JPH0854464A - 車速計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送波器および受波器のサイドローブの影響を
除去して、正確な車速が検出できる車速計測装置を提供
する。 【構成】 送受波器４は、車両１から所定の俯角傾度θ
をもって路面に向かって超音波を発信するとともに、路
面から反射する超音波を受波する。受波信号処理回路７
では、送受波器４で受波された超音波からドップラー周
波数成分を計測し、このドップラー周波数成分に基づい
て車両１の車速を演算する。送受波器４に接続される信
号発生回路６は、周波数の異なる２つのトーンバースト
波を送波器に供給し、送受波器４は、これら異なる２つ
の周波数に応答して超音波を発信する。超音波は、指向
性の鋭いパラメトリック送波アレーとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両のナビゲーション
システム、ＡＢＳ装置や車速検出装置に利用される車速
計測装置に関し、特に、車両から所定の俯角傾度をもっ
て路面に向かって超音波を送波し、路面から反射する超
音波からドップラー周波数成分を計測し、このドップラ
ー周波数成分に基づいて車両の車速を演算する車速計測
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波ドップラー法を用いた車速計測装
置は、車輪速度から車速を検出する車速センサと異な
り、車輪の空気圧、積み荷の大きさ、タイヤサイズ、ス
リップ等の影響を受けることなく信頼性の高い車速検出
を行うことができる。

【０００３】従来の車速計測装置は、例えば、特開平３
−１６９３８８号公報に開示されるように、送受波器の
振動子に単一のバースト波信号を印加し、車両の前方ま
たは前後両方向に超音波を所定の俯角傾度で放射する。
続いて、送受波器は、路面から反射する超音波を受信し
て、送受波信号の周波数の差から、以下の理論に基づい
て車速Ｖを演算する。

【０００４】まず、送受波器４から周波数ｆ０のトーン
バースト波を発射し、路面５で反射して再び戻ってくる
反射エコーの周波数をｆと仮定する。ドップラー周波数
△ｆと車速Ｖとの間には、

【数１】 の関係があり、これより車速Ｖは次のように求められ
る。

【０００５】

【数２】 なお、いずれの式においてもＣ：音速［ｍ／ｓ］であ
る。ここで、音速ｃに比較して車速Ｖが無視できるほど
小さい場合には、上記式（１）および（２）は、次のよ
うに簡略して扱うことができる。

【０００６】

【数３】 演算回路は、超音波メインローブの俯角傾度および計測
されたドップラー周波数成分から上記式（４）に基づい
て車速Ｖを演算する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のバース
ト波の送受波によれば、車両が冠水路面を走行する場
合、冠水路面が超音波に対していわゆる鏡面の状態とな
るため、任意の俯角傾度で放射した超音波エネルギの大
半は前方へ正反射してしまい、送受波器が受信できる受
波エコーレベルが極めて低くなる。そして、このとき、
送受波器のメインローブは俯角傾度の方向に向いてはい
るものの、車両から真下に向く方向にもサイドローブを
有するため、このサイドローブに係る超音波によっても
受波エコーレベルが感知されている。このため、冠水路
面走行時には、メインローブ受信波のレベルの低下によ
り通常はメインローブ受信波の陰に隠れているサイドロ
ーブ受信波が問題となってくる。すなわち、サイドロー
ブの受信レベルが受波信号の中で支配的になり、これを
車速信号として取り込んでしまうため、車速計測精度の
著しい低下をもたらす。

【０００８】また、乾いたアスファルト路面であって
も、車両の速度が増すと、超音波の伝搬媒体である空気
の流れが超音波ビームを押し流し、メインローブ送信波
に基づく反射エコーの方向が所定の俯角傾度から外れる
ことがある。かかる場合、路面からの反射エコーはメイ
ンローブ送信波に基づくものであるにも拘わらず、サイ
ドローブで受波され、受信エコーレベルの低下をもたら
す。加えて、サイドローブ送信波に基づく受信エコーレ
ベルが支配的になり、俯角傾度θのばらつきから演算に
よる車速計測精度低下の要因となっていた。

【０００９】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
ので、送波器および受波器のサイドローブの影響を除去
して、正確な車速が検出できる車速計測装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明によれば、車両から所定の俯角
傾度をもって路面に向かって超音波を発信する送波器
と、この送波器に超音波の発信信号を与える信号発生回
路と、路面から反射する超音波を受波する受波器と、受
波器で受波された超音波からドップラー周波数成分を計
測し、このドップラー周波数成分に基づいて車両の車速
を演算する受波信号処理回路とを備える車速計測装置に
おいて前記信号発生回路は、周波数の異なる２つのトー
ンバースト波を送波器に供給し、前記送波器は、これら
異なる２つの周波数に応答して超音波を発信することを
特徴とする車速計測装置が提供される。

