JP4154675B2

JP4154675B2 - 状態検知センサ

Info

Publication number: JP4154675B2
Application number: JP2006511677A
Authority: JP
Inventors: 宗志峠; 岳彦杉浦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JPWO2005096022A1; US20070146209A1; WO2005096022A1

Description

本発明は接近及び離間する２つの部材に取付けられ、部材の動作状態即ち、２つの部材間の距離、および２つの部材の間に存在する物体の有無を検知する状態検知センサに関するものである。

被検出物の接近度合いによって変化する静電容量を検出し、物体の近接を検知する静電容量型近接センサが知られている（例えば、特許文献１の図２）。
この静電容量型近接センサは、発振手段と、発振手段による発振周波数の高調波に共振する共振手段と、共振手段に接続された検出用電極と、検出用電極と被検出物との間の静電容量変化に基づく信号変化を検出する検出手段とを備えている。検出用電極に被検出物が近接すると、被検出物と検出用電極との間に生じる静電容量により共振状態が変化し、出力電圧が変化する。そして、この出力電圧を監視することにより物体の近接を検出するものである。

特開２００１−５５８５２号公報

誘電率は、検知すべき対象物の大きさや人や物体など検知対象物の違いによって異なる。従って、特許文献１に記載されている静電容量型近接センサの場合、この誘電率の違いにより、距離の検知には適していない。また、同様にこの誘電率の違いにより、検知対象物を精度良く認知することができないという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、接近及び離間する２つの部材の間の距離を静電容量の変化を用いず測定することができる状態検知センサ、およびこれら２つの部材の間の物体をその誘電率に係わらず確実に検知できる状態検知センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る状態検知センサの特徴構成は、
接近及び離間する２つの部材の一方に配設された第１アンテナと、
他方に配設され、前記第１アンテナと一対となる第２アンテナと、
信号波を発生する発振器と、
前記第１アンテナ、前記第２アンテナ及び前記発振器に接続され信号を混合するミキサと、
前記ミキサの出力に接続され所定の周波数帯域のみ通過させるバンドパスフィルタと、を備え、
前記バンドパスフィルタの出力の信号強度を検知することで前記２つの部材間の距離、及び前記２つの部材間の物体の有無を検知する点にある。

この特徴構成によれば、第１アンテナと第２アンテナとによって一対となるアンテナを構成する。そして、２つの部材の接近及び離間により、アンテナ間の距離も変動する。この距離の変動により、この一対のアンテナに送られる進行波と、アンテナから戻ってくる反射波との比が時間とともに変化する。この時間変化を捉えることにより、両アンテナ間の距離情報を知ることが可能となる。
その結果、部材が動作しているのか、あるいは停止しているかや、動作している場合に同じ方向に動いているか、あるいは逆方向に動いているかを検知することができる。
また、部材の動作中に、２つの部材の間に別の物体が近づいたり、あるいは存在したりする場合、上記進行波と反射波との比は、時間変化とは異なり、不連続に変化する波形となって現れる。この不連続の波形を検出することにより、部材の動作状態とは異なる物体の検知が可能となる。
尚、これら接近及び離間する２つの部材は、共に可動である必要はなく、何れか一方が固定部材に、他方が可動部材であってもよい。

ここで、状態検知センサが、バンドパスフィルタの出力の信号強度を測定するＳメータを備えると好適である。

Ｓメータは、通信受信機の自動音量調節回路に接続されて、受信信号の強度を計測するために広く用いられている。従って、精度のよいものが入手し易く、このＳメータを用いて信号強度を測定すると、装置の量産性を向上することができる。

また、バンドパスフィルタの出力のＶＳＷＲ値を測定するＳメータを備えると好適である。

ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）値は、電圧定在波比のことで、定在波比（Standing Wave Ratio）を電圧で表したものである。定在波比とは、アンテナ方向に向かう進行波電圧と、アンテナから発射されずに戻ってくる反射波電圧との干渉によりできた波の最大と最小との比を表したものである。
上述したように、本発明は、一対のアンテナに送られる進行波と、アンテナから戻ってくる反射波との比が時間とともに変化することを利用するものである。従って、ＳメータがＶＳＷＲ値を測定するものであると、この時間変化を定量的に捉えることができる。その結果、両アンテナ間の距離情報を知ることが可能となる。

