JP2005538349A - 容量センサー式近接検出器 - Google Patents

Abstract

１つの測定電極を夫々有する複数の容量式近接センサーを備えた少なくとも１つの検出アンテナ（このアンテナは物体又は身体の近傍に配置してある）と、電極を励起すると共に容量センサーから出力された距離測定信号を処理するための電子手段と、前記電子手段を制御すると共に斯く処理された測定信号に基づいて電極と前記物体又は身体との間の距離を計算するためのディジタル手段、とを備えた容量センサー式近接検出器。検出アンテナは更に全ての測定電極のための単一のシールドを有し、前記電子手段は、各検出アンテナ毎に、検査手段と協働して各電極と測定すべき物体又は身体との間の各容量を順次に測定するための浮動容量式又は浮動励起式ブリッジを有する。

Description

本発明は、容量センサー式近接検出器に関する。

多くの産業上の用途において、近接距離の情報および警報信号を出力すると共にそれに基づいて行動するために機械と障害物（他の物体であれ個人であれ）との間の近接性を検出し測定する必要がある。

この種の検出器の産業上の用途の非限定的な例として、移動式又は定置式のロボットと障害物との衝突防止機能の管理、防犯機能の管理、およびより一般的には近接性の検出を用いたあらゆる管理を挙げることができる。

医療の領域においては、患者の聴診に使用される多数のロボットは機械の可動部材に対する患者の位置を知ることを必要とする。

例として、放射線科やイメージングや更には医療用又は外科処理の用途においては、聴診用部材を迅速かつ正しく位置決めするため、自動制御式の機械・装置のオペレータに患者の位置に関する出来るだけ正確な情報を供給できることが必須である。

Ｘ線による放射線装置では、患者およびその直近のハードウェア環境に対する放射線科機器の位置をリアルタイムでミリメートル単位で知ることは、機械の移動速度を向上させ、安全性を改善し、Ｘ線に対する被爆時間を減少させることを可能にするであろう。

患者との衝突防止を保障しながら血管位置決め装置の運動速度を増加させることは今日の要請の一である。しかしながら、患者の容貌と機械の基準点に関するその位置が分かっていないので、機械の可動部が患者を誤って切傷しないようにこれらのロボットの変位速度は小さくしてある。一般に、機械的遮断機からなる緊急停止はＸ線検出器又はエミッタが患者又は機器の他の部分に接触した時にあらゆる運動を停止させるが、運動中の物体の運動エネルギがありかつコネクタの行程が小さいので移動速度を小さくしなければならない。従って、非接触の装置が患者に接触するに至る前に動きを減速するに充分に遠く（高い閾値）の患者を検出した場合にしか、ロボットの速度の増加は可能ではない。最小限の距離（低い閾値）は衝突防止緊急停止機能を実現するのを可能にする。

従って、今日、正確な距離情報を供給することの可能で医療用イメージングのような特殊な環境で使用可能な非接触近接検出器に対する真の要請が存在する。

文献US 5,952,835は非接触近接検出器を開示している。使用する電子装置は、シールドされていない測定電極に接続されたFETトランジスタを有する発振器を用いて作動するオン／オフ検出器である。

文献US 5,442,347は、基準抵抗を用いて発生させたRC定数を利用した、位相差測定モードで作動する、制御されたダブルシールド式の容量型の近接検出器を開示している。シールドはバッファメモリを用いてセンサー信号を複製することにより生成される。ところが、バッファは測定すべき容量に対して寄生的な容量を付加するので、このコンセプトには大きな原理上の問題がある。この寄生的容量は測定すべき容量よりもかなり大きいので、これは測定誤差と大きな不安定を生じる。

