(57)【要約】【課題】  レンズ肉厚が薄く高誘電率化が可能な誘電体レンズアンテナを提供する。【解決手段】  誘電体材料のレンズ１を有する誘電体レンズアンテナとする。上記誘電体材料は、熱硬化タイプのエラストマーに誘電性セラミックス粉末を、合計重量を基準として、８０〜９５％配合した組成物からなる。この組成物の比誘電率は１５以上とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化タイプのエラストマーに誘電性セラミックス粉末を、合計重量を基準として、８０〜９５％配合した組成物からなるレンズを有する誘電体レンズアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、上記レンズの比誘電率が１５以上である誘電体レンズアンテナ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記レンズが、金型内で架橋させる加熱圧縮成形で成形されたものである誘電体レンズアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、衛星放送の受信アンテナ、電波望遠鏡の受信アンテナ、自動車の衝突防止やオートクルーズ用距離測定レーダのアンテナ、高周波数帯での誘電率や誘電正接を測定する際に測定感度を向上させるために用いるレンズなど、種々の用途に用いられる誘電体レンズアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の衝突防止やオートクルーズ用距離測定レーダのレンズアンテナでは、レンズ素材としてアルミナセラミックスが用いられている。また、衛星放送の受信アンテナ、電波望遠鏡の受信アンテナ、高周波数帯での誘電率や誘電正接を測定する際に測定感度を向上させるために用いるレンズアンテナなどには、レンズ素材として純粋なポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂が使用されている（ＰＴＦＥが１００％）。また、これらのレンズアンテナにレンズ素材として、射出成形可能な樹脂に、誘電体セラミックスを配合した素材を用いたもの（例えば特許文献１）や、レンズアンテナ本体あるいは整合層のどちらか一方に、熱可塑性エラストマーを配合したもの（例えば特許文献２）も提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１９７９２３号公報
【特許文献２】特開２００３−０１７９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１や特許文献２で提案されているレンズアンテナのように、レンズ素材を射出成形によりレンズ形状に成形するものでは、以下のようにシリンダ内、スプールランナ部、金型内部、での溶融樹脂や溶融エラストマーの流動性が問題となる。
すなわち、レンズ形状の成形を行う場合、成形後のそり、ひけを極力減らして、電波の収束を効率良くする必要がある。そこで、成形後の寸法変化を減らすためには、レンズ素材の比誘電率を高くしてレンズ肉厚を薄くすることが効果的であるが、比誘電率を高くするには、誘電性セラミックス粉末を高配合することが必要であった。ただし、このように高配合した場合、溶融樹脂、溶融エラストマーの流動性が悪化するため、レンズ形状に成形することができない。つまり、上記各特許文献１，２で提案されているレンズ材料ではレンズの肉厚を薄くできる高誘電率化を実現することが困難であった。
【０００４】
この発明の目的は、レンズ肉厚が薄く高誘電率化が可能な誘電体レンズアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の誘電体レンズアンテナは、レンズ本体の材料が、熱硬化タイプのエラストマーに誘電性セラミックス粉末を、合計重量を基準として、８０〜９５％配合した組成物からなるレンズを有するものである。
この構成によると、熱硬化タイプのエラストマーを用いるため、射出成形ではなく、金型内で架橋させる加熱圧縮成形でレンズを成形できる。そのため、高配合により溶融粘度が上昇しても、射出成形と異なり、容易にレンズ形状に成形できる。また、高誘電性セラミックス粉末を高配合することで、誘電率化が可能となり、薄肉かつそり、ひけの少ないレンズとできる。誘電性セラミックス粉末の配合量は、８０％未満であると、誘電率化が難しくて薄肉が達成できず、そり、ひけの多いものとなる。また、誘電性セラミックス粉末の配合量が９５％を超えると、非常脆くなるため、実用的でない。
【０００６】
