タッチコントロールを用いた設計

概略

この記事では、Altium Designerで設定可能な静電容量式センサー部品を回路図に配置し、ECOを通じて対応する銅箔センサーパターンを基板上に生成することで、PCBのタッチコントロール設計を行う方法を紹介します。対応するベンダーライブラリの概要、タッチセンサーの実装方法と設定方法に加え、利用可能なAtmel、Cypress、Microchipのタッチコントロールセンサーの種類、用途、調整可能な寸法について詳しく説明します。PCB設計のワークフロー内で洗練されたタッチインターフェースを作成する方法を実践的に知りたい方に最適な入門記事です。ぜひ読み進めて、これらのコントロールをいかに手早く設計に組み込めるかをご確認ください。

- Altium Designerが対応するタッチコントロールのベンダーライブラリと、それらのライブラリで提供される設定可能なボタン、スライダー、ホイールについて学べます。
- 回路図へのタッチセンサーの配置、設定、生成されたセンサーパターンのPCBへの転送という基本的なワークフローを確認できます。
- 対応するAtmel、Cypress、Microchipのタッチセンサーの種類と、最終的なPCB上の形状を決める主な設定オプションについて詳しく理解できます。
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さまざまな魅力的なスイッチやノブ、ライトなど、いかにもガジェットらしい操作部に惹かれて電子工作の世界に入った方は、どれくらいいるでしょうか。それから何年も経った今も、その魅力は健在です。ただし、その対象は「洗練されたGUI」、つまりスマートで美しいインターフェースを備えた電子製品へと移っています。進化と小型化を続けるこうした製品のインターフェースで、中心的な役割を果たしているのがタッチ操作です。目立たないながらも強力なタッチ操作は、製品の使い勝手を向上させ、通常は製造コストも削減します。さらに、摩耗や劣化を避けられない機械式スイッチやダイヤルを置き換えることで、製品の寿命を延ばします。お気に入りのスマートデバイスを手に取ってみれば、タッチ操作がなければ、それほどスマートではなく、使う楽しさや魅力も大きく損なわれることにすぐ気づくでしょう。

Altium Designerでは、PCB上に平面型静電容量センサーパターンを作成できます。次のベンダーに対応しています。

  • Atmelタッチコントロール – Atmel® QTouch®およびQMatrix®センサーコントローラーで使用する、各種の自己容量方式および相互容量方式のセンサーパターン(ボタン、ホイール、スライダー)を利用できます。

  • Cypressタッチコントロール – Cypress® CapSense®コントローラーで使用する、各種の自己容量方式のセンサーパターン(ボタン、スライダー)を利用できます。

  • Microchipタッチコントロール – Microchip® mTouch®コントローラーで使用する、各種の自己容量方式のセンサーパターン(リング、スライダー)を利用できます。

Altium Designerで特定ベンダーのタッチセンサーサポートを利用するには、インストールされているAltium DesignerでAtmel QTouch、Cypress Capsense、および/または Microchip mTouch 機能を有効にする必要があります。これらの機能は、インストール後に有効化または無効化できます。

インストール済みのコア機能を変更する方法については、 Installing & Managingページ(Altium Designer Develop、Altium Designer Agile、Altium Designer)を参照してください。

Windows Explorerを使用して、対応するライブラリファイルが \Users\Public\Documents\Altium\AD<solution>\Library 内の関連フォルダー(デフォルトインストールの場合)–  に追加されていることを確認してください。特定ベンダーのタッチセンサーサポートを有効にすると、そのベンダーがサポートする各種タッチセンサー技術に必要な、タッチホイール、スライダー、ボタンなどのコンポーネントライブラリがインストールされます。すべてのコンポーネントは設定可能で、設計要件に合わせてタッチセンサー形状のサイズと向きを指定できます。

センサーの実装

タッチセンサーを設計に実装するには、専用の統合ライブラリから必要な種類のセンサーを配置し、設定します。 センサーコンポーネントの設定ダイアログ(QTouch Componentダイアログ、CapSense Componentダイアログ、またはmTouch Componentダイアログ)を開くには、コンポーネント上で右クリックし、コンテキストメニューからConfigureを選択します。

ダイアログの Sensor Component Type ドロップダウンを使用すると、別の種類のセンサーコンポーネントにすばやく切り替えることができます(グラフィカルシンボルもそれに応じて更新されます)。ただし、コンポーネントの Comment と Description 、およびリンクされたライブラリコンポーネントの Design Item ID は、最初に配置したセンサーの種類を反映し、参照したままになります。

必要な設定が完了したら、対象のPCBを更新するだけです。ECOによって必要な変更が適用され、PCBに配置するためのセンサーパターンが作成されます。その後は、製品のユーザーインターフェースに必要な位置にセンサーを配置し、対応するタッチセンサーコントローラーに配線します。PCB上の各センサーコンポーネントは、通常の意味でのフットプリントではなく、実際の銅箔電極パターンです。基板の組み立て時には、センサーの上にカバーパネルを配置します。

自己容量方式のセンサーパターンは、カバーパネルの有無にかかわらず使用できますが、対応するコントローラーデバイスへの静電気放電(ESD)の影響は、パネルを使用する大きな理由となります。相互容量方式のスライダーセンサーおよびホイールセンサーでは、複数のチャネルがそれぞれ固有のX電極接続を介してセンサーコントローラーに接続され、Y電極接続は共通化されています。このようなセンサーにはカバーパネルを使用し、空隙が生じないように接着する必要があります。このパネルが、X電極とY電極間の電界に適した伝達経路を提供します。
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タッチ操作の実装は簡単です。 必要な種類のセンサーコンポーネントを回路図に配置し、設計要件に合わせて設定してから、変更をPCBに反映するだけで、センサーパターンを作成できます。

