(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル形状に基づくインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有してＬＣＲ共振回路として機能するコイル状炭素繊維を母材に分散させてセンサ素子を構成すると共に、該センサ素子に電気的に接続される一対の電極を備え、両電極間には高周波発振回路を接続し、かつ前記ＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知する検波回路を接続することを特徴とする接近センサ。
【請求項２】
前記母材中におけるコイル状炭素繊維の含有量は、１〜２０質量％であることを特徴とする請求項１に記載の接近センサ。
【請求項３】
前記高周波発振回路による高周波信号の周波数は、１００〜８００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接近センサ。
【請求項４】
前記母材は弾性を有するポリマーであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接近センサ。
【請求項５】
検知対象物が生体であり、生体の接近を検知するために用いられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接近センサ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の接近センサのセンサ素子に検知対象物が接触したとき、前記検波回路がコイル状炭素繊維の有するＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知するように構成することを特徴とする接近・接触センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人体などの物体の一部が接近したことを検知することができる接近センサ及び接近・接触センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、手術用機器などに近接センサを装備し、その手術用機器が人体に接近したことを検知し、手術用機器が人体に接触することを避けるような技術が求められている。そのような近接センサとして、例えば一対の電極からなる検知板を有し、人体の接近を検知板の静電容量変化として検知する近接センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。すなわち、近接センサは、所定周波数の測定信号を発生する発振回路と、その発振回路に接続されたＶＳＷＲブリッジ回路と、そのブリッジ回路の出力信号と発振回路からの測定信号との位相差を検出する位相比較回路と、位相比較回路の出力に基づいて人体接近の有無を判断する制御手段とを備えている。
【０００３】
他の近接センサとして、静電容量型近接センサ部と、厚み及び表面抵抗が所定範囲に設定された導電体とより構成されるものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。この近接センサでは、導電体と静電容量型近接センサ部との面積比を２以上に設定することで、センサ部の面積を大きくすることなく、検出範囲を広げることができる。
【特許文献１】特開２００１−２０３５６５号公報（第２頁及び第３頁）
【特許文献２】特開２００４−１５０８６９号公報（第２頁及び第４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１及び２に記載されている従来の近接センサは、検知対象物の接近に伴い検知対象物と検知板や静電容量型近接センサ部との間に発生する静電容量（キャパシタンス）の変化を、検知板や静電容量型近接センサ部で検知するように構成されている。このように、静電容量の変化だけに基づいて検知する場合には、検知対象物の接近速度が遅いときなどには静電容量の変化が微小となり、検知感度が低くなるという問題があった。しかも、静電容量の変化が小さくなると、ノイズなどによって静電容量の変化の検知が難しくなると共に、安定した状態で検知することができなくなるという問題があった。さらに、従来の近接センサは接近速度などの定量的な検知を行うことができず、また検知対象物の種類を区別することもできないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、検知対象物の接近について検知感度が高く、かつ安定した状態で検知することができると共に、接近速度などの定量的な検知を行うことができ、かつ検知対象物の種類を区別することができる接近センサ及び接近・接触センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の接近センサは、コイル形状に基づくインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有してＬＣＲ共振回路として機能するコイル状炭素繊維を母材に分散させてセンサ素子を構成すると共に、該センサ素子に電気的に接続される一対の電極を備え、両電極間には高周波発振回路を接続し、かつ前記ＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