テキサスインスツルメンツの静電容量式および誘導式センサー技術

キーボードや音楽プレーヤーのボタンが1つだけ機能しなかったり、ステレオの音量を上げると大きな雑音が聞こえたり、車のコントロールが不安定で、すべてが機能する1つの場所を見つけないとダッシュボードのライトが明滅したり消えたりしていた (とにかく、段差を乗り越えるまでは!) など、さまざまなことが考えられます。 

どのような経歴の人でも、ノブやスライダー、その他のコントロールが汚れていたり、汚染されていたりした経験は誰にでもあるでしょう。たとえデバイスを分解して汚染物質を除去するノウハウを持っていたとしても、それは一時的な解決策に過ぎず、根本的な問題を解決したことにはならないようです。これまでの例は単なる不便さでしたが、汚染されたコントロールが医療機器や産業用コントロールに接続されている場合、同じ問題が実際の危害や大きな経済的損失を引き起こす可能性があります。

静電容量式および誘導式センシング技術

幸いなことに、TIの静電容量式および誘導式センシングの技術革新により、電子機器と制御回路を可動部品のない密閉パネルの背後に配置できるようになり、このような問題はなくなりました。静電容量式タッチ ボタンは通常、1つ以上の回路基板ベースのセンサーを使用して、ユーザーがコントロール パネルをタッチしたことに対応する電界の乱れを検出します。 ホイールとスライダーの場合、複数のセンサーが使用され、各センサーでの相対的な電界の乱れがデジタル化され、ユーザーのタッチの正確な位置を比較および決定できるようになります。静電容量式ジェスチャーセンシングは、スライダーやホイールと同様の概念に基づいていますが、センサーとキャリブレーション設定は、インターフェイスの近くでのユーザーの手の動きがコマンドを登録するのに十分であるように構成されています。 

静電容量センサーはステンレス鋼などの導電性表面のたわみを検出するためにも使用できるため、金属パネル上にボタンアレイを実装できます。 近接センシングや液体検出も静電容量センシングに適したアプリケーションです。構成と関連回路に応じて、近接センシングは最大50cm離れた場所から動作することができ、液体検出を使用して、通常の液体だけでなく、石鹸、洗剤、インクなどの導電性液体の存在やレベルを検出できます。 

一方、誘導センシングでは、回路基板上の小さなコイルまたはループを使用して、AC磁場の小さな変化を検出します。誘導センシングはボタン コントロールにも使用できますが、通常はより厚い導電性パネルとより高い解像度をサポートします。TIのLDC1614などの電流インダクタンス - デジタル コンバーター (LDC) は、1µm未満の金属のたわみを検出できます。 

誘導センシングを使用するホイールとスライダーも、より高い絶対精度で実装できます。誘導センシングは、測定対象が取り付けパネルの上にある場合でも、解像度が高いため正確な位置センシングが可能になるため、高精度の軸センシングと回転センシングに最適です。誘導センシングは、ノイズ、汚染物質、静磁場に対する高い耐性が求められる場合の近接ベースのスイッチングにも最適なソリューションであり、同じ耐性特性でイベントとギアのカウントが可能です。

近接センサーの用途

これらのセンサーの用途は、さまざまなアプリケーションとターゲット市場にわたります。 

• サーモスタットやビルの制御装置は、人が通り過ぎると近接センサーを使ってディスプレイをオンにすることができ、タッチコントロールを活用してエレガントなインターフェースを実現することができる。

• • 電子ロックは、容量性および誘導性制御を活用して、バッテリーの駆動時間を延長し、ボタンの故障によるロックアウトが発生しないようにします。 

• • 家電製品や個人用デバイスの合理化されたインターフェース

• • 自動車のスイッチ、ボタン、ノブは摩耗や汚染物質に耐性を持つようになります

• • 家電製品やその他の白物家電のエレガントなコントロールパネル 

• • 産業システムの摩耗および汚染防止制御

• • ユーティリティメーターの改ざん防止センサーとタッチコントロール

• • 機器の使用や信頼性を損なうことなく簡単に拭き取ることができる医療機器 

静電容量センシング向けTI Captivateマイクロコントローラ

TIの MSP430FR253x および MSP430FR263x ファミリのFRAMベースのCapTIvate™ マイクロコントローラを使用すると、設計者は上記のアプリケーション向けに、洗練された高機能のタッチおよび近接ベースのユーザー インターフェイスを開発できます。これらの製品は、自己完結型のアナログ フロントエンドで手袋をしたままでも操作できる静電容量式タッチ、金属タッチ、3Dジェスチャをサポートし、MCUはセンサーのパフォーマンスを低下させることなくLCDまたはLEDディスプレイを駆動するのに十分な処理能力を確保しています。これらの超低消費電力MCUは、最大16個の自己容量電極または64個の相互容量電極、最大30 cmの近接センシング、および1 fFの差を測定できる高精度をサポートします。4つの16ビット タイマーのほか、UART、IrDA、SPI、I²Cをサポートできる2つのシリアル インターフェイス、ハードウェア乗算器、アラーム機能付きRTCモジュール、10ビットADCが搭載されています。また、TIのCapTIvate™ テクノロジーも組み込まれており、競合テクノロジーに比べて次のような利点があります。

