JP2008215967A - 高周波センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検知体をより確実にかつ迅速に検知できる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、複数のパッチ電極を有し、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アンテナと、前記受信波を検知する検波回路と、前記検波回路から出力されるドップラー信号に基づいて被検知体の有無を判断し、前記アンテナから放射される前記送信波の方向を制御する制御判断回路と、を備え、前記制御判断回路は、前記パッチ電極の主面に対して傾斜させた複数の方向に前記送信波を順次放射させる第１のスキャンモードを実行し、前記第１のスキャンモードにおいて被検知体を検知すると、前記被検知体を検知した方向を含み前記第１のスキャンモードにおける前記複数の方向よりも狭い範囲で互いの間隔も狭い複数の方向に前記送信波を順次放射させる第２のスキャンモードを実行することを特徴とする高周波センサ装置が提供される。
【選択図】図４

Description

本発明は、高周波センサ装置に関する。

マイクロ波などが人体にあたると反射波あるいは透過波を生じる。この反射波または透過波を受信し人体の有無を検出するのが高周波センサ装置であり、自動ドア、機器のリモートコントロール、便器洗浄装置などに使用できる。さらに、移動物体を検出する高周波センサ装置もあり、例えば水洗便器の自動洗浄や照明装置の制御などに有用である。

人体を含む移動物体を検知するには、ドップラー効果を利用することができる。すなわち、電波や音波が移動物体に当たり反射すると、反射波の周波数がドップラーシフトする。反射波及び送信波の差分周波数スペクトラムを求めることにより移動物体が検知される。さらにドップラー周波数は物体の移動速度に比例するので、移動速度を知ることもできる。

送信波として電波を用いる場合、センサを構成するアンテナからの電波放射方向を目的物に向けて精度良く制御することが重要である。アンテナとして給電素子及びこれを取り囲む無給電素子をパッチ電極で構成し、高周波スイッチにより電気的にスキャンを行う構造を用いることができる。

反射波強度によっても人体を検出することができるが、電波法においてスプリアス発射強度に関する規制があり検出感度が十分ではない。このためにドップラー信号の検出により検出感度を高める方式が用いられる。

無給電素子が基板内のスルーホール式の制御線を通じて基板の背面上に設けられた高周波スイッチに接続され、電波ビームの放射方向を切替えるマイクロストリップアンテナ及びこれを用いた高周波センサに関する技術開示例がある（特許文献１）。
国際公開番号ＷＯ２００６／０３５８８１Ａ１号

ところで、ドップラー信号を用いて人体などを検出する場合、その周波数は約７０〜数千Ｈｚとなるので、検知に時間が必要でありスキャン時間を早くすることが困難である。本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、被検知体をより確実にかつ迅速に検知できる高周波センサ装置を提供する。

本発明の一態様によれば、送信波を発生する発振回路と、複数のパッチ電極を有し、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アンテナと、前記受信波を検知する検波回路と、前記検波回路から出力されるドップラー信号に基づいて被検知体の有無を判断し、前記アンテナから放射される前記送信波の方向を制御する制御判断回路と、を備え、前記制御判断回路は、前記パッチ電極の主面に対して傾斜させた複数の方向に前記送信波を順次放射させる第１のスキャンモードを実行し、前記第１のスキャンモードにおいて被検知体を検知すると、前記被検知体を検知した方向を含み前記第１のスキャンモードにおける前記複数の方向よりも狭い範囲で互いの間隔も狭い複数の方向に前記送信波を順次放射させる第２のスキャンモードを実行することを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

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る高周波センサ装置が提供される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図３は、アンテナ１００からのパッチ電極と平行な面内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。

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、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。

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、まず第１のスキャンモードとして、広い範囲に広い間隔で電波ビームを順次放射しスキャンする。そして、いずれかの方向に被検知体を検知すると、第２のスキャンモードとして、被検知体を検知した方向を含み、より狭い範囲で間隔も狭くして電波ビームを順次放射してスキャンする。つまり、被検知体を検知するまでは広い範囲を広い間隔でスキャンし、被検知体を検知すると、その方向を含む狭い範囲で、電波ビームの間隔を狭くしてスキャンする。

