JP4336219B2

JP4336219B2 - 人体検知センサ

Info

Publication number: JP4336219B2
Application number: JP2004044777A
Authority: JP
Inventors: 哲夫徳留
Original assignee: U-SHINLTD.
Current assignee: U-SHINLTD.
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: DE102005003985A1; US20050184876A1; CN1657956A; US7218224B2; JP2005233831A; CN100447822C; DE102005003985B4

Description

本発明は、人体が接近または接触したことを検知するセンサに関する。

従来の人体検知センサは、発振回路で発生させた電気信号を、人体の接近により静電容量が変化するように設けた検出キャパシタを含む検出回路と、検出キャパシタに人体が接近していないときの検出回路と等価な基準回路とに入力し、検出回路の出力と基準回路の出力とを比較して、検出回路の出力の波形や位相が変化したことを検出することで、人体の検出キャパシタへの接近を検知していた。しかしながら、このような人体検知センサは、特に検出キャパシタおよび検出キャパシタを接続するための配線の静電容量が大きいほど、温度によって検出キャパシタおよび配線の静電容量が変化するので、温度により検出回路の出力が変化して一定の検出結果が得られないという問題があった。

特許文献１には、検出回路と基準回路との出力を比較して検出キャパシタに人体が接近したと判断する基準となるしきい値を、サーミスタによって温度に応じて変化させる温度補償回路を設けた人体検知センサが開示されているが、検出キャパシタを多数設けると、基準回路や温度補償回路も検出キャパシタと同じ数だけ設ける必要があるという問題がある。また、特許文献２には、２つの検出キャパシタを有し、それぞれのアンテナ回路の出力を比較することでいずれの検出キャパシタに人体が接近しているかを判断するセンサが開示されているが、２つの検出キャパシタのいずれか一方にのみ人体が接近する場合にしか適用できないという問題がある。
特開平０７−１８９５３８号公報特開２００２−２９５０９４号公報

そこで、本発明は、温度などの影響を受けずに安定して人体の接近を検出することができる人体検知センサを提供することを課題とする。

本発明による人体検知センサは、２つの発振回路と、該２つの発振回路の等価な点を接続する同調回路と、前記発振回路のいずれか１つに接続され、人体が接近したときに回路状態が変化するアンテナ電極と、前記２つの発振回路の発振のずれを検出する検波回路とを備えたものとする。

この構成によれば、人体が接近していないときのアンテナ電極は、接地されておらず前記アンテナ電極が接続されている発振回路のインピーダンスに影響を与えないため、２つの発振回路は等しい回路特性を有している。前記２つの発振回路の位相がずれているときには、一方の発振回路から電流の一部が同調回路を通じて他方の発振回路に分流されて発振周波数をわずかに増減させて互いの位相を近付けて同調させるように作用する。アンテナ電極に人体が接近すると、前記アンテナ電極とアースとの間に静電容量、抵抗および／またはインダクタンスが発生し、前記アンテナ電極が接続されている発振回路からは前記アンテナ電極へも電流の一部が分流するので前記発振回路の発振周波数が変化する。このアンテナ電極による発振周波数の変化が、前記同調回路による同調作用の能力を超えると、前記２つの発振回路の発振周波数に違いが生じる。前記検波回路は、前記２つの発振回路の出力のずれを検出することで、前記アンテナ電極への人体の接近を検出できる。

前記アンテナ電極に人体が接近していないときには、前記アンテナ電極は前記発振回路から見て存在していないに等しく、前記２つの発振回路は、温度が変化しても２つともに等しく回路状態が変化するので前記２つの発振回路の出力の同調が保たれる。このため、温度による検出精度への影響が少ないので温度によって補正をする必要がない。また、温度変化、回路のばらつき、回路構成の違い等により２つの発振回路の出力が同じでなくても、同調回路によって２つの発振回路の出力を同調させることができるため、それぞれの発振回路の出力の差を吸収することができる。

また、前記２つの発振回路の周波数がずれるために２つの出力を加算するとうなりが生じるので、前記検波回路は、前記発振回路の発振周波数よりも周期の短いうなりを検出することでアンテナ電極への人体の接近を検出できる。こうして、前記２つの発振回路の周期のずれによって人体の接近を検出できるので、温度変化や回路のばらつきによる発振回路の出力の変動によって検知センサの感度が変化することがなく、前記人体検知センサの感度を高くすることができる。

