JP2006524423A

JP2006524423A - 電界効果型センサ２線相互接続方法および装置

Info

Publication number: JP2006524423A
Application number: JP2006513219A
Authority: JP
Inventors: スティーンウェイク、ティモシー、エドワード
Original assignee: タッチセンサーテクノロジーズ，エルエルシー
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2006-10-26
Also published as: AU2004232039A1; US7023215B2; AU2004232039B2; NZ543435A; MXPA05011330A; WO2004095388A3; EP1623502A2; CA2522909A1; US20050068049A1; BRPI0409643A; KR20060006042A; WO2004095388A2

Abstract

電界効果型センサは、２本の線を用いて電源および検出回路と連動する。検出回路は、所定の時間に数個の並列接続された電界効果型センサのどれが起動され、あるいは起動されないかを判定できる。

Description

関連出願に対する相互参照
本願は２００３年４月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／４６４，６１３号に基づく優先権を主張するものであり、その出願の内容をここに援用する。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、２本の線のみを用いて電界効果型センサを制御システムおよび被制御装置と相互接続するための方法および装置に関するものである。

２．従来技術
機械的スィッチは、とりわけ機械部品の位置の変化あるいは流体のレベルの変化を検出するために時々使用されている。そのような用法は、特に自動車の分野において普及している。例えば、機械的スィッチは、スロットル位置およびウィンドウ・シールド・ウォッシャ液レベルなどのパラメータを検知するために、長い間使用されてきている。

機械的スィッチは、何年にもわたって広範囲に改良がなされてきたが、可動部品を含んでいるため、本質的に故障しがちな面を持っている。さらに、そのようなスィッチは、度々、これもまた本質的に故障しがちであって、コスト、重量、そして複雑さをもつけ加えることになる機械的リンク機構と接続して用いられる。

電界効果型センサは、数多くの用途において、機械的スィッチの交換部品として使用されてきた。実際に、電界効果型センサは、機械部品あるいは液体の近接を検知するために使用され得る。電界効果型センサは、機械的スィッチを凌ぐ多くの利点を有する。例えば、電界効果型センサは磨耗したり、あるいは壊れたりする可動部品を持たない。また、電界効果型センサは、安価に大量生産され、機械的スィッチを容易には収容することができない用途に対する使用に対してもカスタマイズして製作することができる。

最も単純な形体の機械的スィッチは、電気回路を機械的に接続あるいは断路する二線式（入力および出力）装置である。機械的スィッチは機械力を用いて動作し、その動作に電力を必要としない。逆に、電界効果型センサは、その動作に電力を必要とする固体装置である。したがって、電界効果型センサは、典型的には、機械的スィッチが必要とする以上に、少なくとも１本多くの線を必要とする。そのように、公知の電界効果型センサは、典型的には、それが設置される装置に何らかの変形を加えることなく、機械的スィッチのドロップイン交換部品として使用することはできない。

図示実施例の詳細な説明
図１は、本発明の第１の好適な実施例を示している。この実施例においては、第１、第２および第３の電界効果型センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が２本の線１２、１４によっていもずる構成（daisy chain configuration）で電源１０に接続されている。好ましくは、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、イリノイ州ウィートン市のタッチセンサ・テクノロジーズ、ＬＬＣ社（TouchSensor Technologies, LLC）から出されているＴＳ１００集積制御回路を用いて、電界効果型センサとして実現される。対応の負荷抵抗ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３は、それぞれ各センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の出力に接続されている。各負荷抵抗ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３は、独自の抵抗値を持つ。他の実施例では、３個のセンサおよび対応の負荷抵抗より多くのまたは少ないものを使用しても良い。検出回路１８は、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３によって引き出される電流を検知する。図示の実施例では、検出回路１８は、電源１０とセンサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の間に感知抵抗１６を有する。検出回路１８は、感知抵抗１６にかかる電圧降下を検知し、出力ラインＶ_outを適切なデコーディング回路、例えば、当業者に知られているようなアナログ・ディジタル変換器に与える。検出回路１８の設計は、本発明にとってクリティカルではない。図１に示された設計は、説明のためのものであり、設計変更でき、当業者にとって知られている、他の設計によって代替できる。

センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれもが作動されていないとき、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、電源１０から基線電流（baseline current）を引き出す。この基線電流は、感知抵抗１６にかかる電圧降下として、または当業者に知られている他の適切な方法で検出される。典型的には、この基線電流は無視でき、その結果、感知抵抗１６に無視できる電圧降下を生成する。

物体すなわち流体の接触または近接によって、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれかが作動させられると、センサ作動に応答して電源１０から付加電流が引き出される。この付加電流は、作動したセンサ出力に接続された負荷抵抗値の関数である。各負荷抵抗は独自の抵抗値を持っているので、この付加電流は、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のどれが作動させられたかによって変化する。この付加電流は、感知抵抗１６にかかる付加電圧降下として、または当業者に知られているような他の適切な方法で、検出される。

