JP2012108021A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】裏面に錐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外圧分布を測定する構成を備えた検出装置が知られているが、この構成では測定面にかかる外圧の面内方向の力(すべり力)を測定することができないという課題があった。
【解決手段】基板の第1面に複数の電極を配置してなる検出装置であって、前記第1面は波型形状を備えており、かつ前記第1面を覆う、外圧の印加により電気的特性が変化し、外圧の開放により元の状態に戻る感圧層を備えた。感圧層に斜め方向から外圧が印加された場合、基板の第1面が波型形状を備えていることから、横方向の力は第1面の波型形状の斜面に与えられる。そのため、電極の法線方向に近い角度で与えられる。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧に対して感度が上げることができる。
【選択図】図2
【解決手段】基板の第1面に複数の電極を配置してなる検出装置であって、前記第1面は波型形状を備えており、かつ前記第1面を覆う、外圧の印加により電気的特性が変化し、外圧の開放により元の状態に戻る感圧層を備えた。感圧層に斜め方向から外圧が印加された場合、基板の第1面が波型形状を備えていることから、横方向の力は第1面の波型形状の斜面に与えられる。そのため、電極の法線方向に近い角度で与えられる。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧に対して感度が上げることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、検出装置、電子機器及びロボットに関する。
外圧を測定する検出装置として、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。
特許文献1の検出装置は、裏面に錐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外圧分布を測定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、測定面にかかる外圧の面内方向の力(すべり力)を測定することができないという課題があった。
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測定することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の測定限界が決まってしまうという課題があった。
特許文献3の検出装置は、外圧の大きさをアナログ的に精度良く測定することは困難であるという課題があった。
以上のように、特許文献1〜3の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い感度で測定することができなかった。
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測定することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の測定限界が決まってしまうという課題があった。
特許文献3の検出装置は、外圧の大きさをアナログ的に精度良く測定することは困難であるという課題があった。
以上のように、特許文献1〜3の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い感度で測定することができなかった。
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]本適用例にかかる検出装置は、基板の第1面に印加された外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、前記第1面に形成された複数の電極と、前記複数の電極を覆って形成された弾性を有する感圧層と、を少なくとも備え、前記第1面は波型形状を有することを特徴とする。
これによれば、感圧層に斜め方向から外圧が印加された場合、基板の第1面が波型形状を備えていることから、横方向の力は第1面の波型形状の斜面に与えられる。そのため、電極の法線方向に近い角度で与えられる。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧に対して感度が上げることが可能となる。ここで、感圧層の電気的特性の変化は、感圧層の形状変化に伴い生じる特性変化を含むものとする。
なお、波状とは、少なくとも局部的には類似した形状を繰り返す繰り返しパターンを有する形状を示すものとする。
なお、波状とは、少なくとも局部的には類似した形状を繰り返す繰り返しパターンを有する形状を示すものとする。
[適用例2]上記適用例にかかる検出装置であって、前記感圧層の表面形状は、前記第1面の前記波型形状と倣う形状を備えていることを特徴とする。
上記した適用例によれば、感圧層は、第1面の波型形状と倣う(相似した)形状を備えている。そのため、感圧層は外圧源と第1面とにより挟まれるように外圧を受ける。よって、感圧層に加えられる外圧の横方向成分をより高い感度を持って測定することが可能となる。
[適用例3]上記適用例にかかる検出装置であって、前記波型形状は局部的に周期性を備えてなり、前記波型形状の周期幅が、外圧の印加幅の1/2倍以上1倍未満であることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧の大きさと方向とを測定することが可能となる。なお、周期幅とは、例えば波型形状の平均周期を指す。また、局在的に周期が異なった領域がある場合には、その領域での平均周期を指すものとする。
[適用例4]上記適用例にかかる検出装置であって、前記電極を含む外圧センサーが、前記波型形状の断面で見た半周期内に3つの個数が配置されることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧源から印加された外圧の大きさと方向とを測定することが可能となる。また、測定されたデータの総数が少ないことから、処理速度が低い情報処理装置を用いることが可能となる。
[適用例5]上記適用例にかかる検出装置であって、前記波型形状の頂点と、前記電極の一部とが、前記基板の平面視で重なっていることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧が集中してかかる領域に電極が配置されるため、外圧感度を高くすることが可能となる。
[適用例6]上記適用例にかかる検出装置であって、前記感圧層と重ねて、前記第1面を覆う、弾性を備えた導電性の材料を用いた導電層を備え、さらに、前記導電層と重ねて、前記第2基板を備えることを特徴とする。
上記した適用例によれば、狭い範囲(突起)に外圧が集中する。そのため、感圧層は狭い範囲で窪んだ形状に変形する。窪んだ形状で横方向に外圧がかかった場合、この窪みにより横方向へのずれが規制される。この規制された分だけ横方向の外圧に対する感度が向上するため、高い信号強度を得ることが可能となる。
[適用例7]上記適用例にかかる検出装置であって、前記感圧層と重ねて、前記第1面を覆う、弾性を備えた導電性の材料を用いた導電層を備えることを特徴とする。
上記した適用例によれば、電極と導電層との間で電気的特性を測定することが可能となる。電極と、感圧層の実効距離は、一対の電極を用い、横方向に対して測定する場合と比べ短くなる。
印加される外圧が同じ場合、感圧層の変形量はどちらの電極配置を用いた場合でも同じになる。そのため、感圧層の実効距離を小さくして測定することで、相対的に高い比率で感圧層は変形することとなる。よって印加された外圧を、高い感度を持って測定することが可能となる。
なお、導電層とは、電気的特性の測定に必要な抵抗値以下の抵抗値を備え、外圧が印加された場合に、感圧層の形状変形と合わせるように形状が変形し、かつ外圧の印加を開放した場合には元の形状に戻るものを示す。
