JP4836480B2 - タッチセンサ - Google Patents

Description

この発明は、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。

本願発明者は、発振回路と、この発振回路に接続した電極とからなり、前記電極への人体の接触あるいは接近で前記発振回路の発振条件が変化することにより、人体の接触あるいは接近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、電源グランド側との間に発振回路の発振コイルを設け、電極と電源グランドとの間に静電気放電用のギャップを設け、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回路基板上に少なくとも１箇所パターン形成したタッチセンサにつき、特許を取得している（例えば特許文献１参照）。また、静電容量式検出回路をハンドル内に内蔵し、この静電容量式検出回路のＧＮＤ（接地）配線を、電源０ＶのシグナルＧＮＤ線と、大地に一端を接続するための大地ＧＮＤ線とに分離配線したパチンコ用ハンドルのタッチセンサ装置を提案している（例えば特許文献２参照）。
特許第３６３２９０２号 特開２００５−０２１１７５号公報

上記した、特許文献１に記載のタッチセンサでは、一般的な静電気による半導体素子の破壊を防止できるようになったが、その後の発明者の検討により、このタッチセンサをパチンコ機に使用した場合、ハンドル部において、大きな静電気を持つ人がその手でハンドルを触ろうとすると、ハンドルやその内部のスイッチ、ボリュウム、及びそれらを接続する配線には人体と逆極性の電荷が誘起され、その手がハンドルに近づくと、人とハンドル部に集中した電荷が放電し、瞬時に消滅するが、この時の電荷の大移動により、回路部の半導体を、破壊したり、誤動作を起こすこともあることが判明した。

このような、巨大静電容量により、半導体素子等の破壊が生じる理由について、少し説明する。一般的に静電気量が、容量が１００ＰＦ、静電圧が２〜３万ボルト、インピーダンスが数１００Ωの場合は、検出回路や制御部品あるいは電源用部品の破損は、少ないが静電気量が巨大、例えば容量が数１０００ＰＦになったり、静電圧が５万ボルト以上になったり、インピーダンスが０Ω近くになるなどの場合、その静電気量によって、電源回路部は、もちろん検出回路や制御回路の回路部品も破壊させる。

このような、破壊は、巨大な静電気がギャップＧで放電を行いＤＣ ＧＮＤにそのままの量で移動するが、この移動した電荷は、単位時間当たりの電流の変化ｄｉ/ｄｔが非常に大きいことと電荷量が巨大なために生じるものである。すなわち、電流変化率が非常に大きいということは、配線の誘導が少し有れば、その線に巨大な残電圧が残ることを、また、短いプリントパターンでも大きな残電圧が発生することを、意味する。また、巨大に電荷量が大きいことは配線のリード線の抵抗分やプリント基板のわずかな抵抗においても大きな残電圧を発生することになる。

この静電気は、特定の極性でない。プラスの極性もあればマイナスの極性もある。この種静電気にプラスあるいはマイナスの極性があり、一方に定まらないのは、人が着用している衣類の材質、その周囲の環境によるためである。全ての電子部品は、定められた電圧や電流の極性を持っている。又、大半の電子部品はその定められた逆の極性を印加するとその機能を果たさないばかりか破損する。これは、上記の巨大静電気による回路破損の原因となる。

上記した特許文献２に記載の発明では、静電容量式検出回路のＧＮＤ（接地）配線を、電源０ＶのシグナルＧＮＤ線と、大地に一端を接続するための大地ＧＮＤ線とに分離配線した（フレームグランドを使用）により、巨大静電気によるタッチセンサの部品破損は改善できたが、なお、場合によって完全に防ぐことが出来ず、その上タッチセンサ以後の関係でＧＮＤ（ＤＣ０Ｖ）をフレームグランドに落とせない、という問題がある。

そこで、上記問題点を解決するために、回路基板上に、電極とフレームグランド間に、回路パターンで静電気放電用ギャップを設けることが考えられる。しかしながら、実使用において、フレームグランド端子を接続した場合は、何ら問題ないが、パチンコホールによっては、フレームグランドの設備を備えていなかったり（古い木造家屋に多い）、あるいはパチンコ台設置時に、業者によっては、フレームグランド接続の必要性や重要性の理解がない場合もある。この、フレームグランド端子を接続しない場合は、タッチ電極に印加された静電気はそのすべてがタッチセンサに印加される。すなわち、電極に印加された静電気は高電圧のため、電極と発振回路間の抵抗を破損し、発振回路を構成する発振コイル、コンデンサの両端、発振回路のトランジスタ及び発振制御抵抗に等に印加されるため、一瞬にして検出部全てを破壊した値後、ＧＮＤラインと大地間の分布容量を介して大地に戻る。このように、フレームグランド端子無し、あるいは接続しない場合には、発振回路の部品はもとより他の回路の半導体を破壊する恐れが非常に高い。

