JP7447376B2

JP7447376B2 - 操作検出装置

Info

Publication number: JP7447376B2
Application number: JP2019168503A
Authority: JP
Inventors: 吉紀半田
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2039-09-17
Also published as: JP2021048448A

Description

本発明は、静電容量式の操作検出装置に関する。

特許文献１の入力装置には、スイッチ部にセンサ電極、及びセンサ電極と基準点との間における寄生容量を減少させるためのキャンセル電極が設けられており、センサ電極に対する操作が検出部により検出される。また、入力装置では、制御部がセンサ電極に駆動信号を印加すると共に、キャンセル電極に対して駆動信号と同一波形の信号を印加し、検出部がセンサ電極の静電容量の変化から入力操作が行われたか否かを検出する。

特開２０１８－０３７３４８号公報

ところで、センサ電極と検出部及び制御部とは、電気配線によって接続されている。このため、電気配線に断線等の通電不良（接触不良）が生じることで誤検出が生じる。

本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、誤検出を抑制できる操作検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の操作検出装置は、操作者が近接されることで該操作者との間で静電容量が変化するセンサ電極、及び前記センサ電極の操作者の近接側とは反対側に対向された対向電極を備える電極部と、前記センサ電極に接続され、静電容量を検出することで前記センサ電極への操作者の近接及び前記センサ電極との接続状態を検出する検出部と、前記検出部が前記センサ電極への前記操作者の近接を検出する際、前記対向電極を電位が前記センサ電極と同様の電位となるように前記検出部に接続し、前記検出部が前記センサ電極との接続状態を検出する際、前記対向電極を接地状態とする接続部と、を含む。

第２の態様の操作検出装置は、第１の態様において、前記接続部は、制御されることで前記対向電極を前記センサ電極と同様の電位とする第１の状態と前記対向電極を接地する第２の状態とに切換える切換手段を備え、前記検出部は、前記切換手段を制御する制御手段を備える。

第１の態様の操作検出装置では、電極部に操作者が近接されることで該操作者との間で静電容量が変化するセンサ電極、及びセンサ電極の操作者の近接側とは反対側に対向された対向電極が設けられている。検出部は、センサ電極に接続され、検出部は、静電容量を検出する。

ここで、接続部は、検出部によりセンサ電極への操作者の近接を検出する際、対向電極を電位がセンサ電極と同様の電位となるように検出部に接続する。また、接続部は、検出部により検出部とセンサ電極との接続状態を検出する際、対向電極を接地状態とする。

検出部がセンサ電極への操作者の近接を検出する際、センサ電極と対向電極とが同様の電位とされると、センサ電極と対向電極との間の静電容量が減少する。また、検出部が検出部とセンサ電極との接続状態を検出する際、対向電極を接地状態とすることで、センサ電極と対向電極との間の静電容量が増加する。

このため、検出部とセンサ電極との接続状態を検出する際、検出部とセンサ電極とを接続する電気配線に断線等が生じている場合と、断線が生じていない場合とで、検出部で検出される静電容量が大きく異なる。これにより、センサ電極への操作者の近接、及びセンサ電極との接続状態を各々的確に検出できて、検出部による誤検出を抑制できる。

第２の態様の操作検出装置では、接続部に切換手段を設けており、切換手段が対向電極をセンサ電極と同様の電位とする第１の状態と、対向電極を接地する第２の状態とに切換る。また、検出部には、切換手段を制御する制御手段が設けられている。

