JP2002286853A

JP2002286853A - 反射型センサ及び反射型センサ組み込み機器

Info

Publication number: JP2002286853A
Application number: JP2001085870A
Authority: JP
Inventors: Koji Mine; 浩二峯; Naoki Kabe; 直樹加邉; Takenori Fukushima; 武徳福島
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】他の機器からのノイズが自身のセンサに干渉
波として侵入し、検知精度が低下してしまうことを防止
する。【解決手段】波動エネルギーを送信する送信手段とそ
の受信手段を有した反射型センサにおいて、送信開始時
に前記受信手段が所定レベルを受信していると送信を行
わず、所定レベルを受信してないときに送信を行って物
体検知動作を行うことにより、物体をより正確に検知す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波を利用
した人体を検知する装置の他のセンサや機器に或いは他
のセンサや機器からの混信を防止するマイクロ波センサ
及びマイクロ波センサ組み込み機器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】反射型のセンサを利用して、人体や物体
までの距離や有無を測定することにより、自動でドアを
開閉するシステムやトイレの自動洗浄システムなどが提
案されている。例えば、電波による可動体検知装置を人
体検知装置として用いる場合、使用する電磁波の周波数
帯域を１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚに設定するのが効果的と
される。このような人体検知装置の代表的なものとし
て、電波（特にマイクロ波又はミリ波）によるドップラ
効果を利用したドップラセンサが挙げられる。上記のド
ップラセンサは、交通量調査や、地底探索や、自動ドア
システムや、スピードガン等に応用されている。

【０００３】上述した電波によるドップラ効果を利用し
たドップラセンサでの人体検知の原理は、下記の（１）
式で示される。 ΔＦ＝Ｆ_S―Ｆ_b＝２×Ｆ_S×ν／ｃ・・・（１）（１）式において、ΔＦはドップラ周波数（約５〜２０
０Ｈｚ）であり、Ｆ_Sは送信波の周波数（送信周波数）
であり、約１０．５２５ＧＨｚである。Ｆ_bは反射波の
周波数（反射周波数）であり、νは人の歩行速度であ
り、ｃは光速（３００×１０^６ｍ／ｓ）である。

【０００４】図９は、上述した電波によるドップラ効果
を利用したドップラセンサによる人体検知の原理の説明
図であり、上記ドップラセンサを男子小便器の上部正面
に設置した例を示す。また、図１０は、上記ドップラセ
ンサが備える機能構成を示すブロック図である。図９に
おいて、符号Ｆ_Sは、ドップラセンサ１のアンテナから
の送信波であり、符号Ｆ_bは、送信波Ｆ_Sが男子小便器３
に向う人体（歩行者）５に反射することによって生成さ
れる、相対運動（歩行者５の歩行速度）νによるドップ
ラ周波数シフトを受けた反射波である。図１０に示すよ
うに、上記反射波Ｆ_bは受信装置９により受信され、一
方、送信装置７からの上記送信波Ｆ_Sは基準信号として
受信装置９に読み込まれる。そして、差分検出回路１１
において、反射波Ｆ_bと、送信波Ｆ_Sとの周波数差である
ΔＦ（ドップラ周波数）が検出信号として取り出され、
帯域フィルタ１３を通じて出力される。

【０００５】上記アンテナと上記人体５との距離は、ド
ップラ周波数ΔＦの振幅に反比例するため、ΔＦの値が
分かれば人体５の位置を検出できる。また、ドップラ周
波数ΔＦの周波数スペクトルを解析することにより、人
体５が男子小便器３に近づいているのか、或いは遠ざか
っているのか（人体５の移動方向）も検出できる。上記
ドップラ信号（ドップラ周波数）ΔＦは、送信波Ｆ_Sが
１０ＧＨｚのとき、人体５の歩行速度νを１ｍ／ｓとす
れば約６７Ｈｚである。また、走行速度１００Ｋｍ／ｈ
の車の場合には１，８５２Ｈｚとなる。測定対象に応じ
て帯域フィルタ１３の帯域周波数を設定すれば、ノイズ
として混入する他の電波をカットすることができる。ま
た、機器間の干渉については、搬送波を変調させる方法
や情報を持った信号の送受信を行うやり方等で相互干渉
を防止している。さらに混信防止機能には、時間的に同
時に信号を出力しない所謂時分割制御や、同一周波数を
使用しない周波数分割等がある。また指向性制御や偏波
面を変更するやり方や電力を調整してエネルギーの到達
距離を変える方法やさらにはそれらの組み合わせによっ
てスムーズな運用のための工夫がされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電波法
にて規定されている、主搬送波の変調方式が無変調の場
合や、電送情報を持たないものの場合、自センサや機器
と他のセンサや機器とを識別するのは困難である。ま
た、同一機器の連立設置に対処する方法としてタイミン
グをずらした方式を採るなどの方法があるが、連立の設
置個数によっては、限界がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用・効果】上記課
題を解決する為に請求項第１項記載の発明は、波動エネ
ルギーを送信する送信手段とその受信手段を有した反射
型センサにおいて、送信開始時に前記受信手段が所定レ
ベルを受信していると送信を行わないことを特徴とす
る。本発明によれば、他のセンサからの信号がないこと
を確認して物体検知に必要な最低限の信号を送信するの
で、仮に他のセンサからの信号を受信した場合でも送信
時間を極力短縮できるため干渉の確率が極端に低減でき
る。

