物体検知装置

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【発明の名称】	物体検知装置
【発明者】	【氏名】森和彦
【要約】	【課題】自動扉の開閉制御装置に用いられ、特に自動扉の前に存在する人体に対して自動扉を利用する者であるか否かを判断し、利用者に対してのみ扉を開閉できるようにした物体検知装置を提供する。【解決手段】超音波の位相変化を利用して算出した人体の移動方向より自動扉の利用者であるか否かを判断し、前記位相変化より算出した人体の移動速度と、超音波の反射時間より算出した人体までの距離から利用者の扉までの到達時間を効率よく算出して、タイミングよく扉を自動開放するように構成した。

【特許請求の範囲】
【請求項１】基本パルスに基づき間欠的に超音波を発生する超音波発生回路と、前記超音波を外部に発射する送波器および反射した超音波を受信する受波器からなる送受信回路と、前記受信した超音波を増幅する増幅回路と、増幅した超音波を検波した後、規定値と比較する比較・検波回路、前記増幅回路にて増幅した超音波の周波数に対応した電圧値を出力するＦ－Ｖ変換回路と、前記比較回路およびＦ－Ｖ変換回路の出力信号より物体を検知するコントローラを備えて構成したことを特徴とする物体検知装置。
【請求項２】前記Ｆ－Ｖ変換回路は、制御電圧によって発振周波数を変化させる電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力と受信・増幅した超音波の位相差分のパルス信号を出力する位相比較器、および、前記電圧制御発振器の出力したパルス信号の積分値を出力するフィルタを備えて構成したことを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
【請求項３】前記コントローラは、超音波の反射時間より物体までの距離を算出する手段と、反射した超音波の位相変化より物体の移動速度および移動方向をドップラ効果を利用して算出する手段を備えて構成したことを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
【請求項４】前記コントローラは、物体までの距離と物体の移動速度および移動方向のデータを基に、扉を自動開閉する動力部の駆動タイミングを算出する手段を備えて構成したことを特徴とする請求項３記載の物体検知装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分】本発明は、例えば、自動扉の開閉制御装置に用いられ、特に、自動扉の前に存在する人体に対して、自動扉を利用する者であるのか否かを即座に判別し、利用時のみ扉を自動開閉動作させることを目的とした物体検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、例えば、防犯設備として建物内に設置された侵入者検知装置や、エスカレータを利用時のみ駆動するために設置された人検センサ等、様々な場所・用途に応じて種々の人体検知装置が広く利用されている。
【０００３】そのなかでも、我々が最も利用する機会が多く、しかも、一般的に普及しているのが自動扉に利用されている人体検知装置である。この人体検知装置は、一昔前までは自動扉の手前の地面（若しくは床面）に敷設したマットスイッチ上に人体が乗ると、人体の重みによりマットスイッチの扉開回路がＯＮ状態となって扉を自動的に開動作し、人体が前記マットスイッチから離れた後の所定時間経過後に前記マットスイッチの扉閉回路がＯＮ状態となって、前記扉を閉動作していた。
【０００４】しかし、前記マットスイッチを用いた人体検知装置においては、利用者がマットスイッチ上の乗った後に扉が開動作を始めるため、利用者は暫くの間マットスイッチ上で止まって扉が開放するのを待たなければならなかったので、不便であるとともに、急いで扉を通過しようとした場合には非常に不都合であった。
