静電容量式物体検知センサ及び物体検知方法
【課題】少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の静電容量を検出して、変化する前記静電容量に基づいて、少なくとも前記物体間の距離、又は前記物体間に存在する別の物体の有無を検出する静電容量式物体検知センサ、及び静電容量式物体検知方法を提供する。
【解決手段】接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体１と、少なくとも２つの物体の他方である第二物体Ｘ又は前記２つの物体の間における第三物体Ｘとの間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器２と、静電容量の変化に伴って変化する発振周波数の変化を検出する検出部３と、この検出結果に基づいて少なくとも２つの物体の距離、又は第三物体の有無を判定する判定部４とを備える。
【解決手段】接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体１と、少なくとも２つの物体の他方である第二物体Ｘ又は前記２つの物体の間における第三物体Ｘとの間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器２と、静電容量の変化に伴って変化する発振周波数の変化を検出する検出部３と、この検出結果に基づいて少なくとも２つの物体の距離、又は第三物体の有無を判定する判定部４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の静電容量を検出して、変化する前記静電容量に基づいて、少なくとも前記物体間の距離、又は前記物体間に存在する別の物体の有無を検出する静電容量式物体検知センサ、及び静電容量式物体検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の距離を検出したり、２つの物体間に存在する別の物体を検出するようなセンサは、種々のものが利用されている。例えば、自動車を後退させる際に後方の障害物（別の物体）の有無、及び距離を検出するバックソナーには、超音波センサが用いられている。また、水道の水を自動的に出したり止めたりする自動水栓には、発光素子と受光素子とを組み合わせた光センサが用いられている。その他、検出距離が数十ｍｍ程度のいわゆる近接センサには、高周波発振型、差動コイル型、磁気型等の方式が用いられ、主として金属の検出に使用されている。また、静電容量型の近接センサは、金属だけではなく非金属の検出にも対応している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を容量の変化として測定する容量式変位センサの技術が開示されている。これは、ＬＣ発振器の発振周波数を容量センサにより検出した静電容量（Ｃ）によって可変とすることによって、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を測定するものである。
【０００４】
また、特許文献２には、開閉器の開閉動作状態を検出する開閉器の位置検出装置に関する技術が開示されている。これは、被検出体との距離に応じた出力を発振するＬＣ発振器を具備した位置検出センサを用いて位置検出装置を構成するものである。被検出体側に凹凸を設け、この凹凸に対する検知出力の変化をストロークカーブとして連続して捕らえることにより、検知／被検知、及び故障等の区別を可能とするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４４３１号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】特開平９−８９９６４号公報（第２、５−６頁、第１−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術は、比較的近距離（特許文献１第２図参照）の２０ｍｍ程度を検出範囲としている。また、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位等、予め定められたものの変位を検出することを目的としている。即ち、予め測定対象として定めた物体の増減あるいは、存在位置を比較的近距離の範囲内で検出する技術である。従って、人や人の体の部位が出入り可能な開閉する装置（例えば、ドアや窓）において、障害物を挟み込んだことを検出するなどの目的に使用するには、検出距離等を含めた改善が望まれる。例えば、開閉する装置が完全に閉扉する前に障害物等によって停止し、所定の位置に達していないことは検出できる。しかし、閉扉しようとする途上で障害物等が存在するか否かの検出には、対応していない。従って、開閉する装置が障害物等によって停止する前にこれを検出し、閉扉動作にフィードバックする等の制御を行うための検出装置としては、充分とはいえないものである。
【０００７】
特許文献２に記載の技術も同様である。ＬＣ発振器の発振周波数を変化させるという原理を用いているが、近接センサとしての使用形態を向上させたものであるといえる。開閉状態を示す出力は、従来のオン／オフに比べて、ストロークカーブを描くようにしている（特許文献２第４図参照）。しかし、コンパレータ（同第１図符号５３参照）を用いて、オン／オフの判定を行っており、また、開閉器（同第３図被検出体６１）の構造も限られたものである。
【０００８】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の静電容量を検出して、変化する前記静電容量に基づいて、少なくとも前記物体間の距離、又は前記物体間に存在する別の物体の有無を検出する静電容量式物体検知センサ、及び静電容量式物体検知方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するための本発明に係る静電容量式物体検知センサの特徴構成は、以下の各部を備える点にある。
即ち、接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体との間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器と、
前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する検出部と、
この検出結果に基づいて少なくとも前記２つの物体の距離、又は前記第三物体の有無を判定する判定部と、である。
【００１０】
この特徴構成によれば、第一物体と第二物体との間、又はこれら２つの物体の間における第三物体と第一物体との間で検出される静電容量に応じて発振器の発振周波数が変化する。第一物体と第二物体とが接近あるいは離間すると、それに応じてこれら２つの物体間の静電容量が連続的に変化する。そして、この静電容量の変化に伴って発振周波数が変化する。この発振周波数の変化の方向（高くなるか、低くなるか）によって、２つの物体が接近しているか、離間しているかを知ることができる。即ち、両物体間のおおよその距離を知ることができる。また、これら２つの物体の間に例えば、障害物等として別の物体（第三物体）が進入した場合には、静電容量の変化は連続的ではなく、急峻に変化する。従って、２つの物体間における第三物体の有無を判定することができる。このように、本特徴構成によれば、単に接近及び離間する２つの物体の相互の関係だけでなく、両物体間に存在する別の物体の有無をも検出することのできる静電容量式物体検知センサを提供することができる。尚、２つの物体は、どちらか一方が移動するものであっても、双方が移動するものであっても、勿論本発明を適用することが可能である。
【００１１】
ここで、前記検出部が、基準となる周波数で発振する基準発振器と、この基準発振器と前記発振器との出力を比較する比較部とを備え、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出すると好適である。
【００１２】
発振器の発振周波数を定める静電容量は、物体間の距離だけでなく、周囲の温度変化等、環境変化に対しても変化する。従って、物体間の距離に変化がなくても、気温等の環境に変化があると、発振周波数も変化する場合がある。これによって、静電容量式物体検知センサが誤検出をすることは好ましくない。しかし、上記特徴構成のように、基準となる周波数で発振する基準発振器を備えると、この基準発振器の発振周波数も環境変化に応じて変化する。さらに、上記特徴構成では、この基準発振器と発振器との出力を比較する比較部を設けて、この比較結果を用いて発振周波数の変化を検出するようにしている。このようにすると、基準発振器及び発振器の発振周波数が環境変化に影響を受けて変化した部分は、比較部によって相殺されることになる。従って、環境変化に対する耐性を強化した静電容量式物体検知センサを得ることができる。
【００１３】
ここで、好適な実施形態の一例として、前記基準発振器を前記発振器と同一の温度特性を有した同じ方式の発振器とするとよい。具体例としては、前記発振器がＬＣ発振器であり、前記基準発振器を前記発振器と同一の温度特性を有するコンデンサ及びインダクタによって構成されたＬＣ発振方式の発振器とするものがある。温度特性を同一にすることによって、比較部による相殺の効果を高め、環境変化に対する耐性を良好に得ることができる。さらに、前記比較部が、前記基準発振器及び発振器の出力の周波数の差分を求める混合器を備えると好適である。発振器の発振周波数は、物体間の静電容量に応じて変化するので、広い周波数範囲に亘る。そこで、上記のように、周波数の差分を求める混合器を備えるとよい。基準発振器の出力との周波数の差分を取るようにすると、特に高い周波数の場合に、これを比較的低い周波数に変換することができ、耐ノイズ性の向上や変動誤差の改善等を期待することができる。
【００１４】
