(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体からなるセンサ電極と電気的に接続され、前記センサ電極と検出対象物との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に対応する信号を発生する静電容量検出手段と、前記信号が所定の閾値を越えたことを検出して警報を発する警報手段と、
を具備する静電容量型警報装置であって、
前記静電容量検出手段が、（Ａ）反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記出力端子と前記反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続され、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状態である演算増幅器と、（Ｂ）一端が前記反転入力端子に接続され、他端が前記センサ電極に接続された導線と、（Ｃ）前記導線の少なくとも一部を包囲し且つ前記非反転入力端子に接続されたシールド線と、（Ｄ）前記非反転入力端子に交流信号を印加する発振回路とを備え、
前記演算増幅器が、前記センサ電極と前記検出対象物との距離と前記交流信号の周波数に応じた電圧を出力することを特徴とする静電容量型警報装置。
【請求項２】
前記警報手段が信号処理手段と警報器とを備え、
前記信号処理手段が、前記電圧のピーク値を保持する保持部と、該ピーク値が所定の閾値を越えたことを検出して前記警報器を作動させる検出部とを備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型警報装置。
【請求項３】
リモートコントロールによってオン、オフされる電源を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型警報装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建造物の窓枠やドア、自動車の車体等の導電体からなる保護対象に対する人や動物の接近又は接触を検出して警報を発する静電容量型警報装置に関するもので、特に盗難防止装置に利用して有用な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、建造物や車両に対する盗難を防止するための種々の装置が提案されている。例えば、超音波ドップラーレーダーを車内に装着し、窓ガラスや車体が強打されたのを検出して警報を発する自動車用盗難防止装置が公知である。この装置は、車両の窓ガラスや車体が強打されたときに、車内に装着された超音波ドップラーレーダーの出力信号に現れるドップラー信号を検出し、該ドップラー信号が所定の時間よりも長く継続したときに警報信号を発生してブザー等の警報器を作動させるものである。
【０００３】
しかしながら、このような自動車用盗難防止装置においては、窓ガラスや車体を強打されたときに発生するドップラー信号を検出するものであるため、盗難が発生したときには窓ガラスが壊されていたり、車体が傷つけられていたりする。また、タイヤの盗難やエンジンルーム内及びトランク内の物品の盗難を防止することができないという課題があった。さらに、超音波発生部と超音波受信部とを新たに設置する必要があり、コスト上の問題もある。こうした課題は、ドップラー効果を利用する何れの盗難防止装置にも共通するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこうした課題を解決するために提案されたものであり、この発明の目的は、検出対象物との距離に応じた静電容量を検出し、警報を発する静電容量型警報装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、導電体からなるセンサ電極と電気的に接続され、前記センサ電極と検出対象物との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に対応する信号を発生する静電容量検出手段と、前記信号が所定の閾値を越えたことを検出して警報を発する警報手段とを具備する静電容量型警報装置を提供する。
【０００６】
前記静電容量検出手段は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、前記出力端子と前記反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続され、前記反転入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状態である演算増幅器を備える。前記反転入力端子と前記センサ電極との間は導線によって接続され、前記導線の少なくとも一部は前記非反転入力端子に接続されたシールド線によって包囲される。前記非反転入力端子に交流信号を印加することにより、前記演算増幅器は前記センサ電極と前記検出対象物との距離に対応する電圧を出力する。
【０００７】
前記警報手段は信号処理手段と警報器とを備えており、前記信号処理手段は、前記電圧のピーク値を保持する保持部と、該ピーク値が所定の閾値を越えたことを検出して前記警報器を作動させる検出部とを備える。
【０００８】
前記センサ電極としては、例えば自動車の車体や建造物の窓枠等の導電体を使用することができる。さらに、前記静電容量型警報装置はリモートコントロールによってオン、オフされる電源を備えると使用に便利である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る静電容量検出装置の一つの実施の形態の構成を概略的に示すブロック図である。図１において、静電容量型防犯装置は、保護対象である建造物の窓枠やドア及び自動車の車体等の導電体からなるセンサ電極Ｓと導線を介して電気的に接続された静電容量検出部１を備える。センサ電極Ｓは、人間、動物、工具等の検出対象物Ｄとの距離に応じた大きさの静電容量を発生するために設けられる。静電容量検出部１は、後述するように、演算増幅器のイマジナリショートの状態を利用してセンサ電極Ｓにおける静電容量の大きさを検出して該静電容量に対応する電圧を出力し、この電圧を信号処理部２に印加する。換言すると、静電容量検出部１は、センサ電極Ｓによって検出された物理量を、後段の信号処理部２によって処理可能な電気信号へ変換するものである。
