JP6824430B2 - 静電センサ及びドアハンドル - Google Patents

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Description

本発明は、静電センサ及びドアハンドルに関するものである。
自動車等のドアには、ドアを開閉するためのドアハンドルが自動車等の外側に設けられており、このような自動車等のドアの開閉等の操作をドアハンドルに触れることなく行うことのできる静電センサが内蔵されているものが開示されている(例えば、特許文献1)。
特開2009−79353号公報
しかしながら、自動車等は屋外に置かれているため、雨等が降った場合には、ドアハンドルに雨水がかかり水滴が付着する場合がある。水の比誘電率が約80程度であり、このような水滴を指等と誤って認識してしまうと、誤検出が生じてしまう。このように誤検出が生じると、自動車等の所有者が意図しない操作がなされるため、好ましくない。
このため、水滴の付着と指等による操作とを区別することができ、水滴による誤検出がされることのない静電センサが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、検出電極と、前記検出電極の周囲に設けられたシールド電極と、前記検出電極に接続されており、第1の電圧振幅の交流を発生させる第1の交流電源と、前記シールド電極に接続されており、第2の電圧振幅の交流を発生させる第2の交流電源と、前記第1の交流電源より前記検出電極に流れる電荷量を測定する電荷量測定部と、前記電荷量測定部に接続されている制御部と、を有し、前記第1の交流電源において発生させる交流と前記第2の交流電源において発生させる交流とは、同一周波数、かつ、同位相であり、前記第2の交流電源において発生させる交流電圧の第2の電圧振幅は、前記第1の交流電源において発生させる交流電圧の第1の電圧振幅よりも大きく、前記検出電極と被検出物との間の静電容量の変化に基づき検出面の側における前記被検出物を検出することを特徴とする。
開示の静電センサによれば、水滴の付着と指等による操作とを区別することができ、水滴による誤検出を防ぐことができる。
静電センサの構造図 図1に示す静電センサの説明図(1) 図1に示す静電センサの説明図(2) 図1に示す静電センサの説明図(3) 第1の実施の形態におけるドアハンドルが取り付けられているドアの説明図 第1の実施の形態におけるドアハンドルの構造図 第1の実施の形態における静電センサの構造図 第1の実施の形態における静電センサの説明図(1) 第1の実施の形態における静電センサの説明図(2) 第1の実施の形態における静電センサの説明図(3) 第1の実施の形態における静電センサの変形例1の構造図 第1の実施の形態における静電センサの変形例2の構造図 第1の実施の形態における静電センサの変形例3の構造図 第1の実施の形態における静電センサの変形例4の構造図(1) 第1の実施の形態における静電センサの変形例4の構造図(2) 第1の実施の形態における静電センサの変形例5の構造図 第2の実施の形態における静電センサの構造図 第2の実施の形態における静電センサの変形例の構造図
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第1の実施の形態〕
最初に、ドアハンドル等に取り付けられている静電センサについて説明する。このような静電センサは、自動車等のドアのドアハンドルに取り付けられており、被検出物である指等が静電センサに近づいた場合に、指等が静電センサに近づいたことを検出することができる。
図1は、ドアハンドル等に取り付けられている静電センサを示す。この静電センサは、指等との間において静電容量を検出するための検出電極910を有しており、検出電極910には交流電源930が接続されており、検出電極910と交流電源930との間には、電流計940が設けられている。検出電極910の周囲には、樹脂等の絶縁体により形成された保護膜960が形成されている。
この静電センサでは、検出電極910には交流電源930より交流電圧が印加されており、検出電極910の近傍に指等が存在していない場合には、図2に示されるように、検出電極910とグランド電位との間の静電容量は極めて小さいため、交流電源930から検出電極910に流れる電流は極めて小さい。しかしながら、図3に示されるように、検出電極910に指10が近づくと、指10と検出電極910との間に生じる静電容量の値が大きくなり、交流電源930より検出電極910に向かって流れる交流電流が増え、このように交流電流の増加を電流計940において検出することにより、検出電極910に指等が近づいたことを検出することができる。
ところで、このような静電センサを自動車等のドアハンドルに用いた場合、自動車等は屋外に置かれる場合があるため、図4に示されるように、雨によりドアハンドルに取り付けられている静電センサに水滴20等が付着する場合がある。このように、静電センサに水滴20等が付着すると、水の比誘電率は約80と高いため、グランド電位との間の静電容量は大きくなり、交流電源930より検出電極910に向かって流れる交流電流が増え、指10が近づいたものと誤認識してしまう場合がある。即ち、自動車等のドアハンドルに水滴20等が付着すると電流計940に流れる電流が増えるため、指10等が近づいたものと誤認識される場合がある。このような誤認識は、ドアの開閉等において誤った操作として認識されるため好ましくない。尚、ドアハンドルに水滴20等が付着する場合としては、雨以外には洗車等の場合が挙げられる。
