JP5561513B2 - 静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、人体の近接又は接触を検出する静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサに関する。更に、詳しくは、検出電極からの発生するノイズによる他の電子機器の影響を抑制することができる静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサに関する。本静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサは、近接センサ及びタッチセンサとして用いられる。特に車載用の近接センサ及びタッチセンサとして用いられる。

自動車等の車両に、近接センサ及びタッチセンサ（以下、近接センサとする。）の利用が増えてきている。
このような近接センサの一種として、人体が近接又は接触する検出電極を備え、人体による浮遊容量又は接地（大地）との間の静電容量の変化を計測することにより人体の近接又は接触を検知する静電容量センサが知られている。このような静電容量センサにおいては、検出電極に生じる静電容量を充放電させることによって電圧や電荷量を計測したり、検出回路のインピーダンスの変化等を利用させたりすることによって静電容量の変化が検出されている。しかし、人体の近接又は接触によって生じる静電容量の変化は微小な値であり、一度の充電又は放電によって精度よく静電容量を計測することは困難であるため、充放電を繰り返すことによって計測精度を向上させるのが一般的である。
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り返し充放電させ、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）。
静電容量の変化の検出を行うために発振回路でパルス信号を生成して電極に出力するが、検出用の電極がアンテナとして機能し、発振回路のパルス信号が高周波として漏れ出て、周囲に放射する。
このような高周波の放射は、車内の他の電子回路に対するノイズ源となるため、放射を制限した方が好ましい。

また、静電容量の検出精度を向上させるため、センサの電極の構成を工夫したものが知られている。例えば、１対の差動電極に位相の反転した充放電を繰り返し行い、差動電極の見かけ上の浮遊容量の和を求めることによってノイズの影響を除去する近接検出装置が開示されている（特許文献３を参照）。
更に、液晶表示パネル等の他のノイズ源とタッチセンサパネルとを重ねて設けたタッチパネルの制御装置であり、液晶表示パネルから発せられるノイズによりタッチセンサパネルに支障が出ないように、液晶表示の駆動タイミングに応じたタッチセンサの位置読み込みタイミングの変更を行う制御装置が開示されている（特許文献４を参照）。

特開平８−１９４０２５号公報 特表２００２−５３０６８０号公報 特開２００８−２９２４４６号公報 特開平９−１２８１４６号公報

しかし、前記特許文献１〜３のスイッチドキャパシタ方式等の静電容量センサでは、人体等が近接又は接触する検出電極に繰り返し充放電を行い、その充放電特性を累積して静電容量を計測するため、検出電極から周囲環境に充放電による高周波ノイズが放射される。例えば、検出電極の充放電の繰り返し時間が約７μｓであれば、ほぼ１４０ｋＨｚを中心とする周波数領域だけでなく広い周波数範囲で高周波ノイズが放射される。この高周波ノイズによる静電容量センサが周囲の電子機器の動作に影響を及ぼす電磁妨害（ＥＭＩ、Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）が生じないように工夫する必要がある。一般には、装置から外部に放出される高周波ノイズを低減するために、当該装置を金属等のケースによって密閉するような方法がある。しかし、静電容量センサの場合、人体が近接又は接近を検出するための検出電極は外部に開放される必要があるため、電極部を電磁的にシールドする対策は困難である。また、検出電極の充放電の電流量等を単純に調節する場合は、静電容量センサの近接検出精度も影響する。
更に、特許文献４の静電容量センサは、検出電極自身から発せられるノイズについては、検討されていなかった。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、検出電極からのノイズ発生を抑制することができる静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサを提供することを目的とする。

本発明は、以下の通りである。
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であって、人体が近接又は接触する導電体であり、且つ前記静電容量を充電する充電信号が繰り返し供給される複数の検出電極と、周期的に、各前記検出電極に対して、他の各前記検出電極と異なる時刻に前記充電信号を供給する充放電手段と、各前記検出電極の静電容量の変化を検出する容量検出手段と、前記容量検出手段の結果を基に人体の近接又は接触の判定を行う近接判定手段と、を備え、前記充放電手段は、１周期の間に複数の各前記検出電極に前記充電信号が重複しないように順次供給し、各前記検出電極から放射される高周波ノイズの強度が前記１周期の間に対して平均化されていることを特徴とする静電容量センサ。
２．前記充電信号はパルス信号であり、各前記検出電極に充電信号が供給される期間は、他の各検出電極に充電信号が供給される期間と重複しない上記１．記載の静電容量センサ。
３．各前記検出電極は、１つの検出盤の面上に配列されている上記２．記載の静電容量センサ。
４．車両に搭載される近接センサであって、上記１．乃至３のいずれかに記載の静電容量センサを備えることを特徴とする車両用近接センサ。

