TW201723529A - 感測器及利用此感測器的水龍頭裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供測量到達物體之距離且檢測近距離之物體的感測器及水龍頭裝置。感測器(10)包含有檢測部(11)及處理部(13)。檢測部(11)輸出具有所輻射之電波的頻率與所接收的電波的頻率之頻率差的差頻信號之數位值。處理部(13)之頻率分析部(131)用以求出差頻信號之頻譜。處理部(13)之修正部(134)將檢測部(11)之輸出位元數與頻率分析部(131)之輸入位元數的差值個數的零附加於輸入至頻率分析部(131)之數位值。處理部(13)之計算部(135)從頻率分析部(131)所求出之頻譜求出功率為峰值的峰值頻率，並將峰值頻率換算成到達物體(Ob)之距離。

Description

感測器及使用此感測器的水龍頭裝置
本發明係有關於利用電波來檢測物體之感測器、及以此感測器控制出水及止水之使用感測器的水龍頭裝置。
習知已提出以發射接收器之發射器將所掃描之信號從天線發射元件發射並以天線接收元件接收其反射波之雷達裝置(參照文獻1「日本專利公開號碼2014-182010」)。文獻1有為了參考信號與輸入信號之相關處理(correlation processing)而將於基準參考信號補零的信號作為參考信號，並將參考信號進行FFT(Fast Fourier Transform)處理這樣的內容之記載。即，在專利文獻1中，為了使基準參考信號之符號長度與輸入信號之符號長度一致，進行了補零。
又，在自動水龍頭裝置中使用微波多普勒感測器之結構例，記載於文獻2(參照日本專利公開號碼2013-7223)。
專利文獻1之技術適用於例如飛機所搭載之雷達裝置。因而，其目的並未設想到檢測存在於數cm左右之近距離的物體。
又，專利文獻2之技術係使用微波多普勒感測器之結構，並未記載「在間歇地輻射電波之電波感測器中，檢測存在於數cm左右之近距離的物體」之技術。多普勒感測器雖可檢測動作，但不易確認到達物體之距離。
本發明之目的係提供「可測量到達物體之距離，且可檢測近距離之物體」的感測器，進一步，係提供使用此感測器之水龍頭裝置。
本發明一態樣之感測器包含有檢測部及處理部。檢測部將頻率隨著時間經過而變化之電波輻射至空間，且從空間接收電波。處理部依據檢測部所輻射之電波的頻率與所接收之電波的頻率之頻率差，測量「到達存在於空間之物體的距離」。又，檢測部具有用以輸出「具有所輻射之電波的頻率與所接收之電波的頻率之頻率差的差頻信號之數位值」的類比/數位轉換器。再者，檢測部之結構為以反覆進行具有使電波輻射之輻射期間與不使電波輻射之休止期間各1次的處理週期之方式運作而間歇輻射電波。處理部具有頻率分析部、修正部及計算部。頻率分析部設計成輸入位元數多於類比/數位轉換器之輸出位元數，且求出差頻信號之頻譜。修正部將類比/數位轉換器之輸出位元數與頻率分析部之輸入位元數的差值個數的零附加於輸入至頻率分析部之數位值。計算部從頻率分析部所求出之頻譜求出功率為峰值之峰值頻率，並將峰值頻率換算成到達物體之距離。
本發明一態樣之水龍頭裝置包含有：感測器，判斷是否在依據距離而定之監視區域內的範圍內而輸出控制信號；及水龍頭，接收控制信號來選擇出水及止水。處理部於對象物存在於監視區域時，給予水龍頭選擇出水之控制信號，而於對象物不存在於監視區域時，則給予水龍頭選擇止水之控制信號。
根據上述結構，可測量到達物體之距離，且可檢測近距離之物體。
[用以實施發明之形態] 以下說明之結構例係有關於：藉將電波輻射至空間，並接收來自空間之電波，而提取空間資訊的感測器、及使用此感測器的水龍頭裝置。在此之空間資訊可從「到達存在於空間之物體的距離」之資訊、物體是否存在於定於空間之監視區域的資訊、存在於監視區域之物體是否為監視對象(亦即對象物)的資訊等選擇。在以下說明之感測器中，物體是否存在於監視區域之資訊、存在於監視區域之物體是否為對象物之資訊，係以「到達存在於空間之物體的距離」之資訊為基礎的資訊。因而，感測器具有測量「到達存在於空間之物體的距離」之功能。物體亦可為人體，此時，感測器可使用作為感應人之感測器。又，感測器亦可為輸出機器控制用控制信號之結構。
使用感測器之水龍頭裝置假定為「於配置在廚房、洗臉間、廁所等之水龍頭組裝有感測器」之結構。水龍頭具有配置於到達出水口之流道的電磁閥的閥，藉接收來自感測器之控制信號，使閥運作，而選擇出水及止水。舉例而言，若為在廚房與水槽組合而使用之水龍頭裝置，便於具有出水口之出水管安裝感測器。感測器安裝於在出水管中接近出水口之部位。又，於出水口附近之預定範圍設定用以監視對象物之監視區域。監視區域根據到達感測器之距離而定。感測器可提取監視區域是否存在諸如手、餐具、烹調器具、蔬菜、水果這樣的對象物的資訊作為空間資訊。
感測器以「與監視區域及對象物之關係有關的條件」決定輸出用以出水或止水之控制信號的時間點。最簡單之關係是「對象物存在於監視區域之條件」成立時，感測器便輸出「指示出水之控制信號」，而「對象物不存在於監視區域之條件」成立時，感測器則輸出「指示止水之控制信號」。為了提高水龍頭之便利性，而於決定「感測器輸出指示出水或止水之控制信號的時間點」之條件附加各種條件，但因附加之條件並非重點，故省略說明。
(感測器之結構例1) 如圖1所示，以下說明之感測器10包含有檢測部11、控制部12、及處理部13。檢測部11將電波輻射至空間，並從空間接收電波。藉比較檢測部11所發射之電波與所接收之電波，可提取空間資訊。控制部12對檢測部11指示輻射電波之時間點，處理部13依據檢測部11之輸出，提取空間資訊。亦可決定檢測部11或處理部13輻射電波之時間點。此種結構時，可省略控制部12。
在圖2所示之結構例中，控制部12對檢測部11指示交互產生「將電波輻射至空間之輻射期間Ts」、及「不將電波輻射至空間之休止期間Tr」。即，檢測部11間歇地將電波輻射至空間。在以下，將1次輻射期間Ts與1次休止期間Tr的組合期間稱為處理週期T0。舉例而言，將輻射期間Ts定為1[ms]，將處理週期T0定為50[ms]。電波之頻率、輻射期間Ts及休止期間Tr因應檢測之空間資訊的種類選擇。電波之頻率可從微波至毫米波之範圍的頻段選擇。
檢測部11於輻射期間Ts不僅輻射電波，於輻射期間Ts也進行電波之接收。即，因感測器10輻射電波後，至感測器10接收以存在於監視區域之物體Ob所反射的電波為止之時間，比起輻射期間Ts相當短，故電波之輻射與電波之接收視為實質上同時進行。以下，將感測器10所輻射之電波稱為發射波，將以物體Ob所反射之電波稱為反射波。
舉例而言，對感測器10，將監視區域設定在以感測器10為起點，距離其3[cm]至60[cm]之範圍，輻射期間Ts設定為1[ms]。此時，從發射波之輻射至反射波之接收的時間為0.2[ns]至4[ns]左右，其不到輻射期間Ts的百萬分之1，故亦可視為發射波之發射與反射波之接收處理係同一時間點。
從以上之說明可知，在輻射期間Ts，進行發射波之輻射與反射波之接收，而在休止期間Tr，則未進行反射波之接收。因而，在休止期間Tr，檢測部11之動作停止。因在休止期間Tr，在處理部13進行提取空間資訊之處理，故在處理部13產生電力之消耗，而在檢測部11，幾乎不消耗電力。因而，與在休止期間Tr進行接收之結構相比，消耗之電力減低。再者，因感測器10可將休止期間Tr設定成遠比輻射期間Ts還長(例如50倍)，故抑制休止期間Tr之電力的消耗造成電力之消耗量的大幅減少。
