JPWO2017115459A1 - センサ、およびセンサを用いた水栓装置 - Google Patents
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Abstract
物体までの距離を計測し、かつ近距離の物体を検知するセンサおよび水栓装置を提供する。センサ(10)は、検知部(11)と処理部(13)とを有する。検知部(11)は、放射した電波の周波数と受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号のデジタル値を出力する。処理部(13)の周波数分析部(131)は、ビート信号の周波数スペクトルを求めるように構成される。処理部(13)の補正部(134)は、検知部(11)の出力ビット数と周波数分析部(131)の入力ビット数との差の個数のゼロを、周波数分析部(131)に入力されるデジタル値に付加する。処理部(13)の計算部(135)は、周波数分析部(131)が求めた周波数スペクトルからパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、ピーク周波数を物体(Ob)までの距離に換算する。
Description
本発明は、電波を用いて物体を検知するセンサ、およびこのセンサにより吐水と止水とが制御されるセンサを用いた水栓装置に関する。
従来、送受信器の送信器でスイープした信号をアンテナ送信素子から送信し、その反射波をアンテナ受信素子で受信するレーダ装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1には、参照信号と入力信号との相関処理のために、基準参照信号にゼロ埋めしたものを参照信号とし、参照信号をFFT処理するという内容の記載がある。すなわち、特許文献1では、基準参照信号の符号長を入力信号の符号長と合わせることを目的としてゼロ埋めが行われている。
また、自動水栓装置において、マイクロ波ドップラーセンサを用いる構成例が特許文献2に記載されている。
特許文献1の技術は、たとえば航空機に搭載されるレーダ装置に適用される。したがって、数cm程度の近距離に存在する物体を検知する目的は想定されていない。
また、特許文献2の技術は、マイクロ波ドップラーセンサを用いる構成であり、電波を間欠的に放射する電波センサにおいて数cm程度の近距離に存在する物体を検知する技術は記載されていない。ドップラーセンサでは、動きを検出することはできるが、物体までの距離を知ることは困難である。
本発明は、物体までの距離を計測することが可能であり、かつ近距離の物体を検知することが可能であるセンサを提供することを目的とし、さらにこのセンサを用いた水栓装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るセンサは、検知部と処理部とを有する。検知部は、時間経過に伴って周波数が変化する電波を空間に放射し、かつ空間から電波を受信する。処理部は、検知部が放射した電波の周波数と受信した電波との周波数の周波数差に基づいて空間に存在する物体までの距離を計測する。また、検知部は、放射した電波の周波数と受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号のデジタル値を出力するアナログ−デジタル変換器を備える。さらに、検知部は、電波を放射させる放射期間と電波を放射させない休止期間とが1回ずつ含まれる処理周期を繰り返すように動作し、電波を間欠的に放射する構成である。処理部は、周波数分析部と補正部と計算部とを備える。周波数分析部は、入力ビット数がアナログ−デジタル変換器の出力ビット数より多く、かつビート信号の周波数スペクトルを求めるように構成される。補正部は、アナログ−デジタル変換器の出力ビット数と周波数分析部の入力ビット数との差の個数のゼロを、周波数分析部に入力されるデジタル値に付加する。計算部は、周波数分析部が求めた周波数スペクトルからパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、ピーク周波数を物体までの距離に換算する。
本発明の一態様に係る水栓装置は、上述したセンサにおいて距離に基づいて定めた監視領域内の範囲内か否かを判断して制御信号を出力するように構成されたセンサと、制御信号を受けて吐水と止水とが選択される水栓とを備える。処理部は、監視領域に対象物が存在するときに吐水を選択する制御信号を水栓に与え、監視領域に対象物が存在しないときに止水を選択する制御信号を水栓に与える。
上記構成によれば、物体までの距離を計測することが可能であり、かつ近距離の物体を検知することが可能になる。
以下に説明する構成例は、空間に電波を放射し、空間からの電波を受信することによって、空間情報を抽出するセンサ、およびこのセンサを用いた水栓装置に関する。ここでの空間情報は、空間に存在する物体までの距離の情報、空間に定めた監視領域に物体が存在するか否かの情報、監視領域に存在する物体が監視対象である対象物か否かの情報などから選択される。以下に説明するセンサにおいて、監視領域に物体が存在するか否かの情報、監視領域に存在する物体が対象物か否かの情報は、空間に存在する物体までの距離の情報を基にした情報である。したがって、センサは、空間に存在する物体までの距離を計測する機能を備える。物体は人体であってもよく、この場合に、センサは人感センサとして用いることが可能である。また、センサは、機器制御用の制御信号を出力する構成であってもよい。
センサを用いた水栓装置は、台所、洗面所、便所などに配置される水栓に、センサを組み合わせた構成を想定している。水栓は、吐出口までの流路に配置された電磁弁のようなバルブを備え、センサからの制御信号を受けてバルブを動作させることにより、吐水と止水とを選択する。たとえば、台所でシンクと組み合わせて用いる水栓装置であれば、吐出口を備えたスパウトにセンサが取り付けられる。センサは、スパウトにおいて吐出口に近い部位に取り付けられる。また、吐出口の付近の所定範囲に対象物を監視するための監視領域が設定される。監視領域は、センサからの距離によって定められる。センサは、監視領域に手、食器、調理器具、野菜、果物のような対象物が存在するか否かの情報を空間情報として抽出する。
センサは、吐水または止水のための制御信号を出力するタイミングを、監視領域と対象物との関係に関する条件で決めている。もっとも簡単な関係では、監視領域に対象物が存在するという条件が成立するときにセンサは吐水を指示する制御信号を出力し、監視領域に対象物が存在しないという条件が成立するときにセンサは止水を指示する制御信号を出力する。センサが吐水または止水を指示する制御信号を出力するタイミングを定める条件には、水栓の利便性を高めるために、様々な条件が付加されるが、付加される条件は要旨ではないから説明を省略する。
(センサの構成例1)
図1に示すように、以下に説明するセンサ10は、検知部11と制御部12と処理部13とを備える。検知部11は、空間に電波を放射し、空間から電波を受信する。検知部11が送信した電波と受信した電波とを比較することにより空間情報を抽出することができる。制御部12は、電波を放射するタイミングを検知部11に指示し、処理部13は、検知部11の出力に基づいて空間情報を抽出する。検知部11あるいは処理部13が電波を放射するタイミングを定めてもよい。このような構成である場合、制御部12は省略可能である。
図1に示すように、以下に説明するセンサ10は、検知部11と制御部12と処理部13とを備える。検知部11は、空間に電波を放射し、空間から電波を受信する。検知部11が送信した電波と受信した電波とを比較することにより空間情報を抽出することができる。制御部12は、電波を放射するタイミングを検知部11に指示し、処理部13は、検知部11の出力に基づいて空間情報を抽出する。検知部11あるいは処理部13が電波を放射するタイミングを定めてもよい。このような構成である場合、制御部12は省略可能である。
図2に示す構成例では、制御部12は、空間に電波を放射する放射期間Tsと、空間に電波を放射しない休止期間Trとが、交互に生じるように検知部11に指示している。すなわち、検知部11は、空間に電波を間欠的に放射する。以下では、1回の放射期間Tsと1回の休止期間Trとを合わせた期間を処理周期T0と呼ぶ。たとえば、放射期間Tsは1[ms]、処理周期T0は50[ms]に定められる。電波の周波数、放射期間Tsおよび休止期間Trは、検知する空間情報の種類に応じて選択される。電波の周波数は、マイクロ波からミリ波の範囲の周波数帯から選択される。
検知部11は、放射期間Tsに電波を放射するだけではなく、放射期間Tsに電波の受信も行う。すなわち、センサ10が電波を放射してから、監視領域に存在する物体Obで反射された電波をセンサ10が受信するまでの時間は、放射期間Tsに比べて十分に短時間であるから、電波の放射と電波の受信とは実質的に同時に行われているとみなす。以下では、センサ10が放射した電波を送信波と呼び、物体Obで反射された電波を反射波と呼ぶ。
たとえば、センサ10に対して監視領域が、センサ10を始点として3[cm]から60[cm]の範囲に設定されており、放射期間Tsが1[ms]に設定されているとする。この場合、送信波の放射から反射波の受信までの時間は、0.2[ns]から4[ns]程度であり、放射期間Tsの百万分の1にも満たないから、送信波の送信と反射波の受信とは同タイミングとして扱ってもよい。
