JP7246697B2 - 静電容量式近接センサ - Google Patents
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Description
特に共振方式の静電容量式センサでは、共振点付近の周波数を用いて信号の変化を検出するため、共振点の変化に伴う誤検出を招き易いという問題がある。
高周波信号を出力する発振手段と、
センサ電極を含み、前記高周波信号が入力されるLCR共振回路と、
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、
前記制御部は、較正ステップと検出ステップの実行を制御するステップ制御を行い、
前記ステップ制御は、通常ルーチンとして前記較正ステップと前記検出ステップを交互に繰り返し実行する制御を含み、
前記較正ステップでは、
前記較正ステップの各々において、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fresを検出するために、前記高周波信号の周波数が所定の規則に従って変更され、
前記共振周波数fresが検出された場合、前記共振周波数fresに基づいて検出周波数f1が設定されるとともに、前記共振周波数fresの高周波信号を前記LCR共振回路に入力した際の判定電圧信号Vresに基づいて第1閾値Vth1が設定され、
前記検出ステップでは、
前記LCR共振回路に前記検出周波数f1の前記高周波信号を入力した状態で検出された前記判定電圧信号と、前記第1閾値Vth1との比較結果に基づいて、前記センサ電極への人体の近接を検出する、
ことを特徴とする。
「前記較正ステップでは、
n-1回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をfn-1、前記判定電圧信号をVn-1とし、
n回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をfn、前記判定電圧信号をVnとし、
n+1回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をfn+1、前記判定電圧信号をVn+1としたとき、
Vn>Vn-1 かつ fn>fn-1 の場合は、fn+1>fn に設定され、
Vn>Vn-1 かつ fn<fn-1 の場合は、fn+1<fn に設定され、
Vn<Vn-1 かつ fn>fn-1 の場合は、fn+1<fn に設定され、
Vn<Vn-1 かつ fn<fn-1 の場合は、fn+1>fn に設定されること」、
「前記較正ステップでは、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn の場合に、
前記共振周波数fresが、fnとfn+1の近傍にあるとみなされること」、
「前記較正ステップでは、
n+2回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をfn+2としたとき、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn かつ fn+1>fn の場合は、
fn+2>fn+1 に設定され、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn かつ fn+1<fn の場合は、
fn+2<fn+1 に設定されること」、
「前記ステップ制御は、前記通常ルーチンとは別に、特別ルーチンとして前記較正ステップを複数回連続して実行する制御を含み、
前記制御部は、第2閾値Vth2と、この第2閾値Vth2よりも小さい第3閾値Vth3を設定し、
前記特別ルーチンは、任意のnについて、
Vn>Vth2 または Vn<Vth3
の場合に実行されること」、
「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fhumとしたとき、
fres>fhum
であること」、
を含む。
センサ電極11には、自動車100のユーザの足部を検出するために、高周波信号生成部33から所定の高周波信号S0が入力される。
センサ電極11は、コイルLの下流側で且つコンデンサCの上流側のセンサ電極接続点P1に、コンデンサCと並列に接続されている。このセンサ電極11に人体の足部等が近接すると、センサ電極11の自己静電容量が増加する。
本例のコイルLのインダクタンスは4.7mH、コンデンサCの静電容量は7pF、抵抗Rの抵抗は470Ωであるが、これらの値は適宜設定することができる。
センサ電極11の材料は特に限定されるものではなく、絶縁電線、同軸ケーブル、銅板等の導電性金属板などを用いることができ、絶縁電線や同軸ケーブルを用いる場合には、1往復以上となるように折り曲げて使用することにより容易に電極面積を増して感度調整を行うことができる。
