JP2013080689A

JP2013080689A - 定在波レーダー内蔵型ｌｅｄ照明器具

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Publication number: JP2013080689A
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Inventors: Mitsumasa Saito; 光正齋藤
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Priority date: 2011-09-21
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Abstract

【課題】トイレ、風呂場、廊下等に設置してある既存の照明器具の代わりに設置するだけで、人体の位置、呼吸数及び心拍数等を検出することができ、人体の容体の急変を迅速に検知することができる定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を提供する。
【解決手段】ケース内に、円周上に配置されたＬＥＤ６と、定在波レーダーモジュール８と、演算部３１が設けられた基板７と、ＬＥＤ制御ユニット１０とが配置されている。ＬＥＤから照明光が外部に向けて出射されると共に、定在波レーダーモジュール８からマイクロ波が送信され、反射波を検出する。演算部３１は、送信波及び反射波を合成して、定在波を検出し、この定在波から、被反射体までの距離及び微小変位（脈拍、呼吸）を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード素子）照明器具に関し、特に、定在波レーダーを使用して、照明器具の下方に位置する人体の危険状態を検知する機能を付加した定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具に関する。

従来の人体を検知する照明器具は、人体を赤外線センサ、超音波センサ又はドップラーセンサにより検知して、照明のオン及びオフを制御するものであり（特許文献４，５）、人体の危険状態を検知できるものではなかった。

特許文献１には、間取りが種々異なる監視対象の住居でも容易に設置することができ、居住者の行動推移及び生活空間毎の動向を容易に把握できる居住者監視システムとして、電波を放出し、その反射波を受信する電波センサと、この電波センサが受信する信号の振幅及び位相を検出して検出信号を得る検出部と、この検出信号から居住者又は動物の現在位置、動き、呼吸数及び心拍数を測定して居住者の又は動物の存在の有無を判定する信号処理部とを有するシステムが開示されている。

また、特許文献２には、ドップラー効果により監視対象の動きを検出する電波センサを備え、動き信号を、呼吸数の周波数帯域を通過周波数帯域とする呼吸数フィルタを通し、心拍数の周波数帯域を通過周波数帯域とする心拍数フィルタを通して、夫々の最大振幅から、呼吸数及び心拍数を算出する非接触式心肺機能監視装置が開示されている。

更に、特許文献３には、住居内で、電波を送受信し、電波センサが受信した反射波に応じた信号から、居住者の呼吸に対応する周波数帯の呼吸信号と、この呼吸信号よりも高い周波数帯の動き信号とを抽出し、呼吸信号を検出しつつ、動き信号に基づいて、居住者に一定時間以上動きがない場合に、居住者が異常状態にあると判定する監視システムが開示されている（請求項１）。また、この電波センサは、ドップラーセンサである（請求項３）。

特開２０１０−６６８７７号公報特許第３０５７４３８号公報特開２００６−２８５７９５号公報特開２０１１−３４９３８号公報特開２００３−１３２７０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術においては、部屋毎に設置された（段落０００７）複数の電波センサにより検出した位相又は振幅から、人の呼吸数及び心拍数を検出するが、居住者の位置情報については、位相又は振幅が変動しているセンサが監視している領域に居住者が位置し、位相又は振幅が変動していないセンサが監視している領域には居住者が不在として、居住者の位置を判定しているにすぎない（段落００１３）。このように、特許文献１においては、居住者の位置については、どの部屋にいるかという程度の位置情報しか検出できない。また、居住者の異常については、居住者が通常長時間留まらない場所に長時間いるような場合を、異常と判断している（段落００２６）。従って、特許文献１においては、人の異常を高精度にかつ迅速に検出することができない。

また、特許文献１のように、放射された電波の反射波の受信信号の振幅及び位相を検出する場合、その振幅及び位相を検出できる距離は数ｍ以上離隔していることが必要であり、この数ｍ以上離隔した位置からの反射波しか、振幅及び位相を検出することができない。検出器がドップラーレーダーであれば、近距離での心拍及び呼吸の検出が可能であるが、ドップラーレーダーは反射波の周波数の変化を検出するものであるので、特許文献１のように、信号の振幅及び位相の変化だけでは、心拍及び呼吸を検出することができない。

更に、特許文献２及び３は、ドップラー効果により検出された信号から、最大振幅の周波数を呼吸数及び心拍数として、算出するものであるが、ドップラー方式であるため，対象物の速度は検出できるが、距離を検出することができない。よって、特許文献２及び３は、人体の位置を検出することができない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、トイレ、風呂場、廊下等に設置してある既存の照明器具の代わりに設置するだけで、人体の位置、呼吸数及び心拍数等を検出することができ、人体の容体の急変を迅速に検知することができる定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を提供することを目的とする。

