JP2004184288A

JP2004184288A - 物体検出装置

Info

Publication number: JP2004184288A
Application number: JP2002353007A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Sasamura; 義孝笹村
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】外来ノイズや人の着座姿勢によって影響を受けることがなく、物体の有無を検出可能な物体検出装置を提供する。
【解決手段】任意の間隔で対向する２枚の電極板１２ａ，１２ｂの間に直流電圧を印加した状態で、この電極板間に人などの物体が存在する状態と、この電極板間に人などの物体が存在しない状態とでは、電極板間の誘電率が変化することにより２枚の電極板間を流れる直流電流値が異なる値となる。物体検出装置１は、検出回路１１で、この直流電流値を検出することができるので、物体の有無を容易に検出することが可能となる。また、直流電流の変化量は微小であるが、交流電流に比べて外来ノイズの影響を受けにくいので、精度良く人などの物体（誘電体）の有無を検出することができる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体など物体（誘電体）の有無を検出する物体検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図書館では、利用者が他の利用者を気にせず読書できるように、パーテーションなどで仕切られたブースや個室などを用意している場合がある。また、インターネットカフェでは、利用者が他の利用者を気にせずコンピュータを使用できるように、パーテーションで仕切られたブースや個室にコンピュータを設置している場合がある。
【０００３】
従来、このようなブースや個室の使用状況、つまり人の有無を検出するための装置として、所定の間隙で互いに対向配置された２枚の電極板間に交流電圧を印加して、交流電流の変化を検出する物体検出装置があった。また、座席に２つの電極を設けて、座席に着座した人体の影響によって変化する静電容量を電気信号に変換して検出する着座センサがあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２４９７７３号公報（第３−４頁、第１−１６図）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の物体検出装置が検出する交流電流は、周波数帯域が広く外来ノイズが重畳しやすいため、フィルタ回路を設けても完全にノイズを除去することができず、物体検出装置で人体の有無をうまく検出できないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載の着座センサは、２つの電極板間の静電容量を検出するため、２つの電極のギャップが小さいほど人体の影響を受けやすく検出精度が向上することになる。しかしながら、このように、２つの電極のキャップを小さくすると、人の着座姿勢によって著しく影響を受けるため、人が着座したことをうまく検出しできない場合あるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、外来ノイズや人の着座姿勢によって影響を受けることがなく、物体の有無を検出可能な物体検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。
【０００９】
（１）任意の間隔で２枚の電極板を対向させた電極対と、この電極対に直流電圧を印加する電源と、前記電極対に流れる直流電流値により前記２枚の電極板間における物体の有無を検出する検出手段と、を備えたこと特徴とする。
【００１０】
