(57)【要約】【課題】検出可能な静電容量の変化の範囲が拡大された静電容量変化検出回路を提供する。【解決手段】静電容量変化検出回路２０は、コルピッツ発振回路１４と、人体検知部８と、可変抵抗回路９と、振幅検出回路１６と、信号増幅回路１２とを含む。振幅検出回路１６は、増幅回路４の出力電圧Ｖｄの振幅に応じて可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を変化させる。振幅検出回路１６は、人体検知部８の静電容量変化に応じてコルピッツ発振回路１４の発振が停止したときに、発振が再開するように可変抵抗回路９の抵抗値を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＣ発振回路を備え、
前記ＬＣ発振回路は、発振ノードと接地ノードとに接続され、少なくともコイルとコンデンサとを有する共振部と、前記発振ノードの電圧を増幅する増幅回路とを含み、
前記発振ノードに接続され、静電容量の変化を用いて監視対象の動きを検知する検知回路と、
前記発振ノードと接地ノードとの間に接続された可変抵抗回路と、
前記増幅回路の出力の振幅に応じて前記可変抵抗回路の抵抗値を変化させる振幅検出回路とをさらに備える、静電容量変化検出回路。
【請求項２】
前記ＬＣ発振回路は、コルピッツ発振回路であり、
前記共振部は、前記発振ノードと接地ノードとの間に接続された第１のコイルと、前記発振ノードと接地ノードとの間に直列接続された第１、第２のコンデンサとを有し、
前記コルピッツ発振回路は、前記増幅回路の出力と前記第１、第２のコンデンサの接続ノードとの間に接続された第１の抵抗とをさらに含む、請求項１に記載の静電容量変化検出回路。
【請求項３】
前記振幅検出回路は、前記検知回路の静電容量変化に応じて前記コルピッツ発振回路の発振が停止したときに、発振が再開するように前記可変抵抗回路の抵抗値を変化させる、請求項２に記載の静電容量変化検出回路。
【請求項４】
前記検知回路は、一方端が開放端とされ、他方端が第２の抵抗を経由して前記発振ノードに接続された導電配線を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量変化検出回路。
【請求項５】
前記可変抵抗回路は、フォトカプラを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電容量変化検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電容量変化検出回路に関し、特に、金属線と大地との間で静電容量を形成し、この金属線に接近した監視対象の動きによる静電容量（被検出静電容量）の変化を検出するための静電容量変化検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量の変化によって人の動きを検出する技術として、特開２００１−２０３５６５号公報（特許文献１）に開示された近接センサがある。
【０００３】
図６は、人を検出する近接センサの従来の構成を示した等価回路図である。この近接センサは、基本的にはＬＣ（Ｌ１，Ｃ３３，Ｃ３４）によるコルピッツ型発振回路を備え、ＬＣ共振回路のＣ成分（Ｃ３１）の変化を発振回路の帰還量に反映させて、人体の接近を検知するようにしている。この場合、Ｃ成分は誘電体を介して一対の電極を対向的に配置した検知板（感知板）より与えられる。
【０００４】
人体が検知板に近づくと、検知板の静電容量およびリアクタンスが変化し、これによって、共振回路全体の共振インピーダンスが下がる。共振インピーダンスが下がることにより、反転増幅器の出力電圧Ｖｏｕｔが下がり、入力への帰還量も下がる。出力電圧Ｖｏｕｔの低下により発振回路の振幅が低下するため、この振幅の変化を捉えて、人体の接近を検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２０３５６５号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
大規模病院や高齢者施設などにおいては、看護師や介護職員の夜間の負担を軽減することが求められている。このような、ベッドがたくさん配置されている場所で、ベッドの患者または高齢者の具合が悪くなったことを頻繁に巡回しないでも知ることができれば望ましい。ベッド上の人の監視を監視カメラで行なうことも考えられるが、監視カメラなどではプライバシーの問題もあるので、人の接近によって静電容量が変化することをとらえるセンサを用いて、ベッド上の人の監視を行なうことも検討されている。
【０００７】
ベッド上の人の監視を行なう場合、人の存在の有無だけでなく、呼吸、心拍、動きなどの細かな人の様子を知りたいという要求がある。呼吸、心拍、動きなどの細かな人の様子も、感度を上げれば静電容量の変化で検出することが可能である。
