JP4126724B2 - 高周波センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波を用いた高周波センサ装置に関する。

マイクロ波などの送信波が人体にあたると反射波あるいは透過波を生じる。この反射波あるいは透過波を受信することにより人体の有無を検出するのが高周波センサであり、自動ドア、機器のリモートコントロール、便器洗浄装置などに使用できる。 さらに、移動物体を検出可能な高周波センサもあり、例えば水洗便器などの洗浄を自動化する場合に有用である。この場合、一定時間以上使用者が便器の前に留まっていることを検知し、その後に使用者が便器を離れたことを検知して、一定量の洗浄水を流すようにする。

便器を実際に使用していることを検知して洗浄水を流すには、ドップラー効果を利用することが考えられる。すなわち、電波や音波が移動物体に当り反射すると、反射波の周波数がドップラーシフトする。この反射波と送信波の周波数の差分周波数スペクトラムを求めることにより移動物体が検知される。さらに、この差分に相当するドップラー周波数は物体の移動速度に比例する。従って、尿や洗浄水といったボール面を流れる液流などに向けて送信波を放射することにより、使用状態に応じて適切に洗浄水を供給できる。

送信波として電波を用いる場合、センサを構成するアンテナの放射方向を目的物に向けて精度よく制御することが重要である。すなわち、目的物以外の物体を誤検知しないことが好ましい。

本発明者らは、マイクロ波を利用したドップラーセンサを搭載した便器洗浄装置を開示した（特許文献１）。
特許第３７４０６９６号公報

本発明は、走査方向側に局在するメインビームとサイドローブとの放射強度差を３ｄＢ以上確保できるアンテナを備えた高周波センサ装置を提供する。

本発明の一態様によれば、送信波を発生する送信部と、前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する受信部と、を備え、前記アンテナは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで前記励振方向に対して平行で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、送信波を発生する送信部と、前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する受信部と、を備え、前記アンテナは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して垂直で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、送信波を発生する送信部と、前記送信波を放射するアンテナと、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する受信部と、を備え、前記放射するアンテナと前記受信するアンテナのうち少なくともいずれかは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して平行で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、送信波を発生する送信部と、前記送信波を放射するアンテナと、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する受信部と、を備え、前記放射するアンテナと前記受信するアンテナのうち少なくともいずれかは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して垂直で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。

本発明により、走査方向側に局在するメインビームとサイドローブとの放射強度差を３ｄＢ以上確保できるアンテナを備えた高周波センサ装置が提供される。すなわち、アンテナのゲインが最大ゲインから３ｄＢ以内の範囲を局在させることにより、近距離において、検知したい方向すなわち電波ビームを傾けた（走査した）方向とは異なる方向にある物体を誤検知しないようにすることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる高周波センサ２０を説明するための模式図であり、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそのブロック図、同図（ｅ）は水平放射パターンにおける等ゲイン図、同図（ｆ）は放射パターンを表す模式図である。

図１（ａ）に表した具体例の場合、送信部１２に接続されたアンテナ１０からは、例えば、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する送信波Ｔ１が放射される。人体からの反射波または透過波Ｔ２は、アンテナ１０を経由して受信部１４に入力される。アンテナ１０は、図１（ａ）に表したように送信側と受信側とを共通としてもよく、または、同図（ｂ）に表したように、送信部１２にはアンテナ１０ａを接続し、受信部１４にはアンテナ１０ｂを接続しても良い。受信波の振幅を検出して得られた出力信号により人体の有無などが推定できる。すなわち、人体などの被検知体が送信波Ｔ１を反射することにより、受信される受信波の振幅が増加する。これを検出することにより、人体などの被検知体の存在を検出できる。

また一方、ドップラー効果を利用して被検知体を検知することも可能である。
図１（ｃ）は、本発明の実施の形態にかかる移動物体を検出する高周波センサ２０を説明するためのブロック図である。
図１（ｃ）の場合、送信部１２に接続されたアンテナ１０からは、例えば、１０．５２５ＧＨｚの周波数を有する送信波Ｔ１が放射される。移動物体からの反射波Ｔ２は、アンテナ１０を経由して受信部１４に入力される。アンテナ１０は、図１（ｃ）に表したように送信側と受信側とを共通としてもよく、または、図１（ｄ）に表したように、送信部１２にはアンテナ１０ａを接続し、受信部１４にはアンテナ１０ｂを接続してもよい。
送信波の一部と受信波とは、差分検出部１６にそれぞれ入力されその差分のドップラー周波数近傍の出力信号が出力される。すなわち、ドップラー周波数ΔＦ（Ｈｚ）は、下記の式（１）により表すことができる。

ΔＦ＝Ｆｓ−Ｆｂ＝２×Ｆｓ×ｖ／ｃ 式（１）

但し、Ｆｓ：送信周波数（Ｈｚ）
Ｆｂ：反射周波数（Ｈｚ）
ｖ：物体の移動速度（ｍ／ｓ）
ｃ：光速（＝３００×１０^６ｍ／ｓ）

高周波センサ２０を液流に向けると、式（１）で表されるように、その流速ｖに比例した周波数ΔＦを含む出力信号を得ることができる。出力信号は周波数スペクトラムを有し、スペクトラムのピークに対応するピーク周波数と液流の流速ｖとの間には相関関係がある。従って、ドップラー周波数ΔＦを測定することにより流速ｖを求めることができる。なお、日本においては、人体を検知する目的には１０．５２５ＧＨｚまたは２４．１５ＧＨｚの周波数が使用できる。

本発明の具体例にかかる高周波センサ２０を構成するアンテナ１０からの水平放射パターンは、例えば、図１（ｅ）のようになる。アンテナの給電点を通るＺ軸と直交するＸＹ面内において、アンテナ１０のゲイン（利得）の最大点をＱとする。図１（ｅ）においては、ゲインが最大値から３ｄＢ低下する領域を実線で表し、１０ｄＢ低下する領域を破線で表している。Ｙ軸はアンテナ１０の給電点を通り励振方向と平行であるが、３ｄＢゲイン低下領域をＹ軸に関して走査すべき一方の側（図では左側）に局在するように位置制御すると、目的物を正確に検知することができる。図１（ｆ）は、アンテナの水平放射パターンである。アンテナに関しては、後に詳細に説明する。

図２は、図１（ｃ）及び（ｄ）に例示された移動物体を検出する高周波センサ２０を備えた小便器の構成を例示する模式図である。
小便器２２の内部には、高周波センサ２０と、機能部２４が収められている。小便器２２の上方には、小便器２２のボール部内空間を洗浄するための水を供給する給水部３０及び洗浄水吐出口３２が設けられている。ボール部内空間の下方には排水口３４が設けられている。

図３は、機能部２４の構成を例示するブロック図である。
差分検出部１６の出力信号はアンプ４０により増幅され、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）演算部４２に入力される。FFT演算部４２により、差分検出部１６の出力信号の周波数スペクトラムをリアルタイムで得ることができる。FFT演算部４２の出力は、流量演算部４４に入力され、周波数スペクトラムから流量に換算されることもできる。

コントローラ４６は、流量演算部４４で演算された流量などをもとに、他の装置を作動させる。洗浄水供給バルブ３６はコントローラ４６の指示により開閉する。電解水生成部６０は、コントローラ４６により、例えば、１日に１回電解水を流すことにより排水管における尿石形成を防止する。外部インタフェース５２は、尿量などの情報を外部に伝送する。

図１に例示された高周波センサ２０は、人体の検知、移動物体の検知、移動速度の検出などが可能である。この結果、自動ドアの開閉などを制御するセンサ、人感センサ、防犯センサ、機器のリモートコントロール、便器洗浄装置などに用いることができる。

以下、高周波センサ２０の構成要素であるアンテナ１０について詳細に説明する。
図４は、本発明の高周波センサ２０を構成するアンテナ１０にかかる第１具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式斜視図である。
本具体例において、パッチ電極を有する給電素子６０の励振方向に対して横方向に、パッチ電極を有する無給電素子６２が配置されている。このアンテナ１０は、給電素子６０及び無給電素子６２がそれぞれ平面パターンを有するパッチアンテナに属する。アンテナ１０の主面はＸＹ座標で表され、水平面内においてＸ軸からの角度をφで表す。また、この主面と垂直な方向をＺ軸とし、垂直面において、Ｚ軸からの角度をθで表す。Ｙ軸は、励振方向に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、φ及びθに関するこれらの定義は、本願明細書においてすべて同一とする。

給電素子６０の中心を通り、Ｙ軸の負方向における位置Ｐが送信波の励振部と接続される給電点とされる。給電素子６０は矩形の導電体薄膜であり励振方向の一辺の長さＤは約λｇ／２（但しλｇは波長）とする。また、無給電素子６２の中心線上で、励振方向に平行かつＹ軸正方向には伝送線路６４が設けられており、その終端は導通孔６６を介して接地６８へ接続されている。すなわち、伝送線路６４は終端短絡とされている。ここで、「伝送線路」は、基板の主面に設けられたストライプ状導体と、これに対向してその基板の裏面側に設けられた接地と、の組み合わせにより構成されている。

図５は、無給電素子６２をより詳細に表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡＡ’に沿った模式断面図である。
無給電素子６２と給電素子６０との形状は伝送線路６４以外の領域においてほぼ等しい。この具体例の場合、給電点Ｐの横方向、かつＹ軸負方向の位置が整合点Ｐ’となる。伝送線路６４の終端から０．３ｍｍの位置にφ０．３ｍｍの導通孔６６が設けられており、また伝送線路６４の長さをＬとする。

このアンテナは、例えば、誘電体の両面を銅板で挟んだガラスエポキシ基板などを用いて形成できる。図５（ｂ）においては、比誘電率（εｒ）が３．５、ｔａｎδが０．００４、誘電体厚みが０．７５ｍｍの場合を表した。このような基板により構成される伝送線路、すなわちマイクロストリップラインの波長及び特性インピーダンスはεｒ、誘電体厚み、マイクロストリップラインのストライプ状導体幅及び厚みの関数となる。

