JP2021153234A - 近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線方式や、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式を用いることなく、物体を非接触で検出することができる近接センサを提供する。【解決手段】近接センサ１は、高周波信号を発生する発振器１１と、高周波信号を出力するアンテナ１２と、アンテナ１２の特性の変化に応じて変化する高周波信号の電力に応じた出力を行う出力部１３と、出力部１３からの出力に関する変化に応じて物体を検出する検出部１４とを備える。出力部１３は、発振器１１からアンテナ１２に向けて流れる高周波信号の一部を分岐する方向性結合器２１と、方向性結合器２１によって分岐された高周波信号を検波する検波器２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で物体を検知する近接センサに関する。

電源スイッチなどのようにメカニカルに回路の開閉を行う部品は、長期間にわたって使用することで、接点が摩耗したり、使われているバネが折れたり、樹脂が劣化したりすることによって破損することがある。また、大きな力でスイッチを操作することも破損の原因になりうる。

このような課題を解消するために、非接触で物体を検知する技術が求められている。非接触での検知には様々な方法がある（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１９−１４６０２４号公報 特開２０１９−１３２５８６号公報 特開２０１８−１９０５８０号公報

非接触で物体を検知する方法として、まず、赤外線方式がある。赤外線方式は、自動ドアなどを中心に広く使われている。しかしながら、赤外線を用いる場合には、それを送受するための窓を筐体に空けておく必要がある。それは窓以外と張り合わせる２色成形という加工技術を伴う。

２色成形では、熱膨張率などの性質が異なる素材を結合させるため、長期にわたって使用するものでは、温度変化や紫外線により接合部分にひび割れが生じやすい。特に防水性が求められる製品においては２色成形の部分を強固に密着させるため、性質の違いによる破損がより進むことになる。したがって、使用期間が長く、特に防水が求められる製品における２色成形は敬遠される。

また、赤外線方式では、太陽光などの外光の入射がある場所では誤動作することがある。したがって、屋内での使用が多く、屋外でも下向きに赤外線を放射するなど設置条件がある。このように、赤外線方式は広く使われているものの課題も多い。

赤外線方式以外として、静電容量の変化を用いる方式がある。これは、電極と検出物の間に発生する静電容量を測定することによって検出物を把握する方法である。ここで、検出物はグランドと接続している必要がある。人の手の場合、人体を通じて接地しているので検出はできる。しかしながら、接地していない物や、帯電しやすい服を着ている人などは検知できないという問題がある。

また、誘導方式では、コイルから発生される磁界によって検出物に生じる逆起電力に応じたインダクタンスの変化を観察する。金属探知機や衣服に針が残っていることを検知する検針器などで用いられる方式である。この誘導方式では、検出物に渦電流が生じない非金属は検知できない。

レーダを用いることによって、長距離の検知ができ、また接地していない物体でも非金属でも検知できるが、送信回路と受信回路を実装する必要がある。超音波での検知も送受信回路が必要な点は同じである。このように、非接触の近接センサには様々な方法があるが、長所・短所があり、その特徴を見極めたうえで使われているのが現状である。

上記特許文献１には、いわゆる誘導方式が記載されている。コイルのインダクタンスの変化を検知する方式であり、上記したように、検出物は金属に限定される。

また、上記特許文献２には、赤外線方式が記載されている。特許文献２に記載されている赤外線方式は、外光の影響を低減することができる方式であるが、これを採用すると処理が複雑になる。また、このような処理が必要なことは、そもそも赤外線方式が外光の影響を大きく受けることを示している。

また、上記特許文献３には、静電容量方式が記載されている。この方式によって検出できるものは、帯電している電荷が大地に流れるような物体であり、中空に浮いた物や、帯電したままの物は検出できない。また特許文献３に記載された静電容量方式は、構造が立体的であり、実装に制約がある。

一般的に言えば、赤外線方式、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式とは異なる方式による近接センサが求められていた。

本発明は、上記事情に応じてなされたものであり、赤外線方式や、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式を用いることなく、物体を非接触で検出することができる近接センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様による近接センサは、高周波信号を発生する発振器と、高周波信号を出力するアンテナと、アンテナの特性の変化に応じて変化する高周波信号の電力に応じた出力を行う出力部と、を備えたものである。

