特許 7544264 センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20240827BHJP

   G01V 8/20 20060101ALI20240827BHJP

   G01L 1/00 20060101ALI20240827BHJP

   G01L 5/16 20200101ALN20240827BHJP

   G01L 5/166 20200101ALN20240827BHJP

【ＦＩ】

G01C3/06 110B

G01V8/20 P

G01L1/00 B

G01L5/16

G01L5/166

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2023517136

(86)(22)【出願日】2022-03-15

(86)【国際出願番号】 JP2022011714

(87)【国際公開番号】W WO2022230410

(87)【国際公開日】2022-11-03

【審査請求日】2023-08-08

(31)【優先権主張番号】P 2021076433

(32)【優先日】2021-04-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100199314

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 寛

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 博

(72)【発明者】

【氏名】菅原 滉平

(72)【発明者】

【氏名】加藤 貴敏

(72)【発明者】

【氏名】井上 浩一

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／１６６１８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１４４７６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－２０１０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０５８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５３１１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０１Ｖ ８／２０

Ｇ０１Ｂ １１／２６

Ｇ０１Ｌ ５／１６７

Ｇ０１Ｌ ５／１６６

Ｇ０１Ｌ ５／１６２７

Ｇ０１Ｌ ５／１６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられた力センサと、
前記基板上に設けられた複数の発光素子、及び前記発光素子からの光を受光する複数の受光素子を含む近接センサとを備え、
前記近接センサにおける前記複数の発光素子と前記複数の受光素子との少なくとも一方は、前記基板上で前記力センサの周囲を取り囲む３箇所以上の位置に配置され、
前記３箇所以上の位置に対する重心位置は、前記基板上で前記力センサが位置する範囲内にある
センサ装置。

【請求項2】

前記近接センサは、前記３箇所以上に配置された３つ以上の受発光部を備え、
前記各受発光部は、それぞれ前記発光素子と前記受光素子とを含む
請求項１に記載のセンサ装置。

【請求項3】

前記基板上で前記３つ以上の受発光部の間に設けられた遮光体をさらに備える
請求項２に記載のセンサ装置。

【請求項4】

前記遮光体は、前記発光素子が発光する光に対する透過率が、１０％以下の材料で構成される
請求項３に記載のセンサ装置。

【請求項5】

前記基板からの前記遮光体の高さは、前記発光素子の高さ以上で且つ前記受光素子の高さ以上である
請求項３又は４に記載のセンサ装置。

【請求項6】

前記基板からの前記力センサの高さは、前記発光素子の高さ以上で且つ前記受光素子の高さ以上であり、
前記遮光体の高さは、前記力センサの以下である
請求項５に記載のセンサ装置。

【請求項7】

前記受発光部は、前記発光素子及び前記受光素子を封止する封止体を含み、
前記基板からの前記遮光体の高さは、前記封止体の高さ以下である
請求項３～６の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項8】

前記遮光体は、前記力センサの外装材料と同一の材料で構成され、前記力センサに接続されている
請求項３～７の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項9】

前記３つ以上の受発光部の位置は、前記重心位置を中心として回転対称に配置される
請求項２～８の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項10】

前記受発光部は、前記発光素子と前記受光素子との間に設けられ、前記発光素子からの光を遮光する遮光部を備える
請求項２～９の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項11】

前記近接センサにおいて、前記発光素子は、前記受光素子よりも前記力センサ側に配置された
請求項１～９の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項12】

前記近接センサにおいて、前記複数の発光素子と前記複数の受光素子とは、前記重心位置から放射状に配置された
請求項１１に記載のセンサ装置。

【請求項13】

前記近接センサにおいて、前記複数の受光素子が、前記複数の発光素子から発光した光の、物体からの反射光を受光した受光結果に基づいて、自装置からの前記物体の方位を検知する制御部をさらに備える
請求項１～１２の何れか１項に記載のセンサ装置。

【請求項14】

前記制御部は、
前記複数の受光素子が前記反射光をそれぞれ受光した複数の受光結果を合計した総和に基づいて、自装置から前記物体までの距離を検知する
請求項１３に記載のセンサ装置。

【請求項15】

前記制御部は、前記複数の発光素子の全てを同時には発光させず、各発光素子を順次、発光させる
請求項１３又は１４に記載のセンサ装置。

【請求項16】

前記力センサは、前記近接センサの発光素子とは別の発光素子、及び前記近接センサの受光素子とは別の受光素子を含み、
前記制御部は、
前記近接センサの発光素子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、
前記近接センサの受光素子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備える
請求項１３～１５の何れか１項に記載のセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

近年、ロボットハンド等に搭載され、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（例えば特許文献１から３）。

