タッチセンサーの実装

投稿日 2017/02/10, 金曜日
更新日 2020/10/27, 火曜日

Altium Designerで信頼性の高い従来の機械式スイッチの代替として、静電容量式タッチセンサー技術の設計方法を学びましょう。

静電容量式タッチセンサー技術は、電子制御インターフェースで使用される従来の機械式スイッチに対して、安価で非常に信頼性の高い代替手段を提供します。タッチセンサーの複雑なベンダー/技術特有のパターンを手動で作成またはサイズ変更することは、困難で時間がかかることがあります。幸いなことに、複雑なタッチセンサー形状の簡単な作成と変更を可能にする自動化ソリューションがあります。

静電容量式タッチセンサー

静電容量式タッチセンサースイッチおよびコントロールは、電子製品において従来使用されている機械式スイッチに比べていくつかの利点を提供します。一つには、タッチセンサーはPCB上の銅に直接実装されます。動作する部品がないため、故障したり時間とともに摩耗したりすることがありません。静電容量式タッチセンサーは、プラスチック、ガラス、アクリル、はんだマスク、段ボール、木材など、さまざまなカバーを通して機能するように設計されています。また、水、湿気、ほこり、汚れ、厳しい化学薬品、洗浄剤など、手動スイッチに損傷を与える可能性のある物質に対しても耐性があります。

これらの静電容量センサーの利点を考えると、どのようにして電子デバイスに実装するかという問題が生じます。電子製品で使用されるタッチスイッチやコントロールは、安価に製造することができ、タッチピンやブレイクアウトボードのような異なるバージョンで提供されます。これらの製品は従来の機械部品よりも直感的で、メンテナンスが容易であり、全体的な品質と長期的な信頼性が向上します。

家電製品、消費者向け電子機器、産業用コントロール、船舶機器、モバイルデバイスやPCおよび周辺機器、医療機器など、実用的な静電容量式タッチセンサーの応用例は多岐にわたります。

静電容量式タッチ技術

この静電容量式タッチセンサーのチュートリアルでは、静電容量式タッチセンシングは、人間の指がPCB上の銅でエッチングされた静電容量式タッチセンサーエレクトロードに近づくとアクティブになると定義されます。これにより、センサーエレクトロードの静電容量が変化します。この静電容量の変化は、センサーエレクトロードに接続された汎用マイクロコントローラー入力または専用のタッチコントロールデバイス入力で感知されます。マイクロコントローラーまたはタッチコントロールデバイスは、特定のセンサーエレクトロードによって認識された静電容量センシングの変化に対する特定のプログラムされた応答として、1つ以上のデジタル出力制御ピン信号の状態を更新します。

静電容量センシングには2つの異なるタイプがあります。それらは、セルフ静電容量センシングと相互静電容量センシングとして参照されます。

セルフ静電容量センシングは、人間の指の存在が単一のセンサーエレクトロードの静電容量を増加させる場合です。この静電容量の増加は、上述のように処理されます。

相互静電容量センシングは、人間の指の存在が一緒にペアされた2つのセンサーエレクトロード間の相互結合を減少させる場合に発生します。この静電容量の低下（受信エレクトロード上）が感知されると、上述のように処理されます。

図1 - 左がセルフ静電容量センシング、右が相互静電容量センシング

タッチセンサーの形状

タッチセンサーは主に、ボタン、スライダー、ホイールの3つの一般的なタイプで構成されています。

ボタンは、単一の静電容量式タッチセンシング接点からのトグル制御を可能にします。例えば、特定のボタンセンサーに一度触れると、照明回路がオンに切り替わります。同じボタンセンサーにもう一度触れると、照明回路がオフに切り替わります。

スライダーは、最小点から最大点までのレベル制御を可能にします。例えば、特定のスライダーの最小点に触れると、接続された照明回路が最も暗い光レベルに設定されます。その初期点からスライダーセンサーに沿って指を最大点に向かってドラッグすると、照明回路の明るさが徐々に増加します。

