(57)【要約】【課題】  長い検出距離を確保できる近接センサを提供すること。【解決手段】  導体で構成されたセンシングエレメント２と、該センシングエレメント２に接続され特定の周波数で発振させてセンシングエレメント２の周囲に電磁場を発生させると共に発振周波数を出力する発振回路３と、センシングエレメント２と発振回路３との間に接続されセンシングエレメント２と発振回路３とのインピーダンス調整を行う感度調整部４と、感度調整部４に接続され出力される発振周波数のレベル調整を行うレベルコンバータ５と、該レベルコンバータ５に接続されレベル調整された発振周波数を電圧に変換するｆ−Ｖコンバータ６と、を備えている。【選択図】図１
2010245911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体で構成されたセンシングエレメントと、
該センシングエレメントに接続され特定の周波数で発振させて前記センシングエレメントの周囲に電磁場を発生させると共に発振周波数を出力する発振回路と、
該発振回路に接続され出力される発振周波数のレベル調整を行うレベルコンバータと、
該レベルコンバータに接続されレベル調整された発振周波数を電圧に変換する周波数−電圧コンバータと、を備えていることを特徴とする近接センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の近接センサにおいて、
前記センシングエレメントと前記発振回路との間に接続され前記センシングエレメントと前記発振回路とのインピーダンス調整を行う感度調整部を備えていることを特徴とする近接センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の近接センサにおいて、
前記発振回路が、ＵＨＦ帯の周波数で発振させるＵＨＦ発振回路であることを特徴とする近接センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の近接センサにおいて、
前記発振回路、前記レベルコンバータ及び前記周波数−電圧コンバータが設けられる回路基板を備え、
前記センシングエレメントが、前記回路基板に設けられていることを特徴とする近接センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の近接センサにおいて、
前記回路基板が、誘電体の裏面にグランドに接続される導体膜が形成されていると共に表面にマイクロストリップ線路がパターン形成されたプリント基板であって、
前記センシングエレメントが、前記マイクロストリップ線路で形成されていることを特徴とする近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体や物体等の近接を検知する近接センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、検出用コイルとコンデンサとを用いたＬＣ発振回路を用いて、発振周波数の変化が所定の数値を超えた場合に検出する近接センサが用いられている。例えば、特許文献１には、物体までの距離によって発振周波数が変化する発振回路と一定の局部発振周波数で発振する発振回路とを設け、掛算器、ローパスフィルタ及び周波数弁別回路を使用することで、発振周波数を任意に選択できるような近接センサが提案されている。
【０００３】
また、特許文献２には、ＬＣ自励発振回路、信号検出手段、増幅素子及び帰還回路により帰還形の発振回路を構成し、発振回路の共振周波数を変えずに増幅素子の直流バイアス点を変化させ、動作点を変えることにより、発振回路の発振周波数を変化させた近接センサも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５０５９６１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平１０−１７３４３７号公報（特許請求の範囲）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、掛算器及び局部発振回路が必要なため、回路規模が大きくなってしまい、消費電力が増大すると同時に小型化が困難であるという不都合があった。また、検知により変化した周波数も掛算器を通すため、変動幅が小さくなり、感度が低下する。さらに、広帯域に不要なスプリアスが発生し、安定度も低下する。そのため、この技術では発振周波数変化率１％に対して３〜４ｍｍと検出距離も短くなる。
