JP2017183898A - ヘリカルアンテナ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】給電線を貼り付ける際の位置決めが容易にでき、宇宙空間における温度負荷に耐えられるヘリカルアンテナ及びその製造方法を提供する。【解決手段】ヘリカルアンテナ１は、透明性を有する柱形状の誘電体のエレメント３と、エレメント３に螺旋状に巻いた給電線２と、給電線２をエレメント３に固定する接着剤４を有し、エレメント３は、給電線２に沿った位置に空洞部２１を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘリカルアンテナ及びその製造方法に関し、特に柱状部材に螺旋状に導体を形成したヘリカルアンテナ及びその製造方法に関する。

ヘリカルアンテナは、柱状部材に螺旋状に導体を形成して作成され、螺旋導体の巻き軸方向に電波を放射するものである。また、ヘリカルアンテナは、使用する周波数により螺旋の直径および螺旋の間隔を所定の位置に変更することで種々の周波数で使用できる。

このようなヘリカルアンテナが、例えば特許文献１及び２に開示されている。

特許文献１に開示されているヘリカルアンテナは、絶縁体から成る筒状部材の周面上に形成された絶縁フィルムと絶縁フィルム上に印刷された導体パターンからなる導体パターン付き絶縁フィルムから構成される。絶縁フィルムの一端側には複数の取り付け孔が間隔をおいて形成され、筒状部材の内側には取り付け孔を引っかけるための複数のボスピンが筒状部材の長手方向に間隔をおいて形成されている。

また特許文献２に開示されているヘリカルアンテナでは、筒状部材の外表面にヘリックス形状のマスク層が形成される。さらに筒状部材の外表面に付着させた金属粒子により金属層が形成される。そして筒状部材の外表面からマスク層が剥離される。こうして、筒状部材の外表面に付着したヘリカル形状の導体が形成される。

特開２００１−３５８５２５号公報 特開２００２−７６７５２号公報

一般に人工衛星に搭載されるアンテナは、打ち上げ時にはロケットのフェアリング内に収納されてロケットのエンジンの噴射、液体燃料の揺れ等による音響、振動荷重を受け、その後衛星の周回軌道に達するまでにロケットの切り離しによる何回かの衝撃荷重を受ける。その後、衛星の周回軌道に入り、アンテナに電力が入れられて通信の運用が行われる。運用中は衛星の姿勢制御による微小な振動荷重以外の荷重はかからないが、衛星外部に搭載されて宇宙空間に晒されるアンテナは、衛星の周回軌道上では−１１０〜１１５℃もの温度変化を受けることになる。さらに、打ち上げ前には、上記宇宙環境に耐えることを保証するため、上記宇宙環境よりも厳しい環境条件にて種々の試験がおこなわれる。

さらにエレメントの材料と給電線１の材料の熱膨張率は大きく異なり、上記の温度負荷により熱ひずみを生じてしまう。

一方、ヘリカルアンテナは、使用する周波数にあわせた所定の寸法に給電線の螺旋の間隔を設定し、高精度で位置決めする必要がある。衛星搭載用のヘリカルアンテナは上記のような環境条件において上記のような精度で位置を保たなければならない。

また、エレメントに給電線を貼り付ける際、螺旋状になっており定規等の汎用治具を用いることができず、高精度の位置決めをおこなうために専用の治工具を作成、貼付し、それを専用の治工具を用いて検査する必要があるために時間と費用がかかるという問題があった。

特許文献１の構成では、絶縁フィルムの、ボスピンに引っかけられて筒状部材に固定された構成となっているため、打ち上げ時の衝撃、及び周回軌道での−１１０〜１１５℃もの温度変化に対して、導体パターンを高精度に位置決めされた状態に保つことは困難な恐れがある。

また特許文献２は、筒状部材の外表面に金属粒子を付着させて金属層を形成する構成となっている。上記の温度負荷により発生する熱応力に対して耐性を有するような材料は高価で入手性が悪い恐れがある。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、給電線を貼り付ける際の位置決めが容易にでき、宇宙空間における温度負荷に耐えられるヘリカルアンテナ及びその製造方法を提供することを主な目的とする。

本発明の１側面によるヘリカルアンテナは、透明性を有する柱状の誘電体のエレメントと、前記エレメントに螺旋状に巻いた給電線と、前記給電線を前記エレメントに固定する固定部材と、を有し、前記エレメントは、前記給電線に沿った位置に空洞部を有する。

