CN104816318A - 检测装置、电子设备以及机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测装置、电子设备以及机械手，能够快速地检测出外压的有无，并且能够高精度地检测出外压的方向和大小。该检测装置具有：检测部，其具有检测压力的有无的接触传感器(12)、和将压力的大小和方向进行分离的压力分量分离机构；以及控制部，其基于接触传感器(12)的检测结果，对压力分量分离机构的检测动作进行控制。

Description

检测装置、电子设备以及机械手
技术领域
本发明涉及检测装置、具有该检测装置的电子设备以及机械手。
背景技术
作为检测外力的检测装置，公知有一种专利文献1、以及专利文献2所记载的检测装置。正在研究将这样的检测装置应用到触控面板、机械手的触觉传感器等。
专利文献1的检测装置形成如下构成：使用在背面大致均匀地配置有锥状突起的受压板(sheet)，根据该突起的变形量来检测压力分布。专利文献2的检测装置在表面具有能够位移的触头，还具有通过检测点检测出触头的位移并将检测结果输出的多个感压元件。
专利文献1：日本特开昭60-135834号公报
专利文献2：日本特开2008-164557号公报
但是，在上述专利文献1的检测装置中，由于根据由照相机拍摄到的图像来运算突起的变形量，所以运算量多，压力检测所需要的时间变长。并且，无法测量对受压板的测定面(背面)施加的压力的面内方向的力(滑动力)。
在上述专利文献2的检测装置中，虽然能够通过运算计算出对测定面(表面)施加的压力的面内方向的力(滑动力)，但在每一个触头的检测点多的情况下，会导致用于取得输出值所需要的时间变长。
如以上那样，在专利文献1以及专利文献2的检测装置中，均存在不能兼顾快速检测压力的有无的功能、和高精度地检测出外压的分布、方向以及大小的功能的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题的至少一部分而提出，能够作为以下的方式或者应用例实现。
(应用例1)本应用例所涉及的检测装置的特征在于，具有：检测部，其具备设置在第1基板上、检测压力的有无的第1传感器，以及分离所述压力的大小和方向的压力分量分离机构；和控制部，其基于所述第1传感器的检测结果对所述压力分量分离机构的检测动作进行控制。
根据该构成，由于由第1传感器检测压力的有无，由压力分量分离机构检测压力的大小等来分别进行检测，所以与由检测部的整体检测压力的有无的情况相比，能够快速检测出压力的有无。并且，通过在检测出压力的有无后，由控制部进行控制以使得仅执行压力分量分离机构的检测动作，与以往相比能够缩短检测压力的大小的时间。
(应用例2)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述压力分量分离机构由配置在所述第1基板上的基准点的周围、对压力的大小进行检测的多个第2传感器，和设置在与所述第1基板对置配置的第2基板、且前端部抵接在俯视下与所述基准点重叠的位置的弹性体突起构成。
根据该构成，如果在弹性体突起与多个第2传感器抵接的状态下对弹性体突起施加压力，则弹性体突起向滑动方向(与压力传感器的表面平行的方向)变形，能够通过由多个第2传感器检测该变形的偏量(相对于基准点的偏离)，来检测出外压的方向和大小。另外，由于设置有多个第2传感器，所以能够高精度地检测压力的分布和大小。
(应用例3)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选在由所述第1传感器检测出有压力的情况下，根据来自所述控制部的信号，所述多个第2传感器开始压力值的检测。
根据该构成，由于由第1传感器和第2传感器分开检测压力的有无和压力的大小以及方向，所以与以往相比，能够缩短检测压力的大小的时间。
(应用例4)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述第1传感器在俯视下被配置于至少两个所述压力分量分离机构之间。
根据该构成，由于具有至少两个压力分量分离机构，所以能够检测压力的方向和旋转扭矩。
(应用例5)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选俯视下在所述第1传感器的周围配置有至少两个所述压力分量分离机构。
根据该构成，由于具有至少两个压力分量分离机构，所以能够检测压力的方向和旋转扭矩。
(应用例6)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述多个第2传感器相对于所述基准点被点对称配置。
根据该构成，由于相对于基准点点对称(均匀)地配置有第2传感器，所以不需要基于第2传感器与弹性体突起的位置关系的修正，能够仅根据第2传感器的检测值的差量对压力的方向和大小进行检测。另外，通过配置有多个第2传感器，能够高精度地检测出旋转扭矩。
(应用例7)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述多个第2传感器俯视下在相互正交的2个方向被配置成矩阵状。
根据该构成，能够根据各第2传感器的压力值中任意组合的各第2传感器的压力值的差量，运算压力的方向和大小。
(应用例8)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述多个第2传感器在每个单位检测区域中被配置成至少4行4列。
根据该构成，由于第2传感器的数量增多，所以能够基于由多数的压力传感器检测出的压力值，将各压力传感器的检测结果累计后求出外压所作用的方向和大小。因此，可高精度地检测出外压的方向和大小。
(应用例9)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述第1传感器具有对置配置在所述第1基板上的第1电极和第2电极，所述第2传感器具有对置配置在所述第1基板上的第3电极和第4电极，至少在所述第3电极与所述第4电极之间配置有感压导电体。
