KR20050096106A - 정전 용량 검출형 근접 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근접 검출 범위를 공간적으로 개방된 영역에 형성하고, 검출 대상 밖의 주변 물체에 의한 영향을 피하여, 오동작이 적은 근접 검출이 가능한 정전 용량 검출형 근접 센서이다. 이 근접 센서는 피검출체(20)가 근접하는 검출 방향(Y)에 대하여 소정의 거리차(h)를 갖도록 배치되고, 각각 접지 전위(GND)로부터 독립된 제1 검출 전극(11) 및 제2 검출 전극(12)과, 제1 검출 전극(11)이 형성하는 대접지 용량(Ca)과 제2 검출 전극(12)이 형성하는 대접지 용량(Cb)의 차를 근접 검출 출력으로서 출력하는 근접 검출 회로(30)를 포함한다.

Description

정전 용량 검출형 근접 센서{ELECTROSTATIC CAPACITY DETECTION TYPE PROXIMITY SENSOR}
본 발명은 물체의 근접을 정전 용량의 변화에 의해 검출하는 근접 센서에 관한 것으로, 예컨대 자동차 등의 차량에 부착되는 자동 개폐 도어에서의 손가락 낌 방지 장치에 유효하게 이용된다.
정전 용량 검출형 근접 센서는 예컨대 인체 등의 물체에 의해서 생기는 정전 용량의 변화를 측정하여 그 물체(피검출체)의 근접을 검출한다. 그 검출 원리는 단순하고 예전부터 알려져 있지만, 검출의 정밀도, 신뢰성 및 사용성을 높이기 위한 개량은 지금도 계속되고 있으며, 여러 가지 구성이 제안되어 있다. 이 정전 용량 검출형 근접 센서의 구성은 크게 두가지 방식으로 나눌 수 있다.
제1 방식은 개방 공간을 향해 설치된 하나의 검출 전극이 공통 접지 전위(또는 공통 기준 전위)에 대하여 형성하는 정전 용량(대접지 용량)을 적절한 방법으로 검출·측정한다. 검출 전극에 피검출체가 접근하면, 그 피검출체의 영향에 의해서 대접지 용량이 변화된다. 이 변화를 측정하여 피검출체의 근접을 검출한다. 예컨대 일본 특허 출원 공개 제2001-35327호 공보를 참조하라.
제2 방식은 서로 대향하여 배치된 2개의 검출 전극 사이에 형성되는 정전 용량(전극간 용량)을 측정한다. 2개의 전극 사이에 피검출체가 개재하면, 그 피검출체의 영향에 의해 전극간 용량이 변화된다. 이 변화를 측정하여 피검출체의 근접을 검출한다. 예컨대 일본 특허 출원 공개 제2001-26446호 공보를 참조하라.
전술한 종래 기술에는 다음과 같은 문제가 있다는 것이 본 발명자에 의해서 분명해졌다.
즉, 제1 방식에서는, 검출 전극을 개방 공간을 향해 설치함으로써, 그 개방 공간으로부터의 피검출체의 근접을 검출할 수 있다. 다시 말해서, 검출 범위를 공간적으로 개방된 영역으로 설정할 수 있다. 이에 따라, 예컨대 인체 또는 고정물 등의 임의의 물체를 검출 대상으로 할 수 있다.
그러나, 개방 공간을 향해 설치된 검출 전극의 대접지 용량은 검출 대상 밖인 주변 물체 또는 환경에 의한 영향을 받기 쉽다. 큰 정전 용량을 형성하는 물체가 근접 센서의 부근에 있으면, 그것이 검출 대상 밖의 비근접 위치에 있더라도, 검출 오동작을 유발할 수 있다.
예컨대, 4륜차 등의 차량에 부착되는 미닫이식(sliding) 또는 여닫이식(hinged) 자동 개폐 도어에서 손가락이 끼는 것을 자동적으로 방지시키려면, 인체의 손가락이 끼어 위험한 위치에 있는지의 여부를 대접지 용량의 변화를 측정하여 검출하고, 이 검출에 기초하여 도어를 폐쇄하는 구동 동작을 제어하면 된다. 그러나, 그 검출은 차체와 도어에 의한 영향을 받아 오동작하기 쉽다. 차체와 도어는 검출 전극과의 사이에서 큰 정전 용량을 형성하기 때문에, 비근접 위치에 있더라도 오검출되기 쉽다. 또한, 빗방울이나 안개 등의 공중 부유물 등도 검출 오동작을 유발할 수 있다.
