JP4209324B2 - 存否センサ - Google Patents

Description

本発明は静電容量タイプの存否センサに関するものである。このタイプのセンサは、人の接近又は接触を検出するために、電極の静電容量の変動を測定する。

本発明は、より詳細には、導電表面に対向して配置された静電容量性センサに関する。

本発明は、接近センサあるいはタッチセンサと呼ばれる静電容量性センサに適用できる。従来、タッチセンサと呼ばれる静電容量性センサは、人の接触を検出する。接近センサと呼ばれる静電容量性センサは、人の接近を検出する。これら二種類のセンサは、類似の仕方で作動する。ただ、接近センサの方がより高い感度を有している。

本出願人の発明をより詳しく説明するために、既知の静電容量性センサを表示し、その欠点を説明することにする。

したがって図１は、導電表面Ｓに対向して配置された、先行技術による静電容量性センサＰの概略的なモデル化を表している。

典型的には、静電容量性センサは、静電容量Ｃｅの電極に対して直列である、既知の静電容量の充電用静電容量Ｃｃを備える。これらの静電容量ＣｃとＣｅは、充電スイッチＩ１を介して電池電圧電源に接続されている。さらに、回路の構造の結果である、寄生静電容量と言われる２つの静電容量Ｃｐ１とＣｐ２は、一方では充電用静電容量Ｃｃに、他方ではアースＭに接続されている。他方で、これらの静電容量のユニットは、放電スイッチＩ２を介してアースＭに接続されている。抵抗Ｒｐは、回路によってもたらされる様々な抵抗に対応し、充電用静電容量Ｃｃと電極の静電容量Ｃｅの間に配置されている。また、スイッチＩ３は充電用静電容量Ｃｃを短絡できるようにする。

特に、国際公開第００／３１５５３号パンフレットによって、充電用静電容量Ｃｃの充電サイクルにおける相の数のカウンタ原理によって作動する静電容量性センサが知られている。１サイクルの間、スイッチＩ３はオフしている。充電スイッチＩ１と放電スイッチＩ２は、例えば４マイクロ秒に等しい同一時間Ｔで周期的にオンオフする。しかしながら、これら２つのスイッチは常に反対位置であり、すなわち、充電スイッチＩ１がオフしているとき、放電スイッチＩ２はオンしている。図３は充電スイッチＩ１の出力での電圧ＶＩ１を表している。それは半分のデューティ比を示している。

第一の相で、充電スイッチＩ１はオンされ、放電スイッチＩ２はオフしている。静電容量が約１０ピコファラッドである、静電容量の低い静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅが充電される。充電用静電容量Ｃｃは充電されないのだが、それは該静電容量が、静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅの静電容量をはるかに超える静電容量を有するからである。実際、寄生静電容量、並びに電極の静電容量が、１０ピコファラッド程度の静電容量であるのに対し、充電用静電容量は１０ナノファラッド程度の静電容量を有する。さらに、Ｔ／２に等しい充電時間は、充電用静電容量Ｃｃを充電するには短すぎる。図３の最初のグラフは、充電スイッチの出力での電圧Ｖｉ１を示している。

第二の相で、充電スイッチＩ１がオフし、放電スイッチＩ２がオンして、静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅの中に蓄えられた電荷が、充電用静電容量Ｃｃ内に放電される。このように、図３に見るように、充電用静電容量Ｃｃの端子の電圧Ｖｃは、静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅの放電の相ごとに増加する。

静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ、Ｃｅの充電と放電の相は、このように、充電用静電容量Ｃｃの端子での電圧Ｖｃが、しきい値Ａに達するまでは継起する。このとき、スイッチＩ３はオンし、充電用静電容量Ｃｃは放電して、新しいカウンタサイクルが開始される。

各サイクルの間、マイクロコントローラは、しきい値Ａに達するのに必要な静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｃｅの充電の相の数をカウントし、記憶する。

使用者が、電極に向かい合った検出表面に接近するか又は触れるとき、追加の静電容量Ｃｘが静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅに並列で加えられる。この場合は、充電の相の数は、先行サイクルの間にカウントされた充電の相の数を下回ることになる。

したがって、マイクロコントローラが、絶対値で充電用静電容量Ｃｃの充電の相の数の変動を察知したときには、該マイクロコントローラは人の存否の検出信号を生成する。

しかしながら、導電表面が静電容量性センサの電極の上に配置されるとき、静電容量性センサの感度は著しく低下する。結果として、人の存否は必ずしも検出されない。このことは、とりわけハンズフリータイプの車両の施錠／解錠システムにおいて、特にやっかいである。このタイプのシステムでは、静電容量性センサの電極が扉の把手内に配置されることで、使用者が把手に接近したとき、センサがその存否を検出して、使用者識別手順を起動するようになっている。

