JP4830228B2 - 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、例えば弾球遊技機のハンドル部やその他の産業機器またはアミューズメント機器に用いられて、被検知物としての人体の接触を検出するようなタッチセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上述例のタッチセンサとしては、例えば、特開平５−１４１６４号公報に記載のものがある。
【０００３】
すなわち、図１１に示すように、トランジスタＴｒ１１と、発振コイル９１と、発振コンデンサ９２，９３にてＬＣ発振を行なうコルピッツ型の発振回路９４と、タッチ電極９５と、保護用のコンデンサ９６および抵抗９７にて人体のタッチを検出するセンサ部と、検波用ダイオード９８と、積分用の抵抗９９およびコンデンサ１００にて発振出力を検波積分する検波積分回路１０１と、検知信号を出力するトランジスタＴｒ１２とを備えて構成したタッチセンサであって、前述のタッチ電極９５に人体が接触することで、発振回路９４の等価インピーダンスが低下し、発振振幅の変化、もしくは発振周波数の変化を処理することにより、人体がタッチ電極９５に接触したことを検知するものである。
【０００４】
換言すれば、上記タッチセンサはコルピッツ型発振回路を基本構成としており、タッチ電極９５と大地間の容量を、発振回路９４の発振定数の一部（静電容量）として、人体接触の有無が検知容量の変化となり、発振振幅を変化させるもので、人体が接触する際、検知容量に応じて発振振幅が単調変化する。このような発振振幅を検波し、一定の判定レベルで比較して、人体の接触有無を判定するものである。
【０００５】
しかし、この従来構造においては、実際の弾球遊技機などの機器に取付けて使用する際、検出すべき人体容量のばらつき（個人差および床面の状態等）、遊技機が独自に持つ浮遊容量、機器の接地方法、温度・湿度の変化などの環境変化を受けやすく、その結果、検知容量が大きくばらつく問題点がある。
【０００６】
また、上述の発振振幅波高は、電波、ノイズなどの誘導ノイズの影響を受けて変動するので、発振回路に上述のような振幅値判定の方式を採用した場合、その後段の回路は、信号振幅の変化とノイズの重畳を見分けることが困難で、外乱安定性に問題がある。
【０００７】
また、上述の外乱安定性を上げるために、発振回路内の要所にコンデンサを挿入して、ノイズを除去する従来技術もある。しかし、アミューズメント業界の弾球遊技機において、該機のハンドル部に人体検知として上述のような発振回路で構成されたタッチセンサを使用する場合、遊技者が故意に高出力トランシーバなどで不正な電波を照射し、遊技機の各所を誤動作させようとするケースも想定されるので、ノイズ対策だけでは不十分であり、また、前述した検知容量のばらつきや検出動作の安定性の問題点は依然として未解決である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、物体容量のばらつきや環境の変化に対して強く、さらに、誘導ノイズの影響も受け難く、不正な電波の照射にも強く、検出安定性の向上および外乱安定性の向上を図ることができるタッチセンサの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、人体の接触が入力される入力部と、前記入力部に保護用素子を介して接続された発振回路を有し、前記入力部への人体接触状態の有無により、前記発振回路が前記入力部と大地間の人体等価インピーダンスの変化で、発振振幅もしくは発振周波数が変化することにより生じる電気的な変化量にて人体の接触有無を判別するタッチセンサであって、前記入力部と前記発振回路との間に配置されたコイルとコンデンサの並列接続による並列共振回路のコンダクタンスｇＬと、前記発振回路のコンダクタンスｇｉと、前記人体等価インピーダンスのコンダクタンス成分ｇｘとの関係を、ｇＬ＋ｇｘ＞ｇｉ＞ｇＬとなるように構成することにより、前記発振回路は、人体が接触しない場合に定常発振し、人体が接触した場合に前記定常発振を停止するタッチセンサであることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、人体が入力部に触れることにより、発振回路の定常発振が停止し、また、人体が入力部から離反すると、再び定常発振が発生する。
