JP5311125B2 - 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車両の開閉システム - Google Patents

Description

本発明は、開閉体を有する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。また、そのような静電容量式障害物センサを備えた車両の開閉システムに関する。

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、特開２００５−１０６６６５号公報（特許文献１）や、特開２００３−０７５４８１号公報（特許文献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、特開２００７−０２３５８５号公報（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、特開２００５−２４０４２８号公報（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号公報（第３２〜３７段落等） 特開２００３−０７５４８１号公報（第１５〜２２段落等） 特開２００７−０２３５８５号公報（第２５〜２７段落等） 特開２００５−２４０４２８号公報（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、開閉体を有する開口部における障害物の存在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。

上記目的を達成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、
異なる周波数の交流信号を出力する複数の交流信号源と、
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、前記複数の交流信号源から出力される異なる周波数の交流信号が合成された交流信号を、基準インピーダンスを介して印加されて、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と共に、複数の前記交流信号源の内、１つ以上の前記交流信号源を除く１つ以上の前記交流信号源により、前記検出電極に印加される交流成分と略同一の位相を有する交流成分が印加される遮蔽電極と、
前記検出電極及び前記遮蔽電極に印加される交流成分を通過させ、前記遮蔽電極に印加されず前記検出電極に印加される交流成分の通過を阻止する第１フィルタと、
前記検出電極及び前記遮蔽電極に印加される交流成分の通過を阻止し、前記遮蔽電極に印加されず前記検出電極に印加される交流成分を通過させる第２フィルタと、
前記第１フィルタを通過した信号に基づいて、前記検出電極と前記障害物との間の静電容量を求め、当該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２フィルタを通過した信号に基づいて、前記検出電極と前記遮蔽電極との間の静電容量を求め、当該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、障害物が存在する場合には、検出電極及び遮蔽電極に印加される周波数成分に基づいて、遮蔽電極などの他の物による影響が少ない状態で、検出電極と障害物との間に形成される静電容量を求めることができる。その結果、制御部は、障害物の存在を確実に検出することができる。一方、障害物が存在しない場合には、制御部において求められる静電容量は、検出電極と遮蔽電極との間の静電容量となる。検出電極と遮蔽電極とにより形成される容量は、検出電極と遮蔽電極との電極間距離に反比例する。従って、制御部は、検出電極と遮蔽電極との電極間距離、つまり開閉体端部と前記枠体端部との距離を精度よく測定し、判定することができる。その結果、開閉体を有する開口部における障害物の存在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可能となる。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、
前記第１フィルタが、前記基準インピーダンスへの入力前の信号をフィルタリングする入力側第１フィルタと、前記基準インピーダンスを通過後の信号又はこれと等価の信号をフィルタリングする出力側第１フィルタとにより構成され、
前記第２フィルタが、前記基準インピーダンスへの入力前の信号をフィルタリングする入力側第２フィルタと、前記基準インピーダンスを通過後の信号又はこれと等価の信号をフィルタリングする出力側第２フィルタとにより構成され、
前記入力側第１フィルタと前記出力側第１フィルタとが等価なフィルタリング特性を有して構成され、
前記入力側第２フィルタと前記出力側第２フィルタとが等価なフィルタリング特性を有して構成されると好適である。

フィルタリング特性が等価なフィルタを用いて入力側及び出力側のフィルタが構成されるので、入力側及び出力側のフィルタを有して構成される第１フィルタによる減衰及び位相変動が同等となる。第２フィルタについても同様である。従って、第１フィルタを通過後の信号又はこれと等価の信号に基づく演算結果、及び第２フィルタを通過後の信号又はこれと等価の信号に基づく演算結果において、電圧比及び位相差の変動による測定誤差が抑制される。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、
前記検出電極に印加される信号が入力され、高入力インピーダンス且つ利得１のフォロワ回路を備え、
前記出力側第１フィルタは、前記フォロワ回路の出力信号をフィルタリングし、前記出力側第２フィルタは、前記フォロワ回路の出力信号をフィルタリングすると好適である。

出力側第１フィルタ及び出力側第２フィルタへ入力される信号は、検出電極に印加される信号である。一般的にフィルタは入力インピーダンスが高くないので、検出電極に印加される信号に影響を与える可能性がある。フォロワ回路は、入力インピーダンスが非常に高いので、検出電極に印加される信号に与える影響を大きく抑制することができる。その結果、検出精度の高い静電容量式障害物センサを提供することが可能となる。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサの前記検出電極は、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号が演算増幅器を用いた加算器により加算されて生成される交流信号を、前記基準インピーダンスを介して印加されるものであり、
前記加算器は、前記検出電極に印加される交流信号を、フィードバック抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成されると好適である。

