JPWO2020017177A1 - 触覚及び近接センサ、並びにセンサアレイ - Google Patents

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Abstract

光の受光結果に応じて、物体（４）による接触力及び近接を感知する触覚及び近接センサ（１）が提供される。触覚及び近接センサは、光源（２）と、受光部（３）と、カバー部材（１０）とを備える。光源は、光を発光する。受光部は、光を受光して、受光結果を示す信号（Ｐ１）を生成する。カバー部材は、外力に応じて変形する弾性体で構成され、光源及び受光部を覆うように設けられる。カバー部材は、光源と受光部との間で光を反射する反射部（１１）と、光源からの第１の方向に光を透過し、受光部からの第２の方向に光を透過する透過部（１２）とを備える。

Description

本発明は、触覚及び近接センサ、並びにセンサアレイに関する。
近年、ロボットハンド等に搭載され、触覚を含んだ多様なセンシングを可能とする各種センサが提案されている（例えば特許文献１〜３）。
特許文献１は、物体の把持動作などを行なうロボットハンドの指先面に取り付けるための複合型センサを開示している。特許文献１の複合型センサは、感圧シートを備えた触覚センサと、反射型フォトセンサからなる近接覚センサとをそれぞれ有している。特許文献１の複合型センサは、近接覚センサの検出表面が感圧シートで規定されるように２つのセンサを組み合わせて構成されている。
特許文献２は、６軸力の計測を可能とする光学式触覚センサを開示している。特許文献３は、可変フレームを用いてせん断力を検出する力センサを開示している。特許文献２〜３では、弾性体の変形を利用した光学的な機構において、物体による各種の接触力を感知する触覚のセンシングが行われている。
特許第５０８９７７４号公報 特許第５８２５６０４号公報 国際公開第２０１４／０４５６８５号
従来技術においては、触覚のセンシングと共に近接のセンシングを行う際に、別々のセンサを搭載して装置構成が大掛かりになったり、複雑な検出原理を要してセンサの機構が複雑化したりする問題があった。
本発明の目的は、簡単な機構において物体による接触力と近接の感知を両立することができる触覚及び近接センサ、並びにセンサアレイを提供することにある。
本発明に係る触覚及び近接センサは、光の受光結果に応じて、物体による接触力及び近接を感知する。触覚及び近接センサは、光源と、受光部と、カバー部材とを備える。光源は、光を発光する。受光部は、光を受光して、受光結果を示す信号を生成する。カバー部材は、外力に応じて変形する弾性体で構成され、光源及び受光部を覆うように設けられる。カバー部材は、光源と受光部との間で光を反射する反射部と、光源からの第１の方向に光を透過し、受光部からの第２の方向に光を透過する透過部とを備える。
本発明に係るセンサアレイは、複数の光学センサを備える。
本発明に係る触覚及び近接センサ並びにセンサアレイによると、反射部を備えたカバー部材に透過部を設けるような簡単な機構において、物体による接触力と近接の感知を両立することができる。
実施形態１に係る光学センサの概要を説明するための図 実施形態１に係る光学センサの構成例を示す図 実施形態１に係る光学センサの変形例を示す図 実施形態２に係るセンサアレイの概要を説明するための図 実施形態２に係るセンサアレイの構成を例示するブロック図 実施形態２における光学センサの内部構造の構成例を示す図 実施形態２に係るセンサアレイの回路構成を例示する回路図 実施形態２に係るセンサアレイの動作例を示すタイミングチャート 実施形態２に係るセンサアレイの動作の変形例を示すタイミングチャート 実施形態３に係るセンサアレイの構成を例示するブロック図 実施形態３のセンサアレイにおける発光駆動回路の構成例を示す回路図 実施形態３のセンサアレイにおける受光駆動回路の構成例を示す回路図 光学センサの内部構造の変形例を説明するための図
以下、添付の図面を参照して本発明に係る触覚及び近接センサ、並びにセンサアレイの実施の形態を説明する。
各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
（実施形態１）
実施形態１では、本発明に係る触覚及び近接センサの一例として、簡単な光学的機構によって触覚及び近接のセンシングを両立する光学センサについて説明する。
１．構成
実施形態１に係る光学センサの構成について、図１，２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光学センサ１の概要を説明するための図である。
