JP2006145488A - 物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体を検出する空間を可変とするとともに、物体を遠方まで検出でき、かつ近傍は細かく検出できる物体検出装置を提供する。
【解決手段】この発明に係る物体検出装置１００は、３個以上の電極１１が配列された電極群１と、電極切り替え信号に基づいて電極１１の接続先を第１の接点３３および第２の接点３４の何れかに切り替え可能な電極切り替え部３５と、第１の接点３３および第２の接点３４に接続される静電容量測定手段２と、電極切り替え部３５を制御する電極切り替え信号を出力するとともに、静電容量測定手段２の出力に基づいて物体の位置を検出するプロセッサ４とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、配列された電極板を利用して物体の位置を特定する物体検出装置に関する。

従来の物体検出装置は、物体の接近による平行平板コンデンサの電極間の静電容量の変化をコンデンサの充電電圧の変化として捉え、物体を検出している（例えば、特許文献１参照）。
また、被検出物体を一方の電極として、他方の検出電極と、この電極を切り替えるスイッチとを備えた物体検出装置において、スイッチの操作によって電極を切り替え、複数の空間に物体が存在するかどうかを、被検出物体と検出電極との間の静電容量の変化を電流の変化としてとらえて検出している（例えば、特許文献２参照）。

特公昭６２−２２７６号公報 特開２００３−２０２３８３号公報

従来の物体検出装置では、平行平板コンデンサの場合、コンデンサの電極間を外れると、静電容量の変化を検出できないので、物体を検出できる範囲は、平行平板コンデンサの場合は電極間のみに限られていた。
また、検出電極をスイッチで切り替える場合は、同時に複数の検出電極を選択することができないので、物体を検出できる範囲は、１個の検出電極の周辺のみに限られていた。
このため、遠方まで検出したい場合は、１個の電極を大きくする必要があるので、近傍での分解能は得られず、逆に近傍で分解能を得ようとすると、１個の電極が小さくなるので、距離が離れると感度が弱くなり、遠方まで検出できないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は物体を検出する空間を可変とするとともに、物体を遠方まで検出でき、かつ近傍は細かく検出できる物体検出装置を提供することである。

この発明に係る物体検出装置は、３個以上の電極が配列された電極群と、電極切り替え信号に基づいて電極の接続先を第１の接点および第２の接点の何れかに切り替え可能な電極切り替え部と、第１の接点および第２の接点に接続される静電容量測定手段と、電極切り替え部を制御する電極切り替え信号を出力するとともに、静電容量測定手段の出力に基づいて物体の位置を検出するプロセッサとを備えたものである。

この発明による物体検出装置によれば、複数の電極を同じ接続線に接続することができるので、検出する空間の大きさや分解能を変えることができる。そのため、遠方の物体を検出することができ、かつ近傍については高い分解能で物体を検出することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る物体検出装置の構成図である。同図において、この物体検出装置１００は、鉄やアルミなどの導体で形成された複数の電極１１が配列された電極群１と、プロセッサ４の出力する電極切り替え信号に基づいて電極１１の接続先を設定する電極切り替え部３５と、第１の接点３３および第２の接点３４に接続された静電容量測定手段２と、電極切り替え信号が指定する電極１１と接点との組み合わせと静電容量測定手段２の出力とに基づいて物体の位置を判定するプロセッサ４とを備えている。

電極線１２は、電極群１と電極切り替え部３５を接続している。第１の接点３３および第２の接点３４は、第１の接続線２１および第２の接続線２２を介して静電容量測定手段２と接続されている。伝達線２３は静電容量測定手段２で得られる測定結果をプロセッサ４に伝える。制御線４１はプロセッサ４が出力する電極切り替え信号を電極切り替え部３５に伝える。

電極切り替え部３５には、電極線１２に接続された電極側接点３８と、第１の接続線２１に接続された第１の接点３３と、第２の接続線２２に接続された第２の接点３４と、第１の接点３３および第２の接点３４から独立した第３の接点３７とが設けられている。

ここで、電極群１を構成する各々の電極１１の符号１１にそれぞれ添え字ａ〜ｈを付して電極１１ａ〜１１ｈと表記する。同様に、電極線１２、第１の接点３３、第２の接点３４、電極切り替え部３５、第３の接点３７および電極側接点３８についても、図には示さないが、電極１１ａ〜１１ｈに対応させて本文中ではそれぞれ添え字ａ〜ｈを付して説明することがある。なお、一般的に電極を示す際は、電極１１と表記する。なお、第１の接点３３および第２の接点３４に接続される電極１１の組み合わせを切り替える必要があるため、電極１１の数は最低でも３枚以上が必要である。

