JP2004239897A - 感圧センサ及び物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被覆層の材質の選定によって断熱性を向上させることで、焦電効果による出力を抑えて、信頼性向上を図る。
【解決手段】 中心電極４５と、その周囲を略同心状に覆う複合圧電体層４９と、この複合圧電体層４９の外側を包む外側電極４７と、この外側電極４７の外側を覆う被覆層５１と、この周囲を覆う弾性縁取り材３５を備え、外圧による前記複合圧電体層４９の変形によって、各電極４５，４７に出力信号を発生する感圧センサ１７において、この弾性縁取り材３５を発泡性の合成樹脂からなる断熱手段で覆うことにより、焦電効果による誤動作を抑制する。またこの断熱手段は通例の塩化ビニルからなる被覆層５１を覆うように形成しても良いしまた、断熱性に優れた発泡性の合成樹脂からなる被覆層５１ｆを覆うようにしてもよいし、またこの断熱手段が被覆層を兼ねてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、感圧センサ、感圧センサの製造方法及び物体検出装置に係り、例えば異物の挟み込み防止機能が要求される自動車のパワーウィンドウ装置等に用いられる感圧センサの改良に関するものである。

近年、車両の窓ガラスの開閉装置には、モータの駆動力を利用して開閉を行う、所謂パワーウィンドウ装置が採用されている。
このパワーウィンドウ装置では、窓ガラスを閉動作した際に例えば窓枠と窓ガラスとの間に誤って手指等が挟み込まれた場合に、窓ガラスの閉動作の停止、或いは開動作への移行によって手指等の損傷を回避するために、異物の挟み込みを検出する物体検出装置を装備する。

この物体検出装置は、窓枠の縁に沿って敷設されて異物が接触した時の変形によって出力信号を発生する感圧センサと、この感圧センサの出力信号に基づいて前記感圧センサへの異物の接触の有無を判定する判定手段とを備えた構成とされる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１５３７３４号公報

従来より、このような物体検出装置に使用される感圧センサとして、図１５に示す構造のものが提案されている。
この感圧センサ２１０は、所謂圧電素子タイプと呼ばれているもので、中心電極２０１と、その周囲を略同心状に覆う圧電層２０２と、この圧電層２０２の外側を包む円管状の外側電極２０３と、この外側電極２０３の外側を覆う塩化ビニール製の被覆層２０４とを備えた構成で、外圧による圧電層２０２の変形によって、中心電極２０１及び外側電極２０３に出力信号を発生する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３２４３９３号公報

ところで、上記の圧電素子タイプの感圧センサ２１０は圧電層２０２として圧電セラミックを用いている。この圧電セラミックは、チタン酸鉛と塩素化ポリエチレンとを主成分としたもので構成されており、圧電層２０２が環境温度の急激な変化に晒されたときに、外圧による圧電層２０２の変形時と同様に、電荷出力を生じる、いわゆる焦電効果を有している。
従来の圧電素子タイプの感圧センサ２１０は、塩化ビニル製の被覆層２０４で被覆されてはいるが、断熱性は十分でなく、外気温の温度変化が圧電層２０２に強く影響し、何らかの原因でセンサ設置部の周囲温度が急激に変化すると、上記の焦電効果が顕著となり、焦電効果による出力が物体の接触と誤認識される虞があった。
そこで、焦電効果による出力を物体の接触と誤認識させないために、焦電効果による出力を放電によって逃がす等の対策が必要となり、その対策のために、感圧センサ２１０の装備が困難になったり、装備コストの高騰を招くという問題が生じた。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、焦電効果対策にコストをかけることなく、焦電効果に起因する電荷出力を抑え、焦電効果による出力が物体の接触と誤認識される危険を回避して、物体検出に対する信頼性を向上させることの可能な感圧センサ、感圧センサの製造方法及び物体検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る感圧センサは、圧電セラミック材料を含む圧電層を複数の電極で挟んだセンサ体と、前記センサ体を覆う被覆層と、該被覆層の周囲を覆う発泡性の合成樹脂からなる断熱手段とを備えている。
このように構成された感圧センサにおいては、感圧センサの周囲の温度、厳密には、外気や感圧センサが取り付けられている設備基材等の温度が急激に変化したとしても、複数の電極と圧電層とを覆う断熱手段が従来の塩化ビニルからなる被覆層と比較して優れた断熱性を有するため、内部の圧電層に外部の急激な温度変化の伝達を抑制することができる。
従って、焦電効果に起因する電荷出力を抑えて、焦電効果による出力が物体の接触として誤認識される危険を回避することができ、物体検出に対する信頼性を向上させることができる。
また、本発明の感圧センサは、前記センサ体が、芯体状の第1の電極と、前記第1の電極を覆う圧電層と、前記圧電層の外側を覆う第２の電極を備えたケーブル状センサであるものを含む。
この構成によれば、高感度の長尺センサを効率よく形成することができる。
また、本発明の感圧センサは、前記センサ体が、第1の電極と、第２の電極とで圧電層を挟むように形成されたシート状センサであるものを含むものを含む。
この構成によれば、簡単な構成で大面積のセンサが形成可能となる。
また、本発明の感圧センサは、前記断熱手段が、中空部を形成した弾性体であるものを含む。
この構成によれば、より断熱効果の高いセンサを得ることができる。

