JP6250653B2 - 対象物の移動を検出する静電容量センサ - Google Patents

Description

本発明は、対象物の移動を検出する静電容量センサに関するものであり、その対象物が、例えば、空調制御装置、インフォテイメント装置、ナビゲーション装置、ラジオ、或いは、マン−マシンインタフェースといった、特に車両の構成要素用の制御装置の、特に手動で操作されるキーであるものである。

大抵の場合、動作が検出される手動操作キーの形態の、対象物の移動の検出は、キーへ機械的に結合されたスイッチ部品を含む、機械的なスイッチにより実行される。従って、キー操作がされるときは、スイッチ部品が作動され、そして、スイッチ部品がキー操作を知らせるスイッチ接触を成立させる。又、このような機械的な方法に代わる方法として、静電容量の変化に基づいて対象物の移動を検出する、静電容量式の装置が存在する。従って、操作部品のキーの例を参照すると、キーの動作は、例えば、静電容量センサのキャパシタの、２つの電極間の距離の変化をもたらし、それは、信号処理技術の補助により評価される。２つの電極に相関的な移動をさせるために、２つの電極間の容積部は、圧縮性があり、伸縮可能でなければならない。この点に関する絶縁体として、気体、特に空気が好ましい。しかしながら、この際に、空気（又は一般的に気体）は、単に低い比誘電率を有しているに過ぎないため、２つの電極間の変化により起こる静電容量の変化が、微小な信号の変化しかもたらさないことは、不都合である。

有効な力が加えられて引き起こされる、電極の電気結合の変化が利用される、静電容量センサの種々の構造は、独国特許出願公開第１０２００７００１０８６Ａ１号明細書、欧州特許第１２６１８４５Ｂ１号明細書（米国特許第６，６８３，７８０Ｂ２号明細書と同様）、及び、米国特許第５，２０６，７８５号明細書に記載されている。独国特許出願公開第１０２００７００１０８６Ａ１号明細書のセンサでは、固設された絶縁体が、導電性を備え、そこから離れて設置される可撓性の層と共に使用される。圧力がかけられた場合に、プランジャがその層に作用し、プランジャがその層を絶縁体の方へ移動させて、絶縁体とより広い又はより狭い面接触をさせるため、センサの出力信号の望ましい信号変化がもたらされる。又、米国特許第５，２０６，７８５号明細書のセンサでも、固設された絶縁体が使用されている。欧州特許第１２６１８４５Ｂ１号明細書及び米国特許第６，６８３，７８０Ｂ２号明細書には、絶縁体として空気を用いる静電容量差分センサが記載されている。

独国特許出願公開第１０２００７００１０８６号明細書 欧州特許第１２６１８４５号明細書 米国特許第６，６８３，７８０号明細書 米国特許第５，２０６，７８５号明細書

本発明の目的は、対象物の移動を検出する静電容量センサを提供することであり、このセンサは、容易に検出可能であり、微小な移動の場合でも十分に大きい、測定信号の変化を生じるものである。

上記目的を達成するために、本発明は、対象物の移動を検出する、特に、制御装置のキー動作を検出する、静電容量センサを提案し、この静電容量センサは、請求項１で規定した特徴を含むものである。更なる請求項は、本発明の個々の形態に関連するものである。

本発明の静電容量センサは、第１及び第２電極と、それらの間の容積部とを有する、キャパシタを含んでいる。２つの電極の一方は、対象物に接続されて対象物上に設置され、或いは、対象物と機械的に結合されて対象物上に設置されており、このため、対象物が移動すると、電極が移動することとなる。電極が移動すると、その他方の電極までの距離が変化する。従って、２つの電極間の容積部も変化することとなる。２つの電極間の容積部は、電極自体によって、又は電極の側面によって、範囲が定められた領域として解釈されるものである。２つの電極は、キャパシタの静電容量の変化を検出するための、評価装置へ接続されている。

本発明によれば、２つの電極間の容積部は、少なくとも部分的に、気体状ではない変形可能な第１の絶縁体で満たされている。２つの電極間の容積部の、他の部分は、気体で満たされている。この気体容積部は、第１の絶縁体によって形成してもよく、或いは、第１の絶縁体と電極の一方又は双方との間に形成してもよい。気体容積部は、気体状の第２の絶縁体で満たされる。ここで、２つの電極が互いに接近している場合、気体状の第２の絶縁体は、気体容積部から脱することとなる。反対に、２つの電極間の距離が大きくなると、気体状の第２の絶縁体が、周囲から気体容積部へ入り込む。２つの電極間の距離が変化した場合、一方では、電極間の容積部の、第１の絶縁体で占められている部分の変化が発生し、他方では、第２の絶縁体で占められている部分の変化が発生する。上記部分のそれらの変化は、計測技法の助けにより検出される静電容量の変化を増大させるため、電極の小さな移動や対象物の小さな移動も、計測技法ではあるが確実な方法かつ低費用で、検出することが可能となる。

