(57)【要約】      （修正有）【課題】アンテナ部側からの電気的影響を抑制することができる高周波センサ装置を提供する。【解決手段】送信波を発生する発振回路と、前記送信波の被検知体からの反射波を受信して前記受信波を検知する検波回路を有するアンテナ部と、前記アンテナ部の一方の主面と対向する第１の基板と、前記第１の基板の第１の主面上にある前記検波回路から出力された信号から前記被検知体の動きに関する判定を行う制御回路からなる制御部と、前記アンテナ部の前記制御部と対向する側の主面にある、前記アンテナ部から所定の周波数の送信波を発信させる空間を有する導電性のケースと、前記第１の基板の前記第１の主面と対向する第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、第１の接地電極が設けられ、前記第１の基板の前記第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、電子部品が設けられていない。【選択図】図１
2010139258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波を発生する発振回路と、前記送信波の被検知体からの反射波を受信波として受信して前記受信波を検知する検波回路と、を有するアンテナ部と、
前記アンテナ部の一方の主面と対向して設けられた第１の基板と、前記第１の基板の第１の主面上に設けられ前記検波回路から出力された信号に基づいて前記被検知体の動きに関する判定を行う制御回路と、を有する制御部と、
前記アンテナ部の前記制御部と対向する側の主面に設けられ、前記アンテナ部から所定の周波数の送信波を発信させるための空間を有する導電性のケースと、
を備え、
前記第１の基板の前記第１の主面と対向する第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、第１の接地電極のみが設けられ、
前記第１の基板の前記第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、電子部品が設けられていないこと、を特徴とする高周波センサ装置。
【請求項２】
送信波を発生する発振回路と、前記送信波の被検知体からの反射波を受信波として受信して前記受信波を検知する検波回路と、を有するアンテナ部と、
前記アンテナ部の一方の主面と対向して設けられ、層間に回路パターンと、接地パターンと、を有する多層構造の第２の基板と、前記第２の基板の第１の主面上に設けられ前記検波回路から出力された信号に基づいて前記被検知体の動きに関する判定を行う制御回路と、を有する制御部と、
前記アンテナ部の前記制御部と対向する側の主面に設けられ、前記アンテナ部から所定の周波数の送信波を発信させるための空間を有する導電性のケースと、
を備え、
前記第２の基板の前記第１の主面と対向する第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、前記接地パターンと連通するスルーホールのみが設けられ、
前記第２の基板の前記第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向しない部分には、前記回路パターンと連通するスルーホールが設けられていること、を特徴とする高周波センサ装置。
【請求項３】
前記第１の基板には、前記送信波の周波数を調整する周波数調整ネジを操作する貫通孔が設けられていること、を特徴とする請求項１記載の高周波センサ装置。
【請求項４】
前記第２の基板には、前記送信波の周波数を調整する周波数調整ネジを操作する貫通孔が設けられていること、を特徴とする請求項２記載の高周波センサ装置。
【請求項５】
前記アンテナ部は、
第３の基板と、
前記第３の基板の第１の主面に設けられたパッチ電極を有する給電素子及び無給電素子と、
を含み、
前記無給電素子には、前記第３の基板の第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、
前記伝送線路の終端部は、高周波スイッチの一方の端子に接続され、
前記高周波スイッチの他方の端子は、前記第３の基板の第２の主面に設けられた第２の接地電極に接続され、
前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第３の基板の第１の主面に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項６】
前記伝送線路は、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して直交する辺の中央付近から前記励振方向に対して略平行に延在する部分を含み、
前記伝送線路は、前記高周波スイッチをオンとすると前記第２の接地電極に接続され、オフとすると前記第２の接地電極に非接続とされ、
前記高周波スイッチをオン及びオフのうちいずれか一方とすることによりアンテナゲインがゼロまたはマイナスである状態とされ、いずれか他方とすることによりアンテナゲインがプラスで且つ位相がプラスである状態とされることを特徴とする請求項５記載の高周波センサ装置。
【請求項７】
前記高周波スイッチの前記他方の端子は、前記第３の基板を貫通して設けられたスルーホールを介して前記第２の接地電極と接続されることを特徴とする請求項５または６に記載の高周波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、一般に、高周波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波などが人体にあたると反射波あるいは透過波を生じる。この反射波または透過波を受信し人体の有無を検出するのが高周波センサ装置であり、自動ドア、機器のリモートコントロール、便器洗浄装置などに使用できる。さらに、移動物体を検出する高周波センサ装置もあり、例えば水洗便器の自動洗浄などに有用である。
