無線センサ装置
【課題】主に近距離にある対象物を測定対象とする場合に、他の無線通信システムに与える妨害と他の無線通信システムから受ける妨害の双方を低減できる無線センサ装置を提供すること。
【解決手段】この無線センサ装置は、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成してアンテナと１５から放射すると共に、対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号をアンテナ１５出力する。ミキサ回路１６に高周波送信信号と、それに対する高周波受信信号とを入力し、ミキサ回路１６が双方の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するので、そのＤＣビート信号をローパスフィルタ１７で抽出し、ＤＣビート信号の変動から対象物Ｍの動きを検出する。
【解決手段】この無線センサ装置は、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成してアンテナと１５から放射すると共に、対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号をアンテナ１５出力する。ミキサ回路１６に高周波送信信号と、それに対する高周波受信信号とを入力し、ミキサ回路１６が双方の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するので、そのＤＣビート信号をローパスフィルタ１７で抽出し、ＤＣビート信号の変動から対象物Ｍの動きを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線波を用いて対象物の動き又は対象物までの距離を検出するための無線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路から出力される高周波信号をアンテナに供給して無線波を放射し、対象物からの反射波を受信して電気的な受信信号に変換し、受信信号を分析して対象物の動き又は対象物までの距離を検出するモーションセンサ又は距離検出センサ（以下、センサ装置と呼称する）がある（例えば、特許文献１参照）。物体に電波を当てると反射波の周波数が放射電波の周波数から僅かにずれる原理(ドップラー効果)を利用したもので、そのずれ(ドップラーシフト)の大きさから物体の動き又は速度を測定できる。また、電波は大気中を光速で伝搬するので、反射波の遅延量（位相変化）から対象物までの距離を測定できる。
【０００３】
図６はドップラーレーダの原理図（一例）である。ＲＦ発生器１から所定周波数の連続波からなる送信信号を出力し、送受信アンテナ２に送信信号を供給して無線波を放射させる。対象物で反射した反射波を送受信アンテナ２で受信する。ミキサ３に送信信号の一部と受信信号とを入力して混合する。このとき、対象物が移動している場合、ドップラー現象により受信信号の周波数が送信信号の周波数からシフトする。ミキサ３は送信信号の周波数と受信信号の周波数の差を中間周波数（ＩＦ)として検出する。すなわち、対象物が動いていれば、反射波の周波数が変化するのでミキサ３からドップラーシフトに対応したＩＦ信号が出力され、対象物が停止していれば、反射波の周波数が変化しないのでミキサ３からＤＣ信号のみが出力される。ミキサ３の出力信号をＬＰＦ４に通してＩＦ信号、ＤＣ信号を取り出し、信号処理回路５で分析することにより対象物の動きの有無を判定できる。また、パルスドップラーレーダやディジタル変調ドップラーレーダの場合送信信号を放射した送信時刻と、反射波を受信した受信時刻とから、対象物との間を往復した無線波の遅延時間を測定し、その遅延時間から対象物までの距離を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記無線センサ装置は、主に近距離（例えば、数１０ｍ未満）にある対象物を測定対象とするが、他の無線通信システムに割り当てられている周波数帯の一部を使用することが想定される。現在、比較的狭いサービスエリアを対象とする無線通信システムとして、無線ＬＡＮ、ＷｉＭＡＸ等がある。
【０００６】
したがって、周波数帯が一部共通し又は近接する他の無線通信システムに妨害を与えることがなく、また他の無線通信システムから妨害を受けることがない無線センサ装置の開発が望まれる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、他の無線通信システムに与える妨害と他の無線通信システムから受ける妨害の双方を低減できる無線センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の無線センサ装置は、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成する送信信号生成手段と、前記送信信号生成手段で生成された高周波送信信号を放射する送信アンテナと、前記送信アンテナから放射された高周波送信信号を受けた対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力する受信アンテナと、前記送信アンテナへ入力した前記高周波送信信号の一部が第１の周波数拡散高周波信号として入力すると共に、前記受信アンテナから出力された前記高周波受信信号が第２の周波数拡散高周波信号として入力し、前記第１の周波数拡散高周波信号と前記第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するミキサ回路と、前記ミキサ回路の出力信号から前記ＤＣビート信号を抽出するＤＣ成分抽出回路と、を具備したことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号が送信アンテナから放射されると共に、対象物からの反射波が受信アンテナで受信され、高周波送信信号である第１の周波数拡散高周波信号と高周波受信信号である第２の周波数拡散高周波信号とがミキサ回路へ入力される。第１の周波数拡散高周波信号と第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作したミキサ回路から出力されたＤＣビート信号がＤＣ成分抽出回路で取り出される。このように、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波すれば、無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる残留位相を検出でき、対象物の位置変化があれば残留位相も変化するので、検出した残留位相から対象物の動きを検出できる。また、周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号と高周波受信信号とは確実に交差するので、信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる残留位相を容易に検出できる。また、高周波送信信号を送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散するので、高周波送信信号の周波数帯を使用帯域とする既存通信システムに影響を与えることが低減し、無線送信が行える。
【００１０】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に基づいて前記対象物までの距離を検出することを特徴とする。
ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に含まれた残留位相情報には無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報が含まれているので、ＤＣビート信号から対象物までの距離を検出することができる。
【００１１】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号の変動に基づいて前記対象物の動きを検出することを特徴とする。
ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に含まれた残留位相情報には無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報が含まれ、対象物が移動すれば残留位相が変化するので、ＤＣビート信号が変動すれば対象物が動いていると判断することができる。