【０００５】そこで、最近、前記の欠点を解消するため、光電式や超音波式などの人体検知装置が種々利用されるようになってきた。光電式の人体検知装置としては、例えば、扉前に対向して配置したセンサーと反射板間に赤外線を放射し、人体が前記赤外線を遮断することにより人体の有無を検知するようにしたものであり、また、超音波式の人体検知装置としては、放射した超音波を人体により反射させ、この反射波が予め設定した時間帯で受信できるか否かによって人体の有無を検知したり、反射波の振幅の変化により人体の有無を検知するものである。
【０００６】これらの方式によれば、扉を通過しようとする利用者は、赤外線や超音波の照射可能な範囲においてその存在を事前に確認することができるため、利用者が扉の手前に到達する前に扉の開放動作を開始することが可能となり、利用者が扉の前で一旦扉の開放を待つといった煩わしさはなくなり、利用者にとっては非常に便利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】然るに、前記光電式や超音波式の人体検知装置は、ある程度超音波や赤外線（以下、超音波等という）の照射エリアを拡げて人体の有無を検知し、利用者が扉前に到達する前に扉の開動作を開始するようにしなくてはならない。しかし、前記超音波等の照射エリアを拡げた場合、当然検知する人体の数は必然的に増加し、照射エリア内に人体が存在すれば、自動扉を利用する意思を持たない者に対しても反応してしまい、不必要に前記扉を開放してしまうという問題があった。
【０００８】このため、前記照射エリアを縮小することにより、自動扉からある一定の範囲内に入った者に対してのみ自動扉の利用意思があると判断し、扉を自動開放するようにしてもよいが、この場合、利用者が早足以上の速度で扉に接近した場合には、やはり、人体の検知から扉が開動作するまでの時間遅れによって、利用者は扉の前で一旦立止まって扉の開放を待たなくてはならないので、やはり、前記問題を根本的に解決には至らなかった。
【０００９】そこで、本発明は、前述した問題点を解消するために、前記照射エリア内において自動扉の利用者のみ確実に検知して、利用者が扉の前に到達する前から扉の開動作を自動的に開始可能とした簡易な物体検知装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】請求項１記載の物体検知装置は、基本パルスに基づき間欠的に超音波を発生する超音波発生回路と、前記超音波を外部に向けて発射する送波器および反射した超音波を受信する受波器からなる送受信回路と、前記受信した超音波を増幅する増幅回路と、前記増幅した超音波を検波した後、規定値と比較する比較・検波回路、前記増幅回路にて増幅した超音波の周波数に対応した電圧値を出力するＦ－Ｖ変換回路と、前記比較・検波回路とＦ－Ｖ変換回路の出力信号より物体の存在を検知するコントローラを備えて構成した。
【００１１】請求項２記載の物体検知装置は、請求項１記載の物体検知装置において、Ｆ－Ｖ変換回路を、制御電圧によって発振周波数を変化する電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力と受信・増幅した超音波の位相差分のパルス信号を出力する位相比較器と、前記位相比較器の出力したパルス信号の積分値を出力するフィルタを備えて構成した。
【００１２】請求項３記載の物体検知装置は、請求項１記載の物体検知装置において、コントローラに、超音波の反射時間より物体までの距離を算出する手段と、反射した超音波の位相変化より物体の移動速度および移動方向をドップラ効果を利用して算出する手段を備えて構成した。
【００１３】請求項４記載の物体検知装置は、請求項３記載の物体検知装置において、コントローラに、算出した物体までの距離と物体の移動速度および移動方向データを基に、扉を自動開閉する動力部を駆動するタイミングを算出する手段を備えて構成した。
