(57)【要約】  光の受光結果に応じて、物体による接触及び近接を感知する触覚及び近接センサ（１）が提供される。触覚及び近接センサは、光源（１１）と、受光部（１２）と、弾性部材（２）と、反射鏡（５１）とを備える。光源は、光（Ｌ１）を発光する。受光部は、光を受光して、受光結果を示す信号（Ｓ１）を生成する。弾性部材は、外力に応じて変形する弾性体で構成され、光を反射する反射部（２１）、及び光を透過する透過部（２３ａ，２３ｂ）を備える。反射鏡は、光源からの光を反射部及び透過部に導光するように、光源に対向して配置される。
2020166185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の受光結果に応じて、物体による接触及び近接を感知する触覚及び近接センサであって、
光を発光する光源と、
光を受光して、受光結果を示す信号を生成する受光部と、
外力に応じて変形する弾性体で構成され、光を反射する反射部、及び光を透過する透過部を備える弾性部材と、
前記光源からの光を前記反射部及び前記透過部に導光するように、前記光源に対向して配置される第１の反射鏡とを備えた
触覚及び近接センサ。
【請求項２】
前記第１の反射鏡は、前記光源からの光を平行化する又は集光するように、凹面状に形成される
請求項１に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項３】
光を前記受光部に導光するように、前記受光部に対向して配置される第２の反射鏡をさらに備える
請求項１又は２に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項４】
前記弾性部材と前記第１の反射鏡との間に設けられ、前記弾性部材側の主面と前記第１の反射鏡側の主面とを有する基板をさらに備え、
前記基板における前記第１の反射鏡側の主面上に、前記光源が設けられる
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項５】
前記受光部が、前記基板における前記弾性部材側の主面上に設けられる
請求項４に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項６】
前記受光部が、前記基板における前記第１の反射鏡側の主面上に設けられる
請求項４に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項７】
前記透過部は、前記光源が発光して外部に出射する光が透過する第１の透過領域と、外部から前記受光部に入射する光が透過する第２の透過領域とを含む
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触覚及び近接センサ。
【請求項８】
前記光源が出射する光を変調する変調回路と、
前記受光部からの信号に基づいて、前記変調回路によって変調された光の受光結果を検出する検出回路とをさらに備える
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の触覚及び近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚及び近接センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットハンド等に搭載され、触覚を含んだ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、物体の把持動作などを行なうロボットハンドの指先面に取り付けるための複合型センサを開示している。特許文献１の複合型センサは、感圧シートを備えた触覚センサと、反射型フォトセンサからなる近接覚センサとをそれぞれ有している。特許文献１の複合型センサは、近接覚センサの検出表面が感圧シートで規定されるように２つのセンサを組み合わせて構成されている。【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を感知する触覚のセンシングが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０８９７７４号公報
【特許文献２】特許第５８２５６０４号公報
【特許文献３】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】
従来技術においては、触覚のセンシングと共に近接のセンシングを行う際に、別々のセンサを搭載して装置構成が大掛かりになったり、複雑な検出原理を要してセンサの機構が複雑化したりする問題があった。【０００７】