また、本発明による人体検知センサにおいて、前記同調回路は、前記２つの発振回路を少なくとも１つの素子を介して接続する回路であってもよい。

この構成によれば、前記素子によって前記同調回路が前記２つの発振回路を同調する能力を任意に設定できる。前記同調回路の同調する能力を高くすれば、前記アンテナ電極の軽微な状態変化が前記２つの発振回路の出力の周期のずれとして現れなくなるので前記人体検知センサの感度を低くすることができ、前記同調回路の同調する能力を低くすれば、前記人体検知センサの感度を高くすることができる。

また、本発明による人体検知センサにおいて、前記アンテナ電極は、複数であってもよい。

この構成によれば、複数のアンテナ電極のいずれかに人体が接近したことを検出できる。また、アンテナ電極を複数接続しても、アンテナ電極に対応する基準回路を必要としないので、前記発振回路および検波回路の構成を変更する必要がない。

また、本発明による人体検知センサは、前記アンテナ電極と前記発振回路との間に、感度調節回路を設けてもよい。

この構成によれば、前記アンテナ電極毎に感度を容易に設定できる。

また、本発明による人体検知センサは、前記アンテナ電極と前記発振回路との間に、前記アンテナから前記発振回路への静電気の流入を遮断または緩和する保護回路を設けてもよい。

この構成によれば、人体に蓄積された静電気がアンテナ電極から前記発振回路に流入して、回路を破損させることを防止できる。

以上のように、本発明によれば、温度の影響を受けずに安定して人体の接近を検出することができる人体検知センサを提供できる。

図１に本発明の第１実施形態の人体検知センサの回路図を示す。本実施形態の人体検知センサは、２つの発振回路１ａおよび１ｂを有しており、発振回路１ａと１ｂの各入力側は同調回路２で接続され、アンテナ電極３ａおよび３ｂが発振回路１ａの入力側に接続されている。アンテナ電極３ｂと発振回路１ａとの間には感度調節回路４が設けられ、アンテナ電極３ａ，３ｂは、保護回路５を介して発振回路１ａに接続されている。発振回路１ａおよび１ｂの出力は検波回路６に接続され、検波回路６の出力は出力回路７に接続されており、出力回路７は出力端子８を有している。また、この人体検知センサは、発振回路１ａ，１ｂ、検波回路６および出力回路７に電源を供給する電源回路９を有している。

発振回路１ａ，１ｂは、ＣＭＯＳ反転器１０および１１を直列に接続し、抵抗１２，１３とコンデンサ１４を介して出力を帰還させて発振させＣＭＯＳ反転器１５で反転増幅して出力するようになっている。同調回路２は、同調コンデンサ１６を介して発振回路１ａの入力側と発振回路１ｂの入力側とを接続している。感度調節回路４は、アンテナ電極３ｂに直列に接続される感度調節コンデンサ１７であり、保護回路５は静電気遮断抵抗１８である。検波回路６において、発振回路１ｂの出力は、ＣＭＯＳ反転器１９を介して発振回路１ａの出力と接続され、コンデンサ２０を通して出力される。出力回路７は、検波回路６の出力をオペアンプ２１に入力し、平滑コンデンサ２２で接地してからオペアンプ２３を介してトランジスタ２４に接続しており、トランジスタ２４のコレクタが出力端子８になっている。

図２は、図１の人体検知センサを簡略した回路図であり、さらに、人体２５がアンテナ電極３ａに接近したときの等価回路を２点鎖線で示している。人体２５は、アンテナ電極３ａをキャパシタンス２６、抵抗２７およびインダクタンス２８で接地する回路とみなすことができる。

