JP2008283676A

JP2008283676A - 高周波センサ装置

Info

Publication number: JP2008283676A
Application number: JP2008097983A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nagaishi; 昌之永石; Kensuke Murata; 健介村田; Tomoyuki Abe; 智之阿部; Hiroyuki Tsuboi; 宏之坪井
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】低周波信号の入出力を行う伝送線路に対して外部へのノイズの伝播防止構造を備
えた高周波線センサ装置を提供する。
【解決手段】
送信波を生成する発振器と、送信波を放射し反射波を受信波として受信するアンテナ部と
、送信波と受信波を基に出力信号を生成するミキサ部とを有する高周波センサ装置におい
て、一方の面に発振器とミキサ部とを備えた部品面を有し、他方の面に基準電圧を持つ接
地電極を有する回路基板と、一方の面にアンテナ部を備えたアンテナ面を有し、他方の面
に基準電圧を持つ接地電極を有するアンテナ基板を有し、回路基板とアンテナ基板は回路
基板の接地電極と、アンテナ基板の接地電極を対峙させて接着樹脂にて接合され、回路基
板の部品面は高周波信号と低周波信号が伝送する高周波回路と、低周波信号のみが伝送す
る低周波回路とを有し、高周波回路と低周波回路は接地電極と同電位となるＧＮＤパター
ンにて区分けした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波の送受信を行う高周波センサ装置に関する。

センサ装置は、一般的にセンサで検知した信号を外部へ出力し、その出力信号を基に機器
の制御等を行うものである。高周波の送受信を行う高周波センサ装置に関しても、同様に
、高周波信号の反射波を基に物体の状態を検知するものである。

また、センサ装置を駆動させるためには、内部に自己発電機能や乾電池のようなバッテリ
ーを保持しておかないと、外部から駆動電圧及び電流を供給する必要があり、そのために
、センサ装置に外部の電源装置からの電源供給ラインを設ける必要があった。

また、高周波センサ装置においては、一般的に基板上に配線された伝送線路と電子部品に
よって構成されており、発振器やミキサ部のような電子部品を含んだ回路と、アンテナの
回路とを基板上の異なる面や、異なる基板に作成して貼り合わせを行う等してセンサ装置
の構成を行っていた。

しかし、従来の方法で出力信号や駆動電源を供給する低周波伝送線路を、単に高周波回路
に接続しただけでは、低周波伝送線路にフィルタ回路等の高周波遮断回路を搭載したとし
ても、近傍に高周波回路を備えるため、空間を伝播して高周波信号が低周波伝送線路に伝
播してしまい、低周波伝送線路と接続される電源回路や信号処理回路にノイズとして伝播
されてしまい、接続される回路に対してノイズの発生等の不具合が発生する可能性があっ
た。

また、基板を多層化して、各高周波回路間の空間伝播を防止すると共に、基板毎の高周波
特性の向上は計っている（例えば特許文献１参照）が、低周波を伝播する伝送線路に対し
ての考慮は成されていない。
特開２００１−３３２８６１号公報

本発明は、低周波信号の入出力を行う伝送線路に対して、外部へのノイズの伝播防止構造
を備えた高周波線センサ装置を提供する。

本発明の一態様によれば、送信波を生成する発振器と、前記送信波を外部へ放射し、反射
波を受信波として受信するアンテナ部と、前記送信波と受信波を基に出力信号を生成する
ミキサ部とを有する高周波センサ装置において、高周波センサ装置は一方の面に、前記発
振器とミキサ部とを備えた部品面を有し、他方の面に基準電圧を持つ接地電極を有する回
路基板と、一方の面にアンテナ部を備えたアンテナ面を有し、他方の面に基準電圧を持つ
接地電極を有するアンテナ基板と、を有し、前記回路基板と前記アンテナ基板は前記回路
基板の接地電極と、アンテナ基板の接地電極を対峙させて接着樹脂にて接合され、前記回
路基板の前記部品面には、高周波信号と低周波信号が伝送する高周波回路と、低周波信号
のみが伝送する低周波回路とを有し、前記高周波回路と前記低周波回路は接地電極と同電
位となるＧＮＤパターンにて区分けされていることを特徴とする高周波センサ装置が提供
される。