図６は、伝送線路６４の長さＬを変化させた場合、無給電素子６２の整合点Ｐ’における振幅（Magnitude：ｄB）, 位相（度）及び無給電素子６２のアンテナゲイン（アンテナ利得：ｄＢ）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
Ｌが伝送線路の４分の１波長である４．８ｍｍ近傍において、整合点Ｐ’における振幅 が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬが短い３．７ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約５．５ｄＢと最大となっている。また、位相はLが約８．１ｍｍにおいてマイナスからプラスへと転じる。これよりLが大きい８．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインはマイナス１０ｄBとなり最低となる。なお、位相がプラスである場合は無給電素子６２は導波器として作用し、マイナスである場合は反射器として作用する。

図７は、アンテナ整合点Ｐ’において高周波回路パラメータであるSパラメータのうち、反射係数であるＳ１１をシミュレーションで求めた結果を表し、同図（ａ）はＳ１１の振幅（Ｍａｇ．；ｄＢ）、同図（ｂ）はＳ１１の位相（ｄｅｇ）の周波数特性をそれぞれ表す。
周波数１１．０５ＧＨｚにおいて、伝送線路長が４．７ｍｍの場合に位相は０度となり、３．７７ｍｍの場合に位相は１１０度、５．３２ｍｍの場合に位相はマイナス１１０度となる。

伝送線路が４．７ｍｍの場合に共振周波数は１１．０５ＧＨｚ、位相は０度である。伝送線路長を３．７７ｍｍと短くすると共振周波数は１１．２９ＧＨｚに上昇し、１１．０５ＧＨｚにおける位相はプラス１１０度となる。反対に伝送線路長を５．３２ｍｍと長くすると共振周波数は１０．８８ＧＨｚに下降し、１１．０５ＧＨｚにおける位相はマイナス１１０度となる。このように、無給電素子６２に接続する伝送線路６４の長さを変えることで無給電素子を導波器または反射器として作用させることができる。

図８は、整合点Ｐ’の位相が０乃至１４０度である無給電素子６６を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。
例えば、整合点Ｐ’の位相が１１０度の場合、素子間スペースＳが２．２ｍｍにおいて全体アンテナゲインが最大である７．１５ｄＢとなることを示している。このとき、最大放射強度が得られる角度θはほぼ２７度となる。また、整合点Ｐ’の位相が１２０度より大きくなると全体のアンテナゲインが急激に低下し、角度θも小さくなる。

図９は、Ｈ面（φが０−１８０°である垂直断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
放射パターンは、メインビームと、これよりゲインの小さいサイドローブ（不要電波）とを含む。ここで、メインビームのゲインのピークより３ｄＢ低下した角度領域を半値角と呼ぶことにする。液流を精度よく検知するためには、メインビームのゲインが高く、メインビームとサイドローブとのゲイン差が大きく、かつ３ｄＢ利得低下する半値角範囲が０度よりも走査方向側に局在することが好ましい。

すなわち、アンテナのゲインが最大ゲインから３ｄＢ以内となる半値角範囲が、パッチ電極を含む平面に対して垂直であり給電素子と交差する垂直面により区切られる２つの空間のいずれか一方のみに局在するように無給電素子が配置されていることが特徴とされる。

整合点Ｐ’の位相が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点Ｐ’の位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインは約マイナス１９ｄＢ，半値角範囲はマイナス６５乃至マイナス５度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を備えることが可能となる。

図１０は、整合点の位相を０乃至１４０度と変化させ、素子間スペースＳを１乃至５ｍｍと変化させた場合の水平放射パターン（ＸＹ面）を表している。整合点Ｐ’のそれぞれの位相に対してアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、最大放射強度となる放射角度θが図１０の右端の１列の例示するように得られる。３ｄＢ利得低下領域が、給電点Ｐを含む水平面（ＸＹ面）内の軸に関して、走査したい一方の側（図１０においては左側とする）に局在するように位置制御される様に、素子間スペースＳ，整合点Ｐ’位相を選択決定することができる。この結果、検知したい液流など目的物の領域に応じて高周波センサを動作させることが可能となる。

また、無給電素子の位相が０度に近づくほどアンテナゲインが低下する。例えば、小便器を洗浄する水を利用して蓄えられた電気エネルギーを利用し人体検知および洗浄バルブの開閉を行うシステムを備えた自動洗浄小便器には発電量に限りがあり効率が求められる。このような場合に、整合点Ｐ’の位相が１２０度以下、９０度以上の無給電素子をアンテナゲインが最大となる位置に配置すれば、検知したい方向に集中的に電波を放射し、少ないエネルギーにて必要な情報が得られ、好適である。

図１１は、第１具体例において、整合点Ｐ’の位相が９０乃至１３０度である無給電素子６２を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）で配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。

この変形例のアンテナ１０は、例えば、アルミナのようなセラミック材料を用いることにより形成できる。この場合、比誘電率を９．５、ｔａｎδを０．００１、厚みを１ｍｍとしてシミュレーションを行っている。Ｌが４．４ｍｍの場合、アンテナゲインは５．５ｄＢと最大となり、このとき最大放射強度が得られる角度は３０度である。

図１２は、この具体例において、Ｈ面におけるアンテナゲイン（ｄＢ）のθ（度）依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
整合点位相Ｐ’が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１２０度の場合、アンテナゲインは約マイナス２１ｄＢ，半値角範囲はマイナス６２乃至マイナス２度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を満たす。

通常、トイレや浴室、洗面所などで使用するセンサは防水ケース等の筐体内に収納し使用することが一般的であるが、センサ前方を遮蔽する障害物が存在すると電波の放射量減衰、放射形態の変化が生じる。アルミナのような比較的高誘電率、低ｔａｎδのセラミック材料は高周波特性に優れ、高温高湿環境での使用に適している。従って、セラミック基材に形成されたパッチ電極の表面を金やセラミックの薄膜で被覆しておけば、浴室などの壁面や換気孔にアンテナ面を曝して配置することが可能であり、電波の放射形態の変化を抑止できる。

図１３は、アンテナ１０の第２具体例の模式平面図である。なお、以下のアンテナの具体例において図４と同様の構成要素には同一番号、同一記号を伏して詳細な説明を省略する。
第２具体例においては、無給電素子１６２は励振方向に沿って給電素子６０と隣り合って配置されている。このアンテナ１０は、図５（ｂ）と同様の材料を用いて形成することができる。終端短絡の伝送線路は、励振方向と平行な部分を有している。
図１４は、整合点Ｐ’の位相が６０乃至１１０度である無給電素子６６を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。
素子間スペースＳが１．０ｍｍの場合、アンテナゲインが６．９２ｄＢと最大となり、最大放射強度が得られる角度が約４２度となる。

図１５は、Ｅ面（φが９０−２７０°である断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、それぞれの整合点Ｐ’の位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。
整合点Ｐ’の位相が大きくなるに従い、ゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点Ｐ’の位相は１１０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインはほぼマイナス１９ｄＢ，半値角範囲はプラス２乃至プラス８０度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１０ｄＢとなり、高周波センサとしての機能を備えることが可能となる。

図１６は、整合点の位相を０乃至１５０度と変化させ、素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。
それぞれの位相においてアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳと、最大放射強度が得られる放射角度θが本図の右端のように得られる。３ｄＢ利得低下領域が、給電点Ｐを含む水平面のＸ軸に関して、走査したい一方の側（図１６においては上側とする）に位置制御される様に、素子間スペースＳ，整合点Ｐ’位相を選択決定することができる。この結果、検知したい液流の領域に応じて高周波センサを動作させることが可能となる。

第１具体例と第２具体例では無給電素子の配置が異なり、第１具体例で示した整合点Ｐ’の位相が１２０度以下、９０度以上のときの角度θは約２４度〜約３３度であるのに対し、第１具体例で示した整合点Ｐ’の位相が１１０度以下、９０度以上のときの角度θは約４２度〜約５１度である。センサが小便器のスプレッダーより上方の背面に設置されているとき、大人しか使用しない小便器であれば放射角度が比較的狭いアンテナでも対応でき第１具体例に示したアンテナ構成を採用すれば良い。一方、子供も使用する小便器の場合は、放射角度が比較的広いアンテナが好ましく、第２具体例に示したアンテナ構成を採用すれば良い。このように小便器に排泄される尿の高さに応じて使い分けることも可能である。

図１７は、アンテナ１０の第３具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式斜視図である。
本具体例においては、給電素子６０と隣り合い励振方向に対して横方向の位置に無給電素子６２及び６３が配置されている。かつ、無給電素子６２の終端短絡伝送線路６４ａの電気長はλｇ／４より短いので整合点の位相はプラス、無給電素子６３の終端短絡伝送線路６４ｂの電気長はλｇ／４より長いので整合点の位相はマイナスである。

図１８は、無給電素子６２における整合点位相を１１０度に固定し、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度から０度と変化した場合、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳとゲイン、最大放射強度が得られる放射角度θとの関係を表すグラフ図である。例えば、整合点Ｐ’の位相がマイナス９０度、素子間スペースが３．４ｍｍの場合、アンテナゲインは７．５ｄＢの最大値となる。また、このとき最大放射強度となる角度は３９度である。

図１９は、本具体例において無給電素子６２を１１０度、無給電素子６３の位相を０度、マイナス９０度、マイナス１８０度とした場合のＨ面におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
０度とマイナス９０度において、メインビームの放射パターンに大きな変化を生じていない。マイナス９０度からマイナス１８０に変化すると、メインビームのピーク位置がサイドローブに少し接近し、サイドローブゲインを約３ｄＢ抑圧できる。

図２０は、無給電素子６２の位相を１１０度と固定し、無給電素子の位相をマイナス１８０乃至０度と変化させ、かつ素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。アンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、最大放射強度となる角度θが本図右端のように得られる。本図において、３ｄＢ利得低下領域が一方の側（左側）に制御され、液流が走査したい側で検知できる。
無給電素子６３の位相が０度〜マイナス９０度の範囲では最大放射強度が得られる角度θが異なっていても半値角のビーム幅でみればほぼ同一レベルであり、位相がマイナス１８０度に近づくほどサイドローブも小さくなるため、無給電素子６３の位相はマイナス９０度〜マイナス１８０度の範囲で選択することが好ましい。

図２１は、無給電素子６２の位相を８０乃至１３０度と変化させ、無給電素子６３の位相を０度またはマイナス１８０度とした場合の、Ｈ面におけるゲインのθ依存性である。無給電素子６３の位相は、マイナス１８０度のほうがサイドローブを４乃至６ｄＢ抑圧できるので好ましい。また無給電素子６２の位相を９０度以上１２０度以下とすると無給電素子６３の位相にかかわらず半値角を０度よりも走査方向側とでき、メインビームとサイドローブとのゲイン差を３ｄＢ以上確保できる。

