(57)【要約】【課題】センサ部分においては極めて簡素でありながら耐久性が高く、回路部分においては簡易かつ安価で低消費電力であり、センサ部分及び回路部分とも量産し易い構成の圧力センサを提供する。【解決手段】センサ部１０２は、半球状の突起２０５を片面に有するゴムシートで内側電極２０３を挟み、更にゴムシートの外側を外側電極２０１で包み、圧力を加えると静電容量が増大する可変容量コンデンサＣ５０６を構成した。半球状の突起２０５が、僅かな圧力の印加時における高い感受性と、強い圧力に対する高い耐久性の両立を実現する。【選択図】図１
2016128760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂点に近づくに連れて断面積が小さくなる形状の突起が片面に複数個形成されている絶縁体かつエラストマーのシートである第一弾性体シートと、
前記第一弾性体シートの、前記突起が形成されている面に配される導電性のシートである内側電極と、
前記第一弾性体シートの、前記突起が形成されていない面に配される導電性のシートである外側電極と、
前記内側電極と前記外側電極によって形成される可変容量コンデンサの静電容量が所定の閾値に対して大きいか否かを判定して論理信号を出力する信号処理部と
を具備する圧力センサ。
【請求項２】
更に、
頂点に近づくに連れて断面積が小さくなる形状の突起が片面に複数個形成されている絶縁体かつエラストマーのシートであり、前記突起が形成されている面が、前記内側電極の、前記第一弾性体シートが配されていない面に向けて配される第二弾性体シートと
を具備し、
前記外側電極は、前記第二弾性体シートの、前記突起が形成されていない面にも配されている、
請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記信号処理部は、
前記可変容量コンデンサに電流を供給するプルアップ抵抗と、
前記可変容量コンデンサに蓄積される電荷を放電するスイッチと、
前記可変容量コンデンサの電位を所定の参照電圧と比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力信号の時間幅を計測するカウンタと、
前記カウンタの数値を所定の閾値と比較する数値比較器と
を具備する、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記信号処理部は、
前記可変容量コンデンサに電流を供給するスイッチと、
前記可変容量コンデンサに蓄積される電荷を放電する抵抗と、
前記可変容量コンデンサの電位を所定の参照電圧と比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力信号のパルス数を計数するカウンタと、
前記カウンタの数値を所定の時間幅で参照するためのタイマと
を具備する、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力を検出するセンサには、スイッチによる導通の有無検出、抵抗膜による抵抗値の変化の検出、キャパシタによる静電容量の変化の検出等が挙げられる。
特許文献１には、高分子厚膜フィルムを用いた抵抗値の変化を検出する圧力センサの技術内容が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９０９３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、キーボード等に使用されるメンブレンスイッチは、耐久性が低く、長期間の使用に適さない、更には強い圧力を受け止めきれず破壊されてしまう、という短所がある。
特許文献１に開示されるセンサの場合、高分子厚膜フィルムが高価であり、メンブレンスイッチよりは長寿命であるものの、それでも強い圧力によって破壊され易い。
【０００５】
