JP3964873B2 - 車載用ミリ波レーダ装置 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、車載用ミリ波レーダ装置に係り、更に詳細には、アンテナと一体の高周波モジュールの実装構造に関する。
背景技術
近年、ミリ波等の電波を用いたレーダを自動車に搭載して、前方を走行する車両との車間距離や相対速度を計測する装置が開発されている。特に、ミリ波は、雨、霧等が存在する悪天候でも電波ビームの減衰量が小さく、遠距離まで到達する利点を有している。
ミリ波レーダ装置の実装構造としては、アンテナパターンを表面に形成したアンテナベースと、ミリ波を形成し送信および受信信号を処理する信号処理回路を構成する電子部品および導電パターンなどを形成した基板とを組みにしてケースに収納するものが考えられている。
また、従来技術には、例えば特許第２８４０４９３号公報に開示されるように移動体無線通信システムの移動局無線通信端末に用いる一体型マイクロ波回路において、基板と導電層を多層に積層した多層基板の一面にアンテナパターンを形成し、他面に送信用及び受信用の各種電子部品を搭載した実装技術が提案されている。
上記した従来技術のうち、前者の実装技術は、アンテナベースと電子部品搭載基板とが別々に製作しなければならず、また、これらのアンテナベースと基板とを空間を介在させて多段に積み重ねるために、装置の小形化を充分には図れなかった。後者は、多層基板の表裏面を有効利用できるため、装置のコンパクト化を図れる。しかし、これらの従来技術は、いずれもミリ波における高周波回路の湿度保護については言及しておらず、生産上の課題が残されていた。特にミリ波対応の高周波回路は、湿度により周波数特性が変化し易いための、その湿度対策は重要である。
本発明の目的は、以上の課題を解決して、生産性と信頼性確保、小形、低コストが可能な車載用ミリ波レーダ装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、次のように構成される。
すなわち、ミリ波帯の電磁波を外部に送信して目標からの反射波を受信するアンテナと、前記反射波を信号処理する回路を備えた車載用ミリ波レーダ装置において、
誘電体基板を複数積層し層間に導電層が介在してなる多層基板を有し、
前記多層基板は、一面に、アンテナがパターン形成され、他面には、回路の配線パターンとミリ波の信号処理用の電子部品とが配設され、前記電子部品のうちミリ波信号の発振器、増幅器、周波数変換器は、前記多層基板面上に局部的に形成した気密封止部に収納され、その他の電子部品がこの気密封止部の周辺に非気密構造により配置されていることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
本発明の一実施例を図面に基づき説明する。
まず、本実施例に係るミリ波レーダ装置の基本原理を第９図により説明する。
本例に係るミリ波レーダ装置は、代表的なレーダであるダイプレックスドップラー方式レーダを採用している。
変調信号発生部（変調回路）２４は、発振器２０１で生成される２つの周波数ｆ１、ｆ２を矩形波変調により時分割で変調し（第９図（ｂ）参照）、変調した信号を送信アンテナ３Ａから発射する。その信号は目標（例えば前方車）Ｐで反射されて受信信号となり受信アンテナ３Ｂに入力される。ｆ１、ｆ２は、例えば、７６から７７ＧＨｚの範囲で設定される。
前方車Ｐとレーダ（自車）１間に相対速度Ｖがある場合、周波数ｆ１，ｆ２にドップラーシフトｆｄ１、ｆｄ２が発生し、受信信号の周波数はｆ１＋ｆｄ１、ｆ２＋ｆｄ２となる。
受信信号は、周波数変換回路により構成されるミキサー２０２によりｆｄ１、ｆｄ２の時分割された信号に変換され、変調信号に同期して作動するスイッチ回路２１１およびローパスフィルタ２１２，２１３を介してドップラー信号ｆｄ１、ｆｄ２が抽出され、Ａ／Ｄ変換されてデジタル信号処理２５に入力される。
ここで、ドップラー信号ｆｄ１、ｆｄ２の周波数、ｆ１＋ｆｄ１とｆ２＋ｆｄ２の位相差Δφ＝φ１−φ２は、離散フーリエ変換（ＦＥＴ）により容易に求めることができる。
目標（前方車両）と自車間の距離ｄは、次式で表される。
Figure 0003964873
ここで、Ｃは光速（電波伝搬速度）、Δｆ＝ｆ１−ｆ２である。