本発明に係る定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具は、
少なくとも一部に透光性のカバーを備えたケースと、
このケース内に格納され、前記カバーを介して照明光を外部に照射する発光体としてのＬＥＤ光源と、
前記ケース内に格納され、前記カバーを介して周波数掃引された電波を外部に送信し、λを送信波の波長として、外部の被反射体から受信した反射波を送信波長に基づく一定距離λ／８だけ離隔した２点にて検出し、送信波及び受信波から合成される定在波を検知する定在波検知部と、
前記定在波検知部が検知した合成波の強度の周波数分布から、その直流成分を除去し、フーリエ変換して、距離スペクトルを求めて、前記被反射体までの距離を演算する演算部と、
得られた被反射体までの距離を、測定空間が無人の場合に得られた距離成分と比較し、前記測定空間内に進入してきた測定対象者との間の距離成分を抽出する信号処理部と、
測定対象者との間の距離成分から、前記測定対象者の身体状態並びに呼吸数及び脈拍を含む生理状態を判定する判定部と、
を有することを特徴とする。

本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具においては、例えば、
前記ケースの下部に、電球のソケット又はシーリングに装着可能なコネクタからなる給電部が設けられており、この給電部を介して、前記ＬＥＤ光源及び前記定在波検知部に給電されることを特徴とする。

また、本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具においては、例えば、
前記演算部、前記信号処理部及び前記判定部は、前記定在波検知部と共に、モジュールとして、前記ケース内に格納されていることを特徴とする。

更に、本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具においては、例えば、
前記判定部が、前記測定対象者との間の距離、又は前記測定対象者の呼吸数若しくは脈拍が、予め設定されている危険領域であると判定したとき、警報信号を外部の警報信号受信部に送信して、警報を発することを特徴とする。

そして、本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法は、
上記定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を居宅又はビルの天井に設置して、居宅又はビル内の人体の異常を判定することを特徴とする。

又は、本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法は、
上記定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を乗り物の天井に設置して、乗り物内の人体の混み具合を判定することを特徴とする。

又は、本発明の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法は、
上記定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を道路の照明のために設置して、道路にあふれた水の水位及び道路に位置する人体の混み具合を判定することを特徴とする。

本発明によれば、定在波の分析により、微小距離から遠方まで、高精度で、測定対象者までの距離を測定できると共に、測定対象者の呼吸数及び脈拍等の微小変位も測定することができる。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明器具の外観図である。同じくその構造を示す縦断面図である。同じくそのレーダー制御モジュール基板７、定在波レーダーモジュール８、及びＬＥＤ制御ユニット１０のブロック図である。定在波レーダーの基本構成を示す図である。送信波の波長を示す図である。合成波のパワーを示す図である。フーリエ変換後の図である。合成波のパワーを示す図である。複数個のターゲットに対する定在波レーダーの基本構成を示す図である。目的の成分ｐａ（ｆｄ、０）を示すスペクトル図である。ターゲットが２個の場合の距離スペクトルを示す図である。合成波のスペクトルの真数部分と虚数部分を示す図である。本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具をトイレに設置した場合の利用方法を示す図である。本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を風呂場に設置した場合の利用方法を示す図である。本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を廊下に設置した場合の利用方法を示す図である。代表的な異常呼吸パターンを示す図である。本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を電車内の監視に利用した状態を示す図である。本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を道路の状況の監視に利用した状態を示す図である。直下型の照明器具を示す図である。導光方式の照明器具を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、貼付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係る定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の外観図である。ＬＥＤ照明器具のケースは、既存のソケットに装着可能な口金１と、ＡＢＳ等の樹脂素材又はアルミニウム材等で形成され、放熱機能をもつケース本体２と、透明若しくは半透明のＡＢＳ若しくはポリカーボネート等の透光性樹脂素材又はガラス等からなる透光性カバー３とから構成されている。透光性カバー３は、光を拡散させ、又は光ビームを絞り込むレンズ形状を有する。なお、照明器具として、口金１の代わりに、天井のシーリングに引っかけて装着する引掛けシーリング４を備えたものもある。このように、ＬＥＤ照明器具としては、多数のものが存在するが、本発明は、いずれのＬＥＤ照明器具にも適用することができる。

図２は、本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明器具の構造を示す図である。ＬＥＤ照明器具は、口金１と、ケース本体２と、カバー３とから構成されたケースの内部に、表面実装型ＬＥＤ６と、定在波レーダーモジュール８と、ＬＥＤ制御ユニット１０とが格納されている。口金１の下半部はソケットにねじ込まれる部分であり、導電性の材料で形成されており、この口金１の上半部は、絶縁性の支持体となっている。そして、口金１の絶縁性支持体の上端部には、その内周縁部に周方向に沿って延びるねじ部１ａが設けられており、ケース本体２の下端部にも、その外周縁部に周方向に沿って延びるねじ部２ａが設けられていて、ねじ部１ａをねじ部２ａに螺合させることにより、口金１とケース本体２とが連結されるようになっている。また、ケース本体２の上端部にねじ部２ｂが形成され、カバー３の下端部にねじ部３ａが形成されていて、ねじ部３ａをねじ部２ｂに螺合させることにより、カバー３とケース本体２とが連結されるようになっている。

