(57)【要約】【課題】構成簡易ながら検知範囲を広く設定し得る上に死角が少なく、かつ接近感知部を軽量とすることが可能な真空用接触センサを得る。【解決手段】接近感知部１０は、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する第１および第２の導電性薄板１１，１２を、内外方向に互いに離間した状態でアーチ状に湾曲形成してなるものであり、マニピュレータ３の先端表面部の全域を覆うように配置されている。マニピュレータ３が他物体と衝突する前に接近感知部１０が他物体に当接して変形し、第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに接触または近接して電気的に導通したことを導通検出回路部２０が検出することにより、マニピュレータ３が他物体と接近したことを検知する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空環境下においてマニピュレータと他物体との接近を検知するために、該マニピュレータの表面部に配される接近感知部を備えてなる真空用接触センサであって、
前記接近感知部は、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する複数枚の導電性薄板を、内外方向に互いに離間した状態で湾曲形成して前記表面部の所定領域を覆うように該表面部から外方に向け凸状に配置してなるものであり、
前記マニピュレータが前記他物体と衝突する前に該他物体に前記接近感知部が当接して変形し、前記複数枚の導電性薄板が互いに接触または近接して電気的に導通したことを検出することにより、前記マニピュレータが前記他物体と接近したことを検知することを特徴とする真空用接触センサ。
【請求項２】
前記複数枚の導電性薄板は、それぞれアーチ状に湾曲形成されていることを特徴とする請求項１記載の真空用接触センサ。
【請求項３】
前記複数枚の導電性薄板は、それぞれステンレス鋼により形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の真空用接触センサ。
【請求項４】
無重力環境下または微小重力環境下において使用されるものであることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項記載の真空用接触センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空環境下においてマニピュレータと他物体との接近を検知するための真空用接触センサに関し、特に、人工衛星等に搭載されて使用されるのに好適な真空用接触センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットアーム等のマニピュレータが他物体と衝突するのを防止するための接触センサとしては、下記特許文献１に記載されたものが知られている。この接触センサは、ロボットアームの全体を囲むように光ファイバを螺旋状に配置したものや、ロボットアームの一側面に螺旋状に形成された光ファイバを剥き出しの状態あるいは弾性平板間に挟持された状態で配置したものを、接近感知部（本明細書では、接触センサにおいて他物体の接近を感知する部位のことを、このように称する）として備え、他物体との接触により光ファイバが変形して光ファイバ内の透過光量が変化することを検出することにより、ロボットアームと他物体との接近を検知するように構成されている。
【０００３】
一方、人工衛星等に搭載されて宇宙空間で使用されるマニピュレータが、地球観測用の光学機器等の他物体と衝突することを防止するためのセンサとしては、これまで非接触式のものが多く用いられている。非接触式のセンサは、レーザ測距の原理を利用したものや、物体の接近により磁界が変化する現象（下記特許文献２参照）を利用したものなどが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３２４９４２４号公報
【特許文献２】特公昭５６−２９２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の非接触式センサは、真空環境下での使用を考慮して、特別な真空対応型のセンサとして構成されていたり、真空ハウジング内に収納して用いられたりするものが多く、構造が複雑で製造コストも嵩むという問題がある。また、検出範囲が狭く死角が多いため、或る一定の方向からの他物体の接近しか検知できないという問題もある。
【０００６】
