特許 7508057 静電容量式センサ及びロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-21

(45)【発行日】2024-07-01

(54)【発明の名称】静電容量式センサ及びロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   G01V 3/08 20060101AFI20240624BHJP

   B25J 19/02 20060101ALI20240624BHJP

   H01H 36/00 20060101ALI20240624BHJP

   H03K 17/955 20060101ALI20240624BHJP

   G01N 27/22 20060101ALI20240624BHJP

【ＦＩ】

G01V3/08 D

B25J19/02

H01H36/00 V

H03K17/955

G01N27/22 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024018350

(22)【出願日】2024-02-09

【審査請求日】2024-02-15

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100176072

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 功

(74)【代理人】

【識別番号】100169225

【弁理士】

【氏名又は名称】山野 明

(72)【発明者】

【氏名】奥野 瑛

(72)【発明者】

【氏名】山本 晃生

(72)【発明者】

【氏名】三木 大輝

【審査官】前田 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－００２２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８９１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９０２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２０１２／０４３４４３（ＪＰ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２３５０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２８３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０７３９９５３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｖ ３／０８

Ｂ２５Ｊ １９／０２

Ｈ０１Ｈ ３６／００

Ｈ０３Ｋ １７／９５５

Ｇ０１Ｎ ２７／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検知用電極を有し、前記検知用電極と物体との間に生じる静電容量に応じたセンサ値を出力する検知用センサと、
前記検知用電極と対向して設けられ、スイッチを介して基準電位へ接続された参照用電極と、
前記スイッチを開閉制御して、前記参照用電極が開放された第１状態と、前記参照用電極が基準電位へ接続された第２状態とを切り替え、前記第１状態における前記センサ値を、前記第２状態における前記センサ値により補正する処理装置と、
を備えることを特徴とする静電容量式センサ。

【請求項2】

前記第１状態における前記センサ値は、開放された前記参照用電極を介して、前記検知用電極と、物体との間に形成される静電容量に応じた値であり、
前記第２状態における前記センサ値は、前記検知用電極と、基準電位へ接続された前記参照用電極との間に形成される静電容量に応じた値であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。

【請求項3】

検知用電極を有し、前記検知用電極と物体との間に生じる静電容量に応じたセンサ値を出力する検知用センサと、
前記検知用電極と異なる位置に設けられ、周囲空気を介して対を成す電極を有する参照用センサと、
前記参照用センサに基づいて前記周囲空気に対応する誘電率を算出し、前記センサ値を前記誘電率により補正する処理装置と、
を備えることを特徴とする静電容量式センサ。

【請求項4】

前記検知用センサの前記検知用電極と、前記参照用センサとは異なる部材にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。

【請求項5】

前記検知用センサは複数設けられており、
前記参照用センサは複数の前記検知用センサに対して１つ設けられており、
前記処理装置は、前記参照用センサにより算出した前記誘電率を用いて前記検知用センサのそれぞれの前記センサ値を補正することを特徴とする請求項３又は４に記載の静電容量式センサ。

【請求項6】

基台と、
前記基台に対して設けられた複数のアームと、
請求項１に記載の静電容量式センサと、
を備え、
前記検知用電極及び前記参照用電極は、前記アームに設けられていることを特徴とするロボットシステム。

【請求項7】

基台と、
前記基台に対して設けられた複数のアームと、
請求項３又は４に記載の静電容量式センサと、
を備え、
前記検知用センサの前記検知用電極は、前記アームに設けられ、
前記参照用センサは、前記基台に設けられることを特徴とするロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量式センサ及びロボットシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

人とロボットとが協働してワークに対して作業を行う場合がある。このような場合に用いるロボットを協働ロボットという。協働ロボットは、作業環境を人と共有するため、人に対する安全性が求められる。このため、協働ロボットにおいて、近くの物体を検知する静電容量式センサが搭載される場合がある。

【0003】

静電容量式センサは、周囲の温度や湿度の変化により既知のドリフトが発生する場合がある。ドリフトが発生すると検出精度が劣化する可能性がある。特に、静電容量式センサにおいて検知可能な距離を長く設定する場合にドリフトの影響が顕著となる。

【0004】

例えば特許文献１においては、静電容量式センサであって、検知電極と参照電極とを用い、温度や湿度といった空気状態の変化に対する検知電極の信号の変動を、参照電極の信号により補正することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００６－１４５４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１では、補正用の参照電極において物体が検知されないようにする必要がある。このため、特許文献１では、参照電極の周囲に十分なスペースを確保してシールド等を設置するといった周囲環境が必要となる可能性がある。

【0007】

上記課題に鑑み、本発明は、空気状態の変化に対して物体検知の補正が可能であると共に、補正に係る構成を簡易化することのできる静電容量式センサ及びロボットシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る静電容量式センサは、検知用電極を有し、前記検知用電極と物体との間に生じる静電容量に応じたセンサ値を出力する検知用センサと、前記検知用電極と対向して設けられ、スイッチを介して基準電位へ接続された参照用電極と、前記スイッチを開閉制御して、前記参照用電極が開放された第１状態と、前記参照用電極が基準電位へ接続された第２状態とを切り替える処理装置と、を備える。

【0009】

また、静電容量式センサにおいて、前記処理装置は、前記第１状態における前記センサ値を、前記第２状態における前記センサ値により補正する。

【0010】

また、静電容量式センサにおいて、前記第１状態における前記センサ値は、開放された前記参照用電極を介して、前記検知用電極と、物体との間に形成される静電容量に応じた値であり、前記第２状態における前記センサ値は、前記検知用電極と、基準電位へ接続された前記参照用電極との間に形成される静電容量に応じた値である。

