(57)【要約】      （修正有）【課題】表面の材料や、測定箇所の傾きに影響を与える形状や姿勢が未知である対象物との距離を計測可能なアレイ型近接覚センサを提供する。【解決手段】アレイ型近接覚センサ１００であって、基板部３と、複数の受光素子２１と、複数の発光素子１１〜１４と、同期検波回路とを備え、受光素子は、その間に発光素子を２個以上配置可能な間隔で基板部上に列状に配置され、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、発光素子は、受光素子と列状配置で次に位置する受光素子との間に２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号及び第２変調信号を用いて発光可能に構成され、同期検波回路は、１個の受光素子が出力する光電流の特定成分の位相を検出可能に構成され、特定成分は、１個の前記受光素子に対して両側に２個ずつ位置する計４個の前記発光素子から照射され、位相は、対象物までの距離の関数で表される。【選択図】図２
2020201072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ型近接覚センサであって、
基板部と、複数の受光素子と、複数の発光素子と、同期検波回路とを備え、
前記受光素子は、
その間に発光素子を２個以上配置可能な間隔で前記基板部上に列状に配置され、
外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、
前記発光素子は、
前記受光素子と列状配置で次に位置する前記受光素子との間に２個ずつ配置され、
互いに直交する第１変調信号及び第２変調信号を用いて発光可能に構成され、
前記同期検波回路は、
１個の前記受光素子が出力する前記光電流の特定成分の位相を検出可能に構成され、
ここで、前記特定成分とは、１個の前記受光素子に対して両側に２個ずつ位置する計４個の前記発光素子から照射され、且つ対象物を反射した合成反射光に起因する成分で、前記位相は、前記対象物までの距離の関数で表される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記受光素子は、
前記基板部上の閉じていない１本の線状領域に配置され、
前記発光素子は、
前記線状領域の両端部にさらに２個ずつ配置される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項３】
請求項１に記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記受光素子は、
前記基板部上の１本の閉曲線領域に偶数個設けられる、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れかにに記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記第１変調信号と前記第２変調信号は、
同一周波数で互いに９０°の位相差を有する信号で、
前記発光素子は、
ｎ番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第１変調信号で変調され、
（ｎ＋１）番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第２変調信号で変調される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項５】
請求項１に記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記基板部は、直行する２方向にそれぞれ配置された２つの線状領域群からなる２次元格子領域を有し、
前記線状領域群は同一方向に平行配置された線状領域から構成され、
前記受光素子は、
前記基板部の前記２次元格子領域の交点に配置され、
前記発光素子は、
前記２次元格子領域を構成する前記線状領域の両端部にはさらに２個ずつ配置される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項６】
請求項５に記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記第１変調信号と前記第２変調信号は、
