(57)【要約】【課題】非接触で屋内空間の温度を測定可能な温度センサを提供する。【解決手段】温度センサ１ａは、音源２０と、送信アンテナ３０と、受信アンテナ４０と、周波数検出部８１と、音速演算部８２と、温度演算部８３と、を備える。音源２０は、所定空間へ超音波を送波する。送信アンテナ３０は、所定空間へ電波を送信する。受信アンテナ４０は、送信アンテナ３０から送信され超音波の波面２００で反射された電波を捕そくする。周波数検出部８１は、送信アンテナ３０から送信した電波の周波数と受信アンテナ４０で受信した電波の周波数との差分に相当するドップラー周波数を検出する。音速演算部８２は、周波数検出部８１で検出されたドップラー周波数に基づいて音速を演算により求める。温度演算部８３は、音速演算部８２で求められた音速から所定空間の温度を演算により求める。【選択図】図１
2017003318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定空間へ超音波を送波する音源と、前記所定空間へ電波を送信する送信アンテナと、前記送信アンテナから送信され前記超音波の波面で反射された電波を捕そくする受信アンテナと、前記送信アンテナから送信した電波の周波数と前記受信アンテナで受信した電波の周波数との差分に相当するドップラー周波数を検出する周波数検出部と、前記周波数検出部で検出されたドップラー周波数に基づいて音速を演算により求める音速演算部と、前記音速演算部で求められた音速から前記所定空間の温度を演算により求める温度演算部と、を備える、
ことを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記音源は、周波数の異なる複数種の超音波を送波できるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
【請求項３】
前記送信アンテナから送信する電波の周波数の信号を出力する発振器と、前記発振器から出力される信号を増幅する増幅器と、前記増幅器から出力される信号の周波数と前記受信アンテナから出力される受信信号の周波数との差分の周波数を持つ出力信号を出力するミキサと、前記増幅器から出力される信号を送信アンテナと前記ミキサとに分配するディバイダと、前記ミキサと前記周波数検出部との間に設けられたフィルタと、温度計と、制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記温度計による検出温度に基づいて前記フィルタの通過帯域を制限するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサに関し、より詳細には、非接触で屋内空間の温度を測定可能な温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体（大気）の温度を測定する測定装置としては、ＲＡＳＳ（radio acoustic sounding system）が知られている（特許文献１、２）。
【０００３】
また、従来、空調制御システムに用いられる空調装置が知られている（特許文献３）。特許文献３に記載された空調装置は、室内機と、室外機と、室内機の吸い込み口付近の温度を測定する第１の温度センサと、第１の温度センサの測定温度に基づいて空調装置の出力を制御する空調制御部と、を備えている。
【０００４】
特許文献３に記載された空調制御システムは、部屋内の壁に設ける設定操作器が、第２の温度センサを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−３６７３２号公報
【特許文献２】特開昭６２−２７４２２８号公報
【特許文献３】特開２００９−３０８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に記載されたＲＡＳＳは、屋内空間の温度を測定することはできない。
【０００７】
また、特許文献３に記載された空調装置の第１の温度センサでは、室内機の吸い込み口付近の温度しか測定することができない。
【０００８】
