JP2012163333A - 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感度で且つ再現性良く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の回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、弾性変形する弾性体突起２２は、互いに張力で影響しあう弾性体で接合されている。
【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および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、特に時間的な変形保持（変形させるとしばらく変形が元の状態に戻らない）で外圧の検出力が影響されてしまう。
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とを常に高い感度で且つ再現性良く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常に高い感度と精度（ヒステリシスが極めて小さい）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。

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、外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、基準点の回りに配置された複数の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、先端部が前記第１基板に当接した状態で前記外圧によって弾性変形する弾性体突起が形成された弾性力を有する第２基板と、を備え、前記第２基板は、所定の弾性力を有する弾性体からなることを特徴とする。
なお、上記重心は、圧力中心である。

［適用例２］上記適用例の検出装置において、前記弾性体突起と前記第１基板との間に設けられた弾性体シートを有し、前記弾性体突起の先端部は、前記弾性体シートに当接していることとしてもよい。

［適用例３］本適用例の検出装置は、外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、基準点の回りに配置された複数の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、前記第２基板は、所定の弾性力を有する弾性体からなることを特徴とする。

［適用例４］上記適用例の検出装置において、前記第２基板に張力を与えた状態で前記第２基板の外周部を固定する支持部をさらに備えることとしてもよい。

このような構成によれば、弾性体突起の先端部が第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。

［適用例５］上記適用例の検出装置において、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。

［適用例６］上記適用例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、前記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。

［適用例７］上記適用例の検出装置において、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。

［適用例８］上記適用例の検出装置において、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。

［適用例９］前記弾性体突起は前記第２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ていることとしてもよい。

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。

この検出装置によれば、第２基板の面内において一つの弾性体突起が弾性変形したときに、弾性変形を起こしていない、あるいは隣り合った弾性変形の小さい弾性体突起がこの弾性変形を初期状態に戻そうとする。例えば、一つの弾性体突起が変形をし、その後外圧が除去されたときに周辺の弾性体突起は、この変形が生じた弾性体に影響を及ぼし、速やかにこの変形量を初期状態に戻そうと引き合う。このため、一度弾性変形を行った弾性体突起が速やかに外圧の加わらない初期状態に戻ることができる。したがって、外圧の方向と大きさを常に高い感度で、且つ再現性良く（ヒステリシスがきわめて小さい）検出することができる。また、この引き合う力を材質、あるいは、あらかじめ備える張力で調整することにより、装置の検出力範囲を所望のものに制御することができる。

［適用例１０］本適用例の電子機器は、上記適用例の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、上記適用例の検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを常に高い感度と精度（ヒステリシスが極めて小さい）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１１］本適用例のロボットは、上記適用例の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常に高い感度と精度（ヒステリシスが極めて小さい）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。

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。 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。 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。 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。 第１実施形態に係る圧力センサーによる弾性体突起と第２基板本体の関係を示す断面図。 第１実施形態に係る圧力センサーによる効果を示す関係図。 第２実施形態に係る圧力センサーによる弾性体突起と第２基板本体の関係を示す断面図。 第３実施形態に係る圧力センサーによる弾性体突起と第２基板本体の断面図。 第３実施形態に係る圧力センサーの弾性体突起と第２基板本体の接続方法を示す図。 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の辺部に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸がＸ軸およびＹ軸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。

本実施形態の検出装置は、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（重心）が平面的に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の回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を有する第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４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、例えばシリコーンゴムなどの弾性体を用いて構成されている。本実施形態では、第２基板本体２１と弾性体突起２２とを接着剤により接着しているが、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もよい。

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、球面の錐状となっており、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ＰＳ₁，ＰＳ₂，ＰＳ₃，ＰＳ₄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。