根据该构成，由于至少在第3电极与第4电极之间夹持有感压导电体，所以被施加压力时，通过压缩感压导电体，能够将压力转换为电信号，可检测出压力的大小和方向。另外，当在第1传感器中第1电极与第2电极之间没有感压导电体时，即使是弱的压力，也能够使第1电极与第2电极接触，尽管第1传感器与第2传感器位于同一第1基板上，却能够获得比第2传感器高的灵敏度。
(应用例10)在上述应用例所涉及的检测装置中，优选所述第1传感器的所述第1电极的俯视面积比所述第2传感器的所述第3电极的俯视面积大。
根据该构成，由于第1传感器的面积大，所以当被施加压力时，能够使第1电极与第2电极经由感压导电体接触时的电阻值比第3电极与第4电极接触时的电阻值小。因此，可提高第1传感器的灵敏度。
(应用例11)本应用例所涉及的电子设备的特征在于，具有上述记载的检测装置。
根据该构成，由于具有上述的检测装置，所以能够提供一种可快速检测出外压的有无，而且能够高精度地检测外压的方向和大小的电子设备。
(应用例12)本应用例所涉及的机械手的特征在于，具有上述记载的检测装置。
根据该构成，由于具有上述的检测装置，所以能够提供一种可快速检测出外压的有无，而且能够高精度地检测外压的方向和大小的机械手。
附图说明
图1是表示第1实施方式的检测装置的电气构成的框图。
图2是表示检测装置的构成的分解立体图。
图3是沿着图2所示的检测装置的A-A′线的示意剖视图。
图4是表示检测装置中的控制部的构成的框图。
图5是表示检测装置的检测控制动作的流程图。
图6(a)～(c)是表示压力(压力分量分离机构)的变化的示意剖视图。
图7(a)～(c)是表示与图6(a)～(c)对应的、压力分量分离机构中的压力的变化与位置的关系的示意俯视图。
图8是表示传感区域的坐标系的图。
图9是基于压力传感器的垂直方向的压力分布。
图10是表示基于压力传感器的滑动方向的计算例的图。
图11是表示第2实施方式的检测装置的构成的框图。
图12是表示检测装置的简要结构的分解立体图。
图13是沿着图12所示的检测装置的B-B′线的示意剖视图。
图14(a)～(c)是表示压力分量分离机构的变化的示意剖视图。
图15(a)～(c)是表示与图14(a)～(c)对应的、压力分量分离机构的变化的示意俯视图。
图16是表示传感区域的坐标系的图。
图17是表示作为电子设备的一个例子的移动电话机的简要结构的示意图。
图18是表示作为电子设备的一个例子的便携式信息终端的简要结构的示意图。
图19是表示机械手(robot hand)的简要结构的示意图。
图20是表示变形例的检测装置的构成的分解立体图。
图21是表示变形例的检测装置的构造的示意剖视图。
符号说明：11…作为第1基板的传感器基板主体；12…作为第1传感器的接触传感器；12a…作为第1电极的第1接触电极；12b…作为第2电极的第2接触电极；13…作为第2传感器的压力传感器；13a…第1压力电极；13b…第2压力电极；20…突起板；20a…表面；21…作为第2基板的突起板主体；22…弹性体突起；22a…前端部；22b…位置；31…压力分量分离机构；32…感压导电体；50…区域；100、200、300…检测装置；110、111…检测部；112…接触传感器；112a…第1接触电极；112b…第2接触电极；113…压力传感器；113a…第1压力电极；113b…第2压力电极；120…控制部；121…接口部；122…控制单元；123…运算装置；124…存储器；131…压力分量分离机构；210…传感器基板；212…接触传感器；310…传感器基板；1000…移动电话机；1001…液晶面板；1002、2003…控制板；1003…操作按钮；2000…便携式信息终端；2001…液晶面板；2002…操作按钮；2003…控制板；3000…机械手；3001…把持部；3002…臂部；3003…主体部；3010…对象物。
具体实施方式
下面，按照附图对将本发明具体化的实施方式进行说明。其中，所使用的附图被适当地放大或者缩小表示，以使得说明的部分成为可识别的状态。另外，实施方式的检测装置是能够检测外压的方向和大小的压力传感器方式的触控板，例如在笔记本型个人计算机(笔记本电脑)等电子设备中作为代替鼠标的定点设备(pointing device)使用的触控板。
而且，在本实施方式中，第1基板的“表面”是指第1基板中的多个压力传感器形成面。第2基板的“表面”是指第2基板中的弹性体突起形成面的相反面，即受到外压的面。
在以下的说明中，设定图2中所示的XYZ正交坐标系，参照该XYZ正交坐标系对各部件进行说明。XYZ正交坐标系的X轴以及Y轴相对于传感器基板主体11被设定在平行的方向上。Z轴被设定在与X轴和Y轴分别正交的方向、即被设定在相对于作为第1基板的传感器基板主体11的法线方向上。
(第1实施方式)
＜检测装置的构成＞
图1是表示检测装置的电气构成的框图。下面，参照图1对检测装置的电气构成进行说明。
如图1所示，检测装置100具有检测部110、控制部120。检测部110具有：接触传感器12(参照图2)，其作为用于检测压力的有无的第1传感器；和压力传感器13(参照图2)，其作为用于检测压力的大小的第2传感器。另外，将由检测部110检测出的信息输入到控制部120。
控制部120通过接触传感器12进行检测外压的有无的动作，并根据该检测结果对压力传感器13的接下来的检测动作进行控制。
图2是表示检测装置的构成的分解立体图。图3是沿着图2所示的检测装置的A-A′线的示意剖视图。下面，参照图2以及图3对检测装置的构成进行说明。
在图2中，符号P表示基准点，符号S表示与一个弹性体突起22对应配置的压力传感器13所检测的单位检测区域。其中，“基准点”是在未作用滑动力的情况下，弹性体突起22的中心(重心)俯视下所位于的点。
如图2所示，检测装置100具有：作为第1基板的传感器基板10、和与传感器基板10对置配置的突起板20。具体而言，传感器基板10在传感器基板主体11上的基准点P的周围设置有多个压力传感器13。
突起板20设置有弹性体突起22，该弹性体突起22的重心位于作为第2基板的突起板主体21上的与基准点P重叠的位置。弹性体突起22以其前端部与传感器基板10(接触传感器12、压力传感器13)抵接的状态发生弹性变形。