本発明の他の側面によるヘリカルアンテナの製造方法は、透明性を有するプリプレグをマンドレルに巻き付け筒形状とし、表面の給電線を貼り付ける位置に沿って溝を加工し、溝を加工したプリプレグの上にさらにプリプレグを巻き付けて前記給電線を貼り付ける位置に沿った空洞部を形成し、前記空洞部を形成したプリプレグを熱硬化させ、熱硬化したプリプレグの表面を仕上げ、前記空洞部に沿って給電線を貼り付ける。

本発明によれば、給電線を貼り付ける際の位置決めが容易にでき、宇宙空間における温度負荷に耐えられるヘリカルアンテナ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、第１の実施形態の構成の一例を示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態の構成の一例を示す断面図である。 図３は、マンドレルにプリプレグを巻き付ける工程を示す図である。 図４は、熱硬化性樹脂を固める工程を示す図である。 図５は、第１の実施形態において予備硬化したプリプレグにスリットを設ける工程を示す図である。 図６は、第１の実施形態においてスリットを形成した後さらにプリプレグを巻き付ける工程を示す図である。 図７は、第１の実施形態においてエレメントに給電線を貼付けする方法を示す図である。 図８は、第１の実施形態においてエレメントに給電線を貼付けた状態を示す断面拡大図である。 図９は、第１の実施形態において空洞部の幅を給電線の幅より小さくした例を示す断面拡大図である。 図１０は、第１の実施形態において空洞部を分割した例を示す断面拡大図である。 図１１は、第１の実施形態において空洞部とともにスリットを設けた例を示す断面拡大図である。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態のヘリカルアンテナの構成の一例を示す断面図である。また図２は、第１の実施形態の構成の一例を示す断面図である。

図１に示すように、ヘリカルアンテナ１は、給電線２が、柱状の誘電体のエレメント３に、螺旋状に巻かれて固定された構成となっている。

エレメント３の材料としては、軽量高剛性かつ誘電率の低い材料が用いられる。エレメント３の材料としては、例えばＱＦＲＰ（Ｑｕａｒｔｚ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；クォーツ石英ガラス繊維強化プラスチック）、または、ＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ；ガラス繊維強化プラスチック）が用いられる。またエレメント３の材料は、ある程度の透明性を有している
給電線２は、導体抵抗の小さい金属箔である。給電線２の材料としては、例えば銅箔が用いられるが、他の金属でもよい。エレメント３に貼り付けられた給電線２の螺旋の間隔は、使用する周波数にあわせた所定の寸法に、高精度で位置決めされ、接着剤４で給電線２が固定されている。ヘリカルアンテナ１は、例えば０．５ｍｍ程度の精度を保つことにより所定の電気性能をもったアンテナとして機能する。衛星の周回軌道上の−１１０〜１１５℃の温度変化、さらに、打ち上げ前の宇宙環境よりも厳しい環境条件での種々の試験において給電線２の位置がこの精度を保つようエレメント３に接着剤４で固定されている。

また本発明のヘリカルアンテナ１は、図１、図２に示すように、エレメント３の表面に給電線２が貼り付けられた位置に沿ってエレメント３の内部に空洞部２１が形成されている。空洞部２１の幅は、例えば、上記の精度と同程度、給電線２の幅より広い。

エレメント３の熱膨張率は、例えばＱＦＲＰの熱膨張率では、一般的に４．４×１０^−０７／Ｋである。一方、給電線２の熱膨張率は、例えば銅箔では、一般的に１．７６×１０^−０５／Ｋ程度である。上記の温度負荷により給電線２及びエレメント３表面に過大な熱応力が発生する恐れがある。本実施形態のヘリカルアンテナ１は、エレメント３の表面に給電線２が貼り付けられた位置に沿ってエレメント３の内部に空洞部２１が形成されている構成により、上記の温度負荷により発生する熱応力を緩和することができる。

エレメント３の形状は、円筒形状またはエレメント３の外径がヘリカルアンテナ１の先端方向にいくほど外径が細くなる円錐形状でよい。またエレメント３の厚さは均一でもよいが、ヘリカルアンテナ１の先端方向にいくほど厚さが薄くなっていてもよい。

ヘリカルアンテナ１は、エレメント３の下端に、エレメント３を衛星構体に保持するためのベース５を備えている。ベース５は、エレメント３に、例えば接着剤等で固定される。

またヘリカルアンテナ１は、ベース５の上部に、周囲の電波を反射する金属製の円筒形状のカップ６を備えている。カップ６は、例えば、ねじ（図示せず）でベース５と接合される。