図２２は、図２１のように位相を変化させた場合の水平放射パターンである。アンテナゲインが最大となる素子間スペースＳと、最大放射強度となる放射角度θが本図右端の様に得られ、３ｄＢ利得低下領域を一方の側（左側）に制御し液流を検知したい側で走査できることを表している、
図２３は、無給電素子６２の位相を０度とし、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度とした場合のＨ面における電波ビームのゲインのθ依存性を表す。メインビームとサイドローブとのゲイン差が約４ｄＢと小さいが、半値角を０度より離して走査方向側とするのが容易である。また、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度とした場合、図９に示した無給電素子６２の位相を０度にしたときの放射パターンとほぼ同じである。これは無給電素子６３から放射される電波の放射量が非常に小さく、電波の放射形態に殆ど影響を与えないためである。すなわち、無給電素子６３は無いに等しい状態である。

図２４は、無給電素子６２の位相を１４０、１５０、１６０度とし、無給電素子６３の位相を０度とした場合のＨ面におけるゲインのθ依存性を表す。無給電素子６２の位相を１４０及び１５０度とすることにより、３ｄＢ利得低下領域を一方の側（左側）に制御し液流を走査したい側で検知できる。この場合、サイドローブとメインビームが連続し広がった放射パターンとなる。

図２５は、図１７に例示された第３具体例の第１変形例であり、同図（ａ）は伝送線路６４の特性インピーダンスが８０オームであり、かつ無給電素子６２の位相は１１０度（伝送線路の長さＬは３．８ｍｍ）、無給電素子６３の位相はマイナス１１０度（伝送線路の長さＬは５．３ｍｍ）であるアンテナ１０の模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性を表す。
また、図２６は、第３具体例の第２変形例であり、同図（ａ）は伝送線路６４の特性インピーダンスが５０オームであり、かつ無給電素子６２の位相は１１０度、６３の位相はマイナス１１０度であるアンテナ１０の模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性を表す。メインビームのゲインは共にマイナス１９ｄＢ，ゲインが最大となる角度θは共にマイナス３５度である。第１変形例の方が走査方向側に局在するメインビームの放射量が多い。一方、第２変形例の方がサイドローブを約１ｄＢ抑圧できている。

図２７は、第３具体例の第３変形例である。特性インピーダンスを８０オームとし、無給電素子の励振方向と直交する一方の辺と整合点Ｐ’との距離２．３ｍｍと等しい切り込みを他方の辺に設け、伝送線路６４を長くする。図２７（ｂ）に例示されるゲインのθ依存性は図２０に例示された第１変形例とほぼ同様となる。

また、以上説明した具体例においては、給電素子と無給電素子の形状とサイズを同一としているが、無給電素子の形状は給電素子とは異なっていても良い。形状やサイズを極端に変えなければ、無給電素子の形状を小さくし周波数が高め、逆に形状を大きくし周波数が低めであろうとも伝送線路の長さを調節することにより所望の導波器または反射器として作用させることができる。

図２８は、アンテナ１０の第４具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はゲインのφ依存性である。第３具体例において無給電素子６２及び６３における伝送線路６４ａ及び６４ｂは、Ｘ軸に関して給電素子６０の給電点Ｐとは反対側に設けられている。これに対して本第４具体例において、伝送線路６４ａ及び６４ｂはＸ軸に関して給電点Ｐと同一側に配置される。図２８（ｂ）において、太線で著す本第４具体例と細線で表す第３具体例とのゲインのφ依存性における相違は小さい。従って、センサ形態に応じて伝送線路６４の接続位置はどちらか一方に選択すれば良い。

次に、終端解放伝送線路を用いた場合について説明する。
図２９は、アンテナ１０の第５具体例であり、伝送線路７４ａ及び７４ｂの終端を開放としたアンテナ１０の模式平面図である。終端開放の伝送線路は電気長がλｇ／２で位相が０度である。本図において、無給電素子７２における伝送線路７４ａの電気長をλｇ／２より短く、無給電素子７３における伝送線路７４ｂの電気長をλｇ／２より長く設定する。無給電素子７２，７３及び給電素子６０の励振方向に沿う長さＤをλｇ／２とする。

図３０は、無給電素子７２，７３を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はＢＢ’に沿った模式断面図である。厚みが０．７５ｍｍの基板に対して深さが０．７４ｍｍである導通孔７７の先端は接地６８とは接続されずに開放（オープン）とする。なお、アンテナ１０を構成する基板は第１具体例と同様とできるので説明を省略する。

図３１は、終端開放の伝送線路の長さＬＯを変化させた場合、無給電素子７２及び７３の整合点Ｐ’における振幅（ｄＢ）、位相（度）、無給電素子のアンテナゲイン（ｄＢ）をシミュレーションにより求めたグラフ図である。ＬＯが伝送線路の２分の１波長である７．６ｍｍ近傍において整合点Ｐ’における振幅が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬＯが短い７．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約４．４ｄＢと最大になっている。破線で表すアンテナゲインはＬＯが２．４乃至４．３ｍｍの範囲でマイナスとなり、３．４ｍｍ近傍において最小値となる。

図３２は、整合点Ｐ’における反射係数Ｓ１１のシミュレーション結果を表し、同図（ａ）はＳ１１振幅、同図（ｂ）は位相の周波数特性を表す。 終端開放の伝送線路長が７．５５ｍｍの場合に共振周波数は１１．０５ＧＨｚ、位相は０度である。伝送線路長を６．６４ｍｍと短くすると共振周波数は上昇し、１１．０５ＧＨｚにおける位相はプラス１１０度となる。反対に伝送線路長を８．１４ｍｍと長くすると共振周波数は下降し、１１．０５ＧＨｚにおける位相はマイナス１１０度となる。終端短絡した伝送線路と同様に、無給電素子７２及び７３に接続する伝送線路７４ａ及び７４ｂの長さを変えることで、アンテナゲインは少し低下するものの無給電素子を７２及び７３導波器または反射器として作用させることができる。

図３３は、最大放射強度が得られる放射角度θにおけるゲインの角度φ依存性を表すグラフである。無給電素子に接続される伝送線路が終端短絡（ショート）である場合を細線で、終端開放（オープン）である場合を太線でそれぞれ表す。細線で表す終端短絡した伝送線路を各無給電素子に接続して一方の無給電素子を導波器、他方の無給電素子を反射器として作用させたほうが角度φに対して対称とできる。

図３４は、終端短絡または終端開放の伝送線路を有する無給電素子を、給電素子と隣り合うように励振方向に対して横方向に配置したアンテナ１０の水平放射パターンを表す図である。終端短絡した伝送線路を無給電素子に接続し導波器として作用させる（ショート：１１０度）方が、終端開放した伝送線路を無給電素子に接続し導波器として作用させる（オープン：１１０度）よりもアンテナゲインを高くすることができる。また、反射器として作用させる無給電素子も終端短絡した伝送線路を接続することで、アンテナを配置するのに必要な面積が減少し、角度φに対して対称に電波を放射できる。

図３５は、位相が１１０度及びマイナス１１０度となる終端短絡及び終端開放伝送線路の構成を表す模式平面図である。
また、図３６は、図３５に表したそれぞれの伝送線路を備えた無給電素子のＥ面におけるゲインのθ依存性を表す。実際のアンテナ構造では無給電素子自体に給電されることはないが、ここでは接続される伝送線路形態による無給電素子の放射形態の違いを把握するため無給電素子の整合点に給電した場合の違いを示す。終端短絡した伝送線路６４を接続した無給電素子６２、６３の方が、終端開放した伝送線路７４を接続した無給電素子７２、７３よりもゲインが高い。特に、終端短絡且つ位相マイナス１１０度の伝送線路を有する無給電素子が一番高いゲインを有する。逆に、終端開放かつ位相１１０度の伝送線路を有する無給電素子のゲインが最も低い。また、終端短絡した伝送線路６４を接続した無給電素子６２、６３から放射される電波はほぼ正面方向に放射されるのに対し、終端開放した伝送線路７４を接続した無給電素子７２、７３から放射される電波はマイナス側（伝送線路７４が接続された方向とは反対側）に傾いている。無給電素子に終端開放の伝送線路を接続し、導波器または反射器として作用させると角度φに対して対称に放射されなくなるのはこれが原因である。

また図３３に例示されるように終端開放伝送線路を用いるとφが２４０乃至３３０度の間の範囲でゲインが充分には低下しない。また、図３４に例示されるように、終端開放伝送線路を用いると放射パターンがこの角度（φ）近傍で曲がり（すなわち膨らみ）を生じている。この曲がりが生じると、３ｄＢ利得低下領域の制御が十分にできない場合がある。しかし、この曲がりは給電素子と無給電素子との励振方向に沿う相対位置をずらすことにより改善できる。

図３７は、アンテナ１０の第６具体例の模式平面図である。終端開放伝送線路７４ａ及び７４ｂをそれぞれに有する無給電素子７２及び７３は、給電素子６０に対して励振方向かつ給電点とは反対方向に距離Ｇだけずらして配置されている。この場合は、無給電素子７２と７３とを同一にＧだけずらしているが、同一でなくとも良い。図３８に例示されるゲインの角度φ依存性は、図３３の終端短絡伝送線路と同様にゲインを減衰させることができる。

図３９は、水平放射パターンの回転を説明するための模式図である。図３９（ａ）に表した具体例の場合、終端開放伝送線路を有する無給電素子７４は、給電素子６０に対してずらして配置されておらず、両者の中心をむすぶ直線は、励振方向に対して垂直とされている。その場合の水平放射パターンを見ると、最大ゲインはθ＝３０度、φ＝２１０度である。つまり、φ＝１８０度の方向からみて３０度も回転している。

これに対して、図３９（ｂ）に表した具体例の場合、終端開放伝送線路を有する無給電素子７４は、給電素子６０に対してずらして配置されている。すなわち、無給電素子７４は、その伝送線路が接続されている方向に向かってずらされている。このようにすると、放射パターンのφ方向の回転を抑制できる。具体的には、図３９（ｂ）に表した具体例の場合、最大ゲインはθ＝２７度、φ＝１８０度であり、図３９（ａ）において見られた水平放射パターンの回転が抑制されている。この場合、無給電素子７４をずらし量は、λｇ／４以内に抑えることが望ましい。

