JP4333423B2 - 応答器、質問器、及び姿勢判別システム - Google Patents

Description

本発明は、応答器と質問器とを備えた無線通信システムに関し、特に、質問器からの質問信号に応じて応答器から返信された応答信号に基づき、質問器が応答器の存在を検知する無線通信システム等の技術分野に関する。

この種の無線通信システムでは、質問器が応答器との信号のやりとりによって当該応答器の存在の検知が可能になっており、更に、例えば、特許文献１に開示されているシステムにおいては、移動体識別装置が、移動体に付属の応答器からの応答信号から検波信号を抽出し、その検波信号の受信レベルをもとに、上記移動体までの距離を推定することが可能になっている。

また、従来から、ＵＷＢ（Ultra Wideband）の無線通信システムが知られており、かかるシステムにおいては、例えば１ｎｓ（ナノ秒）以下のインパルス状のパルス信号を用いて、数ＧＨｚにわたる超広帯域幅でＵＷＢ無線通信を行うことが可能になっている。このようなＵＷＢ無線通信では、公知のパルス位置変調（ＰＰＭ）によって搬送すべき情報を符号化して無線通信を行って応答器までの測距も可能である。
特許第３３９５４０３号公報

しかしながら、従来の無線通信システムにおいては、質問器から応答器の存在や、当該応答器まで距離を検知することは可能であったが、質問器から見た当該応答器の向き等の応答器の姿勢を検知できるものは存在しなかった。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、質問器に対する応答器の姿勢を判別することが可能な応答器、質問器、及び姿勢判別システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、応答器と質問器を備える姿勢判別システムであって、前記応答器は、広帯域アンテナにより受信されたパルス信号を用いて応答信号を生成する応答信号生成手段と、前記広帯域アンテナにより受信されたパルス信号を前記広帯域アンテナから前記応答信号生成手段に伝送し且つ前記生成された応答信号を前記生成手段から前記広帯域アンテナに伝送する伝送手段と、前記パルス信号を受信し且つ前記生成された応答信号を返信する前記広帯域アンテナと、を有する要素応答器を複数備え、少なくとも何れか２つの前記要素応答器における伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さは、互いに異なるものであって、当該２つの前記要素応答器における伝送手段の前記換算長さの差は、当該２つの要素応答器のアンテナ間隔より大きくなっており、前記質問器は、前記パルス信号を生成するパルス信号生成手段と、前記生成されたパルス信号を前記応答器に対して送信し且つ当該応答器からの前記パルス信号に対応する前記応答信号を受信する広帯域アンテナと、前記受信された応答信号を検出する応答信号検出手段と、前記検出された少なくとも２つの前記応答信号の検出タイミングの時間差を検出する検出タイミング差検出手段と、複数段階に設定された各基準量と、前記応答器の複数の姿勢のうちの各姿勢との対応関係を示す対応付けテーブルを記憶する記憶手段と、前記質問器に対する、前記応答器の基準線の傾き状態及びその基準線上における端点によって指し示される方向を、前記応答器の姿勢として判別する姿勢判別手段と、を備え、前記姿勢判別手段は、前記対応付けテーブルに基づいて、前記複数段階に設定された各基準量のうち、前記検出された検出タイミングの時間差に該当する基準量を判別し、当該判別した基準量に対応する前記応答器の姿勢を判別することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、質問器に対する各要素応答器までの距離が互いに異なれば、各要素応答器からの応答信号の返信タイミングに時間差が生じるので、質問器は、当該時間差に基づいて、応答器の姿勢を簡単に判別でき、例えば応答器が取り付けられた対象物の状態を検知することができる。さらに、上記伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さに基づく上記差が、上記アンテナ間隔より大きいように構成したので、より正確に各応答信号の重なりを防止することができ、伝送手段の長さを短くでき、小型化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の姿勢判別システムにおいて、複数の前記要素応答器のうち伝送手段の長さが最小となる要素応答器の当該伝送手段の長さは、当該最小となる要素応答器を含む何れか２つの前記要素応答器のアンテナ間隔より大きいことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、伝送手段の長さが最小となる要素応答器の当該伝送手段の長さは、上記アンテナ間隔より大きいように構成したので、応答器から反射される反射信号と、上記応答信号との重なりを防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の姿勢判別システムにおいて、複数の前記要素応答器のうち伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さが最小となる要素応答器の当該伝送手段の換算長さは、当該最小となる要素応答器を含む何れか２つの前記要素応答器のアンテナ間隔より大きいことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、上記伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さが、上記アンテナ間隔より大きいように構成したので、より正確に反射信号と応答信号の重なりを防止することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、前記応答信号生成手段は、前記伝送手段の特性インピーダンスとは異なったインピーダンスを有し、前記パルス信号を反射することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、パルス信号を反射させるための簡単な構成にすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、前記応答信号生成手段は、前記伝送手段を短絡あるいは開放する手段であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、短絡、開放すれば良いので、伝送手段の長さを短くでき、構成が簡単かつ小型化することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の姿勢判別システムにおいて、少なくとも何れか１つの前記要素応答器の応答信号生成手段におけるパルス反射係数は、可変であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、質問器の検出範囲内に複数の応答器が存在した場合であっても、各応答器のパルス反射係数を互いに異ならせることができ、これにより、各応答器を区別することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、少なくとも何れか１つの前記要素応答器の伝送手段は、屈曲部を有することを特徴とする。従って、応答器の小型化を図ることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、少なくとも何れか２つの前記要素応答器の伝送手段は、当該２つの要素応答器が対向する側に設けられていることを特徴とする。従って、応答器の小型化を図ることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、少なくとも何れか２つの前記要素応答器の広帯域アンテナにおける給電点は、夫々、アンテナエレメント中心軸に垂直な軸線上に位置していることを特徴とする。従って、応答器の小型化を図ることができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、少なくとも何れか２つの前記要素応答器の広帯域アンテナにおける給電点は、夫々、アンテナエレメント中心軸の軸線上に位置していることを特徴とする。従って、応答器の小型化を図ることができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、前記質問器は、クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、前記生成されたクロック信号に対して第１変調処理を施す第１変調手段と、前記生成されたクロック信号に対して第２変調処理を施す第２変調手段と、前記第２変調処理が施されたクロック信号に基づいて参照信号を生成する参照信号生成手段と、を更に備え、前記パルス信号生成手段は、前記第１変調処理が施されたクロック信号に基づいて前記パルス信号を生成し、前記応答信号検出手段は、前記受信された応答信号と前記生成された参照信号との相関を求めることにより前記応答信号を検出することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の姿勢判別システムにおいて、前記第１及び第２変調手段は、連続する前記クロック信号の間隔を変化させることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１１に記載の姿勢判別システムにおいて、擬似ランダム符号を生成する擬似ランダム符号生成手段を更に備え、前記第１及び第２変調手段は、前記生成された擬似ランダム符号に基づいて前記クロック信号に対して変調処理を施すことを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の姿勢判別システムに用いられる応答器である。また、請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の姿勢判別システムに用いられる質問器である。

本発明によれば、質問器により応答器の姿勢、例えば当該応答器の傾き状態を簡単に判別することができる。

以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、無線通信システムに対して本発明を適用した場合の実施形態である。

始めに、図１を参照して、本発明の姿勢判別システムの一実施形態である無線通信システムの構成及び機能について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る無線通信システムの概要構成例を示す図である。

図１に示すように、無線通信システムＳは、質問器１と、応答器２とを備えて構成されており、上述したＵＷＢ無線通信にて用いられるようなパルス信号（パルス波）を用いて質問器１と応答器２との間で無線通信を行うようになっている。

より具体的には、質問器１は、パルス幅が例えば１ｎｓ（ナノ秒）以下のパルス信号を生成し、これを質問信号Ｓ_Qとして、検出範囲内に存在する応答器２に対して送信（送出）する。これに対し、応答器２は、質問器１から送り出され、空間（例えば、空気中）又はパルス波を伝搬可能な媒体等の伝搬媒体を伝搬してきた質問信号Ｓ_Qを受信して、当該質問信号Ｓ_Qに対応する応答信号Ｓ_Rを生成し、これを質問器１に対して返信する。そして、質問器１は、応答器２から返信され、上記伝搬媒体を伝搬してきた応答信号Ｓ_Rを受信し、これを検出する。

