JP4971504B2 - 容量的に間隔を検出するためのセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両にあるセンサ装置と対象物との間の間隔を容量的に検出するためのセンサ装置に関するものであり、このセンサ装置は対象物と容量的配置を形成するための電極と、この容量的配置のキャパシタンスに比例する信号を生成する装置とを有する。

この種のセンサ装置は公知である。このセンサ装置は、車両と車両外にある対象物、例えば車両の周囲にある他車との間の間隔測定のために車両で使用される。このために電極が車両に取り付けられており、この電極は（対向電極としての）対象物とともに容量的配置を形成する。この容量的配置のキャパシタンスが検出され、そこからセンサ装置または車両と対象物との間隔が求められる。ここでは電極と対象物との間にある物質、この場合実質的には空気の誘電率が関与する。この種の容量的配置ではそのキャパシタンスが、水と空気の誘電率の差が大きいため、例えば湿度変動または温度変動のような天候の影響を強く受ける。

この誘電率の影響を除去するためにセンサ装置は、対象物と容量的基準配置を形成するための基準電極と、この容量的基準配置のキャパシタンスに比例する基準信号を生成するための別の装置と、信号と基準信号との比を形成することにより間隔を求めるための評価装置とをさらに有する。ここで基準電極は、電極の電極形状とは異なる電極形状を有する。電極形状が異なることによって、容量的基準配置のキャパシタンスと基準電極−対象物間の間隔との関係性は、容量的配置のキャパシタンスと電極−対象物間の間隔との関係性とは異なる。評価装置によって、容量的配置のキャパシタンスＣ_１と容量的基準配置のキャパシタンスＣ_２との比を形成すると、電極と対象物ないし基準電極と対象物との間にある物質の誘電率ε＝ε_０ε_ｒが除去される。この比の間隔関係性は、幾何的大きさと、電極／基準電極と対象物とのそれぞれの間隔だけに依存する。センサ装置はとりわけ車両に配置されたセンサ装置であり、車両と車両外にある対象物との間隔を検出するために用いられる。この車両外にある対象物は、例えば他車である。

本発明の有利な実施形態では、２つの電極（電極または基準電極）の一方がプレート状電極として構成されており、および／または他方の電極がシリンダ状電極として構成されている。プレート状電極とシリンダ状電極の電極形状の差は明白である。シリンダ状電極は例えば相応に形成された導体から形成することができる。プレート状電極／基準電極では、容量的配置／基準配置を近似的にプレートコンデンサと見なすことができる。シリンダ状電極／基準電極では、電極／基準電極と対象物との（シリンダ状電極の半径ｒより格段に大きい）間隔に対する容量的配置／基準配置を近似的にシリンダコンデンサと見なすことができる。有利には２つの電極の一方がプレート状電極として、他方がシリンダ状電極として構成されている。

本発明の有利な実施形態では、信号／基準信号を生成するための装置の少なくとも１つが、信号／基準信号を生成するためのそれぞれ別の装置および評価装置と導電的に分離されている。この導電的分離によって、信号／基準信号の生成を２つの装置で相互に独立して行うことができる。

とりわけ、信号／基準信号を生成するための装置の少なくとも１つが、これに配属された容量的配置／基準配置と共振回路を形成する。ここで有利には、信号／基準信号は共振回路の時定数または周波数である。

有利には信号／基準信号を生成するための装置の少なくとも１つは、他の電位を遮蔽するためのシールド電極を有する。センサ装置が車両に配置されている場合、シールド電極は電極または基準電極を、車両の電位に対して遮蔽する。

さらに有利には、信号／基準信号を生成するための装置は、信号および／または基準信号をデジタル信号として評価装置に出力する。このために信号／基準信号は所属の装置のアナログ／デジタル変換器によってデジタル信号またはデジタル基準信号に変換される。続いてこのデジタル信号／基準信号が評価装置に出力される。デジタル信号／基準信号として出力することにより、導電的分離を簡単かつ確実に実現することができる。

最後に有利には評価装置は、信号と基準信号との比を形成し、この比から間隔を求めるための計算ユニットを有する。

本発明を以下では付属の図面に基づき実施例を参照して詳細に説明する。

センサ装置の概略図である。 電極および基準電極を有する、車両に配置されたセンサ装置と他車とを示す概略図である。

図１は、センサ装置１と、検出領域３内にある対象物２との間隔を容量的に検出するためのセンサ装置を概略的に示す。このセンサ装置は図示しない車両に配置されており、図２に示すようにセンサ装置と、車両外の対象物との間隔を検出するために用いられる。したがって検出領域は車両の外の領域である。センサ装置１は実質的にシリンダ状電極４として構成された電極５と、プレート状電極６として構成された基準電極７を有する。電極５は対象物２と容量的配置８を形成する。この容量的配置は電極５と対象物２との間の電界線により示されている。基準電極７は対象物２と容量的基準配置９を形成し、これも相応の電界線により示されている。容量的配置８と容量的基準配置９とがそれぞれ検出領域３に制限されるようにするため、電極５は第１のシールド電極１０により、基準電極７は第２のシールド電極１１により一部が包囲されている。シールド電極１０，１１は両方の電極５，７を、検出領域３外の電位に対して遮蔽する。電極５は、容量的配置８のキャパシタンスＣ_１に比例する信号を生成する装置１２と接続されている。基準電極７は、容量的基準配置９のキャパシタンスＣ_２に比例する基準信号を生成する装置１３と接続されている。信号Ｉを生成するために装置１２は、本来の信号を生成する測定回路１４（とりわけ共振回路）を有する。この測定回路には容量的配置８が電気的に組み込まれている。本来の信号は引き続きアナログ／デジタル変換器１５に出力され、このアナログ／デジタル変換器１５は本来の信号から相応するデジタル信号Ｉを生成し、評価装置１６に出力する。別の装置が測定回路１７を有し、この測定回路１７には容量的基準配置９が電気的に組み込まれている。測定回路１７によって、容量的基準配置９のキャパシタンスＣ_２に比例する本来の基準信号Ｉ_Ｒが生成される。この本来の基準信号Ｉ_Ｒは、別の装置１３のアナログ／デジタル変換器１８に出力される。アナログ／デジタル変換器１８は、この本来の基準信号Ｉ_Ｒからデジタル基準信号Ｉ_Ｒを生成し、この信号も同様に評価装置１６に出力される。評価装置１６は、信号と基準信号の比を形成し、この比から間隔を求めるための計算ユニット１９を有する。求められた間隔は引き続き出力端２０に出力される。

