JP4888743B2 - 静電容量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、未知の被測定容量を検出する静電容量検出装置に関する。

利用者が携帯する携帯機と車両側の本体機との間で通信を行い、当該携帯機の認証を行って、自動的にドアの解錠や施錠を行うように制御するロッキングシステム（スマートエントリーシステム）が知られている。特開２００７−２５４９９５号公報（特許文献１）には、車載機と携帯機との間で携帯機の認証を行った後、ドアに配接されたドアハンドルへ利用者が触れるなど、利用者によるドアハンドルへの操作を検出してドアの施解錠を行う車両用のドアハンドルの技術が記載されている。ドアハンドルには、人の手が当該ドアハンドルに接近又は接触したことを検出する静電容量検出装置などが内蔵されている。

静電容量検出装置は、例えば、特開２００５−１０６６６５号公報（特許文献２）に記載されたようなスイッチトキャパシタ方式によって構成される。ここで、被測定容量と基準容量との間に設けられたスイッチを閉状態とする時間は、当該スイッチのオン抵抗と被測定容量の積で表される時定数の数倍に設定される。これにより、高湿度環境下や静電容量検出装置の表面に水適が付いた状態など、被測定容量にリーク抵抗が存在した場合の感度低下が低減される。

特開２００７−２５４９９５号公報（第１３〜１８段落等） 特開２００５−１０６６６５号公報（第３２〜３７段落等）

特許文献２の静電容量検出装置は、被測定容量にリーク抵抗が存在した場合の感度低下の影響を軽減することが可能な優れたものである。しかし、被測定容量に水などが付着した瞬間には、人が触れたことと、水などが付着したこととの区別ができない可能性がある。例えば、特許文献１のようなロッキングシステムのドアハンドルに搭載された静電容量検出装置では、降雨や洗車などによって水が掛かった際に、ユーザーの施解錠の意志とは無関係にドアが施解錠されてしまう可能性がある。

上記課題に鑑み、水滴などの外部要因と人為的操作とによる静電容量の変化を良好に区別して、当該人為的操作があったことを簡素な構成で検出可能な静電容量検出装置が望まれる。

上記課題に鑑みて創案された本発明に係る静電容量検出装置の特徴構成は、
一方端が第１の電位源に接続された基準容量の両端間に配置された第１スイッチと、
一方端が第２の電位源もしくは自由空間に接続された被測定容量の他方端と前記基準容量の他方端との間に配置された第２スイッチと、
前記被測定容量の両端間に配置された第３スイッチと、
前記第１スイッチを閉状態にしてから初期化時間経過後に開状態に戻す第１スイッチ操作を行った後、前記第２スイッチを閉状態にしてから第１充電時間経過後に開状態に戻す第２スイッチ操作と前記第３スイッチを閉状態にしてから第１放電時間経過後に開状態に戻す第３スイッチ操作とを交互に繰り返す第１スイッチング制御と、前記第１スイッチ操作を行った後、前記第１充電時間とは異なる第２充電時間による前記第２スイッチ操作と第２放電時間による前記第３スイッチ操作とを交互に繰り返す第２スイッチング制御とを交互に繰り返し実行するスイッチ制御部と、
前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御によって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所定の設定電位まで変化したか否かを判定する電位判定部と、
前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御によって前記基準容量の他方端の電位が前記設定電位まで変化するまでの前記第２スイッチ操作の繰り返し回数をそれぞれカウントするカウント部と、
前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御の少なくとも一方においてカウントされた前記繰り返し回数に基づいて、前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると共に、前記第１スイッチング制御における前記繰り返し回数と前記第２スイッチング制御における前記繰り返し回数とに基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する出力判定部と、を備える点にある。

発明者らは、当該静電容量検出装置が搭載される装置に対して、人が接触や接近した場合と水滴などが付着した場合となどの異なる事象が生じた時、被測定容量が異なる時定数で変化することに着目し、第２スイッチの閉時間を２種類設定した。本特徴構成によれば、第２スイッチの２種類の閉時間に対応して、２種類のスイッチング制御が実行され、第２スイッチ操作の繰り返し回数がそれぞれカウントされる。例えば、上記時定数が短い場合には、第２スイッチの閉時間に拘わらず、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数は同等となる。一方、上記時定数が長い場合には、第２スイッチの閉時間に応じて、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数が異なる可能性が高くなる。従って、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数を比較することによって、どのような事象が生じたのかを良好に判定することができる。また、繰り返し回数に基づいて、被測定容量に変化が生じたか否かを判定することができる。従って、本特徴構成によれば、被測定容量に変化が生じたか否かが判定できると共に、変化を生じさせた事象が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定することができる。その結果、水滴などの外部要因と人為的操作とによる静電容量の変化を良好に区別して、当該人為的操作があったことを簡素な構成で検出可能な静電容量検出装置が提供される。

ここで、前記第１放電時間は前記第１充電時間以上の時間に設定され、前記第２放電時間は前記第２充電時間以上の時間に設定されると好適である。

第１放電時間が第１充電時間以上の時間に設定され、第２放電時間が第２充電時間以上の時間に設定されると、被測定容量に残存容量がなくなり、第２スイッチ操作において毎回正確な充電が行われる。その結果、精度の高い静電容量検出装置が得られる。

