LDC3114-Q1 は、このリファレンス デザインのタッチ ボタンの実装に使用する誘導性センシング IC です。この基板にはこのデバイスが 2 個実装されており、それぞれが 4 個のボタンを駆動します。LDC3114-Q1 は、誘導性コイルを使用して金属ターゲットの変化を判定します。金属ターゲットにかかる力によってボタン ケースにたわみが生じ、この変形が IC によって測定され、ボタンの押下を判断します。さらに、LDC3114-Q1 にはベースライン トラッキング アルゴリズムが搭載されており、ボタンの表面を監視して、温度の変化や表面の損傷などの環境要因に適応できます。このデバイスは、ボタンのデータが指定されたスレッショルドを超えたときにトリガされるデジタル出力も備えています。LDC3114-Q1 は変更可能な I2C アドレスを持っていないため、I2C スイッチ (PCA9543) を使用して両方のデバイスと通信します。これにより、各デバイスはボタン表面を監視するベースライン アルゴリズムを連続的に実行できます。

誘導性タッチ ボタンを実装するには、センサ コイルから一定の距離にある金属ターゲットが必要です。誘導性センサの一般的な設計理論以外にも、誘導性タッチ ボタンを設計するときに意識する必要のある設計上のいくつかの重要な検討事項があります。一部のボタン設計では、目的のタッチ面が金属ではありません。この場合、プラスチックなどの非導電性表面の裏側に、その設計で金属ターゲットとして機能する薄い金属プレーンを追加できます。センサ コイルと金属ターゲットの間の距離は、アプリケーションで要求されるボタン感度を得るための重要な要素です。このための一般的なガイドラインは、距離をコイル直径の 3%～20% の範囲内に維持することです。これにより、金属ターゲットが変形したときにセンサ コイルに触れないようにしながら、高い力感度を得られる位置に保持することができます。金属ターゲットがセンサ コイルから遠ざかると、ボタンの感度が低下し、適切なボタン出力を得るためにより多くの力が必要になる可能性があります。ターゲット距離は設計における重要な部分なので、コイル直径も設計の重要なパラメータになります。多くの場合このパラメータは、PCB 上に実装されるセンサ コイルのスペースに制約されます。この状態から、巻線数、パターン幅、パターン間隔、層数など、その他の要因がすべてコイル設計全体に影響します。パターンの幅と間隔は PCB 製造プロセスによって制限される可能性がありますが、インダクタ コイルの直列抵抗を変更したり、巻線数をより多くする場合にも役立ちます。内側の巻線は磁界にそれほど影響を与えないため、一般的には、巻数‍を調整して誘導性コイルの内径を 20～80% に設定することを推奨します。ただし、ボタン アプリケーションの場合、ターゲットの距離が十分近く、内側のコイルも役に立つため、巻き数を増やして内径を小さくすることを設計する際に検討することが可能です。ボタン設計の詳細については、『HMI ボタン アプリケーション用の誘導性タッチ システム設計ガイド』を参照してください。

このリファレンス デザインでは、ボタンの機械的構造を 3D プリントしたハウジング、PCB、金属テープで構成し、ターゲット表面を実現しています。この設計では、ボタン用の PCB のスペースは問題とならないため、コイル設計では直径を 8mm としました。残りのコイル パラメータの決定には、LDC カリキュレータ ツール スプレッドシートを使用しました。パターンの幅と間隔は 5 ミル、層ごとの巻き数は 8 としました。これにより、コイルの内径は 4mm よりわずかに小さくなります。これは、コイルの充填率 (内径を外径で割った値) で約 50% になります。ほとんどのボタン設計では、コイルの充填率を最小化することで感度を高めることができますが、有益な効果を得るには、ターゲットの表面をコイルのすぐ近くに配置する必要があります。それ以外の場合は、充填率を 20%～80% に維持して、設計の Q 値を最大化するのが最善です。これは 2 層基板なので、コイル設計の層数は 2 に設定されています。このセンサ設計の容量として 220 pF を選択し、周波数を 8.396MHz とします。

図 2-2 TIDA-060039 LDC センサ コイルのレイアウト

コイルの直径に基づき、ターゲットとコイルの距離を 0.8mm とします。これにより、ターゲットはコイル直径の 3%～20% の範囲内 (推奨) に十分に収まり、ボタン表面に力が加わったときに高い感度が得られます。カリキュレータのスプレッドシートでは、ターゲットの距離を入力して設計の選択肢を再確認できます。ターゲットが 0.8mm の場合、センサ周波数は 11.081MHz、Q 値 は 26 となります。スプレッドシートには、いずれかの最終パラメータがデバイスの範囲外である場合に警告が表示されますが、この場合、警告は表示されません。

ボタン表面は 3D プリントされているため、ボタン設計で必要とされるスペーサーも、独立したスペーサー材料ではなく、ボタン表面に含まれています。スタンドオフとボタンの表面はどちらも厚さ 1mm で、多少の柔軟性があり、必要に応じてターゲットの高さを設定可能です。次に、金属テープをスタンドオフの間のボタン表面に付け、ボタン表面に力が加わったときに所望の領域が変形するようにします。ターゲットは、テープの厚さによってセンサ コイルから約 0.8mm 離れた場所に配置されます。

図 2-3 誘導性タッチ ボタン スタックアップ

ボタン表面の材質は、金属ターゲットの変形量に影響を及ぼします。硬い材料や力を吸収する材料ではたわみが少なくなり、ボタン押下を検出するためにより多くの力が必要になります。これは、ボタン表面の厚さを考慮する場合にも関係してきます。LDC カルキュレータ ツール スプレッドシートには、材料のヤング率とポアソン比がわかっている場合に、材料のたわみを決定するためのタブがあります。この設計はナイロン 12 を使用して 3D プリントされているため、表面に 2N の力を加えると約 20μm のたわみが発生すると予想されます。そもそも、ターゲットがセンサに非常に近いため、このボタン設計ではこれは十分なたわみ量です。

ボタン表面の内側に金属テープまたは小さな金属ターゲットを使用することで、ボタン製造時に金属以外の材質を使用することができます。性能は、ターゲットに使用する金属によって異なります。ボタンの感度を最大限に高めるには、導電性の高い金属を使用します。このため、導電性が高く、ボタン設計のスペーサー内に収まるように簡単に切断できる銅テープとアルミニウムテープは、どちらも有力な選択肢です。別の方法は、ボタン表面に金属層を取り付け、図 2-4 に示すように金属層と PCB センサとの間にスペーサーを配置することです。ボタン設計の詳細については、『HMI ボタン アプリケーション用の誘導性タッチ システム設計ガイド』アプリケーション ノートを参照してください。

図 2-4 非導電性タッチ ボタンの代替スタックアップ例