JP6850717B2 - Anomaly detection sensor and anomaly detection system - Google Patents
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Description
本発明は、検知対象の物体の異常を検知する異常検知センサ及び異常検知システムに関する。 The present invention relates to an abnormality detection sensor and an abnormality detection system that detect an abnormality of an object to be detected.
異常検知センサは、例えば博物館等で貴重な展示物を展示する際に、展示物の盗難や異常を検知する目的で用いられるカメラや接触センサ等のことである。異常検知センサにカメラを用いた異常検知システムは、例えば非特許文献1に開示されている。また、接触センサを用いた異常検知システムは、例えば非特許文献2に開示されている。
Anomaly detection sensors are cameras, contact sensors, and the like used for the purpose of detecting theft or anomalies of exhibits when displaying valuable exhibits in museums or the like. An abnormality detection system using a camera as an abnormality detection sensor is disclosed in, for example, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に示された技術では、異常検知センサにカメラを用いるため光が必要である。よって、暗所において展示物等の物体の異常を検知することができないという課題がある。また、非特許文献2に示された技術では、接触センサを用いるため、監視対象の物体が盗難に遭ったのか、又は、例えば地震等の激しい揺れによって移動したのか等の切り分けができない。つまり、検知の精度が良くないという課題がある。
However, in the technique shown in Non-Patent
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、暗所においても精度よく展示物等の物体の異常を検知できる異常検知センサ及び異常検知システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide an abnormality detection sensor and an abnormality detection system capable of accurately detecting an abnormality of an object such as an exhibit even in a dark place.
本実施形態の一態様に係る異常検知センサは、検知対象となる物体が載せられる第1電極と、前記第1電極と絶縁体を挟んで対向する位置に配置され、前記第1電極よりも平面積が大きい第2電極と、振幅と周波数が一定の大きさの基準信号を生成する信号源と、前記基準信号が入力され、第1電極の端子電圧が最大になる共振用リアクタンスを生成する共振用リアクタンス生成部と、前記第1電極の端子電圧と前記基準信号の同相成分を検出する位相モニタ部と、前記同相成分の振幅の変化を判定して求めた判定値を出力する判定部とを備え、前記共振用リアクタンス生成部は、入力端子に第1コンデンサを介して一端を接続し、他端を前記第1電極に接続するインダクタと、前記インダクタの他端に一端を接続する第2コンデンサと、前記インダクタの一端にアノード電極、前記第2コンデンサの他端にカソード電極を接続する可変容量ダイオードと、前記可変容量ダイオードのアノード電極に第1抵抗を介して所定の電圧を印加する固定電圧源と、前記可変容量ダイオードのカソード電極と第3コンデンサを介して接続され、前記第1電極の端子電圧の振幅に対応する振幅信号を生成する振幅モニタ部と、前記共振用リアクタンスを生成する場合に、前記振幅信号が最大になるまで制御信号の大きさを一方向に変化させて出力する調整部と、前記制御信号の大きさに対応する調整電圧を生成し、該調整電圧を第2抵抗を介して前記可変容量ダイオードのカソード電極に印加する調整信号出力部とを備えることを要旨とする。 The abnormality detection sensor according to one aspect of the present embodiment is arranged at a position facing the first electrode on which the object to be detected is placed and the first electrode with an insulator in between, and is flatter than the first electrode. A second electrode having a large area, a signal source that generates a reference signal having a constant amplitude and frequency, and a resonance in which the reference signal is input to generate a resonance reactor that maximizes the terminal voltage of the first electrode. Reactance generation unit, a phase monitor unit that detects the terminal voltage of the first electrode and the in-phase component of the reference signal, and a determination unit that determines a change in the amplitude of the in-phase component and outputs a determination value obtained. The resonance reactor generation unit includes an inductor in which one end is connected to an input terminal via a first capacitor and the other end is connected to the first electrode, and a second capacitor in which one end is connected to the other end of the inductor. A variable capacitance diode that connects an anode electrode to one end of the inductor and a cathode electrode to the other end of the second capacitor, and a fixed voltage that applies a predetermined voltage to the anode electrode of the variable capacitance diode via a first resistor. When the source is connected to the cathode electrode of the variable capacitance diode via a third capacitor, an amplitude monitor unit that generates an amplitude signal corresponding to the amplitude of the terminal voltage of the first electrode, and the resonance reactor are generated. In addition, an adjustment unit that changes the magnitude of the control signal in one direction and outputs it until the amplitude signal is maximized, and an adjustment voltage corresponding to the magnitude of the control signal are generated, and the adjustment voltage is used as a second resistor. via an adjustment signal output unit to be applied to the cathode electrode of the variable capacitance diode and gist of Rukoto.
また、本実施形態の一態様に係る異常検知システムは、センサノード、ネットワーク、及びサーバとで構成される異常検知システムであって、前記センサノードは、上記の異常検知センサと、前記異常検知センサに、共振用リアクタンスの生成の開始を指示する切替信号を送信し、前記共振用リアクタンスが生成されたことを表す調整完了信号と前記判定値とを受信するセンサ制御部と、前記センサ制御部を、前記ネットワークを介して前記サーバに接続する送受信部とを備えることを要旨とする。 Further, the abnormality detection system according to one aspect of the present embodiment is an abnormality detection system composed of a sensor node, a network, and a server, and the sensor node includes the above-mentioned abnormality detection sensor and the above-mentioned abnormality detection sensor. A sensor control unit that transmits a switching signal instructing the start of generation of the resonance reactor and receives an adjustment completion signal indicating that the resonance reactor has been generated and the determination value, and the sensor control unit. It is a gist to include a transmission / reception unit that connects to the server via the network.
本発明によれば、暗所においても精度よく展示物等の物体の異常を検知できる異常検知センサ及び異常検知システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an abnormality detection sensor and an abnormality detection system that can accurately detect an abnormality of an object such as an exhibit even in a dark place.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same objects in a plurality of drawings, and the description is not repeated.