【0011】

また、静電容量式センサは、検知用電極を有し、前記検知用電極と物体との間に生じる静電容量に応じたセンサ値を出力する検知用センサと、前記検知用電極と異なる位置に設けられ、周囲空気を介して対を成す電極を有する参照用センサと、前記参照用センサに基づいて前記周囲空気に対応する誘電率を算出し、前記センサ値を前記誘電率により補正する処理装置と、を備える。

【0012】

また、静電容量式センサにおいて、前記検知用センサの前記検知用電極と、前記参照用センサとは異なる部材にそれぞれ設けられる。

【0013】

また、静電容量式センサにおいて、前記検知用センサは複数設けられており、前記参照用センサは複数の前記検知用センサに対して１つ設けられており、前記処理装置は、前記参照用センサにより算出した前記誘電率を用いて前記検知用センサのそれぞれの前記センサ値を補正する。

【0014】

また、ロボットシステムは、基台と、前記基台に対して設けられた複数のアームと、上記の静電容量式センサと、を備え、前記検知用電極及び前記参照用電極は、前記アームに設けられている。

【0015】

また、ロボットシステムは、基台と、前記基台に対して設けられた複数のアームと、上記の静電容量式センサと、を備え、前記検知用センサの前記検知用電極は、前記アームに設けられ、前記参照用センサは、前記基台に設けられる。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る静電容量式センサ及びロボットによれば、本発明は、空気状態の変化に対して物体検知の補正が可能であると共に、補正に係る構成を簡易化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサを備えたロボットシステムの全体構成の一例を概略的に示す図である。

【図2】図１の静電容量式センサの具体的構成の一例を示す図である。

【図3】図１の静電容量式センサにおける第１状態を示す図である。

【図4】図１の静電容量式センサにおける第２状態を示す図である。

【図5】図１の処理装置における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図6】第２実施形態に係る静電容量式センサを備えたロボットシステムの全体構成の一例を概略的に示す図である。

【図7】図６の静電容量式センサの具体的構成の一例を示す図である。

【図8】図６の処理装置における処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては極力同一の符号を付して、重複する説明は適宜省略する。

【0019】

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
まず、第１実施形態について説明する。

【0020】

＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る静電容量式センサとしてのセンサ６を備えたロボットシステム２の全体構成の一例を概略的に示す図である。なお、静電容量式センサとしてのセンサ６は、近接センサ及び変位センサを含む。すなわち、センサ６は、近接を検知するセンサとしても、変位を検知するセンサとしてもよい。本実施形態では、センサ６が近接センサである場合を一例として説明する。なお、センサ６において、近接物との距離に応じて変化する信号を「センサ値」とする。

【0021】

ロボットシステム２は、ワークに対して例えば加工や搬送といった処理を行う産業用ロボットである。また、ロボットシステム２は、例えば人と同じ空間を共有して作業を行う協働ロボットである。

【0022】

図１に示すように、ロボットシステム２は、ロボット４と、制御装置５と、センサ６とを主に備えている。

【0023】

ロボット４は、多関節ロボットであり、複数のアームと複数の関節とを有している。具体的には、ロボット４は、基台７と、第１アームＡ１と、第２アームＡ２と、第３アームＡ３と、第４アームＡ４とを備えている。なお、設けられるアームの数は限定されない。基台７は、ロボット４の土台であり、ロボット４を配置する設置面に設けられている。基台７は、床面に対して固定され、ロボット４全体を支える。第１アームＡ１と、第２アームＡ２と、第３アームＡ３と、第４アームＡ４とは、基台７に対して設けられた複数のアームとなる。第１アームＡ１は、回動軸を介して基台７と接続されている。そして、第１アームＡ１は、不図示のモータにより基台７に対して当該回動軸周りに回動する。第２アームＡ２は、回動軸を介して第１アームＡ１と接続されており、不図示のモータにより当該回動軸周りに回動する。第３アームＡ３は、回動軸を介して第２アームＡ２と接続されており、不図示のモータにより当該回動軸周りに回動する。第４アームＡ４は、回動軸を介して第３アームＡ３と接続されており、不図示のモータにより当該回動軸周りに回動する。第４アームＡ４の先端にツール９が設けられる。各関節が可動することにより、ロボット４が所定の動作を行い、ツール９を用いてワークに対して所定の処理を行う。

【0024】

制御装置５は、ロボット４の動作を制御する情報処理装置である。制御装置５は、例えばＣＰＵやメモリ、通信装置、記憶装置を備えて構成され、所定のプログラムを実行することにより各種機能を実行する。制御装置５は、ロボット４の各アームの動作及びツール９を制御して、ロボット４に所定の動作を実行させる。例えば、制御装置５は、ツール９によりワークを把持し、ある位置から異なる位置へワークを搬送する所定の動作をロボット４に実行させる。

【0025】

また、制御装置５は、後述するセンサ６から出力されるセンサ値を用い、ロボット４の動作を停止させる。具体的には、制御装置５は、センサ６が近接センサである場合、センサ値と閾値とを比較して、ロボット４に対して人等の物体が近接している状態であるか否かを判定する。そして、制御装置５は、センサ値が、ロボット４に対して物体が近接している状態を示している場合、ロボット４の動作を停止させる。例えば物体の近接に応じてセンサ値が増加する場合、制御装置５は、センサ値が閾値以上となった場合に物体が近接していると判定する。例えば物体の近接に応じてセンサ値が減少する場合、制御装置５は、センサ値が閾値以下となった場合に物体が近接していると判定する。例えば協働する人がロボット４に接近してしまった場合、ロボット４が所定の動作の途中であっても動作が停止される。なお、センサ６が変位センサである場合には、制御装置５は変位の検知結果をセンサ６から取得して処理を行う。