ここで、さらに、繰り返し実行される前記第１スイッチング制御と前記第２スイッチング制御とのそれぞれにおける前記第２スイッチ操作の繰り返し回数の前回との差を変化量として演算する変化量演算部を備え、
前記出力判定部が、前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御の少なくとも一方の前記変化量に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると共に、前記第１スイッチング制御における前記変化量と前記第２スイッチング制御における前記変化量とに基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定すると好適である。

変化量演算部により、繰り返し実行される第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とのそれぞれにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数の前回との差が変化量として演算される。上述したように、出力判定部は、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とのそれぞれにおける繰り返し回数の少なくとも一方に基づいて、被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定する。但し、これらの繰り返し回数は環境温度などの影響を受ける。これに対して変化量は、環境温度などの周囲環境がほぼ同一の条件下における繰り返し回数の差であるから、周囲環境の影響をほぼ無視することができる。従って、出力判定部が、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とのそれぞれにおける変化量の少なくとも一方に基づいて被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると高い精度の判定が可能となる。同様に、どのような事象が生じたのかについての判定も、精度良く実施することが可能となる。

ここで、前記出力判定部は、前記第１充電時間と前記第２充電時間との内、短い充電時間により前記第２スイッチ操作が行われる方の前記変化量に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると好適である。

時定数が長い事象が生じた時の単位時間当たりの静電容量の変化は、時定数が短い事象が生じた時に比べて小さくなる。つまり、第１及び第２充電時間当たりの静電容量の変化は、時定数が短い事象が生じた時に比べて時定数が長い事象が生じた時の方が小さい。このため、時定数が長い事象が生じた時には、第２スイッチ操作の繰り返し回数の変化量も少なくなる。第２スイッチの閉時間である充電時間が短ければ、時定数が長い事象の場合には、静電容量の変化がさらに少なくなり、第２スイッチ操作の繰り返し回数の変化量も少なくなる。従って、短い充電時間により第２スイッチ操作が行われる方の変化量に基づいて被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定することで、時定数が長い事象が発生した場合には、未検出として扱うことが可能となる。例えば、当該静電容量検出装置が搭載される装置に対して、人が接触や接近した場合と水滴などが付着した場合とでは、水滴などが付着した場合に時定数が長くなる。つまり、時定数が長い事象が発生した場合には水滴などである可能性が高いので、事象の判別を実施することと合わせて、静電容量の変化の有無の判定基準を厳しくすることによって、事象の検出精度を向上させることが可能となる。

また、前記出力判定部は、前記第１スイッチング制御における前記変化量と前記第２スイッチング制御における前記変化量との比又は差に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定すると好適である。

上述したように、出力判定部は、第１スイッチング制御と第２スイッチング制御とにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数やその変化量を比較することによって、どのような事象が生じたのかを良好に判定することができる。比較の方法として、差を用いることによって、簡単な判定が可能となる。また、比較の方法として、比を用いることによって、環境変化に対する耐力が高くなり、精度のよい判定が可能となる。

本発明に係る静電容量検出装置の一例を模式的に示す回路構成図 静電容量検出装置の動作例を模式的に示すタイミングチャート 静電容量検出装置の動作手順例を模式的に示すフローチャート 人が触れた際の静電容量検出装置の等価回路例を模式的に示す図 水滴が付いた際の静電容量検出装置の等価回路例を模式的に示す図 人が触れた際と水滴が付いた際との容量変化の違いを説明する図 スイッチングタイミングの制御方法の一例を示すタイミングチャート

以下、本発明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、本発明に係る静電容量検出装置は、基準容量Ｃｓと、被測定容量Ｃｘ１と、３つのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３とを有するスイッチトキャパシタ方式により静電容量を検出する。第１スイッチＳ１は、一方端（Ｔ１）が第１の電位源（Ｖ１）に接続された基準容量Ｃｓの両端間（Ｔ１−Ｔ２間）に配置される。第２スイッチＳ２は、一方端（Ｔ４）が第２の電位源（Ｖ２）もしくは自由空間に接続された被測定容量Ｃｘ１の他方端（Ｔ３）と基準容量Ｃｓの他方端（Ｔ２）との間に配置される。第３スイッチＳ３は、被測定容量Ｃｘ１の両端間（Ｔ３−Ｔ４間）に配置される。

基準容量Ｃｓの他方端（Ｔ２）は、演算増幅器によって構成されるコンパレータ７の反転入力端子に接続される。コンパレータ７の非反転入力端子には、所定の設定電位Ｖｒｅｆが接続されている。コンパレータ７は、基準容量Ｃｓの他方端（Ｔ２）の電位が初期電位から所定の設定電位Ｖｒｅｆまで変化した際に、電位判定信号Ｖｏｕｔをハイレベルで出力する。後述するように、初期電位は、第１の電位源Ｖ１である。コンパレータ７は、本発明の電位判定部に相当する。

３つのスイッチＳ１〜Ｓ３は、図１に示すように、制御回路１０によって開閉制御される。制御回路１０は、マイクロコンピュータやＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などの論理回路などによって構成される。本実施形態では、１つの好適な構成として、マイクロコンピュータを中核として制御回路１０が構成される形態を例示している。ここでは、ＣＰＵ１１と、プログラムメモリ１２と、ワークメモリ（ワークレジスタ）１３と、パラメータメモリ（パラメータレジスタ）１４とを例示しているが、その他不図示の周辺回路なども制御回路１０に含まれる。また、ＣＰＵ１１、プログラムメモリ１２、ワークメモリ（ワークレジスタ）１３、パラメータメモリ（パラメータレジスタ）１４は、当然１つのマイクロコンピュータに集積されていてもよい。

