(57)【要約】      （修正有）【課題】送受信指向角を広げて良好な送受信を行うことのできる距離測定装置の提供。【解決手段】検出波をアンテナから被検出物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波をアンテナで受信して被検出物体までの距離を計測する距離測定装置において、アンテナがパッチアンテナ１、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイ１であり、かつ、素子２側前面に、アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒３Ｂ、またはアンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する縮径部３ａと、縮径部に連続する同一内径の管からなる連結部３ｂと、連結部に連続し、連結部から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する拡径部３ｃとからなる金属筒を付設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出波をアンテナから被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体で反射された前記検出波を前記アンテナで受信し、前記検出波の送信から受信までの時間を基に前記演算手段で演算することにより被検出物体までの距離を計測する距離測定装置において、
前記アンテナがパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイであり、かつ、素子側前面に、該アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒を付設したことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記金属筒が、一端が前記アンテナの素子を包囲できる面積で開口し、前記アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する縮径部と、前記縮径部の他端に連続し、他端の開口と同一断面の管からなる連結部と、前記連結部に連続し、連結部から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する拡径部とからなり、前記縮径部の一端側の開口が前記素子側前面に付設されることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記金属筒の前記拡径部を前記被検出物体と接近して対向配置するとともに、前記縮径部と前記パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイとを前記被検出物体から離間して配置したことを特徴とする請求項２記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記検出波は電界が一方向に回転する回転波であり、かつ、送信した回転波とは逆方向に回転する回転波を受信することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】
ＦＭ−ＣＷ方式により距離の測定を行うとともに、実際の周波数−時間特性を測定しておき、直線状に変化する理想周波数−時間特性からの実際の周波数−時間特性の周波数の偏位量（ΔＸ）を求め、前記ΔＸとは正負が逆の偏位量からなる補正用の周波数−時間特性を、実際の周波数−時間特性に重畳させることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出波を被検出物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波を受信して被検出物体までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロ波やミリ波等の検出波を被測定物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波（反射波）を受信し、送受信の時間差を基に被検出物体までの距離を測定することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０３９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
距離測定に使用される距離測定装置において、安価なパッチアンテナを用いることが検討されているが、パッチアンテナは、一旦作製すると、検出波の送受信指向角が限定されるという欠点がある。距離測定装置では、被検出物体からの反射波を受信しなければないが、指向角が限定されると、被検出物体からの反射波をうまく受信できずに誤検出する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、安価なパッチアンテナまたはパッチアンテナアレイを用いるとともに、誤検出のおそれの無い距離測定装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、下記の距離検出装置を提供する。
