JP2000513864A - 近接センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 検知領域内の物体の存在を検知する改良形の容量性センサである。このセンサは導電材料と絶縁材料の交互の層を有する多層構造である。センサ構造は３個の電極を有している。すなわちタッチ板（２５）、ガード層（１５）および接地面（５）であり、その各々が絶縁層（２０、１０）によって互いに隔絶されている。このセンサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する検知電子回路によって動作する。たのセンサは検知面から数フィート離れた検知領域の物体を検知することができ、電動操作（自動閉鎖）窓、ドア等に存在する場合がある妨害物の検知のような自動車の用途に最適である。

Description

【発明の詳細な説明】 近接センサ 発明の背景 本発明は検知領域内の物体の存在を検知するための関連検知回路を有するセン サに関する。より具体的には、本発明は容量性作用を利用して、自動車の自動閉 鎖ドア、自動閉鎖式のサンルーフ、自動スライド・ドア、トランクの押し下げ機 構、およびその他の閉鎖またはアクチュエータ機構のような用途で物体の存在を 検知し、ひいては物体が閉鎖機構によって挟まれないようにする近接センサに関 する。 物体の有無を検知する装置はこの数年間、種々の用途で利用されてきた。製造 工業では組立てラインに沿った物体を検知するためにセンサが使用されてきた。 家庭用および営業用の双方の用途のためのセキュリティ・システムは侵入者を検 知するためにセンサを使用している。 従来形のセンサは光学式電磁放射、または磁気検知手段を使用して物体を検知 する。光学式センサは光線の遮断または反射のいずれかを利用して予め選択され た領域内の物体の存在を検知する。一例としてはある領域内に光線を放射する光 電トランシーバがあり、その領域内に物体があると、放射された光線が物体から 反射する。次にトランシーバは反射した光線を検知し、物体が存在することを示 す出力を発する。磁気作用に依存するセンサを使用して天然の磁性体である物体 を検知することをできる。マイクロ波または無線周波数（ＲＦ）センサは、物体 から反射したマイクロ波と直接放射されるマイクロ波信号との干渉に起因する、 マイクロ波放射源を囲む定在波パターンの変化に応答する。 工業、自動車またはその他の過酷な環境での用途に使用した場合、上記の種類 の近接センサにはそれぞれ幾つかの欠点がある。例えば、光学式センサの性能と 感度は車の窓やドアの周囲に塵芥が溜まると影響され、従って自動車の持ち主は 検知領域／表面を常に清潔に保つ必要にせまられる。加えて、光学式センサの場 合、検知は生来から光源によって局所的に限定されるので、障害物がない領域が 必要である。マイクロ波センサは、車の他の電子機器、ラジオ、携帯電話等との 干渉を防ぐために自動車内で必要な電磁的干渉の厳密な制限に適合しない場合が 多い。この干渉の問題は１台の自動車に多数のマイクロ波センサを搭載した場合 は一層深刻になる。磁気センサは自動車の窓やドアの近くの人やペットのような 非磁性体を検知するには有効ではない。超音波センサは一般的に、その検知範囲 を局所的に制限するためには更に改修する必要がある場合が多く、そのためコス トが高くなる。 これらと比較すると、キャパシタンスの変化を利用した近接センサには前述の 欠点がない。しかし、従来形のキャパシタンス式センサは一般には感度がそれほ ど高くなく、従って数マイクロファラッド（ｐＦ）程度のキャパシタンスの変化 を生ずる物体を検知することはできない。本発明はこのような限界を克服し、検 知面から数フィート離れた物体を検知することができ、自動車の用途に最適であ る容量性作用を利用した高感度のセンサを提供するものである。 発明の大要 本発明は新規の多層センサ構造を用いて実施される改良形の容量性センサを提 供するものである。このセンサは検知面から数フィート離れた検知領域内の物体 を検知することができ、電動操作（自動閉鎖）の窓、ドア、サンルーフ、スライ ド式ドア、トランクの押し下げ機構およびその類似物の妨害物となることがある 物体の検知のような自動車の用途に最適である。 このセンサは導電性と誘電性（絶縁）の材料の交互の層からなる多層構造にな っている。センサ構造は３個の電極を有している。すなわち、タッチ板、ガード 層、および接地面であり、各々が絶縁層によって互いに隔絶されている。ガード 層電極がタッチ板に印加される電圧と振幅および位相が同じ信号によって励起さ れると、タッチ板とガード電極、またはタッチ板とアースとの間には容量性作用 は生じない。物体が検知領域内にある場合は、その存在によって（１ｐＦ程度の 低さであることがある）センサ・キャパシタンスと並行して付加的なキャパシタ ンスが誘発され、それによってセンサの出力に変化が生ずる。センサのキャパシ タンス自体は極めて低いので、それが存在することにより物体自体とタッチ板と の間に約０．０１ｐＦのキャパシタンスを生ずる物体を検知することができる。 ガード電極を加え、このガード電極をタッチ板に印加される信号と同一である が、この信号とは絶縁された信号で励起させることによって、センサの感度は大 幅に高まる。 センサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する電子検知回路によ って作動される。自励モードではセンサ構造はそれ自体が発振器の能動部品であ り、タッチ板の近傍の物体によって発振器の振幅および周波数の双方または一方 が変化する。 