JP2004125810A

JP2004125810A - ミリ波ユニットの構造

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Publication number: JP2004125810A
Application number: JP2004010817A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Yagi; 矢木　秀和
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP4632669B2

Abstract

【課題】　ミリ波ユニットの構造において部品点数を低減して低コスト化、組立性の向上による装置の特性の向上を実現できるようにする。
【解決手段】　周波数変調信号を送信し、目標物で反射して戻ってきた信号を受信して送信信号と混合して得たビート信号から目標物までの距離を測定するレーダ装置におけるミリ波ユニットを、電気回路基板４０、ベースシャーシ３０、及び、アンテナとから構成し、電気回路基板４０はベースシャーシ３０の周辺に取り付け、ベースシャーシ３０には、発振器、及び処理回路を内蔵するＭＭＩＣ４２を実装し、電気回路基板４０のグランドパターン４６のうちのＭＭＩＣ４２の近傍の部位を、ベースシャーシ３０に電気的に接続した。電気回路基板４０とベースシャーシの取り付けは、導電性接着剤１９によって行うことができる。
【選択図】　　　図１０

Description

　本発明はミリ波ユニットの構造に関し、特に、車両等に搭載されて先行する目標物との距離を測定するレーダ装置におけるミリ波ユニットの構造に関する。

　近年、自動車の保有台数の増大に伴い、自動車の衝突等による事故も年々増加する傾向にある。特に、一定の高速度で走行することが多い高速道路における走行では運転が単調になって注意力が散漫になり易く、このような場合に、先行する車両が急ブレーキをかけたり、渋滞で停車しているのに気づくのが遅れると、大きな衝突事故になりかねない。このような状況の下で、先行する自動車との間の距離を常時測定し、この距離の減少度合いが大きい時に自動的に自動車の走行速度を減速したり、自動車にブレーキをかけて衝突を未然に防止するレーダ装置が実用段階にある。

　このようなレーダ装置には一般にＦＭＣＷ（周波数変調連続波）レーダやパルスドライブレーダ等の方式がある。この中で、ＦＭＣＷレーダ装置では、送信用電圧制御発振器（ＶＣＯ）に三角波のベースバンド信号を加え、周波数変調を行って送信アンテナから送信して目標物体に当てて反射した信号を受信する一方、ＶＣＯから得られる高周波信号を一部分岐して受信アンテナの受信信号が供給される受信ミキサに加えるだけで、目標物体からの距離や相対速度に応じた信号がビート信号として得られ、目標物体との相対速度と距離が測定できる。よって、ＦＭＣＷレーダ装置は、特に、小型化、低コスト化が要求される自動車用レーダ装置への応用検討が活発になっている。

　これまでのＦＷＣＭレーダ装置では、送信用アンテナと受信用アンテナとが必要であり、装置が大型化し、かつ、コストが高くなるという問題点があった。そこで、周波数変調信号を送信し、目標物体で反射された信号を受信して送信信号と混合して得たビート信号から目標物体の距離及び相対速度を得るＦＭＣＭレーダ装置において、単一のアンテナを使用して送受信を時分割で行うことにより、装置の小型化及び低コスト化が可能なＦＭＣＷレーダ装置が特許文献１に提案されている。

特開平９−２４３７３８号公報

　しかしながら、前述のような送受信アンテナが共通化されたＦＭＣＷレーダ装置においても、ＶＣＯからの高周波信号（ミリ波）を送信アンテナに加えたり、受信アンテナからの受信信号とＶＣＯから得られるミリ波の一部とを混合する受信ミキサとを備えた送受信回路を備えたユニット（以後ミリ波ユニットと呼ぶ）では、以下のような問題点があった。