また、本発明の一態様によれば、前記回路基板の低周波回路から、高周波センサ装置への
電源供給及び出力信号の出力を行うポートとを接続する低周波伝送線路は、前記回路基板
の接地電極の一部を切り欠いて形成することを特徴とする高周波センサ装置が提供される
。

また、本発明の一態様によれば、前記低周波伝送線路は、前記回路基板上で区分けされた
低周波回路の裏面に配置されたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、前記ＧＮＤパターンは、回路基板の接地電極と電気的に
接続する複数のスルーホールによって接続されたことを特徴とする高周波センサ装置が提
供される。

また、本発明の一態様によれば、前記部品面は、導電性物質、又は導電性物質で表面を覆
ったシールドケースによって密閉されており、前記シールドケースと回路基板は、前記Ｇ
ＮＤパターンによって接続されたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

本発明によれば、低周波伝送線路に対して、高周波センサ装置で発生、又は受信する高周
波信号を伝播させない構造としており、高周波センサと接続される機器に対して、高周波
信号によるノイズの伝播を防止することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１に本発明の高周波センサ装置の概略構成図を示す。高周波センサ装置は、送信波を生
成する発振器１と、前記送信波を外部へ放射し、反射波を受信波として受信するアンテナ
部と、前記送信波と受信波を基に出力信号を生成するミキサ部２とを有するものであり、
一方の面に発振器１やミキサ部２とを備える部品面３を有し、他方の面に基準電圧を有す
る第一接地電極４とする回路基板５と、一方の面にアンテナ部を備えるアンテナ面６を有
し、他方の面に基準電圧を有する第二接地電極７とするアンテナ基板８とを、第一接地電
極４と第二接地電極７とを対峙させて接着樹脂９にて接合した構成となっている。

上記基板構成で、回路基板５の部品面３に搭載された発振器１やミキサ部２等の高周波回
路１０と、高周波回路１０に直流や低周波信号を入出力する低周波回路１１とを、第一接
地電極４と同電位のパターンであるＧＮＤパターン１２にて区分けした構成としている。
ここで、図２記載のように、ＧＮＤパターン１２は第一接地電極４と同電位にするために
、スルーホール１３等を用いて第一接地電極４と導通状態にしているものである。また、
ＧＮＤパターン１２と第一接地電極４との間には樹脂基板１９を介している為、高周波信
号に対してはキャパシタ成分を有することになるので、スルーホール１３はこのキャパシ
タ成分を除去できるように、スルーホール径φ及びスルーホール間の間隔Ｌを最適化して
接地することで、ＧＮＤパターン１２のどの場所においても、第一接地電極４とほぼ同電
位に設定することが可能となる。

また、上記低周波回路１１とは、高周波信号が直接進入しない回路であり、例えば、外部
から高周波センサ装置を駆動するために供給された電源を各回路（発振器１やミキサ部２
）に伝送するための伝送線路や、各回路に適した電圧や電流を供給するための電源調整回
路や、ミキサ部２からの出力信号を外部へ出力するための伝送線路や、前記出力信号を外
部へ出力する前に増幅を行う増幅回路や、電源や出力信号を伝送する伝送線路上に高周波
信号の通過を遮断するフィルタ回路等がある。上記以外にも、高周波センサ装置の入出力
に応じて構成が変化するが、基本的には高周波信号直接進入しない回路全般的であること
いうまでも無い。

