JP6699500B2 - ミリ波レーダ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波レーダ装置およびその製造方法に関するものである。

車両に実際に搭載されている従来のミリ波レーダ装置は、一般的に、制御基板とアンテナ基板とが一体化された一体化基板が用いられている。一体化基板の表面には、複数の導体パターンが形成されている。複数の導体パターンのそれぞれがアンテナ素子として用いられている。一体化基板の裏面には、ミリ波を発信させるための高周波用部品としてのＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuitの略称）チップが実装されている。

上記した従来のミリ波レーダ装置に対して、ミリ波の送信方向の多角化が求められている。上記したミリ波レーダ装置の構造において、これを実現させる方法としては、アンテナ面積を大きくして、ＭＭＩＣチップを複数搭載することが挙げられる。ただし、この方法では、アンテナ面積の増大に伴って、ミリ波レーダ装置全体の容積が大きくなる。このため、従来の構造においては、ミリ波の送信方向の多角化と、ミリ波レーダ装置の小型化とのトレードオフが避けられない。したがって、従来のミリ波レーダ装置では、ミリ波の送信方向の多角化と、ミリ波レーダ装置の小型化の両立が困難である。

本発明は上記点に鑑みて、ミリ波の送信方向の多角化と、ミリ波レーダ装置全体の小型化の両立が可能なミリ波レーダ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明のミリ波レーダ装置は、
ケース（２）と、
ケースの内部に収容される実装基板（４）と、
実装基板に実装され、ミリ波を送信するアンテナ基板（１０）とを備え、
アンテナ基板は、１つ以上の屈曲部（１０３、１０４）と、屈曲部を介して互いにつながる複数の平面部（１０５、１０６、１０７）と、複数の平面部のそれぞれの表面上に形成されたアンテナ素子（１０２）とを有し、
複数の平面部の全体は、実装基板の厚さ方向で実装基板から離れる側に向かって凸形状をなしており、
ミリ波レーダ装置は、ミリ波を発振させるための高周波用部品（８）を備え、
高周波用部品は、実装基板の一面（４ａ）に固定されており、
アンテナ基板は、高周波用部品を覆うように、実装基板の一面に固定されている。

これによれば、アンテナ基板は、アンテナ素子が形成された平面部を複数有している。複数の平面部の全体は凸形状となっている。このため、アンテナ基板が、１つの平面部のみで構成されている場合と比較して、ミリ波の送信方向の広角化を実現することができる。

さらに、アンテナ基板は、１つ以上の屈曲部で屈曲した状態で、ケースの内部に収容される。このため、アンテナ素子の数を多くしても、アンテナ基板が１つの平面部のみで構成されている場合と比較して、実装基板の表面に平行な方向での寸法の大型化を抑制できる。

よって、これによれば、ミリ波の送信方向の多角化と、ミリ波レーダ装置全体の小型化の両立が可能である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態におけるミリ波レーダ装置の断面構成を示す図である。 図１のミリ波レーダ装置の分解斜視図である。 制御基板に搭載する前の状態における第１実施形態のアンテナ基板１０の平面図である。 制御基板に搭載した状態における第１実施形態のアンテナ基板１０およびシールド基板の断面図である。 第１実施形態におけるミリ波レーダ装置の製造工程を示すフローチャートである。 第１実施形態におけるミリ波レーダ装置の車両搭載状態を示す図である。 第２実施形態におけるミリ波レーダ装置の主要部を示す断面図である。 第３実施形態におけるミリ波レーダ装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
図１に示す本実施形態のミリ波レーダ装置１は、車両に搭載されるものである。このミリ波レーダ装置１は、送信アンテナ部からミリ波を送信し、物標が反射したミリ波を受信アンテナ部で受信することで、物標の情報を取得する。

