JP4130448B2 - 着座乗員検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、車の座席上に着座している乗員と座席との間の距離を検知する乗員座席間距離検知装置に関する。

従来の技術として、以下に示す微弱電界（ＥＦ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄ）技術を使った乗員検知システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。人体の比誘電率は大きく、１００ｋＨｚ程度の周波数で見た場合、ほぼ導体と見なしてよいと考えられる。また、体の各所と大地との間は容量結合されている。座席上に１枚もしくは複数枚の電極を配置し、その中の１枚に交流電圧を印加し、その上に乗員が座ると、体表面があたかも電極と対向している電極のごとく電極と体表面間に変位電流が流れる。すなわち電極と体表面との間に容量が形成され、乗員の体表面が座席上の各電極を覆う面積の広さで、変位電流の大きさが決まる。この変位電流の大きさを検出することで、着座している人の着座面積がわかり、電極が複数枚ある時には、さらに着座位置などを推測する技術がある。

乗員がシートクッションなどを敷くなど、乗員と座席との間に距離がある時には、測定容量が小さく見え、測定が不正確になる。そのような場合での乗員体格検知技術として、複数枚の電極を例えば２層に分けて配置することで、電極と体表面の直線距離を異なる２箇所から測定した事になり、乗員と電極との間の距離に関係なく、着座面積のみを求めるといった技術が知られている。しかしながら、実際に２層の電極を使って測定するためには、２層電極間に何かを挟み、座席に人が着座しても、ある程度の電極間距離を維持する必要がある。また、２層電極間に座り心地向上のため、やわらかい物を挟んだ場合は、その２層電極間距離を常に把握する必要がある。このことが、センサ構造を複雑にさせ、コスト面で問題となっていた。
特開２００４−１２３０８７号公報

本発明は係る課題を解決するためになされたもので、１層電極構造で電極と乗員体表面との距離判断を可能にする装置を提供し、低価格な乗員座席間距離検知装置を実現することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、乗員が着座する座席上に配置された複数枚の電極と、前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記複数枚の電極のそれぞれに接続され、各電極を電圧印加手段に接続するのか、接地点または一定電位の点に接続するのかを切り替える複数のスイッチ手段と、前記複数のスイッチ手段のうち１のスイッチ手段が、前記複数の電極のうちの１の電極を前記電圧印加手段に接続し、前記複数のスイッチ手段の内の他のスイッチ手段が、前記複数の電極の内の他の電極を接地点または一定電位の点に接続するよう前記複数の電極のすべてについて順に制御する第１のモードと、前記複数のスイッチ手段のうち全てのスイッチ手段が前記複数の電極を前記電圧印加手段に接続するよう制御する第２のモードとを有するスイッチ制御手段と、前記スイッチ手段の一端に接続され、前記第１のモードにおいて、前記電圧印加手段に接続された前記複数の電極のうちの１の電極とアースとの間の容量値を第１のモードの測定容量として順に測定し、前記第２のモードにおいて、前記複数の電極のうち全ての電極とアースとの間の容量値を第２のモードの測定容量として測定するための容量測定手段と、前記容量測定手段が順に測定したそれぞれの前記第１のモードの測定容量と前記第２のモードの測定容量とを記憶するための容量記憶手段と、前記容量記憶手段から読み出したそれぞれの前記第１のモードの測定容量の総和を算出し、前記第１の記憶手段から読み出した前記第２のモードの測定容量を、前記算出したそれぞれの前記第１のモードの測定容量の総和で除算して容量比として演算する容量比演算部と、前記スイッチ手段の一端に接続され、前記複数の電極のそれぞれとアースとの間の内部抵抗の抵抗値をそれぞれ測定するための抵抗測定手段と、前記抵抗測定手段の測定したそれぞれの抵抗値を記憶するための抵抗値記憶手段と、前記抵抗値記憶手段から読み出したそれぞれの抵抗値の総和を総和抵抗値として演算する総和抵抗値演算部と、前記容量比演算部が演算した容量比の値が大きく、前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が小さくなく、かつ、前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が大きい場合に、体格が小さい乗員に対比して体格が大きい乗員であると前記乗員の体格を判定する判定部と、を有することを特徴とする着座乗員検知装置である。

