JP3972064B2 - センサ装置及び安全装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の領域内に人体等の一部または全体が入ったことを検知するセンサ装置及び安全装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や加工装置、検査装置、搬送装置等の駆動機構を有する装置においては、駆動部が外部に露出しているものや、外部から容易に駆動部に接近することができるものがある。例えば、プラスチックチップから検査用の薄い試料片を作るための圧延装置では、一対の圧延ローラー間にチップを手で投げ入れる構成となっており、そのため、圧延ローラー間にチップを投げ入れる際に手が圧延ローラーに触れるおそれがある。
【０００３】
そこで、通常この種の機械装置には、作業員の安全を確保するために安全装置が設けられており、人体の一部が駆動部に近付いたことをセンサ装置により検知し、駆動部を停止するなどの措置を採っている。
安全装置のセンサ装置としては、例えば特開昭６３−２１６６９２号公報や特開平１−３１７９８７号公報に記載のものが挙げられる。これらの公報に記載されているセンサ装置は、対向して配設された一対の電極板から構成された静電容量型センサである。
【０００４】
そして、これらの電極板間の静電容量の変化を検出することで、電極板間を人体の一部が横切ったか否かを検知するものである。
この静電容量型センサは、人体が空気に比して相当に高い誘電率を有しているため、電極板間に人体の一部が置かれた場合に静電容量が大きく変化するという原理に基づいて構成されたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の静電容量型センサを用いた安全装置は、作業員の安全を確保するために欠くべからざるものである。しかし、断線、電極の破損や脱落、電源断等の故障が起こったり、あるいは電磁環境の変化や異常な温度上昇等の周辺環境の影響によりセンサが誤作動して、安全装置が正常に動作しない場合には、不測の事故を防止するために駆動部を停止させるなどの適切な措置をとる必要がある。しかも、このような故障や誤作動はいつ発生するか予測できないので、常時監視する必要がある。
【０００６】
従って、本発明は、センサが正常に動作しているか否かを常時監視し、安全性をより向上させたセンサ装置及び安全装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明のセンサ装置は、接地された機器と所定の間隙をおいて配置された少なくとも１つの電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【０００８】
本発明の安全装置は、接地された機器の所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させるものであって、前記接地された機器と前記領域をはさんで配置された電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【０００９】
このように、本発明では、補助電極を用いて人体等の誘電体検知が正常に作動しているか否かを常時監視しているので、故障が生じても直ちに機器の停止等の措置をとることができ、安全性がより一層向上する。特に、本発明は、静電容量の変化によってセンサの正常性を監視する方式であるので、電磁環境変化や温度等の周辺環境の影響によりセンサが誤作動した場合にも、当該誤作動を静電容量の変化により直ちに認識し、必要な措置をとることができる。
また、本発明では、前記電極板の裏面側に配置されたガード板と、このガード板の裏面側に配置されて接地されたシールド板とを備えているのが好ましい。これにより、電極板の裏面側には電磁界が形成されないため、検知領域は電極板の間隙側の領域に限られることになり、その結果、誤検知が無くなり、安全装置においては必要領域においてのみ確実に作動させることができる。
【００１０】
本発明の他のセンサ装置は、所定の間隙をおいて互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【００１１】
また、本発明の他の安全装置は、所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させるものであって、前記領域をはさんで互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【００１２】
これらのセンサ装置及び安全装置においても、前記と同様に、補助電極により人体の検知の正常性の有無を定期的に監視しているので、故障の有無を直ちに認識することができ、より安全性を向上させることができる。
前記一対の電極板の非対向面側にはそれぞれ、接地されたシールド板を対向して配置させるのが望ましい。これにより、電極板のシールド板の存在により電極板の裏面側には電磁界が形成されなくなって、誤検知が無くなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。以下の説明で同じ参照符号は同じまたは均等の要素を指すものとする。以下、圧延機への適用と関連して説明するが、これは単なる例に過ぎず、限定されない。なお、本発明の静電容量型センサのセンサ装置には、対地間型、電極間型と電極・対地間型の３種類があるので、先ずこれらの対地間型、電極間型と電極・対地間型のセンサ装置について説明する。また、これらのセンサ装置における制御動作の理解を容易にするために、センサ装置が正常に動作しているか否かの監視手段については後述し、この監視手段を省いたセンサ装置の制御動作について説明する。
【００１４】
図１及び図２は、本発明が適用される圧延装置１０を示している。この圧延装置１０は、合成ゴム等のプラスチック材料のチップ１２を圧延して検査用の試料片１４を製造するためのものであり、一対の圧延ローラー１６、１８を備えている。
圧延ローラー１６、１８は、図２の矢印Ａ、Ｂで示すように、駆動系２０により互いに相反する方向に回転駆動される。したがって、圧延ローラー１６、１８間にチップ１２を投入すると、チップ１２は圧延ローラー１６、１８間で押し潰され、試料片１４となって下方に落下する。
【００１５】
ここで、図２に示すように、チップ１２の投入は人手によるため、手を圧延ローラー１６、１８に過度に近づけることは好ましくない。このため、この圧延装置１０には、本発明によるセンサ装置２２を用いた安全装置２４が設けられている。
【００１６】
このセンサ装置２２は、所定の間隔をおいて圧延ローラー１６、１８に対して平行に配設された１枚の電極板２６を備えている。この１枚の電極板２６は、圧延ローラー１６、１８の上方の位置に配置されている。電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、したがって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００１７】
また、電極板２６の裏面側、すなわち検知領域とは反対の面の側にはガード板２７及びシールド板２８が配置されている。このガード板２７とシールド板２８は、比較的小さな間隙をもって電極板２６に対して平行に配置されている。
また、ガード板２７とシールド板２８は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の良導体からなり、電極板２６の全面を完全に覆うことができる寸法形状としている。
【００１８】
電極板２６、ガード板２７及びシールド板２８は、圧延装置１０のフレーム３４に取り付けられた支持具４２によって支持されている。すなわち、支持具４２にシールド板２８が直接固定され、シールド板２８に絶縁材からなるスペーサ３１を介してガード板２７が絶縁材からなるボルト等により固定されている。また、電極板２６は絶縁材からなるスペーサ３３を介してガード板２７に絶縁材からなるボルト等により固定されている。言うまでもなく、圧延ロ−ラ−１６、１８は接地されている
【００１９】
このようにして構成することにより、電極板２６と接地された圧延ローラー１６、１８との間で静電容量結合を生じ、この電極板２６と圧延ローラー１６、１８との間に人体の一部が入ることにより、この静電容量が変化することになる。
【００２０】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、静電容量検出回路４４にその検知信号としての容量変化が入力されるようになっている。すなわち、電極板２６は二重同軸ケーブル４６の中心導体４８により静電容量検出回路４４の入力端子５０に接続されている。さらに、ガード板２７は二重同軸ケーブル４６の内側シールド線４９により静電容量検出回路４４の入力端子５１に接続され、シールド板２８は、二重同軸ケーブル４６の外側シールド線６６により静電容量検出回路４４の入力端子５２に接続されている。
【００２１】
静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたものであり、ブリッジの４辺のうち２辺に測定用電源５４、５６が介装されている。また、ブリッジの１辺は電極板２６と圧延ローラー１６、１８とで形成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が介装されている。
上記測定用電源５４、５６間の端子６０と、平衡キャパシタ５８の一端側が接続され、接地されている端子６２との間に、出力アンプ６４が設けてある。また、シールド板２８は二重同軸ケーブル４６の外側シールド線６６を介して接地されている。
【００２２】
図３に示す回路は、図１に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６と圧延ローラー１６、１８により形成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。
ここで、図３において、符号Ｃ0は、電極板２６と圧延ローラー１６、１８により形成される静電容量を示し、Ｃ1は、ガード板２７及び内側シールド線４９とシールド板２８及び外側シールド線６６により形成される静電容量である。また、ＣBは、平衡キャパシタ５８の静電容量を示すものである。さらに、Ｚｅ1、Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスを示し、Ｚｉは出力アンプ６４の内部インピーダンスを示している。
【００２３】
ここで、図３に示す回路の動作について説明する。電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に空気のみが存在している状態で測定用電源５４、５６を投入すると、電源５４から容量Ｃ1を通って流れる電流は、電源５４の電圧ｅ1が、Ｚｅ1ｉ1よりも十分に大きい場合、インピーダンスＺｉに流れる。
このとき、１／（ωＣ0）がＺｉよりも十分に大きい場合、電流ｉ1のほとんどがインピーダンスＺｉに流れる。電源５６から、電圧ｅ1と同一電圧ｅ2で容量CBを通って流れる電流ｉ2は、電流ｉ1に等しく位相差が１８０°とした場合、インピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。
今、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に、接地された誘電体（例えば、作業員の手）が入り込むと、誘電体の比誘電率に応じた容量Ｃ0が増加する。この増加分を△Ｃとすると、電流ｉ1はｅ1ω△Ｃだけ増加し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。また、誘電体が接地されておらず、いわゆるフローティングの状態でも容量Ｃ0が増加し、インピーダンスＺｉに同様に電流が流れて信号として出力され、人体の検知を行なうことができる。
【００２４】
このように、図３に示す回路では、電極板２６とガード板２７、シールド板２８との間で構成されるキャパシタや二重同軸ケーブル４６のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量の変化を正確に検出することができるものである。
【００２５】
また、静電容量検出回路４４の出力アンプ６４から出力される信号は制御装置６８に入力されており、この制御装置６８は、入力された信号に応じて制御信号を圧延装置１０の駆動系２０に出力し、圧延装置１０の緊急停止を適時行なうように構成されている。
図１に示すように制御装置６８は、入力部７０、出力部７２、ＣＰＵからなる中央演算処理部７４及びＲＡＭやＲＯＭからなる記憶部７６で構成されている。静電容量検出回路４４から入力部７０に入力された信号は、デジタル信号に変換されて中央演算処理部７４に送られる。
【００２６】
