JP6587200B2 - アンテナ装置、電波センサ及びそれを備えた水栓装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置、電波センサ及びそれを備えた水栓装置に関する。

従来、アンテナ装置として、２つの１次放射器と、２つの１次放射器に一対一に対応し対応する１次放射器の位置を焦点面とする２つの誘電体レンズと、を備えた送受信装置が提案されている（特許文献１）。

また、水栓装置として、電波センサを用いて吐水流の吐水を制御する水栓装置が提案されている（特許文献２）。ここにおいて、電波センサは、例えば、送信部と、送信部に接続されたアンテナ（送信アンテナ）と、受信部と、受信部に接続されたアンテナ（受信アンテナ）と、ミキサ部と、を備えている。

アンテナ装置の分野では、小型化を図りながらも電波の指向性をより強くすることが望まれる場合がある。

特開２０００−２２４２３号公報 特許第５２１２９０８号公報

本発明の目的は、小型化を図りながらも電波の指向性をより強くすることが可能なアンテナ装置、電波センサ及びそれを備えた水栓装置を提供することにある。

本発明に係る一態様のアンテナ装置は、アンテナユニットと、誘電体ユニットと、を備える。前記アンテナユニットは、２つの平面アンテナを有する。前記誘電体ユニットは、前記アンテナユニットに対向する。前記２つの平面アンテナのうち一方の平面アンテナは、電波を送信する送信アンテナである。前記２つの平面アンテナのうち他方の平面アンテナは、前記送信アンテナから送波され物体で反射された電波を受信する受信アンテナである。前記誘電体ユニットは、前記２つの平面アンテナに一対一で対向し対向する平面アンテナからの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる２つの誘電体部を有する。前記誘電体ユニットは、前記アンテナユニット側と反対側において、前記２つの誘電体部の間に溝が形成されている。

本発明に係る一態様の電波センサは、検知部と、処理部と、を備える。前記検知部は、電波を検知エリアに送信し、前記検知エリアから電波を受信する。前記処理部は、判断部と、出力部と、を備える。前記判断部は、前記検知部から出力されるセンサ信号を信号処理して前記検知エリア内において移動する物体の有無を判断する。前記出力部は、前記判断部の判断結果に応じた制御信号を出力する。前記検知部は、上記のアンテナ装置を含んでいる。

本発明に係る一態様の水栓装置は、吐水用の管であるスパウトと、ホースと、開閉弁と、上記の電波センサと、を備える。前記ホースは、前記スパウト内に配置されている。前記開閉弁は、前記ホースの上流側に配置されている。前記開閉弁は、上記の電波センサにおける出力部から出力される制御信号によって開状態と閉状態とが切り替わる。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の正面左斜め側から見た斜視図である。図１Ｂは、同上のアンテナ装置の正面右斜め側から見た斜視図である。 図２Ａは、同上のアンテナ装置の正面図である。図２Ｂは、同上のアンテナ装置の平面図である。図２Ｃは、同上のアンテナ装置の左側面図である。図２Ｄは、同上のアンテナ装置の右側面図である。 図３は、同上のアンテナ装置に関し、図２ＡのＺ１−Ｚ１線断面図である。 図４Ａは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＸ１−Ｘ１線断面に対応する断面図である。図４Ｂは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＸ１−Ｘ１線断面に対応する斜視断面図である。 図５Ａは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＸ２−Ｘ２線断面に対応する断面図である。図５Ｂは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＸ２−Ｘ２線断面に対応する斜視断面図である。 図６Ａは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＹ１−Ｙ１線断面に対応する断面図である。図６Ｂは、同上のアンテナ装置に関し、図３のＹ２−Ｙ２線断面に対応する断面図である。 図７は、同上のアンテナ装置におけるアンテナユニットの斜視図である。 図８Ａは、本発明の一実施形態の変形例１に係るアンテナ装置の右側面図である。図８Ｂは、同上のアンテナ装置の指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図９Ａは、本発明の一実施形態の変形例２に係るアンテナ装置の右側面図である。図９Ｂは、同上のアンテナ装置の指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１０Ａは、本発明の一実施形態の変形例３に係るアンテナ装置の右側面図である。図１０Ｂは、同上のアンテナ装置の指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１Ａは、本発明の一実施形態の変形例４に係るアンテナ装置の右側面図である。図１１Ｂは、同上のアンテナ装置の指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１２は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置を備えた電波センサのブロック図である。 図１３は、本発明の一実施形態に係るアンテナ装置を備えた電波センサを含む水栓装置に関し、流し台に配置した状態の斜視図である。 図１４は、同上の水栓装置の要部断面図である。 図１５は、同上の水栓装置を配置した流し台の断面図である。

下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

以下では、本実施形態のアンテナ装置１について図１Ａ〜７に基づいて説明する。

アンテナ装置１は、アンテナユニット２と、誘電体ユニット３と、を備える。アンテナユニット２は、２つの平面アンテナ２０を有する。誘電体ユニット３は、アンテナユニット２に対向する。２つの平面アンテナ２０のうち一方の平面アンテナ２０が電波を送信する送信アンテナ２１である。２つの平面アンテナ２０のうち他方の平面アンテナ２０が送信アンテナ２１から送波され物体で反射された電波を受信する受信アンテナ２２である。誘電体ユニット３は、２つの平面アンテナ２０に一対一で対向し対向する平面アンテナ２０からの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる２つの誘電体部３０を有する。誘電体ユニット３では、アンテナユニット２側と反対側において、２つの誘電体部３０の間に溝３３が形成されている。

以上の構成により、アンテナ装置１は、小型化を図りながらも電波の指向性をより強くすることが可能となる。アンテナ装置１では、アンテナユニット２と誘電体ユニット３との距離が、例えば、送信アンテナ２１から送波する電波の自由空間波長よりも短いのが好ましい。誘電体ユニット３では、２つの誘電体部３０のうち送信アンテナ２１に対向する誘電体部３０（以下、「送信用誘電体部３１」ともいう）が、送信アンテナ２１から放射させる電波の指向性を強める機能（指向性を絞る機能）を有する。また、誘電体ユニット３では、２つの誘電体部３０のうち受信アンテナ２２に対向する誘電体部３０（以下、「受信用誘電体部３２」ともいう）が、受信アンテナ２２で受波する電波の指向性を強める機能（指向性を絞る機能）を有する。

