JP2007171031A - 電波式距離センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度依存性が低く、近距離の対象物であっても良好に距離を検出することのできる電波式距離センサを提供する。
【解決手段】検出距離に応じた周期的な基準信号ｆａを生成するパルス生成手段１と、基準信号ｆａを振幅偏移変調して変調信号Ｆ、Ｆａを送信する送信手段２と、対象物１０によって反射した変調信号Ｆ、Ｆｂを受信してパルス状の受信信号ｆｂに復調する受信手段３と、基準信号ｆａと復調された受信信号ｆｂとに基づいて対象物１０との距離を検出する距離検出手段５とを備える電波式距離センサであって、復調された基準信号ｆａと受信信号ｆｂとの排他的論理和をとることにより、位相差パルスｆｃを生成する位相差検出手段４と、位相差パルスｆｃに基づいて対象物１０との距離を検出する距離検出手段５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電波の送受信により、対象物までの距離を測定する電波式距離センサに関する。

近年、例えば自動車などにおいて、後退運転時に後方障害物を検出したり、ドア開閉時に近傍の物体を検出したりするためにセンサの利用が拡大している。この検出に際して、単なる物体の存在を検出することに留まらず、対象物までの距離が明らかになれば、利便性がさらに向上する。このため、距離センサの要望も増加している。自動車に搭載される距離センサとしては、例えば、衝突防止装置に利用されるレーダがある。下記に出典を示す特許文献１にはこのようなレーダの技術が記載されている。

特許文献１に記載されているように、一般的なレーダとして、従来、パルスレーダやＦＭ−ＣＷレーダが使用されている。
パルスレーダは、パルス形状に区切った電波を連続的に放射し、送信パルスが対象物に反射して戻ってくるまでの時間Ｔと光速度とから、対象物との距離を算出する。
ＦＭ−ＣＷレーダは、ＦＭ変調した連続波を送信しながら同時に反射波を受信する連続波（ＣＷ）レーダである。ＦＭ−ＣＷレーダは、送信信号と反射信号との周波数差から対象物までの距離を検出する。

特開平１１−２５８３４０号公報（第２頁、第１〜３図）

上記パルスレーダやＦＷ−ＣＷレーダは、それぞれ優れたものである。しかし、パルスレーダは、光速度と時間とから距離を算出するので、対象物が近距離に存在する場合には、送信と受信との時間が短くなりすぎて実用的ではない。ＦＭ−ＣＷレーダは、対象物との相対速度がゼロの場合には、周波数差が生じにくいので、対象物の検出が困難である。
また、これらのレーダは、信号の送信に際して搬送波を用いるが、この搬送波は多くの場合、誘電体発振器（DRO : Dielectric Resonator Oscillators）を用いて生成される。誘電体発振器は、温度依存性が強く、周囲の温度変化によって周波数が変動する。特に、周波数差をよって距離を検出するＦＭ−ＣＷレーダでは、温度変化による影響が大きく、回路に対策を要する。

本願発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、温度依存性が低く、近距離の対象物であっても良好に距離を検出することのできる電波式距離センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る、検出距離に応じた周期的な基準信号を生成するパルス生成手段と、前記基準信号を振幅偏移変調した変調信号を送信する送信手段と、対象物によって反射した前記変調信号を受信してパルス状の受信信号に復調する受信手段と、前記基準信号と復調された前記受信信号とに基づいて前記対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備える電波式距離センサは、下記構成を備える。
即ち、前記基準信号と復調された前記受信信号との排他的論理和をとることにより、前記基準信号と復調された前記受信信号との位相差を示す位相差パルスを生成する位相差検出手段と、前記位相差パルスに基づいて前記対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備えることを特徴とする。

