JP3465636B2

JP3465636B2 - 物体検知装置及び物体検知方法

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Publication number: JP3465636B2
Application number: JP17403999A
Authority: JP
Inventors: 英治笠井; 暁紀加藤; 三佐子稲上
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2003-11-10
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JP2000046955A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば物質や液
体、粉体、人体等の有無、又は人体の子供、大人の別等
の種類を検知する高周波利用の物体検知装置及び物体検
知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の物質や液体の有無又は種類を検知
する検知装置には、物質に通電して、例えばその電位降
下を見る通電法、物体との接触による誘電法を用いるも
の、あるいは近接スイッチや光電式、超音波式のスイッ
チが使用されている。また、従来、人体の有無を検知す
るものとして、重さを測定する重量センサ、人体の接近
により変化する静電容量を用いる静電容量センサ、人体
による光の反射、遮断等を検知する光センサ、さらに他
の赤外線センサ、超音波センサ等が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の物体検
知装置は、静止した人体を荷物等と安定して区別するこ
とはできなかった。重量センサは重い荷物を置いたとき
に誤動作をし、光センサは遮光するものならどのような
物質でも物質有りと誤動作する。また、超音波センサは
反射するものならどのような物質でも物質有りと誤動作
する。さらに、赤外線センサでは、動きをとらえて人体
有りと判断するので、静止した人体では、反応しないと
いう問題点がある。

【０００４】また、よく使用されているセンサ（物体検
知装置）として椅子に設けた静電容量センサがあるが、
周囲の影響を受けやすく、足を床から離すと誤動作する
という問題点もある。また、足が床に届かない子供では
反応しない問題点もある。この発明は上記問題点に着目
してなされたものであって、従来の物体検知装置の問題
点を解消し、静止した人体でも人体以外の物体と区別し
て精度良く検知できる人体検出用の物体検知装置、人体
以外の物体を検知できる物体検知装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願の特許請求の範
囲の請求項１に係る物体検知装置は、異なる周波数の高
周波信号を発振し得る発振部と、この発振部からの高周
波信号を受ける共振回路を含むセンサ部と、このセンサ
部の外部近傍の状況に応じた異なる周波数毎の反射波信
号を検知し、これら異なる周波数毎の反射波に応じた信
号を出力する検知部と、この検知部の複数の周波数に対
する出力データから、物体の検知を行う制御部とを備え
ている。

【０００６】この物体センサでは、発振部より高周波信
号をセンサ部に供給する。そして、発振部の発振周波数
は、所定の範囲にわたり、自動的にあるいは手動により
変化し、走査される。センサ部に供給された高周波信号
は、センサ部の外部状況により、反射波が発生する。こ
の異なる周波数毎の反射波は検出部で検出され、出力さ
れる。異なる周波数毎の反射波は、外部状況の相違、例
えば空気、物体、人体等によって透磁率が相違し、その
透磁率の相違によってインピーダンスが異なるため、周
波数に応じ異なるレベルで発生する。センサ部の近くに
何も存在しない場合か、荷物等が存在する場合は、例え
ば図１３に示すように、ある周波数で極端に反射波が小
さくなる。つまりＱが高くなる。しかし、人体が存在す
る場合は、共振特性を持つもののＱが低く、反射波が常
に基準値以上存在する。したがって、周波数の走査範囲
内での反射波の大小により、荷物や人体の検知を行うこ
とができる。

【０００７】また、請求項５に係る物体検知装置は、異
なる周波数の高周波信号を発振し得る発振部と、人体の
検知部の大きさに応じたコイルを持つ共振回路を含むセ
ンサ部と、このセンサ部の外部近傍の状況に応じた異な
る周波数毎の反射波信号を検知し、これら異なる周波数
毎の反射波信号に応じた信号を出力する検知部と、この
検知部の複数の周波数に対する出力データから、人体と
その他の物体とを識別して検知を行う制御部とを備えて
いる。