上記構成のように、高周波回路１０と低周波回路１１とを第一接地電極４と同電位のＧＮ
Ｄパターン１２で区分けすることにより、高周波信号が空間を伝播して低周波回路１１に
侵入しようとした際に、電位が０に近いＧＮＤパターン１２を回路間に挿入していること
により、空間伝播された高周波信号は、低周波回路１１へ伝播される前にＧＮＤパターン
１２に伝播されてしまうため、低周波回路１１に対して高周波信号が伝播されず、そのた
め、低周波回路１１と接続される外部回路（例えば、電源回路、アクチュエーターのよう
な駆動機器、駆動機器を制御するための制御基板等）に高周波信号が進入することを防止
することが出来るため、外部回路に対してのノイズを低減することが出来るので、外部回
路のＳ／Ｎ比の向上や、駆動の不具合の発生を抑制することが可能となる。

また、高周波回路１０で発生する不要電波（例えば、所望の周波数のｎ次高調波（ｎ：２
以上の整数））についても同様に、低周波回路１１への空間伝播を抑制することが可能と
なるため、外部回路や、外部回路と接続する電線等からの不要電波の漏れ出しを抑制する
ことが出来、近傍の機器に対しての誤動作等の不具合を抑制することも可能となる。

ここで、高周波回路１０と低周波回路１１とをＧＮＤパターン１２にて区分けする方法と
しては、図３記載のように高周波伝送線路１４と低周波伝送線路１５との間にＧＮＤパタ
ーン１２を設けることであるが、このＧＮＤパターン１２は高周波伝送線路１４及び電子
部品から所定の距離Ｗ離して配置することが望ましい。ここで、前記所定の距離は、回路
基板５の基板厚の約４倍以上であり、この距離以上を保持してＧＮＤパターン１２を配置
することで、高周波回路１０を伝送する高周波信号に対してのＧＮＤパターン１２の影響
が小さくなるため、高周波信号の伝送損失の低減や、通過特性の確保を行うことが可能と
なる。

また、他の方法としては、図４に示すように、高周波回路１０と低周波回路１１とをＧＮ
Ｄパターン１２によって区分けした際に、ＧＮＤパターン１２上に導電性のシールドケー
ス１６を接触するように配置することによって、高周波回路１０と低周波回路１１とを空
間的にも区分けする方法もある。この方法を用いることによって、高周波回路１０からＧ
ＮＤパターン１２を通過して低周波回路１１へ伝播される僅かな高周波信号の空間伝播も
抑制することが可能となるため、外部回路に対してのノイズの低減等を効率よく行うこと
が可能となる。

また、高周波回路１０と低周波回路１１とを区分けする際に、高周波回路１０と接続する
低周波伝送線路１５を低周波回路１１へ引き入れる場所においては、ＧＮＤパターン１２
で完全に区分けすることが困難である。そこで、図５に示すように、低周波回路１１へ低
周波伝送線路１５を引き入れる場所においては、ＧＮＤパターン１２を一部分切り欠いて
、そのＧＮＤパターン１２の切り欠き部分から低周波伝送線路１５を引き入れるようにす
るものである。その際の切り欠きの幅は、高周波回路１０を伝送する所望の周波数の半波
長以下にすることによって、空間伝播を抑制する構造とするものである。

更に、シールドケース１６等によって高周波回路１０と低周波回路１１とを分離する場合
には、上記切り欠きの部分を所望の周波数の導波管とならないように、切り欠きの幅、ケ
ースの切り欠きの幅、高さを設定することが望ましい。

次に、ＧＮＤパターン１２で区分けした低周波回路１１の構成について記載する。ＧＮＤ
パターン１２で高周波信号の空間伝播の抑制を行っているが、このＧＮＤパターン１２で
分離した低周波回路１１から、外部との信号の入出力を行うポート１７までの間に高周波
信号（所望の周波数や不要電波であるスプリアス）の進入の可能性がある。一般的には、
図６記載のように高周波センサ装置の部品面３の全部又は一部を覆い、外部からのノイズ
信号の遮断やセンサ装置からの高周波信号の伝播を遮断するシールドケース１６の一部を
切り欠いて、その切り欠き部から伝送線路を引き出してポート１７と接続するものである
。

