(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を送受信する送受信部と、
この送受信部からの受信信号に基づきドップラー周波数信号としての９０度位相の異なる２つのＩ，Ｑ信号を出力する直交ミキサとを備え、
上記直交ミキサから出力された上記Ｉ，Ｑ信号のいずれか一方の信号を、上記送受信部と対象物との距離を最適距離とするための位置調整信号として用い、上記Ｉ，Ｑ信号の他方の信号を、対象物検知のための信号として用いることを特徴とする非接触変位センサ装置。
【請求項２】
上記送受信部又は対象物のいずれかを移動させ、上記送受信部と対象物との距離を調整する位置調整機構を設け、
上記位置調整信号の電圧が最大又は最小となるように、上記位置調整機構により上記送受信部と対象物との距離を調整することを特徴とする請求項１記載の非接触変位センサ装置。
【請求項３】
上記位置調整信号の直流成分を除去するＤＣカット素子を設け、
このＤＣカット素子を通した位置調整信号の振幅が最小となるように、上記位置調整機構により上記送受信部と対象物との距離を調整し、振動を検知することを特徴とする請求項２記載の非接触変位センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触変位センサ装置に関し、特にマイクロ波ドップラー方式により非接触で微小な変位、変位量の小さい振動等を安定して検知、測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、変位や振動を計測するには、レーザー変位計を用いる方法、対象物の振動に基づく空気の振動を検出するマイクロホン、加速度センサ等をその対象物に取り付ける方法等、様々な方法がある。これらの方法は、その特性により一長一短があり、優劣が明確となるものではない。例えば、マイクロホンの場合は、媒体として空気を利用して音の振動を簡単に取り出せるが、空気を媒介にするため、センサと対象物の間が板等で遮蔽されると、減衰が大きくなる。加速度センサの場合は、対象物の振動を直接計測できるが、物理的に接触する必要があるため、薄い板の振動等の計測は難しい。
【０００３】
また、下記特許文献１の心肺機能監視装置においては、呼吸や心臓の鼓動を検出するためにマイクロ波ドップラー方式のセンサが使用されており、マイクロ波ドップラーセンサは、対象物が電波を反射する物であれば、非接触で変位、振動等を計測できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のマイクロ波ドップラーセンサは、一般的には移動物体の速度に比例したドップラー周波数出力が得られるため、この出力をハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより直流及び低周波成分をカットすることで、静止物体は検知することなく、移動物体のみを検知することができる。
【０００６】
また、マイクロ波ドップラーセンサの前方に静止物体があるとき、送信周波数と受信周波数は同じであり、その位相だけがセンサ（送受信部）と対象物との間の距離によって変わる。このとき、ドップラーセンサは、位相検波器として動作し、出力は直流電圧となり、その電位は送信波と受信波の位相差に応じた値となる。
【０００７】
しかしながら、この場合の送信波と受信波の位相差は、ドップラーセンサから対象物までの距離によるものであるため、出力電圧は、センサから対象物までの距離が送信波の１／２波長変化する毎に周期的に変化することになる。従って、マイクロ波ドップラーセンサを微小変位センサや微小振動センサ等として用いる場合、センサと対象物との間の距離により変位量と出力電圧の変化量が異なるため、安定した検出ができないという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサと測定対象物との間の距離を最適位置に調整可能となり、高い感度で直線性も良好な検知ができる非接触変位センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る非接触変位センサ装置は、マイクロ波を送受信する送受信部と、この送受信部からの受信信号に基づきドップラー周波数信号としての９０度位相の異なる２つのＩ，Ｑ信号を出力する直交ミキサとを備え、上記直交ミキサから出力された上記Ｉ，Ｑ信号のいずれか一方の信号を、上記送受信部と対象物との距離を最適距離とするための位置調整信号として用い、上記Ｉ，Ｑ信号の他方の信号を、対象物検知のための信号として用いることを特徴とする。