【０００３】
人体を含む移動物体を検知するには、ドップラー効果を利用することができる。すなわち、電波や音波が移動物体に当たり反射すると、反射波の周波数がドップラーシフトする。反射波及び送信波の差分周波数スペクトラムを求めることにより移動物体が検知される。さらにドップラー周波数は物体の移動速度に比例するので、移動速度を知ることもできる。
このような高周波センサ装置として、基板の表面に無給電素子を設け、これを基板内のスルーホール式の制御線を通じて基板の背面側に設けられた高周波スイッチなどと電気的に接続させる技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００６／０３５８８１Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、無給電素子などが設けられたアンテナ部と、被検知体の動きを判定し動作信号を出力する回路などを備えた制御部と、を近接させて設けることができれば高周波センサ装置の小型化を図ることができる。
しかしながら、特許文献１（ 国際公開番号ＷＯ２００６／０３５８８１Ａ１号）に開示がされた技術においては、アンテナ部と制御部とを近接させることが考慮されていなかった。
この場合、単にアンテナ部と制御部とを近接させると、接触による短絡を起こしたり、アンテナ部側からの電気的な影響が制御部側に伝わりやすくなる。そのため、高周波センサの信頼性を損ねるおそれがある。
【０００５】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、小型化を図ることができ、かつ信頼性の高い高周波センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、送信波を発生する発振回路と、前記送信波の被検知体からの反射波を受信波として受信して前記受信波を検知する検波回路と、を有するアンテナ部と、前記アンテナ部の一方の主面と対向して設けられた第１の基板と、前記第１の基板の第１の主面上に設けられ前記検波回路から出力された信号に基づいて前記被検知体の動きに関する判定を行う制御回路と、を有する制御部と、前記アンテナ部の前記制御部と対向する側の主面に設けられ、前記アンテナ部から所定の周波数の送信波を発信させるための空間を有する導電性のケースと、を備え、前記第１の基板の前記第１の主面と対向する第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、第１の接地電極のみが設けられ、前記第１の基板の前記第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、電子部品が設けられていないこと、を特徴とする高周波センサ装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、送信波を発生する発振回路と、前記送信波の被検知体からの反射波を受信波として受信して前記受信波を検知する検波回路と、を有するアンテナ部と、前記アンテナ部の一方の主面と対向して設けられ、層間に回路パターンと、接地パターンと、を有する多層構造の第２の基板と、前記第２の基板の第１の主面上に設けられ前記検波回路から出力された信号に基づいて前記被検知体の動きに関する判定を行う制御回路と、を有する制御部と、前記アンテナ部の前記制御部と対向する側の主面に設けられ、前記アンテナ部から所定の周波数の送信波を発信させるための空間を有する導電性のケースと、を備え、前記第２の基板の前記第１の主面と対向する第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向する部分には、前記接地パターンと連通するスルーホールのみが設けられ、前記第２の基板の前記第２の主面上であって、前記導電性のケースと対向しない部分には、前記回路パターンと連通するスルーホールが設けられていること、を特徴とする高周波センサ装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型化を図ることができ、かつ信頼性の高い高周波センサ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。      
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる高周波センサ装置を表し、図１（ａ）はその模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はケース１６側から見た模式平面図である。      
図２は、比較例に係る高周波センサ装置の模式断面図である。    
また、図３は、比較例に係るアンテナ部の模式平面図である。    
まず、図２、図３に例示をする比較例について説明する。    
図２に示すように、比較例に係る高周波センサ装置１００には、アンテナ部１５０と、制御部１５８と、が設けられている。そして、アンテナ部１５０と、制御部１５８とは、スペーサ１５２、１５４を挟んでネジ１６２により互いに固定されている。
【００１０】
アンテナ部１５０は、基板１１０の表面に給電素子１２０及び無給電素子１３０を有し、基板１１０の裏面に接地電極７００及び高周波スイッチ１２５を有している。制御部１５８は、アンテナ部１５０からの信号に基づいて被検知体の動きに関する判定を行い、判定結果を動作信号として外部に出力するための制御回路を備えている。また、アンテナ部１５０と制御部１５８とは基板１１０のスルーホールを貫通する給電線１６０を介して電気的に接続されている。