以上の説明からわかるように、放射期間Tsにおいて送信波の放射と反射波の受信とを行い、休止期間Trには反射波の受信を行っていない。したがって、休止期間Trには検知部11の動作は停止する。休止期間Trには、処理部13において空間情報を抽出する処理が行われるから、処理部13では電力の消費が生じるが、検知部11では電力はほとんど消費されない。したがって、休止期間Trにおいて受信を行う構成と比較すると消費する電力が低減される。また、センサ10は、放射期間Tsに比べて休止期間Trを大幅に長く設定することが可能であるから(たとえば、50倍)、休止期間Trの電力の消費を抑制することは、電力の消費量の大幅な削減につながる。
検知部11は、FMCW方式(FMCW:Frequency-modulated continuous-wave)で空間情報を監視するワンチップ集積回路を備える。このワンチップ集積回路は、送信用回路と受信用回路とを備える。検知部11は、図3に符号Sg1で示すように、時間経過に伴って周波数が変化するFMCW信号を発生する。すなわち、FMCW信号は、時間を周波数に変えるように周波数変調を行った信号と言える。ここで説明するセンサ10は、図3に符号F1で示すように、放射期間Tsにおいて時間経過に伴って周波数が直線的に下降するFMCW信号を発生する。
図3に符号Sg1で示すFMCW信号は、検知部11が備える送信用アンテナ111に入力され、送信用アンテナ111は時間経過に伴って周波数が変化する電波を空間に放射する。一方、検知部11が備える受信用アンテナ112は、空間から受信した電波を、図3に符号Sg2で示すような受信信号に変換する。以下では、送信用アンテナ111から放射された電波を送信波と呼び、受信用アンテナ112が受信した電波のうち空間に存在する物体Obで反射された電波を反射波と呼ぶ。
検知部11は、FMCW信号Sg1と受信信号Sg2とを混合する。混合された信号には、FMCW信号Sg1の周波数と受信信号Sg2の周波数との差の周波数成分が含まれる。言い換えると、混合された信号には、送信波の周波数と反射波の周波数との差の周波数成分が含まれる。以下では、送信用アンテナ111から放射した電波の周波数と、受信用アンテナ112が受信した電波の周波数との周波数差を持つ信号をビート信号と呼ぶ。ビート信号の例を図3に符号Sg3で示す。電波を反射する物体Obまでの距離が放射期間Tsにおいて変化しなければ、放射期間Tsにおけるビート信号Sg3の周波数は一定である。
送信用アンテナ111から放射された電波のうち空間に存在する物体Obで反射された電波が受信用アンテナ112で受信された場合、電波の放射から受信までの時間は物体Obまでの距離を反映する。また、送信波は時間経過に伴って周波数が変化するから、電波の放射から受信までの時間は、送信波と反射波と周波数差によって計測することが可能である。つまり、混合回路1101から出力される信号に含まれるビート信号の周波数を求めることによって、物体Obまでの距離を求めることが可能である。
いま、送信波の周波数が図3に符号F1で示すように変化し、反射波の周波数が図3に符号F2で示すように変化すると仮定する。また、放射期間Tsでの時間に対する周波数の変化率を(Bw/Ts)[Hz/s]とする。Bwは、放射期間Tsにおいて変化する周波数の範囲である。FMCW信号は、放射期間Tsにおいて周波数が直線的に下降するから、周波数の範囲Bwは、放射期間Tsの開始時点における送信波の周波数と、放射期間Tsの終了時点における送信波の周波数との差である。FMCW信号において、放射期間Tsに掃引する周波数の範囲Bwと放射期間Tsとは既知であるから、放射期間Tsでの時間に対する周波数の変化率は既知の値である。
送信波と反射波との周波数差Δf[Hz]と、周波数の変化率(Bw/Ts)とを用いると、電波の放射から受信までの時間Δt[s]は、Δt=Δf(Ts/Bw)で表される。つまり、送信波と反射波と周波数差Δfは、電波の放射から受信までの時間Δtに置き換えることができる。また、光速をc[m/s]とすれば、電波を反射させた物体Obまでの距離R[m]は、R=c・Δt/2である。したがって、R=(c・Δf/2)(Ts/Bw)と表される。言い換えると、送信波と反射波との周波数差Δfを求めることにより、センサ10から物体Obまでの距離Rを求めることができる。
ここで、(c/2)(Ts/Bw)=kとおけば、R=k・Δfであり、「センサ10から物体Obまでの距離Rは周波数差Δfに比例する」という簡単な関係で表される。また、上述した関係式によれば、センサ10から物体Obまでの距離は、送信波の周波数には依存せず、放射期間Tsにおける周波数の変化率に依存することがわかる。
一例として、放射期間Tsを1[ms]に定め、放射期間Tsにおいて掃引する周波数の範囲Bwを150[MHz]に定める。光速cを3×108[m/s]とすれば、係数kは、k=(c/2)(Ts/Bw)=1×10−3[m・s]である。したがって、周波数差Δfが1[kHz]のとき、センサ10から物体Obまでの距離Rは、R=1[m]であり、周波数差Δfが100[Hz]のとき、センサ10から物体Obまでの距離Rは、R=1×10−1[m]=10[cm]である。
上述のように、センサ10は、電波の送信から受信までの時間Δtを、送信波の周波数と反射波の周波数との周波数差Δfに置き換えている。したがって、処理部13は、検知部11から出力されるビート信号の周波数スペクトルを分析し、周波数差Δfに相当する周波数を抽出することが要求される。周波数スペクトルは、分析対象である周波数範囲を複数の区間に区分し、区間ごとに信号のエネルギーを対応付けたデータである。この周波数差Δfは、センサ10から物体Obまでの距離に応じて変化し、センサ10から物体Obまでの距離が小さいと周波数差Δfも小さくなる。そのため、対象物を検出するように設定される監視領域をセンサ10から近い距離に設定する場合には、処理部13で分析する周波数の下限値を低周波に設定することが必要である。
センサ10が上述した数値で設計されていると、周波数差Δfが100[Hz]のときに、距離Rは10[cm]である。したがって、監視領域をセンサ10から10[cm]程度の距離に設定しようとすれば、処理部13で分析する周波数の下限値は100[Hz]程度になる。言い換えると、10[cm]を単位とする距離を、上述した構成のセンサ10で計測しようとすれば、周波数スペクトルにおける1つの区間(周波数ビン)は、100[Hz]に設定する必要がある。
検知部11は、送信波を間欠的に放射し、放射期間Tsに相当する時間ごとにビート信号を処理部13に引き渡している。そのため、周波数スペクトルの分析が可能な最小周波数は、放射期間Tsによる制約を受ける。たとえば、センサ10が上述した数値で設計されている場合、放射期間Tsは1[ms]であるから、検知部11の出力をそのまま用いると、周波数ビンは1[kHz]である。つまり、計測可能な距離の最小単位は1[m]である。
周波数ビンの幅を狭くするには、放射期間Tsを長くする方法と、放射期間Tsにおいて掃引する周波数の幅Bwを広くする方法とが考えられる。言い換えると、FMCW信号における周波数の変化率(Bw/Ts)を大きくすることが考えられる。しかし、検出しようとする対象物が移動する速さ、送信波として掃引可能な周波数の範囲、センサ10の製造コストなどの種々の条件を満足する設計のためには、放射期間Ts、掃引周波数の幅Bwを大きく変更することは困難である。
ここに説明しているセンサ10では、検知部11の出力を変更することなく、周波数ビンの幅を狭くする技術を提供する。このセンサ10では、放射期間Tsを変更せずに周波数ビンを狭く設定するために、周波数スペクトルを求める前段階で、ビート信号をデジタル値に変換する処理と、変換後のデジタル値に所定個数の0を付加する処理とを行っている。
デジタル値に0を付加する処理は、ゼロパディングという処理である。ゼロパディングの処理は、周波数スペクトルの分析対象であるデジタル値に、必要な桁数の0を付加することによりデジタル値の桁数を増加させる処理である。ゼロパディングの処理を行うことによって、周波数ビンの幅を狭くすることが可能になる。
ゼロパディングの処理における0の個数は、ビート信号のデジタル値を求める際のサンプリング回数を基準に定められる。たとえば、放射期間Tsにおけるサンプリング回数が25回であれば、ゼロパディングを行った後の桁数が、サンプリング回数の10倍である250桁程度になる個数の0がデジタル値に付加される。サンプリング回数が25回である場合に、周波数ビンの幅が1[kHz]であったとすれば、ゼロパディングの処理によって周波数ビンの幅は100[Hz]まで狭めることが可能になる。すなわち、ゼロパディングの処理を行うことにより、周波数スペクトルを100[Hz]の単位で当て嵌めることが可能になる。なお、ここまでに説明した数値は一例であり、設計などに応じて変更される。
処理部13は、計算部135を備える。計算部135は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルのうちパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、ピーク周波数をビート信号の周波数と判断する。すなわち、計算部135は、ピーク周波数を上述した周波数差Δfとみなし、周波数差Δfを物体Obまでの距離に換算する。周波数スペクトルにおいて、パワーがピーク値である周波数が複数生じている場合、異なる物体Obの距離をそれぞれ求めることが可能である。また、処理部13において、距離に基づく監視領域が定められていれば、監視領域に存在する物体Obを対象物として抽出することが可能である。