(静電センサ及びドアハンドル)
次に、本実施の形態における静電センサ及びドアハンドルについて説明する。
本実施の形態における静電センサ102は、図5及び図6に示すように、自動車等のドア100のドアハンドル101に取り付けられている。静電センサ102は、静電容量を検出することにより、被検出物である指等の近接を検出することができる。
本実施の形態における静電センサ102について、図7に基づき説明する。本実施の形態における静電センサ102は、検出電極110、シールド電極120、第1の交流電源131、第2の交流電源132、電流計140、制御部150等を有している。検出電極110及びシールド電極120の周囲には、樹脂等の絶縁体により形成された保護膜160が形成されている。尚、本願においては、検出電極110を第1の電極と記載し、シールド電極120を第2の電極と記載する場合がある。また、電流計140は、電荷の移動量を測定するものであればよいため、電荷量測定部と記載する場合がある。
検出電極110は略長方形の形状で形成されており、長さL1が約120mm、幅W1が約15mmとなるように形成されている。シールド電極120は、検出電極110の周囲を囲むように中空矩形に形成されており、中央部分に開口部120aを有している。シールド電極120の外形は、長さL2が約130mm、幅W2が約25mmであって、幅W3が約4.85mmで形成されている。従って、検出電極110は、シールド電極120の開口部120a内に形成されている。検出電極110の外側とシールド電極120の内側との間のギャップGは約0.15mmである。
検出電極110には、電流計140を介し第1の交流電源131が接続されている。即ち、検出電極110と第1の交流電源131との間には電流計140が設けられている。また、シールド電極120には、第2の交流電源132が接続されている。本実施の形態においては、第1の交流電源131より検出電極110に印加される交流電圧の電圧振幅よりも、第2の交流電源132よりシールド電極120に印加される交流電圧の電圧振幅の方が大きくなるように電圧が印加されている。本願においては、第1の交流電源131より検出電極110に印加される交流電圧の電圧振幅を第1の電圧振幅と記載し、第2の交流電源132よりシールド電極120に印加される交流電圧の電圧振幅を第2の電圧振幅と記載する場合がある。尚、第1の交流電源131及び第2の交流電源132において発生させる交流は、同一周波数であって、かつ、同位相である。第1の交流電源131及び第2の交流電源132において発生させる交流の周波数は、例えば、100kHzである。
本実施の形態においては、第1の交流電源131より、検出電極110に交流電流を供給することができ、検出電極110に供給された交流電流は、電流計140により測定することができる。また、第2の交流電源132より、シールド電極120に交流電流を供給することができる。制御部150は、電流計140が接続されており、電流計140において検出された交流電流の値に基づき様々な判断を行う。
(静電センサによる検出方法1)
次に、本実施の形態における静電センサにおいて、水滴20が付着した場合、指10等が近づいた場合について説明する。これ以降、電流は交流電流を対象としているので実効電流を意味するものとする。
最初に、図8に基づき、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、水滴20が付着しておらず、また、指10等も近づいていない場合について説明する。尚、検出電極110には、第1の交流電源131により交流が印加されており、シールド電極120には、第2の交流電源132が接続されている。
従って、静電容量C1aが存在していると、第1の交流電源131より第1の電圧振幅Vs1の交流電圧が検出電極110に印加されているため、電流I1aが流れる。また、第1の交流電源131より検出電極110に印加される交流の第1の電圧振幅Vs1よりも、第2の交流電源132よりシールド電極120に印加される交流の第2の電圧振幅Vs2は大きいため、静電容量C2aが存在していると、電流I2aが流れる。尚、本実施の形態における静電センサ102に、水滴20が付着しておらず、指10等も近づいていない場合には、検出電極110とグランド電位との間の静電容量C1a、及び、検出電極110とシールド電極120との間の静電容量C2aは極めて小さい。従って、電流I1a及び電流I2aも極めて小さく、I1a≒I2a≒0、I1a−I2a≒0となる。しかしセンサ構造によっては無視できない大きさとなる場合があるため、水滴20が付着しておらず、また、指10等も近づいていない場合のそれぞれの電流値の初期値を基準値として変化分を検出値とする。
