JPWO2012008021A1 - 計測装置 - Google Patents

Abstract

安価で容易な方法で、物体の有無や位置、大きさなどを精度よく計測する計測装置を提供する。具体的には、電波を送信する送信機と、機械的に振動する振動面と、電波を受信する受信機と、送信機から電波を送信し、振動面で反射させ、受信機で受信した電波の信号を基に、送信機と受信機の間の振動面を介する経路の計測対象物の情報を出力するコントローラを備える計測装置を提供する。

Description

本発明は、電波を用いて、物体の有無や、位置、大きさ、液量、若しくは液面の高さ等を計測する技術に関する。

ミリ波やマイクロ波といった電波を検出媒体とし、物体の有無や位置を検出する装置が、様々な応用分野で使用されている。例えば、自動車の安全走行支援や、自動走行といった用途に、マイクロ波、ミリ波を用いたドップラーレーダーが使われている。また、建物内への人の侵入や、室内での人の動きを検知する、人感センサとしても、電波を用いたドップラーセンサが使われている。工場生産現場や作業現場においては、加工品等の物体の存在やその位置を検出するため、マイクロ波を用いた計測装置が用いられている。

このような電波を用いた物体の有無やその位置の計測に関する技術として、例えば、特許文献１には、一定の距離をおいて設置した、電波を送信する送信器と、該送信器の送信した前記電波を受信する受信器と、送信器と受信器との間の空間を伝送する電波により送信機と受信器間の物体の有無を判別する透過型センサが開示されている。また、特許文献２には、送信機から２４．２ＧＨｚ帯の高周波信号を所定の検知領域に向かってパルス状のマイクロ波として送信し、受信部でその信号を検波し、振幅の大きさに基づいて送信部から受信部までの間における移動体の存在を検知する技術が開示されている。

特開２００１−２６４４５２号公報 特開２００４−２９４１１２号公報

ミリ波やマイクロ波などの電波を用いた物体の有無の検出や、物体の位置、大きさの計測は、特に可視光や赤外線といった光を通さない物に隠れた物体を検出する場合に用いられる。しかしながら、ミリ波やマイクロ波は光と比較して波長が長いため、指向性が悪く、ビームが広がるという性質を持つ。このため、物体を検出する範囲が広がり、特定の位置にある物体を検出したい場合に、別の場所にある物体を誤検出してしまうといった課題がある。

図１６に、従来のミリ波を用いた計測装置の一例を示す。この計測装置は、ミリ波送信機１６００、ミリ波受信機１６０１、アンテナ１６０２、１６０３で構成される。ミリ波送信機１６００からミリ波が出力され、アンテナ１６０２を通って空間に放射される。このミリ波は、受信側のアンテナ１６０３を経由し、ミリ波受信機１６０１で受信される。送信側のアンテナ１６０２と受信側のアンテナ１６０３の間に、物体がある場合と、ない場合とで比較すると、受信するミリ波のパワーが異なるため、物体の有無を計測することが可能である。

しかしながら、電波は回折する性質を持つため、空間に放射されたビームは広がりを持つ。また、受信側のアンテナも広がった指向性を持つため、広い範囲からの信号を受信する。このため、特定の位置にある物体のみを検出することが困難となる。例えば、送信側のアンテナ１６０２と受信側のアンテナ１６０３を結ぶ直線状にある物体のみを検出したい場合であっても、受信信号の強度が周囲にある物体の影響を受けるため、上記直線状にない物体を誤検出する可能性がある。また、ビームの広がりのため、物体の位置や大きさを精度よく計測する事は難しい。

ミリ波ビームの広がりを抑えるには、アンテナやレンズの形状やサイズを変える方法などがあるが、ミリ波を送受信するアンテナには形状やサイズ、材質の制約が多く、容易ではない。また、加工や設計のコストも大きくなる。

従って、本発明の目的は、安価で容易な方法を用い、物体の有無や位置、大きさなどを精度よく計測する装置を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。電波を送信する送信機と、機械的に振動する振動面と、電波を受信する受信機と、送信機から電波を送信し、振動面で反射させ、受信機で受信した電波の信号を基に、送信機と受信機の間の振動面を介する経路の被計測対象物の情報を出力するコントローラを備える計測装置である。また、電波を送信する送信機と、振動を発生させる振動発生器と、振動発生器を介する経路を伝搬する電波を受信する受信機と、受信機が受信した電波から振動発生器の振動周波数の周波数成分の信号強度を抽出するコントローラを備える計測装置である。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。すなわち、振動面もしくは振動発生器による振動を利用することで、振動源を含む特定の伝搬経路のみの情報を抽出することが可能となり、物体の有無や位置、大きさなどを精度よく特定することができる。また、振動面を小さく作れば、電波自体は広がっていてもよいため、アンテナ、レンズの工夫により指向性を持たせることなく、容易かつ低コストに高精度化が可能である。また、電波を用いるため、可視光が透過しないものに隠れた物体の計測も可能となる。

