JP5811031B2 - 車載通信システム及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載機器間の情報伝送を行う車載通信システム及び通信装置に関する。

従来、車両において、車載機器間の情報伝送に無線通信を利用することにより、ワイヤハーネスの削減，配線の簡略化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２０００−１５１６４３号公報

ところで、電波を利用した無線通信では、送信側アンテナと受信側アンテナとの間に金属製の遮蔽物が存在すると、受信側通信装置での受信電力が著しく低下する。
従って、例えば、車車間センサなどの後付機器を、エンジンルーム等の金属面で囲まれた位置に設置することを考えた場合、エンジンルーム外に配置された他の機器との通信を無線によって実現することは困難であり、結局、ワイヤハーネスを使用した配線に頼らなければならないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、ワイヤハーネスを使用することなく車載機器間の通信を実現する車載通信システム及び通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の車載通信システムでは、車両に搭載された複数の通信装置が、車両の車体において導電性を有する部位である車体導電部位を伝送媒体として使用する。なお、車体導電部位は、複数のパートに構造上分割されていたとしても、互いのパートが伝送信号の周波数帯で低インピーダンスとなる（インピーダンスが略０であるとみなせる）構造を有していればよい。

このように構成された車載通信システムによれば、通信相手との間に金属製の遮蔽物が存在する場合でも、ハーネスを使用することなく車載機器間の通信を実現することができる。

但し、通信装置は、車体導電部位が遮蔽空間を形成する場合、その遮蔽空間の外部に配置されていることが望ましい。これは、通信装置の対地静電容量を小さくするほど、車体導電部位から効率よく信号を取り出すことができるためである。

また、通信装置間で送受信される伝送信号の波長は、車両の全長の３倍以上であることが望ましく、１０倍以上であればより好ましい。このような伝送信号を用いることにより、車体において伝送信号の定在波が生じることがなく、車両上のどの車体導電部位からでも信号を取り出すことができる。

次に、本発明の通信装置では、予め設定された周波数帯の伝送信号を処理する信号処理部と、車両の車体において導電性を有する部位である車体導電部位と信号処理部の間で伝送信号を入出力する車体インタフェース部とを備えている。

このように構成された通信装置によれば、伝送媒体として車体導電部位を使用して通信を行うことができるための、上述の車載通信システムを構成する通信装置として好適に使用することができる。

第１実施形態の車載通信システムの全体構成を示すブロック図である。 （ａ）が車載通信システムを構成する各部の配置等を示す説明図、（ｂ）が車体ＩＦ部の構成を例示する説明図である。 （ａ）が車載通信システムの等価回路を構成する上で考慮すべき静電容量等を示した説明図、（ｂ）が車載通信システムを表す等価回路を示した回路図である。 車載通信システムを搭載した車両が他車両に及ぼす影響を求めるための等価回路を示した回路図である。 車載ＩＦ部の変形例を示す説明図である。 車載ＩＦ部の構造別で伝達ロスを測定した結果を示すグラフである。 第２実施形態の車載通信システムの全体構成を示すブロック図である。 （ａ）が車載通信システムを構成する各部の配置等を示す説明図、（ｂ）が等価回路を構成する上で考慮すべき静電容量等を示した説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
車載通信システム１は、図１に示すように、車車間通信や路車間通信（以下総称して「外部通信」という）を行う車載機器（以下「送信側通信装置」という）２と、車両の乗員に対して各種音声出力を行う車載機器（以下「受信側通信装置」という）３と、両通信装置２，３間の通信において伝送媒体となる車体導電部位４とを備えている。

＜送信側通信装置＞
送信側通信装置２は、自装置２に割り当てられた主要機能である外部通信を行うメイン処理部２１と、メイン処理部２１から供給される音声データを用いて予め定められた周波数（以下「特定周波数」という）を有する搬送波をＡＭ変調する変調器２２と、変調器２２からの出力信号を増幅する増幅器２３と、増幅器２３にて増幅された信号を伝送信号として、車体導電部位４に出力する車体インタフェース部（車体ＩＦ部）２４とを備えている。