本実施形態のミリ波レーダ装置１は、ケース２と、制御基板４と、制御用チップ６と、ＭＭＩＣチップ８と、アンテナ基板１０と、シールド基板１２とを備える。

ケース２は、制御基板４、制御用チップ６、ＭＭＩＣチップ８、アンテナ基板１０、シールド基板１２等の各部品を収容する。ケース２は、図１、２に示すように、レドーム２２と、ケース本体部２４とを有する。レドーム２２は、電磁透過性カバーである。ケース本体部２４に、制御基板４が固定される。

制御基板４は、図１に示すように、第１面４ａと第１面４ａの反対側の第２面４ｂとを有する。第１面４ａは、レドーム２２側の表面である。第２面４ｂは、ケース本体部２４側の表面である。第１面４ａに複数のＭＭＩＣチップ８が実装されている。第２面４ｂに複数の制御用チップ６が実装されている。本実施形態では、制御基板４が実装基板に相当する。また、第１面４ａが実装基板の一面に相当する。
なお、図１には、便宜的に、ＭＭＩＣチップ８と制御用チップ６とが、それぞれ１つずつ図示されている。制御基板４は、図２に示すように、ネジ５によってケース本体部２４に固定される。

制御基板４は、制御用チップ６およびＭＭＩＣチップ８とともに、ミリ波レーダ装置１の作動を制御する制御回路を構成している。制御回路は、各種信号処理回路、マイクロコンピュータ、電源回路などによって構成される。ＭＭＩＣチップ８は、ミリ波の発振器を構成している。したがって、本実施形態では、ＭＭＩＣチップ８がミリ波を発振させる高周波用部品である。

アンテナ基板１０は、シールド基板１２に保持された状態で、制御基板４に実装されている。アンテナ基板１０は、図３に示すように、誘電体フィルム１０１と複数の導体パターン１０２とを有している。

誘電体フィルム１０１は、樹脂材料で構成されている。誘電体フィルム１０１を構成する樹脂材料としては、制御基板４を構成する絶縁材料よりも誘電率が低い樹脂材料が用いられる。誘電体フィルムの比誘電率は、２〜４であることが好ましい。

複数の導体パターン１０２は、誘電体フィルム１０１の表面に形成されている。複数の導体パターン１０２のそれぞれが、アンテナ素子である。複数の導体パターン１０２のそれぞれは、矩形である。複数の導体パターン１０２は、後述の通り、印刷法によって形成されたものである。

複数の導体パターン１０２の全部がアンテナ部１１を構成している。複数の導体パターン１０２のうち誘電体フィルム１０１の図３中の上側半分に位置する一部が、受信アンテナ部１１ａを構成している。複数の導体パターン１０２のうち誘電体フィルム１０１の図３中の下側半分に位置する他の一部が、送信アンテナ部１１ｂを構成している。

図３の例では、受信アンテナ部１１ａは、４個のパッチアンテナが５列配置されたパッチアレイアンテナである。送信アンテナ部１１ｂは、４個のパッチアンテナが１６列配置されたパッチアレイアンテナである。パッチアンテナ（すなわち、アンテナ素子）の数はこれに限定されず、任意に変更可能である。

シールド基板１２は、電波を遮断する。シールド基板１２は、アンテナ基板１０を保持する保持部としても機能する。シールド基板１２が、アンテナ基板１０の所望形状を維持する。シールド基板１２は、洋白などの金属材料で構成される。シールド基板１２は、はんだ付け等によって制御基板４に固定されている。

アンテナ基板１０は、図１に示すように、シールド基板１２の形状に沿って折れ曲がっている。アンテナ基板１０は、第１面４ａから離れる側に向かって凸となるように屈曲した形状を有している。

図４に示すように、具体的には、アンテナ基板１０は、２つの屈曲部１０３、１０４と、３つの平面部１０５、１０６、１０７とを有している。換言すると、アンテナ基板１０は、３つの平面部１０５、１０６、１０７を有するように、２つの屈曲部１０３、１０４で屈曲している。より詳細には、アンテナ基板１０は、第１平面部１０５と、第１屈曲部１０３を挟んで第１平面部１０５の隣りに位置する第２平面部１０６と、第２平面部１０６側とは反対側で、第２屈曲部１０４を挟んで第１平面部１０６の隣りに位置する第３平面部１０７とを有する。