また、別の好適な実施形態の例として、前記検出部が、前記基準発振器及び前記発振器の出力をデジタル化するデジタル変換部を備え、前記比較部が、これらデジタル化された出力を比較する論理演算部を備えるものであってもよい。即ち、基準発振器及び発振器の出力をデジタル化した後に比較処理を行ってもよい。静電容量式物体検知センサにマイクロコンピュータ等のデジタル信号処理装置を有している場合には、ほぼ直接に基準発振器及び発振器の出力を入力できる。その結果、回路規模の縮小や判定までの時間の短縮等を図ることができる。
【００１５】
さらに、他の特徴構成として、本発明に係る静電容量式物体検知センサが、前記第二物体及び前記第三物体に対する前記発振器の前記発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部を備え、前記判定部は、前記検出部の検出結果と前記変化特性とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記２つの物体の間における前記第三物体の有無、前記第二物体及び前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定するものであると好適である。
【００１６】
この特徴構成によれば、静電容量式物体検知センサが、被検知物である対象物に対する発振器の発振周波数の変化特性を記憶する記憶部を備えている。そして、判定部はこの変化特性に基づいて、上記種々の判定を行うようにしている。その結果、実際に検出した発振周波数の変化と変化特性とにより、２つの物体間の距離を検知することができる。また、これら２つの物体間に別の物体（第三物体）が存在する場合には、第二物体に対する変化特性と実際の検出結果とがずれることより、第三物体の有無を検知できる。さらに、第三物体の存在が検知された場合には、第三物体は、第一物体と第二物体との間に存在することとなる。従って、その概略の距離と変化特性とにより、第三物体の種別（材質等）を推定することができる。また、この推定結果より、第一物体と第三物体とのより正確な距離を検知することができる。勿論、第一物体と第二物体との概略の距離と変化特性とにより、第二物体の種別を推定することもできる。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明に係る静電容量式物体検知方法の特徴構成は、以下の各工程を備える点にある。
即ち、接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体である、対象物との間の静電容量を検出する静電容量検出工程と、
前記静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器の、前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する周波数変化検出工程と、
予め記憶された、前記対象物に対する前記発振周波数の距離に応じた変化特性と、前記周波数変化検出工程の結果とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記第三物体の有無、前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する判定工程と、である。
【００１８】
ここで、前記周波数変化検出工程は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、前記発振器との出力を比較する比較工程を有し、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出すると好ましい。
【００１９】
上記、各工程を実施することにより、上記、静電容量式物体検知センサの効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
ここで、前記判定工程は、検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化の傾きによって判定すると好適である。
【００２１】
上記変化特性は、対象物によって異なる特性となっている。従って、物体同士（第一物体と対象物（第二物体及び第三物体））が近づく時間等、時間経過に対する変化特性は対象物ごとに異なる。そして、その変化特性の傾きも対象物ごとに異なる。従って、上記方法のように、検出された前記発振周波数の変化の傾きによって判定すると、良好な物体検知ができる。尚、物体間の距離の変化に対する変化特性についても、同様である。即ち、距離の変化を伴う場合、当然時間経過も伴うので、その変化特性の傾きによって良好な判定を行うことができる。
【００２２】
さらに、前記判定工程は、前記周波数変化検出工程により検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きと、予め定めた第一の基準値とに基づいて、前記発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定すると好ましい。
【００２３】
上記比較工程を有さない場合は、勿論のこと、比較工程を有していても、周辺温度の変化等によって、発振周波数が時間経過に伴って変化する場合がある。しかし、通常このような変化は、急激に起こるものではなく、比較的時間を掛けて起こるものである。逆に、物体の移動による物体間の距離の短縮や、物体の出現による発振周波数の変化は、環境変化に比べると急激に起こり、一般にその変化量や変化の傾きは大きいものである。従って、例えば予め定めた第一の基準値に対して変化量や変化の傾きが小さい場合には、その変化が穏やかであると考えることができる。そして、このような場合には、これを環境変化によるものとして判別すると、誤検知防止の効果が得られる。
【００２４】
また、前記判定工程は、前記変化量又は前記変化の傾きと、前記第一の基準値より大きい第二の基準値とに基づいて、前記第三物体の有無を判定するものであると好適である。
【００２５】
この方法によれば、前記第一の基準値よりも大きい第二の基準値を設定している。そして、発振周波数が、上記環境変化による穏やかな変化や、物体間の距離の短縮による変化に対して急激な変化をしたか否かをこの第二の基準値に基づいて判定する。これは、例えば、変化量や変化の傾きが第二の基準値を超えて変化したか否かによって判別することができる。そして、急激な変化が有った場合には、接近及び離間する２つの物体間に第三物体が存在することを判定する。その結果、迅速な判定が可能となり、例えば、急に上記２つの物体間に第三物体が障害物として入り込んで来たような場合でも早期にこれを検知することができる。
【００２６】
また、前記複数の物体が接近する速度が既知である場合、前記判定工程が、複数種別の前記対象物に対する前記変化特性に基づいて、前記対象物の種別を判定すると好適である。
【００２７】
この特徴構成によれば、複数の対象物に対する変化特性に基づいて、対象物が何であるかを判別することができる。例えば、異なる材質の記録媒体（用紙）に対して印刷が可能なプリンタ等に対して、どの用紙が給紙されているのか等の用途にも用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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式物体検知センサは、アンテナ１と、ＬＣ発振器２（本発明の発振器に相当する。）と、検出部３と、判定部４とを有して構成されている。ここで、アンテナ１は、接近及び離間する２つの物体の一方（本発明の第一物体に相当する。）側に備えられている。そして、第一物体と物体Ｘ（本発明の第二物体、又は第三物体に相当する。）との距離の変動等によって変化する静電容量により、物体Ｘとの距離等を判定する。ＬＣ発振器２は、発振回路の有するインダクタ素子及び容量素子と、アンテナ１のインダクタンス成分と、アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量とに応じて定まる発振周波数で発振する。アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量は、アンテナ１が備えられた第一物体と、物体Ｘとの距離の変動等によって変化する。従って、ＬＣ発振器２の発振周波数は、事実上、アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量によって定まる。検出部３は、この静電容量の変化に伴って定まるＬＣ発振器２の発振周波数の変化を検出する。尚、本実施形態においては、発振器としてＬＣ発振器を採用しているが、静電容量によって発振周波数が変化するように構成可能な発振器であれば、これに限ることはない。
【００２９】
ここで、接近及び離間する２つの物体には、例えば、図７に示すような自動車のスライドドアのドア枠やドア、あるいは、窓枠や窓ガラスのような開閉する装置の開閉部分の夫々の構成物が相当する。そして、図７に示した例では、ドア及び窓ガラスが第一物体であり、開閉時の接合部分である端部にアンテナ１が備えられている。また、同様に図８に示すように自動車のハッチバックドアのドア枠やドアも複数の物体に相当し、第一物体に相当するドアの端部にアンテナ１が備えられる。尚、ドア枠や窓枠側にアンテナ１を備えてもよく、この場合はドア枠や窓枠側が第一物体となる。従って、上記互いに対応するドア及びドア枠、窓ガラス及び窓枠の内、第一物体ではない方が、第二物体に相当する。
【００３０】
また、ドアや窓の開閉動作の際、特に閉動作の際にドア枠とドアとの間、窓枠と窓との間に、衣服や傘等の障害物を挟み込むような場合、この衣服や傘が２つの物体の間における第三物体に相当する。即ち、上記第一物体（例えばドア、窓ガラス）と第二物体（例えばドア枠、窓枠）との間に存在する物体としての第三物体（例えば衣服）という対応関係となる。以下、この対応関係を例として本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