このセンサ回路20は、LCR共振回路10から出力された電気信号に基づいて、センサ電極11の自己静電容量に応じた判定電圧信号S1を出力する。具体的には、センサ回路20は、コンデンサCの下流側で且つ抵抗Rの上流側の検出点P3における電気信号に基づいて判定電圧信号S1を出力する。ダイオード21はコンデンサCと検出点P3の間の整流点P2に接続されている。
なお、センサ回路20は、センサ電極11の自己静電容量に応じた判定電圧信号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。また、抵抗Rの抵抗値を低くすることにより、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
図3に示されるように、人の足部がセンサ電極11に近接したときの共振周波数fhumは、物体がセンサ電極11に近接していないときの共振周波数fresよりも低い。これは、人の足部がセンサ電極11に近接すると、センサ電極11の自己静電容量が増えることによる。
本例の近接センサ1では、ある一定の周囲環境下において、fresは約450kHz、fhumは約445kHzであるが、周囲環境が変わってもfresとfhumの差は約5kHzとほぼ一定である。
また、物体がセンサ電極11に近接していないときのピーク電圧(図3の点P11の電圧)と、人の足部がセンサ電極11に近接したときのピーク電圧(図3の点P21の電圧)は、周囲環境が変わってもほぼ同じVresである。
まず、物体がセンサ電極11に近接していないときの共振周波数fresよりも5kHz低い周波数を検出周波数f1に設定する。つまり、この例では人の足部がセンサ電極11に近接したときの共振周波数fhumを検出周波数f1に設定している。
VB<Vth1<Vres
の関係を満足する第1閾値Vth1が設定される。
まず、電子キーを携帯したユーザが自動車100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、当該自動車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。
正規の電子キーであることの認証が行われると、近接センサ1が駆動する。
制御部32はセンサーシステムの初期化を実行し、内部レジスタやメモリのクリアを実行するとともに、通常フラグをOFFにし、較正フラグをONにする。
なお、通常フラグがONの場合は、通常時の制御として較正ステップと検出ステップを交互に実行するステップ制御が行われ、通常フラグがOFFの場合は、特別時の制御として較正ステップだけを連続して行う制御が行われる。
制御部32は、高周波信号生成部33から出力する高周波信号S0の周波数を所定のデューティ比で発振させる。また、センサ回路20から入力された最新の判定電圧信号S1をADコンバータ31がA/D変換すると、ADコンバータ31から最新の判定信号S2が制御部32に出力される。
通常フラグがONの場合はステップS5に進み、通常フラグがOFFの場合はステップS6に進む。なお、近接センサ1の駆動初期は、ステップS1にて通常フラグがOFFになっているため常にステップS6に進む。
最新の判定電圧信号S1が所定の範囲内にない場合は、通常時ではないと判断してステップS6に進む。一方、最新の判定信号S1が所定の範囲内にある場合は、ステップS8に進む。なお、本例では、第2閾値Vth2をVB+0.8V、第3閾値Vth3をVB-0.1Vに設定し、判定電圧信号S1がVB-0.1V~VB+0.8Vの範囲内にない場合、通常時ではないと判断している。
通常時でないときは、特別時の較正を行う。
まず、制御部32は、高周波信号生成部33からLCR共振回路10に入力する高周波信号S0の周波数掃引を行うように制御する。本例では、この周波数掃引はスタート周波数200kHzからストップ周波数600kHzまで指定された掃引速度で行われる。
上記の周波数掃引を行うことで、図3に示したグラフS11が得られ、物体がセンサ電極11に近接していないときのLCR共振回路10の共振周波数fresと、共振周波数fresの高周波信号をLCR共振回路10に入力した際の電圧信号Vres(点P11の電圧)が検出される。なお、本例の近接センサ1では、ある一定の環境下において共振周波数fresは261kHz、電圧信号Vresは2.72Vであった。
次に制御部32は、図3に示した検出周波数f1と、第1閾値Vth1を設定する。
