JP2005156441A - 測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で対象物となる物体までの距離を測定できる測距センサを提供すること。
【解決手段】送信波を送信する波動送信手段と、物体で反射した送信波の反射波を受信する波動受信手段とを備え、物体からの距離の固有値に同調する少なくともひとつの共振器を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は電磁波あるいは音波を利用し、物体で反射された反射波の信号を検出して、対象物の測距を行なう測距センサに関する。

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（測距対象物）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るので、信号処理回路の高速化が要求されて構成も複雑になり、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、安価な構成で対象物となる物体までの距離を測定できる測距センサ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、送信波を送信する波動送信手段と、物体で反射した送信波の反射波を受信する波動受信手段とを備え、物体からの距離の固有値に同調する少なくともひとつの共振器を有する構成とすることである。

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、共振器はＬＣ回路を用いることである。

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、共振器の共振特性は外部信号によって変動可能であることである。

そして上記の課題を解決するために講じた第４の技術的手段は、共振器はＦＭ変調機能を有する発振器で構成することである。

上記の課題を解決するために講じた第５の技術的手段は、共振器はダウンコンバート機能を有する発振器で構成することである。

請求項１に記載した発明によれば、波動送信手段と、波動受信手段とを備え、物体と測距センサとの間の距離の固有値に同調する少なくともひとつの共振器を有する測距センサであり、従来技術で示されるように高速な処理回路を必要としないで、安価な構成で近距離の測定が可能となる。また、上記共振器は、複数の異なる周波数を有する共振器で構成されれば、同調する周波数の幅を広く取ることができるので、複数の共振器を用いることで測定距離を広げることならびに測定の分解能を向上することが可能となる。

またさらに、複数の共振器の組合せにおいては、たとえば、搬送波と変調波を用いる構成としてＡＭ変調して送信されれば、搬送波を物体と測距センサとの間の距離の固有値に同調させることで、搬送波の周波数が距離の波長のｎ倍となるので、分解能を高くすることが可能となる。そのため、物体と測距センサとの間の距離に変化がある場合、搬送波の僅かな変化として現れる。

また、搬送波を生成する共振器とは別の（同調）共振器は、最も低次な周波数に相当する固有値で発振している場合、上記した搬送波の周波数の変動により、分解能を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、共振器をＬＣ回路で構成するので、一般的な回路を用いて安価に目的を達する。

さらに請求項３に記載の発明によれば、共振器の共振特性は外部信号によって変動可能であるように構成される。この請求項３の構成においては、共振器が同調する周波数は、物体と測距センサとの間の距離の関数となっている。そのため、たとえば共振器の周波数が変動、すなわち、スイ―プできるように構成すれば、共振器の周波数の変動幅を広くとることができ、結果的に物体を測定する測定レンジが広く取れる。

請求項４に記載の発明によれば、さらに請求項３の構成とは別に、共振器にはＦＭ変調機能を有する構成としてもよい。このようにＦＭ変調機能を有する発振器を用いる場合には、反射波の影響を受けて所定の周波数で同調するので、その周波数そのものを取り出すことが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、共振器はダウンコンバート機能を有するので、
物体と測距センサとの間の距離の固有値に同調する周波数の検知が容易となる。

（第１実施例）
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。本発明の測距センサは、電磁波あるいは音波を用いて測距対象物（物体）を測距するものであり、音波を用いる構成においては、電磁波を回路的に処理するのと同様であるため、電磁波を代表して説明する。

図１に示すように、送受信を兼ねるアンテナＡＮＴに接続されるミキサＭＩＸ１には、発振器ＯＳＣ１ならびに発振器ＯＳＣ２が接続されている。この発振器ＯＳＣ１では搬送波を生成し、その周波数は例えば１０ＧＨｚである。そして、もう一方の発振器ＯＳＣ２では、たとえば１ＧＨｚの信号波が生成される。ここで使用される周波数は、主にマイクロ波帯域の周波数が代表とされるが、原理的には他の周波数を用いてもよく、周波数を限定するものではない。ミキサＭＩＸ１ではこのふたつの波が混合されて、ＡＭ変調された送信波がアンテナＡＮＴから測距対象物Ｔ（物体）に放射される。