（１）検出波をアンテナから被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体で反射された前記検出波を前記アンテナで受信し、前記検出波の送信から受信までの時間を基に前記演算手段で演算することにより被検出物体までの距離を計測する距離測定装置において、
前記アンテナがパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイであり、かつ、素子側前面に、該アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒を付設したことを特徴とする距離測定装置。
（２）前記金属筒が、一端が前記アンテナの素子を包囲できる面積で開口し、前記アンテナから離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する縮径部と、前記縮径部の他端に連続し、他端の開口と同一断面の管からなる連結部と、前記連結部に連続し、連結部から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する拡径部とからなり、前記縮径部の一端側の開口が前記素子側前面に付設されることを特徴とする上記（１）記載の距離測定装置。
（３）前記金属筒の前記拡径部を前記被検出物体と接近して対向配置するとともに、前記縮径部と、前記パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイとを前記被検出物体から離間して配置したことを特徴とする上記（２）記載の距離測定装置。
（４）前記検出波は電界が一方向に回転する回転波であり、かつ、送信した回転波とは逆方向に回転する回転波を受信することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の距離測定装置。
（５）ＦＭ−ＣＷ方式により距離の測定を行うとともに、実際の周波数−時間特性を測定しておき、直線状に変化する理想周波数−時間特性からの実際の周波数−時間特性の周波数の偏位量（ΔＸ）を求め、前記ΔＸとは正負が逆の偏位量からなる補正用の周波数−時間特性を、実際の周波数−時間特性に重畳させることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の距離測定装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の距離測定装置では、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイの素子側前面に、特定形状の金属筒を配置して送受信指向角を広げて良好な送受信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】金属筒の一例を示す斜視図である。
【図２】金属筒の他の例を示す斜視図である。
【図３】図１の金属筒を用いたときの指向角を示す図である。
【図４】図２の金属筒を用いたときの指向角を示す図である。
【図５】図２の金属筒の変更例を示す側面図である。
【図６】検出波として回転波を使用した時の送受信を説明するための概略図である。
【図７】回転波を生成して送信し、受信するための構成を示す図である。
【図８】回転波を生成して送信し、受信するための他の構成を示す図である。
【図９】ＦＭ−ＣＷ方式の原理を説明するための図である。
【図１０】ＦＭ−ＣＷ方式における補正方法を示す図である。
【図１１】本発明の距離測定装置を、トピードカーの受銑量を検出するために応用した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１０】
距離測定装置では、図示は省略するが、マイクロ波やミリ波等の検出波をアンテナから送信し、被検出物体で反射された検出波（反射波）をアンテナで受信し、送信から受信までの時間差を基に被検出物体からの距離を測定する。本発明では、アンテアにパッチアンテナ、または複数のパッチアンテナを平面上に配列したパッチアンテナアレイを用いるとともに、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイの素子側前面に図１または図２に示す金属筒を配設する。
【００１１】
即ち、図１に示すように、パッチアンテナまたはパッチアンテナアレイ（図の例ではパッチアンテナアレイ）１の素子２の前面に、素子２を包囲できる面積で開口し、パッチアンテナ（アレイ）１から離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する金属筒３Ａを付設する。
【００１２】