図７は、第１実施形態において、外部圧力が加減された場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１の関係を示す図である。
図７（ａ）に示すように第２基板２０は、シリコ−ンゴムなどの弾性体を用いて構成されている。この弾性体突起２２と第２基板本体２１とは、互いに結合されており、隣り合った弾性体突起２２は、第２基板本体２１を介して引っ張り合い互いに影響し合うものとなる。
第２基板２０は、張力が与えられた状態で最外周部がフレ−ム２１０に固定されている。なお、第２基板２０は、外力を与えた時に張力が生じれば良く、必ずしもフレ−ム２１０に固定することを限定するものではない。例えば、図示はしないが、円筒形の物体に本実施形態の検出装置１を巻きつける場合、第２基板２０は、環状となり、円筒形の物体に装着した時点で張力を生じるものであれば良い。
また、この弾性体突起２２と第２基板本体２１をシリコ−ンゴムのような弾性体で一体形成した場合には、平面的な設置で、周囲に固定されない構成において、少なくとも外圧を加えると張力を有するものであればよい。

図７（ｂ）は、外部圧力Ｆが第２基板２０に対し垂直に加えられた場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１の関係を示す図である。
外部圧力Ｆにより、この弾性体突起２２と第２基板本体２１は、外部圧力Ｆを加えた点を中心にほぼ同心円上に均等に変形を生じ、その結果、第２基板本体２１にほぼ周辺均等に張力Ｔｂが発生する。
図７（ｃ）は、上記外部圧力Ｆが除かれた場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１の関係を示す図である。

第２基板本体２１のほぼ周辺均等に働いていた張力ＴＢが、前述の変形を直ちに元の外力を加えていない状態の第２基板（図７（ａ）の第２基板）に戻そうとする。

図７（ｄ）は、外部圧力Ｆが第２基板２０に対し斜めに加えられた場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１の関係を示す図である。
外部圧力Ｆにより、この弾性体突起２２と第２基板本体２１は、偏りをもち不均一に変形を生じ、その結果、第２基板本体２１に偏った張力Ｔｃ１，Ｔｃ２が発生する。
この張力Ｔｃ１，Ｔｃ２の大きさは、Ｔｃ１＜Ｔｃ２であり、Ｔｃ１，Ｔｃ２は、外部圧力Ｆを加えた位置と、フレ−ム２１０との間で生じ、外部圧力ＦのＸＹ平面上のベクトル成分力と外部圧力Ｆを加えていないときに第２基板２０に生じる張力との合力となる。

図７（ｅ）は、上記外部圧力が除かれた場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１の関係を示す図である。
上記第２基板本体２１の偏った張力Ｔｃ１，Ｔｃ２が、上記変形を直ちに元の外力を加えていない第２基板（図７（ａ）の第２基板）に戻そうとする。

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、外圧の方向の検出精度を高めることができる。第２基板２０の表面に所定の方向の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、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、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値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、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、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値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、外圧を効率良く各圧力センサーＳ１〜Ｓ４に伝達することができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。

また、この構成によれば、第２基板２０の面内において、一つの弾性体突起２２が弾性変形したときに、弾性変形を起こしていないあるいは弾性変形の小さい隣り合った弾性体突起２２がこの弾性変形を初期状態に戻そうとする。その結果、外圧の方向と大きさを常に高い感度で、且つ再現性良く（ヒステリシスがきわめて小さい）検出することができる。

図８は、この構成による第２基板２０の最外周部がフレ−ム２１０に固定されており、第２基板２０に張力が与えられている場合と、第２基板２０がなく弾性体突起２２に張力が与えられていない場合とでセンサーの出力値を比較したものである。

図８（ａ）は、第２基板２０がなく第２基板２０に張力が与えられていない場合であり、弾性体突起２２において互いに張力で影響しあうことがない場合において、外部圧力を加えていった（増加）時と外部圧力を除いていった（減少）時の出力値の推移である。
これより、外部圧力を加えていった（増加）時と外部圧力を除いていった（減少）時の出力値は大きく異なり、ヒステリシスが確認でき、感度の劣化と再現性が劣ることがわかる。

