Microchip Capacitive Proximity Design Guide

はじめに

近接検出を使うと、物理的接触なしに電子装置を操作 できます。この技術は製品の見た目と使いやすさを向 上させ、消費電力を低減します。近接検出機能の実装 には、磁気、赤外線、可視光、ドップラ効果、誘導、 静電容量等、数々の方法が使われてきました。これら の方法には、それぞれ利点と制約があります。 静電容量式センシングは、ユーザの接触または接近によ るセンサの静電容量の変化を検出する方法です。マイク ロチップ社のソリューションの場合、センサには任意の 導体材料を使えます。それを PIC® MCU、RightTouch® mTouch™ターンキー デバイスのピンに接続します。ま た、必要に応じて直列抵抗を挿入します。一般的に、 センサ近くに導電性の物体または高誘電率の物体が存 在すると、センサの静電容量に影響を与えます。静電 容量を使わない方式と比べ、マイクロチップ社の静電 容量式近接検出ソリューションは、先進のソフトウェ アおよびハードウェア フィルタを実装して、信頼性の 高い近接場検出を提供します。その他、他のソリュー ションを上回る利点があります。低コスト、高度なカ スタマイズ機能、低消費電力、他のアプリケーション との統合が容易である事です。マイクロチップ社は ファームウェア ベースのソリューションとして、2 つ の測定方式を提供します。静電容量式分圧回路(CVD) と充電時間計測ユニット(CTMU) です。CVD に関する アプリケーション ノート (AN1478、『mTouch™ センシ ング ソリューションのアクイジション手法 (CVD)』) とCTMU に関するアプリケーション ノート (AN1250、 『マイクロチップ社製CTMU の静電容量式タッチ アプ リケーションへの適用』) は、弊社のウェブサイト www.microchip.com/mTouchで提供しています。 本書では、静電容量式近接検出機能を実装するための マイクロチップ社の静電容量式センシング ソリュー ションの使い方を説明します。さらに、ハードウェア レイアウトに関するガイドラインを提供し、感度に影 響を及ぼす要因を分析します。 本書の内容は、マイクロチップ社のmTouch ターンキー デバイス (MTCH101、MTCH112)、RightTouch ターン キー デバイス (CAP11XX)、8/10/12 ビット ADC を内蔵 した汎用マイクロコントローラに適用できます。マイ クロチップ社汎用マイクロコントローラ用のmTouchフ レームワークとライブラリは、マイクロチップ アプリ ケーション ライブラリ (MLA、www.microchip.com/mla) で提供しています。このフレームワークとライブラリ は、幅広いノイズ除去オプションを実装しています。 これは、近接検出に不可欠です。

静電容量式センシングの基本

通常、静電容量式センサはプリント基板上の金属で形 成します。図1に、静電容量式センシング システムの 概要を示します。 図 1: 静電容量式センシングの理論 基本的に、静電容量式近接センサのスキャン方法は、 静電容量式タッチセンサと同じです。デバイスはセン サの静電容量に大きな変化がないか常時監視します。 近接センサの信号変化はタッチ信号に比べてごくわ ずかです。それは距離が離れているためと、電界の媒 体がプラスチックやガラスではなく空気であるため です。信頼性の高い近接検出を保証するには、優れた 信号/ノイズ比 (SNR) を維持する必要があります。従っ て、近接検出回路は慎重に設計する必要があります。 著者: Xiang Gao

Microchip Technology Inc.

  
  

マイクロチップ社の静電容量式近接検出設計ガイド

AN1492

センサの物理的レイアウト設計

重要な設計要素として、センサのサイズ、グランドプ レーンおよびその他の低インピーダンス トレースに 対するセンサの位置、mTouch/RightTouch デバイスの 設定等があります。いくつかの簡単なガイドラインに 従う事で、ユーザの接近や金属および高誘電率物体の 動きを検出する回路を設計できます。 高信号強度かつ低ノイズで検出レンジを最大化するに は、以下の5 つの重要な物理的設計要素があります。 • センサとグランドプレーン ( プリント基板の全層と 近くの金属物体) をできるだけ離す • センササイズを出来るだけ大きくする • 低インピーダンスのトレースとグランドプレーンか らセンサを遮蔽するアクティブガードを使う • システム内でセンサができるだけ動かないようにし て( 両面テープ、接着剤、クリップ等 )、誤ったトリ ガを防ぐ • バッテリ駆動のシステムの場合、システムグランド とセンシング対象の間のカップリングをできるだけ 強める