【０００８】請求項第２項記載の発明は、前記反射型セ
ンサにおいて、前記送信手段は送信開始時に前記受信手
段が所定レベルを受信していない時、対象物体検知時と
非検知時とでその送信間隔を変えることを特徴とする。
本発明によれば、物体検知動作時のサンプリング間隔を
非検知時は遅く、検知したら速くすることで、物体の非
検知時の消費電力の低減につながる。また、他のセンサ
へのむやみな妨害電波を送信しなくてすむ。さらに、物
体の検知時には、サンプリング間隔が速いため物体検知
中に他のセンサから自装置の反射型センサの信号と同様
の状態（周波数や送信タイミング等）の信号が入ってき
た場合、素早く物体の物体検知を中止することが出来る
のでセンサ自体の信頼性の向上につながる。また物体の
検知時に、他のセンサからの信号がない場合は、検知動
作のサンプリングが速いため他のセンサからの信号がな
いことを素早く判断できるので自装置の反射型センサの
送信もスピーディーに行うことが出来る。

【０００９】請求項第３項記載の発明は、前記反射型セ
ンサにおいて、前記受信した信号の状態を記憶する手段
を備え、前記他のセンサからの信号を一定時間以上連続
して受信した場合、前記送信手段より物体検知のための
信号を送信し返ってきた受信信号のレベルを解析し、前
記送信手段から送信された反射波の有無を判断すること
を特徴とする。本発明によれば、他のセンサから信号を
自装置の反射型センサが受信中に他のセンサからの信号
のレベルを記憶することで、自装置の反射型センサが物
体検知のために信号を送信し、その後受信される信号の
レベルを既に記憶した他のセンサからの信号のレベルと
比較することで、自装置の反射型センサの送信信号が含
まれているかを判断できる。

【００１０】請求項第４項記載の発明は、前記反射型セ
ンサにおいて、該受信手段以外に他のセンサからの信号
を受信する手段を設けたことを特徴とする。本発明によ
れば、反射型センサのセンシングのための受信機と他の
センサからの信号を受信するための受信機を設けること
によって、それぞれ独立して動作させることが出来るの
で、反射型センサで物体検知を行っているときに、他の
センサからの信号を受信した場合、その信号が自装置の
反射型センサの信号と同様の状態（周波数や送信タイミ
ング等）が同じ場合には、すぐに送信を止め、他のセン
サからの信号の状態をセンシングできる。これにより機
器の誤動作を未然に防ぐことが可能になる。

【００１１】請求項第５項記載の発明は、前記他のセン
サからの信号がない場合、前記送信手段からの送信はＯ
Ｎ時間とＯＦＦ時間の組み合わせを１つの送信単位とし
て間欠的に行われ、複数の送信単位からなるブロックと
して構成され、このブロックに対応して前記受信手段で
受信された信号と前記送信における各送信単位とを比較
し、前記受信信号が所望の被検知物体で反射したものな
のか否かを判断する手段を有したことを特徴とする。本
発明によれば、他のセンサからの信号がない場合、ある
特定の情報（乱数信号や規律性のある信号等）を送信す
るが、物体にあたって返ってきたと思われる信号がある
特定の情報でなければ、他のセンサからの信号と判断で
きるため反射型センサの精度の向上につながる。

【００１２】請求項第６項記載の発明は、前記反射型セ
ンサを組込んだ機器において、前記他のセンサからの信
号を受信する手段の計測時間が物体検知に必要な計測時
間以内に設定することを特徴とする。本発明によれば、
他のセンサからの信号を計測する時間を物体検知に必要
な計測時間以内に設定することで、自装置の機器の動作
に支障をきたすことなく駆動することが可能になる。つ
まり、上記課題は前記他のセンサからの信号を受信する
手段の計測時間を物体検知に必要な計測時間以内に設定
することで解決できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面により説明する。

