JP4587317B2 - Proximity sensor and proximity / contact sensor - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to an approach sensor and an approach / contact sensor that can detect that a part of an object such as a human body has approached.

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。   In recent years, there has been a demand for a technique that equips a surgical instrument or the like with a proximity sensor, detects that the surgical instrument has approached the human body, and prevents the surgical instrument from contacting the human body. As such a proximity sensor, for example, a proximity sensor having a detection plate made of a pair of electrodes and detecting the approach of a human body as a change in capacitance of the detection plate is known (see, for example, Patent Document 1). That is, the proximity sensor detects the phase difference between the oscillation circuit that generates the measurement signal of the predetermined frequency, the VSWR bridge circuit connected to the oscillation circuit, and the output signal of the bridge circuit and the measurement signal from the oscillation circuit. A phase comparison circuit and control means for determining whether or not a human body is approaching based on the output of the phase comparison circuit are provided.

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。
特開2001−203565号公報(第2頁及び第3頁) 特開2004−150869号公報(第2頁及び第4頁)
As another proximity sensor, a sensor composed of a capacitive proximity sensor section and a conductor whose thickness and surface resistance are set in a predetermined range is known (for example, see Patent Document 2). In this proximity sensor, the detection range can be expanded without increasing the area of the sensor unit by setting the area ratio of the conductor and the capacitive proximity sensor unit to 2 or more.
JP 2001-203565 A (second page and third page) JP 2004-150869 A (pages 2 and 4)

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。   However, the conventional proximity sensors described in Patent Documents 1 and 2 have a capacitance (capacitance) generated between the detection object and the detection plate or the capacitive proximity sensor unit as the detection object approaches. ) Is detected by a detection plate or a capacitive proximity sensor. As described above, when detecting based only on the change in capacitance, there is a problem that the change in capacitance becomes minute and the detection sensitivity becomes low when the approach speed of the detection target is slow. . In addition, if the change in capacitance becomes small, it becomes difficult to detect the change in capacitance due to noise or the like, and it becomes impossible to detect in a stable state. Furthermore, the conventional proximity sensor cannot perform quantitative detection such as the approach speed, and has a problem that the type of the detection target cannot be distinguished.

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。   The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art. The purpose is to detect the approach of the detection object with high detection sensitivity and in a stable state, as well as quantitative detection of the approach speed and the type of the detection object. It is an object of the present invention to provide a proximity sensor and a proximity / contact sensor that can distinguish between the two.

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。   In order to achieve the above object, the proximity sensor according to claim 1 has an inductance (L) component, a capacitance (C) component, and a resistance (R) component based on a coil shape, and serves as an LCR resonance circuit. A functional coiled carbon fiber is dispersed in a base material to form a sensor element, and a pair of electrodes electrically connected to the sensor element are provided, a high-frequency oscillation circuit is connected between both electrodes, and A detection circuit for detecting a signal that changes based on the LCR resonance circuit is connected.

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。   The proximity sensor according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect of the invention, the content of the coiled carbon fiber in the base material is 1 to 20% by mass. .

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。   A proximity sensor according to a third aspect of the present invention is the proximity sensor according to the first or second aspect, wherein the frequency of the high-frequency signal by the high-frequency oscillation circuit is 100 to 800 kHz.

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。
A proximity sensor according to a fourth aspect of the present invention is the proximity sensor according to any one of the first to third aspects, wherein the base material is an elastic polymer.
A proximity sensor according to a fifth aspect of the present invention is the proximity sensor according to any one of the first to fourth aspects, wherein the detection target is a living body and is used to detect the approach of the living body. It is a feature.

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。   According to a sixth aspect of the present invention, in the proximity / contact sensor according to any one of the first to fifth aspects, when the detection object contacts the sensor element of the proximity sensor, the detection circuit is coiled carbon. It is configured to detect a signal that changes based on the LCR resonance circuit of the fiber.

