JP3838262B2 - レンズアンテナ - Google Patents

Description

本発明はレンズアンテナに関する。

近年、次世代の高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport Systems）の開発が盛んになってきており、クルージング時の安全運転を支援するための機能が次々と開発されている。特に、自動車の目の役割を果たす外部環境検知システムはＩＴＳの中でも重要視され、赤外線やＣＣＤ等を用いた検知システムが開発されている。しかしながら、これらの検知システムの場合、雨中では使用できなかったり、コストが高くなったりといった問題点がある。

これを受けて、ミリ波（７６ＧＨｚ）を利用したレーダーを外部環境検知手段として使用することが望まれており、このミリ波アンテナの一つがレンズアンテナである。

レンズアンテナは、レンズ本体と、レンズ本体の後方に設けられた１次送波器とを備える。また、レンズ本体表面での電波の反射を軽減するために、レンズ本体表面に整合層を設ける場合もある。レンズ本体および整合層の材料としては、誘電体セラミックスや熱可塑性樹脂などが用いられている。

しかし、従来のレンズアンテナでは、高温下においてレンズ本体表面または整合層が酸化されて劣化するため、レンズ本体が熱膨張収縮を繰り返すと、レンズ本体内部の残留応力がレンズ本体表面または整合層に加わって、レンズ本体または整合層にクラックが生じてしまうという問題点があった。

このようなクラックが生じると、レンズアンテナの外観不良は言うまでもなく、レンズアンテナ内部に空気中の水分などが侵入し、レンズ特性が変化して要求利得が達成できなくなるおそれがある。

本発明は、このような問題点を解決し、耐熱クラック性に優れたレンズアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るレンズアンテナは、レンズ本体と、前記レンズ本体表面に形成された整合層と、前記レンズ本体の後方に設けられた１次送波器と、を備えたレンズアンテナであって、前記レンズ本体は、熱可塑性エラストマーを含まない材料からなり、前記整合層は、熱可塑性エラストマーを含む材料からなることを特徴とする。

前記熱可塑性エラストマーを含む材料は、熱可塑性エラストマーを３０〜１００ｖｏｌ％の割合で含有することが好ましい。前記熱可塑性エラストマーを含む材料において、前記熱可塑性エラストマーはポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであることが好ましい。前記ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーは、動的加硫型ＰＰ−ＥＰＤＭ系であることが好ましい。

前記レンズ本体は、誘電体セラミックスを含む材料からなることが好ましい。前記整合層を構成する前記熱可塑性エラストマーを含む材料は、誘電体セラミックスを含むことが好ましい。また、前記誘電体セラミックスは、ＣａＴｉＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂、ＣａＣＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、Ｃａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇、およびＢａ（Ｍｇ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃の中から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とすることが好ましい。

本発明に係るレンズアンテナは、レンズ本体と、レンズ本体の後方に設けられた１次送波器とを備えたレンズアンテナであって、レンズ本体は、熱可塑性エラストマーを含まない材料からなり、整合層は、熱可塑性エラストマーを含む材料からなる。

これにより、熱可塑性エラストマーのゴム弾性を利用してレンズ本体の熱膨張収縮による応力を緩和し、レンズ本体や整合層にクラックが生じるのを抑えることができる。

また、レンズ本体に誘電体セラミックスを用いることにより、レンズ本体の誘電率を上げてレンズ本体の厚みを薄くすることができる。

また、レンズ本体や整合層に誘電体セラミックスを用いることにより、レンズ本体と整合層との整合性を微調整することができる。

本発明に係るレンズアンテナにおいて、レンズ本体は、熱可塑性エラストマーを含む材料で構成される。また、レンズ本体表面に整合層が形成される場合、レンズ本体および整合層のうち少なくとも一方が、熱可塑性エラストマーを含む材料で構成される。

熱可塑性エラストマーを含む材料は、熱可塑性エラストマーの他に、樹脂（ただし、熱可塑性エラストマーを除く）や誘電体セラミックスなどを含んで構成されていてもよい。

本発明に用いる熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系とポリオレフィン系の熱可塑性エラストマーが挙げられる。スチレン系熱可塑性エラストマーとしては、スチレン−ブタジエン−スチレンブロックコポリマー（ＳＢＳ）、スチレン−イソプレン−スチレンブロックコポリマー（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン・ブチレン−スチレンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）、スチレン−エチレン・プロピレン−スチレンブロックコポリマー（ＳＥＰＳ）などが挙げられ、中でも、ＳＥＢＳ、ＳＥＰＳが耐熱性、耐候性に優れているため好ましい。