メイン処理部２１は、外部通信に必要な周知の回路の他、乗員に対する音声案内のために用意された音声データを記憶するメモリや、外部通信により得た情報に従って、メモリに記憶された音声データを読み出して変調器２２に供給する読出回路を少なくとも備えている。

変調器２２及び増幅器２３は、ＡＭラジオ放送（５２６．５ｋＨｚ〜１６０６．５ｋＨｚ）のラジオ受信機で受信可能な周波数帯（ＡＭ波周波数帯）で動作する周知のものであり、特定周波数は、このＡＭ波周波数帯の任意の周波数に設定されている。

以下では、メイン処理部２１，変調器２２，増幅器２３を総称して、信号処理部２０ともいう。
＜受信側通信装置＞
受信側通信装置３は、車体導電部位４から伝送信号を取り込む車体ＩＦ部３５と、車体ＩＦ部３５が取り込んだ伝送信号を増幅する増幅器３３と、増幅器３３が増幅した信号から、選局された周波数の信号を抽出し、抽出した信号を復調することで音声信号を生成するチューナ／復調部３２と、チューナ／復調部３２によって生成された音声信号に従って、自装置３に割り当てられた主要機能である音声出力を行うメイン処理部３１と、増幅器３３の出力から特定周波数の信号を抽出するフィルタを有し、特定周波数の信号が抽出された場合は、チューナ／復調部３２に特定周波数を選局させる選局指令を出力する特定信号抽出部３４を備えている。

但し、特定信号抽出部３４は、チューナ／復調部３２が電源オフ状態にある場合、選局指令を出力する前に、チューナ／復調部３２を強制的に電源オン状態にする機能も有している。

以下では、メイン処理部３１，チューナ／復調部３２，増幅器３３，特定信号抽出部３４を総称して信号処理部３０ともいう。また、信号処理部３０の特定信号抽出部３４以外の構成は、既存の車載ラジオに含まれる構成と同様のものである。

＜車体導電部位＞
次に、車体導電部位４は、図２（ａ）に示すように、車体のうち導電性を有する材料で形成された部位のことであり、車両の外縁やエンジンルームと車室との境界等を構成する。なお車体導電部位４は、必ずしも全てが一体に構成されている必要はなく、複数の部分に分割されている場合は、特定周波数において互いにショートしているとみなせる程度に低インピーダンスとなる構造を有していればよい。

そして、送信側通信装置２は、車体の前方下部に、車体導電部位４が形成する空間の外側に位置するように取り付けられている。また、送信側通信装置２の車体ＩＦ部２４には、図２（ｂ）に示すように、信号処理部２０を実装する基板上に形成された増幅器２３の出力の取出端と、基板の直近に位置する車体導電部位４とを短絡する導電線が用いられている。一方、受信側通信装置３の車体ＩＦ部３５には、車体導電部位４が形成する空間の外側（ここでは車室の天井部分の上）に設置された既存の車載アンテナ（図２（ａ）参照）が用いられている。

＜動作＞
このように構成された車載通信システム１では、送信側通信装置２の信号処理部２０が外部通信によって各種情報を取得し、その取得した情報の内容に従った音声案内を行うための音声データをメモリから読み出し、その音声データによって特定周波数の搬送波を変調してなる伝送信号を、車体ＩＦ部２４を介して車体導電部位４に出力する。

受信側通信装置３の信号処理部３０は、車体ＩＦ部３５を介して特定周波数の伝送信号を受信すると、この伝送信号を復調するようにチューナ／復調部３２を設定（電源オン，特定周波数の選局）し、復調された音声信号に従ってメイン処理部３１が音声出力を行う。

