JP6381467B2

JP6381467B2 - 同軸金属体の製造方法

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Publication number: JP6381467B2
Application number: JP2015058770A
Authority: JP
Inventors: 敏夫千代島
Original assignee: PFU Ltd
Current assignee: PFU Ltd
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP2016176873A

Description

本発明は、金属積層３Ｄプリンタを使用した同軸金属体の製造方法に関する。

近磁界プローブとしてよく使われているシールデッドループアンテナは、シールド構造によって、電界には感度がなく、磁界のみ感度があることが期待されている。磁界プローブについては、芯線と外皮導体との間に誘電体部材が配置された同軸線路により構成されたものが特許文献１に開示されている。また、シールデッドループアンテナを製造する方法としては、同軸ケーブルを使用し、手加工で製造する方法や、プリント板製作技術（フォトリソグラフィ技術）を用いて製造する方法がある。

しかし、同軸ケーブルを使用し、手加工でシールデッドループアンテナを製造する方法では、シールデッドループアンテナに必要な精度が出すことが困難であった。また、プリント板製作技術を使用してシールデッドループアンテナを製造する方法では、ガラスエポキシ等の基板材料の影響で、電気長が長くなってしまい、アンテナの送受信周波数の上限が低くなってしまっていた。さらに、同軸ケーブルやセミリジットケーブルを用いてシールデッドループアンテナを製造する場合、その構造の非対称性から電界にも感度が生じる場合もあった。

一方、金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタを使用して、電子産業等で使用される電子的および／または機械的な構造、構成要素、および装置を製作する方法については、例えば特許文献２に開示されている。即ち、特許文献２は、誘電体の金属化処理による同軸構造の製法を提案するものである。

特開２０１４−８５１６７号公報特表２０１４−５２７４７４号公報

特許文献２における誘電体の金属化処理による同軸構造の製法では、中空に浮いた金属を製造することは可能である。しかしながら、シールデッドループアンテナのような湾曲した構造において、電気的に浮いた状態でどの部分の外側金属からも芯線が中心にある同軸構造を製造することはできない場合があった。

本発明の目的は、金属積層３Ｄプリント技術利用して、シールデッドループアンテナのような湾曲した構造でも、電気的に浮いた状態でどの部分の外側属からも芯線が中心にある同軸構造を製造することができる同軸金属体の製造方法を提供することである。

本発明の一側面に係る同軸金属体の製造方法は、チューブ状の外側金属及び外側金属の内側に配置される内側金属を備える同軸金属体の製造方法であって、不連続部と開口部を有する外側金属、開口部と対向した対向部を有する内側金属、及び、不連続部において外側金属に対して内側金属を仮支持する接続金属部材を３Ｄプリンタを用いて形成し、開口部から絶縁部材を挿入して、外側金属に対して内側金属を支持する様に、開口部と対向部の間に絶縁部材を配置し、接続金属部材を除去する、工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、同軸金属体が、精度良く、且つ、湾曲した構造でも、電気的に浮いた状態でどの部分の外側属からも芯線が中心にある同軸構造を製造することが可能となる。

金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタの基本動作を説明するための図（１）である。金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタの基本動作を説明するための図（２）である。金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタの基本動作を説明するための図（３）である。（ａ）は金属積層３Ｄプリンタによって製造されたシールデッドループアンテナ１０に、絶縁部材４０を挿通する工程を説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）に示したシールデッドループアンテナの一方の端部の構造を示す側面図である。（ａ）は図４（ａ）に示したシールデッドループアンテナのＡ部を拡大して示す部分拡大斜視図、（ｂ）は（ａ）に示したシールデッドループアンテナの外側金属の不連続部を矢印Ｃ方向から見た側面図である。内側金属１２を外側金属１１に本固定するための工程を説明するための図である。内側金属１２を外側金属１１に本固定するための他の工程を説明するための図である。外側金属１１の所定箇所に設ける貫通孔１６の配置数を変更した場合を説明するための図である。内側金属１２を外側金属１１に本固定するための更に他の工程を説明するための図である。凹部１７の有無による高周波特性（特性インピーダンス）の改善具合を示す、ＴＤＲのシミュレーションによるグラフである。凹部１７及び凹部１８の有無による高周波特性（特性インピーダンス）の改善具合を示す、ＴＤＲのシミュレーションによるグラフである。内側金属１２及び／又は外側金属１１に形成される凹部の他の例を示す図である。他の形状のシールデッドループアンテナ５０を示す図である。