更具体而言，传感器基板10构成为具有：例如由玻璃、石英以及塑料等材料构成的矩形板状的传感器基板主体11、在传感器基板主体11上被配置成矩阵状的多个压力传感器13、和被配置在两个单位检测区域S之间的接触传感器12。
多个压力传感器13相对于基准点P被配置成点对称。例如，多个压力传感器13在相互正交的2个方向(X方向以及Y方向)上被配置成矩阵状。由此，基准点P与各压力传感器13之间的距离相互相等。
由此，弹性体突起22的变形与由各压力传感器13检测出的压力值的关系相互相等。因此，容易运算各压力传感器13的压力值中由任意组合的各压力传感器13检测出的压力值的差量。其中，对于压力值的差量的运算方法将在后面进行说明。
突起板20如上述那样，构成为具有：矩形板状的突起板主体21、和设置于突起板主体21的多个弹性体突起22。
突起板主体21是直接受到外压的部分。突起板主体21例如可以由玻璃、石英以及塑料等材料构成，也可以由泡沫氨基甲酸乙酯树脂、硅树脂等树脂材料构成。在本实施方式中，使用树脂材料作为突起板主体21以及弹性体突起22的形成材料，并利用金属模具将突起板主体21以及弹性体突起22一体形成。
在突起板主体21上，多个弹性体突起22沿X方向以及Y方向被配置成矩阵状。弹性体突起22的前端部22a例如呈球面的锥状，并与传感器基板10抵接。
具体而言，弹性体突起22的重心被配置在单位检测区域S中的初始与基准点P重叠的位置。并且，其他弹性体突起22的重心被配置在与接触传感器12的中心重叠的位置。
虽然对与接触传感器12以及压力传感器13相接的弹性体突起22进行了说明，但在其他区域中，多个弹性体突起22也形成在突起板主体21上。这样，通过在未配置有接触传感器12、压力传感器13的区域中也配置弹性体突起22，能够在弹性体突起22发生弹性变形时的突起板主体21的面内，允许平行方向的变形量。
另外，通过在突起板主体21上将弹性体突起22沿X方向以及Y方向分离配置成矩阵状，能够抑制一方的弹性体突起22发生变形时，变形的影响涉及到另一方的弹性体突起22的情况。因此，与多个弹性体突起22被相互接触地配置的情况相比，能够将外压准确地传递到各压力传感器13。从而，能够高精度地对外压的方向和大小进行检测。另外，容易根据各压力传感器13的压力值中任意组合的各压力传感器13的压力值的差量，运算外压的方向和大小。
另外，弹性体突起22的尺寸可任意设定。这里，弹性体突起22的基部的直径为1.8mm左右。另一方面，弹性体突起22的高度(弹性体突起22的Z方向的距离)为2mm左右。并且，相邻的弹性体突起22的分开间隔为1mm左右。
其中，弹性体突起22的硬度计(Durometer)硬度(基于种类A、ISO7619标准的硬度计的硬度的测定值)例如为30～60左右。
多个压力传感器13在每个单位检测区域S被配置成纵2行、横2列共4个。4个压力传感器13的中心(单位检测区域S的中心)成为基准点P。例如，单位检测区域S的大小(俯视的尺寸)为纵2.8mm×横2.8mm左右。而且，4个压力传感器13的各面积大致相等。
另外，由单位检测区域S中的多个(4个)压力传感器13、和与压力传感器13对置配置的弹性体突起22构成了压力分量分离机构31。具体而言，如图3所示，压力传感器13构成为具有：相对于基准点P点对称地设置的多个作为第3电极的第1压力电极13a、设置在第1压力电极13a上的整面状的感压导电体32、和设置在感压导电体32上的作为第4电极的第2压力电极13b。
另外，如图3所示，接触传感器12构成为例如具有：俯视下比第1压力电极13a面积大的作为第1电极的第1接触电极12a、设置在第1接触电极12a上的整面状的感压导电体32、和设置在感压导电体32上的作为第2电极的第2接触电极12b。
其中，为了容易辨别两个传感器(12、13)，如图2所示那样，仅图示了第1接触电极12a以及第1压力电极13a，并称为接触传感器12以及压力传感器13。
优选接触传感器12(第1接触电极12a)的俯视面积比一个压力传感器13(第1压力电极13a)的面积大。通过接触传感器12的面积大，使得在对突起板20施加压力时，第1接触电极12a与第2接触电极12b经由感压导电体32接触时的电阻值，比第1压力电极13a与第2压力电极13b接触时的电阻值小。由此，接触传感器12的灵敏度变高。
作为感压导电体32，例如能够使用基于感压导电橡胶等的感压元件。压力传感器13将外压作用于接触面时对感压导电橡胶等施加的压力转换为电信号。
另外，相邻的压力传感器13的间隔为0.1mm左右。因此，不会因干扰、静电等的影响，使由相邻位置的压力传感器13检测出的压力值附有噪声。
作为压力传感器13，例如可以使用薄膜压力计等感压元件。该情况下，将外压作用于接触面时对薄膜施加的压力转换为电信号。
其中，由于该检测装置100至少配置了两个单位检测区域S，因此不仅能够求出压力值、压力的方向(滑动力)，还能够求出旋转扭矩。
图4是表示检测装置中的控制部的构成的框图。下面参照图4，对控制部的构成进行说明。
如图4所示，控制部120构成为具有：进行与检测部110(参照图1)的信号收发和运算结果的输出的接口部(I/O部)121、进行各压力传感器13的控制处理的控制单元122、进行各运算处理的运算装置123、存储数据的数据存储器124。
运算装置123基于弹性体突起22因外压而发生弹性变形，对由多个压力传感器13检测出的压力值中由任意组合的各压力传感器13检测出的各压力值的差量进行运算，并根据该差量，运算被施加外压的方向和大小。
而且，运算装置123执行对由检测部110检测出的压力的合力的方向和大小进行运算的第2运算处理、和对因外压而作用于检测部110的旋转扭矩的方向和大小进行运算的第3运算处理。关于这些运算方法，将在后面说明。
另外，在本实施方式中，虽然控制单元122与运算装置123中分别具有CPU，但也可以形成为利用一个CPU进行控制单元122中的装置的控制和运算装置123中的各种运算的构成。换言之，控制单元122也可以具备CPU，应对各种运算。
图5是表示检测装置的检测控制动作的流程图。下面，参照图5对检测装置的检测控制动作进行说明。
