JP6734526B2 - 静電容量式近接センサおよびこの静電容量式近接センサを備えるドアハンドル装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の静電容量式近接センサによれば、励振周波数f0を共振周波数frより高くなるよう設定したことにより、共振電圧は物体がセンサ電極へ接近する場合には常に減少することから、共振電圧の変化から物体の検出を行うことができるとされている。
また、特許文献2に記載の人体検出器では、人体が接触した場合よりも水が接触した場合のほうが出力の変化が早いことを前提にしているが、温度等の環境変化や回路定数によっては人体と水を識別するのは困難である。
また、本発明は、人体と水の識別をより確実に行うことができる静電容量式近接センサを備えるドアハンドル装置を提供することを目的とするものである。
高周波信号を出力する発振手段と、
センサ電極を含むLCR共振回路を有し、前記高周波信号が入力されて前記センサ電極の容量に応じた判定電圧信号を出力するセンサ回路と、
前記判定電圧信号に基づいて前記センサ電極への人体の近接を検出する制御部を備え、
物体が前記センサ電極に近接していないときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf1、前記判定電圧信号をV1とし、
人体が前記センサ電極に近接したときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf2、前記判定電圧信号をV2とし、
水が前記センサ電極に近接したときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf3、前記判定電圧信号をV3とし、
物体が前記センサ電極に近接していないときの前記判定電圧信号と、人体が前記センサ電極に近接したときの前記判定電圧信号とが一致する周波数をf H とし、
物体が前記センサ電極に近接していないときの前記判定電圧信号と、水が前記センサ電極に近接したときの前記判定電圧信号とが一致する周波数をf L としたとき、
f1>f2>f3
の関係を有する場合において、
前記制御部は、
前記共振回路が直列共振回路であるときにはV2>V1>V3 の関係を満たすように、もしくは、前記共振回路が並列共振回路であるときにはV3>V1>V2の関係を満たすように、
前記高周波信号の周波数f x をf L <f x <f H の関係を満たすように制御し、前記センサ電極への人体と水の近接を識別する、ことを特徴とする。
「前記制御部は、前記V1が略一定になるように前記高周波信号の周波数を制御すること」、
「前記制御部は、前記高周波信号の周波数が略一定になるように制御すること」、
を含む。
「前記静電容量式近接センサは基板上に形成され、
前記基板は、前記センサ電極が車両のドア本体側を向くように配され、
前記センサ電極が形成されていない前記基板の背面にシールド電極が形成されていること」、
「前記ドアハンドルの表面が導電性を有すること」、
を含む。
本発明の第1の実施形態例に係る静電容量式近接センサを、図面を参照して説明する。
本例の近接センサは、所謂キーレスエントリーシステムにおける車両ドアの解錠・施錠用のセンサとして用いることができるものである。この場合、センサ電極は被操作体としてのドアハンドルの内部に設けられ、ドアハンドルの所定の面にユーザが接触すると、その接触を検知することができるように所定の位置に配される。
ADコンバータ41は、平滑回路30から入力された判定電圧信号S2をA/D変換し、判定信号S3として制御部42に出力する。
制御部42は、詳しくは後述するが、高周波信号生成部43に制御信号S4を出力する他、判定信号S3に基づき人体がドアハンドルに接触した(人体がセンサ電極22に近接した)と判断した場合には人の検知信号S5を出力し、水がドアハンドルに接触した(水がセンサ電極22に近接した)と判断した場合には水の検知信号S6を出力する。
発振手段としての高周波信号生成部43は、詳しくは後述するが、制御部42から入力される制御信号S4に基づき、所定の周波数および所定のデューティ比の高周波信号S0をLCR共振回路20に出力する。
本例ではLCR共振回路20に入力する高周波信号S0として、図2(a)に示すような矩形波状の高周波信号(概ね数百kHz)を用いている。なお、高周波信号S0としては、矩形波に限らず正弦波や三角波等であってもよい。
LCR共振回路20に入力された高周波信号S0は、インダクタ21とセンサ電極(可変容量)22により歪まされ、立上がりおよび立下がりが遅れたのこぎり波に近い波形となり、ダイオード31により半波整流される。これにより、図1のB点の電圧信号S1は図2(b)に示すような波形となる。このような電圧信号S1が平滑回路30に入力されると、ローパスフィルタを構成する固定抵抗32とコンデンサ33によって平滑化され、図2(c)に示すような直流に近い判定電圧信号S2が出力される。
本発明におけるLCR共振回路20は、人体等の誘電体がセンサ電極22に近接していないときの共振周波数をf1、人体(手)がセンサ電極22に近接したときの共振周波数をf2、水がセンサ電極22に近接したときの共振周波数をf3とすると、
f1>f2>f3
の関係を満たしている。