アンテナ装置１は、２つの誘電体部３０（以下、「第１誘電体部３０」ともいう）とは別に、２つの第１誘電体部３０を覆うように配置される第２誘電体部４０を更に備えるのが好ましい。ここにおいて、第２誘電体部４０とアンテナユニット２との距離は、誘電体ユニット３とアンテナユニット２との距離よりも長い。また、第２誘電体部４０は、アンテナユニット２からの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる形状であるのが好ましい。これにより、アンテナ装置１は、電波の指向性を更に強くすることが可能となる。

アンテナ装置１の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。

上述のように、アンテナ装置１は、アンテナユニット２と、誘電体ユニット３と、第２誘電体部４０と、を備える。

アンテナユニット２は、２つの平面アンテナ２０を有する。平面アンテナ２０は、パッチアンテナである。アンテナユニット２では、図７に示すように、１枚の誘電体基板２０１に、２つの平面アンテナ２０が形成されている。誘電体基板２０１は、厚さ方向において互いに反対側にある表面２１１及び裏面２１２を有する。誘電体基板２０１の平面視形状（厚さ方向において表面２１１側から見た形状）は、長方形状である。誘電体基板２０１は、誘電体により形成された基板である。より詳細には、誘電体基板２０１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板である。ガラスエポキシ樹脂基板は、例えば、ＵＬ７４６Ｅ規格によるＦＲ−４．０のグレードを満たすのが好ましい。誘電体基板２０１の厚さは、例えば、１ｍｍである。誘電体基板２０１の比誘電率は、例えば、４．２である。

２つの平面アンテナ２０は、誘電体基板２０１の厚さ方向から見て、誘電体基板２０１の長手方向に配列されている。２つの平面アンテナ２０それぞれの平面視形状は、正方形状である。２つの平面アンテナ２０の各々は、誘電体基板２０１の表面２１１に形成された導体層２２１、誘電体基板２０１の裏面２１２に形成されたグラウンド層２２２と、給電点と、を含む。給電点は、例えば、導体層２２１のうち、誘電体基板２０１において導体層２２１に重なる領域内で誘電体基板２０１の厚さ方向に貫通した孔（図示せず）により露出した部位である。導体層２２１の平面視形状は、正方形状である。導体層２２１は、誘電体基板２０１の表面２１１上の金属はくにより構成されている。ここにおいて、金属はくの材質は、銅である。要するに、導体層２２１は、導体により形成されている。

グラウンド層２２２は、誘電体基板２０１の裏面２１２上に形成された金属はくにより構成されている。ここにおいて、金属はくの材質は、銅である。要するに、グラウンド層２２２は、導体により形成されている。

上述のように、アンテナユニット２では、２つの平面アンテナ２０のうち一方の平面アンテナ２０が送信アンテナ２１であり、他方の平面アンテナ２０が受信アンテナ２２である。

送信アンテナ２１は、電波を空間に送信する。受信アンテナ２２は、空間からの電波を受信する。より詳細には、受信アンテナ２２は、例えば、送信アンテナ２１から送信され物体で反射された電波を受信する。送信アンテナ２１から送信する電波の周波数は、例えば、２４ＧＨｚである。この場合、送信アンテナ２１から送信する電波及び受信アンテナ２２で受信する電波の波長は、１２．５ｍｍである。ここにおいて、２つの平面アンテナ２０の導体層２２１の平面サイズは、２．７ｍｍ×２．７ｍｍであるのが好ましい。

平面アンテナ２０の中心軸２００（図３、６Ａ及び６Ｂ参照）は、導体層２２１の表面の中心点を通る。より詳細には、送信アンテナ２１の中心軸２００１は、送信アンテナ２１における導体層２２１の表面の中心点を通る。また、受信アンテナ２２の中心軸２００２は、受信アンテナ２２における導体層２２１の表面の中心点を通る。図３には、直交座標系Ｃ１、Ｃ２を表記してある。ただし、直交座標系Ｃ１及びＣ２は、実体を伴うわけではなく、説明のために表記しているに過ぎない。

直交座標系Ｃ１は、送信アンテナ２１において、導体層２２１の表面の中心点を原点として、導体層２２１の表面において互いに直交するｘ軸とｙ軸とを規定し、導体層２２１の表面に直交するｚ軸を規定してある。したがって、直交座標系Ｃ１におけるｚ軸は、送信アンテナ２１の中心軸２００１上に規定してある。

直交座標系Ｃ２は、受信アンテナ２２において、導体層２２１の表面の中心点を原点として、導体層２２１の表面において互いに直交するｘ軸とｙ軸とを規定し、導体層２２１の表面に直交するｚ軸を規定してある。したがって、直交座標系Ｃ２におけるｚ軸は、受信アンテナ２２の中心軸２００２上に規定してある。直交座標系Ｃ１は、左手系直交座標系である。直交座標系Ｃ２は、右手系直交座標系であり、直交座標系Ｃ１とはｙ軸の方向が逆方向である。

誘電体ユニット３は、アンテナユニット２における２つの平面アンテナ２０それぞれの単体での指向性よりも指向性を強くするためにアンテナユニット２の前方（誘電体基板２０１の厚さ方向において表面２１１の裏面２１２側とは反対側）に配置される。誘電体ユニット３は、空気よりも誘電率の高い誘電体により形成されている。一例として、誘電体ユニット３は、黒色のＡＢＳ樹脂により形成されている。ここにおいて、誘電体ユニット３の比誘電率は、略２．５である。ここにおいて、誘電体ユニット３は、２つの誘電体部３０を含む１つの部材（樹脂成形体）である。このため、誘電体ユニット３では、この誘電体ユニット３の一部により２つの誘電体部３０が繋がっている。ここで、誘電体ユニット３では、上述のように、アンテナユニット２側と反対側において、２つの誘電体部３０の間に溝３３が形成されている。