知する検波回路を接続することを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明の接近センサは、請求項１に記載の発明において、前記母材中におけるコイル状炭素繊維の含有量は、１〜２０質量％であることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明の接近センサは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記高周波発振回路による高周波信号の周波数は、１００〜８００ｋＨｚであることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明の接近センサは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記母材は弾性を有するポリマーであることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明の接近センサは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、検知対象物が生体であり、生体の接近を検知するために用いられることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項６に記載の発明の接近・接触センサは、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の接近センサのセンサ素子に検知対象物が接触したとき、前記検波回路がコイル状炭素繊維の有するＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知するように構成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の接近センサでは、コイル状炭素繊維を母材に分散させてセンサ素子が構成されている。そのコイル状炭素繊維は、コイル形状に基づくインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分を有してＬＣＲ共振回路として機能する。前記センサ素子には一対の電極が電気的に接続され、両電極間には高周波発振回路が接続され、かつ前記ＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知する検波回路が接続されている。このため、検知対象物が接近センサに接近すると、コイル状炭素繊維のもつインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分の変化に基づいてインピーダンスが変化し、検波回路がそのインピーダンスに基づく変化を検知することができる。従って、従来のキャパシタンスのみに基づいて検知する場合に比べ、検知対象物の接近について検知感度が高く、かつ安定した状態で検知することができる。
【００１２】
さらに、検知対象物のセンサ素子への接近によるインピーダンスの連続的変化に基づく出力信号の連続的変化によって接近速度などの定量的な検知を行うことができ、かつ検知対象物の種類を区別することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明の接近センサでは、母材中におけるコイル状炭素繊維の含有量が１〜２０質量％に設定されていることから、請求項１に係る発明の効果を十分に発揮させることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明の接近センサでは、高周波発振回路による高周波信号の周波数が１００〜８００ｋＨｚであることから、請求項１又は請求項２に係る発明の効果を有効に発揮させることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明の接近センサにおいては、母材が弾性を有するポリマーであることから、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明の効果に加えて、検知対象物が接近センサに接触したときに接触センサとして機能すると共に、検知対象物又は接近センサの損傷を抑制することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明の接近センサにおいては、検知対象物が生体であり、生体の接近を検知するために用いられる。このため、請求項１から請求項４のいずれかに係る発明の効果に加えて、生体表面に帯びている電荷により検知感度を高めることができ、生体の接近を精度良く検知することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明の接近・接触センサでは、接近センサのセンサ素子に検知対象物が接触したとき、前記検波回路がコイル状炭素繊維の有するＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知するように構成されている。このため、接近・接触センサは、検知対象物がセンサ素子に接近するときには接近センサとしての効果を得ることができ、検知対象物がセンサ素子に接触したときには接触センサとしての効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の最良と思われる実施形態につき、図面を用いて詳細に説明する。
