JP5105307B2 - 人体検出装置及びそれを用いた水栓装置 - Google Patents
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Description
例えば、本人体検出装置を利用したキッチンや洗面室、浴室、トイレ等に設置される水栓装置において、非接触操作による自動吐水と、タッチ操作による手動吐水を併用することができる水栓装置を小型かつ安価で提供する。
例えば、非接触方式の操作の代表例として、水栓の前に手を差し出すだけで吐水/止水の自動制御を行う自動水栓がある。自動水栓の検出手段の多くは、赤外線を発光し、使用者の手からの反射光を検出する光電センサ方式であるり、特にトイレの手洗い用途で一般的となっている。
そして、使用者が操作部の電極に指で触れたとき、或いは電極に接近したときの、電極と大地との間の静電容量が変化することを検出して、指先のタッチ操作を判定する。
特許文献2のものは、静電容量センサーに触れると吐水し、再度触れると止水する制御を想定している(特許文献2の段落[0011]に記載)。特許文献3のものは、静電容量センサーに触れている間だけ吐水するものである(特許文献3の段落[0006]に記載)。
つまり、光電センサと静電容量センサを併用することで、水栓装置の使い勝手が向上し、単なる「自動吐水」と「手動吐水」の機能の加算となるだけでなく、水栓として新たな用途を提供できる可能性がある。
特許文献4は、赤外線を使って指先による座標入力を行う装置において、鉛筆や紙屑による誤動作を、静電容量の検出を併用することで解決しようとするものである(段落[0009])。
特許文献5は、人以外によるスイッチの不正な操作を防止するため、光電センサを含むいくつかの手法のスイッチ出力と、人体を検出する静電容量センサの出力のAND条件で動作するスイッチである(図8および段落[0047])。
その結果、赤外パルス投光を指令するパルス出力手段と、その反射光量を増幅し積分する回路を用いて、人体に対し静電誘導による電界変化を与える送信電極と、これと静電結合される受信電極との間の静電容量の変化を検出することで、光電センサと信号処理回路の大部分を共用する静電容量センサを構成でき、人体検出装置の小型化が実現できる。
請求項1に記載の人体検出装置において、前記受信電極を第1のコンデンサを介してGNDまたは所定の固定電位に接続し、前記受信電極と前記第1のコンデンサの接続点から前記増幅手段へ信号を入力することを特徴とする。
その結果、静電容量検出時において、増幅手段の入力及びその周辺の浮遊容量の影響を除去し、かつ、微小容量のため出力インピーダンスが高い受信電極と、それに比較すると一般に入力インピーダンスが低い増幅手段とのインピーダンスマッチングも取りやすくなるので、光電センサに適した特性の増幅回路をそのまま静電容量センサにも使用でき、回路の大部分を共用しつつ、人体検出装置の検出精度が向上する。
請求項1に記載の人体検出装置において、前記受光手段の出力と前記増幅手段の入力を第2のコンデンサを介して接続し、前記増幅手段の入力と前記第2のコンデンサの接続点に、前記受信電極を接続することを特徴とする。
その結果、光電センサに使用する信号伝達用のコンデンサを用いて静電容量センサの浮遊容量の影響を低減できるので、部品点数が低減でき小型化できる。
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記増幅手段の入力先の接続を前記受光手段または前記受信電極に切り替える入力選択手段と、を有し、前記入力選択手段による入力先の接続の切り替えにより、前記反射光によって人体を検出する光電センサモードと、前記静電誘導によって人体を検出する静電容量センサモードを選択可能としたことを特徴とする。
その結果、出力部が光電センサと静電容量センサと機能を有する回路を有していても、入力部のみの切替え、つまり、入力部のみの選択部品とその制御だけで光電と静電容量の変化を個別に測定でき、光電センサと静電容量センサの信号が影響しあう事がなくなり、それぞれの感知判断を個別にできるので、高精度かつ高度な判断ができる。