印加される外圧が同じ場合、感圧層の変形量はどちらの電極配置を用いた場合でも同じになる。そのため、感圧層の実効距離を小さくして測定することで、相対的に高い比率で感圧層は変形することとなる。よって印加された外圧を、高い感度を持って測定することが可能となる。
なお、導電層とは、電気的特性の測定に必要な抵抗値以下の抵抗値を備え、外圧が印加された場合に、感圧層の形状変形と合わせるように形状が変形し、かつ外圧の印加を開放した場合には元の形状に戻るものを示す。
[適用例8]上記適用例にかかる検出装置であって、前記感圧層と重ねて、前記導電層を備え、さらに、前記導電層と重ねて、前記第2基板を備えることを特徴とする。
上記した適用例によれば、狭い範囲(突起)に外圧が集中する。そのため、感圧層は狭い範囲で窪んだ形状に変形する。窪んだ形状で横方向に外圧がかかった場合、この窪みにより横方向へのずれが規制される。この規制された分だけ横方向の外圧に対する感度が向上するため、高い信号強度を得ることが可能となる。また、導電層を備えることから、電極と導電層との間で電気的特性を測定することが可能となり、印加された外圧を上述したように、高い感度を持って測定することが可能となる。
[適用例9]本適用例にかかる電子機器は、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
これによれば、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]本適用例にかかるロボットは、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
これによれば、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。
以下、図面を参照して説明を行う。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軸が基板10に対して平行な方向に設定され、Z軸はX軸とY軸にそれぞれ直交する方向、すなわち基板10に対する法線方向に設定されている。また、以下の説明において、斜視図や平面図は、説明すべき部分を詳細に示すべく、縮尺や図示範囲等を変えている。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る検出装置1の概略構成を示す斜視図、図1(b)は、図1(a)におけるA−A’線断面図である。図1(a)において、基板10の第1面10a側には複数の電極12がマトリックス状に配列されている。なお、図1(a)では電極12の記載を省略している。
基板10の第1面10a側はX,Yそれぞれの方向に延在する波型形状を備えており、第1面10a側には、第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22が配置されている。
以下、第1実施形態について説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る検出装置1の概略構成を示す斜視図、図1(b)は、図1(a)におけるA−A’線断面図である。図1(a)において、基板10の第1面10a側には複数の電極12がマトリックス状に配列されている。なお、図1(a)では電極12の記載を省略している。
基板10の第1面10a側はX,Yそれぞれの方向に延在する波型形状を備えており、第1面10a側には、第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22が配置されている。
感圧層22とは、外圧が印加された場合に形状や誘電率、抵抗率等の特性が変化し、この変化を電気的に測定することで外圧を電気信号に変える層であり、かつ外圧の印加を停止した場合には元の状態に戻るものを示す。本実施形態では、主として形状変化に伴う容量変動分を測定する場合について説明するが、形状変化に伴う抵抗の変化、抵抗率の変化を用いて外圧を測定しても良い。具体的には、導電性物質が分散され、外圧の印加と共に導電性物質が接触することで抵抗率が低下するゴムを感圧層22として用い、圧力を測定する例をあげることができる。
検出装置1は、例えば外圧の方向と大きさを測定する外圧センサー方式のタッチパッドであり、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。外圧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電気抵抗方式等を用いることができる。以下の説明においては、主として静電容量方式を用いる場合について説明する。
そして、隣り合う2つの電極12と感圧層22により構成され、外圧によって感圧層22が弾性変形することにより、外圧を静電容量の変化として測定する外圧センサー14を検出装置1は備える。そして各外圧センサー14で測定された外圧値の差分を演算し、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。なお、必ずしも隣り合う電極12を用いる必要はなく、例えば間隔を空けた電極12を対にして外圧センサー14を構成しても良い。
基板10は、例えばプラスチックやガラス、石英等の材料を用い、第1面10a側は波型形状を備えている。例えば、基板10の大きさ(平面視のサイズ)は、縦56mm×横56mm程度になっている。
第1面10a側にある波型形状は、ここでは、周期性を備えているものとする。例えば第1面10aの平面視で1cm程度の幅を備えた略矩形のもの(例えば、指を想定)を外圧源として用いたとする。この場合、波型形状の周期幅として、1cmの1倍(1cm)以上、1cmの2倍(2cm)未満の周期幅を備えることで、外圧源から与えられた外圧の大きさと方向とを測定することが可能となる。
なお、幅とは、外圧の印加により変形した状態で、感圧層22と触れ合う面の短辺側の長さを示すものとする。
なお、幅とは、外圧の印加により変形した状態で、感圧層22と触れ合う面の短辺側の長さを示すものとする。
波型形状の周期幅としては、1cmの1/2倍(0.5cm)以上、1cmの1倍(1cm)未満の値を備えることも好適である。この場合、測定データ数に冗長性を持たせられることから、データ処理により雑音を抑制し、より高い感度をもって外圧を測定することが可能となる。
波型形状の周期幅としては、1cmの1/2倍(0.5cm)以下の周期幅を備えることも好適で、外圧源から与えられた外圧の大きさと方向とを、例えば、相関関係を調べることで信号処理し、測定上のノイズを抑制することができる。そのためより高い感度をもって測定することが可能となる。なお、原理的には周期幅の下限は無く、波長を小さくすることで、より高精度で測定が行えるが、第1面10aの加工限界や、電極12の加工限界、電極からの信号処理等により実用的に扱い得る周期の限界が生じる。本実施形態では、外圧源の幅を1周期とする周期幅を備える場合について説明を続ける。
なお、周期幅は場所によって異なる分布を備えていても良い。例えば、検出装置1で周辺部よりも通常接触確率が高い中央部の周期幅を小さくしても良い。また、必ずしも周期的な形状を備えることは必須ではなく、不規則な波パターン等を用いても良い。この場合においては、周期幅を局所的に捉えて、狭い領域での周期(1周期の場合も含む)に対して上記した関係を満たすことが好適となる。
複数の電極12は、第1面10a側に配置されている。図1(b)に示すように波型形状を断面で見て、半周期中に3つの外圧センサー14が配置されていることが好ましい。隣り合う電極12を一対として外圧センサー14が構成され、次の周期にある一番近い電極12も外圧センサー14の電極としても扱えることから、3つの電極12により3つの外圧センサー14が形成される。この場合、外圧源から与えられた外圧の大きさと方向とを測定することが可能となる。
また、半周期中に4つ以上6つ以下の外圧センサー14が配置されていることも好適である。この場合、外圧源から印加された外圧の大きさと方向とを冗長性をもって測定することが可能となる。そのため、外圧の大きさと方向とをより高い感度をもって測定することが可能となる。なお、この場合、電極12の数は4つ以上6つ以下となる。
