JP2017531182A - 静電容量センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、対象物の接近を平面的に検出するための静電容量センサに関し、当該静電容量センサは、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。静電容量センサは、好ましくは回路担体及び／又はスペーサ要素及び／又は支持体を含む。この場合、回路担体は曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、及び／又は、スペーサ要素は曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、及び／又は、支持体は曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。回路担体は、好ましくは基板として形成されており、静電容量センサの導電面の電気的コンタクトのために使用される。スペーサ要素は、導電面と回路担体との間に配置されている。支持体は、静電容量センサを機械部品に、特に産業用ロボットの機械部品に結合させるために構成されている。

Description

技術分野
本発明は、対象物の接近を平面的に検出するための静電容量センサに関する。

独国特許出願公開第１０２００９０２９０２１号明細書（DE102009029021A1）及び独国特許出願公開第１０２０１００６４３２８号明細書（DE102010064328A1）から、少なくとも１つの静電容量センサエレメントによって機械部品の周囲を監視するためのセンサシステム及び評価方法が公知であり、この静電容量センサエレメントは、機械又は機械部品の表面に取り付けることが可能である。静電容量センサエレメントは、柔軟な導電層と電気絶縁層の層構造体からなる。ここでは、相互に整列された複数の静電容量センサエレメントが１つのセンサスキンを形成しており、このセンサスキンは、保護されるべき機械部品の上にジャケットのように被せることができる。

独国特許出願公開第１０２００９０２９０２１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００６４３２８号明細書

発明の開示
発明の利点
独立請求項に記載の特徴を有する本発明に係る静電容量センサは、頑強な構造において優れている。このことによる利点は、こうすることによって機械部品に関して、特にメカトロニクスシステム又は取扱操作装置に関して、特にリニア軸に関して、ロボットに関して、搬送システムに関して、又は、ロボットのグリッパに関して、迅速且つ確実に監視することが可能な大型の剛性の静電容量センサを製造することが可能となることである。本発明に係る静電容量センサはさらに、取り付けられた静電容量センサを簡単に交換することが可能であるという利点を有する。さらには、取り外した状態において簡単なモジュールテストが可能である。

剛性とは、外部作用による変形に対して本体がどの程度の抵抗力を発揮することができるかを表したパラメータである。外部作用の種類に基づいて、特に曲げ剛性と捩り剛性とが区別される。曲げ剛性は、断面二次モーメントＩ_Ｆと弾性率Ｅの積として定義されている。従って、曲げ剛性は、断面形状（部品の形状）と材料自体（弾性率）との両方に依存している。これに対して、捩り剛性は、ねじり慣性モーメントＩ_Ｔと材料の剪断弾性率Ｇとの積として定義されている。従って、捩り剛性も、部品と材料とに依存している。これに代えて、剛性は、平均弾性率と厚さとによって定義される。曲げ剛性体及び／捩り剛性体の材料の全体厚さが２ｍｍの場合には、２００ＭＰａの弾性率を有するポリウレタンでも既に曲げ剛性又は捩り剛性を有し、その一方で、２４００ＭＰａの弾性率を有するポリカーボネートも、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体である。２１００００Ｍｐａの弾性率を有する鋼は、厚さ２ｍｍの場合にも曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体である。少なくとも１つのエレメントの、又は、少なくとも２つの個々のエレメントからなる複合体の、特に回路担体及び／又はスペース要素及び／又は支持体及び／又は封止された静電容量センサからなる複合体の、厚さと弾性率の積が、２００ＭＰａ ｍｍよりも大きい場合、好ましくは１８００Ｍｐａ ｍｍよりも大きい場合、特に４０００Ｍｐａ ｍｍよりも大きい場合には、静電容量センサは、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体とされる。

静電容量センサは、少なくとも２つの導電面を有し、前記少なくとも２つの導電面は、相互に隣り合っており、且つ、相互に絶縁されており、前記少なくとも２つの導電面は、対象物の接近時に静電容量の値が変化するように１つの電気容量を形成する。これらの導電面の間の空間では、静電容量の充電後、これらの導電面の間に電気力線の形態で電界が形成される。対象物が接近するとこの電界が阻害され、これにより電気力線の空間分布が変化し、その結果として、対象物が接近すると静電容量の値が測定可能に変化する。このことによる利点は、センサに接触する必要なく、接近するだけで既に対象物が検出可能となることである。従って、接近する対象物が早期に検出される。