ケース本体２内には、絶縁性の基板固定用ガイドフレーム１２が設置されており、このガイドフレーム１２に、ＬＥＤ制御ユニット１０の基板１１が固定されている。この基板１１はその面を上下方向にして、即ち、その面を照明器具の中心軸に平行にして、ガイドフレーム１２に固定されている。ＬＥＤ制御ユニット１０は、この基板１１上に搭載されており、ケース本体２及び口金１に囲まれた空間内に配置されている。この基板１１には、口金１内で、外部から給電された１００Ｖの交流電源が供給され、この電源は、基板１１上に搭載された変換器でＡＣ−ＤＣ変換された後、ＬＥＤ制御ユニット１０に供給される。

ケース本体２の上端部には、放熱性が優れたアルミニウム基板５がその面を水平にして配置されている。このアルミニウム基板５はケース本体２の上端部の縁部に支持されているが、基板１１はこのアルミニウム基板５を挿通して、カバー３内に進出している。そして、この基板１１の上端部に、レーダー制御モジュール基板７がその面を水平にして支持されており、このレーダー制御モジュール基板７の上に定在波レーダーモジュール８が搭載されている。アルミニウム基板５には、複数個（図示例は７個）のＬＥＤ６が、照明器具の中心軸の周りに等配の位置に、即ち、円周上の等間隔の位置に、配置されている。アルミニウム基板５の電源線には、基板１１の配線が接続されていて、基板１１上の配線を介して、ＬＥＤ制御ユニット１０からアルミニウム基板５上に搭載されたＬＥＤ６に給電され、ＬＥＤ６が発光するようになっている。また、レーダー制御モジュール基板７上に搭載された定在波レーダーモジュール８には、基板１１上の配線を介して、給電され、定在波レーダーモジュール８はマイクロ波等の電波を送受信し、レーダー制御モジュール基板７は、検出信号を、無線で外部の中継機器に送信する。この定在波レーダーモジュール８の上面には、アンテナ８ａが設置されており、電波はこのアンテナ８ａを介して送受信される。なお、この定在波レーダーモジュール８はレーダー制御モジュール基板７に対して、傾斜可能になっており、この定在波レーダーモジュール８を傾斜させることにより、アンテナ８ａの指向方向を調節できるようになっている。

図３はレーダー制御モジュール基板７、定在波レーダーモジュール８、及びＬＥＤ制御ユニット１０のブロック図である。外部電源から、ＬＥＤ制御ユニット１０の電源ブロック２１に１００Ｖの交流電源が入力され、電源ブロック２１のＡＣ−ＤＣコンバータにより直流電源に変換されて、内部電源レギュレータ２３に入力され、直流の５Ｖ電源が定在波レーダーモジュール８及びＬＥＤコントローラマイコン２４に供給される。また、ＡＣ−ＤＣコンバータの出力は、ＬＥＤドライバ２２にも供給されてＬＥＤ６の駆動に使用される。ＬＥＤコントローラマイコン２４は定在波レーダーモジュール８からの制御信号を受けて、ＬＥＤドライバ２２にＬＥＤのオン／オフの制御信号及び調光の制御信号を出力し、ＬＥＤドライバ２２はこの制御信号に基づき、ＬＥＤ６を駆動する。

レーダー制御モジュール基板７には、演算部３１が設けられており、演算部３１は、変調信号生成部３８にてＦＭ変調された周波数制御電圧を生成し、この周波数制御電圧をＤＡ変換部３９にてアナログ信号に変換された周波数制御信号がオペアンプ４０を介して増幅された後、２４ＧＨｚ高周波モジュール３５のＶＣＯの制御入力に入力される。この周波数制御信号により、ＶＣＯは発信電波の周波数をスイープさせる。

定在波レーダーモジュール８には、２４ＧＨｚ高周波送受信部３５が設けられており、この２４ＧＨｚ高周波送受信部３５は、２４ＧＨｚ帯ＶＣＯ（電圧制御発振器）と平面アンテナ８ａとが一体化されたモジュールである。そして、この送受信部３５は、ＶＣＯにより平面アンテナ８ａからマイクロ波が発信され、被反射体からの反射波がアンテナ８ａに検出される。送受信部３５には２個の検波器３６ａ、３６ｂが内蔵されており、検波器３６ａ、３６ｂは送信波及び受信波を検波する。