また、前記物体の検知を前記ＶＳＷＲ値を２回微分することにより行うと好適である。

ＶＳＷＲ値を２回微分することにより、出力波形の変曲点を明らかにすることができる。その結果、定常的な変化とは異なるＶＳＷＲ値の変化を検出することができ、部材の動作状態とは異なる物体の検知が可能となる。

また、前記ミキサに接続され、ダウンコンバート信号波を発生するダウンコンバート信号発振機を備え、前記バンドパスフィルタが前記信号波と前記ダウンコンバート信号波との差分のみを抽出すると好適である。

信号波とダウンコンバート信号波との差分を取ることにより、周波数を低くすることができる。その結果、信号処理に要する回路を簡素化できたり、信号強度の測定回路に汎用的なものを利用できたりするなどの効果が得られる。

以上、説明したように、本発明によれば、接近及び離間する２つの部材の間の距離、およびこれら２つの部材の間の物体の有無を物体の誘電率に依存することなく精度良く検知することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明を車両のスライドドアに適用したものである。スライドドアを備える車両には、固定部材であるセンターピラーＣＰ（Ｂピラー）と開口上をルライド動作する可動部材であるスライドドアＳＤが配設されている。そして、このスライドドアＳＤが開くことで可変空間ＶＡが形成される。スライドドアＳＤは、センターピラーＣＰに対し略平行に開閉する構造となっている。

図１に示したスライドドアＳＤのドアの周辺端部（図１のスライドドアＳＤの左端部）には、可動側アンテナＭＡＮＴが配置されている。また、この可動側アンテナＭＡＮＴと対向するように、車体のセンターピラーＣＰ側には、固定側アンテナＦＡＮＴが配置されている。この可動側アンテナＭＡＮＴ、および、固定側アンテナＦＡＮＴは相互に電気的に接続され、アンテナＡＮＴとして機能する。
尚、可動側アンテナＭＡＮＴ及び固定側アンテナＦＡＮＴは、それぞれが本発明の第１アンテナ又は第２アンテナに相当し、一対のアンテナを構成する。また、本例では、接近及び離間する２つの部材の一方が可動部材、他方が固定部材として説明しているが、勿論これに限ることはない。双方が可動部材であっても同様である。

両アンテナに対して信号波を出力する信号波発振器ＳＯＳＣ（本発明の「発振器」に相当する。）は、ミキサＭＩＸを介して可動側アンテナＭＡＮＴ、および固定側アンテナＦＡＮＴに接続されている。即ち、ミキサＭＩＸは信号波発振器ＳＯＳＣから発振される周波数ｆ１の信号をアンテナＡＮＴ（両アンテナＦＡＮＴ、ＭＡＮＴ）に供給し、かつアンテナＡＮＴ（両アンテナＦＡＮＴ、ＭＡＮＴ）からの信号がミキサＭＩＸに入力されるように電気的に接続されている。ミキサＭＩＸにはアンテナＡＮＴからの反射波信号をダウンコンバートするためのダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣが接続されている。ダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣの信号の周波数をｆ２とする。さらにミキサＭＩＸの出力側には、所定の周波数帯域の信号のみを透過するバンドパスフィルタＢＰＦが接続されている。このバンドパスフィルタＢＰＦの出力側には、バンドパスフィルタＢＰＦからの入力信号の電圧値を判別するためのＳメータ（signal strength meter、又はスキャッタリングパラメータ（scattering parameter）を測定するメータ）ＳＭが接続されている。ＳメータＳＭは電波の信号強度（電圧値）を測定するメータである。ミキサＭＩＸの出力からは、周波数ｆ１、ｆ２、ｎ×ｆ２−ｍ×ｆ１（ただしｎ、ｍは１以上の整数）の周波数成分を有する信号が出力される。バンドパスフィルタＢＰＦはこのうちの一部、例えば、ｆ２―ｆ１の周波数成分のみ抜き出す。

