JP4602429B2 - 電波吸収体 - Google Patents

Description

本発明は電磁波の反射を抑制する電波吸収体に関するものである。

電磁波の不要な反射を無くする電波吸収体は、実用化されており、電波吸収体の素材や構造は幾つか知られている。電波吸収体は、到来する電磁波エネルギーを吸収して熱に変換するデバイスであり、カーボンまたは金属粉等の導電材を樹脂に混合した損失材や、フェライト等の磁性材を利用した損失材などが電波吸収体の素材として用いられている。これらの損失材を用いて単層形、２層形、ピラミッド形等各種の構造により電波吸収体が設計されている。特に高吸収性能が必要な場合および広周波数帯域で使用する場合には、ピラミッド形電波吸収体が用いられる。ピラミッド形電波吸収体としては、発泡材を母材として用い、該発泡材の空孔部にカーボン等の導電材を充填した損失材をピラミッド形に成形したピラミッド形電波吸収体、あるいは中空のピラミッド構造にして、該ピラミッド形状表面部にのみ導電膜を施したピラミッド形電波吸収体が知られている（非特許文献１参照）。

清水康敬、杉浦行、石野健編集、「電磁波の吸収と遮蔽」日経技術図書株式会社、１９９９年９月１０日発行、Ｐ．１８７

近年、携帯電話や無線ＬＡＮの普及に伴い、周波数の近接した電磁波が空間に混在している。高品質な通信状態を達成するために、多くの電子機器では不要な電磁波の発生を抑制し、かつ外来電磁波に対して影響を受けにくくする対策が施されている。電子機器が発生する不要電磁波の放射強度評価や到来電磁波による誤動作評価、あるいは携帯電話やレーダなどの電磁波を放射する機器にあっては電磁波放射特性の評価等は通常、電波吸収体で内壁面を覆った電波暗室内で行われる。また、電磁波を放射する機器の周辺では周囲物体による反射・散乱波が不要電磁波となり、これを抑制する目的で該周囲物体に電波吸収体を施工する対策がとられている。

電波暗室用の電波吸収体は広周波数帯域が要求されるので、その内壁面にはピラミッド形吸収体が装着される。大電力の電磁波を放射するレーダの放射特性評価用、あるいは大電力の電磁波を電子機器に照射して誤動作状況を評価するイミュニティ評価用の電波暗室では、内壁面に装着する電波吸収体には耐電力特性が要求される。ピラミッド形吸収体の母材として、従来、多用されている発泡材は、熱に弱く大電力を吸収して発熱すると変形、変質して電波吸収性能が劣化することや、発火する危険性がある。そのため、耐電力特性に優れるピラミッド形電波吸収体が望まれている。

さらに、電波吸収体の母材となる樹脂や発泡材は耐候性が十分ではなく、電波吸収体の屋外使用では長期に亘る使用に限界があった。そのため材質の劣化を軽減するために、電波吸収体表面に耐候性塗膜を施すなどの対策がとられているが十分ではない。屋外用電波吸収体は施工箇所によっては修理や取り替えの必要がない恒久的使用が望まれる場合もあり、耐候性に優れる電波吸収体が望まれている。

上記課題を解決するために、図１に示すような、粘土素地からなるピラミッド成形体の表面に、いぶし瓦製造法によりカーボン層を形成し、ピラミッド形の電波吸収体を構成する。

いぶし瓦製造法とは伝統的な瓦焼成法の一種であり、粘土素地を成形・乾燥した後、焼成炉内に入れ、約１０００℃に粘土素地を加熱焼成した後、炉内を密閉し、外気と遮断した状態で、炭化水素に富むガスを導入することで、燻化処理を行う製造方法である。燻化処理とは、焼成過程において炭化水素ガスに含まれる炭素が、粘土素地表面で熱分解して、膜状の炭素が粘土素地表面に沈着、及びグラファイト結晶を層状に構成し、厚み数ミクロンメートル程度のカーボン層を形成するものである。このカーボン層は、いぶし瓦に灰色の独特な風合いを与えると共に、瓦の吸水性を低減させる効果や耐候性を高める効果をもつ。

