JP5369888B2 - 静電容量センサの電極構造及びそれを用いた車両用近接センサ - Google Patents
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Description
例えば、スイッチドキャパシタ方式により検出電極に所定周波数の所定電圧を所定の周期で印加して、微小な静電容量によって生じる電圧値を積分して測定する微小静電容量の測定方法が開示されている(特許文献1を参照)。また、既知のコンデンサとスイッチ手段を備え、人体等によって生じる未知のコンデンサを繰返し充放電させ、電荷を既知のコンデンサに集積させることによって精度よく計測する電荷移動式キャパシタンス測定回路が知られている(特許文献2を参照)。
最初に、静電容量C8x及び静電容量C81が放電(図示省略)される。そしてSW81を閉(オン)、SW82を開(オフ)にすると、静電容量が充電され、静電容量C8x及びC81には各容量値に反比例して充電電圧V8x及びV81が生じる(ステップ1)。次に、SW81をオフ、SW82をオンにすると、静電容量C81の電荷は保持される(ステップ2)。その後、再び前記ステップ1の状態とすると、静電容量が充電されるとともに静電容量C8xと静電容量C81との間で電荷が移動し、静電容量C81の充電電圧V81が増加する。次いで前記ステップ2の状態にすると、静電容量C81の電荷は保持される。さらにステップ1とステップ2を繰返して実行すれば、静電容量C81に電荷が蓄積されることにより、繰返しとともに充電電圧V81は漸増する。図13(a)及び(b)は、図12における検出電極83及び8A点の電位の変化を示すものである。前記ステップ2の状態の8A点の電位が一定の値に達するまでに要する繰返し回数は静電容量C8xの大きさによるため、その繰返し回数により未知の静電容量C8xを求めることができる。
とくに、自動車で用いられる静電容量センサの場合、EMIの対策は重要な課題となっている。静電容量センサの電極部から広い周波数範囲でノイズが放射されると、例えばスマートエントリーシステム等車載装置の動作やラジオ放送の受信を阻害する等の問題がある。
1.人体の近接又は接触を静電容量の変化により検出する静電容量センサの電極構造であって、人体が近接又は接触する導電体であり、前記静電容量を充電する充電信号が繰返し供給される検出電極と、前記検出電極の静電容量の変化を検出し、その計測値に基づいて人体の近接又は接触を判定する近接検出部と、前記検出電極と所定の間隙を空けて平行に又は前記検出電極の外周を所定の間隙を空けて囲むように配設される導電体である反転電極と、前記充電信号の電圧の変化と逆向きに電圧が変化する反転信号を前記反転電極に供給する位相反転回路と、を備え、前記充電信号はパルス信号であり、
前記位相反転回路は、前記パルス信号の立上り時に立下り且つ前記パルス信号の立下り時に立上がる前記反転信号を生成し、前記検出電極から放射される高周波ノイズを前記反転電極によって低減することを特徴とする静電容量センサの電極構造。
2.前記位相反転回路は前記充電信号が入力されるインバータ回路である前記2.記載の静電容量センサの電極構造。
3.前記検出電極は長さ20〜500mm及び幅2〜50mmの長尺状の板状又は棒状の導電体であり、前記検出電極と同一の長さの前記反転電極が該検出電極と同一平面に10〜100mmの間隙を空けて平行に配設される前記1.又は2.に記載の静電容量センサの電極構造。
4.前記検出電極は長さ及び幅がそれぞれ20〜500mmの長方形の平板の導電体であり、前記反転電極は幅5〜50mmであり、前記検出電極と同一平面に該検出電極の外周を5〜20mmの間隙を空けて囲んで配設される前記1.又は2.に記載の静電容量センサの電極構造。
5.乗員の掌又は手指の近接又は接触により自動車内の照明、加飾パネル、表示パネル、空調装置及び着座判定装置のいずれかを制御するための近接センサであって、前記1.乃至4.のいずれかに記載の静電容量センサの電極構造を備えることを特徴とする車両用近接センサ。
また、前記充電信号はパルス信号であり、前記位相反転回路は、前記パルス信号の立上り時に立下り且つ前記パルス信号の立下り時に立上がる前記反転信号を生成するため、充電信号の立上り時及び立下り時に放射される高周波ノイズを効果的に低減することができる。
前記位相反転回路は前記充電信号が入力されるインバータ回路である場合は、少ない部品と簡単な回路により、一定のレベルを超える充電信号の立上り時及び立下り時に放射される高周波ノイズを効果的に低減することができる。