【００１１】また、請求項２記載の発明によれば、送波
器および受波器は、両者に共通して超音波を送受波する
振動子から構成され、この振動子は、圧電振動子と、こ
の圧電振動子の超音波輻射面に固定された整合板とを備
え、整合板の厚さＴｍは、 Ｔｍ＝Ｔ・Ｖｍ／（４・Ｎ４） （ここで、Ｔ：圧電振動子の厚さ、Ｖｍ：整合板中の超
音波の伝搬速度、Ｎ４：圧電振動子の材料定数により定
まる厚み方向の振動周波数定数）により設定されること
を特徴とする車速計測装置が提供される。

【００１２】

【作用】請求項１記載の構成によれば、周波数の異なる
２つのトーンバースト波が送波器に印加されると、空気
の非線形効果から、パラメトリック送波アレーが生じ、
トーンバースト波の周波数差の波数を有する超音波が送
波器から送波され、空気中を伝搬する。パラメトリック
送波アレーは指向性が鋭いため、反射エコーにおいてメ
インローブが支配的となり、従って、メインローブを中
心として車速計測精度を向上させることができる。

【００１３】また、請求項２記載の構成によれば、振動
子を構成する整合板の厚さを特定することにより、小型
ながらも広帯域の送受波を実行可能な送受波器を提供す
ることができ、単一の振動子で比較的高周波数の超音波
を発射するとともに比較的低周波数の反射エコーを受波
することができる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の一実施例
を説明する。

【００１５】図１において、車両１の底面には、本発明
の一実施例に係る車速計測装置２が複数のボルト３によ
り取り付けられる。車速計測装置２の本体２ａには送受
波器４が支持され、この送受波器４のメインローブは、
所定の俯角傾度θをもって路面５方向に向いている。

【００１６】図２は車速計測装置２の回路構成を示す。
車速計測装置２は、超音波を発信するとともに、路面５
から反射する超音波を受波する送受波器４を備える。こ
の送受波器４には、切替回路８を介して、送受波器４か
ら指向性の鋭い超音波からなるパラメトリック送波アレ
ーを発信させるためのビート信号を発生する信号発生回
路６と、送受波器４で受信された超音波から車両１の車
速を算出する受波信号処理回路７とが接続される。

【００１７】切替回路８は、送受波器４の送波時には送
受波器４および信号発生回路６を接続し、送受波器４の
受波時には送受波器４および受波信号処理回路７を接続
する。

【００１８】信号発生回路６は、第１周波数発生回路１
２および第２周波数発生回路１３を備える。第１周波数
発生回路１２は、第１の周波数、例えば、バースト幅Ｔ
のｆ１＝２２０ｋＨｚのトーンバースト波（図３
（ａ））を発生する。第２周波数発生回路１３は、第１
の周波数に近接する第２の周波数、例えば、バースト幅
Ｔのｆ２＝１８０ｋＨｚのトーンバースト波（図３
（ｂ））を発生する。第１および第２の周波数発生回路
１２、１３に接続された混合器１４は、入力された２つ
のトーンバースト波を混合してビート信号（図３
（ｃ））を出力する。混合器１４に接続された電力増幅
回路１５は、混合器１４からの１次波であるビート信号
を適当なレベルまで増幅する。電力増幅回路１５から出
力されたビート信号は、切替回路８を経て送受波器４に
印加される。このように振幅変調を受けた超音波信号が
空中に放射されると、空気の非線形効果により、２つの
トーンバースト波の周波数差、すなわちビート周波数４
０ｋＨｚの２次波であるパラメトリック送波アレーによ
る超音波（図３（ｄ））が空気中を伝搬する。このパラ
メトリック送波アレーは、図４に示すように、メインロ
ーブのみでサイドローブのほとんどない指向性の鋭い超
音波からなる。

【００１９】受波信号処理回路７は、送受波器４により
受波された反射エコーは、受波信号処理回路７に入力さ
れ、まず、ビート周波数が帯域フィルタ１６を通過す
る。帯域フィルタ１６には増幅回路１７が接続され、帯
域フィルタ１６を通過した信号が適当なレベルまで増幅
される。増幅された信号は、ＡＮＤゲート２１および信
号検出回路２０へ入力される。信号検出回路２０は、増
幅された信号の大きさから受波信号を周波数計数処理す
べきか否かを判断する。信号検出回路２０の信号はＡＮ
Ｄゲート２１に入力され、ＡＮＤゲート２１は、この信
号検出回路が受波信号を処理すべきと判断したときに受
波信号を周波数計数回路１８に供給する。周波数計数回
路１８で周波数からドップラー周波数成分を計測した
後、演算回路１９でこのドップラー周波数成分に基づい
て従来から知られた方法により車両１の車速を演算す
る。

