JP2009222423A - 静電容量型近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 前側の検出領域では検出可能距離を長くする。誤動作を減らす。
【解決手段】 一の電極と他の電極でコンデンサを構成し、電極に検出対象物の人体などが接近すると、両電極間の静電容量が変化し、静電容量の変化で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、一の電極１は、電線のような表面積の少ない線状の形状にし、他の電極２は、平板のような表面積の多い面状の形状にし、線状電極１と面状電極２は、間隔を置いて並列し、線状電極が面状電極に隠れない側を前側の検出領域にした。また、面状電極２の後側には、間隔を置いて面状の遮蔽電極８を並列して対面し、遮蔽電極を接地する構成にした。
【選択図】 図７

Description

本発明は、静電容量の変化で人体などの検出対象物の接近を検出する静電容量型の近接センサ、詳しくは複数の電極を備えた静電容量型近接センサに関する。

この種の静電容量型近接センサは、２枚の電極を平板状にし、平板状の両電極を並列して対面している。両電極は、片側の電極から出た電気力線が他の電極に入り、コンデンサを構成している。電極に検出対象物の人体などが接近すると、電極から出た電気力線が変形し、両電極間の静電容量が変化する。静電容量の変化で検出対象物の接近を検出する。

特開２００６−７８４２２号公報

［背景技術の課題］
静電容量型の近接センサは、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、検出可能距離が長いことが望まれる。
また、電極の反対側、後側の領域では検出可能距離が短いことが望まれる。誤動作が少ないことが望まれる。

［課題を解決するための着想］
上記のような静電容量型近接センサでは、電極に検出対象物の人体が接近すると、片側の電極から出た電気力線が人体を通って大地に入り、他の電極に入らなくなり、両電極間の静電容量が変化する。このことから、両電極間の電気力線は、遠くに延び、遠い位置での本数が多いと、検出可能距離が長くなるものと推察される。両電極が同形同寸の平板であって対面していると、両電極間の電気力線は、遠い位置での本数が多くなり難いものと推察される。
そこで、両電極は、一方を表面積の少ない線状の形状にし、他方を表面積の多い面状ないし板状の形状にすることを着想した。

［実験（図１〜図５参照）］
静電容量型近接センサにおいて、線状の電極と面状の電極を用いて実験した。

１）電極（図１〜図３参照）
電極の例１では、図１に示すように、線状電極１は、電線であり、直径０．２２mmで、長さ３００mmである。面状電極２は、帯状ないし長方形状の平板であり、幅３０mmで、長さ３００mmである。線状電極１は、面状電極２と長さ方向を揃えて並列し、面状電極２の幅方向中央位置の横に位置し、面状電極２との間に間隔３mmを置いている。両電極の線状電極１側は、線状電極１が面状電極２に隠れず、線状電極１と面状電極２が現れ、前側の領域であって検出領域である。面状電極２側は、線状電極１が面状電極２に隠れ、後側の領域である。

電極の例２では、図２に示すように、線状電極１は、電極例１におけるのと同じ電線である。面状電極は、電極例１における面状電極２の平板の上辺と下辺をそれぞれ上下に延長して前側に屈曲している。電極例１における面状電極２と同形同寸の後側板３の上縁と下縁にそれぞれ上側板と下側板を介して前側板４を連結している。後側板３と線状電極１の相対位置は、電極例１における面状電極２と線状電極１のそれと同じである。２枚の前側板４は、後側板３と並列し、線状電極１の上下に位置し、線状電極１との間に間隔３mmを置いている。面状電極は、屈曲板３、４である。両電極の線状電極１側は、前側の領域であって検出領域である。面状電極３、４の後側板３側は、後側の領域である。