図１（ａ）は、本実施形態に係る光学センサ１の構成の概要を示す。図１（ｂ）は、光学センサ１による触覚センシングの一例を示す。図１（ｃ）は、光学センサ１による近接センシングの一例を示す。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る光学センサ１は、光源２と、受光部３と、ドーム１０とを備える。ドーム１０は、光源２及び受光部３を覆うように配置されたカバー部材の一例である。以下では、光学センサ１において、ドーム１０が突出する方向を「Ｚ方向」とし、Ｚ方向に直交して且つ互いに直交する２方向を「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とする。
本実施形態の光学センサ１は、ドーム１０内部で光源２を発光させて受光部３から受光信号Ｐ１を出力する、光学式の触覚及び近接センサの一例である。ドーム１０は、外部応力等の外力に応じて変形する弾性体で構成される。光学センサ１は、例えばロボットハンドにおいて、把持する対象の各種物体をセンシングの対象物とする用途に適用可能である。
図１（ｂ）は、対象物４が光学センサ１に接触した状態を例示している。図１（ｂ）の例では、光学センサ１のドーム１０は、対象物４が接触して作用する接触力に応じて変形している。光学センサ１は、このような変形に対応して変化する受光結果を受光信号Ｐ１として出力することにより、種々の接触力を感知する触覚センシングを行う。
図１（ｃ）は、対象物４が光学センサ１に近接した状態を例示している。本実施形態の光学センサ１は、以上のような触覚センシングに加えて、対象物４がドーム１０近傍で間隔をあけた状態も受光信号Ｐ１から感知される近接センシングを実現するべく、ドーム１０において光を限定的に透過させる構成を採用する。以下、本実施形態の光学センサ１の構成の詳細を説明する。
光学センサ１において、光源２は、例えばＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等の一つ又は複数の発光素子を含む。光源２は、例えば赤外領域などの光を、狭指向性で発光する。光源２は、ＶＣＳＥＬに限らず、例えばＬＥＤまたはＬＤなど種々の固体発光素子を含んでもよい。光学センサ１には、光源２からの光をコリメートするコリメートレンズ等が用いられてもよい。
受光部３は、例えばＰＤ（フォトダイオード）等の一つ又は複数の受光素子を含む。受光部３は、光を受光して、受光結果を示す受光信号Ｐ１を生成する。受光部３は、ＰＤに限らず、例えばＰＳＤ（位置検出素子）あるいはＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサ）など種々の受光素子を含んでもよい。
図２は、本実施形態に係る光学センサ１の構成例を示す図である。図２の構成例において、受光部３は、受光素子のリニアアレイで構成され、第１の受光領域Ｒａと、第１の受光領域Ｒａとは異なる領域を占める第２の受光領域Ｒｂとを有する。受光部３は、リニアアレイに限らず、受光素子の２次元アレイで構成されてもよい。
本実施形態の光学センサ１では、図２に例示するように、ドーム１０が、ミラー１１と、光学窓１２ａ，１２ｂ（総称を「光学窓１２」とする）とを備える。ドーム１０は、例えば中空の回転楕円体状に形成される。ドーム１０は、例えば各種のゴム材料、或いは樹脂材料などを用いて構成できる。ドーム１０のサイズは、例えば０．５〜５０ｍｍであり、例えば５ｍｍである。
ミラー１１は、例えばドーム１０の内面に形成される。ドーム１０において光源２から発光した光を受光部３に反射させる反射部の一例である。ミラー１１は、光源２が発光する光の波長帯に関して、例えば非反射部に比べて２倍以上の反射率を有する。非反射部は、例えばドーム１０においてミラー１１が設けられていない部分である。ミラー１１は、ドーム１０の内面に限らず、例えば外面に設けられてもよいし、内面と外面の間に埋め込まれてもよい。
光学窓１２は、例えばドーム１０においてミラー１１に開口をあけるように構成される。この場合、光学窓１２における透過率は、ドーム１０の構成材料で規定される。光学窓１２は、本実施形態におけるドーム１０の透過部の一例である。光学窓１２は、例えば非透過部に比べて１０倍以上の透過率を有する。非透過部は、例えばミラー１１である。光学窓１２の位置およびサイズは、光源２から光学窓１２ａを透過した光が対象物４に当たって散乱した際に、散乱した光の一部が光学窓１２ｂを通って第２の受光領域Ｒｂの中の一部の領域を照射するように設計される。
光学窓１２は、例えばドーム１０に物理的な穴部を設けて構成されてもよいし、当該穴部に別の材料を詰めて構成されてもよい。光学センサ１における透過部は、ハーフミラー、偏光板、光学フィルタ或いは光学グレーティング等を用いて構成されてもよい。
図２の構成例において、光源２は、例えばドーム１０の形状の回転楕円体による２つの焦点のうちの−Ｘ側の焦点近傍に配置される。また、受光部３の位置は、第１の受光領域Ｒａにおいてドーム１０の＋Ｘ側の焦点近傍を含む。これにより、光源２で発光し、ミラー１１で反射した光を第１の受光領域Ｒａで受光され易くすることができる。
