JP4151393B2 - 近距離センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波あるいは音波を利用し、波動送信手段から漏れる電磁波または音波と物体で反射される電磁波または音波の相互作用で生じる定在波から物体の有無を知る近距離センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
物体を検知する装置には赤外線やレーザーなど光学的に検知する方法、あるいはレーダを用いる方法などが存在する。
【0003】
赤外線やレーザーを用いる方法では三角測量による測距などで、受光素子上で反射光の位置を測定することで対象物までの距離を測定する。この方法では、対象物からの反射光量の大小を調べる反射光量方式の光センサに比べて、検出対象の色や反射率に影響されにくく、高精度の距離測定が可能となる。
【0004】
また電磁波を用いるレーダ方法は、FM−CWとパルス変調レーダがある。これらの測定原理はいずれも、測定対象までの信号の往復時間を基に距離を得るものである。(例えば、特許文献1参照)
【0005】
【特許文献1】
特開2001−004741号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記する従来技術の構成では以下の問題点を生ずる。たとえば近距離の物体検知を行なうためには、赤外光による測距装置の場合は対象物の拡散反射光を受光して距離を測定するため、対象物によっては反射光が散乱して正しい測距結果を得られない場合がある。また光学系の部品を使用するためレンズなどが汚れていると性能が得られない場合がある。
【0007】
レーザを用いる場合、測定精度については他の方式と比較して高精度であるが、レーザ光源から測定対象物を反射して受光センサに達するまでの距離を三角法で求めているため、光軸がずれると測定誤差が大きくなる。また、レーザ光のビーム幅は狭いため、対象物表面の凹凸の影響を受けやすい。
【0008】
またレーダを用いるFM−CW方式の一般的な測距装置では、近距離を測定する場合、近距離になるほど信号の往復時間が短くなるため、測定回路の高速な動作が要求され測定が難しくなる。そのため、たとえば100GHz以上の高い周波数を用いた測距装置が使用されているが、信号の高速処理が必要となるため高価になっている。
【0009】
特許文献1に記載されている従来技術の場合、FM−CWの掃引周波数を1.5GHz、掃引周波数時間3msにすれば、近距離でのビート周期により距離を推定できる。しかし絶対距離を測定することはできないため以上の課題を解決するために、たとえば、レーザーによる三角測量などの方式を併用しなければならず、コスト高となり低価格では課題を解決しにくい。
【0010】
その他2周波を用いるCWの方式の場合、ドップラー効果を利用しているため対象物体が静止しているいわゆる対象物体速度がゼロの状態の時の距離検出は原理上不可能となる。パルス式のドップラー方式においても、測定目標物までの距離の検出精度を確保するには、例えば1ps程度の短いパルス幅が必要となるため、時間軸に対して短いパルス波形を処理するため回路が高価になってしまう。
【0011】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、安価な構成で近距離内の物体(対象物)の有無を正確に検知できる近距離センサを提供することを技術的課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために講じた技術的手段は、第1発信器に接続され、電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、前記波動送信手段とは隔てて配置され、前記波動送信手段から送信されて対象物に反射された前記電磁波あるいは前記音波を受信すると共に、前記波動送信手段から送信されて漏れた前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段と、前記波動受信手段が受信した前記電磁波あるいは前記音波の有無を検出する検波手段とを備え、前記波動受信手段による前記電磁はあるいは前記音波の受信を前記検波手段が検出した状態にあっては、該波動受信手段から所定距離内に前記対象物が接近していないと判別するとともに、前記対象物の前記波動受信手段への接近にともない発生する定在波に起因して前記波動受信手段が前記波動送信手段から送信された前記電磁波あるいは前記音波を受信しなくなったことを前記検波手段が検出したとき、前記波動受信手段から所定距離内に前記対象物が接近したことを判別するように構成したことである。
【0013】