アンテナの近傍に、アンテナの周囲の空気と異なる誘電率の物体があれば、アンテナの周囲の空間インピーダンスが変化することになり、その結果として、アンテナのインピーダンスが変化する。それに応じて、例えば、アンテナに入力される高周波信号の電力が変化したり、アンテナの端部で反射する高周波信号の電力が変化したりする。したがって、このような構成により、アンテナの特性の変化を、高周波信号の電力の変化によって検出することができ、その検出結果に応じた出力を行うことができる。また、その出力を用いることによって、アンテナに近接した物体を非接触で検知することができる。

例えば、高周波信号の電力が、物体が存在しない状況の値から変化した場合に、物体がアンテナに近接したことを検知することができる。また、例えば、高周波信号が所定の周波数範囲を掃引する場合には、出力部からの出力を用いて特定した共振周波数が変化した際にアンテナに物体が近接したことを検知することができる。

このように、赤外線方式や、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式を用いることなく、非接触で物体を検出することができるようになる。また、非接触での物体検知を実現できるため、メカニカルな構造に起因する故障は発生しないというメリットもある。また、例えば、電力の変化の程度や、共振周波数の変化の程度を用いることによって、アンテナと物体との距離についても知ることができるようになる。

また、電波を通過できる筐体に入れればよいことになるため、赤外線方式のように２色成形をおこなわなくてもよいことになる。また、電波を通過できるという点でレーダも同じ性質の筐体でよいが、本発明の一態様による近接センサでは、送受信回路を実装する必要がないというメリットがある。また、静電容量方式のように接地していることは要求されず、誘導方式のように検出物が金属であることも要求されない。したがって、幅広い物体の検知に用いることができる。

また、本発明の一態様による近接センサでは、出力部は、発振器からアンテナに向けて流れる高周波信号の一部を分岐する方向性結合器と、方向性結合器によって分岐された高周波信号を検波する検波器と、を有してもよい。

このような構成により、検波電圧を用いて、上記のように物体がアンテナに近接したことを検知することができる。

また、本発明の一態様による近接センサでは、出力部は、発振器からアンテナに向けて流れる高周波信号を第１及び第２の高周波信号に分配する分配器と、分配器からアンテナに向けて流れる第１の高周波信号の一部を分岐する方向性結合器と、第２の高周波信号と、方向性結合器によって分岐された高周波信号とを混合する混合器と、混合器の出力信号から直流成分を抽出する低域通過フィルタと、を有してもよい。

このような構成により、実質的に方向性結合器と検波器とを用いた場合と同様にして、物体がアンテナに近接したことを検知することができる。

また、本発明の一態様による近接センサでは、出力部は、アンテナに入力される高周波信号の電流を測定する電流計と、アンテナに入力される高周波信号の電圧を測定する電圧計と、電流計及び電圧計の測定結果を用いて高周波信号の電力を算出する算出部と、を有してもよい。

このような構成により、電圧及び電流から電力を算出することによって、高周波信号の電力を出力することができる。

また、本発明の一態様による近接センサでは、出力部からの出力に関する変化に応じて物体を検出する検出部をさらに備えてもよい。

このような構成により、検出部を用いることによって、上記のように、例えば、高周波信号の電力そのものの変化を検出することによって、または、共振周波数の変化を検出することによって、アンテナに近接した物体を検出することができる。

また、本発明の一態様による近接センサでは、アンテナの個数、及び出力部の個数は同じ複数であり、発振器によって発生された高周波信号を複数の高周波信号に分配する分配器をさらに備え、分配器によって分配された複数の高周波信号がそれぞれ複数のアンテナによって出力され、複数の出力部は、複数のアンテナの特性の変化に応じた出力をそれぞれ行ってもよい。

このような構成により、複数のアンテナのうち、どのアンテナに物体が近接したのかを知ることができ、物体の位置に関するより詳細な情報を取得することができるようになる。

本発明の一態様による近接センサによれば、物体がアンテナに近接することに応じたアンテナの特性の変化によって、物体がアンテナに近接したことを検知することができる。したがって、赤外線方式や、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式を用いることなく、物体を非接触で検出することができるようになる。

本発明の実施の形態による近接センサの構成を示すブロック図 同実施の形態における高周波信号の周波数に応じた検波電圧の変化の一例を示す図 同実施の形態による近接センサの他の構成の一例を示すブロック図 同実施の形態による近接センサの他の構成の一例を示すブロック図 同実施の形態による近接センサの他の構成の一例を示すブロック図 同実施の形態による近接センサの他の構成の一例を示すブロック図 同実施の形態におけるアンテナ群の一例を示す図 同実施の形態における検波電圧の変化の一例を示す図 同実施の形態におけるアンテナ・物体間の距離と検出電圧と関係を示す図 同実施の形態におけるアンテナ・物体間の距離と共振周波数との関係を示す図

