JP2005106473A

JP2005106473A - 物体検知装置

Info

Publication number: JP2005106473A
Application number: JP2003336066A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Sugiura; 岳彦杉浦; Muneyuki Toge; 宗志峠
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】安価に、物体が所定のエリア内に進入したかどうかを検知が可能となる物体検知装置を提供すること。
【解決手段】信号を発振する信号発振手段と、信号を送信する送信アンテナと、信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナで受信された電磁波を復調する復調手段を備える物体検知装置において、送信アンテナから送信された電磁波が物体で反射して受信アンテナで受信されるとき、受信アンテナと復調手段の間に配設される増幅手段を経て復調手段の出力信号の歪みを検知し、送信アンテナから物体を経た受信アンテナまでの距離に相当する固有値の変化を検出するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は電磁波を利用し、物体（反射体）で反射された電磁波の信号を検出して、物体が所定のエリア内に存在するか否かを検出する物体検知装置に関する。

従来、マイクロ波等の電磁波あるいは音波を用いて高速、高い測距分解能で、物体（対象物）までの相対距離を測定する相対距離測定装置が提案されている。（例えば、特許文献１の図２）
この特許文献１に示される相対距離測定装置においては、測距対象となる経路に沿って、１００ＭＨｚ以上のマイクロ波を放射し、そのマイクロ波の受信信号と送信信号との混合を行い、マイクロ波伝播距離に応じた周波数と位相を持つビート信号Ｅ１をミキサ２６から出力する。ビート信号Ｅ１と、所定距離に応じた周波数を持つ直交する２つのリファレンス信号との掛算・総和をそれぞれ行い、２つの総和の比を求め、その比から、ビート信号Ｅ１の位相に対応する信号を求める。そして、この位相に対応する信号の時間的または空間的変化を対象距離の時間的変化量または空間的変化を対象距離の時間的変化量または空間的変化量に換算する内容が開示されている。
特開２００１−４７４１号公報

特許文献１に記載されている従来技術の場合、ＦＭ−ＣＷ方式の掃引周波数を１．５ＧＨｚ、掃引周波数を３ｍｓにすれば、１０ｍ以下の近距離でもビート周期により距離を推定できる。しかし、近距離を測定する場合、近距離になるほど信号の往復時間が短くなるため、測定回路の高速な動作が要求され、信号処理回路の高速化が要求され構成も複雑になり、ひいては測距装置が高価になる。

よって、本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、電磁波信号を利用して安価に、物体が所定のエリア内に進入したかどうかを検知することが可能となる物体検知装置を提供することを技術的課題とする。

上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、信号を発振する信号発振手段と、信号を送信する送信アンテナと、信号の反射信号を受信する受信アンテナと、受信アンテナで受信された反射信号を復調する復調手段を備える物体検知装置において、送信アンテナから送信された信号が物体で反射して受信アンテナで受信されるとき、受信アンテナと復調手段の間に配設される増幅手段を経て復調手段に入力される反射信号の歪みを検知して送信アンテナから物体を経た受信アンテナまでの距離に相当する固有値の変化を検出する物体検知装置としたことである。

また、上記の課題を解決するために講じた第２の技術的手段は、信号発振手段には信号を変調する変調手段が接続されることである。

さらに、上記の課題を解決するために講じた第３の技術的手段は、変調手段で変調された信号には信号の固有識別情報が含まれることである。

請求項１に記載の発明によれば、信号発振手段、送受信アンテナ、増幅手段、復調手段で構成されるので、物体の大きさや距離によって、その距離相当の固有値で定在波が発生する。このとき、発生する定在波には高調波成分が含まれる。

また、物体で反射される反射波が、受信アンテナで受信されて、受信アンテナからの信号が、増幅手段を経て非線形領域の出力となる。つまり、反射電力が大きくなって、受信アンテナの出力側に接続される増幅手段によって、受信された信号が非線形領域に入って歪みを生ずる。

たとえば、図１０に示すように、増幅手段の入力レベルに対して出力レベルが線形領域から外れる変曲点は、１ｄＢコンプレッションレベルと称するが、この１ｄＢコンプレッションレベルが、増幅手段を形成する半導体などの特性によって異なるため、この特性を選択することによって、物体検知装置の物体を検知する距離を可変することが可能となる。特に、物体検知装置は近距離で物体を検知するため、送・受信アンテナと物体との距離が遠い場合よりも、物体の有効反射面積や物質固有の反射率などの影響を受けにくい。さらに、ドップラーや干渉による効果などで、受信アンテナで受信される信号が歪みを伴う波形に変化する場合もある。

以上の構成によって、低コストで所定のエリア内に存在する物体を検知可能なエリアセンサを提供できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、変調することによって送信信号に複数の周波数が重畳するため、増幅手段では受信された信号が歪む。その結果、受信された信号で多数の信号が乗っているために物体の大きさや距離によって、距離相当の固有値に引き込まれやすい周波数が増幅されて歪む。よって、物体を検知する距離である検知エリアを広げることが可能となる。つまり、変調手段を用いる構成においては、同じエリア内に複数のセンサが近接して、センサから送信される電磁波が互いに干渉して別のセンサに影響を与える恐れがあるが、センサ毎に異なる変調を行なえば、これら不具合を低減することが可能となる。

