JP2013228298A - 無接点センサ及びシフトレバー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出ばらつきを少なく抑えることができる静電容量式の無接点センサ及びシフトレバー装置を提供する。
【解決手段】シフトレバー装置の基板に切り欠き孔６を設け、切り欠き孔６の幅方向一方に複数の検出部７を設け、切り欠き孔６の幅方向他方にＧＮＤ８を設けることにより、検出部７及びＧＮＤ８を対向配置する。切り欠き孔６の内部に、シフトレバーと連動する被検出部９を移動可能に設け、検出部７及びＧＮＤ８間に被検出部９が位置すると静電容量が変化することを利用して、被検出部９の位置、つまりシフトレバーの操作位置を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無接点により変位量を検出する無接点センサ及びシフトレバー装置に関する。

従来から周知のように、種々の装置や機器には、非接触により検出対象を検出できる無接点センサが搭載されているものが数多くある。この種の無接点センサとしては、例えば静電容量センサがある。静電容量センサは、主に人が指等で触れたことを検出するタッチ検出に使用されることが多いが、タッチ検出の場合、例えば外気（湿度）の影響、タッチ面の汚れ、人の指の大きさなど、様々な外的要因が多い。よって、閾値を可変できるマイクロコンピュータを載せ、検出精度を確保することが多いが、この構成では構造の複雑化や部品コスト増を招く。

そこで、人が触れることのない閉じた空間（ケース内）において静電容量センサを使用し、検出対象の変位量を検出する技術が考案されている（例えば特許文献１等参照）。図１４に、特許文献１に開示されたダイヤル８１の操作量を検出する無接点センサ８２を図示する。プリント回路基板８３には、環状の駆動電極８４と、駆動電極８４の周囲に複数配置された検出電極８５とが設けられている。ダイヤル８１の裏面には、検出電極８５と隙間を隔てて対向する環状のリング電極８６が設けられている。リング電極８６には、半径方向に突出する突出部８７が少なくとも１つ形成されている。そして、突出部８７が検出電極８５に向き合うと、これらの間の静電容量が変化することを利用し、ダイヤル８１の操作量（回転量）を検出する。

特許文献１の無接点センサ８２は、静電容量センサをタッチ検出で使用するのではなく、周囲環境が安定している閉じた空間内で使用することになる。よって、無接点センサ８２は、検出ばらつきに強いセンサとして使用することが可能となる。

国際公開第０７／０３２４３２号

しかし、特許文献１のダイヤル８１は、例えば面方向にずれたり、高さ方向に傾いたりする可能性がある。これら状況が無接点センサ８２に起こると、複数の検出電極８５と突出部８７との間隔が一律に一定にならないので、無接点センサ８２の検出精度が悪化してしまう問題があった。よって、検出ばらつきに強い静電容量式の無接点センサの開発ニーズがあった。

本発明の目的は、検出ばらつきを少なく抑えることができる静電容量式の無接点センサ及びシフトレバー装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、検出対象の変位量を無接点により検出する無接点センサにおいて、基材の面方向に沿って形成された凹部と、前記凹部内を移動可能な可動式の被検出部と、前記凹部の幅方向の一方に形成された複数の検出部と他方に形成されたＧＮＤとからなり、前記被検出部によって静電容量が変化する静電容量検出部と、前記静電容量検出部から出力される出力信号を基に、前記被検出部の変位量を求める信号処理部とを備えたことを要旨とする。

本発明の構成によれば、基材に凹部を設け、凹部の幅方向の一方に複数の検出部を設け、他方にＧＮＤを設けるので、各検出部及びＧＮＤ間の距離は安定して決まる。そして、検出対象と連動する可動式の被検出部を凹部内に設け、検出部及びＧＮＤ間に被検出部が入ると、静電容量が変化することを利用して、被検出部（検出対象）の変位量を求める。ところで、検出部が検出する静電容量は、仮に被検出部がＧＮＤ側に寄っても或いは検出部側に寄っても変化しない特性がある。よって、被検出部の凹部内での位置が検出精度に影響を及ぼさないので、検出ばらつきの抑制に効果が高くなる。

