JP6523661B2 - 近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体を非接触で検知する近接センサに関し、さらに詳しく言えば、車椅子や病院ベッド等で人の有無を検知するのに好適な人体検知用の近接センサに関する。

人体検知用の近接センサの多くは、図３に示すように、基本的な構成として、金属板等からなる検知電極板１を有し、検知電極板１と被検知体（人体）Ｈとの間の静電容量Ｃｓの変化を監視するようにしている。

しかしながら、実使用時には、検知電極板１と地面や床面等のグランドＧとの間に浮遊容量Ｃｏが存在するため、この浮遊容量Ｃｏの変化が誤検出の原因となる。

そこで、図４に示すように、検知電極板１の検出面とは反対側の所定位置にグランド電極板２を配置することにより浮遊容量Ｃｏを一定とし、地面や床面等のグランドＧからの影響を低減することが行われている。グランドＧは接地とも呼ばれる。

しかしながら、小形化をはかるうえで、検知電極板１とグランド電極板２との間隔を狭めると、それらの間の浮遊容量（静電容量）Ｃｏが、検知電極板１と被検知体Ｈとの間の静電容量Ｃｓに比べて極めて大きな値となるため、被検知体Ｈの検知感度が低下する。

この点を解決するため、特許文献１には、図５に示すように、検知電極板１とグランド電極板２との間にガード電極板３を配置することが提案されている。

この場合、ガード電極板３は、検知電極板１と同じもしくは検知電極板１よりも大きなサイズとし、かつ、ガード電極板３には、検知電極板１と同じ電位を持たせる。これにより、グランド電極板２による静電容量Ｃｏの影響が排除されることから、各電極板間の間隔を狭めて近接センサをより薄型化することができる。

特開２００３−２０２３８３号公報

ところで、被検知体Ｈの周りには、検知電極板１との間の静電容量Ｃｓの他に、床面や壁面等のグランド（接地）Ｇとの間に浮遊容量と呼ばれる静電容量Ｃｎが存在する。

したがって、検知電極板１から図示しない検知回路等には、出力信号として静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｎとを含む合成静電容量Ｃｈが送信されることになる。ちなみに、合成静電容量Ｃｈは次式により表される。
１／Ｃｈ＝（１／Ｃｓ）＋（１／Ｃｎ）
故に、Ｃｈ＝Ｃｓ×Ｃｎ／（Ｃｓ＋Ｃｎ）

被検知体Ｈが特に人体である場合、人体Ｈの動きに応じて静電容量Ｃｓ，Ｃｎはともに変化するが、例えば図６に示すように、上記特許文献１による近接センサを車椅子に適用した場合ついて考察する。

人体Ｈが車椅子に座っている場合、検知電極板１と被検知体Ｈとの間の静電容量Ｃｓは余り大きくは変化しないが、図６（ａ）に示すように足が床面から浮いている状態から、図６（ｂ）に示すように足を床面に近づけると、静電容量Ｃｎが大きく変化し、これが原因で誤検知となることがある。

そこで、本発明の課題は、検知電極板、グランド電極板およびガード電極板を含む人体検知用の近接センサにおいて、人体とグランド（接地）との間の静電容量による影響を低減し、検知精度を高めることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、人体を被検知体とする検知電極板と、上記検知電極板の裏面側に所定の間隔をもって配置された接地電位を有するグランド電極板と、上記検知電極板と上記グランド電極板との間に電気絶縁材を介して配置されたガード電極板とを含み、上記検知電極板と上記ガード電極板とが同電位に保たれており、上記各電極板が電気絶縁性の扁平なカバー内に収納されている近接センサにおいて、
上記ガード電極板は上記グランド電極板の全面を覆う面積を有し、上記検知電極板の面積は上記ガード電極板の面積よりも小さく、上記ガード電極板上の上記検知電極板が存在していない部分には、上記グランド電極板に電気的に接続されたグランド電極引出板が上記検知電極板と電気的に絶縁された状態で並設されていることを特徴としている。