本発明の好ましい形態によれば、対象物の移動を検出するために、２つのキャパシタを反対方向で使用することができる。属性配置は、対象物の移動が起こったときに、一方のキャパシタの電極の距離が小さくなると同時に、他方のキャパシタの電極の距離が大きくなるように、選択される。双方のキャパシタは、設計的に略等しい、すなわち、気体状ではない第１の絶縁体と気体状の第２の絶縁体とを各々が含んでいる。これにより、測定精度が更に高められ、又、相応して、対象物の移動検出の信頼性が高められる。

この実施形態では、特に、第１電極と、対象物への接続又は機械的結合のために、或いは対象物上への設置のために備えられた第２電極とを含む、第２のキャパシタを含んでおり、対象物が移動した場合に、電極間の距離が２つのキャパシタで反対方向に変化し、双方のキャパシタが、気体状ではない第１の絶縁体と気体状の第２の絶縁体とを電極間に含んでおり、双方のキャパシタの電極が、評価装置へ接続されている形態を提供する。

第１の絶縁体の気体容積部、及び、第１の絶縁体と２つの電極の少なくとも一方との間の気体容積部は、好ましくは、第１の絶縁体が、外部へ開口し、２つの電極が互いに接近したときに気体（すなわち第２の絶縁体）が抜け出ることができる、少なくとも１つの凹部を含むように実現する。これに代えて、第１の絶縁体の表面を、外部へ開口した形状及び構造、すなわち、気体を受け入れる空間を有するようにしてもよい。何れの場合でも、気体が第２の絶縁体で満たされた気体容積部から抜け出せるように、更には２つの電極間の中間スペースの外へ抜け出せるように、保護しなければならない。

本発明の有利な形態によれば、第１の絶縁体が弾力性を有する形態が提供される。従って、電極間の距離の変化により変形した後、第１の絶縁体は、自ずと再び元の形状を呈する。その際、特に互いに向かい合う（内）面において、第１の絶縁体が電極へ接続されていると有利である。第１の絶縁体の弾力性により、第１の絶縁体を、移動が検出される対象物を支持するためにも利用することができる。更に、弾力性を有する第１の絶縁体により、移動前に対象物があった静止位置へと、対象物が自動的に動かされることとなる。従って、２つのキャパシタを備えている場合は、上述したように、対象物は、反対の２つの側から反対方向の戻る力を受け、それらの力により、移動された位置ではない静止位置へと、再び動かされることとなる。

本発明の更に有利な形態によれば、第１の絶縁体が、レンズのような形状を成し、電極へ向いた２つの外面を有し、その外面と電極との間に気体容積部が形成される形態が提供される。

第１の絶縁体の材料として、特に、エラストマー及び好適にはゴムが好ましい。第１の絶縁体は、多孔性やオープンセルを有していてもよい。特に有用な点は、圧縮可能な発泡性材料により、２つの電極が互いに接近する際、気体が抜け出ている状態で、オープンセルの気体容積部が外側へ向かって圧縮できるようになることである。

更に、本発明は、車両の構成要素、特に、空調制御装置、インフォテイメント装置、ナビゲーション装置、ラジオ、或いは、一般的なマン−マシンインタフェースのために提供される、制御装置に関連するものであり、上記の制御装置は、手動操作可能な可動キー、特に、トグルキー、ロックキー、又は押しボタンを備えており、又、キーの移動（すなわち動作）を検出するための静電容量センサを備えており、この静電容量センサは、１つ又は複数のクレームに従って形成することができる。

本発明の静電容量センサは、対象物の移動を検出するために提供され、上述から明らかなように、力及び圧力センサとして、及び／又は、移動量センサとして機能することができるが、常に対象物の移動を検出するために利用される。

本発明は、２つの実施形態を通して図面を参照しながら、以下で更に詳細に説明している。

静電容量センサにより動作が検出される張出型（トグル）キーを含む、車両制御装置の部分的な断面図である。 押しボタンと押しボタンの動作を検出する静電容量センサ装置とを含む、更なる実施形態に係る車両制御装置の部分的な断面図である。