図1は、本発明の実施の形態に係る異常検知センサの機能構成例を示す図である。図1に示す異常検知センサ1は、暗所においても検知対象となる物体の消失・転倒等を検知できるセンサである。
FIG. 1 is a diagram showing a functional configuration example of an abnormality detection sensor according to an embodiment of the present invention. The
異常検知センサ1は、第1電極10、第2電極20、絶縁体30、信号源40、共振用リアクタンス生成部50、位相モニタ部60、及び判定部70を備える。
The
第1電極10は、検知対象となる物体が載せられる平板の電極である。第1電極10の平面形状は、例えば矩形状である。なお、第1電極10の平面形状は、検知対象となる物体を載せることができる形状であれば矩形状に限られない。また、第1電極10の表面は、導電体、絶縁体のどちらで有ってもよい。
The
第2電極20は、第1電極10と絶縁体30を挟んで対向する位置に配置され、第1電極10よりも平面積が大きい。第2電極20は接地され、第2電極20と第1電極10の間に静電容量が形成される。第2電極20の平面形状は、検知対象の物体が例えば転倒した場合に、転倒した物体と絶縁体30を介して対向する範囲の大きさであると好ましい。
The
信号源40は、振幅と周波数が一定の大きさの基準信号を生成する。基準信号は、一定の振幅と周波数からなる交流信号である。
The
共振用リアクタンス生成部50は、信号源40が生成する基準信号が入力され、第1電極10の端子電圧が最大になる共振用リアクタンスを生成する。共振用リアクタンスを生成するのは、外部から入力される切替信号が例えば正電源電位の場合である。以降において、共振用リアクタンスを生成する場合を、基準探索状態と称する。
The resonance
一方、切替信号が負電源電位の場合は、物体検知状態と称する。物体検知状態の場合の共振用リアクタンス生成部50の例えば容量リアクタンスの値は、基準探索状態で生成された共振用リアクタンスの値である。
On the other hand, when the switching signal has a negative power supply potential, it is referred to as an object detection state. For example, the value of the capacitive reactance of the
位相モニタ部60は、第1電極の端子電圧と信号源40が生成する基準信号の同相成分を検出する。同相成分の変化によって物体の消失・転倒等を検知することができる。検知する原理については後述する。
The
判定部70は、位相モニタ部60で検出した同相成分の振幅の変化を判定して求めた判定値を出力する。同相成分の振幅は、物体の消失・転倒によって変化する。よって、同相成分の振幅の変化を判定することで物体の状態を検知することができる。
The
以上説明したように本実施形態に係る異常検知センサ1によれば、位相モニタ部60で検出した同相成分の振幅の変化に基づいて物体の状態を検知するので、暗所においても精度よく展示物等の物体の異常を検知することができる。
As described above, according to the
次に、図2と図3を参照して異常検知センサ1の検知原理について説明する。
Next, the detection principle of the
〔検知原理〕
図2は、信号源40と共振用リアクタンス生成部50と、第1電極10と第2電極20の間に形成される静電容量Ce、及び検知対象の物体Aと第2電極20の間に形成される浮遊容量Cbとの関係を模式的に示す図である。
[Detection principle]
FIG. 2 shows a
信号源40は、基準信号Vsを生成する発振器41で構成され、基準信号Vsと出力抵抗Rsで表せる。信号源40は、一般的な発振器で構成できる。
The
物体Aの素材は、導体、誘電体のどちらで有ってもよい。第1電極10の上に物体Aが載せられると、物体Aと第2電極20との間に浮遊容量Cbが形成される。なお、物体Aが誘電体の場合は、物体Aと第1電極10との間にも浮遊容量が形成されるが、説明を簡単にする目的でその浮遊容量は省略して説明する。
The material of the object A may be either a conductor or a dielectric. When the object A is placed on the
第1電極10と第2電極20の間には静電容量Ceが形成される。図2において、共振用リアクタンス生成部50のリアクタンス成分をXvで表記している。
A capacitance Ce is formed between the
位相モニタ部60に入力される第1電極10の端子電圧Voは、図2に示す回路モデルから、次式で表される。
The terminal voltage Vo of the
ここで、jは虚数単位、fは信号源40が生成する基準信号Vsの周波数である。式(1)の分子を1にするために、分母と分子にj(2πf)(Ce+Cb)を乗ずると式(1)は次式のように変形できる。
Here, j is an imaginary unit, and f is the frequency of the reference signal Vs generated by the
実部をa、虚部をbとするとVoは式(5)で表せる。 If the real part is a and the imaginary part is b, Vo can be expressed by the equation (5).
式(5)のaの絶対値は、信号源Vsの交流信号と同相の第1電極10の端子電圧Voの大きさを表す。また、bの絶対値は、信号源Vsから位相が90°遅れた端子電圧Voの大きさを表す。
The absolute value of a in the formula (5) represents the magnitude of the terminal voltage Vo of the
同相成分のみに着目すると、式(6)を満たすCbを基準に、Cbが小さくなるとaが正となり、Cbが大きくなるとaが負となることが分かる。 Focusing only on the in-phase component, it can be seen that a becomes positive when Cb becomes small and a becomes negative when Cb becomes large, based on Cb satisfying the equation (6).
