JP4481997B2 - 挟み込み防止差分キャパシタンスセンサ - Google Patents

Description

本発明は近接センサに関する。詳細には、本発明は、電界の変化から近接物体が存在することを識別するための非接触ストリップ式センサに関する。

電動部品の制御を自動化するために、自動車業界では近接センサが広く使用されている。例えばウィンドパネルが閉位置に移動しているときに、ウィンドフレーム内に障害物が存在することを検出するために、パワーウィンドコントローラでは、例えば近接センサが使用されることが多い。かかるセンサは他のタイプの自動閉鎖体、例えばサンルーフ、サイドドア、スライドドア、リフトゲートおよびデッキの蓋などで障害物が存在することを検出するのにも使用できる。

当技術分野では、キャパシタンスに基づく種々の近接センサが知られている。例えば米国特許第6,377,009号明細書は検出電極またはプレートを使用することにより閉鎖パネル、例えばウィンドによる異物の挟み込みまたはトラッピングを防止するためのシステムを開示している。この電極はフェーシアの部品またはその他のトリム部品の背後に設置されたプラスチックまたはゴム成形ストリップ内に埋め込まれた金属ストリップまたはワイヤとなっている。金属ストリップまたはワイヤと車両のシャーシは全体で検出用コンデンサの２つのプレートを形成する。これら２つの電極の間に位置する異物は誘電率を変えるので、所定の時間にわたって検出コンデンサに蓄積される電荷量を変化させる。センサのコンデンサによって蓄積される電荷は異物の存在を検出するために基準コンデンサへ転送される。ドイツ国特許第DE4036465A号明細書、同第DE4416803A号明細書、同第DE3513051A1号明細書、同第DE4004353A号明細書、同第DE3513051A号明細書および同第DE4036465A号明細書に、同様なキャパシタンス検出応用例が開示されている。

従来技術の公知のキャパシタンス検出システムの問題の１つは、電極とセンサ電極に比較的近くにある自動車の板金またはシャーシアースとの間の距離に関係している。これらシステムは大きなバックグラウンドキャパシタンスを測定値に含めてしまう。例えば米国特許第6,377,009号明細書の例では、電極は自動車の板金から５〜８ｍｍしか離間していない。従って、バックグラウンドのキャパシタンスが圧倒的であるので、電極近くにある小さい物体を検出することが比較的困難となり、判断プロセスからこのキャパシタンスの影響を除去するのに特別な対策をとらなければならない。

本発明によれば、完全な開位置と閉位置との間で移動する閉鎖パネルの走行路内、または閉鎖パネルの近くにある物体の存在を判別するための金属製の自動車の開口部に隣接して取り付け可能な近接センサが提供される。このセンサーは、車両に取り付け可能な非導電性ケーシング内に収納された第１および第２電極を備え、これら２つの電極は両者の間にキャパシタンスＣＥ１／２を構成し、前記第１電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ１を構成し、前記第２電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ２を構成するようになっている。第１スイッチが第１電極を基準コンデンサ（Ｃ１）またはシャーシアースに選択的に接続し、第２スイッチが第２電極を第１基準電圧源（Ｖ_ref1）またはシャーシアースに選択的に接続する。第１スイッチおよび第２スイッチは、キャパシタンスＣＥ１／２を周期的に充電し、キャパシタンスＣＥ１およびＣＥ２に蓄積された電荷を実質的に基準コンデンサに転送することなく、キャパシタンスＣＥ１／２に蓄積された電荷を基準コンデンサに転送するように制御される。後により詳細に説明するように、センサ回路は基本的には電荷転送サイクル中に寄生キャパシタンスを短絡するので、このようなことが可能となっている。

基準コンデンサ（Ｃ１）は第１スイッチに接続可能な電荷積分回路の一部を形成することが好ましい。より詳細には、第１スイッチは積分器の負の入力端子に接続されており、正の入力端子はアースされている。

固定された数のサイクル中に検出キャパシタンスＣＥ１／２から基準コンデンサに電荷を転送し、次に測定されたキャパシタンスとベースライン基準とを比較することによって障害物を検出できる。これとは異なり、基準コンデンサが所定の電圧レベルに達するまでの（固定された時間にわたり）基準コンデンサを充電するのに必要なサイクル数を測定し、これとベースライン基準とを比較することもできる。