特に有利には、静電容量センサの回路担体、特に基板は、それ自体単独で既に曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されており、これによって静電容量センサ全体が曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になる。回路担体を曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成することは、静電容量センサの低コスト化に寄与するという利点を有する。なぜなら回路担体は大量生産品であり、従って低コストの部品だからである。

有利には、静電容量センサのスペーサ要素は、それ自体単独で既に曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されており、これによって静電容量センサ全体が曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になる。遮蔽電極と静電容量の導電面との間に設けられるスペーサ要素を曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成することは、こうすることによって曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体を低コストに創出することが可能となるという利点を有する。このことは、スペーサ要素に対するその他の要件を低くして、低コストの材料を使用可能にすることによって実現されている。熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチックを使用することが特に有利である。スペーサ要素は、好ましくは１．５未満、好ましくは１．１未満、特に１．０１未満の誘電率を有する。スペーサ要素は、好ましくは発泡プラスチック及び／又はウェブ及び／又は発泡ゴムからなる。

曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体でない基板が、同じく曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体でないスペーサ要素、例えば発泡ゴムを有する実施形態は、特に有利である。この場合には、この曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体でない基板と、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体でないスペーサ要素とを例えば接着によって結合させることにより、基板とスペーサ要素とからなるこの複合体が曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になる。

特に有利には、導電面は、導電性の接続部を介してスペーサ要素を貫通して回路担体とコンタクトさせられている。なぜならこのことは、別個の電気的な接続部が不要となるので、構造のコンパクト化に寄与するからである。

有利には、静電容量センサの支持体は、それ自体単独で既に曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されており、これによって静電容量センサ全体が曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になる。支持体を製造するために確立された製造方法を使用することが可能となるので、このことは、静電容量センサを低コストに製造可能にするために寄与する。

特に有利には、静電容量センサは、当該静電容量センサを封止することによって、及び／又は、当該静電容量センサを発泡充填することによって曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。封止又は発泡充填は、静電容量センサを湿気のような環境影響に対して特にロバストにするために追加的に寄与する。

有利にはさらに、導電面のうちの少なくとも２つは、０°乃至１３５°の間の角度で、好ましくは４５°乃至９０°の間の角度で相互に傾斜させられている。このことは、機械部品の角部も監視可能にするために寄与する。

特に有利には、静電容量センサは、少なくとも３つの導電面、好ましくは４つの導電面を有し、これらの導電面は、少なくとも２つの電気容量を形成するように接続されており、前記導電面は、２つの電気容量の、電気力線によって形成される検出範囲同士が少なくとも部分的に重畳するように配置されている。このことにより、同じ１つの空間領域を冗長的に監視することが可能となり、ひいては、２つの独立した測定装置によって対象物の接近を冗長的に監視することが可能となり、従って、１つの測定装置が故障した場合にもなお、対象物の接近が確実に検出される。

特に有利には、本発明に係る静電容量センサは、ロボットにおいて、特に産業用ロボットにおいて使用される。なぜならこうすることによって、人間と、ロボットの可動の機械部品とが、同じ時間に同じ作業空間において安全な動作で一緒に働くことが可能となるからである。このことは、一方では、静電容量センサが実質的にロボットの可動の機械部品の表面全体を被覆することによって実現され、他方では、接触によるコンタクトの必要性なしに対象物の接近が早期に検出されることによって実現される。