図１に示すように、窓ガラス（第一物体）に備えられたアンテナ１によって、窓枠（第二物体）としての物体Ｘとの間の静電容量が検出される（本発明の静電容量検出工程に相当する。）。ＬＣ発振器２は、この検出された静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する。窓ガラスと窓枠との距離、即ちアンテナ１と物体Ｘとの距離が近くなるほど、静電容量は大きくなる。即ち、静電容量をＣ、物体Ｘの誘電係数をａ、アンテナ１と物体Ｘとの間の空間（例えば空気）の誘電率をε、距離をｌ、結合する面積をＳとすると、次式のような関係となる。
Ｃ＝（ａ・ε・Ｓ）／ｌ ・・・〔式１〕
【００３２】
また、ＬＣ発振器２の発振周波数ｆは、ＬＣ発振器２のインダクタンスをＬとして、次式で表される（＾はべき乗を示す。）。
ｆ＝１／（２π・（Ｌ・Ｃ）＾（１／２）） ・・・〔式２〕
【００３３】
上記、〔式１〕及び〔式２〕に示したように、第一物体と第二物体との距離に応じて、静電容量及びＬＣ発振器２の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を検出部３において検出する（本発明の周波数変化検出工程に相当する。）。そして、判定部４は、この検出結果に基づいて、少なくとも第二物体との距離、又は第二物体との間に存在する第三物体の有無及び距離を判定する（本発明の判定工程に相当する。）。以下に、この発振周波数の変化を検出して判定する構成及び方法について説明する。
【００３４】
図２に示すように検出部３は、基準となる周波数で発振する基準発振器６と、この基準発振器６とＬＣ発振器２との出力を比較する比較部７とを備えている。静電容量Ｃは、物体間の距離の変化だけでなく、周囲の温度変化等、環境変化に対しても変化する。従って、物体間の距離に変化がなくても、気温等の環境に変化があると、発振周波数も変化する場合がある。この変化を距離の変化として検出すると、判定部４において誤った判定をする可能性が生じ、好ましくない。しかし、ＬＣ発振器２と基準発振器６との発振周波数を比較するようにすれば、環境変化に影響を受けて変化した部分を相殺することが可能となる。その結果、環境変化に対する耐性を向上できる。
【００３５】
尚、基準発振器６はＬＣ発振器２と同一の温度特性を有するコンデンサ及びインダクタによって構成されたＬＣ発振方式の発振器である。温度特性を同一にすることによって、比較部７による相殺の効果を高め、環境変化に対する耐性を良好に得ることができるように構成されている。
【００３６】
そして、この比較部７を構成する一実施形態としては、図３に示すようなものがある。図に示すように、基準発振器６及びＬＣ発振器２の出力の周波数の差分を求める混合器８と、混合器８の出力から必要な周波数のみを取り出すフィルタ回路９とを備えている。物体Ｘとアンテナ１との距離に応じた静電容量の変化に伴って変化するＬＣ発振器２の発振周波数は、広い周波数範囲に亘る。そこで、混合器８によって、周波数の差分を求めると、特に高い周波数の場合に、これを比較的低い周波数に変換することができる。その結果、低周波数で信号処理を行うことが可能となるので、耐ノイズ性の向上や変動誤差の改善等を図ることができる。フィルタ回路９は、本実施形態においてはローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。低周波数化された差分情報のみを取り出すのに適している。そして、このフィルタ回路９の出力を、演算増幅器やコンパレータ等の後処理回路１０で処理して、判定部４へ検出結果を伝達する。上記、比較部７における処理は、本発明の比較工程に相当する。
【００３７】
また、この比較部７を構成する他の実施形態としては、図４に示すようなものもある。この実施形態は、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）１３を利用するもので、判定部４の機能と、検出部３の一部の機能をこのマイコン１３で実現している。検出部３は、基準発振器６及びＬＣ発振器２の出力をデジタル化するデジタル変換部１１を備えている。デジタル変換部１１は、コンパレータで構成され、夫々基準発振器６を受け持つデジタル変換部１１ｂと、ＬＣ発振器２を受け持つデジタル変換部１１ａとがある。比較部７は、これらデジタル化された出力を比較する論理演算部１２を備えており、論理演算によって発振周波数の変化を検出する。本形態による比較部７における処理も、本発明の比較工程に相当する。
【００３８】
以上、説明したような構成に基づいて、発振周波数の変化を検出し、判定部４において、以下に示すような種々の判定を行う。例えば、第一物体（アンテナ１）と第二物体（物体Ｘ）との距離、第一物体と第二物体（物体Ｘ）との間に存在する第三物体（物体Ｘ）の有無、第二物体や第三物体の種別の推定、第三物体との距離等である。これらは、何れか一つの判定でもよいし、複数を判定するものでもよい。つまり、第一物体（アンテナ１）と第二物体（物体Ｘ）との距離を判定している時に、第一物体と第二物体との間に第三物体が進入してくれば、この第三物体の存在の有無を判定する。さらに、進入してきた第三物体は、第二物体に代わって物体Ｘとなり、第一物体（アンテナ１）と第三物体（物体Ｘ）との距離を検出する。図７に示したスライドドアに適用すれば、ドアがドア枠に向かって閉動作している場合には、ドアとドア枠との間の距離を判定し、その途上に衣服等の進入を検出することができる。
【００３９】
このような種々の判定を実施するために、図５に示すように、予め複数の物体（対象物）に対するＬＣ発振器２の発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部５を備えている。そして、判定部４は、検出部３において、検出された検出結果と、記憶部５に記憶された変化特性とに基づいて、上記種々の判定を行う。ここで、変化特性とは、図６に示すようなものであり、距離と周波数又は周波数差（変動分）との相関関係を示すものである。図６に示すように物体Ａと物体Ｂとでは、異なる特性を示している。判定部４ではこの特性の違いにより、物体Ｘ（対象物）との距離や、それが物体Ａであるか物体Ｂであるか等を判定する。尚、図６には２種類の特性を示したが、これを多く用意しておけば、より正確な判定を行うことができる。また、物体Ａと物体Ｂとの特性の違いは、どの距離においてどの程度の周波数であるかという差異や、特性曲線の傾きＳ１やＳ２による差異等、種々の観点に依ることができる。このような判定部５による種々の判定は、本発明の判定工程に相当する。
【００４０】
周波数の差異による判定は、例えば以下のようなものである。発振周波数は、例えば、二つの物体の距離が縮まってくる場合には、連続して変化する。特に一定速度で動作する開閉装置等では、移動時間や移動距離が予め予想できるので、これに合わせて、検出ポイントを定めるとよい。記憶部に記憶する変化特性もこれに対応したポイントのものを準備すればよく、限られた記憶部の記憶領域も有効に活用できる。
【００４１】
特性曲線の傾きによる判定は、例えば以下のようなものである。図６に示す物体Ａの変化特性の傾きＳ１は、物体Ｂの変化特性Ｓ２と比べて大きな傾きを示している。検出部３において検出された発振周波数の変化曲線の傾きがＳ１であった場合、例えば、以下のように判定できる。即ち、物体Ａは金属であって、アンテナ１を備えたドア（第一物体）は、ドア枠（第二物体）に向かって接近（閉動作）していると判定できる。検出部３において検出された発振周波数の変化曲線の傾きがＳ２であった場合には、以下のように判定できる。即ち、ドア（第一物体）は、ドア枠（第二物体）に向かって閉動作しているはずであるが、衣服等の布（物体Ｂ：第三物体）に向かって接近していると判定できる。その結果、衣服等の挟み込みを未然に防ぐような制御を施すことも可能となる。このように、判定工程において、検出された発振周波数の変化の傾きによって判定することができる。
【００４２】
尚、上記実施形態において、発振周波数の変化量や変化の傾きは、所定期間ごと、又は所定の移動距離ごとに測定した測定結果に基づいて検出される。所定時間ごととは、例えば、数ミリ秒ごとに測定することである。所定の移動距離ごととは、自動車のパワーウィンドウやパワースライドドア等、動作速度が既知の場合に、例えば、数十ｍｍ移動するごとに測定することである。図６には、物体間の距離の変化に対する変化特性を示したが、時間経過に対する変化特性を用いてもよい。即ち、距離の変化を伴う場合、当然時間経過も伴うので同様に考えることができる。逆に時間経過を伴っても、物体の移動が行われていない場合があるが、この場合、物体の移動の有無が既知であれば、下記に示すような判別を行うことができる。
【００４３】
即ち、判定部４は、発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きが、予め定めた基準値（本発明の第一の基準値に相当する。）に対して小さいか否かを判別する。そして、この判別結果に基づいて、発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定する。例えば、図２から４を用いて説明した実施形態では、環境変化による検知結果への影響を抑制するために、基準発振器６を設ける構成及び方法を示した。このような構成及び方法で抑制し切れなかった影響や、環境変化の影響が少ないためにこのような構成及び方法を採用しなかった場合には特に上記判別工程は有用である。
【００４４】
発振周波数が環境変化に起因して時間経過に伴って変化する場合、このような変化は、急激に起こるものではなく、比較的時間を掛けて起こるものである。逆に、物体の移動による物体間の距離の短縮や、物体の出現による発振周波数の変化は、環境変化に比べると急激に起こるものである。従って、上記方法のように予め定めた変化量に対して穏やかである場合には、これを環境変化によるものとして判別すると、誤検知防止の可能性が高くなる。
