JP2008216075A - 赤外線タッチスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】表示モードから設定モードへの切替え操作を行うたびに自動的に感度調整（微調整）を行うことで、経時変化、使用環境、反射物の個体差などによる操作感の悪化を防止した赤外線タッチスイッチを実現する。
【解決手段】発光素子に矩形波を印加して光を発生させる赤外線発生部と、発光した光が反射物で反射した光を受光し反射光の強さに応じた電圧を発生する電圧発生手段と、この電圧発生手段で発生した電圧を判定電圧と比較する比較器とを具備し、この比較器からの信号に基づいて前記反射物の有無を判断する赤外線タッチスイッチにおいて、前記比較器に入力する判定電圧を前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて変化させるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検出器（センサー）からの信号をもとに流量、圧力、温度などを測定するためのフィールド機器に外部からパラメータ設定などを行うために装備される赤外線タッチスイッチに関する。

赤外線タッチスイッチを用いたフィールド機器としては下記の文献が知られている。

特開平１１−１４４５７７ 特開２００３−３７５６３

はじめに、表示モードと設定モードについて簡単に説明する。
赤外線タッチスイッチは、ＬＣＤなどの表示器と組み合わせて使用される。フィールド計器では、通常は出力値（測定結果）を表示する状態を維持しており、これを表示モードと称する。

内部データを確認したり、データを変更する必要がある場合に、赤外線タッチスイッチを機能させて設定モードに入る。表示モードから設定モードへの移行は、誤動作防止のために、ある特定操作をしたときだけ実行可能となる。

図４はフィールド機器の表示モードと設定モードの切替えに用いられる赤外線タッチスイッチの従来例を示す要部構成図である。
図４において、１はフィールド機器(図示省略)内に配置された赤外線発光部であり、矩形波発生部２を含む駆動回路によって発光素子３に矩形波状の駆動電流ＩＦを流して赤外線を発光させる。

４は発光素子３で発光した光が反射物９で反射した光を受光する受光素子である。１０はフィールド機器の前面であって、発光素子３および受光素子４と反射物９の間に配置された透明部材（ガラス）である。

５は一端が受光素子４のエミッタ端子に接続された可変抵抗であり、他端は接地されている。６は比較器で、非反転入力端子側が受光素子４のエミッタ端子に接続され、反転入力端子側には所定の電圧に設定された判定電圧７が印加されている。この比較器６の出力端子は演算回路（ｃｐｕ）８に接続されている。

上述の構成において、反射物９が無い場合、受光素子４は赤外線を受光できないので光電流ＩＬは流れない。図では省略するが発光素子３と受光素子４の間には遮蔽物があり、発光素子３から出射した光を受光素子４が直接受光することがないように構成されている。

反射物９が有る場合、反射物９で赤外線が反射して受光素子４に光電流ＩＬが流れる。
この光電流ＩＬは可変抵抗５によって電圧ＶＬに変換され、比較器６に入力される。
比較器６はＶＬが判定電圧７よりも大きいかあるいは小さいかという信号を演算回路８へ出力する。この信号によって、演算回路８は反射物９の有無（スイッチのＯＮ、ＯＦＦ）を判定する。

ところで、反射物９が無いとき、すなわちスイッチがＯＦＦのときには光電流ＩＬが全く流れず、反射物があるとき、すなわちスイッチがＯＮのときだけ光電流がＩＬが流れれば、ＩＬの有無だけでスイッチのＯＮ、ＯＦＦを判定できる。

しかし、現実にはスイッチがＯＦＦのときの光電流ＩＬはゼロにはならない。
これは、遮蔽物を設けても赤外線タッチスイッチを収納しているケースの構成要素などで赤外線が反射してしまい受光素子に入力されてしまうためである。