図3は、物体Aと第2電極20との間の浮遊容量Cbの大きさが変化する状態を模式的に示す図である。図3(a)に示すCb0は、物体Aが第1電極10に載せられた状態の浮遊容量を表す。図3(b)に示すCb1は、物体Aが第1電極10から離れた状態の浮遊容量を表す。図3(c)に示すCb2は、物体Aが転倒した状態の浮遊容量を表す。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a state in which the magnitude of the stray capacitance Cb between the object A and the
浮遊容量Cb0(巣3(a))を基準にすると、物体Aが第1電極10から離れた状態の浮遊容量Cb1は、Cb0より小さい(Cb1<Cb0)。一方、物体Aが転倒した状態の浮遊容量Cb2は、Cb0より大きい(Cb2>Cb0)。
Based on the stray capacitance Cb0 (nest 3 (a)), the stray capacitance Cb1 in a state where the object A is separated from the
そこで、所定の周波数fで式(6)の条件が満たされるように共振用リアクタンスXvの値を探索しておく。その後、物体Aが第1電極10から離れると同相成分は正、物体Aが転倒すると同相成分は負になる。したがって、同相成分の符号を評価することで物体Aが第1電極10の上から消失したか、または物体Aが転倒したかを検知することができる。
Therefore, the value of the reactance Xv for resonance is searched so that the condition of the equation (6) is satisfied at a predetermined frequency f. After that, when the object A separates from the
なお、物体Aの第1電極10上の状態は、同相成分の符号の変化によらなくても検知することが可能である。同相成分の振幅の変化を判定するようにしてもよい。つまり、物体Aの第1電極10上の状態の変化は、同相成分の振幅の変化を判定することで検知することができる。同相成分の振幅を、閾値と比較することで物体Aの状態の変化を検知してもよい。
The state of the object A on the
以上、異常検知センサ1の検知原理について説明した。次に、共振用リアクタンスXvを生成する共振用リアクタンス生成部50について詳しく説明する。
The detection principle of the
〔第1実施形態〕
図4は、本発明の第1実施形態に係る共振用リアクタンス生成部50の機能構成例を示す図である。
[First Embodiment]
FIG. 4 is a diagram showing a functional configuration example of the
共振用リアクタンス生成部50は、第1コンデンサC1、インダクタL、第2コンデンサC2、可変容量ダイオードD、固定電圧源51、第2抵抗R2、第3コンデンサC3、振幅モニタ部52、調整部53、及び調整信号出力部54を備える。
The
インダクタLの一端は、第1コンデンサC1を介して入力端子に接続される。入力端子には、信号源40が接続され、基準信号Vsが入力される。インダクタLの他端は、出力端子に接続され、出力端子は第1電極10に接続される。
One end of the inductor L is connected to the input terminal via the first capacitor C1. A
可変容量ダイオードDのアノード電極は、インダクタLの一端に接続される。可変容量ダイオードDのカソード電極は、第2コンデンサC2を介してインダクタLの他端に接続される。第2コンデンサC2は、DCカットコンデンサである。第2コンデンサC2は、インダクタLの他端と可変容量ダイオードDのカソード電極を交流的に短絡させる。インダクタLと可変容量ダイオードDの並列接続は、共振用リアクタンスXvを構成する。 Anode over cathode electrode of the variable capacitance diode D is connected to one end of the inductor L. Cathodes when cathode electrode of the variable capacitance diode D is connected to the other end of the inductor L via a second capacitor C2. The second capacitor C2 is a DC cut capacitor. The second capacitor C2, an AC to shorting the cathode over cathode electrode of the other end and the variable capacitance diode D of the inductor L. The parallel connection of the inductor L and the variable capacitance diode D constitutes a reactance Xv for resonance.
可変容量ダイオードDのアノード電極には、第1抵抗R1を介して固定電圧原51が接続される。固定電圧原51は一定の電圧を出力する。第1抵抗R1は、入力端子(信号源40)から見たインピーダンスが固定電圧原51によって低下しないように作用する。
The anode over cathode electrode of the variable capacitance diode D, a fixed
可変容量ダイオードDのカソード電極は、第3コンデンサC3を介して振幅モニタ部52に接続される。振幅モニタ部52の入力は、第3コンデンサC3と第2コンデンサC2を介してインダクタLの他端(第1電極10)に接続される。
Cathodes when cathode electrode of the variable capacitance diode D is connected to the
振幅モニタ部52は、第1電極10の端子電圧Voを入力とし、該端子電圧Voの振幅を表す振幅信号を生成する。振幅モニタ部52は、第1電極10の端子電圧Voを、例えばディジタル信号に変換するA/Dコンバータで構成される。
The
第2コンデンサC2と第3コンデンサC3は、DCカットコンデンサである。第3コンデンサC3は、調整信号出力部54の出力する調整電圧が、振幅モニタ部52に入力されないように作用する。
The second capacitor C2 and the third capacitor C3 are DC cut capacitors. The third capacitor C3 acts so that the adjustment voltage output by the adjustment
調整部53は、振幅モニタ部52が生成する振幅信号を入力とし、基準探索状態(切替信号=正電源電位)の場合に、振幅信号が最大になる制御信号を得るために、制御信号の値を一方向に掃引して生成し、振幅信号が最大になる制御信号の値に固定する。制御信号の値は、例えば複数ビットで表されるディジタル値である。
The adjusting
制御信号を、振幅信号が最大になる値に固定する際、調整部53は調整完了信号を出力する。調整完了信号は、パルス信号、又は固定電圧信号のどちらであってもよい。
When fixing the control signal to a value that maximizes the amplitude signal, the
振幅信号が最大になる状態は、式(6)の条件が成立する状態である。物体検知状態(切替信号=負電源電位)の場合は、振幅信号が最大になる制御信号を維持する。 The state in which the amplitude signal is maximized is the state in which the condition of Eq. (6) is satisfied. In the case of the object detection state (switching signal = negative power supply potential), the control signal that maximizes the amplitude signal is maintained.
