JP2012047726A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置、電子機器及びロボットを提供する。
【解決手段】基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１２を有する第１基板１０と、基準点Ｐと重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が第１基板１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が形成された第２基板２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置、電子機器及びロボットに関するものである。

外力を検出する検出装置として、特許文献１及び２に記載の検出装置が知られている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。

特開昭６０−１３５８３４号公報 特開平７−１２８１６３号公報

特許文献１の検出装置は、裏面に錘状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献１の検出装置では、測定面にかかる圧力の面内方向の力（すべり力）を測定することができない。
特許文献２の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献２の検出装置では、外圧を３次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
以上のように、特許文献１及び２の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置、電子機器及びロボットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、前記基準点の回りに複数配置された圧力センサー、を有する第１基板と、前記基準点と重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が前記第１基板に当接した状態で弾性変形する弾性体突起、が配置された第２基板と、を備えることを特徴とする。

この検出装置によれば、弾性体突起が第１基板（複数の圧力センサー）に当接した状態ですべり方向（圧力センサー表面に平行な方向）に変形することが可能であるので、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。第２基板の表面に外圧が付加されると、弾性体突起は先端部が第１基板に当接した状態で圧縮変形する。このとき、面内の所定の方向のすべり力成分がある場合、弾性体突起の変形には偏りが生じる。すなわち、弾性体突起の重心は基準点からずれて所定方向（すべり方向）に移動する。すると、複数の圧力センサーのうち弾性体突起の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。よって、演算装置により、各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置を提供することができる。

前記検出装置において、外圧によって前記弾性体突起が弾性変形することにより複数の前記圧力センサーで検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備えていてもよい。

前記検出装置において、前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていてもよい。

この検出装置によれば、基準点と各圧力センサーとの間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起の変形量と各圧力センサーで検出される圧力値の関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサーが基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起の変形量が同じであっても、各圧力センサーで検出される圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーの配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起の変形量と各圧力センサーが検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。したがって、各圧力センサーで検出された圧力値から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。

前記検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていてもよい。

この検出装置によれば、各圧力センサーの圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーの圧力値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。

前記検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていてもよい。

この検出装置によれば、配置される圧力センサーの数が多くなる。このため、多数の圧力センサーで検出される圧力値に基づいて各圧力センサーの検出結果を積算して外圧の作用する方向と大きさを求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。

前記検出装置において、前記弾性体突起は前記第２基板に複数配置されており、前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されていてもよい。

この検出装置によれば、弾性体突起が弾性変形したときの第２基板本体の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の弾性体突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧を正確に各圧力センサーに伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。

前記検出装置において、前記第２基板の前記弾性体突起が配置された側と反対の側には、前記第２基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていてもよい。

この検出装置によれば、例えば、外圧が２つの隣り合う弾性体突起の間の領域に作用する場合、補強部材が無いときに比べて２つの隣り合う弾性体突起が互いに反対の方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。つまり、外圧の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。

本発明の電子機器は、上述した検出装置を備えることを特徴とする。

この電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。

本発明のロボットは、上述した検出装置を備えることを特徴とする。

このロボットによれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。 第１実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。 第１実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。 第１実施形態に係る圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。 第１実施形態に係る圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。 第２実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。 第２実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。 第２実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。 第３実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。 電子機器の一例である携帯電話機の概略構成を示す模式図である。 電子機器の一例である携帯情報端末の概略構成を示す模式図である。 ロボットの一例であるロボットハンドの概略構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が第１基板１０に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸が第１基板１０に対して直交する方向に設定されている。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る検出装置１の概略構成を示す分解斜視図である。図１において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２２に対応して配置された複数の圧力センサー１２が検出する単位検出領域を示している。

検出装置１は、基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えばノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。なお、「基準点」とは、すべり力が作用していない場合に弾性体突起の中心が位置するポイントである。また、圧力センサーの方式については特に限定されることなく、例えば静電容量方式やフォトセンサー方式等を用いることができる。

図１に示すように、検出装置１は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１２、を有する第１基板１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が第１基板１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が配置された第２基板２０と、を備えている。

検出装置１は、外圧によって弾性体突起２２が弾性変形することにより複数の圧力センサー１２で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを演算する演算装置（図示略）を備えている。

第１基板１０は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状の第１基板本体１１と、第１基板本体１１に配置された複数の圧力センサー１２と、を具備して構成されている。例えば、第１基板本体１１の大きさ（平面視のサイズ）は、縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度になっている。

