JP6059327B1 - 静電容量型スイッチ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
タッチセンサを用いたスイッチ装置は、人体が接触することにより生じる微小な静電容量変化をタッチセンサによって検出し、人体が接触しているか否かを判定するように構成されている。
このようなスイッチ装置では、タッチセンサの静電容量を電圧値として測定し、その静電容量を示す電圧値に基づいて、人体が接触しているか否かを判定するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
よって、人体が接触していると判定する間だけ、スイッチをオンとする信号を連続出力するように構成されている。
これに対し、上記従来例のスイッチ装置では、スイッチをオンとする信号をワンショット出力することはできない。
この結果、微分回路により生成されたワンショットパルス信号をそのままスイッチ部に与えるという簡易な構成で、スイッチ信号をワンショット出力することができる。
この結果、センサ出力に変化が見られなくなった後における微分回路の信号出力の収束性を高めることができ、適切な特性のワンショットパルス信号を生成することができる。これにより、適切にスイッチ信号をワンショット出力することができる。
この場合、切替部によって、スイッチ信号の出力態様をワンショット出力と、連続出力のいずれかを選択して切り替えることができる。この結果、汎用性が高まる。
この場合、スイッチ部は、連続出力信号、及び前記ワンショットパルス信号を区別することなく判定を行い、スイッチ信号を出力することができる。この結果、簡易な構成で、
スイッチ信号の出力態様をワンショット出力と、連続出力のいずれかを切り替え可能とすることができる。
〔システムの全体構成について〕
図1は、一実施形態に係る静電容量型スイッチ装置の全体構成を示す図である。図中、静電容量型スイッチ装置1は、センサシート2と、検出部3と、第1信号出力部4と、第2信号出力部5と、切替部6と、スイッチ部7とを備えている。
センサシート2は、面状に形成されたエラストマー製の誘電層と、誘電層を挟むように当該誘電層の表裏面に形成されている一対の電極層と備えており、面状に形成された容量素子を構成している。
このセンサシート2は、当該センサシート2の表裏面に平行な方向(面方向)に沿って変形(伸縮)可能に形成されている。センサシート2は、面方向に変形する際、誘電層の面方向の変形に追従して電極層の面積に変化が生じる。このため、センサシート2の静電容量は、当該センサシート2の変形に応じて変化する。
センサシート2は、その静電容量が当該センサシート2の変形に応じて変化するという特性を利用して、例えば、測定対象物の可動部分に取り付けられて、その可動部分の可動状態を把握するセンサとして用いられる。
よって、センサシート2が取り付けられた状態で可動部分を可動させ、可動部分の可動状態と、センサシート2の静電容量との相関関係を予め把握しておけば、センサシート2の静電容量に基づいて測定対象物の可動状態を把握することができる。
このように、センサシート2は、当該測定対象物の可動部分の可動状態を示す情報を静電容量として出力するように構成されている。つまり、このセンサシート2は、外部からの入力に応じて変形することで静電容量が変化する静電容量型センサを構成している。
第1信号出力部4は、スイッチ部7にスイッチ信号をワンショット出力させるためのワンショットパルス信号を出力する機能を有している。
また、第2信号出力部5は、スイッチ部7にスイッチ信号を連続出力させるための連続出力信号を出力する機能を有している。
スイッチ部7は、当該スイッチ部7に接続される装置に対してスイッチ動作を行わせるためのスイッチ信号を出力する機能を有している。スイッチ部7は、ワンショットパルス信号、及び連続出力信号に基づいてスイッチ信号を出力する。よって、スイッチ部7は、センサシート2の出力に応じたスイッチ信号を出力することができる。
スイッチ信号が与えられる装置は、このスイッチ信号に基づいて動作の切り替え等を行う。
図2(a)は、センサシート2の一例を示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線断面図である。
図2(a)及び(b)に示すように、センサシート2は、シート状の誘電層11と、誘電層11の表面(おもて面:図2中、上側)に形成された表側電極層12Aと、誘電層11の裏面(図2中、下側)に形成された裏側電極層12Bと、一端が表側電極層12Aに連結された表側配線13Aと、一端が裏側電極層12Bに連結された裏側配線13Bと、表側配線13Aの他端に取り付けられた表側接続端子14Aと、裏側配線13Bの他端に取り付けられた裏側接続端子14Bと、誘電層11の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層15A及び裏側保護層15Bと、裏側保護層15Bに積層された粘着層18とを備える。
誘電層11は、エラストマーと他の任意成分とを含むエラストマー組成物を用いて形成されており、その表裏面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
