JP4210004B2 - Capacitance type alarm device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建造物の窓枠やドア、自動車の車体等の導電体からなる保護対象に対する人や動物の接近又は接触を検出して警報を発する静電容量型警報装置に関するもので、特に盗難防止装置に利用して有用な装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、建造物や車両に対する盗難を防止するための種々の装置が提案されている。例えば、超音波ドップラーレーダーを車内に装着し、窓ガラスや車体が強打されたのを検出して警報を発する自動車用盗難防止装置が公知である。この装置は、車両の窓ガラスや車体が強打されたときに、車内に装着された超音波ドップラーレーダーの出力信号に現れるドップラー信号を検出し、該ドップラー信号が所定の時間よりも長く継続したときに警報信号を発生してブザー等の警報器を作動させるものである。
【0003】
しかしながら、このような自動車用盗難防止装置においては、窓ガラスや車体を強打されたときに発生するドップラー信号を検出するものであるため、盗難が発生したときには窓ガラスが壊されていたり、車体が傷つけられていたりする。また、タイヤの盗難やエンジンルーム内及びトランク内の物品の盗難を防止することができないという課題があった。さらに、超音波発生部と超音波受信部とを新たに設置する必要があり、コスト上の問題もある。こうした課題は、ドップラー効果を利用する何れの盗難防止装置にも共通するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこうした課題を解決するために提案されたものであり、この発明の目的は、検出対象物との距離に応じた静電容量を検出し、警報を発する静電容量型警報装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、導電体からなるセンサ電極と電気的に接続され、前記センサ電極と検出対象物との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に対応する信号を発生する静電容量検出手段と、前記信号が所定の閾値を越えたことを検出して警報を発する警報手段とを具備する静電容量型警報装置を提供する。
【0006】
前記静電容量検出手段は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記出力端子と前記反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続され、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状態である演算増幅器を備える。前記反転入力端子と前記センサ電極との間は導線によって接続され、前記導線の少なくとも一部は前記非反転入力端子に接続されたシールド線によって包囲される。前記非反転入力端子に交流信号を印加することにより、前記演算増幅器は前記センサ電極と前記検出対象物との距離に対応する電圧を出力する。
【0007】
前記警報手段は信号処理手段と警報器とを備えており、前記信号処理手段は、前記電圧のピーク値を保持する保持部と、該ピーク値が所定の閾値を越えたことを検出して前記警報器を作動させる検出部とを備える。
【0008】
前記センサ電極としては、例えば自動車の車体や建造物の窓枠等の導電体を使用することができる。さらに、前記静電容量型警報装置はリモートコントロールによってオン、オフされる電源を備えると使用に便利である。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係る静電容量検出装置の一つの実施の形態の構成を概略的に示すブロック図である。図1において、静電容量型防犯装置は、保護対象である建造物の窓枠やドア及び自動車の車体等の導電体からなるセンサ電極Sと導線を介して電気的に接続された静電容量検出部1を備える。センサ電極Sは、人間、動物、工具等の検出対象物Dとの距離に応じた大きさの静電容量を発生するために設けられる。静電容量検出部1は、後述するように、演算増幅器のイマジナリショートの状態を利用してセンサ電極Sにおける静電容量の大きさを検出して該静電容量に対応する電圧を出力し、この電圧を信号処理部2に印加する。換言すると、静電容量検出部1は、センサ電極Sによって検出された物理量を、後段の信号処理部2によって処理可能な電気信号へ変換するものである。
【0010】
信号処理部2は、静電容量検出部1から受け取った電圧を処理し、該電圧の大きさが予め設定した範囲内にあるかどうかを判定する機能を有するもので、任意の構成の回路を使用することができる。これにより、センサ電極Sにおける静電容量が正常な状態にあるか否か、すなわち、センサ電極Sと人、動物等の検出対象物Dとの距離が所定の値以内にあるかどうかを判定することができる。信号処理部2は、静電容量検出部1から出力された電圧が予め設定した範囲を逸脱したと判定したときに警報信号を発生し、これをブザー等の警報器3に供給して該警報器3を作動させる。
【0011】