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、パチンコ機独特の超高電圧の静電気放電に対して、配線、接続ミス等があってもタッチセンサの破壊を防止し、静電気に強いパチンコ台ハンドル用のタッチセンサを提供することを目的とする。

この発明のタッチセンサは、発振回路と、この発振回路に接続した静電気が印加されることのある電極とを備え、前記電極への人体の接触あるいは接近で前記発振回路の発振条件が変化することにより、人体の接触あるいは接近を検出するものにおいて、回路基板上に、前記電極が接続される回路パターンと、フレームグランドが接続される回路パターンと、電源ラインが世知属される回路パターンを形成し
前記電極が接続される回路パターンと前記フレームグランドが接続される回路パターン間に形成する第１の静電気放電用ギャップと、前記フレームグランドが接続される回路パターンと前記電源ラインが接続される回路パターン間に形成される第２の静電気放電用ギャップとを設けたことを特徴とする。

この発明のタッチセンサにおいて、前記第２の静電気放電用ギャップは、前記フレームグランドが接続される回路パターンとＧＮＤ電源ラインが接続される回路パターン間に形成してもよいし、また前記フレームグランドが接続される回路パターンとＶＣＣ電源ラインが接続される回路パターン間に形成してもよい。

また、この発明のタッチセンサにおいて、前記第１の静電気放電用ギャップ及び第２の静電気放電用ギャップは、好ましくは回路パターンで形成する。

また、この発明のタッチセンサにおいて、前記第１の静電気放電用ギャップ及び第２の静電気放電用ギャップのギャップは、１個でも良いが好ましくは複数個とする。

この発明によれば、
（１）フレームグランドが接続される回路パターンと、電極及び発振回路からなる回路が、回路基板上で第１の静電気放電用ギャップと第２の静電気放電用ギャップとにより完全に絶縁されているので、絶縁耐圧試験、絶縁試験、絶縁抵抗試験も可能となり、パチンコ台の品質管理が可能となる。
（２）フレームグランドが接続される回路パターンと電極の間、フレームグランドが接続される回路パターンと電源ラインが接続される回路パターン間に静電気放電用ギャップを設けているので、パチンコホールの古い木造家屋等フレームグランドの無いところでも一般的な静電気破壊に対して、保護される。
（３）大地に接地されたフレームグランドのあるところでは、フレームグランド用回路パターンをフレームグランドに接続することにより、人体から電極に対し印加される静電気の放電電荷が流れる時のセンサと制御部を接続する電源グランドラインに発生していた電圧は無くなりセンサや制御部の破損はもとより誤動作も無くなって信頼性も向上する。

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回路図である。この、タッチセンサは、電極１５と、発振回路１０と、レベル弁別回路１１と、出力回路１２とを、備えている。これらの基本回路構成は、従来のタッチセンサと特に変わるところは無い。この実施形態タッチセンサの特徴は、第１の静電気放電用ギャップＧ１と、第２の静電気放電用ギャップＧ２とを、設けたことである。

この実施形態回路において、電源ＶＣＣ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の定数により定まる一定の周波数≒１/{２π√（ＬＣ）}で、発振回路が発振する。この発振回路１０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、ベースーエミッタ間を利用する補正トランジスタである。発振回路１０が発振すると、発振回路１０の見掛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。

発振回路１０には、抵抗Ｒ１を介して電極１５が接続されている。この電極１５と抵抗Ｒ１の接続点（接続線の中点）とフレームグランドＦＧとの間に、第１の静電気放電用ギャップＧ１が設けられ、またフレームグランドＦＧと電源グランドＧＮＤ（ライン）間に第２の静電気放電用ギャップＧ２が設けられている。これら第１と第２の静電気放電用ギャップＧ１，Ｇ２は、数十〜数百μｍのギャップを有し、発振回路１０、レベル弁別回路１１、及び出力回路１２が実装されたプリント基板上に、回路パターンで形成されている。

ここで、フレームグランドＦＧは、回路の電源０Ｖ、ＧＮＤとは、相違し、一般電気機器における機器本体の箱体を形成するフレームを大地に直接あるいは浮遊容量を介して設置するためのグランドラインである。この実施形態では、電源０Ｖ ＧＮＤ用の端子と、フレームグランドＦＧ端子は,互いに独立して電気的に絶縁して形成されている。

