JP3632902B2 - タッチセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体の接近又は接触を検出するタッチセンサに関し、特にパチンコ機等の球を発射するに際して、遊戯者が発射ハンドルに設けられた電極に触れないと球の発射ができないようにし、遊戯者が複数のパチンコ機を使用することを防止するのに好適なタッチセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タッチセンサには、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〔特願平１０−１５４０３７号：「タッチセンサ」〕や、ＣＭＯＳゲートを用い、非安定マルチバイブレータ回路を利用して発振させ、人体が電極に触れることにより人体の容量で位相が遅れることを検出するもの〔特願２０００−７５０６１号：「静電容量式センサ回路用電源回路」〕等がある。
【０００３】
前者のタッチセンサの回路構成例を図５に示す。図５の回路において、電源Ｖ_ｃｃは定電圧回路１で一定電圧となり、発振回路２、検波平滑回路３、比較回路４に電力が供給される。発振回路２には、直流カット用コンデンサＣ_４ を介して電極６が接続されている。また、電極６には、サージ保護用のバリスタＶＡやツェナダイオードＺＤ等の一端が接続され、それらの他端がＧＮＤに接続されている。
【０００４】
発振回路２の出力側には、検波平滑回路３が接続され、発振出力が検波及び平滑される。検波平滑回路３は比較回路４に接続されており、検波及び平滑された出力信号が比較回路４で比較電圧（一定値）と比較され、それに応じた出力が出力回路５に入力される。出力回路５では、比較回路４の入力に応じて、人体が電極６に接触したか否かの出力信号を出力する。
【０００５】
大地間容量Ｃ_０ を持った人体が電極６に接触すると、発振回路２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３で検波平滑され、比較回路４に入力される。比較回路４では、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５に入力される。そして、出力回路５からは、人体の接触検出信号が出力される。また、電極６から静電気等のサージがあると、サージ保護用のバリスタＶＡやツェナダイオードＺＤ等によって回路が保護される。
【０００６】
一方、後者のタッチセンサの回路構成例を図６に示す。図６の回路において、非安定マルチバイブレータ回路３２で発振回路を構成し、その信号の片方はＮＯＲ回路を用いたＲ−Ｓフリップフロップ回路３３のＳに入力され、もう片方はＲ_０ を介して電極３６に接続されると共にＲに入力される。その時のＡ点，Ｂ点，Ｃ点の波形を図７に示す。図７の（ａ）は、人Ｍが電極３６に接触していない状態の波形であり、同図（ｂ）は、人Ｍが電極３６に接触した状態の波形である。人Ｍが電極３６に触れることにより、人体の静電容量Ｃ_０ と抵抗Ｒ_０ によりＢ点の位相は遅れる。従って、Ｃ点の出力を検波平滑回路３４により検波・平滑することにより、出力トランジスタを有する出力回路３５への入力レベルは大きくなり、トランジスタはＯＮし、人体の電極３６への接触を出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
タッチセンサにおいては、表面直出しの電極部に人体が接触する。ところが、人体は化繊や毛織物の衣服を着用したり、絨毯上を歩行する等により、常に静電気を帯びている。特に冬はこの静電気は数万Ｖにも達し、電極に対して高電圧の静電気放電が常に繰り返されている。
【０００８】
以上のことから、従来のタッチセンサでは、次のような問題点▲１▼〜▲４▼がある。
▲１▼静電気により、回路部品が破壊される。
▲２▼高エネルギー耐量（数万Ｖの静電気に耐える）のサージ保護用素子は大きいため、通常はサージ保護用素子を除いた回路部をＨＩＣ化し、サージ保護用素子は外部接続されており、タッチセンサ全体の小型化（ＨＩＣ等）ができない。
▲３▼マイクロギャップを応用したサージ保護用素子を用いたものでは、放電による金属磨耗でマイクロギャップが大きくなり、放電電圧が上昇してしまうため、寿命が短い。
