JP2007071564A - Optical tactile proximity sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】 検出位置を細かいピッチで密に配列することができ、外部の物体から受ける力やその物体の近接を精度よく検知することができ、かつ構成が簡単であり、コストを低減することができる光学式触覚近接センサを提供する。
【解決手段】 外部から作用する力を検知する時に、隣接する2つの発光ダイオードの第1の発光ダイオードL1を発光モードに第2の発光ダイオードL2を受光モードに設定し、この状態で、第2の発光ダイオードL2の受光量I1を測定する。次いで、第1の発光ダイオードL1を受光モードに第2の発光ダイオードL2を発光モードに切り換え、この状態で、第1の発光ダイオードL1の受光量I2を測定する。そして、第2及び第1の発光ダイオードL2、L1の受光量I1、I2に基づいて光伝播層3に作用する力の大きさF又はその位置xを算出する。
【選択図】 図7PROBLEM TO BE SOLVED: To closely arrange detection positions with a fine pitch, to detect the force received from an external object and the proximity of the object with high accuracy, to be simple in configuration, and to reduce the cost. An optical tactile proximity sensor is provided.
When a force acting from the outside is detected, a first light emitting diode L1 of two adjacent light emitting diodes is set in a light emitting mode, and a second light emitting diode L2 is set in a light receiving mode. The light receiving amount I1 of the light emitting diode L2 is measured. Next, the first light emitting diode L1 is switched to the light receiving mode, and the second light emitting diode L2 is switched to the light emitting mode. In this state, the light receiving amount I2 of the first light emitting diode L1 is measured. Then, the magnitude F of the force acting on the light propagation layer 3 or its position x is calculated based on the received light amounts I1 and I2 of the second and first light emitting diodes L2 and L1.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、接触する物体から受ける力やその物体の近接を検知する光学式の触覚近接センサに関する。 The present invention relates to an optical tactile proximity sensor that detects a force received from a contacted object and proximity of the object.
ロボットによる自律的な作業の実行は、ロボットに与えられる一連の作業手順に基づいて行われる。この実行において、ロボットには、ロボットの各部に接触または近接する物体を認識し、その物体から受ける力やその物体の近接を検知するセンサが不可欠となる。以下、かかるセンサを本出願において「触覚近接センサ」と呼ぶ。 Execution of autonomous work by the robot is performed based on a series of work procedures given to the robot. In this execution, a sensor that recognizes an object in contact with or close to each part of the robot and detects the force received from the object and the proximity of the object is essential for the robot. Hereinafter, such a sensor is referred to as a “tactile proximity sensor” in the present application.
従来の触覚近接センサは、触覚センサと近接覚センサとに大別できる。
触覚センサ(tactile sensor)は、例えばロボットハンドに用いられ、ハンドによって物体を把持した時に、指と物体との間に働く力を検知するセンサであり、把持状態、把持された物体の形状識別などの検出、識別を行うものである。
一方、近接覚センサ(proximity sensor)は、非接触で対象となる物体の接近を検知するセンサであり、近接している物体の位置や物体までの距離などを検知するものである。
Conventional tactile proximity sensors can be broadly classified into tactile sensors and proximity sensors.
A tactile sensor is a sensor that is used in, for example, a robot hand and detects a force acting between a finger and an object when the object is gripped by the hand. Detection and identification.
On the other hand, a proximity sensor is a sensor that detects the approach of a target object in a non-contact manner, and detects the position of a nearby object, the distance to the object, and the like.
光学式の触覚センサは、例えば特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載されているセンサ30は、図19(A)に示すように、光放射用の光ファイバ32と、受光用の光ファイバ34と、これら光ファイバが埋め込まれた散乱媒体36とを有する。
図19(B)に示すように、この散乱媒体36は外部から力が作用すると圧縮変形し、その散乱特性が変化する。これにより、光放射用の光ファイバ32から放射された光の散乱が変化するので、受光用の光ファイバ34により検知される受光量も変化する。従って、受光用の光ファイバ34により検知される受光量変化を測定することで、散乱媒体に作用している力の大きさを推定することができる。
An optical tactile sensor is described in
As shown in FIG. 19A, a
As shown in FIG. 19B, this
特許文献1の光学式触覚センサは、光放射用の光ファイバ32と受光用の光ファイバ34に接続される互いに分離した発光素子と受光素子を必要する。そのため、複数の光放射用の光ファイバ32と複数の受光用の光ファイバ34を細かいピッチで密に配列する場合には、複数の発光素子を選択的に動作させるための発光素子用の回路網と、複数の受光素子を選択的に動作させるための受光素子用の回路網とを別個に設ける必要がある。
The optical tactile sensor of
従って、発光素子用の回路網だけでなく受光素子用の回路網も設けなければならないので、それだけ構成が複雑になる。さらに、通常、受光素子(例えば、フォトダイオード)は、発光素子(例えば、発光ダイオード)よりも高価であるため、触覚センサのコストは必然的に高くなってしまう。 Therefore, not only the circuit network for the light emitting element but also the circuit network for the light receiving element must be provided, and the configuration becomes complicated accordingly. Furthermore, since the light receiving element (for example, photodiode) is usually more expensive than the light emitting element (for example, light emitting diode), the cost of the tactile sensor is inevitably high.
そのため、検出位置を細かいピッチで密に配列することができ、かつ触覚センサの構成を簡単にし、そのコストを低減することが望まれる。また、より精度の高い触覚センサも要望されている。
同様に近接覚センサの場合も、検出位置を細かいピッチで密に配列することができ、かつ構成が簡単でありコストを低減できることが望まれる。
Therefore, it is desirable to be able to arrange the detection positions densely at a fine pitch, simplify the configuration of the tactile sensor, and reduce its cost. There is also a need for a more accurate tactile sensor.
Similarly, in the case of a proximity sensor, it is desirable that detection positions can be densely arranged with a fine pitch, that the configuration is simple, and that the cost can be reduced.
