(57)【要約】【課題】近距離の測距装置を提供すること。【解決手段】電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、測距対象物で反射した電磁波あるいは音波を受信する波動受信手段とを有し、波動送信手段から送信された電磁波あるいは音波が測距対象物で反射して波動受信手段に戻ることで、波動送信手段と波動受信手段の間の空間にＰＬＬ回路の一部が形成されて、測距対象物と波動受信手段との距離に対応する電磁波あるいは音波の周波数で位相がロックされるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、測距対象物で反射した前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段とを有し、前記波動送信手段から送信された前記電磁波あるいは前記音波が前記測距対象物で反射して前記波動受信手段に戻ることで、前記波動送信手段と前記波動受信手段の間の空間にＰＬＬ回路の一部が形成されて、前記測距対象物と前記波動受信手段との距離に対応する前記電磁波あるいは前記音波の周波数で位相がロックされること、を特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記ＰＬＬ回路は、基準信号発振器が接続される位相比較器、分周比（１／ｎ）のｎが１からｎまでの整数で可変できる分周器、ループフィルタ、および電圧制御発振器が配設されること、を特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記ｎは所定値とし、前記電圧制御発振器の発振周波数を変動させることで、前記位相がロックされる前記周波数を検知すること、を特徴とする請求項２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記ｎを可変して、前記電圧制御発振器の発振周波数を固定させることで、前記位相がロックされる前記周波数を検知すること、を特徴とする請求項２に記載の測距装置。
【請求項５】
前記ｎは素数で変動されること、を特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項６】
前記ｎは約数あるいは倍数で変動されること、を特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項７】
前記波動受信手段の出力側には前記発振周波数に対応してスプリアス応答を除去可能なバンドパスフィルタが配設されること、を特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の測距装置。
【請求項８】
前記電磁波あるいは前記音波は変調されること、を特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波あるいは音波を利用し空間にＰＬＬ回路の一部を形成した測距装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体を検知する装置には赤外線やレーザーなど光学的に検知する方法、あるいはレーダを用いる方法などが存在する。
【０００３】
赤外線やレーザーを用いる方法では、三角測量による測距などで受光素子上で反射光の位置を測定することで対象物までの距離を測定する。この方法では、対象物からの反射光量の大小を調べる反射光量方式の光センサに比べて、検出対象の色や反射率に影響されにくく、高精度の距離測定が可能となる。
【０００４】
また電磁波を用いるレーダ方法は、ＦＭ−ＣＷとパルス変調レーダがある。これらの測定原理はいずれも、測定対象までの信号の往復時間を基に距離を得るものである。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−００４７４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来技術の構成では以下の問題点を生ずる。たとえば１０ｍ以内の近距離の物体を検知するためには、赤外光による測距装置の場合では、対象物の拡散反射光を受光して距離を測定するため、対象物によっては反射光が散乱してしまい正しい測距結果を得られない場合がある。また光学系の部品を使用するため、レンズなどが汚れていると性能が得られない場合がある。
【０００７】
レーザを用いる場合、測定精度については他の方式と比較して高精度であるが、レーザ光源から測定対象物を反射して受光センサに達するまでの距離を三角法で求めているため、光軸がずれると測定誤差が大きくなる。また、レーザ光のビーム幅は狭いため、対象物表面の凹凸の影響を受けやすい。
【０００８】
また別にレーダを用いるＦＭ−ＣＷ方式の一般的な測距装置の場合、測定する距離が近くなるほど信号の往復時間が短くなるため、測定回路の高速な動作が要求され測定が難しくなる。この方式ではたとえば１００ＧＨz以上の高い周波数を用いた測距装置が使用されているが、信号の高速処理が必要となるため高価になっている。