以下、本発明の一側面に係る同軸金属体の製造方法について図を参照しつつ説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタよってシールデッドループアンテナを製造すると、桁違いに対称な構造を製造することができる。例えば、金属積層３Ｄプリント技術を使用する３Ｄプリンタでは、技術の進歩でさらに改善が期待できるが、現時点の技術においては、０．０５ｍｍ厚のステップで金属粉を積層するため、±０．０２５ｍｍ程度の精度が確保される。このため、中心導体の直径が１ｍｍ程度の同軸構造であれば、公差は±２．５％程度になる。即ち、金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタでは、０．０５ｍｍの精度で造形物を製造できるので、全長１０ｃｍの造形物であれば、０．０５％の精度で製造することができる。

これに対して、セミリジッドケーブルを手曲げした場合は、精度は±１ｍｍ程度が限界である。また、プリント板製作技術では、絶縁体の厚さやパタン幅などの誤差が影響する特性インピーダンスの精度は±１０％程度である。これに加えて、プリント板では基板のそりの問題があり、例えば、３０ｍｍ以下の寸法のプリント板では、全長に対して１％程度の基板のそりがある。このように、金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタを利用することによって、シールデッドループアンテナを高精度に製造することができる。

図１、図２及び図３は、金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタの基本動作を説明するための図である。なお、図２及び図３では、後述するシールデッドループアンテナ１０を例としているが、他の同軸金属体の製造方法にも利用することが可能である。

図１（ａ）は、３Ｄプリンタの造形用テーブルの上にリコータにより第１層目の金属粉が撒かれる工程を示す斜視図である。金属粉Ｍは図示しない供給装置によってリコータ２に供給され、リコータ２は造形用テーブル１の上方を僅かな隙間を隔てて移動し、造形用テーブル１の上に均一な厚さの１層目の金属粉層Ｍ１を形成する。この状態は、図２（ａ）にも示される。図２（ａ）に示すように、造形用テーブル１は昇降装置４によって造形タンク５の内部を上下するようになっており、リコータ２によって第１層目の金属粉層Ｍ１が形成される時は、造形用テーブル１の上面は造形タンク５の上端５Ｆに一致している。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の工程によって造形用テーブル１の上に形成された金属粉層Ｍ１に、レーザ光源３からレーザ光Ｌが照射されて金属粉Ｍが溶けて金属ＭＴになる工程を示している。この状態は、図２（ｂ）にも示される。図２（ｂ）に示すように、レーザ光源３からのレーザ光Ｌは、金属粉層Ｍ１の中の金属ＭＴにしたい部分にだけ照射される。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した第１層目の金属粉層Ｍ１の上に、リコータ２により第２層目の金属粉層Ｍ２が積層される工程を示すものである。リコータ２により第１層目の金属粉層Ｍ１が積層され、レーザ光源３によってレーザ光Ｌの照射が終了した後は、昇降装置４によって造形用テーブル１が第１層目の金属粉層Ｍ１の厚さだけ下降する。したがって、リコータ２が第２層目の金属粉層Ｍ２を形成する時は、第１層目の金属粉層Ｍ１の上面が、造形タンク５の上端５Ｆに一致している。

図２（ｄ）は、図２（ｃ）の工程によって造形用テーブル１の上に積層された２層目の金属粉層Ｍ２に、レーザ光源３からレーザ光Ｌが照射される工程を示すものである。レーザ光源３からのレーザ光Ｌは、金属粉層Ｍ１と同様に、金属粉層Ｍ２の中の金属ＭＴにしたい部分にだけ照射される。レーザ光源３によって金属粉層Ｍ２へのレーザ光Ｌの照射が終了した後は、昇降装置４によって造形用テーブル１が第２層目の金属粉層Ｍ２の厚さだけ下降し、以後同様に金属粉層の形成とレーザ光Ｌの照射が行われる。

図２（ｅ）は、造形タンク内の造形用テーブルの上に金属粉層が複数層に渡って積層された状態を示す断面図である。リコータ２が第Ｋ層目の金属粉層ＭＫを形成する時は、図２（ｅ）に示すように、第Ｋ−１層目の金属粉層Ｍ（Ｋ−１）の上面を、造形タンク５の上端５Ｆに一致させる。

図２（ｆ）は、造形タンク内の造形用テーブルの上に金属粉層が最終層まで積層され、金属粉層の中に芯線と外側金属を備えるシールデッドループアンテナ１０が形成された状態を示す断面図である。

