JPH06100480B2

JPH06100480B2 - 相対運動センサ

Info

Publication number: JPH06100480B2
Application number: JP58139517A
Authority: JP
Inventors: ライナ−・ハンケル; ミン−チヤン・フアム; ジ−クハルト・ポイザ−
Original assignee: ロ−ベルト・ボツシユ・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: EP0101536A1; EP0101536B1; ATE47232T1; JPS5944620A; US4605308A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、基準面に対する相対運動センサであって、検
出すべき基準面の一部が、櫛状に交互に配置された格子
構造体からなる格子装置に結像され、当該格子装置の出
力信号から運動ベクトルが導出されるものである相対運
動センサに関する。

ここで基準面とは、光学的格子装置が速度ベクトルを測
定しようとする対象平面であり、表面が粗くランダムな
不規則性を有し、光を反射するものならどのようなもの
でもよい。本発明を自動車に適用する場合、基準面は道
路表面である。通常の道路表面は、表面が粗くランダム
な不規則性を有するので上記の条件を満たすものであ
る。

従来の技術このようなセンサは、例えばATZ77（1975）7/8,213〜21
8頁、および“ファインヴェルクテヒニークウント
メステヒニーク"83（1975）６、289〜394頁、および
“ジャーナルオブジオプティカルソサイエティ
オブアメリカ"Vol.53,No12,1963、1416〜1422頁、お
よび“アプライドオプティクス"Vol.5,No8,1966,1325
〜1331頁に記載されている、いわゆる相関光学方式に基
づいている。さらにこのような装置は、自動車の速度お
よび走行距離を測定するために、ライツ社の商品名コレ
ビット−Ｌおよびコレビット−Ｑで市販されている。ま
た“ファインヴェルクテヒニークウントメステヒニ
ーク"86（1978）２、69〜71頁に詳細に記載されてい
る。この公知のセンサにおいて移動される対象物は光学
系を介して格子に結像される。格子を通過する光束は視
野レンズを用いて１つまたは２つの光電受光器に集光さ
れる。発生する電気信号は時間経過において、周囲の一
般的な光変化による低周波の変化の他に変調成分を有し
ており、この変調成分の周波数ｆは移動する対象物の速
度ｖと一義的な関係を有する。公知の装置は構成が複雑
でコストがかかる。この装置では２つの光学系が用いら
れ、一方は像平面の格子の前に、他方は後に配置されて
いるからである。そのため、製造コストばかりでなく組
付け時の調整も非常に煩雑である。

また米国特許第4218623号明細書から、光学的結像の運
動を検出することのできる装置が公知である。この公知
の装置は、種々異なる形状および面を有する感光性素子
の列を備えている。素子は群に分割されており、所定の
仕方で相互に接続されている。個々の群の出力信号は電
流／電圧変換器を介して変調回路に供給され、変調回路
にて出力信号変調のための正弦波電圧が形成される。そ
の後変調された信号はすべて加算される。加算により得
られた信号はバンドパスフィルタを介して別の回路にさ
らに導通される。この別の回路にて信号電圧と、正弦波
発生器の出力側に発生する正弦波電圧との間の位相差が
測定される。比較的に大きくなる位相差が発生したなら
ば、光学的結像がセンサの一方の側から他方の側へ移動
したことのみを意味する。この公知の装置によって運動
の方向も検出することができる。

さらに速度の無接触測定装置も公知である。（西独特許
出願公開第2450439号公報）。この装置では、90゜相互
にずらされた２つのセンサにより検出された基準面の一
部が格子面に結像される。格子面の構造は受光素子とし
て構成されている。受光素子から送出された周波数スペ
クトルからそれぞれ所定の平均周波数が導出され、この
平均周波数が速度および運動方向に対する尺度となる。
しかし運動方向の検出は、２つのセンサの相互位置によ
って定められる座標系の正方形内でのみ可能である。従
って測定結果は、例えば自動車のように前後に走行でき
る場合、方向は反対であるのに速度ベクトルが同じ値を
有するようなとき明確ではなくなる。