本発明によれば、検知電極板側から見て、被検知体と接地との間に存在する静電容量（浮遊容量）Ｃｎに対して、被検知体とグランド電極引出板との間で発生する静電容量または被検知体とグランド電極板との間で発生する静電容量Ｃｇが並列に挿入され、被検知体と検知電極板との間の静電容量をＣｓとして、合成静電容量Ｃｈは、
１／Ｃｈ＝（１／Ｃｓ）＋（１／（Ｃｎ＋Ｃｇ））
となるため、合成静電容量Ｃｈに対する静電容量（浮遊容量）Ｃｎの変化分の影響を低減することができる。Ｃｇ≫Ｃｎとすれば、より大きな低減効果が奏される。

本発明の第１実施形態に係る近接センサの（ａ）模式的な分解断面図，（ｂ）作用説明図，（ｃ）等価回路。 本発明の第２実施形態に係る近接センサの（ａ）模式的な分解断面図，（ｂ）作用説明図。 人体検知用の近接センサの基本原理を説明するための模式図。 グランド電極を有する第１従来例を示す模式図。 検出精度を高めるため、さらにガード電極を有する第２従来例を示す模式図。 上記第２従来例の問題点を指摘するための模式図。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１（ａ）を参照して、第１実施形態に係る近接センサ１Ａは、基本的な構成として、検知電極板１０と、ガード電極板２０と、グランド電極板３０とを備え、被検知体を人体Ｈ（図１（ｂ）参照）として、図示しないが、例えば車椅子の座部に置いて使用される。

そのため、これら各電極板１０，２０，３０は積層された状態で、座布団カバーに似たカバー４０内に収納される。各電極板１０，２０，３０には、例えばアルミニウム薄板やカーボン電極板等が用いられてよい。また、カバー４０には、布材や合皮等の非磁性体製の素材が選択される。

カバー４０内において、検知電極板１０は、座面側（図１（ａ）で上側）に配置され、グランド電極板３０は、その下部側に配置され、ガード電極板２０は、検知電極板１０とグランド電極板３０との間に配置される。

この場合、検知電極板１０とガード電極板２０との間およびガード電極板２０とグランド電極板３０との間には、それぞれ電気絶縁材４１（４１ａ，４１ｂ）が介装される。電気絶縁材４１には、例えば不織布シートが用いられてよい。

検知電極板１０は、電気配線を介して検知回路５０に接続される。検知回路５０は、検知電極板１０からの出力信号（後述する静電容量信号）に基づいて、被検知体である人体Ｈの在・不在を検知する。

グランド電極板３０は、グランド（接地）Ｇに電気的に接続され、その電位は接地電位である。グランド電極板３０が接続されるグランド（接地）Ｇは、検知回路５０内のグランドであってもよい。

この第１実施形態において、ガード電極板２０は、グランド電極板３０の全面を覆う面積を有している。ガード電極板２０は、図示しない配線経路を介して検知電極板１０と同電位に保たれている。また、電気絶縁材４１ａ，４１ｂもガード電極板２０とほぼ同じ大きさである。

検知電極板１０は、電気絶縁材４１ａを介してガード電極板２０上に配置されるが、本発明において、検知電極板１０は、面積的にガード電極板２０より小さく、この第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、ガード電極板２０のほぼ半分程度の大きさである。

そして、ガード電極板２０上の検知電極板１０が存在していない部分には、グランド電極引出板３１が検知電極板１０と電気的に絶縁された状態で好ましくは同一平面上に並設されている。グランド電極引出板３１は、電気配線３２を介してグランド電極板３０に電気的に接続されている。

このように、この第１実施形態による近接センサ１Ａでは、カバー４０の座面側に検知電極板１０とグランド電極引出板３１とが並設されている。

したがって、図１（ｂ）に示すように、被検知体である人体Ｈが車椅子（図示しない）に乗り、検知電極板１０とグランド電極引出板３１とを跨がるように座すると、人体Ｈと検知電極板１０との間に静電容量Ｃｓが発生し、また、人体Ｈとグランド電極引出板３１との間に静電容量Ｃｇが発生する。

ここで、車椅子に乗った人体Ｈの足と床面（接地）Ｇとの間に浮遊容量として存在する静電容量をＣｎとすると、静電容量Ｃｇと静電容量Ｃｎは、ともに人体Ｈと床面（接地）Ｇとの間に存在するから、静電容量Ｃｇと静電容量Ｃｎは並列、したがって、検知電極板１０から検知回路５０に与えられる合成静電容量Ｃｈは、図１（ｃ）の等価回路に示すように、
１／Ｃｈ＝（１／Ｃｓ）＋（１／（Ｃｎ＋Ｃｇ））
となるため、合成静電容量Ｃｈに対する静電容量（浮遊容量）Ｃｎの変化分の影響を低減することができる。

