JP4188015B2

JP4188015B2 - 非接触スイッチ

Info

Publication number: JP4188015B2
Application number: JP2002210057A
Authority: JP
Inventors: 晄和田
Original assignee: 株式会社ワイ・エム・シー
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: JP2004056905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般の照明や換気扇等の電気機器のオンオフを、機械的にスイッチを操作することなく、非接触で行う非接触スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光センサーや超音波センサー等を用いた非接触スイッチは数多く提案され、これらを用いて電気機器をオンオフすることも一般に行われている。特に、特開２００２−１００２６８公報には、装置本体の近傍位置に進入した人体を検知する焦電型の赤外線センサーを用い、特定位置まで進入した人体を検知して、電気機器に直列に配置された接点型の開閉器のオンオフを行う非接触スイッチ装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報記載の非接触スイッチ装置においては、以下のような問題があった。
（１）電気機器が長時間オンになっている場合には、開閉器が常時オンとなっているので、その両端に電圧は発生せず、開閉器の両端に接続されている電源部に電力を供給することができない。このため、電気機器はオンの状態を継続するので、充電式の電源部を備えたり、又は特別のオフ装置（例えば、手動操作やタイマー動作のオフ装置）が必要である。
（２）人体検知センサーとして焦電型の赤外線センサーを用いているので、検知範囲が広く誤動作を起こし易く、人がその部分を通過する毎に反応する。勿論、前記公報には、検出範囲を人が意図的に進入しえる狭小な範囲に設定すると記載されているが、感度を落とすと誤動作が生じ易く、その設定は容易ではない。
（３）更に、前記公報においては、操作部を調整して焦電型の赤外線センサーの窓を調整することが記載されているが、焦電型の赤外線センサーは、一般には検出距離の特定が難しく、適正に調整することは難しく手間である。
（４）また、焦電型の赤外線センサーは小型のものは入手困難であり、更には焦電型の赤外線センサーを操作する窓等を設けており、結果として、機器自体の小型化が困難である。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、スイッチ手段がオンの場合でも微小電力が取れるように工夫し、更には動作の安定性がよく機器の小型化もできる非接触スイッチを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る非接触スイッチは、スイッチボックスを備え、壁又は柱に取付けて直列接続された電気機器のオンオフをスイッチ手段によって行う非接触スイッチであって、
前記スイッチボックスの表面側に、受光部及び投光部が設けられた反射型の光センサーと、前記光センサーの作動によってオンオフを行って前記スイッチ手段を構成する半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子がオフ状態の他、前記半導体スイッチ素子がオン状態であっても前記半導体スイッチ素子の瞬時オフ制御を行い、該半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る電源部とを有し、
前記電源部から、前記光センサー及び前記半導体スイッチ素子への電力供給を行い、
前記半導体スイッチ素子の通電時に、交流電源に非通電期間を短時間設けて、該半導体スイッチ素子の両端に小電圧を発生させ、前記電源部の電源としており、しかも、前記電源部は電荷を蓄積するコンデンサー又は電池からなる充電手段を有し、該充電手段の電荷が不足する場合にのみ、前記半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る動作をする。
第１の発明においては、半導体スイッチ素子がオンの状態であっても、その両端に小電圧を発生させて微小電力を得るようにしているので、負荷を長時間オンにしても、反射型の光センサーを働かせることができる。そして、反射型の光センサーを作動させる位置の距離設定を行うことによって、光センサーのオンオフの動作を明確にできる。
