(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向した第一及び第二の電極よりなる静電容量センサーと，静電容量センサーに直列接続したインダクタンス素子，抵抗器及び周波数発振器と，前記抵抗器の両端に設けた出力端子よりなる人体検出装置であって，
前記静電容量センサー，前記インダクタンス素子及び前記抵抗器により直列共振回路を形成し，
人体等のきわめて僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，前記出力端子に顕著な信号変化を発生可能に構成し、
前記静電容量センサーに補助電極又は補助容量を付設し，
これらの補助電極又は補助容量に対して定期的にオン／オフ操作を施すことによって，前記静電容量センサーに人体が進入又は接近したときと同様の静電容量変化を引き起こさせ，
これによって前記静電容量センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できることを特徴とする人体検出装置。
【請求項２】
前記静電容量センサーと前記インダクタンス素子を直列接続した回路のインピーダンスの絶対値が最小となる状態又は最小を含む所定範囲内となる状態を安全の状態に，それ以外の状態を危険の状態に対応させ，
危険時及び故障時は前記回路のインピーダンスの絶対値が増大するために，前記出力端子に発生する信号が顕著に減少することを特徴とする請求項１に記載の人体検出装置。
【請求項３】
正常確認区間，安全確認区間又は未確認区間の時間間隔に対応するタイミングパルス信号を繰り返し周期的に発生させるタイミングパルス信号発生器を備え，
前記タイミングパルス信号と，前記静電容量センサーが前記正常確認区間内で出力する正常確認信号，又は前記静電容量センサーが前記安全確認区間内で出力する安全確認信号に対して論理演算を施すことによって，
前記静電容量センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，機械設備の安全対策で使用する人体検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業現場では，機械の危険部分に進入又は接近する人体を検出するために，各種のセンサーが使用されている。しかし，これらのセンサーでは，センサーのピックアップ部分や信号処理回路の故障，センサー周辺の電磁的・光学的環境の変化，基準電位の変化（アース線の断線などによる）等が起こると，人体を検出できなくなるという問題があった。
このため，多くのセンサーでは，センサーが正常に作動していることを確認するために各種の自己診断装置が使用されている。この公知技術としては，たとえば，特開平８−２９２２６０号公報に開示された自己診断機能を有する光電センサー，特開平７−２２５１５３号公報に開示された焦電型赤外線センサー，特開平６−７４９６８号に開示された静電容量式加速センサーなどがあげられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの公知技術は作業者の安全を確保するために欠かせないものである。しかし，これらの公知技術は主にセンサー自身の故障を対象としたものであり，センサー周辺の電磁的・光学的環境の変化や基準電位の変化（アース線の断線などによる）に対しては効果がないという問題があった。
【０００４】
この環境変化や基準電位の変化という問題は，人体等の微小な静電容量変化を検出しなければならないループセンサーや静電容量センサーで特に問題となる。なぜなら，これらの事態が発生すると，センサーは人体を検出するのが不可能となり，人体が機械の危険部分に進入又は接近しているにも係わらず機械を停止できなくなるからである。
【０００５】
そこで，本発明では，これらの問題点を解決するために，センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できる汎用的な人体検出装置を提供することを目的とした。また，上記の確認を確実に行えるように，人体等の僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，出力端子に顕著な信号変化を発生できる汎用的な人体検出装置を提供することを目的とした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１に記載の人体検出装置は，対向した第一及び第二の電極よりなる静電容量センサーと，静電容量センサーに直列接続したインダクタンス素子，抵抗器及び周波数発振器と，前記抵抗器の両端に設けた出力端子よりなる人体検出装置であって，前記静電容量センサー，インダクタンス素子及び抵抗器により直列共振回路を形成し，人体等のきわめて僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，出力端子に顕著な信号変化を発生可能に構成している。
