JP2007051930A - 電荷変化型センサの信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の圧電センサの信号処理装置は、励起片（圧電体）を振動させる駆動信号を発生するための駆動回路が必要であり、構成が複雑である上、励起片（圧電体）を振動させるための駆動電流が必要となり、装置全体の消費電流が増加する課題があった。
【解決手段】第１のコンデンサ３により圧電センサ１に生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプ４に入力され、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧の直流成分はオペアンプ４に入力されないので、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧に基づき圧電センサ１の電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で圧電センサの断線や短絡といった異常を判定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電荷変化型センサの信号処理装置に関し、特に、チャージアンプを使用した電荷変化型センサの信号処理装置における電荷変化型センサの異常検出に係る。

圧電センサからの出力信号を導出する方式として、電圧増幅型アンプ（以下、チャージアンプという）を使用すると、圧電センサの静電容量Ｃｓと圧電センサに並列接続する抵抗Ｒとで形成されるカットオフ周波数ｆｃ（＝１／（２π・Ｃｓ・Ｒ））のハイパスフィルタにより、低周波数域での信号減衰が起こる。そのため、低周波数域での信号減衰を避けるために、チャージアンプを使用することが知られている。

そして、チャージアンプを使用した圧電センサの信号処理装置における圧電センサの断線検出を行う構成として、例えば、ともに圧電体からなる励起片と検出片とをを備えたヨーレートセンサに駆動回路から駆動信号を印加して前記励起片を振動させ、その振動を前記検出片により検出し、前記検出片からの出力信号をチャージアンプに入力する構成（例えば、特許文献１を参照）がある。この構成により、例えば、ヨーレートセンサからチャージアンプへの信号ラインが断線すると、前記振動に対応した信号がチャージアンプから出力されないことに基づき断線を検出する。
特開２０００−１４６５９４号公報

ところが、上記した従来の圧電センサの信号処理装置は、励起片（圧電体）を振動させる駆動信号を発生するための駆動回路が必要であり、構成が複雑である上、励起片（圧電体）を振動させるための駆動電流が必要となり、装置全体の消費電流が増加するといった課題があった。

上記従来の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、チャージアンプを使用した電荷変化型センサの信号処理装置において、シンプルで消費電流の少ない電荷変化型センサの異常を検出する信号処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電荷変化型センサの信号処理装置は、複数の電極を有する電荷変化型センサと、前記電荷変化型センサの一方の電極に第１のコンデンサを介して接続した反転入力端子と前記電荷変化型センサの他方の電極に少なくとも一つを接続した非反転入力端子または基準電位とを有し、前記反転入力端子と出力端子との間に第２のコンデンサを接続したオペアンプと、前記電荷変化型センサの電極間に接続された第１の抵抗体と、所定の電圧源と前記第１の抵抗体との間に接続された第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの電極の異常を判定する異常判定手段を備えたものである。

そして、前記第１のコンデンサにより電荷変化型センサに生じる電荷変化の交流成分のみが前記オペアンプに入力され、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧の直流成分は前記オペアンプに入力されないので、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの前記電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で圧電センサの断線や短絡といった異常を判定することができる。

本発明の電荷変化型センサの信号処理装置は、第１のコンデンサにより電荷変化型センサに生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプに入力され、第１の抵抗体と第２の抵抗体との間の電圧の直流成分は前記オペアンプに入力されないので、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で電荷変化型センサの異常を判定することができる。

第１の発明における電荷変化型センサの信号処理装置は、複数の電極を有する電荷変化型センサと、前記電荷変化型センサの一方の電極に第１のコンデンサを介して接続した反転入力端子と前記電荷変化型センサの他方の電極に少なくとも一つを接続した非反転入力端子または基準電位とを有し、前記反転入力端子と出力端子との間に第２のコンデンサを接続したオペアンプと、前記電荷変化型センサの電極間に接続された第１の抵抗体と、所定の電圧源と前記第１の抵抗体との間に接続された第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの電極の異常を判定する異常判定手段を備えたものである。