如图5所示，在步骤S11中，由接触传感器12进行压力的检测动作，来检测出压力值。
在步骤S12中，根据检测出的压力值判定是否有外压。在被判定为有外压的情况下，转移到步骤S13。在被判定为无外压的情况下，转移到步骤S11，接下来通过接触传感器12进行压力值的检测。
在步骤S13中，当判定为有外压时，根据该判定结果，决定对应的单位检测区域S的压力传感器13的接下来的检测动作。具体而言，例如分别检测对应的单位检测区域S的被配置在压力分量分离机构31中的多个压力传感器13的压力值。
在步骤S14中，运算外压的方向和大小。在运算结束后输出该结果的同时，返回到步骤S11，由接触传感器12检测压力值，进行检测外压的有无的检测动作。
图6以及图7是检测外压的大小和方向的方法的说明图。图6(a)～(c)是表示压力(压力分量分离机构)的变化的示意剖视图。图7(a)～(c)是表示与图6(a)～(c)对应的、压力分量分离机构中的压力的变化与位置的关系的示意俯视图。下面，参照图6以及图7，对检测外压的大小以及方向的方法进行说明。其中，在图7(a)～(c)中，符号G表示弹性体突起22的重心(压力中心)。
图6(a)以及图7(a)表示了对突起板20的表面20a施加外压前的状态(没有外压的作用时)。如图6(a)所示，在对突起板20的表面20a施加外压之前，弹性体突起22不发生变形。由此，传感器基板10与突起板20之间的距离保持为一定。
而且，弹性体突起22的重心G被配置在与基准点P重叠的位置。此时的各压力传感器13的压力值被存储在数据存储器124中。将存储在数据存储器124中的各压力传感器13的压力值作为基准，来求出外压所作用的方向、大小。
图7(a)表示了未被施加外压的状态下的、相对于多个压力传感器13以及基准点P的弹性体突起22的基部的相对位置22b、和传感器基板10与弹性体突起22相接的区域50。
图6(b)以及图7(b)表示了对突起板20的表面20a施加了垂直方向(没有滑动力的状态)的外压的状态。如图6(b)所示，弹性体突起22在经由突起板20被施加了垂直方向的外压时，以弹性体突起22的前端部22a与配置在传感器基板主体11的表面的多个压力传感器13抵接的状态，在Z方向发生压缩变形(挠曲)。
而且，传感器基板10与突起板20之间的距离与没有外压作用时相比变小。此时的压力传感器13的压力值与没有外压作用时相比变大。另外，各压力传感器13的该变化量成为大致相同的值。
图6(c)以及图7(c)表示了对突起板20的表面20a施加了倾斜方向(有滑动力的状态)的外压的状态。如图6(c)所示，弹性体突起22在对突起板20的表面20a施加了倾斜方向的外压时，以弹性体突起22的前端部22a与配置在传感器基板主体11的表面的压力传感器13抵接的状态倾斜地发生压缩变形。即，弹性体突起22向Z方向挠曲，传感器基板10与突起板20之间的距离与没有外压作用时相比变小。
另外，如图7(c)所示，弹性体突起22的重心G从基准点P向+X方向以及+Y方向偏离。该情况下，弹性体突起22与4个各压力传感器13重叠的面积分别不同。具体而言，对弹性体突起22与4个各压力传感器13重叠的面积而言，和与4个压力传感器13中被配置在-X方向以及-Y方向的压力传感器13重叠的面积相比，与配置在+X方向以及+Y方向的压力传感器13重叠的面积变大。
弹性体突起22基于斜方向的外压，其变形产生偏向。即，弹性体突起22的重心G从基准点P偏离，向滑动方向(X方向以及Y方向)移动。于是，通过各压力传感器13检测出不同值的压力值。然后，基于后述的差量的运算方法，可求出被施加的外压的方向。
在对突起板20的表面20a施加了倾斜方向的外压的情况下，弹性体突起22大幅变形。然后，以弹性体突起22与传感器基板10相接的状态，弹性体突起22的基部的相对位置22b偏离。图7(c)表示了相对于压力传感器13以及基准点P的弹性体突起22的基部的相对位置22b向外力的方向偏离的情况。
图8是表示传感检测区域的坐标系的图。图9是表示基于压力传感器的垂直方向的压力分布的图。图10是表示基于压力传感器的滑动方向的计算例的图。
如图8所示，多个压力传感器S1(13)～S4(13)在每个单位检测区域S中被配置成纵2行、横2列共4个。这里，若将各压力传感器S1～S4检测的压力值(检测值)分别设为PS1、PS2、PS3、PS4，则外力的X方向分量Fx(外力的面内方向分量中、作用于X方向的分力的比例)用下式(1)表示。
【数式1】
F x = ( P S 2 + P S 4 ) - ( P S 1 + P S 3 ) P S 1 + P S 2 + P S 3 + P S 4 . . . ( 1 )
另外，外力的Y方向分量Fy(外力的面内方向分量中、作用于Y方向的分力的比例)用下式(2)表示。
【数式2】
F y = ( P S 1 + P S 2 ) - ( P S 3 + P S 4 ) P S 1 + P S 2 + P S 3 + P S 4 . . . ( 2 )
另外，外力的Z方向分量Fz(外力的垂直方向分量，Z轴在图8的图中被省略)用下式(3)表示。
【数式3】
Fz＝PS1+PS2+PS3+PS4     ...(3)
在本实施方式中，基于弹性体突起22因外压而发生弹性变形，对由4个压力传感器S1～S4检测出的压力值的差量进行运算，并基于该差量对被施加外压的方向进行运算。
如式(1)所示那样，在外压的X方向分量Fx中，被4个压力传感器S1～S4检测出的压力值中、由配置在+X方向的压力传感器S2以及压力传感器S4检测出的值进行组合，并且由配置在-X方向的压力传感器S1以及压力传感器S3检测出的值进行组合。这样，根据配置在+X方向的压力传感器S2以及压力传感器S4的组合而得到的压力值、与配置在-X方向的压力传感器S1以及压力传感器S3的组合而得到的压力值的差量，求出外压的X方向分量。