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。
According to the present invention, the following effects can be exhibited.
In the proximity sensor according to the first aspect of the present invention, the sensor element is configured by dispersing the coiled carbon fiber in the base material. The coiled carbon fiber has an inductance (L) component, a capacitance (C) component, and a resistance (R) component based on the coil shape, and functions as an LCR resonance circuit. A pair of electrodes are electrically connected to the sensor element, a high-frequency oscillation circuit is connected between the electrodes, and a detection circuit that detects a signal that changes based on the LCR resonance circuit is connected. For this reason, when the detection object approaches the proximity sensor, the impedance changes based on changes in the inductance (L) component, capacitance (C) component, and resistance (R) component of the coiled carbon fiber, and the detection circuit Changes based on impedance can be detected. Therefore, compared with the case where it detects based only on the conventional capacitance, the detection sensitivity can be detected in a stable state with respect to the approach of the detection object.

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。   Furthermore, it is possible to quantitatively detect the approach speed by the continuous change of the output signal based on the continuous change of the impedance due to the approach of the detection target to the sensor element, and to distinguish the type of the detection target Can do.

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。   In the proximity sensor of the invention according to claim 2, since the content of the coiled carbon fiber in the base material is set to 1 to 20% by mass, the effect of the invention according to claim 1 is sufficiently exhibited. be able to.

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。   In the proximity sensor according to the third aspect of the invention, since the frequency of the high-frequency signal by the high-frequency oscillation circuit is 100 to 800 kHz, the effect of the invention according to the first or second aspect can be effectively exhibited.

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。   In the proximity sensor of the invention according to claim 4, since the base material is a polymer having elasticity, in addition to the effect of the invention according to any one of claims 1 to 3, the object to be detected is the proximity sensor. It functions as a contact sensor when it touches, and damage to the detection object or the proximity sensor can be suppressed.

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。   In the proximity sensor according to the fifth aspect of the invention, the detection target is a living body, and is used for detecting the approach of the living body. For this reason, in addition to the effect of the invention according to any one of claims 1 to 4, the detection sensitivity can be increased by the charge on the surface of the living body, and the approach of the living body can be accurately detected.

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。   In the proximity / contact sensor according to claim 6, when a detection target object contacts the sensor element of the proximity sensor, the detection circuit detects a signal that changes based on the LCR resonance circuit of the coiled carbon fiber. It is configured as follows. For this reason, the proximity / contact sensor can obtain an effect as a proximity sensor when the detection object approaches the sensor element, and can obtain an effect as a contact sensor when the detection object contacts the sensor element. .

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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments that are considered to be the best of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the sensor element 11 constituting the proximity sensor 10 is formed by dispersing a coiled carbon fiber 12 in a base material 13 having a plate shape, and a pair of electrodes 14 is formed on the bottom surface of the sensor element 11. Are electrically connected. The pair of electrodes 14 is formed of a copper plate or the like, and a detection circuit 16 is connected between the electrodes 14 via a first connection line 15. A display device 18 such as an oscilloscope for displaying on the screen the waveform of the output signal detected by the detection circuit 16 is connected to the detection circuit 16 via the second connection line 17. The electrical connection means that a current passed from the electrode 14 to the base material 13 flows from the electrode 14 through the base material 13 to the coiled carbon fiber 12 or between the coiled carbon fibers 12. To do.

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。   An equivalent circuit of the sensor element 11 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the coiled carbon fiber 12 is based on its coil shape (spiral shape), and has an intrinsic inductance (L) component, capacitance (C) component, and resistance (R) component (hereinafter referred to as electromagnetic characteristics). , L component, C component, R component, or collectively referred to as LCR component). Furthermore, a number of coiled carbon fibers 12 are connected via a C component by the base material 13. For this reason, the coiled carbon fiber 12 forms an LCR resonance circuit based on the LCR component and forms a complex resonance circuit with the base material 13 including a large number of coiled carbon fibers 12.

