JP2004279072A

JP2004279072A - マイクロ波センサ

Info

Publication number: JP2004279072A
Application number: JP2003067594A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Chiga; 匡千賀
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】センサ本体の構成を変えることなく、種々の用途に応じて検出範囲を調整できるとともに、設置のための余裕が少ない環境に適応できるようにする。
【解決手段】センサ本体１１には、発信素子または受信素子が周辺回路やホーンアンテナとともに収容される。外付けホーンアンテナ１２は、このセンサ本体１１の周面に外接する大きさの筒状体１２１の後端縁に取り付け部１２２が連続形成されて成るもので、取り付け部１２２は、センサ本体１１に対し、着脱自由に取り付けられる。また、この外付けホーンアンテナ１２が取り付けられたときのセンサ本体１１では、両側の側面１１２に、取り付け金具５を付けるための空き領域を確保することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波を用いて物体を検出するマイクロ波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なマイクロ波センサは、マイクロ波の発信部、受信部、ホーンアンテナなどを具備するもので、発信部と受信部とが対向配備される透過式のセンサや、発信部と受信部とが同じ筐体に配備された反射型のセンサがある。
【０００３】
また、工場の製造ラインなどで使用するＦＡ（ファクトリー・オートメーション）用途のマイクロ波センサは、製造者以外の者による回路の変更や、ゴミや水などの混入を防止するために、発信部や受信部を、ホーンアンテナとともに筐体内部に封印した構成をとる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のマイクロ波センサでは、使用目的や被検出物体の種類に応じて、ホーンアンテナの長さや内部空間を調整することにより、物体の検出が可能な強度を持つマイクロ波が届く範囲（以下、これを「検出距離」という。）や、マイクロ波が進行方向に対して広がる角度範囲（以下、これを「視野」という。）を調整することが望まれる。しかしながら、上記のＦＡ用途のマイクロ波センサのように、ホーンアンテナが筐体内に封印されると、上記のような調整を行うのは困難である。このため、種々の用途に適合する検出距離や視野を持つセンサを提供するには、ホーンアンテナの形態が異なる製品を個別に製造する必要があり、コスト高を招く、という問題がある。
【０００５】
また、従来のホーンアンテナは、角錐状または円錐状など、先端に向かって広がるように構成されているため、上記の調整が容易に行えるように、ホーンアンテナを筐体の外部に露出させたとしても、幅方向の余裕が少ない場所への取り付けが困難になる。たとえば、側方に壁や機械などがある環境にセンサを取り付けなければならない場合には、ホーンアンテナの先端部分を設置するだけの場所を確保できなくなり、取り付けが困難になるおそれがある。
【０００６】
この発明は上記問題に着目してなされたもので、センサ本体の構成を変えることなく、その検出範囲を種々の用途に応じて簡単に調整できるとともに、設置のための余裕が少ない環境にも適応できるようなマイクロ波センサを提供することを、目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるマイクロ波センサは、発信部または受信部の少なくとも一方が組み込まれたセンサ本体と、このセンサ本体に着脱自由に取り付けられることが可能な金属製の筒状体とを具備する。また、センサ本体の内部には、その前面に対向させてホーンアンテナが設けられる。
【０００８】
前記発信部は、マイクロ波の発信素子やその駆動回路を含むものとすることができる。また、受信部は、マイクロ波の受信素子やその受信信号の処理回路を含むものとすることができる。
ホーンアンテナは金属体であって、センサ本体の大きさに応じた一定のサイズに形成することができる。このホーンアンテナを、センサ本体の前面に対向させて配備することにより、前記センサ本体の前面を、マイクロ波の送信面または受信面として機能させることができる。なお、このセンサ本体は、開口された面を持たない密閉型の筐体として構成されるのが望ましいが、ＦＡ用途以外の目的で使用される場合には、必ずしもこれに限定されるものではない。