本実施例では、信号波発振器ＳＯＳＣは、例えば、ｆ１＝１００ＭＨｚの信号を発生するように設定されている。一方、ダウンコンバート信号を発生するダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣでは、ｆ２＝１１０．７ＭＨｚとし、ｆ２−ｆ１＝１０．７ＭＨｚのダウンコンバート信号が発生できるよう設定されている。バンドパスフィルタＢＰＦは、この１０．７ＭＨｚの周波数帯域のみを抽出するよう設定される。１０．７ＭＨｚの周波数帯域は一般的に安価なＳメータで検出しやすいために用いられる。一般には、発振器ＤＯＳＣはＭＨｚ帯域の周波数が用いられるが、他の帯域の周波数を用いても同様な作用が得られる。従って、ＭＨｚ帯域の周波数以外の周波数帯域を用いることは可能であるが、周波数帯域はアンテナの長さや法規制などを考慮して決定される。特に、２４ＧＨｚの周波数帯域では人体（人の手など）がアンテナとして機能しやすい帯域であり、固定側アンテナＦＡＮＴと可動側アンテナＭＡＮＴとの間で信号を吸収しやすくなる。また、ｎ×ｆ２−ｍ×ｆ１のうち、一般的にｎ＝ｍ＝１の場合が最も振幅が大きい。従って、ｆ１＝２４ＧＨｚ、ｆ２＝２４．０１０７ＧＨｚとし、バンドパスフィルタＢＰＦが１０．７ＭＨｚの周波数帯域のみを抽出するよう設定されると、人体のドア間への進入を検出するに当たってよい選択値となる。

図２は開口部における固定部材と可動部材との間の距離とＳメータＳＭの出力値であるＶＳＷＲ値との関係を示すグラフである。ＶＳＷＲ値とは、電圧定在波比を示し、インピーダンス不整合により反射波が発生している伝送線路上に発生する電圧振幅分布の山と谷の比を表す電圧値のことである。そして、このＶＳＷＲ値は本発明においては、固定側アンテナＦＡＮＴと可動側アンテナＭＡＮＴとの間の距離が変化するとき変動する。即ち、図２は可動部材であるスライドドアＳＤが開閉される場合の、可動側アンテナＭＡＮＴの動きによって、ＳメータＳＭの出力波形が変化する時間的変化の様子を示すものである。

固定側アンテナＦＡＮＴと可動側アンテナＭＡＮＴの両アンテナ間の距離が変動すると、アンテナＡＮＴ側に送られる進行波と、アンテナＡＮＴ側から戻ってくる反射波との比が時間とともに変化する。そのため、この変化をＶＳＷＲ値の時間的変化として捉えれば、両アンテナ間の距離情報を知ることが可能となる。このＶＳＷＲ値、即ち、ＳメータＳＭの出力電圧の周期的な電圧変化は、本発明で用いる信号波発振器ＳＯＳＣの周波数と、ダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣの周波数によって決められる。

以上の通りＶＳＷＲ値の時間的変化を検知することで、スライドドアＳＤが動作しているのか、あるいは停止しているかどうか、さらに動作している場合に同じ方向に動いているのか逆方向に動いているか否かを検知することができる。また、スライドドアＳＤが動作中に、別の物体が近づいたり、あるいは存在する場合、ＶＳＷＲ値は定常的な変化とは異なる不連続に変化する波形が現れる。この不連続の波形を検出することにより、スライドドアＳＤの動作状態とは異なる物体の検知が可能となる。

スライドドアＳＤのスライド動作とは異なる物体の識別は、ＳメータＳＭの出力におけるＶＳＷＲ値を２回微分することにより正確に検知することができる。上記の通り出力値を微分処理することで、出力波形の変曲点を明らかにすることができる。このため、スライドドアＳＤの動作に伴うＶＳＷＲ値の定常的な変化とは異なる、即ちスライドドアＳＤと車体との間に物体があるか否かが識別可能となる。

このような判定は、図３に示すように、Ｓメータの出力を入力とする電子制御ユニットＥＣＵにより行うことができる。電子制御ユニットＥＣＵはコンピュータとコンピュータプログラムとを用いても、ハードウェアとして構成してもいずれでも良い。この電子制御ユニットＥＣＵは図４のフローチャートに沿って作動する。

図４において、電子制御ユニットＥＣＵはＳメータＳＭの出力するＶＳＷＲ値を入力する（ステップ＃１０１）。次に、ＶＳＷＲ値の時間的変化からスライドドアＳＤの動作を判断する（ステップ＃１０２）。ここでは、一般的にスライドドアＳＤが閉じる、又は開く時のＶＳＷＲ値の変化と実際のＶＳＷＲ値の変化を比べる。実際のＶＳＷＲ値の変化が、一般的にスライドドアＳＤが閉じる、又は開く時のＶＳＷＲ値の変化と同じであれば、スライドドアＳＤが閉じつつある、又は開きつつあることが判断できる。ＶＳＷＲ値の変化がない場合はスライドドアＳＤが止まっていると判断できる。