また、前記断熱手段が断熱性を有する弾性体で形成されていると、異物が接触したときの圧電層の変形を容易にして、異物の接触を確実に検出することができる。
また、本発明の感圧センサは、前記被覆層を前記断熱手段が兼用するものを含む。
これにより、センサ体の外側を発泡性の合成樹脂からなる断熱手段で被覆するのみで、焦電効果による誤認を回避することができる。すなわち、塩化ビニルで構成されていた従来の被覆層を発泡性の合成樹脂からなる断熱手段と一体的に形成することにより、極めて簡単な構成で断熱性を確実にすることができる。
また、本発明の感圧センサは、断熱手段が感圧センサを設備基材に取り付けるための取付け部を具備したものを含む。
これにより、別途取付け手段を設ける必要がなくなり、取付け作業性の向上をはかることができる。

また、本発明の感圧センサの製造方法は、前記センサ部の周囲に押出成形によって断熱手段を成型するようにしたことを特徴とする。

このように構成された感圧センサの製造方法においては、押出成形という一般的な製造方法によって、複数の電極と圧電層とを備えたセンサ体の周囲に弾性体を被覆して製造しているため、簡単、且つ、安価に製造することができる。

本発明の物体検出装置は、上記感圧センサと、前記感圧センサの出力信号に基づき前記感圧センサへの異物の接触の有無を判定する判定手段とを備え、前記設備機器への物体の接触を検出するようにしたことを特徴とする。

また本発明の物体検出装置は、設備の開口部の縁あるいはこの開口部を開閉する閉口部材の縁の何れかに取り付けられた前記感圧センサと、前記感圧センサの出力信号に基づき前記感圧センサへの異物の接触の有無を判定する判定手段とを備え、前記開口部と前記閉口部材との間への異物の挟み込みを検出することを特徴とする。

このように構成された物体検出装置では、感圧センサの焦電効果対策としての放電用の回路接続等を必要とすることなく、高い信頼性で、物体との接触、或いは物体の挟み込みを検出することができる。
また、通常、上記の感圧センサは、設備基材や開口部の縁等に取り付けられる弾性縁取り材に敷設される。しかし、上記の感圧センサは、複数の電極と圧電層とを覆う断熱手段が、弾性縁取り材として必要とされる柔軟性や緩衝性を確保することができるため、断熱手段を形成する被覆層自体を設備基材や開口部の縁等に取り付けられる取付け部を備えた弾性縁取り材として兼用させることもでき、これによって、更に、設備基材や開口部等への取付け性の向上、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

本発明の感圧センサでは、感圧センサの周囲の温度、厳密には、外気や感圧センサが取り付けられている設備基材等の温度が急激に変化したとしても、複数の電極と圧電層とを覆う発泡性の合成樹脂からなる断熱手段が優れた断熱性を有するため、或いは、断熱手段として中空部を形成した弾性体が装備されることにより、内部の複合圧電体層へは外部の急激な温度変化が伝わらない。
従って、特に焦電効果対策にコストをかけずとも、焦電効果に起因する電荷出力を抑えて、焦電効果による出力が物体の接触と誤認識される危険を回避することができ、物体検出に対する信頼性を向上させることができる。
また、断熱手段が断熱性を有する弾性体で形成されていると、異物が接触したときの圧電層の変形を容易にして、異物の接触を確実に検出することができる。

また、本発明の感圧センサの製造方法では、感圧センサを押出成形によって製造しているので、感圧センサを簡単、且つ、安価に製造することができる。

また、本発明の物体検出装置では、感圧センサの焦電効果対策としての放電用の回路接続等を行わなくとも、高い信頼性で、物体との接触、或いは物体の挟み込みを検出することができる。
また、通常、上記の感圧センサは、設備基材や開口部の縁等に取り付けられる弾性縁取り材に敷設される。しかし、上記の感圧センサは、被覆層がゴム材料で、弾性縁取り材として必要とされる柔軟性や緩衝性を確保することができるため、被覆層自体を設備基材や開口部の縁等に取り付けられる弾性縁取り材として兼用させることもでき、これによって、更に、設備基材や開口部等への取付け性の向上、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施の形態に係る感圧センサ、感圧センサの製造方法及び物体検出装置を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る感圧センサを使用した物体検出装置及び開閉装置の外観図で、自動車のパワーウィンドウ装置に適用した例を示している。図２は図１のＣ−Ｃ断面図である。なお、図２では、図面右側が車室内側、左側が車室外側である。

図１において、１１は自動車のドア、１３は開口部としての窓枠、１５は開口部を開閉する閉口部材としての窓ガラスである。１７は感圧センサで、窓枠１３の端部周縁に配設されている。本発明の物体検出装置１００は、窓枠１３の端部周縁に配設された感圧センサ１７と、この感圧センサ１７の端部に接続されて感圧センサ１７の出力信号に基づき感圧センサ１７への物体（異物）の接触を判定する判定手段１９とを備えて、窓枠１３と窓ガラス１５との間に手指やその他の物体等が挟み込まれた時に、それを検出する。

また、本実施の形態の開閉装置１５０は、上記の物体検出装置１００と、窓ガラス１５を開閉させる開閉駆動手段２１、開閉駆動手段２１を制御する開閉制御手段２３から成る。ここで、開閉駆動手段２１は、モータ２５、ワイヤ２７、窓ガラス１５の支持具２９、ガイド３１等からなる。モータ２５によりワイヤ２７を動かし、ワイヤ２７と連結された支持具２９をガイド３１に沿って上下させることにより窓ガラス１５を開閉させる構造となっている。
なお、開閉駆動手段２１は、上記のようなワイヤ２７を用いた方式に限定するものではなく、他の方式であってもよい。また、開閉制御手段２３は、モータ２５と一体化しても良い。

