JP2007102719A - 接触点検出装置およびこれを用いたロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 高速で接触検出が可能であり、配線や処理回路を単純化させた構成の接触検出装置とこれを用いたロボットを提供する。
【解決手段】 多数の開口（孔）１２１を有する絶縁スペーサ１２を介して、導電シート１１、１３の導電面を向かい合わせに配置している。接触力が作用すると、これらの導電面が接触し、短絡することで、接触を検知することができる。この接触センサ１は、複数の接触センサ１を直列ないし並列に接続することが可能であり、その場合は検出回路には２本の導線のみで接続が可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、座標入力装置等に用いられる接触を検出する装置と、この検出装置を用いたロボットに関する。

タッチパネル等に用いられる装置として接触点の位置座標を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。特許文献１記載の技術は、一方が均一抵抗膜からなる２層の導電膜が押圧点で互いに接触して導通するよう構成し、抵抗膜の周辺を取り囲む抵抗性周囲電極を配置し、周囲電極の４頂点を同一の入力電圧を保持する電流入力／電圧出力変換回路に接続し、各頂点に配分される各電流値から押圧点位置を検出するものである。

特許文献２記載の技術は、所定間隔で並行に配列された第１電極と、これらと交差する方向に並行に配列された第２電極とを互いに絶縁して配置しており、座標指示導体（指やタッチペン等）で選択した電極には、座標指示導体との静電結合容量に応じた強さの電流が流れることを利用して選択した電極の位置を求めるものである。
特許第３２７１２４５号明細書 特許第３３９４１８７号明細書

しかしながら、上記の技術では、センサ部からの配線および検出を行う処理回路が複雑になるという問題点がある。センサ部からの配線は、特許文献１の技術では４頂点に対応する４本ですむが、特許文献２の技術では、第１電極と第２電極の数必要となり、また、多数のスイッチング回路を要する。さらに、処理回路の点でも複雑な処理を要する。これらは、デジタイザーやタッチパネルのような精度を要する入力機器においては許容されるが、例えば、ロボットにおいて接触を高速で検出する用途においては、配線の多線化や処理装置の複雑化は問題となる。

そこで、本発明は高速で接触検出が可能であり、配線や処理回路を単純化させた構成の接触検出装置とこれを用いたロボットを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる接触検出装置は、シート状の絶縁体のシート面に多数の開口が形成されているスペーサと、シート状の導電体からなり、スペーサをはさんで配置される２枚の導電体シートと、これら導電体シートの一方から絶縁されて該導電体シートを覆って配置される柔軟シートとを備える接触センサ複数個を各導電体シートへ接続される配線を利用して並列または直列に接続して検出回路へと接続していることを特徴とする。

接触センサが押圧されると、押圧点で２枚の導電体シートが接触する。このため、導電体シートの導通を検出することで、接触センサへの接触が判定できる。この接触センサと検出回路とは２本の配線で接続可能であり、複数の接触センサが存在する場合でも、センサ間を並列もしくは直列に接続することでシステムを構成できる。

これら接触センサ２個が検出回路と並列に接続されており、各接触センサと検出回路との間に配置される電流方向を異なる方向に切り替えるスイッチと、スイッチと各接触センサとの間にそれぞれの順方向が逆方向となるよう配置されたダイオードと、を備えているとよい。

２個の接触センサを上述のように配置すると、スイッチにより電流方向を切り替えると、ダイオードにより電流方向に応じて電流が流される接触センサが切り替わる。この状態で導通を判定することで、接触したセンサを判定する。

一方、本発明にかかる接触検出装置は、シート状の導電体からなり、第１の配線に接続されている共通電極と、シート状の絶縁体からなり、シート面に多数の開口が形成され、この共通電極の上下面にそれぞれ配置される２枚のスペーサと、複数枚の短冊状の導電体をそれらの長手方向が第１の方向に沿うよう並行に並べて配置し、隣接する導電体の長手方向の一方の端部間を抵抗により接続して端部抵抗と第１のダイオードを介して第２の配線に接続されるとともに、スペーサの一方を介して前記共通電極の下面に配置される第１の電極シートと、複数枚の短冊状の導電体をそれらの長手方向が第１の方向に直交する第２の方向に沿うよう並行に並べて配置し、隣接する導電体の長手方向の一方の端部間を抵抗により接続して端部抵抗と第１のダイオードと逆方向を順方向とする第２のダイオードを介して第２の配線に接続されるとともに、スペーサの他方を介して共通電極の上面に配置される第２の電極シートと、第２の電極シート上に第２の電極シートから絶縁されて配置される柔軟シートと、第１の配線と第２の配線とそれぞれスイッチを介して接続され、電流方向が異なる２方向における第１の配線と第２の配線間の抵抗変化を測定する測定手段と、を備えていることを特徴とするものである。