【０００８】また、請求項９に係る物体検知方法は、発
振部で高周波信号を発生し、順次その高周波信号の周波
数を変化させながら、共振回路を含むセンサ部に供給
し、発振した各周波数に対する各反射電力を測定し、こ
の各周波数と反射電力の関係から、荷物あるいは人体等
の物体を検知するようにしている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態により、この発
明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施
形態である人体センサに適用される前提となる物体検知
装置の構成を示す回路図である。この物体検知装置は、
センサ部１と、このセンサ部１に伝送路４を介して高周
波信号を伝送する発振部２と、センサ部１に供給された
高周波信号がセンサ部１で反射されて発振部２側に戻る
反射信号を検出する反射波センサ部３とから構成されて
いる。検知部の一例としての反射波センサ３およびセン
サ部１は、受動素子のみからなり、能動素子を含んでい
ない。

【００１０】センサ部１は、ここでは検知コイル１１
と、この検知コイル１１と直列共振回路を形成する共振
用コンデンサ１２と、１次側が入力側の共振回路に接続
され、２次側が高周波入力端子１４とアースＧＮＤに接
続される実数用トランス１３とから構成されている（図
２参照）。もっとも、共振回路は並列共振回路を用いて
もよい。

【００１１】発振部２は、ここでは水晶振動子を使用し
た発振回路を採用しているが、発振回路自体は、周知の
高周波発振回路であれば他の回路でもよく、例えば、Ｌ
Ｃ発振器やＰＬＬを用いたものであってもよい。発振部
２の出力周波数は、ここでは４０．６８ＭＨｚを採用し
ているが、１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚが非磁性体を検出
し、しかも装置を小型に保つ上で適切である。また、反
射波センサ部３は、方向性結合器を含み、センサ部１か
らの反射波を電力として検出し、電圧に変換している。
すなわち、伝送路４に接続されるコンデンサ３１、この
コンデンサの一端に接続される抵抗３２とコイル３３の
並列回路であり、コイル３３が伝送路４にＭ結合され、
並列回路の他端がダイオード３４のアノードに接続さ
れ、ダイオード３４のカソードがコンデンサ３５を介し
てＧＮＤ接続されるとともに、カソードからアナログの
出力信号、すなわち電圧に変換された反射波を導出する
ようになっている。ここで使用している反射波センサ
は、このようにＣＭ結合のものを用いているが、ＭＭ結
合方法によるもの等、他のセンサを用いてもよい。

【００１２】この物体検知装置では、発振部２より伝送
路４を介してセンサ部１に高周波信号が供給される。
今、例えば共振回路の共振周波数が発振部２の周波数と
一致するように設定されており、検知物体（又は物質）
が存在しない周囲が空気のときに、センサ部１のインピ
ーダンス（ここでは、虚数部が零で実装部のみの５０
Ω）と伝送路４のインピーダンスの整合が取れていると
すると、送られてきた高周波信号の反射がほとんど０で
あり、反射波センサ３からの出力が０となるのて、物体
無しを検知できる。

【００１３】もし、物体が存在すると、空気とその物体
の透磁率の相違から、センサ部１は磁気的影響を受け、
インピーダンスが変化する。センサ部１のインピーダン
スが整合インピーダンスより大きくずれると、反射信号
も大となり、この反射信号が反射センサ部３で検出さ
れ、反射波すなわちインピーダンスの変化に応じたアナ
ログ信号が出力されるので、物体の存在を検知すること
ができ、以上より、物体の有無を知ることができる。物
質や物体の有無を検出するのに、検出部で反射波を検知
しているが、物質や物体の透磁率の差異さえ検出できれ
ばよい。また、センサ部１の共振時には、共振回路のイ
ンピーダンスの虚数部の数値は零付近に設定されてい
て、物質や物体検知時には、インピーダンスの虚数値の
増大に応じたアナログ信号を検知部から出力するように
してもよい。