さらなる利点は、図面に関連した実施例に関する以下の記載、及び、従属請求項から明らかとなる。

図面の簡単な説明
本発明の複数の実施例を複数の図面に基づいて図示し、以下の記載においてより詳細に説明する。

第１実施例における静電容量センサのセンサエレメントの構造を示す図である。 第２実施例における静電容量センサのセンサエレメントの構造を示す図である。 第３実施例における静電容量センサのセンサエレメントの構造を示す図である。 電気的コンタクトを説明するためのセンサエレメントの概要図である。 静電容量センサのセンサセグメントの構造を示す図である。 第１実施例における静電容量センサを有する機械部品を示す図である。 第２実施例における静電容量センサを有する機械部品を示す図である。 第３実施例における静電容量センサを有する機械部品を示す図である。 第４実施例における静電容量センサを有する機械部品を示す図である。 センサエレメントを対象物と共に示す図である。

実施例の説明
以下では、対象物の接近を平面的に検出するための静電容量センサについて説明され、静電容量センサは、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。静電容量センサは、好ましくは回路担体及び／又はスペーサ要素及び／又は支持体を含む。この場合、回路担体は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、及び／又は、スペーサ要素は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、及び／又は、支持体は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。回路担体は、好ましくは基板（ボード）として形成されており、静電容量センサの導電面の電気的コンタクトのために使用される。スペーサ要素は、導電面と回路担体との間に配置されている。支持体は、静電容量センサを機械部品に、特に産業用ロボットの機械部品に結合させるために構成されている。

図１は、第１実施例における静電容量センサのセンサエレメント１０の構造を示す。センサエレメント１０は、回路担体１４を含む層構造体からなる。本実施例では、回路担体１４は、曲げ剛性体及び捩り剛性体の基板として形成されている。本実施例の１つの変形形態では、回路担体１４は、フィルムとして柔軟に形成されている。回路担体の厚さは、フィルムの場合の３０μｍと、曲げ剛性体及び捩り剛性体の基板の場合の数ミリメータ、好ましくは２ｍｍとの間である。曲げ剛性体及び捩り剛性体の基板は、好ましくは５００μｍの厚さを有する。本実施例では、回路担体１４の裏側に導体路２２が固定的に配置されており、この導体路２２は、センサエレメント１０の表側に配置された導電面１２を、評価ユニット２４の図示されていない電気素子に電気的に接続させる。回路担体１４の表側には導電性の遮蔽電極２０が配置されている。遮蔽電極２０は、導電面１２に面している。遮蔽電極２０は、回路担体１４の下に配置された評価ユニット２４の電磁遮蔽のために使用される。遮蔽電極２０の上にはスペーサ要素１８が配置されている。本実施例では、スペーサ要素１８は、低誘電率の非導電性の平坦な材料（プレート材料）からなる。スペーサ要素１８は、好ましくは発泡状の有機材料及び／又は発泡状の無機材料からなる。本実施例では、スペーサ要素１８は、柔軟に形成されている。本実施例の１つの変形形態では、スペーサ要素は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。スペーサ要素１８は、導電面１２と遮蔽電極２０との間において規定された間隔を保証する。スペーサ要素１８の上には別の回路担体１６が配置されている。本実施例では、この別の回路担体１６は、基板又はフィルムとして形成されている。別の回路担体１６の上には、Ａ１及びＢ１としてマーキングされた導電面１２が被着されている。導電面１２は、導電性材料、特に銅からなる。本実施例の１つの変形形態では、導電面１２は、別の回路担体１６を使用することなく導電性材料、特に銅からなる中実の面として形成されている。この場合には、導電面１２は、スペーサ要素１８の表側に直接的に被着されている。Ａ１及びＢ１が付された２つの導電面１２は、１つの電気容量を形成しており、静電容量の充電後、これら２つの導電面１２の間に電界が形成される。ここで、この電界に対象物が侵入すると、静電容量が測定可能に変化し、これによって対象物の接近が検出される。本実施例では、センサエレメント１０は、図示されていないＡ２及びＢ２が付された別の２つの導電面１２を有する。この場合には、これら４つの導電面１２は、２つの電気容量の、電気力線によって形成される検出範囲同士が少なくとも部分的に重畳するように配置されている。従って、センサエレメント１０は、冗長的に２チャネル式に構成されている。