• 低電力FRAMとゼロCPUウェイクオンタッチ機能では、競合製品では通常センサーあたり20 μAが必要なのに対し、最初の4つのセンサーではセンサーあたり約0.9 μAしか必要としません。 追加センサーの消費電流は約1.7 μAのみです。 

• • 近接センサーとジェスチャーに加えて、ボタン、ホイール、スライダーをサポートします。

• • 10V/mの電界と4kV ESDおよびEFT妨害による妨害に耐える高度なノイズ耐性 (IEC 61000-4シリーズの耐性テストに準拠)。 

• • 自己または相互の静電容量と近接センシング。 

• • プラスチック、ガラス、金属のオーバーレイをサポートします。

TIリファレンス デザインの背景

迅速な設計開発を支援するために、TIは革新的なTI CapTIvate™ デザイン センターを含むいくつかの技術リソースを提供しています。デザイン センターを使用すると、設計者は5分以内に設計を構成および調整できます。また、設計者がTIのCapTIvate™ テクノロジの可能性をすぐに理解し、その使用方法を習得するのに役立つビデオもいくつか用意されています。TIは、CapTIvate™ テクノロジの柔軟性とパワーをさらに示すリファレンス デザインと開発ボードも提供しており、これらはインターフェイス設計の優れた出発点として役立ちます。 

• TI MSP-CAPT-FR2633 CapTIvate™ MCU開発キットは、MSP430FR2633マイクロコントローラ用の使いやすい評価プラットフォームであり、エンジニアは概念実証設計を迅速に作成し、デバイス アーキテクチャの開発を簡単に開始できます。

TIのMSP-CAPT-FR2633 Captivate開発キット

• 低電力タッチ スルー ガラス リファレンス デザインは、過酷な危険区域のアプリケーション向けのHMIソリューションを紹介します。 CAPT-FR2633 MCUモジュールを活用して、ねじ止め式の金属製筐体内の10mm厚のガラス窓の背後にPCB実装された4つの静電容量式ボタンを簡単に接続できるようにします。 この設計により、プログラミング中に人員の安全を確保するためにシャットダウンや特別な措置を必要とせずに、産業プロセスを安全に制御できます。

• TIDM-CAPTIVATE-64-BUTTON超低電力タッチパネル リファレンス デザインは、開発キットのCAPT-FR2633 MCUモジュールともインターフェイスし、相互インダクタンスを使用して、64個のボタンすべてを16個のMCUピンのみで密集させて制御できるようにします。 シングルタッチとマルチタッチは1秒あたり100以上のサンプルでサポートされ、平均消費電力は低電力最適化によりボタンあたり1.75 μA、ウェイクオンタッチ モードを有効にするとボタンあたり0.23 μAまで低下します。

TIDM-CAPTIVATE-64ボタン

• TIDM-CAPTIVATE-THERMOSTAT-UIは、低電力プロファイル、低応答時間、優れたノイズ耐性を備えたサーモスタット ユーザー インターフェイスを示します。 8つの静電容量式タッチ ボタンが含まれており、それぞれが瞬間的または維持的なスイッチ操作をサポートし、タッチまたはスイッチの状態を示すために使用できるLEDが付いています。 ライン電源モードとバッテリ電源モードが利用可能で、バッテリモードでは平均50 μA未満の消費電流になります。

TIDM-CAPTIVATE-サーモスタット-UI

TI拡張範囲および高精度静電容量センシング

より高い解像度、より高速なサンプリング、またはより広い静電容量検知範囲を必要とする近接およびジェスチャ アプリケーションの場合、MSP430FRのI²CインターフェイスをTIの FDC2x1x ファミリの2チャネルまたは4チャネルのEMI耐性静電容量/デジタル センサーに接続できます。FDC2x1xラインは、革新的な調整可能な狭帯域アーキテクチャを採用しており、12ビットまたは28ビットの解像度と最大13.3 kspsのサンプリング レートを提供しながら、高いノイズ除去を実現します。これらのデバイスは、駆動されるLCタンクの共振周波数の変化を検知することで動作し、狭帯域基本波は10 kHzから10 MHzまで調整できるため、さまざまなアプリケーションをサポートできます。消費電力はアクティブ時の2.1mAと低く、スリープ モードとシャットダウン モードではそれぞれ35 μAと200nAを使用します。 

