対象物検出装置
【課題】光検出手段としてフォトダイオードやフォトトランジスタを用い、光検出手段と電極間とのインピーダンスから、測定対象物の電気特定及び光特性を同時に測定する対象物検出装置を提供する。
【解決手段】測定対象物２０の方向に対して光を照射するＬＥＤ３ａと、照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換するフォトダイオード３ｂと、フォトダイオード３ｂに並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極２ａ，２ｂと、フォトダイオード３ａ及び電極２ａ，２ｂに接続する交流電源と、並列に接続されるフォトダイオード３ａ及び電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部４２と、測定対象物２０の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶部４５と、測定したインピーダンスの値と、記憶されている測定対象物２０に関する情報とから、測定対象物２０の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別部４３とを備える。
【解決手段】測定対象物２０の方向に対して光を照射するＬＥＤ３ａと、照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換するフォトダイオード３ｂと、フォトダイオード３ｂに並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極２ａ，２ｂと、フォトダイオード３ａ及び電極２ａ，２ｂに接続する交流電源と、並列に接続されるフォトダイオード３ａ及び電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部４２と、測定対象物２０の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶部４５と、測定したインピーダンスの値と、記憶されている測定対象物２０に関する情報とから、測定対象物２０の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別部４３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のセンサで測定対象物に関する複数の情報を検出する対象物検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、非接触センサは産業界を中心に様々な分野で利用されており、カメラを用いたセンサ、超音波センサ、電磁センサ、静電容量センサ、マイクロ波センサ等の様々な技術が盛んに研究されている。これらの多くが単一センサにより単一の情報を取得することを目的としているのに対して、発明者らが開発した特許文献１に示す技術は、単一のセンサにより複数の情報を取得することを目的としている。
【０００３】
特許文献１に示す技術は、測定対象物が透明体の場合は不透明な部材を背面に配設し、導電体の場合は不導電体の部材を背面に配設し、該測定対象物に光を照射して対象物からの反射光を受光し、該受光光により二つの電極の抵抗値を変化させる複数の光導電素子を所定の間隔で離隔配設し、複数の光導電素子の少なくとも一の光導電素子の一方の電極に交流電源が接続されると共に、他の光導電素子の一方の電極が出力端子として形成される検知手段と、予め検出された前記測定対象物に関する厚さ及び位置情報が基準データとして格納される基データベースメモリと、前記検知手段からの検知信号及び基準データに基づき前記測定対象物の厚さ及び位置を判別する判別手段とを備えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０３２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す技術は、電極としてＣｄＳセルを用いているため、カドミウムによる環境への影響が問題となる。また、ＣｄＳセルを用いた場合は、応答速度が遅くなってしまうという課題を有する。
【０００６】
そこで、本発明は、光検出手段としてフォトダイオードやフォトトランジスタを用い、光検出手段と電極間とのインピーダンスから、測定対象物の電気特性及び光特性を同時に測定する対象物検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る対象物検出装置は、測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、前記光照射手段が照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、前記光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、前記光検出手段及び前記電極に接続する交流電源と、並列に接続される前記光検出手段及び前記電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備えるものである。
【０００８】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、照射された光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、光検出手段及び電極に接続する交流電源と、並列に接続される光検出手段及び電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備えるため、測定対象物の電気特性及び光特性の測定をインピーダンス測定のみで可能となり、回路構成を簡潔にすることができるという効果を奏する。
【０００９】
また、並列に接続される光検出手段及び電極間のインピーダンスを測定するため、静電容量とコンダクタンスの両方の成分を測定することにより、より正確な測定が可能になるという効果を奏する。
【００１０】
本発明に係る対象物検出装置は、前記光検出手段が、前記測定対象物に当たって反射した光を受光し、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの相関を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの測定結果と、前記対象情報記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するものである。
【００１１】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物に複数の状態で光が照射された場合（例えば、光が照射されない場合、低い照度で光が照射された場合、高い照度で光が照射された場合等）のインピーダンスの測定結果に基づいて、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するため、測定対象物の光特定と電気特性を、複数の光の状態における測定結果の相関関係から得ることができ、正確な測定を実現することができるという効果を奏する。
【００１２】
本発明に係る対象物検出装置は、少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物からの圧力を特定するものである。
【００１３】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物が接触する位置に、光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、測定したインピーダンスの値に基づいて、測定対象物と対象物検出装置との距離から測定対象物の圧力を特定するため、測定対象物の材質及び／又は接近距離に加えて、圧力を検出することができるという効果を奏する。
【００１４】
本発明に係る対象物検出装置は、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物がなく、且つ前記光照射手段が光を照射しない場合に、前記インピーダンス測定手段が測定した測定結果を記憶しているものである。
【００１５】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物がなく、且つ光を照射しない場合の測定結果を記憶しておくため、測定対象物がない状態を正確に把握した上で、測定対象物の測定を行うことができ、高精度なセンサを実現することができるという効果を奏する。
【００１６】
本発明に係る対象物検出装置は、前記光検出手段が、フォトダイオード又はフォトトランジスタであるものである。
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、光検出手段がフォトダイオード又はフォトトランジスタであるため、ＣｄＳのように環境への影響の問題がなく、応答速度も速くすることができるという効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る対象物検出装置は、前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を制御する距離制御手段を備え、前記インピーダンス測定手段が、前記距離制御手段にて前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を変化させて、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、前記インピーダンス測定手段が、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するものである。
【００１８】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物と対象物検出装置との間の距離を制御し、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、記憶されている測定対象物に関する情報とから、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するため、記憶されている測定対象物の特性が似ている場合であっても、２つ以上の測定値から測定対象物の特性を正確に判別し、高精度に測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る対象物検出装置は、少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、前記弾性体の測定側の表面に、前記光照射手段が照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、前記対象情報記憶手段が、前記反射体に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定するものである。