本静電容量センサによれば、複数の検出電極に同時に充電信号を供給させずに、充電信号が重複する期間を減少させることによって、充電信号により検出電極から生じる高周波ノイズの強度変動をより低減させて平均化させることができる。このため、他の電子機器において、本静電容量センサに対するノイズ対策の手段を検討しやすくすることができ、ノイズ強度の変動による影響を及ぼしにくくすることができる。

充電信号がパルス信号であり、各前記検出電極に充電信号が供給される期間が、他の各検出電極に充電信号が供給される期間と重複しない場合は、換言すると両期間が異なる場合は、高周波ノイズの強度が常に充電信号１つ分の強度となるため、検出電極から生じる高周波ノイズの強度を低い一定値に平均化させることができ、他の電子機器にノイズ強度の変動による影響を及ぼしにくくすることができる。
検出電極が検出盤の一面に配列される場合は、高周波ノイズの発生源を１箇所のより狭い範囲に集中させることによって、充電信号の供給の有無に伴う高周波電界の強度を本静電容量センサとの距離や角度等の位置関係により変化することなく平均化させることができ、他の電子機器に対するノイズ強度の変動による影響を及ぼしにくくすることができる。
本車両用近接センサによれば、検出電極から放射される高周波ノイズのレベルが平均化されている近接センサを各種車載装置のスイッチ等として用いることができ、周囲の車載電子装置におけるノイズ対策の手段を検討しやすくすることができ、ノイズ強度の変動による影響を及ぼしにくくすることができる。

本静電容量センサの構成を説明するための模式図である。 検出盤に検出電極を配設した状態を説明するための模式平面図である。 検出盤に検出電極を配設した状態を説明するための模式側面図である。 ４つの検出電極に対して順に充電信号を供給したときのパルス信号（３ａ）〜（３ｄ）と、供給により発生する電界の強度（９）を説明するための模式図である。 ３つの検出電極に対して順に一部重複して充電信号を供給したときのパルス信号と、供給により発生する電界の強度を説明するための模式図である。 ３つの検出電極に対して同時に充電信号を供給したときのパルス信号と、供給により発生する電界の強度を説明するための模式図である。 充放電手段の構成例を説明するための模式図である。 ６つの検出電極を具備する本発明の静電容量センサから放射される高周波ノイズの強度を、従来例と比較して実測した結果を示すグラフである。

以下、図１〜８を参照しながら本発明の静電容量センサ及びそれを用いた車両用近接センサを詳しく説明する。
本発明の静電容量センサは、図１に例示するように、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であって、静電容量を充電する充電信号が繰り返し供給される複数の検出電極３ａ、３ｂ…と、各検出電極に対して、他の各検出電極と異なる時刻に充電信号を供給する充放電手段５と、検出電極の静電容量の変化を検出する容量検出手段２２と、容量検出手段の結果を基に人体の近接又は接触の判定を行う近接判定手段２４と、を備えることを特徴とする。
本静電容量センサは、各種機器・装置７（例えば、発光器、表示パネル、空調装置及び座席の調整装置等）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近接判定手段から出力するように構成することができる。特に、自動車等の車両に設け、乗員による各種機器・装置の操作に好適に用いることができる。

