JP4456998B2 - 速度センサおよびそれを用いた対地車速センサ - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を放射し、その電磁波が対象物により反射された反射信号を受信することで、対象物との相対速度を検出する速度センサに関し、特に、地面からの反射波を受信することで、地面との速度を検出する対地車速センサに関する。

従来、対象物との相対速度を検出する速度センサとして、ドップラーセンサを利用したものが知られている。これは、電磁波や超音波を対象物に照射し、その反射波を受信することで、対象物との相対速度により生じるドップラー効果を利用するものである。その一例として、ドップラーセンサにより得られる対地車速値を、車両の重心回りの角速度に基づいて補正する車速検出装置があった（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、正確な車速を検出する目的で、超音波信号を超音波送信器から路面に送波し、その反射波を超音波受波器で受波して、その受波した信号を増幅し、その増幅信号から反射波周波数を得る車載用超音波計測装置において、超音波送波器から路面に送波する超音波を路面上で収束させるものがあった（例えば、特許文献２参照）。

また、従来、レーダセンサとして、発振器や混合器等の能動回路とアンテナとを同一の半導体基板上に一体形成して単一または複数のＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）チップに構成し、そのＭＭＩＣチップを樹脂パッケージで封止すると共に、アンテナの上方に誘電体レンズを装着し、レンズと樹脂パッケージとを金型により一体形成して低コスト化を図るものがあった（例えば、特許文献３参照）。

特開平９−２６４９５２号公報

特開平７−２６０９３１号公報 特開２００３−３１５４３８号公報

本発明の発明者らは、本発明に先立って、速度センサおよびそれを対地車速センサに応用する技術について検討を行い、上記の従来技術文献を独自に抽出した。その結果、特許文献１および２に開示された技術には以下の問題点が存在することを、本発明の発明者らは独自に見出した。以下、その内容を詳細に説明する。

特に近年では、電磁波の中でもマイクロ波やミリ波を用いた速度センサが多く利用されている。この速度センサにおいて、特に地面との相対速度、すなわち、対地速度を測定するものがある。この速度センサは、例えば図２に示すように電磁波をある角度θをもって地面に照射し、地面からの反射波を受信することで対地速度を検出する。このとき、反射波の周波数は、ドップラー効果により照射した信号の周波数に対して次式［数１］で示す周波数ｆｄだけシフトする。

上式において、ｆ０は照射した信号の周波数、ｖは対地速度、ｃは光速を示している。したがって、この受信信号にＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）等の信号処理を施すことで受信信号の周波数成分からｆｄを算出し、さらに上記［数１］を用いてｆｄから対地速度ｖを算出することできる。

このようなドップラーセンサを利用した例として、特許文献１に開示されるドップラーセンサにより得られる対地車速値を、車両の重心回りの角速度に基づいて補正する車速検出装置が知られているが、以下の問題点が存在する。

実際に放射される電磁波には、図２に示すようなある程度の広がりが存在する。仮に、この広がりより、電磁波と地面とのなす角が最大θ１、最小θ２であったとする。このとき、ドップラー効果による反射波の周波数シフト量も、上記［数１］におけるθがθ２≦≦θ≦θ１の範囲内で変化する（ばらつく）ことに伴ってばらつきを持つことになる。このばらつきにより、最終的に検知される出力周波数は、この広がりの範囲内で不確定性を持つことになる。すなわち、これを元に算出される対地速度も、同様に不確定性を持つため、これが検知誤差となって出力されるという問題があった。

上記特許文献２が開示する構成は、特に冠水路面を走行する車両が路面から巻き起こす水飛沫の影響で車速検知誤差が生じるのを防止するために、路面に送波する超音波を路面上で収束させ、路面上に超音波ビームスポットを形成するものである。この構成は、ほぼ鉛直方向に、路面にスポットを形成するような形状の超音波信号を送信し、路面により反射された超音波信号を受信する構成であるが、このとき、路面上のスポットを第二の超音波放射源とみなしたとき、この放射源からの超音波信号のサイドローブを受信することで速度検出するものである。しかし、この構成では、サイドローブからの信号を利用するため、最もエネルギーレベルの大きい中心方向成分の信号を利用できず、センサの感度が小さくなるという問題があった。また、同文献の図２に開示されるようにスポットから超音波受波器Ｒ１、Ｒ２へ向かう方向と車両の走行方向との成す角をθとしたとき、実際に計測される速度は、車両の対地走行速度ｖに対して、ｖ×ｃｏｓθとして計測されるため、速度分解能を向上させるためにはθを小さくする必要があるが、同文献が開示している構成では、サイドローブからの信号を受波して速度検知に利用することから、θがサイドローブの発生する角度に限定される。ここで、サイドローブの発生する角度がほぼ一定であることから、θもほぼ一定の値を取ることになり、可変にすることができない。例えば、比較的信号レベルの大きい第一サイドローブレベルを利用する場合、同文献の図２に開示されるように、その第一サイドローブが発生する角度にθが決まってしまう。そのため、十分に速度分解能を向上させることができないという問題があった。そればかりでなく、車高の異なる種々の車両に同文献の計測装置構成を適用しようとすると、第一サイドローブが発生する角度にθが決まってしまうため、車高すなわち超音波ビームスポットＳＰと超音波送波器ＵＴとの距離の変化に応じて、ＵＴを通る中心軸から超音波受波器Ｒ１、Ｒ２までの距離Ｌを変化させる必要がある。つまり、車高の変動に応じて計測装置自体のサイズを変更する必要が生じるという問題があった。