アンテナユニット２と誘電体ユニット３との距離Ｌ１（図５Ａ、６Ａ及び６Ｂ参照）は、送信アンテナ２１から送波する電波の自由空間波長よりも短いのが好ましい。より詳細には、距離Ｌ１は、例えば、送信アンテナ２１から送波する電波の自由空間波長（以下では、この電波の自由空間波長をλとする）の０．０８倍〜０．４倍（つまり、０．０８λ〜０．４λ）であるのが好ましい。一例として、距離Ｌ１は、３ｍｍ（＝０．２４λ）である。

誘電体ユニット３は、２つの誘電体部３０を有する。また、誘電体ユニット３は、アンテナユニット２側と反対側において、２つの誘電体部３０の間に溝３３が形成されている。誘電体ユニット３では、２つの誘電体部３０のうち一方の誘電体部３０（送信用誘電体部３１）が送信アンテナ２１に対向し、他方の誘電体部３０（受信用誘電体部３２）が受信アンテナ２２に対向する。以下では、説明の便宜上、２つの誘電体部３０それぞれの中心軸３００を区別する場合には、送信用誘電体部３１の中心軸３０１、受信用誘電体部３２の中心軸３０２ということもある。

送信用誘電体部３１は、送信アンテナ２１の前方（送信アンテナ２１の厚さ方向において導体層２２１のグラウンド層２２２側とは反対側）に配置されている。これにより、送信用誘電体部３１と送信アンテナ２１の導体層２２１とが対向している。図３及び６Ａに示すように、送信用誘電体部３１は、対向する送信アンテナ２１の中心軸２００１に交差するように配置されている。より詳細には、送信用誘電体部３１は、送信アンテナ２１との対向面が送信アンテナ２１の中心軸２００１に直交するように配置されている。ここにおいて、「直交」とは、厳密に互いに直角に交わる場合のみに限定されず、略直交（互いに交わる角度が例えば９０°±１０°）でもよい。送信用誘電体部３１は、送信アンテナ２１からの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる形状に形成されている。アンテナ装置１は、送信用誘電体部３１を備えることにより、送信アンテナ２１から放射される電波の指向性を強くすることができる。

送信用誘電体部３１は、一例として、半球状の形状の一部を、送信アンテナ２１に規定した直交座標系Ｃ１におけるｙ軸に直交する１つの平面（溝３３の内側面３３１）によりカットした形状に形成されている。これにより、送信用誘電体部３１における送信アンテナ２１側とは反対側の表面は、曲面３１１（図３及び６Ａ参照）を含んでいる。送信用誘電体部３１の中心軸３０１は、曲面３１１を表面の一部として含む第１仮想半球の中心軸である。また、送信用誘電体部３１は、半球状の形状の一部を、送信アンテナ２１に規定した直交座標系Ｃ１におけるｚ軸に直交する１つの平面と、ｘ軸に直交する１つの平面とでカットした形状に形成されている。したがって、送信用誘電体部３１における曲面３１１は、誘電体ユニット３の厚さ方向の一方向から見てＣ字状である。

受信用誘電体部３２は、受信アンテナ２２の前方に配置されている。図３及び６Ｂに示すように、受信用誘電体部３２は、対向する受信アンテナ２２の中心軸２００２に交差するように配置されている。より詳細には、受信用誘電体部３２は、受信アンテナ２２との対向面が受信アンテナ２２の中心軸２００２に直交するように配置されている。ここにおいて、「直交」とは、厳密に互いに直角に交わる場合のみに限定されず、略直交（互いに交わる角度が例えば９０°±１０°）でもよい。受信用誘電体部３２は、受信アンテナ２２からの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる形状に形成されている。アンテナ装置１は、受信用誘電体部３２を備えることにより、受信アンテナ２２で受波する電波の指向性を強くすることができる。

受信用誘電体部３２は、一例として、半球状の形状の一部を、受信アンテナ２２に規定した直交座標系Ｃ２におけるｙ軸に直交する１つの平面（溝３３の内側面３３２）によりカットした形状に形成されている。これにより、受信用誘電体部３２における受信アンテナ２２側とは反対側の表面は、曲面３１２（図３及び６Ｂ参照）を含んでいる。受信用誘電体部３２の中心軸３０２は、曲面３１２を表面の一部として含む第２仮想半球の中心軸である。第２仮想半球の直径は、第１仮想半球の直径と同じであるのが好ましい。また、受信用誘電体部３２は、半球状の形状の一部を、受信アンテナ２２に規定した直交座標系Ｃ２におけるｚ軸に直交する１つの平面と、ｘ軸に直交する１つの平面とでカットした形状に形成されている。したがって、受信用誘電体部３２における曲面３１２は、誘電体ユニット３の厚さ方向の一方向から見てＣ字状である。

誘電体ユニット３では、２つの誘電体部３０の並んでいる方向における２つの誘電体部３０の中心軸３００間の距離は、第１仮想半球の直径及び第２仮想半球の直径よりも短い。図１Ａ〜５Ｂに示すように、誘電体ユニット３は、アンテナユニット２側とは反対側において２つの誘電体部３０の間に、溝３３が形成されている。これにより、誘電体ユニット３では、アンテナユニット２側とは反対側において２つの誘電体部３０が分離されている。これにより、誘電体ユニット３では、図３に示すように、２つの誘電体部３０の曲面３１１、３１２同士が交差しない。溝３３は、誘電体ユニット３におけるアンテナユニット２側とは反対側から見た平面視において、２つの誘電体部３０の並ぶ方向とは直交する方向に沿って形成されている。

