(57)【要約】【課題】  反射波の影響を低減して速度の計測精度を向上した速度計測装置を提供すること。【解決手段】  ミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置において、電磁波の反射角方向にて発現する対地からの直接反射波以外の反射波の影響を抑えることを目的とした反射抑制機構を配設した。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置において、
電磁波の反射角方向にて発現する対地からの直接反射波以外の反射波の影響を抑えることを目的とした反射抑制機構を配設したことを特徴とする速度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の速度計測装置において、
前記反射抑制機構は、電磁波の反射角方向に前記電磁波の波長程度の周期で凹凸形状を有することを特徴とする速度計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の速度計測装置において、
前記反射抑制機構は、電磁波の波長程度の周期で凹凸形状を有し、
前記凹凸形状の周期は前記電磁波の反射角方向および反射角方向と垂直をなす方向であることを特徴とする速度計測装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の速度計測装置において、
前記反射抑制機構は、前記凹凸形状の高さが周期以上であることを特徴とする速度計測装置。
【請求項５】
請求項１に記載の速度計測装置において、
前記反射抑制機構は、入射する電磁波の一部を透過するための貫通孔を設けたことを特徴とする速度計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の速度計測装置において、
前記貫通孔は、テーパ形状を有することを特徴とする速度計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の速度計測装置において、
前記テーパ形状は、一方の径が電磁波の波長よりも大きく、他方の経が波長と同程度であることを特徴とする速度計測装置。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の速度計測装置において、
前記反射抑制機構の裏面に電磁波吸収用途の樹脂を貼付けたことを特徴とする速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送機器の対地速度を非接触的に計測する目的でミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を地面に向けて放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や鉄道車両などの輸送機器における対地速度を検出する方法として、車輪の回転数を計測することで速度を求める方法が一般的に用いられている。本手法では車輪のスリップ時に対地速度を計測できないこと、タイヤの空気の抜けや車輪の削れなどにより車輪の径が変化すると計測誤差が生じることが知られている。
【０００３】
一方で、ミリ波帯やマイクロ波帯のレーダモジュールを用い、このレーダモジュールから電磁波の連続波を地面に放射してその反射波を受信し、反射波の周波数変化量を計測して対地速度を算出する速度計測装置も知られている。本手法は非接触式であるため、スリップ時も対地速度が計測可能であり、車輪の径の変化の影響も受けない。
【０００４】
この電磁波を利用した速度計測装置においては、電磁波を任意の入射角（０＜θ＜９０）で対象物に照射する必要がある。このとき、対象物の表面では散乱波が発生し、その散乱波の一部である直接反射波を計測することで速度算出を行っている。
【０００５】
この電磁波を利用した速度計測装置においては、一般的に対地からの直接反射波以外の、例えば対地にて反射角方向に進行した電磁波成分のドップラ効果の影響により速度の計測精度が悪化する。そのため、不要な反射波を抑えることが安定した速度計測では重要となる。
【０００６】