グランドプレーン

センサのすぐ隣にグランドプレーンまたは金属表面が あると、近接検出のレンジを短くしてしまいます。グ ランドプレーンは近接検出に2つの影響を及ぼします。 第1 に、近づく物体の経路上にグランドプレーンが配 置されている場合、近接センサがその物体を検出する のを妨げます。これによって、センシング システム の検出レンジが縮小します。自由空間にあるセンサ は、電界をほとんど減衰なく全方向に自由に放射でき ます。グランドプレーンが加わると、センサから放射 された電気力線はグランドプレーンで終端しようとし ます。グランドとセンサ間の距離が小さくなると、放 射電界強度は低下します。従って、グランドプレーン がセンサに近いほど、検出レンジは縮小します。 第2 に、グランドプレーンが近接センサの直下または すぐ隣にある場合、ベース静電容量が増加します。こ れは、検出レンジを70 ～ 90% 低下させます。さらに、 物体が近づいた時の信号変化率も低下するため、感度 が低下します。図2に、グランドプレーンがセンシン グ電界に与える影響を示します。 図 2: グランドプレーンの有無による電界分布 の違い

センサの形状と構造

システム設計にはそれぞれ固有の美的な目標と物理的 制約があります。マイクロチップ社は、大きなアプリ ケーション ( フォトフレーム、キーボード等 ) にはルー プ型のセンサ形状( 中央が空いた大きなトレース ) を、 より小さなボタンボード アプリケーションにはソ リッドなパッド( ループでないパッド形状 ) を推奨し ます。ループ状のセンサを使うと、マイクロチップ社 のデバイスから見た総静電容量を低減し、より大きな 検出領域を形成できます。グランドとの分離に限界が あり、必要な検出レンジを得るためにセンサ面積を大 きく取る必要がある小さな基板では、パッド形状が最 適です。 ループセンサはどのようなアスペクト比でもかまいま せん( 例 : 20 cm x 20 cm、5 cm x 40 cm)。必要な検出 レンジ、耐ノイズ性能、形状的制約を考慮して決定し ます。1 x 1 cm のような小さなループが検出できるレ ンジはわずかです。30 AWG のワイヤによる 30 cm x

No Ground Near Sensor

Ground Plane/Trace On Both Side

PCB

PCB

Sensor Pad

Sensor Pad

な細長いパッドは、LCD モニタの下部または側部に適 しています。スペースがあれば、5 cm x 5 cm (25 cm2) の大きなパッドを使えば、大きなレンジで近接検出が 可能です。r = 2.83 cm ( ～ 25 cm2) の円形のパッドで も同様の近接検出レンジを形成できます。それでは静 電容量が大きすぎるという場合、中央部をくりぬき、 ループ形状に変える事ができます。 物理的形状に制約はありません。センサは円形、楕円 形、正方形、長方形等にする事ができます。基板周辺 部を蛇行させる事も可能です。センサの総効率は形状 ではなく、近接検出領域に進入するユーザまたは物体 に対する導体の面積で決まります。近接検出レンジは、 センサのサイズに直接比例します。センサが大きいほ ど、近接検出レンジは拡大します。 ループセンサはワイヤ( 絶縁の有無を問わず )、フレキ シブル回路、PCB 上のパターンで形成できます。ワイ ヤの場合、単線でも撚り線でも性能は同じですが、製 造工程において単線の方が組み立ては容易です。太い ワイヤほど表面積が増え、検出レンジが拡大します。使 えるワイヤの太さは物理的設計の限界で決まります。 30 AWG で設計を始め、目標検出レンジに達し、見映 え、校正の限界に達するまでゲージを大きくしていき ます。 PCB ループセンサの場合、トレース幅が大きいほど検 出レンジが拡大します。最小トレース幅7 mil (0.18 mm) でもセンサとして機能しますが、より幅を広げた方が、 より大きな検出レンジが得られます。 PCB パッドを使う場合も同じガイドラインに従う必 要があります。面積できるだけ大きくし、近傍のグラ ンドをできるだけ小さくします。 図 3 に、センササイズと検出距離の関係を示します。 VDD電圧を大きくしても距離は伸びます。VDDが大き いほど、センサはより大きなセンシング用電界を発生 するからです。 表 1 に、同じ回路で手を様々な距離に置いた場合の、 センササイズに対する信号変化を示します。図 4 に、 信号変化の割合(%) も示します。 図 3: センササイズに対する検出距離 Note: 信号の割合(%) は、最大検出距離には直 接関係しません。検出距離を決めるのは 信号/ ノイズ比 (SNR) です。信頼性の高 いシステムを作るには、最大検出距離で 3.5 以上の SNR が必要です。                      