一方、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ）としては、単純にゴム粒子を樹脂中に分散させたブレンド型、反応時にハードセグメントとソフトセグメントを段階的に重合させてできるインプラント型、混合機でオレフィン樹脂と未加硫ゴムと加硫剤を同時に反応させながら高温混練する動的加硫型の３種類が挙げられ、中でも、動的加硫型ＴＰＯが、ゴム粒子を細かく分散させて高いゴム弾性を実現することができるため好ましい。

動的加硫型ＴＰＯは、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）といったオレフィン樹脂チップを、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）やニトリルゴムチップと混合し、さらに硫黄やパーオキサイドといった架橋剤とともに押出し混練機で混練反応させたものであり、中でも、ＰＰ−ＥＰＤＭ系が耐熱耐久性に優れているため好ましい。

本発明に用いる熱可塑性エラストマー以外の樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、メチルペンテンポリマー、ノルボルネン樹脂、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルケトンなどが挙げられ、中でも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイドがＱ値に優れているため好ましい。

本発明に用いる誘電体セラミックスとしては、ＣａＴｉＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂、ＣａＣＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、Ｃａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇、Ｂａ（Ｍｇ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃などが挙げられる。

なお、上記誘電体セラミックスの粒径は０．０５〜５０μｍであることが好ましく、比表面積は１．００〜３．００ｃｍ2／ｇであることが好ましい。

なお、整合層を構成する熱可塑性エラストマーを含む材料は、熱可塑性エラストマーを３０〜１００ｖｏｌ％の割合で含有することが好ましい。このような割合で熱可塑性エラストマーを含有することにより、耐クラック性の優れたレンズアンテナが得られる。

図１は、本発明に係るレンズアンテナを示す概略説明図である。レンズアンテナ１は、レンズ部２と、導波管（１次送波器）３と、レンズ部２および１次送波器３とに係合する支持部４とからなる。

レンズアンテナ１においては、レンズ本体２ａおよび整合層２ｂのうち少なくとも一方が、熱可塑性エラストマーを含む材料で構成される。

レンズ部２は、レンズ本体２ａと整合層２ｂとからなり、このうちレンズ本体２ａは、出射面２ａ1が凸状、入射面２ａ2が平板状、出射面２ａ1の垂直断面が半楕円状となるように、射出成形によって成形されている。また、整合層２ｂは、レンズ本体２ａと大気との整合をとるためのものであって、レンズ本体２ａの外縁を覆うような形状となるように成形され、レンズ本体２ａと密着している。なお、整合層２ｂの比誘電率はレンズ本体２ａの比誘電率の平方根あるいはそれに近い値を有していることが好ましい。また、整合層２ｂの厚みは所望のマイクロ波の波長の約１／４であることが好ましい。

導波管３は、アルミニウム製の直方体形状をなし、上面に送波用開口部３ａ、側面に挿入用開口部３ｂが形成されており、これらの開口部３ａ、３ｂは内部で連通している。

支持部４は、導波管３の外周部から、レンズ部２の縁部全周にわたってテーパー状に広がった筒状に構成されており、導波管３ａとレンズ部２との位置関係を固定するために設けられる。また、支持部４の内側には、電磁波を反射するように金属メッキが施されていることが好ましい。

誘電体線路５は、送波用開口部３ａが形成された位置にその端部が来るように挿入用開口部３ｂから挿入されている。また、図示していないが、誘電体線路５には電極が形成されている。

以下、本発明に係るレンズアンテナのレンズ本体、整合層の作製方法について説明する。
まず、樹脂粉末、誘電体セラミックス粉末を表１に示す組成比になるように秤量して、材料Ａ〜Ｎを準備した。次に、シリンダー温度を２００℃にした二軸の押出機を用いて、各材料を溶融状態で混練し、混練した材料をヘッド穴を通して糸状（ストランド）として、水中で冷却後φ２ｍｍ×５ｍｍ程度のペレットにカットする。このとき、押出機で混練した材料を粉砕機で粉砕してペレットにしてもよい。

なお、材料Ｆ〜Ｎに示す樹脂と誘電体セラミックスとの複合誘電体材料を準備する際は、混練前に樹脂粉末および誘電体セラミックス粉末をヘンシェルミキサーで予備混合しておく。また、樹脂の中で粉末で入手できないものについては、凍結処理などの処理を事前に行う。