【0003】

特許文献１は、外部から作用する力を検知する光学式触覚近接センサを開示している。この光学式触覚近接センサは、複数の発光ダイオードと、発光モードと受光モードとの間で切換設定可能な複数の発光ダイオードと、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ている。また、上記光学式触覚近接センサにおける光伝播層を取り除いた構成によって、対象物の近接検知を実現している。

【0004】

特許文献２は、６軸力の計測を可能とする光学式触覚センサを開示している。特許文献３は、可変フレームを用いてせん断力を検出する力センサを開示している。特許文献２，３では、弾性体の変形を利用した光学的な機構において、物体による各種の接触力のセンシングが行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－０７１５６４号公報

【文献】特許第５８２５６０４号公報

【文献】国際公開第２０１４／０４５６８５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示された触覚近接センサでは、触覚センサとして機能する個体と近接覚センサとして機能する個体とが、別個に構成されることとなる。こうした従来技術では、物体による力の検知と近接の検知とを一装置において両立するようなことは困難であった。

【0007】

本発明の目的は、物体による力の検知と両立して、様々な方位において近接した物体を検知し易くすることができるセンサ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るセンサ装置は、基板と、基板上に設けられた力センサと、基板上に設けられた複数の発光素子、及び発光素子からの光を受光する複数の受光素子を含む近接センサとを備える。近接センサにおける複数の発光素子と複数の受光素子との少なくとも一方は、基板上で力センサの周囲を取り囲む３箇所以上の位置に配置される。３箇所以上の位置に対する重心位置は、基板上で力センサが位置する範囲内にある。

【発明の効果】

【0009】

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両立して、様々な方位において近接した物体を検知し易くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係るセンサ装置の概要を示す斜視図

【図2】実施形態１に係るセンサ装置の平面図

【図3】実施形態１に係るセンサ装置の側面図

【図4】実施形態１に係るセンサ装置の構成を例示する回路図

【図5】実施形態１におけるセンサ装置の動作を例示するフローチャート

【図6】実施形態２に係るセンサ装置の平面図

【図7】図６のセンサ装置の断面図

【図8】実施形態２に係るセンサ装置の構成を例示する回路図

【図9】センサ装置の変形例１を示す平面図

【図10】センサ装置の変形例２を示す平面図

【図11】センサ装置の変形例３を示す斜視図

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

（実施形態１）
１．構成
実施形態１に係るセンサ装置の構成について、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。

【0014】

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。

【0015】

本実施形態のセンサ装置１は、近接センサ１２及び力センサ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１２と力センサ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。

【0016】

本実施形態のセンサ装置１において、近接センサ１２は、基板１１上で力センサ１３の周囲を取り囲むように配置された複数の受発光部２ａ～２ｄを含む。こうした近接センサ１２における複数の受発光部２ａ～２ｄにより、本実施形態のセンサ装置１は、力センサ１３による力検知と両立する近接検知として、例えばＺ方向におけるセンサ装置１から対象物５までの距離だけでなく、ＸＹ平面におけるセンサ装置１から見た対象物５の方位を検知できる。

【0017】

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。本実施形態では、近接センサ１２が４つの受発光部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで構成される例を説明する。

【0018】

１－１．センサ装置の構造
本実施形態のセンサ装置１は、例えば図１に示すように、基板１１と、近接センサ１２と、力センサ１３と、遮光体１４とを備える。図２は、センサ装置１をＺ方向から見た平面図を示す。図３は、センサ装置１をＹ方向から見た側面図を示す。

【0019】

本実施形態のセンサ装置１において、近接センサ１２における第１～第４受発光部２ａ～２ｄは、図２に示すように、それぞれ第１～第４発光素子２１ａ～２１ｄと、第１～第４受光素子２２ａ～２２ｄとを含む。以下では、第１～第４受発光部２ａ～２ｄの総称を受発光部２とし、第１～第４発光素子２１ａ～２１ｄの総称を発光素子２１とし、第１～第４受光素子２２ａ～２２ｄの総称を受光素子２２とする。

【0020】

近接センサ１２の受発光部２は、本実施形態のセンサ装置１において、発光素子２１と受光素子２２とを１ユニットとして纏めて設けられる部分である。

【0021】

発光素子２１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２１は、赤外領域などの所定の波長帯を有する光を発光する（以下「検知光」という）。発光素子２１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。

【0022】

発光素子２１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２１は、複数の光源素子を含んでもよい。発光素子２１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。

【0023】

受光素子２２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２２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。

【0024】

受光素子２２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２２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２２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２２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。

【0025】

本実施形態のセンサ装置１では、近接センサ１２における複数の受発光部２ａ～２ｄが、基板１１上で力センサ１３が配置された中心位置ｐ０を基準として、適宜許容誤差の範囲内で回転対称に配置される。この場合、複数の受発光部２ａ～２ｄが配置された位置に対する重心位置は、力センサ１３の中心位置ｐ０と合致する。例えば、第１受発光部２ａの位置は＋Ｘ側で且つ＋Ｙ側であり、第２受発光部２ｂの位置は－Ｘ側で且つ＋Ｙ側であり、第３受発光部２ｃの位置は－Ｘ側で且つ－Ｙ側であり、第４受発光部２ｄの位置は＋Ｘ側で且つ－Ｙ側である。