次に、ＶＳＷＲ値を２回微分する（ステップ＃１０３）。この２回微分した結果を所定値と比較し（ステップ＃１０４）、結果が所定値未満の場合は異物進入なしと判定（ステップ＃１０５）し、結果が所定値以上の場合は異物進入ありと判定（ステップ＃１０６）する。以下、ステップ＃１０１以降を繰り返す。

このように、本発明の状態検知センサは、例えば、車両のドアなどの固定部材と可動部材で形成される開口において、固定部材と可動部材との間の距離、あるいは固定部材と可動部材の間に存在する物体を検知するセンサとして用いることができる。

（第２実施例）
図５は本発明を適用したスライドドアＳＤの別の実施例を示す。この第２実施例では、固定部材に配置される固定側アンテナＦＡＮＴは開口部の形状に沿ってループ状に形成される。そして、スライドドアＳＤの左端部には可動側アンテナＭＡＮＴが配置される。このように、固定側アンテナＦＡＮＴがドア部分の開口に沿うように配設されても同様に機能する。

図６は図５のＢ−Ｂ線から、つまり、車両の進行方向の前方向から後ろ方向にスライドドアＳＤを見た場合の可動側アンテナＭＡＮＴの取付け状態を示すスライドドアの側面図である。このスライドドアＳＤは、アウターパネルＯＰＮＬとインナーパネルＩＰＮＬが溶接されて一体となっており、その端部にはドアの上方から下方にかけてブラケットＢＫＴにねじで固定された可動側アンテナＭＡＮＴが配置される。この可動側アンテナＭＡＮＴはＥＰＤＭなどの材料で被覆されて一体化されており、場合によっては、さらに物体の接触を検知するタッチセンサＴＳも内蔵される。被覆に用いる材料については、耐湿性や絶縁性を考慮して選定され、アンテナ線の被膜に用いられる材料の他、ＮＢＲ、ウレタン、ナイロン系、オレフィン系、あるいは、エチレンプロピレンゴムなどのエラストマーなどの材料を適宜選択することができる。材料の選定においては、使用温度範囲である−３０℃から８５℃において補償されることが前提となる。

図７は図６のＡ−Ａ断面における可動側アンテナＭＡＮＴの取付け状態を示す。可動側アンテナＭＡＮＴは、被覆ＣＬＤでカバーされ、さらにブラケットＢＫＴに固定されている。このブラケットＢＫＴは、インナーパネルＩＰＮＬ上に固定される。ブラケットＢＫＴは導電性を有する金属部材で構成されており、車両ボディと電気的に接続されてグランド電位となるようになっている。

図８は図５のＣ−Ｃ断面であり、センターピラーＣＰ付近に設置される固定側アンテナＦＡＮＴの取付け状態を示す。車体ボディＢＤＹに溶接されるインナートリムＩＴＲＭ上にはドアが閉じた状態で雨滴が車室内に入らないように、隙間をシールするようにウェザーストリップＷＳが取付けられる。このウェザーストリップＷＳは略Ｏ状を呈しその材料はエラストマーから成り、中空の形状を有している。そして、インナートリムＩＴＲＭにはガスケットＢＷＳを介して、ねじ止めなどの方法で固定される。このガスケットＢＷＳは導電性を有しており、車両ボディと電気的に接続されるように構成されるため、電気的にグランド電位となっている。そして、固定側アンテナＦＡＮＴは、図８（ａ）、あるいは図８（ｂ）に示した通り、ウェザーストリップＷＳと一体となるように構成される。

上記第２実施例では、アンテナの構造が第１実施例と異なっているが、その他のミキサＭＩＸ、信号波発振器ＳＯＳＣ、ダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣ、バンドパスフィルタＢＰＦ、ＳメータＳＭ、電子制御ユニットＥＣＵなどの構成は第１実施例と同じでよい。

（第３実施例）
図９はサンルーフの開口部に配置されるアンテナＡＮＴの概要を示す。この実施例では、固定側アンテナＦＡＮＴと可動側アンテナＭＡＮＴは互いに直接的には接続されていない。両アンテナ間は実質的には電気的に静電結合となるように配置することで、対向するアンテナが、あたかも電気的に接続されているように機能させるように構成することが可能となる。以上の構成とすることで、電気的な接続部を廃止できるため、回路の信頼性を向上することができる。