この発明において、上記レンズの比誘電率が１５以上であっても良い。比誘電率を１５以上とすることにより、レンズの薄肉化が容易となる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の誘電体レンズアンテナは、熱硬化タイプのエラストマーに誘電性セラミックス粉末を、合計重量を基準として、８０〜９５％配合した組成物からなるレンズを用いるため、レンズ肉厚を薄くできると共に高誘電率化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すように、この誘電体レンズアンテナは、誘電性樹脂複合材のレンズ１を有するものである。このレンズ１とアンテナ素子２とでレンズアンテナが構成される。レンズ１は、凸レンズ等の収束型のものが用いられる。レンズ１は、その支持用の枠部（図示せず）が一体に成形されたものであっても良い。アンテナ素子２は、レンズ１に接して設けたものであっても良い。レンズ１の形状は、図示のような片面凸のものに限らず、両面凸のものであっても良い。また、レンズ１は、図２に示すように、複数のレンズ部１ａ1 〜１ａ3 を同心に設けた段付き形状のものであっても良い。各段のレンズ部１ａ1 〜１ａ3 は、凸レンズを輪切りにし、厚さ方向にずらして焦点を一致させたものである。段数を増やすと、レンズ１を薄くできる。レンズ１は、さらに多段とすることで、平面状としたものであっても良い。また、屈折率を変化させて平面状のレンズとすることも可能である（出力面での各部所での位相角が球面レンズと同じになる必要有り）。レンズ１はレンズ本体１ａと整合層１ｂとからなる。整合層１ｂは、レンズ本体１ａの表面に設けられて、レンズ本体１ａと大気との整合を取る。
【０００９】
レンズ本体１ａは、その材料である誘電性樹脂複合材が、熱硬化タイプのエラストマーに誘電性セラミックス粉末を、合計重量を基準として、８０〜９５％配合した組成物からなる。上記エラストマーには、比重が０．８〜１．１と小さいゴム材料をベースとして使用する。このエラストマーに比誘電率を向上させるための高誘電性セラミックス粉末を、８０〜９５重量％配合することで、レンズ本体１ａの材料となる比誘電率が１５以上の高誘電性エラストマーを得る。レンズ１の薄肉化を検討した場合、上記高誘電性エラストマーの比誘電率は１０以上が好ましいが、１５以上であることがより好ましい。
【００１０】
上記エラストマーとしては、熱硬化タイプで比重が０．８〜１．１のものであれば特に制限されることはなく、常温でゴム状の弾性を有する物質であれば有機物、無機物を問わず、また天然のものであっても合成されたものであっても良い。誘電体レンズの軽量化の観点からは、上記エラストマーの比重は小さい方が好ましい。一般的にゴムの比重は０．８〜２．０程度であるから、上記エラストマーのベースとしてゴム材料を使用する場合、その比重が０．８〜１．１のもの、より好ましくは０．８〜１．０の範囲のものを使用する。また、上記誘電性セラミックス粉末の配合量は、得られる組成物を高誘電率化するうえで高配合とすることが望ましい。ただし、その配合量が９５重量％を越えると非常に脆くなるため、実用的でない。また、その配合量が８０％未満であると、誘電率化が難しくて薄肉が達成できず、そり、ひけの多いものとなる。
【００１１】
上記エラストマーとして使用する天然ゴム系のものとしては、塩化ゴム、塩酸ゴム、環化ゴム、マレイン酸化ゴム、水素化ゴム、天然ゴムの二重結合にＰＭＭＡ，ＰＡＮ，メタクリル酸エステル等のビニルモノマーをグラフトさせてなるグラフト変性ゴム、窒素気流中でモノマー存在下に天然ゴムを粗練してなるブロックコポリマー等を挙げることができる。これらは、天然ゴムを原料とするもののほか、合成ｃｉｓ−１，４−ポリイソプレンを原料としたものを含む。
【００１２】
上記エラストマーとして使用する合成ゴム系のものとしては、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、イソブチレンゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム等を挙げることができる。とくにエチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムは誘電正接が極めて低いので、好適なレンズアンテナ材として用いることができる。以上に挙げた各種エラストマーは、１種類だけを用いても、２種類以上を混合して用いても良い。
【００１３】