【００４５】
そして、発振周波数の変化が環境変化によるものであると判別した場合には、これ以降は、変化後の発振周波数に整合させた変化特性に基づいて判定する。つまり、環境変化によって生じたと判定された誤差分を記憶部５が記憶する変化特性の補正情報として利用する。そして、補正された変化特性に基づいて以後の処理（判定）を行うようにする。補正を行わない場合、緩やかな変化の累積によってある時点では、大きな変化と判定してしまう可能性が生じる。しかし、上記のようにすると誤差の累積による誤判定を防ぐことができる。
【００４６】
また、判定部４は、発振周波数の変化量又は変化の傾きが、第一の基準値より大きい第二の基準値に対して大きいか否かを判別する（第二の判別工程）。そして、この判別結果に基づいて、第三物体の有無を判定する。例えば、アンテナ１を備えたドア（第一物体）が、金属製のドア枠（第二物体）に向かって接近（閉動作）しているとする。ここで、両物体間に衣服（第三物体）が進入してきたことを検知することができる。閉動作・開動作において、第一物体と第二物体とが接近・離間する場合、概ね時間経過あるいは相対距離に対する変化特性に準じた発振周波数の変化が検出される。しかし、第一物体と第二物体との間に衣服（第三物体）が出現した場合には、金属の変化特性には合致しないほどのずれが検出される。そこで、このずれに相当する程度の第二の基準値を設定し、これを超えた場合には、急激な変化があったとして、第三物体の存在を判定するようにしている。
【００４７】
この時の周波数の測定は、発振器２の発振波形又は比較部７の出力波形の所定時間内の前縁又は後縁を計数することによって行うことができる。即ち、所定時間内の周期数を計測することになるので、周波数の計測となる。このような場合には、計数結果そのものを用いて、周波数の変化を検出できる。本実施形態では、電子回路で計数を行うために、２進数のカウンタを利用する。２進数による計数では、桁上がりによって２倍や４倍、８倍といった２のべき乗で示される倍率を容易に得ることができる。従って、ある時間帯と別の時間帯との計数結果の一方に桁上がりがあり、他方にはなかった場合、その桁上がりに相当する倍率が生じていることとなる。従って、この倍率に基づいて、容易に発振周波数が急激に変化したか否かを検出することができる。
【００４８】
また、周波数帯域ごとのグループを作っておき、所定の単位時間において測定された周波数がどのグループに属するかを検出する方法を用いてもよい。このようにして検出された周波数帯域のグループが、所定の単位時間の数個分で規定された判定期間内で、例えば２グループ移動した場合には、急激な変化が生じたと判定するようにしてもよい。
【００４９】
上記において、図６に２種類の変化特性を示して、これにより、物体Ｘ（対象物）の材質を推定し、これが何であるかを判別できると説明した。そして、この変化特性を多く用意しておけば、より正確な判定を行うことができることを説明した。特に、物体同士が接近する速度が既知である場合、複数の対象物に対する変化特性に基づいて、対象物の種別を特定することができる。
【００５０】
例えば、図６に示す符号Ｔ１の距離（位置又は時刻）においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数（又は周波数差）は、同一の値である。しかし、アンテナとの距離が少し接近した符号Ｔ２の距離においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数は異なった値となる。さらにアンテナとの距離が接近した符号Ｔ３の距離においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数の差は大きくなる。そして、符号Ｔ３よりもさらに接近した符号Ｔ４の距離においては、両周波数の差は非常に大きなものとなる。このように、両者の距離が予め既知（あるいは予測可能）であれば、距離（符号Ｔ１〜Ｔ４等）に応じた周波数から、どの物体の変化特性に該当するものかを良好に導くことができる。その結果、対象物の種別を特定することが可能となる。また、一点だけでなく、数点における検出結果から判別すると、より高い精度での判別が可能となる。
【００５１】
例えば、自動車のパワースライドドアやパワーウィンドウ等、動作速度が既知のものでは、ドアや窓ガラスの向かう先がドア枠や窓枠であるか、衣服であるか、他の障害物であるか等を判別することができる。また、福祉車両等において、車両シートが車外へ振り出すような機構を有するものがあるが、この振り出し状態を判別することもできる。そして、上記判別結果に応じて、パワースライドドアやパワーウィンドウを制御するべくフィードバックを掛けることもできる。
【００５２】
また、本発明の他の適用例として、異なる材質の記録媒体（用紙）に対して印刷が可能なプリンタ等で、どの用紙が給紙されているのかを判別することができる。そして、この結果をフィードバックすることで、夫々の用紙に適した画像処理や印刷処理を施すような制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、開閉する装置の開閉状態を検出するための物体検知センサや、これを利用した開閉状態監視装置、挟み込み検出装置等に適用することができる。開閉装置としては、例えば自動車のパワーウィンドウ、パワースライドドア、バックドアや、建物や鉄道等の自動ドア、回転ドア等に適用することができる。また、プリンタ等の用紙搬送機構における用紙検出装置として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る静電容量式物体検知センサの実施形態を示すブロック図
【図２】図１の検出部の構成例を示すブロック図
【図３】図２の比較部の一の構成例を示すブロック図
【図４】図２の比較部の他の構成例を示すブロック図
【図５】本発明に係る静電容量式物体検知センサの他の実施形態を示すブロック図
【図６】図５の記憶部が記憶する変化特性の例を示すグラフ
【図７】図１から図５のアンテナの設置例を示す模式図
【図８】図１から図５のアンテナの設置例を示す模式図
【符号の説明】
【００５５】
１ アンテナ（第一物体）
２ ＬＣ発振器
３ 検出部
４ 判定部
Ｘ 物体（対象物、第二物体、第三物体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の静電容量を検出して、変化する前記静電容量に基づいて、少なくとも前記物体間の距離、又は前記物体間に存在する別の物体の有無を検出する静電容量式物体検知センサ、及び静電容量式物体検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の距離を検出したり、２つの物体間に存在する別の物体を検出するようなセンサは、種々のものが利用されている。例えば、自動車を後退させる際に後方の障害物（別の物体）の有無、及び距離を検出するバックソナーには、超音波センサが用いられている。また、水道の水を自動的に出したり止めたりする自動水栓には、発光素子と受光素子とを組み合わせた光センサが用いられている。その他、検出距離が数十ｍｍ程度のいわゆる近接センサには、高周波発振型、差動コイル型、磁気型等の方式が用いられ、主として金属の検出に使用されている。また、静電容量型の近接センサは、金属だけではなく非金属の検出にも対応している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を容量の変化として測定する容量式変位センサの技術が開示されている。これは、ＬＣ発振器の発振周波数を容量センサにより検出した静電容量（Ｃ）によって可変とすることによって、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位を測定するものである。
【０００４】
また、特許文献２には、開閉器の開閉動作状態を検出する開閉器の位置検出装置に関する技術が開示されている。これは、被検出体との距離に応じた出力を発振するＬＣ発振器を具備した位置検出センサを用いて位置検出装置を構成するものである。被検出体側に凹凸を設け、この凹凸に対する検知出力の変化をストロークカーブとして連続して捕らえることにより、検知／被検知、及び故障等の区別を可能とするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４４３１号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】特開平９−８９９６４号公報（第２、５−６頁、第１−４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術は、比較的近距離（特許文献１第２図参照）の２０ｍｍ程度を検出範囲としている。また、水面の変位や振動物体、揺動物体の変位等、予め定められたものの変位を検出することを目的としている。即ち、予め測定対象として定めた物体の増減あるいは、存在位置を比較的近距離の範囲内で検出する技術である。従って、人や人の体の部位が出入り可能な開閉する装置（例えば、ドアや窓）において、障害物を挟み込んだことを検出するなどの目的に使用するには、検出距離等を含めた改善が望まれる。例えば、開閉する装置が完全に閉扉する前に障害物等によって停止し、所定の位置に達していないことは検出できる。しかし、閉扉しようとする途上で障害物等が存在するか否かの検出には、対応していない。従って、開閉する装置が障害物等によって停止する前にこれを検出し、閉扉動作にフィードバックする等の制御を行うための検出装置としては、充分とはいえないものである。
【０００７】
特許文献２に記載の技術も同様である。ＬＣ発振器の発振周波数を変化させるという原理を用いているが、近接センサとしての使用形態を向上させたものであるといえる。開閉状態を示す出力は、従来のオン／オフに比べて、ストロークカーブを描くようにしている（特許文献２第４図参照）。しかし、コンパレータ（同第１図符号５３参照）を用いて、オン／オフの判定を行っており、また、開閉器（同第３図被検出体６１）の構造も限られたものである。