上記エラストマーとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム(NBR)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、クロロプレンゴム(CR)、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられ、これらのなかではウレタンゴムやシリコーンゴムが好ましく、ウレタンゴムがより好ましい。
表側電極層12Aと裏側電極層12Bとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層11を挟んで表側電極層12Aと裏側電極層12Bとは全体が対向している。センサシート2は、表側電極層12Aと裏側電極層12Bとの対向した部分が容量素子として機能する。
なお、表側電極層12Aと裏側電極層12Bとは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。
上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ等の導電材料以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。
また、裏側配線13Bを介して裏側電極層12Bに接続されている裏側接続端子14Bも、銅板等を用いて形成された板状の部材であり、外部に露出して設けられ、検出部3から延びる接続線が接続される。
センサシート2は、表側接続端子14Aによって検出部3から与えられる入力電圧を受け付け、裏側接続端子14Bから入力電圧に応じたセンサ出力を出力する。
この保護層15A、15Bの材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択することができる。保護層15A、15Bの材質の具体例としては、例えば、誘電層11の材質と同様のエラストマー組成物等が挙げられる。
そして、センサシート2の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層11の変形量と相関をもって変化する。よって、静電容量の変化を検出することで、センサシート2の変形状態を把握することができる。
図3は、検出部3の構成の一例を示すブロック図である。図3に示すように、検出部3は、発振回路20と、整流回路21と、ローパスフィルタ(LPF)22と、増幅器23とを備えている。
発振回路20は、センサシート2に与える入力電圧を生成し、センサシート2に入力電圧を印加する。発振回路20は、矩形波の入力電圧を生成する。
発振回路20は、センサシート2の表側接続端子14Aに接続されており、表側接続端子14Aを介してセンサシート2に入力電圧を印加する。
センサシート2は、発振回路20からの入力電圧の印加に応じたセンサ出力を整流回路21に与える。センサシート2は、センサ出力を電流信号として整流回路21に与える。
整流回路21は、平滑コンデンサ(図示省略)や、シャント抵抗(図示省略)も備えている。整流回路21は、平滑コンデンサによって整流したセンサ出力を平滑化する。
センサ出力の最大振幅は、センサシート2の静電容量に応じた電流値を示している。よって、整流回路21は、整流されたセンサ出力を平滑コンデンサによって平滑化することで、センサシート2の静電容量に応じた電流値を示す値を時間軸方向に沿って取得することができる。
つまり、整流回路21は、センサシート2が出力した電流信号であるセンサ出力を、センサシート2の静電容量に応じた電流値を表す電圧信号に変換することができる。
整流回路21は、電圧信号に変換したセンサ出力を、後段のLPF22に与える。
LPF22は、センサ出力に表れるリップルノイズを抑圧する。
LPF22は、リップルノイズを除去した後のセンサ出力を、後段の増幅器23に与える。
増幅器23は、与えられたセンサ出力を増幅し、電圧信号であるセンサ出力を後段の第1信号出力部4及び第2信号出力部5に与える。
図4は、第1信号出力部4、第2信号出力部5、及びスイッチ部7の構成例を示すブロック図である。
図4中、第1信号出力部4は、検出部3からのセンサ出力が与えられる不完全微分回路25と、不完全微分回路25が生成する信号を増幅する増幅回路26と、不完全微分回路25及び増幅回路26に基準電圧を供給する基準電圧供給回路27とを備えている。
増幅回路26は、不完全微分回路25によって生成されるワンショットパルス信号を増幅し、切替部6に与える機能を有している。
基準電圧供給回路27は、不完全微分回路25及び増幅回路26に対して、基準電圧を与える機能を有している。
図5中、不完全微分回路25は、一端が検出部3に接続されセンサ出力が与えられる第1容量素子30と、一端が第1容量素子30の他端に接続された第1抵抗素子31と、一端が第1抵抗素子31の他端に接続された第2抵抗素子32と、反転入力端子に第2抵抗素子32の他端が接続されているオペアンプ33と、オペアンプ33の帰還抵抗として接続されている第3抵抗素子34と、第3抵抗素子34に並列に接続されている第2容量素子35とを備えている。オペアンプ33の出力端は、増幅回路26に接続されている。
オペアンプ39の出力端は、切替部6に接続されている。