中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体としての人体の一部が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは、予め記憶部７６にデータとして格納されており、中央演算処理部７４では、このデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較する。そして、△ＣがＣｍｉｎを越えていると判断した場合、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に人体が存在していると検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に出力するようになっている。
【００２７】
このように、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際に、手が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の外側に位置している場合には、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。もちろん、チップ１２が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間を横切った際にも静電容量の変化は生じるが、その変化量は微小であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを越えることはない。
そして、手が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することになる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断することもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合も、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００２８】
また、対地間型のセンサ装置２２において、ガード板２７と接地されたシールド板２８が電極板２６の裏面側に離隔配置されているため、電極板２６の裏面側から圧延ローラー１６、１８以外の方向に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態になることはない。
【００２９】
次に、電極間型のセンサ装置２２の構成について図４〜図６により説明する。図４、図５に見られるようにこの電極間型のセンサ装置２２は、所定の間隔をおいて互いに平行に対向配置された一対の電極板２６、２９を備えている。一方の電極板２６は、圧延装置１０の一側であって圧延ローラー１６、１８間の真上の位置に配置され、他方の電極板２９は、圧延装置１０の他側であって圧延ローラー１６、１８間の真上の位置に配置されている。
これらの電極板２６、２９間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、よって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００３０】
また、各電極板２６、２９の裏面側、すなわち、検知領域とは反対の面の側にはシールド板３０、３２が配置されている。このシールド板３０、３２は、比較的小さな間隙をもって、対応の電極板２６、２９に対して平行に対向して配置されている。
また、シールド板３０、３２は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の良導体からなり、電極板２６、２９の全面を完全に覆うことができる寸法形状としている。
【００３１】
各側の電極板２６、２９及びシールド板３０、３２は、圧延装置１０のフレーム３４に設けられた支持板３６、３８によって支持されている。すなわち、支持板３６、３８にシールド板３０、３２が直接固定され、電極板２６、２９は絶縁材からなるスペーサ４０を介してシールド板３０、３２に絶縁材からなるボルト等により固定されている。
なお、図示の支持板３６、３８は、装置フレーム３４に設けられた支持シャフト４１に摺動可能に取り付けられており、その位置を任意に調整できるようになっている。
【００３２】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６、２９間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、対地間型の場合と同様な静電容量検出回路４４に接続されている。なお、静電容量検出回路４４及び制御装置６８の構成は基本的には対地間型の場合と同様であるが、電極間型の場合、対地間型と比較して細かい部分で異なるところがあるので、電極間型のセンサ装置２２についても詳細に説明する。なお、同一の機能を発揮する要素には、同一の番号を付している。
【００３３】
すなわち、各電極板２６、２９は、同軸ケーブル４７の中心導体４８を介して静電容量検出回路４４の入力端子５０、５２に接続されている。静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたものであり、ブリッジの４辺のうち２辺に測定用電源５４、５６が介装されている。
また、ブリッジの１辺は電極板２６、２９により構成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が介装されている。測定用電源５４、５６間の接地されている端子６０と、入力端子５２側の端子６２との間に出力アンプ６４が設けてある。また、各シールド板３０、３２は同軸ケーブル４７の外側シールド線６６を介して接地されている。
【００３４】
図６に示す回路は、図４に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６、２９により構成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。図６において、Ｃ0は、電極板２６、２９により規定される静電容量を示し、Ｃ1、Ｃ2はそれぞれ各側の電極板２６、２９とシールド板３０、３２との間、及び同軸ケーブル４７により規定される静電容量である。
さらに、ＣB は平衡キャパシタ５８の静電容量を示し、さらに、Ｚｅ1、Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスを示し、Ｚｉは出力アンプ６４の内部インピーダンスを示している。
【００３５】
ここで、図６に示す回路の動作について説明する。電極板２６、２９間に空気のみが存在している状態で、測定用電源５４、５６を投入すると、電源５４から容量Ｃ2を通って流れる電流は、電源５４の電圧ｅ1がＺｅ1ｉ1よりも十分に大きい場合、インピーダンスＺｉにはほとんど流れず、無視できる。
また、容量Ｃ0を通って流れる電流は容量Ｃ1とインピーダンスＺｉに分かれる。このとき、１／（ωＣ1）がＺｉよりも十分に大きい場合、電流ｉ1の殆どがインピーダンスＺｉに流れる。電源５６から電圧ｅ1と同一電圧ｅ2で容量ＣBを通って流れる電流ｉ2は、電流ｉ1に等しく位相差が１８０°とした場合、インピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。
【００３６】
今、電極板２６、２９間に接地された誘電体が入り込むと、容量Ｃ1とＣ2の一部となり、誘電体の比誘電率に応じた量だけ容量Ｃ0が減少する。この減少分を△Ｃとすると、電流ｉ1はｅ1ω△Ｃだけ減少し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。
また、誘電体が接地されておらず、いわゆるフローティングの状態では、容量Ｃ0が増加し、インピーダンスＺｉに逆方向に電流が流れる。
【００３７】
このように、図６に示す電極間型の回路では、電極板２６、２９とシールド板３０、３２との間で構成されるキャパシタや同軸ケーブル４７のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６、２９間の静電容量の変化を正確に検出することができるものである。
【００３８】
なお、静電容量検出回路４４からの検知信号を受けて緊急停止信号を出力する制御装置６８の構成は、図１に示す対地間型の場合と同様である。
制御装置６８の中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６、２９間の静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体として人体の一部が電極板２６、２９間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは、予め記憶部７６にデータとして記憶されている、中央演算処理部７４では、このデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較し、△ＣがＣｍｉｎを越えていると判断した場合、電極板２６、２９間に人体が存在するとして検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に出力するようになっている。
【００３９】
このように電極間型のセンサ装置２２を備えた安全装置２４においても、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際に、手が電極板２６、２９間の外側に位置している場合には、電極板２６、２９間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。
もちろん、チップ１２が電極板２６、２９を横切った際にも容量変化は生じるが、その変化量は微小であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを越えることはない。
【００４０】
そして、手が電極板２６、２９間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することとなる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断するようにすることもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合でも、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００４１】
なお、電極間型のセンサ装置２２においても、接地されたシールド板３０、３２が各電極板２６、２９の裏面側に離隔配置されているため、一方の電極板２６の裏面から他方の電極板２９に裏面側に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６、２９の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６、２９間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態となることはない。
【００４２】
図７及び図８は本発明の第３の実施形態として適用される接地／電極間型センサを備えた圧延装置１０を示している。この圧延装置１０は、合成ゴム等のプラスチック材料のチップ１２を圧延して検査用の試料片１４を作るためのものであり、一対の圧延ローラー１６、１８を有している。圧延ローラー１６、１８は、図８の矢印Ａ，Ｂで示すように、駆動系２０により互いに相反する方向に回転される。したがって、圧延ローラー１６、１８間にチップ１２を投入すると、チップ１２は圧延ローラー１６、１８間で押し潰され、試料片１４となって下方に落下する。
【００４３】
図８から理解されるように、チップ１２の投入は人手によるため、手を圧延ローラー１６、１８に過渡に近づけることは好ましくない。このため、この圧延装置１０には、本発明によるセンサ装置２２を用いた安全装置２４を設けている。
【００４４】
図示のセンサ装置２２は、所望の間隙をおいて互いに平行に対向配置された一対の電極板２６、２９を備えている。一方の電極板２６は、圧延装置１０の一側であって圧延ローラー１６、１８間の真上位置に配置され、他方の電極板２９は、圧延装置１０の他側であって圧延ローラー１６、１８間の真上位置に配置されている。これらの電極板２６、２９間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、よって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００４５】
各電極板２６、２９の裏面側、すなわち、検知領域とは反対の面の側にはガード板２３、２５と接地されたシールド板３０、３２が配置されている。ガード板２３、２５とシールド板３０、３２は、比較的小さな間隙をもって、対応の電極板２６、２９に対して平行に対向配置されている。また、ガード板２３、２５とシールド板３０、３２はステンレス綱、銅、アルミニウム等の良導体から成り、電極板２６、２９の全面を完全に覆うことができる寸法形状を有している。
【００４６】