文献US 5,554,973は、切換え容量式作動原理により作動する、シールドなしの、容量型の静電検出器を開示している。

文献US 6,348,862は、１つの検出電極と、検出すべき物体が位置する空間的領域の近傍に配置された複数の制御電極、とを備えた近接検出器を開示している。

本発明の主たる目的は、従来技術の近接検出器により可能であった測定範囲よりも大きな測定範囲（典型的にはデシメートル単位）で、物体の位置の精密な測定（典型的にはミリメートル単位）を行うことの可能な、特に放射線機械の移動速度を増加させることを可能にするという効果を有すると共に、Ｘ線照射の出力を最適化しもって画像形成に必要な放射線レベルを最小限にするために患者の厚さを評価する目的をもつ患者の断層写真を提供するという効果を有する、容量センサー式近接検出器を提供することにある。

上記目的は、
−１つの測定電極を夫々有する複数の容量式近接センサーを備え、物体又は身体の近傍に配置された、少なくとも１つの検出アンテナと、
−前記電極を励起すると共に前記容量センサーから出力された信号を処理するための電子手段と、
−前記電子手段を制御すると共に、斯く処理された測定信号に基づいて前記電極と前記物体又は身体との間の距離を計算するためのディジタル手段、
とを備えた容量式近接検出器によって達成される。

本発明によれば、前記電子手段は、夫々の検出アンテナ毎に、検査手段と協働して前記アンテナの各電極と測定すべき物体又は身体との間の各容量を順次に測定するための浮動容量式又は浮動励起式ブリッジを有する。

こうして各ピクセルを１つの電極で構成してなるピクセル式カメラの均等物を形成することができる。このカメラを患者の身体に沿って移動させれば、この患者の外形図を形成することが可能になり、患者の厚さの測定値を得ることができる。

浮動容量式ブリッジは、好ましくは、文献FR2756048に開示されているタイプのものであり得る。また、文献FR2640373に記載されているタイプの分極用電源と３軸変圧器を用いた容量式測定チェーンも使用することができる。

あらゆる有用領域をカバーするべく複数の軸線に沿って配向された複数の測定電極からなる本発明の近接検出器は、複数の検出アンテナとして形成することができる。

本発明の近接検出器の好ましい実施態様においては、検出アンテナは更にアンテナの全ての測定電極のための単一のシールドを有する。

しかしながら、検出アンテナが更にアンテナの全ての測定電極の一部のために夫々設けた複数のシールドを有するような構成にすることもできる。

検出アンテナは電子手段に接続された剛性の又はフレキシブルな回路を用いて形成することができる。

電子手段と制御および計算をするためのディジタル手段は、予め設定された変更可能な順序に従って、アンテナの各電極毎に距離を順次に測定するべく協働することができる。

検出アンテナは、好ましくは、電極の背後又は近傍（シールドの平らな側）に配置されたテスト配線を有し、このテスト配線は通常の作動時にはシールド電位にあり、テスト時には接地される。

これらの条件下では、各電極は、近接検出器の一体性をチェックするために、物体の存在をシミュレートする寄生的容量を見る。

電子手段と制御および計算をするためのディジタル手段は、不可干渉測定又は制御および計算をするためのディジタル手段の不作動を示す警報信号を出力するべく協働する。

また、電子手段の較正を制御し又は自動的な再較正を行うことを可能にする一若しくは複数の基準容量を電子手段が有するようにすることができる。

本発明の近接検出器の特定の構成においては、測定電極の近傍に、これらの電極の電場線を修正するために複数のシールド表面又は接地表面を配置することができる。このようにすればこれらの測定電極と等価的な特定の表面形状を形成することができる。

特定の実施態様においては、本発明の近接検出器は例えばＸ線イメージング検出器やＸ線エミッタを収容するキャップ又はケーシングの内側面又は外側面に配置される。

電子手段と制御および計算をするためのディジタル手段は、近接性検出の閾値信号を出力するべく協働する。測定された電極と被検出物体との間の距離はディジタル又はアナログの形で出力される。

６自由度の変位を保障するため、アンテナは例えばケーシング又はキャップの５つの面に配置する。

近接検出器が物体又は身体を照射するべくＸ線ビームを発射する装置を備えたＸ線による放射線装置内で使用される場合には、 Ｘ線ビームは少なくとも部分的にＸ線アンテナと言われるアンテナを通過する。