【0026】

センサ６は、人等の物体を検知する静電容量式センサである。センサ６は、検知用センサ１１と、参照用電極１２と、処理装置１３とを主に備えている。

【0027】

検知用センサ１１は、物体を検知する静電容量式のセンサである。検知用センサ１１は、ロボット４に設けられる。例えば、検知用センサ１１は、ロボット４のアームに設けられる。本実施形態では、第４アームＡ４に検知用センサ１１が設けられる場合を一例として説明する。なお、検知用センサ１１は、ロボット４の他の部位に設けられることとしてもよいし複数のアームに設けることとしてもよく、設置位置は限定されない。

【0028】

なお、上記例では検知用センサ１１がアームに設けられる場合を説明した。しかし、少なくとも検知用センサ１１における後述する検知用電極２５がアームに設けられれば、検知用センサ１１のその他の構成はアームに設けないこととしてもよい。

【0029】

検知用センサ１１は、所定方向のエリアを検知エリアとして、検知エリアにおいて検知用センサ１１へ近づいた物体を検知する。

【0030】

図２は、センサ６の具体的構成の一例を示す図である。検知用センサ１１は、任意波形生成器２１と、抵抗２２と、コンデンサ２３ａと、コンデンサ２３ｂと、抵抗２４と、検知用電極２５と、計装アンプ２６と、ロックインアンプ２７と、Ａ／Ｄコンバータ２８とを備えている。抵抗２２と、コンデンサ２３ａと、コンデンサ２３ｂと、抵抗２４と、検知用電極２５とによりＲＣブリッジ回路２９が構成される。

【0031】

任意波形生成器２１は、グランド電位（ＧＮＤ電位）を基準電位とし、所定の周波数の正弦波電圧若しくは矩形波電圧を発生させ、ＲＣブリッジ回路２９へ入力する。抵抗２２は、一方が任意波形生成器２１へ電気的に接続され、他方がコンデンサ２３ａへ電気的に接続される。コンデンサ２３ａは、一方が抵抗２２へ電気的に接続され、他方が任意波形生成器２１の基準電位へ電気的に接続される。コンデンサ２３ｂは、コンデンサ２３ａに対してスイッチ３０ａを介して並列に電気的に接続される。抵抗２４は、一方が任意波形生成器２１へ電気的に接続され、他方が検知用電極２５へ電気的に接続される。抵抗２２と、コンデンサ２３ａと、コンデンサ２３ｂと、抵抗２４とは、予め値が設定される。例えば抵抗２２と抵抗２４とは等しい抵抗値である。

【0032】

検知用電極２５は、抵抗２４へ電気的に接続される。検知用電極２５は、例えば平板形状である。そして、検知用電極２５は電界を発生させる。発生させた電界の領域が検知エリアとなり、検知エリアの内側へ入った物体が検知される。なお、検知用電極２５における検知エリアと反対側に、基準電位へ接続されたシールド電極や、検知用電極２５と同電位のアクティブシールド電極が設けられてもよい。

【0033】

具体的には、検知用電極２５は、物体との間に静電容量を形成する。図２は、物体の一例として人Ｈを示している。なお、人Ｈの電位は、基準電位と同等であると仮定する。検知用電極２５は、人Ｈとの間において静電容量を形成し、ＲＣブリッジ回路２９の一部を形成する。

【0034】

計装アンプ２６は、マイナス入力端子が抵抗２２とコンデンサ２３ａの間に電気的に接続され、プラス入力端子が抵抗２４と検知用電極２５の間に電気的に接続される。出力端子は、ロックインアンプ２７へ電気的に接続される。なお、ロックインアンプ２７は、任意波形生成器２１の信号を同期検波のための参照用信号として使用している。計装アンプ２６は、マイナス入力端子とプラス入力端子の入力を差動増幅する。そして、差動増幅された信号はロックインアンプ２７において同期検波され、Ａ／Ｄコンバータ２８にてアナログ信号からデジタル信号へ変換される。デジタル信号は、センサ値として後述する処理装置１３へ出力される。このように、検知用センサ１１から出力されるセンサ値は、検知用電極２５と物体の状態（距離）に応じて発生した静電容量に対応した値となる。なお、センサ値は、Ａ／Ｄコンバータ２８の出力に限定されず、例えばロックインアンプ２７をセンサ値とすることとしてもよい。

【0035】

なお、検知用電極２５において形成される静電容量に応じたセンサ値が出力されれば、検知用センサ１１の具体的な回路構成は図２に限定されない。

【0036】

参照用電極１２は、検知用電極２５と対向して設けられる。参照用電極１２は、検知用電極２５に対して、検知エリアの方向に所定距離を空けて配置される。このため、参照用電極１２は、検知用電極２５と略等しい位置に設けられる。参照用電極１２は、検知用電極２５と同様に、アームに設けられる。参照用電極１２は、例えば平板形状である。

【0037】

参照用電極１２は、スイッチ３０ｂを介して基準電位へ接続される。スイッチ３０ｂは、後述する処理装置１３により開閉制御される。参照用電極１２は、スイッチ３０ｂが開状態である場合に、開放状態となり、スイッチ３０ｂが閉状態である場合に、基準電位へ接続された状態（接地状態）となる。参照用電極１２が開放状態である状態を、「第１状態」とし、参照用電極１２が基準電位へ接続された状態を、「第２状態」とする。