【０００８】
しかし、上記図６に示した特開２００１−２０３５６５号公報（図６）で開示された回路は、人の接近を検出するものであり、このままでは感度が低いため細かな人の様子の変化を検出することはできない。細かな人の様子を検出するように回路を調整すると、人がベッドに接近する際に静電容量が大きく変化して、共振回路のＱ値（共振の良さを示すパラメータ）が減少し、発振が停止してしまうという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述の課題を解決するためのものであって、その目的は、検出可能な静電容量の変化の範囲が拡大された静電容量変化検出回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、要約すると、静電容量変化検知回路であって、ＬＣ発振回路と、検知回路と、可変抵抗回路と、振幅検出回路とを備える。ＬＣ発振回路は、発振ノードと接地ノードとに接続され、少なくともコイルとコンデンサとを有する共振部と、発振ノードの電圧を増幅する増幅回路とを含む。検知回路は、発振ノードに接続され、静電容量の変化を用いて監視対象の動きを検知する。可変抵抗回路は、発振ノードと接地ノードとの間に接続される。振幅検出回路は、増幅回路の出力の振幅に応じて可変抵抗回路の抵抗値を変化させる。
【００１１】
好ましくは、ＬＣ発振回路は、コルピッツ発振回路である。共振部は、発振ノードと接地ノードとの間に接続された第１のコイルと、発振ノードと接地ノードとの間に直列接続された第１、第２のコンデンサとを有する。コルピッツ発振回路は、増幅回路の出力と第１、第２のコンデンサの接続ノードとの間に接続された第１の抵抗をさらに含む。なお、ＬＣ発振回路は、ハートレー発振回路であっても良い。
【００１２】
好ましくは、振幅検出回路は、検知回路の静電容量変化に応じてコルピッツ発振回路の発振が停止したときに、発振が再開するように可変抵抗回路の抵抗値を変化させる。
【００１３】
好ましくは、検知回路は、一方端が開放端とされ、他方端が第２の抵抗を経由して発振ノードに接続された導電配線を含む。
【００１４】
好ましくは、可変抵抗回路は、フォトカプラを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、検出可能な静電容量の変化の範囲を拡大した場合に、静電容量の大幅な変化によって発振が停止しても、Ｑ値が変更され発振が再開されるので、人体等の監視を続けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量変化検出回路の構成を示した回路図である。
【図２】振幅検出回路１６の詳細な構成例を示す回路図である。
【図３】図１の人体検知部８の構成を示す図である。
【図４】可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３と制御電圧Ｖｃとの関係を示した図である。
【図５】静電容量変化検出回路の動作の一例を説明するための波形図である。
【図６】人を検出する近接センサの従来の構成を示した等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量変化検出回路の構成を示した回路図である。図１を参照して、静電容量変化検出回路２０は、コルピッツ発振回路１４と、コルピッツ発振回路１４の発振ノードＮｏｓｃに接続された人体検知部８と、発振ノードＮｏｓｃと接地ノードＧＮＤとの間に接続された可変抵抗回路９と、振幅検出回路１６と、信号増幅回路１２とを含む。人体検知部８は、人体の接近や人体の動きなどに応答して静電容量が変化するように構成されている。
【００１９】
コルピッツ発振回路１４は、共振部３と増幅回路４と抵抗５とを含む。共振部３は、コイル１と、コンデンサ２１と、コンデンサ２２とを含む。コイル１は、発振ノードＮｏｓｃと接地ノードＧＮＤとの間に接続される。コンデンサ２１と、コンデンサ２２とは、発振ノードＮｏｓｃと接地ノードＧＮＤとの間に直列接続される。増幅回路４は、発振ノードＮｏｓｃの電圧を増幅する。抵抗５は、増幅回路４の出力とコンデンサ２１とコンデンサ２２の接続ノードＮＣとの間に接続される。
【００２０】
振幅検出回路１６は、増幅回路４の出力電圧Ｖｄの振幅に応じて可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を変化させる。振幅検出回路１６は、増幅回路４の出力電圧Ｖｄを包絡線検波する振幅検波回路１０と、振幅検波回路１０による検波後の出力電圧Ｖａに応じて可変抵抗回路９に制御電圧Ｖｃを出力する制御電圧発生回路１１とを含む。