また、半周期中に7つ以上の外圧センサー14が配置されていることも好適である。この場合、例えば、相関関係を調べることで測定上のノイズを抑制できるため、より高い感度をもって測定することが可能となる。なお、電極12の数は7つ以上となる。
なお、原理的には外圧センサー14の数には上限は無く、外圧センサー14の数(密度)を増やすことで、より高感度で測定が行えるが、電極12の加工限界や、電極12からの信号処理等により実用的に扱い得る電極12の数(密度)の限界が生じる。そのため、電極12の数(密度)の上限は付帯的要因により定められることとなる。
本実施形態では、半周期内に6つの電極12を配置した場合について説明を続ける。
なお、原理的には外圧センサー14の数には上限は無く、外圧センサー14の数(密度)を増やすことで、より高感度で測定が行えるが、電極12の加工限界や、電極12からの信号処理等により実用的に扱い得る電極12の数(密度)の限界が生じる。そのため、電極12の数(密度)の上限は付帯的要因により定められることとなる。
本実施形態では、半周期内に6つの電極12を配置した場合について説明を続ける。
また、波状形状の頂点の一部と、電極12とが基板10の平面視で重なっていることも好適である。この場合、外圧が集中してかかる領域に電極12が配置されるため、外圧感度を高くすることが可能となる。なお、マトリックス状に電極12が配置された場合における外圧値の差分演算方法については後述する。
図2及び図3は、外圧の方向と大きさを測定する方法の説明図である。
図2(a)〜(c)は、本実施形態に係る外圧の印加状況に基づく感圧層の変形状態を示す断面図である。
図3は、図2(a)〜(c)に対応した、本実施形態に係る、外圧源からの外圧の印加状況に基づく圧力センサーの出力分布を示すグラフである。図2(a)は感圧層の表面に垂直方向(すべり力がない状態)の外圧が印加された状態を示している。図2(b)は感圧層の表面に図2(a)の場合よりも強い外圧が印加された状態を示している。図2(c)は、図2(b)と同程度の外圧を斜め方向から印加された状態を示している。
図2(a)〜(c)は、本実施形態に係る外圧の印加状況に基づく感圧層の変形状態を示す断面図である。
図3は、図2(a)〜(c)に対応した、本実施形態に係る、外圧源からの外圧の印加状況に基づく圧力センサーの出力分布を示すグラフである。図2(a)は感圧層の表面に垂直方向(すべり力がない状態)の外圧が印加された状態を示している。図2(b)は感圧層の表面に図2(a)の場合よりも強い外圧が印加された状態を示している。図2(c)は、図2(b)と同程度の外圧を斜め方向から印加された状態を示している。
図3に示すグラフでは、図2(a)〜(c)における各外圧センサー14A,14B,14Cにより測定された外圧(Pressure)と、位置(Position)と、の関係を示している。図3(a)〜(c)は、図2における(a)〜(c)の外圧印加状況と対応している。
図2(a)に示すように、感圧層22に外圧源20から外圧が付加された場合には、感圧層22の厚みが外圧センサー14Aに対応する領域で変動し、外圧センサー14Aの容量が変化する。そのため、図3(a)に示すように、主に外圧センサー14Aに外圧が出力される。
図2(b)に示すように、感圧層22の表面に基板10の法線方向から、より大きな外圧が付加された場合には、感圧層22の厚みが外圧センサー14Aに対応する領域で大きく変動し、外圧センサー14Aの容量が変化する。また、外圧により感圧層22が変形し、外圧が広い範囲で測定される。そのため、図3(b)に示すように、外圧センサー14Aから外圧が出力されると共に、外圧センサー14B,14Cからも外圧が出力される。
図2(c)に示すように、斜め方向から外圧が付加された場合には、外圧センサー14A,14Cにかかる外圧が非対称となり、容量変化もこの外圧に対応して抽出される。そのため、図3(c)に示すように、横方向(X方向)に対して非対称な外圧が出力される。そのため、この非対称性から、外圧源20が感圧層22に対して斜め方向に外圧を掛けていることを認知することが可能となる。
また、感圧層22が波型形状を備えていることから、感圧層22に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。
図2(b)に示すように、感圧層22の表面に基板10の法線方向から、より大きな外圧が付加された場合には、感圧層22の厚みが外圧センサー14Aに対応する領域で大きく変動し、外圧センサー14Aの容量が変化する。また、外圧により感圧層22が変形し、外圧が広い範囲で測定される。そのため、図3(b)に示すように、外圧センサー14Aから外圧が出力されると共に、外圧センサー14B,14Cからも外圧が出力される。
図2(c)に示すように、斜め方向から外圧が付加された場合には、外圧センサー14A,14Cにかかる外圧が非対称となり、容量変化もこの外圧に対応して抽出される。そのため、図3(c)に示すように、横方向(X方向)に対して非対称な外圧が出力される。そのため、この非対称性から、外圧源20が感圧層22に対して斜め方向に外圧を掛けていることを認知することが可能となる。
また、感圧層22が波型形状を備えていることから、感圧層22に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。
図4は、第1実施形態に係る、XYZ方向の外圧を感知する複数の外圧センサー14の単位ブロックを示す図である。図5は、第1実施形態に係る外圧センサーによる垂直方向の外圧分布を示す図である。この場合では、多数の単位ブロックSを敷き詰めたように配置している。
図4に示すように、複数の外圧センサー14S1〜14S4は、単位測定領域S当たり一対の電極12に挟まれて縦2行横2列に計4つ配置されている。図4では、一部周辺の電極12や外圧センサー14についても記載している。ここで、各外圧センサー14S1〜14S4が測定する外圧値(測定値)をそれぞれPS1,PS2,PS3,PS4とすると、外圧のX方向成分Fx(外圧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、外圧のY方向成分Fy(外圧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、外圧のZ方向成分Fz(外圧の垂直方向成分)は以下の式(3)で表される。
本実施形態では、外圧によって感圧層22が弾性変形することにより4つの外圧センサー14S1〜14S4で測定された外圧値の差分を演算し、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つの外圧センサー14S1〜14S4で測定された外圧値のうちX+方向に配置された外圧センサー14S2及び14S4で測定された値が組み合わされるとともに、X−方向に配置された外圧センサー14S1及び14S3で測定された値が組み合わされる。このように、X+方向に配置された外圧センサー14S2及び14S4の組み合わせによる外圧値とX−方向に配置された外圧センサー14S1及び14S3の組み合わせによる外圧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つの外圧センサー14S1〜14S4で測定された外圧値のうちY+方向に配置された外圧センサー14S1及び14S2で測定された値が組み合わされるとともに、Y−方向に配置された外圧センサー14S3及び14S4で測定された値が組み合わされる。このように、Y+方向に配置された外圧センサー14S1及び14S2の組み合わせによる外圧値とY−方向に配置された外圧センサー14S3及び14S4の組み合わせによる外圧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つの外圧センサー14S1〜14S4の外圧値を足し合わせた合力で求められる。
