JP2013064681A - 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正確に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に加えられた外圧の方向及び大きさを検出する検出装置１は、面１０ａに基準点Ｐ毎に設けられた凹部１６と、面１０ａ側における基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１２と、を備える第１基板１０と、基準点Ｐと重なる位置に配置され、外圧によって圧力センサー１２に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置、これを備えた電子機器、及びロボットに関する。

外圧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。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に記載の検出装置（触覚センサー）は、変位可能な複数の弾性体突起（接触子）と、この弾性体突起が表面に設けられ弾性体突起の変位を検出ポイントで検出して出力する圧力センサー（感圧素子）とを備えている。この検出装置では、外圧によって弾性体突起が変形して圧力センサーを押圧することにより、外圧の方向及び大きさが検出される。

特開昭６０−１３５８３４号公報 特開平７−１２８１６３号公報 特開２００６−２０８０５５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。

本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る検出装置は、基準点に加えられた外圧の方向及び大きさを検出する検出装置であって、第１基板と、前記第１基板の一面から窪んで設けられ、前記基準点と重なる位置に配置された凹部と、前記第１基板の前記一面側に設けられ、前記基準点の周りに複数配置された圧力センサーと、前記基準点と重なる位置に配置され、外圧によって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と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、複数の圧力センサーは第１基板の一面から窪んで設けられた凹部と重なる位置に配置されており、弾性体突起も凹部と重なる位置に配置されているので、外圧が加えられると、弾性体突起は凹部において圧力センサーに当接した状態で弾性変形する。そのため、大きな外圧が斜め方向から加えられた場合でも、凹部により、第１基板の一面に平行な方向への弾性体突起の過度の変形が抑えられる。これにより、隣り合う弾性体突起同士が接触することや、弾性体突起が所定の基準点の単位検出領域からはみ出して隣の基準点の単位検出領域に入り込んでしまうことを抑止できる。この結果、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出することができる。

［適用例２］上記適用例に係る検出装置であって、前記凹部の開口径は、前記弾性体突起の外径よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、凹部の開口径が弾性体突起の外径よりも大きいので、弾性体突起が第１基板の一面に平行な方向に変形しても、弾性体突起の凹部からのはみ出しが抑えられる。これにより、隣り合う弾性体突起同士が接触することや、弾性体突起が所定の基準点の単位検出領域からはみ出して隣の基準点の単位検出領域に入り込んでしまうことを効果的に抑止できる。

［適用例３］上記適用例に係る検出装置であって、前記凹部の外周部における前記一面に対する傾斜角度は、前記凹部の中央部における前記一面に対する傾斜角度よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、第１基板の一面に対する凹部の傾斜角度が中央部よりも外周部において大きいので、第１基板の一面に平行な方向への弾性体突起の変形を外周部で抑えることができる。これにより、弾性体突起の凹部からのはみ出しが抑えられるので、隣り合う弾性体突起同士が接触することや、弾性体突起が所定の基準点の単位検出領域からはみ出して隣の基準点の単位検出領域に入り込んでしまうことを効果的に抑止できる。

［適用例４］上記適用例に係る検出装置であって、前記凹部の深さは、前記弾性体突起の高さよりも小さいことが好ましい。

この構成によれば、弾性体突起の高さは凹部の深さよりも大きいので、外圧が付加されていない状態において、弾性体突起は第１基板の一面から突出する。これにより、外圧が直接弾性体突起に付加され、弾性体突起を介して圧力センサーに伝達されるので、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出することができる。

［適用例５］上記適用例に係る検出装置であって、前記第１基板は、第１基板本体と、樹脂層と、をさらに備え、前記圧力センサーは、前記第１基板本体上に前記樹脂層を介して配置されていることが好ましい。

この構成によれば、樹脂層上に圧力センサーが形成された汎用の圧力センサーシートを第１基板本体上に配置することにより第１基板を製造できる。そのため、半導体プロセスにより製造する場合に比べて、第１基板を製造する工程を簡略化できるので、検出装置の製造コストを低減することができる。

［適用例６］上記適用例に係る検出装置であって、前記第１基板に対向配置された第２基板をさらに備え、前記弾性体突起は、前記第２基板の前記第１基板に対向する面に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、弾性体突起が第２基板の第１基板に対向する面に設けられているので、第１基板の一面に平行な方向への弾性体突起の過度の変形を、第２基板側からも抑えることができる。これにより、隣り合う弾性体突起同士が接触することや、弾性体突起が所定の基準点の単位検出領域からはみ出して隣の基準点の単位検出領域に入り込んでしまうことを効果的に抑止できる。

［適用例７］本適用例に係る検出装置は、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、凹部と、前記凹部に第１及び第２の圧力センサーと、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、を備え、前記凹部と前記凹部に前記第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。

この構成によれば、第１基板の凹部に第１及び第２の圧力センサーが配置されており、測定面にかかった外圧に応じた圧力を第１及び第２の圧力センサーが検出する。これにより、各圧力センサーで検出された圧力値に基づいて、測定面にかかった外圧の大きさや圧力分布を正確に検出することができる。

