特許 7576304 ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ、ＦＲＰ製アンテナ支柱およびＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-23

(45)【発行日】2024-10-31

(54)【発明の名称】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ、ＦＲＰ製アンテナ支柱およびＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01Q 1/12 20060101AFI20241024BHJP

   H01P 11/00 20060101ALI20241024BHJP

   B29C 70/32 20060101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

H01Q1/12 C

H01P11/00

B29C70/32

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020199900

(22)【出願日】2020-12-01

(65)【公開番号】P2022087747

(43)【公開日】2022-06-13

【審査請求日】2023-11-15

(73)【特許権者】

【識別番号】503410557

【氏名又は名称】コスモシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095359

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 篤

(72)【発明者】

【氏名】秋田谷 米男

(72)【発明者】

【氏名】平山 紀夫

【審査官】麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３１８０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３１０６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０４５９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－１２８４３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １／１２

Ｈ０１Ｐ １１／００

Ｂ２９Ｃ ７０／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィラメントワインディング法で製造されたＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプであって、含まれる強化繊維の８割以上の繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であることを、特徴とするＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ。

【請求項2】

前記強化繊維の繊維体積含有率が５５％以上７５％未満であることを、特徴とする請求項１記載のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ。

【請求項3】

前記強化繊維の８割以上がガラス長繊維であることを、特徴とする請求項１または２記載のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ。

【請求項4】

請求項１，２または３記載のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプを２本直列に接合し、一端に設置面固定用のフランジ部材を固定して成ることを、特徴とするＦＲＰ製アンテナ支柱。

【請求項5】

ＦＲＰ用の合成樹脂を含侵させた強化繊維をフィラメントワインディング法でマンドレルに巻き付け、前記合成樹脂を硬化させた後、前記マンドレルを除去して成るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法であって、硬化後、前記強化繊維の８割以上の繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下となるよう前記強化繊維を前記マンドレルに巻き付けることを、特徴とするＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ、ＦＲＰ製アンテナ支柱およびＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基地局用アンテナを設置する場合には、新たな空地を確保して基地局用アンテナを設置することは困難であるため、ビルなどの高い建物の屋上に設置することが多い。そして、通信用のアンテナの設置にはアンテナを支えるための支柱が必要であり、支柱には強風に耐えうる高い曲げ剛性と屋上まで持ち運べる軽量性が要求される。
これらの通信用のアンテナを支持するアンテナ用支持柱であって、電気的な絶縁特性を有するＦＲＰから成り、筒形状に形成された複数本のＦＲＰパイプと、これらのＦＲＰパイプを相互に接続するための継ぎ手用フランジとを有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－３１８０７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナ用支持柱は、支柱の軸方向にガラス繊維が配向されているため受風荷重に対し曲げ剛性は高いが、ガラス繊維が配向されていないパイプの周方向の強度は弱いため、支柱が固定されるフランジ部材付近で破壊するおそれがあるという課題があった。

【0005】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、軽量でありながら受風荷重に対する支柱の曲げ変形を抑制し、尚且つ支柱が固定されるフランジ部材付近でのパイプの破壊を抑えることができるＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ、ＦＲＰ製アンテナ支柱およびＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ＦＲＰ製アンテナ支柱の設計仕様としては，支柱をマンションやビルの屋上へ人力で運び設置することを想定し、支柱の質量制約は女性労働基準規則（第2条第1項）を満たすように１５．６ｋｇ以下とする必要がある。また、受風荷重に対して支柱の曲げによるたわみ角度が大きいとアンテナパイプ内部に設置した送受信機器の破損の原因となるため、支柱の曲げによるたわみ角度を３°以内で安全率２（すなわち設計値として１．５°以下）と設定し、フランジ部材付近で破壊を防ぐために、ＦＲＰ製アンテナパイプには発生する応力を材料破断応力の１／３以下に抑えることとした。

【0007】

上記の設計仕様を達成することができるＦＲＰ製アンテナ支柱パイプの材料と構造仕様を発見するために有限要素法による数値解析実験を繰り返し行うことで、本発明のＦＲＰ製アンテナ支柱パイプを見出した。見出された本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプは、フィラメントワインディング法で製造されたＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプであって、含まれる強化繊維の８割以上の繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であることを、特徴とする。