【0026】

本実施形態において、力センサ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。

【0027】

力センサ１３は、例えば図３に示すように、基板１１から上方に突出した上面を有する。力センサ１３の上面は、例えば平面状である。特にこれに限らず、上面は曲面状であってもよい。力センサ１３は、接触力に応じて変形可能な各種の外装部材の内部に、採用される力検知方式に応じたセンサ素子を適宜含む。力センサ１３は、圧力センサであってもよい。力センサ１３の上面の高さＨ３は、発光素子２１の光出射面の高さよりも高く、且つ受光素子２の受光面の高さよりも高い。

【0028】

遮光体１４は、例えば図１～３に示すように、隣り合う２つの受発光部２の間をそれぞれ区切るように設けられる。遮光体１４は、例えば力センサ１３から延びて形成された弾性体で構成される。遮光体１４は、例えば発光素子２１からの検知光に対して１０％以下の透過率を有する。遮光体１４は、例えばシリコーンなど各種材料で構成できる。

【0029】

例えば、遮光体１４は、力センサ１３の外装材料と同じ材料で構成できる。力センサ１３の外装と一体的に遮光体１４を形成することにより、センサ装置１の製造を容易化することができる。例えば、遮光体１４は、力センサ１３の外装をインジェクション成形で構成する際にランナーとして機能する部分であってもよい。又、力センサ１３の外装と遮光体１４の一体形成は、特にインジェクション成形に限らず、例えばトランスファ成形やコンプレッション成形等であってもよい。

【0030】

近接センサ１２の受発光部２は、例えば図２，３に示すように、発光素子２１と受光素子２２とを封止する、透光性の樹脂等で構成された封止体２３を更に備える。封止体２３は、例えばインジェクション成形で構成され、こうした成形時にランナーとして機能する部分を有してもよい。本実施形態において、各受発光部２内部で発光素子２１と受光素子２２との間には、特に遮光部は設けられない。これにより、受発光部２の製造を容易化して、小型化し易くできる。

【0031】

本実施形態のセンサ装置１では、図２，３に示すように、各受発光部２において発光素子２１が、受光素子２２よりも内周側、即ち力センサ１３に近い側に配置される。これにより、別々の受発光部２の発光素子２から出射する光のプロファイルを互いに近付けて、光プロファイルのピークを概ね１つに集約することができる。又、受光素子２２は相対的に外周側、即ち力センサ１３から遠い側に配置されることとなる。これにより、受光素子２２から力センサ１３の上面を見上げる仰角を低減でき、受光素子２２が受光可能な画角を確保し易くすることができる。

【0032】

以上より、本実施形態のセンサ装置１では、近接検知、特に方位検知を高精度にし易くできる。対象物５の方位検知は、例えば図２に示すように、力センサ１３の中心位置ｐ０等の重心位置を基準として、ＸＹ平面における方位を示す方位角φを検知することで行われる。こうした検知精度を向上する観点から、センサ装置１において、複数の発光素子２１及び複数の受光素子２２は、図２に示すように、中心位置ｐ０から放射する放射方向に沿ってそれぞれ配置されてもよい。

【0033】

センサ装置１においては、例えば図３に示すように、遮光体１４の高さＨ１が、発光素子２１及び受光素子２２の高さＨ２以上である。図３では、発光素子２１と受光素子２２とが同じ高さＨ２を有する例を図示しているが、特にこれに限定されない。発光素子２１の高さと受光素子２２の高さとが異なる場合、遮光体１４の高さＨ１は、各素子２１，２２の高さの内のより高い一方以上であればよい。

【0034】

又、遮光体１４の高さＨ１は、力センサ１３の高さＨ３以下である。これにより、力センサ１３の外力に応じた弾性変形が、遮光体１４によって阻害されるような事態を回避し易い。さらに、遮光体１４の高さＨ１は、受発光部２の封止体２３の高さＨ４以下であってもよい。

【0035】

なお、本実施形態のセンサ装置１において、複数の受発光部２ａ～２ｄが配置された位置に対する重心位置は、必ずしも力センサ１３の中心位置ｐ０（図２）でなくてもよく、基板１１上で力センサ１３が配置された範囲内にあってもよい。上記の重心位置は、例えば、基板１１上のＸＹ平面において第１～第４発光素子２１ａ～２１ｄの位置、及び／又は第１～第４受光素子２２ａ～２２ｄの位置に対する重心として規定できる。

