JP2009278319A - 静電容量型近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 後側領域は無出力の領域にする。前側領域は検出距離を短くしない。
【解決手段】 電極は、一対の前側電極１と後側電極２にした。電気回路は、両電極によるコンデンサ３、コイル４、抵抗器５と発信源６を直列接続し、接地体が前側領域で前側電極に接近すると、また、後側領域で後側電極に接近すると、静電容量が変化して抵抗器を流れる電流が変化する構成にした。抵抗器両端の電圧を測定する手段１１を設け、発信源の発信交流の周波数ｆは、測定手段における測定値の変化が前側領域での接近と後側領域での接近とで増加と減少の逆方向になる範囲に設定した。測定値の変化量を算出する手段１２、この変化量で前側領域での接近であるか否かを判別する手段１３と、前側領域での接近であるとの判別で出力する手段１４を設け、接地体が前側領域で接近したときに出力し、後側領域で接近したときには出力しない構成にした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、静電容量の変化に基づいて人体などの接近を検出する近接センサに関する。

この種の近接センサは、一対の電極を並列して対面し、電極を発振源に接続している。両電極は、コンデンサを構成している。人体などの接地体が電極に接近すると、両電極間の静電容量が変化する。また、接地体の接近により、電極と大地の間にコンデンサが接続されたことになる。電極と大地の間の静電容量は、接地体の接近で変化する。静電容量の変化に基づいて電気回路が接地体の接近を検出する。

特開２００６−７８４２２号公報

［課 題］
静電容量型の近接センサは、誤作動を減らすため、検出対象物の接近を検出することができる領域、検出領域を電極の片側、前側のみに限定したいことがある。電極の後側の領域では、検出対象物が接近しても検出しない、出力しないことが望まれる。また、電極の前側の検出領域では、電極から遠い位置の検出対象物を検出することができる、即ち、検出距離が長いことが望まれる。

一対の電極のうち後側の電極は、接地して遮蔽電極にすると、後側の電極の後側の領域では、検出距離が短くなる。しかし、その短い検出距離内に検出対象物が接近すると、検出して出力することになる。後側の領域は、無感の無出力の領域ではない。また、後側の電極を遮蔽電極にすると、前側の電極の前側の検出領域では、検出距離が短くなる。
結局、片側の領域は無出力の領域にして、反対側の検出領域は検出距離が短くならないことが望まれる。

［課題を解決するための実験（図１〜図３参照）］
静電容量型近接センサは、電極に一対の電極を用い、電気回路に直列共振回路を用いた場合について実験した。
電極は、図１に示すように、一対の平板状の金属板１、２にし、前側電極１と後側電極２を並列して対面している。両電極１、２は、コンデンサ３を構成している。遮蔽電極は、用いていない。

電気回路は、図２に示すように、コイル４、コンデンサ３、抵抗器５と発信源６をこの順に直列に接続している。コンデンサ３は、前側電極１をコイル４に、後側電極２を抵抗器５に接続している。発信源６と抵抗器５の間は、接地している。コイル４は、自己インダクタンスＬと巻き線間静電容量Ｃを有する。コンデンサ３は、静電容量Ｃdを有する。抵抗器５は、抵抗Ｒを有する。発信源６は、発信交流の周波数fを変更可能にしている。コイル４の自己インダクタンスＬとコンデンサ３の静電容量Ｃdで直列共振回路を構成している。抵抗器５の両端の電圧Ｅを測定する。

なお、コイル４の自己インダクタンスＬと巻き線間静電容量Ｃで並列共振回路を構成している。並列共振周波数は、直列共振回路の直列共振周波数より高い。

コンデンサ３の電極１、２に接地体の人体が接近すると、直列共振回路は、静電容量が変化し、インピーダンスの増減で、抵抗器５を通過する電流、抵抗器５の両端の電圧Ｅが変化する。

本発明者は、人体の接近による電圧Ｅの変化の仕方を調べ、新たな知見を得た。電圧Ｅの変化の仕方は、人体の接近が前側電極１の前側の領域で行われるときと、後側電極２の後側の領域で行われるときとでは異なる。また、発信源６の発信交流の周波数fによって異なる。