図２に示すように、本実施の形態の感圧センサ１７は、感圧手段としての可撓性の圧電ケーブル３３と、この圧電ケーブル３３を挿通支持させる挿入孔４２を有し取付け部４４を介して窓枠１３に取り付けられる発泡性ウレタン樹脂からなる断熱手段としての弾性縁取り材３５とからなる。
弾性縁取り材３５は、例えば、ゴム材料によって形成されて、窓ガラス１５との密着によるパッキンとしての機能、窓ガラス１５の接触部の緩衝用としての機能を果たすために、窓枠１３の縁に沿って装着されるもので、その最下部近傍に、圧電ケーブル３３を挿通した挿入孔４２、中空部４１、側壁部４３が装備されている。

図３（ａ）は、本実施の形態の感圧センサ17の感圧手段である圧電ケーブル３３及びその近傍を示す断面図である。この圧電ケーブル３３は、信号導出用電極としての中心電極４５、外側電極４７と、塩素化ポリエチレンからなるゴム弾性体に圧電セラミックスの焼結粉体を混合した複合圧電材からなる複合圧電体層４９とを備えたセンサ体と、このセンサ体の外側に塩化ビニルからなる被覆層５１とを同心円状に積層して押出し機でケーブル状（即ち、長尺軸状）に押出成形した後、分極処理して構成したもので、優れた可撓性を有し、変形時の変形加速度に応じた出力信号を発生する。
圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸鉛、又はチタン酸ジルコン酸鉛、又は、チタン酸ビスマスナトリウムやニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム等の無鉛圧電セラミックの焼結粉体を用いる。

以上の圧電ケーブル３３は、以下の工程により製造される。最初に塩素化ポリエチレンシートと４０〜７０体積％の圧電セラミックス（ここでは、チタン酸ジルコン酸鉛）粉末がロール法によりシート状に均一に混合される。このシートを細かくペレット状に切断した後、これらのペレットは中心電極４５と共に、連続的に押し出されて複合圧電体層４９を形成する。それから、外側電極４７が複合圧電体層４９の周囲に巻き付けられる。外側電極４７を取り巻いて被覆層５１も連続的に押し出される。最後に、複合圧電体層４９を分極するために、中心電極４５と外側電極４７の間に、５〜１０ｋＶ／ｍｍの直流高電圧が印加される。

このようにして形成された感圧センサの温度特性を測定した。
この結果を図１１に示す。この感圧センサに温風をあてセンサ表面を加熱したとき、センサ表面を覆う断熱手段の表面温度が曲線Ａ１に示すように立ち上がったとき、センサ体表面の温度は曲線Ｂ１に示すように閾値温度を超えることなく維持されることがわかった。このときのセンサ出力は曲線Ｓ１に示すように、ノイズもなく良好な結果を得ることができた。
これに対し、断熱手段を設けない感圧センサを同様に加熱したとき、センサ表面温度は図１２において曲線Ｂ２に示すように上昇し、閾値温度を超えてしまう。このときのセンサ出力は曲線Ｓ２に示すように、ノイズが出現している。
図１１および図１２の比較から、本発明によれば、焦電効果に起因するノイズのない出力特性を得ることが可能となる。

上記塩素化ポリエチレンに圧電セラミックス粉体を添加するとき、前もって、圧電セラミックス粉体をチタン・カップリング剤の溶液に浸漬・乾燥することが好ましい。この処理により、圧電セラミックス粉体表面が、チタン・カップリング剤に含まれる親水基と疎水基で覆われる。
親水基は、圧電セラッミクス粉体同士の凝集を防止し、また、疎水基は塩素化ポリエチレンと圧電セラミックス粉体との濡れ性を増加する。この結果、圧電セラミックス粉体は、塩素化ポリエチレン中に均一に、最大７０体積％までに多量に添加することができる。上記チタン・カップリング剤溶液中の浸漬に代えて、塩素化ポリエチレンと圧電セラミックス粉体のロール時にチタン・カップリング剤を添加することにより、上記と同じ効果の得られることが見出された。この処理は、特別にチタン・カップリング剤溶液中の浸漬処理を必要としない点で優れている。このように、塩素化ポリエチレンは、圧電セラミックス粉体を混合する際のバインダー樹脂としての役割も担っている。尚、塩素化ポリエチレンの代わりに、例えば熱可塑性エラストマーのようなノンハロゲン材料を用いても良い。

本実施の形態の場合、中心電極４５には、銅系金属やステンレスによる単線導線又は複数線導線を使用している。
また、外側電極４７には、高分子層の上に銅金属膜を設けた帯状電極を用い、これを複合圧電体層４９の周囲に巻き付けた構成としている。そして、高分子層としては、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）を用い、この上に銅薄膜を接着した電極は、商業的にも量産されて、安価であるので、外側電極４７として好ましい。この電極を判定手段１９に接続する際には、半田付けにより接続することができる。
また、外側電極４７としてＰＥＴにアルミ層を付着した帯状電極を用いてもよく、より安価である。但し、アルミは半田付けができないので、この電極を判定手段１９に接続する際には、例えば加締めや、ハトメにより接続する。この場合は、外側電極のアルミの周りに金属単線コイルや金属編線を巻きつけて、外側電極と導通をとり、金属単線コイルや金属編線を判定手段１９に半田付けする構成としてもよく、半田付けが可能となるので、作業の効率化を図ることができる。
なお、圧電ケーブル３３を外部環境の電気的雑音からシールドするために、外側電極４７は部分的に重なるようにして複合圧電体層４９の周囲に巻き付けることが好ましい。

