JP6979192B2 - 挟み込み検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２部材間に物体が挟み込まれたことを検出する挟み込み検出装置に関する。

二つの部材の間、たとえば、電車の乗降口に設置されている２枚の戸板の間に物体が挟み込まれたことを検出する方法が種々知られている。特許文献１は、鉄道車両に関するものであるが、戸板の先端に設けられる戸先ゴム内に、圧電材からなるセンサを設ける方法が記載されている。

特許文献２も鉄道車両に関するものであるが、戸先ゴム内に設けられたテープスイッチと車両ドアの上枠に設けられたビームセンサを併用する方法が記載されている。

特許文献３は、自動車のウインドウに関するものであるが、窓枠のドアガラスの先端と当接する部分に設けた金属板に超音波振動子により振動を与え、この振動の強度により挟み込みを検出する方法が記載されている。

特許文献４と非特許文献１には、戸先ゴム内に空気圧を検出する圧力センサを配置する方法が記載されている。この方法では、戸先ゴムを二つの部分に分け、各々に厚い物の挟み込みを検出するためのセンサと、薄い物の挟み込みを検出するためのセンサを配置し、検知感度の向上を図っている。

特許文献５には、弾性管内の音響特性を利用し、弾性管に加えられた負荷の位置を計測する分布型圧力センサが記載され、その用途として「ドアへの物や人体の挟み込み検出、工作機の挟み検出」が挙げられている（特許文献５の段落００７８）。

特開２０１７−８９２４７号公報 特開２０１３−１２１７９５号公報 特開２００１−５２５６５号公報 特開２０１１−１６４１９号公報 特開２０１６−１５６７２０号公報

村木克行，和田智樹，松本重夫，"引きずり事故防止機能強化型・戸挟み検知装置の開発"，JR EAST Technical Review, No.29, pp.39-42, 2009年

特許文献１〜３に記載の各方法では、線状のセンサ部材を検出対象範囲の全長に亘って配置する必要があり構造が複雑であるという問題があった。

特許文献４と非特許文献１に記載の方法では、二つのセンサを併用しているため構造が複雑になるという問題があった。

特許文献５に記載の方法では、導波路のスピーカ等を配置した側の端部に挟み込みを検出することができない不感領域が生じるという問題があった。

本発明は、構造が簡単で端部の不感領域の少ない挟み込み検出装置を提供することを目的とする。

本発明の挟み込み検出装置は、第１部材と第２部材との間への物体の挟み込みを検出するものであり、第１部材と第２部材の一方または両方に設けられ物体が挟み込まれたときに弾性変形する導波路と、導波路の一端側に設けられ導波路に音波を入力する第１音波入力部と、導波路の一端側に設けられ導波路を伝搬する音波を電気信号に変換して応答信号を生成する第１信号取得部と、応答信号にトレンド除去処理とフーリエ変換を施して位置応答を生成し、位置応答にピークが認められる場合に物体の挟み込みがあると判定する信号処理部とを備え、前記トレンド除去処理は、無負荷時の応答信号と測定した応答信号との差分処理を行う粗いトレンド除去処理と、トレンド成分を多項式で近似して行う精密なトレンド除去処理を含むことを特徴とする。

本発明によれば、粗いトレンド除去により高速に大きな物の挟み込みを検出し、精密なトレンド除去により小さな物の挟み込みも検出することができ、簡単な構造で不感領域の少ない挟み込み検出装置を提供することができる。

第１の実施形態である挟み込み検出装置の構造図である。 挟み込み検出装置の動作を説明する図である。 導波路の断面形状を示す図である。 挟み込み検出の原理を説明する図である。 応答信号の一例を示す図である。 位置応答の一例を示す図である。 音波入力部と信号取得部の入出力比の周波数特性の一例を示す図である。 範囲をオーバーラップしたフーリエ変換を説明する図である。 オーバーラップフーリエ変換と平滑化処理を行った応答信号の周波数特性図である。 挟み込みがある場合と挟み込みがない場合の信号の差分を示す図である。 トレンド除去を施した信号の位置応答の一例を示す図である。 差分除去とトレンド除去を施した場合と施していない場合の位置応答を比較する図である。 第２の実施形態である挟み込み検出装置の構造図である。 挟み込み検出装置の動作を説明する模式図である。 挟み込み検出装置を鉄道車両に適用した例を説明する図である。 図１５（Ａ）〜（Ｄ）は戸先ゴムの形状の例を示す図である。 鉄道車両に適用した挟み込み検出装置の動作を示すフローチャートである。 図１８（Ａ）〜（Ｃ）はチャンネルの配置と設定の例を示す図である。 挟み込み検出装置を自動車に適用した例を説明する図である。 検出限界の検証結果を示す図である。 第２の実施例による検出結果を示す図である。 第２の実施例による検出結果を示す図である。 第２の実施例による検出結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である挟み込み検出装置１の構造図である。挟み込み検出装置１は、図１の矢印Ａに示すように左右方向に移動し相互の間隔Ｂが増減する第１部材１１と第２部材１２の間に物体１３が挟まれたことを検出する装置である。ここでは、たとえば両開きの引き戸のように第１部材１１、第２部材１２の双方が移動することを想定しているが、いずれか一方が固定されていても良い。