【００１２】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、直線的に増加及び減少して三角波形状の変化を繰り返すことを特徴とする。
【００１３】
三角波の高周波送信信号と同じ三角波の高周波受信信号とは、確実に同一周波数において交差するので、この２つの信号を第１及び第２の周波数拡散高周波信号としてミキサ回路へ入力すれば、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波でき、残留位相を確実に検出できる。
【００１４】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、曲線状に増加及び減少を繰り返すことを特徴とする。
【００１５】
周波数が曲線的に増減する信号であっても、確実に同一周波数において交差するので、この２つの信号を第１及び第２の周波数拡散高周波信号としてミキサ回路へ入力すれば、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波でき、残留位相を確実に検出できる。
【００１６】
上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、所要の高周波送信信号と同一周期で電圧が増加及び減少を繰り返す電圧制御信号を生成する周波数拡散制御回路と、前記周波数拡散制御回路から出力された電圧制御信号が印加され当該電圧制御信号に応じて発振周波数が変化する発振回路と、を具備して構成できる。
【００１７】
上記無線センサ装置において、前記発振回路は、印加電圧に応じて容量が変化し変化後の容量で発振周波数が決まる可変容量素子を有し、前記可変容量素子に前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させる構成としても良い。
【００１８】
上記無線センサ装置において、前記発振回路は、発振素子としてトランジスタを有し、前記トランジスタのベースに前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させる構成としても良い。
【００１９】
上記無線センサ装置において、前記送信アンテナと前記受信アンテナとを１つのアンテナで共用した構成とすることもできる。
【００２０】
上記無線センサ装置において、前記高周波送信信号は、２４００ＭＨｚ〜２４８３．５ＭＨｚの中の周波数である。
【００２１】
本発明によれば、高周波送信信号を送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散するので、２．４５ＧＨｚ付近を使用帯域とする既存通信システムに影響を与えることが少なく、無線送信が行える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、主に近距離にある対象物を測定対象とする場合に、他の無線通信システムに与える妨害と他の無線通信システムから受ける妨害の双方を低減できる無線センサ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図
【図２】図１に示す無線センサ装置の回路構成図
【図３】（ａ）アンテナから放射される高周波送信信号の周波数波形図、（ｂ）反射波を受信したアンテナから出力される高周波受信信号の周波数波形図
【図４】ミキサ回路の入出力を模式的に示した図
【図５】ミキサにおいて混合される高周波送信信号と高周波受信信号を重ねて示した周波数波形図
【図６】ドップラーレーダの原理図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本実施の形態に係る無線センサ装置は、周波数が三角波状に変化して周波数拡散された高周波送信信号をアンテナから放射し、対象物から反射した反射波をアンテナで受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力し、三角波状に周波数拡散された高周波送信信号及び高周波受信信号をミキサへ入力して混合し、両者の周波数が一致するところで出力されるＤＣ成分（ＤＣビート）を取り出して対象物までの距離検出及び対象物の動き検出を行う。
【００２５】
以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図である。
本実施の形態に係る無線センサ装置は、使用周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ）を中心とした周波数レンジ内で所定周期（例えば、２μｓ）にて周波数を連続的に変化させて周波数拡散した高周波送信信号を生成する送信信号生成手段１０を備える。送信信号生成手段１０は、周波数制御回路１１及びＲＦ発振器１２で構成される。周波数制御回路１１は、高周波送信信号の周波数変化に対応して三角波状に電圧変化を繰り返す制御電圧信号を生成する。ＲＦ発振器１２は、周波数制御回路１１から供給される制御電圧信号によって発振周波数が制御され、発振信号出力として周波数が三角波状に変化して周波数拡散された高周波送信信号を出力する。ＲＦ発振器１２の出力端子にバッファアンプ１３、バンドパスフィルタ１４が直列に接続されている。バッファアンプ１３は、ＲＦ発振器１２から出力される高周波送信信号を放射可能なレベルまで増幅する。バンドパスフィルタ１４は、ＲＦ発振器１２から出力される高周波送信信号の周波数変化範囲（三角波状に変化する範囲）を通過帯域として設定される。送受信アンテナ１５は、送信側から入力する送信信号を無線波として大気中に放射する。バンドパスフィルタ１４の出力端子はアンテナ１５の給電部に接続される。バンドパスフィルタ１４はアンテナ１５の給電部に対して方向性結合器を介して接続しても良いし、直接接続しても良い。アンテナ１５は、周波数が三角波形状に変化する高周波送信信号を放射する。アンテナ１５は、高周波送信信号の放射方向を任意の方向（対象物が存在する検出エリア）に向けられる指向性アンテナを用いることができるが、仕様（用途、精度）によっては無指向性アンテナであっても良い。また、本実施の形態では、アンテナ１５で送信アンテナと受信アンテナを共用するが、送信アンテナと受信アンテナを別々に設けても良い。
【００２６】
本実施の形態に係る無線センサ装置は、受信側の構成要素としてミキサ回路１６を備える。ミキサ回路１６には、送信側から周波数が三角波形状に変化する高周波送信信号が第１の入力信号として入力され、受信側となるアンテナ１５から周波数が三角波形状に変化する高周波受信信号が第２の入力信号として入力される。ミキサ回路１６は、第１の入力信号と第２の入力信号とを混合して周波数変換された信号を出力するが、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合は位相検波器として機能する。すなわち、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合、第１の入力信号と第２の入力信号の位相差に応じたＤＣビート（ＤＣ信号）を出力する。
【００２７】
ミキサ回路１６の出力段にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７が接続されている。ローパスフィルタ１７に、低周波成分（例えば１００Ｈｚ以下）を取り出すように通過帯域特性を設定することで、ＤＣ抽出回路として機能させている。第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が異なっている間は、ミキサ回路１６から周波数変換されて種々の周波数（高周波及び中間周波数）の信号が出力されるが、これらの信号はローパスフィルタ１７で抑制される。そして、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している時にミキサ回路１６から出力されるＤＣビートをローパスフィルタ１７で取り出している。
【００２８】
