JP3623572B2

JP3623572B2 - 対人センサ

Info

Publication number: JP3623572B2
Application number: JP34263695A
Authority: JP
Inventors: 務中尾
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JPH09178410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人体の近接、接触を検出する対人センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、感圧センサを用いて、例えば、着座を検出したり、自動式扉による挟まれを防止したり、さらにはロボット等の機械を非常停止させたりすることが行われている。このような感圧センサとして、例えば、実開昭６２−５４３８号公報には、加圧導電性ゴムを一対の平編線電極でサンドイッチした構造の感圧素子を用いるものが開示されている。この感圧センサにおいては、外力によって感圧素子の加圧導電性ゴムが変形すると、一対の平編線電極間の抵抗値が変化するので、その抵抗値の変化に基づいて外力が作用したのを検知するようにしている。
【０００３】
また、例えば、特開昭６２−３７４３４号公報には、発振回路の出力端に、人体が着座することによって静電容量が変化するように容量素子を接続し、この容量素子を経た発振出力と基準値との比較に基づいて人体の着座を検出するようにした、静電容量式センサが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した感圧センサにあっては、外力によって感圧素子の加圧導電性ゴムが変形して、初めて外力が作用したことを検出できるので、例えば、人体の着座においては、十分な荷重が加わらない場合に検出が不十分となる場合がある。また、自動扉の挟まれ防止においては、挟まれて初めて感圧センサが検出するため、初期の目的を十分に達成できない場合がある。同様に、ロボット等の機械の非常停止においても、衝突して初めて感圧センサが検出するため、初期の目的を十分に達成できない場合がある。
【０００５】
また、上述した静電容量式センサにあっては、被検出体として、金属のような導体だけでなく、誘電体をも無接触で検出できると共に、被検出体を、その透明度、色、汚れ、表面の粗さ等に影響されることなく検出できる利点はあるものの、抵抗や容量素子を用いて回路を構成するため、周囲温度や周囲金属の接地状態の影響を受け易いという問題がある。
【０００６】
この発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、静電容量式センサの利点を生かし、その問題点を解決して、人体の近接、接触を迅速、かつ確実に検出できるよう適切に構成した信頼性の高い対人センサを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の対人センサは、
一対の可撓性導電部材およびこれら可撓性導電部材間に設けた加圧導電性ゴムを具える感圧素子と、該感圧素子に並列に接続されたスイッチング素子とを有し、前記感圧素子の抵抗値の変化に基づく端子間電圧の変化に基づいて前記スイッチング素子をオン・オフさせて外圧の有無を検出する感圧センサと、
所定の発振周波数を出力する発振回路と、該発振回路に結合され、前記感圧素子の少なくとも一方の可撓性導電部材を一方の電極とし、大地側を他方の電極とした容量素子を有する共振回路とを有し、前記容量素子の静電容量の変化に基づく前記共振回路の出力に基づいて人体の近接、接触を検出する静電容量式センサと、
前記感圧センサおよび静電容量式センサの論理和の検出信号を出力する出力手段とを具えることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の好適実施形態においては、
前記感圧センサは、前記スイッチング素子としてリレーを有し、
前記静電容量式センサは、前記発振回路を結合した一次側コイルおよび前記共振回路を結合した二次側コイルを有する結合トランスと、前記共振回路の出力と基準値とを比較する比較回路とを有し、