     

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表 1: 5 種類のセンサについての距離に対する信号変化 図 4: 検出距離に対する信号変化 センサから手までの距離 ベースライン 4" 3" 2" 1" 0.5" 1” のソリッドパッド 12317 12365 12410 12480 12650 12930 1.5” のソリッドパッド 12345 12420 12490 12576 12860 13170 2” のソリッドパッド 13038 13163 13220 13400 13820 14100 2.5” のソリッドパッド 13235 13400 13470 13682 14300 14900 3” のソリッドパッド 13500 13660 13750 14050 15000 16000 ベースラインからの差分 1” のソリッドパッド 0 48 93 163 333 613 1.5” のソリッドパッド 0 75 145 231 515 825 2” のソリッドパッド 0 125 182 362 782 1062 2.5” のソリッドパッド 0 165 235 447 1065 1665 3” のソリッドパッド 0 160 250 550 1500 2500 ベースラインからの信号変化の割合(%) 1” のソリッドパッド 0.00% 0.39% 0.76% 1.32% 2.70% 4.98% 1.5” のソリッドパッド 0.00% 0.61% 1.17% 1.87% 4.17% 6.68% 2” のソリッドパッド 0.00% 0.96% 1.40% 2.78% 6.00% 8.15% 2.5” のソリッドパッド 0.00% 1.25% 1.78% 3.38% 8.05% 12.58% 3” のソリッドパッド 0.00% 1.19% 1.85% 4.07% 11.11% 18.52%

 

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

14.00%

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18.00%

20.00%

4"

3"

2"

1"

0.5"

1" solid pad

1.5" solid pad

2" solid pad

2.5" solid pad

3" solid pad

アクティブガード

回路設計上の制約から大きなグランド、通信ライン、 LED制御ライン等の近くにセンサを配置せざるを得な い場合があります。いずれの場合もベース静電容量の 増加またはセンサへの外乱を生じるため、SNR は著し く低下します。アクティブガードは、センサとその周 りの電位を下げる事でベース静電容量をできるだけ小 さくする方法です。さらに、周囲の低インピーダンス 外乱からセンサ/トレースを遮蔽する効果もあります。 アクティブガードを使って電界を整形すれば、接地さ れたシールドによって感度を低下させる事なく、指向 性のある検出を実現する事もできます。図5のように PCB 裏面のセンサ下にハッチング パターンのガード プレーンを配置すると、検出方向を PCB 表面に限定 できます。 電界整形のもう1 つの方法は相互駆動を使います。こ の方法はセンサと異なる位相でトレース/ 電極を駆動 します。相互駆動は電界を押し出すのではなく、その 方向に引き込みます。ただし、この方法はベース静電 容量を増加させます。 図 5: ガードシールド付きのセンサ設計 図6に、レイアウト例を示します。アクティブガードの レイアウトおよび駆動方法の詳細は、アプリケーション ノートAN1478、『mTouch™ センシング ソリューション のアクイジション手法: 静電容量式分圧器』で説明し ています。 図 6: アクティブガード付きセンサの レイアウト例