ここで、スイッチがＯＦＦのときの光電流をＩＬ（ｏｆｆ)とし、スイッチがＯＮのときの光電流をＩＬ（ｏｎ）とすると、ＩＬ（ｏｎ）＞ＩＬ（ｏｆｆ）という関係になるので、判定電圧７をＩＬ（ｏｎ）とＩＬ（ｏｆｆ）に相当する電圧ＶＬ（ｏｎ）とＶＬ（ｏｆｆ）の間に設定すればよい。
図５はＶＬが（ｏｆｆ)でなければならない場合にも光電流ＩＬがゼロにならない状態を示すもので、判定電圧７はＶＬが（ｏｆｆ)の場合の電圧より高く設定している。

しかしながら、発光素子３と受光素子４の光伝達特性には数十倍のバラツキがあり、駆動電流ＩＦを一定にしても光電圧ＶＬは一定にならない。例えば、ＶＬ（ｏｎ）がものによって１Ｖであったり、２０ＶであったりしてＶＬ（ｏｎ）＞判定電圧＞ＶＬ（ｏｆｆ）にならない場合がある。

そこで、ＶＬ（ｏｎ）＞判定電圧＞ＶＬ（ｏｆｆ）になるように、判定レベルを個別調整する必要がある。具体的には抵抗５を可変抵抗にして、手動の感度調整を行っている。
感度調整は構成要素（発光素子、受光素子など）の経時変化（特性劣化）、周囲温度などの使用環境による特性の変化、反射物の反射率の個体差などを考慮して実施するが、これらの変動が大きい場合には、スイッチ操作ができなかったり、操作性が悪くなったりする。

図６は、変動要因の影響の一例として、反射率の異なる反射物が操作パネルに触れたときの光電圧ＶＬを示したものである（数字が大きいほど反射率が高い）。
図において（１）は、オン、オフの判定不可（スイッチ操作不可）
（２）、（３）、（４）は動作可能
（５）は操作性悪化
である状態を示している。

ここで、操作性の悪化とは反射物９が操作パネル１１から離れていてもスイッチがオンと判定してしまうので、オペレータの操作感覚と実際の設定動作が一致せず、操作感が悪いと感じたり、誤設定に繋がってしまうことをいう。

したがって本発明は、表示モードと設定モードの切替え操作を行うたびに自動的に感度調整（微調整）を行うことで、経時変化、使用環境、反射物の個体差などによる操作感の悪化を防止した赤外線タッチスイッチを実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の赤外線タッチスイッチにおいては、
発光素子に矩形波を印加して光を発生させる赤外線発生部と、発光した光が反射物で反射した光を受光し反射光の強さに応じた電圧を発生する電圧発生手段と、この電圧発生手段で発生した電圧を判定電圧と比較する比較器とを具備し、この比較器からの信号に基づいて前記反射物の有無を判断する赤外線タッチスイッチにおいて、前記比較器に入力する判定電圧を前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて変化させるように構成したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の赤外線タッチスイッチにおいて、
前記判定電圧の下限値を、前記反射物がない場合に前記電圧発生手段が発生する電圧よりもわずかに大きくし、この下限値から前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて前記判定電圧を変化（増加）させるように構成したことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１または２に記載の赤外線タッチスイッチにおいて、
前記判定電圧はスイッチ操作が行われない場合は自動的に前記下限値に戻るように構成したことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線タッチスイッチにおいて、
前記判定電圧は、前記矩形波のオンオフに同期した切替えスイッチと積分回路を用いて増加するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線タッチスイッチ。

請求項５においては、請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線タッチスイッチにおいて、
前記矩形波発生部の出力が非アクティブのときの前記比較器の出力に基づいて、前記切替えスイッチをオフの状態に維持する外乱光判定回路を設けたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように請求項１の発明によれば、比較器に入力する判定電圧を前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて変化させるように構成したので、発光素子や受光素子の経時変化や使用環境および反射物の個体差などによる操作感の悪化を防止することができる。

請求項２の発明によれば、判定電圧の下限値を、前記反射物がない場合に前記電圧発生手段が発生する電圧よりもわずかに大きくし、この下限値から前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて前記判定電圧を変化（増加）させるように構成したので、スイッチ操作ができなかったり、操作感の悪化を防止することができる。