本実施形態の光学センサ１においては、光源２からの光の一部を透過させるための第１の光学窓１２ａと、外部からの光を限定的に受光部３に導光するための第２の光学窓１２ｂとが設けられる。第１の光学窓１２ａは、ドーム１０の内面上で第１の透過領域を形成するように、光源２に対向配置される。第２の光学窓１２ｂは、第２の透過領域を形成するように、受光部３の第２の受光領域Ｒｂに対向配置される。
以上のような構成に加えて、光学センサ１は、受光部３からの受光信号Ｐ１を信号解析して、物体の接触力および近接を検出する制御回路５０（図２）をさらに備えてもよい。また、光学センサ１は、制御回路５０等とは別体のモジュールとして提供されてもよい。
２．動作
以上のように構成される光学センサ１の動作について、以下説明する。図２では、対象物４が近接したときの光学センサ１による各種の光Ｌ１〜Ｌ３の光路を例示している。
光学センサ１において光源２は、図２に例示するように、ドーム１０の内部で光Ｌ１を発光する。ドーム１０中のミラー１１においては、光源２からの光Ｌ１の反射光Ｌ２が生じる。受光部３は、第１の受光領域Ｒａにおいて、ミラー１１における反射光Ｌ２を受光する。例えば、対象物４が光学センサ１に接触していない場合、第１の受光領域Ｒａにおいて、ドーム１０が変形していない状態に対応する所定の受光結果を示す受光信号Ｐ１（図１（ａ））が生成される。
本実施形態の光学センサ１において、光源２からの光Ｌ１の一部は、第１の光学窓１２に入射して、ドーム１０を透過する透過光Ｌ３になる。図２の例において、第１の光学窓１２ａにおける透過光Ｌ３ａは、光源２から＋Ｚ方向に進行して、光学センサ１の外部に出射している。対象物４が光学センサ１の＋Ｚ側近傍にある場合、第１の光学窓１２ａにおける透過光Ｌ３ａは、対象物４に到達して、例えば拡散的に反射される。
この際、対象物４からの反射光が、光学センサ１の第２の光学窓１２ｂに入射すると、第２の光学窓１２ｂにおける透過光Ｌ３ｂとして、受光部３の第２の受光領域Ｒｂで受光される。第２の光学窓１２ｂにおける透過光Ｌ３ｂは、対象物４と光学センサ１間の位置関係に応じた特定の進行方向を有する。受光部３は、第２の受光領域Ｒｂについて、第２の光学窓１２ｂにおける透過光Ｌ３ｂの受光結果を示す受光信号Ｐ１を生成する。
以上の光学センサ１によると、第２の受光領域Ｒｂにおいて（対象物４からの）透過光Ｌ３ｂが受光される受光位置が受光信号Ｐ１によって得られ、且つ透過光Ｌ３の光路上の各光学窓１２ａ，１２ｂおよび光源２の位置は、予め定まっている。よって、透過光Ｌ３の光路に簡単な三角測量法を適用することで、反射が生じる対象物４までの距離を測定可能な近接センシングを行うことができる。
例えば、図２の例において、対象物４が光学センサ１に近付くほど、第２の受光領域Ｒｂにおける第２の光学窓１２ｂの透過光Ｌ３ｂの受光位置が、＋Ｘ側にシフトすることとなる。このような第２の受光領域Ｒｂからの受光信号Ｐ１によって近接のセンシングを行うことができる。
また、対象物４が光学センサ１のドーム１０に接触すると、透過光Ｌ３が生じなくなると考えられる。このような状態は、第２の受光領域Ｒｂからの受光信号Ｐ１によって特定可能である。一方、第１の受光領域Ｒａにおいては、対象物４による接触力でドーム１０が変形する状態に応じて、反射光Ｌ２の受光結果が変化することから、第１の受光領域Ｒａからの受光信号Ｐ１によって触覚のセンシングを行える。例えば、当該受光信号Ｐ１を解析することにより、各種接触力の検出を行うことができる。解析方法としては適宜、公知技術を適用可能である（例えば特許文献２〜３参照）。
以上のように、本実施形態の光学センサ１によると、ドーム１０にミラー１１と光学窓１２とを設けた簡単な光学機構によって、単体の光学センサ１において触覚センシングと近接センシングの両立を実現することができる。例えば、対象物４が近接し、さらに近づいて接触に至るまでの一連の動きを切れ目なく、同一のセンサで検出することができる。
以上のような動作を実現する本実施形態の光学センサ１は、図２の構成例に限定されない。本実施形態の光学センサ１の変形例について、図３を用いて説明する。
光学センサ１のドーム１０の形状は、回転楕円体に限定されず、球面など各種曲面を用いて構成されてもよい。図３の変形例において、ドーム１０は、複数の曲面を組み合わせた形状を有する。また、ドーム１０の形状は、回転楕円体などから、光源２からの光が当たると想定される部分を切り出して設定されてもよい。
図３の例において、光源２は、ドーム１０の中央に位置する。光学センサ１において、光源２の位置は焦点に限定されず、種々の位置に適宜、設定可能である。例えば、光源２の位置は、ドーム１０の中央近傍であってもよい。また、光源２を構成する複数の発光素子が、複数の位置に配置されてもよい。