以下、本発明による近接センサについて、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。本実施の形態による近接センサは、アンテナの特性の変化を検出することによって、物体を非接触で検出することができるものである。

図１は、本実施の形態による近接センサ１の構成を示すブロック図である。本実施の形態による近接センサ１は、発振器１１と、アンテナ１２と、出力部１３と、検出部１４とを備える。

発振器１１は、高周波信号を発生する。発振器１１は、一定の周波数の高周波信号を発生してもよく、所定の周波数範囲の高周波信号を、周波数を連続的に変化させながら発生してもよい。後者の場合には、発振器１１は、掃引発振器であってもよい。高周波信号の周波数は、検出対象の物体がアンテナ１２にどれぐらい近づいた場合に検出したいのかに応じて決定されることになる。周波数が大きいほど（すなわち、波長が短いほど）、アンテナ１２により近い範囲における物体検出が行われることになる。特に限定されるものではないが、高周波信号の周波数は、例えば、１００ＭＨｚ以上であってもよく、１ＧＨｚ以上であってもよい。また、高周波信号の周波数は、例えば、５０ＧＨｚ以下であってもよく、３０ＧＨｚ以下であってもよく、１０ＧＨｚ以下であってもよい。

アンテナ１２は、発振器１１によって発生された高周波信号を出力する。アンテナ１２は、通常、高周波信号を無変調にて送信することになる。アンテナ１２は、例えば、指向性を有するものであってもよく、または、そうでなくてもよい。前者の場合には、その指向性に応じて電磁界の放射強度が高くなる方向に関する物体を検出することができる。無指向性のアンテナ１２を用いた場合には、アンテナ１２の周囲における物体を、方向を問わずに検出することができる。

出力部１３は、アンテナ１２の特性の変化に応じて変化する高周波信号の電力に応じた出力を行う。アンテナ１２の特性の変化とは、アンテナ１２のインピーダンスの変化であってもよい。一般に、アンテナ１２のインピーダンスは、５０Ωまたは７５Ωになるように設計、製造されていることが多い。しかしながら、アンテナ１２の設計段階で想定していない物体がアンテナ１２の近傍に存在すると、アンテナ１２のインピーダンスが変化する。アンテナ１２のインピーダンスが変化すると、例えば、発振器１１からアンテナ１２に入力される高周波信号の電力が変化したり、アンテナ１２の整合がずれることによってアンテナ端で反射された高周波信号の電力が変化したりすることになる。そのため、出力部１３は、このアンテナ１２のインピーダンスの変化に応じて変化する、発振器１１からの高周波信号の電力に応じた出力や、アンテナ１２において反射される高周波信号の電力に応じた出力を行うものである。この出力部１３の変化を観察することによって、アンテナ１２に物体が近接したかどうかを判断することができる。

アンテナ１２の特性の変化に応じて変化する高周波信号の電力に応じた出力を行う出力部１３の具体的な構成としては、種々のものが考えられるが、そのいくつかの構成について説明する。

図１で示されるように、出力部１３は、方向性結合器２１と、検波器２２とを備えていてもよい。方向性結合器２１は、発振器１１とアンテナ１２との間の伝送路上に挿入され、発振器１１からアンテナ１２に向けて流れる高周波信号の一部を分岐する。分岐された高周波信号は、検波器２２に入力される。方向性結合器２１は、発振器１１からアンテナ１２に向けて流れる高周波信号の一部のみを分岐する単方向性結合器であってもよい。また、方向性結合器２１は、図１の矢印で示されるように、発振器１１からの高周波信号の大部分をアンテナ１２に伝送する挿入損失の低いものであることが好適である。したがって、発振器１１からの高周波信号の大部分は、アンテナ１２に入力され、空中に放射されることになる。

検波器２２は、方向性結合器２１によって分岐された高周波信号を検波する。そして、その検波結果である検波電圧を出力する。この検波電圧は、高周波信号の電力に応じたものとなる。したがって、検波電圧の変化によって、発振器１１から出力される高周波信号の電力の変化を知ることができ、アンテナ１２から出力される信号をモニタリングすることができる。

検出部１４は、出力部１３からの出力に関する変化に応じて物体を検出する。出力部１３からの出力とは、図１で示される近接センサ１では、検波器２２から出力される検波電圧のことである。出力部１３からの出力に関する変化に応じて物体を検出するとは、その出力そのものが変化した際に物体を検出することであってもよく、その出力に応じて得られる特定の情報の変化に応じて物体を検出することであってもよい。

