JPH01501654A - キャパシタンスセンサ及びキャパシタンスセンサアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 コンデンサアレイセンサ、触覚及び近接検知とその使用方法 発明の背景 従来、機械仕上げした金属表面等の表面のき目の荒さなどを評価し、その量を定 めるためにキャパシターの１枚のプレートとして使用されるマイラー（Ｍｙｌａ ｒ）フィルム上に金属をめっきしたものを使用することを典型例とするキャパシ タンスを主にしたセンサが多く使用されてきた。

そのようなセンサは、特に表面特性の特徴のために、工業製遺業界や工作ｍ械業 界で非常に有効な役割を果してきた。現在、この技術分野において周知のように 、これらのセンサーは、例えばオツシレーター回路の比率をコントロールするよ うな技術によって、評価すべき表面とセンサーとの連結により、可変キャパシタ ンスを使用することに基づいており、その結果、オツシレーターの振動数は直接 決定され、しかも表面のきめの荒さの関数として変化する。

“りこうな”機械として、改良型の触覚検知システムの必要性が急激に高まり、 例えばロボット式組立等のような複雑な仕事には、ロボットが大変有効に使用さ れることがわかった。触覚検知の必要性は、ロボットのグリッパ−１即ち“手” やそれに関連する工具のすべり、即ち初期すべりの検知形や表面特性、その感触 、把持力及びその他、関連要素の確認を含む、現在の適用例は、これらの機能を 非触覚技術に置きかえようとしており、ロボット装置は一般に、ロボット工具の 動きと操作を統合するために適切な制御情報を与えるにはグリッパ−の所の有効 な触覚検知に欠ける。一般に、従来、直接的、高速度触覚フィードバック情報の 不足を補うためには、ロボットの光学的視覚技術とその他の複雑な操作に依″存 する必要があると考えられてきた。

触覚検知は一般に、普通、力の測定、即ちトルクの測定に関連する一層簡単な“ タッチ検知”とは区別され、成る部分に対する接触状態の連続的可変検知として 定義づけられる。その触覚検知は、形や表面特性、手ざわり、力、すべりを手探 りする能力、及びそうする時にそれらを確認する能力を含む、事実上、全ての自 動化したロボットによる適用例では、１つの手段、又は他の手段により、これら の特徴及び能力を１つ以上必要とする。これらの必要性は、現在の技術によって は常に適切に充足されるとは限らない０例えば、フィードバック制御信号を出し て把持力を支配するには、全てのロボット式応用例の少くとも５０％がすべり検 知を必要とすると考えられているが、現在の技術は、現在の必要性を満足させる には、低速すぎ、感度が悪く、しかも複雑すぎ、さらに高価である。この技術は その程度と性能レベルの両方から近い将来においてレベルアップさせるために必 要と考えられる。

ロボット技術の全く異なる側面においては、ロボット装置や工具の動きを案内す る技術は非接触検知、即ち非触覚検知に依存している。これらの要件は、この技 術に対して完全に異なる紐の問題を課し、ここには、重大な制限があまりにも多 く存在する。

最も簡単なシステムにおいて、ロボットは“めくら”であり、その動きは記憶に 基づいた既定の移動パターンを通って行われ、その機能も記憶に基づいて行われ る。そのような操作は、多くの種類の操作にとって適切であり、非常に有効でさ えあるけれども、支持体や後方業務にかかる負担は重大であり、高価であり、そ のシステムのパワー、特に可撓性に制限を加える０部品は正確な方位で、正確な 位置へ供給され、確実にトレランスの範囲内になければならない、はんのわずか な歪みも、操作の効率を損う。

これらの制限を克服し、可視性を増し、しかもトレランスを緩和するために、コ ンピューターによる視覚に基づいたリモートセンサー制ｆｎ装置が広範に開発さ れてきた。そのような光学的関連システムは一般に有効であるけれども、著しい 時間をかけて、しかも計算上の複雑さを伴ってのみ可能であり、このことは、操 作を比較的低速にし、資本金を多く必要とし、最大の関心部分、即ち、ロボット のグリッパ−１即ち装置と部品との間の接触に対する最終的なアプローチ案内に 困難を生じさせることになる。

そのようなシステムでは、形の認識の不明確さを実際の時間で分析することがむ ずかしく、最終的アプローチでリモートセンサの適切な分析が不足するために、 故障が多い、“手”が“ピックアップ”されるべき部品に近づく時、高分析の要 求度は最大となるが、そのようなシステムの能力は低下する。なぜなら臨界点で 視覚が妨げられ、制御を必要とするパラメーターが収斂する時、相対的分析度が 低下するからである。そのようなシステムの能力は本質的に、要求される能力と 逆になる。即ち、アプローチが要求度を増す時、システムの性質は感度と分析力 が低下する。近接検知と実際の時間によるコントロールは、この技術において現 在も要求されている。さらにコンピュータ式視覚システムが最終的アプローチガ イダンス及びコントロールの微細分析から解放される場合、それらのシステムは もっと迅速に作られ、しかも総合的な運動制御及びガイダンスがより有効となり 、衝突を防止することができ、関連制御機能も一層有効となるであろう。

従って、本発明の目的は、前述の点やその他の点でこの技術の要求を充足するよ うな近接及び触覚センサを提供することである。

発明の要旨 本発明において、この多数キャパシタアレイは、種々の用途で、特にロボットの 技術分野で使用され、従来使用されてきた技術を大きく改良したものである。

図面の簡単な説明 第１図はアレイのセンサ部材を展開略図で示したものであり、第２図はセンサの 電気回路部材とその機能を様式化した図であり、第３図はアレイのセンサー部材 の好ましい配置を示す。

