JP2010067503A - 静電容量型センサおよび近接判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知すること。
【解決手段】静電容量型センサ１０は、検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極１１と、検知電極１１の所定方向の検知をシールドするシールド電極１２と、これらの電極１１，１２を所定間隔Ｌだけ離間配置した状態で覆うとともに、ドア２の縁部２ａに取り付けられる絶縁性の被覆部材１３とを備える。近接判定装置は、この静電容量型センサ１０からの検知信号に基づく検知対象物の接触等を判定する検出回路部２０も有する。このように構成された静電容量型センサ１０および近接判定装置では、簡単な構成で静電容量型センサ１０に検知対象物が接触あるいは非接触等を高精度に検出することができる。ドア２等への検知対象物の挟み込み等の事故防止を図ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量の変化を利用した静電容量型センサおよび近接判定装置に関し、特に自動車のドア等の開閉体における開閉動作時の人体などの検知対象物を簡単な構成で高精度に検出する静電容量型センサに関する。

従来より、自動車などのドアなどの開閉体の開閉時において、人体の指などの挟み込みを防止するために、静電容量の変化を利用した静電容量型センサが知られている。このような静電容量型センサは、例えば離間して設けられる一対のセンサ電極と、これらセンサ電極を離間して囲むシールド電極と、センサ電極およびシールド電極を保持する絶縁材料からなる被覆部材とを備える。

この被覆部材は、取付部材に装着するための取付部を有し、取付部にはシールド電極と同電位の芯部材が設けられ、取付部材に取り付けたときのセンサ突出寸法を抑えるとされている。そして、外部応力が一対のセンサ電極間に加えられたときの静電容量の変化量を検出する（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３８４４３０４号公報

しかしながら、上述した従来の静電容量型センサを自動車のドアなどに用いた場合、例えば人体の指がこの静電容量型センサに僅かに接触した程度では、あまり応力が加わらないため電極間の距離に変化が生じず、結果として人体などの検知対象物を検知できない場合があることは否めない。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知することができる静電容量型センサおよび近接判定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る静電容量型センサは、検知領域の範囲に近接する検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極と、前記検知電極と離間配置され、該検知電極の所定方向の検知をシールドするシールド電極と、これら検知電極およびシールド電極を覆うとともに、被取付部材に対して前記シールド電極側が装着される絶縁性の被覆部材とを備えることを特徴とする。

本発明に係る静電容量型センサは、以上のように構成されることにより、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知することができる。

また、本発明に係る近接判定装置は、検知領域の範囲に近接する検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極と、前記検知電極と離間配置され、該検知電極の所定方向の検知をシールドするシールド電極と、これら検知電極およびシールド電極を覆うとともに、被取付部材に対して前記シールド電極を覆う側が装着される絶縁性の被覆部材とを有する静電容量型センサと、前記静電容量型センサからの検知信号に基づいて、前記検知対象物の近接による静電容量変化に応じた情報を出力する検出回路と、前記検出回路からの情報に応じて、前記検知対象物の前記静電容量センサへの接触を判定する判定回路とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る近接判定装置は、以上のように構成されることにより、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知して、静電容量型センサへの接触の有無を判定することができる。

なお、本発明に係る近接判定装置は、前記判定回路からの判定結果に基づいて、所定の警告情報を報知する報知手段をさらに備えてもよい。

また、本発明に係る静電容量型センサは、前記検知電極および前記シールド電極の間に配置され、両電極を離隔する絶縁部材をさらに備えてもよい。

さらに、前記シールド電極は、例えば前記検知電極と同電位に駆動されている。そして、前記被取付部材は、例えば車両の開閉体の縁部および該開閉体によって開閉される前記車両側の開口部分の縁部のいずれかである。

本発明によれば、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知することができる静電容量型センサおよび近接判定装置を提供することができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明に係る静電容量型センサおよび近接判定装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る静電容量型センサが適用された自動車等の車両の全体構成の例を示す説明図、図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。また、図３は、本発明の一実施形態に係る近接判定装置の全体構成の例を示すブロック図、図４は同近接判定装置の検出回路における静電容量検知回路の内部構成の一部の例を示すブロック図、図５は同静電容量検知回路の動作波形の例を示す動作波形図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、例えば自動車等の車両１の開閉体であるドア２のピラー部３側の縁部２ａに装着されている。この静電容量型センサ１０は、ドア２から見てピラー部３方向に形成される検知領域の範囲に近接する人体（あるいは人体の指等の部位）などの検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極１１と、この検知電極１１と離間配置され、例えば検知電極１１の裏面側（すなわち、ドア２側の方向）の検知をシールドするシールド電極１２とを備える。

