(57)【要約】【課題】近距離で物体の検知が可能となる近距離センサを提供すること。【解決手段】第１の発振器に接続されて電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、反射物で反射した前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段と、前記波動受信手段が受信した信号の有無を検出する検波手段とを有する近距離センサにおいて、前記波動送信手段と前記波動受信手段とは所定距離隔てて配置されており、前記波動送信手段から送信される前記電磁波あるいは前記音波が反射物に反射し、前記波動受信手段で受信されるとき、前記波動受信手段は同時に前記波動送信手段から送信されて漏れた前記電磁波あるいは前記音波を常に受信するとともに、前記波動送信手段あるいは前記波動受信手段と前記反射物の距離が所定距離よりも近づくと、前記回路には定在波が発生して前記波動受信手段で前記電磁波あるいは前記音波が受信できなくなるように構成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１発振器に接続されて電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、反射物で反射した前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段と、前記波動受信手段が受信した信号の有無を検出する検波手段とを有する近距離センサにおいて、前記波動送信手段と前記波動受信手段とは所定距離隔てて配置されており、前記波動送信手段から送信される前記電磁波あるいは前記音波が反射物に反射し前記波動受信手段で受信されるとき、前記波動受信手段は同時に前記波動送信手段から送信されて漏れた前記電磁波あるいは前記音波を常に受信するとともに、前記波動送信手段あるいは前記波動受信手段と前記反射物の距離が変化することで定在波が発生して、前記波動受信手段は前記電磁波あるいは前記音波が受信できなくなること、を特徴とする近距離センサ。
【請求項２】
前記波動受信手段が受信した信号は、前記波動受信手段に接続される第１混合器および該第１混合器と接続される第２発振器でダウンコンバートされること、を特徴とする請求項１に記載の近距離センサ。
【請求項３】
前記第１混合器の出力側に回路上で接続される前記検波手段は、ダイオード検波回路であるか、ＦＦＴ変換されるか、もしくは前記検波手段の入力側に配置される電圧制御発振器を経て出力されるＳ字信号を所定しきい値で判定するかのいずれかの方法であること、を特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の近距離センサ。
【請求項４】
前記漏れた前記電磁波あるいは前記音波を    基準とするしきい値で判定すること、を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の近距離センサ。
【請求項５】
複数の前記波動受信手段が配列されること、を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の近距離センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波あるいは音波を利用し、波動送信手段から漏れる電磁波または音波と物体で反射される電磁波または音波の相互作用で生じる定在波から物体の有無を知る近距離センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体を検知する装置には赤外線やレーザーなど光学的に検知する方法、あるいはレーダを用いる方法などが存在する。
【０００３】
赤外線やレーザーを用いる方法では三角測量による測距などで、受光素子上で反射光の位置を測定することで対象物までの距離を測定する。この方法では、対象物からの反射光量の大小を調べる反射光量方式の光センサに比べて、検出対象の色や反射率に影響されにくく、高精度の距離測定が可能となる。
【０００４】
また電磁波を用いるレーダ方法は、ＦＭ−ＣＷとパルス変調レーダがある。これらの測定原理はいずれも、測定対象までの信号の往復時間を基に距離を得るものである。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−００４７４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記する従来技術の構成では以下の問題点を生ずる。たとえば近距離の物体検知を行なうためには、赤外光による測距装置の場合は対象物の拡散反射光を受光して距離を測定するため、対象物によっては反射光が散乱して正しい測距結果を得られない場合がある。また光学系の部品を使用するためレンズなどが汚れていると性能が得られない場合がある。
【０００７】
レーザを用いる場合、測定精度については他の方式と比較して高精度であるが、レーザ光源から測定対象物を反射して受光センサに達するまでの距離を三角法で求めているため、光軸がずれると測定誤差が大きくなる。また、レーザ光のビーム幅は狭いため、対象物表面の凹凸の影響を受けやすい。
【０００８】
またレーダを用いるＦＭ−ＣＷ方式の一般的な測距装置では、近距離を測定する場合、近距離になるほど信号の往復時間が短くなるため、測定回路の高速な動作が要求され測定が難しくなる。そのため、たとえば１００ＧＨｚ以上の高い周波数を用いた測距装置が使用されているが、信号の高速処理が必要となるため高価になっている。