基準電圧供給回路27は、オペアンプ42と、一端が電源供給端43に接続された第6抵抗素子44と、一端が第6抵抗素子44の他端に接続され他端が接地されている第7抵抗素子45とを備えている。オペアンプ42の非反転入力端子には、第6抵抗素子44及び第7抵抗素子45の間から延びている線路が接続されている。
例えば、本実施形態の不完全微分回路25は、ワンショットパルス信号の最大電圧変化が約1Vとなるように最大ゲインの設定がなされている。
また、不完全微分回路25のオペアンプ33には、基準電圧供給回路27から約0.33Vの基準電圧が与えられる。
よって、不完全微分回路25が生成するワンショットパルス信号は、Hiレベル(高レベル)が約1V、Loレベル(低レベル)が約0.33Vに設定されている。なお、不完全微分回路25は、Hiレベルがマイナス側となるように出力する。
増幅回路26は、第4抵抗素子38と第5抵抗素子40との抵抗値の比率によって定まる増幅率でワンショットパルス信号を増幅する。
増幅回路26のオペアンプ39には、不完全微分回路25と同様、基準電圧供給回路27から約0.33Vの基準電圧が与えられる。よって、増幅回路26が出力するワンショットパルス信号は、Hiレベル(高レベル)が所定の増幅率で増幅された電圧、Loレベル(低レベル)が約0.33Vに設定されている。なお、増幅回路26は、反転増幅回路として構成されているので、Hiレベルがマイナス側となるように不完全微分回路25から出力されたワンショットパルス信号を反転し、Hiレベルがプラス側となるように出力する。
図6(a)は、不完全微分回路25が生成したワンショットパルス信号、図6(b)は、増幅回路26が増幅したワンショットパルス信号を示す図である。
なお、図6(a)では、理解を容易とするため、ワンショットパルス信号のHiレベルを、増幅回路26による増幅後のワンショットパルス信号と同じ符号側に表している。
この結果、微分回路により生成され増幅回路で増幅されたワンショットパルス信号をそのままスイッチ部7に与えるという簡易な構成とすることができる。
具体的には、第1容量素子30の静電容量や、第1抵抗素子31及び第3抵抗素子34の抵抗値を調整することにより不完全微分回路25が出力する信号レベルが閾値Thよりも大きくなるようにした場合、不完全微分回路25における時定数が非常に大きくなってしまう。これに対して、本実施形態では、ゲインの小さい不完全微分回路25が出力する信号を増幅回路26で増幅する構成としたので、不完全微分回路25のセンサ出力の変化に対する応答性を高めることができる。
この場合、不完全微分回路25の時定数が大きくなるため、応答性が低下してしまう。この結果、図6(c)に示すように、センサ出力に変化が見られなくなったタイミングであるt1の後、ワンショットパルス信号がLoレベルまで収束するまでに必要な期間Tが、図6(b)の場合と比較して長時間となり、ワンショットパルス信号の収束性が悪化してしまう。
この結果、センサ出力に変化が見られなくなった後における不完全微分回路25の信号出力の収束性を高めることができ、さらに増幅回路26によって増幅することで、適切な特性のワンショットパルス信号を生成することができる。これにより、適切にスイッチ信号をワンショット出力することができる。
判定部51は、センサ出力に対する予め設定された判定値を記憶しており、この判定値に基づいて、スイッチ部7にスイッチ信号を連続出力させるための連続出力信号を生成する。
判定部51は、例えば、センサ出力が判定値よりも大きければHiレベルの信号を出力し、センサ出力が判定値よりも低ければLoレベルの信号を出力し、連続出力信号を生成するように構成されている。
このように、判定部51は、センサ出力に応じてHiレベル及びLoレベルとされた連続出力信号を生成する。
信号判定部55は、閾値Thに基づいて、第1信号出力部4から与えられるワンショットパルス信号についての判定を行う。また、信号判定部55は、閾値Thに基づいて、第2信号出力部5から与えられる連続出力信号についての判定を行う。
よって、第1信号出力部4からワンショットパルス信号が与えられる場合、信号判定部55は、ワンショットパルス信号が閾値Thを超えている期間でスイッチ信号を出力するように判定する。よって、この場合、出力部56は、ワンショットパルス信号に応じて、スイッチ信号をワンショット出力する。
よって、第2信号出力部5から連続出力信号が与えられる場合、出力部56は、連続出力信号に応じて、スイッチ信号を連続出力する。
本発明は、上記実施形態に限定されない。上記実施形態では、静電容量型センサとしてセンサシート2を用いた場合を例示したが、他の静電容量型センサを用いてもよい。他の静電容量型センサとしては、外部環境の変化に応じて静電容量が変化するように構成され、外部環境の変化を静電容量として出力するセンサ、例えば、タッチセンサ等を用いることができる。
次に、静電容量型スイッチ装置1における動作について検証した結果について説明する。
検証試験には、上述の静電容量型スイッチ装置1を用いた。
静電容量型スイッチ装置1のスイッチ部7後段には、本検証試験のためのリレー回路を接続した。
図7は、リレー回路の回路図である。
図7中、リレー回路60は、スイッチ信号が与えられるコイル60aと、スイッチ60bとを備えており、電源61から例えば3Vの電源電圧の供給を受けて動作する。