【００２０】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物が接触する位置に、光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、弾性体の測定側の表面に、照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、測定したインピーダンスの値に基づいて、測定対象物と対象物検出装置との距離から測定対象物の圧力を特定するため、測定対象物の材質及び／又は接近距離に加えて、圧力を検出することができるという効果を奏する。特に、光検出手段が受光する光は、反射体から反射された光であるため、測定対象物の種類によらず反射体の反射率は一定であり、対象情報記憶手段に記憶する測定対象物の光特性の情報を格段に減らすことができ、装置を簡略化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る測定物検出装置の概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る測定物検出装置の等価回路を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る測定物検出装置の機能ブロック図である。
【図５】第１の実施形態に係る測定物検出装置における光の有無によるアドミタンスの関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る測定物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る測定物検出装置の他の構成例を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る対象物検出装置の構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る対象物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図である。
【図１０】本発明に係る対象物検出装置の他の構成例を示す図である。
【図１１】実験における対象物検出装置の構造を示す図である。
【図１２】実験における各測定試料のインピーダンスの測定結果を示す図である。
【図１３】距離をパラメータとした光の有無によるインピーダンスの相関を示す図である。
【図１４】実験における対象物検出装置の構造を示す第２の図である。
【図１５】実験における対象物検出装置のセンサシステムを示す図である。
【図１６】実験における対象物検出装置の等価回路を示す図である。
【図１７】図１６における抵抗の電圧とフォトダイオードの内部コンダクタンスの値を示す図である。
【図１８】各測定対象物における結果を示す図である。
【図１９】各測定対象物における測定結果を示す図である。
【図２０】実施例における実験結果を示す第１の図である。
【図２１】実施例における実験結果を示す第２の図である。
【図２２】距離をパラメータとした電気特性と光特性の相関を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２３】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について、図１ないし図７を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る測定物検出装置の概略図、図２は、本実施形態に係る測定物検出装置の等価回路を示す図、図３は、本実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す図、図４は、本実施形態に係る測定物検出装置の機能ブロック図、図５は、本実施形態に係る測定物検出装置における光の有無によるアドミタンスの関係を示す図、図６は、本実施形態に係る測定物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図、図７は、本実施形態に係る測定物検出装置の他の構成例である。
【００２４】
本実施形態に係る測定物検出装置は、電極とフォトダイオード又はフォトトランジスタを用い、測定対象物の電気特性（誘電率）及び光特性（反射）を同時に測定するものである。通常、フォトダイオード又はフォトトランジスタは、電流出力の変化により光検出を行うものであるが、本実施形態では、フォトダイオード又はフォトトランジスタの内部インピーダンスを測定することで光検出を行う。
【００２５】
本実施形態においては、電極２ａ，２ｂ、フォトダイオード３ｂ及びＬＥＤ３ａを用いる。図１に、測定物検出装置１の概略図を示す。図１（Ａ）に示すように、所定の間隔で離隔配設される電極２ａ，２ｂにより測定対象物２０までの距離情報を含む電気特性（誘電率）を測定する。また、図１（Ｂ）に示すように、離隔配設された電極２ａ，２ｂの間に配設されるＬＥＤ３ａにより光を照射し、測定対象物２０により反射した光をフォトダイオード３ｂで受光することにより、測定対象物２０までの距離情報を含む光特定（反射）を測定する。
【００２６】
図２（Ａ）に、フォトダイオード３ｂと電極２ａ，２ｂを並列に接続した場合の等価回路を示し、図２（Ｂ）に、図２（Ａ）の並列部分の回路図を示す。フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスをＧＰ，ＣＰ、電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスをＣＥとすると、インピーダンスの測定値Ｚは、以下の式で表される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
フォトダイオード３ｂへの入射光がない場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスに変化がなく、ＺはＣＥにより変化する。よって、測定対象物２０の電気特性が得られる。次に、ＬＥＤ３ａにより測定対象物２０に照射した光が、測定対象物２０の表面から反射されてフォトダイオード３ｂに入射する場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスが変化する。よって、測定対象物２０の光特性が得られる。このような手法により、複数の光の状態でインピーダンスを測定することで、測定対象物２０の光特性及び電気特性を得ることができ、測定対象物２０の複数の情報を検出することができる。
【００２９】
図３に、本実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す。図３（Ａ）は測定物検出装置１の下面図、図３（Ｂ）は測定物検出装置１の断面図である。測定物検出装置１は、アクリルの基材４に、基材４の表面に同一平面上に所定の間隔で離隔配設される平板状の電極２ａ，２ｂを備え、電極２ａ，２ｂの間に測定対象物２０に対して光を照射するＬＥＤ(Ｌ)３ａと、測定対象物２０の表面から反射された光を受光するフォトダイオード３ｂとを備える。なお、このときフォトダイオード３ｂは、ＬＥＤ３ａから照射された光を直接受光しないように、ＬＥＤ３ａの発光面より背面側が受光面となるように配設されることが望ましい。また、電極２ａ，２ｂは、図に示すような平板状でもよいし、例えば曲面状であってもよい。
【００３０】
図３（Ｂ）に示されるように、電極２ａ，２ｂの間の静電容量成分と、ＬＥＤ３ａから照射された光をフォトダイオード３ｂが受光した場合のフォトダイオード３ｂの静電容量成分及びコンダクタンス成分とを測定することで、測定対象物２０の材質及び／又は距離を検出することができる。
【００３１】
また、図４の機能ブロックを用いて測定物検出装置の構成を説明する。測定物検出装置１は、基材４、電極２ａ，２ｂ、ＬＥＤ３ａ及びフォトダイオード３ｂからなるセンサ部４１と、センサ部４１で検出された値からインピーダンスを測定するインピーダンス測定部４２と、測定対象物２０に関する情報が格納されている対象情報記憶部４５の情報と測定されたインピーダンスの値とから、測定対象物２０の材質及び／近接距離を判別する対象物判別部４３と、判別された情報を出力部４６に出力制御する出力制御部４４とを備える。
【００３２】
ここで、対象情報記憶部４５に格納されている情報について説明する。図５は、測定対象物２０ごとの距離変化（測定対象物２０と対象物検出装置１との距離変化）における光が照射されない場合のアドミタンスに対する光が照射された場合のアドミタンスの変化を示す。なお、アドミタンスは、アドミタンス（Ｙ）＝１／インピーダンス（Ｚ）で示される。横軸が光照射なしの場合のアドミタンス（Ｙ１）を示し、縦軸が光照射ありの場合のアドミタンス（Ｙ２）を示す。光照射なしの場合のアドミタンス（Ｙ１）は、式（１）から、ＧＰ，ＣＰは一定となり、ＣＥのみが変化し、光照射ありの場合のアドミタンス（Ｙ２）は、式（１）から、ＧＰ，ＣＰは変化し、ＣＥも変化する。これらの変化の情報を図５のように記憶しておき、対象物判別部４３が、測定値と比較して測定対象物２０の材質や近接距離を判別する。なお、光の照度に応じてアドミタンスの変化の情報を記憶するようにしてもよい。
【００３３】
測定物検出装置１の処理について、より詳細に説明する。図６は、測定値の変化を示す図である。図６（Ａ）は、測定対象物２０がない場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図６（Ｂ）は、測定対象物２０があって光照射なしの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図６（Ｃ）は、測定対象物２０があって光照射ありの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示す。
【００３４】
図６（Ａ）に示すように、測定対象物２０がない場合はインピーダンスの値に変化がなく、初期値の状態となる。次に、ＬＥＤ３ａが光を照射しない状態で測定対象物２０のインピーダンスを測定すると、図６（Ａ）の初期状態から図６（Ｂ）に示すように値が変化する。すなわち、光を照射していないため、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰに変化はなく、電極２ａ，２ｂ間のＣＥのみが変化する。次に、ＬＥＤ３ａが光を照射した状態で測定対象物２０のインピーダンスを測定すると、図６（Ｂ）の状態から図６（Ｃ）に示すように値が変化する。すなわち、電極２ａ，２ｂ間のＣＥに変化はなく、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰのみが変化する。
【００３５】
したがって、測定対象物２０のインピーダンスの測定値、すなわち電気特性から得られる測定対象物２０の比誘電率、近接距離及び測定対象物２０の厚み、並びに光特性から得られる測定対象物２０の反射、近接距離等から、対象情報記憶部４５の情報を参照することで、測定対象物２０の材質、厚さ及び近接距離を測定することができる。
【００３６】