また、静電容量型センサ１０は、検知電極１１およびシールド電極１２を覆うとともに、被取付部材である開閉体のドア２の縁部２ａに対してシールド電極１２を覆う側が、例えば接着材や両面テープ等の材料を介して装着される絶縁性を有した被覆部材１３を備えて構成されている。なお、この被覆部材１３は、本例では外部応力が加わらない状態においては断面形状が中空半円状（蒲鉾形）を保持するように形成された弾性力を有する樹脂やゴム等の材料からなる。

そして、検知電極１１は、被覆部材１３のピラー部３側の内部に接着等により配置され、シールド電極１２は、被覆部材１３のドア２の縁部２ａ側の内部に同様に配置されている。これにより、上述した外部応力が加わらない状態においては、検知電極１１とシールド電極１２は、所定の間隔Ｌを隔てて離間配置された状態となっている。

なお、これら検知電極１１およびシールド電極１２は、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）あるいはガラスエポキシ樹脂などの絶縁体からなるフレキシブルプリント基板やメンブレン回路等の可撓性を備えた基板（図示せず）上に、パターン形成された銅、銅合金またはアルミニウム等の導電体からなる。その他、検知電極１１およびシールド電極１２は、単なる電線などの導電材を用いてもよい。

本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、このように構成されたことにより、人体などの検知対象物が被覆部材１３に近接するかあるいは触れただけで検知電極１１によって静電容量変化を検出することができるので、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知することができる。なお、静電容量型センサ１０は、車両１のピラー部３の開口部分の縁部３ａ側に装着されていてもよい。

また、本実施形態に係る近接判定装置は、図３に示すように、上記のように構成された静電容量型センサ１０とともに、検出回路部２０を備えて構成されている。検出回路部２０は、例えば検知電極１１やシールド電極１２が形成された基板上の同一面側や反対側の面上に配置されている。この検出回路部２０は、静電容量型センサ１０の検知電極１１にて検知された静電容量を示す情報を出力する静電容量検知回路２１と、この静電容量検知回路２１から出力された情報に応じて、検知対象物の静電容量型センサ１０への接触（または近接、以下同じ）を判定する判定回路２４と、静電容量型センサ１０のシールド電極１２を検知電極１１と同電位に駆動するためのバッファ２５とを備えて構成されている。シールド電極１２をこのように駆動すれば、静電容量型センサ１０が配置されたドア２の接地（アース）の影響を小さくすることができる。

検出回路部２０の静電容量検知回路２１は、例えば検知電極１１と検知対象物との間の静電容量に応じてデューティー比が変化するパルス信号を生成するとともに平滑化して静電容量を示す検知信号を出力する。判定回路２４は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えてなり、静電容量検知回路２１から出力された検知信号が示す静電容量値に応じて、検知対象物の静電容量型センサ１０への接触を判定し、その判定結果に関する判定結果情報を出力する。

静電容量検知回路２１は、例えば検知電極１１からの検知信号に基づいて、静電容量（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）に変換するＣ−Ｖ変換回路２２と、このＣ−Ｖ変換回路２２からの出力アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備えて構成されている。

Ｃ−Ｖ変換回路２２は、図４に示すように、静電容量Ｃに応じてデューティー比が変化するものであり、例えば一定周期のトリガ信号ＴＧを出力するトリガ信号発生回路１０１と、入力端に接続された静電容量Ｃの大きさによってデューティー比が変化するパルス信号Ｐｏを出力するタイマー回路１０２と、このパルス信号Ｐｏを平滑化するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０３とを備えて構成されている。

タイマー回路１０２は、例えば２つの比較器２０１，２０２と、これら比較器２０１，２０２の出力がそれぞれリセット端子Ｒおよびセット端子Ｓに入力されるＲＳフリップフロップ回路（以下、「ＲＳ−ＦＦ」と呼ぶ。）２０３と、ＲＳ−ＦＦ２０３の出力ＤＩＳでオン／オフ制御させるトランジスタ２０５とを備えて構成されている。