次に、以上の回路構成の人体検知センサの動作を説明する。発振回路１ａおよび１ｂは、公知の矩形波発振回路であるが、抵抗１２，１３およびコンデンサ１４の値によって発振周波数が決定される。発振回路１ａと１ｂとの発振の周期が一致している場合、発振回路１ａ、１ｂの等価な点の電位は等しくなるので同調回路２の両端の電位は同じである。しかし、発振回路１ａと１ｂとの発振の周期がずれている場合、同調回路２の両端の電位が異なり、いずれか一方の発振回路１ａまたは１ｂの帰還電流の一部が同調コンデンサ１６を介して他方の発振回路１ｂまたは１ａに流れる。これによって位相が進んでいる方の発振回路１ａまたは１ｂの周期が長くなり、位相が遅れている方の発振回路１ｂまたは１ａの周期が短くなることで同調回路２の両端の電位が等しくなるように発振回路１ａと１ｂとの発振を同調させる。

このときの発振回路１ａおよび１ｂの出力は、図３に示す波形となる。発振回路１ａおよび１ｂの出力波形は等しい矩形波であるが、発振回路１ｂの出力を図１の反転器１９で反転して発振回路１ｂの出力に加算すると、図３のように直流電流となる。直流電流は、図１のコンデンサ２０を通過することができないので、検波回路６からは出力されない。出力回路７に入力がないので出力端子８は電源電圧を維持する。

しかし、図２に示したように、アンテナ３ａに人体２５が接近して接地回路を構成すると、発振回路１ａの帰還電流の一部がアンテナ電極３ａを介して人体２５から大地に流れることによって発振回路１ａの発振周波数が変化する。発振周波数の変化がわずかであれば、同調回路２の作用によって発振回路１ａと発振回路１ｂの周期が一致するように同調されるが、発振周波数の変化が大きくなると、同調回路２によっても周期を同調させることができなくなる。すると、図４に示すように、発振回路１ａの出力に発振回路１ｂの出力を反転加算した波形は、不連続な矩形波になる。この波形に含まれている交流成分は、コンデンサ２０を通過して検波回路６から出力回路７に出力される。この交流出力は、出力回路７のオペアンプ２１で増幅され、平滑コンデンサ２２で直流に平滑化され、再びオペアンプ２３で増幅されて、トランジスタ２４をスイッチングする。こうして出力端子８は地絡されて電位がグランドレベルに変更される。

本実施形態の人体検知センサは、発振回路１ａ，１ｂの構成が同じであるため、温度が変化しても発振回路１ａおよび１ｂの発振周波数がほぼ等しく変化するので、アンテナ電極３ａ，３ｂに人体２５が接近していなければ同調回路２によって発振回路１ａ，１ｂの発振周期の同調が保たれる。このため、本実施形態の人体検知センサは温度変化によって誤検出することなく、安定して人体の接近を検出できる。

尚、本実施形態では、２つのアンテナ電極３ａ，３ｂが発振回路１ａに接続されているが、人体が接近していないときには、アンテナ電極３ａ，３ｂは発振回路１ａおよび発振回路１ｂの発振になんら寄与していない。このため、さらなるアンテナ電極を並列に接続しても、発振回路１ａ、１ｂの同調に影響を及ぼすことがなく、さらなるアンテナ電極に人体２５が接近したときは、発振回路１ａ、１ｂの発振周期のずれとして検知できるようになる。つまり本発明の人体検知センサは、発振回路１ａ、１ｂ、検波回路６および出力回路などに変更を加えることなく、アンテナ電極を増減することができる。

また、本実施形態では、アンテナ電極３ｂに感度調節コンデンサ１７からなる感度調節回路４を設けているが、人体２５がアンテナ３ｂに接近したときに、このコンデンサ１７が存在しているために、発振回路１ａから見た人体２５を介した接地インピーダンスが高くなる。このため、発振回路１ａの帰還回路から分流される電流が小さくなり、発振周波数の変動がアンテナ電極３ａに比べて小さくなる。つまり、アンテナ電極３ｂには、人体２５がより近くに接近しなければ発振回路１ａと１ｂの出力が同調回路２によって同調され、出力端子８の電位は変化しない。つまり、アンテナ電極によって人体に対する感度が異なる場合に、アンテナ電極毎に感度調節回路を設けて複数のアンテナ電極の感度を合わせたり、感度調節回路によってアンテナ電極毎に人体検知を出力するアンテナ電極と人体との距離を任意に変えたりすることができる。