【０００８】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、少なくとも一方が移動し、接近及び離間する２つの物体間の静電容量を検出して、変化する前記静電容量に基づいて、少なくとも前記物体間の距離、又は前記物体間に存在する別の物体の有無を検出する静電容量式物体検知センサ、及び静電容量式物体検知方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するための本発明に係る静電容量式物体検知センサの特徴構成は、以下の各部を備える点にある。
即ち、接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体との間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器と、
前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する検出部と、
この検出結果に基づいて少なくとも前記２つの物体の距離、又は前記第三物体の有無を判定する判定部と、である。
【００１０】
この特徴構成によれば、第一物体と第二物体との間、又はこれら２つの物体の間における第三物体と第一物体との間で検出される静電容量に応じて発振器の発振周波数が変化する。第一物体と第二物体とが接近あるいは離間すると、それに応じてこれら２つの物体間の静電容量が連続的に変化する。そして、この静電容量の変化に伴って発振周波数が変化する。この発振周波数の変化の方向（高くなるか、低くなるか）によって、２つの物体が接近しているか、離間しているかを知ることができる。即ち、両物体間のおおよその距離を知ることができる。また、これら２つの物体の間に例えば、障害物等として別の物体（第三物体）が進入した場合には、静電容量の変化は連続的ではなく、急峻に変化する。従って、２つの物体間における第三物体の有無を判定することができる。このように、本特徴構成によれば、単に接近及び離間する２つの物体の相互の関係だけでなく、両物体間に存在する別の物体の有無をも検出することのできる静電容量式物体検知センサを提供することができる。尚、２つの物体は、どちらか一方が移動するものであっても、双方が移動するものであっても、勿論本発明を適用することが可能である。
【００１１】
ここで、前記検出部が、基準となる周波数で発振する基準発振器と、この基準発振器と前記発振器との出力を比較する比較部とを備え、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出すると好適である。
【００１２】
発振器の発振周波数を定める静電容量は、物体間の距離だけでなく、周囲の温度変化等、環境変化に対しても変化する。従って、物体間の距離に変化がなくても、気温等の環境に変化があると、発振周波数も変化する場合がある。これによって、静電容量式物体検知センサが誤検出をすることは好ましくない。しかし、上記特徴構成のように、基準となる周波数で発振する基準発振器を備えると、この基準発振器の発振周波数も環境変化に応じて変化する。さらに、上記特徴構成では、この基準発振器と発振器との出力を比較する比較部を設けて、この比較結果を用いて発振周波数の変化を検出するようにしている。このようにすると、基準発振器及び発振器の発振周波数が環境変化に影響を受けて変化した部分は、比較部によって相殺されることになる。従って、環境変化に対する耐性を強化した静電容量式物体検知センサを得ることができる。
【００１３】
ここで、好適な実施形態の一例として、前記基準発振器を前記発振器と同一の温度特性を有した同じ方式の発振器とするとよい。具体例としては、前記発振器がＬＣ発振器であり、前記基準発振器を前記発振器と同一の温度特性を有するコンデンサ及びインダクタによって構成されたＬＣ発振方式の発振器とするものがある。温度特性を同一にすることによって、比較部による相殺の効果を高め、環境変化に対する耐性を良好に得ることができる。さらに、前記比較部が、前記基準発振器及び発振器の出力の周波数の差分を求める混合器を備えると好適である。発振器の発振周波数は、物体間の静電容量に応じて変化するので、広い周波数範囲に亘る。そこで、上記のように、周波数の差分を求める混合器を備えるとよい。基準発振器の出力との周波数の差分を取るようにすると、特に高い周波数の場合に、これを比較的低い周波数に変換することができ、耐ノイズ性の向上や変動誤差の改善等を期待することができる。
【００１４】
また、別の好適な実施形態の例として、前記検出部が、前記基準発振器及び前記発振器の出力をデジタル化するデジタル変換部を備え、前記比較部が、これらデジタル化された出力を比較する論理演算部を備えるものであってもよい。即ち、基準発振器及び発振器の出力をデジタル化した後に比較処理を行ってもよい。静電容量式物体検知センサにマイクロコンピュータ等のデジタル信号処理装置を有している場合には、ほぼ直接に基準発振器及び発振器の出力を入力できる。その結果、回路規模の縮小や判定までの時間の短縮等を図ることができる。
【００１５】
さらに、他の特徴構成として、本発明に係る静電容量式物体検知センサが、前記第二物体及び前記第三物体に対する前記発振器の前記発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部を備え、前記判定部は、前記検出部の検出結果と前記変化特性とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記２つの物体の間における前記第三物体の有無、前記第二物体及び前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定するものであると好適である。
【００１６】
この特徴構成によれば、静電容量式物体検知センサが、被検知物である対象物に対する発振器の発振周波数の変化特性を記憶する記憶部を備えている。そして、判定部はこの変化特性に基づいて、上記種々の判定を行うようにしている。その結果、実際に検出した発振周波数の変化と変化特性とにより、２つの物体間の距離を検知することができる。また、これら２つの物体間に別の物体（第三物体）が存在する場合には、第二物体に対する変化特性と実際の検出結果とがずれることより、第三物体の有無を検知できる。さらに、第三物体の存在が検知された場合には、第三物体は、第一物体と第二物体との間に存在することとなる。従って、その概略の距離と変化特性とにより、第三物体の種別（材質等）を推定することができる。また、この推定結果より、第一物体と第三物体とのより正確な距離を検知することができる。勿論、第一物体と第二物体との概略の距離と変化特性とにより、第二物体の種別を推定することもできる。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明に係る静電容量式物体検知方法の特徴構成は、以下の各工程を備える点にある。
即ち、接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体である、対象物との間の静電容量を検出する静電容量検出工程と、
前記静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器の、前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する周波数変化検出工程と、
予め記憶された、前記対象物に対する前記発振周波数の距離に応じた変化特性と、前記周波数変化検出工程の結果とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記第三物体の有無、前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する判定工程と、である。
【００１８】
ここで、前記周波数変化検出工程は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、前記発振器との出力を比較する比較工程を有し、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出すると好ましい。
【００１９】
上記、各工程を実施することにより、上記、静電容量式物体検知センサの効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
ここで、前記判定工程は、検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化の傾きによって判定すると好適である。
【００２１】
上記変化特性は、対象物によって異なる特性となっている。従って、物体同士（第一物体と対象物（第二物体及び第三物体））が近づく時間等、時間経過に対する変化特性は対象物ごとに異なる。そして、その変化特性の傾きも対象物ごとに異なる。従って、上記方法のように、検出された前記発振周波数の変化の傾きによって判定すると、良好な物体検知ができる。尚、物体間の距離の変化に対する変化特性についても、同様である。即ち、距離の変化を伴う場合、当然時間経過も伴うので、その変化特性の傾きによって良好な判定を行うことができる。
【００２２】
さらに、前記判定工程は、前記周波数変化検出工程により検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きと、予め定めた第一の基準値とに基づいて、前記発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定すると好ましい。
【００２３】