本発明第１の実施例に係る計測装置の構成図である。 本発明に係るミリ波送受信機の構成図である。 本発明第１の実施例に係る計測装置の動作フローを示す図である。 本発明第１の実施例に係る計測装置で取得される信号の周波数スペクトラムの一例である。 本発明第２の実施例に係る液面高さ計測装置の構成図である。 本発明第２の実施例に係る液面高さ計測装置の動作フローを示す図である。 本発明第２の実施例に係る液面高さ計測装置で取得される信号強度のプロファイルの一例である。 本発明第３の実施例に係る物体位置および大きさ計測装置の構成図である。 本発明第３の実施例に係る計測装置の動作フローを示す図である。 本発明第３の実施例に係る計測装置で取得される信号強度のプロファイルの一例である。 本発明第４の実施例に係る物体の位置および大きさ計測装置の構成図である。 本発明第４の実施例に係る計測装置で取得される信号の周波数スペクトラムの一例である。 本発明第５の実施例に係る物体高さ計測装置の構成図である。 本発明第５の実施例に係る物体高さ計測装置で取得される信号強度のプロファイルの一例である。 本発明に係る直交復調器を持つミリ波送受信機の構成図である。 従来のミリ波を用いた計測装置の構成図である。

本発明に係る計測装置の実施例を、以下添付図面を用いて詳細に説明する。

本発明第１の実施例に係る計測装置を、図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明第１の実施例に係る計測装置の構成図である。この計測装置は、コントローラ１００、ミリ波送受信機１０１、アンテナ１０２、振動発生器１０３、および、計測対象物１０４で構成される。コントローラ１００は、中央処理演算装置（ＣＰＵ）１０５、メモリ１０６、外部とのインタフェース（ＩＯ）１０７を持つ。また、振動発生器１０３は、振動面１０８、ドライバ１０９、発振器１１０から構成される。

コントローラ１００は、ミリ波送受信機１０１の動作制御を行うとともに、ミリ波送受信機１０１からの出力信号のデータ処理を行う。また、コントローラ１００は、振動発生器１０３の振動させるタイミング制御を行うようにすることもできる。ミリ波送受信機１０１は、ミリ波をアンテナ１０２から空間に出力する。また、同じアンテナ１０２からのミリ波信号を受信、復調し、復調したデータをコントローラ１００に出力する。ここで、ミリ波とは、波長がミリメートルオーダーの電波であり、例えば、周波数が７７ＧＨｚの電波である。ただし、本発明に係る計測装置で用いる電波はミリ波に限るものではなく、例えば、周波数が２４ＧＨｚ帯のマイクロ波など、他の周波数の電波であってもよい。なお、この周波数の範囲としては１１ＧＨｚ〜３００ＧＨｚが望ましい。

振動発生器１０３は、一定周期で発振する発振器１１０を持ち、その周波数で振動面１０８を振動させる。振動面はドライバ１０９で駆動される。振動面１０８が振動する方向は、アンテナ１０２と振動面１０８を結ぶ方向である。振動面１０８は、例えば、圧電素子やソレノイド、スピーカーなどで構成されるが、これに限るものではない。また、振動面１０８が振動する周波数は、例えば１ｋＨｚであるが、これに限るものではないし、この周波数を変更することもできる。なお、この周波数の範囲としては１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚが望ましい。

図２は、本実施例の計測装置に用いられる、ミリ波送受信機１０１の一例である。このミリ波送受信機１０１は、高周波発振器２００、送信用パワーアンプ（ＰＡ）２０１、受信用ローノイズアンプ（ＬＮＡ）２０２、ミキサ２０３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０４、増幅器２０５、および、分配器２０６、２０７から構成される。高周波発振器２００で生成されたミリ波帯の周波数の局部発振信号は、分配器２０６で分配され、パワーアンプ２０１、分配器２０７を経由してアンテナ１０２へ送信される。また、アンテナ１０２で受信されたミリ波は、分配器２０７をとおり、ＬＮＡ２０２で増幅される。ＬＮＡで増幅された信号は、ミキサ２０３で、高周波発振器２００からの局部発振信号と掛け合わされ、ダウンコンバージョンされる。ミキサ２０３の出力信号はＬＰＦ２０４で低域の信号を通過させ、増幅器２０５で増幅されてコントローラ１００へ出力される。このように、コントローラは、受信機で受信した変調されたミリ波を、送信機で送信したミリ波と等しい周波数で発散する発信信号と掛け合わせることにより、振動面の振動にいより変調された信号成分を抽出することができる。

図３は本実施例の計測装置の動作を説明するフロー図である。ミリ波送受信機１０１からアンテナ１０２を介してミリ波Ｓ１１１を送信する（Ｓ３００）。送信されたミリ波Ｓ１１１は、振動面１０８で反射する（Ｓ３０１）。この時、振動面１０８で反射したミリ波Ｓ１１２は、ドップラーの原理により、振動面１０８が振動する周波数により変調される。すなわち、ミリ波送信機から送信したミリ波Ｓ１１１を、