各側の電極板２６、２９及びガード板２３、２５、シールド板３０、３２は、圧延装置１０のフレーム３４に設けられた支持板３６、３８によって支持されている。より詳細には、支持板３６、３８にシールド板３０、３２が直接固定され、シールド板３０、３２に絶縁性のスペーサ４０’を介してガード板２３、２５が絶縁性のボルト等により固定され、電極板２６、２９はスペーサ４０を介してガード板２３、２５に絶縁性のボルト等により固定されている。なお、図示の支持板３６、３８は、装置フレーム３４に設けられた支持シャフト４１に摺動可能に取り付けられており、その位置を調整できるようになっている。
【００４７】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６、２９間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、静電容量検出回路４４に接続されている。すなわち、各電極板２６、２９は、二重同軸ケーブル４６の中心導体４８により静電容量検出回路４４の入力端子５０、５２に接続されている。静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたもので、４辺ブリッジのうち２辺に測定用電源５４、５６が接続されている。また、４辺ブリッジの１辺は電極板２６、２９により構成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が設けられている。測定用電源５４、５６間の端子６０と電極板２６、２９間のキャパシタと平衡キャパシタ５８間の端子６２との間には出力アンプ６４があり、測定用電源５６の端子５０’は接地されている。また、各ガード板２３、２５と各シールド板３０、３２は二重同軸ケーブル４６の内側シールド線４９と外側シールド線６６を介して接地されている。
【００４８】
図９の回路は、図７に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６、２９により構成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。この図において、符号Ｃ0は、電極板２６、２９により規定される静電容量を示し、符号Ｃ1、Ｃ2はそれぞれ、各電極板２６、２９と圧延ローラー１６、１８により規定される静電容量を示し、Ｃ7はガード板２３、２５との間、及び二重同軸ケーブル４６により規定される静電容量、更に符号ＣB は平衡キャパシタ５８の静電容量を示すものである。また、符号Ｚｅ1，Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスであり、符号Ｚｉは、出力アンプ６４の内部インピーダンスである。
【００４９】
ここで、図９のみ示す回路の動作について説明する。電極板２９とシールド板３２間にガード板２５を、電極板２６とシールド板３０間にガード板２３を配置した時に生ずる静電容量をそれぞれＣ5、Ｃ6とし、ブリッジの平衡を得易くするため、電極板２６、２９間にＣ3を、電極板２９とシールド板３０間にＣB をそれぞれ付加する。電極板２６、２９間に空気のみが存在している状態で、電源ｅ1，ｅ2を投入すると、電源ｅ1からＣ0、Ｃ3の合成容量Ｃ03とインピーダンスＺｉを流れる電流をｉ1とした時、電源ｅ2からインピーダンスＺｉとＣ2，ＣBの合成容量Ｃ2Bを流れる電流ｉ2がｉ1に等しく、位相差が１８０度の場合にインピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。いま、電極板２６、２９間に誘電体が入り込むと、誘電体の比誘電率に応じた量だけ容量Ｃ0が減少する。この減少分を△Ｃとすると、電流ｉ1は、ｅ1ω△Ｃだけ減少し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。
【００５０】
このように、図７及び図９に示す回路では、電極板２６、２９とガード板２３、２５、シールド板３０、３２との間で構成されるキャパシタや二重同軸ケーブル４６のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６、２９間の静電容量の変化を正確に検出することが可能である。
【００５１】
静電容量検出回路４４の出力アンプ６４から出力される信号は制御装置６８に入力される。この制御装置６８は、入力された信号に応じて制御信号を圧延装置１０の駆動系２０に発し、圧延装置１０の緊急停止を適時行なうよう構成されている。
【００５２】
より詳細に述べるならば、制御装置６８は、入力部７０、出力部７２、中央演算処理部（ＣＰＵ）７４及び記憶部７６から構成されている。静電容量検出回路４４から入力部７０に入力された信号はデジタル信号に変換されて中央演算処理部７４に送られる。中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６、２９間に静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体として人体の一部が電極板２６、２９間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは予め記憶部７６にデータとして記憶されており、中央演算処理部７４ではこのデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較する。そして、△ＣがＣｍｉｎを超えていると判断した場合、電極板２６、２９間に人体が有ると検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に発するようになっている。
【００５３】
以上から安全装置２４の動作については理解されるであろうが、簡単に述べるならば、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際、手が電極板２６、２９間の外側に位置している場合には、電極板２６、２９間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。勿論、チップ１２が電極板２６、２９間を横切った際にも容量変化は生じるが、その変化量は微少であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを超えることはない。そして、手が電極板２６、２９間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することとなる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断することもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合も、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００５４】
更に、本発明の構成では、ガード板２３、２５と接地されるシールド板３０、３２が各電極板２６、２９の裏面側に離隔配置されているため、一方の電極板２６の裏面側から他方の電極板２９の裏面側に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６、２９の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６、２９間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態となることはない。
【００５５】
なお、上記の実施の形態（対地間型、電極間型と、電極・対地間型ともに）では、安全装置２４の制御装置６８からの信号により圧延装置１０の駆動を停止するようにしているが、警報のみを発し、あるいは、警報と共に駆動を停止して安全を図るようにしても良い。もちろん、その他の安全手段を動作させることも可能である。
【００５６】
以上が対地間型、電極間型と電極・対地間型のセンサ装置２２が人体を検出する場合の動作説明であり、このセンサ装置２２に該センサ装置２２が常時正常に動作しているか否かを監視する手段を備えた構成について説明する。
【００５７】
次に本発明の第１の実施形態による対地間型のセンサ装置２２の監視手段について説明する。図１０及び図１１に示すように、対地間型のセンサ装置２２の電極板２６に近接して小さな面積の補助電極８０を該電極板２６に対して平行に対向配設し、この補助電極８０を接地することで、容量を増加させて人体を検知したのと同様の出力を行なうものである。電極板２６側の補助電極８０の一面には絶縁材８２を配設して、補助電極８０が電極板２６に短絡するのを防止するようにしている。
【００５８】
制御装置６８の中央演算処理部７４と出力部７２との間には、制御部８４が設けられる。この制御部８４は、同期回路８６とスイッチング回路８８とで構成されている。そして、スイッチング回路８８の中のスイッチング素子９０（図１０参照）をオンオフすることで補助電極８０を接地したり、フローティング状態としている。
上記スイッチング素子９０は、例えば、１秒間の間にミリセコンドオーダーでオンし、そのオン後はオフとし、これを常時繰り返すようにしている。したがって、１秒毎に補助電極８０を強制的に接地させて、センサ装置２２が正常に動作しているか否かを監視するものである。
【００５９】
具体的な回路構成としては、補助電極８０の一端にスイッチング素子９０が接続され、このスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して図１１に示すように、同軸ケーブル９２の中心導体９４が接続され、この中心導体９４の端末が静電容量検出回路４４内で接地されている。
また、絶縁材８２は同軸ケーブル９２の外部導体であるシールド線９６に接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００６０】
また、制御部８４の同期回路８６が中央演算処理部７４と出力部７２との間に設けられ、スイッチング素子９０がオンの時には、それに同期して中央演算処理部７４からの検知信号が出力部７２に出力されるのを防止して、監視時での駆動系２０が緊急停止となるのを防止している。
【００６１】
図１２はかかる場合の等価回路を示し、図３の等価回路に対して、補助電極８０によるフローティング状態の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路が、容量Ｃ0に並列に接続された状態となっている。
スイッチング素子９０が中央演算処理部７４によりオン駆動されると、補助電極８０が接地され、この接地による補助電極８０と電極板２６との間の容量△Ｃが容量Ｃ0に並列に接続されることになり、Ｃ0に対して△Ｃ分が増加する。これにより、この静電容量の増加により人体を検知したのと同様の静電容量の変化量となり、人体を検知したのと同じ検知信号を出力する。
【００６２】
なお、図１２において、スイッチング素子９０がオフの時の補助電極８０と電極板２６との間の容量△Ｃ’は、人体を検知する場合の最低値Ｃｍｉｎ以下であり、この場合は、人体が存在しないのと同等の信号が生成されるようになっている。
また、スイッチング素子９０がオンして容量Ｃ0に△Ｃ分が増加することで、人体を検知したのと同等の検知信号を出力するようになっている。
【００６３】
スイッチング素子９０がオンして検知信号を出力する場合には、この信号を受けてセンサ装置２２が正常である旨の表示を行なうことで、作業員は容易に視認することができる。また、センサ装置２２が正常でない場合には、その旨の表示や報知の手段により周りの作業員に知らせることができる。これにより、センサ装置２２の正常性の有無を常時監視することができ、センサ装置２２が正常に動作していることを容易に確認することができる。
【００６４】
図１９は上記制御動作のタイミングチャートを示し、図１９（ａ）は図１０に示す出力アンプ６４の出力電圧を示している。手などの人体の一部を検知しない場合は、例えば＋２４Ｖが出力され、手を検知した場合には、安全情報（例えば０Ｖ〜＋１２Ｖ）の電圧が出力される。
そして、図１９（ｂ）に示すように、トリガー信号を中央演算処理部７４が出力し、その後チェック信号によりスイッチング回路８８のスイッチング素子９０をオンせしめ、補助電極８０を接地する。その後、スイッチング素子９０をオフとして、通常のセンシング状態に移行する。
【００６５】
トリガー信号の前縁からチェック信号の終わりまでの期間（ＴＣ）は、図１９（ｃ）に示すように、無動信号が出力され、監視期間での出力部７２への検知信号の出力を遮断して、駆動系２０が不用意に緊急停止制御されるのを防止している。
ここで、図１９に示す監視期間ＴＣを例えば、３０ｍＳとし、また、通常のセンシング期間ＴＳを例えば、１秒としている。しかし、これらの時間は任意に設定できるものであり、適宜変更できることは言うまでもない。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態による電極間型のセンサ装置２２の場合の監視手段について説明する。図１３及び図１４に示すように、一方の電極板（この実施形態では電極板２９）に近接して、対地間型の場合と同様に、小さな面積の補助電極８０を平行に対向配設している。
