JP4310695B2

JP4310695B2 - 静電容量変化検出装置

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Publication number: JP4310695B2
Application number: JP2004098667A
Authority: JP
Inventors: 恒井奈波; 耕平倉地; 陸生波多野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2024-03-30
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Description

本発明は、静電容量の変化を検出する静電容量変化検出装置に関する。

上記静電容量変化検出装置は、例えば自動車等の車両用ドアの開閉を制御するシステムにおける開錠（アンロック）操作のトリガ検出用に用いられる。具体的には、ユーザが車両に近づき、車両側とユーザの携帯機との間でＩＤコード照合が行われて車両側がアンロック許可モードに遷移したとき、ユーザが車両用ドアのアウトサイドハンドル内に設置されたアンロックセンサ（電極）に触れると、車両側はアンロックセンサ電極の静電容量の変化を検出してアンロック動作を実行する。則ち、上記静電容量検出装置は、ユーザからのアンロックの意思をアンロックセンサの出力（静電容量の変化）として検出する。

上記静電容量変化検出装置に関する一つの従来技術として、電子回路とこれに接続されたアンテナとにより、アンテナ周辺に電界或いは電磁界を発生させ、アンテナ周辺の電界或いは電磁界の変化により微小静電容量変化を検出する静電容量変化検出装置において、アンテナで受信した外部の電界或いは電磁界の信号に対してハイパスフィルタを通すことで、温度や湿度の変化による影響を回避するように構成したものがある。（特許文献１参照）

また、別の従来技術として、出願番号「特願２００３−３４１０６３」の明細書に記載された構成を有したものがある。前記明細書に記載の構成では、予め放電された既知の基準容量へ未知の被測定容量により繰り返し充電を行い、基準容量の両端電圧がある決まった電圧になるまでの充電回数を測定し、この充電回数が所定の閾値以上に減少すると、未知の被計測容量の増加として検出するものである。

米国特許第５７６４１４５号明細書

上記特許文献１に記載の技術では、ハイパスフィルタを設けることにより、温度変化や湿度変化などによる静電容量の変化を検出対象から除外するものである。すなわち、時間的な変化速度が所定値以下の容量変化を除外するものであり、変化量についての感度は変更されない。

また、特願２００３−３４１０６３の明細書に記載された技術では、周辺の環境により被測定容量が変化する（例えば被測定容量に接続されるワイヤハーネスに寄生する容量などが環境により変化する）ので、基準容量の両端電圧がある決まった電圧になるまでの充電回数も周辺の環境によって変化する。したがって、環境が異なる前後で同じ閾値により充電回数の判定を行うと、被測定容量の変化量が同一であっても判定結果が異なるといった事態が生じる。つまり、比測定容量の変化量についての感度が環境変化に依存してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、異なる周辺環境においても感度のばらつきの少ない状態で、基準容量に基づいて計測した被測定容量の相関値の変化により、被測定容量の容量変化を検出できる静電容量変化検出装置を提供することを目的としている。
また、上記目的に加えて、基準容量に基づいて計測した被測定容量の相関値の変化により、被測定容量の容量変化を検出する場合に、被測定容量の変化量についての感度を良好な状態に維持できる静電容量変化検出装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る静電容量変化検出装置の特徴構成は、静電容量が変化するセンサ電極を備え、第１所定時間おきに、前記センサ電極の静電容量を、所定の基準容量に基づいた相関値によって計測する電極容量計測手段を備えて、前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量の計測値が、この計測値が得られた計測時から前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第２所定時間前の計測時に得られた計測値よりも所定の閾値以上の変化をすると検出信号を発生する静電容量変化検出装置において、特定の対象物の有無によって生じる前記センサ電極の静電容量の特定の変化と同等の容量変化を前記センサ電極の静電容量に生じさせる所定の感度補償容量を備え、前記感度補償容量を前記センサ電極に接続した接続状態と、前記感度補償容量を前記センサ電極に接続していない非接続状態とに切り換え可能に構成し、前記第１所定時間おき、あるいは前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第３所定時間おきに、前記接続状態に切り換えた状態及び前記非接続状態に切り換えた状態で前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量を計測すると共に、前記接続状態に切り換えた状態及び前記非接続状態に切り換えた状態でそれぞれ計測した計測値の差を前記閾値として設定し、前記閾値を前記第３所定時間おきに更新する点にある。

このような特徴構成によると、センサ電極の静電容量変化を検出するのは、基準容量に基づく相関値が第２所定時間の間に所定の閾値以上の変化をした場合である。ある環境Ｗｆにおいて、電極容量計測手段により基準容量Ｃｓに基づいてセンサ電極容量Ｃｘを計測して得られる相関値はｆ_Cs（Ｃｘ）で表される。ここに、ｆ_CsはＣｘの関数であり、基準容量Ｃｓに依存する。すなわち、環境Ｗｆにおいてセンサ電極容量ＣｘがΔＣｘだけ変化した結果Ｃ＋ΔＣｘになると、電極容量計測手段による計測値はｆ_Cs（Ｃ＋ΔＣｘ）になる。センサ電極容量Ｃｘの変化後と変化前の両相関値の差ΔｆはΔｆ＝ｆ_Cs（Ｃｘ＋ΔＣｘ）―ｆ_Cs（Ｃｘ）で表される。第２所定時間を隔てた両相関値の差Δｆが所定の閾値Ｔｈ以上変化した場合、すなわち |Δｆ| ＞Ｔｈの場合に、センサ電極の静電容量が変化したと判定され検出信号が出力される。