以下に、センサ10の構成をより具体的に説明する。センサ10を構成する検知部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に接続された送信用アンテナ111および受信用アンテナ112とを備える。高周波回路110は、送信用アンテナ111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用アンテナ112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。送信用アンテナ111と受信用アンテナ112とは、マイクロストリップアンテナのような平面アンテナである。この種の平面アンテナには、パッチアンテナ、スロットアンテナなどがある。送信用アンテナ111と受信用アンテナ112とは、送信用アンテナ111から監視領域までの距離と、受信用アンテナ112から監視領域までの距離との差が比較的小さくなるように、近接するように配置される。
送信用アンテナ111および受信用アンテナ112は、たとえば、24.05GHzを超え24.25GHz以下の周波数帯に対応するように設計される。このような周波数帯であれば、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112とのサイズおよび間隔は数mm程度でよい。ここに、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112との間隔は、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112との間に形成される隙間の寸法を意味する。
なお、日本国内において、この周波数帯は、人または物体のような対象物の存在、位置、動き、大きさなどから選択される情報を取得するために使用され、無線局の免許を受けることなく使用することが可能である。この種の無線局は、船舶または航空機の航行以外の目的で用いる無線局であって、日本国内では、「移動体検知センサー用特定小電力無線局」と呼ばれている。ここに示した周波数帯は、一例であって、必要に応じて変更することが可能である。
高周波回路110は、FMCW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。図1には高周波回路110の構成例を示している。ここでの高周波回路110は、混合回路1101と信号発生回路1102とを主な構成として備える。また、この高周波回路110は、上述した回路のほかに、送信用増幅回路および受信用増幅回路などを備える。高周波回路110は、ワンチップ集積回路で構成するほか、複数個の集積回路、または個別部品で構成することも可能である。
信号発生回路1102は、PLLシンセサイザ(PLL:Phase Locked Loop)で実現されており、FMCW信号を出力する。信号発生回路1102の動作は制御部12に指示される。ここで、FMCW信号は、放射期間Tsにおいて、時間経過に伴って周波数が直線的に変化(下降)する。制御部12は、信号発生回路1102に対してFMCW信号を出力させるか否かを指示する。信号発生回路1102は、図3に符号Sg1で示すようなFMCW信号を出力する。すなわち、制御部12は、放射期間Tsおよび休止期間Trのタイミングを信号発生回路1102に指示する。放射期間TsにおけるFMCW信号の周波数の変化率は、この構成例では検知部11に設定されている構成を想定しているが、制御部12から検知部11に指示する構成であってもよい。
上述した構成例において、FMCW信号は、放射期間Tsにおいて、時間経過に伴って周波数が直線的に下降する動作を行っているが、時間経過に伴って周波数が直線的に上昇する動作であってもよい。また、FMCW信号は、放射期間Tsにおいて、時間経過に伴って周波数が上昇する期間と下降する期間とを有していてもよく、周波数の変化が図3に示す例のように直線的であることも必須ではない。すなわち、検知部11は、時間経過に伴って周波数が単調に上昇するように周波数を掃引する動作と、時間経過に伴って周波数が単調に下降するように周波数を掃引する動作との少なくとも一方を行うように構成される。
図3に符号Sg1で示すようなFMCW信号が送信用アンテナ111に入力されると、送信用アンテナ111から空間に電波が放射される。一方、受信用アンテナ112は、空間から受信した電波を、図3に符号Sg2で示すような受信信号に変換する。
受信用アンテナ112から出力された受信信号は混合回路1101に与えられ、混合回路1101は、信号発生回路1102から入力されたFMCW信号Sg1と受信信号Sg2とを混合する。混合回路1101は乗算器として機能する。したがって、混合回路1101からは、FMCW信号Sg1と受信信号Sg2とを掛け合わせた信号が出力される。すなわち、混合回路1101が出力する信号には、送信用アンテナ111から放射した電波の周波数と、受信用アンテナ112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Sg3が含まれる。
高周波回路110は、混合回路1101から出力される信号をデジタル信号に変換するために、アナログ−デジタル変換器1103(以下、「AD変換器」という)を備える。また、混合回路1101とAD変換器1103との間には、フィルタ回路1104が設けられる。フィルタ回路1104は、ローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタで構成される。
混合回路1101から出力される信号のうちビート信号ではない成分は対象物の検出には不要な成分であるから、できるだけ除去することが望ましい。そのため、フィルタ回路1104は、混合回路1101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。
図1に示す構成例では、AD変換器1103のサンプリング周波数は予想されるビート信号の周波数の2倍以上に設計されている。フィルタ回路1104は、AD変換器1103のサンプリング周波数の2分の1の周波数を超える成分の通過を阻止するように設計される。フィルタ回路1104は、アンチエイリアシングのために、混合回路1101から出力される信号のうちナイキスト周波数を超える成分を抑制する。実際には、フィルタ回路1104は、通過周波数の上限がナイキスト周波数の90%程度に設計される。また、AD変換器1103のサンプリング周波数は、センサ10で検知しようとする対象物までの距離、放射期間Ts、放射期間Tsに掃引する周波数の範囲Bwなどに基づいて定められる。
たとえば、放射期間Tsが1[ms]であって、1回の放射期間Tsにおけるサンプリングの点数を25と仮定する。これらの数値は、一例であって、センサ10が検出する対象物が移動する速さ、対象物を検出する距離の範囲、処理部13の処理能力などに応じて設定される。上述した条件では、サンプリング周波数が25[kHz]であるから、フィルタ回路1104は、通過周波数の上限が11[kHz]程度となるように構成される。
上述のように設計されたフィルタ回路1104は、対象物ではない物体Obで生じた成分、送信波と反射波との周波数を加算した成分、FMCW信号の成分、一部の外来雑音などの通過を抑制する。また、送信波であるFMCW信号の成分はビート信号に比べて周波数が高く、送信波と反射波との周波数を加算した成分もビート信号に比べて周波数が高いから、これらの成分はフィルタ回路1104によって抑制される。すなわち、フィルタ回路1104は、混合回路1101から出力される信号のうち、ビート信号ではない成分の抑制に寄与する。
混合回路1101から出力された信号のうちフィルタ回路1104を通過した信号は、AD変換器1103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。AD変換器1103はシリアルデータを出力する構成であって、AD変換器1103から出力されるデジタル信号が、検知部11の出力として処理部13に与えられる。
処理部13がAD変換器1103から出力された信号の周波数を分析するには、通常であれば、1回の放射期間Tsに1周期以上の信号を含むことが要求される。つまり、AD変換器1103から出力された信号から検出可能な周波数の下限値は、上述した条件では1[kHz]である。また、AD変換器1103から出力された信号から検出可能な周波数の上限値は、フィルタ回路1104を通過する周波数の上限値で制限され、上述した条件では11[kHz]程度である。
放射期間Tsの長さとサンプリングの点数とを上述のように設定すると、混合回路1101から出力される信号のうち、1[kHz]から11[kHz]程度までの範囲で周波数スペクトルを求めることが可能である。周波数スペクトルの1つの区間は、たとえば、分析対象である周波数範囲の下限値の幅を持つように定められる。ただし、周波数スペクトルの1つの区間は、分析対象である周波数範囲の下限値に2の累乗を乗じた幅を持つように定められることもある。
処理部13は、フィルタ回路1104から出力された信号の周波数スペクトルを求める周波数分析部131を備える。周波数分析部131は、AD変換器1103から出力されたデジタル信号を用いてビート信号の周波数を求める。つまり、周波数分析部131は、AD変換器1103から出力された信号を入力として、離散フーリエ変換(DFT:Discrete Fourier Transform)を行うように構成されている。ここでの離散フーリエ変換は、基本的なDFT演算を想定しているが、DFT演算を高速化した高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)を行ってもよい。
周波数分析部131からは、AD変換器1103から出力された信号の周波数スペクトルが出力される。つまり、周波数分析部131は、AD変換器1103に入力された信号の周波数範囲において、周波数範囲を複数に区分した区間(周波数ビン)ごとのパワーを出力する。周波数分析部131は、放射期間Tsごとに周波数スペクトルを求める。言い換えると、処理周期T0ごとに周波数スペクトルが得られる。
