JP2014142234A - Transmitter-receiver - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transmitter-receiver which achieves the integration of an ultrasonic sensor and a radio antenna.SOLUTION: A transmitter-receiver includes: a transmitting antenna transmitting radio waves in a predetermined frequency band; an ultrasonic sensor transmitting and receiving ultrasonic waves; a paraelectric substrate formed of paraelectrics; antenna electrodes directly formed on the paraelectric substrate; and ultrasonic electrodes each of which is formed via a piezoelectric film formed of a ferroelectric substance on the paraelectric substrate.

Description

本発明は、送受信装置に関する。   The present invention relates to a transmission / reception device.

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。   In recent years, ultrasonic sensors (clearance sonar) and millimeter wave radars are used in vehicle periphery monitoring devices mounted on vehicles such as automobiles.

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。   An ultrasonic sensor (clearance sonar) is a device that measures the distance based on the time it takes to emit an ultrasonic wave over an object in the vicinity of a vehicle and reflect it back. Since the driver can be notified of the approach by sound or display, it can be used for garage entry.

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。   On the other hand, a millimeter wave radar is a device that measures the distance based on the time it takes to emit an electromagnetic wave in the millimeter wave band to an object existing in a range of about 100 m and reflect and return. It can be used as an on-vehicle radar for the purpose of mitigation.

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。   As described above, since the purpose of the ultrasonic sonar (clearance sonar) and the millimeter wave radar are different, the number of cases using both of them is increasing, and it is required to efficiently mount them on the vehicle.

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。   However, for example, conventionally, a structure in which a dielectric multilayer substrate and a radio wave antenna are integrated has been proposed (see, for example, Patent Document 1). A radio wave antenna is a radio wave radiator, and the base material itself is a sensor. For this reason, it is difficult to integrate the ultrasonic sensor and the radio wave antenna on the same substrate because they cannot be operated normally.

特開平９−１６７８２５号公報JP-A-9-167825

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。   This invention is made | formed in view of said point, and makes it a subject to provide the transmission / reception apparatus which integrated the ultrasonic sensor and the radio wave antenna.

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、を有することを要件とする。   The transmission / reception apparatus is a transmission / reception apparatus equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves, and a paraelectric substrate formed of a paraelectric material, An antenna electrode directly formed on a paraelectric substrate, and an ultrasonic electrode formed on the paraelectric substrate through a piezoelectric film made of a ferroelectric material. To do.

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。   According to the disclosed technology, it is possible to provide a transmission / reception device in which an ultrasonic sensor and a radio wave antenna are integrated.

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。It is a figure which illustrates the transmission / reception apparatus which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a figure which illustrates the relationship between an electromechanical coupling coefficient and dielectric loss, and a material. 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。It is a figure explaining the application example of the transmission / reception apparatus which concerns on 1st Embodiment. 制御回路部を例示するブロック図である。It is a block diagram which illustrates a control circuit part. 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。It is a figure which illustrates the transmission / reception apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 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。It is a figure explaining the application example of the transmission / reception apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

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。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the overlapping description may be abbreviate | omitted.

〈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。 <First Embodiment>
First, the structure of the transmission / reception apparatus according to the first embodiment will be described. 1A and 1B are diagrams illustrating a transmission / reception apparatus according to the first embodiment. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view. Referring to FIG. 1, a transmitting / receiving apparatus 10 according to the first embodiment includes, as main components, a substrate 11, a patch (antenna electrode) 12, a power feeding unit 13, a piezoelectric film 14, and an ultrasonic wave. Electrode 15 and back metal film 16.

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。   The transmission / reception device 10 is fixed on the control board 51 with a predetermined interval by a support column 52 and a fixing member 53. The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the power feeding unit 13 are electrically connected, and these are electrically connected to the control board 51 via the wiring 55. The ultrasonic electrode 15 is electrically connected to the control substrate 51 via a through hole (not shown) provided in the substrate 11 and a wiring 56. The wiring 55 and the wiring 56 may be a metal wiring pattern, or a coaxial cable or the like may be used.

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。   The substrate 11 is a portion serving as a base for forming the patch (antenna electrode) 12 and the ultrasonic electrode 15. A paraelectric material can be used as the material of the substrate 11. Examples of the paraelectric material that can be used as the material of the substrate 11 include polytetrafluoroethylene and alumina. In the present application, the paraelectric material means a dielectric material having an electromechanical coupling coefficient of less than 30 and a dielectric loss (tan δ) of less than 0.05. The thickness of the substrate 11 can be about 1.5 mm, for example.

