JP5051459B2

JP5051459B2 - 静電容量式障害物センサ及び当該障害物センサを備えた開閉システム

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Publication number: JP5051459B2
Application number: JP2008074647A
Authority: JP
Inventors: 加藤　　学
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009228294A

Description

本発明は、車両の開口部において障害物を検出する静電容量式障害物センサに関する。

従来、車両の自動開閉式の電動スライドドアなどの自動開閉システムが実用化されている。このような自動開閉システムは、ドアとドア枠との間に人体や衣服が挟み込まれて人体に衝撃が加わったり、ドアとドア枠との間にその他の物体が挟み込まれて当該自動開閉システムを損傷したりする可能性を有している。そこで、ドアに接触したり、ドアとドア枠との間に存在したりする人体等の障害物を検出するために、障害物センサを搭載した自動開閉システムが提案されている。障害物センサとしては、下記に出典を示す特許文献１や２に記載された静電容量検出回路を用いた静電容量式障害物センサが知られている。

しかし、静電容量式障害物センサは、閉まる間際でドアとドア枠とが近接して対向する際に、障害物が有る場合と同じ検出結果を出力する可能性がある。この可能性に鑑みて、下記に出典を示す特許文献３には、ドアの位置に応じて障害物センサの感度を変える車両用自動開閉装置が提案されている。具体的には、ドアが閉まる間際で障害物センサの感度が下げられる。

一方、下記に出典を示す特許文献４には、閉まる間際において障害物センサの感度を下げることなく、ドアが閉まる際の全行程において良好に障害物を検出可能な障害物検出装置の技術が記載されている。具体的には、可動するドア側に静電容量センサが備えられ、固定されたドア枠のドアと対向する側に遮蔽電極が備えられる。そして、センサ電極と遮蔽電極とに略同一の電位が印加される。これにより、センサ電極と遮蔽電極との間に形成される静電容量が等価的に打ち消され、ドア枠が障害物として検出されることが抑制される。但し、センサ電極と遮蔽電極とが非常に近接すると両電極による電界が重畳される。この時、両電極が略同電位の印加を受けていると、両電極に挟まれた空間は等電位化され、この空間に障害物が存在しても静電容量に変化が生じなくなる。そこで、センサ電極近傍の電界が所定の設定レベルに保たれるように、遮蔽電極への印加電圧が可変制御される。これにより、両電極に挟まれた空間に電界強度勾配が形成されて、当該空間に存在する障害物の検知感度が確保される。

特開２００５−１０６６６５（第３２〜３７段落等）特開２００３−０７５４８１（第１５〜２２段落等）特開２００７−０２３５８５（第２５〜２７段落等）特開２００５−２４０４２８（第９〜２０、３７〜４０段落等）

特許文献４に記載された障害物検出装置は、ドアが閉まる際の全行程において良好に障害物を検出可能な優れたものである。しかし、障害物検出装置が、ドアの位置に応じて遮蔽電極の印加電圧を可変制御するには、ドアとドア枠との位置関係、即ちドアの位置を検出する必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、車両の開口部における障害物及び開閉体の位置を良好に検出可能な静電容量式障害物センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る静電容量式障害物センサの特徴構成は、
車両に設けられた開口部を開閉可能な開閉体の開口側の開閉体端部と、前記開閉体により前記開口部が閉じられる際に当該開閉体端部と当接する枠体端部との何れか一方に設けられ、前記開閉体端部と前記枠体端部との間に存在する障害物との間の静電容量を検出する検出電極と、
前記開閉体端部及び前記枠体端部の他方に設けられ、当該他方の端部を前記検出電極から遮蔽する遮蔽電極と、
第１判定期間において、交流の基準電圧の印加又はスイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される前記検出電極の電圧と略同一の電圧を前記遮蔽電極に印加して、前記開閉体端部と前記枠体端部との間に前記障害物が存在するか否かを判定すると共に、
前記第１判定期間と重複しない第２判定期間において、前記検出電極の電圧に拘わらず一定の直流電圧又は前記検出電極の電圧の逆位相の交流電圧を前記遮蔽電極に印加し、前記検出電極と前記遮蔽電極との間の静電容量に基づいて前記開閉体端部と前記枠体端部との距離を判定する制御部と、
を有する点にある。

この特徴構成によれば、制御部は、第１判定期間において開閉体端部と枠体端部との間に障害物が存在するか否かを判定すると共に、第２判定期間において開閉体端部と枠体端部との距離を判定する。第１判定期間では、遮蔽電極と検出電極との電位を略同一とすることで、遮蔽電極が備えられる側の端部が障害物として誤検出される可能性を大きく抑制させている。また、第２判定期間では、遮蔽電極と検出電極との電位を異ならせることによって、遮蔽電極と検出電極との間に形成される静電容量を精度良く検出できるようにしている。従って、本特徴構成によれば、開閉体端部と枠体端部との間、即ち車両の開口部における障害物の存否、並びに、固定された開閉体端部に対する枠体端部の位置、即ち開閉体の位置を良好に検出することができる。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、前記制御部が、前記第１判定期間と前記第２判定期間とを交互に繰り返すと好適である。