本発明では、前記基材は、基板であることを要旨とする。この構成によれば、基板を利用して無接点センサを設けるので、部品の配置スペースの有効利用に効果が高くなる。
本発明では、前記信号処理部は、１チップのＩＣからなる静電容量センサであることを要旨とする。この構成によれば、市場に広く出回っている汎用の静電容量センサを使用すれば、センサにかかるコストが安価に済む。

本発明では、前記凹部は、貫通した孔であり、複数の前記検出部及び前記ＧＮＤは、前記孔の縁において前記基材の表面、当該孔の縁において前記基材の裏面、及び前記孔の内面の３面に亘り形成されていることを要旨とする。この構成によれば、検出部及びＧＮＤの形成面を広くとることが可能となるので、変位量の検出精度確保に効果が高くなる。

本発明では、シフトレバーの操作位置を検出するシフトレバー装置において、基材の面方向に沿って形成された凹部と、前記シフトレバーの操作に連動して前記凹部内を移動可能な被検出部と、前記凹部の幅方向の一方に形成された複数の検出部と他方に形成されたＧＮＤとからなり、前記被検出部によって静電容量が変化する静電容量検出部と、前記静電容量検出部から出力される出力信号を基に、前記被検出部の位置から前記シフトレバーの操作位置を求める信号処理部とを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、静電容量変化を利用した変位量検出において、検出ばらつきを少なく抑えることができる。

一実施形態のシフトレバー装置の外観を示す斜視図。 無接点センサの概略構成図。 無接点センサの外観を示す斜視図。 無接点センサの静電容量の変化例を示す説明図。 各検出部から出力される静電容量検出信号の波形図。 被検出部の位置の計算方法を説明する波形図。 （ａ），（ｂ）は、被検出部が偏り配置の状態になった概略図。 切り欠き孔のめっき前を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の矢印断面図。 切り欠き孔のめっき後を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の矢印断面図。 切り欠き孔のめっき後、不要部分を削除した図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）の矢印断面図。 （ａ），（ｂ）は、被検出部の他の位置計算方法を説明する波形図。 被検出部の他の形状を示す概略図。 （ａ），（ｂ）は、被検出部の他の形状を示す概略図。 従来の無接点センサの概略構成図。

以下、本発明を具体化した無接点センサ及びシフトレバー装置の一実施形態を図１〜図１０に従って説明する。
図１に示すように、変速機を有する車両には、変速機のシフト位置を切り換える際に操作するシフトレバー装置１が搭載されている。本例のシフトレバー装置１は、シフトレバー２の操作位置を電気信号により変速機に出力して、変速機を駆動するシフトバイワイヤ式である。本例のシフトレバー装置１は、シフトレバー２を直線方向に操作してレンジ位置切換操作を行うタイプに、シフトレバー２でのシーケンシャル操作も可能な機能が付いたストレート型となっている。レンジ位置切換操作は、自動変速機のレンジ位置をＰ、Ｒ、Ｎ、Ｄのいずれかに切り換える操作である。シフトレバー２は、同図左側のゲート３ａにおいてレンジ位置切換操作が可能で、同図右側のゲート３ｂにおいてシーケンシャル操作が可能である。なお、シフトレバー２が検出対象に相当する。

図２及び図３に示すように、シフトレバー装置１には、シフトレバー２のシーケンシャル操作を検出する無接点センサ４が設けられている。無接点センサ４には、シフトレバー装置１用の基板５（図３参照）に貫設された切り欠き孔６が設けられている。切り欠き孔６は、面方向に細長く延びる孔である。シフトレバー２がスライド操作式の場合、切り欠き孔６は、図２に示す直線状をとる。また、シフトレバー２が回転軸を有する円弧操作式の場合、切り欠き孔６は、図３にようにレバー操作に対応した円弧状をとる。なお、基板５が基材に相当し、切り欠き孔６が凹部及び貫通した孔に相当する。