センサーパターンはPCB側でも変更でき、ECOを通じてその変更を該当する回路図シートに反映できます。

以降のセクションでは、設計に配置できる設定可能なセンサーコンポーネント、その設定オプション、およびPCB側に作成されるセンサーパターンについて詳しく説明します。いずれもデフォルト設定を示しています。

Atmelタッチコントロール

QTouch Component ダイアログには、回路図シート上のタッチセンサーコンポーネントを設定するためのコントロールが用意されています。PCB上に平面型静電容量センサーパターンを作成し、各パターンの対応する電極をAtmel® QTouch®およびQMatrix®センサーコントローラーに接続して使用する際に、このダイアログで設定します。

Atmelタッチコントロール – 対応する自己容量方式センサー

PCB設計では、次の自己容量方式センサーを使用できます。

ボタン(またはキー)センサーは、zero-dimensionalセンサーです。接触点は1つです。スライダーセンサーとホイールセンサーは、one-dimensionalセンサーで、単一軸に沿った指の動きを検出します。空間補間型センサーは、電極の形状を利用して電界を補間します。抵抗補間型センサーは、実際の抵抗部品を使用して補間を行います。

これらのセンサーの各チャネル(電極)は、それぞれ1本の接続でセンサーコントローラーに直接接続されます。これらのセンサーが発生する電界には指向性がありません。センサーを覆うパネルの有無にかかわらず使用できますが、接続先のコントローラーデバイスへの静電気放電(ESD)の影響が、パネルを使用する主な理由となります。

これらのセンサーはすべて、Atmel QTouchセンサーコントローラーでの使用に適しています。

Atmelタッチコントロール – サポートされている相互容量方式のセンサー

PCB設計で使用できる相互容量方式のセンサーとして、次のものがサポートされています。

ボタン(またはキー)センサーは、zero-dimensionalセンサーです。接触点は1つです。スライダーセンサーとホイールセンサーはone-dimensionalセンサーで、単一の軸に沿った指の動きを検出します。空間補間式センサーは、電極の形状を利用して電界を補間します。抵抗補間式センサーは、物理的な抵抗を使用して補間を行います。

これらのセンサーにはそれぞれX(送信)電極とY(受信)電極があり、センサーコントローラーがXとYの間の相互容量を測定します。スライダー型およびホイール型のセンサーでは、各チャンネルのX電極はセンサーコントローラーに個別に接続され、Y電極の接続は共通化されています。このようなセンサーは、上面にパネルを重ね、空気の隙間ができないように接着して使用してください。このパネルが、X電極とY電極の間の電界に適した伝達経路となります。

これらのセンサーはすべて、Atmel QMatrixセンサーコントローラーでの使用に適しています。

Cypressタッチコントロール

CapSense Componentダイアログには、Cypress® CapSense®およびPSoC®コントローラー向けの平面型静電容量センサーパターンをPCB上に作成する際に、回路図シート上のタッチセンサーコンポーネントを設定するためのコントロールが用意されています。

センサーパターンの対応する電極を接続するCypressのCapSenseコントローラーは、Programmable System-on-Chip(PSoC®)プラットフォームをベースとしています。CapSenseコントローラーには、次のカテゴリがあります。

  • CapSense®
  • CapSense® Plus
  • CapSense® Express
  • PSoC®コントローラーファミリー - PSoC® 1、PSoc® 3、PSoC® 4、およびPSoC® 5LP(PSoC® 5ファミリーの後継)。

PCB設計では、次の自己容量方式のセンサーを使用できます。

ボタンセンサーはzero-dimensionalセンサーです。接触点は1つです。スライダーセンサーはone-dimensionalセンサーで、1つの軸に沿った指の動きを検出します。

これらのセンサーの各チャネル(電極)は、センサーコントローラーに1本の配線で直接接続されます。このようなセンサーが発生する電界には指向性がありません。センサーを覆うパネルの有無にかかわらず使用できますが、接続先のコントローラーデバイスに対する静電気放電(ESD)の影響が、パネルを使用する主な理由となります。

これらのセンサーはすべて、Cypress CapSenseおよびPSoCコントローラーでの使用に適しています。

Microchipタッチコントロール

mTouch Component ダイアログには、Microchip® mTouch®コントローラー製品群向けの平面型静電容量センサーパターンをPCB上に作成する際に、回路図シート上のタッチセンサーコンポーネントを設定するためのコントロールが用意されています。センサーパターンの対応する電極が接続されるMicrochipのmTouchコントローラーは、通常PICデバイスです。PCB設計では、以下の自己容量方式のセンサータイプを使用できます。

スライダーセンサーはone-dimensionalセンサーで、1つの軸に沿った指の動きを検出します。

これらのセンサーの各チャネル(電極)は、センサーコントローラーに1本の配線で直接接続されます。このようなセンサーが発生する電界には指向性がありません。センサーを覆うパネルの有無にかかわらず使用できますが、接続先のコントローラーデバイスに対する静電気放電(ESD)の影響が、パネルを使用する主な理由となります。

これらのセンサーはすべて、Microchip mTouchコントローラーでの使用に適しています。

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