なお、図５に示すように、測定対象物ごとに異なる特性を有する場合（例えば、取り扱う部材が予め決まっている工場のライン等で使用する場合）は、グラフ上の１点のみを測定することで、その材質や距離を判別することができるが、不特定多数の測定対象物を測定対象とする場合には、図５の特性が酷似している場合やグラフが交差する場合が有り得る。そのような場合に、グラフ上の１点のみを測定しても材質や距離を確実に判別できなくなる可能性がある。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、より確実に測定対象物を測定するために、測定対象物２０と対象物検出装置１との間の距離を制御して変化させ、少なくとも２つの距離においてインピーダンスを測定するようにしてもよい。そうすることで、特性が酷似している場合やグラフが交差しているような場合であっても、測定対象物２０を正確に判別することができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る対象物測定装置においては、図７に示すように、測定する側の表面に少なくともＬＥＤ３ａからの光の一部を透過する弾性体５を備えるようにしてもよい。すなわち、弾性体５と測定対象物２０の接触状態により、測定対象物２０からの押圧力を測定することができる。具体的には、上記で説明したように、測定対象物２０と対象物検出装置１との距離を判別し、予めわかっている弾性体５のヤング率と測定した距離とから、測定対象物２０の押圧力を求めることができる。また、センサ部を能動的に動かして測定対象物２０に接触させることで、測定対象物２０の硬さ、すべり度等を検出することも可能である。
【００３９】
このように、本実施形態に係る対象物測定装置によれば、測定対象物２０のインピーダンスを測定することで、電気特性及び光特性を検出することができ、それらの情報から測定対象物２０の材質、近接距離及び押圧力を同時に正確に測定することができる。
【００４０】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る対象物検出装置の構成を示す図、図９は、本実施形態に係る対象物検出における光の有無による測定値の変化を示す図である。
なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００４１】
本実施形態に係る対象物検出装置は、図６に示す対象物検出装置の構成において、弾性体５の測定側の面の表面に、ＬＥＤ３ａが照射する光の少なくとも一部を反射する反射体６を備える。すなわち、ＬＥＤ３ａから照射された光は反射体６で反射され、フォトダイオード３ｂがその反射された光を受光する。したがって、反射体６の反射率は一定であり、対象情報記憶部４５が、測定対象物２０の材質ごとに光特性の情報を記憶する必要がなく、情報量を格段に減らして処理を迅速にすることができる。
【００４２】
なお、反射体６は、ＬＥＤ３ａから照射された光を全て反射してもよいし、一部の波長のみ（例えば、赤外線のみ）を反射し、他の波長の光は透過するような反射体６であってもよい。つまり、ＬＥＤ３ａから照射された光を全て反射する場合は、反射光は反射体６の材質にのみ依存するため、測定対象物２０の材質は比誘電率に基づいて測定することとなる。一方、ＬＥＤ３ａから照射された光の一部のみを反射する場合、反射した光は反射体６で反射した光と測定対象物２０で反射した光とに分けることができ、測定対象物２０の材質を誘電率と反射体６で反射した反射光とに基づいて測定することができる。
【００４３】
本実施形態における対象物検出装置の処理について、図９を用いて詳細に説明する。図９は、測定値の変化を示す図である。図９（Ａ）は、測定対象物２０がなく光照射もない場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｂ）は、測定対象物２０がなく光照射がある場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｃ）は、測定対象物があって光照射なしの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｄ）は、測定対象物があって光照射もありの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示している。
【００４４】
図９（Ａ）に示すように、測定対象物２０がなく光照射もない場合はインピーダンスの値に変化がなく初期値の状態となる。また、測定対象物２０がない状態で光を照射すると、図９（Ｂ）に示すように値が変化する。すなわち、反射体６で反射した光をフォトダイオード３ｂが受光することで、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰのみが変化する。
【００４５】
これに対して、測定対象物２０がある場合は、光を照射しなければ、図９（Ｃ）に示すようにフォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰに変化はなく、電極２ａ，２ｂ間のＣＥのみが変化する。その状態で光を照射すると、図９（Ｄ）に示すようにフォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰが変化する。測定対象物２０が反射体６に接触して押圧されている場合は、図９（Ｂ）と図９（Ｄ）との受光状態の変化や、図９（Ａ）と図９（Ｃ）との静電容量の変化により、弾性体５の撓み量を求めることができ、測定対象物２０からの押圧力を正確に測定することができる。
【００４６】
したがって、測定対象物２０のインピーダンスの測定値、すなわち電気特性から得られる測定対象物２０の比誘電率、近接距離及び測定対象物２０の厚み、並びに光特性から得られる反射体６からの反射等から、対象情報記憶部４５の情報を参照することで、測定対象物２０の材質、厚さ、近接距離及び押圧力を測定することができる。
【００４７】
（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について説明する。前記各実施形態においては、インピーダンスの値を測定しているが、本実施形態においては、測定したインピーダンスを静電容量成分とコンダクタンス成分を分けて、電気特性及び光特性を測定する。
【００４８】
図２の回路において、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスをＧＰ，ＣＰ、電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスをＣＥとおくと、測定値の静電容量値Ｃとコンダクタンス値Ｇは、以下の式で表される。
【００４９】
【数２】
【００５０】
このとき、電極間のインピーダンスは、静電容量成分が支配的であることから、電極間のコンダクタンスは無視する。そのことから、コンダクタンスの測定値は、フォトダイオード３ｂのコンダクタンスＧＰと考えることができる。また、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスＧＰ，ＣＰは光量より増加する。このことにより、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスＧＰ，ＣＰの関係は次式で表せる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
よって、フォトダイオード３ｂのコンダクタンス値より静電容量値を求めることができる。ここで、センサを測定対象物２０に近づける又は測定対象物２０がセンサに近づいた場合、電極２ａ，２ｂ間の静電容量値ＣＥは変化する。このとき、フォトダイオード３ｂは測定対象物２０の誘電率により変化しないことから、測定対象物２０の電気特性は、電極２ａ，２ｂ間の静電容量で得ることができる。ここで、電極２ａ，２ｂ間の静電容量は、上記（２）、（３）式より、次式で表せる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
よって、測定した静電容量はフォトダイオード３ｂの静電容量と電極２ａ，２ｂ間の静電容量に分けることができ、そこから測定対象物２０の電気特性を取得できる。
【００５５】
ＬＥＤ３ａにより測定対象物２０に光を照射し、測定対象物２０の表面によって反射した光がフォトダイオード３ｂで受光された場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンス（コンダクタンス及び静電容量）は変化する。このとき、フォトダイオード３ｂのインピーダンスは、ＬＥＤ３ａから光を照射しない場合のフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスをＧＰｏｆｆ、ＬＥＤ３ａから光を照射し測定対象物２０から反射した光を受光した場合のフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスをＧＰｏｎ、ＬＥＤ３ａの光によるフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスの変化をＧＰＬとすると、式（５）で表すことができる。
【００５６】
【数５】
【００５７】
このとき、ＧＰｏｆｆ、ＧＰｏｎは、
【００５８】
【数６】
【００５９】
である。ここでＧＰ０は、フォトダイオード３ｂが全く光を受光しない場合の内部コンダクタンス、ＧＰＡＬは、環境光の影響により変化したコンダクタンスの値である。ＬＥＤ３ａの光により変化したコンダクタンスＧＰＬより、測定対象物２０の光特性（反射）を測定できる。これらのことより、測定対象物２０の光特性及び電気特性を同時に測定することができる。
【００６０】
なお、上記各実施形態において、フォトダイオード３ｂはフォトトランジスタであってもよい。また、ＬＥＤ３ａはレーザ、光ファイバによる光の伝搬であってもよい。さらに、弾性体５は、ＬＥＤ３ａの光の一部又は全部を透過し、外力に対して弾性を有するものであればよい。さらにまた、反射体６は、ＬＥＤ３ａの光の一部又は全部を透過するものであればよく、特定の方向の光や特定の波長のみを透過する（例えば、偏光膜等）ものでもよい。
【００６１】
また、上記各実施形態に係る対象物検出装置は、ロボットの触覚、物体検出、生体の測定（体脂肪、水分量、酸素状態、経穴等）、健康状態測定（排便、血液）、植物の測定（糖度、水分量）、飲食物（加工物、果物、野菜、魚、肉、飲み物、調味料）の測定（成分分析）、品質検査（製品）、ガス・液体の測定、タッチパネル、スイッチ等に適用することができる。
【００６２】
さらに、上記各実施形態に係る対象物検出装置として、図３、図７及び図８に示すような平面型を示したが、図１０に示すように縦型の構成にしてもよい。この場合、光照射手段と光検出手段とが、並行して配設される透明電極を介して対向して配設される。測定対象物は、透明電極の間に設置され、電気特性及び光特性が測定される。また、電極が不透明な場合は、発光素子、受光素子と電極が同一位置でなくてもよい。
【００６３】
さらにまた、フォトダイオードやフォトトランジスタの温度特性を利用することで、測定対象物の電気特性及び光特性に加えて温度特性を測定することも可能である。
【実施例１】
【００６４】
前記第１の形態に係る対象物検出装置に関する実験を行った。図１１に、実験用に試作した対象物検出装置の構造を示す。受光素子として４素子のフォトトランジスタ（最大感度８００ｎｍ、図中のＰ）、電極Ｅ及び発光素子としてＬＥＤ（ピーク波長９５０ｎｍ、図中のＬ）を用いた。試作したセンサをロボットアームの先端に取り付け、センサと測定対象物との距離を制御した。また、本実験では基礎実験として、外乱光が入らない状態とした。
【００６５】
下記の表１に本実験で用いた６種類の測定試料を示す。絶縁体である白、黒、透明のアクリル、ベークライト、導体であるアルミニウム及び鉄を用いた。測定試料の大きさは、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍとした。測定対象物は、黒のアクリルの土台に設置した。
【００６６】
【表１】
【００６７】