本発明の別の特徴によれば、完全開位置と閉位置との間で開口部内を移動する、金属構造体に取り付けられた閉鎖パネルの走行路内、または閉鎖パネルの近くにある物体の存在を検出するための方法が提供される。この方法は、開口部の閉鎖エッジの近くの構造体上の非導電性ケーシング内に収納された第１電極および第２電極を取り付けることを含む。２つの電極は、両者の間にキャパシタンスＣＥ１／２を構成し、前記第１電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ１を構成し、前記第２電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ２を構成するようになっている。この方法は、（ａ）前記第１電極を基準電圧源（Ｖ_ref1）に周期的に接続し、前記第１電極をシャーシアースに周期的に接続すると共に、（ｂ）前記第２電極をシャーシアースに周期的に接続し、前記第１電極を前記基準コンデンサに周期的に接続するステップを含む。これによってキャパシタンスＣＥ１／２が周期的に充電されると共に、前記寄生キャパシタンスを短絡しながら、前記キャパシタンスＣＥ１／２に蓄積された電荷を基準コンデンサに転送される。次に、前記基準コンデンサ上の電荷、前記基準コンデンサを指定された電圧まで充電するのに必要な時間、またはＣＥ１／２に対する計算された値と基準値とを比較し、障害信号を誘導することができる。

添付図面を参照し、本発明の好ましい実施例の次の詳細な説明から、本発明の上記およびそれ以外の特徴がより理解できよう。

図１は板金から構成された代表的な自動車のドア１２を示し、このドアはウィンドフレーム４０として構成された開口部１４を備え、この開口部１４はウィンドパン、すなわちガラスパネル１６によって閉じられる。このガラスパネル１６は、当業者によって周知のように、駆動源として電動モータ５２（図３参照）を含むウィンドレギュレータ（図示せず）によって昇降される。電動モータ５２の一部は、非接触式障害物センサまたは挟み込み防止アセンブリ１０によって制御されている。このアセンブリの詳細については後述する。この挟み込み防止アセンブリ１０はパネルが閉じた位置に接近するときに、指（図示せず）のような開口部１４の中を通っていることがある異物をガラスパネル１６が挟み込んだり、またはつぶしたりするのを防止するようになっている。当業者であれば、この挟み込み防止アセンブリ１０は、開位置と閉位置との間を移動するようモータ制御された、または自動化された任意の閉鎖パネル構造体にも適用できることがわかる。例えば閉鎖パネルとしてウィンドパン、ドア、リフトゲート、サンルーフなどを挙げることができるが、これだけに限定されるものではない。説明を容易にするために、本明細書の以下の説明は、ウィンドパンとウィンドフレームとの組み合わせに集中する。

挟み込み防止アセンブリ１０は、ウィンドフレーム４０の上方部分の近くまたはその上に取り付けられた非導電性ケーシング１８内に埋め込むことが好ましいワイヤのような２つのストリップ電極２４ａおよび２４ｂを備える。図２に示されるように、ケーシング１８は、一体的に形成されたキャビティ２２を有する細長いエラストマートリム部品２０から形成されていることが好ましい。キャビティ２２により、トリム部品２０は、より容易に変形でき、従って、２つの電極２４ａと２４ｂとの間の距離または空間をより容易に変えることが可能となっている。トリム部品２０は、ウィンドの防水シールシステムの一部でよく、すなわちシールの一部を形成するか、または車両の装飾フェーシアの一部を形成できる。図５はウィンドフレーム４０のシールシステム３７の一部を形成するトリム部品２０の好ましい実施例を示す。このシールシステム３７は４０〜５０ショート未満の範囲にある、可撓性および／または低ジュロメータ硬度の化合物から形成することが好ましい。シールシステム３７の可撓性は電極を支持するアームおよび壁の厚みを制御することを含む、横断面の構造によっても制御できる。図５に示された実施例ではシールシステム４７内に電極２４ａおよび２４ｂが直接成形されている。

更に図３の回路を参照する。２つの電極２４ａと２４ｂとの間にはキャパシタンスＣＥ１／２が存在することに留意されたい。更に電極２４ａと板金１２で製造された車両のシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ１が存在する。電極２４ｂとシャーシアースとの間にも同じように第２キャパシタンスＣＥ２が存在する。