図１に示すように、接近センサ１０を構成するセンサ素子１１はコイル状炭素繊維１２が板状をなす母材１３中に分散されて形成され、該センサ素子１１の底面には一対の電極１４が電気的に接続されている。一対の電極１４は銅板などにより形成され、両電極１４間には第１接続線１５を介して検知回路１６が接続されている。検知回路１６には、第２接続線１７を介して検知回路１６で検知された出力信号の波形を画面上に表示するオシロスコープなどの表示装置１８が接続されている。尚、電気的に接続するとは、電極１４から母材１３に通電された電流が、電極１４から母材１３を介してコイル状炭素繊維１２へ、又はコイル状炭素繊維１２間へ流れるように接続することをいう。
【００１９】
前記センサ素子１１の等価回路を図２に示す。この図２に示すように、コイル状炭素繊維１２はそのコイル形状（螺旋形状）に基づき、電磁気的特性としてそれぞれ固有のインダクタンス（Ｌ）成分、キャパシタンス（Ｃ）成分及びレジスタンス（Ｒ）成分（以下、Ｌ成分、Ｃ成分、Ｒ成分又はそれらをまとめてＬＣＲ成分ともいう）を有している。さらに、多数のコイル状炭素繊維１２間は、母材１３によるＣ成分を介して接続されている。このため、コイル状炭素繊維１２はＬＣＲ成分に基づくＬＣＲ共振回路を形成すると共に、多数のコイル状炭素繊維１２を含む母材１３との間で複合的な共振回路を形成する。
【００２０】
次に、接近センサ１０の電気回路について図３により詳しく説明する。同図３に示すように、前記検知回路１６にはセンサ素子１１に高周波信号を印加する高周波発振回路（交流回路）１９、センサ素子１１からの出力信号を増幅する増幅回路２０、増幅回路２０からの信号及び前記高周波発振回路１９から位相調整回路２１を介する信号が入力される検波回路２２及び出力回路２３が備えられている。検波回路２２では増幅回路２０からの信号と高周波発振回路１９からの信号との比較により出力信号を得るようになっている。
【００２１】
センサ素子１１は固有のインピーダンスを有すると共に、検知対象物２４も固有のインピーダンスを有している。センサ素子１１には高周波発振回路１９から所定周波数の高周波信号が印加されているため、センサ素子１１の近傍には交流電界が発生している。また、センサ素子１１のもつキャパシタンス（Ｃ）成分のほかに、センサ素子１１と検知対象物２４との間にはキャパシタンス（Ｃ）成分を有していることから、検知対象物２４がセンサ素子１１に接近しているときには、両キャパシタンス（Ｃ）成分の全体が変動する。そのような全体の変動によって検知対象物２４からセンサ素子１１に到る全体のインピーダンスが変化する。なお、検知対象物２４がセンサ素子１１に接触した場合には、センサ素子１１と検知対象物２４のレジスタンス（Ｒ）成分の全体が変動し、その変化によって検知対象物２４からセンサ素子１１に到る全体のインピーダンスが変化する。
【００２２】
そして、前記全体のインピーダンスの変化量がセンサ素子１１に印加された高周波信号の電圧及び位相を変化させ、その変化量が増幅回路２０で増幅されて検波回路２２に入力され、高周波発振回路１９から位相調整回路２１を経て検波回路２２に入力される高周波信号と一緒に検波されることにより、検知対象物２４の接近によるインピーダンスの連続的な変化が検知されるようになっている。得られた検知信号が出力回路２３に送られ、出力回路２３から例えば電圧として出力されるようになっている。例えば、図４に示すように、検知対象物２４としての掌が接近センサ１０に接近すると、その掌と接近センサ１０との距離（ｃｍ）が短くなるにつれて出力電圧（Ｖ）が上昇し、検知感度が比例的に高くなる。このように、出力信号は検知対象物２４に固有の変化を示す。
【００２３】
従って、各検知対象物２４について出力信号の固有の変化を予め検知しておくことにより、センサ素子１１に対する検知対象物２４の接近速度、距離などについて定量的な検知を行うことができる。さらに、各種の検知対象物２４について出力信号の固有の変化を予め検知しておくことにより、検知対象物２４の種類を区別して認識することができる。例えば、検知対象物２４として、生物と無生物との区別、金属とセラミックスとの区別、金属と樹脂との区別などを行うことができる。
【００２４】
次に、前記接近センサ１０のセンサ素子１１に検知対象物２４が接触したときには、検波回路２２がコイル状炭素繊維１２の有するＬＣＲ共振回路や前記複合共振回路に基づいて変化する信号を検知することができ、接近センサ１０は接近・接触センサとして機能する。この場合、センサ素子１１には機械的外力が加えられることになり、コイル状炭素繊維１２のもつＬＣＲ成分の変化、コイル状炭素繊維１２間の変化によるＣ成分の変化などに基づくインピーダンスが変化し、その変化量が検波回路２２で検知される。
【００２５】
前記母材１３はコイル状炭素繊維１２の分散媒であり、電磁気的特性としてはキャパシタンス（Ｃ）成分を有し、弾性樹脂（弾性を有するポリマー）、硬質樹脂などが用いられる。この母材１３として具体的は、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等が用いられる。例えばシリコーン樹脂として、信越化学（株）製の商品名、ＫＥ１０３（ＪＩＳ Ａ硬度１８）、ＫＥ１０６（ＪＩＳ Ａ硬度５０）、ＫＥ１２０２（ＪＩＳ Ａ硬度６５）等が挙げられる。スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂として、（株）クラレの商品名、セプトン樹脂＃４０３３（ＪＩＳ Ａ硬度７６）、＃８１０４（ＪＩＳ Ａ硬度９８）等が挙げられる。ウレタン樹脂として日本ポリウレタン（株）の商品名、コロネート４３８７等が挙げられる。