測定対象物の誘電率及び光の反射を測定するために、４素子のフォトトランジスタ（Ｐ）を直列に接続し、それを電極（Ｅ）と並列にＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ、バイアス１Ｖ）を接続した。光の状態は、光照射なし（ＬＥＤの印加電圧０Ｖ）と光照射あり（ＬＥＤの印加電圧１．２Ｖ）の２種類とした。
【００６８】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に各測定試料におけるインピーダンスの測定結果を示す。横軸は測定対象物までの距離、縦軸は各測定試料のインピーダンスをそれぞれ示す。図１２（Ａ）は光なしの場合（Ｚｏｆｆ）、図１２（Ｂ）は光ありの場合（Ｚｏｎ）である。図１２（Ａ）より、センサと各測定試料までの距離における測定値を比較すると、それぞれの材質の誘電率の大きさの順で得られているゆえ、本センサによる測定対象物の電気特性の測定が可能であることがわかる。また、センサと測定試料との距離が離れていくにしたがい、徐々にインピーダンスが減少する。
【００６９】
この結果より、測定電極と測定対象物の距離が５ｍｍ以内であれば、インピーダンスに変化が見られるゆえ、距離又は材質（誘電率）が既知であれば、誘電率が異なる材質識別又は距離検出が可能である。図１２（Ｂ）より、各測定試料において、測定対象物との距離の変化に対してインピーダンスの変化が見られるため、距離又は材質（誘電率、反射率）が既知であれば、材質識別及び距離検出が可能である。
【００７０】
図１３に距離をパラメータとしたＺｏｆｆとＺｏｎの相関を示す。横軸は光なしの場合のインピーダンスＺｏｆｆ、縦軸は光ありの場合のインピーダンスＺｏｎの測定結果を示す。図１３より２種類のインピーダンスの測定値を用いることで、材質の識別と距離の検出が可能であることが明らかである。
【実施例２】
【００７１】
次に、前記第３の実施形態に係る対象物検出装置に関する実験を行った。図１４に今回試作したセンサの構造を示す。受光素子としてフォトダイオード（最大感度８６０ｎｍ、図中Ｐ）、発光素子としてＬＥＤ（ピーク波長９５０ｎｍ）を５ｍｍ離しアクリル基板（Ａ）に設置した。今後、アレイ化を目指しており、そのために電極（Ｅ）はアレイ化することを考慮した構造とし、電極の端を５ｍｍ離した。検出面の裏に外部の電気的影響を除去するため電極（Ｅ）と０．１ｍｍ離し、シールド（Ｓ）を設置した。図１５にセンサシステムを示す。試作したセンサをロボットアームの先端に取り付け、センサと対象の距離を制御した。電極及びフォトダイオードをＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ、バイアス２Ｖ）に接続し、測定を行った。
【００７２】
通常の使用方法であるフォトダイオードの電流変化の測定と、本発明に係る対象物検出装置のフォトダイオードの内部インピーダンスの測定における光に対する変化について検討する。図１６に、本実験の等価回路を示す。図１６（Ａ）に示すように通常の測定手法であるフォトダイオードに流れる電流変化を検出するため、フォトダイオードに抵抗（１ＭΩ）を直列に接続し、抵抗の電圧をデジタルマルチメータ（ＤＭＭ）で測定する。図１６（Ｂ）に示すように、本発明におけるフォトダイオードの内部インピーダンスをＬＣＲメータで測定する。ＬＥＤの電流は電圧源を用い０ｍＡから６０ｍＡまで変化させた。対象は、白のアクリルを用い、センサと対象までの距離は４ｍｍとした。図１７に、図１６（Ａ）における抵抗の電圧と図１６（Ｂ）におけるフォトダイオードの内部コンダクタンスの値を示す。図１７より、フォトダイオードに流れる電流及びコンダクタンスは、ＬＥＤによる照射光の増加に伴い増加する。
【００７３】
次にフォトダイオードの内部インピーダンスの実部成分（コンダクタンス）と虚部成分（静電容量）の関係について検討する。図１６（Ｂ）の測定システムを用い、測定対象物は白と黒のアクリル及び銀色のアルミニウムを用いた。センサと測定対象物までの距離は４ｍｍとした。図１８（Ａ）、（Ｂ）に各測定対象物における結果を示す。横軸にＬＥＤの電流、縦軸にコンダクタンスと静電容量値をそれぞれ示す。図１８（Ａ）、（Ｂ）より、測定されたコンダクタンスと静電容量値は、光の反射の低い黒のアクリルが最も小さく、次に白のアクリルさらに銀色のアルミニウムと増加し、光の反射の違いがコンダクタンス及び静電容量に反映されていることがわかる。図１８（Ｃ）に、コンダクタンスと静電容量の関係を示す。横軸にコンダクタンス、縦軸に静電容量を示す。本試作センサにおけるフォトダイオードのコンダクタンスと静電容量の関係をこの結果を用いて最小二乗法により近似式により式（３）を求める。
【００７４】
【数７】
【００７５】
ここで、ｋ（ｉ＝１−４）は、ｋ１＝１．５９６３２×１０−１２、ｋ２＝１．５３０４６×１０−６、ｋ３＝−１．２１５３４、ｋ４＝４．５７０９０×１０６である。式（７）を用いることにより、ＧＰよりＣＰを求めることができる。
【００７６】
試作したセンサを用い、フォトダイオード及び電極間のインピーダンスを測定することにより、対象の電気特性及び光特性の検出をＬＣＲメータに接続することで行った。光の状態は、ＬＥＤから光照射なし（０ｍＡ）と光照射あり（４０ｍＡ）の２種類とした。表２に今回用いた６種類の測定試料を示す。表２に示すように、絶縁体として比誘電率２の白のフッ素樹脂、比誘電率３の白、黒、透明のアクリル、比誘電率６の透明のガラス、導体として銀色のアルミニウムを用いた。
【００７７】
【表２】
【００７８】
図１９に各測定対象物における測定結果を示す。横軸にセンサから測定対象物までの距離、縦軸に式（４）より求めた電極間の静電容量値（ＣＥ）及び式（５）より求めたコンダクタンスの変化（ＧＰＬ）をそれぞれ示す。図１９(Ａ)よりＣＥは、静電容量の違いによる材質識別ができた。また、電極と測定対象物との距離が離れていくに従い、静電容量が減少する。この結果より、距離又は材質（誘電率）が既知であれば、誘電率の異なる材質の識別及び距離の測定が可能であることがわかる．
【００７９】
図１９（Ｂ）よりＧＰＬは、測定対象物からの光の反射の違いを反映しており、光の反射の違いを測定できることがわかる。また、フォトダイオードと測定対象物との距離によりＧＰＬが変化する。この結果より、距離又は材質(反射)が既知であれば、光の反射の異なる材質の識別及び距離の測定が可能である。この結果より、測定値は電気特性、光特性を測定できていると言える。
【００８０】
さらに、光センサを用いる場合、環境光が測定に影響を与える。そこで、本発明における環境光の影響を検討する。実験として、白のアクリルを用いてセンサと測定対象物との距離を４ｍｍとし、実験条件（Ａ）−（Ｃ）で環境光を変化させた。
（Ａ）環境光がない場合
（Ｂ）センサに蛍光灯（１５Ｗ、６０Ｈｚ）を横から照射した場合
（Ｃ）センサに白熱電灯（１００Ｗ）を横から照射した場合
実験は、ＬＥＤから光を照射しない場合（０ｍＡ）の静電容量値（Ｃｏｆｆ）及び式（４）より求めたＣＥを電気特性、ＬＥＤから光を照射した場合（４０ｍＡ）のコンダクタンス（Ｃｏｎ）及び式（５）より求めたＧＰＬを光特性とした。
【００８１】
図２０に実験結果を示す。図２１に実験条件（Ａ）のそれぞれの平均値(ＣＡａｖ，ＧＡａｖ)との差を示す。図２０及び図２１よりＣｏｆｆ及びＣｏｎは環境光の影響を受けることがわかる。また、蛍光灯の光は主に可視光であるため、測定への影響が小さく、白熱電灯の光は赤外線を多く含んでいるため、測定への影響が大きい。ここで、式（４）より求めたＣＥ及び式（５）より求めたＧＰＬを用いることにより、環境光の影響を除去し、測定対象物の電気特性及び光特性を環境光の影響をほぼ受けずに取得できることがわかる。
【００８２】
測定対象物の光特性、電気測定を同時に測定することより、測定対象物までの距離検出を含む材質識別ができる。図２２に距離をパラメータとしたＣＥ（電気特性）とＧＰＬ（光特性）の相関を示す。例えば、測定対象物までの距離情報を含む電気特性の測定結果（ＣＥ＊）だけでは、図２２の×の６種類の測定対象物の可能性があり、距離検出を含めた材質識別は困難である。また、測定対象物までの距離情報を含む光特性の測定結果（ＧＰＬ＊）だけでは、図２２の○の２種類の測定対象物の可能性があり、距離検出を含めた材質識別は困難である。しかしながら、ＣＥ＊及びＧＰＬ＊の測定値を用いることで、距離３ｍｍの白のアクリルと推定できる。この結果、測定対象物の誘電率及び光の反射の相関的関係から今回対象として用いた６種類の材質識別が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 対象物検出装置
２ａ，２ｂ 電極
３ａ ＬＥＤ
３ｂ フォトダイオード
４ 基材
５ 弾性体
６ 反射体
２０ 測定対象物
４１ センサ部
４２ インピーダンス測定部
４３ 対象物判別部
４４ 出力制御部
４５ 対象情報記憶部
４６ 出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のセンサで測定対象物に関する複数の情報を検出する対象物検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、非接触センサは産業界を中心に様々な分野で利用されており、カメラを用いたセンサ、超音波センサ、電磁センサ、静電容量センサ、マイクロ波センサ等の様々な技術が盛んに研究されている。これらの多くが単一センサにより単一の情報を取得することを目的としているのに対して、発明者らが開発した特許文献１に示す技術は、単一のセンサにより複数の情報を取得することを目的としている。
【０００３】
特許文献１に示す技術は、測定対象物が透明体の場合は不透明な部材を背面に配設し、導電体の場合は不導電体の部材を背面に配設し、該測定対象物に光を照射して対象物からの反射光を受光し、該受光光により二つの電極の抵抗値を変化させる複数の光導電素子を所定の間隔で離隔配設し、複数の光導電素子の少なくとも一の光導電素子の一方の電極に交流電源が接続されると共に、他の光導電素子の一方の電極が出力端子として形成される検知手段と、予め検出された前記測定対象物に関する厚さ及び位置情報が基準データとして格納される基データベースメモリと、前記検知手段からの検知信号及び基準データに基づき前記測定対象物の厚さ及び位置を判別する判別手段とを備えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０３２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す技術は、電極としてＣｄＳセルを用いているため、カドミウムによる環境への影響が問題となる。また、ＣｄＳセルを用いた場合は、応答速度が遅くなってしまうという課題を有する。
【０００６】
そこで、本発明は、光検出手段としてフォトダイオードやフォトトランジスタを用い、光検出手段と電極間とのインピーダンスから、測定対象物の電気特性及び光特性を同時に測定する対象物検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る対象物検出装置は、測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、前記光照射手段が照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、前記光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、前記光検出手段及び前記電極に接続する交流電源と、並列に接続される前記光検出手段及び前記電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備えるものである。
