WO2012008021A1 - 計測装置 - Google Patents

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WO2012008021A1
WO2012008021A1 PCT/JP2010/061859 JP2010061859W WO2012008021A1 WO 2012008021 A1 WO2012008021 A1 WO 2012008021A1 JP 2010061859 W JP2010061859 W JP 2010061859W WO 2012008021 A1 WO2012008021 A1 WO 2012008021A1
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WO
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vibration
measuring device
controller
receiver
frequency
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PCT/JP2010/061859
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樹生 中川
章彦 兵頭
英明 倉田
於保　茂
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株式会社日立製作所
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Priority to PCT/JP2010/061859 priority patent/WO2012008021A1/ja
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    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S13/751—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring the presence / absence of an object, position, size, liquid amount, liquid level height, and the like using radio waves.
  • Devices that detect the presence and position of objects using radio waves such as millimeter waves and microwaves as detection media are used in various application fields.
  • Doppler radars using microwaves and millimeter waves are used for safe driving support of automobiles and automatic driving.
  • a Doppler sensor using radio waves is also used as a human sensor for detecting the intrusion of a person into a building and the movement of a person in a room.
  • measuring devices using microwaves are used to detect the presence and position of objects such as processed products.
  • Patent Document 1 discloses a transmitter installed at a certain distance and transmitting a radio wave, and the transmitter transmitting the radio wave. There is disclosed a transmission sensor that determines the presence or absence of an object between a transmitter and a receiver based on a receiver that receives the radio wave and a radio wave that is transmitted through a space between the transmitter and the receiver.
  • a high-frequency signal in the 24.2 GHz band is transmitted from a transmitter as a pulsed microwave toward a predetermined detection region, and the signal is detected by a reception unit. Based on the magnitude of the amplitude.
  • a technique for detecting the presence of a moving object between a transmission unit and a reception unit is disclosed.
  • the detection of the presence or absence of an object using radio waves such as millimeter waves and microwaves, and the measurement of the position and size of an object are used particularly when detecting an object hidden behind an object that does not transmit light such as visible light and infrared light. .
  • millimeter waves and microwaves have longer wavelengths than light, directivity is poor and the beam spreads. For this reason, there is a problem that an object detection range is widened, and when an object at a specific position is to be detected, an object at another location is erroneously detected.
  • FIG. 16 shows an example of a conventional measuring apparatus using millimeter waves.
  • This measuring apparatus includes a millimeter wave transmitter 1600, a millimeter wave receiver 1601, and antennas 1602 and 1603.
  • a millimeter wave is output from the millimeter wave transmitter 1600 and radiated to the space through the antenna 1602.
  • This millimeter wave is received by the millimeter wave receiver 1601 via the antenna 1603 on the receiving side.
  • the power of the millimeter wave to be received is different, so the presence or absence of the object can be measured.
  • the beam radiated into space has a spread.
  • the receiving antenna since radio waves have the property of diffracting, the beam radiated into space has a spread.
  • the receiving antenna since the receiving antenna also has wide directivity, it receives signals from a wide range. For this reason, it is difficult to detect only an object at a specific position. For example, even when it is desired to detect only an object that is in a straight line connecting the antenna 1602 on the transmission side and the antenna 1603 on the reception side, the intensity of the received signal is influenced by the surrounding object, and thus is not linear. There is a possibility of false detection of an object. In addition, due to the spread of the beam, it is difficult to accurately measure the position and size of the object.
  • ⁇ To suppress the spread of the millimeter wave beam there are methods such as changing the shape and size of the antenna and lens, but there are many restrictions on the shape, size, and material of the antenna that transmits and receives millimeter waves, which is not easy. In addition, processing and design costs are increased.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus for accurately measuring the presence / absence, position, size, etc. of an object using an inexpensive and easy method.
