JP2012220317A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】測定面に加わる外圧のすべり方向を広い圧力範囲で精度よく検出することが可能な検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の検出装置１は、基準点Ｐの周りに複数の圧力センサー１２が配置された第１基板１０と、外圧によって先端部が複数の圧力センサー１２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、弾性体突起２２は、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている。
【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。

測定面にかかる外部圧力（以下、単に「外圧」と呼ぶ）の面内方向の力（すべり力）を検出する検出装置として、特許文献１に記載の検出装置が知られている。特許文献１の検出装置は、表面に変位可能な接触子を備え、接触子の変位を感圧素子によって検出することにより、すべり力の方向（すべり方向）を検出する。接触子の底面は平坦面となっており、接触子は底面全体で感圧素子と接触している。接触子にすべり力が加わると、すべり力のすべり方向に沿って接触子が傾倒し、感圧素子で検出される測定面内の圧力分布が変化する。この圧力分布を演算処理することにより、外圧のすべり方向が検出される。

特開２００８−１６４５５７号公報

特許文献１の検出装置では、接触子の底面を感圧素子に押し付けた状態で接触部分を弾性変形させ、その変形量によって測定面内に圧力分布を生じさせている。そのため、外圧の検出精度を高めるためには、接触子は柔らかい材料で形成されていることが望ましい。しかし、接触子を柔らかい材料で形成すると、小さな外圧によって接触子が大きく潰れ、それ以上大きな外圧が加わっても、圧力分布がほとんど変化しなくなる。すなわち、大きな外圧に対して感度が悪くなる。一方、大きな外圧に対して感度のよい検出装置を提供しようとすると、接触子は硬い材料で形成されていることが望ましいが、この場合、小さな外圧によって接触子が変形しにくくなるので、小さな外圧に対して感度が悪くなる。

本発明の目的は、測定面に加わる外圧のすべり方向を広い圧力範囲で精度よ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ことにある。

本発明の検出装置は、基準点の周りに複数の圧力センサーが配置された第１基板と、外圧によって先端部が前記複数の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形成された第２基板と、を備え、前記弾性体突起は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている。

この構成によれば、弾性体突起に外圧が作用すると、まず弾性体突起の柔らかい部分が潰れて第１基板の面内に圧力分布を生じさせる。外圧を大きくしていくと、弾性体突起の柔らかい部分だけでなく硬い部分も弾性変形するようになる。そのため、弾性体突起の柔らかい部分が大きく潰れ、柔らかい部分がそれ以上変形しなくなっても、弾性体突起の硬い部分が弾性変形し、第１基板の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。このように弾性体突起では、柔らかい部分と硬い部分が互いに検出感度の弱い部分を補い合うので、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。

前記弾性体突起は、複数の層を積層して形成されており、前記複数の層の１層毎の平均硬さは、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており、前記弾性体突起の硬さは、前記複数の層の境界部において不連続に変化していてもよい。

この構成によれば、弾性体突起が複数の層によって形成されているので、複数の層の硬さを層毎に調節することにより、弾性体突起の硬さ分布を精度よく制御することができる。硬さ分布は検出装置の感度に影響するので、硬さ分布を精度よく制御することによって、外圧の検出精度も向上する。

前記複数の層の各々は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが変化しないように構成されていてもよい。

この構成によれば、硬さの異なる複数の層を単純に積層していけばよいので、製造が容易である。

前記複数の層の各々は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されていてもよい。

この構成によれば、外圧の変化に対して検出装置の検出値（圧力値）を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。

前記弾性体突起は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されていてもよい。

この構成によれば、外圧の変化に対して検出装置の検出値（圧力値）を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。

前記弾性体突起は、前記第２基板の法線と直交する面で切った断面が前記第２基板側から前記第１基板側に向けて徐々に小さくなるような形状を備えていてもよい。

この構成によれば、弾性体突起と圧力センサーとの接触面における荷重分散が抑制され、外圧の検出感度が向上する。

前記複数の圧力センサーは、前記基準点を中心として点対称な位置に配置されていてもよい。

この構成によれば、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、弾性体突起の弾性変形量と各圧力センサーの検出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、弾性体突起の弾性変形量が同じであっても、各圧力センサーの検出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、本発明の検出装置によれば、弾性体突起の弾性変形量と各圧力センサーの検出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、各圧力センサーの検出値から外圧のすべり方向を演算することが容易となる。