例えば、発振器１１が特定の周波数の高周波信号のみを発振している場合には、検出部１４は、出力部１３からの出力が変化したときに物体を検出し、変化していないときに物体を検出しなくてもよい。なお、出力が変化したとは、出力が所定の閾値を超えて変化したことであってもよい。その閾値は、例えば、測定誤差程度の値に設定されてもよい。

また、例えば、発振器１１が所定の範囲の周波数の高周波信号を、周波数を変化させながら発振している場合には、検出部１４は、出力部１３からの出力に応じて特定した共振周波数が変化したときに物体を検出し、共振周波数が変化していないときに物体を検出しなくてもよい。なお、共振周波数が変化したとは、共振周波数が所定の閾値を超えて変化したことであってもよい。その閾値は、例えば、測定誤差程度の値に設定されてもよい。

検波電圧の周波数特性は、例えば、図２で示されるようになる。例えば、発振器１１が掃引発振器である場合には、アンテナ１２の近傍に物体がない状況において、図２の実線で示されるように周波数と検波電圧との関係を取得することができる。なお、図２では、横軸が周波数であり、縦軸が検波電圧である。アンテナ１２の近傍に物体が存在する場合には、アンテナ１２のインピーダンスが変化し、それに応じて高周波信号の電圧が変化するため、検波電圧の周波数特性が、例えば、図２の破線で示されるようになる。したがって、所定の周波数における検波電圧の実線から破線への変化を検出することによって、または、実線の共振周波数から破線の共振周波数への変化を検出することによって、物体がアンテナ１２の近傍に存在することを検出することができる。なお、図２では、共振周波数が、検波電圧が極小になる周波数である場合について示しているが、測定方法によっては、検波電圧が極大になる周波数が共振周波数となることもある。

なお、図２では、アンテナ１２への物体の近接に応じて周波数が高くなる方向に波形が全体として変化する場合について示しているが、これは一例であり、様々な条件により、波形が周波数の低い方向に変化したり、周波数方向の変化だけでなく、検波電圧方向についても、検波電圧が高くなる方向に変化したり、低くなる方向に変化したりすることもある。いずれにしても、物体がアンテナ１２に近接することにより、検波電圧の周波数特性は変化することになる。

図８は、発振器１１が２．４ＧＨｚ帯の高周波信号を発振している状況における検波電圧の測定結果を示す図である。図８で示されるように、アンテナ１２に手を近づけた場合には、検波電圧が下がることによって、手の存在を検出できることが分かる。

また、検出部１４は、所定の周波数における検波電圧の変化の程度に応じて、物体の距離を特定することもできる。また、検出部１４は、共振周波数の変化の程度に応じて、物体の距離を特定することもできる。

図９は、アンテナ１２と手との距離と、検波器２２の検出電圧（検波電圧）との関係を示すグラフである。このグラフも、発振器１１が２．４ＧＨｚ帯の高周波信号を発振している状況における検波電圧の変化を示すものである。なお、アンテナ１２としては、２．４ＧＨｚ帯のモノポールアンテナを用いた。図９のグラフにおける破線は、手が存在しない場合における検波電圧である。図９から、アンテナ１２の近傍（例えば、５ｃｍ程度まで）であれば、アンテナ１２と手との距離と、検波電圧との関係がリニアになっていることが分かる。また、それよりも離れると、検波電圧は、波長の半分程度（約６ｃｍ）の変動周期で変化しており、アンテナ１２からの手の距離が長くなるにしたがって、物体のない状態の検出電圧（すなわち、破線で示される検出電圧）に収束していることが分かる。また、約５ｃｍ程度までであれば、検波電圧を用いて、アンテナ１２と物体との距離を測定できることが分かる。また、発振器１１が発生する高周波信号の波長を調整することにより、距離を測定できる範囲を広げることができると考えられる。

図１０は、アンテナ１２と人体モデルとの距離と、共振周波数との関係を示すグラフである。このグラフは、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain method）を用いたシミュレーションによって、アンテナ１２と人体モデルとの距離を変化させた状況における共振周波数の変化を計算したものである。このシミュレーションでは、高周波信号の周波数を、１．３ＧＨｚとした。また、アンテナ１２としては、パッチアンテナを用いた。図１０においても、共振周波数は、半波長（約１１．５ｃｍ）程度で周期的に変化していることが分かる。したがって、アンテナ１２から約１１ｃｍ程度までであれば、共振周波数を用いてアンテナ１２と物体との距離を測定できることが分かる。