センサ電極Sは導電体であれば任意の材質及び形状のものでよく、保護対象が自動車であれば、図2の(a)に示すように、センサ電極Sは自動車の導電性の車体5であり、保護対象が建造物の場合には、図2の(b)に示すように、導電性の窓枠6をセンサ電極Sとすることができる。図2の(a)においては、自動車の車体5の適宜の位置を静電容量検出部1の入力端子と接続することにより、人や動物等の検出対象物Dが自動車に接近したときに検出対象物Dとセンサ電極Sである車体との間に発生する静電容量を利用して、検出対象物Dと車体との距離を検出することができるので、盗難防止装置や歩行者の自動車への異常接近を警報する接触防止装置を構成することができる。図2の(b)の場合には、窓枠6の適宜の位置を静電容量検出部1の入力端子と接続することにより、窓枠への接触又は接近を警報する防犯装置を構成することができる。
【0012】
図3は、静電容量検出部1の構成の一例を示している。静電容量検出部1は静電容量検出回路11と、該静電容量検出回路11をセンサ電極Sに接続する信号線12とを備える。静電容量検出回路11は演算増幅器13を備えており、この演算増幅器の電圧利得は閉ループ利得よりも極めて大きい。演算増幅器13の出力端子と反転入力端子(−)との間には帰還抵抗14が接続され、演算増幅器13に負帰還がかかっている。さらに、演算増幅器13の反転入力端子(−)には、信号線12の一端が接続され、信号線12の他端にはセンサ電極Sが接続される。一方、演算増幅器13の非反転入力端子(+)は、交流信号を発生する発振回路15の出力端子及び信号線12の周囲の少なくとも一部を包囲するシールド線16に接続される。
【0013】
信号線12の少なくとも一部をシールド線16によって包囲したのは、シールド線16によって外部からのノイズ等の不要信号が信号線12に誘導されるのを防止するためであり、シールド線16は接地されない。
【0014】
このように、演算増幅器13には帰還抵抗14を介して負帰還がかかっており、しかも、演算増幅器13の電圧利得の方が閉ループ利得よりも極めて大きいので、演算増幅器13の両入力端子間はイマジナリ・ショートの状態にある。すなわち、演算増幅器13の反転入力端子(−)と非反転入力端子(+)との間の電圧差は実質的にゼロである。したがって、信号線12とシールド線16とは同電位にあり、信号線12とシールド線16との間に生じる浮遊容量をキャンセルすることができる。このことは、信号線12の長さに無関係に成立するし、信号線12の移動や折り曲げ、折り返し等に関係なく成立する。
【0015】
いま、発振回路15から正弦波信号を発生させたときに演算増幅器13から出力される電圧をVoutとすると、
【0016】
【数1】
Vout=(1+jωCs・Rf)・Vin (1)
が成立する。ただし、Vinは発振回路15から発生される正弦波信号の振幅であり、ωは同正弦波信号の角周波数であり、Rfは帰還抵抗14の抵抗値であり、Csはセンサ電極Sと検出対象物Dとの間に形成される容量の値である。このとき、センサ電極Sと検出対象物Dとの間の距離をdとすると、Csとdとの間には
【0017】
【数2】
Cs=ε・A/d (2)
なる関係が成り立つ。ただし、εはセンサ電極Sと検出対象物Dとの間の誘電率であり、Aはセンサ電極Sの検出対象物Dに対向する部分の面積である。
【0018】
式(2)を式(1)に代入すると、式(1)は
【0019】
【数3】
Vout=(1+jωRf・ε・A/d)・Vin (3)
と書き直すことができる。この式は、静電容量検出回路11から出力される電圧Voutがセンサ電極Sと検出対象物Dとの間の距離dに応じた値を有すること、換言すると、静電容量検出回路11の出力にはセンサ電極Sと検出対象物Dとの距離に応じた電圧Voutが現れることを示している。
【0020】
なお、センサ電極Sの近くに導電体が存在すると、この導電体もセンサ電極Sとの間に浮遊容量を形成するので、そうした浮遊容量の影響を可能な限り除去して、静電容量検出回路11をセンサ電極Sと検出対象物Dとの間の静電容量Csに基づいて正確に動作させるために、センサ電極Sの周囲に存在する導電体をシールド線16と電気的に接続しておくことが望ましい。こうすると、センサ電極Sの周囲の導電体はセンサ電極Sと同電位になり、静電容量検出回路11の動作に影響しなくなる。
【0021】
図4は、Rf=10MΩ、Vin=0.5V、ω=2π×10kHz、ε=1としたときの、センサ電極Sと検出対象物との間に形成される容量の値Cs(単位フェムトファラッド)の変化に対して静電容量検出回路11から出力される電圧Vout(単位ボルト)がどのように変化するかを示すグラフである。このグラフから、Csの増加に対して、したがって、センサ電極Sと検出対象物Dとの距離dが小さくなるにつれてVoutがほぼ直線的に増加することがわかる。
【0022】
図5は、センサ電極Sを円形とし、その直径φを15mm、30mm及び45mmとしたときの、センサ電極Sと検出対象物との間の距離d(単位ミリメートル)に対する電圧Vout(単位ボルト)の変化を示すグラフである。ただし、何れの場合もεは空気の誘電率である。このグラフから、dが或る値よりも小さい範囲にあるならばVoutはdの増加と共に減少すること、該範囲はセンサ電極Sと検出対象物Dとの対向する面積Aの大きさに依存することがわかる。
【0023】
図6は、信号処理部2の構成の一例を示すブロック図である。信号処理部2は、静電容量検出部1から出力された電圧Voutが予め設定した閾値を越えたときに異常状態が発生したと判断して警報信号を発生し、ブザー等の警報器3を作動させるものであり、ピーク保持部21と比較検出部22とを備える。ピーク保持部21は、静電容量検出部1から電圧Voutを受け取って、所定のタイミングで電圧Voutのピーク値を抽出して保持し、保持したピーク値を比較検出部22に加える。比較検出部22は受け取ったピーク値を予め定めた閾値と比較し、ピーク値が閾値を越えたとき警報信号を発生して警報器に与える。
【0024】
