【手続補正書】
【提出日】平成16年4月8日(2004.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】挟み込み検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】開口部と、この開口部を開閉する開閉部と、この開閉部と前記開口部の少なくとも一方に配設され変形に応じた出力信号を発生する可撓性を有した圧電材からなる圧電センサと、この圧電センサが変形したときの出力信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段の出力信号に基づき前記開口部と前記開閉部の間への物体の挟み込みを判定する判定手段と、前記圧電センサの２つの電極間に圧電センサが発生した電荷を放電するための放電手段を備えた挟み込み検出装置。
【請求項２】放電手段は圧電センサの２つの電極間に並列接続された抵抗であり、その抵抗の抵抗値は、圧電センサが持つ静電容量値との積で決まる時定数の逆数が、開口部と開閉部の間に物体を挟み込んだときに発生する信号の持つ基本周波数の角周波数表現値の１０倍よりも小さくなるように選んだ請求項１記載の挟み込み検出装置。
【請求項３】放電手段は、挟み込みの有無を判定する直前に圧電センサに発生した電荷を放電させ、挟み込みの有無を判定する時には圧電センサに発生した電荷を放電させない請求項１記載の挟み込み検出装置。
【請求項４】放電手段は、スイッチなどの電気回路開閉素子からなる請求項３記載の挟み込み検出装置。
【請求項５】一定周期で電気回路開閉素子を閉成させるための電気信号を発生する発信器を備えた請求項４記載の挟み込み検出装置。
【請求項６】放電手段は、開閉部が閉動作開始直後に圧電センサに発生した電荷を放電させる請求項１記載の挟み込み検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開口部と前記開口部を開閉する開閉部との間への物体の挟み込みを検出する挟み込み検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の挟み込み検出装置は、例えば特開平１０−１３２６６９号公報に開示されているものがある。これは図１３に示すように、ポリフッ化ビリニデン等の高分子圧電材からなるピエゾケーブル１を自動車の窓枠２に沿って配設し、ピエゾケーブル１の出力信号に基づき窓枠２と窓ガラス３との間への物体の挟み込みを検出するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の挟み込み検出装置では、ピエゾケーブル１が自動車の窓枠２に沿って配設されているため、外気温の変化や直射日光による温度変化の影響をピエゾケーブル１が受けやすく、ピエゾケーブル１の温度が変化すると焦電効果により電圧が発生し正常な挟み込み検知ができないという課題があった。
【０００４】
一般に圧電素子は圧電効果以外に焦電効果という性質を有している。焦電効果は圧電材の温度が変化すると圧電材の表面に電荷が蓄積される現象である。また、圧電材は静電容量Ｃ（ファラッド）を有しており電荷Ｑ（クーロン）が蓄積されると、電荷Ｑを静電容量Ｃで除した商に相当する電圧Ｖ（ボルト）が発生することになる。外気温の変化などの影響でピエゾケーブルの温度が変化する場合、その温度変化を受ける箇所はピエゾケーブルのほぼ全域にわたるため、わずかな温度変化であっても発生する電荷総量は、挟み込みで一部分が変形したときに発生する電荷よりも多く、従って高い電圧がピエゾケーブルより出力されることになる。さらに、一度温度変化で蓄積された電荷は総量が多いためなかなか消滅せず、高い電圧を維持した状態が長時間持続し、正常な挟み込み検知ができる状態に復帰するまでに長い時間を要していた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の挟み込み検出装置は、圧電センサに蓄積された電荷を放電させるための放電手段を設けたものである。
【０００６】
