JP3692482B2 - 静電容量に基づく物体検出装置 - Google Patents
静電容量に基づく物体検出装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極と物体との間に形成される静電容量に基づいて物体の接近を検知する装置に関し、特に、これに限定する意図ではないが、車両周辺の障害物を検出する障害物検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両周辺の障害物を検出する装置としては、導体板に高周波電圧を印加し、障害物の接近に伴い変化する導体板の入力インピーダンスの変化から障害物の有無を検知する装置が多数あり、例えば、特開昭５８−１１５３８４号公報，特開昭６０−１１１９８３号公報，特開平３−２３３３９０号公報あるいは米国特許第３，６８９，８１４号明細書に開示されている。
【０００３】
それらの検出原理の代表的なものの１つは、発振回路の出力をＲ，Ｃ直列回路に出力する。ここでＣは検出電極と障害物との間に形成される静電容量である。検出電極の面積をＳとすると、障害物が有る場合にはそれと検出電極との距離ＤとＳに対応する静電容量Ｃが形成される。静電容量Ｃ（障害物との距離Ｄ）の変化により、検出電極の端子電圧が変化する。この端子電圧の変化を監視して障害物の接近を感知する。もう１つのものでは、発振回路の発振定数に上述の静電容量Ｃを導入している。障害物の接近によりＣが変化し発振周波数が変化する。この変化を監視して障害物の接近を感知する。
【０００４】
ところが、静電容量Ｃは、障害物以外の周囲条件によっても変化する。例えば温度，湿度，天候，地形，周囲の建造物，あるいは走行車両などにより変化する。特に車両上で障害物検知を行なう場合、検出電極は車両上に限られるので、車の外周りの環境によって静電容量Ｃが大きく変化し易く、検出電極直近への障害物の接近のみを正確に検知するのが難かしい。
【０００５】
そこで本発明者等は、静電容量Ｃの零点補正を正確に行なう障害物検出装置を開発し提示した（特願平７−３１３１２２号）。この障害物検出装置は、障害物との間に静電容量を形成する第１電極，この第１電極に平行な第２電極、および、第２電極と平行に、第２電極に関し第１電極と反対側に配置され、接地電位に接続された第３電極、を用いるものである。第１電極を接地電位に接続することにより第２電極を第１電極および第３電極でシ−ルドして、そのときの第２電極の対地静電容量に従って発振器を励振し、発振が基準状態となるように、第２電極に並列接続した電気回路の容量を調整している。この調整により、障害物検出電極（第２電極）の、発振器から見た見掛け上の静電容量が基準値に設定されたことになる。この調整が終わると、第１電極を接地電位から分離して第２電極に接続する。これにより第１および第２電極が障害物検出用の電極となる。発振器の発振レベルが低下すると、障害物有信号が発生される。つまり、障害物の接近により、第１電極の静電容量が変化するのに伴い、発振器の発振条件が満たされなくなり、発振器の発振レベルが低下もしくは停止する。これを電気回路が検知して障害物有信号を発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、使用環境の変化により、第１電極の対地静電容量が変化してしまうことがある。例えば、第１〜第３電極を収納した絶縁体ケ−スをバンパの裏側に装着した場合、絶縁体ケ−スに水滴や泥等の付着物があり、それが第１電極の障害物探知側の面（対物面）に対向する位置であると発振器の発振レベルが低下する。この低下は障害物が接近した場合の低下よりかなり低いので、障害物有り信号を誤発生することはない。しかし、その状態で障害物が接近したとき、障害物距離に対する発振レベルの関係がずれるので、障害物が検知領域（警報領域）に入っていないときに障害物有り信号（警報信号）を発生する可能性が高くなる。
【０００７】
本発明は、上述の第１〜第３電極を用いる障害物検出装置の改良に関し、電極収納ケ−スに水滴や泥等の付着物があった場合の障害物検出の信頼性を高くすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明の物体検出装置は、物体との間に静電容量を形成するための第１電極(10a)；
第１電極と平行な第２電極(10b)；
第２電極と平行に、第２電極に関し第１電極と反対側に配置され、基準電位(ア-ス)に接続された第３電極(10c)；
第１電極を、第２電極と基準電位の一方に選択的に接続する接続切替手段(Csw)；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対応するレベル(VL)の電気信号を発生するための発振手段(3)；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対する、前記発振手段が発生する電気信号のレベル(VL)を、調整するレベル調整手段(2)；
前記接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を基準電位に接続して前記レベル調整手段(2)を介して前記レベル(VL)を設定値(Vx)に定めた後、前記接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を第２電極(10b)に接続し、前記発振手段(3)が発生する電気信号のレベルを、検出環境変動による第１電極(10a)と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更した値、に基づいて第１電極(10a)への物体の接近を検出する監視手段(1)；
を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号又は対応事項を、参考までに付記した。
【０００９】
監視手段(1)が、接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を基準電位に接続すると、第１電極(10a)が基準電位(ア-ス)となり、同じく基準電位の第３電極(10c)と第１電極(10a)に挾まれた第２電極(10b)は、静電遮蔽されて、障害物のある無しに関係なく容量が一定となる(基準状態)。この状態で監視手段(1)が、レベル調整手段(2)を介して前記レベル(VL)を設定値(Vx)に定めるので、発振手段(3)の出力レベルが、基準状態で設定値(Vx)すなわち基準値となる。すなわち発振手段(3)の発振条件が基準値に定まる。これが発振手段(3)の零点補正である。
【００１０】
次に監視手段(1)が、接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を第２電極(10b)に接続し、前記発振手段(3)が発生する電気信号のレベルを、検出環境変動による第１電極(10a)と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更した値、に基づいて第１電極(10a)への物体の接近を検出する。
【００１１】
これにより、水，泥跳ねにより障害物が無いにもかかわらず、あるいは障害物が検知領域に入っていないにもかかわらず、障害物有りと検出するのが防止される。障害物の有無判定の信頼性が向上する。
【００１２】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
【００１４】
【実施例】
図１に、本発明の一実施例のシステム構成を示し、図２には、図１に示した共振／結合回路２の回路構成を示す。本実施例は、車両の前部バンパおよび後部バンパに搭載されるものであり、後述する第１電極１０ａより約４０〜５０ｃｍ以内の範囲における障害物を検知する。まず、この障害物検出装置の主要構成及び障害物検出機能の概要を説明する。
【００１５】
水晶発振器を含む発振回路３は、共振／結合回路２に接続されており、高周波の交流電圧ｖ１を発生して、共振／結合回路２内部の誘導コイルＬ（図２）の１次側に印加する。誘導コイルＬの２次側には、電極ユニット１０の第２電極１０ｂが接続されている。電極ユニット１０は、相互に平行な第１電極１０ａ，第２電極１０ｂおよび第３電極１０ｃで構成される。切替回路Ｃｓｗは、第１電極１０ａを、第２電極１０ｂ又はグランド（接地：基準電位）に選択的に接続する。切替回路Ｃｓｗが第１電極１０ａを第２電極１０ｂに接続している状態が、障害物検出を行なう状態（検出モ−ド）であり、第１および第２電極１０ａ，１０ｂが共振／結合回路２の誘導コイルＬの２次側に並列接続されている。切替回路Ｃｓｗが第１電極１０ａをグランドに接続している状態では、第２電極１０ａが、接地された第１電極１０ａと第３電極１０ｃで、シ−ルドされることになる（零点補正モ−ド）。
