(57)【要約】【課題】被検知体をより確実にかつ迅速に検知し、非接触の操作スイッチとして好適な高周波センサ装置を提供する。【解決手段】送信波を発生する発振回路と、誘電体からなる基板の表面に形成され、前記送信波を放射し前記送信波が物体に衝突し戻ってくる反射波を受信する複数のアンテナ電極と、前記基板を介し前記アンテナ電極と対向する位置に形成された接地電極と、前記受信波を検知する検波回路と、前記アンテナ電極から放射される前記送信波の方向を制御する方向制御回路と、を備え、前記アンテナ電極の励振方向と平行する面をφ方向とすると、前記方向制御回路は前記送信波のメインビームがφ方向において重複することなく複数の方向に順次放射させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波を発生する発振回路と、
誘電体からなる基板の表面に形成され、前記送信波を放射し前記送信波が物体に衝突し戻ってくる反射波を受信する複数のアンテナ電極と、
前記基板を介し前記アンテナ電極と対向する位置に形成された接地電極と、
前記受信波を検知する検波回路と、
前記アンテナ電極から放射される前記送信波の方向を制御する方向制御回路と、
を備え、
前記アンテナ電極の励振方向と平行する面をφ方向とすると、前記方向制御回路は前記送信波のメインビームがφ方向において重複することなく複数の方向に順次放射させることを特徴とする高周波センサ装置。
【請求項２】
前記送信波が伝播される前記アンテナ電極を中心として対称な位置に、前記送信波が伝播されない前記アンテナ電極を複数、配置したことを特徴とする請求項２記載の高周波センサ装置。
【請求項３】
前記送信波が伝播されない前記アンテナ電極には、高周波信号の通過または遮断のいずれか一方を選択できるスイッチが接続されたことを特徴とする請求項１乃至２何れか１項記載の高周波センサ装置。
【請求項４】
前記送信波が順次放射される複数の方向のいずれかで前記検波回路からの信号に基づいて被検知体の検知を確定すると、前記方向制御回路は被検知体の検知を確定した方向に前記送信波を放射させることを特徴とする請求項１乃至３何れか一項記載の高周波センサ装置。
【請求項５】
前記方向制御回路により被検知体の検知を確定した方向に前記送信波を放射させたとき前記検波回路からの信号のうち、周波数成分が高い側から低い側へと変化する状態のみ外部に出力することを特徴とする請求項４記載の高周波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触の操作スイッチとして好適な高周波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドップラー効果を利用した高周波センサ装置は、マイクロ波の電波ビームをセンサ前方に送信波として放射し、送信波が物体に衝突し戻ってくる反射波を受信し、人体を含む移動する物体を検知することができる。近年、電波ビームの放射方向が一方向に固定された高周波センサ装置が、自動ドア、便器洗浄装置などで実用化されている。
また、自動車の衝突防止レーダでは、誘電体レンズを使用し電波ビームの放射方向を切り替える高周波センサ装置が提案されている。これはアンテナ電極の励振方向と平行する面をφ方向、アンテナ電極の励振方向と直交する面をθ方向とすると、φ方向はほぼ同じでもθ方向において隙間が生じないよう細かいステップ（０．５度刻み）にて電波ビームの放射方向を切り替えている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０３７３８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような高周波センサ装置を、アクチュエータを作動させる非接触の操作スイッチとして用いた場合、例えば、電波ビームの放射方向が一方向に固定されていると人体を検知していない時は流量調節バルブが閉じて吐水せず、人体を検知した時のみ流量調節バルブが開いて吐水するといった単純な動作しかできず、トイレで使用される手洗い専用の自動水栓にしか対応できない。それに対し電波ビームが複数の方向に放射できれば、例えば、自動水栓の場合は適用範囲が広がり、仮に電波ビームが２方向以上に切り替えられ一方の方向で人体検知した時は吐水、他方の方向で人体検知した時は止水と予め設定しておけば、人体を検知していない状態でも水を使用することができ、キッチンや洗面所での使用も可能となる。
【０００５】