このような無線通信システムＳにおいて、応答信号Ｓ_Rに基づき、質問器１に対する（質問器１から見た）応答器２の姿勢が判別されるようになっている。

ここで、図２を参照して、質問器１に対する応答器２の姿勢について説明する。なお、図２は、質問器１に対する応答器２の姿勢の態様例を示す図である。

質問器１に対する応答器２の姿勢とは、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すような、質問器１の基準点Ｐに対する（基準点Ｐから見た）応答器２の基準線Ｋ１の傾き状態を意味するものである。なお、基準点Ｐ及び基準線Ｋ１は、任意であるものとし、どの部分に設定してもよい。

更に、この応答器２の基準線Ｋ１の傾き状態には、応答器２の向き、言い換えれば、当該応答器２の基準線Ｋ１及びその基準線Ｋ１上における端点Ｘ（他方の端点Ｙでもよい）によって指し示される方向（以下、「Ｘ矢印方向」という）も含まれる。例えば、図２（Ｂ）の態様例では、Ｘ矢印方向は紙面の右斜下方向であるのに対し、図２（Ｃ）の態様例ではＸ矢印方向は紙面の右斜上方向である点で異なっている。

質問器１は、応答信号Ｓ_Rに基づき、このような応答器２の姿勢の判別が可能となっている。そして、応答器２は、例えば、所定の対象物に取り付けられる（例えば、応答器２が対象物に接着されたり、応答器２が対象物上に形成（印刷も含む）される）ことになり、これにより、当該対象物の状態の判別が可能となる。かかる対象物として、例えば、ケーブル、配管、取っ手、レバー、バルブ、ロボットのアームなど、姿勢（状態）判別の対象となる様々な物体が挙げられる。

図３は、対象物としての配管に取り付けられた応答器２の一例を示す図であり、図４は、対象物としてのレバーに取り付けられた応答器２の一例を示す図である。また、図３（Ａ）は、配管５１が正常状態を示し、図３（Ｂ）は、配管５１が異常（変形等）状態を示している。また、図４（Ａ）は、レバー５２の閉状態を示し、図４（Ｂ）は、レバー５２の開状態を示している。質問器１が応答器２の姿勢を判別することにより、このような対象物の状態判別（配管５１が正常又は異常であるか、レバー５２が閉又は開であるか）が可能になる。

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態に係る応答器２の構成及び機能について図５を参照して説明する。なお、図５は、第１の実施形態に係る応答器２の概要構成例を示す図である。

図５に示すように、応答器２は、要素応答器としての反射器を複数（ここでは、一例として２つの反射器２１及び２２）備えて構成されており、反射器２１は、夫々、広帯域（例えば、占有周波数帯幅が６ＧＨｚを超える帯域幅）アンテナ２１ａと、応答信号生成手段としての負荷２１ｂと、伝送手段としての伝送路２１ｃと、を備えている。同様に、反射器２２は、夫々、広帯域アンテナ２２ａと、負荷２２ｂと、伝送路２２ｃと、を備えている。

また、図５の例では、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａ、負荷２１ｂ及び２２ｂ、伝送路２１ｃ及び２２ｃは、夫々、基材２３の表面上に形成されており、更に、これらの構成要素は、例えば透明カバー（図示せず）により覆われている。

広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａは、対称をなす２つのアンテナエレメント（広帯域アンテナ２１ａでは、アンテナエレメント２１１及び２１２）から構成されており、質問器１からのパルス信号である質問信号Ｓ_Qを受信し且つ当該質問信号Ｓ_Qに対応する応答信号Ｓ_Rを質問器１に対して返信するようになっている。

また、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにおける給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）及び２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）は、夫々、アンテナエレメント中心軸Ｖに垂直な軸線Ｈ上に位置しており、これによって、応答器２の小型化が図られている。

なお、本実施形態においては、広帯域アンテナ２１ａにおける給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）と、広帯域アンテナ２２ａにおける給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）を結ぶ線を基準線Ｋ１とし、給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）を端点Ｘとして定義する。

また、本実施形態においては、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａは、夫々、微分特性を有している。

また、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにより質問信号Ｓ_Qが受信されると、当該広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａに電流が誘導され、当該電流の一部で質問信号Ｓ_Qが反射信号Ｓ_Fとして反射されることになる。

負荷２１ｂ，２２ｂは、広帯域アンテナ２１ａ，２２ａにより受信され、伝送路２１ｃ，２２ｃを伝送（伝搬）してきた質問信号Ｓ_Qを用いて応答信号Ｓ_Rを生成し当該応答信号Ｓ_Rを伝送路２１ｃ，２２ｃに送り出す、例えば、質問信号Ｓ_Qを所定のパルス反射係数で反射することにより応答信号Ｓ_Rを生成して伝送路２１ｃ，２２ｃに送り出すようになっている。

この負荷２１ｂ及び２２ｂのパルス反射係数は、開放負荷、短絡負荷、及び整合負荷等の負荷の種類によって異なる。例えば、開放負荷のパルス反射係数と短絡負荷のパルス反射係数は、互いに極性が逆であり、開放負荷の場合は、質問信号Ｓ_Qがそのまま応答信号Ｓ_Rとして生成される（つまり、質問信号Ｓ_Qと応答信号Ｓ_Rとは同極性）ことになり、短絡負荷の場合は、質問信号Ｓ_Qが反転して応答信号Ｓ_Rとして生成される（つまり、質問信号Ｓ_Qと応答信号Ｓ_Rとは逆極性）ことになる。また、整合負荷の場合、インピーダンスの整合によりパルス反射係数は「０」となるので、質問信号Ｓ_Qは反射されず、振幅がない応答信号Ｓ_Rとして生成されることになる。このように、負荷２１ｂ及び２２ｂの種類に応じてパルス反射係数は変化する（可変）が、第１の実施形態においては、開放負荷固定として説明する。

また、図５の例では、反射器２１の負荷２１ｂ、及び反射器２２の負荷２２ｂの双方共、開放負荷になっているが、負荷２１ｂと負荷２２ｂの一方が開放負荷で他方が短絡負荷であってもよいし、また、一方が整合負荷で他方が開放負荷（又は短絡負荷）であってもよい。

伝送路２１ｃ及び２２ｃは、予め設定された長さを有し、例えば金属等の導体で構成された平行２線のコブレーナストリップラインや、一方をストリップライン、他方を地板とし、間に誘電体を挟んでマイクロストリップラインとして基材２３上に形成されている。また、高誘電率の基板に作成されたマイクロストリップラインとすると、伝送路を短くすることができる。また、伝送路２１ｃ及び２２ｃは、夫々、上記設定された長さにおいて特性インピーダンスが一定となっている。

なお、伝送路の長さという場合、各アンテナにおける給電点から各負荷までの間隔をいう。

そして、伝送路２１ｃ，２２ｃは、広帯域アンテナ２１ａ，２２ａにより受信された質問信号Ｓ_Qを広帯域アンテナ２１ａ，２２ａから負荷２１ｂ，２２ｂに伝送し且つ生成された上記応答信号Ｓ_Rを負荷２１ｂ，２２ｂから広帯域アンテナ２１ａ，２２ａに伝送するようになっている。

また、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃは、反射器２１と反射器２２が対向する側に設けられており、これによって、応答器２の小型化が図られている。

また、図５に示すように、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さは、互いに異なっており、このように伝送路の長さを異ならしめることによって、広帯域アンテナ２１ａからの応答信号Ｓ_Rの返信タイミングと、広帯域アンテナ２２ａからの応答信号Ｓ_Rの返信タイミングに時間差が与えられている。つまり、かかる返信タイミングの時間差は、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差による（起因する）ものであるということができる。

また、長い方の伝送路２２ｃは、屈曲部２２４を有している。この屈曲部２２４を設けることによって、屈曲部２２４がない場合に比べて応答器２の小型化を図ることができる。

また、上記応答信号Ｓ_Rの返信タイミングの時間差は、広帯域アンテナ２１ａによる質問信号Ｓ_Qの受信タイミングと、広帯域アンテナ２２ａによる質問信号Ｓ_Qの受信タイミングの時間差にも影響される。例えば、仮に、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃが同一の長さであった場合、かかる受信タイミングの時間差は、上記返信タイミングの時間差と等しくなる。

