JP6358227B2 - 近接覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、相対的に接近してくる被検知物を検知する近接覚センサに関する。

現在、ロボット等に対して相対的に接近する物体（以下、本明細書では「被検知物」と記す）を検知し、被検知物との衝突を回避する技術が研究、開発されている。なお、本明細書において、「相対的に接近する」とは、ロボットが移動して被検知物に接近する、被検知物が移動してロボットに接近する、及びロボットと被検知物の両方が移動して結果的に両者が接近する、のいずれの場合も含む。
被検知物の検知は、ピジョンセンサによっても行われるが、ピジョンセンサの死角となるロボットの脚周りや腕周辺には近接覚センサを設けることが行われている。
ロボットに設けられる近接覚センサは、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。特許文献１には、発光素子と受光素子とを入れ替えて使用することにより、回路網を簡易化する近接覚センサが記載されている。特許文献２には、ロボットの腕等にセンサ素子を含むノードペア同士を網目状に接続し、センサ素子が円柱等の側周面に沿って配列されることが記載されている。また、特許文献２には、比較例として、フォトリフレクタが設けられたシート状の基板でロボットの腕等を覆うことが記載されている。

特開２００７−７１５６４号公報 特許第５５１７０３９号

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載の構成は、いずれも近接覚センサが取り付けられるロボット等の形状に合わせて複数のセンサ素子同士を接続し、接続されたセンサを一体的にロボット等に取付けている。このため、特許文献１、特許文献２に記載の近接覚センサは、被取付部材に合わせて仕様（センサ素子の数、配置及び範囲等）を変えることが必要な、所謂一品一様の構成となっていた。
被取付部材毎に仕様を変えることは、近接覚センサの開発コストの観点からは不利である。即ち、ロボットに取付けられる近接覚センサでは、脚や腕のサイズが異なるロボット毎にセンサ素子を搭載する基板を設計し直す必要が生じる。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、開発に係るコストを抑え、サイズや形状の異なる様々な被取付部材に対応できる近接覚センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の近接覚センサは、光強度を検出する光センサ、光センサの受光素子が光を受光する受光面を覆って特定の波長の範囲の光を選択的に透過する光学フィルタ及び光センサによって検出された光強度に係る信号を生成する信号生成部を備え、可撓性を有する複数の第１基板と、複数の第１基板の信号生成部によって生成された信号に基づく被検知物の位置情報を取得する位置情報取得部を備える第２基板と、第１基板及び第２基板に設けられ、第１基板から第２基板へ信号生成部によって生成された信号または位置情報を送信する信号送信部と、を含む。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、光学フィルタが、ガラス基材に波長選択性を持って光を吸収する遷移金属を混入したフィルタガラスであることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、光学フィルタが、ガラス基材の表面に光学薄膜を備える多層膜フィルタであることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、光学フィルタが、受光素子の感度が最大値をとる波長を中心にして半値幅が１０ｎｍとなる透過率を有することが望ましい。

また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、信号送信部が、信号または位置情報を無線または可撓性を有するケーブルによって送信することが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第１基板が、光センサが設けられる表面に対する裏面に接着層を備えることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第１基板が、信号生成部によって生成された信号に基づいて、被検知物の位置に関する位置情報を生成する位置情報生成部を備えることが望ましい。

また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、信号生成部が、光センサが受光した光強度からデジタル信号を生成するＡＤ変換器を含み、位置情報生成部は、ＡＤ変換器によって生成されたデジタル信号から被検知物の位置情報を生成するマイクロコンピュータを含むことが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、マイクロコンピュータが、位置情報の生成に際し、光センサの出力特性のばらつきを補正することが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、光センサの受光素子が複数並列に接続され、位置情報生成部が、並列に接続された受光素子のうち両端部に配置された受光素子から出力された電圧の値を検出し、電圧の値から被検知物の重心を求めることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第１基板が、光センサが一方向に配列された光センサ列を１列以上備えることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第２基板と接続する複数の第１基板のうちの一部が備える光センサ列の数と、他の第１基板が備える光センサ列の数とが異なることが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第１基板が、光センサが一方向に配列された光センサ列を複数列備え、信号生成部は、複数の光センサ列に含まれる光センサが受光した光強度を各々予め設定されている値と比較してデジタル信号を生成するコンパレータを含むことが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、複数のデジタル信号を入力し、１つの信号を生成するＯＲ回路をさらに含むことが望ましい。
また、本発明の一態様の近接覚センサは、上記態様において、第１基板が、第１基板が取付けられる被取付部材の長手方向に光センサ列が沿うように取り付けられることが望ましい。