比較例では、図３に示すように、電極例１における面状電極２を２枚並列し、それらの間に間隔３mmを置いている。

２）電気回路（図４、図５参照）
電気回路は、静電容量の変化を検出することのできる各種の回路が使用可能であるが、直列共振回路を用いた。この回路は、図４に示すように、発信源Ｅ、巻き線間静電容量Ｃ１を有するコイルＬ、コンデンサＣ２を構成する電極６と電極７、抵抗器Ｒを直列に接続している。巻き線間静電容量Ｃ１とコイルＬで並列共振回路を構成している。コイルＬとコンデンサＣ２で直列共振回路を構成している。発信源Ｅと抵抗器Ｒの間は、接地している。抵抗器Ｒの両端の電圧Ｖを検出する。検出電圧Ｖと発信源Ｅの交流の周波数の関係は、図５の線図に実線で示すようになる。直列共振周波数は、並列共振周波数より低い。

電極６又は電極７に検出対象物の接地した人体が近づくと、コンデンサＣ２の静電容量が減少する一方、人体がコンデンサＣを構成し、コンデンサＣが直列接続のコンデンサＣ２と抵抗器Ｒに並列に接続することになる。人体によるコンデンサＣは、静電容量がコンデンサＣ２の静電容量減少分の数倍である。例えば、コンデンサＣの静電容量は２〜３ｐＦで、コンデンサＣ２の静電容量減少分は０．７ｐＦ位である。直列共振回路は、人体の接近で、静電容量が増加し、直列共振周波数が低くなる。検出電圧Ｖと発信源Ｅの交流の周波数の関係は、図５の線図に破線で示すように、直列共振の特性曲線が周波数の低い方に移動する。

発信源Ｅは、正弦波交流を発信し、発信周波数を直列共振周波数より少し高く設定し、検出電圧Ｖを検出対象物の人の手がない初期状態で８Ｖに設定する。電極６又は電極７に人の手が近づくと、検出電圧Ｖが初期設定の８Ｖから減少する。

３）実験方法と実験結果（図６参照）
電極例１では、線状電極１は抵抗器Ｒに接続して電極７にし、面状電極２はコイルＬに接続して電極６にする。発信周波数は５４ｋＨｚにし、発信電圧は０．５ｍＶにする。すると、検出対象物の人の手がない初期状態で、検出電圧Ｖが８Ｖになる。この初期設定で、前側の領域において、検出対象物の人の手を線状電極１から各距離に配置して、検出電圧Ｖを測定する。また、後側の領域において、人の手を面状電極２から各距離に配置して、検出電圧Ｖを検出する。

すると、実験結果は、図６に太い実線で示すようになる。前側の領域で、人の手が線状電極１から２００mm強の距離に近づくと、検出電圧Ｖが初期設定の８Ｖから減少し始める。人の手が検出され始める。人の手が線状電極１に近づくに従って検出電圧Ｖが急激に減少する。また、後側の領域で、人の手が面状電極２から２００mm弱の距離に近づくと、検出電圧Ｖが減少し始める。人の手が検出され始める。人の手が面状電極２に近づくに従って検出電圧Ｖが急激に減少する。線状電極１側の前側領域の方が面状電極２側の後側領域より検出可能距離が長い。

なお、線状電極１は電極６に、面状電極２は電極７に入れ替えた場合、検出電圧Ｖを初期設定の８Ｖにするため、発信周波数は５７ｋＨｚにし、発信電圧は０．４ｍＶにするが、実験結果は、上記の場合とほぼ同じである。

電極例２では、線状電極１は抵抗器Ｒに接続して電極７にし、面状電極３、４はコイルＬに接続して電極６にする。発信周波数は５５ｋＨｚに、発信電圧は０．４ｍＶにする。初期状態で、検出電圧Ｖが８Ｖになる。実験結果は、図６に細い実線で示すようになる。前側の領域で、人の手が線状電極１から３００mm位の距離に近づくと、検出電圧Ｖが減少し始める。人の手が検出され始める。人の手が線状電極１に近づくに従って検出電圧Ｖが急激に減少する。また、後側の領域で、人の手が面状電極２から２００mm位の距離に近づくと、検出電圧Ｖが減少し始める。人の手が面状電極２に近づくに従って検出電圧Ｖが急激に減少する。線状電極１側の前側領域の方が面状電極３、４側の後側領域より検出可能距離が大幅に長い。また、前側領域での検出可能距離が電極例１におけるそれより大幅に長い。

