JP4701004B2 - ガラス割れ検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスが割られた際に発生する特定の超音波周波数帯域の超音波に共振して電気信号を出力する圧電セラミックスを用いて、ガラスが割られたこと検出するガラス割れ検出回路に関するものである。

特開２００３−３６４８３号公報（特許文献１）や特開２００４−３１８６３８号公報（特許文献２）等には、予め設定した周波数帯域の超音波に共振して電気信号を出力する圧電セラミックと、この圧電セラミックから出力される電気信号の中から特定の周波数成分の信号を検出するＬＣ共振器と、ＬＣ共振器の出力で駆動されるトランジスタスイッチとトランジスタスイッチの駆動により時限の計数を開始して一定期間警報信号を発生するタイマーとを備え、タイマーを通して警報信号を発生する警報信号出力装置が開示されている。

図４は、前述の公報に示された技術を具体的に実施した従来の警報信号出力装置で採用されているガラス割れ検出回路の構成の一例を示している。図４においては、符号１は圧電セラミックス１を示しており、符号２はトランスＴＲを利用したＬＣ共振器２を示しており、符号３はトランジスタスイッチＴを含むトランジスタスイッチ回路を示しており、符号４はタイマーを示している。
特開２００３−３６４８３号公報 特開２００４−３１８６３８号公報

この従来の回路では、トランスＴＲを利用したＬＣ共振器２を用いているため、特に増幅回路を用いることなく、ガラス割れを検出することができる。しかしながらこの従来の回路では、低背化及び軽量化には不向きであり、且つ回路の価格が高くなる問題がある。

本発明の目的は、従来のガラス割れ検出回路よりも低背・軽量且つ安価なガラス割れ検出回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、ノイズにより誤動作することのないガラス割れ検出回路を提供することにある。

本発明のガラス割れ検出回路は、ガラスが割られたときに発生する特定の超音波周波数帯域の超音波に共振して電気信号を出力する圧電セラミックスと、周波数成分検出回路と、増幅回路と、検出信号発生回路と出力レベル制御回路とを備えている。周波数成分検出回路は、電気信号から特定の周波数成分の信号を検出する。そして増幅回路は、周波数成分検出回路の出力を増幅する。検出信号発生回路は、増幅回路の出力が、予め定めたレベルを超えたときにガラスが割れたと判定して検出信号を出力する。そして出力レベル制御回路は、検出信号が入力されるまでは圧電セラミックの出力を制限し、検出信号が入力されると圧電セラミックの出力の制限を解除する。このような構成にすると、トランスを用いることなくガラス割れ検出回路を構成することができるので、従来のガラス割れ検出回路よりも低背・軽量且つ安価にガラス割れ検出回路を提供することができる。また本発明によれば、感度を上げる目的で増幅回路のゲインを大きくすることなく、ガラス割れを検出することができるので、ノイズが入力されたとして、誤ってガラス割れと判定することがなくなる。これは、増幅回路の出力が予め定めたレベルを超えたときに、検出信号発生回路が検出信号を発生して出力レベル制御回路が圧電セラミックの出力の制限を解除することにより、増幅回路の入力が最大となる。その結果、増幅回路のゲインを大きくしなくても、ガラス割れが検出されたときに、増幅回路の出力が大きくなるので、増幅回路の出力に基づいてガラス割れを明瞭に判定することができるからである。なお出力レベル制限回路を設けずに、常時圧電セラミックスの出力をそのまま増幅回路の入力とすると、検出周波数大域幅が広くなり、誤動作が生じやすくなる。

出力レベル制御回路の構成は任意である。例えば、出力レベル制御回路を、コンデンサと接続切り替え回路とから構成することができる。この場合には、接続切り替え回路は、検出信号が入力されるまでは、圧電セラミックに対してコンデンサを並列接続し、検出信号が入力されるとコンデンサを圧電セラミックから切り離すように構成する。このように構成すると、圧電セラミックの出力の一部はコンデンサに蓄積され、圧電セラミックの出力はコンデンサの両端電圧で制限される。そして検出信号が入力されたときに、コンデンサを圧電セラミックから電気的に切り離すと、圧電セラミックの出力はすべて増幅回路の入力となる。したがってこのような構成を採用すると、簡単な構成で圧電セラミックの出力を制御することができる。なお接続切り替え回路は、コンデンサに対して直列に接続された半導体スイッチング回路から構成することができる。この場合には、半導体スイッチング回路は検出信号が入力されるまではオン状態にあり、検出信号が入力されるとオフ状態になる。