前記出力手段は、スイッチングトランジスタおよび前記リレーのリレー接点を有し、前記スイッチングトランジスタのベースを前記比較回路の出力端に結合し、前記リレー接点を前記スイッチングトランジスタのバイアス通路に接続したことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の対人センサの一実施形態の回路図である。この対人センサは、人体による外圧の有無を検出する感圧センサ１と、人体の近接、接触を静電容量の変化に基づいて検出する静電容量式センサ２と、これら感圧センサ１および静電容量式センサ２の論理和の検出信号を出力する出力手段３とを有する。
【００１０】
感圧センサ１は、並列に接続した感圧素子１１およびスイッチング素子であるリレー１２を有し、その並列回路の一端をチョークコイル１３ａおよび抵抗１４を経て、電圧Ｖｃｃ１の直流電源正端子に接続し、他端をチョークコイル１３ｂを経て接地、すなわち直流電源負端子に接続する。感圧素子１１は、図２に示すように、外圧による変形よって抵抗値が変化する加圧導電性ゴム１５を、一対の平編線電極１６ａ，１６ｂでサンドイッチし、全体をシリコンゴム１７でモールドしたものを用いる。図１では、加圧導電性ゴム１５を可変抵抗で示し、平編線電極１６ａ，１６ｂを端子の形状で示している。なお、抵抗１４の抵抗値は、加圧導電性ゴム１５が変形していない状態で、リレー１２が附勢（オン）状態を維持し、加圧導電性ゴム１５が外力により変形して、その抵抗値が小さくなったときに、リレー１２が滅勢（オフ）するように設定する。
【００１１】
静電容量式センサ２は、結合トランス２１、発振回路２２、共振回路２３、整流回路２４および比較回路２５を有する。発振回路２２は、結合トランス２１の一次側コイル２１ａを誘導素子として用いるＬＣ発振回路をもって構成する。この発振回路２２には、２個のＮＰＮトランジスタ３１および３２を設け、一方のトランジスタ３１のコレクタを、抵抗３３を経て電圧Ｖｃｃ２の直流電源正端子に接続し、エミッタをコンデンサ３４および抵抗３５の並列回路を経て接地する。トランジスタ３１，３２のベースは、共通に接続して抵抗３６を経て直流電源正端子（Ｖｃｃ２）に接続する。また、トランジスタ３２のコレクタはオープンとし、エミッタは結合トランス２１の一次側コイル２１ａを経て接地すると共に、コンデンサ３７を経てトランジスタ３１のエミッタに接続する。このようにして、コンデンサ３７の両端の電位を、ほぼ同電位とするＬＣ発振回路を構成する。なお、この実施例では、この発振回路２２における発振周波数ｆを、室温２０℃で約５００ＫＨｚとする。
【００１２】
共振回路２３は、結合トランス２１の二次側コイル２１ｂ、コンデンサ４１および検出用容量素子としての可変コンデンサ４２を有する。可変コンデンサ４２は、人体の近接、接触によって静電容量が変化するように、感圧素子１１の少なくとも一方の平編線電極、この実施形態では平編線電極１６ｂを一方の電極とし、大地側を他方の電極として構成する。二次側コイル２１ｂおよびコンデンサ４１は、並列に接続して、それらの一端を接地し、他端を可変コンデンサ４２の一方の電極である感圧素子１１の平編線電極１６ｂに接続する。この実施形態では、感圧素子１１を有する部分および可変コンデンサ４２を構成する部分を含めてセンサ部４とし、このセンサ部４に、人体が近づいたり、感圧素子１１に人体が接触しない状態で、共振回路２３の共振周波数が、発振回路２２の発振周波数よりも若干高くなるように、回路定数を設定する。
【００１３】
共振回路２３の出力、すなわち結合トランス２１の二次側コイル２１ｂ、コンデンサ４１および可変コンデンサ４２の一方の電極である平編線電極１６ｂの接続点の出力は、結合コンデンサ４３を経て整流回路２４に供給する。整流回路２４には、ダイオード４４ａ，４４ｂからなる倍電圧回路、およびコンデンサ４５、抵抗４６を有するローパスフィルタを設け、この整流回路２４の出力を比較回路２５に供給する。
【００１４】