上記比較工程を有さない場合は、勿論のこと、比較工程を有していても、周辺温度の変化等によって、発振周波数が時間経過に伴って変化する場合がある。しかし、通常このような変化は、急激に起こるものではなく、比較的時間を掛けて起こるものである。逆に、物体の移動による物体間の距離の短縮や、物体の出現による発振周波数の変化は、環境変化に比べると急激に起こり、一般にその変化量や変化の傾きは大きいものである。従って、例えば予め定めた第一の基準値に対して変化量や変化の傾きが小さい場合には、その変化が穏やかであると考えることができる。そして、このような場合には、これを環境変化によるものとして判別すると、誤検知防止の効果が得られる。
【００２４】
また、前記判定工程は、前記変化量又は前記変化の傾きと、前記第一の基準値より大きい第二の基準値とに基づいて、前記第三物体の有無を判定するものであると好適である。
【００２５】
この方法によれば、前記第一の基準値よりも大きい第二の基準値を設定している。そして、発振周波数が、上記環境変化による穏やかな変化や、物体間の距離の短縮による変化に対して急激な変化をしたか否かをこの第二の基準値に基づいて判定する。これは、例えば、変化量や変化の傾きが第二の基準値を超えて変化したか否かによって判別することができる。そして、急激な変化が有った場合には、接近及び離間する２つの物体間に第三物体が存在することを判定する。その結果、迅速な判定が可能となり、例えば、急に上記２つの物体間に第三物体が障害物として入り込んで来たような場合でも早期にこれを検知することができる。
【００２６】
また、前記複数の物体が接近する速度が既知である場合、前記判定工程が、複数種別の前記対象物に対する前記変化特性に基づいて、前記対象物の種別を判定すると好適である。
【００２７】
この特徴構成によれば、複数の対象物に対する変化特性に基づいて、対象物が何であるかを判別することができる。例えば、異なる材質の記録媒体（用紙）に対して印刷が可能なプリンタ等に対して、どの用紙が給紙されているのか等の用途にも用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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式物体検知センサは、アンテナ１と、ＬＣ発振器２（本発明の発振器に相当する。）と、検出部３と、判定部４とを有して構成されている。ここで、アンテナ１は、接近及び離間する２つの物体の一方（本発明の第一物体に相当する。）側に備えられている。そして、第一物体と物体Ｘ（本発明の第二物体、又は第三物体に相当する。）との距離の変動等によって変化する静電容量により、物体Ｘとの距離等を判定する。ＬＣ発振器２は、発振回路の有するインダクタ素子及び容量素子と、アンテナ１のインダクタンス成分と、アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量とに応じて定まる発振周波数で発振する。アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量は、アンテナ１が備えられた第一物体と、物体Ｘとの距離の変動等によって変化する。従って、ＬＣ発振器２の発振周波数は、事実上、アンテナ１と物体Ｘとの間の静電容量によって定まる。検出部３は、この静電容量の変化に伴って定まるＬＣ発振器２の発振周波数の変化を検出する。尚、本実施形態においては、発振器としてＬＣ発振器を採用しているが、静電容量によって発振周波数が変化するように構成可能な発振器であれば、これに限ることはない。
【００２９】
ここで、接近及び離間する２つの物体には、例えば、図７に示すような自動車のスライドドアのドア枠やドア、あるいは、窓枠や窓ガラスのような開閉する装置の開閉部分の夫々の構成物が相当する。そして、図７に示した例では、ドア及び窓ガラスが第一物体であり、開閉時の接合部分である端部にアンテナ１が備えられている。また、同様に図８に示すように自動車のハッチバックドアのドア枠やドアも複数の物体に相当し、第一物体に相当するドアの端部にアンテナ１が備えられる。尚、ドア枠や窓枠側にアンテナ１を備えてもよく、この場合はドア枠や窓枠側が第一物体となる。従って、上記互いに対応するドア及びドア枠、窓ガラス及び窓枠の内、第一物体ではない方が、第二物体に相当する。
【００３０】
また、ドアや窓の開閉動作の際、特に閉動作の際にドア枠とドアとの間、窓枠と窓との間に、衣服や傘等の障害物を挟み込むような場合、この衣服や傘が２つの物体の間における第三物体に相当する。即ち、上記第一物体（例えばドア、窓ガラス）と第二物体（例えばドア枠、窓枠）との間に存在する物体としての第三物体（例えば衣服）という対応関係となる。以下、この対応関係を例として本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
図１に示すように、窓ガラス（第一物体）に備えられたアンテナ１によって、窓枠（第二物体）としての物体Ｘとの間の静電容量が検出される（本発明の静電容量検出工程に相当する。）。ＬＣ発振器２は、この検出された静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する。窓ガラスと窓枠との距離、即ちアンテナ１と物体Ｘとの距離が近くなるほど、静電容量は大きくなる。即ち、静電容量をＣ、物体Ｘの誘電係数をａ、アンテナ１と物体Ｘとの間の空間（例えば空気）の誘電率をε、距離をｌ、結合する面積をＳとすると、次式のような関係となる。
Ｃ＝（ａ・ε・Ｓ）／ｌ ・・・〔式１〕
【００３２】
また、ＬＣ発振器２の発振周波数ｆは、ＬＣ発振器２のインダクタンスをＬとして、次式で表される（＾はべき乗を示す。）。
ｆ＝１／（２π・（Ｌ・Ｃ）＾（１／２）） ・・・〔式２〕
【００３３】
上記、〔式１〕及び〔式２〕に示したように、第一物体と第二物体との距離に応じて、静電容量及びＬＣ発振器２の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を検出部３において検出する（本発明の周波数変化検出工程に相当する。）。そして、判定部４は、この検出結果に基づいて、少なくとも第二物体との距離、又は第二物体との間に存在する第三物体の有無及び距離を判定する（本発明の判定工程に相当する。）。以下に、この発振周波数の変化を検出して判定する構成及び方法について説明する。
【００３４】
図２に示すように検出部３は、基準となる周波数で発振する基準発振器６と、この基準発振器６とＬＣ発振器２との出力を比較する比較部７とを備えている。静電容量Ｃは、物体間の距離の変化だけでなく、周囲の温度変化等、環境変化に対しても変化する。従って、物体間の距離に変化がなくても、気温等の環境に変化があると、発振周波数も変化する場合がある。この変化を距離の変化として検出すると、判定部４において誤った判定をする可能性が生じ、好ましくない。しかし、ＬＣ発振器２と基準発振器６との発振周波数を比較するようにすれば、環境変化に影響を受けて変化した部分を相殺することが可能となる。その結果、環境変化に対する耐性を向上できる。
【００３５】
尚、基準発振器６はＬＣ発振器２と同一の温度特性を有するコンデンサ及びインダクタによって構成されたＬＣ発振方式の発振器である。温度特性を同一にすることによって、比較部７による相殺の効果を高め、環境変化に対する耐性を良好に得ることができるように構成されている。
【００３６】
そして、この比較部７を構成する一実施形態としては、図３に示すようなものがある。図に示すように、基準発振器６及びＬＣ発振器２の出力の周波数の差分を求める混合器８と、混合器８の出力から必要な周波数のみを取り出すフィルタ回路９とを備えている。物体Ｘとアンテナ１との距離に応じた静電容量の変化に伴って変化するＬＣ発振器２の発振周波数は、広い周波数範囲に亘る。そこで、混合器８によって、周波数の差分を求めると、特に高い周波数の場合に、これを比較的低い周波数に変換することができる。その結果、低周波数で信号処理を行うことが可能となるので、耐ノイズ性の向上や変動誤差の改善等を図ることができる。フィルタ回路９は、本実施形態においてはローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。低周波数化された差分情報のみを取り出すのに適している。そして、このフィルタ回路９の出力を、演算増幅器やコンパレータ等の後処理回路１０で処理して、判定部４へ検出結果を伝達する。上記、比較部７における処理は、本発明の比較工程に相当する。
【００３７】
また、この比較部７を構成する他の実施形態としては、図４に示すようなものもある。この実施形態は、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）１３を利用するもので、判定部４の機能と、検出部３の一部の機能をこのマイコン１３で実現している。検出部３は、基準発振器６及びＬＣ発振器２の出力をデジタル化するデジタル変換部１１を備えている。デジタル変換部１１は、コンパレータで構成され、夫々基準発振器６を受け持つデジタル変換部１１ｂと、ＬＣ発振器２を受け持つデジタル変換部１１ａとがある。比較部７は、これらデジタル化された出力を比較する論理演算部１２を備えており、論理演算によって発振周波数の変化を検出する。本形態による比較部７における処理も、本発明の比較工程に相当する。
【００３８】
以上、説明したような構成に基づいて、発振周波数の変化を検出し、判定部４において、以下に示すような種々の判定を行う。例えば、第一物体（アンテナ１）と第二物体（物体Ｘ）との距離、第一物体と第二物体（物体Ｘ）との間に存在する第三物体（物体Ｘ）の有無、第二物体や第三物体の種別の推定、第三物体との距離等である。これらは、何れか一つの判定でもよいし、複数を判定するものでもよい。つまり、第一物体（アンテナ１）と第二物体（物体Ｘ）との距離を判定している時に、第一物体と第二物体との間に第三物体が進入してくれば、この第三物体の存在の有無を判定する。さらに、進入してきた第三物体は、第二物体に代わって物体Ｘとなり、第一物体（アンテナ１）と第三物体（物体Ｘ）との距離を検出する。図７に示したスライドドアに適用すれば、ドアがドア枠に向かって閉動作している場合には、ドアとドア枠との間の距離を判定し、その途上に衣服等の進入を検出することができる。