【００１６】
図３の（ａ）に、検出モ−ドのときの、電極ユニット１０周りの電気力線の分布を示し、図３の（ｂ）に零点補正モ−ドのときの電気力線の分布を示す。図３の（ａ）に示す検出モードにおいては、第１電極１０ａと第２電極１０ｂが接続され、第１電極１０ａと第２電極１０ｂとの接続点と、グランドとの間に交流電圧ｖｎが印加される。第３電極１０ｃは接地（グランド接続）されている。第１電極１０ａ〜第３電極１０ｃは平行平板であり、２枚の電極を一組で、一種のコンデンサと考えると、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃの間の静電容量Ｃｏ１は、両者間の距離をｄとし、真空の誘電率をεｏ，各電極の比誘電率をεｒとするとともに、互いに向い合う面積をＳとすれば、
Ｃｏ１＝〔εｏ・εｒ・Ｓ〕／ｄ
で表される。第１電極１０ａの遠方に仮想境界ＬＬを想定し、仮想境界ＬＬまでの第１電極１０ａからの放射電界における静電容量をＣｓとすれば、第２電極１０ａとグランド（接地された第３電極１０ｃ）との間のインピーダンスＺｉｎ１は、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ１）〕と、第１電極１０ａと仮想境界ＬＬ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｓ）の合成となり、
Ｚｉｎ１＝−１／〔ｊω（Ｃｏ１＋Ｃｓ）〕
で示される。ここで、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａの間に、人，建造物，金属等の障害物が存在すると、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａ間の放射電界の静電容量Ｃｓが変化する。これにより、インピーダンスＺｉｎ１が変化する。なお、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃの間の静電容量Ｃｏ１は、第３電極１０ｃが接地されていることにより一定となる。
【００１７】
図３の（ｂ）に示す零点補正モードにおいては、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃとの間に交流電圧ｖｎが印加される。この時、第１電極１０ａと第２電極１０ｂは切り離され、第１電極１０ａ及び第３電極１０ｃは接地されており、第２電極１０ｂから放射される電界は、静電遮蔽される。従って、無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間の障害物の存在の有無にかかわらず、第２電極１０ｂとグランド（接地された第１および第３電極１０ａ，１０ｃ）との間のインピーダンスＺｉｎ２は、第２電極１０ｂと第１電極１０ａ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ２）〕と、第２電極１０ａと第３電極１０ｃ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ１）〕の合成となり、
Ｚｉｎ２＝−１／〔ｊω（Ｃｏ１＋Ｃｏ２）〕
で示される。ここで、第２電極１０ｂと第１電極１０ａの間の静電容量Ｃｏ２は、第１電極１０ａが接地されていることにより一定であるので、このインピ−ダンスＺｉｎ２は、無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間の障害物の存在の有無にかかわらず、一定である。静電容量Ｃｏ２は、検出モードにおいて無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間に障害物が存在しない時の、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａ間の静電容量Ｃｓに等しい。従って、Ｚｉｎ２は無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間に障害物が存在しない時の第２電極１０ｂとグランド間のインピーダンスＺｉｎ１に等しい。
【００１８】
再び図１を参照されたい。電源回路Ｐが直流の定電圧Ｖｃｃを、電気回路各要素に印加する。本実施例において、図１に示した障害物検出装置の検出制御を行うのは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１である。ＣＰＵ１のＩ／ＯポートであるＩ／Ｏ−３には、切替回路Ｃｓｗが接続されており、ＣＰＵ１は切替信号Ｓ３を出力して切替回路Ｃｓｗを駆動し、電極ユニット１０の各電極間の接続態様を、検出モードあるいは零点補正モードに設定する。
【００１９】
ＣＰＵ１は、「検出モード」あるいは「零点補正モード」に切替回路Ｃｓｗのモードを切替えた直後に、まず発振回路３の発振を安定させる。発振回路３の発振を安定させる為にＣＰＵ１は、交流電圧ｖ１の発振レベルを表す直流電圧信号である発振レベルＶＬを読み込む。次に、発振レベルＶＬに応じて、共振／結合回路２が発振回路３の発振条件を満たすようなデジタルデータ制御電圧Ｖｍを算出する。そして、Ｉ／ＯポートのＩＯ−２からラダー抵抗ＲＡを介してデジタルデータ制御電圧ＶｍをＤ／Ａ変換し、共振／結合回路２に与える。後述するが、「検出モード」と「零点補正モード」では、制御電圧Ｖｍの電圧レベルが異る。制御電圧Ｖｍは共振／結合回路２内部のバリキャップダイオード（可変容量ダイオード）ＶＤ（図２）の直列コンデンサＣｚ１側に印加され、制御電圧Ｖｍの電圧レベルに応じたバリキャップダイオードＶＤの容量変化により、共振／結合回路２の２次側の静電容量が変化し、発振回路３の発振条件が満たされて発振が安定する。
【００２０】
ＣＰＵ１からの切替信号Ｓ３に応じた切替回路Ｃｓｗの切替により、電極ユニット１０が検出モード（図１で、切替回路ＣｓｗのスイッチがＴａ側に接：図３の（ａ））となっており、発振回路３の発振が安定している場合において、電極ユニット１０（電極１０ａ）に、人，建造物，金属等の障害物が接近すると、電極ユニット１０のインピーダンスＺｉｎ１が変化する。ここで、切替回路Ｃｓｗの容量が一定であれば、電極ユニット１０のインピーダンスＺｉｎ１の変化に応じて共振／結合回路２の２次側の容量が変化する。これに伴い、発振回路３の発振条件が満たされなくなり、発振回路３の発生する交流電圧ｖ１の発振レベルが変化する。障害物が直近に存在すると、発振が停止することもある。
【００２１】
発振回路３には、検波／増幅回路４が接続されており、交流電圧ｖ１を検波・増幅し、交流電圧ｖ１の発振レベルの変化に応じて増減する直流の電圧である発振レベルＶＬに変換してＣＰＵ１のＩ／ＯポートのＩＯ−１に与える。ＣＰＵ１は、発振レベルＶＬを、障害物と電極ユニット１０間の距離に比例したデジタル信号に変換し、Ｉ／ＯポートのＩＯ−４からラダー抵抗ＲＢを介して直流電圧にＤ／Ａ変換してアナログ信号Ｓ１として外部に出力する。アナログ信号Ｓ１は、図示しない警報チャイムの周波数制御さらに、後述する異常判定に使われる。またＣＰＵ１は、発振レベルＶＬがしきい値以下となると、Ｉ／ＯポートのＩＯ−５からＯＮ／ＯＦＦ信号すなわち障害物の有無を表わす２値信号Ｓ２を出力する。この２値信号Ｓ２は、障害物検出装置が障害物を検知したことを知らせるものであり、前述の警報チャイムや図示しない表示ランプの電源投入に使われる。
【００２２】
図４に、切替回路Ｃｓｗの回路構成を示す。ＣＰＵ１が与える切替信号Ｓ３が零点補正モードを指定するＬレベルになると、ＰＮＰトランジスタであるＴＲ１がＯＮ状態になり、ダイオードＤ２ｂのアノード側がＶｃｃレベルになるのでダイオードＤ２ｂがオンされ、第１電極１０ａはコンデンサＣ１を介して高周波的にＧＮＤ状態になる。すなわち発振回路３が発生する高周波に関しては接地となる。同時に、ＮＰＮトランジスタであるＴＲ２のベース電位がＨレベルになり、トランジスタＴＲ２がオンとなる。共振／結合回路２のコイルＬ（図２）の端子２ｂには、トランジスタＴＲ２がオフの場合には、バイアス回路４０の抵抗Ｒ２，Ｒ３によるＶｃｃの分圧すなわち直流バイアス電圧Ｖｂがかけられている。しかし、トランジスタＴＲ２がオンとなることにより、端子２ｂが実質上接地状態となるので、直流バイアスＶｂが０Ｖとなり、スイッチ回路５０のダイオードＤ２ａのアノード側すなわち第２電極１０ｂには、コイルＬの２次側に交流電圧ｖ１により誘置された高周波の交流電圧ｖｎが、０Ｖを中心に印加される。
