JP7375408B2 - 高周波部材の製造方法および高周波部材 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態のアンテナ装置(導波装置)1の分解図である。図2は、アンテナ装置1の模式断面図である。
回路基板90には、マイクロ波集積回路が搭載されている。マイクロ波集積回路は、例えば、ミリ波を生成又は受信するMMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)である。
第1の高周波部材(高周波部材)50、第2の高周波部材(高周波部材)60および第3の高周波部材(高周波部材)70は、導電部材である。すなわち、第1の高周波部材50、第2の高周波部材60および第3の高周波部材70は、導電性の金属材料から構成される。一例として、第1の高周波部材50、第2の高周波部材60および第3の高周波部材70は、マグネシウム合金から構成される。但し、例えば、アルミニウム合金、亜鉛合金など、他の合金を利用する事も出来る。後述するように、第1の高周波部材50、第2の高周波部材60および第3の高周波部材70は、ダイカストにより製造される。
アンテナ装置1がこの姿勢で配置される場合、アンテナ装置1は、電磁波を上側に向かって送信するとともに、上側から下側に向かって伝達されてアンテナ装置1に達する電磁波を受信する。
なお、アンテナ装置1の実際の使用時の姿勢は、本明細書において説明される方向に限定されない。
以下、それぞれの高周波部材50、60、70についてより詳細に説明する。
図1に示すように、第1の高周波部材50は、板状の本体部51を有する。第1の高周波部材50の本体部51は、互いに反対側を向く上面50aおよび下面50bを有する。本体部51は、更に、これら上面50aと下面50bを繋ぐ、周壁面50cを有する。
このようなロッド53は、ポスト又はピンと呼ばれることもある。行および列方向に配列された複数のロッド53は、人工磁気導体を実現する。
Electric Conductor)の性質、すなわち、「表面における電界の接線成分がゼロになる」という性質とは反対の性質である。完全磁気導体は、自然界には存在しないが、例えば複数の導電性ロッドの配列のような人工的な構造によって実現され得る。人工磁気導体は、その構造によって定まる特定の周波数帯域において、完全磁気導体として機能する。人工磁気導体は、特定の周波数帯域(伝搬阻止帯域)に含まれる周波数を有する電磁波が人工磁気導体の表面に沿って伝搬することを抑制又は阻止する。このため、人工磁気導体の表面は、高インピーダンス面と呼ばれることがある。
なお、本実施形態において、リッジ52とロッド53とは、同一の高さを有している。
しかしながら、リッジ52の高さは、ロッド53の高さと異なっていてもよい。
そのような周波数帯域は「禁止帯域」と呼ばれる。リッジ52の上端面と第2の高周波部材60の下面60bとの間に設けられた第1の導波路59を伝搬する電磁波(信号波)の周波数(すなわち、動作周波数)は、禁止帯域に含まれる。このため、アンテナ装置1は、第1の導波路59を伝搬する電磁波の損失を抑制することができる。
複数のロッド53は、第1種のロッド53Aと、第2種のロッド53Bと、に分類される。第1種のロッド53Aは、板厚方向から見て、リッジ52に隣接するロッド53である。複数の第1種のロッド53Aは、リッジ52の延びる方向に沿って並ぶ。一方で、第2種のロッド53Bは、板厚方向から見て、リッジ52に対し第1種のロッド53Aより外側に配置される。
以下の説明において、第1種のロッド53Aと第2種のロッド53Bとを互いに区別しない場合、これらを単にロッド53と呼ぶ。
図1に示すように、第2の高周波部材60は、本体部61を有する。第2の高周波部材60の本体部61は、互いに反対側を向く上面60aおよび下面60bを有する。また、本体部61は、)上面60aと下面60bを繋ぐ周壁面60cを有する。
