JP5966944B2 - 送受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、送受信装置に関する。

近年、自動車等の車両に搭載される車両周辺監視装置において、超音波センサ（クリアランスソナー）やミリ波レーダが使用されている。

超音波センサ（クリアランスソナー）は、車両の近傍に存在する物体に対して広範囲に超音波を発射し、反射して戻ってくるまでの時間に基づいて距離を測定する装置であり、障害物の接近を音や表示等で運転者に知らせることができるため、車庫入れ等に用いることが可能である。

一方、ミリ波レーダは、１００ｍ程度の範囲に存在する物体に対してミリ波帯の電波を発射し、反射して戻ってくるまでの時間に基づいて距離を測定する装置であり、例えば、衝突軽減を目的とする車載レーダとして用いることができる。

このように、超音波ソナー（クリアランスソナー）とミリ波レーダとは目的が異なるため、これらの両方を使用するケースが増えており、これらを効率よく車両に搭載することが求められている。

しかしながら、例えば、従来、誘電体多層基板と電波アンテナとを一体化する構造等が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、超音波センサは振動体であり、ミリ波レーダに用いられる電波アンテナは電波放射体であり、共に基材自体がセンサとなる。そのため、単に同一の基板に超音波センサと電波アンテナとを搭載するだけでは、両者を正常に動作させることができないため、両者を一体化することは困難であった。

特開平９−１６７８２５号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置を提供することを課題とする。

本送受信装置は、所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、常誘電体から形成された常誘電体基板と、前記常誘電体基板上に直接形成されたアンテナ電極と、前記常誘電体基板上に、強誘電体から構成された圧電膜を介して形成された、超音波用電極と、を有し、前記常誘電体基板と前記圧電膜との積層部分は、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失が０．０５未満の誘電体であることを要件とする。

開示の技術によれば、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る送受信装置を例示する図である。 電気機械結合係数及び誘電損失と材料との関係を例示する図である。 第１の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図である。 制御回路部を例示するブロック図である。 第２の実施の形態に係る送受信装置を例示する図である。 第２の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
まず、第１の実施の形態に係る送受信装置の構造について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る送受信装置を例示する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係る送受信装置１０は、主要な構成要素として、基板１１と、パッチ（アンテナ電極）１２と、給電部１３と、圧電膜１４と、超音波用電極１５と、裏面金属膜１６とを有する。

送受信装置１０は、支持柱５２及び固定部材５３により、制御基板５１上に所定の間隔を開けて固定されている。複数のパッチ（アンテナ電極）１２と給電部１３とは電気的に接続されており、これらは配線５５を介して、制御基板５１と電気的に接続されている。超音波用電極１５は、基板１１に設けられたスルーホール（図示せず）や配線５６を介して、制御基板５１と電気的に接続されている。配線５５や配線５６は、金属の配線パターンとしてもよいし、同軸ケーブル等を用いてもよい。

基板１１は、パッチ（アンテナ電極）１２や超音波用電極１５を形成するための基体となる部分である。基板１１の材料としては、常誘電体を用いることができる。基板１１の材料として用いることができる常誘電体の一例としては、ポリテトラフルオロエチレンやアルミナ等を挙げることができる。なお、本願では、常誘電体とは、電気機械結合係数が３０未満、かつ、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満である誘電体を意味するものとする。基板１１の厚さは、例えば、１．５ｍｍ程度とすることができる。

複数のパッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３は、基板１１の一方の面に直接形成されており、送信アンテナとして機能する。例えば、基板１１の材料として比誘電率εｒ≒４のアルミナを用い、２６ＧＨｚ帯の電波（波長λ≒８．４ｍｍ）を送信する場合には、各パッチ（アンテナ電極）１２の平面形状は、一辺の長さＬ＝λ／２√εｒ≒２．１ｍｍの正方形とすることができる。但し、各パッチ（アンテナ電極）１２の平面形状は、正方形の角部を除去した形状（コーナーカット）や長方形等としてもよい。

パッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。パッチ（アンテナ電極）１２の厚さは、例えば、数１０μｍ程度とすることができる。パッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３は、例えば、蒸着等により、基板１１の一方の面に直接形成することができる。なお、パッチ（アンテナ電極）１２は、最低１個設ければよいが、複数個設けることにより、アンテナの指向性を制御することが可能となる。

圧電膜１４及び超音波用電極１５は、基板１１の一方の面に、この順番で積層形成されており、超音波センサとして機能する。超音波センサは、例えば１００ＫＨｚ程度の超音波を送信する送信器としての機能と、超音波を受信する受信器としての機能を合わせ持つ。