【００２３】
このとき、ダイオードＤ２ａのカソード側は、トランジスタＴＲ１及びダイオードＤ２ｂのオンにより、ほぼＶｃｃレベルになっているため、ダイオードＤ２ａはオフである。ダイオードＤ２ａのオフにより、第１電極１０ａと第２電極１０ｂは切り離された状態になるので、第２電極１０ｂがＧＮＤ電極に挾まれた図３（ｂ）に示す「零点補正モード」になり、第１電極１０ａの前の障害物ｍの有無に関係なく、電極ユニット１０（第２電極１０ｂ）の静電容量（Ｃｏ１，Ｃｏ２）すなわち入力インピーダンスＺｉｎ２が定まるので、共振／結合回路２の結合容量が決定し、発振回路３の発振条件が定まる。
【００２４】
切替信号Ｓ３のレベルが、検出モ−ドを指定するＨレベルになるとトランジスタＴＲ１はオフとなり、ダイオードＤ２ｂのアノード側が０Ｖになるので、ダイオードＤｂ２はオフ状態になる。これと同時にトランジスタＴＲ２のベース電位が０Ｖになり、トランジスタＴＲ２はオフする。トランジスタＴＲ２がオフすると、コイルＬの端子２ｂには、抵抗Ｒ２，Ｒ３によるＶｃｃの分圧すなわち直流バイアス電圧Ｖｂがかかる。これにより、コイルＬの端子２ａに表れる信号波形は、コイルＬの端子２ｂにかかる直流バイアス電圧Ｖｂに高周波の交流電圧ｖｎが重なり、直流バイアス電圧Ｖｂを中心にして交流電圧ｖｎの波高値分だけ振動する脈流の高周波信号Ｖｓになる。
【００２５】
この高周波信号Ｖｓの最大値は、Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｒ１，Ｃ１からなる制限回路３０によって制限される。つまり、高周波信号Ｖｓの最大値がＶｃｃを越えると、制限回路３０のダイオードＤ１ｂのカソード側よりアノード側が高電位となるので、ダイオードＤ１ｂがオンとなり、ダイオードＤ１ａのアノード側よりカソード側が高電位となるのでダイオードＤ１ａがオフとなる。こうして、制限回路３０に流れ込んだＶｃｃを越える高周波信号成分Ｖｓは、Ｒ１，Ｃ１を介してＧＮＤに逃がされ、その最大値はＶｃｃに制限される。なお、制限回路３０は「零点補正モード」においても、電源投入時や切替信号Ｓ３の切替時に、一時的に大電圧が印加されてもＶｃｃを越えるものについては遮断して（ＧＮＤに逃がして）、ダイオードＤ２ａがオンするのを防止する。
【００２６】
脈流の高周波信号ＶｓはダイオードＤ２ａのアノード側にかかり、ダイオードＤ２ａはオン状態となる。ダイオードＤ２ａのカソード側には定電流回路２０のトランジスタＴＲ３のコレクタ側が接続されている。トランジスタＴＲ３，抵抗Ｒ５〜Ｒ８からなる定電流回路２０には、ＶｃｃとＲ５，Ｒ７の値で決定される一定電流が流れる。定電流回路２０は、制限回路３０により入力の最大値を制限されているので、常に安定して定電流回路として働くことができる。通常ダイオードは、オン時に流れる順方向電流の影響を受けて、オン時とオフ時で接合容量が異る。しかし、本実施例においては、定電流回路２０を設けてダイオードＤ２ａのオン時の電流を定め、ダイオードＤ２ａに流れる電流をオン・オフにかかわらずに一定とすることによりダイオードＤ２ａの容量を一定としている。また、高周波信号Ｖｓにより印加される電圧に変化があっても、第１電極１０ａと第２電極１０ｂに流れる電流値が一定になるので、双方の電極は同じ導通条件となり、電極ユニット１０（第１電極１０ａ）の前方にある障害物を検知することができる。
【００２７】
図５，図６及び図７に、ＣＰＵ１の制御動作を示す。まず図５を参照する。電源Ｖｃｃが供給されると、ＣＰＵ１は、ステップ１において初期化すなわち、内部レジスタ，フラグ等、メモリのクリアを実行する。以下、カッコ内には「ステップ」という言葉を省略してステップ番号のみを示す。
【００２８】
「零点補正モード」：ステップ２〜１１
初期化が終了するとＣＰＵはまず、ポートＩ／Ｏ−３の切替信号Ｓ３をＬレベル（零点補正モ−ド指定）とする（２）。これにより、切替回路Ｃｓｗを介して電極ユニット１０が「零点補正モード」の接続（図３の（ｂ）となる。ここでＣＰＵ１は、回数フラグＦ１の内容に１を加算する（３）。初回であれば回数フラグＦ１にはデータが存在しないので、０＋１＝１となる。そして、ポートＩ／Ｏ−１より、発振レベルＶＬを読み込んで（４）、デジタル変換し、その値が「零点補正モード」の第１設定値Ｖｘであるかを判定する（５）。
【００２９】
ここで、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘでなければ、ステップ６に進み、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差を算出し、ＣＰＵ１の内部メモリに記憶する。そして、今回の「零点補正モード」のルーチン（２〜１１）実行においてステップ６で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差と、やはりＣＰＵ１の内部メモリに記憶されている、前回の「零点補正モード」ルーチン実行においてステップ６で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差とを比較し、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差より小さければ、発振レベルＶＬは安定しつつあると判断して、ステップ１０に進む。しかし、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差以上（同値も含む）であれば、発振レベルＶＬは発散の傾向にあると判断して、ステップ８に進む（７）。ここで、今回の「零点補正モード」ルーチン実行が初回であり、内部メモリに前回の偏差が記憶されていなければ、ＣＰＵ１はそのままステップ１０に進む。
【００３０】
発振レベルＶＬが発散の傾向にあると判断されると、ＣＰＵ１は、回数フラグＦ１をチェックする（８）。ここで、「零点補正モード」ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ１０に戻る。しかし、回数フラグＦ１の内容が所定数Ｆｎに達していることを示すＦｎである場合には、ＣＰＵ１は「異常判定」（９）に進み、そこでＣＰＵ１は、アナログ信号Ｓ１を異常を示すデータに設定してポートＩ／Ｏ−４から出力する。これにより、外部の図示しない警報ランプが点滅する。
【００３１】
発振レベルＶＬが収束しつつある場合あるいは、発振レベルＶＬが発散の傾向にあっても、ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ６で算出した偏差を補償する（零とする）ための制御電圧Ｖｍの補正値を算出し、この補正値を現在出力中の制御電圧に加えた値を算出し（１０）、算出値に制御電圧Ｖｍを変更する（１１）。すなわち算出したデジタルデータ制御電圧Ｖｍを、ポートＩ／Ｏ−２より共振／結合回路２に出力する。そしてステップ３に戻る。
【００３２】
こうしてＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘになるまでステップ３〜ステップ１１の処理を繰り返し、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘとなると、ステップ１２に進む。また、ステップ３〜ステップ１１の実行ルーチンを回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達するまで繰り返しても発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘに一致しない場合には、ステップ９の異常判定の処理を行う。
【００３３】
「検出モード」：ステップ１２〜２３
ステップ１２においてＣＰＵは、ポートＩ／Ｏ−３より切替信号Ｓ３を、検出モ−ドを指定するＨレベルとする。これにより、切替回路Ｃｓｗを介して電極ユニット１０が「検出モード」の接続に切替わる。そして、「零点補正モード」における制御電圧Ｖｍの値に、第２設定値ｖｙを加算して、「検出モード」の制御電圧Ｖｍとして出力する（１３）。
【００３４】
「零点補正モード」において設定した制御電圧Ｖｍのレベルを、第２設定値ｖｙだけ増加することにより、「零点補正モード」において設定された値より共振／結合回路２の容量が減少し、発振回路３の発振レベルＶＬが増加する。これは、電極ユニット１０の容器に付着した水滴，泥水等により検出側の容量（共振／結合回路２，切替回路Ｃｓｗ，電極ユニット１０の合成容量）が増加して発振回路３の発振レベルＶＬが減少し、ＣＰＵ１が障害物有りと誤認識するのを、予め水滴，泥水等による容量の増加分（見込量）よりやや大きい量だけ検出側の容量を差し引いておくことにより防止する為である。