あるいは、図２に示すように、一端が素子２を包囲できる面積で開口し、パッチアンテナ（アレイ）１から離間するのに伴って開口面積が徐々に縮小する円錐状の縮径部３ａと、縮径部３ａの他端に連続し、他端の開口と同一断面の管からなる連結部３ｂと、連結部３ｂに連続し、連結部３ｂから離間するのに伴って開口面積が徐々に拡大する円錐状の拡径部３ｃとからなる金属筒３Ｂを用いることもできる。尚、連結部３ｂは、円管の他にも、断面が矩形の角管であってもよく、それに合わせて縮径部３ａ及び拡径部３ｃを角錐状にする。また、連結部３ｂは、図示されるように直管でもよいし、後述する図１１に示すようにＬ字状等湾曲していてもよい。
【００１３】
図３は、図１に示した金属筒３Ａを用いたときの指向角を示す図であるが、水平方向での電力分布が角度０°を中心にして対称に整形されるようになる。但し、水平方向と垂直方向とで電力分布が異なっており、更には垂直方向において電力分布が２つに割れている。しかし、図２に示すような金属筒３Ｂを用いると、検出波は連結部３ｂを通過する際に整形され、図４に示すように水平方向及び垂直方向ともに対称な指向角を得るようになる。
【００１４】
尚、図２に示した金属筒３Ｂでは、拡径部３ｃが円錐状（あるいは角錐状）であったが、図５に示すようにパラボラ状の拡径部３ｄとすることもできる。その際、金属筒３Ｂの連結部３ｂにユニオン４を設けておき、図２に示すような円筒状の拡径部３ｃや、図５に示すようなパラボラ状の拡径部３ｄを、目的や用途に応じて付け替えることができる。
【００１５】
また、縮径部３ａと連結部３ｂとの連続部分を、フッ素樹脂等のマイクロ波やミリ波を透過する材料からなる栓部材５で閉塞することもできる。栓部材５は、マイクロ波やミリ波が栓部材５の端面で反射されるのを防いだり、取り付け及び取り外しがしやすいように、図示のように金属筒３Ｂの縮径部３ａ側または拡径部３ｄ（３ｃ）側、あるいは縮径部３ａ側と拡径部３ｄ（３ｃ）側との両方に向かって徐々に細くなる形状とすることができる。あるいは、図示は省略するが、円柱状や樽状、連結部３ｂが角管の場合は角柱状であってもよい。本発明の距離測定装置は、後述するようなトピードカー（図１２参照）の受銑量を測定したり、高炉の炉頂に設けた開口に配置し、検出波を炉内の装入物（鉄鉱石やコークス）に向けて送信し、挿入物の表面までの距離を測定することに使用することができるが、トピードカーの周囲や高炉内には灰等が多く浮遊しており、金属筒３Ｂの拡径部３ｃの開口を通じてパッチアンテナ（アレイ）１の素子２に付着したり、更には装置内部へと浸入する。そこで、連結部３ｂの縮径部３ａとの連続部分を栓部材５で閉塞して灰等の浸入を防ぐことが好ましい。
【００１６】
検出波として、電界の向きが一方向に回転する回転波を用いることが好ましい。回転波は、反射した際に電界の回転方向を逆にする（反転する）性質がある。そこで、図６に示すように、距離測定装置１０から、送信波ＯとしてＷＯで示す右旋回の回転波を送信すると、被検出物体２０で反射すると電界向きが反転し、反射波ＲはＷＲで示す左旋回の回転波となって受信される。この時、例えば、距離測定装置１０と被検出物体２０との間に他の物体３０が存在していると、送信波Ｏは、被検出物体２０で反射した後、他の物体３０へと入射し（反射波Ｒ１）、他の物体３０で反射した後に反射波Ｒ２となって受信されることがある。しかし、他の物体３０で反射した反射波Ｒ２は、ＷＲ２で示すように右旋回の回転波であり、被検出物体２０で反射した本来の反射波Ｒとは電界の回転方向が逆になっている。そこで、距離測定装置１０において、送信波Ｏとは電界の回転方向が逆の反射波Ｒを受信する構成にしておくことにより、他の物体３０で反射した反射波Ｒ２を排除でき、検出精度が高まる。
【００１７】
このような回転波による送受信を行うには、図７に示すように、送信側と受信側とで２つのパッチアンテナ１Ａ，１Ｂを用いる。そして、送信側のパッチアンテナ１Ａの素子２Ａを、誘電体基板の中心線Ｘに対し、右上側の角部２Ａａと、角部２Ａａの対角線上にある角部２Ａｂとを切除した形状とする。これにより、パッチアンテナ１Ａからは右旋回の検出波が送信される。また、受信側のパッチアンテナ１Ｂの素子２Ｂを、誘電体基板の中心線Ｘに対し、左上側の角部２Ｂａと、角部２Ｂａの対角線上にある角部２Ｂｂとを切除した形状とする。これにより、パッチアンテナ１Ｂに入射する種々の検出波の中で、左旋回の検出波のみが受信される。
【００１８】
また、図８に示すように、図２に示した金属筒３Ｂの連結部３ｂに円偏波用の突起６を付設してもよい。但し、送信側のパッチアンテナ１Ａを、同図（Ａ）に示すように、誘電体基板７Ａの中心線Ｘと素子２Ａの中心線Ｙとが一致するように形成する。このパッチアンテナ１Ａからは電界が上下方向を向く直線波（電界の向き「↑」）が送信される。また、受信側のパッチアンテナ１Ｂでは、同図（Ｂ）に示すように、誘電体基板７Ｂの中心線Ｘと素子２Ｂの中心線Ｙとが直交するように形成することにより、電界の向きが水平方向を向く直線波（電界の向き「→」）を受信するようにする。それとともに、同図（Ｃ）に示すように、連結部３ｂの内壁に、素子２Ａの中心線Ｙと一致する軸線Ｚに対して右側に４５°傾斜した位置に突起６を付設した金属筒３Ｂを、金属筒３Ｂの縮径部３ａの開口がパッチアンテナ１Ａ，１Ｂの両素子２Ａ、２Ｂを包囲するように配置する。これにより、送信側のパッチアンテナ１Ａから電界が上下方向を向く直線波が送信され、金属筒３Ｂの連結部３ｂを通過するときに右旋回の回転波に偏波されて拡径部３ｃから送信される。そして、被検出物体２０で反射されて左旋回の回転波となって金属筒３Ｂの拡径部３ｃに入射し、連結部３ｂを通過するときに電界の向きが水平方向を向く直線波に偏波され、受信側のパッチアンテナ１Ｂで受信される。
