異物検出システム、異物センサ及び検出装置
【課題】小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能な異物検出システムを提供する。
【解決手段】異物検出システム１００は、反射タグ２０２の表面上に電気的に接続されたアンテナ２０４と抵抗素子２０６とを有する異物センサ２００と、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、異物センサ２００周辺に異物がない状態である基準状態において電波送信部３０４から送信された第１及び第２の周波数の電波の反射波である第１及び第２の反射波の反射電力を記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１及び第２の周波数の電波の反射波である第３及び第４の反射波から、第１及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部３０６とを有する検出装置３００とを備える。
【解決手段】異物検出システム１００は、反射タグ２０２の表面上に電気的に接続されたアンテナ２０４と抵抗素子２０６とを有する異物センサ２００と、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、異物センサ２００周辺に異物がない状態である基準状態において電波送信部３０４から送信された第１及び第２の周波数の電波の反射波である第１及び第２の反射波の反射電力を記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１及び第２の周波数の電波の反射波である第３及び第４の反射波から、第１及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部３０６とを有する検出装置３００とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異物検出システム、異物センサ及び検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線技術及び小型センサ開発技術の進歩に伴い、人や実環境の多様な情報を制御装置が複数のセンサを用いて取得し、活用する計測システムの開発が盛んに行われている（特許文献１〜３）。
【０００３】
こうした計測システムで用いられる遠隔通信可能なセンサは、一般に、小型であること、安価であること、省電力であることが要求される。
【０００４】
例えば、特許文献１では、センサにより計測した結果を処理する電子回路の一部を省き、また通信のタイミングを適切なものとすることで、小型化及び省電力化を試みている。
【０００５】
また、特許文献２では、センサの構成を簡易なものとすることで、センサの小型化を試みている。
【０００６】
さらに、特許文献３では、センサが行う無線通信のプロトコル及び通信処理部を工夫することで、省電力化を試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１２３０３３号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０８４３号公報
【特許文献３】特開２００８−０７２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の遠隔通信可能なセンサは、まだ十分な小型化や省電力化が図られていないという課題がある。
【０００９】
例えば、特許文献１では、１度の無線送信に要する消費電力自体は従来と同様であり、センサから頻繁に送信を必要とする場合、多くの電力を消費せざるを得ない。
【００１０】
また、特許文献２には、センサの通信部における電力消費を抑える技術が開示されていない。
【００１１】
また、特許文献３には、センシングに必要な消費電力を抑える技術が開示されていない。
【００１２】
さらに、これら遠隔通信可能なセンサは、物理量を検出する通常のセンサに、無線通信モジュールが追加されるため、通常のセンサと比較し大型で高価にならざるを得ないことも、実用上は大きな課題となっている。
【００１３】
このように、十分に小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能なセンサは実現できていない。
【００１４】
そこで本発明は、より小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能な異物センサを用いた異物検出システム、異物センサ及び検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のある局面に係る異物検出システムは、異物センサと、前記異物センサの周囲の異物の有無を検出する検出装置とを備える異物検出システムであって、前記異物センサは、第１アンテナと、前記第１アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、前記第１アンテナと前記抵抗素子とが表面に配置された基板である反射タグとを備え、前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射し、前記検出装置は、第２アンテナと、前記第２アンテナから前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、前記基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記第２アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える。
【００１６】
この構成によると、異物センサの周囲に異物が存在すると反射タグの見かけ上の誘電率が変化し、その結果、検出装置から送信され、反射タグで反射された電波の電力強度の周波数特性が変化する。また、反射タグは、その反射電力の周波数特性が極大値及び極小値をもつ。よって、異物センサの基板（特に、アンテナ周辺部）に異物が付着等することで、異物センサの基板の見かけの誘電率が変化した場合には、一方の周波数の反射電力は増加し、他方の周波数の反射電力は減少する。
【００１７】
その結果、検出装置は、異物による反射電力の変化と、距離変動による反射電力の変化とを切り分けることができる。よって、異物の過検出を抑えて、正確に異物センサの周囲にある異物を検出することができる。
【００１８】
この際、異物センサは検出装置から送信される電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しない。よって、いわゆる無線モジュールや電源は不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサを用いた異物検出システムを実現することができる。
【００１９】
また、前記電波送信部は、前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【００２０】
この構成によると、検出装置は、異物の検出に必要な２つの周波数の電波を同時期に送信することができる。よって、検出装置と異物センサとの距離が絶えず変化し、それに伴い反射電力も絶えず変化する場合でも、同時刻の反射電力を用いて正確に異物を検出する異物検出システムを実現できる。
【００２１】
また、前記反射タグは、吸湿性の部材で構成されている。
【００２２】
この構成によると、異物センサの基板が吸湿性を有するため、その一部に水等の液体が付着した場合、その液体は異物センサの基板全体に浸透する。その結果、異物センサのアンテナ周辺の見かけ上の誘電率が変化しやすくなり、反射電力の変化が顕著となるため、検出装置による異物の検出精度が向上する。
【００２３】
また、本発明のある局面にかかる検出装置は、アンテナと、前記アンテナから第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える。
【００２４】
この構成によると、検出装置は、事前に定められた２つの周波数の電波に対する反射電力が変化したか否かを検出することができる。
【００２５】
また、反射電力が変化した場合において、検出装置が備える判定部は、その原因が、異物センサの周囲に異物があるためか、異物センサと検出装置との距離が変化したためかを、反射電力の増減から、判定することができる。
【００２６】
具体的には、反射電力の周波数特性に極大点と極小点が含まれることから、異物センサ（特に、アンテナ周辺部）に異物が付着等することで、その誘電率が変化した場合には、一方の周波数の反射電力は増加し、他方の周波数の反射電力は減少する。
【００２７】
このように、検出装置が異物による反射電力の変化と、距離変動による反射電力の変化とを切り分けることができる結果、異物の過検出を抑えて、正確に異物センサの周囲にある異物を検出することができる。
【００２８】
また、前記電波送信部は、前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【００２９】
この構成によると、検出装置は、異物の検出に必要な２つの周波数の電波を同時期に送信することができる。よって、検出装置と異物センサとの距離が絶えず変化し、それに伴い反射電力も絶えず変化する場合でも、同時刻の反射電力を用いて正確に異物を検出することができる。
【００３０】
また、前記判定部は、前記第１の差分及び前記第２の差分の積が同じ符号であれば前記異物センサと前記検出装置との距離が変化したと判定する。この構成によると、検出装置は、異物センサ周囲の異物の有無に加え、異物センサが移動しているか否かを判定し、検出することができる。
【００３１】
また、本発明のある局面に係る異物センサは、アンテナと、前記アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、前記アンテナと前記抵抗素子とが面上に配置された基板である反射タグとを備える異物センサであって、前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【００３２】
この構成によると、異物センサの周辺に異物が存在すると反射タグの見かけ上の誘電率が変化し、その結果反射電力の周波数特性が変化する。また、反射タグからの反射電力の周波数特性は極大値及び極小値をもつ。
【００３３】
したがって、これら極値をとる周波数を含む一定領域内（例えば極大点、極小点を含みその前後６ＭＨｚ程度の範囲内）の周波数の反射電力を、異物が存在しない基準状態と比較することで、異物の有無を判定することができる。
【００３４】
その際、異物センサは電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しないため、いわゆる無線モジュールや電源は不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサを実現できる。
【００３５】
具体的には、前記アンテナは、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有する。
【００３６】
この構成により、反射電力の周波数特性が極大値及び極小値をもつ反射タグを実現することができる。
【００３７】
また、前記反射タグは吸湿性の部材で構成されている。
【００３８】
この構成によると、異物センサのアンテナ周辺の見かけ上の誘電率が変化しやすくなり、反射電力の変化が顕著となり、異物の検出精度が向上する。
【００３９】
なお、本発明は、このような異物検出システム、検出装置及び異物センサとして実現できるだけでなく、検出装置及び異物検出システムに含まれる特徴的な手段をステップとする異物検出方法として実現したり、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【００４０】
さらに、本発明は、このような検出装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現することができる。
【発明の効果】
【００４１】
以上より、本発明は、小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能な異物センサを用いた異物検出システム、異物センサ及び検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る異物センサ及び検出装置を用いた異物検出システムによる発汗検知の一例を示した概念図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る異物センサ及び検出装置のブロック図である。
【図３】図３は、本発明で異物の有無を検出するために使用する基本原理を説明する概念図である。
【図４】図４は、反射タグの誘電率と反射電力の周波数特性の関係を、電磁界シミュレータを用いて検証した結果を示す図である。
【図５】図５は、反射タグの誘電率と、検出装置−異物センサ間の距離とが反射電力の周波数特性にそれぞれ与える影響を示した図である。
【図６】図６は、極大点及び極小点を有する反射電力の周波数特性を示す図である。
【図７】図７は、反射電力の周波数特性に極大点及び極小点を有する反射タグを用いて、誘電率の変化と距離の変化を切り分ける方法を説明する概念図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る検出装置による異物の検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る検出装置が備える判定部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態の変形例に係る検出装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る反射タグが満たすべき条件について説明する図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態にかかる検出装置を実現するコンピュータシステムの一例を示す外観図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態にかかる検出装置を実現するコンピュータシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る異物検出システム、検出装置及び異物センサの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４４】
本発明の実施の形態に係る異物検出システム１００は、主に水分の検知に使用可能である。よって、用途としては、健康管理のための発汗検知、又は建物の漏水や結露検知といったものが考えられる。
【００４５】
図１は、本発明の実施の形態に係る異物検出システム１００による発汗検知の一例を示した概念図である。
【００４６】
図１に示されるように、異物検出システム１００は、異物センサ２００と検出装置３００を備える。
【００４７】