図5に示すように、検出装置1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例にとる。この場合、外圧の垂直方向の外圧は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている(任意単位で90〜120程度)。また、外圧の垂直方向の外圧は、中心部に次いでその周辺部(任意単位で60〜90程度)、最外周部(任意単位で30〜60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、外圧センサー14の出力が任意単位で0〜30程度となっている。なお、ここでは消費電力や、外圧の計算負荷等を考慮して、検出装置1に外圧センサー14がマトリックス状(例えば縦15行×横15列に計225個)に配置した場合について説明している。なお、ここで単位測定領域S(図4参照)を、同様に例えば縦15行×横15列に計225個並べて外圧を検出しても良い。
図5に示すように、外圧の重心と外圧を印加している領域とが異なる場合、斜め方向に力が印加されていることとなる。この状態は、斜め方向にポインターを滑らせようとしていると判断できる。
なお、ここでは任意単位で出力を扱っているが、これは比例定数を掛けて例えば外圧をパスカル(Pa)等に変換しても良い。ここでは外圧センサー14を2行2列に配置した場合、換言すれば計算方法の原理について説明している。外圧センサー14の並びを2行2列から拡張した計算方法については、後述する。
図5に示すように、外圧の重心と外圧を印加している領域とが異なる場合、斜め方向に力が印加されていることとなる。この状態は、斜め方向にポインターを滑らせようとしていると判断できる。
なお、ここでは任意単位で出力を扱っているが、これは比例定数を掛けて例えば外圧をパスカル(Pa)等に変換しても良い。ここでは外圧センサー14を2行2列に配置した場合、換言すれば計算方法の原理について説明している。外圧センサー14の並びを2行2列から拡張した計算方法については、後述する。
上記した検出装置は、以下の効果を奏する。
図1を用いて説明する。感圧層22が波型形状を備えていることから、感圧層22に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。よって、高い感度をもって外圧の方向と大きさとを測定することができる。
図1を用いて説明する。図1に示すように、波状形状の頂点と、電極12とを基板10の平面視で重ねることで、外圧が集中してかかる領域に電極12が位置することとなる。そのため、高い感度をもって外圧の方向と大きさとを測定することができる。
図1を用いて説明する。複数の電極12は、基板10に対して互いに直交する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、一対の電極12により構成される外圧センサー14との間の距離が互いに等しくなるので、感圧層22の変形と各外圧センサー14で測定される外圧値との関係が互いに等しくなる。よって、各外圧センサー14で測定された外圧値の差分を容易に演算することができる。
図1を用いて説明する。検出装置1は、外圧によって感圧層22が弾性変形することにより、隣り合う2つの電極12と感圧層22により構成され、外圧を静電容量の変化で抽出する外圧センサー14を備える。そして各外圧センサー14で測定された外圧値の差分を演算し、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。これにより、外圧源が絶縁体の場合でも外圧を測定することが可能となり、例えばタッチペン等、絶縁性の外圧源を用いた場合においても外圧の測定ができる。
外圧の測定手段として容量変化に限定されることなく、電気抵抗の変動を用いることも可能である。強い電磁波が存在する環境に適用した場合、容量による抽出ではノイズによる影響を受ける場合がある。この場合、電気抵抗の変動を測定することで、当該電磁波の影響を避けられ、高い信頼性をもって外圧を抽出することができる。また、電気抵抗の変動を抽出する場合に、例えば一定の周期でパルス電圧を与え、流れるパルス電流を測定し抵抗値の抽出を行えば、さらに消費電力の増加を抑えることができる。
また、圧力の印加により、急激に電気抵抗を下げる物質を用いても良い。この場合、圧力が掛かっていない場合には殆ど電流を流さないことから、外圧が印加された場合のみに電流が流れるため、休止状態での消費電力を抑えることが可能となる。なお、このような物質としては炭素等の導電素材をゴム中に分散させ、圧力が加わった場合に各々の導電素材が電気的に繋がり、電流を流す物質を例示することができる。
また、圧力の印加により、急激に電気抵抗を下げる物質を用いても良い。この場合、圧力が掛かっていない場合には殆ど電流を流さないことから、外圧が印加された場合のみに電流が流れるため、休止状態での消費電力を抑えることが可能となる。なお、このような物質としては炭素等の導電素材をゴム中に分散させ、圧力が加わった場合に各々の導電素材が電気的に繋がり、電流を流す物質を例示することができる。
図2を参照して説明する。感圧層22の表面に外圧が付加されると、感圧層22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がある場合、感圧層22の変形には偏りが生じる。即ち、感圧層22の重心は外圧源の重心から外れる。所定方向(すべり方向)に移動する場合、外圧源の重心と、外圧センサー14が受ける外圧の最大値を示す位置とが異なってくる。よって、演算装置により、各外圧センサー14S1〜14S4で測定された外圧値の差分を演算し、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。
図1を参照して説明する。上記したように感圧層22と基板10と倣う波型形状を備えている。よって感圧層22は、すべり方向に対しても、外圧源と第1面10aとにより挟まれるように外圧を受ける。そのため、感圧層22は波型形状を備えない場合に比べ、大きく変形する。従って、横方向の力に対して高い感度をもって外圧の抽出が可能となり、外圧の方向と大きさを高い精度で測定することが可能な検出装置1を提供することができる。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。
図6は、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7は、図6のA−A’線断面図である。図6において、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されているが、図示の視認性を考慮し、当該分解斜視図においては図示を省略し、断面図である図7に記載している。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。
そして、感圧層22に重ねて、感圧層22側に位置する突起131を含む突起シート130を備えている。第1実施形態との主な差異は、検出装置101が突起シート130を備えていることである。以下、重複を避けるべく、主としてこの差異に関する部分について説明する。
以下、第2実施形態について説明する。
図6は、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7は、図6のA−A’線断面図である。図6において、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されているが、図示の視認性を考慮し、当該分解斜視図においては図示を省略し、断面図である図7に記載している。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。
そして、感圧層22に重ねて、感圧層22側に位置する突起131を含む突起シート130を備えている。第1実施形態との主な差異は、検出装置101が突起シート130を備えていることである。以下、重複を避けるべく、主としてこの差異に関する部分について説明する。