この補助電極８０に同軸ケーブル９２の中心導体９４の一端側を接続し、中心導体９４の他端側はスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して測定用電源５４側の入力端子５０に接続してある。また、電極板２９との短絡防止用の絶縁材８２は同軸ケーブル９２のシールド線９６と接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００６７】
図１５はかかる場合の等価回路を示し、電極間型の等価回路を示す図６の容量Ｃ0に、フローティング状態の補助電極８０の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路を並列に接続した回路である。
スイッチング素子９０をオンすることで、補助電極８０と電極板２９との間の容量△ＣがＣ0に並列に接続され、Ｃ0に対して△Ｃ分だけ容量が増加する。この△Ｃの増加により人体を検知したのと同等の検知信号を出力する。また、スイッチング素子９０がオフの場合は、容量Ｃ0の状態のままであり、人体を検知していないのと同等の信号を出力することになる。
【００６８】
なお、この電極間型のセンサ装置２２においても対地間型の場合と同様に、図１９に示す監視期間ＴＣの間は無動信号により中央演算処理部７４は出力部７２に検知信号を出力しないようにして緊急停止制御を行なわないようにしてある。この電極間型のセンサ装置２２においても、静電容量の変化から人体の少なくとも一部が存在するか否かを検知するセンサの正常性の有無を常に定期的に監視することができる。
【００６９】
次に、電極・対地間型のセンサ装置２２の場合の監視手段について説明する。図１６及び図１７に示すように、電極板２９に近接して小さな面積の補助電極８０を該電極板２９に対して平行に対向配設し、この補助電極８０をガード板２３、２５と接続し、容量を増加させて人体を検知したのと同様の出力を行なうものである。電極板２９側の補助電極８０の一面には絶縁材８２を配設して、補助電極８０が電極板２９に短絡するのを防止するようにしている。
【００７０】
制御装置６８の中央演算処理部７４と出力部７２との間には、制御部８４が設けられており、この制御部８４は同期回路８６とスイッチング回路８８とで構成されている。そして、スイッチング回路８８の中のスイッチング素子９０（図１６参照）をオンオフすることで補助電極８０をガード板２３、２５と接続したり、フローティング状態としている。
上記スイッチング素子９０は、例えば、１秒間の間にミリセコンドオーダーでオンし、そのオン後はオフとし、これを常時繰り返すようにしている。したがって、１秒毎に補助電極８０を強制的にガード板２３、２５に接続して、センサ装置２２が正常に動作しているか否かを監視するものである。
【００７１】
具体的な回路構成としては、補助電極８０に同軸ケーブル９２の中心導体９４の一端側を接続し、中心導体９４の他端側はスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して静電容量検出回路４４内で接地されている。
また、絶縁材８２は同軸ケーブル９２の外部導体であるシールド線９６に接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００７２】
また、制御部８４の同期回路８６が中央演算処理部７４と出力部７２との間に設けられ、スイッチング素子９０がオンの時には、それに同期して中央演算処理部７４からの検知信号が出力部７２に出力されるのを防止して、監視時での駆動系２０が緊急停止用となるのを防止している。
【００７３】
図１８はかかる場合の等価回路を示し、図９の等価回路に対して、補助電極８０によるフローティング状態の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路が容量Ｃ7に並列に接続された状態となっている。
スイッチング素子９０が中央演算処理部７４によりオフの時、補助電極８０がフローティング状態となり、これによる補助電極８０とガード板２５との間の容量△Ｃ’が容量Ｃ7に並列に接続されなくなり、Ｃ0に対して△Ｃ分及びＣ2に対して△Ｃ2分が増加する。これにより、この静電容量の増加により人体を検知したのと同様の静電容量の変化量となり、人体を検知したのと同じ検知信号を出力する。
【００７４】
なお、図１８において、スイッチング素子９０がオン駆動されると、補助電極８０とガード板２５との間の容量△Ｃ’は、容量Ｃ7に並列に接続されるため、この場合は、人体が存在しないのと同等の信号が生成されるようになっている。
【００７５】
スイッチング素子９０がオフして検知信号を出力する場合には、この信号を受けてセンサ装置２２が正常である旨の表示を行なうことで、作業員は容易に視認することができる。また、センサ装置２２が正常でない場合には、その旨の表示や報知の手段により周りの作業員に知らせることができる。これにより、センサ装置２２の正常性の有無を常時確認することができ、センサ装置２２が正常に動作していることを容易に視認することができる。
【００７６】
図１９は上記制御動作のタイミングチャートを示し、図１９（ａ）は図１６に示す出力アンプ６４の出力電圧を示している。手などの人体の一部を検知しない場合は、例えば＋２４が出力され、手を検知した場合には、安全情報（例えば、０Ｖ〜＋１２Ｖ）の電圧が出力される。
そして、図１９（ｂ）に示すように、トリガー信号を中央演算処理部７４が出力し、その後チェック信号によりスイッチング回路８８のスイッチング素子９０をオフせしめ、補助電極８０をフローティング状態とする。その後、スイッチング素子９０をオンとして、通常のセンシング状態に移行する。
【００７７】
トリガー信号からチェック信号の終わりまでの期間（ＴＣ）は、図１９（ｃ）に示すように、無動信号が出力され、監視期間での出力部７２への検知信号の出力を遮断して、駆動系２０が不用意に緊急停止制御されるのを防止している。
ここで、図１９に示す監視期間ＴＣを例えば、３０ｍＳとし、また、通常のセンシング期間ＴＳを例えば、１秒としている。しかし、これらの期間は任意に設定できるものであり、適宜変更できることは言うまでもない。
【００７８】
ところで、図１０及び図１３に示す出力アンプ６４からの電圧信号の処理として、図１９に示すように、手などの人体を検知した場合には安全情報（例えば０〜１２Ｖ）の電圧が出力されるので、この可変する電圧の範囲に対応させて、例えば、ウインドウコンパレーターを用いて信号処理を行なうのが好適例である。
これにより可変する出力電圧に対しても正確に人体の検知を行なうことができ、また低コスト化をも図ることができる。
もちろん、出力アンプ６４の信号出力の処理手段としては、ウインドウコンパレーターの他に、ＡＮＤゲート、自己保持回路、オンディレー、整流回路、アナログアンプ、出力アンプなどの、故障時に出力がオフとなる制御用のフェールセールＩＣを用いたり、また強制ガイド式安全リレーを用いるようにしても良い。
【００７９】
また、対地間型、電極間型及び電極・対地間型のセンサ装置２２において、補助電極８０を設けてセンサの正常性の有無を定期的に常時監視していることで、回路自体の故障、断線、電極の壊れと脱落、電源断といったセンサ自体の故障の有無を容易に検出できるものである。
また、静電容量型であるので、センサ装置２２の周囲の電磁波、異常な温度などの周辺環境の影響による誤作動の有無も検知することができる。すなわち、いわゆるフェールセーフ回路を有したセンサ装置は、該装置の故障だけを監視しているが、本発明では、センサ装置２２の故障と周辺環境の影響によるセンサの誤動作も監視することができる。
なお、監視によりセンサ装置２２の異常を検知した場合には、制御装置６８により駆動系２０を停止するようにしている。
【００８０】
本発明を適用できる装置は、圧延装置に限らず、駆動部等の危険領域に人体が近付くことが可能な装置ならばほとんど全てに適用が可能である。例えば、対地間型のセンサ装置２２の場合は、押出機から吐出された樹脂等の板やフィルムを３本のローラーで圧延するようなシート圧延装置や、押出機から吐出された樹脂等のフィルムを引き取り、フィルムカッターでフィルムの耳をカットするようなシート引取装置や、また、金属、樹脂、木材等を回転帯鋸で切断する帯鋸装置や、更には、混練ローラーの上部へ手に掴んだゴム片等を投げ込むローラー混練機等に適用することができる。
【００８１】
また、電極間型のセンサ装置２２の場合は、押出機から吐出された樹脂等の板やフィルムを引き取るシート取引装置や、粉体、ペレット等を攪拌翼の回転で移送する重量フィーダーや、異種の樹脂、ゴム等をミキサーで練り、下部ダンパーより排出するバンバリミキサーや、ロボット等の可動式機械で、防護柵がある場合でも、部品、材料供給・加工品搬出及び機械の点検修理のために防護柵の一部が開くような可動式機械にも適用することができる。
【００８２】
したがって、本明細書の特許請求の範囲で用いられた術語「機器」は、上述のように人体の一部の接近が危険な領域を有する種々な装置、機械、設備、機器等を包摂するように解釈されるべきである。
また、適用装置の検知領域に応じて、対地間型及び電極間型におけるセンサ装置２２において、電極板と圧延ローラー、ガード板及びシールド板等の各部材の形状、寸法等は適宜変更し得ることは言うまでもない。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、電極板の一部に対向配置した補助電極を定期的に静電容量検出回路に接続して、静電容量の変化からセンサの正常性の有無を常に監視しているので、作業員の安全を確保する安全装置において、より安全性を向上させることができるという効果がある。
また、本発明では、センサ装置の故障だけでなく、周辺の電磁波や温度などの影響によるセンサ装置の誤動作も監視することができる。
【００８４】
また、本発明においては、電極板の裏面側にシールド板を配置することで、電極板の裏面側には電界が形成されず、そのため、電極板と機器との間や、電極板間の領域のみで人体の一部の有無を判断でき、誤検知を大幅に低減することができる。
【００８５】
【図面の簡単な説明】
【図１】対地間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】対地間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図４】電極間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】電極間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図７】電極・対地間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図８】図７のＶIII −ＶIII 線断面図である。
【図９】電極・対地間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態である対地間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態である対地間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１２】対地間型の等価回路を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態である電極間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１４】本発明の他の実施形態である電極間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１５】電極間型の等価回路を示す図である。
【図１６】本発明の他の実施形態である電極・対地間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１７】本発明の他の実施形態である電極・対地間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１８】電極・対地間型の等価回路を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態のタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
２２ センサ装置
２６ 電極板
２７ ガード板
２８ シールド板
２９ 電極板
３０ シールド板
３２ シールド板
４４ 静電容量検出回路