本発明の速度センサおよびそれを用いた対地車速センサの中から代表的なものの一例を概略的に示せば、以下のようになる。
まず、本発明の速度センサは、移動可能な物体に設置されるよう構成され、波動の性質を有する送信信号を放射し、その送信信号が対象物により反射することによって生じる反射信号を受信し、受信した反射信号と送信信号とから、上記の移動可能な物体と上記の対象物との間の相対速度を算出するのに必要な信号を生成して出力することを特徴とする。ここで、送信信号はビーム形状を成し、そのビーム形状は、対象物近傍でのビーム幅が速度センサの送信信号を放射するための放射口近傍でのビーム幅と比べてほぼ等しいかまたは小さくなるように形成される。さらに、送信信号は、移動可能な物体の対象物に対する相対速度方向と所定の角度を成す方向に放射口から放射され、その所定の角度は、０度より大きく９０度より小さいかまたは９０度より大きく１８０度より小さいかのいずれかの任意の角度である。

また、本発明の速度センサを用いた対地車速センサは、ビーム発生部から地面に向けて放射したビームの周波数と、ビームが地面にて反射することにより発生する反射ビームの周波数とから、地面上を走行し且つビーム発生部が取り付けられた車両の対地走行速度を検知するために以下の構成を有することを特徴とする。まず、ビームの形状は、地面近傍でのビーム幅がビーム発生部のビームを放射するための放射口近傍でのビーム幅と比べてほぼ等しいかまたは小さくなるように形成されている。さらに、そのビームは、車両の地面に対する相対速度方向と所定の角度を成す方向に放射口から放射される。ここで、所定の角度は、０度より大きく９０度より小さいかまたは９０度より大きく１８０度より小さいかのいずれかの任意の角度である。

本発明によれば、放射する電磁波をビーム形状に形成して速度検知に用いるため、速度センサの検知誤差を低減できるという効果がある。

本発明の速度センサおよびそれを用いた対地車速センサは、速度誤差の原因となる放射電磁波の広がりを抑制するために、センサから放射される電磁波の集光を行うと共に、所定のセンサ感度における最良の速度分解能を実現するために、センサの電磁波放射方向が車両の速度方向と所定の角度を成すように速度センサを配置することを特徴とする。

一般的に、センサより放射される電磁波は、センサから遠方になるにしたがって、その広がりが大きくなる形状になるが、本発明では、センサ近傍での電磁波の広がりすなわちビーム幅に比して、測定する対象物の近傍での電磁波の広がりすなわちビーム幅がほぼ等しいかまたは小さくなる形状となるようにビームを形成する。こうすることで、対象物に照射される電波の面積を抑えることが可能となり、高精度な速度検知が可能となる。なお、地面との相対速度を計測する対地車速センサの場合、この対象物は地面に相当する。

速度センサ１近傍と対象物近傍とでビーム幅がほぼ等しい場合は、図２に示した角度のばらつきが解消されることは明白であるが、対象物近傍のほうが速度センサ１近傍よりもビーム幅が小さい場合でも以下の理由により図２に示した角度のばらつきが解消される場合がある。図１において、放射した電磁波（ビーム）の対象物（地面６）との成す角度θは、厳密に言えばθ２≦θ≦θ１の範囲内で変化する（ばらつく）ことになるが、速度センサ１の送信信号（電磁波）放射口となる第二のレンズ２の中心点から送信信号（電磁波）が対象物（地面）に到達する点までの距離ｄが第二のレンズ２の径に比べて十分に大きくなるように速度センサ１を構成することが可能であれば、角度θ、θ１、θ２は、近似的にθ≒θ１≒θ２なる関係を満たす。よって、特にこのような条件が満たされる用途においては、ビーム形状を速度センサ１近傍と対象物近傍とでビーム幅がほぼ等しくなるように形成することが困難な場合であっても、対象物近傍のほうが速度センサ１近傍よりもビーム幅が小さくなるように速度センサ１を構成しさえすれば、図２に示した角度のばらつきの問題は解消されることになる。例えば、対地車速センサの場合、距離ｄは第二のレンズ２の直径の約１０倍程度確保できるため、近似的にθ≒θ１≒θ２が成り立ち、角度θのばらつきを抑制することができ、以て、検知誤差の小さい高精度な速度検知が可能となる。

一般に電磁波を放射する手段としてアンテナが利用されるが、このアンテナから放射されるビームを形成するためには、大口径のアンテナを用いる、アンテナをアレー化する、パラボラアンテナを用いる、さらには、アンテナと誘電体レンズを組み合わせるなどの手法が用いられる。また、アンテナ形状としては、さまざまなものが存在し、いずれの形状でも基本的には本発明に適用可能であるが、近年では機器の小型化を目的としてマイクロストリップパッチアンテナなどの平面形状のアンテナが利用されることが多いことから、本発明においても、小型化を図る目的で平面形状のアンテナを用いるのが好適である。