他励モードでは、ＡＣ信号が外部ソースからセンサに印加され、センサの近傍 の物体による振幅および周波数の双方または一方の変化が検知される。 本発明の特徴と利点は添付図面を参照した以下の説明と請求の範囲を読むこと によって一層明らかになろう。 図面の簡単な説明 第１図はセンサ構造の周囲領域に物体が存在することを検知するための、本発 明に基づいて形成された多層センサ構造を示している。 第２図（ａ）は簡単なタッチ板形容量性センサを示している。 第２図（ｂ）は第２図（ａ）の容量性センサを示しており、検知領域内に物体 が存在することが付加的なキャパシタンスＣ２によって示されている。Ｃ２はＣ １と並列であり、従って互いに加算されて、より大きい等価キャパシタンスを形 成することができる。 第２図（ｃ）は第２図（ａ）のタッチ板形容量性センサに第３の素子、すなわ ちガード電極を追加した実施例を示している。 第２図（ｄ）は第２図（ｃ）の回路のガード電極層を励起するために単一利得 の非反転増幅器を使用した実施例を示している。タッチ板とガード電極とは電子 的に絶縁されており、それでも位相と振幅が等しい電圧によって励起されること ができる。 第３図（ａ）および（ｂ）は振幅と位相の双方の比較を利用した検知電子回路 を有する他励センサを示している。第３図（ａ）は第３図（ｂ）に示した回路の 概略構成図である。 第４図（ａ）および（ｂ）は振幅の比較を利用した検知電子回路を有する他励 センサを示している。第４図（ａ）は第４図（ｂ）に示した回路の概略構成図で ある。 第５図（ａ）−（ｃ）は検知回路で使用できる比較器／基準回路の３つの異な る実施例である。 第６図（ａ）および（ｂ）は（バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の周波数変 化を利用せずに）振幅比較検知回路を利用した自励センサ構造を示している。第 ６図（ａ）は第６図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。 第７図（ａ）−（ｄ）は周波数比較検知回路を利用した自励センサ構造を示し ている。第７図（ａ）は第７図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の概略構成図で ある。 第８図（ａ）および（ｂ）は周波数比較検知回路を利用した自励センサ構造の マイクロプロセッサを使用した実施例を示している。 好適な実施例の詳細な説明 第１図は多層センサ構造の近傍領域に物体が存在するとこれを検知するための 本発明に基づき形成された多層センサ構造である。このセンサは導電性と誘電性 （絶縁）の材料の交互の層からなる多層構造になっている。接地面５はガード層 １５とタッチ板２５用の安定した接地面５を得るために適宜の支持面上に載置さ れた導電層である。あるいは、車両の金属シート・ボデーの場合のように支持面 １自体が適宜の接地面５としての役割を果たしてもよい。接地面５は少なくとも ガード層１５と同じ大きさでなくてはならないが、全てのサイズでガード層を越 えて拡張していてもよい。第１絶縁層１０がガード面上に置かれ、これは少なく ともガード層１５と同じ大きさでなくてはならないが、これを越えて拡張してい てもよい。ガード層１５は第１絶縁層１０の上に配置された導電層である。ガー ド層１５は電子検知回路と共働してタッチ板２５を接地面５から電気的に絶縁す る。この好適な実施例では、ガード層１５はタッチ板２５と同サイズであり、こ れと位置合わせされている。実際には、ガード層１５は製造公差を許容し、かつ 組立て易くするために僅かに（典型的には１０／１０００インチ）タッチ板２５ 以上の大きさであってもよい。ガード層１５は第２絶縁層２０によって覆われて いる。能動検知領域であるタッチ板２５は第２絶縁層２０の上に配置されている 。重要な点として述べておくと、検知するには実際にタッチ板２５に接触する必 要はなく、使用される検知回路の種類、ひいては感度に応じて検知範囲は検知領 域 から数フィート隔てた領域から、センサ構造に物理的に接触するまでに亘る点で ある。保護絶縁層３０がタッチ板２５上に配置されるが、これはセンサの動作に は必要ない設計上のオプションである。 タッチ板２５と全体的なセンサ構造の寸法や形状は限定されるものではなく、 湾曲、曲折したものでもよく、円形または角張ったものでもよい。自動車の電動 操作窓の用途では、センサ構造は窓の上部のウェザシールに実装した長く、狭い 条片の形状を呈している。センサ構造は自動車のドアまたは窓の内側または外側 、または両側に実装することができる。 導電層および絶縁層の双方には広範囲の材料が適している。導電層には銅、鋼 鉄、またはアルミニウムを選択することが望ましい。導電層としては導電性イン ク、導電性エポキシ、またはインジウム／酸化錫の透明被覆も適している。絶縁 層には最も一般的な非導電性プラスチック、エポキシ、接着材、酸化アルミニウ ム、およびガラスが適している。プラスチックでは、スチレンおよびポリエチレ ンを絶縁層として選択することが望ましい。重要な点は、材料の選択はセンサ構 造自体に固有な要求基準よりも、むしろ特定の使用環境との適合性によって定め られることである。 タッチ板２５と、ガード層１５と、接地面５とが電気的に接続される。センサ の各導電層、すなわち接地面、ガート増およびタッチ板毎に、個々の層を電気的 に接続することができるようなタブ、すなわち延長部が設けられている。典型的 には接地面用の延長部が最も長く、ガード層用の延長部は接地面用のものよりも 短い。次に個々の層毎の延長部に従来のようにリード線がはんだ付けされる。あ るいは、機械的コネクタを使用して各層毎の延長部を接触させてもよい。