上記２つの公知の装置は、自動車の相対運動すべてを検
出するのに適したものではない。

発明の課題本発明の課題は次のような量を検出することのできる、
特に自動車用の相対運動センサを提供することである。

−走行速度 −走行距離 −走行方向 −センサないし自動車の前進方向ないし後進方向課題を解決するための手段上記課題は本発明により、相対運動センサは、それぞれ
４つの櫛状の格子構造体を有する２つの格子装置からな
り、それら格子装置は設定可能な角度２αだけ相互にずらさ
れて配置されており、ここでαはセンサの対称軸線と各
格子装置の対称軸線との角度であり、各格子装置はそれぞれ、第１の減算段と、第２の減算段
と、１つの位相差測定装置とを有し、各格子装置の第１および第３の格子構造体は第１の減算
段と、また各格子装置の第２および第４の格子構造体は
第２の減算段と接続されており、前記２つの減算段のそれぞれの出力信号が位相差測定装
置のそれぞれの入力側に供給され、前記２つの格子装置のそれぞれの位相差測定装置の出力
符号および減算段の出力信号の周波数が、相対運動の際
の速度ベクトル（）の絶対値および角度値を算出する
ために用いられるように構成して解決される。

本発明で使用される格子はモノリシック集積素子として
構成することができる。それにより例えばシリコンプレ
ーナ技術を用いた場合、大量生産としてのセンサ製造が
高精度で可能である。

プレーナ技術用いることができるため、運動ベクトルを
検出することのできる格子構造体または格子装置を簡単
な製造方法で表現することができる。

発明の作用本発明では１つの格子装置は４つの櫛状格子からなる。
この４つの櫛状格子のうち第１の格子と第３の格子を第
１の減算段に接続し、また第２の格子と第３の格子を第
２の減算段に接続して、周波数ｆまたはｆ′（ｆとｆ′
とは周波数は等しいが位相が異なる）を得ることによ
り、この格子装置の移動速度を運動ベクトルの絶対値と
して求めることができる。また三角関数と既知の角度α
を用いて周波数を計算することにより、移動角度を求め
ることができる。さらにこれら周波数f,f′の信号を位
相差測定装置に供給し、どちらの信号が時間的に先行し
ているかを知れば、位相差測定装置の出力符号（＋／
−）によりこの格子装置の移動方向を求めることができ
る。

本発明で得られる角度値は自動車の瞬時の走行方向を表
すものである。また走行速度を別に計測した時間と乗算
すれば走行距離が得られる。さらに２つの位相差測定相
値の出力する符号（＋または−）から、自動車の前進方
向ないし後進方向も明らかになる。具体的な計算例は以
下の実施例で詳細に説明する。

実施例本発明の基礎となる格子装置を第１図から第２図に基づ
いて説明し、本発明の実施例を第３図から第５図に基づ
き詳細に説明する。

第１図に示されたセンサの原理図において、基準面10
は、光学レンズとして示されている光学系11を介して格
子12上に結像される。基準面は、例えば地上を走行する
自動車の場合は舗装道路である。格子面あるいは像面に
おいて格子構造体13は受光素子により実現されている。
この格子状に設けられている受光素子により発生される
電気信号は、周囲の一般光によって発生する低周波成分
の他に、移動によって生じる変調成分を含んでいる。こ
の変調成分の周波数ｆはセンサに対する基準面10の相対
的速度ｖ（毎秒メートル）に対して、ｆ＝ｍ・v/G の関係を有する。すなわち、相対速度ｖ＝（Ｇ・ｆ）/m
で表すことができる。ここでｍは基準面10を格子上に結
像する光学形11の結像尺度であり、Ｇは格子装置12の格
子定数（単位、メートル）である。走行距離を求めるた
めには時間を計測しなければならない。測定原理および
評価は前述の公知文献に詳しく記載されている。