処理部13は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルを用いて対象物が存在するか否かを判断する判断部132を備える。判断部132は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルが所定の条件を満たすときに、対象物がセンサ10から所定の距離範囲に設定した監視領域に存在すると判断する。また、処理部13は、判断部132の判断結果に基づいて制御信号を出力する出力部133を備え、監視領域に対象物が存在することを示す信号を判断部132が出力すると、出力部133は制御信号を出力する。
判断部132は、監視領域の境界をセンサ10からの距離によって定める。すなわち、監視領域の境界は、センサ10からの距離の上限、センサ10からの距離の下限、あるいはセンサ10からの距離の上限と下限との両方によって定められる。監視領域の境界となる距離は、判断部132に設定される。監視領域の境界となる距離をユーザが設定できるように処理部13が構成されていることが望ましい。たとえば、処理部13に外部装置とのインターフェイス部を設け、インターフェイス部を通して専用の設定器、汎用のパーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末などから選択される設定装置と通信する構成が採用される。
ここで、周波数分析部131の分析対象である周波数範囲の下限値を1[kHz]と仮定する。この例の場合、分析対象である周波数範囲の下限値の幅を持つ区間(周波数ビン)は、1[kHz]以上2[kHz]未満、2[kHz]以上3[kHz]未満のように定められる。また、分析対象である周波数範囲の下限値に2の累乗を乗じた幅を持つ区間は、1[kHz]以上2[kHz]未満、2[kHz]以上4[kHz]未満のように定められる。
上述したように、センサ10から物体Obまでの距離Rは、送信波と反射波との周波数差Δfと、センサ10の仕様で定まる係数kとを用いると、R=k・Δfと表される。放射期間Tsにおいて掃引する周波数の範囲Bwを150[MHz]とすれば、係数kは1×10−3[m・s]である。周波数ビンの幅が1[kHz]であると、周波数差Δfを認識する最小単位も1[kHz]であり、R=k・Δfに当て嵌めると、センサ10から物体Obまでの距離Rを計測する際の最小単位は1[m]である。
計測可能な距離の最小単位を小さくするには、係数kを小さくすることが考えられる。すなわち、放射期間Tsを1[ms]より短く設定することと、放射期間Tsにおいて掃引する周波数の範囲Bwを150[MHz]より大きく設定することとの少なくとも一方を行うことが考えられる。要するに、計測可能な距離の最小単位を小さくするには、周波数の変化率(Bw/Ts)を小さくすることが考えられる。
しかしながら、放射期間Tsを短くすれば、分析対象である周波数範囲の下限値が上昇して測定可能な距離の下限値が大きくなる。一方、放射期間Tsに掃引する周波数の範囲Bwは、技術的には可能であっても法規の制約などがあるから実現は困難である。たとえば、日本国内では、24GHz帯において、周波数の範囲Bwは200[MHz]を超えられない。
そのため、処理部13は、上述したゼロパディングの処理を行う。ゼロパディングの処理は、処理部13において周波数分析部131に前置する補正部134で行う。すなわち、処理部13は、周波数スペクトルにおける周波数ビンの個数を増加させるためにゼロパディングの処理を行う。ここでのゼロパディングの処理は、AD変換器1103の出力ビット数と周波数分析部131の入力ビット数との差を埋めるために、ビット数差の個数のゼロを上位ビットに追加することを意味する。
例を示すために、AD変換器1103の出力ビット数が5ビットであり、周波数分析部131の入力ビット数が10ビットであると仮定する。ここで、AD変換器1103の出力値が「10011」であるとすれば、ゼロパディングの処理により、この出力値の上位ビットに5個の0を追加する。つまり、AD変換器1103の出力値にゼロパディングの処理を行うと、周波数分析部131に「0000010011」が与えられる。
検知可能な距離の最小単位は周波数分析部131の周波数ビンの幅で決まるから、周波数分析部131の入力ビット数が多いほど、検知可能な最短距離が小さくなる。ただし、ゼロパディングの処理では、情報量が増えているわけではないので、AD変換器1103の出力ビット数と周波数分析部131の入力ビット数との差が大きくなるほど、ゼロパディングの処理による誤差が増加する。そのため、周波数分析部131の入力ビット数は、AD変換器1103の出力ビット数の10倍程度が許容範囲の上限になる。
周波数分析部131の入力ビット数は、一般的には128ビットあるいは256ビットが選択され、この構成例においてAD変換器1103の出力ビット数は25ビットであるから、ゼロパディングの処理によりビット数は5倍程度あるいは10倍程度に増加する。仮に周波数分析部131の入力ビット数をAD変換器1103の出力ビット数の10倍とすれば、周波数ビンの幅が10分の1になる。したがって、センサ10は、直交検波を行う構成を採用し、かつ上述した数値を適用すると、センサ10が検知可能な距離の最小単位は1[m]から10[cm]まで短縮することが可能になる。
上述した処理部13は、制御部12と併せてマイコン(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およ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。
制御部12と処理部13とは、マイコンではなく、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、PIC(Peripheral Interface Controller)などから選択されるデバイスで構成されていてもよい。あるいは、制御部12および処理部13は、CPU(Central Processing Unit)のようなプロセッサと別にメモリを用いる構成であってもよい。また、制御部12と処理部13とを構成するプロセッサは共用ではなく、別々に設けられていてもよい。
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ある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、記憶媒体また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。
処理部13が行う処理には、DFT演算あるいはFFT演算のように処理負荷の大きい処理が含まれており、処理には比較的長い時間を要する。そのため、処理部13の主な処理は、処理周期T0のうち放射期間Tsではない期間に行われる。すなわち、放射期間Tsに得られたビート信号Sg3が処理部13に引き渡されると、処理部13は、次の放射期間Tsまでの休止期間Trに、ビート信号の周波数分析を行って対象物が存在するか否かを判断する。なお、出力部133は、制御信号を一旦出力すると、少なくとも次の放射期間Tsに得られたビート信号Sg3に基づく判断結果が得られるまでは、制御信号を出力する状態を維持する。出力部133が制御信号の出力を維持する条件は要旨ではないから説明を省略する。
以上説明したように、センサ10は、ゼロパディングを行うことにより検知可能な最短距離をおおむね10分の1まで短縮することが可能である。したがって、センサ10は、一部の構成を変更することによって、様々な用途に用いることが可能である。なお、用途によっては、放射期間Ts、休止期間Tr、掃引する周波数の範囲などを変更することも可能である。
判断部132は、監視領域に対象物が存在するか否かだけではなく、センサ10から対象物までの距離を表す信号を出力するように構成されていてもよい。また、判断部132は、センサ10から対象物までの距離を表す信号のみを出力する構成であってもよい。
上述した構成例において、判断部132は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルに基づいて監視領域に対象物が存在するか否かを判断し、判断結果に基づく信号を出力している。対象物が監視領域に存在するか否かを判断する条件は、基本的には、センサ10から物体Obまでの距離で定めてある。常時は物体Obが存在しない範囲に監視領域が定めてあれば、監視領域に存在する物体Obが対象物と判断される。
具体的には、判断部132は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルのうちピーク値を持つ周波数ビンを抽出し、抽出した周波数ビンに対応した距離に物体Obが存在すると判断する。すなわち、判断部132は、監視領域の距離範囲に対応する周波数ビンにピークが生じていれば、監視領域に物体Obが存在すると判断する。ここに、周波数スペクトルはピークが1つだけの単峰型であるとは限らず、複数のピークを持つ可能性もあるが、ピークが存在する周波数ビンが監視領域の範囲内であれば、判断部132は、監視領域に物体Obが存在すると判断する。
ところで、上述した構成例では、センサ10から物体Obまでの距離を求めるために、送信波を放射してから反射波が受信されるまでの時間の2分の1を、物体Obに電波が到達する時間とみなしている。そのため、空間においてセンサ10から一定距離としてセンサ10が認識する領域は、実際には、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112とを焦点とする回転楕円体の表面上の領域である。
