JP7009549B2 - 安全機能を有する静電容量型近接検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、安全機能を有する静電容量型近接検出装置に関するものである。

特許文献１には、人協働ロボットに近接センサを設け、ロボットと人との距離を検出することが記載されている。近接センサの例として、超音波センサ、光学センサ、静電容量センサ、電波センサがあげられている。

国際公開第２０１８／１３１２３７号

人協働ロボット等においては、高い安全性が要求される。そこで、ロボットと人との距離を正確に把握することが求められる。そして、検出装置の安全性を高くするために、検出を複数系統で行うことが考えられる。つまり、第一系統と第二系統のそれぞれにおいて、センサ電極と検出回路とを備える。

第一系統と第二系統の何れにおいても、検出対象である人は同一の対象であるため、第一系統のセンサ電極と第二系統のセンサ電極とは、近くに設置されることになる。この場合、第一系統のセンサ電極と第二系統のセンサ電極とに、同じタイミングで励起電圧を印加すると、相互に干渉し合うため、それぞれのセンサ電極と検出対象との間の静電容量を高精度に検出することができない。

仮に、第一系統のセンサ電極と第二系統のセンサ電極に、異なるタイミングで励起電圧を印加することで、相互に干渉することは解決できる。しかし、第一系統のセンサ電極と第二系統のセンサ電極とが、いわゆるキャパシタの一対の電極を構成する可能性がある。そのため、一方のセンサ電極に励起電圧を印加したときに、一方のセンサ電極から他方のセンサ電極へ電荷が移動する可能性がある。その結果、センサ電極と検出対象との間の静電容量を高精度に検出することができない。

このように、安全機能を有するようにするために複数系統を構成しようとすると、検出対象との静電容量を高精度に検出することが容易ではない。本発明は、安全機能として複数系統を有するようにしつつ、検出対象との静電容量を高精度に検出することができる、安全機能を有する静電容量型近接検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る安全機能を有する静電容量型近接検出装置は、検出対象の近接を検出するための１つのセンサ電極と、複数系統のうち１つの系統を前記センサ電極に接続するように切り替えるスイッチと、前記複数系統のうちの第一系統を構成し、前記スイッチにより前記センサ電極に接続された状態において前記センサ電極により検出された第一信号を取得し、前記第一信号に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の第一静電容量を検出する第一系統検出回路と、前記第一系統検出回路により検出された前記第一静電容量に基づいて対象機器に対する処理を行う第一系統処理装置と、前記複数系統のうちの第二系統を構成し、前記スイッチにより前記センサ電極に接続された状態において前記第一信号とは異なるタイミングにて前記センサ電極により検出された第二信号を取得し、前記第二信号に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の第二静電容量を検出する第二系統検出回路と、前記第二系統検出回路により検出された前記第二静電容量に基づいて前記対象機器に対する処理を行う第二系統処理装置と、前記センサ電極が正常である場合に前記第一静電容量と前記第二静電容量とが同一値となるタイミングにおいて前記第一系統検出回路が検出した前記第一静電容量と前記第二系統検出回路が検出した前記第二静電容量との差、もしくは、前記第一静電容量および前記第二静電容量のそれぞれと基準容量との比較結果に基づいて、前記センサ電極の診断を行う診断回路とを備える。

本発明に係る静電容量型近接検出装置は、第一系統検出回路および第一系統処理装置により第一系統を構成し、第二系統検出回路および第二系統処理装置により第二系統を構成する。そして、センサ電極が、第一系統と第二系統とにおいて共有されている。センサ電極を共有とすることにより、励起電圧が相互干渉することや、他のセンサ電極に電荷が移動することを防止することができる。従って、高精度に、センサ電極と検出対象との間の静電容量を検出することができる。

また、センサ電極を共有しているものの、検出回路および処理装置は、第一系統と第二系統とにおいて独立している。従って、高い安全性を有する。さらに、静電容量型近接検出装置は、診断回路を備えている。診断回路は、第一系統検出回路が検出した第一静電容量、および、第二系統検出回路が検出した第二静電容量に基づいて、センサ電極の診断を行う。従って、センサ電極の異常を検出することができ、高い安全性を確保できる。

静電容量型近接検出装置の適用例を示す図である。 第一例の静電容量型近接検出装置の構成図である。 第一例における第一系統の処理と第二系統の処理のタイムチャートである。 診断回路による第一診断処理を示すフローチャートである。 診断回路による第二診断処理を示すフローチャートである。 第二例の静電容量型近接検出装置の構成図である。 第二例における第一系統の処理と第二系統の処理のタイムチャートである。 第三例の静電容量型近接検出装置の構成図である。 第三例における第一系統の処理と第二系統の処理のタイムチャートである。 第四例の静電容量型近接検出装置の構成図である。 第四例における第一系統の処理と第二系統の処理のタイムチャートである。 第一例の基準器の適用例を示し、補正前の静電容量を示す図である。 第一例の基準器の適用例を示し、補正後の静電容量を示す図である。 第一例の基準器の適用例を示し、補正後の静電容量を用いた検出対象の近接の検出の態様を示す図である。 第一例の基準器の適用例を示し、補正後の静電容量を用いた診断を示す図である。 第一例の基準器を用いた第一診断を示すフローチャートである。 第一例の基準器を用いた第二診断を示すフローチャートである。 第二例の基準器の適用例を示し、各静電容量を示す図である。 第二例の基準器の適用例を示し、環境Ｓ１において、検出対象の近接の検出の態様を示す図である。 第二例の基準器の適用例を示し、環境Ｓ２において、検出対象の近接の検出の態様を示す図である。 第二例の基準器の適用例を示し、センサ電極の診断を行う際の各静電容量を示す図である。 第二例の基準器の適用例を示し、環境Ｓ１において、診断を示す図である。 第二例の基準器を用いた第一診断を示すフローチャートである。 第二例の基準器を用いた第二診断を示すフローチャートである。