【００１１】
したがって、人体の接触および離反の発振動作は、発振回路の発振停止、または発振開始の動作で現れるので、換言すれば、発振飽和時の最高値と発振振幅零の最低値の両端で現れるので、人体の接触および離反を示すレベル差が大きくなり、人体の接触有無を判定する判定レベルを、例えば、これらの中間に設定したとき、人体の接触および離反と、判定レベルとのレベル差が大きく取れ、その結果、発振回路に環境変化の影響や、誘導ノイズが振幅に作用して、多少振幅が変動しても、判定レベルまで至らない限り、これらが検知動作に影響を与えることがなくなり、安定した動作となる。同時に、チャタリングに対してもその発生を回避することもできる。
【００１２】
実施の形態として、人体が前記入力部に接触している状態と離反している状態とのそれぞれに対応する前記発振回路の出力の切り換わりにおいて、前記離反状態から接触状態に切り換わる動作点が高く、接触状態から離反状態に切り換わる動作点が低くなるように、前記発振回路の出力にヒステリシス特性を持たせるヒステリシス付与回路を備えることができる。
【００１３】
この構成によれば、入力部に対する人体の完全な接触、完全な離反により動作し、状態変化に瞬時に発生しやすいチャタリングを防止し、また、動作も確実となって安定した検知動作が得られる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、人体の接触および離反の発振動作は、発振回路の発振停止、または発振開始の動作で現れるので、換言すれば、発振飽和時の最高値と発振振幅零の最低値の両端で現れるので、人体の接触および離反を示すレベル差が大きくなり、人体の接触有無を判定する判定レベルを、例えば、これらの中間に設定したとき、人体の接触および離反と、判定レベルとのレベル差が大きく取れ、その結果、発振回路に環境変化の影響や、誘導ノイズが振幅に作用して、多少振幅が変動しても、判定レベルまで至らない限り、これらが検知動作に影響を与えることがなくなり、安定した動作となる。同時に、チャタリングに対してもその発生を回避することもできる。
【００１５】
さらに、発振回路の定常発振または発振停止の動作は、回路固有の基準値を超えることにより、回路固有の基準値自体が切り換わる構成であるため、例えば、人体が徐々に接触したり、徐々に離反する条件下でも、動作点の付近でのチャタリングや出力が反転する誤動作がなく、検出動作が非常に安定する。
【００１６】
人体の接触および離反の切り換わりにおいて、上記離反状態から接触状態に切り換わる動作点が高く、接触状態から離反状態に切り換わる動作点が低くなるように、発振開始点と発振停止点とに差を設けて、発振振幅特性にヒステリシスを持たせることにより、人体の完全な接触、完全な離反により動作し、これによってチャタリングを防止し、また、動作も確実となって安定した検知動作が得られる。
【００１７】
【実施例】
この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。
【００１８】
なお、以下の実施例においては説明の便宜上、タッチセンサをパチンコ台のような弾球遊技機のハンドルに採用した例をあげて説明する。
【００１９】
図１は上記ハンドル１０の断面図であって、ハンドル取付け部１１にはハンドル基部１２が係合され、このハンドル基部１２には弾球力調整レバー１３が回転自在に設けられており、この弾球力調整レバー１３を遊技者が操作することで、パチンコ球の弾球力がコントロールされる。
【００２０】