また、請求項２に記載の発明は、前記判定部が、前記容量比演算部が演算した容量比が所定の値よりも大きいか否かを判定し、前記容量比演算部が演算した容量比が所定の値よりも大きい場合には、前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が所定の値よりも小さくないか否かを判定し、前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が所定の値よりも小さくない場合には、前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が所定の値よりも大きいか否かを判定し、前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が所定の値よりも大きい場合に、体格が小さい乗員に対比して体格が大きい乗員であると前記乗員の体格を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の着座乗員検知装置である。

この装置では、乗員と電極間の距離を判断するために、次の２つ指標を使う。１つ目の指標は、装置中のスイッチを、車の座席に複数枚配置した電極の内１枚に対して充放電動作を行えるよう設定し、残り全ての電極を一定電圧または接地点に固定するように設定する。そこで電圧変化を与えた電極での容量値を求める。同様の測定を、それぞれの残りの電極に対しても行い、得られた容量の総和を取った値である容量値の総和Ａとする。また、装置中のスイッチを、前記複数枚配置した電極の全電極に対し、充放電動作を行えるように設定し、その時得られる容量値Ｂとする。このときの容量ＡとＢの比（Ｂ／Ａ）を指標として用い、以下、これをＣｇ比と呼ぶ。

また２つ目は、車の座席に複数枚配置した電極の内１枚に対して電圧変化または交流電圧を与え、残り全ての電極を一定電圧または接地点に固定する。そこで電圧変化または交流電圧を与えた電極での抵抗値を求める。同様の測定を前記複数枚配置した電極の残りの全電極に対しそれぞれ同様に行う。そこで得られた抵抗値の総和を取った値である、抵抗の総和Rtotalを指標として使う。Ｃｇ比を求めた後、また各電極での測定容量と、測定から得られる乗員と車体金属部との間の容量とから、乗員と座席間の距離が長くかつ、着座面積が大きい場合を判断する。また、乗員と座席間の距離が長くかつ、着座面積が大きい場合と判断された時には、抵抗値の総和Rtotalで、乗員と座席間の距離を判断する。本発明で求めた２つの指標を使う事によって、電極と乗員間の距離が判断できる。よって、電極と乗員間の距離が長い時、すなわち乗員がシートクッション等を敷いて座席に座っている時には、他の乗員と電極間距離が離れている時専用の別の乗員検知装置を用意することができる。

本発明では、上記Ｃｇ比を求める測定と、抵抗の総和を求める測定を行い、電極と乗員体表面との距離判断を行うことで、１層電極構造で電極と乗員体表面との距離判断を可能にし、２層電極間距離把握のためのセンサを不要にすることで、低価格な乗員検知装置が実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本実施形態の全体構成回路図である。本実施形態では、電極が２枚の時について説明する。図において、ＣＨ１、ＣＨ２は座席上に配置された電極である。ＣＬ１〜ＣＬ３はそれぞれ、電極ＣＨ１〜ＣＨ３と接地（車体）との間の各容量成分の合計である合成容量である。ＲＬ１〜ＲＬ３はそれぞれ電極ＣＨ１〜ＣＨ３と接地との間の各抵抗成分の合計である合成抵抗である。なお、これらの容量ＣＬ１〜ＣＬ３および抵抗ＲＬ１〜ＲＬ３については、後に詳述する。