【００１４】図１は、反射型センサの発信信号等の波形
図である。図２は、反射型センサの動作シーケンスのフ
ローチャートである。図３は、反射型センサの構成図で
ある。上記装置は、送信波として１０ＧＨｚ程度のマイ
クロ波を送信する送信手段２３と、送信状態を可変する
可変手段２７と、受信手段２５と、送信信号３３と受信
信号３５を比較する比較手段２９と、送信信号３３と受
信信号３５に基づいてドップラ周波数を検出する差分検
出手段３０と、この比較手段２９と差分検出手段３０か
らの信号に基づいて物体２１の状態を判断する状態判断
手段３１とを備える。送信手段２３から送信される送信
信号３３は図１のようであり、Ｐ１は物体検知判断時間
である。Ｐ２は、他のセンサからの信号が存在するかを
測定する時間である。

【００１５】上記装置の動作は、図２のフローチャート
の通り、まず受信手段２５に受信された信号があるかな
いかを状態判断手段３１で判断する（Ｓ１）。そこで他
のセンサからの信号がなければ自装置の反射型センサの
送信を開始する（Ｓ２）。送信中も他のセンサからの信
号を検知（例えば送信信号に同期しない受信信号を受
信）したら即座に物体検知動作を中止する（Ｓ４）。ま
た他のセンサからの信号がない場合、自装置の反射型セ
ンサの物体検知規定時間内であれば物体検知動作を開始
する（Ｓ３）。これにより所謂干渉波があっても干渉波
がとぎれたらすぐに自装置の反射型センサの送信を行え
るので、物体検知のための時間的ロスが最低限で済む。

【００１６】図４は、反射型センサの発信信号及び受信
信号等の波形図である。本実施例は、波動エネルギーを
利用して検知動作を行うもので、図３に示すように、送
信波として１０ＧＨｚ程度のマイクロ波を送信する送信
手段２３と、送信状態を可変する可変手段２７と、受信
手段２５と、送信信号３３と受信信号３５を比較する比
較手段２９と、送信信号３３と受信信号３５に基づいて
ドップラ周波数を検出する差分検出手段３０と、この比
較手段２９と差分検出手段３０からの信号に基づいて物
体２１の状態を判断する状態判断手段３１とを備える。
送信信号３３は図４に示すように、ＯＮ時間Ｔ１、Ｔ
２、．．．ＴｎとＯＦＦ時間Ｖ１、Ｖ２、．．．Ｖｎの
組み合わせを、各々１つの送信単位Ｆ１、Ｆ２、．．．
Ｆｎとして、間欠的に送信され、複数の送信単位の集合
体からなるブロック４１として構成される。

【００１７】上記構成によれば、上記反射型センサ３７
の受信信号３５は、自装置の送信信号３３の反射波であ
れば、送信信号３３に同期して受信することができる
が、他の信号発生源からノイズ３６として混入したもの
であれば、受信信号３５が送信信号３３に同期していな
いので、自装置からの送信波の反射波でなく、他装置か
らのノイズ３６であることを判別することができる。そ
して、ひとつのブロック４１にて送信信号３３に同期し
た受信信号３５が検出され続けると、比較手段２９は
「物体あり」との判断結果を出力するものである。な
お、上記可変手段２７によってブロック４１を構成する
各送信単位Ｆ１、Ｆ２、．．．Ｆｎの数や順番を変化さ
せることで、自装置からの発信信号３３と近傍に存在す
る他の信号発生源からの送信信号が一致する可能性は低
くなるから、自装置が他の信号発生源からのノイズ３６
によって誤動作する確率を低くすることができる。

【００１８】次に、物体の検知状態に応じて、送信のタ
イミングを制御する場合について説明する。図５は、反
射型センサの発信信号の波形図であり、反射型センサは
図３の構成になっており、送信波として１０ＧＨｚ程度
のマイクロ波を送信する送信手段２３と、送信状態を可
変する可変手段２７と、受信手段２５と、送信信号３３
と受信信号３５を比較する比較手段２９と、送信信号３
３と受信信号３５に基づいてドップラ周波数を検出する
差分検出手段３０と、この比較手段２９と差分検出手段
３０からの信号に基づいて物体２１の状態を判断する状
態判断手段３１とを備える。送信信号３３は図５に示す
ように、ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｖ１、Ｖ２を構成
し、間欠的に送信されている。