この接触検出装置では、接触センサが押圧されると、押圧点で第１の電極と第２の電極および共通電極が接触する。第１の電極および第２の電極は、いずれも複数の短冊状の導電体の端部を抵抗で接続したものであるから、押圧点の位置に応じて第１の配線−共通電極−第１の電極−第２の配線間の抵抗および第１の配線−共通電極−第２の電極−第２の配線間の抵抗が異なる。そして、スイッチを切り替えて第１の配線と第２の配線間に流れる電流方向を切り替えることで、配置されているダイオードにより、第１の配線−共通電極−第１の電極−第２の配線間に電流を流すか、第１の配線−共通電極−第２の電極−第２の配線間に電流を流すかが切り替えられ、上記２種類の抵抗をそれぞれ測定しうる。

一方、本発明にかかるロボットは、可動部と制御機構を有するロボットであって、可動部に上述した本発明にかかる接触検出装置を備えており、制御機構は、接触位置情報に応じて障害物との接触を検出し、停止ないし回避動作を行わせることを特徴とするものである。

可動部分に上述した検出センサを配置し、制御機構に検出結果を入力して接触判定時に停止や回避動作を行わせる。例えば、いずれかの部位への接触の有無のみが検出できれば足りる場合には、接触を検知するセンサを直列に配置すればよく、その部位への接触を検知する必要がある場合には、単独またはスイッチにより導通判定を個々に判定可能な接触センサを用いるとよい。そして、接触点を精度よく検出する必要がある場合には、接触位置を検出できる接触センサを用いればよく、使い分けができる。

本発明にかかる接触検出装置は、直列ないし並列に接続した接触センサから検出回路までの配線を２線で行うことができる。このため省線化が可能であり、また、高速での検出も容易になる。

２つの接触センサをダイオードとスイッチを用いて並列に接続し、スイッチングによる時分割処理を行うことで、各センサへの接触の有無を個別に判定することができる。この場合も並列接続部から検出回路までの配線を２線化して省線化することができる。

また、上述したような構成をとれば時分割処理で接触点を検出することができる。しかも、第１の方向と第２の方向の直交方向のそれぞれの位置を判定可能であり、演算能力の低い検出回路を用いても高速での位置検出が可能である。

これらの接触センサをロボットにおいて接触判定に用いることで、センサと制御機構との配線を省線化することができ、実装が容易になる。そして、高速での処理が可能となるので、衝突・接触を検知して、停止・回避動作を迅速に行うことができ、安全性、信頼性が向上する。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。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可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明にかかる接触検出装置に用いられる接触センサの第１の実施形態を示す分解斜視図である。この接触センサ１は、２枚の導電シート１１、１３により、シート状の絶縁スペーサ１２を挟み込み、上側の導電シート１１上に絶縁性の柔軟シート１０を配置し、細長い短冊状の接触センサ１を形成している。導電シート１１、１３の両端には導線１４０、１４１および１５０、１５１がそれぞれ接続されている。

柔軟シート１０は、ゴム、ウレタン等の柔軟性材料を板状に形成したものである。また、導電シート１１、１３は、シート状の絶縁体の表面に導電パターンを形成したり、金属薄膜等の導電フィルムを貼り付けたものであって、その導電面１１ａ、１３ａが絶縁スペーサ１２へ向けて配置されている。絶縁スペーサ１２は、ゴム、樹脂等の絶縁体でシート状に形成されており、孔１２１が多数配置されており、導電シート１１、１３の導電面１１ａ、１３ａを所定の間隔で離隔させている。

この接触センサ１による接触点検出を図２の断面図を参照して説明する。ここでは、接触センサ１を絶縁面９上に配置している。導電面上に配置する場合には、スペーサとして絶縁体を間に配置するか、絶縁性の粘着シートや接着剤によって貼り付けるとよい。導線１４０と１５０がそれぞれ電流／電圧／抵抗のいずれかの検出回路を通じて直流電源と接続される。導線１４１と１５１は、接続せず、自由な状態とされる。

柔軟シート１０の上から押圧力Ｆが作用すると、柔軟シート１０と、上側の導電シート１１は、この押圧力Ｆによって変形し、孔１２１の内側へと入り込み、反対側の導電シート１３に密着する。この結果、導電面１１ａ、１３ａが接触し、導線１４０→導電面１１ａ→導電面１３ａ→導線１５０が短絡される。これにより生ずる電流や抵抗の変化を検出することで、押圧力Ｆの有無、つまり、接触センサ１への接触の有無を判定することができる。

