JP2004523739A - 同期検知に使用する障害物検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
関連出願の相互参照
なし
連邦支援研究又は開発に関する声明
なし
【0002】
発明の背景
この発明は、光センサを用いるパワーウインドウ、パワーサンルーフ、パワードア又はパワーハッチのような自動開閉装置の作動する行程(パス)における狭隘な領域における障害物の存在を検知する方法と装置とに関し、さらに詳しくは、外光と電子音の存在下、所望の光信号を選択的に増幅する同期検知増幅器を組み込んだ光センサの使用に関するものである。
【0003】
自動車の窓、サンルーフ及びスライディングドアのような開口部の開閉機構は、今では一般的にモータ駆動になっている。自動車の運転者又は同乗者に便利なように、パワウインドウには、多くの場合、運転者又は同乗者からの簡単で短い指示にしたがって開口部を自動的に開閉するコントロール主要部が備えられている。また別に、降雨センサ又は温度センサのような別個の器具からの入力に応じて開口部が自動開閉されるようになっているものもある。例えば、運転者のサイドウインドウは、ウインドウ・コントロールスイッチの一部を単にほんのちょっとの間持ち上げてから該スイッチを離すことにより、下げられた位置から完全に閉まった位置へ上がるように指令される。これをしばしば“特急閉止”特徴と言うことにする。この特徴は、また、一般的に自動車のサンルーフにも設けられている。自動車メーカーは、これらの特徴をパワードア、ハッチ又はそのようなものに設けている。このような自動開口開閉特徴は、また、種々の家庭用又は産業用設備にも利用されている。
【0004】
しかしながら、便利さを与えるほかに、これらの特徴は、予期し得ない安全面での問題を誘起する。指令によってウインドウ又はドアが自動的に閉まる場合、身体の一部又は生命体に関係の無いものが開口部内に存在するかもしれない。例えば、自動ウインドウ開閉特徴部は、自動車内のペットがウインドウの外部へ頭を出しているときでも、相互に連結のレインセンサに雨が当たると作動してしまう。また別の例には、ウインドウ越し又はサンルーフ越しに子供が頭を出しているとき、運転者、同乗者又は誤って子供自身によりウインドウ又はサンルーフが閉止してしまう場合も含まれる。
【0005】
パワーウインドウ又はサンルーフに捉えられて挟まれてしまう対象物を含む悲劇的な事故又は資産の損失を防ぐために、システム類が開発され、ウインドウが閉じられるように指令された状況を検知し、ある所定の時間の間は、閉じられないようになるようになっている。例えば、ウインドウが完全に閉められるまでの時間をセンサでモニタするようになっている。時間の閾値を越えると、ウインドウは、自動的に下がる。別のモニタシステムでは、ウインドウを駆動するモータに寄与する電流ドレーンをモニタする。該電流ドレーンがウインドウを閉じる操作の間、適切でない時間で所定の閾値を越えると、ウインドウが再び下がるようになっている。
【0006】
このような安全システムの問題点は、安全装置がウインドウを下げたり、サンルーフ又は他の開閉装置を逆転したりする前に、間に挟まれるものが先ず最初に挟まれてしまい、ついでウインドウ又は他の閉じる装置を閉じる力を定まっていない別々の時間にわたり受けてしまう点である。人的傷害又は資産の損害は、それでも生じてしまう。これに加え、ウインドウ駆動システムに機械的欠陥が生じたり、ヒューズがとんだりすると、人又は物がとらわれたままになってしまう。
【0007】
非接触物検知システムが知られており、これは、開放された領域内に介在している物の存在を検知する。このようなシステムには、例えば、セキュリティシステムやガレージ扉安全インターロック装置が含まれ、開放された空間を横切る光線の遮断を検知する。ウインドウ、サンルーフ及びサウライディングドアのような自動開閉部材を有する自動車の開口部に別のシステムが使用され、それぞれの開口部に近接又は横切る介在する物を検知するようになっている。したがって、開口部開閉部材の望ましくない動きは、指や腕などが閉まりつつある開口部に突き出ているとき阻止されるようになっている;閉止部材は、介在するものに接触しなくても検知すべきものを検知できる。
【0008】
このような対象物検知システムは、一般的には、反射された信号のマグニチュードを計測し、介在するものが存在するか、存在していないかを決定する。光エミッタ(発光源)から発光された光線を光学システムでモニターすべき開口部に横断させる。開口部になにも介在していなければ、前記開口部の対向側から発光された光線の少なくとも一部が反射されることになる。適当に配置された受光器が反射された光線を受け、この反射された光線の強度を示す出力信号を出す。通常、対向する側からの反射は、強度がうまく定められた反射信号となって受光器へ戻る。また別に、投射された光線は、その向きで相手とするものに対しかすめたり、全く当たらないことがあり、そのような場合には、前記開口部に介在するものが存在していないものとして僅かな光エネルギーが戻るか、光エネルギーは、一切戻らない。光線が通るパスに介在するものが存在していれば、反射される光線の強度が変化し、検出器の出力信号において反射される条件が変化する。このように、モニターされる開口部に、ものが介在しているときの検出器の出力信号は、ものが介在していないときの検出器出力信号と相違する。介在するものの反射力と開口部の環境下の反射率特性とに基づいて、検出器出力信号は、前記検出器からのノミナルの出力信号よりも高かったり、低かったりする。
【0009】
