« 2009年6月 | トップページ | 2009年8月 »

2009年7月

明日がテスト最終日

明日がテストの最終日です。
内容の濃かった5教科のテストがやっと終わります。
そして夏休み。

ロボトレの季節がやってきますねrock
それではおやすみなさい。

| | コメント (0) | トラックバック (0)

勉強はスポーツだ!!?

火曜日からうちの専攻ではテストがあります。4日間で5科目という強行日程。
まあ、それが終われば夏休みですから今は気分が良いです。

そうそう、最近発見したのですが勉強するときは
・水分を多めに取る
・ジャージなど身体を締め付けないゆるい服装
でいると効率が上がることを発見しました。
僕は昨日、今日と水分を多く取ることでまるで別人のように集中できました。
どうやら僕は、常日頃から脱水症状気味だったみたいですね。

なんだか上の項目だけ見ているとスポーツみたいですね。
暑さで期末試験の勉強が進まぬ人は、是非水分を多く取ってみてください。


さて、テストが終わったらロボトレ作り始めますか。3週間でつくろっとscissors

| | コメント (0) | トラックバック (0)

タッチセンサー Ver.2

さて、やっとこさタッチセンサーの記事を書きます。

まず、タッチセンサーとは…、人の指が軽く触れただけでスイッチをON、OFFできるセンサーのことです。
よく卓上の蛍光灯のライトでタッチセンサーを使っているものがあるんですが、見たことありますよね?
ボタンを押したりすること無く、ピカピカの金属部を触れるだけで点灯するあいつです。

ところで、タッチセンサーの回路のことを簡単に調べると、かなり複雑な回路を目にします。
一般的に共振回路、LCR直列共振回路、半波整流回路(検波回路)などを含み回路規模も巨大になってきます。

タッチセンサーを作る他の手段としては、PIC1個でタッチセンサーを構成できるようです。ただしこの方法では当然PICの知識と、開発環境が必要になります。

さらに、タッチセンサー専用ICというものも存在します。デジキーで買えるようですが、発注にはクレジットカードと英語の知識と送料が必要ですね。

このblogでは、回路を工夫することで、秋葉原で買える汎用のIC二個だけで構成できるタッチセンサーを紹介します。

Fig.1は完成したタッチセンサーです。試作品(Ver.1)の動画はこちら

Photo_2

Fig.1 概観図

画像下へ伸びるリード線は電極(Fig.2の"PAD1")です。このリード線の先を適当なサイズに切って作ったアルミホイルの電極につなげます。

回路図を示します。(クリックで拡大)

Photo_6


Fig.2 タッチセンサー回路図


・背景と原理

人間の体はコンデンサーと同じ働きをします。人体帯電モデル (HBM: Human Body Model)によれば人体は等価的に100pFの静電容量と1500Ωの抵抗を持ちます。

簡単に言うと人体はコンデンサーです!(※参考 東芝の半導体信頼性ハンドブック 3.8.1 静電気破壊 (ESD))

Photo

Fig.3 人体はコンデンサー (※抵抗は省略)

人間がタッチセンサーを触れたかどうか判断するのにこの人体のコンデンサー容量を、電気的に検出してあげればよいことになります。今回は、回路上の電極に人体が触れることでタッチしていることを検知します。


・構成

このタッチセンサーの動作を順に説明します。回路の機能はFig.4参照。

Photo_2

Fig.4 回路の機能

  1. RC発振器による矩形波発生(≒400kHz)

    Fig.5を見てください。論理回路のひとつであるNOT回路を2つ用いると、簡単に発振回路を構成することが出来ます。ここのサイト参照。

    Rc

    Fig.5 一般的なRC発振回路

    この回路の出力は、矩形波出力で発振周波数fは抵抗RとキャパシタCの積にほぼ反比例します。

    Eqn1

    Fig.4(a)の発振回路を見ると、使用しているロジックはExORですが、ExORは2個ある入力のうち片側をHi(5V)につないであげれば、NOTとして動作します。(表1参照)

  2. コンデンサー容量比較回路(遅延回路)