＜等価回路＞
ここで、車載通信システム１の等価回路について説明する。
なお、図３（ａ）に示すように、送信側通信装置２の対地静電容量をＣsg、車体導電部位４の対地静電容量をＣbg、車体ＩＦ部（車載アンテナ）３５の車体導電部位４に対する静電容量をＣab、車体ＩＦ部３５の対地静電容量をＣag、送信側通信装置２の信号処理部２０が発生させる伝送信号の振幅（送信強度）をＶｓ、受信側通信装置３の信号処理部３０にて受信される伝送信号の振幅（受信強度）をＶｒとする。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に基づいて作成した等価回路である。但し、図中のＺは、送信側通信装置２の車体ＩＦ部２４のインピーダンスであり、特定周波数ではＺ＝０とみなせるものとする。

この等価回路に基づき、伝送信号の周波数をｆとすると、車体導電部位４での伝送信号の振幅（対地電圧）Ｖbgは（１）式で求められる。

また、受信強度Ｖｒは、（１）式で求められるＶbgを利用して（２）式で求められる。

ここで、例えば、Ｖｓ＝１［Ｖ］、Ｃsg＝１０［ｐＦ］、Ｃbg＝８７０［ｐＦ］、Ｃab＝３２［ｐＦ］、Ｃag＝０．６５［ｐＦ］とすると、Ｖbg＝８０［ｄＢμＶ］、Ｖｒ＝４０［ｄＢμＶ］となる。なお、Ｖｒ＝４０［ｄＢμＶ］であれば、既存の車載ラジオにより音声を再生することができる。

また、車両Ｍ１に搭載された送信側通信装置２から送出された信号が、近接する他の車両Ｍ２に及ぼす影響を評価するための等価回路を図４に示す。
なお、車両Ｍ１の車体導電部位４の対地電圧をＶbg１、車両Ｍ１の車体導電部位４と車両Ｍ２の車体導電部位４との間の車車間静電容量をＣcc、車両Ｍ２の車体導電部位４の対地静電容量をＣbg２、車両Ｍ２の車載アンテナ（車体ＩＦ部３５）の車体導電部位４に対する静電容量をＣab２、車両Ｍ２の車載アンテナの対地静電容量をＣag２とする。

この等価回路に基づき、車両Ｍ１の車体導電部位４に現れる伝送信号（送信強度Ｖbg１）によって、車両Ｍ２の車載アンテナに誘起されるノイズの受信強度Ｖｒ２は（３）式で求められる。

ところで、車載アンテナ等に誘起されるノイズ電圧は、２０［ｄＢμＶ」未満に抑える必要があり（ＣＩＳＰＲ２５規格による）、実際には、マージンを考慮して０［ｄＢμＶ」未満に抑えることが望ましい。

（３）式から、Ｖｒ２＜０［ｄＢμＶ」（＝１μＶ）を満たす車車間静電容量Ｃcc を求めると、（４）式が得られる。

車車間静電容量Ｃcc が最大となるのは、両車両Ｍ１，Ｍ２が併走している状態、即ち、車体側面が互いに対向している状態の時である。例えば、車体側面の面積をＳ（＝Ｈ×Ｌ：但し、車体高さＨ＝１５７５［ｍｍ］、車体長さＬ＝４６１５［ｍｍ］）として、コンデンサの容量を表す（５）式を利用して、（４）式を満たす車間距離ｄを求めるとｄ＞１５０［ｍｍ］となる。但し、εは大気の誘電率、Ｃbg２＝８０［ｄＢμＶ］である。

つまり、車間距離が１５ｃｍ未満となるまで接近しない限り、車両Ｍ１の送信側通信装置２から車体導電部位４に出力された伝送信号が、他の車両Ｍ２に有害な影響を及ぼすことがないことがわかる。

また、これらの式を用いて逆算すれば、車間距離ｄの最小値を決めることで、送信側通信装置２での送信強度Ｖｓの許容最大値を求めることができる。
＜効果＞
以上説明したように車載通信システム１では、車両に搭載された送信側通信装置２と受信側通信装置３との通信の伝送媒体として車体導電部位４を使用している。