図３（ａ）は、造形用テーブルの上に最後の層まで積層された金属粉層の内部に形成されたシールデッドループアンテナの一例を透視してみた透視斜視図である。実際には、金属粉層Ｍ１〜ＭＮが積層された造形用テーブル１は、図３（ａ）に示すように、造形タンク５から取り外すことができ、金属ＭＴになっていない金属粉を取り除いてシールデッドループアンテナ１０を取り出すことができる。造形用テーブル１の上から取り出したシールデッドループアンテナ１０は、後述する様に、中空構造をしており、外側金属１１の内部に内側金属１２がある。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したシールデッドループアンテナを金属粉層から取り出し、中に詰まった金属粉を除去する工程を示す斜視図である。造形用テーブル１の上から取り出したシールデッドループアンテナ１０の中空部分にはまだ金属粉が残留しているので、図３（ｂ）に示すように、内部の金属粉Ｍを除去する。このように、内部の金属粉Ｍを除去する工程の後に、外側金属１１の内部に内側金属１２が形成されたシールデッドループアンテナ１０を作ることができる。

図４（ａ）は、金属積層３Ｄプリンタによって製造されたシールデッドループアンテナ１０に、絶縁部材４０を挿通する工程を説明するための図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したシールデッドループアンテナの一方の端部の構造を示す側面図である。

図４（ａ）に示す様に、金属積層３Ｄプリンタによって製造されたシールデッドループアンテナ１０は、外側金属１１と内側金属１２とを備える。内側金属１２は外側金属１１に対して同軸になっており、外側金属１１と内側金属１２の間にはスペース１３がある。シールデッドループアンテナ１０は、ループ状部１０Ｌと、ループ状部１０Ｌの両端部に形成された直線部１０Ｓがある。直線部１０Ｓの端部は開口しており、端部１５から内側金属１２が突出している。

外側金属１１の内側に内側金属１２を仮保持するために、シールデッドループアンテナ１０のループ状部１０Ｌには不連続部１４があり、不連続部１４には内側金属１２を仮支持する第１の接続金属部材２０が設けられている。シールデッドループアンテナ１０の直線部１０Ｓの端部１５には、端部１５から突出する内側金属１２を外側金属１１に対して中心（同軸）になるように仮支持する第２の接続金属部材３０が設けられている。

シールデッドループアンテナ１０のループ状部１０Ｌには、内側金属１２を外側金属１１に対して同軸になるように本固定する絶縁部材４０を挿通、或いは本図には図示を省略した溶融された樹脂を注入するための開口部である貫通孔１６が設けられている。絶縁部材４０或いは溶融された樹脂を用いて、内側金属１２を外側金属１１に対して同軸になるように本固定する工程については後述する。

図４（ｂ）に示す様に、第２の接続金属部材３０は、２本のレッグ３１，３２と、２本のアーム３３，３４を備えている。２本のレッグ３１，３２は、その基部がシールデッドループアンテナ１０の直線部１０Ｓの外側金属１１の外周部に対向する状態で取り付けられ、内側金属１２に平行に延伸されている。２本のレッグ３１，３２の先端部には、レッグ３１，３２に直交して内側金属１２に向かうアーム３３，３４の一端が接続されている。２本のアーム３３，３４の他端は、内側金属１２の端部に接続されて内側金属１２が外側金属１１と同軸になるように内側金属１２を仮保持している。

２本のレッグ３２，３２の外側金属１１との取付部の近傍には肉薄部３５が設けられていて、この部分の２本のレッグ３１，３２の肉厚が薄くなっている。同様に、２本のアーム３３，３４の内側金属１２との接続部の近傍にも肉薄部３５が設けられており、この部分の２本のアーム３３，３４の肉厚が薄くなっている。このため、内側金属１２を後述する方法によって外側金属１１に保持させた後は、第２の接続金属部材３０をこの肉薄部３５の位置で切断すれば、第２の接続金属部材３０を容易に除去することができる。

図５（ａ）は不連続部１４を拡大した斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す不連続部１４を矢印Ｃ方向から見た図である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す様に、不連続部１４は外側金属１１だけが所定長さだけ切り欠かれて不連続になっており、内側金属１２は連続している。不連続部１４に設けられた第１の接続金属部材２０は、内側金属１２に平行に不連続部１４を接続する２本の長尺ロッド２１，２２と、長尺ロッド２１，２２の中央部をそれぞれ内側金属１２に接続する短尺ロッド２３，２４を備える。