図３の例において、受光部３は、（Ｘ方向における）光源２の両側に位置する。受光部３の位置は焦点に限らず、種々の位置に適宜、設定可能である。受光部３は、光源２の周囲に複数の受光素子を並べて構成されてもよい。また、複数の受光素子の代わりに、光源２としての複数の発光素子を複数の位置から時分割で発光させて、光学センサ１によるセンシングが行われてもよい。
３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る光学センサ１は、光の受光結果に応じて、対象物４等の物体による接触力及び近接を感知する触覚及び近接センサの一例である。光学センサ１は、光源２と、受光部３と、カバー部材の一例であるドーム１０とを備える。光源２は、光を発光する。受光部３は、光を受光して、受光結果を示す受光信号Ｐ１を生成する。ドーム１０は、外力に応じて変形する弾性体で構成され、光源２及び受光部３を覆うように設けられる。ドーム１０は、ミラー１１と、光学窓１２とを備える。ミラー１１は、光源２と受光部３との間で光を反射する反射部を構成する。光学窓１２は、光源２からの第１の方向に光を透過し、受光部３からの第２の方向に光を透過する透過部を構成する。
以上の光学センサ１によると、ミラー１１を備えたドーム１０に光学窓１２を設けるような簡単な機構において、対象物４等の物体による接触力と近接の感知を両立することができる。第１の方向は、例えば図２の例において、第１の光学窓１２ａにおける透過光Ｌ３ａの進行方向としてのＺ方向である。また、第２の方向は、第２の光学窓１２ｂにおける透過光Ｌ３ｂの進行方向である。第１及び第２の方向は、各光学窓１２ａ，１２ｂのサイズ等に応じて適宜、許容誤差の範囲内で設定可能である。第１の方向がＺ方向である場合、Ｚ方向から近接する対象物４に対して透過光Ｌ３の位置ずれを低減し、近接センシングを精度良くすることができる。
本実施形態における透過部は、第１の方向において光源２から外部に出射する光が透過する第１の透過領域に対応する第１の光学窓１２ａと、第２の方向において外部から受光部３に入射する光が透過する第２の透過領域に対応する第２の光学窓１２ｂとを含む。第１の方向と第２の方向との間の角度は、各光学窓１２ａ，１２ｂの配置およびサイズなどにより、所定の角度範囲内に規制される。当該角度範囲内において、三角測量法に従い簡単に物体の近接センシングを行うことができる。
また、本実施形態において、受光部３は、ミラー１１から入射する光を受光する第１の受光領域Ｒａと、光学窓１２から入射する光を受光する第２の受光領域Ｒｂとを含む。各受光領域Ｒａ，Ｒｂで得られた受光信号Ｐ１により、それぞれ触覚のセンシングと近接のセンシングを行うことができる。
また、本実施形態の光学センサ１は、受光部からの信号を解析する制御回路５０をさらに備えてもよい。制御回路５０は、ミラー１１からの反射光を受光した受光部３（第１の受光領域Ｒａ）の受光信号Ｐ１に基づいて、ミラー１１と受光部３との距離を検出することにより、対象物４による接触力を検出する。制御回路５０は、光学窓１２からの透過光を受光した受光部３（第２の受光領域Ｒｂ）の受光信号Ｐ１に基づいて、対象物４と受光部３との距離を検出することにより、対象物４の近接を検出する。これにより、光学センサ１において対象物４の接触力と近接とを検出することができる。
（実施形態２）
実施形態２では、複数の光学センサをアレイ状に並べて、触覚及び近接のセンシングを両立するセンサアレイについて、図４〜９を参照して説明する。
実施形態２に係るセンサアレイの概要を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、本実施形態に係るセンサアレイ５における近接センシングの状態の一例を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態よりも対象物４が接近した状態を例示する。
本実施形態に係るセンサアレイ５は、例えば実施形態１と同様の構成要素を備えた光学センサ１Ａを複数、備える。以下では、センサアレイ５における光学センサ１Ａが、Ｘ方向に並んでいる例を説明する。センサアレイ５における複数の光学センサ１Ａは適宜、一体的に形成されてもよい。
図４（ａ），（ｂ）では、センサアレイ５における一つの光学センサ１Ａから出射する透過光Ｌ３の光路を例示している。本実施形態に係るセンサアレイ５は、各光学センサ１Ａからの透過光Ｌ３が対象物４で反射後に、対象物４までの距離に応じて、他の光学センサ１Ａに受光されるように構成される。
例えば、図４（ｂ）の状態では、対象物４が図４（ａ）の状態よりも近いことに対応して、透過光Ｌ３を受光する光学センサ１Ａが、発光した光学センサ１Ａに近くなっている。本実施形態のセンサアレイ５によると、発光と受光の光学センサ１Ａ間の間隔毎に簡略に、対象物４までの距離が三角測量法から測定可能な近接センシングを実現することができる。また、触覚センシングについては各光学センサ１Ａにおいて実施形態１と同様に行うことができる。
