JP4014107B2 - 自動車用物体近接・接触検知センサ - Google Patents

Description

この発明は、自動車に近接・接触する検知対象を検知するための自動車用物体近接・接触検知センサに関するものである。

静電容量値の変化を検知することにより、自動車に近接・接触する物体を検知する自動車用物体近接・接触検知センサが既に実用化されている。
例えば、中空形状にした車両ドアハンドル内に静電容量式センサを配設することにより、車両のユーザが車室内へ乗り込むべく近接し、ユーザの手がドアハンドルに接触する動作を検知することができる。これにより、ドアハンドルへの接触をトリガとして、ユーザが携帯する携帯機と車載器との間で通信を行うことで、ユーザ認識を行うことができる（特許文献１参照）。

また、静電容量式センサをバンパなど車両絶縁性個所へ配設することにより、自動車に近接する障害物を検知できる。これにより、衝突の危険がある場合にはドライバーへと警報を発し、障害物との衝突を未然に防止することができる。

特開平１０-３０８１４９号公報

しかしながら、前述の方法は、何れも車体の特定部位に配設されたセンサ電極に対する局所的な近接・接触を検知するものであり、不特定方向からの車体に対する物体の近接・接触を検知することはできない。
このため、例えば自動車盗難、車上あらし等を未然に防ぐことができないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、車体に対して不特定方向からの検知対象の近接・接触を検知することができる自動車用物体近接・接触検知センサを提供することを目的とする。

この発明に係る自動車用物体近接・接触検知センサは、車体の底面と大地との間に挟まれて設けられるセンサ電極と、このセンサ電極と前記車体との間に挟まれて設けられセンサ電極及び車体間を電気的に絶縁する第１の絶縁体と、前記車体と前記センサ電極との間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、前記センサ電極と前記静電容量測定手段とを電気的に接続するセンサ電極リード線とを備え、前記静電容量測定手段が前記静電容量を測定することで、前記車体に検知対象が近接・接触するのを検知するようになっている。

この発明に係る自動車用物体近接・接触検知センサによれば、車体に対して不特定方向からの検知対象の近接・接触を検知することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の自動車用物体近接・接触検知センサ（以下、検知センサと略称する）の基本構成図である。
この検知センサは、車体１の底面の一部または全面を覆う状態で、車体１と大地との間に挟まれて設けられるセンサ電極３と、車体１とセンサ電極３との間に挟まれて、車体１とセンサ電極３との間を絶縁するために設けられた第１の絶縁体４と、センサ電極リード線５によってセンサ電極３と接続された静電容量測定手段６とを備えている。

センサ電極３及びセンサ電極３の車体１面側に層状に形成された第１の絶縁体４で構成された電極部２は、車体１の底面の一部または全面を覆うように設けられる。
電極部２は、車軸、ドライブシャフト、トランスミッション、排気管、燃料タンク、サスペンション、アーム、タイヤ等の車体１の底面に取り付けることで、自動車の走行に直接的に或いは間接的に関係する部品と干渉する等により自動車の性能を損ねてはならない。
このため、電極部２は、例えば図２の車体１の底面図において示すように、車体１の底面に設置された車両部品７を避けた領域８に設けられることが望ましい。
但し、センサ性能及び本来の自動車性能に支障がなければ、電極部２は、領域８以外の車両部品７に設置されてもよいのは勿論である。

また、図３に示すように、電極部２は、エンジン下部や車体１の底面に設置された車両部品を路面の突起やはね石から保護するためのアンダーガード９の底面に設けられるか、或いはその一部が電極部として利用されてもよい。
また、電極部２は、アンダーガード９の他に、衝突による被害軽減のために車体１に装着するバンパやプロテクタ等の部品、或いは自動車の空気抵抗係数（ＣＤ値）を低減させ燃費消費効率を向上させるためのフラットボトムパネル、或いは空力性能向上を目的に装着されたエアロパーツ、或いは外観変更を目的に装着された自動車外装部品、或いはそれらに類する部品の底面に設置するか、或いはその一部が電極部として利用されてもよい。