ところで、誘電体レンズと平面アンテナを組み合わせて使用する場合、アンテナには素子数の少ないアンテナを用いることが多い。特に、このアンテナをＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）上に構成する場合などは、ＭＭＩＣの面積がコストに比例するため、アンテナをアレー化することができないため、素子数の少ないアンテナを利用する必要がある。素子数の少ないアンテナを用いる場合、アンテナから放射される電磁波は十分なビーム合成ができないため、その放射電波の広がり角（放射角）は大きくなる。したがって、このビームの全電力範囲をカバーするためのレンズは、非常に径が大きなものとなる。一例として、アンテナに１２０度の放射角を持つ素子数が少ないアンテナを用いて、アンテナから５ｃｍの距離に誘電体レンズを配置する場合、アンテナから放射される全電力範囲をカバーするためには、１７ｃｍ以上の径を持つ誘電体レンズが必要となる。誘電体レンズの径は、誘電体レンズをアンテナから近い位置に配置することで小さくすることが可能であるが、以下に示すように、誘電体レンズの加工精度に対する要求が厳しくなるというトレードオフが存在する。

図３に示すようなレンズの焦点Ｆと結像点Ａ、Ｂに関する光学的な一次近似では、一般に次式［数２］で表される。

誘電体レンズの加工誤差によりＦが変化した時の結像点Ｂの変化を調べるために、上記［数２］を微分して次式［数３］が得られる。

対地車速センサでは、Ａは電磁波を放射する等価的な点光源の位置、Ｂは対象物付近、すなわち、地面付近での結像点の位置、Ｆはレンズの形状で決まる焦点に相当する。数式３は、点光源の位置Ａがレンズの焦点Ｆに接近するほど、Ｆの変動に対するＢの変動が大きくなることを意味する。Ｆはレンズの形状できまる定数であるから、Ｆをばらつきなく製造するためには、レンズの加工精度を厳しくする必要がある。また、結像点Ｂが無限大とならないようにするためには、F＜Ａである必要がある。したがって、点光源Ａとレンズとの距離は長いことが望ましい。

本発明は、上記の問題を、複数のレンズ（特に電磁波による場合は誘電体レンズ）を用いることで解決する。すなわち、第一のレンズをアンテナ近傍に配置する。この第一のレンズは、ビームの放射角を小さくするが、依然として結像点は無限遠点にある。そこで、さらに第二のレンズ２を配置することで、結像点Ｂが任意の位置になるように集光を行う。このとき、第一のレンズによりビームの放射角は狭められているため、第二のレンズ２をある程度の距離まで離しても、レンズの径は小さいままで全電力範囲をカバーすることが可能となる。また、第一のレンズはアンテナからのビームの放射角を小さくするために利用されており、結像点を決めるのは第二のレンズ２であるため、アンテナ近傍に存在する第一のレンズの加工精度は結像点に大きく影響しない。

一例として、第一のレンズによりビーム放射角が３０度まで狭めることができたとして、第二のレンズ２を等価的な点光源の位置から５ｃｍの距離に配置した場合、そのレンズの径は４ｃｍ程度で十分である。

なお、上記の説明では２個のレンズを用いた場合で説明したが、これを３個以上の複数個用いても、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。また、同様に、素子数の少ない低素子アンテナと複数のレンズとを用いて電磁波をビーム形状に形成する例を用いて説明したが、これをアレーアンテナ、大口径のアンテナ、パラボラアンテナ、または、１個または複数の誘電体レンズ、さらには、これらの組合せにより同等ビーム形状が得られ場合、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。

地面との相対速度を検知する対地車速センサの場合において、Ａは電磁波を放射する等価的な点光源の位置、Ｂは地面近傍での結像点に相当する。速度検知誤差を低減するために、最も効果的なのはＢが地面と一致する場合である。しかし、センサから地面までの距離は車種よって異なるため、車種に応じて最適な値を設定する必要がある。この場合、レンズの形状を変更しなくても、Ａの値を調整することで上記［数２］よりＢの値は変更することが可能である。そこで、速度センサにＡの値を調整する機構を持たせることで、車種に応じた最適なＢを設定することが可能となる。例えば、上記で説明した２個のレンズを用いる場合では、第二のレンズ２の位置と点光源の位置とを調整することでＡを変更することが可能である。すなわち、第二のレンズ２の取付位置を調整する機構を持たせることで実現可能である。さらに、車高を測定する車高センサを具備することで、その出力信号を元に、第二のレンズ２の取付位置を自動調整する機構を設置することで、人手による調整工程を省略することが可能である。なお、本発明の対地車速センサはドップラーセンサであるため、レーダの原理を応用することで対地車速センサに距離検知性能を持たせることが可能である。したがって、対地車速センサ自体に車高検知機能を持たせることも可能である。

ドップラーセンサは、送信する信号を生成するための発振器、受信した信号を局部信号と混合して低周波信号を生成するための混合器などの回路素子と、送信信号を放射するための送信アンテナ、反射信号（反射波）を受信するための受信アンテナなどで構成される。また、必要に応じて増幅器などの回路素子が追加される。これらの回路素子は、通常、個別部品を組み合わせたＨＩＣ（Hybrid Integrated Circuit）やＭＭＩＣで構成されるが、近年では、低コスト化を目的として、特にＭＭＩＣがよく利用される。

さらに、アンテナ素子をマイクロストリップアンテナのような平面回路として構成することで、アンテナ素子もＭＭＩＣ上に構成することが可能となる。さらに、全ての必要な高周波回路と送受信アンテナとをモノリシックに形成することで、アンテナを介して送受信される電磁波以外の高周波信号は、ＭＭＩＣより外部に伝送する必要がなくなるため、簡易な実装方法が利用可能となる。簡易な実装方法の一例として、汎用ＩＣで利用されている樹脂モールドパッケージなどを用いてもよい。また、前述のように、第一のレンズはアンテナ近傍に設けることが可能であり、パッケージ上に直接配置することも可能である。ＩＣのパッケージとして樹脂モールドパッケージのような非金属製のパッケージを用いた場合、このレンズをパッケージと同一の材質で形成することにより、大量生産時は、金型による一体形成が可能となり低コスト化を図ることができる。