本実施形態の光学センサ１Ａは、例えばＸ方向に並んだ２つの光学窓１２１，１２２を備える。各光学センサ１Ａにおいて、−Ｘ側の光学窓１２１はＤ１方向に光を透過させ、＋Ｘ側の光学窓１２２はＤ２方向に光を透過させる。Ｄ１，Ｄ２方向は、それぞれ光学窓１２１，１２２のサイズ、及び所望の対象物４までの測定距離範囲の要求等に応じた許容誤差の範囲内で設定される。
対象物４までの距離について具体的には、センサアレイ５の各光学センサ１Ａ間のピッチをｐとし、Ｄ１，Ｄ２方向がＺ方向に対してθの傾斜角度を成すとすると、対象物４までの距離が（２ｎ−１）／２＊ｐ＊ｃｏｔ（θ）となったときに、光を発している光学センサ１Ａからｎ個はなれた受光側の光学センサ１Ａに光が照射されることになる。よって、対象物４までの距離を測りたい範囲と分解能に応じて、Ｄ１，Ｄ２方向の角度θと光学センサ１Ａのサイズ及びピッチを設計することができる。
本実施形態の光学センサ１Ａでは、例えばＤ１，Ｄ２方向の双方において、透過光Ｌ３の導光（発光及び受光）が行われる。各光学センサ１Ａの光学窓は２つに限られるものではなく、発光素子から出射して対象物４表面で反射し別のセンサの受光素子に入射する、という関係が成立するように配置されていれば各センサ１個でも構わないし、３個以上であってもかまわない。
図５は、本実施形態に係るセンサアレイ５の構成を例示するブロック図である。本実施形態のセンサアレイ５は、例えば各光学センサ１Ａの動作を制御する制御回路６をさらに備える。本実施形態では、制御回路６がセンサアレイ５における各光学センサ１Ａの発光及び受光を走査することにより、時分割で、各光学センサ１Ａを用いた触覚と近接のセンシングを実現する。以下、センサアレイ５における光学センサ１Ａの個数をｎ個とする（ｎは２以上の整数）。
本実施形態の各光学センサ１Ａでは、例えば図５に示すように、光源２Ａが、Ｄ１方向への発光用の発光素子２１と、Ｄ２方向への発光用の発光素子２２とを含む。また、各光学センサ１Ａの受光部３Ａは、Ｄ１方向からの受光用の受光素子３１と、Ｄ２方向からの受光用の受光素子３２とを含む。各発光素子２１，２２からの光は、それぞれ光学窓１２１，１２２の一方とその近傍のミラー１１に照射される。
本実施形態の光学センサ１Ａにおいて、各受光素子３１，３２は、それぞれ光学窓１２１，１２２（透過部の一例）の一方とその近傍のミラー１１（反射部の一例）からの光を受光する（図４参照）。このような導光を実現する各素子２１〜３２の配置を図６に例示する。なお、光学センサ１Ａの反射部は、必ずしも鏡面でなくてもよく、例えば反射部はミラー１１に代えて、光源２Ａが発光する波長の光を乱反射する反射体で構成されてもよい。
図６は、本実施形態における光学センサ１Ａの内部構造の構成例を示す。本構成例において、光学センサ１Ａは、レンズ１５を備える。図６（ａ）は、レンズ１５が凹レンズの場合の構成例を示す。図６（ｂ）は、レンズ１５が凸レンズの場合の構成例を示す。本構成例示においては、発光素子２１，２２及び受光素子３１，３２が、レンズ１５の中心位置から、＋Ｘ側と−Ｘ側とにずらして配置されている。これにより、透過光Ｌ３（図４）について、例えばＺ方向から傾いたＤ１，Ｄ２方向に対する導光を実現することができる。
図７は、本実施形態に係るセンサアレイ５の回路構成を例示する回路図である。図７の例において、制御回路６は、クロック発生回路６０と、分周器６１と、発光用のカウンタ６２と、駆動電圧源６３と、デマルチプレクサ６４と、受光用のカウンタ６５と、マルチプレクサ６６と、増幅器６７と、信号処理回路６８とを備える。
クロック発生回路６０は、所定のクロック周期を有するクロック信号を発生させる。分周器６１は、クロック信号の周期を２ｎ倍するように分周する。
発光用のカウンタ６２は、分周されたクロック信号に基づいて、１〜ｎの範囲の計数を行う。駆動電圧源６３は、光源２を駆動するための駆動電圧を生成する。デマルチプレクサ６４は、発光用のカウンタ６２の計数結果に応じて、ｎ個の光学センサ１Ａの光源２Ａと駆動電圧源６３間の接続を順次、切り替えて、各発光素子２１，２２の駆動電圧Ｖ１ １〜Ｖ２ ｎを供給する（図５参照）。
受光用のカウンタ６５は、クロック発生回路６０からのクロック信号に基づいて、１〜２ｎの範囲の計数を行う。マルチプレクサ６６は、受光用のカウンタ６５の計数結果に応じて、ｎ個の光学センサ１Ａの各受光素子３１，３２からの受光信号Ｐ１ １〜Ｐ２ ｎを順次、選択する（図５参照）。増幅器６７は、選択された受光信号のアナログ電圧を増幅して、信号処理回路６８に出力する。
信号処理回路６８は、発光用及び受光用のカウンタ６５の計数結果と入力電圧に基づいて、ｎ個の光学センサ１Ａによる触覚および近接センシングの信号処理を実行する。
