(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知領域内の物体の存在を検知するための近接検知装置が、
接地面と、
前記接地面上に配置された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に配置されたガード層と、
前記ガード層上に配置された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に配置されたタッチ板とを含む
容量性センサと、
励起信号を前記タッチ板に供給する発振手段と、
前記ガード層と前記接地面との間のキャパシタンスが前記タッチ板と前記接地面との間のキャパシタンスを相殺するように、前記ガード層に励起信号を供給するための励起手段と、
前記発振手段の励起信号に対しての、前記容量性センサの前記ガード層からの出力電圧の位相の変化を測定するための手段と、
位相の変化を測定するための前記手段からの位相の変化を表す信号電圧を基準電圧と比較するための手段と、
を備え、
前記比較するための手段が、前記位相の変化を表す信号電圧が印加される第１の入力と、前記基準電圧が印加される第２の入力と出力とを有する演算増幅器、第１および第２の抵抗器により構成され、前記位相の変化を表す信号電圧を分圧して、前記基準電極を得るための分圧器、前記第２の入力に接続されて、前記基準電圧を維持するためのコンデンサ、および前記位相の変化を表す信号電圧を、前記コンデンサに供給して該コンデンサを充電するダイオードを備えてなることを特徴とする近接検知装置。
【請求項２】
前記励起手段が前記タッチ板を前記ガード層から電気的に絶縁するバッファ増幅器からなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項３】
前記接地面の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであり、あらゆる寸法で該ガード層を越えて拡張していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項４】
前記第１絶縁層の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項５】
前記ガード層が前記タッチ板と同サイズであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項６】
前記タッチ板と前記ガード層とが導電性であり、厚さが０．００２５４乃至０．２５４ｍｍ（０．１−１０ミル（mil））の間であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項７】
前記発振手段が１０ｋＨｚ−１０ＭＨｚの周波数の正弦波、方形波、またはランプ波形を発生することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の近接検知装置。
【請求項８】
検知領域内の物体の存在を検知する近接検知装置が、
接地面と、
前記接地面上に配置された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に配置されたガード層と、
前記ガード層上に配置された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に配置されたタッチ板と、を備えてなる
容量性センサと、
前記容量性センサと並列に設けられ、前記容量性センサと伴に発振手段を形成するインダクタと、
前記容量性センサからの出力電圧の振幅の変化を測定するための手段と、
を備えてなり、
前記測定するための手段が、前記容量性センサからの出力電圧を受信するための第１の入力と前記基準電圧を受信するための第２の入力と出力とを有する演算増幅器、第１および第２の抵抗器により構成され、前記容量性センサからの出力電圧を分圧して、前記基準電極を得るための分圧器、前記第２の入力に接続されて、前記基準電圧を維持するためのコンデンサ、および前記容量性センサからの出力電圧を、前記コンデンサに供給して該コンデンサを充電するダイオードを備え、検知領域内の物体の存在が前記測定するための手段を使用して検出されることを特徴とする近接検知装置。
【請求項９】
前記接地面の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであり、あらゆる寸法で該ガード層を越えて拡張していることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の近接検知装置。
【請求項１０】
前記第１絶縁層の大きさが少なくとも前記ガード層と同じであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の近接検知装置。
【請求項１１】
前記ガード層が前記タッチ板と同サイズであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の近接検知装置。
【請求項１２】
前記タッチ板と前記ガード層とが導電性であり、厚さが０．００２５４乃至０．２５４ｍｍ（０．１−１０ミル（mil））の間であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の近接検知装置。
【請求項１３】
検知領域内の物体の存在を検知する方法において、
接地面を備えるステップと、
前記接地面上に第１絶縁層を配置するステップと、
前記第１絶縁層上にガード層を配置するステップと、
前記ガード層上に第２絶縁層を配置するステップと、
前記第２絶縁層上にタッチ板を配置するステップと、
によって、容量性センサを備えるステップと、
発振手段によって前記タッチ板を励振するステップと、