更にまた前記実施の形態では被覆層５１を従来と同様塩化ビニルで構成しその外側を発泡性の合成樹脂からなる断熱手段で構成したが、図３（ｂ）に変形例を示すように被覆層５１に代えて発泡性の合成樹脂からなる被覆層５１ｆで構成することにより更なる、断熱効果を得ることができることがわかった。
この感圧センサに同様に温風をあてセンサ表面を加熱したとき、センサ表面を覆う断熱手段の表面温度が図１３において曲線Ａ２に示すように大きく立ち上がったときも、センサ体表面の温度は曲線Ｂ３に示すように閾値温度を超えることなく維持されることがわかった。このときのセンサ出力は曲線Ｓ３に示すように、ノイズもなく良好な結果を得ることができた。
このとき、被覆層を塩化ビニルで構成し、その外側に断熱手段を設けた前記第１の実施の形態の感圧センサを同様に加熱したとき、センサ表面温度は破線Ｂ４に示すように上昇し、閾値温度は超えないが若干の上昇があった。またこのときのセンサ出力は曲線Ｓ４に示すように、若干のノイズが出現している。
このように、断熱手段のみならず被覆層も発泡性の合成樹脂で構成することにより、より断熱性が向上し、信頼性の高い感圧センサを得ることができる。
なお、この被覆層５１、５１ｆは断熱手段と兼用してもよい。
また、断熱手段および断熱手段としての被覆層５１ｆとしては、従来の感圧センサで被覆層に使用していた塩化ビニルよりも断熱性及び防水性に優れた発泡性の合成樹脂、望ましくは弾性体を使用するのが望ましい。このような弾性体として、例えば、発泡ウレタンのような発泡性の合成樹脂が好ましい。発泡性の合成樹脂としては、生ゴムを組成変形させ、架橋（あるいは加硫）させて弾性を持たせたエラストマー（ゴム弾性体）あるいは熱可塑性エラストマーに発泡剤を添加して反応させ発泡構造を実現したものが使用可能である。
なお、塩化ビニル製の被覆層５１の外側に弾性縁取り材３５として発泡性をもたない合成樹脂からなる断熱材を用いた場合、周囲空気温度、弾性縁取り材、被覆層５１、電極４７、圧電層４９がＴａで熱平衡状態である時刻ｔ＝ｔ０のときの温度分布が図１４（ａ）にＬ１で示すような分布曲線をもつとき、周囲空気温度がＴａからＴｂに急変したときの温度分布はＬ２に示すような分布曲線をもち、外側から内側に行くに従ってゆるやかな分布を描いて圧電体の温度が上昇していることがわかる。ここで各点は図２をＡ−Ａ断面できったときの各層を示す。
これに対し、弾性縁取り材３５として発泡性の合成樹脂からなる断熱材を用いた場合、周囲空気温度、弾性縁取り材３５、被覆層５１、電極４７、圧電層４９がＴａで熱平衡状態である時刻ｔ＝ｔ０のときの温度分布が図１４（ｂ）にＬ３で示すような分布曲線をもつとき、周囲空気温度がＴａからＴｂに急変したときの温度分布はＬ４に示すような分布曲線をもち、外側から内側に行くに従ってより急峻な分布を描いており、圧電体の温度はあまり上昇することなく維持されていることがわかる。
ここで図１４（ａ）、（ｂ）における各点は図２をＡ−Ａ断面できったときの各層を示す。
ここで圧電層４９の電極４７との境界面の温度はＴｃ１＞Ｔｃ２となり、この結果から、発泡性の合成樹脂からなる弾性縁取り材３５を用いたときに所定時間におけるＴａからの温度変化率が小さくなるため、焦電効果の発現が抑制されることがわかる。
ここで図１４（ａ）、（ｂ）における各点は図２をＡ−Ａ断面できったときの各層を示す。
ここでは、発泡性の合成樹脂として、イソプレンゴム（IR）、ブタジエンゴム（BR）、スチレンーブタジエンゴム（SBR）、クロロプレンゴム（CR）、ニトリルゴム（NBR）、ブチルゴム（IIR）、エチレンプープロピレンゴム（EPM、EPDM）、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)、アクリルゴム（ASM、ANM）、エピクロルヒドリンゴム(CO ECO)、多硫化ゴム（T）、シリコンゴム（Q）、フッ化ゴム（FKM）、ウレタンゴム（U）などのエラストマ、ポリスチレン系熱可塑性エラストマ（TPS）、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマ（TPEE）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマ（TPU）、ポリエステル系熱可塑性エラストマ（TPEE）、ポリアミド系熱可塑性エラストマ（TPEA）、ポリブタジエン系熱可塑性エラストマ、エチレン−酢酸ビニル系熱可塑性エラストマ（PVC-TPE）、天然ゴム系熱可塑性エラストマ、トランス−ポリイソプレン系熱可塑性エラストマ、塩素化ポリエチレン系熱可塑性エラストマ（CM）などの熱可塑性エラストマに発泡剤を添加して反応させ、発泡構造を形成した樹脂が適用可能である。ここで発泡構造体の形成に際しては、天然ゴム、合成ゴムなどのエラストマや、熱可塑性エラストマに有機発泡剤、架橋剤、軟化剤、補強剤を練り込み、密閉された型内で加硫を行いながら発泡剤の分解により形成するものである。