図１は、自体の動作が静電容量方式で検出されるトグルキーを含む、本発明に重要な車両制御装置１０の一部を示す概略的な拡大断面図である。車両制御装置１０は、ハウジング１２と、ハウジングの前部１４よりも突出した、操作キー１８の操作端１６とを含んでいる。操作キー１８は、ハウジング１２内の傾斜動作軸２２を中心に旋回するように支持された、レバー状及び板状のホルダ２０に設置されている。操作キー１８と反対側の、ホルダ２０の後端部２４の上下には、第１及び第２のキャパシタ２６、２８が設置されている。各キャパシタ２６、２８は、固設された第１電極３０、３２と、移動可能な第２電極３４、３６とを含んでいる。本実施形態では、２つのキャパシタ２６、２８の２つの第１電極３０、３２が、互いに、支持体３１の中抜き部２９の反対側の端部に設置されると共に、操作キー１８のホルダ２０の端部２４が、中抜き部２９内に埋設されている。２つの第２電極３４、３６は、レバー状及び板状のホルダ２０の反対側の面、すなわち、ホルダ２０の上面及び下面に設置されている。従って、第１電極３０及び３２の各々は、夫々の反対側に設置された第２電極３４、３６を有している。操作キー１８が傾けられたとき、２つのキャパシタ２６、２８の、第２電極３４、３６とその各々に関連する第１電極３０及び３２との距離は、反対方向に変化する。電極の距離のこのような変化（本実施例では互いに反対向き、すなわち反対方向）によって、各キャパシタ２６、２８の静電容量が変化し、それは、評価装置３８を用いて、計測技法の助けを得て検出され、そして評価される。これにより、操作キー１８の動作を検出することができる。

図１に模式的に示しているように、キャパシタ２６、２８の２つの電極対は、それらの間に容積部４０を規定している。図１による操作キー１８の開始位置では、容積部４０が第１の絶縁体４２により部分的に満たされている。本実施形態では、第１の絶縁体４２がレンズ形状である。第１の絶縁体４２は、本実施形態ではエラストマー又はゴムである、気体状ではない材料で形成されている。従って、本実施形態では、第１の絶縁体４２が弾性を有している。上述したレンズ形状により、第１の絶縁体４２は、電極３０〜３６の各々と正面で接合していない。その代わりに、複数の部分的な容積を担う気体容積部４４が、第１の絶縁体４２とそれに属する電極との間に設けられている。上記の部分的な容積は、操作キー１８が開始位置にある場合、空気（第２の絶縁体）で満たされている。

ここで、操作キー１８が操作されるとき、上記ホルダ２０が傾けられると、一方のキャパシタの電極距離が小さくなり、他方のキャパシタの電極距離が大きくなる。電極距離が減少する場合、空気は、気体容積部４４の外側へ押し出され、遂には、絶縁体４２の材料に「置き換え」られる。従って、上記キャパシタの電極間の空気の一部が減少して、静電容量の変化が増大され、これにより、改善された信頼性及び大きな信号変化をもって、操作キー１８の移動を検出することが可能となる。更に、これには、絶縁体４２の比誘電率が気体容積部４４に存在する空気の比誘電率よりも高い、という事実が貢献している。

図１による配置の実現的な構造は、例えば、通過接触部を有する長尺孔（中抜き部２９参照）が形成された、縦方向に配置された回路基板（支持体３１参照）で構成されている。そして、この通過孔の接触部は、２つの反対側の端部で分割され、これによって、２つの電極３０、３２が形成されている。長尺孔（中抜き部２９参照）内には、更なる電極（上記の電極３４、３６から成る）が、中心近傍に配置されている。ここで、長尺孔に埋設されたこの電極が、２つの電極３０、３２の何れか一方へ向かって移動する場合、一方の電極間の電気容量は増大するが、他方の電極間の電気容量は減少する。測定する静電容量の増強と、力―移動量関係の達成とのために、弾性絶縁体４２（例えばゴム）が、電極間に挿入されている。移動量に依存する静電容量の変化を増大させるために、絶縁体４２は、例えば、力が加えられた影響で変形するときに、これによって、電極間に存在している空気部分を減少させるような、形状を有している。従って、第１の絶縁体４２で占められる電極間の容積の部分と、空気で占められる部分との比は、電極間の距離が変化したときに変化するものである。ゴム又は第１の絶縁体が、空気よりもかなり大きな比誘電率を有しているため、電極間の距離が変化したときの静電容量の変化は、そうではないように間隔があいた電極間の絶縁体が常に同じである場合よりも大きい。従って、静電容量の変化を、容易かつ確実に検出することができる。

