JP4461445B2 - マイクロストリップアンテナ及び高周波センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロストリップアンテナ及び高周波センサ装置に関する。

例えば水洗便器などの洗浄を自動化する場合、赤外線センサなどを用いる方法がある。この場合、一定時間以上使用者が便器の前に留まっていることを検知し、その後に使用者が便器を離れたことを検知して、一定量の洗浄水を流すようにする。しかしながら、この方法では用足しの有無や小便の量にかかわらず一定の洗浄水を流すことになり無駄が生ずる場合もある。

便器を実際に使用していることを検知して洗浄水を流すには、ドップラー効果を利用することが考えられる。すなわち、電波や音波が移動物体に当り反射すると、反射波の周波数がドップラーシフトする。この反射波と送信波の周波数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、この差分に相当するドップラー周波数は物体の移動速度に比例する。従って、尿や洗浄水といったボール面を流れる液流などに向けて送信波を放射することにより、使用状態に応じて適切に洗浄水を供給できる。

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の放射方向を液流に向けて精度よく制御することが重要である。すなわち、液流以外の移動物体を検知して洗浄水を流すことなどを防止することが好ましい。

本発明者らは、マイクロ波を利用したドップラーセンサを搭載した便器洗浄装置を開示した（特許文献１）。

特許第３７４０６９６号公報

本発明は、放射パターンの制御が容易なマイクロストリップアンテナ及びそれを備えた高周波センサ装置を提供する。

本発明の一態様によれば、送信波が供給される薄膜矩形状の給電素子と、前記給電素子の周囲に素子間スペースを介して配置され、前記給電素子により励起される薄膜矩形状の無給電素子と、前記給電素子と前記無給電素子とに対向して設けられた接地電極と、を備え、前記無給電素子の整合点における位相は、伝送線路が接続されるか、前記給電素子と異なる大きさにすることにより、前記給電素子の整合点における位相を基準として前記無給電素子の整合点における位相が１２０度以下、９０度以上となるようにプラス側に調整され、前記位相がプラス側に調整された前記無給電素子は、前記送信波を前記無給電素子の方向に傾けて放射させたときにアンテナゲインが略最大となる素子間スペースに配置されていることを特徴とするマイクロストリップアンテナが提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、送信波が供給される薄膜矩形状の給電素子と、前記給電素子周囲に素子間スペースを介して配置され、前記給電素子により励起される薄膜矩形状の複数の無給電素子と、前記給電素子と前記複数の無給電素子と対向して設けられた接地電極と、を備え、前記複数の無給電素子の整合点における位相は、伝送線路が接続されるか、前記給電素子と異なる大きさにすることにより、前記給電素子の整合点における位相を基準として、一方の無給電素子の整合点における位相が前記無給電素子の整合点における位相が１２０度以下、９０度以上となるようにプラス側、他方の無給電素子の整合点における位相がマイナス側に調整され、前記位相がプラス側に調整された前記一方の無給電素子を含む前記複数の無給電素子は、前記送信波を前記プラス側に調整された前記一方の無給電素子の方向に傾けて放射させたときにアンテナゲインが略最大となる素子間スペースに配置されていることを特徴とするマイクロストリップアンテナが提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、送信波を発生する送信部と、前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信する上記のマイクロストリップアンテナと、前記受信波を検知する受信部と、前記送信波と、前記受信波と、の周波数成分の差を抽出し、ドップラー信号を出力する差分検出部と、を備えた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、放射パターンの制御が容易なマイクロストリップアンテナ及びそれを備えた高周波センサ装置が提供される。すなわち、アンテナのゲインが最大ゲインから３ｄＢ以内の範囲を局在させることにより、近距離において、検知したい方向すなわち電波ビームを傾けた（走査した）方向とは異なる方向にある物体を誤検知しないようにすることができる。

本発明の具体例にかかる高周波センサを説明する図である。 本具体例にかかる高周波センサを備えた小便器の構成を表す図である。 図２の小便器の機能図である。 高周波センサを構成するアンテナの第１具体例である。 無給電素子の構造を表す図である。 無給電素子の特性を表すグラフ図である。 無給電素子の整合点におけるＳ１１を表すグラフ図である。 素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 第１具体例のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第１具体例の放射パターンである。 第１具体例の変形例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関 係を表すグラフ図である。 変形例におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 アンテナの第２具体例の模式平面図である。 第２具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表す グラフ図である。 第２具体例におけるゲインのθ依存性である。 第２具体例における水平放射パターンである。 アンテナの第３具体例である。 第３具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表す グラフ図である。 第３具体例におけるゲインのθ依存性である。 第３具体例における水平放射パターンである。 ゲインのθ依存性である。 図２１に対応する水平放射パターンである。 ゲインのθ依存性の他の例である。 ゲインのθ依存性の他の例である。 第３具体例の第１変形例である。 第３具体例の第２変形例である。 第３具体例の第３変形例である。 アンテナの第４具体例である。 アンテナの第５具体例である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の構造を表す図である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の特性を表すグラフ図である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の整合点におけるＳ１１を表すグラ フ図である。 ゲインのφ依存性を表すグラフ図である。 水平放射パターンの比較を表す図である。 終端開放または短絡線路の構成の比較を表す図である。 図３５の構成におけるゲインのθ依存性を比較するグラフ図である。 アンテナの第６具体例の模式平面図である。 第６具体例のゲインのφ依存性である。 水平放射パターンである。 アンテナの第７具体例である。 アンテナの第８具体例である。 第８具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表す グラフ図である。 第８具体例におけるゲインのθ依存性である。 第８具体例における水平放射パターンである。 第９具体例である。 伝送線路の接続構造である。 伝送線路の他の接続構造である。 高周波スイッチの固定方法を表す図である。 高周波スイッチのインダクタンスを説明する図である。 ゲインのθ依存性である。 アンテナの第１０具体例である。 分岐点を設けた回路の構成を表す図である。 図５２におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第１０具体例の第１変形例である。 第１０具体例の第２変形例である。 回路構成の例である。 アンテナの第１１具体例である。 アンテナの第１２具体例である。 第１２具体例におけるゲインのθ依存性である。 図５９に対応する垂直放射パターンである。 ゲインのθ依存性の他の例である。 アンテナの第１３具体例である。 アンテナの第１４具体例である。 第１４具体例の水平放射パターンである。 アンテナの第１５具体例である。 第１５具体例の水平放射パターンである。 アンテナの第１６具体例である。 スペースの異なるアンテナの模式平面図である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第１７具体例である。 第１７具体例の第１変形例である。 第１７具体例の第２変形例である。 伝送線路を２本別に設けた場合の模式図である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第１８具体例である。 無給電素子位相が９０度の第１８具体例である。 無給電素子位相が１１０度の第１８具体例である。 第１８具体例のゲインのφ依存性である。 アンテナの第１９具体例である。 アンテナの第２０具体例である。 アンテナの第２１具体例である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第２２具体例である。 図８３のアンテナの電波ビームの放射パターンである。 図８３のアンテナを備えた高周波センサ装置により制御される照明装置を 説明する図である。 図８５の照明装置の作用を説明するタイミングチャートである。 図８５の照明装置の作用を説明する他のタイミングチャートである。 給電素子と無給電素子とスイッチの配置を例示する模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 給電素子６０と、２つの無給電素子６２、６３と、を有するアンテナの具 体例を表す模式図である。 電波ビームを２方向にスキャンしたときのタイミングチャートである。 図９５に表した実施例の変形例を表すタイミングチャートである。 図９５に表した実施例の変形例を表すタイミングチャートである。 電波ビームを４方向にスキャンした場合のタイミングチャートである。 電波ビームを４方向にスキャンした場合のタイミングチャートである。

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２０を説明するための模式図であり、同図（ａ）及び（ｂ）はそのブロック図、同図（ｃ）は水平放射パターンにおける等ゲイン線、同図（ｄ）は放射パターンを表す模式図である。
図１（ａ）に表した具体例の場合、送信部１２に接続されたアンテナ１０からは、例えば、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する送信波Ｔ１が放射される。移動物体からの反射波Ｔ２は、アンテナ１０を経由して受信部１４に入力される。アンテナ１０は、図１（ａ）に表したように送信側と受信側とを共通としてもよく、または、図１（ｂ）に表したように、送信部１２にはアンテナ１０ａを接続し、受信部１４にはアンテナ１０ｂを接続してもよい。

送信波の一部と受信波とは、差分検出部１６にそれぞれ入力されその差分のドップラー周波数近傍の出力信号が出力される。すなわち、ドップラー周波数ΔＦ（Ｈｚ）は、下記の式（１）により表すことができる。

ΔＦ＝Ｆｓ−Ｆｂ＝２×Ｆｓ×ｖ／ｃ 式（１）

但し、Ｆｓ：送信周波数（Ｈｚ）
Ｆｂ：反射周波数（Ｈｚ）
ｖ：物体の移動速度（ｍ／ｓ）
ｃ：光速（＝３００×１０^６ｍ／ｓ）

高周波センサ２０を液流に向けると、式（１）で表されるように、その流速ｖに比例した周波数ΔＦを含む出力信号を得ることができる。出力信号は周波数スペクトラムを有し、スペクトラムのピークに対応するピーク周波数と液流の流速ｖとの間には相関関係がある。従って、ドップラー周波数ΔＦを測定することにより流速ｖを求めることができる。なお、日本においては、人体を検知する目的には１０．５２５ＧＨｚまたは２４．１５ＧＨｚの周波数が使用できる。

本発明の具体例にかかる高周波センサ２０を構成するアンテナ１０からの水平放射パターンは、例えば、図１（ｃ）のようになる。アンテナの給電点を通るＺ軸と直交するＸＹ面内において、アンテナ１０のゲイン（利得）の最大点をＱとする。図１（ｃ）においては、ゲインが最大値から３ｄＢ低下する領域を実線で表し、１０ｄＢ低下する領域を破線で表している。Ｙ軸はアンテナ１０の給電点を通り励振方向と平行であるが、３ｄＢゲイン低下領域をＹ軸に関して走査すべき一方の側（図では左側）に位置制御すると、液流を正確に検知することができる。図１（ｄ）は、アンテナの水平放射パターンである。アンテナに関しては、後に詳細に説明する。

図２は、本発明の具体例にかかる高周波センサ２０を備えた小便器の構成を例示する模式図である。
小便器２２の内部には、高周波センサ２０と、機能部２４が収められている。小便器２２の上方には、小便器２２のボール部内空間を洗浄するための水を供給する給水部３０及び洗浄水吐出口３２が設けられている。ボール部内空間の下方には排水口３４が設けられている。