【００２１】
好ましくは、振幅検出回路１６は、人体検知部８の静電容量変化に応じてコルピッツ発振回路１４の発振が停止したときに、発振が再開するように可変抵抗回路９の抵抗値を変化させる。好ましくは、可変抵抗回路９は、フォトカプラを含む。制御電圧Ｖｃはフォトカプラの入力側の発光ダイオードの電流を制御する。
【００２２】
図２は、振幅検出回路１６の詳細な構成例を示す回路図である。振幅検出回路１６は、振幅検波回路１０と制御電圧発生回路１１とを含む。振幅検波回路１０は、ダイオード３２と、コンデンサ３４と、抵抗３８とを含む。ダイオード３２は、電圧Ｖｄを受ける入力ノードＮ１から電圧Ｖａを出力する出力ノードＮ２に向かう向きが順方向となるように接続される。コンデンサ３４および抵抗３８は、出力ノードＮ２と接地ノードとの間に並列接続される。なお、振幅検波回路１０は、包絡線検波が可能な構成であれば、どのようなものであっても良く、特に図２の構成に限られない。
【００２３】
制御電圧発生回路１１は、抵抗４２，４４，４６と、コンデンサ４８と、差動増幅回路５０とを含む。抵抗４４と抵抗４２とは、制御電圧Ｖｃを出力する出力ノードと接地ノードとの間に直列に接続される。差動増幅回路５０は、正入力ノードが抵抗４６を介してノードＮ２に接続され、負入力ノードが抵抗４２と抵抗４４との接続ノードに接続され、出力がノードＮ３に接続される。コンデンサ４８は、差動増幅回路５０の正入力ノードと接地ノードとの間に接続される。
【００２４】
抵抗４６の抵抗値Ｒ４とコンデンサ４８の容量値Ｃ４の積で示される時定数τを適切に設定することにより、停止したコルピッツ発振回路１４の発振の再開と、静電容量Ｃｘの微小変化の検知とを両立させることができる。
【００２５】
図３は、図１の人体検知部８の構成を示す図である。図１、図３に示すように、人体検知部８は、抵抗７と、一方端が開放端とされ、他方端が抵抗７を経由して発振ノードＮｏｓｃに接続された導電配線６を含む。
【００２６】
導電配線６は、大地（アース）との間で静電容量Ｃｘを形成するコンデンサの役割を果たす。たとえば、病院などの建造物のなかでは、商用電源のアース線が壁や床に張り巡らされており、このアース線が大地（アース）の役割を果たす。したがって、図３に示した人体検知部８は、抵抗１つと配線のみの非常に簡単な構成で、人体センサのセンサ部が形成できるのでコスト面でも有利である。人間がベッドの上にのると、導電配線６と大地との間に人間が入り、静電容量Ｃｘが変化する。図１に示した静電容量変化検出回路２０は、この静電容量Ｃｘの変化を電圧Ｖｄの振幅の変化として検出する。
【００２７】
図６に示した従来の構成では、発振回路の中に静電容量Ｃ３１と検知板とを入れて発振周波数の変化で検出する。これに対して図３に示した構成では、人体検知部８に抵抗７（抵抗値Ｒ２）を入れているので、電圧Ｖｄの発振振幅が変わる。したがって、静電容量変化検出回路２０は、周波数変化による検出を行なう代わりに、発振振幅の変化を振幅検波回路１０で検波し電圧Ｖａのレベルの変化として検出する。
【００２８】
なお、金属線は任意の形状にできる。導電配線６は、一般的な導線ならどのようなものであっても良い。たとえば、太さ２〜３ｍｍφの被覆線を使用することができる。なお、金属線であれば形状は、枝分かれをしたＶ字状であっても良い。また枝分かれの本数は、３本以上の複数本でもよい。また導電配線６の断面は、円でなくてもリボン状等の扁平な断面でも良い。
【００２９】
図４は、可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３と制御電圧Ｖｃとの関係を示した図である。可変抵抗回路９としてはフォトカプラを好適に用いることができる。図４に示すように、制御電圧Ｖｃが変化すると、抵抗値Ｒ３は連続的に変化する。フォトカプラの代わりに、可変抵抗回路９としては、電圧や電流で抵抗値が変化する抵抗体であれば他の素子でも使用することができる。ただし、本願発明者は、ランプ（電球）抵抗やサーミスタなども試したが、これらに対してフォトカプラは低消費電力で、制御電圧の変化に対するゲインが高いので、特に良好に使用することができることを確認している。
【００３０】
図１の静電容量変化検出回路２０は、コルピッツ発振回路１４の共振部３に対して並列に電圧可変抵抗器（可変抵抗回路９、抵抗値Ｒ３）を接続し、被検出静電容量（導電配線６）の容量Ｃｘが大きい変化をしても差動帰還発振回路（コルピッツ発振回路１４）の出力電圧Ｖｄの振幅がほぼ一定になるように制御していることが特徴である。その方法として、静電容量変化検出回路２０は、コルピッツ発振回路１４の出力電圧Ｖｄを振幅検波回路１０で検出し、出力電圧Ｖａのレベルに基づいて制御電圧発生回路１１で制御電圧Ｖｃを発生し、可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を制御する。被検出静電容量Ｃｘの微小変化ΔＣｘによる振幅検波回路１０の出力電圧Ｖａの変化ΔＶａは、信号増幅回路１２で増幅され、信号出力Ｖｏとして検出される。ここで、制御電圧Ｖｃを発生する制御電圧発生回路１１は、ＬＰＦ（低域濾波回路）の働きをするもので、その遮断周波数ｆｃは十分に低く、静電容量Ｃｘの微小変化ΔＣｘを平滑化する働きをする。