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記パルス出力手段の出力先の接続を、前記投光手段または前記送信電極に切り替える出力選択手段と、を有し前記出力選択手段による出力先の接続の切り替えにより、前記反射光によって人体を検出する光電センサモードと、前記静電誘導によって人体を検出する静電容量センサモードを選択可能としたことを特徴とする。
その結果、入力部が光電センサと静電容量センサと機能を有する回路を有していても、出力部のみの切替えにより光電と静電容量を選択するので消費電量を低減でき、またその出力変化を個別に測定できる。よって、出力部のみの選択部品とその制御だけで光電と静電容量の変化を個別に測定でき、かつ、投光電流による消費電力の低減もできる。
請求項4又は5に記載の人体検出装置において、前記光電センサモード時は、前記送信電極又は前記受信電極のうち少なくとも1つをGNDまたは所定の固定電位に接続することを特徴とする。
その結果、送受信電極が光電センサのシールド機能も果たすので、光電センサ用のシールドが不要、もしくは小型化でき、人体検出装置の検出精度も向上する。
請求項4乃至6のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記パルス信号に同期して積分を行う積分回数が、前記光電センサモードと前記静電容量センサモードで異なることを特徴とする。
その結果、検出方式が大きく異なる2つのセンサモードの感度調整が個別に最適に調整することが可能となる。
請求項7に記載の人体検出装置において、前記光電センサモード時よりも前記静電容量センサモード時の方が、前記積分回数が多いことを特徴とする。
その結果、赤外光の投光で電力を消費する光電センサの消費電力を抑え、ノイズの影響を受けやすい静電容量センサの検出精度を上げることができるので、2つの機能をもつ人体検出装置それぞれの機能を最適化できる。
請求項4乃至8のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記受光手段は前記受光量を電圧に変換する受光感度を変更する機能を有し、前記受光手段の出力と前記増幅手段の入力を第2のコンデンサを介して接続し、前記増幅手段の入力と前記第2のコンデンサの接続点に前記受信電極を接続し、前記静電容量センサモード時は、前記受光手段の受光感度を最小の設定とすることを特徴とする。
その結果、光電センサに使用するコンデンサを用いて静電容量センサの浮遊容量の影響を除去できると同時に、静電センサ動作時に受光手段に入る外乱光の影響を除去できるので、人体検出装置の検出精度が向上する。
水栓装置が請求項1乃至9のいずれか1つに記載の人体検出装置を有することを特徴とする。
その結果、小型化を要求される水栓装置において、光電センサと静電容量センサをより小型かつ安価に組み込むことができ、両方のセンサを使って高信頼性かつ高機能の水栓装置が提供される。
図2は、図1の制御手段を有する水栓装置の外観の例であり、図3はその水栓装置に収納されるセンサ部の外観図である。
また、101は、静電容量センサの送信電極である。5はアナログスイッチであり、制御手段22から出力される送信信号S2を、投光手段または送信電極101のいずれかに出力する出力選択手段である。この選択は、光電または静電容量のセンサの選択信号であるS4によって制御される。
また、102は静電容量センサの受信電極であり、コンデンサ103を介して固定電位であるGNDに接続されている。
また、アナログスイッチ8もアナログスイッチ5と同じく、信号S4によって制御され、選択された入力信号が、抵抗10、11及びOPアンプ12からなる増幅手段に入力される。
図3において、205がセンサ部のセンサケースであり、外形は図2の水栓装置のデザインに合わせた円筒状である。その円筒の側面に光電センサの投光素子1及び受光素子2、円筒型ケースの上面に静電容量センサの送信電極101と受信電極102が配置され、更に図2のように水栓装置に収納される。
更に、増幅手段の出力がアナログスイッチ16を介して、また、反転手段の出力がアナログスイッチ17を介して積分手段に入力される。なお、アナログスイッチ16及び17はそれぞれ、制御手段22から出力されるタイミング信号S2及びS3により、オン/オフされる。