【００３９】
このような種々の判定を実施するために、図５に示すように、予め複数の物体（対象物）に対するＬＣ発振器２の発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部５を備えている。そして、判定部４は、検出部３において、検出された検出結果と、記憶部５に記憶された変化特性とに基づいて、上記種々の判定を行う。ここで、変化特性とは、図６に示すようなものであり、距離と周波数又は周波数差（変動分）との相関関係を示すものである。図６に示すように物体Ａと物体Ｂとでは、異なる特性を示している。判定部４ではこの特性の違いにより、物体Ｘ（対象物）との距離や、それが物体Ａであるか物体Ｂであるか等を判定する。尚、図６には２種類の特性を示したが、これを多く用意しておけば、より正確な判定を行うことができる。また、物体Ａと物体Ｂとの特性の違いは、どの距離においてどの程度の周波数であるかという差異や、特性曲線の傾きＳ１やＳ２による差異等、種々の観点に依ることができる。このような判定部５による種々の判定は、本発明の判定工程に相当する。
【００４０】
周波数の差異による判定は、例えば以下のようなものである。発振周波数は、例えば、二つの物体の距離が縮まってくる場合には、連続して変化する。特に一定速度で動作する開閉装置等では、移動時間や移動距離が予め予想できるので、これに合わせて、検出ポイントを定めるとよい。記憶部に記憶する変化特性もこれに対応したポイントのものを準備すればよく、限られた記憶部の記憶領域も有効に活用できる。
【００４１】
特性曲線の傾きによる判定は、例えば以下のようなものである。図６に示す物体Ａの変化特性の傾きＳ１は、物体Ｂの変化特性Ｓ２と比べて大きな傾きを示している。検出部３において検出された発振周波数の変化曲線の傾きがＳ１であった場合、例えば、以下のように判定できる。即ち、物体Ａは金属であって、アンテナ１を備えたドア（第一物体）は、ドア枠（第二物体）に向かって接近（閉動作）していると判定できる。検出部３において検出された発振周波数の変化曲線の傾きがＳ２であった場合には、以下のように判定できる。即ち、ドア（第一物体）は、ドア枠（第二物体）に向かって閉動作しているはずであるが、衣服等の布（物体Ｂ：第三物体）に向かって接近していると判定できる。その結果、衣服等の挟み込みを未然に防ぐような制御を施すことも可能となる。このように、判定工程において、検出された発振周波数の変化の傾きによって判定することができる。
【００４２】
尚、上記実施形態において、発振周波数の変化量や変化の傾きは、所定期間ごと、又は所定の移動距離ごとに測定した測定結果に基づいて検出される。所定時間ごととは、例えば、数ミリ秒ごとに測定することである。所定の移動距離ごととは、自動車のパワーウィンドウやパワースライドドア等、動作速度が既知の場合に、例えば、数十ｍｍ移動するごとに測定することである。図６には、物体間の距離の変化に対する変化特性を示したが、時間経過に対する変化特性を用いてもよい。即ち、距離の変化を伴う場合、当然時間経過も伴うので同様に考えることができる。逆に時間経過を伴っても、物体の移動が行われていない場合があるが、この場合、物体の移動の有無が既知であれば、下記に示すような判別を行うことができる。
【００４３】
即ち、判定部４は、発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きが、予め定めた基準値（本発明の第一の基準値に相当する。）に対して小さいか否かを判別する。そして、この判別結果に基づいて、発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定する。例えば、図２から４を用いて説明した実施形態では、環境変化による検知結果への影響を抑制するために、基準発振器６を設ける構成及び方法を示した。このような構成及び方法で抑制し切れなかった影響や、環境変化の影響が少ないためにこのような構成及び方法を採用しなかった場合には特に上記判別工程は有用である。
【００４４】
発振周波数が環境変化に起因して時間経過に伴って変化する場合、このような変化は、急激に起こるものではなく、比較的時間を掛けて起こるものである。逆に、物体の移動による物体間の距離の短縮や、物体の出現による発振周波数の変化は、環境変化に比べると急激に起こるものである。従って、上記方法のように予め定めた変化量に対して穏やかである場合には、これを環境変化によるものとして判別すると、誤検知防止の可能性が高くなる。
【００４５】
そして、発振周波数の変化が環境変化によるものであると判別した場合には、これ以降は、変化後の発振周波数に整合させた変化特性に基づいて判定する。つまり、環境変化によって生じたと判定された誤差分を記憶部５が記憶する変化特性の補正情報として利用する。そして、補正された変化特性に基づいて以後の処理（判定）を行うようにする。補正を行わない場合、緩やかな変化の累積によってある時点では、大きな変化と判定してしまう可能性が生じる。しかし、上記のようにすると誤差の累積による誤判定を防ぐことができる。
【００４６】
また、判定部４は、発振周波数の変化量又は変化の傾きが、第一の基準値より大きい第二の基準値に対して大きいか否かを判別する（第二の判別工程）。そして、この判別結果に基づいて、第三物体の有無を判定する。例えば、アンテナ１を備えたドア（第一物体）が、金属製のドア枠（第二物体）に向かって接近（閉動作）しているとする。ここで、両物体間に衣服（第三物体）が進入してきたことを検知することができる。閉動作・開動作において、第一物体と第二物体とが接近・離間する場合、概ね時間経過あるいは相対距離に対する変化特性に準じた発振周波数の変化が検出される。しかし、第一物体と第二物体との間に衣服（第三物体）が出現した場合には、金属の変化特性には合致しないほどのずれが検出される。そこで、このずれに相当する程度の第二の基準値を設定し、これを超えた場合には、急激な変化があったとして、第三物体の存在を判定するようにしている。
【００４７】
この時の周波数の測定は、発振器２の発振波形又は比較部７の出力波形の所定時間内の前縁又は後縁を計数することによって行うことができる。即ち、所定時間内の周期数を計測することになるので、周波数の計測となる。このような場合には、計数結果そのものを用いて、周波数の変化を検出できる。本実施形態では、電子回路で計数を行うために、２進数のカウンタを利用する。２進数による計数では、桁上がりによって２倍や４倍、８倍といった２のべき乗で示される倍率を容易に得ることができる。従って、ある時間帯と別の時間帯との計数結果の一方に桁上がりがあり、他方にはなかった場合、その桁上がりに相当する倍率が生じていることとなる。従って、この倍率に基づいて、容易に発振周波数が急激に変化したか否かを検出することができる。
【００４８】
また、周波数帯域ごとのグループを作っておき、所定の単位時間において測定された周波数がどのグループに属するかを検出する方法を用いてもよい。このようにして検出された周波数帯域のグループが、所定の単位時間の数個分で規定された判定期間内で、例えば２グループ移動した場合には、急激な変化が生じたと判定するようにしてもよい。
【００４９】
上記において、図６に２種類の変化特性を示して、これにより、物体Ｘ（対象物）の材質を推定し、これが何であるかを判別できると説明した。そして、この変化特性を多く用意しておけば、より正確な判定を行うことができることを説明した。特に、物体同士が接近する速度が既知である場合、複数の対象物に対する変化特性に基づいて、対象物の種別を特定することができる。
【００５０】
例えば、図６に示す符号Ｔ１の距離（位置又は時刻）においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数（又は周波数差）は、同一の値である。しかし、アンテナとの距離が少し接近した符号Ｔ２の距離においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数は異なった値となる。さらにアンテナとの距離が接近した符号Ｔ３の距離においては、物体Ａ及び物体Ｂの周波数の差は大きくなる。そして、符号Ｔ３よりもさらに接近した符号Ｔ４の距離においては、両周波数の差は非常に大きなものとなる。このように、両者の距離が予め既知（あるいは予測可能）であれば、距離（符号Ｔ１〜Ｔ４等）に応じた周波数から、どの物体の変化特性に該当するものかを良好に導くことができる。その結果、対象物の種別を特定することが可能となる。また、一点だけでなく、数点における検出結果から判別すると、より高い精度での判別が可能となる。
【００５１】
例えば、自動車のパワースライドドアやパワーウィンドウ等、動作速度が既知のものでは、ドアや窓ガラスの向かう先がドア枠や窓枠であるか、衣服であるか、他の障害物であるか等を判別することができる。また、福祉車両等において、車両シートが車外へ振り出すような機構を有するものがあるが、この振り出し状態を判別することもできる。そして、上記判別結果に応じて、パワースライドドアやパワーウィンドウを制御するべくフィードバックを掛けることもできる。
【００５２】
また、本発明の他の適用例として、異なる材質の記録媒体（用紙）に対して印刷が可能なプリンタ等で、どの用紙が給紙されているのかを判別することができる。そして、この結果をフィードバックすることで、夫々の用紙に適した画像処理や印刷処理を施すような制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、開閉する装置の開閉状態を検出するための物体検知センサや、これを利用した開閉状態監視装置、挟み込み検出装置等に適用することができる。開閉装置としては、例えば自動車のパワーウィンドウ、パワースライドドア、バックドアや、建物や鉄道等の自動ドア、回転ドア等に適用することができる。また、プリンタ等の用紙搬送機構における用紙検出装置として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る静電容量式物体検知センサの実施形態を示すブロック図
