(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの押圧により弾性変形するチューブと、
該チューブ内の気体圧の変化を検出する感圧部と、
を備え、前記感圧部での検出結果に基づき、前記チューブへの異物の接触を検知する接触センサにおいて、
前記感圧部は、
前記気体圧の変化に応じて振動し、該振動によって生じる歪みに応じた電荷を発生させる圧電材料からなる圧電素子と、
有限の入力インピーダンスを有し、前記圧電素子に生じる電荷に基づいて出力信号を発生させる出力回路と、
からなり、
前記圧電素子は、前記チューブ内の空間と共に気密に保持されたセンサ収納室に収納され、且つ、圧力変化を検知する受圧部が、前記チューブ内の空間と前記センサ収納室とを連通させる連通孔の開口部と対向するように配置され、前記チューブ内を伝搬する圧力波によって生じる気体圧の変化を検出することを特徴とする接触センサ。
【請求項２】
前記圧電素子は、音声周波数帯より低い周波数にて前記気体圧が変化した場合にのみ、該気体圧の変化に追従して変位するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の接触センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の接触を検出する接触センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、可動部分を有する機械装置による人体等の異物の挟み込みを防止するために、危険箇所への異物の接触を検出する接触センサが知られている。
この種の接触センサの一つとして、例えば実開昭６０−７１２９号公報には、柔軟性を有するチューブの内部に水等の流体を封入し、そのチューブに該チューブ内の流体圧を検知する圧力センサを設け、圧力センサの検知圧力が所定値以上に達すると検知信号を出力するように構成されたものが開示されている。
【０００３】
即ち、チューブに異物が接触してチューブが押圧されると、チューブ内の流体圧が上昇し、これが圧力センサにて検知されるのである。
このような用途に用いられる圧力センサは、一般に、圧力に応じた変位や歪みを発生ささる１次変換素子と、この変位や歪みを電気量に変換する２次変換素子との組合せで構成されるのが一般的であり、１次変換素子としては、ダイアフラム，ベローズ，ブルドン管等が用いられ、２次変換素子としては、歪みゲージ，静電容量センサ等が用いられている。
【０００４】
そして、特に近年では、これら１次変換素子及び２次変換素子を半導体にて形成してなり、小型に構成することができる半導体圧力センサが注目されている。この半導体圧力センサは、シリコン単結晶にて形成されたダイアフラムの表面の複数箇所に、拡散プロセスやイオン打ち込みプロセスを用いてピエゾ抵抗素子からなる歪みゲージを形成するものである。
【０００５】
このような歪みゲージを利用した圧力センサでは、ブリッジ接続された各歪みゲージの抵抗値が、流体圧を受けるダイアフラムの歪みに応じて変化し、この抵抗値の変化を電圧又は電流信号（以下「検出信号」という）に変換される。このため、検出信号の信号レベルは、流体圧の大きさに応じたものとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような圧力センサにより、流体が封入されたチューブ内の流体圧を検出する場合、外気温の変化等により流体が膨張すると、異物の接触がないにも関わらずチューブ内の流体圧が上昇し、これを異物が接触したものとして圧力センサが誤検出してしまう可能性がある。このため、高精度な検出を可能とするためには、温度補償用の回路を別途設ける必要があり、装置構成が複雑になってしまうという問題があった。
【０００７】
また、圧力センサの出力を微分する微分回路を設け、微分回路の出力を検出信号とすることにより、流体圧の変化のみを検出することも考えられる。しかし、この場合、例えば、人がチューブを押圧する等の比較的緩慢な流体圧の変化に対しては、検出信号として十分な信号レベルを得ることができず、このような検出信号では、信頼性の高い検出を行うことができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成にて信頼性の高い検出を行うことが可能な接触センサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の接触センサは、外部からの押圧により弾性変形するチューブと、該チューブ内の気体圧の変化を検出する感圧部とを備え、前記感圧部での検出結果に基づき、前記チューブへの異物の接触を検知する接触センサにおいて、前記感圧部は、前記気体圧の変化に応じて振動し、該振動によって生じる歪みに応じた電荷を発生させる圧電材料からなる圧電素子と、有限の入力インピーダンスを有し、前記圧電素子に生じる電荷に基づいて検出信号を発生させる出力回路とからなり、前記圧電素子は、前記チューブ内の空間と共に気密に保持されたセンサ収納室に収納され、且つ、圧力変化を検知する受圧部が、前記チューブ内の空間と前記センサ収納室とを連通させる連通孔の開口部と対向するように配置され、前記チューブ内を伝搬する圧力波によって生じる気体圧の変化を検出することを特徴とする。