【０００５】
そして、第２の発明に係る非接触スイッチは、第１の発明に係る非接触スイッチにおいて、前記光センサーが対象物を検知する毎に前記半導体スイッチ素子がオンとオフを交互に繰り返す。これによって、例えば、この非接触スイッチの前に手を翳すことによってスイッチが入り、次に手を翳すことによってスイッチが切れる。なお、手等の対象物の場合には反射光が安定しないので、その出力が乱れることが起こりやすく、これを防止して光センサーの動作を安定させるために、光センサーの出力に対して動作遅延のための微小時間（例えば、０．１〜２秒）のタイマー回路等を設けるのが好ましい。これによって、前記した微小時間の間に光センサーの出力が変わってもスイッチをオンオフさせる動作をしないことになる。
【０００６】
第１の発明に係る非接触スイッチは、前記半導体スイッチ素子の通電時に、交流電源に非通電期間を短時間設けて、該半導体スイッチ素子の両端に小電圧を発生させ、前記電源部の電源としている。一般に半導体スイッチ素子には、トライアック、サイリスター等のように一旦ゲートに信号が入ると順方向に通電しっぱなしの素子と、トランジスタ等のようにベース電流を流すことによって順方向に通電する素子があり、これらの素子を微小時間のみオフにすれば、その両端に電圧が発生するので、これを利用して微小電力を得ることができる。
この場合、負荷側には少しの電圧降下が生じることになるが、実用上電源電圧の９０％以上の電圧が確保できれば、負荷側に問題は生じない。また、光センサーや半導体スイッチ素子を駆動するための制御装置の必要電流は数ミリアンペア程度であるので、短時間半導体スイッチ素子をオフさせることによって得ることができる。
この第１の発明の場合、交流電源の全ての周期に合わせて各サイクル又は各半サイクル毎に半導体スイッチ素子を短時間オフにして電源を得る場合の他、複数サイクル毎に半導体スイッチ素子を短時間非通電にして電源を得る場合もある。
【０００７】
第３の発明に係る非接触スイッチは、第１の発明に係る非接触スイッチにおいて、前記半導体スイッチ素子はトライアックであって、前記非通電期間は、交流電源の正負半サイクルの間に行われ、しかも、それぞれ通電位相は０度を超え２５度以内の範囲（更に好ましくは、１０〜２０度の範囲）である。これによって、負荷側の電源電圧の約９０％以上を確保でき、負荷側に大きな影響を与えない。
第１の発明に係る非接触スイッチは、前記電源部には電荷を蓄積するコンデンサー又は電池からなる充電手段を有し、該充電手段の電荷が不足する場合にのみ、前記半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る動作をさせている。これによって常時１００％の電力を負荷側に供給できる。
【０００８】
【０００９】
なお、スイッチ手段がオンとなっている場合に、電源側から微小電力を得る他の方法として、回路に直列に小抵抗、リアクトルを入れその両端の電圧降下から電源を得る方法もあるが、小抵抗の場合には負荷を流れる電流が大きくなると、抵抗の発熱が増加するし、リアクトルの場合には機器が大型化する。また、これらのインピーダンス素子を回路に直列に入れた場合には、これらのインピーダンスが大きいと電圧降下が大きくなり、インピーダンスが小さいと小電流の場合目的の電圧が素子間に発生せず、機器の安定性が悪い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチの回路ブロック図、図２は同非接触スイッチの正面図、図３（Ａ）は同非接触スイッチの一部切欠き側面図、図３（Ｂ）は同図（Ａ）における矢視Ａ−Ａ図、図４（Ａ）、（Ｂ）は同非接触スイッチの動作説明図、図５は同非接触スイッチの使用状態を示す説明図である。
【００１１】
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチ１０は、角形のスイッチボックス１１内に収納されている。図２、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スイッチボックス１１は壁（又は柱）内に埋め込まれるボックス本体１２と、その正面側に設けられている取付け枠１３と、取付け枠１３の更に正面側に取付けるられる化粧板１４とを有している。金属製（例えば、鉄製）のボックス本体１２はプラスチック製の取付け枠１３に固定され、取付け枠１３の上下に設けられているビス孔１５を挿通するビス１６を介して取付け枠１３を壁板１７に固定している。取付け枠１３の周囲には４つの係合孔１８が設けられ、化粧板１４の裏面側には、それぞれの係合孔１８に嵌入してその内部で取り外し可能に引っ掛かる掛止部１９を備える掛止突起２０が設けられ、それぞれの掛止突起２０を４つの係合孔１８に嵌入させて、化粧板１４を取付け枠１３に固定している。