【0036】

１－２．センサ装置の制御部
図４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４に示すように、制御部１５をさらに備えてもよい。

【0037】

センサ装置１の制御部１５は、例えば図４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。制御部１５は、ＭＣＵなどの演算処理回路（不図示）をさらに備えてもよい。

【0038】

発光制御回路５１は、例えば、各発光素子２１に接続されたスイッチマトリクス、及び当該スイッチマトリクスを介して各発光素子２１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２１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。

【0039】

受光制御回路５２は、例えば各受光素子２２に接続されたスイッチマトリクス、当該スイッチマトリクスを介して各受光素子２２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、各々の受光素子２２ａ～２２ｄから出力される受光信号Ｐａ～Ｐｄ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。

【0040】

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。

【0041】

力センサ制御回路５３は、力センサ１３中の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。

【0042】

例えば力検知方式が圧電式であれば、力センサ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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

２．動作
以上のように構成されるセンサ装置１の動作について、以下説明する。

【0046】

センサ装置１は、以上のように構成される近接センサ１２及び力センサ１３により、対象物５の近接検知と力検知との双方を同時に行う。本実施形態のセンサ装置１は、近接センサ１２における複数の受発光部２ａ～２ｄにおいて、発光素子２１が発光中の受発光部２とは別の受発光部２内の受光素子２２の受光結果を順次用いることで、対象物５が近接した距離及び方位角φ（図２参照）の検知を実現する。こうしたセンサ装置１の動作の一例を、図５を用いて説明する。

【0047】

図５は、本実施形態におけるセンサ装置１の近接検知の動作を例示するフローチャートである。以下では、近接センサ１２の第１～第４受発光部２ａ～２ｄにおける各発光素子２１ａ～２１ｄを１つずつ順番に点灯制御する動作例を説明する。

【0048】

例えば、センサ装置１の制御部１５は、まず、第１受発光部２ａにおける第１発光素子２１ａを点灯させ、他の受発光部２ｂ～２ｄを消灯するように、発光制御回路５１にて各発光素子２を制御する（Ｓ１）。この際、制御部１５は、受光制御回路５２において、第１受発光部２１ａに隣り合った第２及び第４受発光部２ｂ，２ｄの各受光素子２２ｂ，２２ｄから受光結果の受光信号Ｐｂ，Ｐｄを取得する（Ｓ１）。

【0049】

上記と同様に、制御部１５は、次に第２発光素子２１ｂのみを点灯させて、第１及び第３受光素子２２ａ，２２ｃから受光信号Ｐａ，Ｐｃを取得する（Ｓ２）。次に、制御部１５は、第３発光素子２１ｃのみを点灯させて、第２及び第４受光素子２２ｂ，２２ｄから受光信号Ｐｂ，Ｐｄを取得する（Ｓ３）。次に、制御部１５は、第４発光素子２１ｄのみを点灯させて、第１及び第３受光素子２２ａ，２２ｃから受光信号Ｐｂ，Ｐｄを取得する（Ｓ４）。

【0050】

次に、制御部１５は、各ステップＳ１～Ｓ４で取得した受光信号Ｐａ～Ｐｄに基づいて、次式（１）を演算することにより、対象物５の近接距離の検出結果を示す距離情報Ｐｒを算出する（Ｓ５）。
Ｐｒ＝（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）^１／２ …（１）

【0051】

上式（１）において、第１受光データＰ１は、第１受光素子２２ａによる、第２発光素子２１ｂの発光時の受光信号Ｐａ（Ｓ２）と、第４発光素子２１ｄの発光時の受光信号Ｐａ（Ｓ４）との合計値を示す。第２受光データＰ２は、第２受光素子２２ｂによる、第１発光素子２１ａの発光時の受光信号Ｐｂ（Ｓ１）と、第３発光素子２１ｃの発光時の受光信号Ｐｂ（Ｓ３）との合計値を示す。第３受光データＰ３は、第３受光素子２２ｃによる、第２発光素子２１ｂの発光時の受光信号Ｐｃ（Ｓ２）と、第４発光素子２１ｄの発光時の受光信号Ｐｃ（Ｓ４）との合計値を示す。第４受光データＰ４は、第４受光素子２２ｄによる、第１発光素子２１ａの発光時の受光信号Ｐｄ（Ｓ１）と、第３発光素子２１ｃの発光時の受光信号Ｐｄ（Ｓ３）との合計値を示す。上式（１）のような受光データＰ１～Ｐ４の総和に基づく演算式により、対象物５の近接距離が検知できる。

【0052】

さらに、制御部１５は、上記の第１～第４受光データＰ１～Ｐ４に基づいた次式（２）を演算することにより、対象物５の方位角φを示す方位情報Ｐφを算出する（Ｓ６）。
Ｐφ＝ａｒｃｔａｎ（Ｐｙ／Ｐｘ） …（２）