更に、アナログスイッチ8は、受信電極102とコンデンサ103の接続点の電圧を抵抗10以降の増幅回路に接続している。
図4の光電センサ動作の場合、送信信号は投光素子1の投光電流であったが、図5の静電容量センサ動作の場合、送信信号は送信電極101の電圧となる。但し、いずれの送信信号も、パルス出力信号のS2と同意である。
図6は、図1の送受信電極と増幅手段周辺の部分を抜き出したものである。
ここで、送信電極101と受信電極102からなるコンデンサの静電容量をC1、コンデンサ103の静電容量をC2とすると、その接続点にかかる電圧は、送信電極101に印加される電圧の[C1/(C1+C2)]倍に分圧される。
光電センサの場合、積分動作の回数だけ投光素子1に電流を流すため、その消費電力や投光素子1の劣化の観点から、積分回数があまり多いのは望ましくない。しかし、静電容量センサの場合、送受信電極の劣化はなく、送信電極へ流れる電流も、投光素子1に流れる電流に比較すればゼロと見なしても良い。
よって、積分動作に伴う部品の劣化はなく、消費電力の増加も僅かであるため、静電容量センサとして動作する場合には積分回数を増やすことの弊害は殆ど無い。
更に、コンデンサ103は以下のような重要な役割がある。
更に、回路部品が実装されるプリント基板や信号接続の電線などでも数pF程度の静電容量がある。これらは浮遊容量とも呼ばれ、至る所に存在する。
別な見方をすれば、入力容量が大きい、つまり入力インピーダンスが小さい光電センサの増幅回路に、1pF程度と出力インピーダンスが小さい静電容量センサの検出電極を繋がなければならないという、インピーダンスマッチングが不適という問題がある。
同時に、前述のインピーダンスマッチングも適切となる。
よって、検出したい信号レベル、受信電極102の大きさや保護状態によって、GNDまたは基準電圧源などを選択すれば良い。
よって、例えば図3のようにセンサユニットの上面に送信電極101と受信電極102を配置すれば、ここに使用者の指が触れるかどうかによって、その結合容量が僅かに変化し、これを図1の回路で検出して使用者の指のタッチの判断が可能となる。
よって、この光電と静電容量の2つのセンサを交互に連続して繰り返し動作させることで、例えば、光電センサで自動吐水(感知している間だけ吐水)を行い、静電容量センサで手動吐水(触る度に吐水/止水が切り替わる)という使い方ができる。
或いは、電気的に温度調整や流量調整が可能な水栓であれば、光電センサを吐水/止水の制御に用い、静電容量センサを温度や流量の切り替えに使うこともできる。
図7は水栓装置の主要な動作を示すメインルーチンである。
動作開始(ステップS100)で、まず、送信電極101と受信電極間102の結合容量である静電容量を検出する(ステップS101)。
この検出動作内容は後に詳述するが、ここで結合容量が小さかった場合(ステップS102:Y)、操作者の指がタッチ操作部203に触れていると判断できる。
しかし、結合容量が小さくない場合(ステップS102:N)は操作者の指のタッチ操作は無いと判断して電磁弁の開閉状態は切り替えない(ステップS106へ)。
このような制御により、タッチ操作部203に指が触れるたびに吐水/止水が切り替わる、手動吐水の操作が可能となる。
光電センサの反射光量が小さい場合(ステップS108:Y)、使用者の手が差し出されていないとして電磁弁を閉じて吐水は行わず(ステップS110)、静電容量の検出(ステップS101)に戻って、以上の動作を繰り返す。
まず、図1の回路の光電と静電容量を選択する信号S4をHiとし、光電センサを選択する(ステップS201)。これにより、図1のアナログスイッチ5は、信号S2がトランジスタ4へ出力される方に切り替わる。また、アナログスイッチ8は、受光手段のOPアンプ6側を選択する。
4回の積分と反転積分を終了する(ステップS206)と、積分手段の出力をA/D変換し(ステップS207)、メインルーチンに戻る(ステップS208)。
まず、図1の回路の光電と静電容量を選択する信号S4をLoとし、静電容量センサを選択する(ステップS301)。これにより、図1のアナログスイッチ5は、信号S2が送信電極101へ出力される方に切り替わる。また、アナログスイッチ8は、受信電極102側を選択する。