図３に示されたセンサ回路は次の主要部品を含む。
・スイッチＳ１およびＳ２と基準電圧源Ｖ_ref1を含む、電極２４ａと２４ｂとを充電するための充電回路４１
・アナログ積分器Ｕ１Ａ、コンデンサＣ１および積分器４２をリセットできるようにするためのスイッチＳ３を含む電荷積分器４２
・オペアンプＵ１Ｂと、抵抗器Ｒ４、Ｒ５と、コンデンサＣ３とを含む信号増幅器４４
・比較器Ｕ２Ｂを含む信号変換器４６
・マイクロコントローラ４８

マイクロコントローラ４８は、電極キャパシタンスが充電され、スイッチＳ１およびＳ２の状態を制御する２つの制御信号Ｃ０およびＣ１を発生させる時間間隔を制御するようにプログラムされている。更に図４の波形図を参照すると、初期の状態ｔ₀において、スイッチＳ１はシャーシアースに接続されており、スイッチＳ２は図３の点線で示されるように、基準電圧源Ｖ_ref1に接続されている。従って、電極２４ｂは基準電源Ｖ_ref1に接続されており、電極２４ａはシャーシアースに接続されている。よって第２電極２４ｂとアースとの間のキャパシタンスＣＥ２は、基準電圧Ｖ_ref1のレベルまで充電され、電極２４ａと２４ｂとの間の相互キャパシタンスＣＥ１／２はＶ_ref1のレベルまで充電される。電極２４ａとアースとの間のキャパシタンスＣＥ１は電極２４ａがアースされ、短絡回路ＣＥ１を構成しているので影響は全くない。

測定動作をスタートするために、マイクロコントローラ４８は、まず電荷積分器４２をリセットする。これは基本的にはアースされたオペアンプの入力端を通して、オペアンプから構成された積分器４２のピンをショートし、コンデンサＣ１を放電するように、所定の時間の間スイッチＳ３を閉じるように制御信号Ｃ１をセットすることによって達成される。コンデンサＣ１の放電電流を制限するように、抵抗器Ｒ３が設けられていることに留意されたい。

電荷積分器４２をリセットするのに必要な適当な時間（一般に５ｍｓ未満）の後で、マイクロコントローラ４８はスイッチＳ３を開にするように時間ｔ１で制御信号Ｃ１を切り換える。同時に、マイクロコントローラ４８は図３で実線で示される位置にスイッチＳ１およびＳ２を切り換えるよう、制御信号Ｃ０を切り換える。これによって電極２４ｂはシャーシアースに接続され、電極２４ａはオペアンプＵ１Ａの負の入力端に接続される。前の時間（ｔ₀とｔ₁との間）では、ＣＥ１には電荷は蓄積されないので、Ｕ１Ａには信号は与えられない。更にスイッチＳ２がアースされた状態でバックグラウンドの寄生キャパシタンスＣＥ２が短絡されるのでこれに蓄積されている電荷はＵＡ１への信号に寄与することなく、スイッチＳ２を介し、アースに放電される。従って、車両の板金によって誘導される寄生キャパシタンスは測定されない。しかしながら、２つの電極２４ａと２４ｂとの間のキャパシタンスＣＥ１／２は積分器４２により受信される。この理由は、キャパシタンスＣＥ１／２の充電された側はスイッチＳ２を介してＧＮＤに接続されているので、キャパシタンスの極性が反転し、過渡時間においてＣＥ１／２の反対側は強制的に−Ｖ_ref1とされる。ＵＡ１の負の入力端には負の電流が流れ、積分器の出力を正にし、ＣＥ１／２によって保持される電荷と同じ量の電荷を蓄積する。

時間ｔ２において、マイクロコントローラ４２は制御信号Ｃ０を切り換え、スイッチＳ１およびＳ２を図３において点線で示された位置まで切り換え、その後、電極２４ｂは基準電源Ｖ_ref1に接続され、電極２４ａはシャーシアースに接続される。この時間中、電極２４ａからアースまでのキャパシタンスＣＥ１は電極２４ａがアースにショートされているので影響を受けない。これと対照的に、第２電極２４ｂとアースとの間のキャパシタンスＣＥ２は、基準電圧Ｖ_ref1のレベルまで充電し、電極２４ａと２４ｂの間の相互キャパシタンスＣＥ１／２はＶ_ref1のレベルまで充電される。