図２に示すように、切り欠き孔６における幅方向（図２のＹ方向）の一対の縁部のうち、一方には、静電容量を検出する複数の検出部７…が設けられ、他方には、接地用のＧＮＤ８が設けられている。検出部７及びＧＮＤ８は、例えば無電解めっきにより形成された金属製の薄い膜からなる。検出部７及びＧＮＤ８は、一定の間隔をおいて切り欠き孔６の幅方向に等距離に対向配置されている。複数（図２は８つ）の検出部７は、切り欠き孔６の長手方向（図２のＸ方向）に沿って等間隔に配置されている。ＧＮＤ８は、切り欠き孔６の縁部一帯に亘り形成されている。なお、検出部７及びＧＮＤ８が静電容量検出部を構成する。

図３の円内に示すように、各検出部７は、切り欠き孔６の周縁において基板５の表面に形成された第１めっき層７ａ、同じく切り欠き孔６の周縁において基板５の裏面に形成された第２めっき層７ｂ、切り欠き孔６の内面に形成された第３めっき層７ｃの３面に亘り形成されている。第１めっき層７ａ及び第２めっき層７ｂは、基板５上の配線接続部分として使用される。ＧＮＤ８も、検出部７と同様に、第１めっき層８ａ、第２めっき層８ｂ及び第３めっき層８ｃの３面からなる。第１めっき層８ａ及び第２めっき層８ｂも、基板５上の配線接続部分として使用される。

図２〜図４に示すように、切り欠き孔６の内部には、検出部７及びＧＮＤ８間の静電容量を変化させる可動式の被検出部９が、切り欠き孔６の長手方向に沿って往復動可能に取り付けられている。シフトレバー２がゲート３ａからゲート３ｂに倒し操作（セレクト操作）されると、シフトレバー２に設けられた係止突（図示略）が被検出部９の凹部（図示略）に係止し、被検出部９がシフトレバー２と連動可能となる。被検出部９は、シーケンシャル操作されるシフトレバー２に連動することにより、切り欠き孔６内を長手方向に往復移動可能である。

被検出部９は、例えばめっき処理を施した部材、金属片等を使用した場合、検出部７及びＧＮＤ８間の静電容量を小さくする。また、被検出部９は、例えばプラスチック、ガラス等を使用した場合、検出部７及びＧＮＤ８間の静電容量を大きくする。被検出部９の移動方向の長さＬ１は、２つの検出部７と同時に対向できる長さに形成されている。被検出部９が検出部７及びＧＮＤ８の間に入り込むと、この箇所における静電容量が変化（図４は静電容量が小さくなる例を示す）する。

図２に示すように、無接点センサ４には、静電容量変化を検出可能な静電容量センサ１０が設けられている。静電容量センサ１０には、複数のＡ／Ｄポート１１…が設けられ、これらＡ／Ｄポート１１に各検出部７が電気配線により接続されている。なお、静電容量センサ１０が信号処理部に相当する。

静電容量センサ１０は、各Ａ／Ｄポート１１から各々の検出部７に電圧（高周波）を印加する。被検出部９が検出部７を通過する際、検出部７に印加されている電圧が被検出部９の通過に伴い変化する。即ち、検出部７及びＧＮＤ８間の静電容量が被検出部９により変化する。静電容量センサ１０は、この電圧変化を、被検出部９による検出部７及びＧＮＤ８間の静電容量変化（以下、静電容量検出信号Ｖｘと記す）として検出する。静電容量検出信号Ｖｘは、被検出部９の移動に応じて周期が１周期分のsin波をとる信号である。また、静電容量検出信号Ｖｘは、検出部７に印加した電圧が被検出部９の通過に伴い抜けるまでの時間であるとも言えるし、検出部７に印加した高周波の振れ幅の変化であるとも言える。静電容量センサ１０は、この静電容量検出信号Ｖｘを基に被検出部９の変位量（位置）を求め、被検出部９（即ち、シフトレバー２）の位置情報として位置検出信号Ｖoutを、出力端子１２から他ＥＣＵに出力する。なお、静電容量検出信号Ｖｘが出力信号に相当する。

図５に示すように、静電容量検出信号Ｖｘは、隣に位置する検出部７から出力される静電容量検出信号Ｖｘに対し、位相差が所定値（本例は９０°）ずれるように設定されている。これは、検出部７の隣同士の間隔Ｗ１や被検出部９の長さＬ１を調整することにより、適宜設定可能である。静電容量センサ１０は、隣同士の検出部７から検出される静電容量検出信号Ｖｘのアークタンジェントを計算することにより、被検出部９（即ち、シフトレバー２）の位置を算出する。