柔軟シート１０や絶縁スペーサ１２の厚さ、硬さ、さらには、絶縁スペーサ１２の孔１２１の大きさ、配置形状を変更することで、導電面１１ａ、１３ａを接触させるのに必要な押圧力Ｆの大きさを調整することができる。つまり、これらの調整によって接触センサ１の感度を変更することができる。

この接触センサ１は、導線１４０、１４１、１５０、１５１を利用して複数個を並列ないし直列に接続して配置することができる。図３〜図５は、接続例を説明する図である。図３に示される接続例では、１３個の接触センサを３つの系列に配置している。このうち、第２、第３の系列は、接触センサ１_ｂ、１_ｃを単独で用いており、第１の系列のみが１１個の接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１をコネクタ２_ａ１〜２_ａ６により直列ないし並列に接続したものである。

第１の系列においては、接触センサ１_ａ１の下流にコネクタ２_ａ２により、３つの接触センサ１_ａ２〜１_ａ４が並列に接続されている。そして、接触センサ１_ａ３の下流にさらにコネクタ２_ａ３により接触センサ１_ａ５〜１_ａ７が並列に接続されている。接触センサ１_ａ６の下流には、さらにコネクタ２_ａ４により接触センサ１_ａ８と１_ａ１０が並列に接続されている。そして、接触センサ１_ａ８と１_ａ１０には、それぞれコネクタ２_ａ５、２_ａ６により接触センサ１_ａ９と１_ａ１１が直列に接続されている。

ここで、例えば、接触センサ１_ａ１を低感度のものとし、接触センサ１_ａ２〜１_ａ７を中感度のものとし、接触センサ１_ａ８〜１_ａ１１を高感度のものとして、異なる感度のセンサを使い分けてもよい。

第１系列の接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１は、コネクタ２_ａ１により、検出回路３の第１の検出部３２に接続され、第２系列の接触センサ１_ｂおよび第３系列の接触センサ１_ｃはそれぞれコネクタ２_ｂ、２_ｃによって検出回路３内の対応する第２、第３の検出部３３、３４に接続されている。各検出部３２〜３４の出力は、マイコン３０へと直接入力されるとともに、ＯＲ回路３１を介してマイコン３０へと入力されている。

図４は、第１系列の検出部３３の詳細構成を示す回路図であり、図５は、第２系列の検出部３４の詳細構成を示す回路図である。第３系列の検出部３５については、図５に示される第２系列の検出部３４と同様の構成であるため、説明を省略する。

図４に示されるように、第１系列の検出部３２においては、接触センサ１_ａ１の導線１５０_ａ１と導線１４０_ａ１は、コネクタ２_ａ１によって延長され、その間に直流定電源３２３と抵抗３２２が接続されている。そして、導線１５０_ａ１側が接地される一方、導線１４０_ａ１側は、さらにコンパレータ３２１の入力端子の一方（＋側）に接続され、コンパレータ３２１の入力端子の他方（−側）には基準電圧発生回路３２０が接続されている。コンパレータ３２１の出力が検出部３２の出力となる。

基準電圧発生回路３２０の出力電圧Ｖrefは、直流定電源Ｖccに比べて低い所定の電圧に設定されている。第１系列の接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１のいずれもが接触を検知していないときには、Ｖs＝Ｖccとなり、コンパレータ３２１の＋側入力端子の電圧が−側入力端子の電圧より高くなるため「Ｈ」レベルが出力される。一方、いずれかの接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１で接触が検知された場合、接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１自体の抵抗により、０＜Ｖｓ＜Ｖrefとなり、コンパレータ３２１の＋側入力端子の電圧が−側入力端子の電圧より低くなるため「Ｌ」レベルが出力される。ここで、個々の接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１の抵抗値は０に近くても、多数のセンサを直列ないし並列に接続した場合、接触位置によっては抵抗値は無視できない可能性がある。そこで、基準電圧Ｖrefにより接触判定を行うことで、誤判定を防止している。

図５に示されるように、第２系列の検出部３３においては、接触センサ１_ｂの導線１５０_ｂと導線１４０_ｂは、コネクタ２_ｂによって延長され、第１系列の検出部３２と同様に、その間に直流定電源３３３と抵抗３３２が接続され、導線１５０_ｂ側が接地されている。一方、導線１４０_ｂ側は、バッファ３３１に接続されている。バッファ３３１の出力が検出部３３の出力となる。