しかしながら、これらの光学システムは、太陽光ならびに頭上からの蛍光灯照明及び白熱灯照明のような周囲の光による干渉に対し無防備なものである。従来技術による解決策には、いくつかの論理回路を一緒に組み合わせてなる同期検出器及び“判断回路”の使用が含まれている。しかしながら、これらの判断回路は、依然として太陽光の干渉を受ける。さらに加えて、これらの判断回路には、一般的に、それぞれがいくつかのディタル論理回路を含む幾つかの工程が含まれている。これらの判断回路には、多数の部品類が関連していて、これらの部品類が電力をいたずらに消耗したり、熱を発散させたりし、さらにまた、介在もの検知回路に関連するコストが高くなる。
【0010】
したがって、周囲から光が当たっても、受ける光線信号の変化を測定し、この測定においては、介在するものに関係しない信号の部分をキャンセルするようにして、較正又は初期化することにより、介在ものの存在を検知する装置と方法とを提供できることが望ましい。このような装置は、従来技術に比較し部品の使用数を減らし、省電力ではあるが、周囲の光の影響度を少なくし、精度を向上できることが好ましい。
【0011】
発明の概略説明
同期検知と周囲の光と電子ノイズとからの所望の光学信号を分離する積分器ならびに開口部における介在ものに関連しない周囲の特徴物からのモデュレートされたエネルギーをキャンセルする手段を活用する光学センサにより介在ものを検知するための方法と装置とが記載されている。
【0012】
一つの実施の態様においては、前記システムには、光エミッタを駆動する変調器と第1及び第2の変調信号それぞれで転換される増幅器とが含まれている。光検出器が締め付けられてしまう帯域及び/又はそこにおける介在ものから反射された光の部分を受光し、変換される増幅器へ光学検知信号を供給する。
【0013】
変換される増幅器は、前記光学検知信号に結合した第1の入力と基準電圧へ接続した第2の入力とを有している。この増幅器は、かくして前記光エミッタの動作状態に相当する第1のゲインと光エミッタの不動作状態に対応する反対の極性の第2のゲインを与える二つの相を切り替える。前記変換される増幅器は、出力信号を供給するもので、この信号には、第1の電圧と、さらに続く第2の電圧とが含まれ、前記第1の電圧は、前記第1の入力における増幅された光学検知信号と、アクティブな相の間における前記第1のゲインにより増幅された第2の入力における基準信号との差から生じるものであり、前記第2の電圧は、検出器出力信号と不動作状態の間における前記第2のゲインにより増幅された基準信号との間の差から生じるものである。第1と第2のゲイン及び計測時間の動作ならびに不動作の相は、前記変換される増幅器のゲインは、所定の計測時間を越えて平均されたときとき、光学信号が全く存在しなければ平均値がゼロであるように選択されるものであり、前記計測時間には、少なくとも一対の動作及び不動作の相が含まれ、さらに、そのような対が多く含まれもよい。
【0014】
介在物検知システムは、さらに、変換される増幅器の出力と所定の継続時間に対し調節可能な基準電圧との差を電子的に積分する手段を含む。この積分器は、少なくとも一つの動作の相と不動作の相を越えての変換される増幅器の出力信号を積分し、積分器出力信号を供給する構成になっている。検知器が前記積分器の出力信号を受け、前記締め付けられてしまう帯域内に介在物が存在するか。存在しないかを示す構成になっている。好ましい実施の態様においては、前記積分器への基準電圧入力は、モニターされている開口部に介在物が存在するときにのみ、顕著に前記出力電圧が変動するように選択されている。検知器要素は、前記積分器出力信号をモニターし、前記締め付けられてしまう帯域内に介在物が存在するか。存在しないかを示す構成になっている。
【0015】
発明の詳細な説明
パワーサンルーフ、パワーウインドウ又はパワードア又はパワーハッチのような自動開閉装置における挟み締め付けられてしまう帯域内における介在物の存在を検知する方法と装置が記載されている。前記挟み締め付けられてしまう帯域の定義は、前記自動開閉装置の構成に応じて変わるものである。例えば、パワーサンルーフ、パワーウインドウ、又は、パワードアのように自動開閉装置が動力で補助されているスライドする閉止部材からなる場合、挟み締め付けられてしまう帯域は、閉止部材の開閉する側の端縁をいい、開口部の一部は、閉止部材の開閉する側の端縁を含む開口部の終端部分をいう。前記開閉装置が駆動されるヒンジ付きドア又はハッチ又は駆動される回転扉であると、前記挟み締め付けられてしまう帯域は、概略的には、前記ドア又はハッチの開閉する側縁が近づく開口部の側縁及び前記ドア又はハッチの開閉する側縁が通る開口部側縁に近接したラインにより区分される面である。
【0016】
ここに記載の実施の態様においては、計測時間は、少なくとも一つの動作の相と少なくとも一つの不動作の相とを含む所定の時間である。ここに使用されているように、動作の相は、光エミッタが発光している間の時間域である。同様に、ここに使用されているように、不動作の相は、光エミッタが発光していない間の時間域である。
【0017】
前記介在物検知システムには、変調信号により一時的にコントロールされる光エミッタから供給される変調された光シグナルを受ける光学センサが含まれる。この光エミッタにより、ウインドウ又は他の開口部が測定時間において二度又はそれ以上にわたる動作の相及び不動作の相の間、照らされる。挟み締め付けられる帯域内にある挟まれるものにより、前記光エミッタにより照らされる光の一部が反射され、反射光信号を供給する。これに加え、発光された光ビームの方向と形状とに応じて、前記開口部の対向する側から前記光学センサへ光が再反射されたり、又は、再反射されなかったりする。1基又は複数基の光検知器が前記反射された光信号を受け、受光した反射光信号における一つ又は複数の特性を示す検知器出力信号を供給する。この検知器出力信号は、電圧又は電流のようなアナログ信号であるか、又は、デジタル出力信号である。介在物検知システムは、前記検知器出力信号を処理し、挟み締め付けられる帯域内に挟まれるものが存在するか、存在しないかを示す。
【0018】