アンテナ装置１では、例えば、図３、６Ａ及び６Ｂに示すように、２つの誘電体部３０それぞれの中心軸３００を、２つの平面アンテナ２０のうち対応する平面アンテナ２０の中心軸２００からずらしてある。これにより、アンテナ装置１では、１つの平面アンテナ２０と１つの誘電体部３０とを含む２つのアンテナ系それぞれについて、利得が最大となる方向を平面アンテナ２０の中心軸２００に対して傾いた方向とすることが可能となる。ここにおいて、アンテナ装置１では、送信用誘電体部３１の中心軸３０１を送信アンテナ２１の中心軸２００１から直交座標系Ｃ１のｘ軸に沿った方向にずらしてある。また、アンテナ装置１では、受信用誘電体部３２の中心軸３０２を直交座標系Ｃ２のｘ軸に沿った方向にずらしてある。

アンテナ装置１は、アンテナユニット２と誘電体ユニット３と第２誘電体部４０とを保持したボディ５を備えるのが好ましい。ボディ５は、送信アンテナ２１から送信される電波を透過する材料により形成されているのが好ましい。ここにおいて、ボディ５は、例えば、ＡＢＳ樹脂により形成されている。アンテナ装置１では、誘電体ユニット３及び第２誘電体部４０が、ボディ５と一体に形成されている。これにより、アンテナ装置１は、アンテナユニット２と誘電体ユニット３及び第２誘電体部４０それぞれとの相対的な位置精度の向上を図れる。ここにおいて、アンテナ装置１は、回路基板６を更に備えるのが好ましい。アンテナユニット２は、回路基板６を介してボディ５に保持されている。言い換えれば、アンテナユニット２は、ボディ５に保持された回路基板６に実装されている。

次に、誘電体ユニット３の誘電体部３０（第１誘電体部３０）及び第２誘電体部４０それぞれにより平面アンテナ２０の指向特性が制御される点について図８Ａ〜１１Ｂに基づいて説明する。図８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ及び１１Ｂは、送信アンテナ２１に規定した直交座標系Ｃ１におけるｙ軸とｚ軸とを含むｙｚ平面での指向特性を、ＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain method）を利用してシミュレーションした結果である。「ＦＤＴＤ法」は、時間領域差分法又は有限差分時間領域法と呼ばれている。図８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ及び１１Ｂにおいて、横軸は、直交座標系Ｃ１におけるｙｚ平面においてｚ軸とのなす角度であり、反時計回り方向においてなす角度に「−」の符号を付してある。図８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ及び１１Ｂにおいて、縦軸は利得である。利得は、送信アンテナ２１を含むアンテナ系では、送波する電波の利得であり、受信アンテナ２２を含むアンテナ系では、受波する電波の利得である。

図８Ａは、実施形態の変形例１のアンテナ装置１ａの右側面図である。変形例１のアンテナ装置１ａは、実施形態のアンテナ装置１における第２誘電体部４０を備えていない。また、変形例１のアンテナ装置１ａでは、誘電体ユニット３における２つの誘電体部３０の形状は、半球状の形状をｙ軸に直交する１つの平面のみによりカットした形状である。ここにおいて、２つの誘電体部３０は、同じ形状である。また、変形例１のアンテナ装置１ａでは、誘電体ユニット３の誘電体部３０とアンテナユニット２の平面アンテナ２０とが、ｚ軸の方向に距離Ｌ１（例えば、３ｍｍ）だけ離れて配置されている。また、変形例１のアンテナ装置１ａは、平面アンテナ２０の中心軸２００と平面アンテナ２０に対向する誘電体部３０の中心軸３００とを一直線上に揃えてある。アンテナ装置１ａでは、１つの平面アンテナ２０とそれに対向する１つの誘電体部３０とで構成されるアンテナ系が２系統ある。

図８Ｂの「Ｚ３」は、変形例１のアンテナ装置１ａに関し、距離Ｌ１＝３ｍｍ（＝０．２４λ）の場合における１系統のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果では、一方の平面アンテナ２０（送信アンテナ２１）を含む１系統のアンテナ系の指向特性と、他方の平面アンテナ２０（受信アンテナ２２）を含む１系統のアンテナ系の指向特性と、が同じとなる。図８Ｂの「Ｂ０」は、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていない場合の平面アンテナ２０の指向特性のシミュレーション結果を示している。

図８Ｂから分かるように、変形例１のアンテナ装置１ａは、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていることにより、誘電体ユニット３が配置されていない場合（つまり、平面アンテナ２０単体の場合）と比べて、指向性が強くなる。より詳細には、変形例１のアンテナ装置１ａでは、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていることにより、誘電体ユニット３が配置されていない場合と比べて、例えば、アンテナ系の利得が最大値よりも−１０ｄＢとなる角度範囲を狭くすることが可能となる。ここにおいて、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていない場合、平面アンテナ２０の利得が最大値よりも−１０ｄＢとなる角度範囲は、略１８８°である。これに対して、変形例１のアンテナ装置１ａでは、距離Ｌ１が３ｍｍ（＝０．２４λ）であれば、平面アンテナ２０の利得が最大値よりも−１０ｄＢとなる角度範囲は、略１２４°である。変形例１のアンテナ装置１ａは、利得が最大値よりも−３ｄＢとなる半値角も、平面アンテナ２０の前方に誘電体部３０が配置されていない場合と比べて狭くなる。

図８Ｂでは、距離Ｌ１が３ｍｍ（＝０．２４λ）の場合のシミュレーション結果のみ示してあるが、シミュレーションは、距離Ｌ１を０ｍｍから１２ｍｍ（＝０．９６λ）まで１ｍｍ（＝０．０８λ）きざみで変化させた場合それぞれについて行った。その結果、変形例１のアンテナ装置１ａでは、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていることにより、各アンテナ系それぞれにおいて、平面アンテナ２０の正面方向（角度＝０°）の利得が２〜３ｄＢ向上することが確認された。また、変形例１のアンテナ装置１ａでは、アンテナユニット２の前方に誘電体ユニット３が配置されていることで各アンテナ系それぞれの指向性を強くできることが確認された。ただし、変形例１のアンテナ装置１ａにおける各アンテナ系の指向特性では、所望の角度範囲において発生する第１のピークの他に、所望の角度範囲以外の角度において第２のピーク、第３のピーク等が発生する。ここにおいて、変形例１のアンテナ装置１ａでは、距離Ｌ１が長くなりすぎると、第２のピークのピーク値、第３のピークのピーク値それぞれが大きくなりすぎる。また、変形例１のアンテナ装置１ａの低背化の観点からは、距離Ｌ１は、短いほうが好ましい。よって、変形例１のアンテナ装置１ａでは、アンテナユニット２と誘電体ユニット３との距離Ｌ１は、例えば、１ｍｍ（＝０．０８λ）〜５ｍｍ（＝０．４λ）であるのが好ましい。