スイッチ60bの第1端子60b1は、抵抗素子62を介して電源61に接続されている。また、スイッチ60bの第2端子60b2は、接地されている。スイッチ60bは、第1端子60b1と第2端子60b2との間を繋ぐことで接続状態となり、第1端子60b1と第3端子60b3とを接続することで切断状態となる。
一方、コイル60aにスイッチ信号が与えられると、リレー回路60は、スイッチ60bの第1端子60b1と第2端子60b2とを接続し、接続状態に切り替える。
静電容量が既知のコンデンサを組み合わせ、第1の値として450pF、第2の値として550pFを設定し、第1の値の設定と第2の値の設定との間を切り替えることで、センサ出力に生じる変化を擬似的に再現した。
また、地点Bの電圧がLoレベルで一定であるので、スイッチ部7は、スイッチ信号を出力しない。よって、リレー回路60は切断状態を維持しているため、地点Dにおいては3Vの電圧で一定となっている。
図8(b)に示すように、タイミングt10以前では、図8(a)と同様の状態である。
これによって、スイッチ部7はスイッチ信号を出力する。よって、リレー回路60は、接続状態に切り替わる。このため、図8(b)では、タイミングt10以降、地点Dの電圧は、3Vから0Vとなり、リレー回路60が接続状態に切り替わっていることを表している。
また、地点Cの電圧がLoレベルで一定であるので、スイッチ部7は、スイッチ信号を出力しない。よって、リレー回路60は切断状態を維持しているため、地点Dにおいては3Vの電圧で一定となっている。
また、地点Cの電圧がHiレベルで一定であるので、スイッチ部7は、スイッチ信号を出力する。よって、リレー回路60は、接続状態に切り替わる。このため、図9(b)では、地点Dの電圧は、3Vから0Vとなり、リレー回路60が接続状態に切り替わっていることを表している。
また、第2信号出力部5に、ワンショットパルス信号を生成する第1信号出力部4と同じレベルのセンサ出力を与えたとしても、第2信号出力部5においては連続出力信号を出力できることも確認できた。
4 第1信号出力部 5 第2信号出力部 6 切替部
7 スイッチ部 11 誘電層 12A 表側電極層
12B 裏側電極層 13A 表側配線 13B 裏側配線
14A 表側接続端子 14B 裏側接続端子 15A 表側保護層
15B 裏側保護層 18 粘着層 20 発振回路
21 整流回路 22 ローパスフィルタ 23 増幅器
25 不完全微分回路 26 増幅回路 27 基準電圧供給回路
30 第1容量素子 31 第1抵抗素子 32 第2抵抗素子
33 オペアンプ 34 第3抵抗素子 35 第2容量素子
38 第4抵抗素子 39 オペアンプ 40 第5抵抗素子
42 オペアンプ 43 電源供給端 44 第6抵抗素子
45 第7抵抗素子 50 調整部 51 判定部
52 遅延回路 55 信号判定部 56 出力部
60 リレー回路 60a コイル 60b スイッチ
60b1 第1端子 60b2 第2端子 60b3 第3端子
61 電源 62 抵抗素子
Claims (5)
- 静電容量型センサのセンサ出力に応じたスイッチ信号を出力する静電容量型スイッチ装置であって、
前記センサ出力に基づいてワンショットパルス信号を出力する第1信号出力部と、
前記スイッチ信号を出力するスイッチ部と、を備え、
前記スイッチ部は、前記ワンショットパルス信号の有無を第1の電圧と比較判定することで前記スイッチ信号をワンショット出力し、
前記第1信号出力部は、
前記センサ出力を微分することで前記ワンショットパルス信号を生成する微分回路と、
前記微分回路に対して、前記第1の電圧よりも低い第2の電圧を基準電圧として与えることで、前記ワンショットパルス信号の低レベルを前記第1の電圧よりも低くする基準電圧供給回路と、を備えている
静電容量型スイッチ装置。 - 前記微分回路によって生成される前記ワンショットパルス信号は、その高レベルが前記第1の電圧より小さくなるように設定され、
前記第1信号出力部は、前記微分回路によって生成される前記ワンショットパルス信号の高レベルが前記第1の電圧より大きくなるように前記ワンショットパルス信号を増幅して前記スイッチ部に与える増幅回路を備え、
前記基準電圧供給回路は、前記微分回路及び前記増幅回路に対して、前記第2の電圧を基準電圧として与える請求項1に記載の静電容量型スイッチ装置。 - 前記静電容量型センサは、当該静電容量型センサの変形に応じて静電容量が変化するように構成され、前記静電容量型センサの変形を静電容量として出力する請求項1又は請求項2に記載の静電容量型スイッチ装置。
- 前記センサ出力に基づいて、前記スイッチ部にスイッチ信号を連続出力させるための連続出力信号を出力する第2信号出力部と、
前記連続出力信号、及び前記ワンショットパルス信号のいずれか一方を前記スイッチ部に与える切替部と、をさらに備えている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の静電容量型スイッチ装置。 - 前記スイッチ部は、前記連続出力信号のレベルを前記第1の電圧と比較判定することでスイッチ信号を連続出力する請求項4に記載の静電容量型スイッチ装置。
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