(57)【要約】【課題】  ホーンアンテナの構造部材として、炭素繊維と樹脂からなる複合材料を使用することにより、従来の金属製ホーンアンテナよりも軽量性及び寸法安定性、製造性に優れたホーンアンテナを提供する。【解決手段】  短冊状に細かく裁断されたチョップドファイバーと樹脂を混ぜ合わせた複合材料を成形材料として使用し、コンプレッションモールディングによりホーンアンテナを成形する。ホーンアンテナ表面には金属材料によるコーティング層を設けることでアンテナに要求される導電性を付加する。【選択図】      図２
2013009137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数に裁断された繊維からなる混合樹脂が、樹脂で結合されてホーン形状が成形された複合材料からなる構造部材と、
上記構造部材のホーン形状をなす内表面に形成された金属コーティング層と、
を備えたホーンアンテナ。
【請求項２】
上記混合樹脂は、チョップドファイバーである請求項１記載のホーンアンテナ。
【請求項３】
上記混合樹脂は、炭素繊維からなる請求項１または請求項２記載のホーンアンテナ。
【請求項４】
上記金属コーティング層は、上記構造部材の表面に積層された金属粒からなる中間層の表面に積層されたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項記載のホーンアンテナ。
【請求項５】
ホーンアンテナにおけるホーン形状をなす内表面に、コルゲート歯が形成されたことを特徴とした請求項１から請求項４の何れか１項記載のホーンアンテナ。
【請求項６】
複数に裁断された繊維からなる混合樹脂を成形型に充填し、コンプレッションモールディングにより構造部材を成形する工程、
上記成形された構造部材のホーン形状をなす内表面に金属コーティング層を形成する工程、
を備えたホーンアンテナの製造方法。
【請求項７】
上記成形型の表面に金属粒を付着させておいたうえで、上記構造部材の成形と同時に成形品表面に金属粒を付着させることを特徴とした請求項６記載のホーンアンテナの製造方法。
【請求項８】
複数に分割された表面に凹凸を有した成形型から成形された部分材を、樹脂により結合することで構造部材を成形する工程を更に備え、ホーンアンテナにおけるホーン形状をなす内表面にコルゲート歯が形成されたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のホーンアンテナの製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ホーンアンテナ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホーンアンテナは、例えば人工衛星に搭載されて、地上局との間で通信を行う無線通信装置に利用される。人工衛星搭載用のホーンアンテナは、電波放射時の電力損失を抑えるために、従来から導電性に優れた金属材料が構造部材として使用されてきた。アンテナとしてのサイドロープ低減及び交差偏波特性の改善を図るために、ホーン形状の内部にくし歯形状のコルゲート歯を設けて、コルゲートホーンアンテナを構成することがある。このコルゲート歯の加工においては、所要の寸法精度を確保するために、従来から金属材料の切削加工によって形状成形していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９８２４号公報
【特許文献２】特開２００４−４３９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
人工衛星搭載用アンテナは、一般に、ロケット打ち上げ時の人工衛星全体の質量を抑えるために軽量性が要求される。従来からホーンアンテナの構造部材として用いられてきたアルミ製の金属材料は比重が大きいため、軽量性の観点からは不利であった。
【０００５】
また、一般的に人工衛星搭載用アンテナには、広範囲の温度変化に対する寸法安定性が要求される。このような要求に対し、金属材料を用いたホーンアンテナでは、金属の線膨張率が大きいことで温度変化による変形が大きくなるため、アンテナ性能の劣化を招くことがある。また、金属材料を用いてコルゲートホーンアンテナを加工する場合、ホーン形状の内部にコルゲート歯の加工を行うが、薄肉の金属加工が必要となるため加工が難しく、製造性が悪くなるという問題もあった。
【０００６】
また、宇宙用途として軽量性及び寸法安定性の要求を満足するためには、従来から複合材料が構造部材として使用されてきた。複合材料を用いてコルゲートホーンアンテナを成形する場合、従来の成形法では加工精度を高めることが難しく、ホーンアンテナとして要求される精度を満たすものを製作することが困難であった。特に、ホーンアンテナは円錐形状であるため、従来の複合材料成形方法からすると、フィラメントワインディング法もしくはシートワインディング法を採用することとなる。しかしながら、これらの成形法ではホーンアンテナに要求される複雑な形状を得ることが困難であり、また、成形方法が複雑であることから多くの加工期間を要し、製造コストも高くなるという問題があった。