図９Ａは、実施形態の変形例２のアンテナ装置１ｂの右側面図である。変形例２のアンテナ装置１ｂの基本構成は、変形例１のアンテナ装置１ａと同じである。変形例２のアンテナ装置１ｂは、誘電体部３０の中心軸３００を誘電体部３０に対向する平面アンテナ２０の中心軸２００に対してｙ軸とは逆方向において距離Ｌ２（例えば、４ｍｍ）だけずらしてある点が変形例１のアンテナ装置１ａと相違する。

図９Ｂの「Ｙ−４」は、１系統のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。また、図９Ｂの「Ｙ０」は、距離Ｌ２を０ｍｍとした場合のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。

図９から、変形例２のアンテナ装置１ｂでは、利得が最大となる方向が平面アンテナ２０の中心軸２００に対して傾いた方向となっていることが分かる。ただし、変形例２のアンテナ装置１ｂでは、誘電体部３０の中心軸３００を平面アンテナ２０の中心軸２００に対してずらし過ぎると、利得の最大値が低下し、所望の角度範囲以外の角度における利得が大きくな傾向にある。よって、誘電体部３０の中心軸３００を誘電体部３０に対向する平面アンテナ２０の中心軸２００に対してｙ軸とは逆方向にずらす場合、距離Ｌ２は、４ｍｍ（＝０．３２λ）以下であるのが好ましい。また、誘電体部３０の中心軸３００を誘電体部３０に対向する平面アンテナ２０の中心軸２００に対してｙ軸と同じ方向にずらす場合、距離Ｌ２は、１ｍｍ（＝０．０８λ）以下であるのが好ましい。

図１０Ａは、実施形態の変形例３のアンテナ装置１ｃの右側面図である。変形例３のアンテナ装置１ｃは、第２誘電体部４０を備え、第２誘電体部４０が誘電体ユニット３から距離Ｌ３だけ離れている点が変形例１のアンテナ装置１ａと相違する。アンテナ装置１ｃでは、平面アンテナ２０と第１誘電体部３０と第２誘電体部４０とで構成されるアンテナ系が２系統ある。

図１０Ｂの「Ｚ１」及び「Ｚ４」は、アンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果では、一方の平面アンテナ２０（送信アンテナ２１）を含む１系統のアンテナ系の指向特性と、他方の平面アンテナ２０（受信アンテナ２２）を含む１系統のアンテナ系の指向特性とが同じとなる。図１０Ｂの「Ｚ１」は、距離Ｌ３＝１ｍｍ（＝０．０８λ）の場合のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果である。また、図１０Ｂの「Ｚ４」は、距離Ｌ３＝４ｍｍ（＝０．３２λ）の場合の指向特性のシミュレーション結果である。また、図１０Ｂの「Ｚ−１」は、第２誘電体部４０がｚ軸の逆方向において誘電体ユニット３に１ｍｍ（＝０．０８λ）だけオーバーラップしている場合のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果である。要するに、図１０Ｂの「Ｚ−１」は、実施形態のように第１誘電体部３０がｚ軸に直交する１つの平面でカットされた形状であり、かつ、第２誘電体部４０と誘電体ユニット３とが直接繋がっている場合の指向特性のシミュレーション結果である。

図８Ｂ及び図１０Ｂから、変形例３のアンテナ装置１ｃのアンテナ系では、誘電体ユニット３及び第２誘電体部４０を備えていない場合と比べて、平面アンテナ２０の正面方向（角度＝０°）の利得が５〜６ｄＢ向上することが分かる。また、変形例３のアンテナ装置１ｃでは、変形例１のアンテナ装置１ａと比べて、指向性を更に強くできることが分かる。ただし、変形例３のアンテナ装置１ｃでは、距離Ｌ３が長くなりすぎると、第２のピークのピーク値、第３のピークのピーク値が大きくなりすぎる。また、アンテナ装置１ｃの低背化の観点からは、距離Ｌ３は、短いほうが好ましい。このような観点から、距離Ｌ３は、例えば、４ｍｍ（＝０．３２λ）以下であるのが好ましい。

図１１Ａは、実施形態の変形例４のアンテナ装置１ｄの右側面図である。変形例４のアンテナ装置１ｄの基本構成は、実施形態１のアンテナ装置１の基本構成と略同じである。変形例４のアンテナ装置１ｄでは、１つの平面アンテナ２０とそれに対向する第１誘電体部３０と第２誘電体部４０とで構成されるアンテナ系が２系統ある。アンテナ装置１ｄでは、第２誘電体部４０の中心軸４００を、２つの第１誘電体部３０の中点Ｐ１の中線Ｈ１から２つの第１誘電体部３０の並設方向の一方向にずらしてある。これにより、アンテナ装置１ｄでは、各アンテナ系それぞれの利得が最大となる方向が、平面アンテナ２０の中心軸２００に対して傾いた方向になる。２つの第１誘電体部３０の中点Ｐ１は、誘電体ユニット３の溝３３の底面において、２つの第１誘電体部３０の中心軸３００同士を結んだ線の真ん中の点である。中線Ｈ１は、誘電体ユニット３の溝３３の底面において中点Ｐ１に立てた法線である。

