JP6727181B2 - 反射防止構造体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、所望の入射角で入射する電磁波の反射を防止する反射防止構造体およびその製造方法に関するものである。

車両内部にミリ波レーダ装置などを配置し、フロントガラスを透過させて車両外部の目標物の距離測定などを行う場合、フロントガラス表面での反射による損失が大きくなり、検出距離が短くなるという問題がある。フロントガラス表面での反射は、空気とガラスの比誘電率の違いによるものであり、フロントガラスの比誘電率が比較的高いため反射が大きくなる。

この反射を抑える方法として、空気とガラスの中間の比誘電率であり、厚さが適切に設定された誘電体膜をガラスの両面または片面に設ける方法が知られている。しかし、誘電体膜の比誘電率や厚さは、フロントガラスの比誘電率、厚さ、電磁波の入射角度などに応じて変化させる必要がある。つまり、車種に応じて多種多様な部材を用意する必要がある。

損失を低減する他の方法として、特許文献１〜３がある。特許文献１には、偏波方向を制御することで損失を低減することが記載されている。特許文献２には、レーダー装置を被覆する樹脂部品の裏面に凹凸形状を設けることで透過損失を低減することが記載されている。特許文献３には、レンズアンテナの搭載角度を調整したり、ガラスの裏面に厚さを変化させた樹脂シートを貼ることで損失を低減することが記載されている。

特開２０１５−９２１５４号公報 特開２００８−２４９６７８号公報 特開２０１５−１９０８１０号公報

しかし、特許文献１の方法では、実際上ミリ波レーダの偏波は水平、垂直、４５°など様々な偏波方向が用いられており、透過損失の低減のために偏波方向を変えるのは現実的ではない。また、偏波方向を制御することは容易ではない。そのため、どのような偏波方向においても透過損失を低減できる構造が求められている。

また、特許文献２では、凹凸形状を設けることにより透過損失の低減を図っているが、斜め入射に対しては損失低減の効果が小さいという問題がある。また、ガラスの場合に凹凸加工が容易でないという問題もある。

また、特許文献３の方法では、レーダの設置角度、ガラスの厚さなどに応じてフィルムの厚さを連続的に変えたフィルムを多数作製する必要があり、手間やコストがかかる。また、厚さの精度よくフィルムを作製することは容易ではない。

そこで本発明の目的は、簡易で低コストに透過損失を低減できる反射防止構造体を実現することである。

本発明は、所望の角度θで入射する電磁波の反射を防止する反射防止構造体において、基材と、基材表面に設けられた反射防止膜と、を有し、反射防止膜は、基材の比誘電率よりも低い比誘電率の材料からなり、反射防止膜には、複数の穴が設けられ、その穴の半径およびパターンにより反射防止膜の実効的な比誘電率が制御され、反射防止膜の厚さおよび実効的な比誘電率は、反射防止膜１１表面での反射と、基材裏面での反射とが打ち消すように、基材の厚さ、比誘電率、および角度θに応じて設定されている、ことを特徴とする反射防止構造体である。

反射防止膜は多層としてもよい。その積層枚数によって反射防止膜の厚さを容易に制御することができる。また、厚さの異なる層の組み合わせによって反射防止膜の厚さを容易に制御することができる。

穴を周期的なパターンとし、その周期を電磁波の波長の１／２以下とするのがよい。より反射防止構造体の透過損失をより低減することができる。また、同様の理由により、穴の半径は、電磁波の波長の１／４以下とするのがよい。

また本発明は、所望の角度で入射する電磁波の反射を防止する反射防止構造体の製造方法において、基材の表面に、基材の比誘電率よりも低い比誘電率の材料からなる反射防止膜を設ける工程を有し、反射防止膜に複数の穴を設けて、その穴の半径およびパターンにより反射防止膜の実効的な比誘電率を制御し、反射防止膜の厚さおよび実効的な比誘電率は、反射防止膜表面での反射と、基材裏面での反射とが打ち消すように、基材の厚さ、比誘電率、および角度θに応じて設定する、ことを特徴とする反射防止構造体の製造方法である。

