JP4604739B2

JP4604739B2 - 静電容量検出装置

Info

Publication number: JP4604739B2
Application number: JP2005021342A
Authority: JP
Inventors: 耕平倉地; 恒井奈波
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: US20060170411A1; US7245131B2; DE602006013525D1; JP2006207269A; EP1686543B1; EP1686543A1

Description

本発明は、静電容量の変化から人体等の物体の近接を検知する静電容量検出装置に係り、特に、この種の静電容量検出装置において、起動してからの応答性を向上させる技術に関するものである。

静電容量の変化に基づいて物体の近接等を検知する静電容量検出装置は従来から知られており、近年では、自動車等の乗車用ドアの開閉を制御するシステムにおける開錠（アンロック）操作のトリガ検出用にも静電容量検出装置が用いられる。具体的には、ユーザが車両に近づき、車両側とユーザの携帯機との間でＩＤコード照合が行われて車両側がアンロック許可モードに遷移したとき、ユーザが車両用ドアのアウトサイドハンドル内に設置されたアンロックセンサ（電極）に触れると、車両側はアンロックセンサ電極の静電容量の変化を検出してアンロック動作を実現する。すなわち、上記静電容量検出装置は、ユーザからのアンロックの意思をアンロックセンンサの出力（静電容量の変化）として検出する。

静電容量検出装置において、検出した静電容量の変化量から実際に目的とする物体の近接があったものかどうかを判断する場合には、現在取得した静電容量の変化に関連する数量と、過去に取得した静電容量の変化に関連する数量との差分量が閾値以上であるか以下であるかに基づいて行う必要がある。つまり、物体が近接する際には静電容量の変化履歴に特徴的なプロフィールが存在するため、その特徴的なプロフィールを正確に察知して近接判断を行わないと、誤作動を引き起こす原因ともなってしまう。よって、現在取得した静電容量の変化に関連する数量の変化が目的とする物体が近接していることに起因しているのかを確実に判断するため、過去の静電容量の変化に関連する数量を参照して判断する必要があるということである。

一般的に、人体が近接する場合には、その静電容量の変化履歴を示すプロフィールから、約２５０ミリ秒前の静電容量の変化量に関連する数量を参照しないと人体の近接を判断できないといわれる。従って、静電容量検出装置が起動してから２５０ミリ秒の間は、その静電容量検出装置で人体の検出はできないことになる。

ところが、上記従来技術で説明した車両の開錠に静電容量検出装置が使用される場合には、静電容量検出装置が常に起動しているわけではなく、車両とユーザとの間でのＩＤコードの照合によりユーザと認識された後に静電容量検出装置が起動するものであるから、ユーザと認識されてから２５０ミリ秒の間は人体検知をできないことになる。このため、ユーザが早めに車両の開錠をしたいと思っていても、いまだ静電容量検出装置の起動から２５０ミリ秒が経過していない場合には開錠ができない。よって、この種の静電容量検出装置を車両の開錠に適用する際の応答性の向上が要求されてきた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、静電容量検出装置において、起動初期時においても物体の近接を検出できるように、起動初期時における応答性を向上させることを、その技術的課題とする。

上記技術的課題を解決するために講じた請求項１の発明は、
静電容量の変化に基づいて物体の近接を検知する静電容量検出装置において、
静電容量の変化量を検出する検出電極と、
前記検出電極に流れる電流をスイッチ操作によって制御するスイッチ制御手段と、
前記スイッチ制御手段のスイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウンターと、
前記カウンターでカウントされたカウント値が、前記静電容量検出装置が起動してから所定時間経過した後にカウントされた通常カウント値であるか、前記静電容量検出装置が起動してから所定時間経過する前にカウントされた初期カウント値であるかを判断する判断回路と、
該判断回路で初期カウント値であると判断されたカウント値に対する初期参照値を決定する初期参照値決定回路と、
該判断回路で通常カウント値と判断されたカウント値と該カウント値がカウントされるよりも前記所定時間以上前にカウントされたカウント値との差分量を演算し、又は、前記判断回路で初期カウント値と判断されたカウント値と前記初期参照値との差分量を演算する差分量演算回路と、
前記差分量演算回路で演算された差分量とその差分量に対応する閾値との大きさを比較し、比較の結果から物体の近接を判定する判定回路と
を具備することを特徴とする、静電容量検出装置とすることである。