検知器出力信号は、まず予め増幅され、ついで、スイッチング増幅器により同期検知される。この結果の信号は、所定の測定時間にわたり積分され、ついで、所定の閾値と比較される。この所定の閾値は、開口部における介在物の作用を表すように決められている。ここに使用されているように、同期検知は、第1と第2の入力をもつスイッチング増幅器を利用する。各入力は、測定時間における動作の相と不動作の相に同期するようにして第1と第2のゲインとの間でスイッチされる。このスイッチング増幅器は、変調された光源による照明と同期して検知器出力信号を第1のゲイン第2のゲインへ切り替える。
【0019】
前記第1と第2のゲイン、動作及び不動作の相の継続時間及び測定時間内の動作及び不動作の相の回数が選択されて、周りの光源からのバックグラウンド干渉作用のレベルを下げる。上記の値は、変調された光源がないときに、スイッチング増幅器の出力の平均値又は積分値が測定時間にわたり初期の値から変化しないように選択される。このようにして、変調された光源信号、即ち、測定時間内の動作及び不動作の両方の間に存在する信号に同期しない信号は、測定時間にわたり平均されるか、又は、ゼロに積分される。切り替えられた増幅器出力を平均又は積分することにより、同期しないバックグラウンド信号をさらなる処理から除き、これによって、挟み締め付けられる帯域内における介在物の検知に干渉しないようにする。スイッチング増幅器からの出力は、一つ又はそれ以上の動作及び不動作の相を含む測定時間にわたり積分される。前記測定時間内にマルチプルの相を含ませることにより、一つ又は二つの動作期間のみにわたる変調された信号に同時に較正されるスプリアウスな信号を除くことができ、誤警報の数を減らすことができる。平均又は積分された値は、所定の閾値と比較され、挟み締め付けられる帯域内における介在物の存在又は不存在を決定し、適切な指示が得られるようになっている。
【0020】
図1を参照すると、タイミングシステムを内蔵する変調器110又は別には、マイクロ−コントローラ122により、変調信号109が光エミッタ・ドライバ111に与えられる。この光エミッタ・ドライバ(発光駆動回路)111により光エミッタ102にパワーが与えられ、該光エミッタにより変調された光信号103が与えられる。光エミッタ102は、光学システム構成になっており、種々のパターンでの照明を行う。例えば、照明の種々のパーターンは、光の面であったり、複数の指をもった多数の側面がある扇形状のもの又は狭い光線の形状をしている。介在物101は、入射光線103の少なくとも一部を反射し、反射された光線信号105のある部分は、光検知器104に当たる。光検知器104は、検知器出力信号107を発生するもので、この信号は、反射された光線信号105の少なくとも一つの特性を示す。光検知器104は、検知器出力信号107を前置増幅器106の入力側へ送る。前置増幅器106が検知器出力信号107を増幅し、増幅された検知器出力信号が転換された増幅器108へ送られる。
【0021】
転換された増幅器108は、変調信号123に結合される。この変調信号123は、転換された増幅器103を制御し、転換された増幅器108は、第1と第2のゲインの間のプリアンプされた検知器出力信号と基準電圧信号125とを転換する。転換された増幅器108により出力が与えられ、この出力は、対応するゲインにより増加された二つの入力の差である。後記するように、いくつかの実施の態様においては、変調信号123の不動作の相の期間は、光エミッタ・ドライバ111に与えられる変調信号109の対応する動作の相のそれよりも僅かに永くなっている。このながくなった期間により、プリアンプ106の光信号に生じるであろう小さな位相変移が経時的にこのアンプの不活性相に変移して、自己介入を生じることが防止される。単一レールの供給電圧が使用されるときは、非ゼロ基準電圧信号を使用して、「非信号」電圧レベルを確立することもできる。以下で説明されるように、プリ増幅された検出器出力信号は、測定期間の活性相中は第1の利得で増倍され、そして測定期間の不活性相中は第2の利得で増倍される。変調信号103によって駆動されるスイッチングアンプ108は、プリ増幅された検出器出力信号を同期検出する。
【0022】
調整可能な所定のオフセット電圧112を、同期検出された信号と、演算によって組み合わせることができる。これは、スイッチトアンプの出力と基準電圧113との間の差を減少して、ピンチゾーン内に障害物がないときは、実質的にゼロの平均値を与えるためである。それ故、監視された開口の対向部材からいくらか反射光が戻ってきても、殆どまたは全く信号は存在しない。以下で説明されるように、調整可能なオフセット電圧112は、その使用に先立つ校正または初期化処理の間に決定されるか、あるいは周期的に、または必要時に、決定される。
【0023】
積分器114は、同期検出された信号と調整可能なオフセット電圧112との差を入力される。積分器114は、この差信号を測定期間を通して積分し、検出器116に対しその積分信号を与える。測定期間は、この積分器を既知の値にリセットすることで初期化される。
【0024】
積分器の出力は、検出器116によって監視される。検出器は、測定期間中の積分信号を所定の閾値と比較して、前記ピンチゾーン内における対象物の不存在または存在の兆候を生成する。別の実施例では、積分器段の出力が所定量だけ変化するに必要な時間を検出器が測定し、その測定された時間が所定値より短い場合に、対象物が検出される。他の実施例では、前述したように、マイクロコントローラ122が、電圧または時間のいずれかを監視する。さらに他の実施例では、検出器116が、マイクロコントローラの介入に関係なくリセットパルスを生成するように構成されている。この実施例では、リセットパルスが生成される周波数は、開口中の障害物の兆候として使用できる。
【0025】