【０００９】
発信部のみが組み込まれたセンサ本体は、透過式のマイクロ波センサの発信機として、受信機のみが組み込まれたセンサ本体（受信機）と対にして使用することができる。一方、発信機と受信機との双方が組み込まれたセンサ本体は、物体からの反射波を受信する反射式のマイクロ波センサを構成することができる。
【００１０】
この発明は、透過式、反射式のいずれのマイクロ波センサにも適用することができる。この発明にかかるマイクロ波センサでは、前記筒状体は、前記センサ本体の前面の周縁に接し、かつこの接触位置における外形と大きさとを維持しながら前記筐体の前方に突出するように構成される。
【００１１】
前記金属製の筒状体は、マイクロ波センサの第２のホーンアンテナとして機能するものであり、その後端部がセンサ本体の前面の周縁に外接するように構成されるのが望ましい。この筒状体は、その後端部またはその後方に連続形成される取り付け部をセンサ本体に固定できるようにするのが望ましい。この取り付けは、スナップフィット方式など、センサ本体に対する着脱を簡単に行うことができるものであるのが望ましいが、これに限らず、たとえばネジによりセンサ本体に固定するようにしてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、筒状体は、センサ本体の前面の周縁をそのまま前方に伸ばしたのとほぼ同等の状態で、センサ本体の前方に突出するようになる。センサ本体が発信部を含む場合には、この筒状体の長さや内部空間の大きさを調整することによって、マイクロ波が届く距離や角度範囲を調整することができる。また、センサ本体が受信部を含む場合にも、筒状体の長さや内部空間の大きさを調整することによって、受信部に導かれるマイクロ波の範囲を調整することができる。よって、センサ本体の内部構成を変更せずに、検出距離や視野を用途に応じて調整することが可能となる。また、筒状体の幅方向の長さはセンサ本体とほぼ等しくなるから、長さ方向のスペースさえ確保できれば、幅方向の設置スペースを広げる必要はなく、側方に壁などの障害物がある環境下にも容易に取り付けることができる。
【００１３】
なお、下記の特許文献１は、通信用のアンテナ装置に関する発明であるが、マイクロ波の出射面に導波管を着脱可能に取り付ける技術が開示されている。
【００１４】
【特許文献１】
特開平５−２９９９２２号公報
【００１５】
この特許文献１では、通信装置本体の前面とアンテナ装置との間に、通信装置本体側の導波管と同じ形状の導波管を嵌合した取り付け金具を介在させている（図１、段落［００２７］〜［００３１］参照。）。しかしながら、この取り付け金具は、通信装置本体の前面にネジ止めされるため、このネジなどの固定用部材が電波が通過する空間中に含まれてしまい、電波の減衰や指向性の乱れを引きおこすおそれがある。したがって、固定用部材が電波の通過範囲に含まれないようにするには、センサ本体の前面をマイクロ波の出射範囲より大きく構成し、その出射範囲外の部分で導波管を固定する必要があるが、このような構成をマイクロ波センサに適用すると、センサ本体の外形が大きくなり、狭いスペースに設置するのが困難となる。
【００１６】
これに対し、この発明の好ましい態様のマイクロ波センサでは、前記筒状体は、前記センサ本体の前記前面に連続する外周面に対し、その両側に所定大きさの空き領域を確保した状態で取り付けられる。たとえば、筒状体の終端位置に取り付け部材を連続形成し、この取り付け部材をセンサ本体の外周面に固定することができる。この取り付け部材を、外周面の上下位置のみに対応するものとすれば、側方部が被覆されることがなく、十分な空き領域を確保することができる。しかしながら、側方位置に対しても、前記所定大きさの空き領域を確保できる範囲であれば、取り付け部材を設けることができる。また、センサ本体や筒状体が円筒形であれば、センサ本体の外周面と筒状体の内周面とにそれぞれネジ部を形成し、これらネジ部を嵌合することにより、両者を接合してもよい。
【００１７】
上記の態様によれば、センサ本体の前面に固定用部材が設けられることがないから、電波の減衰や指向性の乱れが生じるおそれなしに、筒状体を取り付けることができる。また、センサ本体が角状であれば、両側の空き領域にＬ字金具のような固定部材を取り付けるなど、センサの固定配置を容易に行うことができるので、実用性に優れたマイクロ波センサを提供することができる。