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。   Next, the electrical circuit of the proximity sensor 10 will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the detection circuit 16 includes a high-frequency oscillation circuit (AC circuit) 19 that applies a high-frequency signal to the sensor element 11, an amplification circuit 20 that amplifies an output signal from the sensor element 11, and an amplification circuit 20. And a detection circuit 22 and an output circuit 23 to which a signal from the high-frequency oscillation circuit 19 via the phase adjustment circuit 21 is input. The detection circuit 22 obtains an output signal by comparing the signal from the amplifier circuit 20 with the signal from the high-frequency oscillation circuit 19.

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。   The sensor element 11 has a specific impedance, and the detection object 24 also has a specific impedance. Since a high frequency signal having a predetermined frequency is applied to the sensor element 11 from the high frequency oscillation circuit 19, an alternating electric field is generated in the vicinity of the sensor element 11. Since the sensor element 11 has a capacitance (C) component between the sensor element 11 and the detection target object 24 in addition to the capacitance (C) component of the sensor element 11, the detection target object 24 has the sensor element 11. When both are close to each other, both the capacitance (C) components fluctuate as a whole. The overall impedance from the detection object 24 to the sensor element 11 changes due to such overall fluctuation. When the detection object 24 comes into contact with the sensor element 11, the entire resistance (R) component of the sensor element 11 and the detection object 24 changes, and the change reaches the sensor element 11 from the detection object 24. The overall impedance changes.

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。   Then, the amount of change in the overall impedance changes the voltage and phase of the high-frequency signal applied to the sensor element 11, and the amount of change is amplified by the amplifier circuit 20 and input to the detection circuit 22. By detecting together with the high-frequency signal input to the detection circuit 22 via the phase adjustment circuit 21, a continuous change in impedance due to the approach of the detection object 24 is detected. The obtained detection signal is sent to the output circuit 23 and is output from the output circuit 23 as, for example, a voltage. For example, as shown in FIG. 4, when the palm as the detection object 24 approaches the proximity sensor 10, the output voltage (V) increases as the distance (cm) between the palm and the proximity sensor 10 decreases, and the detection is performed. Sensitivity increases proportionally. Thus, the output signal shows a change inherent to the detection object 24.

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。   Therefore, by detecting in advance a unique change in the output signal for each detection object 24, it is possible to quantitatively detect the approach speed, distance, and the like of the detection object 24 with respect to the sensor element 11. Furthermore, by detecting in advance a unique change in the output signal for various detection objects 24, the types of detection objects 24 can be distinguished and recognized. For example, as the detection object 24, it is possible to distinguish between living things and inanimate objects, between metals and ceramics, and between metals and resins.

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。   Next, when the detection object 24 comes into contact with the sensor element 11 of the proximity sensor 10, the detection circuit 22 detects a signal that changes based on the LCR resonance circuit of the coiled carbon fiber 12 or the composite resonance circuit. The proximity sensor 10 functions as an proximity / contact sensor. In this case, a mechanical external force is applied to the sensor element 11, and the impedance based on the change in the LCR component of the coiled carbon fiber 12 or the change in the C component due to the change between the coiled carbon fibers 12 changes. The change amount is detected by the detection circuit 22.

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。   The base material 13 is a dispersion medium of the coiled carbon fiber 12 and has a capacitance (C) component as electromagnetic characteristics, and an elastic resin (an elastic polymer), a hard resin, or the like is used. Specifically, a silicone resin, a urethane resin, an epoxy resin, a copolymer resin of styrene and a thermoplastic elastomer, or the like is used as the base material 13. Examples of the silicone resin include trade names manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., KE103 (JIS A hardness 18), KE106 (JIS A hardness 50), KE1202 (JIS A hardness 65), and the like. Examples of the copolymer resin of styrene and thermoplastic elastomer include Kuraray's trade name, Septon resin # 4033 (JIS A hardness 76), # 8104 (JIS A hardness 98), and the like. As a urethane resin, trade name of Nippon Polyurethane Co., Ltd., Coronate 4387 and the like can be mentioned.