本発明は、開発に係るコストを抑え、サイズや形状の異なる様々な被取付部材に対応できる近接覚センサを提供することができる。

本発明の第１実施形態の近接覚センサの上面視における模式図である。 図１に示した第１基板を説明するための図である。 図２に示した第１基板を他の第１基板と共にロボットアームの側面に貼り付けた状態を例示した図である。 第１基板と第２基板との接続の仕方を例示した図である。 １つの第１基板に複数列の光センサを設けた例を示した図である。 ロボットアームに第１基板を取り付けた状態を示す模式的な断面図である。 第１実施形態の第１基板の回路構成を説明するための模式的な回路図である。 第２実施形態の第１基板の回路構成を説明するための模式的な回路図である。 第３実施形態の近接覚センサの第１基板を説明するための図である。 第３実施形態の、光の波長範囲と波長に対応するフォトトランジスタの感度との関係を示した図である。 第３実施形態の、保護材の透過率と保護材を透過する光の波長との関係を示した図である。 第３実施形態の多層膜フィルタを説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態について説明する。
［第１実施形態］
全体構成
図１は、本発明の第１実施形態の近接覚センサ１の上面視における模式図である。近接覚センサ１は、第１基板群１１と、第２基板１２と、を備えている。第１基板群１１は、ｎ個の第１基板を含んでいる。図１においては、簡単のため、ｎ個の第１基板のうち５つの第１基板を図示し、図示した第１基板を第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５とする。

第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、全て同様の構成を有している。このため、第１実施形態では、第１基板の説明にあたり、第１基板１１１について説明し、他の第１基板の説明に代えるものとする。
第１基板１１１は、光強度を検出する光センサ２３と、光センサ２３によって検出された光強度に係る信号を生成するメモリコントロールユニット（Memory Control Unit:以下、「ＭＣＵ」と記す）２５と、を有している。また、第１基板１１１は、光センサ２３とＭＣＵ２５とを実装する基板２１を有している。基板２１には、ＭＣＵ２５によって生成された信号を外部に出力するためのコネクタ２７が設けられている。

第２基板１２は、複数の第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５のＭＣＵ２５によって生成された信号から被検知物の位置に関する情報（以下、「位置情報」と記す）を取得するマイクロプロセッサ３１と、マイクロプロセッサ３１と共に動作する素子３２、３３、３４と、を備えている。マイクロプロセッサ３１及び素子３２、３３、３４は、基板３５上に実装されている。第２基板１２は、複数の第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５から得られる位置情報を統括する基板である。
第１基板１１１のコネクタ２７と第２基板１２のコネクタ３７とは、可撓性を有する配線ケーブル１３によって接続されている。配線ケーブル１３は、コネクタ２７とコネクタ３７とによって第１基板１１１及び第２基板１２に設けられ、第１基板１１１から第２基板１２へＭＣＵ２５によって生成された位置情報を送信する。

第１基板
図２は、図１に示した第１基板１１１を説明するための図である。図２（ａ）は、第１基板１１１の斜視図であり、図２（ｂ）は第１基板１１１を模式的に示した上面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）中に示した線分Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
図２（ａ）、図２（ｂ）に示したように、複数の光センサ２３は、基板２１上に一列に配置されている。一列に配置された複数の光センサ２３によって構成される列を、第１実施形態では光センサ列とも記す。
第１実施形態の光センサ２３は、反射型のフォトインタラプタであり、発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下、「ＬＥＤ」と記す）２３ａとフォトトランジスタ２３ｂとが一対となった構成を有している。第１実施形態のＬＥＤ２３ａは、赤外線を発する発光素子であり、フォトトランジスタ２３ｂは赤外線を受光する受光素子である。
ＭＣＵ２５は、演算機能の他、クロック信号を発生する機能と、ネットワークインターフェースとを備えている。ＭＣＵ２５は、電力の供給を受けるだけで動作することができる。