従って、車載通信システム１によれば、両通信装置２，３の間に金属製の遮蔽物が存在する場合であっても、ハーネスを使用することなく通信装置２，３間の通信を実現することができる。

また、車載通信システム１において、送信側通信装置２は、車体導電部位４が形成する遮蔽空間の外部かつ大地面の近く、即ち、大きな静電容量Ｃsgが確保される位置に配置されているため、伝送信号を車体導電部位４に効率よく伝達することができる（（１）式参照）。

また、車載通信システム１において伝送信号の波長（数百ｍ程度）は、車両の全長（１．５ｍ程度）と比較して十分に大きいため、車体導電部位４において伝送信号の定在波が生じることがなく、車両上のどの車体導電部位４からでも信号を取り出すことができる。

＜変形例＞
本実施形態では、搬送波をＡＭ変調するように構成したが、使用できる変調方式はこれに限るものではなく、通信や放送に使用される変調方式であればどの変調方式を用いてもよい。

上記実施形態では、車体ＩＦ部２４として、増幅器２３の出力の取出端を車体導電部位４に短絡させる導電線を用いているが、これに限るものではなく、特定周波数で低インピーダンスとなる（インピーダンスが０とみなせる）ような構造で接続されていればい。

具体的には、図５（ａ）に示すように、車体ＩＦ部２４として、伝送信号の周波数で低インピーダンスとなるコンデンサを車体導電部位４と共に形成する金属プレートを使用し、この金属プレートに増幅器の出力の取出端を短絡させるように構成してもよい。また、金属プレートの代わりにダイポールアンテナ等を使用してもよい。

また、図５（ｂ）に示すように、車体ＩＦ部２４として、上記金属プレートの代わりに、信号処理部２０を覆うように形成されたシールド筐体を使用してもよい。但し、この場合、シールド筐体には、車体導電部位４とは非対向となる部位に、対地静電容量Ｃsgを確保するための開口部を設ける必要がある。

ここで、図６は、車体ＩＦ部２４として、車体導電部位４と短絡させる導電線を使用した場合、ダイポールアンテナを使用した場合、金属プレートを使用した場合、シールド筐体を使用した場合について、送信側通信装置２から受信側通信装置３までの伝達ロスをシミュレーションによって計算した結果を示すグラフである。

但し、金属プレートは１００ｍｍ×１００ｍｍ、シールド筐体は１００ｍｍ×１００ｍ×１０ｍｍ、車両は、車長４５００ｍｍ（フロントエンジン部分１５００ｍｍ＋車室部分３０００ｍｍ）、車幅１５００ｍｍ、フロントエンジン部分の車高７５０ｍｍ、車室部分の車高１５００ｍｍとし、受信側通信装置の車体ＩＦ部（車載アンテナ）は車両の後方から７５０ｍｍかつ車幅方向の中心位置で車室部分の外部に配置し、送信側通信装置のＩＦ部は、フロントエンジン部分の前端の下部かつ車幅方向の一方の端部から３００ｍｍ離れた位置に配置するものとして求めた。

図６からわかるように、車体ＩＦ部２４として車体導電部位４と短絡させる導電線を使用した場合が、最も伝達ロスの少ない構成となる。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。

＜全体構成＞
車載通信システム５は、図７に示すように、車車間通信や路車間通信（以下総称して「外部通信」という）を行う車載機器（以下「送信側通信装置」という）６と、車両の乗員に対する各種報知を行う車載機器（以下「受信側通信装置」という）７と、両通信装置６，７間の通信において伝送媒体となる車体導電部位４とを備えている。

なお、車体導電部位４については、第１実施形態のものと同様であるため説明を省略する。
＜送信側通信装置＞
送信側通信装置６は、当該通信装置６に割り当てられた主要機能（ここでは車車間通信や路車間通信）を実現するメイン処理部６１と、メイン処理部６１から供給される指令に従って、所定周波数の信号を発生させる電圧制御発振器（ＶＣＯ）６２と、変調器２２からの出力信号を増幅する増幅器６３と、増幅器６３にて増幅された信号を伝送信号として、車体導電部位４に印加する車体インタフェース部（車体ＩＦ部）６４とを備えている。