一方、水平放射パターンの回転を抑制するもうひとつの方法として、伝送線路を短絡する方法を挙げることができる。
図３９（ｃ）は、無給電素子７４を給電素子６０に対してずらすことなく、その伝送線路の終端を接地した具体例を表す。その結果、放射パターンの最大ゲインはθ＝３６度、φ＝１８６度となり、図３９（ａ）に表した具体例（φ＝２１０度）と比べて、φ＝１８０度の方向に２４度も戻ったことが分かる。

図４０は、アンテナ１０の第７具体例の模式平面図であり、同図（ａ）は給電点Ｐと同方向に２個の終端開放伝送線路７４ａ及び７４ｂが延在する場合、同図（ｂ）は互いに反対方向に延在する場合を表す模式平面図である。また、図４０（ｃ）は、ゲインの角度φ依存性を表すグラフ図であり、実線は図４０（ａ）、破線は同図（ｂ）であり、共にφ依存性を変化させることができている。これは、終端開放伝送線路７４を接続した無給電素子の放射特性を利用し放射パターンの回転を制御できることを表している。

図４１は、第８具体例を表す模式平面図である。励振方向に沿って、給電素子６０をはさんで対称位置に無給電素子１６２及び１６３が配置されている。本具体例においては、無給電素子１６２及び１６３に、終端短絡伝送線路６４ｃ及び６４ｄがそれぞれに設けられている。

図４２は、一方の無給電素子１６２の位相を１１０度に固定し、他方の無給電素子１６３の位相を０乃至マイナス１８０度と変化させた場合におけるアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ、及び最大放射強度となる角度θを表すグラフ図である。
無給電素子１６３の位相がマイナス９０度、素子間スペースＳが１．３ｍｍの時アンテナゲインが最大となり、最大放射強度が得られる角度θは６３度となることが分かる。

図４３は、一方の無給電素子１６２の位相を１１０度とし、他方の無給電素子１６３の位相を０、マイナス９０、マイナス１８０度とした場合のＥ面におけるゲインのθ依存性である。無給電素子１６３の位相が０度〜マイナス９０度の範囲では最大放射強度が得られる角度θおよび半値角のビーム幅はほぼ同一レベルであり、位相がマイナス１８０度に近づくほどサイドローブも小さくなるため、無給電素子１６３の位相はマイナス９０度〜マイナス１８０度の範囲で選択することが好ましい。
図４４は、無給電素子１６３の位相を０からマイナス１８０度、素子間スペースＳを変化させた場合の水平放射パターンを表す。
無給電素子１６３の位相を０からマイナス１８０度まで変化させるにしたがって、サイドローブが低下することが分かる。ただし、メインローブの半値幅はやや拡がる傾向にあり、無給電素子１６３の位相がマイナス９０度付近においてもっとも良好な特性が得られているといえる。

次に、伝送線路に高周波スイッチを接続することにより、放射パターンを切り替える具体例について説明する。
図４５は、第９具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式底面図である。
本具体例においては、終端短絡伝送線路６４と接地６８との間に高周波スイッチ１００を設けることにより電波ビームの放射パターンを切り替えることができる。伝送線路６４は、導通孔６６を介して高周波スイッチ１００に接続される。高周波スイッチ１００は、例えば、ＧａＡｓからなるダイオードまたはＦＥＴとする。本図はＦＥＴを用いた具体例を表し、ゲート電極を伝送線路６４から分離できるのでＦＥＴ電源回路が容易になる。すなわち、高周波回路と低周波回路を分離するスタブやコンデンサが不要となり、製造のバラツキによる不具合を抑制、使用部品の削減によるコストダウンが図れ生産性が向上する。ゲート電極は基板裏面の引き出し電極１０２に接続され、供給電圧によりオン−オフの制御を行う。本具体例では引き出し電極１０２を直線で形成しているがアンテナ面積に応じ屈曲させても良い。

図４６及び図４７は、無給電素子から伝送線路への接続構造の２つの具体例を表す。
すなわち、図４６に表した具体例においては、無給電素子６２に終端短絡伝送線路６４の一方の端部が接続されており、他方の端部が導通孔６６を介して高周波スイッチ１００へと接続される。この場合には、伝送線路６４はマイクロストリップラインとなる。マイクロストリップラインはストライプ状導体とこれに対向する接地とにより構成される。一方、図４７に表した具体例においては、無給電素子６２のパッチ電極内部に導通孔６６が設けられ、基板の裏面である接地６８において伝送線路１６４に接続され、さらに高周波スイッチ１００へ接続される。この伝送線路１６４としては、例えば、コプレーナ線路を用いることができる。コプレーナ線路は、ストライプ状導体とこれと略同一平面で対向する接地面から構成され、その形状パラメータによってはマイクロストリップラインに近似して取り扱うことができる。伝送線路６４、１６４もアンテナとして作用するため、無給電素子と同一面に伝送線路６４を配置した方がアンテナ前方に効率良く電波を放射できる。
図４８は、高周波スイッチ１００の位置精度を改善する構造を例示する模式図であり、同図（ａ）は基板の裏面側を表し、同図（ｂ）は高周波スイッチのインダクタンス成分を説明するための概念図である。
アンテナ１０の励振周波数は高いので、高周波スイッチ１００の位置決めには高精度が必要であり、このためにはマーカ１０４などを設けると良い。また、高周波スイッチ１００は、寄生インダクタンスＬ２，Ｌ３を有し、その切替状態により寄生インダクタンスが変化する。

図４９は、高周波スイッチ１００のオン−オフに伴うインダクタンスの変化を説明する模式図である。
ここで、Ｌ１は伝送線路のインダクタンスを表す。また、図４９において、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ１'は、それぞれ高周波スイッチ１００がオフ状態とオン状態の寄生インダクタンスを表す。またここでは、高周波スイッチ１００がオン状態においても接地されない。このように、高周波スイッチ１００のオン−オフにより寄生容量が変化する。このような場合、例えば、ＣＡＳＥ１（Ｌ１＋Ｌ２）の状態においてアンテナ特性が最適となるように設計することができる。また、これとは逆に、ＣＡＳＥ２（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）の状態においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよい。

また、高周波スイッチ１００がオン状態において接地される場合（ＣＡＳＥ３’とＣＡＳＥ４）にも同様に、高周波スイッチ１００がオフ状態（ＣＡＳＥ３）においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよく、または、高周波スイッチ１００がオン状態（ＣＡＳＥ４）においてアンテナ特性が最適となるように設計してもよい。

これらいずれの場合も、高周波スイッチ１００のオン−オフの切替に伴って寄生インダクタンスが変化するので、アンテナ特性を切り替えることができる。
図５０は、図４５に例示したアンテナ１０のＨ面における電波ビームのゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
高周波スイッチ１００がオン状態においては、無給電素子６２が導波器として作用しマイナス３０度付近をピークとしたメインローブと、プラス５０度付近をピークとしたサイドローブが表れるが、高周波スイッチ１００がオフ状態に遷移すると、無給電素子６２のアンテナゲインが極端に小さくなり０度付近をピークとした単峰性のアンテナ特性が得られる。このように、高周波スイッチ１００を切り替えることにより、アンテナ特性を変化させることができる。すなわち、アンテナから放射される電波の放射方向を２段階に切り替えることができる。

図５１は、第１０具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はＣＣ’に沿う模式断面図である。
本具体例においては、伝送線路６４ａ及び６４ｂを分岐点Ｒにおいて分岐し、一方は導通孔６７ａ及び６７ｂを介して高周波スイッチ１００）へ接続され、オン状態で接地６８と接続され、オフ状態で接地と非接続とされる。また、他方は導通孔６６ａ及び６６ｂを介して接地６８へ直接接続される。

図５２は、図５１のアンテナの回路構成を表す図であり、無給電素子６２及び６３の整合点Ｐ’の位相を１１０度とする時は高周波スイッチ１００ａ（または１００ｂ）をオンとし、マイナス９０度とする時は高周波スイッチをオフとすればよいことを表す。従って、高周波スイッチ１００ａ（または１００ｂ）のオン−オフを切り替えることにより接地への接続経路を切り替えて、アンテナ特性を変化させることができる。
図５３は、図５１のアンテナのＨ面におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 同図において、例えば（１１０、−９０）とは、無給電素子６２の整合点Ｐ’における位相が１１０度で、無給電素子６３の整合点Ｐ’における位相がマイナス９０度であることを表す。すなわち、この時、高周波スイッチ１００ａはオン状態で、高周波スイッチ１００ｂはオフ状態である。

図５３から、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂがいずれもオン状態（１１０、１１０）またはオフ状態（−９０、−９０）においては、放射パターンは０度を中心として左右対称であるが、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂの一方をオン状態、他方をオフ状態として切り替えると、放射パターンは０度を中心として反転することが分かる。すなわち、（１１０、−９０）と（−９０、１１０）とは、放射パターンの角度分布が反転している。従って、高周波スイッチ１００ａ、１００ｂを切り替えることにより、例えば、（１１０、１１０）あるいは（−９０、−９０）のように幅広い放射パターンを得たり、あるいは（１１０、−９０）や（−９０、１１０）のように局在的な放射パターンを選択することが可能となる。
図５４は、第１０具体例の第１変形例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式底面図、同図（ｃ）はＨ面におけるゲインのθ依存性である。
導通孔６６ａ及び６６ｂは、無給電素子６２及び６３のパッチ電極領域内に設けられ、基板の裏面において伝送線路１６５と接続される。伝送線路１６５と高周波スイッチ１００との接続点近傍には終端短絡の伝送線路が分岐されており、高周波スイッチ１００のオン−オフ切り替えにより伝送線路長を変化させ、図５４（ｃ）のようにゲインのθ依存性を制御できる。なお、図５４（ｃ）は、無給電素子６２、６３の位相がそれぞれ１１０度、マイナス９０度の状態を表す。図５３に表した（１１０、−９０）の具体例と同様に、角度θのマイナス側にメインローブ、プラス側にサイドローブが表れていることが分かる。

