JP5517039B2 - リング型センサ - Google Patents

Description

本発明は、周囲の環境に応じた電気信号を生成するセンサに関する。特に、本発明は、リング型のセンサに関する。

人間とロボット、工作機械、自動車などの自動機械とが共存する環境においては、センサを用いてより安全に自動機械を動作させることが重要である。自動機械が周囲の環境を認識するために用いるそのようなセンサとしては、視覚センサ（vision sensor）、近接覚センサ（proximity sensor）、触覚センサ（tactile sensor）、力覚センサ（force sensor）などがあり、盛んに研究が行われている。

特許文献１には、３次元自由曲面に装着可能な面状の荷重センサ（力覚センサ）が開示されている。図１は、その面状の荷重センサ１００を概略的に示している。図１に示されるように、この荷重センサ１００は、感圧素子（pressure-sensitive element）１３０が２層のレイヤＬａｙｅｒＡ、ＬａｙｅｒＢに挟まれた構造を有している。

より詳細には、第１レイヤ（ＬａｙｅｒＡ）は、マトリックス状に配置された複数の第１電極１１１と、それら第１電極１１１を網目状に接続する抵抗ネットワークを備える。第２レイヤ（ＬａｙｅｒＢ）は、マトリックス状に配置された複数の第２電極１１２と、それら第２電極１１２を網目状に接続する抵抗ネットワークを備える。そして、第１電極１１１と第２電極１１２の全ての組み合わせに関して、第１電極１１１と第２電極１１２の間に感圧素子（検出エレメント）１３０が接続されている。感圧素子１３０は、例えば、圧力に応じて抵抗値が変わる感圧導電性ゴム（pressure sensitive conductive rubber）である。

更に、第１レイヤの対向する２辺は、それぞれ出力端子１４１、１４２に接続されている。また、第２レイヤの対向する２辺は、それぞれ出力端子１４３、１４４に接続されている。出力端子１４１、１４２は、抵抗を介して電源端子１４５に接続されている。出力端子１４３、１４４は、抵抗を介して電源端子１４６に接続されている。電源端子１４５、１４６にはそれぞれ電圧＋Ｖ０及び電圧−Ｖ０が供給される。

このような回路構成を有する荷重センサ１００において、２層のレイヤ（ＬａｙｅｒＡ，ＬａｙｅｒＢ）は変形可能な網目状に形成されている。従って、この荷重センサ１００を３次元自由曲面に装着することができる。そして、その荷重センサ１００に外部物体が接触すると、その接触面に圧力分布（荷重分布）が生じる。その圧力分布に応じて、接触面近傍の感圧素子１３０の抵抗値が変化する。結果として、その圧力分布に応じた電流分布が発生する。その電流分布の中心位置及び総電流量は、出力端子１４１〜１４４のそれぞれの電圧に基づいて算出可能である。そのようにして算出された中心位置及び総電流量が、圧力分布（荷重分布）の中心位置及び荷重のそれぞれに相当する。

非特許文献１には、装着型デバイスを用いて指関節角度を推定する技術が開示されている。当該技術によれば、指関節角度と相関を有する手首凹凸形状がまず計測される。具体的には、多数のフォトリフレクタが円周上に一列に配置されたバンドが用いられる。そのバンドが手首に巻きつけられた後、それらフォトリフレクタが１個ずつ順番に走査される。これにより、バンドと手首との隙間を計測し、その結果、手首凹凸形状を得ることができる。この手首凹凸形状の変化に基づいて、指動作の推定が行われる。

国際公開ＷＯ２００７／０６９４１２号公報

Ｔ． Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｆｉｎｇｅｒ Ａｎｇｌｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｒｉｓｔ Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｓｈａｐｅ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００８ ＪＳＭＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ， １Ａ１−Ｉ１０（１）−（４）， ２００８．

本発明の１つの目的は、有用で新規なセンサを提供することにある。

本発明の１つの観点において、リング型センサが提供される。そのリング型センサは、複数のノードペアと、第１抵抗ネットワークと、第２抵抗ネットワークと、センサ素子とを備える。複数のノードペアの各々は、第１ノードと第２ノードとを含む。第１抵抗ネットワークは、複数のノードペアの第１ノード同士を網目状に電気的に接続する。第２抵抗ネットワークは、複数のノードペアの第２ノード同士を網目状に電気的に接続する。センサ素子は、周囲の環境に応じた検出電流を生成する。

複数のノードペアは、センサノードペアと非センサノードペアを含む。センサノードペアでは、第１ノードと第２ノードとの間にセンサ素子が電気的に接続され、第１ノードと第２ノードとの間に検出電流が流れる。このセンサノードペアは、第１抵抗ネットワーク及び第２抵抗ネットワーク上で閉ループを形成するようにリング状に配置されている。一方、非センサノードペアでは、第１ノードと第２ノードとの間にセンサ素子が接続されない。非センサノードペアは、第１抵抗ネットワーク及び第２抵抗ネットワーク上で閉ループの内側に配置されている。