【００１４】ところで、透磁率の低い物質や、液体の判
別に上記実施例装置の如き反射波を用いると、反射波の
変化そのものは非常に少なく、図５のａのように反射波
の最低点から測定すると、反射波の変化に対する出力電
圧の変化が小さくなってしまう。したがって、図５のも
っとも傾斜の多い８０％以内の反射位置（例えばｂの位
置）から測定を始めると反射波に対する出力電圧の変化
が大きく、センサとしての感度が高くなる。この場合
は、発振部２の発振周波数をセンサ部１の共振周波数よ
りずらし、共振特性の勾配の急な点の周波数に設定す
る。

【００１５】なお、センサ部１の検知コイル１１は空心
の巻線ではなく、図３に示すように、トロイダルコア１
５の一部１５ａを切断したＣ型のものに巻回することに
より、磁束を集中させることができ、漏洩磁界の軽減と
感度上昇を得ることができる。この切断部の形状、大き
さを変えることによって種々の物質や液体に対応するこ
とができる。

【００１６】また、上記物体検知装置では、反射電力を
検出して、その大小により物質の有無、種類等を検出す
る例を示したが、他の実施例として、図４に示すよう
に、センサ部１と発振部２間の伝送路４上で、反射波の
位相、電圧、電流値のどれか一つ以上を検知部３で検知
し、反射電力に換算するのと、同様に扱うことのできる
信号を得ることができる。なお、発振部２と検知部３と
を同一基板上に設け、センサ部１と検知部３とをケーブ
ルで結合し、センサ部１を発振部２と検知部３とから分
離、独立して構成すると、センサ部１の取付け位置の自
由度が増し、センサ部１の取替えも簡単にできるように
なる。

【００１７】図６は、この発明の他の一実施形態である
人体と他の物体の別を検知する物体検知装置（人体セン
サ）の構成を示す回路図である。この人体センサは、セ
ンサ部１と、このセンサ部１に伝送路４を介して高周波
信号を伝送する発振部２と、センサ部１に供給された高
周波信号がセンサ部１で反射されて発振部２側に戻る反
射信号を検出する反射波センサ部３と、検出された反射
信号を取り込んで信号処理する制御部５と、から構成さ
れている。基本的な構成は、図１に示した装置と変わる
ところはない。

【００１８】センサ部１は、ここでは検知コイル１１
と、この検知コイル１１と直列共振回路を形成する共振
用コンデンサ２２と、１次側が入力側の共振回路に接続
され、２次側が高周波入力端子１４とアースＧＮＤに接
続される実数用トランス１３とから構成されている。も
っとも、共振回路は並列共振回路を用いても良い。検知
用コイル１１は、図７に示すように、人体の一部の測定
部、ここでは臀部の大きさに応じた直径２００ｍｍの１
回巻きの円形の空芯のコイルが使用され、コイル２１以
外のセンサ部１、発振部２、反射センサ部３、制御部５
は回路ケース体４０に収納される。また、検知用のコイ
ル１１は、図８に示すように、直径２００ｍｍのコイル
１１ａと直径１００ｍｍのコイル１１ｂの２個設け、用
途に応じ、これら１１ａ、１１ｂのいずれかを選択して
使用しても良いし、これらを直列接続して使用しても良
い。

【００１９】また、図９に示すように、検知用コイル１
１を縦断面視Ｅ形の磁性体コア１８に巻回し、コイル１
１の面に直交する一方向にのみ磁界を発生するようにし
てもよい。また、検知する対象によって、コイルの巻
数、径を適宜変更してもよい。なお、検知用コイル１１
の導線としては、高周波信号の良導体であるＡｕ
（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニュウ
ム）等が使用される。コイル１１を良導体で形成するこ
とにより、感度がアップし、高周波電力損失が軽減され
る。

【００２０】発振部２は、ここではＬＣ共振型の発振回
路を用いているが、発振回路自体は、周知の高周波発振
回路であれば他の回路でもよく、例えば水晶発振器やＰ
ＬＬを用いたものであってもよい。なお、発振部２に
は、可変コンデンサ４１を含み、この可変コンデンサ４
１の容量を自動的に変化させることにより、発振部２よ
り出力する高周波信号の周波数を、例えば、３０ＭＨＺ
〜５０ＭＨＺの範囲で走査する。走査機構は、発振部２
自身に備えていても良いし、制御部５０からの指令に応
じて、変化させてもよい。