第４図は好ましい実施例の構造の展開図であって、第３図に示すセンサ部材のア レイの最良の様式を表わす。

発明の詳細な説明 多数エレメントアレイは、キャパシタニス特性の集合検知と、別個の検知の両方 を行うように形遺られ、種々の非接触測定と接触測定が可能となり、それによっ て多くの重要な決定が行われる。これらは、物件の形、エツジ位置及び部品の確 認といった種々の事柄を含む、物体の位置、方位、形態の決定のため、欠陥探知 のため部品のサイズや形を測定するため、そして形、寸法、表面仕上げなどにつ いて品質管理トレランスに一致しているかどうかや表面の荒さを含む表面特性の 程度測定のため、さらに、実際の時間による把持フィードバック及び制御システ ムの場合、ロボットの“手”等のようなロボット装置に部品ホルダーの一部材と して使用される時、センサに対する部品のすべり、特に初期すべりの検知のため に、物体と接続してそれを操作するロボット工具の方向のための実際の時間によ る機械制御パラメーターとして使用されるアプローチ及び近接の手段を含む０本 発明のキャパシタンスアレイに基づくディテクタやセンサは、アナログ又はデジ タル電子制御技術によりロボット装置及びロボット部材の実際時間によるコント ロールに適した非常に敏感な状態で、しかも高速で作動する。閉鎖ループのフィ ードバック制御技術に基づくデジタルシステムは、特に、このアレイの各キャパ シターレートからのキャパシタンス測定値を別々に多重送信する場合に、有効で ある。そのシステムの成る用途に必要とされるサンプリング比率は、そのような 技術の所望性を制限するけれども、連続ポーリングもまた使用することができる 。

本発明において、その特徴や機能は、成る表面上に複数の別個のキャパシタープ レートのアレイを形成することによって得られる。各個々のキャパシタープレー トは一般に、前述したリスコ特許やジャム特許の先行技術のセンサの構造体に等 しい、複数のそのような部材を備える場合、各部材に対して別々の導電線を備え る必要があり、部材が金属めっきしたマイラーフィルムで形成される時、多数部 材とそれに接続する導電線は個々の部材の形成のために先行特許で説明されてい るのと同じ技術によって容易に作られる。そのレイアウトは、絶対的なものでは ないが、測定精度はパターンの精度次第で決まるので、高度の精度でもって形成 された規則正しい反復パターンにするのが好ましい、さもないと、センサからの アウトプットを評価する際、時間のかかる種々異なる誤差補償技術を用いる必要 が生じる。このアレイのレイアウトは六角部材を六角模様（六角パターン）にす るのが好ましいが、その他の形にすることもできる。

このアレイの各部材、即ち各セルに対するキャパシタンス値の評価に基づいたシ ステムにより行われる測定の分析は、これらの部材のサイズによって決まり、そ の他の評価は複数の部材から得た値を比較することに基づいており、その分析は 、各部材の個々のサイズと同様に、それらの部材の接近度によって決まる６個々 の部材を集合的に、単一のキャパシタープレートとして処理する他のパラメータ ーは、そのアレイの全体としてのサイズ、特に、その総面積次第で決まる。

この点に関して、部材の数、そのサイズ及びそのバッキングの近接度は、後文で もっと詳しく展開するように、決定される値や必要とされる分析に矛盾なく一貫 していなければならないことは、自明のことである。一般的パラメータとして、 このアレイの部材の数、サイズ、バッキング密度及びその総面積は、使用される 制御システムのキャパシティが実際時間によるフィードバック要件の範囲内で一 貫した速度で受容するのと同じ位大きなものでなければならない、このシステム の関連パラメーターのいくつかは、信号部材のようなセンサーを使用した先行技 術に比べて、比較的高速度での検知及びデータの評価を必要とする０例えばすべ りの検知の場合、サンプリング比率は少なくとも約３００ヘルツ、好ましくは、 １，２００ヘルツ、或いはそれ以上でなければならない、アレイにある多数の部 材からのデータが必要であるために、い制御システムにかかる計算上の負担が大 変要求される。

センサアレイから引き出される測定可能な、即ち検知可能なパラメーターの各々 は、種々異なる組の基準に依存しており、それは個々に考慮されねばならない、 かくして、すべりの検知のために使用したのと同じ技術及び互除法によって、セ ンサを近接ディテクター及びアプローチ制御インプットとして使用することはで きない、それにも拘らず、本発明は、実際の時間の関係で先行技術によりうまく 処理されなかったものとともに、この技術に対してこれまで全く得られなかった 機能を適切かつ有効に遂行する単一センサーアレイの能力に基づいていることを 認識することは重要なことである。このアレイ型センサはまた、有効性を低下さ せないで、単一部材で成るセンサの場合によく知られている他の目的のために、 その他の関係でも機能することはもうひとつの効果である。

近接検知はキャパシタープレート間の距離の逆数としての高度のキャパシタンス 感度の間数である。

後述の技術により、全体としてそのアレイに関して反対の対向するキャパシタプ レートとして作用するような物体に本発明のセンサが接近する時、キャパシタン スの変化は、多くの場合、複数のインチ単位で測定される実質的な距離の所で検 知されることになり、絶対距離が次第に短くなる時、その距離の変化に対して漸 進的に一層敏感となる。かくして、例えばロボットの“手”即ち、把持用工具に そのアレイを支持した状態で、物体とセンサアレイとの間のキャパシタンスによ る結合を評価することによって、その相対的距離が短くなる時、そのキャパシタ ンスの変化は、両者間の距離の関数であり、そこで得られる値は、閉鎖ループフ ィードバック制御システムに使用され、そのアプローチを物件の方へ向け、非常 な高精度でもって物件をつかませる。所与の部材の場合、その結果は非常に高度 に再現可能であるので、そのような操作は非常に安全かつ有効に制御される。光 学システムとはちがって、本発明のシステムの分析は接触にいたるまでの距離が 短かくなるに従って程度を増すので、そのアプローチが接近すればするほど、可 能となる制御もそれだけ厳密となる。

きめの荒い制御しか必要としないような、距離がもっと大きい場合、感度の不足 は殆ど重要でなく、例えば、総合的な動きの制御や衝突防止には、他の技術を使 用するのが好ましい。