図８は、本実施形態に係るセンサアレイ５の動作例を示すタイミングチャートである。図８のタイミングチャートは、図７の制御回路６による各発光素子２１，２２の駆動電圧Ｖ１ １〜Ｖ２ ｎの供給タイミングと、各受光素子３１，３２の受光信号Ｐ１ １〜Ｐ２ ｎの選択タイミングとを示している。
図８の動作例において、センサアレイ５の制御回路６は、所定の走査周期Ｔ１でｎ個の光学センサ１Ａを走査する。走査周期Ｔ１は、クロック発生回路６０によるクロック周期の２ｎ×ｎ倍であり、対象物４の動きをとらえる程度に高速の走査周期、例えば１０ミリ秒である。
本動作例において、制御回路６は、発光用のカウンタ６２等（図７）により、図８に示すように発光周期Ｔ２毎に、光学センサ１Ａ毎の発光素子２１，２２に駆動電圧Ｖ１ １〜Ｖ２ ｎを供給する。これにより、センサアレイ５のｎ個の光源２Ａが、順番に時分割で発光する。発光周期Ｔ２は、本例ではクロック周期のｎ倍である。
また、制御回路６は、受光用のカウンタ６５等（図７）により、図８に示すように受光周期Ｔ３毎に、センサアレイ５における２ｎ個の受光素子３１，３２を順番に選択して、受光信号Ｐ１ １〜Ｐ２ ｎのアナログ電圧を取得する。これにより、１つの光源２Ａの発光周期Ｔ２中に、各光学センサ１Ａにおける＋Ｘ側と−Ｘ側のそれぞれの受光結果がアナログ電圧として取得される。受光周期Ｔ３は、受光素子３１，３２の動作速度、あるいは積分速度を加味して決定され、例えば数μｓｅｃである。本例ではクロック周期と同じであり、クロック周期は受光素子３１，３２が機能するに十分長く、対象物４の動きをとらえる程度に十分短い周期に設定される。
センサアレイ５の信号処理回路６８は、発光用及び受光用のカウンタ６２，６５の計数結果を参照して、以上のように取得されるアナログ電圧が、センサアレイ５中の何れの光学センサ１Ａの発光中に、何れの受光素子３１，３２が受光した受光結果であるのかを特定できる。
例えば、信号処理回路６８は、発光した光学センサ１Ａと受光した光学センサ１Ａがと同一となるタイミングで取得された受光結果について、触覚センシングのための信号処理を行う。また、信号処理回路６８は、発光した光学センサ１Ａと受光した光学センサ１Ａとが異なるタイミングで取得された受光結果について、近接センシングのための信号処理を行う。
以上のように、本実施形態のセンサアレイ５によると、複数の光学センサ１Ａの走査において、触覚および近接のセンシングを両立させることができる。
以上の動作例（図８）では、１つの光源２Ａの発光周期Ｔ２中に、センサアレイ５中の２ｎ個の受光素子３１，３２が時分割で受光周期Ｔ３（＝Ｔ２／２ｎ）毎に受光した。本実施形態のセンサアレイ５では、１つの受光素子の受光中に、各光源２Ａが時分割で発光してもよい。本変形例について、図９を用いて説明する。
図９は、センサアレイ５の動作の変形例を示すタイミングチャートである。図９のタイミングチャートは、図８と同様に、各発光素子２１，２２の駆動電圧Ｖ１ １〜Ｖ２ ｎの供給タイミングと、各受光素子３１，３２の受光信号Ｐ１ １〜Ｐ２ ｎの選択タイミングとを示している。
本変形例において、各発光素子２１，２２の発光周期Ｔ２’は、各受光素子３１，３２の受光周期Ｔ３’の１／ｎ倍に設定されている。このような設定は適宜、図７の分周器６１等を変更することによって実現できる。図９の動作時に、信号処理回路６８は、各々の受光素子３１，３２の受光周期Ｔ３’中で、入力される受光信号のアナログ電圧が変化するタイミングに基づいて、何れの発光素子が発光したのかを特定することができる。よって、図９の動作によっても、複数の光学センサ１Ａの走査において、触覚および近接のセンシングを両立させることができる。
以上のように、本実施形態に係るセンサアレイ５は、光学センサ１Ａを複数、備える。複数の光学センサ１Ａが、１次元アレイ状に配置される。複数の光学センサ１Ａによる透過光Ｌ３の発光と受光を用いて、触覚および近接のセンシングを両立させることができる。
本実施形態において、センサアレイ５は、例えば制御回路６をさらに備える。制御回路６は、各光学センサ１Ａの光源２Ａを順次、発光させる。制御回路６は、発光中の光学センサ１Ａの受光部３Ａからの受光信号に基づいて、対象物４による接触力を検出する。制御回路６は、発光中の光学センサ１Ａとは別の光学センサ１Ａの受光部３Ａからの受光信号に基づいて、対象物４の近接を検出する。センサアレイ５は、制御回路６とは別体のモジュール等で提供されてもよい。
制御回路６は、センサアレイ５における反射部からの反射光を受光した受光部の信号に基づいて、反射部と受光部との距離を検出することにより、物体による接触力を検出する。制御回路６は、センサアレイ５における透過部からの透過光を受光した受光部の信号に基づいて、物体と受光部との距離を検出することにより、物体の近接を検出する。これにより、センサアレイ５において物体の接触力と近接とを検出することができる。
（実施形態３）
実施形態２では、１次元アレイ状のセンサアレイについて説明した。実施形態３では、２次元アレイ状のセンサアレイについて、図１０〜１２を用いて説明する。