【０００９】
特許文献１に記載されている従来技術の場合、ＦＭ−ＣＷの掃引周波数を１.５ＧＨz、掃引周波数時間３ｍｓにすれば、近距離でのビート周期により距離を推定できる。しかし絶対距離を測定することはできないため以上の課題を解決するために、たとえば、レーザーによる三角測量などの方式を併用しなければならず、コスト高となり低価格では課題を解決しにくい。
【００１０】
その他２周波を用いるＣＷの方式の場合、ドップラー効果を利用しているため対象物体が静止しているいわゆる対象物体速度がゼロの状態の時の距離検出は原理上不可能となる。パルス式のドップラー方式においても、測定目標物までの距離の検出精度を確保するには、例えば１ｐｓ程度の短いパルス幅が必要となるため、時間軸に対して短いパルス波形を処理するため回路が高価になってしまう。
【００１１】
発明者は以上の近距離の物体を検知するという課題に対して、ＰＬＬ回路を使用する測距装置を考案するに至った。
【００１２】
一般に通信機器に使用するＰＬＬは、入力信号と周波数や位相のズレのない出力信号を生成する回路であり、携帯電話や無線機の周波数制御に用いられるだけでなく、の内部をの整数倍にして高速化するのにも用いられている。この回路は出力したい発振周波数が、入力信号の周波数又は基準発振器の周波数に完全に同調又は一致するように、二つの発振器の位相差を検出し、これにより帰還回路を制御する目的で用いられ、ＰＬＬは内蔵の発振器からの出力信号を、ＰＬＬに入力された信号と比較して、周波数や位相の誤差分を検出し、電圧制御発振器（電圧によって周波数を変化させる発振器）や回路にフィードバックして制御する。このように制御することで、入力信号とズレのない出力信号が得られる。そのため正確に同期した信号を送信することができる。
【００１３】
以上、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、近距離の測距装置を提供することを技術的課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、
電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、測距対象物で反射した電磁波あるいは音波を受信する波動受信手段とを有し、波動送信手段から送信された電磁波あるいは音波が測距対象物で反射して波動受信手段に戻ることで、波動送信手段と波動受信手段の間の空間にＰＬＬ回路の一部が形成されて、測距対象物と波動受信手段との距離に対応する電磁波あるいは音波の周波数で位相がロックされるようにしたことである。
【００１５】
上記した手段によれば、波動送信手段と波動受信手段の間に存在する測距対象物に、送信された電磁波あるいは音波が反射して波動受信手段に戻ることで、電気磁気的あるいは音響的に空間にＰＬＬ回路の一部が形成される。そして、このＰＬＬ回路によって、測距対象物と波動受信手段との間の距離に対応する電磁波あるいは音波の周波数で、電磁波あるいは音波の位相がロックされる。
【００１６】
さらに請求項２において講じた技術的手段は、ＰＬＬ回路は、基準信号発振器が接続される位相比較器、分周比（１／ｎ）のｎ項を１からｎまでの整数で可変できる分周器、ループフィルタ、および電圧制御発振器で配設されるように構成したことである。
【００１７】
上記した手段によれば、ＰＬＬ回路は、基準信号を発振させるための基準信号発振器、複数の信号の位相を比較する位相比較器、分周比を可変にできる分周器、
ループフィルタ、および電圧制御発振器で構成する。以上の構成によって、ＰＬＬ回路の位相比較器は、基準信号発振器で発振した電磁波の周波数で送信周波数を一定値に保つほか、測距対象物で反射されて波動受信手段で受信される電磁波あるいは音波（入力信号）の整数倍の周波数で信号を出力することも可能となる。
【００１８】
さらに請求項３において講じた技術的手段は、分周比のｎ項は所定値とし、電圧制御発振器の発振周波数を変動させることで、位相がロックされる周波数を検知するようにしたことである。
【００１９】
上記した手段によれば、位相をロックしてそのロックされる周波数を検知するには、分周器の分周比をあらかじめ所定の固定値としておき、同時に電圧制御発振器の発振周波数を変動させて位相をロックする。するとこの位相がロックしたときの周波数は、測距対象物と波動受信手段との間の距離の関数である。そのため、この周波数から波長を算出することで、距離を測定できる。
【００２０】
請求項３とは別の方法によっても、同様に距離を測定できる。請求項４において講じた技術的手段は、分周比のｎを可変して、電圧制御発振器の発振周波数を固定させることで、位相がロックされる周波数を検知するようにしたことである。
【００２１】