センサ は自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する後述する電子検知回路によ って作動される。自励モードでは、センサ構造自体が発振器の能動部品であり、 タッチ板２５の近傍の物体によって発振器の振幅および周波数の双方または一方 が変化する。他励モードでは、外部ソースからＡＣ信号がセンサに印加され、セ ンサの近傍の物体に起因する振幅および周波数の双方または一方の変化が検知さ れる。 本発明とその主要な利点および特徴は、先ず簡単なタッチ板２５形容量性セン サの動作を吟味することによって最も良く理解される。第２図（ａ）は簡単なタ ッチ板２５形容量性センサを示している。第２図（ａ）に概略的に示すように、 タッチ板２５とアースとがコンデンサＣ１を形成する。この例でのキャパシタン スＣ１は１００−２００ｐＦの間である。発振器３５からのＡＣ電圧が抵抗値の 高い抵抗Ｒ１を経て印加される。Ｒ１の値は発振器の周波数におけるＣ１の容量 性リアクタンスにほぼ等しい。従って、Ｒ１とＣ１とがＡＣ電圧の分圧器を形成 し、第２図（ａ）の出力Ｖｏは下記によって得られる。 Ｖ_o＝Ｖ_g〔Ｘ_c1／（Ｘ_c1＋Ｒ１）〕 但し、Ｘ_c1はＣ１の容量性リアクタンスであり、Ｖ_gは信号発生器３５によっ て印加される電圧である。従って、簡単に言えば、出力電圧Ｖ_oはＣ１と反比例 する。第２図（ｂ）では、センサによってその存在が検知される物体がキャパシ タンスＣ２によって概略的に示されている。Ｃ２はＣ１と並列であり、従って互 いに加算されてより大きい等価キャパシタンスを形成することができる。上記の 方程式から明らかであるように、このより大きい等価キャパシタンスによって出 力電圧Ｖ_oが降下する。後続の検知回路によって検知されるのは、物体の存在に より生ずる付加的なキャパシタンスに起因する出力電圧Ｖ_oのこのような降下で ある。 実際には（１００ｐＦ程度の）素子Ｃ１は（約１０ｐＦの）Ｃ２よりも大幅に 大きく、従って結果として生ずる出力電圧Ｖ_oは極めて小さい。加えて、Ｃ１に は温度、湿度および老化に対する安定性がない。このような作用を補償し、感度 を高めるには回路はより複雑で高価なものになる。 本発明は、キャパシタンスを除去することはできないが、有効に相殺すること はできるという原理に基づいている。第２図（ｃ）はタッチ板２５形容量性セン サに第３の素子、すなわちガード電極１５を追加した状態を示している。ガード 電極１５がタッチ板２５に印加された電圧と振幅および位相が同じ信号によって 励起されると、タッチ板２５とガード電極１５、またはタッチ板１５とアースと の間には容量性作用が生じない。 このような相殺を達成するためには、タッチ板２５をガード電極１５と直接連 結することはできない。何故ならば、そうすれば第２図（ｃ）の回路は第２図 （ａ）に示したものと同じ構造に戻ってしまうからである。しかし、ガード電極 １５を励起するためにバッファ増幅器を使用すれば、タッチ板２５とガード電極 １５とが電子的に絶縁され、これらをそのまま位相と振幅が等しい電圧によって 励起してもよくなる。その結果生じた回路を第２図（ｄ）に示している。バッフ ァ増幅器は典型的にはほぼ単一の利得を伴う非反転増幅器である。好適には、第 ２図（ｄ）の単一利得増幅器４０は極めて高い入力インピーダンスと、極めて低 い出力インピーダンスを有している。実質的に、ガード電極１５とアースとの間 のキャパシタンスはタッチ板２５とアースとの間のキャパシタンスＣ１を相殺す る。 ガード電極１５を追加し、このガード電極１５をタッチ板２５に印加される信 号と同一であるが、この信号から絶縁された信号で励起することによって、セン サの感度は大幅に高まる。 最適な相殺効果を達成するには、ガード電極１５の寸法はタッチ板２５と幾何 学的に一致していなければならない。すなわち、ガード電極１５はタッチ板２５ を接地面５から完全に遮蔽しなければならない。しかし、ガード電極１５は全て の地点でタッチ板２５から等距離にある必要はない。ガード電極１５がタッチ板 ２５を越えて拡張していると、ガード電極の作用は検知される物体まで拡がり、 ひいては全体的な感度が低下する。前述のように、実際には製造公差を許容する ために、ガードはタッチ板２５よりも僅かに大きいサイズで製造される。 最適な相殺効果を達成するために、センサ構造とバッファ増幅器回路とを機械 的に入念に構成することによって、タッチ板２５から接地面６までの等価キャパ シタンス値を容易に１ｐＦ未満にすることができる。出力電圧Ｖ_oの１％の降下 を検知するように検知回路を設計した場合は、タッチ板２と、その存在が検知さ れる物体との間のキャパシタンスは０．０１ｐＦ未満である必要がある。従って その存在によって物体自体とタッチ板２５との間に約０．０１ｐＦのキャパシタ ンスを生ずる物体を検知することができる。本発明に基づいて設計された実際の センサの場合、指がセンサに極めて軽く触れただけで出力電圧Ｖ_oは２０％降下 する。 第２図（ｄ）では、出力電圧Ｖ_oはＤＣバイアス電圧に重畳されたＡＣ電圧で ある。ＤＣバイアス電圧は重要ではなく、一般的には阻止コンデンサによって除 去される。ＡＣ電圧は整流され、ろ波され、検知用電子素子によって増幅されて 、有用で便利なＤＣ電圧にされる。このＤＣ出力電圧はピークＡＣ電圧入力と比 例する。 第２図（ｄ）に示したような本発明の基本原理は本発明の異なる実施例で実施 することができる。以下の説明から明らかであるように、任意の特定の実施態様 は任意の特定の用途に含まれるコスト／性能比の調整関係に応じて選択すればよ い。センサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する電子検知回路に よって作動される。