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。   The hardness of the base material 13 is also related to the sensitivity of the proximity sensor 10, but when a silicone resin or the like having excellent elasticity is used as the base material 13, the capacitance can be increased, and the sensor element 11 Sensitivity can be increased. On the other hand, when a hard silicone resin, urethane resin, septon resin, or the like is used, the capacitance is slightly reduced, so that the sensitivity of the sensor element 11 is lowered, but a wide detection range can be detected. Thus, since the base material 13 has a C component and functions as a capacitor, the capacitance of the capacitor can be increased together with the C component of the coiled carbon fiber 12. For this reason, the adjustment range of the capacitance in the LCR resonance circuit can be widened.

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。   Next, since the coiled carbon fiber 12 has a coil shape, a high-frequency signal flowing through the coiled carbon fiber 12 changes, and as described above, a resonant circuit using the L component, the C component, and the R component. Further, a large number of coiled carbon fibers 12 form a composite resonance circuit in the base material 13, and the impedance of the entire sensor element 11 changes. For this reason, the approach of the detection object 24 can be detected by the detection circuit 22 based on the amount of change in impedance. Here, the inductance (L) component is an induction coefficient, that is, a self-induction coefficient or a mutual induction coefficient, and is one of electromagnetic induction characteristics. The capacitance (C) component is a capacitance and represents a ratio of electric charge to electric potential (voltage) and is one of electromagnetic induction characteristics. The resistance (R) component is an electric resistance and is one of electromagnetic induction characteristics.

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。   As the coiled carbon fiber 12, a single coiled carbon fiber 12, a double coiled carbon fiber 12, a superelastic coil, or a mixture thereof is used. The single-winding coiled carbon fiber 12 is formed such that a coil made of a fiber having a constant wire diameter extends in a spiral manner with a single winding at a constant pitch (interval). The single-winding coiled carbon fiber 12 has, for example, a wire diameter of 0.1 to 1 μm, a coil diameter of 0.01 to 50 μm, a coil pitch of 0.01 to 10 μm, and a coil length of 0.1 to 0.1 μm. It is comprised so that it may be set to 10 mm. From the viewpoint of ease of manufacture and the like, the diameter of the coil is preferably 0.1 to 10 μm, and the pitch is preferably 0.1 to 10 μm.

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。   On the other hand, in the case of the double-wound coiled carbon fiber 12, the two coils extend in a spiral shape in close contact with each other, and thus have a substantially cylindrical shape as a whole, with a cavity formed at the center. . The double-winding coiled carbon fiber 12 is configured so that, for example, the wire diameter is 0.1 to 1 μm, the diameter is 0.01 to 50 μm, the pitch is approximately 0, and the length is 0.1 to 10 mm. .

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。   A superelastic coil is a coil having a large coil diameter and a small wire diameter, and having a higher elasticity. Specifically, the superelastic coil is configured such that the coil diameter is 5 to 50 μm, the coil pitch is 0.1 to 10 μm, and the coil length is 0.3 to 5 mm. The winding direction of the coiled carbon fiber 12 may be either clockwise (right-handed) or counterclockwise (left-handed) around the coil axis.

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。   The coiled carbon fiber 12 may be randomly oriented in the base material 13, but by aligning in a certain direction using an electric field or a magnetic field, the function of the LCR circuit can be highly expressed in that direction. The directivity which can be given can be given. The coiled carbon fiber 12 may be composed of amorphous carbon fiber, but preferably has a graphite layer crystallized by subjecting the amorphous carbon fiber to heat treatment. In this case, the coiled carbon fiber 12 is resonated because the carbon particles forming the carbon fiber are regularly arranged in the graphite layer, so that the fluctuation of electric resistance that occurs when exposed to a fluctuating electromagnetic field becomes significant. The characteristic becomes remarkable. Therefore, the detection accuracy of the sensor element is improved and the sensitivity is improved.