屈曲部１０３の角度は鈍角である。屈曲部１０３の角度とは、平面部１０５と平面部１０６との制御基板４側でのなす角度である。屈曲部１０４の角度は鈍角である。屈曲部１０４の角度とは、平面部１０５と平面部１０７との制御基板４側でのなす角度である。このため、第１平面部１０５の法線方向Ｎ１と、第２平面部１０６の法線方向Ｎ２と、第３平面部１０７の法線方向Ｎ３とは、互いに交差している。

本実施形態では、図３に示すように、第１平面部１０５には、受信アンテナ部１１ａを構成する複数の導体パターン１０２と、送信アンテナ部１１ｂを構成する複数の導体パターン１０２とが形成されている。第２平面部１０６には、送信アンテナ部１１ｂを構成する複数の導体パターン１０２が形成されている。第３平面部１０７には、送信アンテナ部１１ｂを構成する複数の導体パターン１０２が形成されている。

図１に示すように、アンテナ基板１０は、ＭＭＩＣチップ８を覆うように、制御基板４の第１面４ａに配置されている。アンテナ基板１０は、制御基板４に機械的および電気的に接続されている。このため、複数の導体パターン１０２のそれぞれは、対応するＭＭＩＣチップ８と電気的に接続されている。アンテナ基板１０の制御基板４への接続方法としては、かしめやＡＣＦ接続が挙げられる。ＡＣＦ接続は、異方性導電フィルム（Anisotropic Condactive Film）を用いた接続方法である。

ミリ波レーダ装置１は、さらに、コネクタ１４と、電波吸収体１６と、放熱部材１８とを備える。

コネクタ１４は、制御基板４と外部とを電気的に接続するための部品である。電波吸収体１６は、電波を吸収する。電波吸収体１６は、シールド基板１２のＭＭＩＣチップ８側の表面に固定されている。放熱部材１８は、制御基板４および制御用チップ６の熱を放出するための部品である。放熱部材１８は、ケース本体部２４に固定されている。放熱部材１８は、ケース本体部２４に制御基板４を固定する固定部としても機能する。

次に、本実施形態のミリ波レーダ装置１の製造方法について説明する。

図５に示すように、ミリ波レーダ装置１は、準備工程Ｓ１と、実装工程Ｓ２と、組み付け工程Ｓ３とを順に行うことで製造される。

準備工程では、ケース２、制御基板４、制御用チップ６、ＭＭＩＣチップ８、アンテナ基板１０、シールド基板１２、コネクタ１４、電波吸収体１６、放熱部材１８等の各部品を準備する。

アンテナ基板１０の準備では、図３に示すように、誘電体フィルム１０１の表面上に複数の導体パターン１０２を印刷法によって形成する。この印刷法は、導電性ナノ材料と溶媒を含む溶液（すなわち、インク）を、誘電体フィルム１０１の表面上に塗布し、塗布した溶液を乾燥させる方法である。このとき、導電性ナノ材料を用いることで、誘電体フィルム１０１の耐熱温度よりも低温で乾燥させることができる。導電性ナノ材料としては、銀ナノ材料や銅ナノ材料を用いることができる。溶媒としては、水系溶媒や有機系溶媒を用いることができる。

実装工程では、制御用チップ６、ＭＭＩＣチップ８、アンテナ基板１０、シールド基板１２、コネクタ１４等の各部品を、制御基板４へ実装する。このとき、予めシールド基板１２にアンテナ基板１０を固定する。アンテナ基板１０およびシールド基板１２がＭＭＩＣチップ８を覆うように、アンテナ基板１０およびシールド基板１２を制御基板４の第１面４ａに固定する。なお、シールド基板１２を制御基板４に固定した後、アンテナ基板１０をシールド基板１２に搭載してもよい。その後、アンテナ基板１０を制御基板４に機械的および電気的に接続する。