一方、環境Ｗが変化して別の環境Ｗ´になると、図８に示すように、センサ電極容量ＣｘがＣｘ´に変化し、電極容量計測手段により計測して得られる基準容量Ｃｓに基づいた相関値は、ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ´）となる。そして、環境Ｗにおけるセンサ電極容量の変化と同一の容量変化ΔＣｘだけ環境Ｗ´においてセンサ電極容量が変化した場合の電極容量計測手段による計測値はｆ_Ｃｓ（Ｃｘ´＋ΔＣｘ）となる。したがって、環境Ｗ´においてセンサ電極容量がΔＣｘだけ変化した場合のセンサ電極容量Ｃｘの変化後と変化前との両相関値の差Δｆ´は、Δｆ´＝ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ´＋ΔＣｘ）―ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ´）となる。

以上のようにセンサ電極容量における同一の容量変化ΔＣｘであっても、環境Ｗと環境Ｗ´とでは、相関値の変化量がΔｆとΔｆ´とで異なる（図８中でΔｆとΔｆ´とが異なる）ことになる。したがって、相関値の変化量を共通の閾値Ｔｈで判定すると、同一の容量変化ΔＣｘに対して、環境によって異なる判定結果となる場合がある。要するに、判定結果が環境に依存してしまう。しかし、本発明の特徴構成である感度補償容量を用いて、閾値Ｔｈを更新することで、以下のような作用により、判定結果が環境に依存し難くなる。

感度補償容量は、特定の検出対象物により発生するセンサ電極容量の変化量と同等の変化量ΔＣｄをセンサ電極容量に生じさせるものである。この感度補償容量をセンサ電極に接続した接続状態と接続していない非接続状態とにおいて、電極容量計測手段により基準容量Ｃｓに基づいてセンサ電極容量を相関値によって計測する。両計測値の差をセンサ電極容量の変化を判定するための新たな閾値とし、第３所定時間おきに閾値を更新するので、計測時の環境に近い環境における同等容量変化ΔＣｄにより得られた相関値の差でセンサ電極の容量変化ΔＣｘによる相関値の変化量を判定できる。

このように、感度補償容量をセンサ電極に接続した接続状態と、接続していない非接続状態との、両計測値の差を閾値とし、第３所定時間おきに閾値を更新することにより、センサ電極容量の変化の検出における検出感度が環境に依存し難くなる。

したがって、異なる周辺環境においても感度のばらつきの少ない状態で、基準容量に基づいて計測した被測定容量の相関値の変化により、被測定容量の容量変化を検出できる静電容量変化検出装置が提供される。

また、別の特徴構成は、静電容量が変化するセンサ電極を備え、第１所定時間おきに、前記センサ電極の静電容量を、所定の基準容量に基づいた相関値によって計測する電極容量計測手段を備えて、前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量の計測値が、この計測値が得られた計測時から前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第２所定時間前の計測時に得られた計測値よりも所定の閾値以上の変化をすると検出信号を発生する静電容量変化検出装置において、前記計測時から前記第２所定時間前に計測した前記計測値に基づいて決定される値を前記閾値とする点にある。

上述したように、センサ電極容量Ｃｘを基準容量Ｃｓに基づいた相関値ｆＣｓ（Ｃｘ）により計測し、センサ電極の容量変化ΔＣｘを、基準容量Ｃｓに基づいた相関値の変化量で判定する場合に、センサ電極容量の容量変化ΔＣｘによる相関値の変化量は「ｆ_Cs（Ｃｘ＋ΔＣｘ）―ｆ_Cs（Ｃｘ）」である。環境Ｗｆにおいて、センサ電極容量Ｃｘの計測値が相関値ｆ_Cs（Ｃｘ）として得られた時点で、環境Ｗｆにおけるセンサ電極容量Ｃｘと基準容量Ｃｓとの相関関係が決定している。すなわち、関数ｆ_Csが一意に決定していると言える。したがって、センサ電極計測時の環境において特定対象物によるセンサ電極の容量変化ΔＣｔが生じたとしたときのセンサ電極容量の相関値ｆ_Cs（Ｃｘ＋ΔＣｔ）が予想できることになる。このように、特定検出対象による容量変化後のセンサ電極容量（Ｃｘ＋ΔＣｔ）の相関値ｆ_Cs（Ｃｘ＋ΔＣｔ）が予測できるので、相関値の変化量も予測することができる。したがって、本発明の上記特徴構成によると、第１所定時間毎に計測される相関値により予測される変化量に基づいて閾値を設定することで、第２所定時間前の相関値からの変化量を、第２所定時間前の環境における相関関係に基づいた閾値によって判定できる。したがって、計測時点の移行とともに、検出感度を追従させることができ、検出感度のばらつきを抑制することができる。