次に、近接センサ１の動作について、簡単に説明する。発振器１１が単一の周波数の高周波信号を発振する場合には、検波器２２は、その周波数の高周波信号に関する検波電圧を出力することになる。したがって、検出部１４は、その検波電圧をモニタリングする。アンテナ１２の近傍に人体やそれ以外の物体が近接した場合には、アンテナ１２のインピーダンスが変化することによって、高周波信号の電力が変化し、その結果として、検波器２２から出力される検波電圧も変化する。このように、検波電圧が変化した場合には、検出部１４は、その変化を検出することによって、アンテナ１２の近傍の物体を検出することができる。

また、発振器１１が所定の周波数範囲の高周波信号を、周波数を変化させながら発振する場合には、検波器２２は、その周波数範囲に応じた高周波信号の検波電圧を出力することになる。したがって、検出部１４は、その周波数範囲に応じた検波電圧の変化を受け取ることになる。なお、検出部１４は、発振器１１が単一の周波数の高周波信号を発振する場合と同様に、特定の周波数の検波電圧のみを用いて、上記と同様の処理を行ってもよい。または、検出部１４は、受け取った周波数範囲に応じた検波電圧の変化を用いて、検波電圧が極値になる共振周波数を特定してもよい。アンテナ１２の近傍に人体やそれ以外の物体が近接した場合には、アンテナ１２のインピーダンスが変化することによって、高周波信号の電力が変化し、その結果として、共振周波数も変化する。このように、共振周波数が変化した場合には、検出部１４は、その変化を検出することによって、アンテナ１２の近傍の物体を検出することができる。

以上のように、本実施の形態による近接センサ１によれば、高周波信号をアンテナ１２から出力することによって、アンテナ１２の近傍の物体を検出することができる。また、そのような非接触での物体検出を、赤外線方式や、静電容量方式、誘導方式、レーダ方式、超音波方式を用いることなく行うことができる。なお、本実施の形態による近接センサ１は、アンテナ１２に信号を入力するという点でレーダ方式に近いが、積極的に反射波を受信するレーダ方式と違ってアンテナ１２のインピーダンスの変化を測定するため、アンテナ１２の近傍の物体しか検知できないという点で劣っているものの、複雑な受信回路が不要であるという利点もある。したがって、本実施の形態による近接センサ１は、既存方式とすみわけが可能な新しい方式であり、近接での物体検知を行う場合に有利な特長がある。

また、この近接センサ１を、物体を検出する以外の用途にも用いることができる。例えば、この近接センサ１によって、紙厚を測定することもできる。すなわち、近接センサ１を紙厚センサとして用いることもできるようになる。紙厚に応じて、アンテナ１２の周囲の空間インピーダンスの変化の程度が異なることになるため、アンテナ１２のインピーダンスの変化も異なることになる。したがって、その変化の程度に応じて、紙厚を特定することができる。この紙厚は、アンテナ１２と、厚さの検出対象となる紙との距離を一定にした状況において、上記した物体との距離の特定と同様に、出力部１３からの出力の変化の程度に応じて、または、共振周波数の変化の程度に応じて特定することができる。

次に、本実施の形態による近接センサ１の変形例について説明する。まず、出力部１３の変形例について説明する。なお、変形例１，２では、図１の近接センサ１と同様に、発振器１１からアンテナ１２に入力される高周波信号の電力に応じた出力が行われる。一方、変形例３では、図１の近接センサ１とは異なり、アンテナ端で反射された高周波信号の電力に応じた出力が行われる。

［出力部の変形例１］
図１で示される近接センサ１では、発振器１１で発生させた高周波信号とは異なる周波数の電波がアンテナ１２から入った場合に、方向性結合器２１のアイソレーションにより、一定の隔離はできるものの、それによる変化が検波器２２で観測される可能性がある。そのような課題を解決できるのが、図３で示される出力部１３ａの構成である。図３で示される近接センサ１は、図１で示される出力部１３に代えて、図３で示される出力部１３ａを備えている。出力部１３ａ以外の構成は、上記説明と同様であり、その詳細な説明を省略する。

出力部１３ａは、方向性結合器２１と、分配器２３と、混合器２４と、低域通過フィルタ２５とを備える。

分配器２３は、発振器１１からアンテナ１２に向けて流れる高周波信号を第１の高周波信号、及び第２の高周波信号に分配する。第１の高周波信号は、方向性結合器２１に出力され、第２の高周波信号は混合器２４に出力される。