제2 방식에서는, 검출 범위를 2개의 검출 전극 사이의 폐쇄 공간으로 거의 한정시킬 수 있기 때문에, 그 폐쇄 공간 밖에 존재하는 주변 물체에 의한 영향을 줄일 수 있다. 그러나, 그 폐쇄 공간에 들어갈 수 없는 물체는 검출 대상으로 할 수 없다. 인체 또는 고정물 등의 임의의 물체를 검출 대상으로 할 수는 없다. 또한, 이 제2 방식에서도, 빗방울이나 안개 등의 공중 부유물은 검출 오동작을 유발할 수 있다.
한편, 2개의 검출 전극을 동일면 상에 배치하여, 제1 방식과 마찬가지로 검출 범위를 공간적으로 개방된 영역에 형성할 수 있지만, 이 경우는, 제1 방식과 같은 문제가 발생한다. 예컨대 일본 특허 출원 공개 제2000-48964호 공보를 참조하라.
이와 같이, 정전 용량 검출형 근접 센서는 그 원리가 단순하고 비교적 간단하게 구성할 수 있는 이점이 있지만, 검출 대상 밖의 주변 물체에 의한 영향으로 인한 오동작이 생기기 쉬워, 검출의 정밀도, 신뢰성 및 사용성에 문제가 있었다. 이 때문에, 자동차 등의 자동 개폐 도어에서의 손가락 낌 방지 센서로서 이용하기에는 부족한 점이 많아, 근본적인 개량의 필요성이 있었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량 검출형 근접 센서의 주요부를 도시하는 생략 단면도 및 블럭도이다.
도 2a 및 도 2b는 근접 검출 회로의 구체적인 주요부 구성예를 도시하는 회로도 및 동작 타이밍 차트이다.
도 3a 및 도 3b는 검출용 전극의 실시예를 도시하는 사시도 및 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 검출용 전극의 다른 실시예를 도시하는 사시도 및 단면도이다.
도 5는 검출용 전극의 또 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시한 검출용 전극의 완성 상태를 도시하는 상측면도 및 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 검출용 전극의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 검출용 전극의 다른 실시예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 9는 검출용 전극의 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
본 발명은 이상과 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 근접 검출의 범위를 공간적으로 개방된 영역에 형성할 수 있고, 검출 대상 밖의 주변 물체에 의한 영향을 피하여, 오동작이 적은 근접 검출을 가능하게 하는 정전 용량 검출형 근접 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 정전 용량 검출형 센서는 기본적으로는 다음의 각 사항 (1)∼(4)에 의해 특정되는 것이다.
(1) 센서 구조체 및 센서 회로를 포함하고, 피검출체가 변별역(difference threshold) 내에 근접했음을 정전적으로 검출하는 정전 용량 검출형 근접 센서임.
(2) 센서 구조체는 소정의 기하학적 관계로 상호 근접하여 배치되고, 서로 전기적으로 독립된 제1 검출 전극과 제2 검출 전극을 포함함.
(3) 제1 검출 전극과 제2 검출 전극의 센서 구조체에 있어서의 배치 환경은 차별화되어 있어, 변별역의 부근에 피검출체가 존재할 때, 피검출체와 제1 검출 전극 사이의 정전적 환경 조건과, 동일한 피검출체와 제2 검출 전극 사이의 정전적 환경 조건이 상이하도록 구성되어 있음.
(4) 센서 회로는 제1 검출 전극이 형성하는 대접지 용량과 제2 검출 전극이 형성하는 대접지 용량의 차분을 검출하여 출력함.
또한, 본 발명은 상기한 기본적인 기술 사항에 더하여 적절히 채용할 수 있는 이하의 기술 사항 (a)∼(k)를 개시한다.
(a) 센서 구조체에는 피검출체에 대면하는 변별역 부근의 정면측 부분을 제외한 변별역 부근의 다른 부분을 둘러싸도록 차폐 전극이 배치될 수 있고, 이 차폐 전극에 의해 제1 검출 전극과 제2 검출 전극이 상기 정면 방향을 제외하고 정전적으로 차폐될 수 있음.
(b) 제1 검출 전극과 제2 검출 전극의 센서 구조체에 있어서의 배치 환경은 변별역 부근의 피검출체와 제1 검출 전극 사이의 공간 거리와, 동일한 피검출체와 제2 검출 전극 사이의 공간 거리가 상이하도록 차별화될 수 있음.
(c) 피검출체에 대면하는 제1 검출 전극의 정면측에 배치된 제1 유전체의 유전률과, 피검출체에 대면하는 제2 검출 전극의 정면측에 배치된 제2 유전체의 유전률을 상이하게 함으로써, 제1 검출 전극과 제2 검출 전극의 센서 구조체에 있어서의 배치 환경이 차별화될 수 있음.
(d) 피검출체에 대면하는 제1 검출 전극의 정면측과는 반대측에 제2 검출 전극이 배치되어, 변별역 부근으로부터는 제1 검출 전극의 배후 부분에 제2 검출 전극이 숨겨짐으로써, 제1 검출 전극과 제2 검출 전극의 센서 구조체에 있어서의 배치 환경이 차별화될 수 있음.
