JP7006189B2

JP7006189B2 - 静電容量検出装置

Info

Publication number: JP7006189B2
Application number: JP2017228082A
Authority: JP
Inventors: 昭高橋
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN109900968B; EP3490148B1; US20190162869A1; CN109900968A; EP3490148A2; JP2019100711A; US10775526B2; EP3490148A3

Description

この発明は、静電容量検出装置に関する。

特許文献１に開示された静電容量検出装置は、第１の電源と、第２の電源との間に直列に接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサを備えている。第１コンデンサの両端子間には、第１スイッチが接続されている。第１コンデンサと第２コンデンサとの間には、第２スイッチが接続されている。第２コンデンサの両端子間には、第３スイッチが接続されている。

この静電容量検出装置では、まず、第１スイッチのみがオンに制御される。これによって第１コンデンサが放電されて、当該第１コンデンサの両端子の電位が共に第１の電源の電位となる。この後、第２スイッチのみがオンに制御される。これによって、第１スイッチの第２コンデンサ側の端子の電位が低下するとともに、第２コンデンサが充電される。この後、第３スイッチのみがオンに制御される。これによって、第２コンデンサが放電される。第２スイッチをオンにする制御と第３スイッチをオンにする制御とを交互に繰り返すことによって、第１コンデンサにおける第２コンデンサ側の端子の電位が徐々に低下していく。この電位が参照電位を下回るまでの間に第２スイッチがオンに制御される回数に基づいて、第２コンデンサの静電容量の変化が検出される。

特開２００５－１０６６６５号公報

特許文献１のような静電容量検出装置の回路には、電磁ノイズが混入することがある。仮に電磁ノイズに起因して第１コンデンサにおける第２コンデンサ側の端子の電位が変動すると、その変動に伴って、当該電位が参照電位に達したと誤判定されたり、参照電位に達していないと誤判定されたりするおそれがある。こうした誤判定があると、第２コンデンサの容量変化の検出精度が悪化する。

上記課題を解決するための静電容量検出装置は、電源及び検出電極間に直列に接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、前記第１コンデンサの両端子間に接続された第１スイッチと、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの間に接続された第２スイッチと、前記第２コンデンサの両端子間に接続された第３スイッチと、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチをオンオフ制御するとともに、前記第１コンデンサ及び前記第２スイッチ間の接続ノードに接続されて当該接続ノードの電位に基づいて前記第２コンデンサの静電容量の変化を検出する制御回路と、を備えた静電容量検出装置であって、前記第２コンデンサの前記第２スイッチ側の端子と前記制御回路との間に接続され、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのスイッチング周波数を含む周波数の電位を透過させて他の特定の周波数の電位を透過させないフィルタ回路と、前記フィルタ回路と前記制御回路との間であり、かつ前記接続ノードと前記制御回路との間に接続されたサンプルアンドホールド回路とを備えている。前記サンプルアンドホールド回路は、前記第２スイッチがオンに制御されている場合には、前記フィルタ回路の出力に応じた電位を出力し、前記第２スイッチがオフに制御されている場合には、次に前記第２スイッチがオンに制御されるまで、前記第２スイッチがオフに制御されたときの前記フィルタ回路の出力に応じた電位を保持して出力する。

上記構成では、フィルタ回路によって、特定の周波数の電位の変動をフィルタリングできる。そして、サンプルアンドホールド回路が出力する電位は、このフィルタリング後の電位である。したがって、制御回路には、電磁ノイズに起因した変動が抑制された信号が入力される。また、上記構成では、第２スイッチがオフに制御されている場合、サンプル回路は一定の電位を保持し続ける。このようにして一定の電位を保持し続ければ、サンプルアンドホールド回路が保持する電位には、電磁ノイズの影響は反映されない。したがって、制御回路が第２コンデンサの静電容量の変化を検出するにあたって用いられる接続ノードの電位から電磁ノイズの影響を除去できる。この結果、第２コンデンサの静電容量の変化の検出精度が向上する。

本発明によれば、コンデンサの静電容量の変化の検出精度が向上する。

静電容量検出装置の回路図。静電容量検出装置における各信号のタイミングチャート。

以下、静電容量検出装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、静電容量検出装置は、例えば車両のドアハンドルに内蔵され、ユーザがドアハンドルに触れたことを検出するものである。