本発明の反射防止構造体によれば、簡易かつ低コストに透過損失を低減することができる。

実施例１の反射防止構造体の構成を示した図。 実施例１の反射防止構造体の構成を示した図。 反射防止膜１１の実効的な比誘電率と穴１２の半径ｒとの関係を示したグラフ。 実施例１の反射防止構造体の透過損失（ｄＢ）と角度θとの関係を示したグラフ。 比較例１の反射防止構造体の透過損失（ｄＢ）と角度θとの関係を示したグラフ。 比較例２の反射防止構造体の透過損失（ｄＢ）と角度θとの関係を示したグラフ。 反射防止膜１１のパターンの例を示した図。 反射防止膜１１の構成の例を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の反射防止構造体の構成を示した図である。実施例１の反射防止構造体１は、図１のように、基材１０と、基材１０表面に設けられた反射防止膜１１と、により構成されている。実施例１では、車両内部にミリ波レーダー装置２を配置し、そのミリ波レーダー装置２からの周波数７６．５ＧＨｚのミリ波を、反射防止構造体１を透過させて車両外部の目標物に照射することを想定している。

基材１０は、車両のフロントガラスである。フロントガラスは、比誘電率が約６のガラスからなる。また、図１のように、ミリ波レーダー装置２は、そのミリ波の照射方向が基材１０表面に対して角度θを成すように配置されている。

基材１０の材料はガラスに限らず任意の材料でよい。ガラス以外にも樹脂材料などでもよい。たとえば、樹脂からなるバンパーの背面にレーダー装置を配置し、そのバンパーを透過させて電磁波を照射する場合にも本発明は適用することができる。ただし、本発明はガラスなどの無機材料を用いる場合に好適である。無機材料の場合、樹脂材料のように反射を低減するための凹凸加工が困難であったためである。

基材１０の厚さは任意でよい。また、基材１０の比誘電率も任意でよいが、本発明は基材１０の比誘電率が高い場合に好適である。基材１０の比誘電率が高いほど透過損失も増大するが、本発明によれば効果的にこれを抑制できるためである。たとえば比誘電率が５以上の場合に好適である。

また、基材１０は単層の場合に限らず、複数の層で構成されていてもよい。たとえば、２枚のガラスの間に樹脂層を挟んだ合わせガラスであってもよい。

反射防止膜１１は、図２のように、基材１０表面（ミリ波レーダー装置２側の面）であって、そのミリ波レーダー装置２からのミリ波を透過させる領域に設けられている。他の領域には反射防止膜１１は設けられていない。

また、反射防止膜１１には、図２に示すように、周期的に配列された複数の穴１２が開けられている。穴１２の配列パターンは正方格子状のパターンである。また、穴１２は反射防止膜１１を貫通しており、その形状は円である。この穴１２の半径ｒや、正方格子のパターンの周期Ｓによって、反射防止膜１１の実効的な比誘電率が調整されている。

反射防止膜１１の材料は、比誘電率が基材１０よりも低い材料であれば任意の材料でよい。特に、樹脂材料を用いるのが製造の容易さやコストなどの点で好ましい。たとえば、ナイロン６６、ポリアセタール、フッ化ビニルデン、ＡＢＳ樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、などを用いることができ、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）でもよい。

穴１２の形状は円に限らず、矩形、三角形、六角形、楕円、など任意の形状でよい。図７（ａ）に、穴１２の形状を正方形として正方格子状のパターンに配列した例を示し、図７（ｂ）に、穴１２の形状を正三角形として正方格子状のパターンに配列した例を示す。

また、穴１２の配列は正方格子状のパターンに限らず、正三角格子状などの周期的なパターンでもよいし、準周期的なパターンでもよいし、さらには周期性のないパターンでもよい。ただし、実効的な比誘電率が面内に分布を有すると、透過損失も面内に分布を有することになるので、面内に均一な屈折率分布としたい場合には、正方格子状、正三角格子のパターンが望ましい。あるいは、面内に所定の比誘電率の分布を有するようなパターンとすることにより、レンズの効果を実現してもよい。

なお、穴１２の半径ｒ（穴１２の形状が円以外の場合には、穴１２の外接円の半径）は、透過させる電磁波の波長λ０の１／４以下とすることが望ましく、周期Ｓはλ０の１／２以下とすることが望ましい。反射防止構造体１の透過損失をより低減することができる。実施例１では、周波数７６．５ＧＨｚのミリ波を透過させるので、半径ｒは０．９７５ｍｍ以下、周期Ｓは１．９５ｍｍ以下が望ましい。