基線電流（または感知抵抗１６にかかる対応電圧降下）およびそれの変化を監視することによって、特定の時間にセンサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のどのセンサが起動されたかを、容易に判定できる。実際、負荷抵抗ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３は、同時に起動されるセンサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各独自組み合わせに対して、独自の付加電流が引き出されるように選択される。したがって、もしあれば、特定の時間にセンサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のどの組み合わせが起動されたかが、容易に判定され得る。

例えば、図１は、定格５ボルトの電源１０、１２５オームの感知抵抗１６およびそれぞれ１．２５キロオーム、２．５キロオーム、および５キロオームの負荷抵抗ＬＲ１、ＬＲ２、およびＬＲ３を有する実施例を表わしている。これらの特定の値は、ここでの説明のために与えられたものであり、当業者にとって知られているようにして特定用途の要求に適合するように変更できる。上述の如く、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれも起動されていないとき、無視できる電流がそれらのセンサに電力を与えるために必要とされる。したがって、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれも起動されていないとき、感知抵抗１６にかかる電圧降下は無視でき、検出回路１８の出力Ｖ_outは、０ボルトである。センサＳ３が起動され、センサＳ１およびＳ２が起動されていない場合、感知抵抗１６を流れる電流は、負荷抵抗ＬＲ３を流れる抵抗に実質的に等しく、対応する電圧降下を感知抵抗１６に発生させる。この電圧降下に基づいて、検出回路１８は０．７１４ボルトの信号Ｖ_outを出力する。この出力電圧に基づいて、デコーディング回路（図示せず）は、センサＳ１およびＳ２ではなく、センサＳ３が起動されたに違いないことを判定する。同様に、センサＳ１およびＳ２が起動され、センサＳ３が起動されていない場合、感知抵抗を流れる電流は、負荷抵抗ＬＲ１およびＬＲ２を流れる電流の合計に実質的に等しく、対応する電圧降下を感知抵抗１６に発生させる。この電圧降下に基づいて、検出回路１８は４．２８ボルトの信号Ｖ_outを出力する。この出力電圧に基づいて、デコーディング回路（図示せず）は、センサＳ３ではなく、センサＳ１およびＳ２が起動されたに違いないことを判定する。図１に示された表は、任意の時間に起動されたセンサの独自の組み合わせに対して、それぞれ独自の出力Ｖ_outが発生されることを表わしている。任意の特定の時間におけるＶ_outの値に基づいて、デコーディング回路は、どの個別のセンサあるいはどのセンサの組み合わせがその時間に起動されたかを判定する。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の第２の実施例を示す。この実施例においては、電界効果型センサ用の一時的局所電源（local power supply：ローカル電源）としてコンデンサが用いられている。図２Ａを参照する。電界効果型センサ１００の電源入力１０２は、分離ダイオード（isolation diode）１１０を介して、線１０８によってパルス発生器および検出回路に接続されている。好適な実施例においては、それらパルス発生器および検出回路は、線１０８が接続される再構成可能ポート（reconfigurable port）１０４を有するマイクロコンピュータ１０６として実現される。電界効果型センサ１００の出力１１２は、ＦＥＴ１１６および切換抵抗１１４を介してポート１０４と接続されている。ポート１０４は、以下に説明されるように、入力ポートおよび出力ポートとして選択的に機能する。コンデンサ１１７は、アース（ground）とノード結合ダイオード１１０およびセンサ１００の電源入力１０２の間に接続されている。プルダウン抵抗１１８は、アースとノード結合センサ１００の出力１１２とＦＥＴ１１６のゲートの間に接続されている。プルアップ抵抗１２０の第１の端子は、この例では５ボルト電源である電位源に接続されている。プルアップ抵抗１２０の第２の端子は、線１０８に接続されている。プルアップ抵抗１２０はマイクロコンピュータ１０６から分離している個別部品として示されている。代替案として、当業者にとって知られているようにして、プルアップ抵抗１２０は、マイクロコンピュータ１０６と一体化しても良く、さもなければ、その機能をマイクロコンピュータ１０６によって与えても良い。

ポート１０４が出力ポートとして構成された状態で、マイクロコンピュータ１０６は、ポート１０４を介して線１０８上に、さらに分離ダイオード１１０を介して、パルスを出力する。このパルスはセンサ１００に給電し、コンデンサ１１７を充電する。続いて起きるパルスがない状態では、コンデンサ１１７に蓄えられたエネルギーがセンサ１００を短時間給電する。この時間の間、ポート１０４が入力ポートとして構成された状態で、マイクロコンピュータ１０６は線１０８からのデータを読み取ることができる。

