JP6797765B2 - 静電容量タッチスイッチモジュール - Google Patents

Description

本発明は静電容量タッチスイッチモジュールに関し、特に静電気保護回路を有する静電容量タッチスイッチモジュールに関する。

家電機器、ＡＶ機器、ＰＣ／ＯＡ機器、産業機械、その他の電子デバイスにおいて、各機器への入力手段の１つとして静電容量方式のタッチスイッチパネルが使用されている。この静電容量方式のタッチスイッチパネルは、複数のセンサー電極を有し、このタッチスイッチパネルにおけるセンサー電極の静電容量の変化量を数値化し、その数値が予め決められた閾値をこえるときに指が接触したと判定するマイコンに接続されている。

静電容量方式のタッチスイッチパネルに指が接触するとき、静電気が放電される場合があり、マイコンが破壊に至ることがある。そのため、通常タッチスイッチパネルとマイコンとの間に、静電気放電（以下、ＥＳＤという）保護回路が用いられている。そのようなＥＳＤ保護回路を有する静電容量方式のタッチスイッチモジュールの一例を図５に示す。図５はタッチスイッチモジュールのブロック図である。タッチスイッチモジュール１ａは、タッチスイッチパネル２と制御用マイコン３との間にＥＳＤ保護回路４を有し、この保護回路４は、マイコン側から順に直流抵抗５とダイオード保護回路６とが接続されている。

従来、半導体集積装置の静電気保護回路に関して、第１のダイオードと第２のダイオードを近接配置することによって形成されるサブストレートとウェルの接合部で対向する、サブストレートに電位を与えるための不純物拡散層と、ウェルに電位を与えるための不純物拡散層との間隔を、他のサブストレートとウェルの接合部で対向するサブストレートに電位を与えるための不純物拡散層と、ウェルに電位を与えるための不純物拡散層との間隔よりも広くし、静電気の電流経路の抵抗値を高くする静電気保護回路が知られている（特許文献１）。

特開平０９−１１６０９７号公報

しかしながら、静電容量タッチスイッチモジュールに対しては、静電気の電流経路の抵抗値のみを高くする静電気保護回路では不十分であるという問題がある。例えば、静電容量方式のタッチスイッチパネルモジュールの保護回路において、直流抵抗値を上げることで保護が可能となるが、抵抗直を上げることによりタッチスィッチの検出感度が悪くなるという弊害があり、抵抗直を上げるには限度がある。また、図５に示すように、ダイオード保護回路を追加実装すると、ＥＳＤに対しては強くなりマイコンが破壊されることは少ないが、別のイミュニティ試駿にて動作不良が生じるという問題がある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ＥＳＤ保護も可能で、他のイミュニティ試験でも動作不良を生じないＥＳＤ回路を有する静電容量タッチスイッチモジュールの提供を目的とする。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールは、静電容量タッチスイッチパネルと、この静電容量タッチスイッチパネルからの信号を制御する制御用マイコンと、上記静電容量タッチスイッチパネルと上記制御用マイコンとの間にＥＳＤ保護回路が配置されており、上記ＥＳＤ保護回路は、抵抗素子とノイズ電流遮断素子とが接続され、上記抵抗素子が上記静電容量タッチスイッチパネル側に、上記ノイズ電流遮断素子が上記制御用マイコン側にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールにおいて、上記抵抗素子が直流抵抗であるか、またはフェライトビーズであることを特徴とする。
また、上記制御用マイコンと上記ＥＳＤ保護回路とのインピーダンスが略同一であることを特徴とする。さらに、上記ノイズ電流遮断素子がダイオード保護回路であることを特徴とする。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールは、抵抗素子が静電容量タッチスイッチパネル側に、ノイズ電流遮断素子が制御用マイコン側にそれぞれ接続されているので、以下の効果がある。
（１）耐ＥＳＤ特性を損なうことなく他のイミュニティに対しても効果を発揮することができる。
（２）制御用マイコン側の端子とダイオード保護回路とのインピーダンスがほぼ同程度となり、制御用マイコンに流れる電流（すなわちスイッチのＯＮ／ＯＦＦを検出・制御する微小電流）がノイズ電流により妨害されないことから、ノイズを受けても動作不良を起こさない要図となる。
（３）部品の破壊やマイコン内部のプログラム破壊などの異常防止も可能となり、市揚や工程での不良率を減らすことができる。
（４）制御用マイコンとＥＳＤ保護回路とのインピーダンスが略同一であることにより、イミュニティ特性を向上できる。ＥＳＤ保護回路よりも制御用マイコン端子のインピ一ダンスが高いと、マイコン側に流れる電流が影響を受け、動作不良が生じる場合がある。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールのブロック図である。 サージ電流の流れを示す図である。 ダイオード回路の等価回路を示す図である。 イミュニティ特性を測定した結果を示す図である。 比較例１の静電容量タッチスイッチモジュールのブロック図である。 比較例１のサージ電流の流れを示す図である。 比較例１のイミュニティ特性を測定した結果を示す図である。 比較例２の静電容量タッチスイッチモジュールのブロック図である。 比較例３の静電容量タッチスイッチモジュールのブロック図である。