誘電体に直流電界Ｅを印加すると、通常、低電界ではオームの法則（Ｊ∝Ｅ）に従う電流密度Ｊの微小電流が流れる。任意の間隔で対向する２枚の電極板間に直流電圧を印加した状態で、この電極板間に人などの物体が存在する状態と、この電極板間から人などの物体が存在しない状態とでは、電極板間の誘電率が変化することにより２枚の電極板間を流れる直流電流値が変化する。物体検出装置は、検出手段で、この直流電流値を検出することができるので、物体の有無を容易に検出することが可能となる。また、直流電流値は微小であるが、交流電流に比べて外来ノイズの影響を受けにくいので、精度良く人などの物体（誘電体）の有無を検出することができる。
【００１１】
（２）前記電極対を２組または３組備え、前記各電極対を直交配置したことを特徴とする。
【００１２】
電極対を２組または３組設けることにより、電極板間における人などの物体の有無を、より確実に検出することができる。また、各電極対を直交配置することで、各電極対の間の電界が他の電極対の電界へ及ぼす影響をなくすことができ、最も効率良く人などの物体の有無を検出できる。
【００１３】
（３）前記電極対を構成する２枚の電極板の少なくとも一方が、透明導電性フィルムであることを特徴とする。
【００１４】
この構成においては、電極対の少なくとも一方の電極板を透明導電性フィルムにすることで、例えばコンピュータのモニタ表面に電極板を取り付けた場合でも、利用者は、電極板が取り付けられたことを気にせずにモニタを使用することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の物体検出装置の原理を説明するための回路図である。図１に示したように、面積Ｓの電極板２ａ，２ｂを距離ｄだけ離して平行に配置し、電極板２ａ，２ｂ間に直流電圧Ｖを印加すると、電極板２ａ，２ｂ上にはそれぞれ＋σ_０、−σ_０の面電荷が発生する。また、誘電体に直流電界Ｅを印加すると、通常、低電界ではオームの法則（Ｊ∝Ｅ）に従う電流密度Ｊの微小電流が流れる。
【００１６】
電極板２ａ，２ｂ間に印加される電圧Ｖは、真空中の表面電荷密度をσ_０、及び誘電率をε_０とした場合、以下の式で表すことができる。
【００１７】
Ｖ＝σ_０ｄ／ε_０
また、電極板２ａ，２ｂ間に直流電圧Ｖを印加した状態で、誘電率εの誘電体を挿入した状態を式で表すと、以下のようになる。
【００１８】
Ｖ＝｛σ_０（ｄ−ｔ）／ε_０｝＋（σｔ／ε）
σ＝σ_０［εｄ／｛ε（ｄ−ｔ）＋ε_０ｔ｝］
なお、誘電体が電極板間に存在しない場合は、ｔ＝０となり、σ＝σ_０である。また、電極間に印加する電圧Ｖを一定にすると下記次式が成り立つ。
【００１９】
σ＝Ｖ／｛｛（ｄ−ｔ）／ε_０｝＋ｔ／εｔ｝
電荷密度は単位時間あたりの電荷密度であるので、誘電体が挿入されない時の電流密度をＪ_０とすると、以下のようになる。
【００２０】

ここで、分母の大小関係を見ると次式が成り立つ。
【００２１】
ε_ｒ≧ε_ｒ（ｄ−ｔ）＋ｔ
すなわち、誘電体の挿入により、電流密度が増加することになる。
【００２２】
誘電体として人を想定する場合、人の主成分は水であるため、水の比誘電率を使用して、電流密度Ｊを求める。
【００２３】
水の比誘電率ε_ｒ＝ε／ε_０＝８０
電極の間隔ｄ＝１．０ｍ
誘電体（人）の厚みｔ＝０．３ｍ
とすると、
Ｊ＝Ｊ_０×１．４２
となる。したがって、２枚の電極板間に誘電体である人が入った場合、電極板間の電流密度は、誘電体を挿入しない時よりも４２％増加する。
【００２４】
このように、本発明の物体検出装置１では、電極板間に人がいる場合と電極板間に人がいない場合とで、電流密度が約４２％変化するので、この電流密度の変化を検出して、電極板間における人や他の物体の有無を検出する。つまり、本発明では、人など誘電体の有無により電極板間の直流電流値が変動するので、これを検出して電極板間における人の有無を検出する。
【００２５】
ここで、誘電体によっては、その大きさに応じて空気中に含まれる水分、つまり湿度の影響を考慮する必要がある。図２は、飽和水蒸気量の変化を示したグラフである。例えば、図２に示したように、気温２５℃湿度１００％の場合で、空気中の水分量は１ｍ^３あたり２２．８グラムである。また、気温４０℃湿度１００％の場合でも、空気中の水分量は１ｍ^３あたり５１．２グラムである。そのため、誘電体のサイズが小さい場合、この湿度の影響を考慮する必要がある。しかしながら、誘電体として人を検出する場合、空気中の水分量は人の体重に比べてわずかな量であるため、湿度の影響は無視できる。したがって、本発明の物体検出装置で、人の有無を検出する場合は、湿度の影響を考慮しなくても良い。