なお、メイン処理部６１は、外部通信に必要な周知の回路の他、外部通信により得た情報に基づき、該情報に予め対応づけられた周波数の信号をＶＣＯ６２に生成させるための指令を出力する出力回路を少なくとも備えている。

ＶＣＯ６２及び増幅器６３は、ＡＭラジオ放送のラジオ受信機で受信可能な周波数帯を外して設定された作動周波数帯（５１０ＭＨｚ以下、又は１．７１ＭＨｚ以上）で動作する周知のものである。但し、作動周波数帯は、車体導電部位４のどの部分でも伝送信号の電位が略等しいとみなせるように、伝送信号の波長が車体（車体導電部位）の全長の３倍以上、好ましくは１０倍以上となるように設定することが望ましい。

以下では、メイン処理部６１，ＶＣＯ６２，増幅器６３を総称して、信号処理部６０ともいう。
＜受信側通信装置＞
受信側通信装置７は、車体導電部位４から伝送信号を取り込む車体ＩＦ部７４と、車体ＩＦ部７４が取り込んだ伝送信号を増幅する増幅器７３と、増幅器７３が増幅した信号の周波数を識別する周波数識別部７２と、ランプ、ブザー等の複数種類の報知機器で構成され、周波数識別部７２にて識別される周波数に対応づけられた報知機器を作動させるメイン処理部７１とを備えている。

以下では、メイン処理部７１，周波数識別部７２，増幅器７３を総称して信号処理部７０ともいう。
＜配置／等価回路＞
送信側通信装置６は、図８（ａ）に示すように、第１実施形態における送信側通信装置２と同様、車体の前方下部に、車体導電部位４が形成する遮蔽空間の外側に位置するように取り付けられている。また、送信側通信装置６における車体ＩＦ部６４は、第１実施形態の場合と同様に、信号処理部６０を実装する基板上に形成された増幅器６３の出力の取出端と、基板の直近に位置する車体導電部位４とを短絡する導電線からなる（図２（ｂ）参照）。

一方、受信側通信装置７は車室内に配置されている。特に、車体ＩＦ部７４は、増幅器７３の信号入力端に短絡された金属プレートによって構成され、車体導電部位４が形成する遮蔽空間の開口（例えばフロントウインドが設置される開口）付近に配置されている。

この金属プレートは、図８（ｂ）に示すように、車体導電部位４との間で静電容量Ｃabの大きさで結合されると共に、大地との間で静電容量Ｃagの大きさで結合される。なお、車体ＩＦ部７４を開口付近に配置するのは、静電容量Ｃagを確保するためである。

このように構成された車載通信システム５の等価回路は、静電容量ＣabやＣagの大きさが異なるだけで、第１実施形態の場合と同様である（図３（ｂ）参照）。
＜動作＞
車載通信システム５では、送信側通信装置６の信号処理部６０は、外部通信によって情報を取得すると、その取得した情報に対応づけられた周波数を有する伝送信号を、車体ＩＦ部６４を介して車体導電部位４に出力する。

受信側通信装置７の信号処理部７０は、車体ＩＦ部７４を介して受信する伝送信号の周波数を識別し、その識別した周波数に対応づけられた報知機器や処理を起動することで、乗員に対する報知を行う。

＜効果＞
以上説明したように車載通信システム５では、車載通信システム１と同様に、車両に搭載された送信側通信装置６と受信側通信装置７との通信の伝送媒体として車体導電部位４を使用しているため、車載通信システム１と同様の効果を得ることができる。

［他の実施形態］
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な態様にて実施可能である。

例えば、上記実施形態では、送信側通信装置２，６として、外部通信を主要機能とする車載機器を用いているが、その他の車載機器を用いてもよい。その場合、送信側通信装置２，６は、受信側通信装置７と同様に、車体導電部位４が形成する遮蔽空間の内側に配置される可能性が高いが、車体ＩＦ部２４，６４を、対地静電容量Ｃag及び車体導電部位４に対する静電容量Ｃabのいずれもが確保される位置（例えば、遮蔽空間の開口付近）に設置された金属プレート等によって構成すればよい。