第２図に示された公知のモノリシック集積格子装置12に
おいて、第１導電型（例えばｎ導電型）のSi−サブスト
レート14上に格子構造体を有する受光素子13が設けられ
ており、この格子構造体は第２の導電型（例えばｐ導電
型）の条片状拡散部分からなる。従って受光ダイオード
として適するｐ−ｎ接合部が形成される。受光ダイオー
ドの代わりにホトトランジスタまたは光電変換器を使用
することもできる。この格子装置12は格子定数Ｇを有
し、この格子定数はそれぞれ隣接する格子構造体13の拡
散部分との距離の２倍に等しい。

ここで格子構造体13の条片状拡散部分は、条片状の金属
化部15、16の方形17を介して交互に電気的に接続され、
２つの受光素子の郡を形成している。金属化部自体は拡
散部分とは絶縁されており、金属化部15、16と格子構造
体13との電気接続は方形17（珪素−プレーナ工程の際の
酸化物におけるコンタクト窓に相応する）によって行わ
れる。

この格子装置が移動するとそれぞれの金属化部15、16か
らは、移動により周波数の変化する変調成分（ｆ＝ｍ・
v/G）と、周囲の一般光により生じる低周波成分とから
なる信号が発生する。この低周波成分は両方の受光素子
において均一であり、移動速度を求めるためには必要な
い。この格子装置において受光素子は共通の電極、ここ
ではカソードとしてのサブストレート14を有するので、
均一な光成分を抑圧するための光電流の減算を逆並列接
続によって行うことは不可能である。

この均一な光成分を除去するために、金属化部15の方形
17を介して接続されている受光素子の電流は増幅器18の
反転入力側に供給され、この増幅器は抵抗19を介して負
帰還接続されている。増幅器18の非反転入力側はアース
に接続されている。増幅器18の出力側は第１出力端子20
に接続され、また抵抗21を介して第２増幅器22の反転入
力側に接続されている。この反転入力側には、金属化部
16の方形17を介して接続されているダイオードの電流が
供給される。第２増幅器22は抵抗23を介して負帰還接続
されている。第２増幅器の反転入力側はアースに接続さ
れており、出力側は出力端子24に接続されている。

上記の構成により、金属化部15の出力信号は位相反転さ
れて金属化部16の出力信号に直接接続されることにな
る。これによって、それぞれの金属化部15、16の出力信
号が有する均一の光成分（この光成分は周囲の一般光に
より生じる意味のない成分であり、両方の出力信号に同
じように含まれる）の減算が可能である。この減算によ
り不要な均一の光成分が除去され、移動速度に比例する
変調成分のみが増幅される。増幅器18の出力側における
電圧の値は（抵抗19に依存して）、金属化部15に接続さ
れたダイオードへの電流に正比例する。金属化部16に接
続されているダイオードは増幅器22の反転入力側に電流
を給電する。増幅器18、22の負帰還接続は、反転入力側
が仮想的に電位０に保持されるように作用する。従って
抵抗21を介した、増幅器18の出力側と増幅器22の入力側
との接続は増幅器22の入力側に電流を供給する。この電
流は、抵抗19と21の大きさが等しいかぎり、金属化部15
に接続されているダイオードの電流の負の値に正確に一
致する。従い端子24における出力電圧は（抵23に依存し
て）、両方の金属化部15、16からの電流の差に比例す
る。出力端子20には、金属化部15が接続されているダイ
オードからの増幅された信号が発生する。この信号は均
一な光成分を含んでいるが、例えば測定用に使用するこ
とができる。

第３図には本発明の格子装置30が示されている。この格
子装置の基本構成は第２図に示した格子装置と同じであ
るが、４つの金属化部により４つの郡の受光素子が接続
されている点で異なる。ここでもSi−サブストレート上
の格子構造体13は条片状の拡散部分からなり、受光ダイ
オードとして構成されている。この拡散部分は４つの金
属化部31〜34の方形17を介して、櫛形に交互に配置され
た４つの格子郡ができるようにして相互に接続される。
これは、各金属化部と拡散部分との接続点をずらして格
子構造体13の４つ目毎の拡散条片が１つの金属化部の方
形に接続されることによって実現される。ここでも電気
接続は方形17により行われ、金属化部自体は拡散部分か
ら絶縁されている。すなわち左から見て第１の格子構造
体13が金属化部31の方形17と、第２の格子構造体13が金
属化部32の方形17と、第３の格子構造体13が金属化部33
の方形17と、第４の格子構造体13が金属化部34の方形17
と、そして第５の格子構造体13が再び金属化部31の方形
17と電気的に接続されている。この場合の格子定数Ｇ
は、第１の格子構造体と第５の格子構造体との距離に相
応する。