【図２】図１の検出部の構成例を示すブロック図
【図３】図２の比較部の一の構成例を示すブロック図
【図４】図２の比較部の他の構成例を示すブロック図
【図５】本発明に係る静電容量式物体検知センサの他の実施形態を示すブロック図
【図６】図５の記憶部が記憶する変化特性の例を示すグラフ
【図７】図１から図５のアンテナの設置例を示す模式図
【図８】図１から図５のアンテナの設置例を示す模式図
【符号の説明】
【００５５】
１ アンテナ（第一物体）
２ ＬＣ発振器
３ 検出部
４ 判定部
Ｘ 物体（対象物、第二物体、第三物体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体との間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器と、
前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する検出部と、
この検出結果に基づいて少なくとも前記２つの物体の距離、又は前記第三物体の有無を判定する判定部と、
を備える静電容量式物体検知センサ。
【請求項２】
前記検出部は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、この基準発振器と前記発振器との出力を比較する比較部とを備え、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出する請求項１に記載の静電容量式物体検知センサ。
【請求項３】
前記第二物体及び前記第三物体に対する前記発振器の前記発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部を備え、前記判定部は、前記検出部の検出結果と前記変化特性とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記２つの物体の間における前記第三物体の有無、前記第二物体及び前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する請求項１又は２に記載の静電容量式物体検知センサ。
【請求項４】
接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体である、対象物との間の静電容量を検出する静電容量検出工程と、
前記静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器の、前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する周波数変化検出工程と、
予め記憶された、前記対象物に対する前記発振周波数の距離に応じた変化特性と、前記周波数変化検出工程の結果とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記第三物体の有無、前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する判定工程と、を備える静電容量式物体検知方法。
【請求項５】
前記周波数変化検出工程は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、前記発振器との出力を比較する比較工程を有し、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出する請求項４に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項６】
前記判定工程は、検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化の傾きによって判定する請求項４又は５に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項７】
前記判定工程は、前記周波数変化検出工程により検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きと、予め定めた第一の基準値とに基づいて、前記発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定する請求項４から６の何れか一項に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項８】
前記判定工程は、前記変化量又は前記変化の傾きと、前記第一の基準値より大きい第二の基準値とに基づいて、前記第三物体の有無を判定する請求項７に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項９】
前記判定工程は、前記複数の物体が接近する速度が既知である場合、複数種別の前記対象物に対する前記変化特性に基づいて、前記対象物の種別を判定する請求項４から６の何れか一項に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項１】
接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体との間の静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器と、
前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する検出部と、
この検出結果に基づいて少なくとも前記２つの物体の距離、又は前記第三物体の有無を判定する判定部と、
を備える静電容量式物体検知センサ。
【請求項２】
前記検出部は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、この基準発振器と前記発振器との出力を比較する比較部とを備え、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出する請求項１に記載の静電容量式物体検知センサ。
【請求項３】
前記第二物体及び前記第三物体に対する前記発振器の前記発振周波数の距離に応じた変化特性を記憶する記憶部を備え、前記判定部は、前記検出部の検出結果と前記変化特性とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記２つの物体の間における前記第三物体の有無、前記第二物体及び前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する請求項１又は２に記載の静電容量式物体検知センサ。
【請求項４】
接近及び離間する２つの物体の一方である第一物体と、前記２つの物体の他方である第二物体又は前記２つの物体の間における第三物体である、対象物との間の静電容量を検出する静電容量検出工程と、
前記静電容量に応じて定まる発振周波数で発振する発振器の、前記静電容量の変化に伴って変化する前記発振周波数の変化を検出する周波数変化検出工程と、
予め記憶された、前記対象物に対する前記発振周波数の距離に応じた変化特性と、前記周波数変化検出工程の結果とに基づいて、前記２つの物体の距離、前記第三物体の有無、前記第三物体の種別の推定、前記第一物体と第三物体との距離、の内少なくとも何れか一つを判定する判定工程と、を備える静電容量式物体検知方法。
【請求項５】
前記周波数変化検出工程は、基準となる周波数で発振する基準発振器と、前記発振器との出力を比較する比較工程を有し、この比較結果を用いて前記発振周波数の変化を検出する請求項４に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項６】
前記判定工程は、検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化の傾きによって判定する請求項４又は５に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項７】
前記判定工程は、前記周波数変化検出工程により検出された前記発振周波数の時間経過に対する変化量又は変化の傾きと、予め定めた第一の基準値とに基づいて、前記発振周波数の変化が環境変化によるものであると判定する請求項４から６の何れか一項に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項８】
前記判定工程は、前記変化量又は前記変化の傾きと、前記第一の基準値より大きい第二の基準値とに基づいて、前記第三物体の有無を判定する請求項７に記載の静電容量式物体検知方法。
【請求項９】
前記判定工程は、前記複数の物体が接近する速度が既知である場合、複数種別の前記対象物に対する前記変化特性に基づいて、前記対象物の種別を判定する請求項４から６の何れか一項に記載の静電容量式物体検知方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１６２３７４（Ｐ２００６−１６２３７４Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５２６３４（Ｐ２００４−３５２６３４）
【出願日】平成１６年１２月６日（２００４．１２．６）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月６日（２００４．１２．６）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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