接触センサ１_ｂが接触を検知していないときには、Ｖs＝Ｖccとなり、バッファ３３１からはＶccが出力される。一方、接触センサ１_ｂで接触が検知された場合、その抵抗は抵抗３３２に比べて微少であるため、Ｖｓ≒０となり、バッファ３３１からは０が出力される。

コンパレータ３２１やバッファ３３１を利用することで、各接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１、１_ｂ、１_ｃに過大な電流が流れるのを防止できる。また、接触をトリガーとしてリレー信号を取り出す（図示せず）ことで、ソフト制御を介さずに別のリレー回路等によりロボットの非常停止等を行うことができる。

図６は、図１に示される接触センサ１をロボット４の衝突検知センサとして配置した例を示している。この場合の接触センサ１の接続は、図３〜図５に示される接続を用いている。このロボット４は、ベース４０上に５関節４１〜４５を有しており、各関節４１〜４５には、関節４１〜４５を駆動するモータと角度位置を検出する角度センサが配置され、制御機構４６内に上述した検出回路３と、設定された目標運動軌跡に応じて各関節の駆動を制御する制御回路４７を有している。

次に、このロボット４における衝突検知動作を図７のフローチャートを参照して説明する。この処理は、図３における検出回路３においてＯＲ回路３１によって割り込み処理が行われた場合にのみ実行される。この割り込み処理は、検出部３２〜３４のいずれかで接触ありと検出した場合に実行されることになる。

最初に、各Ｉ／Ｏから読み込みを行う（ステップＳ１）。ここで、割り込みが行われたことで、検出部３２〜３４のいずれかで接触ありと判定可能であることから、全てのＩ／Ｏから読み込みを行うのではなく、いずれか１つのＩ／Ｏについては読み込みを省略することもできる。例えば、以下の処理においては、検出部３２に対応するＩ／Ｏ１については読み込みは不要である。ほかのＩ／Ｏについて読み込み処理を省略する場合は、読み込みを行ったＩ／Ｏから順に判別を行うよう処理を変更する必要がある。

読み込み後、最初に検出部３３に対応するＩ／Ｏ２の出力がローレベル、つまり、接触を検知したかを判定する（ステップＳ２）。出力がローレベルで、接触センサ１_ｂで接触を検出したと判定した場合には、ステップＳ３へと移行して非常停止処理２を実行し、その後割り込み処理を終了する。この場合は、接触位置が判別できているため、それに応じた処理を行う。

ステップＳ２において出力がハイレベルで、接触センサ１_ｂでは、接触を検出していないと判定した場合には、ステップＳ４へと移行し、検出部３４に対応するＩ／Ｏ３の出力がローレベル、つまり、接触を検知したかを判定する。出力がローレベルで、接触センサ１_ｃで接触を検出したと判定した場合には、ステップＳ５へと移行して非常停止処理３を実行し、その後、割り込み処理を終了する。この場合も、接触位置が判別できているため、それに応じた処理を行う。

ステップＳ４において出力がハイレベルで、接触センサ１_ｃでは、接触を検出していないと判定した場合には、残りの第１系列、つまり、接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１において接触を検出した場合に相当するから、ステップＳ６へと移行して非常停止処理１を実行し、その後、割り込み処理を終了する。この場合は、正確な接触位置を判定することはできないため、接触センサ１_ａ１〜１_ａ１１のいずれで接触を検出した場合でも対応できる停止処理を実行する。

図１の接触センサ１の配置は、図３〜図５に示される形態に限られるものではない。図８は、別の配置形態を示したものである。この配置形態では、２つの接触センサ１_ｄ、１_ｅはコネクタ２_ｄ、２_ｅにより並列に接続される。そして、接触センサ１_ｄ、１_ｅから延びてコネクタ２_ｄ、２_ｅの先で処理回路５に入力される前に互いに接続される一方の導線１４０_ｄ、１４０_ｅ上にはそれぞれダイオード１４５_ｄ、１４５_ｅが配置されている。ここで、ダイオード１４５_ｄと１４５_ｅとは順方向が逆になるように配置されている。具体的には、ダイオード１４５_ｄの順方向は、接触センサ１_ｄからコネクタ２_ｄ方向であり、ダイオード１４５_ｅの順方向は、コネクタ２_ｅから接触センサ１_ｅ方向である。

コネクタ２_ｄ、２_ｅから延びる２本の導線はスイッチＳ１、Ｓ２からなるスイッチ回路５４を介して、処理回路５内に入力される。スイッチＳ１、Ｓ２から延びる２本の導線の間には、直流定電源５３と抵抗５２が接続されており、電流方向が切り替え可能となっている。そして、直流定電源５３側に接続された導線の先は接地され、他方の先には、バッファ５１が接続されて、マイコン５０に入力されている。マイコン５０は、スイッチＳ１、Ｓ２を制御する機能を有している。