以下の説明において、第1種のロッド63Aと第2種のロッド63Bとを互いに区別しない場合、これらを単にロッド63と呼ぶ。
第3の高周波部材70は、本体部71を備える。第3の高周波部材70の本体部71は、互いに反対側を向く上面70aおよび下面70bを有する。本体部71は更に、上面70aと下面70bを繋ぐ周壁面70cを有する。
次に、高周波部材50、60、70の製造方法について説明する。高周波部材50、60、70は、ダイカストにより成型される。
図4は、高周波部材50、60、70を成型する金型(ダイカスト金型)2の分解斜視図である。
なお、図4において、第2型と第2支持部29とを分離した状態で図示したが、実際の成型作業の際には第2型は第2支持部29に固定されている。
金型を閉じることで、第1型10と第2型20とによってキャビティCが形成される。キャビティCは、第1型10と第2型20で囲まれた空洞である。また、キャビティCの内周面は、第1型10と第2型20それぞれの表面の一部である。
なお、第1型10および第2型20は、複数の部分金型あるいは入れ子等から成るものであってもよい。
また、本明細書において、キャビティCとは、高周波部材50、60、70を成型する空間を指し、ランナーおよびオーバーフローを形成する空間は、含まない。
なお、第1型10と第2型20とを分離する工程において、ランナーおよびオーバーフローを除去してもよい。この場合、第1型10と第2型20とを分離する工程で取り出される金属素材は、高周波部材50、60、70そのものであり得る。
なお、本明細書において流動状態の金属とは、以下記載の簡素化のために、単に溶融金属と呼ぶことがある。また、本開示において溶融金属は、完全に溶融して液相の単一相状態となった金属に、限定されない。部分的に素材の固相が残存し、固相と液相が共存した状態であっても、全体として流動可能な状態にあれば、“溶融し流動状態にある金属素材”の範疇に含まれる。一例をあげれば、固相と液相が共存し揺変性(thixotropy)を示す素材も、本開示においては“溶融し流動状態にある金属素材”であり得る。
次に、本実施形態の金型2の具体的な構造について説明する。ここでは、複数のキャビティCのうち、第1のキャビティC1および第1のキャビティC1において成型される第1の高周波部材50について説明する。
基部11は、第1面11aと、第1面11aとは逆側を向く第2面11bとを有する。第1面11aは、第2型20に対向する。金型2を開く際には、第1面11aと第2型20との距離は拡大する。第1面11aには、第2型20側に開口する主凹部30と、主凹部30に繋がるゲート33gと、主凹部30に繋がるオーバーフロー33f、が設けられる。ゲート33gおよびオーバーフロー33fは、図5における奥行方向の長さが深さに比して広い。ゲート33gおよびオーバーフロー33fは、金型2を閉じた状態では、キャビティCに開口する孔になる。
なお、主凹部30の底面31は、基部11の第1面11aの一部である。
図6に示すように、基部11は、複数の筋状凹部14と、複数の貫通孔13と、複数の収容凹部17と、複数の第1凹部15、に加えて、複数の第2凹部16を有する。
図7に示すように、収容凹部17は、貫通孔13が並ぶ列の直下に配置される。貫通孔13の列は、筋状凹部14に隣り合う。収容凹部17は、直上に配置される貫通孔13の列が延びる方向に沿って延びる。
本実施形態によれば、貫通孔13の収容凹部17側の開口を入れ子12で覆うことで、貫通孔13の内周面と入れ子12の端面12aとの境界には、明瞭な角を形成できる。本開示に関わる高周波部材において、第1種のロッド53Aの先端面と側面は、明瞭な角を成している必要がある。第1型10の基部11をこのように構成する事により、貫通孔13の内部空間で成型される第1種のロッド53Aの先端に、明瞭な角を形成することが可能になる。
