CN107883863B

CN107883863B - 活体接近距离检测装置

Info

Publication number: CN107883863B
Application number: CN201710899812.8A
Authority: CN
Inventors: 服部励治; 森本祐平; 小野裕太郎; 渡边雅之; 道田奈奈江; 岸笃秀; 西川一男
Original assignee: Mazda Motor Corp; Kyushu University NUC
Current assignee: Mazda Motor Corp; Kyushu University NUC
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: DE102017122587A1; CN107883863A; US20180093695A1; JP2018054523A

Abstract

本发明提供一种活体接近距离检测装置，其能够检测悬浮触控状态。用绝缘部件覆盖第一电极和第二电极的表面，由此构成电极部。高频电源经用于构成共振电路的感应元件与第一电极相连接，另一方面，电流计与第二电极相连接。获取改变来自高频电源的频率并由电流计检测出表示共振的电流状态时的共振频率和共振电阻值之间的关系，以上述关系为基准，当在共振电阻值大于与第一电极和第二电极之间的漏电阻相对应的初始电阻值的范围内，共振频率的增减与共振电阻值的增减成反比关系时，控制器则判断活体相对于电极部处于悬浮触控状态。

Description

活体接近距离检测装置

技术领域

本发明涉及一种活体接近距离检测装置。

背景技术

最近，已研发出各种检测与活体之间的关系的传感器。专利文献1中公开了一种以静电电容传感器间的距离变化量为基准检测心率等的活体接近距离检测装置。专利文献2中公开了一种以静电电容变化量为基准检测有无进行触控操作的活体接近距离检测装置。专利文献3中公开的活体接近距离检测装置的具体情况如下：在包括具有使其静电电容达到最大的构造的电极部的共振回路中，以共振点的电阻值作活体的皮肤电阻。

专利文献1：日本公开专利公报特开2014-210127号公报

专利文献2：日本公开专利公报特开2014-44225号公报

专利文献3：日本公开专利公报特开2016-220961公报

发明内容

－发明要解决的技术问题－

最近，人们期待做到的是：检测在活体离开某物体的状态下呈该活体位于与该某物体间的距离在规定的近距离范围内的状态(悬浮触控状态：hover touch condition)。例如，在实际自动驾驶汽车等之际，人们期待检测的是：驾驶人员的手指是否位于转向盘附近并能在发生意外时操作转向盘。

本发明正是鉴于上述情况而完成的。其目的在于：提供一种活体接近距离检测装置，其能够检测活体处于悬浮触控状态。

－用于解决技术问题的技术方案－

为达成上述目的，本发明采用了以下技术方案。也就是说，第一方面的发明以活体接近距离检测装置为对象。其包括电极部、高频电源、电流计以及控制器。所述电极部包括表面被绝缘部件覆盖的第一电极和第二电极；所述高频电源，经用于构成共振电路的感应元件与所述第一电极相连接；所述电流计与所述第二电极相连接；所述控制器对所述高频电源进行控制，由所述电流计检测到的检测电流输入该控制器。所述控制器执行以下步骤(a)和步骤(b)。在所述步骤(a)中，在改变来自所述高频电源的频率由所述电流计检测出表示共振的电流状态时，求出共振频率和共振电阻值，获取共振频率和共振电阻值之间的关系。在所述步骤(b)中，所述控制器以在所述步骤(a)中获取的关系为基准，当在共振电阻值大于与所述第一电极和所述第二电极之间的漏电阻相对应的初始电阻值的范围内共振频率的增减与共振电阻值的增减成反比例关系时，该控制器则判断活体相对于所述电极部处于悬浮触控状态。

根据上述技术方案，能够以在简单的结构下得到的共振电阻值和共振频率之间的关系判断活体是否处于悬浮触控状态。

第二方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，所述控制器在所述步骤(b)中，以所述共振电阻值相对于所述初始电阻值的増加量为基准判断活体与所述电极部之间的距离。在该情况下，也能够得知电极部与活体之间的距离。

第三方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，所述控制器在所述步骤(b)中，以所述共振电阻值相对于所述初始电阻值的増加量为基准判断活体与所述电极部之间的距离。在该情况下，当活体处于悬浮触控状态时，能够得知电极部和活体之间的距离是否在规定的距离以内。