第１判定期間と第２判定期間とが交互に繰り返されることにより、開閉体が動く全期間に亘って安定的に障害物の有無と距離とが検出される。第２判定期間における判定では、時間の経過と共に開閉体端部と枠体端部との距離が短く検出される。第１判定期間と第２判定期間とが交互に繰り返されることにより、制御部は、断続的に判定される開閉体端部と枠体端部との距離に基づいて開閉体の進行状態を把握することができる。開口部が閉じられる際に障害物が存在しない場合、例えば、開閉体やロック機構を駆動するアクチュエータを制御する任意の制御装置は、開閉体の進行状態や位置に基づいて、閉まり際の制御を実施することができる。ここで、閉まり際の制御とは、開閉体の減速・停止やロック機構の駆動などである。一方、開口部が閉じられる際に障害物が存在する場合には、交互に繰り返される第１判定期間において障害物が検出される。多くの場合、障害物が検出されると上記任意の制御装置は、開閉体を反転させて開口部を開状態にする。従って、閉まり際の制御は実行されず、安全性が確保される。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、前記制御部が、前記第１判定期間において、前記検出電極の電圧変動に追従する電圧を前記遮蔽電極に印加すると好適である。また、ここで、前記遮蔽電極が、前記第１判定期間において、バッファを介して前記検出電極と接続されると好適である。

検出電極は、交流の基準電圧の印加又はスイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される。遮蔽電極は、検出電極の電圧と略同一の電圧を印加されることによって、枠体端部を静電遮蔽する。ここで、検出電極の電圧変動に追従する電圧を遮蔽電極に印加すると、遮蔽電極には検出電極の電圧と略同一の電圧が印加されることとなり、枠体端部が良好に静電遮蔽される。尚、遮蔽電極が、バッファを介して検出電極と接続されると、遮蔽電極へ印加される電圧は、良好に検出電極の電圧変動に追従する。バッファは、高入力インピーダンス且つ低出力インピーダンスの回路素子であるから、検出電極の電圧にほとんど影響を与えることなく、その電圧変動を遮蔽電極に伝達することが可能である。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、前記制御部が、前記検出電極を第１電圧と前記第１電圧とは異なる第２電圧とに交互に接続させるスイッチトキャパシタ制御により、前記検出電極を一方の電極とするコンデンサの静電容量を検出するものであるときは、以下のように構成されると好適である。即ち、前記制御部は、前記第１判定期間において、前記検出電極が前記第１電圧と前記第２電圧とに交互に接続されるスイッチングタイミングに同期して、前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に略等しい電位差を有する第３電圧と第４電圧とに、前記遮蔽電極を交互に接続させると好適である。

検出電極は、スイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御され、遮蔽電極は、検出電極の電圧と略同一の電圧を印加されることによって、枠体端部を静電遮蔽する。ここで、直流成分を除いた交流成分が略同一の電圧であれば問題なく静電遮蔽の効果を得ることができる。上記構成によれば、検出電極に対するスイッチングタイミングに同期して遮蔽電極がスイッチングされるので、交流成分の周波数は略同一となる。また、第１電圧と第２電圧との電位差、第３電圧と第４電圧との電位差が略等しいので、交流成分の波高（peak to peak）は略同一となる。従って、検出電極と遮蔽電極とに略同一の交流成分の電圧が印加されることとなり、枠体端部が良好に静電遮蔽される。

また、本発明に係る車両の開閉システムは、上記何れかの構成の静電容量式障害物センサを備えて構成される。

開閉システムは、当該静電容量式障害物センサを備えることにより、開閉体の進行状態や位置に基づいて、閉まり際の制御など実施することができる。また、開口部が閉じられる際に障害物が存在する場合には、障害物が検出され、例えば、開閉体を反転させて開口部を開状態にすることができる。

〔概要〕
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の障害物センサ（静電容量式障害物センサ）が搭載される車両１の一例を模式的に示す側面図である。図２は、図１の車両１の開口部２における障害物センサの構成例を模式的に示す説明図である。以下に示す種々の実施形態においては、車両に設けられた開口部として、図１に示すようなスライドドアを例として説明する。しかし、本発明における「車両に設けられた開口部」は、スライドドアに限定されるものではなく、スイングタイプのドア、バックドア、窓、サンルーフ等も含むものである。

図１に示すように、車両１は、スライドドア（開閉体）３とドア枠（枠体）４とを有している。スライドドア３は、車両の乗降口である開口部２を開閉可能な開閉体であり、開口部２が閉状態においては開口部２の側のドア端部（開閉体端部）２ａとドア枠４の枠体端部４ａとが当接する。

図２に示すように、スライドドア３のドア端部３ａには、検出電極５が備えられている。検出電極５は、後述するように、開口部２に存在する人体等の導電性の障害物９との間に形成されるコンデンサ８の検出容量Ｃｓを検出する電極である。障害物９が人体のように充分に大きい物体である場合、接地されていなくても交流的にグラウンドとみなすことができる。スライドドア３と検出電極５との間には、絶縁層５３を介してガードリング６が設けられている。ガードリング６は、検出電極５の寄生容量を低減するために配置される導電性の電極であり、検出電極５よりも広い電極であると好適である。

開口部２が閉じられる際にドア端部３ａと当接するドア枠４の枠体端部４ａには、絶縁層５４を挟んで遮蔽電極７が設けられている。遮蔽電極７は、開閉部２が閉じられる際に検出電極５に近接する枠体端部４ａを検出電極５から静電遮蔽することにより、枠体端部４ａが障害物９として検出されることを抑制するために設けられる。尚、図２に示した例では、ドア端部３ａに検出電極５が設けられ、枠体端部４ａに遮蔽電極７が設けられる場合を例示したが、ドア端部３ａに遮蔽電極７が設けられ、枠体端部４ａに検出電極５が設けられる構成であってもよい。