また、図３に示すように、基板１１０の表面に設けられた無給電素子１３０は、伝送線路１４０をそれぞれに有している。伝送線路１４０の中間にはスルーホールが設けられ、スルーホールを介して無給電素子１３０が高周波スイッチ１６０の一方の端子に接続されている。高周波スイッチ１６０の他方の端子は接地電極７００に接続されている。そして、制御電圧により高周波スイッチ１６０をオン、オフとに切替え、伝送線路１４０の長さを変化させることで、無給電素子１３０の位相及び利得を変化させるようにしている。この結果、電波ビームの放射方向を制御することができるようになっている。
【００１１】
このように、アンテナ部１５０と、制御部１５８とを、対向させて、これらを積層状に設けるようにすれば高周波センサ装置１００の小型化を図ることができる。しかしながら、このような構成では、アンテナ部１５０側からの電気的な影響が制御部１５８側に伝わりやすくなる。そのため、ノイズなどが発生しやすくなり高周波センサ装置１００の機能や信頼性が低下するおそれがある。
【００１２】
次に、図１に戻って、本実施の形態にかかる高周波センサ装置について例示をする。  
高周波センサ装置９０には、アンテナ部９３と、制御部９２と、が設けられている。  
図１（ａ）において、高周波センサ装置９０を構成するアンテナ部９３は、基板１０の略中心に給電素子２０と、給電素子２０を中心にＸ字型に配置された無給電素子３０と、を有している。給電素子２０及び無給電素子３０は、基板１０の一方の主面に設けられたパッチ電極を有する。基板１０の他方の主面、すなわちパッチ電極の裏面は接地電極１２となっている。
【００１３】
給電素子２０は、図１（ａ）における左右対称軸上の中間点よりずれた点を給電点Ｐとしている。図１（ｂ）のように接地電極１２に設けられた開口部を介して、給電点Ｐは給電線２４によりアンテナ部９３を励振する給電部２６へ電気的に接続される。そのため、アンテナ部９３は図１（ａ）の矢印の向きに送信波を放射し、かつ反射波を受信することができる。
【００１４】
無給電素子３０は、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄからなる。励振方向と９０度をなす方向において、無給電素子３０の略中央には伝送線路４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを含む）が励振方向と平行方向にかつ互いに逆向きに延在している。伝送線路４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを含む）にそれぞれに接続された制御線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、基板１０の端部に近接して配置された制御端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを介して制御部９２へと接続される。
【００１５】
図１（ｂ）に表すように、アンテナ部９３の基板１０は固定ネジ１５によりケース１６へ固定される。給電部は、ＦＥＴのような発振素子８０を含み送信波を発生する発振回路、及び検波素子８６を含みアンテナ部９３で受信した反射波を検波する検波回路を有する。発振素子８０からの送信波の周波数を調整するために発振回路は誘電体共振器８２及び周波数調整ネジ８４を有する。
【００１６】
また、ケース１６には、制御部９２が図示しない固定ネジなどにより固定される。すなわち、制御部９２はケース１６を介してアンテナ部９３の一方の主面と対向して設けられる。制御部９２は、基板２１を有している。基板２１の一方の主面には、各種の電子部品２３が実装されている。この電子部品２３により構成される制御回路により、アンテナ部９３（検波回路９５；図６を参照）から出力された信号に基づいて被検知体の動きに関する判定を行う。そして、判定結果を動作信号として外部に出力する。基板２１の端部には、電子部品２３などへ電圧を供給するための電圧Ｖｃｃ端子２５ａ、接地端子２５ｂなどが設けられている。また、基板２１には、送信波の周波数を調整する周波数調整ネジ８４を操作するための貫通孔２１ａが設けられている。なお、電子部品２３が実装される主面と対向する側の主面がケース１６側となるようにして制御部９２がケース１６に固定される。
【００１７】
ここで、制御部９２を小型化するためには、基板２１の両面に電子部品２３を実装すればよい。しかしながら、基板２１の両面に電子部品２３を実装するようにすれば、図２に例示をした比較例のようにアンテナ部９３側からの電気的な影響を受けやすくなる。
【００１８】
そのため、本実施の形態においては、基板２１の電子部品２３が実装される主面と対向する側の主面に、接地電極２２を設けるようにしている。この接地電極２２は、基板２１の当該主面の全面に設けられている。また、接地電極２２は、図示しない配線部材などを介して接地されている。そのため、アンテナ部９３に対して制御部９２が電磁シールドされ、アンテナ部９３側からの電気的影響を抑制することができる。その結果、高周波センサ装置９０の小型化を図ることができ、かつ信頼性を向上させることができる。
【００１９】
また、接地電極２２は、基板２１の層間の全面に設けられていてもよい（後述する図４（ｂ）を参照）。すなわち、基板２１のアンテナ部９３と対向する側の主面の全面及び基板２１の層間の全面の少なくとも一方に接地電極２２を設けるようにすることができる。  なお、本明細書において「全面」とは、必ずしも主面や層間の「全域」である必要はなく、アンテナ部側からの電気的影響を抑制することができる程度に接地電極が設けられていればよい。
【００２０】
また、ケース１６を金属などの導電性材料で構成し、所定の周波数にて発信させるための空間１６ａを設けるようにしてもよい。すなわち、アンテナ部９３から所定の周波数の送信波を発信させるための空間１６ａを有する導電性のたケース１６を設けるようにしてもよい。ケース１６を金属などの導電性材料で構成するようにすれば、アンテナ部９３側からの電気的影響をさらに抑制することができる。