第四方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，所述第一电极和所述第二电极以层叠关系设置好。与第一电极和第二电极并列着设置的情况相比，该情况从抑制电阻增加这一方面来看属于优选。

第五方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，所述电极部设置在移动物体的操作部，且一对所述电极部设置在处于正中位置的转向盘的左右端部。在该情况下，能够判断活体相对于操作部的悬浮触控状态。而且，在该情况下，既能够最大限度地减少电极部的数量，又能够可靠地检测活体相对于转向盘的悬浮触控状态，故属于优选。

第六方面的发明是这样的，在上述第二方面的发明中，所述电极部设置在移动物体的操作部，且一对所述电极部设置在处于正中位置的转向盘的左右端部。在该情况下，能够判断活体相对于操作部的悬浮触控状态。而且，在该情况下，既能够最大限度地减少电极部的数量，又能够可靠地检测活体相对于转向盘的悬浮触控状态，故属于优选。

第七方面的发明是这样的，在上述第三方面的发明中，所述电极部设置在移动物体的操作部，且一对所述电极部设置在处于正中位置的转向盘的左右端部。在该情况下，能够判断活体相对于操作部的悬浮触控状态。而且，在该情况下，既能够最大限度地减少电极部的数量，又能够可靠地检测活体相对于转向盘的悬浮触控状态，故属于优选。

第八方面的发明是这样的，在上述第四方面的发明中，所述电极部设置在移动物体的操作部，且一对所述电极部设置在处于正中位置的转向盘的左右端部。在该情况下，能够判断活体相对于操作部的悬浮触控状态。而且，在该情况下，既能够最大限度地减少电极部的数量，又能够可靠地检测活体相对于转向盘的悬浮触控状态，故属于优选。

第九方面的发明是这样的，在上述第一到第三方面任一方面的发明中，所述第一电极和所述第二电极以并列关系设置好。在该情况下，检测范围变宽，即能够检测活体与电极部接触的接触面积，有无出汗等与活体有关的信息，故属于优选。

－发明的效果－

根据本发明能够检测活体的悬浮触控状态。

附图说明

图1示出指肚与构成有共振电路的活体接近距离装置的电极部接触的状态。

图2是示出共振电阻值和共振频率之间的关系的特性图。

图3示出将一对电极部设置在转向盘上之例。

图4示出本发明的控制系统之例。

图5示出图4中的控制器的控制例。

图6示出层叠着设置了两个电极之例，与图1相对应。

图7是流程图，示出根据活体的悬浮触控状态控制车载设备之例。

－符号说明－

U-控制器；M-活体；M1-指肚；D-电极部；1-第一电极；2-第二电极；3-绝缘部件；4-高频电源；5-电流计；R1-漏电阻；Cm-互电容；Cf-静电电容(与指肚之间)；Rf-皮肤电阻；Cb-人体静电电容；Rb-人体电阻；41-转向盘；α-表示初始电阻值；β-表示极值(悬浮触控的结束时刻)；γ-表示最小共振电阻值(表示皮肤电阻)。

具体实施方式

图1中，1表示第一电极(发送侧电极)，2表示第二电极(接收侧电极)。实施方式中，第一电极1和第二电极2并列着设置好，且第一电极1和第二电极2的表面由绝缘部件3覆盖。绝缘部件3跨在第一电极1和第二电极2上。需要说明的是，图1中示出了绝缘部件3的厚度较厚的状态，但实际上绝缘部件3为薄膜。由第一电极1、第二电极2以及绝缘部件3构成电极部D。

第一电极1连接在高频电源4上。高频电源4的频率能够在例如500KHz～4MHz的范围内变化(能够扫频)。作电流测量仪用的电流计5与第二电极2相连接。为了对电极部D构成共振电路，感应元件11(其电感用L表示)位于第一电极1和高频电源4之间。