なお、線状電極１は電極６に、面状電極３、４は電極７に入れ替えた場合、発信周波数と発信電圧は変わらず、実験結果は同じである。

比較例では、一方の面状電極２は電極７にし、他方の面状電極２は電極６にする。発信周波数は６３ｋＨｚにし、発信電圧は０．６ｍＶにする。初期状態で、検出電圧Ｖが８Ｖになる。実験結果は、図６に破線で示すようになる。前側領域と後側領域の検出可能距離が１６０〜１７０mm位になる。前側領域の検出可能距離は、電極例１、電極例２におけるそれより短い。
結局、電極例１と電極例２では、前側の検出領域の検出可能距離が長い。

［遮蔽電極（図７〜図９参照）］
電極例１と電極例２では、後側領域の検出可能距離が前側領域のそれより短いが、誤動作を減らすにはまだ十分ではない。そこで、後側領域の検出可能距離を更に短くするため、遮蔽電極を設けることにした。電極例１では、図７に示すように、面状電極２の後側に間隔を置いて面状の遮蔽電極８を並列して対面する。遮蔽電極８は、帯状ないし長方形状の平板である。電極例２でも、図８に示すように、面状電極３、４の後側に間隔を置いて面状の遮蔽電極８を並列して対面する。遮蔽電極８は、接地する。

すると、電極例１では、電極７の線状電極１と電極６の面状電極２がコンデンサＣ２を構成する一方、電極６の面状電極２と遮蔽電極８がコンデンサＣ３を構成する。電極例２でも、電極７の線状電極１と電極６の面状電極３、４がコンデンサＣ２を構成する一方、電極６の面状電極３、４と遮蔽電極８がコンデンサＣ３を構成する。図４に示した直列共振回路は、図９に示すように、コンデンサＣ３が直列接続のコンデンサＣ２と抵抗器Ｒに並列に接続することになる。

遮蔽電極付きの電極例１と電極例２では、遮蔽電極８によって後側領域の検出可能距離が短くなる。

［他の電極例（図１０、図１１参照）］
電極例３は、電極例２の面状電極を変形している。電極例２の面状電極における後側板３、上側板と下側板は、なくしている。電極例３の面状電極は、図１０に示すように、上下の前側板４のみにしている。電極例３は、上下の前側板４、平板の面状電極と電線の線状電極１からなる。上下の前側板４のみの面状電極は、電極例２の屈曲板の面状電極より製造し易い。

また、電極例４は、電極例３の面状電極を変形している。電極例３の面状電極における上側の前側板４の下縁と下側の前側板４の上縁は、図１１に示すように、溝形断面の溝形板５で連結している。溝形板５は、遮蔽電極８側の後側に突出している。電極例４の面状電極は、上下の前側板４と溝形板５からなり、折り曲げ板である。
電極例４は、折り曲げ板の面状電極４、５と電線の線状電極１からなる。折り曲げ板の面状電極４、５は、電極例２の屈曲板の面状電極より製造し易い。

［雨滴による不動作（図１２、図９参照）］
静電容量型近接センサは、電極を内蔵した感知部が屋外に配置され、感知部の電極６、７付近に雨滴などが付着することがある。検出対象物ではない雨滴などが付着しても、動作しないことが望まれる。

図９に示した電気回路において、電極６、７に検出対象物外の雨滴などが最接近する、例えば１ｍｍ以内に近づくと、その雨滴などが両電極６、７間の誘電体として作用し、両電極６、７によるコンデンサＣ２の静電容量が大きく増加する。電極６と遮蔽電極８の間には、雨滴などが最接近しないとすると、コンデンサＣ３の静電容量が変化しない。非接地の雨滴などは、接地した人体とは異なり、コンデンサＣを構成しない。

