JP4644809B2 - 対象物測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンド等のセンサとして用いられる対象物測定装置に関し、特に非接触で対象物の位置及び特性を測定できる対象物測定装置に関する。

従来、この種の対象物測定装置として、対象物に光を投射することにより対象物までの距離を計測する距離計測装置又は対象物の電気特性の差異により対象物の材質又は対象物との距離を判別する対象物測定装置がある。この従来の対象物測定装置の概略回路構成図を図１０に示す。

同図において対象物測定装置は、インピーダンス計測を自動平衡ブリッジ法に基づくＬＣＲメータが用いられるものがあり、対象物に総ての電流が流入するために、測定用のＬｏｗ側端子を電位が接地電位となる零となるように制御され、試料である測定対象物１００の材質又は、測定対象物１００との距離を測定できることとなる。

前記従来技術のいずれの装置も距離の計測、材質の判別を各々単独ではできるものの、単一の検出装置（センサー）で測定対象物１００の材質及び測定対象物１００までの距離を同時に確実に判別し、検出できないという課題を有していた。また、これらの判別及び検出を単一の検出装置（センサ）で実行しようとすると、距離の計測と材質の判定とを相前後して判別と検出とを行わなければならず、作業が繁雑化して簡易且つ迅速な判別及び検出ができないという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、測定対象物の光特性及び電気特性を用いて単一の検知手段（センサ）で測定対象物の特性及び位置を簡易で迅速且つ確実に測定できる対象物測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る対象物測定装置は、測定対象物に対して光を照射する光照射手段と、光が照射された測定対象物からの反射光を受光し、当該受光光により二つの所定面積を有する電極間の光電半導体の抵抗値を変化させる複数の光導電素子を所定の間隔で離隔配設し、前記複数の光導電素子の少なくとも一の光導電素子の一方の電極に交流電源が接続されると共に、他の光導電素子の一方の電極が出力端子として形成される検知手段と、前記検知手段の出力端子からの検知信号に基づき前記測定対象物の位置及び特性を判別する測定対象物判別手段とを備えるものである。

このように本発明においては、測定対象物に対して光を光照射手段にて照射し、二つの所定面積を有する電極間の光電半導体の抵抗値を変化させる複数の光導電素子を所定の間隔で離隔配設してなる検知手段が一方の電極に交流電源を接続すると共に、他の光導電素子の一方の電極を出力端子として検知信号を出力し、検知手段の出力端子からの検知信号に基づき前記測定対象物の位置及び特性を測定対象物判別手段が判別するようにしているので、測定対象物からの反射光量に応じて検知手段が検知する静電容量を変化させることができることとなり、簡易な構成で測定対象物の材質等の特性及び位置を同時に測定できる。

また、本発明に係る対象物測定装置は必要に応じて、検知手段が、二つの光導電素子を同一の平面上に各電極を整列状態にして配設し、当該整列状態の各電極における端部に位置する二つの電極のうちの一方に前記交流電源を接続し、他方を出力端子とするものである。

このように本発明においては、二つの光導電素子を同一の平面上に各電極を整列状態にして配設して検知手段を形成し、整列状態の各電極における端部に位置する二つの電極のうちの一方にこの交流電源を接続し、他方を出力端子とするようにしているので、検知手段における各電極間の空間領域を誘電体とすることができることとなり、簡易な構成で測定対象物の材質等の特性及び位置を同時に測定できる。

また、本発明に係る対象物測定装置は必要に応じて、光照射手段が各光導電素子に直接光を照射しない位置に配設され、又は光照射手段に遮蔽部を配設するものである。

このように本発明においては、各光導電素子に直接光が照射しない位置に光照射手段を配設し、若しくは各光導電素子に入射する直接光を遮蔽する遮蔽部を配設するようにしているので、測定対象物からの反射光のみを各光導電素子が検出できることとなり、より高精度に測定対象物の特性及び位置を同時に測定できる。

また、本発明に係る対象物測定装置は必要に応じて、光照射手段が、二つの光導電素子が配設される平面近傍であり、二つの光導電素子の中間であって、各光導電素子に直接光を照射しない位置に配設され、又は光照射手段に遮蔽部を配設するものである。

このように本発明においては、二つの光導電素子が配設される平面近傍であり、二つの光導電素子の中間であって、各光導電素子に直接光を照射しない位置に光照射手段を配設し、又は光照射手段に遮蔽部を配設するようにしているので、静電容量の対向電極を最小から最大とする変化量を最大限に形成できることとなり、簡易な構成で測定対象物の材質等の特性及び位置を同時に測定できる。