すなわち、制御基板５１から超音波用電極１５に電気信号が印加されると、圧電膜１４及び基板１１が振動し、超音波を送信する送信器として機能することができる。又、超音波を検知すると圧電膜１４及び基板１１が振動して電気信号を生成し、生成した電気信号を超音波用電極１５から制御基板５１に送る受信器として機能することができる。

圧電膜１４としては、圧電薄膜や圧電高分子膜等を用いることができる。圧電膜１４の材料としては、強誘電体を用いることができる。圧電膜１４の材料として用いることができる強誘電体の一例としては、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を挙げることができる。圧電膜１４の厚さは、例えば、数１０μｍ程度とすることができる。なお、本願では、強誘電体とは、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５以上である誘電体を意味するものとする。

超音波用電極１５の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。超音波用電極１５の厚さは、例えば、数１０μｍ程度とすることができる。圧電膜１４及び超音波用電極１５は、例えば、蒸着等により、基板１１の一方の面に積層形成することができる。

なお、図１の例では、圧電膜１４及び超音波用電極１５の積層部がパッチ（アンテナ電極）１２の両側に１組ずつ配置されているが、圧電膜１４及び超音波用電極１５の積層部は最低１組あればよい。圧電膜１４及び超音波用電極１５を複数組配置した場合には、基板１１を振動させやすくなる点で好ましい。

裏面金属膜１６は、基板１１の他方の面の所定領域に形成されている。裏面金属膜１６の材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。裏面金属膜１６の厚さは、例えば、数１０μｍ程度とすることができる。裏面金属膜１６は、例えば、蒸着等により、基板１１の他方の面に形成することができる。裏面金属膜１６は、例えば、基準電位（ＧＮＤ）に接続されている。なお、裏面金属膜１６は、必要に応じて形成すればよい。

なお、裏面金属膜１６に変えて、基板１１の他方の面にも圧電膜１４及び超音波用電極１５を形成し、基板１１の両面に形成された圧電膜１４及び超音波用電極１５により、超音波センサを構成してもよい。

ここで、送受信装置１０に用いる基板１１及び圧電膜１４について、更に詳しく説明する。超音波センサに用いられる圧電膜１４を構成する圧電材料としては、一般に図２に示すような強誘電体が用いられるが、超音波センサに用いられる圧電膜１４を構成する圧電材料に要求される特性は電気機械結合係数が３０以上あることである。

一方、送信アンテナを形成するための基板１１の材料としては、一般に図２に示すような常誘電体が用いられるが、送信アンテナを形成するための基板１１の材料に要求される特性は誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満であることである。

本実施の形態では、送信アンテナのパッチ（アンテナ電極）１２や超音波センサの超音波用電極１５を形成するための基体となる基板１１の材料としては常誘電体を用い、常誘電体である基板１１の一方の面に強誘電体である圧電膜１４を積層している。常誘電体である基板１１と強誘電体である圧電膜１４との積層部分は、図２の『目標範囲』に示すような、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満である誘電体となる。

つまり、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満である基板１１の一方の面に複数のパッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３を直接形成することにより送信アンテナを実現し、かつ、電気機械結合係数が３０以上である基板１１と圧電膜１４との積層部分に超音波用電極１５を形成することにより超音波センサを実現することができる。すなわち、１つの基板１１上に、送信アンテナと超音波センサを一体化して形成した送受信装置１０を実現することが可能となる。

次に、送受信装置１０の応用例について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。図３において、制御基板を含む制御回路部５０上に送受信装置１０、及び、複数のパッチ（アンテナ電極）６２及び給電部６３が基板６１の一方の面に形成された受信アンテナ６０が固定されている。送受信装置１０及び受信アンテナ６０は、配線等により、制御回路部５０と電気的に接続されている。なお、パッチ（アンテナ電極）６２の数により、受信の指向性を制御することが可能となる。

図４は、制御回路部を例示するブロック図である。図４を参照しながら、送受信装置１０及び受信アンテナ６０の動作について説明する。制御回路部５０の統合制御部７１は、送受信装置１０の送信アンテナと超音波センサとを統合的に制御する部分である。統合制御部７１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成されている。

統合制御部７１は、送受信装置１０の送信アンテナと超音波センサの何れを機能させるかを選択する選択信号を切替制御部７２に出力し、切替制御部７２は統合制御部７１の指令に基づいて、送信アンテナと超音波センサの何れかを選択する。

超音波センサが選択された場合には、統合制御部７１から超音波センサ信号処理回路７３に指令が出される。超音波センサ信号処理回路７３は、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する選択信号をスイッチ７４に出力し、スイッチ７４は超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する。

超音波センサが送信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて送信制御回路７５が動作し、超音波用電極１５に電気信号を印加して圧電膜１４及び基板１１を振動させ、超音波を送信する。又、超音波センサが受信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて受信制御回路７６が動作し、超音波を検知した圧電膜１４及び基板１１が振動して生成した電気信号を超音波用電極１５から受信する。

