JP6268987B2 - 球面座標センサ - Google Patents

Description

本発明は、立体形状に設定した軸状の位置を検出する球面座標センサに関する。

荷重が検出されると電気抵抗が変化する複数のセンサによって対象物を検出する技術が特許文献１に記載されている。特許文献１では、センサを格子状に平面に並べ、それぞれの方向において隣接したセンサを直列で接続したものを利用する。そして、荷重によって流れる電流量が変わることを利用し、センサに対象物が接触することで発生する電流分布の中心位置を求める。電流分布の中心位置を求めるには、電流分布のｘ成分の１次モーメント、ｙ成分の１次モーメントをそれぞれ求め、センサに流れる電流の総和で除する。

また、特許文献２には、センサをリング状につなげて配置することが記載されている。また、特許文献２には、対象物との距離に応じて電気抵抗を変化する近接覚センサを用いて、非接触で対象物を検出することが記載されている。

国際公開２００７／０６９４１２号 特開２０１１−５３１１５号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、センサを並列に接続することで、検出した電位に基づいて、センサのどの位置で対象物を検出したかを少ない回路で検出することができる。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、行列状に回路を形成する構造であり、回路が複雑になる場合もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は回路の規模をできるだけ抑えつつ、対象物を検出することのできる球面座標センサを提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の球面座標センサは、複数の面が張り合わせられた立体形状の多面体と、前記多面体の各面にそれぞれ配置され、対象物との関係に応じて電気抵抗が変化する検出素子と、前記検出素子を接続する検出回路と、前記検出回路の所定位置の電圧値に基づいて、対象物の位置を検出する位置検出部と、を備え、前記検出回路は、前記多面体に対して設定した軸に基づいて、前記軸における位置が重なる面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する。

球面座標センサは、軸上における位置が重なる位置に配置された検出素子をグループ化し、グループの間をグループ間抵抗で接続することで、軸上の位置をより簡単な回路で検出することができる。

また、前記検出回路は、前記グループ間抵抗が、接続する位置に応じて異なる値であることが好ましい。これにより、位置検出部は、検出回路の所定位置の電圧値から簡単な処理で対象物の位置を検出することができる。

また、前記軸は、複数の方向に設定されていることが好ましい。これにより、多面体の周囲の複数の方向における位置を検出することができる。

また、前記軸は、直交する３つの方向に設定されていることが好ましい。これにより、多面体の周囲の検出領域において特異点が生じることを抑制できる。

また、前記検出回路は、複数の前記軸に対応して、前記軸における位置が重なる面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する軸用回路と、前記軸用回路と、前記検出素子の抵抗成分との接続部に配置され、検出する前記軸に応じて接続する前記軸用回路を切り換える切換回路と、を有することが好ましい。これにより、１つの検出素子を複数の軸における位置の検出に用いることができ、簡単な構成で検出性能を高くすることができる。

また、前記検出回路は、複数の前記軸に対応して、前記軸における位置が重なる面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する軸用回路と、前記検出素子の抵抗成分と複数の前記軸用回路との接続部にそれぞれ配置され、前記検出素子の抵抗成分と、それぞれの前記軸用回路とを接続する電界効果トランジスタと、を有することが好ましい。これにより、１つの検出素子を複数の軸における位置の検出に用いることができ、簡単な構成で検出性能を高くすることができる。また、各軸における位置の検出を並列で処理することができる。

また、前記検出素子は、前記多面体のそれぞれに、前記軸の数以上に配置され、対応する前記軸の前記検出回路に接続されていることが好ましい。これにより、簡単な回路構成で検出を行うことができる。

また、前記多面体は、前記複数の軸のそれぞれに対する形状が相似となる形状であること好ましい。これにより、軸まわりにおける検出位置を相似となる位置にすることができ、球面座標における検出位置を他の軸周りの結果に基づいて補正しやすくできる。

また、前記検出素子は、前記対象物との距離に応じて電気抵抗が変化する近接覚センサであることが好ましい。これにより、球面座標センサに非接触の対象物を好適に検出することができる。

また、前記検出素子は、前記対象物が接触している圧力に応じて電気抵抗が変化する感圧センサであることが好ましい。これにより、接触している対象物を好適に検出することができる。

本発明によれば、回路の規模をできるだけ抑えつつ、対象物を検出することができる。

図１は、本実施の形態による球面座標センサの概略構成を示すブロック図である。 図２は、球面座標センサのセンサ本体の一例を示す斜視図である。 図３は、センサ本体の回路構成の一例を示す模式図である。 図４は、検出される出力の一例を示す模式図である。 図５は、球面座標センサのセンサ本体の他の例を示す斜視図である。 図６は、図５に示すセンサ本体の形状を説明するための説明図である。 図７は、図５に示すセンサ本体を説明するための説明図である。 図８は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。 図９は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。 図１０は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。 図１１は、センサ本体の回路構成の他の例を示す模式図である。 図１２は、検出される出力の一例を示す模式図である。 図１３は、検出される出力の一例を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる球面座標センサ装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施の形態による球面座標センサの概略構成を示すブロック図である。図２は、球面座標センサのセンサ本体の一例を示す斜視図である。図３は、センサ本体の回路構成の一例を示す模式図である。図１に示す球面座標センサ１０は、対象物を検出するセンサ本体１２と、制御装置１４と、を有する。