［適用例８］上記適用例に係る検出装置であって、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が好ましい。

この構成によれば、第１及び第２の圧力センサーで検出した圧力値の差分に基づいて、測定面にかかる外圧の方向を検出することができる。これにより、外圧の作用する方向と大きさとを正確に求めることができるので、すべり力や回転トルク等の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］本適用例に係る電子機器は、上記に記載の検出装置を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出して、的確に動作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］本適用例に係るロボットは、上記に記載の検出装置を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出して、的確に動作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の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図。 検出装置により外圧の方向と大きさを検出する方法を説明する図。 第２の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図。 第３の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図。 電子機器の一例としての携帯情報端末の概略構成を示す模式図。 ロボットの一例としてのロボットハンドの概略構成を示す模式図。 変形例の検出装置の構成を示す図。 従来の検出装置における外圧による弾性体突起の変形を説明する図。

以下に、本発明の一実施形態である検出装置、電子機器、及びロボットについて図面を参照して説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示しており、各構成要素の寸法の比率、角度等が異なる場合がある。

（第１の実施形態）
＜検出装置＞
まず、第１の実施形態に係る検出装置を説明する。図１は、第１の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図である。詳しくは、図１（ａ）は検出装置の断面図であり、図１（ｂ）は検出装置の平面図である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）は検出装置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。

本実施形態に係る検出装置１は、基準点に加えられた外圧の方向及び大きさを検出可能な圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えば、ノート型パーソナルコンピューター（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。

図１（ａ）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、第１基板１０に対向配置され、基準点Ｐに重なる位置に中心（重心）が位置する弾性体突起２２が配置された第２基板２０と、を備えている。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２２の中心が位置するポイントである。

第１基板１０は、矩形板状の第１基板本体１１と、一面である面１０ａ側に配置された複数の圧力センサー１２と、を備えている。第１基板本体１１は、例えば、ガラス、石英、プラスチック等の材料で構成されている。第１基板本体１１の大きさ（平面視のサイズ）は、例えば、縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度である。なお、第１基板本体１１の表面には、例えばＳｉＯ₂等からなる保護膜が形成されていてもよい。

第１基板１０の面１０ａに平行であり、互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、第１基板１０の面１０ａの法線方向、すなわちＸ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とする。以下では、このＸＹＺ直交座標系を参照して説明する。なお、平面視とは、Ｚ方向上方から第１基板１０の面１０ａ側を見ることをいう。

第１基板本体１１には、基準点Ｐと重なる位置に凹部１８が設けられている。凹部１８は、基準点Ｐのピッチ間隔、すなわち弾性体突起２２が配置されたピッチ間隔と略同一の間隔で配置されている。凹部１８は、第１基板本体１１の厚さ方向（−Ｚ方向）に窪む略球状の凹面に形成されている。凹部１８は、例えば、等方性エッチングにより、第１基板本体１１の面１０ａ側の一部を除去することで形成される。

圧力センサー１２は、第１基板本体１１上に順に形成された、第１電極１３と、中間層１４と、第２電極１５と、で構成される。第１電極１３及び第２電極１５は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料からなる。中間層１４は、誘電材料からなり、例えば、ゴム等の弾性体を用いることもできるし、シリコンオイルや液晶等の流体を用いることもできる。圧力センサー１２は、静電容量値の変化により外圧を検出する静電容量方式の圧力センサーである。

第１電極１３と、中間層１４と、第２電極１５とは、例えば半導体製造プロセスにより、第１基板本体１１上に積層して形成され、凹部１８においては凹面に沿って形成されている。このため、第１基板１０には、面１０ａから−Ｚ方向に窪む凹部１６が形成されている。凹部１６は、凹部１８の凹面（球状面）が反映された凹面を有している。凹部１６は、基準点Ｐと重なる位置に、弾性体突起２２が配置されたピッチ間隔と略同一の間隔で配置されている。

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、を備えている。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、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。第２基板２０（第２基板本体２１）の表面は、第１基板１０の面１０ａに略平行である。

弾性体突起２２は、第２基板２０（第２基板本体２１）の第１基板１０に対向する面に設けられている。弾性体突起２２の先端部は、例えば、球面の錘状となっている。弾性体突起２２の先端部は、第１基板１０の面１０ａよりも−Ｚ側に位置しており、第１基板１０の凹部１６において圧力センサー１２に当接している。弾性体突起２２の基部は、第２基板本体２１に固定されている。

弾性体突起２２は弾性を有する樹脂材料で構成されており、第２基板２０（第２基板本体２１）の表面に外圧が加えられると、弾性体突起２２の先端部は第１基板１０の凹部１６に当接した状態で弾性変形する。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。第２基板２０の表面が、検出装置１の測定面である。

図１（ｂ）には、各基準点Ｐの周りに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Ｓを２点鎖線で示している。各単位検出領域Ｓには、第１の圧力センサーＳ₁、第２の圧力センサーＳ₂、から第ｉの圧力センサーＳ_iまでのｉ個の圧力センサー１２が、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。なお、図１（ｂ）では、主要構成部の平面視における配置を説明するため、第１基板本体１１及び第２基板本体２１の図示を省略している。