挟み込み検出装置１は、導波路２１、音波入力部２２、信号取得部２３、制御装置２９を備えている。制御装置２９は、制御部２０、信号生成部２４、Ａ／Ｄ変換部２５、データ取り込み部２６、信号処理部２７を備えている。

図２は、挟み込み検出装置１の動作の概要を示す図である。各処理の詳細については後述するが、挟み込み検出装置１は、次の手順で挟み込みの検出を行う。
（１）信号生成部２４から音波入力部２２に電気信号（スイープ信号）を入力する。
（２）音波入力部２２が電気信号を音波に変換して導波路２１の内部に入力する。
（３）信号取得部２３が入力波と反射波の干渉波を受信し応答信号を取得する。
（４）Ａ／Ｄ変換部２５が応答信号をデジタル化し、データ取り込み部２６がデジタル信号をメモリに記憶する。
信号処理部２７が次の（５）〜（９）の処理を行う。
（５）デジタル化された応答信号に、時間で分割し変換範囲をオーバーラップさせた高速フーリエ変換（以下、「オーバーラップフーリエ変換」という。また、単に「フーリエ変換」という場合、高速フーリエ変換を意味する。）を施し周波数特性を算出する（１次フーリエ変換）。
（６）周波数特性に無負荷時の信号との差分処理を行い差分波形を生成する（この処理を「粗いトレンド除去」という）。粗いトレンド除去に先立って、平滑化処理を行っても良い。
（７）差分波形からトレンド成分を多項式で近似して除去する（この処理を「精密なトレンド除去」という）。
（８）トレンドが除去されたリプルに高速フーリエ変換を施して位置応答を生成する（２次フーリエ変換）。
（９）位置応答のピーク信号の情報（たとえば振幅値）に基づいて挟み込みの有無を判定する。判定結果に基づいて、挟み込み検出装置１が取り付けられる部材に応じた所定の制御を行う。

導波路２１は、たとえば、図３に断面図を示す円管状の部材で、内部に音波を伝搬する空間２１ａを有している。導波路２１の外形は円形に限らず長方形等の任意の形状とすることができ、また、空間２１ａの形状も音波を伝搬するのに十分な断面積があれば同様に任意の形状とすることができる。導波路２１の端部２１ｂ、２１ｃは閉塞されていても開放されていても良い。導波路２１は、第１部材１１の第２部材１２と対向する部分１１ａに配置され、物体１３が挟み込まれたときに物体１３に押圧されて弾性変形する。このときの挟み込み位置２１ｄにおける変形量ｔが後述する方法で挟み込みを検出するために十分な大きさとなるように、導波路２１の材質、形状を調整する。

音波入力部２２は、導波路２１の一方の端部２１ｂに配置され、信号生成部２４から入力された電気信号を音波に変換して空間２１ａに入力する。音波入力部２２としては、たとえば、スピーカー、イヤホン等を用いることができる。なお、音波入力部２２の位置は導波路２１の端部には限定されず、端部から離れた位置であっても良い。また、空間２１ａの内部に配置しても空間２１ａの外部に配置しても良い。

信号取得部２３は、音波入力部２２により入力された音波と変形が生じた位置２１ｄで反射された音波の干渉波を検出して電気信号である応答信号に変換する。この応答信号は、増幅器２８を介してＡ／Ｄ変換部２５に入力される。信号取得部２３としては、たとえばマイクロホンを用いることができる。なお、信号取得部２３の位置は導波路２１の端部には限定されず、端部から離れた位置であっても良い。また、空間２１ａの内部に配置しても空間２１ａの外部に配置しても良い。

信号生成部２４は、Ｄ／Ａ変換部を含み、導波路２１に入力する所望の音波に応じた電気信号を生成し音波入力部２２に入力する。この信号は、たとえば、周波数が時間的に変化するスイープ信号とすることができる。また、信号生成部２４は、複数のチャンネルを有しており、チャンネルを切り替えるスイッチング機能を有している。信号生成部２４としては、たとえば、ファンクションジェネレータを用いることができる。

制御部２０は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成し、信号生成部２４、Ａ／Ｄ変換部２５、データ取り込み部２６、信号処理部２７を制御する。信号生成部２４は、スイープ信号の開始周波数、終了周波数、周波数間隔を決定する機能を有しており、信号生成部２４へ設定する。