上記の式から分かるように、静電容量Ｃｇ≫静電容量Ｃｎとすれば、より大きな低減効果が奏される。そのためには、グランド電極引出板３１の面積を、検知電極板１０による検知感度に支障を来さない範囲で大きくするか、グランド電極引出板３１を座面により近づけるように配置すればよい。

次に、図２（ａ），（ｂ）を参照して、第２実施形態に係る近接センサ１Ｂについて説明する。なお、構成要素の参照符号は、上記第１実施形態に係る近接センサ１Ａのものと特に変更を要しないため、同じ符号を用いている。

第２実施形態に係る近接センサ１Ｂでは、構成をより簡素化するため、上記第１実施形態で構成要素の一つとしているグランド電極引出板３１は用いない。その代わりに、ガード電極板２０の大きさを、グランド電極板３０の一部分を覆う面積とし、人体Ｈとグランド電極板３０との間で静電容量Ｃｇを発生させるようにする。

例えば、図２（ａ）に示すように、ガード電極板２０をグランド電極板３０の半分程度の大きさとし、検知電極板１０をガード電極板２０上の全面もしくは一部分に配置する構成とする。

電気絶縁材４１について、この第２実施形態では、図２（ａ）に示すように、電気絶縁材４１ａ，４１ｂをガード電極板２０の大きさに合わせて裁断しているが、上記第１実施形態での図１（ａ）と同じく、グランド電極板３０の大きさとしてガード電極板２０からはみ出す部分を残してもよい。

この第２実施形態に係る近接センサ１Ｂにおいても、図２（ｂ）に示すように、被検知体である人体Ｈが車椅子（図示しない）に乗り、検知電極板１０とグランド電極板３０とを跨がるように座すると、人体Ｈと検知電極板１０との間に静電容量Ｃｓが発生し、また、人体Ｈとグランド電極板３０との間に静電容量Ｃｇが発生する。

このため、車椅子に乗った人体Ｈの足と床面（接地）Ｇとの間に浮遊容量として存在する静電容量をＣｎとして、上記第１実施形態と同じく、検知電極板１０から検知回路５０に与えられる合成静電容量Ｃｈは、図１（ｃ）の等価回路に示すように、
１／Ｃｈ＝（１／Ｃｓ）＋（１／（Ｃｎ＋Ｃｇ））
となるため、合成静電容量Ｃｈに対する静電容量（浮遊容量）Ｃｎの変化分の影響を低減することができる。

この第２実施形態においても、静電容量Ｃｇ≫静電容量Ｃｎであることが好ましく、このようにするには、ガード電極板２０の面積を小さくし、相対的にグランド電極板３０の座面と対向する面積を広くすればよい。

上記第１および第２実施形態では、近接センサ１Ａ，１Ｂを車椅子用としているが、病院や介護施設のベッドに適用可能であることは言うまでもない。

１Ａ，１Ｂ 近接センサ
１０ 検知電極板
２０ ガード電極板
３０ グランド電極板
３１ グランド電極引出板
４０ カバー
４１（４１ａ，４１ｂ） 電気絶縁材
５０ 検知回路

Claims (1)

1. 人体を被検知体とする検知電極板と、上記検知電極板の裏面側に所定の間隔をもって配置された接地電位を有するグランド電極板と、上記検知電極板と上記グランド電極板との間に電気絶縁材を介して配置されたガード電極板とを含み、上記検知電極板と上記ガード電極板とが同電位に保たれており、上記各電極板が電気絶縁性の扁平なカバー内に収納されている近接センサにおいて、
   上記ガード電極板は上記グランド電極板の全面を覆う面積を有し、上記検知電極板の面積は上記ガード電極板の面積よりも小く、上記ガード電極板上の上記検知電極板が存在していない部分には、上記グランド電極板に電気的に接続されたグランド電極引出板が上記検知電極板と電気的に絶縁された状態で並設されていることを特徴とする近接センサ。

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