  • a measuring device including a controller that outputs information on an object to be measured on a path through a vibration surface between a transmitter and a receiver.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • This measuring apparatus includes a controller 100, a millimeter wave transceiver 101, an antenna 102, a vibration generator 103, and a measurement object 104.
  • the controller 100 has a central processing unit (CPU) 105, a memory 106, and an interface (IO) 107 with the outside.
  • the vibration generator 103 includes a vibration surface 108, a driver 109, and an oscillator 110.
  • the controller 100 controls the operation of the millimeter wave transmitter / receiver 101 and performs data processing of an output signal from the millimeter wave transmitter / receiver 101.
  • the controller 100 can also perform timing control for causing the vibration generator 103 to vibrate.
  • the millimeter wave transceiver 101 outputs millimeter waves from the antenna 102 to the space.
  • a millimeter wave signal from the same antenna 102 is received and demodulated, and the demodulated data is output to the controller 100.
  • the millimeter wave is a radio wave having a wavelength of millimeter order, for example, a radio wave having a frequency of 77 GHz.
  • the radio wave used in the measurement apparatus according to the present invention is not limited to the millimeter wave, and may be a radio wave having another frequency such as a microwave having a frequency of 24 GHz.
  • the frequency range is preferably 11 GHz to 300 GHz.
  • the vibration generator 103 has an oscillator 110 that oscillates at a constant period, and vibrates the vibration surface 108 at the frequency.
  • the vibration surface is driven by a driver 109.
  • the direction in which the vibration surface 108 vibrates is a direction connecting the antenna 102 and the vibration surface 108.
  • the vibration surface 108 includes, for example, a piezoelectric element, a solenoid, a speaker, or the like, but is not limited thereto.
  • the frequency at which the vibration surface 108 vibrates is 1 kHz, for example, but is not limited thereto, and this frequency can be changed.
  • the frequency range is preferably 100 Hz to 100 kHz.
  • FIG. 2 is an example of the millimeter wave transceiver 101 used in the measurement apparatus of this embodiment.
  • the millimeter-wave transceiver 101 includes a high-frequency oscillator 200, a transmission power amplifier (PA) 201, a reception low-noise amplifier (LNA) 202, a mixer 203, a low-pass filter (LPF) 204, an amplifier 205, and distributors 206 and 207. Consists of A local oscillation signal having a frequency in the millimeter wave band generated by the high frequency oscillator 200 is distributed by the distributor 206 and transmitted to the antenna 102 via the power amplifier 201 and the distributor 207. The millimeter wave received by the antenna 102 passes through the distributor 207 and is amplified by the LNA 202.
  • PA transmission power amplifier
  • LNA reception low-noise amplifier
  • LPF low-pass filter
  • the signal amplified by the LNA is multiplied by the local oscillation signal from the high-frequency oscillator 200 by the mixer 203 and down-converted.
  • the output signal of the mixer 203 is passed through a low-frequency signal by the LPF 204, amplified by the amplifier 205, and output to the controller 100.
  • the controller was modulated by the vibration of the vibration surface by multiplying the modulated millimeter wave received by the receiver with a transmission signal that diverges at the same frequency as the millimeter wave transmitted by the transmitter. Signal components can be extracted.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the measuring apparatus of this embodiment.
  • the millimeter wave S111 is transmitted from the millimeter wave transceiver 101 via the antenna 102 (S300).
  • the transmitted millimeter wave S111 is reflected by the vibration surface 108 (S301).
  • the millimeter wave S112 reflected by the vibration surface 108 is modulated by the frequency at which the vibration surface 108 vibrates according to the Doppler principle. That is, the millimeter wave S111 transmitted from the millimeter wave transmitter is
  • V TX0 , V RX0 , and A indicate the amplitude of the transmission wave, the reflected wave, and the vibration surface, respectively.
  • f m , f s , t, and ⁇ represent the frequency of the transmitted millimeter wave, the vibration frequency of the vibration surface, time, and phase offset, respectively.
  • the millimeter wave transceiver 101 receives the millimeter wave S112 reflected by the vibration surface 108 (S302).