【０００７】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、軽量性及び寸法安定性に優れた複合材料を用いて、低コストに成形可能なホーンアンテナの成形構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によるホーンアンテナは、複数に裁断された導電性を有する繊維の混合樹脂が、樹脂で結合されてホーン形状が成形された複合材料からなる構造部材と、構造部材のホーン形状をなす内表面に形成された金属コーティング層と、を備えたものである。
【０００９】
また、この発明によるホーンアンテナの製造方法は、複数に裁断された炭素繊維の混合樹脂を成形型に充填し、コンプレッションモールディングにより構造部材を成形する工程、成形された構造部材のホーン形状をなす内表面に金属コーティング層を形成する工程、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のホーンアンテナによれば、軽量性及び寸法安定性に優れた複合材料を用いて、低コストにホーンアンテナを成形することができる。
【００１１】
また、コンプレッションモールディングによりホーンアンテナを形成することで、ホーン形状を形成するための切削加工を必要とせずに、加工期間をより短くするとともに、製造コストを下げることができる。さらに、コルゲート歯のような複雑な形状も転写によって容易に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１によるホーンアンテナの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１によるホーンアンテナの一部断面を示す図である。
【図３】実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナの構成を示す図である。
【図４】実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナの断面を示す図である。
【図５】実施の形態３によるホーンアンテナの製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１によるホーンアンテナは、複合材料として短冊状に細かく裁断された炭素繊維（以下、チョップドファイバー）を混ぜ合わせた樹脂を構造部材として使用し、コンプレッションモールディング（圧縮成形法）によりホーンアンテナを成形することを特徴とする。コンプレッションモールディングは、原料（ここでは熱硬化樹脂とチョップドファイバ）を高温の金型（金属からなる成形型）に入れ、加熱、加圧して固めることで、所望とする型形状に近い形状を成形することができる特徴がある。以下、本発明の実施の形態１に係るホーンアンテナについて図を用いて説明する。
【００１４】
図１は、実施の形態１によるホーンアンテナの外観を示す図である。実施の形態１のホーンアンテナ１は、ホーンアンテナ１の本体２０と、本体２０の一端部に設けられて外部の導波管（図示せず）に接続される給電部３とから構成される。本体２０は、他端部にアンテナ開口部２を形成している。本体２０は、構造部材として樹脂にチョップドファイバーを混ぜ合わせた複合材料から成形される。チョップドファイバーは、短冊状に細かく裁断されているので、複数のチョップドファイバーを樹脂バインダで結合することで、本体２０を成形する。
【００１５】
ホーンアンテナ１は、ホーンアンテナとしての寸法及び形状については通常の金属製のホーンアンテナと同等であるが、構造部材として比重の小さい複合材料を使用することにより、例えばアルミニウム製のホーンアンテナに比べて４０％程度の軽量化を実現することができる。
【００１６】
また、構造部材として線膨張率の小さい複合材料を使用することで、温度変化に対するホーンアンテナ１の寸法安定性を高めることができる。アルミニウムの線膨張率がおよそ２３×１０−６／℃である一方、複合材料の線膨張率はほぼゼロに近い値を示す。このように線膨張率の小さい複合材料を構造部材として使用することで、宇宙空間における人工衛星の使用環境の温度変化に対して、良好な寸法安定性を得ることができ、形状変形によるアンテナ性能の劣化を抑制することができる。
【００１７】
図２は、ホーンアンテナ１の断面の一部を拡大した図である。図において、符号４はホーンアンテナ１におけるホーン形状の内側表面、符号５はホーンアンテナ１の外側表面を示している。ホーンアンテナ１の内側表面４における最外層である金属コーティング層６は、銅のような導電性金属によるコーティングが施されている。このように複合材料（構造部材）により成形したホーン形状の表面に導電性を有する金属コーティング層６を設けることにより、ホーンアンテナとして所望の性能を実現することができる。また、金属コーティング層６には導電性に優れた銅を使用することで電波放射時の電力損失を抑えることができる。
【００１８】
また、内側表面４の金属コーティング層６の下地として、構造部材をなす複合材料８の表面に、金属粒からなる中間層７を設ける。この金属粒からなる中間層７が複合材料表面に対しての密着性を高めるアンカー効果を有することで、金属コーティング層６と複合材料８表面の密着性を高めることができる。これによりホーンアンテナ１に温度負荷が加わった場合においても、複合材料８と金属の線膨張率の違いによる金属コーティング層６の剥離を抑制することができる。
【００１９】
