JPH03108683A - 超音波ドップラ方式対地車速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は、車両の対地車速検出用に用いられる超音波
ドツプラ方式対地車速計に関し、特に、該車速計の計測
精度向上技術に関する。

〔従来技術〕

従来の超音波ドツプラ方式対地車速計としては、例えば
特開昭６０−７６６７８号公報に記載されているものが
ある。

上記の対地車速計は、所定周波数ｆ。の超音波信号を路
面に向けて放射し、路面から乱反射して戻ってきた反射
超音波を受信し、ドツプラ効果によって上記超音波信号
に生じた周波数変化すなゎちドツプラシフト周波数ｆａ
から対地速度を演算するものである。

上記のドツプラシフト周波数ｆｔは、送信周波数をｆ＋
１．音速をＣ１車速をＶ、路面に対する超音波の放射角
をθとした場合に。

ｆｄ弁２ｆｏ−ｖｃｏｓθ／Ｃ：・（１）で示される。

したがって、ドツプラシフト周波数ｆ、＋を求めること
によって車速■を求めることが出来る。ただし上記（１
）式は車両の進行方向に向かって超音波を送信した場合
である。

上記（］７）式において、音速Ｃは３４０　ｍ　／　５
（１２２４ｋｎ＋／ｈ相当）であり、車両速度Ｖが大き
くなるとそれに比例してドツプラシフト周波数ｆ、も増
加する。

例えば、検出する車両速度の範囲として、最高車速を２
００ｋｍ／ｈとし、超音波の路面への照射角０を４５°
とした場合には、ドツプラシフト周波数ｆｄはＯ（車速
０の場合）から約０．２３　ｆ。

（車速２００ｋｍ／ｈの場合）まで変化することになる
。したがって最高車速におけるｆａをｆ　ａｍａｘとす
れば、受波器が受信する周波数は、車速に応じてｆ。か
らｆ。＋ｆ　ｄｍａＸまでの範囲で変化することになる
。例えば、上記の例の場合は、送信周波数を１２０ｋＨ
ｚとすれば、ドツプラシフト周波数ｆｄは０から２７．
６ｋ）Ｉｚまで変化することになり、受波器が受信する
周波数は、車速に応じて１２０〜１４７．６　ｋＨｚの
範囲で変化することになる。

一方、上記のような車載用の超音波ドツプラ方式対地車
速計においては、超音波の送信・受信手段として圧電型
の送波器および受波器が適している。そして実際に車両
に搭載する場合には、車両の床下という過酷な環境に設
置されるため、密閉型の構造でなければならない。密閉
構造の送波器や受波器は、その形状や寸法に応じた共振
系を形成し、共振周波数において最も高い音圧感度を有
する。例えば、第３図は共振型圧電マイクロホンの感度
特性の一例図である。この例においては。

共振周波数１２０ｋＨｚで約１１０ｄＢという高い感度
を有し１周波数が共振点からはずれると急激に感度が低
下する特性になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、超音波ドツプラ対地車速計における超音
波の周波数は、送信周波数ｆ、からｆ。に最大車速に相
当するドツプラシフト周波数ｆ　＋１ｍａＸを加算若し
くは減算した値までの範囲で変化するから、それを受信
する受波器の特性は、上記の範囲で高い受信感度を有す
る周波数特性のものであることが望ましい。しかし、前
記第３図の例でも判るように、共振型マイクロホンは共
振周波数で高い感度を有し、周波数が共振点からはずれ
ると急激に感度が低下する特性になっている。したがっ
て、送信周波数ｆ。とドツプラシフト周波数ｆ。

との関係から、共振型マイクロホンの感度特性に適合さ
せて送信周波数ｆ。の値を設定してやっても、受波器の
感度帯域が狭いため、ｆ、からｆ０＋ｆｄｍａＸ（また
はｆ　。ｆ　ｏａりまでの全ての周波数範囲で高感度を
期待することが出来ず、そのため受波器の感度の低い領
域ではＳ／Ｎ比が低下して計測精度が低下するという問
題があった。

