KR20110089858A

KR20110089858A - 정전용량형 센서

Info

Publication number: KR20110089858A
Application number: KR1020117012265A
Authority: KR
Inventors: 유이치로 야마구치; 코이치 이치하라; 료헤이 사쿠라이
Original assignee: 가부시키가이샤후지쿠라
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-08-09
Also published as: US20110254572A1; EP2362178A1; CN102203547A; WO2010050607A1; JPWO2010050607A1

Abstract

센서의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여 검지 대상물과 센서 사이의 거리를 정확하게 측정하여 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출한다. 정전용량형 센서는 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)을 구비하여 구성된다. 각 센서전극(1~5)에는 센서전위 또는 가드전위가 부여되어 구동되고, 가드전극(28a, 28b)에는 가드전위가 부여되어 구동된다. 센서전극군(6)의 최외측의 센서전극(1, 5)이 활성화된 경우이더라도, 가드전극(28a, 28b)은 가드전위로 구동되기 때문에, 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1~5)의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이를 거의 균일하게 할 수 있다.

Description

정전용량형 센서{CAPACITANCE-TYPE SENSOR}

본 발명은 검지영역에 존재하는 검지 대상물과의 사이의 정전용량을 검지하는 정전용량형 센서에 관한 것으로서, 특히 높은 정밀도로 검지영역에 있어서의 검지 대상물의 위치를 검지할 수 있는 정전용량형 센서에 관한 것이다.

종래부터, 검지영역에 존재하는 검지 대상물(물체 등)을 검지하는 것으로서 다음과 같은 것이 알려져 있다. 즉, 하기 특허문헌 1에 개시되어 있는 헤드레스트 구동장치는 헤드레스트를 이동 가능하게 지지하는 지지수단과, 헤드레스트를 왕복 구동하는 구동수단과, 헤드레스트 외부 커버의 머리부를 지탱하는 부위의 내측에 서로 떨어져서 마련된 복수의 검출전극(검지전극)과, 이 복수의 검출전극들이 공통 전위 라인에 대하여 형성하는 정전용량을 검출하는 정전용량 검출수단과, 정전용량이 밸런스를 이루는 방향으로 헤드레스트를 이동시키도록 구동하는 구동수단을 제어하는 위치제어수단을 구비하고 있다.

그리고 이 헤드레스트 구동장치는 머리부가 복수의 검출전극의 중심에 위치하도록, 바꿔 말하면 머리부의 움직임에 추종하여 헤드레스트가 이동하도록, 헤드레스트가 위치제어수단에 제어된 구동수단에 의해 구동되어, 자동적으로 헤드레스트의 위치를 조정하도록 하고 있다.

또한 하기 특허문헌 2에 개시되어 있는 헤드레스트를 조절하기 위한 장치는 탑승자의 머리부 위치를 검지하기 위한 헤드레스트 내에 배치되어 있는 2개의 콘덴서 플레이트를 포함하는 센서를 가지고 구성되며, 이 2개의 콘덴서 플레이트는 헤드레스트 내에 위아래로 배치되어 있다.

그리고 한쪽 콘덴서 플레이트의 센서 신호의 증가가 다른쪽 콘덴서 플레이트의 센서 신호의 감소와 동시에 발생하는 한, 헤드레스트의 높이위치가, 헤드레스트가 쑥 들어가 있는 정위치에서 출발하여 변화하도록 조절되게 되어 있다.

또한 하기 특허문헌 3에 개시되어 있는 헤드레스트 조정장치는 모터의 구동에 의해 상하이동 가능하도록 시트백(등받이부)의 상부에 배치된 헤드레스트와, 착석자(탑승자)의 머리부 위치를 검출하는 머리부 검출 센서와, 머리부 검출 센서로부터의 신호에 기초하여, 착석자의 머리부 위치에 따라 헤드레스트의 높이를 조정하는 CPU를 구비하고 있다.

이 헤드레스트 조정장치는 CPU가 이그니션 스위치(ignition switch)의 전기적 도통(導通)을 검지하면서, 또한 착석 센서가 착석이 있음을 검지하고, 나아가 시트벨트 버클 스위치가 차량의 시트벨트가 장착되어 있음을 검지했을 때에, 헤드레스트의 조정 작동을 개시하도록 되어 있다.