ホイールセンサーについては、最も一般的な例は音量制御かもしれません。デバイスのオーディオの音量を上げるために、指を時計回りにホイールに沿ってドラッグします。指をホイールセンサーの周りを反時計回りにドラッグすると、音量レベルが下がります。ボタン、スライダー、ホイールを使えば、単純なタッチだけでほぼどんなデバイスも制御できます。

タッチセンサーの基本的な仕組みを理解したところで、キャパシティブセンシングPCBレイアウトでの実装方法を見てみましょう。下の図では、ボタン、スライダー、ホイールがすべてトップ銅層に自己容量型センサーとして実装されています。その下には、ボタン、スライダー、ホイールの別の例があり、今回はトップとボトムの銅層の両方に相互容量型センサーとして実装されています（相互容量型センサーはセンサー電極のペアとして構成されます）。

図2 - 自己容量型センサーとしてのトップと相互容量型センサーとしてのボトムに実装されたボタン、スライダー、ホイール

タッチセンサーの電極、特にホイールセンサーは非常に複雑な形状をしています。このような形状をPCB設計ソフトウェアで手動で作成することは、最も経験豊富なPCB設計者であっても、非常に困難で時間がかかる作業です。既存のセンサーのサイズ変更や詳細の修正が必要な場合について考えてみてください。容量性タッチセンサー電極を作成または修正する簡単で自動化された方法がなければ、その数多くの利点にもかかわらず、容量性センサーの実装を検討することさえ困難かもしれません。幸いなことに、それを行う簡単で自動化された方法があります。タッチセンサー電極の複雑な形状や物理的構成を簡単に作成および修正する方法を見てみましょう。

タッチセンサーライブラリの設定

これらの形状は最初は複雑に見えるかもしれませんが、ニーズに合わせて簡単にサイズ変更や設定が可能です。Altium Designerには、Atmel、Cypress、Microchipのタッチ技術に特化した、設定可能なタッチセンサー専用ライブラリが含まれています。各ライブラリは、各種センサーと技術の形状、サイズ、レイアウトの詳細なベンダー固有の要件に合わせて設定可能です。これらの機能とベンダー固有のライブラリは、Altium Designer ExtensionsおよびUpdate Configure Platformパネル内で有効にする必要があります。ベンダー固有のタッチセンサーサポートは、DXP » Extension and Updates » Installed (tab) » Configure (link)に移動し、Atmel QTouch、Cypress CapSense、およびMicrochip mTouchのタッチセンサーサポートオプションを有効にすることで簡単に有効化できます。下の図に示されています。

図3 - Atmel、Cypress、およびMicrochipのタッチセンサーサポートオプションを有効にする

これらの機能を有効にした後、Altium Designerを再起動してください（有効化に追加ライセンスは必要ありません）。ベンダー固有のタッチセンサーライブラリは、Altium Designerのインストール内の/Libraries公開フォルダに見つかり、ライブラリパネルに追加する準備ができています。下の図は、「Atmel QTouch.IntLib」、「Cypress CapSense.IntLib」、および「Microchip mTouch.IntLib」の統合ライブラリがインストールされ、ライブラリパネル内で利用可能であることを示しています。設定可能なタッチ特有の回路図シンボルは、簡単に配置して設定することができます。

図4 - 利用可能なタッチセンサーライブラリ

これらのベンダー固有のタッチセンサーライブラリには、ベンダー固有のセンサーボタン、スライダー、またはホイールセンサー電極レイアウトの各可能なタイプを表す回路図シンボルのセットが含まれています。シンボルは回路図に配置され、それぞれのタッチコントローラー回路に同じ方法で配線されます。ただし、これらのシンボルのユニークな点は、プロパティパネルの左下隅にある「Conﬁgure」ボタンです。このボタンを使用すると、センサー電極レイアウトのタイプと正確な物理的寸法を設定できます。設定可能なタッチセンサーシンボルは、「Standard (No BOM)」タイプであり、物理的に実装されたコンポーネントではなく、直接銅にエッチングされる形状を表します。