【００１０】
このように構成された本発明の接触センサでは、外部からチューブを押圧すると、チューブが弾性変形し、その変形によって生じた圧力波が受圧部に伝達され、その圧力波によって生じた気体圧の変化が圧電素子（感圧部）にて検知される。従って、可動部分を有する機械装置によって異物を挟み込む可能性のある危険箇所にチューブを配置すれば、危険箇所に異物が存在するか否かを検知することができ、この検知結果に従って機械装置の安全装置を働かせることができる。
【００１１】
そして、特に本発明の接触センサでは、感圧部が、気体圧の変化に応じて振動し、該振動によって生じる歪みに応じた電荷を発生する圧電材料からなる圧電素子を用いて構成されており、この圧電素子が発生した電荷に基づいて出力回路が検出信号を発生させる。なお、気体圧が加えられた直後の圧電素子１００の等価回路は、図５（ａ）に示すように、コンデンサ１０２（静電容量Ｃ）とこのコンデンサ１０２を、気体圧Ｆに応じた電圧Ｖｏで充電する電源１０４とにより表すことができる。
【００１２】
つまり、圧電素子１００が気体圧Ｆを受けることにより発生した電荷、即ちコンデンサ１０２の充電電荷は、図５（ｂ）に示すように、圧電素子１００の持つ静電容量Ｃと、出力回路１１０の入力インピーダンスＲとにより決まる時定数１／ＣＲの割合で放電されることになる。その結果、この時定数より十分に長い間、チューブ内の気体圧が一定圧力に保持されると、検出信号の信号レベルは、静止状態を表す電圧に復帰する。
【００１３】
このため、チューブが密封されている場合、例えば、外気温の変化によりチューブ内の空気が膨張して、チューブ内の空気圧が増大したとしても、これによって、静止状態時に検出される信号レベル（以下「オフセット」という）が変化してしまうことがない。
【００１４】
従って、本発明の接触センサによれば、温度補償用の回路等を別途設ける必要がなく、簡易な構成にて信頼性の高い検出を行うことができる。
ところで、気体圧の変化は、音声の伝達によっても生じ、特にチューブが密閉されていない場合には、チューブ内にも音声に基づく気体圧の変化が伝わり易くなる。このような音声に基づく気体圧の変化を感圧部が検出してしまうと、人通りの多い場所にチューブが配置された場合、頻繁に誤検出が生じてしまうことになる。
【００１５】
そこで、圧電素子は、請求項２記載のように、音声周波数帯より低い周波数で気体圧が変化した場合にのみ、気体圧の変化に追従して変位し、検出信号を発生させるように構成されていることが望ましい。
なお、圧電素子の動作周波数帯、又は不感帯の設定は、圧電素子の大きさや厚さ、或いは圧電素子の材料を調整することにより、適宜設定することができる。但し、音声周波数帯より低い周波数帯で動作させるには、圧電素子が大きく変位し低い周波数にて共振するように、例えば、圧電素子を薄膜化する必要がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図２は、第１実施形態の外観を表す斜視図であり、図１は、その外部形状、及び内部構成を表す断面図入りの正面図である。
【００１７】
図２に示すように、本実施形態の接触センサ２は、外部からの押圧に対して柔軟に弾性変形するチューブ４を備えており、その両端には、チューブ４の開口部をそれぞれ密閉するように取り付けられた第１及び第２ケース部１０，２０が設けられている。
【００１８】
このうち、第１ケース部１０は、自身をチューブ４に固定するために、チューブ４の開口部からチューブ４内に挿入される挿入部１１と、挿入部１１をチューブ４に挿入した時にチューブ４外に保持される第１ケース部本体１２とからなる。
【００１９】
そして、挿入部１１は、その外径が先端部分でチューブ４の内径よりわずかに小さく、第１ケース部本体１２に連結された根本部分でチューブ４の内径よりわずかに大きくなるよう先端部分から根本部分に向けて除々に太くなるように形成されていると共に、先端部分と根本部分との間には、その外径がチューブ４の内径より大きな３つの凸部１１ａが設けられている。また、挿入部１１には、チューブ４内の空間と、第１ケース部本体１２内に形成される弁体収納室１４とを連通する連通孔１３が形成されている。