このとき測距範囲に測距対象物Ｔが存在すれば、測距対象物Ｔで反射した反射波がアンテナＡＮＴで受信される。そして反射波には、測距対象物ＴとアンテナＡＮＴとの距離に対応する固有値を有する信号が存在する。言い換えると送信波が連続波であるため、測距対象物Ｔとアンテナの間には距離に相当する固有値の周波数が存在する。共振器である発振器ＯＳＣ２は距離の情報を有する反射波との干渉を起こして、発振周波数の偏移（変動）を生じる。すなわち、測距センサから送信される送信波は、反射波の影響を受けて元の発振周波数とは異なる周波数に偏移しているので、反射波もその影響を受ける。そして、受信された反射波の信号を発振器ＯＳＣ３を用いて、ミキサＭＩＸ２でダウンコンバートする。

さらに、ダウンコンバートされたミキサＭＩＸ２の出力信号は、検波器ＤＵでＦ−Ｖ（周波数―電圧）変換される。測距対象物ＴがアンテナＡＮＴの近傍に存在しない場合には、発振器ＯＳＣ２では周波数の変動が生じないため、この検波器ＤＵの出力である電圧は一定電圧が出力される。しかし、測距対象物ＴがアンテナＡＮＴの近傍に存在するか近づいた場合には、上記で説明したように、発振器ＯＳＣ２の周波数が反射波に同調して偏移するため、発振器ＯＳＣ２の周波数が変動し、その結果検波器ＤＵの出力が変動する。以上の現象を利用し、検波器ＤＵの出力電圧に相当する距離が予めマップ化されていれば、測距センサＤＳと測距対象物間の距離を知ることができる。検波器ＤＵの出力値は所定のコンパレータＣＰで判別するので、距離検出スイッチとして機能する。

測距対象物Ｔが測距センサＤＳに接近するに従い、アンテナＡＮＴと測距対象物Ｔとの距離に相当する固有値の周波数が高くなり、この周波数は検波器ＤＵの出力電圧値の上昇と対応するので、コンパレータＣＰではなく、アナログ―ディジタルコンバータを内蔵したマイクロコンピュータ、あるいは、ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）などを使用しても、予め求めている測距対象物Ｔまでの距離と発振器ＯＳＣ１あるいは発振器ＯＳＣ２の発振周波数の偏移の関係から距離を推測することができる。

なお共振器である発振器ＯＳＣ２は、安価な一般的な回路構成のＬＣ回路で構成されていても、以上の目的を達成することが可能である。

（第２実施例）
図２を用いて本発明の別の実施の形態について説明する。図２においては、図１の構成のダウンコンバート用の発振器ＯＳＣ３およびその信号のミキシングを行なうミキサＭＩＸ２が省略されている。機能的には、図１の実施例からダウンコンバート機能を省き、低コスト化したものである。

この構成においては、発振器ＯＳＣ２のＡＭ変調波を生成する信号を、たとえば８．５ＧＨｚから９．５ＧＨｚにスイープまたは段階的に増減するように可変させる。ミキサＭＩＸ１では、発振器ＯＳＣ１の１０ＧＨｚの搬送波の信号と、発振器ＯＳＣ２の周波数が変動するように制御された信号がミキシングされた後、ＡＭ変調されてアンテナＡＮＴから測距対象物Ｔに向けて送信波が放射される。測距対象物Ｔで反射された反射波はアンテナＡＮＴで受信される。このアンテナＡＮＴで受信された信号はミキサＭＩＸ１に入力される。

このとき、ミキサＭＩＸ１の出力には０．５ＧＨｚから１．５ＧＨｚのＡＭ変調された信号として取り出される。送信波が連続波であるため、測距対象物Ｔで反射された反射波の信号は、アンテナＡＮＴと測距対象物Ｔとの距離の固有値を有する周波数で偏移している。そのため、このミキサＭＩＸ１の出力信号を検波器ＤＵでＦＭ検波を行ない、その検波結果をＦ−Ｖ（周波数―電圧）変換して取り出す。ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）などを使用して、予め求めている測距対象物Ｔまでの距離と発振器ＯＳＣ１あるいは発振器ＯＳＣ２の周波数との関係から測距センサから測距対象物Ｔまでの距離を知ることができる。