図３は、機能部２４の構成を例示するブロック図である。
差分検出部１６の出力信号はアンプ４０により増幅され、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）演算部４２に入力される。FFT演算部４２により、差分検出部１６の出力信号の
周波数スペクトラムをリアルタイムで得ることができる。FFT演算部４２の出力は、流量
演算部４４に入力され、周波数スペクトラムから流量に換算されることもできる。

コントローラ４６は、流量演算部４４で演算された流量などをもとに、他の装置を作動させる。洗浄水供給バルブ３６はコントローラ４６の指示により開閉する。電解水生成部６０は、コントローラ４６により、例えば、１日に１回電解水を流すことにより排水管における尿石形成を防止する。外部インタフェース５２は、尿量などの情報を外部に伝送する。

以下、高周波センサ２０の構成要素であるアンテナ１０について詳細に説明する。

図４は、本発明の高周波センサ２０を構成するアンテナ１０にかかる第１具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式斜視図である。
本具体例において、パッチ電極を有する給電素子６０の励振方向に対して横方向に、パッチ電極を有する無給電素子６２が配置されている。このアンテナ１０は、給電素子６０及び無給電素子６２がそれぞれ平面パターンを有するパッチアンテナに属する。アンテナ１０の主面はＸＹ座標で表され、水平面内においてＸ軸からの角度をφで表す。また、この主面と垂直な方向をＺ軸とし、垂直面において、Ｚ軸からの角度をθで表す。Ｙ軸は、励振方向に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、φ及びθに関するこれらの定義は、本願明細書においてすべて同一とする。

給電素子６０の中心を通り、Ｙ軸の負方向における位置Ｐが送信波の励振部と接続される給電点とされる。給電素子６０は矩形状の導電体の薄膜であり励振方向の一辺の長さＤは約λｇ／２（但しλｇは波長）とする。また、無給電素子６２の中心線上で、励振方向に平行かつＹ軸正方向には伝送線路６４が設けられており、その終端は導通孔６６を介して接地６８へ接続されている。すなわち、伝送線路６４は終端短絡とされている。

図５は、無給電素子６２をより詳細に表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡＡ’に沿った模式断面図である。
無給電素子６２と給電素子６０との形状は伝送線路６４以外の領域においてほぼ等しいものとすることができる。
または、無給電素子６２のサイズを給電素子６０のサイズよりも少し小さくしてもよい。すなわち、励振周波数は無給電素子６２の一辺の長さにより決まるため、無給電素子６２を給電素子６０よりも小さくすることで、周波数を高く設定することができる。そうすると、無給電素子６２の位相を給電素子６０に対して遅らせることが可能となり、伝送線路の長さを調整しなくてもアンテナから放射される電波の方向を曲げることが可能となる。
この具体例の場合、給電点Ｐの横方向、かつＹ軸負方向の位置が整合点Ｐ’となる。伝送線路６４の終端から０．３ｍｍの位置にφ０．３ｍｍの導通孔６６が設けられており、また伝送線路６４の長さをＬとする。

このアンテナは、例えば、誘電体の両面を銅板で挟んだガラスエポキシ基板などを用いて形成できる。図５（ｂ）においては、比誘電率（εｒ）が３．５、ｔａｎδが０．００４、誘電体厚みが０．７５ｍｍの場合を表した。このような基板により構成される伝送線路、すなわちマイクロストリップラインの波長及び特性インピーダンスはεｒ、誘電体厚み、マイクロストリップラインの導体幅及び厚みの関数となる。

図６は、伝送線路６４の長さＬを変化させた場合、無給電素子６２の整合点Ｐ’における振幅（Magnitude：ｄB）、位相（度）及び無給電素子６２のアンテナゲイン（アンテ
ナ利得：ｄＢ）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
Ｌが伝送線路の４分の１波長である４．８ｍｍ近傍において、整合点Ｐ’における振幅 が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。アンテナゲインは約６ｄ
Ｂと最大となっている。また、位相はLが約８．１ｍｍにおいてマイナスからプラスへと
転じる。これよりLが大きい８．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインはマイナス１０ｄBとなり最低となる。なお、位相がプラスである場合は無給電素子６２は導波器として作用し、マイナスである場合は反射器として作用する。

図７は、アンテナ整合点Ｐ’において高周波回路パラメータであるSパラメータのうち
、反射係数であるＳ１１をシミュレーションで求めた結果を表し、同図（ａ）はＳ１１の振幅（Ｍａｇ．；ｄＢ）、同図（ｂ）はＳ１１の位相（ｄｅｇ）の周波数特性をそれぞれ表す。
周波数１１．０５ＧＨｚにおいて、伝送線路長が４．７ｍｍの場合に位相は０度となり、３．７７ｍｍの場合に位相は１１０度、５．３２ｍｍの場合に位相はマイナス１１０度となる。

図８は、整合点Ｐ’の位相が０乃至１４０度である無給電素子６６を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。
例えば、整合点Ｐ’の位相が１１０度の場合、素子間スペースＳが２．２ｍｍにおいて全体アンテナゲインが最大である７．１５ｄＢとなることを示している。このとき、角度θはほぼ２７度となる。

図９は、Ｈ面（φが０−１８０°である垂直断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
放射パターンは、メインビームと、これよりゲインの小さいサイドローブ（不要電波）とを含む。ここで、メインビームのゲインのピークより３ｄＢ低下した角度領域を半値角と呼ぶことにする。液流を精度よく検知するためには、メインビームのゲインが高く、メインビームとサイドローブとのゲイン差が大きく、かつ３ｄＢ利得低下する半値角範囲が０度よりも走査方向側に局在することが好ましい。

すなわち、アンテナのゲインが最大ゲインから３ｄＢ以内となる半値角範囲が、パッチ電極を含む平面に対して垂直であり給電素子と交差する垂直面により区切られる２つの空間のいずれか一方のみに局在するように無給電素子が配置されていることが特徴とされる。

整合点位相Ｐ’が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインは約マイナス１９ｄＢ，半値角範囲はマイナス６５乃至マイナス５度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を備えることが可能となる。

図１０は、位相を０乃至１４０度と変化させ、素子間スペースＳを１乃至５ｍｍと変化させた場合の水平放射パターン（ＸＹ面）を表している。整合点Ｐ’のそれぞれの位相に対してアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、最大放射強度となる放射角度θが図１０の右端の１列の例示するように得られる。３ｄＢ利得低下領域が、給電点Ｐを含む水平面（ＸＹ面）内の軸に関して、走査したい一方の側（図１０においては左側とする）に位置制御される様に、素子間スペースＳ，整合点Ｐ’位相を選択決定することができる。この結果、検知したい液流の領域に応じて高周波センサを動作させることが可能となる。

図１１は、第１具体例において、整合点Ｐ’の位相が９０乃至１３０度である無給電素子６２を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）で配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。

この変形例のアンテナ１０は、例えば、アルミナのようなセラミック材料を用いることにより形成できる。この場合、比誘電率を９．５、ｔａｎδを０．００１、厚みを１ｍｍとしてシミュレーションを行っている。Ｌが４．４ｍｍの場合、アンテナゲインは５．５ｄＢと最大となり、このとき最大放射強度が得られる角度は３０度である。

図１２は、この具体例において、Ｈ面におけるアンテナゲイン（ｄＢ）のθ（度）依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
整合点位相Ｐ’が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１２０度の場合、アンテナゲインは約マイナス２１ｄＢ，半値角範囲はマイナス６２乃至マイナス２度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を満たす。

図１３は、アンテナ１０の第２具体例の模式平面図である。なお、以下のアンテナの具体例において図４と同様の構成要素には同一番号、同一記号を伏して詳細な説明を省略する。
第２具体例においては、無給電素子６２は励振方向に沿って給電素子６０と隣り合って配置されている。このアンテナ１０は、図５（ｂ）と同様の材料を用いて形成することができる。終端短絡の伝送線路は、励振方向と平行な部分を有している。記伝送線路の一端は、無給電素子６２の励振方向と直交する端辺の略中央付近に接続されている。また、後に詳述するように、伝送線路の他端は、高周波信号の通過と遮断とのいずれかを選択可能なスイッチの入力端子に接続することができる。この場合、スイッチのオン状態において無給電素子６２は、導波器及び反射器のいずれか一方として作用し、スイッチのオフ状態において、無給電素子６２は、導波器及び反射器のいずれか他方として作用する。

図１４は、整合点Ｐ’の位相が６０乃至１１０度である無給電素子６６を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。
素子間スペースＳが１．０ｍｍの場合、アンテナゲインが６．９２ｄＢと最大となり、最大放射角度が約４２度となる。

図１５は、Ｅ面（φが９０−２７０°である断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
整合点位相Ｐ’が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点位相は１１０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインはほぼマイナス１９ｄＢ，半値角範囲はプラス２乃至プラス８０度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１０ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を備えることが可能となる。

図１６は、整合点の位相を０乃至１５０度と変化させ、素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。
それぞれの位相においてアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳと、最大放射強度が得られる放射角度θが本図の右端のように得られる。３ｄＢ利得低下領域が、給電点Ｐを含む水平面のＸ軸に関して、走査したい一方の側（図１６においては上側とする）に位置制御される様に、素子間スペースＳ，整合点Ｐ’位相を選択決定することができる。この結果、検知したい液流の領域に応じて高周波センサを動作させることが可能となる。

図１７は、アンテナ１０の第３具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式斜視図である。
本具体例においては、給電素子６０と隣り合い励振方向に対して横方向の位置に無給電素子６２及び６３が配置されている。かつ、無給電素子６２の終端短絡伝送線路６４の電気長はλｇ／４より短いので整合点の位相はプラス、無給電素子６３の終端短絡伝送線路６５の電気長はλｇ／４より長いので整合点の位相はマイナスである。

図１８は、無給電素子６２における整合点位相を１１０度に固定し、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度から０度と変化した場合、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳとゲイン、最大放射強度が得られる放射角度θとの関係を表すグラフ図である。素子間スペースが３．４ｍｍの場合、アンテナゲインは７．５ｄＢの最大値となる。また、このとき最大放射強度となる角度は３９度である。

図１９は、本具体例において無給電素子６２を１１０度、無給電素子６３の位相を０度、マイナス９０度、マイナス１８０度とした場合のＨ面におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
０度とマイナス９０度において、メインビームの放射パターンに大きな変化を生じていない。マイナス９０度からマイナス１８０に変化すると、メインビームのピーク位置がサイドローブに少し接近し、サイドローブゲインを約３ｄＢ抑圧できる。

図２０は、無給電素子６２の位相を１１０度と固定し、無給電素子の位相をマイナス１８０乃至０度と変化させ、かつ素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。アンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、最大放射強度となる角度θが本図右端のように得られる。本図において、３ｄＢ利得低下領域が一方の側（左側）に制御され、液流が走査したい側で検知できる。