図２は、第２実施例における静電容量センサのセンサエレメント１０の構造を示す。第２実施例は、第１実施例に関して説明した変形形態の点においても、第１実施例に一致している。但し、スペーサ要素１８の構造だけが異なっている。第２実施例のセンサエレメント１０も、Ａ１及びＢ１が付された２つの導電面１２からなり、これら２つの導電面１２は、１つの電気容量を形成する。導電面１２は、別の回路担体１６を介して又は直接的に、スペーサ要素１８に接続されている。センサエレメント１０はさらに、導体路２２を有する回路担体１４と、評価ユニット２４と、遮蔽電極２０とを含む。本第２実施例では、スペーサ要素１８は、非導電性材料からなるグリッドからなり、従ってこのグリッドは、静電容量センサの作用原理に対する阻害的な影響を有さない。本第２実施例でも、スペーサ要素１８は、柔軟に形成されている。本第２実施例の１つの変形形態では、スペーサ要素は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。第２実施例におけるセンサエレメント１０の機能性は、第１実施例におけるセンサエレメント１０の機能性と一致している。本第２実施例でも、センサエレメント１０は、図示されていないＡ２及びＢ２が付された別の２つの導電面１２を有する。この場合、これら４つの導電面１２は、２つの電気容量の、電気力線によって形成される検出範囲同士が少なくとも部分的に重畳するように配置されており、Ａ１及びＢ１が付された導電面１２、並びに、Ａ２及びＢ２が付された導電面１２がそれぞれ１つの静電容量、ひいては１つの検出範囲を形成している。従って、第２実施例のセンサエレメント１０も、冗長的に２チャネル式に構成されている。なぜなら、静電容量によって検出される空間領域同士が重畳しているからである。

図３は、第３実施例における静電容量センサのセンサエレメント１０の構造を示す。第３実施例は、第１実施例又は第２実施例に基づいており、封止材料２６を使用する点を除いて第１実施例又は第２実施例に一致している。本第３実施例では、センサ層構造体、特に導電面１２及び／又は回路担体及び／又は別の回路担体及び／又はスペーサ要素及び／又は遮蔽電極２０及び／又は回路担体上の導体路は、硬化性の封止材料２６によって強固に封止されており、従って、静電容量センサは、封止材料２６によって曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になっている。１つの変形形態では、封止材料２６の代わりにゲルが使用される。別の１つの変形形態では、これに代えて発泡体、特に硬化性の発泡体が使用され、これによってセンサ層構造体は、発泡充填されている。第３実施例の１つの変形形態では、センサ層構造体、特に導電面１２及び／又は回路担体及び／又は別の回路担体及び／又はスペーサ要素及び／又は遮蔽電極２０及び／又は回路担体上の導体路は、封止材料２６に代えて又はこれに加えて、ハウジング内に取り付けられている。第３実施例のセンサエレメント１０も、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，及びＢ２が付された４つの導電面１２を含み、この場合には、Ａ１及びＢ１が付された導電面１２、並びに、Ａ２及びＢ２が付された導電面１２がそれぞれ１つの静電容量、ひいては１つの検出範囲を形成している。これらの導電面１２の下側には遮蔽電極２０が配置されている。封止材料２６は、好ましくは発泡ゴム及び／又は発泡材料及び／又はポリウレタン（ＰＵ）及び／又はポリエチレン（ＰＥ）及び／又はポリプロピレン（ＰＰ）からなる。

図４は、第１実施例に基づく電気的コンタクトを説明するためのセンサエレメント１０の概要図を示す。例示的に図示された、電極として使用されるＡ１が付された導電面１２は、別の１つの図示されていない導電面と共に１つの静電容量を形成しており、柔軟な電気導体２８を介して、スペースホルダ１８の孔部３０を通って、及び／又は、回路担体１４の孔部３０を通って、回路担体１４の下側に配置された導体路２２に接続されている。従って、導電面１２は、評価ユニット２４に電気的に接続されている。これに代えて又はこれに加えて、導電面１２と導体路２２との間の電気的接続は、剛性の導電性の要素、特にピンによって形成され、及び／又は、導電性プラスチックによって形成される。導電性プラスチックは、好ましくはジェット方法によって被着される。