実験方法は、次の通りである。発信源６の発信交流の周波数fは、各値に設定する。周波数fの各値の設定時に、それぞれ、電極１、２に検出対象物の人体の手が接近していないときの電圧Ｅと、前側領域の前側電極１近接位置に検出対象物の人体の手があるときの電圧Ｅ＋ΔＥを測定する。そして、前側領域での検出電圧の変化率ΔＥ／Ｅを算出する。また、後側領域の後側電極２近接位置に検出対象物の人体の手があるときの電圧Ｅ＋ΔＥを測定する。そして、後側領域での電圧の変化率ΔＥ／Ｅを算出する。変化量ΔＥがプラスであれば、検出対象物の接近で検出電圧が増加することを意味する。変化量ΔＥがマイナスであれば、検出対象物の接近で検出電圧が減少することを意味する。

実験結果は、図３の線図に示す。この線図は、縦軸を電圧の変化率ΔＥ／Ｅ、横軸を周波数fにし、電圧の変化率と周波数の関係を示している。破線は前側領域での関係、鎖線は後側領域での関係を表している。図３の線図は、直列共振周波数より低い周波数域に、異方範囲と記載した周波数範囲を示している。この異方範囲では、電圧の変化率ΔＥ／Ｅは、前側領域でプラス、増加率になり、後側領域ではマイナス、減少率になる。即ち、検出対象物の接近による電圧Ｅの変化は、前側領域と後側領域で、増加と減少の逆方向になる。電圧Ｅの変化の方向が逆になる。

［実験結果に基づく着想（図４参照）］
発信源６の発信交流の周波数fが上記の異方範囲内であれば、電圧Ｅの変化の方向で、検出対象物の前側領域での接近と後側領域での接近とが識別可能になる。

静電容量型近接センサは、発信源６の発信交流の周波数fを異方範囲の周波数に設定する。そして、測定中の電圧Ｅが、減少したときには出力せず、増加したときに出力する構成にする。すると、後側領域で検出対象物が接近しても出力せず、後側領域は無出力の領域になる。前側領域で検出対象物が接近したときのみに出力することになる。また、このような構成にしても、後側電極を遮蔽電極にした場合のように、前側電極の前側領域で検出距離が短くなるわけではない。

静電容量型近接センサの着想例は、発信源６の発信交流の周波数fを異方範囲の周波数に設定する。その上、図４に示すように、電圧Ｅを測定する手段１１、電圧Ｅの変化量ΔＥを算出する手段１２、変化量ΔＥ＞０であるか否かを判別する手段１３と、変化量ΔＥ＞０であると判別されたときに出力する手段１４を設ける。実用的な例では、予め設定した正の値δを閾値とし、変化量ΔＥ＞閾値δであるか否かを判別する手段１３と、変化量ΔＥ＞閾値δであると判別されたときに出力する手段１４を設ける。

上記の異方範囲では、電圧Ｅの変化が前側領域で増加になり、後側領域で減少になる。これとは逆に、電圧Ｅの変化が前側領域で減少になり、後側領域で増加になる異方範囲であれば、電圧Ｅの変化量ΔＥ＜０であるか否かを判別する手段１３と、変化量ΔＥ＜０であると判別されたときに出力する手段１４を設ける。実用的には、変化量ΔＥ＜−δであるか否かを判別する手段１３と、変化量ΔＥ＜−δであると判別されたときに出力する手段１４を設ける。後側領域で検出対象物が接近しても出力しない。前側領域で検出対象物が接近したときのみに出力する。