〔第１実施形態〕
図３は、第１実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。検出電極５には、値Ｚ０が既知のインピーダンス１７を介して交流電源１８から所定の基準電圧Ｖｉｎが印加される。上述したように、障害物９は交流的にグラウンドと見なすことができるので、値Ｚ０が既知のインピーダンス１７と検出容量Ｃｓのコンデンサ８との直列インピーダンスに対して交流の基準電圧Ｖｉｎが印加される。後述する制御部１１は、交流の基準電圧Ｖｉｎと検出電極５との電圧を比較することにより、検出容量Ｃｓを求める。

検出電極５の電圧Ｖ１は、ボルテージフォロワなどのバッファ３０によりインピーダンス変換されて図３に示すノードＡに出力され、ガードリング６に接続される。また、ノードＡは、スイッチＳ５が開状態且つスイッチＳ４が閉状態において遮蔽電極７に接続される。バッファ３０は高入力インピーダンス、低出力インピーダンスの素子である。従って、遮蔽電極７は、検出電極５の電圧Ｖ１にほとんど影響を与えることなく、スイッチＳ４を介して検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧を印加されることができる。つまり、遮蔽電極７は、後述する第１判定期間において検出電極５の電圧Ｖ１の変動に追従する電圧を印加されることができる。

一方、遮蔽電極７は、スイッチＳ４が開状態且つスイッチＳ５が閉状態において、検出電極５の電圧Ｖ１に拘わらず一定の直流電圧Ｇを印加されることもできる。つまり、遮蔽電極７は、後述する第２判定期間において、一定の直流電圧Ｇを印加されることができる。本実施形態では、この一定の直流電圧Ｇはグラウンドであるが、他の電圧値であってもよい。

制御部１１は、コンパレータやマイクロコンピュータ、その他の論理ＩＣなどを有して構成される電子回路により実現される機能部である。制御部１１は、スイッチＳ４とスイッチＳ５とを排他的に接続状態（閉状態）とすることによって、遮蔽電極７に検出電極５の電圧Ｖ１又は直流電圧Ｇを印加する。スイッチＳ４及びＳ５は、アナログスイッチを用いると好適である。制御部１１は、スイッチＳ４を制御する制御信号Ｃ４、スイッチＳ５を制御する制御信号Ｃ５を生成し、両スイッチに対して出力して、両スイッチを排他的に接続状態に制御する。尚、スイッチＳ４とスイッチＳ５とは、同時に開状態となることはあっても、同時に閉状態となることが無いように、制御部１１により制御される。

制御部１１は、第１判定期間において、スイッチＳ４を閉状態に制御し、スイッチＳ５を開状態に制御する。これによって、交流の基準電圧Ｖｉｎの印加により交流成分を有する電圧に制御される検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧が遮蔽電極７に印加される。一方、制御部１１は、第１判定期間と重複しない第２判定期間において、スイッチＳ４を開状態に制御し、スイッチＳ５を閉状態に制御する。これによって、検出電極５の電圧Ｖ１に拘わらず一定の直流電圧Ｇが遮蔽電極７に印加される。

また、制御部１１は、第１判定期間と第２判定期間とにおいて異なる事象を判定する。具体的には、第１判定期間において、ドア端部３ａと枠体端部４ａとの間に障害物９が存在するか否かを判定する。上述したように、第１判定期間においては、ドア端部３ａの検出電極５と、枠体端部４ａの遮蔽電極７とは略同一の交流電位を有している。従って、検出電極５から見て枠体端部４ａは静電遮蔽される。つまり、制御部１１により枠体端部４ａが障害物として検出される可能性を抑制して、開閉部２に存在する障害物９を良好に検出することができる。

障害物９は、障害物９と検出電極５との間に形成されるコンデンサ８の検出容量Ｃｓに基づいて、その存否が判定される。但し、遮蔽電極７と検出電極５との間にもコンデンサ（不図示）が形成され、このコンデンサは、検出電極５と障害物９との間に形成されるコンデンサ８と並列の関係となる。従って、コンデンサ８の検出容量Ｃｓを求める際に誤差を生じる要因となる。しかし、上述したように第１判定期間において、遮蔽電極７と検出電極５との電圧は略同一であるから、遮蔽電極７と検出電極５との間に形成されるコンデンサにおける電荷の移動はほとんど生じない。一方、障害物９はグラウンド電位とほぼ等価であるから、コンデンサ８における電荷の移動が主たる電荷移動となる。従って、コンデンサ８の検出容量Ｃｓを求める際に誤差を生じる要因が抑制され、障害物９の検出精度が向上する。

第２判定期間においては、ドア端部３ａの検出電極５は交流の基準電圧Ｖｉｎの印加により交流成分の電圧Ｖ１を有しているが、枠体端部４ａの遮蔽電極７は検出電極５の電圧Ｖ１に拘わらず一定の直流電圧Ｇを有している。これによって、遮蔽電極７と検出電極５との間に形成される不図示のコンデンサにおける電荷移動が生じる。このコンデンサの静電容量は、遮蔽電極７と検出電極５との距離に依存するから、制御部１１は、枠体端部４ａとドア端部３ａとの距離を良好に検出することができる。

第１判定期間と第２判定期間とは、制御部１１によって、所定の周期で繰り返し設けられる。つまり、障害物９を検出する判定期間と、枠体端部４ａとドア端部３ａとの距離を検出する判定期間との２つの事象を検出する判定期間が交互に設けられる。従って、１つの障害物センサにより複数の事象を良好に検出することができる。尚、この繰り返しは、１周期ごとの繰り返しに限定されるものではない。つまり、第１判定期間と第２判定期間とを、それぞれ１周期ずつ交互に繰り返すことには限定されない。それぞれの判定期間を複数周期ずつ交互に繰り返してもよいし、第１判定期間と第２判定期間とで連続して実施する周期を異ならせてもよい。また、第１判定期間と第２判定期間との周期が異なっていてもよい。

