JP4605870B2 - タッチセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人体検出に用いられるタッチセンサに関し、特にパチスロマシンやエレベータ等の複数の制御用入力スイッチ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がある。この種の従来のタッチセンサの回路構成を図４に示す。図４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１０、検波平滑回路２、比較回路３に電力が供給される。発振回路１０と、この発振回路１０に直流カット用コンデンサＣ₁ を介して電極１５が接続されている。また、電極１５にはサージ保護用のマイクロギャップＧ（又はバリスタやツェナダイオード等）の一端が接続され、このマイクロギャップＧの他端が電源グランドＧＮＤに接続されている。
【０００３】
発振回路１０の出力側には、検波平滑回路２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２は比較回路３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３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１２に入力される。出力回路１２では、比較回路３の入力に応じて、人体が電極に接触したか否かの出力信号を出力する。
【０００４】
大地間容量Ｃ₀ を持った人体が電極へ接触すると、発振回路１０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２で検波平滑され、比較回路３に入力される。比較回路３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、出力回路に入力される。そして、出力回路１２からは人体の接触検出信号が出力される。
【０００５】
また、電極１５から静電気等のサージがあると、サージ保護用のマイクロギャップＧ（又はバリスタやツェナダイオード等）によって回路が保護される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般にタッチセンサにおいては、発振回路部や比較回路部等の構成部品が高価である。そのため、タッチセンサを複数の制御用入力スイッチとして使用する場合、制御用入力スイッチと同数のタッチセンサが必要であり、大変高価であるとともに数が増すほどに大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
また、タッチセンサの使用に際しては、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、絨毯上を歩行したりする等により、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。そのため、従来のタッチセンサでは、次のような問題点がある。
【０００８】
（１）静電気等により、部品が破壊される。
【０００９】
（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、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化等）ができない。
【００１０】
（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。
【００１１】
（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Ｃ₄ （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３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。
【００１２】
この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、複数の制御用入力用スイッチとして使用でき、しかも小型で安価に実現できるタッチセンサを提供することを目的としている。
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のタッチセンサは、発振回路と、この発振回路に接続した少なくとも電極を有する入力部と、前記電極への人体の接触又は接近により変化する前記発振回路の発振出力を受けて弁別するレベル弁別回路と、このレベル弁別回路の弁別信号を出力する出力部とを備えるタッチセンサにおいて、 前記入力部及び前記出力部は、それぞれ複数個備えており、各入力部は切り替え用のスイッチを介して発振回路に接続し、前記各出力部は、前記弁別回路よりの弁別信号を切替ゲート回路を経て受けるように接続され、チャネル切り替え回路からの信号で各入力部を切り替えて発振回路に接続するとともに、前記レベル弁別回路からの弁別信号を出力するゲート回路を前記切り替え入力部に対応する出力部に切り替え接続することを特徴とする。