(e) 제1 검출 전극, 제2 검출 전극 및 센서 구조체는 밴드형으로 구성될 수 있음.
(f) 차폐 전극은 거의 U자 단면의 레일형으로 형성되어, 그 U자 홈 내에 제1 검출 전극과 제2 검출 전극이 수납될 수 있음.
(g) 차폐 전극은 거의 U자 단면의 레일형 절연 유지 부재와, 그 U자 단면의 외측에 배치된 금속박을 포함할 수 있음.
(h) 제1 검출 전극과 제2 검출 전극은 빗살형으로 형성된 밴드형 도체일 수 있으며, 상기 정면측에서 센서 구조체를 보았을 때 서로 빗살 형상이 교대로 맞물리도록 배치될 수 있음.
(i) 제1 검출 전극과 제2 검출 전극은 복수로 분할되어, 차폐 전극이 개별적으로 그 분할 전극을 둘러쌀 수 있음.
(j) 센서 회로는 제1 검출 전극의 대접지 용량을 측정하는 제1 용량 검출 회로와, 제2 검출 전극의 대접지 용량을 측정하는 제2 용량 검출 회로와, 이들 2개의 용량 검출 회로의 측정 출력의 차를 출력하는 차 검출 회로를 포함할 수 있음.
(k) 제1 및 제2 용량 검출 회로는 스위치드 캐패시터 방식의 용량 검출 회로일 수 있음.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량 검출형 근접 센서의 주요부를 도시하는 생략 단면도 및 블럭도이다. 도 1에 도시하는 근접 센서는 2개의 검출 전극, 즉 제1 검출 전극(11) 및 제2 검출 전극(12)과 차폐 전극(13)을 이용하여 구성되어 있다. 제1 검출 전극(11)과 제2 검출 전극(12)은 모두 피검출체(20)가 접근해 오는 검출 방향(Y)을 향하는 동시에, 그 검출 방향(Y)에 대하여 소정의 거리차(h)를 갖도록 배치되어 있다.
차폐 전극(13)은 검출 방향(Y) 이외의 방향(비검출 방향)을 선택적으로 정전 차폐하도록 2개의 검출 전극(11, 12)을 둘러싼다. 각 전극(11, 12, 13)은 근접 검출 회로(30)에 접속된다. 근접 검출 회로(30)는 2개의 용량 검출 회로, 즉 제1 용량 검출 회로(31) 및 제2 용량 검출 회로(32)와, 차 검출 회로(33)와, 차폐 전압 인가 회로(34)와, 타이밍 제어 회로(35)를 포함한다.
제1 및 제2 검출 전극(11, 12)은 서로 독립된 부유 전극으로서, 각각이 공통 접지 전위(공통 기준 전위)(GND)에 대하여 정전 용량(대접지 용량)(Ca, Cb)을 형성하도록 구성되어 있다. 2개의 검출 전극(11, 12)이 형성하는 대접지 용량(Ca, Cb)은 제1 및 제2 용량 검출 회로(31, 32)에 의해 개별적으로 검출·측정된다. 각 측정 출력은 차 검출 회로(33)에 입력된다. 차 검출 회로(33)는 2개의 측정 출력(Ca, Cb)의 차(Ca－Cb)를 출력한다. 이 차 출력(Vo)에는 피검출체(20)의 근접을 판정하기 위한 정보가 포함되어 있다. 구체적으로는, 그 차 출력(Vo)의 레벨 상태가 피검출체(20)의 근접 여부를 반영한다.
차폐 전극(13)은 제1 및 제2 검출 전극(11, 12) 모두로부터도 독립된 것이다. 이 차폐 전극(13)에는 차폐 전압 인가 회로(34)에 의해 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)과 동일한 전위를 갖는 차폐 전압이 인가된다. 이 때문에, 용량 검출 회로(31, 32)는 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)에 동일한 전위를 인가하면서 대접지 용량(Ca, Cb)을 측정하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)과 차폐 전극(13) 사이는 전하의 충방전이 이루어지지 않고, 그 사이의 정전 용량은 등가적으로 캔슬된다.
차폐 전압은 반드시 항상 인가할 필요는 없고, 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)의 대접지 용량을 측정하는 동안에만 인가하면 충분하다. 구체적으로는, 용량 검출 회로(31, 32)가 용량 측정을 시작하는 것보다도 약간 앞선 타이밍에 차폐 전압의 인가를 시작하고, 용량 검출 회로(31, 32)에 의한 측정 동작이 중지할 때에는 차폐 전압의 인가를 중지시키도록 하여도 좋다. 이 때문에, 도 1에 도시하는 실시예에서는, 타이밍 제어 회로(35)에 의해 용량 검출 회로(31, 32)와 차폐 전압 인가 회로(34) 사이의 타이밍을 동기시키도록 하고 있다.