本発明の目的は、非接触で屋内空間の温度を測定可能な温度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の温度センサは、所定空間へ超音波を送波する音源と、前記所定空間へ電波を送信する送信アンテナと、前記送信アンテナから送信され前記超音波の波面で反射された電波を捕そくする受信アンテナと、前記送信アンテナから送信した電波の周波数と前記受信アンテナで受信した電波の周波数との差分に相当するドップラー周波数を検出する周波数検出部と、前記周波数検出部で検出されたドップラー周波数に基づいて音速を演算により求める音速演算部と、前記音速演算部で求められた音速から前記所定空間の温度を演算により求める温度演算部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の温度センサにおいては、非接触で屋内空間の温度を測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態１の温度センサの概略構成図である。
【図２】図２は、距離による超音波の音圧の減衰特性である。
【図３】図３は、実施形態１の温度センサの動作説明図である。
【図４】図４は、実施形態１の温度センサの模式的な原理説明図である。
【図５】図５は、実施形態１の温度センサの模式的な原理説明図である。
【図６】図６は、実施形態２の温度センサの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の温度センサ１ａについて図１〜５に基づいて説明する。
【００１３】
温度センサ１ａは、音源２０を含む超音波送波装置２と、送信アンテナ３０を含む電波送信装置３と、受信アンテナ４０を含む電波受信装置４と、ディバイダ（divider）５と、ミキサ（mixer）６と、信号処理装置８と、制御装置９と、を備える。温度センサ１ａは、ミキサ６と信号処理装置８との間にインタフェース７を備えているのが好ましい。また、温度センサ１ａは、操作部１０を備えているのが好ましい。
【００１４】
温度センサ１ａでは、音源２０から可聴周波数の音波ではなく、超音波を送波させる点で従来のＲＡＳＳと相違する。超音波センサの分野において、距離による超音波の音圧の減衰特性としては、例えば、図２に示す特性が知られている（インターネット＜ＵＲＬ：http://www2.denshi.numazu-ct.ac.jp/mirsdoc2/mirs0105/tech/num0002a/MIRS0105-TECH-0002.htm＞、２０１５年５月２１日検索）。図２から、超音波では、周波数が高くなるほど、距離による減衰率が大きくなって、到達距離が短くなることが分かる。温度センサ１ａでは、音源２０から所定空間へ超音波を送波することにより、所定空間に超音波の波面２００（以下、「音波面２００」ともいう。）を形成することが可能となる。音波面２００は、超音波が伝搬するときの同一位相面（等位相面）である。言い換えれば、音波面２００は、超音波の伝搬において同じ時刻に同じ状態（位相）の現れる点を結んでできる曲面である。
【００１５】
温度センサ１ａでは、音源２０から送波された超音波を送信アンテナ３０から送信した電波で追跡し、音波面２００で反射された電波を受信アンテナ４０で捕そく（受信）する。言い換えれば、温度センサ１ａでは、音源２０から所定空間へ超音波を送波した後に送信アンテナ３０から電波を送信すると、音波面２００で反射された電波が受信アンテナ４０で受信される。音源２０からの超音波の送波タイミング及び送信アンテナ３０からの電波の送信タイミングは、制御装置９によって制御される。温度センサ１ａでは、音源２０から送波する超音波の周波数を、超音波の波長が送信アンテナ３０から送信する電波の波長の２分の１となるよう（Bragg条件を満たすよう）に設定されているのが好ましい。これにより、温度センサ１ａでは、送信アンテナ３０から電波を送信したときに音波面２００で反射された電波の強度を高めることが可能となる（理論的には、最大反射強度が得られる）。
【００１６】
超音波送波装置２は、音源２０と、音源２０を駆動する駆動回路２１と、を備えている。駆動回路２１は、信号発生器２１１と、電力増幅器２１２と、ＨＰＦ（high pass filter）２１３と、を備えている。
【００１７】
音源２０は、所定空間へ超音波を送波することができるように構成されている。より詳細には、音源２０は、駆動回路２１から供給される駆動信号の周波数の超音波を所定空間へ送波する。音源２０から所定空間へ送波する超音波は、超音波パルスである。所定空間は、建物の屋内空間である。屋内空間は、例えば、住戸において空調機器（例えば、エアコンディショナ等）によって温度が調節される空間である。