前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリクス状に配置されていてもよい。

この構成によれば、互いに隣接する圧力センサーの検出値の差分を求めることにより、外圧のすべり方向を互いに直交する２方向のベクトルとして算出することができる。

前記弾性体突起は前記第２基板に複数形成され、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。

この構成によれば、弾性体突起同士の干渉が抑制されるので、複数の弾性体突起が設置された領域全体で、精度のよい外圧の検出が可能となる。

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のすべり方向と大きさを演算する演算装置を備えていてもよい。

本発明の電子機器又はロボットは、本発明の検出装置を備えている。

この構成によれば、外圧のすべり方向を高い精度で検出可能な電子機器又は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実施形態に係る検出装置の出力特性を示す図である。 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。 第１実施形態に係る弾性体突起の製造方法を示す断面図である。 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断面図である。 第２実施形態に係る検出装置の出力特性を示す図である。 第２実施形態に係る弾性体突起の製造方法を示す断面図である。 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断面図である。 第３実施形態に係る検出装置の出力特性を示す図である。 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。符号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、１つの圧力センサー１２によって検出される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、弾性体突起の中心が位置決めされるポイント、すなわち、単位検出領域の中心点である。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、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３０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。また、圧力センサーが互いに直交する２方向にマトリクス状に配置されている場合には、外圧のすべり方向を互いに直交する２方向のベクトルとして算出することができるので、演算が容易になる。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公知の感圧素子を用いることができる。圧力センサー１２は、例えば、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。

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方向にマトリクス状に配置されている。弾性体突起２２は、第１基板１０に近い側（−Ｚ側）から遠い側（＋Ｚ側）に向けて硬さが硬くなるように構成されている。図１の例では、弾性体突起２２は、複数の層（第１層２２ａ、第２層２２ｂ）を積層して形成されており、前記複数の層の１層毎の平均硬さは、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており、弾性体突起２２の硬さは、複数の層２２ａ，２２ｂの境界部において不連続に変化している。例えば、複数の層２２ａ，２２ｂの各々は、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬さが変化しないように構成されており、基端部に配置された第１層２２ａの平均硬さは５０であり、先端部に配置された第２層２２ｂの平均硬さは３０である。

なお、「硬さ」とは、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）をいい、「層の平均硬さ」とは、当該層の微小領域の硬さを層全体で体積積分した値を計算し、その積分値を当該層の体積で除算したものをいう。

弾性体突起２２は、第２基板の法線と直交する面で切った断面が第２基板２０側から第１基板１０側に向けて徐々に小さくなるような形状を備えている。弾性体突起２２の先端部が先細るように形成されていることにより、弾性体突起２２と圧力センサー１２との接触面における荷重分散が抑制され、外圧の検出感度が向上する。図１の例では、弾性体突起２２の先端部は、球面の錘状となっているが、弾性体突起２２の形状はこれに限定されない。

弾性体突起２２は、先端部が第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。

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に記憶されている。メモリ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、検出装置１の出力特性を示す図である。横軸は、第２基板２０に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置１で検出される圧力値である。

前述のように、弾性体突起２２は、硬さの異なる複数の層（第１層２２ａ、第２層２２ｂ）が第２基板本体２１側から順次積層されて形成されており、弾性体突起２２は、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている。そのため、外圧の大きさを変化させると、弾性体突起２２の各層２２ａ，２２ｂの弾性特性に応じた複数の出力特性ａ１，ａ２が現れ、それらを合成した出力特性が検出装置１の出力特性ａ３となる。

例えば、外圧の小さい低圧領域では、弾性体突起２２の第２層２２ｂが出力特性ａ１に従って弾性変形し、第１基板１０の面内に圧力分布を生じさせる。第２層２２ｂは柔らかい材料で形成されているので、小さな外圧でも大きく変形し、第１基板１０の面内に大きな圧力分布を生じさせる。一方、外圧の大きい高圧領域では、第２層２２ｂは完全に潰れ、それ以上の弾性変形は生じにくくなる。しかし、第２層２２ｂよりも硬い第１層２２ａが出力特性ａ２に従って弾性変形するので、第１基板１０の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。