また周波数成分検出回路は、特定の周波数成分の信号と共振するＬＣ共振フィルタ回路から構成することができる。この場合、増幅回路は、ＬＣフィルタ回路の出力を増幅する半導体増幅回路から構成することができる。このような構成を採用すると、少ない部品点数で簡単に周波数成分検出回路を構成することができる。また検出信号発生回路は、半導体増幅回路の出力電圧と逆比例の逆比例電圧を出力する逆比例回路と、この逆比例回路の出力電圧が予め定めた電圧レベルまで低下すると検出信号を出力する判定回路とから構成することができる。

本発明のガラス割れ検出回路の増幅回路の出力に基づいて警報信号を発生し、該警報信号に基づいて警報を発生する警報装置を備えたガラス割れ検出装置は、安価でしかも低背・軽量なものとして構成することができる。またガラス割れ検出回路の増幅回路の出力に基づいて警報信号を発生し、発生した警報信号を無線で送信する無線モジュールを備えたガラス割れ検出装置も同様である。

本発明によれば、トランスを用いなくても、ガラスが割られたときにだけ、増幅回路への入力信号が大きくなるので、増幅回路のゲインを大きくすることなく、ガラスが割られたことを確実に検出できる。したがって低背・軽量且つ安価にガラス割れ検出回路を提供することができる。また増幅回路のゲインを大きくしないので、仮にノイズが入力されたとしても、ノイズが増幅回路で増幅されて誤検出が発生することがないという利点が得られる。

以下図面を参照して本発明のガラス割れ検出回路を備えたガラス割れ検出装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１に示したガラス割れ検出装置は、ガラス割れ検出回路１０１に警報装置１０３と無線モジュール１０５を備えた構成を有している。このガラス割れ検出回路１０１は、ガラスに適宜の接着手段を用いて取り付けられた圧電セラミックス１１１を備えている。この圧電セラミックス１１１は、一方の電極１１１ａがアースに接続され、他方の１１１ｂは抵抗Ｒ１を介して図示しない直流電源の出力端子に接続されている。圧電セラミックス１１１は、装着したガラスが割れたときに発生する特定の周波数帯域の超音波に共振して電気信号を出力する。

図１においてＶｃｃは電源電圧である。また圧電セラミック１の電極１１１ｂは、増幅用トランジスタＴｒ１のベースに接続されている。増幅用トランジスタＴｒ１のエミッタに、抵抗Ｒ２が直列に接続され、抵抗Ｒ２にはコンデンサＣ２が並列接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とにより、増幅用トランジスタＴｒ１の動作電流が定まり、ゲイン設定を任意に行うことができる。

トランジスタＴｒ１のコレクタと電源の間には、インダクタＬとコンデンサＣ１の並列回路からなるＬＣ共振フィルタ回路１１３が接続されている。このＬＣ共振フィルタ回路１１３は、圧電セラミックス１１１から出力された電気信号から、特定の周波数成分の信号を検出する周波数成分検出回路を構成する。図２（Ａ）には、ガラスが割られて発生する超音波と共振して圧電セラミックス１１１から出力された電気信号の概要を示してある。ここで特定の周波数成分とは、ガラスが割れたときに発生する超音波に含まれる１５０ｋＨｚから１６０ｋＨｚの間の周波数成分である。一般的に、この周波数成分が含まれていることが検出されたときには、ガラスが割られたと判断できると考えられている。図２（Ｂ）に示すように、この周波数成分近傍で、ＬＣ共振フィルタ回路１１３が共振すると、増幅用トランジスタＴｒ１の出力は、ピーク値となる。本実施例においては、増幅用トランジスタＴｒ１と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ２とにより、周波数成分検出回路１１３の出力を増幅する半導体増幅回路が構成されている。

またこの例では、後に説明するように、圧電セラミック１１１の電極１１１ｂにコンデンサＣ３の一端が接続され、コンデンサＣ３の他端にはトランジスタＴｒ３のコレクタが接続されている。トランジスタＴｒ３のエミッタは接地され、コレクタは抵抗Ｒ３を介して電源に接続されている。この例では、コンデンサＣ３、トランジスタＴｒ３及び抵抗Ｒ３によって出力レベル制御回路１１２が構成されている。そしてトランジスタＴｒ３が接続切り替え回路を構成している。この出力レベル制御回路１１２は、後述する検出信号がトランジスタＴｒ３のベースに入力されるまでは圧電セラミック１１１の出力を制限し、検出信号が入力されると圧電セラミック１１１の出力の制限を解除する。その結果、感度を上げる目的で増幅回路１１４のゲインを大きくすることなく、ガラス割れを検出することができるので、ノイズが入力されたとして、誤ってガラス割れと判定することがなくなる。