そして、前記第１のコンデンサにより前記圧電センサに生じる電荷変化の交流成分のみが前記オペアンプに入力され、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧の直流成分は前記オペアンプに入力されないので、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記圧電センサの前記電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で圧電センサの断線や短絡といった異常を判定することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、電荷変化型センサを圧電センサで構成し、前記圧電センサは、第１のコンデンサを介して反転入力端子に接続される中心電極と、前記中心電極の周囲に形成される圧電体と、前記圧電体の周囲に形成され、非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続される外側電極とを同軸ケーブル状に成型するとともに、オペアンプとの接続側とは反対側の先端部において前記中心電極と前記外側電極との間に第１の抵抗体を接続したものである。

そして、ケーブル状の圧電センサの先端部における電極間に第１の抵抗体を接続することにより、チャージアンプを使用した構成において、圧電センサの断線や短絡といった異常を判定することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、電荷変化型センサを圧電センサで構成し、前記圧電センサは、第１のコンデンサを介して反転入力端子に接続される中心電極と、前記中心電極の周囲に形成される圧電体と、前記圧電体の周囲に形成され、非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続される外側電極とを同軸ケーブル状に成型するとともに、オペアンプとの接続側とは反対側の先端部において前記中心電極と接続されて前記オペアンプへの接続側へ延出される第１のリターン電極と、前記先端部において前記外側電極と接続されて前記オペアンプとの接続側へ延出される第２のリターン電極とを備え、前記オペアンプへの接続側端部において前記第１のリターン電極と前記第２のリターン電極との間に第１の抵抗体を接続したものである。

そして、第１のリターン電極と第２のリターン電極とを設け、オペアンプへの接続側端部において前記第１のリターン電極と前記第２のリターン電極との間に第１の抵抗体を接続することにより、圧電センサの断線や短絡といった異常を判定でき、第２の発明のよう
に圧電センサの先端部の電極間に第１の抵抗体を接続する必要かなく、より、シンプルな構成が可能となる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明において、圧電センサは同軸ケーブルとの接続部を備え、前記同軸ケーブルを介してオペアンプと接続されたもので、例えば、圧電センサを製品に実装する際に、不必要な振動ノイズの影響を受ける領域があっても、その領域に同軸ケーブルを配設して振動ノイズによるノイズ信号が発生しない構成が可能となり、製品に実装する際のレイアウトの自由度が向上する。また、圧電センサのみならず、同軸ケーブルの断線や短絡も検出できるので、信頼性が向上する。

第５の発明は、特に第２または第３の発明において、圧電体に分極領域と非分極領域とを形成したもので、例えば、圧電センサを製品に実装する際に、不必要な振動ノイズの影響を受ける領域があっても、その領域に圧電センサの非分極領域を配設して振動ノイズによるノイズ信号が発生しない構成が可能となり、第４の発明のような同軸ケーブルを用いなくても製品に実装する際のレイアウトの自由度が向上する。

第６の発明は、特に第１〜第５のいずれか１つの発明において、オペアンプと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサと、第２の抵抗体と、異常判定手段との少なくとも一つを備えた信号処理基板部と、前記信号処理基板部を電気的にシールドするシールド手段とを備えたもので、シールド手段により電気的なノイズの影響を低減できるので、信頼性が向上する。

第７の発明は、複数の電極を備えた電荷変化型センサの一方の電極に第１のコンデンサを介してオペアンプの反転入力端子を接続し、前記電荷変化型センサの他方の電極を前記オペアンプの非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続し、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に第２のコンデンサを接続するとともに、前記電荷変化型センサの電極間に第１の抵抗体を接続し、所定の電圧源と前記第１の抵抗体との間に第２の抵抗体を接続し、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電極の異常を判定する電荷変化型センサの信号処理方法である。

