JPWO2014050055A1 - 無線センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】検出対象の動きを検知する感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる無線センサ装置を提供する。【解決手段】無線センサ装置100は、送信信号を放射し、送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信するアンテナ1と、アンテナ1に接続される出力端子2aを有し、送信信号を生成する送信回路2と、出力端子2aに接続され、送信回路2から送信信号を送信中に、送信信号の一部とアンテナ1で受信された反射信号と、が入力され検波される検波回路3と、検波回路3に接続され、検波回路3から出力される信号を処理する信号処理回路4と、送信回路2に接続され、送信回路2を制御する制御回路5と、を有し、アンテナ1と出力端子2aとの間に、線路長の異なる複数の伝送線路と、複数の伝送線路を切換えてアンテナ1と出力端子2aを接続する切換え手段を有し、複数の伝送線路の線路長の差が送信信号の波長の4分の1未満とした。【選択図】図2
Description
本発明は、無線センサ装置に関し、特に、微小変異を感度良く検出することができる無線センサ装置に関する。
従来から、電波を用いて検出対象までの距離を測定するセンサや、検出対象の有無や接近を検出するセンサなどが提案されている。
近年、健康に対する意識の高まりから、検出対象への負担が少ない非接触で心拍や呼吸などのバイタルサインの検出を行なうことができるセンサが望まれている。
非接触で検出対象を検出する無線センサ装置としては、特許文献1に記載の無線センサ装置が知られている。
特許文献1に記載の無線センサ装置では、図4に示すように、無線センサ装置900は、放射波の偏波面が互いに直交する第1及び第2の偏波アンテナを一体化して構成した送受信用アンテナANTと、第1の偏波アンテナに接続され当該第1の偏波アンテナで受信した第1の受信信号が入力される第1のミキサ回路914aと、第2の偏波アンテナに接続され当該第2の偏波アンテナで受信した第2の受信信号が入力される第2のミキサ回路914bと、第1及び第2の偏波アンテナに給電されると共に第1及び第2のミキサ回路914a,914bへ供給されるパルス信号を生成する信号発生回路911と、差動増幅回路915と、を備えている。この差動増幅回路915は、第1のミキサ回路914aが第1の受信信号とパルス信号とを混合した混合出力と、第2のミキサ回路914bが第2の受信信号とパルス信号とを混合した混合出力とを差動増幅する。
RF発振回路911は、送受信アンテナANTに給電するパルス信号を生成し、分配器912で、RF発振回路911から受けたパルス信号を分配して送受信アンテナANTの各給電点913a,913bにそれぞれ送ると共に、この送受信アンテナANTの各給電点913a,913bに送ったパルス信号の一部をミキサ回路914a,914bにそれぞれ送る。
送受信アンテナANTから放射された無線波が対象物Oに反射し、この反射波を送受信アンテナANTで受信した受信信号と、分配器912を介して、送受信アンテナANTの給電点913aに給電される第1のパルス信号の一部がミキサ回路914aに入力されており、送受信アンテナANTの給電点913bに給電される第2のパルス信号の一部がミキサ回路914bに入力されており、対象物Oの動きによって、受信信号の位相差変化するのを検出することで、対象物Oの動きを検出することができる無線センサ装置の技術が開示されている。
上述した従来技術の無線センサ装置では、送信信号Voと、反射波Vrと、の合成信号Vtから検出対象の動きを検出している。合成信号Vtと、送信信号Voおよび反射波Vrの関係を数式で示すと下記の(式1)のように表すことができる。
(式1)
Vt2=Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ
但しθは送信信号Voに対する反射波Vrの位相変移角度(位相差)
Vt2=Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ
但しθは送信信号Voに対する反射波Vrの位相変移角度(位相差)
従って、合成信号Vtは下記の(式2)で表される。
(式2)
Vt=√(Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ)
Vt=√(Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ)
送信出力Voに対する反射波Vrの位相が変化するので、位相の変化に対する合成信号の変化は(式2)を移相角θで微分することで得られ下記の(式3)で表される。
(式3)
dVt/dθ=Vo・Vr・sinθ/√(Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ)
dVt/dθ=Vo・Vr・sinθ/√(Vo2+Vr2−2・Vo・Vr・cosθ)
反射波Vrは、検出対象までの距離を往復する間の伝搬損失と、検出対象の反射率によって
減衰するので、送信出力Voに対して大幅に小さくVo>>Vrとなるので、(式3)は下記(式4)で近似することができる。
減衰するので、送信出力Voに対して大幅に小さくVo>>Vrとなるので、(式3)は下記(式4)で近似することができる。
(式4)
dVt/dθ≒Vr・sinθ
dVt/dθ≒Vr・sinθ
従来技術の無線センサ装置であっても、検出対象の動きが大きく、検出対象に向けて放射した送信信号が、検出対象で反射された反射信号の位相が、送信信号に対して大きく変化する場合には問題なく検出対象の動きを検知することができる。
しかしながら、たとえば呼吸に伴う体動や、心拍に伴う体表面の動き等、検出対象の動きが小さく、送信信号に対して、検出対象で反射された反射信号の位相の変化が小さい場合には、無線センサ装置と検出対象の距離によって検出感度が著しく変わってしまう。
無線センサ装置と検出対象の距離によって送信信号と反射信号の位相差がθ≒π/2ラジアン(以下radと記す)およびθ≒3π/2(rad)となるときには(式4)から合成信号の変化は最大値Vrを得ることができるが、θ≒0(rad)およびθ≒π(rad)の値となると合成信号の出力が0となってしまうため、出力が著しく低下してしまいヌル(Null)点となってしまうという課題があった。
本発明は、上述した課題を解決し、検出対象の動きを検知する感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる無線センサ装置を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、請求項1に記載の無線センサ装置は、送信信号を放射し、前記送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信するアンテナと、前記アンテナに接続される出力端子を有し、前記送信信号を生成する送信回路と、前記送信回路の前記出力端子に接続され、前記送信回路から前記送信信号を送信中に、前記送信信号の一部と前記アンテナで受信された前記反射信号と、が入力され検波される検波回路と、前記検波回路に接続され、前記検波回路から出力される信号を処理する信号処理回路と、前記送信回路に接続され、前記送信回路を制御する制御回路と、を有する無線センサ装置であって、前記アンテナと前記出力端子との間に、線路長の異なる複数の伝送線路と、前記複数の伝送線路を切換えて前記アンテナと前記出力端子を接続する切換え手段を有し、前記複数の伝送線路の線路長の差が送信信号の波長の4分の1未満であることを特徴とする。
請求項2に記載の無線センサ装置は、前記複数の伝送線路が2つの伝送線路であり、前記2つの伝送線路の線路長が、送信信号の波長の8分の1異なることを特徴とする。
請求項3に記載の無線センサ装置は、前記制御回路は、前記複数の伝送線路を切換えるように制御し、前記信号処理回路から出力される信号が最大となる伝送線路を選択して切換えることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、アンテナと出力端子との間に、線路長の異なる複数の伝送線路と、複数の伝送線路を切換えてアンテナと出力端子を接続する切換え手段を有しおり、複数の伝送線路の線路長の差が送信信号の波長の4分の1未満とした。このため、検出対象との距離が変化する等で、送信出力に対する反射波の位相差が、感度が低下するヌル点に近づいて検出出力が低下した場合に、線路長の異なる伝送線路を選択して切換えることで、位相差を変化させることができ、検出対象の動きを検知する感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる。