しかしながら、把手の塗装手順を容易にする導電コーティングで把手が覆われているとき、電極はもはや使用者の存否を検出せず、識別および車両の解錠手順を起動しない。

一般的に、コーティング又は水膜などの導電表面Ｓは、多数の並列の回路で構成されたネットワークＲＣで図式的に表現され、該ネットワークにおいて、抵抗はゼロではない。したがって図１に示したように、把手を覆う導電表面Ｓは、ネットワークＲ１Ｃ１、Ｒ２Ｃ２などで表される。

さらに、静電容量Ｃａは、電極の表面と把手の導電表面によって形成された静電容量を表す。

静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、およびＣｅの充電の相のカウント手順の際、導電表面の全ての静電容量Ｃａ、Ｃ１、Ｃ２、・・も充電、放電される。

結果として、これらの静電容量の数が多いことを考えると、追加の静電容量Ｃｘの出現の正確な測定は、把手周囲の手の存否又は指の接触に対応するので、もはや検出できないものである。

さらに、使用者の手の検出区域はもはや明確に限定できないのだが、それは、電極の発する電磁界が把手の塗装表面全体に広がるからである。さらに、その強さは大幅に低下する。

よって、一般的には、検出区域が正確に限定されていることが望まれる。したがって、例えばハンズフリータイプのアクセスシステムにおいて、接近センサは把手の隠れた面に配置され、扉の開放運動を検出する。そして接触センサは、把手の見える面に配置され、車両の施錠を得るために指の接触を検出する。これらの区域が明確に定められなくなると、車両の中央装置はこれら二つの要求を混同する。
国際公開第００／３１５５３号パンフレット

したがって、本発明の一つの目的は、導電表面の正確な領域において、人の検出を可能にする、安価で場所を取らない静電容量性センサを提供することである。

このため、本発明は、導電表面に対向して配置された存否センサを対象とし、該存否センサは、静電容量が使用者の存否の検出に従って変化するように適合した測定用静電容量Ｃｍと、充電用静電容量Ｃｃと、電源Ｖとを備え、該電源が所定の時間Ｔの間、充電用静電容量Ｃｃならびに測定用静電容量Ｃｍをサイクリックに充電するように適合していることで、使用者の存否を検出するために、測定用静電容量Ｃｍの静電容量の変化を測定するようになっており、
スイッチング素子Ｍが、充電用静電容量Ｃｃと測定用静電容量の間に置かれるように適合していることと、このスイッチング素子Ｍが、測定用静電容量の充電時間に等しい時間ｔ１の間、オンするように構成されていることで、電源によって供給される電荷が、導電表面の限定された所定の区域にだけ伝播するようになっていることを特徴とする。

本発明による存否センサはさらに、次の特徴の一つ又はいくつかを備えてもよい：
・測定用静電容量Ｃｍが、
−電極によって形成される第一の静電容量Ｃｅと
−前記導電表面と前記電極によって形成される第二の静電容量Ｃａと
−前記導電表面と使用者によって形成される第三の静電容量Ｃｘ
とを含む静電容量性ユニットを備える。
・時間ｔ１は、５０ナノ秒と２００ナノ秒の間に含まれ、好ましくは１００ナノ秒に等しい。
・スイッチング素子のオンオフ制御手段を備える。
・オンオフ制御手段が、直列の抵抗と静電容量で構成され、サイクリックな電圧Ｖによって電源供給される回路ＲｍＣｍを備える。
・ダイオードＤｍが、並列にスイッチング素子Ｃに接続されていることで、静電容量性ユニットの静電容量Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｘが充電用静電容量Ｃｃ内に放電するように適合している。
・スイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴ構成体である。
・ダイオードＤｍが、ＭＯＳＦＥＴ構成体によって形成される。

本発明はまた、自動車の施錠／解錠システムも目的とし、該システムが上述のような存否センサを備えることを特徴とする。

本発明は、以下の図面を参照し、下記の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解されるものである。
−図１は、先行技術による、導電表面に対向して配置された静電容量性センサの概略図を表す。
−図２は、本発明による、導電表面に対向して配置された静電容量性センサの概略図を表す。
−図３は、回路の様々な点における電圧の変動を概略的に表す。