複数の圧力センサー１２は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数の圧力センサー１２は、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）にマトリックス状に配置されている。これにより、基準点Ｐと各圧力センサー１２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起２２の変形と各圧力センサー１２で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。よって、各圧力センサー１２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分を演算することが容易となる。なお、圧力値の差分の演算方法については後述する。

隣り合う圧力センサー１２の間隔は、０．１ｍｍ程度になっている。このため、外乱や静電気等の影響により隣り合う位置の圧力センサー１２で検出される圧力値にノイズがのらないようになっている。

複数の圧力センサー１２は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている。４つの圧力センサー１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。例えば、単位検出領域Ｓの大きさ（平面視のサイズ）は、縦２．８ｍｍ×横２．８ｍｍ程度になっている。また、４つの圧力センサー１２の各面積がほぼ等しくなっている。圧力センサー１２としては、例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いることができる。圧力センサー１２は、接触面に外圧が作用したときにダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。

第２基板２０は、矩形板状の第２基板本体２１と、第２基板本体２１に配置された複数の弾性体突起２２と、を具備して構成されている。第２基板本体２１は、外圧を直接受ける部分である。第２基板本体２１は、例えばガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成することもできるし、発泡ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料で構成することもできる。本実施形態では、第２基板本体２１及び弾性体突起２２の形成材料として樹脂材料を用い、第２基板本体２１及び弾性体突起２２を金型で一体形成している。

複数の弾性体突起２２は、第２基板本体２１上においてＸ方向及びＹ方向にマトリックス状に配置されている。弾性体突起２２の先端部は、球面の錘状となっており、第１基板１０（第１基板本体１１上の複数の圧力センサー１２）に当接している。弾性体突起２２の重心は、初期的に基準点Ｐと重なる位置に配置されている。また、複数の弾性体突起２２は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起２２が弾性変形したときの第２基板本体２１の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。

弾性体突起２２のサイズは任意に設定することができる。ここでは、弾性体突起２２の基部の径（弾性体突起２２が第１基板１０に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２の高さ（弾性体突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。隣り合う弾性体突起２２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２のデュロメーター硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメーターによる硬さ測定値）は３０程度になっている。

図２及び図３は、基準点Ｐに作用する外圧の方向と大きさを検出する方法の説明図である。
図２（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第１実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。なお、図２（ａ）及び図３（ａ）は第２基板２０の表面に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図２（ｂ）及び図３（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図２（ｃ）及び図３（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。また、図３（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２２の重心（圧力中心）を示している。

図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。このときの各圧力センサー１２の圧力値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー１２の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１０の表面に配置された複数の圧力センサー１２に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサーの圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサーとも略同じ値となる。

図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１０の表面に配置された複数の圧力センサー１２に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起２２の先端部と４つの圧力センサー１２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起２２の先端部と４つの圧力センサー１２との重なる面積は、４つの圧力センサー１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。

弾性体突起２２は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２２の重心は基準点Ｐからずれてすべり方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起２２の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起２２の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外圧が加えられた方向と大きさが求められる。

図４は、第１実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図５は、第１実施形態に係る圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。図６は、第１実施形態に係る圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。

図４に示すように、複数の圧力センサーＳ１〜Ｓ４は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰ_S1，Ｐ_S2，Ｐ_S3，Ｐ_S4とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（１）で表される。

また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（２）で表される。

また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）は以下の式（３）で表される。

本実施形態では、外圧によって弾性体突起が弾性変形することにより４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。

式（１）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２及びＳ４で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ３で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２及びＳ４の組み合わせによる圧力値と−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ３の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。

式（２）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ２で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３及びＳ４で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ２の組み合わせによる圧力値と−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３及びＳ４の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。

式（３）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のＺ方向成分Ｆｚは、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起２２の材質として硬いものを用いたり、先端部の形状を先鋭にしたりすると、外圧のＺ方向成分Ｆｚの検出感度が高くなる。しかしながら、弾性体突起２２の材質として硬いものを用いると弾性体突起２２が変形しにくくなり外圧の面内方向の検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起２２の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触ったときのタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。このため、外圧のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起２２の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。

図５に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている（圧力センサーの出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、圧力センサーの出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域（圧力センサーＳ１〜Ｓ４が縦２行横２列に計４つ配置された領域）がマトリックス状（例えば縦１５行×横１５列に計２２５個）に配置されているとする。

図６に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を考える。このとき、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置されたものうち縦３行×横３列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図５と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。