【００２６】
次に、本発明の実施形態に係る物体検出装置の具体的な構成について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る物体検出装置の概略の構成図である。図３には、一例として、コンピュータ２３を設置したブースを利用する人２１の有無を検出するために物体検出装置１を設置した構成を示している。
【００２７】
物体検出装置１は、任意の間隔で対向配置した２枚の電極板１２ａ，１２ｂから成る電極対１２を検出回路１１に接続した構成である。検出回路１１は、直流電源１３、電流制限抵抗１４、信号検出用抵抗１５、及び信号変化検出部１６を備えている。電極対１２、直流電源１３、電流制限抵抗１４、及び信号検出用抵抗１５は、各々が直列に接続されて直列回路１７を構成する。
【００２８】
電極対１２は、電極板１２ａ及び電極板１２ｂの間において、人などの誘電体である物体２１（以下、人２１と称する。）の有無を検出するためのものである。ここで、電極板１２ａを、コンピュータ２３を構成するモニタ２４の表示部に取り付けるようにし、電極板１２ｂを電極板１２ａに対向する位置の壁や窓などに取り付けると良い。つまり、利用者の前後に電極板１２ａ，１２ｂを設置すると良い。コンピュータ２３の利用者は、通常モニタ２４の表示内容を見ながらコンピュータ２３を使用するので、このモニタ２４に電極対１２を設けることで、確実に人の有無を検出することができる。
【００２９】
また、モニタ２４に取り付ける電極板１２ａは、透明導電性フィルムを使用すると良い。これにより、コンピュータ２３の利用者は、モニタ２４に電極板１２ａが取り付けられていることを気にすることなく、コンピュータ２３を使用できる。
【００３０】
電極板１２ａ，１２ｂのサイズは、例えば、図３に示したように、１５インチのモニタの表示部全体を覆う程度の大きさにすると良い。もちろん、電極板１２ａ，１２ｂは、さらに大きなサイズであっても良い。
【００３１】
また、電極対１２の電極板１２ａ，１２ｂを取り付ける位置は、利用者の前後に限るものではなく、例えば、利用者の左右や上下など、２枚の電極板間に利用者がいることを検出できる構成であれば良い。さらに、２枚の電極板を設置する距離は、任意の距離に設定しても、利用者の有無を検出するための直流電流に大きな変化は生じないので、利用者の有無を問題なく検出できる。
【００３２】
直流電源１３は、直列回路１７に直流電圧を印加する。ここで、直流電源１３から直列回路１７に印加する直流電圧は、例えば、１００Ｖ〜１０００Ｖが好適である。
【００３３】
電流制限抵抗１４は、直流回路１７に流れる直流電流を制限して、電極板１２ａや電極板１２ｂに人２１が触れても感電しないようにするための抵抗である。信号検出用抵抗１５は、電極対１２を構成する２枚の電極板間の誘電率が変化した際に、直流回路１７に流れる直流電流を直流電圧に変換するための抵抗である。電圧変化検出部１６は、信号検出用抵抗１５の両端間の電圧値を測定して、電圧値に応じた信号を出力する。
【００３４】
一般的に、清浄な空気中の電流密度は、１メートルの間隔をおいて平行に設置した２枚の電極板間に１００Ｖの電圧を印加した場合で、１０^−１４Ａ／ｍ^２程度となる。したがって、電極板間の抵抗値はおよそ１０^１６Ωである。このように、電極板間の抵抗値は大きな値になるため、電流制限抵抗１４を、電極板間の抵抗値の１／１０程度の値に設定したしても、真の電流値の１割程度の減少で済み、ほとんど問題とはならない。したがって、電極対１２の電極板間に１００Ｖを印加する場合には、電流制限抵抗１４を１０^１５Ωにすると良い。
【００３５】