センサノードペアの第１ノードと第２ノードとの間には、２以上のセンサ素子が並列に接続されてもよい。センサ素子は、例えば、近接覚センサ素子である。

本発明によれば、有用で新規なリング型センサが実現される。

図１は、関連技術に記載されている荷重センサを示す概略図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るリング型センサの等価回路を示す回路図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る第１抵抗ネットワークの等価回路を示す回路図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る第２抵抗ネットワークの等価回路を示す回路図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係るセンサノードペアとセンサ素子を示している。 図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る非センサノードペアを示している。 図６は、本発明の実施の形態に係るセンサノードペアの配置の変形例を示している。 図７は、本発明の実施の形態に係るセンサノードペアの配置の他の変形例を示している。 図８は、本発明の実施の形態に係るセンサシステムの構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の実施の形態における中心位置の算出の一例を示す概念図である。 図１０は、本発明の実施の形態における中心位置の算出の他の例を示す概念図である。 図１１は、フォトリフレクタを示す概略図である。 図１２は、本発明の実施の形態におけるセンサノードペアとフォトリフレクタとの接続の第１の例を示している。 図１３は、図１２の場合のリング型センサの使用例を示している。 図１４は、図１３の場合のＬＥＤ点灯制御方式の一例を説明するための回路図である。 図１５は、図１３の場合のＬＥＤ点灯制御方式の他の例を説明するための回路図である。 図１６は、本発明の実施の形態におけるセンサノードペアとフォトリフレクタとの接続の第２の例を示している。 図１７は、図１６の場合のリング型センサの使用例を示している。 図１８は、図１７の場合のＬＥＤ点灯制御方式の一例を説明するための回路図である。 図１９は、図１７の場合のＬＥＤ点灯制御方式の他の例を説明するための回路図である。 図２０は、図１７の場合のＬＥＤ点灯制御方式の更に他の例を説明するための回路図である。 図２１は、図１７の場合のＬＥＤ点灯制御方式の更に他の例を説明するための回路図である。 図２２は、比較例を示している。 図２３は、比較例を示している。 図２４は、感圧素子を示す断面図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るリング型センサを説明する。

１．回路構成
図２は、本実施の形態に係るリング型センサ１の等価回路を示す回路図である。リング型センサ１は、複数のノードペア１０、抵抗ネットワーク２０、及び複数のセンサ素子３０を備えている。複数のノードペア１０の各々は、第１ノード１１と第２ノード１２を含んでいる。

抵抗ネットワーク２０は、複数のノードペア１０同士を網目状に接続している。より詳細には、抵抗ネットワーク２０は、第１抵抗ネットワーク２１と第２抵抗ネットワーク２２を含んでいる。第１抵抗ネットワーク２１は、複数の第１ノード１１同士を網目状（ネット状）に電気的に接続している。一方、第２抵抗ネットワーク２２は、複数の第２ノード１２同士を網目状（ネット状）に電気的に接続している。ノード間の接続には、接続構造２５が用いられる。この接続構造２５は、所定の抵抗値（ｒ）を有しており、例えば抵抗素子とケーブルで形成される。尚、接続構造２５の長さや形状は任意であり、ノードペア１０の配置に応じて自由に設計されればよい。

図３及び図４は、それぞれ、第１抵抗ネットワーク２１及び第２抵抗ネットワーク２２の等価回路の例を示している。図３及び図４で示される例において、複数のノードペア１０は、Ｍ行×Ｎ列のマトリックス状に配置されている。ここで、Ｍは２以上の整数であり、Ｎは２以上の整数である。以下の説明において、添え字“−（ｍ，ｎ）”は、第ｍ行第ｎ列を意味する。尚、図３及び図４に示されているマトリックスはあくまで等価回路であり、実使用時の形状とは限らないことに留意されたい。

図３に示されるように、第１抵抗ネットワーク２１は、第１ノード１１−（１，１）〜１１−（Ｍ，Ｎ）を網目状に電気的に接続している。つまり、第１ノード１１−（ｉ，ｊ）と第１ノード１１−（ｉ＋１，ｊ）とは、接続構造２５を介して互いに電気的に接続されている。ここで、ｉは１〜Ｍ−１の範囲の整数であり、ｊは１〜Ｎの範囲の整数である。また、第１ノード１１−（ｋ，ｌ）と第１ノード１１−（ｋ，ｌ＋１）とは、接続構造２５を介して互いに電気的に接続されている。ここで、ｋは１〜Ｍの範囲の整数であり、ｌは１〜Ｎ−１の範囲の整数である。

更に、第１抵抗ネットワーク２１は、出力端子４１、４２を有している。出力端子４１は第１ノード１１−（１，１）〜１１−（Ｍ，１）に接続されており、出力端子４２は第１ノード１１−（１，Ｎ）〜１１−（Ｍ，Ｎ）に接続されている。すなわち、出力端子４１、４２は、第１ノード１１のマトリックスを第１の方向（ｘ方向）から挟むように対称的に設けられている。これら出力端子４１、４２の各々は、抵抗（抵抗値：Ｒ０）を介して電源端子４５に接続されている。電源端子４５には、電圧＋Ｖ０が供給される。出力端子４１、４２の電圧はそれぞれＶ１、Ｖ２である。