センサ装置と対象物２との間隔ｄを容量的９に検出するためのこのセンサ装置では次の関数が使用される。電極５と基準電極７の電極形状が異なるため、容量的配置８と容量的基準配置９のキャパシタンスＣ_１、Ｃ_２と距離ｄとの関数関係が異なる。シリンダ状電極４を備える容量的配置（単一導体配置）のキャパシタンスＣ_１は、シリンダコンデンサのキャパシタンスにより近似することができる。この容量的配置のキャパシタンスＣ_１に対しては次式が当てはまる。

容量的基準配置９のキャパシタンスＣ_２はプレートコンデンサのキャパシタンスとして近似することができ、次式が当てはまる。

ここでｌは電極５の長さ、ｒは電極５の半径、そしてｄは対象物２の表面までの間隔である。プレートコンデンサでは、Ａが作用する電極面積、ｄがプレート間隔である。さらに電界定数ε_０と誘電率ε_ｒが式１と２に入り込む。誘電率ε_ｒは、電極／基準電極５，７と対象物２との間にある物質の特徴的な材料定数である。センサ装置１が、このセンサ装置１と車両の外にある対象物２との間隔測定に使用される場合、容量的配置および容量的基準配置８，９のキャパシタンスは、水の誘電率が空気の誘電率に対して格段に大きいため天候の影響、例えば湿度変動および温度変動の影響を受ける。異なる電極形状に構成された電極５と基準電極７により測定することによって、この天候への依存性を除去することができる。

キャパシタンスＣ_１、Ｃ_２の測定は測定回路１４，１７によって、例えば時定数としての立上がり時間を測定することにより行われる。ここでキャパシタンスＣ_１、Ｃ_２の測定、およびこのキャパシタンスＣ_１、Ｃ_２に比例する信号Ｉ、Ｉ_Ｒの生成は相互に独立して行わなければならない。このことはアナログ／デジタル変換器１５、１８によって導電分離することにより達成される。これらのアナログ／デジタル変換器の出力信号は電極５および基準電極７の電位には依存しない。アナログ／デジタル変換器１５、１８の出力信号（デジタル信号とデジタル基準信号）は評価装置１６に出力され、この評価装置は信号と基準信号の比（Ｃ_１／Ｃ_２）を形成する。この商形成により、天候に依存する誘電率ε_ｒを消去することができる。以下の間隔依存性ｑ（ｄ）が得られ、この間隔依存性は幾何的大きさと、電極５，７と対向電極としての対象物の表面との間隔ｄにだけ依存する。

図２は、電極５と基準電極７を備えるセンサ装置１を車両２１に取り付けるための実施形態を示す。容量的配置８と容量的基準配置９の相応の対向電極は、他車２２である対象物により形成される。電極５，７を車両２１のアースに対して遮蔽するためのシールド電極は図示されていない。間隔ｄを連続的に、または時間間隔をおいて検出することにより、対象物２のセンサ装置１に対する相対速度を求めることができる。図２のセンサ装置１の配置は車両２１の側面領域であり、車両２１に向かって運動する（矢印２３）他車２２との衝突を、本来の衝突の前に明白に検知するために使用することができ、例えば車両２１の乗客２４を保護するための措置を執ることができる。

Claims (8)

1. 車両に配置されたセンサ装置と対象物との間の間隔を容量的に検出するためのセンサ装置であって、該センサ装置は対象物と容量的配置を形成するための電極と、該容量的配置のキャパシタンスに比例する信号を生成する装置とを有する形式のセンサ装置において、
   対象物（２）と容量的基準配置（９）を形成するための基準電極（７）と、
   該容量的基準配置（９）のキャパシタンス（Ｃ_２）に比例する基準信号（Ｉ_Ｒ）を生成する装置（１３）と、
   前記信号（Ｉ）と基準信号（Ｉ_Ｒ）の比を形成することにより前記間隔（ｄ）を求めるための評価装置（１６）とを有し、
   前記基準電極（７）は、前記電極（５）の電極形状とは異なる電極形状を有する、ことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記対象物（２）は、前記車両（２１）の外にある対象物（２）であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記２つの電極（５，７）の一方がプレート状電極（６）として構成されており、前記２つの電極（５，７）の他方がシリンダ状電極（４）として構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ装置。
4. 前記装置（１２，１３）の少なくとも１つは、それぞれ他方の装置（１２，１３）および評価装置（１６）から導電分離されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
5. 前記装置（１２，１３）の少なくとも１つは、これに所属する容量的構成体／基準構成体（８，）と共振回路を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記装置（１２，１３）の少なくとも１つは、他の電位を遮蔽するためのシールド電極（１０，１１）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記装置（１２，１３）は信号（Ｉ）および基準信号（Ｉ_Ｒ）をデジタル信号として評価装置（１６）に出力することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記評価装置（１６）は、比を形成し、間隔（ｄ）を求めるための計算ユニット（１９）を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ装置。

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