増幅器２８は、信号取得部２３から入力された応答信号を増幅してＡ／Ｄ変換部２５に入力する。

データ取り込み部２６は、Ａ／Ｄ変換部２５でデジタル化された応答信号を取り込み図示しないメモリに記憶する。データ取り込み部２６としては、たとえば、データロガーを用いることができる。データ取り込み部２６のサンプリング周波数とデータ長は制御部２０が決定する。

信号処理部２７は、応答信号にトレンド除去処理と２回のフーリエ変換を施して位置応答を生成する。そして、位置応答にピークが存在する場合に挟み込みがあると判定する。ピークの有無は、たとえば、所定の閾値よりも大きい応答の有無によって判定する。信号処理部２７としては、たとえば、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等の信号処理ボードを用いることができる。

図４は、音波による挟み込みの検出の原理を説明する図である。信号入力手段２２から端部２１側に入力された入射波３１の一部は挟み込み位置２１ｄ及び反対側の端部２１ｃで反射され、入射波３１と反射波３２が重なった干渉波となり信号取得部２３により検出される。

音波入力部２２に入力される電気信号の電圧は式（１）で表される。

導波路２１をｘ軸の正方向に伝搬する入射波３１は式（２）と表される。

ここでｐ_０は音圧定数、ｋは波数で式（３）で表される。

挟み込み位置２１ｄの端部２１ｂからの距離をｘ_０とすると、反射波３２は反射係数をｒとすると、式（４）で表される。

端部２１ｂ（ｘ＝０）の位置における合成波は式（５）で表すことができ、これが信号取得部２３により受信される。

ここで、合成波（干渉波、応答信号）の振幅は式（６）、パワースペクトルは式（７）で表される。

図５に合成波のパワースペクトルの一例を示す。パワースペクトルには多数のピークが表れていてこの波形をリプルと呼ぶ。また、あるピークとそれに隣接する他のピークの間を「リプルの周期」と呼ぶ。式（７）では計算しやすいようにパワースペクトル（信号振幅の絶対値の２乗）としたが、絶対値（信号振幅）で処理を行うこともできる。絶対値で処理を行うと複素数を２乗する処理が不要となるので、信号処理部２７での処理時間を短縮することができる。

合成信号に対して周波数ｆに関してフーリエ変換を施すことによって、式（８）で表される位置の関数である位置応答を得る。

図６に位置応答の一例を示す。挟み込み位置２１ｄにピーク３３が、端部２１ｂ（原点）の位置にピーク３４が表れている。リプルの半波長分が検出される負荷の位置に相当する。また、原点のピーク３４は、導波路２１、音波入力部２２、信号取得部２３を含む装置全体の音響特性によるものである。原理的には、ピーク３３の有無により挟み込みの有無を判定することができる。しかし、挟み込み位置２１ｄが端部２１ｂに近い場合には、ピーク３３とピーク３４が重なってしまい検出できないことがある。また、ピーク３４の方がピーク３３よりも大きいため、最大値によっては挟み込みの検出をすることができない。

そこで、本発明では信号処理部２７で応答信号からトレンド成分を除去する処理を行って音波入力部２２付近の不感帯の減少を図っている。

図７は、音波入力部２２と信号取得部２３の入出力比の周波数特性の一例を示す図である。周波数特性のサンプリング間隔の向上について、波形分割方法では波形の分割を細分化していくしかないが、細分化には限界がある。そこで、信号処理部２７は、フーリエ変換する範囲を図８に示すようにオーバーラップさせて周波数特性を解析する（１次フーリエ変換）。その際、たとえば、図８の矢印Ａ１〜Ａ３に示すように、スイープ波をフーリエ変換していく範囲Δｔを２ｍｓとし、オーバラップ量ｒをΔｔの９５％とする。このオーバーラップ量を調整することで周波数特性のサンプリング間隔と位置応答の分解能を調整することができる。

また、上記のオーバーラップしたフーリエ変換処理を施したデータに対してデータ平滑化処理を行っても良い。これは、たとえば、あるデータ点の前の４点と後の４点（合計９点）を含めた単純移動平均により行う。

オーバラップフーリエ変換と平滑化処理を行った応答信号の周波数特性を図９に示す。図９の曲線３５が挟み込みがある場合、曲線３６が挟み込みのない場合である。曲線３６は、図１の第１部材１１と第２部材１２の間に物体１３が挟み込まれていない状態で測定を行って予め取得しておく。信号処理部２７は曲線３５と曲線３６の差分を算出し図１０に示す差分波形を生成する（粗いトレンド除去）。挟み込みがある際の周波数特性は理論的には式（７）と表されるので、差分のリプルは式（７）にｒ＝０を代入したものを差し引けば式（９）となるが、まだｒ^２の直流成分が残る。