【００２１】
図１（ｃ）は、高周波センサ装置９０のケース１６側から見た模式平面図である。基板１０の端部には、給電部２６の発振素子８０などへ供給するための電圧Ｖｃｃ端子７２、接地端子７４、ドップラー信号の出力端子７６が設けられている。
【００２２】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る高周波センサ装置の模式図である。なお、図４（ａ）は高周波センサ装置の模式正面図を表し、図４（ｂ）は、基板の層間の全面に設けられた接地電極を表している。    
図４に示すように、高周波センサ装置９０ａに設けられたケース１６の一方の端面側には、固定ネジ１５によりアンテナ部９３の基板１０が固定されている。また、基板１０の端部にはリードフレーム１７が設けられている。そして、リードフレーム１７により制御部９２の基板２１が保持されるようになっている。基板２１の両主面には、各種の電子部品２３が実装されている。
【００２３】
なお、基板２１のケース１６と対向する側の主面においては、ケース１６と対向しない部分にのみ電子部品２３や、電源パターン、信号パターンなどの回路パターン２７が設けられている。また、後述するように、ケース１６と対向する部分には接地電極２２のみが設けられている。この場合、接地電極２２はケース１６と対向する部分の全面に設けられている必要はなく、部分的に設けられていてもよい。
【００２４】
ここで、ケース１６が金属などの導電性材料で構成されている場合、基板２１のケース１６と対向する部分に回路パターン２７（電源パターン、信号パターン）や電子部品２３が有ると、接触による短絡を起こすおそれがある。そのため、ケース１６と基板２１とを単純に重ね合わせる（接触させる）ことができず、小型化の妨げになるおそれがある。また、アンテナ部９３、制御部９２の片方の端部を支えるようにした場合、アンテナ部９３と制御部９２とが接触しないように隙間を設けたとしても、支える部分が片方しかない為に、不意な力によって接触する可能性もある。
【００２５】
そのため、本実施の形態においては、基板２１のケース１６に対向する部分に、少なくとも接地電極２２（グランドパターン）のみを配置するようにしている。また、接地電極２２は、図示しない配線部材などを介して接地するようにしている。そのため、金属などの導電性材料で構成されているケース１６を接地電位とすることができるので、仮に基板２１の接地電極２２（グランドパターン）がケース１６に接触しても、短絡することはない。
また、さらに基板２１のケース１６に対向する部分の全面に接地電極２２を設けて、金属などの導電性材料で構成されているケース１６と基板２１（接地電極２２）とを接触させるようにすれば、グランドパターンの強化を図ることができる。
【００２６】
本実施の形態によれば、小型化のためにアンテナ部９３と制御部９２とを近接させてもアンテナ部９３に対して制御部９２が電磁シールドされているので、アンテナ部９３側からの電気的影響を抑制することができる。また、小型化のためにアンテナ部９３と制御部９２とを近接させても短絡することがない。
そのため、高周波センサ装置９０ａの小型化を図ることができ、かつ信頼性を向上させることができる。
【００２７】
なお、接地電極２２は、基板２１の層間の全面に設けられていてもよい。すなわち、基板２１のアンテナ部９３と対向する側の主面の全面及び基板２１の層間の全面の少なくとも一方に接地電極２２を設けるようにすることができる。
ここで、高周波センサ装置９０ａの軽量化、低コスト化などのためにケース１６が小型化される場合がある。このような場合、図４に示すように、ケース１６から制御部９２がオーバーハングして設けられることになる。そのため、ケース１６が導電性材料からなり電磁シールド可能となっていても、ケース１６による電磁シールドがされない領域が制御部９２に生ずることになる。
【００２８】
この場合、基板２１のアンテナ部９３に対向する側の主面の全面に接地電極２２を設けるようにすれば、ケース１６の材質にかかわりなく電磁シールドを行うことができる。その結果、アンテナ部９３側からの電気的影響を抑制することができる。
【００２９】
なお、接地電極２２は、図４（ｂ）に示すように基板２１の層間の全面に設けられていてもよい。すなわち、基板２１のアンテナ部９３と対向する側の主面の全面及び基板２１の層間の全面の少なくとも一方に接地電極２２を設けるようにすることができる。
また、基板２１の層間には電源パターンや信号パターンなどの回路パターン２７を設けることもできる。そして、スルーホール２２ａ、２７ａにより接地電極２２、回路パターン２７と、基板２１の表裏に設けられたパターンとをそれぞれ接続させることもできる。
この場合、ケース１６に対向する部分には、スルーホール２２ａのみが設けられ、スルーホール２７ａは設けられていない。なお、スルーホール２７ａはケース１６と対向しない部分にのみ設けられている。
【００３０】
図５は、本発明の第３の実施の形態にかかる高周波センサ装置を表し、図５（ａ）はその模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はケース１６側から見た模式平面図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、高周波センサ装置９０ｂを構成するアンテナ部９３ａは、基板１０の略中心に給電素子２０と、給電素子２０を中心にＸ字型に配置された無給電素子３０と、を有している。基板１０に設けられた無給電素子３０は、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄからなる。励振方向と９０度をなす方向において、無給電素子３０の略中央には伝送線路４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを含む）が励振方向と平行方向にかつ互いに逆向きに延在している。伝送線路４０の終端には高周波スイッチ６０が接続されており、それぞれの高周波スイッチ６０は電気的にオンまたはオフに制御可能となっている。高周波スイッチ６０は、６０ａ（ＳＷ１）、６０ｂ（ＳＷ２）、６０ｃ（ＳＷ３）、６０ｄ（ＳＷ４）を含む。