前記「検出電極」は、その表面に人体が近接又は接触するように配設される導電体であればよく、その形状、大きさ及び構造等は特に問わない。例えば、材質も特に問わず、金属の他、炭素繊維等の導電材により伝導性を具備する導電布等が使用されてもよい。
尚、検出電極への人体の「近接」とは、掌や手指を検出電極の表面に近付ける形態の他、検出電極の表面を覆う絶縁物を介して人体が接触する形態も含むものとする。また、「接触」とは検出電極の表面に直接人体が接触する形態をいうものとする。
前記「検出盤」は、検出電極を配設する対象であって、その形態及び形状は特に問わない。この例として、各種操作を行うためのスイッチとして検出電極を配列する操作板、人体の近接を検知するセンサとして用いるセンサ素子体等を挙げることができる。
更に、複数の検出電極の配設する場所は任意に選択することができ、１つの検出盤等の任意の配設対象に対して全ての検出電極を配設してもよいし、複数の検出盤に対して検出電極を分散させて設けてもよい。このうち、１つの検出盤の面上に配列することが好ましい。更に、１つの検出盤の面上に検出電極を２以上配列することが好ましい。この検出盤の大きさは、特に問わないが、通常８００ｍｍ角以内、特に６００ｍｍ角以内、更に好ましくは５００ｍｍ角以内が好ましい。検出電極の配設がまばらであると検出電極から発生する高周波ノイズもまばらに発生し、その強度が位置関係によって変化するため好ましくないからである。
また、検出電極の配列は任意に選択することができ、通常、近接センサとして必要とされる目的の形態に配列される。この例として図２及び３に例示するように、任意の数の検出電極３ａ〜３ｅを一列に検出盤４に配設することを挙げることができる。また、検出電極を２列以上に分けて配設してもよいし、上下左右の４箇所に十字状に配列したり、円周に沿って配設したりする等を例示することができる。

前記「充放電手段」は、検出電極と電気的に接続され、静電容量Ｃｘを繰り返して充放電させるための充電電圧（充電信号）を検出電極に印加するように構成される。充放電手段の構成は特に限定されず、公知の技術を用いることができる。また、充電信号の振幅、周波数も特に限定されない。例えば、基準電位（０Ｖ）と電源電圧（Ｖｃｃ）との範囲内で変化し、周波数が数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルス状の充電信号が挙げられる。
また、充放電手段は、一の検出電極に対して他の各検出電極と異なる時刻に充電信号を供給することができればよく、充電信号の供給する順番は任意に選択することができる。例えば、図６に示すように、各検出電極３ａ〜３ｃに同時刻に充電信号６が出力される場合、高周波電界の強度が充電信号の３つ分の強度となり、無出力のときと比べて高周波電界の強度変化が大きくなるため、特定の周波数においてノイズの強度が大きくなり、他の電子機器のノイズ対策が、様々な強度のノイズに対応する必要が生じるために難しくなる。

一方、例えば、図５に示すように、一の検出電極３ａに対して他の各検出電極３ｂ、３ｃと異なる時刻に充電信号を供給することができれば、一部信号が重複する期間があっても、充電信号６ａ〜６ｃによって発生する高周波電界のうち、充電信号の２つ分以上の強度の期間９ｂが、充電信号の１つ分の強度の期間９ａよりも短くすることができ、全体としては強度を抑制し、且つ同時に出力される図５に比べて強度を平均化することができる。この「平均化」は、輻射ノイズ等の強度が大きく変動しないことをいい、例えば、５００ｋＨｚ〜１．７ＭＨｚの帯域において、ある周波数の信号レベル（ｄＢｍ）が±５％Ｈｚの周波数の信号レベルと比べて１０ｄＢｍ以内（特に好ましくは５ｄＢｍ以内）とすることができる。
また、充電信号がパルス状である場合は、各検出電極の充電信号が他の各検出電極の充電信号と重畳することがないことが好ましい。充電信号の全て又は一部が他の充電信号に重畳すると検出電極から生じる高周波電界の強さが１つ分の充電信号の強さを越え、高周波ノイズが強くなるからである。図４に示すように、１列に配列されている４つの検出電極３ａ〜３ｄに対して順に充電信号６ａ〜６ｄを供給すると、高周波電界の強度が１つ分の充電信号の強さを越えることがなく、より好ましい。

前記「容量検出手段」の構成は特に限定されず、例えば、静電容量の端子間電圧の計測回路や、静電容量の変化を周波数変化に変換する回路等を用いて、検出電極の静電容量の変化を検出することができる。
前記「近接判定手段」の構成も特に限定されず、容量検出手段によって得られた計測値を基に演算、比較等の処理を行って、人体の近接又は接触を判定するように構成することができる。