ローパスフィルタ１７の出力段には低周波増幅回路１８が接続されている。低周波増幅回路１８は、ローパスフィルタ１７で抽出されたＤＣビートを後段回路で処理可能なレベルに増幅する。後段信号処理回路１９は、ＣＰＵ、メモリ及びＣＰＵで実行されるプログラム等で構成され、ミキサ回路１６から出力される低周波成分（ＤＣ成分を含む）を分析して対象物Ｍの動き、対象物Ｍまでの距離を検出する機能を備える。
なお、送信側及び受信側の構成要素で電力を必要とする構成要素（１１，１２，１３，１８，１９）には電源回路２０から、電源供給されている。
【００２９】
図２は上記無線センサ装置の回路構成例を示す図である。尚、図２に示す回路構成は上記各構成要素を実現するための一例であり、本発明は図２に示す回路構成に限定されない。
【００３０】
周波数制御回路１１は、任意波形を生成可能なファンクションジェネレータで構成されている。本実施の形態ではファンクションジェネレータで振幅が周期的に増減を繰り返す電圧信号を生成する。以下の説明では三角波が繰り返される電圧信号を生成する。
【００３１】
ＲＦ発振器１２は、周波数制御回路１１で生成された三角波の電圧信号が制御電圧信号として印加される共振回路部１２ａと、この共振回路部１２ａで生成された共振周波数にて発振する発振回路部１２ｂとを有する。
【００３２】
共振回路部１２ａは、可変容量素子としてのバラクタダイオード２１とインダクタ２２とを有するＬＣ並列共振回路を構成しており、バラクタダイオード２１のカソードに三角波の制御電圧信号が印加される。共振回路部１２ａでは、バラクタダイオード２１の容量変化に追従して共振周波数が三角波状に変化する。
【００３３】
発振回路部１２ｂは、発振素子としてのトランジスタ２３、分圧器としてのコンデンサ２４，２５、エミッタバイアス抵抗２６、ベースバイアス用分圧抵抗２７，２８を備え、トランジスタ２３のエミッタが分圧用コンデンサ２４，２５の中間接続点に結合され、トランジスタ２３のコレクタ−ベース間が共振回路部１２ａのインダクタ２２及びコンデンサ２９を介して結合されている。電源回路２０から供給される駆動電源Ｖｃｃはトランジスタ２３のコレクタに印加されると共に、分圧抵抗２４，２５で分圧されてトランジスタ２３のベースに印加される。エミッタバイアス抵抗２６は高周波阻止用のインダクタ３０を介して接地されている。
【００３４】
以上のように構成されたＲＦ発振器１２では、共振回路部１２ａの共振周波数でトランジスタ２３の発振周波数が決まるので、共振回路部１２ａの共振周波数が三角波を描くように変化しれば発振周波数も三角波を描くように変化する。発振回路部１２ｂで発生させた発振信号はトランジスタ２３のエミッタから高周波送信信号として取り出される。
【００３５】
なお、図２に示すＲＦ発振器１２は、発振回路部１２ｂの発振周波数を、可変容量素子（２１）を備えた共振回路部１２ａで制御しているが、共振回路部１２ａを設けずに、三角波形状の制御電圧信号を直接にトランジスタ２３のベースに印加するように構成しても良い。トランジスタ２３のＰＮ接合部の容量が、ベースに印加される制御電圧信号によって変化し、発振周波数が制御電圧信号の電圧変化に追従して変化する。
【００３６】
バッファアンプ１３は、高周波増幅素子としてトランジスタ４０を備える。トランジスタ４０のベースには、発振回路部１２ｂのトランジスタ２３のエミッタがコンデンサ４１を介して接続されている。トランジスタ４０は、コレクタバイアスは電源電圧Ｖｃｃが印加され、ベースバイアスは分圧抵抗４２，４３で分圧したものが印加される。トランジスタ４０のエミッタはエミッタバイアス抵抗４４及びインダクタンス４５を介して直流的に接地されると共に、コンデンサ４６を介して高周波的に接地されている。トランジスタ４０のコレクタから発振周波数が三角波を描くように変化する高周波送信信号が取り出される。
【００３７】
バンドパスフィルタ１４は、インダクタ５１、コンデンサ５２，５３からなるπ型ローパスフィルタと、インダクタ５１に直列に接続されたコンデンサ５４、インダクタ５５，５６からなるπ型ハイパスフィルタを組み合わせて構成されている。バンドパスフィルタ１４の通過帯域は高周波送信信号である発振周波数の可変範囲（三角波の高さ）を含むように設定される。
【００３８】
ミキサ回路１６は、ショットキーダイオード（Schottky Diode）などの受動素子が持つ非線形特性を利用して周波数変換するパッシブミキサを用いている。例えば、ダブルバランスドミキサ（Double-balanced Mixer）を用いることができる。但し、本発明はダブルバランスドミキサに限定されるものではなく、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合は、第１の入力信号と第２の入力信号の合成信号の位相を検波できる位相検波器として機能するものであれば、ダブルバランスドミキサ以外又はバランスドミキサ、シングルエンドミキサであっても適用可能である。
【００３９】
ローパスフィルタ１７は、一端がミキサ回路１６の出力端子に接続されたインダクタ６１と、このインダクタ６１の他端とグラウンドとの間に接続されたコンデンサ６２と、コンデンサ６２と並列に接続されたインダクタ６３とを有する。ミキサ回路１６が位相検波器として動作した時（混合される高周波送信信号と高周波受信信号の周波数が一致）に出力するＤＣビートを抽出するのに適した周波数特性に設定される。
【００４０】
低周波数増幅回路１８は、２つのオペアンプ７１、７２の多段接続で構成されている。各オペアンプ７１、７２の出力端子と反転入力端子間はコンデンサ７３，７５と帰還抵抗７４，７６が接続されている。オペアンプ７１、７２の反転入力端子と非反転入力端子の電位差は実質的にゼロ（いわゆるイマジナリーショート）となる。オペアンプ７１、７２は入力端子に印加された入力信号（ＤＣビート）を低周波増幅して出力端子に出力する。
【００４１】
次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
周波数制御回路１１からＲＦ発振器１２の共振回路部１２ａに三角波の制御電圧信号が印加される。共振回路部１２ａは三角波の制御電圧信号に対応してバラクタダイオード２１の容量が三角波状に変化する。１２ａと１２ｂで構成された発振回路部が生成したＲＦ共振周波数が三角波に変調され、三角波ＦＭ変調ＲＦ信号が生成される。このようにして生成された三角波ＦＭ変調ＲＦ信号が、バッファアンプ１３で増幅され、バンドパスフィルタ１４を通過してアンテナ１５から高周波送信信号として放射される。
【００４２】
図３（ａ）はアンテナ１５から放射される高周波送信信号の周波数変化を示す図である。同図において縦軸は周波数であり、横軸は時間を表している。高周波送信信号は、周波数が所定周期ｔｎ（２μｓ）で三角波をなすように直線的に増加と減少を繰り返している。このような三角波的に周波数が変化する高周波送信信号がアンテナ１５から放射される。
【００４３】
アンテナ１５から所定距離だけ離れた場所に対象物Ｍが存在する場合、当該対象物Ｍで反射した反射波がアンテナ１５で受信される。アンテナ１５で受信された反射波は、信号伝搬による時間遅延と振幅の減衰があるが、基本的には高周波送信信号と同じ周期で三角波状に周波数変化している。
【００４４】
図３（ｂ）は反射波を受信したアンテナ１５から出力される高周波受信信号の周波数変化を示す図である。図３（ａ）に示す高周波送信信号と時間軸（横軸）を合わせている。高周波受信信号は、信号伝搬による時間遅延により高周波送信信号に比べて時間Ｔａだけ位相がずれる。例えば、アンテナ１５から対象物Ｍまでの距離が１ｍであれば、往復の時間遅延Ｔａは約６．６７ｎＳとなる。対象物Ｍが停止していれば、ドップラー現象による周波数シフトは生じないので時間遅延（Ｔａ）は一定である。一方、対象物Ｍが移動（動き）している場合はドップラー現象による周波数シフト及び距離変動が生じるので時間遅延（Ｔａ）が変動する。後述するが、後段信号処理回路１９は、ミキサ回路１６出力であるＤＣビートから測定される時間遅延（Ｔａ）の変動から対象物Ｍの動きの有無を判定する。
【００４５】
ミキサ回路１６に対してアンテナ１５から放射される高周波送信信号の一部が入力されると共に、当該高周波送信信号の反射波である高周波受信信号が入力される。したがって、上記のような位相差が生じている高周波送信信号を第１の入力信号とし、高周波受信信号を第２の入力信号としてミキサ回路１６へ入力している。図４はミキサ回路１６において第１の入力信号と第２の入力信号とを混合して得られたミキサ出力信号Ｖｏをローパスフィルタ１７に入力してＤＣ成分（低周波信号）Ｖｏ１だけを取り出す様子を模式的に示している。