電源に関する注意

近接検出センサは、応用回路の電源が交流でもバッテ リ( 直流 ) でも簡単に組み込めます。しかし、給電方 法は近接検出距離に大きく影響します。 交流電源を使う場合とバッテリ駆動を使う場合の違い は接地方法です。通常、人体はアースと強くカップリ ングしています。交流電源を使う場合(図7)、人体は タッチ / 近接システムと同じグランドを共有します。 指がセンサに近づくと、ピン静電容量を2 つの点で増 加させます。1 つ目は、センサと周囲のグランドプレー ン間のカップリングC_FINGERを強めます。2 つ目は、 人体はアースに対して静電容量C_BODYを持ちます。こ れらの静電容量は同じグランドを共有しているため、 C_BODY、C_FINGER、C_BASEは並列です。追加される総静 電容量は単純にC_BODYとC_FINGERの合計です(図8)。 通常、近接センサとグランドプレーンは離して配置す るため、C_FINGERはC_BODYに比べて非常に小さいもの です。 図 7: 2 つのシステム給電方法 "#$%&' (&) *&#)+&)& ,- CBASE CGND CFINGER CBODY CBASE CBODY VSS VSS Sensor Input Sensor Input

User and Device Share Common Ground - Mains User and Device Do Not Share Ground - Battery

User

User

ǻCGND

バッテリ駆動システムの場合、人体とセンシング シス テムの両方がアースに対してカップリング静電容量を 持ちます。通常、人体の方がシステムとアースグラン ド間により大きなカップリング(CGND)を追加します。 簡略化した物理モデル(図8) では、CGNDとCGND を合わせて静電容量CGND が形成されます。これは、 人体とシステムグランド間のカップリングと見なせ ます。この場合、C_FINGERは依然としてC_BASEと並列 ですが、CBODYはCGNDと直列です。従って、人体と システムグランド間のカップリングはセンサに追加さ れる総静電容量を決める大きな要因です。この事から、 近接センサで良好な感度を得るには、システムと人体 が適切にカップリングしている必要があります。図9 に、同じシステムで人体とのカップリングが異なる場 合の感度を示します。システムが壁面または交流電源 近くに取り付けられている場合、システムのグランド と交流電源グランドを接続するのが、人体とシステム を強くカップリングさせ感度をできるだけ高める最も 簡単な方法です。 図 8: 静電容量式センシング システムの物理 モデル 図 9: 静電容量式センシング システムの物理 モデル

まとめ

マイクロチップ社は、低コスト、低消費電力、高S/N 比、高 い 柔 軟 性 を 備 え た 静 電 容 量 式 の 近 接 検 出 ソ リューションを提供しています。このソリューション は大部分の応用回路で良好に動作し、他のソリュー ションより少ない部品点数で構成できます。 マイクロチップ社のmTouch™ および RightTouch®セ ンシング手法の詳細と製品情報は、弊社ウェブサイト www.microchip.com/mTouchをご覧ください。 -&.)01(&#)(#2 3&4(5,#)0&)+) ,-67 ,819+7% ,-:"; ,+9" ,-67 ,819+7% ,-:"; 1#& 3&(<4# 1#& 3&(<4# (SharedGround) pF) vity(count/ p (BatteryPowered, FullIsolation) Sensiti v

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その他、本書に記載されている商標は各社に帰属します。 © 2013, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: 978-1-62077-193-8 • しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解では、こうした手法 はマイクロチップ社データシートにある動作仕様書以外の方法でマイクロチップ社製品を使用する事になります。このような 行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます。 • マイクロチップ社は、コードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し、対応策に取り組んでいきます。 • マイクロチップ社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コー ド保護機能とは、マイクロチップ社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。 コード保護機能は常に進歩しています。マイクロチップ社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。マイクロ チップ社のコード保護機能の侵害は、デジタル ミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはそ の他の著作物に不正なアクセスを受けた場合、デジタル ミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があ ります。 マイクロチップ社では、ChandlerおよびTempe (アリゾナ州)、 Gresham (オレゴン州)の本部、設計部およびウェハー製造工場そし てカリフォルニア州とインドのデザインセンターがISO/TS-16949: 2009認証を取得しています。マイクロチップ社の品質システムプロ セスおよび手順は、PIC® _{MCUおよびdsPIC}® _DSC、KEELOQ®_コード ホッピングデバイス、シリアルEEPROM、マイクロペリフェラル、 不揮発性メモリ、アナログ製品に採用されています。さらに、開発 システムの設計と製造に関するマイクロチップ社の品質システムは