比較回路２５は、ＯＰアンプ４７、抵抗４８および可変抵抗４９を有し、ＯＰアンプ４７の非反転入力端子に、整流回路２４の出力を印加し、ＯＰアンプ４７の反転入力端子に、直流電圧Ｖｃｃ３を抵抗４８および可変抵抗４９で分圧した基準電圧を印加する。なお、基準電圧は、センサ部４に、人体が近づいたり、感圧素子１１に人体が接触しない状態で、ＯＰアンプ４７の非反転入力端子に印加される電圧よりも若干高く、かつ、センサ部４に、人体が近づいたり、感圧素子１１に人体が接触したときに、ＯＰアンプ４７の非反転入力端子に印加される電圧よりも低くなるように設定する。このＯＰアンプ４７の出力は、逆流阻止用ダイオード５１を経て出力手段３に供給する。
【００１５】
出力手段１３は、ＮＰＮ型のスイッチングトランジスタ５２、コレクタ抵抗５３、ベース抵抗５４および感圧センサ１に設けたリレー１２のリレー接点１２ａを有し、スイッチングトランジスタ５２のコレクタを出力端子５５に接続すると共に、コレクタ抵抗５３を経て電圧Ｖｃｃ４の直流電源正端子に接続し、エミッタを接地し、ベースをベース抵抗５４を経て逆流阻止用ダイオード５１のアノード端子に接続する。また、リレー接点１２ａは、ベース抵抗５４および逆流阻止用ダイオード５１の接続点と直流電源正端子（Ｖｃｃ４）との間に接続する。なお、このリレー接点１２ａは、リレー１２の滅勢下において、オン状態にあるノーマリークローズ接点を用いる。
【００１６】
この実施形態では、電圧Ｖｃｃ１を２４ボルト、電圧Ｖｃｃ２、Ｖｃｃ３およびＶｃｃ４を５ボルトとするが、各電圧は任意に設定でき、全てを同一電圧とすることもできる。
【００１７】
次に、図１に示す対人センサの動作について説明する。
センサ部４に人体が近接あるいは接触していない状態では、感圧素子１１の加圧導電性ゴム１５の抵抗値は、高い値となっているので、リレー１２は附勢状態にあり、リレー接点１２ａはオープンとなっている。また、この状態では、共振回路２３の共振周波数は、発振回路２２の発振周波数よりも若干高くなっているので、ＯＰアンプ４７の出力はローレベルとなっている。したがって、スイッチングトランジスタ５２は、オフ状態にあり、出力端子５５からハイレベルの信号が出力される。
【００１８】
上記の状態から、センサ部４に人体が近づくと、先ず、共振回路２３の可変コンデンサ４２の容量が大きくなり、共振回路２３の共振周波数は発振回路２２の発振周波数に近づくように低くなるので、共振回路２３の出力は大きくなる。これにより、ＯＰアンプ４７の出力は、ローレベルからハイレベルに切り替わり、スイッチングトランジスタ５２がオン状態となって、出力端子５５からローレベルの信号が出力される。
【００１９】
また、センサ部４に人体が近づき、さらに人体によって感圧素子１１が押圧されると、その変形によって加圧導電性ゴム１５の抵抗値が低下して、リレー１２との並列回路の端子間電圧が低下し、リレー１２を流れる電流が減少する。これにより、リレー１２は滅勢されて、リレー接点１２ａがオンとなり、このリレー接点１２ａを経てスイッチングトランジスタ５２にバイアス電圧が印加される。したがって、周囲温度の変化等により、センサ部４に人体が近づいたにもかかわらず、ＯＰアンプ４７の出力がハイレベルにならない場合でも、感圧素子１１が押圧されることによって、スイッチングトランジスタ５２がオン状態となり、出力端子５５からローレベルの信号が出力されるので、センサ部４への人体の接触等を検知することができる。
【００２０】
このように、この実施形態によれば、センサ部４に人体が近づいたことを、静電容量式センサ２において可変コンデンサ４２の静電容量の変化に基づいて検出し、さらにセンサ部４の感圧素子１１が人体によって押圧されたことを、感圧センサ１において感圧素子１１の抵抗変化に基づいて検出するようにして、出力手段３から感圧センサ１および静電容量式センサ２の論理和の検出信号を出力するようにしたので、人体の近接、接触を迅速、かつ確実に検出することができる。したがって、例えば、自動車のパワーウインドウ制御回路に適用する場合には、窓ガラスが上昇して接触押圧する窓枠部分に、感圧素子１１を設けることによって、窓ガラスの上昇中に、窓枠と窓ガラスとの間に、手や頭が挿入されたときに、可変コンデンサ４２の静電容量変化による出力端子５５の出力に基づいて、窓ガラスの上昇を停止することができ、また、何らかの原因で、静電容量による検出ができなかった場合でも、窓枠部分の感圧素子１１が押圧されることによるその抵抗変化に基づく出力端子５５の出力により、窓ガラスの上昇を停止することができる。