如式(2)所示那样，在外压的Y方向分量Fy中，被4个压力传感器S1～S4检测出的压力值中、由配置在+Y方向的压力传感器S1以及压力传感器S2检测出的值进行组合，并且由配置在-Y方向的压力传感器S3以及压力传感器S4检测出的值进行组合。这样，根据配置在+Y方向的压力传感器S1以及压力传感器S2的组合而得到的压力值、与配置在-Y方向的压力传感器S3以及压力传感器S4的组合而得到的压力值的差量，求出外压的Y方向分量。
如式(3)所示那样，在外压的Z方向分量Fz中，可通过将4个压力传感器S1～S4的压力值相加求和后的合力来求出。
施加于检测部110的外压的合计方向和大小可根据通过第1运算处理得到的施加在各单位检测区域S中的外压的总和求出。因此，对外压的合计方向和大小进行运算的第2运算处理成为下述运算：对通过第1运算处理得到的施加在各单位检测区域S中的外压的总和进行运算。
另外，施加在检测部110的旋转扭矩的方向和大小，可通过对施加在突起板20的表面的外压的分布的重心进行计算、并取得对以其坐标为中心呈点对称的任意单位检测区域S施加的外压的X方向分量或者Y方向分量的差量来得到。因此，对旋转扭矩的方向和大小进行运算的第3运算处理成为下述运算：对以外压的分布的重心的坐标为中心的呈点对称的任意单位检测区域S施加的外力的X方向分量或者Y方向分量的差量的运算。
接下来，如图9所示那样，考虑用手指倾斜按压比触控板的检测面的中央部靠左上的位置的情况。此时，外压的垂直方向的压力在外压所作用的部分的中心部最大(压力传感器S1～S4的输出电压为90～120mV左右)。并且，外压的垂直方向的压力按照中心部、其次为其周边部(压力传感器S1～S4的输出电压为60～90mV左右)、最外周部(压力传感器S1～S4的输出电压为30～60mV左右)的顺序变小。
另外，未被手指按压的区域中，压力传感器S1～S4的输出电压为0～30mV左右。其中，在触控板中单位检测区域(压力传感器S1～S4集合的区域)被配置成矩阵状(例如纵16行×横16列共256个)。而且，符号DG为检测出的外压的分布的重心。
由于未被手指按压的区域中压力传感器13的输出电压为0～30mV左右，所以将压力传感器13的输出电压30mV设定为外压的有无的判定基准。即，如果作为单位检测区域S的压力传感器S1～S4的总输出电压低于30mV，则判定为未被施加外压，如果压力传感器S1～S4的输出电压为30mV以上，则判定为被施加了外压。
在图9的情况下，判定为配置成纵16行×横16列的单位检测区域S中，在7处单位检测区域S施加有外压。对外压的垂直方向的压力值而言，外压所作用的范围的中心部最大(单位检测区域S的压力传感器的总输出电压为90～120mV左右)。而且，外压的垂直方向的压力值按照中心部、其次为其周边部(60～90mV左右)、最外周部(30～60mV左右)的顺序变小。
如图10所示那样，考虑用手指倾斜按压比检测部110的检测面的中央部靠左上的位置时的外压的面内方向分量(滑动方向)的计算方法。在图9的情况下，手指的按压力(外力)被判定为在配置成纵16行×横16列的单位检测区域S中的7处单位检测区域S施加有外压。因此通过仅提取该7处单位检测区域S来进行基于第1运算处理的外压的面内方向分量(滑动方向)的运算，可使运算处理高速化。
提取出的7处各单位检测区域S分别具有4个压力传感器S1～S4，对由各压力传感器S1～S4检测出的压力值中、由任意组合的各压力传感器检测出的压力值的差量进行运算，并根据该差量对被施加外压的方向进行运算。即，在各单位检测区域S中，根据上述的式(1)以及式(2)，通过第1运算处理计算出各单位检测区域S中的外压的X方向分量Fx以及外压的Y方向分量Fy。换言之，能够通过第1运算处理运算由各压力传感器S1～S4检测出的压力值的差量，并基于该差量求出被施加外压的方向和大小。
通过第2运算处理，计算出外压的总和的方向和大小。这里，由于外压在X方向具有-0.54的方向分量，在Y方向具有0.845的方向分量，所以可知总的外压作用于以+X方向为基准向左旋转约122°的方向。
另外，通过第3运算处理，计算出旋转扭矩的方向和大小。在图9的情况下，外压的分布的重心DG的坐标为X＝6.73、Y＝10.04，被近似为位于X＝7、Y＝10的单位检测区域S。因此，对于以X＝7、Y＝10为中心呈点对称关系的两个单位检测区域S的组合，根据X轴方向分量的差量计算出旋转扭矩的大小。由于差量的大小为8mV，所以可知对检测部110的检测面向右旋的方向作用有极微小的旋转扭矩。
如以上详述那样，根据第1实施方式的检测装置100，能够取得以下所示的效果。
(1)根据第1实施方式的检测装置100，由于由接触传感器12检测压力的有无，由压力分量分离机构31分别检测压力的大小等，所以与通过检测部110的整体来检测压力的有无等的情况相比，能够快速地检测出压力的有无。并且，在检测出压力的有无后，通过由控制部120仅对压力分量分离机构31的检测动作进行控制，与以往相比，能够缩短检测出压力的大小的时间。
(2)根据第1实施方式的检测装置100，通过将接触传感器12以及压力传感器13配置到传感器基板主体11上，能够利用小的空间来构成。具体而言，能够实现轻薄化、小型化、低成本化。另外，由于在同一基板上，所以能够抑制用于对压力的大小等进行运算处理的修正。
(3)根据第1实施方式的检测装置100，由于隔着接触传感器12具有两个压力分量分离机构31，所以能够检测压力的方向和旋转扭矩。
(4)根据第1实施方式的检测装置100，由于接触传感器12(第1接触电极12a)的俯视面积比一个压力传感器13(第1压力电极13a)的面积大，所以在对突起板20施加了压力时，第1接触电极12a和第2接触电极12b经由感压导电体32接触时的电阻值、与第1压力电极13a和第2压力电极13b接触时的电阻值相比变小。因此，能够提高接触传感器12的灵敏度。
(第2实施方式)
＜检测装置的构成＞
图11是表示第2实施方式的检测装置的构成的框图。下面，参照图11对第2实施方式的检测装置的构成进行说明。
第2实施方式的检测装置200与第1实施方式同样，具有：检测部111，其通过多个压力传感器113(参照图12)对被施加的外压进行检测；控制部120，其根据由多个压力传感器113中的一部分检测出的压力值，进行检测外压的有无的检测动作，并根据该检测结果对检测部111的下一个检测动作进行控制。