本発明は、上述した課題を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、検出位置を細かいピッチで密に配列することができ、外部の物体から受ける力やその物体の近接を精度よく検知することができ、かつ構成が簡単であり、コストを低減することができる光学式触覚近接センサを提供することにある。 The present invention has been developed to meet the above-described problems. That is, the object of the present invention is that the detection positions can be densely arranged at a fine pitch, the force received from an external object and the proximity of the object can be accurately detected, the configuration is simple, and the cost is low. It is an object of the present invention to provide an optical tactile proximity sensor capable of reducing the above.
上記目的を達成するため、第1の発明によると、外部から作用する力を検知する光学式触覚近接センサであって、互いに間隔を置いて配置された複数の発光ダイオードと、各発光ダイオードを発光モードと受光モードとの間で切換設定する切換手段と、発光モードにある発光ダイオードからの光を受光モードにある発光ダイオードへ伝播させ、外部から作用する力により圧縮変形して光伝播特性が変化する光伝播媒体と、受光モードにある発光ダイオードの受光量を測定する測定手段と、測定された受光量に基づいて、光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する演算手段と、を備え、前記複数の発光ダイオードの一部を発光モードに設定し、これと隣接する一部を受光モードに設定し、受光モードの発光ダイオードの受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する、ことを特徴とする光学式触覚近接センサが提供される。 In order to achieve the above object, according to the first invention, there is provided an optical tactile proximity sensor for detecting a force acting from the outside, and a plurality of light emitting diodes arranged at intervals from each other, and each light emitting diode emits light. Switching means for switching between the mode and the light receiving mode, and the light from the light emitting diode in the light emitting mode is propagated to the light emitting diode in the light receiving mode, and the light propagation characteristics are changed by compressing and deforming by the external force. A light propagation medium, a measurement means for measuring the amount of light received by the light emitting diode in the light reception mode, and a calculation means for calculating the magnitude or position of the force acting on the light propagation medium based on the measured light reception amount A part of the plurality of light emitting diodes is set to a light emitting mode, a part adjacent to the light emitting diode is set to a light receiving mode, It calculates the magnitude or position of the force acting on the light propagation medium, the optical tactile proximity sensor, characterized in that are provided Zui.
第2の発明によると、第1の発明において、外部から作用する力を検知する時に、前記切換手段は、隣接する2つの発光ダイオードのうち第1の発光ダイオードを発光モードに第2の発光ダイオードを受光モードに設定し、この状態で、前記測定手段は第2の発光ダイオードの受光量を測定し、前記演算手段は、該第2の発光ダイオードの受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する。 According to the second invention, in the first invention, when detecting the force acting from the outside, the switching means sets the first light emitting diode in the light emitting mode among the two adjacent light emitting diodes to the second light emitting diode. In this state, the measuring means measures the amount of light received by the second light emitting diode, and the calculating means acts on the light propagation medium based on the amount of light received by the second light emitting diode. Calculate the magnitude of the force or its position.
第3の発明によると、第2の発明において、前記切換手段は、複数の発光ダイオードから発光モードに設定する発光ダイオードと受光モードに設定する発光ダイオードとを順に選択して切り換えていき、その度に、前記測定手段は受光モードに設定された発光ダイオードの受光量を測定し、前記演算手段はこれら受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する。 According to a third invention, in the second invention, the switching means sequentially selects and switches a light emitting diode to be set to a light emitting mode and a light emitting diode to be set to a light receiving mode from a plurality of light emitting diodes. In addition, the measuring means measures the amount of light received by the light emitting diode set in the light receiving mode, and the computing means calculates the magnitude of the force acting on the light propagation medium or its position based on the amount of received light.
第4の発明によると、第1の発明において、外部から作用する力を検知する時に、前記切換手段は、隣接する2つの発光ダイオードの第1の発光ダイオードを発光モードに第2の発光ダイオードを受光モードに設定し、この状態で、前記測定手段は第2の発光ダイオードの受光量を測定し、次いで、前記切換手段は、第1の発光ダイオードを受光モードに第2の発光ダイオードを発光モードに切り換え、この状態で、前記測定手段は第1の発光ダイオードの受光量を測定し、前記演算手段は、第1及び第2の発光ダイオードの前記受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する。 According to a fourth invention, in the first invention, when detecting the force acting from the outside, the switching means sets the first light emitting diode of two adjacent light emitting diodes to the light emitting mode, and sets the second light emitting diode. In this state, the measuring means measures the amount of light received by the second light emitting diode, and then the switching means sets the first light emitting diode to the light receiving mode and the second light emitting diode to the light emitting mode. In this state, the measuring means measures the amount of light received by the first light emitting diode, and the computing means is a force acting on the light propagation medium based on the amount of light received by the first and second light emitting diodes. Is calculated or its position.
第5の発明によると、第4の発明において、前記切換手段は、複数の発光ダイオードから動作させる発光ダイオードを順に選択していき、その度に、前記切換手段は、動作状態にある発光ダイオードのうち第1の発光ダイオードを発光モードに第2の発光ダイオードを受光モードに設定し、この状態で、前記測定手段は第2の発光ダイオードの受光量を測定し、次いで、前記切換手段は、該第1の発光ダイオードを受光モードに該第2の発光ダイオードを発光モードに切り換え、この状態で、前記測定手段は該第1の発光ダイオードの受光量を測定し、前記演算手段は、これら測定された受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する。 According to a fifth invention, in the fourth invention, the switching means sequentially selects a light emitting diode to be operated from a plurality of light emitting diodes, and each time the switching means selects the light emitting diode in an operating state. Among them, the first light emitting diode is set to the light emitting mode and the second light emitting diode is set to the light receiving mode. In this state, the measuring means measures the amount of light received by the second light emitting diode, and then the switching means The first light emitting diode is switched to the light receiving mode, and the second light emitting diode is switched to the light emitting mode. In this state, the measuring means measures the amount of light received by the first light emitting diode, and the computing means measures these. The magnitude of the force acting on the light propagation medium or its position is calculated based on the received light amount.
第6の発明によると、第1の発明において、前記複数の発光ダイオードは基板の上面に配置されており、前記光伝播媒体は前記複数の発光ダイオードを該基板と挟むように基板の上面側に光伝播層として形成されている。 According to a sixth invention, in the first invention, the plurality of light emitting diodes are disposed on an upper surface of the substrate, and the light propagation medium is disposed on an upper surface side of the substrate so as to sandwich the plurality of light emitting diodes with the substrate. It is formed as a light propagation layer.