図３、図４は、この実施形態の第１の静電気放電用ギャップＧ１、第２の静電気放電用ギャップＧ２の具体的な形成例を示す。図３では、回路基板３１上に形成された電極１５用の端子３２から抵抗Ｒ１への回路パターン３３と、フレームグランドＦＧ端子３４のパターンより延設された回路パターン３６間に１個のギャップを有する第１の静電気放電用ギャップＧ１が形成されている。また、フレームグランドＦＧ端子３４のパターンより延設された回路パターン３６と、ＧＮＤ端子３５のパターンより延設されたＧＮＤライン用の回路パターン３７間に１個のギャップを有する第２の静電気放電用ギャップＧ２が形成されている。図４は、図３に示すものの第１の静電気放電用ギャップＧ１、第２の静電気放電用ギャップＧ２のギャップ数を１としているに対し、ギャップ数を複数（３個）としたものである。

この実施形態タッチセンサにおいて、発振回路１０が発振し、大きな電流が流れているとき、人が電極１５に接触すると人体容量Ｃｏが発生する。すると、今まで浮いていた抵抗Ｒ１が人体容量Ｃｏと直列になり、人体容量Ｃｏが大地と回路配線間の浮遊容量を介して発振コイル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。

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被検出時、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。

このタッチセンサを、パチンコ台に実使用する場合について説明する。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、ある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、球は数万ボルトの静電気を帯びる。この静電気を帯びた球に触れた人が電極１５に接触するものであるから、タッチセンサには当然人の体を介して数万Ｖの静電気が印加され、静電気は瞬時に第１の静電気放電用ギャップＧ１で放電をおこない、フレームグランドＦＧが直接大地に接地されている場合は、放電電荷は、フレームグランドＦＧ端子を介して大地にもどる。そのため、タッチセンサには、何の影響も与えず、静電気から保護される。

ここで、フレームグランドＦＧ端子が、配線、接続されていなかったり、あるいは誤って、大地から電気的に浮いた状態になると、第１の静電気放電用ギャップＧ１で放電した静電電荷は、さらに第２の静電気放電用ギャップＧ２で放電を行い、ＧＮＤ端子より大地と配線間の浮遊容量を介して大地にもどり、やはりタッチセンサ自体は、静電破壊から保護される。

図２は、この発明の他の実施形態を示す回路図である。この実施形態では、電極１５と抵抗Ｒ１の接続点とフレームグランドＦＧ間に、第１の静電気放電用ギャップＧ１を備え、更に、フレームグランドＦＧ間と電源ＶＣＣ（ライン）間に第２の静電気放電用ギャップＧ３を備えている。この第２の静電気放電用ギャップＧ３を、フレームグランドＦＧ間と電源ＶＣＣ間に設けた点で、図１の実施形態タッチセンサと相違する。その他の回路部は図１と同様である。

図５、図６は、この実施形態の第１の静電気放電用ギャップＧ１、第２の静電気放電用ギャップＧ２の具体的な形成例を示す。図５では、回路基板３１上に形成された電極１５用の端子３２から抵抗Ｒ１への回路パターン３３と、フレームグランドＦＧ端子３４のパターンより延設された回路パターン３６間に１個のギャップを有する第１の静電気放電用ギャップＧ１が形成されている。また、フレームグランドＦＧ端子３４のパターンより延設された回路パターン３６と、ＶＣＣ端子４５のパターンより延設されたＶＣＣライン用の回路パターン４７間に１個のギャップを有する第２の静電気放電用ギャップＧ３が形成されている。図６は、図５に示すものの第１の静電気放電用ギャップＧ１、第２の静電気放電用ギャップＧ３のギャップ数を１としているに対し、ギャップ数を複数（３個）としたものである。

この、実施形態回路をパチンコ台に実使用した場合、人が電極１５に触れると、タッチセンサには当然人の体を介して数万Ｖの静電気が印加され、静電気は瞬時に第１の静電気放電用ギャップＧ１で放電をおこない、フレームグランドＦＧが直接大地に接地されている場合は、放電電荷は、フレームグランドＦＧ端子を介して大地にもどる。そのため、タッチセンサには、何の影響も与えず、静電気から保護される。

ここで、フレームグランドＦＧ端子が、配線、接続されていなかったり、あるいは誤って、大地から電気的に浮いた状態になると、第１の静電気放電用ギャップＧ１で放電した静電電荷は、さらに第２の静電気放電用ギャップＧ３で放電をおこない、全ての電荷は電源ＶＣＣに至る。このタッチセンサに、電源を供給する外部の電源回路には大容量の平滑コンデンサＣｓが設けられているため、ＶＣＣラインとＧＮＤライン間は静電電荷にとっては短絡された状態のため、ＧＮＤ端子より大地と配線間の浮遊容量を介して大地にもどり、やはりタッチセンサ自体は、静電破壊から保護される。