また、制御部１１は、各第１判定期間及び各第２判定期間における判定結果を記憶する記憶部を有していると好ましい。記憶部は、メモリやレジスタで構成される。メモリやレジスタは、特に不揮発性である必要はなく一時記憶手段としての機能を有していれば充分である。制御部１１は、現判定期間の前の判定期間の検出結果も利用して、障害物９や距離を検出することができる。

例えば、現在の第１判定期間の検出容量Ｃｓと、それより前の第１判定期間の検出容量Ｃｓとの比較結果も勘案して障害物９の有無を判定すると、より正確な判定が可能となる。また、第２判定期間における判定では、時間の経過と共にドア端部３ａと枠体端部４ａとの距離が短く検出されるので、距離の算出精度が向上する。第１判定期間と第２判定期間とが交互に繰り返される場合、制御部１１は、断続的に判定されるドア端部３ａと枠体端部４ａとの距離に基づいてスライドドア３の進行状態を把握することもできる。また、一つ前の第２判定期間に検出された距離と現第２判定期間に検出された距離との差を逐次演算し、記憶しておくことで、急激にドア端部３ａと枠体端部４ａとの距離が変化するような事象も検出することができる。そして、急激に距離が縮まったような場合には、障害物９が開閉部２に出現した可能性が高く、次の第１判定期間に至る前に障害物９の存在を予測、あるいは検出することができる。

制御部１１により判定された障害物９の有無の検出結果、及び枠体端部４ａとドア端部３ａとの距離の検出結果は、結果情報ＤとしてドアＥＣＵ１９などの任意のドア制御装置に出力される。ドアＥＣＵ１９は、スライドドア３を駆動するモータなどのアクチュエータや、ロック機構を駆動するモータやソレノイドなどのアクチュエータを制御する。即ち、ドアＥＣＵ１９は、スライドドアシステム（開閉システム）の中核となる機能部である。例えば、ドアＥＣＵ１９がスライドドア３を閉じる方向にモータを駆動している際に、障害物９が検出されたとの結果情報Ｄを受け取ると、ドアＥＣＵ１９はモータを減速あるいは停止、又は反転させる。また、障害物９が検出されることなく、閉まり際に達したとの結果情報Ｄを受け取ると、ドアＥＣＵ１９はモータを減速あるいは停止させ、ロック機構等を駆動する。

上述したように、第１判定期間と第２判定期間とが繰り返し実施されることにより、スライドドア３が動く全期間に亘って安定的に障害物９の有無又は枠体端部との距離が検出される。開口部２が閉じられる際に障害物９が存在しない場合、ＥＣＵ１９は、上述したように、スライドドア３の進行状態や位置に基づいて、閉まり際の制御を実施することができる。一方、開口部２が閉じられる際に障害物９が存在する場合には、ＥＣＵ１９は、例えばスライドドア３を反転させて開口部２を開状態にする。従って、閉まる動作は実行されず、安全性が確保される。

〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。制御部１１の結果情報Ｄを受けてドアＥＣＵ１９がスライドドア３を制御する点については第１実施形態と同様であるので、第２実施形態以降、ドアＥＣＵ１９の図示及び説明は省略する。

第２実施形態では、スイッチＳ１及びスイッチＳ２と、検出容量Ｃｓを有するコンデンサ８からなるスイッチトキャパシタ抵抗により、基準容量Ｃ０を充電する際の時定数から検出容量Ｃｓを求める。スイッチＳ１、スイッチＳ２、及び後述するスイッチＳ３は、アナログスイッチなどで構成される。スイッチＳ１〜Ｓ３は、それぞれ制御部１１が有する制御回路１３が生成し、各スイッチへ出力する制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３により開閉制御（スイッチング制御）される。尚、制御回路１３は、マイクロコンピュータや論理ＩＣなどによって構成される。スイッチＳ１〜Ｓ３及び制御回路１３に関する上記説明は、以下に示す第３実施形態以降においても同様である。

第１判定期間及び第２判定期間の開始時に、制御部１１は、スイッチＳ３を短時間、閉状態に制御して基準容量Ｃ０を有するコンデンサ２１を放電させる。次に、制御部１１は、スイッチＳ３を開状態として、スイッチトキャパシタ制御を実施する。つまり、制御部１１は、スイッチＳ１とスイッチＳ２とを排他的に閉状態に制御する。尚、スイッチＳ１とスイッチＳ２とは、同時に開状態となることはあっても、同時に閉状態となることが無いように、制御部１１により制御される。

コンデンサ８の検出容量Ｃｓは、基準容量Ｃ０へと充電されていき、スイッチＳ１の一端に接続されたコンデンサ２１の端子の電圧は、放電時の電圧Ｖ＋から低下していく。この端子の電圧は、制御部１１のコンパレータ１２の反転入力端子Ｖｉｎ−に入力され、非反転入力端子Ｖｉｎ＋に入力される基準電圧ｒｅｆと比較される。そして、反転入力端子Ｖｉｎ−の電圧が基準電圧ｒｅｆに達するまでの経過時間や、スイッチＳ１及びＳ２のスイッチング回数（経過時間とほぼ等価）から時定数が演算され、検出容量Ｃｓが求められる。尚、遮蔽電極７と検出電極５との間に形成される不図示のコンデンサに形成される静電容量が、第２判定期間に求められるが、この静電容量も同様にして求められる。