【００３２】
４つの高周波スイッチ６０のうちいずれかひとつをオフ（開放状態）とし、他をオン（短絡状態）とすることにより電波ビームを必要な方向に精度良く制御できる。４つの高周波スイッチ６０を順番にオフとして行くと、電波ビームの方向をこの順番に変えて行くことができ、物体またはその移動スピードが検知できる。高周波スイッチ６０により電波ビームの放射方向を制御する作用については後に説明する。
【００３３】
本実施形態において、高周波スイッチ６０は接地電極１２の側ではなくパッチ電極側に設けられ、高周波スイッチ６０を制御するための電圧は無給電素子３０との間の影響を低減するように基板１０の周辺部に配置された制御線４２を介して供給される。この場合、制御線４２のパターン幅を例えば０．１〜０．５ｍｍ程度に細くし、励振方向と平行する無給電素子３０の端辺とその端辺に対向する位置に配置された制御線４２との間隔をλｇ／３（但しλｇは使用周波数における基板上の波長）以上とすることが好ましい。この間隔が狭すぎると無給電素子３０の位相に影響を与え所定の方向、所定の角度に電波ビームを放射できなくなる。また、高周波スイッチ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄにそれぞれに接続された制御線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、基板１０の端部に近接して配置された制御端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを介して制御部９２へと接続される。
【００３４】
図５（ｂ）に表すように、アンテナ部９３ａの基板１０は固定ネジ１５によりケース１６へ固定される。給電部２６（図６を参照）は、ＦＥＴのような発振素子８０を含み送信波を発生する発振回路９４（図６を参照）、及び検波素子８６を含みアンテナ部９３ａで受信した反射波を検波する検波回路９５（図６を参照）を有する。発振素子８０からの送信波の周波数を調整するために発振回路９４（図６を参照）は誘電体共振器８２及び周波数調整ネジ８４を有する。
【００３５】
また、ケース１６には、制御部９２が図示しない固定ネジなどにより固定される。すなわち、制御部９２はケース１６を介してアンテナ部９３の一方の主面と対向して設けられる。制御部９２は、基板２１を有している。基板２１の一方の主面には、各種の電子部品２３が実装されている。この電子部品２３により構成される制御回路により、アンテナ部９３（検波回路９５；図６を参照）から出力された信号に基づいて被検知体の動きに関する判定を行う。そして、判定の結果を動作信号として外部に出力する。基板２１の端部には、電子部品２３などへ電圧を供給するための電圧Ｖｃｃ端子２５ａ、接地端子２５ｂなどが設けられている。また、基板２１には、送信波の周波数を調整する周波数調整ネジ８４を操作するための貫通孔２１ａが設けられている。なお、電子部品２３が実装される主面と対向する側の主面がケース１６側となるようにして制御部９２がケース１６に固定される。なお、図４において例示をしたようにリードフレーム１７により制御部９２の基板２１を保持するようにしてもよい。
【００３６】
基板２１の電子部品２３が実装される主面と対向する側の主面には、接地電極２２が設けられている。この接地電極２２は、基板２１の当該主面の全面に設けられている。また、接地電極２２は、図示しない配線部材などを介して接地されている。そのため、アンテナ部９３ａに対して制御部９２が電磁シールドされ、アンテナ部９３ａ側からの電気的影響を抑制することができる。その結果、高周波センサ装置９０の小型化を図ることができ、かつ信頼性を向上させることができる。
【００３７】
なお、接地電極２２は、基板２１の層間の全面に設けられていてもよい。すなわち、基板２１のアンテナ部９３ａと対向する側の主面の全面及び基板２１の層間の全面の少なくとも一方に接地電極２２を設けるようにすることができる。
【００３８】
また、ケース１６を金属などの導電性材料で構成し、所定の周波数にて発信させるための空間１６ａを設けるようにしてもよい。すなわち、アンテナ部９３ａから所定の周波数の送信波を発信させるための空間１６ａを有する導電性のたケース１６を設けるようにしてもよい。ケース１６を金属などの導電性材料で構成するようにすれば、アンテナ部９３ａ側からの電気的影響をさらに抑制することができる。  
【００３９】
図５（ｃ）は、高周波センサ装置９０ｂのケース１６側から見た模式平面図である。基板１０の端部には、給電部２６の発振素子８０などへ供給するための電圧Ｖｃｃ端子７２、接地端子７４、ドップラー信号の出力端子７６が設けられている。
【００４０】
図６は、高周波センサ装置の構成を例示するためのブロック図である。    
図６に示すように、高周波センサ装置９０ｂは、アンテナ部９３ａと制御部９２を備えている。アンテナ部９３ａは、給電素子２０、無給電素子３０、送信波を発生する発振回路９４、受信波からドップラー信号を取り出す検波回路９５を備えている。
アンテナ部９３ａから放射された送信波は、人体などの物体に当たり反射波を生じ、給電素子２０により受信される。アンテナ部９３ａは送受信共用でもよいし、送信用と受信用とを別にしてもよい。人体検知用の高周波センサ装置において使用可能な送信波の周波数は、１０．５２５及び２４．１５ＧＨｚである。