【００１４】本発明の物体検知装置は、例えば、人体までの距離と人体の移動速度および移動方向より、人体が自動扉を利用する状態にあるか否かを判断し、利用するようであれば事前に扉を自動開放するように構成したので、前記自動扉は必要時以外に開閉動作することは全くなく、しかも、利用者は扉の開放を扉の前で立ち止まって待つ必要も全くないので扉の通過を歩行速度を緩めることなく、快適に行うことができ、利便である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１ないし図３により説明する。図１は本発明の物体検知装置の構成を示すブロック図であり、図１において、１は例えば、マイクロコンピュータからなるコントローラ２から、ある一定の周期で送信された基本パルスに基づいて動作する超音波発生回路である。３は前記超音波発生回路１の動作によって前記基本パルスと同一周期で外部に超音波を発振する送波器３ａと、物体にて反射した前記超音波を受信する受波器３ｂとによって構成される送受信回路である。
【００１６】４は前記受波器３ｂにより受信した超音波の振幅を増幅する増幅回路であり、５は増幅した超音波をＡＭ検波するとともに、予め設定した規定値と比較する比較・検波回路である。６は増幅回路４にて増幅した超音波の周波数に応じた電圧値を出力する周波数－電圧変換回路（以下、Ｆ－Ｖ変換回路という）であり、前記比較・検波回路５とこのＦ－Ｖ変換回路６の出力はともに前記コントローラ２に送信され、コントローラ２はこの信号を基にして、例えば、扉を自動開放する動力部７を駆動制御するのである。
【００１７】図２は前記Ｆ－Ｖ変換回路６の構成を示すブロック図であり、前記Ｆ－Ｖ変換回路６は位相比較器８とローパスフィルタ９，電圧制御発振器１０からなる、所謂フェーズ・ロックド・ループ回路（以下、ＰＬＬ回路という）であり、概略、入力した超音波の周波数と電圧制御発振器１０の出力周波数が同一となるように自動的に位相を同期させるものである。
【００１８】そして、図２において、１１は前記電圧制御発振器１０の出力周波数に対応する制御電圧（入力電圧）をコントローラに出力するためのバッファであり、１２は電圧制御発振器１０の出力を電圧制御発振器１０に帰還させる帰還回路である。
【００１９】つづいて、前記物体検知装置の動作について説明する。まず最初に、図１に示すコントローラ２からある一定の周期で基本パルスが超音波発生回路１に入力されると、これを受信した超音波発生回路１は動作して、送波器３ａより前記基本パルスと同一周期で超音波を外部に発振する。
【００２０】このとき、前記コントローラ２は発振された超音波の周波数を基準周波数（図３（ｂ）のＡ）として記憶する。そして、送波器３ａから発振された超音波は最初、静止した物体（例えば、起立した人物等）に反射させることにより、その周波数を変化させることなく受波器３ｂによって受信される。受信された超音波は増幅回路４によって増幅された後、Ｆ－Ｖ変換回路６に送信される。
【００２１】前記Ｆ－Ｖ変換回路６は受信した信号の周波数に応じた電圧値をコントローラ２に出力することにより、コントローラ２はこの電圧値を基準電圧値として記憶する。前述の如く基準周波数と基準電圧が記憶された時点で本発明の物体検知装置は初期設定を完了し、実際に物体を検知できる状態となる。
【００２２】そして、前記物体の検知が可能な状態において、コントローラ２から基本パルスが超音波発生回路１に出力され、前記超音波発生回路１が動作すると、送波器３ａより自動扉正面方向の所定範囲から超音波が発振される。前記超音波は超音波の照射範囲に何らかの物体が存在すれば前記物体によって反射し、物体が存在しなければ、床面等に反射して、受波器３ｂにて受信される。
【００２３】前記受波器３ｂにて受信された超音波の振幅は増幅回路４にて増幅され、比較・検波回路５およびＦ－Ｖ変換回路６に送信される。前記比較・検波回路５では、増幅した超音波をＡＭ検波した後、予め設定した電圧値（以下、規定電圧値という）以上か否かを判別する。この結果、受信・増幅した超音波の検波された電圧値が規定電圧値以上であれば、前記超音波の基準周波数に相当するパルス幅を有したパルス信号がコントローラ２に送信される。