【００２０】
また、第１ケース部本体１２は、挿入部１１と一体に形成され、連通孔１３より内径の大きい弁体収納室１４を有する容器部１２ａと、弁体収納室１４の開口を塞ぐための蓋部１２ｂとからなり、蓋部１２ｂは容器部１２ａにネジ止めされている。
【００２１】
そして、蓋部１２ｂには、弁体収納室１４と外部とを連通する通気口１５が設けられていると共に、容器部１２ａの弁体収納室１４には、通気口１５より大径の樹脂球１６が収納されており、同じく弁体収納室１４に収納された、リング状の樹脂板１７及びバネ材１８により、樹脂球１６は通気口１５を塞ぐ方向に付勢されている。つまり、樹脂球１６，樹脂板１７，バネ材１８は、通気口１５を開閉する弁体を構成しており、通気口１５を介して外部から樹脂球１６を押圧し、バネ材１８の弾性力に抗して樹脂球１６を移動させることにより、チューブ４内の空間と外部とを連通させることができるように構成されている。また、樹脂球１６が当接する通気口１５の周囲には、閉弁時の気密性を確保するためのＯリング１９が設けられている。
【００２２】
一方、第２ケース部２０は、第１ケース部１０と同様に、自身をチューブ４に固定するためにチューブ４の開口部からチューブ４内に挿入される挿入部２１と、挿入部２１をチューブ４に挿入した時に、チューブ４外に保持される第２ケース部本体２２とからなる。
【００２３】
そして、挿入部２１は、第１ケース部の挿入部１１と同様に、その外径が先端分部でチューブ４の内径よりわずかに小さく、第２ケース部本体２２に連結された根本部分でチューブ４の内径よりわずかに大きくなるよう先端部分から根本部分に向けて除々に太くなるように形成されていると共に、先端部分と根本部分との間には、その外径がチューブ４の内径より大きな３つの凸部２１ａが設けられている。また、挿入部２１には、チューブ４内の空間と、第２ケース部本体２２内に形成されるセンサ収納室２４とを連通させる連通孔２３が形成されている。但し、連通孔２３は、センサ収納室２４側で内径が小さく絞られた形状をしている。
【００２４】
また、第２ケース部本体２２は、挿入部２１と一体に形成され、連通孔２３より内径の大きいセンサ収納室２４を有する容器部２２ａと、センサ収納室２４の開口を塞ぐための蓋部２２ｂとからなり、蓋部２２ｂは容器部２２ａにネジ止めされている。
【００２５】
センサ収納室２４は、蓋部２２ｂの取付側ほど、内径が大きくなる３段溝構造をしており、挿入部２１側の第１の溝２４ａと真ん中の第２の溝２４ｂとの段差部分に基板２５が取り付けられ、その基板２５上に、センサモジュール２６が取り付けられている。このセンサモジュール２６は、圧力変化を検知する圧電セラミクス（後述する）が位置する受圧部が、連通孔２３の開口部と対向するように配設されている。
【００２６】
蓋部２２ｂには、センサモジュール２６に接続される信号線，電源線からなるケーブルＣＢを挿通する挿通孔２７が設けられており、蓋部２２ｂの外壁には挿通孔２７の周囲にガイド部２８が突設されている。そして、挿通孔２７を挿通したケーブルＣＢとガイド部２８との間には、挿通孔２７での気密性を確保するためのゴム製のパッド２９が充填されている共に、蓋部２２ｂに面した容器部２２ａの第３の溝２４ｃには、蓋部２２ｂをネジ止めした時に、蓋部２２ｂとの間の気密性を確保するためのＯリング３０が設けられている。
【００２７】
つまり、本実施形態の接触センサ２では、チューブ４，弁体収納室１４，センサ収納室２４が気密に保持され、チューブ４の変形が、圧力波となってチューブ内を伝搬してセンサモジュール２６の受圧部に伝達されるように構成されている。ここでセンサモジュール２６は、図３に示すように、気体圧の変化に応じて振動し、その振動によって生じる歪みに応じた電荷を発生させる圧電セラミクス３２と、電荷の発生により圧電セラミクス３２の両端間に生じた電圧を増幅して出力する出力回路３３とが内蔵された圧電センサ３４を備えている。この圧電センサ３４が本発明における感圧部に相当する。
【００２８】
なお、本実施形態では、この圧電センサ３４として、０．１Ｈｚ〜５Ｈｚで変化する０．１ｍｍＨ2Ｏ 以上の微小気圧変化を検出可能な微小空気圧変化検出センサ（型番：ＡＳ１０２，住友金属鉱山株式会社）を用いており、また図３中に示した圧電センサ３４の出力回路３３は、その等価回路を表している。
【００２９】
即ち、出力回路３３は、ドレインに電源電圧が印加され、ソースを当該圧電センサ３４の出力端子とする電界効果トランジスタ３３ａと、圧電セラミクス３２が発生させた電荷に基づき、電界効果トランジスタ３３ａのゲートバイアス電圧を発生させるバイアス回路３３ｂとにより構成されており、圧電セラミクス３２が発生させた電荷（圧電セラミクス３２が受けた圧力変化）に基づくゲートバイアス電圧を増幅し、これを検出信号（以下「アナログ検出信号」という）Ａｏとして出力端子から出力するようにされている。