一方、上記特許文献１に記載の接触センサは、真空環境下で使用することが考慮されていないため、接近感知部に樹脂材料が多用されている。このため、真空環境下で使用した場合には、樹脂から発生する微少なガスが観測機器等の他物体に悪影響を及ぼす虞がある。また、ロボットアームの全体を囲むように光ファイバを配置してなる接近感知部を用いるものは、検知範囲を広くすることができるものの、互いに隣接する光ファイバ間の隙間から接近する他物体を検知することができないなど死角は多い。また、ロボットアームの一側面に、弾性平板間に挟持された螺旋状の光ファイバを配置してなる接近感知部を用いるものは、死角は少なくできるものの、検知範囲を広くしようとすると接近感知部が大きくなり重量が嵩むという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易ながら検知範囲を広く設定し得る上に死角が少なく、かつ接近感知部を軽量とすることが可能な真空用接触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】
【０００８】
本発明に係る真空用接触センサは、真空環境下においてマニピュレータと他物体との接近を検知するために、該マニピュレータの表面部に配される接近感知部を備えてなるものであって、
前記接近感知部は、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する複数枚の導電性薄板を、内外方向に互いに離間した状態で湾曲形成して前記表面部の所定領域を覆うように該表面部から外方に向け凸状に形成してなるものであり、
前記マニピュレータが前記他物体と衝突する前に該他物体に前記接近感知部が当接して変形し、前記複数枚の導電性薄板が互いに接触または近接して電気的に導通したことを検出することにより、前記マニピュレータが前記他物体と接近したことを検知することを特徴とする。
【０００９】
本発明の真空用接触センサにおいて前記複数枚の導電性薄板は、ドーム状や錐体状、折板状等の種々の形状に形成することができるが、形成が容易であることや検知範囲の増減に容易に対応し得ることを考慮すると、特に、それぞれがアーチ状に湾曲形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記複数枚の導電性薄板は、金属や黒鉛等の導電性物質で形成されたものや、このような導電性物質を樹脂に混合してなる電気伝導性樹脂により形成されたものを用いることができるが、ガスが発生しないことや耐食性、耐放射線性を考慮すると、特に、それぞれがステンレス鋼により形成されたものであることが好ましい。なお、複数枚の導電性薄板のうち最も外方（外側）に配された導電性薄板の外側の面に、絶縁処理や真空用塗装（ガスを発生しない塗料を用いる）を施してもよい。
【００１１】
また、本発明の真空用接触センサは、宇宙船や宇宙ステーション、人工衛星等に搭載されて、無重力環境下または微小重力環境下において使用されるものとすることができる。
【００１２】
本発明において「湾曲形成」とは、段差（折り目）が形成されないように滑らかに曲げる形成の仕方の他、段差が形成されるように折り曲げる形成の仕方も含む意である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る真空用接触センサによれば、上述の構成を備えたことにより、以下のような作用効果を奏する。
【００１４】
すなわち、本発明の真空用接触センサにおける接近感知部は、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する複数枚の導電性薄板を、内外方向に互いに離間した状態で湾曲形成してマニピュレータ表面部の所定領域（他物体との衝突を防止しようとする領域）を覆うように該表面部から外方に向け凸状に配置してなるものであるため、各導電性薄板の大きさを調整することにより、検知範囲を広く設定することができるとともに、所定領域に接近する他物体に対する死角を少なくすることが可能である。
【００１５】
また、接近感知部の構成が非常に簡易であるため、極めて低コストで製造することができるとともに、真空環境下においても安定して作動させることが可能である。さらに、接近感知部を非常に軽量とすることができるので、マニピュレータ表面部の種々の領域に対して、接近感知部を容易に設置することができるとともに、接近感知部が他物体と当接した際の衝撃も小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る真空用接触センサ（以下「第１の接触センサ」と称することがある）の接近感知部の斜視図であり、図２はその概略構成図である。また、図３は第１の接触センサと他物体との位置関係を示す側面図であり、図４はその平面図である。
【００１７】
本実施形態に係る第１の接触センサは、図３および図４に示す人工衛星１に搭載された地球観測用のカメラ２の姿勢を制御するための部材（図示略）を保持したマニピュレータ３と他物体（人工衛星１やカメラ２）との接近を検知するために、該マニピュレータ３の先端表面部に配された接近感知部１０と、該接近感知部１０における電気的導通を検出するための導通検出回路部２０（図２参照）とを備えてなり、真空かつ微小重力環境下となる大気圏外の宇宙空間において使用されるように構成されている。
【００１８】