比較検出部22に設定される閾値は、この発明に係る静電容量型警報装置を自動車用接触防止装置や盗難防止装置等のどのような装置としてとして使用するかに応じて、検出対象物Dがセンサ電極Sに接触した場合を含む、検出対象物Dがセンサ電極Sに対して接近し得る最小距離に応じて決めることができる。
【0025】
以上、この発明に係る静電容量型警報装置の一つの実施の形態について説明したが、この発明はこうした実施の形態に限定されるものではない。例えば、必要に応じて、静電容量型警報装置の電源のオン、オフをリモートコントロールすることができるようにしてもよい。また、金具などの導体があれば、新しくセンサ素子を設けること無く、検知装置を構成することができ、安価に警報装置や入退室センサなどを作ることも可能である。
【0026】
【発明の効果】
以上、この発明を図示の実施の形態を参照しながら説明したところから理解されるとおり、請求項1の発明は、検出対象物がセンサ電極に対して所定の距離まで接近したこと又はセンサ電極に接触したことを死角無く検出して警報を作動させることができるという効果を奏する。
【0027】
請求項2の発明は、センサ電極と検出対象物との間に形成される静電容量に正確に対応した電圧を求めることができ、例えばフェムトファラッド(ピコファラッドの1000分の1)のオーダーの微小なものであっても、該静電容量を電圧へ高精度に変換することが可能になるので、センサ電極と検出対象物との距離に応じて正確に警報を発することができるという効果を奏する。
【0028】
請求項3の発明は、所定の大きさの静電容量が検出されたときに警報を発することができるので、誤動作を防止することができるという効果を奏する。
これらを自動車の車体に用いれば、死角の無い自動車用盗難防止装置を提供することができるという効果を奏する。また、建物の窓枠やドアなどに用いれば、死角の無い建造物用防犯装置を提供することができるという効果を奏する。
【0029】
請求項4の発明は、離れた地点から装置の動作開始と終了を制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係る静電容量型警報装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図2】 (a)は図1のセンサ電極として自動車の車体を使用した場合の、(b)は図1のセンサ電極として窓枠を使用した場合の静電容量型警報装置の構成をそれぞれ示す図である。
【図3】 図1の静電容量検出部1の構成の一例を示す図である。
【図4】 図3の静電容量検出回路11の出力電圧Voutとセンサ電極Sで発生される静電容量Csとの関係を示すグラフである。
【図5】 センサ電極Sの形状に応じて、図3の静電容量検出回路11の出力電圧Voutがセンサ電極Sと検出対象物Dとの距離に応じてどう変化するかを示すグラフである。
【図6】 図1の信号処理部2の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
S:センサ電極、 D:検出対象物、 1:静電容量検出部、
2:信号処理部、 3:警報器、5:車体、 6:窓枠、
12:信号線、 13:演算増幅器、 14:帰還抵抗、 15:発振回路、
21:ピーク保持部、 22:比較検出部、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a capacitive alarm device that issues an alarm by detecting the approach or contact of a person or animal to a protection target made of a conductor such as a window frame or door of a building, or a car body, and in particular theft. The present invention relates to a device that is useful as a prevention device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various devices for preventing theft of buildings and vehicles have been proposed. For example, an anti-theft device for automobiles is known that is equipped with an ultrasonic Doppler radar in a vehicle, detects a smashing of a window glass or a vehicle body, and issues an alarm. This device detects a Doppler signal that appears in the output signal of an ultrasonic Doppler radar mounted in the vehicle when the window glass or the vehicle body of the vehicle is struck, and the Doppler signal continues for a longer time than a predetermined time. An alarm signal is generated to activate an alarm device such as a buzzer.