しかしながら、シールドケース１６を切り欠くことは、センサ装置の部品面３を覆ってい
る一部を切り欠いてしまうため、外部からのノイズの進入、及びセンサ装置からの高周波
信号の遮断を完全に行うことが出来ず、センサ装置の性能の低下（例えば、ノイズの進入
によるＳ／Ｎ比の低下や、高周波信号の漏れ出しによるスプリアスの放射増大等）が発生
する。

また、シールドケース１６の切り欠きからポート１７までの低周波伝送線路１５が、外部
空間に露出してしまうために、外部のノイズ（例えば携帯電話の電波等）が低周波伝送線
路１５へ進入が容易になり、センサ装置内部で高周波回路１０と低周波回路１１とを区分
けする構造となっていても、ノイズの影響を受けてしまうために、外部回路に対してのノ
イズを低減することが出来なくなり、外部回路のＳ／Ｎ比の低下や、駆動の不具合の発生
を引き起こす可能性が高くなる。

そこで、本発明においては、図６に記載のように、シールドケース１６に対して切り欠き
部を設けず、低周波回路１１からポート１７までの低周波伝送線路１５を、多層基板の内
層面に構成する構造について実施の形態を示すものである。

本発明の高周波センサ装置を構成している各層毎の平面図を図７から図１０に示す。図７
は、回路基板５の部品面３の上面図を示す。ここで、部品面３では上記に示すように、高
周波回路１０と低周波回路１１とをＧＮＤパターン１２にて区分けし、低周波回路１１に
は、センサ装置の駆動電源供給や出力信号の取り出し等を行う低周波伝送線路１５や、出
力信号を増幅させる増幅回路等が搭載されている。部品面３はその上部にシールドケース
１６で覆うために、周囲にもＧＮＤパターン１２を設けており、周囲のＧＮＤパターン１
２とシールドケース１６とを接触させることにより、部品面３からの高周波信号の漏出を
防止し、外部からのノイズを遮断する構成となっている。

部品面３をシールドケース１６によって覆うために、その一部を切り欠かないようにする
ため、ポート１７に接続するための低周波伝送線路１５は、一旦スルーホール１３を介し
て第一接地電極４の面に引き出す。ここで、図８に第一接地電極４の平面図（部品面視）
を示す。スルーホール１３を介して引き出された低周波伝送線路１５は、第一接地電極４
の一部を切り欠いて生成された低周波伝送線路１５を介してポート１７と接続している。
ポート１７に関しては、部品面３と同じパターンを第一接地電極４側にも設けており、各
々を導通させるためにスルーホール１３を介して回路基板５の両面のパターンを接続して
いる。

第一接地電極４を切り欠いて生成された低周波伝送線路１５は、部品面３でＧＮＤパター
ン１２によって区分けされた低周波回路１１の裏面部分にのみ生成している。これは、高
周波回路１０の裏面に生成すると、まず高周波信号の基準電位を持った部分が切り欠かれ
てしまうため、高周波回路１０における高周波信号の伝送特性が低下してしまう。また、
高周波回路１０の裏面であると、高周波信号が回路基板５の樹脂基板１９を介して伝播し
て、低周波伝送線路１５に進入して高周波信号によるノイズの発生が起こる可能性がある
からである。よって、部品面３でＧＮＤパターン１２によって区分けされた低周波回路１
１の裏面に低周波伝送線路１５を作成することによって、高周波センサ装置自身の高周波
信号によるノイズの進入を抑制することが出来ると共に、内層面を通すことで、外部から
のノイズの進入を防ぐことも可能となる。