調整信号出力部54は、調整部53が出力する制御信号の値に一対一に対応する調整電圧を生成し、該調整電圧を第2抵抗R2を介して可変容量ダイオードDのカソード電極に印加する。調整信号出力部54は、例えば、ディジタル信号である制御信号を、アナログ信号に変換するD/Aコンバータで構成することができる。
Adjustment
第2抵抗R2は、調整信号出力部54によって、出力端子から見たインピーダンスが低下しないように作用する。また、第2コンデンサC2は、インダクタLと可変容量ダイオードDを交流的に短絡すると共に、調整信号出力部54が出力する調整電圧がインダクタLを介して固定電圧原51に漏洩することを防止する。
The second resistor R2 acts so that the impedance seen from the output terminal does not decrease by the adjustment
以上説明した共振用リアクタンス生成部50を含む異常検知センサ1の動作を、図5を参照して説明する。図5は、共振用リアクタンス生成部50の各部の動作を説明する模式図である。
The operation of the
図5(a)は制御電圧と調整電圧の関係、図5(b)は調整電圧と可変容量ダイオードDの静電容量CDの関係、図5(c)は可変容量ダイオードDの静電容量CDと第1電極10の端子電圧|Vo|の関係を示す。
FIG. 5A shows the relationship between the control voltage and the adjustment voltage, FIG. 5B shows the relationship between the adjustment voltage and the capacitance CD of the variable capacitance diode D, and FIG. 5C shows the capacitance CD of the variable capacitance diode D. The relationship between the terminal voltage of the
異常検知センサ1の利用者は、物体Aを第1電極10に載せた後、異常検知センサ1を起動させる起動ボタン(図示せず)を押下する。起動ボタンが押下されると、切替信号は基準探索状態(切替信号=正電源電位)になる。切替信号は、センサ制御部(図示せず)によって生成される。センサ制御部については後述する。
After placing the object A on the
なお、起動ボタンを押下することで生成される起動信号(又はリセット信号、初期化信号)は、異常検知センサ1の各機能構成部に入力するようにしてもよい。図1及び図4では、起動信号の表記は省略している。
The start signal (or reset signal, initialization signal) generated by pressing the start button may be input to each function component of the
信号源40は、基準信号Vsを生成する。該基準信号Vsは、共振用リアクタンス生成部50を介して第1電極10に供給される。
The
切替信号が基準探索状態(切替信号=正電源電位)の場合の調整部53は、第1電極10の端子電圧Voが最大になるまで制御信号を一定間隔毎に順次変化させる。制御信号は、低い電圧から高い電圧に例えばステップ状に変化させられる。
When the switching signal is in the reference search state (switching signal = positive power supply potential), the adjusting
調整信号出力部54は、そのステップ状に変化する制御信号の値に一対一に対応させて、図5(a)に示すように調整電圧をステップ状に増加させる。図5(a)の横軸は例えば時間、縦軸は調整電圧である。横軸は制御信号の値としてもよい。
The adjustment
調整部53は、調整電圧が一定となる1ステップの時間幅の間に、振幅モニタ部52が出力する第1電極10の端子電圧Voの振幅電圧を記憶する。
The adjusting
調整電圧が低い電圧から高い電圧に変化すると、可変容量ダイオードDの静電容量CDは、調整電圧に反比例して、図5(b)に示すように減少する。調整電圧は、可変容量ダイオードDに対して逆バイアス電圧として作用する。なお、調整電圧は、高い電圧から低い電圧に変化させてもよい。また、調整電圧はランダムに変化させてもよい。調整電圧に対する可変容量ダイオードDの静電容量CDの値は変わらないため、端子電圧Voの振幅が最大となる調整電圧に対応する制御信号を探索することが可能である。 When the adjustment voltage changes from a low voltage to a high voltage, the capacitance CD of the variable capacitance diode D decreases in inverse proportion to the adjustment voltage as shown in FIG. 5 (b). The adjustment voltage acts as a reverse bias voltage with respect to the variable capacitance diode D. The adjustment voltage may be changed from a high voltage to a low voltage. Moreover, the adjustment voltage may be changed at random. Since the value of the capacitance CD of the variable capacitance diode D does not change with respect to the adjustment voltage, it is possible to search for the control signal corresponding to the adjustment voltage that maximizes the amplitude of the terminal voltage Vo.
図5(b)の横軸は調整電圧、縦軸は静電容量CDである。調整電圧がステップ状に変化する場合は、静電容量CDもステップ状に変化するが、図5(b)においては変化する方向を明記する目的でなだらかに変化する形で記載している。 The horizontal axis of FIG. 5B is the adjusted voltage, and the vertical axis is the capacitance CD. When the adjustment voltage changes in a step-like manner, the capacitance CD also changes in a step-like manner, but in FIG. 5B, it is described in a gently changing form for the purpose of clearly indicating the direction of change.
図5(c)は、静電容量CDと端子電圧Voの関係を示す。図5(c)の横軸は静電容量CD、縦軸は第1電極10の端子電圧Voである。このように可変容量ダイオードDの静電容量CDを変化させることで、第1電極10の端子電圧Voが最大になる静電容量CDの値を探索することができる。
FIG. 5C shows the relationship between the capacitance CD and the terminal voltage Vo. The horizontal axis of FIG. 5C is the capacitance CD, and the vertical axis is the terminal voltage Vo of the
調整部53は、全ての制御信号に対応する振幅信号を記憶した後に、振幅信号が最大になる制御信号を記憶し、調整完了信号を出力する。調整完了信号は、センサ制御部(図示せず)に入力され、切替信号を物体検知状態(切替信号=負電源電位)に変化させる。
After storing the amplitude signals corresponding to all the control signals, the
物体検知状態(切替信号=負電源電位)における調整部53は、振幅信号が最大になる制御信号を維持する。よって、インダクタLと可変容量ダイオードDの並列接続で構成される共振用リアクタンスXvは、制御信号→調整電圧→静電容量CDの順播で、第1電極10の端子電圧Voが最大になる値に調整される。
The adjusting
切替信号が物体検知状態(切替信号=負電源電位)に変化した後の異常検知センサ1は、検知対象となる物体の消失・転倒を検知する動作を開始する。
After the switching signal changes to the object detection state (switching signal = negative power supply potential), the
次に、物体検知状態における位相モニタ部60の動作を説明する。
Next, the operation of the
〔位相モニタ部〕
図6は、位相モニタ部60の機能構成例を示す図である。位相モニタ部60は、乗算器61と低域通過フィルタ62を備える。位相モニタ部60の構成は、一般的なロックインアンプと同じである。
[Phase monitor]
FIG. 6 is a diagram showing a functional configuration example of the
乗算器61は、第1電極10の端子電圧Voの交流信号と、基準信号Vsの交流信号を乗算する。その結果、第1電極10の端子電圧Voの交流信号に含まれる基準信号Vsと等しい(同相の信号)成分は、直流信号に変換される。
The
低域通過フィルタ62は、直流信号を通過させる。よって、位相モニタ部60は、端子電圧Voの交流信号から、基準信号Vsと同相の信号成分を抽出できる。
The low-
第1電極10の端子電圧Voは次式で表せる。
The terminal voltage Vo of the
式(7)において、共振用リアクタンスXvのみを変数とし、他のパラメータ(静電容量Ce、浮遊容量Cb、信号源の出力抵抗Rs)を一定と仮定する。その仮定において、共振用リアクタンスXvと、静電容量Ce及び浮遊容量Cbが共振すると、端子電圧Voの交流信号の振幅は最大となる。 In the equation (7), it is assumed that only the reactance Xv for resonance is used as a variable, and the other parameters (capacitance Ce, stray capacitance Cb, output resistance Rs of the signal source) are constant. Under that assumption, when the reactance Xv for resonance resonates with the capacitance Ce and the stray capacitance Cb, the amplitude of the AC signal of the terminal voltage Vo becomes maximum.