［実験結果の考察（図５と図６参照）］
上記の直列共振回路で、コンデンサ３の電極１、２に接地体の人体が接近すると、コンデンサ３の静電容量Ｃdが減少する。一方、図５に示すように、前側電極１と大地の間に静電容量Ｃmのコンデンサが接続され、後側電極２と大地の間に静電容量Ｃuのコンデンサが接続されたのと等価になる、ものと推察される。静電容量Ｃmのコンデンサは、直列接続のコンデンサ３と抵抗器５に並列に接続する。静電容量Ｃuのコンデンサは、コンデンサ３に直列に接続し、抵抗器５に並列に接続する。直列共振回路は、静電容量が変化し、インピーダンスが変化する。そして、電流が変化する。

実験によると、人体の接近で、直列共振周波数が低くなる。このことは、直列共振回路の静電容量が増加することを意味する。

前側電極１の前側領域で接地体が前側電極１に接近すると、静電容量Ｃmの影響が大きく、後側電極２の後側領域で接地体が後側電極２に接近すると、静電容量Ｃuの影響が大きくなる、ものと推察される。

電圧Ｅのゲインと発信源６の発信交流の周波数fの関係、直列共振の特性曲線は、図６の線図に示すようになる、ものと推察される。この線図中、実線は、電極１、２に人体の手が接近していないときの初期の特性曲線を示す。破線は、前側領域の前側電極１近接位置に人体の手があるときの特性曲線、前側領域での特性曲線を表す。鎖線は、後側領域の後側電極２近接位置に人体の手があるときの特性曲線、後側領域での特性曲線を示す。

図６の線図は、直列共振周波数より低い周波数域に、異方範囲と記載した周波数範囲を示している。この異方範囲では、破線で示した前側領域での特性曲線が実線で示した初期の特性曲線の上側に位置し、前側領域での接近で電圧Ｅのゲインが増加する。また、鎖線で示した後側領域での特性曲線が実線で示した初期の特性曲線の下側に位置し、後側領域での接近で電圧Ｅのゲインが減少する。

［他の直列共振回路（図７参照）］
直列共振回路は、図２、図４又は図５に示した例に限定されるのではない。他の例は、図７に示すように、コイル４とコンデンサ３の位置を入れ替えている。コンデンサ３は、前側電極１をコイル４に、後側電極２を発信源６に接続している。

１）コンデンサを構成する電極に接地体の検出対象物が接近すると、静電容量が変化して電気回路が検出対象物の接近を検出する静電容量型近接センサにおいて、
電極は、一対の前側電極と後側電極にし、
電気回路は、前側電極と後側電極によるコンデンサ、コイル、抵抗器と発信源を直列に接続し、直列共振回路を構成し、検出対象物が前側電極の前側領域で前側電極に接近すると、また、後側電極の後側領域で後側電極に接近すると、抵抗器を流れる電流が変化する構成にし、
抵抗器を流れる電流又は抵抗器両端の電圧を測定する手段を設け、
発信源の発信交流の周波数は、測定手段における測定値の変化が前側領域での接近と後側領域での接近とで増加と減少の逆方向になる範囲に設定し、
測定手段における測定値の変化量を算出する手段、算出手段が求めた変化量で前側領域での接近であるか否かを判別する手段と、判別手段が前側領域での接近であると判別したときに出力する手段を設け、前側領域で検出対象物が接近したときに出力し、後側領域で検出対象物が接近したときには出力しない構成にしたことを特徴とする静電容量型近接センサ。
２）上記の静電容量型近接センサにおいて、
発信源の発信交流の周波数は、測定手段における測定値の変化が前側領域での接近で増加であって、後側領域での接近で減少である範囲に設定し、
算出手段が求めた変化量が予め設定した正の閾値より大きいか否かを判別する手段と、判別手段が閾値より大きいと判別したときに出力する手段を設けたことを特徴とする。
３）上記の静電容量型近接センサにおいて、
一対の電極とコイル及び電極とコイルを接続した電線は、ケースに内蔵し、相対位置を固定したことを特徴とする。

後側電極の後側領域は、無出力の領域になる。前側電極の前側領域は、検出距離が短くならない。

実施形態の静電容量型近接センサは、電極に一対の電極１、２を用い、電気回路に直列共振回路を用いている。
電極は、一対の長方形平板状の金属板１、２にし、前側電極１と後側電極２を並列して対面している。両電極１、２は、コンデンサ３を構成している。