この構成によれば、検出される静電容量の大きさによらず検出電極に印加される交流信号の振幅を一定に保て、かつ交流信号源が出力する交流信号に対する検出電極に印加される交流信号の位相変動を抑制できる。従って、遮蔽電極に印加される交流成分の振幅と検出電極に印加される交流成分の振幅の比及び位相差を、検出される静電容量の大きさによらず一定にすることができる。つまり、検出電極や、検出電極と基準インピーダンスとフィードバック抵抗とを接続する配線に起因する静電容量が変動した場合でも、前記遮蔽電極に印加される交流成分の振幅及び位相の調整を行う必要が無い。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサの前記検出電極は、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号が演算増幅器を用いた加算器により加算されて生成される交流信号を、前記基準インピーダンスを介して印加されるものであり、
前記加算器は、前記フォロワ回路の出力信号を、フィードバック抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成されると好適である。

検出電極に印加される交流信号を、フィードバック抵抗を介して演算増幅器の反転入力端子にフィードバックすることによって、フィードバック回路を構成することもできる。但し、この構成の場合には、フィードバック抵抗を流れる電流は、基準インピーダンスを流れる。その結果、静電容量式障害物センサの出力にオフセットの要因となったり、加算器として用いられる演算増幅器の出力範囲を超えたりする可能性が生じる。このため、フィードバック抵抗には、しばしば高抵抗値が要求される。しかし、上記構成のように、フォロワ回路を介して、フィードバック回路を構成することにより、フィードバック抵抗を流れる電流は基準インピーダンスを流れなくなる。従って、フィードバック抵抗の抵抗値を小さくすることができる。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、差動増幅器を用いて、前記基準インピーダンスへの入力前の信号と、前記基準インピーダンスを通過後の信号の差分に比例した信号を求め、前記第１フィルタ及び前記第２フィルタと等価のフィルタにより周波数分離を行った後、制御部において判定を行ってもよい。尚、前記基準インピーダンスを通過後の信号は、前記基準インピーダンスを通過後、前記フォロワ回路を介して出力される信号など、前記基準インピーダンスを通過後の信号と等価な信号を含む。

第１フィルタや第２フィルタは、受動素子を用いた帯域通過フィルタに限らず、直交同期検波回路などによって構成することも可能である。この構成によれば、静電容量検出センサの構成の簡略化や、制御部における処理の簡略化が可能となる。

また、本発明に係る静電容量式障害物センサは、
演算増幅器を用いて構成され、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号を加算して、前記基準インピーダンスを介して前記検出電極に印加される交流信号を生成する加算器と、
前記加算器により加算されて生成される交流信号が入力され、前記基準インピーダンスをフィードバックインピーダンスとし、前記加算器を構成する演算増幅器とは別の演算増幅器を用いて構成されたフォロワ回路とを備え、
前記加算器は、前記加算器を構成する演算増幅器の出力信号を、フィードバック抵抗を介して当該演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有し、
前記検出電極は、前記フォロワ回路を構成する演算増幅器の反転入力端子に接続され、
前記入力側第１フィルタ及び前記入力側第２フィルタは、前記フォロワ回路を構成する演算増幅器の出力信号をフィルタリングし、
前記出力側第１フィルタ及び前記出力側第２フィルタは、前記加算器を構成する演算増幅器の出力信号をフィルタリングすると好適である。

上述したように、加算器を構成する演算増幅器のフィードバック抵抗には、しばしば高抵抗値が要求される。しかし、本構成によれば、フィードバック抵抗を流れる電流は基準インピーダンスを流れなくなる。従って、フィードバック抵抗の抵抗値を小さくすることができる。尚、加算器を構成する演算増幅器の出力信号は、フォロワ回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子へ入力される信号である。フォロワ回路を構成する演算増幅器の非反転入力端子と反転入力端子とはバーチュアルショートの関係により等価な信号が入力されることになる。基準インピーダンスを通過後の信号は、当該反転入力端子へ入力される信号であるから、出力側第１フィルタ及び出力側第２フィルタは、基準インピーダンスを通過後の信号と等価な信号をフィルタリングすることになる。

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。

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 検出電極に印加される信号の周波数特性及び波形の例を模式的に示す説明図 遮蔽電極に印加される信号の周波数特性及び波形の例を模式的に示す説明図 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 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