請求項１の発明によれば、検出電極によって静電容量の変化を検出するとともに、検出電極に流れる電流をスイッチ操作によって制御するスイッチ制御手段のスイッチ操作の繰り返し回数がカウントされる（カウンター）。また、判断回路では、カウンターでカウントされたカウント値が、静電容量検出装置の起動から所定時間（例えば２５０ミリ秒）経過した後にカウントされたもの（通常カウント値）であるか、所定時間経過前にカウントされたもの（初期カウント値）であるかを判断する。初期参照値決定回路では、上記判断回路で初期カウント値と判断されたカウント値に対する初期参照値を決定する。そして、差分量演算回路で、カウントされたカウント値と所定の参照値との差分量が求められる。本発明において、この参照値は、カウントされたカウント値が判断回路で通常カウント値と判断されるか初期カウント値と判断されるかに応じ、それぞれ別の方法により導かれる。カウントされたカウント値が判断回路で通常カウント値と判断された場合（静電容量検出装置の起動から所定時間経過した後にカウントしたカウント値である場合）については、そのカウント値がカウントされた時点よりも上記所定時間以上前にカウントされたカウント値を参照値とする。これに対し、カウントされたカウント値が判断回路で初期カウント値と判断された場合（静電容量検出装置の起動から所定時間経過していないときにカウントされたカウント値である場合）については、初期参照値決定回路で決定した数量（初期参照値）を参照値とする。本発明はこのようにして、判断回路で初期カウント値と判断された場合においても参照値との差分が演算できるように、初期参照値を参照値として設定しておく。さらに、差分量演算回路で演算された差分量は、判定回路にて、その差分量に対応する閾値と比較され、比較の結果から物体の近接を判定する。

本発明で特徴的な部分は、静電容量検出装置に初期参照値決定回路を設け、この初期参照値決定回路で決定された初期参照値を、所定時間経過以前に検出されたスイッチ制御手段のスイッチ操作の繰り返し回数をカウントしたカウント値に対する参照値として、両者の差分量を演算できるようにしていることである。これにより、所定時間以前における上記差分量がそれに対応する閾値と比較され、物体の近接を判断することができるようになったため、所定時間以前での物体の近接も判断でき、静電容量検出装置の起動初期時における応答性を高めることができる。

尚、上記において、「スイッチ制御手段のスイッチ操作の繰り返し回数」とは、静電容量の変化量を示す数量であれば、どのようなものでも良い。この場合において、検出装置の小型化の面から、上記数量はデジタル処理が可能な数量であるのが好ましい。

また、判断回路にて判断の基準とする「所定時間」は、検出する物体によっても異なるため一概に特定の時間を示すことができない。ただし、検出する物体によってはその静電容量の変化の履歴などから固有の判断時間を特定することができる場合があるため、検出する物体が定まれば、所定時間もある程度定まる。尚、上述したように、人体を検出しようとするのであれば、上記所定時間は、おおよそ２５０ミリ秒である。

また、初期参照値決定回路において決定する初期参照値は、予め決定された値としても良いが、差分の対象となるカウント値（実カウント値）がカウントされるよりも前にカウントされたカウント値に基づいて定めるのが、誤検出の可能性を低くする面から好ましい。特に、静電容量検出装置が起動してから２回目にカウントされたカウント値や、３回目にカウントされたカウント値の平均値をとったものを初期参照値とすると、実カウント値との時間間隔が大きくとれるため、より誤検出の可能性を低くできるため、好ましい。尚、この場合において、所定時間以内、又は、初期参照値を決定するための時間内におけるカウント間隔（カウント頻度）を、それ以降におけるカウント間隔よりも短く（即ちカウント頻度を多く）することで、初期参照値の精度をさらに良好にすることができる。例えば、所定時間以内（例えば２５０ミリ秒以内）、又は、初期参照値を決定するカウントを行う時間以内における、カウントの時間間隔（スキャン間隔）を２ミリ秒とし、それ以降におけるカウントの時間間隔を４ミリ秒として、初期参照値の精度を高めることができる。また、静電容量検出装置が起動してから１回目にカウントされたカウント値は、検出電極がまだ不安定であることに起因して異常値を示す場合が多いから、これを初期参照値の決定に使用するのは好ましくない。

また、判定回路において判定の基準となる閾値は、固定的な値であっても良いし、可変値であっても良い。可変値とする際には、カウントされたカウント値の絶対値に比例するように可変させることもできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本例における静電容量検出装置の回路構成図である。この静電容量検出装置は、車両等に取り付けられて、人体の近接を検知するセンサとして用いられるものである。