この直流成分は一定ではなく周波数毎に変化するので平均除法では除去できないので、応答信号全体の推移を多項式で近似することでトレンド除去を行う。トレンド除去は、たとえば、応答信号のトレンドを１０次式で近似することにより行う（精密なトレンド除去）。このようにすれば、特にデータの中から判別しにくい長周期信号を抽出するのに効果的である。この、精密なトレンド除去には、１０次以外の次数の多項式、その他、一般的な包絡線検波のための信号処理や近似曲線を使用することもできる。

図１１は、トレンド除去を施したリプルに対してフーリエ変換（２次フーリエ変換）を施すことによって得られた位置応答の一例である。挟み込み位置２１ｄ（図１参照）であるｘ＝６００ｍｍ付近に明瞭なピーク３３が表れ、その他の部分は端部２１ｂ（ｘ＝０ｍｍ）付近を含めて０に近い平坦な波形となっている。このようにノイズの影響を除去することができるので、物体１３が小さい（第１部材１１と第２部材１２の間隔方向の寸法が小さく変形量ｔが小さい（図１参照））場合でも挟み込みを検出することができる。

図１２は、挟み込み位置が端部２１ｂの近傍であり、差分処理及びトレンド除去を施した場合と施していない場合の位置応答を比較した図である。この例では、ｘ＝１００ｍｍの位値が挟み込み位置２１ｄである。曲線３７は差分処理及びトレンド除去を行っていない場合の位置応答で、挟み込み位置２１ｄに表れているはずのピークが端部２１ｂ付近のピーク３４のサイドローブに埋もれてしまい確認できなくなっている。曲線３８は差分処理及びトレンド除去を行った場合の位置応答で、端部２１付近には装置の音響特性によるピークが表れないため、挟み込み位置２１ｄのピーク３３が明瞭に表れている。

挟み込み検出装置１では、信号処理部２７が応答信号にトレンド除去処理を施した後に、フーリエ変換を行っている。そのため、音波入力部２２付近の不感領域がほとんどなくなっている。また、応答信号からノイズを除去することができ検出限界が向上している。

挟み込み検出装置１では、信号処理部２７としてＦＰＧＡを用いている。そのため、周波数解析機（ＦＲＡ）を用いた場合に比べて処理時間が短くなっている。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と共通する構成要素には、図面に第１の実施形態と同じ符号を付して説明を省略する。図１３は、第２の実施形態である挟み込み検出装置２の構造図である。挟み込み検出装置２では、導波路２１の一方の端部２１ｂに第１の実施形態と同様の音波入力部２２ａと信号取得部２３ａ（以下、これらを「ＣＨ１」という）が配置されているのに加えて、他方の端部２１ｃにも音波入力部２２ｂと信号取得部２３ｂ（以下、これらを「ＣＨ２」という）が配置されている。信号取得部２３ａが取得した応答信号は増幅器２８ａを介して、信号取得部２３ｂが取得した応答信号は増幅器２８ｂを介して、それぞれＡ／Ｄ変換部２５に入力される。

信号取得部２３ａにより得られる応答信号を解析することにより挟み込み検出が可能な範囲（第１の検出可能範囲）は端部２１ｂからＲａの範囲、信号取得部２３ｂにより得られる応答信号を解析することにより挟み込み検出が可能な範囲（第２の検出可能範囲）は端部２１ｃからＲｂの範囲である。距離Ｒａ、Ｒｂは入力する音波の強度、導波路の形状、検出しようとする変形量の最小値等によって定まるが第１の検出可能範囲と第２の検出可能範囲は導波路２１の中央部で重なり合っている。

図１４は、挟み込み検出装置２の動作を説明する図である。まず、ＣＨ１を所定の時間動作させ応答信号を取得する（ＳＴ１）。
次に、ＣＨ１、ＣＨ２とも動作させないインターバル時間を設け、この間にデータ取り込み部２６によりデジタルデータの取り込みを行う（ＳＴ２）。このインターバル時間の長さは、データ取り込み部２６の性能に応じて取り込みのために十分な時間とすれば良いが、二つのチャンネルの音波が干渉し合わない時間とする必要がある。
次に、ＣＨ２を所定の時間動作させ応答信号を取得する（ＳＴ３）。
次に、ＣＨ１、ＣＨ２とも動作させないインターバル時間を設け、データ取り込み部２６によりデジタルデータの取り込みを行う。インターバル時間の長さについてはＳＴ２と同様である。
以上のＳＴ１〜ＳＴ４を繰り返す。

第１の実施形態の挟み込み検出装置１では、条件によっては導波路２１の端部２１ｃ側に挟み込みの検出ができない区間ができてしまうが、挟み込み検出装置２では、音波入力部と信号取得部の組が導波路２１の両端に設けられているため、導波路２１の全長Ｘ_Ｌに亘って挟み込みを検出することができる。音波入力部２２により導波路２１に入力される音波の強度を上げることによっても、ある程度検出可能な距離を伸ばすことができるが増幅器のノイズフロア等のために限界があり、また、騒音が生じる場合がある。本実施形態によれば、このような弊害が生じることがない。