そして、前記第１のコンデンサにより電荷変化型センサに生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプに入力され、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧の直流成分は前記オペアンプに入力されないので、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの前記電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない電荷変化型センサの信号処理方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、本実施の形態の説明において、同一構成並びに作用効果を奏するところには同一符号を付して重複した説明を行わないものとする。

（実施の形態１）
本発明の電荷変化型センサの信号処理装置における第１の実施の形態を図１から図５を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における電荷変化型センサとして圧電センサを使用した信号処理装置のブロック図、図２は、図１のＡＡ線における圧電センサ１の断面図である。電荷変化型センサとしての圧電センサ１は可撓性を有したケーブル状のもので、図２に示すように、中心電極１ａと、中心電極１ａの周囲に形成された圧電体１ｂと、圧電体
１ｂの周囲に形成された外側電極１ｃと、被覆層１ｄを同軸ケーブル状に成型したものである。圧電センサ１の先端部１ｅにおいて、中心電極１ａと外側電極１ｃとの間には第１の抵抗体２が接続されている。

中心電極１ａは、通常の金属単線導線を用いてもよいが、ここでは絶縁性高分子繊維の周囲に金属コイルを巻いた電極を用いている。絶縁性高分子繊維と金属コイルとしては、電気毛布において商業的に用いられているポリエステル繊維と銀を５wt％含む銅合金がそれぞれ好ましい。

圧電体１ｂは、ポリエチレン系樹脂と圧電セラミック（ここでは、チタン酸ジルコン酸鉛）粉末とを混錬したもので、中心電極１ａとともに連続的に押し出されて可撓性のある圧電体１ｂを形成する。なお、圧電セラミックとしては、環境面への配慮から非鉛系の材料、例えば、チタン酸ビスマスナトリウム系やニオブ酸アルカリ系の圧電セラミック材料を用いることが好ましい。

そして、中心電極１ａの周囲に圧電体１ｂを押し出し加工した後、中心電極１ａと圧電体１ｂの表面に接触させた擬似電極との間に数ｋＶの直流電圧を印加して圧電体１ｂの分極を行う。これにより圧電体１ｂが圧電効果を備える。外側電極１ｃは、高分子層の上に金属膜の接着された帯状電極を用い、これを圧電体１ｂの周囲に巻きつけるようにして構成する。

高分子層としてはポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）を用い、この上にアルミニウム膜を接着した電極は、１２０℃で高い熱的安定性を有するとともに商業的にも量産されているので、外側電極１ｃとして好ましい。なお、外部環境の電気的雑音からシールドするために、外側電極１ｃは部分的に重なるようにして圧電体１ｂの周囲に巻きつけることが好ましい。被覆層１ｄは、信頼性面で塩化ビニールを使用するのがよいが、環境面への配慮から熱可塑性エラストマー等の非塩ビ系材料を用いることが好ましい。

図３は、圧電センサ１の先端部１ｅの近傍の断面図である。図中、第１の抵抗体２はリード部２ａ、２ｂを備え、リード部２ａは先端をヘアピン状に折り返して、同様に先端がヘアピン状に折り返された中心電極１ａとＢ点で係合され、ハンダ付けされている。リード部２ｂの一部、第１の抵抗体２、Ｂ点の近傍、及び、圧電体１ｂの一部は、熱収縮チューブ等の絶縁体１ｆで覆われている。

また、リード部２ｂの一部、絶縁体１ｆの全体、及び、外側電極１ｃの一部は編組スリーブや金属テープ等の導電体１ｇにより覆われており、Ｃ点においてリード部２ｂの先端と導電体１ｇがハンダ付けされ、Ｄ点において外側電極１ｃと導電体１ｇがハンダ付けされている。

さらに、導電体１ｇの全体と被覆層１ｄの一部が熱収縮チューブ１ｈで覆われている。この場合、熱収縮チューブ１ｈの内面側には被覆層１ｄと接着可能なホットメルト等からなる接着層が形成されていて、熱加工により熱収縮チューブ１ｈと被覆層１ｄとの隙間が接着剤により密封される。また、熱収縮チューブ１ｈの他端（Ｃ点側）も熱加工により熱収縮チューブ１ｈの開口部が収縮するとともに接着剤が溶出して開口部を密封する。