請求項2の発明によれば、2つの伝送線路の線路長が、送信信号の波長の8分の1異なるので、送信回路の出力端子に出力される送信信号と、送信信号が検出対象で反射された反射信号が出力端子に戻ってくるまでの位相差が、伝送線路を切換えることでπ/2(rad)ずつ異なるので、感度が著しく低下してしまうヌル点を確実に回避して感度の良い状態で動作することができる。
請求項3の発明によれば、制御回路は、複数の伝送線路を切換えるように制御し、信号処理回路から出力される信号が最大となる伝送線路を選択して切換えるので、より感度の良い状態で検出対象の動きを検出することができる。
以上により、本発明によれば、検出対象の動きを検知する感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる無線センサ装置を提供することができる。
[第1実施形態]
以下に第1実施形態における無線センサ装置について説明する。
以下に第1実施形態における無線センサ装置について説明する。
まず始めに本実施形態における無線センサ装置100の動作概要について図1を用いて説明する。無線センサ装置100は図1に示すように、検出対象に対して送信信号を放射し、その反射信号を検出することで、検出対象の検知を行なう。
次に無線センサ装置100の構成について図2を用いて説明する。図2は無線センサ装置100の構成を示すブロック図である。
無線センサ装置100は図2に示すように、アンテナ1と、出力端子2aを有する送信回路2と、検波回路3と、信号処理回路4と、制御回路5と、第1伝送線路6と、第2伝送線路7と、第1スイッチ8と、第2スイッチ9と、を備えている。
また無線センサ装置100にはその他に図示しない電源回路を有しており、無線センサ装置100の各部に動作に必要な電力を供給する。
アンテナ1は、第2スイッチ9に接続されており、第2スイッチ9は切換え手段として、第1伝送線路6と第2伝送線路7の一方を選択してアンテナ1に接続できるように、第1伝送線路6および第2伝送線路7の一端が接続されている。
第1伝送線路6と第2伝送線路7の他端には、第1伝送線路6と第2伝送線路7の一方を選択して送信回路2の出力端子2aに接続する切換え手段として、第1スイッチ8が接続されており、第1スイッチ8は送信回路2の出力端子2aに接続されている。
送信回路2は、送信信号を生成し、出力端子2aに送信信号を出力する送信動作を行う。
検波回路3は、送信回路2の出力端子2aに接続され、送信回路2が送信動作中に、出力端子2aから出力される送信信号の一部と、アンテナ1で受信された反射信号と、が検波回路3に入力され、入力された送信信号の一部と、アンテナ1で受信された反射信号と、を検波する。
信号処理回路4は、検波回路3に接続され、検波回路3から出力される検波出力信号の信号処理を行ない、その結果を制御回路5へ出力する。
制御回路5は、送信回路2と、信号処理回路4と、第1スイッチ8と、第2スイッチ9と、に接続されている。
制御回路5は、送信回路2の動作状態を制御し、また信号処理回路4から出力信号を取得し、検出対象の呼吸に伴う体動や、心拍に伴う体表面の動き等の検出や、検出有無の判断等を行なう。
更に制御回路5は、第1スイッチ8と第2スイッチ9と、を制御し、第1伝送線路6または第2伝送線路7のどちらか一方を選択して、アンテナ1と出力端子2aと、を接続する制御信号を出力する。
第1伝送線路6は、送信回路2が生成する送信信号の周波数において、送信回路2の出力インピーダンスおよびアンテナ1のインピーダンスと概ね等しい特性インピーダンスを有し、線路長がLeを有する伝送線路である。