以下、詳細に説明する。

受波器が受信する周波数は、前記のようにｆ。

からｆ、＋　ｆ　ａ−ａｘ　（またはｆ　ａ　−ｆ　ｄ
−ａｘ）までの範囲で変化するから、受波器の共振周波
数をｆ。＋ｆ＋＋ｍａｘ／２　（またはｆ　ｏ　　ｆ　
ａ−ａｘ／　２　）に設定してやれば、受波器の感度の
最も高い部分を利用することが出来る。

例えば、第４図は、１３４に臣付近に共振点をもつ共振
型圧電マイクロホンの感度特性の一例図である。このよ
うな特性の圧電型マイクロホンを受波器として使用し、
送信周波数、計測車両速度範囲および照射角の各条件を
前記の例と同じに、１２０ｋＨｚ、２．ＯＯｋｍ／ｈお
よび４５’１ＣＬ４：場合を考えると、受波器が受信す
る周波数は、車速０における１２０に、Ｈｚから車速２
００ｋｍ／ｈにおける１４７．６ｋ）ｌｚまで変化し、
計測車両速度範囲の中心値、すなわち１００１ｍ／ｈで
は約１３４に七となる６したがって、この場合には共振
周波数の点が計測車両速度範囲の中心値となり、この点
の感度は約１０７ｄＢと最も良い感度になり、この受波
器の特性では最も望ましい周波数設定となる。しかし、
上記のように最適の値に設定してやっても、受波器の感
度帯域が狭いため、計測車両速度範囲の両端、すなわち
車速が０に近い領域と最高車速に近い領域では感度が９
０ｄＢ以下と大幅に低くなる。

このように受信感度が低いということは、ドツプラ信号
のＳ／Ｎ比が低下することになり、そしてＳ／Ｎ比の低
下と共に対地車速の計測精度が低下する。

なお、第５図に示すように、共振特性を押さえて感度が
平坦な帯域幅を広げた特性を有するマイクロホンもある
が、このようなマイクロホンは、共振点の感度をつぶす
ことによって平坦な特性を実現しているので、第５図の
特性からも判るように、全体の感度が低い。そのため、
このようなマイクロホンを用いてもＳ／Ｎ比を向上させ
ることは困難である。

上記のように、従来の装置においては、計測車両速度の
全領域で測定精度を確保することは困難である、という
問題があった。

上記の問題を解決するため、本出願人は、車両の対地速
度に応じて変化するドツプラシフト周波数ｆｄに対して
、常にｆ。＋ｆ、またはｆ。−ｆｄが所定の一定値とな
るように送信周波数ｆ０を制御することにより、受信周
波数が常に受波器の共振点に一致するように送信周波数
を制御することによって高いＳ／Ｎ比と高い計ｉｉ＋’
ｌ精度を実現することの出来る超音波ドツプラ方式対地
車速計を既に出願している（特願平１−１０７３２０号
）。

本発明は、上記本出願人による先行出願の発明を更に発
展させ、計測車両速度の全領域にわたって良好な測定精
度を有し、しかもＩＣ化が容易で安価に実現することの
出来る超音波ドツプラ方式対地車速計を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては。

特許請求の範囲に記載するように構成している。

すなわち、本発明は、位相比較手段と電圧制御発振手段
とからなる、いわゆるＰ　Ｌ　Ｌ　（ｐｈａｓｅｌｏｃ
ｋｅｄ　１ｏｏｐ）回路における位相比較手段の二つの
人力としてドツプラシフト分を含んだ超音波受信信号と
所定の基準信号とを用い、上記位相比較手段の出力によ
って制御される電圧制御発振手段の出力で超音波送信手
段を開動するように構成したものである。

〔作　用〕

本発明の装置においては、ＰＬＬ回路の原理によって、
位相比較手段の面入力が同じ周波数となるように電圧制
御発振手段の発振周波数が制御される。

すなわち、車速に応じたドツプラシフト分を含んだ反射
波（超音波受信手段で受信する受信信号）の周波数が、
常に基準信号の周波数に一致するように超音波送信手段
の送信周波数が自動的に制御されることになる。