方向性結合器２１は、分配器２３からアンテナ１２に向けて流れる第１の高周波信号の一部を分岐して混合器２４に出力する以外は、図１の方向性結合器２１と同様のものである。なお、上記説明と同様に、第１の高周波信号の多くは、アンテナ１２から放射されることになる。

混合器２４は、分配器２３からの第２の高周波信号と、方向性結合器２１によって分岐された高周波信号とを混合するミキサである。混合器２４では、第２の高周波信号と、方向性結合器２１からの高周波信号とが乗算される。その乗算結果の信号は、２つの入力信号の周波数和の成分と、周波数差の成分とを含むものである。

低域通過フィルタ２５は、混合器２４の出力信号から直流成分を抽出する。したがって、混合器２４から出力される周波数和の成分は、低域通過フィルタ２５によって除去され、周波数差の成分のみが出力される。

ここで、混合器２４に入力される２つの信号は、いずれも発振器１１で発生させたものであり、周波数は同じである。したがって、周波数差の成分は直流となる。図１で示される近接センサ１における検波器２２の出力が、この直流に相当する。なお、アンテナ１２から、発振器１１で発生された高周波信号とは異なる周波数の信号が混入した場合には、混合器２４において、発振器１１で発生された高周波信号の周波数との和の成分と差の成分が生成されることになる。いずれも直流になることはないため、低域通過フィルタ２５で遮断されて出力されることはない。

図３で示される近接センサ１の構成は、自動車レーダなどに使われているＦＭＣＷと呼ばれる方式の構成に類似している。ＦＭＣＷでは送信周波数を変化させ、受信周波数との差から物体の距離を測定するものである。一方、図３で示される近接センサ１では、アンテナ１２の近傍の物体によって生じるアンテナインピーダンスの変化を測定するため、発振器１１の周波数を変化させることは必須ではないという違いがある。また、ＦＭＣＷでは受信信号を送信信号から分離して解析することで、物体を検知する。したがって、送信アンテナと受信アンテナは独立に設置し、受信アンテナの信号を分析することで、物体を検知する。一方、図３で示される近接センサ１では、アンテナインピーダンスの変化を測定するため、アンテナは一つでよく、そのアンテナに流入する電力や、アンテナから反射する電力を測定すればよい。

［出力部の変形例２］
図１で示される近接センサ１では、検波電圧を用いて、高周波信号の電力に関する変化を検出した。一方、測定したいのは、発振器１１から出力される高周波信号の電力であるため、発振器１１からアンテナ１２までの高周波信号の伝送路において、その電力を直接、測定してもよい。図４は、高周波信号の電力を、電流と電圧とを用いて直接測定する近接センサ１の構成を示すブロック図である。図４で示される近接センサ１は、図１で示される出力部１３に代えて、図４で示される出力部１３ｂを備えている。出力部１３ｂ以外の構成は、上記説明と同様であり、その詳細な説明を省略する。

出力部１３ｂは、電流計であるクランプメータ３１と、電圧計３２と、算出部３３とを備える。

クランプメータ３１は、アンテナ１２に入力される高周波信号の電流を測定する。クランプメータ３１は、ケーブルなどを通過する電流を測定するものである。なお、クランプメータ３１に代えて、その他の方式の電流計が用いられてもよい。

電圧計３２は、アンテナ１２に入力される高周波信号の電圧を測定する。電圧計３２は、発振器１１からアンテナ１２までの高周波信号の伝送路に直接接続されることによって、高周波信号の電圧を測定してもよい。

算出部３３は、クランプメータ３１及び電圧計３２の測定結果を用いて高周波信号の電力を算出する。算出部３３は、クランプメータ３１によって測定された電流と、電圧計３２によって測定された電圧とを乗算することによって、電力を算出することができる。算出部３３によって算出された電力は、検出部１４に出力される。

このような出力部１３ｂを用いることによっても、検出部１４において、出力部１３ｂから出力される電力を用いて、上記説明と同様にして、アンテナ１２の近傍の物体を検出することができる。なお、クランプメータ３１や電圧計３２は、通常、低い周波数の高周波信号についてしか測定を行うことができないため、図４で示される近接センサ１としては、より低い周波数帯域の高周波信号を用いたものに限られることになる。

［出力部の変形例３］
図５は、方向性結合器の接続が図１とは異なる近接センサ１の一例を示すブロック図である。図５で示される近接センサ１は、図１で示される出力部１３に代えて、図５で示される出力部１３ｃを備えている。なお、出力部１３ｃは、方向性結合器２１ａと、検波器２２とを備えている。方向性結合器２１ａ以外の構成は、上記説明と同様であり、その詳細な説明を省略する。