上記光センサ２３は、ＬＥＤ２３ａが赤外線を発していて、ＬＥＤ２３ａが発する赤外線は、被検知物が存在しない場合にはフォトトランジスタ２３ｂに受光されないように設定されている。被検知物とロボットアームとが相対的に近づいたとき、ＬＥＤが発した赤外線は、被検知物で反射される。反射された赤外線は、フォトトランジスタ２３ｂによって受光される。フォトトランジスタ２３ｂが受光する赤外線の強度は、フォトトランジスタ２３ｂと被検知物との距離に応じて変化する。
図２（ｃ）に示したように、基板２１上には、配線２２が設けられている。複数の光センサ２３、ＭＣＵ２５及びコネクタ２７は、配線２２によって電気的に接続されている。複数のフォトトランジスタ２３ｂは、赤外線を受光することによって受光された赤外線の強度に応じた信号を各々生成し、ＭＣＵ２５に出力する。ＭＣＵ２５は、フォトトランジスタ２３ｂから送られた信号に基づいて予めプログラムされている演算を行い、被検知物の位置に係る位置情報を得る。
位置情報は、コネクタ２７から配線ケーブル１３を介して第２基板１２のコネクタ３７に送信される。このため、第１実施形態は、ロボットアームに対して被検知物が相対的に近づいたこと及び被検知物の位置を近接覚センサ１が検知することができる。

さらに、ＭＣＵ２５は、被検知物の位置に係る位置情報をさらに上位の制御装置に送信する。ここで、さらに上位の制御装置とは、例えば、ロボットの駆動を制御する駆動制御装置が考えられる。駆動制御装置は、被検知物の位置に係る位置情報を入力し、入力された位置情報に基づいてロボットアームを被検知物の接近方向と異なる方向に移動し、ロボットアームと被検知物との衝突を避ける。
また、第１実施形態は、ＭＣＵ２５が被検知物の位置を上位の駆動制御装置に送信する構成に限定されるものではない。例えば、第１実施形態は、ＭＣＵ２５がフォトトランジスタ２３ｂからの出力をデジタル信号に変換し、そのままコネクタ２７から配線ケーブル１３を介して第２基板１２のコネクタ３７、マイクロプロセッサ３１に送信するようにしてもよい。このような場合、被検知物の位置情報は、マイクロプロセッサ３１によって生成される。
さらに、第１実施形態は、ＭＣＵ２５からデジタル信号または位置情報を配線ケーブル１３によって第２基板１２に送信するものに限定されるものではない。第１実施形態は、ＭＣＵ２５からデジタル信号または位置情報を無線信号として第２基板に送信することもできる。このような場合、ＭＣＵ２５及びマイクロプロセッサ３１には無線信号を送受信するための通信部を備える構成が用いられる。

第１実施形態の近接覚センサ１を例えばロボットアームの側面に取付ける場合、基板２１にフレキシブルな基板（以下、「フレキシブル基板」と記す：Flexible printed circuits）を用いることが好ましい。フレキシブル基板は、柔軟性があるために設置対象面（
ロボットアームの側面）が曲面であっても、設置対象面に沿うように追従する。
基板２１をフレキシブル基板とする場合、基材となるポリイミドフィルムの表面には配線２２が予め印刷される。光センサ２３及びＭＣＵ２５は、配線２２上の所定の位置にベアチップ実装される。第１実施形態では、光センサ２３、ＭＣＵ２５及びコネクタ２７が実装された基板２１上には保護フィルム２９が設けられる。保護フィルム２９にはコンタクト窓２９１が形成され、コンタクト窓２９１から露出した配線２２上にコネクタ２７が配置される。
また、保護フィルム２９による屈折の影響が懸念される場合には、光センサ２３用の窓を形成しておく。
このような構成によれば、封止材に樹脂を用いるよりも第１基板１１１の厚さを薄くすることができる。
また、基板２１の光センサ２３等を実装した面の裏面に接着剤の層を設ければ、第１基板１１１をロボットアーム７１の側面４１に直接貼り付けることができる。

図３は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示した第１基板１１１を他の第１基板１１２、１１３と共にロボットアームの側面４１に貼り付けた状態を例示した図である。第１実施形態では、図３に示すように、第１基板１１１、１１２、１１３が取付けられる被取付部材（ロボットアーム）の長手方向に光センサ２３の列が沿うように取り付けられる。
図３に示した例では、第１基板１１１、１１２、１１３と共に第２基板１２を側面に貼り付けている。このような例では、第２基板の基板３５もフレキシブル基板とし、配線がプリントされた基板３５の基材上にマイクロプロセッサ３１及び素子３２、３３、３４をベア実装する。さらに、実装されたマイクロプロセッサ３１及び素子３２、３３、３４を保護フィルムで覆うようにする。