即ち、電極６、７に非接地の雨滴などが最接近すると、直列共振回路は、静電容量が増加し、直列共振周波数が低くなる。また、同時に、コンデンサＣ２の静電容量の増加によって、コンデンサＣ２と抵抗器Ｒの直列接続部は、インピーダンスが減少する。コンデンサＣ３の接続部は、インピーダンスが変化しない。すると、コンデンサＣ２と抵抗器Ｒの直列接続部は、電流が増加して、検出電圧Ｖが増加する。結局、検出電圧Ｖと発信源Ｅの交流の周波数の関係は、図１２の線図に鎖線で示すように、直列共振の特性曲線が周波数の低い方に移動すると共に、検出電圧の高い方に移動する。

図１２の線図において、実線で示す初期設定の直列共振周波数より少し高い発信周波数では、実線で示す初期設定の特性曲線と鎖線で示す雨滴付着時の特性曲線が交差する。その発信周波数付近では、雨滴の付着で検出電圧が変化しない、又は、ほとんど変化しない。雨滴などの付着に対して無感の発信周波数が存在する。発信周波数を無感の発信周波数に設定すると、雨滴などの付着で誤動作しない。

なお、雨滴などによる誤動作を防止する場合には、感知部は、電極６と遮蔽電極８の間に雨滴などが最接近しない構成にする。

［他の電気回路（図１３参照）］
他の電気回路は、図１３に示すように、図９に示した電気回路における「巻き線間静電容量Ｃ１を有するコイルＬ」と「電極６と電極７で構成されるコンデンサＣ２」を入れ替えている。コイルＬとコンデンサＣ２の直列接続回路、直列共振回路は、図９に示した電気回路におけるのと同様である。

１）一の電極と他の電極でコンデンサを構成し、電極に検出対象物の人体などが接近すると、両電極間の静電容量が変化し、静電容量の変化で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、
一の電極は、表面積の少ない線状の形状にし、他の電極は、表面積の多い面状の形状にし、
線状電極と面状電極は、間隔を置いて並列し、線状電極が面状電極に隠れない側を前側の検出領域にしたことを特徴とする。
２）上記の静電容量型近接センサにおいて、
線状電極は、電線にし、
面状電極は、平板、又は、平板を屈曲した屈曲板、若しくは、平板を折り曲げた折り曲げ板にし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、
面状電極の後側には、間隔を置いて遮蔽電極を並列して対面し、遮蔽電極を接地する構成にしたことを特徴とする。
４）上記の静電容量型近接センサにおいて、
線状電極と面状電極によるコンデンサを含む電気回路を構成し、電気回路の特定個所の電圧又は電流を検出する構成にし、前側の検出領域で検出対象物が接近すると、検出電圧又は検出電流が変化する構成にしたことを特徴とする。
５）上記の静電容量型近接センサにおいて、
線状電極と面状電極によるコンデンサ、面状電極に接続したコイル、抵抗器と発信源を接続して直列共振回路を構成し、抵抗器の両端の電圧又は直列共振回路を流れる電流を検出する構成にし、
発信源の発信周波数を直列共振周波数より高く設定し、前側の検出領域で検出対象物が接近すると、直列共振周波数が低くなって検出電圧又は検出電流が減少し、検出対象物ではない雨滴などが最接近すると、直列共振周波数が低くなると共にインピーダンスが減少し、検出電圧又は検出電流が変化しない、又は、ほとんど変化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は、前側の検出領域で検出可能距離が長い。後側の領域では検出可能距離が短い。誤動作が少ない。

