(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３体以上の近接度センサーのアレイから得られた接近度値を基にして、前記各センサーと車両乗員の頭部ポジションとの幾何学的位置関係を利用した三角法アルゴリズムを用いて、車両乗員の頭部ポジションを判定する装置であって、
頭部表面の接近度のポイントと頭部内部のポイントとの間の相違を調整するために、前記各センサーから得られた接近度値に平均頭部半径を加算することによって、前記三角法アルゴリズムで用いられる前記接近度値を補正していることを特徴とする装置。
【請求項２】
車両乗員の頭部ポジション判定に基づいて、乗員の変調を検出するように構成され、あるいは乗員のポジションにより引き起こされる乗員への怪我のリスクを認識するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
乗員が所定の頭部動作をすると、１または複数の自動車システムとつながるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
車両と乗員頭部との間の位相差を比較することで、乗員の変調を検出するように構成された１または複数の車両搭載加速度器とコンピュータ装置とをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記コンピュータ装置は、乗員の頭部動作の位相が、車両の動作の位相ズレから実質的に逸脱しているか否かを判定する手段を含んでいることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記近接度センサーは誘電基板の片面に形成された複数の電極を含んでおり、該電極は接地領域において分離されており、該誘電基板は該片面とは反対側の基板面に接地領域を含んでおり、該反対側の接地領域は該電極を分離する接地領域と電気的に接続されており、前記誘電基板は方形の少なくとも２本の隣接辺の全長あるいは一部を含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記近接度センサーの方形が車両のサンルーフによって形成されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
関連出願
本願は、つぎに記載した米国出願に基づき優先権の主張をするものである。
・フィリップ  Ｗ  キシルの「一体式キャパシティセンサーアレイ」（１９９７年１月２日出願、出願番号第０８／７７８，８７１号）
・同人の「車乗員検出システム」（１９９６年４月２３日出願：仮出願番号第６０／０１６，３７４号）
・同人の「重度身体障害者のための車椅子運転システム」（１９９６年４月２３日出願：仮出願番号第６０／０１６，３７５号）
・同人の「頭部ポジション検出及び記録システム」（１９９６年５月１７日出願：仮出願番号第６０／０１７，４４０号）
・同人の「センサーの機能化、調整、不機能化及び作動化を行う安全システム並びに居眠り警告装置」（１９９６年７月３０日出願：仮出願番号第６０／０２２，７７４号）
・同人他の「車両内の成人と子供とを識別するキャパシティゾーン化システム」（１９９６年８月１６日出願：仮出願番号第６０／０２４，０２７号）
・同人他の「安価なキャパシティセンサーアレイ」（１９９６年１０月１１日出願：仮出願番号第６０／０２８，３５８号）
・同人の「人体近接度及び人体モーションに反応する非接触式スイッチ」（１９９６年１２月３日出願：仮出願番号第６０／０３，２５号）
・同人の「車内ルーフ用円形電極と半球センサーシステム」（１９９７年２月１０日出願：仮出願番号第６０／０３７，７０１号）
発明の背景
発明の分野（技術分野）
本発明は、車の乗員用検出方法及び検出装置に関する。
背景技術
車両内の乗員の検出は、安全システムの性能改善並びに快適性提供システムと利便性提供システムの性能向上のために必要なことである。従来のセンサー技術は赤外線、超音波、マイクロ波及びキャパシタンス（静電容量）利用センサー(capacitance-based sensor)のごときビーム発生装置を含んでいる。このキャパシタンス利用センサーは空間を立体的にカバーすることができ、空気や周囲の物体とは異なる導電物体に反応する。このようなセンサー技術は車両の様々な部位において多様な実施態様で有効に利用できる。本願発明は新規な形態のセンサーを提供するものであり、以下に解説するごときの従来のシステムに勝る多数の利点を提供する。
発明の概要（発明の開示）
本発明は、複数のキャパシティセンサー(capacitive sensor)を含んだキャパシティセンサーアレイである。これらセンサーの各々は誘電基板(dielectric substrate)の１面に形成された２体（あるいは２体式）の隣接電極を含んでいる。好適実施例においては、各キャパシティセンサーは車内シート、フロア、ドアパネル、ダッシュボード、ルーフ、ルーフ補強材、ハンドル等に設置され、乗員の存在／不在の検出や乗員ポジションの検出を行う。
本発明は、エアバッグシステムや他の安全装置をコントロールする信号装置でもある。この装置は電圧しきい値(voltage threshold)を含んでいる。このしきい値は誘電基板の１面上に形成された２体の隣接電極で成るキャパシティセンサーによって創出される出力電圧の範囲から選択される。この電圧範囲は、センサー界が近接人体によって影響されない最大電圧から、人体がキャパシティセンサーに隣接状態となる最低電圧に至るまでの連続電圧で成る。