縦３行×横３列に配置された各単位検出領域は、それぞれ４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４を有しており、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。つまり、各単位検出領域では、上述した式（１）及び式（２）に基づいて外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙが算出される。ここでは、＋Ｘ方向を基準として左周りに約１２３°の方向に外圧が作用していることが分かる。なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、９つの算出結果の平均値で求める方法、あるいは９つの算出結果のうちの最大値（例えば所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。

本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起２２の先端部が第１基板１０（複数の圧力センサー１２）に当接した状態ですべり方向（圧力センサー１２表面に平行な方向）に変形することが可能であるので、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外圧の方向と大きさの検出精度を高めることができる。第２基板２０の表面に外圧が付加されると、弾性体突起２２は先端部が第１基板１０に配置された複数の圧力センサー１２に当接した状態で圧縮変形する。このとき、面内の所定の方向のすべり力成分がある場合、弾性体突起２２の変形には偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２２の重心は基準点Ｐからずれて所定方向（すべり方向）に移動する。すると、複数の圧力センサー１２のうち弾性体突起２２の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起２２の重心と重なる位置の圧力センサー１２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起２２の重心と重ならない位置の圧力センサー１２では相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。よって、演算装置により、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを求めることができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置１を提供することができる。

この構成によれば、複数の圧力センサー１２が基準点Ｐに対して点対称に配置されているので、基準点Ｐと各圧力センサー１２との間の距離が互いに等しくなる。このため、弾性体突起２２の変形量と各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出される圧力値の関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサーが基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起２２の変形量が同じであっても、各圧力センサーで検出された圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーＳ１〜Ｓ４の配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起２２の変形量と各圧力センサーＳ１〜Ｓ４が検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。したがって、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。

この構成によれば、複数の圧力センサー１２が互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されているので、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。例えば、面内方向成分のうちＸ方向成分を演算する場合、複数の圧力センサー１２が複数の方向にランダムに配置されている場合に比べて、相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２及及びＳ４の組み合わせと相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ３の組み合わせとを区分けして選出しやすくなる。したがって、外圧を効率よく検出することができる。

この構成によれば、複数の弾性体突起２２が互いに離間して配置されているので、弾性体突起２２が弾性変形したときの第２基板本体２１の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起２２が変形したときに他方の弾性体突起２２に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の弾性体突起２２が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧を正確に各圧力センサーＳ１〜Ｓ４に伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。

なお、本実施形態においては、圧力センサー１２が単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている例を挙げて説明したが、これに限らない。圧力センサー１２は、単位検出領域Ｓ当たり３つ以上配置されていればよい。

（第２実施形態）
図７は、図１に対応した、本発明の第２実施形態に係る検出装置２の概略構成を示す分解斜視図である。図７において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２２に対応して配置された複数の圧力センサー１１２が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置２は、複数の圧力センサー１１２が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行横４列に配置されている点で、上述の第１実施形態で説明した検出装置１と異なる。図７において、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、図７においては、便宜上、複数の圧力センサー１１２が単位検出領域Ｓ当たり縦４行横４列に配置されているが、実際には図８及び図９に示すように複数の圧力センサー１１２が単位検出領域Ｓ当たり縦４行横４列以上に配置されていてもよいものとする。

図７に示すように、検出装置２は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２、を有する第１基板１１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が第１基板１１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が形成された第２基板２０と、を備えている。

複数の圧力センサー１１２は、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に少なくとも縦４行横４列に計１６個配置されている。具体的には、複数の圧力センサー１１２は、単位検出領域Ｓ当たり少なくとも縦４行横４列に計１６個配置されている。これら１６つの圧力センサー１１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。

図８（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。なお、図８（ａ）及び図９（ａ）は第２基板２０の表面に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図８（ｂ）及び図９（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図８（ｃ）及び図９（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。また、図９（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２２の重心を示している。図８及び図９において、図２及び図３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図８（ａ）及び図９（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。このときの各圧力センサー１１２の圧力値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー１１２の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。

図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサーとも略同じ値となる。

図８（ｃ）及び図９（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。また、第２基板２０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起２２の先端部と複数の圧力センサー１１２との重なる面積の割合は、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが重なる面積の割合が大きくなる。

図１０は、図４に対応した、第２実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。なお、図１０において、複数の圧力センサーＳ_i（１００個）がマトリックス状に配置されており、このうちの２５の圧力センサーＳ_iがそれぞれ−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域に配置されている。また、図１０においては、便宜上、１００個の圧力センサーＳ_iを図示しているが、圧力センサーＳ_iの配置数はこれに限らず任意に変更することができる。