しかしながら、電波の放射方向を細かく区分し過ぎると電波の放射方向が切り替わり一巡するまでに時間を要する。そのため、人が部屋の中を歩く動作であれば問題ないが、手を接近・離遠する動作の場合、周波数が５０〜３００Ｈｚと比較的速い動きのため電波の放射方向を切替る速度が遅いと、一瞬（１００ｍＳ以下）の接近動作を精度良く検知できない。また、電波ビーム自体、赤外線センサ等と比較すると半値角が広いため、半近角の範囲内で細かく電波ビームの放射方向を切り替えても（例えば、最大放射強度の得られる方向（φ，θ）が（０°，０°）で、θ方向における半近角が±２０°の電波ビームが最初に放射された後に、最大放射強度方向（φ，θ）が（０°，５°）、（０°，１０°）の電波ビームが放射される）検知対象が人体（手）だと接近する方向にばらつきが生じるため、電波ビームの最大放射強度方向のφ方向がほぼ同じ場合、θ方向において接近方向を細かく検知しそれに対応してアクチュエータ等を動作せようとしても操作性が極めて不安定である。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、被検知体をより確実にかつ迅速に検知でき、非接触の操作スイッチとして好適な高周波センサ装置が提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、送信波を発生する発振回路と、誘電体からなる基板の表面に形成され、前記送信波を放射し前記送信波の物体による反射波を受信波として受信する複数のアンテナ電極と、前記基板を介し前記アンテナ電極と対向する位置に形成された接地電極と、前記受信波を検知する検波回路と、前記アンテナ電極から放射される前記送信波の方向を制御する方向制御回路と、を備え、前記アンテナ電極の励振方向と平行する面をφ方向とすると、前記方向制御回路は前記送信波のメインビームがφ方向において重複することなく複数の方向に順次放射させることを特徴とする高周波センサ装置である。
最初に放射される電波ビームの最大放射強度方向と次以降に放射される電波ビームの最大放射強度方向がφ方向において重複しないため、電波の放射方向が切り替わり一巡するまでまでの時間を短縮でき、一瞬（１００ｍＳ以下）の手の接近動作を精度良く検知することができる。ここでいう、電波ビームの最大放射強度方向が重複しないということは、最初に放射される電波ビームの最大放射強度方向と次に放射される電波ビームの最大放射強度方向がφ方向において、１０度以上異なることを意味する。
【０００７】
上記目的を達成するために請求項２記載の発明は、前記送信波が伝播される前記アンテナ電極を中心として対称な位置に、前記送信波が伝播されない前記アンテナ電極を複数、配置したことを特徴とする。
高周波信号が伝播される複数のアンテナ電極を備え、各アンテナ電極に伝播される高周波信号の位相を適宜変化させて電波走査するフェーズドアレイ方式のアンテナに比べ、アンテナ間の位相を変化させるためのスイッチおよび伝送線路の数が少なくて済み、製造のばらつきによる位相の変化が少なく安定した検知性能を得ることができ、小型化を図ることができる。
【０００８】
上記目的を達成するために請求項３記載の発明は、前記送信波が伝播されない前記アンテナ電極には、高周波信号の通過または遮断のいずれか一方を選択できるスイッチが接続されたことを特徴とする。
スイッチとしてトランジスタやＦＥＴを使用し、高周波信号が伝送されるラインとは絶縁されたベース端子やゲート端子の電圧を制御し、高周波信号の通過または遮断のいずれか一方を選択すれば、高周波信号が１０ＧＨｚ以上になってもアンテナ電極の位相に影響を与えることが無く、且つ制御回路が簡素化するため、電波走査制御が容易となる。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項４記載の発明は、前記送信波が順次放射される複数の方向のいずれかで前記検波回路からの信号に基づいて被検知体の検知を確定すると、前記方向制御回路は被検知体の検知を確定した方向に前記送信波を放射させることを特徴とする。
手が接近した方向の移動情報を詳細に取得することが可能となり、単純なＯＮ／ＯＦＦスイッチではなく、移動情報に基づいてアクチュエータを作動させることが可能となる。例えば、自動ドアの場合、人がドアの前で歩いている状態（例えば、５０Ｈｚ未満）では開かず、所定の速度以上（例えば、５０Ｈｚ以上）で手がセンサ装置に接近するとドアが開く。同様に自動水栓の場合、人が洗面器やシンクの前で歩いている状態では吐水せず、所定の速度以上で手がセンサ装置に接近すると吐水する。
【００１０】
上記目的を達成するために請求項５記載の発明は、前記方向制御回路により被検知体の検知を確定した方向に前記送信波を放射させたとき前記検波回路からの信号のうち、周波数成分が高い側から低い側へと変化する状態のみ外部に出力する。
手が接近する速度や時間を出力することで、アクチュエータをアナログ的に作動させることが可能となる。例えば、自動水栓の場合、手が接近する速度が速くても移動時間が短ければ少量吐水、手が接近する速度が遅くても移動時間が長ければ、大量吐水する。このように接近するといった動作だけで吐水量を変化させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、被検知体をより確実にかつ迅速に検知でき、非接触の操作スイッチとして好適な高周波センサ装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置のブロック図である。高周波センサ装置は、高周波部１０及び制御部２０を有する。高周波部１０は、給電素子１０２、無給電素子１０４を含むアンテナ１００と、高周波回路１２０と、を有する。高周波回路１２０には、送信波３０を発生する発振回路１２２と、受信波４０からドップラー信号を取り出す検波回路１２４と、が設けられている。