センサ本体１２は、図２及び図３に示すように、多面体２０と、多面体２０に設けられた１２個の検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２と、検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２を含む回路を形成する検出回路２２と、を有する。

多面体２０は、正５角形の面Ｓ１〜Ｓ１２の１２面によって形成される正１２面体である。多面体２０は、面Ｓ１〜Ｓ１２の１２面が連結した形状であり、頂点Ｐ１〜Ｐ２０の２０個の頂点が設けられている。面Ｓ１〜Ｓ１２は、頂点Ｐ１〜Ｐ２０のうち隣接する５つの頂点を結んだ線で囲まれた面である。例えば、面Ｓ１は、頂点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を結んだ線で囲まれた面、面Ｓ１２は、頂点Ｐ１６、Ｐ１７、Ｐ１８、Ｐ１９、Ｐ２０を結んだ線で囲まれた面である。多面体２０は、面Ｓ１と一辺が接している５つの面が面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６となり、面Ｓ１２と一辺が接している５つの面が面Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１となる。面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６は、それぞれ面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６のうち隣接する２つの面と接しており、面Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１のうち、それぞれ対面する２つの面と接している。

また、本実施形態の球面座標センサ１０は、面Ｓ１を上面とし、面Ｓ１２を下面とし、上下方向をｘ軸方向とする。また、球面座標センサ１０は、面Ｓ１２から面Ｓ１に向けた方向をｘ軸方向の正の方向とし、面Ｓ１と面Ｓ１２との中点、つまり多面体２０の中点を原点とする。つまり、球面座標センサ１０は、位置Ｐｘが面Ｓ１と面Ｓ１２との中点よりも面Ｓ１側がｘ軸方向の位置Ｐｘが正となる範囲であり、位置Ｐｘが面Ｓ１と面Ｓ１２との中点よりも面Ｓ１２側がｘ軸方向の位置Ｐｘが負となる範囲である。また、球面座標センサ１０は、原点から面Ｓ２と面Ｓ３と面Ｓ７とが接する頂点Ｐ９の近傍に向かう方向をｙ軸方向の正の方向とし、原点から面Ｓ４と面Ｓ８と面Ｓ９とが接する頂点Ｐ１５の近傍に向かう方向をｚ軸方向の正の方向とする。

検出素子ＶＲ１から検出素子ＶＲ１２は、面Ｓ１から面Ｓ１２にそれぞれ配置されている。具体的には、検出素子ＶＲ１は、面Ｓ１に配置され、検出素子ＶＲ２は、面Ｓ２に配置され、検出素子ＶＲ１２は、面Ｓ１２に配置されている。検出素子ＶＲ１から検出素子ＶＲ１２は、配置されている面Ｓ１から面Ｓ１２の中央に面に垂直かつ面の外側（原点から離れる方向）に向けて配置されている。

本実施形態の検出素子ＶＲ１から検出素子ＶＲ１２は、近接覚センサである。近接覚センサは、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であり、例えばフォトリフレクタを用いることができる。フォトリフレクタは、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）及び受光素子としてのフォトトランジスタのペアを備えている。フォトリフレクタは、物体が近づくと、ＬＥＤ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に入射する。そして、フォトトランジスタには、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。なお、近接覚センサは、光センサ素子に限定されない。例えば、光に換えて、超音波を発振、受信する超音波センサ素子を用いることもできる。

次に、図３を用いて検出回路２２について説明する。検出回路２２は、特許文献１及び特許文献２に記載の検出原理を用いて、検出素子ＶＲ１から検出素子ＶＲ１２のいずれで対象物を検出しているかを検出するための回路である。検出回路２２は、電源３０と、ＧＮＤ端子３４と、電圧検出端子３６、３８と、グループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃと、２つの抵抗Ｒを有し、検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２と接続する回路である。

検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２は、対象物との距離に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子の一方の端部が電源３０に接続されている。検出素子として、フォトリフレクタを利用しているため可変抵抗素子は、フォトトランジスタのコレクタとエミッタ間の抵抗に相当する。フォトトランジスタの反射光量によって変化する。電源３０は、電圧Ｖｃｃを印加する。ここで、検出回路２２は、検出素子ＶＲ１をグループＧ１とし、検出素子ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５、ＶＲ６を第２グループＧ２とし、検出素子ＶＲ７、ＶＲ８、ＶＲ９、ＶＲ１０、ＶＲ１１をグループＧ３とし、検出素子ＶＲ１２をグループＧ４とする。検出回路２２は、グループＧ２の検出素子ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５、ＶＲ６を、それぞれを並列で接続することで、１つのグループとし、グループＧ３の検出素子ＶＲ７、ＶＲ８、ＶＲ９、ＶＲ１０、ＶＲ１１を、それぞれを並列で接続することで、１つのグループとしている。

