(57)【要約】【課題】  高安定度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。【解決手段】  基板２と、該基板２に導体で形成された出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂからなるセンシングエレメント３と、出力側エレメント３Ａに接続され出力側エレメント３Ａから特定の周波数帯で電磁波を発振させると共に発振周波数を出力する発振回路４と、入力側エレメント３Ｂに接続され受信した電磁波の入力レベルを電圧に変換するＬ−Ｖコンバータ５と、を備えている。【選択図】図２
2010245912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板に導体で形成された出力側エレメント及び入力側エレメントからなるセンシングエレメントと、
前記出力側エレメントに接続され前記出力側エレメントから特定の周波数帯で電磁波を発振させると共に発振周波数を出力する発振回路と、
前記入力側エレメントに接続され受信した電磁波の入力レベルを電圧に変換するレベル−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、
前記入力側エレメントと前記レベル−電圧コンバータとの間に接続され前記入力側エレメントと前記レベル−電圧コンバータ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、
前記基板が、前記発振回路及び前記レベル−電圧コンバータが設けられた回路基板であ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、
前記出力側エレメント及び前記入力側エレメントが、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、共振用コイルを用いた発振回路と物体検出用コイルを用いた発振回路を組み合わせて、物体が近接した際に検出用コイルの共振特性（Ｑ）の変化に伴う共振振幅レベルの変化を検波することで物体検知す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、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を設け、掛算器、ローパスフィルタ、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】特開平６−１６４３５８号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特許第３５０５９６１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、共振用と検出用との２つの共振回路が必要なため、回路規模が大きくなると共に、小型化が困難であるという不都合があった。それに加え、周辺環境や取り付け状態等によって、各共振周波数のバラツキが多くなり、干渉しあい、周波数安定度も低くなる。また、リニアライザ回路が必要であり、異常発振も多く見られ、発振回路同様、回路規模、消費電流が増大してしまう。また、検出基準が共振回路の特性（Ｑ）による振幅レベル変化のため、検出不能エリアが存在し検出距離も短くなり、安定して検出距離を確保することが困難である。
また、特許文献２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。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高安定度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、基板と、該基板に導体で形成された出力側エレメント及び入力側エレメントからなるセンシングエレメントと、前記出力側エレメントに接続され前記出力側エレメントから特定の周波数帯で電磁波を発振させると共に発振周波数を出力する発振回路と、前記入力側エレメントに接続され受信した電磁波の入力レベルを電圧に変換するレベル−電圧コンバータと、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、この近接センサでは、基板に導体で形成された出力側エレメント及び入力側エレメントからなるセンシングエレメントと、発振回路と、レベル−電圧コンバータと、を備えているので、人体等近接時の電磁場変動に伴う受信レベルの変化をレベル−電圧コンバータで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、レベル−電圧コンバータで受信レベル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。
また、レベル−電圧コンバータによって、低レベル変化に対しても、整流電圧を直接コントロールでき、安定度を向上させることができる。
さらに、センシングエレメントを構成する出力側エレメント及び入力側エレメントが同一基板に形成されて一体化されているため、センシングエレメントとして一カ所に設置すればよく、設置箇所を最小限にすることができると共に小型化が可能である。
【０００９】
また、本発明の近接センサは、前記入力側エレメントと前記レベル−電圧コンバータとの間に接続され前記入力側エレメントと前記レベル−電圧コンバータ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、入力側エレメントとレベル−電圧コンバータ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ると共に、センシングエレメントとレベル−電圧コンバータとの間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、前記基板が、前記発振回路及び前記レベル−電圧コンバータが設けられた回路基板であることを特徴とする。
すなわち、この近接センサでは、基板が、発振回路及びレベル−電圧コンバータが設けられた回路基板であるので、センシングエレメントと発振回路及びレベル−電圧コンバータの回路部とが同一基板に一体化され、さらに小型化することが可能になる。
【００１２】
さらに、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、前記出力側エレメント及び前記入力側エレメントが、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、出力側エレメント及び入力側エレメントが、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、基板に導体で形成された出力側エレメント及び入力側エレメントからなるセンシングエレメントと、発振回路と、レベル−電圧コンバータと、を備えているので、人体等近接時の電磁場変動に伴う受信レベルの変化を電圧へ直接変換することにより、高感度にセンシングが可能になり、簡易な回路構成で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及びセンシングエレメントを示す模式的な説明図である。