8回の積分と反転積分を終了する(ステップS306)と、積分手段の出力をA/D変換し(ステップS307)、メインルーチンに戻る(ステップS308)。
301はセンサ本体のケースであり、材質は赤外光を透過する樹脂(ガラスでも良い)である。302は赤外光を遮光し、かつ投光素子1と受光素子2を保持するLEDホルダーである。また、303はセンサの処理回路が実装された基板である。
また、水が付着すると静電容量センサは反応するが、光電センサが反応しないために誤感知にならない。このような条件を踏まえれば、光電センサと静電容量センサの双方の判定閾値を下げる、つまり検出感度を上げることができる。
プログラムステップ:S400よりスタートし、まず静電容量センサの検出動作を行い(ステップS401)、結合容量が判定閾値よりも大きい場合(ステップS402:N)、これは送信電極1と受信電極2の間の静電結合を妨げるものが無い、つまり、操作者の指などのタッチが無いと判断して非感知を確定する(ステップS406)。
このように、異種のセンサを使って二重に判断することで、それぞれのセンサ単体では誤動作の可能性があるレベルまで判定の閾値を下げることができ、結果として、高感度かつ誤動作の少ないタッチセンサが実現できる。
図12では、図1のアナログスイッチ8がなく、受光手段のOPアンプ6の出力は、コンデンサ9を介して抵抗10に接続されている。
また、図12には、図1のコンデンサ103がなく、受信電極102はコンデンサ9と抵抗10の間に接続される。つまり、受信電極102の電圧も、抵抗10、11及びOPアンプ12からなる増幅手段にそのまま入力される。
光電センサとして動作する場合、受光手段の出力がそのまま増幅手段に入力されるので、何の問題もなく動作できる。その際、受信電極102が繋がっているが、送信電極101に電位変化を与えなければ受信電極102にも電位変化は無く、光電センサの動作に影響は与えない。
よって、コンデンサ9は、光電センサで信号を増幅手段へ伝達する機能と、静電容量センサで受信信号を分圧する機能を兼用することができ、図12の回路は図1の回路と同等の動作が可能となる。
受光手段の抵抗7と並列にアナログスイッチ30が接続され、これを信号S4をインバータ31で反転した信号で制御する。アナログスイッチ30は、信号S4がLoの時、オンする。
更に、送信電極101とGNDの間にアナログスイッチ32が、受信電極102とGNDの間にアナログスイッチ33が接続され、いずれも信号S4で制御する。アナログスイッチ32及び33は、信号S4がHiの時にオンする。また、受信電極102はコンデンサ34を介してコンデンサ9と抵抗10の接続点に繋がっている。
信号S4がHi、すなわち、光電センサの動作が選択されている場合、アナログスイッチ32及び33がオンして、送信電極101及び受信電極102がGNDの電位に固定される。
なお、コンデンサ34は送信電極101と受信電極102が構成するコンデンサと直列に入るが、送受信電極間の容量値よりも十分に大きい値を選択すれば、コンデンサ34は静電容量の検出信号を損失無く伝達するだけの素子とみなして良い。
この受光回路が出力する外乱光のノイズ変化は、送信電極101に与えられる電圧変化に同期しないため、原理的には前述の同期積分の動作で除去できる。
しかし、同期積分を繰り返しても、ランダムノイズの影響が完全にゼロになることはなく、ある程度の変動成分として残ってしまうため、やはり、外乱光のノイズは無い方が好ましい。
但し、その場合、アナログスイッチ5が不要となる反面、静電容量センサとして動作している場合でも、投光手段の電力消費が発生するという短所がある。
但し、アナログスイッチ5等が不要となる反面、光電と静電容量が同時に感知した場合に積分信号の増減が相殺されるため、信号変化の要因が光電か静電容量かの明確な区別がつなかいという短所がある。
例えば、通常使用では構造的に光電と静電容量の変化が同時に起きない機器、またはその違いを区別する必要がない機器、など、使用可能な用途が限られる。
5…光電センサ/静電容量センサの送信選択のアナログスイッチ、
6…受光手段のOPアンプ、
8…光電センサ/静電容量センサの受信選択のアナログスイッチ、