図２１は、無給電素子６２の位相を８０乃至１３０度と変化させ、無給電素子６３の位相を０度またはマイナス１８０度とした場合の、Ｈ面におけるゲインのθ依存性である。無給電素子６３の位相は、マイナス１８０度のほうがサイドローブを４乃至６ｄＢ抑圧できるので好ましい。また無給電素子６２の位相を１２０度以下とすると半値角を０度よりも走査方向側とできる。

図２２は、図２１のように位相を変化させた場合の水平放射パターンである。アンテナゲインが最大となる素子間スペースＳと、最大放射強度となる放射角度θが本図右端の様に得られ、３ｄＢ利得低下領域を一方の側（左側）に制御し液流を走査したい側で検知できることを表している。

図２３は、無給電素子６２の位相を０度とし、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度とした場合のＨ面における電波ビームのゲインのθ依存性を表す。メインビームとサイドローブとのゲイン差が約４ｄＢと小さいが、半値角を０度より離して走査方向側とするのが容易である。

図２４は、無給電素子６２の位相を１４０、１５０、１６０度とし、無給電素子６３の位相を０度とした場合のＨ面におけるゲインのθ依存性を表す。無給電素子６２の位相を１４０及び１５０度とすることにより、３ｄＢ利得低下領域を一方の側（左側）に制御し液流を走査したい側で検知できる。この場合、サイドローブとメインビームが連続し広がった放射パターンとなる。

図２５は、図１７に例示された第３具体例の第１変形例であり、同図（ａ）は伝送線路６４の特性インピーダンスが８０オームであり、かつ無給電素子６２の位相は１１０度（伝送線路の長さＬは３．８ｍｍ）、無給電素子６３の位相はマイナス１１０度（伝送線路の長さＬは５．３ｍｍ）であるアンテナ１０の模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性を表す。
また、図２６は、第３具体例の第２変形例であり、同図（ａ）は伝送線路６４の特性インピーダンスが５０オームであり、かつ無給電素子６２の位相は１１０度、６３の位相はマイナス１１０度であるアンテナ１０の模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性を表す。メインビームのゲインは共にマイナス１９ｄＢ，ゲインが最大となる角度θは共にマイナス３５度である。第２変形例の方がサイドローブを約１ｄＢ抑圧できている。

図２７は、第３具体例の第３変形例である。特性インピーダンスを８０オームとし、無給電素子の励振方向と直交する一方の辺と整合点Ｐ’との距離２．３ｍｍと等しい切り込みを他方の辺に設け、伝送線路６４を長くする。図２７（ｂ）に例示されるゲインのθ依存性は図２０に例示された第１変形例とほぼ同様となる。

図２８は、アンテナ１０の第４具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はゲインのφ依存性である。第３具体例において無給電素子６２及び６３における伝送線路６４は、Ｘ軸に関して給電素子６０の給電点Ｐとは反対側に設けられている。本第４具体例において、伝送線路６４はＸ軸に関して給電点Ｐと同一側に配置される。図２８（ｂ）において、太線で著す本第４具体例と細線で表す第３具体例とのゲインのφ依存性における相違は小さい。

次に、終端解放伝送線路を用いた場合について説明する。

図２９は、アンテナ１０の第５具体例であり、伝送線路７４の終端を開放としたアンテナ１０の模式平面図である。終端開放の伝送線路は電気長がλｇ／２で位相が０度である。本図において、無給電素子７２における伝送線路７４の電気長をλｇ／２より短く、無給電素子７３における伝送線路７４の電気長をλｇ／２より長く設定する。無給電素子７２，７３及び給電素子６０の励振方向に沿う長さＤをλｇ／２とする。

図３０は、無給電素子７２，７３を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はＢＢ’に沿った模式断面図である。深さが０．７４ｍｍである導通孔７７の先端は接地６８とは接続されずに開放（オープン）とする。なお、アンテナ１０を構成する基板は第１具体例と同様とできるので説明を省略する。

図３１は、終端開放の伝送線路の長さＬＯを変化させた場合、無給電素子７２及び７３の整合点Ｐ’における振幅（ｄＢ）、位相（度）、無給電素子のアンテナゲイン（ｄＢ）をシミュレーションにより求めたグラフ図である。ＬＯが７．６ｍｍにおいて位相が０度となり、破線で表すアンテナゲインはＬＯが２．４乃至４．３ｍｍの範囲でマイナスとなり、３．４ｍｍ近傍において最小値となる。

図３２は、整合点Ｐ’における反射係数Ｓ１１のシミュレーション結果を表し、同図（ａ）はＳ１１振幅、同図（ｂ）は位相の周波数特性を表す。１１．０５ＧＨｚにおいて、終端開放の伝送線路長が７．５５ｍｍで位相は０度となり、６．６４ｍｍで位相が１１０度、８．１４ｍｍで位相がマイナス１１０度となる。

図３３は、最大放射強度が得られる放射角度θにおけるゲインの角度φ依存性を表すグラフ図である。無給電素子に接続される伝送線路が終端短絡（ショート）である場合を細線で、終端開放（オープン）である場合を太線でそれぞれ表す。細線で表す終端短絡伝送線路のほうが角度φに対して対称とできる。

図３４は、終端短絡または終端開放の伝送線路を有する無給電素子を、給電素子と隣り合うように励振方向に対して横方向に配置したアンテナ１０の水平放射パターンを表す図である。

図３５は、位相が１１０度及びマイナス１１０度となる終端短絡及び終端開放伝送線路の構成を表す模式平面図である。
また、図３６は、図３５に表したそれぞれの伝送線路を備えた無給電素子のＥ面におけるゲインのθ依存性を表す。終端短絡且つ位相マイナス１１０度の伝送線路を有する無給電素子が一番高いゲインを有する。終端開放かつ位相１１０度の伝送線路を有する無給電素子のゲインが最も低い。

また図３３に例示されるように終端開放伝送線路を用いるとφが２４０乃至３３０度の間の範囲でゲインが充分には低下しない。また、図３４に例示されるように、終端開放伝送線路を用いると放射パターンがこの角度（φ）近傍で曲がり（すなわち膨らみ）を生じている。この曲がりが生じると、３ｄＢ利得低下領域の制御が十分にできない場合がある。しかし、この曲がりは給電素子と無給電素子との励振方向に沿う相対位置をずらすことにより改善できる。

図３７は、アンテナ１０の第６具体例の模式平面図である。終端開放伝送線路７４を有する無給電素子７２及び７３は、給電素子６０に対して励振方向かつ給電点とは反対方向に距離Ｇだけずらして配置されている。この場合は、無給電素子７２と７３とを同一にＧだけずらしているが、同一でなくとも良い。図３８に例示されるゲインの角度φ依存性は、図３３の終端短絡伝送線路と同様にゲインを減衰させることができる。

図３９は、水平放射パターンの回転を説明するための模式図である。図３９（ａ）に表した具体例の場合、終端開放伝送線路を有する無給電素子７４は、給電素子６０に対してずらして配置されておらず、両者の中心をむすぶ直線は、励振方向に対して垂直とされている。その場合の水平放射パターンを見ると、最大ゲインはθ＝３０度、φ＝２１０度である。つまり、φ＝１８０度の方向からみて３０度も回転している。

これに対して、図３９（ｂ）に表した具体例の場合、終端開放伝送線路を有する無給電素子７４は、給電素子６０に対してずらして配置されている。すなわち、無給電素子７４は、その伝送線路が接続されている方向に向かってずらされている。このようにすると、放射パターンのφ方向の回転を抑制できる。具体的には、図３９（ｂ）に表した具体例の場合、最大ゲインはθ＝２７度、φ＝１８０度であり、図３９（ａ）において見られた水平放射パターンの回転が抑制されている。この場合、無給電素子７４をずらし量は、λｇ／４以内に抑えることが望ましい。

一方、水平放射パターンの回転を抑制するもうひとつの方法として、伝送線路を短絡する方法を挙げることができる。
図３９（ｃ）は、無給電素子７４を給電素子６０に対してずらすことなく、その伝送線路の終端を接地した具体例を表す。その結果、放射パターンの最大ゲインはθ＝３６度、φ＝１８６度となり、図３９（ａ）に表した具体例（φ＝２１０度）と比べて、φ＝１８０度の方向に２４度も戻ったことが分かる。

図４０は、アンテナ１０の第７具体例の模式平面図であり、同図（ａ）は給電点Ｐと同方向に２個の終端開放伝送線路７４が延在する場合、同図（ｂ）は互いに反対方向に延在する場合を表す模式平面図である。また、図４０（ｃ）は、ゲインの角度φ依存性を表すグラフ図であり、実線は図４０（ａ）、破線は同図（ｂ）であり、共にφ依存性を変化させることができている。これは、放射パターンの回転を制御できることを表している。

図４１は、第８具体例を表す模式平面図である。励振方向に沿って、給電素子６０をはさんで対称位置に無給電素子６２及び６３が配置されている。本具体例においては、無給電素子６２及び６３に、終端短絡伝送線路６４が設けられている。

図４２は、一方の無給電素子６２の位相を１１０度に固定し、他方の無給電素子６３の位相を０乃至マイナス１８０度と変化させた場合におけるアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、及び最大放射強度となる角度θを表すグラフ図である。
素子間スペースＳが１．３ｍｍの時アンテナゲインが最大となり、最大放射強度となる角度θは６３度となることが分かる。

図４３は、一方の無給電素子６２の位相を１１０度とし、他方の無給電素子６３の位相を０、マイナス９０、マイナス１８０度とした場合のＥ面におけるゲインのθ依存性である。
図４４は、素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。
無給電素子６３の位相を０からマイナス１８０度まで変化させるにしたがって、サイドローブが低下することが分かる。ただし、メインローブの半値幅はやや拡がる傾向にあり、無給電素子６３の位相がマイナス９０度付近においてもっとも良好な特性が得られているといえる。

次に、伝送線路に高周波スイッチを接続することにより、放射パターンを切り替える具体例について説明する。
図４５は、第９具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式底面図である。
本具体例においては、終端短絡伝送線路６４と接地６８との間に高周波スイッチ１００を設けることにより電波ビームの放射パターンを切り替えることができる。伝送線路６４は、導通孔６６を介して高周波スイッチ１００に接続される。高周波スイッチ１００は、例えば、ＧａＡｓからなるダイオードまたはＦＥＴとする。本図はＦＥＴを用いた具体例を表し、ゲート電極を伝送線路６４から分離できるのでＦＥＴ電源回路が容易になる。ゲート電極は基板裏面の引き出し電極１０２に接続され、供給電圧によりオン−オフを制御を行う。