これによって、外気温の変化などの影響を受けて圧電センサに焦電効果による電荷が発生しても放電手段により電荷を速やかに消滅させることができ、圧電センサの出力に高い電圧が長時間維持されるということを防ぐことができる。
【０００７】
【発明の実施形態】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、開口部と、この開口部を開閉する開閉部と、この開閉部と前記開口部の少なくとも一方に配設され変形に応じた出力信号を発生する可撓性を有した圧電材からなる圧電センサと、この圧電センサが変形したときの出力信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段の出力信号に基づき前記開口部と前記開閉部の間への物体の挟み込みを判定する判定手段と、前記圧電センサの２つの電極間に圧電センサが発生した電荷を放電するための放電手段を設けたもので、外気温の変化などの影響を受けて圧電センサに焦電効果による電荷が発生しても放電手段により電荷を速やかに消滅させることができるものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明における放電手段を圧電センサの２つの電極間に並列接続された抵抗としたものであって、その抵抗の抵抗値を圧電センサが持つ静電容量値との積で決まる時定数の逆数が、開口部と開閉部の間に物体を挟み込んだときに発生する信号の持つ基本周波数の角周波数表現値の１０倍よりも小さくなるように選ぶことにより、挟み込み検知時の圧電センサから出力される基本周波数の信号振幅を大きく減衰させることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を速やかに放電できるものである。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明における放電手段を挟み込みの有無を判定する直前に圧電センサに発生した電荷を放電させ、挟み込みの有無を判定する時には圧電センサに発生した電荷を放電させないように制御することにより、挟み込み検知時の圧電センサから出力される信号振幅に損失を与えることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を放電できるものである。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明における放電手段をスイッチなどの電気回路開閉素子から構成することにより放電させるかどうかの制御をきわめて簡単に行えるものである。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明における電気回路開閉素子を発信器の信号により一定時間毎に閉成させるため、定期的に放電動作を行えるものである。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明における放電手段を開閉部が閉動作開始直後に圧電センサに発生した電荷を放電させ、それ以外の動作時には圧電センサに発生した電荷を放電させないように制御することにより挟み込み検知時の圧電センサから出力される信号振幅に損失を与えることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を放電できるものである。
【００１３】
【実施例】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は本発明の実施例における挟み込み検出装置の外観図で、自動車のパワーウインドウに適用した場合を示している。図２（ａ）、（ｂ）は図１のＡ−Ａ’位置における断面図で図２（ａ）は物体Ｍが挟まれていない状態、図２（ｂ）は物体Ｍが挟み込まれた状態を示している。
【００１５】
先ず図１より、４は開口部としての窓枠、５は開閉部としての窓ガラスである。窓枠４の周縁部には圧電センサ６が配設されている。７は圧電センサ６の出力信号を増幅する増幅手段およびこの信号に基づき窓枠４と窓ガラス５の間への物体の挟み込みを判定する判定手段などが入っている回路ユニットであり、ドアのサイドミラー取り付け位置近傍のドア本体内に配設されている。