檢測部11具有以FMCW方式(FMCW：Frequency-modulated continuous-wave：調頻連續波)監視空間資訊之單晶片積體電路。此單晶片積體電路具有發射用電路及接收用電路。如圖3中符號Sg1所示，檢測部11產生頻率隨著時間經過而變化之FMCW信號。即，FMCW信號可謂進行了頻率調變而將時間轉換成頻率之信號。在此所說明之感測器10如圖3中符號F1所示，在輻射期間Ts產生頻率隨著時間經過而直線下降之FMCW信號。
將圖3中符號Sg1所示之FMCW信號輸入至檢測部11具有之發射用天線111，發射用天線111將頻率隨著時間經過而變化之電波輻射至空間。另一方面，檢測部11具有之接收用天線112將從空間所接收之電波轉換成如圖3中符號Sg2所示之接收信號。以下，將從發射用天線111所輻射之電波稱為發射波，將接收用天線112所接收之電波中以存在於空間之物體Ob所反射的電波稱為反射波。
檢測部11將FMCW信號Sg1與接收信號Sg2混合。所混合之信號包含FMCW信號Sg1之頻率與接收信號Sg2之頻率的差之頻率成分。換言之，所混合之信號包含發射波之頻率與反射波之頻率的差之頻率成分。以下，將具有從發射用天線111輻射之電波的頻率與接收用天線112所接收之電波的頻率之頻率差的信號稱為差頻信號。圖3中以符號Sg3顯示差頻信號之例。至反射電波之物體Ob的距離若在輻射期間Ts無變化，則輻射期間Ts之差頻信號Sg3的頻率為一定。
從發射用天線111所輻射之電波中以存在於空間之物體Ob所反射的電波以接收用天線112接收時，從電波之輻射至接收為止之時間會反映到達物體Ob之距離。又，因發射波頻率隨時間經過而變化，故從電波之輻射至接收為止之時間可以發射波與反射波之頻率差來計測。亦即，藉求出從混合電路1101輸出之信號所包含的差頻信號之頻率，可求出到達物體Ob之距離。
現在，假設發射波之頻率如圖3中符號F1所示般變化，反射波之頻率如圖3中符號F2所示般變化。又，令在輻射期間Ts之頻率對時間的變化率為(Bw/Ts)[Hz/s]。Bw係在輻射期間Ts變化之頻率的範圍。因FMCW信號在輻射期間Ts，頻率直線下降，故頻率之範圍Bw係輻射期間Ts之開始時間點的發射波之頻率，與輻射期間Ts之結束時間點的發射波之頻率，兩者的差。FMCW信號在輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw與輻射期間Ts為已知，故在輻射期間Ts之頻率對時間的變化率為已知之值。
利用發射波與反射波之頻率差△f[Hz]及頻率之變化率(Bw/Ts)，則從電波之輻射至接收為止之時間△t[s]以△t=△f(Ts/Bw)表示。亦即，發射波與反射波之頻率差△f可置換成從電波之輻射至接收為止之時間△t。又，若令光速為c[m/s]，則到達使電波反射之物體Ob的距離R[m]為R=c‧△t/2。因而，可表示為R=(c•△f/2)(Ts/Bw)。換言之，藉求出發射波與反射波之頻率差△f，可求出從感測器10到達物體Ob之距離R。
在此，若設為(c/2)(Ts/Bw)=k，則R=k•△f，而可以「從感測器10到達物體Ob之距離R與頻率差△f成比例」這樣的簡單關係表示。又，根據上述關係式可知，從感測器10到達物體Ob之距離不取決於發射波之頻率，而是取決於輻射期間Ts之頻率的變化率。
一例係將輻射期間Ts定為1[ms]，將在輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw定為150[MHz]。若令光速c為3×108 [m/s]，則係數k為k=(c/2)(Ts/Bw)=1×10-3 [m•s]。因而，頻率差△f為1[kHz]時，從感測器10到達物體Ob之距離R為R=1[m]，頻率差△f為100[Hz]時，從感測器10到達物體Ob之距離R為R=1×10-1 [m]=10[cm]。
如上述，感測器10將從電波之發射至接收為止之時間△t置換成發射波之頻率與反射波之頻率的頻率差△f。因而，處理部13被要求分析從檢測部11輸出之差頻信號的頻譜，以提取相當於頻率差△f之頻率。頻譜係將分析對象亦即頻率範圍區分為複數區間，並使各區間與信號能量建立對應關係的資料。此頻率差△f因應從感測器10到達物體Ob之距離變化，當感測器10到達物體Ob之距離小時，頻率差△f便也小。因此，將設定成檢測對象物之監視區域設定為距離感測器10近之距離時，需將以處理部13分析之頻率的下限值設定為低頻率。
當感測器10以上述數值設計時，頻率差△f為100[Hz]時，距離R為10[cm]。因而，若要將監視區域設定為與感測器10相距10[cm]左右的距離，以處理部13分析之頻率的下限值便為100[Hz]左右。換言之，若要以上述結構之感測器10測量以10[cm]為單位之距離時，頻譜之1個區間(頻格，frequency bin)需設定為100[Hz]。
檢測部11間歇地輻射發射波，每到相當於輻射期間Ts之時間，便將差頻信號交給處理部13。因此，頻譜可分析之最小頻率受到輻射期間Ts之限制。舉例而言，感測器10以上述數值設計時，因輻射期間Ts為1[ms]，故當直接使用檢測部11之輸出時，頻格便為1[kHz]。亦即，可測量之距離的最小單位為1[m]。
要縮小頻格寬度可考慮增長輻射期間Ts之方法及增大在輻射期間Ts掃描之頻率的寬度Bw之方法。換言之，可考慮增大FMCW信號之頻率的變化率(Bw/Ts)。然而，為了滿足要檢測之對象物移動的速度、可掃描作為發射波之頻率的範圍、感測器10之製造成本等各種條件的設計，並不易大幅變更輻射期間Ts、掃描頻率之寬度Bw。
在此說明之感測器10中，提供在不變更檢測部10之輸出下使頻率之寬度縮小的技術。在此感測器10中，為了在不變更輻射期間Ts下將頻格設定成小，而在求出頻譜之前階段，進行將差頻信號轉換成數位值之處理及於轉換後之數位值附加預定個數之0的處理。
於數位值附加0之處理係稱為附加零之處理。附加零之處理係藉於頻譜之分析對象亦即數位值附加必要之位數的0而使數位值之位數增加之處理。藉進行附加零之處理，可縮小頻格寬度。
附加零之處理的0之個數係以求出差頻信號的數位值之際的取樣次數為基準而決定。舉例而言，若輻射期間Ts之取樣次數為25次，便將進行附加零後之位數為取樣次數之10倍的250位數左右之個數的0附加於數位值。當取樣次數為25次時，若頻格寬度為1[kHz]，可以附加零之處理將頻格寬度縮小至100[Hz]左右。即，藉進行附加零之處理，可以100[Hz]之單位配適頻譜。此外，截至目前為止所說明之數值為一例，可因應設計等變更。
處理部13具有計算部135。計算部135求出頻率分析部131所求出之頻譜中功率為峰值的峰值頻率，而將峰值頻率判斷為差頻信號之頻率。即，計算部135將峰值頻率視為上述頻率差△f，並將頻率差△f換算成到達物體Ob之距離。在頻譜中，產生複數之功率為峰值的頻率時，可分別求出不同之物體Ob的距離。又，當在處理部13，決定依據距離之監視區域，可提取存在於監視區域之物體Ob作為對象物。