【００２１】
なお、この発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、発振回路２２および共振回路２３を、それぞれ結合トランス２１の一次側コイル２１ａおよび二次側コイル２１ｂを用いて構成したが、これら発振回路２２および共振回路２３は、結合トランス２１と分離して設けて、発振回路２２の出力を結合トランス２１の一次側コイル２１ａに供給し、その二次側コイル２１ｂの出力を共振回路２３に供給するよう構成することもできる。また、発振回路２２の構成も、図１に示すものに限らず、公知のＬＣ発振回路やその他の発振回路を用いることもできる。
【００２２】
また、図１では、感圧素子１１にスイッチング素子としてリレー１２を並列に接続し、このリレー１２を感圧素子１１の抵抗変化に基づいて附勢・滅勢させて、感圧素子１１の変形、すなわち人体による押圧を検出するようにしたが、リレー以外のスイッチング素子、例えば、発光ダイオードおよびフォトトランジスタを有するフォトカプラを用い、感圧素子１１の抵抗変化に基づいて、発光ダイオードを点灯・消灯させることにより、フォトトランジスタの導通・非導通から感圧素子１１の変形を検出するよう構成することもできる。さらに、出力手段３については、バイポーラＩＣやＭＯＳＩＣを用いて構成することもできるし、その出力端子５５から出力する信号についても、センサ部４への人体の近接等により、ハイレベルの信号を出力するよう構成することもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、感圧素子を有する感圧センサにより、外圧の有無を検出するようにすると共に、前記感圧素子を構成する少なくとも一方の可撓性導電部材を一方の電極とし、大地側を他方の電極とした容量素子を有する静電容量式センサにより、人体の近接、接触を検出するようにして、これら感圧センサおよび静電容量式センサの論理和の検出信号を出力させるようにしたので、静電容量式センサの利点を生かしながら、人体の近接、接触を迅速、かつ確実に検出できる信頼性の高い対人センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示す感圧素子の一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１感圧センサ
２静電容量式センサ
３出力手段
４センサ部
１１感圧素子
１２リレー
１２ａリレー接点
１５加圧導電性ゴム
１６ａ，１６ｂ平編線電極
２１結合トランス
２２発振回路
２３共振回路
２４整流回路
２５比較回路
４２可変コンデンサ
５２スイッチングトランジスタ
５５出力端子

Claims

一対の可撓性導電部材およびこれら可撓性導電部材間に設けた加圧導電性ゴムを具える感圧素子と、該感圧素子に並列に接続されたスイッチング素子とを有し、前記感圧素子の抵抗値の変化に基づく端子間電圧の変化に基づいて前記スイッチング素子をオン・オフさせて外圧の有無を検出する感圧センサと、
所定の発振周波数を出力する発振回路と、該発振回路に結合され、前記感圧素子の少なくとも一方の可撓性導電部材を一方の電極とし、大地側を他方の電極とした容量素子を有する共振回路とを有し、前記容量素子の静電容量の変化に基づく前記共振回路の出力に基づいて人体の近接、接触を検出する静電容量式センサと、
前記感圧センサおよび静電容量式センサの論理和の検出信号を出力する出力手段とを具えることを特徴とする対人センサ。
請求項１記載の対人センサにおいて、
前記感圧センサは、前記スイッチング素子としてリレーを有し、
前記静電容量式センサは、前記発振回路を結合した一次側コイルおよび前記共振回路を結合した二次側コイルを有する結合トランスと、前記共振回路の出力と基準値とを比較する比較回路とを有し、
前記出力手段は、スイッチングトランジスタおよび前記リレーのリレー接点を有し、前記スイッチングトランジスタのベースを前記比較回路の出力端に結合し、前記リレー接点を前記スイッチングトランジスタのバイアス通路に接続したことを特徴とする対人センサ。