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。   The content of the coiled carbon fiber 12 is preferably 1 to 20% by mass in the base material 13. When the content is less than 1% by mass, the ratio of the coiled carbon fiber 12 in the base material 13 is small, and the sensitivity of the proximity sensor 10 based on the coiled carbon fiber 12 is lowered. On the other hand, when the content exceeds 20% by mass, the ratio of the coiled carbon fiber 12 in the base material 13 becomes too large and becomes hard, the sensitivity of the sensor element 11 is lowered, and the moldability is also deteriorated. Show the trend.

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。
As a method of dispersing the coiled carbon fiber 12 in the base material 13, the following method is employed.
(1) A method in which the coiled carbon fiber 12 is added to the base material 13 and stirred and dispersed uniformly, then defoamed, poured into a mold, and then press-molded. This method is suitable when a silicone resin is used as the base material 13.
(2) After adding a plasticizer to the pellets of the base material 13, the mixture is heated and melted, and the coiled carbon fiber 12 is added thereto, stirred and dispersed uniformly, then poured into a mold, pressurized, and cooled. How to solidify.
(3) A method in which the base material 13 is heated and melted, the coiled carbon fiber 12 is added thereto, and the mixture is stirred and dispersed uniformly, then poured into a mold, pressurized, cooled and solidified.

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。   The frequency of the high-frequency signal generated by the high-frequency oscillation circuit 19 can be used as long as it is in the range of 50 kHz to 1 MHz, but is preferably 100 to 800 kHz from the viewpoint of the sensitivity and stability of the sensor element 11. When this frequency is less than 50 kHz, the generation of noise increases and the detection stability is lacking. On the other hand, when the frequency exceeds 1 MHz, the output signal becomes weak and the sensitivity is lowered, which is not preferable.

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。   The detection object 24 of the proximity sensor 10 may be a living body such as the palm, or any metal, ceramics, resin, and the like. Among these, since the living body has a charge on its surface, the function of the LCR resonance circuit of the coiled carbon fiber 12 is enhanced when the living body approaches the sensor element 11, and the detection sensitivity of the proximity sensor 10 is increased. improves. Examples of the living body (or a part of the living body) include an arm, a face, and a leg in addition to the palm.

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。   Now, the operation of the present embodiment will be described. A high frequency signal is applied from the high frequency oscillation circuit 19 to the sensor element 11 of the proximity sensor 10, and in this state, the detection object 24 such as a part of the human body is detected by the sensor element 11. To approach. For this reason, the distance between the detection object 24 and the sensor element 11 each having a unique impedance becomes shorter as the detection object 24 approaches. At this time, each coiled carbon fiber 12 in the sensor element 11 has a unique L component, C component, and R component to form an LCR resonance circuit, and at the same time, many coiled carbon fibers 12 are in the base material 13. Since the composite resonance circuit is formed, the impedance of the entire sensor element 11 is changed by the resonance circuit.

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。   The impedance change of the sensor element 11 changes the high frequency signal (voltage, phase, etc.), the amount of change is amplified by the amplifier circuit 20, and the amplified signal is input to the detection circuit 22. Since the high-frequency signal input to the sensor element 11 is input to the detection circuit 22, the amplified signal is detected based on the high-frequency signal, and the obtained detection signal is sent to the output circuit. The output signal output from the output circuit 23 is displayed as a predetermined waveform on the screen of an oscilloscope as the display device 18 and can be visually recognized.

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。   Furthermore, when the approach speed and distance of the detection target 24 with respect to the sensor element 11 are changed by detecting in advance an output waveform (curve shape) due to a specific change of the output signal for the specific detection target 24 In addition, the approach speed and distance can be measured based on the output waveform. In addition, by detecting changes in the output waveform specific to various detection objects 24, for example, living things (palms) and inanimate objects (iron plates), either living things (palms) or inanimate objects (iron plates) can be detected. When approaching the sensor element 11, it is possible to distinguish and recognize which of the detection objects 24 is based on the unique output waveform.

