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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(1) A method in which the coiled
(2) After adding a plasticizer to the pellets of the
(3) A method in which the
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-
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
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
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
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
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
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
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
・ 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
The effect of the
・ 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
・ 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
In the proximity / contact sensor, when the
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
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
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
(Example 2)
In Example 1, the content of the coiled
(Example 3)
In Example 1, the content of the coiled
Example 4
In Example 1, the content of the coiled
(Example 5, measurement of approach speed)
In Example 4, the approach speed when the
(Example 6, distinction between living and inanimate)
In the case of Example 4, by using the point that the output voltage when the
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
・ 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
・ 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
As the coiled
・ 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
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
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。
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DE102009029021B4 (en) * | 2009-08-31 | 2022-09-22 | Robert Bosch Gmbh | Sensor system for monitoring the surroundings of a mechanical component and a method for controlling and evaluating the sensor system |
KR101147607B1 (en) * | 2010-03-19 | 2012-05-23 | 한국과학기술원 | Apparatus for human body touch dection using resonance |
JP5528926B2 (en) * | 2010-07-09 | 2014-06-25 | 株式会社ジャパンディスプレイ | Detection device and display device |
CN101984471A (en) * | 2010-11-22 | 2011-03-09 | 武汉理工大学 | Intelligent anti-theft ground pad based on diffuse carbon fiber materials and application thereof |
CN102955629B (en) * | 2011-08-26 | 2017-09-12 | 飞思卡尔半导体公司 | Near to or in contact with formula sensor |
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JP6373653B2 (en) * | 2013-06-25 | 2018-08-15 | 東芝ライフスタイル株式会社 | refrigerator |
JP6224438B2 (en) * | 2013-11-26 | 2017-11-01 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
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KR102327610B1 (en) * | 2015-03-12 | 2021-11-17 | 엘지이노텍 주식회사 | Rain sensor and wiper driving device including the same |
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KR102409776B1 (en) * | 2015-08-06 | 2022-06-16 | 엘지이노텍 주식회사 | Wiper driving device and metohd for driving thereof |
CN105156775B (en) * | 2015-08-11 | 2018-08-10 | 广东双虹新材料科技有限公司 | A kind of elastic micro-pipe that tube fluid pressure energy is sensed |
KR101918578B1 (en) * | 2016-01-13 | 2018-11-15 | (주)창성 | A sensing system for pedestrian having carbon micro coil sensor |
KR102564311B1 (en) * | 2016-05-19 | 2023-08-07 | 엘지이노텍 주식회사 | Combination type sensor package, combination detection device and combination detecting method |
KR102460507B1 (en) * | 2017-11-03 | 2022-10-28 | 삼성전자 주식회사 | Method and electronic device for calibrating sensing value of sensor of the same |
JP7006216B2 (en) * | 2017-12-13 | 2022-02-10 | 株式会社ジェイテクト | Tactile sensor and android |
US11442569B2 (en) * | 2018-02-15 | 2022-09-13 | Tactual Labs Co. | Apparatus and method for sensing pressure |
JP7246697B2 (en) * | 2019-01-23 | 2023-03-28 | 東京パーツ工業株式会社 | capacitive proximity sensor |
DE102019219776A1 (en) * | 2019-12-17 | 2021-06-17 | Robert Bosch Gmbh | Gas diffusion layer for an electrochemical cell |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004150869A (en) * | 2002-10-29 | 2004-05-27 | Asahi Kasei Fibers Corp | Proximity sensor |
JP2005049331A (en) * | 2003-07-11 | 2005-02-24 | Seiji Motojima | Sensor |
JP2005049332A (en) * | 2003-07-14 | 2005-02-24 | Seiji Motojima | Tactile sensor |
JP2005291927A (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Seiji Motojima | Sensor |
JP2006275622A (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Univ Waseda | Load sensor and load detection method using same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2279750A (en) * | 1993-07-10 | 1995-01-11 | Paul Thomas Ryan | Capacitive proximity sensor |
CN2627600Y (en) * | 2003-05-22 | 2004-07-21 | 招瑞民 | Single-end human contact induction device |
-
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004150869A (en) * | 2002-10-29 | 2004-05-27 | Asahi Kasei Fibers Corp | Proximity sensor |
JP2005049331A (en) * | 2003-07-11 | 2005-02-24 | Seiji Motojima | Sensor |
JP2005049332A (en) * | 2003-07-14 | 2005-02-24 | Seiji Motojima | Tactile sensor |
JP2005291927A (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Seiji Motojima | Sensor |
JP2006275622A (en) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Univ Waseda | Load sensor and load detection method using same |
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