図４に示されるように、第２抵抗ネットワーク２２は、第２ノード１２−（１，１）〜１２−（Ｍ，Ｎ）を網目状に電気的に接続している。つまり、第２ノード１２−（ｉ，ｊ）と第２ノード１２−（ｉ＋１，ｊ）とは、接続構造２５を介して互いに電気的に接続されている。ここで、ｉは１〜Ｍ−１の範囲の整数であり、ｊは１〜Ｎの範囲の整数である。また、第２ノード１２−（ｋ，ｌ）と第２ノード１２−（ｋ，ｌ＋１）とは、接続構造２５を介して互いに電気的に接続されている。ここで、ｋは１〜Ｍの範囲の整数であり、ｌは１〜Ｎ−１の範囲の整数である。

更に、第２抵抗ネットワーク２２は、出力端子４３、４４を有している。出力端子４３は第２ノード１２−（１，１）〜１２−（１，Ｎ）に接続されており、出力端子４４は第２ノード１２−（Ｍ，１）〜１２−（Ｍ，Ｎ）に接続されている。すなわち、出力端子４３、４４は、第２ノード１２のマトリックスを第２の方向（ｙ方向）から挟むように対称的に設けられている。第２の方向は、上述の第１の方向と交差する方向である。これら出力端子４３、４４の各々は、抵抗（抵抗値：Ｒ０）を介して電源端子４６に接続されている。電源端子４６には、電圧−Ｖ０が供給される。出力端子４３、４４の電圧はそれぞれＶ３、Ｖ４である。

センサ素子３０は、周囲の環境に応じた電流（検出電流）を生成する。センサ素子３０としては、近接覚センサ素子、光センサ素子、感圧素子等が例示される。このセンサ素子３０は、ノードペア１０の第１ノード１１と第２ノード１２との間に接続される。但し、本実施の形態では、全てのノードペア１０に対してセンサ素子３０が設けられるわけではい。本実施の形態では、センサ素子３０は、いくつかのノードペア１０に対して選択的に設けられる。センサ素子３０が配置されるノードペア１０は、以下「センサノードペア１０Ａ」と参照される。一方、センサ素子３０が配置されないノードペア１０は、以下「非センサノードペア１０Ｂ」と参照される。

図５Ａは、センサノードペア１０Ａとセンサ素子３０を示している。センサノードペア１０Ａは、第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａを有している。センサ素子３０は、センサノードペア１０Ａの第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に電気的に接続されており、周囲の環境に応じた検出電流が第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に流れる。

図５Ｂは、非センサノードペア１０Ｂを示している。非センサノードペア１０Ｂは、第１ノード１１Ｂと第２ノード１２Ｂを有している。非センサノードペア１０Ｂの第１ノード１１Ｂと第２ノード１２Ｂとの間には、センサ素子３０は接続されない。第１ノード１１Ｂと第２ノード１２Ｂは、周りのセンサノードペア１０Ａを介して電気的に接続されるが、直接的には接続されなくてよい。これは、第１ノード１１Ｂと第２ノード１２Ｂとの間に、抵抗値が無限大の抵抗が接続されている状態に相当する。あるいは、第１ノード１１Ｂと第２ノード１２Ｂとの間に抵抗素子が介在していてもよい。いずれにせよ、非センサノードペア１０Ｂにはセンサ素子３０は配置されない。

本実施の形態によれば、センサノードペア１０Ａは、抵抗ネットワーク２０上で閉ループを形成するように“リング状（ループ状）”に配置される。例えば図２〜図４では、センサノードペア１０Ａが黒丸で表され、非センサノードペア１０Ｂが白丸で表されている。図３及び図４で示される例では、ノードペア１０−（１，１）〜１０〜（１，Ｎ）、ノードペア１０−（１，１）〜１０−（Ｍ，１）、ノードペア１０−（１，Ｎ）〜１０−（Ｍ、Ｎ）、ノードペア１０−（Ｍ，１）〜１０−（Ｍ，Ｎ）が、センサノードペア１０Ａである。その結果、抵抗ネットワーク２０上において、センサノードペア１０Ａの配置がリング状となり、それらセンサノードペア１０Ａによって閉ループＬＯＯＰが形成される。一方、非センサノードペア１０Ｂは、抵抗ネットワーク２０上で閉ループＬＯＯＰの内側に配置される。

センサノードペア１０Ａの配置は上記のものに限られない。例えば図６では、ノードペア１０−（２，２）〜１０〜（２，Ｎ−１）、ノードペア１０−（２，２）〜１０−（Ｍ−１，２）、ノードペア１０−（２，Ｎ−１）〜１０−（Ｍ−１、Ｎ−１）、ノードペア１０−（Ｍ−１，２）〜１０−（Ｍ−１，Ｎ−１）が、センサノードペア１０Ａである。この場合でも、抵抗ネットワーク２０上において、センサノードペア１０Ａの配置がリング状となり、それらセンサノードペア１０Ａによって閉ループＬＯＯＰが形成される。非センサノードペア１０Ｂは、少なくとも、抵抗ネットワーク２０上で閉ループＬＯＯＰの内側に配置される。また、図７で示されるようなひし形の配置も可能である。