制御回路１０において、ＣＰＵ１１などのハードウェアと、プログラムメモリ１２やパラメータメモリ１４などに格納されたソフトウェアとの協働により、種々の機能部が実現される。本実施形態においては、制御回路１０は、スイッチ制御部１と、カウント部２と、出力判定部３と、変化量演算部４との各機能部を備えて構成される。

スイッチ制御部１は、図２に示す第１スイッチング制御ＰＨ１と、第２スイッチング制御ＰＨ２とを交互に繰り返し実行する。第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２は、後述する第１スイッチ操作を行った後、後述する第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制御である。第１スイッチ操作は、図２に示すように第１スイッチＳ１を閉状態にしてから初期化時間Ｔ１０経過後に開状態に戻す処理であり、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２において同様の処理である。第２スイッチ操作及び第３スイッチ操作に関しては、後述するように、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２において、閉時間に違いがある。

図２に示すように、第１スイッチング制御ＰＨ１において、第２スイッチ操作は、第２スイッチＳ２を閉状態にしてから第１充電時間Ｔ２１経過後に開状態に戻す処理である。第１スイッチング制御ＰＨ１において、第３スイッチ操作は、第３スイッチＳ３を閉状態にしてから第１放電時間Ｔ３１経過後に開状態に戻す処理である。第２スイッチング制御ＰＨ２において、第２スイッチ操作は、第１充電時間Ｔ２１とは異なる第２充電時間Ｔ２２により実施される。第２スイッチング制御ＰＨ２において、第３スイッチ操作は、第３スイッチＳ３を閉状態にしてから第２放電時間Ｔ３２経過後に開状態に戻す処理である。第１放電時間Ｔ３１及び第２放電時間Ｔ３２は、被測定容量Ｃｘ１が充分に放電可能な時間であれば、同じ時間でもよいし、異なる時間でもよい。第１放電時間Ｔ３１が第１充電時間２１以上の時間に設定され、第２放電時間Ｔ３２が第２充電時間Ｔ２２以上の時間に設定されると被測定容量Ｃｘ１が確実に放電されて好適である。本実施形態では、第１充電時間Ｔ２１は第２充電時間Ｔ２２よりも長い時間であり、第１放電時間Ｔ３１は第２放電時間Ｔ３２よりも長い時間である。制御を容易にするために、第１充電時間Ｔ２１と第１放電時間Ｔ３１とを同じ長さの時間とし、第２充電時間Ｔ２２と第２放電時間Ｔ３２とを同じ長さの時間にしてもよい。この場合も、第１放電時間Ｔ３１は第１充電時間２１以上の時間であり、第２放電時間Ｔ３２は第２充電時間Ｔ２２以上の時間であるので被測定容量Ｃｘ１は良好に放電される。

図２に示すように、第１スイッチＳ１を閉状態にしてから初期化時間Ｔ１０経過後に開状態に戻す第１スイッチ操作により、基準容量Ｃｓの端子Ｔ２の電位は、初期電位である第１の電位源Ｖ１の電位となる。第１スイッチ操作の後、第２スイッチ操作と第３スイッチ操作とが交互に繰り返されることによって、端子Ｔ２の電位は低下していく。端子Ｔ２の電位が設定電位Ｖｒｅｆまで変化すると、コンパレータ７から電位判定信号Ｖｏｕｔが出力され、制御回路１０はこの電位判定信号Ｖｏｕｔを受け取る。制御回路１０は、第１スイッチ操作から、電位判定信号Ｖｏｕｔを受け取るまでの期間を特定することができる。カウント部２は、基準容量Ｃｓの端子Ｔ２の電位が初期電位から設定電位Ｖｒｅｆまで変化する間の第２スイッチ操作の繰り返し回数（Ｎ１，Ｎ２）をカウントする機能部として、制御回路１０において実現される。ここで、繰り返し回数Ｎ１は、第１スイッチング制御ＰＨ１における繰り返し回数であり、繰り返し回数Ｎ２は、第２スイッチング制御ＰＨ２における繰り返し回数である。

図１の回路構成図は、静電容量検出装置の検出部に人や水滴などが触れていない場合の回路を示している。図４及び図５に示す等価回路を用いて後述するように、静電容量検出装置の検出部に人が触れたり、水滴が付着したりすると、被測定容量Ｃｘ１の測定電極と人や水滴とのカップリング容量（Ｃｘ２）や、人の容量（Ｃｈ）、人の抵抗（Ｒｈ）や水滴の抵抗（Ｒｗ）を含む回路となる。その結果、上述した繰り返し回数（Ｎ１，Ｎ２）が変化するので、静電容量検出装置の検出部に人が触れたり、水滴などが付着したりしたことを検出することが可能である。