第7の発明によると、第6の発明において、前記光伝播層の上面は不透明コートで覆われている。 According to a seventh aspect, in the sixth aspect, the upper surface of the light propagation layer is covered with an opaque coat.
第8の発明によると、第3の発明において、前記複数の発光ダイオードの各々の側部周囲には不透明層が設けられている。 According to an eighth invention, in the third invention, an opaque layer is provided around each side of the plurality of light emitting diodes.
第9の発明によると、第4の発明において、前記光伝播媒体には、前記第1の発光ダイオードから前記第2の発光ダイオードへの光の伝播特性と、前記第2の発光ダイオードから前記第1の発光ダイオードへの光の伝播特性との差を大きくするように、物理的構造体が組み込まれている。 According to a ninth invention, in the fourth invention, the light propagation medium includes a light propagation characteristic from the first light emitting diode to the second light emitting diode, and the second light emitting diode to the second light emitting diode. A physical structure is incorporated so as to increase the difference from the light propagation characteristics to one light emitting diode.
第10の発明によると、対象物の接近を検知する光学式触覚近接センサであって、互いに間隔を置いて配置された複数の発光ダイオードと、複数の発光ダイオードから発光モード及び受光モードに設定する発光ダイオードを選択して、受光モードに設定された発光ダイオードが、発光モードに設定された発光ダイオードから放射され対象物により反射される光を受けるように、発光ダイオードのモード設定を行う切換手段と、受光モードに設定された発光ダイオードの受光量を測定する測定手段と、測定された前記受光量に基づいて、対象物の接近を検知する検知手段と、を備える、ことを特徴とする光学式触覚近接センサが提供される。 According to the tenth invention, an optical tactile proximity sensor for detecting the approach of an object, wherein a plurality of light emitting diodes arranged at intervals from each other, and a light emitting mode and a light receiving mode are set from the plurality of light emitting diodes. Switching means for selecting a light emitting diode and setting the mode of the light emitting diode so that the light emitting diode set in the light receiving mode receives light emitted from the light emitting diode set in the light emitting mode and reflected by the object; An optical system comprising: a measuring means for measuring the amount of light received by the light emitting diode set in the light receiving mode; and a detecting means for detecting the approach of an object based on the measured amount of received light. A tactile proximity sensor is provided.
第11の発明によると、対象物の接近を検知する時に、前記切換手段は、複数の発光ダイオードから発光モードに設定する発光ダイオードと受光モードに設定する発光ダイオードとを順に選択していき、その度に、前記測定手段は受光モードに設定した発光ダイオードの受光量を測定し、前記検知手段は、これら受光量に基づいて、対象物の接近位置を検知する。 According to the eleventh invention, when detecting the approach of the object, the switching means sequentially selects a light emitting diode to be set to the light emitting mode and a light emitting diode to be set to the light receiving mode from a plurality of light emitting diodes. Each time the measuring means measures the amount of light received by the light emitting diode set in the light receiving mode, the detecting means detects the approaching position of the object based on the amount of received light.
上記第1及び第10の発明では、複数のモード切換可能な発光ダイオードを配列し、受光モードに切り換えられた発光ダイオードの位置が検出位置になる。従って、モード切換により、すべての発光ダイオードの位置を検出位置とすることが可能になる。よって、検出位置を細かいピッチで密に配列することが可能になる。また、複数の発光素子用の回路網と複数の受光素子用の回路網を別個に設ける必要がなく、モード切換可能な発光ダイオード用の回路網だけを設ければよいので、構成が簡単になる。さらに、高価な受光専用の受光素子を設けずに、発光ダイオードをモード切換可能に設けるので、コストも低減できる。 In the first and tenth aspects, a plurality of mode-switchable light-emitting diodes are arranged, and the position of the light-emitting diodes switched to the light-receiving mode becomes the detection position. Therefore, the position of all the light emitting diodes can be set as the detection position by mode switching. Therefore, the detection positions can be densely arranged at a fine pitch. Further, it is not necessary to separately provide a circuit network for a plurality of light-emitting elements and a circuit network for a plurality of light-receiving elements, and only a circuit network for light-emitting diodes capable of mode switching needs to be provided, thereby simplifying the configuration. . Furthermore, since the light emitting diode is provided so that the mode can be switched without providing an expensive light receiving element for light reception, the cost can be reduced.
上記第2及び第3の発明では、複数の発光ダイオードから発光モードに設定する発光ダイオードと受光モードに設定する発光ダイオードを選択して、触覚近接センサに作用する力を検知するので、触覚近接センサの複数個所において作用する力を検知できる。 In the second and third inventions, since the light emitting diode set to the light emitting mode and the light emitting diode set to the light receiving mode are selected from the plurality of light emitting diodes and the force acting on the tactile proximity sensor is detected, the tactile proximity sensor It is possible to detect forces acting at a plurality of locations.
上記第4及び第5の発明では、触角センサに作用する力を検知する時に、第1及び第2の発光ダイオードを互いにモードが逆になるように、モード切換を行って、第1及び第2の発光ダイオードの両方の受光量に基づいて、光伝播媒体に作用する力の大きさとその位置を算出する。これにより、光伝播媒体に作用する力の大きさとその位置の両方を求めることができる。 In the fourth and fifth inventions, when detecting the force acting on the tactile sensor, the first and second light emitting diodes are switched so that the modes are opposite to each other. The magnitude of the force acting on the light propagation medium and its position are calculated based on the amount of light received by both of the light emitting diodes. Thereby, both the magnitude | size of the force which acts on a light propagation medium, and its position can be calculated | required.
上記第6の発明では、基板の上に複数の発光ダイオードを配置し、基板の上面に光伝播媒体を層として形成するので、コンパクトな触覚近接センサを実現できる。 In the sixth aspect of the invention, a plurality of light emitting diodes are arranged on the substrate, and the light propagation medium is formed on the upper surface of the substrate as a layer, so that a compact tactile proximity sensor can be realized.