この技術に普通程度に通じた人々が認識しているように、本発明のアレイの別々 の部材の値を、そのアレイと感知された物体との間のキャパシタンスの１つの複 合した大きさに組みこむことは比較的簡単である。この場合のキャパシタンスに よるカプリングは、センサアレイを物体に結合させる直接的カプリングであって も、背景のキャパシタンス部材を有するセンサアレイのキャパシタンスカプリン グと物体との干渉に基づく間接的カプリングであってもよい、いずれの場合でも 、そのカプリング値は単一の値として処理されアレイは単一のキャパシタープレ ートとして処理される。

接触が行われる時、近接部分は、その制御機能を行う、即ち、アプローチメカニ ズムを案内し、遅速にし、制限し、ロボットグリッパ−即ち“手”等のようなつ かみ部材の作動を開始させる。この時点で、集中機能がその目的を果し、その後 、制御システムは、センサアレイの別々の部材を個々に、又は別々の部材グルー プでキャパシタンスカプリングすることに基づく種々のモードに切りかえる。

評価されるパラメーターの中で、表面の荒さは前述の先行技術により開示される 方法でセンサーの接触部分の１つ以上の位置で測定される。

その他、測定され、決定されるべきパラメーターは、次のものである。即ち、形 、形の方位、部品の確認、エツジの位置、臨界パラメータトレランス、アレイと 部品との間の接触のすべりである。これらの各々は、ロボットやコンピュータを 使った製造業界で非常に重要であり、そのような各機能に関する先行技術はかな り多くある。これらの種々の各機能が、高度の精度と再現性をもった１つの比較 的簡単なセンサによって有効に達成できることは非常に効果的である。その先行 技術はこれらの各機能に関して大きな困難性を有し、それらの機能のうちのいく つかは先行技術では有効な方法では全く得られない。

アレイによる形の決定は、近接による決定、又は接触特性、或いはその両方を組 合わせることにより、部品の形の“輪郭”特性を与えるキャバシタンス力１リン グパターンに到達するようにアレイの別個の部品をポーリングすることによって 行われる。調査表等により、部品の輪郭をそのような輪郭の収録部に比較するこ とによって、物体又はその成る構成部分の一般的な形の特性を確かめることがで きる。比較的制限された物体の目録の中で１つの部品を見分けるためには、多く の状況の中で、前述の方法により、システムが直接決定する能力で十分である。

他の状況では、輪郭の直接測定が不明確さを生じさせ、さらに識別を必要とする 。この付加的識別が後文の説明の１つの特徴である。

成る付加的な種々異なる要件を課すには十分な差異があるけれども、部品の方位 は部品の見分けに密接に関係し、同様の要件を要求する。操作の近接検知位相に おいても、最初の接触点で生じる手探りのどちらにおいても、多くの状況のもと で、部品を見分け、その方位を限定するために適切ないくつかのパラメータが評 価される。これらの中で、アプローチに関するカプリングの輪郭は、形と共に、 方位の特徴となり、これはいかなる部品の場合にも、カプリング輪郭に影響を与 える特徴を有する。事実上いかなる特徴も、キャパシタンスによるカプリング特 性に影響を与える。前述の表面荒さの特徴には、その他の部品見分は情報がある 。また、エツジの形の特性を評価したり、或いはそのアレイ内の個々のセンサー 部材によって得られる値の三角測量によりセンサーアレイと接触する他の特徴を 評価することもできる。キャパシタンスのエツジ効果を介して、ニアバイ特徴の 存在が決定される。調査表の周知の技術により、又はパターン認識に対する成る 同等のアプローチにより、殆んどの非常に不明確なケースにおいて部品の方位及 びその見分けを行うことができる。

パターン認識の技術はこの技術分野でよく知られており、本発明の一部を形成す るものではない、このシステムの効果は認識システムに見られる多くの独立パラ メーターにあり、さらに明確な決定をし易くなることにある。この同じ特徴は調 査の範囲を減らすことに大変有効であり、順次、決定点に到達する速度が速まり 、計算上の負担も軽減する。有効データが全部サイズ及び形のパラメーターにの み基づいた同一種類であるような、コンピュータの視覚に基づくパターン認識技 術とは異って、本発明のシステムにおいて評価される種々の特性は、決定を一層 簡単にするようなロジックを生じさせる０本発明のシステムが前述のように他の 目的のために望ましい光学システム、又はそれに関連するパターン認識システム に接続する場合、その光学システムに間する計算上の要求が減少し、分析度もも つと低いものを使用できる。なぜなら、不明確にするような決定は他の手段によ って行われるからである。比較的粗野なきめの荒いパターン認識の結果でさえ、 本発明のシステムから得られるあるゆる種々の知覚によって補足される時、全く 有効となりうる。

各部品が容認できるトレランスの範囲内にあることを確′案にするための部品の 品質管理の評価は、本発明のセンサアレイのもうひとつの側面であり、成る場合 には、特定部品の評価のために供用されたアレイとなる。この側面において、そ の目的は部品の適切な寸法や表面仕上げや、−ｇのトレランスに対する部品のそ の他の関連特徴を量的に評価することである。簡単な部品の場合、上述のセンサ アレイから得られるデータは要求にとって満足なものとなる。

しかしながら、第１センサアレイにより得られるものより一段と詳細なデータ、 或いはもっと高感度が必要とされる場合がある。その場合、評価されるべき部品 に専用の第２センサアレイを備える。

その部品に専用のセンサはその部品の表面に厳密に対応するような形と寸法を有 し、前述のように、近接、触覚検知により、必要な形や寸法に対する一致が迅速 かつ正確に決定される。この第２センサアレイについては後文で詳述する。