図５５は、第１０具体例の第２変形例を表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図(ｂ)はその底面拡大図である。無給電素子６２及び６３の裏面において、伝送線路６４は導通孔６６を介して高周波スイッチ１００へ接続される。この裏面の接続点からは終端短絡の伝送線路が分岐されており、高周波スイッチ１００のオン−オフにより伝送線路長を変化させる。
図５６は、第１０具体例の第１及び第２変形例の回路構成を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）に表した具体例の場合には、高周波スイッチ１００がオンであると無給電素子は導波器となり、オフであると反射器となるようにインダクタンスが変化する。一方、同図（ｂ）に表した具体例の場合には、高周波スイッチ１００がオフの時に無給電素子は導波器となり、オンの時は反射器となるようにインダクタンスが変化する。

図５７は、第１１具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）はゲインのθ依存性である。伝送線路６４ａ及び６４ｂは分岐されており、導通孔６７ａ及び６７ｂは図示しない高周波スイッチを介して接地され、導通孔６６ａ及び６６ｂは直接接地される。図示しない高周波スイッチを適宜切り替えると、無給電素子６２、６３における位相の組み合わせは、（１１０度、−１８０度）、（−１８０度、１１０度）、（−１８０度、-１８０度）、及び（１１０度、１１０度）の４通りとなる。
図５７（ｂ）はこれらの組み合わせに対応する放射パターンをそれぞれに表すグラフ図である。例えば、（１１０度、１１０度）及び（−１８０度、-１８０度）においてはθ＝０°においてゲインが最大となる左右対称の放射パターンが得られる。また、（１１０度、−１８０度）と（−１８０度、１１０度）とは、それぞれ左右非対称で０度を中心に反転した放射パターンとなる。
図５１で示したアンテナと比較すると、左右対称の放射パターンはメインビームの角度θは小さくなるものの、サイドローブが３ｄB低下している。また、θ＝０°におけるゲインが約１ｄB増加している。このように、無給電素子を反射器として作用させるときの位相を変えることで電波の放射形態を制御することができる。

図５８は、第１２具体例を表し、同図（ａ）はその模式平面図、同図（ｂ）はその模式底面図である。
伝送線路６４の終端が導通孔６６を介して接地６８に短絡され、伝送線路６４の途中に分岐点が設けられ導通孔６７を介して高周波スイッチ１００と接続されている。無給電素子６２と６３は、給電素子６０をはさんで励振方向に対して横方向に配置されている。また、無給電素子１６２及び１６３は、給電素子６０をはさんで励振方向に平行な方向に配置されている。

このように伝送線路６４を無給電素子６２、６３、１６２、１６３と同一面に配置すると、導通孔６７の片端で分岐し導通孔６６に接続される分岐したあとの線路もすべて励振方向に対して平行に配置することができる。通常、給電素子６０を中心として無給電素子６２と６３、１６２と１６３は対称に配置することが望ましく、アンテナとして作用する伝送線路６４も例外ではない。しかしながら、伝送線路６４についてはスイッチ１００の接続端子の形状に制限があるため、分岐したあとの伝送線路６４を励振方向に対して垂直に分岐点と接続する際、対称に配置することが難しい場合が多い。これに対して、本具体例においては、分岐したあとの伝送線路６４を無給電素子６２、６３、１６２、１６３と同一面に配置することで、全ての無給電素子の伝送線路を励振方向に対して平行に形成することができるので、対称性に優れたアンテナを実現できる。

図５９は、第１の高周波スイッチ（ＳＷ１）１００ａ，第２の高周波スイッチ（ＳＷ２）１００ｂ、第３の高周波スイッチ（ＳＷ３）１００ｃ、第４の高周波スイッチ（ＳＷ４）１００ｄをそれぞれにオン−オフした場合におけるゲインのθ依存性を表し、それぞれ左側はＨ面、右側はＥ面である。
これらいずれも、高周波スイッチをオンにした時の無給電素子の位相は１１０度であり、導波器として作用する。一方、高周波スイッチをオフにした時の無給電素子の位相はマイナス１８０度（図５９（ａ））、マイナス９０度（図５９（ｂ））、または０度（図５９（ｃ））であり反射器として作用する。４つの高周波スイッチのうちいずれか１つをオンとし、あとの３つをオフとして電波の放射方向を切り替えるとき、接続された高周波スイッチがオフしている無給電素子の位相がマイナス９０度（図５９（ｂ））、または０度（図）５９（ｃ））の場合、θ＝０°付近にもサイドローブが生じる。サイドローブを抑制する観点からは、高周波スイッチをオフにした時に無給電素子の位相がマイナス１８０度のものが有利である。

図６０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図５９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とそれぞれに対応したＨ面及びＥ面における垂直放射パターンを表しており、Ｈ面はＸＺ平面、Ｅ面はＹＺ平面である。
一方、図６１は、第１２具体例において無給電素子の一方を１１０度、他方を１７０度とした場合のゲインのシータ依存性を表す。図５９（ａ）、図６０（ａ）に表したように、無給電素子の他方の位相をマイナス１８０度にした場合と近似した特性が得られることが分かる。これは、無給電素子６３の位相をマイナス１８０度にした場合と１７０度にした場合ともに、無給電素子６３から放射される電波の放射量が非常に小さく、電波の放射形態に殆ど影響を与えないためである。すなわち、無給電素子６３は無いに等しい状態である。

図６２は、アンテナ１０の第１３具体例を表す模式図である。
導通孔６６を介して高周波スイッチ１００が基板裏面の終端短絡伝送線路１６４に接続される。本図に例示されるように、基板裏面には励振方向に対して横方向に延在する終端短絡伝送線路１６４が設けられている。基板裏面に設けられたこの伝送線路１６４は、図４７における基板裏面の伝送線路１６４と同様に、例えば、コプレーナ線路とする。このようにするとアンテナ１０を全体として小型化できる。

次に、位相が同一の複数の無給電素子を設けた具体例について説明する。
図６３は、アンテナ１０の第１４具体例の模式平面図である。本具体例においては、励振方向に対して直交方向に配置された無給電素子６２及び６３は同一位相とする。無給電素子６２及び６３の位相が同一であり、１６０乃至マイナス１６０度まで変化させた場合、各給電素子−無給電素子間スペースＳに対するゲイン変化率を（表１）に、最大放射強度方向（θ、φ）を（表２）に表す。

図６４は、本具体例の放射パターンを表す模式図である。
無給電素子の整合点Ｐ‘における位相が１７０度から１８０度、マイナス１８０度からマイナス１７３度までの範囲では、素子間スペースに関係なく、給電素子を１つだけ基板上に配置したアンテナとほぼ同様の方向に電波が放射されることがわかる。さらに、無給電素子のアンテナゲインが最小となる１７６度の位相を有した無給電素子を給電素子の周囲に配置したとき、給電素子が１つだけ基板上に配置したアンテナとほぼ同様のゲインとなることがわかる。無給電素子の位相が１７０度から１８０度までの範囲は、図６に例示されるようにアンテナゲインがマイナスとなる領域である。本具体例におけるように、導波器−導波器として作用する無給電素子６２及び６３によっても放射パターンが制御可能である。

図６５は、第１５具体例の模式平面図である。
本具体例においては、無給電素子１６２及び１６３の位相を同一とし、給電素子６０をはさんで励振方向に沿って平行に配置されている。無給電素子１６２及び１６３の位相を変化させた場合、給電素子−無給電素子間スペースにおけるゲイン変化率を（表３）に、最大放射強度方向（θ、φ）を（表４）に表す。

図６６は、本具体例の放射パターンを表す模式図である。
無給電素子の整合点Ｐ’における位相が１６０度から１８０度、マイナス１８０度からマイナス１６０度までの範囲では、素子間スペースに関係なく、給電素子を１つだけ基板上に配置したアンテナとほぼ同様の方向に電波が放射されることがわかる。本具体例におけるように、導波器−導波器として作用する無給電素子１６２及び１６３によっても放射パターンが制御可能である。

次に、励振方向に対して平行に配置され、スイッチにより伝送線路の位相を切り替え可能な無給電素子１６２、１６３を配置することにより、より均一なビームが得られることを説明する。
図６７は、第１６具体例を表し、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は無給電素子１６２及び１６３と給電素子６０との励振方向距離をそれぞれに変化させた場合の水平放射パターン、同図（ｅ）はゲインのθ依存性をそれぞれ表す。
伝送線路は終端開放とし、長さを７．１ｍｍとすることにより無給電素子１６２の位相は９０度とする。ＣＡＳＥ１は、無給電素子１６２が、０．８ｍｍのスペース（間隔）Ｓ１だけ給電素子６０から離れ、給電素子６０の中心に関して給電点の反対側に配置される。ＣＡＳＥ２〜４は、無給電素子１６３が、給電素子６０の中心に関して給電点側に配置され、スペースＳ２がそれぞれ０．８、０．６、０．４ｍｍの場合である。

この場合、図６７（ｅ）に表すゲインにおいて、破線で表すＣＡＳＥ２のほうが太い実線で表すＣＡＳＥ１よりもゲインが約１ｄＢ高い。ＣＡＳＥ１においてＳ１＝０．８ｍｍ、ＣＡＳＥ２においてＳ２＝０．８ｍｍとスペースは同一であっても、均一にビームが放射されないことを意味している。Ｓ２＝０．６ｍｍであるＣＡＳＥ３において、ゲインをほぼＣＡＳＥ１と等しくできておりＣＡＳＥ１に対してＹ軸逆方向にほぼ均一な放射パターンが得られている。Ｓ２＝０．４ｍｍであるＣＡＳＥ４においては、ゲインがますます低下して、図６７（ｄ）の様にＣＡＳＥ１とは異なった水平放射パターンとなる。すなわち、給電素子６０をはさんでペア状に配置された無給電素子において、伝送線路の長さをスイッチにより変化させ、放射パターンを切り替える場合、スペースを変えることによりより均一な放射パターンにできる。例えば、給電素子６０の中心より給電点側に配置する無給電素子１６３とのスペースＳ２を反対側の無給電素子１６２とのスペースＳ１より小さくすることにより、均一なビームにできる。

図６８は、終端短絡の場合のアンテナ１０の模式平面図である。
給電素子６０の給電点Ｐがパッチ電極の中心からみて無給電素子１６３の側に設けられている。そして、この場合、給電素子６０と無給電素子１６２とのスペース（間隔）Ｓ１よりも、給電素子６０と無給電素子１６３とのスペースＳ２を小さくすることにより、放射パターンを対称な形態に近づけることができる。