【００１８】
音源２０は、スピーカである。スピーカとしては、例えば、ピエゾフィルムを利用した波状振動板を用いることができる。これにより、温度センサ１ａでは、音源２０の小型化を図ることが可能となる。ピエゾフィルムは、フッ化ビニリデン樹脂の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理することで形成されたフィルム（高分子圧電フィルム）である。
【００１９】
信号発生器２１１は、超音波周波数の交流電圧信号を生成して電力増幅器２１２へ出力できるように構成されている。交流電圧信号は、バースト信号（burst signal）Ｓ１（図３参照）であるのが好ましい。超音波周波数は、可聴周波数よりも高い周波数である。温度センサ１ａでは、音源２０が超音波を送波すればよいので、音源２０の小型化を図ることが可能となる。音源２０から送波する超音波の音圧は、例えば、１００ｄＢ以下であるのが好ましい。
【００２０】
電力増幅器２１２は、信号発生器からの信号を増幅して音源２０へ供給する電子式の電力増幅器である。
【００２１】
電波送信装置３は、送信アンテナ３０と、発振器３１と、増幅器３２と、を備える。
【００２２】
送信アンテナ３０は、所定空間へ電波を送信するように構成されている。送信アンテナ３０から送信する電波の周波数は、例えば、移動体検知センサー用特定小電力無線局を利用できる周波数が好ましい。これにより、温度センサ１ａでは、例えば日本であれば日本の電波法による免許を受けることなく使用できるので、空調機器等へ適用する場合の制約を低減できる。温度センサ１ａでは、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数が２４．１５ＧＨｚとなるように電波送信装置３を構成してある。空中線電力は、移動体検知センサー用特定小電力無線局を利用できるように２０ｍＷ以下であるのが好ましい。
【００２３】
また、温度センサ１ａでは、送信アンテナ３０の小型化を図ることが可能となる。送信アンテナ３０は、例えば、ホーンアンテナ（horn antenna）により構成することができる。温度センサ１ａでは、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数が２４．１５ＧＨｚの場合、音源２０から送波する超音波の周波数が、５５．８ＫＨｚであるのが好ましい。したがって、上述のバースト信号Ｓ１の周波数は、５５．８ＫＨｚであるのが好ましい。
【００２４】
発振器３１は、例えば、電圧制御型発振器である。発振器３１の発振周波数は、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数に設定してある。したがって、発振器３１の発振周波数は、２４．１５ＧＨｚである。
【００２５】
増幅器３２は、発振器３１から出力される高周波の信号を増幅して送信アンテナ３０へ供給する。
【００２６】
電波送信装置３では、増幅器３２により増幅された高周波の信号が送信アンテナ３０に供給されることにより、送信アンテナ３０から電波を送信する。
【００２７】
電波受信装置４は、受信アンテナ４０と、第１増幅器４１と、第２増幅器４２と、を備える。電波受信装置４では、受信アンテナ４０で受信した電波を、その電波の周波数を有する受信信号（電気信号）に変換し、その受信信号を第１増幅器４１により増幅し、さらに第２増幅器４２により増幅する。
【００２８】
受信アンテナ４０は、例えば、ホーンアンテナにより構成することができる。
【００２９】
第１増幅器４１及び第２増幅器４２の各々は、ＬＮＡ（low noise amplifier）である。第１増幅器４１は、第２増幅器４２と比べて増幅率が大きい。電波受信装置４は、第１増幅器４１と第２増幅器４２とを備えた構成に限らず、増幅器の数が１つでもよい
ディバイダ５は、高周波の信号を分配する信号分配器である。より詳細には、ディバイダ５は、発振器３１から出力されて増幅器３２で増幅された高周波の信号を送信アンテナ３０とミキサ６とに分配する信号分配器である。
【００３０】