〔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に示す車両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、開口部として、図１に示すように、車両に設けられた開口部としてのスライドドアを例として説明する。しかし、本発明における開口部は、例えば車両においては、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、スライドドア３が閉状態においてはスライドドア３のドア端部（開閉体端部）３ａ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キャパシタ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から電気的に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１０の構成例を、検出容量Ｃｓの検出回路例を中核として模式的に示すブロック図である。図３に示すように、既知（Ｚ０）の基準インピーダンス１４は、一方の端子がオペアンプ（演算増幅器）３１の出力に接続され、他方の端子が検出電極５に接続される。検出電極５は、キャパシタ８の一方の電極である。キャパシタ８の他方の電極は障害物９であり、上述したように交流的にグラウンドである。

検出電極５には、後述するように、複数の交流信号源１５、１６からの複数の交流信号がオペアンプ３１を用いた加算器により加算されて生成される交流信号が、基準インピーダンス１４を介して印加される。加算器は、検出電極５に印加される交流信号を、フィードバック抵抗Ｒ３を介してオペアンプ３１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成される。図３に示すように、フィードバック抵抗Ｒ３の一方の端子はオペアンプ３１の反転入力端子に接続され、他方の端子は検出電極５に接続されている。

交流信号源１５の出力は、直列に接続されたコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を介してオペアンプ３１の反転入力端子に接続されている。交流信号源１６の出力は、直列に接続されたコンデンサＣ２及び抵抗Ｒ２を介してオペアンプ３１の反転入力端子に接続されている。交流信号源１５からは、周波数ｆ１、振幅Ｖ１の交流信号が出力され、交流信号源１６からは、周波数ｆ２、振幅Ｖ２の交流信号が出力される。また、オペアンプ３１の非反転入力端子は、基準電位Ｖｒに接続されている。オペアンプ３１は、交流信号源１５、１６からの複数の交流信号を加算して交流信号Ｖｉｎを生成する加算器を構成する。図３に示すように、オペアンプ３１の出力端子は基準インピーダンス１４に接続され、オペアンプ３１から出力される交流信号Ｖｉｎは、基準インピーダンス１４を通過した交流信号Ｖｃが検出電極５に印加される。

検出電極５に印加される交流信号Ｖｃは、オペアンプ３１とは別のオペアンプ３２の非反転入力端子に入力される。オペアンプ３２の出力は、当該オペアンプ３２の反転入力端子にフィードバックされ、高入力インピーダンス且つ利得１のフォロワ回路であるボルテージフォロワが構成される。オペアンプ３２の出力、つまり、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃがボルテージフォロワにより維持され、交流信号Ｖｃがガードリング６に印加される。

複数の交流信号源の内、１つの交流信号源１６から出力される交流信号（ｆ２、Ｖ２）を除く１つの交流信号源１５から出力される交流信号（ｆ１、Ｖ１）は、キャパシタＣ３及び抵抗Ｒ４を介して、オペアンプ３３の反転入力端子に接続される。オペアンプ３３の非反転入力端子は、オペアンプ３１と同じ基準電位Ｖｒに接続される。オペアンプ３３の出力は、フィードバック抵抗Ｒ５を介してオペアンプの反転入力端子に接続されると共に、遮蔽電極７に接続される。つまり、検出電極５に印加される交流成分と略同一の位相を有する交流成分が遮蔽電極７に印加される。

ここで、図４及び図５を利用して、検出電極５及び遮蔽電極７に印加される交流成分について説明する。図４は、検出電極５に印加される信号の周波数特性及び波形の例を模式的に示した説明図である。図５は、遮蔽電極７に印加される信号の周波数特性及び波形の例を模式的に示す説明図である。検出電極５には、複数の周波数ｆ１及びｆ２の周波数成分を有する交流信号（周期Ｔ１及びＴ２の交流成分を有する交流信号）が印加されている。これに対し、遮蔽電極７には、周波数ｆ２を除き、周波数ｆ１のみの周波数成分を有する交流信号（周期Ｔ１の交流成分を有する交流信号）が印加されている。尚、検出電極５及び遮蔽電極７の両方に印加される交流成分の周波数は、本実施形態においては周波数ｆ１の１つのみであるが、複数でもよい。また、検出電極５にのみ印加され、遮断電極７には印加されない交流成分の周波数も、本実施形態においては周波数ｆ２の１つのみであるが、複数でもよい。具体的な例については、第３実施形態において後述する。