なお、チャンネル（音波入力部と信号取得部の組）は、３個以上とすることもでき、図１４と同様に各チャンネルを順番に動作させることにより、さらに検出可能な範囲を伸ばすことができる。

図１５は、本発明の挟み込み検出装置を鉄道車両の乗降口に適用した例である。乗降口には図１５の矢印Ｂ１、Ｂ２のように左右に移動する２枚のドア４１、４２（第１ドア又は第２ドアの一例）が配置されている。図１５は閉状態を示し、ドア４１の左端とドア４２の右端はごく僅かな隙間を残して近接した状態となっている。開状態では、ドア４１は戸袋４３に、ドア４２は戸袋４４にそれぞれ収容され乗客はドア４１とドア４２の間を通って乗降する。

ドア４１は略長方形の金属製の板状部材である戸板４１ａと、戸板４１ａの先端に設けられた戸先ゴム４１ｂを備えている。ドア４２も同様に戸板４２ａと戸先ゴム４２ａを備えている。戸先ゴム４１ｂ、４２ｂはドア４１とドア４２の間に乗客の体や荷物が挟み込まれた際に引き抜きやすくするための部材で、合成ゴム等の軟質の材料で形成されている。

図１６（Ａ）〜（Ｄ）は戸先ゴムの断面形状の例を示す図である。戸先ゴム４１ｂについて説明するが、戸先ゴム４２ｂの形状も同様である。図１６（Ａ）の例では、戸先ゴム４１ｂは馬蹄形の外形を有し、ほぼ等厚の壁部５２と空洞５１により構成されている。図１６（Ｂ）の例では、戸先ゴム４１ｂは、略半円形の断面形状を有し内部に円形の空洞５１が形成されている。図１６（Ｃ）の例では、戸先ゴム４１ｂは、略半円形の断面形状を有し内部に半円形の空洞５１が形成されている。空洞５１の内部の戸板４１ａと接合される側には正方形の凸部５５が形成されている。図１６（Ｄ）の例は、図１６（Ｃ）の例とほぼ同形状であるが、凸部５５の先端側にＶ字状の切欠５６が設けられている。もちろん、戸先ゴム４１ｂ、４２ｂの断面形状は音波を伝搬できる空洞を備えていれば図１６（Ａ）〜（Ｄ）に示したものと異なる形状とすることもできる。

このように、戸先ゴム４１ｂ、４２ｂは変形しやすい材料で形成され、内部に空洞を有しているので導波路として利用することができる。そこで、戸先ゴム４１ｂの下端に音波入力部２２ａと信号取得部２３ａからなるＣＨ１を、戸先ゴム４１ｂの下端に音波入力部２２ｂと信号取得部２３ｂからなるＣＨ２を設け、適宜の位置に設けた制御装置２９（図１３参照）と接続することにより、図１３に示した挟み込み検出装置２を構成することができる。なお、ドア４１、４２の高さＨは通常２０００ｍｍ程度、戸先ゴムの内径は１５ｍｍ程度であるため、ドア４１、４２の高さ方向の中央付近での１ｍｍ程度の微小な変位を検出できるように、上端と下端の両方に音波入力部２２と信号取得部２３を設けることが好ましいが、上端又は下端の一方のみに設けても良い。また、音波入力部２３と信号取得部２３を戸先ゴム４２ｂに設けても良い。

制御装置２９は、ドアの近傍に配置する必要は無く、たとえば、運転室等に設けて配線により音波入力部２２、信号取得部２３と接続する。また、車両運行制御用の既存のコンピュータに制御装置２９の各機能を追加しても良い。

図１７は、戸挟み検出装置２を鉄道車両のドアに適用した場合の動作を示すフローチャートである。
まず、測定に先立って、戸先ゴム４１ｂと戸先ゴム４２ｂの間に異物が挟まっておらず正常に閉じた状態の波形（図９の曲線３６）を取得しておく（Ｓ１）。この波形は、後述のＳ３８の差分処理に用いるリファレンス波形である。

所定の測定開始条件を満たした場合に測定を開始する（Ｓ２の判定がＹＥＳ、Ｓ３）。この条件は、たとえば、戸先ゴム４１ａまたは戸先ゴム４１ｂにテープスイッチを設け、このテープスイッチがドアの閉鎖を検出したときとすることができる。このようにすれば、配線の一部をテープスイッチで代替することができ、配線をドアの開閉動作に追随して伸縮できるようにする必要がなくなる。測定開始条件を満足しない場合は、待機する（Ｓ２の判定がＮＯ、Ｓ２）

測定開始条件を満たした場合、制御部２０（図１３参照）によりスイープ信号の開始周波数、終了周波数、周波数間隔を設定し（Ｓ３）、信号生成部２４（図１３参照）によりスイープ信号を発生させＣＨ１、ＣＨ２（図１５参照）から音波を戸先ゴム４１ｂに入力する（Ｓ４）。

