JP4687882B2 - 静電容量式施錠スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、所持することで、鍵を直接操作することなく、施錠、開錠が行われるスマートエントリーと称されている鍵に関するものであり、詳細には、前記スマートエントリーを車両に利用するときの構成に係るものである。

最も単純な構成のスマートエントリキーの構成としては、使用者が所持するスマートエントリーキーに対して車両側から常時に電波が発信されており、スマートエントリーキーを所持する使用者が施錠が行われているドアなどに近づくと、前記車両からの電波を受信したキー側ではコード番号を発信し、合致しているときには解錠する。

また、使用者が車両から遠ざかり、使用者が所持するスマートエントリーキーからの応答電波が受信不能となったときには、車両側はドアに自動的に施錠を行う。しかしながら、このような方式では、車両側は電波を発信している時間が長く成り勝ちであり、例えば、バッテリー上がりを生じやすくなるなど不都合を生じやすい。

この点を改良すべく考えられたものが、図１０に示すシステムであり、何れにしても開閉するときにはドアハンドル（取っ手）に触れるものであるのが通常であるので、中空の樹脂部材で形成されたドアハンドル本体９０の内部に金属など導電性部材で形成されたセンサー電極９１を設けておき、使用者がドアハンドル本体９０に手を触れると、前記ドアハンドル本体９０内に組み込まれた前記センサー電極９１とアース間の静電容量が変化するものとなる。

よって、この変化を、例えば図１１に示すような交流増幅器９３、整流回路９４などを有する検出回路を介して電圧などに変換し、電圧比較回路９５の出力が所定電圧となったときにはトリガーとして、車両側に設けた送受信機（図示は省略する）を作動させ、電波を発信してユーザーの所有するエントリーキーに信号を送り、このエントリーキーの認識コードを確認する。

そして、認識コードが合致したときには、ドアロックを解除したり、エンジンの始動を行うなど、走行に必要な準備を行う。このときに、例えば、人通りの多い場所に駐車した場合、通りすがりの通行人が無意識にドアハンドル本体９０に触れた場合にも前記した送受信機が作動し電波を発射するなど、無駄な電力消費が行われ、バッテリーなどに負担を生じるものとなるので、前記ドアハンドル本体９０の車体の外側となる部分には接地が行われた静電シールド板９２を設け、単に外側から触れられた場合には前記センサー電極９１に容量変化を生じないようにしている。

よって、前記センサー電極９１は、前記ドアハンドル本体９０の内側まで手を回り込ませ、握られた状態に成ったときに、必要量の静電容量に変化を生じるものとなり、このような状態で触れられたときには、使用者に乗車する意志があるものとして、トリガー動作を行い、車両側に設けた送受信機に所定の動作を行わせる。

また、車両使用の終了時には、原則としては車両側の送信機は発信を続け、運転者が所有するエントリーキーからの応答信号が受信できない範囲まで遠ざかったときに施錠を行うものとされているが、この方法では車両側の送信機の動作が長く成り勝ちであり、バッテリーの消費量の増大を招くものとなるので、図１２に示すように、前記ドアハンドル本体９０の適宜の位置にメカ式とした施錠用スイッチ９６を設置しておき、降車時に押すことで直ちに、ドアロック、エンジン停止などが行われるようにしたものもあり、あるいは、図１３に示すように、メカ式の施錠用スイッチ９６に替えて施錠用のセンサー電極９７を設けるものもある。尚、図示は省略するが、施錠用スイッチ９６、施錠用のセンサー電極９７に対応しては相応の制御回路が必要となる。
特開２００２−２９５０９３号公報

しかしながら、前記した従来の静電容量式のセンサでは、例えば、部外者が、車両に対する興味などにより、前記ドアハンドル本体９０を操作したり、車体に寄りかかるなど、ドアハンドル本体９０の近傍に大きな静電容量が存在する状態を生じさせたり、あるいは、降雨、降雪などにより水のような誘電体が近傍に存在する状態を生じると、センサー電極９１に容量変化を生じ、車体側に設けられた送受信機に対しトリガー動作を行ってしまうことがある。