図５で示される方向性結合器２１ａは、出力側からの反射信号をモニタできるものである。すなわち、方向性結合器２１ａは、アンテナ１２から発振器１１に戻る反射信号の一部を分岐して、検波器２２に出力するものである。方向性結合器２１ａは、例えば、双方向性結合器であってもよい。この方向性結合器２１ａを用いることによって、アンテナ１２から方向性結合器２１ａに戻ってくる信号を検波器２２において観測することができる。

アンテナ１２の近傍に物体が存在する場合には、物体が存在しない場合と比較して、アンテナ１２の反射計数が変化する。また、アンテナ１２から出力した信号が物体で反射した信号も、アンテナ１２に戻ることになる。それらの信号を検波器２２によって検波することによっても、図１で示される近接センサ１と同様にして、非接触での物体を検出することができることになる。

なお、図５で示される構成では、アンテナ１２からの反射を見るように方向性結合器２１ａを使用するため、アンテナ１２に入力される他の信号の影響も受けやすくなる。そのような影響を低減するため、図３で示される近接センサ１における方向性結合器２１に代えて、図５で示される方向性結合器２１ａ、すなわちアンテナ１２から発振器１１に戻る反射信号の一部を分岐して、混合器２４に出力する方向性結合器２１ａを用いるようにしてもよい。その場合には、上記説明のとおり、アンテナ１２に目的外の電波が入力される状況にも対応することができるからである。

また、図１、図３〜図５において、出力部１３，１３ａ〜１３ｃの構成のバリエーションについて説明したが、出力部は、それら以外の構成によって、アンテナ１２の特性の変化に応じた出力を行ってもよいことは言うまでもない。

［複数のアンテナを用いた物体の検知］
本実施の形態では、１個のアンテナ１２を用いた場合について説明したが、そうでなくてもよい。複数のアンテナ１２を用いて、物体の検知を行ってもよい。そのような物体の検知を行うことによって、より広範囲での物体の検知を行うことができ、また、物体のより詳細な位置の特定も可能となる。

図６は、複数のアンテナ１２ｄ，１２ｅ，１２ｆを用いて物体の検出を行う近接センサ１の一例を示すブロック図である。図６において、近接センサ１は、発振器１１と、分配器４１と、アンテナ１２ｄ〜１２ｆと、出力部１３ｄ〜１３ｆと、検出部１４ｄ〜１４ｆとを備える。アンテナ１２ｄ〜１２ｆの個数と、出力部１３ｄ〜１３ｆの個数とは同じである。したがって、複数の出力部１３ｄ〜１３ｆは、複数のアンテナ１２ｄ〜１２ｆの特性の変化に応じた出力をそれぞれ行うことになる。なお、アンテナ１２ｄ〜１２ｆは、上記アンテナ１２と同様のものである。また、アンテナ１２ｄ〜１２ｆを特に区別しない場合には、「アンテナ１２」と呼ぶこともある。出力部１３ｄ〜１３ｆ、検出部１４ｄ〜１４ｆについても同様である。

また、出力部１３の構成は、図１、図３〜図５の出力部１３，１３ａ〜１３ｃと同様の構成であってもよく、または、その他の構成であってもよい。検出部１４ｄ〜１４ｆは、上記検出部１４と同様のものである。

図６で示される近接センサ１では、発振器１１によって発生された高周波信号が、分配器２３によって３個の高周波信号に分配され、それぞれが３個のアンテナ１２ｄ〜１２ｆによって出力される。このような構成により、アンテナ１２ｄの近傍の物体の検出と、アンテナ１２ｅの近傍の物体の検出と、アンテナ１２ｆの近傍の物体の検出とを並行して行うことができる。したがって、より広範囲での物体の検出を行うことができる。また、ある物体の位置が変化する場合には、その物体がどの位置にあるのかを、より詳細に把握することもできるようになる。また、物体の移動方向や、物体の移動速度などを取得することもできる。

なお、図６では、１個の発振器１１によって発生された高周波信号を分配して用いる場合について説明したが、そうでなくてもよい。各アンテナ１２について、別々に高周波信号を発生するようにしてもよい。また、アンテナ１２の個数も問わない。アンテナ１２の個数は、２個であってもよく、４個以上であってもよい。