このような第１実施形態によれば、ロボットアーム７１の側面４１に第１基板１１１、１１２、１１３を適宜貼り付けることによってロボットアーム７１に近接覚センサを取り付けることができる。このため、第１実施形態は、ロボットアームのサイズや形状に合わせて近接覚センサを設計する必要をなくし、近接覚センサの製造コストを下げると共に開発にかかる時間を短くすることができる。
なお、第１実施形態は、基板２１あるいは基板３５をフレキシブル基板とすることに限定されるものではなく、可撓性を持たない基板であってもよい。また、第１実施形態の第２基板１２は、ロボットアームに取付けられることに限定されるものでなく、ロボットの他の制御装置等と共に他の部位に設けられるものであってもよい。このような場合、第１基板１１１等と第２基板１２との間に配線ケーブル１３を引き回すものであってもよいし、ＭＣＵ２５がネットワークインターフェースによって信号を無線で第２基板１２に送信するものであってもよい。

また、第１実施形態は、図１、図３に示したように、複数の第１基板１１１等のコネクタ２７から出力される信号を第２基板の１つのコネクタ３７に入力することに限定されるものではない。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と第２基板１２との接続の仕方を例示した図である。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）のいずれにおいても、第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の光センサ２３から出力された信号は、第２基板ＭＣＵ２５に入力される。

４（ａ）は、図１に示したのと同様に、複数の第１基板１１１等のコネクタ２７から出力される信号を第２基板の１つのコネクタ３７に入力する例を示している。第１実施形態では、このような接続を「共通信号ラインを利用する接続」と記す。共通信号ラインを利用する接続によれば、第１基板１１１等と第２基板１２との間の通信は、データを１ビットずつ連続的に送信するシリアル通信によって行われる。シリアル通信は、配線ケーブルの線材や中継装置のコストが抑えられる等のメリットを有している。
なお、シリアル通信の規格には、ＲＳ−４２２やＲＳ−４８５がある。

図４（ｂ）は、第２基板１２にコネクタ３７を第１基板の数と同じｎ個設け、第１基板１１１等から出力される信号を各コネクタ３７が個別に入力する例を示している。第１実施形態では、このような接続を「個別信号取り込み」と記す。個別信号取り込みによれば、第１基板１１１等と第２基板１２との間の通信は、複数の配線ケーブル４３がそれぞれデータを１ビットずつ連続的に送信するパラレル通信によって行われる。パラレル通信は、第１基板群１１に含まれる複数の第１基板のうち、どの第１基板に被検知物が最も近づいたかを検知することができる。
図４（ｃ）は、第１基板１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を含むｎ個の第１基板の両端部にコネクタ２７を設け、第１基板同士を直列に接続する例を示している。このような接続は、ディージーチェーン接続とも呼ばれている。第１基板をディージーチェーン接続するためには、ＭＣＵ２５にＩＥＥＥ１９３４等のディージーチェーン接続が可能なインターフェースを用いる必要がある。

また、第１実施形態の第１基板は、図１から図４に示したように、光センサ２３を一列に配置する構成に限定されるものではない。
図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、１つの第１基板に複数列の光センサ２３を設けた例を示した図である。図５（ａ）は、比較のために第１基板１１１を示した図である。図５（ｂ）は、光センサ２３を２列備える第１基板６１１を示した図である。図５（ｃ）は、光センサ２３を３列備える第１基板６１３を示した図である。
第１基板６１１、６１３は、第１基板１１１と同様に、フレキシブルな基板２１上にＭＣＵ２５とコネクタ２７とを備えている。

第１実施形態は、ロボットアームのうちの側面の面積に応じて、光センサ２３の列の数が異なる第１基板を取り付けることができる。
図６は、ロボットアーム７１に第１基板１１１、第１基板６１３を取り付けた状態を示す模式的な断面図である。図６に示したように、第１実施形態は、ロボットアーム７１の比較的広い側面７１１に第１基板６１３を設けている。また、側面７１１よりも狭い側面７１３に第１基板１１１を設けている。
このような例によれば、第１実施形態は、広い側面については取付ける第１基板の数を少なくし、第１基板取付にかかる工程数を少なくすることができる。また、第１実施形態は、狭い側面ついては最少の構成を有する第１基板１１１を設けることにより、狭い側面についても被検知物の接近を検知することができる。