上述したようにして静電容量を求める過程において、検出電極５の電圧Ｖ１は、交流成分を有して変動する。第１実施形態と同様に、検出電極５の電圧Ｖ１は、ボルテージフォロワなどのバッファ３０によりインピーダンス変換されて図４に示すノードＡに出力され、ガードリング６に接続される。また、ノードＡは、スイッチＳ５が開状態且つスイッチＳ４が閉状態において遮蔽電極７に接続される。バッファ３０は高入力インピーダンス、低出力インピーダンスの素子である。従って、遮蔽電極７は、検出電極５の電圧Ｖ１にほとんど影響を与えることなく、スイッチＳ４を介して検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧を印加されることができる。つまり、遮蔽電極７は、第１判定期間において検出電極５の電圧Ｖ１の変動に追従する電圧を印加されることができる。

一方、遮蔽電極７は、第１実施形態と同様に、スイッチＳ４が開状態且つスイッチＳ５が閉状態において、検出電極５の電圧Ｖ１に拘わらず一定の直流電圧Ｇを印加されることもできる。つまり、遮蔽電極７は、第２判定期間において、一定の直流電圧Ｇを印加されることができる。本実施形態では、この一定の直流電圧Ｇはグラウンドであるが、他の電圧値であってもよい。

第１実施形態と同様に、制御部１１は、第１判定期間において、スイッチＳ４を閉状態に制御し、スイッチＳ５を開状態に制御する。これによって、スイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧が遮蔽電極７に印加される。一方、制御部１１は、第１判定期間と重複しない第２判定期間において、スイッチＳ４を開状態に制御し、スイッチＳ５を閉状態に制御する。これによって、検出電極５の電圧Ｖ１に拘わらず一定の直流電圧Ｇが遮蔽電極７に印加される。尚、スイッチＳ４とスイッチＳ５とは、同時に開状態となることはあっても、同時に閉状態となることが無いように、制御部１１により制御される。

第１実施形態と同様に、制御部１１は、スイッチＳ４及びスイッチＳ５を上記のように制御することによって、第１判定期間と第２判定期間とにおいて異なる事象を判定する。具体的には、第１判定期間において、制御部１１は、ドア端部３ａと枠体端部４ａとの間に障害物９が存在するか否かを判定する。第２判定期間において、制御部１１は、枠体端部４ａとドア端部３ａとの距離を検出することができる。第１判定期間及び第２判定期間における具体的な検出原理については、第１実施形態において説明した通りであるので、詳細な説明を省略する。また、第１判定期間と第２判定期間とは、交互に繰り返し実施されるが、その詳細についても第１実施形態において説明した通りであるので、詳細な説明を省略する。

〔第３実施形態〕
図５は、第３実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。また、図６は、第３実施形態の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャートである。図６において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間、及び時刻ｔ３以降の期間は、第１判定期間に相当する。また、時刻ｔ１までの期間、及び時刻ｔ２〜ｔ３の期間は、第２判定期間に相当する。第２実施形態と同様に、第３実施形態においても、スイッチトキャパシタ制御を用いて検出容量Ｃｓを求める。第３実施形態では、スイッチＳ１及びスイッチＳ２と、検出容量Ｃｓを有するコンデンサ８からなるスイッチトキャパシタ抵抗により、基準容量Ｃ０を充電する際の速さから検出容量Ｃｓを求める。

第３実施形態において、基準容量Ｃ０を有するコンデンサ２２は、オペアンプ２０の出力端子と反転入力端子との間に接続されている。コンデンサ２２に並列して、スイッチＳ３が備えられている。また、検出電極５は、スイッチＳ２を介してオペアンプ２０の反転入力端子に接続され、スイッチＳ１を介して直流電圧Ｖ＋（例えば電源電圧）に接続されている。また、オペアンプ２０の非反転入力端子は、直流電圧Ｖ２に接続されている。

第１判定期間及び第２判定期間の開始時に、制御部１１は、スイッチＳ３を短時間、閉状態に制御して基準容量Ｃ０を有するコンデンサ２２を放電させる。次に、制御部１１は、スイッチＳ３を開状態として、スイッチトキャパシタ制御を実施する。つまり、制御部１１は、スイッチＳ１とスイッチＳ２とを排他的に閉状態に制御する。尚、図６に示すように、スイッチＳ１とスイッチＳ２とは、同時に開状態となることはあっても、同時に閉状態となることが無いように、制御部１１により制御される。

スイッチＳ１とスイッチＳ２とのスイッチングにより、コンデンサ８の検出容量Ｃｓは、基準容量Ｃ０を有するコンデンサ２２へと充電されていく。このスイッチングに伴って、コンデンサ２２の制御部１１側の端子の電圧、即ち、制御部１１のコンパレータ１２の反転入力端子に入力される電圧Ｖｉｎ−は、図６に示すように、放電時の電圧Ｖ２から低下していく。反転入力端子に入力される電圧Ｖｉｎ−は、コンパレータ１２の非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖ３（ｒｅｆ）と比較される。そして、当該端子の電圧Ｖｉｎ−が基準電圧ｒｅｆに達するまでのスイッチＳ１及びＳ２のスイッチング回数（経過時間）から、充電の速さが演算され、検出容量Ｃｓが求められる。

図６に示すように、検出電極５の電圧Ｖ１は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２を用いたスイッチトキャパシタ制御により、電圧Ｖ＋（第１電圧）とＶ２（第２電圧）との間で交流成分を有して変動する。スイッチＳ２が閉状態となった場合、検出電極５はオペアンプ（演算増幅器）２０の反転入力端子に接続される。当該オペアンプ２０の非反転入力端子は電圧Ｖ２に固定されているので、バーチュアルショート（virtual short）により反転入力端子の電圧もＶ２となり、検出電極５の電圧Ｖ１もＶ２となる。一方、スイッチＳ１が閉状態となった場合には、検出電極５は電圧Ｖ＋に接続される。従って、排他的にスイッチングされるスイッチＳ１とスイッチＳ２とにより、検出電極５は電圧Ｖ＋とＶ２との間で交流成分を有して変動する。