とすると、振動面１０８で反射した反射波Ｓ１１２は、

と表すことができる。ここで、Ｖ_ＴＸ０、Ｖ_ＲＸ０、Ａは、それぞれ、送信波、反射波、および振動面の振幅を示す。また、ｆ_m、ｆ_s、ｔ、φは、それぞれ、送信したミリ波の周波数、振動面の振動周波数、時間、位相オフセットを示す。

ミリ波送受信機１０１では振動面１０８で反射されたミリ波Ｓ１１２を受信する（Ｓ３０２）。受信したミリ波Ｓ１１２は、ＬＮＡ２０２で増幅され、ミキサ２０３でダウンコンバージョンされ、ＬＰＦ２０４で高周波成分を除去し、増幅器２０５で増幅され、コントローラ１００に出力される（Ｓ３０３）。

図４は、ミリ波送受信機１０２で受信、復調した信号Ｓ１１３の周波数スペクトルの一例である。ミリ波送受信機１０２が受信したミリ波Ｓ１１２は、振動面１０８の振動周波数で変調されているため、増幅器２０５の出力信号Ｓ１１３は、振動面の振動周波数ｆ_Ｓとその高調波成分２ｆ_Ｓ、３ｆ_Ｓ、・・・を含む信号となる。コントローラ１００は、ミリ波送受信機の出力信号Ｓ１１３から振動面１０８の振動数ｆ_Ｓと同じ周波数成分を抽出し、この周波数成分の信号のパワーを抽出する（Ｓ３０４）。この振動数ｆ_Ｓは既知であり、この情報を予めメモリ１０６に格納しておき、格納された周波数情報を用い、若しくは、振動数ｆ_Ｓがピークとなるため、周波数スペクトルのピークを用いて、コントローラ１００は、周波数成分の信号パワーを抽出することができる。

コントローラ１００で、ミリ波送受信機の出力信号Ｓ１１３から振動面１０８の振動周波数ｆ_Ｓと同じ周波数成分（変調された信号成分）を抽出する方法としては、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる方法がある。ミリ波送受信機の出力信号Ｓ１１３をＦＦＴ処理し、振動面１０８の振動周波数ｆ_Ｓの信号強度を抽出する。また、別の方法として、同期検波を行う方法がある。振動発生器１０３の発振器１１０と同じ周波数の発振信号を用い、ミリ波送受信機の出力信号Ｓ１１３を同期検波する。これにより、信号Ｓ１１３から、振動面１０８の振動する周波数ｆ_Ｓと同じ周波数成分を抽出することが可能である。つまり、コントローラは、受信機で受信したミリ波の、振動面１０８で変調された成分を、振動面が振動する周波数と等しい周波数の発信信号を用いて同期検波している。この同期検波を用いれば、ＦＦＴを行う場合と比較し、少ない計算量で、ｆ_Ｓと同じ周波数成分を抽出できる。従って、ＣＰＵ１０５の処理速度やメモリ１０６の容量に制約がある場合は、同期検波を用いる事で、少ない計算量で演算が可能となる。

アンテナ１０２と、振動面１０８との間に計測対象物１０４が存在する場合、ミリ波Ｓ１１１、Ｓ１１２が計測対象物により減衰するため、ミリ波送受信機１０２の出力信号Ｓ１１３は、計測対象物１０４がない場合と比較し、小さくなる。コントローラ１００は、ミリ波送受信機１０２の出力信号Ｓ１１３の大きさから計測対象物１０４の有無を判定する。すなわち、受信した周波数成分の信号のパワーから計測対象物１０４の有無が特定される（Ｓ３０５）。なお、計測対象物でミリ波が反射し、透過しない場合であっても同様の計測が可能である。ミリ波Ｓ１１１、Ｓ１１２が計測対象物により減衰することには変わりがないためである。そして、コントローラ１００は、計測対象物の有無に関する情報を出力する。このように、コントローラが送信機と受信機の間の振動面を介する経路の計測対象物の情報を出力することで、物体の有無を精度よく特定することができる。なお、必ずしも必須の構成ではないが、画像表示装置をさらに備えることで、コントローラはこの情報を画像表示装置に表示させることもできる。

従来の計測装置では、物体の検出範囲がアンテナの指向性により決まっていたのに対し、本発明では、物体の検出範囲を振動面により変えることが可能となる。検出範囲を変更するには、振動面の大きさや形状を変えればよく、アンテナの指向性を変える必要がない。振動面は、圧電素子など、低周波で動作するものであるため、高周波動作のアンテナの加工や制御と比較して、小型化や任意の形状への加工が容易である。従って、本実施例のように振動面を用いることで特定の伝搬経路のみの情報を得る事が可能になり、検出範囲を特定することが可能となる。すなわち、安価、かつ、容易に計測範囲を狭めることや、特定の範囲を計測範囲にすることが可能である。また、振動発生器の周波数をコントローラで抽出するため、外部のノイズにも強いという効果もある。外部のノイズを予め測定して、振動面１０８の振動数ｆ_Ｓを外部のノイズの周波数を避けるように変更することも可能である。また、計測に使用する電波周波数での減衰率が既知の物体であれば、その減衰率よりその物体が何であるかを判別することも可能となる。また、予めメモリ１０６にこの減衰率のデータを格納しておくことで、コントローラが自動で物体の種類を判別することも可能である。