例えば、特許文献１には軟磁性金属の粉末をゴムまたはプラスチックのマトリクス材料中に分散させた混合物をシートに成形し、その一方の面に金属箔を直接加熱圧縮してなるミリ波用電波吸収シートが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３３２７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、主原料がゴムであるために、輸送機器に設置した場合の経年劣化による吸収特性への影響が考えられ、必ずしも長期間安定して不要な反射波の影響を除外することはできないと考えられる。また、輸送機器への設置の際には、ゴムのシワ、ヘタリを考慮して取付ける必要が生じるため作業性にも課題があると考えられる。
【０００９】
本発明の目的は、反射波の影響を低減して速度の計測精度を向上した速度計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の速度計測装置は、ミリ波帯あるいはマイクロ波帯などの電磁波を放射し反射波の周波数変化量を計測して速度を算出する速度計測装置において、電磁波の反射角方向にて発現する対地からの直接反射波以外の反射波の影響を抑えることを目的とした反射抑制機構を配設した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれは、反射波の影響を低減して速度の計測精度を向上した速度計測装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係わるレーダモジュールの一例
【図２】本発明に係わるレンズの一例
【図３】本発明に係わるレーダモジュールの断面の一例
【図４】本発明に係わる速度計測装置の一例
【図５】本発明に係わる速度計測装置の断面の一例
【図６】速度計測装置の回路の概略の一例
【図７】速度計測装置を輸送機器の底面部に搭載した例
【図８】反射抑制機構を配した構成
【図９】反射抑制機構の構造例１
【図１０】反射抑制機構の構造例２
【図１１】反射抑制機構の周期構造
【図１２】反射抑制機構の構造例３
【図１３】反射抑制機構の構造例４
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施例について図面を用いて詳細に説明する。本実施例では７６ＧＨｚ帯の電磁波（ミリ波）を利用するレーダモジュールを用いた速度計測装置を例に取り上げる。なお、本発明は速度計測装置の構成部材について限定するものでなく、当該の構成部材以外の部材を搭載する速度計測装置についても、同様の発明効果を得られるということは言うまでもない。
【実施例１】
【００１４】
図１は速度計測装置の主要部であるミリ波レーダモジュール１の構成の一例を示す図である。ミリ波レーダモジュール１は主として基板２０、ＭＭＩＣ（Monolithic  Microwave  Integrated  Circuit）チップ１５、およびレンズ１０とから構成される。なお、本図においては、レンズ１０は基板２０に固定する前の状態を示している。
【００１５】
基板２０には平面アンテナ２２と給電線２１、外部回路との接続に用いる一連の配線２３が形成されており、また、ＭＭＩＣチップ１５を接着して搭載するＩＣ搭載キャビティ１４とレンズ１０の搭載位置を決めるレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜２５Ｄが形成されている。なお、基板２０の一例として、セラミック多層基板やプリント基板を用いており、また、平面アンテナ２２としてパッチアンテナを、給電線２１としてマイクロストリップ線路を用いている。また、基板２０の内層には平面アンテナ２２と平行なＧＮＤ面が一面に広がっている。
【００１６】
ＭＭＩＣチップ１５への外部からの電源供給、ならびに、信号の入出力はＭＭＩＣチップ１５と一連の配線２３との間をワイヤボンディング１９で接続し、パッド部２３Ａより外部回路と接続する。ＭＭＩＣチップ１５のミリ波帯信号端子と平面アンテナ２２から伸びる給電線２１との接続は、ワイヤボンディング１８Ａにより行なう。また、基板２０の内層のＧＮＤ面とＭＭＩＣチップ１５のＧＮＤ端子との接続は、ワイヤボンディング１８Ｂとワイヤボンディング１８Ｃで行なう。これらの接続により、ＭＭＩＣチップ１５で生成したミリ波帯送信信号の空中への電磁波の放射と空中からの電磁波の受信は、平面アンテナ２２を介して行なうことができる（なお、アンテナやレンズは可逆性があるので、送信用、受信用は同じ構成をとることができる。以下の記述では特に記載の無い限り、アンテナは送信用として記述する。）。
【００１７】
レンズ１０は平面アンテナ２２から放射される電磁波の指向角が広いため、集束効果により指向性を鋭くさせる目的で用いる。