（１．静電容量型近接検出装置１の適用例）
静電容量型近接検出装置１（以下、「検出装置」と称する）の適用例について図１を参照して説明する。検出装置１は、例えば、人協働ロボット２に配置され、検出対象３の一例である人が人協働ロボット２に近接したことを検出する装置として適用できる。そして、検出対象３である人が人協働ロボット２に対して所定距離以内に近接していると判定された場合には、人協働ロボット２を停止させたり、警告を発したりすることができる。

ここで、人協働ロボット２と検出対象３との所定距離は、タッチパネルと人の指との距離に比べて極めて遠い。そのため、対象とする人協働ロボット２と検出対象３との間の静電容量Ｃｘは、非常に小さい。つまり、検出装置１は、検出対象３である人の近接を、極めて小さな静電容量Ｃｘの変化に基づいて検出することができる装置である。

また、検出装置１の検出対象３は、人の他に、導電体であれば、全てを対象とできる。例えば、検出装置１の検出対象３をロボットとし、検出装置１の設置対象を他のロボットとして、検出装置１は、ロボット同士の近接を検出する装置としても適用できる。

また、検出装置１を設置する対象は、人協働ロボット２の他に、任意の位置に設置することができる。例えば、検出装置１を、検出対象３である人の侵入禁止エリアに設置することで、人の侵入を検出することもできる。

図１に示す人協働ロボット２は、任意の作業を行うためのシリアルリンク型ロボットである。人協働ロボット２は、複数の関節を有しており、先端に作業ユニットを備える。例えば、人協働ロボット２は、搬送対象物（図示せず）を搬送するロボットであって、先端に搬送対象物を把持するハンドを有する。ただし、人協働ロボット２は、上記構成に限られず、任意の構成とすることができる。

検出装置１は、図１に示すように、センサ本体１０と、回路ユニット２０とを備える。センサ本体１０は、人協働ロボット２の表面に設置されている。例えば、センサ本体１０は、人協働ロボット２における作業ユニット付近（先端付近）に設置されている。センサ本体１０は、人協働ロボット２の円筒外周部を構成する枠体に塗装やメッキにより形成されたものや、金属などの導電体により形成された枠体そのものとすることができる。なお、枠体とは別体に形成された部材とし、枠体に張り付けるようにしてもよい。回路ユニット２０は、センサ本体１０に電気的に接続されており、静電容量Ｃｘを取得する。回路ユニット２０は、例えば、センサ本体１０に励起電圧を印加すると共に、励起電圧を印加した際に流れる電流を検出することで、静電容量Ｃｘの相当値を取得する。

（２．第一例の静電容量型近接検出装置１）
（２－１．検出装置１の構成）
第一例の検出装置１の構成について図２を参照して説明する。検出装置１は、センサ本体１０と回路ユニット２０とを備える。センサ本体１０は、１つのセンサ電極１１および１つのグランド電極１２を備える。

センサ電極１１は、面状（平面、曲面を含む）に形成されており、検出対象３（例えば、人）の近接を検出するための電極である。センサ電極１１の表面、すなわち検出対象３側の面には、絶縁層（図示せず）を備える。センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘである。

グランド電極１２は、センサ電極１１から距離を有してセンサ電極１１に対向可能な形状に形成されており、センサ電極１１における検出対象３とは反対側に配置されている。グランド電極１２は、例えば、面状に形成されている場合には、センサ電極１１と同等の大きさに形成されている。また、センサ電極１１が筒状に形成されている場合には、グランド電極１２は、筒の中心軸を構成する芯材とすることもできる。グランド電極１２は、接地されている。センサ電極１１とグランド電極１２との間には、絶縁層（図示せず）を備える。

なお、センサ本体１０は、センサ電極１１とグランド電極１２との間に、アクティブガード電極（シールド電極とも称する）を配置してもよい。この場合、アクティブガード電極にセンサ電極１１と同一の励起電圧を印加することにより、センサ電極１１とグランド電極１２との寄生容量を０（ゼロ）とみなすことができる。従って、センサ電極１１における電荷の移動が検出対象３のみに影響を受けることになり、検出対象の近接を高精度に検出することができる。

回路ユニット２０は、第一系統検出回路２１、第一系統処理装置２２、第二系統検出回路２３、第二系統処理装置２４、スイッチ２５、診断回路２６を備える。ここで、第一系統検出回路２１と第一系統処理装置２２とが、複数系統のうちの第一系統を構成する。第二系統検出回路２３と第二系統処理装置２４とが、複数系統のうちの第二系統を構成する。このように、検出装置１は、複数系統を有することによって、安全機能を有する構成となる。

第一系統検出回路２１は、センサ電極１１に接続された状態においてセンサ電極１１により検出された第一信号を取得する。例えば、第一系統検出回路２１は、センサ電極１１に矩形の励起電圧を印加し、励起電圧を印加したときにセンサ電極１１に流れる電流を第一信号として取得する。そして、第一系統検出回路２１は、第一信号に基づいてセンサ電極１１と検出対象３との間の第一静電容量Ｃｘ１を検出する。第一静電容量Ｃｘ１は、第一系統における静電容量Ｃｘである。

第一系統処理装置２２は、第一系統検出回路２１により検出された第一静電容量Ｃｘ１に基づいて対象機器に対する処理を行う。例えば、第一静電容量Ｃｘ１が、人協働ロボット２から所定距離内に検出対象３である人が近接したことに相当する静電容量Ｃｘである場合に、第一系統処理装置２２は、人協働ロボット２の動作を停止させたり、警告音を発したりするための信号を、対象機器に出力する。