図４６及び図４７は、無給電素子から伝送線路への接続構造の２つの具体例を表す。
すなわち、図４６に表した具体例においては、無給電素子６２に終端短絡伝送線路６４の一方の端部が接続されており、他方の端部が導通孔６６へと接続される。この場合には、伝送線路６４はマイクロストリップラインとなる。一方、図４７に表した具体例においては、無給電素子６２のパターン内部に導通孔６６が設けられ、基板の裏面において伝送線路６４に接続される。この場合には、伝送線路６４は厳密にはマイクロストリップラインではないが、その形状パラメータによってはマイクロストリップラインに近似して取り扱うことができる場合もある。
図４８は、高周波スイッチ１００の位置精度を改善する構造を例示する模式図であり、同図（ａ）は基板の裏面側を表し、同図（ｂ）は高周波スイッチのインダクタンス成分を説明するための概念図である。
アンテナ１０の励振周波数は高いので、高周波スイッチ１００の位置決めには高精度が必要であり、このためにはマーカ１０４などを設けると良い。また、高周波スイッチ１００は、寄生インダクタンスＬ２，Ｌ３を有し、その切替状態により寄生インダクタンスが変化する。

図４９は、高周波スイッチ１００のオン−オフに伴うインダクタンスの変化を説明する模式図である。
ここで、Ｌ１は伝送線路のインダクタンスを表す。また、図４９において、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ１'は、それぞれ高周波スイッチ１００がオフ状態とオン状態の寄生インダク
タンスを表す。またここでは、高周波スイッチ１００がオン状態においても接地されない。このように、高周波スイッチ１００のオン−オフにより寄生容量が変化する。このような場合、例えば、ＣＡＳＥ１（Ｌ１＋Ｌ２）の状態においてアンテナ特性が最適となるように設計することができる。また、これとは逆に、ＣＡＳＥ２（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）の状態においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよい。

また、高周波スイッチ１００がオン状態において接地される場合（ＣＡＳＥ３’とＣＡＳＥ４）にも同様に、高周波スイッチ１００がオフ状態（ＣＡＳＥ３）においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよく、または、高周波スイッチ１００がオン状態（ＣＡＳＥ４）においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよい。

これらいずれの場合も、高周波スイッチ１００のオン−オフの切替に伴って寄生インダクタンスが変化するので、アンテナ特性を切り替えることができる。
図５０は、図４５に例示したアンテナ１０のＨ面における電波ビームのゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
高周波スイッチ１００がオン状態においては、マイナス３０度付近をピークとしたメインローブと、プラス５０度付近をピークとしたサイドローブが表れるが、高周波スイッチ１００がオフ状態に遷移すると、０度付近をピークとした単峰性のアンテナ特性が得られる。このように、高周波スイッチ１００を切り替えることにより、アンテナ特性を変化させることができる。

図５１は、第１０具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式断面図である。
本具体例においては、伝送線路６４をＲにおいて分岐し、一方は導通孔６７、高周波スイッチ１００ａ（または１００ｂ）を介し接地６８と接続し、他方は導通孔６６を介して接地６８へ直接接続する。

図５２は、図５１のアンテナの回路構成を表す図であり、整合点Ｐ’の位相を１１０度とする時は高周波スイッチ１００ａ（または１００ｂ）をオンとし、マイナス９０度とする時は高周波スイッチをオフとすればよいことを表す。従って、高周波スイッチ１００ａ（または１００ｂ）のオン−オフを切り替えることにより接地への接続経路を切り替えて、アンテナ特性を変化させることができる。
図５３は、図５１のアンテナのＨ面におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。

同図において、例えば（１１０、−９０）とは、無給電素子６２の整合点Ｐ’における位相が１１０度で、無給電素子６３の整合点Ｐ’における位相がマイナス９０度であることを表す。すなわち、この時、高周波スイッチ１００ａはオン状態で、高周波スイッチ１００ｂはオフ状態である。

図５３から、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂがいずれもオン状態（１１０、１１０）またはオフ状態（−９０、−９０）においては、放射パターンは０度を中心として左右対称であるが、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂの一方をオン状態、他方をオフ状態として切り替えると、放射パターンは０度を中心として反転することが分かる。すなわち、（１１０、−９０）と（−９０、１１０）とは、放射パターンの角度分布が反転している。従って、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂを切り替えることにより、例えば、（１１０、１１０）あるいは（−９０、−９０）のように幅広い放射パターンを得たり、あるいは（１１０、−９０）や（−９０、１１０）のように局在的な放射パターンを選択することが可能となる。
図５４は、第１０具体例の第１変形例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式底面図、同図（ｃ）はＨ面におけるゲインのθ依存性である。
導通孔６６は、無給電素子６２及び６３のパターン領域内に設けられ、基板の裏面において伝送線路６４が設けられる。伝送線路６４と高周波スイッチ１００との接続点近傍には終端短絡の伝送線路が分岐されており、高周波スイッチ１００のオン−オフ切り替えにより伝送線路長を変化させ、図５４（ｃ）のようにゲインのθ依存性を制御できる。なお、図５４（ｃ）は、無給電素子６２、６３の位相がそれぞれ１１０度、マイナス９０度の状態を表す。図５３に表した（１１０、−９０）の具体例と同様に、角度θのマイナス側にメインローブ、プラス側にサイドローブが表れていることが分かる。

図５５は、第１０具体例の第２変形例を表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図(ｂ)はその底面拡大図である。無給電素子６２及び６３の裏面において、伝送線路６４は導通孔６６を介して高周波スイッチ１００へ接続される。この接続点からは終端短絡の伝送線路が分岐されており、高周波スイッチ１００のオン−オフにより伝送線路長を変化させる。
図５６は、第１０具体例の第１及び第２変形例の回路構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）に表した具体例の場合には、高周波スイッチ１００がオンであると無給電素子は導波器となり、オフであると反射器となるようにインダクタンスが変化する。一方、同図（ｂ）に表した具体例の場合には、高周波スイッチ１００がオフの時に無給電素子は導波器となり、オンの時は反射器となるようにインダクタンスが変化する。

図５７は、第１１具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性である。伝送線路６４は分岐されており、一方は高周波スイッチを介して接地され、他方は直接接地される。この結果、無給電素子６２、６３における位相の組み合わせは、（１１０度、−１８０度）、（−１８０度、１１０度）、（−１８０度、-１８０度）、
及び（１１０度、１１０度）の４通りとなる。
図５７（ｂ）はこれらの組み合わせに対応する放射パターンをそれぞれに表すグラフ図である。例えば、（１１０度、１１０度）及び（−１８０度、-１８０度）においてはθ
＝０°においてゲインが最大となる左右対称の放射パターンが得られる。また、（１１０度、−１８０度）と（−１８０度、１１０度）とは、それぞれ左右非対称で０度を中心に反転した放射パターンとなる。

図５８は、第１２具体例を表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図（ｂ）はその模式底面図である。
伝送線路６４の終端が導通孔６６を介して接地６８に短絡され、伝送線路６４の中間に分岐点が設けられ導通孔６７を介して高周波スイッチ１００と接続されている。無給電素子６２と６３は、給電素子６０をはさんで励振方向に対して横方向に配置されている。また、無給電素子１６２と１６３は、給電素子６０をはさんで励振方向に配置されている。

このようにすると、伝送線路からスイッチ１００を介して分岐した線路もすべて励振方向に対して平行に配置することができる。線路が励振方向に対して垂直になる場合には、それらの線路を給電素子６０を中心として対称に形成することが望ましいが、スイッチ１００の接続端子の形状に制限があるため、これが難しい場合が多い。これに対して、本具体例においては、スイッチ１００において分岐した部分も含めて、全ての無給電素子の伝送線路を励振方向に対して平行に形成することができるので、対称性に優れたアンテナを実現できる。

図５９は、高周波スイッチ１００ａ，１００ｂ、１００ｃ、１００ｄをそれぞれにオン−オフした場合におけるゲインのθ依存性を表し、それぞれ左側はＨ面、右側はＥ面である。
これらいずれも、高周波スイッチをオンにした時の無給電素子の位相は１１０度であり、一方、高周波スイッチをオフにした時の無給電素子の位相はマイナス１８０度（図５９（ａ））、マイナス９０度（図５９（ｂ））、または０度（図５９（ｃ））とされている。サイドローブを抑制する観点からは、高周波スイッチをオフにした時に無給電素子の位相がマイナス１８０度のものが有利である。

図６０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図５９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とそれぞれに対応したＨ面及びＥ面における垂直放射パターンを表しており、Ｈ面はＸＺ平面、Ｅ面はＹＺ平面である。
一方、図６１は、第１２具体例において無給電素子の一方を１１０度、他方を１７０度とした場合のゲインのシータ依存性を表す。図５９（ａ）、図６０（ａ）に表したように、無給電素子の他方の位相をマイナス１８０度にした場合と近似した特性が得られることが分かる。

図６２は、アンテナ１０の第１３具体例を表す模式図である。
導通孔６６を介して高周波スイッチ１００が基板裏面の終端短絡伝送線路に接続される。本図において、基板裏面には励振方向に対して横方向に延在する終端短絡伝送線路が設けられている。このようにするとアンテナ１０を全体として小型化できる。

次に、位相が同一の複数の無給電素子を設けた具体例について説明する。
図６３は、アンテナ１０の第１４具体例の模式平面図である。本具体例においては、無給電素子６２及び６３は同一位相とする。無給電素子６２及び６３の位相が同一であり、１６０乃至マイナス１６０度まで変化させた場合、各給電素子−無給電素子間スペースＳに対するゲイン変化率を（表１）に、最大放射強度方向（θ、φ）を（表２）に表す。

無給電素子の位相が１７０度から１８０度までの範囲は、図６に例示されるようにアンテナゲインがマイナスとなる領域である。本具体例におけるように、導波器−導波器として作用する無給電素子６２及び６３によっても放射パターンが制御可能である。
図６４は、本具体例の放射パターンを表す模式図である。

図６５は、第１５具体例の模式平面図である。
また、図６６は、本具体例の放射パターンを表す模式図である。

本具体例においては、無給電素子６２及び６３の位相を同一とし、給電素子６０をはさんで励振方向に沿って配置されている。無給電素子６２及び６３の位相を変化させた場合、給電素子−無給電素子間スペースにおけるゲイン変化率を（表３）に、最大放射強度方向（θ、φ）を（表４）に表す。

次に、励振方向に対して平行に配置され、スイッチにより伝送線路の位相を切り替え可能な無給電素子１６２、１６３を配置することにより、より均一なビームが得られることを説明する。
図６７は、第１６具体例を表し、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は無給電素子１６２及び１６３と給電素子６０との励振方向距離をそれぞれに変化させた場合の水平放射パターン、同図（ｅ）はゲインのθ依存性をそれぞれ表す。
伝送線路は終端開放とし、長さを７．１ｍｍとすることにより無給電素子１６２の位相は９０度とする。ＣＡＳＥ１は、無給電素子１６２が、０．８ｍｍのスペース（間隔）Ｓ１だけ給電素子６０から離れ、給電素子６０の中心に関して給電点の反対側に配置される。ＣＡＳＥ２〜４は、無給電素子１６３が、給電素子６０の中心に関して給電点側に配置され、スペースＳ２がそれぞれ０．８、０．６、０．４ｍｍの場合である。