【００４１】
移動物体の場合、ドップラー信号がアンテナ部９３ａの出力端子７６（図５（ｃ）を参照）から出力される。このドップラー信号は、制御部９２の増幅器９６を介して人体検知判断回路９７へ入力される。また、増幅器９６の他の出力は、比較器９８を介してスイッチ操作判断回路１００へ入力される。その出力は、負荷制御回路１０１及び電波走査制御回路９９へ入力される。電波走査制御回路９９は、スイッチ操作判断回路１００及び人体検知判断回路９７からの信号により無給電素子３０の電波ビームの放射方向を変える制御信号を出力する。
【００４２】
このように、アンテナ部９３ａは制御部９２からの制御信号により電波ビームの放射方向を変化させることができる。この場合、アンテナ部９３ａの給電素子２０及び無給電素子３０の配置は図５（ａ）に例示したものに限定されない。
【００４３】
図７は、アンテナ部の変形例の模式平面図を表し、図７（ａ）は第１変形例、図７（ｂ）は第２変形例である。    
図７（ａ）の第１変形例は、励振方向と略直交するＸ方向に無給電素子３０が給電素子２０と隣接して配置されている。無給電素子３０に設けられた伝送線路４０の終端は高周波スイッチ６０の一方の端子に接続され、高周波スイッチ６０の他方の端子はスルーホールを介して基板１０の裏面の接地電極に接続されている。この場合もパッチ電極、高周波スイッチ６０、接続線４２は共に基板１０の同一主面上に形成される。
【００４４】
図７（ｂ）の第２変形例において、Ｘ方向に無給電素子３０ａが無給電素子２０ａと、無給電素子３０ｂが給電素子２０ｂと隣接して対置されている。無給電素子３０ａ及び３０ｂは２つの給電素子２０ａ及び２０ｂを挟むように配置されている。無給電素子３０ａ及び３０ｂに伝送線路４０ａ及び４０ｂの終端は高周波スイッチ６０ａ及び６０ｂの一方の端子にそれぞれ接続され、他方の端子はスルーホールを介して基板１０の裏面の接地電極にそれぞれ接続されている。給電素子２０ａの給電点Ｐ１及び給電素子２０ｂの給電点Ｐ２は基板１０に設けられたスルーホールを介して互いに接続され、給電される。この場合も接続線４２ａ及び４２ｂ、パッチ電極、高周波スイッチ６０ａ及び６０ｂはともに基板１０の同一主面上に設けられる。
【００４５】
次に、高周波スイッチ６０の作用について例示をする。      
図８は、図５（ａ）の高周波スイッチ６０ａ（ＳＷ１）を表し、図８（ａ）は伝送線路４０ａの終端部近傍を表す模式平面図、図８（ｂ）はその構成である。    
高周波スイッチ６０ａとして、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）を用いると、ゲート端子６３ａに印加する制御電圧によりソース端子６２ａ及びドレイン端子６１ａ間をオンまたはオフに切替えることができる。
【００４６】
伝送線路４０ａの終端部は、ドレイン端子６１ａに接続され、ソース端子６２ａは基板１０の導電パターン１８及びスルーホール１９を介して基板１０の裏面である接地電極１２に接続される。ゲート端子６３ａは制御線４２ａを介して基板１０の端部の制御端子７０ａへ接続される。
【００４７】
ゲート端子６３ａをゲート電圧により制御しソース端子６２ａ及びドレイン端子６１ａを導通とし高周波スイッチ６０ａをオンとすると、伝送線路４０ａは終端短絡線路として作用する。一方、ゲート電圧を制御しドレイン端子６１ａ及びソース端子６２ａ間を非導通とし高周波スイッチ６０ａをオフとすると、伝送線路４０ａは長さＪ３の終端開放線路として作用する。この場合、周波数が１０ＧＨｚ以上と高いために、図８（ｂ）のように高周波スイッチの電極（長さＪ１及びＪ２）、外部の導電パターン１８、スルーホール１９などにより寄生インダクタンスを考慮した伝送線路設計が必要である。
【００４８】
図５に例示をした場合においては、４つ高周波スイッチ６０のうちいずれかひとつをオフとして導波器とする。そして、他の３つをオンとして反射器とすることにより電波ビームの放射方向を制御する。このオフとする高周波スイッチ６０を順番に遷移させることにより電波ビームのスキャンが可能となる。この作用について、以下で詳細に説明する。
【００４９】
図９は、給電素子２０及び無給電素子３０が励振方向に対して略垂直な方向に隣接して配置されているアンテナの基本構成を例示するための模式図である。図９（ａ）は、模式平面図、図９（ｂ）は模式斜視図、図９（ｃ）は終端短絡伝送線路の模式断面図、図９（ｄ）は終端開放伝送線路の模式断面図である。
【００５０】
図９（ａ）において、給電素子２０の中心を通りＹ軸の負方向における位置が送信波の励振部と接続される給電点Ｐとする。給電素子２０は正方形とし励振方向の一辺の長さは約λｇ／２（但しλｇは波長）とする。無給電素子３０及び給電素子２０の形状は伝送線路４０以外の領域においてほぼ等しい。
【００５１】
また、給電点Ｐの横方向、かつＹ軸負方向の位置が整合点Ｑとする。無給電素子３０の中心線上で、励振方向に平行かつＹ軸正方向には長さがＬの伝送線路４０が設けられている。ここで、「伝送線路」は、基板１０の主面に設けられたストライプ状導体と、これに対向してその基板の裏面側に設けられた接地電極１２と、の組み合わせにより構成されている。
【００５２】
図９（ｂ）のように、アンテナの主面はＸＹ座標で表され、水平面内においてＸ軸からの角度をφで表す。また、この主面と垂直な方向をＺ軸とし、垂直面において、Ｚ軸からの角度をθで表す。Ｙ軸は、励振方向に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、φ及びθに関するこれらの定義は、本願明細書においてすべて同一とする。
【００５３】