本例では、検出周波数f1は、共振周波数fresよりも5kHz低く設定している。また、第1閾値Vth1は、図3の電圧信号Vres(もしくはVB)に基づいて設定されるが、本例では、物体がセンサ電極11に近接していない状態において検出周波数f1の高周波信号をLCR共振回路10に入力した際の電圧信号VBに、電圧信号Vresの12%を加算した値としている。
特別時の較正を行った後は、通常フラグをONにし、ステップS2に戻る。
較正フラグを参照し、この較正フラグがONの場合はステップS100に進み、較正フラグがOFFの場合はステップS10に進む。なお、近接センサ1の駆動初期は、ステップS1にて較正フラグがONになっているため、常にステップS100に進む。
通常時の較正ステップを、図6のフローチャートに沿って実行する。この通常時の較正ステップは、物体がセンサ電極11に近接していないときのグラフS11(図3参照)が周囲の環境等によって変化しても、人体の近接を正しく検出できるようにするために行われるものである。
なお、以下の説明では、
n-1回目の較正ステップにおける、高周波信号S0の周波数をfn-1、判定電圧信号をVn-1、
n回目の較正ステップにおける、高周波信号S0の周波数をfn、判定電圧信号をVn、
n+1回目の較正ステップにおける、高周波信号S0の周波数をfn+1、判定電圧信号をVn+1、
n+2回目の較正ステップにおける、高周波信号S0の周波数をfn+2、
としている。
Vn>Vn-1の場合はステップS101に進み、それ以外はステップS106に進む。
信号上昇中のフラグをONにした後、fn>fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに上げ(S104)、fn<fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに下げ(S105)、その後、ステップS9に進む。
Vn<Vn-1の場合はステップS107に進み、それ以外(すなわちVn≒Vn-1の場合)はステップS111に進む。
信号上昇中のフラグをOFFにした後、fn>fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに下げ(S109)、fn<fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに上げ(S110)、その後、ステップS9に進む。
Vn≒Vn-1の場合において、信号上昇中のフラグがONのときはステップS112に進み、信号上昇中のフラグがOFFのときはステップS113に進む。なお、本例では、VnとVn-1との差が0.08V以下の場合、Vn≒Vn-1と見なしている。
信号上昇中のフラグがONの状態でVn≒Vn-1の場合には、共振周波数fresが検出されたものと判断し、検出周波数f1と第1閾値Vth1が設定される。
fn>fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに上げ(S114)、fn<fn-1の場合は高周波信号S0の周波数を僅かに下げ(S115)、その後、ステップS9に進む。
すなわち、ステップS101からS105では、Vn>Vn-1かつfn>fn-1の場合には、fn+1>fnに設定している。
これは、図7に示すように、高周波信号S0の周波数をfn-1からfnに上げた際に、判定電圧信号がVn-1からVnに上昇している場合は、fn-1よりもfnのほうが現環境下における共振周波数fresに近づいているため、この共振周波数fresを短時間で検出するために、次回の較正ステップにおける高周波信号S0の周波数fn+1をfnよりも若干高く設定するものである。
また、ステップS101からS105では、Vn>Vn-1かつfn<fn-1の場合には、fn+1<fnに設定している。
これは、図8に示すように、高周波信号S0の周波数をfn-1からfnに下げた際に、判定電圧信号がVn-1からVnに上昇している場合は、fn-1よりもfnのほうが現環境下における共振周波数fresに近づいているため、この共振周波数fresを短時間で検出するために、次回の較正ステップにおける高周波信号S0の周波数fn+1をfnよりも若干低く設定するものである。
これは、図9に示すように、高周波信号S0の周波数をfn-1からfnに上げた際に、判定電圧信号がVn-1からVnに低下している場合は、fn-1よりもfnのほうが現環境下における共振周波数fresから遠のいているため、この共振周波数fresを短時間で検出するために、次回の較正ステップにおける高周波信号S0の周波数fn+1をfnよりも若干低く設定するものである。
また、ステップS106からS110では、Vn<Vn-1かつfn<fn-1の場合には、fn+1>fnに設定している。