またこの具体例において、Ｓ１＞Ｓ２とし、スイッチを切り替えることにより、一方の無給電素子を導波器とし、他方を反射器とし均一なビームにできる。図６７（ｅ）に例示されるように、ゲインが最大となるθはＥ面においてプラス、マイナス両側において約６０度であり、図４に例示される第１具体例よりも大きくできる。このアンテナ１０からの大きな放射角度θを有するビームにより、より広範囲な場所にいる人間の存在を精度良く検知できる。この結果、自動ドアなどにおけるセンサとしても有用である。

次に、伝送線路が接続された無給電素子の小型化を実現できる構造について説明する。

整合点の位相がマイナスである反射器として作用する無給電素子６２における伝送線路は、導波器の場合より長くなることが多い。長い伝送線路が励振方向に延在するとアンテナが大型化する。そこで、導波器として作用させる伝送線路は励振方向に沿って直線状に配置し、反射器として作用させる伝送線路は伝送線路の終端側を屈曲させることによりアンテナの小型化を図ることができる。

まず、図６９は、比較例にかかるアンテナを説明する図であり、同図（ａ）は導波器として作用する幅が０．６ｍｍ、長さが３．８ｍｍである伝送線路が直線状に延在したＣＡＳＥ１の模式図、同図（ｂ）はこの伝送線路を屈曲したＣＡＳＥ２の模式図、同図（ｃ）はゲインのφ依存性を表す。
無給電素子１６２と給電素子６０とのスペースはいずれも２．２ｍｍとし、終端短絡伝送線路により無給電素子６２の位相は１１０度となる。アンテナゲインが最大となるのは、図６９（ａ）においてθ＝２７度、φ＝１８３度であるのに対し、同図（ｂ）においてθ＝３０度、φ＝１７４度とビームが回転し、サイドローブもより大きくなる。

図７０は、アンテナの第１７具体例を表す。図７０（ａ）は無給電素子６２に幅０．６ｍｍ、長さ３．８ｍｍである終端短絡伝送線路が、無給電素子６３に幅０．６ｍｍ、長さ８．１ｍｍである終端短絡伝送線路がそれぞれ直線状に延在するＣＡＳＥ３の場合の模式図である。また、図７０（ｂ）は屈曲したＣＡＳＥ４の場合の模式図、同図（ｃ）はゲインのφ依存性である。
導波器としての無給電素子６２の位相は１１０度、反射器としての無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とし、スペースは２．４ｍｍとする。また、反射器として作用する無給電素子６３の伝送線路は、導波器として作用する無給電素子６２の伝送線路の長さである３．８ｍｍにおいて約９０度に屈曲させる。

ゲインが最大となるのは、図７０（ａ）において、θ＝３０度、φ＝１８０度であるのに対し、同図（ｂ）において、θ＝３０度、φ＝１８６度である。図７０（ｃ）に例示されるように、ゲインのφ依存性は殆ど一致し、ビームの回転を抑制できることを表している。

図７１は、第１７具体例の第１変形例を表し、無給電素子６３の伝送線路の長さを５．１ｍｍとし位相をマイナス９０度とした場合を表す。図７１（ａ）は伝送線路が直線状に延在するＣＡＳＥ５、同図（ｂ）は屈曲したＣＡＳＥ６を表す。アンテナゲインが最大となるのは、図７１（ａ）においてθ＝３９度、φ＝１８０度、同図（ｂ）においてθ＝３９度、φ＝１８０度である。また。図７０（ｃ）に例示されるようにゲインのφ依存性は殆ど一致し、ビームの回転を抑制できることを表している。

図７２は、第１７具体例の第２変形例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は水平放射パターン、同図（ｆ）はゲインのφ依存性である。無給電素子６２及び６３が給電素子６０を挟んで励振方向と直交する方向に配置され、給電素子６０と無給電素子６２、６３とのスペースはいずれも２．４ｍｍとした。また、無給電素子１６２及び１６３が給電素子６０を挟んで励振方向に沿って平行方向に配置されている。給電素子６０と無給電素子１６２とのスペースは０．８ｍｍ、給電素子６０と無給電素子１６３とのスペースは０．７ｍｍとした。

伝送線路の終端は導通孔６６により接地されており、分岐点の導通孔６７により高周波スイッチ１００へ接続される。高周波スイッチ１００がオンの場合は分岐点で接地となり、オフの場合は伝送線路の終端６６で接地となる。無給電素子６２の導通孔６７ａに裏面で接続される高周波スイッチ１００ａ（ＳＷ１）、及び無給電素子６３の導通孔６７ｂに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｂ（ＳＷ２）はオン状態で位相が１１０度、オフ状態でマイナス１８０度となるよう伝送線路の長さを決める。また、導通孔６７ｃに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｃ（ＳＷ３）、及び導通孔６７ｄに裏面で接続される高周波スイッチ１００ｄ（ＳＷ４）はオン状態で９０度、オフ状態でマイナス１８０度となるように伝送線路の長さを決める。

図７２（ｂ）は高周波スイッチ１００ａのみがオンであるＣＡＳＥ１、同図（ｃ）は１００ｂのみがオンであるＣＡＳＥ２，同図（ｄ）は１００ｃのみがオンであるＣＡＳＥ３、同図（ｅ）は１００ｄのみがオンであるＣＡＳＥ４の場合の水平放射パターンを表す。また、図７２（ｆ）はＨ面におけるゲインのφ依存性をＣＡＳＥ１及びＣＡＳＥ２について表し、同図（ｇ）はＥ面におけるゲインのφ依存性をＣＡＳＥ３及びＣＡＳＥ４について表す。
高周波スイッチ１００を切り替えることにより、水平面内の放射パターンを制御できることが分かる。本具体例も、人感センサや自動ドアに用いる高周波センサとして適している。また、導通孔６７が設けられる分岐点において、伝送線路はほぼ９０度に屈曲されている。従って、図５８に表した具体例と比較して、励振方向に沿う長さを縮小しアンテナの小型化を容易にする。この場合、屈曲によるビームの回転も抑制できる。

図７２に表した具体例においては、一本の伝送線路の途中に高周波スイッチが設けられ、位相を可変にしている。
一方、図７３は、伝送線路を２本に分けた具体例を表し、同図（ａ）は表面側の模式図、同図（ｂ）は裏面側の模式図である。すなわち、図７３（ａ）はパッチ電極側を表し、パッチ電極から伝送線路が励振方向に延在し、途中で屈曲して、その終端が導通孔６６により接地されている。一方、図７３（ｂ）は接地６８である裏面を表し、パッチ電極領域内の一点から導通孔１６６を介して接続され励振方向に対して略平行に延在する伝送線路１６４と、この伝送線路１６４に接続された高周波スイッチ１００と、が設けられている。この場合にも、裏面の伝送線路１６４のストライプ状導体の長さ以上の位置において、表側の伝送線路のストライプ状導体が屈曲される。この結果、高周波スイッチ１００をオンとしたとき導波器として、オフとしたとき反射器として作用させ、無給電素子６２の位相を変化させることができる。

以上説明した具体例においては、水平放射パターンにおける最大放射方向がＸまたはＹ軸（励振方向に対して平行）となる様にパッチ電極はほぼ十字状に配置される。
次に、パッチ電極の配置を変えることにより最大放射方向を斜めに向ける具体例について説明する。

図７４は、比較例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は水平放射パターン、同図（ｃ）はゲインのθ依存性である。図７４（ａ）のように無給電素子６２を励振方向に０．２ｍｍずらし、励振方向に平行なその一辺が給電素子６０の平行な一辺とは対向する部分を有さない場合を表す。このようにずらすと、図７３（ｂ）のようにビームを曲げることはできるが、幅０．６ｍｍの伝送線路の長さＬを変えて位相を調整しても、無給電素子６２を導波器として作用させることが困難である。すなわち、Ｌ＝４．７ｍｍとし位相を０度とすると最大放射強度はθ＝３６度、φ＝２９７度となる。また、Ｌ＝４．２ｍｍとし位相を９０度とすると最大放射強度はθ＝４５度、φ＝１１７度となる。しかし図７３（ｃ）に例示するようにサイドローブを十分に減衰させるのが困難であり、センサとして好適なビーム放射パターンが得られない。

図７５は、アンテナの第１８具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）及び（ｃ）は水平放射パターン、同図（ｄ）はゲインのθ依存性を表す。給電素子６０のひとつの角部を図７５（ａ）に例示するような原点（０，０）となるようなＸＹ座標を用い、無給電素子６２のひとつの角部の座標を（ｘ、ｙ）と表す。無給電素子６２には、図７５（ａ）のように長さＬである伝送線路が接続されている。図７５（ｂ）は無給電素子６２の角部座標が（−０．２，−１）であり位相が９０度の場合、同図（ｃ）は角部座標が（−０．２，−０．５）の場合の水平放射パターンである。位相が１１０度であるとサイドローブをメインビームより約８ｄＢ低下でき、ゲインが最大となるφも１２０度とでき、斜め方向へのビーム制御が可能となる。

図７６は、第１８具体例において無給電素子６２の位相が９０度の場合の水平放射パターンを表す。左側はｘ＝−１、すなわちスペースがＸ軸方向に１ｍｍの場合であり、下方に向かって対向する部分が多くなることを表している。また、中央はｘ＝−０．５，その右側はｘ＝−０．２の場合である。最も右側は、それぞれのｙ座標においてゲインが最大となるｘ座標と放射パターンを表す。Ｘ軸方向のスペースを小さくする方が、またＹ方向で対向部分を大きくする方がサイドローブを小さくできる。また、ｙ座標を固定した場合、ゲインが最大となるｘ座標は変化する。
図７７は、第１８具体例において無給電素子６２の位相が１１０度の場合の水平放射パターンを表す。図７６と同様に、左側からｘ座標が−１、−０．５，−０．２の順であり、それぞれの列において下方に向って給電素子６０との対向部分が多くなる。この場合にも、Ｘ軸方向スペースが小さく、Ｙ軸に沿う対向部分が大きくなるに従いサイドローブを小さくできる。