尚、上記例で示されたように、センサノードペア１０Ａの閉ループＬＯＯＰは、抵抗ネットワーク２０上において対称的なレイアウトを有していることが好ましい。

２．原理
本実施の形態に係るリング型センサ１の網目状の第１抵抗ネットワーク２１及び第２抵抗ネットワーク２２は、図１で示された第１レイヤ（ＬａｙｅｒＡ）及び第２レイヤ（ＬａｙｅｒＢ）と同等である。従って、リング型センサ１の抵抗ネットワーク２０の電流分布の中心位置及び総電流量は、特許文献１（国際公開ＷＯ２００７／０６９４１２号公報）に開示された手法と同じ手法で算出可能である。詳細には次の通りである。

図８は、本実施の形態に係るセンサシステムの構成を示すブロック図である。センサシステムは、リング型センサ１と制御回路５０を備えている。リング型センサ１の出力端子４１〜４４のそれぞれは、配線６１〜６４を介して制御回路５０に接続されている。制御回路５０は、出力端子４１〜４４のそれぞれの電圧Ｖ１〜Ｖ４に基づいて、電流分布の中心位置及び総電流量を算出する。総電流Ｉａｌｌは、次の式（１）で表される。

電流分布のｘ軸まわりの一次モーメントに相当する値はＩｘであり、電流分布のｙ軸まわりの一次モーメントに相当する値はＩｙである。定数ａと定数λを用いることにより、値Ｉｘ及び値Ｉｙは、それぞれ次の式（２）、（３）で表される。定数λはＭ／Ｎで与えられる。

制御回路５０は、値Ｉｘを総電流Ｉａｌｌで割ることによって、電流分布の中心位置のｘ座標を算出する。また、制御回路５０は、値Ｉｙを総電流Ｉａｌｌで割ることによって、電流分布の中心位置のｙ座標を算出する。このようにして、制御回路５０は、電流分布の中心位置及び総電流Ｉａｌｌを算出する。尚、以上の計算は全てアナログ回路で実現され得る。

センサ素子３０が特許文献１と同様に感圧素子であれば、算出された中心位置及び総電流量は、圧力分布（荷重分布）の中心位置及び荷重のそれぞれに相当する。センサ素子３０が近接覚センサ素子であれば、算出された中心位置及び総電流量は、物体の近接方向及び近接距離のそれぞれに相当する。制御回路５０は、それら算出結果を表示部に表示してもよいし、自動機械の動作にフィードバックしてもよい。

図９及び図１０は、計算結果の例を示している。図９及び図１０において、ｘ軸及びｙ軸は、ノードペア１０のマトリックスの列方向及び行方向に対応しており、座標原点は当該マトリックスの中央に対応している。また、代表として、閉ループＬＯＯＰ上の８個のセンサ素子３０−１〜３０−８のそれぞれの座標が示されている。

図９は、アクティブセンサが１つだけである場合の計算結果を示している。例として、センサ素子３０−１だけがアクティブになっている。この場合、アクティブとなったセンサ素子３０−１の座標（ｘ１，ｙ１）が、電流分布の中心位置として算出される。つまり、電流分布の中心位置として算出される座標は、閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡上にのる。

図１０は、アクティブセンサが複数ある場合の計算結果を示している。例として、２つのセンサ素子３０−１、３０−４がアクティブになっている。この場合、電流分布の中心位置として算出される座標（ｘａ，ｙａ）は、センサ素子３０−１の座標でもなく、センサ素子３０−４の座標でもない。算出座標（ｘａ，ｙａ）は、アクティブとなったセンサ素子３０−１、３０−４の重心位置である。すなわち、アクティブセンサが複数ある場合、算出座標は、閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡よりも原点側にずれる可能性が高い。このことは、算出座標と閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡とを比較することによって、アクティブセンサ数が１個だけか２個以上かを判定可能であることを意味する。これは、網目状の抵抗ネットワーク２０上でセンサノードペア１０Ａがリング状に配置されたリング型センサ１ならではの効果であると言える。

また、本実施の形態では、電流の積分値（モーメント量）に基づいて、中心位置が算出されている。従って、高いノイズ耐性が得られる。

更に、本実施の形態に係るリング型センサ１は、基本的にアナログ回路で実現され得る。従って、センサ素子数や配置面積にかかわらず、非常に高い計算スピードが実現される。リング型センサ１が適用される自動機械では、センサ出力が当該自動機械の動作にフィードバックされ、高速応答が実現される。

３．近接覚センサ
本実施の形態に係るリング型センサ１を、近接覚センサ（proximity sensor）に応用することを考える。この場合、センサ素子３０は、近接覚センサ素子である。近接覚センサ素子は、例えば、発光素子と受光素子のペアを有する光センサ素子により実現される。

図１１は、光センサ素子の一例としてのフォトリフレクタ７０を示している。フォトリフレクタ７０は、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）７１、及び受光素子としてのフォトトランジスタ７２のペアを備えている。フォトリフレクタ７０に物体が近づくと、ＬＥＤ７１から放射された光がその物体で反射され、当該物体からの反射光がフォトトランジスタ７２に入射する。そして、フォトトランジスタ７２には、その反射光の強度に依存する電流（検出電流）が流れる。