【００３５】
なお、以下に述べる「検出モード」の実行ルーチンの説明において、制御電圧Ｖｍとは、「零点補正モード」における制御電圧Ｖｍの値に第２設定値ｖｙを加算したものである。
【００３６】
次にＣＰＵ１は、回数フラグＦ２の内容に１を加算する（１４）。ステップ１２〜２２の「検出モード」ルーチン実行が初回であれば、回数フラグＦ２にはデータが存在しないので、０＋１＝１となる。そして、ポートＩ／Ｏ−１より、発振レベルＶＬを読み込んで（１５）、デジタル変換し、その値が第１設定値ＶｘからＶｘ＋ｄＶまでの範囲にあるかを判定する（１６）。ｄＶは、制御電圧Ｖｍのレベルを第２設定値ｖｙだけ増加することにより増加する発振レベルの変化量である。ここで、障害物による電極ユニット１０の静電容量の変化は、水滴，泥水等の付着による変化よりも大きい。従って、障害物による発振レベルの減少量はｄＶよりも大きな値となるので、制御電圧Ｖｍのレベルを第２設定値ｖｙだけ増加することは、電極ユニット１０に水滴，泥水等の付着物が無い場合においても、障害物の有無判定に影響しない。
【００３７】
ＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが、ＶｘからＶｘ＋ｄＶまでの範囲内か否かをチェックして（１６）、範囲外であれば、ステップ１７（図６）に進み、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差を算出し、ＣＰＵ１の内部メモリに記憶する。そして、今回の「検出モード」ルーチン（１２〜２２）の実行においてステップ１７で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差と、やはりＣＰＵ１の内部メモリに記憶されている、前回のルーチン１２〜２２の実行においてステップ１７で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差とを比較し、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差以下（同値を含む）であるかをチェックして（１８）、そうであれば、発振レベルＶＬは安定しつつあると判断して、今回算出した偏差を零とするための制御電圧の補正量を算出し、算出した補正値を現在出力中の制御電圧に加算した和を求めて（２１）、この和を表わすデ−タを制御電圧デ−タ（Ｖｍ）として出力する（２２）。そしてステップ１４に戻る。しかし、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差より大きく（同値は含まない）なっていれば、発振レベルＶＬは発散の傾向にあると判断して、ステップ１９に進む。今回の「検出モード」ルーチン実行が初回であり、内部メモリに前回の偏差が記憶されていなければ、ＣＰＵ１はステップ１９，２１，２２を経てステップ１４に戻る。
【００３８】
発振レベルＶＬが発散の傾向にあると判断されると、ＣＰＵ１は、回数フラグＦ２をチェックする（１９）。ここで、「検出モード」ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ２の内容が、所定数Ｆｍに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ１４に戻る。しかし、回数フラグＦ２の内容が所定数Ｆｍに達している場合には、ＣＰＵ１は異常判定（２０）を実行する。これにおいてＣＰＵ１は、アナログ信号Ｓ１を異常を示すデータに設定して、ポートＩ／Ｏ−４から出力する。これにより、外部の図示しない警報ランプが点滅する。
【００３９】
こうしてＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが安定し、しかも第１設定値Ｖｘ〜Ｖｘ＋Ｖｄの範囲に入るまでステップ１４〜ステップ２２の処理を繰り返し、発振レベルＶＬが該範囲内になると、ステップ２３に進む。しかし、ステップ１４〜ステップ２０の実行ルーチンを、回数フラグＦ２の内容が所定数Ｆｍに達するまで繰り返しても発振レベルＶＬが安定しない場合には、ステップ２０の異常判定の処理を行う。
【００４０】
「障害物検出制御」：２３（２３ａ〜２３ｅ）
図７に、図５に示したステップ２１の障害物検出制御のサブルーチンを示す。ＣＲＵ１は、発振レベルＶＬを読み込み（２３ａ）、障害物有の判定基準レベルであるＶｒと比較する（２３ｂ）。ここで、発振レベルＶＬが判定基準レベルＶｒ以上となるまで、発振レベルＶＬの読み込みを繰り返す。そして、発振レベルＶＬが判定基準レベルＶｒ以上になると、ポートＩ／Ｏ−５を障害物有を示すＨレベルに設定して（２３ｃ）、発振レベルＶＬをもとに障害物と電極ユニット１０間の距離に比例したデジタル信号Ｓ１を算出する（２３ｄ）。算出したデジタル信号Ｓ１は、Ｉ／ＯポートのＩＯ−４からラダー抵抗ＲＢを介して直流電圧にＤ／Ａ変換し、アナログ信号Ｓ１として出力する（２３ｅ）。これにより、図示しない外部の警報ランプが点灯し、警報チャイムが電極ユニット１０と障害物との距離に応じた周波数で鳴り、運転者に障害物の存在と障害物までの車体との距離（緊迫度）を知らせる。
【００４１】
零点補正モードにおいて電極ユニット１０を外部に対してシールドした状態で制御電圧Ｖｍを設定し、検出側の容量を決定するので、検出モードに切替えられた時点で電極ユニット１０のシールドが解除されると、障害物の存在は検出側の容量変化となって表れる。この場合には、「検出モ−ド」に切替わったときに「異常判定」（２０）が実行される。例えば、電極ユニット１０に電源が投入された時点で既に電極ユニット１０の近傍に障害物が存在していた場合、「検出モ−ド」に切替り後のステップ１６のチェック結果がＮＯとなり、ステップ１４〜２２のサブル−チンをＦｍ回実行しても、ステップ１６のチェック結果がＮＯに留まり、「異常判定」（２０）が実行される。従って、電源オン時点で既に存在する障害物の存在を、電源投入時の補正が原因で見逃すことが無い。
【００４２】
電源オン時点に障害物が存在しないが、電極ユニット１０に水滴・泥等が付着していた場合、あるいは、上述の「障害物検出制御」（２３）を実行中に水滴・泥等が付着した場合、「零点補正モ−ド」から「検出モード」に切替えられた時点で障害物検出に影響を与えない範囲で制御電圧Ｖｍを、第２設定値ｖｙ分補正しているので、水滴・泥等の付着により電極ユニット１０の容量に変化があっても、ＣＰＵ１が誤判定をすることが無い。従って、障害物検知の信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示す共振／結合回路２の回路構成を示す電気回路図である。
【図３】 （ａ）は、電極ユニット１０の「検出モード」における電極ユニット１０周りの電気力線の分布の概要（推定）を示す平面図であり、（ｂ）は、「零点補正モード」における電気力線の分布を示す平面図である。
【図４】 図１に示す切替回路Ｃｓｗの回路構成を示す電気回路図である。
【図５】 図１に示すＣＰＵ１の制御動作の一部を示すフローチャートである。
【図６】 図１に示すＣＰＵ１の制御動作の残部を示すフローチャートである。
【図７】 図５に示す「障害物検出制御」（２３）の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：ＣＰＵ（中央演算処理装置） ２：共振／結合回路
３：発振回路 ４：検波／増幅回路
５：温度補償回路 ６：リセット回路
１０：電極ユニット 10a,10b,10c：第１，第２，第３電極
２０：定電流回路 ３０：制限回路
４０：バイアス回路 ５０：スイッチ回路
Ｌ：誘導コイル Ｃ，Ｃｃ，Ｃｚ１：コンデンサ
ＬＬ：仮想境界 ＶＤ：バリキャップダイオード
Ｃｓｗ：切替回路 Ｃ１〜Ｃ３：コンデンサ
D1a,D1b,D2a,D2b：ダイオード Ｒ１〜Ｒ８：抵抗
ＴＲ１，ＴＲ２：トランジスタ ＴＲ３：定電流トランジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極と物体との間に形成される静電容量に基づいて物体の接近を検知する装置に関し、特に、これに限定する意図ではないが、車両周辺の障害物を検出する障害物検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両周辺の障害物を検出する装置としては、導体板に高周波電圧を印加し、障害物の接近に伴い変化する導体板の入力インピーダンスの変化から障害物の有無を検知する装置が多数あり、例えば、特開昭５８−１１５３８４号公報，特開昭６０−１１１９８３号公報，特開平３−２３３３９０号公報あるいは米国特許第３，６８９，８１４号明細書に開示されている。