また、車両間の相対速度ｖは、次式で表される。
Figure 0003964873
上記ＦＥＴ及び数１、数２式の演算は、デジタル信号処理により行われる。
第１０図に上記基本原理のブロック回路図を示す。
ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）モジュール２０は、第９図におけるミリ波形成の発振器２０１、ミキサ（周波数変換回路）２０２および送受信用増幅回路（図示省略）を一体化したものであり、本実施例では、ＩＣ（集積回路）２０によりモジュール化しており、また、後述の多層基板２の一面上に気密封止構造４５により収納されるものである。
アナログ部２３は、ＲＦ信号処理部（アナログ部）２１及びＡ／Ｄ変換回路２２よりなる。ＲＦ信号処理部（アナログ部）２１は、第９図に示すスイッチ回路２１１、ローパスフィルタ２１１，２１２よりなる。ドプラー信号ｆｄ１、ｆｄ２は、アナログ／デジタル変換されてデジタル信号処理部２５に入力される。
デジタル信号処理部２５は、変調回路２４を制御し、また、外部から入力した車速信号、ブレーキ信号を入力し、これらの信号と前記の車間距離、相対速度などの信号に基づき車両の安全判断（例えば警報判断）を行い、これらの情報をシリアル通信（ＣＡＮ通信；Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）により車両コントロールユニット（外部装置）１００に送る。それにより、車間制御や警報などが条件に応じて発せられる。ＩＧＮ（イグニション）のキースイッチ信号３０が入力されると、ミリ波レーダ装置１の電源２６が供給される。
第１図は、本実施例に係るミリ波レーダ装置の実装構造を示す縦断面図である。
多層基板２は、無機材料（誘電体基板）２００を複数積層し、層間には導電層２０１が介在してなる。
多層基板２の表面には、有機材料で形成されたアンテナ３がパターン印刷により形成されている。アンテナ３は、送信アンテナ部３Ａと受信アンテナ部３Ｂとが第２図に示すようにパッチアンテナにより多層基板２の表面上に区画形成されている。
多層基板２の裏面には、導電膜により配線パターン（信号処理回路パターン）３５が形成され、ミリ波を形成し送受信の信号処理を行う電子部品が配設されている。
多層基板２には、導電性材料を充填することにより、もしくは電磁結合方式によって信号伝達を行うビアホール６が形成されている。アンテナ３は、ビアホール６を介して信号処理回路の配線パターン３５と電気的に接続されている。
上記電子部品のうち、ＲＦモジュール２０（第９図（ａ）のミリ波信号の発信器２０１、ミキサ（周波数変換回路）２０２及び増幅器よりなる）は、ケース４およびカバー５よりなる気密封止部４５に収納され、その他の電子部品（第１０図のアナログ部２３に用いる電子部品やデジタル信号処理部２５に用いる電子部品）は、気密封止部４５周辺に非気密構造により配置されている。気密封止部４５は、例えば多層基板２の中央付近に局部的に形成され、内部には窒素ガス等の不活性ガスが封入されている。ケース４、カバー５は、一般にセラミック材などの無機材料が用いられるが、金属材料でも構造上は可能である。
第１図に示すマイコン２５１や高速信号処理ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２５２は、ＲＦ信号をデジタル処理するもので、上記したデジタル信号処理部２５を構成する。これらの電子部品は、ケース４の外に配置され、湿分などから保護するために有機保護レジン９が塗布されている。
上記したアンテナおよび電子部品を備える多層基板２は、電磁波の通過を良好にしたプラスチック製のレドーム（Ｒａｄａｒ Ｄｏｍｅ）７と、ノイズなどの外部信号が入りにくくした金属製のケース８によって覆われている。
レドーム７は、アンテナパターン３を機械的に保護する。レドーム７の内面と多層基板２のアンテナ１０側の面との距離（設計ギャップ）ｄでは、ミリ波の波長の整数倍としてある。その理由は、距離ｄを１波長の整数倍とすることで、アンテナ３から発するミリ波（送信信号）の反射をなくし信号ロスが少なくなるためである。例えば、ミリ波の周波数が７６〜７７ＧＨｚである場合は、１波長としては、３．９０〜３．９５ｍｍとなる。したがって、距離ｄ＝（３．９０〜３．９５）×Ｎとなる。Ｎは整数倍である。