他励検知回路は振幅および位相の比較、または振幅だけの比 較を利用して、検知領域内の物体の存在を検出する。自励検知回路は振幅の比較 、または周波数の比較を利用して、検知領域内の物体の存在を検知する。これら の異なる各々の実施例は以下に詳述する。 他励近接センサを第３図および４図に示している。第３図（ａ）および（ｂ） は振幅と位相の双方の比較を利用した検知電子回路を有する他励センサを示して いる。第３図（ａ）は第３図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。タッチ板 ２５は高インピーダンス電流リミタ６０を経て外部発振器３５によって励起され る。単一利得バッファ増幅器４０はタッチ板２５とアースとの間のキャパシタン スとバッファ増幅器４０の入力キャパシタンスとの合計を最適に相殺するような 信号によってガード電極１５を励起する。第３図（ａ）のこのような構成は前述 の第２図（ｄ）に示した構成と同一である。 前述したように、バッファ増幅器４０の出力電圧はＤＣバイアス・レベルで重 畳された発振器周波数でのＡＣ信号である。このＡＣ出力信号と発振器３５から の信号は位相比較器４５に送られる。センサの近傍に物体がない場合は、ＡＣ出 力信号は信号発振器と同相である。物体がセンサに接近すると、ＡＣ出力信号は 信号発振器３５の位相から９０°だけ遅れるまで僅かな振幅変化を伴って移相す る。物体がより近接すると、僅かな位相変化を伴ってＡＣ出力信号の振幅が急激 に減少する。整流器／増幅器５０は出力電圧信号からＤＣバイアス・レベルを除 去し、その後、ＡＣ出力信号を増幅し、かつＤＣ信号へと変換する。このように 整流されたＤＣ信号は比較器／基準段５５で浮動基準と比較される。物体が所定 距離以上に離れている場合は、比較器／基準段５５からの出力は論理“１”であ り、それよりも近接している場合は“０”である。 第３図（ｂ）は第３図（ａ）の構成図に対応する振幅および位相の比較を利用 した他励センサの回路図を示している。演算増幅器ＯＰ１は抵抗Ｒ１からＲ５、 ダイオードＤ１およびＤ２、およびコンデンサＣ１およびＣ２とともに正弦（サ イン）波発振器を形成し、その出力は電流リミタ、高インピーダンス・コンデン サＣ３を経てタッチ板２５へと送られる。第３図（ｂ）には正弦波発振器が示さ れているが、方形波、三角波、またはランプ波形発生器を使用してもよい。Ｚソ ース６０は第３図（ｂ）ではコンデンサＣ３であるが、その代わりに高インピー ダンス抵抗またはインダクタを使用することもできよう。演算増幅器ＯＰ２はコ ンデンサＣ４および抵抗Ｒ７、Ｒ８およびＲ９とともにガード電極１５を励起す る単一利得バッファ増幅器を形成している。コンデンサＣ５はＤＣ阻止コンデン サである。正弦波発振器からの出力はトランジスタＱ２に送られ、バッファ増幅 器からのＡＣ出力信号はトランジスタＱ１に送られる。抵抗Ｒ１０からＲ１３、 トランジスタＱ１およびＱ２、および結合トランスフォーマＴ１が位相比較回路 を形成している。コンデンサＣ６はＡＣ出力からＤＣバイアス・レベルを除去す るＤＣ阻止コンデンサである。結合トランスフォーマＴ１からの出力は整流器／ 増幅器５０に送られる。トランジスタＱ３およびＱ４は抵抗Ｒ１４からＲ１８、 およびコンデンサＣ７とともに整流器／増幅器回路を形成している。トランジス タＱ４からの整流器／増幅器の出力はコンデンサＣ６からのピークＡＣ電圧入力 と比例するＤＣ電圧である。このＤＣ信号は比較器／基準回路によって浮動基準 電圧と比較される。 比較器／基準回路を実施するには幾つかの方法があり、第５図（ａ）−（ｃ） に３つの異なるバージョンが示されている。整流器／増幅器からのＤＣ電圧は比 較器の非反転入力端子（＋入力）に印加される。ＤＣ基準電圧は反転入力端子（ −入力）に印加される。ＤＣセンサ電圧が基準電圧以下に降下すると、比較器の 出力電圧は供給電圧Ｖ_ccからアース電圧へと切り換わる。基準電圧は物体が検知 されない場合のセンサのＤＣ電圧よりも低い値に設定されなければならない。基 準電圧がセンサのＤＣ電圧に近い程、感度は高くなる。この回路の欠点は、セ ンサの電圧を温度、湿度の変化、老化および塵芥に抗して安定するように保つに は高価な材料と許容差が厳密な部品を使用する必要があることである。 このような長期に亘るドリフト作用を克服するため、“浮動基準”を有する比 較器を使用することができる。第図（ｂ）では、センサのＤＣ電圧は比較器の非 反転入力に印加される。基準電圧は抵抗Ｒ１およびＲ２からなる分圧器によって センサのＤＣ電圧から誘導され、その際にＲ２＞Ｒ１である。第５図（ｂ）のコ ンデンサＣ１の値は抵抗Ｒ１とともに時間定数が数秒から１分になるように選択 される。物体が検知されない場合、Ｃ１と比較器の入力は抵抗性分圧器の分圧比 によって定められるセンサのＤＣ電圧よりも僅かに小さい電圧値まで荷電される 。基準電圧は時間定数（Ｒ１＊Ｃ１）よりもゆっくりと変化する、部品の公差お よび長期間に亘るドリフト作用に起因するセンサの出力電圧の変動に対して自己 調整する。物体がセンサに接近すると、センサのＤＣ電圧は降下するが、基準電 圧はコンデンサＣ１によって維持される。降下が基準以下である場合は、比較器 の出力は供給電圧Ｖ_ccからアース電圧へと切り換わる。検知された物体が数秒間 同じ位置に留まっている場合は、基準電圧はセンサの電圧よりも僅かに低い新た な値まで減衰し、比較器の出力は再びＶ_ccに切り換わる。 自動車の用途では、比較器の出力は検知された物体が検知範囲内にある間は能 動状態に留まり、かつ基準電圧が能動値から急速に回復することが望ましい。