これは、人体等の誘電体がドアハンドルに接触するとセンサ電極22の容量が増え、また、洗車時を想定し比較的大量の水がドアハンドルを濡らした場合のセンサ電極22の容量が、人体がドアハンドルに接触した場合のセンサ電極22の容量よりも大きくなることによるものである。
図3は、LCR共振回路20に入力される高周波信号S0の周波数と、センサ電極22への物体の非近接時、人体の近接時、および水の近接時の判定電圧信号S2との関係を示している。なお、判定電圧信号S21は物体がセンサ電極22に近接していないとき、判定電圧信号S22は人体がセンサ電極22に近接したとき、判定電圧信号S23は水がセンサ電極22に近接したときに相当する。
fL<fx<fH
の関係を満たすように制御することにより、人体と水の識別を確実に行うことができる。
すなわち、高周波信号S0の周波数fxを上記のように制御することにより、物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号V1(点P1の電圧)と、人体がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V2(点P2の電圧)と、水がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V3(点P3の電圧)は、常に、
V2>V1>V3
の関係にある。つまり、センサ電極22に人体が近接した場合と水が近接した場合とでは、物体がセンサ電極に近接していないときの状態から全く逆の方向に判定電圧信号が変化することになり、人体と水の識別を確実に行うことができる。
VH>V1>VL
の関係を満たすように高周波信号S0の周波数fxを制御することにより、常に、
V2>V1>V3
の関係を満足することになり、人体と水の識別を確実に行うことができる。
図5は、LCR共振回路20に入力される高周波信号S0の周波数と、センサ電極22への物体の非近接時、人体の近接時、および水の近接時の判定電圧信号S2との関係を示しており、実線は−10℃、破線は+70℃のものである。ここで、判定電圧信号S21(−10)とS21(70)はそれぞれ−10℃と+70℃において物体がセンサ電極22に近接していないとき、判定電圧信号S22(−10)とS22(70)はそれぞれ−10℃と+70℃において人体がセンサ電極22に近接したとき、判定電圧信号S23(−10)とS23(70)は−10℃と+70℃において水がセンサ電極22に近接したときに相当する。
なお、図5において、f1(−10)とf1(70)はそれぞれ−10℃と+70℃において物体がセンサ電極22に近接していないときの共振周波数、f2(−10)とf2(70)はそれぞれ−10℃と+70℃において人体がセンサ電極22に近接したときの共振周波数、f3(−10)とf3(70)はそれぞれ−10℃と+70℃において水がセンサ電極22に近接したときの共振周波数を示している。
このため、物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号V1が、
VH>V1>VL
の関係を満たすように高周波信号S0の周波数を制御することにより、環境温度が変化しても、
V2>V1>V3
の関係を満足することになり、人体と水の識別を確実に行うことができる。
図6に示すように、本例では、環境温度が−10℃〜70℃の範囲内において、高周波信号S0の周波数fxを約395kHz〜377kHzの範囲内で適宜制御することにより、判定電圧信号V1を一定値(約2.8V)に制御している。このように環境温度の変化に応じて高周波信号S0の周波数fxを制御することにより、人体の近接時の判定電圧信号V2を約4.6V、水の近接時の判定電圧信号V3を約2.1Vと一定の値に保つことができ、環境温度が変化しても人体と水の識別を確実に行うことができる。
V2>V1>V3
の関係を満たすように高周波信号S0を制御する別の方法を説明する。
図7は、図5と同様、LCR共振回路20に入力される高周波信号S0の周波数と、物体の非近接時、人体(手)の近接時および水の近接時の判定電圧信号S2との関係を示している。
ここで、図7に示すように、判定電圧信号S21(70)のグラフと判定電圧信号S22(70)のグラフが交差する点PH(70)の高周波信号S0の周波数をfH、判定電圧信号S21(−10)のグラフと判定電圧信号S23(−10)のグラフが交差する点PL(−10)の高周波信号S0の周波数をfLとした場合、高周波信号S0の周波数fxを、
fL<fx<fH
の関係を満たすように制御することにより、環境温度が変化しても人体と水の識別を確実に行うことができる。
すなわち、高周波信号S0の周波数fxを上記のように制御することにより、例えば−10℃の環境下においては、物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号V1(−10)と、人体がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V2(−10)と、水がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V3(−10)は、常に、
V2(−10)>V1(−10)>V3(−10)
の関係にある。
また、70℃の環境下においては、物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号V1(70)と、人体がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V2(70)と、水がセンサ電極22に近接したときの判定電圧信号V3(70)は、常に、
