JP6982310B2 - 静電容量センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車や建物等のスマートエントリーシステムを構成するドアハンドルの内部に設置されて、近接物体（ユーザ等）を検出する静電容量センサに関する。

一般に、静電容量センサは、携帯電話のような無線機器等からの外来電波ノイズの影響を受け易く、時として誤動作を生じることがある。

外来電波ノイズ対策として、例えば特許文献１には、複数のセンサ電極を用い、これらのうち静電容量の変化が最大のものと最小のものとを比較し、それらの差の絶対値を用いてタッチ操作の検知制御を行う技術が開示されている。
また、特許文献２には、センサ電極の他にダミー電極を用い、このダミー電極で外来電波ノイズを検知し、センサ電極に対する誤判定を防止する技術が開示されている。このダミー電極はセンサ電極に対するタッチ操作に影響されない程度に離れて配置され、ダミー電極の静電容量の変化が検出されると、センサ電極に対する操作有りの判定を破棄するようになっている。
また、特許文献３では、センサ電極の近傍にダミー電極を配置し、センサ電極の他にダミー電極の静電容量の値を検出し、ダミー電極の静電容量の変化量が所定の判定値を超えると、センサ電極に対するタッチの有無の判定を無効にするようにしている。

一方、特許文献４や特許文献５には、静電容量センサのセンサ電極の形状を工夫したドアハンドル装置が開示されている。
特許文献４では、ドアハンドル内にアンテナが配設されたドア開閉装置において、アンテナに対向して配置されるセンサ電極をＵ字状に形成している。
特許文献５では、ドアハンドル内にアンテナコイルが配設されたドアハンドル装置において、アンテナコイルの巻回軸方向に対して平行に延在するスリットを有するセンサ電極を用いている。

特開２００８−１４３１９８号公報 特開２０１０−２０６７４号公報 特開２０１５−５３１２３号公報 特開２００２−３０８４４号公報 特開２００７−２７０５１６号公報

特許文献１乃至３に記載された装置によれば、外来電波ノイズの影響による誤動作を防止することができるものの、外来電波ノイズの存在下では正常な動作までが制限されてしまう。具体的には、例えばドアハンドルの場合、外来電波ノイズによっては解錠されないものの、外来電波ノイズが存在する間はセンサが働かず、ユーザがドアを開けようとしてセンサにタッチしても解錠されない問題がある。
また、特許文献１乃至３に記載された装置では、複数のセンサ電極あるいはダミー電極を必要とし、電極構成や回路構成が複雑になるといった問題点がある。

また、特許文献４、５に記載された装置によれば、アンテナとセンサ電極を同じドアハンドル内に設置してもアンテナの放射性能を低下させにくい効果はあるものの、外来電波ノイズの影響による誤動作を十分に防止できない問題がある。

そこで、本発明は、外来電波ノイズの影響を十分に抑制し得る静電容量センサを簡易な電極構成で実現しようとするものである。

以下、上記の課題を解決するために成された本発明の態様を記載する。

本発明の一実施態様は、
電極接続線が接続された平板状のセンサ電極に高周波信号が入力され、前記センサ電極の容量に応じた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自己容量方式の静電容量センサにおいて、
前記センサ電極は、外周と内周がそれぞれ長辺と短辺を有する長方形状の周囲電極と、前記周囲電極の一方の短辺側の内周部に接続されて他方の短辺側に延びる少なくとも１本の舌片状の内側電極を有し、
前記電極接続線は、前記周囲電極の一方の短辺側に接続されている、
ことを特徴とする。

本発明の他の実施態様では、
「前記内側電極の長さが、前記周囲電極の長さの１／２以上であること」、
「前記センサ電極は、前記内側電極を１〜３本有すること」、
「前記周囲電極の長辺部分と前記内側電極の間隔が０．７ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であること」、
を特徴とすることを含む。

本発明の静電容量センサによれば、単一のセンサ電極による自己容量方式の静電容量センサにおいて、周囲電極の内側に舌片状の内側電極を一体化したセンサ電極を用いることにより、外来電波ノイズの影響を効果的に抑制することができる。