次に、図9に基づき、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、指10等が近づいている場合について説明する。この場合には、静電センサ102の検出電極110に指等が近づくため、検出電極110と指10等との間の静電容量C1bはC1aと比べて大きくなるが、検出電極110とシールド電極120との間の静電容量C2bはC2aと比べて大きくなることはない。従って、静電容量C1aから静電容量C1bへの静電容量の増分は静電容量C2aから静電容量C2bへの増分よりも大きくなるため、電流I1aから電流I1bへの増分は電流I2aから電流I2bへの増分よりも大きく、I1b−I1a>I2b−I2aとなり、(I1b−I1a)−(I2b−I2a)>0となる。
次に、図10に基づき、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、水滴20が付着した場合について説明する。この場合には、静電センサ102の検出電極110及びシールド電極120の近傍に水滴20が付着するため、検出電極110と接地電位との静電容量C1cは静電容量C1aと比べて若干大きくなるが、検出電極110とシールド電極120との間の静電容量C2cは、静電容量C2aと比べて更に大きくなる。従って、静電容量C2aから静電容量C2cへの増分は静電容量C1aから静電容量C1cへの増分よりも大きくなるため、電流I2aから電流I2cへの増分(I2c−I2a)は電流I1aから電流I1cへの増分(I1c−I1a)よりも大きく、(I1c−I1a)<(I2c−I2a)となり、(I1c−I1a)−(I2c−I2a)<0となる。
任意の時点での検出電極110とグランド電位間に流れる電流をI1とし、検出電極110とシールド電極120間に流れる電流を電流I2とすると、電流計140では、電流I1と電流I2との差を検出することができる。また電流I1と電流I2の基準値をI1a−I2aとするとその値を制御部150に記憶する事ができる。従って、電流計140において検出される電流を検出することにより、静電センサ102に指10等が近づいたか否か、静電センサ102に水滴20が付着したか否かを検出することができる。
具体的には、しきい値Ithを設け、(I1−I1a)−(I2−I2a)≒0であってI1とI2との差がしきい値Ith以下の場合、即ち、|(I1−I1a)−(I2−I2a)|≦Ithの場合には、静電センサ102には、水滴20が付着しておらず、また、指10等も近づいていないものと判断することができる。
また、|(I1−I1a)−(I2−I2a)|>Ithであって、(I1−I1a)−(I2−I2a)>0の場合には、静電センサ102に指10等が近づいたものと判断することができる。
また、|(I1−I1a)−(I2−I2a)|>Ithであって、(I1−I1a)−(I2−I2a)<0の場合には、静電センサ102に水滴20等が付着したものと判断することができる。
以上の判断は、制御部150において行うことができる。
(静電センサによる検出方法2)
次に、本実施の形態における静電センサの検出方法について、別の観点から下記(1)の数式に基づき判断を行う場合について説明する。
S=k×[Vs1×C1−{(Vs2−Vs1)×C2}]・・・・・(1)
Sは電流計140において測定された電流に基づき得られる検出信号、Vs1は第1の交流電源131より検出電極110に印加される交流の第1の電圧振幅、Vs2は第2の交流電源132よりシールド電極120に印加される交流の第2の電圧振幅、C1は検出電極110とグランド電位との間の静電容量、C2は検出電極110とシールド電極120との間の静電容量、kは正の値の比例定数である。
図8に示すように、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、水滴20が付着しておらず、また、指10等も近づいていない場合には、検出信号Saは、下記(2)に示す式により得られる値となる。この場合には、C1a≒C2a≒0となるように調整することもできる。この場合には、Sa≒0となる。
Sa=k×[Vs1×C1a−{(Vs2−Vs1)×C2a}]・・・(2)
また、図9に示すように、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、指10等が近づいている場合には、検出信号Sbは、下記(3)に示す式により得られる値となる。この場合、静電容量C1b及び静電容量C2bはともに増加するが、静電容量C1bの増加量は静電容量C2bの増加量と比べて大きい。従って、C1a<<C1b、C2a<C2bであるため、Sb>Saとなる。
Sb=k×[Vs1×C1b−{(Vs2−Vs1)×C2b}]・・・(3)
次に、図10に示すように、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aに、水滴20が付着した場合には、検出信号Scは、下記(4)に示す式により得られる値となる。この場合、静電容量C1c及び静電容量C2cはともに増加するが、静電容量C2cの増加量は静電容量C1cの増加量と比べて大きい。従って、C1a<C1c、C2a<<C2cであるため、Sc<Saとなる。
Sc=k×[Vs1×C1c−{(Vs2−Vs1)×C2c}]・・・(4)
以上より、電流計140により測定された値に基づき、本実施の形態における静電センサ102に、水滴20が付着したか、または、指等が近づいたかを判断することができる。