上記した手段によれば、波動送信手段から送信された電磁波あるいは音波は、対象物に反射して波動受信手段により受信される。また、波動送信手段から送信されて漏れた電磁波あるいは音波も波動受信手段により受信される。
【0014】
対象物の波動受信手段への接近にともない、波動送信手段から漏れる電磁波または音波と対象物に反射される電磁波または音波との相互作用により定在波が発生し、波動受信手段が波動送信手段から送信された電磁波あるいは音波を受信しなくなる。その状態が検波手段により検出され、波動受信手段から所定距離内に対象物が接近したことが判別される。従って、安価な構成で近距離内の対象物の有無を正確に検知できる。
【0015】
さらに請求項2において講じた技術的手段は、前記波動受信手段が受信した信号は、前記波動受信手段に接続される第1混合器および該第1混合器と接続される第2発振器でダウンコンバートされるようにしたことである。
【0016】
上記した手段によれば、波動受信手段で受信した電磁波信号をダウンコンバートすると、たとえば、マイクロ波よりも波長の短い周波数を使用する場合、技術的に容易に低ノイズ化や低コスト化が図れる。
【0017】
さらに請求項3において講じた技術的手段は、前記検波手段を前記第1混合器の出力側に接続し、前記検波手段を、ダイオード検波回路であるか、FFT変換されるか、もしくは前記検波手段の入力側に配置される電圧制御発信器を経て出力されるS字信号を所定のしきい値で判別するように構成したことである。
【0018】
上記した手段によれば、以下のような作用を呈する。まずダイオード検波回路の場合、検波手段に入力される電圧もしくは電力を実効値に変換する。またFFT変換を行なう場合は、入力される変位信号をディジタル変換する場合でもアナログ変換する場合でも、安価に変換を行なうことができる。また別にS字信号を所定しきい値で判定する場合、電圧制御発振器から出力される信号を混合して位相同調することで、検波を行なう信号からS字信号が出力される。この方式では、外乱あるいは熱的要因、もしくは、生産に起因する周波数要因に対して、スイープ変動する周波数偏移を許容することができる。
【0021】
さらに請求項4において講じた技術的手段は、波動受信手段を複数配列したことである。
【0022】
上記した手段によれば、波動受信手段を複数配列することで、対象物の位置検出を行なうセンサを構成することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図1のブロック図に基づいて構成を説明する。以降の説明においては、超音波を含む音波の電気的処理の方法は音−電気変換装置を用いれば電磁波を扱うのと等価であるため、電磁波を代表として説明する。
【0024】
送信アンテナ1は送信発振器3と電気的に接続されており、電磁波あるいは音波が送信されるように構成されている。送信された電磁波は、対象物11で反射し、送信アンテナ1の近くに配置された受信アンテナ2に戻って受信される。受信アンテナ2には以上の対象物11で反射される電磁波のほかに、送信アンテナ1から送信された電磁波が漏れて直接受信アンテナ2に受信されている。これらの電磁波信号は、第1発振器5で生成される信号と第1ミキサ4で混合される。さらにこれらの信号にV.C.O.7(電圧制御発振器)でスイープされるV.C.O.信号が第2ミキサ6で混合された後、検波器8で検波される。この検波器8を通った信号はS字信号となり、S字信号の有無がS字信号判別器9で判別される。
【0025】
つぎに本発明の実施の形態における動作について説明する。送信アンテナ1から送信される電磁波は対象物11で反射して再び受信アンテナ2で受信されるとともに、送信アンテナ1から漏れた電磁波も同時に受信アンテナ2で受信されている。これらの信号は、第1発振器5の信号と第1ミキサ4で混合されてダウンコンバートされる。さらにこれらダウンコンバートされた信号とV.C.O.7のスイープされたV.C.O.信号を混合した信号を位相同調することで検波する検波器8からS字信号が出力される。
【0026】
V.C.O.7では通常、送信アンテナ1からのリーク信号(漏れた電磁波信号)を受信しており、検波器8からS字信号を検出できる。しかし送信アンテナ1と受信アンテナ2の間に対象物11が近づくと、所定距離でその間の空間に定在波が発生するようになる。この定在波が発生すると、送信アンテナ1から送信された電磁波が受信アンテナ2に伝達できなくなり、検波器8からS字信号がで出なくなる。このときS字信号をS字信号判別器9で計測すれば対象物11の有無が判別できる。以上の方法による対象物11の有無判別に替わって、受信アンテナ2で受信される漏れ電磁波信号をしきい値を設けて判定することで、対象物11の有無を判別することも可能である。
【0027】