图12是与图2对应的、表示第2实施方式的检测装置的简要结构的分解立体图。图13是沿着图12所示的检测装置的B-B′线的示意剖视图。下面，参照图12以及图13，对检测装置的构成进行说明。
如图12所示那样，对第2实施方式的检测装置200而言，多个压力传感器113在相互正交的2个方向(X方向以及Y方向)上被配置成至少纵4行、横4列的部分与上述第1实施方式中说明的检测装置100不同。以下，对与第1实施方式相同的构成部件赋予相同的符号，这里，省略或者简化它们的说明。
检测装置200具有传感器基板210，该传感器基板210具备：配置在基准点P的周围的多个压力传感器113、和设置在由多个压力传感器113构成的单位检测区域S与单位检测区域S之间的接触传感器112。并且，检测装置200如第1实施方式那样具有突起板20，该突起板20形成有重心位于与基准点P重叠的位置，并且由于受到外压使得前端部与传感器基板210抵接、因外压而发生弹性变形的弹性体突起22。这里，表示了使用i个(i为4以上的整数)压力传感器113的情况下的扩展后的计算式。
如图12所示，在传感器基板主体11上沿相互正交的2个方向(X方向以及Y方向)配置有至少纵4行、横4列共16个压力传感器113。这16个压力传感器113的中心(单位检测区域S的中心)成为基准点P。
而且，由单位检测区域S中的多个压力传感器113、和与压力传感器113对置配置的弹性体突起22构成了压力分量分离机构131。具体而言，如图13所示那样，压力传感器113构成为具有：相对于基准点P点对称设置的多个第1压力电极113a、设置在第1压力电极113a上的整面状的感压导电体32、设置在感压导电体32上的第2压力电极113b。
另外，如图13所示那样，接触传感器112构成为例如具有：比第1压力电极113a俯视面积大的第1接触电极112a、设置在第1接触电极112a上的整面状的感压导电体32、设置在感压导电体32上的第2接触电极112b。
其中，与第1实施方式同样，为了容易辨别2个传感器(112、113)，如图12所示那样，仅图示了第1接触电极112a以及第1压力电极113a，并称为接触传感器112以及压力传感器113。
图14(a)～(c)是对应于图6(a)～(c)的、表示第2实施方式的压力的变化的示意剖视图。图15(a)～(c)是对应于图7(a)～(c)的、表示第2实施方式的单位检测区域S中的压力分量分离机构的变化的示意俯视图。下面，参照图14以及图15对检测外压的大小与方向的方法进行说明。
图14(a)以及图15(a)表示了对突起板20的表面20a施加外压之前的状态(没有外压的作用时)。如图14(a)所示那样，在对突起板20的表面20a施加外压之前，弹性体突起22不发生变形。由此，传感器基板210与突起板20之间的距离保持为一定。此时，弹性体突起22的重心G被配置在与基准点P重叠的位置。此时的各压力传感器113的压力值被存储在数据存储器124中。以存储在数据存储器124中的各压力传感器113的压力值为基准，求出外压所作用的方向和大小。
图15(a)表示了未施加外压的状态下的、相对于多个压力传感器113以及基准点P的弹性体突起22的基部的相对位置22b、和传感器基板210与弹性体突起22相接的区域50。
图14(b)以及图15(b)表示了对突起板20的表面20a施加了垂直方向(没有滑动力的状态)的外压的状态。如图14(b)所示，在对突起板20的表面施加了垂直方向的外压时，弹性体突起22在Z方向上发生压缩变形。而且，传感器基板210与突起板20之间的距离与没有外压的作用时相比变小。此时的压力传感器113的压力值与没有外压作用时相比变大。另外，各压力传感器113的该变化量为大致相同的值。
图14(c)以及图15(c)表示了对突起板20的表面20a施加了倾斜方向(有滑动力的状态)的外压的状态。如图14(c)所示那样，在对突起板20的表面20a施加了斜方向的外压时，弹性体突起22倾斜地发生压缩变形。由此，弹性体突起22在Z方向上挠曲，传感器基板210与突起板20之间的距离与没有外压作用时相比变小。
另外，如图15(c)所示那样，对突起板20的挠曲量而言，+X方向分量比-X方向分量大。此时，弹性体突起22的重心G从基准点P向+X方向以及+Y方向偏移。该情况下，对弹性体突起22的前端部22a与多个压力传感器113的重叠面积的比例而言，与配置在+X方向以及+Y方向的部分重叠的面积比与配置在-X方向以及-Y方向的部分重叠的面积的比例大。
图16是与图8对应的、表示第2实施方式中的单位检测区域S的传感检测区域的坐标系的图。其中，在图16中，多个压力传感器Si(100个)被配置成矩阵状，其中的每25个压力传感器Si分别被配置于在-X方向以及+Y方向划分的区域、在+X方向以及+Y方向划分的区域、在-X方向以及-Y方向划分的区域、和在+X方向以及-Y方向划分的区域中。而且，在图16中，为了方便起见，图示了100个压力传感器Si，但压力传感器Si的配置数量并不局限于此，可以任意变更。
如图16所示那样，在每个单位检测区域S中，多个压力传感器Si被配置成纵10行、横10列的共100个。这里，将各压力传感器Si检测出的压力值(检测值)分别设为Pi(i＝1～100)、将基准点P与各压力传感器Si之间的距离的面内方向分量设为ri(i＝1～100)。
另外，若将面内方向分量中的X方向分量设为rxi(i＝1～100)，将面内方向分量中的Y方向分量设为ryi(i＝1～100)，则对单位检测区域S施加的外力的X方向分量Fx(外力的面内方向分量中作用在X方向的分力的比例)用下式(4)表示。
【数式4】
F x = Σ i P i r xi Σ i P i . . . ( 4 )
另外，对单位检测区域S施加的外力的Y方向分量Fy(外力的面内方向分量中作用在Y方向的分力的比例)用下式(5)表示。
【数式5】
F y = Σ i P i r yi Σ i P i . . . ( 5 )
另外，对单位检测区域S施加的外力的Z方向分量Fz(外力的垂直方向分量)用下式(6)表示。
【数式6】
F z = Σ i P i . . . ( 6 )