２本の長尺ロッド２１，２２は、内側金属１２を挟んで対向する位置で不連続部１４を接続しており、２本の長尺ロッド２１，２２の外側金属１１に近い部分には肉薄部２５が設けられており、この部分の２本の長尺ロッド２１，２２の肉厚が薄くなっている。長尺ロッド２１，２２の中央部をそれぞれ内側金属１２に接続する短尺ロッド２３，２４の内側金属１２に接続する部分は、細径部２６になっている。このため、内側金属１２を後述する方法によって外側金属１１に保持させた後は、第１の接続金属部材２０をこれらの肉薄部２５の位置と、細径部２６の位置で切断すれば、第１の接続金属部材２０を容易に除去することができる。

図６は、内側金属１２を外側金属１１に本固定するための工程を説明するための図である。

３Ｄプリンタを用いて製造した外側金属１１と内側金属１２の間から、第１の接続金属部材２０と第２の接続金属部材３０を除去するためには、内側金属１２を外側金属１１に本固定する必要がある。そこで、図４（ａ）に示した外側金属１１のループ状部１０Ｌに設けた複数の貫通孔１６に絶縁部材４０を挿入して内側金属１２を外側金属１１に固定する。

図６（ａ）は図４（ａ）に示したシールデッドループアンテナ１０のＢ部の断面図である。絶縁部材４０は、樹脂製の柱状部材であり、先端部がドーム状をしている。一方、絶縁部材４０を挿入する貫通孔１６に対向する内側金属１２の外周面には、内側金属（同軸金属体）１２の高周波特性を調整するための凹部１７が形成されている。凹部１７は、絶縁部材４０の先端部のドーム形状に合せた球面状に形成されている。貫通孔１６は、外側金属１１の同じ位置の円周上に３つ設けられており、３つの絶縁部材４０は全て同じ形状をしている。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した樹脂製の柱状部材が外側金属に設けられた貫通孔を挿通して内側金属を支持した状態を示す断面図である。３つの貫通孔１６にそれぞれ絶縁部材４０を差し込んでドーム状の先端部を凹部１７に挿入し、絶縁部材４０の後端部を貫通孔１６に固定すると図６（ｂ）に示す状態となる。このように３本の絶縁部材４０を固定することにより、内側金属１２が外側金属１１の内部に同軸状態で固定される。

図６（ｃ）は、外側金属１１に設けられた貫通孔１６を挿通させる樹脂製の絶縁部材４０の変形例を示すものである。変形例の絶縁部材４０´も樹脂製の柱状部材であり、先端部がドーム状をしているが、柱状部の側面にテーパ状の斜面４１と段差面４２を備えるストッパ４３を備えている。

図６（ｄ）は図６（ｃ）に示した変形例の絶縁部材４０´により内側金属が外側金属に支持された状態を示す断面図である。ストッパ４３を備える絶縁部材４０´は、図６（ｄ）に示すように、貫通孔１６に差し込み、ストッパ４３の斜面４１を貫通孔１６を通過させて段差面４２を外側金属１１の内周面に保持させれば、内側金属１２が外側金属１１の内部に同軸状態で固定される。

図６（ｂ）又は図６（ｄ）に示すように、内側金属１２を外側金属１１に本固定するための工程を終了した後に、図５を利用して説明したように、不連続部１４において第１の接続金属部材２０を切り離し、端部において第２の接続金属部材３０を切り離して、シールデッドループアンテナ１０の製造工程を終了する。

なお、シールデッドループアンテナ１０において、外側金属１１の形状は、図４（ａ）に示す形状に限定されるものではなく、他の形状とすることもできる（例えば、図１３参照）。シールデッドループアンテナ１０において、内側金属１２を外側金属１１に本固定する貫通孔１６の配置箇所は、図４（ａ）に示すように、４か所に限定されるものではなく、３か所以下であっても、５か所以上であっても良い。シールデッドループアンテナ１０において、不連続部１４の配置箇所は、図４（ａ）に示すように、１か所に限定されるものではなく、２か所以上であっても良い。図６では、３本の絶縁部材を挿入して内側金属１２を外側金属１１に本固定したが、２本以下又は４本以上の絶縁部材を挿入して内側金属１２を外側金属１１に本固定しても良い。

図７は、内側金属１２を外側金属１１に本固定するための他の工程を説明するための図である。

図４及び図６に示したシールデッドループアンテナ１０では、外側金属１１に設けられた貫通孔１６から絶縁部材４０を挿入して内側金属１２を外側金属１１に本固定した。これに対して、外側金属１１に設けられた貫通孔１６から溶融状態の樹脂（以後単に「溶融樹脂」と記す）を注入し且つ硬化させることによって、内側金属１２を外側金属１１に本固定するようにしても良い。