比較器２０２は、トリガ信号発生回路１０１から出力される図５に示すようなトリガ信号ＴＧを、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって分割された所定のしきい値Ｖｔｈ２と比較して、トリガ信号ＴＧに同期したセットパルスを出力する。このセットパルスは、ＲＳ−ＦＦ２０３のＱ出力をセットする。

このＱ出力は、ディスチャージ信号ＤＩＳとしてトランジスタ２０５をオフ状態にし、検知電極１１およびグランド（ＧＮＤ）の間を、検知電極１１の対接地静電容量Ｃおよび入力端と電源ラインとの間に接続された抵抗Ｒ４による時定数で決まる速度で充電する。これにより、入力信号Ｖｉｎの電位が静電容量Ｃによって決まる速度で上昇する。

入力信号Ｖｉｎが、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で決まるしきい値Ｖｔｈ１を超えたら、比較器２０１の出力が反転してＲＳ−ＦＦ２０３の出力を反転させる。この結果、トランジスタ２０５がオン状態となって、検知電極１１に蓄積された電荷がトランジスタ２０５を介して放電される。

したがって、このタイマー回路１０２は、図５に示すように、検知電極１１および近接した検知対象物との間の静電容量Ｃに基づくデューティー比で発振するパルス信号Ｐｏを出力する。ＬＰＦ１０３は、この出力を平滑化することにより、図５に示すような直流の検知信号Ｖｏｕｔを出力する。なお、図５中において、実線で示す波形と点線で示す波形は、前者が後者よりも静電容量が小さいことを示しており、例えば後者が検知対象物の近接状態を示している。

判定回路２４は、静電容量検知回路２１からの検知信号Ｖｏｕｔによって、検知対象物の静電容量型センサ１０への接触または非接触を判定し、その判定結果情報を、例えば図示しない報知手段へ出力する。報知手段は、ディスプレイ装置や音声出力装置を備え、判定結果情報により静電容量型センサ１０への検知対象物の接触があったと判定された場合には、例えば警告文字を表示出力したり、警報音を音声出力したりする。これにより、ドア２が閉まるときなどに、静電容量型センサ１０への検知対象物の接触があった場合には検知対象物をドア２とピラー部３との間に挟む危険性等を報知することが可能となる。

また、本実施形態に係る近接判定装置は、例えばドア２が電力等による自動開閉型である場合は、このドア２の開閉を制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）等に対して、静電容量型センサ１０への検知対象物の接触があったと判定した場合には、ドア２の動作を停止させるための判定結果情報を出力するようにしてもよい。

本出願人は、上述した構成の静電容量型センサ１０を実験用車両のドア２に上下方向の長さ６０ｃｍ程度の大きさで配置し、検出回路部２０を別途設置して判定回路２４からの判定結果情報により、例えば検知対象物が接触した場合にはＬＥＤが点灯、非接触の場合には消灯するように設定して実験を行った。

上記実験の結果によると、検知対象物である人体の指が、例えば１本程度静電容量型センサ１０へ接触した場合であっても、接触、非接触の判定を行うことが可能であることが確認できた。したがって、静電容量型センサ１０の検知能力の設定を変更すれば、検知対象物の近接を判定することも可能である。

このように、本実施形態に係る静電容量型センサ１０および近接判定装置によれば、とてもシンプルな（簡単な）構成で高精度に検知対象物（例えば、人体の指）の接触（あるいは近接）を検知することができる。また、報知手段を備えれば、検知対象物の接触や非接触を報知することができる。したがって、ドア２等の開閉体に適用した場合には、検知対象物の挟み込み等の事故を未然に防止することを図ることが可能となる。

図６は、本発明の一実施形態に係る他の構成の静電容量型センサが適用された自動車等の車両の一部断面図である。なお、以降において、既に説明した部分と重複する箇所には同一の符号を付して説明を省略し、本発明に特に関連のない部分については明記しないことがあるとする。