図１に示すように上記接近感知部１０は、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する２枚の導電性薄板（第１の導電性薄板１１および第２の導電性薄板１２）を、内外方向に互いに離間した状態（第１の導電性薄板１１が内側に、第２の導電性薄板１２が外側に配される）でアーチ状に湾曲形成してなるものであり、マニピュレータ３の先端表面部の全域を覆うように該先端表面部から外方に向け凸状に配置されている。具体的には、第１および第２の導電性薄板１１，１２は、ステンレス鋼を材料として形成された厚さ数十μｍ（例えば、２０〜３０μｍ）程度の非常に薄い金属板（金属箔）からなり、絶縁性部材（例えば、セラミックス）からなる取付台１３を介してマニピュレータ３の先端表面部に設置されている。
【００１９】
図２に示すように第１の導電性薄板１１は、図中上方に位置する平面部１１ａと図中右方に位置する曲面部１１ｂ（半円柱面形状をなす）と図中下方に位置する平面部１１ｃとが、互いに滑らかに連続するように形成されているのに対し、第２の導電性薄板１２は、図中上方に位置する平面部１２ａと図中右方に位置する曲面部１２ｂ（第１の導電性薄板１１の曲面部１１ｂの相似拡大形状をなす）との間、および該曲面部１２ｂと図中下方に位置する平面部１２ｃとの間に、それぞれ段差部１２ｄ，１２ｅが形成されている。これは、第１の導電性薄板１１の曲面部１１ｂと第２の導電性薄板１２の曲面部１２ｂとの間の距離ｔ１（数ｍｍ程度、例えば５ｍｍ程度に設定される）よりも、第１の導電性薄板１１の平面部１１ａ，１１ｃと第２の導電性薄板１２の平面部１２ａ，１２ｃとの間の距離ｔ２，ｔ３（例えば２〜３ｍｍ程度に設定される）の方が短くなるようにするためである。これにより、接近感知部１０に対して図中上方または下方から他物体が当接した場合の方が、図中右方から他物体が当接した場合よりも検知に要する時間を短縮することが可能となるので、他物体が図中上下方向からマニピュレータ３に接近する可能性が高いと想定される場合などに有効となる。
【００２０】
また、上記記取付台１３は、図２に示すように、マニピュレータ３の先端表面部に不図示のボルト等により固定される基部１３ａと、該基部１３ａから図中上下の各端部から前方（図中右方）に延びる端片部１３ｂ，１３ｃとからなり、第１の導電性薄板１１の平面部１１ａと第２の導電性薄板１２の平面部１２ａとが端片部１３ｂを挟むようにして該端片部１３ｂに図示せぬボルト等により固定され、第１の導電性薄板１１の平面部１１ｃと第２の導電性薄板１２の平面部１２ｃとが端片部１３ｃを挟むようにして該端片部１３ｃに図示せぬボルト等により固定されている。なお、ボルトで固定する場合には、セラミック製のボルトを用いるなど、該ボルトを介して第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに電気的に導通しないようする。
【００２１】
また、第１および第２の導電性薄板１１，１２には、所定の電位差（図２に示す状態において真空放電が起きない程度の電位差、例えば５Ｖ程度が与えられており、リード線２１，２２（図２では模式的に示す）を介して上記導通検出回路部２０に接続されている。この導通検出回路部２０は、具体的には例えば、第１および第２の導電性薄板１１，１２の間に所定の電位差を与える電池や、電気的導通により回路部内を流れる電流を検出する電流計等からなり、第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに接触または近接して電気的に導通（ショート）されたことを検出するように構成されている。
【００２２】
次に、上述した第１の接触センサの作用効果について説明する。図３，図４に示すように第１の接触センサは、マニピュレータ３と人工衛星１やカメラ２等の他物体との接近を検知するものであり、マニピュレータ３が人工衛星１やカメラ２と衝突する前にこれら他物体に接近感知部１０が当接して変形し、第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに接触または近接して電気的に導通したことを導通検出回路部２０が検出することにより、マニピュレータ３が他物体と接近したことを検知するようになっている。
【００２３】
図５〜図７に、他物体と当接して変形した接近感知部１０の各例を示す。図５は図中右斜め上方から接近したカメラ２と当接して変形した接近感知部１０を示しており、図６は図中右方から接近したカメラ２と当接して変形した接近感知部１０を示している。また、図７は図中紙面手前側から接近した他物体（図示略）と当接して変形した接近感知部１０を示している。なお、各図では他物体が接近感知部１０に接近したように示しているが、接近は相対的なものであって、他物体に接近感知部１０が接近したとしてもよい。
【００２４】