なお、以上の説明において、マイクロ波やミリ波などの高周波の電磁波を用いた速度センサ構成について説明したが、これを超音波や光を用いる速度センサ構成に置換した場合においても、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。
また、本発明の速度センサおよびそれを用いた対地車速センサが放射する電磁波のビーム形状は、センサ近傍でのビーム幅に対して地面近傍でのビーム幅が小さくなるビーム形状であれば種々の形状のものを適用可能であり、そのいずれのビーム形状を形成する場合にも、上記の装置構成は有効である。

以下、本発明の速度センサおよびそれを用いた対地車速センサのいくつかの実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、これらの実施例の間で共通の部分は、同一の参照符号で指示されている。

図１および図１５は、本発明の速度センサの第１の実施例であり、図１５は本発明の速度センサを用いた対地車速センサが取り付けられた車両の概観図を示し、図１は本発明の速度センサから放射される電磁波の形状を示す。本発明の速度センサが対地車速センサとして利用される場合、速度センサ１は、車体５の下面、前面、あるいは後面などに取り付けられ、電磁波は対象物すなわち地面６に対して照射される。ここで、図１５におけるｖは車両５の速度、ｈは車両５の車高すなわち対地車速センサ１の取付位置の高さ、ｄは対地車速センサ１の電磁波放射口から地面６までの距離、θは対地速度ｖの方向と電磁波放射方向との成す角度である。図１におけるセンサ回路部３では、地面６に照射するための電磁波を生成し、送信アンテナから放射する。さらに、地面６からの反射波は受信アンテナにより受信され、混合器により局部信号と混合することで、相対速度の算出に必要な信号を生成する。生成された信号は速度センサ１の外部に出力され、信号処理装置２２に伝送される。ここで、混合器にて生成される信号は、通常、受信した反射信号より周波数の低い信号（低周波信号）である。センサ回路部３から放射された電磁波は、レンズ２によりビーム形状に形成された後、車両５の対地速度ｖ方向と角度θを成す方向に放射され、地面６に照射される。ここで、レンズ２は誘電体レンズとするのが好適であるので、以下では、特にこれを誘電体レンズとした場合について説明する。このとき、検知速度精度を向上させるために、ビーム４の形状はセンサ近傍のビーム幅に対して地面近傍のビーム幅が小さくなるようにする。また、電磁波としては、よく知られたマイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いるのが好適である。

なお、図１の構成では、ビームの形成に誘電体レンズを用いているが、それ以外にも、大口径のアンテナ、アレーアンテナ、あるいはパラボラアンテナなど、所望のビーム形状を形成可能なものであれば、他の種々の手段を用いてもよい。誘電体レンズを用いることにより、センサの大型化、特にレンズの大口径化を防止できるという効果があるが、例えば、マイクロストリップパッチアンテナのような平面構造のアレーアンテナを用いた場合は、センサをより薄型に構成できるという効果があり、パラボラアンテナを用いた場合は、パラボラ部分を筐体の金属部分と一体で構成でき、さらに、第一の誘電体レンズの機能を持たせることができるため、部品数の削減、組み立てコストの低減などが可能であるという効果がある。また、必要に応じて複数のビーム形成手段を組み合わせてもよい。例えば、誘電体レンズとアレーアンテナとを組み合わせて用いた場合は、誘電体レンズを利用することでアンテナのアレー数を低減することができ、アンテナ部分のコスト低減が可能であると同時に、アレーアンテナを利用しない場合と比較して薄型にできるという効果がある。

図４は、図１に示した速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図である。図４において、ドップラーセンサを構成するために必要な回路ブロックはＭＭＩＣ１０で構成されており、さらにこれらのＭＭＩＣ１０は高周波基板１１上に実装されている。電磁波を送信するための送信アンテナおよび反射信号を受信するための受信アンテナは、高周波基板１１上に平面アンテナ７として形成されている。このアンテナ７から放射された電磁波は、第一の誘電体レンズ８により、放射角が狭められ、第２の誘電体レンズ９により、地面付近でのビーム幅（例えばビーム断面の最大径と定義してもよい）がセンサの電磁波放射口付近でのビーム幅より小さいかまたはほぼ同じとなるようにビーム形状に形成される。

図５は、本実施例で使用されるドップラーセンサのブロック図の一例を示す。ドップラーセンサは、信号を生成するための発振器１２、送信信号を放射するための送信アンテナ１４、反射信号を受信するための受信アンテナ１５、および受信した反射信号と局部信号とを混合して相対速度の算出に必要な低周波信号を生成する混合器１３を具備してなる。ここで、速度センサの使用条件等により十分な感度が得られない場合などに適用するために、適宜、送信信号を増幅するための電力増幅器１６や受信した反射信号を増幅するための低雑音増幅器１７を具備する構成とし、以て、送受信される電磁波に対するドップラーセンサの感度を補償するようにしてもよい。

次に、図５に示した回路構成の動作を以下に説明する。まず、発振器１２により所望の周波数信号を生成する。周波数信号としては、よく知られたマイクロ波やミリ波などの高周波信号とするのが好適である。この信号は、分配器３６により分配され、一方は、直接または電力増幅器１６にて増幅された後、送信アンテナ１４へ送られ、送信アンテナ１４から対象物、すなわち地面に向けて放射される。地面により反射された反射信号は、受信アンテナ１５により受信され、直接または低雑音増幅器１７により増幅された後、混合器１３に入力される。混合器１３では、元の送信信号と同じ信号を局部信号として受信した反射信号と混合することで、ドップラー効果による送信信号と反射信号との間の周波数シフト量を周波数とする低周波信号を生成する。この低周波信号に信号処理を行い、その周波数成分を検出することで、［数１］より速度の計算が行われる。

