(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量式検知及び制御システム（１０）を用いて物体（１２）の動きを検出する方法であって、
導電性ストラップにより物体と電気的に接続された容量検知回路（１４）と前記物体との間で測定された容量に基づいて前記物体の存在を検知する工程と、
前記物体の容量の変化を検知する工程と、
前記検知された容量の変化に基づいて前記制御システム（１８）の動作を調節する工程とを備えた方法。
【請求項２】
前記物体（１２）の存在を検知する前記工程は、前記物体の容量を決定するために電荷移動を測定する工程をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
新たな公称容量負荷が検出された場合及び利用者の判断時の少なくとも一方の場合に前記制御システム（１８）を較正する工程をさらに含んでいる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
容量の変化を検知する前記工程は、前記物体（１２）の幾何形状の変化を検知する工程をさらに含んでいる請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
容量の変化を検知する前記工程は、前記物体（１２）の他の物体に対する近接性を検知する工程をさらに含んでいる請求項４に記載の方法。
【請求項６】
放射線源（２６）と、
容量検知回路（１４）と、
物体を前記容量検知回路（１４）に電気的に接続する導電性ストラップと、
前記容量検知回路（１４）から受信した入力に基づいて前記Ｘ線源の配置を制御するように構成されている制御システム（１８）とを備えた医用イメージング・システム（１０）。
【請求項７】
前記制御システム（１０）は、水平方向及び垂直方向の少なくとも一方で前記放射線源（２６）を配向させるように構成されている請求項６に記載のシステム（１６０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的には、動く設備に近接した人体の安全性を確保するのに用いられる装置に関し、さらに具体的には、容量（キャパシタンス）に基づいて設備を配向する制御システムの一部として用いられる運動センサ及び近接センサに関する。
【０００２】
人体が動く機械に近接しているときの安全性は重要である。かかる例の一つは、局所制御機械又はロボット設備であり、これらの場合には人体が動く機械的構成部品に近接している。もう一つの例は医用撮像設備業界におけるものである。
【０００３】
公知のシステムでは、圧力スイッチに接続されている機械的スイッチ及び流体充填嚢のような従来式の安全機構が、典型的には動く機械的構成部品に直接的に或いは危険区域に近接して装着されている。これら従来式の安全機構が動作するためには、人体又は無生物物体と安全機構との間に直接的な接触があることが必要である。例えば、動く機械的構成部品に装着されている流体充填嚢は、嚢の内部に圧力センサ又は圧力スイッチを用いており、嚢が物体と接触するのに伴う圧力の上昇を検出する。検知された圧力上昇は典型的には制御システムへの入力となり、制御システムが動く機械的構成部品を停止させる。
【０００４】
他の公知のシステムでは、プレート、レバー、ケーブル及びリングを機械的スイッチに接続して、動く機械的構成部品に装着する。これらのスイッチは、プレート、レバー、ケーブル及びリングが人体又は物体に接触したときに作動して、実害が生ずる前に機械が停止する。
【０００５】
上述のシステムの欠点には、経費（流体充填嚢）、及び検知区域が極めて局所化されるという事実（機械的スイッチ）がある。かかる装置は典型的には、ＯＮ又はＯＦＦのいずれかとなるので、被検体とセンサとの間の相対的距離に関する情報を制御システムに供給することができない。
【０００６】
他の形式の非接触近接検知も公知である。例えば、光センサ、赤外線センサ及び超音波センサが近接検知システムに用いられている。これらのシステムの欠点は、検出器と被検体との間の視線が妨げられてはならないことである。医用撮像設備に応用する場合には、殺菌したカバー及びドレーブが必要であるため、視線型の近接検出器システムを利用することができない。また、具現化形態の特質に依存して、これらのセンサは極めて指向性の強いものとなり、反射及び鏡映のような物体の特性の影響を受けるので、応用可能性がさらに限られる。
【０００７】