突起シート130は、マトリックス状に配置された突起131を備えており、外圧が加えられた突起シート130は、突起131を介して感圧層22に外圧を加える。この場合、突起131に外圧が集中する。そのため、感圧層22は狭い範囲で窪んだ形状に変形する。窪んだ形状で横方向に外圧がかかった場合、この窪みにより横方向へのずれが規制される。
加えて、図7に示すように、基板10の第1面10a側に波型形状を備え、また基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。そのため、感圧層22に突起131を介して斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。ここで、複数の外圧センサー14を用いて、外圧の印加方向等を測定する方法について説明する。
第1実施形態では、外圧を分解して測定する原理を示すべく、外圧センサー14を2行2列に配置し、外圧を分解する計算方法の原理について説明するための計算式を示したが、実際には多数の外圧センサーにより外圧を求めることとなる。ここでは、i個(iは4以上の整数)の外圧センサー14を用いた場合に適用できる拡張した計算式を示す。
加えて、図7に示すように、基板10の第1面10a側に波型形状を備え、また基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。そのため、感圧層22に突起131を介して斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。ここで、複数の外圧センサー14を用いて、外圧の印加方向等を測定する方法について説明する。
第1実施形態では、外圧を分解して測定する原理を示すべく、外圧センサー14を2行2列に配置し、外圧を分解する計算方法の原理について説明するための計算式を示したが、実際には多数の外圧センサーにより外圧を求めることとなる。ここでは、i個(iは4以上の整数)の外圧センサー14を用いた場合に適用できる拡張した計算式を示す。
複数の外圧センサーSiは、4個以上配置されている。ここで、各外圧センサー14Siが測定する外圧値(測定値)をそれぞれPi、基準点Pと各外圧センサーSiとの間の距離の面内方向成分をriとする。また、面内方向成分のうちX方向成分をrxi、面内方向成分のうちY方向成分をryiとすると、外圧のX方向成分Fx(外圧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、外圧のY方向成分Fy(外圧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、外圧のZ方向成分Fz(外圧の垂直方向成分)は以下の式(6)で表される。
本実施形態では、外圧によって突起131を介して、感圧層22が弾性変形することにより変化するi個の外圧センサーSiの外圧値の差分を演算し、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、i個の外圧センサーSiで測定された外圧値のうちX方向に配置された外圧センサーSiで測定された値を処理して外圧の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、i個の外圧センサーSiで測定された外圧値のうちY方向に配置された外圧センサーSiで測定された値を処理して外圧の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、i個の外圧センサーSiで測定された外圧値を足し合わせた合力で求められる。
式(5)に示すように、外圧のY方向成分Fyにおいては、i個の外圧センサーSiで測定された外圧値のうちY方向に配置された外圧センサーSiで測定された値を処理して外圧の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、i個の外圧センサーSiで測定された外圧値を足し合わせた合力で求められる。
ここでは、突起シート130の突起131と、感圧層22の波型形状を互いに関連付けることなく、相関関係なく突起131が感圧層22と接触するよう形成した例について説明したが、これは、例えば感圧層22の波型形状に合わせて突起131の分布を変えても良い。例えば、感圧層22の頂点や窪み部分に突起131が接触するよう配置しても良い。また、突起131がある位置近傍で電極12を高い密度で配置し、それ以外の部分では電極12の密度を落としても良い。また、突起シート130と突起131とを導電性の物質を用いて形成しても良い。
また、本実施形態では、突起シート130の、突起131が位置する面と反対側の面の形状が、基板10の第1面10a側の波型形状と倣っている場合について説明したが、これは、第1面10a側の形状と別の形状を取っても良く、特に限定はされない。
上記した検出装置は、第1実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
図7を参照して説明する。外圧は突起131を介して感圧層22に加えられることから、突起131に外圧が集中することとなる。そのため、感圧層22は狭い範囲で窪んだ形状に変形する。窪んだ形状で横方向に外圧がかかった場合、この窪みにより横方向へのずれが規制される。そのため、この規制分横方向の外圧が強くなり、横方向の外圧を高い感度で測定することができる。
感圧層22の頂点に突起131を配置することで、外圧を集中させた状態で測定することが可能となり、外圧感度を向上させることができる。
感圧層22の窪み部分に突起131を配置することで、横方向の外圧成分は感圧層22の厚み方向と近い角度で測定される。そのため、横方向の外圧感度を向上させることができる。
突起シート130に形成された突起131を介して感圧層22に外圧が伝えられるため、第1面10aの波型形状や、感圧層22の波型形状に合わせて突起を形成すると、外圧源の面積や形状に依存することなく印加された外圧を測定することが可能となり、外圧の方向と大きさを高い感度で測定することができる。
突起シート130の突起131の部分に集中して電極12を配置することで、少ない外圧センサー14で外圧を測定することが可能となり、空間分解能を落とすことなく電極12の数を減らすことができる。そのため、外圧センサー14全体での消費電力を低減するとともに、外圧の方向と大きさを高い感度で測定することができる。
図7を用いて説明する。突起シート130が波型形状を備えていることから、突起シート130に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、突起シート130が波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対して感度が上がる。よって、高い感度をもって外圧の方向と大きさとを測定することができる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について説明する。
図8(a)は、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斜視図、図8(b)は、図8(a)のA−A’線断面図である。図8において、第1実施形態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、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されている。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。
以下、第3実施形態について説明する。
図8(a)は、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斜視図、図8(b)は、図8(a)のA−A’線断面図である。図8において、第1実施形態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、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されている。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。