タッチセンサーシンボルの設定

ベンダー固有のタッチセンサーライブラリから配置されたシンボルは、電気的および機械的設計要件に従って、特定のタイプと特定の物理的寸法に設定する必要があります。配置されたタッチセンサーシンボルのプロパティパネルのModelセクションは完全に空で、シンボルに関連付けられたフットプリントモデルがないためです。これは、シンボル内で指定されたユーザー設定が使用され、PCB ECOへの更新が実行されるときにレイアウトが自動的に生成されるためです。

図5 - Atmel QTouchスライダーセンサーの高さ、幅、およびギャップの設定

上記の図は、中サイズのAtmel QTouchスライダーシンボルのConﬁgureダイアログを示しており、スライダーセンサーの高さ、幅、およびギャップの厚さの寸法が指定されています。無効な値が入力された場合、それらは受け入れられず、許容される値の範囲を表示するメッセージが表示されます。PCB ECOへの更新が実行された後、センサーの結果として得られるフットプリントは、通常のコンポーネントフットプリントと同じように、任意の信号層に配置、位置決め、移動、または回転させることができます。

標準コンポーネントと同様に、プロジェクト内にコンポーネントリンクが確立され、PCBドキュメント内の静電容量式タッチセンサーのフットプリントが、回路図ドキュメント内のそのシンボルと関連付けられています。静電容量式センサーフットプリントのプロパティには、シンボルと同様の「設定」ダイアログもあります。これは、配置されたタッチセンサーフットプリントをPCBドキュメント内で動的に再設定できることを意味します。その結果の設定は、回路図へのECO更新を実行することで、回路図内のタッチセンサーシンボルに同期させることができます。

タッチセンサーデザインの例

すべてのセンサーが配置されたら、それらをコントローラー回路にルーティングすることができます。各ベンダーは、センサー配置とルーティングのためのガイドラインとベストプラクティスを提供しています。また、必要なタッチセンサーコントローラー回路の設計に関するベンダー固有のガイドラインとベストプラクティスも利用可能です。ベンダー固有のマイクロコントローラーまたは専用タッチコントローラーデータシートは、個々のタッチセンサーチャネルを制御するために必要なアクティブおよびパッシブコンポーネントの正確な要件を詳細に説明します。

下の図は、9つのボタン、1つのスライダー、および1つのホイールで構成される完成した静電容量式タッチセンサーデザインを示しています。また、2つの専用タッチセンサーコントローラーデバイスも備えています。このデザインは、2つのAtmel QTouch AT42QT2100デバイスに基づいており、タッチセンサーフットプリントは「Atmel QTouch.IntLib」とAltium Designer内の関連タッチセンサーサポートセンサー生成機能を使用して作成されました。

ボードレイアウト中の機械的考慮事項のために、ホイールとスライダーは数回サイズ変更されました。自動センサーフットプリント生成を使用することで、これらの複雑な銅形状を作成およびその後の修正に多くの時間が節約されました。

図6 - 9つのボタン、1つのスライダー、および1つのホイールを備え、2つのAtmel AT42QT2100デバイスによって制御されるタッチパネル

結論

タッチセンサー技術は、インターフェースコントロールで従来使用されていた機械的スイッチコンポーネントに比べて莫大な利点を提供します。PCBデザインで複雑で繊細な形状のタッチセンサーエレクトロードを手動で作成または修正するのは、困難な作業です。しかし、デザイン内で静電容量式タッチセンサーエレクトロードを作成または修正する際に自動化されたアプローチを使用すると、時間が節約され、ベンダー固有の要件に従って正確な結果が予測可能になります。Altium Designerのタッチセンサーサポートは、静電容量式タッチセンサーチュートリアルレイアウトの作成と修正を簡単で、予測可能で、ベンダーの仕様に忠実に行うことができます。