  • the received millimeter wave S112 is amplified by the LNA 202, down-converted by the mixer 203, high-frequency components are removed by the LPF 204, amplified by the amplifier 205, and output to the controller 100 (S303).
  • FIG. 4 is an example of a frequency spectrum of the signal S113 received and demodulated by the millimeter wave transceiver 102. Since the millimeter wave S112 received by the millimeter wave transceiver 102 is modulated by the vibration frequency of the vibration surface 108, the output signal S113 of the amplifier 205 includes the vibration frequency f S of the vibration surface and its harmonic components 2f S , 3f. The signal includes S 1 ,.
  • the controller 100 extracts the same frequency component as the frequency f S of the vibration surface 108 from the output signal S113 of the millimeter wave transceiver, and extracts the power of the signal of this frequency component (S304). This frequency f S is known, and this information is stored in the memory 106 in advance, and the stored frequency information is used, or since the frequency f S is a peak, the frequency spectrum peak is used, The controller 100 can extract the signal power of the frequency component.
  • a method of extracting the same frequency component (modulated signal component) as the vibration frequency f S of the vibration surface 108 from the output signal S113 of the millimeter wave transceiver by the controller 100 for example, a method using fast Fourier transform (FFT) There is.
  • FFT fast Fourier transform
  • Another method is to perform synchronous detection. Using an oscillation signal having the same frequency as that of the oscillator 110 of the vibration generator 103, the output signal S113 of the millimeter wave transceiver is synchronously detected.
  • the controller synchronously detects the component of the millimeter wave received by the receiver, modulated by the vibration surface 108, using a transmission signal having a frequency equal to the frequency at which the vibration surface vibrates. If this synchronous detection is used, the same frequency component as f S can be extracted with a small amount of calculation compared with the case where FFT is performed. Therefore, when the processing speed of the CPU 105 and the capacity of the memory 106 are limited, the calculation can be performed with a small amount of calculation by using the synchronous detection.
  • the controller 100 determines the presence or absence of the measurement object 104 from the magnitude of the output signal S113 of the millimeter wave transceiver 102. That is, the presence or absence of the measurement object 104 is specified from the power of the received frequency component signal (S305). The same measurement is possible even when the millimeter wave is reflected by the measurement object and does not pass through.
  • the controller 100 outputs the information regarding the presence or absence of a measurement target object. As described above, the controller outputs the information on the measurement target object along the path between the transmitter and the receiver, thereby accurately identifying the presence or absence of the object. Although not necessarily essential, the controller can also display this information on the image display device by further providing an image display device.
  • the object detection range is determined by the directivity of the antenna, but in the present invention, the object detection range can be changed by the vibration surface.
  • the size and shape of the vibration surface need only be changed, and there is no need to change the directivity of the antenna. Since the vibration surface operates at a low frequency such as a piezoelectric element, it can be easily downsized and processed into an arbitrary shape as compared with processing and control of an antenna operating at high frequency. Therefore, by using the vibration surface as in the present embodiment, it is possible to obtain information on only a specific propagation path, and it is possible to specify a detection range. That is, the measurement range can be easily narrowed and a specific range can be set as the measurement range at low cost.
  • the frequency of the vibration generator is extracted by the controller, there is an effect that it is also resistant to external noise. It is also possible to measure external noise in advance and change the frequency f S of the vibration surface 108 so as to avoid the frequency of external noise. Further, if the attenuation rate at the radio frequency used for measurement is known, it is possible to determine what the object is based on the attenuation rate. In addition, by storing the attenuation rate data in the memory 106 in advance, the controller can automatically determine the type of the object.
  • the millimeter wave transmitter / receiver in which the transmission function and the reception function are integrated has been described as an example.
  • the present invention is not limited to this. Even if a millimeter wave transmitter and a millimeter wave receiver are separately provided and each has an antenna, the presence or absence of an object can be measured by the same principle.