また、上記受信タイミングの時間差（又は、上記返信タイミングの時間差）は、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔（つまり、広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）と広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）との間隔）に起因することになる。例えば、図２（Ｃ）に示すように応答器２が傾くことにより、質問器１（例えば、図２（Ｃ）中の基準点Ｐ）から広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）（例えば、図２（Ｃ）中の端点Ｙ）までの距離と、当該質問器１から広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）（例えば、図２（Ｃ）中の端点Ｘ）までの距離とに距離差が生じることになれば、その距離差に相当する分だけ受信タイミングの時間差が生じ、更に、上記返信タイミングの時間差も生じる。これらの時間差は、応答器２の傾きが同じであっても、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔が短い場合より長い場合の方が大きくなる。従って、返信タイミングの時間差は、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔による（起因する）ものとなる。

また、このような距離差は、広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）と広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）が共に、質問器１のある一点（例えば、図２（Ｃ）中の基準点Ｐ）から伸びた直線上に位置する場合（例えば、図２（Ｄ）又は（Ｅ））に最大となり、かかる場合が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔に起因する上記返信タイミングの時間差が最大となる。

ここで、応答信号Ｓ_Rの返信タイミングの時間差について図２及び図６を参照して更に詳しく説明する。なお、図６は、第１の実施形態に係る反射器２１及び２２から返信される反射信号と応答信号の返信タイミングの一例を示す図である。また、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示す返信タイミングは、夫々、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示す応答器２の姿勢に対応している。

なお、図６（Ａ）〜（Ｅ）における反射信号と応答信号の信号波形については、説明の便宜上、簡略化している（実際の波形とは異なる）。

先ず、例えば応答器２が図２（Ａ）に示す姿勢にある場合、質問器１からの質問信号Ｓ_Qの受信タイミングは、反射器２１（広帯域アンテナ２１ａ）と反射器２２（広帯域アンテナ２２ａ）とで同じであるので、図６（Ａ）に示すように反射器２１からの反射信号Ｓ_F1の返信タイミングと反射器２２からの反射信号Ｓ_F2の返信タイミングとは同じになり、反射信号の質問器１での受信タイミングも図６（Ａ）のように同じとなる。また、図６（Ａ）において、反射器２１の伝送路２１ｃの長さの２倍分の時間だけ、応答信号Ｓ_R1の返信タイミングが反射信号Ｓ_F1の返信タイミングよりも遅れており、質問器１での受信タイミングにも時間差Ｔx1が生じている（反射器２２についても同様であり、この場合、質問器１での受信タイミングの時間差Ｔx2が生じている）。そして、反射器２１からの応答信号Ｓ_R1の返信タイミングと反射器２２からの応答信号Ｓ_R2の返信タイミングとは異なっており、質問器１での応答信号の受信タイミングの時間差Ｔdr1が生じている。この時間差Ｔdr1は、純粋に、反射器２１の伝送路２１ｃと、反射器２２の伝送路２２ｃの長さの差によるものである。

次に、例えば応答器２が図２（Ｂ）に示す姿勢にある場合、質問器１からの質問信号Ｓ_Qの受信タイミングは、反射器２１（広帯域アンテナ２１ａ）と反射器２２（広帯域アンテナ２２ａ）とで異なる（反射器２２が反射器２１よりも質問信号Ｓ_Qを早く受信する）ので、図６（Ｂ）に示すように反射器２１からの反射信号Ｓ_F1の返信タイミングと反射器２２からの反射信号Ｓ_F2の返信タイミングとは異なっており、反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy2が生じている。この反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy2が生じることにより、応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr2は、図６（Ａ）における応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr1よりも短くなっている（Ｔdr1＝Ｔdy2＋Ｔdr2となる）。従って、この時間差Ｔdr2は、反射器２１の伝送路２１ｃと反射器２２の伝送路２２ｃの長さの差と、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔によるものである。

次に、例えば応答器２が図２（Ｃ）に示す姿勢にある場合、図２（Ｂ）の場合とは逆に、反射器２１が反射器２２よりも質問信号Ｓ_Qを早く受信し、図６（Ｃ）に示すように反射信号Ｓ_F1とＳ_F2の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy3が生じている。この反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy3が生じることにより、応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr3は、図６（Ａ）における応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr1よりも長くなっている（Ｔdr1＝Ｔdr3−Ｔdy3となる）。従って、この時間差Ｔdr3も、反射器２１の伝送路２１ｃと反射器２２の伝送路２２ｃの長さの差と、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔によるものである。

次に、例えば応答器２が図２（Ｄ）に示す姿勢にある場合、図６（Ｄ）に示すように反射信号Ｓ_F1とＳ_F2の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy4は、図６（Ｂ）の場合の反射信号Ｓ_F1とＳ_F2の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy2よりも大きくなるので、応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr4は、図６（Ｂ）における応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr2よりも短くなり、応答信号Ｓ_R1と応答信号Ｓ_R2は、その質問器１での受信タイミングが最も接近することになる。また、応答器２が図２（Ｄ）に示す姿勢にある場合における図６（Ｄ）に示す反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy4が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔に起因する質問器１での受信タイミングの最大時間差となる。

次に、例えば応答器２が図２（Ｅ）に示す姿勢にある場合、図６（Ｅ）に示すように反射信号Ｓ_F1とＳ_F2の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy5は、図６（Ｃ）の場合の反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy3よりも大きくなるので、応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr5は、図６（Ｃ）における応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr3よりも長くなり、応答信号Ｓ_R1と応答信号Ｓ_R2は、その質問器１での受信タイミングが最も遠ざかることになる。また、応答器２が図２（Ｅ）に示す姿勢にある場合における図６（Ｅ）に示す反射信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdy5も、図６（Ｄ）に示す時間差Ｔdy4と同様、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔に起因する質問器１での受信タイミングの最大時間差となる。

このように応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差（Ｔdr1,Ｔdr2,Ｔdr3・・・）は、応答器２の姿勢により変わる（依存する）ため、質問器１においては、かかる時間差に対応する検出タイミングの時間差を検出することにより、応答器２の姿勢（応答器２の基準線Ｋ１の傾き状態及び応答器２のＸ矢印方向を含む）を判別することが可能となる。

しかし、例えば図２（Ａ）の例において、質問器１の基準点Ｐから応答器２の基準線Ｋ１に垂直に伸ばした直線を境界として対称となる方向、例えば、応答器２のＸ矢印方向が左方向である場合と右方向である場合や、左斜め下方向である場合と右斜め下方向である場合については、応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差は同じになるので、この方向の違いの判別はできない。つまり、本実施形態における応答器２の姿勢判別では、質問器１の基準点Ｐから応答器２の基準線Ｋ１に垂直に伸ばした直線を境界とする２つの領域（例えば、左右の領域）のうち何れか一方の領域を判別対象として固定する必要があるため、図５に示すように、印刷等により方向マーク２３ａを基材２３上に表示させ、応答器２の使用者が対象物に当該応答器２を取り付ける際の目印としている。

ところで、質問器１においては、上記応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差を検出する必要があるため、反射信号と応答信号、及び応答信号どうしの全部又は一部重なることは好ましくない。このような信号の重なりは、反射器２１の伝送路２１ｃの長さ及び反射器２２の伝送路２２ｃの長さに起因するものであるため、本実施形態においては、かかる点を考慮して、以下に説明するように、伝送路２１ｃ及び伝送路２２ｃの長さを規定している。

第一に、反射信号Ｓ_F1と応答信号Ｓ_R1（又は、反射信号Ｓ_F2と応答信号Ｓ_R2）が重ならないようにするため、伝送路２１ｃ（又は伝送路２２ｃ）の長さが下記（１）式を満たすように規定される。

伝送路の長さ≧信号の伝搬速度×信号のパルス幅／２・・・（１）
ここで、信号の伝搬速度とは、伝送路２１ｃ（又は伝送路２２ｃ）を伝搬（伝送）する応答信号等の伝搬速度を意味し、信号のパルス幅とは、伝送路２１ｃ（又は伝送路２２ｃ）を伝搬（伝送）する応答信号等のパルス幅を意味する。信号のパルス幅の１／２としているのは、信号（質問信号と応答信号を総称）が伝送路２１ｃ（又は伝送路２２ｃ）を往復することを考慮したものである。