本発明の静電容量センサの一例を示すブロック図である。 実験例１で用いた５種類のセンサ電極の平面図である。 実験例３−５、実験例３−６、実験例３−７で用いた３種類のセンサ電極の平面図である。 実験例４で用いた２種類のセンサ電極の平面図である。 実験例５で用いたセンサ電極の平面図である。

本発明者は、図１に例示する自己容量方式の静電容量センサにおいて、センサ感度の低下を抑えつつ、外来電波ノイズの影響を効果的に低減できるセンサ電極の形状について鋭意実験を重ねた結果、本発明に至ったものである。

まず、図１の静電容量センサについて簡単に説明する。この静電容量センサ１は、主にセンサ回路１０とマイコン４０からなり、センサ回路１０は、ＬＣＲ共振回路２０と平滑回路３０を備えており、所謂スマートエントリーシステムにおける車両ドアの解錠・施錠用の接触センサとして用いることができる。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。

ＬＣＲ共振回路２０は、インダクタ（コイル）２１と、人体等の誘電体が近接もしくは接触すると静電容量が大きくなる自己容量方式用のセンサ電極２２（図１では可変容量として表記している）と、固定抵抗２３が直列接続されているものである。このセンサ電極２２の静電容量は、センサ電極２２と車両のドア本体やドアハンドル等との間の静電容量をも包含し、人体等の誘電体の近接によって増加する。なお、ＬＣＲ共振回路２０は、直列共振回路に限らず並列共振回路としてよい。

平滑回路３０は、半波整流用のダイオード３１、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、および出力インピーダンス変換用のバッファ回路３４を有する。なお、平滑回路３０は、センサ電極２２の容量に応じた電圧信号Ｓ１を出力するものであれば任意の回路構成が可能である。具体的には、例えば信号を反転増幅する反転増幅回路を付加するなどしてもよい。

マイコン４０は、ＡＤコンバータ４１、制御部４２、高周波信号生成部４３を有する。
ＡＤコンバータ４１は、平滑回路３０から入力された電圧信号Ｓ１をＡ／Ｄ変換し、判定信号Ｓ２として制御部４２に出力する。
制御部４２は、高周波信号生成部４３に制御信号Ｓ３を出力する他、判定信号Ｓ２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Ｓ４を出力する。
発振手段としての高周波信号生成部４３は、制御部４２から入力される制御信号Ｓ３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。高周波信号Ｓ０としては、矩形波状の高周波信号（概ね数百ｋＨｚ）の他、正弦波や三角波等が用いられる。

なお、静電容量センサ１の回路構成や検出方法は、本発明の主眼とするところではなく、例えば本出願人よって出願された特願２０１６−１１３２４９や特願２０１６−２２３７５４に記載の方法等を採用することができる。

一般に静電容量センサは、携帯電話のような無線機器等からの外来電波ノイズによる影響で誤動作を生じることがあり、従来は外来電波ノイズ対策として複数のセンサ電極を用いたりダミー電極を付加したりしている。しかしながら、これらの外来電波ノイズ対策は装置構成が複雑になるばかりか、効果の面でも不十分である。
そこで、本発明者はセンサ電極自体の形状に着目し、単一のセンサ電極でセンサ感度を犠牲にすることなく外来電波ノイズ対策を行えないか数多くの実験で検証した。その結果、多くの携帯電話キャリアで使用されている周波数帯（概ね７００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）に対して特定の電極形状が特に有効であることを見出したものである。
以下に、本発明者が行った実験例を示しながら、本発明を説明する。

（実験例１）
本実験例は、図２（ａ）〜（ｅ）に示す５種類の平板状のセンサ電極２２ａ〜ｅを用意し、電極接続線ＥＷを介して接続された静電容量センサ１の誤動作レベルを測定したものである。センサ電極２２ａ〜ｅの外形寸法は、一般的な車両のドアハンドル内に設置できるように、長さ７０ｍｍ、幅１２．５ｍｍとした。
センサ電極２２ａはスリットのない基本形状であり、センサ電極２２ｂ〜ｅはセンサ電極２２ａに適宜のスリットＳＬが設けられている。これらのセンサ電極２２ａ〜ｅは厚さが０．５ｍｍであり、スリットＳＬの幅は全て０．７ｍｍである。
なお、スリットＳＬ以外の幅は各センサ電極内で一定であり、センサ電極２２ｂは５．９ｍｍ、センサ電極ｃ〜ｅは３．７ｍｍである。