第 ５図（ｃ）の比較器／基準回路はこのような付加的な要求基準を満たすものであ る。 この回路では、出力の能動的な引き上げ（プルアップ）が必要なので演算増幅 器が比較器として用いられる。この場合、センサのＤＣ出力は反転入力に直接印 加される。回路素子Ｒ１、Ｄ１およびＣ１は（Ｒ１を経た）長い放電時間、およ び（Ｄ１を経た）短い充電時間を伴うＲＤ回路網を形成する。抵抗Ｒ２は比較器 の出力に接続され、基準電圧にヒステリシスを与える。物体が検知されない場合 、比較器の出力はアースにあり、分圧器Ｒ１Ｒ２は非反転入力を反転入力よりも 僅かに低い値に保持する。物体が検知範囲内にある場合は、反転入力は基準電圧 以下に降下し、出力は供給電圧Ｖ_ccへと切り換わる。ここでＲ１とＲ２の抵抗の 組合わせは基準電圧をＶ_ccで出力をラッチするセンサの電圧以上に引き上げる。 物 体が検知範囲外に出ると、センサの電圧は再び基準電圧以上に上昇し、そこで出 力電圧はアースに戻る。第５図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の場合、種々の ＲＤ時間定数および抵抗・分圧器の比率をセンサの任意の特定の用途のニーズに 適合するように変更することができる。 第３図（ｂ）では、図示した特定の比較器／基準回路は第５図（ｃ）に示した ものと対応している。比較器／基準回路は回路素子Ｒ１９、Ｒ２０、Ｄ３および Ｃ８とともに演算増幅器ＯＰ３を使用し、回路の動作は第図（ｃ）に関して前述 した回路と同様である。 第４図（ａ）および（ｂ）は振幅の比較を利用した検出電子回路を有する他励 センサを示している。第４図（ａ）の信号検知回路には位相の比較が用いられず 、従って第４図（ａ）には位相比較回路ブロック４５がないことを除いては、第 ４図（ａ）は第３図（ａ）と同一である。 第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示した構成図に対応する振幅比較を利用する他 励センサの回路レベルの実施例を示している。回路の動作は、バッファ増幅器の 出力が位相比較回路の介在を伴わずに整流器／増幅器回路に直接送られることを 除いては第３図（ｂ）に関して前述した動作と同一である。演算増幅器ＯＰ１、 抵抗Ｒ１からＲ４、およびコンデンサＣ１からなる第４図（ｂ）に示した発振器 は、正弦波形を発生する第３図（ｂ）に示した発振器とは異なり、方形波形を発 生する。異なる発振器回路を第４図（ｂ）に示したのは説明目的のためだけであ る。第３図（ｂ）および第４図（ｂ）で双方の種類の発振器回路とも互換的に使 用できる。同様にして、説明目的のために、第４図（ｂ）に示した抵抗Ｒ５は高 インピーダンスの電流制限されたＺソースとしての役割を果たす。コンデンサＣ ３がＺソースとして用いられた第３図（ｂ）にも代案の例が示されている。第４ 図（ｂ）のバッファ増幅器はワーリントン・エミッタ−フォロア構造のトランジ スタＱ１およびＱ２と、抵抗Ｒ６およびＲ７とによって形成されている。このバ ッファ増幅器は第３図（ｂ）に示した演算増幅器のバージョンと比較してより安 価にバッファ増幅器を実施する方法である。しかし、演算増幅器を利用した第３ 図（ｂ）のバッファ増幅器の方が第４図（ｂ）に示したバッファ増幅器よりも感 度が高く、単一利得に近い。（第３図（ｂ）のように）振幅および位相のいずれ かの比較を利用するか、または（第４図（ｂ）のように）振幅の比較だけを利用 するいずれの実施例でも、任意の特定の用途でのコスト／性能比との調整関係に 応じていずれのバッファ増幅器を使用してもよい。第４図（ｂ）のコンデンサＣ ２はＤＣを阻止する。抵抗Ｒ８からＲ１２、コンデンサＣ３およびトランジスタ Ｑ３およびＱ４からなる整流器／増幅器は第３図（ｂ）に示した整流器／増幅器 回路と設計および動作が同一である。第４図（ｂ）の比較器／基準回路も第３図 （ｂ）に示した回路と設計および動作が同一である。 第４図（ｂ）に示した回路は振幅比較だけを用いた検知回路を使用しており、 バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の移相部品を使用していない。従ってこの回 路は第３図（ｂ）に示した装置よりも感度は低い。しかし、これは位相比較回路 素子を含んでいないのでより安価な実施態様である。 センサ構造は自励モードで機能する電子検知回路によって動作することもでき る。自励モードでは、センサ構造自体が発振器の能動部品である。センサ構造の 機械的な配置（第１図参照）には２個のコンデンサがあり、一方はタッチ板２５ とガード電極１５との間に、また他方はガード電極１５とアースとの間にある。 ２個のコンデンサはガード電極１５で共通の接続部を有しており、これらのコン デンサは協働してフィードバックをもたらし、かつコルピッツ発振器内の（イン ダクタと共振する）周波数決定部品として機能することができる。自励検知回路 とともに動作するタッチ板２５に物体が接近すると、出力周波数および振幅が減 少する。検知回路はこのような振幅と周波数の変化を検知して、検知領域に物体 が存在することを示すように設計されている。 第６図（ａ）および（ｂ）は（バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の周波数の 変化を利用せずに）振幅比較検知回路を利用した自励センサ構造を示している。 第６図（ａ）は３つの機能回路ブロック、すなわち発振器、整流器／増幅器、お よび比較器／基準回路を示した概略構成図である。第６図（ｂ）は第６図（ａ） に示した概略図の回路レベルの実施態様である。トランジスタＱ１は発振器の能 動部品であり、インダクタＬ１は背面組合わせのセンサ・コンデンサとともに発 振器の周波数を決定する。