送信信号に用いる信号は、搬送波でもよいし変調しても同じ効果が得られる。また図1の受信の構成については、ダブルスーパーヘテロダインで構成されているが、V.C.O.を使用してS字信号の変化を判別できる回路とすれば、どのような回路でも同じ効果を有する。また以上説明した検波器8の機能は、本願発明の請求項1の機能を満足すれば、上記構成には限定されない。
【0028】
実際の対象物の検出については、たとえば、送信される電磁波の周波数を10.525GHZ、送信出力10mW、増幅を15dBとすると、およそ15cmで対象物を検出することができる。一般に、対象物の反射率、増幅器の出力、およびアンテナの利得で測定距離が決定される。この対象物の検出距離(測定範囲)は、送信出力とアンテナ利得および増幅器のアンプ利得および検波S/N比を合算した受信感度で左右される。さらに詳しく言うと、ダウンコンバートしたのちの検波能力に左右される。
【0029】
図2示のように受信器を複数としてマトリックス構成にすると反射物が受信器の所定位置まで近づくことで定在波が発生して受信器は受信できなくなる。このときこの受信状態を検知することで、反射物の位置を検出できる。以上のように構成すれば、非接触の近接スイッチの代替機能を果たすので、ポインティングデバイスや移動物の検知センサに応用することが可能となる。
【0030】
本発明によれば、対象物の波動受信手段への接近にともない、波動送信手段から漏れる電磁波または音波と対象物に反射される電磁波または音波との相互作用により定在波が発生し、波動受信手段が波動送信手段から送信された電磁波あるいは音波を受信しなくなる。その状態が検波手段により検出され、波動受信手段から所定距離内に対象物が接近したことが判別される。従って、安価な構成で近距離内の対象物の有無を高精度に検知できる。
【0031】
そして波動受信手段が受信した信号はダウンコンバートされるので、波動受信手段で受信した電磁波信号をダウンコンバートすると、たとえば、マイクロ波よりも波長の短い周波数を使用する場合、技術的に容易に低ノイズ化や低コスト化が図れる。
【0032】
また波動受信手段を複数配列することで、対象物の位置検出を行なうセンサを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における近距離センサでの構成を示す概略図である。
【図2】図1の本発明を応用した位置センサの実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
1:送信アンテナ(波動送信手段)
2:受信アンテナ(波動受信手段)
3:送信発振器(第1発振器)
4:第1ミキサー(第1混合器)
5:第1発振器(第2発振器)
6:第2ミキサー
7:V.C.O.(電圧制御発振器)
8:検波器
9:S字信号判別器
10:制御回路
11:対象物(反射物)
Claims (4)
- 第1発信器に接続され、電磁波あるいは超音波を含む音波を送信する波動送信手段と、
前記波動送信手段とは隔てて配置され、前記波動送信手段から送信されて対象物に反射された前記電磁波あるいは前記音波を受信すると共に、前記波動送信手段から送信されて漏れた前記電磁波あるいは前記音波を受信する波動受信手段と、
前記波動受信手段が受信した前記電磁波あるいは前記音波の有無を検出する検波手段とを備え、
前記波動受信手段による前記電磁はあるいは前記音波の受信を前記検波手段が検出した状態にあっては、該波動受信手段から所定距離内に前記対象物が接近していないと判別するとともに、
前記対象物の前記波動受信手段への接近にともない発生する定在波に起因して前記波動受信手段が前記波動送信手段から送信された前記電磁波あるいは前記音波を受信しなくなったことを前記検波手段が検出したとき、前記波動受信手段から所定距離内に前記対象物が接近したことを判別するように構成されてなる、近距離センサ。 - 前記波動受信手段が受信した信号は、前記波動受信手段に接続される第1混合器および該第1混合器と接続される第2発信器でダウンコンバートされること、を特徴とする請求項1に記載の近距離センサ。
- 前記検波手段は前記第1混合器の出力側に接続され、前記検波手段は、ダイオード検波回路であるか、FFT変換されるか、もしくは前記検波手段の入力側に配置される電圧制御発信器を経て出力されるS字信号を所定のしきい値で判別する、ことを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載の近距離センサ。
- 前記波動受信手段は複数配列されること、を特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の近距離センサ。
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