充放電手段、容量検出手段及び近接判定手段の制御処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれによって実現されてもよく、好適には、図示しないＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、入出力回路等を備えるマイクロコントローラ（マイクロコンピュータ）を中心に、周辺回路を備えることにより構成することができる。更に、デジタル信号プロセッサ、プログラム可能な論理回路、ゲートアレーその他の論理回路が用いられて構成されてもよい。また、充放電手段、容量検出手段及び近接判定手段は一体の近接検出部として構成されていてもよい。

次に、本静電容量センサ及びこれを用いた車両用近接センサの具体的な回路構成例を参照しつつ、その動作について説明する。
本静電容量センサ１及びこれを用いた車両用近接センサは、乗用車等の車両に搭載され、人体の近接又は接触を検知して、車載の電子制御される機器装置の操作を行うための近接センサであって、検出電極から周囲に放射される高周波ノイズを低減及び強度の平均化をすることができる近接センサである。
図１に示すように、本静電容量センサ１は、図２及び３に示すように機能別に配列されている複数の検出電極３ａ〜３ｆを備える検出盤４、並びに近接検出部２を備える。
検出盤４は、樹脂板であり、ドアの内側やダッシュボード等に嵌め込まれて操作パネルとして使用される。
近接検出部２は、検出盤４の裏側やＥＴＣの近辺等の任意の場所に配設され、充放電手段５、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通りである。

本車両用近接センサは、近接判定手段２４を機器装置７と接続し、それらに人体の近接又は接触を示す近接検出信号を出力するように構成することができる。これにより人体の近接又は接触の状態と判定した場合には、対応する機器装置７を制御することができる。
機器装置７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、着座判定装置等に例示される各種車載電子機器・装置を挙げることができる。

静電容量センサ１の充放電手段の構成例を図７に示す。尚、本発明は、複数の検出電極と、他の各検出電極と異なる時刻に充電信号を供給する充放電手段と、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とすることができる。また、図７の充放電手段５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ず、ハードウェア及びソフトウェアのいずれによって任意の構成で実現することができる。

充放電手段５は、複数の検出電極３ａ、３ｂ…に充電信号を供給する手段であり、既知の静電容量Ｃ１ａ、１ｂ…、スイッチ手段ＳＷ１ａ、１ｂ…及びＳＷ２ａ、２ｂ…を備え、検出電極３ａ、３ｂ…を介して未知の静電容量Ｃｘを繰り返し充放電させる。また、スイッチＳＷ１ａ、１ｂ…は、シフトレジスタやソフトウェア等の任意の手段によって、スイッチＳＷ１ａ、１ｂ…を順次開閉制御するスイッチＳＷ１によって開閉制御される。同様に、スイッチＳＷ２ａ、２ｂ…は、これらを順次開閉制御するスイッチＳＷ２によって開閉制御される。また、スイッチＳＷ１ａ及びＳＷ２ａは同時にオンとされることはない。

次に、検出電極３ａについての１周期分の充放電について説明する。最初に、静電容量Ｃｘ及び静電容量Ｃ１ａが放電される（図示省略）。そしてＳＷ１ａをオン（閉）、ＳＷ２ａをオフ（開）にすると、電源Ｖｃｃによって静電容量Ｃｘが充電される（ステップ１ａ）。次に、ＳＷ１ａをオフ、ＳＷ２ａをオンにすると、静電容量の値に応じた静電容量Ｃｘの電荷の一部が静電容量Ｃ１ａに移動する（ステップ２ａ）。再びステップ１ａの状態とすると、静電容量Ｃｘが電源Ｖｃｃによって充電されるとともに、静電容量Ｃ１ａの電荷は保持される。すなわち、ステップ１ａとステップ２ａを繰り返して実行すれば、静電容量Ｃｘの充放電が繰り返され、静電容量Ｃ１ａに電荷が蓄積されることとなる。このステップ１ａとステップ２ａの繰り返しによって、検出電極３ａに印加される充電信号は、図４（３ａ）に示すように変化する。

