JP7338567B2

JP7338567B2 - 電磁波透過カバー

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Publication number: JP7338567B2
Application number: JP2020112720A
Authority: JP
Inventors: 真一道家; 英司小島
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: US11527822B2; US20210408675A1; JP2022011526A

Description

本発明は、レーダ装置により送信及び受信される電磁波の経路内に配置される電磁波透過カバーに関する。

ミリ波レーダ装置等のレーダ装置が搭載された車両では、そのレーダ装置からミリ波等の電磁波が車外へ向けて送信される。先行車両、歩行者等を含む車外の物体に当たって反射された電磁波は、レーダ装置によって受信される。レーダ装置では、送信及び受信された電磁波により、上記物体の認識や、車両と物体との距離、相対速度等の検出が行なわれる。

上記レーダ装置は、車外から見えると、車両の外観を損なう。そのため、レーダ装置を車外から見えにくくする必要がある。但し、車両の既存の外装部品、例えば、フロントグリル、バンパ等の裏側にレーダ装置を配置すると、同外装部品がレーダ装置による電磁波と干渉する。

そこで、電磁波を透過する機能を上記外装部品に付与することが考えられている。例えば、特許文献１では、車両のバンパの裏側にレーダ装置が配置されている。バンパにおいて、電磁波の経路となる箇所には、電磁波の透過性を有するレドーム部が形成されている。

また、フロントグリルのうち、レーダ装置からの電磁波の経路となる箇所に開口部を設け、電磁波を透過するカバー（電磁波透過カバー）を、この開口部に配置する技術も提案されている。

さらに、上記特許文献１では、電磁波を透過する材料からなる塗料が用いられて、バンパに無反射コーティング処理が施されている。

特許第３４１９６７５号公報

ところで、上記バンパのレドーム部でも上記電磁波透過カバーでも、電磁波が照射されると、その電磁波の一部が反射される。その反射の分、透過する電磁波が少なくなり、レーダ装置の検出性能が低下する。そのため、反射される電磁波を如何にして少なくするかが重要となってくる。

ところが、上記特許文献１に記載された無反射コーティング処理は、コーティングによる反射を発生させないことでバンパにおける電磁波の透過性を維持させる技術であり、バンパにおける電磁波の反射を抑制する技術ではない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電磁波の反射を抑制して、電磁波の透過性能の向上を図ることのできる電磁波透過カバーを提供することにある。

上記課題を解決する電磁波透過カバーは、電磁波を送信及び受信するレーダ装置の前記電磁波の経路内に配置される部材であり、誘電体からなり、かつ前記電磁波の透過性を有する基材と、前記電磁波の進行方向における前記基材の両面の少なくとも一方に積層される層であり、誘電体からなり、かつ前記電磁波の透過性を有するとともに同電磁波の反射を抑制する反射抑制層とを備える電磁波透過カバーであって、前記反射抑制層中における電磁波の波長をλ２とし、２π／λ２を位相定数β_２とし、前記進行方向における前記反射抑制層の前側の界面で反射する反射波の位相と、後側の界面で反射する反射波の位相とのずれ量を位相ずれ量βとした場合、前記反射抑制層の厚さＬ_２は、β／β_２に設定されている。

上記の構成によれば、レーダ装置により送信及び受信される電磁波の一部は、電磁波透過カバーの反射抑制層及び基材を透過するが、他の一部の電磁波は、同電磁波の進行方向における反射抑制層の前側の面で反射され、さらに他の一部は上記反射抑制層の後側の面で反射される。

反射抑制層の厚さＬ_２が上記の条件を満たすように設定されると、両反射波の位相がπだけずれ、逆位相となる。そのため、反射抑制層のうち、電磁波の進行方向における前側の面で反射する反射波と、後側の面で反射する反射波とが打ち消し合う。反射波が打ち消される分、電磁波透過カバーを透過する電磁波が多くなる。

上記電磁波透過カバーにおいて、前記反射抑制層は、前記進行方向における前記基材の両面のうち、後側の面であって、前記電磁波が照射される領域に少なくとも形成されていることが好ましい。

反射抑制層が基材において上記の条件を満たす領域に形成されることで、レーダ装置から送信される電磁波の一部が、進行方向における反射抑制層の前側の面で反射され、他の一部が後側の面で反射される。そして、反射抑制層の厚さＬ_２が、上記のようにβ／β_２を満たす値に設定されることで、両反射波が互いに打ち消し合う。