アンテナ８ａから電波を送信すると、反射物体がある場合は、アンテナ８ａに反射波が戻ってきて、周波数が同じで進行方向が異なる波が重なり、定在波が発生する。ＶＣＯとアンテナ８ａとを接続する線路上及びアンテナ給電部には、送信信号（進行波）と受信信号（反射波）が混在し、それらの合成で定在波が発生する。この場合に、ＶＣＯに供給するスイープ電圧を、少なくとも発信電波が被反射体に反射して戻ってくるまでの時間は一定に保持する必要があるため、前記スイープ電圧は、ステップ状に変化させる必要がある。そして、ＶＣＯを制御して周波数を順次切り替えることにより、複数の周波数に対する混合波の信号レベルが検波器３６ａ、３６ｂにより検出される。検波器３６ａ、３６ｂでは、送信波の電力と、反射波の電力と、定在波によって生じた成分とが検出される。得られた検波信号は、オペアンプ３７ａ、３７ｂで４００ｋＨｚ以下の必要な帯域が増幅され、演算部３１内のＡＤ変換部４１によりデジタル信号に変換された後、信号処理部４２に入力される。信号処理部４２においては、入力される信号は周期関数で、その周期は被反射体からの距離に逆比例しているので、これをフーリエ変換することにより、周期の逆数である周波数を求めることによって、この周波数から被反射体までの距離を求めることができる。また、得られた波形の位相を基に、被反射体の微小変位情報を検出することができる。例えば、２４ＧＨｚの場合は、微小変位は光速を４πｆで除算した値となり、約±３．１２５ｍｍの範囲の変位を検出することができる。このように、検波器３６ａ、３６ｂから検出された信号を信号処理することにより、被反射体からの距離、被反射体の速度及び変位を演算し、その経時変化を計測することにより、被反射体の動きを検出することができる。演算部４２ではこの被反射体の動きを分析し、分析結果を警報部４３に出力し、警報部４３はＬＥＤの点灯、点滅、消灯、警報点滅等の制御信号をＬＥＤコントローラマイコン２４に出力する。

また、演算部３１は、得られた被反射体の状態を、高周波ユニット３２を介して無線で、また出力端子３３を介して有線で、外部に送信する。また、演算部３１は、オーディオアンプ３４を介して、警報音を発する。この無線送信、有線送信又は警報音は、いずれか１つの手段を採用すればよい。

次に、本発明の実施形態の動作について、信号処理部４２の構成と共に説明する。定在波は、図４に示すように，信号源であるＶＣＯから生成した送信波ＶＴと、各ターゲットからの反射波ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ３、・・・ＶＲｎとの干渉によって生じる。定在波レーダーは、この定在波を利用することによって、ターゲットの有無を検知し、各ターゲットまでの距離ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎを測定する。

送信波（進行波）は、信号源の振幅をＡ、周波数をｆ、光速をｃ（３×１０^８ｍ／ｓ）とすると、各数式１で表される。但し、周波数ｆは、図５に示すように、ｆ０とｆｄで表される。

ｋ番目のターゲットの距離をｄｋ、ｘ軸上の任意の点における送信波に対する反射波の大きさの比をγｋ（反射係数の大きさ）、位相差をφｋ（反射係数の位相）とすれば、そのターゲットからの反射波は下記数式２にて表すことができる。

アンテナから検出される検波出力は、合成波になるので、振幅Ｖｃは下記数式３で表され、パワーは振幅の２乗であるので、合成波のパワーは、下記数式４で表される。

送信波の大きさは、反射波の大きさより桁違いに大きいので、γｋは１より極めて小さい。そこで、数式４に数式１及び数式２を代入して近似値をとると、下記数式５が得られる。

この数式５において、｛｝内の第１項は、送信波のパワーを示し、第２項は、反射波のパワーを示し、第３項は、定在波によるパワーの変化分を示す。従来のレーダーは、第２項の反射波を受信して、信号処理を行うが、本発明においては、第３項の信号を信号処理する。このため、第１項目と第２項目を削除するため、合成波パワーｐ（ｆｄ、ｘｓ）をｆｄで微分して、この第１項目及び第２項目を除去する。

ここで、ターゲット（被反射体）の数が１であるとすると、ｎ＝１を数式５に代入して、下記数式６が得られる。この数式６をグラフ化すると、図６のようになる。即ち、合成波のパワーは、固定値１＋γ^２と、周期関数との和となる。この図６において、周期関数の周波数（周期の逆数）はｃ／２ｄとなり、距離ｄの成分が入る。このため、周期から周波数を求めれば、距離ｄが求まることになる。数式６から、直流成分１＋γ^２を除去して、フーリエ変換すると、図７に示すように、距離スペクトルＰ（ｘ）が求まる。

先ず、下記数式７に示すフーリエ変換公式に対し、変数の置き換えをし、更に、観測位置を原点として、フーリエ変換すると、下記数式８に示す距離スペクトルが得られる。但し、Ｓａ（ｚ）＝sin（ｚ）／ｚとする。なお、数式８では、直流分がカットされていない。周期のある関数をフーリエ展開すると、その関数に含まれる直流成分と、振動成分（sin、cos）に分解されてしまう。距離スペクトルは、その公式上、下記数式８のように表示される。