電極切り替え部３５は、アナログスイッチ、半導体スイッチ、リレー等から構成される。静電容量測定手段２には、第１の接点３３に接続された電極１１と第２の接点３４に接続された電極１１との間を特定の電圧で充電して、放電する時間を計測するもの、あるいは電極１１間に交流電流を印可し、連続的に静電容量を測定するもの等がある。

プロセッサ４の出力する電極切り替え信号に基づいて、電極切り替え部３５ａ〜３５ｈでは、電極側接点３８ａ〜３８ｈが第１の接点３３ａ〜３３ｈおよび第２の接点３４ａ〜３４ｈの何れかに接続される。電極切り替え信号が電極側接点３８と第３の接点３７を繋げる指示をした場合、電極１１は、静電容量測定手段２から独立した状態になる。

図２は、この発明の実施の形態１に係る物体検出装置１００の別の構成図である。電極切り替え部３５では、電極線１２は枝分かれし、２つの電極側接点３８に接続されている。ここでは、プロセッサ４の出力する電極切り替え信号に基づいて、電極側接点３８ａ〜３８ｈと第１の接点３３ａ〜３３ｈとの間は、閉または開になる。同様に、電極側接点３８ａ〜３８ｈと第２の接点３４ａ〜３４ｈとの間も、開または閉になる。この開閉の組み合わせによって、第１の接点３３と第２の接点３４とに接続される電極１１が選定される。
プロセッサ４から、第１の接点３３および第２の接点３４のどちらもが開であるように電極切り替え信号が出力されたときは、電極１１および電極側接点３８は、第１の接点３３および第２の接点３４から独立し、図１において電極側接点３８が第３の接点３７に接続されたのと同様の状態になる。

以下、上記構成の物体検出装置１００についての動作を説明する。図３は、物体検出装置１００における、電極群１と静電容量測定手段２との接続関係を模式化した図である。同図は、図１あるいは図２の電極切り替え部３５において、電極１１ｄが第１の接続線２１（第１の接点３３）に接続され、残りの電極１１は第２の接続線２２（第２の接点３４）に接続されている状態に対応している。

電極１１ｄのみを第１の接点３３に接続した状態で測定をしたときに発生する等電位面は、Ｆ１ｄのようになる。実用的に物体を検出できる範囲は、ほぼＦ１ｄの円で示した範囲となる。図３では電極１１ｄと残り全ての電極１１という組み合わせを示したが、他の１個の電極１１を第１の接点３３に接続し、残り全ての電極１１を第２の接点３４に接続する組み合わせも可能である。

例えば、図４は、電極１１ｇが第１の接点３３に接続され、残りの電極１１は第２の接点３４に接続されている状態に対応している。このとき、発生する等電位面は、Ｆ１ｇのようになり、物体を検出できる範囲は、ほぼＦ１ｇの円で示した範囲となる。このように、第１の接点３３に接続する電極１１の組み合わせは複数あり、物体を検出できる範囲も第１の接点３３に接続される電極１１にあわせて移動する。すなわち、第１の接点３３に接続される電極１１と第２の接点３４に接続される電極１１を順次切り替えていくことで、細かく検出範囲を変えることができる。

検出範囲に物体が存在すると、存在しない状態から静電容量が変化する。あらかじめ物体がない状態での静電容量をプロセッサ４は記憶しておき、この値から変化があるかないかを判定する。この操作によって、電極１１の近傍のどの位置に検出対象があるかを検出することができる。なお、物体がなくても状況やセンサ自体の特性により次第に静電容量が変化するので、これを校正する機能が必要である。

図５は、この発明の実施の形態１に係る物体検出装置における、電極群と静電容量測定手段とのさらに別の接続関係を模式化した図である。同図は、図１あるいは図２の電極切り替え部３５において、それぞれ隣接する３個の電極１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは第１の接点３３に接続され、残りの電極１１は第２の接点３４に接続されていることを示している。
静電容量を用いて物体を検出するには、電極１１と検出対象の面積が大きいほど、それらの間隔の変化が静電容量の変化に与える影響が大きくなり、検出しやすくなる。そこで、続いて隣接する３個の電極１１を第１の接点３３に接続した例について説明する。

図５に示す、３個の電極１１を第１の接点３３に接続した状態で測定をしたときに発生する等電位面は、ほぼＦ３ｃの円の様になり、検出範囲はＦ３ｃの円で示した範囲となる。検出範囲Ｆ３ｃは、図３に示すＦ１ｄおよび図４に示すＦ１ｇと比べて大きい。従って遠くの物体まで検出することができる。