本発明は、誘電基板の１面上に提供された２体式の隣接電極(dual adjacent electrodes)を備えた複数のキャパシティセンサーを含んだキャパシティセンサーアレイでもある。このアレイは、シートのヘッドレストに対する乗員の頭部ポジションを検出するように車内に設置されている。このアレイはシートのヘッドレストポジションを調整するための調整手段に接続され、乗員頭部に対するヘッドレストの最適なポジショニングを提供する。
本発明は、３体以上の近接度センサー(proximity sensor)のアレイから得られた近接度値(proximity value)を基にして乗員の頭部ポジションを決定する装置をも提供する。この装置はセンサーと乗員頭部との幾何学的位置関係を利用する。この装置はオプションとして、近接度値の調整を提供し、頭部表面の近接度ポイントと頭部内部のポイントとの間の相違を調整する。この装置はオプションで、乗員の変調の検出にも使用される。さらに、乗員の危険ポジションによって引き起こされる相対的なリスクを検出し、あるいは、頭部の所定の動きによって乗員（特に重度身障者）に何らかの操作をさせることもできる。
本発明は、運転手の変調を検出する装置にも関する。この装置は車両モーションと運転手の頭部モーションの‘ずれ’を判定する手段を含んでいる。
本発明はさらに、キャパシティセンサーと重量センサーとを併用した乗員用センサーシステムをも提供する。キャパシティセンサーは誘電基板の１面に形成された２体の隣接電極を含んでおり、オプションとして、キャパシティセンサーはルーフ、ダッシュボード、及び／又はシートに設置され、重量センサーはオプションとしてシートに設置される。
本発明は、乗員センサーシステムとエアバッグ膨張手段とを含んだエアバッグシステムをも提供する。このシステムはルーフに隣接して提供されたキャパシティセンサーを含んでおり、オプションとして乗員の重量を検出する重量センサー手段を含んでいる。このエアバッグ膨張システムは、キャパシティセンサーが乗員の存在を示す信号を出力し、乗員の存在を示す重量センサー手段からの信号を受信すると作動が可能になる。
本発明は、誘電基板の１面上に形成された複数の電極を含んだキャパシティセンサーをも提供する。これら電極は接地領域(grounded area)で分離されており、基板はさらに電極面とは反対側の面に提供された接地領域をも含んでいる。この反対面の接地領域は電極を分離する接地領域と電気的に接続されている。好適実施例では、基板は方形の少なくとも２隣接辺の全てまたは一部を含んでいる。
本発明は誘電材料の１面上に形成された少なくとも２体の隣接電極と、それら電極に電気的に接続された電子部材（部品）とを含んだキャパシティセンサーをも提供する。これら電子部品は誘電材料の反対側面上か、またはキャパシティセンサー誘電材料に接着された別体の誘電材料上に提供される。
本発明の主要な目的は、乗用車内の自動システムの安全性を高め、操作性を高めることである。
本発明の主たる利点はこの目的を経済的に提供できることである。
本発明の他の目的、利点及び新規な特徴は、図面を利用した以下の詳細な説明に記載されており、当業者であれば容易に理解するであろう。あるいは、本願発明の実施を通じて理解されよう。本願発明のこれら目的と利点とは「請求の範囲」の記載内容に従った実施によって実現されよう。
【図面の簡単な説明】
添付の図面は本願発明の原理を説明するためのものである。図面は本発明の好適実施例の説明のみを目的としており、本願発明を限定するものではない。
図１はハンドルエアバッグカバー内に設置された状態の本願発明の隣接電極キャパシティセンサーの概略図である。
図２(a)と図２(b)はそれぞれ、本願発明のキャパシティセンサーの背面図と側面図であり、乗員側の面上に破断縫部(tear seam)と電子部品(electronic parts)とを備えている。
図３は車両の助手席側に設置された本願発明のキャパシティセンサーの概略図である。
図４は重量センサーと併用されるキャパシティセンサーの概略図である。
図５は本願発明により採用される電圧しきい値が示された、電圧反応と乗員近接度との関係を示すグラフである。
図６はシートヘッドレスト調整機構に接続された状態の本願発明のルーフ用センサーアレイの概略図である。
図７は１実施例による、近接度スイッチによる車両クラクションの作動を示す概略図である。
図８は乗員側から見た本願発明の“Ｌ”型キャパシティ乗員センサーの概略図である。
図９は乗員側から見た状態の、サンルーフ周囲に配置された本願発明の“Ｌ”型センサーの概略図である。
図１０は２種類の周波数を利用し、対面して配置されたドライブ電極(drive electrode)とレシーブ電極(receive electrode)とで成る電極アレンジの概略図である。
図１１(a)から図１１(c)は、隣接電極とは反対側の基板面上での好適な電子部品の配置を示す断面図、上面図及び底面図である。
図１２は電極を支持する誘電基板とは別体となった回路基板上での電子部品の配置を示す断面図である。
図１３は本願発明のセンサーの典型的な反応を表す曲線グラフである。
図１４は本願発明の三角計測処理のためのセンサー配置例である。