なお、数式８のA²ｆ_ｗ（１＋Σγ_ｋ ^２）Sa（２πｆ_ｗ／ｃ）ｘ）は、直流成分であるが、この直流成分は、実際の回路において、コンデンサにより除去される。

この数式８の第３式で表されるパワーＰ（ｘ）をグラフ図でみると、図８に示すようになる。そして、数式８の｛｝内の第１項目の直流分を除去し、第３項目をcos成分を複素正弦波（解析信号）に変換して除去し、定在波成分である第２項目の成分を抽出することができる。しかし、図８に破線にて示すように、数式８の｛｝内の第２項目の成分には、虚数側の信号が漏れ込んでしまう。つまり、この部分の定在波成分には、虚数側の信号が漏れ込んだ値になってしまう。

このような問題点を解消するために、本発明においては、図９に示すように、送信波とその反射波を合成した信号を検出する際に、送信波の波長をλとして、λ／８だけ離隔した２点にて、信号レベルを検出する。つまり、レーダーの進行方向をｘ軸にとった場合に、被反射体であるｎ個（ｎは自然数、図示は２個のみ）のターゲットからの反射波をアンテナが受信し、これを送信波と共に、ｘ軸方向にλ／８だけ離隔した２個のパワーディテクタで検出し、これを信号処理する。このとき、この２個のディテクタが検出したパワーレベルをｐ（ｆ_ｄ，ｘ_１）、ｐ（ｆ_ｄ，ｘ_２）とすると、ｘ_１＝０の位置に置かれたディテクタの出力は、検出パワーを示す数式５に、ｘ_１＝ｘ_ｓ＝０を代入して、下記数式９に示すｐ（ｆ_ｄ、０）として求まり、ｘ_１＝−λ／８の位置に置かれたディテクタの出力は、検出パワーを示す数式５に、ｘ_２＝ｘ_ｓ＝−λ／８を代入して、下記数式９に示すｐ（ｆ_ｄ、−λ／８）として求まる。この数式９に示すように、λ／８だけ離隔した2点で定在波を検出することにより、各位置（０，−λ／８）に置かれたディテクタの出力の定在波成分に、cosとsinの直交成分が得られ、これにより、虚像信号を消去することができ、虚像側から漏れ込む信号の影響を解消することができる。即ち、cosとsinの直交成分（Ｘ軸成分とＹ軸成分）から合成されるベクトルが求める解析信号である。通常、虚軸側の信号は測定できないのであるが、−λ／８の位置に、虚軸側の信号が計測できることになり、ベクトル合成信号を形成できる。このベクトルの回転速度が周波数になるので、本実施形態では、この周波数と位相を解析することになる。

この数式９におけるｘ_ｓ＝０の位置のディテクタの出力のうちの定在波成分をａ、ｘ_ｓ＝−λ／８の位置のディテクタの出力のうちの定在波成分をｂとすると、ａ、ｂは下記数式１０にて表される。そして、数式８の第３式を下記数式１１に基づいて置き換えをすると、下記数式１２及び数式１３が得られる。即ち、数式１０が求めるＸ軸、Ｙ軸（実信号、虚軸信号）を実信号に変換された形に置き換えることが可能になる。数式１３は、まさに、時間方向の信号と、回転軸での信号を表現しているが、結局、この数式１３により、回転する解析信号を計算できることがわかる。

数式１２の右辺のＰ_ＤＣは直流成分であり、ｍ（ｆ_ｄ）cos（θ（ｆ_ｄ）−４π（ｆ_０＋ｆ_ｄ）／ｃ・ｘ_ｓ）は周期的に変化する定在波成分である。この定在波成分は、前述のごとく、ｘ_ｓ＝０の位置の成分ａと、ｘ_ｓ＝−λ／８の位置の成分ｂとの合成成分ａ＋ｊｂは、sinとcosとの直交成分となり、ａとｂとから解析信号を合成することにより、不要の信号（図８に示す虚数側から漏れ込んだ信号）による影響が除去される。よって、この値（数式１３の信号）を解析することにより、図１０に示す目的の成分ｐ_ａ（ｆ_ｄ，０）が得られる。

なお、ターゲットが２個の場合の距離スペクトルは、図１１に示すように、ｘ_ｓ＝０のパワーｐ（ｆ_ｄ、０）とｘ_ｓ＝−λ／８のパワーｐ（ｆ_ｄ，−λ／８）との合成波から直流分を除去して、フーリエ変換することにより、距離に対応する周波数が得られ、距離ｄ_１，ｄ_２が求まる。