次に、本例の無接点センサ４の動作を、図６及び図７を用いて説明する。
シフトレバー２がシーケンシャル操作されたとき、この操作に連動して被検出部９が切り欠き孔６内を移動する。被検出部９が検出部７を通過すると、その検出部７において被検出部９による静電容量変化が発生し、その検出部７に繋がるＡ／Ｄポート１１では、被検出部９の動きに応じて出力が１周期分のsin波をとる静電容量検出信号Ｖｘが得られることになる。

図６に示すように、静電容量センサ１０は、検出部７ごとに取得する静電容量検出信号Ｖｘを基に、被検出部９の位置、つまりシフトレバー２の操作位置を検出する。本例の場合、隣同士の検出部７から取得する９０度位相がずれた静電容量検出信号Ｖx1，Ｖx2のアークタンジェントを計算することにより、被検出部９の位置、つまりシフトレバー２のレンジ位置を算出する。そして、静電容量センサ１０は、この算出結果である位置検出信号Ｖoutを出力端子１２から他ＥＣＵに出力する。

以上により、本例においては、基板５に切り欠き孔６を設け、切り欠き孔６の幅方向一方に複数の検出部７を設け、切り欠き孔６の幅方向他方にＧＮＤ８を設け、切り欠き孔６内を移動する被検出部９を、検出部７により静電容量式で検出することで、被検出部９の位置、つまりシフトレバー２の操作位置を検出する。ところで、図２に示すように、検出部７により検出される静電容量は、被検出部９及び検出部７間の隙間Ｗａと、被検出部９及びＧＮＤ間の隙間Ｗｂとの総和（Ｗａ＋Ｗｂ）により求まる。即ち、図７（ａ）のように被検出部９が検出部７側に寄っても、逆に図７（ｂ）のように被検出部９がＧＮＤ８側に寄っても、結局のところ隙間のＷａ＋Ｗｂが同じであれば、検出部７で検出される静電容量は変化せず、一義的に決まる。よって、被検出部９にきっちりとした位置合わせを必要としないので、被検出部９の位置が無接点センサ４の検出精度に影響を及ぼさないことになる。従って、本例の構造を有する無接点センサ４は、検出ばらつきに強いセンサと言える。

また、本例の場合、固定側である基板５に検出部７及びＧＮＤ８を設け、可動側であるシフトレバー２には、単なる固形片からなる被検出部９を取り付けるだけでよい。よって、無接点センサ４の構造が簡素で済み、部品コストの抑制にも効果が高くなる。また、被検出部９をＧＮＤ８に接続する構成をとらずに済むので、構造簡素化及びコスト削減に一層寄与する。

次に、本例の切り欠き孔６の形成手順を、図８〜図１０を用いて説明する。
まず、図８（ａ），（ｂ）に示すように、基板５の所定位置に切り欠き孔６を形成する。なお、切り欠き孔６には、隣り合う検出部７同士の境目となる箇所に突出部１３を複数形成しておく。続いて、図９（ａ），（ｂ）に示すように、切り欠き孔６において、孔内面だけでなく、基板５の表面及び裏面に所定量はみ出す部位まで、無電解めっきを施す。これにより、切り欠き孔６の孔周縁及び内面の一帯にめっき層１４が形成される。そして、突出部１３と、切り欠き孔６の左右の端部１５，１６とを切削して削除する。これにより、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、基板５には、孔周囲に複数の検出部７及びＧＮＤ８がめっきされた切り欠き孔６が形成される。