　(1) ユニットがベースシャーシ、回路基板、導波管、アンテナ保持ブラケット等から構成されており、部品点数が多く、組立性が悪くコストが高い。
　(2) 部品点数が多いために、各部品の位置精度がばらつき、ユニットの特性にばらつきが出る。
　(3) ＶＣＯ、送受信回路、ミキサ等の部品は集積回路化され、集積回路がベースシャーシに設けられた凹部に嵌め込まれた後に、導電性の接着剤等で固着されて凹部内に空気が密封されていたので、外気の温度変化によって凹部内の空気が膨張、収縮を繰り返し、集積回路が外れ易くなっていた。

　(4) 従来は凹部に集積回路が取り付けられたベースシャーシと、集積回路の周辺回路が実装された回路基板とがサンドイッチ構造になっていたために、集積回路のグランドと周辺回路基板とのグランドとの間の距離が長く、電位差の発生によりミリ波ユニットの特性が不安定であった。
　そこで、本発明は、前記従来のミリ波ユニットの有する部品点数が多く、組立性が悪くコストが高い点、ユニットの特性にばらつきが出る点、集積回路が外れ易い点、等の不具合を解消することができるミリ波ユニットの構造を提供することを目的としている。

　前記目的を達成する本発明の特徴は、周波数変調信号を送信し、目標物で反射して戻ってきた信号を受信して送信信号と混合して得たビート信号から目標物までの距離を測定するレーダ装置におけるミリ波ユニットの構造において、ミリ波ユニットを電気回路部、ベースシャーシ、及び、アンテナとから構成し、電気回路部のうちの、周波数変調信号を送信すると共に、アンテナで受信した受信信号を送信信号と混合する主要部を集積回路で構成し、この集積回路をベースシャーシに搭載し、集積回路のグランドパターンをベースシャーシに電気的に接続し、電気回路部のうちの、主要部以外の回路を電気回路基板上に搭載して前記ベースシャーシの周辺に取り付け、電気回路基板のグランドパターンのうちの、少なくとも集積回路の近傍の部位を、ベースシャーシに電気的に接続したことにある。

　この場合、電気回路基板とベースシャーシの取り付けを、導電性接着剤を介して行っても良く、また、電気回路基板のベースシャーシへの取付面と反対側の面にあるグランドパターンのうち、導電性接着材に対向する部位を、スルホールによって接続するしても良い。更に、ベースシャーシの電気回路基板の取付部を所定の厚さだけ窪ませて段差部とし、この段差部に取り付けた電気回路基板の表面とベースシャーシに搭載した集積回路の表面との段差を低減するようにしても良い。

　本発明では、集積回路のグランドと周辺回路基板とのグランドとの間の距離が短くなり、電位差の発生が抑えられてミリ波ユニットの特性が安定するという効果がある。

　以下添付図面を用いて本発明の実施形態を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。
　図１は本発明のミリ波ユニット２を備えたレーダ装置１００の全体構成を示すブロック図である。レーダ装置１００には、信号処理部１、ミリ波ユニット２、及びアンテナ１０が設けられている。信号処理部１にはマイコン（マイクロコンピュータ）１１、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）１２、送信・受信制御回路１４と受信回路１５を備えたアナログ回路１３、及び電源１６が内蔵されている。また、信号処理部１にフラットケーブル１７で接続するミリ波ユニット２には、発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９が内蔵されている。このミリ波ユニット２は、通常はカバー内に収められてアンテナ１０に取り付けられている。信号処理部１の電源１６は、フラットケーブル１７を通じてミリ波ユニット２にも供給されるようになっている。