【0038】

参照用電極１２は、第１状態と、第２状態とが切り替えられる。図３は、第１状態を示す図であり、図４は、第２状態を示す図である。図３に示すように、第１状態において、検知用電極２５が発生する電界は、参照用電極１２を通過する。そして、検知用電極２５と人Ｈとの間で距離に応じた静電容量が形成される。なお、参照用電極１２は、スイッチ３０ｂは開状態であるため、開放状態となっている。このため、検知用電極２５が発生する電界に対して参照用電極１２が与える影響は無視可能である。このため、第１状態において、検知用センサ１１から出力されるセンサ値は、開放された参照用電極１２を介して、検知用電極２５と、人Ｈ等の物体との間に形成される静電容量に応じた値となる。

【0039】

また、図４に示すように、第２状態において参照用電極１２はスイッチ３０ｂが閉状態であるため基準電位へ接続される。このため、検知用電極２５が発生する電界は参照用電極１２を通過せず、検知用電極２５と参照用電極１２との間において静電容量が形成される。このため、第２状態において、検知用センサ１１から出力されるセンサ値は、検知用電極２５と、基準電位へ接続された参照用電極１２との間において発生する静電容量に応じた値となる。なお、参照用電極１２は、検知用電極２５と等しい大きさ（面積）若しくは検知用電極２５よりも大きい大きさ（面積）であることが好ましい。これにより、検知用電極２５が発生する電界が参照用電極１２から漏れ難くすることができ、人Ｈ等の物体の影響を抑制することができる。

【0040】

第１状態と第２状態とは、いずれも空気を介して静電容量が形成される。このため、第１状態と第２状態とは、等しい空気状態において静電容量が形成される。平行平板コンデンサにおいて、空気状態は誘電率εに影響を及ぼし、静電容量の値を変化させる。具体的には、誘電率εは温度や湿度（相対湿度や絶対湿度）の影響を受け変化する。特に、誘電率εは絶対湿度に影響を受ける傾向にある。この誘電率εの変化が、センサ値のドリフトの原因となっている。しかし、第２状態とすることによって、第１状態と等しい空気状態、且つ人Ｈ等の物体の影響を抑制したセンサ値を得ることができる。すなわち、第２状態のセンサ値は、空気状態に依存したセンサ値のドリフト成分を示す値となる。

【0041】

図２に戻って、処理装置１３は、第１状態と第２状態とを制御する情報処理装置である。処理装置１３は、例えばＣＰＵやメモリ、通信装置、記憶装置を備えて構成され、所定のプログラムを実行することにより各種機能を実行する。

【0042】

処理装置１３は、切替部３５と、補正部３６とを備えている。なお、図２に示す切替部３５と、補正部３６とは、処理装置１３が有する機能ブロックである。

【0043】

切替部３５は、参照用電極１２における第１状態と第２状態とを切り替える制御を行う。切替部３５は、スイッチ３０ｂを開閉制御して切り替えを実行する。具体的には、切替部３５は、スイッチ３０ｂを開状態とすることによって第１状態とする。また、切替部３５は、スイッチ３０ｂを閉状態とすることによって第２状態とする。

【0044】

また、切替部３５は、切り替え制御に合わせてスイッチ３０ａを開閉制御する。具体的には、切替部３５は、第１状態とする場合に、スイッチ３０ａを開状態とし、第２状態とする場合に、スイッチ３０ａを閉状態とする。すなわち、第２状態において、コンデンサ２３ａと、コンデンサ２３ｂとは並列に電気的に接続されて合成容量となる。これは、第１状態よりも第２状態の方が、検知用電極２５において形成される容量値が大きいためである。

【0045】

切替部３５は、例えば所定の制御周期で第１状態と第２状態とを繰り返し切り替える。第１状態の期間の方が、第２状態の期間よりも長く設定されることが好ましい。なお、切替部３５による切り替えのタイミングは、上記に限定されない。例えば、切替部３５は、ロボット４が動作を行っている場合に第１状態とし、ロボット４が停止している場合に第２状態とすることとしてもよい。

【0046】

補正部３６は、第１状態におけるセンサ値を、第２状態におけるセンサ値により補正する。補正部３６は、第１状態におけるセンサ値と、第２状態におけるセンサ値との差分を算出する。

【0047】

具体的には、補正部３６は、第１状態におけるセンサ値から、第２状態におけるセンサ値を差し引く。すなわち、補正部３６は、第１状態におけるセンサ値から、空気状態により変化するドリフト成分を抑制する。例えば、補正部３６は、第１状態におけるセンサ値から、直近で取得した第２状態におけるセンサ値を差し引くことによって、ドリフト成分を抑制する。なお、差し引くための第２状態のセンサ値は、単体の第２状態のセンサ値としてもよいし、複数の第２状態のセンサ値の平均値としてもよい。

【0048】

このように補正が行われることによって、温度や湿度といった空気状態の影響（ドリフト成分）を抑制したセンサ値を得ることができる。また、第１状態と第２状態とのセンサ値は、図２に示すように同一の回路を用いて出力されるため、回路自体に生ずる温度ドリフトの影響を抑制することも可能である。また、第１状態と第２状態とで検知用電極２５を使用するため、電極状態の変化の影響も抑制することが可能である。電極状態とは、例えば電極表面の汚れや結露である。

【0049】

補正部３６は、第１状態のセンサ値を補正し、制御装置５へ出力する。

【0050】

なお、上記例では、第１状態のセンサ値と第２状態のセンサ値との差分を取ることにより補正が行われる場合を説明した。しかし、第２状態のセンサ値により空気状態によるドリフト成分が抑制されるように第１状態のセンサ値が補正されれば補正方法は上記に限定されない。例えば、第２状態のセンサ値に対して一定の倍率を乗算し、第１状態のセンサ値から減算することとしてもよい。

【0051】

＜処理の流れ＞
図５は、本実施形態に係る補正処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下のステップの各処理は、例えばロボット４の動作が開始されると実行される。なお、以下の各ステップの順番及び内容は適宜変更することが可能である。