このようにして、図３あるいは図４に示す１個の電極１１と７個の電極１１、および図５に示す３個の電極１１と５個の電極１１という組み合わせ以外にも、第１の接点３３に接続する電極１１の個数および接続の組み合わせを変えていくことで、近くの物体から遠くの物体まで検出することができる。

図６は、図１に示した第１の接点３３に接続する電極１１の個数、および接続の組み合わせを様々に切り替えて得られる、検出範囲の例を示す図である。図６において、電極１１周辺には、検出対象５が存在している。
また、Ｆ１ｘ〜Ｆ４ｘは、電極１１の個数および組み合わせを変更した際にできる検出範囲の例である。

例えば、Ｆ１ｃは電極１１ｃを第１の接点３３に接続し、他の全ての電極１１を第２の接点３４に接続したときの静電容量を測定したときの検出範囲を示している。
また、Ｆ２ｃは電極１１ｃと１１ｄを第１の接点３３に接続し、他の全ての電極１１を第２の接点３４に接続したときの静電容量を測定したときの検出範囲を示している。
また、Ｆ３ｃは電極１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを第１の接点３３に接続し、他の全ての電極１１を第２の接点３４に接続したときの検出範囲を示している。
また、Ｆ４ｃは電極１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆを第１の接点３３に接続し、他の全ての電極１１を第２の接点３４に接続したときの検出範囲を示している。
ここで、両端の電極１１ａ、１１ｈは電極１１ｂ〜１１ｇに比べて十分大きい面積を持っているものとする。

電極１１の接続を順次切り替えて測定していった場合、１個の電極１１を第１の接点３３に接続して得られる検出範囲Ｆ１ｃ〜Ｆ１ｆ、２個の電極１１を第１の接点３３に接続して得られる検出範囲Ｆ２ｄ、Ｆ２ｅではほとんど静電容量の変化が検出されない。
しかしながら、残りのＦ２ｃ、３個の電極１１を第１の接点３３に接続して得られる検出範囲Ｆ３ｃ、Ｆ３ｄ、４個の電極１１を第１の接点３３に接続して得られる検出範囲Ｆ４ｃでは検出対象５が検出範囲に含まれるので、静電容量に変化が現れ、検出される。
また同じ電極面積のＦ３ｃとＦ３ｄとでは電極１１と検出対象５との間の距離の違いからＦ３ｃの方が大きい静電容量の変化を示す。
このようにして、全ての電極１１の組み合わせで得られた静電容量値の結果から、検出対象５の存在位置を特定することができる。

この発明の実施の形態１に係る物体検出装置１００によれば、複数の電極１１を同じ接点３３、３４に接続することができ、また電極１１の組み合わせを順次切り替えることができるので、遠方の物体を検出することができ、また近傍は高い分解能で物体を検出することができ、物体の位置を特定することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を、図７に基づいて説明する。電極１１ｃと電極１１ｄは、それぞれ、第１の接点（図示せず）と第２の接点（図示せず）に接続され、残りの電極１１はすべて独立した状態にあることを示している。

実施の形態２では、隣接する電極１１間の静電容量を計測して、プロセッサ４に測定した静電容量値を記録する。これを全ての隣接する電極１１の組み合わせで行う。プロセッサ４は、隣接する各電極１１間の静電容量の正常値を保存しており、測定された静電容量値と正常値とを比較することによって、異常のある電極１１を判定する。

この発明の実施の形態２に係る物体検出装置１００によれば、異常な電極１１を判定しておくことで、異常な物体検出をさけることができる。このとき、正常な電極１１の表面積の和が小さくなるので、検出分解能が下がる、また、異常のある電極１１の周辺は正しく静電容量の変化を検出できないので、検出範囲が狭くなる。しかしながら、この状態でも、正常な電極１１の周辺においては、正常に物体を検出することが可能である。

また、電極１１の状態を判定する他にも、第１の接点と第２の接点に接続されている隣接する電極１１の位置を、順次切り替えて移動させることで、電極１１間の物体の検出を、より高い精度で行うことができる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３に係る物体検出装置１００の電極群１を抜粋して示す構成図である。
図８において、金属等の電極板１３が、電極群１の片側の面に平行に設置されている。これまでの説明では、平面状に並んだ電極１１の片側の面についてのみ感度があるように示してきたが、実際には反対の面についても同様の感度がある。もし反対側で物体を検出する必要がない場合は、電極１１の検出をする必要がない側に広がる等電位面を遮断するように、金属などの電極板１３を電極群１に平行に設置すればよい。