【００１０】
信号処理部２は、静電容量検出部１から受け取った電圧を処理し、該電圧の大きさが予め設定した範囲内にあるかどうかを判定する機能を有するもので、任意の構成の回路を使用することができる。これにより、センサ電極Ｓにおける静電容量が正常な状態にあるか否か、すなわち、センサ電極Ｓと人、動物等の検出対象物Ｄとの距離が所定の値以内にあるかどうかを判定することができる。信号処理部２は、静電容量検出部１から出力された電圧が予め設定した範囲を逸脱したと判定したときに警報信号を発生し、これをブザー等の警報器３に供給して該警報器３を作動させる。
【００１１】
センサ電極Ｓは導電体であれば任意の材質及び形状のものでよく、保護対象が自動車であれば、図２の（ａ）に示すように、センサ電極Ｓは自動車の導電性の車体５であり、保護対象が建造物の場合には、図２の（ｂ）に示すように、導電性の窓枠６をセンサ電極Ｓとすることができる。図２の（ａ）においては、自動車の車体５の適宜の位置を静電容量検出部１の入力端子と接続することにより、人や動物等の検出対象物Ｄが自動車に接近したときに検出対象物Ｄとセンサ電極Ｓである車体との間に発生する静電容量を利用して、検出対象物Ｄと車体との距離を検出することができるので、盗難防止装置や歩行者の自動車への異常接近を警報する接触防止装置を構成することができる。図２の（ｂ）の場合には、窓枠６の適宜の位置を静電容量検出部１の入力端子と接続することにより、窓枠への接触又は接近を警報する防犯装置を構成することができる。
【００１２】
図３は、静電容量検出部１の構成の一例を示している。静電容量検出部１は静電容量検出回路１１と、該静電容量検出回路１１をセンサ電極Ｓに接続する信号線１２とを備える。静電容量検出回路１１は演算増幅器１３を備えており、この演算増幅器の電圧利得は閉ループ利得よりも極めて大きい。演算増幅器１３の出力端子と反転入力端子（−）との間には帰還抵抗１４が接続され、演算増幅器１３に負帰還がかかっている。さらに、演算増幅器１３の反転入力端子（−）には、信号線１２の一端が接続され、信号線１２の他端にはセンサ電極Ｓが接続される。一方、演算増幅器１３の非反転入力端子（＋）は、交流信号を発生する発振回路１５の出力端子及び信号線１２の周囲の少なくとも一部を包囲するシールド線１６に接続される。
【００１３】
信号線１２の少なくとも一部をシールド線１６によって包囲したのは、シールド線１６によって外部からのノイズ等の不要信号が信号線１２に誘導されるのを防止するためであり、シールド線１６は接地されない。
【００１４】
このように、演算増幅器１３には帰還抵抗１４を介して負帰還がかかっており、しかも、演算増幅器１３の電圧利得の方が閉ループ利得よりも極めて大きいので、演算増幅器１３の両入力端子間はイマジナリ・ショートの状態にある。すなわち、演算増幅器１３の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）との間の電圧差は実質的にゼロである。したがって、信号線１２とシールド線１６とは同電位にあり、信号線１２とシールド線１６との間に生じる浮遊容量をキャンセルすることができる。このことは、信号線１２の長さに無関係に成立するし、信号線１２の移動や折り曲げ、折り返し等に関係なく成立する。
【００１５】
いま、発振回路１５から正弦波信号を発生させたときに演算増幅器１３から出力される電圧をＶｏｕｔとすると、
【００１６】
【数１】
Ｖｏｕｔ＝（１＋ｊωＣｓ・Ｒｆ）・Ｖｉｎ          （１）
が成立する。ただし、Ｖｉｎは発振回路１５から発生される正弦波信号の振幅であり、ωは同正弦波信号の角周波数であり、Ｒｆは帰還抵抗１４の抵抗値であり、Ｃｓはセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの間に形成される容量の値である。このとき、センサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの間の距離をｄとすると、Ｃｓとｄとの間には
【００１７】
【数２】
Ｃｓ＝ε・Ａ／ｄ          （２）
なる関係が成り立つ。ただし、εはセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの間の誘電率であり、Ａはセンサ電極Ｓの検出対象物Ｄに対向する部分の面積である。
【００１８】
式（２）を式（１）に代入すると、式（１）は
【００１９】
【数３】
Ｖｏｕｔ＝（１＋ｊωＲｆ・ε・Ａ／ｄ）・Ｖｉｎ          （３）
と書き直すことができる。この式は、静電容量検出回路１１から出力される電圧Ｖｏｕｔがセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの間の距離ｄに応じた値を有すること、換言すると、静電容量検出回路１１の出力にはセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの距離に応じた電圧Ｖｏｕｔが現れることを示している。
【００２０】
なお、センサ電極Ｓの近くに導電体が存在すると、この導電体もセンサ電極Ｓとの間に浮遊容量を形成するので、そうした浮遊容量の影響を可能な限り除去して、静電容量検出回路１１をセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの間の静電容量Ｃｓに基づいて正確に動作させるために、センサ電極Ｓの周囲に存在する導電体をシールド線１６と電気的に接続しておくことが望ましい。こうすると、センサ電極Ｓの周囲の導電体はセンサ電極Ｓと同電位になり、静電容量検出回路１１の動作に影響しなくなる。