センサ１００が起動されていないとき、センサ１００の出力１１２は低レベルであり、ＦＥＴ１１６は「オフ」状態にある。この状態では、ＦＥＴ１１６を介して電流が流れない。したがって、線１０８の電位は５Ｖにある。（ポート１０４が入力ポートとして構成されている間に）マイクロコンピュータ１０６はポート１０４を介してこの電圧を感知し、感知電圧に基づいて、センサ１００が起動されていない状態にあることを判定する。

センサ１００が起動されると、センサ１００の出力１１２は、高レベルになり、ＦＥＴ１１６を「オン」状態に切り換える（switching）。この状態では、電流が５Ｖ電源からＦＥＴ１１６を介してアースへ流れる。プルアップ抵抗１２０および切換抵抗（switched resistor）１１４は分圧器として機能する。ここでは、これら２つの抵抗間のノードにおける電圧は、０Ｖから５Ｖの間にある。（ポート１０４が入力ポートとして構成されている間に）マイクロコンピュータ１０６はポート１０４を介してこの電圧を感知し、その感知電圧に基づいて、センサ１００が起動状態にあることを判定する。

図２Ｂを参照する。本発明のこの実施例の原理は、１つのパルス発生器および検出回路を用いて、多重センサ１００を動作させ、読み出すために適用される。図２Ｂは第２のセンサ１００’と、線１０８およびポート１０４を介してマイクロコンピュータ１０６に接続された対応の回路網（すなわち、センサ入力１０２’、センサ出力１１２’、コンデンサ１１７’、ダイオード１１０’、ＦＥＴ１１６’、切換抵抗１１４’、およびプルダウン抵抗１１８’）を表わしているという点において、図２Ｂは図２Ａと異なっている。センサ１００’に対応する回路網は、切換抵抗１１４および１１４’が異なる抵抗値を持つということを除いて、一般的にセンサ１００に対応する回路網と同一である。したがって、センサ１００が起動され、センサ１００’が起動されていないとき、第１の電圧が、プルアップ抵抗１２０と切換抵抗１１４および１１４’の間のノードに現れる。この第１の電圧の値に基づいて、マイクロコンピュータ１０６はセンサ１００が起動された状態にあって、センサ１００’が起動されていない状態にあることを判定する。同様に、センサ１００’が起動され、センサ１００が起動されていないとき、第２の電圧が、プルアップ抵抗１２０と切換抵抗１１４および１１４’の間のノードに現れる。この第２の電圧の値に基づいて、マイクロコンピュータ１０６はセンサ１００’が起動された状態にあって、センサ１００が起動されていない状態にあることを判定する。同様に、センサ１００およびセンサ１００’の両方が起動されると、第３の電圧が、プルアップ抵抗１２０と切換抵抗１１４および１１４’の間のノードに現れる。この第３の電圧の値に基づいて、マイクロコンピュータ１０６はセンサ１００およびセンサ１００’の両方が起動された状態にあることを判定する。当業者にとって知られているようにして、さらなるセンサおよび対応する回路網が線１０８に接続され、この方法で作動され、読み出される。

図３は本発明の第３の実施例を示す。この実施例では、センサ２００の電源入力２０２が、パルス発生器および検出回路に、例えば、線２０８を介してマイクロコンピュータ２０６に接続されている。また、センサ２００の出力２１２は、ＦＥＴ２１６および負荷抵抗２１４を介して線２０８に接続されている。プルダウン抵抗２１８は、アースとノード結合センサの出力２１２とＦＥＴ２１６のゲートの間に接続されている。プルアップ抵抗２２０の第１の端子は、電圧源、例えば５Ｖ電源に接続され、プルアップ抵抗２２０の第２の端子は線２０８に接続されている。負荷抵抗２１４およびプルアップ抵抗２２０は、それぞれ好ましくは、約１００オームの値を有する。図２Ａおよび図２Ｂにおけるように、プルアップ抵抗２２０は、マイクロコンピュータ２０６と分離されている個別部品として示されている。代替案として、当業者にとって知られているようにして、プルアップ抵抗２２０は、マイクロコンピュータ２０６と一体化しても良く、さもなければ、その機能をマイクロコンピュータ２０６によって与えても良い。

センサ２００が起動されないとき、出力２１２は低レベルにある。したがって、ＦＥＴ２１６は「オフ」状態にある。この状態では、マイクロコンピュータ２０６から与えられる全電圧がセンサ２００に印加される。センサ２００が起動されると、出力２１２は高レベルになり、トランジスタ２１６を「オン」状態に切り換える。この状態では、プルアップ抵抗２２０および負荷抵抗２１４が分圧器を形成し、センサ２００に印加される電圧は、負荷抵抗２１４にかかる電圧降下と実質的に等しい。マイクロコンピュータ２０６は、センサ２００に印加される電圧を検知し、センサ２００が起動されているか否かを判定する。