上記のように、圧電ケーブル３３の複合圧電材が塩素化ポリエチレンの有する可撓性と圧電セラミックスの有する高温耐久性とを併せ持つので、圧電体としてポリフッ化ビニリデンを用いた従来の圧電センサのような高温での感度低下がなく、高温耐久性がよい上、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）のようなゴムのように成形時に加硫工程が不要であるため生産効率がよいという利点が得られる。

また、弾性縁取り材３５に用いられるゴム材料は、接触する物品の押圧力で複合圧電体層４９が変形し易いように、複合圧電体層４９よりも柔軟性及び可撓性の高いものが良い。車載部品として耐熱性、耐寒性を考慮して選定し、具体的には、−３０℃〜８５℃で可撓性の低下が少ないものを選定することが好ましい。このようなゴム材料として、例えば、ＥＰＤＭ、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、シリコンゴム（Ｓｉ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）等を用いればよい。以上のような構成により、圧電ケーブル３３の最小曲率は、半径５ｍｍまで可能になる。
この弾性縁取り材３５に加え被覆層５１も、断熱性の高い材料を用いることにより、焦電効果による誤動作の低減効果をより高めることができる。材料としても上記弾性縁取り材と同様、発泡性の樹脂が適用可能である。
なお、弾性縁取り材３５を発泡性の樹脂で構成した場合は、この弾性縁取り材３５で断熱効果を得ることができるため、被覆層５１は塩化ビニルで構成してもよい。この場合は、通常の圧電ケーブルを用いて形成することができ製造が容易である。

図４は圧電ケーブル３３の外観図で、圧電ケーブル３３の一方の端部５３には、断線検出用抵抗体５５を内蔵してある。断線検出用抵抗体５５は圧電ケーブル３３の中心電極４５と外側電極４７との間に接続されている。断線検出用抵抗体５５は、焦電効果によって圧電ケーブル３３に発生する電荷を放電する放電部を兼用しており、部品の合理化となっている。圧電ケーブル３３は判定手段１９に直接接続され、圧電ケーブル３３と判定手段１９とは一体化されている。また、判定手段１９には、電源供給用と検出信号の出力用のケーブル５７、及びコネクタ５９が接続されている。圧電ケーブル３３を弾性縁取り材３５に配設する場合は、端部５３に断線検出用抵抗体５５を内蔵し、圧電ケーブル３３を弾性縁取り材３５の挿入孔４２に挿入した後、圧電ケーブル３３と判定手段１９とを接続し、一体化する。
なお、弾性縁取り材３５を押出し成形法により成形する際に同時に圧電ケーブル３３を押し出して、圧電ケーブル３３を弾性縁取り材３５に配設し、その後、端部５３に断線検出用抵抗体５５を内蔵せしめ、圧電ケーブル３３と判定手段１９とを一体化してもよい。

図５は、本実施の形態の物体検出装置１００及び開閉装置１５０のブロック図である。
判定手段１９は、感圧センサ１７の断線を検出する際に使用する分圧用抵抗体６１、圧電ケーブル３３からの出力信号から所定の周波数成分のみを通過させる瀘波部６２、瀘波部６２からの出力信号に基づき感圧センサ１７への物体の接触を判定する判定部６３、断線検出用抵抗体５５と分圧用抵抗体６１により形成される電圧値から圧電ケーブル３３の中心電極４５と外側電極４７の断線異常を判定する異常判定部６４を備えている。
また、中心電極４５と外側電極４７を判定手段１９に接続し、圧電ケーブル３３からの出力信号を判定手段１９に入力する信号入力部６５と、判定部６３からの判定信号を出力する信号出力部６６とは、隣接して判定手段１９内に配設している。信号出力部６６には、判定手段１９への電源ラインとグランドラインも接続されている。さらに、判定手段１９は、信号入力部６５と信号出力部６６との間に設けられ高周波信号をバイパスするコンデンサ等のバイパス部６７を有している。

駆動手段２１は、モータ２５の回転パルスを検出するためのホール素子６８を有する。
開閉制御手段２３は、ホール素子６８からの出力信号に基づき窓ガラス１５の上端位置を検出する位置検出部７１と、ホール素子６８からの出力信号に基づき窓ガラス１５の移動速度を検出して窓ガラス１５への異物の接触を判定する開閉部接触判定部７２と、判定手段１９と位置検出部７１と開閉部接触判定部７２との出力信号に基づきモータ２５を制御する制御部７３とを備えている。

位置検出部７１は、ホール素子６８から出力されるパルス信号をカウントして記憶することにより、窓ガラス１５の上端の現在位置を検出する。ここで、窓ガラス１５の上端位置Ｙは、図１に示したように、窓枠１３の最下点からの高さで表される。