第二に、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差に起因する上記応答信号Ｓ_R1とＳ_R2の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr1が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔に起因する上記質問器１での受信タイミングの最大時間差Ｔdy4より大きくなるように、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さが規定される必要がある。例えば、図６（Ａ）における、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差に起因する上記応答信号の返信タイミングの時間差Ｔdx1が、図６（Ｄ）における、アンテナ間隔に起因する上記返信タイミングの最大時間差Ｔdy4よりも小さいと、図６（Ｄ）の場合において、応答信号Ｓ_R1と応答信号Ｓ_R2の全部又は一部が重なることになる。従って、このような重なりが生じないように、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔よりも大きく（長く）なるように構成される。

なお、反射器２１と反射器２２のアンテナ間は自由空間であるのに対し、伝送路２１ｃ及び伝送路２２ｃは金属等の導体が誘電体基板に形成され、更に、誘電体のカバーで覆われたものであるため、自由空間と導体とで信号の伝送速度に基板やカバーの誘電率の影響により違いが生じることになる。従って、例えば下記（２）式により上記伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さの差に起因する上記応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr1が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔に起因する上記質問器１での受信タイミングの最大時間差Ｔdy4より大きくなるように、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さが規定されるようにすれば、より好ましい。かかる点を考慮する場合、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの上記換算長さの差が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔よりも大きく（長く）なるように構成される。

換算長さ＝ΔＬ×√ε・・・（２）
ここで、ΔＬは、伝送路の実際の長さ差を意味し、εは、基材２３及びカバーの実効比誘電率を意味する。

これにより、自由空間をアンテナ間隔分往復することで生じる質問器１での受信信号の時間差より伝送路を往復して生じる質問器１での受信信号の時間差が大きくなり、応答信号Ｓ_R1と応答信号Ｓ_R2が重なることはない。

次に、第１の実施形態に係る質問器１の構成及び機能について図７を参照して説明する。なお、図７は、第１の実施形態に係る質問器１の概要構成例を示す図である。

図７に示すように、質問器１は、クロック信号生成手段としてのクロック発振器１１と、第１変調手段としての遅延器１２と、パルス信号生成手段としてのパルス発生器１３と、質問信号送信用の広帯域（例えば、周波数帯幅が６ＧＨｚを超える帯域幅）アンテナ１４と、第２変調手段としての遅延器１５と、参照信号生成手段としてのテンプレートパルス発生器１６と、応答信号受信用の広帯域アンテナ（例えば、周波数帯幅が６ＧＨｚを超える帯域幅）１７と、応答信号検出手段としての相関器１８と、検出タイミング差検出手段としての遅延量検出器１９と、姿勢判別手段としての制御器２０と、を備えている。

クロック発振器１１は、クロック発振することによって、クロック信号を生成し、遅延器１２及び遅延器１５に出力するようになっている。

遅延器１２は、クロック発振器１１からのクロック信号に対して変調処理を施すようになっており、例えば、制御器２０からの指示に基づき、当該クロック信号を所定時間遅延させ（つまり、連続するクロック信号の間隔を変化させ（間隔変調））た後、その変調処理が施されたクロック信号をパルス発生器１３に出力する。

また、遅延器１５も、クロック発振器１１からのクロック信号に対して遅延器１２と同様の変調処理を施すようになっており、例えば、制御器２０からの指示に基づき、当該クロック信号を所定時間遅延させた後、その変調処理が施されたクロック信号をテンプレート発生器１６に出力する。

なお、質問器１に、擬似ランダム符号を生成する擬似ランダム符号生成手段としての擬似ランダム符号発生器を備えさせ、遅延器１２及び遅延器１５は、これにより生成（発生）された擬似ランダム符号に基づき、当該クロック信号を擬似ランダムな遅延をさせるように構成してもよい。

パルス発生器１３は、遅延器１５からの変調処理が施されたクロック信号をパルスに整形（例えばパルス幅が１ｎｓ（ナノ秒）以下）してパルス信号を生成（発生）して広帯域アンテナ１４に出力し、広帯域アンテナ１４は、かかるパルス信号を質問信号Ｓ_Qとして応答器１に対して送信（送出）するようになっている。なお、本実施形態においては、広帯域アンテナ１４は、微分特性を有している。

テンプレートパルス発生器１６は、遅延器１５からの変調処理が施されたクロック信号をパルスに整形してパルス信号を生成（発生）し、かかるパルス信号（パルス発生器１３にて生成されたパルス信号と同じ波形）に基づき参照信号を生成（例えば、かかるパルス信号に対し所定回数微分処理を施したり、応答器２の伝送路２１ｃ及び２２ｃに応じた波形整形を行って生成）して相関器１８に出力するようになっている。生成された参照信号は、例えば、相関器１８において参照信号と応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2との相関がとれるタイミングを見計らって出力される（かかるタイミングは、遅延器１５により調整する（例えば参照信号を当該タイミングまで遅延させる）ようにしてもよい）。

広帯域アンテナ１７は、応答器２からの反射信号Ｓ_F1，Ｓ_F2及び応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2を受信し、相関器１８に出力する。なお、本実施形態においては、広帯域アンテナ１７は、微分特性を有している。

相関器１８は、テンプレートパルス発生器１６からの参照信号と、広帯域アンテナ１７からの応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2との相関を求める（つまり、参照信号と応答信号とを比較）ことにより応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2を検出し、その相関信号（比較信号）を遅延量検出器１９に出力するようになっている。

遅延量検出器１９は、相関器１８により検出された少なくとも２つの応答信号Ｓ_R1と応答信号Ｓ_R2との検出タイミングの時間差を検出（例えば、相関器１８からの応答信号Ｓ_R1に対応する相関信号が最大となる参照信号の入力タイミングと、応答信号Ｓ_R2に対応する相関信号が最大となる参照信号の入力タイミングとの時間差を検出）し、その時間差の情報を制御器２０に出力するようになっている。ここで、遅延量検出器１９により検出される時間差は、上述した応答信号の返信タイミングの時間差（Ｔdr1,Ｔdr2,Ｔdr3・・・）に相当するものである。

制御器２０は、ＣＰＵや各種論理回路、及び不揮発性メモリ等から構成されており、遅延量検出器１９からの検出タイミングの時間差に基づいて、当該質問器１に対する応答器２の姿勢を判別するようになっている。つまり、上述した応答器２の基準線Ｋ１の傾き状態及び応答器２のＸ矢印方向が判別される。

例えば、制御器２０における不揮発性メモリには、検出タイミングの時間差との比較対象となる基準量（例えば時間範囲）が複数段階で設定されており、各基準量と応答器２の姿勢（又は、対象物の状態）との対応関係を示す対応付けテーブルが記憶されている（例えば、基準量１（例えばＴK1〜ＴK2の時間範囲）には、応答器２の傾き無が対応付けられ、基準量２（例えばＴK3〜ＴK4の時間範囲）には、応答器２の傾き有（Ｘ矢印方向が右斜下）が対応付けられ、基準量３（例えばＴK5〜ＴK6の時間範囲）には、応答器２の傾き有（Ｘ矢印方向が右斜上）が対応付けられている）。

そして、制御器２０は、上記検出タイミングの時間差と上記基準量とを比較し、例えば上記検出タイミングの時間差が、複数段階に設定されたどの基準量に該当する（含まれる）かを判別して、その基準量に対応する応答器２の姿勢（又は、対象物の状態）を上記対応付けテーブルから取得する。また、制御器２０は、このように判別された応答器２の姿勢に係る情報を例えば、外部に出力（例えば表示器に表示出力したり、スピーカから音声出力）する。或いは、制御器２０は、応答器２の姿勢が所定の基準姿勢になかった場合（例えば、配管が変形して異常が発生した場合）、例えばブザー等を鳴らしてアラームを発するように制御してもよい。

なお、応答器２における反射器２１の伝送路２１ｃの長さと、反射器２２の伝送路２２ｃの長さが同じであっても、応答器２が傾けば、上記検出タイミングの時間差が生じるので、制御器２０は、応答器２の向きを除いて応答器２の傾き状態を判別することは可能である。