【００１９】
このタッチセンサでは、入力部及び出力部をそれぞれ複数個備えており、複数の入力部を切り替えて発振回路に接続すると共に、レベル弁別回路の弁別信号を切り替えて複数の出力部に接続するので、複数の入力部、出力部に対して、発信回路、レベル弁別回路は１つでよく、小型で安価にできる。
【００２０】
また、請求項２、請求項３記載のタッチセンサは、前記スイッチをアナログマルチプレクサ、又は複数のアナログスイッチで構成している。
【００２１】
このタッチセンサでは、スイッチとしてロータリスイッチ等を使用した場合に、操作者が必要であるのに比べ、デジタル制御信号で自動切り替えできる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１はこの発明の一実施形態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。この実施形態タッチセンサは、１個の発振回路１０、レベル弁別回路１１に、それぞれ電極１５_-1、１５_-2、１５_-3を有する３個の入力部１４_-1、１４_-2、１４_-3と、３個の出力部１２_-1、１２_-2、１２_-3と、チャネル切り替え回路１３を有し、チャネル切り替え回路１３よりの信号で入力部１４_-1、１４_-2、１４_-3の１つを選択して、発振回路１０に接続するとともに、選択した入力部に対応する出力部に、レベル弁別回路１１の出力を加えるようにしたことが特徴である。
【００３１】
この実施形態タッチセンサにおいて、Ｖ_ccに印加された電源電圧は、抵抗Ｒ₃ を介してトランジスタＴＲ₁ にバイアス電流を流し、発振コイルＬとコンデンサＣ₂ 、Ｃ₃ の定数による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ＴＲ₁ のエミッタに接続される抵抗Ｒ₂ の値によって制御される。ここにトランジスタＴＲ₂ はトランジスタＴＲ₁ 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。
【００３２】
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ＴＲ₁ 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Ｃ₄ により平滑されるため、電流Ｉ_s は大きな電流となる。この電流Ｉ_s の値は、レベル弁別回路１１で弁別される。
【００３３】
発振回路１０には、アナログスイッチＡＳＷ１、ＡＳＷ２、ＡＳＷ３の一端がそれぞれ接続され、アナログスイッチＡＳＷ１、ＡＳＷ２、ＡＳＷ３の他端が直列に接続された直流カット用コンデンサＣ_1-1 と抵抗Ｒ_1-1 、直流カット用コンデンサＣ_1-2 と抵抗Ｒ_1-2 、直流カット用コンデンサＣ_1-3 と抵抗Ｒ_1-3 を介して、電極１５_-1、電極１５_-2、電極１５_-3がそれぞれ接続され、その電極１５_-1、電極１５_-2、電極１５_-3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Ｇ₁ 、Ｇ₂ 、Ｇ₃ が設けられて入力部１４_-1、１４_-2、１４_-3（チャネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３）が構成されている。
【００３４】
ギャップＧ₁ 、Ｇ₂ 、Ｇ₃ 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、少なくともそれぞれ１ヶ所、しかも先端が鋭利なパターンが形成されている。従って、極めて小さなスペースであり、コストもかからず、低コストでＨＩＣとしての小型化の目的も達成できる。
【００３５】
アナログスイッチＡＳＷ１、ＡＳＷ２、ＡＳＷ３は、チャネル制御信号により制御されたチャネル切り替え回路１３からの切り替え信号Ｖ_c1、Ｖ_c2、Ｖ_c3によって、電極１５_-1、電極１５_-2、電極１５_-3からの入力信号を切り替えて発振回路１０に接続するように構成されている。チャネル制御信号は、一定周期の切り替え信号であったり、マイコンからの制御信号であったり、手動での切り替え信号等である。
【００３６】
レベル弁別回路１１の出力は、アンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２、ＡＮＤ３のそれぞれの入力端子に入力され、チャネル切り替え回路１３の切り替え信号は、アンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２、ＡＮＤ３のそれぞれ他方の入力端子に入力されている。アンド回路ＡＮＤ１、ＡＮＤ２、ＡＮＤ３の出力は、それぞれ出力回路１２_-1、１２_-2、１２_-3に入力されている。従って、切り替え信号により選択された入力部チャネルの信号に応じて、出力信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ３のどれかが出力され、切り替え信号により選択されていない入力チャネルは、人体が電極に接触しても非接触時と同様に動作しない。