出力判定部３は、繰り返し回数Ｎ１及びＮ２の少なくとも一方に基づいて、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化の有無を判定する機能部である。つまり、出力判定部３は、静電容量検出装置の検出部に人が触れたり、水滴などが付着したりしたことを検出する機能部である。但し、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化の有無だけでは、人が触れたことと、水滴などが付着したこととが明確に区分できない場合がある。静電容量は、環境温度などの影響を受け易いことから、繰り返し回数Ｎ１及びＮ２も環境温度による影響を受ける。図４及び図５の等価回路に示すように、人が触れた場合と水滴などが付着した場合とでは等価回路が異なり、また、回路定数も異なるものの、両者を混同する可能性がある。

そこで、本発明に係る出力判定部３は、さらに、繰り返し回数Ｎ１と繰り返し回数Ｎ２とに基づいて被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する機能を有して構成される。つまり、繰り返し回数Ｎ１と繰り返し回数Ｎ２とに基づいて被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化が、人の接触によるものか否かを判定する。後述するように、第２スイッチＳ２の閉時間（第１充電時間Ｔ２１及び第２充電時間Ｔ２２）が異なる条件での繰り返し回数Ｎ１と繰り返し回数Ｎ２とは、人が接触した場合にはほぼ同じ値となるが、水滴が付着した場合には差が生じる。従って、繰り返し回数Ｎ１と繰り返し回数Ｎ２とを比較することによって、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定することができる。

変化量演算部４は、繰り返し実行される第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とのそれぞれにおける第２スイッチ操作の繰り返し回数（Ｎ１，Ｎ２）の前回との差を変化量（ΔＮ１，ΔＮ２）として演算する機能部である。上述したように、出力判定部３は、繰り返し回数Ｎ１及びＮ２の少なくとも一方に基づいて、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化の有無を判定するが、この繰り返し回数Ｎ１及びＮ２は環境温度などの影響を受ける可能性がある。変化量ΔＮ１やΔＮ２は、環境温度などの周囲環境がほぼ同一の条件下における繰り返し回数の差であるから、周囲環境の影響をほぼ無視することができる。従って、出力判定部３が、変化量ΔＮ１及びΔＮ２の少なくとも一方に基づいて被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化の有無を判定すると高い精度の判定が可能となる。

同様に、繰り返し回数Ｎ１と繰り返し回数Ｎ２とを比較して、被検出対象となる事象か否かを判定する場合においても、環境温度などの周囲環境の影響を受けるとその判定精度が低下する。出力判定部３が、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２とを比較して被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定すると、同様に、周囲環境の影響をほぼ無視することができる。例えば、出力判定部３は、第１スイッチング制御ＰＨ１における変化量ΔＮ１と第２スイッチング制御ＰＨ２における変化量ΔＮ２との比又は差に基づいて判定する。

図２に示すように、第２スイッチＳ２は、本実施形態においては、第１スイッチング制御ＰＨ１の際に第１充電時間Ｔ２１の間、閉状態となる。第２スイッチＳ２は、第２スイッチング制御ＰＨ２の際には、第１充電時間Ｔ２１よりも短い第２充電時間Ｔ２２の間、閉状態となる。図２においては、第２スイッチＳ２の閉時間と同様に、第３スイッチＳ３の閉時間も、第１スイッチング制御ＰＨ１の際の第１放電時間Ｔ３１の方が、第２スイッチング制御ＰＨ２の際の第２放電時間Ｔ３２よりも長い例を示している。ここで、例えば、第１充電時間Ｔ２１と第１放電時間Ｔ３１とを同じ時間とし、第２充電時間Ｔ２２と第２放電時間Ｔ３２とを同じ時間とすることが可能である。尚、上述したように、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とにおいて、第１放電時間Ｔ３１と第２放電時間Ｔ３２とは同じ長さであってもよい。第１放電時間Ｔ３１及び第２放電時間Ｔ３２は、被測定容量Ｃｘ１が放電可能な時間に設定されれば充分であり、必ずしも第１充電時間Ｔ２１及び第１放電時間Ｔ３１に応じて設定される必要はない。

図２に示すように、第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３とは、交互に閉状態となるように制御される。上述したように、第２スイッチＳ２が閉状態となる時間は、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とにおいて異なる時間であるが、制御周期Ｔｓは、同じである。つまり、第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３とは、一定の周波数で、異なるパルス幅で制御される。従って、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２との２つのフェーズを有していても、発振器を複数設けるなど、部品点数が多くなったり、回路規模が大きくなったりすることが抑制される。詳細は、図７を用いて後述する。

以下、図３を利用して、本発明の静電容量検出装置の動作手順例を説明する。初めに、上述した第１スイッチング制御ＰＨ１が実行され、第２スイッチ操作の繰り返し回数Ｎ１が計測される（ステップ＃１）。本実施形態においては、ＣＰＵ１１やプログラムメモリ１２、ワークメモリ（ワークレジスタ）１３、パラメータメモリ（パラメータレジスタ）１４などの協働により、ステップ＃１が実行される。ステップ＃１では、パラメータメモリ１４に格納された初期化時間Ｔ１０や第１充電時間Ｔ２１、第１放電時間Ｔ３１などが用いられる。

繰り返し回数Ｎ１が計測されると、前回のステップ＃１において計測された繰り返し回数Ｎ１と、最新の繰り返し回数Ｎ１との差である変化量ΔＮ１が演算される（ステップ＃２）。演算された変化量ΔＮ１は、例えば、一時記憶手段であるワークメモリ（ワークレジスタ）１３に一時記憶される。また、繰り返し回数Ｎ１もワークメモリ１３に一時記憶される。