上記電磁波透過カバーにおいて、前記基材中における電磁波の波長をλ１とし、２π／λ１を位相定数β_１とし、前記進行方向における前記基材の前側の界面で反射する反射波の位相と、後側の界面で反射する反射波の位相とのずれ量を位相ずれ量αとするとともに、前記基材の厚さをＬ_１とし、さらに前記基材の比誘電率をε_αとし、前記反射抑制層の比誘電率をε_βとした場合、前記位相ずれ量βは、以下の（式１）～（式５）に基づいて設定されていることが好ましい。

上記の構成によれば、基材における位相ずれ量αと、基材及び反射抑制層のそれぞれにおける比誘電率ε_α，ε_βとが判っている場合には、反射抑制層における位相ずれ量βを、上記（式１）～（式５）に基づいて算出することが可能である。

上記電磁波透過カバーによれば、電磁波の反射を抑制して、電磁波の透過性能の向上を図ることができる。

電磁波透過カバーを車両用のエンブレムに具体化した一実施形態を示す図であり、同エンブレムを、窓部を有するフロントグリルの一部とともに示す概略断面図。一実施形態において、単位円とミリ波の波形との関係を示す説明図。一実施形態における反射波の位相差を説明する波形図。一実施形態において、各反射抑制層により反射波が打ち消される作用を説明する説明図。（ａ），（ｂ）は、一実施形態の基材における反射波の位相ずれ量αを説明する説明図。（ａ），（ｂ）は、一実施形態の反射抑制層における反射波の位相ずれ量βを説明する説明図。一実施形態において、反射抑制層の厚さと、ミリ波の反射量との関係を示すグラフ。

以下、電磁波透過カバーを車両用のエンブレムに具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下の記載に関し、車両の前進方向を前方とし、後進方向を後方として説明する。また、上下方向は車両の上下方向を意味するものとする。また、図１では、エンブレムにおける各部を認識可能な大きさとするために、各部の縮尺を適宜変更して図示している。

図１に示すように、車両１０の前部の車幅方向における中央部分であって、フロントグリル１１の後方には、前方監視用のミリ波レーダ装置１３が配置されている。ミリ波レーダ装置１３は、電磁波におけるミリ波を、車外のうち前方へ向けて送信し、かつ、車外の物体に当たって反射されたミリ波を受信する機能を有する。ミリ波とは、波長が１ｍｍ～１０ｍｍであり、周波数が３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚである電波をいう。

上記フロントグリル１１の厚みは、一般的なフロントグリルと同様、一定ではない。また、フロントグリル１１では、樹脂製基材の表面に金属めっき層が形成されることがある。従って、フロントグリル１１は、送信又は反射されたミリ波と干渉する。このため、フロントグリル１１において、ミリ波の送信方向におけるミリ波レーダ装置１３の前方には、窓部１２が開口されている。

上記窓部１２には、本実施形態のエンブレム１５が配置されている。ここで、エンブレム１５を説明するにあたり、同エンブレム１５の意匠面側（図１では左側）を表側といい、意匠面とは反対側（図１では右側）を裏側というものとする。

エンブレム１５は、その表面（意匠面）が車両１０の前方を向き、かつ同エンブレム１５の裏面が車両１０の後方を向くように、起立した状態で配置される。この配置状態では、エンブレム１５の表側が車両１０の前側に対応し、エンブレム１５の裏側が車両１０の後側に対応する。

そのため、エンブレム１５の説明に際し、車両前後方向に対応する方向を特定する場合には、「表」及び「裏」の語を用いるものとする。
本実施形態のエンブレム１５は、基材１６を一対の反射抑制層２１，２４によって挟み込んだ３層構造を採っている。基材１６は、ミリ波の透過性を有し、かつ比誘電率が既知である材料、例えば、樹脂材料によって板状に形成されている。基材１６の形成に用いられる樹脂材料は、透明であってもよいし、不透明であってもよい。また、ここでは、説明を簡略化するために、基材１６が単一の層によって構成されている場合を例にとって説明するが、複数の層によって構成されてもよい。

ここで、図２は、単位円と、ｙ＝sinθのグラフで表されるミリ波の波形との関係を示している。このグラフにおけるｙの値は、角度θの値によって変動する。図２及び図４に示すように、基材１６の厚さをＬ_１とし、基材１６中におけるミリ波の波長をλ１とし、２π／λ１を位相定数β_１とする。基材１６は、ミリ波透過領域では厚さＬ_１が均一となるように形成されている。

