JP2005123209A

JP2005123209A - 複合誘電体成形物

Info

Publication number: JP2005123209A
Application number: JP2004363396A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyasu Sakurada; 清恭櫻田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】
アンテナ利得やサイドローブ等の特性に優れ、かつ個体内および個体間の特性ばらつきが小さい複合誘電体成形物を提供する。
【解決手段】
誘電体無機フィラーとポリプロピレンとを含む複合誘電体材料を成形して複合誘電体成形物を作製し、その誘電率異方性を１．００〜１．０５の範囲にする。
【選択図】なし

Description

本発明は、複合誘電体成形物、特に高周波部品に用いられる複合誘電体成形物に関する。

近年、次世代の高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport Systems）の開発が盛んになってきており、クルージング時の安全運転を支援するための機能が次々と開発されている。特に、自動車の目の役割を果たす外部環境検知システムはＩＴＳの中でも重要視され、赤外線やＣＣＤ等を用いた検知システムが開発されている。

しかしながら、これらの検知システムの場合、雨中では使用できなかったり、コストが高くなったりといった問題点がある。

そこで、ミリ波（７６ＧＨｚ）を利用したレーダーを外部環境検知手段として使用することが考えられている。このミリ波アンテナとしては、出射面が平面形状の平面アンテナや、出射面が凸状に湾曲したレンズアンテナ等があるが、中でもレンズアンテナは、アンテナ効率や検知角度の面において優れている。

このようなレンズアンテナとしては、その出射面が凸状となったレンズ本体と、その後方に設けられた１次送波器とからなるものが一般的である。特に、車載用のレンズアンテナのようにレンズ本体の厚みを薄くする必要のあるものには、そのレンズ本体の材質として、厚みが薄くても高誘電率であり、かつ生産性に優れた、誘電体無機フィラーと樹脂とからなる複合誘電体材料が用いられている。

レンズ本体の成形については、成形にかかるコスト、成形の精度等から射出成形によることが一般的である。

しかしながら、従来の複合誘電体材料を成形して得られるレンズ本体（複合誘電体成形物）では、アンテナ利得やサイドローブが設計通りの値を達成できなかったり、特性にばらつきが見られたりして、歩溜りがよいとはいえなかった。

本発明の目的は、アンテナ利得やサイドローブ等の特性に優れ、かつ個体内および個体間の特性ばらつきが小さい複合誘電体成形物を提供することにある。

本発明に係る複合誘電体成形物は、誘電体無機フィラーとポリプロピレンとを含む複合誘電体材料を成形してなる複合誘電体成形物であって、前記複合誘電体成形物は、その誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にあることを特徴とする。（ただし、誘電率異方性とは、誘電率が最大となる方向での誘電率Ａと、誘電率が最低となる方向での誘電率Ｂとの比（Ａ／Ｂ）を示す。）
本発明者は、使用する複合誘電体材料や成形条件によって、複合誘電体成形物の誘電率が電界方向によって変動することに着目し、この複合誘電体成形物の誘電率の変動が大きいものが、誘電率所望の特性が得られない電界方向があったり、複合誘電体成形物内で特性のばらつきが生じていることを見出した。

したがって、電界方向によって誘電率の変動を小さくする、つまり誘電率異方性を１．００〜１．０５に調整すれば、上記のような問題を解決することができるという本発明を成すに至ったものである。

本発明によれば、電気的特性に優れ、かつ特性ばらつきの小さい複合誘電体成形物を得ることができる。

本発明の複合誘電体成形物は、誘電体無機フィラーと有機高分子材料とを含む複合誘電体材料を成形し、その成形物を構成する任意の一部の誘電率異方性を１．００〜１．０５の範囲となるようにしたものである。

ここで、誘電率異方性とは、誘電率が最大となる方向での誘電率Ａと、誘電率が最低となる方向での誘電率Ｂとの比（Ａ／Ｂ）のことであり、その測定方法としては、上記複合誘電体成形物の任意の一部を１０点以上取ってテストピースとし、このテストピースを回転させながら誘電率を測定する方法を用いる。

また、誘電体無機フィラーは、実質的に複合誘電体成形物の誘電率を決定するものであり、誘電体無機フィラーの種類及び添加量を調整することによって、複合誘電体成形物の誘電率を調整することができる。

誘電体無機フィラーとしては、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種であることが好ましく、具体的には、ＴｉＯ₂，ＣａＴｉＯ₃，ＭｇＴｉＯ₃，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＳｒＴｉＯ₃，ＣａＣＯ₃，Ｃａ₂Ｐ₂Ｏ₇，ＳｉＯ₂，Ｍｇ₂ＳｉＯ₄，Ｃａ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇，Ｂａ(Ｍｇ_1/3Ｔａ_2/3)Ｏ3等が挙げられる。

