WO2023002866A1 - センサ装置 - Google Patents

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WO2023002866A1
WO2023002866A1 PCT/JP2022/027065 JP2022027065W WO2023002866A1 WO 2023002866 A1 WO2023002866 A1 WO 2023002866A1 JP 2022027065 W JP2022027065 W JP 2022027065W WO 2023002866 A1 WO2023002866 A1 WO 2023002866A1
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WO
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light
sensor
sensor device
force
force sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/027065
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English (en)
French (fr)
Inventor
博 渡邊
滉平 菅原
浩一 井上
貴敏 加藤
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2023002866A1 publication Critical patent/WO2023002866A1/ja
Priority to US18/404,941 priority patent/US20240142323A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V11/00—Prospecting or detecting by methods combining techniques covered by two or more of main groups G01V1/00 - G01V9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/12—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V9/00—Prospecting or detecting by methods not provided for in groups G01V1/00 - G01V8/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto

Definitions

  • Patent Document 1 discloses a composite sensor attached to a robot hand or the like.
  • a composite sensor is composed of a tactile sensor and a proximity sensor.
  • the tactile sensor has a flexible pressure-sensitive sheet covering the fingertip, and can detect the magnitude of the load acting on the pressure-sensitive sheet and the center position of the load.
  • through holes are formed in the pressure-sensitive sheet of the tactile sensor.
  • the sensitive surface of the proximity sensor is exposed through the through hole in the pressure sensitive sheet of the touch sensor. This makes it possible to detect the approach of the gripped object.
  • the sensor device of the present invention it is possible to suppress interference in both detection of force by an object and detection of proximity.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a sensor device according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the internal structure of the sensor device of FIG. 1;
  • FIG. Sectional view of the sensor device of FIG. 4 is a perspective view of a cover member of the sensor device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating the configuration of a sensor device according to a first embodiment;
  • FIG. FIG. 4 is a perspective view illustrating the configuration of a sensor device according to a modification of the first embodiment;
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of a sensor device according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the sensor device according to Embodiment 3;
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating the configuration of a sensor device according to Embodiment 4;
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating the configuration of a sensor device according to modification 1;
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating the configuration of a sensor device according to Modification 2;
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating the configuration of a sensor device according to modification 3;
  • the sensor device 1 of this embodiment includes a proximity sensor unit 12 that detects the proximity of the object 5 in an optical detection method, and a force sensor that detects the force (that is, the contact force) that acts when the object 5 contacts. It is a sensor module integrally configured with the part 13 .
  • the sensor device 1 can be applied to a robot hand, for example, for detecting various objects to be gripped as the target object 5 .
  • HMI human-machine interface
  • it can also be applied as an input interface that conveys various human instructions and intentions to machines and devices.
  • the proximity sensor unit 12 and the force sensor unit 13 of the sensor device 1 of the present embodiment can continuously detect a series of processes such as the object 5 approaching and coming into contact with the object 5 and exerting a force.
  • the sensor device 1 is configured, for example, by assembling a proximity sensor section 12 and a force sensor section 13 on a substrate 11 .
  • the two directions parallel to the principal surface of the substrate 11 are defined as the X direction and the Y direction, respectively, and the direction normal to the principal surface is defined as the Z direction.
  • the +Z side where the force sensor section 13 protrudes from the substrate 11 may be referred to as the upper side, and the opposite -Z side may be referred to as the lower side.
  • the force sensor section 13 includes the force sensor element 3 and a cover section 41 made of an elastic material that covers the force sensor element 3 from above (+Z).
  • the optical proximity sensor section 12 includes a light emitting section 21 , a light receiving section 22 , and a cover section 42 configured to surround the light emitting section 21 and the light receiving section 22 .
  • the direction in which the force sensor portion 13 and the proximity sensor portion 12 are arranged on the substrate 11 is the X direction
  • the force sensor portion 13 side is the -X side
  • the proximity sensor portion 12 side is the +X side.
  • the sensor device 1 includes a cover member 4 that integrally forms a proximity sensor cover portion 42 by extending an elastic body forming a force sensor cover portion 41 toward the +X side.
  • the configuration of the cover member 4 suppresses interference that may occur between the force sensor section 13 and the proximity sensor section 12 from various viewpoints, thereby enabling detection of force due to contact with the object 5 and detection of proximity. To provide a sensor device 1 that can easily be compatible with each other.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the internal structure of the sensor device 1 of FIG.
  • FIG. 2 shows a state without the cover member 4 in the sensor device 1 illustrated in FIG.
  • the light emitting part 21 in the sensor device 1 is a part of the proximity sensor part 12 that emits light for detecting the proximity of the object 5 (hereinafter referred to as "detection light").
  • the light emitting unit 21 includes a light emitting element 23 and a sealing body 25 that seals the light emitting element 23 with resin or the like.
  • the light emitting elements 23 are not limited to LEDs, and may include various solid-state light source elements such as LDs (semiconductor lasers) or VCSELs (surface emitting lasers).
  • the light emitting element 23 may include multiple light source elements.
  • the light emitting element 23 may be provided with an optical system such as a lens and a mirror for collimating the light from the light source element.
  • the light receiving part 22 in the proximity sensor part 12 is a part that receives the detection light from the light emitting part 21 and is reflected by the object 5 to detect the proximity of the object 5 .
  • the light receiving section 22 includes a light receiving element 24 and a sealing body 26 that seals the light receiving element 24 with resin or the like.
  • the light receiving element 24 includes one or more light receivers such as PDs (photodiodes), and has a light receiving surface composed of the light receivers.
  • the light-receiving element 24 receives light such as reflected light reflected by the object 5 from the detection light at its light-receiving surface, and generates a light-receiving signal indicating, for example, the amount of received light as a light-receiving result.
  • the sealing body 25 of the light-emitting part 21 and the sealing body 26 of the light-receiving part 22 are formed by appropriately molding a resin or the like having translucency with respect to the wavelength band of the detection light in the proximity sensor part 12 .
  • the upper surfaces of the sealing bodies 25 and 26 respectively define the heights of the light emitting section 21 and the light receiving section 22, respectively.
  • Each encapsulant 25, 26 may have wavelength filter characteristics that selectively transmit a specific wavelength band.
  • the force sensor unit 13 can employ various force detection methods to detect the force from the object 5.
  • Various force sensing schemes include, for example, piezoelectric, optical, strain-resistive, and capacitive.
  • the force sensor unit 13 detects forces in multiple axes such as three axes or six axes.
  • the force sensor element 3 is composed of various sensor elements according to the force detection method employed in the force sensor section 13 .
  • the force sensor element 3 is an example of a force sensor in this embodiment.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the sensor device 1 of FIG. 4 shows a perspective view of the cover member 4 of the sensor device 1.
  • FIG. FIG. 3 corresponds to the A-A' section of FIG.
  • the AA' cross section is a cross section passing through the light emitting section 21 along the XZ plane.
  • the cover member 4 includes a force sensor cover portion 41, a proximity sensor cover portion 42, and a base portion 40 connected to the respective cover portions 41 and 42.
  • a force sensor cover portion 41 and a proximity sensor cover portion 42 are arranged so as to form a groove via a base portion 40. .
  • cover member 4 by integrally forming the cover portions 41 and 42 for each sensor, it is easy to realize a layout in which the force sensor portion 13 and the proximity sensor portion 12 are brought closer to each other in the sensor device 1. As a result, for example, it is possible to reduce the size of the sensor device 1, facilitate its manufacture, and further improve the continuous detection performance described above.
  • the force sensor cover part 41 is arranged so as to form a groove between the respective cover parts 41 and 42, so that the force sensor cover part 41 is not dependent on the proximity sensor cover part 42. Therefore, the contact force can be uniformly deformed and the interference can be suppressed.
  • the cover member 4 is an elastic member having the force sensor cover portion 41 as a first portion, the proximity sensor cover portion 42 as a second portion, and the base portion 40 as a third portion. is an example.
  • the base portion 40 is a portion of the cover member 4 that extends downward (-Z side).
  • the base portion 40 is formed planar along the substrate 11 .
  • the height H0 of the base portion 40 from the substrate 11 is lower than the heights H1 and H2 of the cover portions 41 and 42, respectively.
  • the base portion 40 forms the bottom of the groove between the force sensor cover portion 41 and the proximity sensor cover portion 42 (see FIG. 3).
  • the base portion 40 may have various configurations that function as a connecting portion that connects the cover portions 41 and 42 .
  • the shape of the base portion 40 is not particularly limited to a planar shape, and may be various shapes.
  • the base portion 40 does not have to cover the entire substrate 11 , and may cover a limited area including between the cover portions 41 and 42 , for example.