その直後、時間ｔ₃にてマイクロコントローラ４８は制御信号Ｃ０を切り換え、スイッチＳ１およびＳ２を、図３において実線で示された位置へ移動させる。前に説明したように、コンデンサに蓄積された電荷ＣＥ１／２はコンデンサＣ１に注入され、このコンデンサの電荷は、ＣＥ１／２よりもかなり大きくなる。ＣＥ２によって保持された電荷は前に説明したように測定されない。コンデンサＣＥ１／２から積分器４２のコンデンサＣ１へ電荷を転送するプロセスは、図４に示されるようにパルス状に続けられる。このプロセスはコンデンサＣ１に蓄積される電荷を示す信号Ｖｉが第２基準電圧Ｖ_ref2に等しい電圧レベルに達するまで続く。この比較を行うのに、比較器４６を使用できるし、またはこれとは異なり、マイクロコントローラがアナログ−デジタル入力を有する場合、マイクロコントローラがこの機能を直接実行できる。ＶｉがＶ_ref2に達するのに必要なパルスの数Ｎがマイクロコントローラ４８によって記録される。従って、ＣＥ１／２の測定されるキャパシタンスは次のように計算される。

ＣＥ１／２＝（Ｃ１×Ｖ_ref2）／（Ｎ×Ｖ_ref1）

実際には、コンデンサＣ１を第２基準レベルまで充電するのに必要な充電と放電サイクルの数Ｎは異物の存在および／または周辺条件によって変化する。公知の状況において、サイクルの公称数Ｎ_nomを測定することができ、この数を作動データと比較し、電極の近くに物体があるか、またはアパーチャー内に物体が存在するかを判断する。Ｎが所定のスレッショルド値を越える場合、マイクロコントローラ４８がモータコントローラ５０に信号を送り、ウィンドレギュレータのモータ５２を停止または反転させる。

キャパシタンスＣＥ１／２またはＮの目安であるセンサ信号は、ベースレベルを設定するためにウィンドを作動させる前に測定することが好ましい。次に、ベースレベル、すなわち（信号＝現在のレベル−ベースレベル）からセンサ信号を計算する。これによって温度および湿度の変化によって生じるキャパシタンスのずれを補償できる。

好ましい実施例では、マイクロコントローラは、センサ信号とエンコーダ５４が決定するようなウィンドパネルの変化する位置とを相関化させる基準マップを発生するようにプログラムされる。この相関化はウィンドを作動するごとに実行できるので、電極２４と２４ｂとの間の誘電率に影響し得るガラスパン上に存在し得る水の膜の存在、または大気中の湿度のような周辺の影響を除去できる。この技術は、関係する機械部品の摩耗も補償する。このような基準マップを使用することにより、センサ信号をダイナミックに測定することができ、信号がウィンドパンの所定位置に対する所定のスレッショルドだけ基準値を越えた場合に、モータ５２を停止する。この所定のスレッショルドはウィンドパンの位置に応じて決まる。例えばウィンドが閉じている状態から最も離れているとき、このスレッショルド値はかなり大きい。ウィンドが閉じた位置に近づくにつれ、スレッショルド値は障害物センサの感度を高めるように小さくすることができる。このように、ウィンドが閉じるときに指が挟まれないよう、センサの感度を重要なポイントで増すことができる。変化する周辺条件の影響を少なくするために、基準マップを使用する態様に関する情報を更に望む場合には、本明細書で内容を参考例として援用する国際公開特許第WO02/12669号を参照されたい。

これとは異なり、トリム部品２０はウィンドパンが閉じた位置に接近する際の、ある位置において変形できるので、電極２４ａ、２４ｂの移動によって生じるＣＥ１／２のキャパシタンスの変化は、異物が単に接近することによって生じる効果よりもかなり大きくなり得る。この場合、所定ゾーンにおいて、障害物センサの感度を低下させることが望ましい。この技術に関する情報を更に望む場合、本明細書で内容を参考例として援用する国際公開特許第WO03/038220号を特に参照されたい。