　ここで、以上のように構成されたレーダ装置１００の動作について説明する。レーダ装置１００では、ミリ波ユニット２内の発振器３で生成された高周波電気信号が逓倍器４で逓倍された後に二分岐され、その一方がマイクロストリップ線路で結ばれた増幅器５、アンテナ共用回路６を通じてアンテナ１０に供給される。アンテナ共用回路６にはマイクロストリップ線路／導波管変換基板が接続されており、高周波電気信号がアンテナを通じて放射される。この時は、送信・受信制御回路１４からの送信スイッチ信号によってアンテナ共用回路６が増幅器５に接続している。アンテナからのマイクロ波の放射が終了すると送信スイッチ信号によってアンテナ共用回路６の増幅器５との接続がオフされ、代わりに送信・受信制御回路１４からの受信スイッチ信号によってアンテナ共用回路６が増幅器７に接続される。この結果、目標物体で反射して戻ってきたマイクロ波がアンテナ１０で受信されると、受信波はアンテナ共用回路６、増幅器７，８を通じてミキサ８に供給される。ミキサ８には逓倍器８から高周波信号が直接入力されているので、目標物体からの距離や相対速度に応じた信号がビート信号として得られる。このビート信号は信号処理部１の受信回路１５を通じてＤＳＰ１２に送られ、マイコン１１によってこの信号から目標物体との相対速度と距離が測定される。

　例えば、このレーダ装置１００が自動車に搭載される場合は、信号処理部１からのデータはエンジン制御装置やブレーキ制御装置（共に図示せず）に接続されている。この場合は、信号処理部１のマイコン１１によって測定されたデータは先行する自動車との距離と相対速度である。そして、マイコン１１によって測定されたデータが、相対速度が大きく、距離が小さいことを示す場合は、信号処理部１からのデータにより、エンジン制御装置がエンジンの回転数を下げ、ブレーキ制御装置がブレーキングを行う等して、このレーダ装置１００を備えた自動車と先行する自動車の衝突が防止されるようになっている。

　図２は本発明の一実施例のミリ波ユニット２をアンテナ１０に取り付けた状態を示す斜視図である。この実施例のアンテナ１０はミリ波ユニット２よりも大きな平板状をしている。ミリ波ユニット２はカバー２０の中に収納されており、このカバー２０の中に、ベースシャーシ３０と電気回路基板４０がある。図１に示したフラットケーブル１７は、カバー２０に設けられた開口２７を通じて電気回路基板４０の上に取り付けられたコネクタ４１に接続している。この実施例ではカバー２０はねじ２９により３ヵ所でベースシャーシ３０に取り付けられている。２６はカバー２０の中に設けられたベースシャーシ３０の一部をカバー２０の外部に出すための切欠である。また、２８は凹部であり、カバー２０の内面側に突出する膨出部（後述）の裏面側に位置していてカバー２０の重量を低減するものである。

　図３は図２に示したミリ波ユニット２のカバー２０からねじ２９を取り去ってカバー２０を取り外した状態を示すものである。図３において３９が取り去ったねじ２９のねじ孔を示している。カバー２０の内部にはアンテナ１０にねじ止めされたベースシャーシ３０があり、このベースシャーシ３０に電気回路基板４０がねじ４８によってねじ止めされている。また、図１で説明した発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９がベースシャーシ３０の上に実装されている。電気回路基板４０には逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９の駆動回路が設けられている。そして、アンテナ共用回路６にはマイクロストリップ線路／導波管変換基板５０が接続されており、その先端部がベースシャーシ３０に設けられた導波管３１に重なるようになっている。

　図４は図３に示したミリ波ユニット２のベースシャーシ３０からねじ４８を取り去って電気回路基板４０を取り外した状態を示すものである。図４において３８が取り去ったねじ４８のねじ孔を示している。この実施例ではベースシャーシ３０の外周部には段差部３４が設けられており、電気回路基板４０はこの段差部３４に載置された後に４つのねじ４８でベースシャーシ３０に取り付けられるようになっている。