なお、誘電体無機フィラーが複合誘電体材料に対して添加含有される割合は、好ましくは１．０〜５５．０ｖｏｌ％であり、さらに好ましくは１０．０〜５５．０ｖｏｌ％である。誘電体無機フィラーの添加割合が５５．０ｖｏｌ％以下であれば複合誘電体材料を射出成形加工しやすく、１．０ｖｏｌ％以上であれば実用的な誘電率を確保できるためである。

また、有機高分子材料は、射出成形が可能であるということから、熱可塑性樹脂を用いることが好ましく、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、メチルペンテンポリマー、ノルボルネン樹脂、ポリカーボネイト、ポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルケトン等が挙げられるが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイドが高周波におけるＱ値が高く特に好ましい。

また、有機高分子材料を、樹脂フィラーが添加された熱可塑性樹脂で構成する場合は、マトリックスとなる熱可塑性樹脂には上に列挙した熱可塑性樹脂を用いることができる。

また、樹脂フィラーには上に列挙した熱可塑性樹脂の他に、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。ただし、樹脂フィラーに熱可塑性樹脂を用いる場合は、マトリックスとなる熱可塑性樹脂として選択した熱可塑性樹脂の成形温度では溶融しない熱可塑性樹脂を選択する。

なお、樹脂フィラーが複合誘電体材料に対して添加含有される割合は、好ましくは１．０〜４５．０ｖｏｌ％であり、さらに好ましくは１０．０〜４５．０ｖｏｌ％である。樹脂フィラーの添加量が多すぎると複合誘電体材料を射出成形加工するのが困難になり、少なすぎると誘電体無機フィラーの配向を抑制しにくくなるためである。

また、複合誘電体材料は、射出成形によって成形しても誘電率異方性を小さくすることができるということから、溶融時の粘度が、剪断速度１０００ｓ^-1において１７０Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、さらに好ましくは２００Ｐａ・ｓ以上である。なお、粘度の上限については、成形機の性能によるため特に限定はしないが、現在の成形機の性能からみて８００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。

図１は、本発明に係る複合誘電体成形物を用いたレンズアンテナを示す概略説明図である。図１に示すように、レンズアンテナ１は、レンズ部２と、導波管（１次送波器）３と、レンズ部２および導波管３とに係合する支持板４と、からなる。

レンズ部２はレンズ本体２ａと整合層２ｂとからなり、このうちレンズ本体２ａは、本発明に係る複合誘電体成形物からなり、出射面２ａ₁が凸状、入射面２ａ₂が平板状、出射面２ａ₁の垂直断面が円弧状となるように、射出成形によって成形されている。

また、整合層２ｂは、レンズ本体２ａと大気との整合をとるためのものであって、レンズ本体２ａと同様に本発明に係る複合誘電体成形物からなり、レンズ本体２ａの外縁を覆うような形状となるように成形され、レンズ本体２ａと接着されている。

なお、整合層２ｂの比誘電率はレンズ本体２ａの比誘電率の平方根あるいはそれに近い値を有していることが好ましい。また、整合層２ｂの厚みは所望のマイクロ波の波長の約１／４であることが好ましい。

導波管３は、アルミニウム製で直方体形状をなしている。また、導波管３の上面には送波用開口部３ａが形成され、側面には挿入用開口部３ｂが形成されており、これらの開口部３ａ，３ｂは内部で連通している。

支持板４は、導波管３ａの外周部から、レンズ部２の縁部の全周にわたってテーパ状に広がった筒状に構成されており、導波管３ａとレンズ部２との位置関係を固定するために設けられる。また、支持板４の内側には、電磁波を反射するように金属メッキが施されていることが好ましい。

誘電体線路５は、送波用開口部３ａが形成された位置にその端部が来るように挿入用開口部３ｂから挿入されている。また、図示していないが、誘電体線路５には電極が形成されている。

以下、本発明の複合誘電体成形物について、実施例に基づきさらに詳細に説明する。

図２は、本発明に係る複合誘電体成形物を示す概略斜視図であり、図３は、本発明に係る複合誘電体を示す水平断面図である。図３（ａ）は図２におけるＡ−Ａ’面の断面、図３（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ’面の断面、図３（ｃ）は図２におけるＣ−Ｃ’面を示す。

まず、誘電体無機フィラーとしてＣａＴｉＯ₃粉末、有機高分子材料としてポリプロピレン粉末を用意し、表１に示す混合比となるように秤量した。次に、これらをヘンシェルミキサーで予備混合して混合粉末とした。

次に、シリンダー温度を２００℃にした二軸の押出機を用いて、得られた混合粉末を溶融状態で混錬し、複合誘電体材料とした後、ヘッド穴を通して糸状に成形した。次に、この成形物を水中で冷却後、φ２×５ｍｍ程度にカットしてペレットとした。