同一周波数でかつ互いに９０°の位相差を有する信号であり、
前記発光素子は、
前記線状領域群を、一方向の線状領域群をＧＡ、及び前記線状領域群ＧＡに直交する線状領域群をＧＢと定義すると、
前記線状領域群ＧＡの中のｍ番目の前記線状領域では、
ｎ番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第１変調信号で変調され、
（ｎ＋１）番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第２変調信号で変調され、
前記線状領域群ＧＡの中の（ｍ＋１）番目の前記線状領域では、
ｎ番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第２変調信号で変調され、
（ｎ＋１）番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第１変調信号で変調され、
前記線状領域群ＧＢにおいては、
前記線状領域群ＧＡで両隣の前記発光素子が第１変調信号で変調される前記受光素子の両隣の前記発光素子は第１変調信号で変調され、
前記線状領域群ＧＡで両隣の前記発光素子が第２変調信号で変調される前記受光素子の両隣の前記発光素子は第２変調信号で変調される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項７】
請求項１〜請求項３又は請求項５の何れか１つに記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
前記第１変調信号と前記第２変調信号は、
同一周波数で互いに９０°の位相差を有する信号で、
前記受光素子を挟む位置に位置する２個の前記発光素子は、
一方の前記発光素子は前記第１変調信号で変調され、
他方の前記発光素子は前記第２変調信号で変調される、
アレイ型近接覚センサ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか１つに記載のアレイ型近接覚センサにおいて、
受光素子カバーをさらに備え、
受光素子カバーはピンホールを有し、
前記受光素子は、
前記ピンホールを介して外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成される、
アレイ型近接覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ型近接覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業、商業、農業などの産業界、手術などの医療界、さらには家庭においてもロボットの活用が急激に進んでいる。その中で、対象物を把持する機能を有するロボットにおいて、寸法や形状さらには材質が異なる対象物との距離を広範囲かつ高精度に計測可能なロボットが求められている。
広範囲な計測範囲をもつ近接覚センサとして特許文献１が提案されている。特許文献１では複数の光センサを列状に並べた構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−８５２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、個々の光センサは１個の発光素子と１個の受光素子で構成されている。その受光素子が受光する光（赤外線）の強度が対象物と近接覚センサとの距離に応じて変化する原理を利用して距離を計測している。しかしながら、一般に受光強度は距離のみの関数では無く、対象物の反射率や傾きによっても変化する。そのため、反射率に影響を与える表面の材料や、測定箇所の傾きに影響を与える形状や姿勢が未知である対象物との距離を正確に計測することが出来ないという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、反射率に影響を与える表面の材料や、測定箇所の傾きに影響を与える形状や姿勢が未知である対象物との距離を、広範囲かつ高精度で計測可能なアレイ型近接覚センサ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】
【０００６】