上記した手段によれば、分周器の分周比のｎ項を１からｎまで変動させて電圧制御発振器の発振周波数を固定しても同様に位相がロックされる周波数を検知することが可能となる。この位相がロックされた時のｎの値から距離を測定することが可能となる。位相をロックさせる方法については、上記請求項３および請求項４の方法を組み合わせて行なってもよい。以上の方法で位相がロックされるので、電圧制御発振器の発振周波数の変動帯域を絞って制御することが可能となる。
【００２２】
さらに請求項５および請求項６において講じた技術的手段は、分周比のｎは素数で変動されるか、またはｎは約数あるいは倍数で変動されるようにしたことである。
【００２３】
上記した手段によれば、位相をロックさせる際の分周器のｎ項をどうのように変動させるかは、ロックされる周波数を効率よく検知できるかどうかが課題となる。そこで、効率よくその周波数を探せるように、ｎ項を素数で変動させたり、ｎの数が小さい場合ならば、その倍数で変動させ、またはｎの数が大きい場合であれば、その約数で変動させれば効率よく位相ロックされる周波数を検知できる。
【００２４】
そして請求項７において講じた技術的手段は、波動受信手段の出力側には発振周波数に対応してスプリアス応答を除去可能なバンドパスフィルタを配設したことである。
【００２５】
上記した手段によれば、波動受信手段で受信される電磁波あるいは音波には雑音となる必要外のノイズも含まれる。そのため、あらかじめ測距範囲が既知の場合では、全ての周波数に亘ってスキャンを行なうことは非効率である。そこで、測距範囲に応じて、その周波数に対応するバンドパスフィルタを用いれば、効果的に必要とされる周波数の情報のみを選択できる。またそのバンドパスフィルタは、波動周波数に対応してスプリアス応答を除去可能に構成するので、一層効果的に測距が可能となる。
【００２６】
請求項８において講じた技術的手段は、電磁波あるいは音波を変調したことである。
【００２７】
上記した手段によれば、電波法で規制される周波数帯域のなかで、たとえば、ＦＭ変調あるいはＰＭ変調をおこなえば、その規制される周波数で効果的に位相がロック可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図1のブロック図に基づいて説明する。以降の説明においては、超音波を含む音波の電気的処理の方法は音−電気変換装置を用いれば電磁波を扱うのと等価であるため、電磁波を代表として説明する。
【００２９】
送信アンテナ１には、電圧制御発振器３、ループフィルタ４、および基準信号発振器６に接続された位相比較器５が図１示のように接続されており、また受信アンテナ２には位相比較器５と他端で接続された分周器７が繋がっている。分周器７には分周器の制御を行なうために分周制御器８が接続されている。
【００３０】
送信アンテナ１から送信された電磁波が測距対象物で反射して、ふたたび受信アンテナ２に戻ることで、上記した構成で空間を介してＰＬＬ回路が形成されている。受信アンテナ２で受信された電磁波の信号は分周器７に入力される。このとき受信された電磁波信号は、分周制御器８で制御される分周器７で分周され、位相比較器５に入力される。
【００３１】
つぎに本発明の実施の形態における動作について説明する。本発明においては、上述したように送信アンテナ１から送信された電磁波信号は、測距対象物１０で反射されたのち、ふたたび受信アンテナ２に戻り、分周器７で分周されて位相比較器５に入力される。このとき、受信アンテナ２で受信され分周器７で分周された電磁波信号と、基準信号発生器６の基準信号との位相比較が位相比較器５で行なわれる。これらの両信号の位相が一致しない場合、回路上に設置される電圧制御発振器３の周波数をスイープさせて、両信号の位相が一致するまで周波数を変化させる。そして一致したときの周波数は、測距対象物１０と受信アンテナ２の間の距離に対応する波長を有している。厳密には、受信アンテナ２から位相比較器５との間の配線長や配線の幅などの影響により、使用する周波数によっては、受信された電磁波信号の位相が無視できないほど変化する。そこで、回路内では受信アンテナ２における受信された電磁波信号の位相と、位相比較器５に入力される電磁波信号の位相が同じになるように補償回路が設けられるか、もしくはソフト上で位相の補正が行なわれる。
【００３２】
このように、送信アンテナ１から送信された電磁波信号は、測距対象物で反射して受信アンテナ２に戻る。このとき測距対象物１０と受信アンテナ２との距離が、送信された電磁波信号の１／２波長の整数倍のときには、基準信号発生器６で発振した電磁波信号と受信アンテナ２で受信した電磁波信号の位相が一致する。位相が一致していないときは、電圧制御発振器３のスイープ周波数を調整して位相の一致するまで周波数を変化する。電圧制御発振器３で発生する信号は、低い周波数から高い周波数に変化させてもよいし、また逆に高い周波数から低い周波数に変化させてもよい。
【００３３】
送信アンテナ１から送信される電磁波信号は、ループフィルタ４および電圧制御発振器３を経て基準信号発生器６で発生した電磁波信号のｎ倍の周波数に変換される。また、受信アンテナ２で受信された電磁波信号は、分周器７でふたたび１／ｎに分周される。
【００３４】