【図３】本実施形態において、検出距離に対する共振レベル変化量（受信レベル変化量）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、レベル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、基板２と、該基板２に銅箔等の導体で形成された出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂからなるセンシングエレメント３と、出力側エレメント３Ａに接続され出力側エレメント３Ａから特定の周波数帯で電磁波を発振させると共に発振周波数を出力する発振回路４と、入力側エレメント３Ｂに接続され受信した電磁波の入力レベルを電圧に変換するＬ−Ｖコンバータ（レベル−電圧コンバータ）５と、入力側エレメント３ＢとＬ−Ｖコンバータ５との間に接続され入力側エレメント３ＢとＬ−Ｖコンバータ５とのインピーダンス調整を行う感度調整部６と、を備えている。
【００１７】
上記基板２は、発振回路４及びＬ−Ｖコンバータ５が設けられた回路基板であり、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。
また、センシングエレメント３は、基板２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４は、ＵＨＦ帯の周波数で出力側エレメント３Ａから電磁波を発振させるＵＨＦ発振回路である。
【００１８】
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３及び感度調整部６からなるセンシング部７と、発振回路４及びＬ−Ｖコンバータ５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３が、人体／物体検知の役割を担っている。また、センシングエレメント３は、入力側エレメント３Ｂ及び出力側エレメント３Ａからなる入出力端子を持つ構成となっている。すなわち、出力側エレメント３Ａの端子は、発振回路４の出力部分に接続され、図２の（ｂ）に示すように、送信波としてＵＨＦ帯の発振周波数の電磁波が出力側エレメント３Ａから送信される。その送信波を同じセンシングエレメント３内の入力側エレメント３Ｂで受信し、その受信レベルに応じて人体／物体を検知する。
【００１９】
上記感度調整部６は、センシングエレメント３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３とＬ−Ｖコンバータ５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。
上記Ｌ−Ｖコンバータ５は、入力された受信レベルを電圧に変換する部分である。従来技術においては、検波回路にて共振振幅レベルを検波し、その出力を増幅回路に与え、リニアライザ回路にて直線補正した後、出力回路を介して外部に出力していたが、この場合、各回路間の安定度の改善が容易にできず、回路規模が大きくなると共に、リニアライザ回路等に高性能の部品が必要となり、高コストとなる。
【００２０】
この部分の安定度をセンシングエレメント３及び感度調整部６にて改善し、Ｌ−Ｖコンバータ５にて直接変換することにより、回路規模が少なく小型化が可能となる。また、Ｌ−Ｖコンバータ５が、低いレベル変化に対しても、整流電圧を直接コントロールでき、安定度を向上させている。なお、Ｌ−Ｖコンバータ５は、負荷の影響を考慮し、インピーダンス変換用の出力回路を含んでおり、高感度、信頼性向上を実現している。
【００２１】
上記センシングエレメント３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、出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂの長さ及び間隔を最適化し、受信レベルの変化量によるセンシングを行っている。
【００２２】
また、感度調整部４は、上述したように、センシングエレメント３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６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６は、上述したようにセンシングエレメント３とＬ−Ｖコンバータ５とのインピーダンス整合の役割も兼ね備えている。
【００２３】
また、Ｌ−Ｖコンバータ５は、整流、昇圧、インピーダンス変換を兼ね備えた回路構成である。具体的には、整流回路を複数段加算していき、段数の最適化により、整流電圧を上げている。なお、Ｌ−Ｖ変換の最終段には、Ｌ−Ｖコンバータ５からの出力にあたり、負荷の影響を考慮するため、上述したようにインピーダンス変換回路も含んでいる。
また、発振回路４、センシングエレメント３及びＬ−Ｖコンバータ５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３に対しては、小型化できると共に、発振回路４等の部品点数も少なく、シンプルな回路構成で低コスト化が実現できる。
【００２４】
なお、本実施形態の近接センサ１では、図３のグラフに示すように、実際の検出距離に対する発振周波数における受信レベル変化量（共振レベル変化量）を考えると、受信レベル変化量５ｄＢに対して、１００ｍｍと長い検出距離となると共に、２００ｍｍ以上の長い距離も検出可能であることがわかる。
【００２５】
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、発振回路４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。この周波数スペクトラムは、振幅レベル、インピーダンスが安定した波形であり、センシングエレメント３の出力側エレメント３Ａから送信される。その送信スペクトラムをセンシングエレメント３の入力側エレメント３Ｂで受信する。
【００２６】
それに対して、図４の（ｂ）に示すように、人体等の物体が接近した場合、周波数スペクトラムの振幅レベルが減衰する。その際、送信された周波数スペクトラムを受信しているため、周波数成分はほとんどシフトしない。なお、検出物体、設置条件によっては、受信レベルが増加する場合があるが、同様に検出することが可能である。また、この入力側エレメント３Ｂにて受信する際、検出物体、設置条件等により、センシングエレメント３及びＬ−Ｖコンバータ５のインピーダンス変化が発生する場合がある。
【００２７】
それによる不安定要素を抑えるため、センシングエレメント３とＬ−Ｖコンバータ５との間に感度調整部６を設け、感度調整と同時に、センシングエレメント３とＬ−Ｖコンバータ５と間のインピーダンス調整を行っている。この安定した振幅レベルの変化量を、図５の（ａ）に示すように、Ｌ−Ｖコンバータ５により直接電圧に変換して、図５の（ｂ）に示すように、検出レベルを出力する形となる。なお、レベル変化量が大きい場合、電圧の変化量も大きくなる。
【００２８】
なお、センシング部７（センシングエレメント３及び感度調整部６）と発振回路４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３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。
