JP6308788B2 - 電子機器及び衝撃検出方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、アラーム音発生のための時計ケース部材の一部に固着した第1圧電素子と、時計ケースに加わる衝撃を検出するための第2圧電素子と、該第2圧電素子の発生する電圧信号を検出する検出回路と該検出回路の出力信号のうち一定レベル以上の信号のみを出力するレベル判別回路と、計時等を行うための時計回路とを有するアラーム付電子時計について記載されている。当該電子時計は、上記時計回路により、上記第1圧電素子がアラーム音発生のためのアラーム信号が印加されている時においても、上記時計ケースに加わる衝撃力によって発生する上記第2圧電素子の電圧信号を上記検出回路と上記時計回路を操作することを特徴とする電子時計のスイッチ装置を備える。
前記第1のスイッチの一端が前記誘導素子と前記圧電素子に接続され、前記第1のスイッチの他端が抵抗素子を介して接地されていることを特徴とする。
以下、図面を参照しながら本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る電子機器1の外観を示す表面図である。
電子機器1は、例えば、時刻を表示する腕時計、置時計等の電子時計である。以下の説明では、電子機器1が腕時計である場合を例にとって説明する。
図1において、紙面に対して右側にX方向を示し、上方にY方向を示す。AA’線は、電子機器1のほぼ中央部を通るY方向に平行な線分である。
電子機器1は、ケース101、表示部102、ベルト103を含んで構成される。
ケース101は、電子機器1を構成する素子、回路その他の部品を収容する筺体である。
表示部102は、電子機器1が計測した時刻、その他のデータを表示する。表示部102は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)である。ベルト103は、電子機器1をユーザの身体の一部、例えば、腕に固定するための固定具である。ベルト103は、電子機器1において省略されていてもよい。
図2は、図1のAA’線を通る断面を示す。図2において、紙面に対して右側にY方向を示し、上方にZ方向を示す。図2において、上方が表、下方が裏である。
電子機器1は、図1に示したケース101、表示部102、ベルト103の他、裏蓋(振動部)104、圧電素子105、2個の電極106−1、106−2、電源107及び基板108を含んで構成される。
電源107は、電子機器1の各部、例えば、制御部110(後述)に直流の電力を供給する電源である。電源107は、正極端子と負極端子を備える。正極端子は、電極106−2を介して圧電素子105の裏面に接続されている。正極端子での電圧が電源電圧Vccである。負極端子は、接地されている。電源107は、蓄電、放電ともに可能なニッケル水素電池等の2次電池であってもよいし、蓄電できないが放電が可能な酸化銅リチウム電池等の1次電池であってもよい。
基板108には、表示部102、電極106−1、106−2、電源107、制御部110(後述)等の部品が支持され、それぞれの位置が固定される。
電子機器1は、図2に示した表示部102、圧電素子105、電源107の他、制御部110、3個の抵抗素子121−1〜121−3、2個のスイッチ123−1、123−2、誘導素子125、発振部131及び操作入力部132を含んで構成される。
制御部110は、報音制御部111、スイッチ制御部112、衝撃検出部113、データ設定部114、時刻計測部115及びオフセット減算部116を含んで構成される。
なお、報音制御部111は、操作入力部132から報音操作信号が入力された場合に報音指示信号を生成し、生成した報音指示信号をスイッチ制御部112に出力してもよい。ここで、報音操作信号は、報音することを指示する信号であって、ユーザによる操作入力に応じて操作入力部132が生成する信号である。報音操作信号は、例えば、操作入力部132が備える所定のボタンが押下されたことが検出されたときに生成される。
端、制御端、一端に該当する。制御端に入力されたスイッチ制御信号In1が低電圧値V1Lを有するとき、スイッチ123−1は、断絶状態に制御され、一端と他端との間が絶縁される。制御端に入力されたスイッチ制御信号In1が高電圧値V1Hを有するとき、スイッチ123−1は、接続状態に制御され、一端と他端との間が導通する。
スイッチ123−2は、例えば、PNP型トランジスタである。PNP型トランジスタが備えるコレクタ(C)、ベース(B)、エミッタ(E)の各端子は、それぞれ上述の他端、制御端、一端に該当する。制御端に入力されたスイッチ制御信号In2が低電圧値V2Lを有するとき、スイッチ123−2は、接続状態に制御され、一端と他端との間が導通する。制御端に入力されたスイッチ制御信号In2が高電圧値V2Hを有するとき、スイッチ123−2は、断絶状態に制御され、一端と他端との間が絶縁される。