図５は、複数のセンサエレメント１０からなる静電容量センサのセンサセグメント３２の構造を示す。これらのセンサエレメント１０は、電気的な接続部３４を介して相互に電気的及び／又は機械的に接続されて１つのセンサセグメント３２を形成している。センサセグメント３２は、少なくとも１つの電気的なプラグコネクタ３６、好ましくは２つの電気的なプラグコネクタ３６を有し、これらのプラグコネクタ３６によって、このセンサセグメント３２を別のセンサセグメント３２に電気的及び／又は機械的に接続させることが可能となる。

図６は、第１実施例における静電容量センサを有する機械部品４０を示す。静電容量センサを有する機械部品４０の本第１実施例では、先行する実施例に基づいたセンサセグメント３２又はセンサエレメントが、支持体４２に対して外側に配置されるように、且つ、機械部品４０を完全に取り囲むように、支持体４２に機械的に結合されて１つの静電容量センサを形成している。センサセグメント３２又はセンサエレメントは、特に接着及び／又はねじ留め及び／又は挟着によって支持体に機械的に固定的に結合されている。個々の支持体４２は、結合部４４、特に角結合部を介して相互に結合されている。支持体４２は、好ましくは固体材料からなり、これによって支持体４２は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。支持体４２は、形状的な結合及び／又は力学的な結合によって機械部品４０に機械的に結合されている。これに代えて又はこれに加えて、支持体は、結合技術によって、特にねじ留め及び／又は狭着及び／又は接着及び／又は溶接によって機械部品４０に固定的に結合されている。本第１実施例では、センサセグメント３２又はセンサエレメントに外側に向かって保護要素４６が設けられている。保護要素４６は、非導電性の材料、及び／又は、低誘電率の材料、及び／又は、薄い厚さを有する材料、及び／又は、周囲条件、特に温度及び湿度の変化時及び材料の劣化時に一定の誘電率を有する材料からなる。保護要素４６は、好ましくは発泡プラスチック、特にポリウレタン（ＰＵ）及び／又はポリエチレン（ＰＥ）及び／又はポリプロピレン（ＰＰ）からなり、好ましくは２乃至１０ｍｍ、好ましくは４ｍｍの厚さを有する。

図７は、第２実施例における静電容量センサを有する機械部品４０を示す。静電容量センサを有する機械部品４０の本第２実施例では、先行する実施例に基づいたセンサセグメント３２又はセンサエレメントが、支持体４２に対して内側に配置されるように、且つ、機械部品４０を取り囲むように、支持体４２に機械的に結合されて１つの静電容量センサを形成している。センサセグメント３２又はセンサエレメントは、特に接着及び／又はねじ留め及び／又は挟着によって支持体に機械的に固定的に結合されている。個々の支持体４２は、結合部４４、特に角結合部を介して相互に結合されている。支持体４２は、形状結合及び／又は力結合によって機械部品４０に機械的に結合されている。これに代えて又はこれに加えて、支持体は、結合技術によって、特にねじ留め及び／又は狭着及び／又は接着及び／又は溶接によって機械部品４０に固定的に結合されている。これに代えて又はこれに加えて、支持体４２は、結合部４４に結合されており、この結合部４４が、形状結合及び／又は力結合によって機械部品４０に機械的に結合されている。本第２実施例では、支持体４２は、非導電性の材料、及び／又は、低誘電率の材料、及び／又は、薄い厚さを有する材料、及び／又は、周囲条件、特に温度及び湿度の変化時及び材料の劣化時に一定の誘電率を有する材料からなる。支持体４２は、好ましくは固体材料からなり、これによって支持体４２は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている。支持体４２は、特に好ましくはポリカーボネート又はポリプロピレンからなり、好ましくは１乃至１０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ、特に好ましくは３ｍｍの厚さを有する。

先行する実施例の支持体４２及び／又はセンサセグメント３２及び／又はセンサエレメントは、好ましくは平坦である。これに代えて、先行する実施例の支持体４２及び／又はセンサセグメント３２及び／又はセンサエレメントは、任意の形状の面を形成している。