なお、熱可塑性エラストマーを用いてレンズ形状の成形体（製品）を得た場合、製品の使用温度が融点付近まで上昇すると、製品が軟化する恐れがある。その場合、所定のレンズ形状を維持できなかったり、レンズ本体１ａの固定部が軟化して安定した固定ができなくなる恐れがあり、実用上好ましくない。
【００１４】
上記高誘電性セラミックスは、実質的に複合ゴム材料の誘電率を決定するものであり、このような高誘電性セラミックス粉末としては、IIa ，IVa ，IIIb，IVb 族の酸化物、炭酸塩、リン酸塩、珪酸塩、またはIIa ，IVa ，IIIb，IVb 族を含む複合酸化物から選ばれる少なくとも１種類であることが好ましく、具体的には、ＴｉＯ2 、ＣａＴｉＯ3 、ＭｇＴｉＯ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＢａＴｉＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、ＣａＣＯ3 、Ｃａ2 Ｐ2 Ｏ7 、ＳｉＯ2 、Ｍｇ2 ＳｉＯ4 、Ｃａ2 ＭｇＳｉ2 Ｏ7 等が挙げられる。セラミックス粉末の粒子径は０．０１μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。０．０１μｍより小さい場合、取扱いが困難であり好ましくない。１００μｍより大きい場合、成形体内での誘電特性のばらつきを引き起こす恐れがあるので好ましくない。より実用的な粒子径の範囲は、０．１μｍ〜２０μｍ程度である。
【００１５】
上記組成物の必須成分に加えて、この発明の上述した高誘電性や比誘電率の達成を妨げない範囲で、次の各成分を配合しな良い。
（１）ゴムとセラミックス粉末の界面の親和性や接合性を向上させ、機械的強度を改良するために、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、ジルコニアアルミネート系カップリング剤等のカップリング剤を配合することができる。
（２）メッキ性を改良するために、タルク、ピロリン酸カルシウム等の微粒子性充填剤を配合することができる。
（３）熱安定性を一層改善するために、酸化防止剤を配合することができる。
（４）また、耐光性を改良するために、紫外線吸収剤等の光安定剤を配合することができる。
（５）難燃性をいっそう改善するために、ハロゲン系もしくはリン系等の難燃剤およびアンチモン系化合物、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、酸化ジルコニウム等の難燃助剤を配合することができる。
（６）耐衝撃性を改良するために、耐衝撃性付与剤を配合することができる。
（７）潤滑性を改良するために、滑剤、摺動性改良剤（固定潤滑剤、液体潤滑剤）を配合することができる。
（８）着色するために、染料、顔料などの着色剤を配合することができる。
（９）物性を調整するために、可塑剤、架橋剤を配合することができる。
（１０）加硫を進めるために、加硫促進剤を配合することができる。
【００１６】
また、上記組成物には、本発明の目的を損なわない範囲内で、ガラスファイバー、チタン酸カリウムウィスカー等のチタン酸アルカル金属繊維、酸化チタン繊維、ホウ酸マグネシウムウィスカーやホウ酸アルミニウムウィスカー等のホウ酸金属塩系繊維、ケイ酸亜鉛ウィスカーやケイ酸マグネシウムウィスカー等のケイ酸金属塩系繊維、カーボンファイバー、アルミナ繊維、アラミド繊維等の各種有機または無機の充填剤を併用しても良い。
【００１７】
さらに、上記組成物を材料とするレンズ本体１の製造方法としては、特に制限がなく、各種の混合成形方法を用いることができる。例えば、二軸押し出し機で混練して製造する方法などが好適に用いられる。成形には、射出成形ではなく、加熱圧縮成形等の金型内で架橋させる成形方法を使用する。
【００１８】
この実施形態では、レンズ本体１ａの表面に整合層１ｂを形成してレンズ１が構成されているので、電磁波の出射時および受波時において、レンズ１からの電磁波の反射をより抑制することができる。なお、整合層１ｂは必ずしも設けなくても良い。
【００１９】
整合層１ｂを設ける場合に、その誘電率は次の値が好ましい。すなわち、大気の誘電率：ε0 、整合層１ｂの誘電率：ε1 、レンズ本体１ａの誘電率：ε2 、使用する周波数帯の波長：λ、整合層１ｂの厚み：ｔ、とした場合、整合層１ｂの誘電率ε1 は、√（ε0 ×ε2 ）に近い値であることが好ましい。その値の実用的な範囲は、０．８×√（ε0 ×ε2 ）〜１．２×√（ε0 ×ε2 ）である。この範囲以外の値の場合、整合層１ｂの表面での反射波と整合層１ｂとレンズ本体１ａの界面での反射波との打ち消しが弱いため、電磁波の反射を効果的に抑制することが困難となる。