  • the height H2 of the proximity sensor section 12 from the substrate 11 is the height H1 of the force sensor section 13 (that is, the height of the force sensor). height of the cover portion 41).
  • the light receiving control circuit 52 includes, for example, an amplifier electrically connected to the light receiving element 24 and an A/D (analog/digital) converter connected to the amplifier.
  • the light receiving control circuit 52 performs various signal processing on the light receiving signal output from the light receiving element 24 and outputs the processed signal to the interface circuit 54, for example.
  • the light reception control circuit 52 performs proximity detection processing of the object 5 based on the amount of reflected light received in the light reception signal.
  • the proximity detection process in the sensor device 1 is not limited to the amount of received reflected light, and may be performed based on, for example, the phase difference between the reflected light and the detected light. Further, such proximity detection processing itself does not necessarily have to be performed within the sensor device 1 , and may be performed by an arithmetic circuit or the like outside the sensor device 1 .
  • proximity detection of an object such as the target object 5 can be realized by generating a light receiving signal including reflected light of the detection light in synchronization with driving of the light emitting unit 21 .
  • the force sensor control circuit 53 includes a control circuit for driving and controlling various sensor elements forming the force sensor element 3 in the force sensor section 13, an amplifier for output signals from the sensor elements, and the like.
  • the force sensor control circuit 53 may include, for example, a circuit configuration that generates a force detection signal indicating force detection results in multiple axes based on the above output signals.
  • the force sensor control circuit 53 may output the force detection signal of the force detection result of not only multi-axis but also uniaxial force.
  • any one of the circuits 51 to 54 of the control unit 15 may be configured externally, or may be provided as a separate module from the circuits 51 to 54 of the control unit 15. good too.
  • the sensor device 1 includes the force sensor element 3, which is an example of a force sensor provided on the substrate 11, the light emitting unit 21 that emits light from the substrate 11, and a cover member 4, which is an example of an elastic member integrally formed of an elastic body.
  • the cover member 4 includes a force sensor cover portion 41 as an example of a first portion, a proximity sensor cover portion 42 as an example of a second portion, and a base portion 40 as an example of a third portion.
  • the force sensor cover part 41 covers the force sensor element 3 .
  • the proximity sensor cover portion 42 extends at least between the light emitting portion 21 , the light receiving portion 22 , and the force sensor element 3 around the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 .
  • the force sensor cover part 41 and the proximity sensor cover part 42 are connected to each other by the base part 40 having a low height H0 so as to form a groove. 5, it is possible to suppress interference in both detection of force and detection of proximity.
  • the force sensor cover portion 41 of the cover member 4 has a tapered shape in which the outer diameter R1 narrows as the position from the substrate 11 increases.
  • the proximity sensor cover portion 42 has a tapered shape in which the opening diameter increases as the position from the substrate 11 increases. This makes it possible to match the directionality of the tapered shape between the force sensor cover portion 41 and the proximity sensor cover portion 42, thereby suppressing interference in the viewing angle of the proximity sensor portion 12 and manufacturing.
  • the cover member 4 may have a hardness of a predetermined value (eg, Shore A80) or less at least in the force sensor cover portion 41 . Thereby, when the object 5 applies contact force to the cover part 41, it is easy to give a feedback feeling to the object 5.
  • a predetermined value eg, Shore A80
  • the cover member 4 may have a hardness equal to or less than the predetermined value in the cover portion 41 for the force sensor and the cover portion 42 for the proximity sensor.
  • FIG. 6 illustrates the configuration of a sensor device 1A in a modified example of the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view similar to FIG. 3 for the sensor device 1A of this modified example.
  • a sensor device 1A of this modified example includes a flexible substrate 11A in the same configuration as the sensor device 1 of Embodiment 1 described above.
  • the proximity sensor unit 12 detects the state in which the object 5 has approached the force sensor unit 13 before it contacts the force sensor unit 13. can be easily detected.
  • the substrate 11A has flexibility at least at a position between the force sensor cover portion 41 and the proximity sensor cover portion 42 of the cover member 4. may As a result, the direction of the viewing angle of the proximity sensor section 12 can be changed with respect to the arrangement of the force sensor section 13, and both force detection and proximity detection can be easily achieved.
  • Embodiment 2 In the first embodiment, the sensor device 1 in which the cover member 4 surrounds the light-emitting portion 21 and the light-receiving portion 22 has been described. In Embodiment 2, a sensor device in which a part of the light-emitting portion 21 and the light-receiving portion 22 are partially opened will be described with reference to FIG. 7 .
  • the open end 45 of the cover member 4B of this embodiment is formed by extending the cover portion 42B for the proximity sensor except for the +X side, and the opening regions A1B, Define A2B.
  • the opening regions A1B and A2B of the present embodiment reach the substrate 11 because the +X side is the open end 45, that is, the height from the substrate 11 is the minimum on the +X side.
  • the viewing angle of the proximity sensor section 12 is directed in the Z direction by the opening areas A1 and A2 formed by the walls 42a to 42e around the entire periphery (FIG. 4).
  • the viewing angle of the proximity sensor section 12 is directed from the Z direction to the +X side by the opening areas A1B and A2B having the open end 45 .
  • the object 5 can be detected without bending the substrate 11 (see FIG. 6). proximity detection can be facilitated.
  • the proximity sensor cover portion 42B of the cover member 4 extends around the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 except for the side opposite to the force sensor cover portion 41 .
  • the proximity sensor cover portion 42B forms an open end 45 on the +X side to facilitate control of the viewing angle of the proximity sensor portion 12 in consideration of compatibility with force detection.
  • FIG. 8 shows the configuration of a sensor device 1C according to the third embodiment.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the sensor device 1C of FIG. 8 taken along line A-A'.
  • the sensor device 1C of the present embodiment has the same configuration as the sensor device 1B of the second embodiment, for example, but as shown in FIG. consists of
  • the sealing bodies 25C and 26C are examples of first and second optical members, respectively.
  • the sealing body 25C of the light emitting section 21C has a lens shape that refracts the detection light emitted from the light emitting element 23 (FIG. 9) from the Z direction toward the +X side.
  • the encapsulant 25C may have a light collecting function that narrows the light distribution angle of the light flux emitted to the +X side.
  • the sealing body 25C of the light emitting section 21C as described above can be realized in a curved shape that is inclined in the XZ section as shown in FIG. 9 and has a curvature in the YZ section as shown in FIG.
  • the sealing body 26C of the light receiving section 22C can be configured in the same manner as the sealing body 25C of the light emitting section 21C, for example.
  • the degree of freedom of light distribution control of the proximity sensor section 12 can be improved in the sensor device 1C. Therefore, it is possible to set appropriate light distribution according to various uses to which the sensor device 1C is applied.
  • the light emitting section 21 includes the light emitting element 23 and the sealing body 25C, which is an example of the first optical member.
  • the sealing body 25C of the light emitting part 21 is formed so as to direct the detection light emitted from the light emitting element 23 to the side opposite to the cover part 41 for the force sensor.
  • the light-receiving section 22 includes a light-receiving element 24 and a sealing body 26C, which is an example of a second optical member.
  • the sealing body 26C of the light receiving section 22 is formed so as to direct light incident on the light receiving element 24, such as reflected light from the object 5, to the side opposite to the cover section 41 for the force sensor. According to such a sensor device 1C, light distribution control of the proximity sensor section 12 can be easily performed in consideration of coexistence with force detection by using the respective sealing bodies 25C and 26C.
  • FIG. 10 shows a perspective view of the sensor device 1D according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of the sensor device 1D along the B-B' cross section of FIG.
  • a B-B' cross section is a cross section passing through the force sensor portion 13D along the XZ plane.
  • the force sensor section 13D is configured optically.
  • the optical force sensor section 13D includes a light emitting element 31 and a light receiving element 32 as the force sensor element 3D.
  • the light-emitting element 31 and the light-receiving element 32 may be sealed with a sealing body 33 made of, for example, transparent resin.
  • the inside of the cover section 41 for the force sensor may have a hollow structure, or may be filled with a transparent resin or the like that is more flexible than the sealing body 33, for example. Further, the inside of the cover portion 41 is configured to be able to reflect light from the light emitting element 31, for example.
  • the light emitting element 31 includes a light emitting source such as a single or multi-emitter VCSEL.
  • the light emitting element 31 emits light having a predetermined wavelength band such as an infrared region, and emits the light as detection light for force detection.
  • the light-emitting element 31 is not limited to a VCSEL, and may include various solid-state light source elements such as LDs and LEDs.
  • the light emitting element 31 may include multiple light source elements.
  • the light emitting element 31 may be provided with an optical system such as a lens and a mirror for collimating the light from the light emitting element.
