JP2008017432A

JP2008017432A - タッチセンサ

Info

Publication number: JP2008017432A
Application number: JP2006205338A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kamemura; 忠亀村
Original assignee: Nissei Giken KK
Current assignee: Nissei Giken KK
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】安価なＥＸ．ＯＲ回路を使用することによって極めて低コストで信頼性が高いタッチセンサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】１個の発振回路より発生する発振電圧を、２個のゲートＩＣに供給するように２つの路線で構成された回路において、前記路線の一方に人体の指が近接したときに容量性の負荷が加わる構造を設けて該路線の信号を遅延させ、２個のゲートＩＣの出力を２入力のＥＸ．ＯＲ回路に供給するように構成された回路であって、ＥＸ．ＯＲ回路の出力には信号の位相差出力を積分する回路を設け、その電圧レベルを検出することで人体の指が近接したことを検出するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体の指が接触したことを検出するタッチセンサに関するもので、特に、Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲＧａｔｅ回路（以下「ＥＸ．ＯＲ回路」と称する）を使用したタッチセンサに関する。

従来のタッチセンサは、人体の大地間容量を利用し、人体が電極に接触したか否かで発振回路の発振条件が変化することにより、人体の接触を検出するものがある。このタッチセンサは、人体を接触させる電極と、発振回路、検波平滑回路、比較回路、出力回路とから構成され、大地間容量を持った人体が電極へ接触すると、発振回路の発振条件が変化し、発振出力が変化する。この発振出力が検波平滑回路で検波平滑され、比較回路に入力され、比較電圧以下の入力レベルになると、出力はＬレベルからＨレベルとなり、出力回路に入力されることで人体の接触検出信号が出力される。（特許文献１の従来の技術を参照）

また、人体が近接または接触したときの静電容量の変化を検出することで人体を検出するものがある。このタッチセンサはロボット玩具の筐体の外表面から筐体内方へ距離を隔てて設けられた所定面積の電極と、前記筐体の外表面に人体が接近または接触したときの容量変化を前記電極から検出する検出手段とを設け、人体の一部と電極との対向面積および対向距離に応じて変化する静電容量を検出することにより、ロボット玩具に人体の一部が接近したこと、または接触したことを検出するようにしたものである。さらに、電極を筐体の内部に設けることができるため、タッチセンサや電極がロボット玩具の外部から直接見えることがないものである（特許文献２参照）。

特開平１１−３４５５５２号特開２００４−１４６０９９号

ところで、前記した特許文献１に開示された従来のタッチセンサにあっては、表面に露出した電極部に人体が接触する。ところが、人体は化学繊維製衣服の着用や絨毯上を歩行すること等により常に静電気を帯びており、特に空気の乾燥した冬季においてはこの静電気は数万ボルトにも達し、電極に対して高電圧の静電気放電が常に繰返されることにより、タッチセンサ回路の障害や部品の破壊が生じるといた問題点があった。この問題点を解消するために、種々のサージ保護用素子を用いるが、タッチセンサ全体の小型化ができない、寿命が短い、動作が不安定になるといった課題も残るものであった。

また、近年、携帯電話等の電波を利用する機器の発達により、タッチセンサは常に電波ノイズにさらされており、電極がアンテナの役目をするため、電波ノイズによる誤動作が頻繁に発生するといった課題もあった。

更には、機器の表面に電極が露出しているが故に、電極の汚れによる人体の検出障害、電極を設けた部分からの機器内部への水気や微細な塵等の異物進入による回路障害、部品破壊を生じることが避けられず、設計の側面においては電極を露出させるための金型設計の制約、工業デザインの側面においては露出させた電極部分のデザイン性向上のための部品追加や、デザイン上の制約が生じることによって自由な創作が阻害される等といった課題があった。

特許文献２に開示された従来のタッチセンサにあっては、電極をロボット玩具の筐体の外表面から筐体内方へ距離を隔てて設けたので、特許文献１のように電極を機器の表面に露出させたときの課題を解消しているが、人体が近接または接触したときの静電容量の変化の検出手段として、所定の周波数からなる規則的なパルス信号を連続的に出力するクロック信号生成手段と信号遅延手段を用いて機器の種々の制御を可能としている。このような構成では、比較的少ない部品点数となりコストの低減を実現させているが、タッチセンサの人体検出のための構成としては、部品単価等コスト的に些かコストが嵩むものである。

また、特許文献２のタッチセンサにあっては、検出のためにＡＮＤ出力を利用したものであり、減算分が出力されるので検出能力として劣る面があった。

そこで、本発明は上記した課題を考慮し、安価なＥＸ．ＯＲ回路を使用することによって極めて低コストで信頼性が高いタッチセンサを提供することを目的とするものである。

請求項１に記載のタッチセンサは、１個の発振回路より発生する発振電圧を、２個のゲートＩＣに供給するように２つの路線で構成された回路において、前記路線の一方に人体の指が近接したときに容量性の負荷が加わる構造を設けて該路線の信号を遅延させ、２個のゲートＩＣの出力を２入力のＥＸ．ＯＲ回路に供給するように構成された回路であって、ＥＸ．ＯＲ回路の出力には信号の位相差出力を積分する回路を設け、その電圧レベルを検出することで人体の指が近接したことを検出するように構築されたタッチセンサ−とすることで解決される。