瓦表面に形成されるカーボン層は電気的に見れば導電膜である。粘土素地で作製した棒状試料をいぶし瓦製造法にて焼結し、該棒状試料の表面に、いぶし瓦と同様にカーボン層を形成して導電膜の面抵抗を４端子法で測定したところ、面抵抗は７１［Ω］であった。

前記の中空ピラミッド形電波吸収体において、該ピラミッド形状表面部にのみ導電膜を形成する場合の、該導電膜の面抵抗は数１０［Ω］〜百数１０［Ω］である。このことと、いぶし瓦製造法により得られるカーボン層の面抵抗より、発明者らは、粘土素地を用いて図１に示すようなピラミッド成形体を作製し、該ピラミッド成形体の表面にいぶし瓦製造法によりカーボン膜を形成すれば、ピラミッド形の電波吸収体が構成できるとの着想を得た。

高出力レーダの放射電力ピーク値は数ＭＷに達するが、間欠的に電磁波を放射するパルスレーダにおける平均放射電力はこの数１００分の１程度になり、仮に平均放射電力を１００ｍ^２の電波吸収体で受けるとすると、電波吸収体に入射する電力密度は数１００Ｗ／ｍ^２である。電波吸収体は大電力電磁波を吸収すると電磁波エネルギーが熱に変換されて温度が上昇し、放熱とのバランスで温度はある一定値に収束する。電力密度が数１００Ｗ／ｍ^２のマイクロ波を吸収するときの電波吸収体の温度上昇は経験上最大でも３００℃〜４００℃である。一方、いぶし瓦製造法においては前記のように１０００℃程度で焼成するので、いぶし瓦製造法で製作したピラミッド形の電波吸収体は、電力密度が数１００Ｗ／ｍ^２程度のマイクロ波吸収では材質の変形、変質は生じず、耐電力特性に優れるという特徴がある。

また、いぶし瓦製造法で作製したピラミッド形の電波吸収体は、形状以外は素地、製造法ともにいぶし瓦と実質的に同様であるから、いぶし瓦と同等に長期屋外使用に耐え、耐候性に非常に優れるという特徴がある。

粘土素地で作製されたピラミッド成形体の表面に、いぶし瓦製造法により形成されたカーボン膜は、入射波に対して中空のピラミッド構造表面部の導電膜と実質的に同じ作用をし、入射電磁波を吸収する。

本発明による電波吸収体は、従来、ピラミッド形電波吸収体として多く用いられている発泡材に比べて、熱に強く、大電力を吸収しても、電波吸収性能が劣化することなく、発火の危険性もない。さらに、耐候性に優れる点からも、短期間での取り替えなどメンテナンスの心配もなく、安全に電波吸収体を使用できるため、用途を広めることができる。

図１は、電波吸収体の参考例を示す斜視図である。図１において、ピラミッド成形体１は、正方形底面の一辺の長さをｄ、高さをｐとするピラミッド形である。ｐとｄの比（ｐ／ｄ）は、従来の発泡材を母材とする中空ピラミッド吸収体の経験より勘案して、ｐ／ｄ＝１．２〜３．０としている。また、ピラミッド成形体１の表面（底面を除く）には、厚み数ミクロンメートル程度のカーボン層を形成する。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図（ピラミッド内部を粘土素地で充填形成した構造）である。図３は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ａ）はピラミッド内部を空洞にした構造を示したもので、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線拡大断面図である。ピラミッド成形体１は、図２に示すようにピラミッド成形体１の全容積を粘土素地で充填形成した構造とするか、図ｒ３に示すように粘土素地を用いて厚みｔを有する側壁３で形成されたピラミッドを作製し、内部を空洞にした構造としてもよい。内部を空洞しにした構造の場合、ピラミッド成形体１の側壁３の厚みｔが薄いとピラミッド成形体１の機械的強度が弱くなるので、側壁３の厚さｔは１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が望ましい。焼成炉内において炭化水素ガスはピラミッド成形体１内部の空洞にも入り込み、側壁内面でも熱分解しカーボン層２を形成する。したがって、図３に示す構造ではカーボン層２はピラミッド成形体１の側壁外面である面Ａだけでなく、空洞側にある側壁内面の面Ｂにも形成される。ピラミッド成形体１内部を空洞にすることで重量低減になると同時に、ピラミッド成形体１のカーボン層２を側壁３の内外面に存在させることになり、電磁波の吸収効果を高めることができる。