請求項３の発明によれば、判定電圧はスイッチ操作が行われない場合は自動的に前記下限値に戻るように構成したので、確実にスイッチ動作ができる。

請求項４の発明によれば、判定電圧は、矩形波のオンオフに同期した切替えスイッチと積分回路を用いて上昇するように構成したので、積分回路の時定数を調整することにより瞬間的な外乱光の影響を防止することができる。

請求項５の発明によれば、矩形波発生部の出力が非アクティブのときの前記比較器の出力に基づいて、前記切替えスイッチをオフの状態に維持する外乱光判定回路を設けたので、反射物がない状態での太陽光などの外乱によって判定電圧が大きくなり、反射物の有無を判定できなくなってしまうことを防止することができる。

図１は本発明の実施形態の一例を示す要部構成図である。
図１において、図４に示す従来例と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。３０はインピーダンス変換器（バッファ）であり、非反転入力端子が受光素子４のエミッタ端子に接続され、出力端子が反転端子に接続されるとともに比較器６の非反転入力端子に接続されている。

２０はスイッチで一端が比較器６の非反転入力端子に接続され、他端はダイオード２１のアノードに接続されている。ダイオード２１のカソードは抵抗２２、コンデンサ２３を介して判定電圧２４に接続されている。抵抗２２とコンデンサ２３の間には抵抗２５および抵抗２６が直列に接続され、抵抗２６の一端はコンデンサ２３と判定電圧２４の間に接続されている。

そして、抵抗２５と２６の接続点は比較器６の反転入力端子に接続されている。
スイッチ２０は矩形波発生部２からの矩形波信号（ＳＷＣＬＫ）に同期して、信号が流れたときにオン、流れないときにオフの動作を行う。

次に動作について説明する。従来例と同様に可変抵抗５による手動の感度調整を行い、発光素子３と受光素子４の光伝達特性などのばらつきは取り除いておくものとする。
上述の構成において、光電流ＩＬに比例した光電圧ＶＬはバッファ（インピーダンス変換器）３０を通して比較器６に伝達される。

判定電圧２４は、経時変化、使用環境、反射物の個体差などを考慮し、ＶＬ（ｏｆｆ）の最大値より少し大きい値に設定する（当然ながらＶＬ（ｏｎ）の最小値よりも小さく設定する）。反射物９がないときは判定電圧２４がＶＬ（ｏｆｆ）より大きいのでダイオード２１が逆バイアスされ、コンデンサ２３は充電されず、判定値（比較器６の基準電圧）は判定電圧２４となる。

反射物９があるときはＶＬ（ｏｎ）が判定値２４よりも大きくなるので、コンデンサ２３が充電される。判定値（比較器６の基準電圧）は抵抗２５と抵抗２６の分圧比で決まり、常にＶＬ（ｏｎ）に応じた適切な値（良好な操作感が得られるＶＬ（ｏｆｆ）とＶＬ（ｏｎ）の中間値となる。

即ち、判定値がＶＬ（ｏｎ）に比べて小さすぎると反射物が透明部材１０に接触する前に、スイッチ２０がオンになったと判定してしまい、操作感の劣化や誤設定につながってしまう。

抵抗２５、抵抗２６はコンデンサ２３の充電には影響を与えないように大きな値にしておくものとする。充電の時定数は抵抗２２とコンデンサ２３で決まり、設定モードに入る前の比較的長時間スイッチをオンにする期間で判定値がＶＬ（ｏｎ）に近い値に整定するようにする。時定数が小さいと、瞬間的に大きな外乱光が加わったときに判定値も大きくなってしまう。

抵抗２５、抵抗２６を大きな値にすることで、コンデンサ２３の電荷は放電しにくくなるので、設定モード期間にＶＬ（ｏｎ）に応じた適切な判定値（良好な操作感が得られるＶＬ（ｏｆｆ）とＶＬ（ｏｎ）の中間値）を維持することができる。
図２は表示モードａから設定モードへの移行期間ｂを経て再び表示モードａに戻るまでの判定値の推移を示すものである。