本発明のタッチセンサは、１個の発振回路より発生する発振電圧を、２個のゲートＩＣに供給するように２つの路線で構成された回路において、前記路線の一方に人体の指が近接したときに容量性の負荷が加わる構造を設けて該路線の信号を遅延させ、２個のゲートＩＣの出力を２入力のＥＸ．ＯＲ回路に供給するように構成された回路であって、ＥＸ．ＯＲ回路の出力には信号の位相差出力を積分する回路を設け、その電圧レベルを検出することで人体の指が近接したことを検出するように構成したので、指をタッチセンサの回路の一部に直接触れる必要がなく、それにより以下に示すように優れた効果を奏することが可能となったものである。

（１）原理的に指を近づけることによって静電容量の増加が起これば機能するため、タッチセンサ自体をプラスチック又はガラス等で絶縁することが可能となり、人体に帯電した静電気によるタッチセンサ回路への障害や破壊の心配がなくなった。更に、タッチする面が汚れても容易に清浄可能であるので検出障害がなくなった。

（２）タッチセンサ自体を使用する機器に内装することができるので、水回りで使用する機器の場合でも、機器本体に防水構造を備えればそれでよい。また、粉塵の多い工事現場で使用する機器においても同様である。

（３）タッチセンサのタッチ電極部を、使用する機器の表面に露出させる必要がないので、設計時の金型設計の制約、製品デザイン時のデザイン性向上、部品点数の削減が可能となった。

（４）従来技術では交流商用電源を使用することが主であるが、それらとは異なり電池駆動が可能であるので、あらゆる電気及び電子機器への組み込みが可能となった。

（５）一般的な静電容量センサと比較した際信号処理回路の方法（アクティブ動作方式）によってはタッチ電極部の汚れや結露に対しても原理的に影響を受けにくいので、野外や過酷な環境において使用する場合でも高い信頼性を可能とした。また、タッチセンサ回路が屋外に露出していたとして水滴が付いた場合でも大地間との接続が起きない限り、静電容量を構成出来ないので誤作動は起きない。

（６）一般的に使用されるＥＸ．ＯＲ回路は、４個が１バッケ−ジになったものであり、ゲ−トを工夫することにより、１個のＩＣでタッチセンサを構築することができ、超小型の機器への使用も可能となった。

（７）通常の手袋（材質は問わない）をしていたとしてもタッチセンサの動作に支障は起きない。

（８）原理的に外来ノイズによる誤動作は起きない。

（９）タッチセンサの人体の指を検知する部分は金属箔でも良いため、設計の自由度が高い。

（１０）ＥＸ．ＯＲ回路を使用したので極めて安価なタッチセンサを提供することが可能となった。

以上説明したように、極めて低コストで信頼性が高いタッチセンサを提供することが可能となったものである。

次に本発明のタッチセンサについて、図面を参照して説明する。表１はＥＸ．ＯＲ回路（４）の動作真理値表である。

図１はタッチセンサ回路の全体図で、ＩＣ−１から３はインバータのゲートＩＣである。ＩＣ−４はＥＸ．ＯＲ回路（４）（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲ論理ゲート）である。
ＩＣ−１とＲ１、Ｃ１、Ｃ２、Ｘから構成された回路は発振回路（１）であり、該発振回路（１）から出力された信号が、ＩＣ−３に直接供給される路線（Ａ）と、ＩＣ−２にＲ２、Ｃ４、Ｒ３から構成された遅延回路（２）を通って供給される路線（Ｂ）とからなる。該路線（Ｂ）は遅延回路（２）を設けたことで路線インピ−ダンスが高まり、遅延回路（２）にコンデンサ−Ｃ３を介して接続されたタッチ電極（３）に指が近接したとき、静電容量が増加し、路線（Ｂ）の発振回路（１）からの信号がＥＸ．ＯＲ回路（４）に、路線（Ａ）の信号よりも遅延して入力される。

Ｃ４はＩＣ−２の入力容量約２ＰＦ〜１０ＰＦのバラつきや、温度変化による遅延の変化を吸収する為に設けられたものである。

ＩＣ−２、ＩＣ−３は本発明の基本動作には必要としないが、現実的には遅延回路（２）を通った発振回路（１）からの信号（路線（Ｂ））は、電圧レベル、信号の立ち上がり、立下りが遅延回路（２）を通す前とは異なり変形する。

ＩＣ−２はＥＸ．ＯＲ回路（４）で遅延回路を通さない路線（Ａ）の信号との位相差弁別を、ロジックレベルで確実に行わせる為の波形整形の働きをし、ＩＣ−３は位相極性を合わせるためのものである。