図４は、電波吸収体の他の参考例を示す斜視図である。電波吸収体は金属板上に並べて使用されるので、ピラミッド成形体１０の底面は金属板に当接する。電磁波がピラミッド先端から垂直に入射するとき電界成分は金属板に対して平行であり、電界成分は金属板上では境界条件より０である。したがって、ピラミッド成形体１０表面のカーボン層２のうち、底面に近い部分は電界成分が弱いので該カーボン層２を流れる電流が小さく、電波吸収効果に殆ど寄与しない。そこで、ピラミッド成形体１０の側壁に形成されたカーボン層２全体が電波吸収に寄与するようにするため、図４に示すように、ピラミッド成形体１０の下部に、該ピラミッド成形体１０の底面と同じ形状の四角形断面（四角形断面には、正方形、長方形、菱形を含む）を有する台座部４を一体化して設ける構造とする。

電界成分は金属板から波長／４だけ離れた位置で最大であることと、ピラミッド形の電波吸収体はその高さが波長程度以上になる周波数で有効な吸収特性を示すことが知られているので、この両者を勘案して、台座の高さｑとピラミッドの高さｐの比を見積もると、ｑ／ｐ＝０．２５〜２．００の範囲であることが望ましい。

図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図（ピラミッド内部を粘土素地で充填形成した構造）である。図６は、図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（ａ）はピラミッド内部を空洞にした構造を示したもので、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線拡大断面図である。台座部４を付加したピラミッド成形体１０においても、図５に示すようにピラミッド全容積を粘土素地で充填形成する構造や、図６に示すように粘土素地を用いて厚みｔを有する側壁３で形成されたピラミッドを作製し、内部を空洞にした構造にすることが可能である。

図７は、本発明の一実施形態の電波吸収体を示す斜視図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は放熱孔部分の拡大断面図である。図７において、内部が空洞のピラミッド成形体を、いぶし瓦製造法で焼成すると、図３および図６に示すようにピラミッド成形体１，１０の側壁外面である面Ａだけでなく、空洞側の側壁内面の面Ｂにもカーボン層２が形成される。したがって空洞側の側壁内面においても電磁波の吸収により発熱する。そこで、側壁内面の面Ｂにおける発熱を外部に放散するために、図７に示すようにピラミッド成形体１１の側壁３に、側壁内面から側壁外面に貫通する放熱孔５を複数個設ける。入射電磁波はピラミッド底面よりもピラミッド先端に近い領域で多く吸収される傾向があるので、前記放熱孔５はピラミッド先端に近い領域に多く設けるのが有効である。

図８は、電波吸収体の他の参考例を示す斜視図である。電波吸収体を使用する際には、複数個の電波吸収体の所定面（ピラミッド成形体の底面または台座部の底面）を整列させて隙間なく覆う。このとき複数個のピラミッド成形体を一体化して成形したものを用いると、取り扱いが便利であり、作業効率が向上する。図８は、図４に示すピラミッド成形体１０の６個を一体化成形したピラミッド成形体１２を示したものである。なお、一体化成形する個数は６個に限定されるものではなく、設置場所や環境に応じて適宜増減することが可能なものである。

電波吸収体を実際に使用する場合、水平面に配列するだけでなく、垂直壁面にも配列する。垂直壁面に電波吸収体を配列する場合には、各電波吸収体を接着剤等で固定する方法が考えられるが、安全面を考慮すると取付金具で物理的に固定することが望ましい。

図９は、電波吸収体の他の参考例を示す斜視図であり、図１０は、図９の電波吸収体を切欠部の側から見た斜視図である。図９および図１０に示すように、ピラミッド成形体１３の台座部４の任意の一辺の中央部に突起部６を設け、かつ、該突起部６と対向する位置の辺の中央部に、隣に配置する他のピラミッド成形体１３の突起部６を挿入するための切欠部８を設ける構造にする。また、前記突起部６には取付金具９を挿通するための、通し孔７を設ける。