反射防止膜１１の厚さおよび実効的な比誘電率は、基材１０の比誘電率や厚さ、角度θに合わせて設定されている。反射防止構造体１の表面に対して角度θで入射するミリ波について、反射防止膜１１表面で反射されるミリ波と、基材１０裏面で反射されるミリ波とが、互いに半波長ずれて打ち消し合うように、反射防止膜１１の厚さおよび実効的な比誘電率が設定されている。このようにして反射防止構造体１による反射を抑制することで、透過損失の低減を図っている。

反射防止膜１１の実効的な比誘電率は、たとえば、基材１０の比誘電率の平方根よりも大きく基材１０の比誘電率よりも小さい範囲で設定するとよい。このような範囲であれば、反射防止構造体１の透過損失が低減するように容易に設定することができる。

角度θは所望の値に設定することができ、実施例１の反射防止構造体１は、ミリ波が斜めに入射する場合にも効果的に反射を抑制することができる。特に、３０〜６０°の広い範囲において反射を抑制することができ、反射防止構造体１の透過損失を１ｄＢ以下に低減することができる。

反射防止膜１１の厚さは、図８に示すように、複数枚のシート１１ａの積層によって調整するのが簡易で望ましい。この場合、厚さの異なるシートを用意し、それらの組み合わせで厚さを調整してもよい。これにより、簡易に反射防止膜１１の厚さを調整することができる。あるいはもっと単純に、厚さの等しいシートを複数枚用意し、その積層枚数によって反射防止膜１１全体の厚さを調整してもよい。

たとえば、厚さが２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍの４種類のシートを用意し、４種類のシートの組み合わせで種々の厚さの反射防止膜１１を実現することができる。５７５μｍの厚さを実現するためには、２００μｍのシートを２枚、１００μｍのシートを１枚、５０μｍのシートを１枚、２５μｍのシートを１枚用意して、それらを重ね合わせることで実現することができる。

また、各層ごとに穴１２の半径ｒやパターンの周期Ｓを変えて、各層の実効的な比誘電率が異なるように制御してもよい。たとえば、基板１０に向かうにつれて実効的な比誘電率が次第に高くなるように設定することで、より透過損失を低減することができる。

以上、実施例１の反射防止構造体１は、反射防止膜１１の穴１２の半径ｒやパターンによって実効的な比誘電率を設定するという簡易な方法により、あらゆる偏波に対して、所望の角度θにおいて透過損失を低減することができる。また、実施例１の反射防止構造体１では、反射防止膜１１の材料は一種類でよく、反射防止膜１１の実効的な比誘電率や厚さを容易に制御することができるので、反射防止構造体１の製造コストを低減することができる。また、実施例１の反射防止構造体１は、透過損失の低減された角度範囲が広いため、反射防止膜１１の穴１２の半径やパターンに誤差が生じたとしても、透過損失の変動が少ない。つまり、実施例１の反射防止構造体１は製造誤差の影響を受けにくいという利点がある。

次に、実施例１に関する各種シミュレーションの結果について説明する。

図３は、厚さが０．６５ｍｍで比誘電率が５の反射防止膜１１について、正方格子のパターンの周期Ｓを０．５ｍｍとしたときの、反射防止膜１１の実効的な比誘電率と穴１２の半径ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。

図３のように、穴１２の半径が大きくなるに従って実効的な比誘電率は減少していき、半径ｒが０．０５ｍｍでは比誘電率は４．２、半径ｒが０．１５ｍｍでは比誘電率は３．５となった。このように、反射防止膜１１の穴１２の半径ｒを変えることにより、反射防止膜１１の実効的な比誘電率を連続的に変化させて制御可能であることがわかった。なお、この結果から、パターンの周期Ｓを変化させることでも反射防止膜１１の実効的な比誘電率を変化させて制御できることが容易に推測できる。