８０ 補助電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の領域内に人体等の一部または全体が入ったことを検知するセンサ装置及び安全装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や加工装置、検査装置、搬送装置等の駆動機構を有する装置においては、駆動部が外部に露出しているものや、外部から容易に駆動部に接近することができるものがある。例えば、プラスチックチップから検査用の薄い試料片を作るための圧延装置では、一対の圧延ローラー間にチップを手で投げ入れる構成となっており、そのため、圧延ローラー間にチップを投げ入れる際に手が圧延ローラーに触れるおそれがある。
【０００３】
そこで、通常この種の機械装置には、作業員の安全を確保するために安全装置が設けられており、人体の一部が駆動部に近付いたことをセンサ装置により検知し、駆動部を停止するなどの措置を採っている。
安全装置のセンサ装置としては、例えば特開昭６３−２１６６９２号公報や特開平１−３１７９８７号公報に記載のものが挙げられる。これらの公報に記載されているセンサ装置は、対向して配設された一対の電極板から構成された静電容量型センサである。
【０００４】
そして、これらの電極板間の静電容量の変化を検出することで、電極板間を人体の一部が横切ったか否かを検知するものである。
この静電容量型センサは、人体が空気に比して相当に高い誘電率を有しているため、電極板間に人体の一部が置かれた場合に静電容量が大きく変化するという原理に基づいて構成されたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の静電容量型センサを用いた安全装置は、作業員の安全を確保するために欠くべからざるものである。しかし、断線、電極の破損や脱落、電源断等の故障が起こったり、あるいは電磁環境の変化や異常な温度上昇等の周辺環境の影響によりセンサが誤作動して、安全装置が正常に動作しない場合には、不測の事故を防止するために駆動部を停止させるなどの適切な措置をとる必要がある。しかも、このような故障や誤作動はいつ発生するか予測できないので、常時監視する必要がある。
【０００６】
従って、本発明は、センサが正常に動作しているか否かを常時監視し、安全性をより向上させたセンサ装置及び安全装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明のセンサ装置は、接地された機器と所定の間隙をおいて配置された少なくとも１つの電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【０００８】
本発明の安全装置は、接地された機器の所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させるものであって、前記接地された機器と前記領域をはさんで配置された電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【０００９】
このように、本発明では、補助電極を用いて人体等の誘電体検知が正常に作動しているか否かを常時監視しているので、故障が生じても直ちに機器の停止等の措置をとることができ、安全性がより一層向上する。特に、本発明は、静電容量の変化によってセンサの正常性を監視する方式であるので、電磁環境変化や温度等の周辺環境の影響によりセンサが誤作動した場合にも、当該誤作動を静電容量の変化により直ちに認識し、必要な措置をとることができる。
また、本発明では、前記電極板の裏面側に配置されたガード板と、このガード板の裏面側に配置されて接地されたシールド板とを備えているのが好ましい。これにより、電極板の裏面側には電磁界が形成されないため、検知領域は電極板の間隙側の領域に限られることになり、その結果、誤検知が無くなり、安全装置においては必要領域においてのみ確実に作動させることができる。
【００１０】
本発明の他のセンサ装置は、所定の間隙をおいて互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【００１１】
また、本発明の他の安全装置は、所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させるものであって、前記領域をはさんで互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えている。
【００１２】
これらのセンサ装置及び安全装置においても、前記と同様に、補助電極により人体の検知の正常性の有無を定期的に監視しているので、故障の有無を直ちに認識することができ、より安全性を向上させることができる。
前記一対の電極板の非対向面側にはそれぞれ、接地されたシールド板を対向して配置させるのが望ましい。これにより、電極板のシールド板の存在により電極板の裏面側には電磁界が形成されなくなって、誤検知が無くなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。以下の説明で同じ参照符号は同じまたは均等の要素を指すものとする。以下、圧延機への適用と関連して説明するが、これは単なる例に過ぎず、限定されない。なお、本発明の静電容量型センサのセンサ装置には、対地間型、電極間型と電極・対地間型の３種類があるので、先ずこれらの対地間型、電極間型と電極・対地間型のセンサ装置について説明する。また、これらのセンサ装置における制御動作の理解を容易にするために、センサ装置が正常に動作しているか否かの監視手段については後述し、この監視手段を省いたセンサ装置の制御動作について説明する。
【００１４】
図１及び図２は、本発明が適用される圧延装置１０を示している。この圧延装置１０は、合成ゴム等のプラスチック材料のチップ１２を圧延して検査用の試料片１４を製造するためのものであり、一対の圧延ローラー１６、１８を備えている。
圧延ローラー１６、１８は、図２の矢印Ａ、Ｂで示すように、駆動系２０により互いに相反する方向に回転駆動される。したがって、圧延ローラー１６、１８間にチップ１２を投入すると、チップ１２は圧延ローラー１６、１８間で押し潰され、試料片１４となって下方に落下する。
【００１５】
ここで、図２に示すように、チップ１２の投入は人手によるため、手を圧延ローラー１６、１８に過度に近づけることは好ましくない。このため、この圧延装置１０には、本発明によるセンサ装置２２を用いた安全装置２４が設けられている。
【００１６】
このセンサ装置２２は、所定の間隔をおいて圧延ローラー１６、１８に対して平行に配設された１枚の電極板２６を備えている。この１枚の電極板２６は、圧延ローラー１６、１８の上方の位置に配置されている。電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、したがって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００１７】
また、電極板２６の裏面側、すなわち検知領域とは反対の面の側にはガード板２７及びシールド板２８が配置されている。このガード板２７とシールド板２８は、比較的小さな間隙をもって電極板２６に対して平行に配置されている。
また、ガード板２７とシールド板２８は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の良導体からなり、電極板２６の全面を完全に覆うことができる寸法形状としている。
【００１８】
電極板２６、ガード板２７及びシールド板２８は、圧延装置１０のフレーム３４に取り付けられた支持具４２によって支持されている。すなわち、支持具４２にシールド板２８が直接固定され、シールド板２８に絶縁材からなるスペーサ３１を介してガード板２７が絶縁材からなるボルト等により固定されている。また、電極板２６は絶縁材からなるスペーサ３３を介してガード板２７に絶縁材からなるボルト等により固定されている。言うまでもなく、圧延ロ−ラ−１６、１８は接地されている
【００１９】
このようにして構成することにより、電極板２６と接地された圧延ローラー１６、１８との間で静電容量結合を生じ、この電極板２６と圧延ローラー１６、１８との間に人体の一部が入ることにより、この静電容量が変化することになる。
【００２０】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、静電容量検出回路４４にその検知信号としての容量変化が入力されるようになっている。すなわち、電極板２６は二重同軸ケーブル４６の中心導体４８により静電容量検出回路４４の入力端子５０に接続されている。さらに、ガード板２７は二重同軸ケーブル４６の内側シールド線４９により静電容量検出回路４４の入力端子５１に接続され、シールド板２８は、二重同軸ケーブル４６の外側シールド線６６により静電容量検出回路４４の入力端子５２に接続されている。
【００２１】
静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたものであり、ブリッジの４辺のうち２辺に測定用電源５４、５６が介装されている。また、ブリッジの１辺は電極板２６と圧延ローラー１６、１８とで形成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が介装されている。
上記測定用電源５４、５６間の端子６０と、平衡キャパシタ５８の一端側が接続され、接地されている端子６２との間に、出力アンプ６４が設けてある。また、シールド板２８は二重同軸ケーブル４６の外側シールド線６６を介して接地されている。
【００２２】
図３に示す回路は、図１に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６と圧延ローラー１６、１８により形成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。
ここで、図３において、符号Ｃ0は、電極板２６と圧延ローラー１６、１８により形成される静電容量を示し、Ｃ1は、ガード板２７及び内側シールド線４９とシールド板２８及び外側シールド線６６により形成される静電容量である。また、ＣBは、平衡キャパシタ５８の静電容量を示すものである。さらに、Ｚｅ1、Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスを示し、Ｚｉは出力アンプ６４の内部インピーダンスを示している。
【００２３】
ここで、図３に示す回路の動作について説明する。電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に空気のみが存在している状態で測定用電源５４、５６を投入すると、電源５４から容量Ｃ1を通って流れる電流は、電源５４の電圧ｅ1が、Ｚｅ1ｉ1よりも十分に大きい場合、インピーダンスＺｉに流れる。
このとき、１／（ωＣ0）がＺｉよりも十分に大きい場合、電流ｉ1のほとんどがインピーダンスＺｉに流れる。電源５６から、電圧ｅ1と同一電圧ｅ2で容量CBを通って流れる電流ｉ2は、電流ｉ1に等しく位相差が１８０°とした場合、インピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。
今、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に、接地された誘電体（例えば、作業員の手）が入り込むと、誘電体の比誘電率に応じた容量Ｃ0が増加する。この増加分を△Ｃとすると、電流ｉ1はｅ1ω△Ｃだけ増加し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。また、誘電体が接地されておらず、いわゆるフローティングの状態でも容量Ｃ0が増加し、インピーダンスＺｉに同様に電流が流れて信号として出力され、人体の検知を行なうことができる。
【００２４】
このように、図３に示す回路では、電極板２６とガード板２７、シールド板２８との間で構成されるキャパシタや二重同軸ケーブル４６のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量の変化を正確に検出することができるものである。
【００２５】
また、静電容量検出回路４４の出力アンプ６４から出力される信号は制御装置６８に入力されており、この制御装置６８は、入力された信号に応じて制御信号を圧延装置１０の駆動系２０に出力し、圧延装置１０の緊急停止を適時行なうように構成されている。
図１に示すように制御装置６８は、入力部７０、出力部７２、ＣＰＵからなる中央演算処理部７４及びＲＡＭやＲＯＭからなる記憶部７６で構成されている。静電容量検出回路４４から入力部７０に入力された信号は、デジタル信号に変換されて中央演算処理部７４に送られる。
【００２６】
中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体としての人体の一部が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは、予め記憶部７６にデータとして格納されており、中央演算処理部７４では、このデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較する。そして、△ＣがＣｍｉｎを越えていると判断した場合、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に人体が存在していると検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に出力するようになっている。