上述の弾球力調整レバー１３の前面にはハンドルタッチ部１４が設けられ、遊技者は該ハンドルタッチ部１４に掌を接触させた状態で上記弾球力調整レバー１３を操作するものである。
【００２１】
上述のハンドルタッチ部１４は合成樹脂主体の表裏両面に金属メッキ層（図示せず）が形成され、この金属メッキ層が後述する接触電極２０（図２参照）を構成する。
【００２２】
また上述のハンドルタッチ部１４の内空部にはタッチセンサ１５が設けられ、このタッチセンサ１５の内部回路と電気的に接続されたリード片１６は導電性の固定ネジ１７を用いてハンドル部１４の裏面側のメッキ層に電気接続されると共に、該部に固定されている。なお、図１において、１８は弾球力調整レバー１３に取付けられた軸、１９はタッチセンサ１５のリード線である。
【００２３】
図２は図１で示したタッチセンサ１５と、外部に露呈された接触電極２０の回路図であって、上記タッチセンサ１５は、人体（ことに手指）が接触する接触電極２０と結合用（保護用）コンデンサＣ１とを備えたセンサ部２１と、コイルＬ１とコンデンサＣ２を並列に接続した並列共振回路２２と、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４と抵抗Ｒ１とを備えた電流帰還型の発振回路本体２３と、トランジスタＴｒ５と抵抗Ｒ２とを備えた出力回路２４とを図示のように接続して構成している。
【００２４】
人体の接触有無を示す等価回路は、人体の容量Ｃｘ（概ね１５０pF），人体の抵抗Ｒｘ、人体の接触・離反を現すスイッチＳＷによって仮想的に示している。
【００２５】
前述の発振回路本体２３は発振点を設定している。
【００２６】
すなわち、並列共振回路２２のコンダクタンスｇＬと、発振回路本体２３側のコンダクタンスｇｉとの関係を、予め、
ｇＬ＜ｇｉ………１式
の関係となるように設定すれば、接触電極２０に人体の接触がない場合は、並列共振回路２２の共振周波数で発振状態となるように設定できる。
【００２７】
この状態に対して、接触電極２０に人体が接触すると、人体等価インピーダンスが接続されることになり、この人体等価インピーダンスのコンダクタンス成分をｇｘとしたとき、発振回路本体２３側のコンダクタンスｇｉとの関係を
ｇＬ＋ｇｘ＞ｇｉ………式２
にすれば、接触電極２０に人体が接触した場合、発振回路本体２３の発振が停止する。
【００２８】
したがって、前述の式１および上述の式２により、
ｇＬ＋ｇｘ＞ｇｉ＞ｇＬ………式３
となるように、発振回路本体２３側のコンダクタンスｇｉを設定する。このｇｉは発振回路本体２３側の回路固有の基準値となるコンダクタンスであり、該回路中の抵抗Ｒ１の定数値により自由に設定可能である。
【００２９】
なお、回路中の結合用（保護用）コンデンサＣ１は、直流的に接触電極２０と発振回路本体２３とを切り離す役割があり、人体容量Ｃｘより十分大きな値（Ｃ１>>Ｃｘ）に設定しておけば、発振回路の動作点には影響を与えることはない。
【００３０】
図３は、上述のように回路構成した並列共振回路２２側の合成インピーダンスのコンダクタンス成分と、発振回路本体２３側の回路固有の基準値のコンダクタンスｇｉとの関係を示し、縦軸はコンダクタンス、横軸は共振周波数である。
【００３１】
接触電極２０に対して人体が離反しているとき（スイッチＳＷがｏｆｆ）、並列共振回路２２側の合成インピーダンスは、並列共振回路２２のインピーダンスそのもののコンダクタンス成分ｇＬになるが、接触電極２０に人体が接触すると（スイッチＳＷがｏｎ）、等価的に人体等価インピーダンスが並列に接続される構成となるため、共振周波数が変化し、インピーダンス自体も変化して、合成コンダクタンスｇＬ＋ｇｘとなる。
【００３２】
一方、発振回路本体２３側のコンダクタンスｇｉは、並列共振回路２２側のインピーダンスの変化に関係なく一定であるため、抵抗Ｒ１の定数値の選択調整により、並列共振回路２２のコンダクタンスｇＬと該回路２２側の合成コンダクタンスｇＬ＋ｇｘの中間位置（ことに中央位置）に回路固有の基準値としてコンダクタンスｇｉを設定すると、人体が接触電極２０に離反しているときは式１が成立して、定常的に回路は発振状態となり、人体が接触電極２０に接触すると、式２が成立し、発振回路の発振は停止する。