図１５は“プラス（＋）”形状である本願発明の実施例の概略図である。
好適実施例の説明
（本願発明の最良態様）
車両（一般的に乗用車）の乗員の検出は、安全システムの改善や快適性及び利便性システムの向上のために必要である。従来のセンサー技術には、赤外線、超音波、マイクロ波及びキャパシタンス利用センサー等が存在する。このキャパシタンス利用センサーは空間をカバーし、乗員と周囲の物体の導電性の相違に反応する。これらセンサー技術は、多様な新規実施例に採用が可能である。例えば、シート、フロア、ダッシュボード、ルーフ、ルーフ補強材（“A”ピラー、“B”ピラー等）あるいはハンドルに設置できる。
本願で好適に採用されるキャパシタンスセンサーには少なくとも５種類が知られている。これら全ては人体の存在によってその静電界が影響を受ける。このようなキャパシタンスセンサーは以下をそれぞれ含むことができよう。
・中間に電界を有した２体の対面電極。
・車両の金属部に静電的にカップリングされた１体の電極。
・車両に接地された人体に静電的にカップリングされた励振バックプレーン(driven backplane)に抵抗(against)する１体の電極。
・平面あるいは非平面で空間的に分離された２体の非対面電極。
・（最好適）２体の隣接平面電極。
この最後の形態のキャパシティセンサーは他の形態のものよりも優れていると考えられる。なぜなら、センサーフィールド(sensing field)は制御可能であり、車両内の他の物体による不都合な影響が少ないからである。また、この形態のセンサーはアレイ状に利用することができ、センサーフィールドは互いにオーバーラップして望むセンサー空間を完成させることができる。このようなセンサーは本出願人の米国特許第５，６０２，７３４号及びその関連出願で示されるように、車両のルーフにアレイ形態で配置が可能であり、あるいは、指定箇所にて個別の採用が可能であり、あるいは、望む組み合わせ、例えば、ドアとシートの底とシートの背、またはダッシュボードとドアとシートの背、またはシートの底とシートの背などに複数形態で利用することができる。各利用形態にて、センサーフィールドはキャパシティセンサーの平面から乗員の方向に向かって内側に広がる。
図１、図２(a)及び図２(b)を解説する。ハンドル１のエアバッグカバー２の内面に設置された１体のセンサー５は、人体の（センサーへの）近接度に応じてエアバッグシステムの出力の切り替え操作をすることができる。もしドライバーの手、腕あるいは身体（図示せず）がエアバッグカバー２に接近あるいは接触していると、エアバッグ膨張器（図示せず）はスイッチ操作で低出力モードとされ、急速に膨張するエアバッグ４の急膨張による乗員への怪我のリスクを低減させる。この場合、センサー５は中央にミシン目６を必要とするかも知れない。このミシン目６によってセンサー５の内側のエアバッグ４はセンサー５をエアバッグカバー２から放出することなくエアバッグカバーの破断線３を突き破って膨出することができる。電子部品８を運転手に面したセンサー５面に、ミシン目６から離れた状態で設置することで、急速なエアバッグの膨張による電子部品８のドライバーの顔方向に向かった飛び出しを防止することができる。
図３に示す助手席用エアバッグシステム（図示せず）においては、センサー５は乗客に面したダッシュボード７に設置される。その乗客がセンサーフィールド内に存在しなければ、エアバッグシステム（図示せず）は作動する。しかし、もし乗員がエアバッグドア（図示せず）に接近していると、エアバッグシステムは作動しないか、あるいは低減された膨張力で作動する。
あるいは、２体以上のセンサー５を採用することもできる。１体を乗客シート（助手席）１０２の前方のダッシュボード７の前面に、そして他のセンサー５を乗客シートの上方のルーフ１０１内に設置する。ダッシュボード７のセンサー５は乗客または子供シートの幼児（図示せず）が近接して存在するか否かを判定する。同時に、ルーフセンサー５は通常に着座している乗員（乗客）が存在するか否かをその乗員の頭部（図示せず）をセンサーすることで判定する。もしルーフセンサーとダッシュボードセンサーの両方が人体の近接状態を示すと、コンピュータによる論理処理によってその乗員が成人であり、膝や脚がエアバッグに接近していると判定し、通常のエアバッグ作動が提供される。ダッシュボードセンサーのみが人体の接近を示すなら、コンピュータはその乗員が後ろ向きの子どもシート内の幼児であると判定し、エアバッグを作動させない。
車種によっては、乗員検出のために隣接電極キャパシティセンサー５をドアの内側１０４またはフロア１０３に設置することが望ましいであろう。
本発明はルーフセンサー及び／又はダッシュボードセンサーからの電圧出力の変化の分析手段をさらに含むことができる。この分析能力によって通常の人体の動作による乗員モーションの変動、またはパニックによる急停止のごとき急ブレーキによって引き起こされる乗員モーションの変動を検出する。後者の場合、コンピュータはインパクトの瞬間のエアバッグドアに対する乗員ポジションを決定し、エアバッグシステムを最良形態で作動させる。
図４に示すように、本願発明は他の技術と併用することが可能である。例えば、キャパシティセンサー５を、シート１０２に設置された重量センサー装置９と組み合わせて、ルーフ１０１やダッシュボード７内に設置することができる。これでシートの成人、子供、幼児及び他の物体を確実に識別することができる。このようなセンサー形態によって前方シートで後ろ向き子供シートの幼児を確実に検出することができ、エアバッグの作動を停止あるいはその膨張力を弱めることができる。