図６は、本実施例における信号処理の流れと、それを構成する各機能ブロックとを示している。速度センサ１から出力されたアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１８によりディジタル信号に変換されて、信号処理装置２２に入力される。信号処理装置２２では、まず、ＦＦＴ１９においてＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）などの信号処理を行い時間領域の信号から周波数領域の信号に変換した後、Ｐｅａｋ２０において信号スペクトルの中から地面からの反射信号に相当する信号スペクトルを検出する。さらに、Ｃａｌｃ２１において［数１］の換算式を用いて信号スペクトルの周波数から速度に換算する。

なお、信号処理装置２２は、車体５の任意の位置に設置されるのが好適であるが、本発明はこれに限定されず、例えば、車両の走行範囲が狭い範囲に限定されるような条件下においては、無線通信装置を介して車体５の外部に設置されるようにしてもよい。信号処理装置２２を車体５に設置した場合、車体外部の環境（例えば、無線通信装置を介して車体５の外部で信号処理を行う場合は通信環境）によらず安定した処理が可能であるという効果がある。一方、信号処理装置２２を車体５の外部に設置した場合、センサ部分をより簡易に構成することが可能であり、個々の車両に取り付けるセンサを低コストで製造することが可能であるという効果がある。

また、本実施例においては、Ａ／Ｄコンバータ１８が速度センサ１の外部に設けられる構成を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、速度センサ１の筐体内部に設けられるようにしてもよい。Ａ／Ｄコンバータ１８を速度センサ１の外部に設置した場合、筐体内部には、高周波回路部分を含めてアナログ回路しか存在しないため、Ａ／Ｄコンバータによる雑音、特に電源線を介してセンサのアナログ回路部分に流入する雑音を低減することができるという効果がある。一方、Ａ／Ｄコンバータ１８を速度センサ１の筐体内部に設けた場合、筐体外部に出力される信号はディジタル信号となるため、筐体外部に存在する雑音に対して、より安定した信号を得ることが可能であるという効果がある。

図２０は、図１５に示した車両５とは車高ｈが異なる車両の概観図を示す。図２０のように、取り付ける車種が、例えば大型トラックなどのように車高ｈ２がｈよりも高い車種である場合、図１５に示したθと同じ角度で速度センサ１を取り付けると、速度センサ１と地面６との間の距離ｄ２が大きくなり、速度センサ１の感度が不足することが予想される。この場合、速度センサ１の電磁波の放射角度θ２がθよりも大きくなるように速度センサ１を設置することで、速度センサ１と地面６との間の距離ｄ２を図１５のｄと同程度に保つことができ、以て、速度センサ１の感度不足を補償することが可能である。また、逆に車高ｈ２がｈよりも低い車種に取り付けた場合は、図１５に示したθと同じ角度で速度センサ１を取り付けると、速度センサ１と地面６との間の距離ｄ２が小さくなり、速度センサ１の感度が過剰となる。そこで、速度センサ１と地面６との間の距離ｄ２が図１５のｄと同程度となるまで速度センサ１の電磁波の放射角度θ２を小さくして、速度センサ１の感度を最適に保つことができる。この場合、放射角度θ２が小さくなった分、速度センサ１の速度分解能が向上するという効果も得られる。

以上、本実施例によれば、地面に照射している電磁波の面積を小さく抑えることが可能であるため、検知誤差を低減することが可能であるという効果がある。
なお、以上の実施例では、誘電体レンズが２枚の場合を用いて説明したが、誘電体レンズが３枚以上の複数枚であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、同等のビーム形状を得るために、誘電体レンズ以外に、大口径アンテナ、アンテナアレー、パラボラアンテナ、または、これらの組合せを用いてもよいことは、上述した通りである。

さらに、本発明の速度センサは、送信信号（送信電磁波）を送信する送信器と反射信号（反射電磁波）を受信する受信器とが単一のセンサ部分筐体内の互いに近接した位置に設置されるため、反射波のサイドローブを反射信号として受信するために受信器を送信器から離して設置する構成とは異なり、車高ｈが変化しても、電磁波の放射角度θを適切に設定することで、速度センサ１の装置サイズを変更することなく、速度センサ１に固有の検知感度に見合った最適な検知距離ｄを確保することが可能となり、場合によっては、速度分解能の向上も可能となる。これは見方を変えると、電磁波の放射角度θを適切に設定することで、特に速度センサ１が固有に持つ検知感度（検知性能）を変更することなく、所定の範囲内で異なる車高ｈを有するさまざまな車種に速度センサ１が適用可能となるということでもある。すなわち、本実施例によれば、適用車種ごとに速度センサ１を別々に設計・製造する必要がなくなり、以て、流通性が向上するばかりでなく、設計コストの低減も期待できるという効果がある。