　図５は図４のベースシャーシ３０に、図４で説明した発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９の機能を内蔵する集積回路（ＭＭＩＣ：モノリシックマイクロウェーブＩＣ）４２を取り付ける状態を示すものである。ベースシャーシ３０上には、発振器３を取り付ける発振器ＩＣ取付孔３３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９の機能を備えたＭＭＩＣ４２を収納するための６つのＭＭＩＣ収納孔３２が設けられている。ここで、符号３８は電気回路基板４０をベースシャーシ３０上に固定するためのねじ４８（図３参照）が取り付けられるねじ孔であり、符号３９はカバー２０をベースシャーシ３０に固定するためのねじ２９（図２参照）が取り付けられるねじ孔である。また、発振器ＩＣ取付孔３３側のベースシャーシ３０の端部には、ベースシャーシ３０を図４で示したアンテナ１０から浮かして取り付けるための第２のアンテナ取付部としての支持脚３５が設けられており、他端側には導波管３１が設けられた第１のアンテナ取付部としてのポスト３６が設けられている。なお、支持脚３５とポスト３６に設けられたねじ孔３７は、ベースシャーシ３０をアンテナ１０（図４参照）に取り付けるためのものである。そして、ポスト３６に設けられた導波管３１内にその先端が重なるように、マイクロストリップ線路／導波管変換基板５０がベースシャーシ３０に取り付けられてアンテナ共用回路６に接続される。

　図６は電気回路基板４０を取り付けたベースシャーシ３０をアンテナ１０に固定する様子を示すものである。この実施例では、まず、発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９が取り付けられたベースシャーシ３０の周囲の段差部３４に、電気回路基板４０がねじ４８をねじ孔３８にねじ込むことにより固定される。この状態では電気回路基板４０の表面と逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９の表面とが略面一になる。次いで、ベースシャーシ３０の支持脚３５とポスト３６のねじ孔３７に、アンテナ１０側からねじ１８がねじ込まれることにより、ベースシャーシ３０がアンテナ１０に固定される。この状態が図３に示した状態である。これにカバー２０が取り付けられると図２に示した状態となる。

　このように、前述の実施例では、ミリ波ユニット２が電気回路基板４０、ベースシャーシ３０、及び、アンテナ１０とから構成されており、電気回路基板４０はベースシャーシ３０の周辺に取り付けることができ、ベースシャーシ３０にはＭＭＩＣ４２に収納された発振器３、逓倍器４、増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、ミキサ９、及びマイクロストリップ線路／導波管変換基板５０が実装されると共に、導波管３１が形成されている。そして、このベースシャーシ３０は支持脚３５とポストの３ヵ所でアンテナ１０に取り付けることができるので、部品点数を削減でき、組み付け性が向上して組立精度が向上する。この結果、ミリ波ユニット２の特性が安定し、更に、導波管３１をベースシャーシ３０に一体的に形成したので、信号ロスが低減できる。

　図７(a) ，(b) は前述のベースシャーシ３０の第１の変形例をアンテナ１０に取り付けた状態を模式化して示すものである。前述の実施例では、ベースシャーシ３０の両端部に一体的に支持脚３５とポスト３６が形成されていたが、図７(a) ，(b) に示す変形例では、支持脚３５が別体のブラケット３５Ａとして形成されている。ポスト３６の構成は前述の実施例と同じである。この第１の変形例のようにブラケット３５Ａのみを別体で作ると、ベースシャーシ３０の成形性が良くなる。

　また、図８(a) ，(b) は前述のベースシャーシ３０の第２の変形例をアンテナ１０に取り付けた状態を模式化して示すものである。前述の実施例では、ベースシャーシ３０の両端部に一体的に支持脚３５とポスト３６が形成されていたが、図８(a) ，(b) に示す変形例では、ポスト３６が別体のスペーサ３６Ａとして形成されている。支持脚３５の構成は前述の実施例と同じである。この第２の変形例のようにポスト３６の代わりにスペーサ３６Ａのみを別体で作ってもベースシャーシ３０の成形性が良くなる。