  • a common high-frequency oscillator can be used, and the apparatus can be simplified.
  • the controller generates a millimeter wave to be transmitted by the transmitter based on the output signal of the high-frequency oscillator, and multiplies the received millimeter wave by this output signal to thereby generate a signal component modulated by vibration. Can be extracted.
  • the principle of the measuring apparatus according to the present invention is used, not only the presence / absence of an object but also the size of an object and the amount of a certain substance can be measured. For example, it is possible to measure the amount of liquid that has entered the container.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the liquid level height measuring apparatus according to the present embodiment.
  • the measuring device includes a controller 500, a millimeter wave transceiver 101, an antenna 102, a vibration generator 110, a moving device 501, a container 502, and a liquid 503.
  • the controller 500 controls the mobile device 501 in addition to the control of the millimeter wave transceiver 101 and the data processing of the signal S113 from the millimeter wave transceiver 101.
  • the controller 100 can also perform timing control for causing the vibration generator 103 to vibrate.
  • the millimeter wave transceiver 101 transmits / receives a millimeter wave via the antenna 102 based on a command from the controller 500 and demodulates the received signal.
  • the moving device 501 moves the container 502 containing the liquid 503, which is a measurement target, in the vertical direction. Note that the container 502 is moved in order to change the relative positions of the container 502, the antenna 102, and the vibration surface 108.
  • the antenna 102 and the vibration surface 108 may be moved instead of the container 502. Good. If the measurement target is not a liquid, it may be moved in the direction perpendicular to the paper surface. In any case, it is only necessary to change the positional relationship between the path and the measurement target relative to the millimeter wave propagation path in the vertical direction.
  • Fig. 6 shows the operation flow of this measuring device.
  • a container 502 containing a liquid 503 that is a measurement object is installed in the moving device 501 (S600).
  • a millimeter wave is transmitted from the millimeter wave transceiver 101, and a signal reflected by the vibration surface 108 is received by the millimeter wave transceiver 101.
  • the signal is down-converted, and the controller 500 extracts the signal intensity of the same frequency component as the frequency of the vibration surface (S601).
  • the controller 500 controls the moving device 501 and changes the position of the container 502 (S603). This process is repeated until the measurement is completed (S601, S602, S603).
  • the signal intensity may be extracted continuously, or the signal intensity may be extracted intermittently, and the signal intensity may be extracted in a stationary state.
  • FIG. 7 is an example of an output signal obtained using this apparatus. Since the millimeter wave is attenuated by the liquid, the received signal intensity is different between the portion where the liquid 503 is not contained in the container 502 and the portion where the liquid 503 is contained. For this reason, the intensity of the received signal changes with the position of the liquid level as a boundary. By detecting this boundary with the controller 500, the height of the liquid level can be detected. That is, the controller 500 can detect the height of the liquid level from the extracted signal intensity and the positional relationship of the moving device (S604).
  • the controller 100 outputs information on the measurement object such as the position and size of the measurement object, the height of the liquid surface, and the liquid amount. In this way, the controller outputs the information of the measurement object on the path through the vibration surface between the transmitter and the receiver, so that the position, size, liquid amount, or liquid surface height of the object can be accurately determined. Can be detected.
  • the controller can also display this information on the image display device by further providing an image display device.
  • the millimeter wave from the millimeter wave transceiver 101 diffracts around the container 502 and is reflected by the vibration surface 108 and is received by the millimeter wave transceiver 101, which may deteriorate the detection accuracy of the liquid level. is there.
  • it is effective to make the distance between the container 503 and the vibration surface 108 as close as possible. For example, it is possible to suppress adverse effects due to wraparound by bringing the measurement object closer than the wavelength of the millimeter wave to be used.
  • the liquid level height can be measured with high accuracy.
  • the liquid level can be measured for a thing that is in a colored container that does not transmit light by using radio waves such as millimeter waves, or that is attached with a label such as paper.
