JPH10501105A - 近接検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非接触容量型の近接検出器（８）は、検知プレート（１０）と、この検知プレート（１０）に電気的に接続されている検出回路網（１２）とを含む。この検出回路は、検知プレート（１０）に電気的に接続されている発振器（１４）と、この発振器に電気的に接続されている信号処理回路網（１６）とを含む。この信号処理回路網（１６）には、結合コンデンサＣ₁と、包絡線復調器（１８）と、第１のコンパレータ（２０）と、遅延回路（２２）と、そして第２の遅延回路（２４）とが含まれる。ある物体が検知プレート（１０）に対して所定の近接距離範囲内にあるとき、検知プレートと隣接物体とによって構成されるコンデンサの静電容量は、発振器（１４）に十分な大きさを有する振動信号を生成させる水準にある。この発振器により生成された振動信号は、結合コンデンサＣ₁を介して包絡線復調器に送られる。包絡線復調器は振動信号の包絡線を生成し、そしてこの包絡線を第１の発振器に送る。一方第１のコンパレータは、遅延回路に供給される論理高出力信号を生成する。また遅延回路は、所定量の時間が経過した後に、論理高出力信号を第２のコンパレータに送り、検知プレートに対して所定の近接距離範囲内にある物体の存在を表す論理高出力信号をこの第２のコンパレータに生成させる。物体が検知プレートから離れて所定の近接距離外に撤去されているとき、近接検出器の出力が変わり、そのため近接検出器を解離検出器として機能させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 近接検出器 発明の分野 本発明は近接検出器に関し、そして特に物体の存在を検出するために容量近接 効果に依存している非接触型の近接検出器に関するものである。 本発明に関する背景 近接検出器は当該技術では公知であり、そしてこれには３種の基本タイプ、す なわち電磁、光学そして超音波型の近接検出器が存在する。電磁型の近接検出器 は誘導タイプと容量タイプとに細分されるとしてもよいだろう。多くの誘導型の 近接検出器はどのような金属物体にも反応するが、特に鉄金属に最も良く反応す る（非鉄金属に対するよりも約２／３倍ほど反応度が高い）。 誘導型の近接検出器の共通作動原理の１つは、うず電流遮断発振器（ＥＣＫＯ ）を利用することである。この発振器はＬＣタンク回路同調増幅器の形態をなし ている。この増幅器は、上記回路を無線周波数帯域で振動させるのにちょうど充 分なだけの正のフィードバックを行う。当該検出器の近辺に金属物体があるとき 、無線周波数の場によって、その金属物体の表面にうず電流が流れる。この金属 物体が検出器に接近して（検出器の感度によって異なる）所定の近接域に達した ときに、うず電流によって生じるロードは、上記発振器を十分不能にさせる程度 である。レベルを示す信号を送出するレベル検出器が発振器に接続されている。 通常は、ある程度の量のヒステリシス（時間的動作偏差）がこの検出器に組み込 まれている。このヒステリスの目的は、金属物体がちょうど発振器の発振しきい 値点にあるときに、チャタリングが発生することを防止するためである。 こうした誘導近接検出器は金属物体の検出には適しているが、手のような人体 の一部の存在を検出するためにこれらのタイプの検出器を用いるときには、この 誘導検出法は非線形になり、その結果大きな誤りを生じ易い。人の手は不規則的 な反射面を有するので、光学近接検出器も超音波近接検出器も適当ではない。 人間の手を検出するためには容量型の近接検出器が用いられてきた。こうした 従来技術の容量型の近接検出器では、容量差動構成が採用され、この容量差動構 成の中央プレートは検出される対象の手で形成されている。人間の組織は、（１ ００ｋＨｚにおいて周囲の大地に対して比較的に低いインピーダンスを示すよう な）ある種の電気的特性を有する。この種の容量差動構成においては、（手によ って構成される）中央プレートは大地電位に維持され、加えて２つの固定コンデ ンサが複合ブリッジ構造で使用される。残念ながら、これらの従来技術の容量型 の近接検出器はかさ張り、複雑であってしかも相当に大量な電力が要求される。 