ただし、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112との間隔(数mm程度)に比べると、センサ10から監視領域までの距離は十分に大きいから、回転楕円体の短径と長径との比率は略1である。したがって、監視領域は、近似的には、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112との中間点を中心とする大小2つの球面の間の領域の一部と言える。たとえば、上述した球面間の領域のうち、送信用アンテナ111と受信用アンテナ112との中間点を中心として所定の立体角に含まれる領域を、監視領域に定めることが可能である。
以上説明したように、送信用アンテナ111から空間に放射した送信波が物体Obで反射され、送信波の反射により生じた反射波が受信用アンテナ112で受信されると、ビート信号Sg3に基づいて物体Obまでの距離が求められる。求められた距離が、監視領域に含まれているときには、処理部13の出力部133から制御信号が出力される。したがって、制御信号を機器の制御に用いると、物体Obが監視領域に存在するか否かに応じて機器を動作させることが可能になる。また、機器を制御する用途のほか、監視領域への物体Obの侵入を監視する用途に用いることも可能である。
なお、受信用アンテナ112から出力される受信信号の信号値(電力値)が微弱である場合、受信用アンテナ112が受信している電波が、監視領域からの反射波ではない可能性が高い。したがって、受信用アンテナ112から出力される受信信号の信号値が基準値に満たない程度に微小である場合、該当する受信信号は、制御部12の処理対象から除外することが望ましい。すなわち、検知部11あるいは制御部12に、受信信号の信号値を基準値と比較する構成を付加し、基準値に満たない受信信号は処理対象から除外することが望ましい。
上述した構成のセンサ10は、電波により物体Obを検知するから、周囲の光の影響を受けずに物体Obの検知が可能であり、かつ物体Obの色あるいは温度の影響を受けずに物体Obの検知が可能であり、また多くの材質の物体Obを検知することが可能である。しかも、マイクロ波からミリ波の範囲の電波を用いるから、比較的小型の物体Obでも検知することが可能である。
さらに、周波数スペクトルを求める前にゼロパディングの処理を行うから、間欠的に電波を放射する構成であり、かつ1回の放射期間Tsが比較的短い時間であるにもかかわらず、検知可能な距離の最小単位を短縮することが可能である。つまり、センサ10が電波を間欠的に放射する構成を採用し、しかも比較的近距離に存在する物体Obの検知が可能である。
たとえば、上述した構成例のように放射期間Tsが1[ms]という短時間である場合でも、補正部134がゼロパディングを適宜に行うことにより、たとえば20cm程度の最小単位(精度)で距離を計測することが可能である。したがって、放射した送信波の反射波を受信することができる範囲(たとえば、センサ10から2m以内)という近距離において、比較的低速(たとえば、2m/s程度)で移動する物体Obを、比較的短い距離の単位で検出することが可能である。
また、時間経過に伴って周波数が変化する電波を送信し、反射波と送信波との周波数差をもつビート信号の周波数に基づいてセンサ10から物体Obまでの距離を求めるから、物体Obまでの距離に基づいて対象物を検知することが可能である。すなわち、ドップラー式の構成では得ることができない距離の情報を用いて物体Obを検知することが可能である。
上述した構成例では、周波数スペクトルのうちパワーがピーク値である周波数ビンの周波数を用いて物体Obまでの距離を求めている。そのため、計測可能な距離の最小単位は周波数ビンの幅に依存する。すなわち、上述した構成例では、パワーがピーク値であるピーク周波数が、周波数ビンの幅に相当する誤差を含んでいる。ピーク周波数を真の値に近づけるために、計算部135が以下の処理を行ってもよい。
すなわち、計算部135は、パワーがピーク値である周波数ビンを含む3個以上の周波数ビンのパワーを用いて曲線の当て嵌めを行い、この曲線のピーク値に対応する周波数をピーク周波数に定めることが望ましい。一般に3個の周波数ビンのパワーがあれば二次曲線に当て嵌めることが可能である。したがって、計算部135は、当て嵌めた二次曲線のピーク値を求めることによって、ピーク周波数を定めることができる。また、5個程度の周波数ビンのパワーがあればラグランジュ補間のような補間法を用いることによって曲線の当て嵌めを行うことが可能である。計算部135がこの処理を行うと、周波数ビンの幅で決まる距離の最小単位よりも距離の分解能を高めることが可能になる。
(センサの構成例2)
上述した構成例で説明した数値をセンサ10が採用した場合、ゼロパディングの処理を行うことによって、センサ10は約20[cm]を単位として物体Obまでの距離を計測することが可能である。ただし、センサ10の用途によっては、計測の単位をさらに短縮することが要求される。計測の単位をさらに短縮するには、周波数分析部131に入力するデータに付加するゼロの個数を増加させることが考えられるが、周波数分析部131の入力ビット数が増加し、処理部13の負荷が増加するという問題が生じる。
上述した構成例で説明した数値をセンサ10が採用した場合、ゼロパディングの処理を行うことによって、センサ10は約20[cm]を単位として物体Obまでの距離を計測することが可能である。ただし、センサ10の用途によっては、計測の単位をさらに短縮することが要求される。計測の単位をさらに短縮するには、周波数分析部131に入力するデータに付加するゼロの個数を増加させることが考えられるが、周波数分析部131の入力ビット数が増加し、処理部13の負荷が増加するという問題が生じる。
そのため、図4に示すセンサ10Aは、ゼロパディングの処理を行う補正部134に加えて、直交検波の技術を採用することにより、検知可能な距離の最小単位がさらに小さくなる。
図1に示したセンサ10は、混合回路1101の出力が1つであるが、図4に示すセンサ10Aは、混合回路1101から2つの出力が得られる。混合回路1101は、内部において2つの系統に分離されており、2つの系統にそれぞれ受信用アンテナ112から出力された受信信号が入力される。一方の系統では、FMCW信号を受信信号と混合し、他方の系統では、FMCW信号の位相を90度シフトさせた信号を受信信号と混合する。FMCW信号に対して位相をシフトさせた信号は、FMCW信号に対して位相が進んでいても遅れていてもよい。受信信号に混合される信号が、一方の系統では正弦波であるとき、他方の系統では余弦波であればよい。
上述のように、混合回路1101を2系統に構成し、系統ごとに位相が異なる信号を受信信号と混合すると、混合回路1101からは位相の異なる2種類の信号が出力される。2種類の信号はそれぞれビート信号を含む。2種類のビート信号は、反射波に対応した受信信号に対して位相が90度異なる信号を混合することにより得られているから、互いに位相が90度異なっている。このように反射波に対応した受信信号から2種類のビート信号を得ることを直交検波と呼ぶ。以下では、2種類のビート信号の一方をI信号と呼び、他方をQ信号と呼ぶ。I信号とQ信号とは位相が異なるが同周波数である。
図4に示す構成例では、混合回路1101からI信号とQ信号との2種類の信号が出力されるから、AD変換器1103も2系統であり、I信号とQ信号とにそれぞれ対応した2つのデジタル信号を出力する。AD変換器1103から出力されたI信号およびQ信号にそれぞれ対応した2種類のデジタル信号は処理部13に入力される。
処理部13における周波数分析部131は、I信号とQ信号とを用いてDFTを行うように構成される。すなわち、周波数分析部131は、I信号とQ信号とを直交関数列とみなしてDFTの複素計算を行う。この構成により、周波数分析部131は、DFTの処理を容易に行うことができる。
I信号とQ信号との2種類の信号を直交関数列とみなしてDFTを行うことにより、単一の信号を用いて周波数スペクトルを求める場合と比較すると、距離を計測する単位を4分の1に短縮することが可能になる。すなわち、位相が90度異なる2つの信号を組み合わせることによって、1周期において4種類の情報を得ることが可能になり、結果として4分の1周期ごとに距離を計測することが可能になる。なお、DFTに代えてFFTを行うことも可能である。ただし、FFTではサンプル数が2の累乗個でなければならないから、放射期間Tsにおけるサンプリングの点数は変更する必要がある。
図4に示す構成例は、周波数分析部131の入力ビット数を10倍程度にするゼロパディングの処理と組み合わせてあり、検知可能な距離の最小単位を約5[cm]に短縮することが可能である。他の構成および動作は、図1に示した構成例と同様である。
(センサの構成例3)
上述した構成例では、静止している物体Obが監視領域に存在し続けている場合でも、出力部133から制御信号が出力される。そのため、センサ10が設置される環境によっては、対象物ではない物体Obに対して出力部133から制御信号が出力される可能性がある。
上述した構成例では、静止している物体Obが監視領域に存在し続けている場合でも、出力部133から制御信号が出力される。そのため、センサ10が設置される環境によっては、対象物ではない物体Obに対して出力部133から制御信号が出力される可能性がある。