この処理回路５による接触検出のフローチャートを図９に示す。最初に、スイッチＳ１、Ｓ２を図のａ側に接続する（ステップＳ１１）。この状態でバッファ５１からの出力が所定のしきい値電圧を越えたハイレベルか、それ以下のローレベルかを判定する（ステップＳ１２）。スイッチＳ１、Ｓ２がａ側に接続されている場合には、ダイオード１４５_ｄに対して順方向の回路が形成される。このため、接触センサ１_ｄに対して接触がなければ、Ｖｓ＝Ｖccとなり、バッファからの出力はハイレベルとなる。この場合には、ステップＳ１３へと移行して、接触センサ１_ｄには接触なしと出力する。一方、接触センサ１_ｄに対して接触があれば、スイッチＳ１のａ側とスイッチＳ２のａ側とが短絡された状態となるため、Ｖｓ≒０となり、バッファからの出力はローレベルとなる。この場合には、ステップＳ１４へと移行して、接触センサ１_ｄに接触ありと出力する。

接触センサ１ｄの接触判定が終了したら、次に、スイッチＳ１、Ｓ２を図のｂ側へ接続する（ステップＳ１５）。この状態でバッファ５１からの出力が所定のしきい値電圧を越えたハイレベルか、それ以下のローレベルかを同様に判定する（ステップＳ１６）。スイッチＳ１、Ｓ２がｂ側に接続されている場合には、ダイオード１４５_ｅに対して順方向の回路が形成される。このため、接触センサ１_ｅに対して接触がなければ、Ｖｓ＝Ｖccとなり、バッファからの出力はハイレベルとなる。この場合には、ステップＳ１７へと移行して、接触センサ１_ｅには接触なしと出力する。一方、接触センサ１_ｅに対して接触があれば、スイッチＳ１のｂ側とスイッチＳ２のｂ側とが短絡された状態となるため、Ｖｓ≒０となり、バッファからの出力はローレベルとなる。この場合には、ステップＳ１８へと移行して、接触センサ１_ｅに接触ありと出力する。以上の処理を所定のタイミングで繰り返す。

これにより、スイッチＳ１、Ｓ２を周期的に切り替えながら、バッファ５１の出力をしきい値と比較することで、接触センサ１_ｄと接触センサ１_ｅへの接触の有無を交互に判定することができる。

図１０は、本発明にかかる接触検出装置に用いられる第２の形態の接触センサ６を示す分解斜視図である。この接触センサ６は接触位置の平面座標（ｘ，ｙ）を検出する機能を有している。接触センサ６部分は、上から絶縁性の柔軟シート６０、所望の導電体パターンが形成された第１の位置検出シート６１、多数の開口６２１を有する第１の絶縁スペーサ６２、シート状の共通電極６３、多数の開口６４１を有する第２の絶縁スペーサ６４、所望の導電体パターンが形成された第２の位置検出シート６５が積層されたものであり、共通電極６３とから延びる第１の配線６６と、第１の位置検出シート６１に接続され、第２の配線６９に接続される配線６７と、第２の位置検出シート６５に接続され、第２の配線６９に接続される配線６８とを備えている。

柔軟シート６０は、第１の接触センサ１の柔軟シート１０と同様に、ゴム、ウレタン等の柔軟性材料を平板状に形成したものである。また、絶縁スペーサ６２、６４も第１の接触センサ１の絶縁スペーサ１２と同様に、ゴム、樹脂等の絶縁体でシート状に形成されており、孔６２１、６４１が多数配置されることで、後述する位置検出シート６１、６５の導電面を共通電極６３の表面から所定の間隔で離隔させている。

図１１は、第２の位置検出シート６５の構成図である。位置検出シート６５は、ポリイミドフィルム等の屈曲が容易な絶縁体シート６５０上に短冊状の導電体６５１_１〜６５１_１０を所定の間隔をあけて配置したものであり、以下、導電体６５１_１〜６５１_１０の延長方向をｙ方向、配列方向をｘ方向とする。導電体６５１_１〜６５１_１０の一端には、パターン６５２_１〜６５２_１０が形成され、出力部６５４とこれに隣接するパターン６５２_１および隣接する各パターン６５２_１〜６５２_１０の間には、抵抗６５３_１〜６５３_１０が配置されることで、出力部６５４と各導電体６５１_１〜６５１_１０とが電気的に接続されている。導電体６５１_１〜６５１_１０とパターン６５２_１〜６５２_１０は、銅箔のエッチング等により形成される。この導電体６５１_１〜６５１_１０の表面は、絶縁スペーサ６４を介して共通電極６３表面に向かい合わせに配置される。