物体検知状態においては、既に基準探索状態において端子電圧Voの交流信号の振幅が最大になる共振用リアクタンスXvの値に調整されている。よって、位相モニタ部60は、振幅が最大の端子電圧Voの交流信号から、基準信号Vsと同相の信号成分を抽出し、同相成分の符号と振幅を表す位相状態信号を出力する。
In the object detection state, the value of the reactance Xv for resonance that maximizes the amplitude of the AC signal of the terminal voltage Vo has already been adjusted in the reference search state. Therefore, the
検知対象の物体Aが、第1電極10に載せられた状態から変化しなければ、式(6)の条件が満たされているので位相状態信号の振幅は小さい。この場合の位相状態信号の振幅は、理論的には0である(式(6))。
If the object A to be detected does not change from the state mounted on the
物体Aが第1電極10の上から消失すると、物体Aと第2電極20との間の浮遊容量Cbが小さくなる。浮遊容量Cbが小さくなると、位相状態信号の振幅は正方向に大きくなる。
When the object A disappears from above the
一方、物体Aが第1電極10の上で転倒すると、物体Aと第2電極20との間の浮遊容量Cbが大きくなる。浮遊容量Cbが大きくなると、位相状態信号の振幅は負方向に大きくなる。
On the other hand, when the object A falls on the
この位相状態信号の変化を検出することで、物体Aの消失・転倒等を検知することができる。 By detecting the change in the phase state signal, it is possible to detect the disappearance, overturning, etc. of the object A.
判定部70は、信号源40が生成する基準信号Vsの揺らぎや、位相モニタ部60を構成する部品の揺らぎ等を考慮して、位相モニタ部60が出力する位相状態信号の振幅の変化を判定して求めた判定値を出力する。
The
この例の判定値は、「物体Aの状態が変化なし」、「物体Aが消失」、「物体Aが転倒」の3種類である。判定部70は、従来技術で容易に実現できる。よって、判定部70の具体例を示した説明は省略する。
There are three types of determination values in this example: "the state of the object A does not change", "the object A disappears", and "the object A falls". The
以上説明したように、本実施形態に係る異常検知センサ1によれば、浮遊容量の変化によって検知対象の物体の消失・転倒等を検知するので、暗所においても精度よく展示物等の物体の異常を監視することができる。
As described above, according to the
次に、本発明の第2実施形態に係る共振用リアクタンス生成部52について説明する。
Next, the
〔第2実施形態〕
図7は、本発明の第2実施形態に係る共振用リアクタンス生成部55の機能構成例を示す図である。共振用リアクタンス生成部55は、異常検知センサ2を構成する。異常検知センサ2は、図1に示す異常検知センサ1の共振用リアクタンス生成部50を、共振用リアクタンス生成部55に置き代えたものである。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a diagram showing a functional configuration example of the
共振用リアクタンス生成部55は、共振用リアクタンス生成部50(図4)に対して、第1スイッチSW1、第3抵抗R3、第2スイッチSW2、電圧モニタ部56、及び調整部57を備える点で異なる。
The
共振用リアクタンス生成部55は、静電容量Ce及び浮遊容量Cbと共振する共振用リアクタンスXvを探索する調整電圧の初期値を取得するようにしたものである。以降、「静電容量Ce及び浮遊容量Cbと共振する」の文言は省略し、単に共振用リアクタンスXvと称する。
The
第1スイッチSW1は、共振用リアクタンスXvを探索する前に、可変容量ダイオードDに並列に第3抵抗R3を接続する。ここで、共振用リアクタンスXvを構成する静電容量CDの値を探索する前とは、起動ボタンが押下され、切替信号が基準探索状態(切替信号=正電源電位)になり、調整部57が最初の制御信号を出力するまでの間のことである。この間、センサ制御部(図示せず)から調整電圧開始信号が、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、及び調整部57に入力される。
The first switch SW1 connects the third resistor R3 in parallel with the variable capacitance diode D before searching for the reactance Xv for resonance. Here, before searching for the value of the capacitance CD constituting the reactance Xv for resonance, the start button is pressed, the switching signal is in the reference search state (switching signal = positive power supply potential), and the adjusting
第1スイッチSW1は、共振用リアクタンスXvの探索を開始する前、調整電圧開始信号が例えば正電源電位の場合に導通(開成)される。この状態において、信号源40から基準信号Vsが入力されると、可変容量ダイオードDの整流特性によって第3抵抗R3に直流電流が流れ、第3抵抗R3に電圧降下Vdcが生じる。電圧降下Vdcは、可変容量ダイオードDに対して逆バイアス電圧Vdcとして作用する。
The first switch SW1 is conducted (opened) when the adjustment voltage start signal is, for example, a positive power supply potential, before the search for the reactance Xv for resonance is started. In this state, when the reference signal Vs is input from the
第2スイッチSW2は、第1スイッチSW1が導通時に可変容量ダイオードDのカソード電極の電圧を電圧モニタ部56に入力する。第1スイッチSW1が非導通時は、可変容量ダイオードDのカソード電極に、第2抵抗R2を介して調整信号出力部54が出力する調整電圧を印加する。
The second switch SW2, the first switch SW1 is input when the voltage of the cathodes when cathode electrode of the variable capacitance diode D to the
電圧モニタ部56は、第1スイッチSW1が導通時の可変容量ダイオードDのカソード電極の電圧を入力信号とし、該入力信号に対応する電圧モニタ信号を生成して調整部57に入力する。第1スイッチSW1が導通時の可変容量ダイオードDのカソード電極の電圧は、基準信号Vsを可変容量ダイオードDで整流して流れる直流電流Idによって第3抵抗R3に生じる電圧降下Vdcと固定電圧源51の出力電圧を加算した電圧である。