【0053】

上式（２）において、ａｒｃｔａｎ（）はｔａｎ関数の逆関数であり、Ｐｙ，Ｐｘはそれぞれ次式のように規定される。
Ｐｙ＝（Ｐ１＋Ｐ４）－（Ｐ２＋Ｐ３）
Ｐｘ＝（Ｐ１＋Ｐ２）－（Ｐ３＋Ｐ４）
上式のような受光データＰ１～Ｐ４の差分に基づく演算式（２）により、対象物５の方位角φが検知できる。

【0054】

制御部１５は、方位情報Ｐφ等を算出して（Ｓ６）、本フローチャートに示す処理を終了する。例えば、制御部１５は、所定の検出周期で本フローの処理を繰り返し実行する。

【0055】

以上の処理によると、センサ装置１は、複数の受発光部２ａ～２ｄにおいて、発光素子２１が発光中の受発光部２に隣り合う受発光部２内の受光素子２２による受光結果を用いて（Ｓ１～Ｓ４）、対象物５の近接検知を実行する（Ｓ５，Ｓ６）。すなわち、発光素子２１が発光中の受発光部２内の受光素子２２の受光結果を用いずに、近接検知のための受光データＰ１～Ｐ４が再定義される。これにより、受発光部２内部の発光素子２１と受光素子２２とによる直接光カップリングによって当該受光素子２２の受光結果が飽和したとしても、その飽和の影響を回避して近接検知を精度良く行うことができる。

【0056】

また、隣り合う受発光部２における発光素子２１と受光素子２２との間の直接光カップリングは、遮光体１４により抑制できる。こうした遮光体１４により、受光信号Ｐａ～Ｐｄ（ひいては受光データＰ１～Ｐ４）におけるベースノイズを低減して、近接距離及び方位角φの検知（Ｓ５，Ｓ６）におけるダイナミックレンジを確保し、近接検知を精度良くすることができる。

【0057】

又、複数の受発光部２ａ～２ｄにおいて、発光素子２１が発光中の受発光部２から力センサ１３を介して対向する位置関係にある受発光部２の受光素子２２の受光結果には、力センサ１３の影の影響が生じることが想定される。そこで、当該位置関係の受光結果は、式（１），（２）を演算するための再定義の受光データＰ１～Ｐ４に含めないようにしている。なお、力センサ１３の影となる場合を積極的に検知する場合には、上記位置関係の受光結果が用いられてもよい。

【0058】

以上に説明した動作例は一例であり、本実施形態におけるセンサ装置１の近接検知の動作は特にこれに限定されない。例えば、以上の説明では、第１～第４発光素子２１ａ～２１ｄを１つずつ順番に発光制御する例を説明したが、各発光素子２１ａ～２１ｄが点灯される順番は、図５のステップＳ１～Ｓ４とは別の順番であってもよい。

【0059】

また、発光素子２の点灯制御は、１つずつに限らず、例えば２つずつであってもよい。例えば、センサ装置１は、上述したステップＳ１，Ｓ３を同時に行い、ステップＳ２，Ｓ４を同時に行うようにしてもよい。この場合であっても、複数の発光素子２１ａ～２１ｄの全てを同時に発光させずに順次、各発光素子２を点灯させて、上述した受光データＰ１～Ｐ４と同様の情報を得ることができる。

【0060】

また、ステップＳ１～Ｓ４のような各受発光部２ａ～２ｄの制御は、必ずしも時分割に限らない。上述した受光データＰ１～Ｐ４と同様の情報が得られる種々の制御を適用可能であり、例えば周波数変調など、各発光素子２１ａ～２１ｄからの検知光の受光結果を分離可能な制御が適宜、適用されてもよい。

【0061】

３．まとめ
以上のように、本実施形態のセンサ装置１は、基板１１と、基板１１上に設けられた力センサ１３と、近接センサ１２とを備える。近接センサ１２は、基板１１上に設けられた複数の発光素子２１、及び発光素子２１からの光を受光する複数の受光素子２２を含む。近接センサ１２における複数の発光素子２１と複数の受光素子２２との少なくとも一方は、基板１１上で力センサ１３の周囲を取り囲む３箇所以上の位置に配置される。３箇所以上の位置に対する重心位置は、基板１１上で力センサ１３が位置する範囲内にある（図２参照）。

【0062】

以上のセンサ装置１によると、力センサ１３の周囲の３箇所以上に設けられた発光素子２１及び／又は受光素子２２により、対象物５が様々な方位からセンサ装置１に近接して接触に到るまでの過程をシームレスに検知可能である。これにより、センサ装置１において、対象物５などの物体による力の検知と両立して、様々な方位において近接した物体を検知し易くすることができる。