なお、本実施例では、送信機能と受信機能が一体となったミリ波送受信機を例に説明したが、これに限るものではない。ミリ波送信機とミリ波受信機とを別個に備え、それぞれアンテナを有していても、同様の原理により物体の有無の計測が可能である。送信機能と受信機能が一体となっている場合には、共通の高周波発振器を用いることができ、装置を簡便化することができる。この場合には、コントローラは、高周波発振器の出力信号を基に、送信機が送信するミリ波を生成し、受信したミリ波と、この出力信号を掛け合わせることで、振動により変調された信号成分を抽出することができる。

本発明に係る計測装置の原理を用いれば、物体の有無だけではなく、物体の大きさや、ある物質の量などを計測することもできる。例えば、容器に入った液体の量を計測することも可能である。

本発明第２の実施例に係る液面高さ計測装置を、図５ないし図７を用いて説明する。本実施例の計測装置は、容器に入った液体の液面の高さ、若しくは、液量の計測を行う。図５は本実施例の液面高さ計測装置の構成図である。その計測装置は、コントローラ５００、ミリ波送受信機１０１、アンテナ１０２、振動発生器１１０、移動装置５０１、容器５０２、および、液体５０３から構成される。

コントローラ５００は、ミリ波送受信機１０１の制御とミリ波送受信機１０１からの信号Ｓ１１３のデータ処理に加え、移動装置５０１の制御を行う。また、コントローラ１００は、振動発生器１０３の振動させるタイミング制御を行うようにすることもできる。ミリ波送受信機１０１は、コントローラ５００からの指令に基づき、アンテナ１０２を介してミリ波を送受信し、受信した信号の復調を行う。移動装置５０１は、コントローラ５００からの制御信号により、計測対象である、液体５０３が入った容器５０２を、鉛直方向に移動する。なお、容器５０２を移動させるのは、容器５０２と、アンテナ１０２および振動面１０８との相対的な位置を変えるためであるため、容器５０２の代わりに、アンテナ１０２および振動面１０８を移動させてもよい。なお、計測対象が液体でない場合は、紙面に対して垂直方向に移動させてもよい。いずれにしろ、ミリ波の伝搬経路に対して、この経路と計測対象の位置関係を相対的に、垂直方向に変えられればよい。

図６に本計測装置の動作フローを示す。まず、計測対象物である液体５０３の入った容器５０２を移動装置５０１に設置する（Ｓ６００）。次に、ミリ波送受信機１０１からミリ波を送信し、振動面１０８で反射した信号をミリ波送受信機１０１で受信する。その信号をダウンコンバージョンし、コントローラ５００で、振動面の振動数と同じ周波数成分の信号強度を抽出する（Ｓ６０１）。そして、コントローラ５００は、移動装置５０１を制御し、容器５０２の位置を変更する（Ｓ６０３）。この処理を計測が終了するまで繰り返す（Ｓ６０１、Ｓ６０２、Ｓ６０３）。移動装置の移動方法については、連続的に移動させ、信号強度を抽出しても良いし、断続的に移動させ、静止した状態で信号強度を抽出しても良い。

図７は本装置を用いて得られる出力信号の一例である。ミリ波は、液体により減衰するため、容器５０２に液体５０３が入っていない部分と、液体５０３が入っている部分では、受信する信号強度が異なる。このため、液面の位置を境界とし、受信信号の強度が変化する。コントローラ５００でこの境界を検出することにより、液面の高さを検出することが可能となる。つまり、コントローラ５００は、抽出した信号強度と移動装置の位置関係から液面の高さを検出することができる（Ｓ６０４）。なお、既知の液面の高さの液体を予め計測し、その信号強度分布と、未知の液面の高さの液体の信号強度分布により、分布同士で液面高さを比較することで、未知の液面の高さの液体の液面高さを求めることもできる。また、容器５０２の断面積、形状が既知であれば、液面高さから液量を算出することも可能となる。そして、コントローラ１００は、計測対象物の位置、大きさ、液面の高さや液量等の計測対象物の情報を出力する。このように、コントローラが送信機と受信機の間の振動面を介する経路の計測対象物の情報を出力することで、物体の位置、大きさ、液量、若しくは液面の高さを精度よく検出することができる。なお、必ずしも必須の構成ではないが、画像表示装置をさらに備えることで、コントローラはこの情報を画像表示装置に表示させることもできる。

なお、ミリ波送受信機１０１からのミリ波が容器５０２の周りを回折して振動面１０８に反射し、ミリ波送受信機１０１にて受信され、液面高さの検出精度が劣化する可能性がある。この影響を減らすには、容器５０３と振動面１０８との距離をなるべく近づけることが有効である。例えば、使用するミリ波の波長よりも計測対象物を近づけることにより、回り込みによる悪影響を抑制することが可能である。