近接覚センサの場合、算出された電流分布の中心位置及び総電流量は、物体の近接方向及び近接距離のそれぞれに相当する。尚、電流量から近接距離を求める技術は周知である（例えば、特開昭６０−６２４９６号公報を参照）。

３−１．第１の例（１段配置）
図１２は、センサノードペア１０Ａとフォトリフレクタ７０との接続の第１の例を示している。本例では、１つのセンサノードペア１０Ａの第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に、１つのフォトリフレクタ７０が接続される。より詳細には、そのフォトリフレクタ７０のフォトトランジスタ７２が、第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に電気的に接続される。ＬＥＤ７１が発光すると、近接物体からの反射光の強度に応じた検出電流が第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に流れる。

図１３は、リング型センサ１の使用例を示している。図１３で示される例では、閉ループＬＯＯＰが円柱（円筒）の側曲面を一周するように形成されており、その閉ループＬＯＯＰ上の複数のフォトリフレクタ７０が円柱の側周上に均等に配置されている。つまり、円柱の側周に沿った１段のセンサ列が構成される。円柱は、例えば、ロボットアームである。尚、図２等で示されたマトリックスはあくまで等価回路であり、実使用時の形状ではないことに留意されたい。複数のフォトリフレクタ７０（センサ素子３０）が図１３で示されたように配置され、且つ、上記等価回路が得られるように配線接続が適宜なされていればよい。

図１３に示されるように、円柱の長手方向はＺ方向であり、方位角方向（円周方向）はθ方向である。本例では、Ｐ個（Ｐは２以上の整数）のフォトリフレクタ７０が、θ方向に等間隔で配置されるとする。物体がこの円柱に接近すると、その接近方向（当該物体の方位角θ）に位置するフォトリフレクタ７０がアクティブセンサとなる。そして、上述の通り、抵抗ネットワーク２０における電流分布の中心位置及び総電流量といった情報が算出される。但し、算出された情報の意味は、ＬＥＤ７１の点灯制御方式に依存して異なり得る。

図１４は、ＬＥＤ点灯制御方式の一例を示している。θ方向に配置されたＰ個のフォトリフレクタ７０は、それぞれＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐを有している。これらＰ個のＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐの点灯を制御するための回路構成は、上述の抵抗ネットワーク２０とは別に設けられる。具体的には、ＬＥＤの点灯制御を行うＬＥＤコントローラ８０が設けられる。ＬＥＤコントローラ８０は、上述の制御回路５０に含まれていてもよい。このＬＥＤコントローラ８０は、電源配線８１、８２を通してＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐに電力を供給し、ＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐを発光させる。図１４の例では、更に、ＬＥＤ７１毎にＯＮ／ＯＦＦ制御するためのθセレクタ８３が設けられている。ＬＥＤコントローラ８０は、θ選択信号ＳＥＬＴをθセレクタ８３に出力することによって、所望のＬＥＤ７１だけを選択的に点灯（発光）させることができる。

このような回路構成によって、ＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐを１個ずつ順番に点灯させることが可能である。そのような方式は、以下「θスキャン方式」と参照される。θスキャン方式の場合、あるタイミングで点灯した１つのＬＥＤ７１に物体が近接していれば、当該近接物体の方位角θと近接距離が算出される。複数の物体が同時に近接している場合であっても、それぞれの物体の方位角θと近接距離が別々に算出される。すなわち、θ方向に沿った近接距離分布を把握することが可能である。

図１５は、ＬＥＤ点灯制御方式の他の例を示している。図１４で示された回路構成と比較して、θセレクタ８３が除かれている。つまり、ＬＥＤコントローラ８０は、全てのＬＥＤ７１−１〜７１−Ｐを同時に点灯させる。このような方式は、以下「全灯方式」と参照される。全灯方式の場合、近接物体の数が１個だけであれば、当該１個の近接物体の方位角θと近接距離が算出される（図９参照）。

しかしながら、複数の物体が同時に近接していると、それら複数の物体のそれぞれの方位角θの重み付き平均が算出されてしまう（図１０参照）。すなわち、近接物体の正確な方向を把握することはできない。但し、図１０で説明されたように、算出座標と閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡とを比較することによって、近接物体の数が１個か２個以上かを判別することは可能である。また、たいていの場合、近接物体は１個だけであり、実用上問題無いと考えられる。

全灯方式の場合、θセレクタ８３及びθ選択信号ＳＥＬＴが不要であるため、θスキャン方式と比較して、配線本数及び回路面積が削減される。また、順次点灯のためのスイッチングが行われないため、θスキャン方式と比較して、動作速度が向上する。すなわち、全灯方式は高速動作を実現することができ、自動機械の高速制御にとって特に有効である。

ＬＥＤ点灯制御方式は、θスキャン方式と全灯方式との間で切り替え可能であってもよい。例えば、図１４で示されたθセレクタ８３を含む回路構成が採用され、通常時は全灯方式が実施される。そして、２個以上の近接物体が検出された場合に、方式がθスキャン方式に切り替えられ、詳細な解析が実施される。これにより、高速動作と検出精度の両立が図れる。

