JP7471368B2 - 接触検知装置 - Google Patents
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Description
電源から定電圧である入力電圧を印加される印加電極と、前記印加電極に対向して配置されるとともに電位が計測される計測電極と、前記印加電極と前記計測電極との間に配置される誘電体と、を備え、導体が接触したことを検知するための静電型センサと、
前記計測電極の第一計測位置とグランド電位との間に直列接続される第一ブリッジ用キャパシタと、
前記計測電極と前記グランド電位との間に直列接続されるとともに、前記第一ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測電極の電位をグランド電位に放電させる充放電用スイッチング素子と、
前記入力電圧を前記印加電極に印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測電極の電位をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を前記印加電極に印加する状態にすることで、前記静電型センサに充電する工程とを実行する制御装置と、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第一計測位置と前記第一ブリッジ用キャパシタとの間の第一電位を取得する計測器と、
を備える接触検知装置であって、
前記静電型センサは、前記導体が接触した面積及び前記導体との距離の少なくとも一方に応じて静電容量が変化するように構成され、かつ、前記第一計測位置からの距離に応じた電気抵抗により時定数が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程における、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定時間経過後の第一サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第一サンプリング値と、前記第一サンプリング時点から所定時間経過後の第二サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、接触検知装置にある。
1.ステアリングホイール1の構成
本発明に係る接触検知装置10を車両(図示せず)のステアリングホイール1に適用した実施形態1について説明する。まず、ステアリングホイール1の構造について図1~図2を参照して説明する。ステアリングホイール1は、図1に示すように、円形リング状に形成されたリング部2と、リング部2よりも小さく形成されてリング部2の径方向の内側に配置されるコア部3と、コア部3とリング部2とを接続する複数(本形態では3つ)の接続部4とを備える。ただし、接続部4の個数は特に限定されず、1~2つ、又は4つ以上でもよい。
次に、図3および図4を参照して、静電型センサ7の構成について説明する。静電型センサ7は、印加電極21と、計測電極22と、誘電体23と、を備える。印加電極21は、後述する電源41から定電圧である入力電圧Vinを印加される。計測電極22は、印加電極21に対向して配置されるとともに電位が計測される。誘電体23は、印加電極と計測電極との間に配置される。印加電極21および計測電極22は、導電性を有するとともに、層状に形成されている。
図5に示すように、接触検知装置10は、静電型センサ7と、第一入力用スイッチング素子11と、第一ブリッジ用キャパシタ12と、充放電用スイッチング素子13と、制御装置14と、計測器15と、を備える。
(1)静電型センサ7の静電容量測定方法
次に、制御装置14が実行する充放電用スイッチング素子13の開閉のタイミングと、静電型センサ7の一端側の電位Vinおよび出力電圧Voutの関係について、図6を参照して説明する。t1~t2において、充放電用スイッチング素子13がON(閉状態)とされる。また、第一入力用スイッチング素子11がグランド電位42側に接続される。従って、静電型センサ7の一端側の電位Vinが、グランド電位42となる。
図7に、上記したt2~t3における、静電型センサ7の出力電圧Voutの時間に対する変化を示す。静電型センサ7が充電されるにしたがって出力電圧Voutは上昇し、十分に時間が経過すると、飽和電圧に収束する。
次に、本形態の静電型センサ7に指51等の導体が接触すること、または接触しないことにより、静電型センサ7の静電容量がどのように変化するかについて、図8を参照しつつ説明する。なお、説明の便宜のため、指51の大きさは、誇張して記載してある。
次に、図12~図15を参照して、静電型センサ7に指51に例示される導体が接触した位置の検知方法について説明する。図12に、指51が、静電型センサ7のうち第一計測位置29に近い位置に接触している状態を示す。この状態で、上記した方法により静電型センサ7を充電すると、静電型センサ7を充電する電流は、印加電極21を矢線Aで示すように流れ、印加電極21と計測電極22とに電荷が充電され、計測電極22のうち指51と厚さ方向に重なる部分から第一計測位置29に、矢線Bで示すように流れる。
図16に本形態の接触検知装置の動作に係るフローチャートを示す。接触検知装置が起動されると、計測電極22の電位をグランド電位42に放電する工程(S1)が実行される。S1においては、制御装置14は、第一入力用スイッチング素子11を開状態にするとともに、充放電用スイッチング素子13を閉状態にする。これにより、印加電極21に入力電圧Vinが印加されていない状態で、計測電極22の電位がグランド電位42に放電される。
次に、本形態の作用効果について説明する。本形態の接触検知装置10は、静電型センサ7と、第一ブリッジ用キャパシタ12と、充放電用スイッチング素子13と、制御装置14と、計測器15と、を備える。