金属化部31〜34の出力信号も、移動する際に周波数がｆ
＝ｍ・v/Gに従って変化する変調成分と周囲の一般光に
よる均一な低周波成分とから成る正弦波状の波形を有す
る。それぞれの信号は位相がずれているだけで実質的に
同じ波形を有する。

金属化部31、33は第１減算段35に接続されており、金属
化部32、34は第２減算段36に接続されている。減算段3
5、36は第２図の回路に相応して構成される。ここでも
第２図と同じように、減算段に接続されたそれぞれの金
属化部の出力信号における均一の光成分が相互に減算さ
れて除去される。均一な光成分は実質的にはほぼ直流の
低周波成分であり、両信号を減算することによりこれが
除去されることとなる。

両方の出力信号の周波数f,f′は、それぞれが距離的に
離れた格子構造体13から発生したものであるから相互に
位相がずれている。出力周波数ｆとｆ′との位相差を位
相差測定装置37により検出するにより、基準面10（第１
図）の光学的結像の運動が、格子装置30に対して左から
右なのか右から左なのかが検出され得る。例えば左から
右への運動の場合は、金属化部31および金属化部33に接
続された受光素子は、それぞれ金属化部32および金属化
部34に接続された受光素子よりも時間的に先に同じ地点
を走査することとなる。従ってそれらの出力信号が供給
される減算段35の出力信号の周波数ｆは減算段36の出力
信号の周波数ｆ′よりも位相が先行している。この場
合、位相差測定装置37の出力は＋である。反対の場合、
すなわち右から左への運動では、位相差測定装置37の出
力は−である。

速度の検出には周波数ｆまたはｆ′のいずれかを用いれ
ばよい。通常は格子装置の長手方向に対して垂直の方向
（図面の横方向）に相対運動が生じるようにする。運動
方向がこの方向に対して角度θをとれば発生する周波数
は前記式から、ｆ＝cosθ・vm/Gである。

陸上車両の二次元の運動を検出する場合、第３図の格子
装置30と同じ構造を有する２つの格子装置40,41が所属
の段35,36,37と共に第４図に示すように１つのセンサ42
に統合され、それらの対称軸線43と44が角度２αを含む
ようにする。その際αはセンサ42の対称軸線45と格子装
置のそれぞれの対称軸線43,44との間の角度である。

２つの格子装置から得られるベクトル成分から、相対速
度ｖおよび運動ベクトルの向きと軸線45のなす角度βが
求められる。

運動ベクトルを検出するための別の手段が第５図のセ
ンサ50に示されている。そのために対称軸線53,54が90
゜だけ相互にずらされた２つの格子装置51,52が隣合っ
て設けられている。その際運動角度βは、センサ50の対
称軸線55と、第５図に図示された下側の格子装置52の中
心を通る運動ベクトルとの間の角度である。この構成で
は、２つの格子装置が相互に90゜だけずらされているの
で、２αだけずらされている上記の構成よりも速度およ
び方向の算出が簡単になる。

上側の格子装置51の出力信号は周波数 f₁＝（m/G）ｖ・cosβと、出力符号として（ｖ・cos
β）を有し、下側の格子装置52の出力信号は周波数 f₂＝（m/G）ｖ・sinβと、出力符号として（ｖ・sin
β）を有する。