したがって基準信号の周波数を、受波器の共振点に一致
させるように設定しておけば、受波器の最も高感度の点
で受信することが出来、車両速度にかかわらず常に高い
信号レベルの受信信号を得ることが出来る。したがって
高いＳ／Ｎ比と高い計測精度を実現することが出来る。

上記のように本発明の装置は、いわゆるＰ　Ｌ　Ｌ回路
の帰還ループの一部として超音波経路を用いるように構
成したことにより、超音波受信信号が常に所望の一定値
になるように超音波送信信号を制御するという本発明装
置の中心部分を、一般に市販されているＰＬＬ回路のＩ
Ｃチップで構成することが出来るようにしたものであり
、これによって計測車両速度の全領域にわたって良好な
測定精度を有し、しかもＩＣ化が容易で安価な超音波ド
ツプラ方式対地車速計を実現することが出来る。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例のブロック図である。

第１図において、ドライブ回路１は、電圧制御発振器１
１から出力される周波数ｆＴの信号（詳細後述）を増幅
し、その出力で送波器２を開動する。

送波器２は、例えば圧電型の送波器であり、上記の周波
数ｆＴの超音波信号３を発生し、それを路面４に向けて
車両の前方（又は後方）に所定の角度で放射する。

また、受波器５は、上記の超音波信号３が路面４に当た
って乱反射した反射波信号を受信する。

上記の送波器２は、前記第５図に示す例ように、変換能
率は低いがほぼ平坦な特性範囲の広いものであり、例え
ば、１００〜１３０ｋｌ（ｚ付近でほぼ平坦な特性を有
するものである。また、受波器５は、前記第３図や第４
図に示したような共振Ｑの大きい共振型マイクロホンで
あり、例えば１３０ｋ）Ｉｚｚ付近ピークを有するもの
である。

上記の反射波信号の周波数ｆＲは、車速に応じてドツプ
ラシフトされるため、前記の送信周波数ｆｔより大きな
値（進行方向へ放射した場合）となっている。プリアン
プ６はその受信信号を増幅し、位相比較器８へ送る。

位相比較器８の二つの入力としては、上記の周波数ｆｕ
の反射波信号と基準信号発生器７が出力する周波数ｆ　
ＲＥＦの基準信号とが与えられる。そして位相比較器８
は、面入力信号の周波数と位相差に対応した誤差電圧を
出力する。ローパスフィルタ９は上記の誤差電圧の低域
成分を出力し、それを増幅器１０で増幅した電圧で電圧
制御発振器１１を制御する。したがって電圧制御発振器
１１は上記の誤差電圧に対応した周波数ｆＴの信号を出
力し、それをドライブ回路１で増幅した出力で送波器２
を睡動することになる。

次に、上記の基準信号発生器７の出力はカウンタ１２で
、電圧制御発振器１１の出力はカウンタ１３でそれぞれ
カウントされ、周波数ｆ　ＲａｒとｆＴとに対応したカ
ラン１−値が得られる。この値を演算装置（ＣＰＵ）１
４で下記（２）式にしたがって演算することにより、車
速Ｖが得られる。

ただし、 Ｃ：音速 ０：送信する超音波の路面に対する放射角上記の演算に
よって求められた車速■の値をＤ／Ａ変換器１５でアナ
ログ信号に変換することによって車速に対応したアナロ
グ電圧が得られ、出力端子１６から出力される。

次に作用を説明する。

第１図の回路において、ドライブ回路１、送波器２、受
波器５、プリアンプ６、基準信号発生器７、位相比較器
８、ローパスフィルタ９、増幅器１０および電圧制御発
振器１１は、帰還ループに超音波経路を含んだＰＬＬ回
路を構成している。

ＰＬＬ回路においては、位相比較器８の面入力信号の周
波数が同一になるように電圧制御発振器１１の出力周波
数が制御される。したがって第１図の回路においては、
ドツプラシフト分を含んだ受波信号の周波数ｆＲが基準
信号の周波数ｆ　ＲＥＦに一致するように電圧制御発振
器１１の出力信号の周波数ｆＴが制御されることになる
。すなわち。