また、前記検出電極は長さ及び幅がそれぞれ20〜500mmの長方形の平板の導電体であり、前記反転電極は幅5〜50mmであり、前記検出電極と同一平面に該検出電極の外周を5〜20mmの間隙を空けて囲んで配設される場合は、広い検出電極の面積に対応した領域で人体の近接又は接触を検出することができるとともに、その検出電極がアンテナとなって放射される高周波ノイズを低減することができる。
静電容量センサは、一般に、人体等によって生じる静電容量の変化を検出するための検出電極と、その静電容量の変化を計測する近接検出部から構成される。近接検出部は、充放電手段、容量検出手段及び近接判定手段等を備える。
本発明は、図1に示すように、人体の近接又は接触を静電容量Cxの変化により検出する静電容量センサの電極構造であって、前記静電容量を充電する充電信号が繰返し供給される検出電極3と、その検出電極3に近接して配設される導電体である反転電極4と、前記充電信号の電圧の変化と逆向きに電圧が変化する反転信号を反転電極に供給する位相反転回路6と、を備えることを特徴とする。近接検出部2を構成する充放電手段5、容量検出手段22及び近接判定手段24は、公知の技術を用いて構成することができる。
また、検出電極3が複数備えられる場合には、反転電極4はそれぞれの検出電極3に対応して複数設けられてもよい。
前記充電信号がパルス信号である場合には、位相反転回路6は、そのパルス信号の立上り時に立下り、且つそのパルス信号の立下り時に立上がる反転信号を生成するように構成することができる。
また、近接検出部2は、各種機器・装置(例えば、発光器、表示パネル、空調等)と接続し、人体の近接又は接触状態と判定した場合には、その判定又は判定による動作をさせるための近接検出信号を出力するように構成することができる。
この反転電極4aを配することにより、図示するZ方向を中心として、電極部から放射される高周波ノイズを低減することが可能となる。
図5は、充放電手段5及び位相反転回路6の構成例を示す。本発明は、検出電極3と反転電極4及び位相反転回路6を備える点を特徴とするものであるため、充放電手段や容量検出手段等の構成は任意である。本図の充放電手段5aは、一般的なスイッチドキャパシタ方式の構成を例示するにすぎない。
充放電手段5aに検出電極3が接続され、位相反転回路6aの出力に反転電極4が接続される。図5において、充放電手段5aと検出電極3の接続点の信号が位相反転回路6aに入力されているが、位相反転回路6aへ入力する信号は、前記反転信号を生成することが可能な限り、充放電手段5a内の適宜の信号とすることができる(例えば、充放電手段に備えられるスイッチ手段の制御信号など)。
ここで、基準電圧Vrefを前記Vccと同一電圧となるように与えた場合には、オペアンプ62の出力は、Vcc−(充電信号の電圧値)となり、図7(b)に示すような、充電信号とは逆位相の信号となる。すなわち、例えば充電信号が0Vのとき反転信号はVcc、充電信号がVccのとき反転信号は0Vとなる。そして、検出電極3に加わる充電信号の変化時に、逆向きに変化する反転信号が反転電極4に供給される。これによって検出電極3及び反転電極4により発生する高周波電界が打ち消しあい、電極部から放射される高周波ノイズを低減することができる。
インバータ素子64としてCMOSインバータ素子を使用した場合、図9(a)に示されるように検出電極3に加わる充電信号が最大電圧Vccのパルス信号であれば、同図(b)に示すような反転信号を反転電極4に与えることができる。CMOSインバータ素子の場合には、充電信号が(1/2)Vccより小さいときは電圧Vccとなり、充電信号が(1/2)Vccを超えるときは0Vとなる反転信号が生成される。そして、検出電極3に加わる充電信号が大きく急峻に変化する時に、逆向きに変化する反転信号が反転電極4に供給される。これによって検出電極3及び反転電極4により発生する高周波電界が打ち消しあい、電極部から放射される高周波ノイズを低減することができる。
測定に用いた検出電極3及び反転電極4は、図3に示した形状の金属であり、長さ(L3a、L4a)は約300mm、幅(W3a、W4a)は約7mm、両電極間の間隙(ga)は約10mmである。また、充放電手段及び位相反転回路は図6に示した構成であり、検出電極3の充電パルス信号の周期は約7μs(周波数:約140kHz)である。
上記構成により、電極面から垂直方向(同3のZ方向)に1m離れた点における高周波信号のレベル、すなわち電極部から放射される輻射ノイズの受信レベルを測定した。