【００２７】
このように、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際に、手が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の外側に位置している場合には、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。もちろん、チップ１２が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間を横切った際にも静電容量の変化は生じるが、その変化量は微小であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを越えることはない。
そして、手が電極板２６と圧延ローラー１６、１８間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することになる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断することもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合も、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００２８】
また、対地間型のセンサ装置２２において、ガード板２７と接地されたシールド板２８が電極板２６の裏面側に離隔配置されているため、電極板２６の裏面側から圧延ローラー１６、１８以外の方向に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６と圧延ローラー１６、１８間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態になることはない。
【００２９】
次に、電極間型のセンサ装置２２の構成について図４〜図６により説明する。図４、図５に見られるようにこの電極間型のセンサ装置２２は、所定の間隔をおいて互いに平行に対向配置された一対の電極板２６、２９を備えている。一方の電極板２６は、圧延装置１０の一側であって圧延ローラー１６、１８間の真上の位置に配置され、他方の電極板２９は、圧延装置１０の他側であって圧延ローラー１６、１８間の真上の位置に配置されている。
これらの電極板２６、２９間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、よって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００３０】
また、各電極板２６、２９の裏面側、すなわち、検知領域とは反対の面の側にはシールド板３０、３２が配置されている。このシールド板３０、３２は、比較的小さな間隙をもって、対応の電極板２６、２９に対して平行に対向して配置されている。
また、シールド板３０、３２は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の良導体からなり、電極板２６、２９の全面を完全に覆うことができる寸法形状としている。
【００３１】
各側の電極板２６、２９及びシールド板３０、３２は、圧延装置１０のフレーム３４に設けられた支持板３６、３８によって支持されている。すなわち、支持板３６、３８にシールド板３０、３２が直接固定され、電極板２６、２９は絶縁材からなるスペーサ４０を介してシールド板３０、３２に絶縁材からなるボルト等により固定されている。
なお、図示の支持板３６、３８は、装置フレーム３４に設けられた支持シャフト４１に摺動可能に取り付けられており、その位置を任意に調整できるようになっている。
【００３２】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６、２９間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、対地間型の場合と同様な静電容量検出回路４４に接続されている。なお、静電容量検出回路４４及び制御装置６８の構成は基本的には対地間型の場合と同様であるが、電極間型の場合、対地間型と比較して細かい部分で異なるところがあるので、電極間型のセンサ装置２２についても詳細に説明する。なお、同一の機能を発揮する要素には、同一の番号を付している。
【００３３】
すなわち、各電極板２６、２９は、同軸ケーブル４７の中心導体４８を介して静電容量検出回路４４の入力端子５０、５２に接続されている。静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたものであり、ブリッジの４辺のうち２辺に測定用電源５４、５６が介装されている。
また、ブリッジの１辺は電極板２６、２９により構成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が介装されている。測定用電源５４、５６間の接地されている端子６０と、入力端子５２側の端子６２との間に出力アンプ６４が設けてある。また、各シールド板３０、３２は同軸ケーブル４７の外側シールド線６６を介して接地されている。
【００３４】
図６に示す回路は、図４に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６、２９により構成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。図６において、Ｃ0は、電極板２６、２９により規定される静電容量を示し、Ｃ1、Ｃ2はそれぞれ各側の電極板２６、２９とシールド板３０、３２との間、及び同軸ケーブル４７により規定される静電容量である。
さらに、ＣB は平衡キャパシタ５８の静電容量を示し、さらに、Ｚｅ1、Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスを示し、Ｚｉは出力アンプ６４の内部インピーダンスを示している。
【００３５】
ここで、図６に示す回路の動作について説明する。電極板２６、２９間に空気のみが存在している状態で、測定用電源５４、５６を投入すると、電源５４から容量Ｃ2を通って流れる電流は、電源５４の電圧ｅ1がＺｅ1ｉ1よりも十分に大きい場合、インピーダンスＺｉにはほとんど流れず、無視できる。
また、容量Ｃ0を通って流れる電流は容量Ｃ1とインピーダンスＺｉに分かれる。このとき、１／（ωＣ1）がＺｉよりも十分に大きい場合、電流ｉ1の殆どがインピーダンスＺｉに流れる。電源５６から電圧ｅ1と同一電圧ｅ2で容量ＣBを通って流れる電流ｉ2は、電流ｉ1に等しく位相差が１８０°とした場合、インピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。
【００３６】
今、電極板２６、２９間に接地された誘電体が入り込むと、容量Ｃ1とＣ2の一部となり、誘電体の比誘電率に応じた量だけ容量Ｃ0が減少する。この減少分を△Ｃとすると、電流ｉ1はｅ1ω△Ｃだけ減少し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。
また、誘電体が接地されておらず、いわゆるフローティングの状態では、容量Ｃ0が増加し、インピーダンスＺｉに逆方向に電流が流れる。
【００３７】
このように、図６に示す電極間型の回路では、電極板２６、２９とシールド板３０、３２との間で構成されるキャパシタや同軸ケーブル４７のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６、２９間の静電容量の変化を正確に検出することができるものである。
【００３８】
なお、静電容量検出回路４４からの検知信号を受けて緊急停止信号を出力する制御装置６８の構成は、図１に示す対地間型の場合と同様である。
制御装置６８の中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６、２９間の静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体として人体の一部が電極板２６、２９間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは、予め記憶部７６にデータとして記憶されている、中央演算処理部７４では、このデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較し、△ＣがＣｍｉｎを越えていると判断した場合、電極板２６、２９間に人体が存在するとして検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に出力するようになっている。
【００３９】
このように電極間型のセンサ装置２２を備えた安全装置２４においても、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際に、手が電極板２６、２９間の外側に位置している場合には、電極板２６、２９間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。
もちろん、チップ１２が電極板２６、２９を横切った際にも容量変化は生じるが、その変化量は微小であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを越えることはない。
【００４０】
そして、手が電極板２６、２９間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することとなる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断するようにすることもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合でも、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００４１】
なお、電極間型のセンサ装置２２においても、接地されたシールド板３０、３２が各電極板２６、２９の裏面側に離隔配置されているため、一方の電極板２６の裏面から他方の電極板２９に裏面側に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６、２９の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６、２９間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態となることはない。
【００４２】
図７及び図８は本発明の第３の実施形態として適用される接地／電極間型センサを備えた圧延装置１０を示している。この圧延装置１０は、合成ゴム等のプラスチック材料のチップ１２を圧延して検査用の試料片１４を作るためのものであり、一対の圧延ローラー１６、１８を有している。圧延ローラー１６、１８は、図８の矢印Ａ，Ｂで示すように、駆動系２０により互いに相反する方向に回転される。したがって、圧延ローラー１６、１８間にチップ１２を投入すると、チップ１２は圧延ローラー１６、１８間で押し潰され、試料片１４となって下方に落下する。
【００４３】
図８から理解されるように、チップ１２の投入は人手によるため、手を圧延ローラー１６、１８に過渡に近づけることは好ましくない。このため、この圧延装置１０には、本発明によるセンサ装置２２を用いた安全装置２４を設けている。
【００４４】
図示のセンサ装置２２は、所望の間隙をおいて互いに平行に対向配置された一対の電極板２６、２９を備えている。一方の電極板２６は、圧延装置１０の一側であって圧延ローラー１６、１８間の真上位置に配置され、他方の電極板２９は、圧延装置１０の他側であって圧延ローラー１６、１８間の真上位置に配置されている。これらの電極板２６、２９間の空間は、人体の一部が存在するか否かを検知するための検知領域となるものであり、よって、図示の実施形態では、圧延ローラー１６、１８間の真上のほぼ全ての領域が検知領域となっている。
【００４５】
各電極板２６、２９の裏面側、すなわち、検知領域とは反対の面の側にはガード板２３、２５と接地されたシールド板３０、３２が配置されている。ガード板２３、２５とシールド板３０、３２は、比較的小さな間隙をもって、対応の電極板２６、２９に対して平行に対向配置されている。また、ガード板２３、２５とシールド板３０、３２はステンレス綱、銅、アルミニウム等の良導体から成り、電極板２６、２９の全面を完全に覆うことができる寸法形状を有している。
【００４６】