图1中，活体即人体(实施方式中，为汽车驾驶员)用符号M表示，驾驶员手指的指肚用符号M1表示。图1中，示出指肚M1接触电极部D(的绝缘部件3)时的等效电路。也就是说，R1是第一电极1和第二电极2之间的漏电阻值，Cm是第一电极1和第二电极2之间的互电容。Cf是指肚M1和第一电极1之间或指肚M1和第二电极2之间的静电电容(第一电极1的静电电容和第二电极2的静电电容相同，用Cf表示)，Rf为皮肤电阻。需要说明的是，皮肤电阻随接触面积变化。

在指肚M1与电极部D接触的状态下会构成流过活体M即驾驶员的身体的人体接地路径。也就是说，汽车驾驶员即活体M就坐于驾驶席，由此即构成经车身接地的状态。在该人体接地路径中，Rb表示人体电阻，Cb表示人体静电电容。

当指肚M1离绝缘部件3很远时(例如，与绝缘部件3之间的距离在30cm以上时)，皮肤电阻Rf、人体接地可以忽略。因此，来自高频电源4的电流流动的路径就是从感应元件11经第一电极1、通过漏电阻R1和互电容Cm并到达第二电极2的路径。图中，上述电流路径用实线表示。

在指肚M1与绝缘部件3接触的状态下，生成起因于活体M的两个电路系统。起因于活体M的第一电路系统是有皮肤电阻Rf参与的路径，即：来自高频电源4的电流经感应元件11、第一电极1、图中左侧的静电电容Cf、皮肤电阻Rf、图中右侧的静电电容Cf到达第二电极2的路径。图中，上述电流路径用点划线表示。

起因于活体M的第二电路系统是人体接地路径，即：来自高频电源4的电流通过感应元件11、第一电极1、图中左侧的静电电容Cf、人体电阻Rb、人体静电电容Cb的路径。图中，上述电流的流动路径用虚线表示(不通过电流计5的路径)。

这里，即使是让指肚M1处于略微离开绝缘部件3的状态(不接触，但距离很近的悬浮触控状态)，也会生成静电电容Cf。因此，电流除了如实线所示流动以外，还会如虚线所示流动。也就是说，当让指肚M1从离电极部D(的绝缘部件3)较远的状态逐渐地接近该电极部D且最后与该电极部D接触时，电流流动的路径从“图1中实线所示的状态”经“图1中实线所示的状态+图1中虚线所示的状态”朝着“图1中实线所示的状态+图1中虚线所示的状态+图1中点划线所示的状态”变化。

现在，假想一种让指肚M1从离绝缘部件3较远的状态逐渐接近绝缘部件3最后用力地压在绝缘部件3上的情况。在这样让指肚M1的位置发生变化的过程中，改变高频电源4的频率(扫频)，对此时的共振频率和共振电阻值之间的关系进行了汇总，示出该关系的就是图2。需要说明的是，电流计5检测到极值的时刻，判断已检测到共振。该共振时的频率为共振频率，此时的电阻值为共振电阻值(以高频电源4所产生的电压和电流计5的检测电流为基准计算共振电阻值)。

图2中，当让指肚M1离绝缘部件3较远时，共振时的初始电阻值就是漏电阻R1，此时的共振频率就是初始共振频率。图2中，共振电阻为初始电阻值(＝R1)时的时刻用符号α表示。

如果让指肚M1从已检测到初始电阻值R1的状态进一步接近绝缘部件3，电流则会按图1中虚线所示流动。其结果是，电流计5检测的电流值会相应地随之减少，共振电阻值增大，另一方面，共振频率减小。就这样，在共振电阻值从初始电阻值开始增大，另一方面，共振频率从初始频率开始减少这一状态下的范围内，指肚M1就处于在绝缘部件3附近的悬浮触控状态。

指肚M1与绝缘部件3接触，也会有电流按图1中点划线所示流动，共振电阻值会从増大状态朝着减少状态变化。也就是说，随着让指肚M1用力地按压绝缘部件3(随着指肚M1与绝缘部件3接触的接触面积增大)，皮肤电阻Rf减少。因此，共振电阻值朝着减少状态变化。随着共振电阻值减少，共振频率就减少。共振电阻值达到了从増大转向减少的极值(极大值)的时刻就是悬浮触控结束的时刻。图2中，悬浮触控结束的时刻用符号β表示。需要说明的是，能够使可检测悬浮触控状态的最大距离(电极部D与指肚M1之间的距离)在6cm以上。