【0063】

本実施形態のセンサ装置１において、近接センサ１２は、３箇所以上に配置された３つ以上の受発光部２を備える。各受発光部２は、それぞれ発光素子２１と受光素子２２とを含む。これにより、例えば力センサ１３の周囲に配置された受発光部２間で光を発光／受光して、各種方位における対象物５の近接検知を行い易い。又、発光素子２１と受光素子２２とを受発光部２に纏めて設けることにより、センサ装置１の製造を容易化できる。

【0064】

本実施形態のセンサ装置１は、基板１１上で３つ以上の受発光部２の間に設けられた遮光体１４をさらに備える。遮光体１４により、受発光部２の間で、対象物５における光の反射を介さない直接光カップリングを抑制できる。これにより、近接センサ１２の各種検知においてダイナミックレンジを確保して、検知精度を向上することができる。

【0065】

本実施形態のセンサ装置１において、遮光体１４は、発光素子２１が発光する光に対する透過率が、１０％以下の材料で構成される。こうした遮光体１４により、受発光部２間の直接光カップリングを抑制して、センサ装置１の検知精度を向上できる。

【0066】

本実施形態のセンサ装置１において、基板１１からの遮光体１４の高さは、発光素子２１の高さ以上で且つ受光素子２２の高さ以上である。こうした遮光体１４により、別々の受発光部２の発光素子２１と受光素子２２間の直接光カップリングを抑制して、センサ装置１の検知精度を向上できる。

【0067】

本実施形態のセンサ装置１において、基板１１からの力センサ１３の高さは、発光素子２１の高さ以上で且つ受光素子２２の高さ以上であり、遮光体１４の高さは、力センサ１３の以下である。これにより、遮光体１４が、力センサ１３の弾性変形等による力検知を阻害するような事態を回避して、対象物５の近接検知と力検知とを両立し易くすることができる。

【0068】

本実施形態のセンサ装置１において、受発光部２は、発光素子２１及び受光素子２２を封止する封止体２３を含む。基板１１からの遮光体１４の高さは、封止体２３の高さ以下であってもよい。これにより、遮光体１４の高さを高くし過ぎず、対象物５の近接検知と力検知とを両立し易くすることができる。

【0069】

本実施形態のセンサ装置１において、遮光体１４は、力センサ１３の外装材料と同一の材料で構成され、力センサ１３に接続されている。こうした遮光体１４によると、例えば力センサ１３の外装と一体的に形成でき、センサ装置１の製造を容易化することができる。

【0070】

本実施形態のセンサ装置１において、３つ以上の受発光部２の位置は、重心位置を中心として回転対称に配置される。こうした受発光部２によると、対象物５の方位角φを精度良く検知することができる。

【0071】

本実施形態のセンサ装置１における近接センサ１２において、発光素子２１は、受光素子２２よりも力センサ１３側に配置される。これにより、発光素子２１及び受光素子２２が力センサ１３の周囲に配置された状況でありながら、発光素子２１の光プロファイルをまとめつつ受光素子２２の画角を確保して、対象物５の近接検知を行い易くすることができる。

【0072】

本実施形態のセンサ装置１における近接センサ１２において、複数の発光素子２１と複数の受光素子２２とは、重心位置から放射状に配置される。これにより、近接センサ１２において対象物５の方位角φを精度良く検知することができる。

【0073】

本実施形態のセンサ装置１は、近接センサ１２において、複数の受光素子２２が、複数の発光素子２１から発光した光の、対象物５からの反射光を受光した受光結果に基づいて、自装置からの対象物５の方位を検知する制御部１５をさらに備える。これにより、センサ装置１の制御部１５において対象物５の方位検知を行うことができる。

【0074】

本実施形態のセンサ装置１において、制御部１５は、複数の受光素子２２による受光結果の総和に基づく演算式（１）により、自装置から対象物５までの距離を検知する（Ｓ５）。制御部１５は、複数の受光素子２２による受光結果の差異に基づく演算式（２）により、自装置からの対象物５の方位を検知する（Ｓ６）。制御部１５は、上述した演算式（１），（２）に限らず、複数の受光結果の総和又は差異に基づく各種演算処理によって、対象物５までの距離又は方位を検知可能である。

【0075】

本実施形態のセンサ装置１において、制御部１５は、複数の発光素子２１の全てを同時には発光させず、各発光素子２１を順次、発光させる（Ｓ１～Ｓ４）。こうした発光制御により、少なくとも１つの受光素子２２の飽和を抑制し、当該受光素子２２の受光結果を用いて対象物５の近接検知を行い易くすることができる。

【0076】

（実施形態２）
実施形態２では、力検知方式として光学式を採用する例について、図６～８を用いて説明する。

【0077】

図６は、実施形態２に係るセンサ装置１Ａの平面図を示す。図７は、図６のＡ－Ａ’断面におけるセンサ装置１Ａの断面図を示す。Ａ－Ａ‘断面は、ＸＺ平面に沿って力センサ１３Ａの中心位置ｐ０を通る断面である。