以上説明した構成によれば、調整部57は、共振用リアクタンスXvを探索する前に、可変容量ダイオードDのカソード電極の電圧を表す電圧モニタ信号を取得することができる。
According to the configuration described above, the adjusting
調整部57は、電圧モニタ信号と同じ値の制御信号を調整信号出力部54に入力する。調整信号出力部54は、共振用リアクタンスXvを構成する静電容量CDの探索開始時に、電圧モニタ部55が取得した可変容量ダイオードDのカソード電極の電圧と同じ電圧の調整電圧を出力する。
The adjusting
これにより、本実施形態の共振用リアクタンス生成部55は、調整電圧を変化させる範囲を共振用リアクタンス生成部50(図4)よりも狭くできる。その結果、共振用リアクタンスXvを探索する時間を短縮することができる。
As a result, the
図8を参照して共振用リアクタンス生成部55が、共振状態となる制御信号を見つける動作を説明する。図8は、共振用リアクタンス生成部55の動作を説明する模式図である。
The operation of the
図8(a)は、可変容量ダイオードDの両端電圧|Vac|(横軸)と可変容量ダイオードDに流れる直流電流Id(縦軸)の関係を示す図である。図8(a)中に示すα〜δについては後述する。 FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the voltage across the variable capacitance diode D | Vac | (horizontal axis) and the direct current Id (vertical axis) flowing through the variable capacitance diode D. Α to δ shown in FIG. 8A will be described later.
直流電圧が印加されていない可変容量ダイオードDにその閾値(順方向電圧Vf)よりも大きな振幅の交流信号が印加された場合、交流信号の1周期のうち可変容量ダイオードDにその閾値よりも大きな順方向電圧が印加されている期間、すなわち可変容量ダイオードDが短絡となっている期間に可変容量ダイオードDの整流特性により直流電流Idが生じる。 When an AC signal with an amplitude larger than the threshold value (forward voltage Vf) is applied to the variable capacitance diode D to which no DC voltage is applied, the variable capacitance diode D is larger than the threshold value in one cycle of the AC signal. A direct current Id is generated by the rectifying characteristics of the variable capacitance diode D during the period when the forward voltage is applied, that is, during the period when the variable capacitance diode D is short-circuited.
逆バイアス電圧Vdc(第3抵抗R3の電圧降下Vdc)が可変容量ダイオードDの両端に生じると、順方向電圧が印加されている期間、すなわち可変容量ダイオードDが短絡となっている期間が短くなるため、同じ交流電圧|Vac|に対して直流電流Idは小さくなる。 When a reverse bias voltage Vdc (voltage drop Vdc of the third resistor R3) occurs across the variable capacitance diode D, the period during which the forward voltage is applied, that is, the period during which the variable capacitance diode D is short-circuited becomes short. Therefore, the DC current Id becomes smaller for the same AC voltage | Vac |.
図8(b)は、直流電流Id(横軸)と、第3抵抗R3に生じる電圧降下Vdc(縦軸)の関係を示す図である。このように直流電流Idが流れることによって、可変容量ダイオードDの逆バイアス電圧Vdcは変化する。 FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the direct current Id (horizontal axis) and the voltage drop Vdc (vertical axis) generated in the third resistor R3. The reverse bias voltage Vdc of the variable capacitance diode D changes due to the flow of the direct current Id in this way.
図8(c)は、逆バイアス電圧Vdc(第3抵抗R3の電圧降下Vdc)(横軸)と可変容量ダイオードDの静電容量CDの関係を示す図である。図8(c)は図5(b)と同じ図である。このように、逆バイアス電圧Vdcによって可変容量ダイオードDの静電容量CDの値は変化する。 FIG. 8C is a diagram showing the relationship between the reverse bias voltage Vdc (voltage drop Vdc of the third resistor R3) (horizontal axis) and the capacitance CD of the variable capacitance diode D. FIG. 8 (c) is the same diagram as in FIG. 5 (b). In this way, the value of the capacitance CD of the variable capacitance diode D changes depending on the reverse bias voltage Vdc.
図8(d)は、可変容量ダイオードDの静電容量CD(横軸)と第1電極10の端子電圧Voの関係を示す図である。図8(d)は図5(c)と同じである。
FIG. 8D is a diagram showing the relationship between the capacitance CD (horizontal axis) of the variable capacitance diode D and the terminal voltage Vo of the
図8中のα〜δは、共振用リアクタンス生成部52に、信号源40から基準信号Vsを入力し始めてからのそれぞれの電流電圧の変化を示している。可変容量ダイオードDの静電容量CDは、逆バイアス電圧Vdc=0の時の値をC0としている。また、可変容量ダイオードDの両端電圧|Vac|は第1電極10の端子電圧|Vo|に比例する。
Α to δ in FIG. 8 indicate changes in the respective currents and voltages after the reference signal Vs is input from the
第1スイッチSW1が導通した状態で、信号源40から基準信号Vsが入力されると、基準信号Vsは可変容量ダイオードDで整流され、直流電流Idが流れる(図8(a
)のα)。
When the reference signal Vs is input from the
) Α).