以下，更具體地說明感測器10之結構。構成感測器10之檢測部11具有以高頻之發射用電路及接收用電路構成之高頻電路110、連接於高頻電路110之發射用天線111及接收用天線112。高頻電路110給予發射用天線111發射信號而使電波輻射至空間，從自空間接收了電波之接收用天線112所輸出之接收信號取出包含空間資訊之信號。發射用天線111及接收用天線112係諸如微帶天線之平面天線。此種平面天線有貼片天線、槽孔天線等。發射用天線111與接收用天線112配置成靠近而使從發射用天線111到達監視區域之距離與從接收用天線112到達監視區域之距離的差比較小。
發射用天線111及接收用天線112設計成對應例如超過24.05GHz、24.25GHz以下之頻段。若為此種頻段，發射用天線111及接收用天線112之尺寸及間隔為數mm左右即可。在此，發射用天線111及接收用天線112之間隔係指形成於發射用天線111及接收用天線112之間的間隙之尺寸。
此外，在日本國內，此頻段係用於取得從諸如人或物體之對象物的存在、位置、動作、大小等選擇之資訊，可不取得無線電台之許可證來使用。此種無線電台係在船舶或飛機之航行以外的目的使用之無線電台，在日本國內，稱為「移動體檢測感測器用特定小電力無線電台」。在此所示之頻段為一例，可依需要變更。
高頻電路110以用FMCW方式監視空間資訊之單晶片積體電路構成。於圖1顯示高頻電路110之結構例。在此之高頻電路110具有混合電路1101及信號產生電路1102作為主要之結構。又，此高頻電路110除了上述電路，還具有發射用放大電路及接收用放大電路。高頻電路110除了可以單晶片積體電路構成外，亦可以複數個積體電路或個別零件構成。
信號產生電路1102以PLL合成器(PLL：Phase Locked Loop：鎖相迴路)實現，可輸出FMCW信號。信號產生電路1102之動作由控制部12指示。在此，FMCW信號在輻射期間Ts，頻率隨著時間經過而直線變化(下降)。控制部12對信號產生電路1102指示是否輸出FMCW信號。信號產生電路1102輸出如圖3中以符號Sg1顯示之FMCW信號。即，控制部12對信號產生電路1102指示輻射期間Ts及休止期間Tr之時間點。輻射期間Ts之FMCW信號的頻率之變化率在此結構例假定為由檢測部11設定之結構，亦可為從控制部12對檢測部11指示之結構。
在上述結構例中，進行FMCW信號在輻射期間Ts頻率隨著時間經過而直線下降之動作，亦可為頻率隨著時間經過而直線上升之動作。又，FMCW信號亦可具有在輻射期間Ts頻率隨著時間經過而上升之期間及下降之期間，頻率之變化也不必如圖3所示之例般為直線。即，檢測部11進行以頻率隨著時間經過單調遞增之方式掃描頻率的動作及以頻率隨著時間經過單調遞減之方式掃描頻率的動作至少一者。
當將如圖3中以符號Sg1顯示之FMCW信號輸入至發射用天線111時，便將電波從發射用天線111輻射至空間。另一方面，接收用天線112將從空間所接收之電波轉換成如圖3中以符號Sg2顯示之接收信號。
將從接收用天線112輸出之接收信號給予混合電路1101，混合電路1101混合從信號產生電路1102輸入之FMCW信號Sg1及接收信號Sg2。混合電路1101具有乘法器之功能。因而，可從混合電路1101輸出FMCW信號Sg1與接收信號Sg2相乘之信號。即，混合電路1101輸出之信號包含具有從發射用天線111輻射之電波的頻率與接收用天線112所接收之電波的頻率之頻率差的差頻信號Sg3。
高頻電路110為了將從混合電路1101輸出之信號轉換成數位信號，而具有類比/數位轉換器1103(以下稱為「AD轉換器」)。又，於混合電路1101與AD轉換器1103之間設濾波電路1104。濾波電路1104以低通濾波器或帶通濾波器構成。
由於從混合電路1101輸出之信號中非差頻信號之成分係對象物之檢測不需要的成分，故宜儘可能去除。因此，濾波電路1104設計成去除混合電路1101輸出之信號中差頻信號之提取不需要的頻率成分。
在圖1所示之結構例中，AD轉換器1103之取樣頻率設計成預測之差頻信號的頻率之2倍以上。濾波電路1104設計成阻止超過AD轉換器1103之取樣頻率的2分之1的頻率之成分的通過。為了抑止雜訊(anti-aliasing)，濾波電路1104會抑制從混合電路1101輸出之信號中超過奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)之成分。實際上，濾波電路1104設計成通過頻率之上限為奈奎斯特頻率的90%左右。又，AD轉換器1103之取樣頻率依據到達以感測器10檢測之對象物的距離、輻射期間Ts、於輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw等決定。
舉例而言，假定輻射期間Ts為1[ms]，1次輻射期間Ts之取樣的點數為25。該等數值為一例，可因應感測器10檢測之對象物移動的速度、檢測對象物之距離的範圍、處理部13之處理能力等設定。在上述條件中，因取樣頻率為25[kHz]，故濾波電路1104設計成通過頻率之上限為11[kHz]左右。
如上述設計之濾波電路1104抑制在非對象物之物體Ob產生之成分、發射波與反射波相加之成分、FMCW信號之成分、一部分之外來雜音等的通過。又，發射波亦即FMCW信號之成分的頻率高於差頻信號，發射波與反射波之頻率相加的成分之頻率也高於差頻信號，故該等成分可以濾波電路1104抑制。即，濾波電路1104有助於抑制從混合電路1101輸出之信號中非差頻信號的成分。
將從混合電路1101輸出之信號中通過濾波電路1104之信號輸入至AD轉換器1103，而將包含差頻信號之成分的類比信號轉換成數位信號。AD轉換器1103係輸出串列資料之結構，並將從AD轉換器1103輸出之數位信號作為檢測部11之輸出而給予處理部13。
處理部13要分析從AD轉換器1103輸出之信號的頻率通常被要求1次輻射期間Ts包含1週期以上的信號。亦即，可從自AD轉換器1103輸出之信號檢測的頻率之下限值在上述條件為1[kHz]。又，可從自AD轉換器1103輸出之信號檢測的頻率之上限值以通過濾波電路1104之頻率的上限值限制，在上述條件為11[kHz]左右。
當將輻射期間Ts之長度與取樣之點數如上述設定時，便在從混合電路1101輸出之信號中從1[kHz]至11[kHz]左右之範圍求出頻譜。頻譜之1個區間定成例如具有分析對象亦即頻率範圍之下限值的寬度。惟，頻譜之1個區間亦有定成具有於分析對象亦即頻率範圍之下限值乘上2的乘冪之寬度的情形。
處理部13具有求出從濾波電路1104輸出之信號的頻譜之頻率分析部131。頻率分析部131使用從AD轉換器1103輸出之數位信號，求出差頻信號之頻率。亦即，頻率分析部131以從AD轉換器1103輸出之信號為輸入，進行離散傅立葉轉換(DFT：Discrete Fourier Transform)。在此之離散傅立葉轉換假定為基本之DFT運算，亦可進行使DFT運算快速化之快速傅立葉轉換(FFT：Fast Fourier Transform)。
從頻率分析部131輸出從AD轉換器1103輸出之信號的頻譜。亦即，頻率分析部131在輸入至AD轉換器1103之信號的頻率範圍中，輸出將頻率範圍區分成複數之各區間(頻格)的功率。頻率分析部131每當輻射期間Ts便求出頻譜。換言之，每當處理週期T0，便取得頻譜。