静電容量センサの曲げ剛性及び／又は捩り剛性は、曲げ剛性体及び又は捩り剛性体の支持体によって、及び／又は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体の回路担体によって、及び／又は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体のスペーサ要素によって、及び／又は、これらの要素の組み合わせによって実現される。

図８は、第３実施例における静電容量センサを有する機械部品４０を示す。センサセグメント３２は、図３に基づいて構成されており、特に封止材料によって封止されている。センサセグメント３２又はセンサエレメントは、形状的な結合及び／又は力学的な結合によって機械部品４０に機械的に結合されている。これに代えて又はこれに加えて、センサセグメント３２又はセンサエレメントは、結合技術によって、特にねじ留め及び／又は狭着及び／又は接着及び／又は溶接によって機械部品４０に固定的に結合されている。静電容量センサを有する機械部品４０の本第３実施例では、センサセグメント３２又はセンサエレメントに外側に向かって保護要素４６が設けられている。保護要素４６は、非導電性の材料、及び／又は、低誘電率の材料、及び／又は、薄い厚さを有する材料、及び／又は、周囲条件、特に温度及び湿度の変化時及び材料の劣化時に一定の誘電率を有する材料からなる。

電極として構成される導電面は、好ましくは四角形に形成されている。これに代えて又はこれに加えて、導電面は、三角形として形成されている。別の１つの変形形態では、導電面は、丸形及び／又は多角形として形成されている。センサエレメントは、好ましくは２チャネル式に構成されており、少なくとも３つ、好ましくは４つの導電面を有しており、これらの導電面は、導電面同士の接続によって形成される少なくとも２つの静電容量の電気力線が１つの共通の空間領域を覆うように、配置及び接続されている。

図９は、第４実施例における静電容量センサを有する機械部品４０を示す。本第４実施例では、Ａ１，Ｂ１，Ａ２，及びＢ２が付された導電面１２（電極）は、１つの平面上には配置されておらず、第１平面上にそれぞれ２つの電極が配置されており、第２平面上に別の２つの電極が配置されている。第２平面は、第１平面に対して傾斜させられており、好ましくは０°乃至１３５°の間、特に４５°乃至９０°の間の角度αで配置されている。好ましくは、電極Ａ１／Ｂ１が１つの静電容量を形成し、電極Ａ２／Ｂ２が１つの静電容量を形成し、これによって機械部品４０の縁部３８の空間領域が、対象物の接近に関して２チャネル式に監視される。別の１つの変形形態では、導電面１２は湾曲した面であり、及び／又は、導電面１２は機械部品４０の湾曲した面に取り付けられている。

図１０は、センサエレメント１０を対象物５０と共に示す。センサエレメント１０は、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，及びＢ２が付された４つの導電面１２を有する。この場合、Ａ１及びＢ１が付された導電面１２は、第１静電容量を形成する。Ａ１及びＢ１が付された導電面１２の間に電圧が印加された後、これらの導電面１２の間には電気力線４８を有する電界が形成される。相応にして、Ａ２及びＢ２が付された導電面１２は、第２静電容量を形成する。Ａ２及びＢ２が付された導電面１２の間に電圧が印加された後、これらの導電面１２の間にも電気力線４８を有する電界が形成される。この場合に好ましくは、２つの静電容量の電界は、時間的に交互に形成される。１つの変形形態では、２つの静電容量の電界は、同一の時点に形成される。対象物５０が接近すると、２つの導電面１２の間の静電容量が変化し、これによって対象物５０の接近が検出される。この場合には、対象物５０がセンサエレメント１０に接触する必要はなく、むしろ、対象物５０が導電面に接近するだけで既に、導電面１２のパラメータに応じた静電容量の変化が発生する。この場合、センサの検出範囲は、２つの電極の間隔とほぼ同じ大きさである。検出範囲は、好ましくは１ｍｍ乃至３００ｍｍの間である。