図４及び図５（ａ），（ｂ）に示すように、ミリ波の進行方向（図４では送信方向）における座標をＺとする。ミリ波の進行方向における基材１６の裏面１８の座標をＺ１とし、同基材１６の表面１７の座標をＺ２とする。図４及び図５（ａ）に示すように、タイミングｔ０において、基材１６の裏面１８（座標Ｚ１）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ１位相とする。また、図４及び図５（ｂ）に示すように、上記と同じタイミングｔ０において、基材１６の表面１７（座標Ｚ２）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ２位相とする。Ｚ２位相とＺ１位相とのずれ量を位相ずれ量αとする。位相ずれ量αは、（式１）によって表される。

図１及び図４に示すように、基材１６の裏面１８の周辺部分における複数箇所には、エンブレム１５をフロントグリル１１又は車体に組付けるための取付部１９が設けられている。取付部１９は、クリップ、ビス、係合爪等によって構成されている。

図４に示すように、基材１６よりも表側の反射抑制層２１は、同基材１６の表面１７に積層されている。基材１６よりも裏側の反射抑制層２４は、同基材１６の裏面１８の全面を対象として積層されている。この積層の対象となる面には、ミリ波が照射される領域が含まれている。両反射抑制層２１，２４は、ミリ波の透過性を有し、かつ比誘電率が既知である材料、例えば、樹脂材料によって形成されている。両反射抑制層２１，２４の形成に用いられる樹脂材料は、透明であってもよいし、不透明であってもよい。

各反射抑制層２１，２４としては、シート状をなすものが用いられてもよい。この場合、反射抑制層２１は、基材１６の表面１７に貼付けられ、反射抑制層２４は、基材１６の裏面１８に貼付けられる。また、反射抑制層２１，２４は、上記貼付けに代えて樹脂成形法によって、基材１６に積層された状態で形成されてもよい。

ここで、図４及び図６（ａ），（ｂ）に示すように、各反射抑制層２１，２４の厚さをＬ_２とし、反射抑制層２１，２４中におけるミリ波の波長をλ２とし、２π／λ２を位相定数β_２とする。両反射抑制層２１，２４の厚さＬ_２は互いに同一に設定されている。また、ミリ波の進行方向における反射抑制層２４の裏面２６の座標をＺ０とする。同反射抑制層２４の表面２５の座標は、基材１６の裏面１８の座標と同じ（Ｚ１）になる。

図４及び図６（ａ）に示すように、タイミングｔ０において、反射抑制層２４の裏面２６（座標Ｚ０）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ０位相とする。また、図４及び図６（ｂ）に示すように、上記と同じタイミングｔ０において、反射抑制層２４の表面２５（座標Ｚ１）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ１位相とする。Ｚ１位相とＺ０位相とのずれ量を位相ずれ量βとする。

反射抑制層２１の表面２２の座標をＺ３とする。同反射抑制層２１の裏面２３の座標は、基材１６の表面１７の座標と同じ（Ｚ２）になる。
図示はしないが、上記タイミングｔ０において、反射抑制層２１の裏面２３（座標Ｚ２）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ２位相とする。また、上記と同じタイミングｔ０において、反射抑制層２１の表面２２（座標Ｚ３）でミリ波が反射するときの位相を、反射波のＺ３位相とする。反射抑制層２１が上記反射抑制層２４と同一の厚さＬ_２及び比誘電率を有していることから、Ｚ３位相とＺ２位相とのずれ量は、上記位相ずれ量β（図６（ｂ）参照）と同一になる。

両反射抑制層２１，２４における位相ずれ量βは、（式２）によって表される。

上記（式２）中のＡは、（式３）で表され、Ｂは（式４）で表され、Ｃは（式５）で表される。（式３）～（式５）中のε_αは、基材１６の比誘電率であり、ε_βは各反射抑制層２１，２４の比誘電率である。

上記（式２）から各反射抑制層２１，２４の厚さＬ_２は、（式６）で表される。（式６）中のλは真空中の波長である。

なお、上記（式２）～（式６）は、次のようにして求められたものである。

反射抑制層２１，２４及び基材１６をあわせたＦマトリクスは、それぞれを表すＦマトリクスを縦続接続することにより，下記（式７）～（式１１）のように表される。（式７）～（式１１）のｊは虚数単位であり、Ｚ_０は真空中の特性インピーダンスである。

ここで、Ｆマトリクスより、反射係数Ｒは（式１２）のように計算できる。反射係数Ｒは、界面で生ずる反射の程度（反射波の入射波に対する比：図４参照）を表す係数であり、反射がないときに０となる。

ミリ波の全てがエンブレム１５を透過（完全透過）する条件は、反射係数Ｒが０になるときであり、上記（式１２）中の分子の値が０となればよい。上記Ｆマトリクスの値を、（式１２）における分子の式に代入して整理すると、下記（式１３）が得られる。