一方、上記第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、第３実施形態では、検出電極５に印加される電圧の交流成分がガードリング６及び遮蔽電極７を介して検出電極５に戻るループが形成されない。但し、電圧Ｖ＋とＶ２との間で交流成分を有して変動する検出電極５と同様に、電圧Ｖ＋とＶ２との間で交流成分を有して変動する電圧が、ガードリング６及び遮蔽電極７に印加可能に構成される。つまり、互いに排他的に閉状態に制御され、閉状態において電圧Ｖ＋に接続されるスイッチＳ６、及び閉状態において電圧Ｖ２に接続されるスイッチＳ７に、ガードリング６及びノードＡが接続される。ノードＡと遮蔽電極７とは、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、閉状態のスイッチＳ４を介して接続される。尚、スイッチＳ６及びスイッチＳ７も、アナログスイッチで構成され、制御部１１（制御回路１３）により生成される制御信号Ｃ６及びＣ７によって開閉制御される。以下の実施形態においても同様である。

このように、ガードリング６及び遮蔽電極７は、検出電極５に現れる交流成分と同様の電圧成分、即ち電圧Ｖ＋とＶ２との間で振動する電圧成分を有する交流電圧を印加可能に構成される。さらに、スイッチＳ１の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ６が閉から開へ遷移し、スイッチＳ６の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ７が開から閉へ遷移し、スイッチＳ２の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ７が閉から開へ遷移し、スイッチＳ７の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ６が開から閉へ遷移する。つまり、スイッチ６及びスイッチ７は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２のスイッチングタイミングにほぼ同期してスイッチングする。従って、ノードＡに現れる交流電圧は、検出電極５に現れる交流電圧と周波数及び振幅が略同一となる。上述したように、ノードＡに現れる交流電圧の電圧成分は、検出電極５に現れる交流電圧と同じ周期で振幅が等しい。従って、ノードＡに現れる交流電圧と、検出電極５に現れる交流電圧とは、電圧成分、周波数が略同一となる。つまり、ノードＡに現れる交流電圧と、検出電極５に現れる交流電圧とは、略同一の電圧といえる。

ノードＡの電圧は、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、スイッチＳ５と排他的に閉状態となるスイッチＳ４が閉状態となることによって、遮蔽電極７に印加される。ノードＡは、検出電極５とは接続されていないので、遮蔽電極７は、検出電極５の電圧Ｖ１に影響を与えることなく、スイッチＳ４を介して検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧を印加される。

また、遮蔽電極７は、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、スイッチＳ５を介して一定の直流電圧Ｇを印加されることもできる。第３実施形態においても、この一定の直流電圧Ｇはグラウンドであるが、他の電圧値であってもよい。

上記両実施形態と同様に、制御部１１は、図６に示す時刻ｔ１からｔ２の第１判定期間において、スイッチＳ４を閉状態に制御し、スイッチＳ５を開状態に制御する。これによって、スイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧が遮蔽電極７に印加される。一方、制御部１１は、第１判定期間と重複しない図６に示す時刻ｔ２からｔ３の第２判定期間において、スイッチＳ４を開状態に制御し、スイッチＳ５を閉状態に制御する。これによって、一定の直流電圧Ｇが遮蔽電極７に印加される。

〔第４実施形態〕
図７は、第４実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。ここでは、図３、図４、図５に示した各回路構成のノードＡ近傍の回路のみを示している。上記第１実施形態〜第３実施形態においては、第２判定期間において遮蔽電極７に一定の直流電圧Ｇを印加する例を示した。しかし、これに限らず、ガードリング６に印加される交流電圧の交流成分を反転させた交流電圧が遮蔽電極７に印加されてもよい。図７に示すように、カップリングコンデンサ３２及び入力抵抗３３を介してノードＡの電圧がオペアンプ３１の反転入力端子に入力されて反転増幅回路が構成される。符号３４は反転増幅回路の帰還抵抗であり、符号Ｖｃは、反転増幅回路の基準電位である。反転増幅回路の出力は、スイッチＳ５を介して遮蔽電極７に印加される。

これを第１実施形態の構成に適用すれば、第２判定期間における検出電極５を介して流れる交流電流成分が大きくなり、検出電極５と遮蔽電極７との間の静電容量の検出感度が向上する。その結果、ドア枠３ａと枠体端部４ａとの距離の検出精度が向上する。また、第２実施形態及び第３実施形態の構成に適用すれば、第２判定期間におけるスイッチトキャパシタ抵抗により基準容量Ｃ０へ充電される１サイクル当たりの電荷が大きくなる。その結果、検出電極５と遮蔽電極７との間の静電容量の検出感度が向上し、ドア枠３ａと枠体端部４ａとの距離の検出精度が向上する。

〔第５実施形態〕
図８は、第５実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。また、図９は、第５実施形態の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャートである。第５実施形態も、第２実施形態及び第３実施形態と同様に、スイッチトキャパシタ制御を用いて検出容量Ｃｓを求めるものである。スイッチＳ１及びスイッチＳ２と、検出容量Ｃｓを有するコンデンサ８からなるスイッチトキャパシタ抵抗により、基準容量Ｃ０を充電する際の速さから検出容量Ｃｓが求められる。スイッチトキャパシタの原理は、第３実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第３実施形態と同様、図９に示すように、検出電極５の電圧Ｖ１は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２を用いたスイッチトキャパシタ制御により、電圧Ｖ＋（第１電圧）とＶ２（第２電圧）との間で交流成分を有して変動する。