【００１６】
また、８はパワーウインドウ駆動装置、９はパワーウインドウ駆動装置８を制御する制御手段である。ここでパワーウインドウ駆動装置８はモータ８ａ、ワイヤ８ｂ、窓ガラス５の支持具８ｃガイド８ｄ等からなる。モータ８ａによりワイヤ８ｂを動かし、ワイヤ８ｂと連結された支持具８ｃをガイド８ｄに沿って上下させることにより窓ガラス５を開閉する構造となっている。パワーウインドウ駆動装置８は上記のようなワイヤを用いた方式に限定するものではなく、他の方式でも良い。制御手段９はモータ８ａと一体化しても良い。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電センサ６は支持部１０を持った弾性体１７に包まれた状態で配設されている。弾性体１７の支持部１０は窓枠４に形成された溝孔部１２にはめ込むことにより窓枠４に支持される。弾性体１７は図２（ｂ）のように窓枠４と窓ガラス５の間に物体Ｍが挟み込まれた場合は屈曲自在に変形し、当然、内部にある圧電センサ６も変形する。１３はウエザストリップである。弾性体１７は窓ガラス５が開閉する方向とおおむね平行になるよう窓枠４に支持してある。尚、図２（ａ）、（ｂ）は窓ガラス５の左側が車室内、右側が車外側である。
【００１８】
図３（ａ）、（ｂ）は圧電センサ６を包み込んだ弾性体１７の外観図である。図３（ａ）は物体Ｍが挟まれていない状態、図３（ｂ）は物体Ｍが挟み込まれた状態を示しており、図３（ｂ）は図２（ｂ）の際の弾性体１７を車室内から見た図である。図４は圧電センサ６の構造を示しており、中心に可撓性のある心線電極１６を持ち、その周囲にゴム弾性体の有機基材に圧電セラミックの焼結粉体を混合した圧電層１４を置き、さらにその周囲に可撓性のあるシールド電極１５、一番外側を外皮１８にて全体を包んでおり、外見は一般のシールド線に似た構造をしている。この圧電センサ６は最後に、分極処理して構成されたもので優れた可撓性を有し、変形に応じた出力信号を発生する。ゴム弾性体としては例えば塩素化ポリエチレンを用い、圧電セラミックとしては例えばチタン酸ジルコン酸鉛の焼結粉体を用いる。
【００１９】
増幅手段及び判定手段等が入った回路ユニット７は図１のように圧電センサ６の端部に直接接続されている。そのため、圧電センサ６と回路ユニット７との間を接続するリード線やコネクタは不要となる。
【００２０】
図５は本発明の実施例における挟み込み検出装置の圧電センサ６の出力信号を受けて処理する回路の構成図である。２０は放電手段であり抵抗により構成されており一端が圧電センサ６の心線電極１６、他端が圧電センサ６のシールド電極１５につながれている。２１は増幅手段であり正転入力端子２１ａは圧電センサ６の心線電極１６に、反転入力端子２１ｂは圧電センサ６のシールド電極１５に接続されている。この増幅手段２１の出力には圧電センサ６からの信号がないときは通常２．５ボルトの直流電圧が出力されている。破線枠２２は判定手段を示している。判定手段２２の中身は比較器２３と、基準電圧源２５で構成されている。増幅器２１の出力２１ｃは比較器２３の反転入力２３ｂ接続されている。また、基準電圧源２５は比較器２３の正転入力２３ａに接続されている。ここで基準電圧源２５は３ボルトである。従って、増幅手段２１からの信号がなく２．５ボルト付近であると比較器２３の出力はハイレベルである。一方、増幅手段２１からの信号が３ボルトを越えると比較器２３の出力がローレベルになる。
【００２１】
図６（ａ）は物体Ｍを挟み込んだときの増幅手段２１の出力、図６（ｂ）は判定手段２２の出力を示している。物体Ｍを挟み込むと圧電センサ６は図３（ｂ）に示したように変形し、その結果図６（ａ）のような波形の信号を出力する。また、図６（ｂ）に示すように挟み込みを生じ増幅手段２１からの信号が３ボルトを越えると比較器２３の出力がローレベルになっている。
【００２２】
