2023年1月17日

樹脂3Dプリントとめっきで製造する通信用ミリ波帯導波部品
東京都立産業技術研究センター
研究開発本部 物理応用技術部 機械技術グループ
副主任研究員 小林 隆一

1ミリ波帯の利用
ミリ波とは、30～300GHzの周波数の電磁波通信分野では26～29GHz帯を準ミリ波としても扱う
ローカル5Gネットワーク

歩行者検出用レーダー
歩行者A

大容量データ伝送や高精度センシングへの活用

今後もミリ波帯産業の盛り上がりが期待できる2

従来技術とその問題点
ミリ波伝送に使用する導波部品
ホーンアンテナ

導波管

方向性結合器

フィルタ

ミリ波帯の通信には伝送損失を抑えるため管状のホーンアンテナや導波管が使用されるが• 一般的には金属製であり、高価で重い• 複雑な形状は作製しづらい3

新技術の特徴
従来技術とは異なる製法で導波部品を作る

樹脂の3Dプリントで２つ以上の部品を作り、その表面をめっきによって導電性を付与し、組み立てることで管形状を持つ導波部品を作る。

軽く、安価で、複雑な形状も作製可能な技術です
先行研究よりも重視

以降で詳しく説明 4本発表の流れ
1. 樹脂3Dプリントの方式の中で、粉末床溶融結合を選択した
理由について2. 樹脂粉末床溶融結合とめっきによる導波部品の製造
3. 複雑形状を有するモジュールの製造

5ミリ波帯導波部品の製造要件① 数mm×数mm断面の管形状を有すること② 管の表面数µm程度に導電性を有すること

管断面③ 表面はなるべく平滑にして、伝送損失を減らすこと
加えて用途、性能に応じて様々な形状が求められる
例えば、管を曲げたい、管を分岐したい、特定の周波数だけ通したいは形状で実現する必要がある

複雑形状は3Dプリントの得意分野
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3Dプリント導波部品の検討初期
導電性が必要なら金属3Dプリントで作ればよいのでは？と誰しもが考える

金属3Dプリントで作製した導波管作ることは可能だが高コスト• 同じ形状の部品を3Dプリントする場合、金属は樹脂の10倍程度の費用が掛かる• 銅の3Dプリントの普及はこれから従来技術の課題をあまり解決できなさそうと判断
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樹脂3Dプリントとめっきで導波部品製造
先行研究

M. D’Auria et al., "3-D Printed Metal-Pipe Rectangular
Waveguides," in IEEE Transactions on Components,
Packaging and Manufacturing Technology, vol. 5, no. 9, pp.
1339-1349, Sept. 2015,

R. Zhu and D. Marks, "Rapid prototyping lightweight millimeterwave antenna and waveguide with copper plating," 2015 40thInternational Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz
waves (IRMMW-THz), 2015, pp. 1-2

先行研究では③表面はなるべく平滑にして、伝送損失を減らすを満たすために、光造形などの比較的表面がきれいな3Dプリントの方式を採用
表面はきれいにできるけれども・・・
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サポート構造について
樹脂粉末床溶融結合

光造形
UV
レーザ

光硬化性樹脂の液面をUVレーザで固化

CO2レーザ

粉面をレーザで溶融

ベース

ベース

液面の下にサポート構造が必要

粉末が支えるためサポート構造は不要

サポート

欲しい
部品

https://www.youtube.com/watch?v=mRk0AGmkObc

形状自由度△

欲しい
部品

https://www.youtube.com/watch?v=eOO0zj1Pyxg

形状自由度〇

複雑形状のミリ波部品を作るなら、樹脂粉末床溶融結合がよさそう

9樹脂粉末床溶融結合の特徴• 複雑形状の作製が容易• 3Dプリンタの中では部品単価が安価

表面は他の3Dプリント方式
よりもさらに粗い【本技術の考え方】
めっきで表面粗さを改善して、性能が出れば、多少面が粗くてもよいのでは？
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めっきによる表面粗さ改善の試行
樹脂粉末床溶融結合による造形品表面はめっき膜厚増加によって粗さ改善が期待できることを確認した