また、発振回路１ａ、１ｂなどで使用されるＣＭＯＳなどの素子は、静電気などの瞬間的な大電流で破損する危険性があるが、本実施形態では、静電気遮断抵抗１８からなる保護回路５を介してアンテナ電極３ａ，３ｂを発振回路１ａに接続しているので、人体に蓄積された静電気が、アンテナ電極３ａ，３ｂに放電されても、静電気遮断抵抗１８で消費されて発振回路１ａには大きなエネルギーが入力されない。このように、本実施形態の人体検知センサは静電気による故障を保護回路５によって防止している。

図５は、本発明の第２実施形態の人体検知センサである。本実施形態では、２つの発振回路１ａおよび１ｂには入力側の同調回路２に加え、出力側にも同調回路２’が設けられ、また、２つのアンテナ電極３ａおよび３ｂの接続点と発振回路１ａとの間に感度調節コンデンサ１７’からなる感度調節回路４’が設けられている。本実施形態の発振回路１ａおよび１ｂは、バイポーラトランジスタ２９にコイル３０およびコンデンサ３１，３２，３３が接続された公知の正弦波発振回路である。同調回路２’は、同調抵抗３４を介して発振回路１ａおよび１ｂのトランジスタ２９の出力を接続するものである。トランジスタ２９の出力は、トランジスタ３５を介して検波回路６に出力される。検波回路６は、発振回路１ａ，１ｂの出力を加算してトランジスタ３６のエミッタに接続し、トランジスタ３６のコレクタ出力を、コンデンサ３７を介してトランジスタ３８に入力し、さらにコンデンサ３９，２０を介して出力回路７に出力している。出力回路７の構成は第１実施形態と同じであり、出力端子８を有している。さらに電源回路９を有している点も第１実施形態と同じである。

本実施形態の人体検知センサの動作の特徴を説明する。発振回路１ａ，１ｂの発振周波数は、コイル３０およびコンデンサ３１，３２，３３によって発振周波数が定められる。同調回路２’は、トランジスタ２９の出力側を同調抵抗３４で接続しているので発振回路１ａと１ｂとの位相差に応じて出力の一部を互いの帰還回路に入力して、同調回路２と同様に発振周期を同調させる機能を果たしている。また、感度調節回路４’の感度調節コンデンサ１７’は、アンテナ電極３ａとアンテナ電極３ｂとの両方の感度を低下させる働きをするが、アンテナ電極３ａとアンテナ電極３ｂとに個別に感度調節回路を設けても同様に機能する。

検波回路６は、発振回路１ａおよび発振回路１ｂの出力を加算してトランジスタ３６をスイッチングすることにより矩形波を生成し、コンデンサ３７で直流成分を除去してトランジスタ３８で増幅している。このとき、発振回路１ａと１ｂとの周期が一致していれば、トランジスタ３６に入力される波形は、正弦波であるからトランジスタ３８の出力は発振回路１ａ，１ｂの発振周波数と等しい周期の規則的な矩形波になり、発振回路１ａと１ｂとの周期が一致していないとき、または、一方側の発振回路１ａの振幅が同調回路２によって同調できないほどに大きく変化したときに不規則な矩形波になる。発振回路１ａ，１ｂの発振周波数より高い周波数成分だけで構成される規則的な矩形波は、コンデンサ３９を通って地絡されるので検波回路６から出力回路７へは出力されず、不規則な矩形波の周期変動だけが周波数が低いのでコンデンサ３９で地絡されずに検波回路６から出力回路７に出力される。つまり、発振回路１ａと発振回路１ｂとの周波数の違い、または、一方側の発振回路１ａの振幅の変化により発生する周波数の低いうなり成分だけが、検波回路６から出力回路７に対して出力されることになる。出力回路７は検波回路から入力されたうなり成分を増幅し平滑化してトランジスタ２４をスイッチングして、出力端子８の電位を変更するようになっている。

本実施形態の検波回路６は、発振回路１ａと発振回路１ｂとの周波数の違い、または、一方側の発振回路１ａの振幅の変化により発生する周波数の低いうなり成分だけを抽出しているために、発振回路１ａと発振回路１ｂの周期的な出力波形や振幅が異なっていても、このような差異には影響されることなく、アンテナ電極３ａ，３ｂに人体２５が接近したときだけ出力端子８の電位を変更することができ、検出精度が高いとともに検出感度も高くできる。