図１において、中心電極１ａは第１のコンデンサ３を介してオペアンプ４の反転入力端子に接続されている。外側電極１ｃは、オペアンプ４の非反転入力端子とバイアス電圧源としての基準電位５に接続されている。オペアンプ４の反転入力端子と出力端子との間には、第２のコンデンサ６が接続されている。また、所定の電圧源Ｖｓと第１の抵抗体２との間には、第２の抵抗体７が接続されている。

第２のコンデンサ６には並列に、オペアンプ４の出力ドリフトや飽和を防止するために、第３の抵抗体８が接続されている。さらに、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧Ｖｄに基づき、中心電極１ａと外側電極１ｃの断線や短絡といった異常を判定する異常判定手段９が備えられるとともに、オペアンプ４の出力Ｖｏに基づき、圧電センサ１に直接的または間接的に物体が接触したり、振動が印加されたことを判定する判定手段１０を備えている。

オペアンプ４と第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ６と第２の抵抗体７と第３の抵抗体８と異常判定手段９と判定手段１０は、同一基板からなる信号処理基板部１１に配設されている。信号処理基板部１１は、金属ケースからなるシールド手段１２に内蔵されて電気的にシールドされており、信号処理基板部１１のグランドと金属ケースとは少なくとも一箇所で導通している。シールド手段１２は、圧電センサ１の一端部を覆って結合している。

なお、本実施の形態ではオペアンプ４は実用性から単電源タイプのものを使用しているが、必要に応じて両電源タイプのものを使用してもよい。

次に上記構成の作用について説明する。圧電センサ１に直接的または間接的に物体が接触したり、振動が印加されると、圧電センサ１が変形し、変形の加速度に応じた電荷が発生する。発生した電荷の変化は、第１のコンデンサ３を介してオペアンプ４の反転入力端子に入力される。

この際、第１のコンデンサ３により圧電センサ１に生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプ４に入力され、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧Ｖｄの直流成分はオペアンプ４に入力されないので、オペアンプ４の出力Ｖｏが基準電位Ｖｂに張り付いたり、飽和したりすることがない。そして、オペアンプ４はチャージアンプを形成しているので、発生電荷をＱ、第２のコンデンサ８の静電容量をＣｆとすると、出力ＶｏはＱ／Ｃｆとなる。

図４は、図１における圧電センサの信号処理装置の出力Ｖｏと判定手段１０の判定信号Ｊ１を示す特性図である。図中、縦軸は上から順に出力Ｖｏ、判定信号Ｊ１、横軸は時刻ｔである。例えば、時刻ｔ１近傍で圧電センサ１の一部を屈曲させると、圧電センサ１からは圧電効果により圧電センサ１の屈曲変形の加速度に応じた信号が出力され、出力Ｖｏには図４に示すように基準電位Ｖｂに対して正方向に変化する信号が得られる。

そして、時刻ｔ２近傍で圧電センサ１の屈曲変形を元に戻すと、基準電位Ｖｂに対して負方向に変化する信号が得られる。判定手段１０では、出力Ｖｏの基準電位Ｖｂからの振幅｜Ｖｏ−Ｖｂ｜がＤｏ以上ならば圧電センサ１に所定の強度以上の変形が印加されたとして判定信号Ｊ１をＨｉにする。

次に、圧電センサ１の中心電極１ａまたは外側電極１ｃが断線したり、中心電極１ａと外側電極１ｃとが短絡した場合について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は中心電極１ａまたは外側電極１ｃが断線した場合の第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧Ｖｄと異常判定手段９の判定信号Ｊ２を示す特性図で、図５（ｂ）は中心電極１ａと外側電極１ｃが短絡した場合の電圧Ｖｄと異常判定手段９の判定信号Ｊ２を示す特性図である。なお、双方の図中、縦軸は上から順に電圧Ｖｄ、判定信号Ｊ２、横軸は時刻ｔである。