前記ガード層と前記接地面との間のキャパシタンスが前記タッチ板と前記接地面との間のキャパシタンスを相殺するように、励起手段によって前記ガード層を励起するステップと、
前記発振手段の発振信号に対する、前記容量性センサの前記ガード層からの出力電圧の位相の変化を測定するステップと、
測定された前記位相の変化を表す信号電圧を基準電圧と比較するためのステップと、
からなり、
前記比較するためのステップが、前記位相の変化を表す信号電圧を演算増幅器の第１の入力に印加するステップ、前記基準電圧を前記演算増幅器の第２の入力に印加するステップ、前記位相の変化を表す信号電圧を分圧して、前記基準電極を得るステップ、前記第２の入力に接続されたコンデンサによって、前記基準電圧を維持するステップ、および前記位相の変化を表す信号電圧を、ダイオードを介して前記コンデンサに供給して該コンデンサを充電するステップからなることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記励起手段として前記タッチ板を前記ガード層から電気的に絶縁するバッファ増幅器を選択するステップを更に含むことを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の方法。
【請求項１５】
検知領域内の物体の存在を検知する方法において、
接地面を備えるステップと、
前記接地面上に第１絶縁層を配置するステップと、
前記第１絶縁層上にガード層を配置するステップと、
前記ガード層上に第２絶縁層を配置するステップと、
前記第２絶縁層上にタッチ板を配置するステップと、
によって、容量性センサを備えるステップと、
前記容量性センサと並列にインダクタを配置して、前記容量性センサと伴に発振手段を形成するステップと、
前記容量性センサからの出力電圧の振幅の変化を測定するためのステップと、からなり、
前記出力電圧の振幅の変化を測定するためのステップが、前記容量性センサからの出力電圧を演算増幅器の第１の入力に供給するステップと、基準電圧を前記演算増幅器の第２の入力に供給するステップと、前記容量性センサからの出力電圧を分圧して、前記基準電極を発生するステップ、前記第２の入力に接続されたコンデンサによって、前記基準電圧を維持するステップ、および前記容量性センサからの出力電圧を、ダイオードを介して前記コンデンサに供給して該コンデンサを充電するステップからなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は検知領域内の物体の存在を検知するための関連検知回路を有するセンサに関する。より具体的には、本発明は容量性作用を利用して、自動車の自動閉鎖ドア、自動閉鎖式のサンルーフ、自動スライド・ドア、トランクの押し下げ機構、およびその他の閉鎖またはアクチュエータ機構のような用途で物体の存在を検知し、ひいては物体が閉鎖機構によって挟まれないようにする近接センサに関する。
物体の有無を検知する装置はこの数年間、種々の用途で利用されてきた。製造工業では組立てラインに沿った物体を検知するためにセンサが使用されてきた。家庭用および営業用の双方の用途のためのセキュリティ・システムは侵入者を検知するためにセンサを使用している。
従来形のセンサは光学式電磁放射、または磁気検知手段を使用して物体を検知する。光学式センサは光線の遮断または反射のいずれかを利用して予め選択された領域内の物体の存在を検知する。一例としてはある領域内に光線を放射する光電トランシーバがあり、その領域内に物体があると、放射された光線が物体から反射する。次にトランシーバは反射した光線を検知し、物体が存在することを示す出力を発する。磁気作用に依存するセンサを使用して天然の磁性体である物体を検知することをできる。マイクロ波または無線周波数（ＲＦ）センサは、物体から反射したマイクロ波と直接放射されるマイクロ波信号との干渉に起因する、マイクロ波放射源を囲む定在波パターンの変化に応答する。
工業、自動車またはその他の過酷な環境での用途に使用した場合、上記の種類の近接センサにはそれぞれ幾つかの欠点がある。例えば、光学式センサの性能と感度は車の窓やドアの周囲に塵芥が溜まると影響され、従って自動車の持ち主は検知領域／表面を常に清潔に保つ必要にせまられる。加えて、光学式センサの場合、検知は生来から光源によって局所的に限定されるので、障害物がない領域が必要である。マイクロ波センサは、車の他の電子機器、ラジオ、携帯電話等との干渉を防ぐために自動車内で必要な電磁的干渉の厳密な制限に適合しない場合が多い。この干渉の問題は１台の自動車に多数のマイクロ波センサを搭載した場合は一層深刻になる。磁気センサは自動車の窓やドアの近くの人やペットのような非磁性体を検知するには有効ではない。超音波センサは一般的に、その検知範囲を局所的に制限するためには更に改修する必要がある場合が多く、そのためコストが高くなる。
これらと比較すると、キャパシタンスの変化を利用した近接センサには前述の欠点がない。しかし、従来形のキャパシタンス式センサは一般には感度がそれほど高くなく、従って数ピコファラッド（ｐＦ）程度のキャパシタンスの変化を生ずる物体を検知することはできない。本発明はこのような限界を克服し、検知面から数フィート離れた物体を検知することができ、自動車の用途に最適である容量性作用を利用した高感度のセンサを提供するものである。
発明の大要
本発明は新規の多層センサ構造を用いて実施される改良形の容量性センサを提供するものである。このセンサは検知面から数フィート離れた検知領域内の物体を検知することができ、電動操作（自動閉鎖）の窓、ドア、サンルーフ、スライド式ドア、トランクの押し下げ機構およびその類似物の妨害物となることがある物体の検知のような自動車の用途に最適である。