各側の電極板２６、２９及びガード板２３、２５、シールド板３０、３２は、圧延装置１０のフレーム３４に設けられた支持板３６、３８によって支持されている。より詳細には、支持板３６、３８にシールド板３０、３２が直接固定され、シールド板３０、３２に絶縁性のスペーサ４０’を介してガード板２３、２５が絶縁性のボルト等により固定され、電極板２６、２９はスペーサ４０を介してガード板２３、２５に絶縁性のボルト等により固定されている。なお、図示の支持板３６、３８は、装置フレーム３４に設けられた支持シャフト４１に摺動可能に取り付けられており、その位置を調整できるようになっている。
【００４７】
このように構成されたセンサ装置２２は、電極板２６、２９間に人体の一部が入ったことを静電容量の変化として検知するため、静電容量検出回路４４に接続されている。すなわち、各電極板２６、２９は、二重同軸ケーブル４６の中心導体４８により静電容量検出回路４４の入力端子５０、５２に接続されている。静電容量検出回路４４は、いわゆるインピーダンスブリッジを用いたもので、４辺ブリッジのうち２辺に測定用電源５４、５６が接続されている。また、４辺ブリッジの１辺は電極板２６、２９により構成されるキャパシタとなっており、残る１辺には平衡キャパシタ５８が設けられている。測定用電源５４、５６間の端子６０と電極板２６、２９間のキャパシタと平衡キャパシタ５８間の端子６２との間には出力アンプ６４があり、測定用電源５６の端子５０’は接地されている。また、各ガード板２３、２５と各シールド板３０、３２は二重同軸ケーブル４６の内側シールド線４９と外側シールド線６６を介して接地されている。
【００４８】
図９の回路は、図７に示す静電容量検出回路４４を、電極板２６、２９により構成されるキャパシタやその他の部分でのキャパシタを含めた形で示した等価回路である。この図において、符号Ｃ0は、電極板２６、２９により規定される静電容量を示し、符号Ｃ1、Ｃ2はそれぞれ、各電極板２６、２９と圧延ローラー１６、１８により規定される静電容量を示し、Ｃ7はガード板２３、２５との間、及び二重同軸ケーブル４６により規定される静電容量、更に符号ＣB は平衡キャパシタ５８の静電容量を示すものである。また、符号Ｚｅ1，Ｚｅ2はそれぞれ測定用電源５４、５６の内部インピーダンスであり、符号Ｚｉは、出力アンプ６４の内部インピーダンスである。
【００４９】
ここで、図９のみ示す回路の動作について説明する。電極板２９とシールド板３２間にガード板２５を、電極板２６とシールド板３０間にガード板２３を配置した時に生ずる静電容量をそれぞれＣ5、Ｃ6とし、ブリッジの平衡を得易くするため、電極板２６、２９間にＣ3を、電極板２９とシールド板３０間にＣB をそれぞれ付加する。電極板２６、２９間に空気のみが存在している状態で、電源ｅ1，ｅ2を投入すると、電源ｅ1からＣ0、Ｃ3の合成容量Ｃ03とインピーダンスＺｉを流れる電流をｉ1とした時、電源ｅ2からインピーダンスＺｉとＣ2，ＣBの合成容量Ｃ2Bを流れる電流ｉ2がｉ1に等しく、位相差が１８０度の場合にインピーダンスＺｉの電流はゼロとなる。いま、電極板２６、２９間に誘電体が入り込むと、誘電体の比誘電率に応じた量だけ容量Ｃ0が減少する。この減少分を△Ｃとすると、電流ｉ1は、ｅ1ω△Ｃだけ減少し、インピーダンスＺｉに電流が流れ、信号として出力される。
【００５０】
このように、図７及び図９に示す回路では、電極板２６、２９とガード板２３、２５、シールド板３０、３２との間で構成されるキャパシタや二重同軸ケーブル４６のキャパシタ、その他の外乱の影響を受け難く、電極板２６、２９間の静電容量の変化を正確に検出することが可能である。
【００５１】
静電容量検出回路４４の出力アンプ６４から出力される信号は制御装置６８に入力される。この制御装置６８は、入力された信号に応じて制御信号を圧延装置１０の駆動系２０に発し、圧延装置１０の緊急停止を適時行なうよう構成されている。
【００５２】
より詳細に述べるならば、制御装置６８は、入力部７０、出力部７２、中央演算処理部（ＣＰＵ）７４及び記憶部７６から構成されている。静電容量検出回路４４から入力部７０に入力された信号はデジタル信号に変換されて中央演算処理部７４に送られる。中央演算処理部７４では、入力信号から電極板２６、２９間に静電容量の変化量△Ｃを認識する。誘電体として人体の一部が電極板２６、２９間に入った際の静電容量変化量の最低値Ｃｍｉｎは予め記憶部７６にデータとして記憶されており、中央演算処理部７４ではこのデータＣｍｉｎと入力信号から認識した静電容量変化量△Ｃとを比較する。そして、△ＣがＣｍｉｎを超えていると判断した場合、電極板２６、２９間に人体が有ると検知し、緊急停止のための制御信号を出力部７２から圧延装置１０の駆動系２０に発するようになっている。
【００５３】
以上から安全装置２４の動作については理解されるであろうが、簡単に述べるならば、プラスチックチップ１２を圧延ローラー１６、１８間に投げ入れる際、手が電極板２６、２９間の外側に位置している場合には、電極板２６、２９間の静電容量は大きく変化せず、よって圧延装置１０は駆動を続ける。勿論、チップ１２が電極板２６、２９間を横切った際にも容量変化は生じるが、その変化量は微少であり、制御装置６８の記憶部７６に記憶した最低値Ｃｍｉｎを超えることはない。そして、手が電極板２６、２９間に挿入されると、静電容量の変化が生じ、安全装置２４は圧延装置１０を緊急停止するように動作することとなる。この際、手の挿入量が極めて小さい場合には、記憶部７６の最低値Ｃｍｉｎを適宜設定しておくことで、危険状態でないと判断することもできる。また、手を挿入した後、すぐに引っ込めた場合も、静電容量の変化時間を考慮することで、緊急停止信号を発しないようにすることもできる。
【００５４】
更に、本発明の構成では、ガード板２３、２５と接地されるシールド板３０、３２が各電極板２６、２９の裏面側に離隔配置されているため、一方の電極板２６の裏面側から他方の電極板２９の裏面側に延びる電気力線は形成されない。したがって、危険領域ではない電極板２６、２９の裏面側に手やその他の人体の一部が位置していたとしても、電極板２６、２９間の静電容量に変化は生じず、圧延装置１０が不要な停止状態となることはない。
【００５５】
なお、上記の実施の形態（対地間型、電極間型と、電極・対地間型ともに）では、安全装置２４の制御装置６８からの信号により圧延装置１０の駆動を停止するようにしているが、警報のみを発し、あるいは、警報と共に駆動を停止して安全を図るようにしても良い。もちろん、その他の安全手段を動作させることも可能である。
【００５６】
以上が対地間型、電極間型と電極・対地間型のセンサ装置２２が人体を検出する場合の動作説明であり、このセンサ装置２２に該センサ装置２２が常時正常に動作しているか否かを監視する手段を備えた構成について説明する。
【００５７】
次に本発明の第１の実施形態による対地間型のセンサ装置２２の監視手段について説明する。図１０及び図１１に示すように、対地間型のセンサ装置２２の電極板２６に近接して小さな面積の補助電極８０を該電極板２６に対して平行に対向配設し、この補助電極８０を接地することで、容量を増加させて人体を検知したのと同様の出力を行なうものである。電極板２６側の補助電極８０の一面には絶縁材８２を配設して、補助電極８０が電極板２６に短絡するのを防止するようにしている。
【００５８】
制御装置６８の中央演算処理部７４と出力部７２との間には、制御部８４が設けられる。この制御部８４は、同期回路８６とスイッチング回路８８とで構成されている。そして、スイッチング回路８８の中のスイッチング素子９０（図１０参照）をオンオフすることで補助電極８０を接地したり、フローティング状態としている。
上記スイッチング素子９０は、例えば、１秒間の間にミリセコンドオーダーでオンし、そのオン後はオフとし、これを常時繰り返すようにしている。したがって、１秒毎に補助電極８０を強制的に接地させて、センサ装置２２が正常に動作しているか否かを監視するものである。
【００５９】
具体的な回路構成としては、補助電極８０の一端にスイッチング素子９０が接続され、このスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して図１１に示すように、同軸ケーブル９２の中心導体９４が接続され、この中心導体９４の端末が静電容量検出回路４４内で接地されている。
また、絶縁材８２は同軸ケーブル９２の外部導体であるシールド線９６に接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００６０】
また、制御部８４の同期回路８６が中央演算処理部７４と出力部７２との間に設けられ、スイッチング素子９０がオンの時には、それに同期して中央演算処理部７４からの検知信号が出力部７２に出力されるのを防止して、監視時での駆動系２０が緊急停止となるのを防止している。
【００６１】
図１２はかかる場合の等価回路を示し、図３の等価回路に対して、補助電極８０によるフローティング状態の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路が、容量Ｃ0に並列に接続された状態となっている。
スイッチング素子９０が中央演算処理部７４によりオン駆動されると、補助電極８０が接地され、この接地による補助電極８０と電極板２６との間の容量△Ｃが容量Ｃ0に並列に接続されることになり、Ｃ0に対して△Ｃ分が増加する。これにより、この静電容量の増加により人体を検知したのと同様の静電容量の変化量となり、人体を検知したのと同じ検知信号を出力する。
【００６２】
なお、図１２において、スイッチング素子９０がオフの時の補助電極８０と電極板２６との間の容量△Ｃ’は、人体を検知する場合の最低値Ｃｍｉｎ以下であり、この場合は、人体が存在しないのと同等の信号が生成されるようになっている。
また、スイッチング素子９０がオンして容量Ｃ0に△Ｃ分が増加することで、人体を検知したのと同等の検知信号を出力するようになっている。
【００６３】
スイッチング素子９０がオンして検知信号を出力する場合には、この信号を受けてセンサ装置２２が正常である旨の表示を行なうことで、作業員は容易に視認することができる。また、センサ装置２２が正常でない場合には、その旨の表示や報知の手段により周りの作業員に知らせることができる。これにより、センサ装置２２の正常性の有無を常時監視することができ、センサ装置２２が正常に動作していることを容易に確認することができる。
【００６４】
図１９は上記制御動作のタイミングチャートを示し、図１９（ａ）は図１０に示す出力アンプ６４の出力電圧を示している。手などの人体の一部を検知しない場合は、例えば＋２４Ｖが出力され、手を検知した場合には、安全情報（例えば０Ｖ〜＋１２Ｖ）の電圧が出力される。
そして、図１９（ｂ）に示すように、トリガー信号を中央演算処理部７４が出力し、その後チェック信号によりスイッチング回路８８のスイッチング素子９０をオンせしめ、補助電極８０を接地する。その後、スイッチング素子９０をオフとして、通常のセンシング状態に移行する。
【００６５】
トリガー信号の前縁からチェック信号の終わりまでの期間（ＴＣ）は、図１９（ｃ）に示すように、無動信号が出力され、監視期間での出力部７２への検知信号の出力を遮断して、駆動系２０が不用意に緊急停止制御されるのを防止している。
ここで、図１９に示す監視期間ＴＣを例えば、３０ｍＳとし、また、通常のセンシング期間ＴＳを例えば、１秒としている。しかし、これらの時間は任意に設定できるものであり、適宜変更できることは言うまでもない。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態による電極間型のセンサ装置２２の場合の監視手段について説明する。図１３及び図１４に示すように、一方の電極板（この実施形態では電極板２９）に近接して、対地間型の場合と同様に、小さな面積の補助電極８０を平行に対向配設している。
この補助電極８０に同軸ケーブル９２の中心導体９４の一端側を接続し、中心導体９４の他端側はスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して測定用電源５４側の入力端子５０に接続してある。また、電極板２９との短絡防止用の絶縁材８２は同軸ケーブル９２のシールド線９６と接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００６７】
図１５はかかる場合の等価回路を示し、電極間型の等価回路を示す図６の容量Ｃ0に、フローティング状態の補助電極８０の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路を並列に接続した回路である。
スイッチング素子９０をオンすることで、補助電極８０と電極板２９との間の容量△ＣがＣ0に並列に接続され、Ｃ0に対して△Ｃ分だけ容量が増加する。この△Ｃの増加により人体を検知したのと同等の検知信号を出力する。また、スイッチング素子９０がオフの場合は、容量Ｃ0の状態のままであり、人体を検知していないのと同等の信号を出力することになる。
【００６８】
なお、この電極間型のセンサ装置２２においても対地間型の場合と同様に、図１９に示す監視期間ＴＣの間は無動信号により中央演算処理部７４は出力部７２に検知信号を出力しないようにして緊急停止制御を行なわないようにしてある。この電極間型のセンサ装置２２においても、静電容量の変化から人体の少なくとも一部が存在するか否かを検知するセンサの正常性の有無を常に定期的に監視することができる。