（式１３）から分子が０となる条件は、下記（式１４）で表される。

（式１４）中、位相ずれ量α、比誘電率ε_α，ε_βは既知であり、（式１４）中の変数は位相ずれ量βのみである。そのため、位相ずれ量βに注目して（式１４）をまとめると、（式１５）となる。（式１５）中の各項をcos^２βで除算すると、（式１６）が得られる。tanβ＝ｘとすると、（式１６）は、２次関数を示す（式１７）で表され、ｘは（式１８）で表される。（式１８）から、上記（式１）及び（式６）が得られる。

そして、上記のように構成されたエンブレム１５は、図１に示すように、起立させられた状態で窓部１２の内部に配置され、取付部１９においてフロントグリル１１又は車体に取付けられている。

次に、上記のように構成された本実施形態の作用について説明する。また、作用に伴い生ずる効果についても併せて説明する。
図１及び図４に示すミリ波レーダ装置１３からミリ波が送信されると、そのミリ波の一部は、エンブレム１５のミリ波透過領域において各部を透過する。透過したミリ波は、先行車両、歩行者等を含む車両前方の物体に当たって反射された後、再びエンブレム１５のミリ波透過領域を透過し、ミリ波レーダ装置１３によって受信される。ミリ波レーダ装置１３では、送信及び受信された上記ミリ波に基づき、物体の認識や、車両１０と同物体との距離、相対速度等の検出が行われる。

ミリ波レーダ装置１３から送信されてエンブレム１５に入射されたミリ波（入射波）の一部は、エンブレム１５を構成する各部の界面で反射される。基材１６を表裏方向における両側から反射抑制層２１，２４によって挟み込むことで構成された本実施形態のエンブレム１５では、基材１６よりも裏側の反射抑制層２４の表面２５及び裏面２６と、同基材１６よりも表側の反射抑制層２１の表面２２及び裏面２３とがそれぞれ界面となる。裏側の反射抑制層２４の表面２５は、基材１６の裏面１８との界面に該当し、同反射抑制層２４の裏面２６は、空気との界面に該当する。表側の反射抑制層２１の裏面２３は、基材１６の表面１７との界面に該当し、同反射抑制層２１の表面２２は、空気との界面に該当する。上記表面２２，２５は、ミリ波の進行方向における反射抑制層２１，２４の前側の界面に該当する。上記裏面２３，２６は、ミリ波の進行方向における反射抑制層２１，２４の後側の界面に該当する。

上記入射波の一部は、裏側の反射抑制層２４では、裏面２６及び表面２５においてそれぞれ裏側へ反射される。この際、図３に示すように、反射抑制層２４の表面２５で反射されたミリ波（反射波）と、裏面２６で反射されたミリ波（反射波）との間に位相のずれ（位相差）が生ずる。

また、上記入射波の他の一部は、表側の反射抑制層２１では、裏面２３及び表面２２においてそれぞれ裏側へ反射される。この際、反射抑制層２１の表面２２で反射されたミリ波（反射波）と、同反射抑制層２１の裏面２３で反射されたミリ波（反射波）との間に位相のずれ（位相差）が生ずる（図３参照）。

ここで、裏側の反射抑制層２４でも表側の反射抑制層２１でも厚さＬ_２が上記（式６）を満たしている。このことから、各反射抑制層２４，２１では、表面２５，２２での反射波と裏面２６，２３での反射波との位相がπだけずれ、逆位相となる。そのため、裏側の反射抑制層２４でも、表側の反射抑制層２１でも、図３において実線で示すように、裏面２６，２３で反射する反射波と、同図３において二点鎖線で示すように、表面２５，２２で反射する反射波とが打ち消し合う。表現を変えると、位相がキャンセルされる。図７は、反射抑制層２１，２４の厚さＬ_２とミリ波の反射量との関係を示している。この図７に示すように、（式６）に基づいて求められた値が、厚さＬ_２として設定された場合に、他の値が設定された場合よりも反射量が少なくなる。その分、エンブレム１５を透過するミリ波が多くなり、透過係数Ｔが大きく（最大値１）になる。

このようにして、どのような厚みＬ_１や比誘電率ε_αを有する基材１６に対しても、反射抑制層２１，２４の厚さＬ_２を適切に設定することによって、反射をキャンセルして低減することができる。