[0003]
However, such an anti-theft device for automobiles detects a Doppler signal that is generated when the window glass or the vehicle body is smashed, so that when the theft occurs, the window glass is broken or the vehicle body is It is hurt. In addition, there is a problem that it is impossible to prevent theft of tires and theft of articles in the engine room and trunk. Furthermore, it is necessary to newly install an ultrasonic wave generation part and an ultrasonic wave reception part, and there also exists a problem on cost. Such a problem is common to any antitheft device using the Doppler effect.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been proposed in order to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a capacitance type alarm device that detects a capacitance according to the distance to a detection target and issues an alarm. There is to do.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is electrically connected to a sensor electrode made of a conductor, detects a capacitance between the sensor electrode and a detection object, and detects the detected capacitance. There is provided a capacitance type alarm device comprising capacitance detection means for generating a corresponding signal and alarm means for generating an alarm upon detecting that the signal exceeds a predetermined threshold.
[0006]
The capacitance detection means has an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, and the output terminal and the inverting input terminal are connected by a feedback resistor, and the inverting input terminal and the non-inverting input An operational amplifier having an imaginary short between the terminals is provided. The inverting input terminal and the sensor electrode are connected by a conducting wire, and at least a part of the conducting wire is surrounded by a shield wire connected to the non-inverting input terminal. By applying an AC signal to the non-inverting input terminal, the operational amplifier outputs a voltage corresponding to the distance between the sensor electrode and the detection target.
[0007]
The alarm means includes a signal processing means and an alarm device. The signal processing means detects a holding unit that holds a peak value of the voltage, and detects that the peak value exceeds a predetermined threshold value. And a detector for operating the alarm device.
[0008]
As the sensor electrode, for example, a conductor such as a car body of a car or a window frame of a building can be used. Furthermore, it is convenient to use the electrostatic capacity type alarm device provided with a power source that is turned on and off by remote control.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of one embodiment of a capacitance detection device according to the present invention. In FIG. 1, the electrostatic capacity type crime prevention apparatus is an electrostatic capacity electrically connected to a sensor electrode S made of a conductor such as a window frame or door of a building to be protected and a car body of a car via a conductor. A detection unit 1 is provided. The sensor electrode S is provided to generate a capacitance having a magnitude corresponding to the distance from the detection target D such as a human being, an animal, or a tool. As will be described later, the capacitance detection unit 1 detects the size of the capacitance in the sensor electrode S using the imaginary short state of the operational amplifier, and outputs a voltage corresponding to the capacitance. This voltage is applied to the
[0010]
The
[0011]
The sensor electrode S may be of any material and shape as long as it is a conductor. If the object to be protected is an automobile, the sensor electrode S is a conductive body 5 of the automobile as shown in FIG. Yes, when the object to be protected is a building, the
[0012]
FIG. 3 shows an example of the configuration of the capacitance detection unit 1. The capacitance detection unit 1 includes a
[0013]
The reason why at least a part of the
[0014]
Thus, negative feedback is applied to the
[0015]
Now, assuming that the voltage output from the
[0016]
[Expression 1]
Vout = (1 + jωCs · Rf) · Vin (1)
Is established. Where Vin is the amplitude of the sine wave signal generated from the oscillation circuit 15, ω is the angular frequency of the sine wave signal, Rf is the resistance value of the
[Expression 2]
Cs = ε · A / d (2)
The relationship becomes true. However, (epsilon) is a dielectric constant between the sensor electrode S and the detection target D, A is an area of the part which opposes the detection target D of the sensor electrode S. FIG.
[0018]
Substituting equation (2) into equation (1), equation (1) becomes
[Equation 3]
Vout = (1 + jωRf · ε · A / d) · Vin (3)
Can be rewritten. This equation indicates that the voltage Vout output from the
[0020]
If a conductor is present near the sensor electrode S, this conductor also forms a stray capacitance with the sensor electrode S. Therefore, the influence of such stray capacitance is removed as much as possible to detect the capacitance. In order to accurately operate 11 based on the capacitance Cs between the sensor electrode S and the detection object D, a conductor existing around the sensor electrode S is electrically connected to the
[0021]
FIG. 4 shows a capacitance value Cs (unit femtofarad) formed between the sensor electrode S and the detection target when Rf = 10 MΩ, Vin = 0.5 V, ω = 2π × 10 kHz, and ε = 1. ) Is a graph showing how the voltage Vout (unit volt) output from the
[0022]
FIG. 5 shows the voltage Vout (unit volt) with respect to the distance d (unit millimeter) between the sensor electrode S and the detection target when the sensor electrode S is circular and the diameter φ is 15 mm, 30 mm, and 45 mm. It is a graph which shows a change. However, in either case, ε is the dielectric constant of air. From this graph, if d is in a range smaller than a certain value, Vout decreases as d increases, and this range depends on the size of the area A where the sensor electrode S and the detection object D face each other. I understand that.