異物センサ２００は、検出装置３００から送信された電波の一部を反射及び吸収（内部回路で電力として消費）する機能を有する。
【００４８】
検出装置３００は、事前に定められた２つの周波数の電波を異物センサ２００へ送信し、その反射波を受信する。検出装置３００は、受信した反射波の強度変化により、異物の有無を判定する。
【００４９】
例えば、トレーニー７００、７０１の衣服等には、異物センサ２００が設置されている。
【００５０】
ここで、異物センサが異物（この例では汗）を検知すると、検出装置３００は警報を発する。例えば、運動時に過度の発汗を放置すると、脱水症状等のおそれがある。そこで、トレーニー７００、７０１の発汗状態を把握できることが望ましい。しかし、多数のトレーニーの発汗状態を、限られた数のトレーナー７０２が注意し続けることは困難である。
【００５１】
本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００を用いた異物検出システム１００により、トレーナー７０２は、トレーニー７００、７０１の発汗状態をリアルタイムに記録し、監視することができる。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００のブロック図である。
【００５３】
図２に示されるように、異物センサ２００は、反射タグ２０２と、アンテナ２０４と、抵抗素子２０６とを備える。
【００５４】
反射タグ２０２は、その表面にアンテナ２０４と抵抗素子２０６とを配置する基板である。基板の材質としては、例えば、誘電率の低い樹脂や、吸湿性のある部材（紙や布など）などを使用することが考えられるが、これに限られない。
【００５５】
なお、吸湿性の部材を基板とすることにより、液体の異物が反射タグ２０２の一部に付着した場合には、より広範囲に異物が浸透しやすい。また、検出装置３００は、反射タグ２０２の見かけの誘電率の変化を反射電力の変化として検出するが、特にアンテナ２０４付近の反射タグ２０２に異物が付着し誘電率が変化することにより、反射電力は大きく変化する傾向にある。よって、反射タグ２０２に吸湿性の部材を使用することで、液体の異物の検出が容易になると考えられる。
【００５６】
なお、反射タグ２０２の見かけの誘電率の変化とは、アンテナ２０４またはその一部分の近傍空間の誘電率の変化により、タグ２０２の見かけの誘電率が変化することをいう。具体的には、異物がない基準状態において反射タグ２０２の周辺を満たす空気が、他の異物に置き換わることにより、反射タグ２０２全体の見かけの誘電率が変化することを言う。
【００５７】
なお、理論的には、誘電率の変化はアンテナ２０４周辺に限られないが、実用的には、アンテナ２０４周辺の誘電率の変化しか検出できないと考えられる。
【００５８】
アンテナ２０４は、検出装置から送信された電波を受信する。アンテナ２０４は、後述するように、異物センサ２００が特定周波数で電波を反射及び吸収するように形状が設計される。
【００５９】
抵抗素子２０６は、アンテナ２０４で受信した電波を電力として消費することにより、反射電力の強度を調整する。抵抗素子２０６の抵抗値は、アンテナ２０４の形状と同様、特定周波数で電波を反射又は吸収する特性をもつ異物センサ２００を実装するための設計パラメタの１つである。抵抗素子２０６は可変抵抗素子でもよく、固定抵抗素子でもよい。
【００６０】
なお、例えば紙製の反射タグ２０２に、導電率の高い導電性インクでアンテナ２０４を印刷し、アンテナ２０４よりより導電率の低い導電性インクで抵抗素子２０６を印刷することにより、異物センサ２００を大量、安価に生産することができる。
【００６１】
検出装置３００は、アンテナ３０２と、電波送信部３０４と、判定部３０６と、記憶部３０８とを備える。
【００６２】
アンテナ３０２は、立体あるいは平面的な構造をもつアンテナであり、電波送信部３０４から出力される特定周波数の電波を、反射タグ２０２へ送信する。
【００６３】
電波送信部３０４は、周波数の異なる２種類の電波を発生させ、アンテナ３０２を介して送信する。例えば、９５０ＭＨｚと、２．４ＧＨｚの電波を交互に送信すること等が考えられるが、詳細は後述する。
【００６４】
判定部３０６は、アンテナ３０２から受信した反射波の電波強度を、記憶部３０８から取得する基準値と比較し、異物の有無を判定する。判定部３０６の詳細は後述する。
【００６５】
記憶部３０８は、基準状態（例えば、異物センサ２００の周囲に異物が無い状態）で検出装置３００から事前に定められた２種類の周波数の電波を送信した際の、異物センサ２００からの反射電力の強度を記憶している。記憶部３０８は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等を用いて実現することができる。
【００６６】
なお、記憶部３０８は必ずしも検出装置３００が備えておく必要はなく、検出装置３００の外部にある装置が備えていてもよい。その場合、検出装置３００は、記憶部３０８を備える装置から、例えば無線通信により、基準状態における反射電力強度を取得することで、検出装置３００が記憶部３０８を備える場合と同様の効果を奏する。
【００６７】
より具体的には、異物センサ２００が記憶部３０８を備え、いわゆるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）における識別情報の伝送手段を応用し、アンテナ３０２から送信された電波に対する異物センサ２００からの反射電力を用いて、異物センサ２００から検出装置３００へ基準状態における反射電力強度を通知すること等が考えられる。
【００６８】
図３は、本発明で異物の有無を検出するために使用する基本原理を説明する概念図である。
【００６９】
本発明では、電波を反射する物体の誘電率によって反射電力の周波数特性が変化することを用いて、異物の有無を検出する。
【００７０】
図３（Ａ）の横軸は、検出装置３００が異物センサ２００へ送信する電波の周波数を示し、縦軸は異物センサ２００から検出装置３００への反射電力の強度を示す。
【００７１】
例えば、基準状態の異物センサ２００へ電波を送信した場合における反射電力の周波数特性が、周波数ｆａで極小点４０１をもつグラフ４６０により示されるとする。
【００７２】
次に、反射タグ２０２よりも大きな誘電率をもつ異物が反射タグ２０２に付着した場合、反射タグ２０２の、みかけ上の誘電率は増加する。
【００７３】
この場合、一般に、誘電率の上昇に伴って反射電力の周波数特性のグラフは周波数が小さい方へ（図３（Ａ）では左へ）シフトする。グラフ４６１は、異物が付着したために誘電率が増加した反射タグ２０２の周波数特性の例である。
【００７４】
したがって、異物が付着した状態で、周波数ｆａの電波を送信すると、その反射電力は異物が付着していない状態（極小点４０１）と比較し大きくなる。
【００７５】
逆に、反射タグ２０２よりも小さな誘電率をもつ異物が反射タグ２０２に付着すると、反射タグ２０２の誘電率は減少する。その結果、反射タグ２０２の周波数特性がグラフ４６２で示されるように周波数の大きい方（右側）へシフトする。この場合も、周波数ｆａの電波を反射タグ２０２へ送信した場合の反射電力の強度は、基準状態（グラフ４６０の極小点４０１）における反射電力と比較し大きくなる。
【００７６】
図３（Ｂ）は、異物６０１として水分が反射タグ２０２の裏面に付着した異物センサ２００を示す。
【００７７】
水の誘電率は約８０であり、空気の誘電率（約１）と比較して非常に高い。よって、図３（Ｂ）に示されるように、反射タグ２０２の裏面に水が付着した場合、反射タグ２０２の見かけの誘電率は増加する。
【００７８】
その結果、周波数ｆａの電波を図３（Ｂ）の異物センサ２００に送信した場合、その反射電力は、基準状態における極小点４０１の値よりも大きくなる。
【００７９】
このように、検出装置３００は異物が無い基準状態における反射電力強度との差を用いて、異物を検出することができる。
【００８０】
なお、反射タグ２０２に異物が付着する場所としては、前述の通り、アンテナ２０４の配置箇所上やその裏面を含む、アンテナ２０４の周辺が（反射電力の変化が大きいために）好ましい。しかし、検出装置３００で反射電力の変化を検出可能な程度に、アンテナ２０４の特性インピーダンスが変わる場所であれば、反射タグ２０２上の他の場所でもよい。
【００８１】
また、異物が反射タグ２０２に完全に付着せずとも、例えば反射タグ２０２から数ミリ程度離れて異物が存在する場合であっても、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率は変化する。よって、上記原理により、異物センサ２００は非接触で異物を検出することができると考えられる。
【００８２】
図４は、反射タグ２０２の見かけの誘電率と反射電力の周波数特性の関係を、電磁界シミュレータを用いて検証した結果を示す図である。
【００８３】
シミュレーションでは、複数の周波数の電波を順次、反射タグ２０２の誘電率が４．６である異物センサ２００へ送信したと仮定し、その反射電力の大きさを算出した。
【００８４】
グラフ４１０は、誘電率１の空気中における異物センサ２００の反射電力の特性である。グラフ４１０に示されるように、２．４ＧＨｚの電波を送信した場合に、反射電力の強度が極小値となるように、異物センサ２００は設計されている。
【００８５】
グラフ４１１は、反射タグ２０２の裏面に、厚さ１０ｍｍの水（誘電率８０）の層が異物としてあると仮定した場合の、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性を示す。グラフ４１１は、グラフ４１０を左側に移動させた形状となっており、誘電率の変化により、２．４ＧＨｚの電波を送信した場合における反射電力の強度が、空気中で測定した場合と比較して、大きくなっていることがわかる。
【００８６】
本発明の原理は、このように、反射タグ２０２の誘電率の変化に伴い、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性が変化し、その結果、特定周波数で計測した反射電力強度が変化することを用いるものである。
【００８７】
しかし、反射電力の強度は、反射タグ２０２の誘電率以外に、異物センサ２００と検出装置３００との距離によっても変化する。したがって、反射電力強度を変化させた原因が、誘電率の変化によるものか、距離の変化によるものかを判別できなければ、異物を正確に検出できない。この課題について、図５を用いて、より詳しく説明する。
【００８８】
図５は、反射タグ２０２の誘電率と、検出装置３００〜異物センサ２００間の距離とが反射電力の周波数特性にそれぞれ与える影響を示した図である。
【００８９】
図５に示されるグラフ４５０は、基準状態において周波数ｆ１を中心に送信された様々な周波数の電波に対する反射タグ２０２からの反射電力の強度を示す。周波数ｆ１において、反射電力は極小値Ｐ１をとる。
【００９０】
グラフ４５１は、前述の反射タグ２０２を水で濡らした結果、誘電率が増加した際の反射電力強度の周波数特性を示す。グラフが左へ移動した結果、周波数ｆ１における反射電力は、Ｐｍとなる。
【００９１】
グラフ４５２は、異物センサ２００を、グラフ４５０を計測したときよりも検出装置３００に近づけた際の反射電力強度の特性を示す。誘電率は変わらないため、周波数ｆ１でグラフ４５２は極小値をとるが、その値はＰ１ではなく、Ｐｍである。
【００９２】
すなわち、周波数ｆ１における反射電力がＰ１からＰｍへ変化したことを検出するだけでは、異物により反射タグ２０２の誘電率が上昇したのか、異物センサ２００と検出装置３００との距離が変化したのかを、切り分けることができないという課題が残る。
【００９３】
本実施の形態に係る異物センサ２００は、反射電力の周波数特性を工夫することにより、この課題を解決する。図６を用いて、詳細に説明する。
【００９４】
図６は、異物センサ２００の、極大点及び極小点を有する反射電力の周波数特性を示す図である。
【００９５】
図６に示されるように、基準状態における反射電力の強度を示すグラフ４５０は、周波数ｆ１において極小点４１５を有し、周波数ｆ２において極大点４１７を有する。
【００９６】
すなわち、周波数ｆ１の電波を受信した際に最も多くの電波を吸収し、周波数ｆ２の電波を受信した際に最も少ない電波を吸収するように、異物センサ２００を設計するものとする。ここで周波数ｆ１及びｆ２は、異物を検出するために検出装置３００から送信される電波の周波数である。
【００９７】
図７は、図６に示された、反射電力の周波数特性に極大点及び極小点を有する異物センサ２００を用いて、誘電率の変化と距離の変化を切り分ける方法を説明する概念図である。
【００９８】
いま、反射タグ２０２に水分が付着し、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が上昇したとする。その場合は、図７（Ａ）に示されるように、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性は、グラフ４５０からグラフ４５１へ変化する。
【００９９】
この場合に、検出装置３００が、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の電波を異物センサ２００へ送信した場合の反射電力は、それぞれグラフ４５１上の点４１６及び点４１８によって示される値となる。
【０１００】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１においては反射電力が大きくなり、周波数ｆ２においては反射電力が小さくなることがわかる。
【０１０１】
一方、異物センサ２００と検出装置３００との距離が長くなった場合、反射電力の周波数特性は、図７（Ｂ）に示されるように、グラフ４５０からグラフ４５４へ変化する。
【０１０２】
この場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における異物センサ２００からの反射電力は、それぞれグラフ４５４上の極小点４２０及び極大点４２１によって示される値となる。
【０１０３】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１及び周波数ｆ２において、反射電力がともに小さくなることがわかる。
【０１０４】
また、反射タグ２０２と検出装置３００との距離が短くなった場合、反射電力の周波数特性は、図７（Ｂ）に示されるように、グラフ４５０からグラフ４５２へ変化する。
【０１０５】
この場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における異物センサ２００からの反射電力は、それぞれグラフ４５２上の極小点４２２及び極大点４２３によって示される値となる。
【０１０６】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１及び周波数ｆ２において、反射電力がともに大きくなることがわかる。
【０１０７】
図７（Ｃ）は、以上述べた要因毎に、反射電力の変化をまとめた表である。
【０１０８】