本発明によれば、アレイ型近接覚センサであって、基板部と、複数の受光素子と、複数の発光素子と、同期検波回路とを備え、前記受光素子は、その間に発光素子を２個以上配置可能な間隔で前記基板部上に列状に配置され、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、前記発光素子は、前記受光素子と列状配置で次に位置する前記受光素子との間に２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号及び第２変調信号を用いて発光可能に構成され、前記同期検波回路は、１個の前記受光素子が出力する前記光電流の特定成分の位相を検出可能に構成され、ここで、前記特定成分とは、１個の前記受光素子に対して両側に２個ずつ位置する計４個の前記発光素子から照射され、且つ対象物を反射した合成反射光に起因する成分で、前記位相は、前記対象物までの距離の関数で表される、アレイ型近接覚センサが提供される。
【０００７】
本発明に係るアレイ型近接覚センサでは、列状に並んだ個々の受光素子の両側にそれぞれ２個の発光素子を配置することで、１個の受光素子の計測には４個の発光素子を活用し、また、１個の発光素子はその両側に位置する２個の受光素子での計測に活用することが可能となる。この構成のアレイ型近接覚センサは、反射率に影響を与える表面の材料や、測定箇所の傾きに影響を与える形状や姿勢が未知である対象物との距離を、広範囲かつ高精度で計測を実行することが出来るという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の部分斜視図。
【図２】距離計測モードの原理を説明する図。
【図３】アレイ型近接覚センサ１００と２種類の変調信号の接続図。
【図４】傾き計測モードの原理を説明する図。
【図５】本実施形態に係る同期検波回路の回路図。
【図６】第２実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の斜視図。
【図７】第３実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の部分斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
【００１０】
１．全体構成
第１章では、第１実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の概要を示す部分斜視図である。図１に示すとおり、本アレイ型近接覚センサ１００は、基板部３の上に、発光素子１１、１２、１３、１４、１５、１６と、受光素子２１、２２を備える。ここでは個々の動作を区別しない発光素子は１Ｘ、受光素子は２Ｙと呼ぶこととする。第１実施形態では、全ての発光素子１Ｘと受光素子２Ｙが平面上である基板部３表面上の、図１中ｙ軸方向に直線状である線状領域に配置されている。ここで、基板部３表面は曲面であっても良く、また発光素子１Ｘと受光素子２Ｙの配置は曲線状であっても構わない。図１中、アレイ型近接覚センサ１００は右側に延伸しているものとしているが、全体の長さは制限されない。発光素子１Ｘは図中ｚ軸方向に拡がりを持って発光し、受光素子２ＹはＺ軸方向から来た光（外部光）で光電流を発生可能に構成される。
【００１１】
発光素子１Ｘと受光素子２Ｙの並び方について説明する。図１中線状領域の左端には発光素子１１、１２の２個の発光素子１Ｘが配置される。それ以降、受光素子２Ｙが１個と発光素子１Ｘが２個の繰り返しとなっている。換言すると、受光素子２Ｙは、基板部３上の閉じていない１本の線状領域に、間に発光素子を２個以上配置可能な間隔で設けられ、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成される。また、前記発光素子１Ｘは、線状領域の両端部には２個ずつ、前記受光素子２Ｙと列状配置で次に位置する前記受光素子２Ｙの間にも２個ずつ配置される。以下、各構成要素について更に説明する。
【００１２】
＜発光素子１Ｘ＞