図２は、操作キーが押しキーとして設計された場合に、本発明の静電容量センサ装置を適用した、代替の実施形態を示している。図１の要素が図２の要素に対応している（すなわち、構造的に等しい、又は機能的に類似している）限りで、それらを図２において図１と同じ参照符号で示している。従って、図１の実施の形態のように、図２の弾力性のある第１の絶縁体４２は、キーが操作され、キーへの力の付加が終わった後に、操作キー１８の自動リセットに利用することができる。

１０：車両制御装置、１２：車両制御装置のハウジング、１４：ハウジングの前部、１６：操作キーの操作端、１８：操作キー、２０：操作キーのホルダ、２２：ホルダ又は操作キーの傾斜動作軸、２４：キャパシタを備えるホルダの端部、２６：第１のキャパシタ、２８：第２のキャパシタ、２９：支持体の中抜き部、３０：第１のキャパシタの第１電極、３１：２つのキャパシタの第１電極のための支持体、３２：第２のキャパシタの第１電極、３４：第１のキャパシタの第２電極、３６：第２のキャパシタの第２電極、３８：評価装置、４０：キャパシタの電極間の容積部、４２：キャパシタの電極間の絶縁体、４４：キャパシタの電極間の気体容積部

Claims (8)

1. 制御装置のキー動作の検出を含む、対象物の移動を検出するための静電容量センサであって、
   第１電極（３０；３２）と、
   前記対象物と接続又は機械的結合されるように、或いは、前記対象物上に設置されるように具備され、前記対象物が移動したとき、前記第１電極（３０；３２）からの距離が変化する第２電極（３４；３６）と、
   前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）により形成され、電極（３０、３４；３２、３６）の間に容積部（４０）を備え、前記対象物が移動したときに大きさが変化する第１のキャパシタ（２６；２８）と、
   前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）と接続され、前記２つの電極間の間隔及び容積の変化によりもたらされる、前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）間の静電容量の変化を測定するように動作する評価装置（３８）と、を含み、
   前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）の間に、気体状ではない変形可能な第１の絶縁体（４２）が設置され、
   該第１の絶縁体（４２）は、少なくとも１つの気体容積部（４４）を画定する、或いは、前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）の少なくとも一方と共に気体容積部（４４）を画定するものであり、前記気体容積部（４４）が気体状の第２の絶縁体で満たされており、
   前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）が互いに接近するとき、該２つの電極間の前記気体容積部（４４）及び前記容積部（４０）から、前記第２の絶縁体の少なくとも一部が抜け出し、
   前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）が互いに接近するとき、該２つの電極（３０、３４；３２、３６）間の前記容積部（４０）の、前記第１の絶縁体（４２）で占められている部分が増大し、前記２つの電極（３０、３４；３２、３６）間の前記容積部（４０）の、前記第２の絶縁体で占められている部分が減少し、
   前記第１の絶縁体（４２）は、非変形状態でレンズ形状であり、前記電極（３０、３４；３２、３６）に対向する２つの外面を有し、前記気体容積部（４４）が、前記外面と前記電極（３０、３４；３２、３６）との間に形成されることを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記第１の絶縁体（４２）が、オープンセルの材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
3. 前記少なくとも１つの気体容積部（４４）が、前記電極（３０、３４；３２、３６）間の前記容積部（４０）の外側へ向かって開口する、前記第１の絶縁体（４２）内の凹部により形成される、或いは、前記電極（３０、３４；３２、３６）間の前記容積部（４０）の外側へ向かって開口する、前記第１の絶縁体（４２）の表面形状により形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量センサ。
4. 前記第１の絶縁体（４２）が、弾力性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の静電容量センサ。
5. 前記第１の絶縁体（４２）が、エラストマーであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の静電容量センサ。
6. 前記エラストマーがゴムであることを特徴とする請求項５記載の静電容量センサ。
7. 前記第１の絶縁体（４２）が、前記第２の絶縁体よりも大きい比誘電率を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の静電容量センサ。
8. 第１電極（３０；３２）と、前記対象物と接続又は機械的結合されるように、或いは、前記対象物上に設置されるように具備される第２電極（３４；３６）と、を含む第２のキャパシタ（２６；２８）を更に含み、
   前記対象物が移動したとき、前記２つのキャパシタ（２６；２８）の前記電極（３０、３４；３２、３６）間の距離が反対方向に変化し、
   前記キャパシタ（２６；２８）の双方は、前記電極間に、気体状ではない第１の絶縁体と、気体状の第２の絶縁体とを含み、
   双方の前記キャパシタ（２６；２８）の前記電極（３０、３４；３２、３６）が、前記評価装置（３８）へ接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の静電容量センサ。

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