反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が増加した場合、周波数ｆ１における反射電力は、基準状態よりも増加し、周波数ｆ２における反射電力は、基準状態よりも減少する。
【０１０９】
一方、反射タグ２０２の誘電率が変化せず、異物センサ２００と検出装置３００との距離が変化した場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における反射電力は、ともに増加するか、ともに減少するかのいずれかとなる。
【０１１０】
したがって、周波数ｆ１及びｆ２における反射電力が、基準状態からどのように変化するかを判定することで、誘電率の変化（すなわち、異物の存在）と、検出装置３００からの距離の変化（例えば、異物センサ２００を設置したトレーニー７００、７０１の姿勢変化など）を切り分けて検出することができる。
【０１１１】
図８は、本実施の形態に係る検出装置３００による異物の検出処理の流れを示すフローチャートである。
【０１１２】
まず、検出装置３００は電波送信部３０４から異物センサ２００に対して周波数がｆ１である電波を送信する（Ｓ３２０）。
【０１１３】
異物センサ２００は、この電波を、アンテナ２０４を介して受信する。その後、異物センサ２００は、受信した電波の一部をアンテナ２０４及び抵抗素子２０６等によって消費し、一部を反射波として検出装置３００へ反射する。
【０１１４】
検出装置３００は、アンテナ３０２により異物センサ２００からの反射波を受信する（Ｓ３２１）。説明のため、この反射波を第３の反射波と呼ぶ。判定部３０６は、第３の反射波の反射電力の値を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１１５】
次に、検出装置３００は電波送信部３０４から異物センサ２００に対して周波数がｆ２である電波を送信する（Ｓ３２２）。
【０１１６】
次に、異物センサ２００は、この電波を、アンテナ２０４を介して受信する。その後、異物センサ２００は、受信した電波の一部をアンテナ２０４及び抵抗素子２０６等によって消費し、一部を反射波として検出装置３００へ反射する。
【０１１７】
次に、検出装置３００は、アンテナ３０２により異物センサ２００からの反射波を受信する（Ｓ３２３）。説明のため、この反射波を第４の反射波と呼ぶ。判定部３０６は、第４の反射波の反射電力の値を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１１８】
次に、判定部３０６は、異物がない基準状態において反射タグ２０２へ周波数ｆ１及び周波数ｆ２の電波をそれぞれ送信した場合の各反射電力の値を、記憶部３０８から取得する。説明のため、これらを第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力と、それぞれ呼ぶ。
【０１１９】
さらに、判定部３０６は、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力の値を記憶部３０８から取得する。
【０１２０】
その後、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力を基準として、第３及び第４の反射波の反射電力の増減をそれぞれ求め、反射タグ２０２付近の異物の有無を判定する（Ｓ３２４）。
【０１２１】
図９は、本実施の形態に係る検出装置３００が備える判定部３０６の処理の流れを示すフローチャートである。
【０１２２】
まず、前述の通り、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力を基準として、第３及び第４の反射波の反射電力の増減を求める（Ｓ３０４）。
【０１２３】
具体的には、判定部３０６は、第３の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力を引いた差分である第１の差分と、第４の反射波の反射電力から第２の反射波の反射電力を引いた差分である第２の差分とを算出する。
【０１２４】
次に、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力と比較し、第３及び第４の反射波の反射電力の一方が増加し、かつ、一方が減少しているか否かを判定する（Ｓ３０５）。
【０１２５】
具体的には、判定部３０６は、前述の第１の差分と第２の差分の正負の符号が異なっているか否かを判定することが考えられる。
【０１２６】
その判定の結果、第１の差分と第２の差分の符号が異なっていれば（Ｓ３０５でＹｅｓ）、判定部３０６は、反射タグ２０２の付近に異物を検出したものとして、異物検出信号を出力する（Ｓ３０６）。
【０１２７】
一方、第１の差分と第２の差分の符号が同一であれば（Ｓ３０５でＮｏ）、判定部３０６は、異物の検出信号を出力しない。
【０１２８】
すなわち、本実施の形態に係る異物検出システム１００は、異物センサ２００と、異物センサ２００の周囲の異物の有無を検出する検出装置３００とを備える。
【０１２９】
ここで、異物センサ２００は、アンテナ２０４と、アンテナ２０４と電気的に結合された抵抗素子２０６と、アンテナ２０４と抵抗素子２０６とが表面に配置された基板である反射タグ２０２とを備えている。
【０１３０】
異物センサ２００は、異物センサ２００の周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【０１３１】
また、検出装置３００は、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１の周波数及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、基準状態において、電波送信部３０４から送信された第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、電波送信部３０４から送信された第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第３の反射波及び電波送信部３０４から送信される第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第４の反射波をアンテナ３０２から取得し、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサ２００の周囲に異物があると判定する判定部３０６とを備える。
【０１３２】
なお、反射タグ２０２の部材として、吸湿性の部材を使用しても良い。
【０１３３】
また、本実施の形態に係る検出装置３００は、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、異物センサ２００周辺に異物がない状態である基準状態において、電波送信部３０４から送信された第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、電波送信部３０４から送信された第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第３の反射波及び電波送信部３０４から送信される第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第４の反射波をアンテナ３０２から取得し、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサ２００の周囲に異物があると判定する判定部３０６とを備えている。
【０１３４】
また、本実施の形態に係る異物センサ２００は、アンテナ２０４と、アンテナ２０４と電気的に結合された抵抗素子２０６と、アンテナ２０４と抵抗素子２０６とが面上に配置された基板である反射タグ２０２とを備えている。
【０１３５】
また、異物センサ２００は、異物センサ２００の周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【０１３６】
ここで、第１及び第２の周波数領域は、広すぎると異物の過検出の可能性が高まり、狭すぎると異物の見過ごしの可能性が高まる。例えば、第１の周波数領域は、第１周波数を含み、その前後６ＭＨｚ程度と設定し、第２の周波数領域は、第２周波数を含み、その前後６ＭＨｚ程度と設定すること等が考えられる。
【０１３７】
この構成によると、異物が接触せずとも異物センサ２００の周辺（例えば周囲数ミリ程度）に異物が存在すると反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が変化し、その結果反射電力の周波数特性が変化する。
【０１３８】
より具体的には、異物センサ２００が備えるアンテナ２０４は、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有するように設計してもよい。
【０１３９】
すなわち、２個の異なる周波数の共振点をアンテナ２０４にもたせれば、その間には極大点と極小点が存在する。
【０１４０】
したがって、長さを変えることで共振点を変えた２つのアンテナが並列に接続された形状としてアンテナ２０４を設計することが考えられる。
【０１４１】
以上述べた異物センサ２００は電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しないため、いわゆる無線モジュールは不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサ２００を用いた異物検出システム１００を実現できる。
【０１４２】
また、本実施の形態に係る異物検出システム１００では、反射電力の周波数特性のうち、極大値及び極小値を含む特性を用いて、すなわち、２つの周波数だけで測定が可能である。よって、周波数特性のスペクトラムを測定する必要が無く、検出装置の簡素化、低コスト化、省エネ化といった利点が生じる。
【０１４３】
また、本実施の形態に係る異物検出システム１００では、負荷とアンテナのインピーダンス整合（抵抗による電力損失）を設計に利用するため、完全な反射状態と完全な吸収状態（理論的には送信電力の半分を吸収）を利用する。より大きな反射電力変化を得ることができる。具体的には、反射電力の変化量（極小点のピークの深さ）を制御することができる。その結果、反射電力変化の検出が容易となり、異物の検出精度を高めることができる。
【０１４４】
なお、本実施の形態に係る異物センサ２００は、自ら電波を発信せずに反射波を用いて通信を行う点で、いわゆるパッシブ型のＲＦＩＤと類似している。
【０１４５】
しかし、パッシブ型のＲＦＩＤは、ＩＤ情報を反射波に乗せて返すため、タグがＩＣ（Integrated Circuit）を備えておく必要とする。一方、本実施の形態にかかる異物センサ２００では、電波を吸収するためのアンテナと抵抗素子のみを備えればよく、ＩＣは不要である。
【０１４６】
すなわち、パッシブ型ＲＦＩＤでは必要なＩＣを駆動するための電力が、異物センサ２００では不要となる。
【０１４７】
その結果、異物センサ２００の通信距離をパッシブ型ＲＦＩＤよりも伸ばすことや、検出装置３００（パッシブ型ＲＦＩＤにおけるリーダに相当）が出力する電波の出力を減らすことが可能となる。
【０１４８】
より具体的に検討すると、パッシブ型ＲＦＩＤによる通信距離（すなわち、リーダとタグ間の通信可能な距離）の最大値は、数式１で求められる。ここで、λは、送信する電波の波長であり、ＰTXは、リーダの送信電力であり、Ｇreaderは、リーダのアンテナ利得であり、Ｇtagはタグのアンテナ利得であり、Ｐmin,tagは、タグの閾値電力（感度）である。
【０１４９】
【数１】
【０１５０】
一方、本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００間の通信距離の最大値は、数式２で求められる。ここで、λは、送信する電波の波長であり、ＰTXは、検出装置３００の送信電力であり、Ｇreaderは、検出装置３００のアンテナ利得であり、Ｇtagは異物センサ２００のアンテナ利得であり、Ｐmin,readerは、検出装置３００の感度であり、Ｔbは、後方拡散伝送ロスである。
【０１５１】
【数２】
【０１５２】
仮に、送信周波数を９５０ＭＨｚとし、Ｐmin,tagを−１０ｄＢｍとし、Ｐmin,readerを−８０ｄＢｍとすると、数式１より、パッシブ型ＲＦＩＤの通信距離は６ｍとなる。
【０１５３】
一方、本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００間の通信距離の最大値は、数式２より、４５ｍとなる。
【０１５４】
これらは理論値であるため、実際はＩＣとアンテナのマッチング状態等により、通信距離は変化するが、このように本実施の形態に係る異物検出システム１００では、従来のパッシブ型ＲＦＩＤと比較しても、省電力で、長距離の通信が可能である。
【０１５５】
以上、本実施の形態に係る異物検出システム１００、検出装置３００、及び異物センサ２００について説明した。
【０１５６】
次に、本実施の形態の変形例に係る検出装置３００について説明する。
【０１５７】
（変形例）
図１０は、本変形例に係る検出装置３００を備えた異物検出システム１００のブロック図である。なお、図２と同様の構成要素については同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【０１５８】
本変形例では、検出装置３００が、さらにアンテナ３０３を備える。また、電波送信部３０４が第１送信部３１１及び第２送信部３１２を備える。また、判定部３０６が第１受信部３１３及び第２受信部３１４を備える。
【０１５９】
アンテナ３０２及びアンテナ３０３は、それぞれ、第１送信部及び第２送信部から送られる電波の送信及び、その反射波の受信を行うアンテナである。
【０１６０】
第１送信部３１１は、第１の周波数の電波をアンテナ３０２から送信する。
【０１６１】
第２送信部３１２は、第２の周波数の電波をアンテナ３０３から送信する。
【０１６２】
これらの送信は、例えばユーザが検出装置３００へ異物の検出を指示したタイミングに行ってもよく、定期的（例えば数十秒毎など）に行っても良い。
【０１６３】
また、第１送信部３１１と第２送信部３１２は同時に電波を送信してもよく、数十ミリ秒程度、時刻をずらして電波を送信してもよい。
【０１６４】
第１受信部３１３は、第１送信部３１１から送信された電波の反射波を、アンテナ３０２を用いて受信する。
【０１６５】
第２受信部３１４は、第２送信部３１２から送信された電波の反射波を、アンテナ３０３を用いて受信する。
【０１６６】
第１受信部３１３及び第２受信部３１４は、受信した反射波の電力を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１６７】
すなわち、本変形例にかかる電波送信部３０４は、第１の周波数の電波を送信する第１送信部３１１と、第２の周波数の電波を送信する第２送信部３１２とを備え、第１送信部３１１及び第２送信部３１２は同時期に、第１の周波数及び第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【０１６８】