次に作用について説明する。図７は圧電センサ６の温度が外気温の変化の影響を受けて少し上昇したときの圧電センサ６の出力電圧の変化の様子を示している。放電抵抗２０ａがないときは図７の破線で示したように発生した電圧は時間が経過してももとのレベルに戻らない。これは、圧電センサ６の温度変化がほぼ全体にわたって生じたため焦電効果により発生した電荷の総量が非常に大きく自然消滅するのに多くの時間を要するためである。しかし、放電手段２０である抵抗２０ａを付けていると図７の実線で示すように焦電効果で発生した電荷は抵抗２０ａにより放電していくため電圧は一旦は上昇しても持続することはなく、再びもとの基準レベルに戻る。ここで図７の破線で示した抵抗２０ａのないときの電圧の上昇の傾きは、圧電センサ６の温度が上昇する速さに依存している。また、このときの電圧は温度変化が大きいほど高くなる。そして、抵抗２０ａの値が小さいほど放電してもとの基準レベルに戻る時間は早くなる。しかし、抵抗２０ａの値を小さくしすぎると物体を挟み込んだ時に得られる信号の振幅が小さくなってしまう。図８は圧電センサ６に発生する電圧を取り出す回路の等価回路図である。２７は圧電センサ６に発生する信号を電圧源であらわしたもの、２８は圧電センサ６が持つ容量成分をコンデンサであらわしたものであり、電圧源２７とコンデンサ２８及び放電手段２０である抵抗２０ａは直列につながれている。図８から明らかなように電圧源２７からの信号はコンデンサ２８を通って抵抗２０ａに印加される。このため電圧源２７からの信号すなわち圧電センサ６の信号はコンデンサ２８と抵抗２０ａで構成されるハイパスフィルターに通されることになり低い周波数成分ほど抵抗２０ａの両端に現れにくくなる。図９はコンデンサ２８と抵抗２０ａで構成されるハイパスフィルターの周波数特性図であり、電圧源２７から出た各周波数の信号がどれくらいの減衰を受けて抵抗２０ａに現れるかを示す。図９において横軸は周波数（Ｈｚ）であり対数目盛で表現し、また、縦軸は信号レベルでありデシベル（ｄＢ）を単位とした対数目盛で表現している。さらに、周波数軸に記してあるｆｃはコンデンサ２８と抵抗２０ａで構成されるハイパスフィルターのカットオフ周波数であり、この周波数ｆｃよりも高い周波数成分はあまり減衰を受けずに抵抗２０ａに現れる。しかし、ｆｃよりも低い周波数では、周波数が低くなるほど減衰量は大きくなり抵抗２０ａに現れにくくなり、周波数が１０分の１になれば減衰量は１０倍（２０ｄＢ）になる。このカットオフ周波数ｆｃはコンデンサ２８の容量値Ｃ（ファラッド）と抵抗２０ａの抵抗値Ｒ（オーム）を用いて
【００２３】
【数１】
2001171344.tif 000001
【００２４】
と表現され、これを角周波数ωｃで表現すると、
【００２５】
【数２】
2001171344.tif 000002
【００２６】
となり、コンデンサ２８の静電容量Ｃと抵抗２０ａの抵抗値Ｒで決まる時定数の逆数である。
【００２７】
本実施例に用いた圧電センサ６の持つ静電容量は長さによって変わるが１ｍのものを用いると約２０００ｐＦである。また、挟み込みを生じたときに圧電センサが出力する信号の基本周波数成分は、挟まれたときの条件にもよるがほぼ１０Ｈｚ前後である。従って、１０Ｈｚの信号があまり減衰を受けないで２０００ｐＦのコンデンサを通って抵抗２０ａに現れるためには
【００２８】
【数３】
2001171344.tif 000003
【００２９】
あるいは
【００３０】
【数４】
2001171344.tif 000004
【００３１】
で表されるＲｃよりも大きな抵抗値のものを用いる必要がある。（数３）のＣに２０００ｐＦ、ｆｃに１０Ｈｚを代入するとＲｃは約８ＭΩとなる。このときの時定数はＣ×Ｒｃで計算され、約１６ミリ秒となり、圧電センサ６の温度が変化して発生した電荷が放電し初期の約３７％にまで減少するのに要する時間を示している。この圧電センサ６の温度が変化して発生した電荷が無視できるくらいまで放電しきるのに要する時間は、時定数の１０倍以上の時間がかかると考えられ、この場合だと約１６０ミリ秒となる。
【００３２】