【0052】

（ステップＳＰ１０）
切替部３５は、スイッチ３０ｂを閉状態として、第２状態とする。そして、処理はステップＳＰ１１へ移行する。

【0053】

（ステップＳＰ１１）
補正部３６は、第２状態におけるセンサ値を取得する。そして、処理はステップＳＰ１２へ移行する。

【0054】

（ステップＳＰ１２）
切替部３５は、スイッチ３０ｂを閉状態としてから所定期間が経過したか否かを判定する。所定期間が経過していない場合、ステップＳＰ１１へ戻って再度処理が実行される。所定期間が経過した場合、処理はステップＳＰ１３へ移行する。

【0055】

（ステップＳＰ１３）
切替部３５は、スイッチ３０ｂを開状態として、第１状態とする。そして、処理はステップＳＰ１４へ移行する。

【0056】

（ステップＳＰ１４）
補正部３６は、第１状態におけるセンサ値を取得する。そして、処理はステップＳＰ１５へ移行する。

【0057】

（ステップＳＰ１５）
補正部３６は、第１状態におけるセンサ値を、第２状態におけるセンサ値により補正して、制御装置５へ出力する。具体的には、補正部３６は、第１状態におけるセンサ値から、第２状態におけるセンサ値を減算する。例えば、補正部３６は、ステップＳＰ１５を実行する直前に実行したステップＳＰ１１において取得した第２状態におけるセンサ値を、第１状態におけるセンサ値から減算する。

【0058】

（ステップＳＰ１６）
切替部３５は、スイッチ３０ｂを開状態としてから所定期間が経過したか否かを判定する。所定期間が経過していない場合、ステップＳＰ１４へ戻って再度処理が実行される。所定期間が経過した場合、処理はステップＳＰ１０へ戻って再度処理が実行される。

【0059】

このようにして、物体検知に係るセンサ値が補正される。制御装置５は、センサ値を受け取り、例えば物体の近接状態を判定し、ロボット４の制御に適用する。

【0060】

＜作用効果＞
以上、本実施形態において、検知用電極２５に対向して参照用電極１２が設けられており、参照用電極１２が開放された第１状態と、参照用電極１２が基準電位へ接続第２状態とが切り替えられる。このため、物体に応じたセンサ値と、空気状態により変化するドリフト成分を示すセンサ値とを得ることができる。このため、物体に応じたセンサ値を補正することが可能となる。そして、補正を行うための参照用電極１２は検知用電極２５に対向して設けられるため、例えば物体が検知されないようにシールドを設置する環境整備が不要であり、補正に係る構成が簡略化される。すなわち、空気状態の変化に対して物体検知の補正を行うと共に、補正に係る構成を簡易化することができる。

【0061】

また、第１状態におけるセンサ値を、第２状態におけるセンサ値により補正することによって、第１状態におけるセンサ値に対してドリフト成分を抑制するように補正を行うことが可能となる。

【0062】

また、検知用電極２５に対向して参照用電極１２を設けた場合であっても、第１状態においては、開放された参照用電極１２を介して検知用電極２５と近くにある物体に応じたセンサ値を得ることがでる。また、第２状態においては、ドリフト成分を示すセンサ値を得ることができる。

【0063】

また、検知用電極２５がロボット４のアームに設けられることにより、アームに対する物体を検知することが可能となる。

【0064】

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
次に、第２実施形態について説明する。

【0065】

第２実施形態は、参照用センサ６２を用いてセンサ値を補正する場合を説明する。なお、第１実施形態と同様の点は説明を省略する。また、第２実施形態は、第１実施形態と組み合わせることも可能である。

【0066】

＜全体構成＞
図６は、本実施形態に係る静電容量式センサとしてのセンサ６０を備えたロボットシステム４０の全体構成の一例を概略的に示す図である。なお、静電容量式センサとしてのセンサ６０は、近接センサ及び変位センサを含む。すなわち、センサ６は、近接を検知するセンサとしても、変位を検知するセンサとしてもよい。本実施形態では、センサ６が近接センサである場合を一例として説明する。

【0067】

ロボットシステム４０は、ロボットシステム２と同様に、産業用ロボットであり、例えば協働ロボットである。

【0068】

図６に示すように、ロボットシステム４０は、ロボット４と、制御装置５と、センサ６０とを主に備えている。

【0069】

センサ６０は、ロボット４に対する人等の物体を検知する静電容量式センサである。センサ６０は、検知用センサ６１と、参照用センサ６２と、処理装置６３とを主に備えている。

【0070】

検知用センサ６１は、検知用センサ１１と同様に、所定方向の検知エリアにおいて物体を検知する静電容量式のセンサである。検知用センサ６１は、ロボット４におけるアーム（例えば第４アームＡ４）に設けられる。なお、検知用センサ６１は、ロボット４の他の部位に設けられることとしてもよいし複数のアームに設けることとしてもよい。また、検知用センサ６１は、検知用センサ１１と同様に、少なくとも検知用センサ６１における後述する検知用電極２５がアームに設けられればよい。

【0071】

図７は、センサ６０の具体的構成の一例を示す図である。検知用センサ６１は、検知用センサ１１と同様に、任意波形生成器２１と、抵抗２２と、コンデンサ２３ａと、抵抗２４と、検知用電極２５と、計装アンプ２６と、ロックインアンプ２７と、Ａ／Ｄコンバータ２８とを備えている。検知用電極２５はＲＣブリッジ回路２９の一部を形成する。なお、検知用電極２５において形成される静電容量に応じたセンサ値が出力されれば、検知用センサ６１の具体的な回路構成は図７に限定されない。

【0072】

検知用電極２５は、人Ｈ等の物体との間において静電容量を形成する。そして、検知用センサ６１から出力されるセンサ値は、検知用電極２５と物体との間で発生した静電容量の値に対応した値となる。センサ値は、処理装置６３へ出力される。