本変形例によれば、検出装置３００は、第１の周波数の電波及び第２の周波数の電波を異物センサ２００に対してそれぞれ独立のタイミングで送信し、その反射波を受信することができる。
【０１６９】
よって、検出装置３００は、第１の反射波の反射電力の測定が完了する前に、第２の反射波を送信することができる。より具体的には、検出装置３００は、第１の周波数と第２の周波数の電波を同時に送信することができる。
【０１７０】
その結果、異物センサ２００と検出装置３００との距離が絶えず変化し、これに対応して反射電力が変化する場合においても、同一距離において第１の反射波及び第２の反射波の反射電力を測定できる。そのため、検出装置３００は、より正確に異物を検出することができる。
【０１７１】
なお、実施の形態及び変形例において、検出装置３００が送信する２種類の電波の周波数の間隔が狭いと、判定部３０６は異物による反射電力の変化と、検出装置３００〜異物センサ２００間の距離の変化による反射電力の変化とを区別できず、異物の過検出が生じやすくなる。図６及び図１１を参照して、より詳細に説明する。
【０１７２】
図６では、グラフ４５１で示される反射電力は、基準状態である４５０と比較して、周波数ｆ１では増加し、周波数ｆ２では減少する。図７（Ｃ）でまとめたように、２種類の周波数の内、一方の周波数について反射電力が増加し、他方の周波数について反射電力が減少したか否かを判定することで、判定部３０６は、反射電力の変化が、異物によるものか、距離の変化によるものかを切り分けることができる。
【０１７３】
しかし、例えば、図１１で示されるグラフ４５０とグラフ４９０の関係では、グラフ４９０は反射タグ２０２の誘電率の変化により、基準状態であるグラフ４５０が左へシフトしたものであるにも関わらず、周波数ｆ１及び周波数ｆ２ともに、反射電力の値は減少している。
【０１７４】
すなわち、周波数ｆ１及びｆ２の差が小さく、異物による反射タグ２０２の誘電率の変化量が大きい場合には、判定部３０６が異物を過検出する可能性が生じる。特に、周波数ｆ１及びｆ２の差が小さい（間隔が狭い）場合に、異物を過検出しやすいといえる。
【０１７５】
これを避けるためは、想定される誘電率の変化（すなわち、検出装置３００によって検出したい異物の種類や量）に応じて、周波数ｆ１とｆ２を適切に離す必要がある。
【０１７６】
より具体的には、例えば、ｆ１を９４０ＭＨｚとし、ｆ２を２．４５ＧＨｚとすること等が考えられる。
【０１７７】
なお、異物センサ２００の反射電力の周波数特性は、例えば図６に示されるように複数の直線が組み合わされた形状でなくともよい。例えば、極小点を有する下に凸の曲線と、極大点を有する上に凸の曲線とが組み合わされており、かつ、１の周波数に対して１の反射電力が定まる形状であってもよい。
【０１７８】
なお、反射タグ２０２の反射電力の周波数特性は、必ずしも、１の極大点と１の極小点を有さずともよい。ただし、検出対象とする異物により周波数特性が変化しうる範囲においては、１の極大点を１の極小点を有する必要がある。
【０１７９】
例えば、図６において、反射タグ２０２に検出したい異物である水（誘電率８０）が接触している場合の反射電力の周波数特性がグラフ４５１で示されており、これ以上、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が大きくならないことがわかっている場合（例えば、反射タグ２０２が十分な量の水に接触している場合）には、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性は、グラフ４５１の極小点から点４１８までの間に、１の極大点以外の変極点をもたなければよい。
【０１８０】
なお、本実施の形態では、基準状態として異物がない状態を用いたが、特定の異物がある状態を基準状態として用いても良い。例えば、浸水した反射タグ２０２の反射電力の極大点及び極小点からのずれを検出することで、異物である水が無いことを検出することができる。
【０１８１】
なお、本実施の形態では異物の例として、反射タグ２０２の誘電率として想定される値（１０以下程度）よりも誘電率の大きな水を用いて説明したが、より誘電率の小さな物質の有無も検出することができる。
【０１８２】
また、単に異物の有無を検出するだけでなく、反射電力のずれの大きさを評価することにより、誘電率の値を計測することも可能である。すなわち、検出装置３００が備える判定部３０６は、さらに、誘電率算出部を備え、誘電率算出部では、前述の第１差分及び第２差分が大きいほど、誘電率を大きく算出することで、検出装置３００は誘電率の大きさを算出することができる。
【０１８３】
なお、実施の形態及び変形例で説明した検出装置３００は、コンピュータにより実現することが可能である。図１２を参照して、検出装置３００は、コンピュータ３４と、コンピュータ３４に指示を与えるためのキーボード３６及びマウス３８と、コンピュータ３４の演算結果等の情報を提示するためのディスプレイ３２と、コンピュータ３４で実行されるプログラムを読み取るためのＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory）装置４０及び通信モデム（図示せず）とを含む。
【０１８４】
検出装置３００が行う処理であるプログラムは、コンピュータで読取可能な媒体であるＣＤ−ＲＯＭ４２に記憶され、ＣＤ−ＲＯＭ装置４０で読み取られる。又は、コンピュータネットワークを通じて通信モデム５２で読み取られる。
【０１８５】
図１３は、検出装置３００を実現するコンピュータシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータ３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４４と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４６と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４８と、ハードディスク５０と、通信モデム５２と、バス５４とを含む。
【０１８６】
ＣＰＵ４４は、ＣＤ−ＲＯＭ装置４０又は通信モデム５２を介して読み取られたプログラムを実行する。ＲＯＭ４６は、コンピュータ３４の動作に必要なプログラムやデータを記憶する。ＲＡＭ４８は、プログラム実行時のパラメタなどのデータを記憶する。ハードディスク５０は、プログラムやデータなどを記憶する。通信モデム５２は、コンピュータネットワークを介して他のコンピュータとの通信を行う。バス５４は、ＣＰＵ４４、ＲＯＭ４６、ＲＡＭ４８、ハードディスク５０、通信モデム５２、ディスプレイ３２、キーボード３６、マウス３８及びＣＤ−ＲＯＭ装置４０を相互に接続する。
【０１８７】
さらに、上記の各装置を構成する構成要素の一部又は全部は、１個のシステムＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）から構成されているとしてもよい。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。
【０１８８】
さらにまた、上記の各装置を構成する構成要素の一部又は全部は、各装置に脱着可能なＩＣカード又は単体のモジュールから構成されているとしてもよい。ＩＣカード又はモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカード又はモジュールは、上記の超多機能ＬＳＩを含むとしてもよい。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、ＩＣカード又はモジュールは、その機能を達成する。このＩＣカード又はこのモジュールは、耐タンパ性を有するとしてもよい。
【０１８９】
また、本発明は、上記に示す方法であるとしてもよい。また、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしてもよいし、前記コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしてもよい。
【０１９０】
さらに、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号をコンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Blu-ray Disc（登録商標））、ＵＳＢメモリ、ＳＤカードなどのメモリカード、半導体メモリなどに記録したものとしてもよい。また、これらの記録媒体に記録されている上記デジタル信号であるとしてもよい。
【０１９１】
また、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号を、電気通信回線、無線又は有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしてもよい。
【０１９２】
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムに従って動作するとしてもよい。
【０１９３】
また、上記プログラム又は上記デジタル信号を上記記録媒体に記録して移送することにより、又は上記プログラム又は上記デジタル信号を、上記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしてもよい。
【０１９４】
さらに、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。
【０１９５】
今回開示された実施の形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、異物検出システム、検出装置及び異物検出センサに適用できる。
【符号の説明】
【０１９７】
３２ ディスプレイ
３４ コンピュータ
３６ キーボード
３８ マウス
４０ ＣＤ−ＲＯＭ装置
４２ ＣＤ−ＲＯＭ
４４ ＣＰＵ
４６ ＲＯＭ
４８ ＲＡＭ
５０ ハードディスク
５２ 通信モデム
５４ バス
１００ 異物検出システム
２００ 異物センサ
２０４、３０２、３０３ アンテナ
２０２ 反射タグ
２０４ アンテナ
２０６ 抵抗素子
３００ 検出装置
３０４ 電波送信部
３０６ 判定部
３０８ 記憶部
３１１ 第１送信部
３１２ 第２送信部
３１３ 第１受信部
３１４ 第２受信部
４０１、４０２、４０３、４１５、４２０、４２２ 極小点
４１７、４２１、４２３ 極大点
４１６、４１８ 点
４１０、４１１、４５０、４５１、４５２、４５４、４６０、４６１、４６２、４９０ グラフ
６０１ 異物
７００、７０１ トレーニー
７０２ トレーナー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異物検出システム、異物センサ及び検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線技術及び小型センサ開発技術の進歩に伴い、人や実環境の多様な情報を制御装置が複数のセンサを用いて取得し、活用する計測システムの開発が盛んに行われている（特許文献１〜３）。
【０００３】
こうした計測システムで用いられる遠隔通信可能なセンサは、一般に、小型であること、安価であること、省電力であることが要求される。
【０００４】
例えば、特許文献１では、センサにより計測した結果を処理する電子回路の一部を省き、また通信のタイミングを適切なものとすることで、小型化及び省電力化を試みている。
【０００５】
また、特許文献２では、センサの構成を簡易なものとすることで、センサの小型化を試みている。
【０００６】
さらに、特許文献３では、センサが行う無線通信のプロトコル及び通信処理部を工夫することで、省電力化を試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１２３０３３号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０８４３号公報
【特許文献３】特開２００８−０７２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の遠隔通信可能なセンサは、まだ十分な小型化や省電力化が図られていないという課題がある。
【０００９】
例えば、特許文献１では、１度の無線送信に要する消費電力自体は従来と同様であり、センサから頻繁に送信を必要とする場合、多くの電力を消費せざるを得ない。
【００１０】
また、特許文献２には、センサの通信部における電力消費を抑える技術が開示されていない。
【００１１】
また、特許文献３には、センシングに必要な消費電力を抑える技術が開示されていない。
【００１２】
さらに、これら遠隔通信可能なセンサは、物理量を検出する通常のセンサに、無線通信モジュールが追加されるため、通常のセンサと比較し大型で高価にならざるを得ないことも、実用上は大きな課題となっている。
【００１３】
このように、十分に小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能なセンサは実現できていない。
【００１４】
そこで本発明は、より小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能な異物センサを用いた異物検出システム、異物センサ及び検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のある局面に係る異物検出システムは、異物センサと、前記異物センサの周囲の異物の有無を検出する検出装置とを備える異物検出システムであって、前記異物センサは、第１アンテナと、前記第１アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、前記第１アンテナと前記抵抗素子とが表面に配置された基板である反射タグとを備え、前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射し、前記検出装置は、第２アンテナと、前記第２アンテナから前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、前記基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記第２アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える。
【００１６】
この構成によると、異物センサの周囲に異物が存在すると反射タグの見かけ上の誘電率が変化し、その結果、検出装置から送信され、反射タグで反射された電波の電力強度の周波数特性が変化する。また、反射タグは、その反射電力の周波数特性が極大値及び極小値をもつ。よって、異物センサの基板（特に、アンテナ周辺部）に異物が付着等することで、異物センサの基板の見かけの誘電率が変化した場合には、一方の周波数の反射電力は増加し、他方の周波数の反射電力は減少する。