図８（ｂ）は、本実施例による第２基板があり第２基板２０に張力が与えられているセンサーにおいて、外部圧力を加えていった（増加）時と外部圧力を除いていった（減少）時の出力値の推移である。
これにより、外部圧力を加えていった（増加）時と外部圧力を除いていった（減少）時の出力値は、同じ値で、ヒステリシスがなく、感度と再現性の劣化が見られないことがわかる。
なお、感度の向上は、グラフ横軸の外圧の強さが小さくても、所望の圧力センサー出力値が得られていることでわかる。

図８（ｃ）は、本実施例による第２基板のあるセンサーにおいて、第２基板２０に加わる張力を図８（ｂ）に比べ高めたものである。
これにより、外部圧力を加えていった（増加）時と外部圧力を除いていった（減少）時の出力値は、同じ値で、ヒステリシスがない状態を保ちながら出力値を変動させることができ、第２基板２０に加わる張力を変えることにより、所望の出力値をコントロ−ルできることがわかる。

なお、第２基板２０の弾性体突起２２に加えられる張力は、第２基板２０の材質、配置数、形状、厚さ、第１基板１０のセンサー感度等により適正な値を選択すればよい。同時に、第２基板本体２１における弾性体シ−トの形状、厚み、材質、弾性力も所望な張力を得ることができるものであればよい。
また、第１基板１０におけるセンサー方式は、静電容量方式、抵抗方式等に限定されるものではない。

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９は、図７に対応した、本発明の第２実施形態に係る検出装置２に係わる圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図であり、（ａ）〜（ｅ）は、外部圧力が加減された場合の複数の弾性体突起２２と第２基板本体２１と第２基板補助体２３の関係を示す図である。図９において、第１実施形態の検出装置１（図７）と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図９に示すように、検出装置２は、第２基板２０を有している。第２基板２０は、弾性体突起２２と第２基板本体２１と第２基板補助体２３とで構成される。また、第２基板２０は、シリコ−ンゴムなどで構成され、弾性力を備えている、その結果張力をもたらすことができる。第２基板２０の最外周は、フレ−ム２１０に固定され、張力を生じている。
なお、第２基板２０は、外力を与えた時に張力が生じれば良く、必ずしもフレ−ム２１０に固定することを限定するものではない。例えば、図示はしないが、円筒形の物体に本実施形態の検出装置２を巻きつける場合、第２基板２０は、環状となり、円筒形の物体に装着した時点で張力を生じるものであれば良い。

また、この弾性体突起２２と第２基板本体２１をシリコ−ンゴムのような弾性体で一体形成した場合には、平面的な設置で、周囲に固定されない場合においても、少なくとも外圧を加えると張力を有するものであればよい。
第２基板補助体２３は、例えば弾性体シートによって形成されている。なお、図９（ｂ）、（ｃ）に示す第２基板本体２１に外力が加わった状態においては、弾性体シートなどで形成された第２基板補助体２３は、弾性体突起２２を介して外力の影響を受けて弾性変形することもある。なお、図９においては、第２基板補助体２３が変形していない状態を一例として示している。
さらに、図９では、第２基板本体２１と第２基板補助体２３がフレ−ム２１０に固定された構造を示しているが、外力を与えた時に張力が生じれば良く、第２基板本体２１と第２基板補助体２３の両方をフレ−ム２１０に固定する必要は無く、どちらか一方でもよいし、両方共に固定されなくともよい。

この弾性体突起２２と第２基板本体２１と第２基板補助体２３は、結合されており、隣り合った弾性体突起２２は、第２基板本体２１と第２基板補助体２３により引っ張り合い互いに影響しあうものとなる。
このことにより、第２基板本体２１と第２基板補助体２３とで結合された弾性体突起２２は、第２基板本体２１と第２基板補助体２３の張力により影響を及ぼしあう。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る検出装置３に係わる圧力センサーを示す断面図である。図１０において、第１実施形態の検出装置１（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。