一旦、ロボットグリッパ−が部品の所へうまく操縦され、その部品とその方位を 見分け、その部品をうまくつかむと、それはロボットシステムによって操作され ねばならない、ここで、部品をピックアップし、それを次の意図する位置へ移動 させ、そしてそれを意図する方法で利用する場合、さらにいくつかの制御が必要 となる。そのシステムは、部品が過度の力により損傷したり、或いは不十分な力 により落下することがないように完全なグリップを保証する確実な装置を有して いなければならない、一段と敏感なレベルでは、特に、例えば部品の不適合のよ うに成ることがうまくいかない時、操作を止める場合のように、適切な組立操作 を保証するには、すべりの検知が大変重要となる。適切な把持力及び適切な組立 力ですべりを避けることは、適切な組立、整列及び適切な適合を直接、保証する ことになり、かくして、仕上げ組立体に間して直接的な品質管理と著しい値の保 証パラメーターを生じ、かつまた、構成部品の製造時、制御フィードバックに対 して実質的な情報を与えることになる。

本発明におけるザへりの検知は、部品の表面の個々の部分の表面のきめの荒さが 異なることを観察することに基づいている。最も均等に制御された工業プロセス においてさえ、部品の表面仕上げは、少くとも約１０％は変化する。かくして、 ここに開示した型のキャパシタンスセンサーが表面と接触する時、センサーとそ の表面との間のすべりがキャパシタンスに直接検知できる変化を生じさせ、それ はそのようなすべりを非常に確実に指示する指標となる。検知の感度は１マイク ロインチの動きを検知できることが判った。（１，０ＸＩＯ−’インチ）、但し 、殆んどの例においては５０〜１００マイクロインチ位数の動きを検知するので 十分であるので、そのシステムを簡素化できるのである。そのような測定のため の反応時間は、サンプリング比率と測定のサイクル時間との関数であって、その サイクル時間は、１０ミリ秒以下が好ましい、システムの感度と反応は、カウン ターオツシレーターのベース比率とサンプリング比率とが一段と高いものを使用 することによって増強され、そのベース比率は、センサと部品との間の可変キャ パシタンスカプリングによって変化する。これらの感度レベルでは、有効な実際 時間の閉鎖ループフィードバックデータ源が発生し、これはこれまで決して得る ことのできなかった方法で、把持力をコントロールするために、有効かつ確実に 使用される。

本発明の全ての操作は次式の第１の関係に基づく。

即ち、Ｃ＝ＫｘＡ／を 上式でＣはキャパシタンス、Ｋは有効誘電定数（本発明では複合値）、Ａはカプ リング表面の面積、ｔは両プレート間の平均距離である。

本発明において、ＫとＡは有効に一定した値であるので、近接に基づく測定では 、Ｃはｔに反比例することが判る。また、ｔが小さくなればなるほど、Ｃの変化 度は、それだけ大きくなるので、掻く接近したアプローチの段階では、距離が非 常に小さい量だけ漸進的に変化する場合でさえ、制御目的のために、全く実質的 な信号を発生する。臨界状況での感度と分析の増強は、これまで、この技術分野 では得られなかったことである。

接触が行われる時、表面のきめの荒さは、ジャム（ｓｈｕｍ）とリス３（Ｒｉ　 ｓ　ｋ　ｏ　）により開示された方法で確認される。しかしながら、表面と完全 に接触していない、即ち全く接触していないか、或いはその面積を横切ってエツ ジを有するようなアレイの部材は、異常な値を生じ、それは顧慮すべきでないこ とに留意することは重要である。しかしながら、そのような異変は、複数の部材 の中の最大のキャパシタンス値だけを使用することにより容易に処理される。

表面のきめの荒の測定にとって異変とされるものは、エツジの位置や形の特性を 評価するために重要なデータであるので、きめの荒さの決定時に無視されたデー タは、本発明のシステムのエツジ位置づけ操作や形評価操作を評価する際に直接 使用される。

アレイの複数のセルの中の異なるデータを三角測定することは、計算が簡易であ る。なぜなら、各セルの包含範囲は変数であり、Ｋとｔは一定値であって、各セ ルの場合、上式で示すようにＣはＡに正比例するからである。但し、キャパシタ ンスエツジ効果を矯正する必要がある。アレイの部材又はセルのよく知られたト ボロギーと、部品と接触している各セルの測定比とにより、エツジの位置及び形 の特性の計算は比較的簡単である。そのようなエツジの形が独特であるような部 品の場合、形の決定は、見分は用のパラメーターとなる。その他の殆んどの状況 では、センサアレイと接触しているエツジ部分の形の決定は、配列特性ではない が、その決定を行うプロセスに成るインプットを与える。エツジがアレイのセル を横切って通過しないような状況では、そのエツジは後述するようにその構造体 の１つの特徴となる。

本発明のセンサアレイシステムによる直接測定時に伴う第１カプリングは、セル と部品とが直接向き合う部分に基づいているけれども、キャパシタンスエツジ効 果は、直播、重要な役割を果す０本発明で決定を行う多くの決定において、その 結果を最も信頼性の高いものにするためにエツジ効果を最少限にする段階をとる 必要がある。他方、接触部分から隔った特徴がそのエツジ効果に影響を与えると いうことを゛認識する時、そのエツジ効果を構造的に使用できる。特定の特徴の 特定の結果や、キャパシタンスに対する検知可能な影響の性質は非常に複雑で予 想しにくいけれども所定の効果や効果のパターンを使用することは、部品の見分 けや部品の方位の測定のためにパターン認識操作を行う際には、大変効果的であ る。システムのこれらの側面の殆どは従来よく知られたパターン認識技術に基づ いており、前もって記録されたパターンが調査表として使用される値のライブラ リーに保管されている。その他のアプローチが可能であるけれども、形や特徴の 位置の分析、又、エツジ効果に基づくそのような評価は計算が複雑で、通常、好 ましくない。