本発明の目的は、簡単な機構において物体による接触と近接の感知を両立することができる触覚及び近接センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る触覚及び近接センサは、光の受光結果に応じて、物体による接触及び近接を感知する。触覚及び近接センサは、光源と、受光部と、弾性部材と、反射鏡とを備える。光源は、光を発光する。受光部は、光を受光して、受光結果を示す信号を生成する。弾性部材は、外力に応じて変形する弾性体で構成され、光を反射する反射部、及び光を透過する透過部を備える。反射鏡は、光源からの光を反射部及び透過部に導光するように、光源に対向して配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る触覚及び近接センサによると、反射鏡が弾性部材の反射部及び透過部に導光する簡単な機構において、物体による接触と近接の感知を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る光学センサの概要を説明するための図
【図２】実施形態１に係る光学センサの構造を示す断面図
【図３】実施形態１に係る光学センサの構造を説明するための平面図
【図４】実施形態２に係る光学センサの構造を示す断面図
【図５】実施形態２の光学センサにおける受光部の配置を説明するための図
【図６】実施形態３に係る光学センサの構造を示す断面図
【図７】光学センサにおける凹面鏡の変形例を説明するための図
【図８】変形例に係る光学センサの断面構造を示す断面図
【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触覚及び近接センサ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）
実施形態１では、本発明に係る触覚及び近接センサの一例として、簡単な光学的機構によって触覚及び近接のセンシングを両立する光学センサについて説明する。なお、触覚及び近接センサによる接触の感知は、物体による接触の有無を感知することだけでなく、物体の接触により作用する力（即ち接触力）の程度を感知することであってもよい。
【００１４】
１．構成
実施形態１に係る光学センサの構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光学センサ１の概要を説明するための図である。
【００１５】
本実施形態の光学センサ１は、例えば、図１に示すようにＬＥＤ（発光ダイオード）等の光源１１と、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光部１２と、光源１１及び受光部１２を覆う弾性部材２とを備える。本実施形態の光学センサ１は、弾性部材２内部で光源１１に検出光Ｌ１を生成させて受光部１２から受光信号Ｓ１を出力する、光学式の触覚及び近接センサの一例である。光学センサ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センシングの対象物４とする用途に適用可能である。
【００１６】
光学センサ１の弾性部材２は、対象物４が接触して作用する接触力などの外力に応じて変形する各種の弾性体で構成される。光学センサ１は、弾性部材２の変形に対応して変化する受光結果を受光信号Ｓ１として出力することにより、種々の接触力を感知する触覚センシングを行う。さらに、本実施形態の光学センサ１は、対象物４が弾性部材２近傍で間隔をあけた状態も受光信号Ｓ１から感知される近接センシングを実現するべく、弾性部材２において検出光Ｌ１の一部を透過させる。
【００１７】
以上のような触覚及び近接センシングにおいて、検出光Ｌ１は、近接センシングのために光学センサ１外に出射した際に、拡散し得る。拡散する光の強度は距離の増大に対して急速に弱まることから、近接センシングでは対象とする距離範囲を広くし難いという問題が、本願発明者の鋭意研究により明らかとなった。そこで、本実施形態では、光学センサ１において検出光Ｌ１を、拡散を抑制するように導光する構造を設けて、触覚センシングと両立される近接センシングを実現し易くする。
【００１８】
以下、光学センサ１の構成の詳細を説明する。
【００１９】
光学センサ１において、光源１１は、例えば赤外領域などの所定の波長帯を有する光を検出光Ｌ１として発光する。光源１１は、ＬＥＤに限らず、例えばシングル又はマルチエミッタのＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、或いは各種のＬＤ（半導体レーザ）など種々の固体発光素子を含んでもよい。光源１１は、複数の発光素子を含んでもよい。
【００２０】
受光部１２は、１つ又は複数の受光素子で構成され、各受光素子において検出光Ｌ１等の光を受光して、受光結果を示す信号である受光信号Ｓ１を生成する。受光部１２は、ＰＤに限らず、例えばＰＳＤ（位置検出素子）あるいはＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサ）など種々の受光素子を含んでもよい。受光部１２は、受光素子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。