図２に示すように、給電線２の下端は、給電するためのコネクタ７の導体８と半田等で接続される。なお給電線２の下端付近において、エレメント３から導体８の間の部分は、空中配線となるため、幅を広くすることにより、強度を確保している。コネクタ７内の導体８のまわりには、誘電正接の低い材料を用いたブッシュ（図示せず）が配置される。コネクタ７は、例えばねじ（図示せず）で、ベース５に固定される。

図３から図７は、本発明の第１の実施形態のヘリカルアンテナの製造方法を示す図である。

まずエレメント３の素材が準備される。エレメント３の素材は、補強繊維の糸条を互に並行かつシート状に引き揃えたものに熱硬化性樹脂を含浸し、予備硬化した、いわゆる一方向性プリプレグ９を用いてよい。補強繊維は、高強度、高弾性かつ絶縁材料であるクォーツ石英ガラス繊維であるのが好ましいがガラス繊維であってもよい。熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが好ましい。一方向性プリプレグ９は、繊維方向とその直交方向とでヤング率や許容応力が異なる。ある方向で一方向性プリプレグ９を複数枚重ねた後、その上に一方向性プリプレグ９の角度を変えて複数枚重ね、さらにその上に一方向性プリプレグ９の角度を変えて複数枚重ねる工程が繰り返される。このように角度を変えながら一方向性プリプレグ９を重ねてエレメント３を成形することで、所望の強度を確保することができる。以下、エレメント３が円筒形状または円錐形状の例について説明する。

まず、一方向性プリプレグ９を適当な大きさに裁断し、角度を変えながら、図３に示すように一方向性プリプレグ９がマンドレル１０に所望の回数巻き付けられる。

その後、図４に示すように、指定の温度で加熱し、一方向性プリプレグ９中の熱硬化性樹脂が固まる。

その後、図５に示すように、一方向性プリプレグ９が固められたエレメント３に、旋盤等を用いて四角形状のスリット加工を行う。給電線２を貼り付ける外径が所望の寸法に仕上げられるとともにスリット１１が切削により形成される。後工程で給電線２が貼り付けられる位置に沿って、スリット１１を切削して形成する。スリット１１の螺旋の間隔は、上述のように給電線１の貼り付けの誤差を含めて０．５ｍｍ程度の精度を保つためには、スリット１１の螺旋の間隔の誤差は、例えば０．０５ｍｍ以下の許容誤差で位置決めされ、スリット１１を切削して形成する。空洞部２１の幅は、例えば、寸法誤差程度、給電線２の幅より広く加工する。

その後、図６に示すようにスリット加工された一方向性プリプレグ９の上に、さらに一方向性プリプレグ９が所望の回数巻き付けられる。その後、指定の温度で熱硬化性樹脂が予備硬化される。そして旋盤等を用いて表面仕上げ加工が行われ、給電線を貼り付ける外径が所望の寸法に仕上げられる。

このようにしてエレメント３の表面に給電線２が貼り付けられる位置に沿ってエレメント３の内部に空洞部２１が形成される。

その後、図７に示すように、エレメント３に給電線２が貼付けられる。図７は、本発明の第１の実施形態においてエレメントに給電線を貼付けする方法を示す図である。エレメント３は、上述のようにＱＦＲＰまたは、ＧＦＲＰ等で構成されているため空洞部２１は透けて見える。エレメント３表面に透けて見える空洞部２１を基準に、エレメント３に加工されたスリット１１間に所定の厚さで接着剤が塗布される。その後、図７に示すように、まず給電線２の一端が、エレメント３表面に透けて見える空洞部２１に合わせてセットされる。エレメント３の表面から透けて見える空洞部２１を基準に、給電線２が位置決めされつつ貼り付けられる。

給電線が貼り付けられる位置に沿って空洞部等がエレメントに加工されていない場合には、エレメントに給電線を貼り付ける際、定規等の汎用治具を用いることができず、高精度の位置決めをおこなうために専用の治工具を作成、貼付し、それを専用の治工具を用いて検査する必要があるために時間と費用がかかるという問題があった。本実施形態のヘリカルアンテナ１の製造方法は、旋盤等を用いて０．０５ｍｍ以下の許容誤差で切削してエレメント３に形成した空洞部２１が表面から透けて見えるのでその空洞部２１を基準に接着剤を塗布し、その後、表面から透けて見える空洞部２１を基準に、給電線２を位置決めしつつ貼り付ける。このような方法により、給電線２を貼り付ける際の位置決めが容易にできる。空洞部２１の幅は、例えば、寸法誤差程度、給電線２の幅より広く加工することにより、貼り付け後にも空洞部２１の端を確認できる。