ここでは信号の減衰をほぼ０ｄＢを目標に抵抗２０ａの値を算出したが、増幅手段２１での増幅率の増加や、判定手段２２の基準電圧源２５及び２６の電圧値を増幅手段２１の基準レベルの２．５ボルトにさらに近づけることにより、信号の減衰が約１０分の１（−２０ｄＢ）までならば補完できるものと考えられる。従ってカットオフ周波数ｆｃは１０Ｈｚの１０倍の１００Ｈｚまでならば十分補完できる信号レベルとなる。カットオフ周波数を１００Ｈｚとしたときの抵抗２０ａの抵抗値は、（数２）のＣに２０００ｐＦ、ｆｃに１００Ｈｚを代入すると約８００ｋΩとなる。このときの時定数はＣ×Ｒｃで計算され、約１．６ミリ秒となり、圧電センサ６の温度が変化して発生した電荷が無視できるくらいまで放電しきるのに要する時間は、前述と同様に計算すると約１６ミリ秒となり、さらに速く放電できることになる。
【００３３】
このように本発明の実施例によれば、放電手段２０の抵抗値Ｒを圧電センサ６が持つ静電容量値Ｃとの積で決まる時定数の逆数が、開口部と開閉部の間に物体を挟み込んだときに発生する信号の持つ基本周波数の角周波数表現値の１０倍よりも小さくなるように選ぶことで、挟み込み時の信号成分を補完できないくらい減衰させることもなく、温度変化により発生した電荷を速やかに放電でき、外気温の変化の影響を受けて圧電センサの温度が変化しても正常に物体の挟み込み検知ができるものである。
【００３４】
（実施例２）
図１０において実施例１の図５と同じところは説明を省略する。３０は放電手段の電気回路開閉素子となるリレーの開閉部である。３１は前記開閉部３０を磁力で動かすためのリレーの励磁コイルである。３２は励磁コイル３１へ電流を流したりと止めたりするためのリレー駆動部である。３３はリレー駆動部３２に周期的に制御信号を送りリレーの開閉部３０を閉成させたり開放させたりして圧電センサ６に蓄積された電荷の放電タイミングを決める発信器である。
【００３５】
次に作用について説明する。図１１は発信器３３が出力する周期的なクロック信号である。ハイレベルの時にリレー駆動部３２にがリレーの励磁コイル３１に電流を流し開閉部３０を閉成する。周期Ｔは本実施例では１秒であり、パルス幅は１０ミリ秒である。従って１秒毎に１０ミリ秒間リレーの開閉部が閉じることでその前の約１秒間に発生した電荷がすべて放電される。このとき放電抵抗はきわめて小さいため瞬間的に電荷は放電される。このため、判定部２２は発信器３３の出力クロックがハイレベルからローレベルになり次にハイレベルになる約１秒の間に増幅器２１の出力信号を観測すれば良い。
【００３６】
このように、本発明の実施例によれば、電気回路開閉素子であるリレーの開閉部３０を発信器３３のクロック信号により一定時間毎に閉成させるため、定期的に放電動作を行え温度変化により発生した電荷がいつまでも蓄積され続けることが無く、また、挟み込みの有無を判断する時には放電手段が開放状態にあるために信号の減衰もなく挟み込み信号を受け取ることができる。
【００３７】
（実施例３）
図１２において実施例１の図５、及び実施例２の図１０と同じところは説明を省略する。３４は放電制御部であり図１で示したパワーウインドウの制御手段９が出力する制御信号にタイミングを合わせながらリレー駆動部３２に信号を送っている。
【００３８】
次に作用について説明する。パワーウインドウの制御手段９は窓ガラス５を閉めるときにハイレベルの信号を出す信号線９ａを有し、窓ガラス５を開くときは信号線９ｂにハイレベルの信号を出す。放電制御部３４はこの信号線９ａのローレベルからハイレベルへの変化を検出すると約１０ミリ秒間ハイレベルの信号をリレー駆動部３２に向けて出力しリレーの開閉部３０を閉成させて圧電センサ６に蓄積された電荷を放電させる。
【００３９】