【００２６】
母材１３の硬さは接近センサ１０の感度にも関係するが、母材１３として弾性力の優れたシリコーン樹脂等を用いた場合には、そのキャパシタンスを大きくすることができ、センサ素子１１の感度を高めることができる。一方、硬いシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、セプトン樹脂等を用いた場合には、キャパシタンスが若干低下するため、センサ素子１１の感度は低下するが、幅広い検出範囲を検知することができる。このように母材１３はＣ成分を有し、コンデンサとして機能することから、コイル状炭素繊維１２のもつＣ成分と共に、コンデンサのキャパシタンスを増大させることができる。このため、ＬＣＲ共振回路におけるキャパシタンスの調整幅を広げることができる。
【００２７】
次に、前記コイル状炭素繊維１２はコイル形状を有していることから、コイル状炭素繊維１２を流れる高周波信号が変化することにより、前述のようにＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分による共振回路、さらに多数のコイル状炭素繊維１２が母材１３中で複合共振回路を形成し、センサ素子１１全体のインピーダンスが変化する。このため、それらインピーダンスの変化量に基づいて検波回路２２で検知対象物２４の接近を検知することができる。ここで、インダクタンス（Ｌ）成分は、誘導係数すなわち自己誘導係数や相互誘導係数のことであり、電磁誘導特性の１つである。キャパシタンス（Ｃ）成分は、静電容量のことで、電位（電圧）に対する電荷の比を表し、電磁誘導特性の１つである。レジスタンス（Ｒ）成分は、電気抵抗のことであり、電磁誘導特性の１つである。
【００２８】
コイル状炭素繊維１２としては一重巻きのコイル状炭素繊維１２、二重巻きのコイル状炭素繊維１２、超弾性コイル又はそれらの混合物等が用いられる。一重巻きのコイル状炭素繊維１２は、一定の線径を有する繊維によるコイルが一定のピッチ（間隔）をおいて一重巻きで螺旋状に延びるように形成されている。この一重巻きのコイル状炭素繊維１２は、例えば線径が０．１〜１μｍ、コイルの直径が０．０１〜５０μｍ、コイルのピッチが０．０１〜１０μｍ及びコイルの長さが０．１〜１０ｍｍとなるように構成されている。製造の容易性等の観点から、コイルの直径は０．１〜１０μｍであることが好ましく、ピッチは０．１〜１０μｍであることが好ましい。
【００２９】
一方、二重巻きのコイル状炭素繊維１２の場合には、２本のコイルが交互に密接した状態で螺旋状に延び、従って全体としてほぼ円筒状をなし、中心には空洞が形成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維１２は、例えば線径が０．１〜１μｍ、直径が０．０１〜５０μｍ、ピッチがほぼ０及び長さが０．１〜１０ｍｍとなるように構成されている。
【００３０】
また、超弾性コイルはコイルの直径が大きく、線径が小さいものをいい、弾力性がより大きいコイルのことをいう。具体的には、超弾性コイルは、コイルの直径が５〜５０μｍ、コイルのピッチが０．１〜１０μｍ及びコイルの長さが０．３〜５ｍｍとなるように構成されている。尚、コイル状炭素繊維１２の巻き方向は、コイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）又は反時計方向（左巻き）のいずれであってもよい。
【００３１】
コイル状炭素繊維１２は、母材１３中においてランダムに配向されていてもよいが、電場や磁場を利用して一定方向に配向させることにより、その方向にＬＣＲ回路の機能を高く発現させることができる指向性をもたせることができる。また、コイル状炭素繊維１２は、非晶質の炭素繊維により構成されたものでもよいが、非晶質の炭素繊維に加熱処理を施すことによって結晶化されたグラファイト層を有するものが好ましい。この場合には、コイル状炭素繊維１２はグラファイト層において炭素繊維を形成する炭素粒が規則正しく配列されることにより、変動電磁場に晒されたときに生ずる電気抵抗の変動が顕著になるために、共振特性が顕著となる。従って、センサ素子の検知精度が良くなり、感度が向上する。
【００３２】
コイル状炭素繊維１２の含有量は、母材１３中に１〜２０質量％であることが好ましい。この含有量が１質量％未満の場合には、母材１３中におけるコイル状炭素繊維１２の割合が少なく、コイル状炭素繊維１２に基づく接近センサ１０の感度が低下する。一方、含有量が２０質量％を越える場合には、母材１３中におけるコイル状炭素繊維１２の割合が多くなり過ぎて硬くなり、センサ素子１１の感度が低下すると共に、成形性等も悪くなる傾向を示す。
【００３３】
前記母材１３にコイル状炭素繊維１２を分散させる方法としては、次のような方法が採用される。
（１）母材１３にコイル状炭素繊維１２を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に流し込み、その後プレス成形する方法。この方法は、母材１３としてシリコーン樹脂を用いる場合等に好適である。