【００１９】まず、他のセンサからの信号がない場合、
物体検知に必要な信号を送信手段２３よりＴ１時間送信
し、その信号に同期した反射信号がない場合、他のセン
サからの信号がないかを受信手段２５でＶ１時間監視す
る。また、物体検知に必要な信号を送信手段２３よりＴ
１時間送信し、その信号に同期した反射信号がある場
合、所謂物体を検知した場合は、他のセンサからの信号
がないかを監視する時間をＶ２に変更する。ここでＶ２
はＶ１に対して十分短い。このようにすれば、物体検知
時に速いサンプリング間隔で他のセンサからの信号の有
無を判断できるので、物体を検知するための無駄のない
動作が可能になる。

【００２０】図６は、反射型センサの発信信号及び受信
信号等の波形図であり、状態判断の例を受信パターンに
より説明したものである。構成は図３の構成になってお
り、送信波として１０ＧＨｚ程度のマイクロ波を送信す
る送信手段２３と、送信状態を可変する可変手段２７
と、受信手段２５と、送信信号３３と受信信号３５を比
較する比較手段２９と、送信信号３３と受信信号３５に
基づいてドップラ周波数を検出する差分検出手段３０
と、この比較手段２９と差分検出手段３０からの信号に
基づいて物体２１の状態を判断する状態判断手段３１と
を備える。送信信号３３は図６に示すように、間欠的に
送信されている。

【００２１】受信手段２５が受信する信号は、受信パタ
ーン１〜３が一般的である。受信パターン１は、送信信
号３３に同期して受信信号３５を受信しており、受信信
号３５の電圧レベルも送信信号３３のそれより小さい。
即ち送信手段２３から送信された信号が物体に反射して
返ってきたことを意味している。なぜなら、仮に反射物
体が金属の場合でも返ってくる信号は１００％にはなら
ないため送信信号３３より必ず小さい値が返ってくるこ
とになる。受信パターン２は、受信パターン１と同様に
送信信号３３に同期して受信信号が３５を受信するが、
受信信号３５の電圧レベルが送信信号３３より大きくな
っているので、受信パターン１の説明で述べた理由よ
り、明らかに単純に受信信号３５のみではないことが判
る。また、受信パターン３は、受信信号３５の電圧レベ
ルに無関係で、送信信号３３に非同期な受信信号３５で
あるため、明らかに他のセンサからの信号（ノイズ）と
判断することが出来る。つまり、受信信号３５のレベル
を測定し解析することで、より正確な物体検知を実現す
ることが出来る。

【００２２】図７は、本発明の第２の実施形態に係わる
反射型センサの内部構成を示す図であり、受信装置を２
ヶ備えたものである。図７に示すように、送信波として
１０ＧＨｚ程度のマイクロ波を送信する送信手段２３
と、送信状態を可変する可変手段２７と、受信手段２５
と更に受信手段２５′、送信信号３３と受信信号３５を
比較する比較手段２９と、送信信号３３と受信信号３５
に基づいてドップラ周波数を検出する差分検出手段３０
と、この比較手段２９と差分検出手段３０からの信号に
基づいて物体２１の状態を判断する状態判断手段３１と
を備える。また、受信手段２５′は所謂ノイズの判別に
用いるためのものなので送信信号３３付近の周波数のみ
ならず、広い周波数の信号を受信することが可能であ
る。

【００２３】他のセンサからの信号がない場合、受信手
段２５は通常の物体検知のための受信を行っている。ま
た受信手段２５′は目的は他のセンサからの信号の受信
であるが、結果的には検知物体から反射してくる信号を
受信している。但し、受信手段２５に受信された信号３
５が、差分検出手段３０に取り込まれ送信信号３３と比
較された結果が更に状態判断手段３１へと入力されるの
に比べ、受信手段２５′は受信信号３５は受信するが特
にセンサの機能に影響を及ぼす動作は行わない。しかし
ながら、送信手段２３から信号が送信されていない時、
即ち物体を検知する動作を行っていない場合、受信手段
２５′が信号を受信したら、その信号は他のセンサから
の信号であると判断できる。だだ、同様に受信手段２５
も信号を受信することになるが差分検出手段３０の基準
となる送信信号３３がないため、差分の信号を検出でき
ない。そこで初めて入射した信号はノイズであると判断
する。ただ、送信手段２３から信号が送信されていない
ことがはっきりしていれば、受信手段２５のみでもノイ
ズを検知できることになるが、差分検出手段３０は周波
数の差分としての信号を検出できない。つまり原理的に
自らの反射型センサが信号を送信していない場合は、他
のセンサからの信号（外乱ノイズ）を検知できない。ま
た、本実施例は受信手段２５′を反射型センサ内に配置
していることで、省スペース化も実現可能である。