また、特許文献２に記載の技術では、直流バイアス回路が必要なため、回路規模が大きくなってしまい、消費電力増大、高コストと同時に、小型化が困難となる不都合があった。さらに、直流バイアスを変化させるため、変動幅が小さく、感度が低くなる。そのため、この技術でも発振周波数変化率１％に対して１ｍｍ程度と検出距離も短くなる。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、長い検出距離を確保できる近接センサ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】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の近接センサは、導体で構成されたセンシングエレメントと、該センシングエレメントに接続され特定の周波数で発振させて前記センシングエレメントの周囲に電磁場を発生させると共に発振周波数を出力する発振回路と、該発振回路に接続され出力される発振周波数のレベル調整を行うレベルコンバータと、該レベルコンバータに接続されレベル調整された発振周波数を電圧に変換する周波数−電圧コンバータと、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
この近接センサでは、センシングエレメントと、発振回路と、レベルコンバータと、周波数−電圧コンバータと、を備えているので、人体等近接時のインピーダンス変化に伴う発振周波数変化をレベルコンバータでレベル調整し、さらに周波数−電圧コンバータで発振周波数成分を電圧に直接変換することで、簡易な回路で高感度にセンシングが可能になる。すなわち、周波数−電圧コンバータで発振周波数成分を電圧に直接変換する回路構成のため、周波数のシフトダウンが不要であり、少ない部品点数で回路を構成することができ、高安定度のセンシングが可能である。
【０００９】
また、本発明の近接センサは、前記センシングエレメントと前記発振回路との間に接続され前記センシングエレメントと前記発振回路とのインピーダンス調整を行う感度調整部を備えていることを特徴とする。
すなわち、この近接センサでは、センシングエレメントと発振回路とのインピーダンス調整を行う感度調整部を備えているので、感度調整部によりインピーダンス調整だけでなくセンシングエレメントの感度に応じてフレキシブルに感度を調整することができ、低いレベル変化に対してもレベルコンバータでレベル調整することで、高感度にセンシングが可能になる。
また、感度調整部を用いることで、従来の増幅回路と比較して、レベルコンバータによるレベル調整で充分であり、低消費電流が実現可能である。
なお、センシングエレメント及び感度調整部と発振回路とを分離して別々の箇所に配線で引き回して設置した場合でも、感度調整部によって互いのインピーダンス整合を行うことができる。
【００１０】
また、本発明の近接センサは、前記発振回路が、ＵＨＦ帯の周波数で発振させるＵＨＦ発振回路であることを特徴とする。
すなわち、この近接センサでは、発振回路が、ＵＨＦ帯の周波数で発振させるＵＨＦ発振回路であるので、回路全体をよりシンプルで小型かつ安価な回路で構成することが可能になる。
【００１１】
また、本発明の近接センサは、前記発振回路、前記レベルコンバータ及び前記周波数−電圧コンバータが設けられる回路基板を備え、前記センシングエレメントが、前記回路基板に設けられていることを特徴とする。
すなわち、この近接センサでは、センシングエレメントが、回路基板に設けられているので、センシングエレメントと発振回路等の各回路とを同一基板に一体化することができ、さらに小型化及び低コスト化が可能になる。
【００１２】
また、本発明の近接センサは、前記回路基板が、誘電体の裏面にグランドに接続される導体膜が形成されていると共に表面にマイクロストリップ線路がパターン形成されたプリント基板であって、前記センシングエレメントが、前記マイクロストリップ線路で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この近接センサでは、センシングエレメントが、マイクロストリップ線路で形成されているので、回路基板としてプリント基板を用いたマイクロストリップ構造によって、より小型化、薄型化及び低コスト化が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る近接センサによれば、センシングエレメントと、発振回路と、レベルコンバータと、周波数−電圧コンバータと、を備えているので、人体等近接時のインピーダンス変化に伴う発振周波数変化を、レベル調整と発振周波数成分の電圧への直接変換とにより、高感度にセンシングが可能になり、従来よりも長い検出距離を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る近接センサの一実施形態において、近接センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態において、近接センサを示す概略的な平面図である。
【図３】本実施形態において、検出距離に対する発振周波数の変化率を示すグラフである。
【図４】本実施形態において、人体の近接前（ａ）及び近接後（ｂ）の発振周波数スペクトラムを説明するためのグラフである。