【００１８】
他の好ましい態様のマイクロ波センサでは、前記筒状体の内側には、その内部空間を電界の振動方向に沿ってセンサ本体の前面より狭めるための内壁部が長さ方向にわたって形成される。たとえば、センサ本体や筒状体が角状であって、電界が上下方向に沿って振動する場合であれば、筒状体内の上下にそれぞれ所定の厚みを持つ内壁部を形成することにより、筒状体の外形を変えることなく、筒状体の内部空間をセンサ本体の前面よりも狭くすることができる。
【００１９】
このようにすれば、センサ本体への取り付け部の構成に影響を及ぼさずに、視野を絞り込むことが可能となる。また、筒状体内では、電波が振動する範囲が狭くなるので、マイクロ波の位相が合いやすくなり、マイクロ波の出射強度や受信波の強度を強めることができる。よって、検出距離を確保しつつ、微小な物体や、細長形状の物体の検出に適した視野を設定することができる。
【００２０】
さらに好ましい態様のマイクロ波センサでは、センサ本体内の発信部は、２４．０５〜２４．２５ＧＨｚの周波数域のマイクロ波を発信し、前記筒状体は、筐体の前面に対し、３０〜４０ｍｍ前方に突出するように構成される。
【００２１】
一般に、マイクロ波の導波管内を伝搬されるマイクロ波の位相を揃えるためには、導波管をマイクロ波の波長に比例する長さに設定するのが望ましい。また、この種のセンサをＦＡ用途で使用する場合、設置場所を考えると、センサ本体からの突出は４０ｍｍ程度までにとどめるのが望ましい。上記の構成によれば、２４．０５〜２４．２５ＧＨｚのマイクロ波を使用した場合、センサ本体から突出する部分の長さを３波長分の長さにすることができるから、センサの設置環境に対応した状態で、検出距離を伸ばすことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に示す各実施例は、マイクロ波を発信する発信機と、その発信されたマイクロ波を受信するための受信機とが対向配備される透過型のマイクロ波センサにかかるものである。まず、図１では、各実施例に共通する電気構成を示す。
【００２３】
図示例のマイクロ波センサは、発信機１Ａ、受信機１Ｂのほか、アンプ部２を具備する。発信機１Ａには、発信素子１３のほか、その駆動回路１４や発信回路１５が含まれる。受信機１Ｂには、受信素子１６のほか、受信したマイクロ波の大きさを電圧信号に変換するための処理回路１７（以下、「受信回路１７」という。）が含まれる。
【００２４】
アンプ部２は、前記発信機１Ａおよび受信機１Ｂに接続するための端子２ａ，２ｂ、電源用端子２ｃ、出力用端子２ｄなどを具備する。また、このアンプ部２の内部には、低電圧回路２１、電源リセット回路２２、発信回路２３、相互干渉防止回路２４、増幅回路２５、信号処理回路２６、出力回路２７などが組み込まれ、さらに、機体の適所には、安定表示灯２８、動作表示灯２９などの表示灯が配備される。なお、図中の３は、検出対象の物体である。
【００２５】
上記構成において、アンプ部２側の発信回路２３は、一定の時間間隔毎に基準パルスを生成する。この基準パルスは、前記端子２ａおよび信号処理回路２６に出力される。
発信機１Ａ側の発信回路１５は、前記基準パルスに同期するパルスを生成して駆動回路１４に出力する。これにより、駆動回路１４は、一定の間隔で発信素子１３を駆動して、マイクロ波を発信させる。このマイクロ波は、受信機１Ｂ側の受信素子１６および受信回路１７により処理され、受信したマイクロ波のレベルに応じた電圧信号（以下、「受信信号」という。）が生成される。
【００２６】
アンプ部２の増幅回路２５は、受信回路１７により生成された受信信号を増幅して、信号処理回路２６に入力する。信号処理回路２６は、前記受信信号のレベルを所定のしきい値と比較し、物体の有無を示す信号（以下、「物体有無信号」という。）を生成する。なお、信号処理回路２６は、ノイズを除去するために、前記発信回路２３からの基準パルスに同期するタイミングで前記の比較処理を行うようにしている。出力回路２７は、信号処理回路２６が生成した物体有無信号を出力端子２ｄに出力するとともに、この信号が「物体あり」を示すレベルにあるとき、動作表示灯２９を点灯するように構成される。
【００２７】