ここで、対象機器は、例えば、人協働ロボット２における関節を駆動するアクチュエータ、警告音を発するためのスピーカ装置、状態を表示するための表示装置などである。そして、第一系統処理装置２２は、アクチュエータに対して所定の駆動を行うための駆動信号を出力したり、スピーカ装置に対して警告音を発するための駆動信号を出力したり、表示装置に対して状態を表示させる信号を出力したりする。

第二系統検出回路２３は、第一系統検出回路２１が接続されるセンサ電極１１に接続可能である。第二系統検出回路２３は、第一系統検出回路２１とは独立して動作する。第二系統検出回路２３は、センサ電極１１に接続された状態において、第一信号とは異なるタイミングにてセンサ電極１１により検出された第二信号を取得する。

例えば、第二系統検出回路２３は、第一系統検出回路２１とは異なるタイミングにてセンサ電極１１に矩形の励起電圧を印加し、励起電圧を印加したときにセンサ電極１１に流れる電流を第二信号として取得する。そして、第二系統検出回路２３は、第二信号に基づいてセンサ電極１１と検出対象３との間の第二静電容量Ｃｘ２を検出する。第二静電容量Ｃｘ２は、第二系統における静電容量Ｃｘである。

第二系統処理装置２４は、第二系統検出回路２３により検出された第二静電容量Ｃｘ２に基づいて対象機器に対する処理を行う。第二系統処理装置２４による処理は、タイミングが異なるのみで、実質的に、第一系統処理装置２２による処理と同一である。

スイッチ２５は、複数系統のうちセンサ電極１１に接続する系統を順次切り替える。具体的には、スイッチ２５は、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続するａ側と、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続するｂ側とを切り替える。つまり、センサ電極１１と接続される検出回路は、第一系統検出回路２１と第二系統検出回路２３の何れか一方となり、両者が同時に接続されることはない。従って、第一系統検出回路２１と第二系統検出回路２３とは、センサ電極１１に接続されるタイミングが異なる。

ここで、第一系統検出回路２１は、スイッチ２５がａ側のときにセンサ電極１１に接続された状態となり、当該状態においてセンサ電極１１により検出された第一信号を取得する。ただし、第一系統検出回路２１は、センサ電極１１と接続されている間の任意のタイミングにて第一信号を取得することができる。従って、図３において、第一系統検出回路２１が第一信号を取得している時間は、スイッチ２５がａ側に接続されている時間の一部としている。

また、第二系統検出回路２３は、スイッチ２５がｂ側のときにセンサ電極１１に接続された状態となり、当該状態においてセンサ電極１１により検出された第二信号を取得する。ただし、第二系統検出回路２３は、センサ電極１１と接続されている間の任意のタイミングにて第二信号を取得することができる。従って、図３において、第二系統検出回路２３が第一信号を取得している時間は、スイッチ２５がｂ側に接続されている時間の一部としている。

診断回路２６は、第一系統検出回路２１が検出した第一静電容量Ｃｘ１、および、第二系統検出回路２３が検出した第二静電容量Ｃｘ２に基づいて、センサ電極１１の診断を行う。診断回路２６は、第一系統検出回路２１の内部診断を行う。また、診断回路２６は、第二系統検出回路２３の内部診断も行う。

ここで、センサ電極１１、第一系統検出回路２１および第二系統検出回路２３が正常である場合には、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２は、同一値となる。一方、第一系統検出回路２１が第一信号を取得した時点においてセンサ電極１１が正常で、その後に、第二系統検出回路２３が第二信号を取得した時点においてセンサ電極１１が異常になると、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とは異なる値となる。つまり、診断回路２６は、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とが異なる場合に、センサ電極１１を異常と診断する。

例えば、診断回路２６は、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２との差が、所定値より大きい場合に、センサ電極１１の異常と判断する。ここで、第一静電容量Ｃｘ１は第一信号の大きさに対応し、第二静電容量Ｃｘ２は第二信号の大きさに対応する。従って、診断回路２６は、第一信号と第二信号との差が所定値より大きい場合に、センサ電極１１の異常を判断してもよい。

ただし、検出対象３である人の近接の前後においても、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とが異なる値となる。そこで、人の近接による静電容量の変化を予め把握しておくことで、センサ電極１１の異常と検出対象３である人の近接とを区別することができる。

また、第一系統検出回路２１と第二系統検出回路２３の一方が正常で、他方が異常である場合にも、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とは異なる値となる。この場合、時間が経過したとしても、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とは異なる値のままとなる。従って、診断回路２６は、第一静電容量Ｃｘ１と第二静電容量Ｃｘ２とが、継続して異なる値となることで、第一系統検出回路２１と第二系統検出回路２３の一方の異常を診断できる。

なお、上述したように、診断回路２６は、検出対象３である人の近接と、センサ電極１１の異常とを区別することができる。ただし、診断回路２６は、両者を区別することなく、両者共に異常状態であると診断して、第一系統処理装置２２または第二系統処理装置２４によって人協働ロボット２を停止させることも可能である。

（２－２．検出装置１の動作）
検出装置１の動作について図３－図５を参照して説明する。スイッチ２５がａ側に接続されると、センサ電極１１が第一系統検出回路２１に接続される。そうすることで、図３に示すように、第一系統検出回路２１が、第一静電容量Ｃｘ１を検出する（Ｓ１ａ）。スイッチ２５がａ側に接続されている間、診断回路２６は、第一系統検出回路２１が今回のＳ１ａにて検出した第一静電容量Ｃｘ１を用いて第二診断を行うことができる。さらに、スイッチ２５がａ側に接続されている間、診断回路２６は、前に検出した第二静電容量Ｃｘ２を用いた第二診断を行う（Ｓ２ｂ）。