また、直列回路１７に流れる電流値を検出するための信号検出用抵抗１５は、電流制限抵抗１４の１／１０程度の抵抗値、つまり１０^１４Ωに設定すると良い。これにより、信号検出用抵抗１５の両端に発生する電圧が１Ｖ程度となり、外来ノイズの影響を受けずに通常の測定回路で測定できる電圧レベルとなる。
【００３６】
さらに、一般的には、直列回路１７に流れる電流を増加させることにより、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）を向上させることができる。そのため、本実施例では、両電極板間に印加する電圧を可変できる構成にしても良い。すなわち、電流制限抵抗１４として、異なる値の抵抗１４ａ及び１４ｂを並列に接続した構成として、スイッチ１８で接続する抵抗を選択できる構成にすると良い。また、信号検出用抵抗１５として異なる値の抵抗１５ａ及び１５ｂを並列に接続した構成として、スイッチ１９で接続する抵抗を選択できる構成にしても良い。
【００３７】
次に、図４は、直列回路に流れる電流の変化を検出する信号変化検出部の一例の構成を示した回路図である。信号変化検出部１６は、入力端子３１、入力端子３２、ＴＴＦ（Ｔｗｉｎ−ＴＦｉｌｔｅｒ）３３、ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）３４、差動増幅器３５、コンパレータ（比較増幅器）３７、参照用電圧源３８、スイッチ３９、ディジタルインプット回路（以下、ＤＩ回路と称する。）４０、表示装置４１、抵抗４２、及びＣＰＵ４３を備えている。
【００３８】
電圧検出回路１６の端子３１及び３２は、図３に示した電流検出用抵抗素子１５の両端に接続する。また、電流検出用抵抗素子１５の両端に発生した電圧を取り出すために、高入力抵抗の差動増幅器３５の入力端子を端子３１、端子３２に接続している。また、外来ノイズを抑制するために、本実施例では、端子３１と差動増幅器３５の一方の入力端子との間に、フィルタ回路としてＴＴＦ３３及びＬＰＦ３４を設けて、外来ノイズなどの不要な信号レベルを、例えば−６０ｄＢ以下に抑制している。なお、このフィルタ回路は、通常、直流成分を通すが交流成分を遮断するようなフィルタ（例えばローパスフィルタ）が適している。また、室内などでコンピュータシステムを稼働させている場合には、このシステムの供給用電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）及び高次の周波数成分の信号レベルが大きく、この信号が物体検出装置１の動作に影響を与える。そのため、本実施例では、フィルタ回路としてＴＴＦ３３及びＬＰＦ３４を設けた例を示している。
【００３９】
なお、不要な信号の抑制レベルは、物体検出装置１を使用する環境における外来ノイズの信号レベルに応じて変更すると良い。
【００４０】
電極板１２ａ，１２ｂの間を人が移動する場合には、人（誘電体）の出入りにより電流の過渡現象が生じる。しかし、人間の電極板間への移動時間がせいぜい２秒程度と考えられるので、瞬間的なピーク電流値は定常的な直流値と比べて半分である。このような時間的に急激な変化を示す信号に対しては、ローパスフィルタのカットオフ周波数を非常に低く設定することで、このような時間的に急激な変化を示す信号成分を軽減させることができる。例えば、カットオフ周波数を０．１サイクルに設定し、オクターブ２４ｄＢのフィルタを使用すると、過渡電流成分を１万分の１以下に減衰させることができる。本発明では、このようなフィルタ回路により、非常に安定な動作が確保できる。
【００４１】
差動増幅器３５から出力された信号は、コンパレータ３７で、参照用電圧源３８から出力される電圧と比較される。そして、コンパレータ３７からその比較結果に応じて出力された信号は、スイッチ３９を切り替えることで、ディジタルインプット回路（以下、ＤＩ回路と称する。）４０、及びＣＰＵ４３の少なくとも一方に出力される。すなわち、スイッチ３９を端子ａに接続することで、コンパレータ３７の出力信号をＣＰＵ４３へ出力できる。また、スイッチ３９を端子ｂに接続することで、コンパレータ３７の出力信号をＤＩ回路４０へ出力できる。さらに、スイッチ３９を端子ｃに接続することで、コンパレータ３７の出力信号をＣＰＵ４３及びＤＩ回路４０へ出力できる。