上に掲げた実例では、各々の例が人体と機械との間の近接を必要としているため、単純に人体と機械との間の距離が増大するだけで安全性を高めることも実害を防止することもできなくなる。従って、人体又は物体への近接性及び相対的距離を検知することが可能で、近接性及び距離に関する情報を用いて動きを制御して人体又は物体との接触を防止し、これによりシステムの安全性を高めるようなシステムを提供できると望ましい。
【０００８】
【発明の簡単な概要】
一側面では、本発明は、センサと物体との間の容量（キャパシタンス）を用いて動きを検出する方法及びシステムに関する。代替的には、本発明は、センサと物体との間の容量を用いて物体の近接性を検出する。一実施形態では、検出器として容量式近接センサが用いられる。センサは、非導電性表面に装着されている導電性材料の薄膜で形成された検知表面を含んでいる。非導電性表面は如何なる形状及び形態を取っていてもよい。センサは、導電性表面とその近くに配置されている物体との間の容量を検知して、制御システムに対して容量値を供給する。制御システムは、この容量データを用いて機械又は設備の動きを制御するようにプログラムされている。一実施形態では、設備は医用イメージング・システムである。
【０００９】
他の実施形態では、検知表面は人体である。人体と周囲の物体との間の相対的な容量が決定される。制御システムは、この容量情報を用いて人体の位置、及び人体の付近の物体の近接性を決定して、機械又は設備の動きを制御する。
【００１０】
このように、センサは如何なる寸法及び形状を取っていてもよく、また物体が動いたか否かを決定するのに物体との直接的な接触又は物体に対する視線を必要としていないので、物体への実害が生ずる前に機械又は設備を制御することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、物体１２の動き又は物体１２への近接性に基づく容量変化を検出するシステム１０を示す図である。物体１２は、導電性ストラップ１６を介して容量検知回路１４に接続されている。検知回路１４は容量を検知して、測定した容量に関するデータを制御システム１８へ供給する。物体１２は、導電性表面２４の上に載置されたフィルム又はマットのような非導電性表面２２を含む表面２０上に配置されている。制御システム１８は、測定された容量データを用いて、モータ２８を介して水平軸及び垂直軸の両方向での構成部品２６の動きを制御するようにプログラムされている。一実施形態では、構成部品２６は放射線源である。代替的な実施形態では、構成部品２６は検出器である。さらなる代替的な実施形態では、構成部品２６はセンサである。さらに他の実施形態では、構成部品２６は核医学撮像源である。他の実施形態では、構成部品２６はレーザ源である。さらに他の実施形態では、構成部品２６は医用システムの構成部品であり、例えば、計算機支援型断層写真法（ＣＡＴ）、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、計算機式断層写真法（ＣＴ）、ディジタル式フルオロスコピー、ポジトロン・エミッション断層写真法（ＰＥＴ）、ポジトロン・エミッション・トランスアキシャル断層写真法（ＰＥＴＴ）及びマンモグラフィのシステムの構成部品である。
【００１２】
回路１４によって検知される容量の量は、物体１２が動くのに伴って変化する。他の実施形態では、検知される容量はまた、構成部品２６に対する物体１２の近接性が変化するのに伴って変化する。容量の変化を制御システム１８が受け取って、制御システム１８は次いで、実行されている処置手順について物体２６の軌跡が最適化されるように、構成部品２６の所定の動きに変化を生じさせる。物体１２の予期しない動きを検出する能力によって、制御システム１８又は制御システム１８の操作者に対して構成部品２６の動きを低速化させる或いは停止させる信号を供給し、物体１２の怪我又は上述の設備の損傷を防止する。容量検知回路１４は、容量の微小な変化（１５フェムトファラド〜３０フェムトファラド）を測定することが可能である。物体１２は物体１２が動くのに伴って容量を変化させるので、腕を上げる動き、足を組む動き、指の小刻みな動き、爪先の小刻みな動き及び胴体の動きがすべて検出可能である。
【００１３】
容量検知回路１４は、電荷移動技術を用いて、回路１４に接続されている物体１２の容量を測定する。導電性ストラップ１６を回路１４と共に用いて、物体１２の実効的な公称容量を測定する。容量検知回路１４は、例えば異なる物体１２のような新たな公称容量負荷については手動で又は自動で再較正される。再較正過程によって公称容量が変化し、この公称容量に関して上述の物体１２の動きのような微小な変化が検出される。再較正によって、例えば異なる体格、形状、着衣及び体毛を有する物体１２にシステム１０を適合させることができる。また、再較正は、温度及び相対湿度のような物体１２が置かれている環境を考慮に入れることもできる。
