JP2012088263A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れ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。
【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と重なる位置に略中心が位置するとともに外圧によって弾性変形する略半球状
の弾性体突起２１と、弾性体突起２１を隔てて第１基板１０の反対側に設けられた第２基
板３０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。

外力を検出する装置として、特許文献１〜３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２００８−１６４５５７号公報 特開２００７−１８７５０２号公報 特許第４３６４１４６号公報

特許文献1の検出装置は、膨出部を有した複数の接触子を感圧素子の表面に設け、それ
ら各接触子に加わる荷重量および各接触子の移動量から、圧力分布及び水平方向の圧力を
検出する構成となっている。しかしながら、特許文献1の検出装置では接触子が剥き出し
になっているため、例えば外圧が2つの隣り合う接触子の間の領域に作用する場合、２つ
の隣り合う接触子が互いに反対の方向に傾いてしまう。すなわち、外圧の加えられた方向
と反対の方向を検出してしまうといった誤検出が起こり、検出装置に加わる外圧を適切に
測定することができない。

特許文献2の検出装置は、球状あるいは先端部が感圧素子側に向いた半球状の弾性体を
感圧素子表面に設け、弾性体の変形および重心位置の変化から、外圧の大きさと方向を検
出する構成となっている。しかしながら、特許文献2の検出装置では、弾性体と感圧素子
とがお互いに接合されていないため、例えば弾性体に水平方向の外圧が加えられると、弾
性体の重心と感圧素子の基準位置とがずれて元に戻らないことがある。弾性体の重心と感
圧素子の基準位置とのずれが残留した状態では、水平方向の外圧の大きさを適切に測定す
ることができなくなるといった問題がある。

特許文献3の検出装置は、感圧素子の表面に柱状体及び受圧シートを設け、柱状体と受
圧シートとはお互いに接合された構成となっている。このため、受圧シートに外圧が加え
られた場合、柱状体との接合部に応力が集中し、柱状体と受圧シートとの接合面が壊れや
すく耐久性に劣るといった問題を抱えている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例の検出装置は、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外圧によって弾性変
形する弾性体突起と、前記弾性体突起を隔てて前記第１基板の反対側に設けられた第２基
板と、を備え、前記弾性体突起は、先端部が前記第２基板に当接するように前記第１基板
に形成され、前記弾性体突起の先端部が前記第２基板に当接した状態で、前記第２基板側
から加えられた外圧の方向と大きさを検出することを特徴とする。

この検出装置によれば、第２基板の表面に外圧が付加されると、弾性体突起は圧縮変形
する。このとき面内の所定の方向のすべり力成分（圧力センサー表面に平行な方向の力成
分）がある場合、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、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、耐久性に優れ外圧が加えられた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。

［適用例２］上記に記載の検出装置において、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加えられた外圧
の方向と大きさを演算する演算装置を備えてもよい。

［適用例３］上記に記載の検出装置において、前記弾性体突起は、所定の硬度を有する
樹脂材料で構成され、半球状であることが好ましい。

略半球状の弾性体突起は先端部が第２基板に向いて第１基板に配置されているため、す
べり力を付加した状態でも、第１基板と接触する弾性体突起の接触面水平位置はずれを生
じ難く、これによって、すべり力が付加され弾性体突起の重心位置と基準位置がずれた後
、すべり力を付加しない状態にしても弾性体突起の重心位置と基準位置のずれの残留を低
減、または防止することができる。
また、第２基板に先端を向けて配置してある略半球状の弾性体突起の先端は曲面である
ため、第２基板に外力が加えられた場合、弾性体突起のある一部分に応力が集中すること
を抑制でき、耐久性を向上させることが可能となる。

［適用例４］上記に記載の検出装置において、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ることが好ましい。

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
、前記弾性体突起の重心位置の変化量と各圧力センサーで検出される圧力値との関係が互
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
突起の重心位置の変化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、弾性体突起の重心位置の変化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、前記補正係数は不用となる。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。

［適用例５］上記に記載の検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに交差
する２方向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。

［適用例６］上記に記載の検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに交差
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
用する方向を決めることができる。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。

［適用例７］上記に記載の検出装置において、前記弾性体突起は前記第１基板に複数形
成されており、前記複数の弾性体突起は互いに離間して配置され、前記第２基板は前記複
数の弾性体突起に跨っ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。

［適用例８］上記に記載の検出装置において、前記第２基板は、前記弾性体突起よりも
高い剛性を有していることが好ましい。

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、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してしまうといった
誤検出を抑制することができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することがで
きる。