在本实施方式中，对基于弹性体突起22因外压而发生弹性变形所变化的100个压力传感器Si的压力值中、任意组合的各压力传感器Si的压力值的差量进行运算，并基于该差量计算被施加外压的方向。
如式(4)所示那样，在外压的X方向分量Fx中，被100个压力传感器Si检测出的压力值中、由相对配置在+X方向的压力传感器Si检测出的值进行组合，并且由相对配置在-X方向的压力传感器Si检测出的值进行组合。这样，根据由相对配置在+X方向的压力传感器Si的组合而得到的压力值、与由相对配置在-X方向的压力传感器Si的组合而得到的压力值的差量，求出外压的X方向分量。
如式(5)所示那样，在外压的Y方向分量Fy中，被100个压力传感器Si检测出的压力值中、由相对配置在+Y方向的压力传感器Si检测出的值进行组合，并且由相对配置在-Y方向的压力传感器Si检测出的值进行组合。这样，根据由相对配置在+Y方向的压力传感器Si的组合而得到的压力值、与由相对配置在-Y方向的压力传感器Si的组合而得到的压力值的差量，求出外压的Y方向分量。
如式(6)所示那样，在外压的Z方向分量Fz中，可通过将由100个压力传感器Si检测出的压力值相加求和后的合力来求出。
其中，在外压所作用的方向的计算中，可以使用根据由100个压力传感器Si检测出的压力值的计算结果的平均值来求出的方法、或者使用根据由100个压力传感器Si检测出的压力值的计算结果中的最大值(例如比规定的阈值大的检测值)来求出的方法。
对检测部111施加的外压的合力的方向和大小与第1实施方式同样，可根据由第1运算处理得到的对各单位检测区域S施加的外力的总和来取得。因此，对外压的总和的方向和大小进行运算的第2运算处理成为下述运算：对通过第1运算处理得到的施加在各单位检测区域S中的外压的总和进行运算。
另外，对检测部111施加的旋转扭矩的方向和大小，可通过对施加在突起板20的表面20a的外压的分布的重心的坐标进行计算，并取得对以该外压的分布的重心的坐标为中心呈点对称的任意单位检测区域施加的外压的X方向分量或者Y方向分量的差量来得到。因此，对旋转扭矩的方向和大小进行运算的第3运算处理成为下述运算：对以外压的分布的重心的坐标为中心呈点对称的任意单位检测区域S施加的外压的X方向分量或者Y方向分量的差量的运算。
如以上详述那样，根据第2实施方式的检测装置200，除了上述第1实施方式的(1)～(4)的效果以外，还能够获得以下所示的效果。
(5)根据第2实施方式的检测装置200，由于所配置的压力传感器113的数量与第1实施方式相比较多，所以能够基于由多个压力传感器113检测出的压力值，将各压力传感器113的检测结果累计来决定外压作用的方向和大小。因此，能够高精度地检测外压的方向和大小。
(第3实施方式)
＜电子设备＞
图17是表示应用了上述实施方式的检测装置的任意一个的移动电话机的简要结构的示意图。作为电子设备的一个例子的移动电话机1000具有多个操作按钮1003和控制板1002、以及作为显示部的液晶面板1001。通过操作控制板1002，显示在液晶面板1001的画面滚动。在液晶面板1001上显示有菜单按钮(省略图示)。例如，通过使光标(省略图示)对准菜单按钮后用力按压控制板1002，可显示电话簿、或显示移动电话机1000的电话号码。
图18是表示应用了上述实施方式涉及的检测装置的任意一个的便携式信息终端(PDA：Personal Digital Assistants：个人数字助理)的简要结构的示意图。作为电子设备的一个例子的便携式信息终端2000具有多个操作按钮2002和控制板2003、以及作为显示部的液晶面板2001。当操作控制板2003时，能够操作显示在液晶面板2001中的菜单。例如，通过使光标(省略图示)对准菜单(省略图示)后用力按压控制板2003，可显示地址簿、或显示日程表。
根据这样的电子设备，由于在控制板1002、2003中具有上述的检测装置100、200中的任意一个，所以能够提供一种可以高精度检测外压的方向和大小的电子设备。
此外，作为电子设备，除此以外还可举出例如个人计算机、摄像机的显示器、车辆导航装置、寻呼机、电子记事本、计算器、文字处理器、工作站、电视电话、POS终端、数字静态相机、具有触控面板的设备等。对这些电子设备，也可以应用本发明涉及的检测装置。
如以上详述那样，根据第3实施方式的电子设备，能够获得以下所示的效果。
(6)根据第3实施方式的电子设备，由于具有上述记载的检测装置100、200，所以可以提供一种能够快速检测出外压的有无，还能够高精度检测出外压的方向和大小的电子设备。
(第4实施方式)
＜机械手＞
图19是表示应用了上述实施方式涉及的检测装置的任意一个的机械手的简要结构的示意图。如图19(a)所示那样，机械手3000具有主体部3003和一对臂部3002、以及应用了上述检测装置100、200的任意一个的把持部3001。例如，当通过遥控器等控制装置向臂部3002发送了驱动信号时，一对臂部3002执行开闭动作。
如图19(b)所示那样，考虑使用机械手3000把持杯子等对象物3010的情况。此时，作用于对象物3010的力作为压力被把持部3001检测出。由于机械手3000具有上述的检测装置100、200的任意一个来作为把持部3001，所以能够通过重力Mg和垂直于对象物3010的表面(接触面)的方向的力来检测出滑动方向的力(滑动力的分量)以及旋转扭矩。例如，能够根据对象物3010的质感一边把持一边加减力，以使得柔软的物体不发生变形、容易滑动的物体不掉落。
根据该机械手，由于具有上述的检测装置100、200的任意一个，所以能够提供一种可高精度检测外压的方向和大小的机械手。
如以上详述那样，根据第4实施方式的机械手，能够获得以下所示的效果。
(7)根据第4实施方式的机械手，由于具有上述记载的检测装置100、200，所以能够提供一种可快速检测出外压的有无，还能够高精度检测出外压的方向和大小的机械手。
此外，实施方式不局限于上述内容，还可以通过以下那样的方式实施。
(变形例1)
不局限于如上述的第1实施方式那样，在2个单位检测区域S之间配置接触传感器12，例如还可以形成如图20所示那样的检测装置300的构成。图20是表示变形例的检测装置的构成的分解立体图。