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、センサ部分においては極めて簡素でありながら耐久性が高く、回路部分においては簡易かつ安価で低消費電力であり、センサ部分及び回路部分とも量産し易い構成の圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、頂点に近づくに連れて断面積が小さくなる形状の突起が片面に複数個形成されている絶縁体かつエラストマーのシートである第一弾性体シートと、第一弾性体シートの、突起が形成されている面に配される導電性のシートである内側電極と、第一弾性体シートの、突起が形成されていない面に配される導電性のシートである外側電極とを具備する。信号処理部は、内側電極と外側電極によって形成される可変容量コンデンサの静電容量が所定の閾値に対して大きいか否かを判定して論理信号を出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、センサ部分においては極めて簡素でありながら耐久性が高く、回路部分においては簡易かつ安価で低消費電力であり、センサ部分及び回路部分とも量産し易い構成の圧力センサを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る、圧力センサの概略的な外観図である。
【図２】センサ部の構成を説明するための概略図である。
【図３】センサ部の断面図である。
【図４】半球状の突起に圧力を加えた際の突起の形状変化を示す概略図と、半球状の突起に圧力を加えた際の、圧力と、突起の圧力方向の変位を示すグラフである。
【図５】信号処理部のハードウェア構成を示す回路ブロック図と、ソフトウェアとしての機能を含めたハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
【図６】信号処理部における各部の信号電圧を示すグラフである。
【図７】センサ部に圧力が加わっていない時と、圧力が加えられた時における、可変容量コンデンサの電位と、コンパレータの出力信号を示すグラフである。
【図８】第二の実施形態に係る圧力センサに用いられる信号処理部の、ハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
【図９】第二の実施形態に係る圧力センサに用いられる信号処理部の、ソフトウェアとしての機能を含めたハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
【図１０】信号処理部における各部の信号電圧、カウンタ及びラッチの計数値、そして数値比較器の論理値を示すグラフである。
【図１１】別の実施形態に係るセンサ部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本実施形態において説明する圧力センサは、静電容量の変化により圧力を検出するセンサである。センサ部は半球状の突起を一面に有するシリコンゴムシートを、電極となる銅箔等の導電体シートで挟み込む構造になっている。この圧力センサでは、シリコンゴムシートの半球状の突起が、圧力の初期ロード時に静電容量を大きく変化させるとともに、かつ強い圧力に対する十分な耐性を実現している。
静電容量の変化を検出する回路は、ワンチップマイコンで実現される。センサ部に電荷が溜まって電圧が上昇する時間が、コンパレータとカウンタで検出される。本実施形態の圧力センサは、Ａ／Ｄ変換回路を用いないので貫通電流が生じることがなく、低消費電力を実現することができる。
【００１０】
［第一の実施形態：全体構成］
図１は、本発明の第一の実施形態に係る、圧力センサ１０１の概略的な外観図である。
圧力センサ１０１は、センサ部１０２と信号処理部１０３よりなる。
センサ部１０２は圧力に応じて容量が変化する可変容量コンデンサである。
信号処理部１０３は、マイコンを有し、可変容量コンデンサの容量の大小を判定して、圧力が加わったか否かを論理値信号として出力する電子回路である。
【００１１】
［センサ部１０２］
図２は、センサ部１０２の構成を説明するための概略図である。
図３は、センサ部１０２の断面図である。
センサ部１０２は、外側電極２０１と、第一ゴムシート２０２（第一弾性体シート）と、内側電極２０３と、第二ゴムシート２０４（第二弾性体シート）が重ねられて形成されている。これらは重ねられている部分が略合同な長方形の形状に形成されている。なお、センサ部１０２は可変容量コンデンサを形成するものなので、必要な静電容量を確保できるのであれば、形状は特に制約されるものではない。
外側電極２０１及び内側電極２０３は、例えば銅箔、アルミ箔等の導電性を有する金属箔で構成されている。但し、外側電極２０１及び内側電極２０３とも、導電性を有しているシート状の物品であればよいので、紙や布等に電気導電性塗料を塗布したものを使用してもよい。
【００１２】