本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 480-792-7200 Fax: 480-792-7277 技術サポート: http://www.microchip.com/ support URL: www.microchip.com アトランタ Duluth, GA Tel: 678-957-9614 Fax: 678-957-1455 ボストン Westborough, MA Tel: 774-760-0087 Fax: 774-760-0088 シカゴ Itasca, IL Tel: 630-285-0071 Fax: 630-285-0075 クリーブランド Independence, OH Tel: 216-447-0464 Fax: 216-447-0643 ダラス Addison, TX Tel: 972-818-7423 Fax: 972-818-2924 デトロイト Farmington Hills, MI Tel: 248-538-2250 Fax: 248-538-2260 インディアナポリス Noblesville, IN Tel: 317-773-8323 Fax: 317-773-5453 ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: 949-462-9523 Fax: 949-462-9608 サンタクララ Santa Clara, CA Tel: 408-961-6444 Fax: 408-961-6445 アジア太平洋支社 Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2401-1200 Fax: 852-2401-3431 オーストラリア - シドニー Tel: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755 中国 - 北京 Tel: 86-10-8569-7000 Fax: 86-10-8528-2104 中国 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889 中国 - 重慶 Tel: 86-23-8980-9588 Fax: 86-23-8980-9500 中国 - 杭州 Tel: 86-571-2819-3187 Fax: 86-571-2819-3189 中国 - 香港 SAR Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 中国 - 南京 Tel: 86-25-8473-2460 Fax: 86-25-8473-2470 中国 - 青島 Tel: 86-532-8502-7355 Fax: 86-532-8502-7205 中国 - 上海 Tel: 86-21-5407-5533 Fax: 86-21-5407-5066 中国 - 瀋陽 Tel: 86-24-2334-2829 Fax: 86-24-2334-2393 中国 - 深圳 Tel: 86-755-8864-2200 Fax: 86-755-8203-1760 中国 - 武漢 Tel: 86-27-5980-5300 Fax: 86-27-5980-5118 中国 - 西安 Tel: 86-29-8833-7252 インド - バンガロール Tel: 91-80-3090-4444 Fax: 91-80-3090-4123 インド - ニューデリー Tel: 91-11-4160-8631 Fax: 91-11-4160-8632 インド - プネ Tel: 91-20-3019-1500 日本 - 大阪 Tel: 81-6-6152-7160 Fax: 81-6-6152-9310 日本 - 東京 Tel: 81-3-6880-3770 Fax: 81-3-6880-3771 韓国 - 大邱 Tel: 82-53-744-4301 Fax: 82-53-744-4302 韓国 - ソウル Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 または 82-2-558-5934 マレーシア - クアラルンプール Tel: 60-3-6201-9857 Fax: 60-3-6201-9859 マレーシア - ペナン Tel: 60-4-227-8870 Fax: 60-4-227-4068 フィリピン - マニラ Tel: 63-2-634-9065 Fax: 63-2-634-9069 シンガポール Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850 台湾 - 新竹 Tel: 886-3-5778-366 Fax: 886-3-5770-955 台湾 - 高雄 Tel: 886-7-213-7828 Fax: 886-7-330-9305 台湾 - 台北 Tel: 886-2-2508-8600 Fax: 886-2-2508-0102 タイ - バンコク Tel: 66-2-694-1351 オーストリア - ヴェルス Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393 デンマーク - コペンハーゲン Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829 フランス - パリ Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 ドイツ - ミュンヘン Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 イタリア - ミラノ Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 オランダ - ドリューネン Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 スペイン - マドリッド Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91 イギリス - ウォーキンガム Tel: 44-118-921-5869 Fax: 44-118-921-5820