第２基板２０は、弾性体突起２２と第２基板本体２１とで構成される。
弾性体突起２２は先端部が第２基板本体２１側に向いており、第２基板本体２１に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。
本実施形態の検出装置３は、弾性体突起２２の先端部の向きが第２基板本体２１側に向いている点で、上述の第２実施形態で説明した検出装置２と異なる。しかしながら、本実施形態の検出装置３は、第２実施形態で説明した検出装置２と同等の圧力センサーに係わる特性を備えている。

なお、弾性体突起２２と第２基板本体２１の接続方法も限定されるものではない。例えば、図１１は、第３実施形態に係る検出装置２の弾性体突起２２と第２基板本体２１の接続方法の例を示したものである。

図１１（a）は、弾性体突起２２と第２基板本体２１とが、一体構造となっているものである。これにより、第２基板本体２１に加えられた張力の変動を弾性体突起２２に伝えることができ、接合強度とその信頼性向上、及び弾性体突起２２と第２基板本体２１との接合工程を省くことができる。これらにより工程の短縮とコストの低減を図ることができる。

図１１（ｂ）は、弾性体突起２２と第２基板本体２１とが、別体であり、第２基板本体２１の一部が弾性体突起２２の中に没入しているものである。これにより、比較的簡単なはめ込みと言う作業で第２基板本体２１に加えられた張力の変動を弾性体突起２２に伝えることができる構造を造ることができ、接合強度とその信頼性向上、及び工程の短縮とコストの低減を図ることができる。

図１１（ｃ）は、弾性体突起２２と第２基板本体２１とが、別体であり、第２基板本体２１の突起部２１２が弾性体突起２２に接するように配置されているもので、Ｘ、Ｙ方向の外力に対し弾性体突起２２と第２基板本体２１とが、影響しあい変移するものである。これにより、弾性体突起２２と第２基板本体２１とのはめ込み時の合わせ範囲は、第２基板本体２１の２つの突起部２１２の間に弾性体突起２２の頂点が納まれば良い。
よって、比較的はめ込み時の高度な合わせ精度を必用とせず簡単なはめ込みと言う作業で第２基板本体２１に加えられた張力の変動を弾性体突起２２に伝えることができる構造を造ることができ、工程の短縮とコストの低減を図ることができる。

（電子機器）
図１２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。この時、上記実施形態に係る検出装置がコントロールパッド１００２に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させることなく、指に加える力の方向を変えるだけで簡単にカーソルを移動することができる。

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２００３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。この時、上記実施形態に係る検出装置がコントロールパッド２００３に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させることなく、指に加える力の方向を変えるだけでカーソルの移動やペ−ジをめくることが簡単にできる。

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１４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１４（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１４（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，Ｓｉ…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 (11)

1. 外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、
   基準点の回りに配置された複数の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、先端部が前記第１基板に当接した状態で前記外圧によって弾性変形する弾性体突起が形成された第２基板と、を備え
   前記第２基板は、所定の弾性力を有する弾性体からなることを特徴とする検出装置。
2. 前記弾性体突起と前記第１基板との間に設けられた弾性体シートを有し、
   前記弾性体突起の先端部は、前記弾性体シートに当接していることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 外圧の方向と大きさを検出する検出装置であって、
   基準点の回りに配置された複数の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、
   前記第２基板は、所定の弾性力を有する弾性体からなることを特徴とする検出装置。
4. 前記第２基板に張力を与えた状態で前記第２基板の外周部を固定する支持部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置。
5. 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ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出装置。
6. 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１〜５のいずれか一項に記載の検出装置。
7. 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６に記載の検出装置。
8. 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７に記載の検出装置。
9. 前記弾性体突起は前記第２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ていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出装置。
10. 請求項１〜９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。
11. 請求項１〜９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。

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