弾性体突起２２を柔らかい材料のみ又は硬い材料のみで形成した場合には、高圧領域又は低圧領域で外圧を感度よく検出することができない。しかし、弾性体突起２２の一部を柔らかい材料で形成し、一部を硬い材料で形成すると、柔らかい部分と硬い部分が互いに検出感度の弱い部分を補い合うので、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。

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。なお、以下の説明では、検出領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に含まれる圧力センサーを単に圧力センサーＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と記載する。

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）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。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。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）。

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８は、弾性体突起２２の製造方法の一例を示す説明図である。

弾性体突起２２を製造する場合には、まず、図８（ａ）に示すように、第２層２２ｂに対応した開口部４０ａが設けられた第１の型４０を用意し、図８（ｂ）に示すように、第１の型４０の開口部４０ａにシリコーンゴムなどの弾性材料を充填して第２層２２ｂを形成する。第２層２２ｂはデュロメータ硬さが３０程度の柔らかい材料で形成される。このような材料としては、信越シリコーン社製のシリコーンＲＴＶゴム ＫＥ−１４（商品名）が好適である。

次に、図８（ｃ）に示すように、第１層２２ａに対応した開口部４１ａが設けられた第２の型４１を第１の型４０の上に積層し、図８（ｄ）に示すように、第２の型４１の開口部４１ａに露出した第２層２２ｂ上にシリコーンゴムなどの弾性材料を充填して第１層２２ａを形成する。第１層２２ａはデュロメータ硬さが５０程度の硬い材料で形成される。このような材料としては、信越シリコーン社製のシリコーンＲＴＶゴム ＫＥ−１７（商品名）が好適である。

以上の方法により製造された弾性体突起２２は、図１に示した第２基板本体２１に溶着又は接着され、第２基板本体２１と一体化される。そして、弾性体突起２２から第１の型４０及び第２の型４１が取り外され、第２基板２０が完成する。

この方法では、第１の型４０と第２の型４１の開口部に順次弾性材料を充填していくので、第１層２２ａと第２層２２ｂの硬さは、それぞれ厚み方向において変化しない。そのため、弾性体突起２２の硬さは、第１層２２ａと第２層２２ｂとの境界部において不連続となり、検出装置の出力特性においても、低圧側から高圧側にかけて不連続的に変化する部分（図４の符号Ａで示した部分）が生じる。しかし、上記の方法は、硬さの異なる複数の層を単純に積層していけばよいので、製造が容易であり、コストも低減できる。

本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起２２の硬さが、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬くなるように形成されているため、外圧の小さい低圧領域から外圧の大きい高圧領域まで広い圧力範囲で感度よく外圧を検出することができる。また、弾性体突起２２は、硬さの異なる複数の層２２ａ，２２ｂを積層して形成されているので、複数の層２２ａ，２２ｂの硬さを層毎に調節することにより、弾性体突起２２の硬さ分布を精度よく制御することができる。硬さ分布は検出装置１の感度に影響するので、硬さ分布を精度よく制御することにより、外圧の検出精度も向上する。

本実施形態では、弾性体突起２２を２層で形成したが、弾性体突起２２を３層以上で形成することもできる。層数が増えるほど、検出装置１の出力特性に不連続的に変化する部分（図４の符号Ａで示した部分）が生じにくくなり、外圧の変化に対して検出装置１の検出値（圧力値）を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態の検出装置２の概略構成を示す断面図である。検出装置２において第１実施形態の検出装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

検出装置２において第１実施形態の検出装置１と異なる点は、弾性体突起２３の硬さが第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬くなるように、弾性体突起２３の硬さが連続的に変化している点である。弾性体突起２３の硬さは、例えば、弾性体突起２３を硬化する際の硬化度合いを弾性体突起２３の厚み方向（Ｚ方向）に変化させることにより制御されている。第２基板２４は、弾性体突起２３を第２基板本体２１に溶着又は接着することにより形成されている。