試しに、WR-10（2.54mm×1.27mmの管、75から110GHzを伝送）を3Dプリントし、めっき加工を実施

管内面はめっきしにくい
11分割型導波管の設計と製造管へのめっきを優先した設計
設計データ

組み立て

分割ライン
伝送性能に影響が少ない部分で分割

3Dプリント品を銅めっき12製造した導波管の性能市販品とほぼ同等の性能を発揮することを確認
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複雑形状の導波部品製造
バンドパスフィルタの製造
伝送損失 (dB)

設計値

測定値

構造付与
設計データ
（半分のみ表示）
狙い通り、特定の周波数帯のみ伝送

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複雑形状の導波部品製造
ホーンアンテナの製造

市販品
3D＋めっき3Dプリント+めっき

市販品

アンテナを回しながら性能評価市販品と同等の性能を発揮
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複雑形状の導波部品製造
コルゲートホーンアンテナの製造
79GHz

内部にひだ構造（測定値）黄、橙（シミュ）青、灰

回転方向が違っても対称な放射パターンを得られる

最大利得19 dBi

シミュレーション通り、E面とH面で対称な放射パターンを得ることができた
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複雑形状へのさらなる展開
ここまでに紹介したのは導波管、アンテナの単体部品。
同技術を用いたモジュールを開発

ダウンコンバータモジュールの構成
筐体1（ホーンアンテナ付き）と筐体2を3Dプリント＋めっきで製造
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モジュール詳細設計

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筐体の3Dプリントとめっき
めっき前めっき後19モジュールの形状評価[mm]

製造した筐体１の形状が設計どおり作成できているかを
3Dスキャナを用いて評価

設計値と3Dスキャンデータの差を色で表示

おおむね問題なし
20モジュールの組み立て筐体１と筐体２をねじ締結
筐体２に基板組付け
アンテナ単体評価用

ダウンコンバート用
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モジュールの組み立て後評価
アンテナ
基板
銅（白い部分）内部の接触が重要X線CTスキャン画像問題なく接触していることを確認
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モジュールのアンテナ性能評価
27.5GHz

0-10-20-30

評価時は回転する-40-50-60

E Plane(Mes)
H Plane(Mes)
E Plane(Sim)

アンテナ性能評価

H Plane(Sim)

測定値とシミュレーション値の放射パターンがほぼ一致(b) 27.5 GHzの測定値（肉抜きあり）とシミュレーション値の放射パターンの比較

アンテナ性能は良好
23モジュールの周波数変換機能評価

1.15GHzに変換できることを確認

総合的に、想定通りの性能を発揮
本技術は、導波部品製造からモジュール製造まで様々な用途に対応可能
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想定される用途• 導波部品製造技術としての使用• 新規開発案件の機能検証用の試作手段として活用できる• ドローンやロボットなどへの通信機能実装

25実用化に向けた課題• 具体的なアプリケーション開拓• 耐久試験はヒートサイクル試験のみ実施、アプリケーションに応じた耐久性検証が必要
試験前
試験後（最大0.5 dB悪化）

ヒートサイクル試験概要
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企業への期待• 本技術を具体的なアプリケーションに適用するアイディアを持つ企業との共同研究を希望します。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：導波管コンポーネント及び導波管コンポーネントの製造方法• 出願番号：特願2020-103592• 出願人：地方独立行政法人
東京都立産業技術研究センター• 発明者：藤原康平、渡部雄太、滝沢耕平
竹村昌太、桑原聡士、小林隆一
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お問い合わせ先
東京都立産業技術研究センター
企画部 連携企画室 産業交流係
ＴＥＬ ０３-５５３０-２１３４
sangakuko@iri-tokyo.jp
都産技研ウェブサイトの技術相談受付フォーム（お問い合わせ）もご利用いただけます

https://www.iri-tokyo.jp/
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