【００１３】
アンテナ１００から放射された送信波３０は、人体などの物体に当たり反射波を生じ、給電素子１０２で受信される。アンテナ１００は送受信共用でもよいし、送信及び受信を別としてもよい。人体検知用の高周波センサ装置において使用可能な送信波３０の周波数は、１０．５２５及び２４．１５ＧＨｚである。
【００１４】
物体が移動する場合、ドップラー信号が高周波部１０の検波回路１２４から出力される。このドップラー信号は、制御部２０の増幅器２０２を介して制御判断回路２０６へ入力される。制御判断回路２０６は比較器を含み、増幅器２０２の出力が入力された後、スイッチ制御判断を行い、出力を負荷制御回路２０４に出力できる。
【００１５】
また、制御判断回路２０６は、増幅器２０２の出力により人体検知を行う。制御判断回路２０６はまた、アンテナ１００の電波ビームの放射パターン１１０を遷移させる制御信号を出力する方向制御回路を含み、電波ビームの放射パターン１１０がφ方向において重複することなく複数の方向に順次放射させる。
【００１６】
図２は、本実施形態の高周波センサ装置の高周波部１０を表し、図２（ａ）は模式平面図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図である。図２（ａ）の模式平面図は、マイクロストリップアンテナの配置の一例を表している。アンテナ１００は、基板１５０の略中心に給電素子１０２と、これを中心にＸ字状に配置された無給電素子１０４と、を有している。給電素子１０２及び無給電素子１０４は、基板１５０の一方の主面に設けられたパッチ電極を有する。基板１５０の他方の主面、すなわちパッチ電極の裏面側は接地電極とする。
【００１７】
給電素子１０２は、左右対称軸の中間点よりずれた点を給電点Ｐとする。無給電素子１０４は、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを含む。励振方向と９０度をなす無給電素子１０４の一辺の略中央には伝送線路１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄを含む）が、励振方向と平行方向にかつ互いに逆向きに延在している。伝送線路１０８の終端には高周波スイッチ１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを含む）が接続されており、それぞれの高周波スイッチ１０６は電気的にオンまたはオフに制御可能となっている。
【００１８】
高周波回路１２０及びアンテナ１００は図２（ｂ）のように固定されており、給電素子１０２のＰ点は発振回路１２２に接続され、アンテナ１００が励振される。また、検波回路１２４には、給電素子１０２からの受信波４０が入力される。
【００１９】
図３は、アンテナ１００からのパッチ電極と平行な面内（φ方向）における放射パターンを表す模式図である。４つの高周波スイッチ１０６のオン、オフを制御することにより図３のような電波ビームを得る作用について説明する。まず、高周波スイッチ１０６をオフとすると伝送線路１０８は終端開放線路となり無給電素子１０４の位相及びゲインをプラスの状態に設定できる。また、高周波スイッチ１０６をオンとすると伝送線路１０８は終端短絡となり無給電素子１０４の位相をマイナスまたはゲインをマイナスとできる。
【００２０】
図２（ａ）のアンテナ模式平面図に応じた角度配置の場合、図３のそれぞれのビームＡからＨに対応した高周波スイッチの状態を（表１）に表す。なお、ＳＷ１は１０６ａ、ＳＷ２は１０６ｂ、ＳＷ３は１０６ｃ、ＳＷ４は１０６ｄである。例えばＢのビームは、ＳＷ１のみをオフとし残りの３つの高周波スイッチをオンとした放射パターンを表し、ビーム１１１のゲイン極大方向が略４５度を向いており、φ方向において極大より３ｄＢゲインが低下する半値角をθで表す。同様に、Ｄ、Ｆ、Ｈのビームは高周波スイッチをひとつのみオフとし、ビームのゲイン極大方向は１３５、２２５、３１５度を向いている。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
また、例えばＡのビームは、ＳＷ１及びＳＷ４をオフとし他の２つをオンとすることにより０度方向においてゲイン極大となる。またこのビームＡは、ビームＢ及びビームＨにより合成されると言うこともできる。同様に、Ｃ、Ｅ、Ｇのビームは２つの高周波スイッチをオフとすることにより、９０、１８０、２７０度方向においてゲイン極大となる。すなわち、図３の場合、８つの放射パターンを選択できる。