図１０は、検出装置２の出力特性を示す図である。横軸は、第２基板２４に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置２で検出される圧力値である。

前述のように、弾性体突起２３の硬さは、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて連続的に変化している。弾性体突起２３は、硬さの異なる多数の層を第２基板本体２１側から順次積層したのと同等の構成となる。そのため、弾性体突起２３の各層の弾性特性に応じた多数の出力特性ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，…が現れ、それらを合成した出力特性が検出装置２の出力特性ｂ５となる。

例えば、外圧の小さい低圧領域では、弾性体突起２３の最も柔らかい部分が出力特性ｂ１に従って弾性変形し、第１基板１０の面内に圧力分布を生じさせる。外圧を大きくしていくと、柔らかい部分はそれ以上弾性変形しなくなるが、それよりも硬い部分が出力特性ｂ２，ｂ３，ｂ４…に従って順次弾性変形するため、第１基板１０の面内に大きな圧力分布を生じさせることができる。その結果、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。

図１１は、弾性体突起２３の製造方法の一例を示す説明図である。

弾性体突起２３を製造する場合には、まず、図１１（ａ）に示すように、弾性体突起２３に対応した開口部４２ａを有する型４２を用意し、型４２の開口部４２ａの底部に硬化阻害物質４３を配置する。硬化阻害物質４３としては、硫黄、リン、窒素化合物、水、有機金属塩などを含む物質で、例えば松ヤニなどのワックス類が挙げられる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、型４２の開口部４２ａにシリコーンゴムなどの弾性材料４４を充填する。そして、図１１（ｃ）に示すように、弾性材料４４を硬化して弾性体突起２３を形成する。弾性材料４４としては、例えば、信越シリコーン社製の付加反応型のシリコーンＲＴＶゴムＫＥ−１７（商品名）が用いられる。

弾性材料４４として付加反応型のＲＴＶゴムを用いると、硬化阻害物質４３により、硬化阻害物質に近い部分の弾性材料４４の硬化が阻害され、硬化不良となる。硬化阻害物質４３から遠い部分の弾性材料４４は、硬化阻害物質４３の影響が少なくなるため、硬化不良とはならない。その結果、弾性体突起２３の先端部は弾性が大きく（柔らかく）、弾性体突起２３の基端部では弾性が小さい（硬い）構造となる。

以上の方法により製造された弾性体突起２３は、図９に示した第２基板本体２１に溶着又は接着され、第２基板本体２１と一体化される。そして、弾性体突起２３から型４２が取り外され、第２基板２４が完成する。

本実施形態の検出装置２では、硬化阻害物質４３に近い側から遠い側に向けて弾性体突起２３の硬さが連続的に変化する。弾性体突起２３の内部には、硬さが不連続的に変化する領域（例えば、図４の符号Ａで示した部分）が形成されないので、外圧の変化に対して検出装置２の検出値（圧力値）を滑らかに変化させることができる。そのため、広い圧力範囲で外圧のすべり方向の検出を精度よく行うことができる。

（第3実施形態）
図１２は、第３実施形態の検出装置３の概略構成を示す断面図である。検出装置３において第１実施形態の検出装置１と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

検出装置３において第1実施形態の検出装置１と異なる点は、弾性体突起２７が、複数の層（第1層２５、第２層２６）を積層して形成されており、複数の層２５，２６の各々が、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されている点である。各層２５，２６の硬さは、例えば、各層２５，２６を硬化する際の硬化度合いを層厚方向（Ｚ方向）に変化させることにより制御されている。複数の層２５，２６の１層毎の平均硬さは、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており（第１層２５の平均硬さ＞第２層２６の平均硬さ）、弾性体突起２７の硬さは、複数の層２５，２６の境界部において不連続に変化している。

第1層２５及び第２層２６は、図８に示したものと同様の方法で作製することができる。図８では、第1層と第２層を層厚方向全体で均一に硬化させたが、本実施形態では、第１層２５と第２層２６の内部に厚み方向の硬さ分布を持たせるために、図１１に示したような硬化阻害物質を用い、第１層２５と第２層２６の硬化度合いを厚み方向で不均一にする。そうすることによって、第２層２６の第１層２５側の部分を硬くし、第２層２６と第１層２５との境界部に大きな硬さの変化が生じないようにしている。