取付け枠１３の正面側中央には、赤外線は通過するが可視光線は通過させない矩形のアクリル樹脂製の可視光カットフィルター板２１が突出状態で設けられ、化粧板１４には可視光カットフィルター板２１が露出する貫通窓２２が正面側に設けられている。なお、化粧板１４の厚みは可視光カットフィルター板２１の厚みと同一となって、化粧板１４の表面と可視光カットフィルター板２１の表面が同一平面上に位置している。
【００１２】
可視光カットフィルター板２１の上部には動作表示灯２３の覗き窓２４が形成されているが、この動作表示灯２３は発光ダイオードからなって、可視光カットフィルター板２１の裏面側に設けられたボックス本体１２内に取付けられたプリント基板２５に固定されている。このプリント基板２５には、図１に示す非接触スイッチ１０の制御回路２６の主要部が収納されている。
この制御回路２６は、図１に示すように、受光部２７と投光部２８を有する反射型の光センサー２９と、電気機器の一例である照明器具３０等の負荷に直列に接続されたスイッチ回路３１と、光センサー２９の出力によってスイッチ回路３１の半導体スイッチ素子を構成するトライアック（スイッチ手段の一例）３２をオンオフするスイッチ制御部３３と、これらに電源を供給する電源部３４とを有している。
【００１３】
光センサー２９は周知の構造となって、発光ダイオードを用いた投光部２８から発する赤外線パルスを、対象物の一例である人の手３５に反射させて、その反射光をフォトトランジスタやフォトダイオードを用いた受光部２７によって受光した場合にオンの出力をスイッチ制御部３３に送るようになっている。
この発光ダイオードからなる投光部２８は、図３に示すように、取付け枠１３を貫通して、可視光カットフィルター板２１の背部に配置され、フォトトランジスタ等からなる受光部２７も取付け枠１３を貫通して可視光カットフィルター板２１の背部に配置されている。
一方、スイッチ回路３１に設けられているトライアック３２は、そのゲートに信号が入力されると交流電源に対して、信号が入力された時点から電源の正負が入れ代わる時点まで導通素子であって、光センサー２９がオンになった場合、スイッチ制御部３３から発する信号によって、オンするようになっている。
【００１４】
この場合のトライアック３２のオン時期は図４（Ａ）に示すように、交流電源に対して０を超え２５度以内の角度位相（φ）で信号を与えて、トライアック３２を通電させている。これによって、交流電源に短時間の非通電期間が設けられ、図４（Ａ）にハッチングを入れて示す電圧が照明器具３０に対してかかる。例えば、１００Ｖ交流半波長（交流電源の正負半サイクル）に対してそれぞれ約２５度の位相角でトライアック３２をオンにすると、実効値が９４〜９５Ｖの交流が得られ、実用上差し支えない。また、図４（Ｂ）に示すように、トライアック３２がオフ時のトライアック３２の最高両端電圧は約６０Ｖとなり、この電圧を瞬時にブリッジ回路３６で整流して定電圧回路３７で所定の直流電圧にして直流電源とする。この場合、トライアック３２が完全にオフとなってトライアック３２の両端に電源電圧（例えば、交流１００Ｖ）がかかる場合であっても、常時一定の電圧の直流電源（例えば、５Ｖ）を得ることができ、これをスイッチ制御部３３、スイッチ回路３１及び光センサー２９の電源とすることができる。なお、図１の電源部３４においては、定電流回路や定電圧回路の詳細については周知の技術であるので示されていない。
【００１５】
また、スイッチ制御部３３には、反射型の光センサー２９が手３５等を検知した場合でかつ手３５を光センサー２９の前に往復動させた場合には、光センサー２９が手３５を検知するごとにオンオフすることになり、光センサー２９の応答性が速すぎる場合があり、不自然であるので、例えば、１〜２秒程度のタイマー回路を設けて、光センサー２９がオンになった直後タイマー回路がカウントアップしない場合には、トライアック３２がオフにならないようにディレイ回路が設けてある。
また、スイッチ制御部３３には、光センサー２９がオンになった場合に点灯する動作表示灯２３が設けられている。この動作表示灯２３は光センサー２９がオンになってトライアック３２がオンになった場合にのみ点灯するが、この動作表示灯２３に２色の発光ダイオードを用いて、光センサー２９がオフの場合には緑色（又は黄色）を点灯し、光センサー２９がオンの場合には赤色を点灯させるようしてもよい。なお、トライアック３２の両端にネオン管を設けてトライアック３２のオフ時の表示としてもよい。