続いて、スイッチ２５がｂ側に切り替わることで、第二系統検出回路２３が、センサ電極１１に接続され、第二静電容量Ｃｘ２を検出する（Ｓ２ａ）。スイッチ２５がｂ側に接続されている間、診断回路２６は、第二系統検出回路２３が今回のＳ２ａにて検出した第二静電容量Ｃｘ２を用いて第二診断を行うことができる。さらに、スイッチ２５がｂ側に接続されている間、診断回路２６は、Ｓ１ａで検出した第一静電容量Ｃｘ１を用いて第一診断を行う（Ｓ１ｂ）。

図４に示すように、診断回路２６における第一診断は、第一系統検出回路２１の内部診断を行う（Ｓ１）。続いて、診断回路２６は、今回検出した第一静電容量Ｃｘ１と既に検出していた第二静電容量Ｃｘ２とを比較することで、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ２）。そして、第一診断を終了する。ただし、診断回路２６は、内部診断と比較診断の順序を逆にすることもできる。

図５に示すように、診断回路２６における第二診断は、第二系統検出回路２３の内部診断を行う（Ｓ３）。続いて、診断回路２６は、今回検出した第二静電容量Ｃｘ２と既に検出していた第一静電容量Ｃｘ１とを比較することで、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ４）。そして、第二診断を終了する。ただし、診断回路２６は、内部診断と比較診断の順序を逆にすることもできる。

ここで、診断回路２６は、第一系統検出回路２１および第二系統検出回路２３とは別構成として説明した。これに限定されず、診断回路２６の一部機能は、第一系統検出回路２１に組み込まれるようにしてもよく、他の一部機能は、第二系統検出回路２３に組み込まれるようにしてもよい。

（２－３．効果）
検出装置１は、第一系統検出回路２１および第一系統処理装置２２により第一系統を構成し、第二系統検出回路２３および第二系統処理装置２４により第二系統を構成する。そして、センサ電極１１が、第一系統と第二系統とにおいて共有されている。センサ電極１１を共有とすることにより、励起電圧が相互干渉することや、他のセンサ電極に電荷が移動することを防止することができる。従って、高精度に、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘを検出することができる。

特に、スイッチ２５を用いることにより、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とが接続されている場合に、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とは接続されていない状態とできる。また、その逆も同様である。従って、スイッチ２５の動作を上記のように制御することにより、センサ電極１１における電荷が、検出しない側の系統に移動することを防止できる。すなわち、第一系統検出回路２１がセンサ電極１１から第一信号を取得する際に、センサ電極１１の電荷が、第二系統検出回路２３に移動することを防止できる。また、その逆も同様である。

また、センサ電極１１を共有しているものの、検出回路２１，２３および処理装置２２，２４は、第一系統と第二系統とにおいて独立している。従って、高い安全性を有する。さらに、検出装置１は、診断回路２６を備えている。診断回路２６は、第一系統検出回路２１が検出した第一静電容量Ｃｘ１、および、第二系統検出回路２３が検出した第二静電容量Ｃｘ２に基づいて、センサ電極１１の診断を行う。従って、センサ電極１１の異常を検出することができ、高い安全性を確保できる。

さらに、診断回路２６による第一診断の少なくとも一部は、第二系統検出回路２３がセンサ電極１１に接続されているときに行っている。上述したように、第二系統検出回路２３がセンサ電極１１に接続されているときには、第一系統検出回路２１はセンサ電極１１に接続していないため、センサ電極１１から第一信号を取得することはできない。そこで、当該時間を有効利用するために、診断回路２６は、当該時間に、第一診断を行うこととしている。また、診断回路２６による第二診断の少なくとも一部は、第一系統検出回路２１がセンサ電極１１に接続されているときに行っている。この場合も同様に、時間の有効利用を図ることができる。

（３．第二例の静電容量型近接検出装置１ａ）
（３－１．第二例の検出装置１ａの構成）
第二例の検出装置１ａの構成について図６を参照して説明する。第二例の検出装置１ａは、第一例の検出装置１に対して、スイッチ２５のみ相違する。

スイッチ２５は、複数系統のうちセンサ電極１１に接続する系統を順次切り替える。具体的には、スイッチ２５は、センサ電極１１と第一系統検出回路２１との接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第一スイッチ２５ａと、センサ電極１１と第二系統検出回路２３との接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第二スイッチ２５ｂとを備える。

第一スイッチ２５ａがＯＮのときには、第二スイッチ２５ｂはＯＦＦとなる。第二スイッチ２５ｂがＯＮのときには、第一スイッチ２５ａはＯＦＦとなる。つまり、第一スイッチ２５ａと第二スイッチ２５ｂが、同時にＯＮとなることはない。従って、第一スイッチ２５ａがＯＮになるタイミングと、第二スイッチ２５ｂがＯＮになるタイミングとは、異なる。

ここで、第一系統検出回路２１は、第一スイッチ２５ａがＯＮのときにセンサ電極１１に接続された状態となり、当該状態においてセンサ電極１１により検出された第一信号を取得する。また、第二系統検出回路２３は、第二スイッチ２５ｂがＯＮのときにセンサ電極１１に接続された状態となり、当該状態においてセンサ電極１１により検出された第二信号を取得する。

（３－２．第二例の検出装置１ａの動作）
第二例の検出装置１ａの動作について図７を参照して説明する。第一スイッチ２５ａがＯＮとなり、センサ電極１１が第一系統検出回路２１に接続される。そうすることで、第一系統検出回路２１が、第一静電容量Ｃｘ１を検出する（Ｓ１ａ）。この間、第二スイッチ２５ｂがＯＦＦとなり、診断回路２６が、診断処理を行う（Ｓ２ｂ）。

続いて、第一スイッチ２５ａがＯＦＦになり、且つ、第二スイッチ２５ｂがＯＮとなる。そうすることで、第二系統検出回路２３が、センサ電極１１に接続され、第二静電容量Ｃｘ２を検出する（Ｓ２ａ）。この間、診断回路２６は、Ｓ１ａで検出した第一静電容量Ｃｘ１を用いて第一診断を行う（Ｓ１ｂ）。