したがって、新しい近接検出器を供することが、本発明の１つの目的である。 本発明の説明 本発明の１側面は、非接触型の近接検出器であって、この検出器には、 ─ 検知される対象の物体が検知プレートに近接しているときに上記物体と共に 平板コンデンサを形成する検知プレートであって、上記物体が上記検知プレート に近接すると上記コンデンサが容量を変える検知プレートと、 ─ 上記の静電容量の変化に応じて、上記物体が前記検知プレートに対して所定 の近接距離範囲にあるとき、前記物体の存在を表示する出力を発生させる検出手 段とが含まれる非接触型の近接検出器が含まれる。 本発明のもう一つの側面は、人間の四肢の存在を検出するための非接触型の近 接検出器であって、この検出器には、 ─ 検知される対象の四肢が検知プレートに近接しているときに前記四肢と共に 平板コンデンサを形成する検知プレートであって、前記四肢が前記検知プレート に近接すると前記コンデンサが静電容量を変える検知プレートと、そして ─ 前記容量の変化に応じて、前記四肢が前記検知プレートに対して所定の近接 距離範囲にあるとき、前記四肢の存在を表す出力を発生させる検出手段 とが含まれる非接触型の近接検出器が供される。 検出手段には、容量の関数として変化する大きさを有する振動信号を発生させ るために容量の変化に応答する発振器と、振動信号の大きさがしきい値を超えた とき振動信号に応じて物体または人間の四肢の存在を示す出力を発生させる信号 処理手段とが含まれることが好ましい。また、信号処理手段には、検知プレート に対する物体または人間の四肢の位置に変化が生じた際に信号処理手段の出力の 変化を遅らせる遅延手段が含まれることが好ましい。 特殊な１実施形態では、この信号処理手段には、振動信号の包絡線を発生させ る包絡線復調器と、包絡線を受信しそしてこの包絡線の大きさがしきい値を超え ているときは出力を生成する第１のコンパレータと、そしてこの第１のコンパレ ータの出力を受信し、所与の時間が経過した後にこの出力を第２のコンパレータ に送る遅延回路とが含まれることが好ましい。この第２のコンパレータは、遅延 回路から受信した出力に応じて物体または人間の四肢の存在を表す出力を生成す る。 本発明は、当該近接検出器の設計によって、従来技術の近接検出器で必要とし た複合ブリッジ構造の必要性がなくなるという利点がある。 図面の簡単な説明 添付されている図面を参照しながら以下により詳細に本発明の実施例の１つを 説明する。 図１は非接触容量型の近接検出器の回路図である。 本発明を実施するための最良の実施形態 図１を参照すると、非接触容量型の近接検出器が図示されておりそして一般的 にこれは参照番号８を付されている。この近接検出器８には、誘導体に収納され ることもある検知プレート１０と、そしてこの検知プレート１０に電気的に接続 されている検出回路網１２とが含まれている。検出回路網１２には、検知プレー ト１０に電気的に接続されている発振器１４と、そしてこの発振器１４に電気的 に接続されている信号処理回路網１６とが含まれる。この信号処理回路網１６に は、結合コンデンサＣ₁と、包絡線復調器１８と、第１のコンパレータ２０と、 遅延回路２２とそして第２のコンパレータ２４とが含まれている。 発振器１４はハートレーのＬＣ発振器の形態をとり、そしてコンデンサＣ₂、 Ｃ₃およびＣ₄と、インダクタンスＬ₁およびＬ₂と、抵抗器Ｒ₁、Ｒ₂およびＲ₃と 、トランジスタＱ₁とを含む。 図示されているように、コンデンサＣ₂は正の電圧源Ｖ_ccとアースとの間に接 続されている。電圧ディバイダを成す抵抗器Ｒ₁およびＲ₂も電圧源Ｖ_ccとアース との間にある。電圧ディバイダよりのタップは、検知プレート１０までと同様に 、トランジスタＱ₁のベースまで延びている。トランジスタＱ₁のエミッタは抵抗 器Ｒ₃を介してアースにつながっている。コンデンサＣ₃は２つのインダク タンスＬ₁およびＬ₂と並列に配置され、これらのインダクタンス自体は直列に接 続されている。コンデンサＣ₃とインダクタンスＬ₁およびＬ₂とにより構成され ているこの並列回路は、トランジスタＱ₁のコレクタと電圧源Ｖ_ccとの間に延び ている。