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。   The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the power feeding unit 13 are directly formed on one surface of the substrate 11 and function as a transmission antenna. For example, when alumina having a relative dielectric constant εr≈4 is used as the material of the substrate 11 and a 26 GHz band radio wave (wavelength λ≈8.4 mm) is transmitted, the planar shape of each patch (antenna electrode) 12 is one side The length L = λ / 2√εr≈2.1 mm square. However, the planar shape of each patch (antenna electrode) 12 may be a shape (corner cut) in which square corners are removed, a rectangle, or the like.

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。   As a material of the patch (antenna electrode) 12 and the power feeding unit 13, for example, copper (Cu) or the like can be used. The thickness of the patch (antenna electrode) 12 can be, for example, about several tens of μm. The patch (antenna electrode) 12 and the power feeding unit 13 can be directly formed on one surface of the substrate 11 by, for example, vapor deposition. Note that at least one patch (antenna electrode) 12 may be provided, but by providing a plurality of patches, the directivity of the antenna can be controlled.

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。   The piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 are laminated on one surface of the substrate 11 in this order, and function as an ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor has a function as a transmitter that transmits ultrasonic waves of, for example, about 100 KHz and a function as a receiver that receives ultrasonic waves.

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。   That is, when an electrical signal is applied from the control substrate 51 to the ultrasonic electrode 15, the piezoelectric film 14 and the substrate 11 vibrate and can function as a transmitter that transmits ultrasonic waves. Further, when an ultrasonic wave is detected, the piezoelectric film 14 and the substrate 11 vibrate to generate an electric signal, and the generated electric signal can function as a receiver that sends the ultrasonic signal 15 to the control board 51.

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。   As the piezoelectric film 14, a piezoelectric thin film, a piezoelectric polymer film, or the like can be used. As the material of the piezoelectric film 14, a ferroelectric can be used. Examples of ferroelectrics that can be used as the material of the piezoelectric film 14 include zinc oxide, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), and the like. The thickness of the piezoelectric film 14 can be set to about several tens of μm, for example. In the present application, a ferroelectric means a dielectric having an electromechanical coupling coefficient of 30 or more and a dielectric loss (tan δ) of 0.05 or more.

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。   As a material of the ultrasonic electrode 15, for example, copper (Cu) or the like can be used. The thickness of the ultrasonic electrode 15 can be, for example, about several tens of μm. The piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 can be laminated on one surface of the substrate 11 by, for example, vapor deposition.

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。   In the example of FIG. 1, the laminated portion of the piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 is arranged on each side of the patch (antenna electrode) 12, but the laminated portion of the piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 is arranged. There should be at least one set of parts. When a plurality of sets of piezoelectric films 14 and ultrasonic electrodes 15 are arranged, it is preferable in that the substrate 11 is easily vibrated.

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。   The back metal film 16 is formed in a predetermined region on the other surface of the substrate 11. As a material of the back surface metal film 16, for example, copper (Cu) or the like can be used. The thickness of the back surface metal film 16 can be, for example, about several tens of μm. The back surface metal film 16 can be formed on the other surface of the substrate 11 by, for example, vapor deposition. The back surface metal film 16 is connected to a reference potential (GND), for example. Note that the back metal film 16 may be formed as necessary.

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。   In place of the back surface metal film 16, the piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 are formed on the other surface of the substrate 11, and the piezoelectric film 14 and the ultrasonic electrode 15 formed on both surfaces of the substrate 11 An ultrasonic sensor may be configured.

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。   Here, the substrate 11 and the piezoelectric film 14 used in the transmission / reception device 10 will be described in more detail. As a piezoelectric material constituting the piezoelectric film 14 used in the ultrasonic sensor, a ferroelectric material as shown in FIG. 2 is generally used, but is required for the piezoelectric material constituting the piezoelectric film 14 used in the ultrasonic sensor. The characteristic is that the electromechanical coupling coefficient is 30 or more.

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。   On the other hand, as a material of the substrate 11 for forming the transmitting antenna, a paraelectric material as shown in FIG. 2 is generally used, but the characteristic required for the material of the substrate 11 for forming the transmitting antenna is a dielectric loss. (Tan δ) is less than 0.05.