このセンサは導電性と誘電性（絶縁）の材料の交互の層からなる多層構造になっている。センサ構造は３個の電極を有している。すなわち、タッチ板、ガード層、および接地面であり、各々が絶縁層によって互いに隔絶されている。ガード層電極がタッチ板に印加される電圧と振幅および位相が同じ信号によって励起されると、タッチ板とガード電極、またはタッチ板とアースとの間には容量性作用は生じない。物体が検知領域内にある場合は、その存在によって（１ｐＦ程度の低さであることがある）センサ・キャパシタンスと並行して付加的なキャパシタンスが誘発され、それによってセンサの出力に変化が生ずる。センサのキャパシタンス自体は極めて低いので、それが存在することにより物体自体とタッチ板との間に約０．０１ｐＦのキャパシタンスを生ずる物体を検知することができる。
ガード電極を加え、このガード電極をタッチ板に印加される信号と同一であるが、この信号とは絶縁された信号で励起させることによって、センサの感度は大幅に高まる。
センサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する電子検知回路によって作動される。自励モードではセンサ構造はそれ自体が発振器の能動部品であり、タッチ板の近傍の物体によって発振器の振幅および周波数の双方または一方が変化する。
他励モードでは、ＡＣ信号が外部ソースからセンサに印加され、センサの近傍の物体による振幅および周波数の双方または一方の変化が検知される。
本発明の特徴と利点は添付図面を参照した以下の説明と請求の範囲を読むことによって一層明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
第１図はセンサ構造の周囲領域に物体が存在することを検知するための、本発明に基づいて形成された多層センサ構造を示している。
第２図（ａ）は簡単なタッチ板形容量性センサを示している。
第２図（ｂ）は第２図（ａ）の容量性センサを示しており、検知領域内に物体が存在することが付加的なキャパシタンスＣ２によって示されている。Ｃ２はＣ１と並列であり、従って互いに加算されて、より大きい等価キャパシタンスを形成することができる。
第２図（ｃ）は第２図（ａ）のタッチ板形容量性センサに第３の素子、すなわちガード電極を追加した実施例を示している。
第２図（ｄ）は第２図（ｃ）の回路のガード電極層を励起するために単一利得の非反転増幅器を使用した実施例を示している。タッチ板とガード電極とは電子的に絶縁されており、それでも位相と振幅が等しい電圧によって励起されることができる。
第３図（ａ）および（ｂ）は振幅と位相の双方の比較を利用した検知電子回路を有する他励センサを示している。第３図（ａ）は第３図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。
第４図（ａ）および（ｂ）は振幅の比較を利用した検知電子回路を有する他励センサを示している。第４図（ａ）は第４図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。
第５図（ａ）−（ｃ）は検知回路で使用できる比較器／基準回路の３つの異なる実施例である。
第６図（ａ）および（ｂ）は（バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の周波数変化を利用せずに）振幅比較検知回路を利用した自励センサ構造を示している。第６図（ａ）は第６図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。
第７図（ａ）−（ｄ）は周波数比較検知回路を利用した自励センサ構造を示している。第７図（ａ）は第７図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の概略構成図である。
第８図（ａ）および（ｂ）は周波数比較検知回路を利用した自励センサ構造のマイクロプロセッサを使用した実施例を示している。
好適な実施例の詳細な説明
第１図は多層センサ構造の近傍領域に物体が存在するとこれを検知するための本発明に基づき形成された多層センサ構造である。このセンサは導電性と誘電性（絶縁）の材料の交互の層からなる多層構造になっている。接地面５はガード層１５とタッチ板２５用の安定した接地面５を得るために適宜の支持面上に載置された導電層である。あるいは、車両の金属シート・ボデーの場合のように支持面１自体が適宜の接地面５としての役割を果たしてもよい。接地面５は少なくともガード層１５と同じ大きさでなくてはならないが、全てのサイズでガード層を越えて拡張していてもよい。第１絶縁層１０がガード面上に置かれ、これは少なくともガード層１５と同じ大きさでなくてはならないが、これを越えて拡張していてもよい。ガード層１５は第１絶縁層１０の上に配置された導電層である。ガード層１５は電子検知回路と共働してタッチ板２５を接地面５から電気的に絶縁する。この好適な実施例では、ガード層１５はタッチ板２５と同サイズであり、これと位置合わせされている。実際には、ガード層１５は製造公差を許容し、かつ組立て易くするために僅かに（典型的には１０／１００００インチ、即ち、０．２５４mm）タッチ板２５以上の大きさであってもよい。ガード層１５は第２絶縁層２０によって覆われている。能動検知領域であるタッチ板２５は第２絶縁層２０の上に配置されている。重要な点として述べておくと、検知するには実際にタッチ板２５に接触する必要はなく、使用される検知回路の種類、ひいては感度に応じて検知範囲は検知領域から数フィート隔てた領域から、センサ構造に物理的に接触するまでに亘る点である。保護絶縁層３０がタッチ板２５上に配置されるが、これはセンサの動作には必要ない設計上のオプションである。