本発明のアレイのセンサー部材の各々は、第１図に展開概略図で示す構造体を有 する。この図面において、センサーのキャパシタープレート（１）は誘電板（２ ）上に支持され、その誘電板（２）は部品、即ち被加工部材（３）に対してキャ パシタープレート（１）が短絡するのを防ぐためのものである。プレート（１） は導電線（４）を有し、この導電線（４）は、部品接触導線（５）と共に、オツ シレーター及びカウンター回路へのインプットキャパシタンス導線を構成する。

本発明のセンサーの電気回路部材とそれらの機能が第２図に様式化した形で示さ れている。

ここで再度、第１図を参照すれば、アクティブなキャパシタープレート部材（１ ）とその誘電板（２）とは、例えばポリエチレンテレフタレンフィルム、交叉結 合したポリエチレンイミン等のような、合成ポリマーフィルムの表面に、例えば アルミニウム等でめっきしたような導電体で形成するのが好ましい。

アルミニウムで被覆したマイラー（Ｍ３ｒｌａｒ）が市販されており、これを使 うのが好ましい、所望の大きさと形を有するキャパシタープレート部材を準備す るために、周知の方法でフィルムの表面からアルミニウムを食刻することができ る。センサーのプレート部材（１）からオツシレータ一部材までの電気接触は導 電線（４）により行われ、その導電線（４）は、食刻表面の一体的に形成された 部材で成るか或いは銀を充填したエポキシ樹脂を主にした接着剤等のような、導 電接着剤によりキャパシタープレート部材（１）の表面に接着された導電線で成 る。

本発明において、導電線（４）は、導電充填物を有するシリコンエラストーマの ような、導電エラストーマ−材が好ましい、マイラーフィルム上に導電層を使用 する工夫をするよりそのような場合には、センサーに必要な多数接触子を配置す る方がはるかに容易である。

もうひとつの配置において、導電線は、米国ペンシルバニア州、スフラントン市 にある５ａｕｑｕ。

ｉｔ社から入手できる、Ｘ静電銀でめっきしたナイロン繊維の単繊条のような、 導電繊維で形成することもできる。

キャパシタープレート部材（１）はエラストーマ製支持部材（９）を備、えてお り、これはロボットグリッパ−の特定の作用力や、被加工部材に対するセンサー の整列角や、その他の変数とは無関係に、被加工部材の関数としての測定値の再 現に役立つものとして部品、即ち被加工部材の表面と均等に接触するように、セ ンサーの誘電面の表面を押圧する。

第１〜２図に示すキャパシタ一部材は、前述したように、アレイの構成部材であ る。このアレイの好ましい配置は、第３に示すように、六角部材の六角ｉ様であ る。第３図において、マイラー（Ｍｙ　１　ａｒ）等の一般的な誘電フィルム上 にある多数のプレート部材（１）の特定のアレイが示されている。第３図には、 １９個のキャパシタープレート部材（１）が示されているが、特定の応用例に適 するようにプレート部材の数もその数に制限されるものではなく、またその他の 形態にすることもできる。

一般原則として、センサーの所与の面積に対して部材の数が増えれば増えるほど 、そこで行われる分析度も高くなる。この技術に普通程度に通じた人々が認識し ているように、部材の数が増えれば、製造費が高くなり、そのシステムにおいて 計算上の負担が増し、複雑さと制御の困難性も増す、従って、所与の用途に対し て必要な分析度を達成するために必要な最少限度に部材の数を制限するのが好ま しい。

更に、キャパシタンス値はプレートの面積の関数であり、個々の部材の寸法が減 少し、その数を増す時、そこには、成る制限が生じ、エツジ効果からのシステム のノイズや周囲のノイズが分析度の上昇に対して障害となる０寸法上の制限は種 々異なるが、一般原則として、約０．０２ｍ２以下の面積を有する部材は、実際 の回路の設計の制限や実際の時間の計算上の負担に接近するような、ノイズ比に 対して信号を出すことがわかっている０回路や計算上の負担が正当化されるよう な止むを得ない必要性がある場合には、約１位微小さいレベルでしか重要な結果 を達成することができないが、本発明のシステムを一般的に使用する場合にはそ のような小さな部材に依存することなく満足に機能を果すことが多く、大部分の 場合０．１〜２．０ｍ＋２の位数の大きさが有効である。もっときめの粗い分析 て二さえ、満足な場合があり、さらに、プレート部材のサイズに機能的な上限は ないけれども、一般的には、約１０又は１２關２以上の部材をもったアレイを作 ることは実際的利益がない、そのようなアレイの分析を必要としないような用途 の場合でさえ、それ以上のプレートでアレイを作ることは殆ど無意味である。

第３図に示すアレイの形状の場合、最良の様式のセンサーを表わす好ましい実施 例の構造体が第４図に展開図で示されている。そこに示す記号はその前の図面の 記号に対応しており、（１）は多数部材アレイ（１００）の中に収集されたキャ パシターのプレート部材を表わし、（２）は誘電板、（４）は各キャパシタープ レート（１）からそれに関連するオツシレータ−（６）までの多数エラストーマ 導電線を示す、第３図に示すように、各キャパシタープレートに対して１個のオ ツシレーターが存在する。この図面には、明瞭にするために、複数の導′：ｉＬ 線（４）も、オツシレータ−（６）も全部は示されていないけれども、この構造 体はこれらの構成部材が微小化されていることにより著しく効果的であることは 容易に明らかである。第４図参照、多数の導電線のインプットとアウトプットと を有する単一の一体化した回路チップへ複数のオツシレーターが組込まれている 。これらのことについては、後文で詳述する。