【0078】

本実施形態のセンサ装置１Ａでは、例えば実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において、力センサ１３Ａが光学式で構成される。光学式の力センサ１３Ａは、例えば図６に示すように、発光素子３１と、受光素子３２とを含む。さらに、力センサ１３Ａは、図７に示すように、弾性体３３，３４と、反射体３５と、外装部材３０とを含む。

【0079】

光学式の力センサ１３Ａ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、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。

【0080】

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。

【0081】

弾性体３３，３４は、例えば２層構造を有する。１層目の弾性体３３は、例えば比較的に硬質の樹脂で構成され、発光素子３１及び受光素子３２を封止する。２層目の弾性体３４は、例えば１層目の弾性体３３よりも軟質の樹脂で構成され、１層目の弾性体３４を封止する。各弾性体３３，３４は、発光素子３１による検知光の周波数帯について透光性を有する樹脂等で構成される。なお、力センサ１３Ａにおける弾性体はこうした２層構造に限らず、１層又は３層以上であってもよい。

【0082】

反射体３５は、発光素子３１による検知光の周波数帯について反射特性を有する樹脂等で構成される。反射体３５は、例えば２層目の弾性体３４の上に設けられる。なお、外装部材３０が上記の反射特性を有する場合などには、反射体３５は省略されてもよい。

【0083】

外装部材３０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。本実施形態において、力センサ１３Ａの外装部材３０は、実施形態１と同様に遮光体１４と一体的に形成できる。

【0084】

以上のように構成される光学式の力センサ１３Ａ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）。

【0085】

こうした光学式の力センサ１３Ａによると、近接センサ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１Ａの製造を容易化することができる。例えば、近接センサ１２における受発光部２の封止体２３と、力センサ１３で発光素子３１及び受光素子３２を封止する弾性体３３とが、同じプロセスで形成されてもよい。

【0086】

図８は、実施形態２に係るセンサ装置１Ａ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１Ａの制御部１５Ａ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４）の代わりに、力センサ１３Ａの制御機能を近接センサ１２の発光制御回路５１Ａ及び受光制御回路５２Ａに持たせる。

【0087】

例えば図８に示すように、本実施形態の発光制御回路５１Ａは、近接センサ１２の発光素子２１と共に、力センサ１３Ａの発光素子３１を制御するように構成される。又、本実施形態の受光制御回路５２Ａは、近接センサ１２の受光素子２２と共に、力センサ１３Ａの受光素子３２を制御するように構成される。これにより、近接センサ１２と力センサ１３Ａ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１Ａ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。

【0088】

例えば、本実施形態のセンサ装置１Ａの制御部１５Ａは、近接センサ１２の制御機能と力センサ１３Ａ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１Ａは、小型化及びコスト低減を図ることができる。

【0089】

以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ａにおいて、光学式の力センサ１３Ａは、近接センサ１２の発光素子２１とは別の発光素子３１、及び近接センサ１２の受光素子２２とは別の受光素子３２を含む。制御部１５Ａは、近接センサ１２の発光素子２１及び力センサ１３の発光素子３１を制御する発光制御回路５１Ａと、近接センサ１２の受光素子２２及び力センサ１３の受光素子３２を制御する受光制御回路５２Ａとを備える。センサ装置１Ａの近接センサ１２と力センサ１３Ａ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１Ａを製造し易くすることができる。

【0090】

（他の実施形態）
上記の実施形態１，２では、センサ装置１の近接センサ１２において受発光部２の個数が４個の例を説明したが、センサ装置１はこれに限定されない。こうした変形例について、図９を用いて説明する。

【0091】

図９は、変形例１に係るセンサ装置１Ｂの平面図を示す。本実施形態において、センサ装置１Ｂにおける受発光部２の個数は、３個以上であってもよい。本変形例のセンサ装置１Ｂは、実施形態１と同様の構成において、図９に示すように、３個の受発光部２ａ，２ｂ，２ｃを備える。各受発光部２ａ～２ｃは、それぞれ実施形態１の受発光部２と同様に構成される。各発光素子２１ａ～２１ｃ及び各受光素子２２ａ～２２ｃは、図９に示すように、適宜許容誤差の範囲内で、回転対称かつ放射状の位置に配置される。

【0092】

本変形例のセンサ装置１Ｂにおいては、実施形態１の距離情報Ｐｒの演算式（１）の代わりに、次式（１１）を用いることで、距離情報Ｐｒが得られる。
Ｐｒ＝（Ｐ１’＋Ｐ２’＋Ｐ３’）^１／２ …（１１）