【００１８】
図２はレンズ１０の接着面からみた構造の一例を示す図である。なお、レンズ１０の材料の一例として、誘電率２〜１０程度の樹脂などの材料を用いている。レンズ１０は、曲面部１０Ａと平面部１０Ｂとから形成されている。平面部１０Ｂが上述の平面アンテナ２２と直接接する。
【００１９】
さらに、レンズ１０は、レンズ１０と同一材料で一体的に伸張させた構造となっているフランジ１１Ａとフランジ１１Ｂを有し、このフランジ１１Ａとフランジ１１Ｂに位置あわせボス１２Ａ〜１２Ｄを有する構造となっている。なお、これらの位置あわせボスの１２Ａ〜Ｄの位置は、図１における前述の基板２０のレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜Ｄと同じ位置となっている。
【００２０】
図１に戻り、レンズ１０の基板２０への固定は、位置あわせボス１２Ａ〜Ｄとレンズ搭載キャビティ２５Ａ〜Ｄ部分における接着にて行なう。なお、固定の際に、フランジ１１Ａ、１１Ｂは給電線２１に重ならない方向で固定する。
【００２１】
図３は、ミリ波レーダモジュール１を側面から見た図である。レンズ１０の平面部１０Ｂは直接平面アンテナ２２に接する。つまり、平面部１０Ｂは平面アンテナ２２の近接界に位置する。一方、曲面部１０Ａは平面アンテナ２２の中心部から波長λ程度以上に位置する、つまり平面アンテナ２２の遠方界の位置するようにした。遠方界に位置することで空間インピーダンスが一様とみなせるので、曲面部１０Ｂと平面アンテナ２２との距離が多少ばらついても、電磁波の集束効果のばらつきはレーダモジュール１の動作に影響を与えない程度に小さい。また、フランジ１１Ａとフランジ１１Ｂの位置はレンズ１０の中心軸からθ以上離れた位置とすることで、フランジ１１Ａ〜Ｂがレンズの効果を妨げない効果を得ることが可能となる。なお、平面アンテナの放射角は±４５度程度であるので、θは６０度程度以上とすることが望ましい。
【００２２】
図４、図５は、速度計測装置２の構成の一例を示す図およびその断面図である。速度計測装置２は主として、前述のミリ波レーダモジュール１、周辺回路３１、アルミベース３２、ハウジング３３、カバー３７とから構成される。なお、図４において、カバー３７はハウジング３３に固定する前の状態で示している。ここで、周辺回路３１は主として速度計測装置２の外部から受ける電源電圧を所望の電圧に変換して周辺回路３１内部とミリ波レーダモジュール１に電源を供給する機能と、ミリ波レーダモジュール１を制御し、またミリ波レーダモジュール１から出力される信号を計測速度情報に変換する機能、ならびに、計測速度情報を速度計測装置２の外部へ出力する機能からなる。アルミベース３２は、速度計測装置２を輸送機器に固定する固定穴と速度計測装置２の放熱の機能を有しており、ミリ波レーダモジュール１、周辺回路３１、ハウジング３３が固定されている。ハウジング３３は外部との接続に用いるコネクタ部３３Ａを有しており、また、アルミベース３２の溝３２Ｂに勘合して接着固定される。また、周辺回路３１とコネクタ部３３Ａの電気的接続はワイヤボンディング３４を用いる。カバー３７はレンズ構造３７Ａ、Ｂを有しており、レンズ１０から放射される電磁波の指向性を集束効果によりさらに鋭くさせることが可能である。このカバー３７はハウジング３３の溝３３Ｂに勘合して接着固定される。よって、ミリ波レーダモジュール１と周辺回路３１はアルミベース３２、ハウジング３３、カバー３７とそれぞれの間の接着により雨水や埃からの保護が可能となっている。
【００２３】
図６は、速度計測装置の回路の概略構成の一例を示す図である。ミリ波レーダモジュール１内のＭＭＩＣチップは主として発信器１３４、送信用増幅器１１０、アイソレータ１１９、受信用増幅器１１３、混合器１１２で構成される。アイソレータ１１９に接続されているポート１２０において、ミリ波帯信号の送信と受信が行なわれる。さらに給電線２１により、ポート１２０と平面アンテナ２２との間を接続し、信号伝達が行なわれる。
【００２４】