本実施例のように、ミリ波送受信機と振動発生器とを組み合わせた計測方法を用いることにより、特定の伝搬経路の情報を得る事ができるため、液面高さを高精度に計測することが可能となる。また、ミリ波といった電波を用いる事で光が透過しない、色のついた容器に入ったものや、紙などのラベルが貼ってあるものに対しても液面高さを計測することができる。本実施例の装置で液面高さが計測可能な液体は、使用する電波により減衰するものであればよく、例えば、水、油、薬品、血液などである。また、計測対象の液体の種類が未知である場合、減衰率から、液体の種類を特定することも可能となる。また、予めメモリ１０６にこの減衰率のデータを格納しておくことで、コントローラが自動で液体の種類を判別することも可能である。

なお、本実施例では、容器に入った液体についての説明を行ったが、これに限るものではない。例えば、ダンボールに入った物体の高さや大きさを計測する事も可能である。また、検出する液体や物体の種類は１種類に限らない。例えば、複数種の物体が層状に重なっているものが計測対象であった場合に、それぞれの物体の電波の減衰率が異なるならば、物体の境界面の位置を計測することが可能となる。また、例えば、複数種の液体が複数層に分離されているものが計測対象であった場合に、それぞれの液体の電波の減衰率が異なるならば、液体の境界面の位置を計測することも可能となる。

本発明第３の実施例に係る計測装置を図８ないし図１０を用いて説明する。計測対象物を移動させることなく、その大きさや位置を計測するのに適した装置である。図８は本実施例の計測装置の構成図である。この計測装置は、コントローラ８００、ミリ波送受信機１０１、アンテナ１０２、振動発生器８０１、および、計測対象物１０４から構成される。振動発生器８０１は、発振器１１０、ドライバ１０９、スイッチ８０２、および、複数の振動面（振動発生源）１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、・・・、から構成される。なお、添え字の、ａ、ｂ、ｃ、・・・は同一構成要素であることを表し、以下特に記載の必要のない場合は添え字を省略する。

コントローラ８００は、ミリ波送受信機１０１の制御、受信データの処理に加え、振動発生器８０１の制御を行う。振動発生器８０１は、コントローラ８００からの制御信号を受けてスイッチ８０２を切り替え、振動面１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、・・・のうち、いずれかひとつの振動面を振動させる。

図９は、本実施例の計測装置の動作を示すフロー図である。まず、計測対象物１０４を本実施例の計測装置に設置する（Ｓ９００）。次に、あるひとつの振動面、例えば振動面１０８ａ、を振動させた状態で、ミリ波送受信機１０１からミリ波を送受信し、振動面１０８ａの振動周波数と同じ周波数の信号強度を抽出する（Ｓ９０１）。次に、コントローラ８００からスイッチ８０２を制御し、振動させる振動面を、例えば、振動面１０８ｂに、切り換える（Ｓ９０３）。この処理を、全ての振動面１０８に対して実施する（Ｓ９０１、Ｓ９０２、Ｓ９０３）。

このようにして得られる信号強度のプロファイルの一例を図１０に示す。信号Ｓ１０００ａ、Ｓ１０００ｂ、Ｓ１０００ｃ、・・・は、それぞれ、振動面１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、・・・の動作状態を示す。信号Ｓ１０００が“１”の時、振動面１０８が振動している状態、“０”の時、振動面１０８は振動していない状態を表す。ミリ波送受信機１０１からコントローラ８００への出力信号Ｓ１１３は、アンテナ１０２と振動面１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、・・・の間に、計測対象物１０４があるかないかにより、変化する。すなわち、ミリ波が計測対象物１０４の有無により減衰するプロファイルＳ１００１を取得することが可能である。なお、Ｓ１０００ｄやＳ１０００ｆの様に、計測対象物の一部が振動面の正面に配置されている場合には、信号強度は、高い信号強度と低い信号強度との間の信号強度が得られる。この信号強度のプロファイルＳ１００１と振動面１０８の位置関係から、計測対象物１０４の位置や、大きさ、また、計測対象物の端面の位置などを、コントローラ８００で検出する（Ｓ９０４）。

本実施例のように、スイッチを用いて、振動させる振動面を切り換えることで、計測対象物を動かす必要がなく、対象物の大きさや位置の情報を得る事が可能となる。本実施例は、例えば、ダンボールなどの光を通さないケース内の、物体の位置や大きさを取得する場合に有効であり、ケースを空けることなく非接触で検査が可能である。また、実施例２と同様に液体の液面の高さや液量に対しても計測することができる。

また、振動面の数を増やす事でより広範囲で対象物の検出が可能となる。広範囲で対象物の計測を行う場合は、ミリ波ビームは振動面１０８をカバーするように広げておく。この場合、アンテナ１０２の指向性によっては、振動させる振動面１０８の場所に依存して、振動面１０８で反射して再度アンテナ１０２で受信されるミリ波の強度に違いが出る場合が考えられる。このような場合は、あらかじめ、計測対象物がない状態でのパワープロファイルＳ１００１を取得しておき、そのプロファイルからの相対的な変化を元に、計測対象物の位置や大きさを検出する手法が有効である。