直流電流Idが流れることにより、第3抵抗R3に電圧降下Vdcを発生させ、これと同じ電圧が逆バイアス電圧となって可変容量ダイオードDに印加される。これにより可変容量ダイオードDの静電容量CDは減少し(図8(c)のα)、共振が生じる静電容量CDに近づき第1電極10の端子電圧|Vo|は大きくなる(図8(d)のα)。
When the direct current Id flows, a voltage drop Vdc is generated in the third resistor R3, and the same voltage becomes a reverse bias voltage and is applied to the variable capacitance diode D. As a result, the capacitance CD of the variable capacitance diode D decreases (α in FIG. 8C), and the terminal voltage | Vo | of the
基準信号Vsの振幅|Vac|が大きくなると共に逆バイアス電圧Vdcも大きくなるため基準信号Vsの振幅|Vac|と直流電流Idの関係は、図8(a)のβに移動する。 Since the amplitude | Vac | of the reference signal Vs increases and the reverse bias voltage Vdc also increases, the relationship between the amplitude | Vac | of the reference signal Vs | Vac | and the DC current Id shifts to β in FIG. 8 (a).
この後も同じように静電容量CDが減少して基準信号Vsの振幅|Vac|は大きくなると共に電圧降下Vdcも大きくなるため、直流電流Idの変化量は、徐々に小さくなりゼロに収束する。直流電流Idの変化量がゼロになると、可変容量ダイオードDの両端電圧|Vac|は一定(図8(a)のδ)となり、第1電極10の端子電圧|Vo|は共振時の振幅に近づく(図8(d)のδ)。
After this, the capacitance CD decreases in the same manner, the amplitude | Vac | of the reference signal Vs increases and the voltage drop Vdc also increases, so that the amount of change in the DC current Id gradually decreases and converges to zero. .. When the amount of change in the DC current Id becomes zero, the voltage across the variable capacitance diode D | Vac | becomes constant (δ in FIG. 8A), and the terminal voltage | Vo | of the
以上説明したα〜δの過程を経て、第1スイッチSW1が導通している状態の共振用リアクタンス生成部52は、図8(d)のδに相当する逆バイアス電圧Vdc(図8(a)のδ)を取得する。この逆バイアス電圧Vdcを取得するまでの間、調整電圧開始信号は第1スイッチSW1が導通する正電源電位を維持する。
Through the processes of α to δ described above, the
以上説明したように、本実施形態に係る共振用リアクタンス生成部55は、起動ボタンが押下された直後に、共振時の共振用リアクタンスXvの値に近い共振用リアクタンスを生成する調整電圧を取得する。したがって、共振用リアクタンスXvの探索を、図8(d)のδから開始することができる。そのため、逆バイアス電圧Vdc=0V時の可変容量ダイオードDの静電容量C0から探索を開始する共振リアクタンス生成部50よりも探索時間を短縮することができる。
As described above, the resonance
〔異常検知システム〕
図9は、本発明の実施の形態に係る異常検知システムの構成例を示す図である。図9に示す異常検知システム101は、センサノード80、ネットワーク90、及びサーバ1000を備える。
[Anomaly detection system]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of an abnormality detection system according to an embodiment of the present invention. The
センサノード80は、上記した異常検知センサ1(図1)、センサ制御部82、及び送受信部81を備える。なお、異常検知センサ1は共振用リアクタンス生成部52を備える異常検知センサ2に置き代えてもよい。
The
センサ制御部82は、異常検知センサ1に、共振用リアクタンスXvを構成する静電容量CDの探索の開始を指示する切替信号を送信し、静電容量CDの探索のは終了したことを表す調整完了信号と上記した判定値を異常検知センサ1から受信する。
The
送受信部81は、センサ制御部82を、ネットワーク90を介してサーバ100に接続される。
The transmission /
このように構成される異常検知システム101によれば、サーバ100で、「物体Aの状態が変化なし」、「物体Aが消失」、及び「物体Aが転倒」の3種類の判定値を検知することができる。また、異常検知センサ1に、起動ボタンを押下することで生成される起動信号(切替信号)をサーバ100から入力することも可能である。
According to the
以上説明したように本実施形態に係る異常検知センサ1、及び異常検知システム101によれば、浮遊容量の変化によって検知対象の物体の消失・転倒等を検知するので、暗所においても精度よく展示物等の物体の異常を監視することができる。
As described above, according to the
上記した実施形態の共振用リアクタンスXvは、インダクタLと可変容量ダイオードDを並列に接続した例で説明を行ったが、本発明はこの例に限定されない。可変容量ダイオードDに代えて他の可変容量素子を用いてもよい。また、インダクタLの誘導性リアクタンスを可変するようにしてもよい。 The reactance Xv for resonance of the above-described embodiment has been described with an example in which the inductor L and the variable capacitance diode D are connected in parallel, but the present invention is not limited to this example. Another variable capacitance element may be used instead of the variable capacitance diode D. Further, the inductive reactance of the inductor L may be changed.
また、調整電圧をステップ状に可変する例で説明したが、調整電圧は一方向に一様に変化させてもよい。また、調整部53は、全ての制御信号に対応する振幅信号を記憶した後に、振幅信号が最大になる制御信号を出力する例で説明したが、制御信号を一方向に変化させ、振幅信号が最大になったら制御信号の出力を停止するように構成してもよい。
Further, although the example in which the adjustment voltage is changed in steps has been described, the adjustment voltage may be changed uniformly in one direction. Further, although the
また、調整部は、振幅信号、及び制御信号を、ディジタル回路で構成する例で説明したが、調整部はアナログ回路で構成してもよい。なお、調整部53,55をアナログ回路で構成した場合は、振幅モニタ部21、及び電圧モニタ部54はなくてよい。
Further, although the adjusting unit has been described with an example in which the amplitude signal and the control signal are configured by a digital circuit, the adjusting unit may be configured by an analog circuit. When the
このように、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified within the scope of the gist thereof.