【００３０】
また、電界効果トランジスタ３３ａは、ゲートバイアス電圧が未印加の静止状態において導通しており、グランドラインＧＮＤに対して正電圧となるゲートバイアス電圧が印加された場合には、ドレイン−ソース間の抵抗値が低下して、ソース電流が増大し、逆に、グランドラインＧＮＤに対して負電圧となるゲートバイアス電圧が印加された場合には、ソース電流が減少する。つまり、アナログ検出信号Ａｏは、静止時の信号レベルに対して正負両方向に変化するよう設定されている。
【００３１】
但し、圧電セラミクス３２が発生させた電荷は、自身の静電容量と、バイアス回路３３ｂの入力インピーダンスとで決まる時定数に応じた割合で放電される。従って、圧電セラミクス３２に加わる圧力が一定に保持されている場合、アナログ検出信号の信号レベルは、圧力が加えられていない静止時と同じ信号レベルとなる。
【００３２】
そして、センサモジュール２６には、圧電センサ３４からのアナログ検出信号Ａｏから不要なノイズ成分を取り除くと共に、その信号レベルが静止時の信号レベルに対して所定値以上変化するとアクティブレベルとなるデジタル検出信号Ｄｏを生成する信号生成回路３５、及び信号生成回路３５の出力により駆動されるオープンコレクタ接続のトランジスタからなるドライブ回路３６が圧電センサ３４と共に内蔵されており、電源＋Ｖ，ＧＮＤの供給ライン、及びデジタル検出信号Ｄｏの出力ラインがケーブルＣＢを介して外部装置と接続されるように構成されている。
【００３３】
以上のように構成された本実施形態の接触センサ２では、チューブ４に異物が接触する等してチューブ４が変形すると、チューブ４内を伝搬する圧力波が発生して第２ケース部２０内のセンサモジュール２６に伝達される。そして、この圧力波によって生じる気体圧の変化に応じてセンサモジュール２６の圧電セラミクス３２が振動すると、その振動によって生じる歪みに応じた電荷が発生し、この電荷に基づいてアナログ検出信号Ａｏ、ひいてはデジタル検出信号Ｄｏが生成される。
【００３４】
従って、本実施形態の接触センサ２のチューブ４を、可動部分を有する機械装置によって異物を挟み込む可能性のある危険箇所に配置すれば、危険箇所に異物が存在するか否かを検知することができ、この検知結果に従って機械装置の安全装置等を働かせることができる。
【００３５】
また、本実施形態の接触センサ２では、圧電セラミクス３２に生じた電荷は、自身の静電容量とバイアス回路３３ｂの入力インピーダンスとで決まる時定数に応じた割合で放電され、同じ圧力状態が一定期間以上継続した場合に、アナログ検出信号Ａｏは、圧力が加えられていない時の静止状態のレベルに復帰し、ひいては、デジタル検出信号Ｄｏも非アクティブレベルとなる。
【００３６】
このため、密封されたチューブ４内の空気が外気温の変化等によって膨張し、チューブ４内の空気圧が変化するようなことがあったとしても、この場合の圧力変化は、上述の放電時の時定数と比較して十分に緩慢であるため、発生した電荷は直ちに放電されることになる。つまり、このような環境変化等による極めて緩慢なチューブ４内の気体圧の変化により、誤検出が引き起こされたり、アナログ検出信号Ａｏのオフセットレベルが変化して、検出感度が変化してしまうことがないわけである。
【００３７】
従って、本実施形態の接触センサ２によれば、温度補償回路等の特別な回路を設けることなく、簡易な構成にて信頼性の高い検出を行うことができる。
更に、本実施形態の接触センサ２では、圧電センサ３４として、０．１Ｈｚ〜５Ｈｚの気体圧の変化に応答するものを用いているので、音声に応答することがなく、人通りの多い場所であっても、信頼性の高い検出を行うことができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
【００３８】
図４は、第２実施形態の接触センサの外部形状、及び内部構成を表す断面図入りの正面図である。
なお、本実施形態の接触センサ２ａは、第１実施形態の接触センサ２と比較して、第２ケース部の構成が一部異なるだけであるため、同じ構成については同一符号を付して説明を省略し、構成の相異部分についてのみ説明する。
【００３９】
即ち、本実施形態の接触センサ２ａにおいて第２ケース部４０は、挿入部４１と第２ケース部本体４２とからなり、挿入部４１は、第１実施形態の挿入部２１と全く同様に構成されている。
第２ケース部本体４２は、挿入部４１と一体に形成され、連通孔４３より内径の大きいセンサ収納室４４を有する容器部４２ａと、センサ収納室４４の開口を塞ぐための蓋部４２ｂとからなり、蓋部４２ｂは容器部４２ａにネジ止めされている。