サンプリング周波数とデータ長を予め定めておき（Ｓ５）、スイープ信号の時間波形をＡ／Ｄ変換部２５（図１３参照）で検出し、データ取り込み部２６（図１３参照）で取り込む（Ｓ６）。

信号処理部２７（図１３参照）で時間波形にオーバーラップＦＦＴ（１次フーリエ変換）を施して周波数特性を取得する（Ｓ７）。

トレンド成分を近似するための近似関数（たとえば、１０次式）を予め定めておき、信号処理部２７で差分処理（粗いトレンド除去）と、多項式近似によるトレンド除去処理（精密なトレンド除去）を行う（Ｓ９）。

周波数範囲を予め定めておき（Ｓ１０）、Ｓ９で求めた波形に対して信号処理部２７でＦＦＴ（２次フーリエ変換）を施して位置応答を計算する（Ｓ１１）。

信号処理部２７で位置応答に表れるピークの大きさを求め、閾値より大きい場合には、戸先ゴム４１ｂと戸先ゴム４２ｂの間に異物が挟み込まれていると判定し、その旨をドアの制御装置に通知し自動でドアを開ける（Ｓ１２の判定がＹＥＳ、Ｓ１３）。また、挟み込みを検出した場合、ドアの制御装置への通知に替えて、あるいは加えて、視覚または聴覚による警報を乗務員や駅員に通報して手動による対応を行っても良い。ドアを開いたら待機状態に戻る。

ピーク値がしきい値以下（Ｓ１２の判定がＮＯ）の場合は、電車が発車したか否かを判定する（Ｓ１４）。電車が発車していない場合は、Ｓ６に戻り測定を続ける。電車が発車している場合は、待機状態に戻る。

挟み込み検出装置１、２を鉄道車両のドアに適用すれば、導波路端部の不感領域が殆ど無いので、ドア４１、４２の端部、特に下端部にベビーカーの車輪や乗客の足等が挟まった場合でも検出することができる。また、戸板に通常備えられている戸先ゴムを導波路２１として用いることができるので、低コストで挟み込み検出装置を実装することができる。

また、上述のようにフーリエ変換のオーバーラップ量（図８のｒ／Δｔ）によって分解能を調整することができる。オーバーラップ量を大きくすると分解能が高くなり小さな物体の検出が可能となるが処理時間は長くなる。逆に、オーバーラップ量を小さくすると分解能が低くなり小さな物体の検出ができなくなるが処理時間は短くなる。そこで、鉄道車両のドアのように物体１３として想定される物の大きさに広い範囲がある場合には、最初にオーバラップ量を小さくして比較的大きな物体の挟み込みの検出を行い（第１段階処理）、次いで、オーバラップ量を大きくして比較的小さな物体の挟み込みの検出を行う（第２段階処理）ようにすると、挟み込みの検出に要する平均的時間を短縮することができる。鉄道車両の場合は、乗客の手足や鞄など比較的大きな物体が挟み込まれることが多い。そのため、上記のような２段階の処理を行い、第１段階処理で挟み込みが検出されたら直ちにドアの開放や発車の抑止といった措置を取ることで、頻繁に起こる大きな物体の挟み込みに素早く対応することできるとともに、第２段階処理により小さな物体の挟み込みも検出して対応することができる。

また、最初は粗いトレンド除去のみを行い高速に大きな物の挟み込みを検出し、次に、粗いトレンド除去と精密なトレンド除去を行って小さな物の挟み込みも検出する２段階処理を行うこともできる。このようにしても、上記のオーバラップ量を変化させた２段階処理と同様の効果を得ることができる。

図１８（Ａ）〜（Ｃ）は図１５とは異なるチャンネルの配置と設定の例を説明する図である。いずれも、見やすくするために戸先ゴムの幅を誇張して描いている。図１８（Ａ）に示すように、チャンネルを戸先ゴム４２ｂの空洞内ではなく、空洞外に設けても良い。

図１５では戸先ゴムの空洞は全長に亘って設けられているものとしたが、実際には図１８（Ｂ）に示すように端部等に充填材５７を充填し空洞をなくした部分が設けられていることが多い。このような場合には、チャンネルＣＨ１、ＣＨ２を充填材５７に埋設しても良い。そして、ＣＨ１とＣＨ２の設定を異なるものとし、ＣＨ１ではドア４２の下部の範囲６１でのベビーカーの車輪や杖の先端などの挟み込みを検出しやすく、ＣＨ２では上部の範囲６２での紐等の挟み込みを検出しやすくする。