コンデンサＣ₄はトランジスタＱ₁のエミッタとインダクタンスＬ₁およ びＬ₂との間に接続されている。発振器１４の出力導線２８はトランジスタＱ₁の コレクタから結合コンデンサＣ₁の一方の端子まで延びている。 コンデンサＣ₃は可変トリマーコンデンサの形態をとり、発振器１４の同調と 感度とを調整することを可能にしている。このコンデンサＣ₃が発振器１４の同 調と感度の調整を所望通りに行うことができない場合のために、追加のコンデン サを１つ備えておくこともできる。こうした特殊な実施例の場合には、検知対象 の物体が検知プレート１０から３〜５ｃｍ以内の位置にあるとき、トランジスタ Ｑ₁の利得は、発振器１４の振動信号の出力が確かに十分であることを確認でき るほど充分に大きくなるように選択される。発振器のループ利得もまた、この発 振器によって生成される振動信号の出力が純粋な正弦曲線に極く近くなるように 充分に高く設定される。 包絡線復調器１８は抵抗器Ｒ₄とショットキー障壁ダイオードＤ₁とそしてコン デンサＣ₅とよって構成される。特に抵抗器Ｒ₄はコンデンサＣ₁とアースとの間 に連結される。ダイオードＤ₁の陽極もまたコンデンサＣ₁に連結される。ダイオ ードＤ₁の陰極は、演算増幅器（オペアンプ）の形態をとっているコンパレータ ２０の逆相端子につながっている。コンデンサＣ₅はダイオードＤ₁の陰極とアー スとの間にある。コンパレータ２０の非逆相端子は、抵抗器Ｒ₅およびＲ₆より成 る電圧ディバイダを分岐する。電圧ディバイダを形成する抵抗器の値は、コンパ レータ２０の設定しきい値を決定する。コンパレータ２０の出力は、抵抗と静電 容量とのＲＣ回路より成る遅廷回路２２に到る。特に、ＲＣ回路網は抵抗器Ｒ₇ を含み、その端子の一方はコンパレータ２０の出力に接続され、そしてその端子 の他方は抵抗器Ｒ₈を介してコンパレータ２４の非逆相端子に接続されている。 またＲＣ回路網の一部をなすコンデンサＣ₆は抵抗器Ｒ₇およびＲ₈とアースとの 間に接続されている。 コンパレータ２４もまたオペアンプの形態をとり、そして抵抗器Ｒ₉およびＲ₁₀ より構成される電圧ディバイダに接続されているその逆相端子を有する。抵抗 器Ｒ₁₁によって構成されるフィードバックループはコンパレータ２４の出力端子 と非逆相端子との間に延びている。 非接触型近接検出器８の動作を以下に説明する。検知プレート１０は平板コン デンサの２分の１を形成する。ある物体が検知プレート１０の所定の近接域内に あれば、この物体と検知プレートの配列は平板コンデンサを形成し、その容量は 以下の式、すなわち Ｃ＝ε（Ａ／ｄ） 〔式１〕 によって与えられる。 ただし、この式で、 εは空気の誘電率を表し、 Ａは検知プレート１０の領域を示し、 ｄは検知プレートと手との距離を示す。 前記の式に基づけば、物体が検知プレート１０に接近すればするほど、物体と 検知プレートの配列により構成されるコンデンサの容量は大きくなる。容量が所 定の値（この実施例では、物体が検知プレート１０から３〜５センチの距離範囲 にあるとき生じる値）に達したとき、発振器１４は約４．５ＭＨｚの周波数を有 する振動信号を生成する。この振動信号の大きさは、検知プレートに対する物体 の接近度に依って異なり、そして物体が検知プレートに接近すれば増大する。発 振器１４の出力導線２８に現れる振動信号は結合コンデンサＣ₁に送られ、この コンデンサＣ₁は交流振動信号を通過させることができる。包絡線復調器１８は 結合コンデンサから交流振動信号を受信し、そしてこの振動信号の正の包絡線を 表す出力を生成する。この動作を達成するには、包絡線の大きさが増加したとき に、コンデンサＣ₅を通る電圧が包絡線と同調できるほど充分に速く降下するこ とができるように、包絡線復調器１８のＲＣの時間定数を充分に小さく選択する が、過度の脈動を生じさせるほどに小さくは選択しない。 包絡線復調器１８による包絡線出力は濾過され、それからコンパレータ２０の 逆相端子に送られる。包絡線の大きさが電圧ディバイダにより決定されるコンパ レータの設定値を超えるとき、コンパレータは論理高出力を生成する。次にこの 論理高出力はＲ−Ｃ回路に送られ、このＲＣ回路網は、論理高出力がコンパレー タ２４の非逆相端子に送られる前に、遅延を発生させる。