ここで、図３に示す回路においては、以下の式(1)の関係を満たすことが好ましい。

式(1)の関係を満たすことにより、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃの周波数成分の内、周波数ｆ１の交流成分の位相及び振幅と、遮蔽電極７に印加される交流成分の位相及び振幅とがほぼ等しくなる。これにより、検出電極５と遮蔽電極７との間の電荷の蓄積に関して、周波数ｆ１の成分を有する変動が抑制される。検出電極５と人体などの導電性の障害物９との間にできる容量Ｃｓに起因して、周波数ｆ１の周波数成分を有する電荷変動が生じるので、この電荷変動を検出することによって、障害物９が確実に検出される。

また、式(1)に限定されることなく、下記式(2)、及び、式(3)且つ式(4)を満たすことを条件としてもよい。

上記条件を満たすことにより検出電極５に印加される交流信号Ｖｃの周波数成分の内、周波数ｆ１の交流成分の位相及び振幅と、遮蔽電極７に印加される交流成分の位相及び振幅とがほぼ等しくなり、上記式(1)を満たした場合と同様の効果を得ることができる。

ここで、遮蔽電極７を検出電極５と同電位にした場合、つまり容量Ｃｓの検出を周波数ｆ１の交流信号で行った場合について説明する。周波数ｆ１に基づいて検出される検出容量をＣｓ１、オペアンプ３１の出力Ｖｉｎの周波数ｆ１の成分をＶｉｎ１、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃの周波数ｆ１の成分をＶｃ１、虚数単位をｊとすると、Ｖｉｎ１とＶｃ１との関係は、下記式(5)で表され、検出容量Ｃｓ１は、下記式(6)で表される。

遮蔽電極７をグラウンドと同電位とした場合、例えば、交流信号源１５の出力を停止させてグラウンド電位に固定した場合、検出容量Ｃｓの検出を周波数ｆ２の交流信号で行うこととなる。周波数ｆ２に基づいて検出される検出容量をＣｓ２、オペアンプ３１の出力Ｖｉｎの周波数ｆ２の成分をＶｉｎ２、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃの周波数ｆ２の成分をＶｃ２、虚数単位をｊとすると、Ｖｉｎ２とＶｃ２との関係は、下記式(7)で表され、検出容量Ｃｓ２は、下記式(8)で表される。

ここで、Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２、Ｖｃ１、Ｖｃ２は、それぞれフィルタを介して測定されると好適である。交流信号Ｖｉｎ及びＶｃの周波数ｆ１の成分であるＶｉｎ１及びＶｃ１は、検出電極５及び遮蔽電極７に共に印加される交流成分である周波数ｆ１を通過させ、遮蔽電極７に印加されず検出電極５にのみ印加される交流成分である周波数ｆ２の通過を阻止する第１フィルタ１１を介して測定される。交流信号Ｖｉｎ及びＶｃの周波数ｆ２の成分であるＶｉｎ２及びＶｃ２は、検出電極５及び遮蔽電極７に共に印加される交流成分である周波数ｆ１の通過を阻止し、遮蔽電極７に印加されず検出電極５にのみ印加される交流成分である周波数ｆ２を通過させる第２フィルタ１２を介して測定される。

Ｖｉｎ１は、オペアンプ３１の出力である交流信号Ｖｉｎ、つまり、基準インピーダンス１４への入力前の信号をフィルタリングする入力側第１フィルタ１１ａを介して計測される。Ｖｃ１は、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃ、つまり、基準インピーダンス１４を通過した信号をフィルタリングする出力側第１フィルタ１１ｂを介して計測される。本実施形態では、図３に示すように、基準インピーダンス１４を通過した後、さらに、オペアンプ３２により構成されたフォロワ回路を通過した信号が出力側第１フィルタ１１ｂに入力される。入力側第１フィルタ１１ａと出力側第１フィルタ１１ｂとは、同様のフィルタリング特性を有していると好適である。Ｖｉｎ１とＶｃ１とをそれぞれ特性が等価のフィルタを介して測定することにより、フィルタによる減衰及び位相変動が同等となる。従って、フィルタ通過前後の周波数ｆ１の成分の電圧比及び位相差の変動による測定誤差が抑制される。