電極ＣＨ１は、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１のコレクタ端子に接続されている。トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１のエミッタ端子は接地され、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１のベース端子に信号を加える／加えないで、電極ＣＨ１を接地するか、接地しないかを切り替える。同様に電極ＣＨ２は、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２のコレクタ端子に接続され、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２のエミッタ端子は接地され、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２のベース端子に信号を加える／加えないで、電極ＣＨ２を接地するか、接地しないかを切り替える。また、電極ＣＨ１、ＣＨ２は充電抵抗Ｒｃ１、Ｒｃ２を介し、測定電極選択スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１、ＣＨ_ＳＥＬ_２の各一端に接続され、測定電極選択スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１、ＣＨ_ＳＥＬ_２の各他端が共に充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷの一端に接続されている。充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷの他端は直流電源（電圧Ｅ）に接続されている。

また、充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷの上述した一端は放電抵抗Ｒｄ１、Ｒｄ２の各一端に接続されている。放電抵抗Ｒｄ１の他端は接地され、放電抵抗Ｒｄ２の他端は放電抵抗切り替えスイッチＲ_ＳＥＬを介し接地されている。また、上記の充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷの一端は、コンパレータＣｏｍｐの反転入力端に接続され、コンパレータＣｏｍｐの非反転入力端は抵抗ＲａおよびＲｂの直列接続回路を介して接地され、抵抗Ｒａ、Ｒｂの接続点とコンパレータＣｏｍｐの出力端との間に抵抗Ｒｃが接続されている。また抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂの接続点には直流電圧５Ｖが印加されている。

次に、上述した実施形態の動作を説明する。乗員と電極の距離判断過程は、Ｃｇ比を用いた判断過程と、抵抗の総和Rtotalを用いた判断過程の、２つの過程から構成されている。Ｃｇ比を用いた判断過程は、２つの測定モードの測定を行う。その２つの測定モードを、それぞれＡモード、Ｂモードと呼ぶ。まずＣｇ比を用いた判断過程の２つの測定モードについて、順を追って説明する。

Ｃｇ比を用いた判断過程のＡモードの測定は、まず、制御回路（図示略）が、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１をオン、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_２をオフとし、また、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１をオフ、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２をオンとし、また、スイッチＲ_ＳＥＬをオフとする。そして、スイッチＣＨＧ_ＳＷを一定時間オンとする。スイッチＣＨＧ_ＳＷがオンとされると、スイッチＣＨＧ_ＳＷの他端に接続されている直流電源の出力電圧ＥがスイッチＣＨ_ＳＥＬ_１および抵抗Ｒｃ１を介して電極ＣＨ１へ供給され、これにより、合成容量ＣＬ１が充電される。ここで、合成容量ＣＬ１は、上述したスイッチ類のオン／オフ状態における合成容量であり、具体的には図２に示すように、電極ＣＨ１と乗員Ｌｏａｄとの間の容量Ｃ１、接地された電極ＣＨ２と乗員Ｌｏａｄとの間の容量Ｃ２、乗員Ｌｏａｄと接地間の容量の合成容量である。そして、この合成容量ＣＬ１が乗員の体格に対応した値となる。また、合成抵抗ＲＬ１も同様に、合成抵抗である。なお、Ｉは変位電流の経路である。そして、スイッチＣＨＧ_ＳＷが一定時間オンとなると、合成容量ＣＬ１が電圧Ｅまで充電される。

次に、制御回路は、スイッチＣＨＧ_ＳＷをオフとし、同時に時間計測を開始する。スイッチＣＨＧ_ＳＷがオフとされると、合成容量ＣＬ１の電荷が抵抗Ｒｃ１、Ｒｄ１を介して徐々に放電され、これにより、コンパレータＣｏｍｐの反転入力端の電圧が徐々に低下する。なお、合成容量ＣＬ１の放電電流は合成抵抗ＲＬ１にも流れる。そして、コンパレータＣｏｍｐの反転入力端の電圧が一定電圧まで低下すると、コンパレータＣｏｍｐの出力が”Ｈ（ハイ）”レベルに立ち上がる。制御回路はこの立ち上がりにおいて上述した時間計測を停止し、計測した時間データ（ｔdaとする）をメモリに記憶させる。この、放電時間ｔdaから容量成分ＣＬ１は式（１）のように表せる。この式において、Ｖｔは、コンパレータＣｏｍｐの非反転入力端の電圧である。Ｒｄ１ｐはＲＬ１と（Ｒｄ１＋Ｒｃ１）との並列合成抵抗である。また、Ｅは充電電圧である。