図5は、障害物検出システムと共に使用するに適した変調器110および発光器ドライバ111の一実施例を示す。変調器110は、発振器502を有している。この発振器は、所定周波数および所定デューティサイクルの好適なパルス列を分周器504に与えるように動作する。図示の実施例では、分周器504は、分周器として構成されたD型フリップフロップである。このD型フリップフロップは、前記発振器の所定周波数の1/2となる周波数の矩形波パルスの出力を与え、そしてデューティサイクルをほぼ50%に設定する。この信号は、スイッチングアンプを変調することに使用される。デューティサイクルをほぼ50%にすることで、スイッチングアンプの活性相と不活性相が同じ持続時間を有するようになる。その結果、変調の活性相中のアンプ利得が不活性相中のアンプ利得と逆極性で大きさが等しい時に、スイッチングアンプのゼロ平均利得の条件は達成される。信号位相変移に関連したいくつかの誤差が許容できる場合には、信号123もまた光源を直接変調することに使用できる。そうでなければ、図示されるように、デューティサイクル50%の矩形波変調は、スイッチングアンプを変調することに使用される信号の活性相より短い持続時間のパルスをトリガすることに使用できる。上述したように、この2次パルス発生器を使用すると、アンプ誘導の位相変移が存在する場合、光出力の活性相が完全にスイッチングアンプの活性相に強制されて、自己介入を防止する。
【0026】
他の実施例では、図7に示すように、前記アンプは、周期的であるが、50%以外のデューティサイクルを有する。この場合、一対のサイクルにわたるゼロ平均利得に対する必要条件は、活性相中のアンプ利得と活性相の持続時間708の積が、不活性相の利得とその持続時間710の積に対して、逆極性で大きさが等しい時に満たされる。デューティサイクル50%変調の場合でのように、発光器の活性相の持続時間706は、位相変移に起因する誤差を避けるために、スイッチングアンプの対応する位相708よりも短く設定できる。スイッチングアンプ108は、この矩形波702の出力123を、分周器504から受信する。スイッチングアンプ108は、第1及び第2の利得間でスイッチングアンプ入力をスイッチングするために、この矩形波パルス列を使用する。加えて、単安定マルチバイブレータ(モノマルチ)506が、矩形波パルス列702を受け取る。図示の実施例では、モノマルチ506は、各パルスの正に向かう遷移をトリガする。モノマルチ506は、分周器504によってスイッチングアンプ108に与えられる正のパルス708よりも持続時間が僅かに短い幅を有するパルスを生成する。図7には、パルス列702がスイッチングアンプ108とモノマルチ506に与えられることが示されている。モノマルチ506の出力109、即ちパルス列704は、パルス列702の持続時間708と比べて短い持続時間706を有することが判る。活性相の持続時間におけるこの差は、発光器102の照明時間がスイッチトアンプの活性相よりも小さくなることを確実にする。このことは、活性相による測定期間の不活性相への「スピルオーバ(こぼれ)」を防止する。好ましい実施例では、発振器502は、非安定動作用に構成された555タイマであり、また1つの実施例では、556デュアルタイマが、回路の非安定部分と単安定部分の双方に使用できる。
【0027】
ある場合には、一層複雑な波形が使用できる。例えば、セキュリティが必要な応用では、変調スキームが単純な外部装置に負けないことが有用である。この場合、デューティサイクルと、波形の周期性および対称性に関して異なる特性を有した一層複雑な波形を生成するために、マイクロコントローラ122が使用できる。例えば、マイクロコントローラ122をプログラムして、デューティサイクルが50%より遙かに小さいか、遙かに大きい非周期性または疑似ランダム性のパルス列を与えるようにすることができる。これらの場合には、各測定期間に1以上の活性および不活性相の対が存在することがある。スイッチングアンプ利得が測定期間を通してゼロ平均となる条件が達成される限り、検出スキームは所望の選択性を与えることができる。
【0028】
この実施例では、マイクロコントローラは、疑似ランダム値の所定のテーブルから位相持続時間を選択することに使用される。この疑似ランダム値は、活性及び不活性相の合計持続時間が、測定期間を通して合計されたときに、同じになるように計算されたものである。この代わりに、RDACがR312およびR308として使用され、信号を位相毎にバランスするように、マイクロコントローラによってプログラムされる。
【0029】
ある応用では、フラッシュランプやある種のLEDおよびレーザデバイスのように、活性相が非常に短い持続時間のイベントとして特徴付けられる発光器を使用することが望ましい。これらの例では、活性相に関連したデューティサイクルは0%に接近することがある。この条件を適用すると、スイッチトアンプの非常に単純な実施が可能になる。このアンプは、それぞれの位相における正利得と非正利得をスイッチングする代わりに、不活性期間のゼロ利得と光源が活性なときの非ゼロ利得とをスイッチングすることだけを必要とする。換言すれば、このスイッチングアンプは単に、光が点灯されているときにターンオンされ、光が消灯されているときにターンオフされるアンプである。この平均利得は、測定期間を通して約ゼロになる。波形802及び804は、変調信号123および109をそれぞれ示している。ここで、波形804は、より短い持続時間の活性相パルス806を含んでいる。図示されているように、この波形は、50%より遙かに少ないデューティサイクルを有し、そして、その中には測定期間808当たり1以上の活性相および不活性相が存在できる。
【0030】
モノマルチ506は、短い持続時間の活性相パルスを発光器アンプ/ドライバ508に与え、このドライバは、発光器102を駆動して発光させる。発光器102は、1台、2台、またはそれより多い台数の発光器であって、ピンチゾーンが完全に照明されるように構成されている。好ましい実施例では、発光器は、光学スペクトルの赤外領域で動作する発光ダイオード(LED)である。