タッチ板２５と全体的なセンサ構造の寸法や形状は限定されるものではなく、湾曲、曲折したものでもよく、円形または角張ったものでもよい。自動車の電動操作窓の用途では、センサ構造は窓の上部のウェザシールに実装して長く、狭い条片の形状を呈している。センサ構造は自動車のドアまたは窓の内側または外側、または両側に実装することができる。
導電層および絶縁層の双方には広範囲の材料が適している。導電層には銅、鋼鉄、またはアルミニウムを選択することが望ましい。導電層としては導電性インク、導電性エポキシ、またはインジウム／酸化錫の透明被覆も適している。絶縁層には最も一般的な非導電性プラスチック、エポキシ、接着材、酸化アルミニウム、およびガラスが適している。プラスチックでは、スチレンおよびポリエチレンを絶縁層として選択することが望ましい。重要な点は、材料の選択はセンサ構造自体に固有な要求基準よりも、むしろ特定の使用環境との適合性によって定められることである。
タッチ板２５と、ガード層１５と、接地面５とが電気的に接続される。センサの各導電層、すなわち接地面、ガード層およびタッチ板毎に、個々の層を電気的に接続することができるようなタブ、すなわち延長部が設けられている。典型的には接地面用の延長部が最も長く、ガード層用の延長部は接地面用のものよりも短い。次に個々の層毎の延長部に従来のようにリード線がはんだ付けされる。あるいは、機械的コネクタを使用して各層毎の延長部を接触させてもよい。センサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する後述する電子検知回路によって作動される。自励モードでは、センサ構造自体が発振器の能動部品であり、タッチ板２５の近傍の物体によって発振器の振幅および周波数の双方または一方が変化する。他励モードでは、外部ソースからＡＣ信号がセンサに印加され、センサの近傍の物体に起因する振幅および周波数の双方または一方の変化が検知される。
本発明とその主要な利点および特徴は、先ず簡単なタッチ板２５形容量性センサの動作を吟味することによって最も良く理解される。第２図（ａ）は簡単なタッチ板２５形容量性センサを示している。第２図（ａ）に概略的に示すように、タッチ板２５とアースとがコンデンサＣ１を形成する。この例でのキャパシタンスＣ１は１００−２００ｐＦの間である。発振器３５からのＡＣ電圧が抵抗値の高い抵抗Ｒ１を経て印加される。Ｒ１の値は発振器の周波数におけるＣ１の容量性リアクタンスにほぼ等しい。従って、Ｒ１とＣ１とがＡＣ電圧の分圧器を形成し、第２図（ａ）の出力Ｖｏは下記によって得られる。
Ｖo＝Ｖg〔Ｘc1／（Ｘc1＋Ｒ１）〕
但し、Ｘc1はＣ１の容量性リアクタンスであり、Ｖgは信号発生器３５によって印加される電圧である。従って、簡単に言えば、出力電圧ＶoはＣ１と反比例する。第２図（ｂ）では、センサによってその存在が検知される物体がキャパシタンスＣ２によって概略的に示されている。Ｃ２はＣ１と並列であり、従って互いに加算されてより大きい等価キャパシタンスを形成することができる。上記の方程式から明らかであるように、このより大きい等価キャパシタンスによって出力電圧Ｖoが降下する。後続の検知回路によって検知されるのは、物体の存在により生ずる付加的なキャパシタンスに起因する出力電圧Ｖoのこのような降下である。
実際には（１００ｐＦ程度の）素子Ｃ１は（約１０ｐＦの）Ｃ２よりも大幅に大きく、従って結果として生ずる出力電圧Ｖoは極めて小さい。加えて、Ｃ１には温度、湿度および老化に対する安定性がない。このような作用を補償し、感度を高めるには回路はより複雑で高価なものになる。
本発明は、キャパシタンスを除去することはできないが、有効に相殺することはできるという原理に基づいている。第２図（ｃ）はタッチ板２５形容量性センサに第３の素子、すなわちガード電極１５を追加した状態を示している。ガード電極１５がタッチ板２５に印加された電圧と振幅および位相が同じ信号によって励起されると、タッチ板２５とガード電極１５、またはタッチ板１５とアースとの間には容量性作用が生じない。
このような相殺を達成するためには、タッチ板２５をガード電極１５と直接連結することはできない。何故ならば、そうすれば第２図（ｃ）の回路は第２図（ａ）に示したものと同じ構造に戻ってしまうからである。しかし、ガード電極１５を励起するためにバッファ増幅器を使用すれば、タッチ板２５とガード電極１５とが電子的に絶縁され、これらをそのまま位相と振幅が等しい電圧によって励起してもよくなる。その結果生じた回路を第２図（ｄ）に示している。バッファ増幅器は典型的にはほぼ単一の利得を伴う非反転増幅器である。好適には、第２図（ｄ）の単一利得増幅器４０は極めて高い入力インピーダンスと、極めて低い出力インピーダンスを有している。実質的に、ガード電極１５とアースとの間のキャパシタンスはタッチ板２５とアースとの間のキャパシタンスＣ１を相殺する。
ガード電極１５を追加し、このガード電極１５をタッチ板２５に印加される信号と同一であるが、この信号から絶縁された信号で励起することによって、センサの感度は大幅に高まる。
最適な相殺効果を達成するには、ガード電極１５の寸法はタッチ板２５と幾何学的に一致していなければならない。すなわち、ガード電極１５はタッチ板２５を接地面５から完全に遮蔽しなければならない。しかし、ガード電極１５は全ての地点でタッチ板２５から等距離にある必要はない。ガード電極１５がタッチ板２５を越えて拡張していると、ガード電極の作用は検知される物体まで拡がり、ひいては全体的な感度が低下する。前述のように、実際には製造公差を許容するために、ガードはタッチ板２５よりも僅かに大きいサイズで製造される。
最適な相殺効果を達成するために、センサ構造とバッファ増幅器回路とを機械的に入念に構成することによって、タッチ板２５から接地面６までの等価キャパシタンス値を容易に１ｐＦ未満にすることができる。出力電圧Ｖoの１％の降下を検知するように検知回路を設計した場合は、タッチ板２５と、その存在が検知される物体との間のキャパシタンスは０．０１ｐＦ未満である必要がある。従って、その存在によって物体自体とタッチ板２５との間に約０．０１ｐＦのキャパシタンスを生ずる物体を検知することができる。本発明に基づいて設計された実際のセンサの場合、指がセンサに極めて軽く触れただけで出力電圧Ｖoは２０％降下する。