また、本発明に係る対象物測定装置は必要に応じて、測定対象物判別手段が、検知信号を検知する検知手段と同様の条件で予め測定された各種の測定対象物に関する基準データに基づき前記検知信号から測定対象物の位置及び特性を判別するものである。

このように本発明においては、検知信号を検知する検知手段と同様の条件で予め測定された各種の測定対象物に関する基準データに基づき測定対象物判別手段がこの検知信号から測定する対象物の位置及び特性を判別するようにしているので、簡易な構成で測定対象物の材質等の特性及び位置を同時に測定できる。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る対象物測定装置を図１ないし図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る対象物測定装置の全体概略構成図、図２は図１記載の対象物測定装置における検知手段の透視斜視図、図３は図２に記載の検知手段の透明平面図・側面図及びＣｄｓセル・発光ダイオードの配置平面図、図４は図３（ｃ）に記載のＣｄｓセルの動作説明図を示す。

前記各図において本実施形態に係る対象物測定装置は、測定対象物１００に対して可視光線（０．４〜０．８μｍ）を照射する光照射手段１と、この可視光線が照射された測定対象物１００からの反射光を受光し、この受光光により二つの電極２２ａ・２２ｂ、２３ａ・２３ｂ間の光電半導体の抵抗値を変化させる二つのＣｄｓセル（Cadmium Sulfide Sell）２２、２３を間隔ｄで離隔配設し、このＣｄｓセル２２の外側の電極２２ａに交流電源２５が接続されると共に、他のＣｄｓセル２３の外側の電極２３ａが出力端子２６として形成される検知手段２と、この検知手段２の出力端子２６からの検知信号に基づき前記測定対象物１００の距離及び材質を判別する測定対象物判別手段３と、この判別結果を表示する表示手段４とを備える構成である。

前記検知手段２は、二つのＣｄｓセル２２、２３を平板状の取付基台２１上に間隔ｄで載置し、この間隔ｄの中間に光照射手段１の発光ダイオード１１を介装する構成である。

また、この検知手段２は取付基台２１、Ｃｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３をシールド容器２４に収納し、このシールド容器２４が導体で形成される筒体で上面を蓋体で閉蓋して形成され、この蓋体下面に取付基台２１を取付る構成である。このシールド容器２４は、筒体の真鍮板体を屈曲又は貼着して形成され、蓋体をアクリル板にて形成される。なお、この筒体は、導電性を有する金属又はカーボン等で形成され、板状体の他のメッシュ体で形成することもできる。

前記発光ダイオード１１は、取付基台２１の表面から発光面を露出させ、Ｃｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３より後退した位置となる状態で取付られ、発光する可視光線が前記二つのＣｄｓセル２２、２３の光電半導体面に直接入射しないように構成される。また、この発光ダイオード１１は直流電圧を直流電源１２から印加され、直流電源１２と共に光照射手段１を構成する。

前記測定対象物判別手段３は、測定対象物１００の配置距離及び材質を予め測定された基準データに基づいて演算して判別する判別演算部３１と、この基準データをデータベースとして格納するデータベースメモリ３２とを備える構成である。このデータベースメモリ３２に格納される基準データは、表面形状及び表面色が特定される複数種類の材質が異なる測定対象物１００について、可視光線の照射の有無及び複数の配置距離に基づいて測定された各静電容量により求められた各測定対象物１００毎の特性データである。なお、この特性データは、可視光線が照射の有無及び複数の配置距離をサンプリングにより求め、このサンプリング値により各測定対象物１００毎の傾向特性を求めたものである。

次に、前記構成に基づく本実施形態に係る対象物測定装置の判別動作について説明する。まず、測定対象物１００を載置台５上に載置し、この測定対象物１００を検知手段２のシールド容器２４で覆い内部に収納する。この測定対象物１００の収納状態で直流電源１２をＯＦＦ状態とすると共に、交流電源２５をＯＮ状態として交流電源２５から交流電圧をＣｄｓセル２２の電極２２ａに印加する。この印加状態における出力端子２６からの検知信号を測定対象物判別手段３の判別演算部３１へ出力する。