【図５】本実施形態において、発振周波数成分の変化量と変換する電圧との関係を説明するためのグラフ及び変換した電圧の検出前後における出力を説明するためのグラフである。
【図６】本実施形態において、検出距離とセンシングエレメントの長さ及び間隔との関係を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る近接センサの一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。
【００１６】
本実施形態の近接センサ１は、図１及び図２に示すように、銅箔等の導体で構成された一対のセンシングエレメント２と、これらセンシングエレメント２に接続され特定の周波数で発振させてセンシングエレメント２の周囲に電磁場を発生させると共に発振周波数を出力する発振回路３と、センシングエレメント２と発振回路３との間に接続されセンシングエレメント２と発振回路３とのインピーダンス調整を行う感度調整部４と、感度調整部４を介して発振回路３に接続され出力される発振周波数のレベル調整を行うレベルコンバータ５と、レベルコンバータ５に接続されレベル調整された発振周波数を電圧に変換するｆ−Ｖコンバータ（周波数−電圧コンバータ）６と、を備えている。
【００１７】
また、本実施形態の近接センサ１は、センシングエレメント２、感度調整部４、発振回路３、レベルコンバータ５及びｆ−Ｖコンバータ６が設けられている回路基板７を備えている。この回路基板７は、誘電体の裏面にグランドに接続される導体膜（図示略）が形成されていると共に表面にマイクロストリップ線路が銅箔等でパターン形成されたプリント基板である。
【００１８】
また、センシングエレメント２は、回路基板７のプリントパターンである上記マイクロストリップ線路で形成されている。
上記発振回路３は、ＵＨＦ帯の周波数で発振させるＵＨＦ発振回路である。これにより、センシングエレメント２の周囲には、ＵＨＦ帯の周波数の電磁場が発生する。
【００１９】
このように、この近接センサ１では、従来のＬＣ発振回路に対して、センシングエレメント２及び感度調整部４からなるセンシング部８と、発振回路３を含む回路部との構成になっている。
そして、センシングエレメント２が、人体／物体検知の役割を担っている。また、感度調整部４と発振回路３とを組み合わせることで、発振周波数を変化させることができる。
上記感度調整部４は、センシングエレメント２の検知感度に対して、フレキシブルに感度調整が可能である。それと同時にセンシングエレメント２と発振回路３との間のインピーダンス整合を取ることが可能であり、安定度、信頼性向上を確保している。
【００２０】
上記レベルコンバータ５は、低いレベル変化に対して、センシングを可能とするレベルに調整する部分である。すなわち、このレベルコンバータ５は、微弱な検出レベルを昇圧する回路となっている。なお、検出状況によっては、検出レベルを降圧する場合も考えられる。このレベルコンバータ５の回路は、前段の感度調整部４との兼ね合いで、従来の増幅回路と比較して、レベル調整程度で良く、低消費電力で構わない。
最後に、ｆ−Ｖコンバータ６は、ＵＨＦダイレクトｆ（周波数）−Ｖ（電圧）コンバータであって、レベルコンバータ５にてレベル調整された周波数成分を電圧に直接変換する部分である。
【００２１】
従来技術においては、周波数弁別回路としてセラミックフィルタ等を使用し、通過周波数から低下したレベルを検知して、再度増幅し、コンパレータによって検出した後、積分回路及び出力回路を使用して検出電圧を出力していた。この場合、回路規模が大きくなると共に、安定度の高い局部発振器、掛算器及びセラミックフィルタが必要となり、高性能の部品により高コストとなる。
しかしながら、本実施形態では、この部分をｆ−Ｖコンバータ６によって周波数をそのまま直接、直流電圧に変換することにより、回路規模が少なく小型化が可能になると共に、高感度、高安定度を実現している。
【００２２】
上記センシングエレメント２は、マイクロストリップ構造を採用し、小型で、周辺の設置影響を考慮し、一対のセンシングエレメント２の長さ及び間隔を最適化し、そのインピーダンス変動によるセンシングを行っている。
【００２３】
また、感度調整部４は、センシングエレメント２の感度に応じて、フレキシブルに感度を調整することできる。この感度調整部４としては、π型回路又はＴ型回路を一段若しくは複数段設け、一般的に使用される抵抗、コンデンサ、インダクタ等が使用される。また、可変抵抗、可変コンデンサ、可変インダクタ、可変容量ダイオード等を用いることで、フレキシブルな調整も可能となる。なお、感度調整部４は、上述したようにセンシングエレメント２と発振回路３とのインピーダンス整合の役割も兼ね備えている。
【００２４】