［回路構成］
図７（ａ）、図７（ｂ）は、第１実施形態の第１基板の回路構成を説明するための模式的な回路図である。図７（ａ）、図７（ｂ）では、説明の簡単のため、第１基板５１に配置された複数の光センサ２３のうちの４つを図示している。また、図７（ａ）、図７（ｂ）では、光センサ２３のフォトトランジスタ２３ｂのみを示し、発光側のＬＥＤ２３ａの図示を略している。ＭＣＵ２５は、ＡＤ変換器２５１と、演算部２５２と、を含んでいる。
図７（ａ）に示した例では、ＡＤ変換器２５１がフォトトランジスタ２３ｂ（図７（ａ）にあっては４個）と等しい数のチャネルを有し、４つのフォトトランジスタ２３ｂによって出力される信号を各々デジタル化してデジタル信号を生成する。生成されたデジタル信号は、光センサ２３によって検出された光強度に係る信号となる。演算部２５２は、デジタル信号を使い、被検知物の位置に係る位置情報を生成する。そして、生成した位置情報を、上位の駆動制御装置（図示せず）に送信する。

図７（ａ）に示した回路は、近接覚センサの出荷前において、フォトトランジスタ２３ｂの出力をアナログ信号として取得し、フォトトランジスタ２３ｂの特性のばらつきを予めキャリブレーションしておくこともできる。そして、演算部２５２は、位置情報の生成に際し、キャリブレーションによって得られたフォトトランジスタ２３ｂの特性のばらつきを吸収するようにデジタル信号を補正することができる。このような処理は、ＭＣＵ２５のプログラムを変更することによって可能になる。即ち、図７（ａ）に示した回路は、ＭＣＵ２５のプログラムによってフォトトランジスタ２３ｂが出力した信号の処理方法を任意に変更することができ、近接覚センサの設計の自由度を高めることができる。
また、図７（ａ）に示した回路によれば、フォトトランジスタ２３ｂ毎に信号を得ることができる。このため、図７（ａ）に示した回路を使用した第１実施形態の近接覚センサは、被検知物と相対的に接近したフォトトランジスタ２３ｂを特定し、ロボットアームに対する被検知物の位置及び距離に関する位置情報を得ることができる。さらに、このような回路によれば、同時に複数の被検知物を検知することが可能になる。

図７（ｂ）は、フォトトランジスタ２３ｂとＭＣＵ２５との接続方法が図７（ａ）の回路とは異なる第１基板５２の回路を示している。図７（ｂ）に示した回路は、フォトトランジスタ２３ｂを構成するフォトトランジスタ２３ｂと抵抗素子とをネットワークを構成するように接続する。
即ち、フォトトランジスタ２３ｂは、エミッタ側に抵抗素子を介して複数並列に接続され、演算部２５２は、並列に接続されたフォトトランジスタ２３ｂのうち両端部に配置されたフォトトランジスタ２３ｂが出力した電圧の値Ｖ１、Ｖ２を検出する。そして、演算部２５２は、電圧の値から被検知物の重心を求める。
ＡＤ変換器２５１は、ネットワークのうち、両端に接続されたフォトトランジスタ２３ｂから出力されるアナログ信号を入力する２つのチャネルを有している。ＡＤ変換器２５１は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、演算部２５２に出力する。演算部２５２は、２つのデジタル信号から被検知物の重心の位置を特定する。

ここで、演算部２５２によって行われる被検知物の重心を算出する方法について簡単に説明する。
図７（ｂ）に示したネットワークを構成するフォトトランジスタ２３ｂを流れる全電流Ｉは、以下の式（１）によって求められる。
Ｉ＝ａ（Ｖ１＋Ｖ２） …式（１）
また、全電流Ｉの分布のｘ軸まわりの一次モーメントＩｘは、以下の式（２）によって求められる。
Ｉｘ＝ｂ（Ｖ１−Ｖ２） …式（２）
なお、式（１）、（２）において、ａ、ｂは、近接覚センサの特性等に応じて適宜設定される定数である。
以上の式（１）、（２）から、各光センサ２３に流れる電流の分布の中心位置を示す座標ｘ_ｃ１が、以下のように求められる。なお、電流分布の中心を示す座標がｘ座標だけで表されるのは、第１基板５２が、光センサ２３の列を一次元に配置した構成を有するからである。
ｘ_ｃ１＝Ｉｘ／Ｉ …式（３）