図４は、本実施形態の高周波センサ装置を用いて、人などの検知を行う場合を説明する図である。図４において、上方から見た部屋８における被検知体、例えば人の動きを矢印Ｗで、人６を●印で、電波ビームのゲイン極大の方向をブロック矢印でそれぞれ表すことにする。アンテナは、例えば部屋８の天井に固定され、床面に向けて電波ビームをスキャンする。したがって、角度方向が図３とは異なり図４に表す方向となる。また、図５はタイミングチャートであり、時間に対する４つの高周波スイッチ、判定手段、検知信号の状態の変化を表している。

まず図４（ａ）は、第１のスキャンモードを例示する。すなわち、３６０度を９０度間隔で分割し、送信波３０のビームのゲイン極大方向を４５（ビームＢ）、１３５（ビームＤ）、２２５（ビームＦ）、３１５（ビームＨ）度とした第１の角度方向に向けた第１のスキャンモードを実行する。この第１のスキャンモードにより、被検知体である人６が存在するかを知るための大まかな第１判定を行う。

すなわち、略１３５度の方向の人６が壁に沿って矢印Ｗの方向に移動しているとする。時間Ｔ１から始まる第１のスキャンモードでは、図３のビームＢ、Ｄ、Ｆ、Ｈの順序となるように制御部２０により制御される。ビームＤが人６を検知すると、Ｔ２から始まるスキャンでは狭い範囲内に人６が存在するかを知るための第２のスキャンモードによる判定手段に切り替えられる。

第１のスキャンモードを終了し、Ｔ２から始まる第２のスキャンモードはビームのゲイン極大方向を９０（Ｃ）、１３５（Ｄ）、１８０（Ｅ）度とした第２の角度方向で行われる（図４（ｂ））。この場合、角度方向の間隔は４５度と第１のスキャンモードより小さくし方向を絞り込んで判定される。第２のスキャンモードにおいては、ビームＤにより検知されると、Ｔ３から始まる第２のスキャンモードにおいてもビームＣ、Ｄ、Ｅが選択される（図４（ｃ））。

人６が壁に沿って矢印Ｗの向きに進みビームＣにより検知されると、Ｔ４から始まる第２のスキャンモードはビームＢ、Ｃ、Ｄの順序に行われる（図４（ｄ））。第１の角度方向に向ける第１のスキャンモードにおいては人６の大まかな存在方向は既に把握されており、第２の角度方向に向ける第２のスキャンモードにおいてはその近傍の方向のみを部分的にスキャンし迅速な判定ができる。さらに、このような人の移動検知にドップラー周波数を用いるとスプリアス発射強度に関する国内電波法規制に適合させつつ、人の方向を感度よく検知できる。
なお、第２のスキャンモードにおいて被検知体を検知しなくなると、第２のスキャンモードを終了して、第１スキャンモードを実行する。

図６は、比較例の高周波センサ装置を用いて、人などの検知を行う場合を説明するための図である。
また、図７は、比較例のタイミングチャートを表す。比較例においては、Ｔ１から始まる第１のスキャンのビームのゲイン極大方向は、０（ビームＡ）、４５（ビームＢ）、９０（ビームＣ）、１３５（ビームＤ）、１８０（ビームＥ）、２２５（ビームＦ）、２７０（ビームＧ）、３１５（ビームＨ）度であり、角度方向の間隔は４５度である。

このＴ１から始まるスキャンにおいてビームＤにより検知されると、Ｔ２から始まる第２のスキャンにおいて、ビームＣ、Ｄ、Ｅが選択される。また、Ｔ３から始まる第３のスキャンにおいて、人６が移動しビームＣにより検知されると、Ｔ４から始まる第４のスキャンはビームＢ、Ｃ、Ｄの順序となる。この場合、２回目以降のスキャンにおいて、ビーム間隔は１回目と同じ４５度とされる。

ところで、人の移動によるドップラー周波数は約７０〜数千Ｈｚの範囲内である場合が多く、精度よく測定するには時間を要する。このために、比較例のように３６０度の範囲を細かにスキャンすると人の存在を知るまでの時間が長くなる。これに対して、本実施形態によれば、人が存在しない方向のスキャン回数を低減でき、正確かつ迅速に人を検出できる。