  • the light receiving element 32 includes a light receiver such as a PD, and is configured by arranging a plurality of light receivers so as to surround the light emitting element 31, for example.
  • the light receiving element 32 receives light such as the reflected light of the detection light at the light receiver and generates a light reception signal indicating, for example, the amount of light received as a light reception result.
  • the light-receiving element 32 is not limited to a PD, and may include various light-receiving devices such as a phototransistor, PSD, CIS, or CCD.
  • the cover portion 41 for the force sensor is made of an elastic member that has a light shielding property with respect to the frequency band of light detected by the light emitting element 31, for example.
  • the optical force sensor unit 13D configured as described above detects the detection light emitted from the light emitting element 31 in response to the force from the contacting object 5, and the light receiving element for the reflected light reflected by the reflector 35.
  • the contact force of the object 5 is detected by utilizing the fact that the state of light reception by 32 changes.
  • known techniques can be appropriately applied (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the same manufacturing process as that for the proximity sensor section 12 can be adopted, and since it can be manufactured collectively, it is possible to facilitate manufacturing of the sensor device 1D.
  • the sealing bodies 25C and 26C in the proximity sensor section 12 and the sealing body 33 of the light emitting element 31 and the light receiving element 32 in the force sensor section 13D may be formed in the same process.
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating the electrical configuration of the sensor device 1D according to the fourth embodiment.
  • the force sensor control circuit 53 is configured separately from the light emission control circuit 51 and light reception control circuit 52 for controlling the proximity sensor unit 12 .
  • the control unit 15D of the sensor device 1D of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but instead of the separate force sensor control circuit 53 (FIG. 5), the control function of the force sensor unit 13D is transferred to the proximity sensor unit 12.
  • the light emission control circuit 51D and the light reception control circuit 52D are provided with them.
  • the light emission control circuit 51D of this embodiment includes, for example, a switch matrix or the like so as to control the light emitting elements 23 of the proximity sensor section 12 and the light emitting elements 31 of the force sensor section 13D. be done.
  • the light receiving control circuit 52D of this embodiment includes, for example, a switch matrix or the like so as to control the light receiving element 24 of the proximity sensor section 12 and the light receiving element 32 of the force sensor section 13D.
  • control unit 15D of the sensor device 1D of the present embodiment can be configured with a single IC or the like shared by the control function of the proximity sensor unit 12 and the control function of the force sensor unit 13D. In this way, the sensor device 1D of this embodiment can be miniaturized and reduced in cost.
  • the optical force sensor section 13D includes, as the force sensor element 3D, the light emitting element 31 different from the light emitting element 23 of the proximity sensor section 12, and the proximity sensor section A photodetector 32 separate from the twelve photodetectors 24 is included.
  • the control unit 15D of the sensor device 1D includes a light emission control circuit 51D that controls the light emitting unit 21 of the proximity sensor unit 12 and the light emitting element 31 of the force sensor unit 13D, and the light receiving unit 22 of the proximity sensor unit 12 and the force sensor unit 13D.
  • a light receiving control circuit 52D for controlling the element 32 is provided.
  • the sensor device 1A in which the proximity sensor cover portion 42B opens the +X side around the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 has been described.
  • the cover part 42 for the proximity sensor may open other parts around the light emitting part 21 and the light receiving part 22 .
  • Such a modified example will be described with reference to FIG. 13 .
  • FIG. 13 illustrates the configuration of a sensor device 1E according to Modification 1.
  • the cover member 4E of the sensor device 1E includes a wall portion 41b between the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22, and a wall portion 42b on the +X side, while opening the ⁇ Y side and the ⁇ X side.