この発明の実施の形態３に係る物体検出装置１００によれば、電極群１の片側にのみ感度を持たせることができるので、電極１１の片側の面のみ物体を検出しようとする際に、電極１１の電極板１３側に広がる等電位面を遮断でき、電極板１３の電極１１と反対側にある物体の影響を受けることがないので、精度の高い検出をすることができる。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係る物体検出装置１００の構成図である。ここでは、１６枚の電極１１が、４列、４行のマトリクス状に配設されている。その他については、実施の形態１と同様の構成であり、説明は省略する。この構成によれば、電極１１が２次元に配設されているので、３次元的に物体の位置を検出することができる。

この発明の実施の形態４に係る物体検出装置１００によれば、３次元的に物体の検出をすることができるので、測定範囲を広げることができる。
なお、この電極群１は、同一平面上にある必要はなく、端部が内部よりもへこんでいる、或いは、その逆であるように配置されていてもよい。

実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係る物体検出装置１００の構成図である。
図１０において、電極群１に平行に電極板１３が設けられている。この電極板１３は、電極１１に比して十分に大きいものとする。その他については、実施の形態１と同様の構成であり、説明は省略する。
電極１１ａ〜１１ｈがプロセッサ４の電極切り替え信号により第１の接点（図示せず）あるいは第２の接点（図示せず）の何れかに接続するよう切り替えられるのに対し、電極板１３の接続先は第１の接点または第２の接点のどちらかに固定されている。

この構成においても実施の形態１の構成と同様に、電極１１を切り替えて対象を検出する。このとき電極板１３は、図８の電極板１３と同等の役目をするので、電極板１３の電極１１と反対側には感度を持たない。

ここで、電極板１３が十分大きいので、電極面積の比率が確保できる。そこで、電極１１ａ〜１１ｈのそれぞれ全てを使って、容易に検出範囲を切り替えることができるので、精度の高い物体検出が可能となる。

次に、図１１のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態５に係る物体検出装置１００の動作について詳細に説明する。ここで、人などの検出対象５が接近してくる様子を検出し警報、警告する例について、動作を説明する。

まず、電極１１ａで静電容量の測定を行う（ステップＳ１）。続いて電極１１ｂで静電容量の測定を行う（ステップＳ２）。以下、同様に電極１１ｃ〜１１ｈまで静電容量の測定を行う（ステップＳ３〜ステップＳ８）。
次に、上記のステップＳ１〜ステップＳ８において、静電容量の変化を検出したかどうかを判定する（ステップＳ９）。
ここで、上記のステップＳ１〜ステップＳ８において、何れかの静電容量の変化を検出したときは、静電容量の変化を検出した電極１１の方向に警報を発して、ステップＳ１に戻る（ステップＳ１０）。
上記のステップＳ１〜ステップＳ８において、何れかの静電容量の変化を検出しなかったときは、全ての電極１１ａ〜１１ｈによって、静電容量の測定を行う（ステップＳ１１）。
上記のステップＳ１１において、静電容量の変化を検出したときは、全体に軽い警告を発して、ステップＳ１に戻る（ステップＳ１２）。
上記のステップＳ１１において、静電容量の変化を検出しなかったときは、ステップＳ１に戻る（ステップＳ１３）。

ここで、上記の警報および警告について、不審者を検出対象５とした防犯装置にこの発明の実施の形態５に係る物体検出装置１００を適用した場合を例として、さらに詳細に説明する。
まず、検出対象５が遠方から少しずつ接近してくると、ステップＳ１〜ステップＳ８では静電容量の変化を検出せず、ステップＳ１１で静電容量を測定したときのみ静電容量の変化を検出する。
これにより、遠方に人が接近していることがわかり、ライト等を照射することにより、軽く警告をする。
また、検出対象５がさらに接近し、電極１１ｃに近づいた場合、ステップＳ１〜ステップＳ８で静電容量の変化が生じ、そのなかでもステップＳ３で静電容量の変化が最大となる。
これにより人が電極１１ｃに接近していることが分かり、電極１１ｃの方向にライト等を照射するとともに、音を発する等の警報をする。

この発明の実施の形態５に係る物体検出装置１００によれば、例えば検出対象５が不審者なら、遠方の早い段階で検出できるので、警戒を強めることができる。さらに接近して来た場合、どの部分に接近したかを判別できるので、適切な警報などの手段をとることができる。