【００４６】
ところで、高周波送信信号の周波数が２．４５ＧＨｚ、対象物Ｍの移動速度が３０ｍ/ｈ程度であれば、ドップラー効果によって高周波受信信号が受ける周波数シフトは百数十Ｈｚ程度である。このように、高周波送信信号の周波数に比べてドップラー効果による周波数シフトは極めて小さい変化であるので、従来方法では送信信号周波数に極めて高い精度で固定値の発振周波数を生成する必要があった。すなわち、ミキサにおいて高周波送信信号と周波数シフトした高周波受信信号とを混合して周波数差を検出していたので、数ＧＨｚ帯の信号を合成して百数十Ｈｚ程度の周波数差を検出する精度が要求された。
【００４７】
本実施の形態は、図３（ａ）に示すように周波数が三角波状に増減を繰り返す高周波送信信号としたので、図３（ｂ）に示すように高周波送信信号の反射波である高周波受信信号も高周波送信信号と同様に周波数が三角波状に増減を繰り返す信号波形となる。
【００４８】
図５は、ミキサ回路１６において混合される高周波送信信号と高周波受信信号を重ねて示している。同図に示すように、高周波送信信号と高周波受信信号は三角波（周波数）であるので、高周波受信信号が遅延（距離）により時間軸方向にシフトすると、必ず１周期毎に高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントＰが存在する。
【００４９】
本発明者は、三角波（周波数）の高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントＰにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波すれば、同一周波数である高周波送信信号と高周波受信信号の遅延位相差である残留位相を検出できることに着目した。すなわち、同一周波数である第１の入力信号と第２の入力信号とを信号合成すれば、その信号合成出力は第１の入力信号と第２の入力信号の位相差に対応した信号波形になる。よって、第１の入力信号と第２の入力信号の信号合成出力には両入力信号の位相差情報が含まれる。
【００５０】
残留位相は、アンテナ１５と対象物Ｍとの間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる。対象物Ｍの位置変化があれば残留位相も変化するので、位相検波器出力（位相検波器として動作するミキサ回路１６のＤＣビート）が変動する。
【００５１】
直線的に周波数が増加及び減少を繰り返す三角波又は曲線的に周波数が増加及び減少を繰り返す周波数波形を用いれば、高周波送信信号と高周波受信信号とを容易に交差させることができ、簡単かつ確実に高周波送信信号と高周波受信信号とが同一周波数となるポイントを検出することができる。そして、ショットキーダイオド（Schottky Diode）などの非線形受動素子で構成されたミキサは、２つの入力信号が同一周波数であると、位相検波器として動作するので、ミキサ回路１６の出力信号をローパスフィルタ１７へ入力すれば、ミキサ回路１６が位相検波器として動作しているときに出力されるＤＣビートをローパスフィルタ１７で抽出することができる。ローパスフィルタ１７のカットオフ周波数は例えば１００Ｈｚに設定することができる。
【００５２】
ローパスフィルタ１７は、ミキサ回路１６が位相検波器として動作したときに出力されるＤＣビートを抽出し、低周波増幅回路１８で低周波増幅してから後段処理回路１９へ入力する。
【００５３】
後段処理回路１９では、対象物Ｍの位置変化と位相検波器（ミキサ回路１６）の出力レベル変動が連動するので、位相検波器出力レベルが変動すれば、対象物Ｍが動いたと判断することができる。
【００５４】
また、残留位相は距離の一次関数であるので、後段処理回路１９において、位相変移のリニア検出で位置変移のリニア検出を行っても良い。また、距離がλ／２変わるたびに、位相が３６０度変わるので、λ／２毎に出力電圧でパルスを１個発生させ、パルスカウントして移動距離をλ／２の精度で測定することができる。
【００５５】
なお、図５に示すように、高周波送信信号と高周波受信信号とは、周波数一致ポイントＰ以外では、差分周波数Ｆａが生じる。双方の三角波の頂点（上側及び下側）の間の時間領域を除けば、差分周波数Ｆａは一定の値となるが、この差分周波数Ｆａは信号遅延により生じている。すなわち、予め差分周波数Ｆａと距離との距離対応表を準備できる。
【００５６】
差分周波数Ｆａが例えば２００ｋＨｚであるとすると、ローパスフィルタ１７でカットされる。そこで、ミキサ回路１６から差分周波数Ｆａに対応して出力される差分周波数信号は、ローパスフィルタ１７を迂回した経路で取り出して後段処理回路１９へ入力する。後段処理回路１９では差分周波数信号から差分周波数を特定し、特定した差分周波数と距離対応表とから距離検出を行うことができる。
【００５７】
本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、物体の動き検出や距離検出用の無線センサ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 送信信号生成手段
１１ 周波数制御回路
１２ ＲＦ発振器
１２ａ 共振回路部
１２ｂ 発振回路部
１３ バッファアンプ
１４ バンドパスフィルタ
１５ アンテナ
１６ ミキサ回路
１７ ローパスフィルタ
１８ 低周波増幅回路
１９ 後段信号処理回路
２０ 電源回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線波を用いて対象物の動き又は対象物までの距離を検出するための無線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路から出力される高周波信号をアンテナに供給して無線波を放射し、対象物からの反射波を受信して電気的な受信信号に変換し、受信信号を分析して対象物の動き又は対象物までの距離を検出するモーションセンサ又は距離検出センサ（以下、センサ装置と呼称する）がある（例えば、特許文献１参照）。物体に電波を当てると反射波の周波数が放射電波の周波数から僅かにずれる原理(ドップラー効果)を利用したもので、そのずれ(ドップラーシフト)の大きさから物体の動き又は速度を測定できる。また、電波は大気中を光速で伝搬するので、反射波の遅延量（位相変化）から対象物までの距離を測定できる。
【０００３】
図６はドップラーレーダの原理図（一例）である。ＲＦ発生器１から所定周波数の連続波からなる送信信号を出力し、送受信アンテナ２に送信信号を供給して無線波を放射させる。対象物で反射した反射波を送受信アンテナ２で受信する。ミキサ３に送信信号の一部と受信信号とを入力して混合する。このとき、対象物が移動している場合、ドップラー現象により受信信号の周波数が送信信号の周波数からシフトする。ミキサ３は送信信号の周波数と受信信号の周波数の差を中間周波数（ＩＦ)として検出する。すなわち、対象物が動いていれば、反射波の周波数が変化するのでミキサ３からドップラーシフトに対応したＩＦ信号が出力され、対象物が停止していれば、反射波の周波数が変化しないのでミキサ３からＤＣ信号のみが出力される。ミキサ３の出力信号をＬＰＦ４に通してＩＦ信号、ＤＣ信号を取り出し、信号処理回路５で分析することにより対象物の動きの有無を判定できる。また、パルスドップラーレーダやディジタル変調ドップラーレーダの場合送信信号を放射した送信時刻と、反射波を受信した受信時刻とから、対象物との間を往復した無線波の遅延時間を測定し、その遅延時間から対象物までの距離を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記無線センサ装置は、主に近距離（例えば、数１０ｍ未満）にある対象物を測定対象とするが、他の無線通信システムに割り当てられている周波数帯の一部を使用することが想定される。現在、比較的狭いサービスエリアを対象とする無線通信システムとして、無線ＬＡＮ、ＷｉＭＡＸ等がある。
【０００６】
