JPWO2020183869A1

JPWO2020183869A1 - 検出装置

Info

Publication number: JPWO2020183869A1
Application number: JP2021505536A
Authority: JP
Inventors: 達巳藤由
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: US20210389842A1; US11599222B2; EP3940735A4; JP7285311B2; EP3940735A1; WO2020183869A1; CN113396467A

Abstract

検出装置は、センサ電極と、センサ電極との間に寄生容量を有し、交流電圧により駆動されるシールド電極と、センサ電極およびシールド電極に電気的に接続され、センサ電極の静電容量を検出する検出回路と、センサ電極と検出回路との間に直列に接続された容量と、センサ電極の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部とを備える。

Description

本発明は、検出装置に関する。

従来、車両のステアリングホイールに設けられたセンサ電極における静電容量の変化に基づいて、ステアリングホイールに対する運転者の手の接触を検出する技術が考案されている。

例えば、下記特許文献１には、ステアリングホイールの円周方向に沿って配置された複数の静電センサユニットの静電容量値に基づいて、ステアリングホイールの把持位置を検出することができる静電検出装置が開示されている。

特開２０１７−１１１５９８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、各静電センサユニットが複数のコンデンサを直列に接続して構成されているため、各静電センサユニットによって検出される静電容量値は、接触程度と接触位置との双方に応じて決定付けられるものとなる。ここで、「接触程度」とは、静電センサユニットと検出対象（ここでは手）との間の静電容量値に応じた値であるものとし、接触面積や近接度合いにより決まる。

それ故、上記特許文献１の技術では、接触程度だけ、または、接触位置だけを高精度に判別することができない。例えば、上記特許文献１の静電センサユニットにおいて、コンデンサの数を１０とし、各コンデンサの容量を１００ｐＦとした場合、２番目のコンデンサでタッチ容量が５ｐＦとなる接触と、６番目のコンデンサでタッチ容量が１００ｐＦとなる接触とでは、接触程度および接触位置が互いに異なるにも関わらず、検出される静電容量値が略同じ値となる。

ここで、センサ電極の接触程度と、検出容量に応じて検出回路が生成する出力電圧との関係における線形性（以下、単に「線形性」と示す）を向上させることにより、センサ電極における接触程度の検出精度を高めることができると考えられる。しかしながら、線形性を高めることを目的として、単に静電容量の大きなセンサ電極を用いただけでは、センサ電極から検出回路に入力される信号の電圧振幅が大き過ぎて、検出回路で信号が飽和してしまう虞がある。

そこで、本発明の発明者は、センサ電極の静電容量を検出する検出装置に関し、検出回路で信号を飽和させることなく、線形性を向上させることができる技術の必要性を見出した。

一実施形態の検出装置は、センサ電極と、センサ電極との間に寄生容量を有し、交流電圧により駆動されるシールド電極と、センサ電極およびシールド電極に電気的に接続され、センサ電極の静電容量を検出する検出回路と、センサ電極と検出回路との間に直列に接続された容量と、センサ電極の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部とを備える。

一実施形態によれば、センサ電極の静電容量を検出する検出装置において、検出回路で信号を飽和させることなく、接触程度と検出容量に応じて検出回路が生成する出力電圧との線形性を向上させることができる。

第１実施形態に係る検出装置の構成を示す図第２実施形態に係る検出装置の構成を示す図一実施例における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果（操作体の非接触時）を示す図一実施例における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果（操作体の接触時）を示す図第１実施形態において操作体の非接触時と接触時における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果と両者の差分電圧（ΔＶｄｅｔ）とを示す図第２実施形態において操作体の非接触時と接触時における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果と両者の差分電圧（ΔＶｄｅｔ）とを示す図一実施形態に係る検出装置が設けられたステアリング装置の構成を示す図図７に示すステアリングホイールのＡ−Ａ断面図