このような形態のセンサー用のコンピュータ論理処理によって提供されるであろう乗員（乗客）検出センサー用しきい値及び出力条件の例は表１において示されている（Ｙ(yes)は表示されたしきい値よりも大きなセンサー反応を示す）。
0004122417.tif 000002
本発明はルーフ、シート、計器パネル(IP)、またはドアに追加的にキャパシティカップリングセンサーを使用してシステムの識別力と信頼度をさらに高めることもできる。もちろん、ユーザーは本システムの性能を変更するために前述のしきい値とは異なるＹＥＳ／ＮＯ形態のしきい値を選択することもできる。
オプション的に、エアバッグシステムは、主乗員センサーシステムとしてルーフ１０１にキャパシティセンサー５を設置し、バックアップ／確認用の乗員センサーシステムとしてシートに重量センサー９を設置することができる。この実施例では、センサーシステムは２つの要因、すなわち、ルーフセンサーのキャパシタンス変動特性とシート重量センサーの重量変動特性とから乗員の特性を観察することができる。
図５に関して解説する。人体が近接状態で存在しない場合、好適には、本発明のキャパシティセンサー電圧出力は所定最大電圧値１１である。人体の存在は電圧出力を減少させる。この電圧の減少程度は検出が可能であり、人体の近接度に応じて周知の現象にて反応する。この電圧値が所定のしきい値１０以下に減少すると、安全システムは作動、非作動、及び／又は適当な反応レベルで起動される。あるいは、オーバーラップするセンサーフィールドを提供するセンサーアレイは、出願人の米国出願で開示されているように人体の正確なポジションを決定することができる。
これらキャパシティセンサーは、後方クラッシュのごときエアバッグの作動を必要としない衝突時の乗員保護性能を改良するようにも採用できる。図６に示すように、自動車シートは衝突力を吸収するように設計されている。特に、ヘッドレスト１０６を提供することでむち打ち症の程度を軽減するように設計されている。大抵の場合、このヘッドレストは手動調整式である。残念ながら、多くの乗員はヘッドレストの高さ調整を忘れ、後方衝突の際のむち打ち症のリスクを負う。乗員頭部のＸ、Ｙ、Ｚ座標を決定することができるルーフ内の３体以上のキャパシティセンサー１０５で成るアレイからの出力を参考にして、Ｚ座標データをヘッドレスト高調整機構１２に入力し、乗員の頭部の高さにマッチするようにヘッドレスト高を自動的に調整することができる。
３体のルーフ搭載キャパシティカップリングセンサーからの近接度データを使用した頭部ポジションの三角測定処理(triangulation)手段は三角法(trigonometry)あるいは分析幾何(analytic geometry)を利用して提供される。最も単純で迅速な計算処理は分析幾何の手法である。この処理は３体のセンサーを三角形状に配置し、その１辺を車両のｘ軸（移動方向）と平行にすることで単純化される。最も有利な三角形状はｘ軸に平行な底辺を備えた正三角形あるいは二等辺三角形である。このアレイのスペース配置処理で、ｘ軸配向性と相まって頭部ポジションの三角法測定に必要な計算要素が減少し、アルゴリズム効率(algorithm throughput)が高まり、コストが軽減される。
センサーがシートポジション上方のルーフ内に設置された形態で、センサー出力電圧はセンサーから乗員頭部（“標的”）までの距離の関数として変化する。標的の近接度に対するセンサー出力電圧の変動は非直線的であり、以下の式で表されるように、キャパシタンスは指数関数的に変動する。
電圧＝Ａ＋Ｂｘ指数(exp)（Ｃｘ近接度）
図１３はセンサーの１つの典型的な反応曲線を示している。この曲線グラフは、そのセンサーに対して直交するものと、横断方向に約１０インチだけ離れた２つの点で計測されたデータサンプルに標準適合(fit)するものとを示す。特定距離におけるサンプルの垂直方向の幅（差）は、完全な半球形状から水滴(teardrop)形状を有したものへのセンサーフィールドの歪みの結果である。センサーの出力電圧値は標的までの距離が増加すると増加し、最大値で一定となり、電圧値範囲が限定される。図１３の曲線に対する定数(constant)は現在使用されている６インチ径から８インチ径のセンサーに典型的なものである。この変換関数の直観的な特徴は、指数関数項ＣにＣ＝−０．５を適用した場合に得られよう。距離の増加に伴って値がゼロ近辺に急速に接近する。
exp（−０．５ｘ１．００インチ）＝０．６０６
exp（−０．５ｘ２．００インチ）＝０．３６８
exp（−０．５ｘ５．００インチ）＝０．０８２
exp（−０．５ｘ１０．０インチ）＝０．００７
指数項がゼロに接近すると、そのＢ倍もゼロに接近する。従って、関数の電圧値＝Ａ＋Ｂｘexp（Ｃｘ近接度）はＡに漸近する。よって、Ａは“空フィールド”の電圧極限値である。一般的にＡはセンサー電子装置がキャリブレーションされるときにセットされ、Ｂは信号処理利得(gain)の関数であり、Ｃはセンサー形態と静電環境の関数である。この関数の通常の利用においては、定数Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれオフセット値(offset)、利得値(gain)、及び減衰値(decay)となる。