実施例として、本発明の静電容量タッチスイッチモジュールのブロック図を図１に示す。
静電容量タッチスイッチモジュール１は、静電容量タッチスイッチパネル２と、この静電容量タッチスイッチパネルからの信号を制御する制御用マイコン３と、静電容量タッチスイッチパネル２と制御用マイコン３との間にＥＳＤ保護回路４が配置されている。このＥＳＤ保護回路４は、静電容量タッチスイッチパネル２側から制御用マイコン３側に向かって直列抵抗５ａなどの抵抗素子５およびダイオード回路６ａからなるノイズ電流遮断素子６が順に接続されている。このように、タッチスイッチパネル２→直列抵抗５ａ→ダイオード回路６ａ→マイコン３の順で接続することにより、直列抵抗５ａおよびダイオード回路６ａによる２重のＥＳＤ保護が図れる。また、イミュニティ試験においても動作不良を起こすことがない。本発明におけるイミュニティ試験とは、静電容量タッチスイッチモジュールのＥＳＤ等の電気的ストレスに対する耐性を評価するために、該モジュールが受けることが想定されるＥＳＤ等の電気的ストレスをシミュレートする状態に静電容量タッチスイッチモジュールを曝し、その挙動を観察する試験をいう。さらに本発明の静電容量タッチスイッチモジュールは、許容電流が大きい、または耐パルス特性が大きい直列抵抗５ａを使用することでダイオード回路６ａおよびマイコン３を十分に保護することができる。

具体的に直列抵抗５ａとして１ｋΩの抵抗を用いた場合のＥＳＤによるサージ電流の流れについて図２に示す。制御用マイコン３端子のインピーダンスＺ_cpuは約１０Ωである。
ノイズが静電容量タッチスイッチパネル２に印加されると、タッチスイッチパネル２の電極にノイズ電圧が誘導される。この誘導電圧により誘導電流Ｉ_noiseが流れるが、マイコン端子のインピーダンスＺ_cpuとダイオード回路のインピーダンスＺ_Dとを同程度に設定することで、マイコンに流れる電流Ｉ_cpuとＩ_noiseが略同一となり、Ｉ_noiseの影響度が小さくなる。このように、タッチスイッチパネル２とダイオード回路６ａの間に直列抵抗５ａを接続し、この抵抗に許容電力が大きい抵抗を使用することでノイズがより抑制される。その結果、ダイオード回路６ａに流れるノイズ電流が抑制され、ダイオード回路６ａが破壊されないので、マイコンが保護される。

ダイオード回路の等価回路を図３に示す。入力側７から正側のサージが入った場合、ダイオードＤ１からツェナーダイオードＤ２を通って接地ラインに正側のサージ電流が流れることでマイコンが保護される。

上述したように、マイコン端子のインピーダンスＺ_cpuとダイオード回路のインピーダンスＺ_Dを同程度とすることにより、Ｉ_noiseの影響度が小さくできる。すなわち、Ｚ_cpuとノイズ電流遮断素子６のインピーダンスを同程度とすることができれば、ダイオード回路６ａの代わりに、バリスタ、ＴＶＳ等を使用できる。また、ノイズ電流Ｉ_noiseを遮断できる素子であれば直列抵抗５ａの代わりにフェライトビーズを使用できる。さらに、マイコン端子側に約１００ｋΩ程度の直列抵抗を入れることにより耐ノイズ特性をより向上できる。

図４は図１に示す静電容量タッチスイッチモジュール１におけるイミュニティ特性を測定した結果を示す図である。縦軸のカウント（ｃｏｕｎｔ）数はＩ_cpuを数値化したものであり、またｒｅｆｅｒｅｎｃｅ数は比較値となっており、ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ数よりもｃｏｕｎｔ数があるレベルまで低くなっているときにタッチスイッチはＯＮと認識する。静電容量タッチスイッチモジュール１は、スイッチ１およびスイッチ２の押下のときに反応しており動作不良は認められなかった。

比較例１として、タッチスイッチパネル２→ダイオード回路６ａ→直列抵抗５ａ→マイコン３の順で接続する場合の静電容量タッチスイッチモジュール１ａのブロック図を図５に示す。なお、直列抵抗５ａ、ダイオード回路６ａ、タッチスイッチパネル２およびマイコン３は、図１に示す各部品と同じものを使用した。また、図６は、図５におけるＥＳＤによるサージ電流の流れを示す図である。
図６において、ノイズが静電容量タッチスイッチパネル２に印加されると、タッチスイッチパネル２の電極にノイズ電圧が誘導される。この誘導電圧がダイオード回路６ａの保護電圧をこえた場合、タッチスイッチパネル２の電極とダイオード回路６ａとの間でノイズ電流Ｉ_noiseが流れる。この電流はマイコンに流れる電流Ｉ_cpuに影響する。マイコン３を保護するため、直列抵抗５ａの抵抗値をダイオード回路６ａよりも大きくせざるを得ない。その結果、Ｉ_noiseの影響度が大きくなり、Ｉ_cpuに影響を及ぼし、正常に静電容量を検出できない。正常に静電容量を検出できないとタッチスイッチパネル２のＯＮ／ＯＦＦ判定に誤りが生じる。また、スイッチ動作が誤動作を起こすことで、他のシステムにも悪影響を及ぼす。