제1 및 제2 검출 전극(11, 12)은 차폐 전극(13)에 의해 비검출 방향에서 전기적으로 차폐되어, 검출 방향(Y)에 대해서만 정전 용량(Ca, Cb)을 형성한다. 그리고, 그 정전 용량(Ca, Cb)은 검출 방향(Y)으로부터 근접하는 피검출체(20)에 의해서 변화된다. 비검출 방향에 존재하는 주변 물체(21)는 차폐 전극(13)과의 사이에서 정전 용량(기생 용량)(Cs)을 형성하지만, 정전 용량(Ca, Cb)에 미치는 영향은 차폐된다.
제1 및 제2 검출 전극(11, 12)과 용량 검출 회로(31, 32) 사이는 실드 도체로 피복된 절연 도선(실드선)으로 접속하는데, 이 실드선의 실드 도체는 차폐 전극(13)과 동일한 전위에 접속된다. 이에 따라, 검출 전극(11, 12)과 용량 검출 회로(31, 32) 사이를 접속하기 위한 도선에 기생하는 부유 용량을 등가적으로 캔슬하여, 정전 용량(Ca, Cb)의 검출에 영향을 미치는 것을 피할 수 있다.
여기서, 검출 방향(Y)에 있는 피검출체(20)가 2개의 검출 전극(11, 12)으로부터 거리(ra, rb)만큼 떨어져 있는 경우, 양 거리(ra, rb)는 거의 동일하다(ra/rb≒1)고 볼 수 있다. 이 경우, 그 피검출체(20)에 대하여 한 쪽의 검출 전극(11)이 형성하는 정전 용량(Ca)과 다른 쪽의 검출 전극(12)이 형성하는 정전 용량(Cb) 사이에는 큰 차가 생기지 않는다. 이 상태는 상기 차 출력(Vo)의 레벨 상태(소 레벨)로 나타난다. 따라서, 그 차 출력(Vo)의 레벨 상태(소 레벨)로부터 피검출체(20)의 비근접을 판정할 수 있다.
피검출체(20)가 검출 전극(11, 12)에 근접하면, 한 쪽의 검출 전극(11)까지의 거리(ra)와 다른 쪽의 검출 전극(12)까지의 거리(rb) 사이의 비(rb/ra)가 증가한다. 그러면, 그 피검출체(20)에 대하여 한 쪽의 검출 전극(11)이 형성하는 정전 용량(Ca)과 다른 쪽의 검출 전극(12)이 형성하는 정전 용량(Cb) 사이에 큰 차(Ca>>Cb)가 생기게 된다. 이 상태는 상기 차 출력(Vo)의 레벨 상태(대 레벨)로 나타난다. 따라서, 그 차 출력(Vo)의 레벨 상태(대 레벨)로부터 피검출체(20)의 근접을 판정할 수 있다.
2개의 도체 사이의 정전 용량은 그 거리에 반비례하여 증가하지만, 그 증가 곡선은 대수적이며 그 거리가 어느 정도 이하가 된 곳에서 급상승한다. 피검출체(20)가 2개의 검출 전극(11, 12)으로부터 거리(ra, rb)만큼 어느 정도 떨어져 있는 곳에서는, 그 2개의 검출 전극(11, 12)이 형성하는 정전 용량(Ca≒Cb)은 그다지 크지 않고 거리(ra, rb)에 의한 변화도 완만하나, 그 거리가 어느 정도 이하(rb/ra＞1)가 되면 정전 용량이 급증하게 된다. 이러한 급증은 피검출체(20)에 가까운 쪽의 검출 전극(11)에서 먼저 생긴다. 이에 따라, 2개의 정전 용량(대접지 용량)(Ca, Cb) 사이의 차(Ca-Cb)도 급증하게 된다. 따라서, 그 2개의 정전 용량(Ca, Cb)을 측정하여 그 차 출력(Vo)을 산출하면, 그 차 출력(Vo)의 레벨 상태는 피검출체(20)가 근접 센서에 어느 정도 근접한 때에 크게 변화(급증)한다.
이와 같이, 피검출체(20)가 근접 센서에 근접해 올 때에, 차 출력(Vo)의 레벨 상태는 마치 일정한 거리 임계치가 있는 것처럼 반응하여, 피검출체(20)의 근접 여부를 명료하게 나타낸다. 이에 따라, 근접 검출의 범위를 공간적으로 개방된 영역에 형성할 수 있는 동시에, 검출 대상 밖의 주변 물체(21)에 의한 영향을 피하여, 오동작이 적은 근접 검출이 가능하게 된다. 차 출력(Vo)이 크게 반응하기 시작하는 거리 임계치는 검출 방향(Y)에 대한 2개의 검출 전극(11, 12)의 거리차(h)에 의해서 임의로 설정할 수 있다.