【0008】

本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプは、前記強化繊維の繊維体積含有率が５５％以上７５％未満であることが好ましい。
本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプは、前記強化繊維の８割以上がガラス長繊維であることが好ましい。

【0009】

本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱は、前述のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプを２本直列に接合し、一端に設置面固定用のフランジ部材を固定して成ることを、特徴とする。
本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法は、ＦＲＰ用の合成樹脂を含侵させた強化繊維をフィラメントワインディング法でマンドレルに巻き付け、前記合成樹脂を硬化させた後、前記マンドレルを除去して成るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法であって、硬化後、前記強化繊維の８割以上の繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下となるよう前記強化繊維を前記マンドレルに巻き付けることを、特徴とする。

【0010】

本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプおよび本発明に係るＦＲＰ製アンテナ支柱は、軽量でありながら受風荷重に対する支柱の曲げ変形を抑制し、尚且つ支柱が固定されるフランジ部材付近でのパイプの破壊を抑えることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、軽量でありながら受風荷重に対する支柱の曲げ変形を抑制し、尚且つ支柱が固定されるフランジ部材付近でのパイプの破壊を抑えることができるＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ、ＦＲＰ製アンテナ支柱およびＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態のＦＲＰ製アンテナ支柱を示す斜視図である。

【図2】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの繊維体積含有率５０％の場合の、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を示すグラフである。

【図3】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの繊維体積含有率５５％の場合の、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を示すグラフである。

【図4】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの繊維体積含有率６０％の場合の、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を示すグラフである。

【図5】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの繊維体積含有率６５％の場合の、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を示すグラフである。

【図6】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの繊維体積含有率７０％の場合の、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を示すグラフである。

【図7】ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプとフランジ部の応力値のコンター図である。

【図8】上部ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの正面図と側面図および下部ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの正面図と側面図である。

【図9】ＦＲＰ製フランジの正面図、平面図、側面図およびＦＲＰ製ソケットの正面図、平面図、側面図である。

【図10】下部ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプのフランジ接続部および上部ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプと下部ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプとのソケット接続部を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１およびＦＲＰ製アンテナ支柱１０を示す。
ＦＲＰ製アンテナ支柱１０は、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１を２本直列に接合し、一端に設置面固定用のフランジ部材２を固定して成る。２本のＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、接合部が円筒状のソケット３に挿入されて接合される。ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、フィラメントワインディング法で製造される。ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１に含まれる強化繊維は、８割以上のものの繊維配向角が１５°以上２５°以下である。

【0014】

ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下である。また、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、強化繊維の繊維体積含有率が５５％以上７５％未満である。使用される強化繊維の８割以上が、ガラス長繊維である。ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、それぞれ長さ３ｍ以下で、２本直列に接合したとき、長さ５ｍ以下である。

【0015】

ＦＲＰ製アンテナ支柱は、以下の方法で製造される。まず、ＦＲＰ用の合成樹脂を含侵させた強化繊維をフィラメントワインディング法でマンドレルに巻き付ける。このとき、含まれる強化繊維の８割以上のものの繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下となるよう強化繊維をマンドレルに巻き付ける。合成樹脂を硬化させた後、マンドレルを除去する。

【0016】

このように、ＦＲＰ製アンテナ支柱１０は、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１を２本直列に接合し、接合部には円筒状のソケット３を用いて簡便に接合でき、パイプの一端に設置面固定用のフランジ部材２を固定して接合を行うため、アンテナ基地局が高層の建造物に設置される場合にも施工が容易である。

【0017】

本発明の詳細について述べる。３．５７ｍのＦＲＰ製アンテナ支柱に取り付けられる搭載機器を通信用アンテナとケーブルとし、これらのアンテナとケーブルに風速３６ m/s(速度圧２３４５ N/m2)の受風荷重を受けるとする。このとき受風荷重による等価モーメントを全長で除し、ＦＲＰ製アンテナ支柱先端に加わる集中荷重を計算すると２１９７．６[N]となる。このため、先端に集中荷重２１９７．６[N]を作用させたＦＲＰ製アンテナ支柱の有限要素法によるＦＲＰ製アンテナ支柱の数値解析を行った。その際、２分割されたＦＲＰ製アンテナ支柱の重量制限値を１５．６kgとして、繊維体積含有率を５０%から７０％まで変化させ、尚且つFW成形の際のＦＲＰ製アンテナ支柱の繊維配向角を１５°以上２５°以下の範囲で変化させて数値実験を繰り返して、ＦＲＰ製アンテナ支柱のたわみ角度を調査した。