超音波を車両の進行方向に放射した場合には、ドツプラ
シフＩ・によって車速に対応した分だけｆＲが１丁より
大きくなり、かつｆＲは一定のｆ　ＲＥＦと等しくなる
ように制御されるので、結局ｆｎは一定で、ｆＴが重速
に対応したドツプラシフト分だけ小さくなることになる
。

すなわち、ドツプラシフト分をｆｏとすれば、ｆＲＥｐ
＝ｆｔ＋＝ｆｒ＋ｆｏ　　−（３）となる。

したがってｆ　ｎｅｐと１丁から前記（２）式を用いて
車速を求めることが出来る。

例えば、車速が０の場合には、当然ｆｏ＝ｏなので、 ｆＲＥＦ＝ｆｒ＋＝ｆｒａ　　（ｆＴｏ：車速０時の、
ｆｒ）となる。そして車速が大きくなると１０分が発生
するので、上記（３）式から、 ｆｙ＝ｆｒｏ−ｆ。

となり、車速に対応したドツプラシフト１０分だけ電圧
制御発振器１１の発振周波数ｆＴが減少するように自動
調整される。

上記のように、本実施例においては、受信周波数ｆｎが
、基準信号の周波数ｆ　ＲｃＦに一致するように送信周
波数ｆＴが自動調整される。したがって、前記第３図や
第４図に示した共振Ｑの大きい共振型マイクロホンを受
波器５として使用し、その共振周波数１３０ｋ）（ｚに
合わせて基準信号の周波数ｆ　ＲＥＦを設定してやれば
、車両速度にかかわらず常に高い信号レベルの受信信号
を得ることが出来る。

また、出来るだけ共振Ｑの高いマイクロホンを受信用と
して使用すれば、送波器および受波器の指向特性によっ
て、ドツプラシフト周波数成分以外のドツプラ信号を取
り除くフィルタの機能を合わせて持つことが可能となり
、それによって更に高いＳ／Ｎ比のドツプラ信号が得ら
れる。

なお、前記のごとく、送信信号の周波数ｆＴは車速に応
じてｆｒ＝ｆｔｏ−ｆｏのように変化するから、送波器
２は２０〜３０　ｋ　）Ｉｚの幅で変化する信号を送信
する必要がある。例えば、受信周波数を１３０に１１ｙ
、に設定した場合は、１００〜１３０ｋ）１ｚ範囲の信
号を送出する必要がある。このように広い帯域の信号を
出力するには、前記第５図のように、変換効率は低いが
帯域幅の広い送波器を用い、変換効率の低い分だけ大電
力で睡動してやれば十分な音圧の超音波信号を送出する
ことか出来る。なお、前記第３図のごとき狭帯域の送波
器を用いる場合は、その周波数特性に応じて即動信号の
レベルを変化させる駆動回路（例えば第３図の特性の逆
の特性を有する増幅器）を用いればよい。

また、ＰＬＬ回路内のローパスフィルタ９の伝達特性を
車両の運動特性に対応した特性に設定することにより、
安定に追従する出力を得ることが出来る。

また、本実施例においては、超音波経路を含んだ閉ルー
プとして機能し、自動調整機能があるため、精密な調整
を必要としない、という利点がある。

さらに、本実施例においては、ｆ　ＲＥＥＦとｆｒとの
大小関係によって車両の進行方向の判別が可能である。

例えば、車両前方に超音波を送出するように構成した場
合は、 ｆ　ＲＥＦ＞　ｆ　ｔ　　・・・前進 ｆ　ＲＥＦ＜　ｆ　Ｔ　　・・・後退 となる。

以上１本実施例の作用について説明したが、本実施例に
おいては、その構成上、実用的に次のごとき利点がある
。すなわち、本実施例においては。

いわゆるＰＬＬ回路の帰還ループの一部として超音波経
路を用いるように構成しているので、超音波受信信号が
常に所望の一定値になるように超音波送信信号を制御す
るという本発明装置の中心部分を、一般に市販されてい
るＰＬＬ回路のＩＣチップで構成することが出来る。例
えば、第１図の破線で囲んだ部分１７はＰＬＬ回路のＩ
Ｃチップとして一般に市販されている部分であり、その
ようなＩＣチップを用いることによって、ＩＣ化が容易
で安価な超音波ドツプラ方式対地車速計を実現すること
が出来る。