2개의 검출 전극(11, 12)에 생기는 용량(Ca, Cb)은 빗방울이나 안개 등의 공중 부유물에 의해서도 변화되는데, 이들 공중 부유물은 분산 상태이기 때문에, 그것에 의한 용량(Ca, Cb)의 변화는 2개의 검출 전극(11, 12)에 동일하게 나타난다. 따라서, 공중 부유물에 의해 근접 검출 동작이 교란되는 정도는 매우 작아서, 실질적으로 무시할 수 있다. 즉, 빗방울이나 안개 등의 공중 부유물에 의한 검출 오동작도 확실하게 피할 수 있다.
도 2a는 근접 검출 회로(30)의 주요부의 구성예를 도시하고, 도 2b는 근접 검출 회로(30)의 동작 타이밍 차트를 도시한다. 도 2a 및 도 2b에서, 부호 A, B, S가 나타내는 부위는 도 1에서 부호 A, B, S가 나타내는 부위에 대응한다. 도 2a 및 도 2b에 도시하는 회로(30)는 연산 증폭기(41, 42, 43)와, 용량 소자(Cfa, Cfb)와, 저항(R1a, R1b, R2a, R2a)과, 능동 스위치(Ssa, Ssb, Sss, Sfa, Sfb)를 포함한다.
연산 증폭기(41), 용량 소자(Cfa) 및 능동 스위치(Ssa 및 Sfa)는 제1 용량 검출 회로(31)를 구성한다. 연산 증폭기(42), 용량 소자(Cfb) 및 능동 스위치(Ssb 및 Sfb)는 제2 용량 검출 회로(32)를 구성한다. 또한, 연산 증폭기(43) 및 저항(R1a, R1b, R2a, R2b)은 차 검출 회로(33)를 구성한다.
제1 및 제2 용량 검출 회로(31, 32)는 스위치드 캐패시터 동작에 의해 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)의 대접지 용량(Ca, Cb)을 개별적으로 검출·측정한다. 스위치드 캐패시터 동작은 도 2b에 도시한 바와 같은 타이밍에 주기적으로 전환되는 제1 능동 스위치(Ssa, Ssb)와, 도 2b에 도시한 바와 같은 타이밍에 주기적으로 온/오프 전환되는 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)에 의해서 이루어진다.
검출 전극(11, 12)의 대접지 용량(Ca, Cb)은 제1 능동 스위치(Ssa, Ssb)에 의해 연산 증폭기(41, 42)의 반전 입력(－), 하이 임피던스의 개방 위치(Open), 접지 전위(GND) 사이에서 주기적으로 전환된다. 연산 증폭기(41, 42)는 비반전 입력(＋)이 소정의 기준 전위(Vr)에 접속되고, 그 반전 입력(－)과 증폭기 출력 사이에 용량 소자(Cfa, Cfb)가 접속되어, 일종의 부귀환 증폭 회로를 형성한다. 용량 소자(Cfa, Cfb)는 그 부귀환 경로를 형성한다. 이 용량 소자(Cfa, Cfb)에는 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)가 병렬 접속되어 있다.
검출 전극(11, 12)의 대접지 용량(Ca, Cb)이 제1 능동 스위치(Ssa, Ssb)를 통해 연산 증폭기(41, 42)의 반전 입력(－)에 접속되고, 또한 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)가 오프일 때, 연산 증폭기(41, 42)의 출력에는 반전 입력(－)과 비반전 입력(＋) 사이를 가상 단락시키는 부귀환 동작에 의해 대접지 용량(Ca, Cb)과 용량 소자(Cfa, Cfb) 사이의 용량비(임피던스비)에 따른 전압이 나타난다.
이 출력 전압은 대접지 용량(Ca, Cb)이 반전 입력(－)으로부터 전환된 후에도 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)가 온으로 바뀔 때까지 유지된다. 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)가 오프에서 온으로 바뀌면, 용량 소자(Cfa, Cfb)가 단락 방전되어 출력 전압이 리셋된다. 이 때, 제1 능동 스위치(Ssa, Ssb)의 스위치부가 접지 전위(GND)로 전환되어, 대접지 용량(Ca, Cb)도 방전 리셋된다. 이 리셋 동작의 소정 기간 후에, 제2 능동 스위치(Sfa, Sfb)가 재차 오프로 바뀌어, 용량 소자(Ca, Cb)가 부귀환 경로에 개재된다. 이 상태에서, 제1 능동 스위치(Ssa, Ssb)가 대접지 용량(Ca, Cb)을 연산 증폭기(41, 42)의 반전 입력(－)에 재차 접속시킨다. 그러면, 연산 증폭기(41, 42)의 출력에는 대접지 용량(Ca, Cb)과 용량 소자(Cfa, Cfb) 사이의 용량비(임피던스비)에 따른 전압이 재차 나타난다. 이러한 동작이 반복되어, 대접지 용량(Ca, Cb)이 주기적으로 측정된다. 그 측정 출력 전압은 주기적으로 갱신되어 연산 증폭기(41, 42)로부터 출력된다.