即ち、最初に、本実施の形態における静電センサ102に、水滴20が付着しておらず、また、指等も近づいていない状態において、電流計140により測定された電流に基づき検出信号Saを算出し、この検出信号Saの値を制御部150内の不図示の記憶部に記憶しておく。この後、電流計140により測定された値に基づき算出された検出信号Sが、S<Saの場合には、本実施の形態における静電センサ102に、水滴20が付着したものと判断することができ、S>Saの場合には、本実施の形態における静電センサ102に、指等が近づいているものと判断することができる。
また、本実施の形態は、指10等によるジェスチャー操作等により、ドア100の開錠及び施錠を行うものであってもよい。具体的には、本実施の形態における静電センサ102の検出面102aの近傍に被検出物である指10等が接近し、この指10等の所定の動きに対応する検出電極110との間の静電容量の変化が検出された場合には、ドアハンドル101を開錠または施錠してもよい。
(変形例)
次に、本実施の形態における静電センサの変形例について説明する。
本実施の形態における静電センサは、検出電極110及びシールド電極120の周囲には、樹脂等の絶縁体により形成された保護膜160が形成されているが、図11に示されるように、シールド電極120が形成されている領域の検出面102aの側となる上面に開口部160aを設けたものであってもよい。保護膜160は、PCB(polychlorinated biphenyl)等の樹脂材料により形成されているが、比誘電率は約4であり、水と比べてあまり高くはない。このため、シールド電極120が形成されている領域の上面の保護膜160を除去し開口部160aを形成することにより、シールド電極120に水滴20等が付着した場合の静電容量の変化を大きくし、検出感度を向上させることができる。
また、保護膜160の比誘電率が低くても、図12に示すように、シールド電極120の上の検出面102a面側の保護膜160の厚さが薄ければ、静電容量を大きくすることができる。即ち、保護膜160の表面から検出電極110から保護膜160までの距離よりも、保護膜160の表面からシールド電極120までの距離が短ければ、検出電極110とシールド電極120との間の静電容量は相対的に大きくなる。従って、検出電極110の上面を覆っている検出面102a側の保護膜160の厚さt1よりも、シールド電極120の上面を覆っている検出面102a側の保護膜160の厚さt2を薄くしてもよい。この場合、例えば、検出電極110の上面を覆っている保護膜160の厚さt1を約3mmとし、シールド電極120の上面を覆っている保護膜160の厚さt2を約1mmとしてもよい。
また、この場合、図13に示すように、検出電極110の周囲の上方に、シールド電極120が一部重なるように形成してもよい。即ち、静電センサを検出面102a側より上面視した場合、検出電極110の周囲の一部とシールド電極120とが重なっていてもよい。尚、検出電極110とシールド電極120との間は保護膜160により絶縁されている。
また、本実施の形態における静電センサは、図14A及び図14Bに示されるように、検出電極110の周囲のみならず、検出電極110の検出面102a側において、検出電極110の一部を縦横に横切るように、シールド電極120を設けてもよい。即ち、シールド電極120は、検出電極110の検出面102a側に格子状に設けられているものであってもよい。尚、図14Aは、この静電センサを上面側から見た検出電極110及びシールド電極120の配置を示す図であり、図14Bは、図14Aにおける一点鎖線14A−14Bにおいて切断した断面図である。
更には、図15に示されるように、検出電極110の周囲に設けられたシールド電極120の内側に、更に、1または2以上のシールド電極121を設けてもよい。即ち、シールド電極121は、検出電極110の検出面102a側に、1または2以上設けられているものであってもよい。尚、図15に示される静電センサでは、シールド電極120とシールド電極121とは、静電センサの外側で電気的に接続されている。
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態における静電センサについて説明する。本実施の形態における静電センサは、図16に示すように、検出面102aとは反対側の検出電極110の裏面側を覆うように、背面シールド電極122を設けた構造のものである。このような背面シールド電極122を設けることにより、検出電極110の裏面側からのノイズを遮断することができ、検出感度を向上させることができる。尚、シールド電極120と背面シールド電極122とは接続されていてもよい。
更に、本実施の形態における静電センサは、図17に示すように、検出電極110の検出面102aの側となる上面側を除き、シールド電極120により囲んだ構造のものであってもよい。これにより、背面シールド電極122もシールド電極120と一体に形成することができ、また、静電センサの側面側からのノイズの影響も抑制することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