［適用例９］本適用例の電子機器は、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。

［適用例１０］本適用例のロボットは、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図を示す分解斜視図。 （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。 （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平面図。 外圧を演算する演算装置の一例図。 第1実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図。 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。 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。 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。 （a）〜（c）は第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。 （a）〜（c）は第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。 第2実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図。 第3実施形態に係る検出装置の概略構成を示す断面図。 第4実施形態に係る検出装置の概略構成を示す断面図。 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。 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。 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。

以下、図を参照して、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
の範囲で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各要素をわかりやすくす
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。
また、本実施形態において、第１基板の「表面」とは、第１基板本体の複数の圧力セン
サー形成面を指す。第２基板の「表面」とは、第２基板本体の弾性体突起形成面の反対面
を指し、つまりは、外圧を受ける面を指す。

以下の説明においては、図中に示された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表面の接線方向に設定され、Ｚ軸が第１基板１０表面の法線方向に設定されている。

（第１実施形態）
＜検出装置＞
図１は、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。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２１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Ｐ」とは、すべり力が
作用していない場合に弾性体突起２１の中心が位置するポイントである。

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と重なる位置に略中心が位置するとともに外圧によっ
て弾性変形する略半球状の弾性体突起２１と、弾性体突起２１を隔てて第１基板１０の反
対側に設けられた第２基板３０と、を備えている。

検出装置１は、外圧によって弾性体突起２１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加えられた外圧を演算する演算装置１２０
（図４参照）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５
６ｍｍ×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２１の重心位置の変化量と各圧力センサー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。

弾性体突起２１は第１基板１０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２１は、例えば発泡ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料で
構成される。弾性体突起２１は、例えば先端が球面の半球状となっており、第２基板３０
に当接している。
第２基板３０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る。また、
弾性体突起２１の形状は、半球状でもよいし、錐状あるいは柱状でもよい。

弾性体突起２１は第１基板１０に複数形成されており、複数の弾性体突起２１は互いに
離間して配置され、第２基板３０は複数の弾性体突起２１に跨って配置されている。この
ため、弾性体突起２１が弾性変形したときの第２基板３０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２１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２１の
基部の径（弾性体突起２１が第１基板１０に接する部分の直径）は２ｍｍ程度になってい
る。弾性体突起２１の高さ（弾性体突起２１のＺ方向の距離）は１．５ｍｍ程度になって
いる。隣り合う弾性体突起２１の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起２１の
デュロメータ硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は
３０程度になっている。

図２及び図３を参照して、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を説
明する。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３０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３０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３０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２１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３０の表面に外圧が付加される前に
おいては、弾性体突起２１は変形しない。これにより、第１基板１０と第２基板３０との
間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２１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の圧力値は演算装置１２０のデータメ
モリー１２４（図４参照）に記憶されている。データメモリー１２４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３０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２1はＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板３０が
−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板３０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１２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１２ともほぼ同じ値となる。

図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示すように、第２基板３０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２１は斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板３
０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板３０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２１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２１が４つの圧力センサー１２へ加える圧力値は
互いに異なる。具体的には、弾性体突起２１が４つの圧力センサー１２へ加える圧力値は
、４つの圧力センサー１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサー１２へ
加えられる圧力値よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された圧力センサー１２へ加えられ
る圧力値のほうが大きくなる。

弾性体突起２１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
２１の重心Ｇ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１２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２
１の重心Ｇ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２1の重心Ｇ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。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、外圧を演算する演算装置の一例である。演算装置１２０は、信号の授受と演算
結果の出力を行うインターフェイス部（Ｉ／O部）１２１と、各種演算を行うＣＰＵ１２
２と、プログラムメモリー１２３、およびデータを格納するデータメモリー１２４から構
成される。

演算装置１２０は、外圧によって弾性体突起２１が弾性変形することにより、複数の圧
力センサー１２（１１２）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（１１２）で検出された、各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処理を行う。

図５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６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７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５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、Ｚ軸は図３の図中省略）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２１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及び圧力センサー
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
及び圧力センサー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及び圧力センサー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及び圧力センサー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及び圧力センサー
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
及び圧力センサー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及び圧力センサー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及び圧力センサー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２1の材質として硬いものを用いると、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２１が変形しにくくなり外圧の面内方向（
Ｘ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙ）の検出値が小さくなってしまう。また、例え
ば弾性体突起２１のアスペクト比を小さくすると、弾性体突起２１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。