【０００７】
そして、前記静電容量センサーに補助電極又は補助容量を付設し，これらの補助電極又は補助容量に対して定期的にオン／オフ操作を施すことによって，前記静電容量センサーに人体が進入又は接近したときと同様の静電容量変化を引き起こさせ，これによって静電容量センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できることを特徴としている。
【０００８】
また，上記課題を解決するための請求項２に記載の人体検出装置は，静電容量センサーとインダクタンス素子を直列接続した回路のインピーダンスの絶対値が最小となる状態又は最小を含む所定範囲内となる状態を安全の状態に，それ以外の状態を危険の状態に対応させ，危険時及び故障時は前記回路のインピーダンスの絶対値が増大するために，出力端子に発生する信号が顕著に減少することを特徴としている。
【０００９】
さらに，上記課題を解決するための請求項３に記載の人体検出装置は，正常確認区間，安全確認区間又は未確認区間の時間間隔に対応するタイミングパルス信号を繰り返し周期的に発生させるタイミングパルス信号発生器を備え，前記タイミングパルス信号と，前記静電容量センサーが正常確認区間内で出力する正常確認信号，又は前記静電容量センサーが安全確認区間内で出力する安全確認信号に対して論理演算を施すことによって，前記静電容量センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，請求項１に係る本発明の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は，本発明における人体検出装置の構成図である。
この装置は，人体を検出するための静電容量センサー１と，この静電容量センサー１に直列接続したインダクタンス素子２と，抵抗器３及び周波数発振器４によって直列共振回路を形成している。
【００１１】
ここで，静電容量センサー１とは，所定の間隔を置いて２個の電極板を配置したセンサーの総称である。この電極板の間に特定の誘電体（人体など）が進入すると，比誘電率の変化によって電極間の静電容量が変化するので，この変化を利用して人体を検出する。
また，直列共振回路とは，インダクタンスＬ，静電容量Ｃ，抵抗Ｒ及び交流発振器Ｅの直列接続によって構成されるものであり，周波数発信器４の発振周波数をｆとしたとき，ｆ0 ＝１／［２π（ＬＣ）1/2 ］のときに抵抗Ｒの両端電圧（以後，出力信号Ｖ0 と呼ぶ）が最大となる。なお，周波数発振器４は周波数の安定した信号を出力させるために水晶発振子などを用いるのが望ましい。
【００１２】
上記の装置では，静電容量センサー１に誘電体である人体が進入すると，比誘電率の変化によって電極間の静電容量が変化する。いま，この変化を△Ｃとすると回路の共振周波数はｆ1 ＝１／｛２π［Ｌ( Ｃ＋△Ｃ) ］1/2 ｝となる。この周波数変化は僅かなものであるが，直列共振回路では周波数の僅かなずれによっても出力信号Ｖ0 は大幅に変化するという特徴をもっている。
【００１３】
したがって，この性質を利用すれば，人体等の僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，出力信号Ｖ0 の大幅な信号変化を引き起こすことが可能となる。図４は，これを実証するための実測結果であり，人体等の僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，たとえば出力信号の電圧値を５０％近くまで減衰できることが分かる。
【００１４】
請求項１に記載の装置では，装置の故障時に誤って信号出力を生じることがある。そこで，本発明では，故障時には回路のインピーダンスの絶対値が増大するために信号出力が減少する回路を構成して，この問題の解決を図った。これが，請求項２に記載の人体検出装置である。
【００１５】
この装置では，直列共振回路のインダクタンスをＬ，静電容量をＣ，抵抗をＲ，発振器の出力電圧をＥ，発振周波数をｆ，ω＝２πｆとすると，出力信号Ｖ0 は次式で与えることができる。
Ｖ0 ＝ｊωＣＲＥ／［（１−ω2 ＬＣ）＋ｊωＣＲ］        （１）