[0023]
FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the
[0024]
The threshold value set in the
[0025]
As mentioned above, although one embodiment of the capacitance type alarm device according to the present invention has been described, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, it may be possible to remotely control on / off of the power supply of the capacitive alarm device as necessary. In addition, if there is a conductor such as a metal fitting, a detection device can be configured without newly providing a sensor element, and an alarm device, an entrance / exit sensor, etc. can be made at low cost.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, as understood from the description of the present invention with reference to the illustrated embodiment, the invention of claim 1 is based on the fact that the detection object has approached the sensor electrode up to a predetermined distance or the sensor electrode. It is possible to detect the contact without a blind spot and activate an alarm.
[0027]
The invention of
[0028]
According to the third aspect of the present invention, an alarm can be issued when a predetermined capacitance is detected, so that it is possible to prevent malfunction.
If these are used in the body of an automobile, there is an effect that it is possible to provide an automobile antitheft device without a blind spot. Moreover, if it is used for a window frame, a door, etc. of a building, there exists an effect that the crime prevention apparatus for buildings without a blind spot can be provided.
[0029]
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to control the start and end of the operation of the apparatus from a remote location.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a capacitive alarm device according to the present invention.
2A shows a configuration of a capacitive alarm device when a vehicle body is used as the sensor electrode of FIG. 1, and FIG. 2B shows a configuration of a capacitive alarm device when a window frame is used as the sensor electrode of FIG. FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the capacitance detection unit 1 in FIG. 1;
4 is a graph showing the relationship between the output voltage Vout of the
5 is a graph showing how the output voltage Vout of the
6 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a
[Explanation of symbols]
S: sensor electrode, D: object to be detected, 1: capacitance detection unit,
2: signal processing unit, 3: alarm, 5: vehicle body, 6: window frame,
12: signal line, 13: operational amplifier, 14: feedback resistor, 15: oscillation circuit,
21: Peak holding unit, 22: Comparison detection unit,
Claims (3)
を具備する静電容量型警報装置であって、
前記静電容量検出手段が、(A)反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記出力端子と前記反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続され、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状態である演算増幅器と、(B)一端が前記反転入力端子に接続され、他端が前記センサ電極に接続された導線と、(C)前記導線の少なくとも一部を包囲し且つ前記非反転入力端子に接続されたシールド線と、(D)前記非反転入力端子に交流信号を印加する発振回路とを備え、
前記演算増幅器が、前記センサ電極と前記検出対象物との距離と前記交流信号の周波数に応じた電圧を出力することを特徴とする静電容量型警報装置。A capacitance detecting means that is electrically connected to a sensor electrode made of a conductor, detects a capacitance between the sensor electrode and a detection object, and generates a signal corresponding to the detected capacitance; Alarm means for detecting that the signal exceeds a predetermined threshold and issuing an alarm;
A capacitive alarm device comprising :
The capacitance detection means has (A) an inverting input terminal, a non-inverting input terminal and an output terminal, and the output terminal and the inverting input terminal are connected by a feedback resistor, and the inverting input terminal and the inverting input terminal An operational amplifier that is in an imaginary short state with respect to the non-inverting input terminal; (B) a conducting wire having one end connected to the inverting input terminal and the other end connected to the sensor electrode; and (C) the conducting wire. And a shield wire connected to the non-inverting input terminal, and (D) an oscillation circuit that applies an AC signal to the non-inverting input terminal,
The capacitive alarm device , wherein the operational amplifier outputs a voltage corresponding to a distance between the sensor electrode and the detection target and a frequency of the AC signal .
前記信号処理手段が、前記電圧のピーク値を保持する保持部と、該ピーク値が所定の閾値を越えたことを検出して前記警報器を作動させる検出部とを備える
ことを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型警報装置。The alarm means comprises a signal processing means and an alarm device,
The signal processing means includes a holding unit that holds the peak value of the voltage, and a detection unit that detects that the peak value has exceeded a predetermined threshold and activates the alarm device, The electrostatic capacity type alarm device according to claim 1.
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