以上のように、異なる周辺環境においても感度のばらつきの少ない状態で、基準容量に基づいて計測した被測定容量の相関値の変化により、被測定容量の容量変化を検出できる静電容量変化検出装置が提供される。

更に他の特徴構成は、上記の特徴構成に加えて、前記基準容量の両端間に第１開閉スイッチを配置し、前記基準容量の一方端を第１の電位源に接続し、前記基準容量の他方端と前記センサ電極の一方端とを第２開閉スイッチを介して接続し、前記センサ電極の他方端を第２の電位源もしくは自由空間に接続し、前記センサ電極の両端間に第３開閉スイッチを配置するとともに、前記基準容量の他方端の電位を測定する電位測定手段と、前記第１開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第１スイッチ操作を行った後、前記第２開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第２スイッチ操作と前記第３開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第３スイッチ操作とを交互に繰り返すスイッチ制御を実行するスイッチ制御手段と、前記第２スイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウント手段とを設けて前記電極容量計測手段を構成し、前記電位測定手段によって測定される前記基準容量の他方端の電位が前記第１スイッチ操作後の初期電位から設定電位変化するまでに前記カウント手段によってカウントされた前記第２スイッチ操作の繰り返し回数を前記相関値として前記電極容量計測手段が計測するとともに、前記基準容量を変更する基準容量変更手段を備えている点にある。

すなわち、第１スイッチ操作では、第１開閉スイッチＳＷ１を閉状態にすることで一方端が第１の電位源Ｖ１に接続された基準容量Ｃｓの電荷を放電させ、基準容量Ｃｓの他方端の電位Ｖｘを第１の電位源Ｖ１の電位に等しい初期電位Ｖ１にする。次に、第２スイッチ操作と第３スイッチ操作とを交互に繰り返す（この操作は、どちらを先に行ってもよい）。第２スイッチ操作では、第２開閉スイッチＳＷ２を閉状態にすることで、基準容量Ｃｓとセンサ電極容量Ｃｘとを直列に接続して第１の電位源Ｖ１と第２の電位源Ｖ２もしくは自由空間の電位差（Ｖ１―Ｖ２）を印加し、基準容量Ｃｓとセンサ電極容量Ｃｘとを同時に充電させる。この充電により基準容量Ｃｓの両端間の充電電圧は、センサ電極容量Ｃｘと基準容量Ｃｓとの静電容量比に応じた電圧分増加し、基準容量Ｃｓの他方端の電位Ｖｘは初期電位Ｖ１から変化する。第３スイッチ操作では、第３開閉スイッチＳＷ３を閉状態にすることでセンサ電極容量Ｃｘの充電電荷を放電させる。以後、上記第２スイッチ操作と第３スイッチ操作との繰り返しにより、基準容量Ｃｓの両端間の充電電圧は次第に増加し（なお、増加量は次第に小さくなる）、基準容量Ｃｓの他方端の電位Ｖｘは初期電位Ｖ１から次第に減少変化するので、基準容量Ｃｓの他方端の電位Ｖｘが設定電位Ｖｒｅｆに達したときの第２スイッチ操作の繰り返し回数Ｎを求める。

ここで、上記第１から第３の一連のスイッチ操作により、基準容量Ｃｓの他方端の電位が初期電位Ｖ１から設定電位変化（Ｖ１−Ｖｒｅｆ）するまでの繰り返し回数Ｎを求める処理を、第１所定時間をおいて実施すると、第１所定時間間隔の前後でセンサ電極容量Ｃｘが変化しないときは、上記繰り返し回数Ｎは変化しないはずであり、一方、センサ電極容量が変化したときは、上記繰り返し回数Ｎが変化するので、上記繰り返し回数Ｎが変化しなければセンサ電極容量Ｃｘは変化せず、上記繰り返し回数Ｎが閾値Ｔｈ以上の変化をすればセンサ電極容量Ｃｘは変化したと判定する。

なお、基準容量Ｃｓの他方端の電位測定の基準となる基準容量Ｃｓの一方端の電位は第１の電位源Ｖ１に接続されていて安定状態にあり、また、基準容量Ｃｓの他方端は第２スイッチ操作による充電時のみセンサ電極容量Ｃｘに接続され、電位測定時はセンサ電極容量Ｃｘと接続されず高インピーダンス状態になるので、電位測定手段として例えばオペアンプやコンパレータ等の高インピーダンス入力の簡易な増幅器を使用して適切な電位測定が可能となる。

このように、センサ電極容量Ｃｘは基準容量Ｃｓの充電電圧が所定値に達するまでの第２スイッチ操作の繰り返し回数Ｎとして計測される。すなわち、センサ電極容量Ｃｘは基準容量Ｃｓに基づいた相関値ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ）として計測されることになる。