更に、検出電極３ｂ以降においても検出電極３ａと同様に充放電を繰り返し、最後の検出電極（図４においては４つ目の検出電極３ｄ）の１回の充放電が終わった後は、最初の検出電極３ａの充放電に戻る。また、検出電極３ａ、３ｂ…は、図４（３ａ）〜（３ｄ）に示すように、スイッチＳＷ１ａ及びＳＷ２ａにより、充電信号６ａ〜６ｄが重複しないように順次充電信号６ａ〜６ｄが供給される。これにより、検出電極３ａ、３ｂ…から放出される高周波電界は、図４（９）に示すようにその強度が充電信号の１分の強度を略常時出力するように扱うことができ、強度が平均化されていると見なすことができる。

次に、本発明の静電容量センサの効果を確認するため、６つの検出電極を備える静電容量センサを使用して、１周期につき、各検出電極に順次の１／６周期分の期間の充電信号を供給する本発明の構成と、１周期の１／６周期分の期間の充電信号を同時に各検出電極に供給する比較例と、の輻射ノイズを計測した。
測定に用いた検出電極３ａ〜３ｆは、図２及び３に示した１０ｍｍ角の正方形の平板形状の金属であり、検出電極３ａ〜３ｆの間隙がそれぞれ１０ｍｍとなるように１列に配列させた。また、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アクティブアンテナで受信し、測定した。

測定された輻射ノイズの受信レベル（ピーク値）を図８に示す。横軸は周波数、縦軸は信号レベルを示している。測定は、周波数１００〜１６０ｋＨｚ及び５００ｋＨｚ〜１．７ＭＨｚの範囲で行った。１００〜１６０ｋＨｚの帯域は、自動車の場合、スマートエントリーシステム等に使用されている。また、５００ｋＨｚ〜１．７ＭＨｚの帯域は、中波放送の周波数に対応する。
図８において、本構成による測定値は下段で、比較例の測定値は上段で示されている。同図から、比較例と比べて本構成による輻射ノイズは、平均して約１０ｄＢ低く抑えられていることが分かる。更に、比較例は、特定の周波数の強度が周辺の周波数に比べて約５ｄＢ〜約１０ｄＢ低下する略弧形状が連続するスペクトルであるが、本構成は、比較例と比べて連続して強度が変化しており、平均化されていることが分かる。
前記結果によって、本発明の静電容量センサは、検出電極からの高周波ノイズの放射の低減及び平均化に効果があることは明らかである。

尚、本発明においては、前記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。例えば、前記実施例では、矩形波状の充電信号を例示したが、波形はこれに限定されるものではなく、正弦波、三角波及びこれらの合成波等とすることができる。また、前記実施例では、０Ｖから所定の電圧値の範囲で変化するパルス信号を例示したが、これに限らず、充電信号は交流信号等であってもよい。
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。

１；静電容量センサ、２；近接検出部、２２；容量検出手段、２４；近接判定手段、３、３ａ〜３ｆ；検出電極、４；検出盤、５；充放電手段、７；機器装置、Ｃｘ；未知の静電容量、９；高周波ノイズ。

Claims (4)

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であって、
   人体が近接又は接触する導電体であり、且つ前記静電容量を充電する充電信号が繰り返し供給される複数の検出電極と、
   周期的に、各前記検出電極に対して、他の各前記検出電極と異なる時刻に前記充電信号を供給する充放電手段と、
   各前記検出電極の静電容量の変化を検出する容量検出手段と、
   前記容量検出手段の結果を基に人体の近接又は接触の判定を行う近接判定手段と、を備え、
   前記充放電手段は、１周期の間に複数の各前記検出電極に前記充電信号が重複しないように順次供給し、
   各前記検出電極から放射される高周波ノイズの強度が前記１周期の間に対して平均化されていることを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記充電信号はパルス信号であり、各前記検出電極に充電信号が供給される期間は、他の各検出電極に充電信号が供給される期間と重複しない請求項１記載の静電容量センサ。
3. 各前記検出電極は、１つの検出盤の面上に配列されている請求項２記載の静電容量センサ。
4. 車両に搭載される近接センサであって、請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量センサを備えることを特徴とする車両用近接センサ。

Images