図１１は、電波吸収体の取り付け要領を示す説明図であり、（ａ）は図１０のＣ−Ｃ線断面を示す電波吸収体の複数個を、垂直壁面Ｗに固定した状態、（ｂ）は（ａ）のＨ部詳細図である。まず、垂直壁面Ｗに、頭部が略Ｌ形の取付金具９を仮付けしておき、下側のピラミッド成形体１３ａの突起部６に設けた通し孔７（孔径は取付金具の頭部を挿通できる大きさ）を前記取付金具９に通して保持し、前記取付金具９を垂直壁面Ｗに締結して下側のピラミッド成形体１３ａを固定する。次に、上側のピラミッド成形体１３ｂの切欠部８を下側ピラミッド成形体１３ａの突起部６に冠着した状態で、上側ピラミッド成形体１３ｂの突起部６の通し孔７に取付金具９を挿通して、上側ピラミッド成形体１３ｂを固定する。この作業を繰り返すことにより、下側から上側に順に電波吸収体を隙間なく配列することができる。なお、本実施形態では、頭部が略Ｌ形の取取付金具９としているが、これに限定されるものではなく、ボルトやビス等の機械的な締結部品を適宜用いることができる。

図９から図１１は、図６に示す内部が空洞の台座部付き電波吸収体の固定法を示したが、図２、図５、図７、図８に示す電波吸収体においても、同様にピラミッド成形体の底面または台座部の底面の任意の一辺の中央部に突起部を設け、かつ、該突起部と対向する位置の辺の中央部には、他のピラミッド成形体の突起部を挿入する切欠部を設ければ、同じ要領で電波吸収体を垂直壁面に安全にかつ隙間なく取り付けることができる。

以下、参考例に基づいて本発明による電波吸収体の電波吸収特性等を説明する。

（参考例１）
内部が図３に示すように空洞である、図１に示すピラミッド構造において、ピラミッド高さｐが１５ｃｍ、ピラミッド底面の一辺の長さｄが１０ｃｍ、ピラミッド側壁の厚みｔが１０ｍｍであるピラミッド成形体を粘土素地で形成し、いぶし瓦製造法によりカーボン層を形成してピラミッド形の電波吸収体を作製した。これを９個隙間なく配列して、底面が３０ｃｍ正方の電波吸収体とし、吸収量を測定した。その結果、図１２に示すように、３ＧＨｚから１２ＧＨｚに亘って２０ｄＢ以上の吸収量を示しており、本例による電波吸収体が良好な電波吸収特性を有することが確認された。

さらに、ピラミッド高さｐが２０ｃｍ、ピラミッド底面の一辺の長さｄが１５ｃｍになるよう作製した（ピラミッド側壁の厚みｔ、その他の条件は同一）該電波吸収体１個に、５０Ｗの電磁波（周波数２．４５ＧＨｚ）を６０秒照射したところ、特に先端部に近い領域において温度が高くなり、ピラミッド表面の温度は最高で３００℃まで上昇した。電磁波照射を止めて外気中に１０分放置した後に外観検査、吸収量測定を行った。その結果、外観、吸収量とも電磁波照射前と変化はなく、本例による電波吸収体は良好な耐電力特性を有することが確認された。

（参考例２）
内部が図６のように空洞である、図４に示すピラミッド構造において、ピラミッド高さｐが１５ｃｍ、台座の高さｑが５ｃｍ、台座底面の一辺の長さｄが１０ｃｍ、ピラミッド側壁の厚みｔが１０ｍｍであるピラミッド成形体を粘土素地で形成し、いぶし瓦製造法によりカーボン層を形成して電波吸収体を作製した。これを９個隙間なく配列して底面が３０ｃｍ正方の電波吸収体とし、吸収量を測定した。その結果、図１３に示すように３ＧＨｚから１２ＧＨｚに亘って２０ｄＢ以上の吸収量を示しており、本例による電波吸収体が良好な電波吸収特性を有することが確認された。