図７（ａ）は、図４（ａ）に示したシールデッドループアンテナの外側金属に設けられた貫通孔から溶融樹脂を注入する工程を示す説明図である。図７（ａ）に示すように、外側金属１１のループ状部１０Ｌに設けた複数の貫通孔１６にノズル４４を差し込み、溶融樹脂供給源４５から溶融樹脂を外側金属１１と内側金属１２の間のスペース１３に注入して充填する。

図７（ｂ）は（ａ）に示したシールデッドループアンテナの外側金属に設けられた貫通孔に対向する部分に位置する内側金属が環状溝によって縮径されている状態を示す一部切欠き部分斜視図である。図７（ｂ）に示すように、外側金属１１に設けられた貫通孔１６に対向する内側金属１２の対向部の外周面には、内側金属（同軸金属体）１２の高周波特性を調整するための凹部１７が形成されている。内側金属１２の外周面に設けられた凹部１７の断面形状は、湾曲面である。図４に示したシールデッドループアンテナ１０において、図７（ａ）に示す他の工程を採用する場合には、図７（ｂ）に示すように内側金属１２の凹部１７を形成することが好ましい。

図７（ｃ）は（ｂ）に示した貫通孔から樹脂が外側金属の内部に充填される工程を示す部分断面図である。貫通孔１６から溶融樹脂を注入すると、溶融樹脂は図７（ｃ）に示すように外側金属１１と内側金属１２の間のスペース１３に充填される。図７（ｃ）には、１つの貫通孔１６から注入された溶融樹脂が外側金属１１と内側金属１２の間のスペース１３に次第に充填されてゆく様子が示されている。

溶融樹脂は、内側金属１２の周囲に回り込むまで十分な量を注入し、内側金属１２が外側金属１１の内部に配置されるようにする。波紋状の曲線は、１つの貫通孔１６から注入された溶融樹脂が、スペース１３内に徐々に広がってゆく様子を時間の経過と共に示すものである。スペース１３に充填された溶融樹脂が冷えて固まると、内側金属１２が外側金属１１の内部に同軸状態で固定される。

外側金属１１に設けた貫通孔１６から溶融樹脂を外側金属１１と内側金属１２の間のスペース１３に充填し、樹脂が冷えて固まれば内側金属１２が外側金属１１の内部に同軸状態で固定される。従って、溶融樹脂を用いて内側金属１２を外側金属１１に本固定する場合、図４（ａ）に示したように貫通孔１６は必ずしも３つ必要ではない。

図８は、外側金属１１の所定箇所に設ける貫通孔１６の配置数を変更した場合を説明するための図である。

図８（ａ）は外側金属１１の所定箇所に設ける貫通孔１６の設置数が１である実施例を示すものである。図８（ｂ）は外側金属１１の所定箇所に設ける貫通孔１６の設置数が２である実施例を示すものである。図８（ｃ）は外側金属１１の所定箇所に設ける貫通孔１６の設置数が４である実施例を示すものである。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、シールデッドループアンテナの外側金属に設けられた貫通孔の個数は、図４（ａ）に示すように、３個に限定されない。図８（ａ）〜図８（ｃ）の何れの場合においても、貫通孔１６に対向する内側金属１２の外周面には、高周波特性を調整するための、湾曲面を備えた凹部１７が形成されている。なお、図６に示すように、絶縁部材４０を用いて、内側金属１２を外側金属１１に本固定する場合も、同様である。

図９は、内側金属１２を外側金属１１に本固定するための更に他の工程を説明するための図である。

図７（ａ）に示す内側金属１２を外側金属１１に本固定するための他の方式では、溶融樹脂を３つの貫通孔１６から注入し、図７（ｂ）に示す湾曲面を備えた凹部１７を内側金属１２に設けた。これに対して、図９に示す更に他の工程では、４か所の貫通孔１６から溶融樹脂を注入し、内側金属１２及び外側金属１１の内側の形状をさらに変形させている。

図９（ａ）は外側金属の所定箇所に設ける貫通孔が対向位置にあり、外側金属の内周面に段階的な拡径部、対応する内側金属の外周面に段階的な縮径部が設けられ、貫通孔を通じて外側金属と内側金属の間に樹脂が充填された状態を示す部分断面図である。図９（ａ）に示すように、内側金属１２の外周面に設けられた凹部１７に加えて、外側金属１１の内周面にも凹部１８が設けられている。貫通孔１６の対向部の内側金属１２の外周面に設けられる凹部１７は、内側金属１２を縮径して設けられ、縮径の程度は、貫通孔１６と対向した部位が最も大きく、貫通孔１６の対向部からの距離が大きいほど縮径の程度が小さい。内側金属１２の縮径は、図９（ａ）に示すような段階的なものに限定されるものではなく、連続的に行うこともできる。