【００３３】
図４は、上述した図３の関係に設定した図２におけるＶｏｕｔの波形を示し、横軸は時間、縦軸は出力電圧を示す。
【００３４】
時間軸に沿って、接触電極２０から離反している人体がタイミングｔ０にて接触すると、タイミングｔ０以前では定常発振しているが、タイミングｔ０以降では発振が停止して、一定の直流値となる。
【００３５】
図５は、前述の発振回路本体２３の発振動作を出力回路２４が出力する波形を示し、横軸は時間、縦軸は出力電圧を示すが、図４と比べ時間軸を広げている。
【００３６】
出力電圧Ｖｏｕｔは、人体接触の有無を想定したスイッチＳＷのｏｎ／ｏｆｆにより、発振停止／定常発振となり、人体と接触電極２０の接触／離反をあたかもデジタル変換する機能を持つことを示す。
【００３７】
また、上述の出力回路２４の出力は、演算処理して接触／離反の検知信号を得ることができ、他の手段としては、出力回路２４の出力を検波積分して設定された判定レベルで比較して、接触／離反の検知信号を得ることもできる。
【００３８】
図６は、参考例を示し、この実施例では人体が接触することにより発振を開始する発振開始型の発振回路を示している。
【００３９】
この発振回路３０は、トランジスタＴｒ６，Ｔｒ７と、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、コンデンサＣ３，Ｃ４と、接触電極２０および結合用（保護用）コンデンサＣ１とを図示のように接続して、ＣＲ発振回路を構成している。すなわち、能動動作中のトランジスタＴｒ６の動作に追従するトランジスタＴｒ７からコンデンサＣ３でトランジスタＴｒ６に帰還される構成と、能動動作中のトランジスタＴｒ６のベースに結合用コンデンサＣ１を介して接続された接触電極２０の構成とで、発振開始型のＣＲ発振回路を構成している。
【００４０】
これは接触電極２０と大地間の容量値が、接触電極２０に対する人体の接触有無により変化することを発振回路３０の動作にて検出するように構成した回路であり、接触電極２０に対する人体の接触によって回路固有の容量値Ｃｉを基準値として、この基準値Ｃｉよりも接触電極２０と大地間との容量値が大きくなった場合に、発振回路内のほとんどの箇所に定常発振が発生する方式である。
【００４１】
そのため、人体が離反しているときの接触電極２０と大地間の容量値Ｃ０と回路固有の容量値Ｃｉとの関係を、予め、
Ｃ０＜Ｃｉ………式４
の関係となるように設定し、接触電極２０に人体が接触していない場合は、発振停止状態になるように設定する。
【００４２】
この状態に対して、接触電極２０に人体が接触すると、人体等価インピーダンスが接続されたことになるので、人体等価インピーダンスの容量値をＣｘとしたとき、回路固有の基準値の容量値Ｃｉとの関係を、
Ｃ０＋Ｃｘ＞Ｃｉ…………式５
にすれば、発振回路３０の発振が開始する。
【００４３】
したがって、前述の式４および上述の式５により、
Ｃ０＋Ｃｘ＞Ｃｉ＞Ｃ０………式６
となるように、回路固有の基準値の容量値Ｃｉを設定する。この設定はコンデンサＣ３、抵抗Ｒ５，Ｒ６などの定数により自由に設定することができる。
【００４４】
図７は、前述の発振回路３０が出力する波形を示し、横軸は時間、縦軸は出力電圧を示す。
【００４５】
発振回路本体３０の出力電圧Ｖｏｕｔは、人体接触の有無を想定したスイッチＳＷのｏｎ／ｏｆｆにより、定常発振／発振停止となり、この出力は、演算処理して接触／離反の検知信号を得ることができ、他の手段としては、その出力を検波積分して設定された判定レベルで比較して、接触／離反の検知信号を得ることもできる。
【００４６】
図８は、さらに他の実施例を示し、この実施例では、発振回路の出力にヒステリシス特性を持たせるための構成を示す。発振回路は図１で示した回路構成を有し、この回路構成に対して、検波積分回路２５、および比較回路２６を接続している。