いま，この回路で人体が進入していない状態，すなわち安全状態を直列共振回路の共振状態に対応させると，安全状態のときに信号出力Ｖ0 は最大となり，人体が進入している危険状態のときはインピーダンスの絶対値が増大して（その多くは，（１）式の（１−ω2 ＬＣ）の寄与による）信号出力Ｖ0 は減少する。また，インダクタンス素子であるコイルの断線や，静電容量センサーの断線，短絡等の故障時にも，インピーダンスの絶対値は増大して信号出力Ｖ0 は減少する。よって，この装置では，故障は危険と見なされて機械が停止する側となるから，装置の故障によって災害が発生することはない。
【００１６】
これに対し，人体が進入している危険状態を共振状態に対応させると，安全状態のときに信号出力Ｖ0 は減少するが，故障時にもまた信号出力Ｖ0 は減少するから安全と故障の見分けがつかなくなる。この場合，故障は安全と見なされて機械は停止しないから，装置の故障によって災害が発生するおそれがある。
【００１７】
よって，人体検出装置では，静電容量センサーとインダクタンス素子を直列接続した回路のインピーダンスの絶対値が最小となる状態を安全の状態に，それ以外の状態を危険の状態に対応させ，危険時及び故障時は前記回路のインピーダンスの絶対値が増大するために，出力端子に発生する信号が減少する構成としなければならない。
【００１８】
上記記載の装置では，装置周辺の電磁的・光学的環境の変化や基準電位の変化（アース線の断線などによる）が起きたときに，人体を検出できなくなるおそれがある。そこで，本発明では，人体がセンサーに進入したときと同様の静電容量変化を模擬的に発生させることによって，センサーの人体検出能力を定期的に確認する装置を考案した。
【００１９】
以下において，その好適な実施形態を図面を使って説明する。図２は，静電容量センサーに付設して補助電極を設けた人体検出装置の例である。この装置では，センサ電極５及び６の間に補助電極７を設け，通常は電極５と補助電極７をスイッチ８によって短絡しておき，人体検出能力を確認するときは電極５と７の短絡線をスイッチ８によって切り離す。これによって，人体がセンサーに進入したときと同様の静電容量変化を電極５と７の間に作り出されるから，この静電容量変化が検出されることをもって人体検出能力を確認する。
【００２０】
また，図３は，静電容量センサーに付設して補助容量を設けた人体検出装置の例である。この装置では，センサー電極９及び１０に直列に補助容量１１を取り付け，通常は補助容量１１の両端をスイッチ１２によって短絡しておき，人体検出能力を確認するときは補助容量１１の両端をスイッチ１２によって切り離す。これによって，人体がセンサーに進入したときと同様の静電容量変化が作り出されるから，この静電容量変化が検出されることをもって人体検出能力を確認する。
【００２１】
図４は，図２及び図３の回路で，（ａ）人体が進入していないとき，（ｂ）人体が進入したとき，（ｃ）人体の検出能力を確認したときの信号出力Ｖ0 の変化を実測したものである。この装置では，装置が人体検出能力を有しているならば，（ｃ）の波形は必ず（ｂ）と類似するはずである。したがって，（ｃ）が（ｂ）と類似しているときに限って機械の運転を許可するように作業システムを構成する。
【００２２】
次に，他の好適な実施形態を図面を使って説明する。図５は，本発明に係る信号処理回路のブロック図である。図６は，この回路のタイミングチャートである。この回路は，タイミングパルス信号発生器１３，レベル検定器１４及び１５，ＡＮＤゲート１６及び１７から構成されている。図５で，タイミングパルス信号発生器１３は，正常確認区間，安全確認区間及び未確認区間の各時間帯において，それぞれオン信号となるタイミング信号Ｐ，Ｑ，Ｒを発生させるものである。
【００２３】
また，レベル検定器１５は，次の条件にしたがって安全確認信号ＳS を発生させるものである（図６参照）。
１）センサーの出力信号ＶD がＶSL≦ＶD ≦ＶSHなるウィンドウの範囲内にあるときは，人体がセンサーに進入していない（安全）と判断し，安全確認信号ＳS はオンとなる。
２）センサーの出力信号ＶD がＶSL≦ＶD ≦ＶSHなるウィンドウの範囲から外れたときは，人体がセンサーに進入した（危険）か，またはセンサーの故障，センサー周辺の電気的・磁気的環境の変化，アース線の断線，電源異常等が起きたと判断し，安全確認信号ＳS はオフとなる。
【００２４】
同様に，レベル検定器１４は，次の条件にしたがって正常確認信号ＳN を発生させるものである（図６参照）。
３）センサーの出力信号ＶD がＶNL≦ＶD ≦ＶNHなるウィンドウの範囲内にあるときは，センサーの人体検出能力が正常であると判断して，正常確認信号ＳN はオンとなる。