また、センサ電極３は、板状の第１の絶縁体に塗布された導電性コーティングとして、第１の絶縁体の表面または内部に一体的に構成してもよい。
また、センサ電極３の材質は、防錆性・機械的強度に優れた軽量の材質を使用することが望ましく、例えばアルミニウム或いはアルマイト加工を施したアルミニウムなどを用いることが好ましい。

車体１とセンサ電極３との間の静電容量を測定する静電容量測定手段６は、例えば一定の電圧が印加されたセンサ電極３に蓄えられた電荷を既知の容量で構成された電荷検出器へと転送することによって行うものや、低周波の信号を発生させてセンサ電極３の周りの電界分布を検出することにより行うものがあるが、勿論これらのものに限定されない。

次に、上記構成の検知センサによる近接・接触検知の原理について図４に基づいて説明する。
図４は、電極部２を車体１の底面を覆うように設置した状態において、センサ電極３、車体１、大地２０及び検知対象１０間の電気的な相関を表した模式図である。
センサ電極３、検知対象１０、車体１及び大地２０は導体であり、各導体間の電気的な相関を示すと、各導体間には静電容量を定義することができる。
ここで、センサ電極３と車体１との間の静電容量をＣｓｖ、センサ電極３と検知対象１０との間の静電容量をＣｓｏ、検知対象１０と車体１との間の静電容量をＣｏｖ、センサ電極３と大地２０との間の静電容量をＣｓ、検知対象１０と大地２０との間の静電容量をＣｏ、車体１と大地２０との間の静電容量をＣｖとする。

電極部２を車体１の底面を覆うように設けた場合には、車体１に検知対象１０が近接・接触するに伴って、主に、検知対象１０と車体１との間の静電容量Ｃｏｖ、車体１と大地２０との間の静電容量Ｃｖの値が変化する。
従って、図４では図示されていないが、車体１とセンサ電極３とに接続された静電容量測定手段６により、車体１とセンサ電極３との間の静電容量を測定することにより、車体１に対する検知対象１０の近接・接触を検知することができる。

次に、静電容量測定手段６による静電容量測定の働きについて、図４を変形して示した図５の回路図に基づいて詳細に説明する。
静電容量測定手段６によって測定される静電容量をＣとすると、この静電容量Ｃは、センサ電極３と車体１との間の静電容量Ｃｓｖ、センサ電極３と検知対象１０との間の静電容量Ｃｓｏ、検知対象１０と車体１との間の静電容量Ｃｏｖ、センサ電極３と大地２０との間の静電容量Ｃｓ、検知対象１０と大地２０との間の静電容量Ｃｏ、及び車体１と大地２０との間の静電容量Ｃｖによる合成静電容量であり、この静電容量Ｃは、次式で表すことができる。

この実施の形態による検知センサでは、検知対象１０が車体１に対して近接・接触すると、車体１、センサ電極３、大地２０及び検知対象１０間の電界分布が変化するため、結果として車体１とセンサ電極３との間の静電容量Ｃの値が変化する。
静電容量測定手段６が測定する、この静電容量Ｃの値の変化から、検知対象１０と車体１との間の静電容量Ｃｏｖ、車体１と大地２０との間の静電容量Ｃｖの変化を検出することによって、検知対象１０の車体１に対する近接・接触を検知する。
従って、検知性能をより高くするためには、検知対象１０と車体１との間の静電容量Ｃｏｖ、及び車体１と大地２０との間の静電容量Ｃｖのそれぞれの値の変化を、静電容量測定手段６が測定する静電容量Ｃの値の変化として検出し易くする必要がある。

図５及び式１によれば、各静電容量の変化に対する静電容量Ｃの感度は、各導体の相対的な配置により決まる各静電容量の初期値に強く依存している。なお、ここで、初期値とは、検知対象１０が存在しない場合の各静電容量の値である。
静電容量測定手段６が測定する静電容量Ｃの値の変化を大ききして検出し易くするための具体的方策としては、センサ電極３と大地２０との間の静電容量Ｃｓを大きくすることで、主に車体１と大地２０との間の静電容量Ｃｖの変化に対する静電容量Ｃの感度を高めることができる。その結果、検知対象１０の車体１に対する近接・接触について、センサの検出感度を高めることができる。