차폐 전극(13)에는 연산 증폭기(41, 42)의 비반전 입력(＋)에 인가되는 것과 동일한 기준 전위(Vr)가 제3 능동 스위치(Sss)를 통해 인가된다. 제3 능동 스위치(Sss)는 적어도 제1 능동 스위치(Sfa, Sfb)의 접속 위치가 연산 증폭기(41, 42)의 반전 입력(－)측에 있는 기간, 즉 대접지 용량(Ca, Cb)의 측정 동작이 이루어지는 기간 동안에는 기준 전위(Vr)를 차폐 전극(13)에 인가하도록 동작된다. 그 측정 동작 기간에는 연산 증폭기(41, 42)에 의한 가상 단락 동작에 의해 검출 전극(11, 12)에도 기준 전위(Vr)가 인가된다. 이에 따라, 검출 전극(11, 12)과 차폐 전극(13) 사이의 용량이 등가적으로 캔슬된다.
차 검출 회로(33)는 연산 증폭기(41, 42)로부터 출력되는 측정 전압의 차를 출력한다. 도 2b의 타이밍 차트에서는 제1 검출 전극(11)의 대접지 용량(Ca)이 제2 검출 전극(12)의 대접지 용량(Cb)보다도 큰 상태, 즉 피검출체(20)가 근접 센서에 접근해 온 상태를 나타내고 있다. 이 차 출력(Vo)의 레벨은 손가락 낌 방지 동작을 위한 제어 정보로서 차량 등의 자동 개폐 도어의 개폐 동작을 제어하는 구동 제어 회로(50)에 인가된다.
2개의 용량 검출 회로(31, 32)는 서로 동일한 특성(페어 특성)으로 구성하여도 좋지만, 한 쪽의 대접지 용량(Ca)의 검출 이득을 다른 쪽의 대접지 용량(Cb)의 검출 이득보다도 작게 설정하거나 또는 차 검출 회로(33)의 전달 이득을 입력들 간에 다르게 함으로써, 근접 검출시와 비검출시 간에 차 출력(Vo)의 극성이 반전되도록 할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 검출용 전극(11∼13)의 구체적인 실시예를 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시하는 실시예에서는, 2개의 검출 전극(11, 12)이 직사각형 단면의 밴드형의 긴 도체(금속판)에 의해 형성되어 있다. 차폐 전극(13)은 거의 U자 단면의 레일형으로 형성되어 있다. 2개의 검출 전극(11, 12)은 서로 평행 상태로 차폐 전극(13)의 U자 홈 내에 수납되어 있다. 도시하지는 않았지만, 전극(11, 12, 13)은 적절한 절연재에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있다. 그리고, 한 쪽의 검출 전극(11)의 폭을 다른 쪽의 검출 전극(12)의 폭보다도 넓게 함으로써, 검출 방향(Y)에 대하여 소정의 거리차(h)를 갖게 할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 검출용 전극(11∼13)을 임의의 길이로 형성할 수 있다. 또한, 유연한 재료를 사용하여 가요성을 갖게 할 수도 있다. 이에 따라, 자동차의 도어 프레임으로서 기능하는 센터 필러를 따라서 손가락 낌 방지용 근접 센서를 배치할 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 검출용 전극(11∼13)의 다른 실시예를 도시한다. 도 4a 및 도 4b에 도시하는 실시예에서는, 2개의 검출 전극(11, 12)을 얇은 밴드형 도체(금속 박판)로 형성하여, 이것들을 거의 U자 단면의 레일형 차폐 전극(13) 내에 높이를 다르게 하여 수납해 놓는다. 차폐 전극(13)의 U자 홈에는 발포 수지(발포 폴리에틸렌) 등의 저밀도 저유전률의 절연재(61)가 충전되어 있다. 2개의 검출 전극(11, 12)은 그 절연재(61)의 상면측과 하면측에 각각 배치되어 있다. 레일형 차폐 전극(13)은 거의 U자 단면의 레일형의 수지제 절연 유지 부재(62)를 사용하여, 그 절연 유지 부재(62)의 U자 단면의 외측에 알루미늄 등의 금속박을 접착하여 구성되어 있다. 전체는 열 수축 튜브(63)로 피복·보호되어 있다.