さらには、請求項３に記載の発明によれば、変調手段で変調された信号には信号の固有識別情報が含まれるので、隣接して複数の物体検知装置が配置去れる場合においても、個々の識別情報が含まれる信号を受信して自身が送信した信号なのかどうかを区別することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施例）
図１は、本発明の物体検知装置ＴＤの概要を示すシステムブロック図である。本発明の物体検知装置ＴＤの送信側は、信号（たとえば電磁波）を発振する発振器ＯＳＣ１、および発振器ＯＳＣ１の出力信号を送信する送信アンテナＴＡで構成されている。また物体検知装置ＴＤの受信側は、受信アンテナＲＡ、受信された反射信号を増幅する増幅器ＡＭＰ、送信側で発振した信号とは所定周波数ずれた周波数を発振する発振器ＯＳＣ２、増幅器ＡＭＰの出力信号と発振器ＯＳＣ２で発振した信号を混合するミキサＭＩＸ、ミキサＭＩＸを経た信号が検波される検波器ＤＰ、検波された信号を所定の周波数に選択するローパスフィルタＬＰＦ、及びローパスフィルタＬＰＦの出力信号を歪みが発生する信号の検出レベルと比較するコンパレータＣＭなどで構成される。以上の構成においては、復調手段として機能するのは検波器ＤＰであるが、復調機能を有するように、ミキサＭＩＸや各種フィルタなどで構成されてもよい。また、増幅器ＡＭＰの出力側で出力信号処理をディジタル処理する方法も採用することが可能である。

一般に送信側の発振信号にはサイン波を用いる。すなわち、発振器ＯＳＣ１ではサイン波が生成され、送信アンテナＴＡから放射された電磁波は物体Ｔに当たって反射し、その反射波が受信アンテナＲＡから入射することで、送信アンテナＴＡから物体を経て、受信アンテナＲＡに至る距離が検知可能である。このとき検知距離は、物体における電磁波の反射率、受信側の増幅器ＡＭＰの特性から決定される。

ここでは反射率は、有効反射面積、物質固有の反射率、および電磁波が物体で反射する際の角度などを総合して表現される。

図２には検波器ＤＰの出力信号の様子を示す。物体検知装置ＴＤの送信アンテナＴＡと受信アンテナＲＡは、通常は同装置内に内蔵されているが、別体で構成されていても同様に機能する。物体Ｔが物体検知装置ＴＤから所定の（距離）空間内に存在しない場合には、受信側の出力信号は図２のように歪みが発生しないので、波形は一定の出力電圧のレベルで推移する。しかし、物体Ｔが所定の（距離）空間内に存在すると、検波器ＤＰの出力信号は、所定の距離に相当して歪みが発生するので、図３に示すように、ドップラーや干渉による効果などで歪みを伴い、出力電圧のレベルが乱れた波形に変化する。

このため、検波器ＤＰの出力信号の波形変化を検知することで、物体Ｔが所定のエリア内に進入したかどうかが検知可能となる。以上説明した回路構成により、本発明は、エリアセンサとしての応用が可能であり、さらに検知距離を決定するには、物体の反射率が予めわかることが必要である。

一般には以下の式で表されるように、Ｐｒ＝Ｐｔ＊α／（４πＲ^２）の関係がある。ここで、Ｐｔは送信アンテナＴＡから送信される送信電力、Ｐｒは物体Ｔで反射して受信アンテナＲＡで受ける反射電力、αは物体Ｔの反射率、Ｒは物体検知装置ＴＤから物体Ｔまでの距離である。

図４は反射率αの異なる場合に、物体検知装置ＴＤから物体までの距離と反射電力との関係を示す。反射率αは、上記したように物体Ｔの物質が異なれば反射率が異なり、また同じ物質でも、物体Ｔの大きさが異なる場合には、有効反射面積が異なるので反射率も異なる。反射率αは、同じ形状の金属と大人とで比較すると、金属＞大人＞子供となっており、たとえば距離で１ｍ以下の場合の方が、７ｍ付近の場合よりも反射率αの違いによる反射電力のばらつきが小さいことがわかる。つまり図４から判るように、たとえば物体Ｔまでの距離が近い１ｍ程度の場合には、物体検知装置ＴＤと物体Ｔまでの距離が１０ｍの場合よりも反射率の違いによる検知距離のばらつきが比較的小さいことになる。同じく、物体検知装置ＴＤと物体Ｔまでの距離が、１ｍ程度よりも１０ｃｍの場合の方が検知距離の反射率の違いによるばらつきが小さくなる。