そこで、図5に示すセンサ10Bは、移動する物体Obを対象物として検知する技術を採用している。図5に示すセンサ10Bは、図4に示したセンサ10Aの処理部13に、差分処理部136が付加されている。また、図5に示すセンサ10Bでは、差分処理部136が周波数分析部131に前置して設けられている。補正部134は、差分処理部136と周波数分析部131との間に設けられる。差分処理部136は、時刻が異なる2つの放射期間Tsに得られたビート信号の信号値の差分を求める。この構成例では、差分処理部136の出力ビット数は、AD変換器1103の出力ビット数と一致する。
差分処理部136は、AD変換器1103の出力値を一時的に記憶するレジスタと、AD変換器1103の最新の出力値とレジスタが記憶しているAD変換器1103の前回の出力値との差分を求める演算部とを備える。差分処理部136が求めた差分は周波数分析部131に入力される。以後の処理については、図1に示した構成例と同様である。
静止している物体Obで生じる反射波に対応したAD変換器1103の出力は、処理周期T0の間にほとんど変化しないから、静止している物体Obで反射された反射波に対応したビート信号Sg3は、差分処理部136の出力にはほとんど現れない。したがって、差分処理部136の出力を周波数分析部131に引き渡すことによって、静止している物体Obに対応した周波数ビンにピークが生じる可能性が低減される。
すなわち、差分処理部136を用いるセンサ10Bでは、静止している物体Obは対象物から除外される。言い換えると、監視領域に侵入した物体Obあるいは監視領域で移動する物体Obだけが対象物として検出され、対象物が監視領域に存在する場合に、出力部133から制御信号が出力される。なお、周波数分析部131に前置するように差分処理部136を設けている場合、差分処理部136から出力される電力の大きさが基準値に満たない場合に、処理対象から除外することによって、周波数分析部131の処理負荷の軽減につながる。
上述した構成例では、差分処理部136は、周波数分析部131に前置しているが、周波数分析部131に後置してもよい。この場合、差分処理部136は、周波数分析部131が求めた周波数スペクトルの差分であって、周波数ビンごとのパワーの差分を求める。差分処理部136は、求めた差分を出力する。したがって、移動の遅い物体Obであれば周波数が近い複数の周波数ビンにピークが生じ、移動の速い物体Obであれば周波数の離れた複数の周波数ビンにピークが生じる。このことを利用すれば、ピークの位置に基づいて物体Obが移動する速さの目安を得ることが可能である。
上述した動作例において、差分処理部136は、前後に隣接した2回の処理周期T0に得られた情報の差分を求めているが、差分を求める処理周期T0は離れていてもよい。つまり、差分処理部136は、最新の処理周期T0で得られた情報と、所定回数前の処理周期T0で得られた情報との差分を求めてもよい。たとえば、差分処理部136は、最初ンの処理周期T0で得られた情報と、10周期前の処理周期T0で得られた情報との差分を求めてもよい。また、差分処理部136は、センサ10Bの起動時に得た情報と最新の情報との差分を求めてもよい。要するに、差分処理部136は、用途に応じて、静止している物体Obを処理対象から除外できるように構成されていればよい。図5に示した構成例3の他の構成および動作は、図4に示した構成例2と同様である。また、構成例3として説明した差分処理部136の技術は、図1に示した構成例と組み合わせることが可能である。
(水栓装置)
以下では、図6を用いて、センサ10Bの適用例である水栓装置20を説明する。以下に説明する水栓装置20は、台所用のシンク22と組み合わせて用いる構成であり、台所用のシンク22を囲むカウンタ23に配置された水栓21を備え、この水栓21にセンサ10が一体に取り付けられている。水栓装置20に用いるセンサ10Bには、構成例2および構成例3の技術が採用される。すなわち、センサ10Bは、図5に示した構成を備える。
以下では、図6を用いて、センサ10Bの適用例である水栓装置20を説明する。以下に説明する水栓装置20は、台所用のシンク22と組み合わせて用いる構成であり、台所用のシンク22を囲むカウンタ23に配置された水栓21を備え、この水栓21にセンサ10が一体に取り付けられている。水栓装置20に用いるセンサ10Bには、構成例2および構成例3の技術が採用される。すなわち、センサ10Bは、図5に示した構成を備える。
水栓21は、カウンタ23の定位置に固定されカウンタ23の上面から突出するベース211と、ベース211に対してカウンタ23の上面に沿った面内で回転するスパウト212とを備える。ベース211とスパウト212との内部は、水(または湯)の流路を形成するようにつながっており、ベース211には流路を開く状態と閉じる状態とを選択するバルブ213(図5参照)が配置されている。バルブ213は、電磁弁を備え、センサ10Bからの制御信号に応じて流路を開くか流路を閉じるかを選択する。すなわち、センサ10Bはバルブ213に制御信号を与えることによって、水栓21の吐水と止水とを制御する。
図6に示す構成例では、センサ10Bは、スパウト212の先端部に設けた吐出口214に隣接して配置されている。センサ10Bは、吐出口214の近辺を監視領域とするように調節されており、対象物が監視領域に入るとバルブ213を開くための制御信号を出力する。具体的には、吐出口214の直下およびその周辺が監視領域になるように、送信用アンテナ111および受信用アンテナ112の配置と、判断部132に定めた条件とが定められる。したがって、手、食器、調理器具、野菜、果物などの対象物が吐出口214に近づくとバルブ213が開いて吐水を行う。
一方、センサ10Bが対象物を検出していない状態では、センサ10Bはバルブ213を閉じるための制御信号を出力する。したがって、対象物が吐出口214から離れるとバルブ213が閉じて止水が行われる。なお、バルブ213は、吐水と止水との切替時点にのみ通電するラッチング型の電磁弁を備えることが望ましい。もちろん、バルブ213がラッチング型であることは一例であり、またバルブ213は電動弁を備えていてもよい。
ところで、水栓装置20に用いるセンサ10Bは、センサ10Bに対して数[cm]から50[cm]程度の距離に監視領域が定められる。一方、吐出口214から水が吐出する方向において、送信用アンテナ111および受信用アンテナ112の位置は吐出口214の位置とは異なることが多い。通常、送信用アンテナ111および受信用アンテナ112の位置と吐出口214の位置との距離は数[cm]程度に定められる。
したがって、監視領域の起点を吐出口214とする場合、センサ10Bを起点とする監視領域に対して、数[cm]程度の補正を行う必要がある。つまり、吐出口214を起点とする監視領域を設定するには、センサ10Bにおいて監視領域を定める距離から補正値を減算することが必要である。逆に言えば、センサ10Bを基点とする場合、監視領域までの距離は、吐出口214とセンサ10Bとの位置の差に相当する補正値を含む。
たとえば、センサ10Bの送信用アンテナ111および受信用アンテナ112が、水栓21の吐出口214に対して6[cm]上方に位置している場合を想定する。この場合、吐出口214から監視領域までの距離に6[cm]の補正値を加えた値が、センサ10Bから監視領域までの距離である。たとえば、監視領域が、センサ10Bから10[cm]以上30[cm]以下の範囲に設定されている場合、補正値が6[cm]であれば、吐出口214から監視領域までの距離は、4[cm]以上24[cm]以下の範囲である。
ここで説明している水栓装置20において、センサ10Bの監視領域が適切に設定されていれば、シンク22の底を対象物と誤認する可能性は低減されるが、シンク22に洗い物が置かれていると、対象物と誤認して吐水する可能性がある。一方、この水栓装置20においてセンサ10Bが検出する対象物は、手、食器、調理器具、野菜、果物などであって、センサ10Bに対する相対的な速さが数[cm/s]から1[m/s]程度の移動する物体Obである。したがって、移動する物体Obと静止している物体Obとを区別すれば、シンク22に洗い物が置かれていても対象物と誤認する可能性が低減される。そのため、台所で用いる水栓装置20には、差分処理部136を備えるセンサ10Bが用いられる。
上述したセンサ10Bは、台所で用いる水栓装置20に限らず、洗面所、便所、風呂などの水栓21に用いることも可能である。センサ10Bを設ける位置は、吐出口214の近くに限らず、吐出口214から離れていてもよく、また水栓21のベース211であってもよい。また、センサ10Bが、洗面ボウルまたは手洗いボウルに設けられていてもよい。
水栓装置20は、シンク22と組み合わせる水栓21にセンサ10Bを設けた構成だけではなく、便器、シャワー、浴槽などへの給水経路にバルブ213が配置される構成でもよい。なお、判断部132および出力部133の動作は、水栓装置20の用途に応じて設計される。つまり、水栓装置20の用途に応じて、センサ10Bが検出した空間情報とバルブ213の動作とが関係付けられる。
上述したセンサ10Bは、水栓21の吐水と止水との選択だけではなく、被接触式のスイッチとして機器の運転と停止との選択に用いることが可能であり、近距離で人の検知を行う人感センサとして建物の開口部の通過者を監視する用途などに用いてもよい。
ここでは、水栓装置20にセンサ10Bを適用した場合の構成について説明したが、この構成に限定されない。水栓装置20にセンサ10またはセンサ10Aを適用してもよい。
なお、上述した実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることはもちろんのことである。
(まとめ)