【００１７】
その結果、検出装置は、異物による反射電力の変化と、距離変動による反射電力の変化とを切り分けることができる。よって、異物の過検出を抑えて、正確に異物センサの周囲にある異物を検出することができる。
【００１８】
この際、異物センサは検出装置から送信される電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しない。よって、いわゆる無線モジュールや電源は不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサを用いた異物検出システムを実現することができる。
【００１９】
また、前記電波送信部は、前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【００２０】
この構成によると、検出装置は、異物の検出に必要な２つの周波数の電波を同時期に送信することができる。よって、検出装置と異物センサとの距離が絶えず変化し、それに伴い反射電力も絶えず変化する場合でも、同時刻の反射電力を用いて正確に異物を検出する異物検出システムを実現できる。
【００２１】
また、前記反射タグは、吸湿性の部材で構成されている。
【００２２】
この構成によると、異物センサの基板が吸湿性を有するため、その一部に水等の液体が付着した場合、その液体は異物センサの基板全体に浸透する。その結果、異物センサのアンテナ周辺の見かけ上の誘電率が変化しやすくなり、反射電力の変化が顕著となるため、検出装置による異物の検出精度が向上する。
【００２３】
また、本発明のある局面にかかる検出装置は、アンテナと、前記アンテナから第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える。
【００２４】
この構成によると、検出装置は、事前に定められた２つの周波数の電波に対する反射電力が変化したか否かを検出することができる。
【００２５】
また、反射電力が変化した場合において、検出装置が備える判定部は、その原因が、異物センサの周囲に異物があるためか、異物センサと検出装置との距離が変化したためかを、反射電力の増減から、判定することができる。
【００２６】
具体的には、反射電力の周波数特性に極大点と極小点が含まれることから、異物センサ（特に、アンテナ周辺部）に異物が付着等することで、その誘電率が変化した場合には、一方の周波数の反射電力は増加し、他方の周波数の反射電力は減少する。
【００２７】
このように、検出装置が異物による反射電力の変化と、距離変動による反射電力の変化とを切り分けることができる結果、異物の過検出を抑えて、正確に異物センサの周囲にある異物を検出することができる。
【００２８】
また、前記電波送信部は、前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【００２９】
この構成によると、検出装置は、異物の検出に必要な２つの周波数の電波を同時期に送信することができる。よって、検出装置と異物センサとの距離が絶えず変化し、それに伴い反射電力も絶えず変化する場合でも、同時刻の反射電力を用いて正確に異物を検出することができる。
【００３０】
また、前記判定部は、前記第１の差分及び前記第２の差分の積が同じ符号であれば前記異物センサと前記検出装置との距離が変化したと判定する。この構成によると、検出装置は、異物センサ周囲の異物の有無に加え、異物センサが移動しているか否かを判定し、検出することができる。
【００３１】
また、本発明のある局面に係る異物センサは、アンテナと、前記アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、前記アンテナと前記抵抗素子とが面上に配置された基板である反射タグとを備える異物センサであって、前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【００３２】
この構成によると、異物センサの周辺に異物が存在すると反射タグの見かけ上の誘電率が変化し、その結果反射電力の周波数特性が変化する。また、反射タグからの反射電力の周波数特性は極大値及び極小値をもつ。
【００３３】
したがって、これら極値をとる周波数を含む一定領域内（例えば極大点、極小点を含みその前後６ＭＨｚ程度の範囲内）の周波数の反射電力を、異物が存在しない基準状態と比較することで、異物の有無を判定することができる。
【００３４】
その際、異物センサは電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しないため、いわゆる無線モジュールや電源は不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサを実現できる。
【００３５】
具体的には、前記アンテナは、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有する。
【００３６】
この構成により、反射電力の周波数特性が極大値及び極小値をもつ反射タグを実現することができる。
【００３７】
また、前記反射タグは吸湿性の部材で構成されている。
【００３８】
この構成によると、異物センサのアンテナ周辺の見かけ上の誘電率が変化しやすくなり、反射電力の変化が顕著となり、異物の検出精度が向上する。
【００３９】
なお、本発明は、このような異物検出システム、検出装置及び異物センサとして実現できるだけでなく、検出装置及び異物検出システムに含まれる特徴的な手段をステップとする異物検出方法として実現したり、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【００４０】
さらに、本発明は、このような検出装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現することができる。
【発明の効果】
【００４１】
以上より、本発明は、小型・安価で電力消費が少ない遠隔通信可能な異物センサを用いた異物検出システム、異物センサ及び検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る異物センサ及び検出装置を用いた異物検出システムによる発汗検知の一例を示した概念図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る異物センサ及び検出装置のブロック図である。
【図３】図３は、本発明で異物の有無を検出するために使用する基本原理を説明する概念図である。
【図４】図４は、反射タグの誘電率と反射電力の周波数特性の関係を、電磁界シミュレータを用いて検証した結果を示す図である。
【図５】図５は、反射タグの誘電率と、検出装置−異物センサ間の距離とが反射電力の周波数特性にそれぞれ与える影響を示した図である。
【図６】図６は、極大点及び極小点を有する反射電力の周波数特性を示す図である。
【図７】図７は、反射電力の周波数特性に極大点及び極小点を有する反射タグを用いて、誘電率の変化と距離の変化を切り分ける方法を説明する概念図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る検出装置による異物の検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る検出装置が備える判定部の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態の変形例に係る検出装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る反射タグが満たすべき条件について説明する図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態にかかる検出装置を実現するコンピュータシステムの一例を示す外観図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態にかかる検出装置を実現するコンピュータシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る異物検出システム、検出装置及び異物センサの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４４】
本発明の実施の形態に係る異物検出システム１００は、主に水分の検知に使用可能である。よって、用途としては、健康管理のための発汗検知、又は建物の漏水や結露検知といったものが考えられる。
【００４５】
図１は、本発明の実施の形態に係る異物検出システム１００による発汗検知の一例を示した概念図である。
【００４６】
図１に示されるように、異物検出システム１００は、異物センサ２００と検出装置３００を備える。
【００４７】
異物センサ２００は、検出装置３００から送信された電波の一部を反射及び吸収（内部回路で電力として消費）する機能を有する。
【００４８】
検出装置３００は、事前に定められた２つの周波数の電波を異物センサ２００へ送信し、その反射波を受信する。検出装置３００は、受信した反射波の強度変化により、異物の有無を判定する。
【００４９】
例えば、トレーニー７００、７０１の衣服等には、異物センサ２００が設置されている。
【００５０】
ここで、異物センサが異物（この例では汗）を検知すると、検出装置３００は警報を発する。例えば、運動時に過度の発汗を放置すると、脱水症状等のおそれがある。そこで、トレーニー７００、７０１の発汗状態を把握できることが望ましい。しかし、多数のトレーニーの発汗状態を、限られた数のトレーナー７０２が注意し続けることは困難である。
【００５１】
本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００を用いた異物検出システム１００により、トレーナー７０２は、トレーニー７００、７０１の発汗状態をリアルタイムに記録し、監視することができる。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００のブロック図である。
【００５３】
図２に示されるように、異物センサ２００は、反射タグ２０２と、アンテナ２０４と、抵抗素子２０６とを備える。
【００５４】
反射タグ２０２は、その表面にアンテナ２０４と抵抗素子２０６とを配置する基板である。基板の材質としては、例えば、誘電率の低い樹脂や、吸湿性のある部材（紙や布など）などを使用することが考えられるが、これに限られない。
【００５５】
なお、吸湿性の部材を基板とすることにより、液体の異物が反射タグ２０２の一部に付着した場合には、より広範囲に異物が浸透しやすい。また、検出装置３００は、反射タグ２０２の見かけの誘電率の変化を反射電力の変化として検出するが、特にアンテナ２０４付近の反射タグ２０２に異物が付着し誘電率が変化することにより、反射電力は大きく変化する傾向にある。よって、反射タグ２０２に吸湿性の部材を使用することで、液体の異物の検出が容易になると考えられる。
【００５６】
なお、反射タグ２０２の見かけの誘電率の変化とは、アンテナ２０４またはその一部分の近傍空間の誘電率の変化により、タグ２０２の見かけの誘電率が変化することをいう。具体的には、異物がない基準状態において反射タグ２０２の周辺を満たす空気が、他の異物に置き換わることにより、反射タグ２０２全体の見かけの誘電率が変化することを言う。
【００５７】
なお、理論的には、誘電率の変化はアンテナ２０４周辺に限られないが、実用的には、アンテナ２０４周辺の誘電率の変化しか検出できないと考えられる。
【００５８】
アンテナ２０４は、検出装置から送信された電波を受信する。アンテナ２０４は、後述するように、異物センサ２００が特定周波数で電波を反射及び吸収するように形状が設計される。
【００５９】
抵抗素子２０６は、アンテナ２０４で受信した電波を電力として消費することにより、反射電力の強度を調整する。抵抗素子２０６の抵抗値は、アンテナ２０４の形状と同様、特定周波数で電波を反射又は吸収する特性をもつ異物センサ２００を実装するための設計パラメタの１つである。抵抗素子２０６は可変抵抗素子でもよく、固定抵抗素子でもよい。
【００６０】
なお、例えば紙製の反射タグ２０２に、導電率の高い導電性インクでアンテナ２０４を印刷し、アンテナ２０４よりより導電率の低い導電性インクで抵抗素子２０６を印刷することにより、異物センサ２００を大量、安価に生産することができる。
【００６１】
検出装置３００は、アンテナ３０２と、電波送信部３０４と、判定部３０６と、記憶部３０８とを備える。
【００６２】
アンテナ３０２は、立体あるいは平面的な構造をもつアンテナであり、電波送信部３０４から出力される特定周波数の電波を、反射タグ２０２へ送信する。
【００６３】
電波送信部３０４は、周波数の異なる２種類の電波を発生させ、アンテナ３０２を介して送信する。例えば、９５０ＭＨｚと、２．４ＧＨｚの電波を交互に送信すること等が考えられるが、詳細は後述する。
【００６４】
判定部３０６は、アンテナ３０２から受信した反射波の電波強度を、記憶部３０８から取得する基準値と比較し、異物の有無を判定する。判定部３０６の詳細は後述する。
【００６５】
記憶部３０８は、基準状態（例えば、異物センサ２００の周囲に異物が無い状態）で検出装置３００から事前に定められた２種類の周波数の電波を送信した際の、異物センサ２００からの反射電力の強度を記憶している。記憶部３０８は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等を用いて実現することができる。
【００６６】
なお、記憶部３０８は必ずしも検出装置３００が備えておく必要はなく、検出装置３００の外部にある装置が備えていてもよい。その場合、検出装置３００は、記憶部３０８を備える装置から、例えば無線通信により、基準状態における反射電力強度を取得することで、検出装置３００が記憶部３０８を備える場合と同様の効果を奏する。
【００６７】
より具体的には、異物センサ２００が記憶部３０８を備え、いわゆるＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）における識別情報の伝送手段を応用し、アンテナ３０２から送信された電波に対する異物センサ２００からの反射電力を用いて、異物センサ２００から検出装置３００へ基準状態における反射電力強度を通知すること等が考えられる。
【００６８】
図３は、本発明で異物の有無を検出するために使用する基本原理を説明する概念図である。
【００６９】
本発明では、電波を反射する物体の誘電率によって反射電力の周波数特性が変化することを用いて、異物の有無を検出する。
【００７０】
図３（Ａ）の横軸は、検出装置３００が異物センサ２００へ送信する電波の周波数を示し、縦軸は異物センサ２００から検出装置３００への反射電力の強度を示す。
【００７１】
例えば、基準状態の異物センサ２００へ電波を送信した場合における反射電力の周波数特性が、周波数ｆａで極小点４０１をもつグラフ４６０により示されるとする。
【００７２】