このアンテナは、例えば、誘電体の両面を銅板で挟んだガラスエポキシ基板などを用いて形成できる。このような基板により構成される伝送線路、すなわちマイクロストリップラインの波長及び特性インピーダンスは誘電体の比誘電率εｒ、誘電体厚み、マイクロストリップラインのストライプ状導体幅及び厚みの関数となる。基板としては、例えばεｒを３．５、誘電体損失を表すｔａｎδを０．００４、誘電体厚みを０．７５ｍｍとする。
【００５４】
なお、伝送線路４０の終端部は短絡または開放のいずれかの状態とする。図９（ｃ）は終端短絡、図９（ｄ）は終端開放の伝送線路４０をそれぞれに表し、図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った模式断面図である。本実施形態においては高周波スイッチ６０の一方の端子は、パッチ電極側において伝送線路４０の終端部と接続される。
【００５５】
また、高周波スイッチ６０の他方の端子は、導電パターン１８及びスルーホール１９の導電性側壁を介して接地電極１２へ接続される。なお、図９（ｄ）の終端開放伝送線路の場合、スルーホール１９を用いた導電部を形成しなくともよい。
【００５６】
図１０は、終端短絡の伝送線路４０の長さＬを変化させた場合、無給電素子２０の整合点Ｑにおける振幅（Magnitude：ｄＢ）、位相（度）及び無給電素子６２のアンテナゲイン（アンテナ利得：ｄＢ）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。    
Ｌが伝送線路の４分の１波長である４．８ｍｍ近傍において、整合点Ｑにおける振幅  が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬが短い３．７ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約５．５ｄＢと最大となっている。
【００５７】
また、位相はＬが約８．１ｍｍにおいてマイナスからプラスへと転じる。これよりＬが大きい８．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインはマイナス１０ｄＢとなり最低となる。なお、位相がプラスかつ利得がプラスである場合は無給電素子３０は導波器として作用し、利得がゼロ及びマイナスである場合は反射器として作用する。
【００５８】
図１１は、整合点Ｑの位相が０乃至１４０度である無給電素子３０を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。    
例えば、整合点Ｑの位相が１１０度の場合、素子間スペースＳが２．２ｍｍにおいて全体アンテナゲインが最大である７．１５ｄＢとなることを示している。このとき、最大放射強度が得られる角度θはほぼ２７度となる。また、整合点Ｑの位相が１２０度より大きくなると全体のアンテナゲインが急激に低下し、角度θも小さくなる。
【００５９】
図１２は、Ｈ面（φが０−１８０°である垂直断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、整合点Ｑの位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。  
放射パターンは、メインビームと、これよりゲインの小さいサイドローブ（不要電波）とを含む。ここで、メインビームのゲインのピークより３ｄＢ低下した角度領域を半値角と呼ぶことにする。物体を精度よく検知するためには、メインビームのゲインが高く、メインビームとサイドローブとのゲイン差が大きいことが好ましい。
【００６０】
図１２に表すように、整合点Ｑの位相が大きくなるに従いゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点Ｑの位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインは約マイナス１９ｄＢ、半値角範囲はマイナス６５乃至マイナス５度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサ装置としての機能を備えることが可能となる。
【００６１】
図１３は、終端開放の伝送線路４０の長さＬを変化させた場合、無給電素子３０の整合点Ｑにおける振幅（ｄＢ）、位相（度）、無給電素子のアンテナゲイン（ｄＢ）をシミュレーションにより求めたグラフ図である。    
Ｌが伝送線路の２分の１波長である７．６ｍｍ近傍において整合点Ｑにおける振幅が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬが短い７．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約４．４ｄＢと最大になっている。破線で表すアンテナゲインはＬが２．４乃至４．３ｍｍの範囲でマイナスとなり、３．４ｍｍ近傍において最小値となる。
【００６２】
図８に例示をしたものの場合において、まず高周波スイッチ６０ａがオンの場合、ソース端子６２ａの位置においてスルーホール１９ａを介して接地され終端短絡伝送線路となる。この状態の無給電素子３０ａのアンテナゲインゼロまたはマイナスとすると反射器として作用する。さらに位相をマイナス１７０〜マイナス１８０度の間とするとより好ましい。これに対応するＬは、７．０以上８．０ｍｍ以下の範囲である。
【００６３】
一方、高周波スイッチ６０ａがオフの場合、伝送線路４０ａは終端開放となる。この状態の無給電素子３０ａの位相及びアンテナゲインを正とすると導波器として作用する。さらに、位相を９０〜１２０度とするとより好ましい。これに対応するＬは、６．５以上７．０ｍｍ以下の範囲である。伝送線路６１ａの長さＪ３を６．５〜７．０ｍｍの間で選択する場合、高周波スイッチ６０ａ内の電極部（Ｊ１＋Ｊ２）及びスルーホール部の長さが加算されて終端短伝送線路となる。この場合、加算される分として０〜１．５ｍｍの長さが許容されるので十分実現可能である。
【００６４】