【０００８】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、照射された光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、光検出手段及び電極に接続する交流電源と、並列に接続される光検出手段及び電極間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備えるため、測定対象物の電気特性及び光特性の測定をインピーダンス測定のみで可能となり、回路構成を簡潔にすることができるという効果を奏する。
【０００９】
また、並列に接続される光検出手段及び電極間のインピーダンスを測定するため、静電容量とコンダクタンスの両方の成分を測定することにより、より正確な測定が可能になるという効果を奏する。
【００１０】
本発明に係る対象物検出装置は、前記光検出手段が、前記測定対象物に当たって反射した光を受光し、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの相関を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの測定結果と、前記対象情報記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するものである。
【００１１】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物に複数の状態で光が照射された場合（例えば、光が照射されない場合、低い照度で光が照射された場合、高い照度で光が照射された場合等）のインピーダンスの測定結果に基づいて、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するため、測定対象物の光特定と電気特性を、複数の光の状態における測定結果の相関関係から得ることができ、正確な測定を実現することができるという効果を奏する。
【００１２】
本発明に係る対象物検出装置は、少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物からの圧力を特定するものである。
【００１３】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物が接触する位置に、光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、測定したインピーダンスの値に基づいて、測定対象物と対象物検出装置との距離から測定対象物の圧力を特定するため、測定対象物の材質及び／又は接近距離に加えて、圧力を検出することができるという効果を奏する。
【００１４】
本発明に係る対象物検出装置は、前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物がなく、且つ前記光照射手段が光を照射しない場合に、前記インピーダンス測定手段が測定した測定結果を記憶しているものである。
【００１５】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物がなく、且つ光を照射しない場合の測定結果を記憶しておくため、測定対象物がない状態を正確に把握した上で、測定対象物の測定を行うことができ、高精度なセンサを実現することができるという効果を奏する。
【００１６】
本発明に係る対象物検出装置は、前記光検出手段が、フォトダイオード又はフォトトランジスタであるものである。
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、光検出手段がフォトダイオード又はフォトトランジスタであるため、ＣｄＳのように環境への影響の問題がなく、応答速度も速くすることができるという効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る対象物検出装置は、前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を制御する距離制御手段を備え、前記インピーダンス測定手段が、前記距離制御手段にて前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を変化させて、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、前記インピーダンス測定手段が、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するものである。
【００１８】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物と対象物検出装置との間の距離を制御し、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、記憶されている測定対象物に関する情報とから、測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別するため、記憶されている測定対象物の特性が似ている場合であっても、２つ以上の測定値から測定対象物の特性を正確に判別し、高精度に測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る対象物検出装置は、少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、前記弾性体の測定側の表面に、前記光照射手段が照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、前記対象情報記憶手段が、前記反射体に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定するものである。
【００２０】
このように、本発明に係る対象物検出装置においては、測定対象物が接触する位置に、光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、弾性体の測定側の表面に、照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、測定したインピーダンスの値に基づいて、測定対象物と対象物検出装置との距離から測定対象物の圧力を特定するため、測定対象物の材質及び／又は接近距離に加えて、圧力を検出することができるという効果を奏する。特に、光検出手段が受光する光は、反射体から反射された光であるため、測定対象物の種類によらず反射体の反射率は一定であり、対象情報記憶手段に記憶する測定対象物の光特性の情報を格段に減らすことができ、装置を簡略化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る測定物検出装置の概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る測定物検出装置の等価回路を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る測定物検出装置の機能ブロック図である。
【図５】第１の実施形態に係る測定物検出装置における光の有無によるアドミタンスの関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る測定物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る測定物検出装置の他の構成例を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る対象物検出装置の構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る対象物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図である。
【図１０】本発明に係る対象物検出装置の他の構成例を示す図である。
【図１１】実験における対象物検出装置の構造を示す図である。
【図１２】実験における各測定試料のインピーダンスの測定結果を示す図である。
【図１３】距離をパラメータとした光の有無によるインピーダンスの相関を示す図である。
【図１４】実験における対象物検出装置の構造を示す第２の図である。
【図１５】実験における対象物検出装置のセンサシステムを示す図である。
【図１６】実験における対象物検出装置の等価回路を示す図である。
【図１７】図１６における抵抗の電圧とフォトダイオードの内部コンダクタンスの値を示す図である。
【図１８】各測定対象物における結果を示す図である。
【図１９】各測定対象物における測定結果を示す図である。
【図２０】実施例における実験結果を示す第１の図である。
【図２１】実施例における実験結果を示す第２の図である。
【図２２】距離をパラメータとした電気特性と光特性の相関を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２３】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について、図１ないし図７を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る測定物検出装置の概略図、図２は、本実施形態に係る測定物検出装置の等価回路を示す図、図３は、本実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す図、図４は、本実施形態に係る測定物検出装置の機能ブロック図、図５は、本実施形態に係る測定物検出装置における光の有無によるアドミタンスの関係を示す図、図６は、本実施形態に係る測定物検出装置における光の有無による測定値の変化を示す図、図７は、本実施形態に係る測定物検出装置の他の構成例である。
【００２４】
本実施形態に係る測定物検出装置は、電極とフォトダイオード又はフォトトランジスタを用い、測定対象物の電気特性（誘電率）及び光特性（反射）を同時に測定するものである。通常、フォトダイオード又はフォトトランジスタは、電流出力の変化により光検出を行うものであるが、本実施形態では、フォトダイオード又はフォトトランジスタの内部インピーダンスを測定することで光検出を行う。
【００２５】
本実施形態においては、電極２ａ，２ｂ、フォトダイオード３ｂ及びＬＥＤ３ａを用いる。図１に、測定物検出装置１の概略図を示す。図１（Ａ）に示すように、所定の間隔で離隔配設される電極２ａ，２ｂにより測定対象物２０までの距離情報を含む電気特性（誘電率）を測定する。また、図１（Ｂ）に示すように、離隔配設された電極２ａ，２ｂの間に配設されるＬＥＤ３ａにより光を照射し、測定対象物２０により反射した光をフォトダイオード３ｂで受光することにより、測定対象物２０までの距離情報を含む光特定（反射）を測定する。
【００２６】
図２（Ａ）に、フォトダイオード３ｂと電極２ａ，２ｂを並列に接続した場合の等価回路を示し、図２（Ｂ）に、図２（Ａ）の並列部分の回路図を示す。フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスをＧＰ，ＣＰ、電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスをＣＥとすると、インピーダンスの測定値Ｚは、以下の式で表される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