處理部13具有使用頻率分析部131所求出之頻譜來判斷對象物是否存在之判斷部132。判斷部132於頻率分析部131所求出之頻譜滿足預定條件時，判斷為對象物存在於設定為距離感測器10預定之距離範圍的監視區域。又，處理部13具有依據判斷部132之判斷結果輸出控制信號的輸出部133，當判斷部132輸出顯示對象物存在於監視區域之信號時，輸出部133便輸出控制信號。
判斷部132根據距離感測器10之距離，決定監視區域之界限。即，監視區域之界限根據距離感測器10之距離的上限、距離感測器10之距離的下限、或距離感測器10之距離的上限與下限兩者決定。作為監視區域之界限的距離由判斷部132設定。處理部13宜設計成使用者可設定作為監視區域之界限的距離。舉例而言，結構可採用於處理部13設與外部裝置之介面部，而透過介面部，與從專用設定器、通用個人電腦、智慧型手機、輸入板終端機等選擇之設定裝置通信。
在此，將頻率分析部131之分析對象亦即頻率範圍之下限值假定為1[kHz]。此例是具有分析對象亦即頻率範圍之下限值的寬度之區間(頻格)定成1[kHz]以上、不到2[kHz]、2[kHz]以上、不到3[kHz]。又，具有於分析對象亦即頻率範圍之下限值乘上2的乘冪之寬度的區間定成1[kHz]以上、不到2[kHz]、2[kHz]以上、不到4[kHz]。
如上述，當使用發射波與反射波之頻率差△f及以感測器10之規格決定的係數k時，從感測器10到達物體Ob之距離R則表示為R=k•△f。若令在輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw為150[MHz]時，則係數k為1×10-3 [m•s]。當頻格寬度為1[kHz]時，則辨識頻率差△f之最小單位也為1[kHz]，當配適R=k•△f時，測量從感測器10到達物體Ob的距離R之際的最小單位為1[m]。
要縮小可測量之距離的最小單位可考慮縮小係數k。即，可考慮進行將輻射期間Ts設定成短於1[ms]之方法及將在輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw設定成大於150[MHz]之方法至少一者。總而言之，要縮小可測量之距離的最小單位可考慮縮小頻率之變化率(Bw/Ts)。
然而，若縮短輻射期間Ts，則分析對象亦即頻率範圍之下限值上升，可測量之距離的下降值增大。另一方面，因在輻射期間Ts掃描之頻率的範圍Bw即使在技術上可行，仍有法規之限制等，故並不易實現。舉例而言，在日本國內，在24GHz頻段，頻率之範圍Bw無法超過200[MHz]。
因此，處理部13進行上述附加零之處理。附加零之處理以在處理部13設置於頻率分析部131前面之修正部134進行。即，處理部13為使頻譜之頻格的個數增加而進行附加零之處理。在此之附加零的處理係指為了填補AD轉換器1103之輸出位元數與頻率分析部131之輸入位元數的差，而於高階位元追加位元數差值個數的零。
為了顯示例子，而假定AD轉換器1103之輸出位元數為5位元，頻率分析部131之輸入位元數為10位元。在此，若AD轉換器1103之輸出值為「10011」，則以附加零之處理於此輸出值的高階位元追加5個0。亦即，當對AD轉換器1103之輸出值進行附加零之處理時，給予頻率分析部131「0000010011」。
因可檢測之距離的最小單位以頻率分析部131之頻格的寬度決定，故頻率分析部131之輸入位元數越多，可檢測之最短距離越小。惟，在附加零之處理，由於並非資訊量增加，故AD轉換器1103之輸出位元數與頻率分析部131之輸入位元數的差越大，附加零之處理的誤差便越多。因此，頻率分析部131之輸入位元數是AD轉換器1103之輸出位元數的10倍左右為容許範圍之上限。
頻率分析部131之輸入位元數一般選擇128位元或256位元，在此結構例中，因AD轉換器1103之輸出位元數為25位元，故藉附加零之處理，位元數增加至5倍左右或10倍左右。若令頻率分析部131之輸入位元數為AD轉換器1103之輸出位元數的10倍，則頻格寬度為10分之1。因而，當感測器10採用進行正交檢測之結構，且適用上述數值時，感測器10可檢測之距離的最小單位可從1[m]縮短至10[cm]。
上述處理部13與控制部12一同以微控器(Microcontroller)構成。微控器以具有根據程式運作之處理器以及用以儲存使處理器運作之程式的記憶體及作業用記憶體的單晶片裝置構成。
控制部12及處理部13亦可不為微控器，而以從FPGA(Field-Programmable Gate Array：現場可程式閘陣列)、DSP(Digital Signal Processor：數位信號處理器)、PIC(Peripheral Interface Controller：周邊介面控制器)等選擇之裝置構成。或者，控制部12及處理部13亦可為將記憶體與諸如CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)之處理器分開使用的結構。又，構成控制部12及處理部13之處理器亦可不共用，而個別設置。
程式除了以儲存於記憶體中之ROM(Read Only Memory：唯讀記憶體)之狀態提供外，亦可以諸如可以電腦讀取之光碟或外部記錄裝置之記錄媒體提供。還可透過諸如網際網路之電信線路來提供程式。不儲存於ROM而透過記錄媒體或電信線路提供之程式儲存於可重寫之非揮發性記憶體。
處理部13進行之處理包含如DFT運算或FFT運算般處理負荷大之處理，處理需要較長之時間。因此，處理部13之主要的處理在處理週期T0中非輻射期間Ts之期間進行。即，當將在輻射期間Ts所得之差頻信號Sg3交給處理部13時，處理部13在至下個輻射期間Ts前之休止期間Tr，進行差頻信號之頻率分析，判斷是否存在對象物。此外，輸出部133一旦輸出控制信號時，至少在獲得依據在下個輻射期間Ts所得之差頻信號Sg3的判斷結果前，維持輸出控制信號之狀態。因輸出部133維持控制信號之輸出的條件並非要旨，故省略說明。
如以上所說明，感測器10藉進行附加零，可將可檢測之最短距離縮短至大約10分之1。因而，感測器10藉變更一部分之結構，可用於各種用途。此外，亦可根據用途，變更輻射期間Ts、休止期間Tr、掃描之頻率的範圍等。
判斷部132亦可設計成輸出：不僅表示「對象物是否存在於監視區域」，且表示「從感測器10至對象物之距離」的信號。又，判斷部132亦可為僅輸出表示從感測器10至對象物之距離的信號之結構。
在上述結構例中，判斷部132依據頻率分析部131所求出之頻譜，判斷對象物是否存在於監視區域，並輸出依據判斷結果之信號。判斷對象物是否存在於監視區域之條件基本上以從感測器10到達物體Ob之距離決定。若於平常物體Ob不存在之範圍決定監視區域，便將存在於監視區域之物體Ob判斷為對象物。
具體而言，判斷部132提取頻率分析部131所求出之頻譜中具有峰值之頻格，而判斷為物體Ob存在於對應所提取之頻格的距離。即，若對應監視區域之距離範圍的頻格產生峰值，判斷部132便判斷物體Ob存在於監視區域。在此，頻譜不限於峰值僅為1個之單峰型，亦有具有複數之峰值的可能性，若峰值存在之頻格在監視區域之範圍內，判斷部132便判斷為物體Ob存在於監視區域。
而在上述結構例中，為求出從感測器10到達物體Ob之距離，將從輻射發射波後至接收反射波之時間的2分之1視為電波到達物體Ob之時間。因此，在空間中感測器10辨識為距離感測器10一定距離之區域實際上為以發射用天線111與接收用天線112為焦點的旋轉橢圓體之表面上的區域。