したがって、周波数帯が一部共通し又は近接する他の無線通信システムに妨害を与えることがなく、また他の無線通信システムから妨害を受けることがない無線センサ装置の開発が望まれる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、他の無線通信システムに与える妨害と他の無線通信システムから受ける妨害の双方を低減できる無線センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の無線センサ装置は、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成する送信信号生成手段と、前記送信信号生成手段で生成された高周波送信信号を放射する送信アンテナと、前記送信アンテナから放射された高周波送信信号を受けた対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力する受信アンテナと、前記送信アンテナへ入力した前記高周波送信信号の一部が第１の周波数拡散高周波信号として入力すると共に、前記受信アンテナから出力された前記高周波受信信号が第２の周波数拡散高周波信号として入力し、前記第１の周波数拡散高周波信号と前記第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するミキサ回路と、前記ミキサ回路の出力信号から前記ＤＣビート信号を抽出するＤＣ成分抽出回路と、を具備したことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号が送信アンテナから放射されると共に、対象物からの反射波が受信アンテナで受信され、高周波送信信号である第１の周波数拡散高周波信号と高周波受信信号である第２の周波数拡散高周波信号とがミキサ回路へ入力される。第１の周波数拡散高周波信号と第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作したミキサ回路から出力されたＤＣビート信号がＤＣ成分抽出回路で取り出される。このように、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波すれば、無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる残留位相を検出でき、対象物の位置変化があれば残留位相も変化するので、検出した残留位相から対象物の動きを検出できる。また、周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号と高周波受信信号とは確実に交差するので、信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる残留位相を容易に検出できる。また、高周波送信信号を送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散するので、高周波送信信号の周波数帯を使用帯域とする既存通信システムに影響を与えることが低減し、無線送信が行える。
【００１０】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に基づいて前記対象物までの距離を検出することを特徴とする。
ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に含まれた残留位相情報には無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報が含まれているので、ＤＣビート信号から対象物までの距離を検出することができる。
【００１１】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号の変動に基づいて前記対象物の動きを検出することを特徴とする。
ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に含まれた残留位相情報には無線センサ装置から対象物との間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報が含まれ、対象物が移動すれば残留位相が変化するので、ＤＣビート信号が変動すれば対象物が動いていると判断することができる。
【００１２】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、直線的に増加及び減少して三角波形状の変化を繰り返すことを特徴とする。
【００１３】
三角波の高周波送信信号と同じ三角波の高周波受信信号とは、確実に同一周波数において交差するので、この２つの信号を第１及び第２の周波数拡散高周波信号としてミキサ回路へ入力すれば、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波でき、残留位相を確実に検出できる。
【００１４】
また本発明は、上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、曲線状に増加及び減少を繰り返すことを特徴とする。
【００１５】
周波数が曲線的に増減する信号であっても、確実に同一周波数において交差するので、この２つの信号を第１及び第２の周波数拡散高周波信号としてミキサ回路へ入力すれば、高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波でき、残留位相を確実に検出できる。
【００１６】
上記無線センサ装置において、前記送信信号生成手段は、所要の高周波送信信号と同一周期で電圧が増加及び減少を繰り返す電圧制御信号を生成する周波数拡散制御回路と、前記周波数拡散制御回路から出力された電圧制御信号が印加され当該電圧制御信号に応じて発振周波数が変化する発振回路と、を具備して構成できる。
【００１７】
上記無線センサ装置において、前記発振回路は、印加電圧に応じて容量が変化し変化後の容量で発振周波数が決まる可変容量素子を有し、前記可変容量素子に前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させる構成としても良い。
【００１８】
上記無線センサ装置において、前記発振回路は、発振素子としてトランジスタを有し、前記トランジスタのベースに前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させる構成としても良い。
【００１９】
上記無線センサ装置において、前記送信アンテナと前記受信アンテナとを１つのアンテナで共用した構成とすることもできる。
【００２０】
上記無線センサ装置において、前記高周波送信信号は、２４００ＭＨｚ〜２４８３．５ＭＨｚの中の周波数である。
【００２１】
本発明によれば、高周波送信信号を送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散するので、２．４５ＧＨｚ付近を使用帯域とする既存通信システムに影響を与えることが少なく、無線送信が行える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、主に近距離にある対象物を測定対象とする場合に、他の無線通信システムに与える妨害と他の無線通信システムから受ける妨害の双方を低減できる無線センサ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図
【図２】図１に示す無線センサ装置の回路構成図
【図３】（ａ）アンテナから放射される高周波送信信号の周波数波形図、（ｂ）反射波を受信したアンテナから出力される高周波受信信号の周波数波形図
【図４】ミキサ回路の入出力を模式的に示した図
【図５】ミキサにおいて混合される高周波送信信号と高周波受信信号を重ねて示した周波数波形図
【図６】ドップラーレーダの原理図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本実施の形態に係る無線センサ装置は、周波数が三角波状に変化して周波数拡散された高周波送信信号をアンテナから放射し、対象物から反射した反射波をアンテナで受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力し、三角波状に周波数拡散された高周波送信信号及び高周波受信信号をミキサへ入力して混合し、両者の周波数が一致するところで出力されるＤＣ成分（ＤＣビート）を取り出して対象物までの距離検出及び対象物の動き検出を行う。