図５（ａ）において、中心電極１ａまたは外側電極１ｃが正常の場合は、Ｖｄは電圧源Ｖｓと基準電位Ｖｂとの間で第１の抵抗体２と第２の抵抗体７により形成される分圧電圧
Ｖａとなるが、中心電極１ａまたは外側電極１ｃが時刻ｔ３近傍で断線すると、ＶｄはＶａからＶｓに変化する。

また、図５（ｂ）において、中心電極１ａと外側電極１ｃが時刻ｔ４近傍で短絡すると、電圧ＶｄはＶａからＶｂに変化する。そして、異常判定手段９では、電圧ＶｄのＶａからの振幅｜Ｖｄ−Ｖａ｜がＤ１以上ならば圧電センサ１に断線や短絡といった異常が発生したとして判定信号Ｊ２をＨｉにする。

このように電圧Ｖｄに基づき圧電センサ１に断線や短絡といった異常を検出できるので、従来のような、圧電体を振動させる駆動信号を発生するための駆動回路は不要であり、圧電体を振動させるための駆動電流も必要がなくなる。

上記作用により、第１のコンデンサ３により圧電センサ１に生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプ４に入力され、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧の直流成分はオペアンプ４に入力されないので、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧に基づき圧電センサ１の電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で圧電センサの断線や短絡といった異常を判定することができる。

また、従来、信号処理にチャージアンプを使用したケーブル状の圧電センサに関する断線や短絡といった異常を判定する構成例はほとんど見当たらないが、本実施の形態では、ケーブル状の圧電センサ１の先端部１ｅの電極間に第１の抵抗体２を接続することにより、チャージアンプを使用した構成において、ケーブル状の圧電センサ１の断線や短絡といった異常を判定することができる。

また、オペアンプ４と、第１のコンデンサ３と、第２のコンデンサ６と、第２の抵抗体７と、異常判定手段９、判定手段１０を備えた信号処理基板部１１が金属ケースからなるシールド手段１２に内蔵されて電気的にシールドされているので、電気的なノイズの影響を低減でき、信頼性が向上する。

なお、本実施の形態では信号処理基板部１１にオペアンプ４と、第１のコンデンサ３と、第２のコンデンサ６と、第２の抵抗体７と、異常判定手段９、判定手段１０の全ての部品を設けているが、少なくとも一つを設けてもよいものである。

（実施の形態２）
本発明の電荷変化型センサの信号処理装置における第２の実施の形態を、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態における電荷変化型センサとして使用した圧電センサの信号処理装置のブロック図である。本実施の形態では、図１〜図５に示す第１の実施の形態とは、圧電センサ１の外側電極１ｃが基準電位としてのグランドに接続され、オペアンプ４の非反転入力端子は所定のバイアス電圧Ｖｂに接続されている点で相違し、それ以外の同じ作用効果を奏する構成には第１の実施の形態と同一符号を付し、異なるところを中心に説明する。

上記構成により、実施の形態１と同様に第１のコンデンサ３により圧電センサ１に生じる電荷変化の交流成分のみがオペアンプ４に入力され、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧の直流成分はオペアンプ４に入力されないので、第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧に基づき圧電センサ１の電極の断線や短絡といった異常を判定することが可能となり、シンプルで消費電流の少ない構成で圧電センサ１の断線や短絡といった異常を判定することができる。

また、外側電極１ｃが基準電位としてのグランドに接続されているので、圧電センサ１の断線や短絡が発生したときの電圧Ｖｄのダイナミックレンジが実施の形態１より広くとれるので、異常判定手段９での異常判定の信頼性が向上する。

（実施の形態３）
本発明の電荷変化型センサの信号処理装置における第３の実施の形態を、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は、本発明の第３の実施の形態における電荷変化型センサとして使用した圧電センサの信号処理装置のブロック図で、図７（ｂ）は圧電センサの概略断面図である。