惟，比起發射用天線111與接收用天線112之間隔(數mm左右)，從感測器10到達監視區域之距離非常大，故旋轉橢圓體之短徑與長徑的比率大約1。因而，監視區域可謂近似以發射用天線111與接收用天線112之中間點為中心的大小2個球面間的區域之一部分。舉例而言，可將上述球面間之區域中以發射用天線111與接收用天線112之中間點為中心而包含在預定立體角之區域定為監視區域。
如以上所說明，當從發射用天線111輻射至空間之發射波以物體Ob反射，以發射波之反射產生的反射波以接收用天線112接收時，依據差頻信號Sg3求出到達物體Ob之距離。所求出之距離包含在監視區域時，從處理部13之輸出部133輸出控制信號。因而，當將控制信號用於機器之控制時，可因應物體是否存在於監視區域，使機器運作。又，除了控制機器之用途外，亦可用於監視物體Ob侵入至監視區域之用途。
此外，當從接收用天線112輸出之接收信號的信號值(電力值)微弱時，接收用天線112所接收之電波非來自監視區域之反射波的可能性高。因而，從接收用天線112輸出之接收信號的信號值微小至不滿足基準值之程度時，該接收信號宜從控制部12之處理對象排除。即，宜於檢測部11或控制部12附加將接收信號之信號值與基準值比較的結構，而將不滿足基準值之接收信號從處理對象排除。
上述結構之感測器10因以電波檢測物體Ob，故可不受周圍之光的影響來檢測物體Ob，且可不受物體Ob之顏色或溫度之影響來檢測物體Ob，還可檢測許多材質之物體Ob。而且因使用從微波至毫米波之範圍的電波，故亦可檢測較小型之物體Ob。
再者，因求出頻譜前，進行附加零之處理，故儘管結構為間歇地輻射電波且1次輻射期間Ts為較短之時間，亦可縮短可檢測之距離的最小單位。亦即，感測器10可採用間歇地輻射電波之結構，而且可檢測存在於較近之距離的物體Ob。
舉例而言，如上述結構例般，即使輻射期間Ts為1[ms]這樣的短時間，藉修正部134適宜地進行附加零，亦可以例如20cm左右之最小單位(精確度)測量距離。因而，在可接收所輻射之發射波的反射波之範圍(例如與感測器10相距2m以內)這樣的近距離，可以較短之距離的單位檢測以較低速(例如2m/s左右)移動之物體Ob。
又，因發射頻率隨著時間經過變化之電波，並依據具有反射波與發射波之頻率差的差頻信號之頻率，求出從感測器10到達物體Ob之距離，故可依據到達物體Ob之距離，檢測對象物。即，可利用多普勒式結構無法取得之距離的資訊，檢測物體Ob。
在上述結構例中，利用頻譜中功率為峰值之頻格的頻率，求出到達物體Ob之距離。因此，可測量之距離的最小單位取決於頻格寬度。即，在上述結構例中，功率為峰值之峰值頻率包含相當於頻格寬度的誤差。為了使峰值頻率接近真正之值，計算部135亦可進行以下之處理。
即，計算部135宜使用包含功率為峰值之頻格的3個以上之頻格的功率，進行曲線配適，將對應此曲線之峰值的頻率定為峰值頻率。一般若有3個頻格之功率，便可配適於二次曲線。因而，計算部135藉求出配適之二次曲線的峰值，可決定峰值頻率。又，若有5個左右之頻格的功率，便可藉利用諸如拉格朗日內插(Lagrange Interpolation)之內插法，進行曲線配適。當計算部135進行此處理時，可比以頻格寬度決定的距離之最小單位提高距離之解析度。
(感測器之結構例2) 當感測器10採用在上述結構例所說明之數值時，藉進行附加零之處理，感測器10可以約20[cm]為單位，測量到達物體Ob之距離。惟，根據感測器10之用途，而要求更縮短測量之單位。要更縮短測量之單位，可考慮使附加於輸入至頻率分析部131之資料的零之個數增加，但頻率分析部131之輸入位元數增加，會產生處理部13之負荷增加的問題。
因此，圖4所示之感測器10A除了進行附加零之處理的修正部134，還採用正交檢測之技術，藉此，可檢測之距離的最小單位更小。
圖1所示之感測器10的混合電路1101之輸出為1個，而圖4所示之感測器10A則可從混合電路1101取得2個輸出。混合電路1101在內部分離成2個系統，可將從接收用天線112輸出之接收信號分別輸入至2個系統。在其中一系統中，將FMCW信號與接收信號混合，在另一系統，將使FMCW信號之相位位移了90度的信號與接收信號混合。對FMCW信號位移了相位之信號的相位對FMCW信號前進或延遲皆可。混合於接收信號之信號在其中一系統為正弦波時，在另一系統可為餘弦波。
如上述，當將混合電路1101構成2系統，並將相位依各系統而不同之信號與接收信號混合時，便從混合電路1101輸出相位不同之2種信號。2種信號分別包含差頻信號。2種差頻信號係藉著對於反射波所對應之接收信號混合相位差90度之信號而得，故彼此相位差90度。將如此從對應反射波之接收信號取得2種差頻信號之方式稱為正交檢測。以下將2種差頻信號其中一者稱為I信號，將另一者稱為Q信號。I信號與Q信號雖相位不同，但頻率相同。
在圖4所示之結構例中，因從混合電路1101輸出I信號及Q信號2種信號，故AD轉換器1103也為2系統，而輸出分別對應I信號與Q信號之2個數位信號。將分別對應從AD轉換器1103輸出之I信號及Q信號的2種數位信號輸入至處理部13。
處理部13之頻率分析部131，設計成使用I信號及Q信號進行DFT。即，頻率分析部131將I信號及Q信號視為正交函數列，而進行DFT之複數計算。藉此結構，頻率分析部131可易進行DFT之處理。
藉將I信號及Q信號2種信號視為正交函數列，進行DFT，比起使用單一信號求出頻譜之情形，可將測量距離之單位縮短為4分之1。即，藉組合相位差90度之2個信號，可在1週期，取得4種資訊，結果，可每隔4分之1週期，測量距離。此外，亦可進行FFT取代DFT。惟，因在FFT，取樣數必須為2之乘冪個，故需變更輻射期間Ts之取樣的點數。
圖4所示之結構例係與使頻率分析部131之輸入位元數為10倍左右的附加零之處理組合，而可將可檢測之距離的最小單位縮短成約5[cm]。其他之結構及動作則與圖1所示之結構例相同。
(感測器之結構例3) 在上述結構例中，即使靜止物體Ob繼續存在於監視區域，亦可從輸出部133輸出控制信號。因此，有根據設置感測器10之環境而對非對象物之物體Ob從輸出部133輸出控制信號之可能性。
是故，圖5所示之感測器10B採用檢測移動物體Ob作為對象物之技術。圖5所示之感測器10B於圖4所示之感測器10A的處理部13附加差分處理部136。又，在圖5所示之感測器10B中，差分處理部136設置於頻率分析部131前面。修正部134設於差分處理部136與頻率分析部131之間。差分處理部136求出在時刻不同之2個輻射期間Ts所得的差頻信號之信號值的差分。在此結構例中，差分處理部136之輸出位元數與AD轉換器1103之輸出位元數一致。
差分處理部136具有暫時記錄AD轉換器1103之輸出值的暫存器、求出AD轉換器1103之最新的輸出值與暫存器所記錄的AD轉換器1103之前次的輸出值之差分的運算部。差分處理部136所求出之差分輸入至頻率分析部131。之後的處理則與圖1所示之結構例相同。
因對應以靜止物體Ob產生之反射波的AD轉換器1103之輸出在處理週期T0之期間幾乎無變化，故對應以靜止物體Ob反射的反射波之差頻信號Sg3幾乎未出現在差分處理部136之輸出。因而，藉將差分處理部136之輸出交給頻率分析部131，可減低對應靜止物體Ob的頻格產生峰值之可能性。