【００２１】
上記の構成に加えて、本実施形態の光学センサ１は、光源駆動回路３１及び検出回路３２をさらに備えてもよい。なお、光学センサ１は、各回路３１，３２の一方を備えてもよいし、各回路３１，３２とは別体のモジュールとして提供されてもよい。
【００２２】
光源駆動回路３１は、光源１１を駆動して検出光Ｌ１を発光させる。光源駆動回路３１は、例えばＡＭ変調などの変調器を含んでもよい。例えば、光源駆動回路３１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、検出光Ｌ１を変調してもよい。検出光Ｌ１の変調により、外部環境による外光から検出光Ｌ１を区別し易くなる。
【００２３】
検出回路３２は、受光部１２からの受光信号Ｓ１に基づき検出光Ｌ１の受光結果を検出して、接触および近接の解析を行う。検出回路３２は、例えば検出光Ｌ１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を含んでもよいし、同期検波を使ってもよい。検出回路３２において、定常的なＤＣ成分を遮断することにより、外光から分離して検出光Ｌ１の解析を行うことができる。
【００２４】
検出光Ｌ１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光学センサ１の誤動作を抑制することができる。
【００２５】
１−１．光学センサの構造について
実施形態１に係る光学センサ１の構造について、図２，３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る光学センサ１の構造を示す断面図である。図３は光学センサ１の構造を説明するための各種平面図を示す。
【００２６】
図２に示すように、本実施形態の光学センサ１は、対象物４等と接触可能な弾性部材２とは反対側に設けられる反射基板５上に、光源１１からの検出光Ｌ１を導光するための凹面鏡５１を備える。また、本実施形態では、弾性部材２と反射基板５との間に透明基板１０が設けられる。透明基板１０は、検出光Ｌ１を透過するガラス基板等であり、弾性部材２に隣接する主面と反射基板５に隣接する主面とを有する。
【００２７】
以下では、透明基板１０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。また、透明基板１０から弾性部材２側となる＋Ｚ側を上側といい、反射基板５側となる−Ｚ側を下側という場合がある。
【００２８】
本実施形態において、受光部１２の各受光素子は、透明基板１０の上側の主面上に、光を受光する受光面を上方に向けて配置される。一方、光源１１は、例えば検出光Ｌ１を出射する方向を下方に向けて、凹面鏡５１と対向するように、透明基板１０の下側の主面上に設けられる。透明基板１０には、光源１１及び受光部１２に接続される金属電極などの配線パターン等が形成される。図３（ａ）に示す透明基板１０の平面図において配線パターンを例示する。
【００２９】
図３（ａ）の例では、受光部１２が、光源１１の±Ｘ側及び±Ｙ側の４箇所において、光源１１を基準として対称に配置されている。また、光源１１への配線は、ビア１０ｂを介して形成されている。光源１１及び受光部１２の端子電極の各々は、はんだ、導電ペースト、ワイヤボンディング、及びフリップチップなどの種々の方法で接続可能である。各種電極は、必要に応じてスルーホールなどのフィードを通して外部端子に接続される。
【００３０】
透明基板１０において、光源１１は、例えば図３（ａ）に示すように、配線パターンの金属電極１０ａの上に実装される。これにより、光源１１から発光した光が凹面鏡５１を介さずに直接、上方に放射されることを抑制できる。なお、図３（ａ）に示す配線は、一例であって特にこれに限定されず、例えばビア１０ｂの位置など適宜、変更されてもよい。また、受光部１２の数や配置も、特に図３（ａ）の例に限定されない。
【００３１】
透明基板１０は、特にガラス基板に限らず、検出光Ｌ１と同波長の光を透過する種々の硬質材料で構成できる。例えば、透明基板１０には、アクリル、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＩ（ポリイミド）のような有機材料を用いてもよいし、検出光Ｌ１の波長帯によってはＳｉ基板やＧａＡｓ基板等の半導体基板も利用可能である。
【００３２】
図２に戻り、反射基板５は、凹面鏡５１が形成される主面を有し、当該主面において透明基板１０の下側の主面に接着される。凹面鏡５１は、例えば、反射基板５の法線方向すなわちＺ方向の周りに回転対称である放物面状となるように形成される。凹面鏡５１は、放物面に基づく焦点Ｐ１、及びＺ方向に沿って焦点Ｐ１を通る中心軸Ａ１を有する。凹面鏡５１は、本実施形態における第１の反射鏡の一例である。