導ｉ１！（４）は、アレイにあるキャパシタープレート部材（１）の数に等しい 数だけ存在し、それらの導電線（４）は、前述のように、銀を充填したエポキシ 樹脂の接着剤のような導電接着剤によりキャパシタープレート部材の面に接着さ れた導電エラストーマ材で形成される。多くのそのような接着剤は、この技術分 野で市販されている。エラストーマ−導線（４）とオツシレータ−（６）との間 の接続は、接触ビン（７）により行われ、このピンは、導電線（４）に接着され る。その接着ピン（７）は装着板（８）に支持され、その装着板を貫通しており 、その装着板（８）は適切な非導電材、例えばナイロン、ポリイミド、或いは他 の同様のポリマー材で形成される。装着板（８）は、オツシレータ−（６）の装 着体として、さらにアウトプット導電線（１２）を含む、オツシレーターに関連 する回路部材の装着体としても作用し、もし所望であれば、本発明に必要とされ る目的のために設計されたプリント回路板ともなりうる。複数のキャパシタープ レート部材（１）と、誘電板（２）とを有するキャパシタ一部材アレイ（Ｚｏｏ ）は前述した機能を行うエラストーマ製支持部材（９）を備え、この支持部材（ ９）はまた、導電線（４）をお互いから絶縁するように植えこみ、導電線のアレ イに対して物理的な支持体となる。この植えこみ用エラストーマ−は複数の導を 線（４）の弾性係数とは大きく違わない弾性係数を有し、それとほぼ同じか、そ れよりわずかに高いのが好ましい、導電線（４）の長さと、エラストーマの植え こみ層（９）の厚みとは、センサーのプレート（１）をオツシレーターの接触子 （７）に接続し、しかも、アレイの接触子と被加工部材の表面とを均等な接着圧 に保持するのに必要な支持を与えるために必要最少限度にすべきである。その組 立は、センサーアレイを適所に幽閉するように作用する装着リング（１０）によ って完了し、その装着リング（１０）の寸法は、誘電層（２）とキャパシタ一部 材（１）とが少しばかり表面から浮き上り、それらが部品、即ち被加工部材と接 触する時、エラストーマ製支持部材（９）に沿ってそれにより圧縮されるような 大きさになっている。その組立体全体は、そのロボットグリッパ−或いは他の用 途の表面にある孔内に保持すング（１１）により適所に保持される。

アウトプット導電線（１２）は各オツシレータ−（６）からここには図示してい ない外部位置にある信号処理回路へ信号を送る。

第４図は通電状態にあるアレイの種々の部材を含む、センサーの回路の概略変形 図を示す、記号は、対応する部材に対しては、他の図面に使用した記号に対応す る。

本発明はセンサーと、ここに説明するアウトプットの発生時にそのセンサーを使 用することに関するけれども、信号の処理は勿論、その使用においても重要な要 素である。そのシステムの各オツシレーターのアウトプットは単一のキャパシタ ーセンサーと機能上同じものであって、それは前述したジャム及びリスク（ｓｈ ｕｍ　ａｎｄ　Ｒ１５ｋｏ）によって開示されるように、単一で使用される。し かしながら、本発明の独特の効果が得られるのは、複数のアウトプット信号が集 中的に使用される時である。

非常に望ましい近接、触覚検知特性が達成されるのは、種々の部材の値が別々に 設定、評価され、その結果が適切な方法で組合わされ、比教される時である。

スリップを検知する場合、まず第１に、アレイの種々の部材のキャパシタンス値 を普通、連続的な方法で獲得し、例えばそのシステムのタロツク比率に対するオ ツシレーターのビート頻度数等のような、オツシレーターの振動数の関数である 各デジタル値、或いはより一般的に成るデジタル値に対して決定されたオツシレ ーター比率はチェンジオーバ一時間だけ評価される。システムのわずかな変化の 影響も抑止するのが望ましいような成るデッドバンドゾーン内では、そのチェン ジは無視されるので、デッドバンドの外側のチェンジは被加工部材とセンサーア レイとの開の初期すべりの直接の大きさとなる。この技術に通常程度に通じた人 々が容易に認識できるように、アウトプットはグリッパ−力の制御時に使用され るので、そのシステムにおいて初期すべりが認識される時、そのグリッパ−力は すべりが止むまで増大する。すでに前述したように、このシステムはデッドバン ドを備え、測定周期が比較的ゆっくりしている結果、高度の感度を生じるけれど も、１マイクロインチはども小さな動きをもとにしてすべりを検知することとが できる。１０ミリ秒以下のインテロゲーションサイクル時に、１サイクルのうち にすべりを容易に検知できることがわかった。殆んどの用途の場合、３０〜４０ ミリ秒サイクル比率で十分である。実際上、その感度以下の限界はまだ得られた ことがないけれども、そのセーンサーは１ミリ秒以下の範囲内ですべりを探知す ることができると考えられる。但し、実際の時間の算定がもっとすぐれたものと なるまでは、そのレベルで計算上の負担により、そのような制限された使用率を 維持するであろう。

この技術に管通程度に通じた人々が容易に認識できるように、ここで考えている ような高い分析レベルで多数オツシレーターにより生じた信号を実際の時間に利 用する場合には、このシステムの信号処理要件が重要となる。そのことは一般に 、オツシレーター信号をデジタル化することによってデータ処理の負担を軽減す るのに効果的であることを証明する。

この事は、成る適切な時間をベースにしてオツシレーターの振動数を単に計数す ることによって都合よく行われるか、或いは、成る標準のクロック比率をもつオ ツシレーターに対してそのオツシレーターのビート頻度を計数することによって 行われる。多数のデータチャンネルを多重送信することによってさらに容易にす ることもできる。このようにして得られるコンパクトなデータは、データプロセ スサーへのデータインプットを表わし、このデータは処理し易いが数が多いもの であり、それは前述のような種々の方法で信号を処理する。それはさらに、個々 の部材をボールすることによってデータをさらに圧縮させることができ、又、複 数の要素の中で成る規定の方法でスイッチ切りかえすることによって連続的な方 法で個々の部材の組を圧縮することができる。