以上により、本例の場合は、切り欠き孔６の内面において、隣り合う検出部７同士の境目に突出部１３を予め形成しておき、同形状をとる切り欠き孔６の内周面一帯にめっきを施し、その後、めっきの不要部分を取り除くことにより、基板５に複数の検出部７及びＧＮＤ８のめっき層を形成する。よって、部分的に何度もめっきを施す工程を採用せずに済むので、複数の検出部７及びＧＮＤ８のめっき層を、簡素な構成で基板５に形成することが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）基板５に切り欠き孔６を設け、切り欠き孔６の幅方向の一方に複数の検出部７…のめっき層を設け、他方にＧＮＤ８のめっき層を設けるので、各検出部７及びＧＮＤ８間の距離は一律に決まる。そして、シフトレバー２と連動する可動式の被検出部９を設け、検出部７及びＧＮＤ８間に被検出部９が入ると、その間の静電容量が変化することを利用して、被検出部９の変位量、つまりシフトレバー２の位置を求める。ところで、検出部７が検出する静電容量は、仮に被検出部９が切り欠き孔６の内部において検出部７側に寄っても或いはＧＮＤ８側に寄っても変化しない。このため、被検出部９の切り欠き孔６内での位置が無接点センサ４の検出精度に影響を及ぼさないので、検出ばらつきの抑制に効果が高くなる。

（２）本例の無接点センサ４は、基板５に設けた切り欠き孔６と、切り欠き孔６に設けためっき層からなる複数の検出部７及びＧＮＤ８と、切り欠き孔６内を動く被検出部９とからなる。よって、無接点センサ４の構造が簡素で済み、コスト削減にも寄与する。また、被検出部９をＧＮＤ８に接続する構造をとる必要もないので、構造簡素化及びコスト削減に一層寄与する。

（３）基板５に切り欠き孔６を設けて無接点センサ４を形成するので、基板５を利用したセンサ形成が可能となり、部品の配置スペースの有効利用や部品点数削減等に効果が高くなる。

（４）静電容量センサ１０は、一つの素子で複数個所を測定することができる。よって、１直線において検出部７を８つ連続して配置し、これらに沿って被検出部９を移動可能とすることにより、例えばストロークセンサや回転センサ等を実現することができる。

（５）無接点センサ４を静電容量式とすれば、市場に広く出回っている汎用の静電容量センサ１０を使用することができ、センサにかかるコストが安価に済む。
（６）検出部７及びＧＮＤ８のめっき層を、基板５の表面−裏面−内面の３面に亘る形状とした。このため、検出部７及びＧＮＤ８の形成面を広くとることが可能となるので、無接点センサ４の検出精度確保に一層効果が高くなる。

（７）検出部７ごとに得られる静電容量検出信号Ｖｘを、隣の検出部７の静電容量検出信号Ｖｘに対して位相差を９０°持たせる波形とした。このため、変位量検出に好適なタイミングで各検出部７から信号出力させることが可能となるので、変位量検出の最適化に効果が高くなる。

（８）図８〜図１０に示す製造方法を用いて切り欠き孔６にめっき層を形成するようにすれば、基板表面−孔内面−基板裏面に亘る３面のめっき層を、無駄の少ない簡素な製法により切り欠き孔６に形成することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・被検出部９の位置計算方法は、隣同士に位置する検出部７で取得する２つの静電容量検出信号Ｖｘのアークタンジェントを計算する方法に限定されない。例えば、１つの検出部７で１位置を検出する場合、図１１（ａ）で示すようなスレッショルドＶｋを設定し、どの静電容量検出信号ＶｘがスレッショルドＶｋ以上となるか否かを確認することにより、被検出部９の位置を判定してもよい。

また、１つの検出部７で複数位置を検出する場合、静電容量センサ１０は、静電容量検出信号Ｖｘがどの範囲にあるのかを確認することにより、被検出部９の位置を判定してもよい。例えば、図１１（ｂ）に示すように、それぞれの静電容量検出信号Ｖｘの半交流波において、位相０°〜９０°で範囲Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅに分け、静電容量検出信号Ｖｘが範囲Ｖａ〜Ｖｅのどれに入っているのかを確認することにより、被検出部９の位置を検出してもよい。

・図１２に示すように、被検出部９は、特性が逆の素材を複数（図１１は２つ）組み合わせてもよい。この場合、静電容量検出信号Ｖｘが半波ではなく交流波（正弦波）をとるので、検出精度の確からしさを確保することができる。

