amsOSRAM Optical Forceセンサーのご紹介

近年のHMI設計では、見た目の美しさだけでなく、誤操作を抑えながら確実に入力を検知できることが求められています。
とくに車載機器や産業機器、家電の操作部では、濡れた手や手袋での操作、金属や厚みのある加飾パネルの採用、さらにはEMI環境下での安定動作まで考慮しなければなりません。従来の機械スイッチや静電容量方式ではこうした要求を同時に満たすことが難しい場面も増えています。
そこで注目されているのが、光学的な検出方式により押圧による微小なカバー素材の“たわみ”を光量変化として検知できる Optical Force Sensor（以下、OFS）です。光学的に押下を検知するため、導電性の有無に依存しにくく、金属や木材を含む多様な表面材に適用しやすい点が大きな特長です。
本記事ではOFSの検出原理と設計上の要点をまとめつつ、amsOSRAM社のOFS製品であるAS7100の技術的特長とユースケースについて紹介します。

OFSとは？

OFSとは、赤外光を用いてカバー材など対象物の微小なたわみ（変位）を検出し、その変化量を高精度で計測する光学式のセンサーです。その変化は人の目ではほとんど分からないほど小さいものですが、光の反射量や戻り方には差として現れます。OFSはこの差を電気信号に変換し、押されたかどうか、どの程度の力が加わったかを判断します。電極への直接接触を前提としないため、金属、樹脂、ガラス、木材など、意匠性を重視したさまざまなカバー材に展開しやすい点が特徴です。

OFS製品の基本原理

OFSによるたわみ（変位）検出は、主に以下の手順で行われます。

amsOSRAM社OFS製品：AS7100の主な特徴

amsOSRAM社が提供するOFS製品であるAS7100はOFS実現に必要な発光部、受光部、駆動回路、信号処理回路を1パッケージに集約し、OFSの実装ハードルを下げたデバイスです。4.0 mm x 3.05 mm x 0.7 mmの小型パッケージでこれらの機能を実現しているため、限られたスペースでも複数個並べて使用することが可能です。
また、解像度の高いADCを採用していることから高い変位分解能を活かせる点も大きな特徴です。微小なたわみを捉えられるため、単なるオン・オフ判定だけでなく、軽く触れた状態としっかり押し込んだ状態を分けて扱う設計にもつなげやすくなります。
たとえば、1回の操作面でソフトプレスとハードプレスを分ける多段階入力や、押し込み量に応じて機能を切り替えるUI設計が検討しやすくなります。これは、ボタン数を増やさず操作性を高めたい製品などにも有効です。
さらに、AEC‑Q102‑003の車載品質に準拠しているため高信頼性を求められる車載アプリケーションにも採用することができます。主な特徴を以下に記載します。

• 高精度16 bit ADC内蔵（最大75 dB SNR）
• 最大1 µmレベルの変位分解能（カバー材の材質やセンサーとの距離により分解能は変化します）
• 250 mAまで設定可能な内蔵LED Driver
• 最大400 KHzのI2Cインターフェイス
• 256 byteのFIFOメモリー搭載
• AEC-Q102-003準拠
• 小型パッケージ：4.0 mm x 3.05 mm x 0.7 mm

想定されるユースケース

ステアリングホイール部スイッチ

家電・産業機器のフラット操作