V2(70)>V1(70)>V3(70)
の関係にある。
つまり、高周波信号S0の周波数fxを、
fL<fx<fH
の関係を満たすように制御することにより、環境温度が変化してもセンサ電極に人体が近接した場合と水が近接した場合とでは、物体がセンサ電極に近接していないときの状態から全く逆の方向に判定電圧信号が変化することになり、人体と水の識別を確実に行うことができる。
図8は、本例の近接センサ1において、環境温度によらず高周波信号の周波数を390kHzに制御した時の、環境温度と、非近接時の判定電圧信号V1、人体の近接時の判定電圧信号V2および水の近接時の判定電圧信号V3との関係を示している。
図8に示すように、本例では、環境温度が−10℃〜70℃の範囲内において、高周波信号S0の周波数fxを約390kHzに制御することにより、
V2>V1>V3
の関係を満たすことができ、環境温度が変化しても人体と水の識別を確実に行うことができる。
人体がセンサ電極22に近接したときの、LCR共振回路20の共振周波数をf2、判定電圧信号をV2とし、
水がセンサ電極22に近接したときの、LCR共振回路20の共振周波数をf3、判定電圧信号をV3としたとき、
f1>f2>f3
の関係を有する場合において、
V2>V1>V3の関係を満たすように高周波信号S0を制御することで、センサ電極への人体と水の近接を確実に識別することができる。
また、高周波信号S0の制御方法としては、例えば図5及び図6を用いて説明したようにV1が略一定になるように高周波信号S0の周波数を制御する方法と、図7及び図8を用いて説明したように高周波信号S0の周波数fxを、fLとfHの間の周波数に制御する方法を適用することができる。
まず、電子キーを携帯したユーザが車両に近づくと、車載の認証システムと電子キーとの間で無線通信が行われ、当該車両の正規の電子キーであることの認証が行われる。なお、この認証は、スマートエントリーシステムにおける公知の認証方法で行うことができる。
正規の電子キーが認証された時点では物体がセンサ電極22に未だ近接していない状態であり、制御部42はこの状態における判定電圧信号V1の調整を行う。この判定電圧信号調整は、図6と同様、高周波信号S0(連続発振)の周波数fxを制御することで、物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号V1が約2.8V(2.7V〜2.9Vの範囲内)となるように調整するものである。
なお、判定電圧信号が同じレベルとなる周波数が、共振周波数f1よりも低い周波数側と高い周波数側に存在するため、高周波信号S0の周波数fxの増減に伴う判定電圧信号V1の増減を監視することで、高周波信号S0の周波数fxを共振周波数f1よりも低い周波数側で制御するようにする。
次に、制御部42はステップS1で調整された周波数の高周波信号S0を所定のデューティ比で間欠発振させる。これは、デューティ比を所定の値よりも小さくすると、人体がセンサ電極22に近接しても水と同様に判定電圧信号が低下することを利用し、人体もしくは水がセンサ電極に近接していることを検出するためである。この間欠発振は消費電力を低減するために組み込まれたステップであるが、ここではセンサ電極に近接しているのが人体か水かを判別することはできない。
判定電圧信号が所定値以下に低下した場合には、人体もしくは水がセンサ電極に近接している可能性があるため、間欠発振から連続発振に切り替えて本格的な検出を行う。
判定電圧信号に低下が見られない場合は何も近接していないものとし、一旦検出を解除し、引き続き間欠発振のまま検出を続ける。
判定電圧信号に低下が見られた場合、人体もしくは水が近接している可能性があるため連続発振に切り替えて、判定電圧信号が4.5V以上か否かを判定し、4.5V以上であればステップS7に進み、そうでなければステップ10に進む。
ステップ1において物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号を約2.8Vに調整しているため、図6に示したように、人体がセンサ電極22に近接していると判定電圧信号は約4.6Vになることから、人体を検出したとして人体の検出信号S5を出力する。
なお、人体の検出信号S5が出力されると、ドアのアウタパネル内に設けられているドアロック機構が制御され、車両ドアの解錠もしくは施錠が行われる。
人体の検出信号S5を出力すると、連続発振から間欠発振に切り替える。
ステップS3で近接を検出してから2秒以上経過していたら、ステップS3に戻って間欠発振のまま人体もしくは水がセンサ電極に近接しているか否かを検出する。なお、2秒以上経過してから新たな検出を行う理由は、極めて短い時間に連続して車両ドアの解錠もしくは施錠が行われないようにするためである。
ステップS6で判定電圧信号が4.5V以上でない場合には、判定電圧信号が2.5V以下か否かを判定し、2.5V以下であればステップS11に進み、そうでなければステップ12に進む。
ステップ1において物体がセンサ電極22に近接していないときの判定電圧信号を約2.8Vに調整しているため、図6に示したように、水がセンサ電極22に近接していると判定電圧信号は約2.1Vになることから、水を検出したとして水の検出信号S6を出力し、ステップS8に進み、以下同様の手順を繰り返す。