第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４は、片面に半球状の突起２０５が等間隔に形成されている高分子弾性体（エラストマー）のシートである。これら第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４の材料としては、経年劣化に強いものが求められる。例えば、シリコーンゴムやブチルゴムが好ましい。加水分解されるウレタンゴムや耐候性に乏しい天然ゴム等は不適当である。勿論、これら第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４は、コンデンサを構成するために電気絶縁性を備えていることが必要である。
【００１３】
なお、第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４における突起２０５の位置関係は、特に問われない。但し、第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４の突起２０５の位置がずれていると、圧力を掛けた際に内側電極２０３に引張力が加わるので、内側電極２０３は引張力に耐えるだけの強度が求められる。強度を確保するために、銅箔の厚みを厚くする他、銅箔ではなくポリプロピレン等の強度がある合成樹脂製シートに銅箔を貼り付ける等の処置を施すことが考えられる。
【００１４】
センサ部１０２では、中心に配される内側電極２０３の、一方の面に第一ゴムシート２０２、他方の面に第二ゴムシート２０４が配置される。第一ゴムシート２０２及び第二ゴムシート２０４は、半球状の突起２０５を有する面を内側電極２０３に向けて配置される。そして、第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４を覆うように、外側電極２０１が設けられる。なお、外側電極２０１は第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４にそれぞれ別体で設け、それら二枚の電極を半田付け等で接続してもよい。
圧力センサ１０１の実運用時には、センサ部１０２は撥水性を有するテープやシート等で封入する等の処置が施される。
【００１５】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、半球状の突起２０５に圧力を加えた際の突起２０５の形状変化を示す概略図である。
図４Ｄは、半球状の突起２０５に圧力を加えた際の、圧力Ｆと、突起２０５の圧力方向の変位Ｌを示すグラフである。
図４Ｄに示すように、第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４の片面に設けられている半球状の突起２０５は、加えられる圧力に対し、非線形の変化を引き起こす。すなわち、圧力が加わり始めた時点では、僅かな力でも大きく変位する。しかし、その変位は力が増大するに連れて小さくなり、最後は殆ど変化しなくなる。
この変位Ｌの変動は、ほぼそのままセンサ部１０２の静電容量の変化に相当する。
この半球状の突起２０５を設けたことによって、僅かな圧力の印加時における高い感受性が得られ、かつ強い圧力に対する高い耐久性が得られた。つまり、図４に示すように、圧力に対する高い感受性と高い耐久性の両立を実現することができた。
【００１６】
なお、突起２０５の形状は半球状に限らない。半楕円体の他、三角錐等の角錐、円錐や楕円錐等の錐体でもよい。すなわち突起２０５の形状は、頂点に近づくに連れて断面積が小さくなる形状であればよい。逆に、円柱や角柱は断面積が変化しないので好ましくない。本実施形態に係る圧力センサ１０１は静電容量の大小だけを判定しているので、センサ部１０２の圧力に対する容量変化に線形性を必要としない。
【００１７】
［信号処理部１０３］
コンデンサの静電容量の変化を検出するには、コンデンサに交流を流し、そのインピーダンスを測定する方法が考えられる。しかし、この方法はコンデンサの静電容量を正しく測定するための手法であり、Ａ／Ｄ変換器を必要とする等、回路構成が大掛かりになり、また消費電力も大きくなってしまう。
しかしながら、本実施形態の圧力センサ１０１は、上述のように、センサ部１０２である可変容量コンデンサの静電容量を厳密に測定する必要はなく、ある閾値より大きいか、あるいは小さいかという静電容量の大小だけを検出できれば十分である。