図９（ａ）に示すように、貫通孔１６の周辺部の外側金属１１の内周面が拡径されて凹部１８が設けられている。凹部１８の拡径の程度は、貫通孔１６と周辺部が最も大きく、貫通孔１６からの距離が大きいほど拡径の程度が小さい。外側金属１１の縮径は、図９（ａ）に示すような凹部１７の縮径に合わせた段階的なものに限定されるものではなく、連続的に行うこともできる。図４に示したシールデッドループアンテナ１０において、図９に示す更に他の工程を採用する場合には、図９（ａ）に示すように内側金属１２の凹部１７及び外側金属１１の凹部１８を形成することが好ましい。

図９（ｂ）には、外側金属１１の所定箇所に設けられた４か所の貫通孔１６から溶融樹脂が注入され、溶融樹脂が外側金属１１と内側金属１２の間のスペース１３に次第に充填されてゆく様子が示されている。図９（ｂ）に示す波紋状の曲線は、４つの貫通孔１６から溶融樹脂が同時に注入された場合に、樹脂がスペース１３内に徐々に広がってゆく様子を時間の経過と共に示すものである。スペース１３に充填された溶融樹脂が冷えて固まると、内側金属１２が外側金属１１の内部に同軸状態で固定される。

以下に、内側金属１２の外周面に形成する凹部１７及び外側金属１１の内周面に形成する凹部１８の効用について説明する。凹部１７及び凹部１８は、スペース１３に充填する樹脂の誘電率と空間占有率から計算される特性インピーダンスを、外側金属１１と内側金属１２を備える同軸構造の設計値と一致させることによって、高周波特性の悪化を抑えるための構成である。

まず、図６（ａ）に示した凹部１７について説明する。内側金属１２の直径をａ、外側金属１１の内径をｂ、外側金属１１の内径ｂを内側金属１２の直径ａで割った値（ｂ／ａ）をｋとする。絶縁部材４０の直径をｖ、本数をｎ、比誘電率をεｓとする。図６（ａ）に示した内側金属１２に凹部１７がない場合の等価比誘電率εｒは以下の式１で求めることができる。
εｒ＝（ｓ０＋ｓｓ（εｓ−１））÷ｓ０・・・（１）
ここで、ｓ０はスペース１３の断面積（＝π（ｂ²＋ａ²））、ｓｓは絶縁部材４０の断面積（＝ｖ（ｂ−ａ）ｎ）である。
すると、比率ｋ＝ｂ／ａを以下の式２で計算することができる。
ｋ＝１０^{[(50×√εr)/138]}・・・（２）

等価誘電率εｒの条件では、式２からｋ２＝ｂ／ａの比率を計算する。
このｋ２から凹部１７の深さδは以下の式３で決まる。
δ＝[ａ²×（１−[ｋ²／ｋ２²]）×π]／３ｖ・・・（３）
ここで、ｋは式２で求められる同軸構造のｂ／ａの比率、ｋ２は絶縁部材４０の影響を考慮した時のｂ／ａ２比率、ａ２は絶縁部材４０の影響を考慮した等価中心導体半径である。

計算例を挙げると、例えば、ａ＝１、εｒ＝１とした時に、式２を用いてｋ＝２．３が決まる。
次に、絶縁部材４０の比誘電率εｓを２．０とし、絶縁部材４０の直径をｖ＝０．５ｍｍとし、図６(ａ)に示したように絶縁部材４０の本数を３とすると、
式１からεｒ＝１．４４、式３からδ＝０．２３ｍｍと計算される。
ここで、ｋ＝２．３、ｋ２＝２．４４は、式２を用いて計算される。

図１０は、凹部１７の有無による高周波特性（特性インピーダンス）の改善具合を示す、ＴＤＲのシミュレーションによるグラフである。

図１０（ａ）は、外側金属に設けられた貫通孔に対向する内側金属の外周面に環状の凹部が無い場合の高周波特性を示すグラフである。図１０（ｂ）は、外側金属に設けられた貫通孔に対向する内側金属の外周面に環状の凹部がある場合の高周波特性を示すグラフである（図６（ｂ）に示す状態）。図１０（ａ）及び（ｂ）において、縦軸は特性インピーダンスを表し（５００ｍＷが５０Ωに相当する）、横軸は水平距離（０．１ｎｓが７ｍｍに相当する）を表している。