また、振動面を小型にし、高密度に配置すれば、より高精度な位置計測や大きさの計測が可能となる。従って、加工上の制約が多いミリ波アンテナを加工することなく、安価で加工が容易な低周波動作の振動面の加工のみで、高精度な計測が可能となる。また、計測対象物を物理的に動かすのではなく、スイッチを電気的に切り換えることにより、計測する経路を変えることができるため、高速に計測が可能である。また、消費電力の観点からも、物体を移動させる場合と比較し、低電力化される。また、物体の移動とスイッチによる振動面の選択とを組み合わせてもよい。この場合、少ない移動距離で、広範囲での計測が可能となる。

なお、本実施例では振動面を一次元的に配置した例を示したが、これに限るものではない。例えば、振動面を二次元的に面状に配置することで、物体の二次元での位置や、面積、形状を計測することが可能になる。

また、本実施例では例として振動面を１つずつ順次動作させたが、計測対象物の計測精度によっては、２つずつ順次動作させてもよいし、１つ飛ばしで動作させることもできる。また、必ずしもすべての振動面を動作する必要もない。必要な精度、必要な検出時間、大まかな計測対象の大きさ等によって、様々な実施形態があり得るため、予めメモリに動作方法の情報を格納しておくことで、様々な振動面の動作形態を使用者が自由に選択することができる。

本発明第４の実施例に係る計測装置を、図１１および図１２を用いて説明する。本実施例の計測装置は、前述の第３の実施例の計測装置と同様の効果を持ち、さらに、計測時間を短縮することが可能である。図１１は本実施例の計測装置の構成図である。この計測装置は、コントローラ１１００、ミリ波送受信機１０１、アンテナ１０２、複数の振動発生器１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、・・・、および、計測対象物１０４から構成される。振動発生器１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃが動作する周波数はそれぞれ異なり、それぞれの振動面（震動発生源）１０８は、ｆ１、ｆ２、ｆ３、、、、ｆｎの周波数で振動させる。

ミリ波送受信機１０１からアンテナ１０２を経由し、ミリ波を送信する。送信されたミリ波は、振動発生器１１０１ａ、ｂ、ｃ、・・・の振動面１０８で反射し、変調される。ミリ波送受信機１０１で、反射、変調されたミリ波を受信する。受信されたミリ波は、増幅された後、局部発振信号とミキサで掛け合わされ、ＬＰＦを通過し、ダウンコンバージョンされる。ダウンコンバージョンされた信号は、増幅され、コントローラ１１００に出力される。出力された信号Ｓ１１３はコントローラ１１００でデータ処理される。また、コントローラ１１００はミリ波送受信機１０１の制御を行う。

ミリ波送受信機１０１から出力された信号Ｓ１１３は、振動発生器１１０１ａ、ｂ、ｃ、・・・の振動周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、、、ｆ_ｎの周波数成分を持つ。図１２は、ミリ波送受信機１０１からの出力信号Ｓ１１３の周波数スペクトラムの一例である。ミリ波送受信機１０１と振動発生器１１０１間の伝搬経路に応じ、ミリ波送受信機１０１からの出力信号Ｓ１１３のスペクトラムが変化する。すなわち、振動発生器１１０１とミリ波送受信機１０１との間に計測対象物１０４がある場合は、ミリ波が減衰し、計測対象物１０４がない場合は、ミリ波が減衰することなく、受信される。従って、ミリ波送受信機１０１の出力信号Ｓ１１３の、振動面１０８の動作周波数に対応する強度から、経路内の計測対象物１０４の有無を計測することが可能となり、振動発生器１１０１の位置から計測対象物１０４の大きさや位置を検出できる。例えば、図１２ではｆ_２、ｆ_３に対応する振動発生器の前方に計測対象物があることを示している。

ミリ波送受信機１０１からの信号は広がりをもたせ、全ての振動発生器１１０１をカバーするように広がりを持たせる。また、フェーズドアレイアンテナを用いたり、アンテナを機械的に動かしたりすることで、全ての振動発生器にミリ波を当ててもよい。アンテナ１０２の指向性により、振動面１０８・・・で反射して再度アンテナ１０２で受信されるミリ波の強度に違いが出る場合が考えられる。このような場合は、あらかじめ、計測対象物がない状態でのパワースペクトラムＳ１２００を取得しておき、そのスペクトラムからの相対的な変化を元に、計測対象物の位置や大きさを検出する手法が有効である。

本実施例のように、振動周波数の異なる複数の振動面を用いる事により、同時に複数の経路の情報を得る事が可能となる。これにより、短時間で、計測対象物の位置や大きさ、計測対象物の端面の位置などを計測することが出来る。また、実施例２と同様に液体の液面の高さや液量に対しても計測することができる。なお、実施例４と同様で、すべての振動面を動作させる必要はない。必要な精度や大まかな計測対象の大きさ等によって、様々な実施形態があり得るため、予めメモリに動作方法の情報を格納しておくことで、様々な振動面の動作形態を使用者が自由に選択することができる。