第２図（ｄ）では、出力電圧ＶoはＤＣバイアス電圧に重畳されたＡＣ電圧である。ＤＣバイアス電圧は重要ではなく、一般的には阻止コンデンサによって除去される。ＡＣ電圧は整流され、ろ波され、検知用電子素子によって増幅されて、有用で便利なＤＣ電圧にされる。このＤＣ出力電圧はピークＡＣ電圧入力と比例する。
第２図（ｄ）に示したような本発明の基本原理は本発明の異なる実施例で実施することができる。以下の説明から明らかであるように、任意の特定の実施態様は任意の特定の用途に含まれるコスト／性能比の調整関係に応じて選択すればよい。センサは自励モードまたは他励モードのいずれかで機能する電子検知回路によって作動される。他励検知回路は振幅および位相の比較、または振幅だけの比較を利用して、検知領域内の物体の存在を検出する。自励検知回路は振幅の比較、または周波数の比較を利用して、検知領域内の物体の存在を検知する。これらの異なる各々の実施例は以下に詳述する。
他励近接センサを第３図および４図に示している。第３図（ａ）および（ｂ）は振幅と位相の双方の比較を利用した検知電子回路を有する他励センサを示している。第３図（ａ）は第３図（ｂ）に示した回路の概略構成図である。タッチ板２５は高インピーダンス電流リミタ６０を経て外部発振器３５によって励起される。単一利得バッファ増幅器４０はタッチ板２５とアースとの間のキャパシタンスとバッファ増幅器４０の入力キャパシタンスとの合計を最適に相殺するような信号によってガード電極１５を励起する。第３図（ａ）のこのような構成は前述の第２図（ｄ）に示した構成と同一である。
前述したように、バッファ増幅器４０の出力電圧はＤＣバイアス・レベルで重畳された発振器周波数でのＡＣ信号である。このＡＣ出力信号と発振器３５からの信号は位相比較器４５に送られる。センサの近傍に物体がない場合は、ＡＣ出力信号は信号発振器と同相である。物体がセンサに接近すると、ＡＣ出力信号は信号発振器３５の位相から９０°だけ遅れるまで僅かな振幅変化を伴って移相する。物体がより近接すると、僅かな位相変化を伴ってＡＣ出力信号の振幅が急激に減少する。整流器／増幅器５０は出力電圧信号からＤＣバイアス・レベルを除去し、その後、ＡＣ出力信号を増幅し、かつＤＣ信号へと変換する。このように整流されたＤＣ信号は比較器／基準段５５で浮動基準と比較される。物体が所定距離以上に離れている場合は、比較器／基準段５５からの出力は論理“１”であり、それよりも近接している場合は“０”である。
第３図（ｂ）は第３図（ａ）の構成図に対応する振幅および位相の比較を利用した他励センサの回路図を示している。演算増幅器ＯＰ１は抵抗Ｒ１からＲ５、ダイオードＤ１およびＤ２、およびコンデンサＣ１およびＣ２とともに正弦（サイン）波発振器を形成し、その出力は電流リミタ、高インピーダンス・コンデンサＣ３を経てタッチ板２５へと送られる。第３図（ｂ）には正弦波発振器が示されているが、方形波、三角波、またはランプ波形発生器を使用してもよい。Ｚソース６０は第３図（ｂ）ではコンデンサＣ３であるが、その代わりに高インピーダンス抵抗またはインダクタを使用することもできよう。演算増幅器ＯＰ２はコンデンサＣ４および抵抗Ｒ７、Ｒ８およびＲ９とともにガード電極１５を励起する単一利得バッファ増幅器を形成している。コンデンサＣ５はＤＣ阻止コンデンサである。正弦波発振器からの出力はトランジスタＱ２に送られ、バッファ増幅器からのＡＣ出力信号はトランジスタＱ１に送られる。抵抗Ｒ１０からＲ１３、トランジスタＱ１およびＱ２、および結合トランスフォーマＴ１が位相比較回路を形成している。コンデンサＣ６はＡＣ出力からＤＣバイアス・レベルを除去するＤＣ阻止コンデンサである。結合トランスフォーマＴ１からの出力は整流器／増幅器５０に送られる。トランジスタＱ３およびＱ４は抵抗Ｒ１４からＲ１８、およびコンデンサＣ７とともに整流器／増幅器回路を形成している。トランジスタＱ４からの整流器／増幅器の出力はコンデンサＣ６からのピークＡＣ電圧入力と比例するＤＣ電圧である。このＤＣ信号は比較器／基準回路によって浮動基準電圧と比較される。
比較器／基準回路を実施するには幾つかの方法があり、第５図（ａ）−（ｃ）に３つの異なるバージョンが示されている。整流器／増幅器からのＤＣ電圧は比較器の非反転入力端子（＋入力）に印加される。ＤＣ基準電圧は反転入力端子（−入力）に印加される。ＤＣセンサ電圧が基準電圧以下に降下すると、比較器の出力電圧は供給電圧Ｖccからアース電圧へと切り換わる。基準電圧は物体が検知されない場合のセンサのＤＣ電圧よりも低い値に設定されなければならない。基準電圧がセンサのＤＣ電圧に近い程、感度は高くなる。この回路の欠点は、センサの電圧を温度、湿度の変化、老化および塵芥に抗して安定するように保つには高価な材料と許容差が厳密な部品を使用する必要があることである。
このような長期に亘るドリフト作用を克服するため、“浮動基準”を有する比較器を使用することができる。第５図（ｂ）では、センサのＤＣ電圧は比較器の非反転入力に印加される。基準電圧は抵抗Ｒ１およびＲ２からなる分圧器によってセンサのＤＣ電圧から誘導され、その際にＲ２＞Ｒ１である。第５図（ｂ）のコンデンサＣ１の値は抵抗Ｒ１とともに時間定数が数秒から１分になるように選択される。物体が検知されない場合、Ｃ１と比較器の入力は抵抗性分圧器の分圧比によって定められるセンサのＤＣ電圧よりも僅かに小さい電圧値まで荷電される。基準電圧は時間定数（Ｒ１＊Ｃ１）よりもゆっくりと変化する、部品の公差および長期間に亘るドリフト作用に起因するセンサの出力電圧の変動に対して自己調整する。物体がセンサに接近すると、センサのＤＣ電圧は降下するが、基準電圧はコンデンサＣ１によって維持される。降下が基準以下である場合は、比較器の出力は供給電圧Ｖccからアース電圧へと切り換わる。検知された物体が数秒間同じ位置に留まっている場合は、基準電圧はセンサの電圧よりも僅かに低い新たな値まで減衰し、比較器の出力は再びＶccに切り換わる。