図１０に示すように、複数の圧力センサーＳ_iは、単位検出領域Ｓ当たり縦１０行横１０列に計１００個配置されている。ここで、各圧力センサーＳ_iが検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰ_i（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各圧力センサーＳ_iとの間の距離の面内方向成分をｒ_i（ｉ＝１〜１００）とする。また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒｘ_i（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒｙ_i（ｉ＝１〜１００）とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（４）で表される。

また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（５）で表される。

また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）は以下の式（６）で表される。

本実施形態では、外圧によって弾性体突起が弾性変形することにより変化する１００個の圧力センサーＳ_iの圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳ_iの圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。

式（４）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、１００個の圧力センサーＳ_iで検出された圧力値のうち相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ_iで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ_iで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ_iの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ_iの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。

式（５）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、１００個の圧力センサーＳ_iの圧力値のうち相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ_iで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ_iで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ_iの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ_iの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。

式（６）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、１００個の圧力センサーＳ_iで検出された圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のＺ方向成分Ｆｚは、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。このため、外圧のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起２２の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。

なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、１００個の圧力センサーＳ_iで検出された圧力値の算出結果の平均値で求める方法あるいは１００個の圧力センサーＳ_iで検出された圧力値の算出結果のうちの最大値（例えば所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。

本実施形態の検出装置２によれば、複数の圧力センサー１１２が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行横４列に配置されているので、配置される圧力センサー１１２の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー１１２で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー１１２の検出結果を積算して外圧の作用する方向と大きさを求めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。

（第３実施形態）
図１１は、図７に対応した、本発明の第３実施形態に係る検出装置３の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図１１において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２２に対応して配置された複数の圧力センサー１１２が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の検出装置３は、第２基板２０の表面に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５１が配置されている点で、上述の第２実施形態で説明した検出装置２と異なる。図１１において、図７と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、検出装置３は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２、を有する第１基板１１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外圧によって先端部が第１基板１１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が形成された第２基板２０と、第２基板２０の弾性体突起２２が配置された側と反対の側に配置された補強部材５１と、を備えている。

補強部材５１は、矩形板状となっており、平面視において第２基板本体２１と同じサイズに形成されている。この補強部材５１は、第２基板本体２１よりも高い剛性を有している。例えば、第２性基板本体２１の材質が弾性体突起２２の材質と同様に発泡ウレタン樹脂（デュロメーター硬さ３０程度）の場合、補強部材５１の形成材料としては、エポキシ樹脂を用いたりウレタン樹脂（デュロメーター硬さ６０程度）を用いたりすることができる。このため、接触面に弾性体突起２２の配置間隔よりも小さい対象物（例えば先鋭なスタイラスペン）によって外力が加えられた場合であっても、外圧を正確に検出することができる。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図である。なお、図１２（ａ）は第２基板２０の表面（補強部材５１の表面）に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１２（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図１２（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。図１２において、図８と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１２（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このときの各圧力センサー１１２で検出された圧力値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー１１２で検出された圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。

図１２（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基盤１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。

また、外圧は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用している。本実施形態では第２基板２０の表面に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５１を備えているので、例えば、指で検出装置３を垂直方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起２２は互いに垂直方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材５１が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起２２が互いに反対方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。

図１２（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基盤１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。また、第２基板２０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分の方が大きくなる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。

また、外圧は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用している。本実施形態では第２基板２０の表面に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５１を備えているので、例えば、指で検出装置３を斜め方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起２２は互いに斜め方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材５１が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起２２が互いに反対方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。

本実施形態の検出装置３によれば、第２基板２０の弾性体突起２２が形成された側と反対の側に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５１が配置されているので、外圧の方向を高い精度で検出することができる。例えば、外圧が２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用する場合、補強部材が無いときに比べて２つの隣り合う弾性体突起２２が互いに反対の方向に圧縮変形してしまうことを抑制することができる。つまり、外圧の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。

なお、本実施形態においては、補強部材５１が第２基板２０の表面に配置されているが、これに限らない。例えば、補強部材５１を設けずに、第２基板本体２１自体を弾性体突起２２よりも高い剛性を有する材質で形成してもよい。これにより、補強部材５１を設ける構成に比べて装置の薄型化を図ることができる。