３−２．第２の例（多段配置）
上記第１の例では、Ｚ方向（円筒の長手方向）に不感領域が存在する。この問題は、フォトリフレクタ７０（センサ素子３０）を多段に配置することによって解消され得る。第２の例では、フォトリフレクタ７０が多段に配置される形態を説明する。尚、第１の例と重複する説明は適宜省略される。

図１６は、本例におけるセンサノードペア１０Ａとフォトリフレクタ７０との接続を示している。本例では、１つのセンサノードペア１０Ａの第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に、複数のフォトリフレクタ７０が並列に接続されている。より詳細には、複数のフォトリフレクタ７０のそれぞれのフォトトランジスタ７２が、第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に並列に接続されている。例えば図１６において、３つのフォトリフレクタ７０−１〜７０−３のそれぞれのフォトトランジスタ７２が、第１ノード１１Ａと第２ノード１２Ａとの間に並列に接続されている。

図１７は、リング型センサ１の使用例を示している。θ方向の配置は、図１３で示された第１の例と同様である。更に、各センサノードペア１０Ａに接続された複数のフォトリフレクタ７０−１〜７０−３が、Ｚ方向に均等に配置されている。つまり、円柱の側周に沿った“多段”のセンサ列が構成されている。円柱は、例えば、ロボットアームである。本例では、Ｐ個（Ｐは２以上の整数）のフォトリフレクタ７０が、θ方向に等間隔で配置され、Ｑ個（Ｑは２以上の整数）のフォトリフレクタ７０が、Ｚ方向に等間隔で配置されるとする。物体がこの円柱に接近すると、その接近方向に位置するフォトリフレクタ７０がアクティブセンサとなる。

図１８は、ＬＥＤ点灯制御方式の一例を示している。θ方向に配置されたＰ個のフォトリフレクタ７０は、それぞれＬＥＤ７１−１ｑ〜７１−Ｐｑを有している（ｑ＝１〜Ｑ）。Ｚ方向に配置されたＱ個のフォトリフレクタ７０は、それぞれＬＥＤ７１−ｐ１〜７１−ｐＱを有している（ｐ＝１〜Ｐ）。ＬＥＤコントローラ８０は、電源配線８１、８２を通してＬＥＤ７１−１１〜７１−ＰＱに電力を供給し、ＬＥＤ７１−１１〜７１−ＰＱを発光させる。図１８の例では、更に、ＬＥＤ７１毎にＯＮ／ＯＦＦ制御するためのθセレクタ８３及びＺセレクタ８４が設けられている。ＬＥＤコントローラ８０は、θ選択信号ＳＥＬＴをθセレクタ８３に出力することによって、θ方向の所望のＬＥＤ７１だけを選択的に点灯（発光）させることができる。また、ＬＥＤコントローラ８０は、Ｚ選択信号ＳＥＬＺをＺセレクタ８４に出力することによって、Ｚ方向の所望のＬＥＤ７１だけを選択的に点灯（発光）させることができる。

このような回路構成によって、ＬＥＤ７１−１１〜７１−ＰＱを１個ずつ順番に点灯させることが可能である。そのような方式は、以下「全スキャン方式」と参照される。全スキャン方式の場合、あるタイミングで点灯した１つのＬＥＤ７１に物体が近接していれば、当該近接物体の方位角θと近接距離が算出される。また、そのタイミングから、当該近接物体のＺ方向位置も識別可能である。複数の物体が同時に近接している場合であっても、それぞれの物体の方向（方位角θ、Ｚ方向位置）と近接距離が別々に得られる。すなわち、θ方向及びＺ方向に沿った近接距離分布を把握することが可能である。

図１９は、ＬＥＤ点灯制御方式の他の例を示している。図１８で示された回路構成と比較して、Ｚセレクタ８４が除かれている。つまり、Ｚ方向に配置されたＱ個のＬＥＤ７１−ｐ１〜７１−ｐＱ（ｐ＝１〜Ｐ）は同時に点灯し、スキャンはθ方向にだけ行われる。この方式は、以下「θスキャン方式」と参照される。θスキャン方式の場合、近接物体の方位角θは識別可能であるが、そのＺ方向位置は識別不可能である。すなわち、θ方向に沿った近接距離分布だけを把握することが可能である。θスキャン方式の場合、全スキャン方式と比較して、配線本数及び回路面積が削減され、また、動作速度が向上する。

図２０は、ＬＥＤ点灯制御方式の更に他の例を示している。図１８で示された回路構成と比較して、θセレクタ８３が除かれている。つまり、θ方向に配置されたＰ個のＬＥＤ７１−１ｑ〜７１−Ｐｑ（ｑ＝１〜Ｑ）は同時に点灯し、スキャンはＺ方向にだけ行われる。この方式は、以下「Ｚスキャン方式」と参照される。Ｚスキャン方式の場合、近接物体のＺ方向位置は識別可能である。一方、近接物体の方位角θが識別可能か否かは、その近接物体の個数に依存する。θ方向において近接物体の数が１個だけであれば、当該１個の近接物体の方位角θと近接距離が算出される（図９参照）。しかしながら、θ方向において複数の物体が同時に近接していると、それら複数の物体のそれぞれの方位角θの重み付き平均が算出されてしまう（図１０参照）。但し、算出座標と閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡とを比較することによって、θ方向における近接物体の数が１個か２個以上かを判別することは可能である。Ｚスキャン方式の場合、全スキャン方式と比較して、配線本数及び回路面積が削減され、また、動作速度が向上する。