【００４２】
ＤＩ回路４０の出力信号は、表示装置４１に出力される。表示装置４１は、コンパレータ３７からハイレベルの信号が出力されている時（人がいない時）には、人がいない旨の表示を行うように設定している。また、人が着席した際にコンパレータ３７からローレベルの信号が出力されている時（人が存在する時）には、人が居る旨の表示を行うように設定している。
【００４３】
このように構成することで、本発明の物体検出装置１では、電極対１２を設置したブースの使用状況を容易に把握することができる。なお、ブースが複数ある場合は、受付などに設置した表示装置に各ブースに設置した物体検出装置の出力信号が入力されるように構成すると、全ブースの利用状況を一度に把握することができる。
【００４４】
スイッチ３９の端子ａ及び端子ｃは、パソコン２３のＣＰＵ４３の割り込み端子ＩＲＱに接続しておく。スイッチ３９を端子ａ、端子ｃに接続されるように切り替えた場合、人が席を外した際に、コンパレータ３７からハイレベル信号が出力されると、ＣＰＵ４３がハードウェアに割り込みをかけて、その信号でコンピュータ２３のモニタ２４の表示を停止させ、また、パスワードが入力されるまでコンピュータ２３が使用できないように設定する。このように構成することで、利用者が一時的に席を外した際には、他人がモニタ２４の表示内容をのぞき込んだり、コンピュータ２３を操作したりするのを防止するセキュリティシステム用のセンサとして物体検出装置を使用することもできる。
【００４５】
図５は、本発明の第２実施形態に係る物体検出装置における電極板の配置例を示した構成図である。本発明の第２実施形態に係る物体検出装置では、利用者の周囲に２枚の電極板から成る電極対を２組または３組設けることで、人の有無の検出を、さらに精度良く行うことができる。
【００４６】
電極対１２を複数設ける場合には、各電極対を直交配置すると良い。各電極対を直交配置することで、各電極対の間の電界が他の電極対の電界へ及ぼす影響をなくすことができ、最も効率良く人などの物体が移動したことを検出できる。
【００４７】
また、各電極対に対して、図１に示した直列回路１７を構成して、それぞれ独立して各電極対に直流電圧を印加して、直列回路１７に流れる直流電流を測定する構成にすると良い。これにより、他の物体検出装置の影響を受けることなく、それぞれの装置が独立して誘電体の有無を検出することができる。
【００４８】
電極対１２を２組設ける場合は、例えば、利用者の前後、左右、上下のうちの２箇所に各電極板を設けると良い。また、電極対１２を３組設ける場合は、例えば、利用者の前後、左右、上下の３箇所に各電極板を設けると良い。
【００４９】
前記のように、各電極対１２には、図４に示した検出回路１１が設けられており、各出力信号を確認することで、電極板間における人などの物体の有無を検出することができる。
【００５０】
また、各検出回路１１の出力信号を別の論理判定装置に入力して、判定を行っても良い。図６は、論理判定装置の一例を示した回路図である。論理判定措置５０は、スイッチ５１、ＡＮＤ回路５３、ＯＲ回路５４、反転回路５５、及び差動増幅器５６からなる。電極対１２を２組設ける場合には、一方の信号変化検出部１６におけるＤＩ回路４１の出力端子Ａを論理判定装置５０の端子Ａに接続して、他方の信号変化検出部６におけるＤＩ回路４１の出力端子Ａを論理判定装置５０の端子Ｂに接続する。
【００５１】
スイッチ５１を端子ａ側に切り替えると、２つの信号入力がＡＮＤ回路５３で判定される。すなわち、いずれの信号も検知信号として、電極板間に人が存在することを検知している場合のみ、人が居ると判断される。
【００５２】
一方、スイッチ５１を端子ｂ側に切り替えると、２つの信号入力はＯＲ回路５４で判定される。すなわち、いずれか一方の信号が検知信号として出力されていれば、人が居ると判断される。この場合は、ＡＮＤ回路５３で判定をされる場合よりも少し精度が落ちる。
【００５３】