（第２実施例）
図５に本発明の別の実施の形態を示し、図１との違いを主に述べる。図５においては、送信側には変調信号ＭＣが付加されている。そしてさらに、受信側には、ローパスフィルタＬＰＦの出力側には、送信側からの変調信号ＭＣと、受信側の受信アンテナＲＡで受信された反射信号が増幅器ＡＭＰ、ミキサＭＩＸを経た後、ローパスフィルタＬＰＦの出力信号を、歪みを認識する歪認識回路ＤＤＣに入力するように配置されている。以上、送信側で変調された原信号とローパスフィルタＬＰＦを経た復調された出力信号は、歪認識回路ＤＤＣで判別されて、物体Ｔが所定エリア内に進入したかどうかを検知できる。

以上の変調信号ＭＣを用いる構成においては、原信号が変調されているので、
変調されることによって送信信号に複数の周波数が重畳する。そして、増幅手段では受信された信号が歪む。その結果、増幅手段を経た信号には多数の信号が乗っているため、物体の大きさや距離によって、距離相当の固有値に引き込まれやすい周波数が増幅されて歪む。

また、同じエリア内に複数のセンサが近接して、センサから送信される電磁波が互いに干渉して別のセンサに影響を与える恐れがあるが、センサ毎に異なる変調を行なえば、これら不具合を低減することが可能となる。

また図５とは別に、図６のように物体検知装置ＴＤの受信側のミキサＭＩＸの出力側で、復調信号ＤＣを取り出す構成としてもよい。この場合においては、物体検知装置ＴＤの送信側の変調信号ＭＣに、図示しない複数のセンサにそれぞれ対応する個別のセンサ識別信号（センサ固有のＩＤ信号）を予め重畳しておき、同装置の受信側で復調信号ＤＣに復調する際に、上記センサ識別信号を認識すれば、どのセンサが物体Ｔを検知したかを識別することが可能となる。

（第３実施例）
図７に別の実施の形態を示す。図７において、送信側の構成は、図１の場合と同様である。受信側においては、受信アンテナＲＡの出力側には増幅器ＡＭＰが接続されており、増幅器ＡＭＰの出力側には信号発振器ＯＳＣ２が接続されるミキサＭＩＸが接続されている。さらにミキサＭＩＸの出力側には、増幅器ＡＭＰ２、電圧制御発振器ＶＣＯが接続されるミキサＭＩＸ２、検波器ＤＰ、ローパスフィルタＬＰＦが接続され、以上の回路と並列に前記電圧制御発振器ＶＣＯとローパスフィルタＬＰＦの出力側の間には、電圧制御発振器ＶＣＯを制御するための制御回路ＦＣＵが接続されている。以上に示す受信側の構成においては、少なくともひとつの増幅機能を有する回路が構成されてあればよい。

図８および図９は、図７のローパスフィルタＬＰＦの出力信号の波形を示す概略図であり、物体Ｔが検知エリア内にない場合には、図８のようなＳ字カーブを示し、物体Ｔが検知するエリア内に進入し手いる場合には、図９のように歪みが乗った波形に変化する。

本発明の概要を示すシステムブロック図。出力信号の歪みの有無を示す概略波形図。出力信号の歪みの有無を示す概略波形図。物体における反射率と検出距離との関係を示す概略図。反射率違いによる検知距離と反射電力との関係を示す概略図。別の実施の形態における概要を示すシステムブロック図。別の実施の形態における概要を示すシステムブロック図。別の実施の形態における概要を示すシステムブロック図。図７の構成における歪みの有無を示す概略波形図。図７の構成における歪みの有無を示す概略波形図。１ｄＢコンプレッションレベルを示す概略図。

符号の説明

ＡＭＰ増幅器（増幅手段）
ＡＭＰ２増幅器
ＣＭコンパレータ
ＤＣ復調回路
ＤＤＣ歪認識回路
ＤＰ検波器（復調手段）
ＬＰＦローパスフィルタ
ＭＣ変調信号（復調手段）
ＯＳＣ１発振器（信号発振手段）
ＯＳＣ２発振器
ＲＡ受信アンテナ
Ｔ物体
ＴＡ送信アンテナ
ＴＤ物体検知装置
ＶＣＯ電圧制御発振器

Claims

信号を発振する信号発振手段と、前記信号を送信する送信アンテナと、前記信号の反射信号を受信する受信アンテナと、該受信アンテナで受信された反射信号を復調する復調手段を備える物体検知装置において、前記送信アンテナから送信された前記信号が物体で反射して前記受信アンテナで受信されるとき、前記受信アンテナと前記復調手段の間に配設される増幅手段を経て前記復調手段に入力される反射信号の歪みを検知して前記送信アンテナから前記物体を経た前記受信アンテナまでの距離に相当する固有値の変化を検出することを特徴とする物体検知装置。
前記信号発振手段には前記信号を変調する変調手段が接続される請求項１に記載の物体検知装置。
前記変調手段で変調された前記信号には前記信号の固有識別情報が含まれる請求項２に記載の物体検知装置。