続いて、第二系統において、第二スイッチ２５ｂがＯＦＦになることで、第一スイッチ２５ａおよび第二スイッチ２５ｂがＯＦＦとなる。このとき、診断回路２６は、第一系統においては、第一診断を継続する。一方、診断回路２６は、第二系統において、第二診断を行う。

（４．第三例の静電容量型近接検出装置４）
（４－１．第三例の検出装置４の構成）
第三例の検出装置４の構成について図８を参照して説明する。検出装置４は、センサ本体１０、回路ユニット３０、および、外部装置４０を備える。第三例の検出装置４において、第一例の検出装置１と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

回路ユニット３０は、第一系統検出回路２１、第一系統処理装置２２、第二系統検出回路２３、第二系統処理装置２４、通信装置３１、スイッチ３２、診断回路３３を備える。第一系統検出回路２１、第一系統処理装置２２、第二系統検出回路２３、第二系統処理装置２４は、第一例と同一である。

通信装置３１は、外部装置４０と通信を行う。ここで、外部装置４０は、ホストコンピュータ、人協働ロボット２の制御装置、ライトカーテンなどの周辺のセンサ、診断回路３３において診断するための基準器などとすることができる。通信装置３１が通信可能な外部装置４０は、目的に応じて、１または複数を設定することができる。

スイッチ３２は、第一スイッチ３２ａと第二スイッチ３２ｂとを備える。第一スイッチ３２ａは、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続する状態と、第一系統検出回路２１と別機器としての通信装置３１とを接続する状態とを切り替える。第二スイッチ３２ｂは、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続する状態と、第二系統検出回路２３と別機器としての通信装置３１とを接続する状態とを切り替える。

ここで、第一スイッチ３２ａがセンサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続している状態においては、第二スイッチ３２ｂはセンサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続する状態にはならない。その逆も同様である。

つまり、スイッチ３２は、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続し、且つ、第二系統検出回路２３と別機器としての通信装置３１を接続する状態と、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続し、且つ、第一系統検出回路２１と別機器としての通信装置３１とを接続する状態とを切り替える。

診断回路３３は、第一例と同様に、第一系統検出回路２１が検出した第一静電容量Ｃｘ１、および、第二系統検出回路２３が検出した第二静電容量Ｃｘ２に基づいて、センサ電極１１の診断を行う。この診断は、第一スイッチ３２ａによりセンサ電極１１と第一系統検出回路２１とが接続されている間、または、第二スイッチ３２ｂによりセンサ電極１１と第二系統検出回路２３とが接続されている間に行われる。

さらに、診断回路３３は、第一スイッチ３２ａによりセンサ電極１１と第一系統検出回路２１とが接続されている間に、通信装置３１から情報を取得し、且つ、通信装置３１から取得した情報を用いてセンサ電極１１の診断を行う。例えば、診断回路３３は、通信装置３１から取得した情報として、ホストコンピュータから取得した情報、人協働ロボット２の制御状態、周辺のセンサ情報などを考慮して、上記におけるセンサ電極１１の診断が行われる。

また、診断回路３３は、第二スイッチ３２ｂによりセンサ電極１１と第二系統検出回路２３とが接続されている間に、通信装置３１から情報を取得し、且つ、通信装置３１から取得した情報を用いてセンサ電極１１の診断を行う。

（４－２．検出装置４の動作）
検出装置４の動作について図９を参照して説明する。第一スイッチ３２ａがａ側に接続し、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続させる。そうすることで、第一系統検出回路２１が、第一静電容量Ｃｘ１を検出する（Ｓ１１ａ）。この間、第二スイッチ３２ｂは、ｂ側に接続し、通信装置３１と第二系統検出回路２３とを接続させる。

続いて、第一スイッチ３２ａがｂ側に接続し、且つ、第二スイッチ３２ｂがａ側に接続する。そうすることで、第二系統検出回路２３が、センサ電極１１に接続され、第二静電容量Ｃｘ２を検出する。このとき、第一系統検出回路２１は、通信装置３１に接続されることで、通信装置３１から情報を取得する（Ｓ１１ｂ）。その後、診断回路３３が、Ｓ１１ａで検出した第一静電容量Ｃｘ１、以前に検出した第二静電容量Ｃｘ２、Ｓ１１ｂで通信装置３１から取得した情報を用いて第一診断を行う（Ｓ１１ｃ）。

第二系統においては、第二系統検出回路２３が第二静電容量Ｃｘ２を検出した後に、第二スイッチ３２ｂがｂ側に切り替えられる。第二系統検出回路２３は、通信装置３１に接続されることで、通信装置３１から情報を取得する（Ｓ１２ｂ）。その後、診断回路３３が、Ｓ１１ａで検出した第一静電容量Ｃｘ１、Ｓ１２ａで検出した第二静電容量Ｃｘ２、Ｓ１２ｂで通信装置３１から取得した情報を用いて第二診断を行う（Ｓ１２ｃ）。

第三例においては、スイッチ３２が、センサ電極１１と接続する状態と、通信装置３１と接続する状態とを切り替えている。従って、第一系統検出回路２１は、センサ電極１１に接続されていない状態において、通信装置３１を介して外部装置４０の情報を取得することができると共に、第一診断を行うことができる。

そして、第一系統検出回路２１が通信装置３１に接続されている状態、および、診断回路３３が第一診断を行っている状態において、第二系統検出回路２３が、センサ電極１１に接続され、第二静電容量Ｃｘ２を検出している。従って、第二静電容量Ｃｘ２の検出が行われている最中に、通信装置３１から情報を取得すると共に、第一診断が行われている。その結果、時間の有効利用を図ることができる。