【０００９】
特許文献１に記載されている従来技術の場合、ＦＭ−ＣＷの掃引周波数を１．５ＧＨｚ、掃引周波数時間３ｍｓにすれば、近距離でのビート周期により距離を推定できる。しかし絶対距離を測定することはできないため以上の課題を解決するために、たとえば、レーザーによる三角測量などの方式を併用しなければならず、コスト高となり低価格では課題を解決しにくい。
【００１０】
その他２周波を用いるＣＷの方式の場合、ドップラー効果を利用しているため対象物体が静止しているいわゆる対象物体速度がゼロの状態の時の距離検出は原理上不可能となる。パルス式のドップラー方式においても、測定目標物までの距離の検出精度を確保するには、例えば１ｐｓ程度の短いパルス幅が必要となるため、時間軸に対して短いパルス波形を処理するため回路が高価になってしまう。
【００１１】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、近距離で物体の検知が可能となる近距離センサを提供することを技術的課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、第１発振器に接続されて電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、反射物で反射した前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段と、前記波動受信手段が受信した信号の有無を検出する検波手段とを有する近距離センサにおいて、前記波動送信手段と前記波動受信手段とは所定距離隔てて配置されており、前記波動送信手段から送信される前記電磁波あるいは前記音波が反射物に反射し前記波動受信手段で受信されるとき、前記波動受信手段は同時に前記波動送信手段から送信されて漏れた前記電磁波あるいは前記音波を常に受信するとともに、前記波動送信手段あるいは前記波動受信手段と前記反射物の距離が変化することで定在波が発生して、前記波動受信手段は前記電磁波あるいは前記音波が受信できなくなるように構成したことである。
【００１３】
上記した手段によれば、波動送信手段から発信された電磁波あるいは音波は反射物に当たったのち、反射して波動受信手段で受信する。そのとき同時に波動送信手段から漏れた電磁波あるいは音波も同時に波動受信手段で受信されている。
【００１４】
そして、反射物と波動受信手段との距離が変化することで、波動受信手段は定在波が発生するために今まで波動受信手段で受信可能であった電磁波あるいは音波が受信できなくなり、その結果反射物の有無を検出することが可能となる。
【００１５】
さらに請求項２において講じた技術的手段は、前記波動受信手段が受信した信号は、前記波動受信手段に接続される第１混合器および該第１混合器と接続される第２発振器でダウンコンバートされるようにしたことである。
【００１６】
上記した手段によれば、波動受信手段で受信した電磁波信号をダウンコンバートすると、たとえば、マイクロ波よりも波長の短い周波数を使用する場合、技術的に容易に低ノイズ化や低コスト化が図れる。
【００１７】
さらに請求項３において講じた技術的手段は、前記第１混合器の出力側に回路上で接続される前記検波手段は、ダイオード検波回路であるか、検波手段に入力される信号をＦＦＴ変換されるか、もしくは前記検波手段の入力側に配置される電圧制御発振器を経て出力されるＳ字信号を所定しきい値で判定するかのいずれかの方法で行なうことである。
【００１８】
上記した手段によれば、以下のような作用を呈する。まずダイオード検波回路の場合、検波手段に入力される電圧もしくは電力を実効値に変換する。またＦＦＴ変換を行なう場合は、入力される変位信号をディジタル変換する場合でもアナログ変換する場合でも、安価に変換を行なうことができる。また別にＳ字信号を所定しきい値で判定する場合、電圧制御発振器から出力される信号を混合して位相同調することで、検波を行なう信号からＳ字信号が出力される。この方式では、外乱あるいは熱的要因、もしくは、生産に起因する周波数要因に対して、スイープ変動する周波数偏移を許容することができる。
【００１９】
請求項４において講じた技術的手段は、前記漏れた前記電磁波あるいは前記音波を基準とするしきい値で判定することである。
【００２０】
上記した手段によれば、定在波が発生すると、波動送信手段から送信されていた漏れた電磁波あるいは音波、あるいは、対象物以外からの反射波の信号が、定在波によって位相同調することにより、波動受信手段で受信できなくなる。外乱による反射波において、対象物の位置移動に伴うドップラー効果などによる周波数の偏移も定在波に周波数同調する。よって定在波が発生することにより波動受信手段は電磁波あるいは音波を受信できなくなるので、外乱を見込んだしきい値で受信される信号を判定すれば、対象物の有無を判定できる。
【００２１】
請求項５において講じた技術的手段は、複数の前記波動受信手段を配列したことである。
【００２２】
上記した手段によれば、波動受信手段を複数配列することで、対象物の位置検出を行なうセンサを構成することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図１のブロック図に基づいて構成を説明する。以降の説明においては、超音波を含む音波の電気的処理の方法は音−電気変換装置を用いれば電磁波を扱うのと等価であるため、電磁波を代表として説明する。