これにより、制御手段が切換手段を制御することで、検出部は、センサ電極への操作者の近接、及びセンサ電極との接続状態の検出を適切に行うことができる。

本実施形態に係る操作検出装置の概略構成図である。電極部におけるセンサ電極周りの静電容量を示す概略図である。操作検出時におけるセンサ電極周りの静電容量を示す概略図であり、（Ａ）は近接状態を示し、（Ｂ）は非近接状態を示している。断線検出時の非断線状態におけるセンサ電極周りの静電容量を示す概略図であり、（Ａ）は近接状態を示し、（Ｂ）は非近接状態を示している。断線検出時の断線状態におけるセンサ電極周りの静電容量を示す概略図であり、（Ａ）は近接状態を示し、（Ｂ）は非近接状態を示している。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係る操作検出装置１０が概略構成図にて示されている。
図１に示すように、操作検出装置１０は、電極部１２及びコントローラ１４を備えている。操作検出装置１０は、静電容量式（自己容量方式）とされており、電極部１２には、センサ電極１６及び対向電極としてのシールド電極１８が用いられている。

センサ電極１６及びシールド電極１８は、各々シート状とされており、センサ電極１６とシールド電極１８とは、絶縁性シート状のフィルム（誘電体、図示省略）を介して重ねられている。これにより、電極部１２は、センサ電極１６とシールド電極１８とが層状に配置されたシート状に形成されている。

また、センサ電極１６とシールド電極１８とは、互いに対向する面の面積が同様にされているか、センサ電極１６よりシールド電極１８が広く（大きく）されている。これにより、電極部１２では、センサ電極１６のシールド電極１８側がシールド電極１８によって覆われている。このため、電極部１２では、センサ電極１６のシールド電極１８とは反対側の面に人（人体の一部、例えば手や指など）が近接することで、センサ電極１６に生じる静電容量が変化する（増加する）。

コントローラ１４には、検出部及び制御手段としての制御部２０、及びスイッチ部２２、２４が形成されており、コントローラ１４は、図示しない電源から電力が供給されて動作する。スイッチ部２２には、一次側に２つの端子（接点）２２Ａ、２２Ｂが形成され、二次側に一つの端子（接点）２２Ｃが形成されており、スイッチ部２２は、端子２２Ｃの接続先が端子２２Ａ、２２Ｂの間で切換えられる。

スイッチ部２２は端子２２Ａが給電側とされ、端子２２Ａには定電流源（定電流回路）２６が接続されて、定電流源２６から所定電流が供給される。また、スイッチ部２２は端子２２Ｂが検出側とされ、端子２２Ｂには、ＡＤＣ（Analog-Digital Converter：ＡＤ変換器）２８の入力側に接続されている。また、ＡＤＣ２８の出力側は制御部２０に接続されている。

スイッチ部２２の端子２２Ｃには、配線（電気配線）３０の一端が接続されている。配線３０の他端は、電極部１２のセンサ電極１６に接続されている。このため、端子２２Ｃが給電側の端子２２Ａと接続されることで、定電流源２６がセンサ電極１６に接続されてセンサ電極１６に給電される。センサ電極１６では、給電されることで静電容量に応じた電圧が発生する。

また、端子２２Ｃが検出側の端子２２Ｂに接続されることで、センサ電極１６がＡＤＣ２８に接続され、センサ電極１６に発生した電圧（静電容量）に応じた検出信号（電圧信号）が制御部２０に入力される。制御部２０に入力される検出信号は、センサ電極１６に蓄積された電荷（静電容量）に応じた大きさ（電圧レベル）となっている。制御部２０は、入力された検出信号（検出信号から得られる静電容量でもよい）と予め設定しているしきい値とを比較し、センサ電極１６に操作者（操作者の手や指）が近接しているか否かを検出する。

一方、操作検出装置１０には、バッファ部３２が設けられており、バッファ部３２及びスイッチ部２４が接続手段としての接続部３４を構成している。バッファ部３２には、オペアンプＯＰが用いられており、オペアンプＯＰは、シャットダウン機能付きでボルテージフォロワが構成されてコントローラ１４の制御部２０から供給される電力によって動作される。バッファ部３２（オペアンプＯＰ）は、出力側がハイインピーダンスとされている。バッファ部３２の入力側は配線３０のスイッチ部２２（端子２２Ｃ）側に接続され、バッファ部３２の出力側は電極部１２のシールド電極１８に接続されている。これにより、バッファ部３２は、電極部１２のシールド電極１８をセンサ電極１６と同様の電位とするように動作可能になっている。