図４は、反射防止構造体１の透過損失（ｄＢ）と角度θとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。図４（ａ）は垂直偏波、（ｂ）は水平偏波、（ｃ）は４５°偏波の場合である。角度θは、基材１０表面に対するミリ波（周波数７６．５ＧＨｚ）の入射方向の角度であり、θ＝９０°が反射防止構造体１に対して垂直入射の場合である。基板１０の厚さは５．２ｍｍ、反射防止膜１１の厚さは０．６５ｍｍとし、電磁波の偏向方向は、垂直偏波、水平偏波、４５°偏波の３通りとした。また、基材１０自体の透過損失は０とした。また、反射防止膜１１の実効的な比誘電率は、３．５、４．２、５．０の３通りに制御されているものとした。

図４（ａ）のように、垂直偏波の場合には、実効的な比誘電率が３．５でθが５５〜６０°で透過損失が１ｄＢを超えていたものの、θが３０〜５５°では透過損失は１ｄＢ以下であり、実効的な比誘電率が４．２、５．０でθが３０〜６０°では透過損失は１ｄＢ以下であった。

また、図４（ｂ）のように、水平偏波の場合には、反射防止膜１１の実効的な比誘電率が３．５でθが４０〜６０°の範囲、実効的な比誘電率が４．２でθが３０〜５５°の範囲、実効的な比誘電率が５．０でθが３０〜５０°の範囲では、透過損失が１ｄＢ以下であった。よって、反射防止膜１１の実効的な比誘電率を３．５から５．０の範囲で制御することで、θが３０〜６０°の範囲で１ｄＢ以下の透過損失を実現できることがわかった。

また、図４（ｃ）のように、４５°偏波の場合には、反射防止膜１１の実効的な比誘電率が３．５でθが４０〜６０°の範囲、実効的な比誘電率が４．２でθが３５〜５５°の範囲、実効的な比誘電率が５．０でθが３０〜５０°の範囲では、透過損失が１ｄＢ以下であった。よって、反射防止膜１１の実効的な比誘電率を３．５から５．０の範囲で制御することで、θが３０〜６０°の範囲で１ｄＢ以下の透過損失を実現できることがわかった。

このように、実施例１の反射防止構造体１では、反射防止膜１１の実効的な比誘電率を穴１２の半径ｒとパターンの周期Ｓによって制御することで、θが３０〜６０°の範囲で、どのような偏波に対しても１ｄＢ以下の透過損失を実現できることがわかった。また、実施例１の反射防止構造体１では、透過損失が１ｄＢ以下となる角度範囲が広いことがわかった。そのため、実効的な比誘電率に多少の変動があったとしても、透過損失の変動は小さい。つまり、穴１２の加工においてその半径やパターンに多少の製造誤差があっても影響を受けにくいことがわかった。

比較例１として、反射防止膜１１を設けずに基材１０のみとした場合について、同様に透過損失と角度θとの関係をシミュレーションにより求めた。他の条件は同様である。

図５はその結果を示したグラフであり、（ａ）は垂直偏波の場合、（ｂ）は水平偏波の場合、（ｃ）は４５°偏波の場合を示している。図５のように、水平偏波、４５°偏波では、θがいずれの範囲でも透過損失が１ｄＢより大きく、垂直偏波でも４５°以上の角度では透過損失が１ｄＢより大きくなった。したがって、基材１０のみでは透過損失が大きく、ミリ波レーダー装置２による検出距離が短くなってしまう。

比較例２として、穴１２のない比誘電率５の反射防止膜１１を用い、厚さを０．４４ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．６５ｍｍの３通りに変化させた場合について、透過損失と角度θとの関係をシミュレーションにより求めた。他の条件は同様である。

図６はその結果を示したグラフであり、（ａ）は垂直偏波の場合、（ｂ）は水平偏波の場合、（ｃ）は４５°偏波の場合を示している。図６のように、いずれの偏波でも比較例１よりも透過損失が低下しており、特に水平偏波、４５°偏波では透過損失が大きく減少していることがわかった。

しかし、図６（ｂ）、（ｃ）のように、水平偏波や４５°偏波の場合、透過損失が１ｄＢ以下となる角度範囲が狭く、また厚さの変化に対してその角度範囲が大きくシフトすることがわかった。そのため、反射防止膜１１に穴１２を設けず、反射防止膜１１の厚さだけで透過損失の改善を図ろうとすると、厚さの精度が要求され、製造誤差などの影響を受けやすいことがわかった。