図７（ｂ）に示した回路によれば、図７（ａ）に示した回路と同様に、ＭＣＵ２５のプログラムによってフォトトランジスタ２３ｂが出力した信号の処理方法を任意に変更することができ、近接覚センサの設計の自由度を高めることができる。また、図７（ｂ）に示した回路は、ＭＣＵ２５としてＡＤ変換器２５１のチャネルの数が少ない簡易なマイクロコンピュータを使用することができる。このため、図７（ｂ）に示した回路を使用することにより、第１実施形態は、近接覚センサの製造コストをいっそう下げることができる。
なお、図７（ｂ）に示した回路は、式（１）から式（３）によって被検知物の位置を算出するので、光センサ２３間にある被検知物を検知することができる。
また、図７（ｂ）に示した回路は、複数の被検知物を同時に検知することはできない。このため、図７（ｂ）に示した回路は、ロボットアームに複数の被検知物が同時に接近する可能性が低い場合に使用される。
以上説明した第１実施形態の近接覚センサは、被取付部材の形状やサイズに関わりなく取付けることができる。このため、取付け対象に応じて近接覚センサのレイアウトを変更する、あるいは設計変更をする必要がない。したがって、第１実施形態は、開発にかかる時間や負荷が小さく、低コストの近接覚センサを提供することができる。

［第２実施形態］
図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態及び第１基板の回路構成を説明するための模式的な回路図である。第２実施形態の回路は、ＭＣＵ２５に代えてコンパレータ８１を備えている点で第１実施形態と相違する。
図８（ａ）、図８（ｂ）では、説明の簡単のため、第１基板８２、８３に配置された複数の光センサ２３のうちの４つを図示している。また、図８（ａ）、図８（ｂ）では、光センサ２３のフォトトランジスタ２３ｂのみを示し、発光側のＬＥＤ２３ａの図示を略している。

図８（ａ）に示した例では、フォトトランジスタの数（図８（ａ）にあっては４個）と等しい数のコンパレータ８１を有し、コンパレータ８１は、４つのフォトトランジスタ２３ｂによって出力される信号を各々デジタル化してデジタル信号を生成する。生成されたデジタル信号は、光センサ２３によって検出された光強度に係る信号となる。デジタル信号は、上位の駆動制御装置（図示せず）に送信される。駆動制御装置は、デジタル信号を使い、被検知物の位置に係る位置情報を生成する。そして、生成した位置情報に基づいてロボットアーム等を駆動する。

図８（ａ）に示した回路によれば、フォトトランジスタ２３ｂ毎に信号を得ることができる。このため、図８（ａ）に示した回路を使用した第１実施形態の近接覚センサは、被検知物と相対的に接近したフォトトランジスタ２３ｂを特定し、ロボットアームに対する被検知物の位置及び距離に関する位置情報を得ることができる。さらに、このような回路によれば、同時に複数の被検知物を検知することが可能になる。
コンパレータ８１を用いてデジタル信号を生成する第２実施形態は、ＭＣＵ２５を用いる第１実施形態よりも構成が簡易であり、製造コストを抑えることにも有利である。また、第２基板のマイクロプロセッサ３１とのインターフェースも簡易化することができる。
ただし、図８（ａ）に示した回路を用いた近接覚センサは、「１」または「０」のデジタル信号が生成されるので、光強度に応じた被検知物との距離が一定の値となる。また、検知された被検知物の位置が光センサ２３の間隔で量子化されてしまう。さらに、フォトトランジスタ２３ｂの特性にばらつきがある場合、図８（ａ）に示した回路は、光強度と比較される値をコンパレータ８１毎に設定し、ばらつきを吸収することができる。

図８（ｂ）に示した回路は、さらに、複数のコンパレータ８１から出力された複数のデジタル信号を入力するＯＲ回路８１５を備えている。ＯＲ回路８１５は、入力された複数のデジタル信号の少なくとも１つが「１」である場合に「１」のデジタル信号を出力する。
このような図８（ｂ）に示した回路は、第１基板８３と第２基板との間の配線ケーブルの本数を少なくすることに有利である。ただし、図８（ｂ）に示した回路は、反射光を検知した光センサ２３を特定することができない。このため、図８（ｂ）に示した回路を用いた近接覚センサは、被検知物の接近方向によらず、被検知物が接近した場合にはロボットを停止するような状況において使用することが考えられる。