そして、感圧層22に重ねて、導電層140が備えられている。第1実施形態との主な差異は、検出装置201が導電層140を備えていることである。以下、重複を避けるべく、主としてこの差異に関する部分について説明する。
なお、導電層140とは、電気的特性の測定に必要な抵抗値以下の抵抗値を備え、外圧が印加された場合に、感圧層22の形状変形と合わせるように形状が変形し、かつ外圧の印加を停止した場合には元の形状に戻るものを示す。一例としては、炭素等の導電性を示す物質を、柔軟性を備えたポリオレフィン系の樹脂中に分散させたものを挙げることができる。
この場合においても、感圧層22が波型形状を備えていることから、感圧層22に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対応する感度が上がる。
導電層140は、例えば接地電位が与えられている。そして、感圧層22を介して電極12と対向している。この場合、外圧センサー14は、感圧層22を挟んで電極12と導電層140とにより構成される。そして、外圧が印加されることで、感圧層22の厚さの変化に伴う容量変化を出力する。また、感圧層22として導電性を備え、形状変化に伴い導電性が変化する物質や外圧により導電率が変わる物質を用いた場合には、外圧を抵抗変化に変えて出力することもできる。
また、本実施形態では、導電層140の、感圧層22と接する面と反対側の面の形状が、基板10の第1面10a側の波型形状と倣っている場合について説明したが、これは、別の形状をとっても良く、特に限定はされない。
上記した検出装置は、第1、第2実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
外圧センサー14が備える感圧層22を挟む実効距離は、一対の電極を用いた外圧センサー14と比べ短くなる。印加される外圧が同じ場合、感圧層22の変形量はどちらの電極配置を用いた場合でも同じになる。そのため、感圧層22の実効距離を挟む実効距離を小さくすることで、相対的に高い比率で感圧層は変形することとなる。よって印加された外圧を、高い感度をもって測定することが可能となる。
外圧センサー14は、導電層140に覆われている。即ち、外圧センサー14は電気的にシールドされている。そのため、外圧源の導電性や電位に依存することなく、感圧層22の電気的特性変化を抽出することが可能となる。
外圧センサー14は電気的にシールドされている。そのため、外圧センサー14の表面(第1面10a側)側が汚染された場合でも、外圧センサー14の動作は影響されない。即ち、汚染による影響を排除した状態で、感圧層22の電気的特性変化を抽出することが可能となる。
(第4実施形態)
以下、第4実施形態について説明する。
図9は、本発明の第4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10は、図9のA−A’線断面図である。図9、図10において、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態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10において、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されている。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。そして、感圧層22に重ねて、導電層140が備え、導電層140に重ねて突起131を備える突起シート130と、を備えている。
第1、第2、第3実施形態との主な差異は、検出装置301が導電層140と、突起シート130を共に備えていることである。以下、重複を避けるべく、主としてこの差異に関する部分について説明する。
以下、第4実施形態について説明する。
図9は、本発明の第4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10は、図9のA−A’線断面図である。図9、図10において、第1実施形態、第2実施形態、第3実施形態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10において、基板10は電極12が位置する第1面10aに波状の形状を備えている。また、複数の電極12がマトリックス状に配列されている。そして、基板10の第1面10a側には、基板10の第1面10aの形状に倣う波型形状を備える感圧層22を備えている。ここまでの構成は、第1実施形態と同様である。そして、感圧層22に重ねて、導電層140が備え、導電層140に重ねて突起131を備える突起シート130と、を備えている。
第1、第2、第3実施形態との主な差異は、検出装置301が導電層140と、突起シート130を共に備えていることである。以下、重複を避けるべく、主としてこの差異に関する部分について説明する。
この場合においても、感圧層22が波型形状を備えていることから、感圧層22に斜め方向から外圧が印加された場合、外圧の横方向成分は、波型形状により動きが規制されて感圧層22に加えられる。加えて、基板10も感圧層22と倣う波型形状を備えていることから、横方向の力は電極12の法線方向に近い角度で印加される。そのため、波型形状を備えていない場合と比べ、外圧の横方向成分に対応する感度が上がる。
また突起シート130は、マトリックス状に配置された突起131を備えており、外圧が加えられた突起シート130は、突起131を介して感圧層22に外圧を加える。この場合、突起131に外圧が集中する。そのため、感圧層22は狭い範囲で窪んだ形状に変形する。窪んだ形状で横方向に外圧がかかった場合、この窪みにより横方向へのずれが規制され、規制された分だけ横方向の外圧感度が向上する。
導電層140は、例えば接地電位が与えられている。そして、感圧層22を介して電極12と対向している。この場合、外圧センサー14は、感圧層22を挟んで電極12と導電層140とにより構成される。そして、外圧が印加されることで、感圧層22の厚さの変化に伴う容量変化を出力する。また、感圧層22として導電性を備え、形状変化に伴い導電性が変化する物質や外圧により導電率が変わる物質を用いた場合には、外圧を抵抗変化に変えて出力することもできる。
上記した検出装置は、第1、第2、第3実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
図11を用いて説明する。図11(a)は、導電層140が無い場合の信号パス、図11(b)は導電層140がある場合の信号パスを示す模式断面図である。図11(a)に示すように、突起シート130と突起131とを導電性の物質を用いることで、突起131と感圧層22と、電極12とを含み、感圧層22の厚み方向に対して電気的特性の変化を測定することが可能となる。だが、この場合、図11(a)に示すように各々の突起131と、電極12との電気的距離(矢印で示す)が各々の電極12に対して異なることとなる。そのため、電極12と突起131との位置関係により測定値が異なってしまうが、導電層140を用いることで、電極12との導電層140との電気的距離は等しく保たれるため、高い精度で外圧測定が可能となる。
図10を用いて説明する。突起シート130により、単位面積当たりの外圧が大きくなり、特に横方向の感度が向上するが、反面、突起131と当たる部分が機械的応力に対して疲労し、弾性限界を超えて変形する虞がある。
ここで、感圧層22が変形した場合、容量特性や電気抵抗特性に影響がでるが、感圧層22は導電層140に覆われているため、変形は主に導電層140に発生することとなる。導電層140が変形しても、電気的特性には変化が出にくい(導電層140内での電位分布は殆ど無い)ため、高い感度と、高い信頼性を兼ね備えた検出装置301を提供することが可能となる。