在图20所示的检测装置300中，具有多个压力传感器13的单位检测区域S(参照图2)以接触传感器212为基准点，点对称地被配置在4个位置。另外，与上述实施方式相同，在未配置接触传感器212以及压力传感器13的区域也配置有弹性体突起22。
这样，能够通过对一个接触传感器212增加压力分量分离机构31(参照图3)的数量，来更高精度地对旋转扭矩等进行检测。此外，优选在想加快运算时间的情况下，使用如第1实施方式那样的检测装置100，而在想提高检测精度的情况下，使用如变形例1那样的检测装置300等，根据使用方法来进行选择。
(变形例2)
不局限于如上述那样，在接触传感器12中的第1接触电极12a与第2接触电极12b之间设置感压导电体32，还可以如图21所示那样形成不设置感压导电体32的构造。图21是表示变形例的检测装置的构造的示意剖视图。图21(a)表示未对突起板20施加压力的状态。图21(b)表示对突起板20施加有压力的状态。
据此，由于在接触传感器12中没有感压导电体32，所以即使是弱的压力也能够使第2接触电极12b与第1接触电极12a接触。由此，虽然位于相同的传感器基板主体11上，但接触传感器12与压力分量分离机构31相比能够获得较高的灵敏度。
另外，还可以如图21所示那样，在突起板20与传感器基板310之间设置弹性板400。其中，弹性板400与弹性体突起22固定或一体成型。据此，能够抑制在对突起板20施加压力时，导致弹性体突起22的位置偏离。
另外，通过弹性体突起22被固定于弹性板400，能够抑制两个相邻的弹性体突起22相互向反方向发生压缩变形，可高精度地对压力进行检测。此外，弹性体突起22只要是不发生偏离的构造即可，也可以不与弹性板400固定。
(变形例3)
不局限于上述那样，接触传感器12与压力分量分离机构31的配置关系是在2个压力分量分离机构31之间(中间)配置接触传感器12的构造(参照图2)，例如还可以是在接触传感器12的周围至少配置有两个压力分量分离机构31的构造。另外，由于想要高精度地检测旋转扭矩，所以优选至少两个压力分量分离机构31的距离以接触传感器12为中心尽量分开。
(变形例4)
不局限于如上述那样，在判定为有压力后输出压力的大小和方向，例如，还可以进行以下那样的动作。在图19所示的机械手3000的情况下，一对臂部3002逐渐接近而夹起杯子等后，根据运算出的压力进行使臂部3002的合闭速度降低、或者停止的动作，以使杯子不被损坏。
并且，当移动杯子时，在有旋转扭矩的情况下，可以进行换持到其它机械手3000等的动作。另外，可以在初始阶段使接触传感器12充分传感，在判断为被施加了压力后，停止接触传感器12的传感。然后，通过压力传感器13以及运算装置123开始进行压力的大小、方向、旋转扭矩等的运算处理。另外，还可以对初始滑动时产生的振动进行检测，对臂部3002的动作进行控制。
(变形例5)
不局限于如上述那样，压力传感器使用感压导电橡胶等感压元件，例如还可以使用静电电容值变化型的感压元件。该情况下，当作用外压时，能够通过感知静电电容值的变化来检测外压。而且，还可以检测电感的变化。
(变形例6)
不局限于如上述那样，电子设备为移动电话机1000、便携式信息终端2000，例如还可以安装于高分辨率EVF(Electric View Finder：电子取景器)、数码相机、数码摄像机、电视、车载设备、音频设备等。

Claims (12)

1.一种机械手，其特征在于，
包括主体部、臂部、检测部、把持部以及控制部，
所述检测部具备第1传感器和压力分量分离机构，所述第1传感器被设置在第1基板上并且检测压力的有无，所述压力分量分离机构将所述压力的大小和方向进行分离，
所述控制部基于所述第1传感器的检测结果对所述压力分量分离机构的检测动作进行控制。
2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，
所述压力分量分离机构由多个第2传感器和弹性体突起构成，所述多个第2传感器被配置在所述第1基板上的基准点的周围，对压力的大小进行检测，所述弹性体突起被设置在与所述第1基板对置配置的第2基板，所述弹性体突起的前端部抵接在俯视下与所述基准点重叠的位置。
3.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于，
在由所述第1传感器检测出存在压力的情况下，根据来自所述控制部的信号，所述多个第2传感器开始压力值的检测。
4.根据权利要求1至权利要求3中任意一项所述的机械手，其特征在于，
所述第1传感器在俯视下被配置于至少两个所述压力分量分离机构之间。
5.根据权利要求1至权利要求3中任意一项所述的机械手，其特征在于，
在俯视下在所述第1传感器的周围配置有至少两个所述压力分量分离机构。
6.根据权利要求2至权利要求5中任意一项所述的机械手，其特征在于，
所述多个第2传感器相对于所述基准点，被配置成点对称。
7.根据权利要求2至权利要求6中任意一项所述的机械手，其特征在于，
所述多个第2传感器在俯视下相互正交的2个方向，被配置成矩阵状。
8.根据权利要求2至权利要求7中任意一项所述的机械手，其特征在于，
所述多个第2传感器在每个单位检测区域中被配置成至少4行4列。
9.根据权利要求3至权利要求8中任意一项所述的机械手，其特征在于，
所述第1传感器具有对置配置在所述第1基板上的第1电极和第2电极，
所述第2传感器具有对置配置在所述第1基板上的第3电极和第4电极，至少在所述第3电极与所述第4电极之间配置有感压导电体。
10.根据权利要求9所述的机械手，其特征在于，
所述第1传感器的所述第1电极的俯视面积比所述第2传感器的所述第3电极的俯视面积大。
11.一种机械臂，其特征在于，
具备权利要求1至权利要求10中任意一项所述的机械手，
所述机械臂具备根据来自控制装置的驱动信号进行开闭动作的所述臂部。
12.一种机械手，其特征在于，
具有权利要求11所述的机械臂。
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