第１の位置検出シート６１の構成は、第２の位置検出シート６５と略同様であり、短冊状の導電体６１１_１〜６１１_１０がｘ方向に延在し、配列方向がｙ方向である点のみが相違する。

配線６７と６８上にはそれぞれダイオード６７１、６８１が配置されており、その順方向は逆方向になるよう配置されている。具体的には、配線６７に配置されるダイオード６７１は、配線６９側から第１の位置検出シート６１側へと向かう方向が順方向であり、配線６８に配置されるダイオード６８１は、第２の位置検出シート６５側から配線６９側へと向かう方向が順方向である。

検出回路７は、バッファ７１、抵抗７２、直流定電源７３のほか、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を有するスイッチ回路７４、Ａ／Ｄコンバータ７５とＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されるＭＣＵ７６を備えている。スイッチ回路７４のスイッチＳ１、Ｓ２の一方の端子には、接触センサ６からのびる第１および第２の配線６６、６９が接続されている。スイッチＳ１、Ｓ２の他端側は、一方が接地端に、他方がバッファ７１の入力端子と抵抗７２の間に接続されており、スイッチＳ１、Ｓ２を切り替えることで、第１の配線６６と第２の配線６９のいずれを接地し、他方をバッファ７１の入力端子と抵抗７２の間に接続するかを切り替えられるようになっている。抵抗７２の他端は直流定電源７３の高電圧側に接続されており、直流定電源７３の高電圧側は、Ａ／Ｄコンバータ７５の参照電圧Ｖref入力に接続されている。一方、バッファ７１の出力端子は、Ａ／Ｄコンバータ７５の入力端子に接続されている。ＭＣＵ７６はＡ／Ｄコンバータ７５の出力が入力されるほか、スイッチ回路７４を制御する機能を有している。

次に、本実施形態の動作について説明する。図１２に示されるように柔軟シート６０の上から押圧力Ｆが作用すると、柔軟シート６０と、第１の位置検出シート６１、共通電極６３がこの押圧力Ｆによって変形する結果、第１の位置検出シート６１と共通電極６３、第２の位置検出シート６５と共通電極６３とがそれぞれ密着し、共通電極６３と接触位置における第１、第２の位置検出シート６１、６５上の導電体とが接触する。接触位置が第１の位置検出シート６１の導電体６１１_ｍ、第２の位置検出シート６５の導電体６５１_ｎであるとすると、配線６６、６７間の総抵抗は抵抗６１３_１〜６１３_ｍを直列に接続した抵抗値に等しく、配線６６、６８間の総抵抗は抵抗６５３_１〜６５３_ｎを直列に接続した抵抗値に等しくなる。

図１３（ａ）（ｂ）は、スイッチ回路７４をそれぞれａ側、ｂ側に接続した際の等価回路を示している。図１３（ａ）で示されるようにスイッチＳ１、Ｓ２がいずれもａ側に接続されている場合には、ダイオード６８１にとっては逆方向電流となるため、ｘ位置センサである第２の位置検出シート６５側へは電流が流れない。直流定電源７３から供給された電流は、抵抗７２とダイオード６７１を経て第１の位置検出シート６１の抵抗６１３_１〜６１３_ｍ、共通電極６３を流れる。抵抗６１３_ｉの抵抗値をＲ_ｙｉ、抵抗７２の抵抗値をＲ_ｓとすると、このときのバッファ７１の入力電圧Ｖｙは以下の式で表される。

また、図１３（ｂ）で示されるようにスイッチＳ１、Ｓ２がいずれもｂ側に接続されている場合には、ダイオード６７１にとっては逆方向電流となるため、ｙ位置センサである第１の位置検出シート６１側へは電流が流れない。直流定電源７３から供給された電流は、抵抗７２とダイオード６８１を経て第２の位置検出シート６５の抵抗６５３_１〜６５３_ｎ、共通電極６３を流れる。抵抗６５３_ｉの抵抗値をＲ_ｘｉとすると、このときのバッファ７１の入力電圧Ｖｘは以下の式で表される。

つまり、Ｖｘ、Ｖｙはそれぞれ、接触位置のｘ方向位置ｎ、ｙ方向位置ｍに依存するのであり、Ｖｘ、Ｖｙから接触位置のｘ方向位置ｎ、ｙ方向位置ｍを求めることができる。ここで、抵抗値を適宜設定することで、位置ｎ、ｍに対して、Ｖｘ、Ｖｙを線形変化させることができる。このように設定すると、Ｖｘ、ＶｙをＡ／Ｄ変換して接触座標位置を求めるのが容易になる。