【０００３】
それらの検出原理の代表的なものの１つは、発振回路の出力をＲ，Ｃ直列回路に出力する。ここでＣは検出電極と障害物との間に形成される静電容量である。検出電極の面積をＳとすると、障害物が有る場合にはそれと検出電極との距離ＤとＳに対応する静電容量Ｃが形成される。静電容量Ｃ（障害物との距離Ｄ）の変化により、検出電極の端子電圧が変化する。この端子電圧の変化を監視して障害物の接近を感知する。もう１つのものでは、発振回路の発振定数に上述の静電容量Ｃを導入している。障害物の接近によりＣが変化し発振周波数が変化する。この変化を監視して障害物の接近を感知する。
【０００４】
ところが、静電容量Ｃは、障害物以外の周囲条件によっても変化する。例えば温度，湿度，天候，地形，周囲の建造物，あるいは走行車両などにより変化する。特に車両上で障害物検知を行なう場合、検出電極は車両上に限られるので、車の外周りの環境によって静電容量Ｃが大きく変化し易く、検出電極直近への障害物の接近のみを正確に検知するのが難かしい。
【０００５】
そこで本発明者等は、静電容量Ｃの零点補正を正確に行なう障害物検出装置を開発し提示した（特願平７−３１３１２２号）。この障害物検出装置は、障害物との間に静電容量を形成する第１電極，この第１電極に平行な第２電極、および、第２電極と平行に、第２電極に関し第１電極と反対側に配置され、接地電位に接続された第３電極、を用いるものである。第１電極を接地電位に接続することにより第２電極を第１電極および第３電極でシ−ルドして、そのときの第２電極の対地静電容量に従って発振器を励振し、発振が基準状態となるように、第２電極に並列接続した電気回路の容量を調整している。この調整により、障害物検出電極（第２電極）の、発振器から見た見掛け上の静電容量が基準値に設定されたことになる。この調整が終わると、第１電極を接地電位から分離して第２電極に接続する。これにより第１および第２電極が障害物検出用の電極となる。発振器の発振レベルが低下すると、障害物有信号が発生される。つまり、障害物の接近により、第１電極の静電容量が変化するのに伴い、発振器の発振条件が満たされなくなり、発振器の発振レベルが低下もしくは停止する。これを電気回路が検知して障害物有信号を発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、使用環境の変化により、第１電極の対地静電容量が変化してしまうことがある。例えば、第１〜第３電極を収納した絶縁体ケ−スをバンパの裏側に装着した場合、絶縁体ケ−スに水滴や泥等の付着物があり、それが第１電極の障害物探知側の面（対物面）に対向する位置であると発振器の発振レベルが低下する。この低下は障害物が接近した場合の低下よりかなり低いので、障害物有り信号を誤発生することはない。しかし、その状態で障害物が接近したとき、障害物距離に対する発振レベルの関係がずれるので、障害物が検知領域（警報領域）に入っていないときに障害物有り信号（警報信号）を発生する可能性が高くなる。
【０００７】
本発明は、上述の第１〜第３電極を用いる障害物検出装置の改良に関し、電極収納ケ−スに水滴や泥等の付着物があった場合の障害物検出の信頼性を高くすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明の物体検出装置は、物体との間に静電容量を形成するための第１電極(10a)；
第１電極と平行な第２電極(10b)；
第２電極と平行に、第２電極に関し第１電極と反対側に配置され、基準電位(ア-ス)に接続された第３電極(10c)；
第１電極を、第２電極と基準電位の一方に選択的に接続する接続切替手段(Csw)；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対応するレベル(VL)の電気信号を発生するための発振手段(3)；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対する、前記発振手段が発生する電気信号のレベル(VL)を、調整するレベル調整手段(2)；
前記接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を基準電位に接続して前記レベル調整手段(2)を介して前記レベル(VL)を設定値(Vx)に定めた後、前記接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を第２電極(10b)に接続し、前記発振手段(3)が発生する電気信号のレベルを、検出環境変動による第１電極(10a)と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更した値、に基づいて第１電極(10a)への物体の接近を検出する監視手段(1)；
を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号又は対応事項を、参考までに付記した。
【０００９】
監視手段(1)が、接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を基準電位に接続すると、第１電極(10a)が基準電位(ア-ス)となり、同じく基準電位の第３電極(10c)と第１電極(10a)に挾まれた第２電極(10b)は、静電遮蔽されて、障害物のある無しに関係なく容量が一定となる(基準状態)。この状態で監視手段(1)が、レベル調整手段(2)を介して前記レベル(VL)を設定値(Vx)に定めるので、発振手段(3)の出力レベルが、基準状態で設定値(Vx)すなわち基準値となる。すなわち発振手段(3)の発振条件が基準値に定まる。これが発振手段(3)の零点補正である。
【００１０】
次に監視手段(1)が、接続切替手段(Csw)を介して第１電極(10a)を第２電極(10b)に接続し、前記発振手段(3)が発生する電気信号のレベルを、検出環境変動による第１電極(10a)と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更した値、に基づいて第１電極(10a)への物体の接近を検出する。
【００１１】
これにより、水，泥跳ねにより障害物が無いにもかかわらず、あるいは障害物が検知領域に入っていないにもかかわらず、障害物有りと検出するのが防止される。障害物の有無判定の信頼性が向上する。
【００１２】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
【００１４】
【実施例】
図１に、本発明の一実施例のシステム構成を示し、図２には、図１に示した共振／結合回路２の回路構成を示す。本実施例は、車両の前部バンパおよび後部バンパに搭載されるものであり、後述する第１電極１０ａより約４０〜５０ｃｍ以内の範囲における障害物を検知する。まず、この障害物検出装置の主要構成及び障害物検出機能の概要を説明する。
【００１５】
水晶発振器を含む発振回路３は、共振／結合回路２に接続されており、高周波の交流電圧ｖ１を発生して、共振／結合回路２内部の誘導コイルＬ（図２）の１次側に印加する。誘導コイルＬの２次側には、電極ユニット１０の第２電極１０ｂが接続されている。電極ユニット１０は、相互に平行な第１電極１０ａ，第２電極１０ｂおよび第３電極１０ｃで構成される。切替回路Ｃｓｗは、第１電極１０ａを、第２電極１０ｂ又はグランド（接地：基準電位）に選択的に接続する。切替回路Ｃｓｗが第１電極１０ａを第２電極１０ｂに接続している状態が、障害物検出を行なう状態（検出モ−ド）であり、第１および第２電極１０ａ，１０ｂが共振／結合回路２の誘導コイルＬの２次側に並列接続されている。切替回路Ｃｓｗが第１電極１０ａをグランドに接続している状態では、第２電極１０ａが、接地された第１電極１０ａと第３電極１０ｃで、シ−ルドされることになる（零点補正モ−ド）。
【００１６】
図３の（ａ）に、検出モ−ドのときの、電極ユニット１０周りの電気力線の分布を示し、図３の（ｂ）に零点補正モ−ドのときの電気力線の分布を示す。図３の（ａ）に示す検出モードにおいては、第１電極１０ａと第２電極１０ｂが接続され、第１電極１０ａと第２電極１０ｂとの接続点と、グランドとの間に交流電圧ｖｎが印加される。第３電極１０ｃは接地（グランド接続）されている。第１電極１０ａ〜第３電極１０ｃは平行平板であり、２枚の電極を一組で、一種のコンデンサと考えると、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃの間の静電容量Ｃｏ１は、両者間の距離をｄとし、真空の誘電率をεｏ，各電極の比誘電率をεｒとするとともに、互いに向い合う面積をＳとすれば、