上記発振回路３に接続されたレベルコンバータ５では、低いレベル変化に対しても、センシングが可能となるレベルに調整される。このレベルコンバータ５の回路は、上述したように前段に感度調整部４を用いることで、従来の増幅回路と比較して、レベル調整程度で良く、低消費電流が実現できる。
【００２５】
このレベルコンバータ５に接続されたｆ−Ｖコンバータ６では、レベルコンバータ５にてレベル調整された周波数成分を電圧に直接変換される。
なお、センシングエレメント２、発振回路３、ｆ−Ｖコンバータ６等の回路構成は、基本的にＵＨＦ帯に特化している。そのため、センシングエレメント２に対しては、小型化できると共に、発振回路等の部品点数も少なく、シンプルな回路構成、低コスト化が実現できる。
【００２６】
なお、図３に示すように、本実施形態の近接センサ１では、実際の検出距離に対する発振周波数の変化率を考えると、周波数変化率１％に対して、２０ｍｍと長い検出距離となると共に、３００ｍｍ以上の長い距離も検出可能であることがわかる。
【００２７】
次に、近接センサ１の動作原理を、図４の（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
まず、センシングエレメント２において発生するインダクタンス成分、キャパシタンス成分により発振回路３にて、図４の（ａ）に示すように、所望の発振周波数スペクトラムが得られる。例えば、このときの周波数がｆ１とする。この周波数スペクトラムは、感度調整部４により、振幅レベル、インピーダンスが調整された波形となる。これに対して、人体等の物体が接近した場合、図４の（ｂ）に示すように、周波数スペクトラムは低域にシフトする。例えば、このとき、周波数がｆ２へシフトしたとする。
【００２８】
なお、検出物体や設置条件によっては、周波数が高い方へシフトする場合があるが、周波数成分を直接変換するため、同様に検出することが可能である。この周波数成分の変化量を、図５の（ａ）に示すように、ｆ−Ｖコンバータ６により直接電圧に変換し、図５の（ｂ）に示すように、検出レベルを出力する形となる。すなわち、人体近接によって周波数がｆ１からｆ２へとシフトしたことに対応して電圧がＶ１からＶ２へと変化し、検出前後でΔＶだけ電圧変化することで人体等を検知することができる。なお、周波数変化量が大きい場合、電圧の変化量も大きくなる。
【００２９】
なお、センシング部８（センシングエレメント２及び感度調整部４）と発振回路３とは、最短距離で設計されることが望ましい。また、センシングエレメント２は、使用する周波数帯に対して、波長の４分の１程度の長さがあることが望ましい。
【００３０】
なお、センシングエレメント２の幅を変えて微調整をすることも可能である。検出距離に対するセンシングエレメント２の長さ及び間隔を、図６の（ａ）（ｂ）に示す。このように、センシングエレメント２は、整数分の１程度の長さ又は間隔までは検出距離ｄが長くなるが、一定以上では検出距離ｄも一定になる傾向がある。
【００３１】
このように本実施形態の近接センサ１では、センシングエレメント２と、発振回路３と、レベルコンバータ５と、ｆ−Ｖコンバータ６と、を備えているので、人体近接時のインピーダンス変化に伴う発振周波数変化をレベルコンバータ５でレベル調整し、さらにｆ−Ｖコンバータ６で発振周波数成分を電圧に直接変換することで、簡易な回路で高感度にセンシングが可能になる。すなわち、ｆ−Ｖコンバータ６で発振周波数成分を電圧に直接変換する回路構成のため、周波数のシフトダウンが不要であり、少ない部品点数で回路を構成することができ、高安定度のセンシングが可能である。
【００３２】
また、センシングエレメント２と発振回路３とのインピーダンス調整を行う感度調整部４を備えているので、感度調整部４によりインピーダンス調整だけでなくセンシングエレメント２の感度に応じてフレキシブルに感度を調整することができ、低いレベル変化に対してもレベルコンバータ５でレベル調整することで、高感度にセンシングが可能になる。
また、感度調整部４を用いることで、従来の増幅回路と比較して、レベルコンバータ５によるレベル調整で充分であり、低消費電流が実現可能である。
さらに、発振回路３が、ＵＨＦ帯の周波数で発振させるＵＨＦ発振回路であるので、回路全体をよりシンプルで小型かつ安価な回路で構成することが可能になる。
【００３３】
また、センシングエレメント２が、回路基板７に設けられているので、センシングエレメント２と発振回路３等の各回路とを同一基板に一体化することができ、さらに小型化及び低コスト化が可能になる。
特に、センシングエレメント２が、マイクロストリップ線路で形成されているので、回路基板７としてプリント基板を用いたマイクロストリップ構造によって、より小型化、薄型化及び低コスト化が可能になる。