12…増幅手段のOPアンプ、
15…反転手段のOPアンプ、
16…増幅手段出力を積分する際にオンするアナログスイッチ、
17…反転手段出力を積分する際にオンするアナログスイッチ、18…積分手段の抵抗、
19…積分手段のコンデンサ、 20…積分手段のOPアンプ、
21…積分手段をリセットするアナログスイッチ、
22…制御手段、 23…電磁弁駆動手段、
201…水栓装置本体、 202…光電センサ窓、 203…タッチ操作部、
204…吐水口、 205 …センサ及び制御部本体
301…人体センサケース
Claims (10)
- 人体に対して赤外光を投光する投光手段と、前記投光手段にパルス投光を指令するパルス出力手段と、人体からの反射光を受光しその受光量を電圧に変換して出力する受光手段と、前記受光手段の出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力を積分する積分手段と、積分手段の出力に応じて人体の有無を検出する人体検出装置において、前記パルス出力手段に接続され人体に対し静電誘導による電界変化を与える送信電極と、前記送信電極と近接して配置され静電結合される受信電極と、を有するとともに、前記受信電極からの誘導電圧出力を前記増幅手段に入力し、前記増幅手段の出力を前記積分手段で積分しその出力に応じて前記送信電極又は前記受信電極への人体の近接を検出することを特徴とする人体検出装置。
- 請求項1に記載の人体検出装置において、前記受信電極を第1のコンデンサを介してGNDまたは所定の固定電位に接続し、前記受信電極と前記第1のコンデンサの接続点から前記増幅手段へ信号を入力することを特徴とする人体検出装置。
- 請求項1に記載の人体検出装置において、前記受光手段の出力と前記増幅手段の入力を第2のコンデンサを介して接続し、前記増幅手段の入力と前記第2のコンデンサの接続点に、前記受信電極を接続することを特徴とする人体検出装置。
- 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記増幅手段の入力先の接続を前記受光手段または前記受信電極に切り替える入力選択手段と、を有し、前記入力選択手段による入力先の接続の切り替えにより、前記反射光によって人体を検出する光電センサモードと、前記静電誘導によって人体を検出する静電容量センサモードを選択可能としたことを特徴とする人体検出装置。
- 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記パルス出力手段の出力先の接続を前記投光手段または前記送信電極に切り替える出力選択手段と、を有し、前記出力選択手段による出力先の接続の切り替えにより、前記反射光によって人体を検出する光電センサモードと、前記静電誘導によって人体を検出する静電容量センサモードを選択可能としたことを特徴とする人体検出装置。
- 請求項4又は5に記載の人体検出装置において、前記光電センサモード時は、前記送信電極又は前記受信電極のうち少なくとも1つをGNDまたは所定の固定電位に接続することを特徴とする人体検出装置。
- 請求項4乃至6のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記パルス信号に同期して積分を行う積分回数が、前記光電センサモードと前記静電容量センサモードで異なることを特徴とする人体検出装置。
- 請求項7に記載の人体検出装置において、前記光電センサモード時よりも前記静電容量センサモード時の方が、前記積分回数が多いことを特徴とする人体検出装置。
- 請求項4乃至8のいずれか1つに記載の人体検出装置において、前記受光手段は前記受光量を電圧に変換する受光感度を変更する機能を有し、前記受光手段の出力と前記増幅手段の入力を第2のコンデンサを介して接続し、前記増幅手段の入力と前記第2のコンデンサの接続点に前記受信電極を接続し、前記静電容量センサモード時は、前記受光手段の受光感度を最小の設定とすることを特徴とする人体検出装置。
- 請求項1乃至9のいずれか1つに記載の人体検出装置を有することを特徴とする水栓装置。
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