図１４は、本発明の別の実施例である第２の実施例の速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図を示している。図１４において、ドップラーセンサを構成するために必要な回路ブロックはＭＭＩＣ１０で構成されており、さらにこれらのＭＭＩＣ１０は高周波基板１１上に実装されている。電磁波を送信するための送信アンテナと反射信号を受信するための受信アンテナは、高周波基板１１上に平面アンテナ７として形成されている。これらの高周波回路は高周波用のパッケージ３８により封止される。高周波用のパッケージ３８としては、例えば金属製のパッケージが用いられる。以下に、金属パッケージを用いた場合を例に説明する。パッケージ３８には、アンテナから放射された電磁波を通過させるための窓が設けられており、その窓の部分に第一の誘電体レンズ８が設けられている。この第一の誘電体レンズ８と第二の誘電体レンズ９により、地面付近での電磁波の照射面積がセンサの電磁波放射口の面積より小さくなるようにビーム形状に形成される。

本実施例によれば、高周波回路部分を個別に実装しパッケージ内に封止できるため、高周波回路の実装技術を必要とする比較的コストの高い組立工程と、そうでない組立工程とを分離することができ、以て、速度センサの製造プロセスの自由度を向上させることができる、あるいは、速度センサ構成の中でドップラーセンサ回路として機能する部分の実装コストを低減できるという効果がある。

図７は、本発明のさらに別の実施例である第３の実施例の速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図を示している。ドップラーセンサに必要な能動回路およびアンテナは、ＩＣパッケージ２３に封入されている。さらに、このＩＣパッケージ２３は、電磁波を放射する側に第一の誘電体レンズ８を具備して構成される。

図８はＩＣパッケージ２３の断面図であり、図１６は平面概観図である。また、図１７は、このＩＣパッケージ２３内部のＭＭＩＣ部分を通るようにＩＣパッケージ２３の装着面に平行な面でＩＣパッケージ２３を切断したときの切断面の概観図を示す。発振器、ミキサ、混合器、電力増幅器、低雑音増幅器、送信アンテナ、および、受信アンテナは、それぞれ個別のＭＭＩＣや高周波基板を用いて構成することが可能であるが、これら全てを１チップのＭＭＩＣ上にモノリシックに形成すると低コスト化に適している。本実施例では、１チップのＭＭＩＣ１０として形成されている例で説明する。このように全ての高周波回路をモノリシックに集積することで、アンテナにて放射または受信される電磁波以外に、このＭＭＩＣ１０の外部へ高周波信号を伝送する必要がなくなるため、安価な実装方法が利用可能になる。本実施例ではＭＭＩＣ１０は樹脂モールドパッケージ３７により実装されている。

さらに、樹脂モールドパッケージ３７の図中上部には第１の誘電体レンズ８が形成されている。この誘電体レンズ８は、樹脂モールドパッケージ３７と同一の材料で形成されるのが好適であり、その場合、大量生産時に金型による一体形成が可能となる。ＭＭＩＣ１０上には、送信アンテナおよび受信アンテナが、例えばマイクロストリップパッチアンテナ等の平面アンテナとして形成されている。このとき、ＭＭＩＣの製造コストは、その面積に依存するため、ＭＭＩＣ１０上に形成するアンテナ２６としては、アレー化されていない、素子数の少ない、例えば、一つの素子からなるパッチアンテナで構成されるのが好適である。特にこのような素子数の少ないアンテナを用いた場合、通常、アンテナから放射される電磁波の放射角が広くなる。第一の誘電体レンズ８は、このアンテナから放射される電磁波の放射角を狭め、その放射された電磁波のほとんど全てを第二の誘電体レンズに入射させて損失を低減させる効果を持っている。さらに、第二の誘電体レンズを用いて、電磁波の集光を行う。ここで、対象物付近すなわち地面付近での電磁波ビーム幅（例えばビーム断面の最大径と定義してもよい）がセンサの電磁波放射口付近での電磁波ビーム幅すなわち第二の誘電体レンズの最大径より小さいかまたはほぼ同じとなるように電磁波を集光するよう、第二の誘電体レンズを構成することにより、上述の原理から検知誤差を低減することが可能となる。

図９は、このＭＭＩＣ１０の回路図の一例である。この回路では、発振器を自己混合型の発振器とすることで、ドップラーセンサに必要な発振器および混合器の役割を一つのＦＥＴ（Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ）２７で実現している。ＦＥＴ２７はラジアルスタブ２９により負帰還がかけられ負性抵抗を発生し、オープンスタブ型の共振器２８により、発振すべき周波数で共振させることで希望の周波数での発振動作を実現する。ＭＭＩＣ１０上のアンテナ２６は、送信アンテナと受信アンテナとを兼ねており、ＦＥＴ２７により生成された信号を放射すると同時に、対象物からの反射信号を受信する。受信した反射信号はＦＥＴ２７により混合され、ドップラー効果により生じた送信信号と反射信号との間の周波数シフト量を周波数とする低周波信号が生成される。

ところで、本実施例のような構成の場合、ＭＭＩＣ１０上のアンテナ２６と第一の誘電体レンズ８との距離は１ｍｍ程度、またはそれ以下であり、非常に短い。したがって、第二の誘電体レンズ９を用いないで、第一の誘電体レンズ８のみで集光を行う場合、［数３］で示したように、第一の誘電体レンズ８は非常に高い精度で精密に加工する必要がある。

図１８は、その一例として、レンズと集光点までの距離ｂを５００ｍｍとして設計した場合において、レンズの製造誤差により焦点ｆに誤差が生じたときに発生する、レンズと集光点までの距離の誤差Δｂを示す。同図においては、アンテナとレンズとの間の距離ａを横軸として、製造によるレンズの焦点の誤差Δｆが−０．１ｍｍの場合と−０．２ｍｍの場合とをプロットしている。同図に示すように、本実施例のようなＭＭＩＣ１０上のアンテナ２６と第一の誘電体レンズ８との間の距離が１ｍｍ程度と小さい場合、集光点の誤差Δｂは非常に大きくなる。