【００３４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、センシングエレメントと発振回路等の回路部とが同一の回路基板に一体に形成されているが、センシングエレメントと発振回路等の回路部とを分離しても構わない。この場合、センシングエレメントと発振回路とを分離して別々の箇所に配線で引き回して設置した場合でも、感度調整部によって互いのインピーダンス整合を行うことができる。なお、センシングエレメントが分離されることから、基板一体型以外にも、設置条件、使用用途に合わせた設計が可能となる。
【００３６】
なお、小型化や安定度を考えると、上記実施形態のように基板一体化が好ましいが、自動車などの用途で使用する場合、金属面が近接にある場合が多く、十分感度が取れない場合が考えられる。その場合、センシングエレメントと発振回路等の回路とを別々に設置することが可能である。例えば、車両設置時では、センシングエレメントをＡピラー、発振回路等の回路部をコンソールボックスに設置した場合等である。そうすることで、センシングエレメントをセンシングに有利な高安定度の場所に設置できる。
【００３７】
ただし、センシングエレメントから発振回路までの引き回しでインピーダンス不整合に対する反射、輻射が発生した場合、通常ではセンシングが困難となってしまう。そのため、本発明においては、分離された感度調整部において、センシングエレメントと発振回路との間のインピーダンス整合を行い、その間で発生する反射を抑えることができる。なお、分離した場合には、感度調整部は、発振回路側に近いことが望ましい。ただし、設置状況によっては、反射よりも輻射の問題の方が多い場合がある。その場合には、センシングエレメント側に近い場所にも設置すると共に、ＥＭＩフィルタ等のノイズ対策も考慮して構わない。
【００３８】
また、上記実施形態では、センシングエレメントとしてプリントパターンによるマイクロストリップ構造のマイクロストリップ線路を採用しているが、１本の導線をらせん形状としたヘリカル構造、１本の導線を直線形状としたモノポール構造、２本の直線状の導線を左右対称に配したダイポール構造等によるインピーダンス変動を用いた構造を採用しても構わない。このセンシングエレメントは、設置場所、使用用途、検出物体対象、検出距離等に対して変更が可能である。
【００３９】
なお、上記実施形態のようにマイクロストリップ構造のセンシングエレメントを採用した場合、人体近接時にセンシングエレメントのインピーダンスが変動し、発振回路の周波数が低域若しくは高域にシフトする。なお、検出距離が長いほど、インピーダンス変動は小さくなる。そのため、検出距離を長くしたい場合には、センシングエレメントの間隔を調整すると共に、エレメント長を長くする必要がある。
【００４０】
なお、小型化、薄型化を考えた場合、マイクロストリップ構造が望ましいが、検出距離、安定度等の優先順位を考慮したい場合には、以下の表１に示す各性質（設置場所（自由度）、安定度、小型化、検出距離）を踏まえ検討する必要がある。なお、表１では、記号「◎」「○」「△」の順に各性質について適していることを示している。
【００４１】
【表１】
2010245911.tif 000003
【００４２】
また、物体検知に対して、指向性を持たせるために、一対のセンシングエレメントの互いのエレメント長を変更することや、各センサエレメントの構造を変更することもできる。例えば、同構造で長さのみを変更した場合には、長い方向の感度が改善し、片側のセンシングエレメントにマイクロストリップ構造、もう一方にヘリカル構造等の組み合わせにした場合などは、ヘリカル構造の方に感度が改善する等、フレキシブルに対応可能である。
このように、センシングエレメントがフレキシブルに対応可能な要因として、前述の通り、感度調整部による感度調整及び発振回路とのインピーダンス整合が重要になる。
【００４３】
また、図３に示すように、周波数の変化又は変換された電圧の変化に基づいて接近する人体等の距離を判定することも可能である。例えば、バンドパスフィルタ又はコンパレータを用いることで、出力される周波数又は電圧を複数の範囲に分け、どの範囲の周波数又は電圧に変化したかを判断することで、接近する人体等の距離を判定することができる。また、これにより、近づく人体や物体等の距離に応じて、異なる音調の警報音を発生させるように設定することも可能になる。この技術は、例えば、自動車等の駐車支援装置等にも適用可能である。なお、電圧に変換しているため、簡易的なコンバータ、バンドパスフィルタによって距離の判定が可能になる。
【符号の説明】
【００４４】
１…近接センサ、２…センシングエレメント、３…発振回路、４…感度調整部、５…レベルコンバータ、６…ｆ−Ｖコンバータ（周波数−電圧コンバータ）、７…回路基板
【図１】
2010245911.tif 000004
【図２】
2010245911.tif 000005
【図４】
2010245911.tif 000006
【図５】
2010245911.tif 000007
【図６】
2010245911.tif 000008
【図３】
2010245911.tif 000009