決定すべき値のどれも、アレイのどれか単一の部材から出る連続的データ次第で 決定できるものはない。

但し、そのような技術を使用すれば、すべりの検知や近接検知及びアプローチコ ントロールは時間に非常に直接的に依存していることに留意すべきである。

これらのパラメーターが測定される場合には、これらの時間に依存する特徴の要 件に矛盾しないような頻度でスイッチ切りかえを行うべきである。

この技術に普通程度に通じた人々は、それらの各機能に対して特定の互除法を用 いるが、それについてはここでは個々に説明しない、一般の人がガイダンスにと っては以下のことに留意してもらうだけで十分である。即ち、物体の確認と方位 を決定するために特にパターンの認識において特定の互除法を使用することは、 光学システムを制限する標準の位置上の形データに対する補足から引き出される 多くの種々のデータに基づいており、この認識システムは、バイナリ−法定ツリ ー可能性の範囲を、例えば可能な物体の種類に狭め、対応する特性を有しないよ うな他の可能性を排除するために触覚データを使用する場合には計算上の要件を 軽減するという効果がある、この方法では、システムの識別力が増大し、時間に 依存する計算上の負担は減少する。形の認識やパターンの認識の計算から、その データに対応しないような重要な、或いは最終的なＦ！を性を有する全ての物体 を排除するために１つの手段として表面特性やエツジの形に関する触覚データを 使用することは特に有用である。パターン認識調査からいくつかの可能な物体が 排除される場合てさえ、プロセスサーの活動や調査時間が大きくｎ的となる。明 らかに、そのような利益は、可能な物体の組やそのような物体をその触覚特性に よりグループ分けすることのできる度合によって決まる。しかしながら、殆んど の状況において、そのようなシステムのロジックを使用する機会が非常に多くな る。

成る品質管理に使用した例では、一般目的のセンサーアレイで得られる識別及び 分析の度合いは、非常に厳密なトレランス測定が要求される場合には、不十分で あり、従って、そのような状況では、その部品の形やサイズといった形態に一致 するような、成る部品に供する特定の付加的アレイセンサーを備えることが望ま しい、そのように供するセンサーを使用することによって必要な形への一致が直 接、かつ正確に測定、評価され、重要な品質管理パラメーターに関する実際の時 間を決定することにつながる。

また、特定のデータを使用し、特定の部品矯正法を限定、制御することによって 欠陥部品をトレランスの範囲内にもたらすこともできる。

特定の部材、又は部品に供されるセンサーアレイは、プライマリ−センサーアレ イと電子的に同じであるが、キャパシタープレートアレイと誘電板は、所望の部 品の形に厳密に対応する形に形成される。

その形を保持するために植込み部材が使用され、導線の長さは調整を必要とする 。その他の点では、この椙遺体は同じである。この植えごみの形態は、より一般 的な場合より一層剛性、即ち圧縮性を低下させるのが望ましい、なぜなら、法定 すべき所望の形にそれが一致するからであり、支持体が比較的剛性の場合には、 その支持体の変形許容度、即ち変形補償は不必要である。これらの型のセンサー にとって、ポリウレタンやエポキシ樹脂の形成体が好ましい支持材と言える。ア レイの種々の部材の中でのキャパシタンスの変化は、エツジ効果が補償される時 、評価される物体に対して必要な形とサイズのパラメーターに対する直接的な一 致度を示す、特定組のトレランスは、調査表として、或いは、物体の容認性に関 する決定をイエス、又はノーで与えることができる、検知された値を処理する特 定の互除法によって生じ、さらに、その互除法は多くの操作において、正しい操 作のための制御信号として役立つようにトレランスパラメーターの逸脱量を測定 する。

第２の供用されたセンサーアレイは、この技術に普通程度に通じた人々が評価す るように、部品の測定や評価のための他の型のジグや工具に関連して使用される 。

第１のセンサーアレイはロボットのグリッパ−１即ち手と共に最も多く使用され るので、システムのロジックにより決定されるように、物状を第２センサーへ移 送し、その物体をそのセンサーに結合させ、それからその物体を次の適切な位置 へ移すことは、このシステムにとって比較的簡単なことである。もうひとつのア プローチでは、別のメカニズムによりセンサーを部品へ移動させるこもできる。

測定が行われる間、グリッパ−は物体を釈放する必要があるが、それは、次の後 続操作にとって最適の位置と方位でもって、グリッパ−が物体を把持する適切な 機会となりうる。

第１のセンサーアレイによって最終的に分析されることができなかった部品の確 認の不明確さを分析するために、そのような第２の供用されたセンサーアレイを 使用することもできる。スクリーニングのために第１７レイを使用し、最終的分 析のために供用された形のアレイを使用するといった具合にそれらを組合わせる ことによって、部品の確認に非常に高度な信頼性が可能となり、プロセスサーの 計算上の負担やデータ比較の負担も実質的に軽減し、時間も拡がる。そのような 不明確性は結合した部品の全てに対して頻繁に存在するわけではないので、特別 の操作とそれに伴なう処理とは間歇操作となる。

ロボットシステムが部品の制御された加工のための工具を有する場合、例えば研 削や研磨等のような正確な加工を案内するため、供用のセンサーアレイから得ら れるデータを使用する技術によって各部品を、或いは多くの部品をトレランスの 範囲内にもたらすこともできる。その部品を洗浄にする適切な手段と共に、それ は部品を仕ｉａ＠に一致させるために定期的に再評価を受けることもできる。特 定部品の逸脱を矯正している間、第１のセンサーアレイの操作を連続させること ができるように別の装置とのロボット操作のブランチループとしてそのような操 作を提供することができ、そうすることが好ましい場合もある。

この技術に普通程度に通じた人々がすでに認識しているように、供用のセンサー アレイの操作は、感度のいい触知針として機能し、さらに、著しい改善を提供す る方法で部品の評価による品質管理、矯正及び次の使用を改善するためのかなり 正確な能力をこの技術分野に提供する。そのような操作は、主に手動操作によっ て行われ、非常に熟練した労働力を比較的多く必要とする０手による操作は、本 発明の技術で得られるレベルの精度や信頼度を提供できず、一般に低速である０ 本発明は、そのような操作の一般的に低速で評判のよくない要件からの離脱をこ の技術に提供し、結果を改善する実質的機会を与え、工場での無駄な作業を減ら す。