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。   In the present embodiment, a paraelectric material is used as the material of the substrate 11 that is a base for forming the patch (antenna electrode) 12 of the transmitting antenna and the ultrasonic electrode 15 of the ultrasonic sensor, and is a paraelectric material. A piezoelectric film 14 that is a ferroelectric is laminated on one surface of the substrate 11. The laminated portion of the substrate 11 which is a paraelectric material and the piezoelectric film 14 which is a ferroelectric material has an electromechanical coupling coefficient of 30 or more and a dielectric loss (tan δ) as shown in the “target range” of FIG. The dielectric is less than 0.05.

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。   That is, a transmission antenna is realized by directly forming a plurality of patches (antenna electrodes) 12 and a feeding portion 13 on one surface of the substrate 11 having a dielectric loss (tan δ) of less than 0.05, and is electromechanically coupled. An ultrasonic sensor can be realized by forming the ultrasonic electrode 15 in the laminated portion of the substrate 11 and the piezoelectric film 14 having a coefficient of 30 or more. That is, it is possible to realize the transmission / reception device 10 in which the transmission antenna and the ultrasonic sensor are integrally formed on one substrate 11.

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。   Next, an application example of the transmission / reception device 10 will be described. 3A and 3B are diagrams for explaining an application example of the transmission / reception apparatus according to the first embodiment. FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a side view. In FIG. 3, the transmission / reception device 10 and the reception antenna 60 in which a plurality of patches (antenna electrodes) 62 and a power feeding unit 63 are formed on one surface of the substrate 61 are fixed on the control circuit unit 50 including the control substrate. Yes. The transmission / reception device 10 and the reception antenna 60 are electrically connected to the control circuit unit 50 by wiring or the like. The directivity of reception can be controlled by the number of patches (antenna electrodes) 62.

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。   FIG. 4 is a block diagram illustrating the control circuit unit. The operations of the transmission / reception device 10 and the reception antenna 60 will be described with reference to FIG. The integrated control unit 71 of the control circuit unit 50 is a part that controls the transmission antenna and the ultrasonic sensor of the transmission / reception device 10 in an integrated manner. The integrated control unit 71 includes, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

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。   The integrated control unit 71 outputs a selection signal for selecting which of the transmission antenna and the ultrasonic sensor of the transmission / reception device 10 to function to the switching control unit 72, and the switching control unit 72 is based on a command from the integrated control unit 71. Select either the transmission antenna or the ultrasonic sensor.

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。   When the ultrasonic sensor is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the ultrasonic sensor signal processing circuit 73. The ultrasonic sensor signal processing circuit 73 outputs a selection signal for selecting whether the ultrasonic sensor functions as a transmitter or a receiver to the switch 74, and the switch 74 is based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73. Then, it is selected whether the ultrasonic sensor functions as a transmitter or a receiver.

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。   When the ultrasonic sensor functions as a transmitter, the transmission control circuit 75 operates based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73, and an electric signal is applied to the ultrasonic electrode 15 so as to apply the piezoelectric film 14 and the substrate. 11 is vibrated and an ultrasonic wave is transmitted. When the ultrasonic sensor functions as a receiver, the reception control circuit 76 operates based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73, and the piezoelectric film 14 and the substrate 11 that have detected ultrasonic waves vibrate. The generated electrical signal is received from the ultrasonic electrode 15.

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。   On the other hand, when the transmission antenna is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the antenna signal processing circuit 77. In the case of transmitting a radio wave, the transmission control circuit 78 operates based on a command from the antenna signal processing circuit 77 and applies an electric signal to the antenna electrode 12 to transmit the radio wave. Further, when receiving radio waves, the reception control circuit 79 operates based on a command from the antenna signal processing circuit 77 and receives radio waves by the receiving antenna 60.

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。   As described above, in the first embodiment, the substrate 11 made of a paraelectric material, the antenna electrode 12 directly formed on the substrate 11, and the piezoelectric film 14 made of a ferroelectric material on the substrate 11 are provided. The transmission / reception device 10 in which the ultrasonic sensor and the radio wave antenna are integrated is realized by the configuration having the ultrasonic electrode 15 formed therebetween. As a result, the transceiver 10 can be reduced in size and cost.

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。   The transmitter / receiver 10 can be used as, for example, an ultrasonic sensor of an ultrasonic sonar (clearance sonar) mounted on a vehicle and a transmission antenna of a millimeter wave radar.

〈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。 <Second Embodiment>
The second embodiment is a transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves, and has a configuration different from that of the first embodiment. The example of a transmission / reception apparatus is shown. In the second embodiment, the description of the same components as those already described is omitted.