【0018】

ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１の繊維体積含有率５０％、５５％、６０％、６５％、７０％の場合それぞれの、有限要素法による数値解析実験から得られた繊維配向角の違いによる板厚とたわみ角との関係を図２～図６に示す。
これらの有限要素法による数値解析実験から、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１は、強化繊維の繊維配向角が１５°以上２５°以下、板厚が８．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径が５０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下、強化繊維の繊維体積含有率が５５％以上７５％未満の条件を満たした場合、たわみ角に対する安全率２以上となり安全性が高いことが発見された。

【0019】

また、このときＦＲＰ製アンテナ支柱１０は、フランジ部材２とＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１とが接する箇所で最大応力が発生して破断しやすいが、図７に示すように、数値解析実験から本発明のＦＲＰ製アンテナ支柱のフランジ部材２近傍の繊維方向応力の最大値が９９．７MPaで、繊維直交方向応力の最大値が１１．４MPaでとなることが確認できた。FW成形により製造された一方向強化ＦＲＰの繊維直交方向の破断応力値は４０～６０MPa程度であるため、ＦＲＰ製アンテナ支柱１０は、前述の条件を満たすことにより風速３６ｍ／ｓ（速度圧２３４５Ｎ／ｍ^２）の受風荷重に対しても破壊を抑えることができる。このように、ＦＲＰ製アンテナ支柱１０は、軽量でありながら受風荷重に対する支柱の曲げ変形を抑制し、尚且つ支柱が固定されるフランジ部材２の付近でのＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ１の破壊を抑えることができる。

【実施例】

【0020】

以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
［実施例１］
本発明の効果を確認するために、ガラス繊維としてロービングRS240PE-535を使用し、エポキシ樹脂としては、ナガセケムテックス株式会社製のT769/R6500とT769/H6500及び硬化促進剤T769/A6500 を 100 : 100 : 2の重量比で混合してFW成形を行った。

【0021】

FW成形の条件としては、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプに含まれる強化繊維の８割以上のものの繊維配向角が２０°±３°であり、強化繊維の繊維体積含有率が６０±３％となるように設定した。また、ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプの板厚は１０．５±０．５ｍｍであった。

【0022】

その後、100℃/120min. + 150℃/90min.の硬化条件で硬化させて、フランジとソケット接合部にあたる箇所を旋盤による切削加工を行い、図８に示すＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプを製造した。その後、図９に示すFRP製のフランジとFRP製のソケットをHLU法により製造して、ナガセケムテックス株式会社製エポキシ接着剤（XNR3324-XNH3324）を使用して図１０に示すように接合してＦＲＰ製アンテナ支柱を作成した。

【0023】

作成したＦＲＰ製アンテナ支柱のフランジを固定壁にボルトで結合し、ＦＲＰ製アンテナ支柱の先端に設計値である集中荷重２１９７．６[N]を作用させて、ＦＲＰ製アンテナ支柱先端のたわみ量を計測した。また、フランジ部材近傍の繊維方向と繊維直交方向応力に発生したひずみの最大値をひずみゲージにより計測し、繊維方向と繊維直交方向の弾性係数を乗じて最大応力値を算出した。
その結果を表１に示す。この結果からも、本発明のＦＲＰ製アンテナ支柱がたわみ角度の制約条件（２°以下）、フランジ部材近傍での発生応力の安全率が３以上を満足していることが証明されたといえる。

【0024】

【表1】

【符号の説明】

【0025】

１ ＦＲＰ製アンテナ支柱用パイプ
２ フランジ部材
３ ソケット
１０ ＦＲＰ製アンテナ支柱

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】