誤動作レベルの測定は、センサ電極から４０ｍｍ離れたアンテナから周波数の異なる７種類のノイズ（７３５ＭＨｚ、７８５ＭＨｚ、８１５ＭＨｚ、８３５ＭＨｚ、８８０ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、９４０ＭＨｚ）を印加して行った。具体的には、アンテナ出力を測定しながらアンテナ出力を徐々に上げ、静電容量センサ１が誤動作（人の検知信号Ｓ４を出力）した際のアンテナの出力を記録し、この出力を誤動作レベルとした。したがって、誤動作レベルが高いほど、ノイズ耐性が高いことを意味する。

測定結果を表１に纏めて示す。なお、誤動作レベルは、実験例１−１（図２（ａ）のセンサ電極２２ａ）の測定結果を基準とするｄＢ表記である。ノイズ周波数毎の判定は、誤動作レベルが実験例１−１の誤動作レベルよりも高い場合（すなわち、０ｄＢ超）は「良」とし、誤動作レベルが実験例１−１の誤動作レベル以下の場合（すなわち、０ｄＢ以下）は「否」とした。総合判定は、ノイズ周波数毎の７判定中６判定以上が「良」の場合に「良」とした。

表１から明らかなように、誤動作レベルについては、実験例１−５のセンサ電極２２ｅが何れの周波数においても他のセンサ電極２２ａ〜ｄよりも優れていることが分かる。
つまり、長方形状の平板電極に長辺方向のスリットを入れる場合、図２（ｂ）、（ｃ）のように外周に開放したスリットではなく、また、図２（ｄ）のように外周に開放しないものの互いに独立した複数のスリットではなく、図２（ｅ）のように外周に開放せず互いの一端部で連結したスリットを設けるのが良い。言い換えれば、外周と内周が長辺と短辺を有する長方形状の周囲電極２２ｅ１と、周囲電極２２ｅ１の一方の短辺側の内周部に接続されて他方の短辺側に延びる舌片状の内側電極２２ｅ２を有するものが良い。なお、ドアハンドル内への設置を前提として、本実験例で用いたセンサ電極よりも一回り大きいセンサ電極（長さ８０ｍｍ、幅１４ｍｍ）と一回り小さいセンサ電極（長さ６０ｍｍ、幅１１ｍｍ）を用いた場合にも、本実験例とほぼ同様の結果が得られている。

（実験例２）
本実験例は、実験例１−５のセンサ電極２２ｅの長辺方向と短辺方向の全てのスリットＳＬの幅を変えた２種類のセンサ電極を用意し、実験例１と同様に電極接続線ＥＷを介して接続された静電容量センサ１の誤動作レベルを測定したものである。これらのセンサ電極の外形寸法は全て実験例１のものと同じであり、スリット以外の部分の幅は各センサ電極内で一定である。
なお、実験例２−１のセンサ電極は、全てのスリットの幅が１．４ｍｍ、スリット以外の部分の幅が約３．２ｍｍである。また、実験例２−２のセンサ電極は、全てのスリットの幅が２．１ｍｍ、スリット以外の部分の幅が約２．８ｍｍである。

測定結果を表２に纏めて示す。誤動作レベルは、実験例１−１（図２（ａ））の測定結果を基準とするｄＢ表記である。また、ノイズ周波数毎の判定および総合判定の方法は実験例１と同様である。
なお、表２には比較のために関連性の高い実験例１−５の測定結果も併記している。

