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マイクロ波センサーの原理とドップラーセンサーの原理を検証

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この記事では、マイクロ波送電・マイクロ波センサーについての検証と
マイクロ波ドップラーセンサを用いた技術やその原理について検証しています

また、本稿ではマイクロ波センサモジュールや
可視光線以外の紫外線、赤外線、マイクロ波などの電磁波についても記載しています。

マイクロ波自体をよくご存知無い方から、電磁波やセンサに携わる職に就かれている方にも役に立つ記事となりましたら幸いです。

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マイクロ波とは

マイクロ波とは周波数が3ギガヘルツから30GHzの電波の事を言います。

センチメートル波は、波長が1cmから10cm、3GHzから30GHzの周波数の電波のことを指します。

尚、30GHz ~ 300GHzの「ミリ波帯」は「ミリ波帯超高速無線通信」と呼ばれる技術に用いられています。

みなさんが現在お使いのスマートフォンなどの通信技術で、
現在4Gなどと耳にされたことがお有りかとは思いますが、第5世代モバイル通信システム(5G)では
30GHz を超えるミリ波の帯域が用いられるとどこかで見聞きしたことがあるように筆者は記憶しています。

しかし現状では、技術的なハードルが高いため、5Gはまだ未踏の地と言えるでしょう。

ちなみにご家庭の衛生放送や衛星通信などで知られているCS放送やCS-2といった放送技術では、
通信用として準ミリ波帯(20/. 30GHz帯)及びマイクロ波帯(4/6GHz帯)と呼ばれる技術が使用されています。

繰り返しますが、「マイクロ波」とは周波数3GHz ~ 30GHzまでの範囲の電波の事を言います。

マイクロ波センサーの原理

マイクロ波センサの原理と言えば、
マイクロ波センサのワイヤーデバイスやマイクロウェーブ式フローセンサ、
ドップラー効果を利用したマイクロウェーブ式フローセンサなどを例に出すと判りやすいでしょう。

マイクロ波ドップラーセンサを用いた認証システム

例えば、最近では情報技術の大いなる進化により、人や動物などの心拍・呼吸・体動などの生体情報を、
それらの身体に触ること無く、非接触でも情報を感知できるマイクロ波センサモジュールという製品を開発されています。

この原理はどういうものかと言いますと、
このマイクロ波センサモジュールから人や動物に対してマイクロ波を照射、照射された身体からの
心臓や肺などの僅かな動きによって振動する、体の表面から反射されるマイクロ波の変化のよって、
心拍や呼吸数などの生体情報を検知するという非常に画期的なものです。

また、マイクロ波ドップラーセンサというものは、
こういった技術によって人の持つ「手振」などの身体的ジェスチャーによって
家電製品の電源のオンオフを制御するという、非常に画期的な制御方法です。

この技術革新により、介護施設などの見守り分野でのさらなるサービスの向上にも繋がりますし、
マイクロ波の特性を利用することで、離れた場所からもジェスチャー検出により、
完全ハンズフリーで様々な操作が期待出来るほか、
浴室、トイレなどでの生体情報の把握も可能となるので医療の分野でも期待される認証システムといえるでしょう。

ドップラーセンサー(マイクロ波センサー)技術のおさらい

もしかすると開発各社によって差異が有るかもしれませんが、
ドップラーセンサーでは機材から発射されたマイクロ波の反射波をセンサで受信し、
それら発射された周波数と受信された周波数の差異を持って動体を検出するという、所謂「ドップラー効果」を利用したセンサーの事を言います。

ドップラー効果 – Wikipedia

ドップラー効果(ドップラーこうか、英: Doppler effect)またはドップラーシフト(英: Doppler shift)とは、波(音波や電磁波など)の発生源(音源・光源など)と観測者との相対的な速度の存在によって、波の周波数が異なって観測される現象をいう。

発生源が近付く場合には、波の振動が詰められて周波数が高くなり、逆に遠ざかる場合は振動が伸ばされて低くなる。例えば、救急車などが通り過ぎる際、近付くときにはサイレンの音が高く聞こえ、遠ざかる時には低く聞こえるのは、この現象によるものである。

音についてのこの現象は、古くから知られていたが、オーストリアの物理学者、クリスチャン・ドップラーが速度と周波数の間の数学的な関係式を1842年に見出し、オランダ人の化学者・気象学者であるクリストフ・ボイス・バロットが、1845年にオランダのユトレヒトで列車に乗ったトランペット奏者がGの音を吹き続け、それを絶対音感を持った音楽家が聞いて音程が変化することから証明を試みた。

ドップラー効果を応用した装置

・ロータリースピーカー
・ドップラー・レーダー
・近接信管
・レーザドップラー流速計
・スピード測定器
・医療用超音波検査装置
・ドップラー・ライダー

 

ドップラー効果とマイクロ波センサーモジュール

先程も言及しましたが、人体などにセンサーを付けること無く離れた場所からでも、
心拍数などの生体データを遠隔から測ることができるのが、マイクロ波センサーモジュールであり、
こちらは数年前に大手企業によって開発が完了し、2015年7月以降、すでに実用化されています。

また、マイクロ波のドップラー効果を利用したものには、反射式の移動物体検出器というものもあり、
こちらの場合は被検出物の動きに応じて変化する反射波の周波数を検出することで、
信号を出力することで物体の動きを検出するといった仕組みです。

尚、「ドップラー効果」とは、今から約200年前の1842年に、オーストリアの物理数学学者、クリスチャン・ヨハン・ドップラーによって定義され、記録されたものです。