発光素子１Ｘは、拡がりをもつ光を照射する素子で、その周波数帯は特に限定されるものではないが、例えば赤外光や可視光が採用されうる。後述する様に本実施形態における発光素子１Ｘは、第１変調信号および第２変調信号で変調処理を行うため、応答速度が早い素子が望まれる。具体的には例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が好ましい。発光ダイオードはアノード側に電源のプラス側を接続することによって、電流が流れて特定周波数の光を照射するもので、流れる電流の強さ（ＯＮ／ＯＦＦ制御含む）で発光強度を変調させることが可能である。個々の発光素子１Ｘに関する変調については後述する。
【００１３】
＜受光素子２Ｙ＞
受光素子２Ｙは、受光した光を検知する素子で、これを契機として光電流Ｉ＿Ｌを発生する。例えば、光電管、光電子増倍管、半導体の内部光電効果を利用したフォトトランジスタ、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光導電セル、イメージセンサ等が挙げられる。好ましくは、センサ出力応答を高速化するために鋭い指向性を有するフォトダイオードが採用されうる。
【００１４】
＜基板部３＞
基板部３は、アレイ型近接覚センサ１００の筐体としての機能、及び発光素子１Ｘおよび受光素子２Ｙと電子回路との接続機能を有する。図１では発光素子１Ｘと受光素子２Ｙを配置する基板部３表面の線状領域のみを示しているが、基板部３全体の形状は任意である。また、基板部３を可撓性があるシート状とし、ロボット本体などの表面（曲面含む）にアレイ型近接覚センサ１００を貼り付ける構造とすることも可能である。
＜同期検波回路５＞
同期検波回路５は、振幅変調やデジタル変調など、搬送波を持つ変調された信号を復調する回路であるが、本実施形態においては、受光素子２Ｙが外部光（所望の合成反射光と環境光とが混在）を受光して発生した光電流Ｉ＿Ｌのうち、所望の合成反射光に係る特定成分（例えば１個の受光素子２１においては、受光素子２１の両側に位置する４個の発光素子１１、１２、１３、１４から照射されかつ対象物ＯＢＪにて拡散反射した合成反射光に起因する成分）の位相を検出する。特に、かかる位相が対象物ＯＢＪまでの距離の関数として表されることに留意されたい。同期検波回路５の構成の詳細については、第３章においてさらに詳述する。
【００１５】
２．計測原理
第２章では、アレイ型近接覚センサ１００の計測原理について説明する。アレイ型近接覚センサ１００は、対象物ＯＢＪにおける物体面ＳＦの光の反射率に依存せずに、対象物ＯＢＪまでの距離と、対象物ＯＢＪの反射点ＲＰにおける傾き（姿勢）とを計測することができる。ここで、距離を計測する際の動作と傾きを計測する際の動作とが異なるため、それぞれの動作態様を「距離計測モード」及び「傾き計測モード」と定義する。すなわち、アレイ型近接覚センサ１００は、距離計測モードと傾き計測モードとを切替可能に構成される。以下、距離計測モードと傾き計測モードとについて、それぞれ詳述する。
【００１６】
２．１  距離計測モード
図２に１個の受光素子２１に関する距離計測モードを説明する図を示す。受光素子２１の距離計測には受光素子２１の左側に２個配置された発光素子１１、１２及び右側に配置された２個の発光素子１３、１４を使用する。ここでは、受光素子２１に近い位置に配置された発光素子１２、１３に第１変調信号ＳＧ１が、受光素子２１から遠い位置に配置された発光素子１１、１４に第２変調信号ＳＧ２が、供給されている。この第１変調信号ＳＧ１と第２変調信号ＳＧ２は互いに直交している変調信号である点に留意されたい。ここでは、第１変調信号ＳＧ１として（１＋ｓｉｎωｔ）、第２変調信号ＳＧ２として９０°の位相差を有する（１＋ｃｏｓωｔ）を供給した場合について数式を用いて説明する。
【００１７】
受光素子２１に流れる光電流Ｉ＿Ｌは、発光素子１１、１２、１３、１４に照らされた対象物ＯＢＪにおける物体面ＳＦ上の反射点ＲＰにおける拡散反射の放射照度に比例する。発光素子１１、１２、１３、１４は点光源に近似できるから、対象物ＯＢＪの物体面ＳＦの反射点ＲＰでの放射照度は光路の逆二乗に比例する。また、物体面ＳＦは拡散反射であるため、放射照度は光の入射角の余弦と物体面ＳＦの反射率αに比例する。したがって、光電流Ｉ＿Ｌは［数１］で与えられる。
【数１】
2020201072.tif 000003