【００２４】また、受信・増幅した超音波の検波された電圧値が規定電圧値以下である場合は、コントローラ２には何ら信号は送信されない。そして、前記コントローラ２は、比較・検波回路５から出力（パルス信号）があったときのみ、超音波の照射範囲に物体が存在するものと判断し、つづいて、受信したパルス信号のパルス幅が充分なパルス幅（Ｆ－Ｖ変換回路６による変換が可能なパルス幅）を有しているかどうかを判定する。その結果、パルス信号のパルス幅が充分でない場合（図３（ａ）のＤ）は、比較・検波回路５からパルス信号の出力がなかったときと同様に、自動扉の利用者は存在しないものと判断する。
【００２５】前記比較・検波回路５において、超音波の検波された電圧値が規定電圧値以下であったり、規定電圧値以上であっても充分なパルス幅が確保されない理由としては、例えば、超音波の照射範囲内に存在する物体までの距離が送受信回路３から遠すぎることにより、前記距離を超音波が伝播する過程において、前記超音波が拡散し受波器３ｂで良好に反射波を受信できない等の理由が考えられるが、本発明の物体検知装置では、このような場合は自動扉の利用者は存在しないものと判断する。
【００２６】一方、Ｆ－Ｖ変換回路６では受信した超音波の周波数に応じた電圧値をコントローラ２に出力することにより、コントローラ２は物体に反射した超音波の周波数を検出することができる（図３（ｂ）のＣ）。言い換えれば、ドップラ効果による反射波の周波数変化をＦ－Ｖ変換回路６によって電圧値の変化に変換するのである。以下に、前記Ｆ－Ｖ変換回路６の動作について説明する。
【００２７】前記Ｆ－Ｖ変換回路６は前述したように、位相比較器８，ローパスフィルタ９，電圧制御発振器１０およびバッファ１１と帰還回路１２から構成されており、増幅回路４にて増幅されて位相比較器８に入力した超音波は、その電圧値と電圧制御発振器１０から帰還回路１２によってフィードバックされた信号電圧との位相差分のパルス信号がフィルタ９に出力される。
【００２８】前記フィルタ９に入力されたパルス信号は高周波成分が除去されるとともに、パルス信号の積分値（直流電圧）が電圧制御発振器１０に出力される。そして、前記電圧制御発振器１０は入力された電圧値に応じた周波数信号を帰還回路１２によって位相比較器８に再びフィードバックさせる。なお、本実施例において前記帰還回路は、電圧制御発振器１０の出力を分周することなく位相比較器８にフィードバックさせるものとする。
【００２９】以上の動作を繰返すことにより、前記電圧制御発振器１０の出力信号の周波数および位相は、位相比較器８に入力する超音波の周波数および位相に次第に近づいていき、同期状態では一致する。この同期状態におけるローパスフィルタ９の出力電圧値がバッファ１１より出力され、これがＦ－Ｖ変換回路６の出力としてコントローラ２に入力される。
【００３０】前記コントローラ２はＦ－Ｖ変換回路６の出力を基に、物体までの距離と前記物体の移動速度および移動方向を算出する。前記物体までの距離の算出は、まず、気温をＴ［°Ｃ］としたときの音速Ｖ［ｍ／ｓ］を以下の式よりもとめる。
【００３１】
【数１】

【００３２】そして、物体までの距離Ｌ［ｍ］は前記［数１］にてもとめた音速Ｖ［ｍ／ｓ］と送波器３ａから発振した超音波が受波器３ｂにて受信されるまでの時間ｔ［ｓ］より以下のように算出される。
【００３３】
【数２】

【００３４】また、物体の移動速度Ｖ₀ ［ｍ／ｓ］は、Ｆ－Ｖ変換回路６固有の入力周波数と出力電圧との比Ｋｖｃｏ（Ｈｚ／Ｖ）より、Ｆ－Ｖ変換回路６の出力電圧をＶ₁ ，予め記憶した基準電圧をＶ₂ としたとき、以下のように算出できる。
【００３５】
【数３】

【００３６】なお、前記［数３］にて算出した物体の移動速度Ｖ₀ が正の値を示すときは前記物体が接近している状態を示し、負の値を示すときは物体が遠ざかっている状態を示している。このように、本発明の物体検知装置は、ドップラ効果を利用して算出した物体の移動速度の正負によって、物体の移動方向を検知することができる。
【００３７】そして、例えば、物体が自動扉に接近しつつあれば、前記物体が自動扉の利用者であることを認識でき、この状態で、前記利用者の移動速度と距離を算出することにより、前記利用者が扉の前に到達する瞬間に前記扉を自動開放するように制御することができる。前記扉の開閉動作を開始するタイミングは、利用者までの距離と利用者の速度より単純に扉前への到達時間を算出すればよい。