ミキサ６は、高周波信号の周波数と受信アンテナ４０で受信した電波から変換された受信信号の周波数との差分の周波数を持つ出力信号を出力する。高周波信号の周波数をｆLO、受信信号の周波数をｆRF、ミキサ６の出力信号をｆIF、とすると、周波数の関係は、｜ｆRF−ｆLO｜＝ｆIFとなる。したがって、ミキサ６は、送信アンテナ３０から送信した電波の周波数と受信アンテナ４０で受信した電波の周波数との差分に相当する周波数の出力信号を出力する。つまり、ミキサ６は、ドップラー周波数（Doppler frequency）の出力信号を出力する。
【００３１】
図５は、送信アンテナ３０から送信された電波の周波数と、受信アンテナ４０で捕そくされた電波の周波数と、の関係を模式的に示している。図５では、横軸を周波数、縦軸をパワーとしてある。図５では、周波数が２４．１５ＧＨｚの電波を送信アンテナ３０から送波して音波面２００で反射された電波を受信アンテナ４０で受信した場合において、音波面２００の温度が２５℃であれば、ドップラーシフト（Doppler shift）が５６ｋＨｚであることを模式的に示してある。ドップラーシフトの数値は、１気圧の乾燥空気下で音速〔ｍ／ｓ〕を３３１．５＋０．６１×ｔ（ｔは、摂氏温度）と近似したときの値である。また、図５では、音波面２００の温度が２４℃の場合、２５℃の場合に比べて、受信アンテナ４０で受信する電波の周波数が９３Ｈｚだけ低周波側へシフトすることを模式的に示してある。
【００３２】
インタフェース７は、ミキサ６の出力信号を増幅する増幅器７１と、フィルタ７２と、を備える。フィルタ７２は、ＢＰＦ（band pass filter）である。インタフェース７は、ミキサ６の出力信号を増幅してからフィルタ７２により雑音を抑圧した出力信号を出力するように構成されている。
【００３３】
信号処理装置８は、周波数検出部８１と、音速演算部８２と、温度演算部８３と、を備える。
【００３４】
周波数検出部８１は、ミキサ６の出力信号（インタフェース７の出力信号）をＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）解析することによってドップラー周波数を検出するように構成されている。要するに、周波数検出部８１は、送信アンテナ３０から送信した電波の周波数と受信アンテナ４０で受信した電波の周波数との差分に相当するドップラー周波数を検出するように構成されている。温度センサ１ａでは、信号発生器２１１がバースト信号Ｓ１（図３参照）の送信を開始した後に、所定時間だけ遅延して信号処理装置８へ所定パルス幅のゲート信号Ｓ２（図３参照）を送信するように構成されている。周波数検出部８１は、信号発生器２１１からゲート信号Ｓ２が入力されている期間のみのインタフェース７の出力信号に対してＦＦＴ解析を行うように構成されている。
【００３５】
音速演算部８２は、周波数検出部８１で検出されたドップラー周波数に基づいて音速を演算により求めるように構成されている。音速演算部８２は、下記の式（１）を利用して音速を演算により求めるように構成されている。
【００３６】
【数１】
2017003318.tif 000003
【００３７】
式（１）においてλは送信アンテナ３０から送信する電波の波長〔ｍ〕、ｆdは、ドップラー周波数〔Ｈｚ〕である。
【００３８】
温度演算部８３は、音速演算部８２で演算により求められた音速から所定空間の温度を演算により求めるように構成されている。
【００３９】
ところで、空気中の超音波の音速は、下記の式（２）で表される。
【００４０】
【数２】
2017003318.tif 000004
【００４１】
式（２）において、ｖは、音速〔ｍ／ｓ〕である。また、ｔは、温度〔℃〕である。式（２）から分かるように、音速は、大気の温度に依存する。
【００４２】
式（２）から、所定空間の温度は、下記の式（３）で推定することができる。
【００４３】
【数３】
2017003318.tif 000005
【００４４】
温度演算部８３は、式（３）を利用して所定空間の温度を演算により求めるように構成されている。
【００４５】
信号処理装置８は、例えば、コンピュータ（例えば、マイクロコンピュータ）に所定のプログラムを実行させることにより実現することができる。所定のプログラムは、例えば、コンピュータのメモリに記憶されていればよい。所定のプログラムは、コンピュータを、信号処理装置８として機能させるためのプログラムである。より詳細には、所定のプログラムは、マイクロコンピュータを、信号処理装置８の周波数検出部８１、音速演算部８２及び温度演算部８３として機能させるためのプログラムである。
【００４６】