図１０は、実施形態３に係るセンサアレイ５Ａの構成を例示するブロック図である。本実施形態に係るセンサアレイ５Ａは、２次元アレイ状に配置された複数の光学センサ１Ｂを備える。以下では、センサアレイ５Ａにおける光学センサ１Ｂが、ＸＹ平面においてマトリクス状に配置される例について説明する。
実施形態２の光学センサ１Ａは、±Ｘ側のＤ１，Ｄ２方向において、透過光の発光および受光が行われるように構成された。本実施形態の光学センサ１Ｂは、例えば実施形態２の光学センサ１Ａと同様の構成に加えて、±Ｙ側のＤ３，Ｄ４方向においても、透過光の発光および受光が行われるように構成される。例えば、本実施形態の光学センサ１Ｂは、受光部３ＡにおいてＤ１〜Ｄ４方向に対応する４つの受光素子３１〜３４を含む。また、光学センサ１Ｂの光源２Ｂは、例えばＤ１〜Ｄ４方向の四方に光を出射する４つの発光素子を含む。また、光学センサ１Ｂには、Ｄ１〜Ｄ４方向に対応する４つの光学窓１２１〜１２４などが設けられる。
本実施形態のセンサアレイ５Ａは、センサアレイ５Ａ中の光学センサ１Ｂを二次元的に走査することによって、実施形態２と同様に、各光学センサ１Ｂを用いた触覚と近接のセンシングを実現することができる。例えば、本実施形態のセンサアレイ５Ａの制御回路７は、センサアレイ５Ａにおける各光学センサ１Ｂの光源２Ｂを駆動する発光駆動回路７１と、受光部３Ｂを駆動する受光駆動回路７２とを備える。
図１１は、本実施形態のセンサアレイ５Ａにおける発光駆動回路７１の構成例を示す回路図である。発光駆動回路７１は、センサアレイ５Ａにおける光学センサ１Ｂ毎に発光素子の一方の電極を走査する上部電極ドライバ７１ａと、他方の電極を走査する下部電極ドライバ７１ｂとを含む。本実施形態のセンサアレイ５Ａの発光駆動回路７１は、公知のＬＥＤマトリクス或いはパッシブＬＣＤマトリクスの駆動技術を適宜、適用して構成することができる。
図１２は、本実施形態のセンサアレイ５Ａにおける受光駆動回路７２の構成例を示す回路図である。受光駆動回路７２は、センサアレイ５Ａにおける光学センサ１Ｂの４つの受光素子３１〜３４の各々を走査するように、ロウ電極ドライバ７２ａとカラム電極ドライバ７２ｂとを含む。本実施形態のセンサアレイ５Ａの受光駆動回路７２は、公知のＣＭＯＳイメージセンサの駆動技術を適宜、適用して構成することができる。
以上のように、本実施形態に係るセンサアレイ５Ａにおいては、複数の光学センサ１Ｂが、２次元アレイ状に配置される。本実施形態のセンサアレイ５Ａによると、２次元アレイ状の光学センサ１Ｂを用いて、対象物４による接触力や近接距離の二次元分布が得られ、対象物４の形状などを検出することもできる。
以上の説明では、複数の光学センサ１ＢがＸＹ平面上に配置される例を説明した。本実施形態のセンサアレイ５Ａは、平面上に限らず、複数の光学センサ１Ｂが各種の曲面上に配置されても構成されてもよい。また、本実施形態のセンサアレイ５Ａは特にマトリクス状に限らず、各種の２次元アレイ状に配置されてもよい。
（他の実施形態）
以上の各実施形態１〜３においては、光学センサ１〜１Ｂにおけるカバー部材としてドーム１０を例示したが、カバー部材はドーム１０に限らない。例えば、本実施形態におけるカバー部材は、全体が弾性体でなくてもよく、弾性体の部分を一部有し、透過部などの機構が硬質の板あるいは剛体の上に形成されてもよい。この場合、例えば剛体は、弾性体の部分の支持機構によって外部応力によって変形する機構を有してもよい。また、カバー部材は、例えば板バネを用いたフレーム等であってもよい（特許文献２参照）。弾性体は、上述した材料に加えて金属材料であってもよく、外力に応じて変形し、元の形状に復元しようとする各種材料で構成できる。
上記の実施形態２では、光源２Ａに２つの発光素子２１，２２を用いる例を説明したが、光源２Ａにおける発光素子の個数は特に２つに限定されず、種々の個数を採用可能である。また、受光部３Ａにおける受光素子の個数も特に限定されない。実施形態３の光学センサ１Ｂについても同様である。また、上記の実施形態２，３では、センサアレイ５、５Ａが、それぞれ光学センサ１Ａ，１Ｂを複数、備えた。実施形態１の光学センサ１を複数、備えるセンサアレイが提供されてもよい。
また、上記の実施形態２では、透過光Ｌ３を特定のＤ１，Ｄ２方向に導光する構造として、レンズ１５（図５）を用いる例を説明した。このような構造の変形例について、図１３を用いて説明する。
図１３は光学センサ１Ａの内部構造の変形例を説明するための図である。図１３（ａ）〜（ｄ）では、光源２Ａの発光素子２１と受光部３Ａの受光素子３１との双方が集積されたチップ１６を用いる構成例を説明する。
図１３（ａ）は、チップ１６の傾斜配置による変形例を示す。光学センサ１Ａ内部において、２つのチップ１６の法線方向をそれぞれＤ１，Ｄ２方向に向けるように、各チップ１６が傾けて配置されてもよい。チップ１６上には、例えば法線方向に光を出射するＶＣＳＥＬが、発光素子２１として設けられてもよい。