次に、上述した第２スイッチング制御ＰＨ２が実行され、第２スイッチ操作の繰り返し回数Ｎ２が計測される（ステップ＃３）。ステップ＃３では、パラメータメモリ１４に格納された初期化時間Ｔ１０や第２充電時間Ｔ２２、第２放電時間Ｔ３２などが用いられる。そして、第１スイッチング制御ＰＨ１と同様に、前回のステップ＃３において計測された繰り返し回数Ｎ２と、最新の繰り返し回数Ｎ２との差である変化量ΔＮ２が演算される（ステップ＃４）。演算された変化量ΔＮ２は、例えば、一時記憶手段であるワークメモリ１３に一時記憶される。また、繰り返し回数Ｎ２もワークメモリ１３に一時記憶される。

以上の各ステップが完了すると、出力判定の処理が実行される。初めに、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２の少なくとも一方においてカウントされた繰り返し回数に基づいて、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化の有無が判定される。本実施形態においては、第２スイッチング制御ＰＨ２においてカウントされた繰り返し回数Ｎ２の変化量ΔＮ２に基づいて判定される（ステップ＃５）。詳細は後述するが、第２スイッチＳ２の閉時間（第２充電時間Ｔ２２）が短い第２スイッチング制御ＰＨ２の繰り返し回数Ｎ２の変化量ΔＮ２の方が、ΔＮ１に比べて変化の度合いが小さく、誤判定の可能性を減じることができるからである。本実施形態では、変化量ΔＮ２が所定のしきい値ＴＨ１以上の場合に、被測定容量Ｃｘ１の静電容量値が変化したと判定される。

ステップ＃５において「Ｎｏ」と判定されると、ステップ＃１に戻り、再度ステップ＃１〜ステップ＃５を実行する。ステップ＃５において「Ｙｅｓ」と判定されると、即ち、１つめの判定条件を満足すると、２つめの判定条件が検証される。即ち、第１スイッチング制御ＰＨ１における繰り返し回数Ｎ１と第２スイッチング制御ＰＨ２における繰り返し回数Ｎ２とに基づいて被測定容量Ｃｘ１の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かが判定される（ステップ＃６）。この判定には、２つの条件を採り得る。図３のフローチャートには、２つの条件を論理和により併記しているが、２つの内、何れか１つを満足すれば良いので、論理和をとることなく、当然、何れか一方のみを条件として判定されてもよい。

並立する一方の条件は、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２との比である。ステップ＃６においては、例えば、（ΔＮ１／ΔＮ２）がしきい値ＴＨ２以下の場合に、条件が成立する例を示している。後述するように、人による接触の場合、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２とは大きく異なる値とはならない。従って、その比は、ほぼ１対１となる。一方、水滴の付着の場合には、第２スイッチＳ２の閉時間（第２充電時間Ｔ２２）が短い第２スイッチング制御ＰＨ２における変化量ΔＮ２は変化量ΔＮ１に比べて小さい（詳細は後述する）。従って、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２との比は、１対１から大きくずれることになる。本実施形態の場合には、変化量ΔＮ２の方が小さくなるので、（ΔＮ１／ΔＮ２）は大きくなる。従って、（ΔＮ１／ΔＮ２）がしきい値ＴＨ２以下の場合に成立する条件とすることで、水滴の付着の場合には条件を満たさないと判定することができる。

並立する他方の条件は、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２との差である。上述したように、人による接触の場合、変化量ΔＮ１と変化量ΔＮ２とは大きく異なる値とはならず、その差は、ほぼゼロなる。一方、水滴の付着の場合には、変化量ΔＮ２が変化量ΔＮ１に比べて小さくなり、その差が大きくなる。従って、（ΔＮ１−ΔＮ２）がしきい値ＴＨ３以下の場合に成立する条件とすることで、水滴の付着の場合には条件を満たさないと判定することができる。

ステップ＃５の条件を満たし、且つステップ＃６の何れかの条件を満たす場合には、検出結果が出力される（ステップ＃７）。例えば、人の接触があったという検出結果が出力される。

以下、人による接触と水滴の付着との場合について、等価回路を用いて説明する。人が被測定容量Ｃｘ１に近接した際には、図４の等価回路に示すように、被測定容量Ｃｘ１と並列に、被測定容量Ｃｘ１と人とのカップリング容量Ｃｘ２、人の抵抗Ｒｈ、人の静電容量Ｃｈが付加される。第２スイッチＳ２を閉じると基準容量Ｃｓおよび被測定容量Ｃｘ１を充電する充電電流Ｊｘが流れる。これと同時に人の近接により生じたカップリング容量Ｃｘ２、人の静電容量Ｃｈを充電する電流Ｊ１も流れる。即ち、人が被測定容量Ｃｘ１に近接することにより、被測定容量Ｃｘ１は、下記に示す時定数τで容量がΔＣだけ増加する。
τ = Rh × (Cx2 × Ch) / (Cx2 + Ch )
ΔＣ = (Cx2 × Ch) / (Cx2 + Ch)
これにより、基準容量Ｃｓの端子Ｔ２の電位が所定の電位となるまでの繰り返し回数Ｎ１及びＮ２は減少する。この減少量が多い場合、上述したΔＮ１、ΔＮ２がしきい値ＴＨ１以上となる。