実施形態の静電容量型近接センサは、図１４に示すように、遮蔽電極付き電極を内蔵した感知部１１をシールド線１９、２０のケーブルで電気回路部３１に接続している。

感知部１１は、図１４〜図１６に示すように、遮蔽電極１２、絶縁シート１３、面状電極１４と線状電極１７及びコイル１８を内蔵している。

遮蔽電極１２は、金属板で帯状ないし長方形状の平板であり、片側の板面に絶縁シート１３を重ねている。絶縁シート１３は、電気絶縁体であり、遮蔽電極１２とほぼ同形同寸で、遮蔽電極１２と長さ方向を揃えている。絶縁シート１２の片側の面には、面状電極１４を重ねている。面状電極１４は、図８に示した形態の屈曲板の金属板であり、後側に後側板１５を、前側の両側に前側板１６を有している。後側板１５は、遮蔽電極１２や絶縁シート１３より一回り小さい帯状ないし長方形状の平板であり、絶縁シート１３と長さ方向を揃えている。遮蔽電極１２と面状電極１４の後側板１５の間には、絶縁シート１３を挟んでいる。両側の前側板１６の間には、線状電極１７を前側板１６と長さ方向を揃えて配置している。線状電極１７は、丸棒の金属線、電線であり、面状電極１４とほぼ同じ長さで、両側の前側板１６と後側板１５から等距離に位置している。遮蔽電極１２、面状電極１４と線状電極１７は、間隔を置いて並列している。

面状電極１４の片端側には、コイル１８とケーブル１９、２０の一端を配置している。コイル１８は、インダクタンスＬと巻き線間静電容量Ｃ１を有する。ケーブル１９、２０は、２本のシールド線１９、２０を束ねている。コイル１８は、一端を面状電極１４に電線２１で接続し、他端をシールド線１９の心線に接続している。他のシールド線２０は、心線を線状電極１７に接続している。両シールド線１９、２０の被覆網線は、遮蔽電極１２に接続している。

遮蔽電極１２、絶縁シート１３、面状電極１４、線状電極１７、コイル１８、電線２１とケーブル１９、２０の一端は、合成樹脂液に没入し、合成樹脂液を硬化してケース２２に成形している。ケース２２は、合成樹脂成形品の電気絶縁体であり、帯状ないし長方形状の平板形状である。ケース２２の線状電極１７側は、線状電極１７が面状電極１４に隠れず、前側の領域であって検出領域である。遮蔽電極１２側は、線状電極１７が面状電極１４に隠れ、後側の領域である。

面状電極１４と線状電極１７は、コンデンサＣ２を構成している。面状電極１４と遮蔽電極１２は、コンデンサＣ３を構成している。面状電極１４とコイル１８及び電線２１は、ケース２２に埋没し、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ＬＣ直列共振特性のずれが生じ難い。

電気回路部３１は、発信源Ｅ、抵抗器Ｒ、抵抗器Ｒの両端の電圧Ｖの変化を検出する回路又は機器とケーブル１９、２０の他端を内蔵している。発信源Ｅは、一端を抵抗器Ｒの一端に、他端をシールド線１９の心線に接続している。抵抗器Ｒの他端は、シールド線２０の心線に接続している。両シールド線１９、２０の被覆網線は、発信源Ｅと抵抗器Ｒの間に接続している。発信源Ｅと抵抗器Ｒの間は、接地している。電気回路は、図１７に示すように、インダクタンスＬのコイル１８と、面状電極１４と線状電極１７によるコンデンサＣ２を直列接続している。図９に示したＬＣ直列共振回路と同様である。発信源Ｅの発信周波数は、直列共振周波数より少し高い発信周波数、雨滴などの付着に対して無感の発信周波数に設定している。

ケース２２の前側の検出領域では、検出対象物の人体に対して検出可能距離が長い。２００ｍｍ位になる。ケース２２の後側の領域では、人体の検出がほとんどない。ケース２２の前面に検出対象物外の雨滴などが付着しても、動作しない。

［変形例］
１）上記の実施形態において、線状電極１７は、断面形状が円形であるが、角形にする。
２）上記の実施形態において、面状電極１４は、形態が屈曲板であるが、図１１に示した折り曲げ板、図１０に示した２枚の平板、又は、図７に示した１枚の平板にする。