このため、Ａ／Ｄ変換器を用いることなく、低消費電力で可変容量コンデンサの静電容量の大小を判別する回路構成を実現している。
【００１８】
図５Ａは、信号処理部１０３のハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
図５Ｂは、信号処理部１０３のソフトウェアとしての機能を含めたハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
図５Ａ及び図５Ｂ中、点線枠内がマイコン５０１である。例えばMicrochip Technology社のワンチップマイコン、ＰＩＣ１０Ｆ２０４が用いられる。以下、このマイコン５０１がＰＩＣ１０Ｆ２０４であると想定して説明する。
【００１９】
図５Ａ中、プルアップ抵抗Ｒ５０２でプルアップされたマイコン５０１の出力ポートＰ５０３には、ダイオードＤ５０４のカソードが接続されている。ダイオードＤ５０４のアノードには、プルアップ抵抗Ｒ５０５とセンサ部１０２、すなわち可変容量コンデンサＣ５０６の一端が接続されている。可変容量コンデンサＣ５０６の他端は接地されている。そして更に、ダイオードＤ５０４のアノードと可変容量コンデンサＣ５０６の一端は、マイコン５０１のアナログ入力ポートＰ５０７に接続されている。
マイコン５０１は、ＣＰＵ５０８、ＲＯＭ５０９、ＲＡＭ５１０とカウンタ５１１がバス５１２に接続されている。このバス５１２には更に、出力ポートＰ５０３を構成するＮＭＯＳＦＥＴ５１３のゲートと、アナログ入力ポートＰ５０７を構成するコンパレータ５１４の出力端子が接続されている。コンパレータ５１４のマイナス側入力端子には、参照電圧源５１５が接続されている。ＰＩＣ１０Ｆ２０４の場合、この内蔵されている参照電圧源５１５は０．６Ｖである。また、マイコン５０１はシステムクロック５１６を内蔵する。このシステムクロック５１６はマイコン５０１全体の動作に必要である他、カウンタ５１１が計数を行う際に用いられる。ＰＩＣ１０Ｆ２０４の場合、システムクロック５１６は４ＭＨｚである。
【００２０】
図５Ｂ中、パルス発振器５１７はマイコン５０１のプログラム機能によって実現される。このパルス発振器５１７は、凡そ０．３秒以下の時間間隔のパルス信号を発生する。パルス発振器５１７が生成するパルス信号は、出力ポートＰ５０３を構成するＮＭＯＳＦＥＴ５１３のゲートに入力される。ＮＭＯＳＦＥＴ５１３のドレインはマイコン５０１に内蔵されるプルアップ抵抗Ｒ５０２でプルアップされている。ＮＭＯＳＦＥＴ５１３のドレインが出力ポートＰ５０３となる。この出力ポートＰ５０３にダイオードＤ５０４のカソードが接続される。
ダイオードＤ５０４のアノードには、プルアップ抵抗Ｒ５０５と可変容量コンデンサＣ５０６の一端が接続されている。可変容量コンデンサＣ５０６の他端は接地されている。そして更に、ダイオードＤ５０４のアノードと可変容量コンデンサＣ５０６の一端は、マイコン５０１のアナログ入力ポートＰ５０７に接続されている。
なお、本実施形態で使用するＰＩＣ１０Ｆ２０４では、出力ポートＰ５０３が抵抗でプルアップされている仕様上、出力ポートＰ５０３を通じて可変容量コンデンサＣ５０６が充電されてしまう事態を防ぐ必要がある。このため、出力ポートＰ５０３から可変容量コンデンサＣ５０６への電流を防ぐためにダイオードＤ５０４が逆極性で挿入されている。もし、使用するマイコンの出力ポートがプルアップされていないオープンコレクタ出力又はオープンドレイン出力の場合は、ダイオードＤ５０４は不要となる。
【００２１】
アナログ入力ポートＰ５０７はコンパレータ５１４のプラス側入力端子に接続されている。コンパレータ５１４のマイナス側入力端子には、マイコン５０１に内蔵される参照電圧源５１５が接続されている。コンパレータ５１４は、プラス側入力端子の電圧が、マイナス側入力端子に接続されている参照電圧源５１５の電圧より低くなると、負の論理信号（低電位）を出力する。
コンパレータ５１４の出力端子は、プログラム機能によって実現されるＡＮＤゲート５１８の一端に接続される。この端子はＮＯＴゲートを内蔵し、入力信号が論理反転される。ＡＮＤゲート５１８の他端にはシステムクロック５１６が接続されている。すなわち、コンパレータ５１４が負の論理信号を出力している時のみ、ＡＮＤゲート５１８はシステムクロック５１６を出力する。
【００２２】