【００６９】
次に、電極・対地間型のセンサ装置２２の場合の監視手段について説明する。図１６及び図１７に示すように、電極板２９に近接して小さな面積の補助電極８０を該電極板２９に対して平行に対向配設し、この補助電極８０をガード板２３、２５と接続し、容量を増加させて人体を検知したのと同様の出力を行なうものである。電極板２９側の補助電極８０の一面には絶縁材８２を配設して、補助電極８０が電極板２９に短絡するのを防止するようにしている。
【００７０】
制御装置６８の中央演算処理部７４と出力部７２との間には、制御部８４が設けられており、この制御部８４は同期回路８６とスイッチング回路８８とで構成されている。そして、スイッチング回路８８の中のスイッチング素子９０（図１６参照）をオンオフすることで補助電極８０をガード板２３、２５と接続したり、フローティング状態としている。
上記スイッチング素子９０は、例えば、１秒間の間にミリセコンドオーダーでオンし、そのオン後はオフとし、これを常時繰り返すようにしている。したがって、１秒毎に補助電極８０を強制的にガード板２３、２５に接続して、センサ装置２２が正常に動作しているか否かを監視するものである。
【００７１】
具体的な回路構成としては、補助電極８０に同軸ケーブル９２の中心導体９４の一端側を接続し、中心導体９４の他端側はスイッチング回路８８のスイッチング素子９０を介して静電容量検出回路４４内で接地されている。
また、絶縁材８２は同軸ケーブル９２の外部導体であるシールド線９６に接続され、静電容量検出回路４４内で接地されている。
【００７２】
また、制御部８４の同期回路８６が中央演算処理部７４と出力部７２との間に設けられ、スイッチング素子９０がオンの時には、それに同期して中央演算処理部７４からの検知信号が出力部７２に出力されるのを防止して、監視時での駆動系２０が緊急停止用となるのを防止している。
【００７３】
図１８はかかる場合の等価回路を示し、図９の等価回路に対して、補助電極８０によるフローティング状態の容量△Ｃ’とスイッチング素子９０との直列回路が容量Ｃ7に並列に接続された状態となっている。
スイッチング素子９０が中央演算処理部７４によりオフの時、補助電極８０がフローティング状態となり、これによる補助電極８０とガード板２５との間の容量△Ｃ’が容量Ｃ7に並列に接続されなくなり、Ｃ0に対して△Ｃ分及びＣ2に対して△Ｃ2分が増加する。これにより、この静電容量の増加により人体を検知したのと同様の静電容量の変化量となり、人体を検知したのと同じ検知信号を出力する。
【００７４】
なお、図１８において、スイッチング素子９０がオン駆動されると、補助電極８０とガード板２５との間の容量△Ｃ’は、容量Ｃ7に並列に接続されるため、この場合は、人体が存在しないのと同等の信号が生成されるようになっている。
【００７５】
スイッチング素子９０がオフして検知信号を出力する場合には、この信号を受けてセンサ装置２２が正常である旨の表示を行なうことで、作業員は容易に視認することができる。また、センサ装置２２が正常でない場合には、その旨の表示や報知の手段により周りの作業員に知らせることができる。これにより、センサ装置２２の正常性の有無を常時確認することができ、センサ装置２２が正常に動作していることを容易に視認することができる。
【００７６】
図１９は上記制御動作のタイミングチャートを示し、図１９（ａ）は図１６に示す出力アンプ６４の出力電圧を示している。手などの人体の一部を検知しない場合は、例えば＋２４が出力され、手を検知した場合には、安全情報（例えば、０Ｖ〜＋１２Ｖ）の電圧が出力される。
そして、図１９（ｂ）に示すように、トリガー信号を中央演算処理部７４が出力し、その後チェック信号によりスイッチング回路８８のスイッチング素子９０をオフせしめ、補助電極８０をフローティング状態とする。その後、スイッチング素子９０をオンとして、通常のセンシング状態に移行する。
【００７７】
トリガー信号からチェック信号の終わりまでの期間（ＴＣ）は、図１９（ｃ）に示すように、無動信号が出力され、監視期間での出力部７２への検知信号の出力を遮断して、駆動系２０が不用意に緊急停止制御されるのを防止している。
ここで、図１９に示す監視期間ＴＣを例えば、３０ｍＳとし、また、通常のセンシング期間ＴＳを例えば、１秒としている。しかし、これらの期間は任意に設定できるものであり、適宜変更できることは言うまでもない。
【００７８】
ところで、図１０及び図１３に示す出力アンプ６４からの電圧信号の処理として、図１９に示すように、手などの人体を検知した場合には安全情報（例えば０〜１２Ｖ）の電圧が出力されるので、この可変する電圧の範囲に対応させて、例えば、ウインドウコンパレーターを用いて信号処理を行なうのが好適例である。
これにより可変する出力電圧に対しても正確に人体の検知を行なうことができ、また低コスト化をも図ることができる。
もちろん、出力アンプ６４の信号出力の処理手段としては、ウインドウコンパレーターの他に、ＡＮＤゲート、自己保持回路、オンディレー、整流回路、アナログアンプ、出力アンプなどの、故障時に出力がオフとなる制御用のフェールセールＩＣを用いたり、また強制ガイド式安全リレーを用いるようにしても良い。
【００７９】
また、対地間型、電極間型及び電極・対地間型のセンサ装置２２において、補助電極８０を設けてセンサの正常性の有無を定期的に常時監視していることで、回路自体の故障、断線、電極の壊れと脱落、電源断といったセンサ自体の故障の有無を容易に検出できるものである。
また、静電容量型であるので、センサ装置２２の周囲の電磁波、異常な温度などの周辺環境の影響による誤作動の有無も検知することができる。すなわち、いわゆるフェールセーフ回路を有したセンサ装置は、該装置の故障だけを監視しているが、本発明では、センサ装置２２の故障と周辺環境の影響によるセンサの誤動作も監視することができる。
なお、監視によりセンサ装置２２の異常を検知した場合には、制御装置６８により駆動系２０を停止するようにしている。
【００８０】
本発明を適用できる装置は、圧延装置に限らず、駆動部等の危険領域に人体が近付くことが可能な装置ならばほとんど全てに適用が可能である。例えば、対地間型のセンサ装置２２の場合は、押出機から吐出された樹脂等の板やフィルムを３本のローラーで圧延するようなシート圧延装置や、押出機から吐出された樹脂等のフィルムを引き取り、フィルムカッターでフィルムの耳をカットするようなシート引取装置や、また、金属、樹脂、木材等を回転帯鋸で切断する帯鋸装置や、更には、混練ローラーの上部へ手に掴んだゴム片等を投げ込むローラー混練機等に適用することができる。
【００８１】
また、電極間型のセンサ装置２２の場合は、押出機から吐出された樹脂等の板やフィルムを引き取るシート取引装置や、粉体、ペレット等を攪拌翼の回転で移送する重量フィーダーや、異種の樹脂、ゴム等をミキサーで練り、下部ダンパーより排出するバンバリミキサーや、ロボット等の可動式機械で、防護柵がある場合でも、部品、材料供給・加工品搬出及び機械の点検修理のために防護柵の一部が開くような可動式機械にも適用することができる。
【００８２】
したがって、本明細書の特許請求の範囲で用いられた術語「機器」は、上述のように人体の一部の接近が危険な領域を有する種々な装置、機械、設備、機器等を包摂するように解釈されるべきである。
また、適用装置の検知領域に応じて、対地間型及び電極間型におけるセンサ装置２２において、電極板と圧延ローラー、ガード板及びシールド板等の各部材の形状、寸法等は適宜変更し得ることは言うまでもない。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、電極板の一部に対向配置した補助電極を定期的に静電容量検出回路に接続して、静電容量の変化からセンサの正常性の有無を常に監視しているので、作業員の安全を確保する安全装置において、より安全性を向上させることができるという効果がある。
また、本発明では、センサ装置の故障だけでなく、周辺の電磁波や温度などの影響によるセンサ装置の誤動作も監視することができる。
【００８４】
また、本発明においては、電極板の裏面側にシールド板を配置することで、電極板の裏面側には電界が形成されず、そのため、電極板と機器との間や、電極板間の領域のみで人体の一部の有無を判断でき、誤検知を大幅に低減することができる。
【００８５】
【図面の簡単な説明】
【図１】対地間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】対地間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図４】電極間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】電極間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図７】電極・対地間型における補助電極を設けていない場合の機構部分とブロック回路図である。
【図８】図７のＶIII −ＶIII 線断面図である。
【図９】電極・対地間型における補助電極を設けていない場合のセンサ装置と静電容量検出回路の等価回路を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態である対地間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態である対地間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１２】対地間型の等価回路を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態である電極間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１４】本発明の他の実施形態である電極間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１５】電極間型の等価回路を示す図である。
【図１６】本発明の他の実施形態である電極・対地間型のセンサ装置と静電容量検出回路との構成図である。
【図１７】本発明の他の実施形態である電極・対地間型の機構部分とブロック回路図である。
【図１８】電極・対地間型の等価回路を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態のタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
２２ センサ装置
２６ 電極板
２７ ガード板
２８ シールド板
２９ 電極板
３０ シールド板
３２ シールド板
４４ 静電容量検出回路
８０ 補助電極
Claims (6)
- 接地された機器と所定の間隙をおいて配置された少なくとも１つの電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えた前記接地された機器のためのセンサ装置。
- 前記電極板の裏面側に配置されたガード板と、このガード板の裏面側に配置されて接地されたシールド板とを備えた請求項１記載のセンサ装置。
- 接地された機器の所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させる安全装置において、前記接地された機器と前記領域をはさんで配置された電極板と、この電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板と機器との間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えた安全装置。
- 所定の間隙をおいて互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記間隙内に特定の誘電体が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して誘電体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えたセンサ装置。
- 前記一対の電極板の非対向面側にそれぞれ、接地されたシールド板を対向して配置した請求項４記載のセンサ装置。
- 所定の領域に人体の少なくとも一部が入ったことを検知して安全手段を作動させる安全装置において、前記領域をはさんで互いに対向して配置された一対の電極板と、これらの電極板のいずれか一方の電極板の一部に対向して配置された補助電極と、前記領域内に人体の少なくとも一部が存在するか否かを電極板間の静電容量変化により検知する静電容量検出回路と、前記補助電極を定期的に前記静電容量検出回路側に接続して人体検知の正常性の有無を監視する監視手段とを備えていることを特徴とする安全装置。
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