この特徴構成によれば、基準信号と受信信号との位相差によって、センサと対象物との距離を検出する。位相差がパルス状の基準信号及び受信信号の一周期を超えると距離の検出が困難になるので、パルスの周期は検出距離に応じて設定される。つまり、検出距離が長い場合には長い周期、検出距離が短い場合には短い周期とするなど、検出距離に応じたパルス周期とされる。従って、本発明の電波式距離センサは、近距離であっても、遠距離であっても良好に対象物との距離を検出することができる。
基準信号の変調、及び受信信号の復調には、パルス周期よりも遥かに高い周波数の搬送波を使用する。このような搬送波を用いれば、対象物に対して指向性を絞ることができ、測定性能を向上することができる。この搬送波を生成するために電波式距離センサには、発振器が搭載される。発振器には、温度変化など環境変化に発振周波数が大きく影響されるものがあるが、送信と受信との時間差は大きくないため、温度変化などの環境変化も大きくなく、発振器の発振周波数は環境変化により影響されない。従って、基準信号と受信信号との位相差により対象物との距離を検出する本発明の電波式距離検出センサは、温度依存性が低い。

尚、パルス状の基準信号は、当然ながら変調信号よりも低い周波数である。従って、基準信号を生成する際には、低周波であるが精度のよい発振器を用いるとよい。搬送波の生成には、高い周波数（例えば１０ＧＨｚ以上）の発振器を必要とするが、上述したように温度などによる精度のばらつきを考慮しなくてよい。基準信号が安定しており、精度が保たれていれば、搬送波の精度に拘らず、位相差を精度良く検出ことができる。そして、この位相差によりセンサと対象物との間の距離を精度良く検出することができる。

また、本発明の電波式距離センサは、前記位相差検出手段が、基準信号と受信信号との排他的論理和をとることにより、位相差を示す位相差パルスを生成する。
つまり、基準信号と受信信号との排他的論理和（Ex-OR）をとることによって、位相差パルスを生成するので、瞬時に位相差を検出することができる。また、基準信号及び受信信号は低い周波数の信号であるため、安価ないわゆる論理ゲートＩＣを用いて、簡単に排他的論理和をとる回路を構成することができる。従って、回路も小型化でき、低コストに電波式距離センサを構成することができる。

また、本発明の電波式距離センサは、前記距離検出手段が、前記位相差パルスを平滑化することにより、前記対象物との距離に応じた電圧信号を生成することを特徴とする。

位相差パルスを平滑化すると、位相差パルスのデューティー比に応じた電圧信号が生成される。位相差が大きい場合にはパルス幅も広いため、電圧信号の電圧レベルが高くなり、位相差が小さい場合にはパルス幅が狭いため、電圧信号の電圧レベルが低くなる。つまり、平滑化された位相差パルスは、対象物との距離に応じた電圧レベルを有する電圧信号となり、この電圧レベルで対象物との距離を表すことができる。
平滑化は、積分回路など小規模な回路を用いて構成することができるので、簡単な構成で、電波式距離センサを構成することができる。

また、本発明の電波式距離センサは、前記受信手段が、前記基準信号を振幅偏移変調する搬送波の周波数に拘わらず、受信した前記変調信号を包絡線検波する検波部を有することを特徴とする。

搬送波によって振幅偏移変調された変調信号は、検波部において包絡線検波（ダイオード検波）される。検波後の信号は、さらに受信手段で信号処理されてパルス状の受信信号へと復調される。
本特徴構成においては、搬送波を基準とした復調を行わない。従って、搬送波を生成するための発振器の温度特性等により発振周波数が変動してもその影響を受けない。また、送受信の間に搬送波の周波数が変動するようなことがあっても、全く影響を受けずに受信信号へと復調することができる。そして、復調された受信信号と、基準信号との位相差により、対象物との距離を検出することができる。
その結果、温度依存性が低く、近距離の対象物であっても良好に距離を検出することのできる電波式距離センサを提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電波式距離センサの構成例を模式的に示すブロック図である。図２は、図１のブロック図における信号処理を説明する波形図である。図に示すように、パルス生成手段１と、送信手段２と、受信手段３と、位相差検出手段４と、距離検出手段５とを備えている。