本実施形態によれば、成型時に入れ子12と収容凹部17の底面171との間からガスを排出させることができる。このため、貫通孔13の内周面と入れ子12の端面12aとの境界部分にも溶融金属素材が十分に充填され、第1種のロッド53Aの先端に明瞭な角を形成することができる。また、貫通孔13が収容凹部17側に開口する部分において、当該開口の幅は収容凹部17の幅よりも小さいため、貫通孔13の内周面と入れ子12の端面とにおいて、万一バリが発生したとしても、バリは貫通孔13の開口から外側に広がる方向に広がる形状を取る。そして、例えば図6において、金型から成形された部材を取り外す際には、部材は図の上方向に移動させられるため、このバリは貫通孔13の収容凹部17側開口の縁に当たって、除去されやすい。入れ子を利用する構造には、この点でも、第1種のロッド53Aの先端部分の成型精度を高める効果を期待できる。
第1の高周波部材50において、人工磁気導体の実現のための構造としては、第1種のロッド53Aが最も重要である。第2種のロッド53Bは第1種のロッド53Aの機能を補助する。入れ子12を利用する事で、この第1種のロッド53Aの、特に先端部分の成型精度を高めることができる。他方で、第2種のロッド53Bには、第1種のロッド53Aほどの成型精度は要求されない。
本実施形態によれば、入れ子12を外して貫通孔13の第2面11b側の開口を露出させることができため、貫通孔の内部に焼き付きが生じた場合であっても、金型の補修を行う事が容易である。結果として、第1型10の寿命を長くすることができる。
再び図5を参照し、機能領域形成部40について説明する。
第1のキャビティC1の内周面は、底面31、これに対向する天面32、および底面31と天面32を繋ぐ周壁面33と、機能領域形成部40と、を有する。底面31は、第1の高周波部材50の上面50aを成型する。天面32は、第1の高周波部材50の下面50bを成型する。また、周壁面33は、第1の高周波部材50の周壁面50cを成型する。
機能領域形成部40は、複数の貫通孔13と、複数の第1凹部15と、複数の第2凹部16を、何れか一種以上を含む。また、機能領域形成部40は、1つ以上の筋状凹部14を含んでも良い。図8の例では、機能領域形成部40は、これらすべてを含む。
貫通孔13と、第1凹部15と、第2凹部16とは、互いに構成は異なるものの、ロッドの成型という共通の目的を有する。よって、以下の説明においては、これらを区別せずに、単にロッド形成穴43と総称する場合がある。また、筋状凹部14は、リッジの成型を目的とする事を表現する為に、以下ではリッジ形成溝14と称する場合がある。
なお、機能領域形成部40には、ロッド形成孔13以外の孔または穴が配置されてもよい。そのような孔または穴は、例えば、深さよりも幅の方が大きい事がある。
機能領域形成部には、リッジ形成溝(筋状凹部)14も配置され得る。リッジ形成溝14の長さは、底部における幅w14よりも大きい。同様に、リッジ形成溝14の長さは、深さd14よりも大きい。
本開示に関わる高周波部材は、細くて長い複数のロッドや幅が狭くて高さが高いリッジが密集配置されている、機能領域を有する。このため、上述したように、この高周波部材を成型するための金型も、細い穴や深い溝が近接配置された領域を有する。このような細い穴や深い溝に、溶融した金属を十分に充填する事は容易ではない。特に、準ミリ波(周波数:20~30GHz)あるいはミリ波用の高周波部材を製造する場合は、ロッドやリッジの幅も、1mm前後あるいはそれ未満の幅になるため、充填不良が発生しやすい。充填を確実にするために、特にロッド形成穴43について、上述した様な種々の工夫が凝らされているが、これとは別に、ゲートおよびオーバーフローについても工夫を加える事が好ましい。なお、オーバーフロー(Overflow)という言葉は、キャビティから流れ出た余分の溶融金属素材を流れ込ませるための空隙と、当該空隙とキャビティとをつなぐ流路との、両方を意味する言葉として用いられる。本明細書では、更に、オーバーフローの空隙に流れ込んだ後固化した部分を指す言葉として用いられることもある。同様に、ゲート(gate)という言葉も、キャビティに溶融金属素材を注入する際の流路、あるいは、ゲート中に残存した溶融金属素材が固化して生ずる部位を指す言葉として用いられることもある。