上記第7の発明では、光伝播層の上面を不透明コートで覆っているので、外部からの光の影響を防止できる。 In the seventh aspect, since the upper surface of the light propagation layer is covered with the opaque coat, the influence of light from the outside can be prevented.
上記第8の発明では、発光ダイオードの側部の周囲に設けられた不透明層により、迷光が発光ダイオードの受光量に与える影響を防ぐことができる。 In the eighth aspect, the opaque layer provided around the side of the light emitting diode can prevent the influence of stray light on the amount of light received by the light emitting diode.
上記第9の発明では、前記光伝播媒体に組み込まれた物理的構造体により、第1の発光ダイオードから第2の発光ダイオードへの光の伝播特性と、第2の発光ダイオードから第1の発光ダイオードへの光の伝播特性との差が大きくなるので、検知精度が高まる。 In the ninth aspect of the invention, the physical structure incorporated in the light propagation medium allows the light propagation characteristics from the first light emitting diode to the second light emitting diode and the first light emission from the second light emitting diode. Since the difference from the propagation characteristics of light to the diode becomes large, the detection accuracy is increased.
上記第11の発明では、複数の発光ダイオードから発光モードに設定する発光ダイオードと受光モードに設定する発光ダイオードとを順に選択して切り換えながら、触覚近接センサに接近する対象物を検知するので、触覚近接センサの複数個所における対象物の接近を検知できる。 In the eleventh aspect of the invention, an object approaching the tactile proximity sensor is detected while sequentially selecting and switching a light emitting diode set to the light emitting mode and a light emitting diode set to the light receiving mode from a plurality of light emitting diodes. It is possible to detect the approach of the object at a plurality of locations of the proximity sensor.
以上要するに、本発明によると、検出位置を細かいピッチで密に配列することが可能になり、外部の物体から受ける力やその物体の近接を精度よく検知することができ、かつ構成が簡単になり、コストも低減できる。 In short, according to the present invention, the detection positions can be densely arranged at a fine pitch, the force received from an external object and the proximity of the object can be detected with high accuracy, and the configuration becomes simple. Cost can be reduced.
本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1(A)は本発明の実施形態による触覚近接センサ10の構成を示す斜視図であり、図1(B)はその断面図である。
FIG. 1A is a perspective view showing a configuration of a
触覚近接センサ10は、基板2と、基板2の上面に互いに間隔をおいて規則的に配置された複数の発光ダイオード(LED)L1、L2、・・・Lnと、複数の発光ダイオードを基板2と挟むように基板2の上面側に形成される光伝播層3と、光伝播層3の上面に形成される表面コート4と、を備える。
The
本発明の実施形態によると、光伝播層3は、半透明な電気絶縁体である光伝播媒体である。また、光伝播層3は、外部から作用する力により圧縮変形し、これにより、その光の伝播特性を変化させる。本発明の実施形態では、光伝播層3は、圧縮変形すると、光吸収特性、光散乱特性、光反射特性などの光伝播特性を変化させる。このような光伝播層3は、例えば、スポンジ、発泡スチロール、ゲル、ゴムなどであるが、本発明はこれに限定されず、圧縮変形すると光吸収特性、光散乱特性、光反射特性などの光伝播特性が変化する他の適切なものであってもよい。
According to an embodiment of the present invention, the
光伝播層3の上面に形成される表面コート4は、不透明な材質からなる。これにより、外部からの光の影響を防止できる。
The
また、基板2上に配列された複数の発光ダイオードL1、L2、・・・Lnの各々の側部の周囲には不透明層6が設けられる。これにより、後述するように発光ダイオードを受光モードに切り換えたときに、迷光が、発光ダイオードの受光量に与える影響を防ぐことができる。
Further, an
基板2は、例えば、剛性のあるプリント基板(PCB)であってもよく、フレキシブルなプリント基板であってもよい。そして、基板2には発光ダイオードL1、L2、・・・Lnを動作させるための回路網が形成されている。図2は、アドレス指定により各発光ダイオードを動作させるためのこの回路網を示している。すなわち、各発光ダイオードL1、L2、・・・Lnを選択的に動作させるために、ラインx1、x2、・・・xnと、ラインy1、y2・・・ynが設けられている。
The
発光ダイオードのモード切り換えについて、図1及び図2に示す複数の発光ダイオードL1、L2、・・・Lnのうちの1つに着目して説明する。図3は、図2に示された発光ダイオードL1のラインx1、y3を含むモード切換回路8を示している。スイッチSW1、SW2が切り換わることで、発光ダイオードL1が発光モードと受光モードとの間で切り換わる。すなわち、図3(A)のように、スイッチSW1が抵抗RFを介して電圧V+に接続され、スイッチSW2が0Vに接続されると、発光ダイオードL1は発光モードになり光を放射する。一方、図3(B)のように、スイッチSW1が抵抗RLを介して0Vに接続され、スイッチSW2が電圧VRに接続されると、発光ダイオードL1は受光モードになり受光量に従ってその導電率を変化させる。
The mode switching of the light emitting diode will be described by paying attention to one of the plurality of light emitting diodes L1, L2,... Ln shown in FIGS. FIG. 3 shows the
図3の例では、発光ダイオードL1の受光モードは、光導電性タイプのものであるが、受光モードが光起電性のものになるように発光ダイオードL1を構成してもよい。
図4は、発光ダイオードL1の受光モードが光起電性となる場合の回路を示している。図4において、スイッチSW1,SW2が切り換わることで、発光ダイオードL1が発光モードと受光モードとの間で切り換わる。すなわち、図4(A)のように、スイッチSW1が抵抗RFを介して電圧V+に接続され、スイッチSW2が0Vに接続されると、発光ダイオードL1は発光モードになり光を放射する。一方、図4(B)のように、スイッチSW1が0Vに接続され、スイッチSW2が0Vから切り離されると、発光ダイオードL1は受光モードになり受光量に従ってその起電力を変化させる。
In the example of FIG. 3, the light receiving mode of the light emitting diode L1 is a photoconductive type, but the light emitting diode L1 may be configured so that the light receiving mode is a photovoltaic type.