Ｒ１とＲ２はトランジスタＱ１用のバイアス抵抗であ る。トランジスタＱ２と抵抗Ｒ３とはバッファ増幅器を形成し、発振器を後続の 回路から遮断する。コンデンサＣ１はＤＣ阻止コンデンサである。Ｃ１からのＡ Ｃ出力信号は設計と動作が第３図（ｂ）および４図（ｂ）に示した整流器／増幅 器回路と同一である（回路素子Ｑ３、Ｑ４、Ｒ４からＲ８、およびＣ２からなる ）整流器／増幅器回路に送られる。この回路からの出力は設計と動作が第３図（ ｂ）および４図（ｂ）に示した比較器／基準回路と同一である比較器／基準回路 に送られる。 第７図（ａ）−（ｄ）は周波数比較検知回路を用いた自励センサ構造を示して いる。この回路は物体が検知領域に接近すると、バッファ増幅器からのＡＣ出力 センサの周波数の変化を検知する。第７図（ａ）はこの回路の概略構成図であり 、４つの機能素子を示している。すなわち、センサ構造を組入れた発振器、周波 数カウンタ、２進比較器、および２進基準回路である。第７図（ｂ）および（ｃ ）は第７図（ａ）に示した構成図の回路レベルの実施態様である。第７図（ｄ） は第７図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の種々のポイント（例えば“ＡＡ”、 “ＢＢ”等）での信号波形を示している。第７図（ｂ）では、センサ、インダク タＬ１、トランジスタＱ１および抵抗Ｒ１およびＲ２がコルピッツ発振器を形成 している。トランジスタＱ２および抵抗Ｒ３はバッファ増幅器を形成して、発振 器が後続の回路負荷から遮断する。回路素子ＩＣ１ａからＩＣ１ｅは論理レベル ・インバータである。インバータＩＣ１ａは抵抗Ｒ４でバイアスされ、線形増幅 器として動作する。トランジスタＱ２の信号出力はコンデンサＣ１、ＤＣ阻止コ ンデンサを経てＩＣ１ａの入力に供給される。信号の正と負の偏倚運動(excursi on)によってインバータＩＣ１ａの出力は飽和状態まで励起される。それによっ て通常は丸い発振器出力波形が回路内の“ＡＡ”のポイントで方形波形へと形成 される。（第７図（ｄ）を参照）インバータＩＣ１ｂは波形を反転させ、ポイン ト“ＢＢ”で反転波形を発生する。（第７図（ｄ）を参照）インバータＩＣ１ａ の出力はＩＣ３、すなわちフリップフロップへのクロック入力としても利用され る。Ｑおよび反転されたＱにおけるフリップフロップＩＣ３の出力は入力の周波 数の半分の周波数であり、第７図（ｂ）の“ＣＣ”および“ＤＤ”に示されてい る。回路素子ＩＣ２ａからＩＣ２ｄは論理積回路である。第７図（ｂ）の信号“ ＢＢ”および“ＤＤ”はＩＣ２ａで論理積演算され、“ＦＦ”でＣＯＭＰＡＲＥ 信号を発生する（第７図（ｄ）を参照）。信号“ＡＡ”および“ＣＣ”はＩＣ２ ｂで論理積演算され、ＧＡＴＥ信号“ＥＥ”を発生する（“ＥＥの継続期間、す なわち幅はトランジスタＱ２のエミッタにおける出力信号のサイクルの半分に等 しいことを付記しておく）。信号“ＡＡ”および“ＤＤ”はＩＣ２ｃで論理積演 算され、“ＧＧ”でＲＥＳＥＴ信号を発生する。ＩＣ１ｅは発振器を回路の負荷 から緩衝する。発振器の出力は“ＨＨ”に示されている（第７図ｄ）を参照）。 発振器信号“ＨＨ”の周波数はセンサ発振器の周波数の約１−２００倍である。 信号“ＥＥ”および“ＨＨ”はＩＣ２ｄで論理積演算され、信号“ＪＪ”を発生 する。“ＪＪ”におけるサイクル数はタッチ・センサ発振器の周期と比例する。 ＩＣ４はマスター・スレーブ・フリップフロップＩＣ４ａからＩＣ４ｈからな る８段２進リプル・カウンタを形成している（第７図（ｃ）を参照）。カウント されるべき信号はＩＣ４ａのＣＰに送られ、マスター・リセット線が備えられる 。カウントされるパルス数を表す出力はＩＣ４ａからＩＣ４ｈのＱ出力であり、 振幅比較器ＩＣ５へのＡ０からＡ７入力へと送られる。２進基準値はスイッチＳ ０からＳ７のバンクによって発生され、ＩＣ５内の入力Ｂ０からＢ７へと送られ る。 動作手順は次のとおりである。検知サイクルは“ＧＧ”におけるリセット信号 が高レベルに向かい（高レベルの場合は記載した全ての論理値が正、すなわち能 動状態である）、カウンタをクリヤする。この時点で比較器とカウント手順は使 用禁止になる。次にカウント・ゲート信号“ＥＥ”が起動され、パルスが“ＪＪ ”にてカウンタに供給されることが可能になる。この時点でも比較器は依然とし て使用禁止である。カウント・ゲート信号が低レベルに向かうと、パルスのカウ ントはパルス・カウンタのＱ出力に保持される。次に、“ＦＦ”における比較ス トローブが能動状態になる。比較器ＩＣ５はカウンタからの値と基準値とを比較 する。カウンタ（入力Ａ）が基準値（入力Ｂ）未満か、これと等しい場合は、出 力は高レベルに向かい、検知領域内に物体があることを示す。比較ストローブが 低レベルに向かうと、出力は振幅比較器ＩＣ５によってラッチされる。 タッチ・センサ発振器の周波数は物体が接近すると減少する。すなわち、言い 換えると、発振器の周期が増大する。カウント・ゲート信号“ＥＥ”の幅はタッ チ・センサ発振器の周期と直接比例し、従って、カウント・ゲートの幅は物体の 接近とともに増大する。カウンタ入力に供給される水晶発振器からのサイクル数 はカウント・ゲート信号の幅と直接比例し、従って物体が接近するとカウンタ出 力は増大する。ディジタル基準数は任意の特定の用途に応じて予め定められてお り、物体の存在が回路の出力をトリガする距離、タッチ・センサ発振器の周波数 、および水晶発振器の周波数のような多くの要因に基づいて設定することができ る。 第８図（ａ）および（ｂ）は周波数比較検知回路を用いた自励センサ構造のマ イクロプロセッサを利用した実施態様を示している。