ここで、ｃは放射照度から光電流Ｉ＿Ｌへの変換係数であり、Ｉ＿０とＩ＿９０はそれぞれ位相０度の信号（第１変調信号ＳＧ１）と９０度の信号（第２変調信号ＳＧ２）による発光素子１１、１２、１３、１４の発光強度である。また、ωは発光素子１１、１２、１３、１４の発光周波数（変調周波数）、ａは受光素子２１と発光素子１２、１３との配置間隔、ｂは受光素子２１と発光素子１１、１４の配置間隔、ｄは受光素子２１および発光素子１Ｘと、対象物ＯＢＪにおける物体面ＳＦ上の反射点ＲＰとの距離、δは物体面ＳＦの傾き角度、θ＿１及びθ＿２は反射点ＲＰに対する発光素子１１、１２、１３、１４の光の入射角である。光電流Ｉ＿Ｌの時間変化はωを含む項が支配的であるから、光電流Ｉ＿Ｌの時間変化は［数２］で与えられる。
【数２】
2020201072.tif 000004
【００１８】
ここで、Ａは光電流Ｉ＿Ｌ時間変化の振幅であり、位相φ（ｄ）は［数３］で与えられる。
【数３】
2020201072.tif 000005
【００１９】
距離計測モードでの位相φ（ｄ）は、物体面ＳＦの反射率αと傾き角度δを含まないため、位相φ（ｄ）を検出することで物体面ＳＦの反射率と傾き角度に依存しない距離計測が可能となる。換言すると、受光素子２１の両隣に位置する発光素子１２と発光素子１３は第１変調信号ＳＧ１で発光させ、その外側に位置する発光素子１１と発光素子１４を第２変調信号ＳＧ２で発光させることにより、対象物ＯＢＪまでの距離ｄを計測可能な距離計測モードとして動作する。
【００２０】
図２では受光素子２１上に受光素子カバー４を設けている。受光素子カバー４にはピンホールＰＨが開いており、反射点ＲＰからの光はこのピンホールＰＨを通って受光素子２１に到達することが出来るそれに対して受光素子２１の距離計測の対象でない場所からの光は受光素子カバー４で遮られるため、光電流Ｉ＿Ｌに含まれるノイズ成分が小さくなり、結果としてより高精度での距離計測が可能となる。
【００２１】
以上は１個の受光素子２１に関する４個の発光素子１１、１２、１３、１４の変調に関して説明したが、続いて受光素子２Ｙが複数個であるアレイ型近接覚センサ１００である場合について説明する。図３に、２個の受光素子２１、２２を有するアレイ型近接覚センサ１００の発光素子１Ｘに第１変調信号ＳＧ１と第２変調信号ＳＧ２を接続する様子を示す。第１変調信号ＳＧ１は発光素子１２、１３、１６に供給され、第２変調信号ＳＧ２は発光素子１１、１４、１５に供給されている。受光素子２１および受光素子２２の両側２個ずつの発光素子１Ｘに注目すると、受光素子２１では、両隣の発光素子１２、１３に第１変調信号ＳＧ１が、その外側の発光素子１１、１４に第２変調信号ＳＧ２が供給されている。逆に受光素子２２では、両隣の発光素子１４、１５に第２変調信号ＳＧ２が、その外側の発光素子１３、１６に第１変調信号ＳＧ１が供給されている。
【００２２】
第１変調信号ＳＧ１と第２変調信号ＳＧ２を互いに位相差が９０°である信号とした場合、受光素子２２も、その両隣の発光素子とその外側の発光素子の位相差が９０°であるという観点で受光素子２１と同様であり、Ｉ＿０とＩ＿９０の入れ替えのみで［数１］〜［数３］の計算式をそのまま活用することが出来る。換言すると、本実施形態のアレイ型近接覚センサ１００は、第１変調信号と前記第２変調信号は、同一周波数で互いに９０°の位相差を有する信号で、発光素子は、ｎ番目の受光素子２１の両隣の前記発光素子１２、１３は第１変調信号ＳＧ１で変調され、（ｎ＋１）番目の受光素子２２の両隣の発光素子１４、１５は前記第２変調信号ＳＧ２で変調される。
【００２３】
図３において、発光素子１３、１４は受光素子２１と受光素子２２両方の距離計測に活用される点に留意されたい。そのため、１個の受光素子２Ｙの距離計測には４個の発光素子１Ｘを活用するが、隣接する受光素子２１と受光素子２２の間には発光素子を４個ではなく２個だけ配置できれば両方の受光素子を同時に距離計測に用いることが可能となる。そのため、複数の受光素子２Ｙは、間に発光素子１Ｘを２個配置可能な間隔を取れば充分であり、図３中ｙ軸方向に高い密度で受光素子を配置し、結果ｙ軸方向に高い分解能で対象物ＯＢＪとの距離を計測することが可能である。
【００２４】
２．２  傾き計測モード
図４に１個の受光素子２１に関する傾き計測モードを説明する図を示す。傾き計測モードでは、発光素子１１を第１変調信号ＳＧ１（１＋ｓｉｎωｔ）によって発光させ、発光素子１４を第２変調信号ＳＧ２（１＋ｃｏｓωｔ）によって発光させる。換言すると、第１変調信号と第２変調信号は、同一周波数で互いに９０°の位相差を有する信号で、受光素子２１を挟む位置に配置された２個の発光素子１１、１４は、一方の発光素子１１は第１変調信号ＳＧ１で変調され、他方の発光素子１４は第２変調信号で変調される。このとき、傾き計測モードでの光電流Ｉ＿Ｌは［数４］で与えられる。