【００２５】
以下、本実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図である。
本実施の形態に係る無線センサ装置は、使用周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ）を中心とした周波数レンジ内で所定周期（例えば、２μｓ）にて周波数を連続的に変化させて周波数拡散した高周波送信信号を生成する送信信号生成手段１０を備える。送信信号生成手段１０は、周波数制御回路１１及びＲＦ発振器１２で構成される。周波数制御回路１１は、高周波送信信号の周波数変化に対応して三角波状に電圧変化を繰り返す制御電圧信号を生成する。ＲＦ発振器１２は、周波数制御回路１１から供給される制御電圧信号によって発振周波数が制御され、発振信号出力として周波数が三角波状に変化して周波数拡散された高周波送信信号を出力する。ＲＦ発振器１２の出力端子にバッファアンプ１３、バンドパスフィルタ１４が直列に接続されている。バッファアンプ１３は、ＲＦ発振器１２から出力される高周波送信信号を放射可能なレベルまで増幅する。バンドパスフィルタ１４は、ＲＦ発振器１２から出力される高周波送信信号の周波数変化範囲（三角波状に変化する範囲）を通過帯域として設定される。送受信アンテナ１５は、送信側から入力する送信信号を無線波として大気中に放射する。バンドパスフィルタ１４の出力端子はアンテナ１５の給電部に接続される。バンドパスフィルタ１４はアンテナ１５の給電部に対して方向性結合器を介して接続しても良いし、直接接続しても良い。アンテナ１５は、周波数が三角波形状に変化する高周波送信信号を放射する。アンテナ１５は、高周波送信信号の放射方向を任意の方向（対象物が存在する検出エリア）に向けられる指向性アンテナを用いることができるが、仕様（用途、精度）によっては無指向性アンテナであっても良い。また、本実施の形態では、アンテナ１５で送信アンテナと受信アンテナを共用するが、送信アンテナと受信アンテナを別々に設けても良い。
【００２６】
本実施の形態に係る無線センサ装置は、受信側の構成要素としてミキサ回路１６を備える。ミキサ回路１６には、送信側から周波数が三角波形状に変化する高周波送信信号が第１の入力信号として入力され、受信側となるアンテナ１５から周波数が三角波形状に変化する高周波受信信号が第２の入力信号として入力される。ミキサ回路１６は、第１の入力信号と第２の入力信号とを混合して周波数変換された信号を出力するが、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合は位相検波器として機能する。すなわち、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合、第１の入力信号と第２の入力信号の位相差に応じたＤＣビート（ＤＣ信号）を出力する。
【００２７】
ミキサ回路１６の出力段にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７が接続されている。ローパスフィルタ１７に、低周波成分（例えば１００Ｈｚ以下）を取り出すように通過帯域特性を設定することで、ＤＣ抽出回路として機能させている。第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が異なっている間は、ミキサ回路１６から周波数変換されて種々の周波数（高周波及び中間周波数）の信号が出力されるが、これらの信号はローパスフィルタ１７で抑制される。そして、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している時にミキサ回路１６から出力されるＤＣビートをローパスフィルタ１７で取り出している。
【００２８】
ローパスフィルタ１７の出力段には低周波増幅回路１８が接続されている。低周波増幅回路１８は、ローパスフィルタ１７で抽出されたＤＣビートを後段回路で処理可能なレベルに増幅する。後段信号処理回路１９は、ＣＰＵ、メモリ及びＣＰＵで実行されるプログラム等で構成され、ミキサ回路１６から出力される低周波成分（ＤＣ成分を含む）を分析して対象物Ｍの動き、対象物Ｍまでの距離を検出する機能を備える。
なお、送信側及び受信側の構成要素で電力を必要とする構成要素（１１，１２，１３，１８，１９）には電源回路２０から、電源供給されている。
【００２９】
図２は上記無線センサ装置の回路構成例を示す図である。尚、図２に示す回路構成は上記各構成要素を実現するための一例であり、本発明は図２に示す回路構成に限定されない。
【００３０】
周波数制御回路１１は、任意波形を生成可能なファンクションジェネレータで構成されている。本実施の形態ではファンクションジェネレータで振幅が周期的に増減を繰り返す電圧信号を生成する。以下の説明では三角波が繰り返される電圧信号を生成する。
【００３１】
ＲＦ発振器１２は、周波数制御回路１１で生成された三角波の電圧信号が制御電圧信号として印加される共振回路部１２ａと、この共振回路部１２ａで生成された共振周波数にて発振する発振回路部１２ｂとを有する。
【００３２】
共振回路部１２ａは、可変容量素子としてのバラクタダイオード２１とインダクタ２２とを有するＬＣ並列共振回路を構成しており、バラクタダイオード２１のカソードに三角波の制御電圧信号が印加される。共振回路部１２ａでは、バラクタダイオード２１の容量変化に追従して共振周波数が三角波状に変化する。
【００３３】
発振回路部１２ｂは、発振素子としてのトランジスタ２３、分圧器としてのコンデンサ２４，２５、エミッタバイアス抵抗２６、ベースバイアス用分圧抵抗２７，２８を備え、トランジスタ２３のエミッタが分圧用コンデンサ２４，２５の中間接続点に結合され、トランジスタ２３のコレクタ−ベース間が共振回路部１２ａのインダクタ２２及びコンデンサ２９を介して結合されている。電源回路２０から供給される駆動電源Ｖｃｃはトランジスタ２３のコレクタに印加されると共に、分圧抵抗２４，２５で分圧されてトランジスタ２３のベースに印加される。エミッタバイアス抵抗２６は高周波阻止用のインダクタ３０を介して接地されている。
【００３４】
以上のように構成されたＲＦ発振器１２では、共振回路部１２ａの共振周波数でトランジスタ２３の発振周波数が決まるので、共振回路部１２ａの共振周波数が三角波を描くように変化しれば発振周波数も三角波を描くように変化する。発振回路部１２ｂで発生させた発振信号はトランジスタ２３のエミッタから高周波送信信号として取り出される。
【００３５】
なお、図２に示すＲＦ発振器１２は、発振回路部１２ｂの発振周波数を、可変容量素子（２１）を備えた共振回路部１２ａで制御しているが、共振回路部１２ａを設けずに、三角波形状の制御電圧信号を直接にトランジスタ２３のベースに印加するように構成しても良い。トランジスタ２３のＰＮ接合部の容量が、ベースに印加される制御電圧信号によって変化し、発振周波数が制御電圧信号の電圧変化に追従して変化する。
【００３６】
バッファアンプ１３は、高周波増幅素子としてトランジスタ４０を備える。トランジスタ４０のベースには、発振回路部１２ｂのトランジスタ２３のエミッタがコンデンサ４１を介して接続されている。トランジスタ４０は、コレクタバイアスは電源電圧Ｖｃｃが印加され、ベースバイアスは分圧抵抗４２，４３で分圧したものが印加される。トランジスタ４０のエミッタはエミッタバイアス抵抗４４及びインダクタンス４５を介して直流的に接地されると共に、コンデンサ４６を介して高周波的に接地されている。トランジスタ４０のコレクタから発振周波数が三角波を描くように変化する高周波送信信号が取り出される。
【００３７】
バンドパスフィルタ１４は、インダクタ５１、コンデンサ５２，５３からなるπ型ローパスフィルタと、インダクタ５１に直列に接続されたコンデンサ５４、インダクタ５５，５６からなるπ型ハイパスフィルタを組み合わせて構成されている。バンドパスフィルタ１４の通過帯域は高周波送信信号である発振周波数の可変範囲（三角波の高さ）を含むように設定される。
【００３８】