또한 하기 특허문헌 4에 개시되어 있는 물체 검출장치는 전극 간격이 일정하게 된 복수의 센서전극을 수지에 인서트하고, 인서트 성형에 의해 센서전극유닛을 형성하고 있다. 이 센서전극유닛은 중공(中空)의 단면 대략 직사각형상이며, 그 적어도 한 변에 센서전극이 마련되고, 이로 인해 검출 성능을 유지하여 설치 자유도를 향상시킨다고 되어 있다.

일본국 공개특허공보 소64-11512호 일본국 공개특허공보 2000-309242호 일본국 공개특허공보 평11-180200호 일본국 공개특허공보 평11-213296호

그러나 상술한 특허문헌 1에 개시되어 있는 헤드레스트 구동장치에서는, 헤드레스트와 차량 천장부 등과의 사이의 정전용량에 의해, 헤드레스트의 위치조정을 실시한다고 되어 있다. 또한 상술한 특허문헌 2에 개시되어 있는 헤드레스트를 조절하기 위한 장치에서는, 2개 혹은 3개의 콘덴서 플레이트에 의해, 머리부와 검지전극 사이의 정전용량을 측정하여 위치조정에 이용한다고 되어 있다.

또한 상술한 특허문헌 3에 개시되어 있는 헤드레스트 위치조정장치에서는, 시트 각 부의 조정 결과에 따라 헤드레스트의 위치조정을 실시한다고 되어 있다. 또한 상술한 특허문헌 4에 개시되어 있는 물체 검출장치에서는, 예를 들면 복수의 센서전극의 중심과 검지 대상물의 중심이 정면 대향하고 있는 경우에는 각 센서전극에 의해 안정적으로 정전용량을 검지한다고 되어 있다.

이와 같이, 종래의 것에서는 센서의 출력 밸런스나 각 검지전극의 출력 피크 등을 비교해서 물체를 검지할 필요가 있으며, 이러한 검지 방식에서는 예를 들면 복수의 검지전극을 배치하는 위치에 따라, 검지전극의 초기 정전용량(즉, 검지 대상물이 존재하지 않는 상태에서의 정전용량값)이나 검지 감도가 크게 다른 경우가 있었다.

일례로서, 본 출원인이 실시한 실험에 관한 시료 구성을 도 10에, 또한 실험 결과를 도 11에 나타낸다. 본 실험에서는 도 10에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 발포 스티롤로 이루어지는 대좌(臺座)(101)상에, 복수의 센서전극(102a∼102e)이 기판(102f)상에 형성된 센서부(102)를 배치하였다. 그리고 소정의 두께(L)를 부여한 발포 스티롤로 이루어지는 판재(板材)(103)를 사이에 끼워서 도 10의 흰색 화살표 방향으로 접지(GND) 전위가 부여된 평판(104)을 센서부(102)상에 덮어서 배치하였다.

이와 같이, 센서부(102)의 각 센서전극(102a∼102e)과 평판(104) 사이의 거리(판재(103)의 두께(L))가 일정하게 되는 상태에서, 센서부(102)와 평판(104) 사이의 거리(L)에 대한 각 센서전극(102a∼102e)의 출력(V)(도 11(a) 참조)과, 거리(L)의 변화에 대한 출력 변화량(V)(도 11(b) 참조)을 측정하였다.

한편, 도 11(a)의 그래프의 세로축은 센서 출력(V)을 나타내고, 가로축은 각 센서전극(102a∼102e)에 부여한 전극번호(예를 들면 센서전극 102a에서 102e에 걸쳐서 순번대로 전극번호 1∼5를 부여함)를 나타내고 있다. 또한 도 11(b)의 그래프의 세로축은 센서 출력(V)을 나타내고, 가로축은 이동거리(mm)를 나타내고 있다.

그리고 측정 결과에 의해, 예를 들면 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 센서부(102)와 평판(104)과의 거리(L)를 20mm, 40mm, 60mm, 75mm로 변화시켰을 경우에는 센서전극(102a;전극번호 1)과 센서전극(102e;전극번호 5)의 센서 출력(V)이 각각 가장 커졌다. 즉, 각 센서전극(102a∼102e)의 배열방향(병설방향)의 가장 외측에 배치된 전극의 출력이 가장 커지는 결과가 되었다.

또한 예를 들어 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 거리(L)의 변화량(ΔL)을 20mm-40mm, 40mm-60mm, 60mm-75mm로 했을 경우의 각각의 정전용량값의 차이(=ΔC)는 각 센서전극(102a∼102e)마다 다른 궤적을 그렸다. 특히 이 궤적의 차이는 출력 변화량의 차이가 되는 것으로서, 예를 들면 변화량(ΔL)이 20mm-40mm인 장소에서의 각 센서 출력의 점(点)집단은 약 100mV의 편차가 있는 범위 내에 들어가 있음을 알 수 있다.