特に、この論理高出力 がコンパレータに送られる前に、ＲＣ回路のコンデンサＣ₆は充電されていなけ ればならない。 コンパレータ２４がＲＣ回路からの論理高出力を受けると、コンパレータ２４ は、ある物体が検知プレート１０への所定の近接距離の範囲内にあることを意味 する論理高出力を生成する。 物体が検知プレート１０への所定の近接域の外にあって、発振器を切らせるか 、もしくはコンパレータ２０の設定しきい値を下回る大きさの振動信号を発振器 １４に生成させるとき、コンパレータ２０の出力は論理低水準に下降する。これ が起こると、ＲＣ回路のコンデンサＣ₆は放電し始める。コンデンサＣ₆が放電す ると、コンパレータ２４に送られていた論理高出力が除去され、検知プレート１ ０に近接している物体が存在しないことを意味する論理低出力をコンパレータ２ ４に生成させる。 ある物体が検知プレート１０に対して所定の近接距離範囲内にあるときの論理 高出力から、この物体が検知プレートから撤去されたときの論理低出力に、近接 検出器８はその出力を変化させるので、この近接検出器８は撤去検出器としても 機能し、ある物体がこの撤去検出器から撤去させられた時を示す。 このようにして、この近接検出器８は、貴重な美術品、高価な自動車などのよ うな物体がその指定位置から撤去された時を検出するためのアラーム回路に利用 することもできる。 この場合、検知プレート１０は物体に対してある間隔を置いて配置してもよい が、その物体に対し所定の近接距離範囲内に配置しなければならない。物体が所 定の近接距離内に収まっている限り、近接検出器８は非アラーム状態を意味する 出力信号を生成する。物体が検知プレートから離れて所定の近接距離範囲外に撤 去されたとき、近接検出器の出力はアラーム状態を意味するものに変化する。こ の出力の変化はアラームシステムを始動させるために用いることができる。 近接検知器はまた人を検知するために利用することができる。病院の環境にお いて、患者の存在または点滴用のバッグの位置を検出するために用いられる。こ の検知器が患者の位置をモニターしたいとき、検知プレート１０はモニター対象 の患者の手（またはその他の適宜な位置）に取り付けることができる。この場合 、検知プレート１０は、このプレートと患者との間隔を開けるため誘電体内に収 納される。検知プレート１０が患者に取り付けられたままになっている限り、近 接検出器は非アラーム状態を意味するが、検知プレートが取り去られると、近接 検出器の出力がアラーム状態を意味するものに変わる。 上述によって明らかなように、検出される対象の物体と検知プレートが１つの プレート容量配列を構成するようにすれば、隣接する物体の大地電位における感 度非接触検出が求められれば、この近接検出器８は実質的にはどのような物体の 存在でも検出するために用いることができる。 当該技術に熟達している専門家であればよく理解できるように、近接検出器８ が手の存在を検出するとき、手と検知プレートとの配列によって構成されるコン デンサの容量は小さく、約１０ピコファラドである。浮遊容量が手と検知プレー トとのコンデンサの容量を覆ってしまうこともあり得るので、ハートレーのＬＣ 発振器は通常のＲＣ発振器より感度が良いので、これが用いられる。検知プレー ト１０の領域を増大させることによって近接検出器８の感度を上げることができ ることも明らかであろう。 ＲＣ回路のコンデンサＣ₆が充電されるには不十分な時間しか、手が検知プレ ート１０の近くに置かれていないとき、もしくはコンデンサＣ₆が放電されるに は不十分な時間しか、手が検知プレート１０から撤去されていないとき、ＲＣ回 路は近接検出器８の出力の変化を防止する。このようにして、遅延回路によって 、誤ったアラーム出力信号の生成を避けることができる。 添付の特許請求によって定められている本発明の範囲から逸脱することなしに 、本発明に様々な修正を施すこともまた可能であることは、よく理解されるであ ろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 を第２のコンパレータに送り、検知プレートに対して所 定の近接距離範囲内にある物体の存在を表す論理高出力 信号をこの第２のコンパレータに生成させる。