以下では、静電容量センサをロボットにおいて使用した場合に、センサエレメントが如何にして対象物の接近、特に人体の一部の接近をコンデンサの静電容量の値の変化に基づいて検出するかについて例示的に説明する。なお、コンデンサは、２つの導電面と、誘電体としての開かれた電界空間とによって形成される。センサエレメントの開始時に、監視すべき静電容量が測定され、一度だけ開始値Ｃ_ｉｊ０として保存される。監視すべき静電容量Ｃ_ｉｊは、動作中に一定の時間グリッドで、典型的には１００Ｈｚ乃至１０００Ｈｚで周期的に測定される。このデータを評価することによって、接近に関する情報を導出することができる。以下では、好ましい２つの方法について説明するが、これら２つの方法は相互に補い合うことができ、従って、これら２つの方法を同時に使用することが可能である。これら２つの方法のうちの少なくとも一方が接近を検出すると、接近の報告がなされる。

ａ）静的な接近検出
少なくとも１つの静電容量Ｃ_ｉｊに関して、以下の式：
｜（Ｃ_ｉｊ−Ｃ_ｉｊ０）／Ｃ_ｉｊ０｜＞Ｔ_ｓｔａｔ；
Ｃ_ｉｊ：静電容量の実際の測定値；
Ｃ_ｉｊ０：開始時に保存された測定値；
Ｔ_ｓｔａｔ：適用可能な閾値（単位：％）；
が当てはまる場合には、接近が検出される。
すなわち、静電容量の少なくとも１つの測定値Ｃ_ｉｊが、その開始値からＴ_ｓｔａｔよりも大きく相違すると、接近が検出される。なお、Ｔ_ｓｔａｔの典型的な値範囲は、１０％乃至５０％である。

ｂ）動的な接近検出
少なくとも１つの静電容量Ｃ_ｉｊに関して、以下の式：
ｄ（Ｃ_ｉｊ／Ｃ_ｉｊ０）／ｄｔ＞Ｔ_ｄｙｎ；
ｄｔ：観察期間
Ｔ_ｄｙｎ：適用可能な閾値（単位：％／秒）
が当てはまる場合には、接近が検出される。
すなわち、任意の期間ｄｔにおける静電容量の少なくとも１つの測定値Ｃ_ｉｊが、（Ｔ_ｄｙｎ×ｄｔ）よりも大きい変化を有すると、接近が検出される。なお、ｄｔの典型的な値範囲は０．１秒乃至１秒であり、Ｔ_ｄｙｎの典型的な値範囲は１０％／秒乃至１００％／秒である。Ｔ_ｄｙｎ及びＴ_ｓｔａｔの値は、システムアプリケーションにおいて規定される。

典型的には、多数のセンサエレメントに対して統一的なデータを使用することができ、特別な場合には、個々のセンサエレメントに対して限界値を個別的に規定することもできる。静電容量の変化は接近時に著しく増大するので、動的な接近検出は、速度が速い場合には大きいスイッチング距離を引き起こし、速度が遅い場合には小さいスイッチング距離を引き起こす。このことは、速度が速い場合にはより大きい制動距離が必要となるという物理法則に合致している。従って、動的関数によってロボットの無衝突動作が促進される。それと同時に、速度が遅い場合における誤作動が回避される。なぜなら、静電容量の緩慢な変化は、閾値Ｔ_ｄｙｎの超過を引き起こさないからである。従って例えば、機械部品が静電容量センサの近傍で規定通りに緩慢に動作する場合には、誤作動は引き起こされない。静的な接近検出は、速度が遅い場合にも本体部品の衝突を回避する。なぜなら、Ｔ_ｓｔａｔによって規定された最小距離を下回っている場合には、常に確実な機械停止が実行されるからである。

静電容量の所定の変化速度の場合、及び／又は、静電容量が上述した限界値を下回る又は上回る場合には、このことから、センサエレメントと対象物、例えば人との間における衝突の危険性を含む接近が推定される。

センサエレメントの評価ユニットの回路部分は、静電容量の測定値を電気信号に変換し、この電気信号を図面には図示されていない中央制御ユニットに伝送する。評価ユニットは、好ましくはセンサエレメントの安全性に関連する全ての機能をチェックするための周期的な自己診断を実施する。センサエレメントの全ての評価ユニットは、エネルギ伝送及びデータ伝送用の電気線路を介して中央制御ユニットに接続されている。