次に、得られたペレットを射出成形機に投入し、溶融後、直径７３．２ｍｍ、最大厚み２０ｍｍの凸レンズ状に射出成形して複合誘電体成形物を得た。このとき、射出成形時において、それぞれの試料の溶融粘度を剪断速度１０００ｓ^-1で測定した。

次に、得られた複合誘電体成形物の誘電率異方性、誘電率を測定した。ここで、誘電率はＴＥ０１δモードの１２ＧＨｚの電界を用いた摂動法で測定した。なお、誘電率異方性は以下のようにして測定した。

まず、図２に示すように、Ａ−Ａ’面、Ｂ−Ｂ’面、およびＣ−Ｃ’面で、複合誘電体成形物１０を厚み方向に４等分した後、図３に示すように、それぞれの断面１０ａ、１０ｂ、１０ｃから合計１５点のサンプル１１を切り出した。

次に、各サンプル１１をＴＥ１０モードの電界を用いた摂動法において、電界の方向を３０°ずつ回転させて誘電率の測定を行った。そして、各サンプルの最大誘電率と最小誘電率との比である誘電率異方性を算出し、最後に各サンプルの誘電率異方性の平均を算出して複合誘電体成形物の誘電率異方性とした。その結果を表１に示す。

表１からわかるように、試料３〜６は、誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にあり、誘電率のばらつきが小さい。一方、試料１，２は、誘電率異方性が１．０５より大きいため、誘電率のばらつきが大きい。

また、試料１，２は、射出成形時の溶融粘度が、剪断速度１０００ｓ^-1において１７０Ｐａ・ｓより小さいため、誘電体無機フィラーが一定方向に揃いやすくなり、誘電率異方性が１．０５を超えてしまった。

まず、表２に示すように、誘電体無機フィラーおよび有機高分子材料を混合して、混合粉末を得た。なお、これらの混合粉末は、複合誘電体成形物としたとき、誘電率εｒが約４．０となる。このように各試料の誘電率を一定としたのは、利得およびサイドローブを各試料間で単純比較するためである。

次に、得られた混合粉末から実施例１と同様にして複合誘電体成形物を得た。そして、複合誘電体材料の溶融粘度、複合誘電体成形物の誘電率異方性、および誘電率ばらつきを実施例１と同様にして測定した。その結果を表２に示す。

表２からわかるように、試料１４〜２７は、誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にあるため、誘電率ばらつきが小さく、利得およびサイドローブの双方において良好な値が得られている。

一方、試料１１〜１３は、誘電率ばらつきが２倍以上に大きくなり、利得およびサイドローブの双方において良好な値が得られていない。

まず、誘電体無機フィラーとしてＣａＴｉＯ₃粉末、およびＡｌ₂Ｏ₃粉末、マトリックスとなる熱可塑性樹脂としてポリプロピレン粉末、樹脂フィラーとしてシンジオタクチックポリスチレン粉末を用意し、表３に示す混合比になるように秤量した。次に、これらをヘンシェルミキサーで予備混合して混合粉末とした。

次に、得られた混合粉末から実施例１と同様にして複合誘電体成形物を得た。次に、得られた複合誘電体成形物の誘電率異方性、誘電率を実施例１と同じ測定方法によって測定した。その結果を表３に示す。

なお、試料２８〜３０は、試料１と同じ量の誘電体無機フィラーが添加され、かつ、熱可塑性樹脂に樹脂フィラーが添加されているものである。また、試料３１〜３３は、試料３と同じ量の誘電体無機フィラーが添加され、かつ、熱可塑性樹脂に樹脂フィラーが添加されているものである。また、試料３４〜３６は、試料１１と同じ量の誘電体無機フィラーが添加され、かつ、熱可塑性樹脂に樹脂フィラーが添加されているものである。また、試料３７〜３９は、試料１６と同じ量の誘電体無機フィラーが添加され、かつ、熱可塑性樹脂に樹脂フィラーが添加されているものである。

表３に示すように、マトリックスとなる熱可塑性樹脂に樹脂フィラーを添加したものは、誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にあり、誘電率のばらつきが小さいことがわかる。

本発明に関連するレンズアンテナの一例を示す概略断面図である。本発明に係る複合誘電体成形物の一例を示す概略斜視図である。本発明に係る複合誘電体成形物の一例を示す水平断面図である。

符号の説明

１レンズアンテナ
２レンズ部
２ａレンズ本体
２ｂ整合層
３導波管（１次送波器）
４支持板
５誘電体線路
１０複合誘電体成形物
１１サンプル

Claims

誘電体無機フィラーとポリプロピレンとを含む複合誘電体材料を成形してなる複合誘電体成形物であって、
前記複合誘電体成形物は、その誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にあることを特徴とする複合誘電体成形物。
（ただし、誘電率異方性とは、誘電率が最大となる方向での誘電率Ａと、誘電率が最低となる方向での誘電率Ｂとの比（Ａ／Ｂ）を示す。）