自動車の用途では、比較器の出力は検知された物体が検知範囲内にある間は能動状態に留まり、かつ基準電圧が能動値から急速に回復することが望ましい。第５図（ｃ）の比較器／基準回路はこのような付加的な要求基準を満たすものである。
この回路では、出力の能動的な引き上げ（プルアップ）が必要なので演算増幅器が比較器として用いられる。この場合、センサのＤＣ出力は反転入力に直接印加される。回路素子Ｒ１、Ｄ１およびＣ１は（Ｒ１を経た）長い放電時間、および（Ｄ１を経た）短い充電時間を伴うＲＤ回路網を形成する。抵抗Ｒ２は比較器の出力に接続され、基準電圧にヒステリシスを与える。物体が検知されない場合、比較器の出力はアースにあり、分圧器Ｒ１Ｒ２は非反転入力を反転入力よりも僅かに低い値に保持する。物体が検知範囲内にある場合は、反転入力は基準電圧以下に降下し、出力は供給電圧Ｖccへと切り換わる。ここでＲ１とＲ２の抵抗の組合わせは基準電圧をＶccで出力をラッチするセンサの電圧以上に引き上げる。物体が検知範囲外に出ると、センサの電圧は再び基準電圧以上に上昇し、そこで出力電圧はアースに戻る。第５図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の場合、種々のＲＤ時間定数および抵抗・分圧器の比率をセンサの任意の特定の用途にニーズに適合するように変更することができる。
第３図（ｂ）では、図示した特定の比較器／基準回路は第５図（ｃ）に示したものと対応している。比較器／基準回路は回路素子Ｒ１９、Ｒ２０、Ｄ３およびＣ８とともに演算増幅器ＯＰ３を使用し、回路の動作は第５図（ｃ）に関して前述した回路と同様である。
第４図（ａ）および（ｂ）は振幅の比較を利用した検出電子回路を有する他励センサを示している。第４図（ａ）の信号検知回路には位相の比較が用いられず、従って第４図（ａ）には位相比較回路ブロック４５がないことを除いては、第４図（ａ）は第３図（ａ）と同一である。
第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示した構成図に対応する振幅比較を利用する他励センサの回路レベルの実施例を示している。回路の動作は、バッファ増幅器の出力が位相比較回路の介在を伴わずに整流器／増幅器回路に直接送られることを除いては第３図（ｂ）に関して前述した動作と同一である。演算増幅器ＯＰ１、抵抗Ｒ１からＲ４、およびコンデンサＣ１からなる第４図（ｂ）に示した発振器は、正弦波形を発生する第３図（ｂ）に示した発振器とは異なり、方形波形を発生する。異なる発振器回路を第４図（ｂ）に示したのは説明目的のためだけである。第３図（ｂ）および第４図（ｂ）で双方の種類の発振器回路とも互換的に使用できる。同様にして、説明目的のために、第４図（ｂ）に示した抵抗Ｒ５は高インピーダンスの電流制限されたＺソースとしての役割を果たす。コンデンサＣ３がＺソースとして用いられた第３図（ｂ）にも代案の例が示されている。第４図（ｂ）のバッファ増幅器はダーリントン・エミッタ−フォロア構造のトランジスタＱ１およびＱ２と、抵抗Ｒ６およびＲ７とによって形成されている。このバッファ増幅器は第３図（ｂ）に示した演算増幅器のバージョンと比較してより安価にバッファ増幅器を実施する方法である。しかし、演算増幅器を利用した第３図（ｂ）のバッファ増幅器の方が第４図（ｂ）に示したバッファ増幅器よりも感度が高く、単一利得に近い。（第３図（ｂ）のように）振幅および位相のいずれかの比較を利用するか、または（第４図（ｂ）のように）振幅の比較だけを利用するいずれの実施例でも、任意の特定の用途でのコスト／性能比との調整関係に応じていずれのバッファ増幅器を使用してもよい。第４図（ｂ）のコンデンサＣ２はＤＣを阻止する。抵抗Ｒ８からＲ１２、コンデンサＣ３およびトランジスタＱ３およびＱ４からなる整流器／増幅器は第３図（ｂ）に示した整流器／増幅器回路と設計および動作が同一である。第４図（ｂ）の比較器／基準回路も第３図（ｂ）に示した回路と設計および動作が同一である。
第４図（ｂ）に示した回路は振幅比較だけを用いた検知回路を使用しており、バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の移相部品を使用していない。従ってこの回路は第３図（ｂ）に示した装置よりも感度は低い。しかし、これは位相比較回路素子を含んでいないのでより安価な実施態様である。
センサ構造は自励モードで機能する電子検知回路によって動作することもできる。自励モードでは、センサ構造自体が発振器の能動部品である。センサ構造の機械的な配置（第１図参照）には２個のコンデンサがあり、一方はタッチ板２５とガード電極１５との間に、また他方はガード電極１５とアースとの間にある。２個のコンデンサはガード電極１５で共通の接続部を有しており、これらのコンデンサは協働してフィードバックをもたらし、かつコルピッツ発振器内の（インダクタと共振する）周波数決定部品として機能することができる。自励検知回路とともに動作するタッチ板２５に物体が接近すると、出力周波数および振幅が減少する。検知回路はこのような振幅と周波数の変化を検知して、検知領域に物体が存在することを示すように設計されている。