これは、図10に示すように、高周波信号S0の周波数をfn-1からfnに下げた際に、判定電圧信号がVn-1からVnに低下している場合は、fn-1よりもfnのほうが現環境下における共振周波数fresから遠のいているため、この共振周波数fresを短時間で検出するために、次回の較正ステップにおける高周波信号S0の周波数fn+1をfnよりも若干高く設定するものである。
これは、図11や図12に示すように、判定電圧信号がVn-1からVnに上昇した直後の較正ステップにおいて、Vn+1とVnがほぼ同じレベルである場合には、fnとfn+1がほぼ共振周波数fresであるとみなすことができるためである。なお、本例では、図11のように高周波信号S0の周波数を上げながら共振周波数を検出した場合も、図12のように高周波信号S0の周波数を下げながら共振周波数を検出した場合も、いずれもfn+1を共振周波数fresとしている。
また、共振周波数fresが検出されると、本例では共振周波数fresよりも5kHz低い周波数を検出周波数f1に設定している。
また、物体がセンサ電極11に近接していないときに共振周波数fresの高周波信号をセンサ回路10に入力した際の判定電圧信号Vn+1(図11の点Pn+1の電圧)と、物体がセンサ電極11に近接していないときに検出周波数f1の高周波信号をセンサ回路10に入力した際の判定電圧信号VB(図11の点PB1の電圧)に基づいて、第1閾値Vth1を設定している。
また、ステップS113からS115では、Vn>Vn-1かつVn+1≒Vnかつfn+1<fnの場合には、fn+2<fn+1に設定している。
これらの設定は、図11のように高周波信号S0の周波数を上げながら共振周波数fresを見つける場合と、図12のように高周波信号S0の周波数を下げながら共振周波数fresを見つける場合のいずれの場合にも、常に図3の点P11を乗り越えるように較正ステップを実行するためである。このように較正ステップを実行することにより、極めて短い時間で共振周波数fresを最新のものに更新することができる。
通常時の較正ステップを図6のフローチャートに沿って実行した後、較正フラグをOFFにする。
ステップ8において較正フラグがOFFであれば、検出ステップを実行し、足部の検出判定を行う。この検出判定では、ステップS112で更新された検出周波数f1と第1閾値Vth1が用いられる。具体的には、LCR共振回路10に検出周波数f1の高周波信号S0を入力した状態で、判定電圧信号S1が第1閾値Vth1以上となったことを検出すると、センサ電極11への人体(足部)の近接を検出し、制御部32は人の検出信号S4を出力し、バックドア102の開閉制御が行われる。
足部の検出判定を行った後、較正フラグをONにする。
そして、共振周波数fresが検出された場合、共振周波数fresに基づいて検出周波数f1が設定され、共振周波数fresの高周波信号S0をLCR共振回路10に入力した際の判定電圧信号Vresに基づいて第1閾値Vth1が設定される。
また、検出ステップでは、LCR共振回路10に検出周波数f1の高周波信号S0を入力した状態検出された判定電圧信号S1と、第1閾値Vth1との比較結果に基づいて、センサ電極11への人体の近接を検出する。
このため、突発的な大きな環境変化がない場合には、周囲環境が変化しても常に最新の検出周波数で検出を行うことができ、誤検出や検出漏れを防止して、人体(足部)の近接を高い信頼性をもって検出することができる。
Vn>Vn-1かつfn>fn-1の場合は、fn+1>fnに設定され、
Vn>Vn-1かつfn<fn-1の場合は、fn+1<fnに設定され、
Vn<Vn-1かつfn>fn-1の場合は、fn+1<fnに設定され、
Vn<Vn-1かつfn<fn-1の場合は、fn+1>fnに設定される。
このため、共振周波数fresを最短で更新することができ、人体(足部)の近接を最短で検出して検出漏れを抑制することができる。
Vn>Vn-1かつVn+1≒Vnの場合に、
共振周波数fresがfnとfn+1の近傍にあるとみなしている。
このため、共振周波数fresを最短かつ極めて高い精度で更新することができ、人体(足部)の近接を高い信頼性をもって最短で検出することができる。
Vn>Vn-1かつVn+1≒Vnかつfn+1>fnの場合は、fn+2>fn+1に設定され、
Vn>Vn-1かつVn+1≒Vnかつfn+1<fnの場合は、fn+2<fn+1に設定される。
このため、図11のように高周波信号S0の周波数を上げながら共振周波数fresを見つける場合と、図12のように高周波信号S0の周波数を下げながら共振周波数fresを見つける場合のいずれの場合にも、最短時間で共振周波数fresを最新のものに更新することができる。
これにより、例えば車両の駐車場所の環境が大きく変化して共振周波数fresが大きく変化した場合にも、最短時間で共振周波数fresを最新のものに更新することができる。
