JP2007071564A

JP2007071564A - 光学式触覚近接センサ

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Publication number: JP2007071564A
Application number: JP2005256071A
Authority: JP
Inventors: Rossiter Jonathan; ロシタジョナサン; Toshiharu Mukai; 利春向井
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-22

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。

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。

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(ｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒ)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(ｐｒｏｘｉｍｉｔｙｓｅｎｓｏｒ)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。

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。

米国特許第５，９１７，１８０号「ＰＲＥＳＳＵＲＥＳＥＮＳＯＲＢＡＳＥＤＯＮＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮＯＦＡＤＥＦＯＲＭＡＢＬＥＩＮＴＥＧＲＡＴＩＮＧＣＡＶＩＴＹ」

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｒ_Ｆ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Ｖ_Ｒ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。

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Ｒ_Ｆ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。

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。

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。

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Ｒ_Ｆ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Ｖ_Ｒ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ）のような多次元関数近似システム（ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｐｐｒｏｘｉｍａｔｏｒ）を用いる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の実施形態による触覚近接センサの構成図である。図１の発光ダイオードを選択的に動作させるための回路網を示す図である。図２の発光ダイオードのモード切換回路を示す図である。図２の発光ダイオードのモード切換回路を示す図である。図１の触覚近接センサの動作の説明図である。図５において、外部から作用する力と発光ダイオードの受光量との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態による触覚近接センサの動作を説明する図である。本発明の第２の実施形態による触覚近接センサの動作を説明する図である。本発明の第２の実施形態による触覚近接センサによって、外部から作用する力の大きさ及びその位置を算出する方法を説明する図である。本発明の第２の実施形態による、外部から作用する力の大きさ、その位置、および、発光ダイオードＬ２の受光量Ｉ１の関係を示す図である。本発明の第２の実施形態による、外部から作用する力の大きさ、その位置、および、発光ダイオードＬ１の受光量Ｉ２の関係を示す図である。図１０と図１１のデータを組み合わせたものである。本発明の第２の実施形態による、光伝播層に物理的構造体も組み込んだ例を示す図である。本発明の第２の実施形態による、光伝播層に物理的構造体も組み込んだ別の例を示す図である。本発明の第２の実施形態による、光伝播層に物理的構造体も組み込んだ別の例を示す図である。本発明の第３の実施形態による触覚近接センサの構成を示す図である。図１６の触覚近接センサの動作を説明する図である。本発明の第３の実施形態による触覚近接センサの実施例を示す図である。従来の触覚センサの構成を示す図である。

符号の説明

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

Claims

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。
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、
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。
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、
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。
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、
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。
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、
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。
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、
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。
前記光伝播層の上面は不透明コートで覆われている、ことを特徴とする請求項６に記載の光学式触覚近接センサ。
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、ことを特徴とする請求項６に記載の光学式触覚近接センサ。
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、
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。
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。
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、
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。