第５実施形態では、第３実施形態と同様に、上記第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、検出電極５に印加される電圧の交流成分がガードリング６及び遮蔽電極７を介して検出電極５に戻るループが形成されない。さらに、第３実施形態とは異なり、ノードＡの電圧は、検出電極５と同様の電圧である電圧Ｖ＋とＶ２との間では変動しない。第５実施形態においては、ノードＡの電圧は、電圧Ｖ４（第３電圧）とＶ５（第４電圧）との間で変動する。つまり、互いに排他的に閉状態に制御され、閉状態において電圧Ｖ４に接続されるスイッチＳ６、及び閉状態において電圧Ｖ５に接続されるスイッチＳ７に、ノードＡ及びガードリング６が接続される。ノードＡと遮蔽電極７とは、上記各実施形態と同様に、閉状態のスイッチＳ４を介して接続される。

スイッチ６及びスイッチ７は、第３実施形態と同様に、スイッチＳ１の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ６が閉から開へ遷移し、スイッチＳ６の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ７が開から閉へ遷移し、スイッチＳ２の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ７が閉から開へ遷移し、スイッチＳ７の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ６が開から閉へ遷移すればよい。つまり、スイッチ６及びスイッチ７は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２のスイッチングタイミングにほぼ同期してスイッチングする。従って、ノードＡに現れる交流電圧は、検出電極５に現れる交流電圧と周波数及び位相が略同一となる。ここで、電圧Ｖ４とＶ５との電位差と、電圧Ｖ＋とＶ２との電位差が略同一（（Ｖ＋）−Ｖ２≒Ｖ４−Ｖ５）であれば、ノードＡの電圧は、電圧成分、周期を含めて検出電極５と略同一となる。当然ながら、電圧Ｖ４は電圧Ｖ＋と同電位とすることができ、電圧Ｖ５は電圧Ｖ２と同電位とすることができる。

ノードＡの電圧は、第１実施形態〜第３実施形態と同様に、排他的に閉状態となるスイッチＳ４が閉状態となることによって、遮蔽電極７に印加される。検出電極５に印加される電圧の交流成分がガードリング６及び遮蔽電極７を介して検出電極５に戻るループが形成されないので、遮蔽電極７は、検出電極５の電圧Ｖ１に影響を与えることなく、スイッチＳ４を介して検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の電圧を印加される。

また、遮蔽電極７は、第１実施形態〜第３実施形態と同様に、スイッチＳ５を介して一定の直流電圧Ｇを印加されることもできる。第５実施形態においても、この一定の直流電圧Ｇはグラウンドであるが、他の電圧値であってもよい。

上記両実施形態と同様に、制御部１１は、図９に示す時刻ｔ１からｔ２の第１判定期間において、スイッチＳ４を閉状態に制御し、スイッチＳ５を開状態に制御する。これによって、スイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の振幅の交流電圧が遮蔽電極７に印加される。一方、制御部１１は、第１判定期間と重複しない図９に示す時刻ｔ２からｔ３の第２判定期間において、スイッチＳ４を開状態に制御し、スイッチＳ５を閉状態に制御する。これによって、一定の直流電圧Ｇが遮蔽電極７に印加される。

〔第６実施形態〕
図１０は、第６実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図である。また、図１１は、第６実施形態の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャートである。第６実施形態もまた、スイッチトキャパシタ制御を用いて検出容量Ｃｓを求めるものである。

図１０に示すように、第６実施形態では、スイッチＳ１及びスイッチＳ２と、検出容量Ｃｓを有するコンデンサ８からなるスイッチトキャパシタ抵抗を入力抵抗とするオペアンプ２０により反転増幅回路が構成される。図１０において帰還容量値Ｃｆを有する帰還コンデンサ２６は、スイッチＳ２が開状態から閉状態となる際に発生するパルス状の電流に対して出力を平滑化する。帰還容量Ｃｆは、スイッチＳ２の開閉周期に対して、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗２６の抵抗値Ｒｆとの積である時定数が充分長くなるように設定される。

オペアンプ２０の出力は、帰還抵抗２６の抵抗値ＲｆとスイッチＳ２の開閉周波数と検出容量Ｃｓと電圧Ｖ＋と電圧Ｖ２とによって定められる。ここで、検出容量Ｃｓ以外の定数は既知であるので、制御部１１はオペアンプ２０の出力に基づいて検出容量Ｃｓを求めることができる。尚、本第６実施形態においても、スイッチＳ１とスイッチＳ２とは同時に閉状態とならないように制御される。

第６実施形態においても、第３実施形態及び第５実施形態と同様に、検出電極５に印加される電圧の交流成分がガードリング６及び遮蔽電極７を介して検出電極５に戻るループが形成されない。さらに、第３実施形態とは異なり、ノードＡの電圧は、検出電極５と同様の電圧である電圧Ｖ＋（第１電圧）とＶ２（第２電圧）との間では変動しない。第６実施形態においては、第５実施形態と同様に、ノードＡの電圧は、電圧Ｖ４（第３電圧）とＶ５（第４電圧）との間で変動する。つまり、互いに排他的に閉状態に制御され、閉状態において電圧Ｖ４に接続されるスイッチＳ６、及び閉状態において電圧Ｖ５に接続されるスイッチＳ７に、ノードＡ及びガードリング６が接続される。ノードＡと遮蔽電極７とは、上記各実施形態と同様に、閉状態のスイッチＳ４を介して接続される。