以上説明したように、第1の態様のセンサ(10,10A,10B)は、検知部(11)と処理部(13)とを有する。検知部(11)は、時間経過に伴って周波数が変化する電波を空間に放射し、かつ空間から電波を受信する。処理部(13)は、検知部(11)が放射した電波の周波数と受信した電波との周波数の周波数差に基づいて空間に存在する物体Obまでの距離を計測する。また、検知部(11)は、放射した電波の周波数と受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号のデジタル値を出力するアナログ−デジタル変換器(AD変換器1103)を備える。さらに、検知部(11)は、電波を放射させる放射期間Tsと電波を放射させない休止期間Trとが1回ずつ含まれる処理周期T0を繰り返すように動作し、電波を間欠的に放射する構成である。処理部(13)は、周波数分析部(131)と補正部(134)と計算部(135)とを備える。周波数分析部(131)は、入力ビット数がAD変換器(1103)の出力ビット数より多く、かつビート信号の周波数スペクトルを求めるように構成される。補正部(134)は、AD変換器(1103)の出力ビット数と周波数分析部(131)の入力ビット数との差の個数のゼロを、周波数分析部(131)に入力されるデジタル値に付加する。計算部(135)は、周波数分析部(131)が求めた周波数スペクトルからパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、ピーク周波数を物体Obまでの距離に換算する。
以上説明したように、第1の態様のセンサ(10,10A,10B)は、検知部(11)と処理部(13)とを有する。検知部(11)は、時間経過に伴って周波数が変化する電波を空間に放射し、かつ空間から電波を受信する。処理部(13)は、検知部(11)が放射した電波の周波数と受信した電波との周波数の周波数差に基づいて空間に存在する物体Obまでの距離を計測する。また、検知部(11)は、放射した電波の周波数と受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号のデジタル値を出力するアナログ−デジタル変換器(AD変換器1103)を備える。さらに、検知部(11)は、電波を放射させる放射期間Tsと電波を放射させない休止期間Trとが1回ずつ含まれる処理周期T0を繰り返すように動作し、電波を間欠的に放射する構成である。処理部(13)は、周波数分析部(131)と補正部(134)と計算部(135)とを備える。周波数分析部(131)は、入力ビット数がAD変換器(1103)の出力ビット数より多く、かつビート信号の周波数スペクトルを求めるように構成される。補正部(134)は、AD変換器(1103)の出力ビット数と周波数分析部(131)の入力ビット数との差の個数のゼロを、周波数分析部(131)に入力されるデジタル値に付加する。計算部(135)は、周波数分析部(131)が求めた周波数スペクトルからパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、ピーク周波数を物体Obまでの距離に換算する。
この構成によれば、周波数スペクトルを求めるために周波数分析部(131)に与えるデータにゼロを加えているから、周波数分析部(131)に与えられるビット数が増加し、結果的に周波数分析部(131)の周波数分解能を高めることが可能になる。すなわち、検知部(11)の出力ビット数に比べて周波数分析部(131)の入力ビット数を多くすることにより、検知部(11)の出力ビット数に対応した周波数スペクトルに比べて周波数の分解能を高めることが可能になる。その結果、ビート信号の周波数に基づいて求める距離の最小単位は、補正部(134)による補正を行わない場合よりも小さくすることができる。
加えて、この構成では、電波は処理周期T0で間欠的に空間に放射され、センサ(10,10A,10B)は処理周期T0ごとにビート信号の周波数スペクトルを求めることが可能である。つまり、時間経過に伴って物体Obまでの距離が変化した場合に、最小では処理周期T0の時間間隔で物体Obまでの距離の変化を追跡することが可能である。
第2の態様のセンサ(10,10A,10B)では、第1の態様において、計算部(135)は、ビート信号の周波数スペクトルにおいてパワーがピーク値である周波数ビンを含む3個以上の周波数ビンに当て嵌まる曲線を求め、さらに曲線のピーク値に対応する周波数をピーク周波数に定めてもよい。この場合、計算部(135)は、このピーク周波数を物体Obまでの距離に換算する。
この構成によれば、物体Obまでの距離を、周波数ビンの幅で決まる距離の最小単位よりも高い精度で求めることが可能になる。
第3の態様のセンサ(10B)では、第1または第2の態様において、処理部(13)は、時刻が異なる2つの放射期間Tsに得られたビート信号の信号値の差分を求める差分処理部(136)を備える。処理部(13)は、差分処理部(136)の出力を周波数分析部(131)に引き渡すように構成される。
この構成によれば、差分処理部(136)は、時刻が異なる放射期間Tsについて得られるビート信号のうち信号値の異なる成分を出力するから、静止している物体Obから得られるビート信号が減殺される。言い換えると、差分処理部(136)の出力は、移動している物体Obが反射した成分に対応し、センサ(10)は移動する物体Obを対象物として検知することが可能になる。
第4の態様のセンサ(10B)では、第1または第2の態様において、処理部(13)は、時刻が異なる2つの放射期間Tsに得られたビート信号から周波数分析部(131)がそれぞれ求めた周波数スペクトルにおける周波数ビンごとのパワーの差分を求める差分処理部(136)を備えていてもよい。この場合、処理部(13)は、差分処理部(136)の出力を計算部(135)に引き渡すように構成される。
この構成によれば、差分処理部(136)は、時刻が異なる放射期間Tsについて得られる周波数スペクトルの差分を出力するから、静止している物体Obから得られる周波数ビンのパワーが減殺される。言い換えると、差分処理部(136)の出力は、移動している物体Obが反射した周波数の成分に対応し、センサ(10B)は移動する物体Obを対象物として検知することが可能になる。また、差分処理部(136)が周波数スペクトルの差分を求めているから、周波数を分析する前のデジタル値の差分を求める場合と比較すると、メモリのようなハードウェア資源が削減される可能性がある。
第5の態様のセンサ(10B)では、第3または第4の態様において、2つの放射期間Tsのうちの一方は、検知部11の動作中における最新の処理周期T0の放射期間Tsであり、2つの放射期間Tsのうちの他方は、検知部(11)の動作開始時における処理周期T0の放射期間Tsであることが望ましい。
この構成によれば、検知部(11)が動作を開始した時点の環境に対する変化を抽出するから、検知部(11)が動作を開始した時点には検知されなかった物体Obを検知することが可能になる。
第6の態様のセンサ(10B)では、第3または第4の態様において、2つの放射期間Tsのうちの一方は、検知部(11)の動作中における最新の処理周期T0の放射期間Tsであり、2つの放射期間Tsのうちの他方は、検知部(11)の動作中において所定回前の処理周期T0の放射期間Tsであってもよい。
この構成によれば、検知部(11)の動作中において所定回前の処理周期T0の環境に対する変化を抽出するから、環境あるいはセンサ10Bの動作に緩やかに経時的な変化が生じても、物体Obと誤認する可能性が低減される。すなわち、時間経過に伴って環境が徐々に変化する場合、あるいはセンサ10Bの温度変化あるいはセンサ10Bの劣化などによってセンサ10Bの動作が徐々に変化する場合に、このような変化を物体Obと誤認する可能性が低減される。
第7の態様のセンサ(10A)では、第1〜第6のいずれかの態様において、検知部(11)は、空間から受信した電波に対応した受信信号に対する直交検波を行うことにより、ビート信号として位相が互いに90度異なる2つのビート信号を出力する。また、補正部(134)は、2つのビート信号に対応して周波数分析部(131)に入力される2つのデジタル値それぞれにゼロを付加する。周波数分析部(131)は、離散フーリエ変換(DFT)と高速フーリエ変換(FFT)との一方を行う構成であって、2つのデジタル値それぞれにゼロを付加した補正部(134)の出力が入力される。
すなわち、周波数分析部(131)は複素計算を行う構成であり、複素計算を行わない構成に比べると距離の最小単位が4分の1になる。
第8の態様のセンサ(10,10A,10B)では、第1〜第7のいずれかの態様において、検知部(11)は、以下の3種類の構成から選択されることが望ましい。第1の構成は、空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に上昇するように周波数を掃引する構成である。第2の構成は、空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に下降するように周波数を掃引する構成である。第3の構成は、空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に上昇する期間と単調に下降する期間とを含むように周波数を掃引する構成である。
これらの3種類の構成のいずれかを選択することにより、放射期間Tsにおいて周波数が変化し、物体Obまでの距離が変化しなければ、放射期間Tsにおいて周波数が一定のビート信号が得られる。すなわち、放射期間Tsを単位としてビート信号の周波数を分析することができる。
第9の態様のセンサ(10,10A,10B)では、第1〜第8のいずれかの態様において、計算部(135)は、周波数スペクトルにおけるパワーのピーク値が所定の閾値を超えない場合は、距離を求めないことが望ましい。