ミリ波レーダモジュール１の動作について以下に説明する。発振器１３４で生成された７６ＧＨｚ帯の高周波信号は送信用増幅器１１０で増幅された後、アイソレータ１１９を介して平面アンテナ２２に伝搬されて、平面アンテナ２２より空間へ電磁波となって放射される。放射された電磁波はレンズ１０とレンズ機能を有するカバー３７により集束され地面に入射される。地面でミリ波は反射し、また対地との速度に比例してドップラ効果により反射波の周波数が変化する。地面で反射した電磁波はカバー３７とレンズ１０を通じて平面アンテナ２２に入射する。平面アンテナ２２により受信された信号は、アイソレータ１１９により受信用増幅器１１３に伝搬される。この信号は受信用増幅器１１３により増幅され、混１合器１１２で発信器１３４から出力される高周波信号と混合されＩＦ（Intermediate  Frequency）信号が生成され、演算回路２０１に入力される。このＩＦ信号の周波数がドップラ効果による周波数変化の絶対値となる。演算回路２０１の動作は主にＡＤ変換器でＩＦ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をＦＦＴ（Fast  Fourier  Transform）処理によりＩＦ信号の周波数を求め、速さｖに換算する。ここで、ドップラ効果による周波数変化量ｆｄは、光速をｃ、発振器から出力される信号の周波数ｆ０、速さｖ、ミリ波の地面への入射方向をθとすると、
（式１）
ｖ＝（ｃ／ｆ０｜cosθ｜）×ｆｄ
の関係式で表される。
【００２５】
次に速度計測装置を使用する上での問題点を説明する。速度計測装置では、輸送機器に搭載して速度計測を行う場合に、往々にして周辺物により発現する対地からの直接波以外の反射波の影響が懸念される。
【００２６】
図７に速度計測装置を輸送機器の底面部に搭載した例を示す。図７を用いて対地からの直接波以外の反射波の影響を具体的に示す。
【００２７】
速度計測装置２から照射した入射波３が地面５で反射する箇所をＡ点、Ａ点から反射角方向反射波１８Ａが輸送機器底面９に入射する箇所をＢ点、Ｂ点から反射角方向反射波１８Ｂが再び地面５に入射する箇所をＣ点とする。Ａ点では入射角８はθであるのに対し、例えば輸送機器底面９の水平に対する角度偏差１３がδとなる場合には、Ｂ点での入射角はθ＋δとなり１次反射波６と反射角方向反射波１８Ｂを発現する。さらにＣ点での入射角はθ＋２δとなり２次反射波１６と反射角方向反射波１８Ｃが発現する。
【００２８】
速度計測装置２では本来のドップラ信号として必要な直接反射波７以外にｎ次反射成分をも計測するため、ｎ次反射成分のエネルギーが大きいと計測の誤差が生じる可能性がある。例えば、反射角方向反射波１８ＢはＢ点から見たＣ点の相対速度を計測することと同じとなるため、２次反射波１６はドップラ効果により周波数変化し次式で表される。
（式２）
ｆｄ＝（２ｆ０cos（θ＋２δ）／ｃ）×ｖ
これらは順々にして繰り返されるため、ｎ次反射波と入射角の関係はθ＋２（ｎ−１）δとなる。したがって、速度計測装置２で計測されるドップラ周波数は
（式３）
ｆｄ＝（２ｆ０cos（θ＋２（ｎ−１）δ）／ｃ）×ｖ
となり、ＦＦＴでは直接反射波７とｎ次反射波との重ね合わせとなるため、速度偏差が大きくなる。
【００２９】
この問題を解決すべく、本実施例では図８に示す反射抑制機構４を反射角方向反射波１８Ａが輸送機器底面９に入射する箇所（Ｂ点）に配置する。ここで、反射抑制機構４とは以下に詳述するが不要なｎ次反射波の影響を抑えるための部材である。なお、反射抑制機構４の材料については、ある程度の硬度を有しかつ材料として電磁波を減衰または吸収させないものであれば良い。
【００３０】
反射抑制機構４の形状は多くの場合が考えられるが、１次反射波６を減衰せしめる効果を考えると、図９に示すように、反射抑制機構４の表面が反射角方向に周期性をもつ部材が良い。なお、周期Ｔは反射角方向反射波１８Ａの波長程度としている。本構成により、周期構造１７で発現する反射波は逆相となるため、入射する反射角方向反射波１８Ａを打ち消すことになる。そのため１次反射波６としての戻りを抑制することが可能となる。
【００３１】
以上、輸送機器などに用いられる速度計測装置において、速度計測に用いる対地からの直接反射波以外の、例えば対地にて反射角方向に進行した電磁波成分がドップラ効果により周波数偏移した成分が速度計測装置において速度として計測しないようにすることで、反射波の影響を低減して速度の計測精度を向上した速度計測装置を提供することが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
次に図１０を参照にして第２の実施例について説明する。
【００３３】
図１０に示す反射抑制機構４の構成においては、電磁波の反射角方向および反射角方向と直角をなす方向に、反射角方向反射波１８Ａの波長程度の周期Ｔとしている。２次元の周期構造１７とすることで、反射角方向反射波１８Ａの偏波面がいかなる場合であっても、反射抑制機構４にて減衰効果を発現することが可能となる。