図１８（Ｃ）の例では、戸先ゴム４１ｂの上端側の充填材５７にＣＨ２を、戸先ゴム４２ｂの下端側の充填材５７にＣＨ１をそれぞれ埋設している。チャンネルの近傍とチャンネルから遠い位置は感度が低くなるため、ＣＨ２は充填材５７を充填する範囲を長くしてＣＨ２の位置を低くし紐等が挟まりやすい範囲６３の感度が低下しないようにし、ＣＨ１は充填材を充填する範囲を極力短くしてＣＨ１の位置を低くしベビーカーの車輪や杖の先端が挟まりやすい範囲６４の感度が低下しないようにしている。また、両方の戸先ゴムにチャンネルを設けた場合には、両者で異なる信号処理、たとえば１次フーリエ変換におけるオーバーラップ量を変える、一方は粗いトレンド除去のみとした方は粗いトレンド除去と精密なトレンド除去の双方を行う等とすれば、上述の２段階処理と同様の効果を得ることができる。

図１９は、本発明の挟み込み検出装置を自動車のドアウインドウに適用した例である。ドアウインドウは、ドアフレーム７１と上下に移動するウィンドウガラス７２を備えている。ドアフレーム７１のウインドウガラス７２の上端と当接する部分に導波路２１を設け、導波路２１の一端に音波入力部２３と信号取得部２３を設け、適宜の位置に設けた制御装置２９と接続することにより、図１に示した挟み込み検出装置１を構成することができる。車載のコンピュータを制御装置２９として利用しても良い。この例のように、導波路２１は、内部に音波を伝搬する空間があれば、湾曲していても良い。

このほか、本発明は、建物の自動ドア、工作機械の可動部分、冷蔵庫等の家電製品の扉等、二つの部材間に物の挟み込みが生じる物に適用することができる。なお、上記の各実施形態では、物体の挟み込みが生じた場合を異常な動作として、それに対処する例を記載したが、たとえば、工作機械等で送られてきたワークが２部材間に挟み込まれるのが正常な動作で、挟み込みが検出されない場合を異常として対処するようにすることもできる。

図１に示した第１の実施形態に基づく実施例について説明する。信号生成部２４としてファンクションジェネレータ（エヌエフ回路設計ブロック社製、ＷＦ１９７４）、音波入力部２２としてイヤホン（ＫＺ ＡＣＯＵＳＴＩＣＳ社製、ＲＸ−０２）、信号取得部２３としてマイクロホン（ＤＢ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ社製、Ｃ９６７ＢＢ４２２ＬＦＰ）、増幅器（ＴＥＸＡＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ社製、増幅率１００倍）、オシロスコープ（テクトロニクス社製、デジタル・フォスファ・オシロスコープＤＰＯ ２０１４Ｂ）、信号解析手段として信号解析ソフトウェア（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社製、ＬａｂＶＩＥＷ）が動作するパーソナルコンピュータを用いた。オシロスコープは、信号平滑化を行うために、増幅器とパーソナルコンピュータの間に接続しした。

表１にスイープ信号の仕様を示す。なお、これは一例であり、これとは異なる仕様でも本発明を実施することができる。

１回のフーリエ変換を行う範囲を２ｍｓとし、図８の最初の範囲Ａ１と２番目の範囲Ａ２とを９５％オーバーラップさせながら移動し、フーリエ変換をすることで、周波数領域で１８０１データ点（３．９Ｈｚ間隔の周波数特性）を取得した。

導波路の全長を２０００ｍｍとし、端部から６００ｍｍの部分を８ｍｍ変形させて波形を取得した。また、データ点前後４個分（合計９点）を含めた単純移動平均を用いて平滑化処理を行った。リプルのトレンドを１０次式で近似して除去を行った。なお、ＳＮ比を改善するためにフーリエ変換する帯域を広く取り、フーリエ変換した範囲は２．５〜７．０ｋＨｚとした。

なお、最初のオーバーラップフーリエ変換（１次フーリエ変換）を行う周波数範囲と２回目の位置応答を得るためのフーリエ変換（２次フーリエ変換）を行う周波数範囲は、イヤホンの特性の影響を受けるため、所定の間隔、たとえば数日に１回、キャリブレーションを行って定めるのが好ましい。オーバーラップフーリエ変換については、たとえば、フーリエ変換後の波形が平坦となる範囲を選ぶ、または、単純に所定の閾値以上となる範囲を選ぶことにより行うことができる。２回目のフーリエ変換については、たとえば、閾値以上となる範囲を選ぶことで行うことができる。

以上のように実施した結果、位置応答には端部付近にはピークがが認められず変形位置に明瞭なピークが現れた。また、同様の条件で荷重位置を端部から１００ｍｍ、変形量を３ｍｍとした場合でも変形を検出することができた。