  • the liquid whose liquid level can be measured by the apparatus of the present embodiment may be any liquid as long as it is attenuated by the radio wave used, such as water, oil, chemicals, and blood.
  • the type of liquid to be measured is unknown, the type of liquid can be specified from the attenuation rate.
  • the controller can automatically determine the type of liquid.
  • the liquid contained in the container has been described.
  • the present invention is not limited to this.
  • the type of liquid or object to be detected is not limited to one.
  • the position of the boundary surface of the object can be measured if the attenuation rate of the radio wave of each object is different.
  • the position of the boundary surface of the liquid may be measured. It becomes possible.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the measuring apparatus of this embodiment.
  • This measuring apparatus includes a controller 800, a millimeter wave transceiver 101, an antenna 102, a vibration generator 801, and a measurement object 104.
  • the vibration generator 801 includes an oscillator 110, a driver 109, a switch 802, and a plurality of vibration surfaces (vibration generation sources) 108a, 108b, 108c,.
  • the subscripts “a”, “b”, “c”,... represent the same components, and the subscripts will be omitted unless particularly described below.
  • the controller 800 controls the vibration generator 801 in addition to controlling the millimeter wave transceiver 101 and processing received data.
  • the vibration generator 801 receives the control signal from the controller 800 and switches the switch 802 to vibrate any one of the vibration surfaces 108a, 108b, 108c,.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the measuring apparatus of the present embodiment.
  • the measurement object 104 is installed in the measurement apparatus of the present embodiment (S900).
  • a millimeter wave is transmitted / received from the millimeter wave transmitter / receiver 101 in a state where one vibration surface, for example, the vibration surface 108a is vibrated, and a signal intensity having the same frequency as the vibration frequency of the vibration surface 108a is extracted (S901). ).
  • the controller 800 controls the switch 802 to switch the vibration surface to be vibrated to, for example, the vibration surface 108b (S903). This process is performed on all the vibration surfaces 108 (S901, S902, S903).
  • FIG. Signals S1000a, S1000b, S1000c,... Indicate the operating states of the vibrating surfaces 108a, 108b, 108c,.
  • the output signal S113 from the millimeter wave transceiver 101 to the controller 800 changes depending on whether or not the measurement object 104 is between the antenna 102 and the vibration surfaces 108a, 108b, 108c,. That is, it is possible to acquire a profile S1001 in which the millimeter wave attenuates depending on the presence / absence of the measurement object 104.
  • the signal intensity can be obtained between a high signal intensity and a low signal intensity.
  • the controller 800 Based on the positional relationship between the signal intensity profile S1001 and the vibration surface 108, the controller 800 detects the position and size of the measurement object 104, the position of the end face of the measurement object, and the like (S904).
  • the vibration surface by switching the vibration surface to be vibrated using a switch, it is not necessary to move the measurement object, and information on the size and position of the object can be obtained.
  • the present embodiment is effective, for example, when acquiring the position and size of an object in a case that does not transmit light, such as cardboard, and can be inspected without contact without opening the case. Moreover, it can measure also with respect to the height of liquid level and the amount of liquid as in the second embodiment.
  • the object can be detected in a wider range by increasing the number of vibration surfaces.
  • the millimeter wave beam is spread so as to cover the vibration surface 108.
  • the intensity of the millimeter wave reflected by the vibrating surface 108 and received again by the antenna 102 may vary.
  • a power profile S1001 in a state where there is no measurement object is acquired in advance, and the position and size of the measurement object are detected based on a relative change from the profile. It is valid.
  • the vibration surface is made small and arranged at high density, more accurate position measurement and size measurement can be performed. Therefore, high-precision measurement can be performed only by processing a vibration surface with a low frequency operation that is inexpensive and easy to process without processing a millimeter-wave antenna with many processing restrictions.
  • the measurement path can be changed by electrically switching the switch instead of physically moving the measurement object, measurement can be performed at high speed. Also, from the viewpoint of power consumption, the power consumption can be reduced compared to the case of moving an object.