図に示すように、本例の静電容量検出装置１００は、検出部１と、制御回路１０とを有する。検出部１は、一方端が電位源Ｖ１に接続された基準容量Ｃｓの両端Ｔ１，Ｔ２間に配置した第１開閉スイッチＳ１、一方端が第２の電位源Ｖ２もしくは自由空間に接続された被測定容量（検出電極）Ｃｘ１の他方端Ｔ３と前記基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２の間に配置した第２開閉スイッチＳ２、及び、被測定容量Ｃｘ１の他方端Ｔ３と電位源Ｖ２間に配置した第３開閉スイッチＳ３を備える。また、基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２には、該他方端Ｔ２の電位を測定する電位測定手段としてのコンパレータＣＯＭＰが設けられている。ここで、第１の電位源Ｖ１は定電圧回路の出力であり、第２の電位源Ｖ２は、接地部位（グランド）である。また、コンパレータＣＯＭＰの＋端子に参照電圧Ｖｒｅｆが接続され、コンパレータＣＯＭＰの−端子に基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２が接続されている。

制御回路１０は、ハードロジック回路又はマイコン等を利用して構成される。この制御回路１０は、前記各開閉スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３へ駆動信号を出力するとともに、コンパレータＣＯＭＰの出力信号Ｖｏｕｔが入力される。

上記制御回路１０内には、図２に示す波形のように、第１開閉スイッチＳ１を閉状態（図ではハイレベルで表す）にしてから開状態（図ではローレベルで表す）に戻す第１スイッチ操作を行った後、第２開閉スイッチＳ２を閉状態にしてから開状態に戻す第２スイッチ操作と第３開閉スイッチＳ３を閉状態にしてから開状態に戻す第３スイッチ操作を交互に繰り返すスイッチ制御を実行するスイッチ制御手段１１が設けられている。さらに、制御回路１０内には、第２スイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウンター１２、静電容量検出装置１００が起動してから２５０ミリ秒経過を計測するタイマ１３、カウンター１２でカウントされ保持されたカウント値が初期カウント値であるか通常カウント値であるかを判断する判断回路１４の他、安定化検出回路１５、初期参照値決定回路１６、差分量演算回路１７、判定回路１８が設けられている。

検出部１において、基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２の初期電位は第１の電位源Ｖ１の電位であり、参照電圧Ｖｒｅｆはこの初期電位Ｖ１よりも設定電位だけ小さい値に設定されている（設定電位＝Ｖ１−Ｖｒｅｆ）ので、コンパレータＣＯＭＰの出力信号Ｖｏｕｔは、第１スイッチ操作後、ローレベルとなる。その後、第２スイッチ操作が行われると、基準容量Ｃｓから被測定容量Ｃｘ１に電流が流れて被測定容量Ｃｘ１が充電され、その分だけ基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２の電位が低下する。その後、第３スイッチ操作が行われると、被測定容量Ｃｘ１が放電される。このような第２スイッチ操作と第３スイッチ操作の繰り返しによって、基準容量Ｃｓの他方端Ｔ２の電位が低下していき、初期電位Ｖ１から設定電位（Ｖ１−Ｖｒｅｆ）分以上の電位の低下によりＴ２での電位が参照電圧Ｖｒｅｆを下回った時点で、コンパレータＣＯＭＰの出力信号Ｖｏｕｔがローレベルからハイレベルに変化する。一方、カウンター１２では、コンパレータＣＯＭＰの出力信号Ｖｏｕｔがローレベルになった時点からハイレベルへ変化する時点までのカウント値（第２スイッチ操作と第３スイッチ操作の繰り返し回数）を保持する。その後、カウント値をリセットし、所定時間間隔（例えば４ミリ秒間隔）で上記図２に示す処理を実行し、各処理毎にコンパレータＣＯＭＰの出力信号Ｖｏｕｔがローレベルになった時点からハイレベルに変化した時点までのカウント値を保持する。尚、上記図２に示す処理中に人体の近接などがあると、被測定容量Ｃｘ１の容量変化が起こり、近接がないときと比べて１回の第２スイッチ操作で余分に基準容量Ｃｓから電荷を奪う。このため、人体の近接があった場合には、Ｖｏｕｔがハイレベルに変化するまでに行われる第２スイッチ操作回数（カウント値）が減少する傾向にある。このように、上記カウント値は、人体の近接に伴う静電容量の変化に関連する数量であり、しかも、デジタル処理が可能な数量である。