도 5는 검출용 전극(11∼13)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 5에 도시하는 실시예에서는, 2개의 검출 전극(11, 12)이 얇은 밴드형 도체(금속 박판)로 형성되며, 그 밴드형 도체는 동일면 상에서 마주 대하게 되었을 때에 서로의 영역에 교대로 들어가는 빗살형으로 형성되어 있다. 이 2개의 검출 전극(11, 12)이 거의 U자 단면의 레일형 차폐 전극(13) 내에 높이를 다르게 하여 수납되어 있다. 레일형 차폐 전극(13)은 도 4a 및 도 4b에 도시한 차폐 전극과 마찬가지로 예컨대 U자 단면의 레일형의 수지제 절연 유지 부재(62)와 알루미늄 등의 금속박을 이용하여 구성되어 있다. 이 실시예에서는, 2개의 검출 전극(11, 12)이 교대로 배치됨으로써, 근접 검출 감도의 피크가 한 쪽의 검출 전극(11)측으로 기우는 것을 교정하는 효과를 얻을 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시한 검출용 전극(11∼13)의 완성 상태를 도시한다. 도 6a는 피복재인 열 수축 튜브(63)를 제거한 상태에서의 상측면도를 도시한다. 도 6b는 도 6a의 A-A 부분의 단면도이고, 도 6c는 도 6a의 B-B 부분의 단면도이다. 도 6a 내지도 6c에 도시하는 실시예에서는, 레일형 차폐 전극(13) 안 전체가 절연재(61)로 충전되어 있지만, 도 6d 및 도 6e에 도시한 바와 같이, 하면측에 위치하는 검출 전극(12)의 돌출 부분 위에서 절연재(61)를 제거한 형태로 할 수도 있다. 이것은 검출 전극(11, 12) 사이의 거리차(h)가 절연재(61)의 유전률에 의해서 전기적으로 단축되는 것을 경감시키는 효과가 있다.
도 7a 및 도 7b는 검출용 전극(11∼13)의 또 다른 실시예를 도시한다. 2개의 검출 전극(11, 12)은 검출 방향(Y)에 대하여 소정의 거리차(h)를 갖도록 배치되지만, 그 거리차(h)는 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 유전체(64, 65)의 유전률에 의해 전기적으로 형성될 수 있다. 도 7a에 도시하는 실시예에서는, 동일면 상에 배치한 2개의 검출 전극(11, 12) 중 한 쪽의 검출 전극(11)만 그 전방(검출 방향(Y))에 비교적 고유전률의 유전체(64)를 개재시킴으로써, 소정의 거리차(h)를 전기적으로 형성한다. 도 7b에 도시하는 실시예에서는, 동일면 상에 배치한 2개의 검출 전극(11, 12)의 양쪽에 유전체(64, 65)를 개재시키고, 한 쪽의 유전체(64)의 유전률을 다른 쪽의 유전체(65)의 유전률보다도 상대적으로 크게 함으로써, 소정의 거리차(h)를 전기적으로 형성한다.
도 8은 검출용 전극(11∼13)의 다른 실시예를 도시한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 검출 전극(11, 12)은 복수로 분할 가능하다. 또한, 차폐 전극(13)은 분할된 전극(11, 12)을 개별적으로 둘러싸 차폐하도록 할 수 있다. 또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 전극(11, 12)마다의 차폐 전극(13)과는 별도로, 검출 대상이 되는 공간을 크게 둘러싸는 차폐용 도체 프레임(131)을 설치하여, 이 도체 프레임(131)에 차폐 전극(13)과 동일한 전위를 인가하도록 할 수 있다. 이 경우, 검출 오동작의 유발 원인을 더욱 확실하게 배제할 수 있다.
도 9는 검출용 전극(11∼13)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 9에 도시하는 실시예에서는, 제1 검출 전극(11)과 제2 검출 전극(12)은 얇은 밴드형 도체(금속 박판)로 형성되고, 거의 U자 단면의 레일형 차폐 전극(13) 내에 높이를 다르게 하여 수납되어 있다. 더욱 구체적으로, 피검출체에 대면하는 제1 검출 전극(11)의 정면측과는 반대측에 제2 검출 전극(12)이 배치되어, 변별역 부근으로부터는 제1 검출 전극(11)의 배후 부분에 제2 검출 전극(12)이 숨겨진다. 이에 따라, 제1 검출 전극(11)과 제2 검출 전극(12)의 센서 구조체에 있어서의 배치 환경이 차별화되어 있다. 제1 검출 전극(11)과 제2 검출 전극(12) 사이에는 적절한 탄성체로 이루어지는 스페이서를 곳곳에 개재시켜, 양 전극의 간격을 유지시킨다. 또한, 제1 검출 전극(11)의 정면측을 유연한 재료로 피복해 둔다. 그러면, 피검출체인 물체가 근접 센서를 압박한 경우, 그 물체에 의해서 제1 검출 전극(11)이 내측으로 눌려져 제2 검출 전극(12)과 접촉하게 된다. 양 전극(11, 12)이 서로 접촉했음을 검출하는 별도의 전기 회로를 설치해 놓으면, 그 근접 센서에 터치 센서 기능을 부가할 수 있다.