この検知信号は、図４（Ａ）に示すように電極２２ａと電極２３ａによって形成される電気力線がシールド容器２４内の誘電体（空気）及び測定対象物１００を透過する際に受ける誘電率により特定されて出力される。なお、同一平面上に各電極２２ａ、２３ａが配設されるいわゆる平面コンデンサは、その静電容量を大きくするには電極２２ａ、２３ａの幅を広くし、間隔ｄを狭くすればよい。この電極２２ａ、２３ａの幅が一定の場合、電極２２ａ、２３ａの幅が狭いところではその間隔ｄが広いところより静電容量の変化が大きく、間隔ｄの寸法の影響を受けやすい性質を持つ。電極２２ａ、２３ａの間隔ｄが一定の場合、電極２２ａ、２３ａの幅を広くすると静電容量は大きくなるが、電気力線が長い部分での拡幅ゆえその影響は小さい。このように平面コンデンサは、理論上静電容量を計算できる。しかし、実際の計測では測定電極の外側両端においてその距離が長くなることにより、平行平板コンデンサにおける長間隔コンデンサのような状態になり、端部効果の影響が大きくなると考えられることから、実測によることなく理論値で検出信号（基準データ）を求める場合に端部効果を補正する必要がある。

前記検知信号が入力された判別演算部３１は、内部メモリ（図示を省略する。）にこの検知信号を格納する。この状態で直流電源１２をＯＮ状態に切換えて直流電圧を発光ダイオード１１に印加し、この発光ダイオード１１は可視光線を発生させて測定対象物１００に照射する。この測定対象物１００からの反射光がＣｄｓセル２２、２３で受光され、この受光光量に応じてＣｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３は、各光電半導体の抵抗値を変化させる。

この抵抗値が変化して完全に導通状態となった場合を図４（Ｂ）に示す。同図において各光電半導体が導通状態であることから、Ｃｄｓセル２２の電極２２ａ及び電極２２ｂが電気的に一体となり、またＣｄｓセル２３の電極２３ａ及び電極２３ｂも電気的に一体となることから、２２ａ及び電極２２ｂが電気的に一体となり、またＣｄｓセル２３の電極２３ａ及び電極２３ｂも電気的に一体となることから、電極２２ａ及び電極２２ｂと電電極２３ａ及び電極２３ｂとは平面型コンデンサの一対の電極を構成することとなる。

即ち、発光ダイオード１１により可視光線を照射した場合は、照射しないときよりも電極２２ａ及び電極２３ａで形成される平面型コンデンサの電極面積が２倍となり、この２倍の電極面積により生じる電気力線がシールド容器２４内の誘電体（空気）及び測定対象物１００を透過する。この電気力線の透過する際の誘電率により特定される検知信号が出力端子２６を介して判別演算部３１へ出力される。

前記判別演算部３１は、可視光線が照射されない場合と、照射された場合との各検出信号を、データベースメモリ３２から読出した基準データと比較演算して測定対象物１００の配置距離と材質とを同時に判別する。この判別結果を判別演算部３１から表示手段４へ出力し、表示手段４は測定対象物１００の配置距離及び材質を報知することとなる。

なお、前記測定動作においては発光ダイオード１１により測定対象物１００に対する可視光線の照射に基づく反射光によりＣｄｓセル２２、２３の各光電半導体が完全に導通状態となる場合について説明したが、受光光量に応じた任意の導通状態となったときも、この導通状態で特定される抵抗値による通電量で検出信号が出力されることとなる。
（本発明の他の実施形態）
本発明の他の実施形態に係る対象物測定装置は、光照射手段１の発光ダイオード１１をＣｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３の光電半導体面より後退した位置に取付る構成としたが、光照射手段１の発光ダイオード１１とＣｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３との各中間に発光ダイオード１１からの可視光線が直接入射しないように遮蔽部を配設する構成とすることもできる。この遮蔽部の配設により、測定対象物からの反射光のみを各光導電素子が検出できることとなり、より高精度に測定対象物の特性及び位置を同時に測定できることとなる。

前記実施形態に係る対象物測定装置は、検知手段２のＣｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３が均等に導電状態を変化させる構成としたが、測定対象物１００からの反射光の状態によりＣｄｓセル２２とＣｄｓセル２３とが不均等に導電状態を変化させ、この不均等な導電状態に基づき出力される検出信号により判別演算部３１が測定対象物１００の配設状態、配設位置をも併せて判別することもできる。

前記実施形態に係る対象物測定装置は発光ダイオード１１からの可視光線を測定対象物１００に照射し、判別演算部３１の判別基準となる基準データも可視光線以外に紫外線、赤外線、遠赤外線、放射線等を発光ダイオード１１から照射すると共に、基準データを作成することもできる。この紫外線を用いた場合には、ＺｕＳセル、ＺｎＯセル等があり、赤外線を用いた場合には光導電素子としてＰｂＳセル、ＰｂＳｅセル、ＩｎＳｂセル等で構成することができる。