本実施の形態では、第１の実施の形態１及び第２の実施の形態と相違する点は、圧電センサ１が、オペアンプ４との接続側とは反対側の先端部１ｅにおいて中心電極１ａと接続されてオペアンプ４への接続側へ延出される第１のリターン電極１ｉと、先端部１ｅにおいて外側電極１ｃと接続されてオペアンプ４との接続側へ延出される第２のリターン電極１ｊとを備え、オペアンプ４への接続側端部（信号処理基板部１１上）において第１のリターン電極１ｉと第２のリターン電極１ｊとの間に第１の抵抗体２を接続した点にあり、それ以外の同じ作用効果を奏する構成には第１の実施の形態１及び第２の実施の形態と同一符号を付し、異なるところを中心に説明する。

なお、第１のリターン電極１ｉは外側電極１ｃに近接して圧電体１ｂに、また第２のリターン電極１ｊは外側電極１ｃの外側または内側（本実施の形態では前記外側）に近接して設けている。そして、第１のリターン電極１ｉと第２のリターン電極１ｊは、上記した圧電センサ１の製造時に同時に上記した位置に入れて形成するものである。

上記構成により、第１のリターン電極１ｉと第２のリターン電極１ｊにより信号処理基板部１１上に第１の抵抗体２を配設することができるので、第１及び第２の実施の形態の圧電センサ１のように先端部１ｅに第１の抵抗体２を接続して、絶縁、シールドするような複雑な構成をとらずに済む上、先端部１ｅの外径をより小さくできるので、圧電センサ４の配設の自由度がより向上する。

なお、図７（ａ）では本実施の形態を、図１に示す信号処理基板１に接続した例で示しているが、図６に示す信号処理基板部１１に接続しても本実施の形態と同等の作用効果を期待できるものである。

（実施の形態４）
本発明の電荷変化型センサの信号処理装置における第４の実施の形態を、図８を参照して説明する。図８は本発明の第４の実施の形態における電荷変化型センサとして使用した圧電センサの信号処理装置のブロック図である。本実施の形態では、第１〜第３の実施の形態と相違する点は、圧電センサ１が同軸ケーブル２０との接続部２１を備え、同軸ケーブル２０を介してオペアンプ４と接続された点にあり、それ以外の同じ作用効果を奏する構成には第１〜第３の実施の形態と同一符号を付し、異なるところを中心に説明する。

上記構成により、例えば、圧電センサ１を製品に実装する際に、前記の製品において不必要な振動ノイズの影響を受ける領域があっても、その領域に同軸ケーブル２０を配設して振動ノイズによるノイズ信号が発生しない構成にすることが可能になり、製品に実装する際のレイアウトの自由度が向上する。また、圧電センサ１のみならず、同軸ケーブル２０や接続部２１で断線や短絡が生じてもＶｄの変化に基づき異常判定手段９で断線や短絡を判定できるので、信頼性が向上する。

なお、図８では本実施の形態を、図１に示す信号処理基板１に接続した例で示している
が、図６及び図７に示すそれぞれの信号処理基板部１１に接続しても本実施の形態と同等の作用効果を期待できるものである。

（実施の形態５）
本発明の電荷変化型センサの信号処理装置における第５の実施の形態を、図９を参照して説明する。

図９は、本発明の第５の実施の形態における電荷変化型センサとして使用した圧電センサの信号処理装置のブロック図である。本実施の形態では、第１〜第４の実施の形態と相違する点は、圧電センサ１の圧電体１ｂに分極領域３１と非分極領域３２とを形成した点にあり、それ以外の同じ作用効果を奏する構成には第１〜第４の実施の形態と同一符号を付し、異なるところを中心に説明する。