【数４】
2020201072.tif 000006
【００２５】
距離モードと同様に、光電流Ｉ＿Ｌの時間変化はωを含む項が支配的であるから、光電流Ｉ＿Ｌの時間変化は［数５］で与えられる。
【数５】
2020201072.tif 000007
【００２６】
ここで、Ｂは傾きモードでの光電流Ｉ＿Ｌ時間変化の振幅であり、位相φ（δ，ｄ）は［数６］で与えられる。
【数６】
2020201072.tif 000008
【００２７】
傾きモードでの位相φ（δ，ｄ）は、物体面ＳＦの反射率αを含まないから、物体面ＳＦの反射率αに依存しない傾き計測が可能である。ただし、位相φ（δ，ｄ）は距離ｄを含むため、距離モードでの計測値を基に位相φの補正を行い、傾き角度δを検出する。なお、ここでは発光素子１１、１４の２個を使用する場合を説明したが、発光素子１１、１４の代わりに発光素子１２、１３を用いても良いし、全ての発光素子１１、１２、１３、１４を用いても良い。全ての発光素子１Ｘを用いる場合では、発光素子１１、１２には第１変調信号ＳＧ１を、発光素子１３、１４には第２変調信号ＳＧ２を供給すれば良い。
【００２８】
３．同期検波回路の構成
第３章では、図５を参照しながら同期検波回路５の構成について詳述する。同期検波回路５は、電流電圧変換アンプ５１と、ハイパスフィルタ５２と、ロックインアンプ５３ａ、５３ｂと、ローパスフィルタ５４ａ、５４ｂと、マイクロコントローラボード５５とから構成される。
【００２９】
まず、第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２が、２つの発光素子群１Ｇ１、１Ｇ２にそれぞれ入力される。発光素子群１Ｇ１、１Ｇ２の組合せはモードごとに異なるが、詳細は第１章及び第２章において説明した通りである。
【００３０】
そして、発光素子群１Ｇ１、１Ｇ２を構成する各発光素子１Ｘから光が照射され、対象物ＯＢＪにおける物体面ＳＦで反射して受光素子２Ｙがこれを受光する。これによって流れる光電流Ｉ＿Ｌは、電流電圧変換アンプ５１によって光電圧Ｖ＿Ｌに変換されるとともにその低周波成分がハイパスフィルタ５２によって除去される。
【００３１】
続いて、かかる光電圧Ｖ＿Ｌを、第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２を参照信号として、２位相式のロックインアンプ５３ａ、５３ｂに入力する。得られた出力に対してローパスフィルタ５４ａ、５４ｂによって高周波成分を除去し、マイクロコントローラボード５５に入力して演算させることで、高精度に所望の位相φが検出される。
【００３２】
このような構成によれば、個々の受光素子２Ｙにおいて一般的な距離センサの２０倍以上の距離分解能を持ち、１ミリ秒以内で距離と傾きを計測することが可能である。本実施形態ではアレイ型近接覚センサ１００は複数の受光素子２Ｙを有しているが同期検波回路５は受光素子２Ｙの個数分用意しても良いし、回路の一部は共有として時分割で処理することも可能である。
【００３３】
４．変形例
アレイ型近接覚センサ１００をさらに創意工夫してもよい。
【００３４】
第１実施形態では、発光素子１Ｘと受光素子２Ｙが閉じていない１本の線状に配置されたアレイ型近接覚センサ１００を説明したが、発光素子１Ｘと受光素子２Ｙを閉曲線上に配置することも可能である。第２実施形態として、発光素子１Ｘと受光素子２Ｙを円環状に配置したアレイ型近接覚センサ１００の斜視図を図６に示す。ここで受光素子２Ｙは偶数個（２１、２２、２３、２４）設けられている点に留意されたい。各受光素子の間には発光素子１Ｘが２個ずつ配置された構成となっている。
【００３５】
図６の様に受光素子２Ｙを偶数個配置し、第１変調信号ＳＧ１を発光素子１１、１４、１５、１８に供給し、第２変調信号ＳＧ２を発光素子１２、１３、１６、１７に供給すれば、全ての受光素子２Ｙに関して、両隣に位置する発光素子１Ｘとその外側に位置する発光素子１Ｘに異なる変調信号を供給することが出来る。したがって、第１実施形態と同様の手法で各受光素子２Ｙに関して距離計測を実行することが可能となる。