なお、電源用端子２ｃは、１２〜２４Ｖの外部直流電源に接続されており、低電圧回路２１は、この供給電圧を、それより低い一定電圧に変換して、アンプ部２および発信機１Ａ、受信機１Ｂ内の各回路に供給する。また、電源リセット回路２２は、電源投入直後に回路が不安定な状態にある際に、誤った出力がされないように、一定の時間、出力回路２７の動作を停止させるためのものである。相互干渉防止回路２４は、近傍に他のマイクロ波センサがある場合に、このセンサからのマイクロ波の干渉による誤動作が生じないように、発信回路２３の基準パルスの生成タイミングを調整するためのものである。
【００２８】
また、信号処理回路２６は、電源立ち上げ時などに、入力される受信信号のレベルのばらつきが所定の分解能の範囲内であるかどうかを検出し、前記ばらつきが分解能の範囲であれば、安定表示灯２８を点灯するようにしている。
【００２９】
透過型のマイクロ波センサでは、発信機１Ａと受信機１Ｂとの間に物体が存在しない場合に、発信機１Ａからのマイクロ波が受信機１Ｂに入るようになる。したがって、この実施例の信号処理回路２６では、前記受信信号がしきい値以下のときに、前記物体検知信号を「物体あり」を示すレベルに設定する。
【００３０】
なお、図１の構成のアンプ部２は、反射型のマイクロ波センサに使用することもできる。この場合には、前記信号処理回路２６は、受信信号がしきい値以上のときに、前記物体検知信号を「物体あり」を示すレベルに設定することになる。ただし、透過型、反射型のいずれのタイプのセンサについても、必ずしもアンプ部２を設ける必要はなく、前記アンプ部２内に含まれる回路を、発信素子１３や発信素子１６と同一の筐体内に収容してもよい。
【００３１】
前記図１の発信機１Ａと受信機１Ｂとは、外観上は、ほぼ同様の形態となる。以下の実施例では、発信機１Ａおよび受信機１Ｂの共通構成に言及する場合は、両者を「センサヘッド１」と総称し、個別の説明が必要な場合のみ、「発信機１Ａ」「受信機１Ｂ」と言い表すことにする。
【００３２】
図２は、センサヘッド１の第１の構成例を示す。この実施例のセンサヘッド１の機体は、ステンレスのような金属を成型して成るもので、前記図１の発信機１Ａまたは受信機１Ｂの回路を含むセンサ本体１１と、外付けホーンアンテナ１２とにより構成される。なお、図中の１０４は、前記アンプ部２に接続するためのコードであり、５は、発信機１Ａを固定設置するためのＬ字状の取り付け金具である。
【００３３】
センサ本体１１は、直方体状の筐体として構成されるもので、その内部には、図３に示すように、前記発信素子１３または受光素子１６の収容部１０１、回路基板１０２、ホーンアンテナ１０３などが収容される。なお、このセンサ本体１１は、特殊なネジにより、全面が密閉された状態にある。
【００３４】
外付けホーンアンテナ１２は、前記センサ本体１１に外接する大きさの内面を具備する角形の筒状体と、この筒状体の後端縁に連続する取り付け部１２２とから成る。
前記取り付け部１２２は、上面の矩形板１２４と、両側の逆Ｌ字状の側板１２５（片側のみ図示。）と、これら矩形板１２４および側板１２５の前縁と筒状体１２１の後縁との間に形成されたＶ字溝１２３ａとを含む。矩形板１２４は、センサ本体１１の上面１１１の前方部を被覆する大きさに形成される。また各側板１２５の短く形成された部分には、水平方向に沿うＶ字溝１２３ｂが形成される。
【００３５】
前記センサ本体１１を構成する筐体には、上面１１１および両側の側面１１２（片側のみ図示。）の前方に、それぞれ前記取り付け部１２２の前方のＶ字溝１２３ａに対応する矩形溝（図示せず。）が形成される。さらに、各側面１１２には、前記側板のＶ字溝１２３ｂに対応する高さ位置に、奥行き方向に沿って伸びる矩形溝１１３が形成される。これらの矩形溝は、それぞれ対応するＶ字溝の裏側の突部を嵌め込むことが可能な幅を持つ。よって、センサ本体１１の前方側の矩形溝にＶ字溝１２３ａを、奥行き側の矩形溝１１３にＶ字溝１２３ｂを、それぞれ嵌め込むことにより、外付けホーンアンテナ１２は、前記筒状体１２１を前方側に突出させた状態で、センサ本体１１に取り付けられる。
【００３６】
このように、この実施例では、センサ本体１１に対する外付けホーンアンテナ１２の着脱を、スナップフィット方式で行うことができるので、仮に、外付けホーンアンテナ１２の内部にゴミや水滴が入ったとしても、容易に取り外して洗浄するなどの対応をとることができ、センサとしての機能を維持することができる。また、外付けホーンアンテナ１２については、長さを変化させたり、後記するように内部空間の大きさを変えるなど、形態の異なる複数種のホーンアンテナを用意することができるので、使用目的の変更などにより、外付けホーンアンテナ１２を他の種類のものに変更する場合にも、その取替作業を容易に行うことができる。