パルス生成手段１は、図２に示すようにパルス周期Ｔ１を有する基準信号（送信信号）ｆａを生成する。このパルス周期Ｔ１は、検出距離に応じたパルス周期、即ち近距離検出であれば短い周期で、遠距離検出であれば長い周期で生成される。また、本例では、このパルス状の基準信号ｆａは、デューティー比１対１で生成される。

送信手段２は、基準信号ｆａを振幅偏移変調（ASK : amplitude shift keying）する変調部２ｂと、変調信号Ｆａ（Ｆ）を送信する送信アンテナ２ａとを備えている。本例に示す変調部２ｂは、図示するように、スイッチング手段を用いて２値による振幅偏移変調（OOK : on-off-keying）を行う。振幅偏移変調の搬送波は、発振器６の発振周波数Ｘを基準とする。従って、発振器６も送信手段２の一つを構成すると考えることができる。
図２に示すように、変調信号Ｆａは、基準信号ｆａがＨ（ハイ）状態の時、搬送波周波数に応じてオンオフされる。

受信手段３は、対象物１０によって反射した変調信号Ｆｂ（Ｆ）を受信する受信アンテナ３ａと、受信した変調信号Ｆｂを復調するミキサ３ｂとを備えている。図２に示すように、反射した変調信号Ｆｂは、センサと対象物との間を変調信号Ｆが往復する時間に相当する時間分、送信した変調信号Ｆａから位相が遅れている。アンテナ３ｂで受信した変調信号Ｆｂは、搬送波によって変調された状態であるので、ミキサ３ｂによって搬送波成分が取り除かれて復調される。ミキサ３ｂは、発振器６の発振周波数Ｘを基準とする搬送波の周波数に基づいて、ミキシングを行うので、発振器６は受信手段３の一つを構成すると考えることができる。

ミキサ３ｂの出力は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７を介して残った搬送波成分などの不要なノイズが除去され、さらに、アンプ８を介して、適性な信号レベルへと増幅・整形されて、復調後の受信信号ｆｂとなる。従って、ＢＰＦ７やアンプ８も受信手段３の一つを構成すると考えてよい。図２に示すように、受信信号ｆｂの周期Ｔ２は、基準信号ｆａの周期Ｔ１とほぼ同じである。

位相差検出手段４は、基準信号ｆａと受信信号ｆｂとの位相差Ｔ３を検出する（図２参照）。図１には、排他的論理和（Ex-OR）の論理ゲートを用いて、位相差パルスｆｃを得る例を示している。排他的論理和は、汎用ロジックＩＣを用いて簡単に構成することができるので、回路規模も大きく増大しない。また、ＩＣの伝播遅延時間（数ナノ秒）程度の瞬時で位相差を検出することができる。

勿論、これに限ることはなく、例えば、マイクロコンピュータ等へ入力して、直接、位相差Ｔ３を計測することもできる。位相差検出手段４が、マイクロコンピュータなどを用いて構成される場合、パルス状の基準信号ｆａと受信信号ｆｂとのエッジ、例えば立ち上がりエッジなどの時刻を検出し、この時間差を演算することによって、位相差を検出することができる。

距離検出手段５は、位相差Ｔ３に基づいて対象物１０との距離を検出する。位相差Ｔ３は、センサと対象物との間を変調信号が往復する時間を示しているので、位相差Ｔ３の半分に相当する時間が、センサと対象物との距離を表す。
例えば、位相差パルスｆｃを得た後に、マイクロコンピュータがパルス幅を計測し、位相差Ｔ３から距離を演算することができる。この場合、マイクロコンピュータは、距離検出手段５として機能する。
位相差検出手段４が、上述したマイクロコンピュータなどであって、位相差Ｔ３を計測或いは演算した場合には、同じマイクロコンピュータによって位相差Ｔ３から距離を演算することができる。この場合、マイクロコンピュータは、位相差検出手段４として機能すると共に、距離検出手段５としても機能する。