上記した発振器ＯＳＣ２の発振周波数は所定の周波数帯域内で可変としたが、発振周波数にはＦＭ変調した信号を用いた場合には、反射波の信号は、アンテナＡＮＴと測距対象物Ｔとの距離の固有値を有する周波数で偏移しているので、偏移した周波数変化を変調した周波数そのものとして捉えることが可能となる。そのため上記した構成と同様の効果を有する。

（第３および第４実施例）
図３および図４では第３および第４の形態について説明する。図１および図２におけるアンテナＡＮＴは、図３および図４の構成においては、送信アンテナＴＡおよび受信アンテナＲＡとしてアンテナＡＮＴとは別個に構成され、回路的に送信側と受信側が分離されている。このように送信側回路と受信側回路を分離することで、信号を合成する際の耐ノイズ性が高まり、Ｓ／Ｎに強い回路を構成することができる。図３および図４においては、発振器ＯＳＣ１および発振器ＯＳＣ２は図１および図２と同様の機能を有している。

図３の構成においては、送信アンテナＴＡから送信波が送信されるが、測距対象物Ｔが測距範囲に存在する場合には送信アンテナＴＡを介して測距対象物Ｔで反射した反射波が受信される。この反射波の影響を受けて発振器ＯＳＣ２の発振周波数は偏移する。受信アンテナＲＡで受信される反射波は、測距対象物Ｔまでの距離の固有値の周波数を有しており、発振器ＯＳＣ３によってミキサＭＩＸ２でダウンコンバートされる。ミキサＭＩＸ２の出力信号は検波器ＤＵで検波され、さらにコンパレータＣＰで所定の比較値と比較されて出力値が出力される。以上の構成では図示しないが、回路の基板上の配線が上記のアンテナとして機能する場合でもよい。

図４においては、受信アンテナＲＡの出力側にＡＭ復調器ＡＭＤを配置した例を示す。この図４の構成においては、送信側の発振器ＯＳＣ２はＡＭ変調されている。そしてこのＡＭ復調器ＡＭＤの機能は、測距対象物Ｔまでの距離の固有値の周波数に同調する共振器である発振器ＯＳＣ２の発振周波数を復調する。

またさらに、測距対象物Ｔまでの距離の固有値の周波数に同調する発振器ＯＳＣ４を配置してもよい。この発振器ＯＳＣ４で同調する周波数を可変とすることで、異なる測距距離範囲に対応する測距センサを構成することが可能となる。

以上、本発明の測距センサで使用する電磁波ならびに超音波や音波は、伝播する媒質が気体の場合には、温度や気圧が変化する場合には、特に音波や超音波はそれらの変化の影響を受けやすいが電磁波の場合は影響を受けない。また、固体媒質の内部を同様に伝播させる場合には、電磁波は逆に不利であるが、超音波や音波は影響を受けにくい。そのため、たとえば、本発明の測距センサはショーウインドウや金庫などの監視を目的とするセンサとしても応用が可能である。

本発明の実施の形態の概要を示すブロック図。 本発明の別の実施の形態のブロック図。 本発明の別の実施の形態のブロック図。 本発明の別の実施の形態のブロック図。

符号の説明

ＡＭＤ ＡＭ復調器
ＡＮＴ 送受信アンテナ（波動送信手段および波動受信手段）
ＣＰ 比較器
ＤＵ 検波器
ＭＩＸ１ ミキサ
ＭＩＸ２ ミキサ
ＯＳＣ１ 発振器
ＯＳＣ２ 発振器（共振器）
ＯＳＣ３ 発振器
ＯＳＣ４ 発振器
ＲＡ 受信アンテナ（波動受信手段）
Ｔ 測距対象物（物体）
ＴＡ 送信アンテナ（波動送信手段）

Claims (5)

1. 送信波を送信する波動送信手段と、物体で反射した前記送信波の反射波を受信する波動受信手段とを備え、前記物体からの距離の固有値に同調する少なくともひとつの共振器を有することを特徴とする測距センサ。
2. 前記共振器はＬＣ回路を用いることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。
3. 前記共振器の共振特性は外部信号によって変動可能であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の測距センサ。
4. 前記共振器はＦＭ変調機能を有する発振器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の測距センサ。
5. 前記共振器はダウンコンバート機能を有する発振器であることを特徴とする請求項１に記載の測距センサ。

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