この場合、図６７（ｅ）に表すゲインにおいて、破線で表すＣＡＳＥ２のほうが太い実線で表すＣＡＳＥ１よりもゲインが約１ｄＢ高い。ＣＡＳＥ１においてＳ１＝０．８ｍｍ、ＣＡＳＥ２においてＳ２＝０．８ｍｍとスペースは同一であっても、均一にビームが放射されないことを意味している。Ｓ２＝０．６ｍｍであるＣＡＳＥ３において、ゲインをほぼＣＡＳＥ１と等しくできておりＣＡＳＥ１に対してＹ軸逆方向にほぼ均一な放射パターンが得られている。Ｓ２＝０．４ｍｍであるＣＡＳＥ４においては、ゲインがますます低下して、図６７（ｄ）の様にＣＡＳＥ１とは異なった水平放射パターンとなる。すなわち、給電素子６０をはさんでペア状に配置された無給電素子において、伝送線路の長さをスイッチにより変化させ、放射パターンを切り替える場合、スペースを変えることによりより均一な放射パターンにできる。例えば、給電素子６０の中心より給電点側に配置する無給電素子１６３とのスペースＳ２を反対側の無給電素子１６２とのスペースＳ１より小さくすることにより、均一なビームにできる。

図６８は、終端短絡の場合のアンテナ１０の模式平面図である。
給電素子６０の給電点Ｐがパッチ電極の中心からみて無給電素子１６３の側に設けられている。そして、この場合、給電素子６０と無給電素子１６２とのスペース（間隔）Ｓ１よりも、給電素子６０と無給電素子１６３とのスペースＳ２を小さくすることにより、放射パターンを対称な形態に近づけることができる。

またこの具体例において、Ｓ１＞Ｓ２とし、スイッチを切り替えることにより、一方の無給電素子を導波器とし、他方を反射器とし均一なビームにできる。図６７（ｅ）に例示されるように、ゲインが最大となるθはＥ面においてプラス、マイナス両側において約６０度であり、図４に例示される第１具体例よりも大きくできる。このアンテナ１０からの大きな放射角度θを有するビームにより、より広範囲な場所にいる人間の存在を精度良く検知できる。この結果、自動ドアなどにおけるセンサとしても有用である。

次に、伝送線路が接続された無給電素子の小型化を実現できる構造について説明する。

整合点の位相がマイナスである反射器として作用する無給電素子６２における伝送線路は、導波器の場合より長くなることが多い。長い伝送線路が励振方向に延在するとアンテナが大型化する。そこで、導波器として作用させる伝送線路は励振方向に沿って直線状に配置し、反射器として作用させる伝送線路は伝送線路の終端側を屈曲させることによりアンテナの小型化を図ることができる。

まず、図６９は、比較例にかかるアンテナを説明する図であり、同図（ａ）は導波器として作用する幅が０．６ｍｍ、長さが３．８ｍｍである伝送線路が直線状に延在したＣＡＳＥ１の模式図、同図（ｂ）はこの伝送線路を屈曲したＣＡＳＥ２の模式図、同図（ｃ）はゲインのφ依存性を表す。
無給電素子１６２と給電素子６０とのスペースはいずれも２．２ｍｍとし、終端短絡伝送線路により無給電素子６２の位相は１１０度となる。アンテナゲインが最大となるのは、図６９（ａ）においてθ＝２７度、φ＝１８３度であるのに対し、同図（ｂ）においてθ＝３０度、φ＝１７４度とビームが回転し、サイドローブもより大きくなる。

図７０は、アンテナの第１７具体例を表す。図７０（ａ）は無給電素子６２に幅０．６ｍｍ、長さ３．８ｍｍである終端短絡伝送線路が、無給電素子６３に幅０．６ｍｍ、長さ８．１ｍｍである終端短絡伝送線路がそれぞれ直線状に延在するＣＡＳＥ３の場合の模式図である。また、図７０（ｂ）は屈曲したＣＡＳＥ４の場合の模式図、同図（ｃ）はゲインのφ依存性である。
導波器としての無給電素子６２の位相は１１０度、反射器としての無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とし、スペースは２．４ｍｍとする。また、反射器として作用する無給電素子６３の伝送線路は、導波器として作用する無給電素子６２の伝送線路の長さである３．８ｍｍにおいて約９０度に屈曲させる。

ゲインが最大となるのは、図７０（ａ）において、θ＝３０度、φ＝１８０度であるのに対し、同図（ｂ）において、θ＝３０度、φ＝１８６度である。図７０（ｃ）に例示されるように、ゲインのφ依存性は殆ど一致し、ビームの回転を抑制できることを表している。

図７１は、第１７具体例の第１変形例を表し、無給電素子６３の伝送線路の長さを５．１ｍｍとし位相をマイナス９０度とした場合を表す。図７１（ａ）は伝送線路が直線状に延在するＣＡＳＥ５、同図（ｂ）は屈曲したＣＡＳＥ６を表す。アンテナゲインが最大となるのは、図７１（ａ）においてθ＝３９度、φ＝１８０度、同図（ｂ）においてθ＝３９度、φ＝１８０度である。また。図７０（ｃ）に例示されるようにゲインのφ依存性は殆ど一致し、ビームの回転を抑制できることを表している。

図７２は、第１７具体例の第２変形例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は水平放射パターン、同図（ｆ）はゲインのφ依存性である。無給電素子６２及び６３が給電素子６０を挟んで励振方向と直交する方向に配置され、給電素子６０と無給電素子６２、６３とのスペースはいずれも２．４ｍｍとした。また、無給電素子１６２及び１６３が給電素子６０を挟んで励振方向に沿って平行方向に配置されている。給電素子６０と無給電素子１６２とのスペースは０．８ｍｍ、給電素子６０と無給電素子１６３とのスペースは０．７ｍｍとした。

伝送線路の終端は導通孔６６により接地されており、分岐点の導通孔６７により高周波スイッチ１００へ接続される。高周波スイッチ１００がオンの場合は分岐点で接地となり、オフの場合は伝送線路の終端６６で接地となる。無給電素子６２の導通孔６７ａに裏面で接続される高周波スイッチ１００ａ（ＳＷ１）、及び無給電素子６３の導通孔６７ｂに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｂ（ＳＷ２）はオン状態で位相が１１０度、オフ状態でマイナス１８０度となるよう伝送線路の長さを決める。また、導通孔６７ｃに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｃ（ＳＷ３）、及び導通孔６７ｄに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｄ（ＳＷ４）はオン状態で９０度、オフ状態でマイナス１８０度となるように伝送線路の長さを決める。

図７２（ｂ）は高周波スイッチ１００ａのみがオンであるＣＡＳＥ１、同図（ｃ）は１００ｂのみがオンであるＣＡＳＥ２，同図（ｄ）は１００ｃのみがオンであるＣＡＳＥ３、同図（ｅ）は１００ｄのみがオンであるＣＡＳＥ４の場合の水平放射パターンを表す。また、図７２（ｆ）はＨ面におけるゲインのφ依存性をＣＡＳＥ１及びＣＡＳＥ２について表し、同図（ｇ）はＥ面におけるゲインのφ依存性をＣＡＳＥ３及びＣＡＳＥ４について表す。
高周波スイッチ１００を切り替えることにより、水平面内の放射パターンを制御できることが分かる。本具体例も、人感センサや自動ドアに用いる高周波センサとして適している。また、導通孔６７が設けられる分岐点において、伝送線路はほぼ９０度に屈曲されている。従って、図５８に表した具体例と比較して、励振方向に沿う長さを縮小しアンテナの小型化を容易にする。この場合、屈曲によるビームの回転も抑制できる。

図７２に表した具体例においては、一本の伝送線路の途中に高周波スイッチが設けられ、位相を可変にしている。
一方、図７３は、伝送線路を２本に分けた具体例を表し、同図（ａ）は表面側の模式図、同図（ｂ）は裏面側の模式図である。すなわち、図７３（ａ）はパッチ電極側を表し、パッチ電極から伝送線路が励振方向に延在し、途中で屈曲して、その終端が導通孔６６により接地されている。一方、図７３（ｂ）は接地６８である裏面を表し、パッチ電極領域内の一点から導通孔１６６を介して接続され励振方向に対して略平行に延在する伝送線路１６４と、この伝送線路１６４に接続された高周波スイッチ１００と、が設けられている。この場合にも、裏面の伝送線路１６４のストライプ状導体の長さ以上の位置において、表側の伝送線路のストライプ状導体が屈曲される。この結果、高周波スイッチ１００をオンとしたとき導波器として、オフとしたとき反射器として作用させ、無給電素子６２の位相を変化させることができる。

以上説明した具体例においては、水平放射パターンにおける最大放射方向がＸまたはＹ軸（励振方向に対して平行）となる様にパッチ電極はほぼ十字状に配置される。
次に、パッチ電極の配置を変えることにより最大放射方向を斜めに向ける具体例について説明する。
図７４は、比較例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は水平放射パターン、同図（ｃ）はゲインのθ依存性である。図７４（ａ）のように無給電素子６２を励振方向に０．２ｍｍずらし、励振方向に平行なその一辺が給電素子６０の平行な一辺とは対向する部分を有さない場合を表す。このようにずらすと、図７３（ｂ）のようにビームを曲げることはできるが、幅０．６ｍｍの伝送線路の長さＬを変えて位相を調整しても、無給電素子６２を導波器として作用させることが困難である。すなわち、Ｌ＝４．７ｍｍとし位相を０度とすると最大放射強度はθ＝３６度、φ＝２９７度となる。また、Ｌ＝４．２ｍｍとし位相を９０度とすると最大放射強度はθ＝４５度、φ＝１１７度となる。しかし図７３（ｃ）に例示するようにサイドローブを十分に減衰させるのが困難であり、センサとして好適なビーム放射パターンが得られない。

図７５は、アンテナの第１８具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）及び（ｃ）は水平放射パターン、同図（ｄ）はゲインのθ依存性を表す。給電素子６０のひとつの角部を図７５（ａ）に例示するような原点（０，０）となるようなＸＹ座標を用い、無給電素子６２のひとつの角部の座標を（ｘ、ｙ）と表す。無給電素子６２には、図７５（ａ）のように長さＬである伝送線路が接続されている。図７５（ｂ）は無給電素子６２の角部座標が（−０．２，−１）であり位相が９０度の場合、同図（ｃ）は角部座標が（−０．２，−０．５）の場合の水平放射パターンである。位相が１１０度であるとサイドローブをメインビームより約８ｄＢ低下でき、ゲインが最大となるφも１２０度とでき、斜め方向へのビーム制御が可能となる。