【００３３】
透明基板１０と反射基板５とは、例えば光源１１が凹面鏡５１の焦点Ｐ１に位置するように、位置合わせして貼り合わされる。これにより、光源１１から発光した検出光Ｌ１を凹面鏡５１で反射して、光学センサ１から上方に出射する際に、Ｚ方向に沿って平行化することができる。凹面鏡５１の寸法は、光源１１の寸法等に応じて適宜、設定される。
【００３４】
反射基板５における凹面鏡５１の作製には、マイクロレンズアレイの製造技術などが利用可能である。例えば、ウェットエッチング、モールドプレス、或いはナノインプリント等の技術を用いて、ガラス、石英又は樹脂などの材料による平板状の基板に凹面を形成し、当該凹面にメタライズを施すことにより、凹面鏡５１を作製できる。なお、凹面鏡５１は、反射基板５に限らず、種々の部材により適宜、作製可能である。例えば、金属を、プレス加工、鍛造加工等を用いて加工することにより、凹面鏡５１を作製することも可能である。反射基板５の材料は、例えば１０以下のＣＴＥ（熱膨張率）を有してもよい。
【００３５】
弾性部材２は、透明な弾性体として例えば複数の透明層２０ａ，２０ｂと、反射体２１と、シャドウマスク２２とを含む。例えば２層の透明層２０ａ，２０ｂにおいて、硬質または比較的に硬質の透明層２０ａが、受光部１２を覆うように透明基板１０上に積層され、比較的に軟質の透明層２０ｂは、硬質の透明層２０ａの上に積層される。各透明層２０ａ，２０ｂは、検出光Ｌ１の波長帯において透光性を有し、且つ種々の弾性を有する透明樹脂などによって構成される。硬質の透明層２０ａによると、受光部１２を機械的ストレスから保護し易くすることができる。硬質の透明層２０ａは（受光部１２の保護のためであるため、）受光部１２の各素子およびその接続部の周囲を覆うだけでもよい。また、弾性部材２における透明層２０ａ，２０ｂの層数は１層であってもよい。以下、各透明層２０ａ，２０ｂの総称を「透明層２０」という。
【００３６】
弾性部材２の上面は、例えばＹＸ平面に沿って平坦に形成される。これにより、凹面鏡５１からの光を、平行化された状態を維持しながら光学センサ１外に出射できることとなり、光学センサ１の光学設計を容易化することができる。弾性部材２は、透明層２０を所定の形状に成形して設けられてもよく、例えば角柱状、円柱状、円錐台状、或いは角錐台状であってもよい。また、弾性部材２は、透明層２０を透明基板１０の主面上に均一に配置して設けられてもよい。なお、弾性部材２は、上面が平坦な形状でなくてもよく、例えば半球状などであってもよい。
【００３７】
反射体２１は、光学センサ１の触覚センシングのために、弾性部材２内部で検出光Ｌ１を反射するように設けられる。反射体２１は、例えば透明層２０の上部において、凹面鏡５１の中心軸Ａ１上に位置する。反射体２１は、光源１１による検出光Ｌ１と同じ波長帯の光を乱反射又は鏡面反射する光学特性の材料で構成され、例えば金属、或いは反射性樹脂などで構成される。反射体２１の形状は、突起状であってもよいし、平坦あるいは凹状であってもよい。反射体２１は、弾性部材２における反射部の一例である。
【００３８】
シャドウマスク２２は、例えば反射体２１よりも上方の透明層２０の内部又は上面に設けられる。シャドウマスク２２は、例えば黒色樹脂など、検出光Ｌ１と同じ波長帯の光を吸収する光学特性を有する材料で構成される。例えばシャドウマスク２２に複数の開口を設けることにより、発光用の光学窓２３ａと、受光用の光学窓２３ｂとが形成される。各光学窓２３ａ，２３ｂは、それぞれ弾性部材２における透過部の一例である。図３（ｂ）に示す弾性部材２の平面図において、図３（ａ）の例に対応する各光学窓２３ａ，２３ｂの配置例を示す。
【００３９】
発光用の光学窓２３ａは、光源１１で発光して外部に出射する検出光Ｌ１が透過する透過領域を構成する。図３（ｂ）の例において、発光用の光学窓２３ａは、シャドウマスク２２において反射体２１の周囲に環状に設けられた開口により形成される。当該開口は、特に環状に限らず、反射体２１の領域を含めた円状などに形成されてもよい。発光用の光学窓２３ａの寸法は、光源１１及び凹面鏡５１から当該光学窓２３ａを介して外部に出射させる光の光量などを考慮して適宜、設定される。
【００４０】
受光用の光学窓２３ｂは、対象物４における検出光Ｌ１の反射光のような、外部から受光部１２に入射する光が透過する透過領域を構成する。本例において、受光用の光学窓２３ｂは、４箇所の受光部１２に対応して、シャドウマスク２２において光源１１の位置を基準として対称に設けられた４つの開口により形成される。受光用の光学窓２３ｂは、例えば、ＸＹ平面において、光源１１までの距離が、受光部１２と光源１１間の距離よりも所定の比率で小さくなるように配置される。当該比率および受光用の光学窓２３ｂの寸法は、当該光学窓２３ｂを介した受光部１２の受光により近接センシングの対象とするＺ方向の距離などを考慮して適宜、設定される。