第６図（ａ）および（ｂ）は（バッファ増幅器からのＡＣ出力信号の周波数の変化を利用せずに）振幅比較検知回路を利用した自励センサ構造を示している。第６図（ａ）は３つの機能回路ブロック、すなわち発振器、整流器／増幅器、および比較器／基準回路を示した概略構成図である。第６図（ｂ）は第６図（ａ）に示した概略図の回路レベルの実施態様である。トランジスタＱ１は発振器の能動部品であり、インダクタＬ１は背面組合わせのセンサ・コンデンサとともに発振器の周波数を決定する。Ｒ１とＲ２はトランジスタＱ１用のバイアス抵抗である。トランジスタＱ２と抵抗Ｒ３とはバッファ増幅器を形成し、発振器を後続の回路から遮断する。コンデンサＣ１はＤＣ阻止コンデンサである。Ｃ１からのＡＣ出力信号は設計と動作が第３図（ｂ）および４図（ｂ）に示した整流器／増幅器回路と同一である（回路素子Ｑ３、Ｑ４、Ｒ４からＲ８、およびＣ２からなる）整流器／増幅器回路に送られる。この回路からの出力は設計と動作が第３図（ｂ）および４図（ｂ）に示した比較器／基準回路と同一である比較器／基準回路に送られる。
第７図（ａ）−（ｄ）は周波数比較検知回路を用いた自励センサ構造を示している。この回路は物体が検知領域に接近すると、バッファ増幅器からのＡＣ出力センサの周波数の変化を検知する。第７図（ａ）はこの回路の概略構成図であり、４つの機能素子を示している。すなわち、センサ構造を組入れた発振器、周波数カウンタ、２進比較器、および２進基準回路である。第７図（ｂ）および（ｃ）は第７図（ａ）に示した構成図の回路レベルの実施態様である。第７図（ｄ）は第７図（ｂ）および（ｃ）に示した回路の種々のポイント（例えば“ＡＡ”、“ＢＢ”等）での信号波形を示している。第７図（ｂ）では、センサ、インダクタＬ１、トランジスタＱ１および抵抗Ｒ１およびＲ２がコルピッツ発振器を形成している。トランジスタＱ２および抵抗Ｒ３はバッファ増幅器を形成して、発振器が後続の回路負荷から遮断する。回路素子ＩＣ１ａからＩＣ１ｅは論理レベル・インバータである。インバータＩＣ１ａは抵抗Ｒ４でバイアスされ、線形増幅器として動作する。トランジスタＱ２の信号出力はコンデンサＣ１、ＤＣ阻止コンデンサを経てＩＣ１ａの入力に供給される。信号の正と負の偏倚運動（excursion）によってインバータＩＣ１ａの出力は飽和状態まで励起される。それによって通常は丸い発振器出力波形が回路内の“ＡＡ”のポイントで方形波形へと形成される。（第７図（ｄ）を参照）インバータＩＣ１ｂ）は波形を反転させ、ポイント“ＢＢ”で反転波形を発生する。（第７図（ｄ）を参照）インバータＩＣ１ａの出力はＩＣ３、すなわちフリップフロップへのクロック入力としても利用される。Ｑおよび反転されたＱにおけるフリップフロップＩＣ３の出力は入力の周波数の半分の周波数であり、第７図（ｂ）の“ＣＣ”および“ＤＤ”に示されている。回路素子ＩＣ２ａからＩＣ２ｄは論理積回路である。第７図（ｂ）の信号“ＢＢ”および“ＤＤ”はＩＣ２ａで論理積演算され、“ＦＦ”でＣＯＭＰＡＲＥ信号を発生する（第７図（ｄ）を参照）。信号“ＡＡ”および“ＣＣ”はＩＣ２ｂで論理積演算され、ＧＡＴＥ信号“ＥＥ”を発生する（“ＥＥの継続期間、すなわち幅はトランジスタＱ２のエミッタにおける出力信号のサイクルの半分に等しいことを付記しておく）。信号“ＡＡ”および“ＤＤ”はＩＣ２ｃで論理積演算され、“ＧＧ”でＲＥＳＥＴ信号を発生する。ＩＣ１ｅは発振器を回路の負荷から緩衝する。発振器の出力は“ＨＨ”に示されている（第７図ｄ）を参照）。発振器信号“ＨＨ”の周波数はセンサ発振器の周波数の約１−２００倍である。信号“ＥＥ”および“ＨＨ”はＩＣ２ｄで論理積演算され、信号“ＪＪ”を発生する。“ＪＪ”におけるサイクル数はタッチ・センサ発振器の周期と比例する。
ＩＣ４はマスター・スレーブ・フリップフロップＩＣ４ａからＩＣ４ｈからなる８段２進リプル・カウンタを形成している（第７図（ｃ）を参照）。カウントされるべき信号はＩＣ４ａのＣＰに送られ、マスター・リセット線が備えられる。カウントされるパルス数を表す出力はＩＣ４ａからＩＣ４ｈのＱ出力であり、振幅比較器ＩＣ５へのＡ０からＡ７入力へと送られる。２進基準値はスイッチＳ０からＳ７のバンクによって発生され、ＩＣ５内の入力Ｂ０からＢ７へと送られる。
動作手順は次のとおりである。検知サイクルは“ＧＧ”におけるリセット信号が高レベルに向かい（高レベルの場合は記載した全ての論理値が正、すなわち能動状態である）、カウンタをクリヤする。この時点で比較器とカウント手順は使用禁止になる。次にカウント・ゲート信号“ＥＥ”が起動され、パルスが“ＪＪ”にてカウンタに供給されることが可能になる。この時点でも比較器は依然として使用禁止である。カウント・ゲート信号が低レベルに向かうと、パルスのカウントはパルス・カウンタのＱ出力に保持される。次に、“ＦＦ”における比較ストローブが能動状態になる。比較器ＩＣ５はカウンタからの値と基準値とを比較する。カウンタ（入力Ａ）が基準値（入力Ｂ）未満か、これと等しい場合は、出力は高レベルに向かい、検知領域内に物体があることを示す。比較ストローブが低レベルに向かうと、出力は振幅比較器ＩＣ５によってラッチされる。
タッチ・センサ発振器の周波数は物体が接近すると減少する。すなわち、言い換えると、発振器の周期が増大する。カウント・ゲート信号“ＥＥ”の幅はタッチ・センサ発振器の周期と直接比例し、従って、カウント・ゲートの幅は物体の接近とともに増大する。カウンタ入力に供給される水晶発振器からのサイクル数はカウント・ゲート信号の幅と直接比例し、従って物体が接近するとカウンタ出力は増大する。ディジタル基準数は任意の特定の用途に応じて予め定められており、物体の存在が回路の出力をトリガする距離、タッチ・センサ発振器の周波数、および水晶発振器の周波数のような多くの要因に基づいて設定することができる。