なお、上記図１、図２の実施形態では、発振回路１０と、レベル弁別回路１１と、出力回路１２とを搭載する回路基板の回路パターンに第１の静電気放電用ギャップ、第２の静電気放電用ギャップを形成すタッチセンサについて説明したが、この発明のタッチセンサは、更に図７に示す装置として、組み込むことも可能である。ここに示す装置は、サージ保護回路５０、検出回路５１、出力回路５２を備える点で、図１、図２に示すと同様の回路部を備えている。サージ回路５０は、図１、図２の発振回路１０と、第１の静電気放電用ギャップ、第２の静電気放電用ギャップとを含む回路である。この装置では、接点ＮＣと、接点ＣＯＭを備える。接点ＮＣは、ノーマルクローズ接点を、接点ＣＯＭはコモン接点を示す。

この接点は、パチンコのハンドルを回転した時に導通し、ハンドルを回転しない時や回転していても停止ボタンを押した時に機構的に接点が開放されるようになっている。したがって、マイコロスイッチが閉接点の時のみＯＵＴの出力は、ＮＰＮトランジスタのオープンコレクタがＯＮし、パチンコ玉の発射を可能としている。もちろんマイクロスイッチに代えて磁気センサと磁石を組み合わせてタッチセンサの出力と論理処理することにより同一機能を果たしたり、同様にリードスイッチを用いたり、あるいはフォトインタラプタを用いることも可能となる。

さらに、タッチセンサのケースと前記マイクロスイッチのケースを共用する、すなわちタッチセンサケースにマイクロスイッチの接点機構を設けたりあるいは、マイクロスイッチケース内にタッチセンサの回路基板を収めることによりケースを一個にし、コスト低減をはかり、あるいは組みたて工数の低下ならびに小型化を図ることが出来る。

本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回路接続図である。 本発明の他の実施形態に係るタッチセンサの回路構成を示す回路接続図である。 図１に示す実施形態に係るタッチセンサの静電気放電用のギャップの形成例を説明する図である。 図１に示す実施形態に係るタッチセンサの静電気放電用のギャップの他の形成例を説明する図である。 図２に示す実施形態に係るタッチセンサの静電気放電用のギャップの形成例を説明する図である。 図２に示す実施形態に係るタッチセンサの静電気放電用のギャップの他の形成例を説明する図である。 この発明のタッチセンサの適用例を説明する装置の回路ブロック図である。

符号の説明

１０ 発振回路
１１ レベル弁別回路
１２ 出力回路
１５ 電極
ＴＲＩ，ＴＲ２ トランジスタ
Ｌ 発振コイル
Ｇ１ 第１の静電気放電用ギャップ
Ｇ２，Ｇ３ 第２の静電気放電用ギャップ
ＧＮＤ ０ボルト グランド
ＦＧ フレームグランド
３１ 回路基板
３３，３６，３７ 回路パターン

Claims (5)

1. 発振回路と、この発振回路に接続した静電気が印加されることのある電極とを備え、前記電極への人体の接触あるいは接近で前記発振回路の発振条件が変化することにより、人体の接触あるいは接近を検出するタッチセンサにおいて、
   回路基板上に、前記電極が接続される回路パターンと、フレームグランドが接続される回路パターンと、電源ラインが接続される回路パターンと、を形成し
   前記電極が接続される回路パターンと前記フレームグランドが接続される回路パターン間に形成する第１の静電気放電用ギャップと、フレームグランドが接続される回路パターンと前記電源ラインが接続される回路パターン間に形成される第２の静電気放電用ギャップとを設けたことを特徴とするタッチセンサ。
2. 前記第２の静電気放電用ギャップは、前記フレームグランドが接続される回路パターンとＧＮＤ電源ラインが接続される回路パターン間に形成したことを特徴とする請求項１記載のタッチセンサ。
3. 前記第２の静電気放電用ギャップは、前記フレームグランドが接続される回路パターンとＶＣＣ電源ラインが接続される回路パターン間に形成したことを特徴とする請求項１記載のタッチセンサ。
4. 前記第１の静電気放電用ギャップ及び前記第２の静電気放電用ギャップは、回路パターンで形成したことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３記載のタッチセンサ。
5. 前記第１の静電気放電用ギャップ及び前記第２の静電気放電用ギャップは、複数個のギャップを有することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４記載のタッチセンサ。

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