図１に示すように、静電容量検出装置は、直流の第１電源Ｖ１を備えている。第１電源Ｖ１には、第１コンデンサ１１の一方の端子が接続されている。第１コンデンサ１１は一定の静電容量を有する。第１コンデンサ１１には、直列に第２コンデンサ１２が接続されている。第２コンデンサ１２の静電容量は、第１コンデンサ１１の静電容量よりも小さくなっている。第２コンデンサ１２において、第１コンデンサ１１と接続されている側とは反対側の端子には、第２電源Ｖ２が接続されている。本実施形態において、第２電源Ｖ２は、自由空間に配置されている板状の検出電極である。そして、第２電源Ｖ２の電位は概ねグランド（接地）レベルである。また、検出電極に導電体（例えば、人間の手指）が近づいた場合には、第２コンデンサ１２の静電容量が変化する。すなわち、第２コンデンサ１２は、可変容量として機能する。

第１コンデンサ１１における第１電源Ｖ１側の端子と、第１コンデンサ１１における第２コンデンサ１２側の端子との間には、第１スイッチＳＷ１が接続されている。第１コンデンサ１１における第２コンデンサ１２側の端子と、第２コンデンサ１２における第１コンデンサ１１側の端子との間には、第２スイッチＳＷ２が接続されている。第２コンデンサ１２における第１コンデンサ１１側の端子と、第２コンデンサ１２における第２電源Ｖ２側の端子との間には、第３スイッチＳＷ３が接続されている。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３は、例えばＭＯＳトランジスタであり、制御回路３１からの制御信号によってオンオフを制御される。

第１コンデンサ１１と第２スイッチＳＷ２との間の接続ノード１４（以下、単に接続ノード１４と略記する。）には、フィルタ回路４０の入力端子が接続されている。フィルタ回路４０は、いわゆるローパスフィルタであり、所定周波数（例えば２０ＭＨｚ）以下の周波数の電位を透過させ、所定周波数を超える周波数の電位を透過させないようになっている。なお、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３のスイッチング周波数は、上記所定周波数以下である。フィルタ回路４０の出力端子には、サンプルアンドホールド回路５０の入力端子が接続されている。

サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチＳＷ２のオンオフ制御に合わせて動作する。具体的には、サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチＳＷ２がオンに制御されているときには、フィルタ回路４０の出力電位であるフィルタ後電位ＶＭＦを変化させずにそのままホールド電位ＶＭＨとして出力する。また、サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されているときには、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されたときのフィルタ後電位ＶＭＦを保持し、そのフィルタ後電位ＶＭＦを、次に第２スイッチＳＷ２がオンに制御されるまで、ホールド電位ＶＭＨとして出力する。なお、この実施形態では、サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されたタイミングから所定時間遅延させた遅延タイミングにおけるフィルタ後電位ＶＭＦを保持してホールド電位ＶＭＨとして出力する。この所定時間は、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３のスイッチング周期よりも十分に短い時間が設定されており、例えば数ナノ秒～数十ナノ秒である。

サンプルアンドホールド回路５０の出力端子には、コンパレータ３２の非反転入力端子が接続されている。コンパレータ３２の反転入力端子には、第３電源Ｖ３が接続されている。第３電源Ｖ３は定電位電源であり、その電位である参照電位Ｖｔｈは、第１電源Ｖ１の電位よりも低く、第２電源Ｖ２の電位よりも高くなっている。コンパレータ３２は、非反転入力端子に入力されるホールド電位ＶＭＨが反転入力端子に入力される参照電位Ｖｔｈ以上であるときには、ＬＯＷレベルの出力信号Ｖｏｕｔを出力する。そして、コンパレータ３２は、非反転入力端子に入力されるホールド電位ＶＭＨが反転入力端子に入力される参照電位Ｖｔｈよりも低いときには、ＨＩＧＨレベルの出力信号Ｖｏｕｔを出力する。コンパレータ３２の出力端子は、制御回路３１に接続されている。

制御回路３１は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３をオンオフ制御することで、第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出する。また、制御回路３１は、サンプルアンドホールド回路５０を制御し、当該サンプルアンドホールド回路５０が入力された電位をそのまま出力するか、所定のタイミングで入力された電位を保持して出力するかを切り換える。

制御回路３１は、コンパレータ３２の出力信号Ｖｏｕｔに基づいて、第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出する。その際の流れを以下に説明する。
図２に示すように、制御回路３１は、タイミングｔ１において、第２コンデンサ１２の静電容量の変化の検出処理を開始すると、まず、第１スイッチＳＷ１のみをオンに制御し、第２スイッチＳＷ２と第３スイッチＳＷ３とをオフに制御する。これにより、第１コンデンサ１１が放電されて、接続ノード１４の電位ＶＭが第１電源Ｖ１の電位である初期電位となる。この初期電位は、フィルタ回路４０を通じてフィルタ後電位ＶＭＦとしてサンプルアンドホールド回路５０に出力される。サンプルアンドホールド回路５０は、フィルタ後電位ＶＭＦを変化させずにそのままホールド電位ＶＭＨとしてコンパレータ３２に出力する。コンパレータ３２は、ホールド電位ＶＭＨと参照電位Ｖｔｈとを比較し、その比較結果としてＬＯＷレベルの出力信号Ｖｏｕｔを制御回路３１に出力する。