따라서 이러한 각 센서전극(102a∼102e)마다의 센서 출력의 출력 변화량의 차이가 현저해지면, 상술한 것과 같은 각종 검지 방식으로는 정확하게 검지 대상물과 센서부(102) 사이의 거리를 측정하기가 곤란해지는 경우가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 센서의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여 검지 대상물과 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있어, 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출할 수 있는 정전용량형 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 정전용량형 센서는 검지영역에 존재하는 검지 대상물과의 사이의 정전용량을 검지하는 정전용량형 센서로서, 기판상에 배치된 복수의 센서전극으로 이루어지는 센서전극군과, 상기 센서전극군의 주위의 적어도 일부에 상기 센서전극군을 끼우도록 각각 형성된 적어도 한쌍의 가드전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 정전용량형 센서는 이상과 같이 구성함으로써, 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극의 배치 위치의 상이에 의한 센서의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여 검지 대상물과 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있어, 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은 예를 들면 각각 센서전위 또는 상기 센서전위와 동등한 가드전위가 부여되어 구동되며, 상기 적어도 한쌍의 가드전극은 상기 가드전위가 부여되어 구동된다.

본 발명에 따른 정전용량형 센서는 바람직하게는, 상기 복수의 센서전극으로부터의 출력에 기초하여 상기 검지 대상물의 정전용량값을 검출하는 검출회로를 더 구비하고, 상기 검출회로는 예를 들면 상기 복수의 센서전극에 부여하는 상기 센서전위 또는 상기 가드전위를 전환하는 전환수단과, 상기 전환수단을 통해 상기 복수의 센서전극에 상기 센서전위 또는 상기 가드전위를 부여하는 동시에, 상기 적어도 한쌍의 가드전극에 상기 가드전위를 부여하고, 각 센서전극에 의해 검지된 정전용량값을 검출하는 검출수단을 가진다.

상기 전환수단은, 예를 들어 상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극 중 하나의 센서전극에 상기 센서전위가 부여되어 있을 때에는 다른 센서전극에 상기 가드전위가 부여되도록 전환한다.

상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은 예를 들면 직사각형 스트립(strip)형상으로 형성되어 그 짧은 길이방향을 따라 병설된 상태로 상기 기판상에 배치되어 있다.

이 경우, 예를 들면 상기 적어도 한쌍의 가드전극은 상기 복수의 센서전극의 병설방향 양 외측에 배치되어 있다.

또한 상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은 예를 들면 직사각형 스트립형상으로 형성되어 일부가 그 짧은 길이방향을 따라 병설되는 동시에, 나머지가 상기 짧은 길이방향과 교차하는 방향으로 그 짧은 길이방향이 따르도록 병설된 상태로 상기 기판상에 배치되어 있다.

이 경우, 예를 들면 상기 가드전극은 적어도 2쌍 마련되고, 상기 복수의 센서전극의 일부의 병설방향 양 외측 및 다른 병설방향 양 외측 각각에 배치되어 있다.

한편, 상기 검출수단은 예를 들면 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값을 상기 병설방향의 한쪽에서 다른쪽을 향해 순번대로 검출하도록 해도 된다.

또한 상기 검출수단은 예를 들면 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값을 각 센서전극에 할당한 전극번호순으로 검출하도록 해도 된다.

또한 상기 검출수단은 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값에 기초하여 검지 대상물의 표면형상을 검출하도록 해도 된다.

이 경우, 검지 대상물의 표면형상을 주사하는 방향을 따라 적어도 3개의 센서전극을 병설한 센서전극군과, 상기 센서전극의 병설방향 양 외측에 마련한 한쌍의 가드전극을 구비하는 것이 바람직하다.