【００３１】
可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３は、図４に示したように制御電圧Ｖｃに反比例するので、制御電圧Ｖｃが低下すると大きくなる。たとえば、人がベッドに近づくなどして被検出静電容量Ｃｘが大きく変化し、発振回路が発振停止した場合には、発振停止により振幅検波回路１０の検波した振幅（出力電圧Ｖａ）がゼロとなり、制御電圧発生回路１１から発生する制御電圧Ｖｃもゼロに徐々に近づく。
【００３２】
すると、制御電圧Ｖｃに反比例する可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３が大きくなり、共振回路のＱ値が回復して発振が再開され、再び静電容量変化検出回路として機能する。
【００３３】
図１〜図４に示した静電容量変化検出回路の動作について、より詳細に説明する。図１に示す静電容量変化検出回路２０の発振振幅は共振部３のＱ値に依存している。このＱ値は、共振部３に対して並列に接続されている導電配線６と抵抗７の直列回路の静電容量Ｃｘおよび抵抗値Ｒ２と、可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３とによって決定される。それらの等価並列抵抗ＲｅｑとＱ値との関係は、以下の式（１）であらわされる。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
コイル１のインダクタンスＬ１は一定なので、Ｑ値は等価並列抵抗Ｒｅｑによって決定される。また等価並列抵抗Ｒｅｑは、次式（２）でもあらわされる。
【００３６】
【数２】
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【００３７】
式（２）において、Ｒ３は可変抵抗回路９の抵抗値、Ｒ４は導電配線６（静電容量Ｃｘ）と抵抗７（抵抗値Ｒ２）の直列回路を並列回路に変換したときの等価並列抵抗値である。このときの等価並列キャパシタンスの変化は無視できるとする。
【００３８】
今、人がいないときに等価抵抗の抵抗値Ｒｅｑで発振電圧Ｖｄで発振しているとする。ここで人がベッドに入ると被検出静電容量Ｃｘが大きく変化し、Ｒ４がＲ４−ΔＲ４に変化して発振が停止する場合もある。このとき静電容量変化検出回路２０では、制御電圧Ｖｃにより可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３がＲ３＋ΔＲ３となって再び発振が開始し、等価抵抗Ｒｅｑは次式（３）のように変化する。
【００３９】
【数３】
2017187388.tif 000005
【００４０】
可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３の変化ΔＲ３は、次式（４）であらわされる。
【００４１】
【数４】
2017187388.tif 000006
【００４２】
この変化によって発振が落ち着き、発振が一旦停止した静電容量変化検出回路２０は、静電容量の変化を検出することができるように復帰する。実際には発振回路における増幅回路４に非線形性があるため、人がいるときの出力振幅は最初のＶａよりΔＶａ小さい値で発振が落ち着くので、その振幅差から人がいるかいないかがわかる。ここで、可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を制御するための制御電圧Ｖｃは被検出人の呼吸などによる微小変化ΔＣｘに対しては一定である。したがって、被検出静電容量Ｃｘの微小変化ΔＣｘは、一定感度で振幅検波回路１０の出力電圧Ｖａの微小変化ΔＶａとして検出することができる。微小変化ΔＶａは信号増幅回路１２によって増幅され、信号出力Ｖｏとして検出される。
【００４３】
図５は、静電容量変化検出回路の動作の一例を説明するための波形図である。図５を参照して、時刻ｔ０〜ｔ１では、ベッドの上には人が不在の状態であり、時刻ｔ１以降はベッドの上に人がいる状態である。
【００４４】