よって、前記車体側に搭載された送受信機は、トリガー動作が行われたことで、開錠動作、または、施錠動作が要求されたと解釈し、エントリーキーに向ける送信を行うこのとなり、自動車の電源であるバッテリーの浪費につながる。また、たまたま、近所にエントリーキーを所持した所有者が居ると、他人が触れた場合、降雨の場合にも、本人の意志に関わりなく、自動車の開錠、エンジンの始動などが行われるという誤動作を生じるものとなる。

本発明は上記した従来の課題を解決するための具体的手段として、ドアハンドル内またはドアハンドルの近傍に設置された金属電極と前記金属電極の容量変化を電気的なパラメータに変換する変換回路と、前記電気的なパラメータのレベル変化を検出する低域通過フィルタ及び比較器とを含む判断回路と、前記レベル変化時間を計測するタイマを有し、前記判断回路の出力と前記タイマの出力とにより一定時間以上の静電容量の変化が計測されたときのみ施錠信号を出力することを特徴とする静電容量式施錠スイッチを提供することで課題を解決するものである。

本発明により、一定レベル以上の変化を検出した後に、このレベル変化が一定時間以上継続していることを演算してから施錠信号を出力するので、静電容量スイッチでも確実に使用者の意志を反映した施錠ができる。このため、コストダウン、スイッチの設置制限の緩和、および、使い勝手といった相反する要求を同時に成立させることが可能となる。

つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。本発明においても、静電容量式の基本的な検出回路は図１に示すように、従来例の図１１で示したものとほぼ同様な構成をとっている。ここで、容量１は例えば車両のドアノブなどに設けられた被測定容量（図１０参照）であり、変換回路２は容量１の値を電圧あるいはデジタル信号などに変換する回路、高域通過フィルタ３は前記変換回路２の出力信号から直流成分を除去するための回路、比較器４は高域通過フィルタ３の出力信号を二値化するための回路である。

いま、図１において、容量１に対し、人体等が接触することにより、容量１が増加した場合を考える。このとき、変換回路２の出力Ｖ１も増加する。ここで、容量１が増加する速度が、高域通過フィルタ３の時定数に対して充分に高速であるものとすると、変換回路２の出力Ｖ１、高域通過フィルタ３の出力Ｖ２及び比較器４の出力Ｖ３は図２のようになる。

ここで、図２におけるVth１およびVth２はそれぞれ比較器の出力Ｖ３が、ローレベルからハイレベルに変化する際のスレッショールドレベル、ハイレベルからローレベルに変化する際のスレッショールドレベルである。このようにして、容量１が増加したという事象を検出する。

容量１の変化量をデジタル的に検出する例として、変換回路を図３の構成とする、ここで、容量５は基準発振器６の発振周期を決定する容量であり、変化しないものとし、この容量５を基準容量とする。また、容量８は発振器９の発振周期を決定する容量であり、これを被測定容量であるものとする。

基準容量５の値をＣ１、基準発振器６の発振周期をＴ１とする。ここで、基準発振器６の発振周期Ｔ１が基準容量５の値Ｃ１に比例し、これを次式で表すことができるものとする。(Ｔ１＝Ｃ１×Ｒ１)……(式１）

被測定容量８の値をＣ２、発振器９の発振周期をＴ２とする。ここで、発振器９の発振周期Ｔ２と被測定容量８の値Ｃ２の関係も（式１）同様に、次式で表すことができるものとする。(Ｔ２＝Ｃ２×Ｒ２)……(式２）