前述の説明は例示であって、この明細書及び図面は本発明の範囲を制限するもの ではない、それらの明細書及び図面は本発明を実施するにあたって、この技術に 熟達した人々を案内するものであり、本発明の範囲と限界を限定するものと解釈 してはならない０本発明の限界は請求の範囲により限定されるものである。

ＦＩＧ、　１ 手続補正書Ｃｊ５幻 平成元年３月２０日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示　ＰＣＴ／ＵＳ　８７１０２２０５３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ６、補正の内容　別紙の通り 国際調査報牛

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．従来のトポロギーのアレイに形成された複数のキャパシタープレート部材を 、各オッシレーター回路の振動数が各キャパシタープレート部材と名物体との間 のキャパシタンスの関数となるように複数の対応するオッシレーター回路の１つ に対して前記プレート部材の各々と前記物体とを活性的に接続する装置と、前記 複数のオッシレーター回路から前記物体の触知特性の関数としてセンサーからの アウトプットを発生させる装置とで成り、物体の特性を近接及び触覚検知するキ ャパシタンスセンサアレイ。
2. ２．前記アウトプットは前記センサと前記物体との間のすべりの関数であること を特徴とする、請求の範囲第１項に記載のセンサ。
3. ３．前記アウトプットは、前記センサと前記物体との局の相対的動きの関数であ って、その下限ほ約１０００マイクロメーターであることを特徴とする請求の範 囲第２項に記載のセンサ。
4. ４．前記アウトプットは、前記センサと前記物体との間の相対的動きの関数であ って、その下限は約１００マイクロメーターであることを特徴とする請求の範囲 第２項に記載のセンサ。
5. ５．前記アウトプットは、前記センサと前記物体との間の相対的動きの関数であ って、その下限は約２．５マイクロメーターであることを特徴とする請求の範囲 第２項に記載のセンサ。
6. ６．前記アウトプットは約５０ミリ秒以下ですべりを検知することを特徴とする 、請求の範囲第２項に記載のセンサ。
7. ７．前記アウトプットは約３０ミリ秒以下ですべりを検知することを特徴とする 請求の範囲第２項に記載のセンサ。
8. ８．前記アウトプットは約１０ミリ秒以下ですべりを検知することを特徴とする 請求の範囲第２項に記載のセンサ。
9. ９．センサと物体とをキャパシターで接続する装置と、前記センサと前記物体と の間のキャパシタンスの関数である振動率を有するキャパシター装置と、前記セ ンサと前記物体との間のキャパシタンスの変化を表わす前記オッシレーターの振 動数の変化からすべりの大きさとしてのアウトプット信号を発生させる装置とで 成り、下限が約２．５マイクロメーターであるような、前記センサと前記物体と の間の相対的動きを約１０ミリ秒以下の時間に検知するキャパシタンスセンサ。
10. １０．前記アウトプットは前記各オッシレーターの振動数に対応する複数の信号 であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。
11. １１．前記アウトプットは連続的な平行アウトプットであることを特徴とする、 請求の範囲第１１項に記載のセンサ。
12. １２．前記アウトプットは連続的に並んだ前記複数の各オッシレーターの連続ア ウトプットであることを特徴とする、請求の範囲第１１項に記載のセンサ。
13. １３．前記アウトプットは複数の前記オッシレーターの連続する複数の後続平行 アウトプットであることを特徴とする、請求の範囲第１１項に記載のセンサ。
14. １４．センサと、前記センサを使用して、前記物体に関する触覚、近接情報を決 定する信号処理装置とで成り、物体に関する触覚、近接情報を決定する検知器。
15. １５．前記信号処理装置は前記検知器と前記物体との間のキャパシタンスの変化 をそれらの間の距離の関数として評価することを特徴とする、請求の範囲第１５ 項に記載の検知器。
16. １６．前記信号処理装置は前記物体の形を検知するためにキャパシタンス信号を 評価することを特徴とする、請求の範囲第１５項に記載の検知器。
17. １７．前記信号処理装置は前記物体の方位を検知するためにキャパシタンス信号 を評価することを特徴とする、請求の範囲第１５項に記載の検知器。
18. １８．前記信号処理装置は物体のエッジの位置と方位を検知するためにキャパシ タンス信号を評価することを特徴とする、請求の範囲第１５項に記載の検知器。
19. １９．前記信号処理装置はセンサと前記物体との間の相対的動きを検知するため キャパシタンス信号を評価することを特徴とする、請求の範囲第１５項に記載の 検知器。
20. ２０．前記信号処理装置は前記物体に操作的に関連する工具用制御信号を発生さ せるために使用されることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の検知器。
21. ２１．前記制御信号は前記工具の実際の時間の制御として発生することを特徴と する、請求の範囲第２１項に記載の検知器。
22. ２２．前記制御信号は、実際の時間の閉鎖ループフィードバック制御信号である ことを特徴とする、請求の範囲第２１項に記載の検知器。
23. ２３．前記工具は、前記物体と結合してそれを操作するロボットグリッパーであ ることを特徴とする、請求の範囲第２３項に記載の検知器。
24. ２４．物体の設計のトポロギーに一致するようなトポロギーアレイに形成された 複数のキャパシタープレート部材と、各オッシレーター回路の振動数が前記プレ ート部材と前記物体との間のキャパシタンスの関数となるように、前記各プレー ト部材と前記物体とを複数の対応するオッシレーター回路の１つに活性的に接続 させる装置と、前記複数のオッシレークー回路の応答により決定された前記物体 の前記設計上のトポロギーの形に前記物体の形を一致させる関数としてのアウト プットを前記センサーから発生させる装置とで成る、物体の品質管理特性を触覚 で検知するキャパシタンスセンサアレイ。