1、2:異常検知センサ
10:第1電極
20:第2電極
30:絶縁体
40:信号源
50、55:共振用リアクタンス生成部
51:固定電圧源
52:振幅モニタ部
53、57:調整部
54:調整信号出力部
56:電圧モニタ部
60:位相モニタ部
61:乗算器
62:低域通過フィルタ
70:判定部
80:センサノード
81:送受信部
82:センサ制御部
90:ネットワーク
100:サーバ
101:異常検知システム
1, 2: Abnormality detection sensor 10: First electrode 20: Second electrode 30: Insulator 40:
Claims (3)
前記第1電極と絶縁体を挟んで対向する位置に配置され、前記第1電極よりも平面積が大きい第2電極と、
振幅と周波数が一定の大きさの基準信号を生成する信号源と、
前記基準信号が入力され、前記第1電極の端子電圧が最大になる共振用リアクタンスを生成する共振用リアクタンス生成部と、
前記第1電極の端子電圧と前記基準信号の同相成分を検出する位相モニタ部と、
前記同相成分の振幅の変化を判定して求めた判定値を出力する判定部と
を備え、
前記共振用リアクタンス生成部は、
入力端子に第1コンデンサを介して一端を接続し、他端を前記第1電極に接続するインダクタと、
前記インダクタの他端に一端を接続する第2コンデンサと、
前記インダクタの一端にアノード電極、前記第2コンデンサの他端にカソード電極を接続する可変容量ダイオードと、
前記可変容量ダイオードのアノード電極に第1抵抗を介して所定の電圧を印加する固定電圧源と、
前記可変容量ダイオードのカソード電極と第3コンデンサを介して接続され、前記第1電極の端子電圧の振幅に対応する振幅信号を生成する振幅モニタ部と、
前記共振用リアクタンスを生成する場合に、前記振幅信号が最大になるまで制御信号の大きさを一方向に変化させて出力する調整部と、
前記制御信号の大きさに対応する調整電圧を生成し、該調整電圧を第2抵抗を介して前記可変容量ダイオードのカソード電極に印加する調整信号出力部と
を備えることを特徴とする異常検知センサ。 The first electrode on which the object to be detected is placed and
A second electrode, which is arranged at a position facing the first electrode with an insulator in between and has a larger flat area than the first electrode,
A signal source that produces a reference signal with constant amplitude and frequency,
A resonance reactance generating unit that generates a reactance for resonance in which the reference signal is input and the terminal voltage of the first electrode is maximized.
A phase monitor unit that detects in-phase components of the terminal voltage of the first electrode and the reference signal, and
It is provided with a determination unit that determines a change in the amplitude of the in-phase component and outputs a determination value obtained .
The reactance generator for resonance is
An inductor that connects one end to the input terminal via a first capacitor and the other end to the first electrode.
A second capacitor that connects one end to the other end of the inductor
A variable capacitance diode that connects an anode electrode to one end of the inductor and a cathode electrode to the other end of the second capacitor.
A fixed voltage source that applies a predetermined voltage to the anode electrode of the variable capacitance diode via the first resistor, and
An amplitude monitor unit that is connected to the cathode electrode of the variable capacitance diode via a third capacitor and generates an amplitude signal corresponding to the amplitude of the terminal voltage of the first electrode.
When generating the reactance for resonance, an adjusting unit that changes the magnitude of the control signal in one direction and outputs it until the amplitude signal is maximized, and
With an adjustment signal output unit that generates an adjustment voltage corresponding to the magnitude of the control signal and applies the adjustment voltage to the cathode electrode of the variable capacitance diode via a second resistor.
Abnormality detection sensor, wherein Rukoto equipped with.
前記共振用リアクタンス生成部は、
前記共振用リアクタンスの生成を開始する前に、前記可変容量ダイオードに並列に第3抵抗を接続する第1スイッチと、
前記第1スイッチが導通時に前記可変容量ダイオードのカソード電極の電圧を電圧モニタ部に入力し、前記第1スイッチが非導通時に、前記可変容量ダイオードのカソード電極に第2抵抗を介して前記調整電圧を印加させる第2スイッチと、
前記第1スイッチが導通時の前記可変容量ダイオードのカソード電極の電圧を入力電圧とし、該入力電圧に対応する電圧モニタ信号を生成する前記電圧モニタ部と
を備え、
前記調整部は、前記電圧モニタ信号に対応する電圧値を前記調整電圧の初期値とする
ことを特徴とする異常検知センサ。 In the abnormality detection sensor according to claim 1,
The reactance generator for resonance is
Before starting the generation of the reactance for resonance, the first switch that connects the third resistor in parallel with the variable capacitance diode,
Wherein the first switch is input to the voltage monitor voltage of cathodes when cathode electrode of the variable capacity diode during conduction, the first switch is in an inactive state, via a second resistor to the cathodes when cathode electrode of the variable capacitance diode The second switch that applies the adjustment voltage and
Wherein the first switch is a voltage of the cathodes when cathode electrode of the variable capacity diode during conduction between the input voltage, and a said voltage monitor unit for generating a voltage monitor signal corresponding to the input voltage,
The adjusting unit is an abnormality detection sensor characterized in that a voltage value corresponding to the voltage monitor signal is used as an initial value of the adjusted voltage.
前記センサノードは、
請求項1又は2に記載した異常検知センサと、
前記異常検知センサに、前記共振用リアクタンスの生成の開始を指示する切替信号を送信し、前記共振用リアクタンスが生成されたことを表す調整完了信号と前記判定値とを受信するセンサ制御部と、
前記センサ制御部を、前記ネットワークを介して前記サーバに接続する送受信部と
を備えることを特徴とする異常検知システム。 An anomaly detection system consisting of a sensor node, a network, and a server.
The sensor node is
The abnormality detection sensor according to claim 1 or 2,
A sensor control unit that transmits a switching signal instructing the start of generation of the reactance for resonance to the abnormality detection sensor and receives an adjustment completion signal indicating that the reactance for resonance has been generated and the determination value.
An abnormality detection system including a transmission / reception unit that connects the sensor control unit to the server via the network.
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