静電容量タッチスイッチパネル２は等価的にはコンデンサであり、マイコン３はポート（Ｒｘ、Ｔｘ）にてタッチスイッチの静電容量を、充放電電流（Ｉ_cpu）を静電容量に変換して、検出している。ダイオード回路６ａを実装していても、ノイズがダイオード回路６ａの保護電圧（約５Ｖ）以下では動作不良は発生しない。
しかし、過大なノイズが印加されると、ダイオード回路６ａを破壊する場合がある。ダイオード回路６ａが破壊されると直列抵抗５ａでは保護しきれなくなり、マイコン３自体の破壊が生じる場合がある。

図７は図５に示す静電容量タッチスイッチモジュール１ａにおけるイミュニティ特性を測定した結果を示す図であり、図４に対応するものである。縦軸のカウント（ｃｏｕｎｔ）数はＩ_cpuを数値化したものであり、またｒｅｆｅｒｅｎｃｅ数は比較値となっており、ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ数よりもｃｏｕｎｔ数があるレベルまで低くなっているときにタッチスイッチはＯＮと認識する。静電容量タッチスイッチモジュール１ａは、ノイズが印加された結果、ｎ１〜ｎ４で示されるＩ_cpuの検出異常が認められると、マイコン３が制御不能となりｒｅｆｅｒｅｎｃｅ数が異常値を示す。その結果、スイッチを押下しなくてもＯＮ判定されており、動作不良が認められた。

比較例２として、タッチスイッチパネル２→ダイオード回路６ａ→マイコン３の順で接続する場合の静電容量タッチスイッチモジュール１ｂを図８に示す。図８（ａ）はブロック図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるＥＳＤによるサージ電流の流れを示す図である。マイコン端子とダイオード回路のインピーダンスは同程度に設定した。タッチスイッチパネル２は、図１に示すものと同じものを使用した。
図８（ｂ）において、ノイズが静電容量タッチスイッチパネル２に印加されると、タッチスイッチパネル２の電極にノイズ電圧が誘導される。この誘導電圧がダイオード回路６ａの保護電圧をこえた場合、タッチスイッチパネル２の電極とダイオード回路６ａとの間でノイズ電流Ｉ_noiseが流れる。この電流が過大となるとダイオード回路６ａを破壊し、さらにはマイコン３自体を破壊する可能性がある。

比較例３として、タッチスイッチパネル２→直列抵抗５ａ→マイコン３の順で接続する場合の静電容量タッチスイッチモジュール１ｃを図９に示す。図９（ａ）はブロック図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＥＳＤによるサージ電流の流れを示す図である。マイコン内部の保護回路とマイコン端子のインピーダンスは同程度に設定した。タッチスイッチパネル２は、図１に示すものと同じものを使用した。なお、図９（ｂ）は、マイコン３自体の内部に保護用のダイオード回路が設けられている場合を示した。
図９（ｂ）において、ノイズが静電容量タッチスイッチパネル２に印加されると、タッチスイッチパネル２の電極にノイズ電圧が誘導される。このノイズ電圧によるノイズ電流Ｉ_noiseは、直列抵抗５ａでは保護しきれずマイコン３自体の破壊に至る。

以上の実施例および各比較例の結果を表１にまとめる。

本発明の静電容量タッチスイッチモジュールは、耐ＥＳＤ特性を損なうことなくイミュニティ評価に対しても効果を発揮することができるので、静電容量タッチスイッチモジュール全般に利用できる。

１ 静電容量タッチスイッチモジュール
２ 静電容量タッチスイッチパネル
３ 制御用マイコン
４ ＥＳＤ保護回路
５ 抵抗素子
６ ノイズ電流遮断素子
７ 入力側

Claims (4)

1. 静電容量タッチスイッチパネルと、この静電容量タッチスイッチパネルからの信号を制御する制御用マイコンと、前記静電容量タッチスイッチパネルと前記制御用マイコンとの間に静電気放電保護回路が配置されている静電容量タッチスイッチモジュールであって、
   前記静電気放電保護回路は、抵抗素子とノイズ電流遮断素子とが接続され、前記抵抗素子が静電容量タッチスイッチパネル側に、前記ノイズ電流遮断素子が前記制御用マイコン側にそれぞれ接続されており、
   前記抵抗素子が直流抵抗であり、前記ノイズ電流遮断素子がダイオード保護回路であり、
   前記制御用マイコンと前記ダイオード保護回路とのインピーダンスが略同一であることを特徴とする静電容量タッチスイッチモジュール。
2. 前記抵抗素子がフェライトビーズであることを特徴とする請求項１記載の静電容量タッチスイッチモジュール。
3. 前記制御用マイコンと前記静電気放電保護回路とのインピーダンスが略同一であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の静電容量タッチスイッチモジュール。
4. 前記静電容量タッチスイッチパネルに発生するノイズ電流と前記制御用マイコンに流れる電流とが略同一であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の静電容量タッチスイッチモジュール。