【００４１】
シャドウマスク２２によると、光学センサ１において、外光等から受光部１２を可及的に遮光することができる。外光が極めて強い場合或いは激しく変化する場合には、ＰＤ等の受光素子が飽和して、誤動作を起こす虞がある。これに対して、本実施形態の光学センサ１では、シャドウマスク２２の遮光により、外光等による誤動作を抑制することができる。
【００４２】
以上の光学センサ１の光源１１からの検出光Ｌ１を凹面鏡５１で反射して、検出光Ｌ１がＺ方向に沿って出射される。このことから、光学センサ１の光学設計における光源１１の放射特性および弾性部材２の屈折率等の依存性を低減して、光学設計を容易化できる。また、以上のような構造によると、光学センサ１をウエハ或いはパネル等の単位で製造することが可能である。よって、光学センサ１の製造工程を単純化し、製造コストを低減することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態の光学センサ１では、光源１１が弾性部材２とは反対側の透明基板１０の主面上に設けられることから、例えば触覚センシングにおいて弾性部材２が接触力等で変形した際に、光源１１に応力等の影響を及ぼすことを回避できる。よって、光学センサ１の故障に対する耐性すなわち信頼性を確保し易い。光源１１は、透明基板１０と反射基板５との間で気密封止されてもよい。これにより、光学センサ１の信頼性を向上できる。
【００４４】
２．動作
以上のように構成される光学センサ１の動作について、以下説明する。
【００４５】
光学センサ１の光源１１は、例えば光源駆動回路３１（図１）の駆動により、検出光Ｌ１を発光する。例えば図２に示すように、光源１１からの検出光Ｌ１は、凹面鏡５１に入射して、凹面鏡５１からＺ方向に沿って上方に反射される。凹面鏡５１で反射した検出光Ｌ１において、例えば中心軸Ａ１近傍の光は反射体２１に入射し、周縁の光は発光用の光学窓２３ａに入射する。
【００４６】
反射体２１に入射した検出光Ｌ１は反射され、受光部１２に到達し得る。弾性部材２の形状が変化すると、反射体２１の位置及び向き等が変動し、反射体２１が検出光Ｌ１を反射する方位或いは角度も変化する。よって、対象物４による接触力で弾性部材２が変形する状態に応じて、受光部１２における反射体２１からの検出光Ｌ１の受光結果が変化することから、受光信号Ｓ１の出力によって触覚のセンシングを行える。
【００４７】
例えば、検出回路３２において、受光部１２の各受光素子からの受光信号Ｓ１の信号レベルの変動を解析することにより、各種接触力の検出を行うことができる。解析方法としては適宜、公知技術を適用可能である（例えば特許文献２，３参照）。
【００４８】
また、凹面鏡５１から発光用の光学窓２３ａに入射した光は、弾性部材２を透過して、光学センサ１の外部に出射する。光学センサ１から出射した検出光Ｌ１が、例えば対象物４に到達して拡散的に反射されることにより、対象物４における検出光Ｌ１の反射光が、光学センサ１に向けて出射し得る。対象物４からの反射光が、光学センサ１における受光用の光学窓２３ｂに入射すると、対象物４と光学センサ１間の位置関係に応じて、受光部１２で受光され得る。光学センサ１において、対象物４における検出光Ｌ１の反射光の受光結果が信号出力されることにより、対象物４の近接センシングを行うことができる。
【００４９】
例えば、検出回路３２は、受光信号Ｓ１に基づき、所定の距離範囲に対象物４が存在するか否かを検出できる。距離は、受光信号Ｓ１の信号強度に基づいて推定してもよい。あるいは、所定の距離範囲は、各光学窓２３ａ，２３ｂ等の配置に応じた三角測量に従って設定してもよい。その場合、検出回路３２は、三角測量に基づく演算を行って、対象物４までの距離を算出することができる。また、検出回路３２は、受光信号Ｓ１の時間変化に基づいて、対象物４が近づいているか否かも検出できる。
【００５０】
以上のように、本実施形態の光学センサ１によると、弾性部材２及び凹面鏡５１による簡単な光学的機構によって、単体の光学センサ１において触覚センシングと近接センシングの両立を実現することができる。例えば、対象物４が近接し、さらに近づいて接触に至るまでの一連の動きを切れ目なく、同一のセンサで検出することができる。
【００５１】
本実施形態の光学センサ１によると、凹面鏡５１によって検出光Ｌ１を平行化して外部に出射することから、上述した近接センシングにおいて、対象物４の距離に応じた検出光Ｌ１の拡散および光損失を抑制できる。よって、近接センシングを効率良く行え、対象とする距離範囲を拡げることも容易になる。例えば、非鏡面体の対象物４で反射して受光され得る反射光の強度は、対象物４までの距離の二乗に反比例して弱まるが、この場合であっても近接センシングを実現可能である。
【００５２】