（２）母材１３のペレットに可塑剤を添加した後、加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維１２を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。
（３）母材１３を加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維１２を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。
【００３４】
前記高周波発振回路１９による高周波信号の周波数は、５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲であれば使用可能であるが、センサ素子１１の感度や安定性の観点から１００〜８００ｋＨｚであることが好ましい。この周波数が５０ｋＨｚ未満の場合には、ノイズの発生が大きくなり、検知の安定性に欠けるようになる。その一方、周波数が１ＭＨｚを越える場合には、出力信号が弱くなって感度が低下して好ましくない。
【００３５】
接近センサ１０の検知対象物２４としては、前記掌などの生体のほか、金属、セラミックス、樹脂などいずれであってもよい。これらのうち、生体はその表面に電荷を帯びていることから、生体がセンサ素子１１に接近したときにコイル状炭素繊維１２のもつＬＣＲ共振回路の機能が高められ、接近センサ１０の検知感度が向上する。生体（又は生体の一部）としては、前記掌のほか、腕、顔、足などが挙げられる。
【００３６】
さて、本実施形態の作用について説明すると、接近センサ１０のセンサ素子１１には高周波発振回路１９から高周波信号が印加されており、その状態で人体の一部などの検知対象物２４がセンサ素子１１に接近する。このため、各々固有のインピーダンスをもつ検知対象物２４とセンサ素子１１との距離が検知対象物２４の接近に伴って短くなる。このとき、センサ素子１１中の各コイル状炭素繊維１２は固有のＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分を有してＬＣＲ共振回路を形成すると同時に、多数のコイル状炭素繊維１２が母材１３中で複合共振回路を形成していることから、それらの共振回路によりセンサ素子１１全体のインピーダンスが変化する。
【００３７】
センサ素子１１のインピーダンス変化が高周波信号（電圧、位相など）を変化させ、その変化量が増幅回路２０で増幅され、増幅信号が検波回路２２に入力される。検波回路２２にはセンサ素子１１に入力された高周波信号が入力されていることから、その高周波信号を基準として前記増幅信号が検知され、得られる検知信号が出力回路に送られる。そして、出力回路２３から出力される出力信号は、表示装置１８としてのオシロスコープの画面上に所定の波形として表示され、視認することができる。
【００３８】
さらに、特定の検知対象物２４について出力信号の固有の変化による出力波形（曲線の形状）を予め検知しておくことにより、センサ素子１１に対する検知対象物２４の接近速度や距離を変化させたときに、前記出力波形に基づいて接近速度や距離を測定することができる。加えて、各種の検知対象物２４、例えば生物（掌）と無生物（鉄板）とについて固有の出力波形の変化を予め検知しておくことにより、生物（掌）又は無生物（鉄板）の何れかがセンサ素子１１に接近したとき、前記固有の出力波形に基づいて検知対象物２４が何れであるかを区別して認識することができる。
【００３９】
以上の実施形態によって発揮される効果について、以下にまとめて記載する。
・  実施形態の接近センサ１０では、コイル状炭素繊維１２を母材１３に分散させてセンサ素子１１が構成されている。そのコイル状炭素繊維１２は、コイル形状に基づくＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分を有してＬＣＲ共振回路として機能すると共に、母材１３との間で複合共振回路として機能する。前記センサ素子１１には一対の電極１４が電気的に接続され、両電極１４間には高周波発振回路１９及び検波回路２２が接続されている。
【００４０】
このため、高周波信号が印加されたセンサ素子１１に検知対象物２４が接近すると、前記ＬＣＲ共振回路及び複合共振回路の作用によりセンサ素子１１のインピーダンスが変化し、そのインピーダンス変化による高周波信号の変化を検波回路２２で検知することができる。従って、従来の近接センサのようにキャパシタンス成分のみに基づいて検知する場合に比べ、検知対象物２４の接近について検知感度が高く、かつ安定した状態で検知することができる。
【００４１】
さらに、検知対象物２４のセンサ素子１１への接近によるインピーダンスの連続的変化に基づいて接近速度などの定量的な検知を行うことができ、かつ検知対象物２４の種類を区別することができる。よって、接近センサ１０を手術用機器などの医療機器やロボットをはじめとする分野に好適に利用することができる。
【００４２】
・  前記母材１３中におけるコイル状炭素繊維１２の含有量を１〜２０質量％に設定することにより、接近センサ１０の上記効果を十分に発揮させることができる。
・  前記高周波発振回路１９による高周波信号の周波数を１００〜８００ｋＨｚの範囲に設定することで、接近センサ１０の効果を有効に発揮させることができる。