また、変形位置と検出できる変形量の下限との関係を検証したところ、図２０のようになった。その結果、端部から１１００ｍｍ以下の範囲では、１ｍｍの変形を検出できることが分かった。これは、電車の戸先ゴムのように両方の部材が変形する場合には、厚さ２ｍｍの物体の挟み込みを検出できることを意味する。また、前述のように電車のドアの高さが２０００ｍｍ程度であるので、スピーカーとマイクロホンを上下両端に配置すれば、中央付近の挟み込みを検出できることが分かった。

図１３に示した第２の実施形態に基づく実施例について説明する。この実施例は、本発明を鉄道車両のドアに適用することを想定している。

導波路として、長さが２２００ｍｍ、内径が１５ｍｍの戸先ゴムを用い、両端にイヤホンとマイクロホンを配置した。他の条件は、実施例１と同様とした。

図１４のＳＴ１、ＳＴ３の時間を０．１８ｓ、ＳＴ２、ＳＴ４の時間を０．０７ｓとした。

応答信号を解析し、二つのチャンネルのうち片方でも変形を検出したら挟み込みありと判定するプログラムを実装した。戸先ゴムを１ｍｍ変位させた際のデータを負荷位置を１００ｍｍずつ移動させて計測した。この計測結果を図２１、図２２に示す。また、載荷位置が端部から１１００ｍｍ（戸先ゴムの中央）の際の位置応答を図２３に示す。最も検出の難しい中央位置でもＳＮ比が３以上あり検出できることが分かった。すなわち、本発明の挟み込み検出装置２を鉄道車両に適用すれば、戸挟みを検出するセンサとして機能することが示された。測定時間は２秒程度、信号処理時間を含めると検出に要する時間は９秒程度であり、従来の音波式のセンサに比べて大幅に改善することができた。

１ 挟み込み検出装置、１１ 第１部材、１２ 第２部材、２１ 導波路、２２ 音波入力部、２３ 信号取得部、２４ 信号生成部、２５ Ａ／Ｄ変換部、２６ データ取り込み部、２７ 信号処理部、２８ 増幅器、３１ 入射波、３２ 反射波、３３ ピーク
２ 挟み込み検出装置、２２ａ、２２ｂ 音波入力部、２３ａ、２３ｂ 信号取得部、２８ａ、２８ｂ 増幅器、
４１、４２ ドア、４１ｂ、４２ｂ 戸先ゴム
７１ ドアフレーム、７２ ウィンドウガラス

Claims (7)

1. 第１部材と第２部材の間への物体の挟み込みを検出する装置において、
   前記第１部材と前記第２部材の一方または両方に設けられ前記物体が挟み込まれたときに弾性変形する導波路と、
   前記導波路の一端側に設けられ前記導波路に音波を入力する第１音波入力部と、
   前記導波路の前記一端側に設けられ前記導波路を伝搬する音波を電気信号に変換して応答信号を生成する第１信号取得部と、
   前記応答信号にトレンド除去処理とフーリエ変換を施して位置応答を生成し、前記位置応答にピークが認められる場合に前記物体の挟み込みがあると判定する信号処理部とを備え、
   前記トレンド除去処理は、無負荷時の応答信号と測定した応答信号との差分処理を行う粗いトレンド除去処理と、トレンド成分を多項式で近似して行う精密なトレンド除去処理を含むことを特徴とする挟み込み検出装置。
2. 前記フーリエ変換は、応答信号の周波数特性を得るための１次フーリエ変換と、トレンドを除去した波形から位置応答を得るための２次フーリエ変換とを含み、前記１次フーリエ変換は、変換する範囲をオーバーラップさせながら移動して行うことを特徴とする請求項１に記載の挟み込み検出装置。
3. 前記信号処理部はオーバラップ量を変化させて２段階の解析処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の挟み込み検出装置。
4. 前記信号処理部は、ＦＰＧＡであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の挟み込み検出装置。
5. 前記信号処理部は、前記応答信号に平滑化処理を施すことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の挟み込み検出装置。
6. 前記導波路の他端側に設けられ前記導波路に音波を入力する第２音波入力部と、
   前記導波路の前記他端側に設けられ前記導波路を伝搬する音波を電気信号に変換して前記応答信号を生成する第２信号取得部とを備え、
   前記第１音波入力部と前記第１信号取得部の組及び前記第２音波入力部と前記第２信号取得部の組をインターバル時間を挟んで交互に動作させ、
   前記信号処理部は、前記第１信号取得部から入力された前記応答信号の前記位置応答と前記第２信号取得部から入力された前記応答信号の前記位置応答の少なくとも一方に前記ピークが認められる場合に前記物体の挟み込みがあると判定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の挟み込み検出装置。
7. 前記第１部材は鉄道車両に設けられた第１ドアであり、
   前記第２部材は前記第１ドアと対になり両開きドアを構成する第２ドアであり、
   前記導波路は前記第１ドアに設けられた戸先ゴムまたは前記第２ドアに設けられた戸先ゴムであることを特徴とする請求項６に記載の挟み込み検出装置。

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