なお、前記第１の実施形態で可視光線用の光導電素子としてＣｄＳセルを用いたがＣｄＳｅセルを用いることもできる。このＣｄＳセル及びＣｄＳｅセル可視光線以外に放射線（ｘ線、γ線）に用いることもできる。

また、発光ダイオード１１に対する直流電源１２からの印加電圧を調整することにより測定対象物１００の種類に応じて検知信号が特徴的に現れるようにすることもできる。この印加電圧の調整により検知手段２で検知される検出値が変化してピーク的な検出信号により、他の測定対象物１００と明確に区別して判別できることとなる。

前記第１の実施形態に係る対象物測定装置における検知手段２を図５に示す寸法で構成し、測定対象物１００としてアクリル、シリコン（２種）、天然ゴム、ベークライト、木の６種類を判別する実験を行った。

前記発光ダイオード１１は、印加電圧を２．４７Ｖとし、出射する可視光線をピーク波長５２５［ｎｍ］、輝度３４００［ｍｃｄ］、視野角度１５［ｄｅｇ］とする。交流電源２５は、周波数を１００［ｋＨｚ］、印加電圧を１０［Ｖ］とする交流電圧をＣｄｓセル２２及びＣｄｓセル２３に印加する。検知手段２による検出条件は恒温室の室温２５℃に一定とし、測定対象物１００の測定距離を３［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］とした。また、測定対象物１００は方形状の板状体で、その寸法をいずれも１０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］とする。さらに、この測定対象物１００のアクリル及びシリコン（１）は透明の材質とし、シリコン（２）は白色の材質とし、天然ゴムは黒色の材質とし、ベークライトは黒色の材質とし、木は白木色の材質とした。

このような実験用の対象物測定装置により発光ダイオード１１が可視光線を照射していない場合に、測定対象物１００の各材質について測定対象物１００までの距離３［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］を変化させて静電容量を求め、これを図６に光を照射しない場合の測定対象物１００までの距離と静電容量との特性図を示す。同図において検知手段２から測定対象物１００までの距離を短くするに伴って静電容量が増大することが解る。測定対象物１００のいずれの材質にいても特性曲線が重複しているため、測定対象物１００の距離及び材質の判別が困難であることが解る。

次に、発光ダイオード１１が可視光線を照射した場合に、測定対象物１００の各材質について測定対象物１００までの距離［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］を変化させて静電容量を求め、これを図７に光を照射した場合の測定対象物１００までの距離と静電容量との特性図を示す。同図において検知手段２から測定対象物１００までの距離を短くすると、木以外のアクリル、シリコン（１）、ベークライト、天然ゴムについては静電容量を一定に保っていることが解る。このような測定対象物１００の各材質の特性曲線から木については明らかに区別できるものの、木以外のアクリル、シリコン（１）、ベークライト、天然ゴムの特性曲線がやや重なることから、測定対象物１００の距離及び材質が若干困難なことが解る。

さらに、前記図６及び図７に示す可視光線の有無に基づく測定対象物までの距離と静電容量との関係より、前記測定対象物１００までの距離を共通のパラメータとした各静電容量特性図を図８に、また、この図８の部分拡大図を図９に示す。

前記各図においてシリコン（２）及び木は距離（３［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］）のいずれにおいても他と明確に判別できることが解る。アクリル、シリコン（１）、ベークライト、天然ゴムは図８において判別できる。また、図９の拡大図では、アクリルとシリコン（１）とは重複していないので判別が可能である。

このように可視光線を照射する有無により得られた各静電容量の相互関係に基づき、同一空間内での測定対象物１００までの距離と、その材質とを正確に識別できることとなる。

以上の実験結果より次の検知特性が明らかとなり、この検知特性に基づいて測定対象物１００の判別が可能であることが解る。

まず、図６の可視光線を照射しない場合での測定対象物１００までの距離―静電容量の実験結果において、検知手段２から測定対象物１００までの距離を短くするとともに静電容量が大きくなっていることがわかる。それは、測定対象物１００までの距離が短くなると、電界が材質中を通りやすくなるため、静電容量が増加する。これは、測定対象物１００までの距離が短くなることで、電束密度が大きくなるためであると考えられる。また材質によって静電容量に違いがみられるのは、それぞれの材質の誘電率が異なるからだと考えられる。

また、図７の可視光線を照射した場合での測定対象物１００までの距離―静電容量の実験結果において、シリコン(白)と木以外は、検知手段２から測定対象物１００までの距離を短くするとともに、静電容量が大きくなっていることがわかる。それは、測定対象物１００までの距離が短くなると、電界が材質中を通りやすくなるため、静電容量が増加する。これは、測定対象までの距離が短くなることで、電束密度が大きくなるためであると考えられる。