組み付け工程では、制御基板４等の各部品を、ケースへ組み付ける。これにより、図１に示すミリ波レーダ装置１が製造される。

上述の通り、本実施形態では、アンテナ基板１０は、制御基板４とは別体とされている。アンテナ基板１０は、制御基板４の厚さ方向で制御基板４から離れる側に向かって凸状となるように、アンテナ基板１０が２つの屈曲部１０３、１０４で屈曲して、３つの平面部１０５、１０６、１０７を有する構造である。３つの平面部１０５、１０６、１０７のそれぞれからのミリ波の送信方向は、それぞれの法線方向Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３を含む所定角度範囲となる。すなわち、３つの平面部１０５、１０６、１０７のそれぞれは、それぞれの法線方向Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３におけるミリ波の放射強度が最大もしくはそれに近いという指向性を有している。

このため、本実施形態によれば、アンテナ基板１０が、１つの平面部のみで構成されている場合と比較して、ミリ波の送信方向の広角化を実現することができる。図６に示すように、本実施形態のミリ波レーダ装置１を車両の後方コーナー部に搭載した場合、ミリ波の送信可能範囲Ｒ１を示す角度θを図６に示す広角度とすることが可能となる。

さらに、アンテナ基板１０は屈曲している。このため、アンテナ基板１０が屈曲していない場合と比較して、制御基板４の表面に平行な方向での寸法の拡大を抑制することができる。

よって、本実施形態によれば、ミリ波の送信方向の多角化と、ミリ波レーダ装置１全体の小型化の両立が可能となる。

ところで、従来のミリ波レーダ装置では、アンテナ素子としての複数の導体パターンが、銅箔のエッチング工程を介して形成されていた。このため、複数の導体パターンの表面粗さが大きかった。交流電流は、導体の表面を密集して流れること（すなわち、表皮効果）が知られている。このため、複数の導体パターンの通過特性が悪かった。したがって、従来のミリ波レーダ装置では、アンテナの利得が下がってしまうという課題があった。

これに対して、本実施形態では、複数の導体パターン１０２が、溶液を印刷する印刷法によって形成されている。これによれば、エッチング工程を介さずに、溶液の濡れ性を利用して複数の導体パターン１０２が形成される。このため、エッチング工程を介して形成する場合と比較して、複数の導体パターンの出来上がりの表面の粗さＲａを低減化することができる。よって、アンテナの利得を上げることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、ＭＭＩＣチップ８および電波吸収体１６の配置が第１実施形態と異なる。ミリ波レーダ装置１のその他の構成は第１実施形態と同じである。

図７に示すように、ＭＭＩＣチップ８は、アンテナ基板１０の裏面に実装されている。アンテナ基板１０の裏面は、アンテナ基板１０のうち複数の導体パターン１０２が形成された表面の反対側の表面である。シールド基板１２は、複数の開口部１２１を有する。ＭＭＩＣチップ８は開口部１２１の内部に位置する。

電波吸収体１６は、制御基板４の第１面４ａのうちアンテナ基板１０に覆われた部位に配置されている。

本実施形態では、ＭＭＩＣチップ８をアンテナ基板１０の裏面に実装する。その一方で、電波吸収体１６およびシールド基板１２を制御基板４に搭載して固定する。その後、アンテナ基板１０をシールド基板１２に搭載する。このとき、ＭＭＩＣチップ８の位置をシールド基板１２の開口部１２１の位置に合わせる。その後、アンテナ基板１０を制御基板４に機械的および電気的に接続する。

アンテナ基板１０は、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
本実施形態は、アンテナ基板の構成が第１実施形態と異なる。

図８に示すように、アンテナ基板３０は、平板形状である。すなわち、アンテナ基板３０は、１つの平面部のみで構成されている。アンテナ基板３０は、制御基板４に積層されている。

アンテナ基板３０は、誘電体フィルム３２の表面３２ａに、複数の導体パターン３４が形成されている。複数の導体パターン３４は、第１群の導体パターン３４ａと、第２群の導体パターン３４ｂと、第３群の導体パターン３４ｃとを有する。第２群の導体パターン３４ｂは、第１群の導体パターン３４ａの隣りに位置する。第３群の導体パターン３４ｃは、第２群の導体パターン３４ｂ側とは反対側の第１群の導体パターン３４ａの隣りに位置する。