    Fig.4の(a)で発生させた矩形波(V1)を、IC1Dでバッファしてから、(b)の遅延回路&位相差検出回路に入力します。
    (バッファとは、電気回路において前後の電気的な関係を絶ち、互いに干渉することを防ぐことを言います。)

    (b)を見ると遅延回路は2個ついています。一つは抵抗R3とコンデンサーC6で構成される1次のLPF(ローパスフィルター)、もう一つは抵抗R4と電極PAD1に触れる人体の静電容量(コンデンサー容量)です。

    LPFについては、Fig.6を見てください。この回路は入力された矩形波に、"抵抗値×コンデンサー容量"に比例した遅延を与えて出力します。

    Lpf_2

    Fig.6 RCローパスフィルター

    PAD1に人体が触れて容量が増加すると、Fig.4 IC1Cの入力の10番にはよりdelayが大きい(遅れている)波形が入ります。

  3. ExORを用いた位相差検知

    まずExOR回路について解説します。ExOR回路とは排他的論理和と呼ばれています。回路図上のシンボルはFig.7を見てください。

    Exor
    Fig.7 ExORのシンボル

    真理値表は表1になります。
    (真理値表とはデジタル回路の入力と出力の関係を表す表です。たとえばAに1(5V)、Bに0(0V)が印加されたときは、表1の3行目を見ると出力が1(5V)になることが分かります)

    表1 ExORの真理値表

    Exor_2

    ここで注目してほしいのが、入力AとBのどちらか片方が1のときのみ出力Xが1となるということです。

    例として、Fig8のような位相がdだけずれた2つの矩形波A、BをExORに入力したときの出力Xを考えてみることにします。ここでTは矩形波の周期[s]、dは位相差[s]です。

    Photo_4

    Fig.8 ExORのタイミングチャート

    Fig.8をみると、1周期でXが1になっている時間は2dである分かります。もう少し物理的な表現をすると、このXはAとB、2つの矩形波の位相差を表しています。

    …ここでタッチセンサー回路に話を戻します。
    Fig.4にて位相差検出を行うExOR(IC1C)の入力9、10には、C6と人体のコンデンサー容量の大きさに応じて、それぞれ位相の遅れたFig.6のBのような信号が2本入力されます。よく見るとこれらの波形にはなまりがありますが、単純に位相の変化した矩形波(Fig.8のAとB)に近似して問題ないです。
    結果としてV3にはFig8のXのような波形が出ています。この波形のdは、C6と人体のコンデンサー容量で変化するわけで、この変化を検知してタッチセンサーにします。

  4. LPF

    まずFig.4を見ると、(C)LPFが遮断周波数(カットオフ周波数)が5Hz程度ときわめて低くなってます。
    そのため、位相差を検出した出力のV3に入力される約400kHzの矩形波は、その平均値であるDC成分を以外はフィルタを通過できません。
     
    そのためFig.9の矩形波Xをフィルタに入力すると、位相差に比例した直流の平均電圧(ピンク色の直線)が出力がFig.4のV4に出てきます。

    Photo_5
    Fig.9 平均電圧の出力

    このとき平均電圧Vaveは図5の周期Tと位相dを用いて

    Eqn2

    と表されます。位相差がd=0[s]のときは、Vave =0[V]、d=T/2[s]のとき(度数法で言う180°ずれたとき)Vave=5[V]でとなります。

  5. コンパレータ

    Fig.4の(d)の基準電圧生成部では、ボリューム(可変抵抗)を使って任意の0~2.5Vの電圧を作ります。

    これを(e)のコンパレータ回路を用いて電圧を比較している。(※オペアンプのLMV358をコンパレータとして使っています)
    この回路はFig.4の基準電圧よりもV4よりが高ければ0V、低ければ5Vというデジタル信号を出力します。