請求項２の発明は、上記送受信部又は対象物のいずれかを移動させ、上記送受信部と対象物との距離を調整する位置調整機構（手動でも機械的な自動でもよい）を設け、上記位置調整信号の電圧が最大又は最小となるように、上記位置調整機構により上記送受信部と対象物との距離を調整することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記位置調整信号の直流成分を除去するＤＣカット素子を設け、このＤＣカット素子を通した位置調整信号の振幅が最小となるように、上記位置調整機構により上記送受信部と対象物との距離を調整し、振動を検知することを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、直交ミキサからドップラー周波数情報を含むＩ信号とＱ信号が出力され、このＩ，Ｑ信号の、例えばＱ信号が位置調整信号、Ｉ信号が対象物検知のための信号として用いられる。そして、位置調整信号であるＱ信号を手動又は自動にてモニタし、この位置調整信号の電圧が最大又は最小となるように送受信部又は対象物を動かすことで、送受信部と対象物との距離が最適な距離に位置決めされる。この結果、対象物検知用信号であるＩ信号においては最大の電力が得られることになり、このＩ信号から測定対象物の変位や振動が感度よく計測されることになる。
【００１１】
上記Ｉ，Ｑ信号における位相差と出力振幅は、送信波と反射波の位相差が＋９０度又は−９０度付近では位相変化（距離の変化）に対する出力電圧の変化が最小となり、位相差が０度又は１８０度付近では出力電圧の変化が最大となり、かつ直線性もよいという関係にあるので、上述のように位置調整信号であるＱ信号が＋９０度又は−９０度付近、検知用信号であるＩ信号が０度又は１８０度付近にある関係に設定することで、感度を高めた直線性のよい状態の測定ができることになる。
【００１２】
即ち、Ｉ信号の位相差が０度付近にあるとき、Ｑ信号電圧は例えば＋１（正側最大の値）にあり、Ｉ信号の位相差が１８０度付近にあるとき、Ｑ信号電圧は例えば−１（負側最小の値）にあるので、位置調整信号であるＱ信号が最大又は最小となる位置に送受信部と対象物間の距離を調整すれば、直線性のよいＩ信号により測定物の検知が可能となる。
また、振動検知の場合は、ＤＣカット素子を通した位置調整信号の振幅が最小となるように、送受信部−対象物間距離を調整することで、微小な振動等を良好に検知することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の非接触変位センサ装置によれば、センサと測定対象物との間の距離を最適位置に調整可能となり、感度が高く、直線性も良好となる検知・計測ができるという効果がある。
マイクロ波ドップラー方式のセンサは、マイクロ波帯の電波を媒体とし、送信波が対象物によって反射され戻ってきた受信波を送信波と比較し、その差を取り出すものであり、対象物が電波を反射する物であれば、非接触でその振動や変位を計測することが可能となる。例えば、構造物の微小な変位や振動、楽器やアルミホイル膜の振動等を離れた位置から測定することができる。
また、センサと測定対象物との間に誘電体のカバーや板等があっても、マイクロ波は減衰が少なく透過し、煙や霧等で光が遮られる状態でも透過するので、各種の状況下での計測が可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る第１実施例の非接触変位センサ装置の構成を示す図である。
【図２】第２実施例の非接触変位センサ装置の構成を示す図である。
【図３】実施例において、Ｉ信号のベクトルが位相差０度付近、Ｑ信号のベクトルが位相差９０度付近にあるときの位相関係［図（Ａ）］、位相差と出力電圧の関係［図（Ｂ）］及びＩ，Ｑ信号電圧［図（Ｃ）］を示す図である。
【図４】実施例において、Ｉ信号のベクトルが位相差１８０度付近、Ｑ信号のベクトルが位相差２７０度（又は−９０度）付近にあるときの位相関係［図（Ａ）］及び位相差と出力電圧の関係［図（Ｂ）］を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に、第１実施例の非接触変位センサ装置の構成が示されており、この第１実施例は、主に微小変位センサとして用いられる。図１に示されるように、センサ部１０には、送受信部としての送信アンテナ１１と受信アンテナ１２、マイクロ波発振器１４、分配器１５、そして上記発振器１４からのマイクロ波をローカル信号として入力し、９０度位相の異なるＩＱ信号を出力する直交ミキサ１６ａ，１６ｂが設けられ、また直交ミキサ１６ａ，１６ｂから出力されたＱ信号及びＩ信号を増幅する増幅回路１７ａ，１７ｂが配置される。更に、上記センサ部１０は、送受信部と測定対象物２０との距離を調整するための距離調整部（距離調整機構：各種アクチュエータによる駆動機構）１９に取り付けられる。この距離調整部１９は、例えば位置調整信号を用いた信号処理に加え、距離調整のための駆動制御をする駆動回路２２を接続することができる。
【００１６】
上記発振器１４から発振されたマイクロ波が送信アンテナ１１から出力されると、測定対象物から反射された反射波が受信信号として受信アンテナ１２にて得られ、この受信信号は、直交ミキサ１６ａ，１６ｂに供給されることで、この直交ミキサ１６ａ，１６ｂから、９０度位相の異なるＩ，Ｑ信号が出力される。
【００１７】
実施例では、Ｉ信号を対象物の変位・振動の測定・検知に用い、Ｑ信号を位置調整信号として用いており、増幅回路１７ａから出力されたＱ信号は位置調整信号として駆動回路２２へ供給される。この駆動回路２２では、位置調整信号であるＱ信号（出力）の電圧が最大（又は最小）となるように、距離調整部１９を調整することで、センサ部１０と対象物２０との距離が最適距離に位置決めされる。そして、この後のＩ信号によって対象物２０の変位や振動が計測される。なお、距離調整は、位置調整信号を信号処理した結果を用いて、駆動回路２２が自動で送受信部−対象物間の距離を最適な距離に設定するようにしてもよい。