如上所述，在共振电阻值大于初始电阻值的范围内(图2中，α～β这一范围)共振频率的增减与共振电阻值的增减成反比关系的情况下(也就是说，共振电阻值随着共振频率减小而增大的情况下，换句话说，也可以说是共振电阻值随着共振频率增大而减少的情况下)，能够判断活体相对于所述电极部处于悬浮触控状态。

在让指肚M1用力按压电极部D的最终状态下，共振电阻值成为最小值，图2中，达到该最小值的时刻用符号γ表示。需要说明的是，能够将共振电阻值最小时的最小共振电阻值判断为皮肤电阻值。在尽管共振频率几乎不发生变化，皮肤电阻值(最小共振电阻值)却朝着小了一个规定值以上的方向变化时，能够判断活体M出汗。

能够以上述β～γ这一范围的共振电阻值为基准判断活体M的姿势状态，还能够根据共振电阻值的变化情况检测姿势的变化情况。也就是说，活体M例如就坐于驾驶席时的状态，例如靠在座椅靠背上时，背部离开座椅靠背时，屁股从驾驶席上抬起来时等，相对于车身的接地位置会发生变化。因此，共振电阻值会发生变化。因此，事先用活体M的姿势状态和共振电阻值之间的关系建立数据库，再将得到的共振电阻值与数据库对比一下，就能够判断活体M的姿势状态。

图2中，β和γ之间的范围意味着指肚M1与绝缘部件3接触的接触面积增大，因此能够从该范围内的共振频率计算出静电电容，再由该静电电容获取指肚M1与绝缘部件3接触的接触面积。

在电流按图1中点划线所示流动的情况下，用下式(1)计算共振时的电路电阻Z。需要说明的是，式中，f为共振频率，通过观察高频电源4的输出状态，就能够知道共振频率f。共振时，L和Cf彼此抵消，故电路电阻Z就是皮肤电阻Rf。

静电电容值Cf由下式(2)计算。

共振频率f和感应元件11的电感L为已知，因此能够从式(2)计算出静电电容值Cf。能够从求得的静电电容值Cf求指肚M1的接触面积。例如，事先将静电电容值Cf和接触面积的关系数据库化，将计算出的静电电容值Cf与数据库对比一下，就能够将接触面积决定下来。

需要说明的是，无论电流的流动路径为图1中实线所示的情况，还是为图1中虚线所示的情况，都能够用式(1)、式(2)计算出电路电阻和静电电容值。此时，如果电流按实线所示流动，则用R1取代Rf，用Cm取代Cf即可。如果电流按图1中虚线所示流动，则用Rb取代Rf，用“Cf+Cb”取代Cf即可。

图3示出将一对电极部D设置在转向盘41上的情况。也就是说，图3示出转向盘41处于正中位置的状态。在该图3中，在转向盘41的左右端部分别设置有电极部D。

需要说明的是，图3之例为构成电极部D的第一电极1和第二电极2沿上下方向设置的层叠构造。也就是说，在第一电极1和第二电极2并列着设置的情况下，需要使第二电极2较细，电阻便有可能增加。因此，优选层叠构造。用第二电极2的面积除第一电极1的面积所得的值越小，传感器的灵敏度就越高(伴随着共振频率变化，共振电阻值的变化就大)。因此，优选使第二电极2的面积比第一电极1的面积大。需要说明的是，在实施方式中，设置成第一电极1位于第二电极2上侧的状态(第一电极1位于转向盘41的表面一侧的状态)。需要说明的是，使高频电源4和电流计5各仅有一个，用切换元件对连接在高频电源4和电流计5上的电极部D进行切换。

在图3所示的实施方式中，将转向盘41用在例如自动驾驶的汽车上，检测活体M即驾驶员是否将手指放在转向盘41附近。需要说明的是，通过设置左右一对电极部D，就既能够减少电极部D的数量，又能够可靠地检测驾驶员对转向盘41的操作状态(特别是悬浮触控状态)，因此设置左右一对电极部D属于优选。