ステップS10で判定電圧信号が2.5V以下でない場合には、判定電圧信号が4.5V未満か否かを判定する。
判定電圧信号が4.5V未満でない場合には、ステップS7に進み、以下同様の手順を繰り返す。
判定電圧信号が4.5V未満の場合には、ステップS13に進む。
ステップS3で近接を検出してから2秒以上経過していない場合には、ステップS10に戻る。
一方、ステップS3で近接を検出してから2秒以上経過している場合には、人体も水も検出しなかったものとしてステップS1に戻り、以下同様の手順を繰り返す。なお、水の判定に2秒間の時間を有している理由は、水のかかり方により遅れて信号が低下する可能性があるためである。
図10は、本発明の第2の実施形態例に係るドアハンドル装置を模式的に示した断面図である。
本例のドアハンドル装置は、車両用のドアハンドル装置に関するものであり、所謂スマートエントリーシステムにおけるドア解錠用の近接センサを備えるものである。
近接センサ103は、第1の実施形態例のものと同じであり、センサ回路とマイコンを搭載したセンサ基板103a上にセンサ電極103bが搭載されている。
センサ基板103aは、センサ電極103bが車両のドア本体側(即ち、アウタパネル101側)を向くように配されている。
アンテナ104は、ユーザが携帯する電子キーとの間で無線通信を行うためのものである。
例えば、第1の実施形態例では、図1の制御部42が、V2>V1>V3 の関係を満たすように高周波信号S0を制御しているが、LCR共振回路20を並列共振回路としたり、センサ回路に反転増幅回路を付加したような場合などには、制御部42が、V3>V1>V2 の関係を満たすように高周波信号S0を制御するようにしてもよい。
また、上記の実施形態例では近接センサを車両のドアハンドルに装着した場合を説明したが、本発明の静電容量式近接センサは住宅や事務所等のドアにも適用できるものである。
また、上記の実施形態例では物体の近接を検知した際の制御として、ドアの解錠と施錠を制御する場合を説明したが、例えば室内側や室外側の各種照明や表示灯の点灯と消灯を制御するなどしてもよい。
10 センサ回路
20 LCR共振回路
21 インダクタ
22 センサ電極(可変容量)
23 固定抵抗
30 平滑回路
31 ダイオード
32 固定抵抗
33 コンデンサ
34 バッファ回路
40 マイコン(マイクロコンピュータ)
41 ADコンバータ
42 制御部
43 信号生成部
101 アウタパネル
102 ドアハンドル
103 近接センサ
103a センサ基板
103b センサ電極
104 アンテナ
105 シールド電極(遮蔽板)
106 隙間
Claims (6)
- 高周波信号を出力する発振手段と、
センサ電極を含むLCR共振回路を有し、前記高周波信号が入力されて前記センサ電極の容量に応じた判定電圧信号を出力するセンサ回路と、
前記判定電圧信号に基づいて前記センサ電極への人体の近接を検出する制御部を備え、
物体が前記センサ電極に近接していないときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf1、前記判定電圧信号をV1とし、
人体が前記センサ電極に近接したときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf2、前記判定電圧信号をV2とし、
水が前記センサ電極に近接したときの、前記LCR共振回路の共振周波数をf3、前記判定電圧信号をV3とし、
物体が前記センサ電極に近接していないときの前記判定電圧信号と、人体が前記センサ電極に近接したときの前記判定電圧信号とが一致する周波数をf H とし、
物体が前記センサ電極に近接していないときの前記判定電圧信号と、水が前記センサ電極に近接したときの前記判定電圧信号とが一致する周波数をf L としたとき、
f1>f2>f3
の関係を有する場合において、
前記制御部は、
前記共振回路が直列共振回路であるときにはV2>V1>V3 の関係を満たすように、もしくは、前記共振回路が並列共振回路であるときにはV3>V1>V2の関係を満たすように、
前記高周波信号の周波数f x をf L <f x <f H の関係を満たすように制御し、前記センサ電極への人体と水の近接を識別する、ことを特徴とする静電容量式近接センサ。 - 前記制御部は、前記V1が略一定になるように前記高周波信号の周波数を制御することを特徴とする請求項1に記載の静電容量式近接センサ。
- 前記制御部は、前記高周波信号の周波数が略一定になるように制御することを特徴とする請求項1に記載の静電容量式近接センサ。
- 車両外側のドアハンドル内に請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の静電容量式近接センサを備えることを特徴とするドアハンドル装置。
- 前記静電容量式近接センサは基板上に形成され、
前記基板は、前記センサ電極が車両のドア本体側を向くように配され、
前記センサ電極が形成されていない前記基板の背面にシールド電極が形成されていることを特徴とする請求項4に記載のドアハンドル装置。 - 前記ドアハンドルの表面が導電性を有することを特徴とする請求項5に記載のドアハンドル装置。
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