図１２は合成波の真数のスペクトルと、虚数のスペクトルを示す図である。電波の速度ｃは、約３０万ｋｍ／秒である。発信波の周波数のスイープを、７５ＭＨｚ幅（ｆｗ）で行った場合、この７５ＭＨｚの波長は、ｃ／ｆｗ＝４ｍである。しかし、波形を標本化するためのスイープは、往復で４ｍのため、行きはその半分の２ｍとなる。この２ｍを１周期と呼ぶ。そこで、スイープ幅７５ＭＨｚで２０ｍを計測した場合、１０周期を計測することになる。スイープ時間が２５６μｓであるとすると、観測する波形の周波数は、１０／２５６μｓ＝３９ｋＨｚとなる。同様に、２００ｍを計測した場合、１００周期であるので、１００／２５６μｓ＝３９０ｋＨｚとなる。そして、図１２に示す検出されたスペクトルの周波数のレベルは反射の強さを示し、周波数は距離に置き換えられる。よって、図１１に示すように、フーリエ変換して３９ｋＨｚのところにピークが現れると、それは、距離ｄ_１＝１０ｍの位置からの反射波であることがわかり、３９０ｋＨｚのところにピークが現れると、それは、距離ｄ_２＝１００ｍの位置からの反射波であることがわかる。このようにして、ディテクタの合成波の検出パワーｐａ（ｆｄ）を微分して直流成分を除去し、フーリエ変換すると、被反射体までの距離を求めることができる。

スイープ幅が２００ＭＨｚの場合、１周期が０．７５ｍになるので、１０ｍの計測は１０／０．７５＝１３．３周期を観測することになり、スイープ時間が２５６μｓである場合は、１３．３／２５６＝５１．９ｋＨｚとなる。つまり、スイープ幅が２００ＭＨｚの場合は、５１．９ｋＨｚにピークが現れた場合に、被反射体までの距離が１０ｍと観測される。従って、スイープ幅を調整し、スイープ時間を調整することにより、検波出力の周波数を調整することができ、電波法の規制により帯域幅が制限されているので、一般的には、スイープ時間を可変とすることにより、被反射体までの距離を測定する。

次に、微小変位計測について説明する。数式８において、位相に着目すると、ｋ番目のターゲットに対する位相は、下記数式１４により求まり、距離ｄｋの変化分をｄｋ、位相の変化分をΔφｋとすると、下記数式１５が得られる。

この数式１５から、距離ｄの微小変位が求まる。周波数が２４ＧＨｚの場合は、±３．１２５ｍｍの変位を検知することが可能となる。

以上のように、信号処理部４２において、被反射体からの反射波を送信波に合成した定在波の分析により、被反射体の距離及び微小変位を計測することができる。この計測結果を経時的に把握すれば、被反射体の距離、速度及び変位を計測することができ、結局、被反射体の動きを計測できる。従来のレーダーであると、１〜２ｍ以下は距離の測定が困難であったのに対し、本発明により、０ｍに近い至近距離から、２００ｍの遠距離迄、距離の測定が可能である。また、本発明の場合は、微小変位の検知が可能であり、相対変位分解能は０．０１ｍｍにも及ぶ。しかも、定在波レーダーの場合は、衣服を通して、衣服に包まれた人体にて直接反射するので、人体の異常を高精度で検知できる。

次に、本発明の実施形態に係る定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用例について説明する。図１３はトイレの天井に本実施形態のＬＥＤ照明器具を設置して、人体の異常を監視する場合、図１４は風呂の天井に本実施形態のＬＥＤ照明器具を設置して、人体の異常を監視する場合、図１５は廊下の天井に本実施形態のＬＥＤ照明器具を設置して、人体の異常を監視する場合を示す。

先ず、図１３に示すように、トイレ内で居住者が倒れた場合について説明する。最初に、ＬＥＤ照明器具の設置後、無人の場合の定在波を分析することにより、ＬＥＤ照明器具から、床面までの距離ｄ４，便座までの距離ｄ３を測定しておく。そして、トイレに居住者が入室した後、本実施形態のＬＥＤ照明器具により、距離ｄ２が計測される。この距離ｄ２は居住者の頭までの距離である。これにより、ｄ３，ｄ４と異なる距離ｄ２が計測されたことにより、居住者がトイレを利用中であることが判定される。その後、トイレの利用にとって適当な時間が経過した後、距離ｄ２が計測されなくなった場合は、通常のトイレの利用が行われたと判定される。

一方、利用者がトイレ内でうずくまっている場合及び座り込んでいる場合は、人体に異常が生じているのであるが、距離ｄ５及び距離ｄ６は、距離ｄ３，ｄ４とは異なると共に、便座に座っているときの頭までの距離ｄ２より大きいので、異常事態が発生したことがわかる。この場合に、利用者に意識があれば、ＬＥＤ照明器具は利用者の動きも検出するので、置物ではなく、人体であることも判定され、人体に異常が生じたことが確実に把握される。これにより、警報部４３が警報信号を出力し、トイレ利用者の異常事態を外部に知らせる。