Ｃｏ１＝〔εｏ・εｒ・Ｓ〕／ｄ
で表される。第１電極１０ａの遠方に仮想境界ＬＬを想定し、仮想境界ＬＬまでの第１電極１０ａからの放射電界における静電容量をＣｓとすれば、第２電極１０ａとグランド（接地された第３電極１０ｃ）との間のインピーダンスＺｉｎ１は、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ１）〕と、第１電極１０ａと仮想境界ＬＬ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｓ）の合成となり、
Ｚｉｎ１＝−１／〔ｊω（Ｃｏ１＋Ｃｓ）〕
で示される。ここで、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａの間に、人，建造物，金属等の障害物が存在すると、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａ間の放射電界の静電容量Ｃｓが変化する。これにより、インピーダンスＺｉｎ１が変化する。なお、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃの間の静電容量Ｃｏ１は、第３電極１０ｃが接地されていることにより一定となる。
【００１７】
図３の（ｂ）に示す零点補正モードにおいては、第２電極１０ｂと第３電極１０ｃとの間に交流電圧ｖｎが印加される。この時、第１電極１０ａと第２電極１０ｂは切り離され、第１電極１０ａ及び第３電極１０ｃは接地されており、第２電極１０ｂから放射される電界は、静電遮蔽される。従って、無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間の障害物の存在の有無にかかわらず、第２電極１０ｂとグランド（接地された第１および第３電極１０ａ，１０ｃ）との間のインピーダンスＺｉｎ２は、第２電極１０ｂと第１電極１０ａ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ２）〕と、第２電極１０ａと第３電極１０ｃ間のインピーダンス〔−１／（ｊωＣｏ１）〕の合成となり、
Ｚｉｎ２＝−１／〔ｊω（Ｃｏ１＋Ｃｏ２）〕
で示される。ここで、第２電極１０ｂと第１電極１０ａの間の静電容量Ｃｏ２は、第１電極１０ａが接地されていることにより一定であるので、このインピ−ダンスＺｉｎ２は、無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間の障害物の存在の有無にかかわらず、一定である。静電容量Ｃｏ２は、検出モードにおいて無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間に障害物が存在しない時の、仮想境界ＬＬと第１電極１０ａ間の静電容量Ｃｓに等しい。従って、Ｚｉｎ２は無限遠方の仮想境界ＬＬと第１電極１０ａとの間に障害物が存在しない時の第２電極１０ｂとグランド間のインピーダンスＺｉｎ１に等しい。
【００１８】
再び図１を参照されたい。電源回路Ｐが直流の定電圧Ｖｃｃを、電気回路各要素に印加する。本実施例において、図１に示した障害物検出装置の検出制御を行うのは、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１である。ＣＰＵ１のＩ／ＯポートであるＩ／Ｏ−３には、切替回路Ｃｓｗが接続されており、ＣＰＵ１は切替信号Ｓ３を出力して切替回路Ｃｓｗを駆動し、電極ユニット１０の各電極間の接続態様を、検出モードあるいは零点補正モードに設定する。
【００１９】
ＣＰＵ１は、「検出モード」あるいは「零点補正モード」に切替回路Ｃｓｗのモードを切替えた直後に、まず発振回路３の発振を安定させる。発振回路３の発振を安定させる為にＣＰＵ１は、交流電圧ｖ１の発振レベルを表す直流電圧信号である発振レベルＶＬを読み込む。次に、発振レベルＶＬに応じて、共振／結合回路２が発振回路３の発振条件を満たすようなデジタルデータ制御電圧Ｖｍを算出する。そして、Ｉ／ＯポートのＩＯ−２からラダー抵抗ＲＡを介してデジタルデータ制御電圧ＶｍをＤ／Ａ変換し、共振／結合回路２に与える。後述するが、「検出モード」と「零点補正モード」では、制御電圧Ｖｍの電圧レベルが異る。制御電圧Ｖｍは共振／結合回路２内部のバリキャップダイオード（可変容量ダイオード）ＶＤ（図２）の直列コンデンサＣｚ１側に印加され、制御電圧Ｖｍの電圧レベルに応じたバリキャップダイオードＶＤの容量変化により、共振／結合回路２の２次側の静電容量が変化し、発振回路３の発振条件が満たされて発振が安定する。
【００２０】
ＣＰＵ１からの切替信号Ｓ３に応じた切替回路Ｃｓｗの切替により、電極ユニット１０が検出モード（図１で、切替回路ＣｓｗのスイッチがＴａ側に接：図３の（ａ））となっており、発振回路３の発振が安定している場合において、電極ユニット１０（電極１０ａ）に、人，建造物，金属等の障害物が接近すると、電極ユニット１０のインピーダンスＺｉｎ１が変化する。ここで、切替回路Ｃｓｗの容量が一定であれば、電極ユニット１０のインピーダンスＺｉｎ１の変化に応じて共振／結合回路２の２次側の容量が変化する。これに伴い、発振回路３の発振条件が満たされなくなり、発振回路３の発生する交流電圧ｖ１の発振レベルが変化する。障害物が直近に存在すると、発振が停止することもある。
【００２１】
発振回路３には、検波／増幅回路４が接続されており、交流電圧ｖ１を検波・増幅し、交流電圧ｖ１の発振レベルの変化に応じて増減する直流の電圧である発振レベルＶＬに変換してＣＰＵ１のＩ／ＯポートのＩＯ−１に与える。ＣＰＵ１は、発振レベルＶＬを、障害物と電極ユニット１０間の距離に比例したデジタル信号に変換し、Ｉ／ＯポートのＩＯ−４からラダー抵抗ＲＢを介して直流電圧にＤ／Ａ変換してアナログ信号Ｓ１として外部に出力する。アナログ信号Ｓ１は、図示しない警報チャイムの周波数制御さらに、後述する異常判定に使われる。またＣＰＵ１は、発振レベルＶＬがしきい値以下となると、Ｉ／ＯポートのＩＯ−５からＯＮ／ＯＦＦ信号すなわち障害物の有無を表わす２値信号Ｓ２を出力する。この２値信号Ｓ２は、障害物検出装置が障害物を検知したことを知らせるものであり、前述の警報チャイムや図示しない表示ランプの電源投入に使われる。
【００２２】
図４に、切替回路Ｃｓｗの回路構成を示す。ＣＰＵ１が与える切替信号Ｓ３が零点補正モードを指定するＬレベルになると、ＰＮＰトランジスタであるＴＲ１がＯＮ状態になり、ダイオードＤ２ｂのアノード側がＶｃｃレベルになるのでダイオードＤ２ｂがオンされ、第１電極１０ａはコンデンサＣ１を介して高周波的にＧＮＤ状態になる。すなわち発振回路３が発生する高周波に関しては接地となる。同時に、ＮＰＮトランジスタであるＴＲ２のベース電位がＨレベルになり、トランジスタＴＲ２がオンとなる。共振／結合回路２のコイルＬ（図２）の端子２ｂには、トランジスタＴＲ２がオフの場合には、バイアス回路４０の抵抗Ｒ２，Ｒ３によるＶｃｃの分圧すなわち直流バイアス電圧Ｖｂがかけられている。しかし、トランジスタＴＲ２がオンとなることにより、端子２ｂが実質上接地状態となるので、直流バイアスＶｂが０Ｖとなり、スイッチ回路５０のダイオードＤ２ａのアノード側すなわち第２電極１０ｂには、コイルＬの２次側に交流電圧ｖ１により誘置された高周波の交流電圧ｖｎが、０Ｖを中心に印加される。
【００２３】
このとき、ダイオードＤ２ａのカソード側は、トランジスタＴＲ１及びダイオードＤ２ｂのオンにより、ほぼＶｃｃレベルになっているため、ダイオードＤ２ａはオフである。ダイオードＤ２ａのオフにより、第１電極１０ａと第２電極１０ｂは切り離された状態になるので、第２電極１０ｂがＧＮＤ電極に挾まれた図３（ｂ）に示す「零点補正モード」になり、第１電極１０ａの前の障害物ｍの有無に関係なく、電極ユニット１０（第２電極１０ｂ）の静電容量（Ｃｏ１，Ｃｏ２）すなわち入力インピーダンスＺｉｎ２が定まるので、共振／結合回路２の結合容量が決定し、発振回路３の発振条件が定まる。
【００２４】