簡素な構成においては、 Ｘ線アンテナは例えばＸ線ビームの通過を許容する穿孔を有する。この場合には、この領域は電極を備えていないので測定能力がない。

この不便を克服するため、Ｘ線アンテナが、 Ｘ線ビームの領域において、Ｘ線に対して少なくとも部分的に透明な材料で形成されるようにすることができる。この形成は銅の層の連結層を構成するクロームの非常に薄い層の２面にメタライズした絶縁体からなるフレキシブル印刷回路により可能であり、この銅の層は化学エッチングによりＸ線ビームの通過に対応する領域で廃止してあり、リンク配線とテスト配線の容量電極とシールドが形成されたクロームの薄層しか絶縁体上に残らないようになっている（図５）。

この最後の構成は、検出器の有効性を向上させるべく電極検出器を完全に覆うのを可能にする。

本発明の近接検出器は、本発明においては電子回路はシールドと共に振幅を測定するように作動する点、および、発振器は測定すべき容量とは独立に一定の特性を有する点で、特に文献US 5,952,835に開示された検出器とは異なる。更に、本発明の近接検出器は振幅を測定するべく作動するのであり、位相差を測定するべく作動するのではない。

この近接検出装置は、今日の放射線装置の移動速度を向上させ、安全性を検出し（衝突防止）、患者の概略的三次元画像を形成し、患者の厚さを評価するのを可能にするもので、最小限の放射線で画像を形成するべくＸ線出力を最適化すると共に画像の品質を向上させる。

本発明の容量式近接検出器は、容量式の多重電極を備え検出器内に収容された複数のアンテナを用いて、医療の用途のための血管位置決め装置のアプローチを制御するのを可能にする。この装置は検出器のキャップの表面を患者やテーブルのような周りの物体から距てる複数の絶対距離（電極毎の距離）の測定をリアルタイムで行う。

本発明の近接検出装置は、また、運動中の機械やロボット、特に工作機械、産業用ロボット、輸送車両、等に使用することができ、作動速度を向上させると共に安全性を改善するという効果がある。

本発明の他の利点や特徴は非限定的な実施例の説明および添付図面から明らかとなろう。

次に、図１を参照しながら、Ｘ線放射装置における血管位置決め装置のための本発明の近接検出器の実施例を説明する。

第１の近接検出器（1A）が放射線装置（10）に設けたＸ線検出装置（5）の内側に配置してあり、この近接検出器はＸ線検出器のキャップの５つの内壁又は外壁を被覆する複数のアンテナを備えており、夫々のアンテナは複数の電極Ei、jを有する。第２の近接検出器（1B）はＸ線エミッタ装置（2）の内側表面に配置してある。Ｘ線エミッタ装置（2）とＸ線検出装置（5）は患者（3）が横たわる検査テーブル（4）を中心として回転可能なＣ字形の可動部材の両端に取付けてある。

図２を参照するに、本発明の近接検出器１はキャップ２２の一面と側面２１、２２の内側面に配置されたアンテナ２０を備えている。アンテナ２０はマトリックス状に配置された複数の電極からなり、一面に一体的に配置された電極Ei、jと、２つの面の稜に配置された電極E’i、jと、全体として側面に配置された電極を有する。

留意すべきことに、アンテナ２０は検出器のキャップの外側面にも配置することができる。

次に図３を参照しながらフレキシブル回路の形のアンテナ３０の実施例を説明する。このアンテナ３０は、キャップの主面の内側表面を電極３１で被覆していると共にキャップの側面の内側表面を電極３２、３３、３４で被覆している。これらの電極はすべて導電性配線（図示せず）を介して電子カードに接続されている。

本発明の近接検出器に設けたアンテナは図５に模式的に示したように多層技法により形成することができる。いわゆるＸ線アンテナを形成するには、クロームCrの薄層と銅Cuの厚層の２面にメタライズした絶縁部Ｉからなるフレキシブル印刷回路５０を用いることができ、これら２つの層はＸ線の通過に対応する領域ZX（この領域では接続用配線、容量電極Ecr、テスト配線Ｐ、およびシールドは２つのクローム層で形成してある）では廃止してある。