制御装置９は、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータにより構成されている。制御装置９は、マイクロコンピュータに限らず、タイミングコントロール回路により構成してもよいし、それぞれ所望の機能を実現するように設計した複数の回路等の組み合わせにより構成してもよい。
【００４７】
温度センサ１ａでは、ユーザ等が操作部１０を操作することによって、音源２０が音波を送波してから送信アンテナ３０が電波を送信するまでの時間を設定できるように構成されているのが好ましい。より詳細には、制御装置９は、操作部１０からの操作入力を受け付けて、音源２０からの音波の送波タイミングと送信アンテナ３０からの電波の送信タイミングとの時間間隔を変えることができるように構成されているのが好ましい。これにより、温度センサ１ａでは、温度を測定する空間の、温度センサ１ａに対する相対的な位置関係を変えることが可能となる。
【００４８】
本実施形態の温度センサ１ａでは、単一周波数の電波を利用しているが、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式又はチャープ方式のドップラレーダの構成を使用すれば、温度センサ１ａから音波面２００までの距離を推定することが可能である。なお、温度センサ１ａでは、信号処理装置８に制御装置９の機能を付加することにより、信号処理装置８とは別に制御装置９を設ける必要がなくなる。
【００４９】
以上説明した温度センサ１ａは、下記の構成を備えている。
【００５０】
温度センサ１ａは、音源２０と、送信アンテナ３０と、受信アンテナ４０と、周波数検出部８１と、音速演算部８２と、温度演算部８３と、を備える。音源２０は、所定空間へ超音波を送波するように構成されている。送信アンテナ３０は、所定空間へ電波を送信するように構成されている。受信アンテナ４０は、送信アンテナ３０から送信され超音波の波面２００で反射された電波を捕そくするように構成されている。周波数検出部８１は、送信アンテナ３０から送信した電波の周波数と受信アンテナ４０で受信した電波の周波数との差分に相当するドップラー周波数を検出するように構成されている。音速演算部８２は、周波数検出部８１で検出されたドップラー周波数に基づいて音速を演算により求めるように構成されている。温度演算部８３は、音速演算部８２で演算により求められた音速から所定空間の温度を演算により求めるように構成されている。以上の構成の温度センサ１ａでは、非接触で屋内空間の温度を測定可能となる。
【００５１】
温度センサ１ａでは、音源２０が超音波を送波するように構成されているので、音源２０、送信アンテナ３０及び受信アンテナ４０それぞれを小型化することが可能となり、温度センサ１ａ全体の小型化を図ることが可能となる。これにより、温度センサ１ａは、空調機器等に組み込むことが可能となる。例えば、温度センサ１ａを組み込んだ空調システムでは、屋内の一定空間毎の温度の測定が可能となるため、それらの温度に基づいて空調制御を行うことで、屋内の温度むらを小さくする、又は一定の空間のみを暖かくするといったことが可能となる。
【００５２】
また、温度センサ１ａでは、音源２０から超音波を送波するので、騒音が発生するのを抑制することが可能となる。また、温度センサ１ａでは、人、テレビジョン、オーディオ機器等から発生する音（ノイズ音）の影響を受けにくいので、測定精度の向上を図ることが可能となる。また、温度センサ１ａでは、屋内の壁等での反射音の影響を抑制することが可能となる。
【００５３】
音源２０は、周波数の異なる複数種の超音波を送波できるように構成されているのが好ましい。これにより、温度センサ１ａでは、音源２０から送波する超音波の周波数を変えることが可能となる。したがって、温度センサ１ａでは、屋内の壁等での反射波の影響の少ない周波数の超音波を音源２０から送波させることにより、温度演算部８３で求められる温度（言い換えれば、温度演算部８３で推定される温度）の精度を向上させることが可能となる。
【００５４】
温度センサ１ａでは、信号発生器２１１が、制御装置９によって制御されることで交流電圧信号の周波数等を変えることができる。よって、温度センサ１ａでは、制御装置９が信号発生器２１１を制御することにより、音源２０から送波する超音波の周波数を変えることが可能である。温度センサ１ａでは、操作部１０を適宜操作することによって、制御装置９が信号発生器２１１から出力させるバースト信号Ｓ１の周波数を変えることができるように構成されているのが好ましい。