Ｖｉｎ２は、オペアンプ３１の出力である交流信号Ｖｉｎ、つまり、基準インピーダンス１４への入力前の信号をフィルタリングする入力側第２フィルタ１２ａを介して計測される。Ｖｃ２は、検出電極５に印加される交流信号Ｖｃ、つまり、基準インピーダンス１４を通過した信号をフィルタリングする出力側第２フィルタ１２ｂを介して計測される。本実施形態では、図３に示すように、基準インピーダンス１４を通過した後、さらに、オペアンプ３２により構成されたフォロワ回路を通過した信号が出力側第２フィルタ１２ｂに入力される。入力側第２フィルタ１２ａと出力側第２フィルタ１２ｂとは、同様のフィルタリング特性を有していると好適である。Ｖｉｎ２とＶｃ２とをそれぞれ特性が等価のフィルタを介して測定することにより、フィルタによる減衰及び位相変動が同等となる。従って、フィルタ通過前後の周波数ｆ２の成分の電圧比及び位相差の変動による測定誤差が抑制される。

制御部２０において、式(5)〜(8)に基づいて上述したように、Ｖｉｎ１とＶｃ１とによりＣｓ１が求められ、Ｖｉｎ２とＶｃ２とによりＣｓ２が求められる。検出容量Ｃｓ１は、上述したように主に検出電極５と障害物９との間に形成される容量に起因している。従って、制御部２０は、遮蔽電極７などの他の物による影響が少ない状態で障害物９を確実に検出することができる。

障害物９が無い場合、検出容量Ｃｓ２は、検出電極５と遮蔽電極７とにより形成される容量が主成分となる。また、検出電極５と遮蔽電極７とにより形成される容量は、検出電極５と遮蔽電極７との電極間距離に反比例する。従って、制御部２０は、検出電極５と遮蔽電極７との電極間距離、つまりスライドドア３の位置を精度よく測定することができる。

つまり、制御部２０は、第１フィルタ１１を通過した信号に基づいて開閉体端部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と共に、第２フィルタ１２を通過した信号に基づいて開閉体端部３ａと枠体端部４ａとの間の距離を判定することができる。制御部２０は、例えばマイクロコンピュータなどによって構成される。

〔第２実施形態〕
図６は、第２実施形態に係る障害物センサ１０の構成例を、検出容量Ｃｓの検出回路例を中核として模式的に示す説明図である。図３に示す第１実施形態においては、オペアンプ３１を用いて構成される加算器は、検出電極５に印加される信号（交流信号Ｖｃ）を、フィードバック抵抗Ｒ３を介してオペアンプ３１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成されていた。つまり、フィードバック抵抗Ｒ３の一方の端子は、オペアンプ３１の反転入力端子に接続されていた。また、フィードバック抵抗Ｒ３の他方の端子は、オペアンプ３１の出力端子に一方の端子が接続された基準インピーダンス１４の他方の端子が接続された検出電極５に接続されていた。

図３及び図６に示すように、検出電極５に印加される加算後の交流信号Ｖｃは、高入力インピーダンス且つ利得１のフォロワ回路であるボルテージフォロワを構成する別のオペアンプ３２の非反転入力に入力されている。本第２実施形態では、図６に示すように、オペアンプ３１を用いて構成される加算器は、フォロワ回路の出力信号を、フィードバック抵抗Ｒ３を介してオペアンプ３１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成される。つまり、フィードバック抵抗Ｒ３の一方の端子は、第１実施形態と同様に、オペアンプ３１の反転入力端子に接続されるが、他方の端子は、第１実施形態とは異なり、フォロワ回路を構成するオペアンプ３２の出力端子に接続される。

尚、フォロワ回路は、高入力インピーダンス且つ利得１であれば、オペアンプを用いたボルテージフォロワに限定されることはない。これは、第１実施形態においても同様である。

第２実施形態では、Ｃｓ１及びＣｓ２を求めるため上述した式(6)及び式(8)が、以下の式(9)及び式(10)となる。

式(6)及び式(8)と、式(9)及び式(10)とを比べれば明らかなように、第２実施形態では、フィードバック抵抗Ｒ３の項が消去される。第１実施形態では、検出容量Ｃｓが小さい場合の検出精度を上げるために、フィードバック抵抗Ｒ３の抵抗値に、検出容量Ｃｓと同程度以上のインピーダンスとなるような高抵抗値が要求される。しかし、本第２実施形態では、ＶｉｎとＶｃとの関係にフィードバック抵抗Ｒ３の影響が無くなる。従って、ＶｉｎとＶｃとから検出容量Ｃｓを求めやすくなると同時にフィードバック抵抗Ｒ３を高抵抗化する必要が無くなる。

〔第３実施形態〕
図７は、第３実施形態に係る障害物センサ１０の構成例を、検出容量Ｃｓの検出回路例を中核として模式的に示す説明図である。図３に示す第１実施形態においては、交流信号源が２つであったが、本第３実施形態では、４つの交流信号源１５、１６、１７、１８が備えられる。交流信号源１５及び１６は、第１実施形態と同様の周波数及び振幅を有する交流信号を出力する信号源である。交流信号源１７は、周波数ｆ３、振幅Ｖ３の交流信号を出力する信号源である。交流信号源１８は、周波数ｆ４、振幅Ｖ４の交流信号を出力する信号源である。