ＡＮＤゲート５１８の出力端子は、カウンタ５１１の入力端子に接続される。カウンタ５１１はパルス発振器５１７のアップエッジによってリセットされ、入力端子から入力されるシステムクロック５１６を計数する。カウンタ５１１の出力データは、プログラム機能によって実現される数値比較器５１９のプラス側入力端子に入力される。数値比較器５１９のマイナス側入力端子にはＲＯＭ５０９に格納されている閾値データ５２０が与えられる。数値比較器５１９はカウンタ５１１の値が閾値データ５２０を超えているか否かを判定し、その判定結果を論理信号として出力する。
【００２３】
なお、数値比較器５１９の出力信号は、センサ部１０２に圧力が加わっている時は、断続的な出力信号を出力する（図７参照）。図５Ｂには図示していないが、数値比較器５１９の出力の後に、プログラム機能によって実現される積分器或は遅延素子を設けて、平滑化した出力信号を出力してもよい。勿論、圧力センサ１０１の信号を受ける側の装置に、受信した信号を積分する回路や機能が備わっていれば、この限りではない。また、ＬＥＤを点灯させる等の、信号の厳密な連続性を問わない回路や用途であれば、積分要素や遅延要素も不要である。
【００２４】
図６は、信号処理部１０３における各部の信号電圧を示すグラフである。
図６中、一番上は出力ポートＰ５０３の電圧波形である。
その次はアナログ入力ポートＰ５０７の電圧波形である。
その次はコンパレータ５１４の出力端子Ｐ５２１の電圧波形である。
その次はＡＮＤゲート５１８の出力端子Ｐ５２２の電圧波形である。
出力ポートＰ５０３からは、凡そ０．３秒以下の時間間隔のパルス信号が出力される。時刻ｔ１からｔ２の間、ＮＭＯＳＦＥＴ５１３はオン状態になり、出力ポートＰ５０３は低電位になる。
【００２５】
可変容量コンデンサＣ５０６はプルアップ抵抗Ｒ５０５によって充電されている。しかし、ＮＭＯＳＦＥＴ５１３がオン状態になり、出力ポートＰ５０３が低電位になると、可変容量コンデンサＣ５０６に蓄積されていた電荷がダイオードＤ５０４を通じて放電され、可変容量コンデンサＣ５０６の電位も低電位になる。すなわち、ＮＭＯＳＦＥＴ５１３はパルス発振器５１７によって制御される、可変容量コンデンサＣ５０６に蓄積される電荷を放電するスイッチとして作用する。
時刻ｔ１において、可変容量コンデンサＣ５０６の電位は０Ｖ迄下がる。そして、時刻ｔ２になるとＮＭＯＳＦＥＴ５１３はオフ状態になる。すると、プルアップ抵抗Ｒ５０５から流れる電流によって、可変容量コンデンサＣ５０６は再び充電される。プルアップ抵抗Ｒ５０５と可変容量コンデンサＣ５０６は時定数を形成するので、この時定数によって可変容量コンデンサＣ５０６の電位は徐々に上昇する。
この、徐々に上昇する可変容量コンデンサＣ５０６の電位が、コンパレータ５１４で検出される。
【００２６】
コンパレータ５１４は、時刻ｔ１で高電位から低電位に転化した後、時刻ｔ２を経て、可変容量コンデンサＣ５０６の電位が参照電圧を超えた時刻ｔ３の時点で、再び高電位に転化する。そして、この時刻ｔ１からｔ３の期間にのみ、ＡＮＤゲート５１８からシステムクロック５１６が出力される。
【００２７】
図７は、センサ部１０２に圧力が加わっていない時と、圧力が加えられた時における、可変容量コンデンサＣ５０６の電位と、コンパレータ５１４の出力信号を示すグラフである。
センサ部１０２に圧力が加わっていない時（Ｐ７０１）、センサ部１０２、すなわち可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量は小さい。このため、プルアップ抵抗Ｒ５０５と可変容量コンデンサＣ５０６が形成する時定数は小さいので、可変容量コンデンサＣ５０６の電位が参照電圧を超える迄の時間は短い（時刻ｔ１２）。
センサ部１０２に圧力が加わっている時（Ｐ７０２）、可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量は大きくなる。このため、プルアップ抵抗Ｒ５０５と可変容量コンデンサＣ５０６が形成する時定数は大きくなるので、可変容量コンデンサＣ５０６の電位が参照電圧を超える迄の時間が長くなる（時刻ｔ１３）。
すなわち信号処理部１０３は、可変容量コンデンサＣ５０６の容量の大小を、時定数の大小として、カウンタ５１１が計数する値、すなわち時間情報として検出することができる。
【００２８】