【００１６】
従って、この実施の形態に係る非接触スイッチ１０においては、照明器具３０に電源が入っていない状態、即ち、非接触スイッチ１０のトライアック３２が非導通の場合には、トライアック３２の両端に電源電圧がかかるので、これを電源部３４で整流して定電圧にし、スイッチ回路３１、光センサー２９、及びスイッチ制御部３３に供給する。そして、図５に示すように、人の手３５を反射型の光センサー２９が検知して作動した場合には、その出力をスイッチ制御部３３に供給して、スイッチ回路３１に信号を送り、トライアック３２に半波長（１８０度）に対して１５〜２０度の位相角で信号を送り、スイッチ回路３１をオンにする。この場合、トライアック３２の両端には、電源電圧の一部からなる小電圧が発生するので、これを電源部３４によって整流して微小電力を得、定電圧の直流に変えてスイッチ回路３１、光センサー２９、及びスイッチ制御部３３に供給する。これによって、仮にスイッチ回路３１がオンの状態を継続しても、電源を供給することができる。
なお、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トライアック３２の両側に接続される端子３９、４０は、金属製のボックス本体１２の側部に設けられており、トライアック３２の放熱フィン４１は、放熱性を確保するため、金属製のボックス本体１２に取付けられている。
【００１７】
前記実施の形態に係る非接触スイッチ１０においては、スイッチ回路３１をオンにした場合には、トライアック３２を常時位相制御して瞬時オフ制御を行い電源部３４の電源を得ているが、電源部３４に充電手段の一例であるコンデンサーや場合によっては充電式の電池を用意し、このコンデンサーや電池の両端電圧が一定電圧より下がった場合のみ、トライアック３２を位相制御してトライアック３２の両端に小電圧を発生させて、電源部３４に供給するようにすることも可能である。これによって、常時はドロップしていない電圧即ち１００％の電源電圧が負荷にかかることになる。
また、前記実施の形態に係る非接触スイッチ１０においては、スイッチ回路３１が導通時には、トライアック３２を半サイクル毎に位相制御を行ってその両端から電源電圧を拾っているが、例えば、複数サイクル（例えば、２〜５サイクル）に一回毎、あるいは複数サイクル毎の正負（例えば２〜５サイクル後の正のサイクル及びその後の２〜５のサイクルの負のサイクル）にトライアックを位相制御してその両端に電圧を発生させて電源部３４の電源とすることもできる。
また、前記実施の形態に係る非接触スイッチ１０においては、スイッチ回路３１がオンの場合の電源の供給は、トライアック３２を位相制御することによって行っている。これによって、負荷側の電圧が少しの範囲で下がるので、これを防止するために、例えば、スイッチ回路３１に直列に電流変成器（ＣＴ）を配置し、この電流変成器によって発生する電流を整流して直流電源とすることもできる。この場合に取付ける電流変成器４２、整流回路４２ａを図１に２点鎖線で示す。この場合は、トライアック３２の代わりに接点式の開閉器を利用できる。
なお、図２に示すように、スイッチボックス１１の正面側に手動のスイッチ４４を設け、これをトライアック３２に直列に接続することもできる。この場合、故障時等にスイッチ４４を操作して強制的に回路を遮断することができる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の非接触スイッチは、スイッチボックスの表面側に、受光部及び投光部が設けられた反射型の光センサーによって、スイッチを作動させているので、焦電型のセンサーに比較して検知距離や検知範囲を明確に設定することができ、動作の安定性が向上する。
更には、従来の手動スイッチの電気回路にそのまま設置することができるので、新たな電源ラインの配線が不用となる。
特に、請求項１〜３記載の非接触スイッチにおいては、半導体スイッチ素子がオンの場合であっても、半導体スイッチ素子に短期間のオフ期間を設けて、半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得るようにしているので、負荷をオフにした場合は当然として、負荷を長時間オンし続けた場合でも、電力を確保することができる。
そして、従来の壁や柱等に設けられて負荷に直列に配置するスイッチボックスをそのまま本発明の非接触スイッチに入れ換えることもできる。