（参考例３）
内部が図６のように空洞である、図４に示すピラミッド成形体９個が一体化成形されたピラミッド構造において、ピラミッド高さｐが７ｃｍ、台座の高さｑが３ｃｍ、台座底面の一辺の長さｄが１５ｃｍ、ピラミッド側壁の厚みｔが１０ｍｍであるピラミッド成形体を粘土素地で形成し、いぶし瓦製造法によりカーボン層を形成して電波吸収体を作製した。これを４個隙間なく配列して底面が３０ｃｍ正方の電波吸収体とし、吸収量を測定した。その結果、図１４に示すように３ＧＨｚから１２ＧＨｚに亘って２０ｄＢ以上の吸収量を示しており、本例による電波吸収体が良好な電波吸収特性を有することが確認された。

本発明は、大電力の電磁波を放射するレーダの放射特性評価用、また、大電力の電磁波を電子機器に照射して誤作動状況を評価するイミュニティ評価用の電波暗室の内壁面に装着する電波吸収体として利用可能である。

電波吸収体の参考例を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図（ピラミッド内部を粘土素地で充填形成した構造）である。 図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ａ）はピラミッド内部を空洞にした構造を示したもので、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線拡大断面図である。 電波吸収体の他の参考例を示す斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図（ピラミッド内部を粘土素地で充填形成した構造）である。 図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（ａ）はピラミッド内部を空洞にした構造を示したもので、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線拡大断面図である。 本発明の一実施形態の電波吸収体を示す斜視図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は放熱孔部分の拡大断面図である。 電波吸収体の他の参考例を示す斜視図である。 電波吸収体の他の参考例を示す斜視図である。 図９の電波吸収体を切欠部の側から見た斜視図である。 電波吸収体の取り付け要領を示す説明図であり、（ａ）は図１０のＣ−Ｃ線断面を示す電波吸収体の複数個を、垂直壁面Ｗに固定した状態、（ｂ）は（ａ）のＨ部詳細図である。 参考例１の電波吸収特性を示す図である。 参考例２の電波吸収特性を示す図である。 参考例３の電波吸収特性を示す図である。

１、１０、１１、１２、１３、１３ａ，１３ｂ ピラミッド成形体
２ カーボン層
３ 側壁
４ 台座部
５ 放熱孔
６ 突起部
７ 通し孔
８ 切欠部
９ 取付金具
ｄ ピラミッド底面の一辺の長さ
ｐ ピラミッドの高さ
ｑ 台座の高さ
ｔ ピラミッド側壁の厚み
Ｗ 垂直壁面
面Ａ ピラミッド成形体の側壁外面
面Ｂ ピラミッド成形体の側壁内面

Claims (5)

1. 粘土素地のピラミッド成形体と、
   当該粘土素地を成形・乾燥した後、焼成炉内に入れ、約１０００℃に粘土素地を加熱焼成した後、炉内を密閉し、外気と遮断した状態で、炭化水素に富むガスを導入することで燻化処理を行なう、いぶし瓦製造法により、前記粘土素地のピラミッド成形体の表面に形成されたカーボン層とを有し、
   前記ピラミッド成形体は、粘土素地を用いて厚みｔを有する側壁で形成されており、該ピラミッド成形体の内部は空洞であると共に、四角形底面が開口されており、側壁内面から側壁外面に貫通する放熱孔が複数個設けられることを特徴とする電波吸収体。
2. 前記ピラミッド成形体は、四角形底面の一辺の長さｄとピラミッド高さｐの比（ｐ／ｄ）が１．２〜３．０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電波吸収体。
3. 前記ピラミッド成形体の下部に、該ピラミッド成形体の底面と同じ形状の断面を有する台座部を設け、かつ該台座部の高さｑとｐの比（ｑ／ｐ）が０．２５〜２．００であることを特徴とする請求項１または２に記載の電波吸収体。
4. 前記ピラミッド成形体は、複数個を一体化して成形することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電波吸収体。
5. 前記ピラミッド成形体の底面部は、任意の一辺の中央部に突起部を設け、かつ該突起部と対向する辺の中央部に、他のピラミッド成形体の突起部を挿入する切欠部を設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電波吸収体。

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