ここで、検出回路２２は、ＧＮＤ端子３４と、グループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃと、２つの抵抗Ｒとが、閉じた回路となっており、回路の各部に検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２の他方の端部が接続されている。検出回路２２は、ＧＮＤ端子３４、抵抗Ｒ、グループ間抵抗ｒａ、グループ間抵抗ｒｂ、グループ間抵抗ｒｃ、抵抗Ｒ、ＧＮＤ端子３４の順で直列に繋がっている。また、検出素子ＶＲ１は、抵抗Ｒとグループ間抵抗ｒａとの間に接続されている。検出素子ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５、ＶＲ６は、グループ間抵抗ｒａとグループ間抵抗ｒｂの間に接続されている。検出素子ＶＲ７、ＶＲ８、ＶＲ９、ＶＲ１０、ＶＲ１１は、グループ間抵抗ｒｂとグループ間抵抗ｒｃの間に接続されている。検出素子ＶＲ１２は、グループ間抵抗ｒｃと抵抗Ｒとの間に接続されている。グループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃ、抵抗Ｒは、抵抗値が機知の抵抗である。本実施形態のグループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃは、位置によって抵抗値が異なる抵抗を用いている。抵抗ｒａと抵抗ｒｂと抵抗ｒｃとの抵抗比は、例えば、抵抗ｒａ：抵抗ｒｂ：抵抗ｒｃ＝２７．６３８０６：４４．７２３８８：２７．６３８０６とすればよい。

したがって、検出素子ＶＲ１は、他方の端部が抵抗Ｒまたはグループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃ及び抵抗Ｒを介して、ＧＮＤ端子３４と接続されている。検出素子ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５、ＶＲ６は、他方の端部が抵抗Ｒ及びグループ間抵抗ｒａまたはグループ間抵抗ｒｂ、ｒｃ及び抵抗Ｒを介して、ＧＮＤ端子３４と接続されている。検出素子ＶＲ７、ＶＲ８、ＶＲ９、ＶＲ１０、ＶＲ１１は、他方の端部が抵抗Ｒ及びグループ間抵抗ｒａ、ｒｂまたはグループ間抵抗ｒｃ及び抵抗Ｒを介して、ＧＮＤ端子３４と接続されている。検出素子ＶＲ１は、他方の端部がグループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃ及び抵抗Ｒまたは抵抗Ｒを介して、ＧＮＤ端子３４と接続されている。

電圧検出端子３６は、グループ間抵抗ｒａと抵抗Ｒとの間に接続され、グループ間抵抗ｒａと抵抗Ｒとの間の配線の電圧出力Ｖ１を検出する。電圧検出端子３８は、グループ間抵抗ｒｃと抵抗Ｒとの間に接続され、グループ間抵抗ｒｃと抵抗Ｒとの間の配線の電圧出力Ｖ２を検出する。

検出回路２２は、電源３０の電圧が複数の検出素子に印加され、複数の検出素子がそれぞれ電圧検出端子３６及び電圧検出端子３８の間に出力可能であって、隣り合うグループの検出素子同士がそれぞれのグループから電圧検出端子３６、３８までの間で抵抗値が異なるようにグループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃとはしご状に接続されている。

検出回路２２は、電圧検出端子３６で検出した電圧出力Ｖ１と電圧検出端子３８で検出した電圧出力Ｖ２を制御装置１４の電位検出部１６に出力する。

制御装置１４は、電位検出部１６と、素子制御部１８と、位置検出部１９と、を有し、センサ本体１２の動作を制御し、センサ本体１２で検出した信号に基づいて、対象物の位置を検出する。電位検出部１６は、センサ本体１２の電圧検出端子３６と、電圧検出端子３８に接続されておりの電圧検出端子３６と、電圧検出端子３８で検出した電圧値を取得する。素子制御部１８は、センサ本体１２の検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２の動作を制御し、検出動作を制御する。位置検出部１９は、電位検出部１６で検出した電位と記憶された情報とに基づいて、対象物が接触している位置を検出する。

制御装置１４は、電位検出部１６によって、例えば、電圧検出端子３６、３８から出力される電圧出力Ｖ１及び電圧出力Ｖ２を取得する。制御装置１４は、位置検出部１９によって、電位検出部１６が検出した電圧出力Ｖ１及び電圧出力Ｖ２を演算処理することで、ｘ軸方向の座標を検出する。まず、位置検出部１９は、電圧出力Ｖ１、Ｖ２と定数ａ、ｂを用いて、信号Ｉａｌｌと信号Ｉｘを検出する。定数ａ、ｂは、検出回路２２の回路構成に基づいて予め算出した値である。位置検出部１９は、信号ＩａｌｌをＩａｌｌ＝ａ（Ｖ１＋Ｖ２）で算出し、信号ＩｘをＩｘ＝ｂ（Ｖ１−Ｖ２）で算出する。ここで、Ｉａｌｌは、検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２に流れる全電流であり、対象物の距離に関係する量である。位置検出部１９は信号Ｉａｌｌと信号Ｉｘを用いて、位置Ｐｘを、Ｐｘ＝Ｉｘ／Ｉａｌｌで算出する。位置Ｐｘは、検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２のフォトトランジスタに流れる電流分布の中心位置を示し、対象物の位置に関係する量である。具体的には、位置Ｐｘは、ｘ座標における対象物の位置の検出結果を示す量である。ここで、位置Ｐｘは、−１から１の範囲となる。