図６に本発明の第３実施形態の人体検知センサの回路図を示す。本実施形態では、第１実施形態と同じ矩形波を生成する発振回路１ａ，１ｂを有しているが、検波回路６と出力回路７の構成が異なっている。本実施形態の検波回路６は、入力電圧がしきい値より大きいときにＨＩレベル、しきい値より小さい時にＬＯレベルとして認識し、入力の値によって所定の電圧を出力する論理演算素子のひとつであり、２つの入力に異なる値（ＨＩとＬＯ）が入力されているときに電圧を出力し、２つの入力に等しい値が入力されているときに電圧を出力しない排他論理和素子４０からなっている。排他論理和素子４０の出力は、出力回路７のダイオード４１に入力され、コンデンサ４２と抵抗４３で接地されて排他論理和素子４４の一方の入力に接続され、排他論理和素子４４の他方の入力は接地されている。そして、排他論理和素子４４の出力が出力端子８になっている。

本実施形態の人体検知センサの動作を説明する。発振回路１ａおよび１ｂの出力が同調されているときには排他論理和素子４０の２つの入力が常に等しいので検波回路６からは電圧が出力されない。すると、排他論理和素子４４の２つの入力は常に入力がないＬＯレベルの状態になるので排他論理和素子４４も常に出力端子８に電圧を出力しない。しかし、図７に示すように、発振回路１ａと発振回路１ｂとの発振周期がずれると、排他論理和素子４０は、矩形波を出力する。この出力は、ダイオード４１、コンデンサ４２および抵抗４３で平滑化されるが、排他論理和素子４０および４４は、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いので、図示するように、排他論理和素子４４に入力される平滑化した電圧は、常に排他論理和素子４４のしきい値よりも大きな値となる。このため、発振回路１ａと発振回路１ｂとの発振周期がずれていると、論理和素子４４は、出力端子８に連続して電圧を出力する。

さらに、本発明の第４実施形態である人体検知センサの回路図を図８に示す。本実施形態は、第３実施形態の検波回路６をマイコン４５に置き換えたものであり、マイコン４５は、人体検出センサの検出結果により制御が決定される装置を制御するマイコンであるので、信号を増幅して出する出力回路や出力端子は必要ない。

本発明の人体検知センサは、住宅設備や自動車のキーレスエントリーシステムのように、人の接近を検知してシステムを起動したり人の接近の有無によって異なる制御を行ったりするようなあらゆる装置または設備に使用することができる。

本発明の第１実施形態の人体検知センサの回路図。図１の人体検知センサを簡略化した回路図。図１の人体検知センサのアンテナ電極に人体が接近していないときの、２つの発振回路および検波回路の出力波形を示すグラフ。図１の人体検知センサのアンテナ電極に人体が接近しているときの、２つの発振回路および検波回路の出力波形を示すグラフ。本発明の第２実施形態の人体検知センサの回路図。本発明の第３実施形態の人体検知センサの回路図。図６の人体検知センサの検波回路の出力および出力回路内での信号の波形を示すグラフ。本発明の第４実施形態の人体検知センサの回路図。

符号の説明

１ａ，１ｂ発振回路
２同調回路
３ａ，３ｂアンテナ電極
４，４’ 感度調節回路
５保護回路
６検波回路
１６同調コンデンサ
１７，１７’ 感度調節コンデンサ
１８静電気遮断抵抗
３４同調抵抗

Claims

２つの発振回路と、
該２つの発振回路の等価な点を接続する同調回路と、
前記発振回路のいずれか１つに接続され、人体が接近したときに回路状態が変化するアンテナ電極と、
前記２つの発振回路の発振のずれを検出する検波回路とを備えた人体検知センサ。
前記同調回路は、前記２つの発振回路を少なくとも１つの素子を介して接続する回路であることを特徴とする請求項１に記載の人体検知センサ。
前記アンテナ電極は、複数であることを特徴とする請求項１または２に記載の人体検知センサ。
前記アンテナ電極と前記発振回路との間に、感度調節回路を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の人体検知センサ。
前記アンテナ電極と前記発振回路との間に、前記アンテナから前記発振回路への静電気の流入を遮断または緩和する保護回路を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の人体検知センサ。