図１０（ａ）では、０．２ｎｓ近傍に窪んだ波形が現れているのに対して、図１０（ｂ）では、図１０（ａ）に見られるような窪んだ波形が現れていない。すなわち、内側金属１２に凹部１７を設けたことにより、特性インピーダンスが安定していることが分かる。

次に、図９（ａ）に示した凹部１７及び凹部１８について説明する。図９（ａ）に示すように、凹部１７及び凹部１８は３段階のステップ構造をしている。すなわち、内側金属１２と外側金属１１の間に、空気しか存在しないＡ領域、樹脂と空気が混在するＢ領域、及び樹脂が充填されているＣ領域がある。図９（ａ）に示す構造では、下記の式４により３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける同軸構造の高周波特性を代表する特性インピーダンスＺ₀を全て一致させるようにして、高周波特性の劣化を抑えるものである。
Ｚ₀＝（１３８／√εｎ）ｌｏｇ（ｂ／ａ）・・・（４）

具体的な計算例を示すと、３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける特性インピーダンスを、全て５０Ωに一致させる場合の手順は以下の通りである。
（１）同軸構造の寸法を、内側金属１２の直径をａ、外側金属１１の内径をｂとする。
（２）固定用の樹脂の比誘電率をεｓとする。
（３）領域Ａの寸法は基本の通りとする。
（４）領域Ｂにおける等価比誘電率εｒ＝εｓ／２とする。
（５）領域Ｂの同軸構造の寸法は式２で求められるｋ＝ｂ／ａの比率を計算する。
（６）ｂ／ａがｋとなるように領域Ｂにおける寸法を決定する。
（７）領域Ｃにおける等価比誘電率εｒ＝εｓとする。
（８）式２を用いて比率ｋを求める。
（９）ｂ／ａがｋとなるように領域Ｃにおける寸法を決定する。

なお、３段階のステップ構造における凹部１７の段差ｄの寸法は、下式５を用いて、なるべく小さくすることができる。
ｄ＝（−ｂ＋ａｋ）／（１＋ｋ）・・・（５）
例えば、ａ＝１．５、ｂ＝３．４、ｋ＝４．２の時、ｄ＝０．５６となり、新たなａ２、ｂ２は以下のようになる。
ａ２＝ａ−ｄ＝０．９４
ｂ２＝ｂ＋ｄ＝３．９６

図１１は、凹部１７及び凹部１８の有無による高周波特性（特性インピーダンス）の改善具合を示す、ＴＤＲのシミュレーションによるグラフである。

図１１（ａ）は、外側金属１１に設けられた貫通孔１６に対向する内側金属１２の外周面に環状の凹部１７が無く且つ外側金属１１の内周面に環状の凹部１８が無い場合の高周波特性を示すグラフである。図１１（ｂ）は、外側金属１１に設けられた貫通孔１６に対向する内側金属１２の外周面に環状の凹部１７が設けられ且つ外側金属１１の内周面の環状の凹部１８が設けられた場合の高周波特性を示すグラフである。図１１（ａ）及び（ｂ）において、縦軸は特性インピーダンスを表し（５００ｍＷが５０Ωに相当する）、横軸は水平距離（０．１ｎｓが７ｍｍに相当する）を表している。

図１１（ａ）では、０．１〜０．３ｎｓ近傍に、複数段階で窪んだ波形が現れているのに対して、図１１（ｂ）では、図１１（ａ）に見られるような窪んだ波形が現れていない。すなわち、内側金属１２に凹部１７を設け且つ外側金属１１に凹部１８を設けたことにより、特性インピーダンスが安定していることが分かる。

図１２は、内側金属１２及び／又は外側金属１１に形成される凹部の他の例を示す図である。

図１２（ａ）は、外側金属１１に設けた貫通孔１６の周囲だけに凹部１８を設けた例である。図１２（ｂ）は、外側金属１１に設けた貫通孔１６の周囲だけに凹部１８を設けた別の実施例である。図１２（ｃ）は、外側金属１１に設けた貫通孔１６の周囲は平坦であり、内側金属１２の貫通孔１６に対向する部分だけにステップ形状の凹部１７を設けた例である。図４（ａ）に示すシールデッドループアンテナ１０において、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すような内側金属１２及び／又は外側金属１１に形成される凹部の形状を採用することができる。なお、凹部１７，１８の形状はこれらの形状に限定されるものではない。