【0031】
図示の実施例では、このアンプ/ドライバは、光学温度補償モジュール510を有している。既知のように、周囲温度の変化は、LEDの照明強度を変化させる。温度によって引き起こされた照明強度の変動に起因する誤警報や誤介在物を回避するために、安定した一定レベルの照明が望ましい。十分な量の背景エネルギがある場合、温度によって誘導された照明信号の変化は、障害物から生じたものと混同される。1つの実施例では、温度補償モジュール510は、温度センサ(図示せず)からの信号512に応答して、LEDに対する一定の駆動レベルを維持できる。
【0032】
図6は、障害物検出システム100で使用するに適した温度補償回路510およびLED駆動/増幅回路508の一実施例を示している。LED駆動/増幅回路508は、変調器110に接続された一対のインバータ610および612を備え、活性出力を、駆動トランジスタ618のベースをスイッチングするに適した信号に変換する。抵抗614および616からなる電圧駆動回路は、トランジスタ618のベースに公称バイアス電圧を設定する。好ましい実施例では、トランジスタ618は、少なくとも300の電流利得を有するダーリントン接続トランジスタである。このダーリントン接続トランジスタ618のエミッタ電圧は、トランジスタ618のベースにかかるバイアス電圧より、ダイオード2個分に相当する約1.3V降下している。このエミッタ電圧は、抵抗634に印加されて、トランジスタ618と3段のLED626,628,630の双方に流れるコレクタ電流を決定する。次に、このコレクタ電流は、LEDの照明強度を決定する。抵抗620,622,624は、LEDが突然ターンオフしたときの電流経路を与えることによって、高周波放射を消去する過渡緩衝素子として作用する。これらの抵抗は、典型的には高抵抗であって、LEDオン電流の実質的な部分を伝導することはない。
【0033】
温度センサ(図示せず)は、オペアンプ604と抵抗606,608からなる非反転アンプに温度信号を与える。この非反転アンプの出力は、抵抗635を通してトランジスタ618のベースに与えられる。この出力は、トランジスタ618のベースに温度で変化するDCバイアスを生じさせ、上述したように、エミッタ電圧と抵抗634を流れるコレクタ電流を調整する。このようにして、LEDの照明強度は、所定の温度範囲にわたって一定値に維持される。
【0034】
しかしながら、当業者には知られているように、LEDを駆動し、且つその温度補償を与えるために、種々の他の手段が使用できる。
【0035】
発光器102は、発光器および関連する光学システム102から放射された実質的に平坦な光ビームが、ピンチゾーンの少なくとも一部を横断して、開口を囲む関連トリム素子(図示せぬ)を潜在的に含んだ車両内部に到達するように、選択的に配置される。
【0036】
発光された光ビームの範囲内に、ある物体が存在するイベントでは、その物体から反射した信号の振幅(図示せず)は、その物体のサイズ、方位、反射率に基づいて変化しようとする。障害物検出システムは、光検出器104からの出力信号の変化を検出して、その出力を既知に閾値と比較し、ピンチゾーン内の物体の存在、不存在を決定する。障害物検出システムは、ピンチゾーン内の物体の存在、不存在を示す信号を出力する。
【0037】
図2は、好適な光検出器104および入力アンプ段の一実施例を示している。光検出器104は、入射光強度の関数である光電流を生じるフォトダイオード201で構成できる。好適なフォトダイオードは、典型的には所望の変調周波数で満足できる動作を可能にするに十分高速な応答時間を有するPINフォトダイオードである。加えて、このPINフォトダイオードは、図2に示すように、逆バイアスモードでも動作可能である。これは、空乏領域の幅を増加し、動作のバンド幅をより大きくするためである。図示の実施例では、フォトダイオードは、赤外波長で動作可能なように選択され、そして日光に関連した波長に対する可視光遮断フィルタを有している。
【0038】
オペアンプ202と抵抗204は、フォトダイオード201で生成された光電流を電圧に変換する電流−電圧変換器228を形成する。好ましい実施例では、抵抗204は、10kの抵抗である。オペアンプ202は、フォトダイオード201から受信された信号電流よりも実質的に少ない入力バイアス電流を有することが好ましく、また10KHzより高い変調周波数で動作するために、少なくとも3〜4V/μsのスルーレートを有すべきである。図示の実施例では、オペアンプ202は、単一電源オペアンプであるので、非ゼロ電圧基準レールは、信号が振れる値より上に設定されなければならない。この基準レールは、オペアンプ206,抵抗208および210,およびVcc即ち電源電圧203の組み合わせによって設定される。電源電圧203の分圧は、一対の抵抗208および2120による基準レールを設定する。好ましい実施例では、抵抗208および2120は等しい値であるので、基準レール226は、Vcc/2に設定される。オペアンプ206は、不変利得アンプとして構成され、そして低インピーダンスの基準レール226を、ACアンプ230と、以下で説明されるこのシステムの他の部分に与える。
【0039】
オペアンプ202の出力は、キャパシタ229を介してAC結合され、ACアンプ230に与えられる。これは、周囲照明、特に日光から生じる低周波およびDC信号を阻止するためである。キャパシタ229と抵抗222は、カットオフ周波数が数100Hzの単極ハイパスフィルタを形成する。この実施例の次段は、オペアンプ212、抵抗214および218,およびキャパシタ216および220からなるACアンプである。ACアンプ230は、増幅された信号を線224に出力する。単一電源動作用に好ましいオペアンプ202,206,212の種類は、低オフセット電圧および低雑音のレール対レール入力および出力オペアンプである。単一レール電圧源が使用されているので、オペアンプの共通モード入力範囲は、接地とVccの双方を含むべきである。好ましい実施例では、抵抗214は100k、キャパシタ216は3pf、抵抗218は5.1k、キャパシタ220は0.01uf、キャパシタ229は0.22ufである。オペアンプ212はMAX4126、オペアンプ206はTLC082、そしてオペアンプ202はTLC082である。全ての値は、好ましい実施例の例である。