電気回路は、図８に示すように、コイル４、コンデンサ３、抵抗器５と発信源６をこの順に直列に接続している。コンデンサ３は、前側電極１をコイル４に、後側電極２を抵抗器５に接続している。発信源６と抵抗器５の間は、接地している。コイル４は、自己インダクタンスＬと巻き線間静電容量Ｃを有する。両電極１、２によるコンデンサ３は、静電容量Ｃdを有する。抵抗器５は、抵抗Ｒを有する。発信源６は、発信交流の周波数fを変更可能にしている。コイル４の自己インダクタンスＬとコンデンサ３の静電容量Ｃdで直列共振回路を構成している。

なお、コイル４の自己インダクタンスＬと巻き線間静電容量Ｃで並列共振回路を構成している。並列共振周波数は、直列共振回路の直列共振周波数より高い。

前側電極１の前側領域で前側電極１に検出対象物の接地体の人体が接近すると、直列共振回路は、静電容量が変化し、インピーダンスの増減で、抵抗器５を通過する電流、抵抗器５の両端の電圧Ｅが変化する。また、同様に、後側電極２の後側領域で後側電極２に人体が接近すると、直列共振回路は、静電容量が変化し、抵抗器５の両端の電圧Ｅが変化する。

抵抗器５の両端の電圧Ｅを測定する電圧計、機器又は回路の測定手段１１を設けている。発信源６の発信交流の周波数fは、測定手段１１が測定する電圧Ｅが前側領域での人体の接近で増加して、後側領域での人体の接近で減少する範囲に設定している。この範囲は、図３に異方範囲として示した周波数範囲である。

測定手段１１が測定する電圧Ｅの変化量ΔＥを算出する回路の算出手段１２を設けている。算出手段１２は、前側領域と後側領域での人体の接近がない初期に測定手段１１が測定した電圧Ｅを記憶しておき、記憶中の電圧Ｅと測定手段１１が測定中の電圧Ｅの差、変化量ΔＥを算出する。変化量ΔＥ＝記憶中の初期電圧Ｅ−測定中の現在電圧Ｅである。

算出手段１２が算出した変化量ΔＥ＞閾値δであるか否かを判別する回路の判別手段１３を設けている。閾値δは、予め設定した正の値である。判別手段１３が変化量ΔＥ＞閾値δであると判別したときに出力する機器又は回路の出力手段１４を設けている。

前側電極１と後側電極２及びコイル４は、図９〜図１１に示すように、感知部２１のケースに内蔵している。感知部２１では、前側電極１と後側電極２は、直方体の絶縁体２２を挟んでいる。両電極１、２と絶縁体２２は、積層している。コイル４は、電極１、２と絶縁体２２の積層体の端に近接して配置している。コイル４の一端は、前側電極１の端に電線２３で接続している。コイル４に近接してケーブル２４の端を配置している。ケーブル２４は、２本の電線２５、２６を内蔵している。２本の電線２５、２６は、端をケーブル２４の端から突出している。１本の電線２５は、突出端をコイル４の他端に接続している。他の電線２６は、突出端を後側電極２の端に接続している。

両電極１、２と絶縁体２２の積層体、コイル４、電線２３、両電線２５、２６の突出端とケーブル２４の端は、合成樹脂液に没入し、合成樹脂液を硬化してケース３１に成形している。感知部２１のケース３１は、合成樹脂成形品の絶縁体にし、細長い直方体状にしている。ケース３１は、各内蔵部品を埋没して固定している。ケース３１の端面からケーブル２４を突出している。

両電極１、２とコイル４及び電線２３は、ケース３１に埋没し、相対位置が固定されている。それら付近の漂遊容量や漂遊インダクタンスが変化し難い。漂遊容量などの変化による直列共振特性のずれが生じ難い。