表２から明らかなように、実験例２−１と実験例２−２のセンサ電極の誤動作レベルは、実験例１−５のセンサ電極２２ｅよりは若干劣る傾向があるものの、総合判定が良となっている。
つまり、実験例１−５のセンサ電極２２ｅのように周囲電極と舌片状の内側電極で構成したセンサ電極は、スリットＳＬの幅をある程度ラフに設定しても効果が得られることがわかる。具体的には、本実験例で用いたサイズのセンサ電極では、少なくともスリットＳＬの幅が０．７ｍｍ以上２．１ｍｍ以下の範囲で効果が得られる。なお、本実験例で用いたセンサ電極よりも一回り大きいセンサ電極（長さ８０ｍｍ、幅１４ｍｍ）と一回り小さいセンサ電極（長さ６０ｍｍ、幅１１ｍｍ）を用いた場合にも、ほぼ同様の結果が得られ、スリットの幅が０．７ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であれば総合判定が良であった。

（実験例３）
本実験例は、実験例１−５のセンサ電極２２ｅの内側電極２２ｅ２の長さだけを変えた７種類のセンサ電極を用意し、実験例１と同様に電極接続線ＥＷを介して接続された静電容量センサ１の誤動作レベルを測定したものである。これらのセンサ電極の外形寸法は全て実験例１のものと同じである。
なお、実験例３−５は、図３（ｆ）のセンサ電極２２ｆを用いたものであり、この内側電極２２ｆ２はセンサ電極２２ｅの内側電極２２ｅ２の約２／３の長さである。
また、実験例３−６は、図３（ｇ）のセンサ電極２２ｇを用いたものであり、この内側電極２２ｇ２はセンサ電極２２ｅの内側電極２２ｅ２の約１／２の長さである。
また、実験例３−７は、図３（ｈ）のセンサ電極２２ｈを用いたものであり、内側電極をなくしている。

測定結果を表３と表４に纏めて示す。誤動作レベルは、実験例１−１（図２（ａ））の測定結果を基準とするｄＢ表記である。また、ノイズ周波数毎の判定および総合判定の方法は実験例１と同様である。
なお、表３には比較のために関連性の高い実験例１−５の測定結果も併記している。

表３と表４から明らかなように、実験例３−１から実験例３−６のセンサ電極の誤動作レベルは、実験例１−５のセンサ電極２２ｅよりは若干劣る傾向があるものの、総合判定が良となっている。
つまり、実験例１−５のセンサ電極２２ｅのように周囲電極と舌片状の内側電極で構成したセンサ電極は、内側電極の長さを大幅に変更しても効果が得られることがわかる。具体的には、本実験例で用いたサイズのセンサ電極では、少なくとも内側電極の長さが３１．０ｍｍ以上６１．９ｍｍ以下の範囲で効果が得られる。なお、本実験例で用いたセンサ電極よりも一回り大きいセンサ電極（長さ８０ｍｍ、幅１４ｍｍ）と一回り小さいセンサ電極（長さ６０ｍｍ、幅１１ｍｍ）を用いた場合にも、ほぼ同様の結果が得られ、内側電極の長さが周囲電極の長さの１／２以上であれば総合判定が良であった。
一方、実験例３−７のセンサ電極２２ｈのように内側電極をなくしてしまうと、スリットのない図２（ａ）のセンサ電極２２ａに対する優位性は認められない。

（実験例４）
本実験例は、実験例１−５のセンサ電極２２ｅの舌片状の内側電極の本数を変えた２種類のセンサ電極（図４（ｉ）のセンサ電極２２ｉと、図４（ｊ）のセンサ電極２２ｊ）を用意し、実験例１と同様に電極接続線ＥＷを介して接続された静電容量センサ１の誤動作レベルを測定したものである。これらのセンサ電極の外形寸法は全て実験例１のものと同じであり、スリット以外の部分の幅は各センサ電極内で一定である。
なお、実験例４−１のセンサ電極２２ｉは、内側電極２２ｉ２が２本であり、スリット以外の部分の幅が２．６ｍｍである。また、実験例４−２のセンサ電極２２ｊは、内側電極２２ｊ２が３本であり、スリット以外の部分の幅が約１．９ｍｍである。

測定結果を表５に纏めて示す。誤動作レベルは、実験例１−１（図２（ａ））の測定結果を基準とするｄＢ表記である。また、ノイズ周波数毎の判定および総合判定の方法は実験例１と同様である。
なお、表５には比較のために関連性の高い実験例１−５の測定結果も併記している。