【0040】
図3は、変調器110の出力信号123と組み合わせたスイッチトアンプ108の一実施例を示す。これは、プリ増幅された検出器出力信号の同期検出を提供するもので、ここに開示された障害物検出システムと共に使用するに好適である。スイッチングアンプ108は、変調信号123に応答して、入力線224および226を、常開(NO)位置と常閉(NC)位置との間で同時に切り換える双極双投型スイッチ対302を使用する。プリ増幅された検出器出力信号に接続される入力線224と、基準電圧に接続される入力線226は、差動アンプ316におけるオペアンプ310の入力端子305と307との間で切り換えられる。スイッチ302は、入力線224上のプリ増幅された検出器出力信号を、変調信号123の活性相の間、負入力305に与え、また変調信号123の不活性相の間、正入力307に与える。同様に、基準電圧信号は、変調信号の活性相の間、正入力307に与えられ、また変調信号123の不活性相の間、負入力305に与えられる。
【0041】
オペアンプ310と、抵抗304,306,308,312は、通常の差動アンプを構成する。抵抗308,312は同じ値であり、また抵抗304,306は同じ値である。スイッチトアンプが活性相にあるとき、差動アンプ316の出力は、下式によって与えられる。
【0042】
Vo=V(基準)+G[V(信号)−V(基準)]
【0043】
ここで、利得は、G=R308/R304である。スイッチトアンプが不活性相にあるとき、差動アンプへの入力は反転され、その結果、出力電圧は、大きさが同じで極性が逆になり、下式によって与えられる。
【0044】
Vo=V(基準)−G[V(信号)−V(基準)]
【0045】
スイッチトアンプの活性相の持続時間が不活性相の持続時間に等しいとき、出力電圧は、少なくとも1測定期間を通して平均化され、V(基準)に近づく。
【0046】
図示の実施例では、抵抗308および312は100kであり、また抵抗304および306は10kである。かくして、この図示の実施例の差動アンプは、10(V+−V−)の公称出力を与える。ここで、V+は正入力307上の電圧であり、またV−は負入力305上の電圧である。
【0047】
図4は、障害物検出システムを共に使用するに好適な差動モジュール118および積分器114の一実施例を示す。図示の実施例では、差動モジュール118および積分器114は、オペアンプ406,キャパシタ402,抵抗404,およびオフセット電圧源126からなる回路120に組み込まれている。かくして、出力線408上に存在する信号は、抵抗404を流れる電流を積分することによって生ずる。この電流は、線134上の入力信号の電圧とオペアンプ406の非反転端子に印加される調整可能なオフセット電圧416との差の結果として生ずる。
【0048】
図4の回路は、積分器用の調整可能なオフセット電圧416を与える調整可能な電圧源の一実施例を示している。この実施例では、AD8400のような抵抗型デジタル/アナログ変換器(RDAC)414が使用されている。このデバイスは、256通りの可能な抵抗設定値を有するデジタル制御型ポテンショメータの均等物である。これは、抵抗413および415と関連した分圧器として構成されている。通常のデジタル/アナログ変換器(DAC)の代わりにRDACを使用することによって、総合的な電圧調整を、システムの基準電圧のいずれかの側の狭い範囲に閉じ込めることが可能になる。図示の実施例では、例えば、抵抗413および415は同じ値を有し、そして抵抗413,414,415の値は、256ステップのそれぞれについて200μVの増分を与えるように選択されている。他の実施例では、回路機能112は、DACや、手動設定型ポテンショメータ、あるいはRDAC、DACおよび手動ポテンショメータの組み合わせを使用することによって実施可能である。
【0049】
図4に示された単極単投型スイッチは、回路120の積分キャパシタ402を放電する機能を果たす。これは、常開型または常閉型のスイッチ、例えばMAX4502やMAX4501である。両デバイスは、マイクロコントローラ122のような制御システムによる動作に応答する。測定サイクルは、キャパシタ402を放電するに十分な時間の間、閉位置に設定されたスイッチから開始する。放電時間は、キャパシタ402および抵抗406に関連した時定数の小さい倍数である。抵抗406は、スイッチの固有抵抗と任意の抵抗との組み合わせを表す。この任意の抵抗は、キャパシタ402の放電電流がスイッチ410に関連した特定の限界を超えることを防止するために追加されるものである。図示の実施例では、リセットのイベントは、スイッチ410が最低1msの間、閉じられることを必要とする。
【0050】
いくつかの実施例、特にコストが主たる要因であって高性能が要求されない実施例では、スイッチ410は、抵抗によって置き換えることができる。この代用抵抗の値は、選択された抵抗値とキャパシタ402の値の積によって表される時定数が測定時間と釣り合うように選択される。
【0051】