【００２１】また、反射波センサ部３は、図１に示した
ものと同じである。制御部５０は、Ａ／Ｄ変換器５１、
ＣＰＵ５２を備え、反射波センサ部３からのアナログ信
号をディジタル信号に変換し、反射波レベル及び周波数
から論理処理し、空席、荷物、人体の着座等の判別検知
処理を実行する。上記した実施形態人体センサは、図１
０に示すように、座席（乗用車、列車、劇場等）６１の
座部の内部に埋込む態様で組み込まれたり、図１１に示
すように座布団６２の内部に埋込む態様で組み込まれ
る。座席の場合、背もたれ、内部に設けてもよい。

【００２２】この実施形態人体センサでは、発振部２で
高周波信号を発生し、伝送路４を介してセンサ部１に供
給される。発振部２の高周波信号は、上記したように、
３０ＭＨＺ〜５０ＭＨＺの範囲で走査される。センサ部
１に供給された高周波信号は、センサ部１で反射され
る。センサ部１では、検知コイル１１の近傍に置かれる
物体により、物体の透磁率が相違するところから、セン
サ部１のインピーダンスが相違し、コイル１１の近傍、
つまり外部状況によって発生する反射波のレベルが相違
する。この反射波を反射波センサ部３で検出し、制御部
５０でその反射波レベルと周波数から、空席、荷物、人
体等の別を判別検知する。

【００２３】図１２は、この発明の他の実施形態人体セ
ンサを示す回路図である。この実施形態人体センサは、
センサ部１及び反射波センサ部３は、図６に示したもの
と同様である。発振部２は、ＰＬＬ発振器４９を使用す
る点で、図６のものと相違する。発振部２は、制御部５
０のＣＰＵ５２からの指令により、高周波発振周波数を
変化する。

【００２４】上記実施形態人体センサを図１０、図１１
のように、座席６１あるいは座布団６２に組込んだ状態
において、発振部２を発振させると、空席の場合、子供
が着座した場合、大人が着座した場合、及び荷物を載置
した場合の、反射波の特性は図１３のａ、ｂ、ｃ、ｄに
示す特性となる。これによると、ａ、ｄの空席、及び荷
物を載置した場合は、ある周波数で反射波が非常に小さ
く、Ｑが高い。ｂ、ｃの人体が着座した場合は、ある周
波数で反射波が小さくなるが、変化の程度が小さく、Ｑ
が小さい。このような反射波の周波数特性の相違は、空
席（空気）、荷物、人体等の透磁率の相違によって生じ
るものである。

【００２５】したがって、図１４に示すように、反射波
センサ部３より検出される反射波レベルが、基準値Ｓ_R
より、全周波数範囲にわたり大きければ、人が着座して
おり、逆に基準値Ｓ_Rより低い反射波の周波数があれ
ば、空席かあるいは荷物が載置されていることを示す。
制御部５０のＣＰＵ５２で、上記人体、空席、荷物の判
別処理を行う。このような処理は、図２２の人体センサ
でも同様に行われる。

【００２６】次に、上記、図１２の実施形態人体センサ
における検知処理動作を、図１５に示すフロー図により
説明する。先ず、ＣＰＵ５２では、周波数設定カウンタ
を０にする〔ステップＳＴ１〕。そして、周波数設定カ
ウンタのカウント値を発振部２のＰＬＬ発振器４９にセ
ットする〔ステップＳＴ２〕。

【００２７】この状態で発振部２は、セットした値に対
応する周波数で、高周波信号を発振する。この高周波信
号は、伝送路１４を経て、センサ部１に供給される。そ
して、外部状況に応じた反射信号が、反射波センサ３で
検出される。ＣＰＵ５２は、Ａ／Ｄ変換部５１を通して
反射波のＡ／Ｄ変換されたものを読み込む（ステップＳ
Ｔ３）。