▲４▼バリスタやツェナダイオード等の半導体のサージ保護用素子を用いると、検出容量Ｃ_ｄ （１００ｐＦ程度に設定される）より、はるかに大きなサージ保護用素子の静電容量（バリスタ：数百〜数千ｐＦ、ツェナダイオード：数十〜数百ｐＦ）が検出容量の一部として接続されたことになり、発振回路の発振ゲインと電極に係る静電容量との関係は、検出容量付近においては、図４の従来例の特性に示すように、緩やかな傾斜を持つ近似直線になる。この場合、少しの検出容量の変化で検出出力がＯＮ／ＯＦＦされてしまう。従って、サージ保護用素子の静電容量のバラツキや温度変化等の環境変化により動作が不安定になる。
【０００９】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、次の項目ａ〜ｆを達成するタッチセンサを提供することを目的とする。
ａ）静電気による回路部品の破壊を防止する。
ｂ）小型なＨＩＣ化を可能とする。
ｃ）長寿命・高信頼性を得る。
ｄ）大変高価なバリスタやツェナダイオード等のサージ保護用素子を不要にし、大幅なコストダウンを図る。
ｅ）サージ保護用素子を不要にすることにより、大幅な温度特性の改善を図る。
ｆ）動作感度のバラツキの少ない商品を得る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のタッチセンサは、発振コイルを有する発振回路と、この発振回路に抵抗を介して接続した電極とからなり、前記電極への人体の接近又は接触で前記発振回路の発振条件が変化することにより人体を検出するものにおいて、前記抵抗の発振回路側と電源グランドとの間に前記発振回路の発振コイルを設け、前記電極の発振回路側と電源グランドとの間に静電気放電用ギャップを設け、このギャップは、発振回路を含む回路が設けられた同一の基板上に少なくとも１箇所パターン形成されていることを特徴とする。
【００１１】
このタッチセンサでは、静電気が印加されても、発振コイルの作用により回路部品に対する静電気の影響を防ぐことができる。
【００１２】
なお、発振コイルは、その抵抗が０．１〜９０Ωの低抵抗のものを用いる。一般市販のローコストタイプの発振コイルは、抵抗が０．２〜６０Ω程度のものであるが、本発明では、０．１Ωから下記の実施形態で記載した理由から９０Ω程度のものが望ましい。
【００１３】
また、この発明において、発振コイルにコンデンサを並列接続することで、特に静電圧が高い場合に発振コイルに生じる起電力の影響も防ぐことができる。
【００１４】
この発明では更に、電極の発振回路側と電源グランドとの間に静電気放電用ギャップを設け、このギャップは、発振回路を含む回路が設けられた同一の基板上に少なくとも１箇所パターン形成されていることで、低コストで小型のＨＩＣ化が可能となる。
【００１５】
そして、静電気放電用ギャップが防護被膜で覆われていることにより、ゴミや封止部材等の付着による放電機能の喪失を防ぐことができ、信頼性が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
その一実施形態に係るタッチセンサの回路構成を図１及び図２に示す。図１の回路はコルピッツ回路であり、図２の回路はハートレー回路である。
【００１８】
まず、図１の回路について説明する。Ｖ_ｃｃに印加された電源電圧は、抵抗Ｒ_３ を介してトランジスタＴＲ_１ にバイアス電流を流し、発振コイルＬとコンデンサＣ_２ ，Ｃ_３ の定数により定まる一定の周波数Ｆ≒１／｛２π（ＬＣ）^１／２ ｝で、発振回路１０が発振する。この発振強度は、トランジスタＴＲ_１ のエミッタに接続される抵抗Ｒ_２ の値によって制御される。ここに、トランジスタＴＲ_２ は、トランジスタＴＲ_１ のパラメータが温度等により変化するのを補正するため、ベース−エミッタ間を利用する補正トランジスタである。
【００１９】
発振回路１０が発振すると、発振回路１０の見掛け上のインピーダンスは極めて小さくなり、トランジスタＴＲ_１ に流れる高周波発振電流は大きくなる。この高周波発振電流はコンデンサＣ_４ により平滑されるため、電流Ｉｓは大きな直流電流となる。この電流Ｉｓの値をレベル弁別回路１１で弁別し、その結果で出力回路１２を駆動するように構成されている。
【００２０】
発振回路１０には、抵抗Ｒ_１ を介して電極１５が接続されている。その電極１５の発振回路１０側と電源グランドＧＮＤとの間には、数十〜数百μｍの静電気放電用ギャップＧが設けられ、ギャップＧは発振回路１０を含む回路等が設けられた同一のプリント基板上に少なくとも１箇所パターン形成されている。
【００２１】