第2伝送線路7は、送信回路2が生成する送信信号の周波数において、送信回路2の出力インピーダンスおよびアンテナ1のインピーダンスと概ね等しい特性インピーダンスを有し、送信信号の1波長をλとすると、第1伝送線路6の線路長Leよりも送信信号の波長の8分の1長い、Le+λ/8の線路長をもった伝送線路である。
尚、伝送線路の線路長とは、送信信号が伝送線路を伝搬する際に伝搬速度が真空中より遅くなる(進む距離が短くなっている)ので、伝送線路の長さを、伝送線路上を伝搬する送信信号の波長または移相角を用いて表される。前述の送信信号の波長は伝送線路上での波長を示しており、波長の8分の1は移相角でπ/4(rad)移相遅れとなる長さである。
次に、無線センサ装置100の動作について図2を用いて説明する。
制御回路5が、第1スイッチ8と第2スイッチ9と、を制御し、第1伝送線路6を選択している場合、送信回路2の出力端子2aから出力された送信信号は、第1スイッチ8、第1伝送線路6、第2スイッチ9を経てアンテナ1から放射される。
アンテナ1から放射された送信信号が、検出対象で反射され、反射信号としてアンテナ1で受信される。
アンテナ1で受信された反射信号は、第2スイッチ9、第1伝送線路6、第1スイッチ8を経て出力端子2aまで戻り、送信信号の一部と反射信号と、が検波回路3に入力され、検波される。
出力端子2aからアンテナまでの経路の長さは、第1スイッチ8と第2スイッチ9の経路の長さが無視できると考えると、第1伝送線路6の線路長Leで表される。
アンテナ1から検出対象までの距離をLxとすると、第1伝送線路6が選択されている場合には、出力端子2aから送信信号が出力され、アンテナ1で放射された送信信号の一部が、検出対象で反射されて、その反射信号がアンテナ1で受信され、出力端子2aまで戻ってくるまでの経路の長さL1は、(式5)にように表される。
(式5)
L1=2(Lx+Le)=2Lx+2Le
L1=2(Lx+Le)=2Lx+2Le
制御回路5が、第1スイッチ8と第2スイッチ9と、を制御し、第2伝送線路7を選択している場合、送信回路2の出力端子2aから出力された送信信号は、第1スイッチ8、第2伝送線路7、第2スイッチ9を経てアンテナ1から放射される。
アンテナ1から送信信号が放射され、反射信号がアンテナ1で受信されるのは前記と同様である。
アンテナ1で受信された反射信号は、第2スイッチ9、第2伝送線路7、第1スイッチ8を経て出力端子2aまで戻り、送信信号の一部と反射信号と、が検波回路3に入力され、検波される。
出力端子2aからアンテナまでの経路の長さは、第1スイッチ8と第2スイッチ9の経路の長さが無視できると考えると、第2伝送線路7の線路長Le+λ/8で表される。
アンテナ1から検出対象までの距離をLxとすると、第2伝送線路7が選択されている場合には、出力端子2aから送信信号が出力され、アンテナ1で放射された送信信号の一部が、検出対象で反射されて、その反射信号がアンテナ1で受信され、出力端子2aまで戻ってくるまでの経路の長さL2は、(式6)にように表される。
(式6)
L2=2(Lx+Le+λ/8)=2Lx+2Le+λ/4
L2=2(Lx+Le+λ/8)=2Lx+2Le+λ/4
第1伝送線路6が選択されている場合の経路の長さと、第2伝送線路7が選択されている場合の経路の長さの差ΔLは(式5)(式6)から、(式7)となる。
(式7)
ΔL=L2−L1=λ/4
ΔL=L2−L1=λ/4
以上のように、第1伝送線路6を選択した場合と、第2伝送線路7を選択した場合で、経路の長さの差が、送信信号の波長の4分の1異なるので、この長さの差の分、第1伝送線路6を選択した場合に対して、第2伝送線路7を選択した場合には、反射波が検波回路3に到達するまでの長さがλ/4長くなり、反射波の位相がπ/2(rad)遅れることとなる。
従って、第1伝送線路6と第2伝送線路7の選択を変更することで、検波回路3に入力される反射信号の位相をπ/2(rad)変えることが可能となる。そのため、例えば、第1伝送線路6を選択した際に、無線センサ装置100と検出対象の距離によって、送信信号と反射信号の位相差が0(rad)となり、検出対象を検出する出力が著しく低下してしまうヌル点となってしまう場合に、第2伝送線路7を選択すれば送信信号と反射信号の位相差がπ/2(rad)となるので、感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる。