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。   5A and 5B are diagrams illustrating a transmission / reception apparatus according to the second embodiment. FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a side view. Referring to FIG. 5, the transmission / reception device 20 according to the second embodiment includes an ultrasonic substrate 21, an antenna substrate 22, a patch (antenna electrode) 12, and a power feeding unit 13 as main components. And an ultrasonic electrode 15 and a back metal film 16.

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。   The transmission / reception device 20 is fixed on the control board 51 with a predetermined interval by a support column 52 and a fixing member 53. The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the power feeding unit 13 are electrically connected, and these are electrically connected to the control board 51 via the wiring 55. The ultrasonic electrode 15 is electrically connected to the control substrate 51 through a through hole (not shown) provided in the ultrasonic substrate 21 and a wiring 56. The wiring 55 and the wiring 56 may be a metal wiring pattern, or a coaxial cable or the like may be used.

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。   The ultrasonic substrate 21 is a portion serving as a base for forming the patch (antenna electrode) 12 and the ultrasonic electrode 15. As the material of the ultrasonic substrate 21, a piezoelectric material that is a ferroelectric material can be used. An example of a ferroelectric that can be used as the material for the ultrasonic substrate 21 is lead zirconate titanate (PZT). The thickness of the ultrasonic substrate 21 can be about 1.5 mm, for example.

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。   The ultrasonic electrode 15 is formed on one surface of the ultrasonic substrate 21 by vapor deposition, for example, and functions as an ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor has a function as a transmitter that transmits ultrasonic waves of, for example, about 100 KHz and a function as a receiver that receives ultrasonic waves.

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。   That is, when an electrical signal is applied from the control substrate 51 to the ultrasonic electrode 15, the ultrasonic substrate 21 made of a piezoelectric material vibrates and can function as a transmitter that transmits ultrasonic waves. Further, when an ultrasonic wave is detected, the ultrasonic substrate 21 made of a piezoelectric material vibrates to generate an electrical signal, and can function as a receiver that sends the generated electrical signal from the ultrasonic electrode 15 to the control substrate 51. .

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。   The plurality of patches (antenna electrodes) 12 and the power feeding unit 13 are, for example, vapor-deposited on one surface of an antenna substrate 22 (for example, about 1.5 mm) formed on the ultrasonic electrode 15 via an adhesive or the like. Etc., and functions as a transmitting antenna. The back metal film 16 is formed in a predetermined region on the other surface of the ultrasonic substrate 21. Note that the back metal film 16 may be formed as necessary.

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。   Here, the ultrasonic substrate 21 and the antenna substrate 22 used in the transmission / reception device 20 will be described in more detail. As a piezoelectric material constituting the ultrasonic substrate 21 used in the ultrasonic sensor, a ferroelectric material as shown in FIG. 2 is generally used. However, the piezoelectric material constituting the ultrasonic substrate 21 used in the ultrasonic sensor is used. The required characteristic is that the electromechanical coupling coefficient is 30 or more.

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。   On the other hand, as a material of the antenna substrate 22 for forming the transmission antenna, a paraelectric material as shown in FIG. 2 is generally used. However, the material of the antenna substrate 22 for forming the transmission antenna is required. The characteristic is that the dielectric loss (tan δ) is less than 0.05.

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。   In the present embodiment, a ferroelectric is used as the material of the ultrasonic substrate 21 serving as a base, and the ultrasonic electrode 15 of the ultrasonic sensor is formed on one surface of the ultrasonic substrate 21 that is a ferroelectric. doing. Further, a transmission antenna patch (antenna electrode) 12 is formed on the antenna substrate 22 which is a paraelectric material. The laminated portion of the ultrasonic substrate 21 that is a ferroelectric material and the antenna substrate 22 that is a paraelectric material has an electromechanical coupling coefficient of 30 or more and a dielectric loss as shown in the “target range” of FIG. A dielectric having (tan δ) of less than 0.05.

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。   That is, an ultrasonic sensor is realized by forming the ultrasonic electrode 15 on one surface of the ultrasonic substrate 21 having an electromechanical coupling coefficient of 30 or more, and the dielectric loss (tan δ) is less than 0.05. A transmission antenna can be realized by directly forming a plurality of patches (antenna electrodes) 12 and a feeding portion 13 on one surface of the antenna substrate 22. That is, it is possible to realize the transmission / reception device 20 in which the transmission antenna and the ultrasonic sensor are integrated on the single ultrasonic substrate 21.