一方、送信アンテナが選択された場合には、統合制御部７１からアンテナ信号処理回路７７に指令が出される。電波を送信する場合には、アンテナ信号処理回路７７の指令に基づいて送信制御回路７８が動作し、アンテナ電極１２に電気信号を印加して電波を送信する。又、電波を受信する場合には、アンテナ信号処理回路７７の指令に基づいて受信制御回路７９が動作し、受信アンテナ６０により電波を受信する。

このように、第１の実施の形態では、常誘電体から形成された基板１１と、基板１１に直接形成されたアンテナ電極１２と、基板１１上に強誘電体から構成された圧電膜１４を介して形成された超音波用電極１５とを有する構成により、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置１０を実現している。その結果、送受信装置１０を小型化及び低コスト化できる。

なお、送受信装置１０は、例えば、車両に搭載する超音波ソナー（クリアランスソナー）の超音波センサ及びミリ波レーダの送信アンテナとして用いることができる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、第１の実施の形態とは異なる構成の送受信装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

図５は、第２の実施の形態に係る送受信装置を例示する図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。図５を参照するに、第２の実施の形態に係る送受信装置２０は、主要な構成要素として、超音波用基板２１と、アンテナ用基板２２と、パッチ（アンテナ電極）１２と、給電部１３と、超音波用電極１５と、裏面金属膜１６とを有する。

送受信装置２０は、支持柱５２及び固定部材５３により、制御基板５１上に所定の間隔を開けて固定されている。複数のパッチ（アンテナ電極）１２と給電部１３とは電気的に接続されており、これらは配線５５を介して、制御基板５１と電気的に接続されている。超音波用電極１５は、超音波用基板２１に設けられたスルーホール（図示せず）や配線５６を介して、制御基板５１と電気的に接続されている。配線５５や配線５６は、金属の配線パターンとしてもよいし、同軸ケーブル等を用いてもよい。

超音波用基板２１は、パッチ（アンテナ電極）１２や超音波用電極１５を形成するための基体となる部分である。超音波用基板２１の材料としては、強誘電体である圧電材料を用いることができる。超音波用基板２１の材料として用いることができる強誘電体の一例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を挙げることができる。超音波用基板２１の厚さは、例えば、１．５ｍｍ程度とすることができる。

超音波用電極１５は、超音波用基板２１の一方の面に例えば蒸着等により形成されており、超音波センサとして機能する。超音波センサは、例えば１００ＫＨｚ程度の超音波を送信する送信器としての機能と、超音波を受信する受信器としての機能を合わせ持つ。

すなわち、制御基板５１から超音波用電極１５に電気信号が印加されると、圧電材料からなる超音波用基板２１が振動し、超音波を送信する送信器として機能することができる。又、超音波を検知すると圧電材料からなる超音波用基板２１が振動して電気信号を生成し、生成した電気信号を超音波用電極１５から制御基板５１に送る受信器として機能することができる。

複数のパッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３は、超音波用電極１５上に接着剤等を介して積層形成されたアンテナ用基板２２（例えば、１．５ｍｍ程度）の一方の面に例えば蒸着等により形成されており、送信アンテナとして機能する。裏面金属膜１６は、超音波用基板２１の他方の面の所定領域に形成されている。なお、裏面金属膜１６は、必要に応じて形成すればよい。

ここで、送受信装置２０に用いる超音波用基板２１及びアンテナ用基板２２について、更に詳しく説明する。超音波センサに用いられる超音波用基板２１を構成する圧電材料としては、一般に図２に示すような強誘電体が用いられるが、超音波センサに用いられる超音波用基板２１を構成する圧電材料に要求される特性は電気機械結合係数が３０以上あることである。

一方、送信アンテナを形成するためのアンテナ用基板２２の材料としては、一般に図２に示すような常誘電体が用いられるが、送信アンテナを形成するためのアンテナ用基板２２の材料に要求される特性は誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満であることである。

本実施の形態では、基体となる超音波用基板２１の材料としては強誘電体を用い、強誘電体である超音波用基板２１の一方の面に超音波センサの超音波用電極１５を形成している。そして、更にその上に、常誘電体であるアンテナ用基板２２を介して送信アンテナのパッチ（アンテナ電極）１２を形成している。強誘電体である超音波用基板２１と常誘電体であるアンテナ用基板２２との積層部分は、図２の『目標範囲』に示すような、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満である誘電体となる。