  • the vibration surfaces are arranged one-dimensionally
  • the present invention is not limited to this.
  • the vibration surfaces are sequentially operated one by one as an example.
  • two vibration surfaces may be sequentially operated or may be operated by skipping one by one. Further, it is not always necessary to operate all the vibration surfaces.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of the measuring apparatus of this embodiment.
  • the measurement apparatus includes a controller 1100, a millimeter wave transceiver 101, an antenna 102, a plurality of vibration generators 1101 a, 1101 b, 1101 c,.
  • the frequencies at which the vibration generators 1101a, 1101b, and 1101c operate are different, and the respective vibration surfaces (vibration generation sources) 108 are vibrated at frequencies f1, f2, f3,.
  • Millimeter wave is transmitted from the millimeter wave transceiver 101 via the antenna 102.
  • the transmitted millimeter wave is reflected by the vibration surface 108 of the vibration generators 1101a, b, c,.
  • the millimeter wave transceiver 101 receives the reflected and modulated millimeter wave.
  • the received millimeter wave is amplified, multiplied by the local oscillation signal by the mixer, passes through the LPF, and is down-converted.
  • the down-converted signal is amplified and output to the controller 1100.
  • the output signal S113 is processed by the controller 1100.
  • the controller 1100 controls the millimeter wave transceiver 101.
  • the signal S113 output from the millimeter wave transceiver 101 has frequency components of the vibration frequencies f 1 , f 2 , f 3 , and f n of the vibration generators 1101a, b, c,.
  • FIG. 12 is an example of the frequency spectrum of the output signal S113 from the millimeter wave transceiver 101.
  • the spectrum of the output signal S113 from the millimeter wave transceiver 101 changes according to the propagation path between the millimeter wave transceiver 101 and the vibration generator 1101. That is, when the measurement object 104 is between the vibration generator 1101 and the millimeter wave transceiver 101, the millimeter wave is attenuated, and when there is no measurement object 104, the millimeter wave is received without attenuation.
  • the presence / absence of the measurement object 104 in the path can be measured from the intensity corresponding to the operating frequency of the vibration surface 108 of the output signal S113 of the millimeter wave transceiver 101, and the measurement is performed from the position of the vibration generator 1101.
  • the size and position of the object 104 can be detected.
  • FIG. 12 shows that there is a measurement object in front of the vibration generator corresponding to f 2 and f 3 .
  • the signal from the millimeter wave transmitter / receiver 101 has a spread so as to cover all the vibration generators 1101. Moreover, you may apply a millimeter wave to all the vibration generators by using a phased array antenna or moving an antenna mechanically. Depending on the directivity of the antenna 102, there may be a case where the intensity of the millimeter wave reflected by the vibration surface 108. In such a case, there is a method in which a power spectrum S1200 in a state where there is no measurement object is acquired in advance and the position and size of the measurement object are detected based on a relative change from the spectrum. It is valid.
  • the position and size of the measurement object, the position of the end face of the measurement object, and the like can be measured in a short time. Moreover, it can measure also with respect to the height of liquid level and the amount of liquid as in the second embodiment. Note that it is not necessary to operate all the vibration surfaces as in the fourth embodiment. There are various embodiments depending on the required accuracy, the size of the rough measurement target, etc., so the information on the operation method is stored in the memory in advance so that the user can freely operate the various vibration modes. Can be selected.
  • FIG. 13 shows a measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • This measuring apparatus includes a controller 1300, a millimeter wave transceiver 101, a vibration generator 1301, and a measurement object 104.
  • the feature of this measurement apparatus is that it uses a millimeter wave reflected by the end face 1303 of the measurement object 104. That is, the radio wave transmitted from the millimeter wave transceiver 101 is reflected by the vibration surface 1302 and returned to the millimeter wave transceiver 101, and the vibration surface 1302 from the millimeter wave transceiver 101 and the measurement object The second path is reflected by the end face 1303 of 104 and returned to the millimeter wave transceiver 101.