  6. 周辺回路と注意
    • コンパレータからの出力は、そのままでも良いのですが調整のしやすさなどを考えて発光ダイオード(LED)を光らせて出力をモニターできるようにします。LED1がそれに相当します。
    • R8は電流制限抵抗なので、ほしいLEDの明るさに応じて調整してください。1kΩだとすこしまぶしいです。
    • 抵抗R7は、オペアンプ保護のために入れています。JP1はコネクターです。私は3ピンのL字のコネクターを用いています。
    • 回路図上では"5V"や"GND"が点在しています。回路図上で明示されていませんがこれらはたとえば5Vは5V同士、GNDはGND同士ですべて接続されています。なぜ回路図上に描かれないかと、回路図が複雑になって読みにくくなるためです。
    • オペアンプやロジックICは"能動素子"なので動作させるにはエネルギーを供給する必要があります。明示されていませんが、ICには電源の5VとGNDをしっかりつなげてください。
    • ICを安定させて動作させるために、ICの5VピンとGNDピンの間に0.1μFのコンデンサーを付けてください。これをバイパスコンデンサーと呼びます。
    • 誤動作を防ぐために、Fig.4にあるようにLMV358の入力端子(5番と6番)はGNDに接続しておくこと。7番の出力はどこにもつなげてはいけません。
    • 面白いことに、このタッチセンサーは電極を絶縁しても動作します。私はアルミホイルの電極の上にセロハンテープを貼って絶縁しています。こうすることにより静電気放出(ESD)による回路の破損も避けることが出来ます。
    • 実はIC2個でタッチセンサーを2個構成することが出来ます。私が作った試作品(Ver.1)ではそうでした。ちょっと考えてみると面白いです。
  7. 調整方法

    タッチパッドに人体が触れていない状態で可変容量コンデンサーC6を調整し、V4が1[V]程度になるようにします。

    次に可変抵抗R21をまわして適当な感度、つまり人体がタッチパッドに触れたときのみLEDが点灯するように調整します。

  8. 部品リスト

    回路に用いた部品と詳細、購入先について表2に示します。

    表2 部品リスト

                                                   
     

    部品名

     
     

     
     

    購入先

     
     

    R1R8

     
     

    チップ抵抗(2125サイズ)

     
     

    サトー電気

     
     

    R21

     
     

    可変抵抗 コパルST-4TB-10K

     
     

    鈴商

     
     

    LED1

     
     

    青色2125サイズLED

     
     

    秋月電子通商

     
     

    C1,2,4,5

     
     

    チップキャパシタ(2125サイズ)

     
     

    サトー電気

     
     

    C6

     
     

    可変容量キャパシタ 京セラCTZ3E-40C

     
     

    鈴商

     
     

    74AC86F

     
     

    クアッドExOR TC74AC86F

     
     

    鈴商

     
     

    LMV358MM

     
     

    汎用オペアンプ LMV358 (MSOPパッケージ)

     
     

    秋月電子通商

     
  9. 参考文献
    1. デジタル IC で RC 発振器
      http://210.155.219.234/EleKey.htm
    2. タッチセンサ J-tokkyo
      http://www.j-tokkyo.com/2008/H03K/JP2008-017432.shtml
    3. Webで学ぶ 情報処理概論 EXOR 回路
      http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/glossary/exor_gate.html

| | コメント (6) | トラックバック (0)

終末の週末

土日はずっと家に引きこもってました。
久しぶりに予定が無いので、実験レポートとかたまっている課題とかを片付けようかと考えてました。

しかし…1つ目の課題である実験レポートがこの時間(夜中の0:18)になっても終わらないという…。
まあ、自宅は誘惑が多いので作業効率が悪いということもあるのですが、それにしても時間がかかりすぎだ。現在17ページ目に突入。

そうそう、うちのキャンパスにも学生が無料で自由に使えるレーザー加工機があることが分かりました。
またそこにはロボメカの加工場に似ていろいろ加工機がおいてあるとか。…なぜいままで気がつかなかったんだろう…。
ロボトレ時期に大活躍することでしょうwww

あぁ、レーザー加工機で歯車作りたい  :D)| ̄|_

そうそう、タッチセンサーの記事を書き始めました。

| | コメント (0) | トラックバック (0)

« 2009年6月 | トップページ | 2009年8月 »