上記実施形態では、送信専用の送信側通信装置２，６、受信専用の受信側通信装置３，７について説明したが、各通信装置が送信用の構成及び受信用の構成をいずれも備えるようにしてもよい。

１，５…車載通信システム ２，６…送信側通信装置 ３，７…受信側通信装置 ４…車体導電部位 ２０，３０，６０，７０…信号処理部 ２１，３１，６１，７１…メイン処理部 ２２…変調器 ２３，３３，６３，７３…増幅器 ２４，３５，６４，７４…車体インタフェース部（車体ＩＦ部） ３２…チューナ／復調部 ３４…特定信号抽出部 ６２…ＶＣＯ ７２…周波数識別部

Claims (10)

1. 車両に搭載された複数の通信装置（２，３，６，７）が、前記車両の車体において導電性を有する部位である車体導電部位（４）を伝送媒体として使用し、
   送信側の通信装置（２）は、ラジオ放送で使用される周波数帯の搬送波を音声信号によって変調した信号を伝送信号として送信し、
   受信側の通信装置（３）として、車載のラジオ受信機を用いる
   ことを特徴とする車載通信システム（１）。
2. 前記通信装置（２，６）は、前記車体導電部位が形成する遮蔽空間の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車載通信システム。
3. 前記通信装置間で送受信される伝送信号の波長は、前記車両の全長の３倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車載通信システム。
4. 同じ車両に搭載される複数の車載機器間の通信に使用する通信装置（２，３，６，７）であって、
   予め設定された周波数帯の伝送信号の送信又は受信のうち少なくとも一方を行う信号処理部（２０，３０，６０，７０）と、
   前記車両の車体において導電性を有する部位である車体導電部位と前記信号処理部の間で前記伝送信号を入出力する車体インタフェース部（２４，３５，６４，７４）と、
   を備え、
   前記車体インタフェース部（３５）として、ラジオ放送を受信するために設置された車載アンテナを使用することを特徴とする通信装置。
5. 前記車体インタフェース部（２４，６４）は、前記車体導電部位と前記信号処理部における前記伝送信号の入出力端とを短絡する導電線からなることを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
6. 前記車体インタフェース部は、前記信号処理部における前記伝送信号の入出力端に接続され、かつ、前記伝送信号の周波数帯で低インピーダンスとなるコンデンサを前記車体導電部位と共に形成する金属プレートからなることを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
7. 同じ車両に搭載される複数の車載機器間の通信に使用する通信装置（２，３，６，７）であって、
   予め設定された周波数帯の伝送信号の送信又は受信のうち少なくとも一方を行う信号処理部（２０，３０，６０，７０）と、
   前記車両の車体において導電性を有する部位である車体導電部位と前記信号処理部の間で前記伝送信号を入出力する車体インタフェース部（２４，３５，６４，７４）と、
   を備え、
   前記車体インタフェース部は、前記信号処理部における前記伝送信号の入出力端に接続され、かつ、前記伝送信号の周波数帯で低インピーダンスとなるコンデンサを前記車体導電部位と共に形成する金属プレートからなることを特徴とする通信装置。
8. 前記金属プレートは、自装置の筐体の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の通信装置。
9. 前記信号処理部（３０）は、
   予め定められた特定周波数の伝送信号を抽出する抽出手段（３４）と、
   該抽出手段にて信号が抽出された場合に、予め定められた処理を実行する実行手段（３
   １，３２）と、
   を備えることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の通信装置。
10. 前記信号処理部（７０）は、
    前記伝送信号の周波数を識別する識別手段（７２）と、
    前記識別手段にて識別された周波数に対して予め対応づけられた処理を実行する選択実行手段（７１）と、
    を備えることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の通信装置。