次に、反射タグ２０２よりも大きな誘電率をもつ異物が反射タグ２０２に付着した場合、反射タグ２０２の、みかけ上の誘電率は増加する。
【００７３】
この場合、一般に、誘電率の上昇に伴って反射電力の周波数特性のグラフは周波数が小さい方へ（図３（Ａ）では左へ）シフトする。グラフ４６１は、異物が付着したために誘電率が増加した反射タグ２０２の周波数特性の例である。
【００７４】
したがって、異物が付着した状態で、周波数ｆａの電波を送信すると、その反射電力は異物が付着していない状態（極小点４０１）と比較し大きくなる。
【００７５】
逆に、反射タグ２０２よりも小さな誘電率をもつ異物が反射タグ２０２に付着すると、反射タグ２０２の誘電率は減少する。その結果、反射タグ２０２の周波数特性がグラフ４６２で示されるように周波数の大きい方（右側）へシフトする。この場合も、周波数ｆａの電波を反射タグ２０２へ送信した場合の反射電力の強度は、基準状態（グラフ４６０の極小点４０１）における反射電力と比較し大きくなる。
【００７６】
図３（Ｂ）は、異物６０１として水分が反射タグ２０２の裏面に付着した異物センサ２００を示す。
【００７７】
水の誘電率は約８０であり、空気の誘電率（約１）と比較して非常に高い。よって、図３（Ｂ）に示されるように、反射タグ２０２の裏面に水が付着した場合、反射タグ２０２の見かけの誘電率は増加する。
【００７８】
その結果、周波数ｆａの電波を図３（Ｂ）の異物センサ２００に送信した場合、その反射電力は、基準状態における極小点４０１の値よりも大きくなる。
【００７９】
このように、検出装置３００は異物が無い基準状態における反射電力強度との差を用いて、異物を検出することができる。
【００８０】
なお、反射タグ２０２に異物が付着する場所としては、前述の通り、アンテナ２０４の配置箇所上やその裏面を含む、アンテナ２０４の周辺が（反射電力の変化が大きいために）好ましい。しかし、検出装置３００で反射電力の変化を検出可能な程度に、アンテナ２０４の特性インピーダンスが変わる場所であれば、反射タグ２０２上の他の場所でもよい。
【００８１】
また、異物が反射タグ２０２に完全に付着せずとも、例えば反射タグ２０２から数ミリ程度離れて異物が存在する場合であっても、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率は変化する。よって、上記原理により、異物センサ２００は非接触で異物を検出することができると考えられる。
【００８２】
図４は、反射タグ２０２の見かけの誘電率と反射電力の周波数特性の関係を、電磁界シミュレータを用いて検証した結果を示す図である。
【００８３】
シミュレーションでは、複数の周波数の電波を順次、反射タグ２０２の誘電率が４．６である異物センサ２００へ送信したと仮定し、その反射電力の大きさを算出した。
【００８４】
グラフ４１０は、誘電率１の空気中における異物センサ２００の反射電力の特性である。グラフ４１０に示されるように、２．４ＧＨｚの電波を送信した場合に、反射電力の強度が極小値となるように、異物センサ２００は設計されている。
【００８５】
グラフ４１１は、反射タグ２０２の裏面に、厚さ１０ｍｍの水（誘電率８０）の層が異物としてあると仮定した場合の、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性を示す。グラフ４１１は、グラフ４１０を左側に移動させた形状となっており、誘電率の変化により、２．４ＧＨｚの電波を送信した場合における反射電力の強度が、空気中で測定した場合と比較して、大きくなっていることがわかる。
【００８６】
本発明の原理は、このように、反射タグ２０２の誘電率の変化に伴い、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性が変化し、その結果、特定周波数で計測した反射電力強度が変化することを用いるものである。
【００８７】
しかし、反射電力の強度は、反射タグ２０２の誘電率以外に、異物センサ２００と検出装置３００との距離によっても変化する。したがって、反射電力強度を変化させた原因が、誘電率の変化によるものか、距離の変化によるものかを判別できなければ、異物を正確に検出できない。この課題について、図５を用いて、より詳しく説明する。
【００８８】
図５は、反射タグ２０２の誘電率と、検出装置３００〜異物センサ２００間の距離とが反射電力の周波数特性にそれぞれ与える影響を示した図である。
【００８９】
図５に示されるグラフ４５０は、基準状態において周波数ｆ１を中心に送信された様々な周波数の電波に対する反射タグ２０２からの反射電力の強度を示す。周波数ｆ１において、反射電力は極小値Ｐ１をとる。
【００９０】
グラフ４５１は、前述の反射タグ２０２を水で濡らした結果、誘電率が増加した際の反射電力強度の周波数特性を示す。グラフが左へ移動した結果、周波数ｆ１における反射電力は、Ｐｍとなる。
【００９１】
グラフ４５２は、異物センサ２００を、グラフ４５０を計測したときよりも検出装置３００に近づけた際の反射電力強度の特性を示す。誘電率は変わらないため、周波数ｆ１でグラフ４５２は極小値をとるが、その値はＰ１ではなく、Ｐｍである。
【００９２】
すなわち、周波数ｆ１における反射電力がＰ１からＰｍへ変化したことを検出するだけでは、異物により反射タグ２０２の誘電率が上昇したのか、異物センサ２００と検出装置３００との距離が変化したのかを、切り分けることができないという課題が残る。
【００９３】
本実施の形態に係る異物センサ２００は、反射電力の周波数特性を工夫することにより、この課題を解決する。図６を用いて、詳細に説明する。
【００９４】
図６は、異物センサ２００の、極大点及び極小点を有する反射電力の周波数特性を示す図である。
【００９５】
図６に示されるように、基準状態における反射電力の強度を示すグラフ４５０は、周波数ｆ１において極小点４１５を有し、周波数ｆ２において極大点４１７を有する。
【００９６】
すなわち、周波数ｆ１の電波を受信した際に最も多くの電波を吸収し、周波数ｆ２の電波を受信した際に最も少ない電波を吸収するように、異物センサ２００を設計するものとする。ここで周波数ｆ１及びｆ２は、異物を検出するために検出装置３００から送信される電波の周波数である。
【００９７】
図７は、図６に示された、反射電力の周波数特性に極大点及び極小点を有する異物センサ２００を用いて、誘電率の変化と距離の変化を切り分ける方法を説明する概念図である。
【００９８】
いま、反射タグ２０２に水分が付着し、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が上昇したとする。その場合は、図７（Ａ）に示されるように、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性は、グラフ４５０からグラフ４５１へ変化する。
【００９９】
この場合に、検出装置３００が、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の電波を異物センサ２００へ送信した場合の反射電力は、それぞれグラフ４５１上の点４１６及び点４１８によって示される値となる。
【０１００】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１においては反射電力が大きくなり、周波数ｆ２においては反射電力が小さくなることがわかる。
【０１０１】
一方、異物センサ２００と検出装置３００との距離が長くなった場合、反射電力の周波数特性は、図７（Ｂ）に示されるように、グラフ４５０からグラフ４５４へ変化する。
【０１０２】
この場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における異物センサ２００からの反射電力は、それぞれグラフ４５４上の極小点４２０及び極大点４２１によって示される値となる。
【０１０３】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１及び周波数ｆ２において、反射電力がともに小さくなることがわかる。
【０１０４】
また、反射タグ２０２と検出装置３００との距離が短くなった場合、反射電力の周波数特性は、図７（Ｂ）に示されるように、グラフ４５０からグラフ４５２へ変化する。
【０１０５】
この場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における異物センサ２００からの反射電力は、それぞれグラフ４５２上の極小点４２２及び極大点４２３によって示される値となる。
【０１０６】
これらの値を、グラフ４５０における周波数ｆ１及び周波数ｆ２の反射電力の強度と比較すると、周波数ｆ１及び周波数ｆ２において、反射電力がともに大きくなることがわかる。
【０１０７】
図７（Ｃ）は、以上述べた要因毎に、反射電力の変化をまとめた表である。
【０１０８】
反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が増加した場合、周波数ｆ１における反射電力は、基準状態よりも増加し、周波数ｆ２における反射電力は、基準状態よりも減少する。
【０１０９】
一方、反射タグ２０２の誘電率が変化せず、異物センサ２００と検出装置３００との距離が変化した場合、周波数ｆ１及び周波数ｆ２における反射電力は、ともに増加するか、ともに減少するかのいずれかとなる。
【０１１０】
したがって、周波数ｆ１及びｆ２における反射電力が、基準状態からどのように変化するかを判定することで、誘電率の変化（すなわち、異物の存在）と、検出装置３００からの距離の変化（例えば、異物センサ２００を設置したトレーニー７００、７０１の姿勢変化など）を切り分けて検出することができる。
【０１１１】
図８は、本実施の形態に係る検出装置３００による異物の検出処理の流れを示すフローチャートである。
【０１１２】
まず、検出装置３００は電波送信部３０４から異物センサ２００に対して周波数がｆ１である電波を送信する（Ｓ３２０）。
【０１１３】
異物センサ２００は、この電波を、アンテナ２０４を介して受信する。その後、異物センサ２００は、受信した電波の一部をアンテナ２０４及び抵抗素子２０６等によって消費し、一部を反射波として検出装置３００へ反射する。
【０１１４】
検出装置３００は、アンテナ３０２により異物センサ２００からの反射波を受信する（Ｓ３２１）。説明のため、この反射波を第３の反射波と呼ぶ。判定部３０６は、第３の反射波の反射電力の値を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１１５】
次に、検出装置３００は電波送信部３０４から異物センサ２００に対して周波数がｆ２である電波を送信する（Ｓ３２２）。
【０１１６】
次に、異物センサ２００は、この電波を、アンテナ２０４を介して受信する。その後、異物センサ２００は、受信した電波の一部をアンテナ２０４及び抵抗素子２０６等によって消費し、一部を反射波として検出装置３００へ反射する。
【０１１７】
次に、検出装置３００は、アンテナ３０２により異物センサ２００からの反射波を受信する（Ｓ３２３）。説明のため、この反射波を第４の反射波と呼ぶ。判定部３０６は、第４の反射波の反射電力の値を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１１８】
次に、判定部３０６は、異物がない基準状態において反射タグ２０２へ周波数ｆ１及び周波数ｆ２の電波をそれぞれ送信した場合の各反射電力の値を、記憶部３０８から取得する。説明のため、これらを第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力と、それぞれ呼ぶ。
【０１１９】
さらに、判定部３０６は、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力の値を記憶部３０８から取得する。
【０１２０】
その後、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力を基準として、第３及び第４の反射波の反射電力の増減をそれぞれ求め、反射タグ２０２付近の異物の有無を判定する（Ｓ３２４）。
【０１２１】
図９は、本実施の形態に係る検出装置３００が備える判定部３０６の処理の流れを示すフローチャートである。
【０１２２】
まず、前述の通り、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力を基準として、第３及び第４の反射波の反射電力の増減を求める（Ｓ３０４）。
【０１２３】
具体的には、判定部３０６は、第３の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力を引いた差分である第１の差分と、第４の反射波の反射電力から第２の反射波の反射電力を引いた差分である第２の差分とを算出する。
【０１２４】
次に、判定部３０６は、第１及び第２の反射波の反射電力と比較し、第３及び第４の反射波の反射電力の一方が増加し、かつ、一方が減少しているか否かを判定する（Ｓ３０５）。
【０１２５】
具体的には、判定部３０６は、前述の第１の差分と第２の差分の正負の符号が異なっているか否かを判定することが考えられる。
【０１２６】
その判定の結果、第１の差分と第２の差分の符号が異なっていれば（Ｓ３０５でＹｅｓ）、判定部３０６は、反射タグ２０２の付近に異物を検出したものとして、異物検出信号を出力する（Ｓ３０６）。
【０１２７】
一方、第１の差分と第２の差分の符号が同一であれば（Ｓ３０５でＮｏ）、判定部３０６は、異物の検出信号を出力しない。
【０１２８】
すなわち、本実施の形態に係る異物検出システム１００は、異物センサ２００と、異物センサ２００の周囲の異物の有無を検出する検出装置３００とを備える。
【０１２９】
ここで、異物センサ２００は、アンテナ２０４と、アンテナ２０４と電気的に結合された抵抗素子２０６と、アンテナ２０４と抵抗素子２０６とが表面に配置された基板である反射タグ２０２とを備えている。
【０１３０】
異物センサ２００は、異物センサ２００の周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【０１３１】
また、検出装置３００は、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１の周波数及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、基準状態において、電波送信部３０４から送信された第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、電波送信部３０４から送信された第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第３の反射波及び電波送信部３０４から送信される第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第４の反射波をアンテナ３０２から取得し、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサ２００の周囲に異物があると判定する判定部３０６とを備える。