４）センサーの出力信号ＶD がＶNL≦ＶD ≦ＶNHなるウィンドウの範囲から外れたときは，センサーの故障，センサー周辺の電気的・磁気的環境の変化，アース線の断線，電源異常等が起きたと判断して，正常確認信号ＳN はオフとなる。
【００２５】
以上の信号を利用して運転許可信号を生成する。ここで，Ｐ，Ｑ，Ｒが生成しているときを各々論理値１，生成していないときを論理値０の２値論理変数で表し，安全確認領域内に人体や物体が存在していないときをＳS ＝１，存在しているときをＳS ＝０，装置が正常であるときをＳN ＝１，正常でないときをＳN ＝０とすると，機械の運転許可信号Ｗは次式となる。
【００２６】
Ｗ＝Ｐ＊ＳN ＋Ｑ＊ＳS ＋Ｒ                            （２）
ただし，Ｗは機械の運転許可信号を意味する２値論理変数であり，Ｗ＝１のとき運転許可，Ｗ＝０のとき運転禁止を意味する。また，「＊」は論理積，「＋」は論理和を意味する記号である。
【００２７】
本発明は，機械の可動範囲内に人体又はその一部が進入又は接近するような装置ならば，ほとんどすべてに適用が可能である。
たとえば，製造業の場合でいえば，プレス機械，木工機械，ロール機，旋盤・ボール盤・フライス盤等の一般工作機械，成形機，コンベヤ等の物流機械，産業用ロボット，ＦＭＳやＣＩＭ等の生産システムなどに広く適用が可能である。
また，機械設備の中には，製品の搬入・搬出時には機械の運転を許可するが，人体の進入時には直ちに機械を停止しなければならない箇所が数多く存在するが，本装置はこのような箇所での人体と物体の識別装置としても広く適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では，静電容量センサー，インダクタンス素子及び抵抗器が直列共振回路を形成しているために，人体等のきわめて僅かな静電容量しか持たない物体の進入時においても，抵抗器の両端に設けた出力端子に大幅な信号変化を発生できるという効果がある。
【００２９】
また，本発明では，静電容量センサーに補助電極又は補助容量を付設し，これらの補助電極又は補助容量に対して定期的にオン／オフ操作を施すことによって，センサーに人体が進入又は接近したときと同様の静電容量変化を引き起こさせている。これによって，センサー自身が故障したときだけでなく，周辺の電磁的・光学的環境の変化や基準電位の変化（アース線の断線などによる）などが起きたときでも，機械の運転許可信号を確実に停止でき，作業者の安全を確実に確保できるという効果がある。
【００３０】
さらに，本発明では，正常確認区間，安全確認区間又は未確認区間の時間間隔に対応するタイミングパルス信号を繰り返し周期的に発生させるタイミングパルス信号発生器を備え，前記タイミングパルス信号と，前記静電容量センサーが正常確認区間内で出力する正常確認信号，又は前記静電容量センサーが安全確認区間内で出力する安全確認信号に対して論理演算を施している。これによって，前記静電容量センサーが人体検出能力を有していることを定期的に確認できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における静電容量センサーの直列共振回路である。
【図２】図１の静電容量センサーに補助電極を適用したものである。
【図３】図１の静電容量センサーに補助容量を適用したものである。
【図４】図２又は図３の静電容量センサーの人体検出特性の実測結果である。
【図５】図２又は図３の静電容量センサーのブロック図である。
【図６】図２又は図３の静電容量センサーのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１    静電容量センサー
２    インダクタンス素子
３    抵抗
４    周波数発振器
５    センサー電極
６    センサー電極
７    補助電極
８    スイッチ
９    センサー電極
１０  センサー電極
１１  補助容量
１２  スイッチ
１３  タイミング信号発生器
１４  レベル検定器
１５  レベル検定器
１６  ＡＮＤゲート
１７  ＡＮＤゲート
【図１】
0003840015.tif 000002
【図２】
0003840015.tif 000003
【図３】
0003840015.tif 000004
【図４】
0003840015.tif 000005
【図５】
0003840015.tif 000006
【図６】
0003840015.tif 000007