FIG. 4 shows a circuit when the light receiving mode of the light emitting diode L1 is photovoltaic. In FIG. 4, when the switches SW1 and SW2 are switched, the light emitting diode L1 is switched between the light emitting mode and the light receiving mode. That is, as in FIG. 4 (A), connected switch SW1 through a resistor R F in the voltage V +, the switch SW2 is connected to 0V, and the light emitting diode L1 emits light becomes luminous mode. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the switch SW1 is connected to 0V and the switch SW2 is disconnected from 0V, the light emitting diode L1 enters the light receiving mode and changes its electromotive force according to the amount of received light.
図3及び図4において、Voutは、例えば、専用の演算増幅器(図示せず)に接続される。また、図3、図4は、発光ダイオードL1の場合であるが、図2に示す他の各発光ダイオードL2、・・・Lnにも図3、図4と同様のモード切換回路8が接続されている。なお、図示しないマイクロプロセッサの制御により、ラインx1、x2、・・・xn、ラインy1、y2・・・ynの選択が行われ、かつ、スイッチSW1、SW2が動作されることで、各発光ダイオードL1、L2、・・・Lnが発光モード又は受光モードに設定されて選択的に動作される。このように、動作する発光ダイオードの選択と、選択された発光ダイオードのモード切り換えが、マイクロプロセッサにより制御されるように触覚近接センサ10を構成することができる。なお、モード切換回路8とマイクロプロセッサは、発光ダイオードのモード切換を行う切替手段を構成するが、これと同様の機能を有する他の適切な装置で切換手段を構成してもよい。
3 and 4, Vout is connected to a dedicated operational amplifier (not shown), for example. 3 and 4 show the case of the light emitting diode L1, but the
次に、上述の構成を持つ触覚近接センサ10の動作について説明する。
Next, the operation of the
触覚近接センサ10の光伝播層3に作用する力を検知するために、図2の発光ダイオードL1を発光モードにし、その周囲の発光ダイオードL2、L4を受光モードにする。具体的には、ラインx1のスイッチSW1を抵抗RFを介して電圧V+に接続し、ラインy3のスイッチSW2を0Vに接続して、発光ダイオードL1を発光モードに設定する。そして、ラインx2のスイッチSW1を抵抗RLを介して0Vに接続し、ラインy2、y4の各スイッチSW2をVRに接続して、発光ダイオードL2、L4を受光モードに設定する。
In order to detect the force acting on the
そして、図5に示すように、発光ダイオードL1、L2の間において光伝播層3に力Fが作用している場合には、光伝播層3は圧縮変形し、これにより、圧縮変形した領域では、圧縮変形していないときと比べて、光吸収特性及び光散乱特性などの光伝播特性が変化する。この光伝播特性の変化に伴って、発光ダイオードL1から放射された光が発光ダイオードL2に到達する量も変化するので、発光ダイオードL2の受光量I1も変化する。この受光量I1の変化が、電気信号Voutとして読み出される。よって、この電気信号の変化量を測定することで、光伝播層3に作用している力の大きさ及びその位置を算出することができる。なお、電気信号Voutを読み取り受光量I1を測定する測定手段を適切な装置により構成することができる。また、適切な装置により上記算出を行う演算手段を構成することができる。
As shown in FIG. 5, when the force F acts on the
図6は、図5の場合において発光ダイオードL2の受光量I1を実験により求めたデータを示している。この図において、横軸は触覚近接センサ10の表面上に作用する力を示し、縦軸は受光モードにある発光ダイオードL2の受光量I1を示している。図6から分かるように、触覚近接センサ10に作用する力が増加するにつれて、受光量I1が減少している。なお、触覚近接センサ10の感度と検知範囲は、光伝播層3の圧縮による光伝播特性変化、使用する発光ダイオード、LED回路網のレイアウト、駆動回路などに依存する。触覚近接センサ10に作用する力の大きさ及び位置の算出は、予め実験により図6のデータを得ておき、これと測定された発光ダイオードL2の受光量I1とに基づいて、補間法により行うことができる。
FIG. 6 shows data obtained by experiment for the amount of received light I1 of the light emitting diode L2 in the case of FIG. In this figure, the horizontal axis indicates the force acting on the surface of the
触覚近接センサ10に作用している力を検知する場合には、発光ダイオードL1、L2、・・・Lnを順に動作させていく。すなわち、最初に発光ダイオードL1を発光モードにしその周囲の発光ダイオードL2、L4を受光モードして、発光ダイオードL1付近に作用する力を検知し、その後、次の発光ダイオードL2を発光モードにしその周囲の発光ダイオードL1、L3、L5を受光モードして、発光ダイオードL2付近に作用する力を検知する。このように、発光モードにする発光ダイオードを順に切り換えていくことで、各発光ダイオード付近に作用している力を検知することができる。
When detecting the force acting on the
上述の第1の実施形態による触覚近接センサ10では、複数のモード切換可能な発光ダイオードL1、L2、・・・Lnを配列し、受光モードに切り換えられた発光ダイオードの位置が検出位置になる。すなわち、モード切換により、すべての発光ダイオードの位置を検出位置とすることが可能になるので、検出位置を細かいピッチで密に配列することが可能になる。また、発光ダイオードのモード切り換えにより、受光専用の高価な受光素子を用いないで外部からの力を検知できるので、構成が簡単でコストも低減される触覚近接センサを実現できる。
In the
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態による触覚近接センサの構成は、第1の実施形態の構成と同じであるが、その動作が異なる。以下において、第2の実施形態による触覚近接センサ10の動作について説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the tactile proximity sensor according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the operation is different. Hereinafter, the operation of the
第2の実施形態によると、2段階検知ステップにより、検知精度を高めることができる。複数の発光ダイオードL1、L2、・・・Lnのうち発光ダイオードL1、L2に着目して説明するが、他の発光ダイオードの対についても同様である。図7、図8に示すように位置Xに力Fが作用している場合を考える。 According to the second embodiment, the detection accuracy can be increased by the two-step detection step. The light emitting diodes L1, L2,... Ln will be described by focusing on the light emitting diodes L1, L2, but the same applies to other light emitting diode pairs. Consider a case where a force F is applied to the position X as shown in FIGS.