（５．第四例の静電容量型近接検出装置５）
（５－１．第四例の検出装置５の構成）
第四例の検出装置５の構成について図１０を参照して説明する。検出装置５は、センサ本体１０および回路ユニット５０を備える。第四例の検出装置５において、第一例と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。

回路ユニット５０は、第一系統検出回路２１、第一系統処理装置２２、第二系統検出回路２３、第二系統処理装置２４、別機器としての基準器５１、スイッチ５２、診断回路５３を備える。第一系統検出回路２１、第一系統処理装置２２、第二系統検出回路２３、第二系統処理装置２４は、第一例と同一である。なお、第三例における外部装置４０を、本例における基準器５１に置換することも可能である。

基準器５１は、検出対象３の近接に影響を受けない基準状態におけるセンサ電極１１の基準信号を出力可能である。基準信号は、第一系統検出回路２１および第二系統検出回路２３において静電容量Ｃｘを用いた検出対象３の近接を判断する際に用いられる。さらに、基準信号は、診断回路５３において第一静電容量Ｃｘ１または第二静電容量Ｃｘ２と比較することにより、センサ電極１１の診断に用いられる。

基準信号は、基準状態においてセンサ電極１１が出力する信号と同一値としてもよいし、センサ電極１１が出力する信号とは異なる値であって、センサ電極１１が出力する信号に対して相関を有する値としてもよい。

スイッチ５２は、第一スイッチ５２ａと第二スイッチ５２ｂとを備える。第一スイッチ５２ａは、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続する状態と、第一系統検出回路２１と別機器としての基準器５１とを接続する状態とを切り替える。第二スイッチ５２ｂは、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続する状態と、第二系統検出回路２３と別機器としての基準器５１とを接続する状態とを切り替える。

ここで、第一スイッチ５２ａがセンサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続している状態においては、第二スイッチ５２ｂはセンサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続する状態にはならない。その逆も同様である。

つまり、スイッチ５２は、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とを接続し、且つ、第二系統検出回路２３と別機器としての基準器５１を接続する状態と、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とを接続し、且つ、第一系統検出回路２１と別機器としての基準器５１とを接続する状態とを切り替える。

診断回路５３は、第一系統検出回路２１が検出した第一静電容量Ｃｘ１と、基準器５１から取得した基準信号とを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う。この診断は、センサ電極１１と第二系統検出回路２３とが接続されている間に行われる。また、診断回路５３は、第二系統検出回路２３が検出した第二静電容量Ｃｘ２と、基準器５１から取得した基準信号とを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う。この診断は、センサ電極１１と第一系統検出回路２１とが接続されている間に行われる。

さらに、診断回路５３は、第一例と同様に、第一系統検出回路２１が検出した第一静電容量Ｃｘ１と第二系統検出回路２３が検出した第二静電容量Ｃｘ２とを比較することにより、センサ電極１１、第一系統検出回路２１、第二系統検出回路２３の診断を行うこともできる。

（５－２．第四例の検出装置５の動作）
第四例の検出装置５の動作について図１１を参照して説明する。本例における検出装置５の動作は、第三例の検出装置４の動作と同様である。ただし、第三例における通信装置３１から情報を取得することを、第四例においては、基準器５１から基準信号を取得することに置換した内容となる。

そして、第一診断において、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号とを比較して、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ１１ｃ）。第一診断は、第二系統検出回路２３が第二静電容量Ｃｘ２を検出しているときに行われる。また、第二診断において、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号とを比較して、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ１２ｃ）。第二診断は、第二系統検出回路２３が第二静電容量Ｃｘ２を検出しているときに行われる。また、第一診断と第二診断が、同じタイミングにおいて行われるようにしてもよい。

（５－３．第四例の変形例）
上記の第四例の検出装置５においては、基準器５１は、スイッチ５２を介して、第一系統検出回路２１および第二系統検出回路２３に基準信号を出力可能であるとした。ただし、検出装置５が、スイッチ５２を有しない構成であって、基準器５１が、スイッチ５２を介さずに直接、第一系統検出回路２１および第二系統検出回路２３に基準信号を出力可能としてもよい。

（６．基準器５１の適用例）
（６－１．第一例の基準器５１）
第四例の検出装置５およびその変形例において、基準器５１は、検出対象３の近接に影響を受けない基準状態におけるセンサ電極１１の基準信号を記憶しており、基準信号を出力可能である。

第一例の基準器５１について、図１２－図１７を参照して説明する。基準器５１は、固定の静電容量を有するキャパシタである。このキャパシタは、外部環境の影響を受けないように筐体に収容されている。従って、基準器５１が出力する基準信号Ｃｔｈは、環境依存を有していない。つまり、基準信号Ｃｔｈは、周囲の温度や湿度に依存しない。図１２に示すように、環境変化に対して、基準器５１の基準信号Ｃｔｈは、一定値である。

一方、センサ電極１１と検出対象３との間の静電容量Ｃｘは、環境依存を有している。従って、第一静電容量Ｃｘ１および第二静電容量Ｃｘ２は、環境依存を有している。図１２に示すように、検出対象３が近接していない場合に、センサ電極１１の出力信号から得られた静電容量Ｃ０は、環境変化に伴って変化する。同様に、検出対象３が近接した場合に、センサ電極１１の出力信号から得られた静電容量Ｃ１も、環境変化に伴って変化する。

例えば、環境Ｓにおいて、センサ電極１１に異常がなく、検出対象３が近接していない場合には、基準信号Ｃｔｈと検出された静電容量Ｃ０との差が、ΔＣ０となる。環境Ｓにおいて、センサ電極１１に異常がなく、検出対象３が近接した場合には、基準信号Ｃｔｈと検出された静電容量Ｃ１との差が、ΔＣ１となる。ただし、環境Ｓが変化すれば、ΔＣ０、ΔＣ１は、変化する。