図７６は、第１８具体例において無給電素子６２の位相が９０度の場合の水平放射パターンを表す。左側はｘ＝−１、すなわちスペースがＸ軸方向に１ｍｍの場合であり、下方に向かって対向する部分が多くなることを表している。また、中央はｘ＝−０．５，その右側はｘ＝−０．２の場合である。最も右側は、それぞれのｙ座標においてゲインが最大となるｘ座標と放射パターンを表す。Ｘ軸方向のスペースを小さくする方が、またＹ方向で対向部分を大きくする方がサイドローブを小さくできる。また、ｙ座標を固定した場合、ゲインが最大となるｘ座標は変化する。

図７７は、第１８具体例において無給電素子６２の位相が１１０度の場合の水平放射パターンを表す。図７６と同様に、左側からｘ座標が−１、−０．５，−０．２の順であり、それぞれの列において下方に向って給電素子６０との対向部分が多くなる。この場合にも、Ｘ軸方向スペースが小さく、Ｙ軸に沿う対向部分が大きくなるに従いサイドローブを小さくできる。

図７８は、アンテナの第１８具体例において位相が１１０度であり、無給電素子６２の角部座標が、（−０．２，−０．５）及び（−１．１、−２．５）の場合のゲインのφ依存性を表す。ビームの放射方向を、最大放射強度ではなく半値角のビーム幅の中心値にて設定することにより、人間などの被検知物を精度よく検知することができる。例えば、最大放射強度で放射強度を１３５度と設定すると、半値角の範囲は７５乃至２２５度となる。一方、半値角のビーム幅の中心値を１２０度と設定すると半値角の範囲が６５乃至２０５度となりより精度の高い検知ができる。

図７９は、第１９具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は水平放射パターン、同図（ｆ）はゲインのφ依存性を表す。図７９（ａ）に例示されるように、給電素子を中心として千鳥格子状あるいはＸ字状に４個の無給電素子が配置される。無給電素子には伝送線路が設けられ、その途中には導通孔が設けられる。伝送線路のストライプ状導体は線路の途中に導通孔を介して基板の裏面の高周波スイッチと接続される。高周波スイッチのオン−オフにより無給電素子の位相を変えることができる。
また、無給電素子と給電素子とはＹ軸に対して平行な一辺において対向する部分を有し、Ｘ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さない。Ｙ軸に対して平行であり対向する部分は、図７６及び図７７に例示される水平放射パターンのシミュレーション結果よりゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。給電素子は励振方向に平行な辺において２分の１波長の長さとされるので、４分の１波長より短い対向部分であれば無給電素子は重なり合わない。破線で表す高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３、ＳＷ４は、基板の裏面にそれぞれ配置される。

図７９（ｂ）は、ＳＷ１のみをオンとし他をオフとするＣＡＳＥ１，同図（ｃ）はスイッチ２のみオンとするＣＡＳＥ２，同図（ｄ）はＳＷ３のみをオンとするＣＡＳＥ３，同図（ｅ）はＳＷ４のみをオンとするＣＡＳＥ４の水平放射パターンをそれぞれに表し、同図（ｆ）はそれぞれＣＡＳＥのゲインのφ依存性を表す。
放射パターンにおけるゲインの最大値となるφ方向は、ＣＡＳＥ１で６０度、ＣＡＳＥ２で１２０度、ＣＡＳＥ３で２４０度、ＣＡＳＥ４で３００度であり、Ｙ軸に関してほぼ左右対称にできる。また、ゲインが３ｄＢ低下するφ方向半値角は、図７９（ｆ）に表すようにほぼ均一とできる。
スイッチを順次切り替えて、ＣＡＳＥ１〜４を順次繰り返すことにより、これら４方向を順次スキャンできる。

第１８及び第１９具体例において、無給電素子と給電素子とはＹ軸に対して平行な一辺において対向部分を有した。しかし本発明はこれに限定されず、Ｘ軸に対して平行な一辺において対向部分を有していても良い。

図８０は、アンテナの第２０具体例を表し、同図(ａ）は１つの無給電素子の場合の模
式平面図、同図（ｂ）は水平放射パターン、同図（ｃ）はφが１０５度のゲインのθ依存性である。図８０（ａ）に表すように、給電素子６０と無給電素子６２とは励振方向、すなわちＹ軸方向に０．２ｍｍ離間している。また、励振方向に対して直交する無給電素子の一辺と給電素子の一辺とは対向部分を２．５ｍｍ有している。無給電素子６２には整合点における位相が１１０度となるよう長さが３．７ｍｍの終端を短絡した伝送線路が接続されている。また、図８０（ｂ）のように、水平放射パターンはφが約１０５方向に向かって広がっている。さらに、図８０（ｃ）のように、φ＝１０５°の面内において最０大放射強度が得られる角度θは３９度、メインビームの半値角幅は１０乃至８０度、サイドローブはメインビームより約９ｄＢ低下させることができ、走査方向に局在するメインビームの放射量を多くし、メインビームとサイドローブの差を３ｄＢ以上確保できる。

図８１は、アンテナの第２１具体例を表す模式平面図である。給電素子を中心として千鳥格子状あるいはＸ字状に４個の無給電素子が配置される。この無給電素子は第１９具体例と同様の形状をそれぞれに有している。無給電素子と給電素子とはＸ軸に対して平行な一辺において対向する部分を有し、Ｙ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さない。Ｘ軸に平行な対向部分は、第１９具体例と同様に、ゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。本具体例においても、破線で表す基板裏面に設けられた高周波スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４を順次切り替えて、４方向を順次スキャンすることができる。

図８２は、比較例を表し、同図（ａ）は模式平面図及び水平放射パターン、同図（ｂ）はゲインのφ依存性を表す。図８２（ａ）に表したように、４つの無給電素子を十字状に配置した場合、同図（ｂ）に表したようにＹ軸方向における半値角は９０度であるが、Ｘ軸方向における半値角は約１５０度と大きい。ビームをＸ軸のプラスまたはマイナス方向に曲げようとする場合、検知範囲が広すぎて、例えば、斜め方向の人を誤って検知する可能性がある。また、例えば、図７４（ｂ）に例示するようにサイドローブを低減できずセンサに適したビームを得ることが困難である。
これに対して、第１９及び第２１具体例においては、φ方向における半値角の幅を揃えることができる。この結果、誤り無く人体などの被検知物を検知できるのでセンサとして適している。この応用として、例えば、人感センサ、自動ドアなどの開閉を制御するセンサ、手の動きを検知するセンサなどに用いると非接触スイッチとでき、機器のリモートコントロールなどに有用である。

図８３は、アンテナの第２２具体例を表し、図８３（ａ）は模式平面図、図８３（ｂ）は高周波スイッチ近傍の部分拡大図である。アンテナは、基板２１０の略中心に給電素子２２０と、給電素子２２０を中心にＸ字型に配置された無給電素子２３０と、を有している。給電素子２２０及び無給電素子２３０は、基板２１０の一方の主面に設けられたパッチ電極を有する。基板２１０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２２０は、図８３（ａ）における左右対称軸上の中間点よりずれた点を給電点Ｐとする。無給電素子２３０は、２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄを含む。励振方向と９０度をなす無給電素子２３０の略中央には伝送線路２４０（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄ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２４０の終端には高周波スイッチ２６０が接続されており、それぞれの高周波スイッチ２６０は電気的にオンまたはオフに制御可能となっている。高周波スイッチ２６０は、２６０ａ（ＳＷ１）、２６０ｂ（ＳＷ２）、２６０ｃ（ＳＷ３）、２６０ｄ（ＳＷ４）を含む。

４つの高周波スイッチ２６０のうちいずれかひとつをオフ（開放状態）とし、他をオン（短絡状態）とすることにより電波ビームを必要な方向に精度良く制御できる。４つの高周波スイッチ２６０を順番にオフとして行くと、電波ビームの方向をこの順番に変えて行くことができ、物体の移動速度がドップラー信号により検知できる。

本実施形態において、高周波スイッチ２６０は接地電極側（裏面側）ではなくパッチ電極側に設けられ、高周波スイッチ２６０を制御するための電圧は同じ側に配置された制御線２４２を介して供給される。この場合、制御線２４２のパターン幅を例えば０．１〜０．５ｍｍ程度に細く、かつ短くし無給電素子２３０の位相に影響を与えないようにし、所定の方向、所定の角度に電波ビームを放射できるようにする。
次に、高周波スイッチ２６０の作用について説明する。図８３（ｂ）の拡大図において、高周波スイッチ２６０ａ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２６３ａに印加する制御電圧によりソース端子２６２ａ及びドレイン端子２６１ａ間をオンまたはオフに切替えることができる。

伝送線路２４０ａの終端部は、ドレイン端子２６１ａに接続され、ソース端子２６２ａは基板２１０の導電パターン２１８及びスルーホール２１９を介して基板２１０の裏面である接地電極に接続される。ゲート端子２６３ａは制御線２４２ａを介して基板２１０の端部の制御端子に接続される。

ゲート端子２６３ａをゲート電圧により制御しソース端子２６２ａ及びドレイン端子２６１ａ間を導通とし高周波スイッチ２６０ａをオンとすると、伝送線路２４０ａは終端短絡線路として作用する。一方、ゲート電圧を制御しドレイン端子２６１ａ及びソース端子２６２ａ間を非導通とし高周波スイッチ２６０ａをオフとすると、伝送線路２４０ａは長さＪの終端開放線路として作用する。

本実施形態において、４つ高周波スイッチ２６０のうちいずれかひとつをオフとし位相がプラスかつ利得がプラスである導波器とし、他の３つをオンとし利得がゼロまたはマイナスである反射器とすることにより電波ビームの放射方向を制御し、オフとする高周波スイッチ２６０を順番に遷移させることにより電波ビームのスキャンが可能となる。

図８４は、このアンテナから放射された電波ビームの基板２１０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。ＳＷ１のみをオフとすると約２０〜７０度の方向に、ＳＷ２のみをオフとすると約１１０〜１６０度の方向に、ＳＷ３のみをオフとすると約２００〜２５０度の方向に、ＳＷ４のみをオフとすると約２９０〜３４０度の方向に電波ビームを照射できる。

図８５は、このようなアンテナを備えた高周波センサ装置により照明装置を制御する応用例を説明する模式図である。部屋２８０において、上方にはライト２８４（２８４ａ、２８４ｂ、２８４ｃ、２８４ｄ）が配置され、入口には壁スイッチ２８２が配置されている。高周波センサ装置のアンテナは、図８３のパッチ電極面を下方（床面）に向けて配置される。部屋２８０は、ライト１（２８４ａ）が配置される照明領域Ａ（２８０ａ）、ライト２（２８４ｂ）が配置される照明領域Ｂ（２８０ｂ）、ライト３（２８４ｃ）が配置される照明領域Ｃ（２８０ｃ）、ライト４（２８４ｄ）が配置される照明領域Ｄ（２８０ｄ）を含む。