FDC2x1xファミリは、最大50cmの人間、物体、障害物の近接検出、衝突回避センサー、雨/霧/氷/雪センサー、自動車のキックおよびドア センサーに最適です。洗剤、石鹸水、インクなどの導電性液体の液面検出も可能です。FDC2214ノイズ耐性静電容量近接センサー設計は、TIの静電容量センシング テクノロジの使用を示す完全なハードウェアおよびファームウェア ソリューションです。 この設計では、FDC2214を介して1つの近接センサーと2つの静電容量式タッチ ボタンからのデータを処理して、物体が意図した検知領域内にあるかどうかを判断します。デバイスがボードの近くにあるターゲットを検出したり、ボタンが押されたことを検出すると、専用の色付きLEDが点灯します。このデザインは単三電池1本で動作します。

FDC2214ノイズ耐性静電容量近接センサー

TI誘導センシングソリューション

TIは、 LDC1312/1314 、 LDC1612/1614、 LDC0851 など、いくつかの誘導センシング ソリューションも提供しています。これらの低コストの非接触センサーは磁石を必要とせず、環境汚染物質の影響を受けにくく、サブミクロンの解像度を備えているため、電子機器がセンサーから離れた場所にある場合でも信頼性の高い動作が保証されます。LDC1612/1614 28ビット インダクタンス - デジタル コンバーターは、誘導ノブ コントロール、リニアおよび回転エンコーダー、ボタン、キーパッド、スライダーに最適で、金属検出や流量計測をサポートします。FDC製品ファミリと同様に、1 kHz ～ 10 MHzで動作可能な狭帯域センサーを使用することで、高いノイズ耐性と幅広いアプリケーションのサポートが可能になります。12ビット分解能のLDC1312/4デバイスは、絶対精度をあまり必要としないシステム向けのLDC161xのコスト最適化バージョンです。 

LDC0851差動誘導スイッチは、存在検出、イベント カウント、シンプルなボタンなどの非接触型の近距離アプリケーションに最適です。差動設計により、信頼性が高く正確なスイッチングが保証され、温度変化や磁石、汚れ、油、湿気、その他の環境汚染物質の存在による誤作動が防止されます。また、高いノイズ耐性とヒステリシスを備えているため、振動やその他の誤作動の原因の影響を受けない信頼性の高いスイッチングしきい値がさらに確保されます。シンプルなプッシュ/プル出力は、センス インダクタンスがリファレンス インダクタンスを下回るとローに切り替わり、センス インダクタンスがリファレンスよりも高くなるとハイに戻ります。このため、この部品はスタンドアロンでの使用や、GPIOに接続して割り込みとして使用するのに最適です。 

誘導センシング ソリューションのリファレンス デザインをいくつか紹介します。 

• LDC0851評価モジュールを使用すると、スタックされたセンサー コイルの前を通過する導電性物体を検出するセンサーを迅速かつ簡単に評価できます。 感度は付属のポテンショメータで簡単に調整でき、LED出力により、MCUを接続しなくてもセンサーのアクティブ化を視覚的に確認できます。

LDC0851評価モジュール

• TIDA-00508 1度ダイヤル リファレンス デザインは、LDC1314を使用して、標準のPCBテクノロジと簡単に製造できるコンポーネントを使用して、1度の精度を持つ磁石不要で温度安定性のある非接触型回転位置センサーを実装します。

TIDA-00508 1度ダイヤルリファレンスデザイン

• TIDA-00828 32位置エンコーダ ノブは、TI LDC0851を使用して誘導検知増分ロータリー エンコーダ設計を作成します。この設計は、制御入力用の堅牢で低コストのインターフェイスを提供し、1回転あたり4つの位置の倍数をサポートするように拡張可能です。 磁石を必要とせず、他のセンシング技術では問題となる汚れ、湿気、油などが存在する環境でも確実に動作できます。 

32ポジションエンコーダノブ

• ファン速度とイベントカウントについては、TIDA-00851-LDC0851イベントカウントリファレンスデザインは、1秒あたり300を超えるイベントを測定でき、他のLDC0851ベースのデザインと同様に磁石を必要とせず、油、汚れ、湿気があっても確実に動作します。 メタルタッチデザインも多数ご用意しております。 
• TIDA-00314触覚フィードバック付きメタル タッチ ボタン設計は、手袋着用時、水中、過酷な環境での使用に適した、密閉された金属製筐体と複数の金属ボタン オプションを備えています。 ボタンの押下を登録するために必要な力の量はプログラム可能で、カスタマイズされた触覚フィードバックと波形により優れたユーザー エクスペリエンスが提供されます。 

16ボタン誘導キーパッド

TIは、業界で最も包括的な静電容量式および誘導式センシングHMIソリューションを提供しています。同社のデバイスにより、従来の機械式インターフェイスやセンサーに付きものの摩耗や汚染の問題を解消する信頼性の高いノイズ耐性センシング ソリューションを迅速に実現できると同時に、ガラス、プラスチック、木材、金属の表面をシームレスに融合するエレガントなデザインが可能になります。