次に、第１の実施形態に係る無線通信システムＳの動作、及び当該動作において伝搬される信号の波形等について図８及び図９を参照して説明する。なお、図８は、第１の実施形態に係る無線通信システムＳの各部分における質問信号、反射信号、応答信号、及び参照信号の波形例を示す図であり、図９は、質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。また、以下の動作の説明においては、説明の便宜上、質問器１により単一のパルス信号が送信（送出）される場合を例にとるものとする。

先ず、質問器１において、クロック発振器１１により生成されたクロック信号が遅延器１２にて所定時間遅延された後、パルス発生器１３に出力される。続いて、パルス発生器１３にて当該クロック信号がパルスに整形されてパルス信号が生成され、図８（Ａ）に示すような波形のパルス信号が広帯域アンテナ１４に出力される。

続いて、広帯域アンテナ１４にてパルス信号が微分され、図８（Ｂ）に示すような波形の質問信号Ｓ_Qが広帯域アンテナ１４により応答器２に対して送信（送出）される。一方、クロック発振器１１により生成されたクロック信号は、遅延器１５にて所定時間遅延された後、テンプレートパルス発生器１６に出力され、そこで、図８（Ｆ）に示すような波形の参照信号Ｓrefが生成される。

次に、応答器２において、質問器１からの質問信号Ｓ_Qが広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにより受信（応答器２の基準線Ｋ１の傾き状態によっては質問信号Ｓ_Qの受信タイミングの時間差が生じる）され、そこで質問信号Ｓ_Qが微分され、図８（Ｃ）に示すような波形の質問信号Ｓ_Qが伝送路２１ｃ及び２２ｃを伝搬する。一方、質問器１からの質問信号Ｓ_Qの一部は、伝送路２１ｃ,２２ｃには伝搬せず、そのまま広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにより再放射（反射）され、反射信号Ｓ_F1及びＳ_F2として質問器１に対して返信される。

続いて、伝送路２１ｃ及び２２ｃを伝搬してきた質問信号Ｓ_Qが負荷２１ｂ及び２２ｂにて夫々反射されて応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2が生成され、当該応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2が伝送路２１ｃ及び２２ｃを伝搬し、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにて微分され、図８（Ｄ）に示すような波形の応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2が広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにより質問器１に対して返信される（ここで、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差に起因する上記応答信号の返信タイミングの時間差が生じる）。

次に、質問器１において、応答器２からの反射信号Ｓ_F1及びＳ_F2、続いて、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2が広帯域アンテナ１７により受信され、そこで、これらの信号が微分され、図８（Ｅ），図９に示すような波形の反射信号Ｓ_F1，Ｓ_F2、及び応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2が、同図に示すようなタイミングで相関器１８に出力される。

例えば、図９（Ａ）は、応答器２が図２（Ａ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であり、この場合、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2の時間差（遅延時間）は、図６（Ａ）における応答信号の質問器１での受信タイミングの時間差Ｔdr1に対応している。

また、図９（Ｂ）は、応答器２が図２（Ｂ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であり、この場合、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2の時間差（遅延時間）Ｔdr2は、質問器１の基準点Ｐから広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）までの距離と、当該基準点Ｐから広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）までの距離との差に相当する時間分だけ図６（Ａ）における応答信号の返信タイミングの時間差Ｔdr1よりも小さくなる。

また、図９（Ｃ）は、応答器２が図２（Ｃ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であり、この場合、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2の時間差（遅延時間）Ｔdr3は、質問器１の基準点Ｐから広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）までの距離と、当該基準点Ｐから広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）までの距離との差に相当する時間分だけ図６（Ａ）における応答信号の返信タイミングの時間差Ｔdr1よりも大きくなる。

そして、相関器１８にはテンプレートパルス発生器１６からも参照信号Ｓrefが出力されることになり、当該相関器１８にて参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_R1との相関、及び参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_R2との相関が夫々とられて当該応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2が検出され、それぞれの相関信号が順次、遅延量検出器１９に出力される。続いて、遅延量検出器１９にて、例えば、相関器１８からの応答信号Ｓ_R1に対応する相関信号が最大となる参照信号の入力タイミングと、応答信号Ｓ_R2に対応する相関信号が最大となる参照信号の入力タイミングとの時間差が検出され、その情報が制御器２０に出力され、制御器２０にて遅延量検出器１９からの検出タイミングの時間差に基づいて、当該質問器１に対する応答器２の姿勢が判別される。その判別結果が、制御器２０から外部に出力されることにより、例えば、オペレータ等は、例えば図３や図４に示すような対象物の状態の変化を把握することが可能となる。

なお、このような応答器２の姿勢は、これが取り付けられる対象物が静止している場合に限られず、例えば、当該応答器１が対象物と共に移動している場合にも判別可能である。

例えば、図１０は、ベルトコンベアに載せられた対象物が移動している例を示す図である。図１０において、応答器２が質問器１から見て紙面右側に位置する場合と、紙面左側に位置する場合とで、応答信号の返信タイミングの時間差は異なるので、質問器１の制御器２０は、応答器２が右側あるのか、或いは左側にあるのかを判別することができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、質問器１は、応答信号の検出タイミングの時間差に基づき、応答器２の傾き状態及び向き等の姿勢を簡単に判別することができる。

更に、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔よりも長くなるように構成したので、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2の重なりを防止することができる。

なお、上記動作においては、単一のパルス信号が質問器１から送信される場合を例にとって説明したが、実際には、連続する複数のパルス信号が質問器１から送信されることになり、それぞれのパルス信号に関して、相関器１８にて参照信号Ｓrefと応答信号との相関がとられ、応答信号が検出されることになる。このとき、質問器１にて連続する複数のパルス信号のパルス間隔を上述したように擬似ランダム符号発生器により擬似ランダムに変化させて応答器２に送信するように構成すれば、送信スペクトラムに周期的なピークが発生せず、他の通信手段への妨害を防止することができ、更に、質問器１における応答信号等の受信時に、擬似ランダムに変化させた複数の参照信号Ｓrefに対する相関をとれば、単一の応答信号を検出する場合より信号出力が大きくなりＳ／Ｎ比を向上させ、通信距離を延ばすことが可能となる。

また、上記実施形態においては、質問信号Ｓ_Qが広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにて反射信号Ｓ_F1及びＳ_F2として反射される場合のみを想定したが、実際には、質問信号Ｓ_Qは、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａばかりでなく、当該アンテナ２１ａと２２ａとの間の部分や応答器１が取り付けられた対象物からのも反射される。従って、このような反射信号と応答信号とが重ならないよう区別するため、上記反射器２１及び２２のうち伝送路の長さが最小となる反射器２１の当該伝送路２１ｃの長さ（短い方の伝送路長）が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔（つまり、広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）と広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）との間隔）より長くなるように構成する。そして、反射器２２の伝送路２２ｃの長さ（長い方の伝送路長）は、反射器２１の伝送路２１ｃの長さよりも、更に上記アンテナ間隔より長くなるように構成する（つまり、伝送路２１ｃと伝送路２２ｃの長さの差が、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔よりも長くなるように構成）。

なお、この場合も、上記第二の場合と同様の理由から、例えば上記（２）式により上記伝送路２１ｃの長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さが、反射器２１と反射器２２のアンテナ間隔より大きくなるように規定されるように構成すれば、より好ましい。

図１１は、短い方の伝送路長をアンテナ間隔よりも長くした場合の応答器の概要構成例を示す図であり、図１２は、この場合の質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。なお、図１１において、図５に示す応答器２と同様の構成部分については同一の符号を付している。

図１１に示すように、応答器２ａにおいては、短い方の伝送路２５ｃが上記反射器２５と反射器２６のアンテナ間隔よりも長くなり、かつ、応答器２ａの小型化を図るため、短い方の伝送路２５ｃにも屈曲部２５１が設けられている。

なお、図１１では、伝送路２５ｃ，２６ｃの端部は、スイッチではなく短絡とし、反射係数が「−１」とした場合を示した。もちろん、端部を開放し、反射係数が「１」としてもよいし、伝送路の特性インピーダンスとは異なったインピーダンスの負荷を設けてパルス信号が反射するようにしてもよい。スイッチではなく、固定インピーダンス（０，∞を含む）とすることでより構成を簡単とすることができる。