図２１は、ＬＥＤ点灯制御方式の更に他の例を示している。図１８で示された回路構成と比較して、θセレクタ８３及びＺセレクタ８４が除かれている。つまり、ＬＥＤコントローラ８０は、全てのＬＥＤ７１−１１〜７１−ＰＱを同時に点灯させる。このような方式は、以下「全灯方式」と参照される。全灯方式の場合、近接物体の数が１個だけであれば、当該１個の近接物体の方位角θと近接距離が算出される（図９参照）。しかしながら、複数の物体が同時に近接していると、それら複数の物体のそれぞれの方位角θの重み付き平均が算出されてしまう（図１０参照）。すなわち、近接物体の正確な方向を把握することはできない。但し、算出座標と閉ループＬＯＯＰに対応した軌跡とを比較することによって、近接物体の数が１個か２個以上かを判別することは可能である。全灯方式の場合、配線本数及び回路面積が最も削減され、また、動作速度も最も向上する。

ＬＥＤ点灯制御方式は切り替え可能であってもよい。例えば、図１８で示されたθセレクタ８３及びＺセレクタ８４を含む回路構成が採用され、通常時は全灯方式が実施される。そして、２個以上の近接物体が検出された場合に、方式がいずれかのスキャン方式に切り替えられ、詳細な解析が実施される。これにより、高速動作と検出精度の両立が図れる。

３−３．効果
本実施の形態によれば、ノイズに強く、高速動作可能な近接覚センサが実現される。更に、本実施の形態によれば、全方位対応の近接覚センサが実現される。

比較例として、図２２で示される場合を考える。この比較例では、図１で示されたような面状の近接覚センサが円柱の周囲に巻きつけられている。この場合、ある方向にどうしても“継ぎ目”が生じてしまう。図２３に示されるように、この継ぎ目が存在する方向から物体が近づいた場合、その継ぎ目を挟む端部のセンサがアクティブとなる。その結果、電流分布の中心位置は、端部のアクティブセンサの中間位置、つまり、センサ面の中央と算出されてしまう。言い換えれば、近接物体の方向が、継ぎ目とは逆の方向、つまり、実際の近接方向とは反対方向と算出されてしまう。これは、「ロボットが近接物体から逃げようとして、逆に近接物体に突進する」といった誤動作の原因となる。このように、面状の近接覚センサが円柱の周囲に巻きつけられる場合は、継ぎ目が発生し、その継ぎ目が近接物体検出の“特異点”となる。

一方、本実施の形態に係るリング型センサ１では、センサ素子３０（センサノードペア１０Ａ)が、網目状の抵抗ネットワーク２０上で閉ループを形成するようにリング状に配置されている。従って、図２２、図２３で示されたような“継ぎ目”は存在せず、近接物体検出の“特異点”も存在しない。その結果、全方位対応の近接覚センサが実現される。

本実施の形態に係る近接覚センサ１は、例えば、ロボットや自動車といった自動機械に適用され、接触回避、衝突回避、安全確保などに有用である。

例えば、本実施の形態に係る近接覚センサ１は、ロボットアームに搭載することができる（図１３、図１７参照）。例えば、人間型の介護用ロボットのアームの手先近辺に、この近接覚センサ１を取り付ける場合を考える。この場合、ロボットの被介護者は、近接覚センサ１の近傍に手をかざすだけで、直接触れずともロボットを制御することができ、また、衝突事故等を防ぐことも可能となる。

４．その他の実施例
本実施の形態に係るセンサ素子３０は、近接覚センサ素子に限られない。例えば、センサ素子３０は、特許文献１の場合と同様な感圧素子（pressure-sensitive element）であってもよい。

図２４は、感圧素子９０の一例を示している。感圧素子９０は、第１電極９１、第２電極９２、感圧素材９３、絶縁体９４、及び接続端子９５を有している。感圧素材９３は、第１電極９１と第２電極９２とに挟まれている。感圧素材９３は、例えば、圧力に応じて抵抗値が変わる感圧導電性ゴム（pressure sensitive conductive rubber）である。第１電極９１と第２電極９２とにより圧縮されると、感圧素材９３の電気抵抗は小さくなる。第１電極９１は、第１ノード１１Ａに相当する、あるいは、接続端子９５を介して第１ノード１１Ａに接続される。第２電極９２は、第２ノード１２Ａに相当する、あるいは、接続端子９５を介して第２ノード１２Ａに接続される。このような感圧素子９０を利用することによって、リング型の荷重センサが実現される。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１ リング型センサ
１０ ノードペア
１０Ａ センサノードペア
１０Ｂ 非センサノードペア
１１、１１Ａ、１１Ｂ 第１ノード
１２、１２Ａ、１２Ｂ 第２ノード
２０ 抵抗ネットワーク
２１ 第１抵抗ネットワーク
２２ 第２抵抗ネットワーク
２５ 接続構造
３０ センサ素子
４１〜４４ 出力端子
４５、４６ 電源端子
５０ 制御回路
６１〜６４ 配線
７０ フォトリフレクタ
７１ ＬＥＤ
７２ フォトトランジスタ
８０ ＬＥＤコントローラ
８１、８２ 電源配線
８３ θセレクタ
８４ Ｚセレクタ
９０ 感圧素子