【実施例３】
【００３４】
次に図１１を参照にして第３の実施例について説明する。
【００３５】
図１１では反射抑制機構４の周期構造１７において、左図は高さｈが周期Ｔの半分程度、右図は高さＨが周期Ｔと同程度としている。左図の場合は周期構造１７の隣り合う山と山の間で反射角方向反射波１８Ａが多重反射を２回発現しているのに対し、右図の場合は４回発現している。減衰については、反射の回数に比例することは明らかであるため、周期に対して高さを大きくした周期構造１７が望ましい。
【実施例４】
【００３６】
次に図１２を参照にして第４の実施例について説明する。
【００３７】
ここで、反射抑制機構４に期待する効果が不要な反射波の影響を抑えることを鑑みると、反射抑制機構４で直接的に減衰をさせずに反射角方向反射波１８Ａの一部を透過させることで１次反射波６の戻り量を相対的に減少させることも反射抑制機構４に求められる機能である。
【００３８】
図１２では反射抑制機構４において、電磁波の波長より大きい貫通孔２４を多数個設けた形状である。例えば、この反射抑制機構４を十分大きな開口部を設けた輸送機器底面９に取り付けると、電磁波は貫通孔２４を介して輸送機器底面９内部への透過波２６となるため、１次反射波６を減少させることが可能となり、減衰と同様の効果を得られる。なお、透過量が反射角方向反射波１８Ａの一部であっても、１次反射波６の減少は期待できる。
【００３９】
ここで、貫通孔２４はテーパ形状であることが望ましい。理由としては、輸送機器底面９側の貫通孔２４を小さくすることで、透過波２６が再び輸送機器外側に戻らないように閉じ込めることができるため、１次反射波６への寄与をなくすことが可能となる。なお、貫通孔２４のテーパの大きさは、反射角方向反射波１８Ａの入射側が電磁波の波長よりも大きくし、輸送機器底面９側は波長と同程度もしくはわずかに小さくする必要がある。
【００４０】
図１３では反射抑制機構４において、貫通孔２４の裏面に対して樹脂３８を貼付けた構成である。本構成とすることで、電磁波を輸送機器底面９内部に透過させずに、樹脂３８により吸収せしめることが可能となる。ここで、貫通孔２４は電磁波を樹脂３８に伝搬させるためのガイドの役割を担う。一般的に樹脂３８による電磁波の吸収特性は入射角により変動することが知られているため、貫通孔２４の形状を最適化し、電磁波が常に高い吸収特性の角度で入射できうるようにすれば、安定した反射波の抑制が可能となる。
【００４１】
以上の説明においては速度計測装置を例にとって説明したが、電磁波を変調することによって対象物との間の距離と相対速度を同時に計測する一般のレーダにも利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…レーダモジュール、２…速度計測装置、３…入射波、４…反射抑制機構、５…地面、６…１次反射波、７…直接反射波、８…入射角、９…輸送機器底面、１０…レンズ、１０Ａ、Ｂ…曲面、１１Ａ、Ｂ…フランジ、１２Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…位置あわせボス、１３…水平に対する角度偏差、１４…キャビティ、１５…ＭＭＩＣチップ、１６…２次反射波、１７…周期構造、１８Ａ、Ｂ、Ｃ…反射角方向反射波、１９…ワイヤボンディング、２０…基板、２１…給電線、２２…平面アンテナ、２３…配線、２４…貫通孔、２５Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…レンズ搭載キャビティ、２６…透過波、３１…周辺回路、３２…アルミベース、３２Ｂ…アルミベース溝、３３…ハウジング、３３Ａ…コネクタ部、３３Ｂ…ハウジング溝、３４…ワイヤボンディング、３７…カバー、３７Ａ、Ｂ…レンズ構造、３８…樹脂、３９…反射角、１１０…送信幅、１１２…混合器、１１３…受信用増幅器、１１９…アイソレータ、１２０…ポート、１３４…発信器、２０１…演算回路
【図１】
2016161525.tif 000003
【図２】
2016161525.tif 000004
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2016161525.tif 000013
【図１２】
2016161525.tif 000014
【図１３】
2016161525.tif 000015