例えば、検出導電体の総本数がＬのとき、ｎ番目のレーン接触時に発生する検出電圧Ｖｘについて以下の（３）式が成り立つとする。

ここで、総抵抗を（２）式の分母の抵抗６５３_１〜６５３_ｎの和を総抵抗Ｒｘ（ｎ）とすると、以下の（４．１）式が成り立ち、これを変形すると、（４．２）式が成立する。

（４．２）式に（３）式を代入すると、総抵抗Ｒｘ（ｎ）は、

で表すことができ、Ｒｘ（ｎ）＝Ｒ（ｎ）−Ｒ（ｎ−１）で表される。

例えば、Ｌ＝１０の場合で、Ｒｓが１ｋΩ、Ｖref＝１０Ｖの場合には、６５３_１〜６５３_１０の抵抗値を以下の表に示されるように設定すると、表に示されるように線形出力が得られる。

ここでは、配線や導電体６５１の抵抗、ダイオード６８１による電圧ドロップは考慮していないが、これらを考慮して各抵抗値を設定するとより好ましい。ｙ方向位置（第１の位置検出シート６１）についても同様である。

図１４は、測定処理の詳細を示すフローチャートである。最初に、スイッチＳ１、Ｓ２をａ側に接続する（ステップＳ２１）。そして、Ａ／Ｄコンバータ７５が入力されたＶｙをＡ／Ｄ変換する（ステップＳ２２）。変換後、まず、Ｖｙが略０でないかを検査する（ステップＳ２３）。Ｖｙ≒０の場合には、配線が短絡している可能性があるため、配線のショート処理へと移行する（ステップＳ２４）。Ｖｙが略０でない場合には、さらにＶｙがＶrefに略等しいかを調べる（ステップＳ２５）。ＶｙがＶrefに略等しい場合には、非接触状態であるとして非接触を出力して（ステップＳ２６）、処理を終了する。ＶｙがＶrefに略等しくない場合、つまり、０より大きく、Ｖref未満の場合には、Ｖｙの値から接触座標位置を求める（ステップＳ２７）。ここで、ＭＣＵ７６は、Ｖｙ電圧と座標の関係をデータベースまたは換算式として格納しており、それをもとに座標値を求めるとよい。次に、接触座標位置の換算に成功したかを調べる（ステップＳ２８）。例えば、ｙ座標の異なる２カ所で同時に接触が起こった場合には、１点で接触した場合と異なる電圧値が出力されるため換算ができない場合があり、これを判別する必要があるからである。換算に成功した場合は、換算したｙ座標を出力し（ステップＳ２９）、不成功の場合には、処理を終了する。

ステップＳ２９でｙ座標を出力した後は、ｘ座標の検出処理へと移行する（ステップＳ３０）。ここでは、スイッチＳ１、Ｓ２をｂ側に接続して、ステップＳ２２〜Ｓ２９と同様の処理を行うことで、接触位置のｘ座標値を求める。

このとき、図１５に示されるように、スイッチＳ１、Ｓ２をａ側とｂ側に周期的に切り替え、切替位置においてＡ／Ｄ変換を１回ずつおこなうことで、ｘ座標とｙ座標を個別に求めることができる。したがって、高速での検出が可能であり、また、演算能力を要しないため、簡単な構成の検出回路で高精度の検出が可能となる。さらに、接続が２線ですむため、省線化が可能である。

さらに、図１６に示されるように、位置検出シート６５（６１）の抵抗にシート抵抗６５５を用いると、センサの薄型化と製造コストの低減化が図れる。このシート抵抗６５５は、印刷により形成しても、ＩＴＯ、カーボン、酸化金属皮膜等を接着または蒸着により形成してもよいし、線状抵抗体を接着またはハンダ付けにより形成してもよい。この抵抗体の総抵抗は、図１７に示されるように設定すると、線形的な出力変化が得られる。

これらの接触センサ６は、上述したロボット４に用いることができるほか、図１８に示されるセンサパネル８等の入力装置やタッチパネル、デジタイザー等にも適用可能である。

以上の説明では、絶縁スペーサ１２、６２、６４には周期的に丸い孔を配置する例を説明したが、開口はこれにかぎられるものではなく、両側に配置される導電面同士が所望の接触力が作用しない限り接触しないように維持することが可能であればどのような形状、配置の開口であってもよい。