図６に示すように、この例の静電容量型センサ１０Ａは、上述した静電容量型センサ１０と、検知電極１１およびシールド電極１２の間に、これらの電極１１，１２を上記静電容量型センサ１０と同様に所定の間隔Ｌ（図示せず）を隔てて離隔させる絶縁部材１４を備えた点が相違している。このように構成された静電容量型センサ１０Ａによれば、上記静電容量型センサ１０と同等の性能を保ったまま、検知電極１１、シールド電極１２および絶縁部材１４を一つのユニットとして作成し、被覆部材１３の内部に配置することが可能となる。

このため、上記静電容量型センサ１０と比較して、検知電極１１を被覆部材１３のピラー部３側の内部に接着等により配置し、シールド電極１２を被覆部材１３のドア２の縁部２ａ側の内部に同様に配置するなどの配置制限が低減されるので、検知電極１１等の配置自由度を向上させることができる。

このように構成された静電容量型センサ１０Ａにおいても、上述した近接判定装置として構成した場合には、簡単な構成で高精度に検知対象物の近接や接触を検知することができる。なお、上述した実施形態においては、開閉体として車両１のドア２を例に挙げて説明したが、例えば建物のドアや窓など、開閉動作可能なものであれば、本発明を適用することが可能である。

以上のように、本発明に係る静電容量型センサおよび近接判定装置は、検知対象物の検出に有用であり、特に、車両のドアなどの開閉体等への適用に適している。

本発明の一実施形態に係る静電容量型センサが適用された自動車等の車両の全体構成の例を示す説明図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る近接判定装置の全体構成の例を示すブロック図である。 同近接判定装置の検出回路における静電容量検知回路の内部構成の一部の例を示すブロック図である。 同静電容量検知回路の動作波形の例を示す動作波形図である。 本発明の一実施形態に係る他の構成の静電容量型センサが適用された自動車等の車両の一部断面図である。

符号の説明

１ 車両
２ ドア
２ａ 縁部
３ ピラー部
１０ 静電容量型センサ
１１ 検知電極
１２ シールド電極
１３ 被覆部材
１４ 絶縁部材
２０ 検知回路部
２１ 静電容量検知回路
２２ Ｃ−Ｖ変換回路
２３ Ａ／Ｄ変換回路
２４ 判定回路

Claims (9)

1. 検知領域の範囲に近接する検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極と、
   前記検知電極と離間配置され、該検知電極の所定方向の検知をシールドするシールド電極と、
   これら検知電極およびシールド電極を覆うとともに、被取付部材に対して前記シールド電極を覆う側が装着される絶縁性の被覆部材と
   を備えることを特徴とする静電容量型センサ。
2. 前記検知電極および前記シールド電極の間に配置され、両電極を離隔する絶縁部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の静電容量型センサ。
3. 前記シールド電極は、前記検知電極と同電位に駆動されていることを特徴とする請求項１または２記載の静電容量型センサ。
4. 前記被取付部材は、
   車両の開閉体の縁部および該開閉体によって開閉される前記車両側の開口部分の縁部のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の静電容量型センサ。
5. 検知領域の範囲に近接する検知対象物との間の静電容量を検知する検知電極と、前記検知電極と離間配置され、該検知電極の所定方向の検知をシールドするシールド電極と、これら検知電極およびシールド電極を覆うとともに、被取付部材に対して前記シールド電極を覆う側が装着される絶縁性の被覆部材とを有する静電容量型センサと、
   前記静電容量型センサからの検知信号に基づいて、前記検知対象物の近接による静電容量変化に応じた情報を出力する検出回路と、
   前記検出回路からの情報に応じて、前記検知対象物の前記静電容量型センサへの接触を判定する判定回路とを備えた
   ことを特徴とする近接判定装置。
6. 前記判定回路からの判定結果に基づいて、所定の警告情報を報知する報知手段をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の近接判定装置。
7. 前記静電容量型センサは、前記検知電極および前記シールド電極の間に配置され、両電極を離隔する絶縁部材をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６記載の近接判定装置。
8. 前記静電容量型センサは、前記シールド電極が前記検知電極と同電位に駆動された構成を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載の近接判定装置。
9. 前記被取付部材は、
   車両の開閉体の縁部および該開閉体によって開閉される前記車両側の開口部分の縁部のいずれかであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項記載の近接判定装置。

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