操作入力部132は、ユーザによる操作入力を検出し、検出した操作入力に応じた操作信号を生成する。操作入力部132は、生成した操作信号を制御部110に出力する。操作入力部132は、例えば、電子機器1の表面にボタン(図示せず)を備え、ユーザによって押下されたことを検出する。操作入力部132は、ボタンが押下されたことが検出されたとき上述の報音操作信号を生成し、生成した報音操作信号を報音制御部111に出力してもよい。操作入力部132は、ボタンが押下されたことが検出されたときデータ設定信号を生成し、生成したデータ設定信号をデータ設定部114に出力してもよい。
図4は、出力電圧Voutと減算出力信号のサンプリング時刻の一例を示す図である。
図4において、各段ともに横軸に時刻を示す。最上段には、スイッチ制御信号In1の電圧を、第2段にスイッチ制御信号In2の電圧を、第3段に出力電圧Voutを、最下段に減算出力信号のサンプリング時刻をそれぞれ示す。第1段−第3段の縦軸は、いずれも電圧を示す。図4に示す例では、スイッチ制御周期は0.5msecであり、時刻0.1msecでの報音動作開始がスイッチ制御の起点である。スイッチ制御信号In1、スイッチ制御信号In2及び出力電圧Voutの波形は、それぞれスイッチ制御周期毎に繰り返されている。
図5は、出力電圧Voutと減算出力信号のサンプリング時刻の他の例を示す図である。
図5において、各段に示す信号値、縦軸と横軸の関係は、図4と同様である。
図5に示す例では、区間A、区間B、区間Cの継続時間は、それぞれ0.25msec、0.15msec、0.1msecである。
図6は、出力電圧Voutと減算出力信号の電圧Vdの例を示す図である。
図6において、横軸は時刻、縦軸に電圧を示す。実線は、減算出力信号の電圧Vdを示し、□印は、各サンプリング時刻における出力電圧Voutを示す。出力電圧Voutは、全体的に減算出力信号の電圧Vdよりも時刻によらず約1.0V高い値となり、この両者の時間変化はほぼ同様である。つまり、図6によれば、オフセット電圧Vthは約1.0Vである。
図7は、本実施形態に係る衝撃検出処理を示すフローチャートである。
(ステップS101)衝撃検出部113は、スイッチ制御部112から入力されたスイッチ制御信号In1、In2の電圧値に基づいて、現在、区間C(状態C)にあるか否かを判定する。区間Cにあると判定された場合には(ステップS101 YES)、ステップS102に進む。区間Cにないと判定された場合には(ステップS101 NO)、ステップS101を繰り返す。
(ステップS102)衝撃検出部113は、区間Cにあると判定した後、予め定めた待機時間だけ待機する。その後、ステップS103に進む。
(ステップS104)衝撃検出部113は、報音停止信号を生成し、生成した報音停止信号をスイッチ制御部112に出力する。スイッチ制御部112には、衝撃検出部113から報音停止信号が入力され、スイッチ制御部112は、スイッチ制御信号In1、In2の出力を停止する(スイッチ処理)。これにより、報音が停止する。その後、処理を終了する。
なお、上述では、衝撃検出部113は、サンプリングした電圧Vdが予め定めた振動検出閾値よりも大きい場合、衝撃が与えられたと判定する場合を例にとって説明したが、本実施形態では、これには限られない。衝撃検出部113は、出力電圧Voutが検出閾値電圧とオフセット電圧Vtを加算して得られた電圧、つまりオフセット電圧Vtが補償されていない場合の検出閾値電圧よりも大きい場合、衝撃が与えられたと判定するようにしてもよい。そのために、電子機器1は、出力電圧Voutとその検出閾値電圧とを比較するコンパレータを備えてもよい。その場合には、オフセット減算部116等、オフセット量を補償するための構成を省略することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を援用する。
図8は、本実施形態に係る電子機器2の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態に係る電子機器2は、電子機器1(図3)と同様の構成を備える。但し、電子機器2は、衝撃検出部113(図3)の代わりに衝撃検出部213を備え、オフセット減算部116の代わりにコンパレータ228を備える。
なお、衝撃検出部213は、区間Aでは、検出閾値電圧Vsを任意の電圧値、例えば、閾値V1、V2のいずれかに設定してもよい。
図9は、出力電圧Vout、検出信号の信号値Vcomp、及び検出閾値電圧Vsの一例を示す図である。
図9において、各段ともに横軸に時刻を示す。最上段から最下段の縦軸に、スイッチ制御信号In1の電圧、スイッチ制御信号In2の電圧、出力電圧Vout、検出信号の信号値Vcomp、検出閾値電圧Vsをそれぞれ示す。
図9において、最下段の下方に時刻0.1msecから0.6msecまでのスイッチ制御周期において、両矢印にA、B、Cの文字がそれぞれ付されている両矢印で示される区間は、区間A、区間B、区間Cである。図9に示す例では、スイッチ制御周期は0.5msecであり、報音動作開始の時刻0.1msecを起点として繰り返されている。区間Aの継続時間は、0.25msecである。