図３は、制御回路１０において、人体の近接の検知を判断するまでのアルゴリズムである。上述したように、まず制御回路１０内にはカウンター１２が設けられており、このカウンター１２でカウント値Ｃをカウント（演算）し、保持する。尚、例えば上記のように４ミリ秒間隔でカウント値Ｃを保持しようとすると、それを格納すべきレジスタの容量を大きくしなければならず、不経済であるとともに、省スペース化の面からも不利である。そこで、本例では、３２ミリ秒の間にカウントされたカウント値の平均を演算し、この平均値をレジスタに格納している。例えば、静電容量検出装置が起動してから、４、８、１２、１６、２０、２４、２８、３２ミリ秒後にそれぞれカウントしたカウント値Ｃの平均値Ｃ_ａｖを採って、この平均値をレジスタに格納している。こうすることにより、格納領域を減少することができ、コスト的、スペース的に有利となる。

カウンター１２でカウント（演算）されたカウント値Ｃは、判断回路１４で初期カウント値か通常カウント値かに分けられる。この判断回路１４における振り分け判断は、タイマ１３における計測時間を参照して判断される。すなわち、タイマ１３が２５０ミリ秒を計測している間、即ち、静電容量検出装置１００が起動してから２５０ミリ秒が経過する前にカウンター１２で保持されたカウント値Ｃは、初期カウント値と判断される。一方、タイマ１３が２５０ミリ秒を計測した後、即ち、静電容量検出装置１００が起動してから２５０ミリ秒が経過した後にカウンター１２で保持されたカウント値Ｃは、通常カウント値と判断される。なお、車両に取り付けられて人体の近接を検知する静電容量検出装置においては、該検出装置が常に起動しているわけではなく、ユーザが車両から離れている間は起動しておらず、ユーザと車両との間でＩＤコードの照合が行われてユーザと判断された後に起動する。したがって、ユーザと車両との間でのＩＤ照合によりユーザが認識される度に静電容量検出装置が起動し、そのたびにタイマ１３が２５０ミリ秒を計測する。

また、判断回路１４で初期カウント値と判断されたカウント値Ｃは、安定化検出回路１５で安定値であるか判断される。安定化検出回路１５における安定化判断は、タイマ１３からの経過時間情報及びカウンター１４でカウントされたカウント値Ｃから、取得したカウント値が安定値であるかを判断するものである。一般的に、静電容量検出装置が起動してから最初のカウント値は、検出部１が不安定であるために異常値を示すことが多いため、最初のカウント値は異常値とすることが多い。また、最初のカウント値でなくても、一般的なカウント値とはかけ離れた値を示すものであれば、未だ不安定なものとみなし、異常値とすることが多い。

カウント値が安定化検出回路１５により安定値と判断された場合には、初期参照値決定回路１６で初期参照値Ｃ０が決定される。この初期参照値Ｃ０は、演算されたカウント値Ｃが判断回路で初期カウント値と判断された場合にそのカウント値に対して差分を求めるための参照値Ｃｒｅｆであり、本例においては、静電容量検出装置１００が起動してから２〜ｎ回目に演算されたカウント値の平均値を初期参照値としている。

差分量演算回路１７では、演算されたカウント値Ｃと参照値Ｃ_ｒｅｆとの差分を計算する。この場合において、判断回路１４で通常カウント値に振り分けられたカウント値Ｃに対する参照値Ｃ_ｒｅｆとしては、そのカウント値Ｃがカウントされるよりも２５０ミリ秒以上前に取得した過去のカウント値を参照値とする。本例においては、上述のように連続する８回のカウント値の平均値をカウント値Ｃ_ａｖとしてレジスタに格納しているため、参照値Ｃ_ｒｅｆも連続する８回のカウント値の平均値となる。例えば、演算されたカウント値が、静電容量検出装置１００の起動後２６０〜２９２ミリ秒の間にカウントされたカウント値の平均値Ｃ_{ａｖ２６０−２９２}である場合、それに対する参照値Ｃ_ｒｅｆは、静電容量検出装置１００の起動後８〜４０ミリ秒の間にカウントされたカウント値の平均値Ｃ_{ａｖ８−４０}となる。また、演算されたカウント値が、静電容量検出装置１００の起動後２９６〜３２８ミリ秒の間にカウントされたカウント値の平均値Ｃ_{ａｖ２９６−３２８}である場合には、それに対する参照値Ｃ_ｒｅｆは、静電容量検出装置１００の起動後４４〜７６ミリ秒の間にカウントされたカウント値Ｃ_{ａｖ４４−７６}となる。そして、カウント値Ｃと参照値Ｃ_ｒｅｆとの差分ΔＣを求める
一方、判断回路１４で初期カウント値に振り分けられたカウント値Ｃは、そのカウント値Ｃがカウントされるよりも２５０ミリ秒以上前にカウントされたカウント値が存在しないため、上記とは別の手法により参照値を決定する必要がある。この場合において、本例では、初期参照値決定回路１６で決定された初期参照値Ｃ_０を、初期カウント値に振り分けられたカウント値に対する参照値Ｃ_ｒｅｆとする。そして、カウント値Ｃと参照値Ｃ_ｒｅｆとの差分ΔＣを求める。