【０１３２】
なお、反射タグ２０２の部材として、吸湿性の部材を使用しても良い。
【０１３３】
また、本実施の形態に係る検出装置３００は、アンテナ３０２と、アンテナ３０２から第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部３０４と、異物センサ２００周辺に異物がない状態である基準状態において、電波送信部３０４から送信された第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、電波送信部３０４から送信された第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部３０８と、電波送信部３０４から送信される第１の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第３の反射波及び電波送信部３０４から送信される第２の周波数の電波の一部が異物センサ２００によって反射される反射波である第４の反射波をアンテナ３０２から取得し、第３の反射波の反射電力及び第４の反射波の反射電力から第１の反射波の反射電力及び第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば異物センサ２００の周囲に異物があると判定する判定部３０６とを備えている。
【０１３４】
また、本実施の形態に係る異物センサ２００は、アンテナ２０４と、アンテナ２０４と電気的に結合された抵抗素子２０６と、アンテナ２０４と抵抗素子２０６とが面上に配置された基板である反射タグ２０２とを備えている。
【０１３５】
また、異物センサ２００は、異物センサ２００の周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波をアンテナ２０４で受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する。
【０１３６】
ここで、第１及び第２の周波数領域は、広すぎると異物の過検出の可能性が高まり、狭すぎると異物の見過ごしの可能性が高まる。例えば、第１の周波数領域は、第１周波数を含み、その前後６ＭＨｚ程度と設定し、第２の周波数領域は、第２周波数を含み、その前後６ＭＨｚ程度と設定すること等が考えられる。
【０１３７】
この構成によると、異物が接触せずとも異物センサ２００の周辺（例えば周囲数ミリ程度）に異物が存在すると反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が変化し、その結果反射電力の周波数特性が変化する。
【０１３８】
より具体的には、異物センサ２００が備えるアンテナ２０４は、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有するように設計してもよい。
【０１３９】
すなわち、２個の異なる周波数の共振点をアンテナ２０４にもたせれば、その間には極大点と極小点が存在する。
【０１４０】
したがって、長さを変えることで共振点を変えた２つのアンテナが並列に接続された形状としてアンテナ２０４を設計することが考えられる。
【０１４１】
以上述べた異物センサ２００は電波を反射するのみであり、自ら電波を発信しないため、いわゆる無線モジュールは不要である。したがって、小型・安価で電力消費が少ない無線通信機能付きの異物センサ２００を用いた異物検出システム１００を実現できる。
【０１４２】
また、本実施の形態に係る異物検出システム１００では、反射電力の周波数特性のうち、極大値及び極小値を含む特性を用いて、すなわち、２つの周波数だけで測定が可能である。よって、周波数特性のスペクトラムを測定する必要が無く、検出装置の簡素化、低コスト化、省エネ化といった利点が生じる。
【０１４３】
また、本実施の形態に係る異物検出システム１００では、負荷とアンテナのインピーダンス整合（抵抗による電力損失）を設計に利用するため、完全な反射状態と完全な吸収状態（理論的には送信電力の半分を吸収）を利用する。より大きな反射電力変化を得ることができる。具体的には、反射電力の変化量（極小点のピークの深さ）を制御することができる。その結果、反射電力変化の検出が容易となり、異物の検出精度を高めることができる。
【０１４４】
なお、本実施の形態に係る異物センサ２００は、自ら電波を発信せずに反射波を用いて通信を行う点で、いわゆるパッシブ型のＲＦＩＤと類似している。
【０１４５】
しかし、パッシブ型のＲＦＩＤは、ＩＤ情報を反射波に乗せて返すため、タグがＩＣ（Integrated Circuit）を備えておく必要とする。一方、本実施の形態にかかる異物センサ２００では、電波を吸収するためのアンテナと抵抗素子のみを備えればよく、ＩＣは不要である。
【０１４６】
すなわち、パッシブ型ＲＦＩＤでは必要なＩＣを駆動するための電力が、異物センサ２００では不要となる。
【０１４７】
その結果、異物センサ２００の通信距離をパッシブ型ＲＦＩＤよりも伸ばすことや、検出装置３００（パッシブ型ＲＦＩＤにおけるリーダに相当）が出力する電波の出力を減らすことが可能となる。
【０１４８】
より具体的に検討すると、パッシブ型ＲＦＩＤによる通信距離（すなわち、リーダとタグ間の通信可能な距離）の最大値は、数式１で求められる。ここで、λは、送信する電波の波長であり、ＰTXは、リーダの送信電力であり、Ｇreaderは、リーダのアンテナ利得であり、Ｇtagはタグのアンテナ利得であり、Ｐmin,tagは、タグの閾値電力（感度）である。
【０１４９】
【数１】
【０１５０】
一方、本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００間の通信距離の最大値は、数式２で求められる。ここで、λは、送信する電波の波長であり、ＰTXは、検出装置３００の送信電力であり、Ｇreaderは、検出装置３００のアンテナ利得であり、Ｇtagは異物センサ２００のアンテナ利得であり、Ｐmin,readerは、検出装置３００の感度であり、Ｔbは、後方拡散伝送ロスである。
【０１５１】
【数２】
【０１５２】
仮に、送信周波数を９５０ＭＨｚとし、Ｐmin,tagを−１０ｄＢｍとし、Ｐmin,readerを−８０ｄＢｍとすると、数式１より、パッシブ型ＲＦＩＤの通信距離は６ｍとなる。
【０１５３】
一方、本実施の形態に係る異物センサ２００及び検出装置３００間の通信距離の最大値は、数式２より、４５ｍとなる。
【０１５４】
これらは理論値であるため、実際はＩＣとアンテナのマッチング状態等により、通信距離は変化するが、このように本実施の形態に係る異物検出システム１００では、従来のパッシブ型ＲＦＩＤと比較しても、省電力で、長距離の通信が可能である。
【０１５５】
以上、本実施の形態に係る異物検出システム１００、検出装置３００、及び異物センサ２００について説明した。
【０１５６】
次に、本実施の形態の変形例に係る検出装置３００について説明する。
【０１５７】
（変形例）
図１０は、本変形例に係る検出装置３００を備えた異物検出システム１００のブロック図である。なお、図２と同様の構成要素については同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【０１５８】
本変形例では、検出装置３００が、さらにアンテナ３０３を備える。また、電波送信部３０４が第１送信部３１１及び第２送信部３１２を備える。また、判定部３０６が第１受信部３１３及び第２受信部３１４を備える。
【０１５９】
アンテナ３０２及びアンテナ３０３は、それぞれ、第１送信部及び第２送信部から送られる電波の送信及び、その反射波の受信を行うアンテナである。
【０１６０】
第１送信部３１１は、第１の周波数の電波をアンテナ３０２から送信する。
【０１６１】
第２送信部３１２は、第２の周波数の電波をアンテナ３０３から送信する。
【０１６２】
これらの送信は、例えばユーザが検出装置３００へ異物の検出を指示したタイミングに行ってもよく、定期的（例えば数十秒毎など）に行っても良い。
【０１６３】
また、第１送信部３１１と第２送信部３１２は同時に電波を送信してもよく、数十ミリ秒程度、時刻をずらして電波を送信してもよい。
【０１６４】
第１受信部３１３は、第１送信部３１１から送信された電波の反射波を、アンテナ３０２を用いて受信する。
【０１６５】
第２受信部３１４は、第２送信部３１２から送信された電波の反射波を、アンテナ３０３を用いて受信する。
【０１６６】
第１受信部３１３及び第２受信部３１４は、受信した反射波の電力を記憶部３０８へ一時的に記憶させる。
【０１６７】
すなわち、本変形例にかかる電波送信部３０４は、第１の周波数の電波を送信する第１送信部３１１と、第２の周波数の電波を送信する第２送信部３１２とを備え、第１送信部３１１及び第２送信部３１２は同時期に、第１の周波数及び第２の周波数の電波をそれぞれ送信する。
【０１６８】
本変形例によれば、検出装置３００は、第１の周波数の電波及び第２の周波数の電波を異物センサ２００に対してそれぞれ独立のタイミングで送信し、その反射波を受信することができる。
【０１６９】
よって、検出装置３００は、第１の反射波の反射電力の測定が完了する前に、第２の反射波を送信することができる。より具体的には、検出装置３００は、第１の周波数と第２の周波数の電波を同時に送信することができる。
【０１７０】
その結果、異物センサ２００と検出装置３００との距離が絶えず変化し、これに対応して反射電力が変化する場合においても、同一距離において第１の反射波及び第２の反射波の反射電力を測定できる。そのため、検出装置３００は、より正確に異物を検出することができる。
【０１７１】
なお、実施の形態及び変形例において、検出装置３００が送信する２種類の電波の周波数の間隔が狭いと、判定部３０６は異物による反射電力の変化と、検出装置３００〜異物センサ２００間の距離の変化による反射電力の変化とを区別できず、異物の過検出が生じやすくなる。図６及び図１１を参照して、より詳細に説明する。
【０１７２】
図６では、グラフ４５１で示される反射電力は、基準状態である４５０と比較して、周波数ｆ１では増加し、周波数ｆ２では減少する。図７（Ｃ）でまとめたように、２種類の周波数の内、一方の周波数について反射電力が増加し、他方の周波数について反射電力が減少したか否かを判定することで、判定部３０６は、反射電力の変化が、異物によるものか、距離の変化によるものかを切り分けることができる。
【０１７３】
しかし、例えば、図１１で示されるグラフ４５０とグラフ４９０の関係では、グラフ４９０は反射タグ２０２の誘電率の変化により、基準状態であるグラフ４５０が左へシフトしたものであるにも関わらず、周波数ｆ１及び周波数ｆ２ともに、反射電力の値は減少している。
【０１７４】
すなわち、周波数ｆ１及びｆ２の差が小さく、異物による反射タグ２０２の誘電率の変化量が大きい場合には、判定部３０６が異物を過検出する可能性が生じる。特に、周波数ｆ１及びｆ２の差が小さい（間隔が狭い）場合に、異物を過検出しやすいといえる。
【０１７５】
これを避けるためは、想定される誘電率の変化（すなわち、検出装置３００によって検出したい異物の種類や量）に応じて、周波数ｆ１とｆ２を適切に離す必要がある。
【０１７６】
より具体的には、例えば、ｆ１を９４０ＭＨｚとし、ｆ２を２．４５ＧＨｚとすること等が考えられる。
【０１７７】
なお、異物センサ２００の反射電力の周波数特性は、例えば図６に示されるように複数の直線が組み合わされた形状でなくともよい。例えば、極小点を有する下に凸の曲線と、極大点を有する上に凸の曲線とが組み合わされており、かつ、１の周波数に対して１の反射電力が定まる形状であってもよい。
【０１７８】
なお、反射タグ２０２の反射電力の周波数特性は、必ずしも、１の極大点と１の極小点を有さずともよい。ただし、検出対象とする異物により周波数特性が変化しうる範囲においては、１の極大点を１の極小点を有する必要がある。
【０１７９】
例えば、図６において、反射タグ２０２に検出したい異物である水（誘電率８０）が接触している場合の反射電力の周波数特性がグラフ４５１で示されており、これ以上、反射タグ２０２の見かけ上の誘電率が大きくならないことがわかっている場合（例えば、反射タグ２０２が十分な量の水に接触している場合）には、異物センサ２００からの反射電力の周波数特性は、グラフ４５１の極小点から点４１８までの間に、１の極大点以外の変極点をもたなければよい。
【０１８０】
なお、本実施の形態では、基準状態として異物がない状態を用いたが、特定の異物がある状態を基準状態として用いても良い。例えば、浸水した反射タグ２０２の反射電力の極大点及び極小点からのずれを検出することで、異物である水が無いことを検出することができる。
【０１８１】
なお、本実施の形態では異物の例として、反射タグ２０２の誘電率として想定される値（１０以下程度）よりも誘電率の大きな水を用いて説明したが、より誘電率の小さな物質の有無も検出することができる。
【０１８２】
また、単に異物の有無を検出するだけでなく、反射電力のずれの大きさを評価することにより、誘電率の値を計測することも可能である。すなわち、検出装置３００が備える判定部３０６は、さらに、誘電率算出部を備え、誘電率算出部では、前述の第１差分及び第２差分が大きいほど、誘電率を大きく算出することで、検出装置３００は誘電率の大きさを算出することができる。
【０１８３】
なお、実施の形態及び変形例で説明した検出装置３００は、コンピュータにより実現することが可能である。図１２を参照して、検出装置３００は、コンピュータ３４と、コンピュータ３４に指示を与えるためのキーボード３６及びマウス３８と、コンピュータ３４の演算結果等の情報を提示するためのディスプレイ３２と、コンピュータ３４で実行されるプログラムを読み取るためのＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory）装置４０及び通信モデム（図示せず）とを含む。
【０１８４】
検出装置３００が行う処理であるプログラムは、コンピュータで読取可能な媒体であるＣＤ−ＲＯＭ４２に記憶され、ＣＤ−ＲＯＭ装置４０で読み取られる。又は、コンピュータネットワークを通じて通信モデム５２で読み取られる。
【０１８５】
図１３は、検出装置３００を実現するコンピュータシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータ３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４４と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４６と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４８と、ハードディスク５０と、通信モデム５２と、バス５４とを含む。
【０１８６】