まず、第1のステップで、図7に示すように、発光ダイオードL1を発光モードに設定し、発光ダイオードL2を受光モードに設定する。この設定方法は第1の実施形態の場合と同じである。この状態で、発光ダイオードL2は、発光ダイオードL1から放射された光を光伝播層3を通して受け、発光ダイオードL2の受光量I1が電気信号Voutとして読み出される。
First, in the first step, as shown in FIG. 7, the light emitting diode L1 is set to the light emitting mode, and the light emitting diode L2 is set to the light receiving mode. This setting method is the same as that in the first embodiment. In this state, the light emitting diode L2 receives the light emitted from the light emitting diode L1 through the
次いで、図8に示すように、第2のステップで、発光ダイオードL1を受光モードに切り換え、発光ダイオードL2を発光モードに切り換える。この状態で、発光ダイオードL1は、発光ダイオードL2から放射された光を光伝播層3を通して受け、発光ダイオードL1の受光量I2が電気信号Voutとして読み出される。
Next, as shown in FIG. 8, in the second step, the light emitting diode L1 is switched to the light receiving mode, and the light emitting diode L2 is switched to the light emitting mode. In this state, the light emitting diode L1 receives the light emitted from the light emitting diode L2 through the
そして、発光ダイオードL2の受光量I1と発光ダイオードL1の受光量I2とに基づいて、光伝播層3に作用する力を求める。図9は、光伝播層3に作用する力の大きさF及びその位置xが変化すると、どのように受光量I1、I2が変化するかを示している。すなわち、曲線I1は、発光ダイオードL1を発光モードにし発光ダイオードL2を受光モードにした場合の発光ダイオードL2の受光量I1を表し、曲線I2は、発光ダイオードL1を受光モードにし発光ダイオードL2を発光モードにした場合の発光ダイオードL1の受光量I2を表している。図9のデータを予め実験により得ておけば、上述の2段階検知ステップにより、発光ダイオードL2の受光量I1がi1であり、発光ダイオードL1の受光量I2がi2であると測定された場合には、図9に示された関係から、触覚近接センサ10に作用する力の位置xはXであり、その大きさはF=4であることが検知される。
And the force which acts on the
図10、図11、図12は、2つの発光ダイオードL1、L2の間の多数の位置で、多数の異なる力について、各発光ダイオードL2、L1の受光量I1、I2を実際に実験により得たデータを示している。各図において、横軸は、発光ダイオードL1、L2の中央を原点とした場合の発光ダイオードL1、L2間の位置を示し、縦軸は、発光ダイオードL2、L1の受光量(受光強度)I1、I2を示している。 10, 11, and 12, the light receiving amounts I1 and I2 of the respective light emitting diodes L2 and L1 were actually obtained by experiments at a large number of positions between the two light emitting diodes L1 and L2 for a number of different forces. Data are shown. In each figure, the horizontal axis indicates the position between the light emitting diodes L1 and L2 when the center of the light emitting diodes L1 and L2 is the origin, and the vertical axis indicates the amount of light received (light receiving intensity) I1 of the light emitting diodes L2 and L1. I2 is shown.
図10の曲線は、発光ダイオードL1を発光モードにし発光ダイオードL2を受光モードにした場合において、発光ダイオードL2の受光量I1、作用する力の大きさF、および、その位置xの関係を表す。 The curve in FIG. 10 represents the relationship between the amount of light received by the light emitting diode L2, the magnitude F of the acting force, and the position x when the light emitting diode L1 is in the light emitting mode and the light emitting diode L2 is in the light receiving mode.
図11の曲線は、発光ダイオードL1を受光モードにし発光ダイオードL2を発光モードにした場合において、発光ダイオードL1の受光量I2、作用する力の大きさF、および、その位置xの関係を表す。 The curve in FIG. 11 represents the relationship between the light receiving amount I2, the acting force magnitude F, and the position x of the light emitting diode L1 when the light emitting diode L1 is in the light receiving mode and the light emitting diode L2 is in the light emitting mode.
図12は、図10の曲線と図11の曲線を合わせたものである。なお、図10、図11、図12のグラフの形状は、触覚近接センサ10の物理的構造、例えば、光伝播層3の材質、後述する光伝播層3に組み込まれる物理的構造体などによって定まる。
FIG. 12 is a combination of the curve of FIG. 10 and the curve of FIG. 10, 11, and 12 are determined by the physical structure of the
なお、図12のようなデータを関数近似するには、例えば、人工ニューラルネットワーク(artificial neural network)のような多次元関数近似システム(multidimensional function approximator)を用いる。 In order to approximate the data as shown in FIG. 12, for example, a multidimensional function approximation system such as an artificial neural network is used.