しかし、本開示にかかわる発明者らの検討結果によれば、本開示に関わる高周波部材を、このように設計した金型で生産しようとしても、特に機能領域形成部における充填不良を十分に低減する事は難しい。
本開示に関わる発明者らは、この問題を解決する為に検討した結果、非常に幅の広いゲートと、これに対向する形で配置された非常に幅の広いオーバーフローを設ける事で、充填不良を十分に低減させられることを見出したい。これは、圧力を高めるのではなく、溶融金属素材の流量を高めることが、充填率の改善に有効であることを示唆している。
以下に、ゲートとオーバーフローについて、その詳細を説明する。
なお、キャビティ内周面の天面と底面に、それぞれ機能領域形成部が配置される形態も本願の開示に含まれる。その場合、メインフロー領域も、厳密には、天面および底面についてそれぞれ定義され得る。しかし、天面と底面が平行である場合は、天面および底面の何れを平面視した場合においても、定義されるメインフロー領域は同一になる。よって、この場合は、メインフロー領域定義する際に、天面および底面の何れを基準としても差異は生じない。
このように定義されるメインフロー領域は、ゲートからキャビティ内部に流れ込む溶融金属の内、オーバーフローに向かって直線的に流れる部分が通過する、キャビティ内部の領域に相当する。このメインフロー領域の内側に機能領域形成部を配置することで、機能領域形成部を通過する溶融金属の量を多く確保する事が可能であり、凹部や溝への溶融金属の充填度を高めることが可能になる。
オーバーフロー33fの開口面積は、ゲート33gの開口面積に対し、85%以上100%以下であることが好ましい。このように構成することで第1のキャビティC1内に注入された際の溶融金属素材の圧力が高まり、第1および第2の機能領域形成部40a、40bへの金属素材の充填率を高めることができる。
また、オーバーフロー33fおよびゲート33gの両方が、第1のキャビティC1の内周面に複数配置される場合は、複数のオーバーフロー33fの開口面積の総和が、複数のゲート33gの開口面積の総和に対し、85%以上100%以下であることが好ましい。
第2のキャビティC2には、第1のキャビティC1と類似の構成を有する部位が含まれる。このため、第2のキャビティC2の説明において、第1のキャビティC1と同一の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。
図11において、底面31には、第2の機能領域形成部41bと、環状凹部44cが配置されている。また、底面31には第1種の柱収容孔44bが開口する。第1種の柱収容孔44bには、第1種の柱44aの基部が収容され、第1種の柱44aの先端面は天面32に接触する。第2の機能領域形成部41bは、第1の機能領域形成部41aと同様に、複数のロッド形成穴43とリッジ形成溝42とを含む。この図において、リッジ形成溝は、断面に沿って延びており、かつ、左右方向に伸びる2つの部位42aおよび42bを含む。また、リッジ形成溝の2つの部位42aおよび42bとの間には、高まり42cおよびロッド形成穴43が配置されている。また、第2の機能領域形成部41bは、第2種の柱46aを含む。天面32には、第2種の柱収容孔46bが開口しており、第2種の柱46aの上部が収容されている。第2種の柱46aの下端面は、高まり42cの頂面に接触している。
第2のキャビティC2に溶融金属が充填され固化する際に、第1種の柱44aは、第2の高周波部材60を貫通する孔を成型する。また、第2種の柱46aは、第2の高周波部材60を貫通する孔を成型し、その孔は高まり42cによって形成されるリッジの存在しない部分に接続する。