（電子機器）
図１３は、上記実施形態に係る検出装置１〜３を適用した携帯電話機１０００の概略構成を示す模式図である。携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びスクロールボタン１００２、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル１００１を備えている。スクロールボタン１００２を操作することによって、液晶パネル１００１に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンを指で触れると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。

図１４は、上記実施形態に係る検出装置１〜３を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）２０００の概略構成を示す模式図である。携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２及び電源スイッチ２００３、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル２００１を備えている。電源スイッチ２００３を操作すると、液晶パネル２００１にはメニューボタンが表示される。例えば、メニューボタン（図示略）を指で触れると住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。

このような電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。

なお、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、デジタルスチールカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る検出装置を適用させることができる。

（ロボット）
図１５は、上記実施形態に係る検出装置１〜３を適用したロボットハンド３０００の概略構成を示す模式図である。図１５（ａ）に示すように、ロボットハンド３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに検出装置を適用した把持部３００１を備えている。例えば、リモコン等の制御装置によりアーム部３００２に駆動信号を送信すると、一対のアーム部３００２が開閉動作する。

図１５（ｂ）に示すように、ロボットハンド３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合を考える。このとき、対象物３０１０に作用する力は把持部３００１で圧力として検出される。ロボットハンド３０００は、把持部３００１として上述した検出装置を備えているので、対象物３０１０の表面（接触面）に垂直な方向の力と併せて重力Ｍｇですべる方向の力（すべり力の成分）を検出することが可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたりすべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じて力を加減しながら持つことができる。

このロボットによれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。

１，２，３…検出装置、１０，１１０…第１基板、１２，１１２，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ_i…圧力センサー、２０…第２基板、２２…弾性体突起、５１…補強部材、１０００…携帯電話機（電子機器）、２０００…携帯情報端末（電子機器）、３０００…ロボットハンド（ロボット）。

Claims (20)

1. 基準点に加えられた外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、
   前記基準点の周りに複数配置された圧力センサー、を有する第１基板と、
   前記基準点と重なる位置に重心が位置するとともに前記外圧によって先端部が前記圧力センサーに当接した状態で弾性変形する弾性体突起、が配置された第２基板と、
   を備えることを特徴とする検出装置。
2. 前記外圧によって前記弾性体突起が弾性変形することにより複数の前記圧力センサーで検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて前記外圧が加えられた方向と前記外圧の大きさを演算する演算装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
4. 前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. 前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
6. 前記弾性体突起は前記第２基板に複数配置されており、
   前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 前記第２基板の前記弾性体突起が配置された側と反対の側には、前記第２基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の検出装置を備えることを特徴とするロボット。
10. 基板の測定面にかかる外圧の方向を検出する検出装置であって、
    前記基板は、
    第１及び第２の圧力センサーが配置された第１基板と、
    弾性体突起が配置された第２基板とからなり、
    前記第１及び第２の圧力センサーが配置された前記第１基板の面と前記弾性体突起が配置された前記第２基板の面とが向かい合うように、前記第１基板と前記第２基板とが配置され、
    前記測定面に前記外圧がかかった際に、前記弾性体突起が前記第１及び第２の圧力センサーを押圧し、前記外圧に応じた圧力を前記第１及び第２の圧力センサーが検出することを特徴とする検出装置。
11. 前記測定面に前記外圧がかかった際に、前記第１及び第２の圧力センサーでそれぞれ検出される圧力値の差分に基づいて、前記測定面にかかる外圧の方向を検出することを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
12. 前記第１及び第２の圧力センサーで検出される圧力値に基いて、前記基板の測定面にかかる外圧の大きさを検出することを特徴とする請求項１０または１１に記載の検出装置。
13. 前記第１及び第２の圧力センサーの配置位置に応じた補正係数に基いて、前記基板の測定面にかかる外圧の方向を検出することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の検出装置。
14. 前記第１及び第２の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の検出装置。
15. 前記第１及び第２の圧力センサーは、第１基板上の基準点から互いに等しい距離に配置されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の検出装置。
16. 前記第１及び第２の圧力センサーは、第１基板上の基準点から互いに異なる距離に配置されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の検出装置。
17. 前記弾性体突起は、前記第２基板に複数配置されており、
    前記第１及び第２の弾性体突起は、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の検出装置。
18. 前記第２基板には、前記第２基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の検出装置。
19. 請求項１０〜１８のいずれか１項に記載の検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
20. 請求項１０〜１８のいずれか１項に記載の検出装置を備えることを特徴とするロボット。

Images