・被検出部９は、直方体形状に限定されず、例えば球形状などの他形状に変更可能である。
・図１３（ａ）に示すように、被検出部９は、途中で厚さ（板厚）を変えることにより、異なる静電容量を発生可能としてもよい。また、図１３（ｂ）に示すように、被検出部９は、両端が尖った略楕円形状でもよい。

・図１２や図１３（ａ）の例において、被検出部９の素材を変えたり形状を変えたりするなどの変化の段数は、２段に限らず、３段以上としてもよい。
・凹部は、貫通する孔に限定されず、底を有する穴でもよい。

・検出部７及びＧＮＤ８は、基板５の表面−裏面−孔内面の３面に亘る形状（断面コ字形状）に限定されない。例えば、めっきを孔内面のみに形成するなど、他の形状に変更してもよい。

・基板５は、シフトレバー装置１に予め搭載された基板であることに限定されず、無接点センサ４専用に設けた基板でもよい。
・基材は、基板５に限定されず、基板以外の他の部材を使用してもよい。

・静電容量検出信号Ｖｘは、図示に例示した波形をとることに限らず、他の波形形状に変更可能である。
・信号処理部は、１チップＩＣからなる静電容量センサ１０に限定されず、複数の素子を組み合わせたデバイスから構築されてもよい。

・無接点センサ４を複数設けて、多重系としてもよい。
・シフトレバー装置１は、ストレート型に限定されず、シフトレバー２がホームポジションに戻るタイプでもよい。また、ゲート３ａ，３ｂの形状も適宜変更可能である。

・検出部７は、少なくとも２つあればよい。この場合でも、本発明の作用効果を得ることはできる。
・無接点センサ４は、シーケンシャル操作を検出するセンサに限定されず、レンジ位置切換操作（シフトレバー２の直線操作）を検出センサとしてもよい。

・無接点センサ４は、シーケンシャル操作のみを検出センサに限定されない。例えば、無接点センサ４をゲート３ａ，３ｂの両用に設けて、シーケンシャル操作及びレンジ位置切換操作の両方を検出するようにしてもよい。

・無接点センサ４は、シフトレバー装置１に搭載されることに限定されず、例えばレバーコンビネーションスイッチ等の他の機器や装置に変更可能である。よって、検出対象もシフトレバー２に限定されず、他の物品に変更可能である。

１…シフトレバー装置、２…検出対象としてのシフトレバー、４…無接点センサ、５…基材としての基板、６…凹部及び貫通した孔を構成する切り欠き孔、７…静電容量検出部を構成する検出部、８…静電容量検出部を構成するＧＮＤ、９…被検出部、１０…信号処理部としての静電容量センサ、Ｖｘ…出力信号としての静電容量検出信号。

Claims (5)

1. 検出対象の変位量を無接点により検出する無接点センサにおいて、
   基材の面方向に沿って形成された凹部と、
   前記凹部内を移動可能な可動式の被検出部と、
   前記凹部の幅方向の一方に形成された複数の検出部と他方に形成されたＧＮＤとからなり、前記被検出部によって静電容量が変化する静電容量検出部と、
   前記静電容量検出部から出力される出力信号を基に、前記被検出部の変位量を求める信号処理部と
   を備えたことを特徴とする無接点センサ。
2. 前記基材は、基板である
   ことを特徴とする請求項１に記載の無接点センサ。
3. 前記信号処理部は、１チップのＩＣからなる静電容量センサである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無接点センサ。
4. 前記凹部は、貫通した孔であり、
   複数の前記検出部及び前記ＧＮＤは、前記孔の縁において前記基材の表面、当該孔の縁において前記基材の裏面、及び前記孔の内面の３面に亘り形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の無接点センサ。
5. シフトレバーの操作位置を検出するシフトレバー装置において、
   基材の面方向に沿って形成された凹部と、
   前記シフトレバーの操作に連動して前記凹部内を移動可能な被検出部と、
   前記凹部の幅方向の一方に形成された複数の検出部と他方に形成されたＧＮＤとからなり、前記被検出部によって静電容量が変化する静電容量検出部と、
   前記静電容量検出部から出力される出力信号を基に、前記被検出部の位置から前記シフトレバーの操作位置を求める信号処理部と
   を備えたことを特徴とするシフトレバー装置。