第８図（ａ）および（ｂ）は周波数比較検知回路を用いた自励センサ構造のマイクロプロセッサを利用した実施態様を示している。タッチ・センサ、インダクタＬ１、トランジスタＱ１、および抵抗Ｒ１およびＲ２がコルピッツ発振器を形成している。発振器の周波数はインダクタＬ１およびセンサのキャパシタンスによって決定される。トランジスタＱ１と抵抗Ｒ３とがバッファ増幅器を形成し、Ｃ１はＤＣ阻止コンデンサである。回路素子ＩＣ１は準線形増幅用に抵抗Ｒ３によってバイアスされた反転ゲートである。ＩＣ１への入力は出力を充分に飽和され、それによって方形波でマイクロプロセッサ（第８図（ａ）を参照）への入力ポートを励起するのに充分に大きい入力である。マイクロプロセッサへのシステム・クロックは基準信号を供給する。マイクロプロセッサ内のカウンタは入力ポートでの信号が高レベルにある周期を測定し、これを基準信号と比較する（第８図（ｂ）の流れ図を参照）。カウンタが基準信号未満であるか、これに等しい場合は（すなわちマイクロプロセッサへの入力ポート信号の期間が基準信号の期間の半分未満か、これに等しい場合は）、マイクロプロセッサへの出力ポートでの信号は高レベルに向かい、検知領域内に物体が存在することを示す。
自励モードまたは他励モードのいずれの場合も、振動周波数は重要ではなく、数キロヘルツ（ｋＨｚ）から数百メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲でよい。いずれかのモードで発振器によって発生される波形の形状も重要ではなく、正弦波、方形波、またはランプ波形を用いて優れた性能が得られる。好適な実施例では、選択された特定の検知回路に応じて、１０ｋＨｚ−１０ＭＨｚの周波数を有する正弦波、または方形励振波を使用してもよい。
絶縁層の厚さは基本的な理論上、または設計上の考慮によってではなく、むしろセンサの特定の用途の要求基準によって設定される。導電層（すなわちガード層１タッチ板２５）との厚さは典型的には０．１から１０ミルの間、即ち、０．００２５４から０．２５４mmである。
自励回路では、分離された第１と第２の絶縁層１０、２０は薄く保たれる（典型的には約１０−１５ミル、即ち、０．２５４mm−０．３８１mm）。それらの厚さの比率がその結果として生ずるキャパシタンスの比率を決定し、この比率は発振器回路に適合するように調整できる。
他励回路では、接地面５とガード層１５との間の第１絶縁層１０をできるだけ厚くすることが望ましい。それによってガード層１５と接地面５との間の信号損が減少する。ガード層１５とタッチ板２５との間の絶縁体は結合を最大限にするためにできるだけ薄くするべきである（約５ミル、即ち、０．１２７mm）。それによってガード層電極１５を励起する信号３がタッチ板２５への信号と同じ振幅と位相とを有することが可能になる。ガード層１５が外部の発振器によって励起される場合は、接地面５とガード層１５との間の絶縁体の厚さは重要ではなく、ガード層１５からタッチ板２５への絶縁体の厚さは、バッファ入力で便利な励起レベル（典型的にはピークピーク値で約２．５−５．０Ｖ）を達成するように調整することができる。
振幅比較または位相と振幅の比較を利用した他励近接センサを使用するか、または振幅比較または周波数比較を利用した自励近接センサを使用するかの選択は、主として用途に応じた要求およびコスト／性能比（すなわち感度）の調整関係によって決まる。
振幅比較を利用した自励近接センサは一般に１個のセンサしか必要としない用途に最適である。このようなセンサは感度が良いだけではなく、少数の部品しかた使用しないのでコストは低く抑えられる。（自動車の場合のように）マイクロコントローラの資源を利用できる場合は、マイクロコントローラを使用して比較的少ない追加部品で周波数比較バージョンを実施することができる。それによって整流器／比較器回路の必要性もなくなる。自励近接センサは比較的高価な部品であるインダクタを使用しているので、このようなセンサは複数のセンサを使用する用途ではコスト有効度が低い。
振幅比較を利用する他励近接センサは複数のセンサを使用する用途に最適である。部品数の増大は複数個のセンサを励起するために１個の発振器を使用することによって相殺され、整流器／増幅器、および比較器／基準段を多重化して幾つかのセンサに役立てることができる。位相および振幅比較を利用した他励近接センサは最高の感度を得ることができるが、部品の数も最大になる（すなわちコストが高くなる）。
これまで現時点で本発明の好適な実施例と見なされることを説明してきたが、本発明から離れることなく種々の変更と修正が可能であることは当業者には明らかであり、従って本発明の真の趣旨と範囲に含まれるこのような変更や修正の全てを包含することを意図するものである。
【図１】
0004027971.tif 000002
【図２（ａ）】
0004027971.tif 000003
【図２（ｂ）】
0004027971.tif 000004
【図２（ｃ）】
0004027971.tif 000005
【図２（ｄ）】
0004027971.tif 000006
【図３（ａ）】
0004027971.tif 000007
【図３（ｂ）】
0004027971.tif 000008
【図４（ａ）】
0004027971.tif 000009
【図４（ｂ）】
0004027971.tif 000010
【図５（ａ）】
0004027971.tif 000011
【図５（ｂ）】
0004027971.tif 000012
【図５（ｃ）】
0004027971.tif 000013
【図６（ａ）】
0004027971.tif 000014
【図６（ｂ）】
0004027971.tif 000015
【図７（ａ）】
0004027971.tif 000016
【図７（ｂ）】
0004027971.tif 000017
【図７（ｃ）】
0004027971.tif 000018
【図７（ｄ）】
0004027971.tif 000019
【図８（ａ）】
0004027971.tif 000020
【図８（ｂ）】
0004027971.tif 000021