尚、本国際出願は、2017年10月4日に出願した日本国特許出願第2017−194297号に基づく優先権を主張するものであり、その出願の全内容は本国際出願に援用する。
10 指
20 水滴
100 ドア
101 ドアハンドル
102 静電センサ
110 検出電極(第1の電極)
120 シールド電極(第2の電極)
131 第1の交流電源
132 第2の交流電源
140 電流計
150 制御部
160 保護膜

Claims (15)

  1. 検出電極と、
    前記検出電極の周囲に設けられたシールド電極と、
    前記検出電極に接続されており、第1の電圧振幅の交流を発生させる第1の交流電源と、
    前記シールド電極に接続されており、第2の電圧振幅の交流を発生させる第2の交流電源と、
    前記第1の交流電源より前記検出電極に流れる電荷量を測定する電荷量測定部と、
    前記電荷量測定部に接続されている制御部と、
    を有し、
    前記第1の交流電源において発生させる交流と前記第2の交流電源において発生させる交流とは、同一周波数、かつ、同位相であり、
    前記第2の交流電源において発生させる交流電圧の第2の電圧振幅は、前記第1の交流電源において発生させる交流電圧の第1の電圧振幅よりも大きく、
    前記検出電極と被検出物との間の静電容量の変化に基づき検出面の側における前記被検出物を検出することを特徴とする静電センサ。
  2. 前記制御部は、前記電荷量測定部において測定された電荷の移動量に基づき得られた検出信号が、所定の値よりも小さい場合には、前記検出面に水が付着したものと判断することを特徴とする請求項1に記載の静電センサ。
  3. 前記制御部は、前記電荷量測定部において測定された電荷の移動量に基づき得られた検出信号が、所定の値よりも大きい場合には、前記検出面に被検出物が近づいたものと判断することを特徴とする請求項1または2に記載の静電センサ。
  4. 前記第1の交流電源より前記検出電極に印加される交流の第1の電圧振幅をVs1とし、前記第2の交流電源より前記シールド電極に印加される交流の第2の電圧振幅をVs2とし、前記検出電極とグランド電位との間の静電容量をC1とし、前記検出電極と前記シールド電極との間の静電容量をC2とした場合に、kを正の比例定数とすると、
    検出信号Sは、
    S=k×[Vs1×C1−{(Vs2−Vs1)×C2}]
    より得られる値であって、
    前記制御部は、前記検出信号Sが、所定の値よりも小さいときには、前記検出面に水が付着しているものと判断することを特徴とする請求項1に記載の静電センサ。
  5. 前記検出電極及び前記シールド電極は、絶縁体により形成された保護膜により覆われていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の静電センサ。
  6. 前記保護膜の表面から前記検出電極までの距離よりも、前記保護膜の表面から前記シールド電極までの距離が短いことを特徴とする請求項5に記載の静電センサ。
  7. 前記シールド電極の前記検出面側は、前記保護膜が除去されていることを特徴とする請求項5または6に記載の静電センサ。
  8. 前記検出面側から上面視した場合、前記シールド電極と前記検出電極とが重なり合う部分が存在していることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の静電センサ。
  9. 前記シールド電極は、前記検出電極の上方に格子状に設けられていることを特徴とする請求項5から8のいずれかに記載の静電センサ。
  10. 前記検出電極の上方には、前記検出電極の周囲に設けられた前記シールド電極と、
    前記シールド電極の内側に設けられた1または2以上の他のシールド電極と、
    を有し、
    前記シールド電極と、前記他のシールド電極とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の静電センサ。
  11. 前記検出電極の上方には、前記検出電極の周囲に設けられた前記シールド電極と、
    前記シールド電極の内側に設けられた1または2以上の他のシールド電極と、
    を有し、
    前記シールド電極と、前記他のシールド電極とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の静電センサ。
  12. 前記検出電極の前記検出面とは反対側には、背面シールド電極が設けられていることを特徴とする請求項5から11のいずれかに記載の静電センサ。
  13. 前記シールド電極と前記背面シールド電極とは、電気的に接続されていることを特徴とする請求項12に記載の静電センサ。
  14. 請求項1から13のいずれかに記載の静電センサを有するドアハンドル。
  15. 前記制御部は、
    前記静電センサの検出面の近傍に被検出物が接近し、前記被検出物の動きに対応する前記検出電極との間の静電容量の所定の変化を検出した場合には、前記ドアハンドルを開錠または施錠することを特徴とする請求項14に記載のドアハンドル。
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