また、利用者がトイレの床に倒れており、意識がない場合、ＬＥＤ照明器具は頭の距離ｄ２とは異なる距離ｄ７を計測するが、人体の動きは計測できない。しかし、本発明においては、位相分析により微小変位を検出することができるので、倒れている人の呼吸数及び脈拍等の人体の微小な変位も検出できる。そこで、本発明により、置物ではなく、人体が倒れていることを判定できる。この場合に、定在波レーダーにより、衣服を透過して、その下の人体の表面の動きを直接計測できるので、より確実に人体の異常を検知することができる。また、演算部３１に、呼吸数及び脈拍等の危険域を予め設定しておけば、呼吸等の検出により、人体か、置物かの区別だけでなく、人体の状況が重篤なものであるか、そうでないかも判定できる。

図１４に示す風呂場の場合、図１５に示す廊下の場合等も、同様に、無人の場合の計測結果を求めておき、その計測距離を異常検知から排除しておけば、居住者の異常を判定することができる。このとき、通常の人体行動のときの検出される距離の範囲を設定し、その範囲から外れる距離を計測した場合に、居住者に異常が生じたと判定することもできる。しかも、微小変位から呼吸及び脈拍を計測できるので、人体であるか否か、及び人体の場合にどの程度重篤であるかも判定することができる。なお、図１６は呼吸数を計測している状態を示すチャートである。図１６に示すように、本発明により、異常呼吸を検出できることがわかる。

図１７は電車の天井に本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を取り付け、ＬＥＤで照明すると共に、定在波を分析して電車の混み具合を判定する方法を示す。このように、本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を電車の天井に取り付ければ、電車内の人体の数が多いか、少ないか及びその人体の数のおおよその数を検出することができる。従って、電車内が満員であるか、通常の混み具合であるか、又はすいているかを、電車の集中運行管理センタで容易に把握することができる。

図１８は、市街地の電柱に本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を取り付け、ＬＥＤで照明すると共に、洪水で道路に水があふれた場合の水位及びこの異常な道路にどの程度の人が存在するかを判定する方法を示す。このように、本発明の実施形態のＬＥＤ照明器具を電柱に取り付ければ、洪水で水があふれた道路の水位の変化及びその場合に道路にどの程度の人数が繰り出しているか等を、防災センターで管理判定することができる。

本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、図１９は本発明の照明器具の他の形態を示す。この図１９に示す照明器具は、図２に示す電球型と異なり、看板等の平面発光の表示面の裏側にＬＥＤを配置したものであり、直下型の照明器具である。基板１００上の中心位置に、電波を外部に送信すると共に、外部からの反射波を受信する送受信部１０２が設置されており、この送受信部１０２の周辺に、複数個のＬＥＤ１０１が、例えば、等間隔で配置されている。これらのＬＥＤ１０１及び送受信部１０２は、透光性のカバー１０３に覆われており、ＬＥＤ１０１からの照明光はこのカバー１０３を介して外部に出射し、送受信部１０２はこのカバー１０３を介して送信波及び反射波を送受信する。このカバー１０３は、光を拡散させる作用も有し、カバー１０３からＬＥＤ照明光が外部に向けて拡散し、滑らかな照明光として出射される。この照明器具においても、送受信部１０２から電波の送信及び反射波の受信が可能である。なお、この直下方式においては、照明カバーの背後にＬＥＤを配置して、ＬＥＤ光が直接外部に出射するようにしている。よって、ＬＥＤ光の光量は強いものの、送受信部１０２は、金属製の放熱基板１０１の背後（下方）に設けることはできず、レーダー送受信部の設置位置に制約がある。なお、平面発光の表示面とは、必ずしも、看板に限らないことは勿論である。看板のように、文字又は図形が付されていない壁のようなものでも良い。

図２０に示す照明器具は、導光方式の照明器具であり、導光板１１０の背後に電波の送受信部１１２を配置し、導光板１１０の側面から、複数個の等間隔で並べられたＬＥＤ１１１から発光した照明光を導光板１１０内に導入し、照明光を導光板１１０内で反射させて、導光板１１０からその表面に垂直の方向に出射させる。この導光板１１０の前方にも、透光性のカバー１１３が配置されており、このカバー１１３も光の拡散作用を有し、拡散により滑らかな照明光を出射させることができる。導光板１１０内に進入したＬＥＤ光は、導光板１１０内でその下面及び上面に反射し、導光板１１０の上面から、光量がその面内でほぼ均一な面発光光となって、外部に出射される。この照明器具においても、送受信部１１２から電波の送信及び反射波の受信が可能である。この導光方式においては、照明光を面発光させることができると共に、レーダー送受信部１１２の位置は、導光板１１０の背後でも良く、その設置場所に制約がない。

１：口金
２：ケース本体
３：カバー
５：アルミニウム基板
６：ＬＥＤ
７：定在波レーダーモジュール基板
８：定在波レーダーモジュール
１０：ＬＥＤ制御ユニット
１１：基板
１２：フレーム
３１：演算部
３５：２４ＧＨｚ高周波モジュール
４２：信号処理部