スイッチ６及びスイッチ７は、第３実施形態及び第５実施形態と同様に、スイッチＳ１の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ６が閉から開へ遷移し、スイッチＳ６の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ７が開から閉へ遷移し、スイッチＳ２の閉から開への遷移動作以後にスイッチＳ７が閉から開へ遷移し、スイッチＳ７の閉から開への遷移動作後にスイッチＳ６が開から閉へ遷移する。つまり、スイッチ６及びスイッチ７は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２のスイッチングタイミングにほぼ同期してスイッチングする。従って、ノードＡに現れる交流電圧は、検出電極５に現れる交流電圧と周波数が略同一で位相遅れとなる。ここで、電圧Ｖ４とＶ５との電位差と、電圧Ｖ＋とＶ２との電位差が略同一（（Ｖ＋）−Ｖ２≒Ｖ４−Ｖ５）であれば、ノードＡの電圧は、電圧振幅、周期を含めて検出電極５と略同一となる。当然ながら、電圧Ｖ４は電圧Ｖ＋と同電位とすることができ、電圧Ｖ５は電圧Ｖ２と同電位とすることができる。

ノードＡの電圧は、上記各実施形態と同様に、排他的に閉状態となるスイッチＳ４が閉状態となることによって、遮蔽電極７に印加される。検出電極５に印加される電圧の交流成分がガードリング６及び遮蔽電極７を介して検出電極５に戻るループが形成されず安定したセンサ動作が可能となる。

また、遮蔽電極７は、上記各実施形態と同様に、スイッチＳ５を介して一定の直流電圧Ｇを印加されることもできる。第６実施形態においても、この一定の直流電圧Ｇはグラウンドであるが、他の電圧値であってもよい。

上記両実施形態と同様に、制御部１１は、図１１に示す時刻ｔ１からｔ２の第１判定期間において、スイッチＳ４を閉状態に制御し、スイッチＳ５を開状態に制御する。これによって、スイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される検出電極５の電圧Ｖ１と略同一の交流電圧が遮蔽電極７に印加される。一方、制御部１１は、第１判定期間と重複しない図１１に示す時刻ｔ２からｔ３の第２判定期間において、スイッチＳ４を開状態に制御し、スイッチＳ５を閉状態に制御する。これによって、一定の直流電圧Ｇが遮蔽電極７に印加される。

以上説明したように、本発明によって、車両の開口部における障害物及び開閉体の位置を良好に検出可能な静電容量式障害物センサを提供することができる。多くの実施形態を例示して説明したことからも明らかなように、当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であろう。しかし、そのように改変された実施形態も当然ながら、本発明に含まれるものである。

静電容量式障害物センサが搭載される車両の一例を模式的に示す側面図図１の車両の開口部における障害物センサの構成例を模式的に示す説明図第１実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図第２実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図第３実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図図５の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャート第４実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図第５実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図図８の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャート第６実施形態の障害物センサの構成例を模式的に示すブロック図図１０の障害物センサの動作の一例を示すタイミングチャート

符号の説明

１：車両
２：開口部
３：スライドドア（開閉体）
３ａ：開閉体端部
４：ドア枠（枠体）
４ａ：枠体端部
５：検出電極
７：遮蔽電極
８：コンデンサ
９：障害物
１０：静電容量式障害物センサ
１１：制御部
３０：バッファ
Ｖｉｎ：交流の基準電圧
Ｖ１：検出電極の電圧
Ｇ：グラウンド（一定の直流電圧）
Ｃｓ：検出容量

Claims

車両に設けられた開口部を開閉可能な開閉体の開口側の開閉体端部と、前記開閉体により前記開口部が閉じられる際に当該開閉体端部と当接する枠体端部との何れか一方に設けられ、前記開閉体端部と前記枠体端部との間に存在する障害物との間の静電容量を検出する検出電極と、
前記開閉体端部及び前記枠体端部の他方に設けられ、当該他方の端部を前記検出電極から遮蔽する遮蔽電極と、
第１判定期間において、交流の基準電圧の印加又はスイッチトキャパシタ制御により交流成分を有する電圧に制御される前記検出電極の電圧と略同一の電圧を前記遮蔽電極に印加して、前記開閉体端部と前記枠体端部との間に前記障害物が存在するか否かを判定すると共に、
前記第１判定期間と重複しない第２判定期間において、前記検出電極の電圧に拘わらず一定の直流電圧又は前記検出電極の電圧の逆位相の交流電圧を前記遮蔽電極に印加し、前記検出電極と前記遮蔽電極との間の静電容量に基づいて前記開閉体端部と前記枠体端部との距離を判定する制御部と、
を有する静電容量式障害物センサ。
前記制御部は、前記第１判定期間と前記第２判定期間とを交互に繰り返す請求項１に記載の静電容量式障害物センサ。
前記制御部は、前記第１判定期間において、前記検出電極の電圧変動に追従する電圧を前記遮蔽電極に印加する請求項１又は２に記載の静電容量式障害物センサ。
前記制御部は、前記検出電極を第１電圧と前記第１電圧とは異なる第２電圧とに交互に接続させるスイッチトキャパシタ制御により、前記検出電極を一方の電極とするコンデンサの静電容量を検出するものであり、
前記第１判定期間において、前記検出電極が前記第１電圧と前記第２電圧とに交互に接続されるスイッチングタイミングに同期して、前記第１電圧と前記第２電圧との電位差に略等しい電位差を有する第３電圧と第４電圧とに、前記遮蔽電極を交互に接続させる請求項１又は２に記載の静電容量式障害物センサ。
前記遮蔽電極は、前記第１判定期間において、バッファを介して前記検出電極と接続される請求項３に記載の静電容量式障害物センサ。
請求項１〜５の何れか一項に記載の静電容量式障害物センサを備えた車両の開閉システム。