図10において、本構成による測定値は実線で、従来構成による測定値は破線で示されている。同図から、従来構成と比べて本構成による輻射ノイズは、周波数100〜160kHzにおいて約10dB低く抑えられ、500kHz〜1.7MHzにおいて15dB程度低く抑えられていることが分かる。これによって、本発明の静電容量センサの電極構造によって、電極部からの高周波ノイズの放射の低減に効果があることは明らかである。
本車両用近接センサは、車両に搭載され、人体の近接又は接触を検知する近接センサであって、前記静電容量センサの電極構造を備えることにより、電極部から周囲に放射される高周波ノイズを低減することができる近接センサである。
図11に示すように、本車両用近接センサ7は、検出電極3及び反転電極4を備える電極部32、並びに近接検出部2を備える。各電極の構造や材質等はとくに限定されない。また、電極部32の形状、寸法等も用途によって適宜とされればよく、長尺状の電極に限らず、例えば、前記のように検出電極3を略長方形の形状とし、その検出電極3の外周を取り巻くように反転電極4を配設する(図4参照)等、様々な変形が可能である。
近接検出部2は、充放電手段5、位相反転回路6、容量検出手段22及び近接判定手段24を備える。それぞれの構成及び作用については前述のとおりである。
機器・装置71としては、自動車内の照明、加飾パネル、表示パネル、空調装置、着座判定装置など、各種車載電子機器・装置が挙げられる。例えば、長尺の検出電極3をコンソールボックスやグローブボックス内に配設することにより、乗員の掌や手指が検出電極3に近接したときにボックス内を照らすことができる。また、例えば、広い面積の検出電極3を天井部に配設することにより、検出電極3に掌や手指が近接したときにルームランプを点けることができる。
本車両用近接センサ7によれば、長尺又は大面積の検出電極3を用いた場合にも、反転電極4及び位相反転回路6を備える電極構造により放射される高周波ノイズ(イ)が低減され、自動車内の電子回路の動作に影響を及ぼす電磁妨害を防止することが可能となる。
例えば、前記実施例では、一つの検出用電極3を備える車両用近接センサ7を示したが、これに限定されず、複数の検出用電極及び反転電極を備える車両用近接センサを構成してもよい。
また、本車両用近接センサは、車両に搭載される近接センサであるが、用途はこれに限定されず、例えば、産業用機械や家庭用電気製品等に用いられる近接センサに適用されてもよい。
Claims (5)
- 人体の近接又は接触を静電容量の変化により検出する静電容量センサの電極構造であって、
人体が近接又は接触する導電体であり、前記静電容量を充電する充電信号が繰返し供給される検出電極と、
前記検出電極の静電容量の変化を検出し、その計測値に基づいて人体の近接又は接触を判定する近接検出部と、
前記検出電極と所定の間隙を空けて平行に又は前記検出電極の外周を所定の間隙を空けて囲むように配設される導電体である反転電極と、
前記充電信号の電圧の変化と逆向きに電圧が変化する反転信号を前記反転電極に供給する位相反転回路と、
を備え、
前記充電信号はパルス信号であり、
前記位相反転回路は、前記パルス信号の立上り時に立下り且つ前記パルス信号の立下り時に立上がる前記反転信号を生成し、
前記検出電極から放射される高周波ノイズを前記反転電極によって低減することを特徴とする静電容量センサの電極構造。 - 前記位相反転回路は前記充電信号が入力されるインバータ回路である請求項1記載の静電容量センサの電極構造。
- 前記検出電極は長さ20〜500mm及び幅2〜50mmの長尺状の板状又は棒状の導電体であり、
前記検出電極と同一の長さの前記反転電極が該検出電極と同一平面に10〜100mmの間隙を空けて平行に配設される請求項1又は2に記載の静電容量センサの電極構造。 - 前記検出電極は長さ及び幅がそれぞれ20〜500mmの長方形の平板の導電体であり、
前記反転電極は幅5〜50mmであり、前記検出電極と同一平面に該検出電極の外周を5〜20mmの間隙を空けて囲んで配設される請求項1又は2に記載の静電容量センサの電極構造。 - 乗員の掌又は手指の近接又は接触により自動車内の照明、加飾パネル、表示パネル、空調装置及び着座判定装置のいずれかを制御するための近接センサであって、請求項1乃至4のいずれかに記載の静電容量センサの電極構造を備えることを特徴とする車両用近接センサ。
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