図７８は、アンテナの第１８具体例において位相が１１０度であり、無給電素子６２の角部座標が、（−０．２，−０．５）及び（−１．１、−２．５）の場合のゲインのφ依存性を表す。ビームの放射方向を、最大放射強度ではなく半値角のビーム幅の中心値にて設定することにより、人間などの被検知物を精度よく検知することができる。例えば、最大放射強度で放射強度を１３５度と設定すると、半値角の範囲は７５乃至２２５度となる。一方、半値角のビーム幅の中心値を１２０度と設定すると半値角の範囲が６５乃至２０５度となりより精度の高い検知ができる。

図７９は、第１９具体例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は水平放射パターン、同図（ｆ）はゲインのφ依存性を表す。図７９（ａ）に例示されるように、給電素子を中心として千鳥格子状あるいはＸ字状に４個の無給電素子が配置される。無給電素子には伝送線路が設けられ、その途中には導通孔が設けられる。伝送線路のストライプ状導体は線路の途中に導通孔を介して基板の裏面の高周波スイッチと接続される。高周波スイッチのオン−オフにより無給電素子の位相を変えることができる。
また、無給電素子と給電素子とはＹ軸に対して平行な一辺において対向する部分を有し、Ｘ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さない。Ｙ軸に対して平行であり対向する部分は、図７６及び図７７に例示される水平放射パターンのシミュレーション結果よりゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。給電素子は励振方向に平行な辺において２分の１波長の長さとされるので、４分の１波長より短い対向部分であれば無給電素子は重なり合わない。破線で表す高周波スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３、ＳＷ４は、基板の裏面にそれぞれ配置される。

図７９（ｂ）は、ＳＷ１のみをオンとし他をオフとするＣＡＳＥ１，同図（ｃ）はスイッチ２のみオンとするＣＡＳＥ２，同図（ｄ）はＳＷ３のみをオンとするＣＡＳＥ３，同図（ｅ）はＳＷ４のみをオンとするＣＡＳＥ４の水平放射パターンをそれぞれに表し、同図（ｆ）はそれぞれＣＡＳＥのゲインのφ依存性を表す。
放射パターンにおけるゲインの最大値となるφ方向は、ＣＡＳＥ１で６０度、ＣＡＳＥ２で１２０度、ＣＡＳＥ３で２４０度、ＣＡＳＥ４で３００度であり、Ｙ軸に関してほぼ左右対称にできる。また、ゲインが３ｄＢ低下するφ方向半値角は、図７９（ｆ）に表すようにほぼ均一とできる。
スイッチを順次切り替えて、ＣＡＳＥ１〜４を順次繰り返すことにより、これら４方向を順次スキャンできる。
第１８及び第１９具体例において、無給電素子と給電素子とはＹ軸に対して平行な一辺において対向部分を有した。しかし本発明はこれに限定されず、Ｘ軸に対して平行な一辺において対向部分を有していても良い。

図８０は、アンテナの第２０具体例を表し、同図(ａ）は１つの無給電素子の場合の模式平面図、同図（ｂ）は水平放射パターン、同図（ｃ）はφが１０５度のゲインのθ依存性である。図８０（ａ）に表すように、給電素子６０と無給電素子６２とは励振方向、すなわちＹ軸方向に０．２ｍｍ離間している。また、励振方向に対して直交する無給電素子の一辺と給電素子の一辺とは対向部分を２．５ｍｍ有している。無給電素子６２には整合点における位相が１１０度となるよう長さが３．７ｍｍの終端を短絡した伝送線路が接続されている。また、図８０（ｂ）のように、水平放射パターンはφが約１０５方向に向かって広がっている。さらに、図８０（ｃ）のように、φ＝１０５°の面内において最大放射強度が得られる角度θは３９度、メインビームの半値角幅は１０乃至８０度、サイドローブはメインビームより約９ｄＢ低下させることができ、走査方向に局在するメインビームの放射量を多くし、メインビームとサイドローブの差を３ｄＢ以上確保できる。

図８１は、アンテナの第２１具体例を表す模式平面図である。給電素子を中心として千鳥格子状あるいはＸ字状に４個の無給電素子が配置される。この無給電素子は第１９具体例と同様の形状をそれぞれに有している。無給電素子と給電素子とはＸ軸に対して平行な一辺において対向する部分を有し、Ｙ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さない。Ｘ軸に平行な対向部分は、第１９具体例と同様に、ゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。本具体例においても、破線で表す基板裏面に設けられた高周波スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４を順次切り替えて、４方向を順次スキャンすることができる。

図８２は、比較例を表し、同図（ａ）は模式平面図及び水平放射パターン、同図（ｂ）はゲインのφ依存性を表す。図８２（ａ）に表したように、４つの無給電素子を十字状に配置した場合、同図（ｂ）に表したようにＹ軸方向における半値角は９０度であるが、Ｘ軸方向における半値角は約１５０度と大きい。ビームをＸ軸のプラスまたはマイナス方向に曲げようとする場合、検知範囲が広すぎて、例えば、斜め方向の人を誤って検知する可能性がある。また、例えば、図７４（ｂ）に例示するようにサイドローブを低減できずセンサに適したビームを得ることが困難である。
これに対して、第１９及び第２１具体例においては、φ方向における半値角の幅を揃えることができる。この結果、誤り無く人体などの被検知物を検知できるのでセンサとして適している。この応用として、例えば、人感センサ、自動ドアなどの開閉を制御するセンサ、手の動きを検知するセンサなどに用いると非接触スイッチとでき、機器のリモートコントロールなどに有用である。

図８３は、アンテナの第２２具体例を表し、いずれも、１つの給電素子６０の周囲に２つの無給電素子６２、６３が配置された２種類のパターンを例示している。すなわち、図８３（ａ）に表したアンテナにおいては、給電素子６０を挟んで、一方の無給電素子６２は斜め上方に設けられ、他方の無給電素子６３は斜め下方にもうけられている。また、図８３（ｂ）に表したアンテナにおいては、給電素子６０を挟んで、一対の無給電素子６２、６３がいずれも斜め上方に設けられている。

そして、これらいずれのアンテナにおいても、給電素子６０と無給電素子６２、６３の辺のうちで、励振方向に対して垂直な辺どうしが互いに対向部分を有する。これらの対向部分は、ゼロよりも大きく、４分の１波長よりも短いものとされている。こうすることにより、図７５などに関して前述したように、サイドローブを抑制し、斜め方向（θ方向）へビームをより効率的に傾斜させることができる。

図８４は、給電素子６０と無給電素子６２との配置関係と電波ビームの水平放射パターンとの関係を例示する模式図である。すなわち、図８４（ａ）は、本具体例の配置を例示し、図７５（ａ）に関して前述した座標系において、無給電素子６２の角部座標を（０．５、０．２）とした場合の配置パターンを表す。また、図８４（ｂ）は図８４（ａ）に表した配置パターンにおいて無給電素子６２の位相が１１０度の場合に得られる電波ビームの水平放射パターンを表す。また、図８４（ｃ）は、比較例の配置を表し、無給電素子６２の角部座標を（−０．２、０．５）とした配置パターンを表す。また、図８４（ｄ）は、この比較例において無給電素子６２の位相が１１０度の場合に得られる電波ビームの水平放射パターンを表す。

図８４（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

図８５は、図８４に表した具体例及び比較例のアンテナにおいて、φが１２０度（図８４（ｂ）及び（ｄ）において一点鎖線により表した）のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
比較例では無給電素子６２とは反対側に大きなサイドローブが表れているのに対して、本具体例においては、無給電素子６２とは反対側のサイドローブは抑制され、メインローブ（図８５において右側のピーク）との強度比がおよそ９ｄＢにまで改善されていることが分かる。つまり、本具体例によれば、給電素子６０と無給電素子６２との対向部分をゼロよりも大きく４分の１波長よりも小さくすることにより、サイドローブを抑制し、所定の方向に電波ビームを効率的に傾斜させて放射させることができる。

図８６は、本具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図であり、図８６（ａ）は図８３（ａ）に例示した本具体例のアンテナの配置パターン、図８６（ｂ）は本具体例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターン、図８６（ｃ）は比較例のアンテナの配置パターン、図８６（ｄ）は本比較例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターンをそれぞれ表す。

ここで、本具体例における給電素子６０と無給電素子６２、６３との対向関係は、図８４（ａ）に関して前述したものと同様である。また、無給電素子６２の位相は１１０度とし、無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とした。

図８６（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

図８７も、本具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図であり、図８７（ａ）は図８３（ｂ）に例示した本具体例のアンテナの配置パターン、図８７（ｂ）は本具体例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターン、図８７（ｃ）は比較例のアンテナの配置パターン、図８７（ｄ）は本比較例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターンをそれぞれ表す。

ここでも、本具体例における給電素子６０と無給電素子６２、６３との対向関係は、図８４（ａ）に関して前述したものと同様である。また、無給電素子６２の位相は１１０度とし、無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とした。

図８７（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

図８８は、アンテナの第２３具体例を表し、第２２具体例と同様に、いずれも、１つの給電素子６０の周囲に２つの無給電素子６２、６３が配置された２種類のパターンを例示している。すなわち、図８８（ａ）に表したアンテナにおいては、給電素子６０を挟んで、一方の無給電素子６２は斜め上方に設けられ、他方の無給電素子６３は斜め下方にもうけられている。また、図８８（ｂ）に表したアンテナにおいては、給電素子６０を挟んで、一対の無給電素子６２、６３がいずれも斜め上方に設けられている。

そして、本具体例においては、給電素子６０と無給電素子６２、６３の辺のうちで、励振方向に対して平行な辺どうしが互いに対向部分を有する。これらの対向部分は、ゼロよりも大きく、４分の１波長よりも短いものとされている。こうすることにより、図７５などに関して前述したように、サイドローブを抑制し、斜め方向（θ方向）へビームをより効率的に傾斜させることができる。

図８９は、給電素子６０と無給電素子６２との配置関係と電波ビームの水平放射パターンとの関係を例示する模式図である。すなわち、図８９（ａ）は、本具体例の配置を例示し、図７５（ａ）に関して前述した座標系において、無給電素子６２の角部座標を（−０．５、−０．２）とした場合の配置パターンを表す。また、図８９（ｂ）は図８９（ａ）に表した配置パターンにおいて無給電素子６２の位相が１１０度の場合に得られる電波ビームの水平放射パターンを表す。また、図８９（ｃ）は、比較例の配置を表し、無給電素子６２の角部座標を（−０．２、０．５）とした配置パターンを表す。また、図８９（ｄ）は、この比較例において無給電素子６２の位相が１１０度の場合に得られる電波ビームの水平放射パターンを表す。