次に、図17を参照して、実施形態2の接触検知装置60について説明する。図17に示すように、本形態の接触検知装置60においては、印加電極21の長手方向の第二端部28は電源41に接続されている。上記以外の構成については、実施形態1と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、図20を参照して、実施形態3の接触検知装置70について説明する。図20に示すように、本形態の接触検知装置70の静電型センサ7の第二端部28には、グランド電位42との間に第二ブリッジ用キャパシタ17が直列接続されている。計測器15は、静電型センサ7を充電する工程において、計測電極22の第二端部28と第二ブリッジ用キャパシタ17との間の第二電位Vout2を取得する構成とされる。本形態においては、計測電極22の第二端部28は第二計測位置31とされる。計測電極22は、第二計測位置31からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成されている。
次に、図25を参照して実施形態4について説明する。図25に示すように、本形態の接触検知装置80においては、印加電極21の第二端部28と、電源41との間に第二入力用スイッチング素子18が接続されている。第二入力用スイッチング素子18は、電源41から印加電極21の第二端部28に印加される入力電圧Vinをオンまたはオフする。第二入力用スイッチング素子18は、第一入力用スイッチング素子11と並列接続されている。
次に、図31を参照して、実施形態5を説明する。実施形態5に係る静電型センサ7Aの計測電極22Aは、印加電極21と同形同大である。本形態の計測電極22Aは、貫通孔26を有しない点で実施形態1と異なる。上記以外の構成については、実施形態1と略同様なので、同一部材については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
前記計測電極の第一計測位置とグランド電位との間に直列接続される第一ブリッジ用キャパシタと、
前記計測電極と前記グランド電位との間に直列接続されるとともに、前記第一ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測電極の電位をグランド電位に放電させる充放電用スイッチング素子と、
前記入力電圧を前記印加電極に印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測電極の電位をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を前記印加電極に印加する状態にすることで、前記静電型センサに充電する工程とを実行する制御装置と、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第一計測位置と前記第一ブリッジ用キャパシタとの間の第一電位を取得する計測器と、
を備える接触検知装置であって、
前記静電型センサは、前記導体が接触した位置に対応する単位面積当たりの静電容量と、前記導体が接触していない位置に対応する単位面積当たりの静電容量と、が異なる値となるように構成され、
前記計測電極は、前記第一計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程における、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定時間経過後の第一サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第一サンプリング値と、前記第一サンプリング時点から所定時間経過後の第二サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、接触検知装置。
前記第二サンプリング時点は、前記第一サンプリング時点よりも後であって、前記計測電極の電位が飽和した時点である、上記(1)に記載の接触検知装置。
前記充電する工程における前記第一電位第二サンプリング値に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した面積を検知する、上記(2)に記載の接触検知装置。
前記充電する工程において前記静電型センサの前記計測電極側のすべての表面に前記導体が接触した状態で、前記計測電極の電位が飽和したときの前記第一電位である飽和第一電位が格納された記憶装置、を備え、
前記計測器は、
前記充電する工程における前記第一電位第二サンプリング値と、前記飽和第一電位とに基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した面積を検知する、上記(5)に記載の接触検知装置。
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
前記印加電極の前記長手方向の前記第一端部は、前記電源に接続されている、上記(1)~(6)のいずれか1つに記載の接触検知装置。
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
前記印加電極の前記長手方向の前記第二端部は、前記電源に接続されている、上記(1)~(6)のいずれか1つに記載の接触検知装置。
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
さらに、
前記計測電極の第二計測位置である前記長手方向の前記第二端部と前記グランド電位との間に直列接続される第二ブリッジ用キャパシタ、を備え、
前記計測電極は、前記第一計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、且つ、前記第二計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第二計測位置と前記第二ブリッジ用キャパシタとの間の第二電位を取得し、