【００４７】
上述の検波積分回路２５は、検波を行うダイオードＤと、積分処理を行うコンデンサＣ３および抵抗Ｒ７とを図示のように接続して構成し、比較回路２６はコンパレータＣＯＭと抵抗Ｒ９〜Ｒ１３を図示のように接続して構成している。
【００４８】
さらに、発振出力にヒステリシス特性を持たすために、発振回路本体２３の抵抗Ｒ１に抵抗Ｒｚを直列に接続し、トランジスタＴｒｚにより、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１＋Ｒｚとに動作点を切り換えるように接続し、さらに、トランジスタＴｒｚをコンパレータＣＯＭの出力でｏｆｆ／ｏｎ操作するように接続している。
【００４９】
すなわち、発振回路本体２３の出力は、接触電極２０に対して人体が離反しているとき定常発振しており、接触電極２０に人体が接触すると発振が停止するように設定しているので、接触電極２０に対して人体が離反しているとき、発振回路本体２３の出力点Ｖｏｕｔ１の出力は定常発振を出力して、“Ｈ”（ｈｉｇｈ）の状態であり、さらに、この定常発振を検波積分した検波積分回路２５の出力点Ｖｏｕｔ２も“Ｈ”の状態であり、設定した判別レベルで定常発振状態（人体離反状態）を検知するコンパレータＣＯＭの出力点Ｖｏｕｔ３も“Ｈ”を出力している。なお、この出力はタッチセンサとしての最終出力にもなり得る。
【００５０】
上述のように、コンパレータＣＯＭの出力点Ｖｏｕｔ３が“Ｈ”を出力することにより、前述のトランジスタＴｒｚがｏｎになり、抵抗Ｒ１のみが動作し、抵抗Ｒｚは短絡される。
【００５１】
また、人体が接触電極２０に接触すると、発振回路本体２３の発振が停止するので、その出力点Ｖｏｕｔ１の出力は発振停止で、“Ｌ”（ＬＯＷ）の状態であり、さらに、検波積分回路２５の出力点Ｖｏｕｔ２も“Ｌ”の状態であり、コンパレータＣＯＭの出力点Ｖｏｕｔ３も“Ｌ”を出力して、人体検知状態を出力している。
【００５２】
したがって、コンパレータＣＯＭの出力が“Ｌ”であるため、トランジスタＴｒｚはｏｆｆになり、抵抗Ｒ１とＲ２とが動作することになる。
【００５３】
その結果、人体が接触電極２０から離反しているときは、トランジスタＴｒｚはｏｎで、回路コンダクタンスｇｉ１は抵抗Ｒ１のみで決定され、人体が接触電極２０に接触しているときは、トランジスタＴｒｚはｏｆｆで、回路コンダクタンスｇｉ２は抵抗Ｒ１＋Ｒ２で決定されて、発振点は２つ存在することになり、また、その発振状態は、接触電極２０に対する人体の離反状態から接触状態に切り換わる動作点が高く、接触状態から離反状態に切り換わる動作点が低くなるようなヒステリシス特性を持つことになる。
【００５４】
すなわち、回路コンダクタンスｇｉ１とｇｉ２との関係が
ｇｉ１＞ｇｉ２………式７
となり、上述したヒステリシス特性を持たせることができる。
【００５５】
図９は、上述のように回路構成した並列共振回路２２側の合成インピーダンスのコンダクタンス成分と、発振回路本体２３側の回路固有の基準値のコンダクタンスｇｉとの関係を示し、縦軸はコンダクタンス、横軸は共振周波数である。
【００５６】
図９の（ａ）は、接触電極２０に対して人体が離反している状態を示し、該状態では、前述したように、発振回路本体２３の回路コンダクタンスｇｉ１は抵抗Ｒ１のみで決定されるために、コンダクタンスが高くなり、そのため動作点も高くなって接触電極２０に対し完全な接触によって定常発振が停止し、人体接触が検知される。
【００５７】
図９の（ｂ）は、接触電極２０に対して人体が接触している状態を示し、前述のように接触電極２０に対する人体の離反状態から接触状態に切り換えられると、トランジスタＴｒｚにより抵抗Ｒ１＋Ｒ２の回路コンダクタンスｇｉ２に切り換えられるので、コンダクタンスが低くなり、そのため動作点も低くなって接触電極２０に対して完全に人体が離反しなければ、定常発振が復帰（始動）しない。
【００５８】