本発明は１体のセンサーあるいはセンサーペアの使用を可能にし、電圧しきい値は人体（物体）の存在−不在信号または“ゾーン(zone)”出力を提供するように使用できる。この場合、しきい値は実験的にセットでき、センサーの変換関数（３定数）を知る必要はない。これら定数はシステムデザイン時以外には使用されない。
本発明のセンサーは好適には、エアバッグ作動ロジック(air bag deployment logic)によって使用されるように頭部ポジションを三角測定したり、“居眠り運転”の検出に使用される。三角測定処理するため、センサー電圧はデジタル化され、逆変換関数(inverse transform function)が適用されて（好適には）各センサーに対する近接度(proximity)が得られる。
近接度＝log e（（v-A）/B）/C
ＣＰＵあるいは同様なコントローラーが、センサー電圧のデジタル化、変換関数の適用、及び三角測定処理の実行に利用される。この処理の１実行形態は、“ブルートフォース(brute force)”解法であるが、さらに単純な解法が存在する理由によりここではその説明を省略する。
３体を越えるセンサーの使用には問題があるが、４体あるいは５体のセンサーで成るアレイでもサンプル処理は可能であり、標的に“最も近接する”３体のセンサーのサンプル処理が選択的に可能であろう。三角測定処理はそれら３体の選択センサーを使用して適用される。標的が１セットのセンサー下方から別セットのセンサー下方に移動すると、得られたＸＹＺポジションに小さな“欠陥(glitch)”が表れる。これは、３体のセンサーで成る１セットが別セットのものと異なる変換関数誤差成分(transform function error component)を有しているからである（３定数のキャリブレーション誤差）。ドライバーの変調を検出するには小さなポジション変化を活用するので、変動する相対ポジションは絶対ポジションよりも重要度が格段に高い。よって、三角測定処理においては、３体のセンサーで成る固定セットの方が好適である。
このシステム構造は三角計測処理のために好適には埋込式コントローラーを利用している。このコントローラのコストは、三角関数や他の高等数学演算子の利用の必要性を排除または最低化することで引き下げられる。どのようなオリエンテーション（配向性）であろうと３体のセンサーによる三角形態アレイのためにデザインされた一般解を適用することができる。しかし、特定のオリエンテーションで１体のみの正三角形状あるいは二等辺三角形状センサーアレイを使用することで、三角測定プロセスは大幅に簡素化され、三角関数を必要とせずに形状分析が可能となる。
三角計測アルゴリズム(triangulation algorithm)の説明を始めるにあたり、簡単に幾何学の説明をする。底面が三角であるピラミッド（四面体）形状が存在すると仮定しよう。このピラミッドの頂点がすなわち標的である。この底面は正三角形であり、センサーはその各角部に設置される。ピラミッドの各角部（センサー位置）と頂点との距離が近接度である。底面の辺長であるセンサーとセンサーとの距離はそれぞれ等しい（底面三角形の辺長Ｓ）。図１４は好適なオリエンテーションに存在する底面三角形を示す。各センサーのＸＹ座標が示されている。実際の使用では、このピラミッドは逆形状である。すなわち、底面はルーフにあり、頂点は乗員の頭部に存在する。コンピュータでの図形表現を単純化する目的で測定単位としてはインチの代わりにピクセルを使用する。図１４の例は１９８ピクセルの辺長を有しており、三角形の高さ（このオリエンテーションではＳ２とＳ３のＹ座標）は等しくなる。三角形の高さ（Ｈ）は実際には以下の式で計算する。
Ｈ=Ｓcos(30)=194.0cos(30)=168.008928
図１４は点Ｐ=(36,122)をも示している。標的座標の随意セットがＴ=(36,122,200)にてピラミッドの頂点として選択されている。このＰは頂点の平面上投影点である。ポイントＴの高さ（Ｚ軸座標）は本例では２００にセットされている。標的をＴの位置にすると、３種のセンサーと標的との距離（ピラミッドの側辺長）がピタゴラスの定理から計算できる。
ｒ=(dx2+dy2+dz2)の平方根
ｒ1=(36x36+122x122+200x200)の平方根=237.02321
ｒ2=((36-(-96))2+(168-122)2+200x200)の平方根=244.55229
ｒ3=((96-36)2+(168-122)2+200x200)の平方根=214.09769
三角測定処理の問題は、前述した電圧から距離への変換を利用して得られた３つの近接度（距離）（ｒ１、ｒ２、ｒ３）におけるＴの座標を得ることである。必要な唯一の定数は底三角形の辺長Ｓである。このオリエンテーションでは、センサー座標を利用する必要もない。本例のように配置された正三角形の場合には、以下の解法が利用できる。
Ｘ=(r2の二乗-r3の二乗）/2S
Ｙ=(2r1の二乗+2Sの二乗-r2の二乗-r3の二乗)/2Sルート３
Ｚ=ルート(r1の二-Xの二乗-Yの二乗)
実施例のデータを代入すれば、
Ｓ=194，２Ｓ=388，Ｓの二乗=37,636
ｒ１の二乗=(237.02321)の二乗=56,180.00
ｒ２の二乗=(244.55229)の二乗=59,805.82