【００２０】周波数計数回路１８は、例えば、カウンタ
から構成され、ＡＮＤゲート２１から供給される受波信
号の周波数を計測する。

【００２１】信号検出回路２０は、増幅回路１７から送
られる受波信号からその検波波形を得る検波回路２２
と；この検波回路２２で検出されたレベルと閾値とを比
較する比較器２３と；を有し、路面５からの反射エコー
が、車速計測に適したものか否かをその特定周波数のレ
ベルにより判断する。このレベル測定により、発信から
受波までの時間、すなわち反射エコーの俯角傾度θを特
定することができる。比較器２３は、検出されたレベル
が閾値より大きい場合に、受波信号が車速計測に必要な
周波数を含んでいると判断し、ハイレベル信号を出力し
てＡＮＤゲート２１に供給する。検出されたレベルが閾
値以下の場合には、車速計測に必要とされる周波数が含
まれていないとしてローレベル信号が出力される。比較
器２３からのハイレベル信号がＡＮＤゲート２１に供給
されたときに受波信号が周波数計数回路１８に入力され
る。

【００２２】次にこの実施例の動作を説明する。車両１
の走行中に車速Ｖを計測したい場合、まず、信号発生回
路６からビート信号を出力し、送受波器４の振動子９に
印加する。ビート信号は、２つの周波数の異なるトーン
バースト波を混合器で混合されて得られる。送受波器４
からは、空気の非直線的効果に基づいて、路面５に向か
って、指向性の鋭いパラメトレック送波アレーによる超
音波が所定の俯角傾度θでもって空気中を伝搬する（図
５の実線）。

【００２３】送受波器４は、通常の受波指向性、すなわ
ちサイドローブを有する受波指向性（図５の点線）を用
いて、路面５からの反射エコーを受波する。受波された
受波信号は、帯域フィルタ１６でビート周波数がフィル
タリングされ、増幅回路１７で増幅された後、ＡＮＤゲ
ート２１に入力される。

【００２４】このとき、信号検出回路２０では、増幅さ
れた受波信号中の信号レベルに基づいて、この受波信号
を処理して車速を計測するか否かが判断される。受波信
号レベルが閾値より大きく、受波信号に車速計測に必要
な周波数が十分に含まれていると判断されると、ＡＮＤ
ゲート２１にハイレベル信号が入力され、ＡＮＤゲート
２１から受波信号が周波数計数回路１８に送られる。続
いて、演算回路１９で車速が計測される。受波信号レベ
ルが閾値より小さく、受波信号に車速計測に必要な周波
数が十分に含まれていないと判断されると、ＡＮＤゲー
ト２１にローレベル信号が入力され、ＡＮＤゲート２１
からの受波信号の出力が禁止される。

【００２５】このように送波時に超音波としてパラメト
リック送波アレーを利用したので、車両１から真下に向
かうサイドローブのレベルが極めて小さく、受波時にい
くらかのサイドローブが存在しても、全体として車両真
下の路面からの反射エコーレベルが低減される。従っ
て、路面が冠水している場合でも、受波時のメインロー
ブが反射エコーを支配し、正確な車速を得ることができ
る。

【００２６】ところで、送受波器４は広帯域の音波を送
受信可能な超音波振動子を備える。この超音波振動子９
は、図６および図７に示すように、円板形の圧電振動子
１０と、この圧電振動子１０の超音波輻射面に固定され
た円板形の整合板１１とを備える。整合板１１の厚さＴ
ｍは、 Ｔｍ＝Ｔ・Ｖｍ／（４・Ｎ４） により決定される。ここで、Ｔ：圧電振動子１０の厚
さ、Ｖｍ：整合板１１中の超音波の伝搬速度、Ｎ４：圧
電振動子１０の材料定数により定まる厚み方向の振動周
波数定数である。このように整合板１１の厚さを決定す
ると、圧電振動子１０と整合板１１の組み合わせによ
り、小型ながらも、径方向の振動モードの共振周波数の
近傍と、厚み方向の振動モードの共振周波数の近傍とい
った２つの使用帯域を実現できる。従って、単一の振動
子でありながらも、比較的高周波数の１次波を発射する
とともに比較的低周波数の２次波を受波することができ
る広帯域な送受波器４を提供することができる。