また、図６では、アンテナ１２ごとに物体の検出を行う場合について説明したが、そうでなくてもよい。複数のアンテナ２１について、一括して物体の検出を行ってもよい。その場合には、近接センサ１は、検出部１４ｄ〜１４ｆに代えて、１個の検出部１４を備えてもよい。そして、その検出部１４は、各出力部１３ｄ〜１３ｆからの出力を比較し、アンテナ１２の特性の変化が最も大きいことを示す出力に対応するアンテナ１２の位置に、物体が存在すると判断してもよい。

また、図７は、図６で示される近接センサ１において用いられるアンテナの一例を示す図である。図７で示されるアンテナ群１２１は、９個のアンテナ１２１ａ〜１２１ｉが２次元平面上に配置されたものである。アンテナ１２１ａ〜１２１ｉは、それぞれパッチアンテナであってもよく、または、他の種類のアンテナであってもよい。このようなアンテナ群１２１を用いることによって、例えば、２次元平面において、どの位置に物体が存在するのかを把握することもできるようになる。なお、図７では、アンテナ群１２１が９個のアンテナ１２１ａ〜１２１ｉを有する場合について示しているが、アンテナ群１２１が有するアンテナの個数は問わない。また、アンテナ群１２１を用いた物体の検出において、物体までの距離も検出する場合には、３次元空間上での物体の位置の検出を行うことができるようになる。なお、アンテナの配置方法は問わない。例えば、アンテナを線状に配置してもよい。

［検出部を有しない近接センサ］
本実施の形態では、近接センサ１が検出部１４を有する場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。近接センサ１は、検出部１４を有していなくてもよい。その場合には、出力部１３からの出力が、近接センサ１からの出力となる。そして、近接センサ１の外部に存在する検出部１４と同様の構成によって、近接センサ１を用いた物体の検出が行われてもよい。

［発振器の変形例］
本実施の形態では、高周波信号を発生させる専用の発振器１１を用いる場合について主に説明したが、発振器１１は、一般的な無線通信を行う通信機であってもよい。そして、通信機によって発生された高周波信号が、物体の検知にも用いられてもよい。この場合には、高周波信号は、変調波であってもよい。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上より、本発明の一態様による近接センサによれば、アンテナの特性の変化を用いて非接触での物体の検出を行うことができるという効果が得られ、非接触で物体を検出する近接センサとして有用である。

１ 近接センサ
１１ 発振器
１２、１２ｄ〜１２ｆ、１２１ａ〜１２１ｉ アンテナ
１３、１３ａ〜１３ｆ 出力部
１４、１４ｄ〜１４ｆ 検出部
２１、２１ａ 方向性結合器
２２ 検波器
２３、４１ 分配器
２４ 混合器
２５ 低域通過フィルタ
３１ クランプメータ（電流計）
３２ 電圧計
３３ 算出部

Claims (6)

1. 高周波信号を発生する発振器と、
   前記高周波信号を出力するアンテナと、
   前記アンテナの特性の変化に応じて変化する高周波信号の電力に応じた出力を行う出力部と、を備えた近接センサ。
2. 前記出力部は、
   前記発振器から前記アンテナに向けて流れる高周波信号の一部を分岐する方向性結合器と、
   前記方向性結合器によって分岐された高周波信号を検波する検波器と、を有する、請求項１記載の近接センサ。
3. 前記出力部は、
   前記発振器から前記アンテナに向けて流れる高周波信号を第１及び第２の高周波信号に分配する分配器と、
   前記分配器から前記アンテナに向けて流れる前記第１の高周波信号の一部を分岐する方向性結合器と、
   前記第２の高周波信号と、前記方向性結合器によって分岐された高周波信号とを混合する混合器と、
   前記混合器の出力信号から直流成分を抽出する低域通過フィルタと、を有する、請求項１記載の近接センサ。
4. 前記出力部は、
   前記アンテナに入力される高周波信号の電流を測定する電流計と、
   前記アンテナに入力される高周波信号の電圧を測定する電圧計と、
   前記電流計及び前記電圧計の測定結果を用いて前記高周波信号の電力を算出する算出部と、を有する、請求項１記載の近接センサ。
5. 前記出力部からの出力に関する変化に応じて物体を検出する検出部をさらに備えた、請求項１から請求項４のいずれか記載の近接センサ。
6. 前記アンテナの個数、及び前記出力部の個数は同じ複数であり、
   前記発振器によって発生された高周波信号を複数の高周波信号に分配する分配器をさらに備え、
   前記分配器によって分配された複数の高周波信号がそれぞれ前記複数のアンテナによって出力され、
   前記複数の出力部は、前記複数のアンテナの特性の変化に応じた出力をそれぞれ行う、請求項１から請求項４のいずれか記載の近接センサ。

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