代替実施例として、センサ２００が起動されているか否かを検出するために、プルアップ抵抗２２０を取り除き、および／若しくは電流検知技術を使用することができる。上述の如く、センサ２００が起動されていないとき、ＦＥＴ２１６は「オフ」状態にあり、線２０８を流れる電流のみが、センサ２００を給電するために必要な無視できる電流である。マイクロコンピュータ２０６はこの状態を、開接点を持つ機械的スィッチと同じように、開路として認識する。センサ２００が起動されると、トランジスタ２１６は「オン」状態になり、負荷抵抗２１４を介する電流を与える。マイクロコンピュータ２０６は、その増大電流を検出し、センサ２００が起動されたことを判定する。実際に、負荷抵抗が、例えば１００オームのように十分に低い抵抗値を持つように選択される場合、マイクロコンピュータ２０６は負荷抵抗２１４を流れる電流を、閉接点を持つ機械的スィッチと同じように、完全短絡として認識する。

図４は、本発明の第４の実施例を示す。この実施例では、バッテリ３２０がセンサ３００に給電している。センサ３００の出力３１２は、ＦＥＴ３１６のゲートおよびプルダウン抵抗３１８に接続される。センサ３００が起動されていないとき、出力３１２は低レベルにあり、ＦＥＴ３１６は、開接点を持つ機械的スィッチのように、「オフ」状態にある。センサ３００が起動されると、出力３１２が高レベル状態になり、閉接点を持つ機械的スィッチのように、ＦＥＴ３１６を「オン」状態に切り換える。バッテリ３２０を備えたセンサ３００は、機械的スィッチに設けられる配線より多くの配線を必要としないので、機械的スィッチに換えてドロップ（drop）として使用できる。センサ入出力は、以前機械的スィッチが接続されていたものと同じ線に簡単に接続することができる。

本発明の幾つかの実施例について図示して説明してきたが、本発明の精神から逸脱しない限り、幾多の変形が成され得ることは、当業者にとって自明である。本発明の範囲は以下の請求項によって画定される。

図１は、本発明の第１の実施例を概略的に示している。図２は、本発明の第２の実施例を概略的に示している。図３は、本発明の第３の実施例を概略的に示している。図４は、本発明の第４の実施例を概略的に示している。図５は、本発明の一応用例を示している。

Claims

２本の線で複数個の電界効果型センサに給電するとともにそれらからデータを読み出すための装置であって、
電源と、
前記電源の第１の端子に接続された第１の電力端子、および前記電源の第２の端子に接続された第２の電力端子を有する第１の電界効果型センサと、
前記第１の電界効果型センサの出力端子に接続された第１の端子、および前記電源の前記第２の端子に接続された第２の端子を有する１の負荷抵抗と、
前記電源の第１の端子に接続された第１の電力端子、および前記電源の第２の端子に接続された第２の電力端子を有する第２の電界効果型センサと
前記第２の電界効果型センサの出力端子に接続された第１の端子、および前記電源の前記第２の端子に接続された第２の端子を有する第２の負荷抵抗と、
前記第１および第２の電界効果型センサの状態を判定するための手段、
を備えていることを特徴とする前記装置。
２本の線で電界効果型センサに給電するとともにそれからデータを読み出すための装置であって、
入力ポートおよび出力ポートとして選択的に構成できるポートを有するマイクロコンピュータと、
第１の電力端子および出力端子を有する電界効果型センサと、
前記ポートに接続された前記電界効果型センサの前記第１の電力端子と、
前記電界効果型センサの前記第１の電力端子および前記ポートの間に接続されたダイオードと、
前記電界効果型センサの前記第１の電力端子に接続されたコンデンサと、
前記ポートに接続された電力端子を有するトランジスタと、
前記トランジスタの制御端子に接続された前記電界効果型センサの前記出力端子、
から構成されることを特徴とする前記装置。
２本の線で電界効果型センサに給電するとともにそれからデータを読み出すための装置であって、
出力ポートを有するマイクロコンピュータと、
第１の電力端子および出力端子を有する電界効果型センサと、
前記出力ポートに接続された前記電界効果型センサの前記第１の電力端子と、
前記ポートに接続された電力端子を有するトランジスタと、
前記トランジスタの前記電力端子および前記ポートの間に接続された負荷抵抗と、
前記トランジスタの制御端子に接続された前記電界効果型センサの前記出力端子、
から構成されることを特徴とする前記装置。
２本の線で電界効果型センサに給電するとともにそれからデータを読み出すための装置であって、
第１の電力端子および出力端子を有する電界効果型センサと、
前記電界効果型センサの前記第１の電力端子に接続されたバッテリ、
から構成されることを特徴とする前記装置。