切替信号Ｓ３のレベルが、検出モ−ドを指定するＨレベルになるとトランジスタＴＲ１はオフとなり、ダイオードＤ２ｂのアノード側が０Ｖになるので、ダイオードＤｂ２はオフ状態になる。これと同時にトランジスタＴＲ２のベース電位が０Ｖになり、トランジスタＴＲ２はオフする。トランジスタＴＲ２がオフすると、コイルＬの端子２ｂには、抵抗Ｒ２，Ｒ３によるＶｃｃの分圧すなわち直流バイアス電圧Ｖｂがかかる。これにより、コイルＬの端子２ａに表れる信号波形は、コイルＬの端子２ｂにかかる直流バイアス電圧Ｖｂに高周波の交流電圧ｖｎが重なり、直流バイアス電圧Ｖｂを中心にして交流電圧ｖｎの波高値分だけ振動する脈流の高周波信号Ｖｓになる。
【００２５】
この高周波信号Ｖｓの最大値は、Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｒ１，Ｃ１からなる制限回路３０によって制限される。つまり、高周波信号Ｖｓの最大値がＶｃｃを越えると、制限回路３０のダイオードＤ１ｂのカソード側よりアノード側が高電位となるので、ダイオードＤ１ｂがオンとなり、ダイオードＤ１ａのアノード側よりカソード側が高電位となるのでダイオードＤ１ａがオフとなる。こうして、制限回路３０に流れ込んだＶｃｃを越える高周波信号成分Ｖｓは、Ｒ１，Ｃ１を介してＧＮＤに逃がされ、その最大値はＶｃｃに制限される。なお、制限回路３０は「零点補正モード」においても、電源投入時や切替信号Ｓ３の切替時に、一時的に大電圧が印加されてもＶｃｃを越えるものについては遮断して（ＧＮＤに逃がして）、ダイオードＤ２ａがオンするのを防止する。
【００２６】
脈流の高周波信号ＶｓはダイオードＤ２ａのアノード側にかかり、ダイオードＤ２ａはオン状態となる。ダイオードＤ２ａのカソード側には定電流回路２０のトランジスタＴＲ３のコレクタ側が接続されている。トランジスタＴＲ３，抵抗Ｒ５〜Ｒ８からなる定電流回路２０には、ＶｃｃとＲ５，Ｒ７の値で決定される一定電流が流れる。定電流回路２０は、制限回路３０により入力の最大値を制限されているので、常に安定して定電流回路として働くことができる。通常ダイオードは、オン時に流れる順方向電流の影響を受けて、オン時とオフ時で接合容量が異る。しかし、本実施例においては、定電流回路２０を設けてダイオードＤ２ａのオン時の電流を定め、ダイオードＤ２ａに流れる電流をオン・オフにかかわらずに一定とすることによりダイオードＤ２ａの容量を一定としている。また、高周波信号Ｖｓにより印加される電圧に変化があっても、第１電極１０ａと第２電極１０ｂに流れる電流値が一定になるので、双方の電極は同じ導通条件となり、電極ユニット１０（第１電極１０ａ）の前方にある障害物を検知することができる。
【００２７】
図５，図６及び図７に、ＣＰＵ１の制御動作を示す。まず図５を参照する。電源Ｖｃｃが供給されると、ＣＰＵ１は、ステップ１において初期化すなわち、内部レジスタ，フラグ等、メモリのクリアを実行する。以下、カッコ内には「ステップ」という言葉を省略してステップ番号のみを示す。
【００２８】
「零点補正モード」：ステップ２〜１１
初期化が終了するとＣＰＵはまず、ポートＩ／Ｏ−３の切替信号Ｓ３をＬレベル（零点補正モ−ド指定）とする（２）。これにより、切替回路Ｃｓｗを介して電極ユニット１０が「零点補正モード」の接続（図３の（ｂ）となる。ここでＣＰＵ１は、回数フラグＦ１の内容に１を加算する（３）。初回であれば回数フラグＦ１にはデータが存在しないので、０＋１＝１となる。そして、ポートＩ／Ｏ−１より、発振レベルＶＬを読み込んで（４）、デジタル変換し、その値が「零点補正モード」の第１設定値Ｖｘであるかを判定する（５）。
【００２９】
ここで、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘでなければ、ステップ６に進み、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差を算出し、ＣＰＵ１の内部メモリに記憶する。そして、今回の「零点補正モード」のルーチン（２〜１１）実行においてステップ６で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差と、やはりＣＰＵ１の内部メモリに記憶されている、前回の「零点補正モード」ルーチン実行においてステップ６で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差とを比較し、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差より小さければ、発振レベルＶＬは安定しつつあると判断して、ステップ１０に進む。しかし、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差以上（同値も含む）であれば、発振レベルＶＬは発散の傾向にあると判断して、ステップ８に進む（７）。ここで、今回の「零点補正モード」ルーチン実行が初回であり、内部メモリに前回の偏差が記憶されていなければ、ＣＰＵ１はそのままステップ１０に進む。
【００３０】
発振レベルＶＬが発散の傾向にあると判断されると、ＣＰＵ１は、回数フラグＦ１をチェックする（８）。ここで、「零点補正モード」ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ１０に戻る。しかし、回数フラグＦ１の内容が所定数Ｆｎに達していることを示すＦｎである場合には、ＣＰＵ１は「異常判定」（９）に進み、そこでＣＰＵ１は、アナログ信号Ｓ１を異常を示すデータに設定してポートＩ／Ｏ−４から出力する。これにより、外部の図示しない警報ランプが点滅する。
【００３１】
発振レベルＶＬが収束しつつある場合あるいは、発振レベルＶＬが発散の傾向にあっても、ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ６で算出した偏差を補償する（零とする）ための制御電圧Ｖｍの補正値を算出し、この補正値を現在出力中の制御電圧に加えた値を算出し（１０）、算出値に制御電圧Ｖｍを変更する（１１）。すなわち算出したデジタルデータ制御電圧Ｖｍを、ポートＩ／Ｏ−２より共振／結合回路２に出力する。そしてステップ３に戻る。
【００３２】
こうしてＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘになるまでステップ３〜ステップ１１の処理を繰り返し、発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘとなると、ステップ１２に進む。また、ステップ３〜ステップ１１の実行ルーチンを回数フラグＦ１の内容が、所定数Ｆｎに達するまで繰り返しても発振レベルＶＬが第１設定値Ｖｘに一致しない場合には、ステップ９の異常判定の処理を行う。
【００３３】
「検出モード」：ステップ１２〜２３
ステップ１２においてＣＰＵは、ポートＩ／Ｏ−３より切替信号Ｓ３を、検出モ−ドを指定するＨレベルとする。これにより、切替回路Ｃｓｗを介して電極ユニット１０が「検出モード」の接続に切替わる。そして、「零点補正モード」における制御電圧Ｖｍの値に、第２設定値ｖｙを加算して、「検出モード」の制御電圧Ｖｍとして出力する（１３）。
【００３４】
「零点補正モード」において設定した制御電圧Ｖｍのレベルを、第２設定値ｖｙだけ増加することにより、「零点補正モード」において設定された値より共振／結合回路２の容量が減少し、発振回路３の発振レベルＶＬが増加する。これは、電極ユニット１０の容器に付着した水滴，泥水等により検出側の容量（共振／結合回路２，切替回路Ｃｓｗ，電極ユニット１０の合成容量）が増加して発振回路３の発振レベルＶＬが減少し、ＣＰＵ１が障害物有りと誤認識するのを、予め水滴，泥水等による容量の増加分（見込量）よりやや大きい量だけ検出側の容量を差し引いておくことにより防止する為である。
【００３５】
なお、以下に述べる「検出モード」の実行ルーチンの説明において、制御電圧Ｖｍとは、「零点補正モード」における制御電圧Ｖｍの値に第２設定値ｖｙを加算したものである。
【００３６】
次にＣＰＵ１は、回数フラグＦ２の内容に１を加算する（１４）。ステップ１２〜２２の「検出モード」ルーチン実行が初回であれば、回数フラグＦ２にはデータが存在しないので、０＋１＝１となる。そして、ポートＩ／Ｏ−１より、発振レベルＶＬを読み込んで（１５）、デジタル変換し、その値が第１設定値ＶｘからＶｘ＋ｄＶまでの範囲にあるかを判定する（１６）。ｄＶは、制御電圧Ｖｍのレベルを第２設定値ｖｙだけ増加することにより増加する発振レベルの変化量である。ここで、障害物による電極ユニット１０の静電容量の変化は、水滴，泥水等の付着による変化よりも大きい。従って、障害物による発振レベルの減少量はｄＶよりも大きな値となるので、制御電圧Ｖｍのレベルを第２設定値ｖｙだけ増加することは、電極ユニット１０に水滴，泥水等の付着物が無い場合においても、障害物の有無判定に影響しない。