そこで、図１３に示すように、環境依存がない状態とするために、検出された静電容量を補正する。センサ電極１１に異常がなく、検出対象３が近接していない場合には、検出された静電容量は、Ｃ０ａとなる。センサ電極１１に異常がなく、検出対象３が近接した場合には、検出された静電容量は、Ｃ１ａとなる。

検出対象３である人が近接した前後において、補正後の静電容量は、図１４に示すようになる。補正後の静電容量は、近接前においては、Ｃ０ａとなり、近接後においては、Ｃ１ａとなる。従って、第一系統検出回路２１は、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号Ｃｔｈとの比較において、環境依存による補正値を考慮して、検出対象３の近接を検出する。また、第二系統検出回路２３は、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号Ｃｔｈとの比較において、環境依存による補正値を考慮して、検出対象の近接を検出する。これにより、より高精度に判定できる。

また、図１５に示すように、診断回路５３は、補正後の静電容量Ｃ０ａと基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う。つまり、基準信号Ｃｔｈからの差がΔＣｔｈ以内であれば、センサ電極１１は正常と判断され、ΔＣｈｔを超えれば、センサ電極１１は異常と判断される。このように、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号Ｃｔｈとの比較、および、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号Ｃｔｈとの比較において、環境依存による補正値を考慮してセンサ電極１１の診断を行っている。従って、環境に関わりなく、センサ電極１１の診断を高精度に行うことができる。

ここで、診断回路５３における第一診断は、例えば、図１６に示すように行われる。まず、第一診断は、第一系統検出回路２１の内部診断を行う（Ｓ１１）。続いて、環境依存による補正値を考慮して、第一静電容量Ｃｘ１の補正を行う（Ｓ１２）。続いて、第一静電容量Ｃｘ１の補正値と基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ１３）。診断回路５３における第二診断は、例えば、図１７に示すように行われる。まず、第二診断は、第二系統検出回路２３の内部診断を行う（Ｓ１４）。続いて、環境依存による補正値を考慮して、第二静電容量Ｃｘ２の補正を行う（Ｓ１５）。続いて、第二静電容量Ｃｘ２の補正値と基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ１６）。なお、内部診断と比較診断とは、順序を逆にすることもできる。

（６－２．第二例の基準器５１）
第四例の検出装置５およびその変形例において、基準器５１は、検出対象３の近接に影響を受けない基準状態におけるセンサ電極１１の基準信号を出力可能である。

第二の基準器５１について、図１８－図２４を参照して説明する。基準器５１は、センサ電極１１と同一環境に配置されており、静電容量がセンサ電極１１と同一環境依存を有する基準電極である。従って、図１８に示すように、基準器５１が出力する基準信号Ｃｔｈは、環境依存を有する。基準信号Ｃｔｈ、検出対象３が近接していない場合に検出された静電容量Ｃ０、および、検出対象３が近接した場合に検出された静電容量Ｃ１は、相関を有する。例えば、これらは、環境の変化に対して、同一の変化をする。

図１９および図２０に示すように、環境Ｓ１、Ｓ２において、検出された静電容量は、検出対象３の近接前においては、Ｃ０となり、近接後においては、Ｃ１となり、基準信号は、Ｃｔｈとなる。ただし、環境Ｓ１におけるＣ０，Ｃ１，Ｃｔｈと、環境Ｓ２におけるＣ０，Ｃ１，Ｃｔｈとは、異なる値である。しかし、Ｃ０とＣ１の差ΔＣ０、および、Ｃ１とＣｔｈとの差ΔＣ１は、同一である。従って、環境の変化に対して、基準信号Ｃｔｈも、静電容量Ｃ０，Ｃ１も変化する。

つまり、第一系統検出回路２１は、補正をすることなく、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号Ｃｔｈとの比較結果に基づいて検出対象３の近接を検出することができる。また、第二系統検出回路２３は、補正をすることなく、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号Ｃｔｈとの比較結果に基づいて、検出対象３の近接を検出することができる。従って、補正することなく、高精度に検出対象３の近接の検出が可能となる。

ここで、基準器５１である基準電極は、センサ電極１１よりも小さな面積を有するようにしている。センサ電極１１は、大きな面積を有するほど、検出精度が向上する。一方、基準器５１は、検出精度が要求されるものではない。そこで、基準器５１の基準電極を、センサ電極１１よりも小さくすることができる。従って、基準器５１の配置の自由度が高くなる。

また、図２１および図２２に示すように、診断回路５３は、検出された静電容量Ｃ０と基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う。つまり、基準信号Ｃｔｈからの差がΔＣｔｈ以内であれば、センサ電極１１は正常と判断され、ΔＣｈｔを超えれば、センサ電極１１は異常と判断される。このように、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号Ｃｔｈとの比較、および、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号Ｃｔｈとの比較において、環境が変化したとしても、補正をすることなく、センサ電極１１の診断を行うことができる。このように、基準器５１を環境依存を有するようにすることで、環境に関わりなく、センサ電極１１の診断を高精度に行うことができる。

ここで、診断回路５３における第一診断は、例えば、図２３に示すように行われる。まず、第一診断は、第一系統検出回路２１の内部診断を行う（Ｓ２１）。続いて、補正をすることなく、第一静電容量Ｃｘ１と基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ２２）。診断回路５３における第二診断は、例えば、図２４に示すように行われる。まず、第二診断は、第二系統検出回路２３の内部診断を行う（Ｓ２３）。続いて、補正をすることなく、第二静電容量Ｃｘ２と基準信号Ｃｔｈとを比較することにより、センサ電極１１の診断を行う（Ｓ２４）。なお、内部診断と比較診断とは、順序を逆にすることもできる。