図１３（ｂ）は、プリズム１７を用いた変形例を示す。光学センサ１Ａにおいては、図１３（ｂ）に例示するように、プリズム１７を用いて光路の変換が行われてもよい。図１３（ｂ）の例では、２つのチップ１６がプリズム１７にフリップチップボンディングで結合されている。
図１３（ｃ）は、フレネルレンズ１８を用いた変形例を示す。光学センサ１Ａにはプリズム１７に限らず、例えばナノインプリントなどによるフレネルレンズ１８が用いられてもよい。図１３（ｃ）の例では、１つのチップ１６がプリズム１７にフリップチップボンディングで結合され、二股に分岐した光路が形成されている。
図１３（ｄ）は、複屈折の光学素子１９を用いた変形例を示す。光学センサ１Ａにおいて、光路の分岐はフレネルレンズ１８に限らず、例えば方解石等による複屈折をなす光学素子１９を用いて行われてもよい。光路の向きを変更するように、方解石等による複屈折をなす光学素子１９が用いられてもよい。この場合、例えば光源２Ａに、円偏光の光を発光する発光素子を用いる。
図１３（ａ）〜（ｄ）と同様の変形は、実施形態２以外の実施形態にも適宜、適用可能である。また、図１３（ａ）〜（ｄ）では、チップ１６を用いる変形例を説明したが、光源２Ａと受光部３Ａとが同じチップ１６に集積されなくてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ 光学センサ
１０ ドーム
１１ ミラー
１２ １２ａ，１２ｂ，１２１〜１２４ 光学窓
２，２Ａ，２Ｂ 光源
３，３Ａ，３Ｂ 受光部
５，５Ａ センサアレイ
５０，６，７ 制御回路

Claims (8)

  1. 光の受光結果に応じて、物体による接触力及び近接を感知する触覚及び近接センサであって、
    光を発光する光源と、
    光を受光して、受光結果を示す信号を生成する受光部と、
    外力に応じて変形する弾性体で構成され、前記光源及び前記受光部を覆うように設けられたカバー部材とを備え、
    前記カバー部材は、
    前記光源と前記受光部との間で光を反射する反射部と、
    前記光源からの第１の方向に光を透過し、前記受光部からの第２の方向に光を透過する透過部とを備える
    触覚及び近接センサ。
  2. 前記透過部は、前記第１の方向において前記光源から外部に出射する光が透過する第１の透過領域と、前記第２の方向において外部から前記受光部に入射する光が透過する第２の透過領域とを含む
    請求項１に記載の触覚及び近接センサ。
  3. 前記受光部は、前記反射部から入射する光を受光する第１の受光領域と、前記透過部から入射する光を受光する第２の受光領域とを含む
    請求項１又は２に記載の触覚及び近接センサ。
  4. 前記受光部からの信号を解析する制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、
    前記反射部からの反射光を受光した前記受光部の信号に基づいて、前記反射部と前記受光部との距離を検出することにより、前記物体による接触力を検出し、
    前記透過部からの透過光を受光した前記受光部の信号に基づいて、前記物体と前記受光部との距離を検出することにより、前記物体の近接を検出する
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚及び近接センサ。
  5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚及び近接センサを複数、備えた
    センサアレイ。
  6. 前記複数の触覚及び近接センサが、１次元アレイ状または２次元アレイ状に配置された
    請求項５に記載のセンサアレイ。
  7. 前記複数の触覚及び近接センサを制御する制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、
    各触覚及び近接センサの光源を順次、発光させ、
    発光中の触覚及び近接センサの受光部からの信号に基づいて、物体による接触力を検出し、
    発光中の触覚及び近接センサとは別の触覚及び近接センサの受光部からの信号に基づいて、物体の近接を検出する
    請求項５又は６に記載のセンサアレイ。
  8. 前記制御回路は、
    前記反射部からの反射光を受光した前記受光部の信号に基づいて、前記反射部と前記受光部との距離を検出することにより、前記物体による接触力を検出し、
    前記透過部からの透過光を受光した前記受光部の信号に基づいて、前記物体と前記受光部との距離を検出することにより、前記物体の近接を検出する
    請求項７に記載のセンサアレイ。
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