相互に整列された複数のセンサエレメント又はセンサセグメントは、好ましくは１つの平坦な静電容量センサを形成し、この静電容量センサは、機械部品の周囲空間を対象物の接近に関して監視可能となるように、機械部品の外側表面、特にロボットの外側表面、特に好ましくは機械部品であるロボットアームを全面的に被覆している。

記載された静電容量センサ又はセンサセグメント又はセンサエレメントは、種々異なる用途分野において使用することができ、例えばロボット、特に産業用ロボット又はサービスロボットにおいて、並びに、モバイルプラットフォームにおいて、自動車、特に無人車両において、医療技術において、及び／又は、娯楽産業において使用することができる。

Claims (15)

1. 対象物（５０）の接近を平面的に検出するための静電容量センサにおいて、
   前記静電容量センサは、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、
   ことを特徴とする静電容量センサ。
2. 前記静電容量センサは、少なくとも２つの導電面（１２）を有し、前記少なくとも２つの導電面（１２）は、相互に横方向に離間して配置されており、特に隣り合っており、且つ、相互に絶縁されており、
   前記少なくとも２つの導電面（１２）は、対象物（５０）の接近時に静電容量の値が変化するように１つの電気容量を形成する、
   請求項１に記載の静電容量センサ。
3. 前記静電容量センサは、回路担体（１４）を有し、
   前記回路担体（１４）は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、
   請求項１又は２に記載の静電容量センサ。
4. 前記回路担体（１４）は、導体路（２２）を有する基板として形成されており、
   前記回路担体（１４）は、前記導電面（１２）を電気素子とコンタクトさせる、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
5. 前記静電容量センサは、スペーサ要素（１８）を有し、
   前記スペーサ要素（１８）は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
6. 前記スペーサ要素（１８）は、前記導電面（１２）と前記回路担体（１４）との間に配置されている、
   請求項４のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
7. 前記導電面（１２）は、導電性の接続部を介して前記スペーサ要素（１８）を貫通して前記回路担体（１４）とコンタクトさせられている、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
8. 前記静電容量センサは、支持体（４２）を有し、
   前記支持体（４２）は、曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体に形成されている、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
9. 前記支持体（４２）は、前記静電容量センサが当該支持体（４２）を介して機械部品（４０）に接続可能となるように構成されている、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
10. 前記静電容量センサは、別の回路担体（１６）を有し、
    前記別の回路担体（１６）は、基板又はフィルムとして形成されており、
    前記導電面（１２）は、前記別の回路担体（１６）の上に配置されている、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
11. 前記静電容量センサは、当該静電容量センサを封止することによって、及び／又は、当該静電容量センサを発泡充填することによって、及び／又は、当該静電容量センサをゲルに埋め込むことによって初めて曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になっている、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
12. 前記静電容量センサは、少なくとも２つの相異なる層の複合体からなり、但し、各層自体は曲げ可能であり、前記静電容量センサは、前記２つの相異なる層を結合することによって初めて曲げ剛性体及び／又は捩り剛性体になっており、
    前記層は、特に回路担体及び／又はスペーサ要素及び／又は支持体及び／又は別の回路担体である、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
13. 前記導電面（１２）のうちの少なくとも２つは、０°乃至１３５°の間の角度で、好ましくは４５°乃至９０°の間の角度で相互に傾斜させられている、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
14. 前記静電容量センサは、少なくとも３つの導電面（１２）、好ましくは４つの導電面（１２）を有し、これらの導電面（１２）は、少なくとも２つの電気容量を形成するように接続されており、
    前記導電面（１２）は、前記２つの電気容量の、電気力線（４８）によって形成される検出範囲同士が少なくとも部分的に重畳するように配置されている、
    請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の静電容量センサ。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の静電容量センサを複数有する機械部品（４０）、特に産業用ロボットの機械部品（４０）において、
    前記静電容量センサは、前記機械部品（４０）の周囲空間を対象物（５０）の接近に関して監視可能となるように、前記機械部品（４０）の外側表面を全面的に被覆している、
    ことを特徴とする機械部品（４０）。

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