【００４３】
・  前記母材１３として弾力性のあるシリコーン樹脂などの弾性を有するポリマーを用いることにより、検知対象物２４が接近センサ１０に接触したときに接近センサ１０を接近・接触センサとして利用することができると共に、検知対象物２４又は接近センサ１０の損傷を抑制することができる。
【００４４】
・  前記検知対象物２４が生体である場合には、生体表面に帯びている電荷により検知感度を高めることができ、生体の接近を精度良く検知することができる。
・  接近・接触センサでは、接近センサ１０のセンサ素子１１に検知対象物２４が接触したとき、前記検波回路２２がコイル状炭素繊維１２の有するＬＣＲ共振回路に基づいて変化する信号を検知するように構成されている。このため、接近・接触センサは、検知対象物２４がセンサ素子１１に接近するときには接近センサ１０としての効果を得ることができ、検知対象物２４がセンサ素子１１に接触したときには接触センサとしての効果を得ることができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を挙げて、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
縦９５ｍｍ、横９５ｍｍ及び厚さ２ｍｍの平板状をなすセンサ素子１１の底面に一対の電極１４を取付けた。センサ素子１１を構成する弾性樹脂として、シリコーン樹脂（信越化学（株）製、ＫＥ１０３、ＪＩＳ  Ａ硬度が１８）を用いた。コイル状炭素繊維１２は二重巻きのもので、線径が０．５〜１μｍ、コイルの直径が５〜１０μｍ、コイルのピッチが０及びコイルの長さが１５０〜３００μｍのものを用いた。センサ素子１１中におけるコイル状炭素繊維１２の含有量が１質量％、５質量％、１０質量％及び２０質量％となるように４種類のセンサ素子１１を用意した。尚、図５中ではコイル状炭素繊維１２の含有量をそれぞれ単に１％、５％、１０％及び２０％で表示した。
【００４６】
一対の電極１４には、銅電極を用いた。両電極１４には第１接続線１５により高周波発振回路１９及び検波回路２２などを有する検知回路１６を接続し、さらに検知回路１６には第２接続線１７により表示装置１８としてデジタルオシロスコープを接続した。高周波発振回路１９からは、２００ｋＨｚの高周波信号をセンサ素子１１に印加した。このようにして接近センサ１０を構成した。
【００４７】
そして、センサ素子１１から８ｃｍ上方に検知対象物２４として人の掌を置き、その掌をセンサ素子１１に接近させたときの出力電圧の変化を掌とセンサ素子１１表面との距離（ｃｍ）に対して測定した。その結果を図５に示した。その図５に示すように、センサ素子１１中のコイル状炭素繊維１２の含有量が増加するほど出力電圧（Ｖ）が高くなる傾向であったが、コイル状炭素繊維１２の含有量が１０質量％の場合に最も出力電圧が高く、すなわち感度が最も高くなった。さらに、掌がセンサ素子１１に触れた後も所定の電圧を示し、接近・接触センサとしても機能していることが明らかになった。
（実施例２）
実施例１において、センサ素子１１としてコイル状炭素繊維１２の含有量を２０質量％とした。そして、高周波発振回路１９からセンサ素子１１に印加される高周波信号の周波数を、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ、６００ｋＨｚ及び８００ｋＨｚに変化させた。その他は、実施例１と同様にして掌をセンサ素子１１に近づけたときの出力電圧の変化を掌とセンサ素子１１表面との距離に対して測定した。その結果を図６に示した。その図６に示した結果から、高周波信号の周波数が８００ｋＨｚの場合には、掌をセンサ素子１１に接近させたときの出力電圧の変化が小さく、検知感度が低いが、掌の接近を検知できることが分った。また、周波数が低くなるほど出力電圧の変化が大きくなり、検知感度が高くなる傾向であったが、周波数が５０ｋＨｚになるとノイズが大きくなり、出力波形が乱れた。従って、周波数は１００〜８００ｋＨｚであることが好ましいことが分った。
（実施例３）
実施例１において、センサ素子１１としてコイル状炭素繊維１２の含有量を５質量％とした。また、高周波発振回路１９からセンサ素子１１に印加される高周波信号の周波数を２００ｋＨｚとした。そして、センサ素子１１の母材１３として、アクリル樹脂を用いた。その他は、実施例１と同様にして掌をセンサ素子１１に近づけたときの出力電圧の変化を、掌とセンサ素子１１表面との距離に対して測定した。その結果を図７に示した。その図７に示すように、アクリル樹脂の場合には、シリコーン樹脂の場合に比べて出力電圧が若干低いが、検知対象物２４の接近を十分に検知することができた。
（実施例４）
実施例１において、センサ素子１１としてコイル状炭素繊維１２の含有量を２０質量％とし、高周波発振回路１９からセンサ素子１１に印加される高周波信号の周波数を２００ｋＨｚとした。そして、検知対象物２４として、アクリル樹脂板、アルミニウム板、鉄板及びセラミックス板を用いた。その他は、実施例１と同様にして検知対象物２４をセンサ素子１１に近づけたときの出力電圧の変化を検知対象物２４とセンサ素子１１表面との距離に対して測定した。その結果を図８に示した。その図８に示すように、出力電圧の変化は、実施例１の掌が最も大きく、続いて鉄板、アルミニウム板、セラミックス板、アクリル樹脂板の順であった。この結果より、検知対象物２４としては、表面に電荷を帯びているか、又は導電性材料であることが好ましいことが分った。尚、掌はその表面に電荷を帯びているために最も感度が高くなったものと推測される。