可変容量コンデンサＣ５０６の、圧力が加わっていない時と、圧力が加わっている時の静電容量と、そして参照電圧源５１５の電圧を考慮してプルアップ抵抗Ｒ５０５の抵抗値に適切な値のものを選択することで、実用的な圧力センサ１０１を実現することができる。試作品では、可変容量コンデンサＣ５０６の容量は圧力が加わっていない時が約５ｐＦ、圧力が加わっている時が約１５ｐＦ程度になった。そこで、プルアップ抵抗Ｒ５０５に２２０ｋΩを選択すると、凡そ５００ｇ程度の圧力を検出できる、極めて実用的な圧力センサを得ることができた。
このようにして実現される圧力センサ１０１は、例えば洋式便器の便座や、在椅子等に内蔵させ、人体の体重を検出する用途に最適である。
【００２９】
［第二の実施形態：信号処理部８０１］
前述のように、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ１０１を構成する信号処理部１０３は、可変容量コンデンサＣ５０６に対する充電時間を計測することで、可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量の変化を検出した。しかし、可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量の変化が、例えば数ｐＦ程度と小さすぎると、充電時間（周期）の計測でも変化を検出できない場合がある。このような場合は、単一のパルスの周期を計測するのではなく、複数のパルスの周期、すなわち周波数を計測する。
【００３０】
図８は、第二の実施形態に係る圧力センサに用いられる信号処理部８０１の、ハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
図９は、信号処理部８０１のソフトウェアとしての機能を含めたハードウェア構成を示す回路ブロック図である。
図８及び図９中、点線枠内がマイコン８０２である。マイコン８０２の、第一の実施形態におけるマイコン５０１と共通するブロックは、等しい符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図８中、マイコン８０２は、第一の実施形態の信号処理部１０３におけるマイコン５０１と構成はほぼ等しい。図８では図５Ａで明示していたシステムクロック５１６が表記されていないが、これは本実施形態の信号処理部８０１では、システムクロックを静電容量の変化の判定には明示的に用いないので、表記を省略している。
マイコン８０２のバス５１２には、プルアップ抵抗Ｒ５０２でプルアップされたバッファ８０３が接続されている。バッファ８０３は周知のＣＭＯＳインバータである。バッファ８０３の出力端子は出力ポートＰ８１２を構成する。この出力ポートＰ８１２には、ダイオードＤ８０４のアノードが接続されている。ダイオードＤ８０４のカソードには、抵抗Ｒ８０５とセンサ部１０２、すなわち可変容量コンデンサＣ５０６の一端が接続されている。可変容量コンデンサＣ５０６の他端と抵抗Ｒ８０５の他端は共に接地されている。そして更に、ダイオードＤ８０４のカソードと可変容量コンデンサＣ５０６と抵抗Ｒ８０５の一端は、マイコン８０２のアナログ入力ポートＰ８１３に接続されている。
【００３２】
図９中、コンパレータ５１４の出力端子には、プログラム機能によって実現される第一ディレイ８０６が接続されている。第一ディレイ８０６はいわばモノマルチと等しい機能を有し、コンパレータ５１４が出力するパルス信号のアップエッジに同期する単発の矩形波信号を出力する。この第一ディレイ８０６の出力信号は、バッファ８０３の入力端子に供給される。
【００３３】
一方、コンパレータ５１４の出力信号は、カウンタ５１１にも供給される。カウンタ５１１はコンパレータ５１４の出力信号のアップエッジまたはダウンエッジを計数する。
カウンタ５１１の出力データはプログラム機能によって実現されるラッチ８０７に入力される。ラッチ８０７はタイマが出力するトリガ信号によってカウンタ５１１の出力データを保持（ラッチ）する。
【００３４】
プログラム機能によって実現されるタイマ８０８は、０．３秒あるいは０．５秒等の、予め定められた一定時間毎にパルスを出力する。
タイマ８０８が出力するパルスはラッチ８０７の他、プログラム機能によって実現される第二ディレイ８０９にも供給される。第二ディレイ８０９はタイマ８０８が出力するパルスに僅かな遅延を発生させる。そして、その遅延されたパルスはカウンタ５１１のリセット端子に供給される。すなわち、ラッチ８０７がカウンタ５１１の値をラッチ８０７してから第二ディレイ８０９で遅れたタイミングで、カウンタ５１１がリセットされる。
【００３５】