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。   Next, an application example of the transmission / reception device 20 will be described. 6A and 6B are diagrams illustrating an application example of the transmission / reception apparatus according to the second embodiment. FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a side view. In FIG. 6, the transmission / reception device 20 and the reception antenna 60 in which a plurality of patches (antenna electrodes) 62 and a feeding unit 63 are formed on one surface of the substrate 61 are fixed on the control circuit unit 50 including the control substrate. Yes. The transmission / reception device 20 and the reception antenna 60 are electrically connected to the control circuit unit 50 by wiring or the like.

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。   Next, operations of the transmission / reception device 20 and the reception antenna 60 will be described. The integrated control unit 71 outputs a selection signal for selecting which of the transmission antenna and the ultrasonic sensor of the transmission / reception device 20 to function to the switching control unit 72, and the switching control unit 72 is based on a command from the integrated control unit 71. Select either the transmission antenna or the ultrasonic sensor.

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。   When the ultrasonic sensor is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the ultrasonic sensor signal processing circuit 73. The ultrasonic sensor signal processing circuit 73 outputs a selection signal for selecting whether the ultrasonic sensor functions as a transmitter or a receiver to the switch 74, and the switch 74 is based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73. Then, it is selected whether the ultrasonic sensor functions as a transmitter or a receiver.

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。   When the ultrasonic sensor functions as a transmitter, the transmission control circuit 75 operates based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73 and applies an electrical signal to the ultrasonic electrode 15 to thereby apply the ultrasonic substrate 21. Vibrates and transmits ultrasonic waves. Further, when the ultrasonic sensor functions as a receiver, the reception control circuit 76 operates based on a command from the ultrasonic sensor signal processing circuit 73, and the ultrasonic substrate 21 that has detected the ultrasonic waves vibrates and is generated. The received electrical signal is received from the ultrasonic electrode 15.

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。   On the other hand, when the transmission antenna is selected, a command is issued from the integrated control unit 71 to the antenna signal processing circuit 77. In the case of transmitting a radio wave, the transmission control circuit 78 operates based on a command from the antenna signal processing circuit 77 and applies an electric signal to the antenna electrode 12 to transmit the radio wave. When receiving radio waves, the reception control circuit 79 operates based on a command from the antenna signal processing circuit 77 and receives radio waves from the receiving antenna 60.

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。   As described above, in the second embodiment, the ultrasonic substrate 21 formed of a ferroelectric material that is a piezoelectric material, the ultrasonic electrode 15 formed directly on the ultrasonic substrate 21, and the ultrasonic wave A transmitter / receiver 20 in which an ultrasonic sensor and a radio wave antenna are integrated is realized by a configuration having an antenna electrode 12 formed on a substrate 21 via an antenna substrate 22 formed of a paraelectric material. Yes. As a result, the transmitter / receiver 20 can be reduced in size and cost.

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。   The transmitter / receiver 20 can be used as an ultrasonic sensor of an ultrasonic sonar (clearance sonar) mounted on a vehicle and a transmission antenna of a millimeter wave radar, for example.

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。   The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions may be made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.

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 10, 20 Transceiver 11, 61 Substrate 12, 62 Patch (antenna electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13, 63 Feed part 14 Piezoelectric film 15 Electrode for ultrasonic waves 16 Back surface metal film 21 Substrate for ultrasonic waves 22 Antenna substrate 50 Control circuit part 51 Control board 52 Support pillar 53 Fixing member 55, 56 Wiring 60 Reception antenna 71 Integrated control part 72 switching control unit 73 ultrasonic sensor signal processing circuit 74 switch 75, 78 transmission control circuit 76, 79 reception control circuit 77 antenna signal processing circuit

Claims (4)

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、を有することを特徴とする送受信装置。 A transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves,
A paraelectric substrate formed from a paraelectric material;
An antenna electrode formed directly on the paraelectric substrate;
A transmission / reception apparatus comprising: an ultrasonic electrode formed on the paraelectric substrate via a piezoelectric film made of a ferroelectric material. 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、を有することを特徴とする送受信装置。 A transmission / reception device equipped with a transmission antenna that transmits radio waves in a predetermined frequency band and an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves,
A ferroelectric substrate formed of a ferroelectric material which is a piezoelectric material;
An ultrasonic electrode directly formed on the ferroelectric substrate;
An antenna electrode formed on the ferroelectric substrate via a paraelectric substrate formed of a paraelectric material. 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。   The transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the paraelectric material is alumina or polytetrafluoroethylene. 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。   4. The transmitting / receiving apparatus according to claim 1, wherein the ferroelectric is zinc oxide, barium titanate, lead titanate, or lead zirconate titanate.
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