また、整合層１ｂの厚みｔは、１／４×λ×（１／√ε1 ）に近い値であることが好ましい。その値の実用的な範囲は、０．８×１／４×λ×（１／√ε1 ）〜１．２×１／４×λ×（１／√ε1 ）である。この範囲以外の値の場合、レンズ表面の反射波の位相と、レンズ本体１ａと整合層１ｂの界面での反射波の位相とが打ち消し合い、反射の影響を少なくすることが困難となる。この整合層１ｂは単層としても良いが、レンズ本体１ａの誘電率が大きい場合には、複層にすることも可能である。なお、レンズアンテナとして実用的な周波数帯は３〜３００ＧＨｚである。このときの波長は０．１〜１０ｍｍである。        
【００２０】
整合層１ｂの成形方法としては、所望の組成物を付与した圧縮成形のほか、必要な誘電特性を付与させた組成物を用いて、流動浸漬塗装、静電粉体塗装などを行うことも可能である。また、粉末を溶剤に分散させて、スプレー塗装または浸漬塗装を行うこともできる。整合層１ｂとレンズ本体１ａとの接着は、接着剤、接着フィルム、塗装など、はがれが生じない方法であれば特に限定しない。
【００２１】
次に、上記レンズ１の具体例である複数の実施例と、これら実施例と比較される他のレンズ例である複数の比較例の評価について、表１，表２と共に説明する。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
実施例１〜５
エチレンプロピレンゴム（以下、ＥＰＤＭと記す）、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、加硫促進剤および加工助剤等の微量添加物をそれぞれ表１に示す配合割合で混合し、加熱圧縮成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍの成形体を得た。なお、加硫条件は、それぞれ１７０℃×３０分である。
【００２５】
この成形体から、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×８０ｍｍの短冊状試験片を加工し、空洞共振器法により、１ＧＨｚ帯および５ＧＨｚ帯で誘電特性（比誘電率および誘電正接）を測定した。また、金型寸法：φ１００ｍｍの金型を使用してφ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を準備し、７６ＧＨｚでの誘電特性を測定した。７６ＧＨｚではファブリペロ共振器法（φ１００ｍｍで厚みを５ＧＨｚの誘電率を参考にして７６ＧＨｚでの実効波長の１／２の整数倍（加工性を考慮し、３倍とした）に加工）で行った。また、７６ＧＨｚで使用する誘電体レンズを、有効径：φ５０ｍｍ、焦点距離：５０ｍｍ、各誘電率に合わせた形状で作製し、２３ｄＢｉの基準ホーンアンテナと組み合わせて、レンズアンテナを準備した。なお、レンズ表面には整合層を付与し、レンズ表面での電波の反射を抑えた。基準ホーン間距離を１５００ｍｍとし、誘電体レンズを組み込んだ時の利得を測定した。誘電特性、アンテナ特性を表１に併記する。
【００２６】
表１から、すべての組成物について、比誘電率が１５以上であり、極めて高い誘電率を示すことがわかる。また、すべての組成物について利得も２８ｄＢｉ以上有り、アンテナ特性も優れている。
【００２７】
実施例６〜８
シリコーンゴム、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、加硫促進剤および加工助剤等の微量添加物をそれぞれ表１に示す配合割合で混合し、加熱圧縮成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得た。なお、加硫条件は、それぞれ１６０℃×２０分である。実施例１と同様に、誘電特性、アンテナ特性を測定した。結果を表１に併記する。
【００２８】
表１から、すべての組成物について、比誘電率が１５以上であり、極めて高い誘電率を示すことがわかる。また、すべての組成物について利得も２８ｄＢｉ以上有り、アンテナ特性も優れていることがわかる。
【００２９】
比較例１
ＥＤＰＭ、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、加硫促進剤および加工助剤等の微量添加物をそれぞれ表２に示す配合割合で混合し、加熱圧縮成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得た。なお、加硫条件は、それぞれ１７０℃×３０分である。これらの成形体を加工して、実施例１と同様に誘電特性およびアンテナ特性を測定した。測定結果を表２に併記する。