基準容量Ｃｓに基づくセンサ電極容量Ｃｘの相関値ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ）が第２スイッチ操作回数Ｎとして計測される場合は、相関値ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ）は不連続値である整数値をとる。したがって、センサ電極容量Ｃｘが特定検出対象物により変化してＣｘ＋ΔＣｘになっても、計測されるスイッチ操作回数が、センサ電極容量が変化する前の値と同じ値を示す場合がある。また、センサ電極容量Ｃｘが環境によって増大した結果、センサ電極容量の変化量ΔＣｘが相対的に小さな値となり、相関値の変化が微量になり、有効な閾値による判定が行われないといった場合がある。

先に述べたように、相関関数ｆ_Csは基準容量Ｃｓに依存した関数であるから、上記特徴構成である基準容量変更手段により基準容量ＣｓをＣｓ１からＣｓ２へ変更すると、図９に示すように、相関関数ｆ_Cs1をｇ_Cs2に変更することができる。したがって、センサ電極容量Ｃｘが特定検出対象物によりＣｘ＋ΔＣｘに変化した場合の相関値の変化量「ｆ_Cs1（Ｃｘ＋ΔＣｘ）―ｆ_Cs1（Ｃｘ）」を、「ｇ_Cs2（Ｃｘ＋ΔＣｘ）―ｇ_Cs2（Ｃｘ）」に変更（図９中のΔｆからΔｇに変更）することができるので、相関値の変化量が微小で有効な閾値による判定が行われない場合、或いは、相関値そのものが有効な大きさの値でない場合に、相関関数を変化させて、センサ電極容量の変化量ΔＣｘによる相関値の変化量を大きくすることで、有効な閾値の下で容量変化ΔＣｘの判定を行うことができる。これにより、センサ電極容量Ｃｘの容量変化の判定における感度低下を防止することができる。

以上のように、基準容量に基づいて計測した被測定容量の相関値の変化により被測定容量の容量変化を検出する場合に、被測定容量の変化量についての感度を良好な状態に維持できる静電容量変化検出装置が提供される。

以下に本発明に係る静電容量変化計測装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように静電容量変化計測装置に、基準容量Ｃｓの両端Ｐ１，Ｐ２間に第１開閉スイッチＳＷ１を配置し、前記基準容量Ｃｓの一方端Ｐ１を第１の電位源Ｖ１に接続し、前記基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２とセンサ電極容量Ｃｘの一方端Ｐ３とを第２開閉スイッチＳＷ２を介して接続し、前記センサ電極容量Ｃｘの他方端Ｐ４を第２の電位源Ｖ２もしくは自由空間に接続し、前記センサ電極容量Ｃｘの両端Ｐ３，Ｐ４間に第３開閉スイッチＳＷ３を配置し、基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖｘを測定する電位測定手段としてのコンパレータＣＭＰが設けられている。ここで、第１の電位源Ｖ１は定電圧回路１１の出力であり、第２の電位源Ｖ２は、接地部位（グランド）であり、自由空間はグランドと等価な低インピーダンスの電位である。また、コンパレータＣＭＰの＋端子に参照電圧Ｖｒｅｆが接続され、コンパレータＣＭＰの−端子に基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２が接続されている。

さらに、ハードロジック回路又はマイコン等を利用して構成される制御回路１２が設けられ、この制御回路１２には、コンパレータＣＭＰの出力信号Ｖｏｕｔが入力され、図示しない線路を介して前記各開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３に対する駆動信号が出力されている。

そして、上記制御回路１２内に、図２に示す波形のように、前記第１開閉スイッチＳＷ１を閉状態（図ではハイレベルＨで表わす）にしてから開状態（図ではローレベルＬで表わす）に戻す第１スイッチ操作を行った後、前記第２開閉スイッチＳＷ２を閉状態にしてから開状態に戻す第２スイッチ操作と前記第３開閉スイッチＳＷ３を閉状態にしてから開状態に戻す第３スイッチ操作とを交互に繰り返すスイッチ制御を実行するスイッチ制御手段１００と、前記第２スイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウント手段２００と、前記コンパレータＣＭＰによって測定される前記基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖｘが前記第１スイッチ操作後の初期電位Ｖ１から設定電位分変化するまでに前記カウント手段２００によってカウントされた前記第２スイッチ操作の繰り返し回数Ｎに基づいて、前記センサ電極容量Ｃｘの静電容量の変化ΔＣｘを判定する判定手段３００とが設けられている。

電極容量計測手段は上述の構成の一部として実現されており、電極容量計測手段の計測値がカウント手段２００のカウント値Ｎとなっている。すなわち、電極容量計測手段の計測値Ｎに基づいてセンサ電極容量Ｃｘの静電容量の変化ΔＣｘを判定手段３００が判定する。