この後、制御回路３１は、タイミングｔ２において、第２スイッチＳＷ２のみをオンに制御し、第１スイッチＳＷ１と第３スイッチＳＷ３とをオフに制御する。これにより、接続ノード１４の電位ＶＭが低下するとともに、第２コンデンサ１２が充電される。第２スイッチＳＷ２がオンに制御されている間、フィルタ回路４０は、接続ノード１４の電位ＶＭにフィルタをかけたフィルタ後電位ＶＭＦをサンプルアンドホールド回路５０に出力する。サンプルアンドホールド回路５０は、そのフィルタ後電位ＶＭＦを変化させずにそのままホールド電位ＶＭＨとしてコンパレータ３２に出力する。コンパレータ３２は、ホールド電位ＶＭＨと参照電位Ｖｔｈとを比較し、その比較結果としてＬＯＷレベルの出力信号Ｖｏｕｔを制御回路３１に出力する。

この後、制御回路３１は、タイミングｔ３において、第３スイッチＳＷ３のみをオンに制御し、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とをオフに制御する。これにより、第２コンデンサ１２が放電される。第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている間、フィルタ回路４０は、接続ノード１４の電位ＶＭにフィルタをかけたフィルタ後電位ＶＭＦをサンプルアンドホールド回路５０に出力する。サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されたときのフィルタ後電位ＶＭＦを保持し、そのフィルタ後電位ＶＭＦを、次に第２スイッチＳＷ２がオンに制御されるまで、ホールド電位ＶＭＨとしてコンパレータ３２に出力する。コンパレータ３２は、ホールド電位ＶＭＨと参照電位Ｖｔｈとを比較し、その比較結果としてＬＯＷレベルの出力信号Ｖｏｕｔを制御回路３１に出力する。

この後、制御回路３１は、第２スイッチＳＷ２のみをオンにする制御と、第３スイッチＳＷ３のみをオンにする制御とを交互に繰り返す。これにより、接続ノード１４の電位ＶＭは徐々に低下していく。それに合わせて、サンプルアンドホールド回路５０がコンパレータに出力するホールド電位ＶＭＨも徐々に低下していく。ホールド電位ＶＭＨは、やがて参照電位Ｖｔｈを下回る。ホールド電位ＶＭＨが参照電位Ｖｔｈを下回ったタイミングｔ４において、コンパレータ３２の出力信号ＶｏｕｔはＨＩＧＨレベルとなる。

ここで、制御回路３１は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御される毎に、コンパレータ３２の出力信号Ｖｏｕｔを取得している。詳細には、制御回路３１は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている期間のうち、中央のタイミングよりも後半側のタイミングで出力信号Ｖｏｕｔを取得している。

制御回路３１は、第２コンデンサ１２の静電容量の変化の検出を開始してから、ＨＩＧＨレベルの出力信号Ｖｏｕｔが取得されるまでに、第２スイッチＳＷ２のオンオフ制御が何度繰り返されたのかを算出する。制御回路３１は、その算出結果と、予め定められている基準回数とを比較し、両者の差が規定回数以上である場合に、第２コンデンサ１２の静電容量が変化したことを検出する。なお、上記基準回数は、検出電極に導電体が近づいていない状況下でのＨＩＧＨレベルの出力信号Ｖｏｕｔが取得されるまでの第２スイッチＳＷ２のオンオフ制御の回数として、試験的に求められている。

次に、制御回路３１が第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出する際の、フィルタ回路４０及びサンプルアンドホールド回路５０の作用について説明する。
静電容量検出装置の回路には、電磁ノイズが混入することがある。電磁ノイズとしては、例えば、第２コンデンサ１２や第２電源Ｖ２（検出電極）が拾う電磁ノイズがある。具体的には、第２コンデンサ１２の各端子や第２電源Ｖ２は、導電体であるため、アンテナであるかのように機能して電磁ノイズを拾い得る。そして、このような電磁ノイズを拾ってしまうと、第２コンデンサ１２の端子電圧は変動する。したがって、第２スイッチＳＷ２がオンに制御されている場合、この電磁ノイズは、接続ノード１４の電位ＶＭを変動させる。