開口に対象物が存在することによって生ずる線134上の信号の不存在下では、回路120の積分出力を一定値に維持しておくことが望ましい。これは、積分出力の状態の変化が、開口内に障害物が存在することを示すために使用できるからである。信号314の電子積分回路120用の調整可能な基準電圧の存在は、窓またはドア開口の対向部材またはその近傍の固定された形態からセンサに戻される、対象物から生じたものではない、如何なる変調信号でもキャンセルするように、センサを初期化することを可能にする。開口内に障害物が存在しないことが判っているときはいつでも、初期化することができる。このことが起こる典型的な事例は、センサおよび関連したドアまたは窓からなる一体化システムを組み立てる時である。しかしながら、システムの寿命を通して初期化できる他の時もある。それは、その応用の性質に依存している。初期化の過程は、積分器408の出力を監視しながら、同時に回路112からの基準電圧を調整することによって、通常モードで動作しているセンサで起こる。開口内に対象物が不存在の場合、オフセット電圧は、積分器出力408が測定期間を通して一定であるための値に調整される。かくして、開口内に現れて、反射信号に初期化された値からの変化を起こす如何なる対象物も、その存在を示す兆候を与えることになる。
【0052】
上述した検出スキームの感度は、測定時間の持続時間と共に増加する。しかしながら、この応用はまた、測定サイクルの間に他の対象物と衝突したり捕らえることなく、窓の動きが迅速化されるように、測定過程が十分な迅速性をもって起こることを必要とする。図示の実施例では、関心のある最小障害物を検出するに必要な最大測定時間は、100msに設定されている。より大きな障害物は、より少ない時間で指示を与えるものであることが認識されるべきである。
【0053】
上述した初期化は、活性相と不活性相を切り換えて変調された照明を開口に与える発光器についてなされる。より広い範囲の環境条件にわたって、より大きな感度や動作を必要とするいくつかの実施例では、発光器が不活性となった検知システムを初期化することも有用である。上述した初期化と同様の手法で、不活性となった発光器についてオフセット電圧は調整される。この場合、測定期間を通して出力電圧が一定となるまで、スイッチトアンプへの変調入力を維持する。このようにして、活性化された発光器で後続の測定をする前に、回路自身に固有の信号、例えば漏れ電流やオフセット電圧はキャンセルされる。この2次初期化過程は、活性な測定の直前またはセンサが休止しているときはいつでもなされる。
【0054】
検出器116は、基準閾値電圧に接続された第1の入力と、積分器114の出力408に接続された第2の入力を有する電圧比較器でよい。この比較器は、積分器出力が基準閾値電圧を超えたときに、出力状態を変化させる。この場合、積分器が閾値電圧に達するに要する時間の長さは、図4のスイッチ410のリセットの時間から測定され、障害物の相対サイズを推測することに使用できる。好ましい実施例では、1.25Vの閾値が使用される。上述したように、比較器の出力は、スイッチ410をリセットして新たな測定期間を開始するパルス発生器をトリガすることに使用できる。この場合、フリーラン発振器が形成され、これによりリセットパルスの周波数が、観察された開口の状態の指示として使用できる。
【0055】
この代わりに、検出器は、内部アナログ/デジタル(A/D)変換器を有するか、外部A/D変換器を制御するマイクロコントローラやマイクロプロセッサでもよい。この場合、積分器114の出力は、2値数に変換され、予めメモリに記憶された閾値と比較される。
【0056】
ここに開示された発明の概念を逸脱することなく、前述した閉鎖部材の経路における開口内の対象物検出用の方法及び装置を変形し修正できる点を、当業者は、更に認めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0057】
この発明は、図面に関連した詳細な説明を参照して、より完全に理解される。
【図1】ここで開示された発明で使用される光学検知システムのブロック図である。
【図2】図1の光検出器と入力アンプの模式図である。
【図3】図1のスイッチトアンプの模式図である。
【図4】図1の減算モジュールと積分器の模式図である。
【図5】図1の変調器と発光器ドライバ/アンプの模式図である。
【図6】図5のドライバ/アンプ回路508と典型的な温度補償回路510の模式図である。
【図7】図1のスイッチトアンプと発光器に供給される変調信号のタイミング図である。
【図8】図1のスイッチトアンプと発光器に供給される変調信号のタイミング図である。
Claims (32)
- 変調器と、発光器と、光検出器と、スイッチトアンプと、積分器と、検出器とを備えたピンチゾーン内の障害物を検出するための装置であって、
前記変調器は、第1の持続時間の活性相および第2の持続時間の不活性相を有する第1の変調信号を与えるものであり、
前記発光器は、前記第1の変調信号を受信するために前記変調器に接続され、そして活性相中は前記変調信号に応答して光信号を与えるように、また不活性相中はターンオフされるように動作するものであり、
前記光検出器は、前記発光器に光結合され、そして前記ピンチゾーンから反射された、前記ピンチゾーンに応答する前記光信号の一部を受信するように構成されたものであり、前記光検出器は、前記受信した光信号の1つの特性を示す検出器出力信号を与えるものであり、
前記スイッチトアンプは、前記検出器出力信号に接続された第1の入力と、基準電圧に接続された第2の入力とを有し、前記スイッチトアンプはまた、前記第1の変調信号に結合され、且つ前記活性相に対応する第1の利得と、前記不活性相に対応する第2の利得とを有し、前記スイッチトアンプが与える出力信号は、前記活性相中は前記第1の利得で増倍された前記検出器出力信号を含み、また前記不活性相中は前記第2の利得で増倍された前記検出器出力信号を含むものであり、
前記積分器は、前記スイッチトアンプに接続されて、前記スイッチトアンプの出力信号を受信し、前記積分器は、前記スイッチトアンプの出力信号を、少なくとも一対の活性及び不活性相に対応する所定の測定期間を通して積分し、且つ積分器出力信号を与えるように構成されて配置され、