【００３７】
ここではチャネルをＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３の３個としたが、必要に応じて増減して使用される。また、アナログスイッチに替えて、アナログマルチプレクサやロータリースイッチ等を用いてもよい。
【００３８】
発振回路１０が発振し、大きな電流Ｉ_s が流れており、チャネル切り替え回路１３の切り替え信号Ｖ_c1がＨレベルにより、アナログスイッチＡＳＷ１がＯＮ状態で、入力チャネルがＣＨ１に切り替えられているとき（このとき、切り替え信号Ｖ_c2、Ｖ_c3がＬレベルで、アナログスイッチＡＳＷ２、ＡＳＷ３はＯＦＦ）、人が電極１５_-1に接触すると、人体容量Ｃ₀ が発生する。すると、今まで浮いていた抵抗Ｒ_1-1 が人体容量Ｃ₀ と直列になり、人体容量Ｃ₀ が発信コイル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。
【００３９】
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Ｉ_ｓは極めて小さくなる。この小さくなった電流Ｉ_ｓ がレベル弁別回路１１で弁別され、Ｈレベルの信号となる。このとき、チャネル切り替え回路１３の切り替え信号Ｖ_ｃ１はＨレベルのため、アンド回路ＡＮＤ１の入力は２入力ともＨレベルになり、出力回路１２_―１にＨレベルの信号が出力され、出力回路１２_―１が駆動される。
つまり、電流Ｉ_ｓ が一定値以上である場合を人体の非検出時、電流Ｉ_ｓ 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_―１より信号が出力される。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。
【００４０】
また、出力信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ３は、チャネル切り替え信号Ｖ_c1、Ｖ_c2、Ｖ_c3と同期したパルス状の出力であるが、用途に応じて出力保持回路及びリセット回路等（図示しない）を用いることにより、出力を必要時間保持することが可能である。
【００４１】
また、抵抗Ｒ₂ により検出感度を高くしておけば、人体の電極への接触だけでなく、人体の電極への接近も検出することが可能となる。
【００４２】
静電気が電極に印加された場合、電極１５_-1、電極１５_-2、電極１５_-3と電源グランドＧＮＤの間には、極めて狭いギャップＧが設けられているため、ギャップＧ間で放電が開始し、印加電圧は瞬時に低電圧になり、回路が保護される。
【００４３】
次に、入力部の別の実施形態について説明する。図２の（ａ）の入力部の変更例を示す部分回路図では、抵抗器Ｒ_1-1 のアナログスイッチＡＳＷ１側と、電源グランドＧＮＤとの間にツェナダイオードＺＤ_1-1 、ＺＤ_1-2 が極性を逆にして直列に接続されている。ツェナダイオードＺＤ_1-1 、ＺＤ_1-2 が極性を逆にして直列に接続されているのは、抵抗器Ｒ_1-1 のアナログスイッチＡＳＷ１側との接続点の正負両極の発振波形に影響を与えないためである。このとき、電極１５_-1に静電気が放電されると、抵抗器Ｒ_1-1 を介してツェナダイオードＺＤ_1-1 、ＺＤ_1-2 からＧＮＤに電流が流れ、回路が保護される。ここでは、ツェナダイオードを２個用いているが、バリスタ等のサージ保護用素子（１個でよい）を用いても、同様の効果を得ることができる。
【００４４】
また、図２の（ｂ）の入力部の変更例を示す部分回路図では、直流カット用コンデンサＣ_1-1 とアナログスイッチＡＳＷ１との接続点と、電源グランドＧＮＤとの間にツェナダイオードＺＤ₁ が接続されている。このとき、電極１５_-1に静電気が放電されると、抵抗器Ｒ_1-1 及び直流カット用コンデンサＣ_1-1 を介してツェナダイオードＺＤ₁ から電源グランドＧＮＤに電流が流れ、回路が保護される。
【００４５】
また、図２の（ｃ）の入力部の変更例を示す部分回路図では、直流カット用コンデンサＣ_1-1 の両端には、それぞれサージ保護用素子のバリスタＶＡ及びツェナダイオードＺＤ₁ が電源グランドＧＮＤに接続されている。なお通常は、バリスタＶＡ又はツェナダイオードＺＤ₁ のどちらかが設けられていればよいが、サージ保護用のバリスタＶＡは高電流のサージを受けた場合、バリスタＶＡにバリスタ電圧以上の電圧が加わるため、更に安全を見込んでツェナダイオードＺＤ₁ でサージから保護するために設けている。このとき、電極１５_-1に静電気が放電されると、抵抗器Ｒ_1-1 を介してバリスタＶＡ及びツェナダイオードＺＤ₁ から電源グランドＧＮＤに電流が流れ、回路が保護される。