以上で、説明の目的のために特に好ましい実施例について説明した。当業者であれば、本発明の要旨から逸脱することなく、本明細書に開示した実施例に関して多数の変形および変更が可能であることを理解できよう。例えば基準コンデンサＣ１が第２基準電圧のレベルに達するのに必要な充電と放電のサイクル数Ｎを測定するのではなく、モータを制御するための基礎として使用できるＣＥ１／２のキャパシタンスをコントローラが測定または計算するように、Ｎを固定してもよい。同様に、本発明の要旨から逸脱することなく、その他の種々の変形が可能である。

非接触式障害物センサが取り付けられた自動車のドアの図である。 本発明の一実施例に係わる障害物センサと共に使用するための、埋め込まれたストリップ電極を含むトリム部品の部分斜視図である。 本発明の好ましい実施例に係わる非接触式障害物センサの回路図である。 図３に示された回路内で生じる種々の信号の波形を示すタイミング図である。 本発明の好ましい実施例に係わる障害物センサと共に使用するための、埋め込まれた電極を内蔵するウィンドフレームシールシステムの横断面図である。

Claims (15)

1. 完全開位置と閉位置との間で移動する閉鎖パネルの走行路内、または閉鎖パネルの近くの物体の存在を判別することができるように金属製自動車の開口部に隣接して取り付け可能な近接センサであって、
   車両に取り付け可能な非導電性ケーシング内に収納された第１および第２電極であって、間にキャパシタンスＣＥ１／２を設けるように構成されている第１および第２電極と、 基準コンデンサ（Ｃ１）と、
   前記第１電極を前記基準コンデンサまたはシャーシのアースに選択的に接続する第１スイッチと、
   前記第２電極を第１基準電圧源（Ｖ_ref1）またはシャーシアースに選択的に接続する第２スイッチと、
   キャパシタンスＣＥ１／２を周期的に充電し、これに蓄積された電荷を基準コンデンサに転送するように、第１スイッチおよび第２スイッチを制御するためのコントローラとを備えている、
   ことを特徴とする近接センサ。
2. 所定回の基準コンデンサの各充電および放電サイクルの間に、前記コントローラがキャパシタンスＣＥ１／２から基準コンデンサへ電荷を転送するようになっている、
   請求項１に記載の近接センサ。
3. 前記コントローラが前記基準コンデンサの電圧レベルを測定する、
   請求項２に記載の近接センサ。
4. 前記コントローラが前記基準コンデンサの充電放電サイクルごとの可変数の時間にわたって、キャパシタンスＣＥ１／２から前記基準コンデンサへ電荷を転送するようになっている、
   請求項１に記載の近接センサ。
5. 前記基準コンデンサが第２基準電圧（Ｖ_ref2）等しい電圧に達するまで、キャパシタンスＣＥ１／２から前記基準コンデンサの電荷を転送するのに必要な時間の数Ｎを記録する、
   請求項４に記載の近接センサ。
6. ＣＥ１／２＝（Ｃ１×Ｖ_ref2）／（Ｎ×Ｖ_ref1）
   に従ってキャパシタンスＣＥ１／２の値を計算する、
   請求項２または４に記載の近接センサ。
7. 前記基準コンデンサ（Ｃ１）が前記第１スイッチに接続可能な電荷積分回路の一部を形成する、
   請求項１、２または４に記載の近接センサ。
8. 前記積分回路が前記基準コンデンサ（Ｃ１）から電荷を放電するように、前記コントローラによって制御可能なスイッチを含む、
   請求項７に記載の近接センサ。
9. 前記電荷積分回路と前記コントローラとの間に接続された信号増幅器を含む、
   請求項８に記載の近接センサ。
10. 完全開位置と閉位置との間で移動する閉鎖パネルの走行路内または閉鎖パネルの近くの物体の存在を判別するための金属製自動車の開口部に隣接して取り付け可能な近接センサであって、
    車両に取り付け自在な非導電性ケーシング内に収納された第１電極および第２電極であって、これら２つの電極は両者の間にキャパシタンスＣＥ１／２を設け、前記第１電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ１を構成し、前記第２電極とシャーシアースとの間にキャパシタンスＣＥ２を構成するようになっている第１電極および第２電極と、 基準コンデンサ（Ｃ１）と、