10 LCR共振回路
11 センサ電極
L コイル
C コンデンサ
R 抵抗
20 センサ回路
21 ダイオード
22 固定抵抗
23 コンデンサ
24 増幅器(バッファ回路)
30 マイコン(マイクロコンピュータ)
31 ADコンバータ
32 制御部
33 高周波信号生成部
40 ユーザ
41 足部
100 自動車
101 リアバンパー
102 バックドア
P1 センサ電極接続点
P2 整流点
P3 検出点
Claims (5)
- 高周波信号を出力する発振手段と、
センサ電極を含み、前記高周波信号が入力されるLCR共振回路と、
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、
前記制御部は、較正ステップと検出ステップの実行を制御するステップ制御を行い、
前記ステップ制御は、通常ルーチンとして前記較正ステップと前記検出ステップを交互に繰り返し実行する制御を含み、
前記較正ステップでは、
前記較正ステップの各々において、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fresを検出するために、前記高周波信号の周波数が以下のように変更され、
n-1回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をf n-1 、前記判定電圧信号をV n-1 とし、
n回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をf n 、前記判定電圧信号をV n とし、
n+1回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をf n+1 、前記判定電圧信号をV n+1 としたとき、
V n >V n-1 かつ f n >f n-1 の場合は、f n+1 >f n に設定され、
V n >V n-1 かつ f n <f n-1 の場合は、f n+1 <f n に設定され、
V n <V n-1 かつ f n >f n-1 の場合は、f n+1 <f n に設定され、
V n <V n-1 かつ f n <f n-1 の場合は、f n+1 >f n に設定され、
前記共振周波数fresが検出された場合、前記共振周波数fresに基づいて検出周波数f1が設定されるとともに、前記共振周波数fresの高周波信号を前記LCR共振回路に入力した際の判定電圧信号Vresに基づいて第1閾値Vth1が設定され、
前記検出ステップでは、
前記LCR共振回路に前記検出周波数f1の前記高周波信号を入力した状態で検出された前記判定電圧信号と、前記第1閾値Vth1との比較結果に基づいて、前記センサ電極への人体の近接を検出する、
ことを特徴とする静電容量式近接センサ。 - 前記較正ステップでは、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn の場合に、
前記共振周波数fresが、fnとfn+1の近傍にあるとみなされる、
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。 - 前記較正ステップでは、
n+2回目の較正ステップにおける、前記高周波信号の周波数をfn+2としたとき、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn かつ fn+1>fn の場合は、
fn+2>fn+1 に設定され、
Vn>Vn-1 かつ Vn+1≒Vn かつ fn+1<fn の場合は、
fn+2<fn+1 に設定される、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の静電容量式近接センサ。 - 前記ステップ制御は、前記通常ルーチンとは別に、特別ルーチンとして前記較正ステップを複数回連続して実行する制御を含み、
前記制御部は、第2閾値Vth2と、この第2閾値Vth2よりも小さい第3閾値Vth3を設定し、
前記特別ルーチンは、任意のnについて、
Vn>Vth2 または Vn<Vth3
の場合に実行される、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の静電容量式近接センサ。 - 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fhumとしたとき、
fres>fhum
である、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の静電容量式近接センサ。
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