また、図１２（Ａ）は、応答器３が図２（Ａ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であり、図１２（Ｂ）は、応答器２が図２（Ｂ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であり、図１２（Ｃ）は、応答器２が図２（Ｃ）に示す姿勢にある場合における相関器１８への出力例であるが、図１２（Ｂ）及び（Ｃ）の場合において、当該アンテナ２１ａと２２ａとの間の部分から反射された反射信号Ｓ_FNと、応答信号Ｓ_R1及びＳ_R2とが重ならないように確実に区別されている。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態においては、応答器が２つの反射器を備える場合について説明したが、これに限定されるものではなく、応答器が３つ以上の反射器を備えるように構成してもよい。第２の実施形態においては、応答器が３つの反射器を備える場合について図１３等を参照して説明する。

図１３は、第２の実施形態に係る応答器の概要構成例を示す図である。なお、第２の実施形態に係る応答器の構成及び機能は、基本的には第１の実施形態に係る応答器と同じであるので、同一の構成部分については、同一の符号を付し、重複する部分の説明を省略する。また、第２の実施形態に係る質問器の構成及び機能は、制御器の処理を除き、第１の実施形態に係る質問器と同じであるので、重複する部分の説明を省略する。

図１３に示すように、第２の実施形態に係る応答器２ｂは、第１の実施形態に係る応答器２ａと比較すると、３つ目の反射器２７が備えられている点で異なっている。この反射器２７は、広帯域アンテナ２７ａ、負荷２７ｂ、及び伝送路２７ｃを備えており、これらは、反射器２５及び２６と同様、基材２３の表面上に形成されている。広帯域アンテナ２７ａ、負荷２７ｂ、及び伝送路２７ｃの機能については、広帯域アンテナ２１ａ、負荷２１ｂ、及び伝送路２５ｃの機能と同様であるが、伝送路２７ｃの長さは、伝送路２６ｃの長さより長くなっている。そして、伝送路２６ｃと伝送路２７ｃの長さの差は、反射器２６と反射器２７のアンテナ間隔よりも長くなるように構成されている。これにより、第１の実施形態と同様、広帯域アンテナ２２ａから返信される応答信号と、広帯域アンテナ２７ａから送出される応答信号の全部又は一部が重なることを防止している。

また、広帯域アンテナ２２ａ及び２７ａにおける給電点２２３ａ及び２７３ａは、夫々、アンテナエレメント中心軸の軸線Ｖ上に位置しており、これによって、応答器２の小型化が図られている。なお、第１の実施形態と同様、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａにおける給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）及び２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）は、夫々、アンテナエレメント中心軸Ｖに垂直な軸線上に位置させ、更なる小型化を図るように構成してもよい。

なお、第２の実施形態においては、広帯域アンテナ２１ａの給電点２１３ａ（又は２１３ｂでもよい）と、広帯域アンテナ２２ａの２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）を結ぶ基準線Ｋ１に加えて、広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）と、広帯域アンテナ２７ａの２７３ａ（又は２７３ｂでもよい）を結ぶ線を基準線Ｋ２として定義する。即ち、第２の実施形態においては、縦と横の２次元の基準線が定義されることになる。

このような応答器２ｂの構成において、応答器２ｂの姿勢に応じて、広帯域アンテナ２１ａ、広帯域アンテナ２２ａ、及び広帯域アンテナ２７ａから夫々異なる返信タイミングで応答信号が質問器１に対して返信され、質問器１で異なった受信タイミングで受信されることになる。

このように応答器２ｂを構成することで、質問器１では第１の実施形態より更に多くの姿勢（応答器２ｂの姿勢）を判別することが可能となる。つまり、第１の実施形態における応答器２の姿勢の判別では、基準線Ｋ１の１次元の傾きの判別であったが、第２の実施形態における応答器２ｂの姿勢の判別では、基準線Ｋ１及びＫ２の２次元の傾きの判別が可能となる。

図１４は、第２の実施形態に係る質問器１に対する応答器２ｂの姿勢の態様例を示す図であり、図１５は、第２の実施形態に係る質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。

なお、図１５（Ａ）は、応答器２ｂが図１４（Ａ）に示す姿勢（基準線Ｋ１及びＫ２共に傾きがない）にある場合における相関器１８への出力例であり、図１５（Ｂ）は、応答器２ｂが図１４（Ｂ）に示す姿勢（基準線Ｋ１のみ傾きがある）にある場合における相関器１８への出力例であり、図１５（Ｃ）は、応答器２ｂが図１４（Ｃ）に示す姿勢（基準線Ｋ１及びＫ２共に傾きがある）にある場合における相関器１８への出力例であり、図１５（Ｄ）は、応答器２ｂが図１４（Ｄ）に示す姿勢（基準線Ｋ１及びＫ２共に傾きがある）にある場合における相関器１８への出力例である。

また、図１４（Ｃ）に示す応答器２ｂの姿勢は、当該応答器２ｂの広帯域アンテナ２１ａが質問器１から遠ざかる方向に傾いていると共に、広帯域アンテナ２７ａが質問器１から遠ざかる方向に傾いている（基準線Ｋ１と平行の広帯域アンテナ２７ａ側の端部が質問器１から見て後方に倒れている）の姿勢であり、図１４（Ｄ）に示す応答器２ｂの姿勢は、当該応答器２ｂの広帯域アンテナ２１ａが質問器１からが遠ざかる方向に傾くと共に、広帯域アンテナ２７ａが質問器１に近づく方向に傾いている（基準線Ｋ１と平行の広帯域アンテナ２７ａ側の端部が質問器１から見て前方に倒れている）姿勢である。

図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）に示すように、図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）に示す姿勢における応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2，及びＳ_R3の相関器１８への出力タイミングのパターンは、互いに異なっている。

そして、当該相関器１８にて参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_R1との相関、参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_R2との相関、及び参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_R3との相関が夫々とられて当該応答信号Ｓ_R1，Ｓ_R2，Ｓ_R3が検出され、それぞれの相関信号が順次、遅延量検出器１９に出力される。続いて、遅延量検出器１９にて、例えば、相関器１８からの応答信号Ｓ_R1に対応する相関信号と入力タイミングと、応答信号Ｓ_R2に対応する相関信号と入力タイミングとの時間差が検出され、更に、相関器１８からの応答信号Ｓ_R2に対応する相関信号と入力タイミングと、応答信号Ｓ_R3に対応する相関信号と入力タイミングとの時間差が検出され、その情報が制御器２０に出力され、制御器２０にて遅延量検出器１９からの検出タイミングの時間差に基づいて、当該質問器１に対する応答器２の姿勢が判別される。つまり、上述した応答器２の基準線Ｋ１及びＫ２の傾き状態及び応答器２のＸ矢印方向、加えて、例えば、広帯域アンテナ２２ａの給電点２２３ａ（又は２２３ｂでもよい）から広帯域アンテナ２７ａの２７３ａ（又は２７３ｂでもよい）の方向が判別される。

例えば、制御器２０における不揮発性メモリには、応答信号Ｓ_R1とＳ_R2の検出タイミングの時間差との比較対象となる基準量（例えば時間範囲）と、応答信号Ｓ_R2とＳ_R3の検出タイミングの時間差との比較対象となる基準量（例えば時間範囲）とが複数段階で設定されており、それら基準量の組合せと応答器２ｂの姿勢（又は、対象物の状態）との対応関係を示す対応付けテーブルが記憶され、制御器２０は、上記検出タイミングの時間差が、どの基準量の組合せに該当する（含まれる）かを判別して、その基準量の組合せに対応する応答器２ｂの姿勢（又は、対象物の状態）を上記対応付けテーブルから取得し、外部に出力する。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、質問器１は、応答器２ｂの基準線Ｋ１及びＫ２の２次元の傾き状態及び向き等の姿勢を判別することができる。

（第３の実施形態）
上記第１の実施形態においては、応答器における反射器の負荷は、開放、或いは短絡負荷固定であるとして説明したが、第３の実施形態においては、質問器の検出範囲内に応答器が複数存在する場合に各応答器を区別するため、応答器における反射器の負荷が制御され、パルス反射係数を変化する場合について図１６及び図１７等を参照して説明する。