なお、本願発明者は、実験により、静電容量Ｃｓを大きくすることによりセンサの感度が高くなることを、確認することができた。
図６はその実験結果を示す図であり、横軸は車体１から検知対象１０までの距離、縦軸は検知対象１０である人体が近接・接触した場合において、検知センサが測定する静電容量Ｃの値の変化量を示し、センサ電極３の地上高をパラメータとして表している。
図６より、センサ電極３の地上高が低いほど測定される静電容量の変化が大きくなることが分かる。ここで、静電容量に関する公知の原理により、センサ電極３の地上高が低いほど静電容量Ｃｓが大きいので、静電容量Ｃｓを大きくすればそれだけセンサの感度は高くなることが分かる。

しかしながら、センサ電極３の地上高を低くすれば、検知センサの検知感度が向上するものの、それだけ車両走行の障害となる場合がある。
そのような場合には、センサ電極３の地上高を適時変更可能とする地上高可変機構を追加して構成することにより、車両走行時には車両走行に支障のない地上高としつつ、駐車時には最適な検出感度を実現するのに十分低い地上高へと変更することができるようにすればよい。
例えば、地上高可変機構として、車体１の底面から大地２０側に延びたパンダグラフ機構の端部に電極部２を取り付け、モータの駆動力を利用してパンダグラフ機構を伸縮するようにしてもよい。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２の検知センサの基本構成図、図８は電極部２Ａを車体１の底面を覆うように設置した状態において、センサ電極３、ガード電極１１、車体１、大地２０及び検知対象１０間の電気的な相関を表した模式図である。
この検知センサは、車体1と大地２０との間に挟まれて設けられるセンサ電極３と、このセンサ電極３と車体１の底面との間に挟まれて設けられたガード電極１１と、車体１の底面とセンサ電極３との間に挟まれて、車体１とセンサ電極３との間を絶縁するために設けられた第１の絶縁体４とを備えている。
また、この検知センサは、ガード電極１１とセンサ電極３との間に挟まれて、ガード電極１１とセンサ電極３との間を絶縁するために設けられた第２の絶縁体１２と、センサ電極リード線５によってセンサ電極３と接続された静電容量測定手段６と、ガード電極１１を励振するためのガード電極励振手段１３と、センサ電極３を静電容量測定手段６と電気的に接続するためのセンサ電極リード線５と、ガード電極１１をガード電極励振手段１３と電気的に接続するためのガード電極リード線１４とを備えている。
センサ電極３、第１の絶縁体４、ガード電極１１及び第２の絶縁体１２で構成された電極部２Ａは、車体１の底面の一部または全面を覆うように設けられる。
また、ガード電極励振手段１３は、単一利得のバッファ増幅器１５を含んで構成される回路で実現される。

実施の形態１に示した検知センサの場合のように、センサ電極３を車体１の底面の一部または全面を覆うように設けた検知センサでは、センサ電極３の大地２０に対向する面積を拡大させることで、静電容量Ｃｓを増大させて、センサの感度を向上させることも考えられる。
しかしながら、センサ電極３の大地２０に対向する面積が拡大することは、車体１に対するセンサ電極３の対向面積も拡大することになり、静電容量に関する公知の原理によって、センサ電極３と車体１との間の静電容量Ｃｓｖも増加してしまい、センサの検知感度を高めることに対する効果が減じてしまうことになる。
これに対しては、ガード電極１１及びガード電極励振手段１３を用いることより、センサ電極３の大地２０に対向する面積が拡大しても、センサ電極３と車体１との間の静電容量Ｃｓｖを増大させることなくセンサの検知感度を高めることができる。

ガード電極１１に接続された単一利得のバッファ増幅器１５は、実施の形態１で述べたような時間的に変化する、センサ電極３の電圧と同位相、同振幅の電圧でガード電極１１を励振させるためのものであり、これを用いることによりガード電極１１をセンサ電極３と同じ電位でありながら、異導体（導通しない導体）とすることができる。
ガード電極１１とセンサ電極３との間に電位差がなくなると、原理上これら導体間には静電容量が生じないので、センサ電極３と車体１との間の静電容量Ｃｓｖを低減させることができる。