第１実施形態において、検出電極５には、２つの周波数ｆ１及びｆ２の周波数成分を有する交流信号が印加されていた。本第３実施形態では、４つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３及びｆ４の周波数成分を有する交流信号が印加される。つまり、複数の周波数の数は、２つに限ることなく、２つ以上であればよい。

第１実施形態において、遮蔽電極７には、周波数ｆ２を除き、周波数ｆ１のみの周波数成分を有する交流信号が印加されていた。つまり、検出電極５に印加される複数の周波数成分の内、１つの周波数成分を除き、他の１つの周波数成分を有する交流信号が遮蔽電極７に印加されていた。これに対し、本第３実施形態では、検出電極５に印加される４つの周波数ｆ１〜ｆ４の内、１つ以上、つまり２つの周波数ｆ２とｆ４との周波数成分が除かれ、１つ以上、つまり２つの周波数ｆ１とｆ３との周波数成分を有する交流信号が遮蔽電極７に印加される。

また、本実施形態において、第１フィルタ１１は、検出電極５及び遮蔽電極７に共に印加される交流成分である周波数ｆ１及びｆ３を通過させ、遮蔽電極７に印加されず検出電極５にのみ印加される交流成分である周波数ｆ２及びｆ４の通過を阻止する。具体的には、例えば、図７に示すように、第１フィルタ１１は、周波数ｆ１を通過させ、周波数ｆ２、ｆ３及びｆ４の通過を阻止するフィルタ１１ａ及び１１ｂと、周波数ｆ３を通過させ、周波数ｆ１、ｆ２及びｆ４の通過を阻止するフィルタ１１ｃ及び１１ｄにより構成される。

また、本実施形態において、第２フィルタ１２は、検出電極５及び遮蔽電極７に共に印加される交流成分である周波数ｆ１及びｆ３の通過を阻止し、遮蔽電極７に印加されず検出電極５にのみ印加される交流成分である周波数ｆ２及びｆ４を通過させる。具体的には、例えば、図７に示すように、第２フィルタ１２は、周波数ｆ１、ｆ３及びｆ４の通過を阻止し、周波数ｆ２を通過させるフィルタ１２ａ及び１２ｂと、周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３の通過を阻止し、周波数ｆ４を通過させるフィルタ１２ｃ及び１２ｄとにより構成される。

〔第４実施形態〕
図８は、第４実施形態に係る障害物センサ１０の構成例を、検出容量Ｃｓの検出回路例を中核として模式的に示す説明図である。上記第１実施形態〜第３実施形態においては、出力側第１フィルタ１１ｂ（１１ｄ）は、ボルテージフォロワを構成するオペアンプ３２を介した信号も含み、基準インピーダンスを通過後の信号をフィルタリングしていた。同様に、出力側第２フィルタ１２ｂ（１２ｄ）も、ボルテージフォロワを構成するオペアンプ３２を介した信号も含み、基準インピーダンスを通過後の信号をフィルタリングしていた。これに対し、本第４実施形態では、出力側第１フィルタ１１ｂは、基準インピーダンスを通過後の信号に等価な信号をフィルタリングする。同様に、出力側第２フィルタ１２ｂも、基準インピーダンスを通過後の信号に等価な信号をフィルタリングする。

図８に示すように、上記第１実施形態〜第３実施形態と同様に、第４実施形態においても、複数の交流信号源１５及び１６からの複数の交流信号を加算して、基準インピーダンス１４を介して検出電極５に印加される交流信号を生成する加算器が、オペアンプ３１を用いて構成される。また、上記各実施形態と同様に、第４実施形態においても、オペアンプ３２を用いてフォロワ回路が構成される。しかし、上記第１実施形態〜第３実施形態とは異なり、検出電極５に印加される信号が非反転入力端子に入力され、高入力インピーダンス且つ利得１のフォロワ回路ではない。第４実施形態においては、加算器により加算されて生成される交流信号が入力され、基準インピーダンス１４をフィードバックインピーダンスとするフォロワ回路が構成される。