【0093】

上式（１）において、第１受光データＰ１’は、第１受光素子２２ａによる、第２発光素子２１ｂの発光時の受光信号Ｐａと、第３発光素子２１ｃの発光時の受光信号Ｐａとの合計値を示す。第２受光データＰ２’は、第２受光素子２２ｂによる、第１発光素子２１ａの発光時の受光信号Ｐｂと、第３発光素子２１ｃの発光時の受光信号Ｐｂ（Ｓ３）との合計値を示す。第３受光データＰ３’は、第３受光素子２２ｃによる、第２発光素子２１ｂの発光時の受光信号Ｐｃと、第１発光素子２１ａの発光時の受光信号Ｐｃとの合計値を示す。

【0094】

さらに、本変形例のセンサ装置１Ｂでは、実施形態１の方位情報Ｐφの演算式（１）の代わりに、上記の第１～第３受光データＰ１’～Ｐ３’に基づいた次式（１２）を演算することにより、方位情報Ｐφが得られる。
Ｐφ＝ａｒｃｔａｎ（Ｐｙ’／Ｐｘ’） …（１２）

【0095】

上式（１２）において、Ｐｙ’，Ｐｘ’はそれぞれ次式のような受光データＰ１’～Ｐ３’間の差分で規定される。
Ｐｙ’＝Ｐ１’－（Ｐ２’＋Ｐ３’）／２
Ｐｘ’＝Ｐ２’－Ｐ３’

【0096】

また、上記各実施形態において、近接センサ１２が、発光素子２１及び受光素子２２を含む受発光部２を備えたセンサ装置１について説明した。本実施形態において、センサ装置１の近接センサ１２は、必ずしも受発光部２を備えなくてもよい。例えば、基板１１上で、近接センサ１２の発光素子２１と受光素子２２とが別個に配置されてもよい。この場合であっても、発光素子２１と受光素子２２との少なくとも一方が、力センサ１３の周囲を取り囲む３箇所以上に配置されていれば、力センサ１３の位置を基準として対象物５の方位角検知を行うことができる。

【0097】

以上のように、本実施形態におけるセンサ装置では、近接センサ１２における複数の発光素子２１と複数の受光素子２２との少なくとも一方が、基板１１上で力センサ１３の周囲を取り囲む３箇所以上の位置であって。３箇所以上の位置に対する重心位置が基板１１上で力センサ１３が位置する範囲内に各種位置に配置されてもよい。こうしたセンサ装置によっても、実施形態１と同様に、対象物５などの物体による力の検知と両立して、様々な方位において近接した物体を検知し易くすることができる。

【0098】

また、上記各実施形態において、受発光部２の内部に遮光部が特に設けられないセンサ装置１を例示したが、受発光部２は特にこれに限定されない。こうした変形例について、図１０を用いて説明する。

【0099】

図１０は、変形例２に係るセンサ装置１Ｃの平面図を示す。本変形例のセンサ装置１Ｃでは、例えば実施形態１と同様の構成において、受発光部２Ｃの内部に発光素子２１と受光素子２２との間に、例えば壁状の遮光部２４が設けられる。遮光部２４は適宜、遮光性を有する部材で構成できる。本変形例のセンサ装置１Ｃによると、遮光部２４が、受発光部２Ｃ内で発光素子２１と受光素子２２間で直接光を遮光することから、発光素子２１が発光中の受発光部２Ｃ内の受光素子２２の受光結果を用いても、対象物５の近接検知を精度良くすることが可能である。

【0100】

以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｃにおいて、受発光部２Ｃは、発光素子２１と受光素子２２との間に設けられ、発光素子２１からの光を遮光する遮光部２４を備えてもよい。これによっても、上記各実施形態と同様に、物体による力の検知と両立して、様々な方位において近接した物体を検知し易くすることができる。

【0101】

また、上記の各実施形態では、センサ装置１における遮光体１４の形状の一例を説明したが、遮光体１４の形状は特に限定されず、種々の形状を採用可能である。こうした変形例について、図１１を用いて説明する。

【0102】

図１１は、変形例３に係るセンサ装置１Ｄの平面図を示す。本変形例のセンサ装置１Ｄでは、例えば実施形態１と同様の構成において、遮光体１４Ｄが、基板１１の前面を覆うように設けられている。こうした遮光体１４Ｄによっても、隣接する受発光部２間の直接光カップリングを遮断でき、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0103】

１，１Ａ～１Ｄ センサ装置
１１ 基板
１２ 近接センサ
１３，１３Ａ 力センサ
１４，１４Ｄ 遮光体
１５，１５Ａ 制御部
２，２ａ～２ｄ 受発光部
２１，２１ａ～２１ｄ 発光素子
２２，２２ａ～２２ｄ 受光素子
２３ 封止体
２４ 遮光部
３１ 発光素子
３２ 受光素子
５１，５１Ａ 発光制御回路
５２，５２Ａ 受光制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】