また、以上のような光学センサ１の動作において、近接センシングを実現するために検出光Ｌ１を外部に取り出し、反射光を内部に取り込む際には、外部の環境光などの外光が光学センサ１内に入ってくることが考えられる。これに対して、光源駆動回路３１において検出光Ｌ１に変調をかけることにより、検出回路３２において、外乱となる外光と信号となる検出光Ｌ１の反射光を区別することができる。
【００５３】
３．まとめ
以上のように、本実施形態の光学センサ１は、光の受光結果に応じて、物体による接触及び近接を感知する触覚及び近接センサである。光学センサ１は、光源１１と、受光部１２と、弾性部材２と、凹面鏡５１とを備える。光源１１は、検出光Ｌ１を発光する。受光部１２は、光を受光して、受光結果を示す受光信号Ｓ１を生成する。弾性部材２は、外力に応じて変形する透明層２０等の弾性体で構成される。弾性部材２は、光を反射する反射部としての反射体２１、及び光を透過する透過部としての各光学窓２３ａ，２３ｂを備える。凹面鏡５１は、光源１１からの検出光Ｌ１を反射部及び透過部に導光するように、光源１１に対向して配置される。
【００５４】
以上の光学センサ１によると、凹面鏡５１が弾性部材２の反射部及び透過部に導光する簡単な機構において、対象物４等の物体による接触と近接の感知を両立することができる。触覚センシングにおいては、弾性部材２内で光源１１からの検出光Ｌ１を、凹面鏡５１を介して反射体２１に効率良く集めることができ、発光パワーの有効利用および高効率化が実現できる。また、受光パワーも上げられ、ＳＮ比（信号対雑音比）の向上も可能である。
【００５５】
また、近接センシングにおいては、凹面鏡５１により光源１１からの検出光Ｌ１を導光して、透過部から外部に出射させることによって、遠方にも拡散せず検出光Ｌ１を送ることができ、センシングの対象とする距離範囲を長くすることができる。本実施形態の光学センサ１によると、従来の複雑な光学設計を要する近接センシング技術よりも精度の高い実装が可能である。さらに、以上の二つのセンシング機能を同一の装置構成で実現でき、センサの小型化を図れる。
【００５６】
本実施形態において、第１の反射鏡の一例である凹面鏡５１は、光源１１からの検出光Ｌ１を平行化するように、凹面状に形成される。たとえば、放物面による凹面状の焦点Ｐ１の位置に、光源１１が配置されることにより、凹面鏡５１から出射する検出光Ｌ１は平行光になり、光学センサ１から遠方にわたって出射する検出光Ｌ１の拡散を抑制することができる。凹面鏡５１の形状および光源１１の位置は、近接センシングの距離範囲内で検出光Ｌ１の拡散を抑制できる程度に適宜、許容誤差を有してもよい。
【００５７】
本実施形態において、光学センサ１は、弾性部材２と凹面鏡５１との間に設けられる基板である透明基板１０をさらに備える。透明基板１０は、弾性部材２側の主面と凹面鏡５１とを有する。透明基板１０における凹面鏡５１側の主面上に、光源１１が設けられる。すなわち、対象物４の接触時に応力が発生する弾性部材２側に光源１１を置かない構成となる。これにより、触覚センシング時に応力の影響を光源１１に及ぼさず、光学センサ１の信頼性を高めることができる。また、金属薄膜等の反射基板５とガラス等の透明基板１０との間に光源１１を封じ込められ、レベルの高い気密構造を容易に実現できる。
【００５８】
本実施形態において、受光部１２が、透明基板１０における弾性部材２側の主面上に設けられる。これにより、光源１１と受光部１２の実装位置を異ならせて、光源１１から生じ得る迷光が受光部１２に到達し難くすることができる。よって、受光部１２における受光のＳＮ比を良くすることができる。
【００５９】
本実施形態において、光学センサ１の透過部は、発光用の光学窓２３ａと、受光用の光学窓２３ｂとを含む。発光用の光学窓２３ａは、光源１１が発光して外部に出射する検出光Ｌ１が透過する第１の透過領域の一例である。受光用の光学窓２３ｂは、外部から受光部１２に入射する光が透過する第２の透過領域の一例である。検出光Ｌ１が出射するＺ方向に対する検出光Ｌ１の反射光が入射する角度は、各光学窓２３ａ，２３ｂの配置およびサイズなどにより、所定の角度範囲内に規制できる。当該角度範囲内における三角測量法に従って、簡単に測距可能な近接センシングを行うことができる。
【００６０】
本実施形態の光学センサ１は、光源駆動回路３１と、検出回路３２とをさらに備えてもよい。光源駆動回路３１は、光源１１が出射する検出光Ｌ１を変調する変調回路の一例である。検出回路３２は、受光信号Ｓ１に基づいて、光源駆動回路３１によって変調された光の受光結果を検出する。これにより、対象物４からの検出光Ｌ１の反射光を、外光から区別することができる。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態１では、光源１１からの検出光Ｌ１を導光するための凹面鏡５１を備える光学センサ１を説明した。実施形態２では、さらに、受光部１２に光を導光するための凹面鏡を備える光学センサについて、図４，５を参照して説明する。