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。
The effects exhibited by the above embodiment will be described collectively below.
In the proximity sensor 10 of the embodiment, the sensor element 11 is configured by dispersing the coiled carbon fiber 12 in the base material 13. The coiled carbon fiber 12 has an L component, a C component, and an R component based on the coil shape and functions as an LCR resonance circuit and functions as a composite resonance circuit with the base material 13. A pair of electrodes 14 are electrically connected to the sensor element 11, and a high-frequency oscillation circuit 19 and a detection circuit 22 are connected between the electrodes 14.

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。   For this reason, when the detection object 24 approaches the sensor element 11 to which the high frequency signal is applied, the impedance of the sensor element 11 is changed by the action of the LCR resonance circuit and the composite resonance circuit, and the change of the high frequency signal due to the impedance change is changed. It can be detected by the detection circuit 22. Therefore, compared with the case where the detection is based only on the capacitance component as in the case of the conventional proximity sensor, the detection sensitivity of the approach of the detection object 24 is high and can be detected in a stable state.

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。   Furthermore, it is possible to perform quantitative detection such as the approach speed based on the continuous change in impedance due to the approach of the detection target 24 to the sensor element 11, and to distinguish the type of the detection target 24. Therefore, the proximity sensor 10 can be preferably used in fields such as medical devices such as surgical devices and robots.

・ 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。
-By setting the content of the coiled carbon fiber 12 in the base material 13 to 1 to 20% by mass, the effect of the proximity sensor 10 can be sufficiently exhibited.
The effect of the proximity sensor 10 can be effectively exhibited by setting the frequency of the high frequency signal by the high frequency oscillation circuit 19 in the range of 100 to 800 kHz.

・ 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。   By using an elastic polymer such as an elastic silicone resin as the base material 13, the proximity sensor 10 can be used as the proximity / contact sensor when the detection object 24 comes into contact with the proximity sensor 10. At the same time, damage to the detection object 24 or the proximity sensor 10 can be suppressed.

・ 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。
When the detection object 24 is a living body, the detection sensitivity can be increased by the charge on the surface of the living body, and the approach of the living body can be detected with high accuracy.
In the proximity / contact sensor, when the detection object 24 contacts the sensor element 11 of the proximity sensor 10, the detection circuit 22 detects a signal that changes based on the LCR resonance circuit of the coiled carbon fiber 12. It is configured. For this reason, the proximity / contact sensor can obtain the effect as the proximity sensor 10 when the detection object 24 approaches the sensor element 11, and the effect as the contact sensor when the detection object 24 contacts the sensor element 11. Can be obtained.

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。
Hereinafter, the embodiment will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
A pair of electrodes 14 was attached to the bottom surface of the sensor element 11 having a flat plate shape of 95 mm in length, 95 mm in width, and 2 mm in thickness. As the elastic resin constituting the sensor element 11, a silicone resin (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., KE103, JIS A hardness is 18) was used. The coiled carbon fiber 12 was a double-wound one having a wire diameter of 0.5 to 1 μm, a coil diameter of 5 to 10 μm, a coil pitch of 0, and a coil length of 150 to 300 μm. Four types of sensor elements 11 were prepared so that the content of the coiled carbon fiber 12 in the sensor element 11 would be 1% by mass, 5% by mass, 10% by mass, and 20% by mass. In FIG. 5, the content of the coiled carbon fiber 12 is simply expressed as 1%, 5%, 10% and 20%, respectively.

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。   A copper electrode was used for the pair of electrodes 14. A detection circuit 16 having a high-frequency oscillation circuit 19 and a detection circuit 22 is connected to both electrodes 14 by a first connection line 15, and a digital oscilloscope is connected to the detection circuit 16 as a display device 18 by a second connection line 17. . A high frequency signal of 200 kHz was applied to the sensor element 11 from the high frequency oscillation circuit 19. In this way, the proximity sensor 10 was configured.