この問題を解決するために、誘電体レンズとアンテナとの間の距離ａを大きくする必要があるが、この場合、前述のようにＭＭＩＣ１０上に設けられたアンテナ２６から放射される電磁波の放射角が非常に大きくなるため、これをカバーする誘電体レンズの径は非常に大きいものとなる。そこで、本実施例では、第一の誘電体レンズ８の他にさらに第二の誘電体レンズ９を用いる。このとき、第一の誘電体レンズ８は、電磁波の放射角は小さくするが、電磁波の結像点は依然として無限遠点にあるように設定し、第二の誘電体レンズ９により所望の距離に集光点が作られる構造とする。

本実施例によれば、ドップラーセンサ部分と第一の誘電体レンズとを安価な製造コストで構成できるという効果がある。

図１０は、本発明のさらに別の実施例である第４の実施例の速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図を示している。本実施例は、複数個、特に３個の誘電体レンズを組み合わせて速度センサのセンサ部分が構成されている例である。本実施例では、第一の誘電体レンズ８と第二の誘電体レンズ９との間に、第三の誘電体レンズ３０が設けられている。ドップラーセンサ回路部分が樹脂モールドパッケージに実装され、さらに第一の誘電体レンズが樹脂モールドパッケージ上に直接配置されて、ＩＣパッケージ２３を構成している点は、上記第３の実施例と同様である。しかしながら、ドップラーセンサ回路部分の具体的構成や第一の誘電体レンズの位置などは、これに限定されない。本実施例では、ＭＭＩＣ１０上に配置されたアンテナ２６から放射された放射角の広い電磁波は、第一の誘電体レンズ８により放射角が狭められている。さらに、第二の誘電体レンズ９と第三の誘電体レンズ３０との組合せによりビームの形成を行っている。

本実施例によれば、誘電体レンズを複数個用いることで、ビームの形成に対する自由度が大きくなるという効果がある。なお、誘電体レンズが４個以上設けられている場合、その自由度がさらに大きくなるという効果があることは言うまでもない。

図１１は、本発明のさらに別の実施例である第５の実施例の速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図を示している。また、図１２は、図１１を正面から見た図すなわち同図中右側から電磁波放射方向と正反対の方向にセンサ部分を見た図である。なお、この図１１では分かりやすくするために、第２の誘電体レンズ９は図示していない。本実施例においては、ドップラーセンサ３１から放射される電磁波は、パラボラ形状（回転放物面形状）を有する側壁３２により反射される。反射された電磁波は、さらに、第２の誘電体レンズ９により集光される。なお、パラボラ形状のアンテナを使用する場合、パラボラ形状の側壁側に向けて電磁波を照射する必要があるため、ドップラーセンサは十分に細い支柱３３により可動的または固定的に支持されたマウント台３４上に実装されるのが好適である。

本実施例によれば、センサ部分筐体内にパラボラアンテナが作り込まれた構成としたことで第一の誘電体レンズの機能をセンサ部分の筐体そのものに持たせることができるため、別体部品としての第一の誘電体レンズが不要となり、以て、部品点数削減による製造コスト低減などの効果が期待される。

図１３は、本発明のさらに別の実施例である第６の実施例の速度センサ構成におけるセンサ部分の断面図を示している。本実施例の特徴は、センサ部分が第二の誘電体レンズ９の位置を調整する調整機構３５を具備している点である。対地車速センサを車両に取り付ける場合、車両の種類によってセンサから地面までの高さｈが異なる場合がある。その場合、誘電体レンズによるビーム形状の形成を車種に応じて最適にするために、調整機構３５により第２の誘電体レンズ９の位置を調整すれば好適である。

なお、車種によって車高は、ほぼ一義的に決まるので、第二の誘電体レンズ９の位置は、速度センサが取り付けられる車両の車種に基づいて決定することができる。しかし、例えばその車両が使用するタイヤの空気圧や摩耗の度合、あるいはその他の条件によって、たとえ車種が同一であっても、初期状態から経時的に変化して、あるいは同一車種の個々の車両間で、車高が異なっている場合があると考えられる。また、道路環境によっても、サスペンションの変動により車高は変動する。このようなさまざまな状況に対応可能ならしめるために、図１９のように、車高を判定するための距離センサ３９を、例えば別体の外付け部品として設け、そのセンサの検知出力に基づいて、制御装置４０により調整機構３５を調整することで、第二の誘電体レンズ９の位置を自動的に調整することも可能である。この距離センサ３９としては、電磁波や超音波を用いる距離センサが利用可能であるが、本発明はこれに限定されず、対象物との距離を検知し、それに基づく物理量を電気的に出力可能な部品あるいは装置であれば種々適用可能である。

さらには、レーダの技術をこの対地車速センサに適用することで、対地車速センサ自体に車高を検知するための距離センサ３９の機能を持たせることが可能である。この場合、対地車速センサの出力から、対地速度と地面までの距離とを算出することが可能であるため、外部の距離センサ３９は不要となる。

本実施例によれば、車高によって地面に照射される電磁波の面積が変化することを補正することが可能であるため、車種によらない高精度な速度検知が可能である。
なお、以上においては、誘電体レンズを２個使用する例として本実施例を説明したが、誘電体レンズを３個以上使用する場合や、パラボラアンテナやアレーアンテナと誘電体レンズとを組み合わせて使用する場合でも、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。