図２には、距離検出手段５が、位相差パルスｆｃを平滑化して、位相差Ｔ３に応じた電圧Ｖａを有する電圧信号Ｖｓを得る例を示している。平滑化は、積分回路など小規模な回路を用いて構成することができる。
位相差パルスｆｃを平滑化すると、位相差パルスｆｃのデューティー比に応じた電圧信号が生成される。位相差Ｔ３が大きい場合にはパルス幅（Ｔ３）も広いため、電圧信号Ｖｓの電圧Ｖａが高くなり、位相差Ｔ３が小さい場合にはパルス幅（Ｔ３）が狭いため、電圧信号Ｖｓの電圧Ｖａが低くなる。つまり、平滑化された位相差パルスｆｃは、対象物１０との距離に応じた電圧Ｖａを有する電圧信号Ｖｓとなり、この電圧Ｖａで対象物との距離を表すことができる。従って、距離と電圧Ｖａとの相対関係を実験等により予め定めておけば、電圧値により距離を知ることができる。

本例では、パルス状の基準信号ｆａを、デューティー比１対１で生成しているので、基準信号ｆａの立ち上がり及び立下りの両エッジにおいて検出される位相差パルスｆｃの周期はほぼ一定となる。従って、平滑化の際も周期の乱れに起因する不要な変動（脈動）を生じることがない。

本例では、デューティー比１対１で生成した基準信号ｆａの立ち上がり及び立下りの両エッジで位相差の検出を行う。従って、１８０度までの位相差が検出可能であり、誤差を勘案すれば、１２０〜１８０度程度の位相差が、検出したい対象物１０への往復距離となるようにするとよい。
上記のように電圧値で距離を表す場合に、例えば、電圧範囲を３Ｖ、位相差を１５０度とすれば、１度の位相差が約２０ｍＶに相当する。往復距離を１５ｍと設定したとすれば、位相差の１度は往復距離１０ｃｍに相当するから、対象物１０までの距離は５ｃｍになる。
位相差Ｔ３の検出精度、電圧信号Ｖｓへの変換精度、電圧信号Ｖｓの電圧値Ｖａの計測精度などを考慮して、電圧範囲を位相差で除することにより規定される分解能を定めればよい。

また、パルス状の基準信号ｆａは、当然ながら変調信号Ｆよりも低い周波数である。従って、パルス生成手段１は、低い周波数にしか対応できなくとも、精度のよい発振回路や発振器の出力に基づいて、基準信号ｆａを生成するとよい。
一方、搬送波の生成には、例えば１０ＧＨｚ以上の高い周波数が必要であり、これには高い周波数に対応した発振器が利用される。このような高い周波数の発振器として、誘電体発振器（DRO）が汎用的に用いられる。しかし、誘電体発振器は温度依存性が強いため、一般的に温度変化による周波数の変動が大きい。

本発明の電波式距離センサは、基準信号ｆａと受信信号ｆｂとの位相差Ｔ３によって障害物１０との距離を検出する。従って、送受信の際に使用されている搬送波の周波数に狂いが無ければ、この位相差Ｔ３を正確に検出することができる。基準信号ｆａの発信から受信信号ｆｂの受信までの時間は、誘電体発振器が温度の影響を受けて、発振周波数が変動するまでの時間に比べ、充分に短い。従って、送受信の際に使用されている搬送波の周波数に狂いが生じることはほとんどないといえる。つまり、誘電体発振器の温度などによる精度のばらつきは考慮しなくてよい。
本発明によれば、基準信号ｆａが安定しており、精度が保たれていれば、搬送波の精度に拘らず、位相差Ｔ３を精度良く検出ことができる。そして、この位相差Ｔ３によりセンサと対象物との間の距離を精度良く検出することができる。