【0073】

図６に戻って、参照用センサ６２は、検知用センサ６１とは異なる位置に設けられる。具体的には、検知用センサ６１（特に検知用電極２５）と、参照用センサ６２とは異なる部材にそれぞれ設けられる。本実施形態では、検知用センサ６１は第４アームＡ４に設けられ、参照用センサ６２は基台７に設けられる。例えば、検知用センサ６１は可動する部材に設けられ、参照用センサ６２は固定された（可動しない）部材に設けられる。なお、参照用センサ６２の設置位置は限定されない。

【0074】

参照用センサ６２は、検知用センサ６１と干渉しない位置に設けられることが好ましい。すなわち、参照用センサ６２は、検知用センサ６１と所定距離以上離隔した位置に設けられる。具体的には、ロボット４が所定の動作を行う場合に、検知用センサ６１（特に検知用電極２５）と参照用センサ６２とは近づく可能性がある。検知用センサ６１と参照用センサ６２とが最も近づいた状態であっても、参照用センサ６２は、検知用センサ６１に対して所定距離以上離隔するように設けられる。このように、ロボット４が動作を行った場合でも、検知用センサ６１と参照用センサ６２との距離（例えば直線距離）は所定距離が確保される。所定距離は、検知用センサ６１と参照用センサ６２との何れか一方が発生させる電界において、当該電界が他方へ及ぼす影響が許容範囲内となる距離以上に設定される。また、所定距離以上離隔して設けられることで、検知用センサ６１と参照用センサ６２との接触が抑制される。なお、検知用センサ６１と参照用センサ６２とは、配置制限等により干渉する位置に設けられることとしてもよい。

【0075】

図７に示すように、参照用センサ６２は、対を成す電極７１と、測定部７２とを備えている。

【0076】

電極７１は、２つ設けられて対を成し、平行平板のコンデンサ７３を形成する。電極７１の間は、空気（ロボット４の周囲空気）が流通した状態となる。なお、電極７１の間の空気は、検知用センサ６１の周囲の空気と等しい状態（もしくは近い状態）であることがより好ましい。電極７１の電極面積Ｓと、電極間距離ｄとは予め設定され、固定値（設計値）となる。

【0077】

例えば電極７１は、検知用センサ６１の検知用電極２５と等しい仕様（例えば電極面積）により構成することとしてもよいし、検知用センサ６１の検知用電極２５よりも小さい構成とすることとしてもよい。例えば、検知用センサ６１の検知用電極２５よりも参照用センサ６２の電極７１の方が、電極面積が小さいこととすることにより、センサ６０全体をコンパクト化することができる。

【0078】

測定部７２は、電極７１により構成されるコンデンサ７３の静電容量Ｃｓを測定する。例えば測定部７２は、電極７１に対して既知の電流Ｉｓを流し、電極７１の間の電圧が基準電圧Ｖｃに達するまでの時間Ｔｃを測定する。そして、測定部７２は、電流Ｉｓと時間Ｔｃにより蓄積された電荷Ｑｃを算出し、電荷Ｑｃを基準電圧Ｖｃにより割ることによって静電容量Ｃｓを算出する。すなわち、測定部７２は、Ｃｓ＝（Ｉｓ×Ｔｃ）／Ｖｃの関係により静電容量Ｃｓを算出する。なお、電極７１による静電容量Ｃｓが算出できれば算出方法は上記に限定されない。算出した静電容量Ｃｓに係る情報は、後述する処理装置６３へ出力される。

【0079】

処理装置６３は、検知用センサ６１の検知情報を参照用センサ６２の参照情報により補正する情報処理装置である。検知情報はセンサ値であり、参照情報は誘電率εである。処理装置６３は、例えばＣＰＵやメモリ、通信装置、記憶装置を備えて構成され、所定のプログラムを実行することにより各種機能を実行する。

【0080】

処理装置６３は、算出部７５と、補正部７６とを備えている。なお、図７に示す算出部７５と補正部７６とは、処理装置６３が有する機能ブロックである。

【0081】

算出部７５は、参照用センサ６２の静電容量Ｃｓより誘電率εを算出する。具体的には、算出部７５は、測定部７２において算出した静電容量Ｃｓを取得する。そして、算出部７５は、静電容量Ｃｓと予め設定された参照用センサ６２の仕様情報とに基づいて誘電率εを算出する。参照用センサ６２の仕様情報とは、電極７１の電極面積Ｓ及び電極間距離ｄである。算出部７５は、電極面積Ｓに対する電極間距離ｄの比（ｄ／Ｓ）と静電容量Ｃｓとを乗算することにより、誘電率εを算出する。すなわち、算出部７５は、ε＝Ｃｓ×（ｄ／Ｓ）により誘電率εを算出する。なお、誘電率εの算出方法は上記に限定されない。

【0082】

誘電率εは、温度や湿度といった空気状態により変動する。このため、既知の構成である参照用センサ６２に基づいて誘電率εを算出することにより、ロボット４の周囲空気に対応する誘電率εを得ることができる。算出部７５は、算出した誘電率εを補正部７６へ出力する。

【0083】

補正部７６は、算出部７５において算出した誘電率εに基づいて、検知用センサ６１のセンサ値を補正する。具体的には、補正部７６は、基準となる空気状態に対応する誘電率εを基準誘電率ε０として、誘電率εと基準誘電率ε０との差分に応じてセンサ値を補正する。例えば、誘電率εと基準誘電率ε０との差分と、センサ値の補正値とが、テーブルデータや関係式として予め補正用データとして対応付けられる。そして、補正部７６は、実際に発生した差分に対応する補正値をセンサ値から加算や減算等する。また、誘電率εと基準誘電率ε０との差分に応じて、センサ値を補正後のセンサ値へ変換する変換式を予め設定しておき、補正部７６は当該変換式を用いて補正を行うこととしてもよい。