図８は、本発明の第１の実施形態においてエレメントに給電線を貼付けた状態を示す断面拡大図である。図８に示すように接着剤４により給電線２がエレメント３に貼り付けられる。また、四角形状の空洞部２１が、エレメント３の表面に給電線２が貼り付けられた位置に沿ってエレメント３の内部に形成されている。このような構成によりエレメント３と給電線２の熱膨張率の差分による熱ひずみを生じた際、空洞部２１により、エレメント３及び給電線２に生じる応力を、空洞部２１がない場合に比べて下げることができる。

本実施形態によれば、給電線を貼り付ける際の位置決めが容易にでき、宇宙空間における温度負荷にも耐えることが可能となる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、空洞部の形状は、四角形状として説明したが、例えば角がないＵ字状の空洞としてもよい。このような形状とすることにより、角部が少なくなり応力集中を少なくすることができる。

また、空洞部２１の幅は、例えば、許容寸法誤差程度、給電線２の幅より広く加工すると説明したが、図９に示すように給電線２の幅より許容寸法誤差程度、空洞部２２の幅を小さくしてもよい。また図１０のように、空洞部２３が複数形成されてもよい。空洞部２１、２２，２３の長さは、給電線２の長さと同等でなくてもよく、給電線２の長さより短く途切れた形状としてもよい。

さらには、図１１のように、空洞部２２の両側にスリット１２が形成されてもよい。また片側のみにスリット１２が形成されてもよい。スリット１２の形状は、くさび形状等の三角形状に形成されてもよい。このような形状とすることにより、旋盤における加工性を確保することができる。またスリット１２の形状は、角がないＵ字状の溝としてもよい。スリット１２の長さは、給電線２の長さと同等でなくてもよく、給電線２の長さより短く途切れた形状とされてもよい。

また、一方向性プリプレグ９を積層してエレメント３を作成するとして説明したが、エレメント３を作成するための素材として、クロスプリプレグを積層してもよい。また、エレメント３を作成するための素材として、面内に短繊維がランダムに配向しているシート状プリプレグを積層してもよい。

またエレメント３は、中が空洞でない柱状でもよい。

１ ヘリカルアンテナ
２ 給電線
３ エレメント
４ 接着剤
５ ベース
６ カップ
７ コネクタ
８ 導体
９ プリプレグ
１０ マンドレル
１１、１２ スリット
２１、２２、２３ 空洞部

Claims (8)

1. 透明性を有する柱状の誘電体のエレメントと、
   前記エレメントに螺旋状に巻いた給電線と、
   前記給電線を前記エレメントに固定する固定部材と、を有し、
   前記エレメントは、前記給電線に沿った位置に空洞部を有する、
   ヘリカルアンテナ。
2. 前記空洞部の幅は、前記給電線と略同じ幅であることを特徴とする請求項１に記載のヘリカルアンテナ。
3. 前記空洞部は、四角形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘリカルアンテナ。
4. 前記空洞部は、Ｕ字形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のヘリカルアンテナ。
5. 前記エレメントは、前記給電線に沿った位置に配置されたスリットを有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヘリカルアンテナ。
6. 前記空間部は、前記給電線の長さより短い長さに途切れた形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のヘリカルアンテナ。
7. 透明性を有するプリプレグをマンドレルに巻き付け筒形状とし、
   表面の給電線を貼り付ける位置に沿って溝を加工し、
   溝を加工したプリプレグの上にさらにプリプレグを巻き付けて前記給電線を貼り付ける位置に沿った空洞部を形成し、
   前記空洞部を形成したプリプレグを熱硬化させ、
   熱硬化したプリプレグの表面を仕上げ、
   前記空洞部に沿って給電線を貼り付ける
   ことを特徴とするヘリカルアンテナの製造方法。
8. 前記表面を仕上げる工程と同時に、前記空洞部に沿って溝を加工する、
   ことを特徴とする請求項７に記載のヘリカルアンテナの製造方法。

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