このように、判定部２２は制御手段９ａの出力信号がローレベルからハイレベルからになった直後の１０ミリ秒間だけは増幅手段２１の出力信号を無視しておくだけで、挟み込みが発生しそうな状態すなわち、窓ガラス５が閉じ始めた直後からは圧電センサ６の温度変化によって蓄積された電荷はすでに放電で消滅しており、正しく挟み込みの有無の判定ができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明によれば、圧電センサが発生した電荷を放電するための放電手段を設けることで外気温の変化などの影響を受けて圧電センサに焦電効果による電荷が発生しても放電手段により電荷を速やかに消滅させることができる優れた挟み込み検出装置を実現できるものである。
【００４１】
また、請求項２に記載の発明によれば、圧電センサの電極間に抵抗を接続するだけというきわめて簡単な構成で温度変化により圧電センサに発生した電荷を放電できる。
【００４２】
また、請求項３に記載の発明によれば、放電手段の抵抗値を圧電センサが持つ静電容量値との積で決まる時定数の逆数が、開口部と開閉部の間に物体を挟み込んだときに発生する信号の持つ基本周波数の角周波数表現値の１０倍よりも小さくなるように選ぶことにより、挟み込み検知時の圧電センサから出力される基本周波数の信号振幅を大きく減衰させることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を速やかに放電できる。
【００４３】
また、請求項４に記載の発明によれば、放電手段を挟み込みの有無を判定する直前に圧電センサに発生した電荷を放電させ、挟み込みの有無を判定する時には圧電センサに発生した電荷を放電させないように制御することにより、挟み込み検知時の圧電センサから出力される信号振幅に全く損失を与えることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を放電できる。
【００４４】
また、請求項５に記載の発明によれば、放電手段をスイッチなどの電気回路開閉素子から構成することにより放電させるかどうかの制御をきわめて簡単に行える。
【００４５】
また、請求項６に記載の発明によれば、電気回路開閉素子を発信器の信号により一定時間毎に閉成させるため、温度変化により発生した電荷がいつまでも蓄積され続けることが無く、また、挟み込みの有無を判断する時には放電手段が開放状態にあるために信号の減衰もなく挟み込み信号を受け取ることができる。
【００４６】
また、請求項７に記載の発明によれば、放電手段を開閉部が閉動作を始めた直後に圧電センサに発生した電荷を放電させ、それ以外の動作時には圧電センサに発生した電荷を放電させないように制御することにより挟み込み検知時の圧電センサから出力される信号振幅に損失を与えることなく、温度変化により圧電センサに発生した電荷を放電でき信号の減衰もなく挟み込み信号を受け取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における挟み込み検出装置の外観図
【図２】（ａ）同圧電センサを取り付けた窓枠部の物体が挟まれていない状態の断面図
（ｂ）同圧電センサを取り付けた窓枠部分の物体が挟み込まれた状態の断面図
【図３】（ａ）同圧電センサが入った弾性体の外観図
（ｂ）同圧電センサが入った弾性体の物体が挟み込まれた状態の外観図
【図４】同圧電センサの構造図
【図５】同圧電センサの信号処理回路構成図
【図６】（ａ）同増幅手段の出力信号波形図
（ｂ）同増幅手段の出力図
【図７】同圧電センサの信号波形図
【図８】同ハイパスフィルターの等価回路図
【図９】同ハイパスフィルターの周波数特性図
【図１０】本発明の実施例２における圧電センサの信号処理回路構成図
【図１１】同発信器の信号波形図
【図１２】本発明の実施例３における圧電センサの信号処理回路構成図
【図１３】従来の挟み込み検出装置の外観図
【符号の説明】
４  窓枠（開口部）
５  窓ガラス（開閉部）
６  圧電センサ
１０  支持部
１２  溝孔部
１３  ウエザストリップ
１４  圧電層
１５  シールド電極
１６  心線電極
１７  弾性体
１８  外皮
２０  放電手段
２１  増幅手段
２２  判定手段
２３  比較器
２５  基準電圧源
２７  電圧源
２８  コンデンサ
３０  リレー開閉部
３１  リレー励磁コイル
３２  リレー駆動部
３３  発信器
３４  放電制御部