したがって、発振状態は、接触電極２０に対する人体の離反状態から接触状態に切り換わる動作点が高く、接触状態から離反状態に切り換わる動作点が低くなるようなヒステリシス特性を持つことになる。
【００５９】
図１０は、コンパレータＣＯＭと発振振幅との関係によるヒステリシス特性を示し、図中の特性Ａは人体の離反状態から接触電極２０へ徐々に接触状態になる場合の発振振幅を示し、また、特性Ｂは反対に接触状態から徐々に離反状態に移行する場合の発振振幅を示している。
【００６０】
特性Ａのときはコンダクタンスｇｉ１の“Ｈ”からコンダクタンスｇｉ２の“Ｌ”に切り換わり、特性Ｂはその逆であるため、図示のようなヒステリシス特性を持つことになる。
【００６１】
また、上述のようにヒステリシス特性を持つと、人体の検知動作が安定する利点が生じる。すなわち、発振が停止する場合は、人体と接触電極２０とが完全に接触しなければならず、また、逆に、定常発振に復帰するには、第１の発振点を通過しても発振が立ち上がらず、第２の発振点に至って初めて定常発振の復帰動作となるため、具体的に人体が接触電極２０から完全に離反しない限り動作しないことを示す。そのため、完全な接触と完全な離反で動作を行うので、接触／離反の動作によるによるチャタリングも防止できて、人体の検知動作が安定する。
この発明の構成と、上述の実施例との対応において、この発明の入力部は、実施例の接触電極２０に対応し、同様に、この発明のヒステリシス付与回路は、実施例の抵抗Ｒ１，Ｒｚ、コンパレータＣＯＭ、トランジスタＴｒｚに対応するも、この発明は、その他の構成をも含めて、実施例に限定されるものではなく、多くの実施の形態を備える。
【００６２】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のタッチセンサの使用例を示す遊技機ハンドルの断面図。
【図２】 タッチセンサの電気回路図。
【図３】 発振回路の発振周波数とコンダクタンスとの関係を示す特性図。
【図４】 発振回路の出力波形を示す説明図。
【図５】 発振回路の出力波形を示す説明図。
【図６】 参考例を示す発振開始型の発振回路図。
【図７】 発振回路の出力波形を示す説明図。
【図８】 他の実施例を示す発振回路図。
【図９】 発振回路の発振周波数とコンダクタンスとの関係を示す特性図。
【図１０】 ヒステリシス特性を示す図。
【図１１】 従来のタッチセンサを示す電気回路図。
【符号の説明】
１５…タッチセンサ
２０…接触電極
２１…センサ部
２２…並列共振回路
２３…発振回路本体
２４…出力回路
３０…発振回路
ＣＯＭ…コンバータ
Ｒ１，Ｒｚ…抵抗
Ｔｒｚ…トランジスタ

Claims (2)

1. 人体の接触が入力される入力部と、前記入力部に保護用素子を介して接続された発振回路を有し、前記入力部への人体接触状態の有無により、前記発振回路が前記入力部と大地間の人体等価インピーダンスの変化で、発振振幅もしくは発振周波数が変化することにより生じる電気的な変化量にて人体の接触有無を判別するタッチセンサであって、
   前記入力部と前記発振回路との間に配置されたコイルとコンデンサの並列接続による並列共振回路のコンダクタンスｇＬと、前記発振回路のコンダクタンスｇｉと、前記人体等価インピーダンスのコンダクタンス成分ｇｘとの関係を、
   ｇＬ＋ｇｘ＞ｇｉ＞ｇＬとなるように構成することにより、
   前記発振回路は、人体が接触しない場合に定常発振し、人体が接触した場合に前記定常発振を停止することを特徴とする
   タッチセンサ。
2. 人体が前記入力部に接触している状態と離反している状態とのそれぞれに対応する前記発振回路の出力の切り換わりにおいて、
   前記離反状態から接触状態に切り換わる動作点が高く、接触状態から離反状態に切り換わる動作点が低くなるように、前記発振回路の出力にヒステリシス特性を持たせるヒステリシス付与回路を備えた
   請求項１に記載のタッチセンサ。

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