以上説明した通り、実施の形態１によるホーンアンテナ１は、導電性を有したチョップドファイバーを用いて形状成形した複合材料８からホーン形状を成形し、ホーン形状の内側表面４に金属コーティング層６と、複合材料８と金属コーティング層６の間を結合する金属粒からなる中間層７を設けることを特徴としている。
【００２０】
一般的にホーンアンテナの機械構造は、ホーンアンテナ自身の自重を支えているのみであり、大きな強度、剛性が要求されることはない。したがって、実施の形態１では、必ずしもフィラメントワインディング法やシートワインディング法のように、樹脂中の繊維が繋がっている必要性はなく、それ故にチョップドファイバーを使用することができる点に着眼している。
【００２１】
チョップドファイバーをホーンアンテナ１の構造材料として使用した場合、導電性を有するチョップドファイバーが短冊状に切れた状態で各々結合されているため、その結合部においてはホーンアンテナとして必要な導電性を持たせることができない。これを補うため、成形形状の最外層に金属材料による金属コーティング層１を設けることで導電性を付加する。成形形状の最外層に導電性を付加することにより、ホーンアンテナ１におけるホーン形状の内部（内側表面４で囲まれた空間）においてマイクロ波を伝搬させることができるため、ホーンアンテナとして所望の性能を得ることができる。
【００２２】
また、成形した複合材料８の表面に金属材料によるコーティングを直接行った場合、金属コーティング層６と下地の複合材料８が異なる線膨張率を有するため、温度負荷を受けて金属コーティング層６が剥離を起こす可能性がある。このような剥離を防止するために、複合材料８の成形型の表面に金属粒を付着させておき、成形と同時に複合材料表面に金属粒の層が生成されるようにする。このような金属粒の層が金属コーティング層の下地となることにより、金属コーティングを実施する際のアンカー効果を助けるため、複合材料８と金属コーティング層６の密着性を高めることができる。
【００２３】
また、樹脂に対するチョップドファイバーの割合を調整することで線膨張率及びヤング率の大きさを調整することができる。これにより温度変化に対するホーンアンテナ１のホーン形状の寸法安定性を高めることができる。
【００２４】
このように実施の形態１によるホーンアンテナ１は、複数に裁断された炭素繊維の混合された樹脂であるチョップドファイバーが、樹脂バインダで結合されてホーン形状が成形された複合材料８からなる構造部材（複合材料８）と、当該構造部材のホーン形状をなす内表面に形成された金属コーティング層６とを備えたことを特徴とする。また、金属コーティング層６は、上記構造部材の表面に積層された金属粒からなる中間層７の表面に積層される。これによって、軽量性及び寸法安定性に優れた複合材料を用いて、低コストにホーンアンテナを成形することが可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明に係る実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナについて、図を用いて説明する。図３は実施の形態２のコルゲートホーンアンテナの外観を示す図であり、図４はコルゲートホーンアンテナの断面を示す図である。実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナ９は、実施の形態１のホーンアンテナ１と同様に、コルゲートホーンアンテナ９本体の構造部材として、樹脂とチョップドファイバーを混ぜ合わせて成形される複合材料８を使用している。また、実施の形態１に係るホーンアンテナの内側４が平坦であるのに対して、コルゲートホーンアンテナ９は、ホーン形状の内部表面に図３及び図４に示すようなコルゲート歯１０を設けたことを特徴としている。なお、コルゲートホーンアンテナ９は、実施の形態１のホーンアンテナ１と同様、本体の端部に、外部の導波管（図示せず）と接続される給電部３が設けられている。
【００２６】
このようなコルゲートホーンアンテナ９のコルゲート歯１０については、上述したコンプレッションモールディングにより、成形型の形状を母材となる複合材料８に転写することで、コルゲート歯１０を含めたホーン形状の成形がなされる。
【００２７】
従来の金属製のコルゲートホーンアンテナは、軽量化を目的として切削による薄肉加工を行い、コルゲート歯の成形を行っていたので、製造性に難があった。
これに対し、実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナ９においては、コンプレッションモールディングのための金属からなる成形型（後述するコア１６）を凹型や凸型に加工して、薄肉となるコルゲート歯１０を成形することができるので、加工の困難な金属の薄肉部分を減らすことができる。また、成形型の加工においては、成形型に軽量化の要求がないことから、強度を十分に有する材料を使用することができる。
【００２８】
ホーン形状の内側表面の最外層については、実施の形態１に係るホーンアンテナと同様に金属コーティングを行い、その金属コーティング層６の下地として複合材料表面に金属粒の中間層７を設けておく。コンプレッションモールディングによる成形の際には、成形型表面に金属粒を付着させておくことで、成形と同時に複合材料表面に金属粒の中間層７が生成される。これにより、複合材料表面に密着性に優れた金属コーティング層６を生成することができ、アンテナとして所望の性能を実現することができる。
【００２９】