ここで、球面座標センサ１０は、各グループＧ１〜Ｇ４の間をグループ間抵抗ｒａ、ｒｂ、ｒｃで接続していることで、対象物がグループＧ１〜Ｇ４のいずれの検出素子に近接するかで電圧検出端子３６、３８から出力される電圧出力Ｖ１及び電圧出力Ｖ２で検出される値が変化する。また、球面座標センサ１０は、グループＧ１〜Ｇ４のうち、同じグループの検出素子に同じ距離で近接した場合、電圧出力Ｖ１及び電圧出力Ｖ２で検出される値が同じになる。検出素子ＶＲ１〜ＶＲ１２のうち、どの検出素子が対象物を検出したかと、どのグループＧ１〜Ｇ４に含まれる検出素子が対象物を検出したかと、位置Ｐｘの出力との関係は、図４に示す関係となる。図４に示すようにｘ軸方向の位置に応じた１次関数の形で位置Ｐｘが出力される。具体的には、ｘ軸方向の正の方向で対象物が検出されるほど、位置出力が１に近づき、ｘ軸方向の負の方向で対象物が検出されるほど、位置出力が−１に近づく。

位置検出部１９は、図４に示す関係を予め記憶し、検出した位置Ｐｘの出力に基づいて、反応素子、つまり、対象物が近接し、可変抵抗素子の値が変化した検出素子を含むグループを特定する。位置検出部１９は、特定した反応素子の位置から、対象物のｘ軸方向における位置を検出する。なお、位置検出部１９は、位置Ｐｘの出力と対象物のｘ軸方向の位置との関係を記憶しておき、反応素子を特定せずに、位置Ｐｘの出力から対象物のｘ軸方向の位置を検出するようにしてもよい。

ここで、位置情報は、原点を中心とする極座標、具体的には、Ｘ軸方向の正の方向とのなす角θｘで算出しても良い。ここで、多面体２０は、正１２面体である。このため、正１２面体の２面角は、１１６．５７度となり、各グループのｘ軸とのなす角度は、以下のようになる。グループＧ１の角度は、０度、グループＧ２の角度は、６３．４３３３３度、グループＧ３の角度は、１１６．５６６７度、グループＧ４の角度は、１８０度となる。位置検出部１９は、対象物を検出したグループの角度と位置Ｐｘとの関係を記憶しておき、位置Ｐｘの出力から対象物の角度を検出することができる。

球面座標センサ１０は、検出する軸における位置に基づいて、軸上の位置が同じとみなせる位置に配置された検出素子を同じグループとし、同じグループの検出素子を並列で接続し、グループ間をグループ間抵抗で接続することで、簡単な回路構成で、測定対象の軸における対象物の位置を検出することができる。

ここで、本実施形態の球面座標センサは、ユーザが操作を入力する入力装置、ヒューマンインターフェースとして用いることができる。球面座標センサは、検出領域に近づく手などの対象物の位置、方位、仰角等の位置情報を検出する。また、球面座標センサは、対象物の距離も検出することができる。球面座標センサは、検出した対象物の位置情報を出力する。球面座標センサで検出した位置情報を受け取った機器は、位置情報を入力として、入力された操作に基づいて、対象の処理を実行する。これにより、ユーザは、球面座標センサに近接させた指等を動かす動作により、機器の操作を行うことができる。

また、球面座標センサ１０は、検出素子として、近接覚センサを用いることで、手指などの対象物が球面座標センサ１０に接触していない状態で検出を行うことができる。これにより、利用者は、球面座標センサ１０に触れることなく、球面座標センサ１０に対して操作を入力することができる。これにより、球面座標センサ１０を入力デバイスとして用いる機器の操作を非接触で行うことができる。これにより、衛生であり、また汚れた手などでも操作が行える。また、非接触で操作が行えることで、操作対象（例えばロボット等）との接触を行うことなく操作が行えるため、ユーザの安全性を高くすることができる。

なお、本実施形態は、多面体の全面で検出を行ったが、これに限定されず、一部、例えば、グループＧ１とグループＧ２のみで検出を行うようにしてもよい。また、球面座標センサ１０は、多面体の形状を本実施形態のように正多面体とすることで、検出の演算が簡単になり、検出精度を高くすることができるがこれに限定されない。球面座標センサ１０は、検出素子を配置する多面体を切断した形状や、面によって面積が異なる形状としてもよい。また、球面座標センサ１０は、多面体の面の中心に検出素子を配置することが好ましいが、中心からずれた位置としてもよいし、頂点に配置してもよい。また、面は、曲面でも平面でもよい。