図１３は、検出装置３の出力特性を示す図である。横軸は、第２基板２８に加えられる外圧の大きさであり、縦軸は、検出装置３で検出される圧力値である。

前述のように、第１層２５及び第２層２６の各々の硬さは、第１基板１０に近い側から遠い側に向けて連続的に変化している。第１層２５は、硬さの異なる多数の層を第２基板本体２１側から順次積層したのと同等の構成となり、第２層２６は、硬さの異なる多数の層を第２基板本体２１側から順次積層したものと同等の構成となる。そのため、外圧の小さい低圧領域では、第２層２６を構成する各層の弾性特性に応じた多数の出力特性が現れ、それらを合成した出力特性ｃ１が検出装置３の低圧領域の出力特性となる。外圧の大きい高圧領域では、第1層２５を構成する各層の弾性特性に応じた多数の出力特性が現れ、それらを合成した出力特性ｃ２が検出装置３の高圧領域の出力特性となる。そして、低圧領域の出力特性ｃ１と高圧領域の出力特性ｃ２とを合成したものが、検出装置３の出力特性ｃ３となる。

第1層２５及び第２層２６は、それぞれ第1基板１０に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるような硬さ分布備えているので、第1層２５と第２層２６との境界部における硬さの変化は小さい。そのため、低圧領域の出力特性ｃ１と高圧領域の出力特性ｃ２とが滑らかに接続され、全体としての出力特性ｃ３も滑らかとなる。そのため、低圧領域と高圧領域との境界部において、図４の符号Ａで示したような大きな不連続性は生じにくくなり、結果として、広い圧力範囲で外圧を感度よく検出することが可能となる。

（電子機器）
図１４は、上記実施形態に係る検出装置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液晶パネル１００１を備えている。液晶パネル１００１には、上記実施形態に係る検出装置が内蔵されている。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１５は、上記実施形態に係る検出装置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液晶パネル２００１を備えている。液晶パネル２００１には、上記実施形態に係る検出装置が内蔵されている。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、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１６は、上記実施形態に係る検出装置を適用したロボット３０００の概略構成を示す模式図である。図１６（ａ）に示すように、ロボット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を備えたロボットハンドを有する。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１６（ｂ）に示すように、ロボット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３０００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…第１基板、１２…圧力センサー、２０…第２基板、２２…弾性体突起、２２ａ…第１層、２２ｂ…第２層、２３…弾性体突起、２４…第２基板、２５…第１層、２６…第２層、２７…弾性体突起、２８…第２基板、３０…演算装置、１０００…携帯電話機、２０００…携帯情報端末、３０００…ロボット、Ｐ…基準点

Claims (12)

1. 基準点の周りに複数の圧力センサーが配置された第１基板と、
   外圧によって先端部が前記複数の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形成された第２基板と、を備え、
   前記弾性体突起は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが硬くなるように構成されている検出装置。
2. 前記弾性体突起は、複数の層を積層して形成されており、前記複数の層の１層毎の平均硬さは、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬くなるように構成されており、前記弾性体突起の硬さは、前記複数の層の境界部において不連続に変化している請求項１に記載の検出装置。
3. 前記複数の層の各々は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが変化しないように構成されている請求項２に記載の検出装置。
4. 前記複数の層の各々は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されている請求項２に記載の検出装置。
5. 前記弾性体突起は、前記第１基板に近い側から遠い側に向けて硬さが連続的に変化するように構成されている請求項１に記載の検出装置。
6. 前記弾性体突起は、前記第２基板の法線と直交する面で切った断面が前記第２基板側から前記第１基板側に向けて徐々に小さくなるような形状を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 前記複数の圧力センサーは、前記基準点を中心として点対称な位置に配置されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の検出装置。
8. 前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリクス状に配置されている請求項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、
   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請求項１〜８のいずれか１項に記載の検出装置。
10. 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のすべり方向と大きさを演算する演算装置を備えている請求項１〜９のいずれか１項に記載の検出装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検出装置を備えている電子機器。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検出装置を備えているロボット。

Images