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。
Then, a person's palm is placed as an object to be detected 24 cm above the sensor element 11, and the change in the output voltage when the palm is brought close to the sensor element 11 is the distance (cm) between the palm and the sensor element 11 surface. Was measured. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, the output voltage (V) tended to increase as the content of the coiled carbon fiber 12 in the sensor element 11 increased, but the content of the coiled carbon fiber 12 was 10 mass. %, The output voltage was highest, that is, the sensitivity was highest. Furthermore, even after the palm touched the sensor element 11, it showed a predetermined voltage, and it became clear that it also functions as an approach / contact sensor.
(Example 2)
In Example 1, the content of the coiled carbon fiber 12 as the sensor element 11 was 20 mass%. And the frequency of the high frequency signal applied to the sensor element 11 from the high frequency oscillation circuit 19 was changed to 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 400 kHz, 600 kHz and 800 kHz. Otherwise, the change in output voltage when the palm was brought close to the sensor element 11 was measured in the same manner as in Example 1 with respect to the distance between the palm and the surface of the sensor element 11. The results are shown in FIG. From the results shown in FIG. 6, when the frequency of the high-frequency signal is 800 kHz, the change in the output voltage when the palm is brought close to the sensor element 11 is small and the detection sensitivity is low, but the approach of the palm can be detected. I found out. Further, the lower the frequency, the larger the change in output voltage and the higher the detection sensitivity. However, when the frequency reached 50 kHz, the noise increased and the output waveform was disturbed. Therefore, it was found that the frequency is preferably 100 to 800 kHz.
(Example 3)
In Example 1, the content of the coiled carbon fiber 12 as the sensor element 11 was 5 mass%. The frequency of the high frequency signal applied from the high frequency oscillation circuit 19 to the sensor element 11 was set to 200 kHz. An acrylic resin was used as the base material 13 of the sensor element 11. Other than that, the change of the output voltage when the palm was brought close to the sensor element 11 in the same manner as in Example 1 was measured with respect to the distance between the palm and the surface of the sensor element 11. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the case of the acrylic resin, the output voltage is slightly lower than that in the case of the silicone resin, but the approach of the detection object 24 can be sufficiently detected.
Example 4
In Example 1, the content of the coiled carbon fiber 12 as the sensor element 11 was 20 mass%, and the frequency of the high frequency signal applied from the high frequency oscillation circuit 19 to the sensor element 11 was 200 kHz. As the detection object 24, an acrylic resin plate, an aluminum plate, an iron plate, and a ceramic plate were used. Other than that, the change of the output voltage when the detection target 24 was brought close to the sensor element 11 was measured with respect to the distance between the detection target 24 and the surface of the sensor element 11 in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, the change of the output voltage was the largest in Example 1, followed by iron plate, aluminum plate, ceramic plate, and acrylic resin plate. From this result, it was found that the detection object 24 preferably has a charge on the surface or is a conductive material. In addition, it is estimated that the palm has the highest sensitivity because it has a charge on its surface.
(Example 5, measurement of approach speed)
In Example 4, the approach speed when the detection target 24 is a palm will be described with reference to FIG. When the distance between the palm and the surface of the sensor element 11 is set in advance to 9 cm (90 mm, output voltage 0 V) and the palm is brought close to the sensor element 11 at a speed of 10 mm / sec, the distance between the palm and the sensor element 11 is 8 seconds. Is 10 mm (output waveform 1 in FIG. 9). That is, the moving distance of the palm is 80 mm. At this time, the output voltage is 3V. When this condition is set, for example, when the palm approaches the sensor element 11 from a position where the distance between the palm and the sensor element 11 is 90 mm, the time for the output voltage to reach 3 V is 4 seconds (output waveform 2 in FIG. 9). ), The approach speed is 20 mm / sec (80/4 = 20). Thus, when the detection object 24 is brought close to the sensor element 11 from the position where the distance between the detection object 24 and the sensor element 11 is 90 mm, the approach speed can be detected from the time when the output voltage reaches 3V. it can.
(Example 6, distinction between living and inanimate)
In the case of Example 4, by using the point that the output voltage when the detection target 24 is brought close to the sensor element 11 to a distance of 1 cm is 2.5 V, a living thing (palm) and an inanimate object (iron plate, A distinction can be made between an aluminum plate, a ceramic plate and an acrylic resin plate. That is, when the distance between the detection object 24 and the sensor element 11 is 1 cm, if the output voltage is 2.5 V or more (position indicated by the two-dot chain line in FIG. 8), it is a living thing, and if it is less than 2.5 V, it is an inanimate object. Can be determined. However, the reference of the output voltage can be changed as appropriate by adjusting the setting condition of the proximity sensor 10 according to the detection object 24.