또한 상기 센서전극군은 복수의 센서전극을, 검지 대상물의 전체 길이의 적어도 1/2에 걸쳐 병설한 것임이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 센서의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여 검지 대상물과 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있어 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 전극구조의 예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 동(同) 정전용량형 센서의 전체 구성의 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 동 정전용량형 센서의 센서 IC의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 동 정전용량형 센서의 센서 IC의 동작 파형의 예를 나타내는 동작 파형도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 동작예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 측정 결과를 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 전극구조의 다른 예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서를 좌석의 헤드레스트 위치조정장치에 적용한 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는 동 헤드레스트 위치조정장치에 있어서의 헤드레스트 부분을 발췌하여 나타내는 설명도이다.
도 10은 본 출원인이 실시한 실험에 관한 시료 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 출원인이 실시한 실험에 관한 실험 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 정전용량형 센서의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 전극구조의 예를 설명하기 위한 설명도, 도 2는 동 정전용량형 센서의 전체 구성의 예를 나타내는 블록도, 도 3은 동 정전용량형 센서의 센서 IC의 구성예를 나타내는 블록도, 도 4는 동 정전용량형 센서의 센서 IC의 동작 파형의 예를 나타내는 동작 파형도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서는 예를 들면 직사각형 스트립형상으로 형성되며 그 짧은 길이방향(긴 길이방향과 교차하는 방향)을 따라 도시하지 않은 기판상에 병설한 상태로 배치된 복수의 센서전극(1∼5)으로 이루어지는 센서전극군(6)과, 이 센서전극군(6)의 주위의 적어도 일부에 이 센서전극군(6)을 끼우도록(즉, 여기서는 센서전극군(6)에 있어서의 각 센서전극(1∼5)의 병설방향 최외측에 배치된 센서전극(예를 들면 센서전극 1, 5)의 더욱 외측)에, 센서전극군(6)에 있어서의 각 센서전극(1∼5)과는 비접촉 상태가 되도록 각각 형성된 한쌍의(1조의) 가드전극(28a, 28b)을 구비하여 구성되어 있다.

이 정전용량형 센서는 센서전극군(6)을 구성하는 이와 같이 배치된 각 센서전극(1∼5)에 의해, 검지영역에 존재하는 검지 대상물과의 사이의 정전용량을 검지하는 것이다. 그리고 각 센서전극(1∼5)은 각각 소정의 센서전위 또는 이 센서전위와 동등한 가드전위가 부여되어 구동되고, 각 가드전극(28a, 28b)에는 가드전위가 상시 부여된다.

이 각 센서전극(1∼5) 및 가드전극(28a, 28b)은 각각 예를 들면 플렉시블 프린트 기판, 리지드 기판 혹은 리지드 플렉시블 기판으로 이루어지는 기판상에 형성되어 배치되어 있다. 또한 각 센서전극(1∼5) 및 가드전극(28a, 28b)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA) 혹은 유리 에폭시 수지 등의 절연체로 이루어지는 기판상에 패턴 형성된 구리, 구리합금 또는 알루미늄 등의 도전재나, 기판상에 배치된 단순한 전선 등의 도전재 등으로 이루어진다.

센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5)에는 예를 들면 각각 전극번호 1∼5가 할당되어 있다. 이 각 센서전극(1∼5)은 여기서는 5개 마련되어 있지만, 예를 들면 5개 이상 마련되어 있어도 된다.

또한 가드전극(28a, 28b)은 센서전극군(6)을 배치한 기판과 동일 기판상에 배치되어 있다. 이 경우, 가드전극(28a, 28b)은 센서전극군(6)을 배치한 면과 동일면측 및 반대면측 중 어느 쪽에 마련해도 되고, 또한 예를 들면 각 가드전극(28a, 28b)을 절연재를 통해 기판상에 배치해도 된다.

그리고 도 2에 나타내는 바와 같이, 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5)은 이 센서전극(1∼5)으로부터의 출력에 기초하여 검지 대상물의 정전용량값을 검출하는 검출회로에 접속되어 있다. 검출회로는 각 센서전극(1∼5)에 부여하는 센서전위 또는 가드전위를 전환하는 전환회로(20)와, 이 전환회로(20)를 통해 각 센서전극(1∼5)에 센서전위 또는 가드전위를 부여하고, 각 센서전극(1∼5)에 의해 검지된 정전용량값을 검출하는 센서 IC(21)를 구비하고 있다. 한편 센서 IC(21)는 각 가드전극(28a, 28b)에 대하여 가드전위를 상시 공급한다.

또한 검출회로는 센서 IC(21)로부터의 출력에 기초하여 전환회로(20)를 제어하는 동시에, 상기 출력에 기초한 각종 처리를 실행하는 ECU(전자제어유닛)(22)를 구비하고 있다. 전환회로(20)는 예를 들면 센서 IC(21)로부터의 센서전위 또는 가드전위를 전환하여 각 센서전극(1∼5)에 공급 가능하도록 구성된 복수의 FET, 복수의 아날로그 스위치 또는 복수의 멀티플렉서로 구성되어 있다.