【００３８】そして、本発明のコントローラ２は、例えばマイクロコンピュータによって構成することにより、検知した物体を自動扉の利用者として判断する基準を容易に変更することができる。つまり、物体が自動扉に接近中である場合にこの物体を自動扉の利用者として認識するように設定することもできれば、物体までの距離が一定距離以内にあれば、前記物体が静止状態にあっても自動扉の利用者であると認識するように設定するなど、マイクロコンピュータ内のプログラムを変更することにより任意に設定することができる。
【００３９】なお、前述した実施例では、超音波を発振する送波器３ａを１つだけ備えて、自動扉の正面方向における利用者を検知する例について説明したが、本発明はこれに限定せず、前記送波器３ａを複数備えて超音波の照射死角をなくすように構成してもよいことは言うまでもない。
【００４０】また、本実施例では物体検知装置を自動扉の利用者を検知する装置として利用した場合について説明したが、例えば、不審侵入者を検知する防犯装置として利用したり、エスカレータの利用者を検知する装置や、自動車の前後に具備して人体や障害物を探知する装置として利用することができる等、様々な用途に利用できることは当然である。
【００４１】以上のように本発明の物体検知装置は、超音波の照射範囲内であっても自動扉を利用すると思われる者に対してのみ扉を自動開放することができるので、不要に扉を開閉動作して、建物内の人々や扉前の通行人に不快感を与えたり、扉開閉に要する電力を無駄に消費することを良好に防ぐことができる。
【００４２】また、本発明の物体検知装置は、１つの送受信回路により利用者の位置と速度，利用者の移動方向を検出することができるので、装置の構成は極力簡素化され、その結果、製造コストを大幅に低減でき経済的である。
【００４３】さらに、本発明の物体検知装置は、利用者の位置，速度より利用者が扉を通過する時間を算出することができるため、利用者が扉前に到達する瞬間に自動扉を開放することが可能となり、利用者が扉前で扉の開放を立ち止まって待つといった問題も生じない。
【００４４】
【発明の効果】請求項１記載の物体検知装置は、１つの送受信回路によって物体の位置と移動速度および移動方向を検知することができるため、装置の構成を簡素化できるとともに、製造コストを低減することができ、経済的である。
【００４５】また、請求項１記載の物体検知装置は、反射波の検波された電圧値が比較器にて比較する規定電圧値以下である場合は、自動扉の利用者は存在しないと判断するように構成したので、超音波の照射エリア内であっても、例えば、遠距離で検知された場合など、その反射波を充分な電圧値で受信できないときは、自動扉の利用者なしとして、むやみに前記扉を開閉動作することはなく、便利である。
【００４６】請求項２記載の物体検知装置は所謂ＰＬＬを利用して構成しているため、殆どＩＣ化されているＰＬＬは非常に使いやすく、また比較的安価であるため、製造コストを削減でき経済的である。
【００４７】請求項３記載の物体検知装置は、物体までの距離と物体の移動速度および移動方向を算出する手段を備えて構成したため、物体の動作状況をほぼ理解することができ、自動扉等の負荷の駆動を制御しやすい。
【００４８】請求項４記載の物体検知装置は、物体までの距離と物体の移動速度および移動方向のデータを基に、扉の開閉を自由に制御することができるため、自動扉の利用者が扉が開放するのを待ったり、自動扉の利用者以外に反応して扉を開放したりすることを確実に防止できる。

【出願人】	【識別番号】０００１１６６６６【氏名又は名称】愛知電機株式会社
【出願日】	平成１２年１月１３日（２０００．１．１３）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－１９４４４８（Ｐ２００１－１９４４４８Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－９９８１（Ｐ２０００－９９８１）