増幅用トランジスタＴｒ１の出力（コレクタ端子電圧）は、検出信号発生回路１１５に入力される。検出信号発生回路１１５は、増幅回路１１４の出力が、予め定めたレベルを超えたときにガラスが割れたと判定して検出信号を出力する。検出信号発生回路１１５は、逆比例回路１１６と判定回路１１７とから構成される。逆比例回路１１６は、トランジスタＴｒ１のコレクタに一端が接続されたコンデンサＣ５と、コンデンサＣ５の他端にベースが接続されたトランジスタＴｒ４と、トランジスタＴｒ４のベースに一端が接続された抵抗Ｒ５と、抵抗Ｒ５の他端にアノードが接続されカソードが接地されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１のアノードと電源との間に接続された抵抗Ｒ４と、トランジスタＴｒ４のコレクタと電源との間に接続された抵抗Ｒ６と、トランジスタＴｒ４のコレクタに一端が接続された抵抗Ｒ７と、抵抗Ｒ７の他端に一端が接続され他端が接地されたコンデンサＣ６と、トランジスタＴｒ４のコレクタにカソードが接続され抵抗Ｒ７とコンデンサＣ６との接続点にアノードが接続されたダイオードＤ２とから構成される。また判定回路１１７は、コンデンサＣ６と抵抗Ｒ７との接続点に一端が接続された抵抗Ｒ８と、抵抗Ｒ８の他端にベースが接続されたトランジスタＴｒ２と、トランジスタＴｒ２のベースと接地点との間に接続されたコンデンサＣ４と、トランジスタＴｒ２のエミッタと接地点との間に接続された抵抗Ｒ９とから構成される。抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９とにより、判定回路１１７の判定レベルが定められる。

ＬＣ共振フィルタ回路１１３が特定の周波数成分の信号と共振する前、すなわち帯域外の信号が入力されているときには、図３（Ａ）の「帯域外」の図に概略的に示すように、コンデンサＣ５に入力される増幅用トランジスタＴｒ１の出力（半導体増幅回路の出力）の振幅は小さい。そしてこのとき検出信号発生回路１１５のＢ点の電圧（トランジスタＴｒ４のコレクタ電圧）は、図３（Ｂ）の「帯域外」の図に示すように、高いレベル（例えば２．６Ｖ）にある。この高い電圧でコンデンサＣ６は充電され、Ｃ点の電圧（コンデンサＣ６の両端電圧）も高いレベルにある。その結果、判定回路１１７のトランジスタＴｒ２は、帯域外では常にオン状態（導通状態）にあり、出力レベル制御回路１１２のトランジスタＴｒ３も常にオン状態（導通状態）になる。その結果、コンデンサＣ３が圧電セラミック１１１に並列接続された状態で作られ、圧電セラミック１１１の出力電圧は、コンデンサＣ３の端子電圧に制限されることになり、増幅回路１１４の入力信号は制限される。

ＬＣ共振フィルタ回路１１３が、ガラスの割れによって発生する特定の周波数成分の信号と共振すると、すなわち帯域内の信号が入力されているときには、図３（Ａ）の「帯域内」の図に概略的に示すように、コンデンサＣ５に入力される増幅用トランジスタＴｒ１の出力（半導体増幅回路の出力）の振幅は大きくなる。そしてこのとき検出信号発生回路１１５のＢ点の電圧（トランジスタＴｒ４のコレクタ電圧）は、図３（Ｂ）の「帯域内」の図に示すように、増幅回路１１４の出力と逆比例の関係となって低いレベル（ほとんど０Ｖに近い値）になる。すなわち逆比例回路１１６の出力が、判定回路１１７の判定レベルを超える状態になる。この状態は、増幅回路１１４の出力の変化で見ると、増幅回路１１４の出力が、予め定めたレベルを超えたことを意味している。この状態になると、コンデンサＣ６の電荷はトランジスタＴｒ４を通して放電され、Ｃ点の電圧（コンデンサＣ６の両端電圧）は図３の「帯域内」の図に概略的に示すように低下する。その結果、判定回路１１７のトランジスタＴｒ２はオフ状態（非導通状態）となり、出力レベル制御回路１１２のトランジスタＴｒ３もオフ状態（非導通状態）になる。その結果、コンデンサＣ３が圧電セラミック１１１から電気的に切り離された状態となり、圧電セラミック１１１の出力はすべて、増幅回路１１４のトランジスタＴｒ１のベースに入力されるようになる。その結果、増幅回路１１４の出力は、ゲインを上げることなく、ガラス割れを検出したときにだけ確実に大きくなる。