图6示出第一电极1和第二电极2层叠着设置之例。用同一符号表示与图1相对应的技术特征，省略重复说明。图6中，在第一电极1的下方设置有第二电极2，且在第一电极1和第二电极2之间留有间隙。绝缘部件3由覆盖第一电极1的上表面一侧的第一绝缘部件3A和位于第一电极1和第二电极2之间将它们绝缘的第二绝缘部件3B构成。需要说明的是，两个绝缘部件3A、3B由同一部件构成。假定图6所示的等效电路中不存在皮肤电阻Rf。不过，图6所示的等效电路也能够得到图2所示的特性。

图6中示出的静电电容Cf产生于第一电极1和指肚M1之间，实际上，该静电电容Cf也会产生于第二电极2和指肚M1之间。此时，设产生于第一电极1和指肚M1之间的静电电容为Cf1，设产生于第二电极2和指肚M1之间的静电电容为Cf2，且用下式(3)定义两个静电电容Cf1和Cf2之间的关系。需要说明的是，式中，RR是常数。

Cf2＝RR·Cf1 (3)

当让常数RR在例如0.1～10这一范围内变化(例如，通过使第一电极1和第二电极2的宽度不同而变化)时，RR越小，图2中的α和β的区间就越宽，随着共振频率的减少而增大的共振电阻值就更大，从稳定地检测悬浮触控这一点来看，让常数RR在例如0.1～10这一范围内变化属于优选(鲁棒性提高)。相反，RR越大，上述α和β的区间越窄，随着共振频率的减少而增大的共振电阻值就更小。为获得图2所示的特性，优选将RR设定在0.1～1.0左右的范围内(这对于如图1所示并列着设置第一电极1和第二电极2的情况来说，也是一样的)。需要说明的是，在第一电极1和第二电极2为层叠构造的情况下，第一电极1和第二电极2的宽度关系是第二电极2比第一电极1宽，RR越大，第二电极2从第一电极1的宽度方向的端部朝着左右露出的长度就越长。

图4示出本发明的控制系统之例。图4中，U是利用微型计算机构成的控制器(控制单元)。电流计5的检测电流输入该控制器U。控制器U对高频电源4和显示屏42进行控制。例如在自动驾驶之际，当活体M即驾驶员的手离转向盘41较远的状态持续了较长时间时，则由显示屏42发出注意警报等。

接下来，参照图5所示的流程图说明控制器U进行控制的控制例，特别是，说明控制器U是如何对悬浮触控进行检测的。需要说明的是，在以下说明中Q表示步骤。首先，在Q1中，控制高频电源4，在特定的频率带域范围内改变频率(扫频)。

Q1后，在Q2中，决定初始电阻值(＝R1)和此时的共振频率f1。之后，在Q3中，获取共振电阻值和共振频率之间的关系(获取图2所示的特性，但并不一定获取从点α到点γ全部频率范围下的特性)。

Q3后，在Q4中，判断是否存在共振电阻值比初始电阻值R1大的范围。如果该Q4中的判断为“是”，则在Q5中，判断共振频率是否小于初始电阻值时的共振频率f1。

如果上述Q5中的判断为“是”，则为悬浮触控的状态。此时，在Q6中，从目前的共振电阻值减去初始电阻值R1，而计算出电阻增加量△R。之后，在Q7中，判断电阻增加量△R是否在规定值(阈值)以上。当在该Q7中的判断结果是为“是”时，则在Q8中，判断活体处于在规定距离(例如1cm)以内的悬浮触控状态。当在上述Q7中的判断结果为“否”时，则在Q9中，判断活体处于超过上述规定距离的距离下的悬浮触控。

当所述Q4中的判断结果为“否”时，或者Q5中的判断结果为“否”时，则分别在Q10中，判断活体不是悬浮触控状态(活体M即驾驶员的指肚M1离转向盘41较远或者活体M即驾驶员的指肚M1与转向盘41接触的状态)。

图7是流程图，示出根据相对于图3所示的左右一对电极部D的悬浮触控状态控制车载设备之例。下面，说明图7所示的流程图。首先，在Q21中，判断活体是否相对于左右的电极部D分别处于悬浮触控状态。该Q21中的判断结果为“是”时，则在Q22中，打开室内照明灯(亮)。