【００２８】次に、読み込んだ反射波のＡ／Ｄ値が規定
値（７５）以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ
４）。反射波が規定値以上の場合は、周波数設定カウン
タを１インクリメント（ステップＳＴ５）し、周波数設
定カウンタのカウント値が１６になったかを判定する
（ステップＳＴ６）。当初は、カウント値が１６に達し
ていないので、ステップＳＴ２に戻り、１だけインクリ
メントした周波数設定カウンタのカウント値をＰＬＬ発
振器４９にセットし、その新しいカウント値に対応した
周波数で、発振部２を発振させる。そして、前回と同
様、ステップＳＴ２、…、ステップＳＴ６の処理を繰り
返す。

【００２９】周波数設定カウンタのカウント値が１６に
なるまでに、反射波のＡ／Ｄ値が規定値（７５）より小
さいと、ステップＳＴ４の判定がＮＯとなる。この場合
は、図３０に示すように、反射波レベルがある周波数で
基準値Ｓ_Rよりも小さくなったものであり、この場合は
Ｑが高く、空席か荷物であり、したがって人体はないと
判定する（ステップＳＴ７）。また、周波数設定カウン
タのカウント値が１６になると、一回の周波数変化の走
査が終了したことになり、この時点でも、なお反射波の
Ａ／Ｄ値が規定値より小さいものがない場合は、図１４
において、走査周波数範囲に亘り、反射波レベルが規定
値Ｓ_R以上であるとことを示す。そのため、ステップＳ
Ｔ６で周波数設定カウンタのカウント値が１６になった
時は、判定ＹＥＳで、人体が有ると判定する（ステップ
ＳＴ８）。

【００３０】図１６は、この発明の他の実施形態を示す
人体センサの回路図である。この実施例人体センサは、
図６に示したものの発振部１２と反射波センサ部３間に
アッテネータ１０を設けたものである。アッテネータ１
０は、抵抗１０４、１０５、１０６から構成されるπ形
回路が使用されているが、他の型式のものを用いてもよ
い。

【００３１】センサ部１のインピーダンスが測定物によ
って大きく変化すると、反射波センサ３の信号が増大す
る。このとき、発振部２の負荷インピーダンスとセンサ
部１の入力インピーダンスの整合が取れていないため、
発振部２は不安定な動作となる。この不安定な動作を防
ぐために、アッテネータ１０を発振部２の出力側に配
し、発振部２の出力の一部を常に抵抗に消費させ（５０
％程度が望ましい）、インピーダンス変化が激しく整合
の取れないときでも、発振部２の負荷インピーダンスを
ある程度一定化することで、発振部２が安定動作するよ
うにしている。アッテネータ１０は、図６、図１２の回
路に設けてもよい。

【００３２】なお、上記実施形態では、反射波センサ３
で反射波レベルを検出しているが、定圧波比（ＳＷＲ）
を測定してもよい。この例については後述する。また、
他の実施形態として、発振部で発生させた高周波信号
を、伝送路を介してセンサ部に供給し、検出部で伝送路
から送られてくる高周波信号に対する位相のずれを検出
してもよい。

【００３３】また、他の実施形態として、発振部で高周
波信号を発生し、この高周波信号を伝送路を介して、共
振回路を含むセンサ部に供給し、空席、荷物、人体等の
外部の状況に応じて、センサ部の電圧、もしくは電流を
検出し、この電圧もしくは電流により物体を検知しても
よい。また、上記実施形態では、空席、荷物、人体を識
別検知する人体センサについて説明したが、この発明
は、荷物以外の種々の物を検知する物体の検知装置とし
ても広く適用できる。

【００３４】

【発明の効果】この発明によれば、発振器の周波数を変
更して物体検出を行うので、静止人体と荷物の分別が可
能である。また、人体検知を行う場合に、人体に接触す
る必要がない。衣類に影響されない。体重に影響されな
い。子供でも検知が可能である。電磁界イミュニティに
強い。高分解能である。等の種々の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態である人体とその他の物
体の別を検知する装置に適用する物体検出装置の構成を
示す回路図である。