ｒ３の二乗=(214.09769)の二乗=45,837.82
これらを代入して計算すると以下のごとくになる。
Ｘ=(59,805.82-45,837.82)/388=36.0
Ｙ=((2x56,180)+(2x37,636)-59,805.82-45,837.82)
/(388x1,732)=122.0
Ｚ=ルート(56,180-Xの二乗-Yの二乗)=200.0
これは、最初の座標に合致する解、Ｔ=(36,122,200)を提供する。基礎数学の計算以外では、このアルゴリズムは平方根計算のみを必要とし、最初の三角関数計算よりも格段に単純で演算も速い。
関与する演算を確認する。
ステップ１−以下の式を利用して３種のセンサー電圧値を近接度に変換する。
近接度＝log e（(電圧−Ａ)/Ｂ）/Ｃ
それらは近接度の半径を表す。なぜなら、それぞれはセンサー周囲の半球の半径だからである。
ステップ２−それら３種の半径とセンサー三角形の間隔（辺長）は、３つの関数を使用して標的のＸＹＺ座標の算出に使用される。
Ｘ=(r2の二乗-r3の二乗)/2S
Ｙ=(2r1の二乗+2Sの二乗-r2の二乗-r3の二乗)/2Sルート3
Ｚ=ルート(r1の二乗-Xの二乗-Yの二乗)
この方法は図１４に示すオリエンテーションの正三角形の３体センサーアレイにのみ適用される。さらに図１４から理解されようが、ＸＹＺ座標が計算で求められると、Ｙ座標は座標の原点を、0.5S/cos(30)を単純に加算することでセンサー(S)１ではなくてセンサー三角形の中心に移動させるように調整することが可能である。
必要な数学計算（加減乗除に加えて）は自然対数計算と平方根計算だけである。対数変換は対数表を利用して計算できる。入力信号のノイズは、＋−５ボルト系においては５−１０ｍＶ程度であり、この信号−ノイズ値においては、得られるＸＹＺ座標の精度は約１ミリのオーダーである。運転手の頭部の微小モーションを計測するにはこのレベルの精度を維持することが望ましい。
多様な４８６ＣＰＵと３０から１００キロサンプルデジタイザー(kilosample digitizer)（及びノイズを減少させるには平均で約５０サンプル）を使用して、座標計算あたりで１ｍｓ程度の効率(throughput of about 1ms per coordinate computation)すなわち１秒あたり約１０００のポジションサンプルを得ることができる。もちろん、これらの値をディスクに保存したり、直列または並列リンクで別の装置に送るときには、この効率は多少とも降下する。入手可能な安価なコントローラーは格段に遅く演算を実行する。それらコントローラーのほとんどは８ビット装置であり、高等数学計算を実行しない。このような能力不足の問題は２つの解決策の提供を促した。すなわち、（１）ハードウェアに変換と三角計算法の計算式を提供すること、及び（２）対数変換のために対数表を内蔵させたアルゴリズムの整数バージョン(integer version)（非浮動小数点数学(non-floating point math））を提供すること、である。
ハードウェアに内蔵させる最初の関数は以下の通りである。
近接度=log e((電圧-Ａ)Ｂ)/Ｃ
（普通は、Ａ=4.0、Ｂ=-50.0、Ｃ=-0.5）
まず、ＢとＣの定数を逆数に変換し、割り算を掛け算にさせることでハードウェアへの適用を最良化させることができる。これでＢの値を適当な電圧値に保つことができる。同時に、（Ａ−電圧）を使用し、Ｂの正負符号を変えることで負符号を外すことができる。
近接度=log n(Ａ-電圧)xＢ)xＣ
（Ａ=4.0、Ｂ=0.02、Ｃ=-2.0）
log(AxB)=log(A)+log(B)であり、Ｂは定数であるから、前記の関数式をさらに単純化できる。
近接度=(log e(Ａ-電圧)+Ｄ)xＣ
（Ａ=4.0、Ｄ=log e(B)、Ｃ=-2.0）
利用可能な対数は、底が１０であってeではない。よって、追加的に乗数を加えて調整する必要がある（log e=log 10x2.3026）。
近接度=(log 10(Ａ-電圧)+Ｄ)xＥ
（Ａ=4.0、Ｄ=log 10(B)、Ｅ=Ｃx2.3026）
最後に、対数の計算に対して入力値を正値にクランプ処理(clamp)しなければならない。実質的に空フィールド条件が存在するとき、信号ノイズは（Ａ−電圧）に関して負となることが多い。計算の最後の５ステップは次の通りとなる。
減算処理−クランプ処理−対数処理−加算処理−掛算処理
最後の演算は掛け算であるため、定数Ｅを変えて結果のスケールを都合のよい範囲とすることができる。０．２５ボルト＝１．０インチと設定すれば、全ての中間項と定数は＋−５ボルトの範囲に収まる。この計算は対数アンプリファイヤー(log ammplifier)と計算アンプリファイヤー(operational amplifier)を使用して実行できる。オプションとしては、精度をさらに向上させ、中間項の大きさ(intermediate term magnitude)のコントロールのために精度向上マルチプライヤーチップ(precision multiplier chip)を使用する。さらに、Ａ、Ｄ、Ｅのための安定基準電圧(stable reference voltage)と、約０．０５ボルトのクランプ電圧(clamp voltage)も必要である。ＸＹＺ座標の取得も同様である。この関数を採用した回路（及びＸＹＺアルゴリズムのための３関数）が構築され、現在その評価中である。得られる効率(throughput)は相当に長いシリーズのop-ampステージ(long series of op-amp stage)でのＲＣ定数(RC constant)の関数であり、非実用的(prohibitive)であり得る。