次に、制御回路は、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_２をオンとし、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１をオフとし、電極ＣＨ２を選択する。トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１を導通し、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２を遮断し、電極ＣＨ１をＧＮＤ接地する。上記設定の上で同様に測定し、電極ＣＨ１を接地した時の電極ＣＨ２の容量ＣＬ２を求める。

次に、Ｃｇ比を用いた判断過程のＢモード測定動作を説明する。図１において、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１、ＣＨ_ＳＥＬ_２をオンとし、電極ＣＨ１、ＣＨ２を両方選択する。また、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１、ＧＮＤ_ＴＲ_２を遮断する。上記設定の上で、同様に測定し容量Ｃｍｂを求める。図３はＢモードの説明図である。ここで、上述した各測定で得られた容量ＣＬ１、ＣＬ２、Ｃｍｂは式（２）〜（４）を使って表される。ここで、式（２）〜（４）を使って乗員と電極との間の距離判断のための指標として用いるＣｇ比を変換すると、式（５）のように表される。また式（５）は、電極ＣＨ１、ＣＨ２と乗員の体表面間の容量値Ｃ１、Ｃ２と、乗員と車体金属部との間の容量の総和Ｃｇとの項を使って式（５）の右式のように表される。

ここで、得られたＣｇ比と、容量ＣＬ１、ＣＬ２と、式（２）〜（４）を連立して得られる容量Ｃｇから、着座状態の判断を行う。距離判別のための指標Ｃｇ比の値が大きい時、それが子供等着座面積の小さい乗員が座っている事が原因なのか、乗員と座席の間の距離が大きいのが原因なのか、乗員の着座姿勢が原因なのかを知る事が重要である。よって、距離判別のための指標Ｃｇ比の値が大きい場合が問題となってくる。距離判別のための指標Ｃｇ比の値が大きい理由は主に以下の４つの場合に絞られる。１）空席の場合もしくは乗員と座席間の距離が短く、着座面積も小さい場合、例えば小さい子供が下に何も敷かず座っている場合。２）乗員と座席間の距離が長く、着座面積が小さい場合、例えば小さい子供がシートクッションを敷いて座っている場合。３）着座している子供が車のボディに手で触れた場合。４）乗員と座席間の距離が長く、着座面積が大きい場合、例えば大人がシートクッションを敷いて座っている場合。

上記４つの場合の内１）、２）は測定する容量ＣＬ１、ＣＬ２が非常に小さくなるので、残りの２つの場合と切り分ける事が出来る。３）は、式（２）〜（４）を使って、乗員と車体金属部との間の容量の総和Ｃｇが導出できるので、距離判別のための指標Ｃｇ比を補正することで、誤判断を回避でき、４）の場合との切り分けが行える。その結果、残った４）の場合について、次の抵抗の総和Rtotalを用いた判断過程で乗員と座席間の距離の判断をする。