第1種の柱44aで成形される孔は、第2の高周波部材60を他の部材に固定するための、ねじ等の固定部材を収容するために用いることができる。第2種の柱46aで成形される孔は、電磁波を通すための導波管として利用する事ができる。
なお、本明細書において用いる、底面、および天面という言葉は、実際に底面が地面側、天面が天井側に位置することを意味するものではない。一対の対向する面の内の、一方を底面と呼び、他方を天面と呼んでいるに過ぎない。実際の製造時において、天面が地面側に位置する事も有り得る。また、天面が水平方向を向くことも有り得る。
図12Bは、図12Aの下側から第2種の柱46cを見た場合の図である。各々の第2種の柱46cはH型の断面形状を有する。また、H型の水平部分が延びる方向に沿って、4つの第2種の柱46cは並ぶ。隣接する第2種の柱46cの間の間隙は、第2種の柱46c幅よりも小さい。
第1種の柱44aの断面は、円形や方形などの単純な形状を有するが、第2種の柱46a、46cは、H型やU型等の、もっと複雑な形状を取り得る。そして、そのような複雑な形状の柱が近接して並ぶ、図12A、図12Bに示す様な例においても、それら柱をメインフロー領域の中に配置する事で、鋳造時の充填不良の発生を抑制できる。
20、20b…第2の金型型
C、C1…キャビティ
50、60、70…第1、第2、第3の高周波部材
31…底面
32…天面
33…キャビティの周壁面
33a…第1の壁面
33b…第2の壁面
33g…ゲート
33f…オーバーフロー
FA…メインフロー領域
40…機能領域形成部
43…ロッド形成穴
14…リッジ形成溝
Claims (9)
- 少なくとも第1の金型および第2の金型を含む、複数の金型を用意し、
前記第1の金型および前記第2の金型を組み合わせて内部にキャビティを形成し、
前記キャビティ内に流動状態にある金属素材を注入し、
前記金属素材が固化した後、前記第1の金型と前記第2の金型とを分離して、高周波部材又は前記高周波部材の中間製品を取り出す、高周波部材の製造方法であって、
前記キャビティの内周面は、天面と、該天面に対向する底面と、および前記天面と前記底面を繋ぎ該天面と該底面の間の空間を囲む周壁面と、前記天面および前記底面の内の少なくとも一方の面に設けられ前記高周波部材の機能を確保させる機能領域形成部と、を有し、
前記周壁面は、前記空間を挟んで互いに反対側に位置する第1の壁面および第2の壁面を有し、
前記第1の壁面には、該第1の壁面が延びる方向に拡がるゲートが開口し、
前記第2の壁面には、該第2の壁面が延びる方向に拡がるオーバーフローが開口し、
前記機能領域形成部は、メインフロー領域内に位置し、
前記メインフロー領域は、前記少なくとも一方の面の法線方向から平面視した状態において、前記ゲートを仮想的に前記第2の壁面に向かって直線的に移動させた際に該ゲートによって掃引される領域であり、
前記機能領域形成部は、
複数の穴を含み、
複数の前記穴の内の互いに隣接する少なくとも2つは、各々の寸法が、幅よりも深さの方が大きいロッド形成穴であり、
前記少なくとも2つのロッド形成穴の開口の縁の間の隔たりは、該2つのロッド形成穴の何れの深さよりも小さく、
前記流動状態にある前記金属素材は、前記ゲートを通って前記キャビティ内に注入され、その一部は前記オーバーフローから前記キャビティ外に流出する、
高周波部材の製造方法。 - 前記少なくとも2つのロッド形成穴の少なくとも一方は、開口から底部に向かうに従って幅が狭まる形状を有し、
前記少なくとも2つのロッド形成穴の前記少なくとも一方の開口の縁は凸湾曲面形状を有する、請求項1の高周波部材の製造方法。 - 少なくとも第1の金型および第2の金型を含む、複数の金型を用意し、
前記第1の金型および前記第2の金型を組み合わせて内部にキャビティを形成し、
前記キャビティ内に流動状態にある金属素材を注入し、
前記金属素材が固化した後、前記第1の金型と前記第2の金型とを分離して、高周波部材又は前記高周波部材の中間製品を取り出す、高周波部材の製造方法であって、