前記充電する工程における、前記第一電位第一サンプリング値と、前記第一サンプリング時点において取得する前記第二電位である第二電位第一サンプリング値と、前記第一電位第二サンプリング値と、前記第二サンプリング時点に取得する前記第二電位である第二電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、上記(1)~(6)のいずれか1つに記載の接触検知装置。
前記第二サンプリング時点は、前記第一サンプリング時点よりも後であって、前記計測電極の電位が飽和した時点であり、
前記計測器は、さらに、
前記充電する工程において、前記第一電位第二サンプリング値および前記第二電位第二サンプリング値に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した面積を検知する、上記(9)に記載の接触検知装置。
前記計測器が前記第一電位を取得するために、前記放電する工程、および、前記放電する工程に続く前記充電する工程を含む第一サイクルを実行し、
前記第一サイクルの後に、前記計測器が前記第二電位を取得するために、前記放電する工程、および、前記放電する工程に続く前記充電する工程を含む第二サイクルを実行する、上記(9)に記載の接触検知装置。
前記計測電極の第一計測位置とグランド電位との間に直列接続される第一ブリッジ用キャパシタと、
前記計測電極と前記グランド電位との間に直列接続されるとともに、前記第一ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測電極の電位をグランド電位に放電させる充放電用スイッチング素子と、
前記入力電圧を前記印加電極に印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測電極の電位をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を前記印加電極に印加する状態にすることで、前記静電型センサに充電する工程とを実行する制御装置と、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第一計測位置と前記第一ブリッジ用キャパシタとの間の第一電位を取得する計測器と、
を備える接触検知装置であって、
前記静電型センサは、前記導体が接触した位置に対応する単位面積当たりの静電容量と、前記導体が接触していない位置に対応する単位面積当たりの静電容量と、が異なる値となるように構成され、
前記計測電極は、前記第一計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程における、前記計測電極の電位が所定値よりも小さくなる飽和した時点で取得した前記第一電位である第一電位飽和サンプリング値に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した面積を検知する、接触検知装置。
Claims (13)
- 電源から定電圧である入力電圧を印加される印加電極と、前記印加電極に対向して配置されるとともに電位が計測される計測電極と、前記印加電極と前記計測電極との間に配置される誘電体と、を備え、導体が接触したことを検知するための静電型センサと、
前記計測電極の第一計測位置とグランド電位との間に直列接続される第一ブリッジ用キャパシタと、
前記計測電極と前記グランド電位との間に直列接続されるとともに、前記第一ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測電極の電位をグランド電位に放電させる充放電用スイッチング素子と、
前記入力電圧を前記印加電極に印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測電極の電位をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を前記印加電極に印加する状態にすることで、前記静電型センサに充電する工程とを実行する制御装置と、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第一計測位置と前記第一ブリッジ用キャパシタとの間の第一電位を取得する計測器と、
を備える接触検知装置であって、
前記静電型センサは、前記導体が接触した面積及び前記導体との距離の少なくとも一方に応じて静電容量が変化するように構成され、かつ、前記第一計測位置からの距離に応じた電気抵抗により時定数が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程における、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定時間経過後の第一サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第一サンプリング値と、前記第一サンプリング時点から所定時間経過後の第二サンプリング時点に取得した前記第一電位である第一電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、接触検知装置。 - 前記第一サンプリング時点は、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定の第一時間経過後であって、前記計測電極の電位の変化が飽和状態になる前までの過渡状態における時点であり、
前記第二サンプリング時点は、前記第一サンプリング時点よりも後であって、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定の第二時間経過後の時点である、請求項1に記載の接触検知装置。 - 前記計測器は、前記第一電位第二サンプリング値に対する前記第一電位第一サンプリング値の比に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、請求項2に記載の接触検知装置。