更に、内層に低周波伝送線路１５を設ける上で、特に第一接地電極４に設けることによる
効果を示す。図１１に高周波センサ装置の低周波回路の断面図を示す。低周波回路１１は
、部品面３でＧＮＤパターン１２によって高周波回路１０と区分けされており、また、上
部にシールドケース１６で覆うため、高周波回路１０及び外部からの高周波信号やノイズ
が、低周波伝送線路１５に進入することを抑制している。また、内層面においても、第一
接地電極４を切り欠いて低周波伝送線路１５の作成を行っているので、低周波伝送線路１
５の周囲には接地電極が配置されており、そのため周囲に高周波信号が伝播された場合に
おいても接地電極への伝播が主となるため、低周波伝送線路１５への進入を抑制すること
が出来る。更に、部品面３のＧＮＤパターン１２は、第一接地電極４とスルーホール１３
等の導電性を持つ回路にて接続し電位を同一にする構造となっているため、回路基板５の
樹脂基板１９から万が一にも高周波信号が進入した場合でも、スルーホール１３等によっ
て構成された導電性の柱が低周波伝送線路１５の周囲を囲んでいるため、高周波信号はこ
の導電性の柱によって反射されてしまい、低周波伝送線路１５への進入を防ぐことが可能
となる。また、アンテナ部側からの高周波信号の影響については、アンテナ回路に設けた
第二接地電極７が低周波伝送線路１５と対峙しているため、アンテナ部からの高周波信号
が第二接地電極７によって遮られ、低周波伝送線路１５への高周波信号の進入を抑制する
ことが出来るものである。第二接地電極７に関しては、接着樹脂９を介して対峙している
ために、伝送線路と第二接地電極７が短絡することも無いため、出力信号がポート１７へ
出力されない等の問題も発生しない。以上の構成により、部品面３からポート１７への低
周波伝送線路１５は、低周波回路１１の裏面の内層面を通すことによって、高周波センサ
装置からの高周波信号、及び外部からのノイズの影響を抑制することが可能となるため、
外部回路に対してノイズを進入させることもなく、高周波センサ装置の性能を確保できる
と共に、外部回路の誤動作等の発生を抑制することも可能である。

図１２に第一接地グランド４を切り欠いて低周波用のグランドを作成した場合の内装面の構造を示す。図１２に示すように、第一接地グランド４において基板の部品面で構成される低周波回路１１のグランドの一部を第一接地グランドにおいて切り欠くことにより、高周波回路１０のグランドと分離して構成している。このような構成とすることにより、例えば発振器１で発生したノイズが第一接地グランド４を通じて低周波回路１１のグランドに影響を与えることがないため、低周波のグランドが不安定になることなく安定した低周波の出力を得ることができる。また、図１２に示すようにセンサと外部との接続を３ポート（電源、グランド、低周波出力）で構成し、高周波回路１０と低周波回路１１を共通のグランドにする場合は、センサの出力端（コネクタにてコントローラとの接続部分）の近傍で高周波グランドと低周波グランドを接続することが好ましい。出力端でコントローラに接続され、コントローラのグランドは絶対グランドとして作用し、高周波で発生したノイズは絶対グランドで消費される。つまり、低周波グランドは絶対グランドを介して高周波グランドと接続されていることになり、安定した低周波の出力を得ることができる。図１２における低周波グランドと高周波グランドの接続はコネクタ（出力端）近傍のスルーホール２０にて接続されている。
また、センサと外部との接続を４ポート（電源、高周波グランド、低周波グランド、低周波出力）として外部コントローラに接続し、コントローラ内部で高周波グラントと低周波グランドを接続しても良い。特に、低周波回路１１の部品面上に低周波出力を増幅するオペアンプ等の増幅回路を設ける場合には、増幅回路が、高周波のグランドと分別され、安定した低周波グランドのもとで正常に動作するため効果的である。また、増幅回路の部分だけを高周波グランドと切り離すような構成としても効果を確認することができる。