【００２４】図８は、本発明の第３の実施形態に係わる
反射型センサを組み込んだ機器のタイムチャート図であ
る。上記構成によれば、反射型センサ組み込み機器にお
いて、その機器のある機能を反射型センサの信号に基づ
いて動作させる場合、図８に示す通り反射型センサ組み
込み機器の動作開始時間Ｔ３より物体検知用の送信時間
Ｔ１とノイズ監視時間Ｔ２を加えた時間は短くなければ
ならない。なぜなら、まずノイズを受信しているか否か
を監視し、ノイズがないと判ったら物体検知のために信
号を送信する。物体検知のための送信時間Ｔ１は一定で
あって、ノイズ監視時間Ｔ２があまりにも長時間に及ぶ
と機器を動作させなければならない時間が経過しても反
射型センサからの信号がまだ到着していないため機器の
動作に遅れが生じてしまう。つまり、Ｔ１＋Ｔ２＜Ｔ３
とすることで、反射型センサ組み込み機器を正常に動作
させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す図であり、反射型センサ
の発信信号等の波形図である。

【図２】第１の実施例を示す図であり、反射型センサ
の動作シーケンスのフローチャートである。

【図３】第１、２、３、４の実施例を示す図であり、
反射型センサの内部構成を示すブロック図である。

【図４】第１の実施例を示す図であり、図３に示した
実施形態に係わる反射型センサの発信信号及び受信信号
等の波形図である。

【図５】第１の実施例を示す図であり、反射型センサ
の発信信号の波形図である。

【図６】第１の実施例を示す図であり、反射型センサ
の発信信号及び受信信号等の波形図である。

【図７】第２の実施例を示す図であり、反射型センサ
の内部構成を示すブロック図である。

【図８】第３の実施例を示す図であり、反射型センサ
の発信信号及びノイズ監視信号等の波形図である。

【図９】電波によるドップラ効果を利用したドップラ
センサによる人体検知の原理を示す説明図である。

【図１０】電波によるドップラ効果を利用したドップ
ラセンサが備える機能構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ドップラセンサ３男子小便器５可動体（人体）７、７Ａ、７Ｂ送信装置９、９Ａ、９Ｂ受信装置１１差分検出回路１３帯域フィルタ１５他の送信装置２１物体２３送信手段２５受信手段２５′受信手段２９比較手段３１状態判断手段３３送信信号３４他の信号発生源３５受信信号３６他の信号発生源からのノイズ３７反射型センサ４９乱数発生手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G005 DA04 5J070 AB01 AD02 AE09 AH40 AK22 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波動エネルギーを送信する送信手段とそ
の受信手段を有した反射型センサにおいて、送信開始時
に前記受信手段が所定レベルを受信していると送信を行
わないことを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】前記反射型センサにおいて、前記送信手
段は送信開始時に前記受信手段が所定レベルを受信して
いない時、対象物体検知時と非検知時とでその送信間隔
を変えることを特徴とする請求項第１項記載の反射型セ
ンサ。
【請求項３】前記反射型センサにおいて、前記受信し
た信号の状態を記憶する手段を備え、前記他のセンサか
らの信号を一定時間以上連続して受信した場合、前記送
信手段より物体検知のための信号を送信し返ってきた受
信信号のレベルを解析し、前記送信手段から送信された
反射波の有無を判断することを特徴とする請求項第１項
乃至第２項何れか記載の反射型センサ。
【請求項４】前記反射型センサにおいて、該受信手段
以外に他のセンサからの信号を受信する手段を設けたこ
とを特徴とする請求項第１項乃至第３項何れか記載の反
射型センサ。
【請求項５】前記反射型センサにおいて、前記他のセ
ンサからの信号がない場合、前記送信手段からの送信は
ＯＮ時間とＯＦＦ時間の組み合わせを１つの送信単位と
して間欠的に行われ、複数の送信単位からなるブロック
として構成され、このブロックに対応して前記受信手段
で受信された信号と前記送信における各送信単位とを比
較し、前記受信信号が所望の被検知物体で反射したもの
なのか否かを判断する手段を有したことを特徴とする請
求項第１項乃至第４項何れか記載の反射型センサ。
【請求項６】前記他のセンサからの信号を受信する手
段の計測時間が物体検知に必要な計測時間以内に設定す
ることを特徴とする請求項第１項乃至第５項記載の反射
型センサを用いて人体を検知する反射型センサ組み込み
機器。