スイッチ部２４には、一対の端子（接点）２４Ａ、２４Ｂが形成されており、スイッチ部２４は、一対の端子２４Ａ、２４Ｂの接続（オン）と非接続（オフ）とを切換える。スイッチ部２４の一方の端子２４Ａは接地（接地ＧＮＤに接続）され、他方の端子２４Ｂはバッファ部３２の出力側に接続されている。これにより、スイッチ部２４は、バッファ部３２のシールド電極１８側を、第２の状態としての接地ＧＮＤに対してローインピーダンスとなる接地状態と、第１の状態としての接地ＧＮＤに対してハイインピーダンスとなる非接地状態とに切換える。シールド電極１８は、端子２４Ａと端子２４Ｂとが接続されたスイッチ部２４のオン状態では接地状態にされる。

制御部２０には、マイクロコンピュータが用いられており、制御部２０は、ＣＰＵが、ＲＡＭをワークメモリとし、ＲＯＭやストレージなどに記憶されたプログラムを読出して実行することで、電極部１２を用いた操作検出部及び配線３０の接続状態（断線の有無）を検出する断線検出部として機能する。

制御部２０には、スイッチ部２２、２４及びバッファ部３２が接続されており（バッファ部３２との接続の図示は省略）、制御部２０は、スイッチ部２２、２４及びバッファ部３２の動作を制御する。

ここで、制御部２０では、スイッチ部２２を給電側とした後、検出側に切換えることで、センサ電極１６の静電容量（電圧信号）の検出を行う。制御部２０は、センサ電極１６に対する操作者の近接を検出（以下、操作検出という）する際、スイッチ部２４をオフすると共にバッファ部３２を動作させた状態でスイッチ部２２を操作する。また、制御部２０は、配線３０の断線の有無を検出（以下、断線検出という）する際、スイッチ部２４をオンすると共に、バッファ部３２を非動作させた状態でスイッチ部２２を操作する。

これにより、操作検出装置１０では、制御部２０が操作検出を行いながら、予め設定された時間間隔で断線検出を行う。

以下に、操作検出装置１０を用いた操作検出及び断線検出を説明する。
操作検出装置１０は、例えば、図示しない車両に設けられる。電極部１２は、車両操舵において操作者としての乗員（運転者）が把持するステアリングホイールのリム部（操作体、図示省略）に設けられる。電極部１２は、シールド電極１８がリム部の中心部に配置される導電性を有する金属製のリム芯金側とされて、リム部の外周に配設されステアリングホイール周方向に延設され皮革などの加飾材によって被覆されて用いられる。これにより、乗員がステアリングホイール（リム部）を把持するか指を接触させる操作を行うことで、電極部１２のセンサ電極１６に乗員の手（又は指）が近接される。

操作検出装置１０の制御部２０は、センサ電極１６に発生する電圧又は電圧変化（静電容量又は静電容量の変化）を検出することで、乗員がステアリングホイールを把持しているか否かの操作検出を行う。また、操作検出装置１０の操作検出は、ステアリングホイールにおいてセンサ電極１６の部分に乗員がタッチ操作をしたか否かを検出するものでもよい。

ここで、図２には、操作検出装置１０におけるセンサ電極１６周りに生じる静電容量の概略が示されている。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）には、操作検出時の概略が示され、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）には、配線３０の非断線状態における断線検出時の概略が示され、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）には、配線３０に断線状態における断線検出時の概略が示されている。なお、図３（Ａ）、図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、操作者（操作者の指）が近接された状態が示され、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、操作者の非近接状態が示されている。

図２に示すように、電極部１２では、配線３０に寄生容量Ｃｐ１が生じると共に、センサ電極１６には、接地ＧＮＤとの間に寄生容量Ｃｐ２が生じ、シールド電極１８には、接地ＧＮＤとの間に寄生容量Ｃｐ３が生じる。