Claims (6)

1. 各々が第１ノードと第２ノードとを含む複数のノードペアと、
   前記複数のノードペアの前記第１ノード同士を網目状に電気的に接続する第１抵抗ネットワークと、
   前記複数のノードペアの前記第２ノード同士を網目状に電気的に接続する第２抵抗ネットワークと、
   周囲の環境に応じた検出電流を生成するセンサ素子と
   を備え、
   前記複数のノードペアは、
   前記第１ノードと前記第２ノードとの間に前記センサ素子が電気的に接続され、前記第１ノードと前記第２ノードとの間に前記検出電流が流れるセンサノードペアと、
   前記第１ノードと前記第２ノードとの間に前記センサ素子が接続されない非センサノードペアと
   を含み、
   前記センサノードペアは、前記第１抵抗ネットワーク及び前記第２抵抗ネットワーク上で閉ループを形成するようにリング状に配置され、前記センサ素子は、円柱の側周面を一周し、前記円柱の円周方向に配置され、
   前記センサノードペアの前記第１ノードと前記第２ノードとの間には、前記センサ素子として、並列に接続された２以上の近接覚センサ素子が前記円柱の長手方向に並んで配置され、
   前記２以上の近接覚センサ素子の各々は、発光素子と受光素子とを備え、
   前記受光素子は、前記発光素子から放射される光の物体からの反射光が入射することにより、前記反射光の強度に応じた前記検出電流を生成し、
   前記非センサノードペアは、前記第１抵抗ネットワーク及び前記第２抵抗ネットワーク上で前記閉ループの内側に配置されている
   リング型センサ。
2. 請求項１に記載のリング型センサであって、
   前記複数のノードペアは、Ｍ行×Ｎ列のマトリックス状に配置され、
   Ｍは２以上の整数であり、Ｎは２以上の整数であり、
   前記第１抵抗ネットワークは、第ｉ行第ｊ列の前記第１ノードと第（ｉ＋１）行第ｊ列の前記第１ノードとを電気的に接続し、第ｋ行第ｌ列の前記第１ノードと第ｋ行第（ｌ＋１）列の前記第１ノードとを電気的に接続し、
   前記第２抵抗ネットワークは、第ｉ行第ｊ列の前記第２ノードと第（ｉ＋１）行第ｊ列の前記第２ノードとを電気的に接続し、第ｋ行第ｌ列の前記第２ノードと第ｋ行第（ｌ＋１）列の前記第２ノードとを電気的に接続し、
   ｉは１〜（Ｍ−１）の範囲の整数であり、ｊは１〜Ｎの範囲の整数であり、ｋは１〜Ｍの範囲の整数であり、ｌは１〜（Ｎ−１）の範囲の整数である
   リング型センサ。
3. 請求項２に記載のリング型センサであって、
   前記センサノードペアは、第ｍ１行第ｎ１列〜第ｍ１行第ｎ２列、第ｍ１行第ｎ１列〜第ｍ２行第ｎ１列、第ｍ１行第ｎ２列〜第ｍ２行第ｎ２列、及び第ｍ２行第ｎ１列〜第ｍ２行第ｎ２列に配置されており、
   ｍ１は１以上（Ｍ−１）以下のいずれかの整数であり、ｍ２はｍ１より大きくＭ以下のいずれかの整数であり、ｎ１は１以上（Ｎ−１）以下のいずれかの整数であり、ｎ２はｎ１より大きくＮ以下のいずれかの整数である
   リング型センサ。
4. 請求項２又は３に記載のリング型センサであって、
   前記第１抵抗ネットワークは、
   第１列の前記第１ノードに接続された第１出力端子と、
   第Ｎ列の前記第１ノードに接続された第２出力端子と
   を有し、
   前記第２抵抗ネットワークは、
   第１行の前記第２ノードに接続された第３出力端子と、
   第Ｍ行の前記第２ノードに接続された第４出力端子と
   を有する
   リング型センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリング型センサであって、
   前記各近接覚センサ素子の前記発光素子は、所定の制御方式に従って、ＯＮ／ＯＦＦ制御される
   リング型センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリング型センサであって、
   前記リング状に配置された前記センサノードペアのうちの互いに隣接するセンサノードペアの前記第１ノード同士は同一の抵抗値を有する接続構造で接続され、
   前記リング状に配置された前記センサノードペアのうちの互いに隣接するセンサノードペアの前記第２ノード同士は前記同一の抵抗値を有する接続構造で接続される
   リング型センサ。

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