従って、第2の実施形態では、外部から触覚近接センサ10に作用する力を検知するには、上述の2段階検知ステップにより発光ダイオードL2、L1の受光量I1、I2を順に読み出し、これら読み出した受光量I1、I2と、図12のような予め実験により得られたデータとに基づいて、補間法により触覚近接センサ10に作用する力の大きさ及びその位置を算出することができる。このように、両方の受光量I1、I2に基づいて、触覚近接センサ10に作用している力、および、力が作用している位置の2つの未知量を求めることができる。なお、適切な装置によりこの算出を行う演算手段を構成することができる。
Therefore, in the second embodiment, in order to detect the force acting on the
さらに、第2の実施形態によると、後述の作用を得るために光伝播層3に物理的構造体を組み込んでもよい。
Furthermore, according to the second embodiment, a physical structure may be incorporated in the
図13の例では、この物理的構造体12aは、発光ダイオードL1側に近接して組み込まれる。そして、この物理的構造体12aは、周囲の光伝播層3と同一又は異なる圧縮変形特性を有する不透明な材料からなるものでよい。
In the example of FIG. 13, the
また、図14の例では、物理的構造体12bは、発光ダイオードL1、L2間の中央に対称的に組み込まれた円錐形状のものである。図14の場合も、物理的構造体12bは、周囲の光伝播層3と同一又は異なる圧縮変形特性を有する不透明な材料からなるものでよい。
In the example of FIG. 14, the
図15の例では、物理的構造体は、光伝播層3の上部に組み込まれた高反射率の反射膜12cと低反射率の反射膜12dである。
In the example of FIG. 15, the physical structure is a
このような、物理的構造体を組み込むことで、発光ダイオードL1から発光ダイオードL2への光の伝播特性と、発光ダイオードL2から発光ダイオードL1への光の伝播特性との差を大きくできる。すなわち、図10に示す発光ダイオードL2の受光量I1を表す曲線と、図11に示す発光ダイオードL1の受光量I2を表す曲線とは、直線X=0に関して対称的であるが、図13〜図15のように物理的構造体を光伝播層3に組み込むことで、図10に示す発光ダイオードL2の受光量I1を表す曲線と、図11に示す発光ダイオードL1の受光量I2を表す曲線とを非対称なものとして形状差を大きくすることができる。このように形状差が大きい実験データ曲線と検知された受光量I1、I2とに基づいて、触覚近接センサ10に作用する力の大きさ及びその位置を算出することで、算出値の精度をさらに高めることができる。
By incorporating such a physical structure, the difference between the light propagation characteristic from the light emitting diode L1 to the light emitting diode L2 and the light propagation characteristic from the light emitting diode L2 to the light emitting diode L1 can be increased. That is, the curve representing the light receiving amount I1 of the light emitting diode L2 shown in FIG. 10 and the curve representing the light receiving amount I2 of the light emitting diode L1 shown in FIG. 11 are symmetric with respect to the straight line X = 0. By incorporating the physical structure into the
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態のセンサは、触覚近接センサ20であり、その構成は、図16に示すように、第1の実施形態の触覚近接センサ10の光伝播層3を取り除いたものである。図16において、点線で示す範囲は、発光ダイオードL1、L2、L3により対象物の近接を検知できる範囲である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The sensor of the third embodiment is a
触覚近接センサ20の動作は次のように行う。まず、基板2上に配列された複数の発光ダイオードのうち1つの発光ダイオードL1を発光モードにし、その周囲発光ダイオードL2を受光モードにする。図17に示すように、発光ダイオードL1の付近に対象物22が近接している場合には、発光ダイオードL2は発光ダイオードL1から放射され対象物22により反射された光を受けることになる。従って、発光ダイオードL2の受光に基づいて、対象物22が発光ダイオードL1に近接していることを検知できる。
The operation of the
第3の実施形態によると、最初に発光ダイオードL1を発光モードにし、その周囲の発光ダイオードL2を受光モードにして、対象物22が発光ダイオードL1に近接しているかを検知し、次いで、発光ダイオードL2を発光モードにしその周囲の発光ダイオードL3を受光モードにして、対象物22が発光ダイオードL2付近に近接しているかを検知するように、順に発光モードにする発光ダイオードを切り換えていき、同時にその周囲の発光ダイオードを受光モードに切り換えていく。この方法により、対象物22がどの発光ダイオードの付近に近接しているかを検知することもできる。
According to the third embodiment, the light emitting diode L1 is first set in the light emitting mode, the surrounding light emitting diode L2 is set in the light receiving mode, and it is detected whether the
図18は触覚近接センサ20の実施例を示している。この触覚近接センサ20は、コピー機における用紙24の位置を検知するものであり、基板2上に複数の発光ダイオードL1、L2、・・・Lnが一直線上の配置される。そして、その動作は、最初に、発光ダイオードL1を発光モードにし発光ダイオードL2を受光モードにし、次いで、発光ダイオードL2を発光モードにし発光ダイオードL3を受光モードにするように、順に、発光モードと受光モードにする発光ダイオードを切り換えていく。
FIG. 18 shows an embodiment of the
これにより、例えば、図18のように、用紙24の先端24aが発光ダイオードL2に近接している場合には、発光ダイオードL2の受光量I1と発光ダイオードL3の受光量I2に差が現れるので、用紙先端24aが発光ダイオードL2に近接していることを検知できる。また、用紙24の先端24aが発光ダイオードL3に近接している場合には、発光ダイオードL3の受光量I2と発光ダイオードL4の受光量I3に差が現れるので、用紙先端24aが発光ダイオードL3に近接していることを検知できる。このようにして、用紙24の先端24aがどの発光ダイオードに近接しているかを検知できる。なお、適切な装置によりこの検知を行う検知手段を構成することができる。
Thereby, for example, as shown in FIG. 18, when the
また、用紙24の先端24aの位置をさらに精度よく検知することもできる。用紙24の先端24aが発光ダイオードL2に近接している場合であって、用紙24の先端位置をさらに精度よく検知する場合には、発光ダイオードL3の受光量I2に基づく演算を行う。具体的には、発光ダイオードL2を発光モードにし発光ダイオードL3を受光モードにして、発光ダイオードL2付近の多数の用紙先端位置について、発光ダイオードL3の受光量I2のデータを予め実験により得ておき、実際に用紙24の先端位置を検知する時に、このデータと発光ダイオードL3により検知された受光量I2とに基づいて、補間法により用紙24の先端位置を算出する。
Further, the position of the
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、複数の発光ダイオードを平面状の基板2上に配置したが、曲面状に形成された基板上に配置してもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the plurality of light emitting diodes are arranged on the
2 基板、3 光伝播層、4 表面コート
6 不透明層、8 モード切換回路
10 触覚近接センサ
12a、12b、12c、12d 物理的構造体
20 触覚近接センサ
22 対象物、24 用紙、24a 用紙先端
L1、L2、・・・Ln 発光ダイオード
2 substrate, 3 light propagation layer, 4
Claims (11)
互いに間隔を置いて配置された複数の発光ダイオードと、
各発光ダイオードを発光モードと受光モードとの間で切換設定する切換手段と、
発光モードにある発光ダイオードからの光を受光モードにある発光ダイオードへ伝播させ、外部から作用する力により圧縮変形して光伝播特性が変化する光伝播媒体と、
受光モードにある発光ダイオードの受光量を測定する測定手段と、
測定された受光量に基づいて、光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する演算手段と、を備え、
前記複数の発光ダイオードの一部を発光モードに設定し、これと隣接する一部を受光モードに設定し、受光モードの発光ダイオードの受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する、
ことを特徴とする光学式触覚近接センサ。 An optical tactile proximity sensor that detects a force acting from the outside,
A plurality of light emitting diodes spaced apart from each other;
Switching means for switching and setting each light emitting diode between the light emitting mode and the light receiving mode;
A light propagation medium in which light from a light emitting diode in a light emitting mode is propagated to a light emitting diode in a light receiving mode, and the light propagation characteristic is changed by compressive deformation by a force acting from the outside;
Measuring means for measuring the amount of light received by the light emitting diode in the light receiving mode;
A calculation means for calculating the magnitude of the force acting on the light propagation medium or its position based on the measured amount of received light, and
A part of the plurality of light emitting diodes is set to a light emitting mode, a part adjacent to the light emitting diode is set to a light receiving mode, and the magnitude of the force acting on the light propagation medium based on the amount of light received by the light emitting diode in the light receiving mode Calculate its position,
An optical tactile proximity sensor.