【００３７】
さらに、この実施例では、外付けホーンアンテナ１２の前記取り付け部１２２の側板１２５の形状を逆Ｌ字状にすることにより、センサ本体１１の側面１１２に、前記取り付け金具５を付けるだけの空き領域を確保できるようにしている。したがって、センサを設置する作業も、簡単かつ確実に行うことができる。
【００３８】
図４は、上記図２の構成のセンサヘッド１を使用して、物体を検出する例を示す（この図では、筒状体とセンサ本体１１との取り付けにかかる構成の図示は省略する。）。図中、４１は検出対象の物体３を搬送するためのコンベアであり、４２，４３は、このコンベア４１の両側に形成された壁部である。図示例では、壁部４２，４３で囲まれた領域を通過した直後の物体３を検出するために、発信機１Ａおよび受信機１Ｂを構成する各センサヘッド１，１を、それぞれその一側面を、前記壁部４２，４３の出口側の壁面４２ａ，４３ａに接触させた状態で設置している。各センサヘッド１，１の外付けホーンアンテナ１２の筒状体は、センサ本体１１の周縁とほぼ同じ形状と大きさとを維持しながら前方に突出するものであるから、各センサヘッド１，１を、その全長にわたって、壁面４２ａ，４３ａに接触させた状態で設置することができる。また、いずれのセンサヘッド１，１とも、壁面４２ａ，４３ａに接触しない方の側面１１２に前記取り付け金具５が取り付けられ、この取り付け金具５を介して支持面４４，４５上に固定設置される。
【００３９】
図５は、センサヘッド１の第２の構成例を示す。この例でも、センサ本体１１は、直方体状の筐体により構成され、その前方に、センサ本体１１に外接する大きさの角形の筒状体１２１を具備する外付けホーンアンテナ１２が取り付けられる。
この実施例の外付けホーンアンテナ１２の取り付け部１２２は、筒状体１２１の上面および下面の後端縁に沿って形成されたＶ字溝１２６ａ，１２６ｂと、これらＶ字溝１２６ａ，１２６ｂから後方に突出する取り付け片１２７ａ，１２７ｂとにより構成される。また、センサ本体１１の上面および下面には、それぞれ前記Ｖ字溝１２６ａ，１２６ｂの裏面の突出部に適合する幅を持つ矩形溝１１４ａ，１１４ｂが形成される。
【００４０】
上記構成によれば、上下のＶ字溝１２５ａ，１２６ｂをセンサ本体１１側の上下の矩形溝１１４ａ，１１４ｂに嵌め込むことにより、外付けホーンアンテナ１２は、前記筒状体１２１をセンサ本体１１の前端面から突出させた状態でセンサ本体１１に取り付けられる。この実施例の取り付け状態では、センサ本体１１の側面１１２は全く被覆されることがないから、取り付け金具５についても、何の問題もなく、取り付けることができる。
【００４１】
なお、第１、第２のいずれの実施例とも、外付けホーンアンテナ１２の筒状体１２１の長さは、マイクロ波の波長に比例した値に近くなるようにするのが望ましい。たとえば、２４ＧＨｚのマイクロ波では、１波長が約１２ｍｍとなるが、ＦＡ用途で使用する場合の設置条件を考慮すれば、筒状体の長さは、３波長分に対応する程度の長さ（約３６ｍｍ）を限度とするのが望ましい。
【００４２】
つぎに、図６は、前記図２，５のセンサヘッド１について、外付けホーンアンテナ１２を取り付けない状態と、外付けホーンアンテナ１２を取り付けた状態とでの検出範囲の違いを測定した結果を示す。なお、図６（１）は、発信機１Ａ、受信機１Ｂとも、外付けホーンアンテナ１２を取り付けなかった場合の測定結果であり、図６（２）は、発信機１Ａ、受信機１Ｂとも、外付けホーンアンテナ１２を取り付けた場合の測定結果である。
【００４３】
前記の測定は、発信機１Ａを固定した状態で、受信機１Ｂを、発信機１Ａに対向させた状態のまま一定距離ずつ遠ざけ、各地点において、前記発信機１Ａに対して左右方向（機体の幅方向に沿う方向）に移動させながらマイクロ波を受信し、物体の検知に必要な受信レベルが得られる限界の位置を検出したものである。図中、横軸の「設定距離」とは、前記受信機１Ｂを遠ざけた度合であって、左右に移動させる前の受信機１Ｂから発信機１Ａまでの距離に相当する。また、縦軸の「動作位置」とは、各設定距離に相当する位置において、受信機１Ｂを左右方向に移動させたときに、物体の検出が可能なレベルの受信信号が得られた限界点を示すもので、その数値は、受信機１Ｂが発信機１Ａに対向する位置と前記限界点との距離に相当する。
【００４４】