発振回路１０が発振し、大きな電流Ｉｓが流れているとき、人が電極１５に接触すると、人体容量Ｃ_０ が発生する。すると、今まで浮いていた抵抗Ｒ_１ が人体容量Ｃ_０ と直列になり、人体容量Ｃ_０ が発振コイルＬの両端に接続されるため、発振回路１０の選択度Ｑは大きく低下し、その結果、発振は停止する。
【００２２】
発振が停止すると、発振回路１０のインピーダンスは大きくなり、電流Ｉｓは極めて小さくなる。この小さくなった電流Ｉｓがレベル弁別回路１１で弁別され、出力回路１２が駆動される。つまり、電流Ｉｓが一定値以上である場合を人体の非検出時、電流Ｉｓが一定値よりも小さい場合を人体の検出時として、出力回路１２より出力信号が出力される。
【００２３】
この場合、レベル弁別回路１１に波形整形回路（シュミット回路）等を用いると、立ち上がり・立ち下がりの鋭い出力を得ることができるのは勿論である。また、抵抗Ｒ_２ により検出感度を高くしておけば、人体の電極１５への接触だけでなく、人体の電極１５への接近も検出することが可能となる。
【００２４】
次に、このタッチセンサの実使用について説明する。パチンコ台においては、球は長いプラスチック製の通路を通過する。このとき、球と球或いは球とプラスチックは摩擦を繰り返しながら運ばれるため、球は数万Ｖの静電気を帯びる。この静電気を帯びた球に触れた人が電極１５に接触するのであるから、タッチセンサには当然人体を介して数万Ｖの静電気が印加され、静電気は瞬時にグランドＧＮＤに流れ、急激に減少して消滅する。また、最近の化学繊維の着用や絨毯上での移動機会の多い今日、特に冬場は人体には数万Ｖの静電気が発生する。タッチセンサを他の用途に使用した場合でも、同様にその静電気がタッチセンサに印加され、前記のように消滅を繰り返す。
【００２５】
この数万Ｖの静電気がタッチセンサに印加されると、発振回路１０、定電圧回路、レベル弁別回路１１を構成する半導体は瞬間に破壊される。従って、これらの保護がタッチセンサの基本条件であることはいうまでもない。
【００２６】
この実施形態のタッチセンサにおいて、電極１５に印加された静電気について説明する。まず、数千Ｖと比較的低い電圧の静電気が印加された場合、発振回路１０に印加される静電圧は、入力部と電源グランドＧＮＤ、即ち発振コイルＬの両端の電圧となる。一般的に、発振コイルＬの抵抗Ｒ_Ｌ は数Ωの低抵抗であり、また電極１５を介する抵抗Ｒ_１ としては数〜数十ｋΩの抵抗値のものを用いる。静電圧をＶ_Ｓ とし、Ｖ_Ｓ ＝２０００Ｖが抵抗Ｒ_１ ＝５．１ｋΩ、Ｒ_Ｌ ＝５．１Ωに印加された場合、発振コイルＬに印加される静電圧をＶ_Ｌ とすると、

となり、約２Ｖの電圧しか発振コイルＬに印加されない。印加される静電気の極性は（＋）時や（−）時があるが、いずれの場合でも、静電圧Ｖ_Ｌ は回路部品、特に半導体を破壊することはない。
【００２７】
次に、静電圧が極めて高い場合について説明する。静電圧Ｖ_Ｓ ＝３万Ｖとすると、電極１５と電源グランドＧＮＤとの間には極めて狭いギャップＧが設けられているため、約２０００Ｖ以上になると、ギャップＧ間で放電が開始し、印加電圧は瞬時に２０００Ｖから０Ｖになり、２０００Ｖ以上の電圧が発振コイルＬに印加されることはない。
【００２８】
しかし、この放電の瞬間は、静電圧の変化率が極めて大きく、発振コイルＬに流れていた電流が急に無くなるため、エネルギー量は極めて小さいが大変大きな電圧の高周波パルス状起電力が発振コイルＬから発生する。この起電力は他の半導体を破壊するのに十分な電圧であるが、発振コイルＬと並列に設けられているコンデンサＣ_２ ，Ｃ_３ によりバイパスされるため、高圧の起電力が発振トランジスタＴＲ_１ ，ＴＲ_２ やその他の電子部品に印加されることはなく、電子部品の破損を防止できる。
【００２９】
また、帯電している人の手が電極１５に接触した瞬間も、急激な電圧の変化が印加される。コンデンサＣ_２ ，Ｃ_３ の合計容量をＣ_Ｘ とすると、
Ｃ_Ｘ ＝（Ｃ_２ ×Ｃ_３ ）／（Ｃ_２ ＋Ｃ_３ ）
となり、この合計容量Ｃ_Ｘ と抵抗Ｒ_１ は積分回路を形成する。発振コイルＬは数μＨと非常に小さな誘導分しかないが、高周波時は高いインピーダンスとなるため、前記積分回路で高周波分は消されることになる結果、低抵抗分のみが機能することとなり、発振コイルＬに印加される電圧は高くならない。
【００３０】