本発明において、高周波センサ装置は、高周波回路１０と低周波回路１１とを接地電極と
同電位であるＧＮＤパターン１２で区分けし、区分けされた低周波回路１１の裏面に、低
周波回路１１とポート１７を接続する低周波伝送線路１５を接地電極を切り欠いて生成す
る構成となっているが、高周波センサ装置の基板構成として本実施例においては４層構造
を記載したが、低周波回路１１の裏面の接地電極に生成された低周波伝送線路１５が、低
周波回路１１と低周波伝送線路１５が生成された接地電極とは異なる接地電極によって挟
まれている構造であれば同様の効果を有するため、層数が増えても同様の効果となること
は言うまでもない。

本発明における高周波センサ装置の概略構成図ＧＮＤパターンと接地電極との接続における概略構成図低周波回路と高周波回路との間に設けたＧＮＤパターンの設置に関する概略構成図ＧＮＤパターンにシールドケースを設けた場合の概略構成図高周波回路から引き出す伝送線路の低周波回路への引き込みについての概略構成図本発明における高周波センサ装置を覆うシールドケースを含めた概略構成図本発明における高周波センサ装置の部品面に関する概略上面図本発明における高周波センサ装置の第一接地電極を有する面の概略上面図（部品面視）本発明における高周波センサ装置の第二接地電極を有する面の概略上面図（部品面視）本発明における高周波センサ装置のアンテナ面の概略構成図（部品面視）本発明における高周波センサ装置の低周波回路近傍における概略断面図本発明における高周波センサ装置の第一設置電極を有する面の概略上面図（部品面視）の一実施例

符号の説明

１：発振器
２：ミキサ部
３：部品面
４：第一接地電極
５：回路基板
６：第二接地電極
７：アンテナ面
８：アンテナ基板
９：接着樹脂
１０：高周波回路
１１：低周波回路
１２：ＧＮＤパターン
１３、２０：スルーホール
１４：高周波伝送線路
１５：低周波伝送線路
１６：シールドケース
１７：ポート
１８：アンテナ部
１９：樹脂基板

Claims

送信波を生成する発振器と、
前記送信波を外部へ放射し、反射波を受信波として受信するアンテナ部と、
前記送信波と受信波を基に出力信号を生成するミキサ部と
を有する高周波センサ装置において、
高周波センサ装置は一方の面に、前記発振器とミキサ部とを備えた部品面を有し、他方の
面に基準電圧を持つ接地電極を有する回路基板と、
一方の面にアンテナ部を備えたアンテナ面を有し、他方の面に基準電圧を持つ接地電極を
有するアンテナ基板と、を有し、
前記回路基板と前記アンテナ基板は前記回路基板の接地電極と、アンテナ基板の接地電極
を対峙させて接着樹脂にて接合され、
前記回路基板の前記部品面には、高周波信号と低周波信号が伝送する高周波回路と、低周
波信号のみが伝送する低周波回路とを有し、前記高周波回路と前記低周波回路は接地電極
と同電位となるＧＮＤパターンにて区分けされていることを特徴とする高周波センサ装置
。
前記回路基板の低周波回路から、高周波センサ装置への電源供給及び出力信号の出力を行
うポートとを接続する低周波伝送線路は、
前記回路基板の接地電極の一部を切り欠いて形成することを特徴とする請求項１記載の高
周波センサ装置。
前記低周波伝送線路は、前記回路基板上で区分けされた低周波回路の裏面に配置されたこ
とを特徴とする請求項１から２いずれか１項記載の高周波センサ装置。
前記ＧＮＤパターンは、回路基板の接地電極と電気的に接続する複数のスルーホールによ
って接続されたことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の高周波センサ装置。
前記部品面は、導電性物質、又は導電性物質で表面を覆ったシールドケースによって密閉
されており、
前記シールドケースと回路基板は、前記ＧＮＤパターンによって接続されたことを特徴と
する請求項１から４いずれか１項記載の高周波センサ装置。