以上説明した第１実施形態、第２実施形態の近接覚センサは、歩行ロボットの腕や脚に装着され、被検知物を回避することに使用される近接覚センサ、あるいは産業用ロボットの腕部に装着されて作業者との衝突回避に使用される近接覚センサを想定している。また、第１実施形態、第２実施形態の近接覚センサは、台車、ショッピングカート及びスーツケース等に取付けて、相対的に近接する被検知物に対して警告を行うこと等に利用することもできる。
上記のような近接覚センサは、高い検知精度よりも低コスト、かつ被検知物の検知範囲が広く求められる用途に好適である。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態の近接覚センサの第１基板１２１を説明するための図である。なお、図９において、実施形態１、実施形態２で説明した構成については同様の符号を付し、その説明を一部省くものとする。
図９（ａ）は、第１基板１２１の斜視図であり、図９（ｂ）は第１基板１２１を模式的に示した上面図である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）中に示した線分Ｄ−Ｄに沿う断面図である。図９（ｂ）に示したフォトトランジスタ２３ｂでは、フォトトランジスタ２３ｂの受光面が示されている。
第３実施形態の第１基板１２１は、実施形態１の第１基板１１１と同様に、基板２１と、基板２１上に一列に配置された光センサ２３と、ＭＣＵ２５及びコネクタ２７を備えている。第１基板１２１は、光センサ２３、ＭＣＵ２５及びコネクタ２７が実装された基板２１上に保護フィルム３９が設けられる。第３実施形態は、保護材３９が、光学式フィルタの機能を有する点で第１実施形態と相違する。

即ち、第３実施形態は、光センサ２３が光を受光するフォトトランジスタ２３ｂの図９（ｂ）に示した受光面を覆い、特定の波長の範囲の光だけを選択的に透過する光学フィルタとして機能する保護材３９を有している。
図１０は、光の波長範囲と、波長に対応するフォトトランジスタ２３ｂの感度（Ｓ／Ｎ）との関係を最大感度でノーマライズして示した例を示した図である。フォトトランジスタ２３ｂは、特定の波長領域の光に対して幅を持った感度特性を有している。このため、フォトトランジスタ２３ｂが検出する信号は、ＬＥＤ２３ａが発した光以外、即ち周囲の環境光の影響を受ける。

図１０に示した例では、フォトトランジスタ２３ｂの感度は波長６００ｎｍから立ち上り、８５０ｎｍにおいてピークを持つ。そして、ピークから徐々に感度が下降し、波長が１０８０ｎｍより大きくなるとフォトトランジスタ２３ｂは受光の機能を果たさなくなる。
このように、フォトトランジスタ２３ｂが信号として検出する光の波長の範囲が広いほど、ＬＥＤ２３ａが発光した以外の光がフォトトランジスタ２３ｂに受光される。このような場合、ＬＥＤ２３ａが発光した光以外の光は外乱光となって光センサ２３のＳ／Ｎ比を低下させる原因となる。

図１１は、保護材３９の透過率と保護材３９を透過する光の波長との関係を示した図である。保護材３９は、中心波長λｃｎｍをピークとする所定の波長域の光のみを透過し、他の波長範囲は透過しない（以下、「カットする」とも記す）光学フィルタとして機能する。第３実施形態では、中心波長λｃｎｍが透過率のピークを持つ波長になるように保護材３９を設計する。図１０に示した例では、中心波長λｃｎｍは、８５０ｎｍとなる。そして、中心波長をλｃｎｍとした場合に保護材３９を透過する光の波長の最大範囲を「透過域」と記す。そして、フォトトランジスタ２３ｂが感度を持つ波長の範囲から透過域にある波長を除いた波長の範囲を「カット域」と記す。さらに、５０％の透過率に対応する波長の範囲を半値幅（Full Width at Half Maximum, FWHM）ｆとする。保護材３９の特性は、半値幅ｆが小さいほど光センサ２３の感度を高めることができる。望ましい半値幅ｆは、約１０ｎｍ程度である。
保護材３９としては、ガラス基材に波長選択性を持って光を吸収する遷移金属を混入するフィルタガラスと、ガラス基材の表面に光学薄膜を形成する多層膜フィルタ等が考えられる。フィルタガラスに使用される遷移金属としては、例えば、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等がある。フィルタガラスは、光学特性に入射角依存性が無い点で多層膜フィルタより有利である。

図１２は、多層膜フィルタを説明するための図である。第３実施形態の多層膜フィルタは、誘電体薄膜９３をガラス基材９１の表面Ｓ２上に設けて形成される。このような多層膜フィルタでは、空気と誘電体薄膜９３の表面Ｓ１との界面及び誘電体薄膜９３とガラス基材９１との界面で反射する入射光ｒ１の反射光ｒ２が互いに干渉し、多層膜フィルタの光の透過性を変更している。誘電体薄膜は、多くの場合一層ではなく複数層の膜（誘電体多層膜）であり、設計によってさまざまな性質を持つフィルタを作り出すことができる。また、多層膜フィルタは、ガラスフィルタに比べて感度特性の曲線の立上り、立下りを急峻にすることができる。