図５に示すように、図中右斜め上方から接近したカメラ２は、第２の導電性薄板１２の曲面部１２ｂと段差部１２ｄとの境界付近で第２の導電性薄板１２に当接している。この当接により第２の導電性薄板１２の平面部１２ａが図中下方に撓み、段差部１２ｄが第１の導電性薄板１１の平面部１１ａに接触または近接することにより、第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに電気的に導通する。この電気的導通を、図２に示す導通検出回路部２０が検出することにより、マニピュレータ３が他物体と接近したことが検知される。
【００２５】
一方、図６に示すように、図中右方から接近したカメラ２は、第２の導電性薄板１２の曲面部１２ｂの中央付近で第２の導電性薄板１２に当接している。この当接により第２の導電性薄板１２の曲面部１２ｂが図中左方に撓み、第１の導電性薄板１１の曲面部１１ｂに接触または近接することにより、第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに電気的に導通する。この電気的導通を、図２に示す導通検出回路部２０が検出することにより、マニピュレータ３が他物体と接近したことが検知される。
【００２６】
このように第１の接触センサは、接近感知部１０の第１および第２の導電性薄板１１，１２が共にアーチ状に湾曲形成されていることにより、図５に示すような右斜め上方（右斜め下方も同様）からの他物体の接近や、図６に示すような右方（正面）からの他物体の接近に対しては検知範囲が広く死角が少ない。
【００２７】
一方、この接近感知部１０は、図５，図６の紙面と直角な方向（以下「側方」と称する）が開放されているので、この開放された領域の大きさよりも小さな他物体が側方から接近する場合には死角が生じる。しかしながら、このような側方の死角は、接近感知部１０（第１および第２の導電性薄板１１，１２）の側方方向の長さを長くすることにより減少させることが可能であり、また、カメラ２のように接近する他物体の大きさが予め分かっており、その大きさが側方の開放された領域の大きさよりも大きい場合には、実用上における死角は少なくなる。
【００２８】
図７に示すように、開放された領域よりも大きな他物体が側方から接近した場合には、第１および第２の導電性薄板１１，１２の側縁部分が他物体と当接し、この当接により第１および第２の導電性薄板１１，１２の端縁部が潰れるように変形することにより第１および第２の導電性薄板１１，１２が互いに電気的に導通する。この電気的導通を図２に示す導通検出回路部２０が検出することにより、マニピュレータ３が他物体と接近したことを検知することができる。
【００２９】
また、この第１の接触センサは、接近感知部１０の第１および第２の導電性薄板１１，１２が共に非常に薄いテンレス板で形成されているので、極めて軽量で耐熱性や耐食性および耐放射線性に優れており、かつガスを発生する虞もない。また、接近感知部１０が他物体と当接した際の衝撃も極めて小さい。このため、真空環境下、特に宇宙空間等の無重力環境下または微小重力環境下において使用するのに好適である。
【００３０】
さらに、接近感知部１０の構造が単純であるため作動性能に対する信頼性が高く、しかも安価に製造することができる。また、第１および第２の導電性薄板１１，１２の幅方向（図２において紙面と直角な方向）の長さを変更することにより、容易に検知範囲を変更することができるので、マニピュレータ３の種々の領域に対して設置することができるなど適用範囲が広いという利点がある。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８は本発明の第２実施形態に係る真空用接触センサ（以下「第２の接触センサ」と称することがある）の接近感知部の斜視図であり、図９は本発明の第３実施形態に係る真空用接触センサ（以下「第３の接触センサ」と称することがある）の接近感知部の斜視図である。なお、図８および図９において、上記第１の接触センサと概念的に共通する部材については、図１〜図７で用いた番号と同一または類似の番号（共通の数字の後に英文字ＡまたはＢを付けたもの）を用いている。
【００３２】
図８に示す第２の接触センサは、上記第１の接触センサと同様の目的で使用されるものであり、マニピュレータ３の先端表面部に配された接近感知部１０Ａを備えてなる。この接近感知部１０Ａは、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する第１および第２の導電性薄板１１Ａ，１２Ａを、内外方向に互いに離間した状態でドーム状（半楕円面形状）に湾曲形成してなるものであり、取付台１３Ａを介してマニピュレータ３の先端表面部の全域を覆うように該先端表面部から外方に向け凸状に配置されている。上記第１および第２の導電性薄板１１Ａ，１２Ａは、厚さ数十μｍ程度の非常に薄いステンレス鋼板（ステンレス箔）を、絞り加工等によりドーム状に形成してなるものである。なお、図８では、第１の導電性薄板１１Ａが見えるように第２の導電性薄板１２Ａの一部を破断して示している。
【００３３】