また、両アンテナと略平行してアンテナＦＡＮＴおよびＭＡＮＴとは高周波的に絶縁され、車両ボディにアースされるようにグランド線ＦＧＮＤおよびＭＧＮＤを配置すれば、検知精度が向上する。

上記第３実施例では、アンテナの構造が第１実施例と異なっているが、その他のミキサＭＩＸ、信号波発振器ＳＯＳＣ、ダウンコンバート信号発振器ＤＯＳＣ、バンドパスフィルタＢＰＦ、ＳメータＳＭ、電子制御ユニットＥＣＵなどの構成は第１実施例と同じでよい。

（第４実施例）
図１０は本発明を車両用のウインドウへ適用した実施例を示す。可動側アンテナＭＡＮＴは絶縁体であるガラス上に配置されており、図９の実施例同様に、可動側アンテナＭＡＮＴと固定側アンテナＦＡＮＴとは直接配線上の接続は不要であり、静電結合されればよい。

この構成において、アンテナＡＮＴから入力される信号を検出する回路は、図１や図９の回路とは別に、図１１に示すように、方向性結合器１０を介して、信号波発振器ＳＯＳＣとは別の基準周波数を発振する基準発振器１１の信号を、ミキサＭＩＸで混合して信号処理してもよい。

また、上記アンテナＡＮＴによるセンサと静電容量式センサを併用することで、検知精度を向上し、指などの識別が容易となる。

本発明は、開閉する装置の開閉状態を検出するための物体検知センサや、これを利用した開閉状態監視装置、挟み込み検出装置等に適用することができる。開閉装置としては、例えば自動車のパワーウィンドウ、パワースライドドア、バックドアや、建物や鉄道等の自動ドア、回転ドア等に適用することができる。

本発明の実施の形態を示す概略全体図ＶＳＷＲとスライドドアの開口部距離との関係を示す概略図図２の波形出力により物体の有無を判定する構成例を示すブロック図図３の電子制御ユニットの作動を説明するフローチャート本発明を車両のスライドドアに適用した場合の別の実施の形態の概略図図５のＢ−Ｂ断面におけるスライドドアの概略図図６のＡ−Ａ断面におけるアンテナの配線を示す断面図図５のＣ−Ｃ断面におけるアンテナの配線を示す断面図本発明の別の実施の形態を示す概略図本発明の別の実施の形態を示す概略図本発明の別の実施の形態を示す処理回路

符号の説明

ＡＮＴアンテナ
ＢＫＴブラケット
ＢＰＦバンドパスフィルタ
ＣＰセンターピラー
ＤＦドアフレーム
ＦＡＮＴ固定側アンテナ
ＦＤＣ給電点
ＩＰＮＬインナーパネル
ＭＡＮＴ可動側アンテナ
ＭＩＸミキサ（混合器）
ＯＰＮＬアウターパネル
ＳＤスライドドア
ＳＭＳメータ
ＳＯＳＣ信号波発振器
ＴＳタッチセンサ
ＶＡ可変空間
ＷＮＤウィンドウ

Claims

接近及び離間する２つの部材の一方に配設された第１アンテナと、
他方に配設され、前記第１アンテナと一対となる第２アンテナと、
信号波を発生する発振器と、
前記第１アンテナ、前記第２アンテナ及び前記発振器に接続され信号を混合するミキサと、
前記ミキサの出力に接続され所定の周波数帯域のみ通過させるバンドパスフィルタと、を備え、
前記バンドパスフィルタの出力の信号強度を検知することで前記２つの部材間の距離、及び前記２つの部材間の物体の有無を検知する状態検知センサ。
前記バンドパスフィルタの出力の信号強度を測定するＳメータを備える請求項１記載の状態検知センサ。
前記バンドパスフィルタの出力のＶＳＷＲ値を測定するＳメータを備える請求項１記載の状態検知センサ。
前記物体の検知を前記ＶＳＷＲ値を２回微分することにより行う請求項３記載の状態検知センサ。
前記ミキサに接続され、ダウンコンバート信号波を発生するダウンコンバート信号発振器を備え、前記バンドパスフィルタは前記信号波とダウンコンバート信号波との差分のみを抽出することを特徴とする請求項１記載の状態検知センサ。