フォトダイオード３ｂへの入射光がない場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスに変化がなく、ＺはＣＥにより変化する。よって、測定対象物２０の電気特性が得られる。次に、ＬＥＤ３ａにより測定対象物２０に照射した光が、測定対象物２０の表面から反射されてフォトダイオード３ｂに入射する場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスが変化する。よって、測定対象物２０の光特性が得られる。このような手法により、複数の光の状態でインピーダンスを測定することで、測定対象物２０の光特性及び電気特性を得ることができ、測定対象物２０の複数の情報を検出することができる。
【００２９】
図３に、本実施形態に係る測定物検出装置の構成を示す。図３（Ａ）は測定物検出装置１の下面図、図３（Ｂ）は測定物検出装置１の断面図である。測定物検出装置１は、アクリルの基材４に、基材４の表面に同一平面上に所定の間隔で離隔配設される平板状の電極２ａ，２ｂを備え、電極２ａ，２ｂの間に測定対象物２０に対して光を照射するＬＥＤ(Ｌ)３ａと、測定対象物２０の表面から反射された光を受光するフォトダイオード３ｂとを備える。なお、このときフォトダイオード３ｂは、ＬＥＤ３ａから照射された光を直接受光しないように、ＬＥＤ３ａの発光面より背面側が受光面となるように配設されることが望ましい。また、電極２ａ，２ｂは、図に示すような平板状でもよいし、例えば曲面状であってもよい。
【００３０】
図３（Ｂ）に示されるように、電極２ａ，２ｂの間の静電容量成分と、ＬＥＤ３ａから照射された光をフォトダイオード３ｂが受光した場合のフォトダイオード３ｂの静電容量成分及びコンダクタンス成分とを測定することで、測定対象物２０の材質及び／又は距離を検出することができる。
【００３１】
また、図４の機能ブロックを用いて測定物検出装置の構成を説明する。測定物検出装置１は、基材４、電極２ａ，２ｂ、ＬＥＤ３ａ及びフォトダイオード３ｂからなるセンサ部４１と、センサ部４１で検出された値からインピーダンスを測定するインピーダンス測定部４２と、測定対象物２０に関する情報が格納されている対象情報記憶部４５の情報と測定されたインピーダンスの値とから、測定対象物２０の材質及び／近接距離を判別する対象物判別部４３と、判別された情報を出力部４６に出力制御する出力制御部４４とを備える。
【００３２】
ここで、対象情報記憶部４５に格納されている情報について説明する。図５は、測定対象物２０ごとの距離変化（測定対象物２０と対象物検出装置１との距離変化）における光が照射されない場合のアドミタンスに対する光が照射された場合のアドミタンスの変化を示す。なお、アドミタンスは、アドミタンス（Ｙ）＝１／インピーダンス（Ｚ）で示される。横軸が光照射なしの場合のアドミタンス（Ｙ１）を示し、縦軸が光照射ありの場合のアドミタンス（Ｙ２）を示す。光照射なしの場合のアドミタンス（Ｙ１）は、式（１）から、ＧＰ，ＣＰは一定となり、ＣＥのみが変化し、光照射ありの場合のアドミタンス（Ｙ２）は、式（１）から、ＧＰ，ＣＰは変化し、ＣＥも変化する。これらの変化の情報を図５のように記憶しておき、対象物判別部４３が、測定値と比較して測定対象物２０の材質や近接距離を判別する。なお、光の照度に応じてアドミタンスの変化の情報を記憶するようにしてもよい。
【００３３】
測定物検出装置１の処理について、より詳細に説明する。図６は、測定値の変化を示す図である。図６（Ａ）は、測定対象物２０がない場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図６（Ｂ）は、測定対象物２０があって光照射なしの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図６（Ｃ）は、測定対象物２０があって光照射ありの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示す。
【００３４】
図６（Ａ）に示すように、測定対象物２０がない場合はインピーダンスの値に変化がなく、初期値の状態となる。次に、ＬＥＤ３ａが光を照射しない状態で測定対象物２０のインピーダンスを測定すると、図６（Ａ）の初期状態から図６（Ｂ）に示すように値が変化する。すなわち、光を照射していないため、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰに変化はなく、電極２ａ，２ｂ間のＣＥのみが変化する。次に、ＬＥＤ３ａが光を照射した状態で測定対象物２０のインピーダンスを測定すると、図６（Ｂ）の状態から図６（Ｃ）に示すように値が変化する。すなわち、電極２ａ，２ｂ間のＣＥに変化はなく、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰのみが変化する。
【００３５】
したがって、測定対象物２０のインピーダンスの測定値、すなわち電気特性から得られる測定対象物２０の比誘電率、近接距離及び測定対象物２０の厚み、並びに光特性から得られる測定対象物２０の反射、近接距離等から、対象情報記憶部４５の情報を参照することで、測定対象物２０の材質、厚さ及び近接距離を測定することができる。
【００３６】
なお、図５に示すように、測定対象物ごとに異なる特性を有する場合（例えば、取り扱う部材が予め決まっている工場のライン等で使用する場合）は、グラフ上の１点のみを測定することで、その材質や距離を判別することができるが、不特定多数の測定対象物を測定対象とする場合には、図５の特性が酷似している場合やグラフが交差する場合が有り得る。そのような場合に、グラフ上の１点のみを測定しても材質や距離を確実に判別できなくなる可能性がある。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、より確実に測定対象物を測定するために、測定対象物２０と対象物検出装置１との間の距離を制御して変化させ、少なくとも２つの距離においてインピーダンスを測定するようにしてもよい。そうすることで、特性が酷似している場合やグラフが交差しているような場合であっても、測定対象物２０を正確に判別することができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る対象物測定装置においては、図７に示すように、測定する側の表面に少なくともＬＥＤ３ａからの光の一部を透過する弾性体５を備えるようにしてもよい。すなわち、弾性体５と測定対象物２０の接触状態により、測定対象物２０からの押圧力を測定することができる。具体的には、上記で説明したように、測定対象物２０と対象物検出装置１との距離を判別し、予めわかっている弾性体５のヤング率と測定した距離とから、測定対象物２０の押圧力を求めることができる。また、センサ部を能動的に動かして測定対象物２０に接触させることで、測定対象物２０の硬さ、すべり度等を検出することも可能である。
【００３９】
このように、本実施形態に係る対象物測定装置によれば、測定対象物２０のインピーダンスを測定することで、電気特性及び光特性を検出することができ、それらの情報から測定対象物２０の材質、近接距離及び押圧力を同時に正確に測定することができる。
【００４０】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る対象物検出装置の構成を示す図、図９は、本実施形態に係る対象物検出における光の有無による測定値の変化を示す図である。
なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００４１】
本実施形態に係る対象物検出装置は、図６に示す対象物検出装置の構成において、弾性体５の測定側の面の表面に、ＬＥＤ３ａが照射する光の少なくとも一部を反射する反射体６を備える。すなわち、ＬＥＤ３ａから照射された光は反射体６で反射され、フォトダイオード３ｂがその反射された光を受光する。したがって、反射体６の反射率は一定であり、対象情報記憶部４５が、測定対象物２０の材質ごとに光特性の情報を記憶する必要がなく、情報量を格段に減らして処理を迅速にすることができる。
【００４２】
なお、反射体６は、ＬＥＤ３ａから照射された光を全て反射してもよいし、一部の波長のみ（例えば、赤外線のみ）を反射し、他の波長の光は透過するような反射体６であってもよい。つまり、ＬＥＤ３ａから照射された光を全て反射する場合は、反射光は反射体６の材質にのみ依存するため、測定対象物２０の材質は比誘電率に基づいて測定することとなる。一方、ＬＥＤ３ａから照射された光の一部のみを反射する場合、反射した光は反射体６で反射した光と測定対象物２０で反射した光とに分けることができ、測定対象物２０の材質を誘電率と反射体６で反射した反射光とに基づいて測定することができる。
【００４３】
本実施形態における対象物検出装置の処理について、図９を用いて詳細に説明する。図９は、測定値の変化を示す図である。図９（Ａ）は、測定対象物２０がなく光照射もない場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｂ）は、測定対象物２０がなく光照射がある場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｃ）は、測定対象物があって光照射なしの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示し、図９（Ｄ）は、測定対象物があって光照射もありの場合のインピーダンスの静電容量成分とコンダクタンス成分とを示している。
【００４４】
図９（Ａ）に示すように、測定対象物２０がなく光照射もない場合はインピーダンスの値に変化がなく初期値の状態となる。また、測定対象物２０がない状態で光を照射すると、図９（Ｂ）に示すように値が変化する。すなわち、反射体６で反射した光をフォトダイオード３ｂが受光することで、フォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰのみが変化する。
【００４５】
これに対して、測定対象物２０がある場合は、光を照射しなければ、図９（Ｃ）に示すようにフォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰに変化はなく、電極２ａ，２ｂ間のＣＥのみが変化する。その状態で光を照射すると、図９（Ｄ）に示すようにフォトダイオード３ｂのＧＰ，ＣＰが変化する。測定対象物２０が反射体６に接触して押圧されている場合は、図９（Ｂ）と図９（Ｄ）との受光状態の変化や、図９（Ａ）と図９（Ｃ）との静電容量の変化により、弾性体５の撓み量を求めることができ、測定対象物２０からの押圧力を正確に測定することができる。
【００４６】
したがって、測定対象物２０のインピーダンスの測定値、すなわち電気特性から得られる測定対象物２０の比誘電率、近接距離及び測定対象物２０の厚み、並びに光特性から得られる反射体６からの反射等から、対象情報記憶部４５の情報を参照することで、測定対象物２０の材質、厚さ、近接距離及び押圧力を測定することができる。
【００４７】