  • a cover portion 42E for the proximity sensor is provided. Even with such a cover member 4E, interference between the force sensor section 13 and the proximity sensor section 12 can be suppressed as in the above-described embodiments.
  • the minimum height of the opening areas A1 and A2 of the proximity sensor cover portion 42B is the same as that of the substrate 11. However, the minimum height of the opening areas A1 and A2 is It may be higher than the substrate 11 .
  • Such a modified example will be described with reference to FIG. 14 .
  • FIG. 14 illustrates the configuration of a sensor device 1F according to Modification 2.
  • a sensor device 1F of this modified example has, for example, the same configuration as the sensor device 1B of Embodiment 2, but the proximity sensor cover portion 42F is shown in FIG. 14 instead of the +X side open end 45 (FIG. 7).
  • a cover member 4F including a low-profile wall portion 42c' is provided.
  • the low-profile wall portion 42c' defines the lowest height of the opening regions A1F and A2F in this modified example.
  • the height around the opening regions A1F and A2F is minimized on the +X side by the low-profile wall portion 41c′. can be directed to the +X side.
  • the height of the wall portion 42c' is, for example, higher than the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 and lower than the other wall portions 42a, 42b, 42d, and 42e.
  • the height of the wall portion 42 c ′ may be equal to or less than the heights of the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 .
  • the proximity sensor cover portion 42 of the cover member 4 is arranged around the light emitting portion 21 and the light receiving portion 22 on the side opposite to the force sensor cover portion 41. may be extended to include The viewing angle of the proximity sensor section 12 can also be controlled by this.
  • the base portion 40 as an example of the third portion has been exemplified in each of the above embodiments, it is not particularly limited to this.
  • the third portion may partially connect the first portion and the second portion. Such a modification will be described with reference to FIG. 15 .
  • FIG. 15 illustrates the configuration of a sensor device 1G according to Modification 3.
  • FIG. A sensor device 1G of this modified example has a configuration similar to that of the sensor device 1B of the second embodiment, for example, and includes a cover member 4G in which a hole 43 is provided in a base portion 40G.
  • the cover member 4G has a base portion 40G that connects the cover portion 41 for the force sensor, i.e. the first portion, and the cover portion 42B for the proximity sensor, i.e. the second portion.
  • It is an example of a partially hollowed elastic member.
  • the base portion 40G of this embodiment is an example of a third portion that partially connects the first portion and the second portion.

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Abstract

物体による力の検知と近接の検知との両立における干渉を抑制することができるセンサ装置を提供する。センサ装置（１）は、基板（１１）上に設けられた力センサ（３）と、基板上から光を発光する発光部（２１）と、基板上において光を受光して、物体の近接を検知する受光部（２２）と、弾性体で一体的に構成される弾性部材（４）とを備える。弾性部材は、力センサを覆う第１部分（４１）と、発光部及び受光部の周囲において、少なくとも発光部と受光部と力センサとの各々の間に延在する第２部分（４２）と、第１部分と第２部分とを連結する第３部分（４０）とを含む。弾性部材において、基板からの第３部分の高さは、第１及び第２部分よりも低い。

Description

センサ装置
　本発明は、物体の接触による力および近接を検知するセンサ装置に関する。
　近年、ロボットハンド又はヒューマンマシンインタフェース等に搭載され、物体の近接或いは接触といった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。
　特許文献１は、ロボットハンド等に取り付けられる複合型センサを開示している。複合型センサは、触覚センサと近接覚センサから構成されている。触覚センサは、指先部を覆っている可撓性の感圧シートを備え、感圧シートに作用する荷重の大きさ、及び荷重の中心位置を検出可能である。特許文献１の複合型センサでは、触覚センサの感圧シートに、貫通穴が形成されている。触覚センサの感圧シートにおける貫通穴において、近接覚センサの感受面が露出している。これにより、把持物体の接近の検出を可能としている。
特許第５０８９７７４号公報
　特許文献１の複合型センサでは、触覚センサ内に近接覚センサのための貫通穴を形成している。このため、接触する対象物が触覚センサ上に均等に押圧力を印加した場合であっても、可撓性の触覚センサの変形が均等ではなくなってしまう。又、対象物から過度な力が印加された際に、近接覚センサが破損する虞がある。このように、従来技術では、触覚と近接覚を両立するセンサ装置において、種々の干渉を抑制し難い問題があった。
　本発明は、物体による力の検知と近接の検知との両立における干渉を抑制することができるセンサ装置を提供することを目的とする。
　本発明に係るセンサ装置は、基板上に設けられた力センサと、基板上から光を発光する発光部と、基板上において光を受光して、物体の近接を検知する受光部と、弾性体で一体的に構成される弾性部材とを備える。弾性部材は、力センサを覆う第１部分と、発光部及び受光部の周囲において、少なくとも発光部と受光部と力センサとの各々の間に延在する第２部分と、第１部分と第２部分とを連結する第３部分とを含む。弾性部材において、基板からの第３部分の高さは、第１及び第２部分よりも低い。
　本発明に係るセンサ装置によると、物体による力の検知と近接の検知との両立における干渉を抑制することができる。
実施形態１に係るセンサ装置の概要を示す斜視図 図１のセンサ装置の内部構造を例示する斜視図 図１のセンサ装置の断面図 実施形態１におけるセンサ装置のカバー部材の斜視図 実施形態１に係るセンサ装置の構成を例示する回路図 実施形態１の変形例におけるセンサ装置の構成を例示する斜視図 実施形態２におけるセンサ装置の構成を示す斜視図 実施形態３におけるセンサ装置の構成を示す斜視図 図８のセンサ装置１Ｃの断面図 実施形態４におけるセンサ装置の斜視図 図１０のＢ－Ｂ’断面におけるセンサ装置１Ｄの断面図 実施形態４に係るセンサ装置の構成を例示する回路図 変形例１に係るセンサ装置の構成を例示する斜視図 変形例２に係るセンサ装置の構成を例示する斜視図 変形例３に係るセンサ装置の構成を例示する斜視図
　以下、添付の図面を参照して本発明に係るセンサ装置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）
１．概要