ここで、カウンター７について考える。カウンター７は、取りうる最大値がＮ１であるものとし、出力を二系統有し、一方の出力Ｄ１は基準発振器６の立上がりエッジにより増加するものとし、もう一方の出力Ｖ５は、Ｄ２の値が取得る最大値Ｎ１となった場合にハイ（Ｈ）となる１ビットの信号であるとする。すると、Ｖ５はパルス幅がＴ１、周期が(Ｎ１×Ｔ１)のパルスとなる。

次ぎにカウンター１０についてであるが、カウンター１０は、発振器９の出力Ｖ６の立上がりエッジをカウントし、ある回数Ｎ２以上となったときに出力Ｖ７がハイ（Ｈ）となり、且つカウンター７からの出力Ｖ５がハイ（Ｈ）の場合にリセットされるものとする。

基準発振器の出力Ｖ４、カウンター７のそれぞれの出力Ｄ１及びＶ５、被測定容量接続される発振器の出力Ｖ６、カウンター１０の出力Ｖ７の関係を図４に示す。ここで、カウンター１０へのリセット信号であるＶ５の立ち下がりエッジから、その直後に発振器９よりカウンター１０へ入力される信号Ｖ６の立上がりエッジまでの時間をＴ３、カウンター１０へ入力される信号Ｖ６の立上がりエッジまでの時間をＴ３、カウンター１０からの出力Ｖ７の立上がりエッジにおけるカウンター７からの出力Ｄ１の値をＮ３とすると、次式が成り立つ。(Ｎ３×Ｔ１)＝(Ｎ２×Ｔ２＋Ｔ３)……（式３）

ここで、Ｔ３の取り得る値は０からＴ２の範囲内なので、Ｎ２を１よりも充分大きいとすると、（式３）は次のように書くことができる。
(Ｎ３×Ｔ１＝Ｎ２×Ｔ２)……（式４）

ここで、（式４）のＴ１、および、Ｔ２に（式１）、及び、（式２）を代入すると、カウンター１０の立上がりにおけるカウンター７の出力Ｄ１の値Ｎ３は次式となる。
Ｎ３＝{(Ｃ２×Ｒ２)／(Ｃ１×Ｒ１)}×Ｎ２……（式５）

図３におけるデーター保持回路１１において、入力されるデーターＤ１の値が、Ｖ７の立上がりエッジで保持され、その保持された値がＤ２から出力されるものとすると、Ｎ３の値は、Ｄ２より出力されることとなる。ここで、被測定容量Ｃ２が、Ｃ３からＣ３＋Ｃ４に変化した場合を考える。

被測定容量Ｃ２がＣ３である場合のＤ２の値をＮ４、被測定容量Ｃ２がＣ３＋Ｃ４である場合のＤ２の値がＣ３＋Ｃ４である場合のＤ２の値をＮ５とすると、Ｎ４、Ｎ５はそれぞれ次式となる。
Ｎ４＝{(Ｃ３×Ｒ２)／(Ｃ１×Ｒ１)}×Ｎ２……（式６)
Ｎ５＝[{(Ｃ３＋Ｃ４)×Ｒ２}／(Ｃ１×Ｒ１)]×Ｎ２……（式７）

（式６）、および、（式７）より、被測定容量Ｃ２が、Ｃ３からＣ３＋Ｃ４に変化した際のＮ３の変化量Ｎ６は次式となる。
Ｎ＝(Ｎ５−Ｎ４)＝{(Ｃ４×Ｒ２)／(Ｃ１×Ｒ１)｝×Ｎ２……（式８）

（式８）のＣ１、Ｒ１、Ｒ２、及び、Ｎ２は予め与えられた定数であるので、データー保持回路１１の出力Ｄ２を測定することにより、被測定容量の初期値Ｃ３には依存せず、被測定容量の変化量Ｃ４を求めることができる。また、多チャンネル化を行う場合、基準容量５、基準発振器６、及び、カウンター７は各チャンネルで共用可能である。

これらの動作により、人体等の接触による容量変化を検出することは可能であるが、この場合、本人の意志とは無関係の接触により検出回路が応答してしまう可能性がある。この可能性を低下させるため一定時間Ｔ４以上の接触に対してのみ比較器の出力が応答する回路を追加する。