検出電極５は、このフォロワ回路を構成するオペアンプ３２の反転入力端子に接続される。オペアンプ３２は、基準インピーダンス１４をフィードバックインピーダンスとしてフォロワ回路を構成しているので、検出電極５には、基準インピーダンス１４を介して加算器により加算されて生成された交流信号が印加される。一方の側においてオペアンプ３２の反転入力端子に接続される基準インピーダンス１４の他方の側は、入力側第１フィルタ１１ａ及び入力側第２フィルタ１２ａに接続される。フィードバックインピーダンスである基準インピーダンス１４の他方の側は、オペアンプ３２の出力端子に接続されるので、入力側第１フィルタ１１ａ及び入力側第２フィルタ１２ａは、フォロワ回路を構成するオペアンプ３２の出力信号をフィルタリングする。

検出電極５へは、基準インピーダンス１４を介して信号が印加されるので、オペアンプ３２の出力信号は、基準インピーダンス１４への入力となる。従って、上記第１実施形態〜第３実施形態と同様に、入力側第１フィルタ１１ａ及び入力側第２フィルタ１２ａは、基準インピーダンス１４への入力前の信号をフィルタリングするフィルタである。

出力側第１フィルタ１１ｂ及び出力側第２フィルタ１２ｂは、加算器を構成するオペアンプ３１の出力信号をフィルタリングする。加算器を構成するオペアンプ３１の出力信号は、フォロワ回路を構成するオペアンプ３２の非反転入力端子に接続されている。オペアンプ３２の非反転入力端子と反転入力端子とは、バーチュアルショートの関係を満たす。オペアンプ３２の反転入力端子には、基準インピーダンス１４を介して検出電極５へ印加される信号が接続されている。従って、オペアンプ３２の反転入力端子へ入力される信号は、基準インピーダンス１４を通過後の信号となる。

上述したように、オペアンプ３２の非反転入力端子と反転入力端子とは、バーチュアルショートの関係を満たすので、オペアンプ３２の非反転入力端子には、オペアンプ３２の反転入力端子へ入力される信号と等価な信号が入力される。つまり、オペアンプ３２の非反転入力端子には、基準インピーダンス１４を通過後の信号と等価な信号が入力される。図８に示すように、オペアンプ３２の非反転入力端子と、オペアンプ３１の出力端子とは、接続されている。従って、出力側第１フィルタ１１ｂ及び出力側第２フィルタ１２ｂは、基準インピーダンス１４を通過後の信号と等価な信号をフィルタリングする。

第１実施形態と同様に、オペアンプ３１を用いて構成される加算器は、オペアンプ３１の出力信号を、フィードバック抵抗Ｒ３を介してオペアンプ３１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成される。上述したように、加算器を構成する演算増幅器のフィードバック抵抗には、しばしば高抵抗値が要求される。しかし、本実施形態では第２実施形態と同様に、フィードバック抵抗Ｒ３を流れる電流は基準インピーダンス１４を流れない。従って、フィードバック抵抗Ｒ３の抵抗値を小さくすることができる。

〔第５実施形態〕
図示は省略するが、図３、図６、図７、図８に示す第１実施形態〜第４実施形態の帯域通過フィルタに代えて、各交流信号源１５〜１８の出力をタイミング信号としてオペアンプ３１及び３２の出力を直交同期検波した結果を用いてＣｓ１、Ｃｓ２を求めても良い。直交同期検波に用いられた信号の内、タイミング信号として用いられた交流信号の周波数近傍の信号のみの振幅及び位相情報を取り出すことができ、これを第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２とみなすことが可能である。

〔第６実施形態〕
また、差動増幅器を用いてＶｉｎとＶｃの差に比例した信号を生成し、この差動増幅器の出力を交流信号源１５〜１７の周波数の各周波数に対して１つの周波数帯域の信号を通過させ、他の周波数帯域の信号を阻止するフィルタを介して制御部２０に入力しても良い。この構成は、図６に示す第２実施形態や、図８に示す第４実施形態のように交流信号ＶｉｎとＶｃからＣｓ１及びＣｓ２の算出に際してフィードバック抵抗Ｒ３の影響が無い場合において有効である。つまり、検出精度を低下させること無く、静電容量検出センサの構成の簡略化や、制御部２０における処理の簡略化が可能となる。

〔第７実施形態〕
また、第６実施形態における差動増幅器の出力に対して、第５実施形態と同様に、第１実施形態〜第４実施形態に示したような帯域通過フィルタを用いずに直交同期検波を行ってもよい。

以上説明したように、本発明によって、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。

本発明は、車両の開口部において、障害物及び開閉体の位置を検出する静電容量式障害物センサに適用することができる。また、そのような静電容量式障害物センサを備えた車両の開閉システムに適用することができる。