上記構成において、圧電センサ１の中心電極１ａである圧電体１ｂに分極領域３１と非分極領域３２の形成方法としては、中心電極１ａの周囲に圧電体１ｂを押し出し加工した後、中心電極１ａと圧電体１ｂの表面に接触させた擬似電極との間に数ｋＶの直流電圧を印加して圧電体１ｂの分極を行う際に、擬似電極を圧電体１ｂの表面に接触させない領域をつくることにより実現できる。

この際、分極領域３１と非分極領域３２との境界部３０にマーカーとして磁性塗料を塗布したり、磁気テープを巻いておく。磁気は、アルミニウム膜を有した帯状電極も透過するので、圧電体１ｂの周囲に第１の実施の形態で述べたアルミニウム膜を有した帯状電極を巻きつけて外側電極１ｃを形成し、さらに、外側電極１ｃの上から被覆層１ｄを形成しても、磁気センサで被覆層１ｄの上からマーカーの位置を特定することができ、前記の特定した被覆層１ｄの位置に境界部３０のマーカーをつけておけば実用的である。なお、被覆層１ｄ上から所定の振動を、位置をずらしながら印加して、その時のＶｏの振幅が大きく変化する点を境界部とする特定方法を用いてもよい。

上記構成により、圧電センサ１を製品に実装する際に、前記の製品において不必要な振動ノイズの影響を受ける領域があっても、その領域に圧電センサ１の非分極領域３２を配設して振動ノイズによるノイズ信号が発生しない構成にすることが可能となり、第４の実施の形態のような同軸ケーブルを用いなくても、製品に実装する際のレイアウトの自由度が向上する。

なお、図９では本実施の形態を、図１に示す信号処理基板ぶ１１に接続した例で示しているが、図６及び図７に示すそれぞれの信号処理基板部１１に接続しても本実施の形態と同等の作用効果を期待できるものである。

なお、上記各実施の形態では圧電センサを対象にしているが、本発明を静電容量式や摩擦電気方式等の、電荷変化型のセンサに対して適用してもよい。

以上のように、本発明にかかる電荷変化型センサの信号処理装置は、チャージアンプを使用した電荷変化型センサの信号処理装置において、シンプルで消費電流の少ない構成で電荷変化型センサの異常を検出する信号処理装置を提供できるので、例えば電荷変化型センサとしての圧電センサを応用した様々なデバイスや装置、システムに応用可能である。特に、ケーブル状圧電センサを使用する応用の際に、圧電センサの全長が比較的短い場合は、チャージアンプを使用すると、圧電センサの静電容量Ｃｓと圧電センサに並列接続する抵抗Ｒとで形成されるカットオフ周波数ｆｃ（＝１／（２π・Ｃｓ・Ｒ））のハイパスフィルタにより、低周波数域での信号減衰が起こるので、チャージアンプを使用するメリ
ットがある。そして、特に信頼性が要求される応用では、圧電センサの断線や短絡といった異常判定が求められるので、本発明の適用が可能となる。例えば、自動車のパワースライドドアやパワーハッチバックでの挟み込み検知や、防犯用の侵入センサ等への応用や、スイッチとしての応用、ベッドでの心拍や呼吸に同期した微小体動検知等への応用が可能となる。

本発明の実施の形態１における電荷変化型センサの信号処理装置のブロック図 図１のＡＡ線における圧電センサ１の断面図 本発明の実施の形態１における圧電センサ１の先端部１ｅ近傍の断面図 本発明の実施の形態１における圧電センサの信号処理装置のオペアンプ４の出力Ｖｏと判定手段１０の判定信号Ｊ１を示す特性図 （ａ）本発明の実施の形態１における電荷変化型センサの信号処理装置の圧電センサ１の中心電極１ａまたは外側電極１ｃが断線した場合の第１の抵抗体２と第２の抵抗体７との間の電圧Ｖｄと異常判定手段９の判定信号Ｊ２を示す特性図（ｂ）同じく圧電センサ１の中心電極１ａと外側電極１ｃが短絡した場合の電圧Ｖｄと異常判定手段９の判定信号Ｊ２を示す特性図 本発明の第２の実施の形態における電荷変化型センサの信号処理装置のブロック図 （ａ）本発明の第３の実施の形態における電荷変化型センサの信号処理装置のブロック図（ｂ）電荷変化型センサとしての圧電センサの概略断面図 本発明の第４の実施の形態における電荷変化型センサの信号処理装置のブロック図 本発明の第５の実施の形態における電荷変化型センサの信号処理装置のブロック図