（実施例５、接近速度の測定）
実施例４において、検知対象物２４を掌とした場合の接近速度について図９に基づき説明する。掌とセンサ素子１１表面との距離を予め９ｃｍ（９０ｍｍ、出力電圧０Ｖ）に設定し、１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で掌をセンサ素子１１に接近させたとき、８ｓｅｃで掌とセンサ素子１１との距離が１０ｍｍとなる（図９の出力波形１）。すなわち、掌の移動距離は８０ｍｍである。このとき、出力電圧は３Ｖである。この条件を設定し、例えば掌とセンサ素子１１との距離が９０ｍｍの位置から掌をセンサ素子１１に接近させたとき、出力電圧が３Ｖに達する時間が４ｓｅｃである場合（図９の出力波形２）、接近速度は２０ｍｍ／ｓｅｃ（８０／４＝２０）である。このように、検知対象物２４とセンサ素子１１との距離が９０ｍｍである位置から検知対象物２４をセンサ素子１１に接近させたとき、出力電圧が３Ｖに達する時間から接近速度を検知することができる。
（実施例６、生物と無生物との区別）
実施例４の場合において、検知対象物２４をセンサ素子１１に１ｃｍの距離まで接近させたときの出力電圧が２．５Ｖである点を基準とすることにより、生物（掌）と無生物（鉄板、アルミニウム板、セラミックス板及びアクリル樹脂板）との区別を判別することができる。すなわち、検知対象物２４とセンサ素子１１との距離が１ｃｍであるとき、出力電圧が２．５Ｖ以上（図８の二点鎖線で示す位置）であれば生物、２．５Ｖ未満であれば無生物であると判別することができる。但し、出力電圧の基準は、検知対象物２４に応じて接近センサ１０の設定条件を調整することにより、適宜変更することができる。
【００４８】
尚、前記実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。
・  前記コイル状炭素繊維１２の表面には、導電性を高めるために、金、銅等の金属薄膜を形成することができる。この場合、センサ素子１１の感度及び安定性を向上させることができる。
【００４９】
・  前記母材１３中には、コイル状炭素繊維１２以外に気相成長繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノファイバー、炭素粉末、金属粉末、誘電体粉末、圧電体粉末等を配合することもできる。
【００５０】
・  母材１３として、硬度等の異なる樹脂を混合して硬度等の物性を調製することもできる。
・  コイル状炭素繊維１２として、一重巻きのコイル状炭素繊維１２と二重巻きのコイル状炭素繊維１２を混合して使用することもできる。
【００５１】
・  前記検知対象物２４としての生体は、人間以外の犬、猫などの動物であってもよい。
さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
【００５２】
・  前記コイル状炭素繊維は、一重巻きのコイル状炭素繊維又は二重巻きのコイル状炭素繊維であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接近センサ。このように構成した場合、請求項１から請求項４のいずれかに係る発明の効果を十分に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態における接近センサの構成及び作用を説明するための概略説明図。
【図２】センサ素子の等価回路を示す説明図。
【図３】接近センサの電気回路を説明するための説明図。
【図４】検知対象物として掌を接近センサに接近させたときの検知対象物及び接近センサの距離と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図５】コイル状炭素繊維の含有量を変えたときの検知対象物及び接近センサの距離と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図６】高周波信号の周波数を変えたときの検知対象物及び接近センサの距離と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図７】母材の種類を変えたときの検知対象物及び接近センサの距離と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図８】検知対象物の種類を変えたときの検知対象物及び接近センサの距離と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図９】検知対象物の接近速度の測定を説明するための時間と出力電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５４】
１０…接近センサ、１１…センサ素子、１２…コイル状炭素繊維、１３…母材、１４…電極、１９…高周波発振回路、２２…検波回路。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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