なお、上記実施形態では、ｘ軸方向における位置を検出する場合として説明したが、ｙ軸及びｚ軸に対しても同様に検出素子を配置し、検出回路を設けることで位置Ｐｙの出力及び位置Ｐｚの出力を得ることができ、ｙ軸における位置及びｚ軸における位置を検出することができる。複数の軸上の位置を検出する場合の回路構成については後述する。ここで、本実施形態の１２面体の場合、ｙ軸及びｚ軸まわりの面の構成が非対称な形状となるが、軸における位置が同じとなる位置に検出素子を配置し、同じグループに設定すればよい。また、この場合、グループの軸上における位置のバランスによって、グループ間抵抗の抵抗値の比を設定することが好ましい。

球面座標センサ１０は、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の３軸で位置情報のうち、２つを用いて、対象物の位置を検出することができる。例えば、位置Ｐｙ、Ｐｚの出力に基づいてＹ−Ｚ平面における対象物とＺ軸との角度θｘを、位置Ｐｘ、Ｐｚの出力に基づいてＸ−Ｚ平面における対象物とＺ軸との角度θｙを、位置Ｐｘ、Ｐｙの出力に基づいてＸ−Ｙ平面における対象物とＸ軸との角度θｘを求めることができる。さらに、アークタンジェントを計算する、具体的には、θｘ＝ａｔａｎ（Ｐｙ／Ｐｚ）、θｙ＝ａｔａｎ（Ｐｘ／Ｐｚ）、θｚ＝ａｔａｎ（Ｐｙ／Ｐｘ）で計算を行うことでも、それぞれの位置情報を検出することができる。このように、２つの方法で位置情報を検出できることで、位置Ｐｘの出力に基づいてθｘを求め、位置Ｐｙの出力に基づいてθｙを求め、位置Ｐｚの出力に基づいてθｚを求めた場合にいずれかが特異点となった場合も、アークタンジェントを用いた計算で位置情報を検出することができる。これにより、球面座標センサ１０は、多面体２０の周囲の検出領域の特異点をなくすことが出来、検出領域の全領域で位置を検出することができる。なお、複数の軸で位置情報を得る場合、得られる距離情報Ｉａｌｌは、理論上全て同じ値となる。したがって、対象物との距離の情報は、３軸で算出した距離情報の平均や中央値で算出すればよい。

また、上記実施形態のように、球面座標センサ１０は、直交する３軸、つまりｘ軸、ｙ軸、ｚ軸上の位置を検出することが好ましいが、これに限定されない。球面座標センサ１０は、直交しない複数の軸上の位置を検出してもよい。例えば、多面体の面に直交する方向を軸に設定し、直交していない複数の軸における位置を検出するようにしてもよい。

ここで、上記実施形態では、多面体を正１２面体としたが、これに限定されない。多面体は、測定対象の複数の軸のそれぞれに対する形状が相似となる形状とすることが好ましい。これにより、球面座標上における検出素子の配置をより均等になるように配置することが可能となり、検出精度を高くすることができる。

図５は、球面座標センサのセンサ本体の他の例を示す斜視図である。図６は、図５に示すセンサ本体の形状を説明するための説明図である。図７は、図５に示すセンサ本体を説明するための説明図である。センサ本体１２ａは、図５に示すように、多面体２０ａと、多面体２０ａに設けられた４２個の検出素子ＶＲａ１〜ＶＲａ４２と、を有する。なお、図５には、センサ本体１２ａの向きを示すため、多面体２０ａの外にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を示したが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点は多面体２０ａの中心となる。

図５に示すセンサ本体１２ａは、多面体２０ａが４２個の面Ｓａ１〜Ｓａ４２が組み合わされた４２面体である。多面体２０ａは、図６に示す菱形３０面体の多面体８０に対して、５枚の菱形が集合する頂点を削ぎ落として５角形の新たな面を生成させたものである。多面体８０は、５枚の菱形が集合する頂点が、全周囲で１２箇所ある。したがって、多面体８０の５枚の菱形が集合する頂点をそぎ落として５角形として生成した多面体は、６角形の３０面に５角形の１２面が加わり、４２面体となる。

多面体２０ａは、測定対象の複数の軸のそれぞれに対する形状が相似となる形状とすることが好ましい。本実施形態の球面座標センサは、面Ｓａ１を上面とし、面Ｓａ４２を下面とし、上下方向をｘ軸方向とする。また、球面座標センサは、面Ｓａ４２から面Ｓａ１に向けた方向をｘ軸方向の正の方向とし、面Ｓａ１と面Ｓａ４２との中点、つまり多面体２０ａの中点を原点とする。つまり、球面座標センサは、位置Ｐｘが面Ｓａ１と面Ｓａ４２との中点よりも面Ｓａ１側がｘ軸方向の位置Ｐｘが正となる範囲であり、位置Ｐｘが面Ｓａ１と面Ｓａ４２との中点よりも面Ｓａ４２側がｘ軸方向の位置Ｐｘが負となる範囲である。また、球面座標センサ１０は、原点から面Ｓａ１９の中心に向かう方向をｙ軸方向の正の方向とし、原点から面Ｓ２２の中心に向かう方向をｚ軸方向の正の方向とする。