各グラフによれば、外付けホーンアンテナ１２を使用しなかった場合には、発信機１Ａからのマイクロ波は約６２°の広がりをもって進み、センサとしての検出距離は約２０００ｍｍとなる。この図上、約１０００ｍｍから先はマイクロ波の広がりが収束しているように見えるが、これは、マイクロ波が拡がることで、マイクロ波のエネルギー密度が下がり、受信器で検出できる範囲が狭くなっている、と言う意味であり、マイクロ波自身は同じ約６２°で広がり続ける。
一方、外付けホーンアンテナ１２を使用した場合には、マイクロ波は約２８°の広がりを持って進み、その時のセンサとしての検出距離は約３５００ｍｍとなる。
【００４５】
上記の測定結果によれば、前記外付けホーンアンテナ１２を使用すると、使用しない場合に比べ、検出距離を格段に伸ばすことができる。また、この検出距離におけるマイクロ波の広がり角度（視野）を、外付けホーンアンテナ１２を使用しない場合の約半分にすることができ、高精度の物体検出に適した性能を持たせることができる。
【００４６】
つぎに、図７は、外付けホーンアンテナ１２の内部空間を小さくして、視野をさらに絞り込んだ実施例を示す。なお、この例での外付けホーンアンテナ１２をセンサ本体１１に取り付けるための構成は、図２と同様であるため、図示は省略する。
【００４７】
この実施例では、外付けホーンアンテナ１２においては、上下方向に沿って電界が振動するものとする。この実施例では、筒状体１２１内の上下面に、それぞれ所定の厚みを持つ内壁部１２８ａ，１２８ｂを形成することにより、筒状体１２１の内部空間を、電界の振動方向に沿ってセンサ本体１１の前面より狭めるようにしている（図中、狭められた空間を塗りつぶしにより示す。）。
【００４８】
上記構成によれば、発信機１Ａでは、内壁部１２８ａ，１２８ｂがない場合よりも、マイクロ波の出射範囲が絞り込まれるようになる。また、受信機１Ｂでも、内壁部１２８ａ，１２８ｂがない場合よりも狭い範囲からのマイクロ波を取り込むようになるから、微小な物体や細長形状の物体を認識するのに適した視野を設定することができる。
【００４９】
また、この実施例では、内壁部１２８ａ，１２８ｂにより、筒状体の全長にわたる空間が電界方向と沿って狭められているので、この狭い空間内を伝搬されるマイクロ波の位相が合いやすくなり、出射レベルや受信レベルを強めることができる。したがって、単に、センサ本体１１または外付けホーンアンテナ１２の前面にスリットを取り付けて出射範囲を限定した場合よりも、検出距離を長くすることができ、マイクロ波センサとしての性能を向上することができる。
【００５０】
図８は、上記図７の構成のセンサヘッド１の特性を調べるための実験例を示す。この実験は、対向配備された発信機１Ａと受信機１Ｂとの間で、細長形状の物体３Ａを、長さ方向を前記電界の振動方向に合わせた状態で、左右方向（図中の矢印Ｅで示す方向）に移動させ、受信機１Ｂ側の受信レベルの変化を測定したものである。
【００５１】
図９は、この実験結果であって、前記物体３Ａが通過する期間およびその前後における受信レベルの変化を抽出したもので、（１）は、発信機１Ａ、受信機１Ｂに、前記図７の構成の外付けホーンアンテナ１２を使用せず、センサ本体１１のみで実験を行った場合の測定結果を示す。一方、（２）は、発信機１Ａ、受信機１Ｂとも、図７の外付けホーンアンテナ１２を使用して実験を行った場合の測定結果を示す。なお、図中のＴＨは、物体の有無を判別するためのしきい値に相当する。
【００５２】
上記図９によれば、外付けホーンアンテナ１２を使用しなかった場合、物体の通過により受信信号のレベルが落ち込むべき期間に、受信レベルが一時的にしきい値ＴＨより上まで回復する現象が生じている。これは、マイクロ波が物体に当たることにより生じた回析波が受信機１Ｂに入ったためと考えられるが、このように受信信号にしきい値ＴＨを越える変化が生じると、物体の有無判別に誤りが生じてしまう。
これに対し、外付けホーンアンテナ１２により視野を限定した場合には、物体が通過する間の受信信号には、上記のようなノイズは発生せず、物体の通過を精度良く反映した変化を示している。
【００５３】
ところで、前記図２，５の例におけるマイクロ波センサでは、いずれも、直線偏波によるマイクロ波が出射されるが、このような場合、電界の振動方向（いずれの実施例とも上下方向とする。）とは異なる方向（たとえば側方）から金属などが接近すると、この物体から反射して受信機１Ｂに入る波と、発信機１Ａから受信機１Ｂに入る通常の波との位相が大きくずれて、受信信号に大きなノイズが生じる可能性がある。この種のマイクロ波センサが設置される製造現場では、センサの検出領域の近傍を種々の物体が通過する可能性があるため、このようなノイズの発生による誤検出を防止する必要がある。