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
９：障害物
１０：静電容量式障害物センサ
１１：第１フィルタ
１１ａ、１１ｃ：入力側第１フィルタ
１１ｂ、１１ｄ：出力側第１フィルタ
１２：第２フィルタ
１２ａ、１２ｃ：入力側第２フィルタ
１２ｂ、１２ｄ：出力側第２フィルタ
１４：基準インピーダンス
１５、１６、１７、１８：交流信号源
２０：制御部
３１：オペアンプ（加算器、演算増幅器）
３２：オペアンプ（フォロワ回路）

Claims (7)

1. 異なる周波数の交流信号を出力する複数の交流信号源と、
   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、前記複数の交流信号源から出力される異なる周波数の交流信号が合成された交流信号を、基準インピーダンスを介して印加されて、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と共に、複数の前記交流信号源の内、１つ以上の前記交流信号源を除く１つ以上の前記交流信号源により、前記検出電極に印加される交流成分と略同一の位相を有する交流成分が印加される遮蔽電極と、
   前記検出電極及び前記遮蔽電極に印加される交流成分を通過させ、前記遮蔽電極に印加されず前記検出電極に印加される交流成分の通過を阻止する第１フィルタと、
   前記検出電極及び前記遮蔽電極に印加される交流成分の通過を阻止し、前記遮蔽電極に印加されず前記検出電極に印加される交流成分を通過させる第２フィルタと、
   前記第１フィルタを通過した信号に基づいて、前記検出電極と前記障害物との間の静電容量を求め、当該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２フィルタを通過した信号に基づいて、前記検出電極と前記遮蔽電極との間の静電容量を求め、当該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。
2. 前記第１フィルタは、前記基準インピーダンスへの入力前の信号をフィルタリングする入力側第１フィルタと、前記基準インピーダンスを通過後の信号又はこれと等価の信号をフィルタリングする出力側第１フィルタとにより構成され、
   前記第２フィルタは、前記基準インピーダンスへの入力前の信号をフィルタリングする入力側第２フィルタと、前記基準インピーダンスを通過後の信号又はこれと等価の信号をフィルタリングする出力側第２フィルタとにより構成され、
   前記入力側第１フィルタと前記出力側第１フィルタとは等価なフィルタリング特性を有して構成され、
   前記入力側第２フィルタと前記出力側第２フィルタとは等価なフィルタリング特性を有して構成される請求項１に記載の静電容量式障害物センサ。
3. 前記検出電極に印加される信号が入力され、高入力インピーダンス且つ利得１のフォロワ回路を備え、
   前記出力側第１フィルタは、前記フォロワ回路の出力信号をフィルタリングし、前記出力側第２フィルタは、前記フォロワ回路の出力信号をフィルタリングする請求項２に記載の静電容量式障害物センサ。
4. 前記検出電極は、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号が演算増幅器を用いた加算器により加算されて生成される交流信号を、前記基準インピーダンスを介して印加されるものであり、
   前記加算器は、前記検出電極に印加される交流信号を、フィードバック抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成される請求項１〜３の何れか一項に記載の静電容量式障害物センサ。
5. 前記検出電極は、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号が演算増幅器を用いた加算器により加算されて生成される交流信号を、前記基準インピーダンスを介して印加されるものであり、
   前記加算器は、前記フォロワ回路の出力信号を、フィードバック抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有して構成される請求項３に記載の静電容量式障害物センサ。
6. 演算増幅器を用いて構成され、前記複数の交流信号源からの複数の交流信号を加算して、前記基準インピーダンスを介して前記検出電極に印加される交流信号を生成する加算器と、
   前記加算器により加算されて生成される交流信号が入力され、前記基準インピーダンスをフィードバックインピーダンスとし、前記加算器を構成する演算増幅器とは別の演算増幅器を用いて構成されたフォロワ回路とを備え、
   前記加算器は、前記加算器を構成する演算増幅器の出力信号を、フィードバック抵抗を介して当該演算増幅器の反転入力端子にフィードバックするフィードバック回路を有し、
   前記検出電極は、前記フォロワ回路を構成する演算増幅器の反転入力端子に接続され、
   前記入力側第１フィルタ及び前記入力側第２フィルタは、前記フォロワ回路を構成する演算増幅器の出力信号をフィルタリングし、
   前記出力側第１フィルタ及び前記出力側第２フィルタは、前記加算器を構成する演算増幅器の出力信号をフィルタリングする請求項２に記載の静電容量式障害物センサ。
7. 請求項１〜６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。

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