図１６は、第３の実施形態に係る応答器の概要構成例を示す図であり、図１７は、第３の実施形態に係る質問器の概要構成例を示す図である。なお、第３の実施形態に係る応答器及び質問器の構成及び機能は、基本的には第１の実施形態に係る応答器及び質問器と同じであるので、同一の構成部分については、同一の符号を付し、重複する部分の説明を省略する。

先ず、第３実施形態に係る応答器２ｃは、図１６に示すように、第１の実施形態に係る応答器２の構成要素に加え、反射器２１用の狭帯域（共振）アンテナ２１ｄ、整合回路２１ｅ、電力供給部２１ｆ、及び負荷制御部２１ｇを備えている。なお、図１６においては、当該応答器２ｃに備える反射器２１に関する構成のみを示し、反射器２２に関する構成を省略しており、当該応答器２ｃには、図示を省略した反射器２２用の狭帯域アンテナ、整合回路、電力供給部、及び負荷制御部も備えられているが、これらの機能は、狭帯域アンテナ２１ｄ、整合回路２１ｅ、電力供給部２１ｆ、及び負荷制御部２１ｇと同様であるので、重複する説明を省略する。

狭帯域アンテナ２１ｄは、質問器１からの電波（例えば、連続波）を受信し、その電波に対応する高周波信号を整合回路２１ｅに出力する。

整合回路２１ｅは、狭帯域アンテナ２１ｄの入力インピーダンスと電力供給部２１ｆの入力インピーダンスを整合するためのものであり、狭帯域アンテナ２１ｄからの高周波信号を損失なく（反射することなく）電力供給部２１ｆに伝送する。

電力供給部２１ｆは、整合回路２１ｅからの高周波信号を整流回路によって整流し、コンデンサＣにより充電して（電力を蓄積して）、その電力を負荷制御部２１ｇに供給するようになっている。

負荷制御部２１ｇは、電力供給部２１ｆからの電力の供給を受け（例えば、コンデンサＣの充電電圧が閾値に達すると動作し）、反射器２１の負荷２１ｂを制御し、パルス反射係数を変化、具体的には、当該負荷２１ｂにおけるパルス信号が負荷制御部２１ｇへ入り込むのを阻止するコイルＬを通してバイアス電流制御によりダイオードＤｉのオンオフ制御（ダイオードＤｉがオンの場合、負荷２１ｂは短絡負荷であり、ダイオードＤｉがオフの場合、負荷２１ｂは開放負荷である）を行うようになっている。このような負荷の制御は、負荷制御部２１ｄにおける負荷設定（つまり、短絡負荷とするか、或いは、開放負荷にするかの設定）に従って行われるように構成してもよいし、反射器を区別する識別情報により切り換えてもよいし、質問器１からの変調された連続波により搬送された負荷設定情報に従って行われる（この場合、当該変調された連続波から負荷設定情報を復調する復調器を備えさせる）ように構成してもよい。また、かかる負荷２１ｂにおいて、ダイオードＤｉの代わりに、電解効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を適用してもよい。

なお、負荷制御部２１ｇは、質問器１ａからの連続波から抽出された電力により動作する代わりに、応答器１ｃに電源手段を備えさせ、かかる電源手段から供給された電力により動作するように構成してもよい。この場合、狭帯域アンテナにて受信される電波は必ずしも連続波である必要はなく、かかる電波は、例えば、負荷制御部２１ｇが負荷を制御（パルス反射係数を変化）のトリガとして使用される。

次に、第３の実施形態に係る質問器１ａは、図１７に示すように、第１の実施形態に係る質問器１の構成要素に加え、発振器３０、変調器３１、増幅器３２、及び狭帯域（共振型）アンテナ３３を備えている。そして、例えば、発振器３０により発振された高周波信号が、変調器３１により変調され、その後増幅器３２により増幅され、それが連続波となって狭帯域アンテナ３３から応答器２ｃに送信（送出）される。

ここで、変調器３１は、制御器２０からの制御信号に従って、発振器３０により発振された高周波信号を変調、例えば、振幅が変化するように振幅変調（ＡＭ又はＡＳＫ）させるようになっている。

図１８に、質問器１ａから送信（送出）される信号波形例を示す。上記質問器１ａの構成により、図１８に示すように、当該質問器１ａからは、狭帯域アンテナ３３からの連続波と、広帯域アンテナ１４からのパルス波（パルス信号）とが交互に送信されることになる。

なお、変調器３１は、制御器２０からの制御信号に従って、予め設定された上記負荷設定情報を搬送するように、高周波信号を変調（例えば、振幅変調、周波数変調等）するように構成してもよい。

このような応答器２ｃ及び質問器１ａの構成において、例えば、質問器１ａからの図１８に示されるような断続的な連続波とパルス信号のうち、連続波は、応答器２ｃにおける反射器２１用の狭帯域アンテナ２１ｄ及び反射器２２用の狭帯域アンテナ（図示せず）によって受信され、パルス信号は、応答器２ｃの広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａによって受信される。

そして、応答器２ｃの狭帯域アンテナ２１ｄ等によって受信された各連続波の例えば終了付近Ｆにて、電力供給部２１ｆにおけるコンデンサＣの充電電圧が閾値に達して、負荷制御部２１ｄが動作することによって、反射器２１の負荷２１ｂが制御されて開放負荷又は短絡負荷が設定される（反射器２２においても同様）。続いて、応答器２ｃの広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａによって受信されたパルス信号は、夫々、その設定された負荷２１ｂ及び２２ｂによって反射されて応答信号が生成され、第１の実施形態と同様、広帯域アンテナ２１ａ及び２２ａによって質問器１ａに返信されることになる。

図１９は、反射器２１（又は２２）の負荷が開放負荷の場合と短絡負荷の場合における、質問器１ａの相関器１８に入力される応答信号の波形例の比較を示す図である。図１９に示すように、反射器２１（又は２２）の負荷２１ｂ（又は２２ｂ）が開放負荷の場合における応答信号Ｓ_Rの波形に対して、当該負荷２１ｂ（又は２２ｂ）が短絡負荷の場合における応答信号Ｓ_Rの波形は、極性が反転した波形になっている。

質問器１ａの相関器１８には、第１の実施形態と同様、テンプレートパルス発生器１６から図８（Ｆ）に示すような波形の参照信号Ｓrefが入力され、かかる参照信号Ｓrefと応答信号Ｓ_Rとの相関がとられることになるが、参照信号Ｓrefと開放負荷の場合における応答信号Ｓ_Rとの相関は「正」となり、参照信号Ｓrefと短絡負荷の場合における応答信号Ｓ_Rとの相関は「負」となる。この「正」の情報は、「１」として制御器２０に伝えられ、「負」の情報は、「０」として制御器２０に伝えられる。こうして、制御器２０は、上述したように検出タイミングの時間差に基づいて当該質問器１ａに対する応答器２ｃの姿勢を判別し、且つかかる「１」又は「０」の情報に基づいてどの応答器（この場合、２つの応答器を想定）からの応答であるかを判別し、それらの判別結果を、外部に出力（例えば表示器に表示出力したり、スピーカから音声出力）する。

更に、例えば３つ以上の応答器２ｃが質問器１ａの検出範囲内に存在する場合、各応答器２ｃの負荷制御部２１ｄ等は、予め各応答器２ｃに対応付けられた識別情報（例えば、００１，０１０，１００，１０１等）に従って負荷２１ｂ及び２２ｂを制御（パルス反射係数を変化）、例えば、識別情報が、「１０１」の場合、始めの応答信号生成の際には負荷２１ｂ及び２２ｂを開放負荷とし、次の応答信号生成の際には負荷２１ｂ及び２２ｂを短絡負荷とし、その次の応答信号生成の際には負荷２１ｂ及び２２ｂを開放負荷とするように制御すれば、質問器１ａの制御器２０は、その「１」と「０」の入力順から３つ以上の応答器２ｃのうち、どの応答器２ｃからの応答であるかを判別することができる。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、質問器１ａは、検出範囲内に複数の応答器２ｃが存在する場合であっても、各応答器１ｃの反射器２１，２２における負荷制御により、各応答器２ｃを区別し、且つ応答信号の検出タイミングの時間差に基づき、応答器２ｃの傾き状態及び向き等の姿勢を判別することができる。