本発明第５の実施例について、図１３および図１４を用いて説明する。図１３は、本発明第５の実施例に係る、計測装置である。この計測装置は、コントローラ１３００、ミリ波送受信機１０１、振動発生器１３０１、および、計測対象物１０４で構成される。

本計測装置の特徴は、計測対象物１０４の端面１３０３で反射するミリ波を利用することである。すなわち、ミリ波送受信機１０１から送信された電波が、振動面１３０２で反射し、ミリ波送受信機１０１に戻る第一の経路に加え、ミリ波送受信機１０１から振動面１３０２、および、計測対象物１０４の端面１３０３で反射し、ミリ波送受信機１０１に戻る第二の経路を持たせる。アンテナ１０２と振動面１３０２とを結ぶ直線付近に、計測対象物１０４の端面１３０２がある場合、上記の第一の経路と第二の経路の距離はほぼ等しくなる。また、第一の経路と第二の経路とでは、反射の回数が異なるため、ミリ波の位相が反転する。従って、第一の経路と第二の経路との信号は、伝搬路長がほぼ等しく、位相が反転しているため、アンテナ１０２端で、干渉し、弱めあう。なお、振動面１０８と計測対象物１０４の端面１３０３での反射の順番はどちらが先でも構わない。

図１４は、移動装置５０１を用いて計測対象物１０４を移動させながら取得可能なミリ波送受信機１０１からコントローラ１３００へ出力の一例であり、計測対象物１０４の位置に対し、ミリ波送受信機１０１の出力信号Ｓ１１３の信号強度を示す。計測対象物１０４の端面１３０３付近で、第一の経路と第二の経路の信号が弱めあうため、信号Ｓ１１３の強度は弱くなる。

このように、計測対象物の端面で反射したミリ波と、反射していないミリ波との干渉を利用することで、計測対象物の端面の位置を、高い精度で計測することが可能となる。

計測対象物の端面でミリ波をさせる経路を作るためには、例えば、振動面を曲面にする方法がある。また、ミリ波ビームの指向性、すなわち、広がりを利用し、端面で反射させてもよい。

以上説明してきた実施例では、ダイレクトコンバージョン方式を用いたミリ波送受信機１０１を用いるとして説明を行ってきたが、これに限るものではない。例えば、スーパーヘテロダイン方式を用いたミリ波送受信機により、中間周波数を使って信号を検出してもよい。また、Ｉ（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）成分、Ｑ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ）成分にわけた直交復調器を用いてもよい。図１５は、本発明に係る直交復調を行うミリ波送受信機１５００である。高周波発振器２００、送信用パワーアンプ（ＰＡ）２０１、受信用ローノイズアンプ（ＬＮＡ）２０２、ミキサ２０３ｉ、２０３ｑ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０４ｉ、２０４ｑ、増幅器２０５ｉ、２０５ｑ、９０°位相シフタ１５０１、および、分配器２０６、２０７、１５０２から構成される。なお、添え字の、ｉ、ｑは、Ｉ成分、Ｑ成分である事を示し、以下特に記載の必要のない場合は添え字を省略する。

高周波発振器２００で生成されたミリ波信号は送信用パワーアンプ２０１で増幅してアンテナ１０２に出力される。またアンテナ１０２から受信した信号は分配器２０７を通りＬＮＡ２０２で増幅された後、分配器１５０２で、二つの経路、すなわち、Ｉ成分、Ｑ成分に分けられる。高周波発振器２００の出力は、９０°位相シフタ１５０１で直交する二つのローカル発振信号に分けられ、それぞれ、受信したミリ波とミキサ２０３ｉ、２０３ｑで掛け合わされ、ダウンコンバージョンされる。その後、ＬＰＦ２０４でフィルタリング、増幅器２０５で増幅され、出力される。コントローラでは、Ｉ成分、Ｑ成分の信号を、それぞれ二乗して加算し、信号強度を得る。すなわち、コントローラは、受信機で受信したミリ波に、位相が直交する二種類の発信信号を掛け合わせてダウンコンバージョンし、得られた二種類の信号の強度の和を算出する。

このように、Ｉ成分、Ｑ成分に分けた直交復調器を用いる事で、位相に依存しない信号強度を得る事が可能となる。

１００、５００、８００、１１００、１３００…コントローラ
１０１、１５００…ミリ波送受信機
１０２…アンテナ
１０３、８０１、１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、・・・、１３０１…振動発生器
１０４…計測対象物
１０５…中央処理演算装置（ＣＰＵ）
１０６…メモリ
１０７…外部インタフェース（ＩＯ）
１０８、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、・・・、１３０２…振動面
１０９…ドライバ
１１０…発振器
２００…高周波発振器
２０１…パワーアンプ（ＰＡ）
２０２…ローノイズアンプ（ＬＮＡ）
２０３…ミキサ
２０４…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２０５…増幅器
２０６、２０７、１５０２…分配器
５０１…移動装置
５０２…容器
５０３…液体
８０２…スイッチ
１３０３…端面
１５０１…位相シフタ
１６００…ミリ波送信機
１６０１…ミリ波受信機
１６０２、１６０３…アンテナ