　実施形態１に係るセンサ装置の構成の概要について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るセンサ装置１の概要を示す斜視図である。
　本実施形態のセンサ装置１は、光学式の検知方式において対象物５の近接を検知する近接センサ部１２と、対象物５が接触したときに作用する力（即ち接触力）を検知する力センサ部１３とが一体的に構成されたセンサモジュールである。センサ装置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対象物５として検知する用途に適用可能である。また、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）において、人間の多様な指示や意図を機械や機器に伝える入力インタフェースの用途にも適用可能である。
　本実施形態のセンサ装置１は、近接センサ部１２及び力センサ部１３により、対象物５が近接して接触に到り、力を作用させる等の一連の過程を連続的に検知可能である。センサ装置１は、例えば基板１１上に近接センサ部１２と力センサ部１３とを組み付けて構成される。以下、基板１１の主面に平行な２方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とし、当該主面の法線方向をＺ方向とする。又、基板１１から力センサ部１３が突出する＋Ｚ側を上側といい、反対側となる－Ｚ側を下側という場合がある。
　本実施形態のセンサ装置１において、力センサ部１３は、力センサ素子３と、上側（＋Ｚ）から力センサ素子３を覆う弾性体で構成されるカバー部４１とを含む。光学式の近接センサ部１２は、発光部２１と、受光部２２と、発光部２１及び受光部２２を囲むように構成されるカバー部４２とを含む。基板１１上で力センサ部１３と近接センサ部１２とが並ぶ方向をＸ方向とし、力センサ部１３側を－Ｘ側とし、近接センサ部１２側を＋Ｘ側とする。
　本実施形態におけるセンサ装置１は、力センサ用のカバー部４１を構成する弾性体を＋Ｘ側に延伸させて、近接センサ用のカバー部４２を共に一体形成するカバー部材４を備える。本実施形態では、カバー部材４の構成により、力センサ部１３と近接センサ部１２とについて種々の観点から生じ得る干渉を抑制して、対象物５の接触による力の検知と近接の検知とを両立し易くできるセンサ装置１を提供する。
　以下、本実施形態に係るセンサ装置１の構成の詳細を説明する。
２．構成
　図２は、図１のセンサ装置１の内部構造を例示する斜視図である。図２では、図１に例示したセンサ装置１において、カバー部材４がない状態を示している。
　本実施形態のセンサ装置１においては、例えば図２に示すように、近接センサ部１２を構成する発光部２１と受光部２２とが、リジッド基板などの基板１１上で力センサ部１３よりも＋Ｘ側において、Ｙ方向に並んで配置される。以下では、基板１１上で発光部２１の位置が－Ｙ側であり、受光部２２の位置が＋Ｙ側である例を説明する。
　センサ装置１における発光部２１は、近接センサ部１２において対象物５の近接を検知するための光（以下「検知光」という）を発光する部分である。発光部２１は、例えば図２に示すように、発光素子２３と、発光素子２３を樹脂等で封止する封止体２５とを含む。
　発光素子２３は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）等の光源素子を含む。例えば、発光素子２３は、赤外領域などの所定の波長帯を有する光を検知光として発光する。発光素子２３は、発光した検知光を出射する光出射面を有し、光出射面を上側に向けて配置される。
　発光素子２３は、ＬＥＤに限らず、例えばＬＤ（半導体レーザ）或いはＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）など種々の固体光源素子を含んでもよい。発光素子２３は、複数の光源素子を含んでもよい。発光素子２３には、光源素子からの光をコリメートするレンズ及びミラー等の光学系が設けられてもよい。
　近接センサ部１２における受光部２２は、発光部２１からの検知光が対象物５により反射された反射光を受光して、対象物５の近接を検知する部分である。受光部２２は、例えば図２に示すように、受光素子２４と、受光素子２４を樹脂等で封止する封止体２６とを含む。
　受光素子２４は、ＰＤ（フォトダイオード）等の１つ又は複数の受光器を含み、受光器で構成される受光面を有する。受光素子２４は、検知光が対象物５において反射した反射光等の光を受光面にて受光して、例えば受光された光量を受光結果として示す受光信号を生成する。
　受光素子２４は、ＰＤに限らず、例えばフォトトランジスタ、ＰＳＤ（位置検出素子）、ＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサ）或いはＣＣＤなど種々の受光器を含んでもよい。受光素子２４は、受光器のリニアアレイ或いは２次元アレイで構成されてもよい。受光素子２４には上記反射光を集光するためのレンズ等の光学系が設けられてもよい。また、受光素子２４の受光面には、検知光の波長帯とは異なる波長帯の光を遮断するバンドパスフィルタ等が設けられてもよい。これにより、外部環境による外乱光の影響を抑制できる。
　発光部２１の封止体２５及び受光部２２の封止体２６は、それぞれ近接センサ部１２における検知光の波長帯について透光性を有する樹脂等を適宜、成形して構成される。各封止体２５，２６の上面は、例えばそれぞれ発光部２１及び受光部２２の高さを規定する。各封止体２５，２６は、特定の波長帯を選択的に透過する波長フィルタ特性を有してもよい。
　本実施形態において、力センサ部１３には、対象物５からの力を検知するために各種の力検知方式を採用可能である。各種の力検知方式は、例えば圧電式、光学式、ひずみ抵抗式及び静電容量式などを含む。力センサ部１３は、例えば３軸又は６軸といった多軸における力を検知する。力センサ素子３は、力センサ部１３に採用される力検知方式に応じた各種のセンサ素子で構成される。力センサ素子３は、本実施形態における力センサの一例である。
２－１．カバー部材について
　本実施形態のセンサ装置１におけるカバー部材４の構造について、図３～４を用いて説明する。
　図３は、図１のセンサ装置１の断面図を示す。図４は、センサ装置１のカバー部材４の斜視図を示す。図３は、図１のＡ－Ａ’断面に対応する。Ａ－Ａ’断面は、ＸＺ平面に沿って発光部２１を通る断面である。
　本実施形態のセンサ装置１において、カバー部材４は、力センサ用のカバー部４１と、近接センサ用のカバー部４２と、各カバー部４１，４２に連結した基底部４０とを含む。本実施形態のカバー部材４においては、例えば図３に示すように、力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２とが、基底部４０を介して溝をあけるように配置される。
　こうしたカバー部材４によると、各センサ用のカバー部４１，４２を一体的に形成することで、センサ装置１において力センサ部１３と近接センサ部１２とを互いに近付けたレイアウトを実現し易い。これにより、例えば、センサ装置１の小型化および製造容易化、ひいては上述した連続的な検知性能の向上などを図ることができる。
　その一方で、各センサのカバーを単に一体化すると、力センサと近接センサとについて各種の要因から互いに干渉してしまう事態が想定される。例えば、力センサ用のカバーと近接センサ用のカバーとが、特に溝をあけず直接的に連結するような一体形成では、接触力に対する力センサ用のカバーの変形が、近接センサ用のカバーの存在に起因して不均等になるといった干渉が考えられる。
　これに対して、本実施形態のカバー部材４によると、各カバー部４１，４２の間に溝をあけるような配置により、力センサ用のカバー部４１は、近接センサ用のカバー部４２に依らず、所望の接触力に対して均等に変形でき、上記の干渉を抑制できる。カバー部材４は、本実施形態のセンサ装置１において力センサ用のカバー部４１を第１部分とし、近接センサ用のカバー部４２を第２部分とし、基底部４０を第３部分とする弾性部材の一例である。
　カバー部材４は、例えばシリコーン系樹脂等の弾性体材料で構成される。カバー部材４は、例えばショアＡ２０以上８０以下の硬度を有する。カバー部材４は特にシリコーン系樹脂に限らず、種々の弾性体材料で構成されてもよく、例えばエポキシ系樹脂であってもよい。
　基底部４０は、カバー部材４において下側（－Ｚ側）に延在する部分である。例えば、基底部４０は、基板１１に沿って平面状に形成される。例えば図３に示すように、基板１１からの基底部４０の高さＨ０は、各カバー部４１，４２の高さＨ１，Ｈ２よりも低い。基底部４０は、力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２との間における溝の底部を形成する（図３参照）。
　基底部４０は、各カバー部４１，４２を連結する連結部として機能する各種の構成であってもよい。例えば、基底部４０の形状は特に平面状に限定されず、種々の形状であってもよい。又、基底部４０は、特に基板１１全体を覆わなくてもよく、例えば各カバー部４１，４２の間を含む一部の領域を限定的に覆ってもよい。
　力センサ用のカバー部４１は、力センサ素子３を覆うように、上側（＋Ｚ側）に向けて凸状に形成される。力センサ用のカバー部４１は、例えば接触力の印加に応じて弾性的に変形し、接触力がなくなると復元可能である。力センサ用のカバー部４１の凸形状は、特に近接センサ用のカバー部４２とは分離して形成できる。こうした力センサ用のカバー部４１の形状によると、力センサ部１３において接触力の対象とする位置が、カバー部４１が突出する位置として一義的に定義可能であり、対象物５の力検知を行い易くすることができる。
　力センサ用のカバー部４１は、例えば図３に示すように、上側（＋Ｚ側）に向かうにつれてＸＹ断面における外径Ｒ１が小さくなるテーパー形状を有する。図１～３では、力センサ用のカバー部４１の形状の一例として、円錐台形状を例示しているが、特にこれに限定されない。力センサ用のカバー部４１の形状は、円錐、四角錐、多角錐、直方体、又は半筒形状などであってもよい。力センサ用のカバー部４１の内部は、カバー部材４と同じ弾性体又はその他の材料で充填されてもよい。
　近接センサ用のカバー部４２は、例えば図４に示すように、発光用の開口領域Ａ１と、受光用の開口領域Ａ２とを規定する。発光用の開口領域Ａ１は、発光部２１から光が出射可能な角度範囲すなわち視野角（或いは配光角）を規制するように、発光部２１の周囲を囲む。受光用の開口領域Ａ２は、受光部２２の視野角を規制するように、受光部２２の周囲を囲む。
　本実施形態において、近接センサ用のカバー部４２では、発光部２１及び受光部２２の＋Ｚ側をあけて、発光部２１周囲の全周と受光部２２周囲の全周とを囲むように、各開口領域Ａ１，Ａ２が規定される。これにより、近接センサ部１２の視野角がＺ方向に向けられて、例えば＋Ｚ側から近接する対象物５の検知を行い易くできる（図１参照）。