次に、部屋２８０の中の人体の位置を検知し、照明領域を使用者の意思に応じて変更する作用について説明する。図８６はこの作用を説明するタイミングチャートである。まず、壁スイッチ２８２を時間Ｔ１でオンとし、すべてのライトは点灯するものとする。アンテナの高周波スイッチ２６０がＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４の順序にオフ状態とされ、電波ビームが照明領域Ａ、照明領域Ｂ，照明領域Ｃ，照明領域Ｄの順序でスキャンされる。

ここで検知範囲として、検知距離が長い第１検知範囲及び短い第２検知範囲を設定する。長い検知距離の第１検知範囲において人体を検知すると、短い検知距離である第２検知範囲に切り替える。第２検知範囲では所定のドップラー周波数（例えば、７０Ｈｚ）以上の動きを人体検知と処理する。図８６に表す電波ビーム及び検知信号はこの第２検知範囲に切り替わった場合とする。Ｔ２から始まる２回目のスキャンで照明領域Ａにおいてのみ人体を検知すると照明領域Ａの反対側である照明領域Ｃのライト３が消灯する。続いてＴ４から始まる４回目のスキャンで照明領域Ａにおいてのみ再び人体を検知するとライト２及びライト４が消灯し、ライト１のみが点灯状態を継続し照明領域Ａのみを照らす。さらにＴ８から始まる８回目のスキャンで照明領域Ｂにおいてのみ人体を検知すると、照明領域Ｂの反対側である照明領域Ｄが消灯を継続しライト２及びライト３が点灯する。

このような照明装置の制御方法と比較して、電気による通過／遮断を選択する壁スイッチを用いる方法では人が存在する領域や人の意思に応じて照明領域を変更することは困難である。また、熱感知式センサを用いる方法ではそれぞれの照明領域の壁に必要量を設置してそれぞれの照明領域における人の存在に応じて点灯／消灯状態を切り替えることができる。しかしながら、センサ検知エリア内に人が存在すれば必ず点灯状態となるため、人が存在する照明領域では点灯／消灯状態を人の意思で切り替えることができない。さらに、赤外線リモコンを用いる方法では、どこの照明領域のライトを点灯するかの選択手段を備えれば人の意思によりそれぞれの照明領域における点灯／非点灯状態を切り替えることができる。しかしながら、リモコンを常に携帯するか、近くに置いておく必要が有り、複数の人が広範囲に存在する部屋ではリモコンも複数必要となり実用的とは言えない。

これに対して第２２具体例のアンテナを備えた高周波センサ装置によれば、部屋内における照明領域を使用者の意思に応じて容易に変更することができる。すなわち、所定の早さ以上で手などを動かすことにより、使用者の意思に応じて確実に照明領域を制御できる。

図８７は、照明領域を使用者の位置に応じて変更する他の例を説明するタイミングチャートである。この場合、壁スイッチ２８２を時間Ｔ１でオンとし、ライト２８４をすべて消灯とする。Ｔ２から始まる２回目のスキャンで照明領域Ａのみに人体を検知すると、照明領域Ａの反対側である照明領域Ｃ以外の照明領域Ａのライト１、照明領域Ｂのライト２、照明領域Ｄのライト４が点灯する。続いてＴ４から始まる４回目のスキャンで再び照明領域Ａのみに人体を検知すると、照明領域Ａのライト１が点灯を継続し、照明領域Ｂのライト２及び照明領域Ｄのライト４は消灯する。さらに、Ｔ８から始まる８回目のスキャンにより照明領域Ｂにのみ人体を検知すると、照明領域Ｂの反対側である照明領域Ｄのランプ４は消灯を継続し、ライト１、ライト２、ライト３は点灯する。この例では、時間Ｔ３までは消灯している部屋２８０のライトが人の動きに応じて点灯し、点灯状態が変化するので部屋２８０を外部から監視でき、例えばセキュリティー上有効である。

本発明は、これらに限定されない。高周波センサを構成するアンテナ、送信部、受信部、差分検出器、給電素子、無給電素子、伝送線路、高周波スイッチなどの材質、形状、サイズに関して各種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。

また、無給電素子の形状は、必ずしも給電素子の形状と同一でなくても、無給電素子とスイッチを接続する伝送線路の長さを調整すれば、無給電素子の整合点においてスイッチをＯＮ／ＯＦＦしたときに使用周波数に対し所定の位相を得ることができる。そして、その無給電素子を給電素子から所定の間隔を設けて配置すれば、所定の方向へ人体検知に適した鋭い電波ビームを放射することができる。
例えば、スイッチがオン状態の時に無給電素子が接地され、オフ状態の時にフローティングにされる場合について説明すると、スイッチがオン状態において高周波をアース電極へ逃がすための線路は、無給電素子と伝送線路との接続点からスイッチ内部の電流路を介してアース電極に至る線路である。そして、この線路の線路長は、スイッチがＯＮ状態の時に、高周波の基板上での波長λｇの２分の１の整数倍の長さであることが望ましい。
一方、スイッチがオフ状態であるとき、無給電素子と伝送線路との接続点からスイッチ内線路の終端に至るまでの伝送線路の線路長は、波長λｇの２分の１の整数倍であることが望ましい。

しかしながら、伝送線路が介在するとセンサ装置の小型化を図りにくい。給電素子と無給電素子の位置関係により位相量は変化し、無給電素子は給電素子から離れるほど反射器側に作用する。従って、伝送線路を極力短くして小型化を図りたい場合は、図８８（ａ）に表したように、励振方向と直交する無給電素子の端辺の略中央部に直接、スイッチの片端を接続し、整合点における位相が使用周波数に対し所定の位相が得られるよう、無給電素子の形状を給電素子の形状に比べて励振方向と平行する辺の長さＬを短く調整する。図８８（ｂ）は、無給電素子のスイッチの接続部の拡大図である。この無給電素子を所定の間隔を設け給電素子の周囲に配置すれば、スイッチが開放状態のときは無給電素子は導波器として作用し、短絡状態のときは無給電素子からの電波の放射量が減少（ゲインが０ｄＢ以下）し、所定の方向へ人体検知に適した鋭い電波ビームを放射することができる。

また、本実施形態の高周波センサは、図２に例示したような小用便器のみならず、腰掛便器や、その他、トイレ、洗面所、浴室、キッチンをはじめとして、各種の用途において設けることができる。

さらに、人感センサ、自動ドアセンサ、非接触スイッチ、非接触型の入力インタフェースなどにも応用が可能である。例えば、図６８や図７９などに関して前述したように、複数の無給電素子をスイッチで順次切り替えて複数の方向をスキャンできるアンテナを用いると、人間の手の動きなどを検知できる。つまり、アンテナで空間をスキャンし、手などの動きを検知し、その方向や速度に応じて、情報を入力したり機器をリモート操作できる。例えば、ドアの前に立った人間が、手を下から上に振った場合に高周波センサがこの動作を検知し、ドアを自動的に開かせることが可能である。

図８９（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、この給電素子６０を中心として対称な位置に所定の間隔を設けて励振方向と平行な給電素子６０の端辺と対向するように設けられた２つの無給電素子６２、６３と、が配置されている。無給電素子６２、６３には（図示しない）伝送線路を介して高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２が接続され、無給電素子６２、６３の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。そして、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦにしたとき、図８９（ｂ）及び（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒１８０°、θ≒−３０°の方向に、サイドローブはφ≒０°、θ≒＋５０°の方向に放射される。一方、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮにしたときは、図８９（ｄ）に表したように、メインビームはφ≒０°、θ≒＋３０°の方向に、サイドローブはφ≒１８０°、θ≒−５０°の方向に放射される。

電波ビームをφ方向（基板面に対して水平方向）にスキャンし、ｎ番目に放射されるメインビームの最大放射強度の方向が φ（ｎ）Ｍ の時、メインビームよりもゲインの小さいサイドローブが φ（ｎ）Ｓ の方向に放射される。 φ（ｎ）Ｓ は、略 φ（ｎ）Ｍ＋[１８０°] の方向であり、メインビームの放射角度（基板面に対して垂直方向）を θ（
ｎ）Ｍ 、サイドローブの放射角度を θ（ｎ）Ｓ とすると、 θ（ｎ）Ｍ＜θ（ｎ）Ｓ
となる。

次に、（ｎ＋１） 番目に放射されるメインビームの最大放射強度の方向を φ（ｎ）Ｍ±[１８０°] に設定すると、メインビームの放射方向は ｎ 番目に放射されるサイドロ
ーブの方向と略一致することになる。すなわち、（ｎ＋１）番目に放射されるメインビームの最大放射強度の方向を φ（ｎ＋１）Ｍ とすると、 φ（ｎ＋１）Ｍ≒φ（ｎ）Ｓ となる。このとき、メインビームの放射角度を θ（ｎ＋１）Ｍ とすると、 θ（ｎ＋１）Ｍ ＜θ（ｎ）Ｓ となり放射角度は異なる状態となる。このため、メインビームの放射方向を２方向に切り替えて手が接近する方向に応じて何らかの機能を動作させる非接触スイッチとして使用する場合、メインビームとサイドローブの方向が同じだと手が接近する角度によっては誤検知する可能性がある。

図９０（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、この給電素子６０を中心として対称な位置に所定の間隔を設けて給電素子６０の励振方向と平行する端辺と一部が対向するように設けられた２つの無給電素子６２、６３と、が配置されている。無給電素子６２、６３には（図示しない）伝送線路を介し高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２が接続され、無給電素子６２、６３の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。

そして、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦにしたとき、図９０（ｂ）に表したように、メインビームはφ≒１２０°、サイドローブはφ≒３００°の方向に放射される。一方、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮにしたときは、図９０（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒６０°、サイドローブはφ≒２４０°の方向に放射される。

図９１（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、給電素子６０の励振方向と平行する端辺と対向する位置および給電素子６０の励振方向と直交する端辺と対向する位置に所定の間隔で設けられた２つの無給電素子６２、６３と、が配置されている。無給電素子６２、６３には（図示しない）伝送線路を介し高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２が接続され、無給電素子６２、６３の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。

そして、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦにしたとき、図９１（ｂ）に表したように、メインビームはφ≒１８０°、サイドローブはφ≒０°の方向に放射される。一方、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮにしたときは、図９１（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒９０°、サイドローブはφ≒２７０°の方向に放射される。

図９２（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、この給電素子６０の励振方向と平行する端辺と対向する位置および給電素子６０の励振方向と平行する端辺と一部が対向する位置に所定の間隔で設けられた２つの無給電素子６２、６３と、が配置されている。無給電素子６２、６３には（図示しない）伝送線路を介し高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２が接続され、無給電素子６２、６３の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。