また、センサ電極１６では、操作者が近接されることで、操作者との間に静電容量Ｃｔが生じる。さらに、センサ電極１６には、シールド電極１８との間に静電容量Ｃｃｃが生じる。この静電容量Ｃｃｃは、センサ電極１６の全面にシールド電極１８が対向されていることで、寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２に比して大きな静電容量となり得るシールド機能を有する。

制御部２０は、操作検出を行う際、スイッチ部２４をオフすると共に、バッファ部３２を動作させる。これにより、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、コントローラ１４のスイッチ部２２（端子２２Ｃ）がバッファ部３２を介してシールド電極１８に接続される。

ここで、制御部２０がスイッチ部２２を給電側としてコントローラ１４からセンサ電極１６に給電すると、バッファ部３２がセンサ電極１６とシールド電極１８とを同様の電位（略同電位）にする。このため、センサ電極１６とシールド電極１８との間の静電容量Ｃｃｃが略ゼロとみなせる。また、センサ電極１６の寄生容量Ｃｐ２がシールド電極１８により抑制される。

これにより、図３（Ｂ）に示すように、操作者がセンサ電極１６への非近接状態では、センサ電極１６側に生じる静電容量Ｃは、寄生容量Ｃｐ１と寄生容量Ｃｐ２との合成容量よりも少なくなる。また、図３（Ａ）に示すように、操作者のセンサ電極１６への近接状態では、センサ電極１６側に生じる静電容量Ｃは、非近接状態（図３（Ｂ）参照）の静電容量にセンサ電極１６と操作者との間に生じる静電容量Ｃｔを合成した容量となる。これにより、近接時のセンサ電極１６の静電容量Ｃは、非近接時のセンサ電極１６の静電容量Ｃよりも大きく増加し、センサ電極１６には多くの電荷が蓄積される。

制御部２０は、スイッチ部２２を給電側から検出側に切換えて、静電容量Ｃに応じて蓄積された電荷によって生じる検出信号（電圧信号）を検出する。この際、バッファ部３２の出力側がハイインピーダンスとなっていることで、シールド電極１８に蓄積された電荷が、制御部２０で検出される電圧信号に影響するのが抑制される。

制御部２０は、検出信号（又は検出信号に応じた静電容量）を予め設定したしきい値と比較する。これにより、操作検出装置１０では、センサ電極１６に対する操作者の操作（操作者がセンサ電極１６に近接しているか否か）を高精度で検出できる。

一方、制御部２０は、断線検出を実行する際、スイッチ部２４をオンすると共に、バッファ部３２の動作を停止させる。これにより、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、シールド電極１８は、センサ電極１６と電気的に切離されて接地状態とされる。シールド電極１８が接地状態とされることで、センサ電極１６には、寄生容量Ｃｐ２、Ｃｐ３に比して大きな静電容量Ｃｃｃが生じる。

配線３０が非断線状態かつ操作者の非近接状態において、スイッチ部２２が給電側に切換えられた後に検出側に切換えられると、制御部２０には、寄生容量Ｃｐ１～Ｃｐ３に静電容量Ｃｃｃを加えた静電容量Ｃに応じた検出信号が入力される（図４（Ｂ）参照）。また、配線３０が非断線状態かつ操作者の近接状態において、制御部２０には、配線３０が非断線状態かつ操作者の非近接状態の静電容量に静電容量Ｃｔが加えられた検出信号が入力される（図４（Ａ）参照）。

これに対し、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、配線３０に断線が生じると、コントローラ１４とセンサ電極１６とが電気的に切り離される。これにより、制御部２０には、操作者の近接及び非近接にかかわらず、配線３０の寄生容量Ｃｐ１に応じた検出信号が入力される。これにより、制御部２０は、検出信号から配線３０の断線を判断できる。