　本実施形態において、近接センサ用のカバー部４２は、例えば図４に示すように、２つの開口領域Ａ１，Ａ２の間に位置する中央の壁部４２ａと、各開口領域Ａ１，Ａ２の四方の壁部４２ｂ～４２ｅとを含む。
　近接センサ用のカバー部４２において、中央の壁部４２ａは、発光部２１と受光部２２とを隔てるように延在して、発光部２１と受光部２２との間で光を遮光する（図１参照）。これにより、発光部２１から発光した検知光が、特に対象物５等に反射されずに直接、受光部２２に入射してしまうような直接カップリングを防ぐことができ、発光部２１と受光部２２との間の干渉を抑制できる。
　－Ｘ側の壁部４２ｂは、発光部２１及び受光部２２と、力センサ部１３との間を仕切るように延在する。壁部４２ｂによると、力センサ部１３に接触中の対象物５等による各種干渉を抑制することができる。例えば、例えば接触力により変形した力センサ用のカバー部４１が、発光部２１又は受光部２２に当たってしまう事態を回避できる。
　＋Ｘ側の壁部４２ｃは、発光部２１及び受光部２２から、力センサ部１３とは反対側に位置する。－Ｙ側の壁部４２ｄは、発光部２１から見て、受光部２２とは反対側に位置する。＋Ｙ側の壁部４２ｅは、受光部２２から見て、発光部２１とは反対側に位置する。こうした壁部４２ｃ～４２ｅによると、例えばセンサ装置１に隣接した外部光源が存在するような場合であっても、外部光源からの光を遮光して、外部光源と近接センサ部１２との干渉を抑制することができる。
　さらに図３に例示するように、基板１１からの近接センサ部１２の高さＨ２（即ち近接センサ用のカバー部４２の高さ）は、力センサ部１３の高さＨ１（即ち力センサ用のカバー部４１の高さ）よりも低い。これにより、力センサ部１３に対する対象物５の接触を、近接センサ用のカバー部４２が阻害するような事態を低減して、力センサ部１３に対する近接センサ部１２の干渉を抑制することができる。
　また、近接センサ用のカバー部４２の高さＨ２は、発光部２１及び受光部２２の高さＨ３よりも高い。これにより、近接センサ用のカバー部４２は、上方からの対象物５等の接触に対して、発光部２１及び受光部２２を保護し易い。なお、本例では、発光部２１と受光部２２とが同じ高さＨ３であり、各壁部４２ａ～４２ｅが同じ高さＨ２である場合を例示しているが、特にこれに限定されない。
　更に、近接センサ用のカバー部４２は、例えば各開口領域Ａ１，Ａ２を規定する各壁部４２ａ～４２ｅの内壁において、上側（＋Ｚ側）に向かうにつれてＸＹ断面における開口径Ｒ２が大きくなるテーパー形状を有する。こうした近接センサ用のカバー部４２のテーパー形状の方向性は、力センサ用のカバー部４１のテーパー形状の方向性と合致している。例えば、力センサ用のカバー部４１の＋Ｘ側の側面と、近接センサ用のカバー部４２の－Ｘ側の内壁とは、共に上側に向かうにつれて－Ｘ側へ傾斜する。
　上記のようなテーパー形状によると、近接センサ部１２の視野角が、特に力センサ部１３と干渉せず容易に確保することができる。さらに、上記のような各カバー部４１，４２のテーパー形状は、センサ装置１の製造時において、カバー部材４を金型などで成形する際の抜きテーパーとしても機能し、センサ装置１の製造を容易化できる。
　以上のようなセンサ装置１におけるカバー部材４は、各カバー部４１，４２において異なる硬度を有するように構成されてもよい。例えば、カバー部材４は、別々の硬度を有した複数種類の材料による２色成形で構成されてもよい。例えば、力センサ用のカバー部４１の硬度は、近接センサ用のカバー部４２の硬度よりも柔軟に設定されてもよい。力センサ用のカバー部４１の柔軟性により、例えばＨＭＩ等の用途において、力センサ部１３の押圧に応じた変形という直感的な感覚フィードバックを与え易くすることができる。
　また、カバー部材４は、発光部２１からの検知光を反射する光学特性を有してもよく、例えば反射率５０％以上の材料で構成されてもよい。これにより、近接センサ部１２において検知光を導光し易くすることができる。
２－２．センサ装置の制御部
　図５は、本実施形態に係るセンサ装置１の電気的な構成を例示する回路図である。本実施形態のセンサ装置１は、上述した構造的な構成に加えて、図５に示すように、制御部１５をさらに備えてもよい。
　センサ装置１の制御部１５は、例えば図５に示すように、発光制御回路５１と、受光制御回路５２と、力センサ制御回路５３と、インタフェース回路５４とを備える。
　発光制御回路５１は、例えば、発光素子２３に電気的に接続される光源駆動部を含む。光源駆動部は、検知光を発光させる駆動信号を発光素子２３に供給する。発光制御回路５１は、例えばＡＭ変調などの変調器を含んでもよい。例えば、発光制御回路５１は、１０Ｈｚから１ＭＨｚ等における特定の周波数を、光の振幅を周期的に変動させる変調周波数に用いて、検知光を変調してもよい。検知光の変調により、外乱光から検知光及びその反射光を区別し易くなる。
　受光制御回路５２は、例えば、受光素子２４に電気的に接続される増幅器、及び増幅器に接続されるＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を含む。受光制御回路５２は、受光素子２４から出力される受光信号に各種の信号処理を行って、例えばインタフェース回路５４に出力する。
　例えば、受光制御回路５２は、受光信号における反射光の受光量に基づいて、対象物５の近接の検知処理を行う。センサ装置１における近接の検知処理は、反射光の受光量に限らず、例えば反射光と検知光間の位相差に基づき行われてもよい。又、こうした近接の検知処理自体は、必ずしもセンサ装置１内で行われなくてもよく、センサ装置１外部の演算回路等で行われてもよい。センサ装置１においては、発光部２１の駆動に同期して検知光の反射光を含む受光信号を生成することによって、対象物５等の物体の近接検知を実現可能である。
　受光制御回路５２は、例えば検知光の変調周波数を含む信号成分を通過させるバンドパスフィルタ等のフィルタ処理を行ってもよいし、発光制御回路５１と同期して同期検波を行ってもよい。例えば、受光制御回路５２において、定常的なＤＣ成分を遮断することにより、外乱光から分離して上記反射光の解析を行うことができる。検知光の変調周波数は、例えば赤外線リモコンのキャリアとして利用される３８ｋＨｚなど、既存の外部システムにおいて利用される周波数を避けて適宜、設定可能である。これにより、外部システムに起因するようなセンサ装置１の誤動作を抑制することができる。
　力センサ制御回路５３は、力センサ部１３中で力センサ素子３を構成する各種センサ素子を駆動制御する制御回路、及び当該センサ素子からの出力信号の増幅器などを含む。力センサ制御回路５３は、例えば上記の出力信号に基づき多軸における力の検知結果を示す力検知信号を生成する回路構成を含んでもよい。力センサ制御回路５３は、多軸に限らず、一軸の力の検知結果の力検知信号を出力してもよい。
　例えば力検知方式が圧電式であれば、力センサ部１３内の基板上に配置された１つ以上の圧電素子の圧電効果を利用し、対象物５（図１）が接触したことによる力センサ部１３内に生じる応力を圧電素子にて電荷に換算し、その変化から力をセンシングする。光学式の場合は、力センサ部１３内の基板上に配置された１つ以上の発光素子と１つ以上の受光素子を利用し、対象物５が接触したことによる変形によって生じる力センサ部１３内の反射光分布の変化を受光素子によって読み取り力センシングする。ひずみ抵抗式は、力センサ部１３内の基板上に配置された１つ以上のひずみゲージを利用し、対象物５が接触したことによる変形によって、力センサ部１３内を経由しひずみゲージに伝わるひずみを抵抗変化として捉え、その変化を利用し力センシングをする。静電容量式は、力センサ部１３内の基板上に配置された１つ以上の静電容量検知電極を利用し、対象物５が接触したことによる力センサ部１３の変形によって、変化する静電容量検知電極と基準電位との結合容量変化から力センシングをする。なお、各方式において、力センサ部１３内に配置する圧電素子や受発光素子、ひずみゲージ、静電容量検知電極といった各種センサ素子を複数用いることで、力センシングの多軸化が可能となる。
　インタフェース回路５４は、発光制御回路５１、受光制御回路５２及び力センサ制御回路５３に接続する。インタフェース回路５４は、センサ装置１を外部機器に接続して各種信号の入出力を行う。
　なお、以上に説明した構成は一例であり、センサ装置１は、特に上記の構成に限定されない。例えば、本実施形態のセンサ装置１は、制御部１５の各回路５１～５４の何れかを外部構成としてもよいし、制御部１５の各回路５１～５４とは別体のモジュールとして提供されてもよい。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態におけるセンサ装置１は、基板１１上に設けられた力センサの一例である力センサ素子３と、基板１１上から光を発光する発光部２１と、基板１１上において光を受光して、対象物５等の物体の近接を検知する受光部２２と、弾性体で一体的に構成される弾性部材の一例であるカバー部材４とを備える。カバー部材４は、第１部分の一例として力センサ用のカバー部４１と、第２部分の一例として近接センサ用のカバー部４２と、第３部分の一例として基底部４０とを含む。力センサ用のカバー部４１は、力センサ素子３を覆う。近接センサ用のカバー部４２は、発光部２１及び受光部２２の周囲において、少なくとも発光部２１と受光部２２と力センサ素子３との各々の間に延在する。基底部４０は、力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２とを連結する。カバー部材４において、基板１１からの基底部４０の高さＨ０は、力センサ用のカバー部４１の高さＨ１及び近接センサ用のカバー部４２の高さＨ２よりも低い（図３参照）。
　以上のセンサ装置１によると、力センサ用のカバー部４１と、近接センサ用のカバー部４２とを、高さＨ０が低い基底部４０により溝をあけるように連結したカバー部材４により、対象物５よる力の検知と近接の検知との両立における干渉を抑制することができる。
　本実施形態において、カバー部材４における近接センサ用のカバー部４２の高さＨ２は、力センサ用のカバー部４１の高さＨ１よりも低い。これにより、近接センサ用のカバー部４２が、力センサ部１３に接触する対象物５の力検知に干渉する事態を抑制できる。
　本実施形態において、カバー部材４における近接センサ用のカバー部４２の高さＨ２は、発光部２１及び受光部２２の高さＨ３よりも高い。こうした近接センサ用のカバー部４２により、対象物５が力センサ部１３に接触する際に、発光部２１又は受光部２２にまで接触して破損を招く等の干渉を抑制することができる。