【００４６】
これら図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、静電気放電用ギャップＧとサージ保護用素子の両方を設けている。通常は、静電気放電用ギャップＧが設けられていればよいが、繰り返しの静電気放電による磨耗でギャップが大きくなり、放電電圧が上昇してしまった時を考慮して、更に安全を見込んで設けたものである。特に、アナログスイッチやマルチプレクサは静電気放電に弱いため、安全を見込む必要がある。
【００４７】
また、抵抗器Ｒ_1-1 を介してサージ保護用素子のバリスタＶＡ及びツェナダイオードＺＤ₁ 、ＺＤ_1-1 、ＺＤ_1-2 が接続されるため、サージ保護用素子の静電容量は発振回路１０の一部となっている。このとき、サージ保護用素子のバリスタＶＡ及びツェナダイオードの静電容量は、発振回路１０の他のコンデンサＣ₂ 、Ｃ₃ の静電容量に比べて小さいため、発振回路１０に与える影響は小さい。発振回路１０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３に示すように大き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は、検出出力がＯＮ／ＯＦＦされてしまわない。従って、サージ保護用素子のバリスタＶＡ及びツェナダイオードＺＤ₁ 、ＺＤ_1-1 、ＺＤ_1-2 の静電容量のバラツキや温度変化等の環境変化があっても、検出動作が安定している。
【００４８】
また、電極１５_-1に静電気が放電されたとき、抵抗器_1-1 によって電流が小さく制限される（放電エネルギーが消費される）ため、バリスタＶＡ及びツェナダイオードＺＤ₁ はエネルギー耐量の低いもので十分耐えることができる。低いエネルギー耐量になると、バリスタ及びツェナダイオードは、面実装可能なチップタイプやメリフ（リードレス）タイプのものが使用でき、タッチセンサの小型化（ＨＩＣ化等）が可能となる。
【００４９】
なお、上記実施形態では、発振回路にコルピッツ型を採用しているが、本発明において、発振回路はコルピッツ型に限定されるものではなく、ハートレー型等の他の発振形式の回路でもよい。
【００５０】
また、このタッチセンサは、パチスロマシンやエレベータ等の複数の制御用入力スイッチだけではなく、電子機器のＯＮ／ＯＦＦスイッチ、ドアノブスイッチ等、人体の接触を検出するものであれば、あらゆるものに用いることができる。
【００５１】
【発明の効果】
この発明によれば、複数の制御用入力スイッチとしてのタッチセンサを構成するのに、複数の入力部、出力部に対して、発振回路、レベル弁別回路は１つでよく、複数のタッチセンサを使用する場合に比し、小型で安価に製作できる。
【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構成を示すブロック図である。
【図２】図１における入力部の変更例を示すチャネルＣＨ１についての部分回路（ａ）、更に別の変更例を示すチャネルＣＨ１についての部分回路（ｂ）、更に別の変更例を示すチャネルＣＨ１についての部分回路（ｃ）を示す回路図である。
【図３】電極に係る静電容量Ｃ₀ と発振ゲインとの関係を示すグラフである。
【図４】従来のタッチセンサの回路構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 発振回路
１１ レベル弁別回路
１２_-1、１２_-2、１２_-3 出力回路
１３ チャネル切り替え回路
１４_-1、１４_-2、１４_-3 入力部
１５_-1、１５_-2、１５_-3 電極
ＡＳＷ１、ＡＳＷ２、ＡＳＷ３ アナログスイッチ

Claims (3)

1. 発振回路と、この発振回路に接続した少なくとも電極を有する入力部と、前記電極への人体の接触又は接近により変化する前記発振回路の発振出力を受けて弁別するレベル弁別回路と、このレベル弁別回路の弁別信号を出力する出力部とを備えるタッチセンサにおいて、
   前記入力部及び前記出力部は、それぞれ複数個備えており、各入力部は切り替え用のスイッチを介して発振回路に接続し、前記各出力部は、前記弁別回路よりの弁別信号を切替ゲート回路を経て受けるように接続され、チャネル切り替え回路からの信号で各入力部を切り替えて発振回路に接続するとともに、前記レベル弁別回路からの弁別信号を出力するゲート回路を前記切り替え入力部に対応する出力部に切り替え接続することを特徴とするタッチセンサ。
2. 前記スイッチは、アナログマルチプレクサ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. 前記スイッチは、複数のアナログスイッチであることを特徴とする請求項１記載のタッチセンサ。

Images