水滴などが被測定容量Ｃｘ１に付着した際には、図５の等価回路に示すように、被測定容量Ｃｘ１と並列に、被測定容量Ｃｘ１と水滴などとのカップリング容量Ｃｘ２、水の抵抗Ｒｗが付加される。カップリング容量Ｃｘ２は、被測定容量の電極と水滴との間に形成される。例えば、検出電極がドアハンドルの内部に取り付けられていた場合には、被測定容量の電極とドアハンドルの外装との間に樹脂が存在する。水滴はドアハンドルの外装表面に付着し、人は外装上から接触するので、カップリング容量Ｃｘ２は、人であっても水滴であっても、ほぼ同様の定数となる。一方、抵抗分は人と水滴とでは大きく異なる。また、水滴の場合には、例えば、自動車のボディなどに短絡されるので、人の静電容量Ｃｈに相当する静電容量は生じない。

第２スイッチＳ２を閉じると基準容量Ｃｓおよび被測定容量Ｃｘ１を充電する充電電流Ｊｘが流れる。これと同時に水滴の付着により生じたカップリング容量Ｃｘ２を充電する電流Ｊ２も流れる。即ち、水滴が被測定容量Ｃｘ１に近接することにより、被測定容量Ｃｘ１は、下記に示す時定数τで容量がΔＣだけ増加する。
τ = Rw × Cx2
ΔＣ = Cx2
これにより、基準容量Ｃｓの端子Ｔ２の電位が所定の電位となるまでの繰り返し回数Ｎ１及びＮ２は減少する。この減少量が多い場合、上述したΔＮ１、ΔＮ２がしきい値ＴＨ１以上となる。

上述したように、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２の何れにおける変化量ΔＮ１及びΔＮ２を利用しても、被測定容量Ｃｘ１の変化を検出することが可能である。従って、何れか一方だけを利用して、被測定容量Ｃｘ１の変化の有無が判定されても良いし、両方を利用して判定されてもよい。但し、後述するように、第１充電時間Ｔ２１よりも短い第２充電時間Ｔ２２において第２スイッチＳ２が閉状態となる第２スイッチング制御ＰＨ２の繰り返し回数Ｎ２の変化量ΔＮ２の方が、ΔＮ１に比べて変化の度合いが小さい場合がある。従って、誤判定に対する耐性を高め、演算時間を短縮し、プログラムなど、静電容量検出装置の構成を簡略化するために、本実施形態では変化量ΔＮ２のみを用いて判定する（ステップ＃５）。

以下、車両用ドアのドアハンドルに設けられる静電容量検出装置において、上述したような構成及び処理によって、人による操作（指などの接触）と水滴の付着とが区別可能な原理について説明する。被測定容量Ｃｘ１が車両用ドアのドアハンドル内に内蔵された場合の電極のサイズを例えば１００ｍｍ²程度とした場合、カップリング容量Ｃｘ２は数ｐＦ（例えば１ｐＦ）となる。よく知られたヒューマン静電気モデルによれば、人の抵抗Ｒｈは数ｋΩ（例えば２ｋΩ）であり、容量Ｃｈは数百ｐＦ（例えば２００ｐＦ）である。

人が被測定容量Ｃｘ１に近接した場合、下記に示すように時定数τ＝２ｎｓで、容量がΔＣ＝１ｐＦだけ増加する。
τ = Rh×(Cx2×Ch)／(Cx2＋Ch ) = 2k×1p×200p／(1p＋200p) ≒ 2 n[s]
ΔＣ = (Cx2 × Ch)／(Cx2 + Ch) = 1p×200p／(1p＋200p) ≒ 1 p[F]

一方、水滴が付着した場合には、水量や水質などにも影響されるが、その抵抗Ｒｗは、数百ｋΩである。ここでは、例えば、３００ｋΩであるとする。カップリング容量Ｃｘ２は、対人であっても対水滴であっても同様である。従って、水滴が付着した場合には、下記に示すように時定数τ＝３００ｎｓで、容量がΔＣ＝１ｐＦだけ増加することになる。
τ = Rw × Cx2 = 300k × 1p = 300n[s]
ΔＣ = Cx2 = 1p[F]

このように、人の場合も水滴の場合も、それぞれの時定数を伴って容量が増加する。しかし、人の場合の時定数τは、水滴の場合の時定数τよりも小さいので、水滴が付着した場合よりも早く容量が増加する。図６（ａ）は人の場合の容量の増加を模式的に示したグラフであり、図６（ｂ）は水滴の場合の容量の増加を模式的に示したグラフである。時定数τの小さい人の接触（近接）の場合には容量変化が早く、時定数τの大きい水滴の付着の場合には容量変化が緩慢であることがわかる。