【００３７】
ＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが、ＶｘからＶｘ＋ｄＶまでの範囲内か否かをチェックして（１６）、範囲外であれば、ステップ１７（図６）に進み、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差を算出し、ＣＰＵ１の内部メモリに記憶する。そして、今回の「検出モード」ルーチン（１２〜２２）の実行においてステップ１７で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差と、やはりＣＰＵ１の内部メモリに記憶されている、前回のルーチン１２〜２２の実行においてステップ１７で算出した、発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差とを比較し、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差以下（同値を含む）であるかをチェックして（１８）、そうであれば、発振レベルＶＬは安定しつつあると判断して、今回算出した偏差を零とするための制御電圧の補正量を算出し、算出した補正値を現在出力中の制御電圧に加算した和を求めて（２１）、この和を表わすデ−タを制御電圧デ−タ（Ｖｍ）として出力する（２２）。そしてステップ１４に戻る。しかし、今回算出した発振レベルＶＬと第１設定値Ｖｘの偏差が、前回算出した偏差より大きく（同値は含まない）なっていれば、発振レベルＶＬは発散の傾向にあると判断して、ステップ１９に進む。今回の「検出モード」ルーチン実行が初回であり、内部メモリに前回の偏差が記憶されていなければ、ＣＰＵ１はステップ１９，２１，２２を経てステップ１４に戻る。
【００３８】
発振レベルＶＬが発散の傾向にあると判断されると、ＣＰＵ１は、回数フラグＦ２をチェックする（１９）。ここで、「検出モード」ルーチン実行の回数を示す回数フラグＦ２の内容が、所定数Ｆｍに達していない場合には、ＣＰＵ１はステップ１４に戻る。しかし、回数フラグＦ２の内容が所定数Ｆｍに達している場合には、ＣＰＵ１は異常判定（２０）を実行する。これにおいてＣＰＵ１は、アナログ信号Ｓ１を異常を示すデータに設定して、ポートＩ／Ｏ−４から出力する。これにより、外部の図示しない警報ランプが点滅する。
【００３９】
こうしてＣＰＵ１は、発振レベルＶＬが安定し、しかも第１設定値Ｖｘ〜Ｖｘ＋Ｖｄの範囲に入るまでステップ１４〜ステップ２２の処理を繰り返し、発振レベルＶＬが該範囲内になると、ステップ２３に進む。しかし、ステップ１４〜ステップ２０の実行ルーチンを、回数フラグＦ２の内容が所定数Ｆｍに達するまで繰り返しても発振レベルＶＬが安定しない場合には、ステップ２０の異常判定の処理を行う。
【００４０】
「障害物検出制御」：２３（２３ａ〜２３ｅ）
図７に、図５に示したステップ２１の障害物検出制御のサブルーチンを示す。ＣＲＵ１は、発振レベルＶＬを読み込み（２３ａ）、障害物有の判定基準レベルであるＶｒと比較する（２３ｂ）。ここで、発振レベルＶＬが判定基準レベルＶｒ以上となるまで、発振レベルＶＬの読み込みを繰り返す。そして、発振レベルＶＬが判定基準レベルＶｒ以上になると、ポートＩ／Ｏ−５を障害物有を示すＨレベルに設定して（２３ｃ）、発振レベルＶＬをもとに障害物と電極ユニット１０間の距離に比例したデジタル信号Ｓ１を算出する（２３ｄ）。算出したデジタル信号Ｓ１は、Ｉ／ＯポートのＩＯ−４からラダー抵抗ＲＢを介して直流電圧にＤ／Ａ変換し、アナログ信号Ｓ１として出力する（２３ｅ）。これにより、図示しない外部の警報ランプが点灯し、警報チャイムが電極ユニット１０と障害物との距離に応じた周波数で鳴り、運転者に障害物の存在と障害物までの車体との距離（緊迫度）を知らせる。
【００４１】
零点補正モードにおいて電極ユニット１０を外部に対してシールドした状態で制御電圧Ｖｍを設定し、検出側の容量を決定するので、検出モードに切替えられた時点で電極ユニット１０のシールドが解除されると、障害物の存在は検出側の容量変化となって表れる。この場合には、「検出モ−ド」に切替わったときに「異常判定」（２０）が実行される。例えば、電極ユニット１０に電源が投入された時点で既に電極ユニット１０の近傍に障害物が存在していた場合、「検出モ−ド」に切替り後のステップ１６のチェック結果がＮＯとなり、ステップ１４〜２２のサブル−チンをＦｍ回実行しても、ステップ１６のチェック結果がＮＯに留まり、「異常判定」（２０）が実行される。従って、電源オン時点で既に存在する障害物の存在を、電源投入時の補正が原因で見逃すことが無い。
【００４２】
電源オン時点に障害物が存在しないが、電極ユニット１０に水滴・泥等が付着していた場合、あるいは、上述の「障害物検出制御」（２３）を実行中に水滴・泥等が付着した場合、「零点補正モ−ド」から「検出モード」に切替えられた時点で障害物検出に影響を与えない範囲で制御電圧Ｖｍを、第２設定値ｖｙ分補正しているので、水滴・泥等の付着により電極ユニット１０の容量に変化があっても、ＣＰＵ１が誤判定をすることが無い。従って、障害物検知の信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示す共振／結合回路２の回路構成を示す電気回路図である。
【図３】 （ａ）は、電極ユニット１０の「検出モード」における電極ユニット１０周りの電気力線の分布の概要（推定）を示す平面図であり、（ｂ）は、「零点補正モード」における電気力線の分布を示す平面図である。
【図４】 図１に示す切替回路Ｃｓｗの回路構成を示す電気回路図である。
【図５】 図１に示すＣＰＵ１の制御動作の一部を示すフローチャートである。
【図６】 図１に示すＣＰＵ１の制御動作の残部を示すフローチャートである。
【図７】 図５に示す「障害物検出制御」（２３）の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：ＣＰＵ（中央演算処理装置） ２：共振／結合回路
３：発振回路 ４：検波／増幅回路
５：温度補償回路 ６：リセット回路
１０：電極ユニット 10a,10b,10c：第１，第２，第３電極
２０：定電流回路 ３０：制限回路
４０：バイアス回路 ５０：スイッチ回路
Ｌ：誘導コイル Ｃ，Ｃｃ，Ｃｚ１：コンデンサ
ＬＬ：仮想境界 ＶＤ：バリキャップダイオード
Ｃｓｗ：切替回路 Ｃ１〜Ｃ３：コンデンサ
D1a,D1b,D2a,D2b：ダイオード Ｒ１〜Ｒ８：抵抗
ＴＲ１，ＴＲ２：トランジスタ ＴＲ３：定電流トランジスタ
Claims (2)
- 物体との間に静電容量を形成するための第１電極；
第１電極と平行な第２電極；
第２電極と平行に、第２電極に関し第１電極と反対側に配置され、基準電位に接続された第３電極；
第１電極を、第２電極と基準電位の一方に選択的に接続する接続切替手段；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対応するレベルの電気信号を発生するための発振手段；
第２電極と基準電位の間の静電容量に対する、前記発振手段が発生する電気信号のレベルを、調整するレベル調整手段；
前記接続切替手段を介して第１電極を基準電位に接続して前記レベル調整手段を介して前記レベルを設定値に定めた後、前記接続切替手段を介して第１電極を第２電極に接続し、前記発振手段が発生する電気信号のレベルを、検出環境変動による第１電極と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更した値、に基づいて第１電極への物体の接近を検出する監視手段；
を備える、静電容量に基づく物体検出装置。 - 監視手段は、接続切替手段を介して第１電極を第２電極に接続した後、前記レベル調整手段を介して前記レベルを、検出環境変動による第１電極と基準電位の間の静電容量の変動分対応の調整値分変更し、前記発振手段が発生する電気信号に基づいて第１電極への物体の接近を検出する、請求項１記載の静電容量に基づく物体検出装置。
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| JP20708896A JP3692482B2 (ja) | 1996-08-06 | 1996-08-06 | 静電容量に基づく物体検出装置 |
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