以下、図面を参照して、一実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る検出装置１０の構成を示す図である。図１に示す検出装置１０は、操作体２０（例えば、指）の接触を検知する装置である。図１に示すように、検出装置１０は、センサ電極１１０、シールド電極１２０、および検出部１００を備える。

センサ電極１１０は、操作体２０の接触を検出する。具体的には、センサ電極１１０は、駆動回路から供給される交流電圧によって駆動され、操作体２０の接触によって静電容量が変化すると、当該静電容量の変化に応じて電流値が変化する。この電流値の変化は、検出回路１０２によって、操作体２０の接触として検出される。センサ電極１１０としては、例えば、板状、薄膜状、または線状の導体を用いることができる。

シールド電極１２０は、センサ電極１１０との間に寄生容量Ｃｒｓを有し、交流電源Ｖａｓから供給される交流電圧（センサ電極１１０に供給される交流電圧と同位相の交流電圧）によって駆動される。例えば、シールド電極１２０は、検出すべき操作体２０以外との寄生容量を低減させて、センサ電極１１０からの操作体２０以外への電流の流出を阻止することで、検出精度の低下を抑制することができる。シールド電極１２０としては、例えば、板状、薄膜状、または線状の導体を用いることができる。

検出部１００は、検出回路１０２、コンデンサＣｒｉ、およびバイアス部１０４を備える。

検出回路１０２は、センサ電極１１０およびシールド電極１２０に電気的に接続され、センサ電極１１０の静電容量を検出する。具体的には、検出回路１０２は、コンデンサＣｆｂ、交流電源Ｖａｓ、差動増幅器１０２Ａ、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１０２Ｂ、および制御回路１０２Ｃを有する。

差動増幅器１０２Ａは、非反転入力端子（＋）がシールド電極１２０に接続され、反転入力端子（−）がセンサ電極１１０に接続される。差動増幅器１０２Ａは、非反転入力端子（＋）から入力されるシールド電極１２０の電圧値と、反転入力端子（−）から入力されるセンサ電極１１０の電圧値との電圧差を増幅し、増幅された電圧差を示す差動増幅信号Ｖｄｅｔを出力端子からＡＤＣ１０２Ｂへ出力する。

コンデンサＣｆｂは、センサ電極１１０とＡＤＣ１０２Ｂとの間において、差動増幅器１０２Ａの出力と反転入力端子（−）の間に設けられている。コンデンサＣｆｂは、センサ電極からの電荷を積分して差動増幅信号Ｖｄｅｔとして電圧信号に変換するために設けられている。

ＡＤＣ１０２Ｂは、差動増幅器１０２Ａから出力される差動増幅信号Ｖｄｅｔを、アナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、ＡＤＣ１０２Ｂは、デジタル信号に変換された差動増幅信号Ｖｄｅｔを、制御回路１０２Ｃへ出力する。

制御回路１０２Ｃは、センサ電極１１０において生じた静電容量の変化（すなわち、電流値の変化）に基づいて、操作体２０の接触を検出する。例えば、制御回路１０２Ｃは、ＡＤＣ１０２Ｂから入力された差動増幅信号Ｖｄｅｔの電圧値が、所定の閾値を超えた場合、センサ電極１１０に操作体２０が接触したと判断する。さらに、制御回路１０２Ｃは、差動増幅信号Ｖｄｅｔの電圧値に応じて、操作体２０の接触程度を特定できるようになっている。検出部１００としては、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）が用いられる。検出部１００は、外部装置（図示省略）に対して、操作体２０の接触の検出結果を出力することができる。この検出結果は、操作体２０の接触程度を含む。これにより、外部装置は、操作体２０の接触程度に応じた処理を実行することができる。

コンデンサＣｒｉは、「容量」の一例である。コンデンサＣｒｉは、センサ電極１１０と検出回路１０２との間に直列に接続されている。コンデンサＣｒｉは、センサ電極１１０から検出回路１０２に入力される信号の電圧振幅を小さくし、当該電圧値が検出回路１０２において飽和しないようにするために設けられている。