【００６２】
図４は、実施形態２に係る光学センサ１Ａの構造を示す断面図である。本実施形態の光学センサ１Ａでは、実施形態１の光学センサ１と同様の構成に加えて、受光用の凹面鏡５２をさらに備える。受光用の凹面鏡５２は、本実施形態における第２の反射鏡の一例である。
【００６３】
また、実施形態１では、受光部１２が透明基板１０において光源１１とは反対側の主面上に配置された。本実施形態において、受光部１２は、透明基板１０において光源１１と同じ側の主面上に、受光面を下方に向けて配置される。受光部１２は、透明基板１０と反射基板５間で気密封止されてもよい。
【００６４】
図４の例では、複数箇所の受光部１２に対応して、複数の受光用の凹面鏡５２が、それぞれ各受光部１２に対向するように設けられている。受光用の凹面鏡５２は、例えば光源１１に対する凹面鏡５１と同様に放物面状であり、焦点及び中心軸を有する。受光用の凹面鏡５２の寸法等は適宜、設定可能であり、光源１１用の凹面鏡５１よりも小さくてもよいし、該凹面鏡５１以上の大きさであってもよい。また、光源１１と受光部１２の距離が近く、かつそれぞれの凹面鏡５１，５２が大きく、光源１１用の凹面鏡５１と受光用の凹面鏡５２が設計上交差するような位置関係にあっても、凹面鏡５１，５２の一方又は双方の一部を切り欠き、あるいはさらに隔壁を設けて凹面鏡の一部が欠損する形状であってもかまわない。
【００６５】
図５は、本実施形態の光学センサ１Ａにおける受光部１２の配置を説明するための図である。図２の例において、受光部１２は、受光用の凹面鏡５２の中心軸Ａ２上の焦点Ｐ２から間隔δ分ずらして、光源１１から遠くなるように配置されている。間隔δは、次式（１）に基づき設定される。
δ＝Ｗ×Ｈ／Ｄ    …（１）
【００６６】
上式（１）において、Ｗは、（ＸＹ平面における）光源１１用の凹面鏡５１の中心軸Ａ１と、受光用の凹面鏡５２の中心軸Ａ２間の距離である。Ｈは、Ｚ方向における受光用の凹面鏡５２の中心点Ｐ２０から受光部１２までの距離である。Ｄは、Ｚ方向における受光用の凹面鏡５２の中心点Ｐ２０から、センシングの対象として想定される対象物４までの距離である。上式（１）は、対象物４における検出光Ｌ１の反射光が中心点Ｐ２０に到る光路がＺ方向となす角度θに基づき、Ｗ／Ｄ＝δ／Ｈ＝ｔａｎθより成立する。
【００６７】
上式（１）によると、近接センシングにおいて想定される距離Ｄ近傍において、対象物４における検出光Ｌ１の反射光を受光部１２に導光することができる。また、反射体２１の位置等を適宜、設定することにより、触覚センシングのために反射体２１における検出光Ｌ１の反射光を受光部１２に導光することもできる。受光用の凹面鏡５２の形状および受光部１２の位置は適宜、許容誤差の範囲内で設定可能である。
【００６８】
また、受光用の凹面鏡５２の焦点Ｐ２をぼかすような凹面鏡上が採用されてもよい。例えば、凹面鏡５２の形状を放物面から歪ませたり、二重焦点などの多重焦点の凹面形状が採用されたりしてもよい。
【００６９】
以上のように、本実施形態の光学センサ１Ａは、受光用の凹面鏡５２をさらに備える。受光用の凹面鏡５２は、対象物４からの検出光Ｌ１の反射光のような光を受光部１２に導光するように、受光部１２に対向して配置される第２の反射鏡の一例である。これにより、対象物４からの反射光を受光部１２で受光し易くして、近接センシングの距離範囲をより拡げ易くできる。また、受光の効率が良くなり、受光部１２の小型化も可能である。
【００７０】
本実施形態において、受光部１２が、透明基板１０における凹面鏡５１側の主面上に設けられる。これにより、受光部１２にも、触覚センシング時に応力の影響を及ぼさないようにでき、光学センサ１の信頼性を向上できる。
【００７１】
（実施形態３）
実施形態１，２の光学センサ１，１Ａでは、透明な弾性部材２を用いた。実施形態３では、別例の弾性部材を備える光学センサについて、図６を用いて説明する。
【００７２】
図６は、実施形態３に係る光学センサ１Ｂの構造を示す断面図である。本実施形態の光学センサ１Ｂは、例えば実施形態１と同様の構成において、弾性体として透明層２０による弾性部材２（図２）の代わりに、板ばね等のばね構造２５による弾性部材２Ａを備える。ばね構造２５は、例えば金属などで構成される弾性体の一例である。ばね構造２５の材料は、特に限定されず、例えば検出光Ｌ１の波長帯において透光性を有していない樹脂などでもよい。
【００７３】
本実施形態において、弾性部材２のばね構造２５は、透明基板１０から上方に突出するように設けられる。例えば、実施形態１と同様の反射体２１は、ばね構造２５の上面に固定できる。また、各光学窓２３ａ，２３ｂは、ばね構造２５の上面に開口を設けることにより形成できる。
【００７４】
本実施形態の光学センサ１Ｂによっても、実施形態１，２の光学センサ１，１Ａと同様に、簡単な機構において触覚センシングと近接センシングを両立することができる。