図２との関連において、以下、本発明を説明する。静電容量性センサの電子部品は、本発明による電子部品と同一であり、同じ参照番号がついている。

本発明によれば、スイッチング素子Ｍは充電用静電容量Ｃｃと電極の静電容量Ｃｅの間に配置される。充電スイッチＩ１がオンしているとき、このスイッチング素子Ｍはオンしている。しかしながら、このスイッチング素子Ｍのオン時間ｔ１は、スイッチＩ１のオン時間Ｔよりはるかに短い。

特に、オン時間ｔ１が静電容量性ユニットＣｅ、Ｃａ、Ｃｘの充電時間に等しくなっていることで、電荷は把手の導電表面にそって伝播する時間を持たないようになっている。

スイッチング素子Ｍがオンしている時間ｔ１は、５０ナノ秒と２００ナノ秒の間に含まれ、好ましくは１００ナノ秒に等しい。

このスイッチング素子Ｍは、制御手段、例えば回路ＲｍＣｍによって制御され、該回路は直列の抵抗Ｒｍと静電容量Ｃｍで構成される。この回路が充電スイッチＩ１の出力に有利に接続されていることで、充電スイッチＩ１とスイッチング素子Ｍのオンが同時になるようになっている。

したがって、有利には、このスイッチング素子とその制御手段は、あまりかさばらない。くわえて、それらは、コストの高い高性能マイクロコントローラの使用を避けられる。

本発明によれば、このスイッチング素子ＭはＭＯＳＦＥＴ構成体である。

また、静電容量ＣｅとＣａの方向に通過するダイオードＤｍが、スイッチング素子Ｃの端子に配置されていることで、静電容量性ユニットＣａ、Ｃｅ、およびＣｘは、充電用静電容量Ｃｃに放電するように適合している。

好ましくはＭＯＳＦＥＴ構成体が選択され、該構成体によって、静電容量Ｃｅ、Ｃａ、およびＣｘの放電の相の間に、電荷の移行が可能になる。この場合、ダイオードＤｍが静電容量性センサの作動にはもはや必要ではなくなっていることで、存否センサはより低コストでより小型になる。このときＭＯＳＦＥＴは、静電容量Ｃｅ、Ｃａ、およびＣｘの充電の相ではスイッチの役割を果たし、それらの放電の相ではダイオードＤｍの役割を果たす。

先行技術による、導電表面に対向して配置された静電容量性センサの概略図。 本発明による、導電表面に対向して配置された静電容量性センサの概略図。 回路の様々な点における電圧の変化を概略的に表す。

符号の説明

Ｍ スイッチング素子
Ｐ 静電容量性センサ
Ｓ 導電表面

Claims (8)

1. 導電表面に対向して配置された存否センサであり、該存否センサは、静電容量が使用者の存否の検出に従って変化するように適合した測定用静電容量Ｃｍと、充電用静電容量Ｃｃと、電源Ｖとを備え、該電源が所定の時間Ｔの間、充電用静電容量Ｃｃならびに測定用静電容量Ｃｍをサイクリックに充電するように適合していることで、使用者の存否を検出するために、測定用静電容量Ｃｍの静電容量の変化を測定するようになっており、
   スイッチング素子Ｍが、充電用静電容量Ｃｃと測定用静電容量の間に置かれるように適合していることと、このスイッチング素子Ｍが、測定用静電容量の充電時間に等しい時間ｔ１の間、オンするように構成されていることで、電源によって供給された電荷が、導電表面の限定された所定の区域にだけ伝播するようになっており、かつ、
   測定用静電容量Ｃｍが、
   −電極によって形成される第一の静電容量Ｃｅと、
   −前記導電表面と前記電極によって形成される第二の静電容量Ｃａと、
   −前記導電表面と使用者によって形成される第三の静電容量Ｃｘ
   とを含む静電容量性ユニットを備えることを特徴とする、存否センサ。
2. 時間ｔ１が、５０ナノ秒と２００ナノ秒の間に含まれ、好ましくは１００ナノ秒に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の存否センサ。
3. スイッチング素子のオンオフ制御手段を備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の存否センサ。
4. オンオフ制御手段が、直列の抵抗と静電容量で構成され、サイクリックな電圧Ｖによって電源供給される回路ＲｍＣｍを備えることを特徴とする、請求項３に記載の存否センサ。
5. ダイオードＤｍが、並列にスイッチング素子Ｃに接続されていることで、静電容量性ユニットの静電容量Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｘが充電用静電容量Ｃｃ内に放電するように適合していることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の存否センサ。
6. スイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴ構成体であることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の存否センサ。
7. ダイオードＤｍが、ＭＯＳＦＥＴ構成体によって形成されることを特徴とする、請求項５と請求項６の組み合わせによる存否センサ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の存否センサを備えることを特徴とする、自動車の施錠／解錠システム。

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