（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る対象物検出装置について説明する。前記各実施形態においては、インピーダンスの値を測定しているが、本実施形態においては、測定したインピーダンスを静電容量成分とコンダクタンス成分を分けて、電気特性及び光特性を測定する。
【００４８】
図２の回路において、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスをＧＰ，ＣＰ、電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスをＣＥとおくと、測定値の静電容量値Ｃとコンダクタンス値Ｇは、以下の式で表される。
【００４９】
【数２】
【００５０】
このとき、電極間のインピーダンスは、静電容量成分が支配的であることから、電極間のコンダクタンスは無視する。そのことから、コンダクタンスの測定値は、フォトダイオード３ｂのコンダクタンスＧＰと考えることができる。また、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスＧＰ，ＣＰは光量より増加する。このことにより、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンスＧＰ，ＣＰの関係は次式で表せる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
よって、フォトダイオード３ｂのコンダクタンス値より静電容量値を求めることができる。ここで、センサを測定対象物２０に近づける又は測定対象物２０がセンサに近づいた場合、電極２ａ，２ｂ間の静電容量値ＣＥは変化する。このとき、フォトダイオード３ｂは測定対象物２０の誘電率により変化しないことから、測定対象物２０の電気特性は、電極２ａ，２ｂ間の静電容量で得ることができる。ここで、電極２ａ，２ｂ間の静電容量は、上記（２）、（３）式より、次式で表せる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
よって、測定した静電容量はフォトダイオード３ｂの静電容量と電極２ａ，２ｂ間の静電容量に分けることができ、そこから測定対象物２０の電気特性を取得できる。
【００５５】
ＬＥＤ３ａにより測定対象物２０に光を照射し、測定対象物２０の表面によって反射した光がフォトダイオード３ｂで受光された場合、フォトダイオード３ｂの内部インピーダンス（コンダクタンス及び静電容量）は変化する。このとき、フォトダイオード３ｂのインピーダンスは、ＬＥＤ３ａから光を照射しない場合のフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスをＧＰｏｆｆ、ＬＥＤ３ａから光を照射し測定対象物２０から反射した光を受光した場合のフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスをＧＰｏｎ、ＬＥＤ３ａの光によるフォトダイオード３ｂの内部コンダクタンスの変化をＧＰＬとすると、式（５）で表すことができる。
【００５６】
【数５】
【００５７】
このとき、ＧＰｏｆｆ、ＧＰｏｎは、
【００５８】
【数６】
【００５９】
である。ここでＧＰ０は、フォトダイオード３ｂが全く光を受光しない場合の内部コンダクタンス、ＧＰＡＬは、環境光の影響により変化したコンダクタンスの値である。ＬＥＤ３ａの光により変化したコンダクタンスＧＰＬより、測定対象物２０の光特性（反射）を測定できる。これらのことより、測定対象物２０の光特性及び電気特性を同時に測定することができる。
【００６０】
なお、上記各実施形態において、フォトダイオード３ｂはフォトトランジスタであってもよい。また、ＬＥＤ３ａはレーザ、光ファイバによる光の伝搬であってもよい。さらに、弾性体５は、ＬＥＤ３ａの光の一部又は全部を透過し、外力に対して弾性を有するものであればよい。さらにまた、反射体６は、ＬＥＤ３ａの光の一部又は全部を透過するものであればよく、特定の方向の光や特定の波長のみを透過する（例えば、偏光膜等）ものでもよい。
【００６１】
また、上記各実施形態に係る対象物検出装置は、ロボットの触覚、物体検出、生体の測定（体脂肪、水分量、酸素状態、経穴等）、健康状態測定（排便、血液）、植物の測定（糖度、水分量）、飲食物（加工物、果物、野菜、魚、肉、飲み物、調味料）の測定（成分分析）、品質検査（製品）、ガス・液体の測定、タッチパネル、スイッチ等に適用することができる。
【００６２】
さらに、上記各実施形態に係る対象物検出装置として、図３、図７及び図８に示すような平面型を示したが、図１０に示すように縦型の構成にしてもよい。この場合、光照射手段と光検出手段とが、並行して配設される透明電極を介して対向して配設される。測定対象物は、透明電極の間に設置され、電気特性及び光特性が測定される。また、電極が不透明な場合は、発光素子、受光素子と電極が同一位置でなくてもよい。
【００６３】
さらにまた、フォトダイオードやフォトトランジスタの温度特性を利用することで、測定対象物の電気特性及び光特性に加えて温度特性を測定することも可能である。
【実施例１】
【００６４】
前記第１の形態に係る対象物検出装置に関する実験を行った。図１１に、実験用に試作した対象物検出装置の構造を示す。受光素子として４素子のフォトトランジスタ（最大感度８００ｎｍ、図中のＰ）、電極Ｅ及び発光素子としてＬＥＤ（ピーク波長９５０ｎｍ、図中のＬ）を用いた。試作したセンサをロボットアームの先端に取り付け、センサと測定対象物との距離を制御した。また、本実験では基礎実験として、外乱光が入らない状態とした。
【００６５】
下記の表１に本実験で用いた６種類の測定試料を示す。絶縁体である白、黒、透明のアクリル、ベークライト、導体であるアルミニウム及び鉄を用いた。測定試料の大きさは、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍとした。測定対象物は、黒のアクリルの土台に設置した。
【００６６】
【表１】
【００６７】
測定対象物の誘電率及び光の反射を測定するために、４素子のフォトトランジスタ（Ｐ）を直列に接続し、それを電極（Ｅ）と並列にＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ、バイアス１Ｖ）を接続した。光の状態は、光照射なし（ＬＥＤの印加電圧０Ｖ）と光照射あり（ＬＥＤの印加電圧１．２Ｖ）の２種類とした。
【００６８】
図１２（Ａ）、（Ｂ）に各測定試料におけるインピーダンスの測定結果を示す。横軸は測定対象物までの距離、縦軸は各測定試料のインピーダンスをそれぞれ示す。図１２（Ａ）は光なしの場合（Ｚｏｆｆ）、図１２（Ｂ）は光ありの場合（Ｚｏｎ）である。図１２（Ａ）より、センサと各測定試料までの距離における測定値を比較すると、それぞれの材質の誘電率の大きさの順で得られているゆえ、本センサによる測定対象物の電気特性の測定が可能であることがわかる。また、センサと測定試料との距離が離れていくにしたがい、徐々にインピーダンスが減少する。
【００６９】
この結果より、測定電極と測定対象物の距離が５ｍｍ以内であれば、インピーダンスに変化が見られるゆえ、距離又は材質（誘電率）が既知であれば、誘電率が異なる材質識別又は距離検出が可能である。図１２（Ｂ）より、各測定試料において、測定対象物との距離の変化に対してインピーダンスの変化が見られるため、距離又は材質（誘電率、反射率）が既知であれば、材質識別及び距離検出が可能である。
【００７０】
図１３に距離をパラメータとしたＺｏｆｆとＺｏｎの相関を示す。横軸は光なしの場合のインピーダンスＺｏｆｆ、縦軸は光ありの場合のインピーダンスＺｏｎの測定結果を示す。図１３より２種類のインピーダンスの測定値を用いることで、材質の識別と距離の検出が可能であることが明らかである。
【実施例２】
【００７１】
次に、前記第３の実施形態に係る対象物検出装置に関する実験を行った。図１４に今回試作したセンサの構造を示す。受光素子としてフォトダイオード（最大感度８６０ｎｍ、図中Ｐ）、発光素子としてＬＥＤ（ピーク波長９５０ｎｍ）を５ｍｍ離しアクリル基板（Ａ）に設置した。今後、アレイ化を目指しており、そのために電極（Ｅ）はアレイ化することを考慮した構造とし、電極の端を５ｍｍ離した。検出面の裏に外部の電気的影響を除去するため電極（Ｅ）と０．１ｍｍ離し、シールド（Ｓ）を設置した。図１５にセンサシステムを示す。試作したセンサをロボットアームの先端に取り付け、センサと対象の距離を制御した。電極及びフォトダイオードをＬＣＲメータ（周波数１００ｋＨｚ、印加電圧１Ｖ、バイアス２Ｖ）に接続し、測定を行った。
【００７２】
通常の使用方法であるフォトダイオードの電流変化の測定と、本発明に係る対象物検出装置のフォトダイオードの内部インピーダンスの測定における光に対する変化について検討する。図１６に、本実験の等価回路を示す。図１６（Ａ）に示すように通常の測定手法であるフォトダイオードに流れる電流変化を検出するため、フォトダイオードに抵抗（１ＭΩ）を直列に接続し、抵抗の電圧をデジタルマルチメータ（ＤＭＭ）で測定する。図１６（Ｂ）に示すように、本発明におけるフォトダイオードの内部インピーダンスをＬＣＲメータで測定する。ＬＥＤの電流は電圧源を用い０ｍＡから６０ｍＡまで変化させた。対象は、白のアクリルを用い、センサと対象までの距離は４ｍｍとした。図１７に、図１６（Ａ）における抵抗の電圧と図１６（Ｂ）におけるフォトダイオードの内部コンダクタンスの値を示す。図１７より、フォトダイオードに流れる電流及びコンダクタンスは、ＬＥＤによる照射光の増加に伴い増加する。
【００７３】
次にフォトダイオードの内部インピーダンスの実部成分（コンダクタンス）と虚部成分（静電容量）の関係について検討する。図１６（Ｂ）の測定システムを用い、測定対象物は白と黒のアクリル及び銀色のアルミニウムを用いた。センサと測定対象物までの距離は４ｍｍとした。図１８（Ａ）、（Ｂ）に各測定対象物における結果を示す。横軸にＬＥＤの電流、縦軸にコンダクタンスと静電容量値をそれぞれ示す。図１８（Ａ）、（Ｂ）より、測定されたコンダクタンスと静電容量値は、光の反射の低い黒のアクリルが最も小さく、次に白のアクリルさらに銀色のアルミニウムと増加し、光の反射の違いがコンダクタンス及び静電容量に反映されていることがわかる。図１８（Ｃ）に、コンダクタンスと静電容量の関係を示す。横軸にコンダクタンス、縦軸に静電容量を示す。本試作センサにおけるフォトダイオードのコンダクタンスと静電容量の関係をこの結果を用いて最小二乗法により近似式により式（３）を求める。
【００７４】
【数７】
【００７５】
ここで、ｋ（ｉ＝１−４）は、ｋ１＝１．５９６３２×１０−１２、ｋ２＝１．５３０４６×１０−６、ｋ３＝−１．２１５３４、ｋ４＝４．５７０９０×１０６である。式（７）を用いることにより、ＧＰよりＣＰを求めることができる。
【００７６】
試作したセンサを用い、フォトダイオード及び電極間のインピーダンスを測定することにより、対象の電気特性及び光特性の検出をＬＣＲメータに接続することで行った。光の状態は、ＬＥＤから光照射なし（０ｍＡ）と光照射あり（４０ｍＡ）の２種類とした。表２に今回用いた６種類の測定試料を示す。表２に示すように、絶縁体として比誘電率２の白のフッ素樹脂、比誘電率３の白、黒、透明のアクリル、比誘電率６の透明のガラス、導体として銀色のアルミニウムを用いた。
【００７７】
【表２】
【００７８】