前記キャビティの内周面は、天面と、該天面に対向する底面と、前記天面と前記底面を繋ぎ該天面と該底面との間の空間を囲む周壁面と、前記天面と前記底面のうち少なくとも一方に設けられ前記高周波部材の機能を確保させる機能領域形成部と、を有し、
前記周壁面は、前記天面の法線方向から見て、互いに反対側に位置する第1の壁面および第2の壁面を有し、
前記第1の壁面には、該第1の壁面が延びる方向に拡がるゲートが開口し、
前記第2の壁面には、該第2の壁面が延びる方向に拡がるオーバーフローが開口し、
前記機能領域形成部は、メインフロー領域内に位置し、
前記メインフロー領域は、前記法線方向から見て、前記ゲートの両端と前記オーバーフローの両端とをそれぞれ結んで得られる四角形の領域であり、
前記機能領域形成部は、
複数の穴を含み、
複数の前記穴の内の互いに隣接する少なくとも2つは、各々の寸法が、幅よりも深さの方が大きいロッド形成穴であり、
前記少なくとも2つのロッド形成穴の開口の縁の間の隔たりは、該2つのロッド形成穴の何れの深さよりも小さく、
前記流動状態にある前記金属素材は、前記ゲートを通って前記キャビティ内に注入され、その一部は前記オーバーフローから前記キャビティ外に流出する、高周波部材の製造方法。 - 前記第2の壁面は、複数の前記オーバーフローを有し、
前記キャビティには、前記法線方向から見て、前記ゲートの両端と複数の前記オーバーフローの両端とをそれぞれ結ぶ四角形の複数のメインフロー領域が設けられ、
前記機能領域形成部の全域は、複数の前記メインフロー領域のうち少なくとも2つのメインフロー領域を組み合わせて得られる合成領域の内側に位置する、請求項3の高周波部材の製造方法。 - 前記キャビティには、前記底面から前記天面に達し、前記法線方向から見て前記ロッド形成穴の幅よりも大きい外径を有する一つまたは複数の柱形状の第1種の柱が配置され、
前記第1種の柱の少なくとも一部は、部分的に前記メインフロー領域の外側に位置する、または前記第1種の柱の少なくとも一つの少なくとも一部分は全体が前記メインフロー領域の外側に位置する、
請求項1から4の何れかの高周波部材の製造方法。 - 前記キャビティには、前記メインフロー領域の内側に位置し、前記底面から前記天面に達する、柱形状の第2種の柱が配置され、
前記キャビティには、前記第1種の柱が複数配置され、
前記法線方向から見た場合において、前記第2種の柱の断面積は、複数の前記第1種の柱の内の少なくとも2つの断面積よりも小さい、請求項5に記載の高周波部材の製造方法。 - 前記オーバーフローの開口面積は、前記ゲートの開口面積に対し、85%以上100%以下である、請求項1から6の何れかの高周波部材の製造方法。
- 前記機能領域形成部は、長さが深さおよび底部における幅よりも大きい、リッジ形成溝を含み、
前記ロッド形成穴の内の少なくとも2つは、前記リッジ形成溝に隣接する、請求項1から7の何れかの高周波部材の製造方法。 - 請求項8に記載の高周波部材の製造方法で各々製造された複数の高周波部材と、
前記複数の高周波部材の内の何れか一つ以上の上に配置された回路基板と、
を備え、
前記複数の高周波部材の内の1つは第1の導電性表面と、該第1の導電性表面と逆方向を向く第2の導電性表面とを有し、
前記複数の高周波部材の内の他の1つは第3の導電性表面と、該第3の導電性表面と逆方向を向く第4の導電性表面とを有し、
前記キャビティ内において、前記第1の導電性表面は前記天面に接し、前記第2の導電性表面は前記底面に接し、
前記キャビティ内において、前記第3の導電性表面は前記天面に接し、前記第4の導電性表面は前記底面に接し、
前記第1の導電性表面および前記第2の導電性表面の内の一方は、前記第3の導電性表面および前記第4の導電性表面の内の一方に対向する、
導波装置。
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