以上説明した通り、実施の形態２によるコルゲートホーンアンテナ９は、コンプレッションモールディングの採用により成形加工精度を高めることで、ホーンアンテナ１に要求される複雑形状の成形を可能とする。また、型形状の転写によりホーン形状を成形するため、複数製造の場合において加工期間及び製造コストの点で有利となる。
【００３０】
また、実施の形態２によるコンプレッションモールディングによる成形においては、樹脂にチョップドファイバーを混ぜ合わせた複合材料８を成形材料として使用する。コンプレッションモールディングにて成形する際、樹脂に対するチョップドファイバーの割合を調整することで線膨張率及びヤング率の大きさを調整することができる。これにより温度変化に対するホーン形状の寸法安定性を高めることができる。
【００３１】
さらに、金属コーティング層６の剥離を防止するために、コンプレッションモールディングによる成形の際には、成形型表面に金属粒を付着させておき、成形と同時に複合材料表面に金属粒の中間層７が生成されるようにする。このように金属粒の中間層７が金属コーティング層６の下地となることにより、コーティングを実施する際のアンカー効果を助けるため、複合材料８と金属コーティング層６の密着性を高めることができる。
【００３２】
実施の形態３．
この発明に係る実施の形態３によるホーンアンテナの製造方法について、図を用いて説明する。図５は、実施の形態３によるホーンアンテナ１の成形型を示しており、成形型は、キャビティ１３とコア１６とゲート１２から構成され、キャビティ１３とコア１６はパーティング１４にて分割されている。キャビティ１３とコア１６は、互いに嵌合した際に隙間を生じ、上部に設けられた管状のゲート１２から、当該隙間空間（内部空間）に原料が流し込まれることで、ホーンアンテナ１のホーン形状を形成する。なお、ホーンアンテナ１は、コルゲートホーンアンテナ９であっても良い。
【００３３】
次に、製造工程について説明する。
まず、成形型のコア表面１５に、銅合金の金属粒をあらかじめ付着させておき、成形と同時にホーン形状の内側表面に金属粒が付着するようにしておく（工程１）。
次いで、キャビティ１３とコア１６を組み合わせた状態で、原料であるチョップドファイバーを混ぜ合わせた高温高圧状態の樹脂を、当該ゲート１２から注入する（工程２）。
【００３４】
次に、成形型の内部空間に樹脂が充填された後、油圧シリンダ等によりコア１６をキャビティ１３側に押し付け、キャビティ１３とコア１６が噛み合う方向に（押し付けあうように）所定の圧力を加えて、加熱する（工程３）。
かくして、コンプレッションモールディングによるホーンアンテナ１１の素成形が行われる。
【００３５】
さらに、キャビティ１３とコア１６を相対的に引き離して型抜きをし、素成形されたホーンアンテナ１を離型した後に、ホーンアンテナ１の内側表面に銅合金による金属コーティングを行い、金属コーティング層６を形成する。
【００３６】
このようにコンプレッションモールディングによる成形を行うことで、通常の射出成形よりも成形型からの転写性を向上することができるので、ホーン形状の寸法精度を向上させることができる。
【００３７】
なお、実施の形態２に係るコルゲートホーンアンテナの場合、コアの抜き方向の制約により、図５に示すような一体型のキャビティ１３及びコア１６を使用することができない。この場合には、ホーン形状を数点に分割した形状を有する、複数に分割された成形型を形成し、それぞれの成形型でコンプレッションモールディングを行う。成形されたそれぞれの部品について、離型後に接着することでホーン形状を成形する。
【００３８】
以上説明した通り、実施の形態１乃至３によるホーンアンテナの製造方法は、複数に裁断された導電性繊維のチョップドファイバーをなす炭素繊維の混合樹脂を成形型に充填し、コンプレッションモールディングにより構造部材（複合材料８）を成形する工程、成形された構造部材のホーン形状をなす内表面に金属コーティング層を形成する工程、を備えたことを特徴とする。また、成形型の表面に金属粒を付着させておいたうえで、構造部材の成形と同時に成形品表面に金属粒を付着させることで、金属コーティング層の密着性を高めたことを特徴とする。さらに、複数に分割された表面に凹凸形状を有する成形型から成形された部分材を樹脂により結合することで、構造部材を成形する工程を備え、ホーンアンテナの内表面にコルゲート歯が形成されたことを特徴とする。
【００３９】
このように、ホーンアンテナ１の成形方法として、コンプレッションモールディングを採用することで、コルゲート歯１０のような複雑な形状も製品に転写することが可能となる。また、複数製造の場合においては、金属材料のように切削加工の工程を必要としないため、加工期間及び製造コストの観点において有利となる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ホーンアンテナ、２  アンテナ開口部、３  給電部、４  内側表面、５  外側表面、６  金属コーティング層、７  中間層、８  複合材料、９  コルゲートホーンアンテナ、１０  コルゲート歯、１１  ホーンアンテナ、１２  ゲート、１３  キャビティ、１４  パーティング、１５  コア表面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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