多層基板１００面に設けた、ＲＦモジュール２０やマイコン２５１、ＤＳＰ２５２は、上記した金属製（導電性）のケース８で覆われて外部電波から保護されている。ケース８は、金属材料を基本とするが、プラスチック材の表面に導伝性材料をめっきやスパッタで形成したものでも良い。
本実施例のＲＦモジュール（ＩＣチップ）２０やマイコン２５１、ＤＳＰ２５２は、ベアチップとして、第１１図に示すように、フェイスダウン方式すなわち電極面を下側に向けて、多層基板２上の配線パターン３５とはんだ８０を介して電気的に接続している。また、第１２図に示すように、フェイスアップ方式すなわち電極面を上側に向けて、ワイヤボンディング８１を介して多層基板２上の配線パターン３５と電気的に接続してもよい。このようなフェイスダウン又はフェイスアップの実装構造を採用することで、装置の薄形に貢献できる。
第３図に、第１図に示したミリ波レーダ装置の電子部品の配置を示す。
多層基板２の一面（裏面）には、中央に配置した気密封止部４５の外周りにマイコン２５１やＤＳＰ２５２、さらには専用ＩＣ１１、パワーＭＯＳＩＣ１２、電源レギュレータ１３、オペアンプ１４、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ１５、チップ抵抗器３６、チップコンデンサ３７、チップダイオード３８などが配置されている。
レドーム７は、多層基板２と接合されて多層基板２と一体構造をなしている。この接合構造の最適例については第５図及び第６図により後述する。
レドーム７の両端には、ケース８よりも外側に突出した張り出し部７２が形成され、この張り出し部７２にミリ波レーダ装置１を所定個所に設置するための取付孔７２が複数設けられている。レドーム７を多層基板２に直接接合することで、製作プロセスにおいて、基板２表面とレドーム７内面との間の寸法ｄの管理が容易となり（寸法ｄによる平行間隔の保持）、また、他の部材を介さないでレドーム７・多層基板２の一体物を所定方向に向けるように設置できるので、他の部材の寸法誤差といった要因を排除して、アンテナ３を精度良く設置することができる。したがって、これらの構造は、送受信感度を向上させることができる。ケース８は、レドーム７と多層基板２とを接合した後に、レドーム７及び／又は多層基板２と接合される。
ここで、第５図、第６図により、多層基板２とレドーム７との接合構造の最適例について説明する。
レドーム７の開口内縁には、多層基板２の周縁と嵌合する嵌合部７４が形成されている。嵌合部７４は、多層基板２のアンテナ側の面に対する第１の面７４ａと、多層基板２の側面に対する第２の面７４ｂとが形成され、面７４ｂと張り出し部７２の交わる部位には、接合用の接着剤７０がレドーム７と多層基板２との間の接合部に入り易くした外広がりのアール７５が形成されている。また、面７４ａには、溝７３が形成されている。
上記の面７４ａを多層基板２の表面に突き合わせることにより、多層基板２とレドーム７との間には、所定の設計ギャップｄが精度良く確保できる。多層基板２とレドーム７とを突き合わせた後に接着剤７０を基板２・レドーム７の接合部に注入するが、このときに接着剤７０がオーバーフローしても、接着剤７０の余分な分は溝（接着剤溜まり）７３に入り、接着剤７０がミリ波装置内部に侵入するのを防止でき、製品の質を高めることができる。
レドーム７の一辺には、外部接続端子を有するコネクタ１０がレドーム７と一体に形成されている。
第３図に示すように、多層基板２には、温度センサ３００を配置している。ミリ波形成用の発振器２０は、温度により特性変化するおそれがあるため、この温度センサ３００により多層基板２の温度状態を監視して、発振器ＩＣの発振周波数の監視や、温度制御による発振周波数の維持、もし発振周波数が規定外にずれた時の警告を発するようにしている。
第７図に、多層基板２の他の実施態様の断面図を示す。
第７図における多層基板２は、層間に複数のヒータ２０３を介在させたもので、温度の均一性が得られるようにしてある。また、ヒータ２０３は、温度センサ３００の検出値に基づき所定温度に制御されるように設定してある。ミリ波の発振器の特性を安定させるためには、第１図の装置自体の温度管理及び温度均一性が重要である。特にミリ波７６．５ＧＨｚは、電波法から使用温度範囲において、発振周波数が７６から７７ＧＨｚの間にあることが求められている。