つまり、また材質によって静電容量に違いがみられるのは、それぞれの材質の誘電率が異なるからである。また、可視光線を照射すると材質の色及び形状によって光の反射が異なるため、色及び形状によって静電容量に変化がみられる。アクリル、シリコン(透明)、天然ゴム(黒)、ベイク、は反射率が小さいため、光を照射しない場合での実験の結果と比べると、わずかに静電容量が増加している。また、シリコン(白)は対象物までの距離を短くすると静電容量が小さくなっていくことがわかる。

発光ダイオード１１は光の指向性が強い光源を用いたため、距離が短くなると反射光の光量が少なくなる。よって、シリコン(白)は反射率が強いため光の影響が強いと考えられる。また、木は対象物までの距離を短くさせてもほとんど変化がないことがわかる。光を照射しない場合での実験の結果と比べると、対象物までの距離を短くするにつれて光の反射率が小さくなっていると考えられる。

また、図８及び図９において検知手段２から測定対象物１００までの距離をパラメータとした光なしの静電容量―可視光線を照射した場合の静電容量の実験結果を示した。この各図において本発明に係る対象物測定装置は、光なしの静電容量と光あり静電容量の両方を検出することで、同一空間内の対象までの距離及び材質の識別が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る対象物測定装置の全体概略構成図である。 図１記載の対象物測定装置における対象物測定装置における検知手段の透視斜視図である。 図２に記載の検知手段の透明平面図・側面図及びＣｄｓセル・発光ダイオードの配置平面図である。 図３（ｃ）に記載のＣｄｓセルの動作説明図である。 本発明の実施例１における実験用に用いる検出手段の角部寸法説明図をである。 本発明の実施例１における実験で得られた光を照射しない場合の測定対象物までの距離と静電容量との特性図を示す。 本発明の実施例１における実験で得られた光を照射した場合の測定対象物までの距離と静電容量との特性図を示す。 本発明の実施例１における実験で得られた図６及び図７を距離をパラメータとした各静電容量特性図を示す。 本発明の実施例１における実験で得られた図８の部分拡大図である。 従来の対象物測定装置の概略回路構成図である。

符号の説明

１ 光照射手段
１１ 発光ダイオード
１２ 直流電源
２ 検知手段
２２、２３ Ｃｄｓセル
２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ 電極
２４ シールド容器
２５ 交流電源
２６ 出力端子
３ 測定対象物判別手段
３１ 判別演算部
３２ データベースメモリ
４ 表示手段
５ 材質判別部
１００ 測定対象物

Claims (5)

1. 測定対象物に対して光を照射する光照射手段と、
   光が照射された測定対象物からの反射光を受光し、当該受光光により二つの所定面積を有する電極間の光電半導体の抵抗値を変化させる複数の光導電素子を所定の間隔で離隔配設し、前記複数の光導電素子の少なくとも一の光導電素子の一方の電極に交流電源が接続されると共に、他の光導電素子の一方の電極が出力端子として形成される検知手段と、
   前記検知手段の出力端子からの検知信号に基づき前記測定対象物の位置及び特性を判別する測定対象物判別手段とを備えることを
   特徴とする対象物測定装置。
2. 前記請求項１に記載の対象物測定装置において、
   前記検知手段が、二つの光導電素子を同一の平面上に各電極を整列状態にして配設し、当該整列状態の各電極における端部に位置する二つの電極のうちの一方に前記交流電源を接続し、他方を出力端子とすることを
   特徴とする対象物測定装置。
3. 前記請求項１又は２に記載の対象物測定装置において、
   前記光照射手段が各光導電素子に直接光を照射しない位置に配設され、又は前記光照射手段に遮蔽部を配設することを
   特徴とする対象物測定装置。
4. 前記請求項２に記載の対象物測定装置において、
   前記光照射手段が、二つの光導電素子が配設される平面近傍であり、二つの光導電素子の中間であって、各光導電素子に直接光を照射しない位置に配設され、又は前記光照射手段に遮蔽部を配設することを
   特徴とする対象物測定装置。
5. 前記請求項１ないし４のいずれかに記載の対象物測定装置において、
   前記測定対象物判別手段が、検知信号を検知する検知手段と同様の条件で予め測定された各種の測定対象物に関する基準データに基づき前記検知信号から測定対象物の位置及び特性を判別することを
   特徴とする対象物測定装置。