開閉部接触判定部７２では、窓ガラス１５に異物が接触すると窓ガラス１５の移動速度が遅くなることに基づき、ホール素子６８から出力されるパルス信号のパルス間隔から窓ガラス１５の移動速度を演算し、演算した移動速度の単位時間当たりの変化量｜ΔＶｗ｜が予め設定した設定値ＶＷ１より大となった場合、窓ガラス１５が異物に接触したと判定し、Ｌｏ→Ｈｉ→Ｌｏのパルス信号を出力する。
ここで、このパルス信号の内、Ｈｉレベルの信号が判定信号となる。

また、開閉制御手段２３には、判定手段１９の判定結果を車室内のフロントパネルに設置された所定のライト等で報知する報知手段７４、窓ガラス１５を開閉するための開閉スイッチ７５が接続されている。この開閉スイッチ７５は、ワンタッチ操作で窓ガラス１５を開閉するオートアップスイッチ、オートダウンスイッチと、マニュアル操作で窓ガラス１５を開閉するマニュアルアップスイッチ、マニュアルダウンスイッチ等からなる。そして、判定手段１９を通じて電力を供給する自動車のバッテリー等からなる電源７６が設けられている。

瀘波部６２は、圧電ケーブル３３の出力信号から自動車の車体の振動等に起因する不要な信号を除去し、異物の接触による押圧により圧電ケーブル３３が変形する際に圧電ケーブル３３の出力信号に現れる特有な周波数成分のみを抽出するような濾波特性を有する。濾波特性の決定には、自動車の車体の振動特性や走行時の車体振動を解析して最適化すればよい。

外来の電気的ノイズを除去するため、判定手段１９はシールド部材で全体を覆って電気的にシールドしてある。また、外側電極４７は判定手段１９のシールド部材と導通し、感圧センサ１７も電気的にシールドされている。なお、上記回路の入出力部に貫通コンデンサやＥＭＩフィルタ等を付加して強電界対策を行っても良い。

次に、物体検出装置１００による異物の感圧センサ１７への接触を検出する際の基本動作について説明する。
図６に窓枠と窓ガラスの間に異物としての物体７７が侵入して挟み込まれた場合の感圧センサ１７の様子を示した。物体７７が感圧センサ１７と接触すると、物体７７による押圧が弾性縁取り材３５及び圧電ケーブル３３に作用する。弾性縁取り材３５は圧電ケーブル３３より柔軟性を有しているので、図示のように物体７７が接触する点を中心として押圧により弾性縁取り材３５が圧縮されて、側壁部４３が変形し、同時に中空部４１が押し潰される。これにより圧電ケーブル３３も物体７７が弾性縁取り材３５と接触する点を中心として屈曲して変形する。また、感圧センサ１７を含めて窓枠を手で握ることでも、同様の変形が感圧センサ１７に生じる。

このようにして圧電ケーブル３３が変形すると、圧電効果により圧電ケーブル３３から変形の加速度に応じた出力信号が出力される。圧電ケーブル３３からの出力信号は瀘波部６２により濾波される。圧電ケーブル３３の出力信号に自動車の車体の振動等に起因する不要な振動成分による出力信号が現れることがあるが、瀘波部６２がこの不要な信号を除去する。

ここで、判定部６３と制御部７３の動作手順について、図７に基づいて説明する。
図７は瀘波部６２からの出力信号Ｖ、判定手段１９の判定出力Ｊ、モータ２５への印加電圧Ｖｍを示す特性図である。図７中、縦軸は上から順にＶ、Ｊ、Ｖｍ、横軸は時刻ｔである。
時刻ｔに開閉スイッチ７５のオートアップスイッチをオンにすると、制御部７３がモータ２５に＋Ｖｄの電圧を印加して窓ガラス１５を閉動作させる。判定手段１９は窓ガラス１５の閉動作時に判定動作を行う。図６に示したように物体７７が挟み込まれると、圧電ケーブル３３からは、圧電効果により圧電ケーブル３３の変形の加速度に応じた信号が出力され、瀘波部６２からは図７（ａ）に示すような基準電位Ｖ０より大きな信号成分が現れる。この際、単に圧電ケーブル３３を窓枠１３に配設した構成であれば、挟み込みの際の圧電ケーブル３３の変形は僅かであるが、本実施の形態の場合は、図２に示すように、弾性縁取り材３５が柔軟性を有しており、挟み込みの際に弾性縁取り材３５が容易に圧縮されるので、圧電素子材３３の変形量が増大する。

そして、挟み込みの際に中空部４１も押し潰されるので、圧電ケーブル３３の変形量がさらに増大する。このように圧電ケーブル３３は大きな変形量が得られ、変形量の２次微分値である加速度も大きくなり、結果として、圧電ケーブル３３の出力信号も大きくなる。判定部６３はＶのＶ０からの振幅｜Ｖ−Ｖ０｜がＤ０よりも大ならば物体７７と接触があったものと判定し、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ２で判定出力として、Ｌｏ→Ｈｉのパルス信号を出力する。

制御部７３は、この判定信号があると、図７（ｃ）に示すように、モータ２５への＋Ｖｄの電圧印加を停止し、−Ｖｄの電圧を時刻ｔ３まで一定時間印加して窓ガラス１５を一定量下降させ、挟み込みを解除、或いは挟み込みの発生を未然に防止する。感圧センサ１７への圧力を解除する場合には、圧電ケーブル３３からは変形が復元する加速度に応じた信号（図７（ａ）の基準電位Ｖ０より小さな信号成分）が出力される。