本実施形態によれば、このようなアンテナを用い、０、１８０度または９０、２７０度の２方向、０、９０、１８０度または０、２７０、１８０度の３方向、０、９０、１８０、２７０度の４方向方向と広い間隔で電波ビームを順次放射しスキャンする。そうすれば、最初に放射される電波ビームの最大放射強度方向と次に放射される電波ビームの最大放射強度方向がφ方向において重複しないため、電波の放射方向が切り替わり一巡するまでまでの時間が短縮化され人体（手）の接近方向を判断するまでの時間を短縮でき、一瞬（１００ｍＳ以下）の手の接近動作を精度良く検知することができる。特に、０、１８０度または９０、２７０度の２方向においてはφ方向における半値角も重複しないため、手の接近動作をさらに精度良く検知することができる。そして、いずれかの方向で人体（手）の検知を確定したら、検知を確定した方向に電波ビームを固定して放射することで、人体（手）が接近した方向の移動情報を詳細に取得することが可能となり、単純なＯＮ／ＯＦＦスイッチではなく、移動情報に基づいてアクチュエータを作動させることが可能となる。
【００２３】
本実施例ではアンテナ電極として給電素子と無給電素子を備え、無給電素子に接続されたスイッチを適宜、ＯＮ／ＯＦＦすることで電波ビームの放射方向を切り替える電波走査の一例を示したが、発振回路から伝送線路を介し高周波信号が伝播される給電素子を複数備え、伝送線路の途中経路に接続されたスイッチを適宜、ＯＮ／ＯＦＦすることで、各給電素子に伝播する高周波信号の位相を変化させ電波ビームの放射方向を切り替える電波走査形態でも実現可能である。
【００２４】
図４は、本発明の高周波スイッチ１０６の作用を説明する図であり、図４（ａ）は高周波スイッチ１０６ａの近傍の拡大図、図４（ｂ）はその等価回路である。高周波スイッチ１０６ａとして、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）を用いると、ゲート端子に印加する制御電圧によりソース端子及びドレイン端子間をオンまたはオフに切り替えることができる。
【００２５】
伝送線路１０８ａの終端部はドレイン端子１６１ａに接続され、ソース端子１６２ａは導電パターン１６３ａ及びスルーホール１６４ａを介して基板の裏面の接地電極１６７に接続される。ゲート端子１６５ａをゲート電圧により制御しソース端子１６２ａ及びドレイン端子１６１ａ間を導通とし高周波スイッチ１０６ａをオンとすると、伝送線路１０８ａは終端短絡線路として作用する。また、ゲート電圧を制御しドレイン端子１６１ａ及びソース端子１６２ａ間を非導通とし高周波スイッチ１０６ａをオフとすると、伝送線路１０８ａは長さＪの終端開放線路として作用する。
【００２６】
高周波スイッチ１０６をオフとした無給電素子１０４は位相がプラスかつ利得がプラスである導波器とでき、高周波スイッチ１０６をオンとした無給電素子１０４は位相がマイナスまたはゲインがマイナスである反射器とできる。このような無給電素子１０４を組み合わせて（表１）のビームを実現できる。
従って、高周波信号が伝播される複数のアンテナ電極を備え、各アンテナ電極に伝播される高周波信号の位相を適宜変化させて電波走査するフェーズドアレイ方式のアンテナに比べ、アンテナ間の位相を変化させるためのスイッチおよび伝送線路の数が少なくて済み、製造のばらつきによる位相の変化が少なく安定した検知性能を得ることができ、小型化を図ることができる。また、高周波信号が伝送されるラインとは絶縁されたベース端子やゲート端子の電圧を制御し、高周波信号の通過または遮断のいずれか一方を選択すれば、高周波信号が１０ＧＨｚ以上になってもアンテナ電極の位相に影響を与えることが無く、且つ制御回路が簡素化するため、電波走査制御が容易となる。
【００２７】
本実施の形態の高周波センサ装置を用いることにより、自動ドア、リモートコントロールによる機器、便器洗浄装置、照明装置などを、非接触にて正確かつ迅速に制御できる。
【００２８】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら実施の形態に限定されない。高周波センサ装置を構成する発振回路、検波回路、制御判断回路、アンテナ、判断手段、検知方法などに関して、当業者が設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置のブロック図である。
【図２】高周波センサ装置を構成する高周波部の模式図である。
【図３】電波ビームの放射パターンを表す図である。
【図４】高周波スイッチを説明する図である。
【符号の説明】
【００３０】
６  人、３０  送信波、４０  受信波、１２２  発振回路、１００  アンテナ、１０２  給電素子、１０４  無給電素子、１１１  ビーム、１２４  検波回路、２０６  制御判断回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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