【0084】

このように補正が行われることによって、温度や湿度といった空気状態の影響を抑制したセンサ値を得ることができる。センサ値は、制御装置５へ出力される。

【0085】

なお、図６では、第４アームＡ４に検知用センサ６１が設けられる場合を示したが、第４アームＡ４と第３アームＡ３等の複数の位置に検知用センサ６１が設けられることとしてもよい。すなわち、複数の検知用センサ６１に対して１つの参照用センサ６２が設けられることとしてもよい。この場合、処理装置６３は、参照用センサ６２により算出された誘電率εを用いて、それぞれの検知用センサ６１のセンサ値を補正する。また、一つ検知用センサ６１に対して複数の参照用センサ６２が設けられることとしてもよい。

【0086】

＜処理の流れ＞
図８は、本実施形態に係る補正処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下のステップの各処理は、例えば所定の制御周期により繰り返し実行される。なお、以下の各ステップの順番及び内容は適宜変更することが可能である。

【0087】

（ステップＳＰ２０）
測定部７２は、参照用センサ６２における静電容量Ｃｓを測定する。そして、処理はステップＳＰ２１へ移行する。

【0088】

（ステップＳＰ２１）
算出部７５は、静電容量Ｃｓに基づいて、ロボット４の周囲空気に対応する誘電率εを算出する。具体的には、算出部７５は、静電容量Ｃｓ、既知情報である電極面積Ｓ及び電極間距離ｄを用い、ε＝Ｃｓ×（ｄ／Ｓ）により誘電率εを算出する。そして、処理はステップＳＰ２２へ移行する。

【0089】

（ステップＳＰ２２）
補正部７６は、検知用センサ６１のセンサ値を取得する。そして、処理はステップＳＰ２３へ移行する。

【0090】

（ステップＳＰ２３）
補正部７６は、誘電率εと基準誘電率ε０の差分が許容値以下か否かを判定する。誘電率εと基準誘電率ε０の差分が許容値以下である場合、処理はステップＳＰ２５へ移行する。誘電率εと基準誘電率ε０との差分が許容値以下でない場合、処理はステップＳＰ２４へ移行する。

【0091】

（ステップＳＰ２４）
補正部７６は、誘電率εによりセンサ値を補正する。そして、処理はステップＳＰ２５へ移行する。

【0092】

（ステップＳＰ２５）
補正部７６は、センサ値を制御装置５へ出力する。なお、誘電率εと基準誘電率ε０との差分が許容値以下である場合、補正が行われていないセンサ値が出力され、誘電率εと基準誘電率ε０の差分が許容値以下でない場合、補正が行われたセンサ値が出力される。

【0093】

このようにして、物体検知に係るセンサ値が補正される。制御装置５は、センサ値を受け取り、例えば物体の近接状態を判定し、ロボット４の制御に適用する。

【0094】

＜作用効果＞
以上、本実施形態において、静電容量式センサであるセンサ６０は、周囲空気を介して対を成す電極７１を有する参照用センサ６２を用いて、検知用センサ６１のセンサ値を補正する。このため、センサ値は空気特性によりドリフトが発生する可能性があるが、周囲空気の空気特性を考慮してセンサ値を補正することができる。そして、センサ値に基づいて物体検知を行うことで、物体検知の精度を向上させることができる。また、参照用センサ６２は対となる電極７１が形成するコンデンサ７３であるため、物体が検知されないようにシールド等を設置する環境整備が不要であり、補正に係る構成が簡略化される。すなわち、空気状態の変化に対して物体検知の補正を行うと共に、補正に係る構成を簡易化することができる。なお、空気特性としての温度や湿度は直接測定することが可能であるが、測定精度が低い傾向にある。しかし上記の補正方法によれば、温度や湿度は直接測定することなく、高精度に補正を行うことが可能となる。

【0095】

検知用センサ６１の検知用電極２５と、参照用センサ６２とは異なる部材（部品）にそれぞれ設けられることにより、検知用センサ６１と参照用センサ６２との干渉が抑制される。

【0096】

また、１つの参照用センサ６２を用いて複数の検知用センサ６１のセンサ値を補正することが可能である。このため、検知用センサ６１のそれぞれに対応して参照用センサ６２を用意する必要がなく、装置のコンパクト化を図ることができる。

【0097】

また、検知用センサ６１はアームに設けられ、参照用センサ６２は基台７に設けられる。このため、検知用センサ６１と参照用センサ６２との干渉が抑制される。また、アームに参照用センサ６２を設けると物体を検知できない領域が発生する可能性があるが、このような状況を回避することができる。

【0098】

＝＝＝変形例＝＝＝
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。すなわち、上述した具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、上記実施形態及び下記変形例が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

【0099】

例えば、第１実施形態及び第２実施形態において、静電容量式センサとしてのセンサ６やセンサ６０が、ロボット４に設けられる場合を一例として説明したが、ロボット４以外の装置に静電容量式センサを設けることとしてもよい。

【0100】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、制御装置５と、処理装置１３又は処理装置６３とによりそれぞれ機能が分かれる場合を説明した。しかし、処理装置１３又は処理装置６３の機能の一部又は全部が制御装置５に設けられることとしてもよいし、制御装置５の機能の一部が処理装置１３又は処理装置６３に設けられることとしてもよい。例えば、センサ値に基づいてロボット４に対して物体が近くにある状態であるか否かを判定する機能を制御装置５が有する場合を説明したが、当該機能を処理装置１３又は処理装置６３に設けることとしてもよい。