이상, 본 발명을 대표적인 실시예에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 전술한 것 이외에도 여러 가지 형태가 가능하다. 예를 들면, 용량 검출 회로(31, 32)는 스위치드 캐패시터 이외의 방식, 예컨대 용량 변화를 발진 주파수 변화로 검출하도록 구성할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 정전 용량 검출형 근접 센서는 근접 검출 범위를 공간적으로 개방된 영역에 형성하고, 검출 대상 밖의 주변 물체에 의한 영향을 피하여, 오동작이 적은 근접 검출을 할 수 있다. 이러한 근접 센서는 차량 등의 자동 개폐 도어에서의 손가락 낌 방지 장치용으로 적합하다.

Claims (12)

  1. 센서 구조체 및 센서 회로를 포함하고, 피검출체가 변별역 내에 근접했음을 정전적으로 검출하는 정전 용량 검출형 근접 센서로서,
    상기 센서 구조체는 소정의 기하학적 관계로 상호 근접하여 배치되고, 서로 전기적으로 독립된 제1 검출 전극과 제2 검출 전극을 포함하며,
    상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극의 상기 센서 구조체에 있어서의 배치 환경은 차별화되어 있어, 상기 변별역의 부근에 상기 피검출체가 존재할 때, 상기 피검출체와 상기 제1 검출 전극 사이의 정전적 환경 조건과, 그 동일한 피검출체와 상기 제2 검출 전극 사이의 정전적 환경 조건이 상이하도록 구성되며,
    상기 센서 회로는 상기 제1 검출 전극이 형성하는 대접지 용량과 상기 제2 검출 전극이 형성하는 대접지 용량의 차분을 검출하여 출력하는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서 구조체에는 상기 피검출체에 대면하는 상기 변별역 부근의 정면측 부분을 제외한 상기 변별역 부근의 다른 부분을 둘러싸도록 차폐 전극이 배치되어 있고, 상기 차폐 전극에 의해 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극이 상기 정면 방향을 제외하고 정전적으로 차폐되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극의 상기 센서 구조체에 있어서의 배치 환경은 상기 변별역 부근의 상기 피검출체와 상기 제1 검출 전극 사이의 공간 거리와, 그 동일한 피검출체와 상기 제2 검출 전극 사이의 공간 거리가 상이하도록 차별화되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피검출체에 대면하는 상기 제1 검출 전극의 정면측에 배치된 제1 유전체의 유전률과, 상기 피검출체에 대면하는 상기 제2 검출 전극의 정면측에 배치된 제2 유전체의 유전률을 상이하게 함으로써, 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극의 상기 센서 구조체에 있어서의 배치 환경이 차별화되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피검출체에 대면하는 상기 제1 검출 전극의 정면측과는 반대측에 상기 제2 검출 전극이 배치되어, 상기 변별역 부근으로부터는 상기 제1 검출 전극의 배후 부분에 상기 제2 검출 전극이 숨겨짐으로써, 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극의 상기 센서 구조체에 있어서의 배치 환경이 차별화되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 검출 전극, 상기 제2 검출 전극 및 상기 센서 구조체는 밴드형으로 구성되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차폐 전극은 거의 U자 단면의 레일형으로 형성되어, 그 U자 홈에 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극이 수납되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차폐 전극은 거의 U자 단면의 레일형 절연 유지 부재와, 그 U자 단면의 외측에 배치된 금속박을 포함하는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극은 빗살형으로 형성된 밴드형 도체이며, 상기 정면측에서 상기 센서 구조체를 보았을 때 서로 빗살 형상이 교대로 맞물리도록 배치되어 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 검출 전극과 상기 제2 검출 전극은 복수로 분할되어, 상기 차폐 전극이 개별적으로 그 분할 전극을 둘러싸고 있는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 회로는 상기 제1 검출 전극의 대접지 용량을 측정하는 제1 용량 검출 회로와, 상기 제2 검출 전극의 대접지 용량을 측정하는 제2 용량 검출 회로와, 이들 2개의 용량 검출 회로의 측정 출력의 차를 출력하는 차 검출 회로를 포함하는 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 용량 검출 회로는 스위치드 캐패시터 방식의 용량 검출 회로인 것인 정전 용량 검출형 근접 센서.
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