即，在使用差分處理部136之感測器10B中，將靜止物體Ob從對象物排除。換言之，僅檢測侵入至監視區域之物體Ob或在監視區域移動之物體Ob作為對象物，當對象物存在於監視區域時，從輸出部133輸出控制信號。此外，將差分處理部136設成設置於頻率分析部131前面時，當從差分處理部136輸出之電力的大小不滿足基準值時，藉從處理對象排除，而與減輕頻率分析部131之處理負荷具關聯。
在上述之結構例中，差分處理部136設置於頻率分析部131前面，亦可設置於頻率分析部131後面。此時，差分處理部136求出頻率分析部31所求出之頻譜的差分、亦即各頻格之功率的差分。差分處理部136輸出所求出之差分。因而，若為移動慢之物體Ob，便於頻率接近之複數頻格產生峰值，若為移動快之物體Ob，則於頻率不相近之複數頻格產生峰值。若利用此點，可依據峰值之位置，獲得物體Ob移動之速度的標準。
在上述動作例中，差分處理部136求出在前後相鄰之2次處理週期T0所得之資訊的差分，求出差分之處理週期T0亦可不相鄰。亦即，差分處理部136亦可求出在最新之處理週期T0所得之資訊與在預定次數前之處理週期T0所得之資訊的差分。舉例而言，差分處理部136亦可求出在最新之處理週期T0所得之資訊與在10個週期前之處理週期T0所得之資訊的差分。又，差分處理部136亦可求出感測器10B啟動時所得之資訊與最新之資訊的差分。總而言之，差分處理部136只要設計成因應用途將靜止物體Ob從處理對象排除即可。圖5所示之結構例3的其他結構及動作則與圖4所示之結構例2相同。又，結構例3所說明之差分處理部136的技術可與圖1所示之結構例組合。
(水龍頭裝置) 在以下，使用圖6，說明感測器10B之應用例的水龍頭裝置20。以下說明之水龍頭裝置係與廚房用水槽22組合來使用的結構，具有配置於包圍廚房用水槽22之流理台23的水龍頭21，感測器10於此水龍頭21安裝成一體。用於水龍頭裝置20之感測器10B採用結構例2及結構例3的技術。即，感測器10B具有圖5所示之結構。
水龍頭21具有固定於流理台23之一定位置且從流理台23之上面突出的基座211、對基座211在沿著流理台23之上面的面內旋轉之出水管212。基座211與出水管212之內部連接成形成水(或熱水)之流道，並於基座211配置有選擇將流道開啟之狀態與關閉之狀態的閥213(參照圖5)。閥213具有電磁閥，因應來自感測器10B之控制信號，選擇開啟流道或關閉流道。即，感測器10B藉將控制信號給予閥213，而控制水龍頭21之出水及止水。
在圖6所示之結構例中，感測器10B與設於出水管212之前端部的出水口214相鄰配置。感測器10B調節成將出水口214附近作為監視區域，當對象物進入監視區域時，便輸出用以開啟閥213之控制信號。具體而言，將發射用天線111及接收用天線112之配置以及由判斷部132所決定之條件定成使出水口214之正下方及其周邊為監視區域。因而，當手、餐具、烹調器具、蔬菜、水果等對象物靠近出水口214時，閥213便開啟而進行出水。
另一方面，在感測器10B未檢測出對象物之狀態下，感測器10B輸出用以關閉閥213之控制信號。因而，當對象物遠離出水口214時，閥213便關閉而進行止水。此外，閥213宜具有僅於出水及止水之切換時間點通電之閂鎖式電磁閥。當然，閥213為閂鎖式是一例，閥213亦可具有電動閥。
而用於水龍頭裝置20之感測器10B於距離感測器10B數[cm]至50[cm]左右的距離決定監視區域。另一方面，在從出水口214出水之方向，發射用天線111及接收用天線112之位置大多與出水口214之位置不同。通常發射用天線111及接收用天線112之位置與出水口214之位置的距離定為數[cm]左右。
因而，當令監視區域之起點為出水口214時，需對以感測器10B為起點之監視區域進行數[cm]左右的修正。亦即，要設定以出水口214為起點之監視區域需從在感測器10B決定監視區域之距離減去修正值。相反來說，以感測器10B為起點時，其到達監視區域之距離包含相當於出水口214與感測器10B之位置的差之修正值。
舉例而言，假定為感測器10B之發射用天線111及接收用天線112位於水龍頭21之出水口214上方6[cm]之情形。此時，從出水口214到達監視區域之距離加上6[cm]之修正值的值為從感測器10B到達監視區域之距離。舉例而言，監視區域設定為與感測器10B相距10[cm]以上30[cm]以下之範圍時，若修正值為6[cm]，則從出水口214至監視區域的距離為4[cm]以上24[cm]以下之範圍。
於此所說明之水龍頭裝置20中，若適當地設定感測器10B之監視區域，可減低將水槽22之底誤認為對象物之可能性，但當水槽22放置有清洗物時，有將之誤認為對象物而出水之可能性。另一方面，在此水龍頭裝置20中感測器10B檢測之對象物為手、餐具、烹調器具、蔬菜、水果等，對感測器10B之相對速度為數[cm/s]至1[m/s]左右的移動物體Ob。因而，只要區別移動物體Ob及靜止物體Ob，即使水槽22有放置清洗物，亦可減低將之誤認為對象物之可能性。因此，可將具有差分處理部136之感測器10B用於在廚房使用之水龍頭裝置20。
上述感測器10B不限在廚房使用之水龍頭裝置20，亦可用於洗臉間、廁所、浴室等之水龍頭21。設置感測器10B之位置不限出水口214附近，亦可遠離出水口214，也可為水龍頭21之基座211。又，感測器10B亦可設於洗臉槽或洗手槽。
水龍頭裝置20不僅可為於與水槽22組合之水龍頭21設有感測器10B之結構，亦可為於對便器、蓮蓬頭、浴缸等之供水路徑配置閥213之結構。此外，判斷部132及輸出部133之動作可因應水龍頭裝置20之用途設計。亦即，可因應水龍頭裝置20之用途，使感測器10B檢測出之空間資訊與閥213之動作具相關性。
上述感測器10B不僅可用於水龍頭21之出水與止水的選擇，也可作為被接觸式開關而用於機器之運轉與停止的選擇，還可用作為在近距離進行人體檢測的感應人之感測器而監視建築物之開口部的通過者之用途等。
在此，就感測器10B應用於水龍頭裝置20之情形的結構作了說明，但不限於此結構。亦可將感測器10或感測器10A應用於水龍頭裝置20。
此外，上述實施形態為本發明之一例，因此，本發明不限上述實施形態，即使為此實施形態以外，只要為不脫離本發明之技術性思想的範圍，當然可因應設計等，進行各種變更。
(統整) 如以上所說明，第1態樣之感測器(10、10A、10B)包含有檢測部(11)及處理部(13)。檢測部(11)將頻率隨著時間經過而變化之電波輻射至空間，且從空間接收電波。處理部(13)依據檢測部(11)所輻射之電波的頻率與所接收之電波的頻率之頻率差，測量「到達存在於空間之物體Ob的距離」。又，檢測部(11)具有用以輸出具有所輻射之電波的頻率與所接收的電波的頻率之頻率差的差頻信號之數位值的類比/數位轉換器(AD轉換器1103)。再者，檢測部(11)之結構為以反覆進行包含使電波輻射之輻射期間Ts與不使電波輻射之休止期間Tr各1次的處理週期T0的方式運作而間歇輻射電波。處理部(13)具有頻率分析部(131)、修正部(134)及計算部(135)。頻率分析部(131)設計成輸入位元數多於AD轉換器(1103)之輸出位元數，且求出差頻信號之頻譜。修正部(134)將AD轉換器(1103)之輸出位元數與頻率分析部(131)之輸入位元數的差值個數的零附加於輸入至頻率分析部(131)之數位值。計算部(135)從頻率分析部(131)所求出之頻譜求出功率為峰值的峰值頻率，並將峰值頻率換算成到達物體Ob之距離。