ここで、基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の初期電位は第１の電位源Ｖ１の電位であり、前記参照電圧Ｖｒｅｆは、この初期電位Ｖ１よりも設定電位分だけ小さい値に設定されている（設定電位＝Ｖ１−Ｖｒｅｆ）ので、コンパレータＣＭＰの出力信号Ｖｏｕｔは、第１スイッチ操作後、ローレベルＬとなる。そして、第２スイッチ操作と第３スイッチ操作の繰り返しによって、基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位が初期電位Ｖ１から設定電位（Ｖ１−Ｖｒｅｆ）分低下し、参照電圧Ｖｒｅｆを下回った時点でコンパレータＣＭＰの出力信号ＶｏｕｔはローレベルＬからハイレベルＨに変化するので、このコンパレータＣＭＰの出力信号Ｖｏｕｔの変化時点でのカウント手段２００のカウント値を保持する。電極容量計測手段により実施される上述の処理は、図３に示した電極容量計測処理４０１により制御される。

以下、所定時間Ｔ１毎に、電極容量計測手段により図２に示した処理が実施され、判定手段３００が、コンパレータＣＭＰの出力信号ＶｏｕｔがローレベルＬからハイレベルＨに変化した時点での電極容量計測手段の計測値であるカウント値Ｎを保持して、所定計測回数前の計測値との差をカウント値Ｎの変動ΔＮとして、変動の大きさ｜ΔＮ｜が検出誤差を考慮した所定の閾値Ｔｈ未満であればセンサ電極容量Ｃｘの静電容量は変化していないと判定し、カウント値Ｎの変動の大きさ｜ΔＮ｜が閾値Ｔｈ以上の変化をしていればセンサ電極容量Ｃｘの静電容量は変化したと判定し、制御装置１２は検出信号を外部に発信する。

制御回路１２において所定時間Ｔ１毎に実行されるセンサ電極容量変化検出処理の処理内容を図７に示したフローチャートに基づいて説明する。図７からもわかるように、制御回路１２で実行される電極容量検出処理４０１は、センサ電極容量変化検出処理毎に、すなわち、所定時間Ｔ１毎に実行されるので、所定時間Ｔ１はセンサ電極容量Ｃｘの計測周期であると同時に、センサ電極容量Ｃｘの容量変化ΔＣｘの判定周期でもある。

計測周期Ｔ１毎に電極計測処理４０１が実行され、電極容量計測手段によりセンサ電極容量Ｃｘの基準容量Ｃｓに基づいた相関値、すなわち第２スイッチ操作の繰り返し操作回数Ｎが計測される。図４に示す判定処理３０１により、計測値Ｎの変動ΔＮに基づいて電極容量変化ΔＣｘが判定される。カウント値Ｎの変動ΔＮは、図５に示すように計測時ｔ１のカウント値Ｎ_ｔ１と所定時間Ｔ２前の時点ｔ２での計測値Ｎ_ｔ２との差を採用し、ΔＮ＝Ｎ_ｔ１−Ｎ_ｔ２としているので、特定の検出対称物による容量変化ΔＣｘが生じる時間間隔に比べて十分短い時間に生じる同等以上の容量変化を検出対象外とすることができる。例えば、人がセンサ電極に触れて生じるセンサ電極容量は検出するが、雨滴の付着によるセンサ電極容量の変化は検出しないようにすることができる。

判定処理３０１を実行した後に、後述の感度更正処理５０１により、次回の判定処理３０１で参照される閾値Ｔｈが更新される。その後、計測値Ｎ或いは計測値Ｎの変動の大きさ｜ΔＮ｜のいずれかがそれぞれの下限値Ｎｍｉｎ，ΔＮｍｉｎより小さい場合は、後述の基準容量増加処理６０１が実行される。基準容量増加処理６０１により変更された基準容量に基づいた計測値Ｎ或いは計測値Ｎの変動の大きさ｜ΔＮ｜のいずれかがそれぞれの上限値Ｎｍａｘ，ΔＮｍａｘより大きい場合は、基準容量を初期化する後述の基準容量初期化処理６０２が実行される。以下に感度更正手段５００及び基準容量変更手段６００について説明する。

電極容量計測手段の計測値であるカウント値Ｎは、計測時の環境におけるＣｘに依存して変化する。第２スイッチ操作と第３スイッチ操作との繰り返しによって、基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖｘが初期電位Ｖ１から基準容量Ｃｓの充電進行に伴って低下する。ｎ回目の第２スイッチ操作完了時点での基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖ_ｎがｎ＋１回目にＶ_ｎ＋１に変化するとした場合に、ｎ回目の第２スイッチ操作完了時点で基準容量Ｃｓに充電されている電荷量にｎ＋１回目に新たに充電される電荷量を加えた増加後の電荷量により、Ｐ２の電位ＶｘがＶ_ｎ＋１を示すことから、

Ｃｘ・Ｖ_ｎ＋１＋Ｃｓ・（Ｖ１−Ｖ_ｎ）＝Ｃｓ・（Ｖ１−Ｖ_ｎ＋１）・・・（式１）という関係が成り立つ。これを変形してＶ_ｎ＋１とＶ_ｎの関係を求めると

Ｖ_ｎ＋１＝Ｖ_ｎ・Ｃｓ／（Ｃｘ＋Ｃｓ）・・・（式２）が得られる。１回目の第２スイッチ操作完了時点のＶｘ即ちＶ_１は、Ｖ_１＝Ｖ１・Ｃｓ／（Ｃｘ＋Ｃｓ）であるから、上式よりｎ回目の第２スイッチ操作完了時点での基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖ_ｎは以下の式で表される。