〔別実施形態〕
図３は、本発明に係る電波式距離センサの他の構成例を模式的に示すブロック図である。図１に示したミキサ３ｂに代わり、検波回路３ｃを備えて変調信号Ｆｂを復調する。検波回路３ｃは、受信手段を構成するものである。
検波回路３ｃは、最も単純には、ダイオードを用いて構成される。このダイオードは、搬送波周波数周辺の周波数帯の信号に対して順方向インピーダンスが低いものを用いる。例えば、ショットキーダイオードやゲルマニウムダイオードなどが適している。

検波回路（検波部）３ｃによって、図２に示すように搬送波によって振幅偏移変調された変調信号Ｆ（Ｆｂ）は、包絡線検波される。検波回路３ｃの出力は、バンドパスフィルタ７を介して不要なノイズを除去され、脈動が補正される。さらに、アンプ８を介して、適正な信号レベルへと増幅・整形されて、復調信号ｆｂとなる。

この別実施形態では、発振器６の発振周波数Ｘを基準とした復調を行わない。従って、発振周波数Ｘが変動したり、送受信の間で搬送波の周波数が変動したりするようなことがあっても、全く影響を受けずに復調信号ｆｂを得ることができる。

〔用途〕
このような本発明の電波式距離センサは、種々の用途に利用することができる。例えば、以下に示すように自動車に搭載して種々の用途に利用することができる。
自動車の後部バンパーなどに本発明の電波式距離センサを取り付けることによって、後退運転時の後方障害物検出センサとして構成することができる。また、ハッチバック車やワゴン車の場合には、さらにバックドア開閉時の障害物、挟み込み検出センサとして用いることができる。

当然、後退運転時やバックドアに限ることはなく、車両前方、側方など車両周辺の障害物検出センサとして用いることができる。また、ミニバンなどのスライドドアに搭載して、ドア開閉時の障害物、挟み込み検出センサとして用いることができる。

さらに、車室内においても、ヘッドレスト内に組み込んで乗員の頭部の位置を検出し、運転姿勢や乗員の体格などを判定する乗員検出装置に適用することができる。また、乗員とダッシュボードとの距離を検出し、この距離に応じてエアバッグの動作速度や膨張の大きさなどを制御することもできる。

以上、説明したように本発明によって、温度依存性が低く、近距離の対象物であっても良好に距離を検出することのできる電波式距離センサを提供することができる。また、種々の車載装置に適用可能な電波式距離センサを提供することができる。

本発明に係る電波式距離センサの構成例を模式的に示すブロック図 図１のブロック図における信号処理を説明する波形図 本発明に係る電波式距離センサの他の構成例を模式的に示すブロック図

符号の説明

１：パルス生成手段
２：送信手段
３：受信手段
３ｃ：検波部
４：位相差検出手段
５：距離検出手段
Ｆ：変調信号、Ｆａ：変調信号（送信側）、Ｆｂ：変調信号（受信側）
ｆａ：基準信号
ｆｂ：受信信号
ｆｃ：位相差パルス
Ｔ３：位相差

Claims (3)

1. 検出距離に応じた周期的な基準信号を生成するパルス生成手段と、
   前記基準信号を振幅偏移変調した変調信号を送信する送信手段と、
   対象物によって反射した前記変調信号を受信してパルス状の受信信号に復調する受信手段と、
   前記基準信号と復調された前記受信信号とに基づいて前記対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備える電波式距離センサであって、
   前記基準信号と復調された前記受信信号との排他的論理和をとることにより、前記基準信号と復調された前記受信信号との位相差を示す位相差パルスを生成する位相差検出手段と、
   前記位相差パルスに基づいて前記対象物との距離を検出する距離検出手段と、を備える電波式距離センサ。
2. 前記距離検出手段は、前記位相差パルスを平滑化することにより、前記対象物との距離に応じた電圧信号を生成する請求項１に記載の電波式距離センサ。
3. 前記受信手段は、前記基準信号を振幅偏移変調する搬送波の周波数に拘わらず、受信した前記変調信号を包絡線検波する検波部を有する請求項１又は２に記載の電波式距離センサ。

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