なお、上記の説明では、簡単のため電極１１を１個ずつ切り替えて静電容量を測定する組み合わせと、全ての電極１１を用いて静電容量を測定する組み合わせとの２段階としたが、例えば電極１１を３個ずつ組み合わせることより、さらに細かく検出することが可能である。
また、この構成は、自動車や電車といった金属板で覆われたものに物体検出装置１００を設置する場合に適しており、自動車や電車のボディをこの構成における電極板１３として用い、電極１１をその表面に設ければよい。ここで、電極１１の例として、ドアノブ、電熱線、アンテナ、サイドモールなどを電極１１として用いてもよい。また、フロントやリアのバンパーに電極１１を設けてもよい。
なお、ここで説明した検出の様子は他の実施の形態についても同様である。

実施の形態６．
図１２は、この発明の実施の形態６に係る物体検出装置１００の構成図である。
図１２において、電極群１に垂直に電極板１３が設けられている。この電極板１３は、電極１１に比して十分に大きいものとする。その他の構成および動作については、実施の形態５と同様であるので、説明は省略する。
この構成においても、電極板１３上に存在する検出対象である人６などの物体を遠方から検出でき、近傍で位置を特定することができる。

この構成は、フェンスやビルディングなどの建築物に物体検出装置１００を設置する場合に適しており、建築物上に複数の電極１１を設け、床面を電極板１３とすればよい。
また、電極１１をフェンスに設置した場合は、人が接近したことを検出できるので、防犯、セキュリティへの応用ができる。また、自動ドアやエスカレータのセンサとして用いることもできる。
また、エレベータに応用すると、エレベータホールに人がいること、およびおおよその人数を把握することが出来るので、効率的な運行をサポートすることができる。

この発明の実施の形態１に係る物体検出装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る物体検出装置の別の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る物体検出装置における、電極群と静電容量測定手段との接続関係を模式化した図である。 この発明の実施の形態１に係る物体検出装置における、電極群と静電容量測定手段との別の接続関係を模式化した図である。 この発明の実施の形態１に係る物体検出装置における、電極群と静電容量測定手段とのさらに別の接続関係を模式化した図である。 図１に示した第１の接点に接続する電極の個数、および接続の組み合わせを様々に切り替えて得られる、検出範囲の例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る物体検出装置の構成図である。 この発明の実施の形態３に係る物体検出装置の電極群を抜粋して示す構成図である。 この発明の実施の形態４に係る物体検出装置の構成図である。 この発明の実施の形態５に係る物体検出装置の構成図である。 この発明の実施の形態５に係る物体検出装置の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態６に係る物体検出装置の構成図である。

符号の説明

１ 電極群、２ 静電容量測定手段、４ プロセッサ、１１ 電極、１３ 電極板、３３ 第１の接点、３４ 第２の接点、３５ 電極切り替え部、３７ 第３の接点、１００ 物体検出装置。

Claims (11)

1. ３個以上の電極が配列された電極群と、
   電極切り替え信号に基づいて前記電極の接続先を第１の接点および第２の接点の何れかに切り替え可能な電極切り替え部と、
   前記第１の接点および前記第２の接点に接続される静電容量測定手段と、
   前記電極切り替え部を制御する前記電極切り替え信号を出力するとともに、前記静電容量測定手段の出力に基づいて物体の位置を検出するプロセッサと
   を備えたことを特徴とする物体検出装置。
2. 前記電極切り替え部は、前記第１の接点および前記第２の接点から独立している第３の接点を有することを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記電極群は、２次元状に配設されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の物体検出装置。
4. 前記電極群に対向して設けられた電極板を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物体検出装置。
5. 前記電極板は、車両のボディであり、前記電極群は、前記車両の外側に配設された複数の前記電極で構成されることを特徴とする請求項４に記載の物体検出装置。
6. 前記電極群とは所定距離を隔てて垂直に配設された電極板を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物体検出装置。
7. 前記電極板は、床面に設けられており、前記電極群は、前記床面に対して垂直に設けられた構造物に取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の物体検出装置。
8. 前記電極群のうち、ある１個の電極を前記第１の接点に、残り全ての電極を前記第２の接点に接続して得られる静電容量の測定値から、物体の位置を検出することを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の物体検出装置。
9. さらに、前記第１の接点に接続される電極を順次切り替えて静電容量を測定し、物体を検出したと判断するとその方向に警報を発することを特徴とする請求項８に記載の物体検出装置。
10. さらに、前記電極群のうち、複数個の電極を前記第１の接点に、残り全ての電極を前記第２の接点に接続して得られる静電容量の測定値から、前記プロセッサは、物体の位置を検出することを特徴とする請求項８に記載の物体検出装置。
11. 前記電極群のうち、ある１個の電極を前記第１の接点に、この電極に隣接する一側電極を前記第２の接点に、残り全ての電極を独立した状態に接続して得られる静電容量の測定値と、予め記憶されている基準値とに基いて、電極の状態を判定することを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の物体検出装置。

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