この構成により、電波を反射する物体Obが存在しないときに、微小な雑音を物体Obの存在と誤認する可能性を低減できる。
第10の態様のセンサ(10,10A,10B)では、第1〜第9のいずれかの態様において、処理部(13)は、距離に基づいて定めた監視領域の範囲内か否かを判断する判断部(132)と、判断部(132)の判断結果に応じて機器制御用の制御信号を出力する出力部(133)とを備えることが望ましい。
この構成によれば、判断部(132)の判断結果に応じて出力部(133)から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。たとえば、以下に説明する水栓装置(20)であれば、バルブ(213)(図5参照)を制御対象の機器として、制御信号によりバルブ(213)の開栓と閉栓とを行うことが可能になる。また、制御対象の機器が警報装置であれば、監視領域における人の存在をセンサ(10,10A,10B)が検知したときに、警報装置を動作させることが可能である。センサ(10,10A,10B)からの制御信号による制御対象の機器はこれらの例に限らず、また判断部(132)の判断結果と出力部(133)からの制御信号との関係も適宜に定めることが可能である。出力部(133)は、オンとオフとのような2状態の選択だけではなく、3状態以上の選択を可能にする制御信号を出力してもよい。また、出力部(133)は、物体Obまでの距離に応じて信号値が連続的に変化する制御信号を出力してもよい。
第11の態様のセンサ(10,10A,10B)では、第10の態様において、判断部(132)は、距離に基づいて定めた監視領域内に存在する物体を対象物と判定する機能を有し、監視領域の境界となる距離が設定されることが望ましい。
すなわち、センサ(10,10A,10B)は距離を計測する構成であるから、判断部(132)は、距離に基づいて定めた監視領域に存在する物体Obを対象物と判定することが可能である。また、監視領域の境界となる距離が判断部(132)に設定されるから、判断部(132)の設定を変更することにより、監視領域の範囲を定めることができる。たとえば、監視領域の境界として距離の上限のみを定めると、上限の距離より近い物体Obをセンサ(10,10A,10B)が対象物として検知し、監視領域の境界として距離の下限のみを定めると、下限の距離より遠い物体Obをセンサ(10,10A,10B)が対象物として検知する。また、監視領域の境界として、距離の上限と下限とを定めると、上限の距離より近く、かつ下限の距離より遠い範囲の物体Obをセンサ(10,10A,10B)が対象物として検知する。
第12の態様の水栓装置(20)は、第10または11の態様のセンサ(10,10A,10B)と、制御信号を受けて吐水と止水とが選択される水栓(21)とを備える。処理部(13)は、監視領域に対象物が存在するときに吐水を選択する制御信号を水栓(21)に与え、監視領域に対象物が存在しないときに止水を選択する制御信号を水栓(21)に与える。
この構成によれば、水栓(21)の吐水と止水とを上述したセンサ(10,10A,10B)で制御することが可能になる。そのため、監視領域に対象物が存在すれば水栓(21)からの吐水を行い、監視領域から対象物を出せば止水を行うことが可能であって、レバーなどの操作を行わずに吐水と止水とを自動的に行うことが可能になる。つまり、水栓(21)から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。
第12の態様の水栓装置(20)では、第11の態様において、センサ(10,10A,10B)は水栓(21)に一体に取り付けられていることが好ましい。すなわち、センサ(10,10A,10B)と水栓(21)とが一体化された水栓装置(20)として商品を提供することができるから、水栓(21)以外の構成を変更することなく既存の水栓(21)と交換することによって、水栓装置(20)のメリットを享受することが可能になる。
10,10A,10B センサ
11 検知部
13 処理部
20 水栓装置
21 水栓
131 周波数分析部
132 判断部
133 出力部
134 補正部
135 計算部
136 差分処理部
1103 AD変換器(アナログ−デジタル変換器)
Ob 物体
T0 処理周期
Tr 休止期間
Ts 放射期間
11 検知部
13 処理部
20 水栓装置
21 水栓
131 周波数分析部
132 判断部
133 出力部
134 補正部
135 計算部
136 差分処理部
1103 AD変換器(アナログ−デジタル変換器)
Ob 物体
T0 処理周期
Tr 休止期間
Ts 放射期間
Claims (13)
- 時間経過に伴って周波数が変化する電波を空間に放射し、かつ前記空間から電波を受信する検知部と、
放射した電波の周波数と受信した電波との周波数の周波数差に基づいて前記空間に存在する物体までの距離を計測する処理部とを有し、
前記検知部は、
前記検知部が放射した電波の周波数と受信した電波の周波数との周波数差を持つビート信号のデジタル値を出力するアナログ−デジタル変換器を備え、
かつ電波を放射させる放射期間と電波を放射させない休止期間とが1回ずつ含まれる処理周期を繰り返すように動作し、電波を間欠的に放射する構成であって、
前記処理部は、
入力ビット数が前記アナログ−デジタル変換器の出力ビット数よりも多く、かつ前記ビート信号の周波数スペクトルを求めるように構成された周波数分析部と、
前記アナログ−デジタル変換器の出力ビット数と前記周波数分析部の入力ビット数との差の個数のゼロを、前記周波数分析部に入力されるデジタル値に付加する補正部と、
前記周波数分析部が求めた前記周波数スペクトルからパワーがピーク値であるピーク周波数を求め、前記ピーク周波数を前記物体までの距離に換算する計算部と
を備えるセンサ。 - 前記計算部は、
前記ビート信号の周波数スペクトルにおいてパワーがピーク値である周波数ビンを含む3個以上の周波数ビンに当て嵌まる曲線を求め、さらに前記曲線のピーク値に対応する周波数をピーク周波数に定め、このピーク周波数を前記物体までの距離に換算する
請求項1記載のセンサ。 - 前記処理部は、
時刻が異なる2つの放射期間に得られたビート信号の信号値の差分を求める差分処理部を備え、前記差分処理部の出力を前記周波数分析部に引き渡す
請求項1又は2記載のセンサ。 - 前記処理部は、
時刻が異なる2つの放射期間に得られたビート信号から前記周波数分析部がそれぞれ求めた周波数スペクトルにおける周波数ビンごとのパワーの差分を求める差分処理部を備え、前記差分処理部の出力を前記計算部に引き渡す
請求項1又は2記載のセンサ。 - 前記2つの放射期間のうちの一方は、前記検知部の動作中における最新の処理周期の放射期間であり、前記2つの放射期間のうちの他方は、前記検知部の動作開始時における処理周期の放射期間である
請求項3又は4記載のセンサ。 - 前記2つの放射期間のうちの一方は、前記検知部の動作中における最新の処理周期の放射期間であり、前記2つの放射期間のうちの他方は、前記検知部の動作中において所定回前の処理周期の放射期間である
請求項3又は4記載のセンサ。 - 前記検知部は、
前記空間から受信した電波に対応した受信信号に対する直交検波を行うことにより、前記ビート信号として位相が互いに90度異なる2つのビート信号を出力し、 前記補正部は、
前記2つのビート信号に対応して前記周波数分析部に入力される2つのデジタル値それぞれにゼロを付加し、
前記周波数分析部は、
離散フーリエ変換と高速フーリエ変換との一方を行う構成であって、前記2つのデジタル値それぞれにゼロを付加した前記補正部の出力が入力される
請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記検知部は、
前記空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に上昇するように周波数を掃引する構成と、
前記空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に下降するように周波数を掃引する構成と、
前記空間に放射する電波の周波数が時間経過に伴って単調に上昇する期間と単調に下降する期間とを含むように周波数を掃引する構成とから選択される
請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記計算部は、
前記周波数スペクトルにおけるパワーのピーク値が所定の閾値を超えない場合は、前記距離を求めない
請求項1〜8のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記処理部は、
前記距離に基づいて定めた監視領域の範囲内か否かを判断する判断部と、
前記判断部の判断結果に応じて機器制御用の制御信号を出力する出力部とを備える
請求項1〜9のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記判断部は、
距離に基づいて定めた監視領域内に存在する物体を対象物と判定する機能を有し、前記監視領域の境界となる距離が設定される
請求項10記載のセンサ。 - 請求項10又は11記載のセンサと、
制御信号を受けて吐水と止水とが選択される水栓とを備え、
前記処理部は、前記監視領域に前記対象物が存在するときに吐水を選択する制御信号を前記水栓に与え、前記監視領域に前記対象物が存在しないときに止水を選択する制御信号を前記水栓に与える
水栓装置。 - 前記センサは前記水栓に一体に取り付けられている
請求項12記載の水栓装置。
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