    前記第１電極を前記基準コンデンサまたはシャーシアースに選択的に接続する第１スイッチと、
    前記第２電極を第１基準電圧源（Ｖ_ref1）またはシャーシアースに選択的に接続する第２スイッチと、
    前記第１スイッチおよび第２スイッチを制御し、キャパシタンスＣＥ１／２を周期的に充電し、キャパシタンスＣＥ１およびＣＥ２に蓄積された電荷を実質的に前記基準コンデンサに転送することなく、キャパシタンスＣＥ１／２に蓄積された電荷を前記基準コンデンサに転送する回路とを備えている、
    ことを特徴とする近接センサ。
11. 自動車の閉鎖装置のための挟み込み防止アセンブリであって、
    前記自動車によって支持され、完全開位置と閉位置との間で移動可能な閉鎖パネルと、
    前記閉鎖パネルの作動を制御するよう、前記閉鎖パネルに作動的に接続されたコントローラとを備え、前記コントローラが前記閉鎖パネルの走行路内の物体の存在を判別するための自動車の開口部に隣接して取り付け可能な近接センサを備え、
    該センサが、
    自動車に取り付け可能な非導電性ケーシング内に収納された第１電極および第２電極であって、両者の間にキャパシタンスＣＥ１／２を設ける第１電極および第２電極と、
    基準コンデンサ（Ｃ１）と、
    前記第１電極を前記基準コンデンサまたはシャーシアースに選択的に接続する第１スイッチと、
    前記第２電極を前記第１基準電圧源（Ｖ_ref1）またはシャーシアースに選択的に接続する第２スイッチと、
    前記第１スイッチおよび第２スイッチを制御し、キャパシタンスＣＥ１／２を周期的に充電し、このキャパシタンスに蓄積された電荷を前記基準コンデンサに転送するための回路とを備え、
    該センサは前記閉鎖走行路内に物体が検出されたときに、前記閉鎖パネルの運動を防止するための障害物信号を前記コントローラに与えるようになっている、
    自動車の閉鎖装置のための挟み込み防止アセンブリ。
12. 完全開位置と閉位置との間で開口部内を移動する、金属構造体に取り付けられた閉鎖パネルの走行路内または閉鎖パネルの近くにある物体の存在を検出する方法において、
    前記開口部の閉鎖エッジの近くの構造物に、非導電性ケーシング内に収納された第１電極および第２電極を取り付け、よって２つの電極が両者の間にキャパシタンスＣＥ１／２を構成し、前記第１電極とシャーシアースとの間に寄生キャパシタンスＣＥ１を構成し、前記第２電極とシャーシアースとの間に寄生キャパシタンスＣＥ２を構成するようにするステップと、
    基準コンデンサ（Ｃ１）を設けるステップと、
    （ａ）前記第１電極を基準電圧源（Ｖ_ref1）に、前記第１電極をシャーシアースに周期的に接続すると共に、（ｂ）前記第２電極をシャーシアースに、前記第１電極を前記基準コンデンサに周期的に接続し、よってキャパシタンスＣＥ１／２を周期的に充電すると共に、前記寄生キャパシタンスを短絡しながら、前記キャパシタンスＣＥ１／２に蓄積された電荷を基準コンデンサに転送するステップと、
    前記基準コンデンサ上の電荷、前記基準コンデンサを指定された電圧まで充電するのに必要な時間、またはＣＥ１／２に対する計算された値と基準値とを比較し、障害信号を誘導するステップとを備えた、物体の存在を検出する方法。
13. ＣＥ１／２＝（Ｃ１×Ｖ_c1）／（Ｎ×Ｖ_ref1）
    （ここで、Ｖ_c1は基準コンデンサ上の電圧である）
    に従って、キャパシタンスＣＥ１／２の値を計算する、
    請求項１２に記載の検出方法。
14. 前記基準コンデンサ（Ｃ１）が前記第１電極に接続可能な電荷積分回路の一部を形成する、
    請求項１２に記載の検出方法。
15. 前記集積回路が前記基準コンデンサ（Ｃ１）から電荷を周期的に放電するためのスイッチを含む、
    請求項１４に記載の検出方法。

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