本発明に係る定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具は、
少なくとも一部に透光性のカバーを備えたケースと、
このケース内に格納され、前記カバーを介して照明光を外部に照射する発光体としてのＬＥＤ光源と、
前記ケース内に格納され、前記カバーを介して周波数掃引された電波を外部に送信し、λを送信波の波長として、外部の被反射体から受信した反射波を送信波長に基づく一定距離λ／８だけ離隔した２点にて検出し、送信波及び受信波から合成される定在波を検知する定在波検知部と、
前記定在波検知部が検知した合成波の周波数分布から、その直流成分を除去し、フーリエ変換して、距離スペクトルを求めて、前記被反射体までの距離及び位相の変化分を演算する演算部と、
得られた被反射体までの距離情報から、測定空間が無人の場合に得られた距離成分とは異なる距離情報を求めて、前記測定空間内に進入してきた測定対象者との間の距離成分を抽出すると共に、前記位相の変化分から微小変位を求める信号処理部と、
測定対象者との間の距離成分及び微小変位から、前記測定対象者の身体状態並びに呼吸数及び脈拍を含む生理状態を判定する判定部と、
を有することを特徴とする。

本発明に係る定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具は、
少なくとも一部に透光性のカバーを備えたケースと、
このケース内に格納され、前記カバーを介して照明光を外部に照射する発光体としてのＬＥＤ光源と、
前記ケース内に格納され、前記カバーを介して周波数掃引された電波を外部に送信し、λを送信波の波長として、外部の被反射体から受信した反射波を送信波長に基づく一定距離λ／８だけ離隔した２点にて検出し、送信波及び受信波から合成される定在波を検知する定在波検知部と、
前記定在波検知部が検知した合成波の周波数分布から、その直流成分を除去し、フーリエ変換して、距離スペクトルを求めて、前記被反射体までの距離及び位相の変化分を演算する演算部と、
得られた被反射体までの距離情報から、測定空間が無人の場合に得られた距離成分とは異なる距離情報を求めて、前記測定空間内に進入してきた測定対象者との間の距離成分を抽出し、この抽出された距離成分の距離スペクトルの周波数により前記測定対象者までの距離を求めると共に、前記距離スペクトルの位相の変化分から求まる微小変位により呼吸数及び／又は脈拍を求める信号処理部と、
前記測定対象者との間の距離並びに呼吸数及び／又は脈拍から、前記測定対象者の身体状態並びに呼吸数及び／又は脈拍を含む生理状態の異常の有無を判定する判定部と、
を有することを特徴とする。

次に、微小変位計測について説明する。数式８において、位相に着目すると、ｋ番目のターゲットに対する位相は、下記数式１４により求まり、距離の変化分をｄｋ、位相の変化分をΔΨｋとすると、下記数式１５が得られる。

Claims

少なくとも一部に透光性のカバーを備えたケースと、
このケース内に格納され、前記カバーを介して照明光を外部に照射する発光体としてのＬＥＤ光源と、
前記ケース内に格納され、前記カバーを介して周波数掃引された電波を外部に送信し、λを送信波の波長として、外部の被反射体から受信した反射波を送信波長に基づく一定距離λ／８だけ離隔した２点にて検出し、送信波及び受信波から合成される定在波を検知する定在波検知部と、
前記定在波検知部が検知した合成波の周波数分布から、その直流成分を除去し、フーリエ変換して、距離スペクトルを求めて、前記被反射体までの距離を演算する演算部と、
得られた被反射体までの距離を、測定空間が無人の場合に得られた距離成分と比較し、前記測定空間内に進入してきた測定対象者との間の距離成分を抽出する信号処理部と、
測定対象者との間の距離成分から、前記測定対象者の身体状態並びに呼吸数及び脈拍を含む生理状態を判定する判定部と、
を有することを特徴とする定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具。
前記ケースの下部に、電球のソケット又はシーリングに装着可能なコネクタからなる給電部が設けられており、この給電部を介して、前記ＬＥＤ光源及び前記定在波検知部に給電されることを特徴とする請求項１に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具。
前記演算部、前記信号処理部及び前記判定部は、前記定在波検知部と共に、モジュールとして、前記ケース内に格納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具。
前記判定部が、前記測定対象者との間の距離、又は前記測定対象者の呼吸数若しくは脈拍が、予め設定されている危険領域であると判定したとき、警報信号を外部の警報信号受信部に送信して、警報を発することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具。
前記請求項１乃至４に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を居宅又はビルの天井に設置して、居宅又はビル内の人体の異常を判定することを特徴とする定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法。
前記請求項１乃至４に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を乗り物の天井に設置して、乗り物内の人体の混み具合を判定することを特徴とする定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法。
前記請求項１乃至４に記載の定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具を道路の照明のために設置して、道路にあふれた水の水位及び道路に位置する人体の混み具合を判定することを特徴とする定在波レーダー内蔵型ＬＥＤ照明器具の利用方法。