本発明にかかる接触検出装置に用いられる接触センサの第１の実施形態を示す分解斜視図である。 図１の接触センサの接触検出時の断面図である。 図１の接触センサの接続例を示す図である。 図３の第１系列の検出部３３の詳細構成を示す回路図である。 図３の第２系列の検出部３４の詳細構成を示す回路図である。 図１に示される接触センサ１をロボット４の衝突検知センサとして配置した例を示している。 ロボット４における衝突検知動作のフローチャートである。 図１の接触センサの別の配置形態を示したものである。 図８の装置における接触検出処理のフローチャートである。 本発明にかかる接触検出装置に用いられる第２の形態の接触センサ６を示す分解斜視図である。 図１０の装置の第２の位置検出シート６５の構成図である。 図１０の接触センサの接触検出時の断面図である。 図１０の装置においてスイッチ回路７４をそれぞれａ側、ｂ側に接続した際の等価回路である。 図１０の装置の測定処理の詳細を示すフローチャートである。 測定処理のタイミングチャートである。 図１０の装置の第２の位置検出シート６５の別の構成図である。 図１６の抵抗体の抵抗設定例である。 図１０の装置の適用例を示す図である。

符号の説明

１、６…接触センサ、２…コネクタ、３、７…検出回路、４…ロボット、５…処理回路、８…センサパネル、９…絶縁面、１０…柔軟シート、１１、１３…導電シート、１２…絶縁スペーサ、３０…マイコン、３１…ＯＲ回路、３２〜３４…検出部、３５…検出部、４０…ベース、４１〜４５…関節、４６…制御機構、４７…制御回路、５０…マイコン、５１…バッファ、５２…抵抗、５３…直流定電源、５４…スイッチ回路、６０…柔軟シート、６１、６５…位置検出シート、６２、６４…絶縁スペーサ、６３…共通電極、６６〜６９…配線、７１…バッファ、７２…抵抗、７３…直流定電源、７４…スイッチ回路、７５…コンバータ、１２１…孔、１４０、１４１、１５０、１５１…導線、１４５…ダイオード、３２０…基準電圧発生回路、３２１…コンパレータ、３２２…抵抗、３２３…直流定電源、３３１…バッファ、３３２…抵抗、３３３…直流定電源、６１１、６５１…導電体、６１２、６５２…パターン、６１３、６５３…抵抗、６２１、６４１…開口、６５０…絶縁体シート、６５４…出力部、６５５…シート抵抗、６７１…ダイオード、６８１…ダイオード。

Claims (4)

1. シート状の絶縁体のシート面に多数の開口が形成されているスペーサと、
   シート状の導電体からなり、前記スペーサをはさんで配置される２枚の導電体シートと、
   前記導電体シートの一方から絶縁されて該導電体シートを覆って配置される柔軟シートとを備える接触センサ複数個を前記導電体シートへ接続される配線を利用して並列または直列に接続して検出回路へと接続している接触検出装置。
2. 前記接触センサ２個が検出回路と並列に接続されており、各接触センサと検出回路との間に配置される電流方向を異なる方向に切り替えるスイッチと、スイッチと各接触センサとの間にそれぞれの順方向が逆方向となるよう配置されたダイオードと、を備えていることを特徴とする請求項１記載の接触検出装置。
3. シート状の導電体からなり、第１の配線に接続されている共通電極と、
   シート状の絶縁体からなり、シート面に多数の開口が形成され、前記共通電極の上下面にそれぞれ配置される２枚のスペーサと、
   複数枚の短冊状の導電体をそれらの長手方向が第１の方向に沿うよう並行に並べて配置し、隣接する導電体の長手方向の一方の端部間を抵抗により接続して端部抵抗と第１のダイオードを介して第２の配線に接続されるとともに、前記スペーサの一方を介して前記共通電極の下面に配置される第１の電極シートと、
   複数枚の短冊状の導電体をそれらの長手方向が前記第１の方向に直交する第２の方向に沿うよう並行に並べて配置し、隣接する導電体の長手方向の一方の端部間を抵抗により接続して端部抵抗と第１のダイオードと逆方向を順方向とする第２のダイオードを介して前記第２の配線に接続されるとともに、前記スペーサの他方を介して前記共通電極の上面に配置される第２の電極シートと、
   前記第２の電極シート上に前記第２の電極シートから絶縁されて配置される柔軟シートと、
   前記第１の配線と前記第２の配線とそれぞれスイッチを介して接続され、電流方向が異なる２方向における前記第１の配線と第２の配線間の抵抗変化を測定する測定手段と、
   を備えていることを特徴とする接触検出装置。
4. 可動部と制御機構を有するロボットであって、可動部に請求項１〜３のいずれかに記載の接触検出装置を備えており、前記制御機構は、接触位置情報に応じて障害物との接触を検出し、停止ないし回避動作を行わせることを特徴とするロボット。

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