以上説明したように、ガード電極１１及び励振手段１３を用いることにより、センサ電極３の面積を広くしても、センサ電極３と車体１との間の静電容量Ｃｓｖの増加を抑えることができるので、センサ感度を高めることができる。
また、センサ電極３の面積が同じ場合でも、同様の原理により、十分なセンサ感度を維持するのに必要なセンサ電極３の地上高をガード電極１１がない場合に比べて高くすることができる。これにより、例えば車両走行時の走行障害を低減できる。

また、ガード電極リード線１４がセンサ電極リード線５を囲むように構成されることにより、センサ電極リード線５により配線中においても、センサ電極リード線５とガード電極リード線１４が同振幅、同位相となるので、発生する寄生容量を低減させ、本検知センサによる検知性能を高めることができる。
なお、囲むような構成としては、例えば外導体としてのガード電極リード線１４と、中心導体としてのセンサ電極リード線５とが同軸構造で構成するのが好適である。
また、電極部２Ａの車体１への取り付け位置としては、実施の形態１の場合と同様であり、ガード電極１１の材質としては、センサ電極３と同様の材質で構成することが望ましい。

この発明の実施の形態１における自動車用物体近接・接触検知センサの基本構成図である。 図１の電極部が車体の底面に取り付けられる部位を示す下面図である。 図１の電極部が車体の底面に取り付けられる部位を示す側面図である。 図１のセンサ電極を車体の底面を覆うように設置した状態において、センサ電極、車体、大地及び検知対象間の電気的な相関を表した模式図である。 図４のセンサ電極、車体、大地及び検知対象間の電気的な相関を模式的に表した回路図である。 図１の自動車用物体近接・接触検知センサを用いた実験結果を示す図である。 この発明の実施の形態２における自動車用物体近接・接触検知センサの基本構成図である。 図７のセンサ電極、ガード電極を車体底面の一部または全面を覆うように設置した状態において、センサ電極、ガード電極、車体、大地及び検知対象間の電気的な相関を示す模式図である。

符号の説明

１ 車体、２ 電極部、２Ａ 電極部、３ センサ電極、４ 第1の絶縁体、５ センサ電極リード線、６ 静電容量測定手段、７ 車両部品、８ 領域、９ アンダーガード、１０ 検知対象、１１ ガード電極、１２ 第２の絶縁体、１３ ガード電極励振手段、１４ ガード電極リード線、１５ バッファ増幅器、２０ 大地。

Claims (4)

1. 車体の底面と大地との間に挟まれて設けられるセンサ電極と、
   このセンサ電極と前記車体との間に挟まれて設けられセンサ電極及び車体間を電気的に絶縁する第１の絶縁体と、
   前記車体と前記センサ電極との間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、
   前記センサ電極と前記静電容量測定手段とを電気的に接続するセンサ電極リード線とを備え、
   前記静電容量測定手段が前記静電容量を測定することで、前記車体に検知対象が近接・接触するのを検知するようになっている自動車用物体近接・接触検知センサ。
2. 前記センサ電極と前記第１の絶縁体との間に挟まれて設けられるガード電極と、
   このガード電極と前記センサ電極との間に挟まれて設けられガード電極及び前記センサ電極間を電気的に絶縁する第２の絶縁体と、
   前記ガード電極を前記センサ電極と同振幅、同位相の電圧を励振するためのガード電極励振手段と、
   前記ガード電極と前記ガード電極励磁手段とを電気的に接続するガード電極リード線とを備えた請求項１に記載の自動車用物体近接・接触検知センサ。
3. 前記ガード電極リード線は、前記センサ電極リード線を囲むように構成されている請求項２に記載の自動車用物体近接・接触検知センサ。
4. 前記車体と前記センサ電極の間には、前記センサ電極の地上高を変更可能とする地上高可変機構が設けられている請求項１ないし３の何れか１項に記載の自動車用物体近接・接触検知センサ。

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