銅＋クロームからなるシールドの導電性層G、銅＋クロームからなる電極Ecu+cr、およびクロームからなる電極Ecrは、銅で被覆されたクロームの薄層をポリアミドの支持体上に備えた“無接着剤”タイプの多層フレキシブル回路を用いた製造方法により形成してある。

図４を参照するに、本発明の近接検出器に設けた電子カードは、３つの検出アンテナの電極への６４のリンク、各アンテナ毎にテスト電極へ接続されたテスト入力、再初期化用のリセット入力、および直流電圧供給用入力を有する。

この電子カードは１つの“Watchdog”警報信号と、５つの警報閾値（物体又は患者が近すぎる）検出信号と、１つのＸ線エミッタの検出信号と、キャップの５つの面に対応する５つのアナログ出力信号と、 Ｘ線エミッタ検出用の１つのアナログ出力信号と、１つのテスト電極励起信号と、装置の中央処理ユニットと通信するための１つのセリアルディジタル信号を受け取る。

“Watchdog”警報信号は不可干渉測定、電極不存在、又はソフトウェア欠陥の場合には低レベルにある。アナログ出力は検出器の面、検出器の側面、又はエミッタの最小距離の画像である。リセット信号はマイクロコントローラの再初期化信号である。ディジタルリンクは測定された６４の距離と近接検出器の良好な作動状態を供給する。センサーはインターフェースカードなしで直接に装置の中央処理ユニットSIへ接続されている。

図６に示したように、本発明の近接検出器のアンテナＡは可撓性接続ケーブルCLを介して電子カード６０に接続されており、後者は入力の検査を可能にするアナログ・マルチプレクサと、1996年11月15日のフランス特許9613992に対応する文献FR2756048に開示された技術を用いたマルチチャンネル浮動容量ブリッジと、アナログ／ディジタル変換モジュールと、距離を計算し、良好な作動と情報処理システムSIとの通信を制御し、Ｘ線放射装置を制御するためのディジタルモジュールを有する。

次に前記図面を参照しながら本発明の近接検出器の作動を説明する。近接検出器はソフトウェアで簡単に変更可能な順序に従って各電極の距離を順次に測定する。

近接検出器は通常の作動時にはシールド電位にあるテスト電極を有し、このテスト電極は接地されている時にはセンサーの良好な作動とコネクタ＋アンテナの全体の良好な状態をテストするのを可能にする。

それはまた、テスト指令に応じて、各センサー毎に測定チェーンの良好な作動をテストする。

いづれかの電極で測定した距離が予め設定した低閾値に達した場合には、その電極を支持するアンテナに対応する論理出力は低（ロー）状態に変わり、距離が再び閾値を超えた時には出力は再び高（ハイ）状態に変わる。ｎ回の測定の１つが不可干渉（テスト失敗）であるか、マイクロコントローラがロックされているか作動しない場合には、“watchdog”警報出力は低状態に変わる。

最初は、ディジタル出力は各電極毎に測定された距離の画像であるが、処理は次いでより複雑になり、従って、マイクロコントローラ（又はDSP）内に計算出力の保存を行うのが好ましい。

次に本発明の近接検出器の製造の実用例を説明する。

この実用例では、電気モジュールは長さ160ｍｍ、幅160ｍｍのカードに配置され、１つのアナログ出力用コネクタ（ツィストされ、シールドされている）と、１つの論理入力／出力用コネクタと、１つの電流供給用コネクタと、複数の電気信号用コネクタを有する。

検出器の稜に位置するアンテナの表面の半分は側面上にあり、他の半分は大きな面の上にあるであろう。４つのアンテナ（即ち、検出器の３つのアンテナとＸ線エミッタの１つのアンテナ）には３３の電極が分配してある。検出器の側面のアンテナには１３の電極があり、Ｘ線アンテナには１６あり、Ｘ線エミッタには２つある。