図10は、本実施形態に係る衝撃検出処理を示すフローチャートである。
(ステップS201)衝撃検出部213は、スイッチ制御部112から入力されたスイッチ制御信号In1、In2の電圧値に基づいて、現在、区間A(状態A)にあると判定する。スイッチ制御信号In1、In2が状態Aを示す所定の継続時間が経過した後、ステップS202に進む。
(ステップS202)衝撃検出部213は、スイッチ制御部112から入力されたスイッチ制御信号In1、In2の電圧値に基づいて、現在、区間B(状態B)にあると判定する。その後、ステップS203に進む。
(ステップS203)衝撃検出部213は、検出閾値電圧Vsを閾値V1と定め、閾値V1を電圧として有する検出信号を生成する。衝撃検出部213は、生成した検出信号をコンパレータ228の反転入力端に出力する。その後、ステップS204に進む。
(ステップS205)衝撃検出部213は、コンパレータ228から入力された検出信号の信号値Vcompが0であるか否かを判定する。これにより、出力電圧Voutが閾値V1と等しいか、閾値V1より低いかが判定される。信号値Vcompが0であると判定された場合(ステップS205 YES)、ステップS206に進む。信号値Vcompが0ではないと判定された場合(ステップS205 NO)、ステップS205を繰り返す。
(ステップS206)衝撃検出部213は、コンパレータ228から入力された検出信号の信号値Vcompが1であるか否かを判定する。信号値Vcompが1であると判定された場合(ステップS206 YES)、ステップS207に進む。これにより、出力電圧Voutが閾値V1を越えたと判定される。信号値Vcompが1ではないと判定された場合(ステップS206 NO)、ステップS206を繰り返す。
(ステップS209)衝撃検出部213は、状態Cを開始した後、予め定めた待機時間だけ待機する。その後、ステップS210に進む。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。上述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を援用する。
図11は、本実施形態に係る電子機器3の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態に係る電子機器3は、電子機器1(図3)と同様の構成を備える。但し、電子機器3は、電子機器1(図3)において、抵抗素子121−4を誘導素子125と並列に備える。
このように、本実施形態では、圧電素子(例えば、圧電素子105)に電圧を印加する誘導素子(例えば、誘導素子125)と並列に抵抗素子(例えば、抵抗素子121−4)が接続される。そのため、誘導素子と圧電素子とが接続した状態から断絶した状態に遷移した直後において、誘導素子に生じたエネルギーが消費されるので安全性が確保される。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。上述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を援用する。
図12は、本実施形態に係る電子機器4の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態に係る電子機器4は、電子機器1(図3)において、さらに抵抗素子142を備える。電子機器4では、オフセット減算部116(図3)は省略されてもよい。
図13は、衝撃の検出例を示す図である。縦軸、横軸は、それぞれ電圧、時刻を示す。
図13(A)は、電子機器1で検出された出力電圧Vout、減算出力信号の電圧Vd及び検出電圧Veの例を示す。
この例では、出力電圧Voutは当初約3Vであるが、タップ操作により出力電圧Voutが、スイッチ123−2の逆耐電圧(この例では、約4V)を越えると急激に低下する。この現象は、出力電圧Voutが、スイッチ123−2の逆耐電圧を越えたことにより、スイッチ123−2が接続状態(ON)になったことによる。その後、出力電圧Voutは、0〜2.2Vの間で変動する。
減算出力信号の電圧Vdは当初0Vであり、出力電圧Voutの急激な低下に伴って減算出力信号の電圧Vdも低下する。その後、減算出力信号の電圧Vdは−0.3〜0.9Vの間で変動するが、出力電圧Voutとの差は、約2.0Vに維持される。
検出電圧Veは、ほぼ0Vのまま維持される。これは、減算出力信号の電圧Vdが所定の検出閾値電圧を越えないために衝撃が検出されなかったことを示す。
この例では、出力電圧Voutが当初0Vであり、タップ操作により出力電圧Voutが上昇するが、そのピーク値が約3Vとなる。その後、出力電圧Voutは、2.0〜3.5の間で変動する。出力電圧Voutは、スイッチ123−2の逆耐電圧を超えないため、スイッチ123−2の状態は断絶状態(OFF)に維持される。