測距情報の分解能は送信アンテナ１から送信される電磁波信号の周波数を基準信号発生器６で発生する基準信号で割った値である。この分周比を分周制御器８で制御することで、測距対象物１０と受信アンテナ２との反射を含めた距離の公約数となるｎが複数存在する。そこで、あらかじめ測定範囲（測距の範囲）と計測分解能を決定し、もっともｎの次数が小さくなる値が距離に一致するように関係づける。この分周器７のｎを変動するのは、素数で変動させてもよいし、また倍数や約数で変化してもよい。
【００３５】
図２、および図３には本発明の別の実施の形態を説明する。説明においては、図１との違いを主に説明を行なう。図２においては位相比較器５と分周器７の回路途中に位相切替器１５を配設するとともに、受信アンテナ２と分周器７の回路の途中にはバンドパスフィルタ９を配設している。
【００３６】
この回路構成においては、ＰＬＬ回路内に位相切替器１５が配置される。仮に位相がロックされても、実際の測定距離のｎ倍だったり、あるいは１／ｎ倍と誤る恐れがある場合においては、たとえば１８０°位相をずらして位相のロックされる状態を検知すれば、それらのロックされた位相が同相であるか、あるいは逆相であるかを判別できるので、回路に位相切替器１５を配置すれば測距誤りを防止することができる。この位相切替器１５でずらす位相は、１８０°には限定されず、場合によっては±９０°などでもよい。
【００３７】
またあらかじめ測定したい距離範囲が自明の場合には、その測距範囲に対応する周波数のみをバンドパスフィルタ９でフィルタリングすることで、電圧制御発振器３を必要のない周波数で変化させる必要もなく、雑音となる周波数が排除できるので効率的な測距が可能となる。
【００３８】
図３においては、ミキサ１１、ミキサ１３および搬送波発生器１２を追加構成する。図３の構成においては、送信アンテナ１から送信される電磁波信号を変調するために搬送波発振器１２で発生する搬送波信号をミキサ１１で混合させる。また逆に、受信アンテナ２で受信された電磁波信号からはミキサ１３で搬送波成分が検波される。さらに受信アンテナ２で受信される電磁波信号の利得が小さい場合には、回路上にアンプ１４を配置して受信される電磁波信号を増幅する。
【００３９】
【発明の効果】
以上本発明によれば、波動送信手段と波動受信手段の間に存在する測距対象物に、送信された電磁波あるいは音波が反射して波動受信手段に戻ることで、電気磁気的あるいは音響的に空間にＰＬＬ回路の一部が形成される。そしてこのＰＬＬ回路によって、測距対象物と波動受信手段との間の距離に対応する電磁波あるいは音波の周波数で、電磁波あるいは音波の位相がロックされる。
【００４０】
位相をロックしてそのロックされる周波数を検知するには、分周器の分周比をあらかじめ所定の固定値としておき、同時に電圧制御発振器の発振周波数を変動させて位相をロックする。するとこの位相がロックしたときの周波数は、測距対象物と波動受信手段との間の距離の関数となる。上記した手段のかわりに、分周器の分周比を変動させて電圧制御発振器の発振周波数を固定しても同様に位相がロックされる周波数を検知することが可能となる。
【００４１】
位相をロックさせる方法としては、効率よく位相がロックする周波数を探せるように、分周器の分周比のｎ項を素数で変動させたり、ｎの数が小さい場合ならばその倍数で変動させ、またはｎの数が大きい場合であればその約数で変動させれば効率よく位相ロックされる周波数を検知できる。
【００４２】
受信される電磁波あるいは音波には雑音となる必要外のノイズも含まれる。そのため、あらかじめ測距範囲が既知の場合では、全ての周波数に亘ってスキャンを行なうことは非効率である。そこで、測距範囲に応じて、その周波数に対応するバンドパスフィルタを用いれば、効果的に必要とされる周波数の情報のみを選択できる。またそのバンドパスフィルタは、波動周波数に対応してスプリアス応答を除去可能に構成するので、一層効果的に測距が可能となる。さらに送信される電磁波あるいは音波を変調して用いれば、その規制周波数をうまく利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における測距装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１の本発明を応用した測距装置の別の実施の形態を示す概略図である。
【図３】図１の本発明を応用した測距装置の別の実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１：送信アンテナ（波動送信手段）
２：受信アンテナ（波動受信手段）
３：電圧制御発振器
４：ループフィルタ
５：位相比較器
６：基準信号発生器
７：分周器
８：分周制御器
９：バンドパスフィルタ
１０：測距対象物
１１：ミキサ
１２：搬送波発振器
１３：ミキサ
１４：アンプ
１５：位相切替器
【図１】
2004198306.tif 000003
【図２】
2004198306.tif 000004
【図３】
2004198306.tif 000005