【００１４】
図２は、容量測定の代替的な方法を採用した図１に示すシステムについての代替的な実施形態を示す。非導電性表面２２及び導電性表面２４は上述と同じであるが、導電性マット４０が導電性表面２２の頂部に載置されて、容量検知回路１４に電気的に接続されている。測定される容量は、腕を上げる動き、足を組む動き、指の小刻みな動き、爪先の小刻みな動き及び胴体の動きのような物体１２の動きばかりでなく、導電性マット４０に実際に接触している物体１２の量に基づくものとなる。例えば、マット４０に仰臥している人体について測定される容量は、両脚を曲げて足裏がマット４０に平坦に載置されている状態でマット４０に仰臥している人体について測定される容量よりも大きくなる。物体１２が動いてマット４０に接触する体部分が少なくなるのに伴って、測定される容量は低下する。マット４０に接触している表面積が大きいほど容量は大きくなる。
【００１５】
図１及び図２に示す実施形態は、例えば、容量検知回路のための検出器として人体を如何にして利用し得るかを示している。測定される容量は、人体に対する諸物体の位置に依存しており、検出器として用いられている被検体の近くのその他の物体又は人体を検出することができる。被検体を検出器として用いることは、多数の動く構成部品が被検体に接触する可能性があって、センサをあらゆる動く構成部品に設置するのが不可能である場合に理想的である。
【００１６】
図３は、被検体が検出器として用いられない場合のシステムに用いられる容量式近接センサ５０の一実施形態を示す図である。センサ５０は、導電性材質の薄膜で形成されている検知表面５２を含んでおり、検知表面５２は非導電性バッキング材５６の前面５４に装着されている。非導電性バッキング材５６の背面６０に装着されている電気的に接地した薄膜導電性材料のバッキング表面５８でセンサが完成する。上述のように、バッキング表面５８は電気的接地６２に接続されている。検知表面５２は、容量検知回路６４に接続されており、図３に示すように、バッキング材５６よりも表面積として小さい寸法となるように構成してよい。
【００１７】
図４は、容量式近接センサ７０の代替的な実施形態を示す図である。センサ７０は円筒形であり、薄膜導電性材質の検知表面７２、７４及び７６から成っている。検知表面７２はセンサ７０の外面を被覆しており、検知表面７４及び７６は円筒の両端表面すなわち頂部表面及び底部表面をそれぞれ被覆している。非導電性バッキング材７８が円筒の「本体」であって、センサ７０に強度を与えると共に、容量検知回路に電気的に接続されている表面７２、７４及び７６を装着するための表面を与えている。バッキング表面（図示されていない）は電気的に接地されている。他の実施形態では、バッキング表面はセンサ７０では用いられない。
【００１８】
図５は、検知場を整形するように構成されている近接センサ９０の一実施形態の図である。センサ９０は、図５に示す実施形態では、外側検知表面９２、中央検知表面９４及び内側検知表面９６から成っている。外側検知表面９２、中央検知表面９４及び内側検知表面９６は、導電性ストリップ９８に電気的に接続されて電気的に連続的な回路を形成しており、非導電性バッキング材１００に装着されている。例示的な一実施形態では、センサ９０は、内側検知表面９６が３ｃｍ×３ｃｍの寸法を有し、内側検知表面９６を３ｃｍ幅の中央検知表面９４の内周１０２から離隔する間隔が３ｃｍである検知表面寸法を有する。検知材料のもう一つの３ｃｍの間隙が、中央検知表面９４の外周１０４を外側検知表面９２の内周１０６から離隔している。外側検知表面９２は３ｃｍ幅である。この例示的な実施形態では、バッキング材１００はＸ線放射線に対して実質的に不可視のマイラー（Mylar）で作製されている。マイラー・バッキングの厚みは、応用毎の機械的強度の要件に依存する。センサ９０の検知表面の寸法及び数はセンサ９０の検知場を整形するために可変とし、センサ９０は容量検知回路１０８に接続される。この例示的な実施形態では、センサ９０の検知表面９２、９４及び９６は３μｍ厚のアルミニウム箔で作製されてマイラーに接着されている。他の実施形態では、アルミニウムのプレートをマイラーに接着する。脈管スペクトルに対して不可視にするためには、表面９２、９４及び９６は５μｍ厚未満のアルミニウム箔又はプレートで作製される。さらなる実施形態では、検知表面９２、９４及び９６は銅で作製される。さらに他の実施形態では、検知表面９２、９４及び９６はスズで作製される。