【００１８】
上記Ｉ，Ｑ信号では、図３に示されるように、Ｉ信号の位相差（送信波と受信波の位相差）が０度付近にあるとき、Ｑ信号の位相差が＋９０度付近にあり、又は図４に示されるように、Ｉ信号の位相差が１８０度付近にあるとき、Ｑ信号の位相差が２７０度（又は−９０度）付近にあるという関係になる。即ち、直交ミキサ１６ａ，１６ｂから出力されるＩ信号とＱ信号の位相差は、常に９０度異なっているため、例えば、図３のようにＩ信号の位相差が０度の場合（電圧０）、Ｑ信号の出力電圧は最大（電圧＋１）となり、図４のようにＩ信号の位相差が１８０度の場合（電圧０）、Ｑ信号の出力電圧は最小（電圧−１）となり、その出力電圧の変化は、位相差０度又は１８０度のＩ信号が最大で、直線的となり、位相差９０度、２７０度のＱ信号が最小となる。
【００１９】
そこで、実施例では、例えば図３（Ｃ）に示されるように、位相差９０度付近のＱ信号を位相調整信号とし、このＱ信号の出力電圧が最大（＋１）となるように、駆動回路２２等を用いてセンサ部１０（送受信アンテナ１１，１２）と対象物２０との距離を調整し、この距離調整がされた後の位相差０度付近のＩ信号（出力）を測定・解析することにより、対象物の変位や振動が検知される。即ち、センサ部１０から出力されたＩ信号の直流成分を増幅回路１７ｂで増幅することで、変位量が測定される。
【００２０】
また、図４のように、位相差２７０度（−９０度）付近のＱ信号を位相調整信号とし、このＱ信号の出力電圧が最小（−１）となるように、送受信部−対象物間の距離を調整し、この距離調整がされた後の１８０度付近のＩ信号を測定・解析することによっても、対象物の変位や振動の検知ができる。
【００２１】
更に、図３の位相関係にある場合と図４の位相関係にある場合とでは、変位方向に対する電圧の増減方向が異なっているが、この電圧の増減方向を変位方向の情報（基準点から遠い方向か近い方向か）として用いることになる。即ち、図３のように、位置調整信号であるＱ信号（＋９０度付近）の電圧が最大となるように送受信部−対象物間の距離を調整した場合は、送信波と受信波の位相差が＋方向に変化するとき、即ち送受信部−対象物間の距離が増加する方向に変化するとき、Ｉ信号（０度付近）の電圧も増加する。一方、図４のように、位置調整信号であるＱ信号（＋２７０度付近）の電圧が最小となるように送受信部−対象物間の距離を調整した場合は、送信波と受信波の位相差が＋方向に変化するとき、即ち送受信部−対象物間の距離が増加する方向に変化するとき、Ｉ信号（１８０度付近）の電圧は減少する（変化の傾きも逆になる）。従って、このような電圧の増減の方向によって対象物２０が遠い方向又は近い方向のいずれに変位しているかを把握し、検知情報として利用することができる。
【００２２】
図２に、第２実施例の非接触変位センサ装置の構成が示されており、この第２実施例は、主に微小振動センサとして用いられる。図２に示されるように、センサ部１０と増幅回路１７ａ，１７ｂの間に、雑音低減やＤＣオフセット除去等を実施するため、ＤＣカットコンデンサ２４ａ，２４ｂを介挿しており、増幅回路１７ａ，１７ｂではＤＣ成分を除去した信号を所定の増幅率で増幅し、振動による変化のみを取り出すようになっている。また、ＤＣカットコンデンサの代わりに、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等を使用し、出力する周波数帯域を制限し、所望の周波数帯域の振動成分のみを感度よく検出するようにしてもよい。
【００２３】
そして、この場合は、対象物の振動時に、位置調整信号であるＱ信号の振幅が最小となるように、センサ部１０（送受信アンテナ１１，１２）と対象物２０との距離を調整することで、距離調整後のＩ信号から対象物２０の振動が検知される。図２の出力波形に示されるように、Ｑ信号の振幅が最小になるとき、Ｉ信号の振幅が最大となる。
【００２４】
上記各実施例の説明では、Ｉ信号を対象物検知のための信号とし、Ｑ信号を位置調整信号として用いたが、逆に、Ｑ信号を対象物検知のための信号とし、Ｉ信号を位置調整信号とした場合も、同様に送受信部（センサ）と対象物間の距離を最適位置に調整することで、検出感度が高く、直線性のよい変位センサ、微小振動センサを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
構造物、機械、器具、楽器等の微小な変位や振動を計測することができ、例えば建物の揺れ、騒音等による壁や窓の揺れ等の計測に適用可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…センサ部、
１１…送信アンテナ、
１２…受信アンテナ、
１６ａ，１６ｂ…直交ミキサ、
１７ａ，１７ｂ…増幅回路、
１９…距離調整部（機構）、
２２…駆動回路、
２４ａ，２４ｂ…ＤＣカットコンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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