検波回路3で検波された検波出力は、信号処理回路4に入力される。信号処理回路4では、検波信号の振幅の変化を増幅し、増幅した検波信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換した、Analog‐to‐Digital Convertion信号(AD変換信号)を制御回路5へ出力する。
制御回路5は、信号処理回路4を制御しAD変換信号を取得し、検出対象からの呼吸に伴う体動や、心拍に伴う体表面の動き等の検出や検出有無の判断等を行なう。
また、制御回路5は、信号処理回路4から取得したAD変換信号から、検出対象の動きに伴う信号の振幅が所定の値より小さい場合、検出対象との距離が変動して出力が著しく低下してしまうヌル点に近づいていると判断し、現在選択している伝送線路と異なる伝送線路を選択するよう第1スイッチ8と第2スイッチ9とを制御し、感度が低下するのを防ぐように制御を行なう。
次に、無線センサ装置100の制御動作について、図3を用いて説明する。図3は無線センサ装置100の制御動作を示すフローチャート図で、制御回路5に内蔵されたタイマー機能などによって定期的に繰り返して動作を行なう。
制御回路5は手順S1で、第1スイッチ8と第2スイッチ9とを制御し第1伝送線路6を選択する。
次に制御回路5は手順S2で、信号処理回路4を制御し、信号処理回路4からAD変換信号を取得する。
手順S3では、手順S2で取得したAD変換信号から、検出対象の動きによって生じた検波信号の振幅変化に対応する振幅情報を抽出し、第1伝送線路6を選択した際の検出感度をしめす第1振幅情報A1として保持する。
手順S4で、制御回路5は、第1スイッチ8と第2スイッチ9とを制御し第2伝送線路7を選択する。
手順S5で制御回路5は、信号処理回路4を制御し、信号処理回路4からAD変換信号を取得する。
手順S6では、手順S5で取得したAD変換信号から、検出対象の動きによって生じた検波信号の振幅変化に対応する振幅情報を抽出し、第2伝送線路7を選択した際の検出感度をしめす第2振幅情報A2として保持する。
手順S7で、保持している第1振幅情報A1と、無線センサ装置100と検出対象との距離がヌル点に近づいて感度が低下していることを判定する閾値と、の比較を行ない、第1振幅情報A1が閾値より大きい場合は手順S8に移行し、第1振幅情報A1が閾値以下の場合は手順S10に移行する。
手順S8で、保持している第1振幅情報A1と第2振幅情報A2との比較を行ない、第1振幅情報A1が大きい場合には手順S9に移行する。また第2振幅情報A2が大きい場合には、この時点で第2伝送線路7が選択されているので、そのまま制御処理を終了する。この場合、第1伝送線路6を選択した際の第1振幅情報A1が閾値以上ではあるが、第2伝送線路7を選択した際の第2振幅情報A2が第1振幅情報A1より大きくなっているので、更に検出対象の動きを感度良く検出することができる。
手順S9で制御回路5は、第1スイッチ8と第2スイッチ9とを制御し第1伝送線路6を選択して制御処理を終了する。この場合、第1伝送線路6を選択した際の第1振幅情報A1が閾値以上ではあり、第2伝送線路7を選択した際の第2振幅情報A2が第1振幅情報A1以下のため、最終的に第1伝送線路を選択し検出対象の動きを感度良く検出することができる。
手順S7で、第1振幅情報A1が閾値以下で手順S10に移行した場合、手順S10で、保持している第2振幅情報A2と、無線センサ装置100と検出対象との距離がヌル点に近づいて感度が低下していることを判定する閾値と、の比較を行ない、第2振幅情報A2が閾値より大きい場合はこの時点で第2伝送線路7が選択されているので、そのまま制御処理を終了する。また、第2振幅情報A2が閾値以下の場合は手順S11に移行する。