ミキサ回路１６は、ショットキーダイオード（Schottky Diode）などの受動素子が持つ非線形特性を利用して周波数変換するパッシブミキサを用いている。例えば、ダブルバランスドミキサ（Double-balanced Mixer）を用いることができる。但し、本発明はダブルバランスドミキサに限定されるものではなく、第１の入力信号と第２の入力信号の周波数が一致している場合は、第１の入力信号と第２の入力信号の合成信号の位相を検波できる位相検波器として機能するものであれば、ダブルバランスドミキサ以外又はバランスドミキサ、シングルエンドミキサであっても適用可能である。
【００３９】
ローパスフィルタ１７は、一端がミキサ回路１６の出力端子に接続されたインダクタ６１と、このインダクタ６１の他端とグラウンドとの間に接続されたコンデンサ６２と、コンデンサ６２と並列に接続されたインダクタ６３とを有する。ミキサ回路１６が位相検波器として動作した時（混合される高周波送信信号と高周波受信信号の周波数が一致）に出力するＤＣビートを抽出するのに適した周波数特性に設定される。
【００４０】
低周波数増幅回路１８は、２つのオペアンプ７１、７２の多段接続で構成されている。各オペアンプ７１、７２の出力端子と反転入力端子間はコンデンサ７３，７５と帰還抵抗７４，７６が接続されている。オペアンプ７１、７２の反転入力端子と非反転入力端子の電位差は実質的にゼロ（いわゆるイマジナリーショート）となる。オペアンプ７１、７２は入力端子に印加された入力信号（ＤＣビート）を低周波増幅して出力端子に出力する。
【００４１】
次に、以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
周波数制御回路１１からＲＦ発振器１２の共振回路部１２ａに三角波の制御電圧信号が印加される。共振回路部１２ａは三角波の制御電圧信号に対応してバラクタダイオード２１の容量が三角波状に変化する。１２ａと１２ｂで構成された発振回路部が生成したＲＦ共振周波数が三角波に変調され、三角波ＦＭ変調ＲＦ信号が生成される。このようにして生成された三角波ＦＭ変調ＲＦ信号が、バッファアンプ１３で増幅され、バンドパスフィルタ１４を通過してアンテナ１５から高周波送信信号として放射される。
【００４２】
図３（ａ）はアンテナ１５から放射される高周波送信信号の周波数変化を示す図である。同図において縦軸は周波数であり、横軸は時間を表している。高周波送信信号は、周波数が所定周期ｔｎ（２μｓ）で三角波をなすように直線的に増加と減少を繰り返している。このような三角波的に周波数が変化する高周波送信信号がアンテナ１５から放射される。
【００４３】
アンテナ１５から所定距離だけ離れた場所に対象物Ｍが存在する場合、当該対象物Ｍで反射した反射波がアンテナ１５で受信される。アンテナ１５で受信された反射波は、信号伝搬による時間遅延と振幅の減衰があるが、基本的には高周波送信信号と同じ周期で三角波状に周波数変化している。
【００４４】
図３（ｂ）は反射波を受信したアンテナ１５から出力される高周波受信信号の周波数変化を示す図である。図３（ａ）に示す高周波送信信号と時間軸（横軸）を合わせている。高周波受信信号は、信号伝搬による時間遅延により高周波送信信号に比べて時間Ｔａだけ位相がずれる。例えば、アンテナ１５から対象物Ｍまでの距離が１ｍであれば、往復の時間遅延Ｔａは約６．６７ｎＳとなる。対象物Ｍが停止していれば、ドップラー現象による周波数シフトは生じないので時間遅延（Ｔａ）は一定である。一方、対象物Ｍが移動（動き）している場合はドップラー現象による周波数シフト及び距離変動が生じるので時間遅延（Ｔａ）が変動する。後述するが、後段信号処理回路１９は、ミキサ回路１６出力であるＤＣビートから測定される時間遅延（Ｔａ）の変動から対象物Ｍの動きの有無を判定する。
【００４５】
ミキサ回路１６に対してアンテナ１５から放射される高周波送信信号の一部が入力されると共に、当該高周波送信信号の反射波である高周波受信信号が入力される。したがって、上記のような位相差が生じている高周波送信信号を第１の入力信号とし、高周波受信信号を第２の入力信号としてミキサ回路１６へ入力している。図４はミキサ回路１６において第１の入力信号と第２の入力信号とを混合して得られたミキサ出力信号Ｖｏをローパスフィルタ１７に入力してＤＣ成分（低周波信号）Ｖｏ１だけを取り出す様子を模式的に示している。
【００４６】
ところで、高周波送信信号の周波数が２．４５ＧＨｚ、対象物Ｍの移動速度が３０ｍ/ｈ程度であれば、ドップラー効果によって高周波受信信号が受ける周波数シフトは百数十Ｈｚ程度である。このように、高周波送信信号の周波数に比べてドップラー効果による周波数シフトは極めて小さい変化であるので、従来方法では送信信号周波数に極めて高い精度で固定値の発振周波数を生成する必要があった。すなわち、ミキサにおいて高周波送信信号と周波数シフトした高周波受信信号とを混合して周波数差を検出していたので、数ＧＨｚ帯の信号を合成して百数十Ｈｚ程度の周波数差を検出する精度が要求された。
【００４７】
本実施の形態は、図３（ａ）に示すように周波数が三角波状に増減を繰り返す高周波送信信号としたので、図３（ｂ）に示すように高周波送信信号の反射波である高周波受信信号も高周波送信信号と同様に周波数が三角波状に増減を繰り返す信号波形となる。
【００４８】
図５は、ミキサ回路１６において混合される高周波送信信号と高周波受信信号を重ねて示している。同図に示すように、高周波送信信号と高周波受信信号は三角波（周波数）であるので、高周波受信信号が遅延（距離）により時間軸方向にシフトすると、必ず１周期毎に高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントＰが存在する。
【００４９】
本発明者は、三角波（周波数）の高周波送信信号と高周波受信信号とが交差するポイントＰにおいて、高周波送信信号と高周波受信信号の混合成分を検波すれば、同一周波数である高周波送信信号と高周波受信信号の遅延位相差である残留位相を検出できることに着目した。すなわち、同一周波数である第１の入力信号と第２の入力信号とを信号合成すれば、その信号合成出力は第１の入力信号と第２の入力信号の位相差に対応した信号波形になる。よって、第１の入力信号と第２の入力信号の信号合成出力には両入力信号の位相差情報が含まれる。
【００５０】
残留位相は、アンテナ１５と対象物Ｍとの間を往復する信号の往復遅延（往復距離）に関する情報を含んでいる。対象物Ｍの位置変化があれば残留位相も変化するので、位相検波器出力（位相検波器として動作するミキサ回路１６のＤＣビート）が変動する。
【００５１】
直線的に周波数が増加及び減少を繰り返す三角波又は曲線的に周波数が増加及び減少を繰り返す周波数波形を用いれば、高周波送信信号と高周波受信信号とを容易に交差させることができ、簡単かつ確実に高周波送信信号と高周波受信信号とが同一周波数となるポイントを検出することができる。そして、ショットキーダイオド（Schottky Diode）などの非線形受動素子で構成されたミキサは、２つの入力信号が同一周波数であると、位相検波器として動作するので、ミキサ回路１６の出力信号をローパスフィルタ１７へ入力すれば、ミキサ回路１６が位相検波器として動作しているときに出力されるＤＣビートをローパスフィルタ１７で抽出することができる。ローパスフィルタ１７のカットオフ周波数は例えば１００Ｈｚに設定することができる。
【００５２】
ローパスフィルタ１７は、ミキサ回路１６が位相検波器として動作したときに出力されるＤＣビートを抽出し、低周波増幅回路１８で低周波増幅してから後段処理回路１９へ入力する。
【００５３】
後段処理回路１９では、対象物Ｍの位置変化と位相検波器（ミキサ回路１６）の出力レベル変動が連動するので、位相検波器出力レベルが変動すれば、対象物Ｍが動いたと判断することができる。
【００５４】
また、残留位相は距離の一次関数であるので、後段処理回路１９において、位相変移のリニア検出で位置変移のリニア検出を行っても良い。また、距離がλ／２変わるたびに、位相が３６０度変わるので、λ／２毎に出力電圧でパルスを１個発生させ、パルスカウントして移動距離をλ／２の精度で測定することができる。
【００５５】
なお、図５に示すように、高周波送信信号と高周波受信信号とは、周波数一致ポイントＰ以外では、差分周波数Ｆａが生じる。双方の三角波の頂点（上側及び下側）の間の時間領域を除けば、差分周波数Ｆａは一定の値となるが、この差分周波数Ｆａは信号遅延により生じている。すなわち、予め差分周波数Ｆａと距離との距離対応表を準備できる。
【００５６】