次に、材料Ａ〜Ｎのペレットを射出成形機に投入し、２００℃で溶融後、φ５３ｍｍ×１．３ｍｍの円板状に射出成形してテストピースを作製し、材料Ａ〜Ｎの誘電特性を測定した。誘電特性は、誘電率εｒと、Ｑ値（１／ｔａｎδ）とを指標とし、ＴＥ０１δモード、１２ＧＨｚの電界を用いた摂動法を用いてそれぞれ測定した。
その結果を表１に示す。

次に、材料Ｆ〜Ｋ、Ｍ、Ｎのペレットを射出成形機に投入し、２００℃で溶融後、直径７３．２ｍｍ、最大厚み２０ｍｍの凸レンズ状に射出成形して、レンズ本体を作製した。
次に、レンズ本体の形状に対応した金型を作製した。この金型は、レンズ本体を包んだときにレンズ本体との隙間が０．１ｍｍになるように設計されている。次に、室温〜１２０℃の上記金型でレンズ本体を包み、材料Ａ〜Ｅ、Ｌのペレットを上記隙間に射出して、レンズ本体表面に厚み１ｍｍの整合層を形成した。

以上のようにして得られる射出成形物の試料を１６点作製した。各試料におけるレンズ本体、整合層の材料の組み合わせを表２に示す。試料１〜７は、レンズ本体が熱可塑性エラストマーを含まない材料、整合層が熱可塑性エラストマーを含む材料で構成される。試料８、９は、レンズ本体が熱可塑性エラストマーを含む材料、整合層が熱可塑性エラストマーを含まない材料で構成される。試料１０〜１４は、レンズ本体および整合層が熱可塑性エラストマーを含む材料で構成される。また、すべての試料ついてレンズ本体には誘電体セラミックスが含まれており、試料７、１４については整合層にも誘電体セラミックスが含まれている。なお、試料１５、１６は、レンズ本体および整合層が熱可塑性エラストマーを含まない材料で構成される。

次に、各試料をオーブンに入れて１０５℃の高温下における耐熱試験を行った。この耐熱試験では、目視観察により、整合層部分にクラックが発生するまでの時間を測定した。その結果を表２に示す。

表２から、レンズ本体や整合層に熱可塑性エラストマーを含んだ材料を用いた試料においては、クラックが発生しにくくなっていることがわかる。

なお、本実施形態で説明したレンズアンテナ１においては、レンズ本体２ａ表面に整合層２ｂが形成されているが、整合層２ｂが形成されていない場合であっても、レンズ本体２ａを熱可塑性エラストマーを含む材料で構成すれば、同様にクラックを防止することができる。

本発明に係るレンズアンテナを示す概略説明図である。

符号の説明

１ レンズアンテナ
２ レンズ部
２ａ レンズ本体
２ｂ 整合層
３ 導波管（１次送波器）
４ 支持部
５ 誘電体線路

Claims (7)

1. レンズ本体と、
   前記レンズ本体表面に形成された整合層と、
   前記レンズ本体の後方に設けられた１次送波器と、
   を備えたレンズアンテナであって、
   前記レンズ本体は、熱可塑性エラストマーを含まない材料からなり、
   前記整合層は、熱可塑性エラストマーを含む材料からなることを特徴とするレンズアンテナ。
2. 前記熱可塑性エラストマーを含む材料は、熱可塑性エラストマーを３０〜１００ｖｏｌ％の割合で含有することを特徴とする、請求項１に記載のレンズアンテナ。
3. 前記熱可塑性エラストマーを含む材料において、前記熱可塑性エラストマーはポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のレンズアンテナ。
4. 前記ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーは、動的加硫型ＰＰ−ＥＰＤＭ系であることを特徴とする、請求項３に記載のレンズアンテナ。
5. 前記レンズ本体は、誘電体セラミックスを含む材料からなることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載のレンズアンテナ。
6. 前記整合層を構成する前記熱可塑性エラストマーを含む材料は、誘電体セラミックスを含むことを特徴とする、請求項５に記載のレンズアンテナ。
7. 前記誘電体セラミックスは、ＣａＴｉＯ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＴｉＯ₃、ＴｉＯ₂、ＣａＣＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、Ｃａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇、およびＢａ（Ｍｇ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃の中から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のレンズアンテナ。