【００１９】
上記した検出波の送受信を基に距離を求めるには、ＦＭ−ＣＷ方式で行う方法もある。図９に示すように、ＦＭ−ＣＷ方式では、周波数が時間に対して直線的に増加する検出波を被検出物体に向けて送信する。そして、ある時間（ｔ１）にある周波数（ｆ１）で送信された検出波（送信波）は、被検出物体で反射して往復に要した時間（Δｔ）後に受信される。そのときの送信波の周波数はｆ１からｆ２に変化しており、このときの送信波と受信波の周波数の差（Δｆ）が、被検出物体までの距離に比例する。そこで、送信波と受信波とをミキシングし、差の周波数を持つ受信信号波形を取り出し、この受信信号波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）し、差の周波数を求めて距離信号として出力させる。
【００２０】
しかし、実際には、検出波の周波数が時間に対して直線的に増加するとは限らず、例えば図１０に示すように、周波数が時間に対して直線的に増加する周波数−時間特性（以下「理想周波数−時間特性」：直線Ａで示す）よりも周波数が若干高く偏位した周波数−時間特性（曲線Ｂで示す）を持つ検出波が送信されることがある。そこで、測定の前に送信波の実際の周波数−時間特性を測定し、理想周波数−時間特性からの偏位量（ΔＸ）を時系列的に求めておく。そして、絶対値が同じで、正負が逆である負の偏位量（−ΔＸ）からなる補正用の周波数−時間特性（曲線Ｃで示す）を算出し、実際の周波数−時間特性に重畳する。補正用の周波数−時間特性は、実際の周波数−時間特性とは、理想周波数−時間特性を中心にした対照形であり、重畳することにより実際の周波数−時間特性を理想の周波数−時間特性に一致させることができる。
【００２１】
理想の周波数−時間特性に一致させるために、送信とともにフィードバック制御する方法もあるが、上記した補正用の周波数−時間特性を重畳する方法の方が回路が簡単で、演算負荷を軽減することができる。
【００２２】
上記した距離測定装置において、検出波としてマイクロ波やミリ波を用いた場合、製鉄設備での使用に好適である。例えば、高炉では、図１１に示すように、傾注樋２５からの溶銑２６をトピードカー３０で受銑し、製綱工程に移送することが行われている。その際、トピードカー３０の溶銑液面２７に向けてマイクロ波Ｍを送り、溶銑液面２７で反射したマイクロ波Ｍを受信して溶銑液面２７までの距離を測定し、ある距離に達したところで傾注樋２５を反転させ（例えば図の左側）、待機中の空の他のトピードカー（例えば、図示のトピードカー３０の左側を走行するトピードカー）に受銑させる。溶銑２６は高温であり、傾注樋２５やトピードカー３０の周囲は高温で、粉塵が充満しているが、マイクロ波Ｍは高温物体の測定が可能であり、粉塵を透過するため安定した測定が可能になる。
【００２３】
傾注樋２５やトピードカー３０の通路は鋳床４０の下階に位置されており、鋳床４０の上を作業用車両が通行したり、作業員が往来している。そのため、距離検出装置が鋳床４０の床面より上に突出して設置されていると作業用車両の通行や作業員の往来に支障をきたし、更には傾注樋２５やトピードカー３０の周囲は高温であることから、本出願人は特許第５００４４６９号において、鋳床４０の内部または下面に、トピードカー側に４５°傾斜した反射板５０と、反射板５０の反射面と対向するガイドパイプ５１とを配設し、ガイドパイプ５１を介してマイクロ波の送受信を行うことを提案している。
【００２４】
これを応用して本発明では、ガイドパイプ５１の反射板５０とは反対側の端面に、金属筒３Ｂの拡径部３ｃを配置するとともに、鋳床４０の内部または下面の、ガイドパイプ５１や拡径部３ｃから離間した位置に設けた収納室５２に、マイクロ波の送受信及び距離測定のための演算を行うためのコントローラ５３とパッチアンテナ（アレイ）１とを収容し、収納室５２の下面に縮径部３ａを配置し、縮径部３ａと拡径部３ｃとを長い連結部３ｂにより連結する。反射板５０やガイドパイプ５１、金属筒３Ｂは金属部材であり、溶銑２６からの高温に直接曝されても問題はない。また、コントローラ５３やパッチアンテナ（アレイ）１は高温源から離間して、実質的に常温であるため熱的影響もない。
【符号の説明】
【００２５】
１  パッチアンテナ（アレイ）
２  素子
３Ａ，３Ｂ  金属筒
４  ユニオン
５  栓部材
１０  距離測定装置
２０  被検出物体
【図１】
2014215166.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014215166.tif 000010
【図９】
2014215166.tif 000011
【図１０】
2014215166.tif 000012
【図１１】
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