これを実現するために、多層基板２の内部にヒータ２０３を形成しておき、既述した温度センサ３００とあいまって、温度制御するものである。ヒータ制御ＩＣの小型化のためにヒータ電源は、電圧が３０−５０Ｖを使用している。
なお、第１図の実施例では、マイコン２５１やＤＳＰ２５２などの電子部品の湿度保護のために有機保護レジン９を塗布しているが、これに代わり、第４図に示すように、ケース８と多層基板２間の空間（気密封止部４５を除く）に有機保護レジン４１を充填しても特性上は、なんら問題がない。
次ぎに本実施例に係るミリ波レーダ装置の主要部（モジュール）の製造工程を第８図により説明する。
誘電体基板となるグリーンシートを複数積層し、層間には導電層２０を介在させて、焼成することにより、多層基板２が形成される。導電層２０１は、電源層と各電源毎のグランド層などによって構成される。
第８図（ａ）に示すように、多層基板２には、ビアホール６を形成し、多層基板２の裏面には配線パターン３５とケース４を形成する。
次いで（ｂ）（ｃ）に示すように多層基板２にレジン膜１１０を形成し、その上に金属膜を形成しパターニングしてアンテナパターン３を形成する。次いで（ｄ）（ｅ）に示すように、アンテナパターン３の導電部の一部に穴１２０を空け、この穴２０にアンテナパターン３がビアホール６と接続されるように導電性材料１３０をスパッタなどで充填する。その後、（ｆ）〜（ｈ）に示すように、ＲＦモジュールチップ２０、マイコン２５１、ＤＳＰ２５２などの電子部品を接合して電気信号回路を形成する。また、カバー５をケース４に気密封止構造により接合し、マイコン２５１やＤＳＰなどのベアチップには有機保護レジン４０を塗布する。
上記製造工程において、第８図（ｇ）の過程、すなわちＲＦモジュール２０を気密封止構造にした過程（その他の電子部品の搭載工程前）で、ミリ波のアンテナ特性の検査が行われる。また、第８図（ｈ）に示すように多層基板２に全ての電子部品が搭載された過程で、全体の入出力特性検査が行われる。
本実施例によれば、次ぎのような効果を奏する。
▲１▼多層基板２にアンテナパターン３及び信号処理用の電子部品を一体に設けたので、部品の実装密度を高め装置のコンパクト化を図ることができる。
▲２▼アンテナ信号を処理する発振器、増幅器、周波数変換器がベアＩＣにより構成されてもこれらの電子部品を気密封止して完全なる湿度保護を図ることにより、ミリ波の周波数特性が変化するのを防止することができる。特に本実施例では、厳しい耐湿度条件が要求されるミリ波の発振器、周波数変換器については気密封止構造とし、それよりも耐湿度条件が緩やかなマイコン、ＤＳＰなどのベアチップについては簡易なレジンコーティングにより湿度保護を図る構造を採用している。したがって、気密封止のようにコストの比較的かかる部分については、必要最小限の部品に限りまたその設置スペースも局所的に限定し、その周辺に非気密構造でその他の電子部品を配設することで、実装密度を高めつつ低コスト化を測ることができる。
▲３▼ミリ波の発振器、増幅器、周波数変換器をその他の電子部品と別にして局所的に気密封止構造とすることにより、装置全体の入出力特性の測定検査に先立ちアンテナ特性のテスト、検査を行うことができる。したがって、この段階で不良品が見つかれば、全体の部品組み立て前に不良品を排除し得るので、部品の無駄をなくすことができる。
▲４▼アンテナとレドーム間の設計ギャップの製造上の寸法管理が行い易い構造としてあり、また、ミリ波の送信波のレドーム面での反射を防止することで、レーダ精度を高めることができる。
▲５▼さらに、ミリ波レーダ装置の取り付け精度を高めることで、より一層、レーダ精度を高めることができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、ミリ波レーダのアンテナ信号を形成し送受信処理する回路と受信信号を受けて処理する回路を一体にでき、かつ小型・薄形で低コストにして精度の高いミリ波レーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例に係るミリ波レーダ装置の縦断面図、第２図は上記ミリ波レーダ装置の一部を切り欠いて示す平面図、第３図はレドームと多層基板の結合状態を裏面からみた図、第４図は第２実施例に係るミリ波レーダ装置の縦断面図、第５図はレドームと多層基板の結合状態を断面して示す図、第６図は第５図の部分拡大断面図、第７図は上記多層基板の一例を示す断面図、第８図は上記実施例に係るミリ波レーダ装置の製造工程を示す説明図、第９図は本発明に係るミリ波レーダ装置の原理図、第１０図はその回路図、第１１図及び第１２図は上記実施例に用いるミリ波レーダの関連部品の搭載方式を示す図である。