ケース３１の前側電極１側の面、前面３２と前側電極１の間は、薄くしている。ケース３１の前面３２の前側領域は、検出領域にし、出力領域にしている。ケース３１の後側電極２側の面、後面３３と後側電極２の間は、厚くしている。ケース３１の後面３３の後側領域は、非出力領域にしている。人体の接近を検出して出力する出力領域Ｓは、図１１に鎖線で示すようになる。後側領域で後側電極２に人体が接近しても、出力手段１４は、出力しない。

ケース３１は、上面と下面にそれぞれ取付部３４を突出して設けている。取付部３４は、取付孔を前後方向に貫通している。

本発明は、移動体と人体の接近や衝突の防止、危険個所への人体の接近の防止、立入禁止区域への人体の侵入の防止や、人体の所在確認などに利用される。

本発明における実験の静電容量型近接センサの電極の斜視図。 同実験の静電容量型近接センサの電気回路図。 同実験における電圧の変化率と周波数の関係を示す線図。 同実験結果に基づく着想例の静電容量型近接センサの模式図。 同実験結果の考察用の電気回路図。 同実験結果の考察用の共振特性曲線を示す線図。 同実験の静電容量型近接センサの他の電気回路図。 本発明の実施形態における静電容量型近接センサの模式図。 同静電容量型近接センサの感知部の正面図。 図９のＡ−Ａ線断面図。 図９のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１、２ 一対の電極、金属板
１ 前側電極
２ 後側電極
３ 両電極によるコンデンサ
４ コイル
５ 抵抗器
６ 発信源
１１ 電圧を測定する手段、測定手段
１２ 電圧の変化量を算出する手段、算出手段
１３ 変化量を判別する手段、判別手段
１４ 判別結果により出力する手段、出力手段
Ｌ コイルの自己インダクタンス
Ｃ コイルの巻き線間静電容量
Ｃd 両電極によるコンデンサの静電容量
Ｒ 抵抗器の抵抗
Ｅ 抵抗器の両端の電圧
ΔＥ 電圧の変化量
f 発信源の発信交流の周波数
δ 予め設定した正の値、閾値
Ｃm 前側電極と大地の間の静電容量
Ｃu 後側電極と大地の間の静電容量
２１ 感知部
２２ 絶縁体
２３ 電線
２４ ケーブル
２５、２６ ケーブルの電線
３１ ケース、合成樹脂成形品、絶縁体
３２ ケースの前面
３３ ケースの後面
３４ ケースの取付部
Ｓ 出力領域

Claims (3)

1. コンデンサを構成する電極に接地体の検出対象物が接近すると、静電容量が変化して電気回路が検出対象物の接近を検出する静電容量型近接センサにおいて、
   電極は、一対の前側電極と後側電極にし、
   電気回路は、前側電極と後側電極によるコンデンサ、コイル、抵抗器と発信源を直列に接続し、直列共振回路を構成し、検出対象物が前側電極の前側領域で前側電極に接近すると、また、後側電極の後側領域で後側電極に接近すると、抵抗器を流れる電流が変化する構成にし、
   抵抗器を流れる電流又は抵抗器両端の電圧を測定する手段を設け、
   発信源の発信交流の周波数は、測定手段における測定値の変化が前側領域での接近と後側領域での接近とで増加と減少の逆方向になる範囲に設定し、
   測定手段における測定値の変化量を算出する手段、算出手段が求めた変化量で前側領域での接近であるか否かを判別する手段と、判別手段が前側領域での接近であると判別したときに出力する手段を設け、前側領域で検出対象物が接近したときに出力し、後側領域で検出対象物が接近したときには出力しない構成にしたことを特徴とする静電容量型近接センサ。
2. 発信源の発信交流の周波数は、測定手段における測定値の変化が前側領域での接近で増加であって、後側領域での接近で減少である範囲に設定し、
   算出手段が求めた変化量が予め設定した正の閾値より大きいか否かを判別する手段と、判別手段が閾値より大きいと判別したときに出力する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型近接センサ。
3. 一対の電極とコイル及び電極とコイルを接続した電線は、ケースに内蔵し、相対位置を固定したことを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型近接センサ。

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