이 전환회로(20)는 예를 들면 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5) 중 하나의 센서전극(예를 들면 센서전극 1)에 대하여 센서전위가 부여되어 있을 때에는 다른 센서전극(예를 들면 센서전극 2∼5)에 대하여 가드전위를 부여하도록 센서 IC(21)로부터의 출력 전위를 전환한다.

센서 IC(21)는 센서전극군(6)의 각 센서전극(1∼5)으로부터의 정전용량값을, 예를 들면 병설방향의 한쪽에서 다른쪽을 향해 순번(예를 들면 전극번호 1→5로 이시적(異時的)인 순번)대로 주사하여 검출하거나, 미리 할당된 전극번호순(예를 들면 전극번호 1→3→5→2→4로 이시적인 순번)으로 주사하여 검출하거나 한다.

이 센서 IC(21)는 예를 들면 센서전극군(6)의 각 센서전극(1∼5)과 검지 대상물(도시하지 않음) 사이의 정전용량에 따라 듀티비가 변화되는 펄스 신호를 생성하는 동시에 평활화하여 신호를 출력한다. ECU(22)는 예를 들면 CPU, RAM, ROM 등을 구비하여 이루어지고, 센서 IC(21)에 의해 검출된 정전용량값을 이용한 각종 처리를 실행한다.

센서 IC(21)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 정전용량(C)에 따라 듀티비가 변화되는 것으로서, 예를 들면 일정 주기의 트리거 신호(TG)를 출력하는 트리거 신호 발생회로(101)와, 입력단에 접속된 정전용량(C)의 크기에 따라 듀티비가 변화되는 펄스 신호(Po)를 출력하는 타이머회로(102)와, 이 펄스 신호(Po)를 평활화하는 로우 패스 필터(LPF)(103)를 구비하여 구성되어 있다.

타이머회로(102)는 예를 들면 2개의 비교기(201, 202)와, 이 비교기(201, 202)들의 출력이 각각 리셋 단자(R) 및 셋트 단자(S)에 입력되는 RS 플립플롭(이하, 'RS-FF'라고 부름)(203)과, 이 RS-FF(203)의 출력(DIS)을 LPF(103)에 출력하는 버퍼(204)와, RS-FF(203)의 출력(DIS)으로 온/오프 제어시키는 트랜지스터(205)를 구비하여 구성되어 있다.

비교기(202)는 트리거 신호 발생회로(101)로부터 출력되는 도 4에 나타내는 것과 같은 트리거 신호(TG)를, 저항(R1, R2, R3)에 의해 분할된 소정의 임계값(Vth2)과 비교해서, 트리거 신호(TG)에 동기한 셋트 펄스를 출력한다. 이 셋트 펄스는 RS-FF(203)의 Q출력을 셋트한다.

이 Q출력은 디스차지 신호(DIS)로서 트랜지스터(205)를 오프 상태로 하고, 센서전극 1(2∼5) 및 그라운드 사이를, 센서전극 1(2∼5)의 대접지 정전용량(C) 및 입력단과 전원 라인 사이에 접속된 저항(R4)에 의한 시상수로 정해지는 속도로 충전한다. 이로 인해, 입력 신호(Vin)의 전위가 정전용량(C)에 의해 정해지는 속도로 상승한다.

입력 신호(Vin)가, 저항(R1, R2, R3)으로 정해지는 임계값(Vth1)을 넘으면, 비교기(201)의 출력이 반전하여 RS-FF(203)의 출력을 반전시킨다. 이 결과, 트랜지스터(205)가 온 상태가 되고, 센서전극 1(2∼5)에 축적된 전하가 트랜지스터(205)를 통해 방전된다.

따라서 이 타이머회로(102)는 도 4에 나타내는 바와 같이, 센서전극 1(2∼5) 및 검지영역에 존재하는 검지 대상물(도시하지 않음)과의 사이의 정전용량(C)에 기초하는 듀티비로 발진하는 펄스 신호(Po)를 출력한다. LPF(103)는 이 출력을 평활화함으로써, 도 4에 나타내는 것과 같은 직류의 신호(Vout)를 출력한다. 한편 도 4에서, 실선으로 나타내는 파형과 점선으로 나타내는 파형은 전자가 후자보다 정전용량이 작은 것을 나타내고 있으며, 예를 들면 후자가 물체 접근 상태를 나타내고 있다.