Ｖ_ｎ＝Ｖ１・（Ｃｓ／（Ｃｘ＋Ｃｓ））^ｎ・・・（式３）ただし、厳密にはＣｘに生じるリーク電流やセンサ電極に至る線路に存在する浮遊容量などを考慮しなければならないが、ここでは、少なくとも、（式３）によるとＶ_ｎはＣｘ／Ｃｓをファクターに持っていると言える。また、（式３）によれば、第２スイッチ操作の繰り返しが進行すると基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２の電位Ｖｘの第２スイッチ操作１回当たりの電位低下量｜Ｖ_ｎ＋１−Ｖ_ｎ｜は徐々に縮小変化していくことがわかる。

電極容量計測手段の計測値であるカウント手段２００のカウント値ＮはＶ_ｎがＶｒｅｆを初めて下回るときのｎの値であり、これは（式３）によるとＣｘ／Ｃｓをファクターに持っていることになる。したがって、図８に示すように環境Ｗが変化することでＣｘが変化すると、同一のセンサ電極容量変化ΔＣｘであっても、Ｎの値は変化し、或る環境Ｗの下では、電極容量計測手段による容量変化ΔＣｘの計測値がＮであっても、異なる環境Ｗ´では容量変化ΔＣｘの計測値がＮ´になり、環境Ｗ及びＷ´のいずれにおいても判定手段３００が閾値Ｔｈに基づいて電極容量計測手段の計測結果を判定すると判定結果に違いが生じることがある。

このように環境Ｗの変化によりセンサ電極容量Ｃｘが変化してＣｘ´になっても、変化した環境Ｗ´おけるセンサ電極容量Ｃｘ´の容量変化ΔＣｘを確実に検出するため、本実施形態の静電容量変化検出装置１０では、計測時点での環境Ｗにおけるセンサ電極容量Ｃｘの計測値Ｎを判定する際に参照する閾値Ｔｈを、所定時間Ｔ３おきに感度更正手段５００により適正な値に更正している。感度更正手段５００は、特定検出対象である容量変化（例えば人の接触によるもの）と同等の容量変化ΔＣｄをセンサ電極容量Ｃｘに生じさせ、この時の計測値Ｎの変動ΔＮｄの大きさ｜ΔＮｄ｜を判定手段３００が参照する閾値Ｔｈとして更新する。

感度更正手段５００は、図１に示すように、一端を第２の電位源Ｖ２に接続した感度補償容量ΔＣｄと、感度補償容量ΔＣｄの両端をセンサ電極容量Ｃｘに並列に接続する第４開閉スイッチＳＷ４と、制御回路１２で実行される図６に示す感度更正処理５０１とで構成されている。

図６に示すように、感度更正処理５０１では、まず、第４開閉スイッチＳＷ４を閉じてセンサ電極容量Ｃｘに対して感度補償容量ΔＣｄを並列に接続した接続状態において、センサ電極容量（Ｃｘ＋ΔＣｄ）を電極容量計測手段により計測し、計測値Ｎｄを格納する。この計測結果Ｎｄと、直前の非接続状態でのセンサ電極容量Ｃｘの計測結果Ｎとの差｜ΔＮｄ｜を、新たな閾値Ｔｈに設定して、次回の判定時に参照する閾値Ｔｈを更新する。

図７に示すフローチャートによると、計測周期Ｔ１毎に行われるセンサ電極容量の計測の度に感度更正処理５０１が実行されるので、感度更正処理５０１による閾値Ｔｈの更新周期Ｔ３は、センサ電極計測周期Ｔ１と同じ周期となるが、複数回のセンサ電極計測を行う間に一回の頻度で感度更正処理５０１を実行してもよい。この場合、閾値更新の周期Ｔ３を環境変化の周期に比べて十分短くしておくことで、閾値Ｔｈが変更されるまでの環境変化による計測値への影響は、殆どないものと看做すことができる。

前述の（式３）によると、図８に示すように、環境変化によりセンサ電極容量Ｃｘが変化して、容量変化ΔＣｘの基準容量Ｃｓに基づく相関値の差が所定の値以下になってしまう場合がある。例えば、環境Ｗではセンサ電極容量ＣｘとＣｘ＋ΔＣｘとの電極容量計測手段の計測値の差｜ΔＮ｜が５０であったものが、環境Ｗ´ではＣｘ´とＣｘ´＋ΔＣｘとの計測値の差｜ΔＮ´｜が１０になってしまい、上述の感度更正手段５００により環境Ｗ´における閾値Ｔｈが更新はされるが、その閾値Ｔｈに基づいて、回数変化｜ΔＮ｜が小さい値の範囲において検出と非検出とが判定されるので、良好な検出感度とは言えない。