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２１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７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。図７において一番左
側の図は９つの単位検出領域Ｓの集合体であり、その中の数値は各単位検出領域Ｓ内の圧
力センサー１２が検出した圧力を電位に変換したものの合計値を示している。また、中央
の図は各単位検出領域Ｓ毎の圧力センサー１２が検出した圧力を電位に変換した値を示し
ており、一番右側の図は各単位検出領域Ｓ毎に算出した外圧のＸ方向成分ＦｘとＹ方向成
分Ｆｙを示している。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６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）。

指の押圧力が作用している縦３行×横３列に配置された各単位検出領域Ｓ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が演算される。
つまり、各単位検出領域Ｓ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
回りに約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、第２基板３０の表面に外圧が付加されると、弾性体
突起２１は圧縮変形する。このとき面内の所定の方向のすべり力成分（圧力センサー１２
表面に平行な方向の力成分）がある場合、弾性体突起２１の重心Ｇ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
２１の重心Ｇ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２１の重心Ｇ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、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。また、略半球状の弾性体突
起２１は先端部が第２基板３０に向いて第１基板１０に配置されているため、すべり力を
付加した状態でも、第１基板１０と接触する弾性体突起２１の接触面水平位置はずれを生
じ難く、これによって、すべり力が付加され弾性体突起２１の重心位置Ｇと基準位置Ｐが
ずれた後、すべり力を付加しない状態にしても弾性体突起２１の重心位置Ｇと基準位置Ｐ
のずれの残留を低減、または防止することができる。
また、第２基板３０に先端を向けて配置してある略半球状の弾性体突起２１の先端は曲
面であるため、第２基板３０に外力が加えられた場合、弾性体突起２１のある一部分に応
力が集中することを抑制でき、耐久性を向上させることが可能となる。したがって、耐久
性に優れ外圧が加えられた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、基準点Ｐと各圧力センサーＳ１〜Ｓ４との間の距離が互いに等しく
なるので、弾性体突起２１の重心Ｇの位置の変化量と各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出さ
れる圧力値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサー１２が基準点Ｐか
ら互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起２１の重心Ｇの位置の変化量が同じで
あっても、各圧力センサー１２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１２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２１の重心Ｇの位置の変化量と各圧力セ
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
用となる。したがって、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４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。

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Ｆｘ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及び圧力センサー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及び圧力センサー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２１は互いに離間して配置され、第２基板３０は
複数の弾性体突起２１に跨って配置されているので、弾性体突起２１が弾性変形したとき
の第２基板３０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
性突起２１が変形したときに他方の弾性体突起２１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２１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８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の概略構成を示す分解
斜視図である。図８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。図８において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２１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。なお、図８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９及び図１０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８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１1
２を有する第１基板１１０と、基準点Ｐと重なる位置に略中心を位置するとともに、外圧
によって弾性変形する略半球状の弾性体突起２１と、弾性体突起２１を隔てて第１基板１
１０の反対側に設けられた第２基板３０と、を備えている。

図９（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１０（ａ）〜（ｃ）は、図９（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９（ａ）及び図１０（ａ）は第２基板３０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９（ｂ）及び図１０（ｂ）は第２基板３０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９（ｃ）及び図１０（ｃ）は第
２基板３０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１０（ａ）
〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２１の重心を示している。図９及び図１０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９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、第２基板３０の表面に外圧が付加される前
においては、弾性体突起２１は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板３０
との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２１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４のメモリー１２
４に記憶されている。メモリー１２４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９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように、第２基板３０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２１はＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板３０
が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板３０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の圧力値は、外圧の作用がないとき
に比べて大きくなる。

図９（ｃ）及び図１０（ｃ）に示すように、第２基板３０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２１は斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板
３０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１１０と第２基板３０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２１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２１が複数の圧力センサー１１２へ加える圧
力値は互いに異なる。
具体的には、弾性体突起２１が複数の圧力センサー１１２へ加える圧力値は、複数の圧
力センサー１１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサー１１２へ加えら
れる圧力値よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された圧力センサー１１２へ加えられる圧
力値のほうが大きくなる。

図１１は、図５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１１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個の圧力センサーＳ_iが、−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それぞれ配置されている。また、図１１
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１１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
ｒ_xi（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒ_yi（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２１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１２は、図９（ａ）に対応した、本発明の第３実施形態に係る検出装置の断面図であ
る。なお、図９（ａ）では弾性体突起２１を１つのみ示しているが、図１２では隣り合う
弾性体突起２２を２つ示している。本実施形態の検出装置３は、弾性体突起２２が第１基
板本体１１１に接して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１２において、図９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。