表５から明らかなように、実験例４−１と実験例４−２のセンサ電極の誤動作レベルは、実験例１−５のセンサ電極２２ｅよりは若干劣る傾向があるものの、総合判定が良となっている。
つまり、実験例１−５のセンサ電極２２ｅのように周囲電極と舌片状の内側電極で構成したセンサ電極は、内側電極の本数をある程度任意に設定しても効果が得られることがわかる。具体的には、本実験例で用いたサイズのセンサ電極では、少なくとも内側電極の本数が１本から３本の範囲で効果が得られる。なお、本実験例で用いたセンサ電極よりも一回り大きいセンサ電極（長さ８０ｍｍ、幅１４ｍｍ）と一回り小さいセンサ電極（長さ６０ｍｍ、幅１１ｍｍ）を用いた場合にも、ほぼ同様の結果が得られ、内側電極の本数が１本から３本の範囲であれば総合判定が良であった。

（実験例５）
実験例１−５では内側電極２２ｅ２の固定端側の周囲電極２２ｅ１に電極接続線ＥＷを接続しているが、本実験例では図５に示すように内側電極２２ｅ２の自由端側の周囲電極２２ｅ１に電極接続線ＥＷを接続している。

測定結果を表６に示す。誤動作レベルは、実験例１−１（図２（ａ））の測定結果を基準とするｄＢ表記である。また、ノイズ周波数毎の判定および総合判定の方法は実験例１と同様である。
なお、表６には比較のために関連性の高い実験例１−５の測定結果も併記している。

表５から明らかなように、内側電極２２ｅ２の自由端側の周囲電極２２ｅ１に電極接続線ＥＷを接続した場合には、スリットのない図２（ａ）のセンサ電極２２ａに対する優位性はほとんど認められない。

以上の実験例によれば、自己容量方式の静電容量センサに用いるセンサ電極として、外周と内周がそれぞれ長辺と短辺を有する長方形状の周囲電極と、この周囲電極の一方の短辺側の内周部に接続されて他方の短辺側に延びる舌片状の内側電極を有するものを用いることにより、７３５〜９４０ＭＨｚの外来電波ノイズの影響を効果的に抑制することができる。この場合、信号線となる電極接続線は、内側電極の固定端側の周囲電極に接続される。
また、内側電極の長さが、周囲電極の長さの１／２以上であるのが良い。
また、センサ電極には、内側電極を１〜３本設けるのが良い。
また、周囲電極の長辺部分と内側電極の間隔は０．７ｍｍ以上２．１ｍｍ以下とするのが良い。

１ 静電容量センサ
１０ センサ回路
２０ ＬＣＲ共振回路
２１ インダクタ
２２、２２ａ〜ｊ センサ電極
２２ｅ１、２２ｆ１、２２ｇ１、２２ｈ１、２２ｉ１、２２ｊ１ 周囲電極
２２ｅ２、２２ｆ２、２２ｇ２、２２ｉ２、２２ｊ２ 内側電極
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
４１ ＡＤコンバータ
４２ 制御部
４３ 高周波信号生成部
ＥＷ 電極接続線
ＳＬ スリット

Claims (4)

1. 電極接続線が接続された平板状のセンサ電極に高周波信号が入力され、前記センサ電極の容量に応じた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自己容量方式の静電容量センサにおいて、
   前記センサ電極は、外周と内周がそれぞれ長辺と短辺を有する長方形状の周囲電極と、前記周囲電極の一方の短辺側の内周部に接続されて他方の短辺側に延びる少なくとも１本の舌片状の内側電極を有し、
   前記電極接続線は、前記周囲電極の一方の短辺側に接続されている、
   ことを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記内側電極の長さが、前記周囲電極の長さの１／２以上である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量センサ。
3. 前記センサ電極は、前記内側電極を１〜３本有する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量センサ。
4. 前記周囲電極の長辺部分と前記内側電極の間隔が０．７ｍｍ以上２．１ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量センサ。

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