三角測定手法のさらなる改良は、一部または全ての電圧／近接度変換関数及び三角法アルゴリズムのソフトウェアからハードウェアへのコンバートである。このコンバートは、計算アンプリファイヤー、対数アンプリファイヤー及び精度マルチプライヤーを含んだ利用可能な電子装置を採用することで達成される。これでマイクロプロセッサーの必要性を排除し、頭部のＸＹＺ座標をアナログ信号として車両のエアバッグコントローラー、あるいは居眠り検出回路に利用させることができる。あるいは、安価なコントローラーの使用が可能となり、ＸＹＺ座標をデジタル化させて直列リンク(serial link)を介してこれらデータの報告を実行させることもできる。
車内のルーフに設置されたキャパシティカップリングセンサーは乗員の頭部表面を検出することができる。三角法アルゴリズムは頭部の内部ポイントの位置を計算する。この差は変換式で対処される。すなわち、平均頭部半径（３．０インチから３．５インチ）を頭部の近接度値に加算する。
頭部ＸＹＺ座標はまた、ＰＣＴ／ＵＳ９６／１４０６０号にて開示したごとく頭部モーションに基づいて運転手の変調を検出することもできる。この出願は、変調ドライバーの２種類の状態、すなわち、頭部の“こっくり”プロフィールと“静止状態”プロフィールとを検出する頭部ポジション−時間プロフィールの２例を開示している。
変調の第３のプロフィールは、頭部モーションの頻度と車体の振動による車両ルーフモーションの頻度との比較で達成される。車体のｘ軸及び／又はｙ軸ルーフモーションは、ルーフ内に設置された２体の９０度ずれされたマイクロ加速度器(90-degree offset micromachined sccelerometer)によって決定できる。
運転手の眠気状態と緊張状態はこの頻度の位相シフト(frequency phase shift)に基づいて識別できる。なぜなら、緊張状態にある人間のバランス保持機構は、車体のｘ軸とｙ軸のモーションに対抗して頭部を安定したオリエンテーションに保持するように努めるからである。車体のｘ軸とｙ軸モーションに対処しようとしない運転手の状態は眠気状態の追加的なサインである。この眠気検出手法はシートのヘッドレストに寄り掛かっている運転手の居眠り状態の検出にも有効である。
頭部三角法データは身障者によって運転される車両にも応用できる。所定のパターンにて頭部を動かすことで、多様な装置を起動及び／又はコントロールできる。このように起動される装置には、多様な運転コントロール、ウインカーの制御、運行制御、ヘッドライト制御が含まれる。下表はＸ軸及び／又はＹ軸の８種の特徴的な頭部モーションを示している。この表は身障者用に採用が可能であり、車両の様々な装置を起動できる。
0004122417.tif 000003
適用の種類によっては頭部の三角測定手法は不要である。図７に示す例においては、コントロール装置（図示せず）は内部またはカバー１４上にキャパシティセンサー５を利用して、センサーフィールド１３をコントロール装置１４から外側に広げている。乗員はそのフィールド内に頭部を移動させることでコントロールを起動させることができる。この乗員頭部モーションはセンサー電極間のキャパシティカップリング値を変化させるので検出することが可能である。この装置の１適用形態は車体のハンドル部に配置されたクラクションスイッチ５０を起動させることである。
好適なキャパシティセンサーは米国特許第５，６０２，７３４号とＰＣＴ／ＵＳ９７／０３５１０に詳細に解説されている。その基本形態は以下で説明する。
この基本形態のセンサーは頑丈なルーフ構造を有した車両に採用される。
これでセンサーのデザインと配置性とに大きな自由度が提供される。例えば、シート真上に提供したり、乗員の頭部に敏感な半球センサーフィールドを提供する丸型電極の使用が可能となる。
センサーの１形態であるＬ形状電極は図８に示されている。図９ではルーフに設置された対面ペアのセンサーが図示されている。これらセンサーは車体のヘッドライナートリムカバー体（図示せず）でカバーされる。多様な他形態の電極アレンジも可能であり、例えば図１０に示すような複数のドライブ周波数(multiple drive frequencies)を利用することも可能である。
図８に示すごとく、電極は誘電基板５１の１表面に形成され、接地領域(grounded area)２４はそれら電極を囲み、誘電基板５１の反対面（図示せず）をカバーしている。この接地された反対側領域は電極を囲む接地領域と、メッキ貫通孔(plated through hole)、縁部曲処理、クリンプ処理されたコネクター、ステープルまたはリベット等の手段（図示せず）で接続されている。
電力配線、接地配線及び入力／出力配線２３は、基板５１上で直接的に、あるいは基板５１に接着された分離回路基板２２上、または基板の反対面上で電極２０、２１に隣接した電子部品（図示せず）に接続されている。後者の場合は、電極への接続はメッキ貫通孔または他の手段（図示せず）を利用して実施される。