ＣＰＵ４４は、ＣＤ−ＲＯＭ装置４０又は通信モデム５２を介して読み取られたプログラムを実行する。ＲＯＭ４６は、コンピュータ３４の動作に必要なプログラムやデータを記憶する。ＲＡＭ４８は、プログラム実行時のパラメタなどのデータを記憶する。ハードディスク５０は、プログラムやデータなどを記憶する。通信モデム５２は、コンピュータネットワークを介して他のコンピュータとの通信を行う。バス５４は、ＣＰＵ４４、ＲＯＭ４６、ＲＡＭ４８、ハードディスク５０、通信モデム５２、ディスプレイ３２、キーボード３６、マウス３８及びＣＤ−ＲＯＭ装置４０を相互に接続する。
【０１８７】
さらに、上記の各装置を構成する構成要素の一部又は全部は、１個のシステムＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）から構成されているとしてもよい。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。
【０１８８】
さらにまた、上記の各装置を構成する構成要素の一部又は全部は、各装置に脱着可能なＩＣカード又は単体のモジュールから構成されているとしてもよい。ＩＣカード又はモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカード又はモジュールは、上記の超多機能ＬＳＩを含むとしてもよい。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、ＩＣカード又はモジュールは、その機能を達成する。このＩＣカード又はこのモジュールは、耐タンパ性を有するとしてもよい。
【０１８９】
また、本発明は、上記に示す方法であるとしてもよい。また、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしてもよいし、前記コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしてもよい。
【０１９０】
さらに、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号をコンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Blu-ray Disc（登録商標））、ＵＳＢメモリ、ＳＤカードなどのメモリカード、半導体メモリなどに記録したものとしてもよい。また、これらの記録媒体に記録されている上記デジタル信号であるとしてもよい。
【０１９１】
また、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号を、電気通信回線、無線又は有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしてもよい。
【０１９２】
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムに従って動作するとしてもよい。
【０１９３】
また、上記プログラム又は上記デジタル信号を上記記録媒体に記録して移送することにより、又は上記プログラム又は上記デジタル信号を、上記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしてもよい。
【０１９４】
さらに、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。
【０１９５】
今回開示された実施の形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、異物検出システム、検出装置及び異物検出センサに適用できる。
【符号の説明】
【０１９７】
３２ ディスプレイ
３４ コンピュータ
３６ キーボード
３８ マウス
４０ ＣＤ−ＲＯＭ装置
４２ ＣＤ−ＲＯＭ
４４ ＣＰＵ
４６ ＲＯＭ
４８ ＲＡＭ
５０ ハードディスク
５２ 通信モデム
５４ バス
１００ 異物検出システム
２００ 異物センサ
２０４、３０２、３０３ アンテナ
２０２ 反射タグ
２０４ アンテナ
２０６ 抵抗素子
３００ 検出装置
３０４ 電波送信部
３０６ 判定部
３０８ 記憶部
３１１ 第１送信部
３１２ 第２送信部
３１３ 第１受信部
３１４ 第２受信部
４０１、４０２、４０３、４１５、４２０、４２２ 極小点
４１７、４２１、４２３ 極大点
４１６、４１８ 点
４１０、４１１、４５０、４５１、４５２、４５４、４６０、４６１、４６２、４９０ グラフ
６０１ 異物
７００、７０１ トレーニー
７０２ トレーナー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異物センサと、
前記異物センサの周囲の異物の有無を検出する検出装置とを備える異物検出システムであって、
前記異物センサは、
第１アンテナと、
前記第１アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、
前記第１アンテナと前記抵抗素子とが表面に配置された基板である反射タグと
を備え、
前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射し、
前記検出装置は、
第２アンテナと、
前記第２アンテナから前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、
前記基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、
前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記第２アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える
異物検出システム。
【請求項２】
前記電波送信部は、
前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、
前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、
前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する
請求項１に記載の異物検出システム。
【請求項３】
前記反射タグは、吸湿性の部材で構成されている
請求項１に記載の異物検出システム。
【請求項４】
異物センサ周辺の異物の有無を検出する検出装置であって、
アンテナと、
前記アンテナから第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、
前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、
前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える
検出装置。
【請求項５】
前記電波送信部は、
前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、
前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、
前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する
請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記判定部は、
前記第１の差分及び前記第２の差分の積が同じ符号であれば前記異物センサと前記検出装置との距離が変化したと判定する
請求項４に記載の検出装置。
【請求項７】
アンテナと、
前記アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、
前記アンテナと前記抵抗素子とが面上に配置された基板である反射タグと
を備える異物センサであって、
前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する
異物センサ。
【請求項８】
前記アンテナは、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有する
請求項７に記載の異物センサ。
【請求項９】
前記反射タグは吸湿性の部材で構成されている
請求項７に記載の異物センサ。
【請求項１０】
異物センサ周辺の異物の有無を検出する異物検出方法であって、
第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信ステップと、
前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶する記憶ステップと、
前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定ステップとを含む
異物検出方法。
【請求項１】
異物センサと、
前記異物センサの周囲の異物の有無を検出する検出装置とを備える異物検出システムであって、
前記異物センサは、
第１アンテナと、
前記第１アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、
前記第１アンテナと前記抵抗素子とが表面に配置された基板である反射タグと
を備え、
前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記第１アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射し、
前記検出装置は、
第２アンテナと、
前記第２アンテナから前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、
前記基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、
前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記第２アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える
異物検出システム。
【請求項２】
前記電波送信部は、
前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、
前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、
前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する
請求項１に記載の異物検出システム。
【請求項３】
前記反射タグは、吸湿性の部材で構成されている
請求項１に記載の異物検出システム。
【請求項４】
異物センサ周辺の異物の有無を検出する検出装置であって、
アンテナと、
前記アンテナから第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信部と、
前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記電波送信部から送信された前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記電波送信部から送信された前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶している記憶部と、
前記電波送信部から送信される前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記電波送信部から送信される前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を前記アンテナから取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定部とを備える
検出装置。
【請求項５】
前記電波送信部は、
前記第１の周波数の電波を送信する第１送信部と、
前記第２の周波数の電波を送信する第２送信部とを備え、
前記第１送信部及び前記第２送信部は同時期に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の電波をそれぞれ送信する
請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記判定部は、
前記第１の差分及び前記第２の差分の積が同じ符号であれば前記異物センサと前記検出装置との距離が変化したと判定する
請求項４に記載の検出装置。
【請求項７】
アンテナと、
前記アンテナと電気的に結合された抵抗素子と、
前記アンテナと前記抵抗素子とが面上に配置された基板である反射タグと
を備える異物センサであって、
前記異物センサの周辺に異物がない状態である基準状態において、第１の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第１の反射波の反射電力が、前記第１の周波数を含む事前に定義された第１周波数領域内で極小値をとり、第２の周波数の電波を前記アンテナで受信した場合の反射波である第２の反射波の反射電力が、前記第２の周波数を含む事前に定義された第２周波数領域内で極大値をとるように電波を反射する
異物センサ。
【請求項８】
前記アンテナは、それぞれ長さの異なる２以上のアンテナが並列に接続された形状を有する
請求項７に記載の異物センサ。
【請求項９】
前記反射タグは吸湿性の部材で構成されている
請求項７に記載の異物センサ。
【請求項１０】
異物センサ周辺の異物の有無を検出する異物検出方法であって、
第１及び第２の周波数の電波を送信する電波送信ステップと、
前記異物センサ周辺に異物がない状態である基準状態において、前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第１の反射波の反射電力と、前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射された反射波である第２の反射波の反射電力とを記憶する記憶ステップと、
前記第１の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第３の反射波及び前記第２の周波数の電波の一部が前記異物センサによって反射される反射波である第４の反射波を取得し、前記第３の反射波の反射電力及び前記第４の反射波の反射電力から前記第１の反射波の反射電力及び前記第２の反射波の反射電力をそれぞれ差し引いた差分である第１の差分及び第２の差分の符号が異なれば前記異物センサの周囲に前記異物があると判定する判定ステップとを含む
異物検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−６３３２４（Ｐ２０１２−６３３２４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９８４７（Ｐ２０１０−２０９８４７）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
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