実際の製品では、特定のスイッチだけが比較的長時間（数秒間）オン状態を維持した場合に設定モードに移行するようにしている。この期間にＶＬ（ｏｎ）に応じた判定値となる。表示モードに戻ったあと、抵抗２５、抵抗２６によって時間をかけてコンデンサ２３の電荷が放電していき、判定値は自動的に判定電圧２４に戻る。なお、設定が終了した場合、実際には判定値が高い状態でも強制的に表示モードに戻している。

上述の構成によれば、赤外線タッチスイッチを操作するたびに積分回路によって自動的に感度調整（微調整）が行われるので、経時変化、使用環境、反射物の個体差などによる操作感の悪化を防止することができ、常に良好な操作感を得ることができる。

図３は他の実施例を示すもので、図１と同一要素には同一符号を付している。図１と異なる点は、矩形波発生部２とスイッチ２０の間に外乱光判定回路４０を設け、比較器６の出力（演算回路への入力）を外乱光判定回路４０に入力するようにしたものである。

図１に示す実施例においては、反射物９がない場合、太陽光などの外乱が入ってバッファ３０の出力電圧がＶＬ（ｏｎ）よりも長時間大きくなる可能性がある。その場合、抵抗２２、コンデンサ２３による積分回路だけでは外乱光を除去できず、判定値が大きくなってしまい反射物の有無を判定できなくなるという問題がある。

したがって、本実施例においては図３に示すように、外乱光判定回路４０を追加する。
ここで、外乱光判定回路４０は、ＳＷＣＬＫが非アクティブのとき（ＩＦを流さないとき）の比較器６の出力で外乱光の有無を判断（比較器出力がＨｉｇｈのときには、外乱光があると判断）する。そして、外乱光が無い場合にはＳＷＣＬＫ信号によるスイッチ２０のオンオフを許可し、外乱光が有る場合にはスイッチ２０をオフにし続ける。
上述の構成によれば、太陽光などによる外乱に対しても判定値の誤作動を防止することができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の実施形態の一例を示す赤外線タッチスイッチの要部構成図である。 表示モードから設定モードに移行する場合の判定値の挙動を示す図である。 他の実施形態の一例を示す赤外線タッチスイッチの要部ブロック構成図である。 従来の赤外線タッチスイッチの要部構成図である。 ＩＬがゼロにならない場合にも電圧が発生している状態を示す図である。 反射率の異なる反射物が操作パネルに触れたときの光電圧を示す図である。

符号の説明

１ 赤外線発生部
２ 矩形波発生部
３ 発光素子
４ 赤外線受光部
５ 可変抵抗
６ 比較器
７ 判定電圧
８ 演算回路
９ 反射物
１０ 透明部材
２０ スイッチ
２１ ダイオード
２２，２５，２６ 抵抗
２３ コンデンサ
２４ 判定電圧
３０ バッファ回路
４０ 外乱光判定回路

Claims (5)

1. 発光素子に矩形波を印加して光を発生させる赤外線発生部と、発光した光が反射物で反射した光を受光し反射光の強さに応じた電圧を発生する電圧発生手段と、この電圧発生手段で発生した電圧を判定電圧と比較する比較器とを具備し、この比較器からの信号に基づいて前記反射物の有無を判断する赤外線タッチスイッチにおいて、前記比較器に入力する判定電圧を前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて変化させるように構成したことを特徴とする赤外線タッチスイッチ。
2. 前記判定電圧の下限値を、前記反射物がない場合に前記電圧発生手段が発生する電圧よりもわずかに大きくし、この下限値から前記電圧発生手段が発生する電圧に応じて前記判定電圧を変化（増加）させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線タッチスイッチ。
3. 前記判定電圧はスイッチ操作が行われない場合は自動的に前記下限値に戻るように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線タッチスイッチ。
4. 前記判定電圧は、前記矩形波のオンオフに同期した切替えスイッチと積分回路を用いて増加するように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線タッチスイッチ。
5. 前記矩形波発生部の出力が非アクティブのときの前記比較器の出力に基づいて、前記切替えスイッチをオフの状態に維持する外乱光判定回路を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線タッチスイッチ。

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