前記検出器は、前記積分器出力信号を受信するためのものであって、前記積分器出力信号に基づいて、前記ピンチゾーン内に対象物の存在または不存在の兆候を与えるように構成されて配置されていることを特徴とする装置。 - 前記発光器は、LEDである請求項1の装置。
- 前記LEDは、赤外領域の光を放射するものである請求項2の装置。
- 前記発光器は、レーザダイオードである請求項1の装置。
- 前記発光器は、フラッシュ管またはフラッシュランプである請求項1の装置。
- 前記発光器は、平面光、複数の指を有する扇形光、狭い光ビーム、および複ファセット型光ビームからなる群から選択された形態で前記光信号を与える請求項1の装置。
- 前記光検出器は、フォトダイオードである請求項1の装置。
- 前記フォトダイオードは、赤外光に応答するものである請求項7の装置。
- 前記フォトダイオードは、可視光フィルタを有する請求項8の装置。
- プリアンプを更に備え、このプリアンプは、前記光検出器に接続された入力と、前記スイッチトアンプに対してプリ増幅された検出器出力信号を与える出力とを有したものである請求項1の装置。
- 前記プリアンプは、前記フォトダイオードに結合された電流/電圧変換器を有する請求項10の装置。
- 前記プリアンプは、前記電流/電圧変換器の出力に結合された利得段アンプを有し、増幅された検出器出力信号を前記スイッチトアンプに与えるものである請求項11の装置。
- 減算モジュールを更に備え、前記減算モジュールは、前記スイッチトアンプの出力に結合された第1の入力と、調整可能なオフセット電圧に結合された第2の入力と、前記積分器に結合された出力とを有し、前記調整可能なオフセット電圧は、測定期間を通して前記積分器出力信号が実質的に一定値に維持されるように選択されている請求項1の装置。
- メモリに接続された制御素子を更に備え、前記制御素子は、前記オフセット電圧を調整して、測定期間を通して前記積分器の出力を実質的に一定に維持するように構成されて配置されている請求項13の装置。
- 前記変調信号は、実質的にデューティサイクル50%の矩形波であり、前記スイッチングアンプの第1及び第2の利得は、大きさが同じで極性が逆である請求項1の装置。
- 前記変調器は、第3の持続時間の活性相および第4の持続時間の不活性相を有する第2の変調信号を更に与えるものであり、前記変調器は、前記第1の変調信号を前記発光器に与え、また前記第2の変調信号を前記スイッチトアンプに与えるものであり、前記第3の持続時間は、前記第1の持続時間よりも大きく、前記第4の持続時間は、前記第2の持続時間よりも大きい請求項1の装置。
- 前記変調信号の活性相の持続時間は、不活性相の持続時間よりも実質的に少ないものであり、さらに前記スイッチトアンプの第1の利得は、非ゼロ値を有し、また前記スイッチトアンプの第2の利得は、実質的にゼロ利得を有する請求項1の装置。
- 前記スイッチトアンプの第2の入力に結合された電圧基準信号を更に備え、前記スイッチトアンプは、活性相中は、前記第1の利得で増倍された前記検出器出力信号と前記第2の利得で増倍された前記基準信号電圧との差を出力として与え、また不活性相中は、前記第1の利得で増倍された前記電圧基準信号と前記第2の利得で増倍された前記検出器出力信号との差を出力として与えるものである請求項1の装置。
- 閾値電圧信号を更に備え、そして前記検出器は、比較器であり、この比較器は、前記積分器出力信号に結合された第1の入力と、前記閾値電圧信号に結合された第2の入力とを有し、前記比較器は、ピンチゾーン内の対象物の存在または不存在を示す信号を与えるものである請求項1の装置。
- 前記検出器は、マイクロコントローラに結合されたA/D変換器を有する請求項1の装置。
- 前記積分器は、信号の数値積分を行うマイクロコントローラである請求項20の装置。
- 前記モジュレータは、マイクロコントローラである請求項1の装置。
- 前記積分器に結合されて、この積分器を所定値にリセットするリセットスイッチを更に備える請求項1の装置。
- 前記リセットスイッチは、マイクロコントローラである請求項23の装置。
- 前記リセットスイッチは、アナログスイッチである請求項23の装置。
- 前記リセットスイッチは、抵抗である請求項23の装置。
- 周囲光の存在下で光信号を検出するための方法であって、
第1の周波数および第1の位相を有する光信号を周囲光信号の存在下で受信する工程と、
前記受信された光信号および前記周囲光信号を増幅する工程と、
同期検出信号を与えるために、前記受信された光信号および周囲光信号を同期検出する工程と、
減算信号を与えるために、前記同期検出信号を所定のオフセット電圧から減算する工程と、
積分信号を与えるために、前記減算信号を所定の期間を通して積分する工程と、
前記光信号の変化を示す前記積分信号の変化を検出する工程とを備えることを特徴とする方法。 - 前記増幅する工程は、帯域通過フィルタを通して前記信号をフィルタ処理する工程を含む請求項27の方法。
- 前記同期検出する工程は、
前記増幅された受信光信号および前記周囲光信号を、前記第1の周波数および実質的に前記第1の位相で、第1及び第2の出力に切り換える工程と、
第1の入力で受信された前記光信号を第1の利得で増幅する工程と、
第2の入力で受信された前記光信号を第2の利得で増幅する工程と
を含む請求項27の方法。 - 積分器を初期化する工程を更に備える請求項27の方法。
- 前記初期化する工程は、調整可能なオフセット電圧を発生する工程を更に含む請求項30の方法。
- 前記調整可能なオフセット電圧を発生する工程は、
障害物が存在しないときの初期化期間中は光信号を発生する工程と、
前記初期化期間中は前記積分信号が実質的にゼロとなるように前記オフセット電圧を調整する工程と
を含む請求項31の方法。
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