検出素子ＶＲａ１から検出素子ＶＲａ４２は、面Ｓａ１から面Ｓａ４２にそれぞれ配置されている。具体的には、検出素子ＶＲａ１は、面Ｓａ１に配置され、検出素子ＶＲａ２は、面Ｓａ２に配置され、検出素子ＶＲａ４２は、面Ｓａ４２に配置されている。検出素子ＶＲａ１から検出素子ＶＲａ４２は、配置されている面Ｓａ１から面Ｓａ４２の中央に面に垂直かつ面の外側（原点から離れる方向）に向けて配置されている。検出素子ＶＲａ１から検出素子ＶＲａ４２は、図７に示すように、それぞれ発光素子と受光素子のペアを有する複数の光センサ素子６０が、同心円上に配置されている。検出素子ＶＲａ１から検出素子ＶＲａ４２は、複数の光センサ素子６０で検出した結果を平均化した結果を可変抵抗素子で出力する。つまり、検出素子ＶＲａ１から検出素子ＶＲａ４２は、複数の光センサ素子６０を備えている場合も１つの検出素子から１つの検出結果を出力する。

球面座標センサは、センサ本体１２ａの多面体２０ａを４２面体とすることで、直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸にそれぞれ垂直な面が存在する配置とすることができ、３軸それぞれについて、検出素子を相似形状でグループ化することができる。

以下、図８から図１０を用いて、複数の軸上の位置を検出する場合の制御素子と制御回路との構成について説明する。図８は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。図８に示すセンサ本体１２ａは、各面に検出する軸に対応する検出素子を別々に配置し、検出素子が別々の軸上の位置を検出する回路に接続している。本実施形態のセンサ本体１２ａは、ｘ、ｙ、ｚの３軸を検出する場合であり、１つの面の近接した位置に検出素子ＶＲを３個配置して、３つの検出素子ＶＲが、それぞれＸループ７０、Ｙループ７２、Ｚループ７４と接続している。Ｘループ７０は、ｘ軸上の位置を検出する検出回路であり、Ｙループ７２は、ｙ軸上の位置を検出する検出回路であり、Ｚループ７４は、ｚ軸上の位置を検出する検出回路である。

図８に示すように、各軸に対応した検出素子と検出回路を設けることで、各軸における位置を検出することができる。また、回路自体の構成は増えるが、各回路が簡単になる。

ここで、図５に示すように多面体２０ａとして４２面体を用いる場合、上述したように各軸周りの形状が相似形状となる。従って、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向にそれぞれネットワークを配置したとき、検出素子の位置が重なる。この場合、検出素子を各軸で共有化することで、少ない検出素子で効率よく対象物を検出することができる。検出素子を共有化することで、４２個の検出素子で、３軸の１２６個分の検出素子の情報を取りだすことができる。つまり、４２個の検出素子を３軸に配置し、１２６個の検出素子を用いて、１２６個分の検出素子の情報を取り出す場合と同様の情報を得ることができる。また、検出素子を共通化することで、各検出素子の位置を同じ位置とすることができる。これにより、他の軸の結果を用いた補正処理も好適に行うことができ、検出精度を高くすることができる。

以下、図９及び図１０を用いて、検出素子を共有化した場合の各検出素子回りの回路構成について説明する。図９は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。図９に示す球面座標センサのセンサ本体１００は、図８の場合と同様に、軸上の位置を検出する検出回路であるＸループ（Ｘ軸回りのループ）、ｙ軸上の位置を検出する検出回路であるＹループ（Ｙ軸回りのループ）、ｚ軸上の位置を検出する検出回路であるＺループ（Ｚ軸回りのループ）が設けられている。図９に示す検出素子Ｖｎは、他方の端部（電源３０から電圧Ｖｃｃが供給される端部とは反対側の端部）に分配回路（デマルチプレクサ）１０２が接続されている。分配回路１０２は、スイッチ１１２を介して検出素子ＶｎとＸ軸回りのループとを接続し、スイッチ１１４を介して検出素子ＶｎとＹ軸回りのループとを接続し、スイッチ１１６を介して検出素子ＶｎとＺ軸回りのループとを接続している。

センサ本体１００は、ｘ軸上の位置、ｙ軸上の位置及びｚ軸上の位置の検出を時分割で実行する。具体的は、センサ本体１００は、スイッチ１１２、１１４、１１６のうち１つをＯＮとし、残りの２つをＯＦＦとする。また、センサ本体１００は、全ての検出素子Ｖｎの分配回路１０２を同期させて、ＯＮにするスイッチを順次切り換えることで、ｘ軸上の位置、ｙ軸上の位置及びｚ軸上の位置の検出を時分割で実行する。