なお、以上の実施例１〜６の説明においては、マイクロ波やミリ波などの電磁波を利用する速度センサを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、光や超音波などを利用する速度センサに適用しても、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。

また、地面に対する速度を測定する対地車速センサを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、他の対象物を測定する種々の速度センサに適用しても、少なくとも同等の効果が得られることは言うまでもない。

また、本発明の速度センサおよびそれを用いた対地車速センサが放射する電磁波のビーム形状は、上記実施例１〜６として開示したものに限定されず、センサ近傍でのビーム幅に対して地面近傍でのビーム幅が小さくなるビーム形状であれば種々の形状のものを適用可能であり、そのいずれのビーム形状を形成する場合にも、上記の各実施例に開示した装置構成は有効である。
また、上述した各実施例の構成を適宜組み合わせることにより、少なくとも各実施例から得られる効果が総合された効果が得られることは言うまでもない。

対地車速センサの説明図（実施例１）である。 アンテナから照射されるビーム形状を示す図である。 レンズと焦点の関係を示す図である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例１）である。 ドップラーセンサの回路ブロック例を示す図である。 信号処理の流れを示す図である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例３）である。 実施例３におけるセンサ回路部分を示す断面図である。 実施例３におけるセンサ回路図である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例４）である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例５）である。 実施例５の速度センサを正面から見た図である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例６）である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例２）である。 対地車速センサの取り付け状態を示す説明図（実施例１）である。 実施例３におけるセンサ回路部分を上から見た概観図である。 実施例３におけるセンサ回路部分のＭＭＩＣ部分での断面図である。 アンテナとレンズ間の距離と結像点の誤差を示す図である。 速度センサの実施例を示す断面図（実施例６）である。 図１５に示した車両とは車高が異なる車両の概観図である。

符号の説明

１ 速度センサ
２ 誘電体レンズ
３ センサ回路部
４ ビーム
５ 車体
６ 地面
７ アンテナ
８ 第一の誘電体レンズ
９ 第二の誘電体レンズ
１０ ＭＭＩＣ
１１ 高周波基板
１２ 発振器
１３ 混合器
１４ 送信アンテナ
１５ 受信アンテナ
１６ 電力増幅器
１７ 低雑音増幅器
１８ Ａ／Ｄコンバータ
１９ 信号処理におけるＦＦＴのステップ
２０ 信号処理における信号検出ステップ
２１ 信号処理における速度計算のステップ
２２ 信号処理装置
２３ ＩＣパッケージ
２６ 送受信アンテナ
２７ ＦＥＴ
２８ オープンスタブ
２９ ラジアルスタブ
３０ 第三の誘電体レンズ
３１ ドップラーセンサ
３２ 側壁
３３ 支柱
３４ マウント台
３５ 調整機構
３６ 分配器
３７ 樹脂モールドパッケージ
３８ 金属筐体
３９ 距離センサ
４０ 制御装置。

Claims (4)

1. 移動可能な物体に設置されるよう構成された速度センサであって、
   波動の性質を有する送信信号を生成し、該送信信号が対象物により反射することによって生じる反射信号を受信し、受信した前記反射信号と前記送信信号とから、前記移動可能な物体と前記対象物との間の相対速度を算出するのに必要な信号を生成して出力するセンサ回路部と、
   該センサ回路部により生成された送信信号の放射角度を変更するためのレンズと
   を具備して成り、
   前記センサ回路部は、基板と、該基板に搭載された集積回路装置と、該集積回路装置と電気的に接続され、前記送信信号を放射する送信アンテナと、前記集積回路装置と電気的に接続され、前記反射信号を受信するための受信アンテナとを具備して成り、
   前記送信信号は電磁波であり、前記レンズは前記電磁波の焦点距離を変更可能に構成された誘電体レンズであり、
   前記誘電体レンズは、第１の誘電体レンズと、該第１の誘電体レンズとは別体として設けられた第２の誘電体レンズとを含んで構成され、
   前記第１および第２の誘電体レンズのうち少なくとも一方の前記速度センサ内における位置を調整する調整機構を更に具備して成り、
   前記送信信号はビーム形状を成し、該ビーム形状は、前記対象物近傍でのビーム幅が前記速度センサの前記送信信号を放射するための放射口近傍でのビーム幅と比べてほぼ等しいかまたは小さくなるように前記レンズによって形成され、
   前記送信信号は、前記移動可能な物体の前記対象物に対する相対速度方向と所定の角度を成す方向に前記放射口から放射され、前記所定の角度は、０度より大きく９０度より小さいかまたは９０度より大きく１８０度より小さいかのいずれかの任意の角度であり、
   前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうちの少なくとも一方は、前記センサ回路部を構成する能動回路と共に同一の半導体基板上にモノリシックに形成され、
   前記半導体基板は樹脂モールドパッケージにより実装され、
   前記第１の誘電体レンズは、前記樹脂モールドパッケージ上に一体形成されている
   ことを特徴とする速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記電磁波はマイクロ波帯からミリ波帯域の電磁波である
   ことを特徴とする速度センサ。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、
   前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうちの少なくとも一方は、パラボラ形状の側壁を具備して成る
   ことを特徴とする速度センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記対象物と前記速度センサとの間の距離に関する情報を含んだ信号に基づいて前記調整機構を制御する制御装置を更に具備して成る
   ことを特徴とする速度センサ。

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