【００１９】
図６は、検知場を整形するように構成されている近接センサの代替的な円形の実施形態の図である。センサ１１０は、図６に示す実施形態では、外側検知表面１１２、中央検知表面１１４及び内側検知表面１１６から成っている。外側検知表面１１２及び中央検知表面１１４は環形である。内側検知表面１１６は円形である。外側検知表面１１２、中央検知表面１１４及び内側検知表面１１６は、導電性ストリップ１１８に電気的に接続されて電気的に連続的な回路を形成しており、非導電性バッキング材１２０に装着されている。例示的な一実施形態では、センサ１１０は、内側検知表面１１６が直径３ｃｍである検知表面寸法を有する。３ｃｍ幅の環形空間１１２が内側円形検知表面１１６を中央検知表面１１４から離隔している。中央円形検知表面１１４は内環１２４と外環１２６とを有している。内環１２４は直径９ｃｍであり、外環１２６は直径１２ｃｍであって、中央検知表面１１４が直径３ｃｍの検知環区域を有するようになっている。検知材料のもう一つの３ｃｍ幅の環形空間１２８が、中央検知表面１１４を外側検知表面１１２から離隔している。外側検知表面１１２は、内環１３０と外環１３２とを有している。内環１３０は直径２１ｃｍであり、外環１３２は直径２７ｃｍであって、外側検知表面１１２が直径３ｃｍの検知環区域を有するようになっている。この例示的な実施形態では、バッキング材１２０はＸ線放射線に対して実質的に不可視のマイラーで作製されている。マイラー・バッキングの厚みは、応用毎の機械的強度の要件に依存する。センサ１１０の検知表面の寸法及び数はセンサ１１０の検知場を整形するために可変とし、センサ１１０は容量検知回路１３３に接続される。この例示的な実施形態では、センサ１１０の検知表面１１２、１１４及び１１６は３μｍ厚のアルミニウム箔で作製されてマイラーに接着されている。他の実施形態では、アルミニウムのプレートをマイラーに接着する。脈管スペクトルに対して不可視にするためには、表面１１２、１１４及び１１６は５μｍ厚未満のアルミニウム箔又はプレートで作製される。さらなる実施形態では、検知表面１１２、１１４及び１１６は銅で作製される。さらに他の実施形態では、検知表面１１２、１１４及び１１６はスズで作製される。
【００２０】
図７は、例えば検知表面が中実の矩形又は方形の薄膜導体であって整形が用いられていない場合の容量式近接センサの検知場の図１３４である。かかるセンサは、全方向的に容量変化を検出することができる。図７に示す形式の場を形成するセンサは、ｘ＝０軸１３６に沿ってセンサに接近する物体に対して相対的に感度が高く、ｙ＝０軸１３８に沿って近づく物体に対して相対的に感度が低い。軸１３６に沿って動く物体は相対的に迅速に、且つ相対的に遠い距離から検出される。この非一様の感度は余り望ましくない。
【００２１】
図８は、検知表面が上述の図５に示すセンサ９０を用いて整形されている場合の検知場１４０の図である。一実施形態では、環状表面９２、９４及び９６は５ｃｍの距離で場を平坦化するように最適化される。図示の場は、図８に示す場よりも一様であり、区分された検知表面を利用することにより場の形状を適応化させる能力の例証となっている。場の整形に用いられる円形構造を円及び円筒形状に拡張することもできる（図６に示す）。
【００２２】
図９は、容量検知回路１６４に電気的に接続されている容量式近接センサ１６２を用いた医用イメージング・システム１６０の図である。容量センサ１６２はまた、紙、プラスチック及び着衣で被覆された人体の相対的容量を測定する非接触的な方法をも可能にする。回路１６４は、人体１７０に対する構成部品１６８の位置及び配向に関するデータを制御システム１６６へ提供する。一実施形態では、構成部品１６８は放射線源である。代替的な実施形態では、構成部品１６８は検出器である。さらなる代替的な実施形態では、構成部品１６８はセンサである。さらに他の実施形態では、構成部品１６８は核医学撮像源である。他の実施形態では、構成部品１６８はレーザ源である。さらに他の実施形態では、構成部品１６８は医用システムの構成部品であり、例えば、計算機支援型断層写真法（ＣＡＴ）、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、計算機式断層写真法（ＣＴ）、ディジタル式フルオロスコピー、ポジトロン・エミッション断層写真法（ＰＥＴ）、ポジトロン・エミッション・トランスアキシャル断層写真法（ＰＥＴＴ）及びマンモグラフィのシステムの構成部品である。図には示していないが、システム１６６は、構成部品１６８の高さ、長手方向の動き及び水平方向の配向を制御する。容量式近接アプローチを用いることにより、システム１６６を、人体１７０のような物体の輪郭に追随するように構成することができる。次いで、システム１６６は、物体１７０に対する構成部品１６８の軌跡を最適化するようにプログラムすることができる。例示的な実施形態では、放射線源及び検出器の高さを変化させることも検知装置を用いることもなく、制御システムが構成部品１６８の動きを調節する前に人体１７０の接触を必要とするような公知のシステムに比較して、システム１６６は人体１７０への放射線照射量を減少させる。