【００３６】
換言すると、第２実施形態のアレイ型近接覚センサは、基板部３と、複数の発光素子１Ｘと、複数の受光素子２Ｙと、同期検波回路５とを備え、受光素子２Ｙは、基板部３上の１本の閉曲線領域に、間に発光素子１Ｘを２個以上配置可能な間隔で偶数個設けられ、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、発光素子１Ｘは、受光素子と当該受光素子の両側に隣接する受光素子の間に２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２を用いて発光可能に構成される。
【００３７】
さらなる変形例である第３実施形態として、２次元状に配置したアレイ型近接覚センサ１００も構成可能である。図７に第３実施形態に係るアレイ型近接覚センサ１００の部分斜視図を示す。図７に示す通り、基板部３上に、ｘ軸方向に直線状に並んだ発光素子１Ｘと受光素子２Ｙの線状領域群（１次元アレイ群）と、それと直交するｙ軸方向に直線状に並んだ発光素子１Ｘと受光素子２Ｙの線状領域群（１次元アレイ群）により、２次元格子状のアレイを構成している。ここで、受光素子２Ｙはｘ軸方向の線状領域とｙ軸方向の線状領域の交点に配置されており、隣り合う２個の受光素子２Ｙの間には発光素子１Ｘが２個配置されている点に留意されたい。すなわち１本の線状領域における発光素子１Ｘおよび受光素子２Ｙの配置は第１章で説明した第１実施形態と同一である。
【００３８】
また、図７から明らかな様に、２次元格子を構成する最小単位となる４個の受光素子２１、２２、２３、２４からなる四角形は、第２実施形態で説明した条件を満たしている。すなわち、受光素子２Ｙは１本の閉曲線領域である四角形に、間に発光素子１Ｘを２個以上配置可能な間隔で偶数個（４個）設けられ、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、発光素子１Ｘは、受光素子２Ｙと当該受光素子２Ｙの両側に隣接する受光素子２Ｙの間に２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２を用いて発光可能に構成される。
【００３９】
換言すると、第３実施形態は２次元のアレイ型近接覚センサであって、基板部３と、複数の発光素子１Ｘと、複数の受光素子２Ｙとを備え、基板部３は、直行する２方向にそれぞれ配置された２つの線状領域群からなる２次元格子領域を有し、その線状領域群は同一方向に平行配置された線状領域から構成され、受光素子２Ｙは基板部の２次元格子領域の交点に配置され、外部光を受光するとともに光電流を発生可能に構成され、発光素子１Ｘは、２次元格子領域を構成する線状領域の両端部には２個、受光素子２Ｙと、当該受光素子２Ｙから４方向に列状配置で次に位置する前記受光素子２Ｙの間にはそれぞれ２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２を用いて発光可能に構成される。
【００４０】
第３実施形態では以下の通りに変調信号を供給すれば良い。ここでは簡単のため４個の受光素子２１、２２、２３、２４からなる四角形の辺に位置する発光素子１１〜１８、及び受光素子２２の外側に位置する発光素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄについて説明する。図７において、第１変調信号ＳＧ１を発光素子１１、１４、１５、１８、１Ｂ、１Ｄに供給し、第２変調信号ＳＧ２を発光素子１２、１３、１６、１７、１Ａ、１Ｃに供給する。説明は省略するが、受光素子２２以外に関する四角形の外側の発光素子１Ｘにも同一規則で変調信号を供給すれば、全ての受光素子２Ｙ（２１、２２、２３、２４）に関して、両隣に位置する発光素子１Ｘとその外側に位置する発光素子１Ｘに異なる変調信号を供給することが出来る。したがって、第１実施形態と同様の手法で各受光素子２Ｙに関して距離計測を実行することが可能となる。すなわち第１変調信号ＳＧ１を（１＋ｓｉｎωｔ）、第２変調信号ＳＧ２を（１＋ｃｏｓωｔ）と設定すると、第２章で説明した距離計測及び傾き計測の手法が適用できる。具体的には例えば、受光素子２２に着目すると、発光素子１１、１２、１Ａ、１Ｃの組み合わせで距離及びｙｚ平面内の傾き、また発光素子１４、１３、１Ａ、１Ｂの組み合わせで距離及びｘｚ平面内の傾きを計測することが可能である。距離計測に関しては２組の発光素子１Ｘの組み合わせを両方活用することで精度を高めることが可能である。