이와 같이 구성된 정전용량형 센서에서는, 구체적으로는 다음과 같은 동작에 의해 검지 대상물과의 사이의 정전용량(C)이 검지된다. 도 5는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 동작예를 설명하기 위한 설명도이다. 한편 도 5의 기호 'S'는 센서전위인 것을 나타내고, 'G'는 가드전위인 것을 나타내고 있다.

먼저, ECU(22)로부터의 제어에 의해, 전환회로(20)에 의해서 센서전극군(6)의 센서전극(1)이 활성화된 경우에는 동 도면(a)에 나타내는 바와 같이, 다른 센서전극(2∼5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)에 가드전위가 부여되어 '센서측정상태 1'이 된다.

다음으로 센서전극군(6)의 센서전극(2)이 활성화된 경우에는 동 도면(b)에 나타내는 바와 같이 다른 센서전극(1, 3∼5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)에 가드전위가 부여되어 '센서측정상태 2'가 된다. 나아가 센서전극군(6)의 센서전극(3)이 활성화된 경우에는 동 도면(c)에 나타내는 바와 같이 다른 센서전극(1, 2, 4, 5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)에 가드전위가 부여되어 '센서측정상태 3'이 된다.

또한 센서전극군(6)의 센서전극(4)이 활성화된 경우에는 동 도면(d)에 나타내는 바와 같이 다른 센서전극(1∼3, 5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)에 가드전위가 부여되어 '센서측정상태 4'가 된다. 마찬가지로, 센서전극군(6)의 센서전극(5)이 활성화된 경우에는 동 도면(e)에 나타내는 바와 같이 다른 센서전극(1∼4) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)에 가드전위가 부여되어 '센서측정상태 5'가 된다.

이와 같이, 센서전극군(6)의 각 센서전극(1∼5)이 순차 활성화된 경우라도, 한쌍의 가드전극(28a, 28b)은 상시 가드전위로 구동되기 때문에, 예를 들면 센서전극군(6)의 최외측에 배치된 센서전극(1, 5)이 활성화되어 있는 경우이더라도, 이 센서전극(1, 5)의 양측(병설방향 양측)에 가드전위의 전극이 있는 상태를 실현할 수 있다. 따라서 센서전극군(6)의 외측방향으로의 전기적인 정전용량 결합을 억제할 수 있게 된다.

즉, 상술한 바와 같이 도 10 및 도 11을 이용해서 설명한 조건과 동일한 조건으로 측정했을 경우, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 센서전극군(6)의 각 센서전극(1∼5)의 센서 출력 전압은 거의 균일한 상태(즉, 센서 감도가 거의 균일)가 되었다. 또한 동 도면(b)에 나타내는 바와 같이, 인체의 머리부(49)를 측정했을 경우에는 센서전극군(6)의 각 센서(1∼5)의 센서 출력 전압에는 차이가 생기고, 확실하게 머리부(49)의 후두부형상(즉, 요철형상)을 검출할 수 있게 되었다.

따라서 본 실시형태에 따른 정전용량형 센서에서는, 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5)의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하면서, 검지 대상물과 각 센서전극(1∼5) 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있어, 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 또한 한쌍의 가드전극(28a, 28b)의 면적은 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5)의 각각과 같은 면적이어도 되고, 그것보다 큰 면적이어도 된다.

또한 상술한 바와 같이, 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값에 기초하여 검지 대상물의 표면형상(예를 들면 머리부(49)의 후두부형상)을 검출할 경우, 검지 대상물의 표면형상을 주사하는 방향을 따라, 적어도 3개의 센서전극을 병설하는 동시에, 그 병설방향 양 외측에 한쌍의 가드전극을 마련하는 것이 바람직하다. 그리고 센서전극군(6)은 각 센서전극을, 검지 대상물의 전체 길이의 적어도 1/2, 바람직하게는 3/4 이상에 걸쳐 병설한다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서의 전극구조의 다른 예를 설명하기 위한 설명도이다. 또한 이후에 있어서, 이미 설명한 부분과 중복되는 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략하고, 본 발명에 특별히 관련이 없는 부분에 대해서는 명기하지 않는 경우가 있다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 본 예의 정전용량형 센서는 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5) 중, 일부(예를 들면 센서전극 1∼3)가 그 짧은 길이방향을 따라 병설되는 동시에, 나머지(예를 들면 센서전극 4, 5)가 각 센서전극(1∼3)의 병설방향(즉, 짧은 길이방향)과 교차하는 방향으로 그 짧은 길이방향이 따르도록 병설된 상태(여기서는 각 센서전극(1∼3)을 끼우는 상태)로 기판상에 배치되어 구성되어 있다.