センサ本体１００は、分配回路１０２を設けることで接続する配線を切り換えることができる、また、検出素子の個数を少なくすることができ、全体の配線量を低減することができる。

図１０は、球面座標センサの検出動作の一例を説明するための説明図である。図１０に示す球面座標センサのセンサ本体２００は、図９に示すセンサ本体１００と同様に、軸上の位置を検出する検出回路であるＸループ（Ｘ軸回りのループ）、ｙ軸上の位置を検出する検出回路であるＹループ（Ｙ軸回りのループ）、ｚ軸上の位置を検出する検出回路であるＺループ（Ｚ軸回りのループ）が設けられている。

図１０に示す検出素子Ｖｎは、他方の端部（電源３０から電圧Ｖｃｃが供給される端部とは反対側の端部）が、抵抗Ｒを介して電圧Ｖｅｅが印加されている配線と接続されている。また、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor、ＦＥＴ）Ｑ１は、ゲートが検出素子Ｖｎと抵抗Ｒとの間に接続され、ソースが電源電圧とＧＮＤとの間に接続され、ドレインがＸ軸回りのループと接続されている。電界効果トランジスタＱ２は、ゲートが検出素子Ｖｎと抵抗Ｒとの間に接続され、ソースが電源電圧とＧＮＤとの間に接続され、ドレインがＹ軸回りのループと接続されている。電界効果トランジスタＱ３は、ゲートが検出素子Ｖｎと抵抗Ｒとの間に接続され、ソースが電源電圧とＧＮＤとの間に接続され、ドレインがＺ軸回りのループと接続されている。

センサ本体２００は、電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３を用いて、それぞれのループに信号（電流）を流すことで、各軸の位置の検出を並列処理で実行することができる。なお、検出回路の構成は、上記実施形態に限定されず、種々の回路を用いることができる。

図１１は、センサ本体の回路構成の他の例を示す模式図である。図１２は、検出される出力の一例を示す模式図である。図１３は、検出される出力の一例を示す模式図である。図１１に示す本体センサ１２ｂの検出回路２２ｂは、検出素子のグループを１０個に分けた場合を示している。図１１では、１つのグループの検出素子の可変抵抗をまとめてグループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０とする。

図１１に示す検出回路２２ｂは、電源３０と、ＧＮＤ端子３４と、電圧検出端子３６、３８と、グループ間抵抗ｒ１〜ｒ９と、２つの抵抗Ｒを有し、グループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０と接続する回路である。

グループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０は、対象物との距離に応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子を有する検出素子を少なくとも１つ備え、可変抵抗素子の一方の端部が電源３０に接続されている。グループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０は、検出素子を複数備える場合、並列に接続されている。電源３０は、電圧Ｖｃｃを印加する。

検出回路２２ｂは、ＧＮＤ端子３４と、グループ間抵抗ｒ１〜ｒ９と、２つの抵抗Ｒとが、閉じた回路となっており、回路の各部にグループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０の他方の端部が接続されている。検出回路２２ｂは、ＧＮＤ端子３４、抵抗Ｒ、グループ間抵抗ｒ１〜ｒ９、抵抗Ｒ、ＧＮＤ端子３４の順で直列に繋がっている。また、グループ検出素子ＧＲ１は、抵抗Ｒとグループ間抵抗ｒ１との間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ２は、グループ間抵抗ｒ１とグループ間抵抗ｒ２の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ３は、グループ間抵抗ｒ２とグループ間抵抗ｒ３の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ４は、グループ間抵抗ｒ３とグループ間抵抗ｒ４の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ５は、グループ間抵抗ｒ４とグループ間抵抗ｒ５の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ６は、グループ間抵抗ｒ５とグループ間抵抗ｒ６の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ７は、グループ間抵抗ｒ６とグループ間抵抗ｒ７の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ８は、グループ間抵抗ｒ７とグループ間抵抗ｒ８の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ９は、グループ間抵抗ｒ８とグループ間抵抗ｒ９の間に接続されている。グループ検出素子ＧＲ１０は、グループ間抵抗ｒ９と抵抗Ｒの間に接続されている。

検出回路２２ｂは、グループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０の間にグループ間抵抗ｒ１〜ｒ９を配置することで、電圧検出端子３６、３８までに通過する抵抗値がグループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０ごとに異なる値となる。これにより、電圧検出端子３６、３８で検出した電圧を処理することで、接触を検出した検出素子を含むグループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０を検出し、対象物の位置を検出することができる。

ここで、検出回路２２ｂは、グループ間抵抗ｒ１〜ｒ９を同じとすると、反応素子（対象物を検出した検出素子を含むグループ検出素子）と位置出力との関係が図１２に示すように１次関数（直線）となる。つまり、対象物を検出した検出素子を含むグループ検出素子が隣接するグループに移動する毎に電圧が一定量増減する。