　本実施形態において、カバー部材４における近接センサ用のカバー部４２は、第１開口領域の一例として発光用の開口領域Ａ１と、第２開口領域の一例として受光用の開口領域Ａ２とを規定する。発光用の開口領域Ａ１は、発光部２１の周囲を囲む。受光用の開口領域Ａ２は、受光部２２の周囲を囲む。こうした近接センサ用のカバー部４２によると、各開口領域Ａ１，Ａ２により近接センサ部１２の視野角（或いは配光）を制御して、力検知に合わせた近接検知を行い易くできる。
　本実施形態において、カバー部材４における力センサ用のカバー部４１は、基板１１からの位置が高くなるにつれて外径R1が狭まるテーパー形状を有する。近接センサ用のカバー部４２は、基板１１からの位置が高くなるにつれて開口径が広がるテーパー形状を有する。これにより、力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２との間でテーパー形状の方向性を合わせて、近接センサ部１２の視野角や製造上の干渉を抑制することができる。
　本実施形態において、カバー部材４は、少なくとも力センサ用のカバー部４１において所定値（例えばショアＡ８０）以下の硬度を有してもよい。これにより、対象物５がカバー部４１に接触力を加える際に、対象物５にフィードバック感を与え易い。本実施形態において、カバー部材４は、力センサ用のカバー部４１及び近接センサ用のカバー部４２において上記所定値以下の硬度を有してもよい。
　本実施形態において、カバー部材４は、発光部２１から発光する検知光の波長に関して５０％以上の反射率を有する弾性体で構成されてもよい。これにより、近接センサ用のカバー部４２において検知光を導光して、近接センサ部１２の配光制御を行い易い。
（実施形態１の変形例）
　以上の実施形態１の説明では、センサ装置１における基板１１がリジッド基板の例を説明した。センサ装置１の基板１１は、特にこれに限らず各種基板を採用可能である。こうした変形例について、図６を用いて説明する。
　図６は、実施形態１の変形例におけるセンサ装置１Ａの構成を例示する。図６は、本変形例のセンサ装置１Ａについて、図３と同様の断面図を示す。本変形例のセンサ装置１Ａは、上述した実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において、可撓性を有する基板１１Ａを備える。
　本変形例のセンサ装置１Ａにおいて、基板１１Ａは、例えばフレキシブル基板またはリジッドフレキシブル基板などである。基板１１Ａは、力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２間の溝に対応する部分等において、屈曲可能に構成される。また、本変形例において、カバー部材４も、少なくとも上記の溝に対応する基底部４０において屈曲可能な硬度を有する。
　こうしたセンサ装置１Ａによると、図６に示すように、基板１１Ａを屈曲させることで、例えば力センサ部１３に対して、近接センサ部１２の視野角の方向を＋Ｘ側等にずらすことができる。これにより、例えば対象物５が力センサ部１３に近接する際に＋Ｘ側から到来するような状況において、対象物５が力センサ部１３に接触する前に近接した状態を、近接センサ部１２によって検知し易くすることができる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ａにおいて、基板１１Ａは、少なくともカバー部材４における力センサ用のカバー部４１と近接センサ用のカバー部４２との間の位置において可撓性を有してもよい。これにより、力センサ部１３の配置に対して近接センサ部１２の視野角の向きを変更でき、力検知と近接検知との両立を行い易くできる。
（実施形態２）
　実施形態１では、カバー部材４において発光部２１及び受光部２２の全周を囲むセンサ装置１について説明した。実施形態２では、発光部２１及び受光部２２の全周において一部を開けたセンサ装置について、図７を用いて説明する。
　図７は、実施形態２におけるセンサ装置１Ｂの構成を示す。実施形態１のセンサ装置１では、近接センサ用のカバー部４２において、発光部２１及び受光部２２全周の壁部４２ａ～４２ｅが設けられた（図４）。本実施形態のセンサ装置１Ｂは、実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において力センサ部１３とは反対側（即ち＋Ｘ側）の壁部４２ｃの代わりに、図７に示すように、開放端４５を構成したカバー部材４Ｂを備える。
　本実施形態のカバー部材４Ｂにおける開放端４５は、近接センサ用のカバー部４２Ｂが、＋Ｘ側を除いて延在することにより形成され、各壁部４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅと共に開口領域Ａ１Ｂ，Ａ２Ｂを規定する。本実施形態の各開口領域Ａ１Ｂ，Ａ２Ｂは、＋Ｘ側が開放端４５であることから基板１１に到る、すなわち、＋Ｘ側において基板１１からの高さが最小となる。
　実施形態１のセンサ装置１では、全周の壁部４２ａ～４２ｅによる各開口領域Ａ１，Ａ２により（図４）、近接センサ部１２の視野角がＺ方向に向けられた。本実施形態のカバー部材４Ｂでは、開放端４５がある各開口領域Ａ１Ｂ，Ａ２Ｂにより、近接センサ部１２の視野角が、Ｚ方向から＋Ｘ側に向けられる。
　こうした本実施形態のセンサ装置１Ｂによると、例えば近接する対象物５がＺ方向よりも＋Ｘ側から到来するような状況において、特に基板１１を屈曲しなくても（図６参照）、対象物５の近接検知を行い易くすることができる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｂにおいて、発光用の開口領域Ａ１Ｂは、発光部２１の周囲において力センサ用のカバー部４１とは反対側（＋Ｘ側）にて最も低い高さを有する。受光用の開口領域Ａ２Ｂは、受光部２２の周囲において力センサ用のカバー部４１とは反対側にて最も低い高さを有する。こうした各開口領域Ａ１Ｂ，Ａ２Ｂによると、近接センサ部１２の視野角を、力センサ部１３とは反対側に向ける制御を容易に行え、力検知との両立を考慮した近接検知を行い易くできる。
　本実施形態において、カバー部材４における近接センサ用のカバー部４２Ｂは、発光部２１及び受光部２２の周囲において、力センサ用のカバー部４１とは反対側を除いて延在する。これにより、近接センサ用のカバー部４２Ｂは、＋Ｘ側に開放端４５を形成して、力検知との両立を考慮した近接センサ部１２の視野角の制御を容易に行える。
（実施形態３）
　実施形態２では、近接センサ用のカバー部４２Ｂの形状により近接センサ部１２の視野角を設定するセンサ装置１Ｂについて説明した。実施形態３では、光学的な構成を用いて視野角を設定するセンサ装置について、図８～９を用いて説明する。
　図８は、実施形態３におけるセンサ装置１Ｃの構成を示す。図９は、図８のセンサ装置１Ｃの、Ａ－Ａ’断面における断面図を示す。
　本実施形態のセンサ装置１Ｃは、例えば実施形態２のセンサ装置１Ｂと同様の構成から、図８に示すように、発光部２１Ｃ及び受光部２２Ｃの各封止体２５Ｃ，２６Ｃの形状を変更して構成される。本実施形態において、各封止体２５Ｃ，２６Ｃは、それぞれ第１及び第２光学部材の一例である。
　本実施形態において、発光部２１Ｃの封止体２５Ｃは、発光素子２３（図９）から出射する検知光を、Ｚ方向から＋Ｘ側に向けて屈折させるようなレンズ形状を有する。封止体２５Ｃは、＋Ｘ側に出射する光束の配光角を狭めるような集光機能を有してもよい。例えば、上記のような発光部２１Ｃの封止体２５Ｃは、図９に示すようにＸＺ断面において傾斜し、図８に示すようにＹＺ断面において曲率を有するような曲面形状で実現できる。また、受光部２２Ｃの封止体２６Ｃは、例えば発光部２１Ｃの封止体２５Ｃと同様に構成できる。
　上記のような発光部２１Ｃ及び受光部２２Ｃの各封止体２５Ｃ，２６Ｃのレンズ形状によると、センサ装置１Ｃにおいて、近接センサ部１２の配光制御の自由度を向上できる。よって、センサ装置１Ｃを適用する各種用途に応じて、適切な配光を設定可能にすることができる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｃにおいて、発光部２１は、発光素子２３と、第１光学部材の一例である封止体２５Ｃとを備える。発光部２１の封止体２５Ｃは、発光素子２３から出射する検知光を、力センサ用のカバー部４１とは反対側に向けるように形成される。受光部２２は、受光素子２４と、第２光学部材の一例である封止体２６Ｃとを備える。受光部２２の封止体２６Ｃは、対象物５からの反射光などの、受光素子２４に入射する光を、力センサ用のカバー部４１とは反対側に向けるように形成される。こうしたセンサ装置１Ｃによると、各封止体２５Ｃ，２６Ｃを利用して、力検知との両立を考慮した近接センサ部１２の配光制御を容易に行える。
（実施形態４）
　実施形態４では、力検知方式として光学式を採用する例について、図１０～１２を用いて説明する。
　図１０は、実施形態４におけるセンサ装置１Ｄの斜視図を示す。図１１は、図１０のＢ－Ｂ’断面におけるセンサ装置１Ｄの断面図を示す。Ｂ－Ｂ’断面は、ＸＺ平面に沿って力センサ部１３Ｄを通る断面である。
　本実施形態のセンサ装置１Ｄでは、例えば実施形態３のセンサ装置１Ｃと同様の構成において、力センサ部１３Ｄが光学式で構成される。光学式の力センサ部１３Ｄは、例えば図１１に示すように、力センサ素子３Ｄとして、発光素子３１と、受光素子３２とを含む。発光素子３１及び受光素子３２は、例えば透明樹脂等による封止体３３で封止されてもよい。
　又、光学式の力センサ部１３Ｄにおいて、力センサ用のカバー部４１内部は、中空構造であってもよいし、例えば封止体３３よりも柔軟な透明樹脂等で充填されてもよい。また、カバー部４１内部は、例えば発光素子３１からの光を反射可能に構成される。
　光学式の力センサ部１３Ｄにおいて、発光素子３１は、例えばシングル又はマルチエミッタのＶＣＳＥＬ等の発光光源を含む。例えば、発光素子３１は、赤外領域などの所定の波長帯を有する光を発光し、力検知のための検知光として出射する。発光素子３１は、ＶＣＳＥＬに限らず、例えばＬＤ或いはＬＥＤなど種々の固体光源素子を含んでもよい。発光素子３１は、複数の光源素子を含んでもよい。発光素子３１には、発光素子からの光をコリメートするレンズ及びミラー等の光学系が設けられてもよい。
　受光素子３２は、ＰＤ等の受光器を含み、例えば発光素子３１の周囲を取り囲むように複数の受光器を配置して構成される。受光素子３２は、受光器において検知光の反射光等の光を受光して、例えば受光された光量を受光結果として示す受光信号を生成する。受光素子３２は、ＰＤに限らず、例えばフォトトランジスタ、ＰＳＤ、ＣＩＳ或いはＣＣＤなど種々の受光器を含んでもよい。