このための回路として、図１における高域通過フィルタ３、及び、比較器４の部分について、図５に示す構成の回路を用いる。図５において、図１における高域通過フィルタ３の出力として、元の信号から、低域通過フィルタ１２を通過した信号の差を用いる。

図５において、低域通過フィルタ１２の入力信号をＤ３、低域通過フィルタ１２の出力信号をＤ４とする。入力信号Ｄ３の値がＮ７からＮ８に変化した場合、低域通過フィルタ１２の出力Ｄ４は、その時定数に従い、Ｎ７からＮ８へ変化する。

すると、元の信号から、低域通過フィルタを通過した信号を減算した値は（Ｄ３−Ｄ４）であるから、低域フィルタ１２の入力Ｄ３の値がＮ７からＮ８に変化した場合、低域通過フィルタを通過した信号を減算した値（Ｄ３−Ｄ４）は０から（Ｎ８−Ｎ７）へ変化し、その後、低域通過フィルタの時定数に従い、０に近づいて行く。

ここで、比較器１３の出力Ｖ８が、ロー（Ｌ）からハイ（Ｈ）に変化するスレッショールドレベルをVth３、ハイからローに変化するスレッショールドレベルをVth４とすると、入力信号Ｄの変化量より（Ｎ８−Ｎ７）がVth３より高い場合、比較器１３の出力Ｖ８はローからハイへ変化する。

次に、タイマー１４についてであるが、これは比較器１３の出力Ｖ８がローの場合、出力Ｖ９はハイとなり、この際タイマー１４はリセットされている。次に、比較器１３の出力Ｖ８がローからハイに変化した直後、出力Ｖ９はハイからローへと変化し、出力Ｖ９がローに変化した直後から、時間Ｔ４後、出力Ｖ９は再びハイとなる。

また、出力がハイの状態で、被測定容量が元の値に戻った場合、即ち、低域通過フィルタへの入力がＮ８からＮ７に変化した場合には、Ｄ４はＮ７からＮ８の値を取るため、比較器の入力（Ｄ３−Ｄ４）は（−Ｎ８）から０の範囲内の値と成るため、比較器の出力Ｖ８はローとなる。この場合、タイマー１４の出力Ｖ９はハイとなり、タイマー１４はリセットとなる。

そして、低域通過フィルタ１２についてであるが、これはタイマー１４の出力Ｖ９がハイのときのみ、低域通過フィルタ１２において使用されるクロック信号Ｖ９は有効となり、タイマー１４の出力Ｖ９がローの際には、クロック信号Ｖ９は無効となる。

従って、タイマー１４の出力Ｖ９がローとなる時間Ｙ４の帰還においては低域通過フィルタ１２の出力は変化せず、低域通過フィルタ１２への入力Ｄ３がハイに変化した後、時間Ｔ４が経過すると、通常の低域通過フィルタ１２として動作する。そして最終的な検出信号Ｖ１１は、比較器の出力Ｖ８、及び、タイマーの出力Ｖ９が共にハイの場合にハイとなり、容量が変化したものとみなす。

また、時間Ｔに満たない短時間の容量変化については、データー保持機能を持つ回路である、低域通過フィルタ１２、及び、タイマー１４のステータスは変化をしないため、その容量変化が発生しなかった場合と等価となる。これらの動作について、各信号の状態を図６に示す。

以上の動作により、一定時間Ｔ４以上の容量変化のみに対して応答する回路を実現し得るが、一定時間Ｔ４以上の容量変化が発生すると低域通過フィルタ１２の出力Ｖ８は増加するが、その後、被測定容量が非接触となった場合、即ち容量が検出前の値Ｎ７に戻った場合、低域通過フィルタ１２の出力Ｄ４は、その時定数に従いＮ７に近づいて行く。