【００５４】
図１０は、上記の課題に対応するための具体例を示す。
この実施例では、前記図２または図５の構成の外付けホーンアンテナ１２を使用する場合に、発信機１Ａ側の外付けホーンアンテナ１２の内部に、合成樹脂などによる誘電体板１００を挿入するようにしている。図１０（１）は、この誘電体板１００の構成を、図１０（２）は、外付けホーンアンテナ１２への誘電体板１００の挿入例を、それぞれ示す。
【００５５】
この実施例の誘電体板１００は、矩形状の板材１００Ａの両側を、それぞれＶ字状に切り欠いて形成されたもので、両側の切り欠き部１０５ａ，１０５ｂを、それぞれ筒状体１２１の内側面に向け、かつ板面を電界の振動方向Ｅに対して約４５°傾けた状態で設置される。なお、図中のＦは、マイクロ波の進行方向である。
【００５６】
ここで、電界の通常の振動方向Ｅを、反時計回りに４５°回転した方向Ｅ１（図中、＋４５°として示す。）と、時計回りに４５°回転した方向Ｅ２（図中、−４５°として示す。）とに分けて考えた場合、誘電体板１００がない状態では、これらの方向Ｅ１，Ｅ２における電界は同位相を持つため、結果として、前記一方向Ｅに沿った電界変化のみが現れることになる。これに対し、誘電体板１００が挿入された場合には、方向Ｅ１に沿う電界が空気の誘電率に基づき振動するのに対し、方向Ｅ２に沿う電界は、誘電体板１００を通過して伝搬されるため、方向Ｅ１とは異なる位相を持って振動するようになる。この結果、各方向Ｅ１，Ｅ２にかかる波の合成により、円偏波が発生することになる。
【００５７】
なお、前記切り欠き部１０５ａ，１０５ｂは、方向Ｅ２に沿う電界が誘電体板１００を通過する距離に幅をもたせることで、この電界の位相に所定のばらつきを生じさせることを目的にしたものである。これにより、マイクロ波の周波数に所定の変動幅をもたせた場合、マイクロ波の波長が変化しても、方向Ｅ２にかかる電界に、方向Ｅ１に対する位相のずれが９０°前後となる状態を設定することができ、円偏波に近い振動状態を維持することができる。
【００５８】
図１１は、上記の誘電体板１００がマイクロ波の作用範囲に及ぼす影響を調べた計測実験の結果を模式化したグラフである。この実験は、発信機１Ａを固定し、その外付けホーンアンテナ１２の周面に対し、受信機１Ｂを一定の距離をおいて一周させながら、２２．５°の範囲毎に受信信号を測定したものである。このグラフは、各方位で得た受信レベルをその方位に対応づけてプロットしたものであり、Ｐは、外付けホーンアンテナ１２のみで誘電体板１００を使用しなかった場合の測定結果を、Ｑは、誘電体板１００を使用した場合の測定結果を、それぞれ示す。
【００５９】
なお、Ｐ，Ｑ中の各測定値（図中、■または●により示す。）は、受信機１Ｂを一周させる間に得られた最大の受信レベルに対する比率に換算したものである。また、図中の点線Ｓは、各方位において前記受信レベルの比率が１．０となる点を結んだものである。
【００６０】
誘電体板１００を使用しなかった場合の測定結果Ｐによれば、マイクロ波の受信レベルは、上下方向に偏って大きくなっている。これに対し、誘電体板１００を使用した場合の測定結果Ｑによれば、受信レベルは、いずれの方向でも大きくなっており、各方位に対するマイクロ波の指向性が均一化の方向に近づいていると、考えることができる。
【００６１】
このように、外付けホーンアンテナ１２に誘電体板１００を挿入することにより、発信機１Ａからのマイクロ波を直線偏波から円偏波に変換すると、仮に、検出対象外の物体が接近し、その物体からの反射波が受信機１Ｂに導かれたとしても、前記発信機１Ａから受信機１Ｂに入る通常の波と反射波との位相の差を、直線偏波の場合よりも小さくすることができる。したがって、検出対象外の物体が接近した場合のノイズを小さくすることができ、誤検出を防止することができる。
【００６２】
上記した各実施例によれば、ユーザーに対し、一種類のセンサ本体１１と、長さや内部空間の大きさが異なる複数種の外付けホーンアンテナ１２とを提示することができる。したがって、ユーザーは、使用目的に応じた外付けホーンアンテナ１２を選択してセンサ本体１１に取り付けることにより、その目的に適合した検出範囲を設定し、高精度の物体検出を行うことができる。さらに、必要に応じて、前記図１０の誘電体板１００を使用することにより、検出対象外の物体によるノイズを抑えることができる。
【００６３】