時刻ｔ０〜ｔ１では、増幅回路４の出力電圧Ｖｄは安定的に発振している。時刻ｔ１において、人がベッドに近づくと、人体検知部８のインピーダンスが小さくなり、その結果共振回路のＱ値が大きく変化し、一旦時刻ｔ２〜ｔ３の間は発振回路の発振が停止する。しかし、制御電圧発生回路１１が時刻ｔ２〜ｔ３において電圧Ｖａの低下を検出して可変抵抗回路９への制御電圧Ｖｃを変更すると、時定数τ（＝Ｃ４＊Ｒ４）に応じた期間ｔ３〜ｔ４において発振が再開し次第に振幅が大きくなる。なお、時定数τ（＝Ｃ４＊Ｒ４）は、制御電圧発生回路１１の抵抗４６とコンデンサ４８によって定まる。このようにして、本実施の形態に示した静電容量変化検出回路２０は、発振が停止したら自動的に発振が再開する。
【００４５】
時刻ｔ４以降は、人がベッドにいる状態で発振がほぼ安定する。ただし、振幅は人が不在のときよりも、ΔＶａだけ小さくなっている。したがって、信号増幅回路１２の出力電圧Ｖｏの変化から人がベッド上にいるか、いないかを検出することができる。
【００４６】
さらに、人がベッドにいる状態では、電圧Ｖａは呼吸や心拍などによって微小の変化をしている。たとえば、人が呼吸すると電圧Ｖａが上下する。この微小な変化を増幅して検出することによって、人の存否のみならず、人の状態や挙動も検知することができる。したがって、病院や介護施設など、ベッドがたくさん並んでいる場所で、ベッドの患者または高齢者の具合が悪くなったことを検出することができる。
【００４７】
最後に、本実施の形態の効果をまとめて説明する。図１に示した構成によれば、被検出静電容量Ｃｘが大きく変化して共振回路のＱが大きく減少したために差動帰還発振回路が発振停止しても、振幅検波回路１０の出力電圧Ｖａがゼロとなり、制御電圧発生回路１１の制御電圧Ｖｃもゼロに徐々に近づく。その結果、制御電圧Ｖｃに反比例している可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３が大きくなり、共振回路のＱが回復して発振が再開される。したがって、機能停止した静電容量変化検出回路が再び機能する、という効果がある。
【００４８】
また、可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を制御するための制御電圧発生回路１１の時定数τは被検出静電容量Ｃｘの呼吸などによる微小変化ΔＣｘの変化速度よりも十分に長く設定されているので、被検出静電容量Ｃｘの微小変化ΔＣｘの間は制御電圧発生回路１１の出力である制御電圧Ｖｃは一定とみなせる。このため、一定感度で被検出静電容量Ｃｘの呼吸などによる微小変化ΔＣｘを検出することができ、マルチレンジの静電容量変化検出回路として機能する効果がある。
【００４９】
さらに、図３に示すように、長さ５０ｃｍ程度の一本の金属線をベッド上の敷布の上または下に設置すれば、その金属線と大地（アース）との間で図１における被検出静電容量Ｃｘが形成される。今、その金属線と大地（アース）の間に人が介在すれば、人の動きが被検出静電容量Ｃｘの変化となって検出できる。このとき、ベッドに人が寝ると被検出静電容量Ｃｘが大きく変化し、時には発振が停止するが、図１の静電容量変化検出回路では発振が回復して再び動作状態に復帰できるので、その変化から人のいることが検知でき、人の呼吸と心拍は被検出静電容量Ｃｘの微小変化ΔＣｘとして検出できる。よって、介護施設などの要介護者の見守りセンサとして利用できる。また、トイレ、廊下などの室内や家の周囲などに金属線を配置すれば、その金属線と大地（アース）との間で被検出静電容量Ｃｘが形成され、その金属線に近づく人の動きが被検出静電容量Ｃｘの変化となって検出できるので、人の近接センサとして利用できる。
【００５０】
なお、図１では、コルピッツ発振回路を使用した例を示したが、ハートレー発振回路を使用して静電容量変化検出回路を構成することもできる。また、監視対象は、人以外でもペットや家畜などの動物等であっても良い。また、人がベッドから離れた時も被検出静電容量Ｃｘが大きく変化するが、この場合に発振が停止した時も可変抵抗回路９の抵抗値Ｒ３を適切に変化させることによって、発振を再開させることもできる。
【００５１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１  コイル、５，７，３８，４２，４４，４６  抵抗、３  共振部、４  増幅回路、６  導電配線、８  人体検知部、９  可変抵抗回路、１０  振幅検波回路、１１  制御電圧発生回路、１２  信号増幅回路、１４  コルピッツ発振回路、１６  振幅検出回路、２０  静電容量変化検出回路、２１，２２，３４，４８  コンデンサ、３２  ダイオード、５０  差動増幅回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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