図８は、高周波スイッチ１０６の作用を説明する図であり、図８（ａ）は高周波スイッチ１０６ａの近傍の拡大図、図８（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。

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。

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。

さらに、伝送線路において高周波スイッチを複数設けることにより放射パターンを変化させることができる。図９は、伝送線路に２つの高周波スイッチを配置した場合の等価回路である。第１の伝送線路１７０及び第２の伝送線路１７４の間に第１の高周波スイッチ１７２が、第２の伝送線路１７４と接地１６７との間に第２の高周波スイッチ１７６が配置される。第１の高周波スイッチ１７２をオフとすると、無給電素子１０４はゲイン及び位相がプラスとなり導波器として作用する。また、第１の高周波スイッチ１７２をオンとした場合、第２の高周波スイッチ１７６のオンまたはオフにより状態の異なる２つの反射器が実現できる。

図１０は、反射器を２つの状態に選択した場合の基板と平行な面内における放射パターンの一例である。例えば第２の高周波スイッチ１７６をオンまたはオフに制御して、放射パターンにおけるゲインの半値角θが広いほうのビームを図１０で表し、第１のスキャンに用いる。また、半値角θが狭いほうのビーム（例えば図３）を第２のスキャンに用いると、より正確かつ迅速に被検知体である人６を検出できる。

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、照明装置などを正確かつ迅速に制御できる。

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。

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。 高周波センサ装置を構成する高周波部の模式図である。 電波ビームの放射パターンを表す図である。 人の検知の作用を説明する図である。 図４のタイミングチャートである。 比較例における人の検知の作用を説明する図である。 図６のタイミングチャートである。 高周波スイッチを説明する図である。 高周波スイッチを２つ設けた等価回路図である。 広いゲイン半値角を有する放射パターンを表す図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 送信波を発生する発振回路と、
   複数のパッチ電極を有し、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アンテナと、
   前記受信波を検知する検波回路と、
   前記検波回路から出力されるドップラー信号に基づいて被検知体の有無を判断し、前記アンテナから放射される前記送信波の方向を制御する制御判断回路と、
   を備え、
   前記制御判断回路は、前記パッチ電極の主面に対して傾斜させた複数の方向に前記送信波を順次放射させる第１のスキャンモードを実行し、前記第１のスキャンモードにおいて被検知体を検知すると、前記被検知体を検知した方向を含み前記第１のスキャンモードにおける前記複数の方向よりも狭い範囲で互いの間隔も狭い複数の方向に前記送信波を順次放射させる第２のスキャンモードを実行することを特徴とする高周波センサ装置。
2. 前記制御判断回路は、前記第２のスキャンモードにおいて、前記被検知体を検知する方向が変化すると、前記送信波を放射させる方向も変化させることを特徴とする請求項１記載の高周波センサ装置。
3. 前記制御判断回路は、前記第２のスキャンモードにおいて被検知体を検知しなくなると、第２のスキャンモードを終了して前記第１のスキャンモードを実行することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波センサ装置。
4. 前記パッチ電極は、給電素子と複数の無給電素子とを含み、
   前記無給電素子は、前記第１のスキャンモードにおける前記複数の方向と同じ数だけ設けられ、
   前記第２のスキャンモードにおける前記複数の方向は、前記複数の無給電素子のうちの少なくともいずれかおいて位相及びゲインの少なくともいずれかが前記第１のスキャンモードとは異なるように制御されて生じた方向を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
5. 前記無給電素子の数は、４であり、
   前記第１のスキャンモードにおける前記複数の方向は、互いに略９０度の間隔を有した４方向であり、
   前記第２のスキャンモードにおける前記複数の方向は、前記第１のスキャンモードにおいて前記被検知体を検知した第１の方向と、前記第１の方向に対して略９０度の第２の方向、前記第１の方向と前記第２の方向との間の第３の方向と、を含むことを特徴とする請求項４記載の高周波センサ装置。
6. 前記第１のスキャンモードにおける前記送信波のゲイン半値角は、前記第２のスキャンモードにおける前記送信波のゲイン半値角よりも広いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。

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