この第２の接触センサの接近感知部１０Ａは、第１および第２の導電性薄板１１Ａ，１２Ａをドーム状に形成したことにより、上記第１の接触センサの接近感知部１０に比べて製造が難しくコスト高になるものの、他物体の接近に対する検知範囲の死角をより少なくすることができるという利点がある。
【００３４】
図９に示す第３の接触センサは、上記第１の接触センサと同様の目的で使用されるものであり、マニピュレータ３の先端表面部に配された接近感知部１０Ｂを備えてなる。この接近感知部１０Ｂは、互いに接触または近接すると電気的に導通するように構成された可撓性を有する第１および第２の導電性薄板１１Ｂ，１２Ｂを、内外方向に互いに離間した状態で角柱面形状に湾曲形成（折り曲げ形成）してなるものであり、取付台１３Ｂを介してマニピュレータ３の先端表面部の全域を覆うように該先端表面部から外方に向け凸状に配置されている。なお、第１および第２の導電性薄板１１Ｂ，１２Ｂが、厚さ数十μｍ程度の非常に薄いステンレス鋼板からなる点は、上記第１および第２の接触センサと同様である。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の態様のものを実施形態とすることができる。
【００３６】
例えば、上記各実施形態では、接近感知部が２枚の導電性薄板により構成されているが、３枚以上の導電性薄板を互いに離間するように配置して接近感知部を構成することも可能である。
【００３７】
また、上記第１実施形態の接近感知部１０は、第２の導電性薄板１２に段差部１２ｄ，１２ｅが形成されているが、このような段差部１２ｄ，１２ｅを形成せずに、第１および２の導電性薄板１１，１２との間の距離を全域に亘り略一定とすることも可能である。
【００３８】
また、上記各実施形態では、導電性薄板がステンレス鋼により形成されているが、導電性薄板としては、他の金属や黒鉛等の導電性物質で形成されたものや、このような導電性物質を樹脂に混合してなる電気伝導性樹脂により形成されたものを用いることができる。
【００３９】
また、上記各実施形態のものは、微小重力環境下となる大気圏外の宇宙空間において使用されるものとされているが、本発明の真空用接触センサは、真空チャンバにより真空状態とされた地球上の実験室内など、通常の重力環境下において使用することも可能である。重力環境下において使用する場合、接近感知部を構成する導電性薄板が自重により撓むことが予想されるので、このような撓みによる変形が少なくなるように、導電性薄板の形状や設置時の向きを工夫することが好ましい。例えば、上述の第１（または第３）の接触センサの場合、接近感知部１０（１０Ｂ）の側方に開放された領域が上下方向（鉛直方向）を向くように、接近感知部１０（１０Ｂ）をマニピュレータ３の長さ方向の軸線回りに９０度回転させた状態で用いるようにすれば、接近感知部１０（１０Ｂ）を構成する第１および第２の導電性薄板１１，１２（１１Ｂ，１２Ｂ）の自重による撓みを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の接触センサの接近感知部の斜視図
【図２】第１の接触センサの概略構成図
【図３】第１の接触センサと他物体との位置関係を示す側面図
【図４】第１の接触センサと他物体との位置関係を示す平面図
【図５】他物体との当接により変形した接近感知部の一例を示す図
【図６】他物体との当接により変形した接近感知部の他の例を示す図
【図７】他物体との当接により変形した接近感知部のその他の例を示す図
【図８】第２の接触センサの接近感知部の斜視図
【図９】第３の接触センサの接近感知部の斜視図
【符号の説明】
【００４１】
１        人工衛星
２        カメラ
３        マニピュレータ
１０      接近感知部（第１実施形態）
１０Ａ    接近感知部（第２実施形態）
１０Ｂ    接近感知部（第３実施形態）
１１      第１の導電性薄板（第１実施形態）
１１Ａ    第１の導電性薄板（第２実施形態）
１１Ｂ    第１の導電性薄板（第３実施形態）
１１ａ，１１ｃ    （第１の導電性薄板の）平面部
１１ｂ    （第１の導電性薄板の）曲面部
１２      第２の導電性薄板（第１実施形態）
１２Ａ    第２の導電性薄板（第２実施形態）
１２Ｂ    第２の導電性薄板（第３実施形態）
１２ａ，１２ｃ    （第２の導電性薄板の）平面部
１２ｂ    （第２の導電性薄板の）曲面部
１２ｄ，１２ｅ    段差部
１３，１３Ａ，１３Ｂ    取付台
１３ａ    基部
１３ｂ，１３ｃ    端片部
２０      導通検出回路部
２１，２２    リード線
【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】
2010036327.tif 000009
【図８】
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【図９】
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