曲した金属製部材で構成し、上記弾性部材の弾性復元力によって上記各平板状部材を密着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平面アンテナ。
4. 送受信用アンテナ素子を有する上記平板状部材は、金属製の平板で構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平面アンテナ。
5. 上記固定部材は、送受信用アンテナ素子を有する上記平板状部材と上記ベース台間を弾性的に挟持する板ばねで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナ。
6. 上記固定部材による上記積層部の上記ベース台への組み付け固定は、溶着手段、圧入手段またはカシメ手段のいずれかの固定手段によることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の平面アンテナ。

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