以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態、第２実施形態よりもフォトセンサ２３ｂに入る外乱光が除かれて光センサ２３を高精度化することができる。従って、第３実施形態は、高い精度で被検知物を検知することができる近接覚センサを提供することができる。

以上説明した本発明は、ロボット等の自律的に動作可能な機器と障害物とが相対的に接近した場合、障害物を検知し、両者が衝突することを防ぐシステムに好適である。

１ 近接覚センサ、１１ 第１基板、１２ 第２基板
１３ 配線ケーブル、２１，３５ 基板、２２ 配線、２３ 光センサ
２３ａ 発光ダイオード、２３ｂ フォトトランジスタ
２５ ＭＣＵ、２７，３７ コネクタ、２９，３９ 保護フィルム
３１ マイクロプロセッサ、
５１，５２，８２，８３，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，６１１，６１２，６１３ 第１基板、７１ ロボットアーム、８１ コンパレータ
９１ ガラス基材、９３ 誘電体薄膜、２５１ 変換器、２５２ 演算部
２９１，３９１ コンタクト窓、８１５ ＯＲ回路

Claims (14)

1. 光強度を検出する光センサ、前記光センサの受光素子が光を受光する受光面を覆って特定の波長の範囲の光を選択的に透過する光学フィルタ、前記光センサによって検出された光強度に係る信号を生成する信号生成部、及び、前記信号生成部によって生成された信号に基づいて被検知物の位置に関する位置情報を生成する位置情報生成部を備え、かつ可撓性を有する複数の第１基板と、
   複数の前記第１基板の前記位置情報生成部によって生成された前記位置情報を取得する位置情報取得部を備える第２基板と、
   前記第１基板及び前記第２基板に設けられ、前記第１基板から前記第２基板へ前記位置情報をシリアル通信又はパラレル通信によって送信する信号送信部と、
   を含むことを特徴とする近接覚センサ。
2. 前記光学フィルタは、ガラス基材に波長選択性を持って光を吸収する遷移金属を混入したフィルタガラスであることを特徴とする請求項１に記載の近接覚センサ。
3. 前記光学フィルタは、ガラス基材の表面に光学薄膜を備える多層膜フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の近接覚センサ。
4. 前記光学フィルタは、前記受光素子の感度が最大値をとる波長を中心にして半値幅が１０ｎｍとなる透過率を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
5. 前記信号送信部は、前記位置情報を無線または可撓性を有するケーブルによって送信することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
6. 前記第１基板は、前記光センサが設けられる表面に対する裏面に接着層を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
7. 前記信号生成部は、前記光センサが受光した光強度からデジタル信号を生成するＡＤ変換器を含み、前記位置情報生成部は、前記ＡＤ変換器によって生成されたデジタル信号から被検知物の前記位置情報を生成するマイクロコンピュータを含むことを特徴とする請求項１に記載の近接覚センサ。
8. 前記マイクロコンピュータは、前記位置情報の生成に際し、前記光センサの出力特性のばらつきを補正することを特徴とする請求項７に記載の近接覚センサ。
9. 前記光センサの前記受光素子が複数並列に接続され、前記位置情報生成部は、並列に接続された前記受光素子のうち両端部に配置された前記受光素子から出力された電圧の値を検出し、前記電圧の値から被検知物の重心を求めることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
10. 前記第１基板は、前記光センサが一方向に配列された光センサ列を１列以上備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
11. 前記第２基板と接続する複数の前記第１基板のうちの一部が備える前記光センサ列の数と、他の前記第１基板が備える前記光センサ列の数とが異なることを特徴とする請求項１０に記載の近接覚センサ。
12. 前記第１基板は、前記光センサが一方向に配列された光センサ列を複数列備え、
    前記信号生成部は、複数の前記光センサ列に含まれる前記光センサが受光した光強度を各々予め設定されている値と比較してデジタル信号を生成するコンパレータを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の近接覚センサ。
13. 複数の前記デジタル信号を入力し、１つの信号を生成するＯＲ回路をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の近接覚センサ。
14. 前記第１基板は、前記第１基板が取付けられる被取付部材の長手方向に前記光センサ列が沿うように取り付けられることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の近接覚センサ。

Images