このように操作検出装置１０は、センサ電極１６への操作者の近接を検出する際、接続部３４がセンサ電極１６とシールド電極１８とを同様の電位にする。これにより、センサ電極１６に生じる寄生容量Ｃｐ２や静電容量Ｃｃｃを抑制できて、操作者の近接の有無を精度よく検出できる。しかも、接続部３４は、スイッチ部２４のオフ／オフとバッファ部３２の作動／作動停止により、シールド電極１８の電位をセンサ電極１６の電位と同様になる非接地状態と、接地状態とに切換えられるので、操作検出の合間に断線検出を行うのを容易にできる。

また、操作検出装置１０では、配線３０の断線検出時に接続部３４がシールド電極１８を接地状態とする。これにより、操作者の近接、非近接にかかわらずセンサ電極１６側に生じる静電容量を大きくでき、配線３０の断線状態と非断線状態との間の静電容量の差を大きくできて、配線３０の断線検出を精度よく検出できる。

また、操作検出装置１０では、操作検出を行いながら、操作検出の合間に断線検出を行う。これにより、操作検出装置１０は、操作者がセンサ電極１６に近接しているにもかかわらず配線３０に断線が生じたために、静電容量（電圧信号）が小さくなっていることで、操作者が近接していないと誤判定してしまうのを防止できる。したがって、操作検出装置１０は、操作者の操作検出を高精度で検出できる。

さらに、操作検出装置１０では、接続部３４にスイッチ部２４及びバッファ部３２を設け、センサ電極１６の静電容量（電圧信号）を検出する制御部２０が、スイッチ部２４及びバッファ部３２を制御して、操作検出及び断線検出を行う。これにより、操作検出装置１０では、操作検出と断線検出を的確に切換えて、操作検出及び断線検出を行うことができる。

なお、以上説明した本実施形態では、電極部１２をステアリングホイールに設けて、乗員がステアリングホイールを把持しているか否か、又はセンサ電極１６の部分へのタッチ操作がなされたか否かを検出するように説明した。しかしながら、電極部が設けられる操作体は、シフトレバーなどであってもよく、車両において乗員が触れて操作する各種の操作体を適用できる。また、操作検出装置は、操作体への乗員の接触を検出してもよく、センサ電極に対するタッチ操作を検出してもよい。

また、操作検出装置は、車両のみでなく、各種の装置において操作者が触れて操作する操作体に設けてもよく、操作検出装置は、各種の装置においてセンサ電極の部分にタッチ操作がなされたか否かを検出してもよい。

１０・・・操作検出装置、１２・・・電極部、１６・・・センサ電極、１８・・・シールド電極（対向電極）、２０・・・制御部（検出部、制御手段）、２４・・・スイッチ部（接続手段、切換手段）、３０・・・配線、３２・・・バッファ部（接続手段、切換手段）、３４・・・接続部（接続手段）。

Claims

操作者が近接されることで該操作者との間で静電容量が変化するセンサ電極、及び前記センサ電極の操作者の近接側とは反対側において前記センサ電極に対向された対向電極を備える電極部と、
配線により前記センサ電極に接続され、該配線からの入力に応じた静電容量を検出することで前記センサ電極への操作者の近接及び前記センサ電極との接続状態を検出する検出部と、
前記検出部が前記センサ電極への前記操作者の近接を検出する際、前記対向電極の電位が前記センサ電極の電位と同様の電位となるように前記対向電極を前記検出部に接続し、前記検出部が前記センサ電極との前記接続状態を検出する際、前記対向電極を接地状態とする接続部と、
前記接続状態として前記検出部と前記センサ電極とを接続する前記配線に断線が生じているか否かを判定する際、前記接続部により前記対向電極を接地状態とし、前記検出部に検出される静電容量が、前記配線の非断線状態において前記検出部に検出される静電容量に基づいて設定している静電容量を超えている場合に前記配線に断線が生じていないと判定する判定部と、
を含む操作検出装置。
前記接続部は、制御されることで前記対向電極を前記センサ電極と同様の電位とする第１の状態と前記対向電極を接地する第２の状態とに切換える切換手段を備え、
前記検出部は、前記切換手段を制御する制御手段を備える請求項１に記載の操作検出装置。