本実施形態によれば、弾性体突起２２が第1基板本体１１１に接して配置されている為
、第２基板３０にすべり力を付加した状態でも、第１基板１１０と接触する弾性体突起２
２の接触面水平位置はずれを生じ難く、これによって、すべり力が付加され弾性体突起２
２の重心位置と基準位置がずれた後、すべり力を付加しない状態にしても弾性体突起２２
の重心位置と基準位置のずれの残留を低減、または防止効果を向上させるという効果を得
ることができる。

（第４実施形態）
図１３は、図１２に対応した、本発明の第４実施形態に係る検出装置の断面図である。
本実施形態の検出装置４は、隣り合う弾性体突起２３が一体に構成されている点で、上述
の第３実施形態で説明した検出装置３と異なる。図１３において、図１２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。

本実施形態によれば、隣り合う弾性体突起２３が一体に構成されている為、第１基板１
１０への弾性体突起２３の接触面積が増加し、第２基板３０にすべり力を付加した状態で
も、第１基板１１０と接触する弾性体突起２３の接触面水平位置はずれを生じ難く、これ
によって、すべり力が付加され弾性体突起２３の重心位置と基準位置がずれた後、すべり
力を付加しない状態にしても弾性体突起２３の重心位置と基準位置のずれの残留を低減、
または防止効果を向上させるという効果を得ることができる。また、弾性体突起２３を一
体成型することが可能になり、製造が容易になるという効果を得ることができる。

（第５実施形態）
＜電子機器＞
図１４は、上記実施形態に係る検出装置１〜４のいずれかを適用した電子機器としての
携帯電話機１０００の概略構成を示す模式図である。本実施形態の電子機器としての携帯
電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びコントロールパッド１００２、並びに
表示部としての液晶パネル１００１を備えている。コントロールパッド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、メニューボタンにカーソ
ル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押すことで、電話帳が表示さ
れたり、携帯電話機１０００の電話番号が表示されたりする。

図１５は、上記実施形態に係る検出装置１〜４のいずれかを適用した携帯情報端末（Ｐ
ＤＡ：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及びコントロ
ールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１を備えている。コントロ
ールパッド２００３を操作すると、液晶パネル２００１に表示されたメニューを操作でき
る。例えば、メニュー（図示略）にカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド２
００３を強く押すことで、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１〜４のいずれかをコントロールパッ
ド１００２，２００３に備えているので、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１〜４のいずれかを適用させることができる。

（第６実施形態）
＜ロボット＞
図１６は、上記実施形態に係る検出装置１〜４のいずれかを適用したロボットハンド３
０００の概略構成を示す模式図である。図１６（ａ）に示すように、本実施形態のロボッ
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１〜
４のいずれかを適用した把持部３００１を備えている。例えば、リモートコントローラー
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１６（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１
〜４のいずれかを備えているので、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３０
１０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１〜４のいずれかを備えているので、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。

１，２，３，４…検出装置、１０，１１０…第1基板、１２，１１２，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ
３，Ｓ４，Ｓ_i…圧力センサー、３０…第２基板、２１，２２，２３…弾性体突起、１０
００…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 (10)

1. 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外圧によって弾性変形する弾性体突
   起と、
   前記弾性体突起を隔てて前記第１基板の反対側に設けられた第２基板と、を備え、
   前記弾性体突起は、先端部が前記第２基板に当接するように前記第１基板に形成され、
   前記弾性体突起の先端部が前記第２基板に当接した状態で、前記第２基板側から加えら
   れた外圧の方向と大きさを検出することを特徴とする検出装置。
2. 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加えられた外圧の方向と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. 前記弾性体突起は、所定の硬度を有する樹脂材料で構成され、半球状であることを特徴
   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、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乃至３のいずれか一項に記載の検出装置。
5. 前記複数の圧力センサーは、互いに交差する２方向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. 前記複数の圧力センサーは、互いに交差する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５に記載の検出装置。
7. 前記弾性体突起は前記第１基板に複数形成されており、前記複数の弾性体突起は互いに
   離間して配置され、
   前記第２基板は前記複数の弾性体突起に跨って配置されていることを特徴とする請求項
   １乃至６のいずれか一項に記載の検出装置。
8. 前記第２基板は、前記弾性体突起よりも高い剛性を有することを特徴とする請求項１乃
   至７のいずれか一項に記載の検出装置。
9. 請求項１乃至８に記載の検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１乃至８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