従って、この非接触スイッチはスイッチに直接触ることなく、電気機器（例えば、照明灯）のオンオフができるので、極めて衛生的である。例えば、電気機器をトイレの照明灯とした場合には、あらゆる分野で利用できるものであり、更には、病院を始めとし、食品工場、科学バイオ工場、精密機械工場、半導体工場、薬品工場、醸造工場、ホテル等の衛生を最も優先視しなければならない場所から、一般の工場や家庭まで、機器の非接触スイッチとして有効に利用できるものである。
更には、この非接触スイッチを例えば足元に取付けておけば、人が荷物を持ち両手が塞がっている場合であっても、足や膝等でスイッチのオンオフができる。
特に、指や手が不自由な人であっても、車椅子や肩での操作も可能となり、社会に対する貢献度は大きい。
そして、請求項１記載の非接触スイッチは、電源部には電荷を蓄積するコンデンサー又は電池からなる充電手段を有し、充電手段の電荷が不足する場合にのみ、半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る動作をさせている。これによって常時１００％の電力を負荷側に供給できる。
請求項２記載の非接触スイッチにおいては、光センサーが対象物を検知する毎に半導体スイッチ素子がオンとオフを交互に繰り返す。これによって、例えば、この非接触スイッチの前に手を翳すことによってスイッチが入り、次に手を翳すことによってスイッチが切れる。
【００１９】
請求項３記載の非接触スイッチは、半導体スイッチ素子はトライアックであって、非通電期間は、交流電源の正負半サイクルの間に行われ、しかも、それぞれ０度を超え２５度以内の範囲である。これによって、負荷側の電源電圧の約９０％以上を確保でき、負荷側に大きな影響を与えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る非接触スイッチの回路ブロック図である。
【図２】同非接触スイッチの正面図である。
【図３】（Ａ）は同非接触スイッチの一部切欠き側面図、（Ｂ）は図（Ａ）における矢視Ａ−Ａ図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同非接触スイッチの動作説明図である。
【図５】同非接触スイッチの使用状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：非接触スイッチ、１１：スイッチボックス、１２：ボックス本体、１３：取付け枠、１４：化粧板、１５：ビス孔、１６：ビス、１７：壁板、１８：係合孔、１９：掛止部、２０：掛止突起、２１：可視光カットフィルター板、２２：貫通窓、２３：動作表示灯、２４：覗き窓、２５：プリント基板、２６：制御回路、２７：受光部、２８：投光部、２９：光センサー、３０：照明器具（負荷）、３１：スイッチ回路、３２：トライアック、３３：スイッチ制御部、３４：電源部、３５：人の手、３６：ブリッジ回路、３７：定電圧回路、３９、４０：端子、４１：放熱フィン、４２：電流変成器、４２ａ：整流回路、４４：手動のスイッチ

Claims

スイッチボックスを備え、壁又は柱に取付けて直列接続された電気機器のオンオフをスイッチ手段によって行う非接触スイッチであって、
前記スイッチボックスの表面側に、受光部及び投光部が設けられた反射型の光センサーと、前記光センサーの作動によってオンオフを行って前記スイッチ手段を構成する半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子がオフ状態の他、前記半導体スイッチ素子がオン状態であっても前記半導体スイッチ素子の瞬時オフ制御を行い、該半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る電源部とを有し、
前記電源部から、前記光センサー及び前記半導体スイッチ素子への電力供給を行い、
前記半導体スイッチ素子の通電時に、交流電源に非通電期間を短時間設けて、該半導体スイッチ素子の両端に小電圧を発生させ、前記電源部の電源としており、しかも、前記電源部は電荷を蓄積するコンデンサー又は電池からなる充電手段を有し、該充電手段の電荷が不足する場合にのみ、前記半導体スイッチ素子の両端から微小電力を得る動作をすることを特徴とする非接触スイッチ。
請求項１記載の非接触スイッチにおいて、前記光センサーが対象物を検知する毎に前記半導体スイッチ素子がオンとオフを交互に繰り返すことを特徴とする非接触スイッチ。
請求項１記載の非接触スイッチにおいて、前記半導体スイッチ素子はトライアックであって、前記非通電期間は、交流電源の正負半サイクルの間に行われ、しかも、それぞれ通電位相が０度を超え２５度以内の範囲であることを特徴とする非接触スイッチ。