１，１ａ，４，５：静電容量型近接検出装置、 ２：人協働ロボット、 ３：検出対象、 １０：センサ本体、 １１：センサ電極、 １２：グランド電極、 ２０，３０，５０：回路ユニット、 ２１：第一系統検出回路、 ２２：第一系統処理装置、 ２３：第二系統検出回路、 ２４：第二系統処理装置、 ２５，３２，５２：スイッチ、 ２５ａ，３２ａ，５２ａ：第一スイッチ、 ２５ｂ，３２ｂ，５２ｂ：第二スイッチ、 ２６，３３，５３：診断回路、 ３１：通信装置、 ４０：外部装置、 ５１：基準器、 Ｃｘ：静電容量

Claims (16)

1. 検出対象の近接を検出するための１つのセンサ電極と、
   複数系統のうち１つの系統を前記センサ電極に接続するように切り替えるスイッチと、
   前記複数系統のうちの第一系統を構成し、前記スイッチにより前記センサ電極に接続された状態において前記センサ電極により検出された第一信号を取得し、前記第一信号に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の第一静電容量を検出する第一系統検出回路と、
   前記第一系統検出回路により検出された前記第一静電容量に基づいて対象機器に対する処理を行う第一系統処理装置と、
   前記複数系統のうちの第二系統を構成し、前記スイッチにより前記センサ電極に接続された状態において前記第一信号とは異なるタイミングにて前記センサ電極により検出された第二信号を取得し、前記第二信号に基づいて前記センサ電極と前記検出対象との間の第二静電容量を検出する第二系統検出回路と、
   前記第二系統検出回路により検出された前記第二静電容量に基づいて前記対象機器に対する処理を行う第二系統処理装置と、
   前記センサ電極が正常である場合に前記第一静電容量と前記第二静電容量とが同一値となるタイミングにおいて前記第一系統検出回路が検出した前記第一静電容量と前記第二系統検出回路が検出した前記第二静電容量との差、もしくは、前記第一静電容量および前記第二静電容量のそれぞれと基準容量との比較結果に基づいて、前記センサ電極の診断を行う診断回路と、
   を備える、安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
2. 前記スイッチは、前記複数系統のうちの各系統を前記センサ電極に順次接続するように順次切り替える、請求項１に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
3. 前記診断回路は、
   前記スイッチにより前記センサ電極と前記第一系統検出回路とが接続されている間に、前記第二系統検出回路が検出した前記第二静電容量を用いて前記センサ電極の診断を行い、
   前記スイッチにより前記センサ電極と前記第二系統検出回路とが接続されている間に、前記第一系統検出回路が検出した前記第一静電容量を用いて前記センサ電極の診断を行う、請求項２に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
4. 前記スイッチは、
   前記センサ電極と前記第一系統検出回路とを接続し、且つ、前記第二系統検出回路と別機器とを接続する状態と、
   前記センサ電極と前記第二系統検出回路とを接続し、且つ、前記第一系統検出回路と前記別機器とを接続する状態と、
   を切り替える、請求項２に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
5. 前記診断回路は、
   前記スイッチにより前記センサ電極と前記第一系統検出回路とが接続されている間に、前記別機器から情報を取得し、且つ、前記別機器から取得した前記情報を用いて前記センサ電極の診断を行い、
   前記スイッチにより前記センサ電極と前記第二系統検出回路とが接続されている間に、前記別機器から情報を取得し、且つ、前記別機器から取得した前記情報を用いて前記センサ電極の診断を行う、請求項４に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
6. 前記別機器は、外部装置と通信を行う通信装置である、請求項４又は５に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
7. 前記別機器は、前記検出対象の近接に影響を受けない基準状態における前記センサ電極の基準信号を前記基準容量として出力可能な基準器である、請求項４又は５に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
8. 前記診断回路は、前記第一静電容量と前記第二静電容量との差が所定値より大きい場合に、前記センサ電極の異常と判断する、請求項１－７の何れか１項に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
9. 前記静電容量型近接検出装置は、さらに、
   前記検出対象の近接に影響を受けない基準状態における前記センサ電極の基準信号を前記基準容量として出力可能な基準器を備え、
   前記診断回路は、前記第一静電容量と前記基準信号とを比較すること、且つ、前記第二静電容量と前記基準信号とを比較することにより、前記センサ電極の診断を行う、請求項１－７の何れか１項に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
10. 前記基準器は、固定の静電容量を有するキャパシタである、請求項９に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
11. 前記センサ電極と前記検出対象との間の静電容量は、環境依存を有しており、
    前記診断回路は、前記第一静電容量と前記基準信号との比較、および、前記第二静電容量と前記基準信号との比較において、前記環境依存による補正値を考慮して前記センサ電極の診断を行う、請求項１０に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
12. 前記第一系統検出回路は、前記第一静電容量と前記基準信号との比較において、前記環境依存による補正値を考慮して、前記検出対象の近接を検出し、
    前記第二系統検出回路は、前記第二静電容量と前記基準信号との比較において、前記環境依存による補正値を考慮して、前記検出対象の近接を検出する、請求項１１に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
13. 前記基準器は、前記センサ電極と同一環境に配置され、且つ、静電容量が前記センサ電極と同一環境依存を有する基準電極である、請求項９に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
14. 前記基準器である前記基準電極は、前記センサ電極よりも小さな面積を有する、請求項１３に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
15. 前記第一系統検出回路は、前記第一静電容量と前記基準信号との比較結果に基づいて前記検出対象の近接を検出し、
    前記第二系統検出回路は、前記第二静電容量と前記基準信号との比較結果に基づいて、前記検出対象の近接を検出する、請求項１３又は１４に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。
16. 前記センサ電極は、人協働ロボットに配置され、
    前記第一系統検出回路および前記第二系統検出回路は、前記センサ電極と前記検出対象としての人との間の静電容量を検出する、請求項１－１５の何れか１項に記載の安全機能を有する静電容量型近接検出装置。

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