差分周波数Ｆａが例えば２００ｋＨｚであるとすると、ローパスフィルタ１７でカットされる。そこで、ミキサ回路１６から差分周波数Ｆａに対応して出力される差分周波数信号は、ローパスフィルタ１７を迂回した経路で取り出して後段処理回路１９へ入力する。後段処理回路１９では差分周波数信号から差分周波数を特定し、特定した差分周波数と距離対応表とから距離検出を行うことができる。
【００５７】
本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、物体の動き検出や距離検出用の無線センサ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 送信信号生成手段
１１ 周波数制御回路
１２ ＲＦ発振器
１２ａ 共振回路部
１２ｂ 発振回路部
１３ バッファアンプ
１４ バンドパスフィルタ
１５ アンテナ
１６ ミキサ回路
１７ ローパスフィルタ
１８ 低周波増幅回路
１９ 後段信号処理回路
２０ 電源回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成する送信信号生成手段と、
前記送信信号生成手段で生成された高周波送信信号を放射する送信アンテナと、
前記送信アンテナから放射された高周波送信信号を受けた対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力する受信アンテナと、
前記送信アンテナへ入力した前記高周波送信信号の一部が第１の周波数拡散高周波信号として入力すると共に、前記受信アンテナから出力された前記高周波受信信号が第２の周波数拡散高周波信号として入力し、前記第１の周波数拡散高周波信号と前記第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するミキサ回路と、
前記ミキサ回路の出力信号から前記ＤＣビート信号を抽出するＤＣ成分抽出回路と、
を具備したことを特徴とする無線センサ装置。
【請求項２】
前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に基づいて前記対象物までの距離を検出することを特徴とする請求項１記載の無線センサ装置。
【請求項３】
前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号の変動に基づいて前記対象物の動きを検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無線センサ装置。
【請求項４】
前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、直線的に増加及び減少して三角波形状の変化を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項５】
前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、曲線状に増加及び減少を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項６】
前記送信信号生成手段は、所要の高周波送信信号と同一周期で電圧が増加及び減少を繰り返す電圧制御信号を生成する周波数拡散制御回路と、前記周波数拡散制御回路から出力された電圧制御信号が印加され当該電圧制御信号に応じて発振周波数が変化する発振回路と、を具備したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項７】
前記発振回路は、印加電圧に応じて容量が変化し変化後の容量で発振周波数が決まる可変容量素子を有し、前記可変容量素子に前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させることを特徴とする請求項６記載の無線センサ装置。
【請求項８】
前記発振回路は、発振素子としてトランジスタを有し、前記トランジスタのベースに前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させることを特徴とする請求項６記載の無線センサ装置。
【請求項９】
前記送信アンテナと前記受信アンテナとを１つのアンテナで共用したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項１０】
前記高周波送信信号は、２４００ＭＨｚ〜２４８３．５ＭＨｚの中の周波数であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項１】
送信周波数が所定周期で連続的に増加及び減少するように周波数拡散された高周波送信信号を生成する送信信号生成手段と、
前記送信信号生成手段で生成された高周波送信信号を放射する送信アンテナと、
前記送信アンテナから放射された高周波送信信号を受けた対象物からの反射波を受信して周波数拡散された高周波受信信号を出力する受信アンテナと、
前記送信アンテナへ入力した前記高周波送信信号の一部が第１の周波数拡散高周波信号として入力すると共に、前記受信アンテナから出力された前記高周波受信信号が第２の周波数拡散高周波信号として入力し、前記第１の周波数拡散高周波信号と前記第２の周波数拡散高周波信号の周波数が一致したところで位相検波器として動作してＤＣビート信号を出力するミキサ回路と、
前記ミキサ回路の出力信号から前記ＤＣビート信号を抽出するＤＣ成分抽出回路と、
を具備したことを特徴とする無線センサ装置。
【請求項２】
前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号に基づいて前記対象物までの距離を検出することを特徴とする請求項１記載の無線センサ装置。
【請求項３】
前記ＤＣ成分抽出回路で抽出された前記ＤＣビート信号の変動に基づいて前記対象物の動きを検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無線センサ装置。
【請求項４】
前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、直線的に増加及び減少して三角波形状の変化を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項５】
前記送信信号生成手段は、前記高周波送信信号の周波数が、曲線状に増加及び減少を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項６】
前記送信信号生成手段は、所要の高周波送信信号と同一周期で電圧が増加及び減少を繰り返す電圧制御信号を生成する周波数拡散制御回路と、前記周波数拡散制御回路から出力された電圧制御信号が印加され当該電圧制御信号に応じて発振周波数が変化する発振回路と、を具備したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項７】
前記発振回路は、印加電圧に応じて容量が変化し変化後の容量で発振周波数が決まる可変容量素子を有し、前記可変容量素子に前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させることを特徴とする請求項６記載の無線センサ装置。
【請求項８】
前記発振回路は、発振素子としてトランジスタを有し、前記トランジスタのベースに前記電圧制御信号を印加して発振周波数を変化させることを特徴とする請求項６記載の無線センサ装置。
【請求項９】
前記送信アンテナと前記受信アンテナとを１つのアンテナで共用したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の無線センサ装置。
【請求項１０】
前記高周波送信信号は、２４００ＭＨｚ〜２４８３．５ＭＨｚの中の周波数であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の無線センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−５８８３６（Ｐ２０１１−５８８３６Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５９９４（Ｐ２００９−２０５９９４）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]