同様に、環境によってセンサ電極容量Ｃｘが大きくなって、基準容量Ｃｓに基づいた相関値として有効な大きさの値が得られない場合がある。例えば、環境Ｗにおけるセンサ電極容量Ｃｘの計測値がＮ＝１０００であり、検出対象物による容量変化後のセンサ電極容量Ｃｘ＋ΔＣｘの計測値がＮ＝１０５０であったとして、環境がＷ´になったときのそれぞれが、Ｎ´＝３００、Ｎ´＝３０５になってしまうような場合である。

これらの場合はいずれも、Ｃｘの容量増加に起因するものであり、Ｃｘが増加して本来検出すべき容量変化ΔＣｘが相対的に微小になり低感度状態に陥った状態である。本実施形態では、これらの場合に備えて、検出感度が回復できるように基準容量Ｃｓを変更する基準容量変更手段６００を設けてある。

基準容量変更手段６００は、図１に示すように、一方端を第１の電位源Ｖ１に第５開閉スイッチＳＷ５を介して接続し、他方端を基準容量Ｃｓの他方端Ｐ２に接続した付加基準容量Ｃｏｐと、制御回路１２で実行される基準容量増加処理６０１及び基準容量初期化処理６０２とで構成されている。センサ電極計測周期Ｔ１毎に、電極容量計測手段の計測値Ｎの値或いは計測値Ｎの差｜ΔＮ｜の値のいずれかがそれぞれの下限値Ｎｍｉｎ，ΔＮｍｉｎより小さい場合に基準容量増加処理６０１が実行され、第５開閉スイッチＳＷ５が閉じ操作される。また、変更後の基準容量（Ｃｓ＋Ｃｏｐ）に基づいた計測値Ｎの値或いは計測値Ｎの差｜ΔＮ｜の値のいずれかがそれぞれの上限値Ｎｍａｘ，ΔＮｍａｘより大きい場合は、基準容量を初期化する基準容量初期化処理６０２が実行される。

基準容量増加処理６０１は、制御回路１２の制御信号により、第５開閉スイッチＳＷ５を閉じ操作し、付加基準容量Ｃｏｐを基準容量Ｃｓに並列に接続した増加基準容量状態を現出する。また、基準容量初期化処理６０２は、制御回路１２の制御信号により、第４開閉スイッチＳＷ４を開操作することで付加基準容量Ｃｏｐを基準容量Ｃｓに接続しない初期基準容量状態を現出する。

センサ電極容量Ｃｘの計測値Ｎや計測値Ｎの差｜ΔＮ｜が上述のような状態になった場合に、基準容量変更手段により基準容量Ｃｓに負荷基準容量Ｃｏｐを接続して、基準容量を大きくすることで、（式３）で示されるＣｓが大きくなるので、センサ電極容量Ｃｘを計測した場合に有効なカウント回数Ｎが得られると伴に、検出対象物によりセンサ電極容量がＣｘ＋ΔＣｘに変化した場合に得られる計測値Ｎの差｜ΔＮ｜も有効な大きさの閾値Ｔｈにより判定されるため、静電容量変化検出装置の検出感度が安定する。

〔発明の実施の別形態〕
前述の実施形態における感度更正手段５００としては、以下の実施形態のように構成してもよい。すなわち、非検出時のセンサ電極容量の計測結果Ｎに基づいて算出される値により閾値Ｔｈを更新するものである。

ある環境Ｗで計測されるセンサ電極容量Ｃｘの計測値Ｎは、上述の（式３）によると基準容量Ｃｓに依存する所定の関数で表させるから、Ｎ＝ｈ_Ｃｓ（Ｃｘ）で表される。したがって、環境Ｗにおけるセンサ電極容量Ｃｘの値は、計測結果Ｎから対応する逆関数によりＣｘ＝ｈ^−１ _Ｃｓ（Ｎ）として表され、ＣｘがＣｘ＋ΔＣｘに変化した場合の計測値ｆ_Ｃｓ（Ｃｘ＋ΔＣｘ）が予想できることになる。よって、検出したい特定の容量変化値以上の容量変化を検出するために適切な閾値Ｔｈを決定することができる。このようにして、計測値Ｎに基づいて決定される値を閾値として更新することで、計測時点のセンサ電極容量Ｃｘに容量変化ΔＣｘが生じた場合に、適切な閾値で容量変化の判定を行うことができる。

なお、所定時間Ｔ３毎に閾値Ｔｈを更新する場合は、所定時間Ｔ３を環境の影響が無視できる程度の時間にすると、計測値の変化を適切な閾値Ｔｈで判定することができる。また、適切な閾値Ｔｈを得るための演算処理をせず、所定の段階ごとに区分した計測値に対応する閾値を予め記憶装置などにテーブルとして保存しておき、計測値を取得した時点でテーブルを参照して閾値の更新を行うようにしてもよい。

静電容量変化検出装置の回路構成図図１の回路の動作波形図静電容量計測処理のフローチャート判定処理のフローチャート電極容量計測周期毎の計測結果の模式図感度更正処理のフローチャートセンサ電極容量変化検出処理のフローチャート異なる環境における電極容量の変化と相関値の変動の変化とを示す図異なる基準容量に基づく電極容量の変化による相関値の変動を示す図