【００４０】
そして、特に本実施形態では、センサ収納室４４に、センサモジュール２６の代わりに圧電センサ３４の単体が収納されている。これに応じて、センサ収納室４４は、圧電センサ３４のみを収納できる大きさに形成されており、圧電センサ３４は、圧力変化を検知する圧電セラミクス３２が位置する受圧部が、連通孔４３の開口部と対向するように配設されていると共に、連通孔４３の周囲と圧電センサ３４との間には、気密性を確保するためのＯリング５０が設けられている。
【００４１】
蓋部４２ｂには、圧電センサ３４の電源＋Ｖ，ＧＮＤ供給用端子、及びアナログ検出信号Ａｏ出力用端子を挿通する挿通孔４７が設けられ、また、蓋部４２ｂを挟んで容器部４２ａの反対側には、蓋部４２ｂを容器部４２ａに固定するネジを用いて、基板５２が取り付けられている。
【００４２】
そして、この基板５２には、第１実施形態ではセンサモジュール２６に内蔵されていた信号生成回路３５やドライブ回路３６が搭載（図示せず）されており、挿通孔４７を挿通した圧電センサ３４の各端子は、この信号生成回路３５に接続されている。
【００４３】
このように構成された本実施形態の接触センサ２ａでは、第１実施形態におけるセンサモジュール２６部分の構成が、分割して配置されているだけであるため、第１実施形態の接触センサ２と同様の作用効果を得ることができる。
特に、本実施形態の接触センサ２ａでは、第１実施形態の接触センサ２と比較して、第２ケース部４０がより小さく構成されているため、よりスペースの狭い箇所にも設置することができる。
【００４４】
なお、基板５２上には、信号生成回路３５やドライブ回路３６だけでなく、検出信号Ａｏ，Ｄｏに従って警報等を発生させる報知装置を搭載してもよい。
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施することができる。
【００４５】
例えば、上記実施形態では、チューブ４を密封しているが、圧電センサ３４の感度が十分に高い場合、チューブ４への接触によりチューブ４内を圧力波が伝搬しさえすれば、これを圧電センサ３４にて検知できるため、このような場合には、チューブ４を密封することなく、外部と連通したままにしてもよい。この場合、装置構成をより簡易なものとすることができる。但し、外部との連通部分から風等が入り込まないよう設置場所に注意する必要がある。
【００４６】
また、上記実施形態では、圧電素子を構成する圧電材料として圧電セラミクスを用いているが、例えば、高分子圧電材料やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）単結晶を用いたもの等、セラミクス以外からなる圧電材料を用いてもよい。特に高分子圧電材料としては、高分子自体が圧電性を有する高分子系や、高分子と強誘電性セラミクスを複合化することにより圧電性を付与した複合系等があり、いずれを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施形態の接触センサの外部形状、及び内部構成を表す断面図入りの正面図である。
【図２】  第１実施形態の接触センサの外観を表す斜視図である。
【図３】  センサモジュールの内部構成を表す回路図である。
【図４】  第２実施形態の接触センサの外部形状、及び内部構成を表す断面図入りの正面図である。
【図５】  圧電素子，その出力回路についての等価回路、及びその動作を表す説明図である。
【符号の説明】
２，２ａ…接触センサ      ４…チューブ      １０…第１ケース部
１１，２１，４１…挿入部            １１ａ，２１ａ…凸部
１２…第１ケース部本体      １２ａ，２２ａ，４２ａ…容器部
１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ…蓋部      １３，２３，４３…連通孔
１４…弁体収納室    １５…通気口    １６…樹脂球    １７…樹脂板
１８…バネ材    １９，３０，５０…Ｏリング    ２０，４０…第２ケース部
２２，４２…第２ケース部本体        ２４，４４…センサ収納室
２５，５２…基板    ２６…センサモジュール    ２７，４７…挿通孔
２８…ガイド部      ２９…パッド          ３２…圧電セラミクス
３３…出力回路    ３３ａ…電界効果トランジスタ    ３３ｂ…バイアス回路
３４…圧電センサ    ３５…信号生成回路    ３６…ドライブ回路
【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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