また、他の電磁ノイズとしては、例えば、第１電源Ｖ１が電圧を生成する際に生じる電磁ノイズや、第１電源Ｖ１から第１コンデンサ１１までの配線に混入する電磁ノイズがある。これらの電磁ノイズを拾ってしまうと、第１コンデンサ１１の端子電圧は変動する。したがって、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されていたとしても、この電磁ノイズは、接続ノード１４の電位ＶＭを変動させる。

上述のような電磁ノイズが接続ノード１４の電位ＶＭに含まれている場合、当該電位ＶＭをそのままコンパレータ３２にて参照電位Ｖｔｈと比較してしまうと、つぎのような問題が生じ得る。すなわち、電磁ノイズに起因して接続ノード１４の電位ＶＭが変動し、その変動に伴って接続ノード１４の電位ＶＭが参照電位Ｖｔｈに達したと誤判定されたり、逆に、当該電位ＶＭが参照電位Ｖｔｈに達していないと誤判定されたりするおそれがある。

この点、上記構成では、接続ノード１４とコンパレータ３２との間に、フィルタ回路４０及びサンプルアンドホールド回路５０が設けられている。上述のとおり、第２スイッチＳＷ２がオンに制御されている場合、接続ノード１４の電位ＶＭには、第２コンデンサ１２側からの電磁ノイズが含まれ得る。フィルタ回路４０は、この電磁ノイズに対応する周波数の電位の変動をフィルタリングして、電磁ノイズの少なくとも一部を遮断できる。そして、サンプルアンドホールド回路５０がコンパレータ３２に出力するホールド電位ＶＭＨは、このフィルタリング後の電位である。したがって、コンパレータ３２には、電磁ノイズに起因した変動が抑制された電位が入力される。

また、接続ノード１４の電位ＶＭには、第１電源Ｖ１側からの電磁ノイズが含まれ得る。第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている場合、サンプルアンドホールド回路５０は、第２スイッチがオフに制御されたときのフィルタ後電位ＶＭＦを保持し続ける。このようにして一定の電位を保持し続ければ、サンプルアンドホールド回路５０がコンパレータ３２に出力するホールド電位ＶＭＨには、電磁ノイズの影響は反映されない。つまり、コンパレータ３２には、電磁ノイズに起因した変動が含まれない電位が入力される。

本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）フィルタ回路４０及びサンプルアンドホールド回路５０によって、制御回路３１が第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出するにあたって用いられる接続ノード１４の電位ＶＭから電磁ノイズの影響を除去できる。この結果、第２コンデンサ１２の静電容量の変化の検出精度が向上する。

（２）第２スイッチＳＷ２のスイッチングノイズ等に起因して、第２スイッチＳＷ２がオフに制御された後に接続ノード１４の電位ＶＭが完全に安定するまでには僅かなラグが生じ得る。この点、上記構成では、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されたタイミングから所定時間遅延させた遅延タイミングにおけるフィルタ後電位ＶＭＦをサンプルアンドホールド回路５０で保持するようにしている。したがって、不安定な状態の接続ノード１４の電位ＶＭに対応するフィルタ後電位ＶＭＦをホールド電位ＶＭＨとしてコンパレータ３２に出力してしまうことが抑制される。そして、コンパレータ３２が、不安定な状態のホールド電位ＶＭＨと参照電位Ｖｔｈとを比較してしまうことが抑制される。この結果、コンパレータ３２による比較結果の信頼性の向上が期待される。

（３）コンパレータ３２に入力される電位が変化した直後は、コンパレータ３２の内部回路において入力電位が反映されるのに時間を要したり、電位が不安定になったりする。そのため、コンパレータ３２に入力される電位が変化した直後は、コンパレータ３２による比較結果の出力の信頼性が劣る。上記構成では、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている期間の後半側という、比較結果の信頼性が高いと考えられる期間のコンパレータ３２の出力信号Ｖｏｕｔに基づいて第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出する。したがって、コンパレータ３２の比較結果に基づいて第２コンデンサ１２の静電容量の変化を検出するにあたって、その検出精度の向上が期待できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・制御回路３１は、第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている期間のうち、中央のタイミングよりも前半側のタイミングで、コンパレータ３２から出力信号Ｖｏｕｔを取得してもよい。上記前半側のタイミングにおいて、第２スイッチＳＷ２がオフにされたタイミングからある程度遅延したタイミングでは、コンパレータ３２に入力された電位は比較的安定していると考えられる。したがって、こうしたタイミングであれば、コンパレータ３２による比較結果の出力が劣る可能性は低くなる。なお、コンパレータ３２の性能や機能等により、コンパレータ３２に入力される電位が変化してもその直後にすぐ電位が安定するような場合には、第２スイッチＳＷ２のオンオフに拘らずいずれの期間における出力信号Ｖｏｕｔを制御回路３１で取得するようにしてもよい。