バイアス部１０４は、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスする。具体的には、バイアス部１０４は、抵抗Ｒｒｕおよび抵抗Ｒｒｄを有する。抵抗Ｒｒｕは、一端がセンサ電極１１０とコンデンサＣｒｉとの間に接続されており、他端が直流電源ＶＤＤに接続されている。抵抗Ｒｒｄは、一端がセンサ電極１１０とコンデンサＣｒｉとの間に接続されており、他端がグラウンドに接地されている。すなわち、バイアス部１０４は、センサ電極１１０と直流電源ＶＤＤとを抵抗Ｒｒｕを介して電気的に接続することにより、センサ電極１１０の電位をバイアスする。

第１実施形態の検出装置１０は、検出回路１０２の外部にコンデンサＣｒｉを設けたことにより、検出回路１０２の大型化を抑制しつつ、差動増幅信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を小さくして、検出回路１０２で差動増幅信号Ｖｄｅｔが飽和しないようにすることができる。また、第１実施形態の検出装置１０は、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部１０４を設けたことにより、センサ電極１１０からグラウンドに流れる電流のオフセット成分あるいは直流電源ＶＤＤからセンサ電極１１０を介してグラウンドに流れる電流のオフセット成分によって、コンデンサＣｒｉを設けたことに起因してセンサ電極１１０の電位が直流的に不定となってしまうことを抑制することができる。したがって、第１実施形態の検出装置１０によれば、検出回路１０２で信号を飽和させることなく、線形性を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態に係る検出装置１０Ａの構成を示す図である。図２に示す検出装置１０Ａは、検出部１００の代わりに検出部１００Ａを備える点で、図１に示す検出装置１０と異なる。検出部１００Ａは、バイアス部１０４の代わりにバイアス部１０４Ａを備える点で、検出部１００と異なる。

バイアス部１０４Ａは、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスする。具体的には、バイアス部１０４Ａは、抵抗Ｒｒｓを有する。抵抗Ｒｒｓは、一端がセンサ電極１１０とコンデンサＣｒｉとの間に接続されており、他端がシールド電極１２０に接続されている。すなわち、バイアス部１０４Ａは、センサ電極１１０とシールド電極１２０とを抵抗Ｒｒｓを介して電気的に接続することにより、センサ電極１１０の電位をバイアスする。

第２実施形態の検出装置１０Ａは、検出回路１０２の外部にコンデンサＣｒｉを設けたことにより、検出回路１０２の大型化を抑制しつつ、差動増幅信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を小さくして、検出回路１０２で差動増幅信号Ｖｄｅｔが飽和しないようにすることができる。また、第２実施形態の検出装置１０Ａは、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部１０４Ａを設けたことにより、コンデンサＣｒｉを設けたことに起因してセンサ電極１１０の電位が直流的に不定となってしまうことを抑制することができる。したがって、第２実施形態の検出装置１０Ａによれば、検出回路１０２で信号を飽和させることなく、線形性を向上させることができる。

〔実施例〕
以下、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａの一実施例を説明する。本実施例では、第１実施形態の検出装置１０と、第２実施形態の検出装置１０Ａと、比較例として用意した検出装置との各々について、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値を測定した。なお、比較例として用意した検出装置は、検出装置１０から、コンデンサＣｒｉとバイアス部１０４とを取り除いた構成とした。また、本実施例では、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を、電源電圧の範囲（０Ｖ〜５Ｖ）内に収めることを目標とした。

（実施結果）
図３は、一実施例における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果（操作体２０の非接触時）を示す図である。図４は、一実施例における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果（操作体２０の接触時）を示す図である。図３および図４において、縦軸は、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値を表し、横軸は、時間を表す。また、図３および図４において、実線は、第１実施形態の検出装置１０による測定結果を表す。また、一点鎖線は、第２実施形態の検出装置１０Ａによる測定結果を表す。また、点線は、比較例として用いた検出装置による測定結果を表す。ただし、図４に比較例として示す点線は、仮に電源電圧範囲で飽和しなかった場合には計算上このような波形となるということを示すものであり、実際には電源電圧範囲で飽和する。