그리고 이 정전용량형 센서에서는 가드전극이 적어도 2쌍 마련되고, 한쌍의 가드전극(28a, 28b)은 각 센서전극(1∼3)의 병설방향의 더욱 외측 각각에 배치되는 동시에, 센서전극(4, 5)의 병설방향의 더욱 외측 각각에 다른 한쌍의 가드전극(28c, 28d)이 배치되어 있다. 이와 같이 구성됨으로써, 센서전극군(6)에 있어서는 센서전극(1∼3)의 병설방향과 함께 센서전극(4, 5)의 병설방향의 출력도, 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여 검출할 수 있게 된다. 그 밖의 작용 효과는 상술한 것과 동일하기 때문에 여기서는 설명을 생략한다.

도 8은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 정전용량형 센서를 좌석의 헤드레스트 위치조정장치에 적용한 예를 나타내는 설명도, 도 9는 동 헤드레스트 위치조정장치에 있어서의 헤드레스트 부분을 발췌하여 나타내는 설명도이다. 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 정전용량형 센서는 센서부(10)로서 구성되고, 헤드레스트 위치조정장치(100)에 채용되어 있다.

이 헤드레스트 위치조정장치(100)는 예를 들면 차량 등의 좌석(40)의 헤드레스트(43)의 내부에 마련되고, 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5) 및 한쌍의 가드전극(28a, 28b)이 헤드레스트(43)의 전면측에서 헤드레스트(43)의 높이방향을 따라 병설된 상태로 배치된 센서부(10)와, 예를 들면 좌석(40)의 등받이부(41)에 배치된 구동 모터부(30)를 구비하여 구성되어 있다.

한편, 여기서 센서부(10) 및 구동 모터부(30)는 하네스(harness)(29)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한 이들 센서부(10) 및 구동 모터부(30)는 무선 등에 의해 제어 가능하게 구성되어 있어도 된다.

센서부(10)는 기판(19)의 한쪽 면측에 형성된 상기 각 센서전극(1∼5) 및 가드전극(28a, 28b)과, 예를 들면 이 기판(19)의 다른쪽 면측에 마련된 상술한 전환회로(20)나 센서 IC(21)(도시하지 않음)를 구비하는 검출회로부(27) 등을 구비하여 구성되어 있다. 그리고 좌석(40)의 착석부(42)에 착석한 인체(48)의 머리부(검지 대상물)(49)와 헤드레스트(43)(구체적으로는 센서전극군(6)의 각 센서전극 1∼5) 사이의 정전용량을 검지한다.

검출회로부(20)의 센서 IC(21)는 각 센서전극(1∼5)으로부터의 검지 신호에 기초하여 정전용량값을 검출하고, ECU(22)(도시하지 않음)에 대하여 그 검출 결과에 관한 정보를 출력한다. ECU(22)는 입력한 상기 정보에 기초하여 각 센서전극(1∼5) 중 예를 들면 신호의 출력값이 가장 높은 센서전극을 검출하고, 이 검출 결과에 따라서 연산에 의해 추정되는 머리부(49)의 중심위치(추정 중심위치) 등을 산출하고, 이 결과에 따른 헤드레스트(43)의 구동 정보를 구동 모터부(30)에 출력한다.

구동 모터부(30)는 ECU(22)로부터의 출력에 따라, 헤드레스트(43)가 등받이부(41)에 대하여 지지되는 지지축(43a)을, 예를 들면 상하, 좌우 혹은 전후방향으로 이동시켜, 헤드레스트(43)의 위치(예를 들면 높이방향 중심위치)를 머리부(49)에 대한 적정위치에 맞추도록 조정한다. 구체적으로는, 예를 들면 검출한 하나의 센서전극의 위치가, 헤드레스트(43)의 높이방향 중심위치와 수평방향으로 정면 대향하도록 조정하거나, 이 센서전극의 위치가 헤드레스트(43)의 높이방향 중심위치보다 어느 정도 위쪽에 위치하도록 조정하거나, 검출한 결과에 기초한 머리부(49)의 형상 프로파일 정보를 작성하여 이 프로파일 정보에 기초하여 헤드레스트(43)를 적정 위치로 조정하거나 한다.