ここでｍは光学系の結像尺度、Ｇは格子定数である。

上記方程式を解くことにより、二次元の運動を一義的に
確定するために必要な大きさが得られる。

ここで格子装置51、52からなる第５図の相対運動センサ
が、光学系の結像尺度ｍ＝0.1を有し、格子定数Ｇ＝0.3
・10^-3mを有し、センサが相対速度10m/s、β＝30゜の方
向で基準面10上に移動するとする。この場合に得られる
格子装置の各出力信号の周波数は次のとおりである。

f₁＝（0.1/0.3・10^-3）・10・cos30゜＝2886.75Hz f₂＝（0.1/0.3・10^-3）・10・sin30゜＝1666.67Hz ここで、tanβ＝sinβ/cosβ＝f₂/f₁であるから、両方の格子装置の出力信号の周波数からこのセンサの移
動角度が検出される。1666.67/2886.75＝tan30゜また速度はｖ＝（f₁・Ｇ）／（ｍ・cosβ）であるか
ら、（2886.75×0.3・３・10^-3）（0.1・0.8660）を計算す
ることにより、10m/sが得られる。

このように格子装置の出力信号の周波数から自動車の走
行方向と走行速度が求められる。上記の計算例では相対
運動センサが、対称軸線54、55の交点を原点とする座標
系の第１象限で移動していたので、各格子装置の位相差
測定装置の出力符号は共に＋であった。各象限での移動
の際に発生する出力符号は次のとおりである。

これにより相対運動センサの移動方向（前進かまたは後
進か）を検出することができる。

第４図および第５図に示された格子装置は、１つのチッ
プの上に一緒にモノシリツクに集積することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のセンサの概略図、第２図は櫛形に交互に
配置された２つの受光素子の構造の概略図、第３図は本
発明の相対運動センサで使用される櫛形に交互に配置さ
れた４つの受光素子の構造の概略図、第４図は運動ベク
トルを検出するため角度２αをおいて配置された２つの
格子装置を有する本発明の相対運動センサの概略図、第
５図は運動ベクトルを検出するため角度90゜において配
置された２つの格子装置を有する本発明の相対運動セン
サの概略図である。 10……基準面、11……光学系、12、30、40、41、51、54
……格子装置、13……格子構造体、14……サブストレー
ト、15、16、31〜34金属化部、17……方形、35、36……
減算段、37……位相差測定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジ−クハルト・ポイザ− ドイツ連邦共和国ベルリン37メルヒンガ −・シユトラ−セ40 (56)参考文献特開昭49−76427（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−91260（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−61972（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−19867（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−55466（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−109910（ＪＰ，Ａ) 特公昭43−11707（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準面（10）に対する相対運動センサであ
って、検出すべき基準面の一部が、櫛状に交互に配置さ
れた格子構造体（13）からなる格子装置（30）に結像さ
れ、当該格子装置（30）の出力信号から運動ベクトルが導出
されるものである相対運動センサにおいて、該相対運動センサ（42）は、それぞれ４つの櫛状の格子
構造体（13,31〜34）を有する２つの格子装置（40,41）
からなり、それら格子装置は設定可能な角度２αだけ相互にずらさ
れて配置されており、ここでαはセンサ（42）の対称軸
線（45）と各格子装置（40,41）の対称軸線（43,44）と
の間の角度であり、各格子装置（40、41）はそれぞれ、第１の減算段（35）
と、第２の減算段（36）と、１つの位相差測定装置（3
7）とを有し、各格子装置の第１（31）および第３（33）の格子構造体
は第１の減算段（35）と、また各格子装置の第２（32）
および第４（34）の格子構造体は第２の減算段（36）と
接続されており、前記２つの減算段（35,36）のそれぞれの出力信号が位
相差測定装置（37）のそれぞれの入力側に供給され、前記２つ格子装置（40、41）のそれぞれの位相差測定装
置（37）の出力符号および減算段（35,36）の出力信号
の周波数が、相対運動の際の速度ベクトル（）の絶対
値および角度値を算出するために用いられることを特徴
とする相対運動センサ。
【請求項２】それぞれ４つの櫛状格子（13,31〜34）か
らなる２つの格子装置（51,52）は、センサ（50）の対
称軸線（55）に対し、一方の格子装置（51）の対称軸線
（53）が角度α_１＝０゜、他方の格子装置（52）の対称
軸線（54）が角度α_２＝90゜を有するように配置されて
いる特許請求の範囲第１項記載の相対運動センサ。