第２図は、上記のように市販のＩＣチップを用いて第１
図の回路を構成した場合の具体的な回路図であり、第１
図と同符号は同一の部分を示す。

なお、カウンタ１２．１３、ＣＰＵ１４およびＤ／Ａ変
換器１５の部分は図示を省略している。

第２図において、ＰＬＬ回路１７の部分は、ラジオ用等
として市販されているＣＭＯ３の汎用品（例えばＲＣＡ
社製のＣＤ４ｏ４６ＡＥ）である。

同様に、基準信号発生器７の部分も汎用品（例えばＲＣ
Ａ社製のＣＤ４０４７ＢＥ）である。また、プリアンプ
６の部分は、汎用のＦＥＴ入力の？寅算増幅器（ＯＰア
ンプ）と中間周波トランス（ＩＦＴ）によるバンドパス
フィルタで構成している。

また、ドライブ回路１の部分は、ロジック回路等で汎用
されているＣＭＯＳインバータ（例えばＲＣＡ社製のＣ
Ｄ４０６９ＢＵＥ）を用いている。

上記のように本発明の装置は、市販のＩＣ，チップを用
いて簡単に構成することが出来るので、構成部品点数が
大幅に減少し、小型、安価になる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明によれば、超音波受
信信号の周波数が基準信号周波数に一致するように超音
波送信信号の周波数を自動制御するように構成したこと
により、受波器の最も高感度の点で受信することが出来
、車両速度にかかわらず常に高い信号レベルの受信信号
を得ることが出来る。したがって広い車両速度範囲全般
にわたって亮いＳ／Ｎ比と高い計測精度を実現すること
が出来る。また、いわゆるＰＬＬ回路の帰還ループの一
部として超音波経路を用いるように構成したことにより
、超音波受信信号が常に所望の一定値になるように超音
波送信信号を制御するという本発明装置の中心部分を、
一般に市販されているＰＬＬ回路のＩＣチップで構成す
ることが出来るので、ＩＣ化が容易になり、小型、安価
な超音波ドツプラ方式対地車速計を実現することが出来
る、等の優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第り図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の一実施例の具体的な回路図、第３図乃至第５図はそ
れぞれ圧電型受波器または送波器の周波数特性図である
。 く符号の説明〉 １・・ドライブ回路 ２・・・送波器 ３・・・超音波 ４・・・路面 ５・・・受波器 ６・・・プリアンプ ７・・・基準信号発生器 ８・・・位相比較器 ９・・・ローパスフィルタ ０・・・増幅器 １・・・電圧制御発振器 ２．１３・・・カウンタ ４・・・演算装置 ５・・・Ｄ／Ａ変換器 ６・・・出力端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 路面に対して所定の角度で斜めに超音波信号を送出する
   超音波送信手段と、 路面から反射された超音波信号を受信する超音波受信手
   段と、 基準周波数の信号を発生する基準信号発生手段と、 上記超音波受信手段で受信した信号と上記基準信号発生
   手段の信号とを入力し、両信号の周波数と位相差に応じ
   た誤差電圧を発生する位相比較手段と、 上記誤差電圧に応じた周波数の信号を発生する電圧制御
   発振手段と、 該電圧制御発振手段の出力を増幅して上記超音波送信手
   段を駆動する駆動手段と、 上記電圧制御発振手段の信号と上記基準信号発生手段の
   信号とを入力し、両信号の周波数差に基づいて対地車速
   を演算する演算手段と、を備え、上記超音波受信手段で
   受信する超音波信号の周波数を、車速に拘らず常に上記
   基準信号の周波数に一致させるように、送信する超音波
   信号の周波数を制御することを特徴とする超音波ドップ
   ラ方式対地車速計。