【００４１】
換言すると、図７に示す第３実施形態のアレイ型近接覚センサでは、第１変調信号ＳＧ１と前記第２変調信号ＳＧ２は、同一周波数でかつ互いに９０°の位相差を有する信号であり、発光素子１Ｘは、線状領域群を一方向の線状領域群をＧＡ、及びその線状領域群ＧＡに直交する線状領域群をＧＢと定義すると、線状領域群ＧＡの中のｍ番目の前記線状領域では、ｎ番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は第１変調信号ＳＧ１で変調され、（ｎ＋１）番目の受光素子２Ｙの両隣の発光素子１Ｘは第２変調信号ＳＧ２で変調され、同一の線状領域群ＧＡの中の（ｍ＋１）番目の線状領域では、ｎ番目の前記受光素子の両隣の前記発光素子は前記第２変調信号ＳＧ２で変調され、（ｎ＋１）番目の受光素子２Ｙの両隣の発光素子１Ｘは第１変調信号ＳＧ１で変調され、線状領域群ＧＢにおいては、線状領域群ＧＡで両隣の発光素子１Ｘが第１変調信号ＳＧ１で変調される受光素子２Ｙの両隣の発光素子１Ｘは第１変調信号ＳＧ１で変調され、線状領域群ＧＡで両隣の１Ｘ発光素子が第２変調信号ＳＧ２で変調される前記受光素子２Ｙの両隣の発光素子１Ｘは第２変調信号ＳＧ２で変調される。
【００４２】
５．結言
以上のように、本実施形態によれば、反射率に影響を与える表面の材料や、測定箇所の傾きに影響を与える形状や姿勢が未知である対象物との距離を、広範囲かつ高精度で計測可能なアレイ型近接覚センサを実施することが出来る。
【００４３】
すなわち、アレイ型近接覚センサ１００であって、基板部３と、複数の受光素子２Ｙと、複数の発光素子１Ｘと、同期検波回路５とを備え、前記受光素子２Ｙは、その間に発光素子１Ｘを２個以上配置可能な間隔で前記基板部３上に列状に配置され、外部光を受光するとともに光電流Ｉ＿Ｌを発生可能に構成され、前記発光素子１Ｘは、前記受光素子２Ｙおよび列状配置で次に位置する前記受光素子２Ｙの間に２個ずつ配置され、互いに直交する第１変調信号ＳＧ１及び第２変調信号ＳＧ２を用いて発光可能に構成され、前記同期検波回路５は、個々の前記受光素子２Ｙが出力する前記光電流Ｉ＿Ｌの特定成分の位相を検出可能に構成され、ここで、前記特定成分とは、１個の前記受光素子２Ｙ毎の両側に位置する計４個の前記発光素子１Ｙから照射され、且つ対象物ＯＢＪを反射した合成反射光に起因する成分で、前記位相は、前記対象物までの距離の関数で表される、アレイ型近接覚センサ１００が提供される。
【００４４】
最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１００  ：アレイ型近接覚センサ
１１    ：発光素子
１２    ：発光素子
１３    ：発光素子
１４    ：発光素子
１５    ：発光素子
１６    ：発光素子
１７    ：発光素子
１８    ：発光素子
１Ａ    ：発光素子
１Ｂ    ：発光素子
１Ｃ    ：発光素子
１Ｄ    ：発光素子
１Ｘ    ：発光素子
１Ｇ１  ：発光素子群
１Ｇ２  ：発光素子群
２１    ：受光素子
２２    ：受光素子
２３    ：受光素子
２４    ：受光素子
２Ｙ    ：受光素子
３      ：基板部
４      ：受光素子カバー
ＰＨ    ：ピンホール
５      ：同期検波回路
５１    ：電流電圧変換アンプ
５２    ：ハイパスフィルタ
５３ａ  ：ロックインアンプ
５３ｂ  ：ロックインアンプ
５４ａ  ：ローパスフィルタ
５４ｂ  ：ローパスフィルタ
５５    ：マイクロコントローラボード
ＳＧ１  ：第１変調信号
ＳＧ２  ：第２変調信号
ＯＢＪ  ：対象物
ＳＦ    ：物体面
ＲＰ    ：反射点
ｄ      ：距離
α      ：反射率
δ      ：傾き角度
φ      ：位相
Ｉ＿Ｌ  ：光電流
Ｖ＿Ｌ  ：光電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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