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。
In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
A metal thin film such as gold or copper can be formed on the surface of the coiled carbon fiber 12 in order to increase conductivity. In this case, the sensitivity and stability of the sensor element 11 can be improved.

・ 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。   In the base material 13, in addition to the coiled carbon fiber 12, vapor grown fiber (VGCF), carbon nanofiber, carbon powder, metal powder, dielectric powder, piezoelectric powder and the like can be blended.

・ 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。
-As the base material 13, physical properties such as hardness can be prepared by mixing resins having different hardnesses.
As the coiled carbon fiber 12, a single coiled carbon fiber 12 and a double coiled carbon fiber 12 can be mixed and used.

・ 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。
The living body as the detection target 24 may be a non-human animal such as a dog or cat.
Further, the technical idea that can be grasped from the embodiment will be described below.

・ 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。   The proximity sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the coiled carbon fiber is a single coiled carbon fiber or a double coiled carbon fiber. When comprised in this way, the effect of the invention which concerns on any one of Claims 1-4 can fully be exhibited.

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。Schematic explanatory drawing for demonstrating the structure and effect | action of an proximity sensor in embodiment. センサ素子の等価回路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the equivalent circuit of a sensor element. 接近センサの電気回路を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the electric circuit of a proximity sensor. 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。The graph which shows the relationship between the distance and output voltage of a detection target object and a proximity sensor when a palm is made to approach a proximity sensor as a detection target object. 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。The graph which shows the relationship between the distance of a detection target object and a proximity sensor, and output voltage when content of coiled carbon fiber is changed. 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。The graph which shows the relationship between the distance of a detection target object and a proximity sensor, and output voltage when changing the frequency of a high frequency signal. 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。The graph which shows the relationship between the distance of a detection target object and a proximity sensor, and an output voltage when changing the kind of base material. 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。The graph which shows the relationship between the distance and output voltage of a detection target object and a proximity sensor when changing the kind of detection target object. 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。The graph which shows the relationship between time and output voltage for demonstrating the measurement of the approach speed of a detection target object.

符号の説明Explanation of symbols

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Proximity sensor, 11 ... Sensor element, 12 ... Coiled carbon fiber, 13 ... Base material, 14 ... Electrode, 19 ... High frequency oscillation circuit, 22 ... Detection circuit

Claims (6)

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。 A sensor element is formed by dispersing coiled carbon fibers having an inductance (L) component, a capacitance (C) component and a resistance (R) component based on the coil shape and functioning as an LCR resonance circuit in a base material, A pair of electrodes electrically connected to the sensor element, a high-frequency oscillation circuit is connected between both electrodes, and a detection circuit that detects a signal that changes based on the LCR resonance circuit is connected. Proximity sensor. 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。 The proximity sensor according to claim 1, wherein the content of the coiled carbon fiber in the base material is 1 to 20% by mass. 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。 The proximity sensor according to claim 1 or 2, wherein the frequency of the high-frequency signal by the high-frequency oscillation circuit is 100 to 800 kHz. 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。 The proximity sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the base material is an elastic polymer. 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。 The proximity sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection target is a living body and is used to detect the approach of the living body. 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。 When a detection target object contacts the sensor element of the proximity sensor according to any one of claims 1 to 5, the detection circuit detects a signal that changes based on an LCR resonance circuit of a coiled carbon fiber. Proximity / contact sensor characterized by being configured to.
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