【００２９】
本実施形態におけるセンシングエレメント３は、マイクロストリップ構造となっているが、この場合、人体等の近接時にセンシングエレメント３のインピーダンスが変動し、発振回路４から発振される周波数スペクトラムの振幅レベルが減衰若しくは増加する。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３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。
【００３０】
なお、出力側エレメント３Ａと入力側エレメント３Ｂとの幅を変えて検出距離を調整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３の長さ、間隔を、図６の（ａ）（ｂ）に示す。
【００３１】
このように本実施形態の近接センサ１では、基板２に導体で形成された出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂからなるセンシングエレメント３と、発振回路４と、Ｌ−Ｖコンバータ５と、を備えているので、人体等近接時の電磁場変動に伴う受信レベルの変化をＬ−Ｖコンバータ５で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、Ｌ−Ｖコンバータ５で受信レベル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、入力側エレメント３ＢとＬ−Ｖコンバータ５とのインピーダンス調整を行う感度調整部６を備えているので、感度調整部６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３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ると共に、センシングエレメント３とＬ−Ｖコンバータ５との間のインピーダンス整合を行うことができる。
さらに、発振回路４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、Ｌ−Ｖコンバータ５によって、低レベル変化に対しても、整流電圧を直接コントロールでき、安定度を向上させることができる。
さらに、センシングエレメント３を構成する出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂが同一の基板２に形成されて一体化されているため、センシングエレメント３として一カ所に設置すればよく、設置箇所を最小限にすることができると共に小型化が可能である。
【００３４】
特に、基板２が、発振回路４及びＬ−Ｖコンバータ５が設けられた回路基板であるので、センシングエレメント３と発振回路４及びＬ−Ｖコンバータ５の回路部とが同一基板に一体化され、さらに小型化することが可能になる。
また、出力側エレメント３Ａ及び入力側エレメント３Ｂ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。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の近接センサでは、発振回路のＬＣ共振部分をセンシングに利用していない。すなわち、この近接センサでは、発振回路は発振回路の役割のみとし、人体／物体の検知をセンシングエレメント及び感度調整部に役割を分離している。そのため、発振回路における周波数安定度等の不安定要素がほとんどない。つまり、小型化、安定度を考えると、上記実施形態のようにセンシングエレメントと発振回路等の回路部とを同一基板に設けて、基板一体化することが好ましいが、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に有利となる。その場合、センシングエレメントと発振回路とを別々に設置することが可能である。
【００３７】
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。
【００３８】
次に、前述のように、発振回路とセンシングエレメントとが別々に設置されている場合と同様に、設置条件等により、センシングエレメントからＬ−Ｖコンバータまでの引き回しが長くなった場合を考える。この場合、インピーダンス不整合に対する反射、輻射が発生し、通常ではセンシングが困難となってしまう。そのため、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Ｌ−Ｖコンバータ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。
【００３９】
なお、分離した場合には、感度調整部は、センシングエレメント側に近いことが望ましい。但し、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感度調整部を設置すると共に、ＥＭＩフィルタ等のノイズ対策も考慮して構わない。
【００４０】
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、マイクロストリップ構造以外にも、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になる。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、検出距離に対して変更が可能である。
【００４１】
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。
【００４２】
【表１】
2010245912.tif 000003
【００４３】
また、物体検知に対して、指向性を持たせるために、出力側エレメントと入力側エレメントとの互いのエレメント長を変更することや、各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、出力側エレメントと入力側エレメントとの片側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。
【００４４】
また、図３に示すように、レベル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、コンパレータを用いることで、検出されるレベル又は電圧を複数の範囲に分け、どの範囲のレベル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によって距離の判定が可能になる。
【符号の説明】
【００４５】
１…近接センサ、２…基板（回路基板）、３…センシングエレメント、３Ａ…出力側エレメント、３Ｂ…入力側エレメント、４…発振回路、５…Ｌ−Ｖコンバータ（レベル−電圧コンバータ）、６…感度調整部
【図１】
2010245912.tif 000004
【図２】
2010245912.tif 000005
【図５】
2010245912.tif 000006
【図６】
2010245912.tif 000007
【図３】
2010245912.tif 000008
【図４】
2010245912.tif 000009