　図９(a) は図５で説明したベースシャーシ３０に設けた収納孔３２と、この収納孔３２の中に収納されたＭＭＩＣ４２の関係を示す部分断面図である。この実施例では、収納孔３２は貫通孔であるので、収納孔３２に収納されたＭＭＩＣ４２の対向面は開口している。一方、従来の構造では、図９(c) に示すように、ベースシャーシ３０にはＭＭＩＣ４２の厚みを受け入れる収納凹部３２Ａが設けられており、ＭＭＩＣ４２をこの収納凹部３２Ａに収納した状態ではＭＭＩＣ４２が密封された状態となっていた。従って、ＭＭＩＣ４２の周囲の温度変化によって収納凹部３２Ａ内の空気が膨張、収縮を繰り返し、導電性接着剤等でベースシャーシ３０に取り付けられたＭＭＩＣ４２の接着面の接着強度が劣化し、周囲温度の上昇時に収納凹部３２Ａ内の内部空間内の圧力が高まり、最悪の場合は図９(d) に示すようにＭＭＩＣ４２がベースシャーシ３０から外れるおそれがあった。これに対して、図９(a) の構造では、ＭＭＩＣ４２の周囲温度が変化してもＭＭＩＣ４２の近傍には空気の膨張、収縮による圧力変化がなく、ＭＭＩＣ４２がベースシャーシ３０から外れるおそれはない。図９(b) は(a) の変形例を示すものであり、図９(c) に示した従来例の収納凹部３２Ａの底部に通気孔３２Ｂが設けられている。このような構成でも収納凹部３２Ａの内部は周囲と同じ圧力になるので、ベースシャーシ３０からＭＭＩＣ４２が外れるおそれがなくなる。

　図１０(a) は、図３のようにベースシャーシ３０の段差部３４に取り付けられた状態における、電気回路基板４０上の回路４４とベースシャーシ３０に取り付けられたＭＭＩＣ４２上のマイクロストリップ線路４３との接続、及び、電気回路基板４０上のグランド回路とベースシャーシ３０との接続を示すものである。この実施例では、図６で説明したように、電気回路基板４０はベースシャーシ３０の段差部３４に取り付けられているので、電気回路基板４０の表面とベースシャーシ３０に実装されたＭＭＩＣ４２の表面とは略同一面となっている。また、電気回路基板４０の表面上の回路と、ＭＭＩＣ４２の表面上に設けられたマイクロストリップライン４３とは非常に近接した位置にある。従って、この実施例では、電気回路基板４０上の回路４４とベースシャーシ３０に実装されたＭＭＩＣ４２上のマイクロストリップ線路４３とは金ワイヤ４５で接続されている。

　一方、ＭＭＩＣ４２と電気回路基板４０のグランド回路は極力同じであるか、あるいは距離が近い方が良い。これは、従来構造では、ＭＭＩＣが搭載されたベースシャーシに対して電気回路基板がサンドイッチ構造に実装されていたので、ＭＭＩＣのグランド回路と電気回路基板のグランド回路とは金属製の接続ピン等で接続されており、双方のグランド回路間の距離が長かった。このため、双方のグランド回路間に電位差が発生してミリ波ユニットの特性が不安定になっていたからである。

　そこで、この実施例では、図１０(b) に示すように、電気回路基板４０のベースシャーシ３０の段差部３４に載置される部分に、グランドパターン４６が設けられている。そして、このグランドパターン４６は導電性接着剤１９を介してベースシャーシ３０の段差部３４に接続される。また、電気回路基板４０の表面側に設けられたグランドパターン４７は、スルホール４９を通じてグランドパターン４６に接続されている。更に、ＭＭＩＣ４２のグランドパターンはベースシャーシ３０への搭載面側に設けられており、ＭＭＩＣ４２も導電性接着剤１９を介してベースシャーシ３０に実装される。従って、ＭＭＩＣ４２のグランド回路と電気回路基板４０のグランド回路とはベースシャーシ３０を通じて最短距離で接続されるので、双方のグランド回路間に電位差が発生しにくく、ＭＭＩＣ４２の特性が安定する。

　なお、以上の実施例では、発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９が、それぞれ１つずつのＭＭＩＣ４２に組み込まれており、合計７個のＭＭＩＣ４２がベースシャーシ３０の上に実装されていたが、発振器３、逓倍器４、３つの増幅器５，７，８、アンテナ共用回路６、及びミキサ９の機能の幾つかを１つのＭＭＩＣにまとめてに組み込むことにより、ＭＭＩＣ４２の数を減らすようにしても良いものである。