減算出力信号の電圧Vdは、当初0Vであり、図13(A)に示す例よりも出力電圧Voutに近似する。出力電圧Voutとの差は、時間経過に伴い増加する傾向があるが1.0Vを超えない。このことは、圧電素子105への電荷の蓄積が抑制されていることを示す。
検出電圧Veは、当初0V(衝撃が検出されていない)であるが、減算出力信号の電圧Vdが約2.0Vを越えた後に3.0V(衝撃が検出された)に上昇する。これは、圧電素子105への電荷の蓄積が抑制されていることにより、時刻1.5msecでなされたタップ操作が正しく検出されていることを示す。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。上述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を援用する。
本実施形態に係る電子機器5のハードウェア構成は、電子機器1(図3)のハードウェア構成と同様である。但し、スイッチ制御部112は、区間A、区間B、区間Cとは別個の区間C’において、3.0Vの高電圧値V1Hを有するスイッチ制御信号In1と、3.0Vの高電圧値V2Hを有するスイッチ制御信号In2とを生成する。区間C’では、スイッチ123−1、123−2は、それぞれ接続状態(ON)、断絶状態(OFF)に制御される。以下の説明では、スイッチ123−1、123−2が、それぞれ接続状態(ON)、断絶状態(OFF)であることを状態C’と呼ぶ。
また、区間C’が開始される前に、区間Aと区間Bとが交互に繰り返されてもよい。区間Aと区間Bとが繰り返されることにより、その繰り返し周期で変動する電圧が圧電素子105に印加される。圧電素子105に印加される電圧の変動により裏蓋104が振動することによって報音する。なお、電子機器5は、電子機器4(図12)と同様に抵抗素子142を備えてもよい。
図14は、本実施形態に係るスイッチ制御信号In1、In2による区間毎のスイッチ123−1、123−2の状態を示す表である。
区間Aでは、スイッチ123−1、123−2は、いずれも接続状態(ON)に制御される(状態A)。区間Bでは、スイッチ123−1、123−2は、それぞれ断絶状態(OFF)、接続状態(ON)に制御される(状態B)。区間C’では、スイッチ123−1、123−2は、それぞれ接続状態(ON)、断絶状態(OFF)に制御される(状態C’)。区間Cでは、スイッチ123−1、123−2は、いずれも断絶状態(OFF)に制御される(状態C)。
区間C’では、スイッチ123−1が接続状態(ON)に制御され、スイッチ123−2が断絶状態(OFF)に制御されることで、誘導素子125への電流の供給が阻止されるのに対し、圧電素子105の表面に蓄積された電荷が、スイッチ123−1及び抵抗素子121−3を介して除去される。その後に開始される区間Cにおいて、衝撃検出部113は、出力電圧Voutに基づいて衝撃を確実に検出することができる。
図15は、スイッチ123−1、123−2の一制御例を示す図である。
縦軸、横軸は、それぞれ電圧、時刻を示す。図15では、最上段にスイッチ制御信号In1、第2段にスイッチ制御信号In2、第3段に出力電圧Voutをそれぞれ示す。
この例では、時刻0〜5msの間が区間Cであり、時刻5〜36msの間では、区間Aと区間Bが1ms周期で交互に繰り返される。時刻36〜40msの間が区間B、時刻40ms〜42msの間が区間C’、時刻42〜50msの間が区間Cである。時刻5〜36msの間では、区間Aと区間Bが交互に繰り返されることにより、裏蓋104により報音がなされ、出力電圧Voutがこの繰り返しの周期で0.0〜12.5Vの間で変動する。その後の区間Bでは、出力電圧Voutの変動が減少し、出力電圧Voutは、3.0Vに維持される。この3.0Vの電圧値は、電源電圧Vccに相当する。その後の区間C’では、出力電圧Voutは、3.0Vから0.0Vに低下し、その後に区間Cが開始された後も出力電圧Voutは、0.0Vに維持される。
他方、タップ操作等によって生じた圧電素子105の起電圧は、上述したように200Hz以下の低域成分が支配的である。そのため、従来は誘導素子125のインピーダンスが低くなるため十分な出力電圧Voutが得られなかった。これに対し、上述した実施形態では、スイッチ123−1、123−2をいずれも断絶状態(OFF)に制御する区間Cを設けることで、圧電素子105と誘導素子125とが電気的に断絶されるので、衝撃により十分な出力電圧Voutが得られる。衝撃検出部113は、区間Cにおいて出力電圧Voutに基づいて衝撃を確実に検出することができる。
また、上述した実施形態における電子機器1〜5の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。電子機器1〜5の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