【0101】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、検知用センサ１１及び検知用センサ６１の具体的構成例を説明した。しかし、検知用センサ１１及び検知用センサ６１の具体的構成は、検知用電極２５を有し、センサ値として検知用電極２５と物体との間の静電容量に対応した値が出力されれば限定されない。例えば、検知用センサ１１や検知用センサ６１の構成を、検知用電極２５と物体との間で発生した静電容量により発信周波数が変化するような方式としてもよい。このような場合であってもセンサ値を補正することができる。

【0102】

また、第１実施形態では、補正部３６は、ステップＳＰ１５を実行する直前に実行したステップＳＰ１１において取得した第２状態のセンサ値を、第１状態のセンサ値から減算することとした。しかし、第１状態のセンサ値の補正方法は上記に限定されない。例えば、補正部３６は、ステップＳＰ１２の所定期間内に取得した複数の第２状態のセンサ値の平均値を、第１状態のセンサ値から減算することとしてもよい。

【0103】

また、第２実施形態では、参照用センサ６２をロボット４の基台７に設ける場合を一例として説明したが、参照用センサ６２の設置位置は限定されない。例えば、参照用センサ６２は、ロボット４から離れた周囲空間に設けることとしてもよい。また、参照用センサ６２の設置個数は限定されない。例えば、複数の検知用センサ１１に対応して複数の参照用センサ６２が設けられることとしてもよい。

【0104】

また、第２実施形態では、１つの参照用センサ６２により誘電率εを算出してセンサ値が補正される場合を一例として説明したが、複数の参照用センサ６２に基づいて誘電率εを算出することとしてもよい。例えば、ロボット４の周囲に複数の参照用センサ６２を設け、ロボット４に対して最も位置が近い参照用センサ６２を使用して誘電率εを算出し、センサ値を補正することとしてもよい。すなわち、誘電率εを算出する参照用センサ６２がロボット４の動作に合わせて選択される。また、複数の参照用センサ６２を設け、複数の参照用センサ６２から算出された誘電率εの平均値によりセンサ値が補正されることとしてもよい。すなわち、複数の参照用センサ６２から得た複数の誘電率εを使用して補正が行われる。

【0105】

また、第２実施形態では、誘電率εを算出してセンサ値を補正する場合を一例として説明したが、誘電率εの算出タイミングと補正のタイミングとは同時期でなくてもよい。例えば補正を行う際に、過去に算出された（直近において算出された）算出済の誘電率εが使用されることとしてよい。また、第２実施形態では、第１実施形態のように参照用センサ６２の出力を用い、検知用センサ１１との差分等により補正を行うこととしてもよい。

【0106】

また、第２実施形態では、参照用センサ６２が基台等の固定部に固定される場合を一例として説明したが、参照用センサ６２の位置を移動させる移動装置が設けられることとしてもよい。すなわち、ロボット４の動作に応じてアームに搭載した検知用センサ１１と干渉しないように、移動装置が参照用センサ６２の位置を移動させることとしてもよい。

【0107】

また、第２実施形態において、処理装置６３は、参照用センサ６２のＯＮ－ＯＦＦを制御してもよい。具体的には、ロボット４の動作に応じて、参照用センサ６２がＯＦＦとされることとしてもよい。例えば、ロボット４の動作に応じて検知用センサ１１が参照用センサ６２へ近づく場合、参照用センサ６２の動作を停止させる。これにより、検知用センサ１１の電界が参照用センサ６２へ影響して、当該影響を含む誘電率εが算出されることが抑制される。

【0108】

また、第１実施形態及び第２実施形態において、センサ６やセンサ６０が自己容量式の検知方式である場合を一例として説明したが、センサ６やセンサ６０を相互容量式とすることとしてもよい。例えば、第１実施形態の場合、検知用センサ１１の検知用電極２５が２つの電極（ペア電極）により構成され、当該ペア電極と対向して参照用電極１２が設けられる。また、例えば、第２実施形態の場合、検知用センサ６１の検知用電極２５が２つの電極（ペア電極）により構成される。いずれの場合においても、検知用電極２５として設けたペア電極を用いて相互容量式により物体が検知される。

【0109】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、処理装置１３及び処理装置６３を、ＣＰＵ等を用いた情報処理装置として説明したが、少なくとも一部（又は全部）の機能を論理回路を用いて構成することとしてもよい。このように、処理装置１３及び処理装置６３の具体的構成は限定されない。

【符号の説明】

【0110】

２、４０ ：ロボットシステム
６、６０ ：センサ（静電容量式センサ）
７ ：基台
１１、６１ ：検知用センサ
１２ ：参照用電極
１３、６３ ：処理装置
２５ ：検知用電極
３０ｂ ：スイッチ
６２ ：参照用センサ
Ａ１ ：第１アーム（アーム）
Ａ２ ：第２アーム（アーム）
Ａ３ ：第３アーム（アーム）
Ａ４ ：第４アーム（アーム）
Ｈ ：人（物体）
ε ：誘電率

【要約】

【課題】空気状態の変化に対して物体検知の補正が可能であると共に、補正に係る構成を簡易化することのできる静電容量式センサを提供する。
【解決手段】静電容量式センサとしてのセンサ６は、検知用電極２５を有し、検知用電極２５と人Ｈ等の物体との間に生じる静電容量に応じたセンサ値を出力する検知用センサ１１と、検知用電極２５と対向して設けられ、スイッチ３０ｂを介して基準電位へ接続された参照用電極１２と、スイッチ３０ｂを開閉制御して、参照用電極１２が開放された第１状態と、参照用電極１２が基準電位へ接続された第２状態とを切り替える処理装置１３と、を備える。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】