ラッチ８０７の出力データは、プログラム機能によって実現される数値比較器５１９のプラス側入力端子に入力される。数値比較器５１９のマイナス側入力端子にはＲＯＭ５０９に格納されている閾値データ８１０が与えられる。数値比較器５１９はカウンタ５１１の値が閾値データ８１０を超えているか否かを判定し、その判定結果を論理信号として出力する。
【００３６】
図１０は、信号処理部８０１における各部の信号電圧、カウンタ５１１及びラッチ８０７の計数値、そして数値比較器５１９の論理値を示すグラフである。
図１０中、一番上はコンパレータ５１４の電圧波形（Ｐ８１４）である。
その次はバッファ８０３の出力電圧波形（Ｐ８１２）である。
その次はコンパレータ５１４の入力端子の電圧波形（Ｐ８１３）である。
以上の三つのグラフは、時系列が同じである。
その次はカウンタ５１１の出力端子Ｐ８１５の計数値である。
その次はラッチ８０７の出力値（Ｐ８１６）である。
最後は数値比較器５１９の論理値（Ｐ８１７）である。
以上の三つのグラフは、時系列が同じである。
【００３７】
可変容量コンデンサＣ５０６は、バッファ８０３が出力する矩形波状パルス信号によって充電される。すなわち、バッファ８０３は可変容量コンデンサＣ５０６に充電のための電流を供給するスイッチとして作用する。パルス信号が消滅すると、可変容量コンデンサＣ５０６に溜まった電荷は抵抗Ｒ８０５によって放電が始まり、可変容量コンデンサＣ５０６の両端電圧は徐々に低下する。この、可変容量コンデンサＣ５０６の両端電圧が参照電圧源５１５の電圧より低くなると、コンパレータ５１４は負の論理信号（低電位）のパルスを出力する。この負論理のパルスは第一ディレイ８０６によって矩形波状パルス信号に整形される。すなわち、コンパレータ５１４と可変容量コンデンサＣ５０６と抵抗Ｒ８０５とバッファ８０３は、発振回路を構成する。この発振回路は、可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量の変化に伴い、その発振周波数が変動する。
【００３８】
コンパレータ５１４の出力パルスはカウンタ５１１に入力される。カウンタ５１１はコンパレータ５１４の出力信号のアップエッジまたはダウンエッジを計数する。すなわち、カウンタ５１１はコンパレータ５１４の出力信号のパルス数を計数する。
カウンタ５１１の出力データはラッチ８０７に入力される。ラッチ８０７はタイマ８０８が出力するトリガ信号によってカウンタ５１１の出力データを保持（ラッチ）する。
タイマ８０８は０．３秒あるいは０．５秒等の、予め定められた一定時間毎にパルスを出力する。
【００３９】
タイマ８０８が出力するパルスはラッチ８０７の他、第二ディレイ８０９にも供給される。第二ディレイ８０９はタイマ８０８が出力するパルスに僅かな遅延を発生させる。そして、その遅延されたパルスはカウンタ５１１のリセット端子に供給される。すなわち、ラッチ８０７がカウンタ５１１の値をラッチ８０７してから第二ディレイ８０９で遅れたタイミングで、カウンタ５１１がリセットされる。すなわち、タイマ８０８はカウンタ５１１の数値を所定の時間幅で区切って参照するために設けられている。
カウンタ５１１の計数値は、タイマ８０８が定める一定時間内の、コンパレータ５１４が出力するパルスの計数値である。コンパレータ５１４が出力するパルスの周期は、可変容量コンデンサＣ５０６によって変動する。
【００４０】
可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量が小さい時は、コンパレータ５１４が出力するパルスの周期は短くなる。逆に、可変容量コンデンサＣ５０６の静電容量が大きい時は、コンパレータ５１４が出力するパルスの周期は長くなる。すなわち、可変容量コンデンサＣ５０６に荷重が掛かっていない時は、カウンタ５１１の係数値は大きな値を示すが、可変容量コンデンサＣ５０６に荷重が掛かっている時は、荷重が掛かっていない時と比べてカウンタ５１１の係数値が小さくなる。この、ラッチ８０７が出力する計数値の違いを、数値比較器５１９で検出する。閾値データは、可変容量コンデンサＣ５０６に荷重が掛かっていない時と荷重が掛かっている時とを区別する値である。
【００４１】
第二の実施形態に係る信号処理部８０１は、コンパレータ５１４を含む発振回路を構成して、複数の周期に亘って変動分を累積することで、センサ部１０２、すなわち可変容量コンデンサＣ５０６の僅かな静電容量の変動を検出する。