　力センサ用のカバー部４１は、例えば発光素子３１による検知光の周波数帯について遮光特性を有する弾性部材で構成される。
　以上のように構成される光学式の力センサ部１３Ｄは、接触する対象物５からの力に応じて、発光素子３１から発光する検知光が、反射体３５において反射された反射光の受光素子３２による受光状態が変化することを利用して、対象物５の接触力を検知する。光学式における接触力の測定方法としては適宜、公知技術を適用可能である（例えば特許文献１～３参照）。
　こうした光学式の力センサ部１３Ｄによると、近接センサ部１２と同じ製造プロセスを採用して、一括して作り込みを行えることから、センサ装置１Ｄの製造を容易化することができる。例えば、近接センサ部１２における封止体２５Ｃ，２６Ｃと、力センサ部１３Ｄにおける発光素子３１及び受光素子３２の封止体３３とが、同じプロセスで形成されてもよい。
　図１２は、実施形態４に係るセンサ装置１Ｄの電気的な構成を例示する回路図である。実施形態１では、センサ装置１の制御部１５において、力センサ制御回路５３が、近接センサ部１２を制御するための発光制御回路５１及び受光制御回路５２とは別個に構成された。本実施形態のセンサ装置１Ｄの制御部１５Ｄは、実施形態１と同様の構成において、別個の力センサ制御回路５３（図５）の代わりに、力センサ部１３Ｄの制御機能を近接センサ部１２の発光制御回路５１Ｄ及び受光制御回路５２Ｄに持たせる。
　例えば図１２に示すように、本実施形態の発光制御回路５１Ｄは、近接センサ部１２の発光素子２３と共に、力センサ部１３Ｄの発光素子３１を制御するように、例えばスイッチマトリクス等を備えて構成される。又、本実施形態の受光制御回路５２Ｄは、近接センサ部１２の受光素子２４と共に、力センサ部１３Ｄの受光素子３２を制御するように、例えばスイッチマトリクス等を備えて構成される。これにより、近接センサ部１２と力センサ部１３Ｄとの双方の制御機能が、同じ回路テクノロジで構成でき、センサ装置１Ｄの部品点数を削減したり、回路の集積化を容易化したりできる。
　例えば、本実施形態のセンサ装置１Ｄの制御部１５Ｄは、近接センサ部１２の制御機能と力センサ部１３Ｄの制御機能とで共通化された単一のＩＣ等で構成できる。このように、本実施形態のセンサ装置１Ｄは、小型化及びコスト低減を図ることができる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｄにおいて、光学式の力センサ部１３Ｄは、その力センサ素子３Ｄとして、近接センサ部１２の発光素子２３とは別の発光素子３１、及び近接センサ部１２の受光素子２４とは別の受光素子３２を含む。センサ装置１Ｄの制御部１５Ｄは、近接センサ部１２の発光部２１及び力センサ部１３Ｄの発光素子３１を制御する発光制御回路５１Ｄと、近接センサ部１２の受光部２２及び力センサ部１３Ｄの受光素子３２を制御する受光制御回路５２Ｄとを備える。センサ装置１Ｄの近接センサ部１２と力センサ部１３Ｄとを光学式で構成することで、センサ構造の製造を容易化することに加えて、回路構成も簡単化でき、センサ装置１Ｄを製造し易くすることができる。
（他の実施形態）
　上記の実施形態２では、近接センサ用のカバー部４２Ｂが発光部２１及び受光部２２周囲における＋Ｘ側を開けるセンサ装置１Ａについて説明した。本実施形態において、近接センサ用のカバー部４２は、発光部２１及び受光部２２周囲において他の部分を開けてもよい。こうした変形例について、図１３を用いて説明する。
　図１３は、変形例１に係るセンサ装置１Ｅの構成を例示する。本実施形態において、センサ装置１Ｅのカバー部材４Ｅは、発光部２１と受光部２２の間の壁部４１ｂと、＋Ｘ側の壁部４２ｂとを含む一方で±Ｙ側及び－Ｘ側を開けた近接センサ用のカバー部４２Ｅを備える。こうしたカバー部材４Ｅであっても、上記各実施形態と同様に、力センサ部１３と近接センサ部１２との両立における干渉を抑制することができる。
　上記の実施形態２では、近接センサ用のカバー部４２Ｂによる開口領域Ａ１，Ａ２における最低の高さが、基板１１と同じである例を説明したが、開口領域Ａ１，Ａ２の最低高さは、基板１１よりも高くてもよい。こうした変形例について、図１４を用いて説明する。
　図１４は、変形例２に係るセンサ装置１Ｆの構成を例示する。本変形例のセンサ装置１Ｆは、例えば実施形態２のセンサ装置１Ｂと同様の構成において、近接センサ用のカバー部４２Ｆが、＋Ｘ側の開放端４５（図７）の代わりに、図１４に示すように低背の壁部４２ｃ’を含むカバー部材４Ｆを備える。低背の壁部４２ｃ’は、本変形例における開口領域Ａ１Ｆ，Ａ２Ｆの最低高さを規定する。
　本変形例のカバー部材４Ｆによっても、開口領域Ａ１Ｆ，Ａ２Ｆの周囲における高さを低背の壁部４１ｃ’により＋Ｘ側で最も低くすることで、実施形態２等と同様に、近接センサ部１２の視野角を＋Ｘ側に向けることができる。こうした壁部４２ｃ’の高さは、例えば発光部２１及び受光部２２よりも高くて、他の壁部４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅよりも低い。壁部４２ｃ’の高さは、発光部２１及び受光部２２の高さ以下であってもよい。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｆにおいて、カバー部材４における近接センサ用のカバー部４２は、発光部２１及び受光部２２の周囲において、力センサ用のカバー部４１とは反対側を含めて延在してもよい。これによっても、近接センサ部１２の視野角の制御を行える。
　上記の各実施形態では、第３部分の一例の基底部４０を例示したが、特にこれに限定されない。例えば、本実施形態の弾性部材において、第３部分による第１部分と第２部分との連結は、部分的であってもよい。こうした変形例について、図１５を用いて説明する。
　図１５は、変形例３に係るセンサ装置１Ｇの構成を例示する。本変形例のセンサ装置１Ｇは、例えば実施形態２のセンサ装置１Ｂと同様の構成において、基底部４０Ｇに穴４３が設けられたカバー部材４Ｇを備える。本実施形態のセンサ装置１Ｇにおいて、カバー部材４Ｇは、力センサ用のカバー部４１即ち第１部分と、近接センサ用のカバー部４２Ｂ即ち第２部分とを連結する基底部４０Ｇが、穴４３により一部くり抜かれた弾性部材の一例である。これにより、例えば基底部４０Ｇの穴４３近傍における基板屈曲時において、力センサ用のカバー部４１の変形が抑えられ、力センサ部１３の特性変化を抑制することができる。
　本実施形態の基底部４０Ｇは、第１部分と第２部分とを部分的に連結する第３部分の一例である。本実施形態のセンサ装置１Ｇによっても、上記各実施形態と同様に、第１部分における力の検知と第２部分における近接の検知との両立における干渉を抑制することができる。
　　１，１Ａ～１Ｇ　　センサ装置
　　１１，１１Ａ　　基板
　　１２　　近接センサ部
　　１３，１３Ｄ　　力センサ部
　　１５，１５Ｄ　　制御部
　　２１，２１Ｃ　　発光部
　　２２，２２Ｃ　　受光部
　　２３　　発光素子
　　２４　　受光素子
　　２５，２５Ｃ　　封止体
　　２６，２６Ｃ　　封止体
　　３，３Ｄ　　力センサ素子
　　４，４Ｂ，４Ｅ～４Ｇ　　カバー部材（弾性部材）
　　４０，４０Ｇ　　基底部（第３部分）
　　４１　　力センサ用のカバー部（第１部分）
　　４２，４２Ｂ，４２Ｅ，４２Ｆ　　近接センサ用のカバー部（第２部分）
　　５１，５１Ｄ　　発光制御回路
　　５２，５２Ｄ　　受光制御回路

Claims (10)

  1. 　基板上に設けられた力センサと、
    　前記基板上から光を発光する発光部と、
    　前記基板上において光を受光して、物体の近接を検知する受光部と、
    　弾性体で一体的に構成される弾性部材とを備え、
    　前記弾性部材は、
    　前記力センサを覆う第１部分と、
    　前記発光部及び前記受光部の周囲において、少なくとも前記発光部と前記受光部と前記力センサとの各々の間に延在する第２部分と、
    　前記第１部分と前記第２部分とを連結する第３部分とを含み、
    　前記弾性部材において、前記基板からの前記第３部分の高さは、前記第１及び第２部分よりも低い
    センサ装置。
  2. 　前記弾性部材における前記第２部分の高さは、前記第１部分よりも低い
    請求項１に記載のセンサ装置。
  3. 　前記弾性部材における前記第２部分の高さは、前記発光部及び受光部よりも高い
    請求項１又は２に記載のセンサ装置。
  4. 　前記弾性部材における前記第２部分は、前記発光部の周囲を囲む第１開口領域と、前記受光部の周囲を囲む第２開口領域とを規定する
    請求項１～３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  5. 　前記第１開口領域は、前記発光部の周囲において前記第１部分とは反対側にて最も低い高さを有し、
    　前記第２開口領域は、前記受光部の周囲において前記第１部分とは反対側にて最も低い高さを有する
    請求項４に記載のセンサ装置。
  6. 　前記弾性部材における前記第２部分は、前記発光部及び前記受光部の周囲において、前記第１部分とは反対側を除いて延在する
    請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  7. 　前記弾性部材における前記第１部分は、前記基板からの位置が高くなるにつれて外径が狭まるテーパー形状を有し、
    　前記第２部分は、前記基板からの位置が高くなるにつれて開口径が広がるテーパー形状を有する
    請求項１～６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  8. 　前記基板は、少なくとも前記弾性部材における前記第１部分と前記第２部分との間の位置において可撓性を有する
    請求項１～７のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  9. 　前記発光部は、発光素子と、前記発光素子から出射する光を、前記第１部分とは反対側に向ける第１光学部材とを備え、
    　前記受光部は、受光素子と、前記受光素子に入射する光を、前記第１部分とは反対側に向ける第２光学部材とを備える
    請求項１～８のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  10. 　前記力センサは、前記発光部とは別の発光素子、及び前記受光部とは別の受光素子を含み、
    　前記発光部及び前記力センサの発光素子を制御する発光制御回路と、
    　前記受光部及び前記力センサの受光素子を制御する受光制御回路とをさらに備える
    請求項１～９のいずれか１項に記載のセンサ装置。
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