  • the end surface 1302 of the measurement object 104 is near the straight line connecting the antenna 102 and the vibration surface 1302, the distance between the first route and the second route is substantially equal.
  • the order of reflection on the vibration surface 108 and the end surface 1303 of the measurement object 104 may be either first.
  • FIG. 14 is an example of an output from the millimeter wave transceiver 101 that can be acquired while moving the measurement object 104 using the moving device 501 to the controller 1300.
  • the millimeter wave transceiver 101 is output with respect to the position of the measurement object 104. Shows the signal intensity of the output signal S113.
  • the signals of the first route and the second route are weakened, so the intensity of the signal S113 is weakened.
  • the position of the end face of the measurement target can be measured with high accuracy by using the interference between the millimeter wave reflected by the end face of the measurement target and the millimeter wave not reflected. .
  • the vibration surface In order to create a path for transmitting millimeter waves at the end surface of the measurement object, for example, there is a method of making the vibration surface a curved surface. Further, the directivity of the millimeter wave beam, that is, the spread, may be used to reflect on the end face.
  • a signal may be detected using an intermediate frequency by a millimeter wave transceiver using a superheterodyne system.
  • an orthogonal demodulator divided into an I (In-phase) component and a Q (Quadrature-phase) component may be used.
  • FIG. 15 shows a millimeter wave transceiver 1500 that performs quadrature demodulation according to the present invention.
  • High-frequency oscillator 200 transmission power amplifier (PA) 201, reception low-noise amplifier (LNA) 202, mixers 203i and 203q, low-pass filters (LPF) 204i and 204q, amplifiers 205i and 205q, 90 ° phase shifter 1501, and distribution It is composed of devices 206, 207 and 1502. Note that the subscripts i and q indicate the I component and Q component, and the subscripts are omitted unless particularly described below.
  • the millimeter wave signal generated by the high frequency oscillator 200 is amplified by the transmission power amplifier 201 and output to the antenna 102.
  • the signal received from the antenna 102 passes through the distributor 207 and is amplified by the LNA 202, and then is divided into two paths, that is, an I component and a Q component by the distributor 1502.
  • the output of the high-frequency oscillator 200 is divided into two local oscillation signals orthogonal by a 90 ° phase shifter 1501, multiplied by the received millimeter wave by the mixers 203i and 203q, and down-converted. Thereafter, filtering by the LPF 204, amplification by the amplifier 205, and output.
  • the I component and Q component signals are squared and added to obtain the signal strength. That is, the controller multiplies the millimeter wave received by the receiver by two types of transmission signals having orthogonal phases, down-converts, and calculates the sum of the strengths of the two types of signals obtained.
  • CPU Central processing Arithmetic unit
  • IO External interface
  • 108, 108a, 108b, 108c, ..., 1302 ... vibrating surface 109 ... driver 110 ... oscillator 200 ... high frequency oscillator 201 ... power amplifier (PA) 202
  • LPF low pass filter
  • Amplifier 206, 207, 1502 ... Distributor 501 ... Moving device 502 ... Vessel 503 ... Liquid 802 ... Switch 1303 ... End face 1501 ... Phase shifter 1600 ... Millimeter wave transmitter 1601 ... Millimeter wave receiver 1602, 1603 ... Antenna

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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

計測装置
　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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 とすると、振動面１０８で反射した反射波Ｓ１１２は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 と表すことができる。ここで、ＶＴＸ０、ＶＲＸ０、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、ｆm、ｆs、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ｆＳとその高調波成分２ｆＳ、３ｆＳ、・・・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ｆＳ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ｆＳ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ｆＳ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ｆＳ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ｆＳ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ｆＳ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、ｆＳ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ｆＳ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ｆ１、ｆ２、ｆ３、、、ｆｎ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ｆ２、ｆ３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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