　また、以上説明した実施例では、ミリ波ユニットを含む自動車搭載用のレーダ装置について説明を行ったが、自動車以外の他の用途についても本発明を有効に適用することができる。

本発明のミリ波ユニットを備えたレーダ装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の一実施例のミリ波ユニットをアンテナに取り付けた状態を示す斜視図である。図２のミリ波ユニットからカバーを取り外した状態を示す斜視図である。図３のミリ波ユニットのベースシャーシから電気回路基板を取り外した状態を示す斜視図である。図４のベースシャーシに電気信号の処理回路を内蔵する集積回路を取り付ける状態を示す組立斜視図である。アンテナに電気回路基板を取り付けたベースシャーシを固定する様子を示す組立斜視図である。 (a) はベースシャーシの変形例をアンテナに取り付けた状態を示す部分側面図、(b) は同正面図である。 (a) はベースシャーシの更に別の変形例をアンテナに取り付けた状態を示す部分側面図、(b) は同正面図である。 (a) はベースシャーシに設けた収納孔の構成を示す部分断面図、(b) はベースシャーシに設けた収納孔の変形例の構成を示す部分断面図、(c) はベースシャーシに設けた従来の収納孔の構成を示す部分断面図、(d) は(c) の問題点を説明する図である。 (a) はベースシャーシに取り付けた状態の電気回路基板とベースシャーシ上の集積回路との電気的な接続を示す部分断面図、(b) は電気回路基板の裏面側に設けられたグランドパターンの構成を示すものである。

符号の説明

１…信号処理部
２…ミリ波ユニット部
３…発振器
４…逓倍器
５，７，８…増幅器
６…アンテナ共用回路
９…ミキサ
１０…アンテナ部
１９…導電性接着剤
２０…カバー
３０…ベースシャーシ
３１…導波管
３２…ＭＭＩＣ収納孔
３３…発振器ＩＣ取付孔
３４…段差部
３５…支持脚
３５Ａ…ブラケット
３６…ポスト
３６Ａ…スペーサ
４０…電気回路基板
４２…ＭＭＩＣ
４３…マイクロストリップ線路
４５…金ワイヤ
４６，４７…グランドパターン
４９…スルホール
５０…マイクロストリップ線路／導波管変換基板
１００…レーダ装置

Claims

　周波数変調信号を送信し、目標物で反射して戻ってきた信号を受信して送信信号と混合して得たビート信号から前記目標物までの距離を測定するレーダ装置におけるミリ波ユニットの構造であって、
　前記ミリ波ユニットを電気回路部、ベースシャーシ、及び、アンテナとから構成し、
　前記電気回路部のうちの、前記周波数変調信号を送信すると共に、前記アンテナで受信した受信信号を前記送信信号と混合する主要部を集積回路で構成し、この集積回路を前記ベースシャーシに搭載し、
　前記集積回路のグランドパターンを前記ベースシャーシに電気的に接続し、
　前記電気回路部のうちの、前記主要部以外の回路を電気回路基板上に搭載して前記ベースシャーシの周辺に取り付け、
　前記電気回路基板のグランドパターンのうちの、少なくとも前記集積回路の近傍の部位を、前記ベースシャーシに電気的に接続したことを特徴とするミリ波ユニットの構造。
　前記電気回路基板と前記ベースシャーシの取り付けを、導電性接着剤を介して行ったことを特徴とする請求項１に記載のミリ波ユニットの構造。
　前記電気回路基板の前記ベースシャーシへの取付面と反対側の面にあるグランドパターンのうち、前記導電性接着材に対向する部位を、スルホールによって接続したことを特徴とする請求項２に記載のミリ波ユニットの構造。
　前記ベースシャーシの前記電気回路基板の取付部を所定の厚さだけ窪ませて段差部とし、この段差部に取り付けた前記電気回路基板の表面と前記ベースシャーシに搭載した集積回路の表面との段差を低減したことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のミリ波ユニットの構造。