이와 같이 구성된 헤드레스트 위치조정장치(100)에서는, 상술한 실시형태에 따른 정전용량형 센서를 가지는 센서부(10)를 채용하고 있으므로, 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출하여 헤드레스트(43)의 위치를 자동적으로 적정 위치로 조정할 수 있다. 이로 인해, 예를 들면 좌석(40)이 차량에 탑재된 경우 등에, 헤드레스트(43)의 위치 미(未)조정에 있어서의 충돌시 등의 경추 손상 등의 사고를 미연에 방지하는 것을 도모할 수 있게 된다.

이상에서 기술한 바와 같이, 상술한 실시형태에 따른 정전용량형 센서에 따르면, 센서전극군(6)을 구성하는 각 센서전극(1∼5)의 출력 변화량의 차이나 초기 용량의 차이 등을 작게 하여, 검지 대상물과 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있어, 검지 대상물을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

1∼5 센서전극
6 센서전극군
10 센서부
20 전환회로
21 센서 IC
22 ECU
27 검출회로부
28a, 28b, 28c, 28d 가드전극
29 하네스
30 구동 모터부
40 좌석
41 등받이부
42 착석부
43 헤드레스트
43a 지지축
48 인체
49 머리부
100 헤드레스트 위치조정장치

Claims

검지영역에 존재하는 검지 대상물과의 사이의 정전용량을 검지하는 정전용량형 센서로서,
기판상에 배치된 복수의 센서전극으로 이루어지는 센서전극군과,
상기 센서전극군의 주위의 적어도 일부에 상기 센서전극군을 끼우도록 각각 형성된 적어도 한쌍의 가드전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제1항에 있어서,
상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은, 각각 센서전위 또는 상기 센서전위와 동등한 가드전위가 부여되어 구동되고, 상기 적어도 한쌍의 가드전극은 상기 가드전위가 부여되어 구동되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제2항에 있어서,
상기 복수의 센서전극으로부터의 출력에 기초하여 상기 검지 대상물의 정전용량값을 검출하는 검출회로를 더 구비하고,
상기 검출회로는, 상기 복수의 센서전극에 부여하는 상기 센서전위 또는 상기 가드전위를 전환하는 전환수단과, 상기 전환수단을 통해 상기 복수의 센서전극에 상기 센서전위 또는 상기 가드전위를 부여하는 동시에, 상기 적어도 한쌍의 가드전극에 상기 가드전위를 부여하고, 각 센서전극에 의해 검지된 정전용량값을 검출하는 검출수단을 가지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제3항에 있어서,
상기 전환수단은 상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극 중 하나의 센서전극에 상기 센서전위가 부여되어 있을 때에는, 다른 센서전극에 상기 가드전위가 부여되도록 전환하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은, 직사각형 스트립(strip)형상으로 형성되어 그 짧은 길이방향을 따라 병설(竝設)된 상태로 상기 기판상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제5항에 있어서,
상기 적어도 한쌍의 가드전극은 상기 복수의 센서전극의 병설방향 양 외측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서전극군을 구성하는 복수의 센서전극은 직사각형 스트립형상으로 형성되어 일부가 그 짧은 길이방향을 따라 병설되는 동시에, 나머지가 상기 짧은 길이방향과 교차하는 방향으로 그 짧은 길이방향이 따르도록 병설된 상태로 상기 기판상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제7항에 있어서,
상기 가드전극은 적어도 2쌍 마련되고, 상기 복수의 센서전극의 일부의 병설방향 양 외측 및 다른 병설방향 양 외측 각각에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출수단은 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값을 상기 병설방향의 한쪽에서 다른쪽을 향해 순번대로 검출하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출수단은 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값을 각 센서전극에 할당한 전극번호순으로 검출하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출수단은 상기 복수의 센서전극으로부터의 정전용량값에 기초하여 검지 대상물의 표면형상을 검출하는 것을 특징으로 하는 정전용량 센서.
제11항에 있어서,
검지 대상물의 표면형상을 주사하는 방향을 따라, 적어도 3개의 센서전극을 병설한 센서전극군과,
상기 센서전극의 병설방향 양 외측에 마련한 한쌍의 가드전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 센서전극군은 복수의 센서전극을, 검지 대상물의 전체 길이의 적어도 1/2에 걸쳐 병설한 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.