なお、このような応答器２ｃにおける負荷２１ｂ及び２２ｂの負荷のオン（短絡負荷）とオフ（開放負荷）に対し、複数のパルス信号で、その情報（即ち、「０」又は「１」）を検出するとその感度を向上させることができる。

図２０は、複数のパルス信号によって負荷のオン（短絡負荷）とオフ（開放負荷）を検出する場合の例を示す図である。図２０に示すように、質問器１ａにて連続する複数のパルス信号のパルス間隔を例えば擬似ランダム符号発生器により擬似ランダムに変化させ、応答器１ｃに送信するように構成すれば、送信スペクトラムに周期的なピークが発生せず、他の通信手段への妨害を防止することができ、更に、質問器１ａにおける応答信号等の受信時に、擬似ランダムに変化させた複数の参照信号Ｓrefに対する相関をとれば、単一の応答信号を検出する場合より信号出力が大きくなりＳ／Ｎ比を向上させ、通信距離を延ばすことが可能となる。

本実施形態に係る無線通信システムの概要構成例を示す図である。 質問器１に対する応答器２の姿勢の態様例を示す図である。 対象物としての配管に取り付けられた応答器２の一例を示す図である。 対象物としてのレバーに取り付けられた応答器２の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る応答器２の概要構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る反射器２１及び２２から返信される反射信号と応答信号の質問器１での受信タイミングの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る質問器１の概要構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る無線通信システムＳの各部分における質問信号、反射信号、応答信号、及び参照信号の波形例を示す図である。 質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。 ベルトコンベアに載せられた対象物が移動している例を示す図である。 短い方の伝送路長をアンテナ間隔よりも長くした場合の応答器の概要構成例を示す図である。 この場合の質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。 第２の実施形態に係る応答器の概要構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る質問器１に対する応答器２ｂの姿勢の態様例を示す図である。 第２の実施形態に係る質問器１の相関器１８に入力される反射信号及び応答信号の波形例を示す図である。 第３の実施形態に係る応答器の概要構成例を示す図である。 第３の実施形態に係る質問器の概要構成例を示す図である。 質問器１ａから送信（送出）される信号波形例を示す図である。 反射器２１（又は２２）の負荷が開放負荷の場合と短絡負荷の場合における、質問器１ａの相関器１８に入力される応答信号の波形例の比較を示す図である。 複数のパルス信号によって負荷のオン（短絡負荷）とオフ（開放負荷）を検出する場合の例を示す図である。

符号の説明

１，１ａ質問器
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 応答器
１１ クロック発振器
１２ 遅延器
１３ パルス発生器
１４，１７ 広帯域アンテナ
１５ 遅延器
１６ テンプレートパルス発生器
１８ 相関器
１９ 遅延量検出器
２０ 制御器
２１，２２，２５，２６，２７ 反射器
２１ａ，２２ａ，２７ａ 広帯域アンテナ
２１ｂ，２２ｂ，２７ｂ 負荷
２１ｃ，２２ｃ，２５ｃ，２６ｃ，２７ｃ 伝送路
２１ｄ 狭帯域アンテナ
２１ｅ 整合回路
２１ｆ 電力供給部
２１ｇ 負荷制御部
３０ 発振器
３１ 変調器
３２ 増幅器
３３ 狭帯域アンテナ
Ｓ 無線通信システム

Claims (15)

1. 応答器と質問器を備える姿勢判別システムであって、
   前記応答器は、
   広帯域アンテナにより受信されたパルス信号を用いて応答信号を生成する応答信号生成手段と、
   前記広帯域アンテナにより受信されたパルス信号を前記広帯域アンテナから前記応答信号生成手段に伝送し且つ前記生成された応答信号を前記生成手段から前記広帯域アンテナに伝送する伝送手段と、
   前記パルス信号を受信し且つ前記生成された応答信号を返信する前記広帯域アンテナと、
   を有する要素応答器を複数備え、
   少なくとも何れか２つの前記要素応答器における伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さは、互いに異なるものであって、
   当該２つの前記要素応答器における伝送手段の前記換算長さの差は、当該２つの要素応答器のアンテナ間隔より大きくなっており、
   前記質問器は、
   前記パルス信号を生成するパルス信号生成手段と、
   前記生成されたパルス信号を前記応答器に対して送信し且つ当該応答器からの前記パルス信号に対応する前記応答信号を受信する広帯域アンテナと、
   前記受信された応答信号を検出する応答信号検出手段と、
   前記検出された少なくとも２つの前記応答信号の検出タイミングの時間差を検出する検出タイミング差検出手段と、
   複数段階に設定された各基準量と、前記応答器の複数の姿勢のうちの各姿勢との対応関係を示す対応付けテーブルを記憶する記憶手段と、
   前記質問器に対する、前記応答器の基準線の傾き状態及びその基準線上における端点によって指し示される方向を、前記応答器の姿勢として判別する姿勢判別手段と、
   を備え、
   前記姿勢判別手段は、前記対応付けテーブルに基づいて、前記複数段階に設定された各基準量のうち、前記検出された検出タイミングの時間差に該当する基準量を判別し、当該判別した基準量に対応する前記応答器の姿勢を判別する
   ことを特徴とする姿勢判別システム。
2. 請求項１に記載の姿勢判別システムにおいて、
   複数の前記要素応答器のうち伝送手段の長さが最小となる要素応答器の当該伝送手段の長さは、当該最小となる要素応答器を含む何れか２つの前記要素応答器のアンテナ間隔より大きいことを特徴とする姿勢判別システム。
3. 請求項１に記載の姿勢判別システムにおいて、
   複数の前記要素応答器のうち伝送手段の長さを自由空間に対応する値に換算した換算長さが最小となる要素応答器の当該伝送手段の換算長さは、当該最小となる要素応答器を含む何れか２つの前記要素応答器のアンテナ間隔より大きいことを特徴とする姿勢判別システム。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
   前記応答信号生成手段は、前記伝送手段の特性インピーダンスとは異なったインピーダンスを有し、前記パルス信号を反射することを特徴とする姿勢判別システム。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
   前記応答信号生成手段は、前記伝送手段を短絡あるいは開放する手段であることを特徴とする姿勢判別システム。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の姿勢判別システムにおいて、
   少なくとも何れか１つの前記要素応答器の応答信号生成手段におけるパルス反射係数は、可変であることを特徴とする姿勢判別システム。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
   少なくとも何れか１つの前記要素応答器の伝送手段は、屈曲部を有することを特徴とする姿勢判別システム。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
   少なくとも何れか２つの前記要素応答器の伝送手段は、当該２つの要素応答器が対向する側に設けられていることを特徴とする姿勢判別システム。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
   少なくとも何れか２つの前記要素応答器の広帯域アンテナにおける給電点は、夫々、アンテナエレメント中心軸に垂直な軸線上に位置していることを特徴とする姿勢判別システム。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
    少なくとも何れか２つの前記要素応答器の広帯域アンテナにおける給電点は、夫々、アンテナエレメント中心軸の軸線上に位置していることを特徴とする姿勢判別システム。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の姿勢判別システムにおいて、
    前記質問器は、
    クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、
    前記生成されたクロック信号に対して第１変調処理を施す第１変調手段と、
    前記生成されたクロック信号に対して第２変調処理を施す第２変調手段と、
    前記第２変調処理が施されたクロック信号に基づいて参照信号を生成する参照信号生成手段と、を更に備え、
    前記パルス信号生成手段は、前記第１変調処理が施されたクロック信号に基づいて前記パルス信号を生成し、
    前記応答信号検出手段は、前記受信された応答信号と前記生成された参照信号との相関を求めることにより前記応答信号を検出することを特徴とする姿勢判別システム。
12. 請求項１１に記載の姿勢判別システムにおいて、
    前記第１及び第２変調手段は、連続する前記クロック信号の間隔を変化させることを特徴とする姿勢判別システム。
13. 請求項１１に記載の姿勢判別システムにおいて、
    前記質問器は、
    擬似ランダム符号を生成する擬似ランダム符号生成手段を更に備え、
    前記第１及び第２変調手段は、前記生成された擬似ランダム符号に基づいて前記クロック信号に対して変調処理を施すことを特徴とする姿勢判別システム。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の姿勢判別システムに用いられる応答器。
15. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の姿勢判別システムに用いられる質問器。

Images