そして、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦにしたとき、図９２（ｂ）に表したように、メインビームはφ≒１８０°、サイドローブはφ≒０°の方向に放射される。一方、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２をＯＮにしたときは、図９２（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒６０°、サイドローブはφ≒２４０°の方向に放射される。

図９３（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、この給電素子６０の励振方向と平行する端辺と対向する位置および給電素子６０の励振方向と直交する端辺と対向する位置に所定の間隔を設け、３つの無給電素子６２、６３、７２が配置されている。無給電素子６２、６３、７２には（図示しない）伝送線路を介し高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３が接続され、無給電素子６２、６３、７２の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。

そして、ＳＷ１とＳＷ２をＯＮ、ＳＷ３をＯＦＦにしたとき、図９３（ｂ）に表したように、メインビームはφ≒１３０°、サイドローブはφ≒３１０°の方向に放射される。一方、ＳＷ１をＯＦＦ、ＳＷ２とＳＷ３をＯＮにしたときは、図９３（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒５０°、サイドローブはφ≒２３０°の方向に放射される。

図９４（ａ）に表したアンテナは、給電素子６０と、この給電素子６０を中心として対称な位置に所定の間隔を設けて給電素子６０の励振方向と平行する端辺と一部が対向するように３つの無給電素子６２、６３、７２が配置されている。無給電素子６２、６３、７２には（図示しない）伝送線路を介し高周波信号を通過または遮断が選択可能なスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３が接続され、無給電素子６２、６３、７２の整合点における位相は、スイッチが短絡状態のときに１００ｄｅｇｒｅｅ近傍、開放状態のとき−１８０ｄｅｇｒｅｅ近傍となる。

そして、ＳＷ１とＳＷ２をＯＮ、ＳＷ３をＯＦＦにしたとき、図９４（ｂ）に表したように、メインビームはφ≒１８０°、サイドローブはφ≒０°の方向に放射される。一方、ＳＷ１とＳＷ３をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦにしたときは、図９４（ｃ）に表したように、メインビームはφ≒９０°、サイドローブはφ≒２７０°の方向に放射される。

このように、本発明の高周波センサ装置を非接触スイッチに用い、２方向に電波ビームをスキャンする場合、前に電波のメインビームが放射され最大放射強度が得られる方向を φ（ｎ） 、次に電波ビームが放射され最大放射強度が得られる方向を φ（ｎ＋１） とすると、φ（ｎ＋１） が φ（ｎ）±[１８０°] と異なる方向に電波ビームを切り替えることが望ましく、特に、 φ（ｎ＋１） は φ（ｎ）±[９０°] 〜 φ（ｎ）±[１３５°] が好ましい。そうすれば、前に放射されるサイドローブと次に放射されるメインビームの方向が異なる（前に放射されるサイドローブの半値角と次に放射されるメインビームの半値角が重ならない）ため手が接近する角度の影響を受けなくなるため誤検知を防止できる。

また、高周波センサ装置を非接触スイッチに用いた時、方向を識別する単純なＯＮ／ＯＦＦスイッチとして使用する場合は電波スキャンを常時、継続して人体や手の接近する方向を検知すれば良い。

しかし、人体や手の接近方向を識別しさらにそのときの移動状態（移動速度や移動時間、移動距離、静止時間等）を用いてアナログ的に物理量（流量、温度、回転数、回転角度等）を変化させたい場合、電波ビームをスキャンし人体や手の接近方向を早期に確定したら、接近方向に対し電波ビームを固定することが重要である。

例えば、高周波センサ装置を壁面に設置したとき、人の手が接近する速度は、遅い人で５０Ｈｚ（１周期：２０ミリ秒）、速い人でも３００Ｈｚ程度である。従って、電波ビームをスキャンする速度は、５０Ｈｚ以上の動きを正確に検知できる２０ミリ秒以下が好ましい。そうすれば、早期に効率良く手が接近する方向を検知でき、検知エリア内における移動状態を認識できる。特に、人の手が高周波センサ装置に接近する移動速度の違いを利用し、アナログ的に物理量を変化させる場合、効果的である。

そのとき人の手が移動する距離は一般的に３０〜５０ｃｍ程度であるため、スイッチの操作性や誤検知防止を考慮すると、検知エリアは高周波センサ装置から半径５０ｃｍ前後が好ましい。

図９５は、電波ビームを２方向にスキャンしたときのタイミングチャートである。ここで、ＳＷ１をＯＮした時とＳＷ２をＯＮした時とでは電波ビームの方向が異なる。本実施例では１スキャンしたときに、ＳＷ１がＯＮ状態にて手の接近を検知し確定した場合を例示している。ドップラー信号が所定のしきい値を越えたことにより手の接近方向を確定したら、その方向に電波ビームを固定しその方向での手の移動状態を認識できる。本実施例では、手が検知エリア内に進入し手の接近方向が確定してから停止するまでの期間、外部に判定信号を出力している。従って、この判定信号を使えば単純なＯＮ／ＯＦＦスイッチとしても使用できるし、パルス信号の出力時間からアナログ的に物理量を変化させるスイッチとしても使用できる。

図９６は、図９５に表した実施例の変形例を表す。本変型例においては、ドップラー信号が所定のしきい値を越えたことにより検知エリア内に手が進入したことを検知した時にスキャン速度よりも短いパルス信号を判定信号として外部に出力し、さらに手の接近方向が確定され電波ビームをその方向に固定してからドップラー信号が所定の周波数以下（例えば、２０〜３０Ｈｚ以下）になるまでの期間、ドップラー信号の１周期に対し１つパルス信号を判定信号として出力している。このように、検知エリア内に進入した直後の手の移動速度や移動時間・距離に応じた判定信号を利用すれば、アナログ的に物理量を変化させることができる。

図９７も、図９５に表した実施例の変形例を表す。本変型例においては、ドップラー信号が所定のしきい値を越えたことにより検知エリア内に手が進入したことを検知した時からドップラー信号が所定の周波数以下になるまでの期間における平均周波数を周期に換算したときの長さを有するパルス信号を、手がセンサから離れていく状態（電圧の振幅値は大→小、周波数は低→高）を認識した後に判定信号として出力している。これによりスイッチ操作しようとしていない使用者の手がセンサ前方にて素早く通り過ぎる場合があったとしても誤動作を防止できる。また、手が接近する動作において接近する速度、即ち周波数が殆ど変化しないまま電圧の振幅値が小→大→小に変化した場合にパルス信号を出力しないようにすれば同様に誤動作を防止できる。

図９８及び図９９は、電波ビームを４方向にスキャンした場合のタイミングチャートである。
ＳＷ１をＯＮした時のメインビームの放射方向は０°サイドローブの放射方向は１８０°で、ＳＷ２をＯＮした時のメインビームの放射方向は９０°サイドローブの放射方向は２７０°で、ＳＷ３をＯＮした時のメインビームの放射方向は１８０°サイドローブの放射方向は０°で、ＳＷ４をＯＮした時のメインビームの放射方向は２７０°サイドローブの放射方向は９０°である。

図９８においては、ＳＷ１をＯＮした時にドップラー信号の電圧振幅値が予め設定された閾値を超えた場合、１スキャン（４方向に電波ビームを切り替え）のドップラー信号の結果をもとに人体や手の接近方向を確定している。それに対して、図９９においては、ＳＷ３をＯＮした時にドップラー信号の電圧振幅値が予め設定された閾値を超えた場合、１スキャンのドップラー信号の結果だけでなくＳＷ１をＯＮにした時のドップラー信号の状態をもとに人体や手の接近方向を確定している。

このように、順次複数の方向へ電波ビームを放射するもので、且つ初めにメインビームが放射される方向と後にサイドローブが放射される方向が重なるような電波ビームを切り替えるセンサの場合、いずれかの方向で人体や手を検知したら人体検知したメインビームの放射方向とは反対側のメインビームのドップラー信号の状態とを比較し接近方向を確定すれば、サイドローブの影響による誤検知を防止できる。

さらに、電波ビームをスキャン中に人体を検知したら、即座に人体検知したメインビームの放射方向とは反対側の方向にメインビームを放射するよう切り替えれば、より短時間で接近方向を確定でき、効率良く移動状態を認識できる。

また例えば、自動券売機や各種の入力端末において、「はい」と「いいえ」の二択に対して、高周波センサが利用者の首の動きをモニタし、利用者が首を縦に振ったら「はい」、首を横に振ったら「いいえ」のように非接触式に入力することが可能となる。

１０ アンテナ、１２ 送信部、１４ 受信部、１６ 差分検出器、２０ 高周波センサ装置、６０ 給電素子、６２、６３、７２、７３ 無給電素子、６４、７４ 伝送線路、６６、６７、７７ 導通孔、１００ 高周波スイッチ、１０２ 引き出し電極

Claims (3)

1. 送信波が供給される薄膜矩形状の給電素子と、
   前記給電素子の周囲に素子間スペースを介して配置され、前記給電素子により励起される薄膜矩形状の無給電素子と、
   前記給電素子と前記無給電素子とに対向して設けられた接地電極と、
   を備え、
   前記無給電素子の整合点における位相は、伝送線路が接続されるか、前記給電素子と異なる大きさにすることにより、前記給電素子の整合点における位相を基準として前記無給電素子の整合点における位相が１２０度以下、９０度以上となるようにプラス側に調整され、
   前記位相がプラス側に調整された前記無給電素子は、前記送信波を前記無給電素子の方向に傾けて放射させたときにアンテナゲインが略最大となる素子間スペースに配置されている
   ことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
2. 送信波が供給される薄膜矩形状の給電素子と、
   前記給電素子周囲に素子間スペースを介して配置され、前記給電素子により励起される薄膜矩形状の複数の無給電素子と、
   前記給電素子と前記複数の無給電素子と対向して設けられた接地電極と、
   を備え、
   前記複数の無給電素子の整合点における位相は、伝送線路が接続されるか、前記給電素子と異なる大きさにすることにより、前記給電素子の整合点における位相を基準として、一方の無給電素子の整合点における位相が前記無給電素子の整合点における位相が１２０度以下、９０度以上となるようにプラス側、他方の無給電素子の整合点における位相がマイナス側に調整され、
   前記位相がプラス側に調整された前記一方の無給電素子を含む前記複数の無給電素子は、前記送信波を前記プラス側に調整された前記一方の無給電素子の方向に傾けて放射させたときにアンテナゲインが略最大となる素子間スペースに配置されている
   ことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
3. 送信波を発生する送信部と、
   前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信する請求項１または２に記載のマイクロストリップアンテナと、
   前記受信波を検知する受信部と、
   前記送信波と、前記受信波と、の周波数成分の差を抽出し、ドップラー信号を出力する 差分検出部と、
   を備えたことを特徴とする高周波センサ装置。