なお、感圧センサ１７の変形の際、ＶがＶ０より大となるか小となるかは、圧電素子材３３の屈曲方向や分極方向、電極の割り付け（どちらを基準電位とするか）、圧電ケーブル３３の支持方向により変化するが、判定部６３ではＶのＶ０からの振幅の絶対値に基づき挟み込みを判定しているので、ＶのＶ０に対する大小によらず挟み込みを判定することができる。

上記の基本的な判定方法に加えて、次のようにして異物となる物体との接触の無を判定すると、挟み込みの発生を未然に防止することが可能になる。
図８は、瀘波部６２からの出力信号Ｖ、判定手段１９の判定出力Ｊを示す特性図である。図８中、縦軸は上から順にＶ，Ｊ、横軸は時刻ｔである。
図８（ａ）に示すように、時刻ｔ４において窓枠１３を握る等して感圧センサ１７を変形させると、圧電ケーブル３３からは圧電効果によって信号が出力され、その結果瀘波部６２からは基準電位Ｖ０より大きな信号成分が現れる。

そして、判定部６３は出力信号Ｖが予め設定されたＶ１以上となった場合に、即ち、出力信号ＶのＶ０からの振幅｜Ｖ−Ｖ０｜がＶ１より大きくなった場合に、物体と接触したものと判定し、図８（ｂ）に示すように、時刻ｔ４で判定出力として、Ｌｏ→Ｈｉ（判定信号）のパルス信号を出力してこれを保持する。
次に、窓枠１３から手を離す等して感圧センサ１７の変形を解除すると、圧電素子材３３からは同等の圧電効果によって信号が出力され、瀘波部６２からは基準電位Ｖ０より小さな信号成分が現れる。このとき、判定部６３は、出力信号Ｖが予め設定したＶ２以下となった場合に、即ち、出力信号のＶのＶ０からの振幅｜Ｖ−Ｖ０｜がＶ２より大きくなった場合に、物体から離反したものと判定し、時刻ｔ５で判定信号であるＨｉレベルのパルス信号をＨｉ→Ｌｏとする。
つまり、物体の接触を検出してから離反を検出するまでの間、パルス信号をＨｉに保持し、判定信号の出力を保持する。

ここで、判定信号が出力されて物体の接触を検出した時刻ｔ４から物体の離反を検出した時刻ｔ５までの間は、仮に窓ガラス１５を昇降動作させようと開閉スイッチ７５を操作しても、制御部７３は窓ガラス１５の動作をロックするように制御する。これにより、障害物が検出されて挟み込みの発生が未然に防止でき、安全性が高められる。

なお、上記した出力信号Ｖは、圧電ケーブル３３を分極する場合の極性により変化する。その場合には、図示した信号の正負が逆転する信号となるので、Ｖ１，Ｖ２の設定値を正負逆転させればよい。
また、上記判定手段１９の機能を、接続される開閉制御手段２３側に持たせることにより感圧センサ１７から判定手段１９を切り離し、感圧センサ１７自体の設置等の取り扱い性を向上させた構成としてもよい。

以上の物体検出装置１００及び開閉装置１５０において、使用する感圧センサ１７は、被覆層５１の材料を断熱性を有する弾性体に改良しており、感圧センサ１７の周囲の温度、厳密には、被覆層５１に外接している外気や弾性縁取り材３５や窓枠１３等の温度が急激に変化したとしても、被覆層５１の外側を覆う弾性体が従来の塩化ビニルと比較して優れた断熱性を有するため、内部の複合圧電体層４９へは外部の急激な温度変化が伝わらない。
また、弾性縁取り材３５には中空部４１が形成されて空気層が介在し、この空気層が断熱作用を伴うので、この点からも、外部の急激な温度変化による感圧センサ内部の複合圧電体層４９への影響を阻止できる。
従って、特に焦電効果対策にコストをかけずとも、焦電効果に起因する電荷出力を抑えて、焦電効果による出力が物体の接触と誤認識される危険を回避することができ、物体検出に対する信頼性を向上させることができる。
また、被覆層５１に採用した弾性体が従来の塩化ビニルと比較して優れた防水性を有しているため、中心電極や外側電極の浸水による腐食を考慮しなくてもよくなり、浸水による腐食防止のために電極をアルミニウム系金属製としていた従来の場合と比較すると、電極を安価な銅系金属製にすることができ、上記の焦電効果対策費の節減と合わせることで、製造コストの大幅な低減を図ることもできる。

物体検出装置１００又は開閉装置１５０としては、特に感圧センサ１７の焦電効果対策としての放電用の回路接続等を行わなくとも、高い信頼性で、物体との接触、或いは物体の挟み込みを検出することができる。
また、通常、上記のように、感圧センサ１７は、窓枠１３に取り付けられる弾性縁取り材３５に敷設される。しかし、本実施の形態の感圧センサ１７は、被覆層５１が弾性体で、弾性縁取り材として必要とされる柔軟性や緩衝性を確保することができるため、外殻形状を弾性縁取り材３５に合わせて成形することで、断熱手段としての被覆層５１自体を弾性縁取り材として兼用させる、すなわち、感圧センサ１７を窓枠１３へ取り付けるための取付け部４４を、断熱手段としての被覆層５１に備えることもでき、これによって、更に、感圧センサ１７の窓枠１３への取付け性の向上、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

また、図９に示すように、断熱手段としての被覆層５１が中空部７８を形成した弾性体からなる構成としてもよく、優れた断熱性を有するため、焦電効果による誤検知を防止できる。