Ｂ点の電圧は、図２（Ｂ）に示すように変化することにより、このＢ点の電圧を基準レベルＶｒと対比することにより、ガラス割れを検出することができる。なおこの例では、警報装置１０３及び無線モジュール１０５の内部に、Ｂ点の電圧と基準レベルＶｒとを対比する対比回路がそれぞれ内蔵されている。

本実施の形態で用いる警報装置１０３は、ガラス割れ検出回路１０１の増幅回路１１４の出力（実際上はＢ点の電圧が基準レベル以下になったこと）に基づいて警報信号を発生する。なお、警報は、音や光などによって発するようにすればよい。また本実施の形態で用いる無線モジュール１０５も警報装置１０３と同様に警報信号を発生して、発生した警報信号を無線で送信する。例えば、警報信号の送信先は、別の場所に置かれた警報発生装置や、警備会社の受信設備や、使用者の携帯電話等である。

本発明のガラス割れ検出装置の実施の形態の一例を示す回路図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はガラス割れにより発生する超音波の周波数変動と検出信号発生回路内の電圧変化の例を示す波形図である。 検出信号発生回路内の各部の動作波形を示す図である。 従来のガラス割れ検出回路の一例を示す図である。

符号の説明

１０１ ガラス割れ検出回路
１０３ 警報装置
１０５ 無線モジュール
１１１ 圧電セラミック
１１２ 出力レベル制御回路
１１３ ＬＣ共振フィルタ回路（周波数成分検出回路）
１１５ 検出信号発生回路
１１６ 逆比例回路
１１７ 判定回路
Ｔｒ１ 増幅用トランジスタ（増幅回路）
Ｔｒ２〜Ｔｒ４ トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ６ コンデンサ

Claims (6)

1. ガラスが割れたときに発生する特定の超音波周波数帯域の超音波に共振して電気信号を出力する圧電セラミックと、
   前記電気信号から特定の周波数成分の信号を検出する周波数成分検出回路と、
   前記周波数成分検出回路の出力を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力が、予め定めたレベルを超えたときに前記ガラスが割れたと判定して検出信号を出力する検出信号発生回路と、
   前記検出信号が入力されるまでは前記圧電セラミックの出力を制限し、前記検出信号が入力されると前記圧電セラミックの出力の制限を解除する出力レベル制御回路とを備えてなることを特徴とするガラス割れ検出回路。
2. 前記出力レベル制御回路は、コンデンサと接続切り替え回路とを備えており、前記接続切り替え回路は、前記検出信号が入力されるまでは、前記圧電セラミックに対して前記コンデンサを並列接続し、前記検出信号が入力されると前記コンデンサを前記圧電セラミックから切り離すように構成されている請求項１に記載のガラス割れ検出回路。
3. 前記周波数成分検出回路は、前記特定の周波数成分の信号と共振するＬＣ共振フィルタ回路からなり、
   前記増幅回路は前記ＬＣフィルタ回路の出力を増幅する半導体増幅回路からなり、
   前記検出信号発生回路は、前記半導体増幅回路の出力電圧と逆比例の逆比例電圧を出力する逆比例回路と、前記逆比例回路の前記出力電圧が予め定めた電圧レベルまで低下すると前記検出信号を出力する判定回路とからなる請求項１に記載のガラス割れ検出回路。
4. 前記接続切り替え回路は、前記コンデンサに対して直列に接続された半導体スイッチング回路からなり、前記半導体スイッチング回路は前記検出信号が入力されるまではオン状態にあり、前記検出信号が入力されるとオフ状態になることを特徴とする請求項２に記載のガラス割れ検出回路。
5. 前記検出信号発生回路の前記増幅回路の出力に基づいて警報信号を発生し、該警報信号に基づいて警報を発する警報装置を備えている請求項３に記載のガラス割れ検出回路。
6. 前記検出信号発生回路の前記増幅回路の出力に基づいて警報信号を発生し、該警報信号を無線で送信する無線モジュールを備えている請求項３に記載のガラス割れ検出回路。

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