ここで、第２スイッチＳ２の閉時間である第１及び第２充電時間の内、長い方である第１充電時間Ｔ２１は、人の場合も水滴の場合も、充分に容量変化することが可能な時間に設定される。例えば、水滴の場合の時定数τである３００ｎｓ前後とすると好適である。一方、第１及び第２充電時間の内、短い方である第２充電時間Ｔ２２は、検出対象となる事象である人の接触（近接）の場合には充分に容量変化することが可能であり、非検出対象である水滴の付着の場合には容量変化が不充分である時間に設定される。つまり、第２充電時間Ｔ２２は、第１充電時間Ｔ２１も短く、図６（ｂ）に示すように水滴の場合の容量変化の途上となる時間に設定される。例えば、本実施形態の数値の場合には、人の場合の時定数τである２ｎｓを超え、水滴の場合の時定数τである３００ｎｓよりも充分短い時間、例えば１５０ｎｓ程度に第２充電時間Ｔ２２が設定されると好適である。勿論、さらに短い時間、例えば、環境誤差なども含めて数十ｎｓ程度に設定されてもよい。尚、第３スイッチＳ３の閉時間に関しては、被検出容量Ｃｘ１の放電に充分な時間であればよい。従って、第２スイッチＳ２の閉時間である第１充電時間Ｔ２１及び第２充電時間Ｔ２２に必ずしも依存することなく設定可能である。

人が接触した場合には、第２スイッチＳ２が第１充電時間Ｔ２１でスイッチングしても、第２充電時間Ｔ２２でスイッチングしても容量の変化量がほぼ同一である。従って、カウント部２によってカウントされるスイッチング回数は、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とにおいてほぼ同じとなる。つまり、カウント数Ｎ１とＮ２との差は小さく、その比も１に近くなる。同様に、変化量ΔＮ１とΔＮ２との差も小さく、その比も１に近くなる。

一方、水滴が付着した場合には、第２スイッチＳ２が第１充電時間Ｔ２１でスイッチングする時と、第２充電時間Ｔ２２でスイッチングする時とで、容量の変化度合いが異なる。具体的には容量の増加が少ない第２充電時間Ｔ２２でのスイッチング回数Ｎ２の方が、Ｎ１に比べて多くなる。従って、カウント部２によってカウントされるスイッチング回数は、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とにおいて大きく異なる値となる。つまり、カウント数Ｎ１とＮ２との差は大きく、その比も１から離れる。同様に、変化量ΔＮ１とΔＮ２との差も大きく、その比も１から離れる。

以上、説明したように、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２におけるスイッチング回数Ｎ１とＮ２との差がしきい値よりも大きいか小さいかに応じて、人の接触（近接）であるか水滴などの付着であるかを判別することができる。例えば、所定のしきい値以下の場合には、水滴の付着ではなく人の接触であると判別することができる。当然ながら、スイッチング回数Ｎ１及びＮ２ではなく、変化量ΔＮ１及びΔＮ２に基づいて同様の変別が可能である。変化量を用いることにより、環境変化などへの耐性を強くすることが可能である（ステップ＃６参照）。

同様に、スイッチング回数Ｎ１とＮ２との比が１に近いか否か、例えば、Ｎ１／Ｎ２の値がしきい値よりも大きいか否かに応じて、人の接触（近接）であるか水滴などの付着であるかを判別することができる。例えば、所定のしきい値以上の場合には、水滴の付着ではなく人の接触であると判別することができる。つまり、水の付着の場合には、スイッチング回数Ｎ２がＮ１よりも多くなるので、Ｎ１／Ｎ２の分母が大きくなり、値が小さくなる。従って、所定のしきい値以上の場合に人の接触であると判別する。当然ながら、スイッチング回数Ｎ１及びＮ２ではなく、変化量ΔＮ１及びΔＮ２に基づいて同様の判別が可能である。変化量を用いることにより、環境変化などへの耐性を強くすることが可能である。変化量ΔＮ１及びΔＮ２の場合には、スイッチング回数が少なくなる第１スイッチング制御ＰＨ１の時の変化量ΔＮ１の方がΔＮ２よりも大きくなる。従って、例えば、ΔＮ１／ΔＮ２の値が所定しきい値（例えばＴＨ２）よりも小さいか否かに応じて、人の接触（近接）であるか水滴などの付着であるかを判別することができる（ステップ＃６参照）。

変化量ΔＮ２は、水滴が付着した場合には人が接触した場合と比べて小さい値となるので、図３に示すステップ＃５において変化量ΔＮ１ではなく、変化量ΔＮ２を用いて判定を行うことにより、判定精度が向上する。即ち、水滴が付着した場合には、変化量ΔＮ２が所定のしきい値ＴＨ１未満となる可能性が高く、この時ステップ＃６による判定が行われなければ人の接触であると誤判定されることはない。従って、検出対象事象である人の接触に対する耐性が高くなる。

本実施形態では、図２に示したように、第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３のスイッチング周期Ｔｓは、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２において同一である。つまり、スイッチング周波数は同一である。このようなスイッチングタイミングを生成する方法の一例について図７を利用して補足する。例えば、制御回路１０を構成するマイクロコンピュータやＡＳＩＣなどの論理回路のシステムクロックを基準として、図７（ａ）に示すように第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３を制御することが可能である。スイッチング周期Ｔｓは、第１スイッチング制御ＰＨ１及び第２スイッチング制御ＰＨ２において、共にシステムクロックの３周期分であり、同一の時間となる。尚、図７（ａ）においては、システムクロックの立ち上がりと立ち下がりとの両エッジを用いて第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３を制御している。しかし、これに限らず、図７（ｂ）に示すように何れか一方のエッジ（例えば、立ち上がりエッジ）のみを用いて制御してもよい。