上記（式１）～（式５）を満たすエンブレム１５の一例を示す。この例では、基材１６がＡＳＡ（アクリロニトリル－スチレン－アクリレート共重合）樹脂によって形成され、各反射抑制層２１，２４がＰＣ（ポリカーボネート）樹脂によって形成されている。基材１６の厚さＬ_１は３ｍｍである。この厚さＬ_１では、基材１６の反射係数Ｒが高く、ミリ波が表面１７及び裏面１８で多く反射する。ミリ波の周波数は、７６．５［ＧＨｚ］である。ＡＳＡ樹脂の比誘電率ε_αは２．７０であり、ＰＣ樹脂の比誘電率ε_βは２．７８である。ｎは整数である。位相ずれ量βは約０．９２７５８５＋ｎπ又は約－１．０１３２３＋ｎπになる。位相ずれ量βが０．９２７５８５＋ｎπの場合には、厚さＬ_２は、約０．２８０＋１．１７５ｎ［ｍｍ］となる。位相ずれ量βが－１．０１３２３＋ｎπの場合には、厚さＬ_２は、約－０．２９６＋１．１７５ｎ［ｍｍ］となる。これらのことから、反射抑制層２１，２４は、厚さＬ_２が０．２８０［ｍｍ］と０．８８０［ｍｍ］のそれぞれ１／２波長倍のときに、反射係数Ｒが０となる、いわゆる無反射膜のような作用をする。

従って、基材１６の裏面１８及び表面１７でのミリ波の反射が原因で、エンブレム１５を透過するミリ波の量が少なくなるのを抑制することができる。ミリ波レーダ装置１３から送信されるミリ波に対し、同ミリ波レーダ装置１３に戻ってくるミリ波の度合いを高め、ミリ波レーダ装置１３の検出機能を高めることができる。

なお、上記実施形態は、これを以下のように変更した変形例として実施することもできる。上記実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組合わせて実施することができる。

・反射抑制層２１，２４の一方が省略されてもよい。この場合であっても、厚さＬ_２がβ／β_２となるように設定されることで、上記実施形態と同様、ミリ波の反射を抑制してミリ波の透過性能の向上を図る効果が得られる。

・ミリ波の進行方向における基材１６の両面のうち、後側の面では、反射抑制層２４が、ミリ波が照射される領域にのみ形成されてもよい。
・上記電磁波透過カバーは、車外の物体を検出するための電磁波を送信及び受信するレーダ装置が搭載された車両に組込まれる電磁波透過カバーであれば適用可能である。この場合、レーダ装置が送信及び受信する電磁波には、ミリ波のほかにも、赤外線等の電磁波が含まれる。

・車外の物体を検出するための電磁波を送信及び受信するレーダ装置としては、前方監視用以外にも、後方監視用、前側方監視用、又は後側方監視用のレーダ装置であってもよい。この場合、電磁波透過カバーは、電磁波の送信方向における上記レーダ装置の前方に配置される。

・上記電磁波透過カバーは、オーナメント、マーク等、エンブレム以外の電磁波透過カバーにも適用可能である。

１３…ミリ波レーダ装置（レーダ装置）
１５…エンブレム（電磁波透過カバー）
１６…基材
２１，２４…反射抑制層

Claims

電磁波を送信及び受信するレーダ装置の前記電磁波の経路内に配置される部材であり、誘電体からなり、かつ前記電磁波の透過性を有する基材と、
前記電磁波の進行方向における前記基材の両面の少なくとも一方に積層される層であり、誘電体からなり、かつ前記電磁波の透過性を有するとともに同電磁波の反射を抑制する反射抑制層とを備える電磁波透過カバーであって、
前記反射抑制層中における電磁波の波長をλ２とし、２π／λ２を位相定数β_２とし、
前記進行方向における前記反射抑制層の前側の界面で反射する反射波の位相と、前記反射抑制層の前側の界面で反射する反射波と同じタイミングで後側の界面で反射する反射波の位相とのずれ量であり、かつ両位相がπずれて互いに逆位相の関係となるずれ量を位相ずれ量βとした場合、
前記反射抑制層の厚さＬ_２は、β／β_２に設定されており、
前記基材中における電磁波の波長をλ１とし、２π／λ１を位相定数β _１とし、
前記進行方向における前記基材の前側の界面で反射する反射波の位相と、後側の界面で反射する反射波の位相とのずれ量を位相ずれ量αとするとともに、前記基材の厚さをＬ _１とし、さらに前記基材の比誘電率をε _α とし、前記反射抑制層の比誘電率をε _β とした場合、
前記位相ずれ量βは、以下の（式１）～（式５）に基づいて設定されている
電磁波透過カバー。
前記反射抑制層は、前記進行方向における前記基材の両面のうち、後側の面であって、前記電磁波が照射される領域に少なくとも形成されている請求項１に記載の電磁波透過カバー。