【００２３】
図１０は、検知材料１８４で被覆されている外表面１８２を備えた不規則形状の装置１８０の図である。検知材料１８４は、薄膜導電性材料、例えばアルミニウム、銅又はスズで作製されている。例示的な実施形態では、銅箔の薄膜シートを導電性エポキシ１８６と接合する。一実施形態では、銅箔は厚みが２５μｍである。代替的な実施形態では、薄膜シートは、導電性材料、例えばスズの薄膜をバッキング表面に「吹き付け付着（spray depositing）」させることにより作製される。検知材料１８４は、バッキング表面（図示されていない）に接着される。代替的な実施形態では、装置１８０は、任意の形態及び形状を取って構成され、一定の寸法範囲に限定されない。加えて、検知材料１８４は、容量検知回路（図示されていない）に電気的に結合される。装置１８０は、一つの検知ゾーン１８８を有する。代替的な実施形態では、検知材料１８４は複数の検知ゾーン１８８を有する。検知ゾーン１８８は、容量の変化、例えば１５フェムトファラド〜３０フェムトファラドの変化を測定することが可能である。一実施形態では、検知ゾーン１８８は、所定の距離で所定の物体を検出するように最適化される。代替的な実施形態では、装置１８０は、その各々が所定の距離で所定の物体を検出するように最適化されている複数の検知ゾーンを含む。
【００２４】
様々な特定の実施形態について本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の要旨及び範囲に含まれる改変を施して本発明を実施し得ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】動きに基づいて容量変化を検出するシステムを示す図である。
【図２】動きに基づいて容量を検出する代替的なシステムを示す図である。
【図３】容量式近接センサの一実施形態を示す図である。
【図４】容量式近接センサの代替的な実施形態を示す図である。
【図５】容量式近接センサの第三の実施形態の図である。
【図６】容量式近接センサの第四の実施形態の図である。
【図７】容量式近接センサの検知場の図である。
【図８】センサの表面形状によって整形された容量式近接センサの検知場の図である。
【図９】容量式近接センサを用いた医用イメージング・システムの図である。
【図１０】検知材料で被覆された外表面を備えた不規則形状の装置の図である。
【符号の説明】
１０  容量変化検知システム
１２、１７０  物体
１４、６４、８０、１０８、１３３、１６４  容量検知回路
１６  導電性ストラップ
１８、１６６  制御システム
２０  表面
２２  非導電性表面
２４  導電性表面
２６、１６８  構成部品
２８  モータ
４０  導電性マット
５０、７０、９０、１１０、１６２  容量式近接センサ
５２、７２、７４、７６  検知表面
５４  非導電性バッキング材の前面
５６、７８、１００、１２０  非導電性バッキング材
５８  導電性材料のバッキング表面
６０  非導電性バッキング材の背面
６２  接地
９２、１１２  外側検知表面
９４、１１４  中央検知表面
９６、１１６  内側検知表面
９８、１１８  導電性ストリップ
１０２  中央検知表面の内周
１０４  中央検知表面の外周
１０６  外側検知表面の内周
１２２、１２８  環形空間
１２４  中央検知表面の内環
１２６  中央検知表面の外環
１３０  外側検知表面の内環
１３２  外側検知表面の外環
１３４、１４０  検知場
１３６  ｘ＝０軸
１３８  ｙ＝０軸
１６０  医用イメージング・システム
１８０  不規則形状の装置
１８２  外表面
１８４  検知材料
１８６  導電性エポキシ
１８８  検知ゾーン
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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