第１群の導体パターン３４ａの天面３４１ａは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに平行である。第１群の導体パターン３４ａの側面３４２ａは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに垂直である。

第２群の導体パターン３４ｂの天面３４１ｂは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに平行である。第２群の導体パターン３４ｂの側面３４２ｂは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに対して傾斜している。

第３群の導体パターン３４ｃの天面３４１ｃは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに平行である。第３群の導体パターン３４ｃの側面３４２ｃは、誘電体フィルム３２の表面３２ａに対して傾斜している。

第２群の導体パターン３４ｂおよび第３群の導体パターン３４ｃは、側面３４２ｂ、３４２ｃが斜めとなるように、印刷法によって形成される。このとき、側面３４２ｂ、３４２ｃの面積が、それぞれ、天面３４１ｂ、３４１ｃの面積よりも大きくなるように形成されることが好ましい。

アンテナ基板３０は、複数の導体パターン３４を保護する保護層３６を有している。アンテナ基板３０の表面に、複数のＭＭＩＣチップ８が実装されている。ケース２のうちアンテナ基板３０に対向する部位に、電波吸収体１６が設置されている。

本実施形態では、第１群の導体パターン３４ａの天面３４１ａと、第２群の導体パターン３４ｂの側面３４２ｂと、第３群の導体パターン３４ｃの側面３４２ｃとが、アンテナ面として利用される。天面３４１ａの法線方向と、側面３４２ｂの法線方向と、側面３４２ｃの法線方向とが、互いに交差している。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
（１）第１、第２実施形態では、アンテナ基板１０において、屈曲部１０３、１０４のそれぞれの角度は、鈍角であったが、直角であってもよい。また、屈曲部１０３、１０４の角度は、同じであっても異なっていてもよい。

（２）第１、第２実施形態では、３つの平面部１０５、１０６、１０７のそれぞれに、複数の導体パターンが形成されていたが、これに限定されない。３つの平面部１０５、１０６、１０７のそれぞれに、導体パターンが１つずつ形成されていてもよい。

（３）第１、第２実施形態では、アンテナ基板１０は、２つの屈曲部１０３、１０４と、２つの屈曲部１０３、１０４を介して互いにつながる３つの平面部１０５、１０６、１０７とを有していたが、これに限定されない。アンテナ基板１０が有する平面部の数は、２つ、または、４つ以上でもよい。これらの場合においても、複数の平面部の全体は、制御基板の厚さ方向で制御基板から離れる側に向かって凸形状をなしていればよい。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１ ミリ波レーダ装置
２ ケース
４ 制御基板
１０ アンテナ基板
１０２ 導体パターン
１０３ 屈曲部
１０４ 屈曲部
１０５ 平面部
１０６ 平面部
１０７ 平面部

Claims (2)

1. ミリ波レーダ装置であって、
   ケース（２）と、
   前記ケースの内部に収容される実装基板（４）と、
   前記実装基板に実装され、ミリ波を送信するアンテナ基板（１０）とを備え、
   前記アンテナ基板は、１つ以上の屈曲部（１０３、１０４）と、前記屈曲部を介して互いにつながる複数の平面部（１０５、１０６、１０７）と、前記複数の平面部のそれぞれの表面上に形成されたアンテナ素子（１０２）とを有し、
   前記複数の平面部の全体は、前記実装基板の厚さ方向で前記実装基板から離れる側に向かって凸形状をなしており、
   前記ミリ波レーダ装置は、ミリ波を発振させるための高周波用部品（８）を備え、
   前記高周波用部品は、前記実装基板の一面（４ａ）に固定されており、
   前記アンテナ基板は、前記高周波用部品を覆うように、前記実装基板の一面に固定されているミリ波レーダ装置。
2. 前記複数の平面部の法線方向（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）が互いに交差している請求項１に記載のミリ波レーダ装置。

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