サンルーフ付きの車両では、ポジション決定用のアルゴリズムは電圧しきい値(voltage threshold vale)を使用し、参照表(lookup table)、あるいは他の論理手段(logical means)を利用し、あるいは幾何学関係を採用することができる。Ｌ形状キャパシティセンサー２６をサンルーフの各コーナー部に設置し、オーバーラップしたセンサーフィールドをサンルーフ縁部下方に提供させ、乗員の頭部をカバーすることができる。
あるいは、電極をサンルーフ開放部の周囲に配置して多彩な周波数で操作することもできる。その代表例を図１０に示す。ドライブ電極２７とレシーブ電極２８の第１セットは第１の周波数で作動され、第２セットのドライブ電極２９とレシーブ電極３０は第２の周波数で作動される。
このようなセンサーシステムは乗員の頭部ポジションに基づいてエアバッグ膨張特性を修正したり、本出願人の特許あるいは特許出願中の明細書に開示された形態で運用することが可能である。
サンルーフカバーのポジションによって引き起こされる影響（例えば、後方にスライドして開いた状態、一部開いた状態、閉じた状態）に対処するため、このＬ形状電極キャパシティセンサーを支持する電極またはマイクロプロセッサーにセンサー出力の様々な基準値を記憶させることができる。作動開始すると、基準関数(reference function)はその基準出力値がサンルーフの不完全な閉鎖状態を表示するか否か、または、マグニチュードを変えて開放状態のサンルーフポジションを示すか否かを判定する。基準が変更すれば、代用の参照表または頭部ポジションアルゴリズムの修正表が採用される。基準出力のこの変動はサンルーフカバーのモーターが起動されるたびにチャックされる。手動のものであれば連続的にチェックされる。
さらに、基準センサーはサンルーフのプラスチックカバーまたはガラスカバー上の湿気を検出することができる。この湿気はキャパシティセンサー反応に影響を及ぼすことが知られている。基準センサー出力の変動は、参照表の調整あるいは乗員頭部ポジションを判定するアルゴリズムの修正に使用される。
別形態の電極アレンジは図１５に示されている。この実施例のキャパシティセンサーでは、オシレータ信号で駆動されるＬ電極は、設置平面２００の上方、または電子部品２０６近辺でこの信号を受信する“＋”形状電極の各脚部(leg)を包囲する。このアレンジの利点は、レシーブ電極２０４のさらに大きなＸ軸−Ｙ軸スパンによるセンサー範囲の拡大を達成させることである。ドライブ及びレシーブ機能は逆転が可能であり、４体のドライブ電極２０２は“＋”の各脚部の端部の外側にポジションされた回路トレース(circuit trace)２０８によって接続が可能であるため、そのデザインは図示のごとくに単純化される。
本願出願人の米国特許願第０８／７７８，８７１号公報は、一体式ダイカットケーブル(integrated die-cut cable)を備えたフレキシブルな誘電基板と、電極に隣接して提供された電子部品と、基板を貫通するか迂回して反対側の接地面に接続された電極を囲む接地領域とで成るセンサーアレイを開示している。
図１１(a)から図１１(c)及び図１２に示すように構成された隣接電極キャパシティセンサーは、前述のセンサー構造体と実質的に同じ結果を達成させる。これらの実施例では、電子部品８は誘電基板３５の裏側面に直接的に設置されるか、またはその裏側に接着された別体基板３６上に設置される。一体式ダイカットケーブルの代わりに標準コネクター３２が採用され、通常のケーブル（図示せず）によって提供される電力ケーブル、接地ケーブル及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）ケーブル３６を接続する。この好適実施例の両形態において、電極３４を包囲する接地領域２４はメッキ貫通孔３３を介して接地裏面３１に接続されている。オプションとして、外部接地接続を米国特許出願にて開示したように利用することができる。
本発明を以上の実施例を基礎として解説してきたが、他の実施態様でも同様な結果が得られるであろう。本願発明のこれら実施例の変更及び修正は当業者であれば容易に達成できよう。よって、それら変更及び修正並びに均等物は本明細書の「請求の範囲」でカバーされている。本明細書において前述した文献の内容を全て本文に援用するものとする。
【図１】
0004122417.tif 000004
【図２】
0004122417.tif 000005
【図３】
0004122417.tif 000006
【図４】
0004122417.tif 000007
【図６】
0004122417.tif 000008
【図７】
0004122417.tif 000009
【図５】
0004122417.tif 000010
【図８】
0004122417.tif 000011
【図９】
0004122417.tif 000012
【図１０】
0004122417.tif 000013
【図１１ａ】
0004122417.tif 000014
【図１１ｂ】
0004122417.tif 000015
【図１１ｃ】
0004122417.tif 000016
【図１２】
0004122417.tif 000017
【図１３】
0004122417.tif 000018
【図１４】
0004122417.tif 000019
【図１５】
0004122417.tif 000020