101…ケース、102…表示部、103…ベルト、104…裏蓋、105…圧電素子、
106(106−1、106−2)…電極、107…電源、108…基板、
110…制御部、111…報音制御部、112…スイッチ制御部、
113、213…衝撃検出部、114…データ設定部、115…時刻計測部、
116…オフセット減算部、121(121−1〜121−4)、
142…抵抗素子、123(123−1、123−2)…スイッチ、
125…誘導素子、131…発振部、132…操作入力部、228…コンパレータ
Claims (11)
- 振動部と、
印加された電圧に応じて変形することによる振動を前記振動部に与え、前記振動部に与えられた衝撃による変形に応じた電圧を発生する圧電素子と、
前記圧電素子に昇圧された電圧を印加するための誘導素子と、
前記誘導素子へ電源からの電流を供給するか否かを制御する第1のスイッチと、
前記誘導素子と前記圧電素子との間を接続又は断絶する第2のスイッチと、
前記圧電素子に発生した電圧に基づき前記振動部に与えられた衝撃を検出する衝撃検出部と、
前記第1のスイッチの前記電源から前記誘導素子への電流供給を接続又は断絶する制御と、前記第2のスイッチの前記誘導素子と前記圧電素子とを接続又は断絶する制御と、を組合せて制御する制御部と、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 前記制御部は、前記第1のスイッチを接続し前記第2のスイッチを接続及び切断する振動期間と、前記第1のスイッチと前記第2のスイッチとを共に切断する検出期間と、を区別して制御する
請求項1に記載の電子機器。 - 前記制御部は、前記第1のスイッチを接続し前記第2のスイッチを接続及び切断する振動期間と、前記第1のスイッチと前記第2のスイッチとを共に切断する検出期間と、を一組とすることで、前記振動部へ与える振動の制御と前記振動部への衝撃を検出する制御とを併せて可能とする
請求項1または2に記載の電子機器。 - 前記第1のスイッチが前記誘導素子へ電流を供給しないように制御し、前記第2のスイッチが前記誘導素子と前記圧電素子との間を断絶しているとき、前記衝撃検出部は前記振動部に与えられた衝撃を検出することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電子機器。
- 前記衝撃検出部は、前記誘導素子と前記圧電素子との間が断絶される毎に前記圧電素子に発生した電圧をサンプリングし、該サンプリングされた電圧に基づいて前記振動部に与えられた衝撃を検出することを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の電子機器。
- 前記衝撃検出部は、前記圧電素子に発生した電圧の直流成分を補償することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電子機器。
- 前記圧電素子に発生した電圧に基づいて前記第2のスイッチが前記誘導素子と前記圧電素子とを断絶するか否か制御する制御部を備えることを特徴とする請求項2から6のいずれかに記載の電子機器。
- 前記誘導素子と並列に抵抗素子が接続されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の電子機器。
- 前記圧電素子が抵抗素子の一端に接続され、前記抵抗素子の他端が接地されていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の電子機器。
- 前記第1のスイッチの一端と他端との間を断絶し、かつ前記第2のスイッチが前記誘導素子と前記圧電素子との間が断絶する前に、前記第1のスイッチの一端と他端との間を接続するスイッチ制御部を備え、
前記第1のスイッチの一端が前記誘導素子と前記圧電素子に接続され、前記第1のスイッチの他端が抵抗素子を介して接地されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の電子機器。 - 振動部と、印加された電圧に応じて変形することによる振動を前記振動部に与え、前記振動部に与えられた衝撃による変形に応じた電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子に昇圧された電圧を印加するための誘導素子とを備える電子機器において、
前記誘導素子へ電源からの電流を供給するか否かを制御する第1の過程と、
前記誘導素子と前記圧電素子との間を接続又は断絶する第2の過程と、
前記圧電素子に発生した電圧に基づき前記振動部に与えられた衝撃を検出する第3の過程と、
前記第1のスイッチの前記電源から前記誘導素子への電流供給を接続又は断絶する時期と、前記第2のスイッチの前記誘導素子と前記圧電素子との接続又は断絶の時期と、を組合せて制御する第4の過程と、
を有することを特徴とする衝撃検出方法。
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