一方、ギャップＧは、発振回路１０を含む回路等が設けられた同一プリント基板上にプリントパターンで数十〜数百μｍのギャップで少なくとも１箇所、しかも先端が鋭利に形成されているため、極めて小さなスペースであり、コストが掛からず、低コストでＨＩＣとしての小型化の目的も達成できる。
【００３１】
また、図面には示されていないが、ギャップＧは、防護被膜（シール、剥離性被膜等）で覆われているため、ゴミ等の付着により放電機能が停止したり、或いは樹脂による回路基板のモールディング等によって起こる封止部材等の高絶縁体の付着により放電機能が失われたりすることがなく、安定した信頼性や品質が確保される。
【００３２】
勿論、図１の回路について説明した上記論理は、図２の回路においても全く同様に当て嵌まる。
【００３３】
なお、図１及び図２の回路によると、僅かではあるが、直流電圧が常時印加されているため、電極１５には電触作用が働いている。このため、図３の（ａ）〔図１に対応〕，（ｂ）〔図２に対応〕に示すように、直流分をカットするため検出容量やコンデンサＣ_２ ，Ｃ_３ より十分大きな容量のコンデンサＣ_１ を抵抗Ｒ_１ と直列接続し、前記電触作用を防止することもできる。
【００３４】
図１や図２のような回路構成を有するタッチセンサによれば、図４において、発振回路１０の発振ゲインと電極１５に係る静電容量Ｃ_０ との関係は、検出容量付近では急な傾斜の直線（実施形態の特性）になり、静電容量のバラツキや温度変化等の環境変化に対して動作が安定する。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタッチセンサによれば、次の効果が得られる。（１）サージ保護用素子が不要であるにもかかわず静電気による半導体等の破壊を防止できる。
（２）サージ保護用素子であるバリスタ、ツェナダイオード、クリッピングダイオード等の高価な電子部品が不要であるため、大幅なコストの低下が図れる。
（３）サージ保護用素子が不要であるため、サージ保護用素子の回路への影響も無くなり、特に温度特性が飛躍的に改善されると共に、製品の動作感度のバラツキも少なくすることができる。
（４）サージ保護用素子が不要となるため、サージ保護用素子そのものの破損も無くなり、高寿命、高信頼性が確保される。
（５）小型で信頼性の高いＨＩＣ化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態に係るタッチセンサの回路（コルピッツ回路）構成を示すブロック図である。
【図２】別実施形態に係るタッチセンサの回路（ハートレー回路）構成を示すブロック図である。
【図３】図１の回路における電極側の変更例を示す部分回路図（ａ）、及び図２の回路における電極側の変更例を示す部分回路図（ｂ）である。
【図４】電極に係る静電容量（人体容量）Ｃ_０ と発振回路の発振ゲインとの関係を示すグラフである。
【図５】従来例に係るタッチセンサの回路構成を示すブロック図である。
【図６】別の従来例に係るタッチセンサの回路構成を示すブロック図である。
【図７】図６の回路の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１０ 発振回路
１１ レベル弁別回路
１２ 出力回路
１５ 電極
Ｃ_０ 人体容量
Ｌ 発振コイル
Ｃ_１ コンデンサ
Ｃ_２ ，Ｃ_３ コンデンサ
Ｇ 静電気放電用ギャップ
ＴＲ_１ ，ＴＲ_２ トランジスタ

Claims (4)

1. 発振コイルを有する発振回路と、この発振回路に抵抗を介して接続した電極とからなり、前記電極への人体の接近又は接触で前記発振回路の発振条件が変化することにより人体を検出するタッチセンサにおいて、
   前記抵抗の発振回路側と電源グランドとの間に前記発振回路の発振コイルを設け、前記電極の発振回路側と電源グランドとの間に静電気放電用ギャップを設け、このギャップは、発振回路を含む回路が設けられた同一の基板上に少なくとも１箇所パターン形成されていることを特徴とするタッチセンサ。
2. 前記発振コイルは、抵抗が０．１〜９０Ωであることを特徴とする請求項１記載のタッチセンサ。
3. 前記発振コイルにコンデンサを並列接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のタッチセンサ。
4. 前記静電気放電用ギャップは、防護被膜で覆われていることを特徴とする請求項４記載のタッチセンサ。

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