この出力Ｄ４がＮ７に近づいて行く過程においては、Ｄ４の値はＮ７より高いため、比較器１３のマイナス側入力のレベルが高くなるので感度は低下する。この感度が低下している時間を短くするために、傾き検出回路１６を設ける。

まず、低域通過フィルタ１２の出力Ｄ４についてであるが、入力Ｄ３がＮ７からＮ８に変化した場合を考えると、被測定容量が接触し続けている場合には、Ｄ４はＮ８を暫近線に持つ曲線となり、傾きは０以上となる。この後、被測定容量が非接触となると、Ｄ４の傾きは０未満の値となる。

この傾きの変化を傾き検出回路１６により検出し、この傾きがある一定値以下であると判定すると、低域通過フィルタ１２の出力Ｄ４が、入力Ｄ３の値となるようデーターがセットされる。一定時間Ｔ４は長いほど誤動作を防止できるが、一般的な使い勝手を考慮すると０．３秒から１．５秒程度が望ましい時間となる。

図８に本発明の別の実施形態である回路構成例を示す。この回路は、基準信号をカウントするカウンタ１の出力時間でカウントされたカウンタ２の値を、カウンタ１の出力時間毎に逐次、記憶回路に記憶させておき、カウント値が一定レベル以上に変化したことを例えば舞い込んで判断し、一定以上の変化が設定時間以上になったときにオン信号を出力する回路である。

図９に上記別の実施形態のタイミングチャートを示すものであり、非検知時にｎ１，ｎ２といったカウント数がｎ３，ｎ４，ｎ５，ｎ６，・・・と示したように一定レベルＮ以下に減少し、尚かつ、継続時間がｔ１以上継続したときに出力信号を発生する。

本発明に係る静電容量式施錠スイッチの実施形態を示すブロック図である。 図１のブロック図のブロック間における波形の形状を示す説明図である。 本発明に係る静電容量式施錠スイッチの構成を更に詳細に示すブロック図である。 図３のブロック図のブロック間における波形の形状を示す説明図である。 図１における高域通過フィルタの構成の例を示すブロック図である。 高域通過フィルタの作用を示す波形図である。 図５における傾き検出回路の作用を示す波形図である。 本発明に係る静電容量式施錠スイッチの別の実施形態を示すブロック図である。 別の実施形態の作用を示す波形図である。 従来例のドアハンドルの構成を示す断面図である。 従来例の検出回路の例を示すブロック図である。 別の従来例をドアハンドルの部分で示す説明図である。 更に別の従来例をドアハンドルの部分で示す説明図である。

符号の説明

１、５、８…容量
２…変換回路
３…高域通過フィルタ
４…比較器
６…基準発振器
７、１０…カウンター
９…発振器
１１…データー保持回路

Claims (4)

1. ドアハンドル内またはドアハンドルの近傍に設置された金属電極と前記金属電極の容量変化を電気的なパラメータに変換する変換回路と、前記電気的なパラメータのレベル変化を検出する低域通過フィルタ及び比較器とを含む判断回路と、前記レベル変化時間を計測するタイマを有し、前記判断回路の出力と前記タイマの出力とにより一定時間以上の静電容量の変化が計測されたときのみ施錠信号を出力することを特徴とする静電容量式施錠スイッチ。
2. 静電容量のレベル変化およびレベル変化の保持時間の検出は、一定時間毎に記憶された変化前の周波数と、変化後の周波数とを比較して判断することを特徴とする請求項１記載の静電容量式施錠スイッチ。
3. レベル変化を検出する判断回路において、レベル変化の傾きを検出する回路が用いられ、静電容量が非検出となった際に、検出可能となるまでの復帰時間を短縮する回路を有することを特徴とする請求項１記載の静電容量式施錠スイッチ。
4. 静電容量のレベル変化の時間の検出は、変化開始を検出する回路および時定数回路により、レベル変化時間を検出することを特徴とする請求項１記載の静電容量式施錠スイッチ。

Images