ことを特徴とする請求項1に記載の光学式触覚近接センサ。 When detecting the force acting from the outside, the switching means sets the first light emitting diode in the light emitting mode and the second light emitting diode in the light receiving mode among the two adjacent light emitting diodes. The means measures the amount of light received by the second light emitting diode, and the calculation means calculates the magnitude of the force acting on the light propagation medium or its position based on the amount of light received by the second light emitting diode.
The optical tactile proximity sensor according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の光学式触覚近接センサ。 The switching means sequentially selects and switches a light emitting diode to be set to the light emitting mode and a light emitting diode to be set to the light receiving mode from a plurality of light emitting diodes, and each time the measuring means is set to the light emitting mode set to the light receiving mode. The amount of light received by the diode is measured, and the calculation means calculates the magnitude of the force acting on the light propagation medium or the position thereof based on the amount of received light.
The optical tactile proximity sensor according to claim 2.
次いで、前記切換手段は、第1の発光ダイオードを受光モードに第2の発光ダイオードを発光モードに切り換え、この状態で、前記測定手段は第1の発光ダイオードの受光量を測定し、
前記演算手段は、第1及び第2の発光ダイオードの前記受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光学式触覚近接センサ。 When detecting the force acting from the outside, the switching means sets the first light emitting diode of two adjacent light emitting diodes to the light emitting mode and the second light emitting diode to the light receiving mode, and in this state, the measuring means Measures the amount of light received by the second light emitting diode,
Next, the switching means switches the first light emitting diode to the light receiving mode and the second light emitting diode to the light emitting mode, and in this state, the measuring means measures the amount of light received by the first light emitting diode,
The calculation means calculates the magnitude of the force acting on the light propagation medium or the position thereof based on the amount of light received by the first and second light emitting diodes.
The optical tactile proximity sensor according to claim 1.
その度に、前記切換手段は、動作状態にある発光ダイオードのうち第1の発光ダイオードを発光モードに第2の発光ダイオードを受光モードに設定し、この状態で、前記測定手段は第2の発光ダイオードの受光量を測定し、次いで、前記切換手段は、該第1の発光ダイオードを受光モードに該第2の発光ダイオードを発光モードに切り換え、この状態で、前記測定手段は該第1の発光ダイオードの受光量を測定し、
前記演算手段は、これら測定された受光量に基づいて光伝播媒体に作用する力の大きさ又はその位置を算出する、
ことを特徴とする請求項4に記載の光学式触覚近接センサ。 The switching means sequentially selects a light emitting diode to be operated from a plurality of light emitting diodes,
Each time, the switching means sets the first light emitting diode among the light emitting diodes in the operating state to the light emitting mode and the second light emitting diode to the light receiving mode, and in this state, the measuring means performs the second light emitting operation. The amount of light received by the diode is measured, and then the switching means switches the first light emitting diode to the light receiving mode and the second light emitting diode to the light emitting mode. Measure the amount of light received by the diode,
The calculation means calculates the magnitude of the force acting on the light propagation medium or the position thereof based on the measured amount of received light,
The optical tactile proximity sensor according to claim 4.
ことを特徴とする請求項1に記載の光学式触覚近接センサ。 The plurality of light emitting diodes are disposed on an upper surface of the substrate, and the light propagation medium is formed as a light propagation layer on the upper surface side of the substrate so as to sandwich the plurality of light emitting diodes with the substrate.
The optical tactile proximity sensor according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4に記載の光学式触覚近接センサ。 The light propagation medium includes a difference between a light propagation characteristic from the first light emitting diode to the second light emitting diode and a light propagation characteristic from the second light emitting diode to the first light emitting diode. A physical structure is incorporated to increase the
The optical tactile proximity sensor according to claim 4.
互いに間隔を置いて配置された複数の発光ダイオードと、
複数の発光ダイオードから発光モード及び受光モードに設定する発光ダイオードを選択して、受光モードに設定された発光ダイオードが、発光モードに設定された発光ダイオードから放射され対象物により反射される光を受けるように、発光ダイオードのモード設定を行う切換手段と、
受光モードに設定された発光ダイオードの受光量を測定する測定手段と、
測定された前記受光量に基づいて、対象物の接近を検知する検知手段と、を備える、
ことを特徴とする光学式触覚近接センサ。 An optical tactile proximity sensor that detects the approach of an object,
A plurality of light emitting diodes spaced apart from each other;
A light emitting diode set to the light emitting mode and the light receiving mode is selected from a plurality of light emitting diodes, and the light emitting diode set to the light receiving mode receives light emitted from the light emitting diode set to the light emitting mode and reflected by the object. Switching means for setting the mode of the light-emitting diode,
Measuring means for measuring the amount of light received by the light emitting diode set in the light receiving mode;
Detecting means for detecting the approach of the object based on the measured amount of received light,
An optical tactile proximity sensor.
ことを特徴とする請求項10に記載の光学式触覚近接センサ。
When detecting the approach of an object, the switching means sequentially selects a light emitting diode to be set to a light emitting mode and a light emitting diode to be set to a light receiving mode from a plurality of light emitting diodes, and each time the measuring means Measure the amount of light received by the light emitting diode set in the light reception mode, the detection means detects the approach position of the object based on the amount of light received,
The optical tactile proximity sensor according to claim 10.
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