図８９（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

図９０は、図８９に表した具体例及び比較例のアンテナにおいて、φが１２０度（図８９（ｂ）及び（ｄ）において一点鎖線により表した）のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。
比較例では無給電素子６２とは反対側に大きなサイドローブが表れているのに対して、本具体例においては、無給電素子６２とは反対側のサイドローブは抑制され、メインローブ（図９０において右側のピーク）との強度比がおよそ１１ｄＢにまで改善されていることが分かる。つまり、本具体例によれば、給電素子６０と無給電素子６２との対向部分をゼロよりも大きく４分の１波長よりも小さくすることにより、サイドローブを抑制し、所定の方向に電波ビームを効率的に傾斜させて放射させることができる。

図９１は、本具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図であり、図９１（ａ）は図８８（ａ）に例示した本具体例のアンテナの配置パターン、図９１（ｂ）は本具体例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターン、図９１（ｃ）は比較例のアンテナの配置パターン、図９１（ｄ）は本比較例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターンをそれぞれ表す。

ここで、本具体例における給電素子６０と無給電素子６２、６３との対向関係は、図８９（ａ）に関して前述したものと同様である。また、無給電素子６２の位相は１１０度とし、無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とした。

図９１（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

図９２も、本具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図であり、図９２（ａ）は図８８（ｂ）に例示した本具体例のアンテナの配置パターン、図９２（ｂ）は本具体例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターン、図９２（ｃ）は比較例のアンテナの配置パターン、図９２（ｄ）は本比較例のアンテナにより得られる電波ビームの水平放射パターンをそれぞれ表す。

ここでも、本具体例における給電素子６０と無給電素子６２、６３との対向関係は、図８９（ａ）に関して前述したものと同様である。また、無給電素子６２の位相は１１０度とし、無給電素子６３の位相はマイナス１８０度とした。

図９２（ｂ）及び（ｄ）を比較すると、比較例においてはサイドローブが極めて大きいのに対して、本具体例においてはサイドローブが抑制され、電波ビームが無給電素子６２の方向に効率的に傾斜していることが分かる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ひとつの給電素子６０の周囲に２つ以上の無給電素子６２を配置する場合に、その対向部の長さをゼロよりも大きく４分の１波長よりも小さくすることにより、サイドローブを抑制し、所定の方向に電波ビームを効率的に傾斜させて放射することができる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例には限定されない。高周波センサを構成するアンテナ、送信部、受信部、差分検出器、給電素子、無給電素子、伝送線路、高周波スイッチなどの材質、形状、サイズに関して各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

また、本実施形態の高周波センサは、図２に例示したような小用便器のみならず、腰掛便器や、その他、トイレ、洗面所、浴室、キッチンをはじめとして、各種の用途において設けることができる。さらに、人感センサ、自動ドアセンサ、非接触スイッチなどにも有用である。

またさらに、本発明の高周波センサは、非接触型の入力インタフェースなどにも応用が可能である。例えば、図６８や図７９などに関して前述したように、複数の無給電素子をスイッチで順次切り替えて複数の方向をスキャンできるアンテナを用いると、人間の手の動きなどを検知できる。つまり、アンテナで空間をスキャンし、手などの動きを検知し、その方向や速度に応じて、情報を入力したり機器をリモート操作できる。例えば、ドアの前に立った人間が、手を下から上に振った場合に高周波センサがこの動作を検知し、ドアを自動的に開かせることが可能である。

また例えば、自動券売機や各種の入力端末において、「はい」と「いいえ」の二択に対して、高周波センサが利用者の首の動きをモニタし、利用者が首を縦に振ったら「はい」、首を横に振ったら「いいえ」のように非接触式に入力することが可能となる。

本発明の具体例にかかる高周波センサを説明する図である。 本具体例にかかる高周波センサを備えた小便器の構成を表す図である。 図２の小便器の機能図である。 高周波センサを構成するアンテナの第１具体例である。 無給電素子の構造を表す図である。 無給電素子の特性を表すグラフ図である。 無給電素子の整合点におけるＳ１１を表すグラフ図である。 素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 第１具体例のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第１具体例の放射パターンである。 第１具体例の変形例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 変形例におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 アンテナの第２具体例の模式平面図である。 第２具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 第２具体例におけるゲインのθ依存性である。 第２具体例における水平放射パターンである。 アンテナの第３具体例である。 第３具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 第３具体例におけるゲインのθ依存性である。 第３具体例における水平放射パターンである。 ゲインのθ依存性である。 図２１に対応する水平放射パターンである。 ゲインのθ依存性の他の例である。 ゲインのθ依存性の他の例である。 第３具体例の第１変形例である。 第３具体例の第２変形例である。 第３具体例の第３変形例である。 アンテナの第４具体例である。 アンテナの第５具体例である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の構造を表す図である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の特性を表すグラフ図である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の整合点におけるＳ１１を表すグラフ図である。 ゲインのφ依存性を表すグラフ図である。 水平放射パターンの比較を表す図である。 終端開放または短絡線路の構成の比較を表す図である。 図３５の構成におけるゲインのθ依存性を比較するグラフ図である。 アンテナの第６具体例の模式平面図である。 第６具体例のゲインのφ依存性である。 水平放射パターンである。 アンテナの第７具体例である。 アンテナの第８具体例である。 第８具体例における素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 第８具体例におけるゲインのθ依存性である。 第８具体例における水平放射パターンである アンテナの第９具体例である。 伝送線路の接続構造である。 伝送線路の他の接続構造である。 高周波スイッチの固定方法を表す図である。 高周波スイッチのインダクタンスを説明する図である。 ゲインのθ依存性である。 アンテナの第１０具体例である。 分岐点を設けた回路の構成を表す図である。 図５２におけるゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第１０具体例の第１変形例である。 第１０具体例の第２変形例である。 回路構成の例である。 アンテナの第１１具体例である。 アンテナの第１２具体例である。 第１２具体例におけるゲインのθ依存性である。 図５９に対応する垂直放射パターンである。 ゲインのθ依存性の他の例である。 アンテナの第１３具体例である。 アンテナの第１４具体例である。 第１４具体例の水平放射パターンである。 アンテナの第１５具体例である。 第１５具体例の水平放射パターンである。 アンテナの第１６具体例である。 スペースの異なるアンテナの模式平面図である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第１７具体例である。 第１７具体例の第１変形例である。 第１７具体例の第２変形例である。 伝送線路を２本別に設けた場合の模式図である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第１８具体例である。 無給電素子位相が９０度の第１８具体例である。 無給電素子位相が１１０度の第１８具体例である。 第１８具体例のゲインのφ依存性である。 アンテナの第１９具体例である。 アンテナの第２０具体例である。 アンテナの第２１具体例である。 比較例のアンテナを説明する図である。 アンテナの第２２具体例を表す。 給電素子６０と無給電素子６２との配置関係と電波ビームの水平放射パターンとの関係を例示する模式図である。 図８４に表した具体例及び比較例のアンテナにおいて、φが１２０度（図８４（ｂ）及び（ｄ）において一点鎖線により表した）のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第２２具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図である。 第２２具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図である。 アンテナの第２３具体例を表す。 給電素子６０と無給電素子６２との配置関係と電波ビームの水平放射パターンとの関係を例示する模式図である。 図８９に表した具体例及び比較例のアンテナにおいて、φが１２０度（図８４（ｂ）及び（ｄ）において一点鎖線により表した）のゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 第２３具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図である。 第２３具体例及び比較例における電波の放射パターンを例示する模式図である。

符号の説明

１０ アンテナ、１２ 送信部、１４ 受信部、１６ 差分検出器、２０ 高周波センサ装置、６０ 給電素子、６２、６３、７２、７３ 無給電素子、６４、７４ 伝送線路、６６、６７、７７ 導通孔、１００ 高周波スイッチ、１０２ 引き出し電極

Claims (8)

1. 送信波を発生する送信部と、
   前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する受信部と、
   を備え、
   前記アンテナは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、
   前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、
   前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで前記励振方向に対して平行で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、
   前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、
   前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置。
2. 送信波を発生する送信部と、
   前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する受信部と、
   を備え、
   前記アンテナは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、
   前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、
   前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して垂直で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、
   前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、
   前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置。
3. 送信波を発生する送信部と、
   前記送信波を放射するアンテナと、
   前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する受信部と、
   を備え、
   前記放射するアンテナと前記受信するアンテナのうち少なくともいずれかは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、
   前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、
   前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して平行で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、
   前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、
   前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置。
4. 送信波を発生する送信部と、
   前記送信波を放射するアンテナと、
   前記送信波の物体による反射波及び透過波の少なくともいずれかを受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する受信部と、
   を備え、
   前記放射するアンテナと前記受信するアンテナのうち少なくともいずれかは、基板と、前記基板上に設けられ励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する給電素子と、前記基板上に設けられ前記励振方向に対して平行な辺を有する矩形のパッチ電極を有する少なくとも２つの無給電素子と、前記少なくとも２つの無給電素子の少なくともいずれかに接続された高周波スイッチと、を含み、
   前記少なくとも２つの無給電素子は、前記基板上において前記給電素子を中心としてその周囲に配置され、
   前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して垂直で前記給電素子に近接する辺が、前記給電素子との間においてゼロより大きく４分の１波長よりも短い対向部分を有し、
   前記高周波スイッチのオン状態では接地へ接続され、オフ状態では接地へ非接続とされ、
   前記高周波スイッチをオン状態とオフ状態との間で遷移させることにより前記アンテナの放射パターンを可変としたことを特徴とする高周波センサ装置。
5. 前記少なくとも２つの無給電素子における前記対向部分の長さが略同一であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
6. 前記少なくとも２つの無給電素子のそれぞれは、前記パッチ電極の辺のうちで前記励振方向に対して直交する辺の中央近傍から前記励振方向に対して略平行に延在する部分を含む伝送線路を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
7. 前記伝送線路に前記高周波スイッチが接続されたことを特徴とする請求項６記載の高周波センサ装置。
8. 前記延在する部分は前記パッチ電極と同一の主面に設けられ、前記高周波スイッチは前記主面に対して裏面側に設けられたことを特徴とする請求項７記載の高周波センサ装置。