【００２１】
図４は、Ｒｆ＝１０ＭΩ、Ｖｉｎ＝０．５Ｖ、ω＝２π×１０ｋＨｚ、ε＝１としたときの、センサ電極Ｓと検出対象物との間に形成される容量の値Ｃｓ（単位フェムトファラッド）の変化に対して静電容量検出回路１１から出力される電圧Ｖｏｕｔ（単位ボルト）がどのように変化するかを示すグラフである。このグラフから、Ｃｓの増加に対して、したがって、センサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの距離ｄが小さくなるにつれてＶｏｕｔがほぼ直線的に増加することがわかる。
【００２２】
図５は、センサ電極Ｓを円形とし、その直径φを１５ｍｍ、３０ｍｍ及び４５ｍｍとしたときの、センサ電極Ｓと検出対象物との間の距離ｄ（単位ミリメートル）に対する電圧Ｖｏｕｔ（単位ボルト）の変化を示すグラフである。ただし、何れの場合もεは空気の誘電率である。このグラフから、ｄが或る値よりも小さい範囲にあるならばＶｏｕｔはｄの増加と共に減少すること、該範囲はセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの対向する面積Ａの大きさに依存することがわかる。
【００２３】
図６は、信号処理部２の構成の一例を示すブロック図である。信号処理部２は、静電容量検出部１から出力された電圧Ｖｏｕｔが予め設定した閾値を越えたときに異常状態が発生したと判断して警報信号を発生し、ブザー等の警報器３を作動させるものであり、ピーク保持部２１と比較検出部２２とを備える。ピーク保持部２１は、静電容量検出部１から電圧Ｖｏｕｔを受け取って、所定のタイミングで電圧Ｖｏｕｔのピーク値を抽出して保持し、保持したピーク値を比較検出部２２に加える。比較検出部２２は受け取ったピーク値を予め定めた閾値と比較し、ピーク値が閾値を越えたとき警報信号を発生して警報器に与える。
【００２４】
比較検出部２２に設定される閾値は、この発明に係る静電容量型警報装置を自動車用接触防止装置や盗難防止装置等のどのような装置としてとして使用するかに応じて、検出対象物Ｄがセンサ電極Ｓに接触した場合を含む、検出対象物Ｄがセンサ電極Ｓに対して接近し得る最小距離に応じて決めることができる。
【００２５】
以上、この発明に係る静電容量型警報装置の一つの実施の形態について説明したが、この発明はこうした実施の形態に限定されるものではない。例えば、必要に応じて、静電容量型警報装置の電源のオン、オフをリモートコントロールすることができるようにしてもよい。また、金具などの導体があれば、新しくセンサ素子を設けること無く、検知装置を構成することができ、安価に警報装置や入退室センサなどを作ることも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上、この発明を図示の実施の形態を参照しながら説明したところから理解されるとおり、請求項１の発明は、検出対象物がセンサ電極に対して所定の距離まで接近したこと又はセンサ電極に接触したことを死角無く検出して警報を作動させることができるという効果を奏する。
【００２７】
請求項２の発明は、センサ電極と検出対象物との間に形成される静電容量に正確に対応した電圧を求めることができ、例えばフェムトファラッド（ピコファラッドの１０００分の１）のオーダーの微小なものであっても、該静電容量を電圧へ高精度に変換することが可能になるので、センサ電極と検出対象物との距離に応じて正確に警報を発することができるという効果を奏する。
【００２８】
請求項３の発明は、所定の大きさの静電容量が検出されたときに警報を発することができるので、誤動作を防止することができるという効果を奏する。
これらを自動車の車体に用いれば、死角の無い自動車用盗難防止装置を提供することができるという効果を奏する。また、建物の窓枠やドアなどに用いれば、死角の無い建造物用防犯装置を提供することができるという効果を奏する。
【００２９】
請求項４の発明は、離れた地点から装置の動作開始と終了を制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る静電容量型警報装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図２】  （ａ）は図１のセンサ電極として自動車の車体を使用した場合の、（ｂ）は図１のセンサ電極として窓枠を使用した場合の静電容量型警報装置の構成をそれぞれ示す図である。
【図３】  図１の静電容量検出部１の構成の一例を示す図である。
【図４】  図３の静電容量検出回路１１の出力電圧Ｖｏｕｔとセンサ電極Ｓで発生される静電容量Ｃｓとの関係を示すグラフである。
【図５】  センサ電極Ｓの形状に応じて、図３の静電容量検出回路１１の出力電圧Ｖｏｕｔがセンサ電極Ｓと検出対象物Ｄとの距離に応じてどう変化するかを示すグラフである。
【図６】  図１の信号処理部２の構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ｓ：センサ電極、  Ｄ：検出対象物、  １：静電容量検出部、
２：信号処理部、  ３：警報器、５：車体、  ６：窓枠、
１２：信号線、  １３：演算増幅器、  １４：帰還抵抗、  １５：発振回路、
２１：ピーク保持部、  ２２：比較検出部、
【図１】
0004210004.tif 000002
【図２】
0004210004.tif 000003
【図３】
0004210004.tif 000004
【図４】
0004210004.tif 000005
【図５】
0004210004.tif 000006
【図６】
0004210004.tif 000007