- 前記静電型センサは、長手方向に細長い形状に形成され、前記長手方向の両端に第一端部と第二端部とを有しており、
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
前記印加電極の前記長手方向の前記第一端部は、前記電源に接続されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の接触検知装置。 - 前記静電型センサは、長手方向に細長い形状に形成され、前記長手方向の両端に第一端部と第二端部とを有しており、
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
前記印加電極の前記長手方向の前記第二端部は、前記電源に接続されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の接触検知装置。 - 前記静電型センサは、長手方向に細長い形状に形成され、前記長手方向の両端に第一端部と第二端部とを有しており、
前記第一ブリッジ用キャパシタは、前記計測電極の前記第一計測位置である前記長手方向の前記第一端部と前記グランド電位との間に接続されており、
さらに、
前記計測電極の第二計測位置である前記長手方向の前記第二端部と前記グランド電位との間に直列接続される第二ブリッジ用キャパシタ、を備え、
前記計測電極は、前記第一計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、且つ、前記第二計測位置からの距離に応じて電気抵抗が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第二計測位置と前記第二ブリッジ用キャパシタとの間の第二電位を取得し、
前記充電する工程における、前記第一電位第一サンプリング値と、前記第一サンプリング時点において取得する前記第二電位である第二電位第一サンプリング値と、前記第一電位第二サンプリング値と、前記第二サンプリング時点に取得する前記第二電位である第二電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、請求項1~3のいずれか1項に記載の接触検知装置。 - 前記制御装置は、
前記計測器が前記第一電位を取得するために、前記放電する工程、および、前記放電する工程に続く前記充電する工程を含む第一サイクルを実行し、
前記第一サイクルの後に、前記計測器が前記第二電位を取得するために、前記放電する工程、および、前記放電する工程に続く前記充電する工程を含む第二サイクルを実行する、請求項6に記載の接触検知装置。 - 前記計測電極および前記印加電極は、導電性エラストマーからなる、請求項1~3のいずれか1項に記載の接触検知装置。
- 前記印加電極と前記計測電極は、単位長さ当たりの電気抵抗が異なる、請求項8に記載の接触検知装置。
- 前記計測電極の単位長さ当たりの電気抵抗は、前記印加電極の単位長さ当たりの電気抵抗よりも大きい、請求項9に記載の接触検知装置。
- 前記計測電極は、複数の貫通孔を有する、請求項10に記載の接触検知装置。
- 電源から定電圧である入力電圧を印加される印加電極と、前記印加電極に対向して配置されるとともに電位が計測される計測電極と、前記印加電極と前記計測電極との間に配置される誘電体と、を備え、導体が前記計測電極側に接触したことを検知するための静電型センサと、
前記計測電極の第一計測位置とグランド電位との間に直列接続される第一ブリッジ用キャパシタと、
前記計測電極と前記グランド電位との間に直列接続されるとともに、前記第一ブリッジ用キャパシタに対して並列接続され、閉状態時に前記計測電極の電位をグランド電位に放電させる充放電用スイッチング素子と、
前記入力電圧を前記印加電極に印加していない状態にし且つ前記充放電用スイッチング素子を閉状態にすることで、前記計測電極の電位をグランド電位に放電する工程と、前記放電する工程の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記入力電圧を前記印加電極に印加する状態にすることで、前記静電型センサに充電する工程とを実行する制御装置と、
前記充電する工程において、前記計測電極の前記第一計測位置と前記第一ブリッジ用キャパシタとの間の第一電位を取得する計測器と、
を備える接触検知装置であって、
前記静電型センサは、面積及び前記導体との距離の少なくとも一方に応じて静電容量が変化するように構成され、かつ、前記第一計測位置からの距離に応じた電気抵抗により時定数が変化するように構成され、
前記計測器は、
前記充電する工程において、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定の第一時間経過後であって、前記計測電極の電位の変化が飽和状態になる前までの過渡状態となる第一時点よりも後であって、前記静電型センサへの充電が開始されてから所定の第二時間経過後である第二時点で取得した前記第一電位である第一電位第二サンプリング値に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した面積を検知する、接触検知装置。 - 前記計測器は、
前記充電する工程において、前記第一時点における前記第一電位である第一電位第一サンプリング値を取得し、前記第一電位第一サンプリング値と、前記第一電位第二サンプリング値と、に基づいて、前記導体が前記静電型センサに接触した位置を検知する、請求項12に記載の接触検知装置。
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