【００２７】車両速度が増加すると、第８図に示すよう
に、送受波器４が送波してから受波するまでの所要時間
内に車両が移動する距離Ｌが大きくなる。かかる場合、
送波時の超音波の俯角傾度θ１に比べて、受波時の反射
エコーの俯角傾度θ２が大きくなる。図９は、このよう
に車両速度が増加したときの送波直後からの水平移動距
離に対する受波エコーレベルをシュミレーションした結
果である。車速計測器は路面から２８０ｍｍの高さで車
両に取り付けられ、車速Ｖは１２０ｋｍ／ｈｒに設定さ
れた。図中、点線は従来の送受波指向性を基に受波エコ
ーレベルを算出した結果を示し、実線はパラメトリック
送波アレーによる送受波指向性を基に受波エコーレベル
を算出した結果を示す。図９から明らかなように、パラ
メトリック送波アレーを応用した場合の方が、受波エコ
ーレベルのピークが明確に現れる。これは、送信波とし
てパラメトリック送波アレーを使用した結果、サイドロ
ーブのレベルが極めて小さくなり、送受波器４で受信さ
れる反射エコーの伝搬経路が狭まるからである。従っ
て、受波時の俯角傾度θ２が特定し易くなり、これによ
り、式（４）に基づく車速の演算補正を適切に行うこと
ができ、車速計測精度が向上される。

【００２８】なお、本発明の車速計測装置の構成は本実
施例に限られず、種々の設計変更が可能である。例え
ば、ドップラー周波数成分から車速を演算するためにマ
イクロコンピュータを用いるようにしてもよく、また、
トーンバースト信号の発生にもマイクロコンピュータを
用いることができる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載の構成によれば、２つのト
ーンバースト波が送波器に印加されると、空気の非線形
効果から、トーンバースト波の周波数差の周波数を有す
るパラメトリック送波アレーによる超音波が送波器から
送波され、空気中を伝搬する。パラメトリック送波アレ
ーは指向性が鋭いため、反射エコーにおいてメインロー
ブが支配的となり、従って、メインローブを中心として
車速計測精度を向上させることができる。

【００３０】また、請求項２記載の構成によれば、振動
子を構成する整合板の厚さを特定することにより、小型
ながらも広帯域の送受波を実行可能な送受波器を提供す
ることができ、単一の振動子で比較的高周波数のビート
信号を発射するとともに比較的低周波数の反射エコーを
受波することができる。従って、部品件数の低減、装置
のコンパクト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】車両に取り付けられた車速計測装置の概略図で
ある。

【図２】車速計測装置の概略構成図である。

【図３】超音波信号の波形を示す図である。

【図４】パラメトリック送波アレーの指向特性を示す図
である。

【図５】車速計測装置の作動を説明するための送受波指
向性を示す図である。

【図６】振動子の側面図である。

【図７】振動子の正面図である。

【図８】車両の高速走行時の車速計測装置の作動を説明
するための送受波指向性を示す図である。

【図９】車両の高速走行時の水平移動距離と受波エコー
レベルとの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 車両 ２ 車速計測装置 ４ 送波器および受波器を兼ねた送受波器 ５ 路面 ７ 受波信号処理回路 ９ 振動子 １０ 圧電振動子 １１ 整合板 θ、θ１ 俯角傾度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両から所定の俯角傾度をもって路面に
   向かって超音波を発信する送波器と、この送波器に超音
   波の発信信号を与える信号発生回路と、路面から反射す
   る超音波を受波する受波器と、受波器で受波された超音
   波からドップラー周波数成分を計測し、このドップラー
   周波数成分に基づいて車両の車速を演算する受波信号処
   理回路とを備える車速計測装置において、 前記信号発生回路は、周波数の異なる２つのトーンバー
   スト波を送波器に供給し、前記送波器は、これら異なる
   ２つの周波数に応答して超音波を発信することを特徴と
   する車速計測装置。
2. 【請求項２】 前記送波器および受波器は、両者に共通
   して超音波を送受波する振動子から構成され、この振動
   子は、圧電振動子と、この圧電振動子の超音波輻射面に
   固定された整合板とを備え、整合板の厚さＴｍは、 Ｔｍ＝Ｔ・Ｖｍ／（４・Ｎ４） （ここで、Ｔ：圧電振動子の厚さ、Ｖｍ：整合板中の超
   音波の伝搬速度、Ｎ４：圧電振動子の材料定数により定
   まる厚み方向の振動周波数定数）により設定されること
   を特徴とする請求項１記載の車速計測装置。