なお、上記した各実施例では、センサ本体１１および外付けホーンアンテナ１２の断面形状を角形にしたが、これに限らず、図１２に示すように、センサ本体および外付けホーンアンテナの断面は、円形状にすることもできる。
【００６４】
図１２において、１１Ａはセンサ本体、１２Ａは外付けホーンアンテナであり、いずれも金属を成型して形成される。センサ本体１１Ａの前方の外周面にはネジ部１１６が形成され、また後方内部には、発信素子または受信素子や、内蔵のホーンアンテナ（いずれも図示せず。）が収容される。また、前記ネジ部１１６には、取り付けけ用のナット１１７が嵌め込まれている。
一方、外付けホーンアンテナ１２Ａは、センサ本体１１とほぼ同じ大きさの外形を持つ円筒として形成され、その後端の内周面には、前記センサ本体１１のネジ部１１６に係合するネジ部１２９が形成される。
【００６５】
上記構成のマイクロ波センサを設置する際には、図示しない支持面に形成された取り付け穴に対し、裏面側からセンサ本体１１Ａを挿入し、ナット１１７により前面への突出範囲を調整する。この状態下で、取り付け穴から突出したセンサ本体１１Ａの前端部に外付けホーンアンテナ１２Ａを被せてネジ止めすることにより、センサ本体１１および外付けホーンアンテナ１２Ａは、一体化された状態で支持面に固定配備される。
【００６６】
【発明の効果】
この発明にかかるマイクロ波センサによれば、第２のホーンアンテナとなる筒状体の長さや内部空間を調整することにより、センサ本体１１の構成を変えずに、用途に応じて検出距離や視野を調整することが可能となる。また、筒状体のセンサ本体１１から突出する部分では、センサ本体１１の前面の周縁に対応する形状と大きさとが維持されるので、幅方向の設置スペースを広げる必要がなく、設置のための余裕が少ない環境にも、容易に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用されたマイクロ波センサの電気構成を示すブロック図である。
【図２】センサヘッドの外観を示す斜視図である。
【図３】センサ本体の一部を切り欠いて内部構成を示した斜視図である。
【図４】図２のセンサヘッドの取り付け例を示す図である。
【図５】センサヘッドの他の構成を示す斜視図である。
【図６】外付けホーンアンテナを使用した場合と使用しなかった場合とについて、物体検知に必要な強度のマイクロ波が及ぶ範囲を測定した結果を示すグラフである。
【図７】視野を絞り込んだセンサヘッドの構成を示す斜視図である。
【図８】図７のセンサヘッドを用いた実験例を示す図である。
【図９】外付けホーンアンテナを使用した場合と使用しなかった場合とについて、図８の実験により得た測定結果を示すグラフである。
【図１０】誘電体板の構成例、およびこの誘電体板を外付けホーンアンテナに挿入した例を示す図である。
【図１１】誘電体板を使用した場合と使用しなかった場合について、各方位におけるマイクロ波の強度を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】円筒形状のセンサユニットにこの発明を適用した例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１センサユニット
１Ａ発信機
１Ｂ受信機
１１，１１Ａセンサ本体
１２，１２Ａ外付けホーンアンテナ
１３発信素子
１６受信素子
１０３ホーンアンテナ
１１２（センサ本体の）側面
１２１筒状体
１２２取り付け部
１２８ａ，１２８ｂ内壁部

Claims

発信部または受信部の少なくとも一方が組み込まれたセンサ本体と、このセンサ本体に着脱自由に取り付けることが可能な金属製の筒状体とを具備し、
前記センサ本体の内部には、その前面に対向させてホーンアンテナが設けられており、
前記筒状体は、前記センサ本体の前面の周縁に接し、かつこの接触位置における外形と大きさとを維持しながら前記センサ本体の前方に突出するように構成されて成るマイクロ波センサ。
前記筒状体は、前記センサ本体の前記前面に連続する外周面に対し、その両側に所定大きさの空き領域を確保した状態で取り付けられる請求項１に記載されたマイクロ波センサ。
前記筒状体の内側には、その内部空間を電界の振動方向に沿ってセンサ本体の前面よりも狭めるための内壁部が長さ方向にわたって設けられて成る請求項１または２に記載されたマイクロ波センサ。
前記センサ本体内の発信部は、２４．０５〜２４．２５ＧＨｚのマイクロ波を発信し、前記筒状体は、センサ本体の前面に対し、３０〜４０ｍｍ前方に突出するように構成されて成る請求項１〜３のいずれかに記載されたマイクロ波センサ。