図５は、第１実施形態において操作体の非接触時と接触時における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果と両者の差分電圧（ΔＶｄｅｔ）とを示す図である。また、図６は、第２実施形態において操作体の非接触時と接触時における差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧値の測定結果と両者の差分電圧（ΔＶｄｅｔ）とを示す図である。図５および図６において、実線は接触時の電圧値を示し、一点鎖線は非接触時の電圧値を示し、点線は接触時の電圧値と非接触時の電圧値との差分電圧（ΔＶｄｅｔ）を示す。すなわち、図５および図６は、図３および図４によって表される接触時および非接触時の差分電圧信号Ｖｄｅｔと、両者の差分電圧（ΔＶｄｅｔ）とを比較しやすいように同じ図に記載したものである。図５および図６に示すように、いずれの検出装置においても、操作体２０の非接触時よりも、操作体２０の接触時のほうが、操作体２０からの静電容量Ｃｈｄの影響により、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅が大きくなることが判る。

ここで、図３および図４に示すように、検出装置１０，１０Ａは、操作体２０の非接触時および操作体２０の接触時のいずれにおいても、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を、電源電圧の範囲（０Ｖ〜５Ｖ）内に収めることができる。特に、第２実施形態の検出装置１０Ａは、第１実施形態の検出装置１０よりも、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を小さくすることができる。すなわち、バイアス部１０４Ａを設けたほうが、バイアス部１０４を設けるよりも、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅が小さくなる。

一方、図３および図４に示すように、比較例として用いた検出装置は、操作体２０の非接触時においては、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を、電源電圧の範囲（０Ｖ〜５Ｖ）内に収めることができるが、操作体２０の接触時においては、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を、電源電圧の範囲（０Ｖ〜５Ｖ）内に収めることができない。

上記実施結果により、検出装置１０，１０Ａは、コンデンサＣｒｉとバイアス部１０４あるいは１０４Ａとを設けたことにより、差分電圧信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を大幅に小さくできることが確認された。

〔検出装置１０の適用例〕
図７および図８は、第１実施形態の検出装置１０を車両のステアリング装置３０に適用した適用例を示す。なお、ステアリング装置３０に対し、第１実施形態の検出装置１０を設ける代わりに、第２実施形態の検出装置１０Ａを設けるようにしてもよい。

図７は、一実施形態に係る検出装置１０が設けられたステアリング装置３０の構成を示す図である。図７に示すステアリング装置３０は、円環状のステアリングホイール３０Ａと、ステアリングホイール３０Ａの内部に周方向に沿って配置された、４組の電極対（センサ電極１１０およびシールド電極１２０）と、４つの電極対の各々に対して設けられた４つの検出部１００とを備える。各電極対は、ステアリングホイール３０Ａにおいて、概ね９０°の範囲の接触を検出できるように、当該範囲内に設けられている。

図８は、図７に示すステアリングホイール３０ＡのＡ−Ａ断面図である。図８に示すように、ステアリングホイール３０Ａは、複数の構成部材が同心円状に多重に配置された断面形状を有しており、当該断面形状において中心側から順に、芯部３１と、絶縁部３２と、シールド電極１２０と、絶縁部３３と、センサ電極１１０と、外被部３４とを有して構成されている。すなわち、ステアリングホイール３０Ａは、断面形状が円形状であるセンサ電極１１０と、断面形状がセンサ電極１１０よりも小さい円形状であるシールド電極１２０とが、互いに絶縁された状態で、ステアリングホイール３０Ａの内部に埋め込まれている。例えば、芯部３１は、金属素材が用いられる。また、例えば、絶縁部３２、絶縁部３３、および外被部３４は、各種絶縁素材（例えば、合成樹脂、ゴム等）が用いられる。