センサーの到達範囲はミリメートル単位の解像度で100ｍｍ以上であり、これは患者の方への検出器の速度制御を最適化するのを可能にする（最小の衝撃リスクで最大の速度）。

電子回路をＸ線エミッタの側面のアンテナに接続するケーブルは運動にさらされるので、事実上50ｍｍの動的曲率半径を許容しなければならない。

ケーブルを除去することなくＸ線エミッタ側面のアンテナ又は電極を交換するのを可能にするため、ケーブルは例えばアンテナ側コネクタ又は電気回路側コネクタを備えている。また、電極の電場線を修正してこれらの電極の等価的表面と測定範囲と到達範囲を修正するため、検出器の側面にシールドバンドを設けることができる。

これは安全装置であるから、検出距離は非常に小さなものでなければならず、誤りがある場合には装置に警告がなされることができなければならない。実際の条件では、装置の周囲は非常に混雑している。検出すべき物体は種々の異なる性質のものである：人体（患者がテーブルのマットレスの上に寝ているか、医者がテーブルの横に立っている）、接地され又はされていない金属部品、僅かに導電性の非金属部品。検出は如何なる方向にも行われなければならない。検出は検出器のすべての活性表面と縁について行われ、これはケーシングの表面の５つに対応する。

Ｘ線アンテナはＸ線に対してほぼ透明でなければならず、これは電極とシールドを形成するために厚さの薄い金属を使用することを意味する。医者は一般に軽量プラスチック製のプロテクタ（シャローット）を検出器に装着する。完全な近接性が検出されなければならない時間は６４電極のアンテナ毎に５０ｍｓである。検出すべき物体のサイズは可変である：患者の腹部からて、指、又は鼻まで。

勿論、本発明は前記の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更を加えることができる。より一般的には、本発明の近接検出器は多電極アンテナを用いて複雑な形状や存在を検出する場合のようにあらゆる産業上の用途に使用することができる。従って、可動ロボット又は輸送車両に本発明の近接検出器を設けて、これらの機器の周りの安全性を向上させることができる。本発明の近接検出器はまた防犯装置や衝突防止装置に使用することができる。

図１は本発明の近接検出器が２つ組み込まれた放射線透過写真装置の模式図である。 図２は本発明の近接検出器内のアンテナの配置を示す。 図３は本発明の近接検出器のアンテナの構造の一例を示す。 図４は本発明の近接検出器を備えた電子カードの入力と出力を模式的に示す。 図５は本発明の近接検出器内にアンテナを形成するために用いるフレキシブル回路の構造を示す。 図６は本発明の近接検出器を備えた測定チェーンの構造を示す。

Claims (27)