【００７５】
（他の実施形態）
上記の実施形態１ないし３では、凹面鏡５１が放物面状である例を説明したが、凹面鏡５１は放物面に限らず、種々の形状であってもよい。本変形例について、図７を用いて説明する。
【００７６】
図７は、光学センサ１における凹面鏡５１の変形例を説明するための図である。光学センサ１における凹面鏡５１Ａは、図７に例示するように、楕円面状であってもよい。この場合、凹面鏡５１Ａは、楕円面に基づく中心軸Ａ１１及び２つの焦点Ｐ１１，Ｐ１２を有する。
【００７７】
例えば、光源１１は、２つの焦点Ｐ１１，Ｐ１２においてより凹面鏡５１に近い一方の焦点Ｐ１１に配置される。これにより、他方の焦点Ｐ１２近傍に、検出光Ｌ１を集光することができる。上記の焦点Ｐ１２と近接センシングの対象とする距離範囲とを対応させるように適宜、凹面鏡５１Ａの楕円面における長径および短径などが設定可能である。なお、検出光Ｌ１が弾性部材２等を通過する際の屈折率の影響は、例えば検出光Ｌ１の入射角を充分に小さく設定することで低減でき、光学設計の容易化も可能である。
【００７８】
以上のように、本実施形態の光学センサ１において、凹面鏡５１Ａは、光源１１からの検出光Ｌ１を集光するように、楕円面状に形成されてもよい。また、凹面鏡５１Ａは、楕円面に限らず、光源１１からの検出光Ｌ１を集光または平行化する種々の凹面状に形成されてもよい。また、受光用の凹面鏡５２も、光源１１用の凹面鏡５１Ａと同様に、楕円面状などの各種凹面状に形成されてもよい。
【００７９】
また、光学センサ１においては、受光部１２等がフリップチップで実装されてもよい。本変形例について、図８を用いて説明する。
【００８０】
図８は、本変形例に係る光学センサ１Ｃの断面構造を示す。本変形例の光学センサ１Ｃにおいては、実施形態１と同様の構成から、受光部１２が、透明基板１０の下側の主面に設けられている。受光部１２は、フリップチップにより、受光面を上方に向けて配置される。これによっても、受光部１２の気密性を確保したり、光源１１からの迷光の受光を抑制したりすることができる。
【００８１】
なお、受光部１２のフリップチップは、上記の構成に限らず、例えば実施形態２の構成に適用されてもよい。また、各実施形態の構成において光源１１がフリップチップで実装されてもよい。この場合であっても、各種凹面鏡５１，５１Ａ，５２の形状を適宜、設定することにより、対向する光源１１又は受光部１２を焦点Ｐ１，Ｐ１１，Ｐ２近傍に位置合わせ可能である。
【００８２】
また、上記の各実施形態では、透明基板１０を備える光学センサ１について説明した。本実施形態の光学センサ１は、透明基板１０を備えなくてもよい。例えば、透明基板１０の代わりにメタルのブリッジ・リードフレームにより、光源１１及び受光部１２が実装されてもよい。
【００８３】
また、上記の実施形態１，２では、シャドウマスク２２を備える光学センサ１，１Ａを説明したが、シャドウマスク２２は省略されてもよい。例えば、弾性部材２の上面全体が透過部を構成してもよい。この場合であっても、検出光Ｌ１の反射光を受光部１２に受光させる構成を適宜、採用することにより、近接センシングを実現できる。
【００８４】
また、上記の各実施形態では、１つの光学センサ１で構成される触覚及び近接センサについて説明した。本実施形態では、複数の光学センサ１により、触覚及び近接センサが構成されてもよい。例えば、本実施形態の触覚及び近接センサは、複数の光学センサ１が１次元的又は２次元的に並んだセンサアレイであってもよい。センサアレイにおいては、複数の光学センサ１が個別または一体的に形成されてもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ    光学センサ
１０    透明基板
１１    光源
１２    受光部
２，２Ａ    弾性部材
２１    反射体
２３ａ    発光用の光学窓
２３ｂ    受光用の光学窓
３１    光源駆動回路
３２    検出回路
４    対象物
５１，５１Ａ    凹面鏡
５２    受光用の凹面鏡
【図１】
2020166185.tif 000003
【図２】
2020166185.tif 000004
【図３】
2020166185.tif 000005
【図４】
2020166185.tif 000006
【図５】
2020166185.tif 000007
【図６】
2020166185.tif 000008
【図７】
2020166185.tif 000009
【図８】
2020166185.tif 000010
【国際調査報告】
2020166185.tif 000011
2020166185.tif 000012
2020166185.tif 000013
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