当上述Q21中的判断结果为“否”时，则在Q25中，判断是否仅有左侧的电极部D被悬浮触控。当在该Q23中的判断结果为“是”时，则在Q24中，打开空调装置(对空调进行控制)。

当上述Q23中的判断结果为“否”时，则在Q23中，判断是否仅有右侧的电极部D被悬浮触控。当在该Q25中的判断结果为“是”时，则打开音响装置。当在Q25中的判断结果为“否”时，则结束，不对车载设备进行控制。

以上对实施方式进行了说明，但本发明不受实施方式限制，可以在权利要求范围所记载的范围内做适当的变更。在检测悬浮触控状态的同时，还能够检测姿势状态(姿势的变化情况)、接触面积以及出汗与否等中的任意一种以上。成为悬浮触控状态的检测对象的部位并不限于指肚，还可以使其为脚趾肚、胳膊肘等活体的合适部位。本发明所适用的移动物体并不限于车辆(特别是汽车)，本发明对于船舶、飞机等人们能够操作的各种交通工具都适用。

还能够这样做：将电极部D设置在例如各种操作部，例如安装在车辆等移动物体上的设备类的操作部，以例如用指肚拍打电极部D规定次数的动作(可以是不接触电极部D，仅重复接近和离开电极部D的动作)为触发条件，以该触发条件作规定设备类的工作指令信号等(例如空调装置、音响装置的打开与关闭控制等)用。还能够以检测到活体处于悬浮触控状态为触发条件，以该触发条件作上述设备类的工作指令信号(作非接触式的接触传感器用)用。也能够根据从初始电阻值开始增加的共振电阻值的增加量△R，以连续可变的方式判断电极部D和活体M之间的距离；或者以三级以上的多个级来判断电极部D和活体M之间的距离。流程图中所示的各步骤或步骤群，示出了控制器U所具有的功能，在示出该功能的名称后加上部件或者器件等文字，就能够把它当做控制器U所具有的技术特征来看待。当然，本发明的目的并不限于已明确写出来的，提供实质上属于优选或者表现出优点的技术方案都被默认为本发明的目的。

－产业实用性－

本发明用一个简单的结构即能够对活体的悬浮触控状态进行检测。

Claims

1.一种活体接近距离检测装置，其特征在于：其包括电极部、高频电源、电流计以及控制器，

所述电极部包括表面被绝缘部件覆盖的第一电极和第二电极，

所述高频电源经用于构成共振电路的感应元件与所述第一电极相连接，

所述电流计与所述第二电极相连接，

所述控制器对所述高频电源进行控制，由所述电流计检测到的检测电流输入该控制器，

所述控制器执行以下步骤(a)和步骤(b)，

在所述步骤(a)中，在改变来自所述高频电源的频率并由所述电流计检测出表示共振的电流状态时，求出共振频率和共振电阻值，获取共振频率和共振电阻值之间的关系，

在所述步骤(b)中，所述控制器以在所述步骤(a)中获取的关系为基准，当在共振电阻值大于与所述第一电极和所述第二电极之间的漏电阻相对应的初始电阻值的范围内共振频率的增减与共振电阻值的增减成反比例关系时，该控制器则判断活体相对于所述电极部处于悬浮触控状态。

2.根据权利要求1所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

所述控制器在所述步骤(b)中，以所述共振电阻值相对于所述初始电阻值的増加量为基准判断活体与所述电极部之间的距离。

3.根据权利要求1所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

所述控制器在所述步骤(b)中，将所述共振电阻值相对于所述初始电阻值的増加量与规定的阈值做比较，由此来判断活体与所述电极部之间的距离是否在规定的距离以内。

4.根据权利要求1所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

所述第一电极和所述第二电极以层叠关系设置好。

5.根据权利要求1所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

所述电极部设置在移动物体的操作部，且一对所述电极部设置在处于正中位置的转向盘的左右端部。

6.根据权利要求2所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

7.根据权利要求3所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

8.根据权利要求4所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

9.根据权利要求1到3中任一项所述的活体接近距离检测装置，其特征在于：

所述第一电极和所述第二电极以并列关系设置好。