Claims (9)

  1. ミリ波帯の電磁波を外部に送信して物標からの反射波を受信するアンテナと、前記反射波を信号処理する回路を備えた車載用ミリ波レーダ装置において、
    誘電体基板を複数積層し層間に導電層が介在してなる多層基板を有し、
    前記多層基板は、一面に、前記アンテナがパターン形成され、他面には、回路の配線パターンとミリ波の信号処理用の電子部品とが配設され、前記電子部品のうちミリ波信号の発振器、増幅器、周波数変換器は、前記多層基板の面上に局部的に形成した気密封止部に収納され、その他の電子部品がこの気密封止部の周辺に非気密構造により配置され、
    さらに、前記レーダ装置は、前記多層基板のアンテナ側の面を覆うプラスチック製のレドームを備え、前記レドームの両端には、外側に突出した張り出し部が形成され、前記レドームの開口内縁には、前記多層基板の周縁と嵌合する嵌合部が形成され、この嵌合部には、前記多層基板のアンテナ側の面と突き合わせられる第１の面と前記多層基板の側面と対面する第２の面とで形成され、前記第２の面と前記張り出し部との交わる部位に外広がりのアールが形成され、前記第１の面には、溝が形成され、このレドームの開口内縁に前記多層基板が接着剤を介して嵌合していることを特徴とする車載用ミリ波レーダ装置。
  2. 前記ミリ波信号の発振器、増幅器、周波数変換器は、不活性ガス雰囲気で気密封止され、一方、非気密構造により配置された前記その他の電子部品の少なくとも一部は、レジンコーティングにより保護されている請求項１記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  3. 前記アンテナパターン，前記気密封止部，前記電子部品を搭載した前記多層基板がプラスチック製のレドームと導電性を有するケースによって覆われている請求項１又は２記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  4. 前記ミリ波信号の発振器、増幅器、周波数変換器は、ＩＣ化されて前記気密封止部に収納されている請求項１から３のいずれか１項記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  5. 前記多層基板のアンテナ側の面を覆うプラスチック製のレドームと前記電子部品を配設した側の面を覆う導電性を有するケースとを備え、前記レドームは前記多層基板に接合されて該多層基板と一体構造をなし、前記レドームに前記ケースよりも外側に突出した張り出し部が形成され、この張り出し部にミリ波レーダ装置の取付孔が設けられている請求項１から４のいずれか１項記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  6. 前記レドームに入出力端子の外部接続用のコネクタが一体に成形されている請求項３又は５記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  7. 前記多層基板の表面もしくは内部に温度センサを有する請求項１から６のいずれか１項記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  8. 前記多層基板にヒータを有し、このヒータを電圧３０〜５０Vでヒータ制御する請求項１から７のいずれか１項記載の車載用ミリ波レーダ装置。
  9. 前記レドームの内面と前記多層基板のアンテナ側の面との間の距離は、前記ミリ波の波長の整数倍である請求項１から８のいずれか１項記載の車載用ミリ波レーダ装置。
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