（第２の実施の形態）
更にまた本発明の第２の実施の形態としてシート状センサも有効である。
図１０に示すように、この圧電シートは、信号導出用電極としての第１の電極８５と、第２の電極８７とで、前記第１の実施の形態で用いたのと同様、塩素化ポリエチレンからなるゴム弾性体に圧電セラミックスの焼結粉体を混合した複合圧電材からなる複合圧電体層８９とを挟んで形成したセンサ体を形成するとともに、このセンサ体の外側を被覆する発泡性ウレタンからなる被覆層８１で被覆したもので、変形時の変形加速度に応じた出力信号を発生する。
このシート状センサについても発泡性ウレタンからなる断熱性の被覆層で覆われているため、前記第１の実施の形態で用いたケーブル状センサと同様、焦電効果による誤動作もなく、信頼性の高い感圧センサを構成することが可能となる。

なお、本発明に係る感圧センサ１７及び物体検出装置の適用対象は、以上の実施の形態で説明した自動車の前席のパワーウィンドウ装置に限定されるものではなく、自動車の電動ハッチバック式のドア等にも適用可能である。
更に、本発明の適用対象となる開口部や閉口部材は、自動車の窓部に限定されることなく、電動スライドドアや、電動サンルーフ、建物の自動ドア等へも、応用可能である。

また、物体検出装置としては、開口部と閉口部材との間の異物を挟み込む挟み込み検出装置して説明したが、本発明の物体検出装置は、このような挟み込みの検出に限定されるものではない。
例えば、車両のバンパー等に、上記の感圧センサ１７や判定手段１９を装備することで、外部の物体との接触を検出する場合に使用することも可能でありまた、搬送物品等の位置決め用の検出装置として利用可能な汎用的な物体検出装置としても有用である。

本発明に係る感圧センサ及び物体検出装置を搭載した開閉装置の第１の実施の形態の外観図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の感圧センサとなる圧電ケーブルの断面図である。 本発明の感圧センサの外観図である。 図１に示した物体検出装置及び開閉装置のブロック図である。 開口部の閉口動作時に異物を挟み込んだ感圧センサの変形状態を示す斜視図である。 図１に示した開閉装置における瀘波部からの出力信号Ｖ、判定手段の判定出力Ｊ、モータへの印加電圧Ｖｍを示す特性図である。 図１に示した開閉装置における瀘波部からの出力信号Ｖ、判定手段の判定出力Ｊで、挟み込みを未然に防止する方法の説明図である。 本発明の圧電ケーブルにおける他の実施の形態の断面図である。 本発明の第２の実施の形態の感圧センサの断面図である。 本発明の第１の実施の形態の感圧センサのセンサ出力を示す図である。 従来の感圧センサのセンサ出力を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の感圧センサのセンサ出力を示す図である。 本発明および従来例の感圧センサの断面における温度変化を示す比較図である。 従来の感圧センサの拡大横断面図である。

符号の説明

１１ ドア
１３ 窓枠（開口部）
１５ 窓ガラス（閉口部材）
１７ 感圧センサ
１９ 判定手段
２１ 開閉駆動手段
２３ 開閉制御手段
２５ モータ
２７ ワイヤ
２９ 支持具
３１ ガイド
３３ 圧電ケーブル
４１ 中空部
４２ 挿入孔
４５ 中心電極
４７ 外側電極
４９ 複合圧電体層
５１ 被覆層
５５ 断線検出用抵抗体
６１ 分圧用抵抗体
６２ 瀘波部
６３ 判定部
６５ 信号入力部
６６ 信号出力部
６７ バイパス部
７２ 開閉部接触判定部
７３ 制御部
７８ 中空部
１００ 物体検出装置
１５０ 開閉装置

Claims (9)

1. 圧電セラミック材料を含む圧電層を複数の電極で挟んだセンサ体と、前記センサ体を覆う被覆層と、該被覆層の周囲を覆う発泡性の合成樹脂からなる断熱手段とを備えた感圧センサ。
2. 前記センサ体は、芯体状の第1の電極と、前記第1の電極を覆う圧電層と、前記圧電層の外側を覆う第２の電極を備えたケーブル状センサである請求項１記載の感圧センサ。
3. 前記センサ体は、第1の電極と、第２の電極とで圧電層を挟むように形成されたシート状センサである請求項１記載の感圧センサ。
4. 前記断熱手段が、中空部を形成した弾性体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の感圧センサ。
5. 前記被覆層を前記断熱手段が兼用する請求項１乃至４のいずれかに記載の感圧センサ。
6. 前記断熱手段は感圧センサを設備基材に取り付けるための取付け部を具備した請求項１乃至５のいずれかに記載の感圧センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の感圧センサの製造方法であって、
   前記センサ部の周囲に押出成形によって断熱手段を成型するようにした感圧センサの製造方法。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の感圧センサと、前記感圧センサの出力信号に基づき 前記感圧センサへの異物の接触の有無を判定する判定手段とを備え、前記設備機器への物体の接触を検出するようにした物体検出装置。
9. 設備の開口部の縁あるいはこの開口部を開閉する閉口部材の縁の何れかに取り付けられた請求項１乃至６のいずれかに記載の感圧センサと、
   前記感圧センサの出力信号に基づき前記感圧センサへの異物の接触の有無を判定する判定手段とを備え、前記開口部と前記閉口部材との間への異物の挟み込みを検出する物体検出装置。

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