1. 容量センサー式近接検出器であって、
   −１つの測定電極を夫々有する複数の容量式近接センサーを備え、物体又は身体の近傍に配置された、少なくとも１つの検出アンテナと、
   −前記電極を励起すると共に前記容量センサーから出力された信号を処理するための電子手段と、
   −前記電子手段を制御すると共に、斯く処理された測定信号に基づいて前記電極と前記物体又は身体との間の距離を計算するためのディジタル手段、
   とを備え、
   その特徴は、前記電子手段は、夫々の検出アンテナ毎に、検査手段と協働して前記アンテナの各電極と測定すべき物体又は身体との間の各容量を順次に測定するための浮動容量式又は浮動励起式ブリッジを有することからなる容量センサー式近接検出器。
2. 検出アンテナは更にアンテナの全ての測定電極のための単一のシールドを有することを特徴とする請求項１に基づく近接検出器。
3. 検出アンテナは更にアンテナの全ての測定電極の一部のために夫々設けた複数のシールドを有することを特徴とする請求項１に基づく近接検出器。
4. 前記電子手段と制御および計算をするための前記ディジタル手段は、予め設定された変更可能な順序に従って、アンテナの各電極毎に距離を順次に測定するべく協働することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
5. 検出アンテナの少なくとも１つは、通常の作動時にはシールド電位にあり、かつ、テスト時には接地されるテスト配線を有することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
6. テスト配線は電極の背後又は近傍に配置されていることを特徴とする請求項５に基づく近接検出器。
7. 前記電子手段と制御および計算をするための前記ディジタル手段は、不可干渉測定又は制御および計算をするためのディジタル手段の不作動を示す警報信号を出力するべく協働することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
8. 前記電子手段は前記電子手段の較正を制御するための、又は、前記電子手段の再較正を行うための、一若しくは複数の基準容量を更に有することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
9. １つのアンテナは、測定電極の近傍に、測定電極の電場線を修正するべく配置された一若しくは複数のシールド表面又は接地表面を更に有することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
10. 近接検出器はキャップ又はケーシングの内側面又は外側面に配置してあり、検出アンテナを備えた複数の測定領域を有することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
11. 前記電子手段と制御および計算をするための前記ディジタル手段は、近接性検出の閾値信号を出力するべく協働することを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
12. 前記電子手段と制御および計算をするための前記ディジタル手段は、ケーシングの領域と検出された物体との間の最小距離の画像のアナログ出力信号を供給するべく協働することを特徴とする請求項１０又は１１のいづれかに基づく近接検出器。
13. アンテナはケーシング又はキャップの５面に配置されていることを特徴とする請求項１０から１２のいづれかに基づく近接検出器。
14. 前記キャップの１面に一部配置され隣接する他の面に一部配置された稜線のアンテナと、側方アンテナとを備えていることを特徴とする請求項１０から１３のいづれかに基づく近接検出器。
15. アンテナの少なくとも１つはフレキシブル回路を用いて形成されていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
16. アンテナの少なくとも１つは可撓性のリンク手段によって電子手段に接続されていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく近接検出器。
17. 前記請求項のいづれかに基づく近接検出器であって、物体又は身体を照射するべくＸ線ビームを発射する装置と、前記物体又は身体から来るＸ線ビームを検出する装置とを備えた、Ｘ線による放射線装置内に使用され、このＸ線検出装置はキャップで覆われており、その特徴は、検出器は前記キャップの内側面又は外側面に配置してあり、検出器はＸ線ビームが通過する、Ｘ線アンテナと言われる、少なくとも１つのアンテナを有することからなる近接検出器。
18. Ｘ線アンテナはＸ線ビームを通過させるための穿孔を有することを特徴とする請求項１７に基づく近接検出器。
19. Ｘ線アンテナはクロームの薄層と銅の厚層の２面にメタライズした絶縁体からなるフレキシブル印刷回路によって形成されており、前記銅の層はＸ線ビームの通過に対応する領域について廃止してあり、前記領域においてはリンク配線および容量電極はクローム層で形成してあることを特徴とする請求項１７に基づく近接検出器。
20. 前記請求項のいづれかに基づく近接検出器であって、物体又は身体を照射するべくＸ線ビームを発射する装置を備えたＸ線による放射線装置内に使用され、近接検出器は前記エミッタの内側又は外側表面に配置されていることを特徴とする近接検出器。
21. 前記請求項のいづれかに基づく近接検出器を血管位置決め装置の制御に応用すること。
22. 請求項１から２０のいづれかに基づく近接検出器を、放射線装置において、物体又は身体に照射されるＸ線量を物体又は身体の厚さの計算に基づいて制御することに応用すること。
23. 物体又は身体の厚さの計算は距離の測定に基づいて行われることを特徴とする請求項２２に基づく応用。
24. 請求項１から２０のいづれかに基づく近接検出器を、運動中の機械、特に工作機械、の速度及び／又は位置の制御に応用すること。
25. 請求項１から２０のいづれかに基づく近接検出器を、複雑な形状又は存在の検出に応用すること。
26. 請求項１から２０のいづれかに基づく一若しくは複数の近接検出器を機械装置又は可動車両に装備することを特徴とする請求項２５に基づく応用。
27. 防犯検出器への請求項２５に基づく応用。

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