次に、抵抗の総和Rtotalを用いた判断過程の実施形態について説明する。また、乗員と電極との間を平行平板コンデンサと考えた場合、平行平板コンデンサの内部抵抗の値は、容量値に反比例するので、乗員と電極との間の距離が長くなると、測定容量が小さくなり、内部抵抗値が大きくなる。よって、乗員と電極との間の距離と内部抵抗値との間には強い相関がある事が分かる。また、図１のように電極以降を１組の容量抵抗並列モデルとした場合、このモデルの抵抗成分の値は、乗員と車体金属部との間の抵抗値の変化や、乗員と接地電極との間の抵抗値の変化に比べ、乗員と測定電極との間の抵抗値の変化の影響が大きい事が分かる。よって、乗員と測定電極との間の抵抗値の間に強い相関関係があることが分かり、実際の測定データからもそれが確認されている。よって、前記モデルの抵抗成分の値が乗員と電極との間の距離の指標に使用できる。ここでは、座席上の複数の電極の全てについて、前記容量・抵抗並列モデルの抵抗成分を求め、各電極で測定された抵抗値の総和Ｒtotalを距離の指標として使う。

抵抗の総和Rtotalを用いた判断過程を図１を用いて説明する。制御回路は、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１をオンとし、スイッチＣＨ_ＳＥＬ_２をオフとし、電極ＣＨ１を選択する。トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_２を導通し、トランジスタＧＮＤ_ＴＲ_１を遮断し、電極ＣＨ２をＧＮＤ接地する。放電抵抗切り替えスイッチＲ_ＳＥＬをオフとし放電抵抗Ｒｄ１を選択する。Cg比を用いた判断過程の測定では、２つの電極ＣＨ１、ＣＨ２を使い、抵抗成分ＲＬ１、ＲＬ２を無視して考える。

測定動作は、まず充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷをオンし、充電回路に直流電圧を印加する。ここで直流電源から出た電流は、充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷ、測定電極選択スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１、充電抵抗Ｒｃ１、電極ＣＨ１を通り、容量成分ＣＬ１と抵抗成分ＲＬ１に流れ、容量成分ＣＬ１に対し充電を行う。次に、充放電切り替えスイッチＣＨＧ_ＳＷをオフし、充電経路を切り離す。ここで、容量成分ＣＬ１から出た電流は、抵抗成分ＲＬ１と、電極ＣＨ１に流れ、電極ＣＨ１から、充電抵抗Ｒｃ１、測定電極選択スイッチＣＨ_ＳＥＬ_１、放電抵抗Ｒｄ１に流れる。この放電について、放電時間ｔｄ１を測定する。次に放電抵抗切り替えスイッチＲ_ＳＥＬをオンし、放電合成抵抗Ｒｄｐ（＝Ｒｄ１//Ｒｄ２）を選択する。その上で上記と同様に測定を行い、放電時間ｔｄｐを測定する。

この装置の２つの放電過程の放電電圧が、コンパレータ閾値Ｖｔになった状態での放電の関係式はそれぞれ式（６）、（７）のように表される。ここで、ｔｄ１は放電抵抗Ｒｄ１を選択する過程の放電時間である。ｔｄｐは放電抵抗Ｒｄｐ（＝Ｒｄ１//Ｒｄ２）を選択する過程の放電時間である。Ｒｄ１ｐはＲＬ１と（Ｒｄ１＋Ｒｃ１）との並列合成抵抗である。Ｒｄｐ（＝Ｒｄ１//Ｒｄ２）は放電抵抗Ｒｄ１、Ｒｄ２の並列合成抵抗である。ＲｄｐｐはＲＬ１と（Ｒｄｐ＋Ｒｃ１）との並列合成抵抗である。Ｅは充電電圧である。（６）、（７）式はそれぞれ（８）、（９）式のように導出して、容量成分ＣＬ１は（１０）式のように表される。

また、（１０）式からこの式は（１１）式のように変形できる。また、（１１）式は（１２）式のように導出して、抵抗成分ＲＬ１は（１３）式のように表される。ここで、Ｔ（＝ｔｄ１／ｔｄｐ）は放電時間比である。

よって、抵抗成分ＲＬ１を求める事が出来る。他の電極ＣＨ２についても同様に測定を行い、得られた抵抗値ＲＬ１、ＲＬ２の総和Ｒtotal＝ＲＬ１＋ＲＬ２を求め、これを距離判断の指標として用いる。また、上記の２つのパラメータの以外の他の関連技術のパラメータと組み合わせて使うことで、大人／子供をより効果的に切り分ける事も出来る。