以上のように構成された本発明のタッチセンサは、発信回路（１）から出力された信号が直接入力されるＩＣ−３（路線（Ｂ））と、同様に発信回路（１）から出力された信号が遅延回路（２）を経て入力されるＩＣ−２（路線（Ａ））の２つの信号が、ＥＸ．ＯＲ回路（４）に入力される。この２つの信号を入力したＥＸ．ＯＲ回路（４）は、表１の動作真理値表の如く、入力された２つの信号の論理差を出力するゲ−トＩＣである。その応答速度はナノセカンドの単位であることから、位相の違いにより生ずる微小な信号の論理差を検出することが可能である。また、出力レベルはロジックレベルである為Ｓ／Ｎ的に極めて優れたものである。更にＥＸ．ＯＲ回路（４）から出力された信号は、抵抗とコンデンサ−からなる積分回路によって平滑されたノイズの極めて少ない直流電圧となるため、後の信号処理を極めて安定的に行うことが可能である。

図２は図１のタッチセンサ回路の信号タイムチャ−トを示したものである。
ａ点の信号は発振回路（１）から出力される信号であり、ｂ点（１）はタッチ電極（３）に指が近接していないときの待機時の信号である。
ｂ点（２）は電極に指が近づいた場合を示しており、該ｂ点（２）の信号はｂ点（１）より静電容量の増加により位相が遅延する。位相の遅延はタイムチャ−トＴ２ｂ（１）及び（２）に示される通りであるが、次のように簡易計算により表すことも可能である。

遅延時間Ｔ２ｂ＝Ｃ・Ｒによって構成された遅延回路（２）は、Ｃ・Ｒの積により決定されるため、Ｃ分即ち静電容量が多くなれば遅延時間も増大することになる。これらの信号はＥＸ．ＯＲ回路（４）にてＣ点の信号と比較されＩＣ−４の出力となり、ＩＣ−４出力（１）が待機時、ＩＣ−４出力（２）が指を検出したときの信号である。

次にＩＣ−４の平均出力電圧は、次式の和で表すことが可能である。信号の出力の波高値をＶ１とし平均出力をＶ２とすれば、Ｖ２＝Ｔｂ２×Ｖ１／Ｔ１で表される。

そして、ＩＣ−４の出力に接続されたＲ４、Ｃ５によって積分平滑化された信号は直流となり、信号処理回路へ送られる。ＩＣ−４出力（２）は、同（１）と比較し信号密度が高く成る為、上記計算式に当てはめればＩＣ−４出力（１）に比較して積分後の電圧は高くなり指が近接したことを検知する。

また、前記特許文献２とあらためて比較すれば、入力のパルス巾をロジック比較し、その出力信号を積分し、信号処理すると言う手段は全く同じであって、実際の構造形態もまったく同様にすることができる。しかしながら、本発明のタッチセンサはＥＸ．ＯＲ回路を使用し、２入力の位相差出力のみを検出しているのであって、特許文献２のＡＮＤ出力を利用したタッチセンサとはロジック的にはまったく異なる検出方法である。本発明のタッチセンサは、位相変化量のみが出力されるが、ＡＮＤ出力を利用した場合は、減算分が出力されるので、図３のタイム・チャ−トから判るように、検出能力は本発明のタッチセンサが優れていること明らかである。以下に示す表２はＡＮＤ論理ゲートの動作真理値表である。

また、図３のタイム・チャートを詳細に説明すると、前記したように本発明の位相差出力方式と引用文献２のＡＮＤ方式の両者をロジック的に考えた場合、本発明はＡのクロック信号と同相の他方入力があっても出力は出ないこととなり、出力は”０”となり、Ｃの本発明の位相差出力に示すように、タッチしたことにより位相差出力▲１▼と▲２▼にのみ出力されるので、タッチする前のレベルとは”０”対▲１▼＋▲２▼となる。ＤのＡＮＤ出力に示すＡＮＤ方式の場合は、Ａのクロック信号分と同相入力があっても常に積分値１００の値は出ていることになり、タッチしたことで位相のズレが起きても、ＤのＡＮＤ出力に示すようにズレた分▲１▼ｂが減算されるだけなので、仮に▲１▼ｂが１０とした場合でも、積分された値は１０％減少するだけとなる。よって本発明のタッチセンサは極めて優れた検出感度の実現を可能としたものである。

本発明のタッチセンサの回路の全体図である。本発明のタッチセンサの信号タイムチャ−トを示したものである。本発明と引用文献２のタッチセンサの信号タイムチャ−トを示したものである。

符号の説明

１…発信回路
２…遅延回路
３…タッチ電極
４…ＥＸ．ＯＲ回路

Claims

１個の発振回路より発生する発振電圧を、２個のゲートＩＣに供給するように２つの路線で構成された回路において、前記路線の一方に人体の指が近接したときに容量性の負荷が加わる構造を設けて該路線の信号を遅延させ、２個のゲートＩＣの出力を２入力のＥｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲＧａｔｅ回路に供給するように構成された回路であって、Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲＧａｔｅ回路の出力には信号の位相差出力を積分する回路を設け、その電圧レベルを検出することで人体の指が近接したことを検出するように構築されたタッチセンサ−。