次いで、判定回路１８で、カウント値Ｃと参照値Ｃｒｅｆとの差分量ΔＣと、それに対応する閾値ΔＣｔｈとが比較されて、比較結果に基づき人体の近接が判定される。一般的に人体が近接すると、カウント値が減少するので、差分量ΔＣは大きくなる。したがって、差分量ΔＣが閾値ΔＣｔｈよりも小さければ人体が近接していないと判断され、逆に大きければ人体が近接していると判断される。例えば、ΔＣ＝３０であり、ΔＣｔｈ＝４０である場合は人体が近接していないと判断され、ΔＣ＝５０であり、ΔＣｔｈ＝４０である場合は人体が近接していると判断される。

このように、本例においては、静電容量検出装置１００に初期値決定回路１６を持たせ、静電容量検出装置１００の起動から所定時間（本例では２５０ミリ秒）経過以前に演算されたカウント値Ｃとの差分ΔＣを演算するための参照値Ｃｒｅｆを初期参照値Ｃ０として設定することができる。したがって、初期カウント値Ｃと参照値Ｃｒｅｆ（＝Ｃ０）との差分ΔＣをそれに対応する閾値ΔＣｔｈと比較でき、物体の近接を判断することができる。ゆえに、静電容量検出装置１００の起動初期時における応答性を高めることができる。

（実施例）
図４は、本発明の静電容量検出装置を適用した車両の開錠システムのブロック図である。このシステムによれば、電波によるワイヤレス通信によりキーを照合してユーザの認識を行い、照合後、ユーザが車両のドアハンドルに触れたことを検出した後、ドアロックが解除されるものである。このシステムにおいて本発明を適用すれば、車両を開錠する際の応答性が極めて良好になる。

本発明の実施形態における、静電容量検出装置の回路構成図である。図１における回路構成図の動作波形図である。本発明の実施形態における、制御回路で人体の近接の検知を判断するまでのアルゴリズムである。本発明に斯かる静電容量検出装置を車両の開錠システムに適用した場合のブロック図である。

符号の説明

１：検出部、１０：制御回路、１１：スイッチ制御手段、１２：カウンター、１３：タイマ、１４：判断回路、１５：安定化検出回路、１６：初期参照値決定回路、１７：差分量演算回路、１８：判定回路、Ｃｘ１：検出電極

Claims

静電容量の変化に基づいて物体の近接を検知する静電容量検出装置において、
静電容量の変化量を検出する検出電極と、
前記検出電極に流れる電流をスイッチ操作によって制御するスイッチ制御手段と、
前記スイッチ制御手段のスイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウンターと、
前記カウンターでカウントされたカウント値が、前記静電容量検出装置が起動してから所定時間経過した後にカウントされた通常カウント値であるか、前記静電容量検出装置が起動してから所定時間経過する前にカウントされた初期カウント値であるかを判断する判断回路と、
該判断回路で初期カウント値であると判断されたカウント値に対する初期参照値を決定する初期参照値決定回路と、
該判断回路で通常カウント値と判断されたカウント値と該カウント値がカウントされるよりも前記所定時間以上前にカウントされたカウント値との差分量を演算し、又は、前記判断回路で初期カウント値と判断されたカウント値と前記初期参照値との差分量を演算する差分量演算回路と、
前記差分量演算回路で演算された差分量とその差分量に対応する閾値との大きさを比較し、比較の結果から物体の近接を判定する判定回路と
を具備することを特徴とする、静電容量検出装置。