本発明は、ＥＦ技術を使った低価格な乗員体格判別のための乗員検知装置に用いて好適である。

本発明の一実施形態による着座乗員検知装置の構成を表す回路図である。 本実施形態においてＣｇ比を用いた判断過程のＡモード測定の回路図である。 本実施形態においてＣｇ比を用いた判断過程のＢモード測定の回路図である。

符号の説明

ＣＨ１、ＣＨ２ … 電極
ＣＨ_ＳＥＬ_１、ＣＨ_ＳＥＬ_２ … 測定電極選択スイッチ
ＧＮＤ_ＴＲ_１、ＧＮＤ_ＴＲ_２ … トランジスタ

Claims (2)

1. 乗員が着座する座席上に配置された複数枚の電極と、
   前記電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記複数枚の電極のそれぞれに接続され、各電極を電圧印加手段に接続するのか、接地点または一定電位の点に接続するのかを切り替える複数のスイッチ手段と、
   前記複数のスイッチ手段のうち１のスイッチ手段が、前記複数の電極のうちの１の電極を前記電圧印加手段に接続し、前記複数のスイッチ手段の内の他のスイッチ手段が、前記複数の電極の内の他の電極を接地点または一定電位の点に接続するよう前記複数の電極のすべてについて順に制御する第１のモードと、前記複数のスイッチ手段のうち全てのスイッチ手段が前記複数の電極を前記電圧印加手段に接続するよう制御する第２のモードとを有するスイッチ制御手段と、
   前記スイッチ手段の一端に接続され、前記第１のモードにおいて、前記電圧印加手段に接続された前記複数の電極のうちの１の電極とアースとの間の容量値を第１のモードの測定容量として順に測定し、前記第２のモードにおいて、前記複数の電極のうち全ての電極とアースとの間の容量値を第２のモードの測定容量として測定するための容量測定手段と、
   前記容量測定手段が順に測定したそれぞれの前記第１のモードの測定容量と前記第２のモードの測定容量とを記憶するための容量記憶手段と、
   前記容量記憶手段から読み出したそれぞれの前記第１のモードの測定容量の総和を算出し、前記第１の記憶手段から読み出した前記第２のモードの測定容量を、前記算出したそれぞれの前記第１のモードの測定容量の総和で除算して容量比として演算する容量比演算部と、
   前記スイッチ手段の一端に接続され、前記複数の電極のそれぞれとアースとの間の内部抵抗の抵抗値をそれぞれ測定するための抵抗測定手段と、
   前記抵抗測定手段の測定したそれぞれの抵抗値を記憶するための抵抗値記憶手段と、
   前記抵抗値記憶手段から読み出したそれぞれの抵抗値の総和を総和抵抗値として演算する総和抵抗値演算部と、
   前記容量比演算部が演算した容量比の値が大きく、前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が小さくなく、かつ、前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が大きい場合に、体格が小さい乗員に対比して体格が大きい乗員であると前記乗員の体格を判定する判定部と、
   を有することを特徴とする着座乗員検知装置。
2. 前記判定部が、
   前記容量比演算部が演算した容量比が所定の値よりも大きいか否かを判定し、
   前記容量比演算部が演算した容量比が所定の値よりも大きい場合には、前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が所定の値よりも小さくないか否かを判定し、
   前記容量記憶手段から読み出したいずれかの前記第１のモードの測定容量の値が所定の値よりも小さくない場合には、前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が所定の値よりも大きいか否かを判定し、
   前記総和抵抗値演算部が演算した総和抵抗値が所定の値よりも大きい場合に、体格が小さい乗員に対比して体格が大きい乗員であると前記乗員の体格を判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の着座乗員検知装置。

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