それぞれの論理回路出力を１つの信号出力とするために、論理判定装置５０では、ＯＲ回路５４の出力側に反転回路５５を設け、この回路に信号を通して信号を反転させてから、差動増幅器５６にこの信号を入力する。これにより、ＡＮＤ回路５３、及びＯＲ回路５４のいずれの出力信号であっても、正の出力信号として出力できる。
【００５４】
このように、２組、または３組の電極対を使用することで、人などの物体のより精度の高い検出が可能となる。
【００５５】
なお、上記の説明では、物体検出装置で人の有無を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、金属のような完全導体以外の誘電体であれば、有無を検出することができる。例えば、犬や猫のような動物の有無検出に使用することもできる。
【００５６】
また、本発明の物体検出装置の原理は、微弱電流値を測定することで誘電体の有無検出を行っているので、誘電体の移動を検出することもできる。例えば、物体検出装置にカウンタを設けて、人の通過時に直流電流値が変動する回数を計数することで、電極間を通過した人数を検出することができる。また、この時、電極板間を一度に通過する人数に応じて、直流電流値が異なるので、同時にこの直流電流値を測定することで、通過人数を正確に計数することができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００５８】
（１）物体検出装置は、任意の間隔で対向する２枚の電極板間に直流電圧を印加した状態で、この電極板間に人などの物体が存在する状態と、この電極板間から人などの物体が存在しない状態とで、電極板間の誘電率が変化することにより異なる値を示す２枚の電極板間を流れる直流電流値を、検出手段で検出することができるので、物体の有無を容易に検出することができる。また、直流電流の変化量は微小であるが、交流電流に比べて外来ノイズの影響を受けにくいので、精度良く人などの物体（誘電体）の有無を検出することができる。
【００５９】
（２）電極対を２組または３組設けることにより、電極板間における人などの物体の有無を、より確実に検出することができる。また、各電極対を直交配置することで、各電極対の間の電界が他の電極対の電界へ及ぼす影響をなくすことができ、最も効率良く人などの物体の有無を検出できる。
【００６０】
（３）電極対の少なくとも一方の電極板を透明導電性フィルムにすることで、例えばコンピュータのモニタ表面に電極板を取り付けた場合でも、利用者は、電極板が取り付けられたことを気にせずにモニタを使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の物体検出装置の原理を説明するための回路図である。
【図２】飽和水蒸気量の変化を示したグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る物体検出装置の概略の構成図である。
【図４】直列回路に流れる電流の変化を検出する信号変化検出部の一例の構成を示した回路図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る物体検出装置における電極板の配置例を示した構成図である。
【図６】論理判定装置の一例を示した回路図である。
【符号の説明】
１−物体検出装置
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ−電極板
１１−検出回路
１２−電極対
１３−直流電源
１４−電流制限抵抗
１５−信号検出用抵抗
１６−信号変化検出部
１７−直列回路

Claims

任意の間隔で２枚の電極板を対向させた電極対と、この電極対に直流電圧を印加する電源と、前記電極対に流れる直流電流値により前記２枚の電極板間における物体の有無を検出する検出手段と、を備えたこと特徴とする物体検出装置。
前記電極対を２組または３組備え、前記各電極対を直交配置した請求項１に記載の物体検出装置。
前記電極対を構成する２枚の電極板の少なくとも一方が、透明導電性フィルムである請求項１または２に記載の物体検出装置。