手順S11に移行した場合は、第1伝送線路6と第2伝送線路7のどちらを選んでも検出対象を検出する出力が得られてないため、検出対象が無い状態と判断し、制御回路5が、検出対象が無いと判断したことを示す信号を出力して制御処理を終了する。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る無線センサ装置によれば、アンテナ1と出力端子2aとの間に、線路長の異なる第1伝送線路6および第2伝送線路7と、第1伝送線路6と第2伝送線路7を切換えて、アンテナ1と出力端子2aを接続する第1スイッチ8と第2スイッチ9と、を有しおり、第1伝送線路6と第2伝送線路7の線路長の差が送信信号の波長の4分の1未満とした。このため、検出対象との距離が変化する等で、送信出力に対する反射波の位相差が、感度が低下するヌル点に近づいて検出出力が低下した場合に、線路長の異なる伝送線路を選択して切換えることで、位相差を変化させることができ、検出対象の動きを検知する感度の劣化を回避して微小変異を感度良く検出することができる。
2つの伝送線路の長さが、送信信号の波長の8分の1異なるので、送信回路2の出力端子2aに出力される送信信号と、送信信号が検出対象で反射された反射信号が出力端子2aに戻ってくるまでの位相差が、伝送線路を切換えることでπ/2(rad)異なり、感度が著しく低下してしまうヌル点を確実に回避して感度の良い状態で動作することができる。
制御回路5は、複数の伝送線路を切換えるように制御し、信号処理回路4から出力される信号が最大となる伝送線路を選択して切換えるので、より感度の良い状態で検出対象の動きを検出することができる。
以上のように、本発明の実施形態に係る無線センサ装置を具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
(1)本実施形態において、伝送線路は第1伝送線路と、第2伝送線路の2つの伝送線路を備えた例を示して説明したが、3以上の伝送線路を用いて構成してもよい。
(2)本実施形態において、第1伝送線路と第2伝送線路の線路長の差をλ/8の場合を示して説明したが、伝送線路を増やすとともに、伝送線路の線路長の差を小さくして構成しても良い。その場合さらに精度良く感度の良い線路長の伝送路を選択することが可能となる。
(3)本実施形態において、信号処理回路4は検波信号の振幅の変化を増幅し、増幅した検波信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換した、Analog‐to‐Digital Convertion信号を出力する例を挙げて説明をしたが、帯域制限や、サンプリング等、の信号処理を行なうように構成されても良い。
1 アンテナ
2 送信回路
2a 出力端子
3 検波回路
4 信号処理回路
5 制御回路
6 第1伝送線路
7 第2伝送線路
8 第1スイッチ
9 第2スイッチ
100 無線センサ装置
2 送信回路
2a 出力端子
3 検波回路
4 信号処理回路
5 制御回路
6 第1伝送線路
7 第2伝送線路
8 第1スイッチ
9 第2スイッチ
100 無線センサ装置
Claims (3)
- 送信信号を放射し、前記送信信号が検出対象で反射した反射信号を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続される出力端子を有し、前記送信信号を生成する送信回路と、
前記送信回路の前記出力端子に接続され、前記送信回路から前記送信信号を送信中に、前記送信信号の一部と前記アンテナで受信された前記反射信号と、が入力され検波される検波回路と、
前記検波回路に接続され、前記検波回路から出力される信号を処理する信号処理回路と、
前記送信回路に接続され、前記送信回路を制御する制御回路と、を有する無線センサ装置であって、
前記アンテナと前記出力端子との間に、線路長の異なる複数の伝送線路と、
前記複数の伝送線路を切換えて前記アンテナと前記出力端子を接続する切換え手段を有し、
前記複数の伝送線路の線路長の差が送信信号の波長の4分の1未満であることを特徴とする無線センサ装置。 - 前記複数の伝送線路が2つの伝送線路であり、前記2つの伝送線路の線路長が、前記送信信号の波長の8分の1異なることを特徴とする請求項1に記載の無線センサ装置。
- 前記制御回路は、前記複数の伝送線路を切換えるように制御し、前記信号処理回路から出力される信号が最大となる伝送線路を選択して切換えることを特徴とする請求項1または2に記載の無線センサ装置。
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