物体が検 知プレートから離れて所定の近接距離外に撤去されてい るとき、近接検出器の出力が変わり、そのため近接検出 器を解離検出器として機能させることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体の存在を検知するための非接触型の近接検出器であって、該検出器が 、 検知される対象の前記物体が下記検知プレートに近接しているときに前記物体 と共に平板コンデンサを形成する検知プレートであって、前記物体が前記検知プ レートに近接すると前記平板コンデンサが容量を変える検知プレートと、 前記容量の変化に応じ、前記物体が前記検知プレートに対して所定の近接距離 範囲内にあるとき、前記物体の存在を表示する出力を発生する検出手段とを有す る非接触型の近接検出器。 ２．前記検出手段が、容量の前記変化に応じた振動信号を生成する発振器と、 前記振動信号に応じた前記物体の存在を表す前記出力を調整する信号処理手段と を有する特許請求の範囲第１項記載の近接検出器。 ３．前記信号処理手段が前記物体の存在を表す論理高出力信号を生成する特許 請求の範囲第２項記載の近接検出器。 ４．前記振動信号が、前記容量の関数として変化する大きさを有し、 かつ前記信号処理手段が前記振動信号の大きさがしきい値を超えた時を検出す るためのしきい値検出器を有して、前記振動信号が前記しきい値を超えたとき前 記出力を生成する特許請求の範囲第２項記載の近接検出器。 ５．前記信号処理手段が、さらに前記検知プレートに対する前記物体の近接度 に変化が生じた際に前記信号処理手段の出力の変化を遅らせる遅延手段を有する 特許請求の範囲第４項記載の近接検出器。 ６．前記発振器の同調振動数と感度が調整可能である特許請求の範囲第４項記 載の近接検出器。 ７．前記信号処理手段が、さらに前記振動信号の包絡線を生成する包絡線復調 器と、 前記包絡線を受信し、該包絡線の大きさがしきい値を超えているときに出力を 生成する前記しきい値検出器を構成する第１のコンパレータと、 前記第１のコンパレータの出力を受信し、所与の時間が経過した後に前記出力 を第２のコンパレータに送る遅延回路とを有し、前記第２のコンパレータは前記 遅延回路から受信した出力に応じて前記物体の存在を表す出力を生成する特許請 求の範囲第４項記載の近接検出器。 ８．前記遅延手段がＲＣ回路の形態を有する特許請求の範囲第７項記載の近接 検出器。 ９．人間の四肢の存在を検出するための非接触型の近接検知器であって、該近 接検知器が、 検知される対象の四肢が前記検知プレートに近接しているときに前記四肢と共 に平板コンデンサを形成する検知プレートであって、前記四肢が前記検知プレー トに近接すると前記コンデンサが容量を変える検知プレートと、 前記容量の変化に応じ、前記四肢が前記検知プレートに対して所定の近接距離 範囲にあるとき前記四肢の存在を表す出力を生成する検出手段を有する非接触型 の近接検出器。 １０．検出される対象の前記四肢が手であり、 前記検知プレートが誘電体内に収納されていて、検出対象の前記手と近接する る特許請求の範囲第９項記載の近接検出器。 １１．前記検出手段が、前記容量変化に応じて前記容量の関数として変化する 大きさを有する振動信号を生成する発振器と、 前記振動信号に応じて前記振動信号の大きさがしきい値を超えたとき前記手の 存在を表す前記出力を生成する信号処理手段とを有する特許請求の範囲第１０項 記載の近接検出器。 １２．前記信号処理手段が、前記検知プレートに対する前記手の近接度に変化 が生じた際に前記信号処理手段の出力の変化を遅らせる遅延手段を有する特許請 求の範囲第１１項記載の近接検出器。 １３．前記信号処理手段が前記振動信号の包絡線を生成する包絡線復調器と、 前記包絡線を受信し、該包絡線の大きさが前記しきい値を超えているときに出 力を生成する第１のコンパレータと、 前記の第１のコンパレータの出力を受信しそして所与の時間が経過した後に前 記出力を第２のコンパレータに送る遅延回路とを有し、前記の第２のコンパレー タは前記遅延回路から受信した出力に応じて前記手の存在を表す前記出力を生成 する特許請求の範囲第１１項記載の近接検出器。