【図２】同物体検出装置のセンサ部の回路図である。

【図３】同センサ部に使用されるトロイダルコアに巻回
した検知コイルを示す図である。

【図４】他の実施形態を説明するブロック図である。

【図５】センサ部の反射特性を示す図である。

【図６】この発明の一実施形態人体センサの回路図であ
る。

【図７】同実施形態人体センサの検知用コイルを説明す
る図である。

【図８】同実施形態人体センサに使用される他の検知用
コイルを説明する図である。

【図９】同実施形態人体センサに使用される、さらに他
の検知用コイルを説明する図である。

【図１０】同実施形態人体センサを座席に組込んだ場合
を説明する図である。

【図１１】同実施形態人体センサを座布団に組込んだ場
合を説明する図である。

【図１２】この発明の他の実施形態人体センサを示す回
路図である。

【図１３】同実施形態人体センサにおける空席、着座
（子供）、着座（大人）、荷物の別による発振部からの
信号による周波数と反射波の関係を示す図である。

【図１４】同実施形態人体センサにおける人体着座の検
知動作を説明するための周波数−反射波特性を示す図で
ある。

【図１５】同実施形態人体センサにおける着座検知動作
を説明するためのフロー図である。

【図１６】この発明のさらに他の実施形態人体センサを
示す回路図である。

【符号の説明】

１センサ部２発振部３反射波センサ部１４伝送路４１可変コンデンサ５０制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲上三佐子京都市右京区山ノ内山ノ下町24番地株式会社オムロンライフサイエンス研究所内 (56)参考文献特開平６−201841（ＪＰ，Ａ) 特開平６−167573（ＪＰ，Ａ) 特開平６−249963（ＪＰ，Ａ) 実開平３−55584（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 3/10 G01N 27/72 H03K 17/95

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる周波数の高周波信号を発振し得る発
振部と、この発振部からの高周波信号を受ける共振回路
を含むセンサ部と、このセンサ部の外部近傍の状況に応
じた異なる周波数毎の反射波信号を検知し、これら異な
る周波数毎の反射波に応じた信号を出力する検知部と、
この検知部の複数の周波数に対する出力データから、物
体の検知を行う制御部とを有することを特徴とする物体
検知装置。
【請求項２】前記共振回路のコイルは、１回巻き以上の
空芯のコイルであることを特徴とする請求項１記載の物
体検知装置。
【請求項３】前記共振回路のコイルは、磁性材に巻回し
たコイルであることを特徴とする請求項１記載の物体検
知装置。
【請求項４】前記センサ部の共振回路は、複数個のコイ
ルを含むことを特徴とする請求項１記載の物体検知装
置。
【請求項５】異なる周波数の高周波信号を発振し得る発
振部と、人体の検知部の大きさに応じたコイルを持つ共
振回路を含むセンサ部と、このセンサ部の外部近傍の状
況に応じた異なる周波数毎の反射波信号を検知し、これ
ら異なる周波数毎の反射波信号に応じた信号を出力する
検知部と、この検知部の複数の周波数に対する出力デー
タから、人体とその他の物体とを識別して検知を行う制
御部とを有することを特徴とする物体検知装置。
【請求項６】前記コイルは、座席に組み込まれているこ
とを特徴とする請求項５記載の物体検知装置。
【請求項７】前記コイルは、座布団に組み込まれている
ことを特徴とする請求項５記載の物体検知装置。
【請求項８】前記コイルは、高周波信号の良導体材料で
形成されていることを特徴とする請求項５、請求項６ま
たは請求項７記載の物体検知装置。
【請求項９】発振部で高周波信号を発生し、順次その高
周波信号の周波数を変化させながら、共振回路を含むセ
ンサ部に供給し、発振した各周波数に対する各反射電力
を測定し、この各周波数と反射電力の関係から、荷物あ
るいは人体等の物体を検知することを特徴とする物体検
知方法。