符号の説明

１ 圧電センサ（電荷変化型センサ）
１ａ 中心電極
１ｂ 圧電体
１ｃ 外側電極
１ｅ 先端部
１ｉ 第１のリターン電極
１ｊ 第２のリターン電極
２ 第１の抵抗体
３ 第１のコンデンサ
４ オペアンプ
６ 第２のコンデンサ
７ 第２の抵抗体
９ 異常判定手段
１１ 信号処理基板部
２０ 同軸ケーブル
２１ 接続部
３１ 分極領域
３２ 非分極領域

Claims (7)

1. 複数の電極を有する電荷変化型センサと、前記電荷変化型センサの一方の電極に第１のコンデンサを介して接続した反転入力端子と前記電荷変化型センサの他方の電極に少なくとも一つを接続した非反転入力端子または基準電位とを有し、前記反転入力端子と出力端子との間に第２のコンデンサを接続したオペアンプと、前記電荷変化型センサの電極間に接続された第１の抵抗体と、所定の電圧源と前記第１の抵抗体との間に接続された第２の抵抗体と、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電荷変化型センサの電極の異常を判定する異常判定手段を備えた電荷変化型センサの信号処理装置。
2. 電荷変化型センサを圧電センサで構成し、前記圧電センサは第１のコンデンサを介して反転入力端子に接続される中心電極と、前記中心電極の周囲に形成される圧電体と、前記圧電体の周囲に形成され、非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続される外側電極とを同軸ケーブル状に成型されるとともに、オペアンプとの接続側とは反対側の先端部において前記中心電極と前記外側電極との間に第１の抵抗体を接続した請求項１記載の電荷変化型センサの信号処理装置。
3. 電荷変化型センサを圧電センサで構成し、前記圧電センサは第１のコンデンサを介して反転入力端子に接続される中心電極と、前記中心電極の周囲に形成される圧電体と、前記圧電体の周囲に形成され、非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続される外側電極とを同軸ケーブル状に成型するとともに、オペアンプとの接続側とは反対側の先端部において前記中心電極と接続されて前記オペアンプへの接続側へ延出される第１のリターン電極と、前記先端部において前記外側電極と接続されて前記オペアンプとの接続側へ延出される第２のリターン電極とを備え、前記オペアンプへの接続側端部において前記第１のリターン電極と前記第２のリターン電極との間に第１の抵抗体を接続した請求項１記載の電荷変化型センサの信号処理装置。
4. 圧電センサは同軸ケーブルとの接続部を備え、前記同軸ケーブルを介してオペアンプと接続された請求項２または３記載の電荷変化型センサの信号処理装置。
5. 圧電体に分極領域と非分極領域とを形成した請求項２または３記載の電荷変化型センサの信号処理装置。
6. オペアンプと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサと、第２の抵抗体と、異常判定手段との少なくとも一つを備えた信号処理基板部と、前記信号処理基板部を電気的にシールドするシールド手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１項記載の電荷変化型センサの信号処理装置。
7. 複数の電極を備えた電荷変化型センサの一方の電極を第１のコンデンサを介してオペアンプの反転入力端子に接続し、前記電荷変化型センサの他方の電極を前記オペアンプの非反転入力端子または基準電位の少なくとも一つに接続し、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子との間に第２のコンデンサを接続するとともに、前記電荷変化型センサの電極間に第１の抵抗体を接続し、所定の電圧源と前記第１の抵抗体との間に第２の抵抗体を接続し、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体との間の電圧に基づき前記電極の異常を判定する電荷変化型センサの信号処理方法。

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