【００５５】
温度センサ１ａの第１変形例では、音源２０を複数種の超音波振動子により構成し、駆動する超音波振動子を変えることで音源２０から送波する超音波の周波数を変えるようにしてもよい。
【００５６】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の温度センサ１ｂについて、図６に基づいて説明する。なお、温度センサ１ｂに関し、実施形態１の温度センサ１ａと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５７】
温度センサ１ｂは、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数の信号を出力する発振器３１と、発振器３１から出力される信号を増幅する増幅器３２と、を備える。また、温度センサ１ｂは、増幅器３２から出力される信号の周波数と受信アンテナ４０から出力される受信信号の周波数との差分の周波数を持つ出力信号を出力するミキサ６を備える。また、温度センサ１ｂは、増幅器３２から出力される信号を送信アンテナ３０とミキサ６とに分配するディバイダ５と、ミキサ６と周波数検出部８１との間に設けられたフィルタ７２と、を備える。また、温度センサ１ｂは、温度計１１と、制御装置９と、を備える。制御装置９は、温度計１１による検出温度に基づいてフィルタ７２の通過帯域を制限するように構成されている。これにより、温度センサ１ｂでは、雑音を抑圧でき、高感度化を図ることが可能となる。また、温度センサ１ｂは、高感度化を図れることにより、送信電力の低減および小型化を図ることが可能となる。
【００５８】
温度計１１は、温度センサ１ｂ近傍の空気の温度を空気に接して検出する温度計である。温度計１１は、例えば、接触方式の温度計であるのが好ましい。接触方式の温度計としては、例えば、抵抗温度計等がある。
【００５９】
フィルタ７２は、例えば、ディジタルフィルタにより構成することができる。
【００６０】
温度センサ１ｂは、所定空間の温度を計測するものであり、所定空間が、建物の屋内空間であるので、所定空間の実際の温度と温度計１１による検出温度との差は大きくても±５℃程度であると推考される。そこで、制御装置９は、フィルタ７２の通過帯域を、所定空間の温度が温度計１１による検出温度であると仮定したときのドップラー周波数に基づいて制限するように構成されている。具体的には、制御装置９は、フィルタ７２の通過帯域を、ドップラー周波数を中心周波数とする比較的狭い周波数帯域に制限するように構成されている。
【００６１】
実施形態１、２に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。
【００６２】
移動体検知センサー用特定小電力無線局で使用できる電波の周波数は、１０．５２５ＧＨｚ又は２４．１５ＧＨｚである。
【００６３】
よって、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数は、２４．１５ＧＨｚに限らず、例えば、１０．５２５ＧＨｚでもよい。この場合、音源２０から送波する超音波の周波数は、２５ｋＨｚであるのが好ましい。送信アンテナ３０から送信する電波の周波数を２４．１５ＧＨｚとした場合には、１０．５２５Ｈｚとしてある場合に比べて、小型化を図れるという利点がある。また、送信アンテナ３０から送信する電波の周波数を１０．５２５ＧＨｚとした場合には、２４．１５Ｈｚとしてある場合に比べて、電波及び超音波それぞれの周波数を低くできるので、温度測定の空間範囲を広くできるという利点がある。
【符号の説明】
【００６４】
１ａ、１ｂ  温度センサ
５  ディバイダ
６  ミキサ
９  制御装置
１１  温度計
２０  音源
３０  送信アンテナ
３１  発振器
３２  増幅器
４０  受信アンテナ
７２  フィルタ
８１  周波数検出部
８２  音速演算部
８３  温度演算部
２００  波面
【図１】
2017003318.tif 000006
【図２】
2017003318.tif 000007
【図３】
2017003318.tif 000008
【図４】
2017003318.tif 000009
【図５】
2017003318.tif 000010
【図６】
2017003318.tif 000011