以上のように伝送線路４０ａの長さを選択すると、高周波スイッチ６０のオンおよびオフの切替えにより無給電素子３０を反射器または導波器に容易に切替えることができる。なお、ゲート端子６３ａは伝送線路４０ａとは接続されないため高周波特性への影響は小さい。また、制御線４２ａは無給電素子３０ａから離して配置することが好ましい。
【００６５】
ここで、本実施形態にかかる高周波センサ装置のアンテナ部におけるパッチ電極の配置について説明する。図９に表したアンテナ部は基本構成であり無給電素子３０は１つである。しかし、給電素子２０を中心にした２軸上に無給電素子３０を配置すると電波ビームの放射方向の制御が容易になる。この場合、ひとつの無給電素子３０を導波器とし、他の３つの無給電素子３０を反射器とする。２軸は、励振方向への平行軸及び垂直軸の組み合わせでもよいし、励振方向に対して平行でもなく、垂直でもないＸ字状に配置された２軸の組み合わせでもよい。
【００６６】
図５（ａ）のアンテナ部において、無給電素子３０と給電素子２０とはＹ軸に対して平行な一辺において長さがＦである対向する部分を有する。またＸ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さず、パッチ電極間にはスペースがＥだけ設けられている。Ｙ軸に対して平行であり対向する部分Ｆは、ゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。給電素子２０は励振方向に平行な辺において２分の１波長の長さとされるので、４分の１波長より短い対向部分であれば無給電素子３０は重なり合わない。
【００６７】
図１４は、本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置に設けられた図５（ａ）に表すアンテナ部の特性を表し、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はＸＹ面と平行な面における水平放射パターン、図１４（ｅ）はゲインのφ依存性を表す。図１４（ａ）は、ＳＷ４のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ４、図１４（ｂ）はＳＷ１のみオフとし他をオンとするＣＡＳＥ１、図１４（ｃ）はＳＷ２のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ２、図１４（ｄ）はＳＷ３のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ３の水平放射パターンをそれぞれに表し、図１４（ｅ）はそれぞれのＣＡＳＥのゲインのφ依存性を表す。なお、対向する部分Ｆは０．１ｍｍ、パッチ電極間隔Ｅは０．２ｍｍとした。
【００６８】
放射パターンにおけるゲインの最大値となるφ方向は、ＣＡＳＥ４で６０度、ＣＡＳＥ１で１２０度、ＣＡＳＥ２で２４０度、ＣＡＳＥ３で３００度であり、Ｙ軸に関してほぼ左右対称にできる。また、ゲインが３ｄＢ低下するφ方向の半値角は、図１４（ｅ）に表すようにほぼ均一とできる。  
高周波スイッチ６０を順次切替えて、ＣＡＳＥ１〜４を順次繰り返すことにより、これら４方向を順次スキャンできる。そして、いずれかの無給電素子３０のゲインかつ位相がプラスの時に他の３つの無給電素子３０のゲインがゼロまたはマイナスとすることにより、サイドローブを抑制して電波ビームを所定の方向に放射できる。  
なお、本実施形態においては、無給電素子３０と給電素子２０とはＹ軸に対して平行な一辺において対向部分を有した。しかし、Ｘ軸に対して平行な一辺において対向部分を有していても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる高周波センサ装置を表す模式図である。
【図２】比較例に係る高周波センサ装置の模式断面図である。
【図３】比較例に係るアンテナ部の模式平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る高周波センサ装置の模式図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態にかかる高周波センサ装置を表す模式図である。
【図６】高周波センサ装置の構成を例示するためのブロック図である。
【図７】アンテナ部の変形例を表す模式平面図である。
【図８】高周波スイッチの作用を例示するための模式図である。
【図９】アンテナの基本構成を例示するための模式図である。
【図１０】終端短絡伝送線路を有する無給電素子の位相及びアンテナゲインを例示するためのグラフ図である。
【図１１】素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を例示するためのグラフ図である。
【図１２】図９のアンテナのゲインのθ依存性を例示するためのグラフ図である。
【図１３】終端開放伝送線路を有する無給電素子の位相及びアンテナゲインを例示するためのグラフ図である。
【図１４】本実施形態の電波ビームの放射パターンを例示するためのグラフ図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  基板、１２  接地電極、２０  給電素子、２１  基板、２２  接地電極、３０  無給電素子、４０  伝送線路、４２  制御線、６０  高周波スイッチ、６１  ドレイン端子、６２  ソース端子、９０  高周波センサ装置、９０ａ  高周波センサ装置、９０ｂ  高周波センサ装置、９２  制御部、９３  アンテナ部、９４  発振回路、９５  検波回路
【図１】
2010139258.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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