（各種変形例）
実施例１の反射防止構造体は、周波数７６．５ＧＨｚのミリ波を透過させるものであったが、本発明は特定の波長に限定されるものでなく、任意の波長の電磁波に適用することができる。特に本発明は、ミリ波（波長１〜１０ｍｍ）の反射を抑制することに有効である。従来、ミリ波の反射を低コストな構造で抑制することは困難であったためである。また、同様の理由により、本発明は基材１０表面に対して３０〜６０°で入射する電磁波の反射を抑制するために特に有効である。

また、実施例１は、基材１０表面（電磁波が入射する側の面）に反射防止膜１１を設けているが、基材１０裏面に反射防止膜１１を設けてもよいし、表面と裏面の両方に反射防止膜１１を設けてもよい。ただし、本発明は基材１０表面にのみ反射防止膜１１を設ける場合に特に有効である。車両の窓ガラスに本発明を適用しようとする場合、窓ガラスの外側の面は外気に触れ、またワイパーなどが接触する。そのため、窓ガラスの外側の面に反射防止膜１１を設けると、反射防止膜１１の材料には物理的にも化学的にも安定した材料が必要となり、高コスト化してしまう。そこで、窓ガラスの内側の面にのみ反射防止膜１１を設けることが考えられる。ところが、従来はこのような場合に低コストで反射を抑制することができなかった。本発明によれば、このような窓ガラスの内側の面にのみ反射防止膜１１を設ける場合にも、低コストで反射を抑制することができ、透過損失を低減することができる。

本発明は、車両の窓ガラスなどに適用することができ、車載レーダの電磁波を窓ガラスを透過させて外部に照射する際の損失を低減することができる。

１：反射防止構造体
２：ミリ波レーダー装置
１０：基材
１１：反射防止膜
１２：穴

Claims (10)

1. 所望の角度θで入射する電磁波の反射を防止する反射防止構造体において、
   基材と、前記基材の表面に設けられた反射防止膜と、を有し、
   前記反射防止膜は、前記基材の比誘電率よりも低い比誘電率の材料からなり、
   前記反射防止膜には、複数の穴が設けられ、その穴の半径およびパターンにより前記反射防止膜の実効的な比誘電率が制御され、
   前記反射防止膜の厚さおよび実効的な比誘電率は、前記反射防止膜表面での反射と、前記基材裏面での反射とが打ち消すように、前記基材の厚さ、比誘電率、および角度θに応じて設定されている、
   ことを特徴とする反射防止構造体。
2. 前記反射防止膜は多層であり、その積層枚数によって前記反射防止膜の厚さが設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の反射防止構造体。
3. 前記反射防止膜は多層であり、厚さの異なる層を組み合わせることで、前記反射防止膜の厚さが設定されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反射防止構造体。
4. 前記穴は周期的なパターンであり、その周期は電磁波の波長の１／２以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の反射防止構造体。
5. 前記穴の半径は、電磁波の波長の１／４以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の反射防止構造体。
6. 所望の角度で入射する電磁波の反射を防止する反射防止構造体の製造方法において、
   基材の表面に、前記基材の比誘電率よりも低い比誘電率の材料からなる反射防止膜を設ける工程を有し、
   前記反射防止膜に複数の穴を設けて、その穴の半径およびパターンにより前記反射防止膜の実効的な比誘電率を制御し、
   前記反射防止膜の厚さおよび実効的な比誘電率は、前記反射防止膜表面での反射と、前記基材裏面での反射とが打ち消すように、前記基材の厚さ、比誘電率、および角度θに応じて設定する、
   ことを特徴とする反射防止構造体の製造方法。
7. 前記反射防止膜は多層であり、その積層枚数によって前記反射防止膜の厚さを設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の反射防止構造体の製造方法。
8. 前記反射防止膜は多層であり、厚さの異なる層の組み合わせによって前記反射防止膜の厚さを設定する、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の反射防止構造体の製造方法。
9. 前記穴は周期的なパターンであり、その周期は電磁波の波長の１／２以下である、ことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の反射防止構造体の製造方法。
10. 前記穴の半径は、電磁波の波長の１／４以下である、ことを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の反射防止構造体の製造方法。