ここで、感圧層22が変形した場合、容量特性や電気抵抗特性に影響がでるが、感圧層22は導電層140に覆われているため、変形は主に導電層140に発生することとなる。導電層140が変形しても、電気的特性には変化が出にくい(導電層140内での電位分布は殆ど無い)ため、高い感度と、高い信頼性を兼ね備えた検出装置301を提供することが可能となる。
(電子機器)
図12(a)は、上記実施形態に係る検出装置1,101,201,301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12(a)は、上記実施形態に係る検出装置1,101,201,301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12(b)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測定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13は、上記実施形態に係る検出装置1,101,201,301を適用したロボットとしてのロボットハンド3000の概略構成を示す模式図である。図13(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13は、上記実施形態に係る検出装置1,101,201,301を適用したロボットとしてのロボットハンド3000の概略構成を示す模式図である。図13(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13(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で外圧として測定される。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)を測定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測定することが可能なロボットを提供することができる。
加えて、検出装置1,101,201,301は表面に波型の形状を備えている。そのため、この波型により摩擦力が大きくなることから、対象物3010をより安定した状態で持つことが可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良等を加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
[変形例1]
図2を引用して説明する。上記した例では、感圧層22として誘電体を用いた例について説明したが、これは外圧により比抵抗が変わる材質等を用い、静電容量に代えて電気抵抗を測定するようにしても良い。この場合、例えば一定の周期で短いパルス電圧を与え、抵抗値を測定しても良い。このようにすると、消費電力の増加を抑えて外圧を測定しうる検出装置1を得ることができる。
図2を引用して説明する。上記した例では、感圧層22として誘電体を用いた例について説明したが、これは外圧により比抵抗が変わる材質等を用い、静電容量に代えて電気抵抗を測定するようにしても良い。この場合、例えば一定の周期で短いパルス電圧を与え、抵抗値を測定しても良い。このようにすると、消費電力の増加を抑えて外圧を測定しうる検出装置1を得ることができる。
[変形例2]
図2を引用して説明する。電気抵抗を測定して外圧を算出する場合に、外圧に対して非線形に比抵抗が変わる、導電粒子が分散されたゴム系の物質を用いることも好適である。この場合、外圧が掛かっていない場合にはほぼ絶縁体となり、外圧が掛かった場合には低抵抗となる。そのため、消費電力の増加を抑えて外圧を測定することが可能となる。さらに、この場合、抵抗値と外圧との関係をルックアップテーブル等に格納しておくことで、抵抗値からの外圧の算出を容易に行うことが可能となる。
図2を引用して説明する。電気抵抗を測定して外圧を算出する場合に、外圧に対して非線形に比抵抗が変わる、導電粒子が分散されたゴム系の物質を用いることも好適である。この場合、外圧が掛かっていない場合にはほぼ絶縁体となり、外圧が掛かった場合には低抵抗となる。そのため、消費電力の増加を抑えて外圧を測定することが可能となる。さらに、この場合、抵抗値と外圧との関係をルックアップテーブル等に格納しておくことで、抵抗値からの外圧の算出を容易に行うことが可能となる。
[変形例3]
図1を用いて説明する。本実施形態では、基板10の第1面10aと、感圧層22をXY方向に等間隔で並んだ波型を用いた場合について説明したが、これは、X方向またはY方向のみに並んだ波型を用いても良い。また、同心円(形状の揺らいだ同心円を含む)状や、曲線の集合体(例えば指紋型)を用いても良い。また、お椀(ボウル)型のように凸形状を備えていても良い。第1面10a形状は、その他諸々の形状を備えていても良く、外圧源の幅に対して、第1面10aの形状が、2倍未満の周期幅をもち、外圧センサー14が周期幅の半分の幅に対して3つ以上配置されていれば、特に形状は限定されない。
図1を用いて説明する。本実施形態では、基板10の第1面10aと、感圧層22をXY方向に等間隔で並んだ波型を用いた場合について説明したが、これは、X方向またはY方向のみに並んだ波型を用いても良い。また、同心円(形状の揺らいだ同心円を含む)状や、曲線の集合体(例えば指紋型)を用いても良い。また、お椀(ボウル)型のように凸形状を備えていても良い。第1面10a形状は、その他諸々の形状を備えていても良く、外圧源の幅に対して、第1面10aの形状が、2倍未満の周期幅をもち、外圧センサー14が周期幅の半分の幅に対して3つ以上配置されていれば、特に形状は限定されない。
[変形例4]
図1を用いて説明する。ここでは基板10の第1面10aが備える波型形状に倣う形状を感圧層22が備える場合について説明したが、これは互いに別の波型形状を備えていても良い。この場合でも、横方向の力は第1面10aの波型形状の斜面に印加されるため、電極の法線方向に近い角度で印加されるので外圧の横方向成分に対して感度を上げることができる。
図1を用いて説明する。ここでは基板10の第1面10aが備える波型形状に倣う形状を感圧層22が備える場合について説明したが、これは互いに別の波型形状を備えていても良い。この場合でも、横方向の力は第1面10aの波型形状の斜面に印加されるため、電極の法線方向に近い角度で印加されるので外圧の横方向成分に対して感度を上げることができる。
さらに、前記実施形態により把握できる技術的思想について以下に記載する。
請求項1または2にかかる検出装置であって、前記波型形状は局部的に周期性を備えてなり、前記波型形状の周期幅が、外圧の印加幅の1/4倍以上1/2倍未満であることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧源から与えられた外圧の大きさと方向とを、より精密に測定することが可能となる。この場合、測定データ数に冗長性を持たせられることから、雑音を抑制し、より高い感度をもって外圧を測定することが可能となる。
請求項1または2にかかる検出装置であって、前記波型形状は局部的に周期性を備えてなり、前記波型形状の周期幅が、外圧の印加幅の1/4倍未満であることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧源から与えられた外圧の大きさと方向とを、例えば、相関関係を調べることで信号処理し、測定上のノイズを抑制することができることから、より高い感度をもって測定することが可能となる。
なお、原理的には、波型形状の周期には下限は無く、周期(波長)を小さくすることで、より高精度で測定が行えるが、加工限界や、後述する電極の形成、電極からの信号処理等により実用的に扱い得る周期の限界が生じる。そのため、下限は付帯的要因により定められることとなる。
なお、原理的には、波型形状の周期には下限は無く、周期(波長)を小さくすることで、より高精度で測定が行えるが、加工限界や、後述する電極の形成、電極からの信号処理等により実用的に扱い得る周期の限界が生じる。そのため、下限は付帯的要因により定められることとなる。