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。

本発明の静電容量型近接センサの電極の実験例１の斜視図。 同電極の実験例２の斜視図。 電極の比較例の斜視図。 同静電容量型近接センサの電気回路の実験例の図。 同実験例の電気回路における検出電圧と発信源の周波数の関係を示す線図。 同実験例における検出電圧と検出対象物の距離の関係を示す線図。 同静電容量型近接センサの遮蔽電極付き電極の例１の斜視図。 同静電容量型近接センサの遮蔽電極付き電極の例２の斜視図。 同遮蔽電極付き電極の電気回路の例の図。 同遮蔽電極付き電極の他の例の斜視図。 同遮蔽電極付き電極の更に他の例の斜視図。 図５と同様な線図で、無感の発信周波数、雨滴などの付着による不動作を示す図。 同遮蔽電極付き電極の電気回路の他の例の図。 本発明の実施形態の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ケース破断正面図。 図１５のＡ−Ａ線断面拡大図。 同静電容量型近接センサの電気回路図。

符号の説明

１ 線状電極、電線
２ 面状電極、平板、金属板
３、４ 面状電極、屈曲板、金属板
３ 面状電極の後側板
４ 面状電極の前側板、面状電極
４、５ 面状電極、折り曲げ板、金属板
５ 面状電極の溝形板
６ 電極
７ 電極
８ 遮蔽電極、平板、金属板
１１ 感知部
１２ 遮蔽電極、平板、金属板
１３ 絶縁シート、電気絶縁体
１４ 面状電極、屈曲板、金属板
１５ 面状電極の後側板
１６ 面状電極の前側板
１７ 線状電極、丸棒の金属線、電線
１８ コイル
１９、２０ ケーブル、ケーブルのシールド線
１９ シールド線
２０ シールド線
２１ 電線
２２ ケース、合成樹脂成形品の電気絶縁体
３１ 電気回路部
Ｅ 発信源
Ｌ コイル、インダクタンス
Ｃ１ コイルの巻き線間静電容量
Ｃ２ 電極によるコンデンサ
Ｃ３ 遮蔽電極によるコンデンサ
Ｃ 人体によるコンデンサ
Ｒ 抵抗器
Ｖ 電圧、検出電圧

Claims (5)

1. 一の電極と他の電極でコンデンサを構成し、電極に検出対象物の人体などが接近すると、両電極間の静電容量が変化し、静電容量の変化で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、
   一の電極は、表面積の少ない線状の形状にし、他の電極は、表面積の多い面状の形状にし、
   線状電極と面状電極は、間隔を置いて並列し、線状電極が面状電極に隠れない側を前側の検出領域にしたことを特徴とする静電容量型近接センサ。
2. 線状電極は、電線にし、
   面状電極は、平板、又は、平板を屈曲した屈曲板、若しくは、平板を折り曲げた折り曲げ板にし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. 面状電極の後側には、間隔を置いて遮蔽電極を並列して対面し、遮蔽電極を接地する構成にした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。
4. 線状電極と面状電極によるコンデンサを含む電気回路を構成し、電気回路の特定個所の電圧又は電流を検出する構成にし、前側の検出領域で検出対象物が接近すると、検出電圧又は検出電流が変化する構成にしたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の静電容量型近接センサ。
5. 線状電極と面状電極によるコンデンサ、面状電極に接続したコイル、抵抗器と発信源を接続して直列共振回路を構成し、抵抗器の両端の電圧又は直列共振回路を流れる電流を検出する構成にし、
   発信源の発信周波数を直列共振周波数より高く設定し、前側の検出領域で検出対象物が接近すると、直列共振周波数が低くなって検出電圧又は検出電流が減少し、検出対象物ではない雨滴などが最接近すると、直列共振周波数が低くなると共にインピーダンスが減少し、検出電圧又は検出電流が変化しない、又は、ほとんど変化しない構成にしたことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の静電容量型近接センサ。

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