図１３は、他の形状の３Ｄシールデッドループアンテナ５０を示す図である。図１３（ａ）は３Ｄシールデッドループアンテナ５０の平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示し３Ｄシールデッドループアンテナ５０の側面図である。

図１３に示す３Ｄシールデッドループアンテナ５０は、３次元方向の磁界を測定するためのアンテナであって、前述したシールデッドループアンテナ１０と同様の同軸金属体の製造方法によって製造することができる。具体的には、金属積層３Ｄプリント技術を使用した３Ｄプリンタによって、不連続部に設けられた第１の接続金属接続部材及び端部に設けられた第２の接続金属接続部材によって外側金属１１に対して内側金属１２が仮保持された３Ｄシールデッドループアンテナ５０の外形骨格を形成し。その後、不図示の貫通孔から絶縁部材を挿入等して内側金属１２を外側金属に対して本固定し、第１の接続金属接続部材及び第２の接続金属接続部材を切り離すことにより、３Ｄシールデッドループアンテナ５０の製造を終了する。

３Ｄシールデッドループアンテナ５０は、３つのシールデッドループアンテナ５１，５２，５３が合体して形成されたものである。３つのシールデッドループアンテナ５１，５２，５３は１２０度間隔で放射状に合体され、その直線部５１Ｓ，５２Ｓ，５３Ｓに対してループ状部５１Ｌ，５２Ｌ，５３Ｌが３５度程度折り曲げられている。３Ｄシールデッドループアンテナ５０はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の磁界を１つのアンテナ素子で測定することができる。このように、本出願の同軸金属体の製造方法によれば、各種のシールデッドループアンテナを製造することができる。

１０シールデッドループアンテナ
１０Ｌループ状部
１０Ｓ直線部
１１外側金属
１２内側金属
１４不連続部
１６貫通孔（開口部）
１７、１８凹部
２０第１の接続金属部材
２１，２２長尺ロッド
２３，２４短尺ロッド
３０第２の接続金属部材
３１，３２レッグ
３３，３４アーム
４０絶縁部材
５０３Ｄシールデッドループアンテナ

Claims

チューブ状の外側金属及び前記外側金属の内側に配置される内側金属を備える同軸金属体の製造方法であって、
不連続部と開口部を有する前記外側金属、前記開口部と対向した対向部を有する前記内側金属、及び、前記不連続部において前記外側金属に対して前記内側金属を仮支持する接続金属部材を３Ｄプリンタを用いて形成する工程と、
前記開口部から絶縁部材を挿入して、前記外側金属に対して前記内側金属を支持する様に、前記開口部と前記対向部の間に前記絶縁部材を配置する工程、及び
前記接続金属部材を除去する工程と、
を有することを特徴とする同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程において前記開口部の周辺部及び前記対向部の少なくとも一方には、前記絶縁部材を配置する工程において前記絶縁部材が配置された場合に、前記同軸金属体の高周波特性を調整するための凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程において前記凹部が前記対向部のみに設けられ、前記凹部が湾曲面を備え、前記絶縁部材を配置する工程において前記絶縁部材が前記開口部から前記凹部に向かって挿入される先端部がドーム状の柱状部材であり、前記ドーム状の先端部は前記凹部内に挿入されることを特徴とする請求項２に記載の同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程において前記対向部に設けられる前記凹部は、前記内側金属を縮径することによって設けられ、縮径の程度は、前記開口部と対向した部位が最も大きく、前記開口部の前記対向部からの距離が大きいほど縮径の程度が小さいことを特徴とする請求項２に記載の同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程において前記開口部の周辺部に設けられる前記凹部は、前記外側金属の内径を拡径することによって設けられ、拡径の程度は、前記開口部の近傍が最も大きく、前記開口部からの距離が大きいほど拡径の程度が小さいことを特徴とする請求項２に記載の同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程において前記対向部に設けられる前記凹部の縮径及び前記開口部の周辺部に設けられる前記凹部の拡径は、段階的に行われることを特徴とする請求項４又は５に記載の同軸金属体の製造方法。
前記絶縁部材を配置する工程における前記絶縁部材が溶融した樹脂であり、前記開口部から注入後に固化させることを特徴とする請求項４から６の何れか１項に記載の同軸金属体の製造方法。
前記３Ｄプリンタを用いて形成する工程と、前記絶縁部材を配置する工程、及び前記接続金属部材を除去する工程によって製造される前記同軸金属体は、直線部の先に環状部を備えるループアンテナ形状であり、前記内側金属は前記外側金属の両端部から突出していることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の同軸金属体の製造方法。