根據此結構，為了求出頻譜，而於給予頻率分析部(131)之資料加上零，故給予頻率分析部(131)之位元數增加，結果，可提高頻率分析部(131)之頻率解析度。即，藉使頻率分析部(131)之輸入位元數多於檢測部(11)之輸出位元數，相較於對應檢測部(11)之輸出位元數的頻譜，可更提高頻率之解析度。結果，依據差頻信號之頻率求出的距離之最小單位可小於修正部(134)不進行修正的情形。
此外，在此結構中，電波在處理週期T0間歇地輻射至空間，感測器(10、10A、10B)每當處理週期T0，便可求出差頻信號之頻譜。亦即，隨著時間經過，到達物體Ob之距離變化時，最小可以處理週期T0之時間間隔追蹤到達物體Ob之距離的變化。
第2態樣之感測器(10、10A、10B)係在第1態樣中，計算部(135)亦可求出配適於「包含在差頻信號之頻譜中功率為峰值之頻格的3個以上之頻格」的曲線，進一步，亦可將對應曲線之峰值的頻率定為峰值頻率。此時，計算部(135)將峰值頻率換算成到達物體Ob之距離。
根據此結構，可以高於以頻格寬度決定的距離之最小單位的精確度求出到達物體Ob之距離。
第3態樣之感測器(10B)係在第1或第2態樣中，處理部(13)具有求出「在時刻不同之2個輻射期間Ts所得的差頻信號之信號值的差分」之差分處理部(136)。處理部(13)用以將差分處理部(136)之輸出交給頻率分析部(131)。
根據此結構，因差分處理部(136)輸出在時刻不同之輻射期間Ts所得的差頻信號中信號值不同之成分，故可減少從靜止物體Ob所得的差頻信號。換言之，差分處理部(136)之輸出對應移動物體Ob所反射的成分，感測器(10)可檢測移動物體Ob作為對象物。
第4態樣之感測器(10B)係在第1或第2態樣中，處理部(13)亦可具有差分處理部(136)，該差分處理部求出頻率分析部(131)分別從在時刻不同之2個輻射期間Ts所得的差頻信號所求出之頻譜的各頻格之功率的差分。此時，處理部(13)將差分處理部(136)之輸出交給計算部(135)。
根據此結構，因差分處理部(136)輸出在時刻不同之輻射期間Ts所得的頻譜之差分，故可減少從靜止物體Ob所得之頻格的功率。換言之，差分處理部(136)之輸出對應移動物體Ob所反射之頻率的成分，感測器(10B)可檢測移動物體Ob作為對象物。又，因差分處理部(136)求出頻譜之差分，故相較於求出分析頻率前之數位值的差分之情形，有減少諸如記憶體之硬體資源的可能性。
第5態樣之感測器(10B)係在第3或第4態樣中，2個輻射期間Ts中之其中一者宜為檢測部11運作當中之最新的處理週期T0之輻射期間Ts，2個輻射期間Ts中之另一者則為檢測部(11)之運作開始時的處理週期T0之輻射期間Ts。
根據此結構，因提取對檢測部(11)開始運作之時間點的環境之變化，故可檢測在檢測部(11)開始動作之時間點未檢測到之物體Ob。
第6態樣之感測器(10B)係在第3或第4態樣中，2個輻射期間Ts中之其中一者亦可為檢測部(11)之運作當中的最新之處理週期T0的輻射期間Ts，2個輻射期間Ts中之另一者則為在檢測部(11)之運作當中預定次數前之處理週期T0的輻射期間Ts。
根據此結構，因提取對在檢測部(11)之運作當中預定次數前之處理週期T0的環境之變化，故即使環境或感測器10B之動作緩慢地產生歷時變化，亦可減低誤認為物體Ob之可能性。即，隨著時間經過，環境逐漸變化時，或者因感測器10B之溫度變化或感測器10B的惡化等，感測器10B之動作逐漸變化時，可減低將此種變化誤認為物體Ob之可能性。
第7態樣之感測器(10A)係在第1~第6任一態樣中，檢測部(11)對於從空間接收之電波所對應的接收信號進行正交檢測，藉而輸出相位彼此差90度之2個差頻信號作為該差頻信號。又，修正部(134)將零分別附加於對應該2個差頻信號而輸入至頻率分析部(131)之2個數位值。頻率分析部(131)係進行離散傅立葉轉換(DFT)與快速傅立葉轉換(FFT)其中一者之結構，被輸入2個數位值分別附加了零之修正部(134)的輸出。
即，頻率分析部(131)為進行複數計算之結構，相較於不進行複數記算之結構，距離之最小單位為4分之1。
第8態樣之感測器(10、10A、10B)係在第1~第7態樣任一態樣中，檢測部(11)宜從以下3種結構選擇。第1結構係以輻射至空間之電波的頻率隨著時間經過而單調遞增之方式掃描頻率的結構。第2結構係以輻射至空間之電波的頻率隨著時間經過而單調遞減之方式掃描頻率的結構。第3結構係以輻射至空間之電波的頻率包含隨著時間經過而單調遞增之期間及單調遞減之期間的方式掃描頻率之結構。
藉選擇該等3種結構中之任一結構，若在輻射期間Ts變化，到達物體Ob之距離不變化時，在輻射期間Ts可獲得頻率一定之差頻信號。即，可以輻射期間Ts為單位，來分析差頻信號之頻率。
第9態樣之感測器(10、10A、10B)係在第1~第8任一態樣中，計算部(135)宜於該頻譜之功率的峰值不超過預定閾值時，不求出距離。
藉此結構，可減低反射電波之物體Ob不存在時將微小之雜音誤認為物體Ob之存在的可能性。
第10態樣之感測器(10、10A、10B)係在第1~第9任一態樣中，處理部(13)宜具有判斷是否在依據距離而定之監視區域的範圍內之判斷部(132)、及因應判斷部(132)之判斷結果而輸出機器控制用控制信號的輸出部(133)。
根據此結構，藉因應判斷部(132)之判斷結果，從輸出部(133)輸出控制信號，可控制機器之動作。舉例而言，若為以下說明之水龍頭裝置(20)，可將閥(213)(參照圖5)作為控制對象之機器，以控制信號進行閥(213)之開啟及關閉。又，若控制對象之機器為警報裝置，則於感測器(10、10A、10B)檢測到監視區域之人的存在時，可使警報裝置運作。來自感測器(10、10A、10B)之控制信號的控制對象之機器不限該等例，判斷部(132)之判斷結果與輸出部(133)之控制信號的關係亦可適宜決定。輸出部(133)亦可輸出不僅可選擇開啟與關閉這2種狀態還可選擇3種狀態以上之控制信號。又，輸出部(133)亦可輸出信號值因應到達物體Ob之距離而連續變化之控制信號。
第11態樣之感測器(10、10A、10B)係在第10態樣中，判斷部(132)宜具有將存在於依據距離而定之監視區域內的物體判定為對象物之功能，並可設定作為監視區域之界限的距離。
即，因感測器(10、10A、10B)為測量距離之結構，故判斷部(132)可將存在於依據距離而定之監視區域的物體Ob判定為對象物。又，因作為監視區域之界限的距離由判斷部(132)設定，故藉變更判斷部(132)之設定，可決定監視區域之範圍。舉例而言，當僅將距離之上限決定作為監視區域之界限時，感測器(10、10A、10B)檢測比上限之距離近的物體Ob作為對象物，當僅決定距離之下限作為監視區域的界限時，感測器(10、10A、10B)則將比下限之距離遠的物體Ob檢測作為對象物。又，當決定距離之上限及下限作為監視區域之界限時，感測器(10、10A、10B)檢測比上限之距離近且比下限之距離遠的範圍之物體Ob作為對象物。
第12態樣之水龍頭裝置(20)包含有第10或第11態樣之感測器(10、10A、10B)、接收控制信號而選擇出水及止水之水龍頭(21)。處理部(13)於對象物存在於監視區域時，給予水龍頭(21)選擇出水之控制信號，而於對象物不存在於監視區域時，則給予水龍頭(21)選擇止水之控制信號。