請求項2または3に記載の検出装置であって、前記電極を含む外圧センサーが、前記波型形状の断面で見た半周期内に4つ以上6つ以下の個数が配置されることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧源から印加された外圧の大きさと方向とを冗長性を持って測定することが可能となる。そのため、外圧の大きさと方向とをより高い感度をもって測定することが可能となる。
請求項2または3に記載の検出装置であって、前記電極を含む外圧センサーが、前記波型形状の断面で見た半周期内に7つ以上の個数が配置されることを特徴とする。
上記した適用例によれば、外圧源から印加された外圧の大きさと方向とを、より正確に測定することが可能となる。例えば、相関関係を調べることで測定上のノイズを抑制できるため、より高い感度をもって測定することが可能となる。
なお、原理的には電極数の上限は無く、電極数を増やすことで、より高感度で測定が行えるが、加工限界や、電極の形成、電極からの信号処理等により実用的に扱い得る電極密度の限界が生じる。そのため、上限は付帯的要因により定められることとなる。
なお、原理的には電極数の上限は無く、電極数を増やすことで、より高感度で測定が行えるが、加工限界や、電極の形成、電極からの信号処理等により実用的に扱い得る電極密度の限界が生じる。そのため、上限は付帯的要因により定められることとなる。
1…検出装置、10…基板、10a…第1面、12…電極、14…外圧センサー、14A…外圧センサー、14B…外圧センサー、14C…外圧センサー、14S1…外圧センサー、14S2…外圧センサー、14S3…外圧センサー、14S4…外圧センサー、14Si…外圧センサー、20…外圧源、22…感圧層、101…検出装置、130…突起シート、131…突起、140…導電層、201…検出装置、301…検出装置、1000…携帯電話機、1001…液晶パネル、1002…スクロールボタン、1003…操作ボタン、2000…携帯情報端末、2001…液晶パネル、2002…操作ボタン、2003…電源スイッチ、3000…ロボットハンド、3001…把持部、3002…アーム部、3003…本体部、3010…対象物。
Claims (10)
- 基板の第1面に印加された外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、
前記第1面に形成された複数の電極と、
前記複数の電極を覆って形成された弾性を有する感圧層と、を少なくとも備え、
前記第1面は波型形状を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項1に記載の検出装置であって、
前記感圧層の表面形状は、前記波型形状と倣う形状を備えていることを特徴とする検出装置。 - 請求項1または2に記載の検出装置であって、
前記波型形状は局部的に周期性を備えてなり、
前記波型形状の周期幅が、外圧の印加幅の1/2倍以上1倍未満であることを特徴とする検出装置。 - 請求項2または3に記載の検出装置であって、
前記電極を含む外圧センサーが、前記波型形状の断面で見た半周期内に3つの個数が配置されることを特徴とする検出装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の検出装置であって、前記波型形状の頂点と、前記電極の一部とが、前記基板の平面視で重なっていることを特徴とする検出装置。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の検出装置であって、前記感圧層と重ねて、先端部が前記感圧層に当接する突起を含む、第2基板を備えることを特徴とする検出装置。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の検出装置であって、前記感圧層と重ねて、前記第1面を覆う、弾性を備えた導電性の材料を用いた導電層を備えることを特徴とする検出装置。
- 請求項6に記載の検出装置であって、
前記感圧層と重ねて、前記第1面を覆う、弾性を備えた導電性の材料を用いた導電層を備え、さらに、前記導電層と重ねて、前記第2基板を備えることを特徴とする検出装置。 - 請求項1〜8のいずれか一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。
- 請求項1〜8のいずれか一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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010257567A JP2012108021A (ja) | 2010-11-18 | 2010-11-18 | 検出装置、電子機器及びロボット |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010257567A JP2012108021A (ja) | 2010-11-18 | 2010-11-18 | 検出装置、電子機器及びロボット |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2012108021A true JP2012108021A (ja) | 2012-06-07 |
Family
ID=46493799
Family Applications (1)
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JP2010257567A Withdrawn JP2012108021A (ja) | 2010-11-18 | 2010-11-18 | 検出装置、電子機器及びロボット |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2012108021A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101533974B1 (ko) * | 2014-07-02 | 2015-07-10 | 성균관대학교산학협력단 | 센서 및 그 제조방법 |
WO2021039094A1 (ja) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 荷重センサ |
-
2010
- 2010-11-18 JP JP2010257567A patent/JP2012108021A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
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KR101533974B1 (ko) * | 2014-07-02 | 2015-07-10 | 성균관대학교산학협력단 | 센서 및 그 제조방법 |
US9851271B2 (en) | 2014-07-02 | 2017-12-26 | Research & Business Foundation Sungkyunkwan University | Sensor and method of manufacturing the same |
WO2021039094A1 (ja) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 荷重センサ |
CN114222904A (zh) * | 2019-08-27 | 2022-03-22 | 松下知识产权经营株式会社 | 负荷传感器 |
JP7386445B2 (ja) | 2019-08-27 | 2023-11-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 荷重センサ |
US12000738B2 (en) | 2019-08-27 | 2024-06-04 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Load sensor |
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