・コンパレータ３２を廃止し、サンプルアンドホールド回路５０が出力するホールド電位ＶＭＨを直接制御回路３１に入力してもよい。そして、制御回路３１に予め参照電位Ｖｔｈを記憶させておき、制御回路３１でホールド電位ＶＭＨと参照電位Ｖｔｈとを比較してもよい。

・第２スイッチＳＷ２がオフに制御されている期間にサンプルアンドホールド回路５０に保持させる電位を、第２スイッチＳＷ２がオフに制御された時点（遅延タイミングをおく前のタイミング）のフィルタ後電位ＶＭＦとしてもよい。例えば第２スイッチＳＷ２がオフに制御された後に接続ノード１４の電位ＶＭが不安定になる度合いが非常に小さい場合には、第２スイッチＳＷ２がオフに制御された時点のフィルタ後電位ＶＭＦをサンプルアンドホールド回路５０で保持するようにしても、コンパレータ３２による比較結果の信頼性は劣り難い。

・フィルタ回路４０を、第２コンデンサ１２における第１コンデンサ１１側の端子と、第２スイッチＳＷ２との間、又は、第２スイッチＳＷ２と接続ノード１４との間に接続してもよい。この場合、サンプルアンドホールド回路５０は、接続ノード１４とコンパレータ３２との間に接続する必要がある。

・フィルタ回路４０は、ローパスフィルタでなくてもよい。例えば、フィルタ回路４０は、ある特定の範囲の周波数の電位を透過させないようにしたバンドパスフィルタでもよい。ただし、フィルタ回路４０は、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３のスイッチング周波数を含む周波数の電位を透過させる必要がある。

・第２コンデンサ１２の静電容量の変化の検出方法は、接続ノード１４の電位ＶＭに基づいたものであればよい。例えば、上記実施形態において、第２コンデンサ１２の静電容量の変化の検出を開始してから、ＨＩＧＨレベルの出力信号Ｖｏｕｔが取得されるまでを１サイクルとし、そのサイクルを繰り返す。そして、サイクル毎に算出される第２スイッチＳＷ２のオンオフ制御の繰り返し回数の時系列を作成する。この時系列の時間変動が検出誤差の許容範囲を超えた場合に、第２コンデンサ１２の静電容量が変化したことを検出するようにしてもよい。

・第２電源Ｖ２をグランドとしてもよい。
・静電容量検出装置の設置個所は、車両のドアハンドルに限定されない。静電容量検出装置は、例えば車両のドアや車両のエンブレム内に設置してもよい。静電容量検出装置は、車両以外に設置してもよい。

１１…第１コンデンサ、１２…第２コンデンサ、１４…接続ノード、３１…制御回路、３２…コンパレータ、４０…フィルタ回路、５０…サンプルアンドホールド回路、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、Ｖ１…第１電源（電源）、ＶＭ…電位

Claims

電源及び検出電極間に直列に接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサと、
前記第１コンデンサの両端子間に接続された第１スイッチと、
前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの間に接続された第２スイッチと、
前記第２コンデンサの両端子間に接続された第３スイッチと、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチをオンオフ制御するとともに、前記第１コンデンサ及び前記第２スイッチ間の接続ノードに接続されて当該接続ノードの電位に基づいて前記第２コンデンサの静電容量の変化を検出する制御回路と、を備えた静電容量検出装置であって、
前記第２コンデンサの前記第２スイッチ側の端子と前記制御回路との間に接続され、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのスイッチング周波数を含む周波数の電位を透過させて他の特定の周波数の電位を透過させないフィルタ回路と、
前記フィルタ回路と前記制御回路との間であり、かつ前記接続ノードと前記制御回路との間に接続されたサンプルアンドホールド回路とを備え、
前記サンプルアンドホールド回路は、前記第２スイッチがオンに制御されている場合には、前記フィルタ回路の出力に応じた電位を出力し、前記第２スイッチがオフに制御されている場合には、次に前記第２スイッチがオンに制御されるまで、前記第２スイッチがオフに制御されたときの前記フィルタ回路の出力に応じた電位を保持して出力する
静電容量検出装置。