【００２４】
送信アンテナ１は送信発振器３と電気的に接続されており、電磁波あるいは音波が送信されるように構成されている。送信された電磁波は、対象物１１で反射し、送信アンテナ１の近くに配置された受信アンテナ２に戻って受信される。受信アンテナ２には以上の対象物１１で反射される電磁波のほかに、送信アンテナ１から送信された電磁波が漏れて直接受信アンテナ２に受信されている。これらの電磁波信号は、第１発振器５で生成される信号と第１ミキサ４で混合される。さらにこれらの信号にＶ．Ｃ．Ｏ．７（電圧制御発振器）でスイープされるＶ．Ｃ．Ｏ．信号が第２ミキサ６で混合された後、検波器８で検波される。この検波器８を通った信号はＳ字信号となり、Ｓ字信号の有無がＳ字信号判別器９で判別される。
【００２５】
つぎに本発明の実施の形態における動作について説明する。送信アンテナ１から送信される電磁波は対象物１１で反射して再び受信アンテナ２で受信されるとともに、送信アンテナ１から漏れた電磁波も同時に受信アンテナ２で受信されている。これらの信号は、第１発振器５の信号と第１ミキサ４で混合されてダウンコンバートされる。さらにこれらダウンコンバートされた信号とＶ．Ｃ．Ｏ．７のスイープされたＶ．Ｃ．Ｏ．信号を混合した信号を位相同調することで検波する検波器８からＳ字信号が出力される。
【００２６】
Ｖ．Ｃ．Ｏ．７では通常、送信アンテナ１からのリーク信号（漏れた電磁波信号）を受信しており、検波器８からＳ字信号を検出できる。しかし送信アンテナ１と受信アンテナ２の間に対象物１１が近づくと、所定距離でその間の空間に定在波が発生するようになる。この定在波が発生すると、送信アンテナ１から送信された電磁波が受信アンテナ２に伝達できなくなり、検波器８からＳ字信号がで出なくなる。このときＳ字信号をＳ字信号判別器９で計測すれば対象物１１の有無が判別できる。以上の方法による対象物１１の有無判別に替わって、受信アンテナ２で受信される漏れ電磁波信号をしきい値を設けて判定することで、対象物１１の有無を判別することも可能である。
【００２７】
送信信号に用いる信号は、搬送波でもよいし変調しても同じ効果が得られる。また図１の受信の構成については、ダブルスーパーヘテロダインで構成されているが、Ｖ．Ｃ．Ｏ．を使用してＳ字信号の変化を判別できる回路とすれば、どのような回路でも同じ効果を有する。また以上説明した検波器８の機能は、本願発明の請求項１の機能を満足すれば、上記構成には限定されない。
【００２８】
実際の対象物の検出については、たとえば、送信される電磁波の周波数を１０．５２５ＧＨＺ、送信出力１０ｍＷ、増幅を１５ｄＢとすると、およそ１５ｃｍで対象物を検出することができる。一般に、対象物の反射率、増幅器の出力、およびアンテナの利得で測定距離が決定される。この対象物の検出距離（測定範囲）は、送信出力とアンテナ利得および増幅器のアンプ利得および検波Ｓ／Ｎ比を合算した受信感度で左右される。さらに詳しく言うと、ダウンコンバートしたのちの検波能力に左右される。
【００２９】
図２示のように受信器を複数としてマトリックス構成にすると反射物が受信器の所定位置まで近づくことで定在波が発生して受信器は受信できなくなる。このときこの受信状態を検知することで、反射物の位置を検出できる。以上のように構成すれば、非接触の近接スイッチの代替機能を果たすので、ポインティングデバイスや移動物の検知センサに応用することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上本発明によれば、波動送信手段から発信された電磁波あるいは音波は反射物に当たってのち、反射して波動受信手段で受信する。そのとき同時に波動送信手段から漏れた電磁波あるいは音波も同時に波動受信手段で受信されている。そして、反射物と波動受信手段との距離が変化することで、波動受信手段は定在波が発生するために今まで波動受信手段で受信可能であった電磁波あるいは音波が受信できなくなるので反射物の有無を検出することが可能となる。
【００３１】
そして波動受信手段が受信した信号はダウンコンバートされるので、波動受信手段で受信した電磁波信号をダウンコンバートすると、たとえば、マイクロ波よりも波長の短い周波数を使用する場合、技術的に容易に低ノイズ化や低コスト化が図れる。
【００３２】
また波動受信手段を複数配列することで、対象物の位置検出を行なうセンサを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における近距離センサでの構成を示す概略図である。
【図２】図１の本発明を応用した位置センサの実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１：送信アンテナ（波動送信手段）
２：受信アンテナ（波動受信手段）
３：送信発振器（第１発振器）
４：第１ミキサー（第１混合器）
５：第１発振器（第２発振器）
６：第２ミキサー
７：Ｖ．Ｃ．Ｏ．（電圧制御発振器）
８：検波器
９：Ｓ字信号判別器
１０：制御回路
１１：対象物（反射物）
【図１】
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【図２】
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