根據此結構，可以上述感測器(10、10A、10B)控制水龍頭(21)之出水及止水。因此，若對象物存在於監視區域時，便進行水龍頭(21)之出水，若使對象物超出監視區域時，則可進行止水，而可在不進行把手等之操作下，自動地進行出水及止水。亦即，可減低從水龍頭(21)不必要地出水之可能性，也有助於節水。
第12態樣之水龍頭裝置(20)係在第11態樣中，感測器(10、10A、10B)宜與水龍頭(21)安裝成一體。即，因可以感測器(10、10A、10B)與水龍頭(21)一體化之水龍頭裝置(20)提供商品，故可在不變更水龍頭(21)以外之結構下，與既有之水龍頭(21)更換，藉此，可享有水龍頭裝置(20)之優點。
10‧‧‧感測器
10A‧‧‧感測器
10B‧‧‧感測器
11‧‧‧檢測部
12‧‧‧控制部
13‧‧‧處理部
20‧‧‧水龍頭裝置
21‧‧‧水龍頭
22‧‧‧水槽
110‧‧‧高頻電路
111‧‧‧發射用天線
112‧‧‧接收用天線
131‧‧‧頻率分析部
132‧‧‧判斷部
133‧‧‧輸出部
134‧‧‧修正部
135‧‧‧計算部
136‧‧‧差分處理部
211‧‧‧基座
212‧‧‧出水管
213‧‧‧閥
214‧‧‧出水口
1101‧‧‧混合電路
1102‧‧‧信號產生電路
1103‧‧‧AD轉換器(類比/數位轉換器)
1104‧‧‧濾波電路
Bw‧‧‧頻率之範圍
F1‧‧‧發射波之頻率
F2‧‧‧反射波之頻率
Ob‧‧‧物體
Sg1‧‧‧FMCW信號
Sg2‧‧‧接收信號
Sg3‧‧‧差頻信號
T0‧‧‧處理週期
Tr‧‧‧休止期間
Ts‧‧‧輻射期間
△f‧‧‧發射波與反射波之頻率差
△t‧‧‧從電波之輻射至接收為止之時間。
圖1係顯示實施形態之感測器的結構例1之電路方塊圖。 圖2係實施形態之發射波的說明圖。 圖3係實施形態之動作的說明圖。 圖4係顯示實施形態之感測器的結構例2之電路方塊圖。 圖5係顯示實施形態之感測器的結構例3之電路方塊圖。 圖6係安裝有實施形態之水龍頭裝置的水槽之截面圖。
10‧‧‧感測器
11‧‧‧檢測部
12‧‧‧控制部
13‧‧‧處理部
110‧‧‧高頻電路
111‧‧‧發射用天線
112‧‧‧接收用天線
131‧‧‧頻率分析部
132‧‧‧判斷部
133‧‧‧輸出部
134‧‧‧修正部
135‧‧‧計算部
1101‧‧‧混合電路
1102‧‧‧信號產生電路
1103‧‧‧AD轉換器(類比/數位轉換器)
1104‧‧‧濾波電路
Ob‧‧‧物體

Claims (13)

  1. 一種感測器，包含： 檢測部，其將頻率隨著時間經過而變化之電波輻射至空間且從該空間接收電波；及 處理部，其依據所輻射之電波的頻率與所接收之電波的頻率之頻率差，測量至存在於該空間之物體的距離； 該檢測部具有類比/數位轉換器，該類比/數位轉換器用以輸出具有該檢測部所輻射之電波的頻率與所接收的電波的頻率之頻率差的差頻信號之數位值， 且該檢測部之結構係以反覆進行具有「使電波輻射之輻射期間」與「不使電波輻射之休止期間」各1次的處理週期之方式運作而間歇地輻射電波， 該處理部具有： 頻率分析部，構成為其輸入位元數多於該類比/數位轉換器之輸出位元數，並求取該差頻信號之頻譜； 修正部，其將該類比/數位轉換器之輸出位元數與該頻率分析部之輸入位元數的差值個數的零附加於輸入至該頻率分析部之數位值；及 計算部，其從該頻率分析部所求取之該頻譜求出功率為峰值之峰值頻率，並將該峰值頻率換算成至該物體之距離。
  2. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中， 該計算部求出配適於包含在該差頻信號之頻譜中功率為峰值之頻格(frequency bin)的3個以上之頻格的曲線，進一步，將對應於該曲線之峰值的頻率定為峰值頻率，並將該峰值頻率換算成至該物體之距離。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之感測器，其中， 該處理部具有求出在時刻不同之2個輻射期間所得之差頻信號的信號值之差分的差分處理部，並將該差分處理部之輸出交給該頻率分析部。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之感測器，其中， 該處理部具有差分處理部，該差分處理部求出該頻率分析部分別從在時刻不同之2個輻射期間所得的差頻信號所求出之頻譜的各頻格之功率的差分，該處理部並將該差分處理部之輸出交給該計算部。
  5. 如申請專利範圍第3項之感測器，其中， 該2個輻射期間中之其中一者係在該檢測部運作當中之最新的處理週期之輻射期間，該2個輻射期間中之另一者係該檢測部運作開始時的處理週期之輻射期間。
  6. 如申請專利範圍第3項之感測器，其中， 該2個輻射期間中之其中一者係在該檢測部運作當中的最新之處理週期的輻射期間，該2個輻射期間中之另一者係在該檢測部運作當中預定次數前之處理週期的輻射期間。
  7. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中， 該檢測部對於從該空間接收之電波所對應的接收信號進行正交檢測，藉而輸出相位彼此差90度之2個差頻信號作為該差頻信號， 該修正部將零分別附加於對應該2個差頻信號而輸入至該頻率分析部之2個數位值， 該頻率分析部係進行離散傅立葉轉換與快速傅立葉轉換其中一者之結構，被輸入該2個數位值分別附加了零之該修正部的輸出。
  8. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中， 該檢測部從下列結構選擇，該等結構係以輻射至該空間之電波的頻率隨著時間經過單調遞增之方式掃描頻率的結構、以輻射至該空間之電波的頻率隨著時間經過單調遞減之方式掃描頻率的結構、以輻射至該空間之電波的頻率包含隨著時間經過單調遞增之期間及單調遞減之期間的方式掃描頻率之結構。
  9. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中， 該計算部當該頻譜之功率的峰值不超過預定閾值時，不求出該距離。
  10. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中， 該處理部具有： 判斷部，其判斷是否在依據該距離決定之監視區域的範圍內； 輸出部，其因應該判斷部之判斷結果，輸出機器控制用控制信號。
  11. 如申請專利範圍第10項之感測器，其中， 該判斷部具有將存在於依據距離而定之監視區域內的物體判定為對象物之功能，並可設定作為該監視區域之界限的距離。
  12. 一種水龍頭裝置，其包含有： 如申請專利範圍第10項或第11項之感測器；及 水龍頭，其可接收控制信號來選擇出水或止水； 該處理部於該對象物存在於該監視區域時，給予該水龍頭選擇出水之控制信號，而於該對象物不存在於該監視區域時，則給予該水龍頭選擇止水之控制信號。
  13. 如申請專利範圍第12項之水龍頭裝置，其中， 該感測器與該水龍頭安裝成一體。
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