このような制御形態に対して、スイッチング周期を異ならせることも可能ではある。例えば、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とを全く同一の論理回路やプログラムで構成し、論理回路を駆動するクロックやプログラムを実行するＣＰＵのクロックの周波数を変更する。これにより、第１スイッチング制御ＰＨ１と第２スイッチング制御ＰＨ２とのスイッチング周期を異ならせることが可能である。この場合、クロック周波数の変更によって異なるスイッチング周期となった第２スイッチＳ２の閉時間（第１充電時間Ｔ２１、第２充電時間Ｔ２２に相当する）も異なる時間となる。但し、この場合には、複数のクロックを設け、別の回路やプログラムを用いてクロックを切り換えなければならず、静電容量検出装置の規模を大きくさせ、コストアップの要因となる。従って、本実施形態に示したように、同一のスイッチング周期Ｔｓにおいて閉時間を異ならせると好適である。

以上、説明したように、本発明によって、水滴などの外部要因と人為的操作とによる静電容量の変化を良好に区別して、当該人為的操作があったことを簡素な構成で検出可能な静電容量検出装置を提供することが可能となる。このような静電容量検出装置は、利用者が携帯する携帯機と車両側の本体機との間で通信を行い、当該携帯機の認証を行って、自動的にドアの解錠や施錠を行うように制御するロッキングシステムに利用することができる。具体的には、このようなロッキングシステムにおいて利用者の人為的操作をドアハンドルへの操作の有無によって検出するセンサに利用することができる。

１：スイッチ制御部
２：カウント部
３：出力判定部
４：変化量演算部
７：コンパレータ（電位判定部）
Ｖ１：第１の電位源
Ｖ２：第２の電位源
Ｃｓ：基準容量
Ｃｘ１：被測定容量
Ｎ１、Ｎ２：第２スイッチ操作の繰り返し回数
ＰＨ１：第１スイッチング制御
ＰＨ２：第２スイッチング制御
Ｓ１：第１スイッチ
Ｓ２：第２スイッチ
Ｓ３：第３スイッチ
Ｔ１：第１スイッチの端子（第１スイッチの一方端）
Ｔ２：第１スイッチの端子（第１スイッチの他方端）
Ｔ３：第２スイッチの端子（第２スイッチの他方端）
Ｔ４：第２スイッチの端子（第２スイッチの一方端）
Ｔ１０：初期化時間
Ｔ２１：第１充電時間
Ｔ２２：第２充電時間
Ｔ３１：第１放電時間
Ｔ３２：第２放電時間
Ｖｒｅｆ：設定電位
ΔＮ１、ΔＮ２：変化量

Claims (5)

1. 一方端が第１の電位源に接続された基準容量の両端間に配置された第１スイッチと、
   一方端が第２の電位源もしくは自由空間に接続された被測定容量の他方端と前記基準容量の他方端との間に配置された第２スイッチと、
   前記被測定容量の両端間に配置された第３スイッチと、
   前記第１スイッチを閉状態にしてから初期化時間経過後に開状態に戻す第１スイッチ操作を行った後、前記第２スイッチを閉状態にしてから第１充電時間経過後に開状態に戻す第２スイッチ操作と前記第３スイッチを閉状態にしてから第１放電時間経過後に開状態に戻す第３スイッチ操作とを交互に繰り返す第１スイッチング制御と、前記第１スイッチ操作を行った後、前記第１充電時間とは異なる第２充電時間による前記第２スイッチ操作と第２放電時間による前記第３スイッチ操作とを交互に繰り返す第２スイッチング制御とを交互に繰り返し実行するスイッチ制御部と、
   前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御によって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所定の設定電位まで変化したか否かを判定する電位判定部と、
   前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御によって前記基準容量の他方端の電位が前記設定電位まで変化するまでの前記第２スイッチ操作の繰り返し回数をそれぞれカウントするカウント部と、
   前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御の少なくとも一方においてカウントされた前記繰り返し回数に基づいて、前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると共に、前記第１スイッチング制御における前記繰り返し回数と前記第２スイッチング制御における前記繰り返し回数とに基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する出力判定部と、を備える静電容量検出装置。
2. 前記第１放電時間は前記第１充電時間以上の時間に設定され、前記第２放電時間は前記第２充電時間以上の時間に設定される請求項１に記載の静電容量検出装置。
3. 繰り返し実行される前記第１スイッチング制御と前記第２スイッチング制御とのそれぞれにおける前記第２スイッチ操作の繰り返し回数の前回との差を変化量として演算する変化量演算部を備え、
   前記出力判定部は、前記第１スイッチング制御及び前記第２スイッチング制御の少なくとも一方の前記変化量に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定すると共に、前記第１スイッチング制御における前記変化量と前記第２スイッチング制御における前記変化量とに基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する請求項１又は２に記載の静電容量検出装置。
4. 前記出力判定部は、前記第１充電時間と前記第２充電時間との内、短い充電時間により前記第２スイッチ操作が行われる方の前記変化量に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化の有無を判定する請求項３に記載の静電容量検出装置。
5. 前記出力判定部は、前記第１スイッチング制御における前記変化量と前記第２スイッチング制御における前記変化量との比又は差に基づいて前記被測定容量の静電容量値の変化が被検出対象となる事象に起因するものであるか否かを判定する請求項３又は４に記載の静電容量検出装置。

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