タッチ・センサ、インダク タＬ１、トランジスタＱ１、および抵抗Ｒ１およびＲ２がコルピッツ発振器を形 成している。発振器の周波数はインダクタＬ１およびセンサのキャパシタンスに よって決定される。トランジスタＱ１と抵抗Ｒ３とがバッファ増幅器を形成し、 Ｃ１はＤＣ阻止コンデンサである。回路素子ＩＣ１は準線形増幅用に抵抗Ｒ３に よってバイアスされた反転ゲートである。ＩＣ１への入力は出力を充分に飽和さ れ、それによって方形波でマイクロプロセッサ（第８図（ａ）を参照）への入力 ポートを励起するのに充分に大きい入力である。マイクロプロセッサへのシステ ム・クロックは基準信号を供給する。マイクロプロセッサ内のカウンタは入力ポ ートでの信号が高レベルにある周期を測定し、これを基準信号と比較する（第８ 図（ｂ）の流れ図を参照）。カウンタが基準信号未満であるか、これに等しい場 合は（すなわちマイクロプロセッサへの入力ポート信号の期間が基準信号の期間 の半分未満か、これに等しい場合は）、マイクロプロセッサへの出力ポートでの 信号は高レベルに向かい、検知領域内に物体が存在することを示す。 自励モードまたは他励モードのいずれの場合も、振動周波数は重要ではなく、 数キロヘルツ（ｋＨｚ）から数百メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲でよい。いずれか のモードで発振器によって発生される波形の形状も重要ではなく、正弦波、方形 波、またはランプ波形を用いて優れた性能が得られる。好適な実施例では、選択 された特定の検知回路に応じて、１０ｋＨｚ−１０ＭＨｚの周波数を有する正弦 波、または方形励振波を使用してもよい。 絶縁層の厚さは基本的な理論上、または設計上の考慮によってではなく、むし ろセンサの特定の用途の要求基準によって設定される。導電層（すなわちガード 層１タッチ板２５）との厚さは典型的には０．１から１０ミルの間である。 自励回路では、分離された第１と第２の絶縁層１０、２０は薄く保たれる（典 型的には約１０−１５ミル）。それらの厚さの比率がその結果として生ずるキャ パシタンスの比率を決定し、この比率は発振器回路に適合するように調整できる 。 他励回路では、接地面５とガード層１５との間の第１絶縁層１０をできるだけ 厚くすることが望ましい。それによってガード層１５と接地面５との間の信号損 が減少する。ガード層１５とタッチ板２５との間の絶縁体は結合を最大限にする ためにできるだけ薄くするべきである（約５ミル）。それによってガード層電極 １５を励起する信号３がタッチ板２５への信号と同じ振幅と位相とを有すること が可能になる。ガード層１５が外部の発振器によって励起される場合は、接地面 ５とガード層１５との間の絶縁体の厚さは重要ではなく、ガード層１５からタッ チ板２５への絶縁体の厚さは、バッファ入力で便利な励起レベル（典型的にはピ ークピーク値で約２．５−５．０Ｖ）を達成するように調整することができる。 振幅比較または位相と振幅の比較を利用した他励近接センサを使用するか、ま たは振幅比較または周波数比較を利用した自励近接センサを使用するかの選択は 、主として用途に応じた要求およびコスト／性能比（すなわち感度）の調整関係 によって決まる。 振幅比較を利用した自励近接センサは一般に１個のセンサしか必要としない用 途に最適である。このようなセンサは感度が良いだけではなく、少数の部品しか た使用しないのでコストは低く抑えられる。（自動車の場合のように）マイクロ コントローラの資源を利用できる場合は、マイクロコントローラを使用して比較 的少ない追加部品で周波数比較バージョンを実施することができる。それによっ て整流器／比較器回路の必要性もなくなる。自励近接センサは比較的高価な部品 であるインダクタを使用しているので、このようなセンサは複数のセンサを使用 する用途ではコスト有効度が低い。 振幅比較を利用する他励近接センサは複数のセンサを使用する用途に最適であ る。部品数の増大は複数個のセンサを励起するために１個の発振器を使用するこ とによって相殺され、整流器／増幅器、および比較器／基準段を多重化して幾つ かのセンサに役立てることができる。位相および振幅比較を利用した他励近接セ ンサは最高の感度を得ることができるが、部品の数も最大になる（すなわちコス トが高くなる）。 これまで現時点で本発明の好適な実施例と見なされることを説明してきたが、 本発明から離れることなく種々の変更と修正が可能であることは当業者には明ら かであり、従って本発明の真の趣旨と範囲に含まれるこのような変更や修正の全 てを包含することを意図するものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．検知領域内の物体の存在を検知するための容量性センサにおいて、 接地面と、 前記接地面上に配置された第１絶縁層と、 前記第１絶縁層上に配置されたガード層と、 前記ガード層上に配置された第２絶縁層と、 前記第２絶縁層上に配置されたタッチ板と、 励起信号を前記タッチ板に供給する発振手段と、 前記ガード層と前記全治面との間のキャパシタンスが前記タッチ板と前記接地 面との間のキャパシタンスを実質的に相殺するように、前記ガード層に励起信号 を供給するための励起手段と、 を備えてなることを特徴とするセンサ。 ２．前記励起手段が前記タッチ板を前記ガード層から電気的に絶縁するバッファ 増幅器からなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ３．前記センサからの出力電圧の振幅の変化を測定する手段を更に備えたととも に、検知領域内の物体の存在が前記手段を用いて検知されることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のセンサ。 ４．前記センサからの出力電圧の振幅の変化を測定する手段と、前記センサから の出力電圧の位相の変化を測定する手段とを更に備えたとともに、検知領域内の 物体の存在が前記手段を用いて検知されることを特徴とする請求の範囲第１項に 記載のセンサ。 ５．前記接地面の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであり、あらゆる寸法 で該ガード層を越えて拡張していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の センサ。 ６．前記第１絶縁層の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ７．前記ガード層が前記タッチ板とほぼ同サイズであることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載のセンサ。 ８．前記タッチ板と前記ガード層トガ導電性であり、厚さが０．１−１０ミル （mil）の間であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ９．前記発振手段が１０ｋＨｚ−１０ＭＨｚの周波数の正弦波、方形波、または ランプ波形を発生することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 １０．検知領域内の物体の存在を検知する容量性センサにおいて、 接地面と、 前記接地面上に配置された第１絶縁層と、 前記第１絶縁層上に配置されたガード層と、 前記ガード層上に配置された第２絶縁層と、 前記第２絶縁層上に配置されたタッチ板と、 前記センサと並列のインダクタ、とを備えてなり、前記インダクタおよび前記 センサが前記センサを励振する発振手段を形成することを特徴とするセンサ。 １１．前記センサからの出力電圧の振幅数の変化を測定する手段を更に備えたと ともに、検知領域内の物体の存在が前記手段を用いて検知されることを特徴とす る請求の範囲第１０項に記載のセンサ。 １２．前記センサからの出力電圧の周波数の変化を測定する手段を更に備えたと ともに、検知領域内の物体の存在が前記手段を用いて検知されることを特徴とす る請求の範囲第１０項に記載のセンサ。 １３．前記センサからの出力電圧の周波数の変化を測定する前記手段がマイクロ プロセッサからなることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載のセンサ。 １４．前記接地面の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであり、あらゆる寸 法で該ガード層を越えて拡張していることを特徴とする請求の範囲第１０項に記 載のセンサ。 １５．前記第１絶縁層の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであることを特 徴とする請求の範囲第１０項に記載のセンサ。 １６．前記ガード層が前記タッチ板とほぼ同サイズであることを特徴とする請求 の範囲第１０項に記載のセンサ。 １７．前記タッチ板と前記ガード層トガ導電性であり、厚さが０．１−１０ミル （mil）の間であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 １８．検知領域内の物体の存在を検知する方法において、 接地面を備えるステップと、 前記接地面上に第１絶縁層を配置するステップと、 前記第１絶縁層上にガード層を配置するステップと、 前記ガード層上に第２絶縁層を配置するステップと、 前記第２絶縁層上にタッチ板を配置するステップと、 発振手段によって前記タッチ板を励振するステップと、 前記ガード層と前記全治面との間のキャパシタンスが前記タッチ板と前記接地 面との間のキャパシタンスを実質的に相殺するように、前記励振手段によって前 記ガード層を励起するステップと、 からなることを特徴とする方法。 １９．前記励起手段として前記タッチ板を前記ガード層から電気的に絶縁するバ ッファ増幅器を選択するステップを更に含むことを特徴とする請求の範囲第１８ 項に記載の方法。 ２０．検知領域内に物体が存在することを判定するために、前記センサからの出 力電圧の振幅の変化を測定するステップを更に含むことを特徴とする請求の範囲 第１８項に記載の方法。 ２１．検知領域内に物体が存在することを判定するために、前記センサからの出 力電圧の振幅と位相の変化を測定するステップを更に含むことを特徴とする請求 の範囲第１８項に記載の方法。 ２２．検知領域内の物体の存在を検知する方法において、 接地面を備えるステップと、 前記接地面上に第１絶縁層を配置するステップと、 前記第１絶縁層上にガード層を配置するステップと、 前記ガード層上に第２絶縁層を配置するステップと、 前記第２絶縁層上にタッチ板を配置するステップと、 前記センサと並列にインダクタを配置し、かつ前記インダクタと前記センサと によって形成された発振手段によって前記センサを励振するステップと、 からなることを特徴とする方法。 ２３．検知領域内に物体が存在することを判定するために、前記センサからの出 力電圧の振幅の変化を測定するステップを更に含むことを特徴とする請求の範囲 第２２項に記載の方法。 ２４．検知領域内に物体が存在することを判定するために、前記センサからの出 力電圧の周波数の変化を測定するステップを更に含むことを特徴とする請求の範 囲第２２項に記載の方法。 ２５．前記センサからの出力電圧の周波数の変化を測定する前記ステップをマイ クロプロセッサを使用して行うことを特徴とする請求の範囲第２４項に記載の方 法。