Claims (20)

1. 電波を送信する送信機と、機械的に振動する振動面と、電波を受信する受信機と、前記送信機から電波を送信し、前記振動面で反射させ、前記受信機で受信した電波の信号を基に、前記送信機と前記受信機の間の前記振動面を介する経路の計測対象物の情報を出力するコントローラを備えることを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   前記コントローラは、前記送信機から送信された電波が、上記振動面の振動により変調され、該変調された信号成分を抽出することを特徴とする計測装置。
3. 請求項２に記載の計測装置において、
   前記コントローラは、前記受信機で受信した電波を、前記送信機で送信した電波と等しい周波数で発振する発振信号と掛け合わせることにより、前記振動面の振動により変調された前記信号成分を抽出することを特徴とする計測装置。
4. 請求項３に記載の計測装置において、
   前記送信機と前記受信機とが一体となった送受信機であり、
   前記送受信機は高周波発振器を備え、
   前記コントローラは、前記高周波発振器の出力信号を基に、前記送信機が送信する電波を生成し、前記受信機で受信した電波と、前記高周波発振器の出力信号を掛け合わせることを特徴とする計測装置。
5. 請求項３に記載の計測装置において、
   前記コントローラは、前記受信機で受信した電波に、位相が直交する二種類の発振信号を掛け合わせてダウンコンバージョンし、得られた二種類の信号の強度の和を算出することを特徴とする計測装置。
6. 請求項４に記載の計測装置において、
   前記コントローラは、前記受信機で受信した電波と、前記高周波発振器の出力信号を掛け合わせて得られた出力信号を、前記振動面が振動する周波数と等しい周波数の発振信号を用いて同期検波することを特徴とする計測装置。
7. 請求項２に記載の計測装置において、
   前記経路と前記計測対象物の位置関係を、前記経路に対して垂直方向に変える移動装置を備え、
   前記コントローラは、前記経路と前記計測対象物の位置関係を前記垂直方向に変え、前記受信機で抽出した前記信号成分の強度を抽出することを特徴とする計測装置。
8. 請求項７に記載の計測装置において、
   前記計測対象物が、液体の入った容器であり、
   前記コントローラは、前記信号成分の強度から、前記液体の液面の位置を検出することを特徴とする計測装置。
9. 請求項７に記載の計測装置において、
   前記振動面が曲面であり、前記経路には、前記計測対象物の端面で、電波を反射させる経路を含むことを特徴とする計測装置。
10. 請求項１に記載の計測装置において、
    前記振動面を複数備え、
    前記コントローラは、前記複数の振動面のうち、振動させる振動面を制御信号により切り替え、
    前記受信機は、前記複数の振動面のうち、振動する振動面に反射する各々の電波を受信することで、前記コントローラは前記計測対象物の情報を出力することを特徴とする計測装置。
11. 請求項１に記載の計測装置において、
    前記振動面を複数備え、
    前記コントローラは、前記複数の振動面を、それぞれ異なる周波数で振動させ、
    前記受信機は、それぞれ異なる周波数に変調された電波を受信することで、前記コントローラは前記計測対象物の情報を出力することを特徴とする計測装置。
12. 請求項１に記載の計測装置において、
    前記情報は、計測対象物の有無、位置、大きさ、液量、若しくは液面の高さであることを特徴とする計測装置。
13. 電波を送信する送信機と、振動を発生させる振動発生器と、前記振動発生器を介する経路を伝搬する電波を受信する受信機と、前記受信機が受信した電波から前記振動発生器の振動周波数の周波数成分の信号強度を抽出するコントローラを備えることを特徴とする計測装置。
14. 請求項１３に記載の計測装置において、
    さらに、前記経路と前記計測対象物の位置関係を、前記経路に対して垂直方向に変える移動装置を備えることを特徴とする計測装置。
15. 請求項１３に記載の計測装置において、
    さらに、前記振動発生器は、複数の振動発生源から成り、前記振動発生源の振動を発生させるタイミングを制御するスイッチを備えることを特徴とする計測装置。
16. 請求項１３に記載の計測装置において、
    さらに、前記振動発生器は、各々振動周波数の異なる複数の振動発生源から成ることを特徴とする計測装置。
17. 請求項１３に記載の計測装置において、
    前記受信機は、前記振動発生器を反射し、計測対象物を反射しない第一の経路を伝搬する第一の電波と、前記振動発生器を反射し、計測対象物を反射する第二の経路を伝搬する第二の電波との干渉波を検出することを特徴とする計測装置。
18. 請求項１３に記載の計測装置において、
    前記コントローラは、前記経路における、被検査対象物の有無、位置、大きさ、液量、若しくは液面の高さのいずれかを出力することを特徴とする計測装置。
19. 請求項１３に記載の計測装置において、
    前記電波はミリ波もしくはマイクロ波であることを特徴とする計測装置。
20. 請求項１３に記載の計測装置において、
    前記電波は、１ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数の電波であることを特徴とする計測装置。

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