図１１Ｂの「Ｙ−７」は、中線Ｈ１を基準として直交座標系Ｃ１におけるｙ軸の逆方向に中心軸４００があり、かつ、中線Ｈ１と中心軸４００との距離Ｌ４＝７ｍｍ（＝０．５６λ）とした場合のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。また、図１１Ｂの「Ｙ０」は、距離Ｌ４＝０ｍｍとした場合のアンテナ系の指向特性のシミュレーション結果を示している。また、図１１Ｂの「Ｙ２」は、中線Ｈ１を基準として直交座標系Ｃ１におけるｙ軸の方向に中心軸４００があり、かつ、距離Ｌ４＝２ｍｍ（＝０．１６λ）の場合の指向特性のシミュレーション結果である。変形例４のアンテナ装置１ｄでは、距離Ｌ４が大きくなりすぎると、各アンテナ系それぞれにおいて最大利得が低くなりすぎる。このため、変形例４のアンテナ装置１ｄでは、中線Ｈ１を基準として直交座標系Ｃ１におけるｙ軸の逆方向に第２誘電体部４０の中心軸４００がある場合、距離Ｌ４は、７ｍｍ（＝０．５６λ）以下であるのが好ましい。また、変形例４のアンテナ装置１ｄでは、中線Ｈ１を基準として直交座標系Ｃ１におけるｙ軸の方向に第２誘電体部４０の中心軸４００がある場合、距離Ｌ４は、２ｍｍ（＝０．１６λ）以下であるのが好ましい。

次に、アンテナ装置１を備えた電波センサ１０について説明する。

電波センサ１０は、図１２に示すように、検知部１１と、処理部１３と、を備える。検知部１１は、電波を検知エリアに送信し、検知エリアから電波を受信する。処理部１３は、検知部１１から出力されるセンサ信号を信号処理して検知エリア内において移動する物体Ｏｂの有無を判断する判断部１３２と、判断部１３２の判断結果に応じた制御信号を出力する出力部１３３と、を備える。検知部１１は、上述のアンテナ装置１を含んでいる。これにより、電波センサ１０は、小型化を図りながらも電波の指向性をより強くすることが可能となる。

検知部１１は、検知エリアに電波を間欠的に放射し、検知エリアに存在する物体Ｏｂで反射された電波を受信する。処理部１３は、検知部１１から出力されるセンサ信号に基づいて検知エリア内の空間情報を抽出する。ここにおいて、空間情報は、検知エリア内において移動する物体Ｏｂの有無である。

検知部１１は、高周波の送信用回路と受信用回路とで構成される高周波回路１１０と、高周波回路１１０に接続された送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２と、を備える。高周波回路１１０は、送信アンテナ２１に送信信号を与えて空間に電波を放射させ、空間から電波を受信した受信アンテナ２２が出力した受信信号から空間情報を含む信号を取り出す。送信アンテナ２１と受信アンテナ２２とは、送信アンテナ２１から検知エリアまでの距離と、受信アンテナ２２から検知エリアまでの距離との差が比較的小さくなるように互いに近づけて配置されている。

高周波回路１１０は、一例として、ＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous-Wave）方式で空間情報を監視するワンチップ集積回路で構成されている。高周波回路１１０は、混合回路１１１と、信号発生回路１１２と、を備える。

信号発生回路１１２は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）シンセサイザで実現されており、ＦＭＣＷ信号を出力する。

検知部１１では、ＦＭＣＷ信号が送信アンテナ２１に入力されると、送信アンテナ２１から空間に電波が放射される。一方、受信アンテナ２２は、空間から受信した電波を、受信信号に変換する。

受信アンテナ２２から出力された受信信号は混合回路１１１に与えられる。混合回路１１１は、信号発生回路１１２から入力されたＦＭＣＷ信号と受信信号とを混合する。混合回路１１１は、乗算器として機能する。したがって、混合回路１１１からは、ＦＭＣＷ信号と受信信号とを掛け合わせた信号が出力される。すなわち、混合回路１１１が出力する信号には、送信アンテナ２１から放射した電波の周波数と、受信アンテナ２２が受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号が含まれる。

高周波回路１１０は、混合回路１１１から出力される信号をデジタル信号に変換するために、Ａ／Ｄ変換器１１３を備える。また、混合回路１１１とＡ／Ｄ変換器１１３との間には、フィルタ回路１１４が設けられる。フィルタ回路１１４は、ローパスフィルタ或いはバンドパスフィルタで構成される。フィルタ回路１１４は、混合回路１１１から出力される信号のうち、ビート信号の抽出に不要な周波数成分を除去するように設計される。

混合回路１１１から出力された信号のうちフィルタ回路１１４を通過した信号は、Ａ／Ｄ変換器１１３に入力され、ビート信号の成分を含むアナログ信号がデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１１３はシリアルデータを出力する構成であって、Ａ／Ｄ変換器１１３から出力されるデジタル信号が、検知部１１から出力されるセンサ信号として処理部１３に与えられる。

処理部１３は、判断部１３２と、出力部１３３と、を備える。判断部１３２は、検知部１１から出力されるセンサ信号を信号処理して検知部１１の検知エリア内において移動する物体Ｏｂの有無を判断する。出力部１３３は、判断部１３２の判断結果に応じた制御信号を出力する。

処理部１３は、マイコン（Microcontroller）で構成されている。マイコンは、プログラムに従って動作するプロセッサと、プロセッサを動作させるプログラムを格納するためのメモリ及び作業用のメモリと、を備えた１チップのデバイスとして構成される。

処理部１３は、マイコンではなく、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＰＩＣ（Peripheral Interface Controller）等から選択されるデバイスで構成されていてもよい。

プログラムは、メモリのうちのＲＯＭ（Read Only Memory）に格納された状態で提供されるほか、コンピュータで読取可能な光ディスク或いは外部記憶装置のような記録媒体で提供することも可能である。また、インターネットのような電気通信回線を通してプログラムが提供されてもよい。ＲＯＭに格納されておらず、記憶媒体又は電気通信回線を通して提供されるプログラムは、書換可能な不揮発性のメモリに格納される。