【００３０】
この場合、誘電性セラミックスの配合量が７０．５重量％と少ないため、比誘電率が約１０と低い組成物となり、レンズの肉厚が厚くなったため、成形体にそり、ひけが生じた。その結果、レンズ形状が最適形状から外れたため、利得が２６．２ｄＢｉと実施例に比べて低くなった。
【００３１】
比較例２
ＥＤＰＭ、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、加硫促進剤および加工助剤等の微量添加物をそれぞれ表２に示す配合割合で混合し、加熱圧縮成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得た。なお、加硫条件は、それぞれ１７０℃×３０分である。この成形体から、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×８０ｍｍの短冊状試験片およびレンズ形状に加工しようと試みたが、チタン酸ストロンチウムの配合量が多すぎるため、非常に脆く、試験片形状に加工することができなかった。
【００３２】
比較例３
熱可塑性エラストマーであるスチレン−エチレン・ブチレン−スチレンブロックコポリマー（以下、ＳＥＢＳと記す）、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）をそれぞれ表２に示す配合割合で二軸混練を行い、射出成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得た。なお、シリンダ温度は２００℃である。これらの成形体を加工して、実施例１と同様に誘電特性およびアンテナ特性を測定した。測定結果を表２に併記する。
【００３３】
この場合、誘電性セラミックスの配合量が６５重量％と少ないため、比誘電率が約１３と低い組成物となり、レンズの肉厚が厚くなったため、成形体にそり、ひけが生じた。射出成形の場合、圧縮成形と比べてひけ、そりが大きい。その結果、レンズ形状が最適形状から外れたため、利得が２５．３ｄＢｉと実施例と比べて低くなった。
【００３４】
比較例４
熱可塑性エラストマーであるＳＥＢＳ、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）をそれぞれ表２に示す配合割合で二軸混練を行い、射出成形を行おうとしたが、溶融粘度が高いため、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得ることができなかった。
【００３５】
比較例５
熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳと記す）、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）をそれぞれ表２に示す配合割合で二軸混練を行い、射出成形にて、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得た。なお、シリンダ温度は３３０℃である。これらの成形体を加工して、実施例１と同様に誘電特性およびアンテナ特性を測定した。測定結果を表２に併記する。
【００３６】
この場合、誘電性セラミックスの配合量が６５重量％と少ないため、比誘電率が約１４と低い組成物となり、レンズの肉厚が厚くなったため、成形体にそり、ひけが生じた。射出成形の場合、圧縮成形と比べてひけ、そりが大きい。その結果、レンズ形状が最適形状から外れたため、利得が２５．４ｄＢｉと実施例と比べて低くなった。
【００３７】
比較例６
熱可塑性樹脂であるＰＰＳ、誘電性セラミックス粉末のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）をそれぞれ表２に示す配合割合で二軸混練を行い、射出成形を行おうとしたが、溶融粘度が高いため、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１．５ｍｍ、φ１００ｍｍ×ｔ１０ｍｍの成形体を得ることができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の第１の実施形態における誘電体レンズアンテナの断面図である。
【図２】レンズの変形例の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…レンズ
１ａ…レンズ本体
１ｂ…整合層
２…アンテナ素子
【図１】
2005094180.tif 000005
【図２】
2005094180.tif 000006