検出回路２２ｂは、グループ検出素子ＧＲ１〜ＧＲ１０の間にグループ間抵抗ｒ１〜ｒ９を位置によって変化させることが好ましい。グループ間抵抗ｒ１〜ｒ９を位置によって異なる値とすることで、反応素子と位置出力との関係を任意に変化させることができる。例えば、グループ間抵抗ｒ１の抵抗値を３．０１５３６９、グループ間抵抗ｒ２の抵抗値を８．６８２４０９、グループ間抵抗ｒ３の抵抗値を１３．３０２２２、グループ間抵抗ｒ４の抵抗値を１６．３１７５９、グループ間抵抗ｒ５の抵抗値を１７．３６４８２、グループ間抵抗ｒ６の抵抗値を１６．３１７５９、グループ間抵抗ｒ７の抵抗値を１３．３０２２２、グループ間抵抗ｒ８の抵抗値を８．６８２４０９、グループ間抵抗ｒ９の抵抗値を３．０１５３６９とした場合、反応素子と位置出力との関係を図１３に示すように余弦波形状とすることができる。このように、位置による出力を三角関数に近い形状の出力にすることで、角度分解能を平均化することができ、極座標を高い精度で検出することが可能となる。

上記実施形態の球面座標センサは、対象物との距離に応じて電気抵抗が変化し、検出素子に非接触で対象物を検出する近接覚センサを用いる場合として説明したが、これに限定されない。検出素子としては、対象物が接触している圧力に応じて電気抵抗が変化する感圧センサを用いることもできる。感圧センサとしては、感圧素子（pressure-sensitive element）、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）を用いた素子を用いることができる。球面座標センサは、検出素子として感圧センサを用いることで、各軸において対象物が多面体に接触している位置を検出することができる。また、球面座標センサは、検出素子として感圧センサを用いた場合、対象物との距離に換えて、対象物が接触している圧力も検出することができる。

１０ 球面座標センサ
１２、１２ａ センサ本体
１４ 制御装置
１６ 電位検出部
１８ 素子制御部
１９ 位置検出部
２０ 多面体
２２ 検出回路
３０ 電源
３４ ＧＮＤ端子
３６、３８ 電圧検出端子
ＧＲ１〜ＧＲ１０ グループ検出素子
Ｐ１〜Ｐ２０ 頂点
ｒａ、ｒｂ、ｒｃ グループ間抵抗
Ｓ１〜Ｓ１２ 面
ＶＲ１〜ＶＲ１２ 検出素子

Claims (10)

1. 複数の面が張り合わせられた立体形状の多面体と、
   前記多面体の各面にそれぞれ配置され、対象物との関係に応じて電気抵抗が変化する検出素子と、
   前記検出素子を接続する検出回路と、
   前記検出回路の所定位置の電圧値に基づいて、対象物の位置を検出する位置検出部と、を備え、
   前記多面体は、
   前記多面体に対して設定した軸が通る面と接し、前記軸の周方向に隣り合って配置されて軸方向の位置が重なる第１の複数の面と、
   前記第１の複数の面と接し、前記軸の周方向に隣り合って配置されて軸方向の位置が重なる第２の複数の面と、を含み、
   前記検出回路は、前記第１の複数の面の各面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、前記第２の複数の面の各面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する球面座標センサ。
2. 前記検出回路は、前記グループ間抵抗が、接続する位置に応じて異なる値である請求項１に記載の球面座標センサ。
3. 前記軸は、複数の方向に設定されている請求項１または２に記載の球面座標センサ。
4. 前記軸は、直交する３つの方向に設定されている請求項１または２に記載の球面座標センサ。
5. 前記検出回路は、複数の前記軸に対応して、前記軸における位置が重なる面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する軸用回路と、
   前記軸用回路と、前記検出素子の抵抗成分との接続部に配置され、検出する前記軸に応じて接続する前記軸用回路を切り換える切換回路と、を有する請求項３または４に記載の球面座標センサ。
6. 前記検出回路は、複数の前記軸に対応して、前記軸における位置が重なる面に配置された前記検出素子の抵抗成分を並列に接続して両端が同電位となるグループとし、各グループの間をグループ間抵抗で接続する軸用回路と、
   前記検出素子の抵抗成分と複数の前記軸用回路との接続部にそれぞれ配置され、前記検出素子の抵抗成分と、それぞれの前記軸用回路とを接続する電界効果トランジスタと、を有する請求項３または４に記載の球面座標センサ。
7. 前記検出素子は、前記多面体の各面のそれぞれに、前記軸の数に対応した数で配置され、対応する前記軸の前記検出回路に接続されている請求項３または４に記載の球面座標センサ。
8. 前記多面体は、直交する３つの前記軸に対して、それぞれ垂直な面を有する請求項４から７のいずれか一項に記載の球面座標センサ。
9. 前記検出素子は、前記対象物との距離に応じて電気抵抗が変化する近接覚センサである請求項１から７のいずれか一項に記載の球面座標センサ。
10. 前記検出素子は、前記対象物が接触している圧力に応じて電気抵抗が変化する感圧センサである請求項１から７のいずれか一項に記載の球面座標センサ。
    

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