そして、図８に示すように、センサ電極１１０およびシールド電極１２０は、検出部１００に接続されている。これにより、ステアリング装置３０は、検出部１００によって、ステアリングホイール３０Ａに対する操作体２０（運転者の手）の接触程度を検出できるようになっている。

ここで、検出部１００は、上述したように、コンデンサＣｒｉおよびバイアス部１０４あるいは１０４Ａが設けられているものであるため、検出回路１０２で信号を飽和させることなく、線形性を向上させることができる。したがって、検出部１００は、ステアリングホイール３０Ａに対する操作体２０の接触程度を高精度に検出することができる。

検出部１００は、車両に設けられたコントローラ（図示省略）に電気的に接続されており、当該コントローラに対して、操作体２０の接触の検出結果を出力することができる。この検出結果は、操作体２０の接触程度を含む。これにより、コントローラは、操作体２０の接触程度に応じた処理を実行することができる。

なお、検出部１００は、ステアリングホイール３０Ａの外部に設けられたものであってもよく、ステアリングホイール３０Ａの内部に設けられたものであってもよい。

以上説明したように、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａは、センサ電極１１０と、センサ電極１１０との間に寄生容量Ｃｒｓを有し、交流電圧により駆動されるシールド電極１２０と、センサ電極１１０およびシールド電極１２０に電気的に接続され、センサ電極１１０の静電容量を検出する検出回路１０２と、センサ電極１１０と前記検出回路との間に直列に接続されたコンデンサＣｒｉ（容量）と、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部１０４，１０４Ａとを備える。

これにより、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａは、差動増幅信号Ｖｄｅｔの電圧振幅を小さくして、検出回路１０２で差動増幅信号Ｖｄｅｔが飽和しないようにすることができる。また、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａは、センサ電極１１０の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部１０４あるいは１０４Ａを設けたことにより、コンデンサＣｒｉを設けたことに起因してセンサ電極１１０の電位が直流的に不定となってしまうことを抑制することができる。したがって、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａによれば、検出回路１０２で信号を飽和させることなく、線形性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形または変更が可能である。

例えば、一実施形態に係る検出装置１０，１０Ａは、ステアリングホイールに限らず、少なくとも操作体の接触の検出対象物であれば、如何なる対象物に設けられてもよい。

また、上記適用例では、ステアリングホイール３０Ａに４組の電極対を設けるようにしているが、これに限らず、３組以下、または、５組以上の電極対を設けるようにしてもよい。また、上記適用例では、１つの電極対に対して１つの検出部１００を設けるようにしているが、これに限らず、複数の電極対に対して１つの検出部１００を設けるようにしてもよい。

本国際出願は、２０１９年３月１２日に出願した日本国特許出願第２０１９−０４４９９５号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

１０，１０Ａ検出装置
１００，１００Ａ検出部
１０２検出回路
１０２Ａ差動増幅器
１０２ＢＡＤＣ
１０２Ｃ制御回路
１０４，１０４Ａバイアス部
１１０センサ電極
１２０シールド電極
Ｃｒｉコンデンサ（容量）
Ｃｒｓ寄生容量
Ｒｒｕ，Ｒｒｄ，Ｒｒｓ抵抗
ＶＤＤ直流電源

Claims

センサ電極と、
前記センサ電極との間に寄生容量を有し、交流電圧により駆動されるシールド電極と、
前記センサ電極および前記シールド電極に電気的に接続され、前記センサ電極の静電容量を検出する検出回路と、
前記センサ電極と前記検出回路との間に直列に接続された容量と、
前記センサ電極の電位を抵抗を介してバイアスするバイアス部と
を備えることを特徴とする検出装置。
前記バイアス部は、
前記センサ電極と前記シールド電極とを前記抵抗を介して電気的に接続することにより、前記センサ電極の電位をバイアスする
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記バイアス部は、
前記センサ電極と直流電源とを前記抵抗を介して電気的に接続することにより、前記センサ電極の電位をバイアスする
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記センサ電極と前記シールド電極とは、ステアリングホイールに設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出装置。