【００４２】
以上説明した実施形態には、以下に記す応用例が可能である。
（１）静電容量の変化をより大きくするために、複数のセンサ部１０２を積み重ね、それら積み重ねた複数のセンサ部１０２をそれぞれ並列接続することが可能である。センサ部１０２の静電容量は積み重ねた数の分だけ倍になり、圧力に対する感受性も倍以上になる。
【００４３】
（２）逆に、圧力に対する十分な感受性を実現できるのであれば、第一ゴムシート２０２と第二ゴムシート２０４のいずれか一方を省略してもよい。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、別の実施形態に係るセンサ部の断面図である。
図１１Ａに示すセンサ部１１０１の、図１から図３に開示されるセンサ部１０２との相違点は、第二ゴムシート２０４の代わりに突起２０５を有さない絶縁板１１０２が配されている点である。
【００４４】
図１１Ｂに示すセンサ部１１０４の、図１１Ａのセンサ部１１０１との相違点は、外側電極１１０５が第一ゴムシート２０２にのみ配されている点である。また、図１１Ｂでは図１１Ａに示すセンサ部１１０１における絶縁板１１０２が省略されている。
図１１Ａに示すセンサ部１１０１及び図１１Ｂに示すセンサ部１１０４は、図１から図３に開示されるセンサ部１０２と比較すると、圧力に対する感受性は半減するが、圧力に対する静電容量の変化に非線形性を有する点で技術思想が一致する。
【００４５】
（３）導電性塗料を印刷した絶縁性シートで複数の内側電極２０３を構成することで、キーボードで用いられるメンブレンスイッチを代替することが可能になる。
【００４６】
本実施形態では、圧力センサ１０１について説明した。
センサ部１０２は、半球状の突起２０５を片面に有するゴムシートで内側電極２０３を挟み、更にゴムシートの外側を外側電極２０１で包み、圧力を加えると静電容量が増大する可変容量コンデンサＣ５０６を構成した。半球状の突起２０５が、僅かな圧力の印加時における高い感受性と、強い圧力に対する高い耐久性の両立を実現する。
信号処理部１０３は、可変容量コンデンサＣ５０６の容量の大小を、時定数の大小としてコンパレータ５１４とカウンタ５１１で検出する構成とした。この検出方法による信号処理部１０３は、Ａ／Ｄ変換器を用いる必要がないので、低消費電力になる。Ａ／Ｄ変換器はサンプルホールド回路が存在し、このサンプルホールド回路にて貫通電流が生じる。貫通電流は消費電力の増大の大きな要因となる。本実施形態の信号処理部１０３は、センサ部１０２がコンデンサであり、コンパレータ５１４も貫通電流を生じさせない回路構成を採用すれば、極めて低消費電力の信号処理部１０３を構成することができる。
【００４７】
更に、センサ部１０２はゴムシートと銅箔を重ねて必要な大きさに小さく切るだけで作成できる。つまり、センサ部１０２は量産が極めて容易であり、それ故その単価も極めて安価にできる。
また、信号処理部１０３はマイコン５０１にプルアップ抵抗Ｒ５０５とダイオードＤ５０４を追加するだけで実現される。ＰＩＣ１０Ｆ２０４は本願出願時点における市価が４０円以下であり、ダイオード及び抵抗も１円以下である。したがって、特許文献１に開示されるような、数百円程する従来技術の圧力センサと比べて、圧倒的に安価で、堅牢かつ長寿命な圧力センサ１０１を実現できる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０１…圧力センサ、１０２…センサ部、１０３…信号処理部、２０１…外側電極、２０２…第一ゴムシート、２０３…内側電極、２０４…第二ゴムシート、２０５…突起、５０１…マイコン、５０８…ＣＰＵ、５０９…ＲＯＭ、５１０…ＲＡＭ、５１１…カウンタ、５１２…バス、５１３…ＮＭＯＳＦＥＴ、５１４…コンパレータ、５１５…参照電圧源、５１６…システムクロック、５１７…パルス発振器、５１８…ＡＮＤゲート、５１９…数値比較器、５２０…閾値データ、８０１…信号処理部、８０２…マイコン、８０３…バッファ、８０６…第一ディレイ、８０７…ラッチ、８０８…タイマ、８０９…第二ディレイ、８１０…閾値データ、１１０１…センサ部、１１０２…絶縁板、１１０４…センサ部、１１０５…外側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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