電波センサ１０では、アンテナ装置１のアンテナユニット２が、検知部１１における送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２を備えている。電波センサ１０では、検知部１１における高周波回路１１０及び処理部１３それぞれを構成する電子部品が、上述の回路基板６（図１、２、４〜６参照）に実装されている。回路基板６は、プリント基板である。回路基板６は、矩形板状に形成されている。回路基板６は、アンテナ装置１のボディ５に保持されている。

電波センサ１０は、上述のように、誘電体ユニット３と第２誘電体部４０とを有するアンテナ装置１を備えている。これにより、電波センサ１０は、電波センサ１０の小型化及び低背化を図りながらも、送信アンテナ２１を含むアンテナ系の指向特性を強める（絞る）ことができ、かつ、受信アンテナ２２を含むアンテナ系の指向特性を強める（絞る）ことが可能となる。

また、電波センサ１０は、判断部１３２の判断結果に応じた制御信号を出力する出力部１３３を備えるので、制御信号を出力することによって、機器の動作を制御することが可能になる。例えば、以下に電波センサ１０の一適用例として図１３〜１５に基づいて説明する水栓装置１００は、開閉弁１４０（図１２参照）を備える。水栓装置１００では、開閉弁１４０を電波センサ１０の制御信号による制御対象の機器としており、制御信号により開閉弁１４０の開状態と閉状態とを切り替えることが可能となる。

水栓装置１００は、一例として、台所用のシンク１００２と組み合わせて用いる構成であり、台所用のシンク１００２を囲むカウンタ１００１に配置される。

水栓装置１００は、吐水用の管であるスパウト１０１と、ホース１０２（図１４参照）と、開閉弁１４０と、上述の電波センサ１０と、を備える。ホース１０２は、スパウト１０１内に配置されている。開閉弁１４０は、ホース１０２の上流側に配置されている。開閉弁１４０は、電波センサ１０における出力部１３３（図１２参照）から出力される制御信号によって開状態と閉状態とが切り替わる。

水栓装置１００は、電波センサ１０から開閉弁１４０に制御信号が与えられることによって、吐水と止水とが切り替わる。ここにおいて、電波センサ１０の処理部１３（図１２参照）は、電波センサ１０の検知エリアＡ１（図１３参照）内において移動する物体Ｏｂ（図１２参照）が存在するときに開閉弁１４０を開状態にする制御信号を開閉弁１４０に与える。また、処理部１３は、検知エリアＡ１内において移動する物体Ｏｂが存在しないときに開閉弁１４０を閉状態にする制御信号を開閉弁１４０に与える。よって、水栓装置１００は、吐水と止水とを自動的に行うことが可能になる。水栓装置１００では、電波センサ１０の検知エリアＡ１内において移動している物体Ｏｂが存在しないときに吐水されるのを防止することができるので、シンク１００２に洗い物が置かれている場合に吐水する誤動作の発生を防止することができる。

水栓装置１００では、アンテナ装置１を含む電波センサ１０を備えることにより、電波センサ１０の小型化を図りながらも電波の指向性をより強くすることが可能となる。これにより、水栓装置１００は、不必要に水を吐出させる可能性が低減され、節水にも寄与することになる。

スパウト１０１は、一例として、ＡＢＳ樹脂により形成されたスパウト本体を備え、スパウト本体の外周面にめっき層が設けられている。

水栓装置１００は、スパウト１０１と一体に形成されたベース１０６を備えている。ベース１０６は、カウンタ１００１の定位置に固定され、カウンタ１００１の上面から突出する。水栓装置１００では、スパウト１０１内に配置されたホース１０２が、水（又は湯）の流路を形成する。ホース１０２の下流端は、スパウト１０１内においてスパウト１０１に対してねじにより固定されている。ベース１０６内には、ホース１０２の上流端に接続された給水管、開閉弁１４０等が配置されている。開閉弁１４０は、例えば、電磁弁である。

水栓装置１００では、電波センサ１０を吐水口１０５付近に配置することにより、電波センサ１０の小型化を図りながらも、検知エリアＡ１内において移動する物体Ｏｂの有無に応じて吐水と止水とが切り替えることができる。ここにおいて、水栓装置１００では、スパウト１０１におけるベース１０６側とは反対側の第１端１０１１に、管状の吐水継手１０７を介して吐水部材１０８が取り付けられている。したがって、水栓装置１００の吐水口１０５は、吐水部材１０８に設けられている。吐水部材１０８は、例えば、吐水金具である。水栓装置１００は、ホース１０２の下流端に接続された吐水用のノズル１０３（図１４参照）を備えている。ノズル１０３は、吐水継手１０７内に配置される。

電波センサ１０は、図１４に示すように、スパウト１０１において吐水口１０５の近くでホース１０２に隣接して配置されている。電波センサ１０は、検知エリアＡ１（図１３参照）内において移動する物体Ｏｂ（図１２参照）が存在するか否かの情報を空間情報として抽出する。ここにおいて、物体Ｏｂは、例えば、手、食器、調理器具、野菜、果物等である。電波センサ１０の検知エリアＡ１は、例えば、水栓装置１００の吐水口の下方において直径１００ｍｍ、高さ１８５ｍｍの円柱状の空間であり、水栓装置１００の吐水口の下方において吐水口１０５から５０ｍｍだけ離れて設定されている。

スパウト１０１は、逆Ｕ字状であり、吐水口１０５側の第１端１０１１と、第１端１０１１とは反対の第２端１０１２と、を有する。電波センサ１０は、スパウト１０１の第１端１０１１において第２端１０１２と対向するように配置されている。これにより、水栓装置１００は、美観を高めながらも、誤動作の発生を抑制することが可能となる。