符号の説明

Ｔ１第１所定時間
Ｔ２第２所定時間
Ｔ３第３所定時間
Ｃｓ基準容量
Ｃｘセンサ電極の静電容量
ΔＣｄ感度補償容量
Ｔｈ閾値
Ｎ相関値，第２スイッチ操作の繰り返し回数
Ｎｔ１計測値
Ｎｔ２第２所定時間前に得られた計測値
Ｎｄ感度補償容量を接続した状態での計測値
｜ΔＮｄ｜差
ＳＷ１第１開閉スイッチ
ＳＷ２第２開閉スイッチ
ＳＷ３第３開閉スイッチ
Ｖ１第１の電位源
Ｖ２第２の電位源
ＣＭＰ電位測定手段
１００スイッチ制御手段
２００カウント手段
６００基準容量変更手段

Claims

静電容量が変化するセンサ電極を備え、
第１所定時間おきに、前記センサ電極の静電容量を、所定の基準容量に基づいた相関値によって計測する電極容量計測手段を備えて、
前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量の計測値が、この計測値が得られた計測時から前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第２所定時間前の計測時に得られた計測値よりも所定の閾値以上の変化をすると検出信号を発生する静電容量変化検出装置であって、
特定の対象物の有無によって生じる前記センサ電極の静電容量の特定の変化と同等の容量変化を前記センサ電極の静電容量に生じさせる所定の感度補償容量を備え、
前記感度補償容量を前記センサ電極に接続した接続状態と、
前記感度補償容量を前記センサ電極に接続していない非接続状態とに切り換え可能に構成し、
前記第１所定時間おき、あるいは前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第３所定時間おきに、前記接続状態に切り換えた状態及び前記非接続状態に切り換えた状態で前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量を計測すると共に、前記接続状態に切り換えた状態及び前記非接続状態に切り換えた状態でそれぞれ計測した計測値の差を前記閾値として設定し、前記閾値を前記第３所定時間おきに更新する静電容量変化検出装置。
静電容量が変化するセンサ電極を備え、
第１所定時間おきに、前記センサ電極の静電容量を、所定の基準容量に基づいた相関値によって計測する電極容量計測手段を備えて、
前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量の計測値が、この計測値が得られた計測時から前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第２所定時間前の計測時に得られた計測値よりも所定の閾値以上の変化をすると検出信号を発生する静電容量変化検出装置であって、
特定の対象物の有無によって生じる前記センサ電極の静電容量の特定の変化と同等の容量変化を前記センサ電極の静電容量に生じさせる所定の感度補償容量を備え、
前記感度補償容量を前記センサ電極に接続した接続状態と、
前記感度補償容量を前記センサ電極に接続していない非接続状態とに切り換え可能に構成し、
前記第１所定時間おき、あるいは前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第３所定時間おきに、前記非接続状態に切り換えた状態で前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量を計測した後に、前記接続状態に切り換えた状態で前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量を計測し、前記非接続状態に切り換えた状態及び前記接続状態に切り換えた状態でそれぞれ計測した計測値の差を前記閾値として設定し、前記閾値を前記第３所定時間おきに更新する静電容量変化検出装置。
静電容量が変化するセンサ電極を備え、
第１所定時間おきに、前記センサ電極の静電容量を、所定の基準容量に基づいた相関値によって計測する電極容量計測手段を備えて、
前記電極容量計測手段による前記センサ電極の静電容量の計測値が、この計測値が得られた計測時から前記第１所定時間の正の整数倍に相当する第２所定時間前の計測時に得られた計測値よりも所定の閾値以上の変化をすると検出信号を発生する静電容量変化検出装置であって、
前記計測時から前記第２所定時間前に計測した前記計測値に基づいて決定される値を前記閾値とする静電容量変化検出装置。
前記基準容量の両端間に第１開閉スイッチを配置し、
前記基準容量の一方端を第１の電位源に接続し、
前記基準容量の他方端と前記センサ電極の一方端とを第２開閉スイッチを介して接続し、
前記センサ電極の他方端を第２の電位源もしくは自由空間に接続し、
前記センサ電極の両端間に第３開閉スイッチを配置するとともに、
前記基準容量の他方端の電位を測定する電位測定手段と、
前記第１開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第１スイッチ操作を行った後、前記第２開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第２スイッチ操作と前記第３開閉スイッチを閉状態にしてから開状態に戻す第３スイッチ操作とを交互に繰り返すスイッチ制御を実行するスイッチ制御手段と、
前記第２スイッチ操作の繰り返し回数をカウントするカウント手段と
を設けて前記電極容量計測手段を構成し、
前記電位測定手段によって測定される前記基準容量の他方端の電位が前記第１スイッチ操作後の初期電位から設定電位変化するまでに前記カウント手段によってカウントされた前記第２スイッチ操作の繰り返し回数を前記相関値として前記電極容量計測手段が計測するとともに、
前記基準容量を変更する基準容量変更手段を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の静電容量変化検出装置。
前記第３所定時間は、前記第２所定時間よりも少なくとも短く設定されてある請求項１又は２に記載の静電容量変化検出装置。