つまり、電気機械結合係数が３０以上である超音波用基板２１の一方の面に超音波用電極１５を形成することにより超音波センサを実現し、誘電損失（ｔａｎδ）が０．０５未満であるアンテナ用基板２２の一方の面に複数のパッチ（アンテナ電極）１２及び給電部１３を直接形成することにより送信アンテナを実現することができる。すなわち、１つの超音波用基板２１上に、送信アンテナと超音波センサを一体化して形成した送受信装置２０を実現することが可能となる。

次に、送受信装置２０の応用例について説明する。図６は、第２の実施の形態に係る送受信装置の応用例について説明する図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は側面図である。図６において、制御基板を含む制御回路部５０上に送受信装置２０、及び、複数のパッチ（アンテナ電極）６２及び給電部６３が基板６１の一方の面に形成された受信アンテナ６０が固定されている。送受信装置２０及び受信アンテナ６０は、配線等により、制御回路部５０と電気的に接続されている。

次に、送受信装置２０及び受信アンテナ６０の動作について説明する。統合制御部７１は、送受信装置２０の送信アンテナと超音波センサの何れを機能させるかを選択する選択信号を切替制御部７２に出力し、切替制御部７２は統合制御部７１の指令に基づいて、送信アンテナと超音波センサの何れかを選択する。

超音波センサが選択された場合には、統合制御部７１から超音波センサ信号処理回路７３に指令が出される。超音波センサ信号処理回路７３は、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する選択信号をスイッチ７４に出力し、スイッチ７４は超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて、超音波センサを送信器として機能させるか受信器としてさせるかを選択する。

超音波センサが送信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて送信制御回路７５が動作し、超音波用電極１５に電気信号を印加して超音波用基板２１を振動させ、超音波を送信する。又、超音波センサが受信器として機能する場合には、超音波センサ信号処理回路７３の指令に基づいて受信制御回路７６が動作し、超音波を検知した超音波用基板２１が振動して生成した電気信号を超音波用電極１５から受信する。

一方、送信アンテナが選択された場合には、統合制御部７１からアンテナ信号処理回路７７に指令が出される。電波を送信する場合には、アンテナ信号処理回路７７の指令に基づいて送信制御回路７８が動作し、アンテナ電極１２に電気信号を印加して電波を送信する。又、電波を受信する場合には、アンテナ信号処理回路７７の指令に基づいて受信制御回路７９が動作し、受信アンテナ６０から電波を受信する。

このように、第２の実施の形態では、圧電材料である強誘電体から形成された超音波用基板２１と、超音波用基板２１上に直接形成された超音波用電極１５と、超音波用基板２１上に、常誘電体から形成されたアンテナ用基板２２を介して形成されたアンテナ電極１２とを有する構成により、超音波センサと電波アンテナとを一体化した送受信装置２０を実現している。その結果、送受信装置２０を小型化及び低コスト化できる。

なお、送受信装置２０は、例えば、車両に搭載する超音波ソナー（クリアランスソナー）の超音波センサ及びミリ波レーダの送信アンテナとして用いることができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、２０ 送受信装置
１１、６１ 基板
１２、６２ パッチ（アンテナ電極）
１３、６３ 給電部
１４ 圧電膜
１５ 超音波用電極
１６ 裏面金属膜
２１ 超音波用基板
２２ アンテナ用基板
５０ 制御回路部
５１ 制御基板
５２ 支持柱
５３ 固定部材
５５、５６ 配線
６０ 受信アンテナ
７１ 統合制御部
７２ 切替制御部
７３ 超音波センサ信号処理回路
７４ スイッチ
７５、７８ 送信制御回路
７６、７９ 受信制御回路
７７ アンテナ信号処理回路

Claims (4)

1. 所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、
   常誘電体から形成された常誘電体基板と、
   前記常誘電体基板上に直接形成されたアンテナ電極と、
   前記常誘電体基板上に、強誘電体から構成された圧電膜を介して形成された、超音波用電極と、を有し、
   前記常誘電体基板と前記圧電膜との積層部分は、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失が０．０５未満の誘電体であることを特徴とする送受信装置。
2. 所定の周波数帯の電波を送信する送信アンテナと、超音波を送受信する超音波センサとを搭載した送受信装置であって、
   圧電材料である強誘電体から形成された強誘電体基板と、
   前記強誘電体基板上に直接形成された超音波用電極と、
   前記強誘電体基板上に、常誘電体から形成された常誘電体基板を介して形成された、アンテナ電極と、を有し、
   前記強誘電体基板と前記常誘電体基板との積層部分は、電気機械結合係数が３０以上、かつ、誘電損失が０．０５未満の誘電体であることを特徴とする送受信装置。
3. 前記常誘電体は、アルミナ、又はポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１又は２記載の送受信装置。
4. 前記強誘電体は、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、又はチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の送受信装置。

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