水栓装置１００は、スパウト１０１の第１端１０１１に、第２端１０１２側へ膨らんだ膨出部１１１１が設けられており、膨出部１１１１内に電波センサ１０が配置されている。

水栓装置１００は、図１４に示すように、スパウト１０１の第１端１０１１の内側に配置されて電波センサ１０を覆うカバー１０４を備えている。カバー１０４は、ノズル１０３の一部を収納する第１収納部１０４１と、電波センサ１０を収納する第２収納部１０４２と、を備える。カバー１０４は、誘電体（例えば、ＡＢＳ樹脂等）により形成されている。カバー１０４の第１収納部１０４１には、ノズル１０３を通す孔１０４３が形成されている。カバー１０４は、ホース１０２の下流端に対して２本のねじにより着脱可能に取り付けられている。電波センサ１０は、カバー１０４に対して着脱可能に取り付けられている。

水栓装置１００では、スパウト１０１とホース１０２との間に隙間があり、電波センサ１０と開閉弁１４０とを接続する電線、電波センサ１０への給電用の電線等が、スパウト１０１とホース１０２との間の隙間に配置されている。

上記の実施形態は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

例えば、アンテナ装置１では、２つの誘電体部３０のうち少なくとも１つの誘電体部３０の中心軸３００を、２つの平面アンテナ２０のうち対応する平面アンテナ２０の中心軸２００からずらしてあればよい。これにより、アンテナ装置１では、誘電体部３０の中心軸を、対応する平面アンテナ２０の中心軸２００からずらしてあることにより、１つの平面アンテナ２０と１つの誘電体部３０とを含むアンテナ系の利得が最大となる方向を中心軸２００に対して傾いた方向とすることが可能となる。要するに、アンテナ装置１では、利得を最大としたい方向に沿って誘電体部３０の中心軸３００を平面アンテナ２０の中心軸２００からずらせばよい。

また、送信アンテナ２１から放射させる電波の周波数は、２４ＧＨｚに限らず、例えば、２．４ＧＨｚでもよい。送信アンテナ２１では、電波の周波数が２．４ＧＨｚの場合、電波の周波数が２４ＧＨｚの場合に比べて、導体層２２１の平面サイズを１０倍（つまり、２７ｍｍ×２７ｍｍ）に設定するのが好ましい。

また、電波センサ１０において、検知部１１におけるアンテナ装置１以外の構成及び動作は、適宜変更してもよい。また、電波センサ１０において、処理部１３の構成及び動作は、適宜変更してもよい。電波センサ１０は、アンテナ装置１の代わりに、変形例１〜４のアンテナ装置１ａ〜１ｄのいずれか１つを備えた構成でもよい。

水栓装置１００は、台所等に配置される構成に限らず、例えば、洗面所、浴室等に配置される構成でもよい。

また、水栓装置１００における開閉弁１４０は、ベース１０６内に配置された構成に限らず、ベース１０６内に配置されていなくてもよい。

電波センサ１０の適用例は、水栓装置１００に限らず、例えば、警報装置等でもよい。

１ アンテナ装置
２ アンテナユニット
２０ 平面アンテナ
２００ 中心軸
２１ 送信アンテナ
２２ 受信アンテナ
３ 誘電体ユニット
３０ 誘電体部（第１誘電体部）
３００ 中心軸
３１ 送信用誘電体部
３２ 受信用誘電体部
３３ 溝
４０ 第２誘電体部
４００ 中心軸
１０ 電波センサ
１１ 検知部
１３ 処理部
１３２ 判断部
１３３ 出力部
１００ 水栓装置
１０１ スパウト
１０１１ 第１端
１０１２ 第２端
１０２ ホース
１０５ 吐水口
１４０ 開閉弁
Ｐ１ 中点
Ｈ１ 中線
Ａ１ 検知エリア
Ｏｂ 物体

Claims (7)

1. ２つの平面アンテナを有するアンテナユニットと、前記アンテナユニットに対向する誘電体ユニットと、を備え、
   前記２つの平面アンテナのうち一方の平面アンテナが電波を送信する送信アンテナであり、他方の平面アンテナが前記送信アンテナから送波され物体で反射された電波を受信する受信アンテナであり、
   前記誘電体ユニットは、前記２つの平面アンテナに一対一で対向し対向する平面アンテナからの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる２つの誘電体部を有し、
   前記誘電体ユニットは、前記アンテナユニット側と反対側において、前記２つの誘電体部の間に溝が形成されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記２つの誘電体部のうち少なくとも１つの誘電体部の中心軸を、前記２つの平面アンテナのうち対応する平面アンテナの中心軸からずらしてある
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記２つの誘電体部からなる２つの第１誘電体部とは別に、前記２つの第１誘電体部を覆うように配置される第２誘電体部を更に備え、
   前記第２誘電体部と前記アンテナユニットとの距離は、前記誘電体ユニットと前記アンテナユニットとの距離よりも長く、
   前記第２誘電体部は、前記アンテナユニットからの距離が長くなるにつれて断面積が小さくなる形状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２誘電体部の中心軸を、前記２つの第１誘電体部の中点の中線から前記２つの第１誘電体部の並設方向の一方向にずらしてある
   ことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
5. 電波を検知エリアに送信し、前記検知エリアから電波を受信する検知部と、処理部と、を備え、
   前記処理部は、前記検知部から出力されるセンサ信号を信号処理して前記検知エリア内において移動する物体の有無を判断する判断部と、前記判断部の判断結果に応じた制御信号を出力する出力部と、を備え、
   前記検知部は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナ装置を含んでいる
   ことを特徴とする電波センサ。
6. 吐水用の管であるスパウトと、前記スパウト内に配置されたホースと、前記ホースの上流側に配置された開閉弁と、請求項５記載の電波センサと、を備え、前記開閉弁は、前記電波センサにおける前記出力部から出力される制御信号によって開状態と閉状態とが切り替わる
   ことを特徴とする水栓装置。
7. 前記スパウトは、逆Ｕ字状であり、吐水口側の第１端と、前記第１端とは反対の第２端と、を有し、
   前記電波センサは、前記スパウトの前記第１端において前記第２端と対向するように配置されている
   ことを特徴とする請求項６記載の水栓装置。

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