図１９に各測定対象物における測定結果を示す。横軸にセンサから測定対象物までの距離、縦軸に式（４）より求めた電極間の静電容量値（ＣＥ）及び式（５）より求めたコンダクタンスの変化（ＧＰＬ）をそれぞれ示す。図１９(Ａ)よりＣＥは、静電容量の違いによる材質識別ができた。また、電極と測定対象物との距離が離れていくに従い、静電容量が減少する。この結果より、距離又は材質（誘電率）が既知であれば、誘電率の異なる材質の識別及び距離の測定が可能であることがわかる．
【００７９】
図１９（Ｂ）よりＧＰＬは、測定対象物からの光の反射の違いを反映しており、光の反射の違いを測定できることがわかる。また、フォトダイオードと測定対象物との距離によりＧＰＬが変化する。この結果より、距離又は材質(反射)が既知であれば、光の反射の異なる材質の識別及び距離の測定が可能である。この結果より、測定値は電気特性、光特性を測定できていると言える。
【００８０】
さらに、光センサを用いる場合、環境光が測定に影響を与える。そこで、本発明における環境光の影響を検討する。実験として、白のアクリルを用いてセンサと測定対象物との距離を４ｍｍとし、実験条件（Ａ）−（Ｃ）で環境光を変化させた。
（Ａ）環境光がない場合
（Ｂ）センサに蛍光灯（１５Ｗ、６０Ｈｚ）を横から照射した場合
（Ｃ）センサに白熱電灯（１００Ｗ）を横から照射した場合
実験は、ＬＥＤから光を照射しない場合（０ｍＡ）の静電容量値（Ｃｏｆｆ）及び式（４）より求めたＣＥを電気特性、ＬＥＤから光を照射した場合（４０ｍＡ）のコンダクタンス（Ｃｏｎ）及び式（５）より求めたＧＰＬを光特性とした。
【００８１】
図２０に実験結果を示す。図２１に実験条件（Ａ）のそれぞれの平均値(ＣＡａｖ，ＧＡａｖ)との差を示す。図２０及び図２１よりＣｏｆｆ及びＣｏｎは環境光の影響を受けることがわかる。また、蛍光灯の光は主に可視光であるため、測定への影響が小さく、白熱電灯の光は赤外線を多く含んでいるため、測定への影響が大きい。ここで、式（４）より求めたＣＥ及び式（５）より求めたＧＰＬを用いることにより、環境光の影響を除去し、測定対象物の電気特性及び光特性を環境光の影響をほぼ受けずに取得できることがわかる。
【００８２】
測定対象物の光特性、電気測定を同時に測定することより、測定対象物までの距離検出を含む材質識別ができる。図２２に距離をパラメータとしたＣＥ（電気特性）とＧＰＬ（光特性）の相関を示す。例えば、測定対象物までの距離情報を含む電気特性の測定結果（ＣＥ＊）だけでは、図２２の×の６種類の測定対象物の可能性があり、距離検出を含めた材質識別は困難である。また、測定対象物までの距離情報を含む光特性の測定結果（ＧＰＬ＊）だけでは、図２２の○の２種類の測定対象物の可能性があり、距離検出を含めた材質識別は困難である。しかしながら、ＣＥ＊及びＧＰＬ＊の測定値を用いることで、距離３ｍｍの白のアクリルと推定できる。この結果、測定対象物の誘電率及び光の反射の相関的関係から今回対象として用いた６種類の材質識別が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 対象物検出装置
２ａ，２ｂ 電極
３ａ ＬＥＤ
３ｂ フォトダイオード
４ 基材
５ 弾性体
６ 反射体
２０ 測定対象物
４１ センサ部
４２ インピーダンス測定部
４３ 対象物判別部
４４ 出力制御部
４５ 対象情報記憶部
４６ 出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段が照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、
前記光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、
前記光検出手段及び前記電極に接続する交流電源と、
並列に接続される前記光検出手段及び前記電極のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、
前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備える対象物検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の対象物検出装置において、
前記光検出手段が、前記測定対象物に当たって反射した光を受光し、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの相関を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの測定結果と、前記対象情報記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の対象物検出装置において、
少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物がなく、且つ前記光照射手段が光を照射しない場合に、前記インピーダンス測定手段が測定した測定結果を記憶していることを特徴とする対象物検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記光検出手段が、フォトダイオード又はフォトトランジスタであることを特徴とする対象物検出装置。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を制御する距離制御手段を備え、
前記インピーダンス測定手段が、前記距離制御手段にて前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を変化させて、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、
前記インピーダンス測定手段が、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項７】
請求項１に記載の対象物検出装置において、
少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、
前記弾性体の測定側の表面に、前記光照射手段が照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、
前記対象情報記憶手段が、前記反射体に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項１】
測定対象物の方向に対して光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段が照射した光の反射光を受光して電気的な信号に変換する光検出手段と、
前記光検出手段に並列に接続し、所定の間隔で離隔配設される１対の電極と、
前記光検出手段及び前記電極に接続する交流電源と、
並列に接続される前記光検出手段及び前記電極のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記測定対象物の電気特性及び光特性に関する情報を予め記憶する対象情報記憶手段と、
前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別する対象物判別手段とを備える対象物検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の対象物検出装置において、
前記光検出手段が、前記測定対象物に当たって反射した光を受光し、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの相関を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記測定対象物に複数の状態で光が照射された場合のインピーダンスの測定結果と、前記対象情報記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の対象物検出装置において、
少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体を備え、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記対象情報記憶手段が、前記測定対象物がなく、且つ前記光照射手段が光を照射しない場合に、前記インピーダンス測定手段が測定した測定結果を記憶していることを特徴とする対象物検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記光検出手段が、フォトダイオード又はフォトトランジスタであることを特徴とする対象物検出装置。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかに記載の対象物検出装置において、
前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を制御する距離制御手段を備え、
前記インピーダンス測定手段が、前記距離制御手段にて前記測定対象物と前記対象物検出装置との間の距離を変化させて、少なくとも２つの距離におけるインピーダンスを測定し、
前記インピーダンス測定手段が、測定した２つ以上のインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の材質及び／又は接近距離を判別することを特徴とする対象物検出装置。
【請求項７】
請求項１に記載の対象物検出装置において、
少なくとも前記測定対象物が接触する位置に、前記光照射手段が照射する光の一部又は全部を透過し、外部からの圧力に対して弾性を有する弾性体と、
前記弾性体の測定側の表面に、前記光照射手段が照射する光の少なくとも一部を反射する反射体とを備え、
前記対象情報記憶手段が、前記反射体に光が照射された場合のインピーダンスの測定結果を、前記測定対象物と前記対象物検出装置との距離に応じて記憶し、
前記対象物判別手段が、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの値と、前記対象情報記憶手段に記憶されている前記測定対象物に関する情報とから、前記測定対象物の圧力を特定することを特徴とする対象物検出装置。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１】
【図３】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図１】
【図３】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−２９３１３（Ｐ２０１３−２９３１３Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３３９３（Ｐ２０１１−１６３３９３）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年５月２６日 一般社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス 講演会２０１１ 講演論文集」に発表
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年５月２６日 一般社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス 講演会２０１１ 講演論文集」に発表
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【Ｆターム（参考）】
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