本実施形態では、単位検出領域Ｓ当たり、例えば、４行４列の計１６個の圧力センサー１２が配置されており、１６個の圧力センサー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。１６個の圧力センサー１２は、基準点Ｐに対して、−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、の４つの領域のそれぞれに４個ずつ配置されている。

凹部１６は、単位検出領域Ｓ毎に配置されている。平面視において、凹部１６の開口部は略円形であり、凹部１６の中心は基準点Ｐとほぼ一致している。複数の弾性体突起２２は、Ｘ方向及びＹ方向にマトリックス状に配置されており、凹部１６と重なる位置に配置されている。図１（ｂ）には、弾性体突起２２の先端部を示しているが、弾性体突起２２の基部は、平面視で略円形である。弾性体突起２２の重心Ｇ（平面視における中心）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、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、一つの弾性体突起２２が変形したときに他の弾性体突起２２に変形の影響を及ぼすことを抑制できるので、外圧をより正確に各圧力センサー１２に伝達することができる。

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の基部の径は１．８ｍｍ程度である。弾性体突起２２の高さ（弾性体突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度である。隣り合う弾性体突起２２の離間間隔は１ｍｍ程度である。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程度である。

次に、検出装置１により外圧の方向と大きさを検出する方法を説明する。図２は、検出装置により外圧の方向と大きさを検出する方法を説明する図である。詳しくは、図２（ａ）及び（ｃ）は検出装置の断面図であり、図２（ｂ）及び（ｄ）は検出装置の平面図である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）は垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示しており、図２（ｃ）及び（ｄ）は斜め方向（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。ここでは、ｉ個（１６個）の圧力センサー１２を、圧力センサーＳ_iとよぶ。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面（測定面）に外圧が付加される前の状態では、弾性体突起２２の先端部は第１基板１０の凹部１６において圧力センサーＳ_iに当接しているが、弾性体突起２２は変形していない。これにより、第１電極１３と第２電極１５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Ｓ_iの静電容量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Ｓ_iの静電容量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（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向（−Ｚ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の凹部１６において圧力センサーＳ_iに当接した状態で、−Ｚ方向に圧縮され変形する。これにより、第１基板１０が面１０ａ側から−Ｚ方向に撓み、第１電極１３と第２電極１５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。したがって、このときの各圧力センサーＳ_iの静電容量値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。

弾性体突起２２は、外圧の大きさに応じて変形し、外圧が大きくなると、これ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起２２に臨界点を越えた外圧が作用すると、中間層１４が−Ｚ方向に柔軟に変形するので、弾性体突起２２が変形しうる臨界点以上の大きさの外圧を検出することができる。なお、垂直方向の外圧が付加された状態では、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（例えば、ｉ＝１〜１６）とすると、外圧のＺ方向成分Ｆｚ（外圧の垂直方向成分）は以下の式（１）で表される。

式（１）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、ｉ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。

図２（ｃ）及び（ｄ）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状態では、弾性体突起２２は、先端部が第１基板１０の凹部１６において圧力センサーＳ_iに当接した状態で、斜めに傾いて変形する。このとき、第１基板１０の面１０ａから窪んだ凹部１６により、弾性体突起２２の面１０ａに平行な方向（Ｘ方向及びＹ方向）への過度の変形が抑えられる。これにより、弾性体突起２２の単位検出領域Ｓからのはみ出しが抑えられ、隣り合う弾性体突起２２同士の接触が抑止される。

弾性体突起２２が変形することにより、第１基板１０が面１０ａ側から−Ｚ方向に撓み、第１電極１３と第２電極１５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１基板１０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り、＋Ｙ方向成分よりも−Ｙ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Ｓ_iとが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方が大きくなる。

本実施形態では、外圧によって弾性体突起２２が弾性変形することにより変化するｉ個の圧力センサーＳ_iの静電容量値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳ_iの静電容量値の差分を演算し、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。

ここで、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（例えば、ｉ＝１〜１６）とする。また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒｘ_i（ｉ＝１〜１６）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒｙ_i（ｉ＝１〜１６）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（２）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（３）で表される。

式（２）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、ｉ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（３）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、ｉ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。

外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、上述の通り、ｉ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、ｉ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を用いてもよいし、ｉ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（例えば所定の閾値よりも大きい検出値）により求める方法を用いてもよい。

本実施形態の検出装置１によれば、ｉ個の圧力センサーＳ_iが互いに直交する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ので、ｉ個の圧力センサーＳ_iで検出された圧力値に基づいて、外圧の大きさや圧力分布を正確に検出することができる。また、各圧力センサーＳ_iの検出結果の組み合わせによる圧力値の差分に基づいて、外圧の作用する方向と大きさとを求めることができるので、すべり力や回転トルク等の外圧の方向を高い精度で検出することができる。

ところで、圧力センサー（感圧素子）が平坦な面に設けられている構成の従来の検出装置では、非常に大きな外圧や、圧力センサーの面方向に対して斜め方向からの外圧が加えられると、弾性体突起（接触子）が過度に変形して、圧力センサーの単位検出領域からはみ出してしまう場合がある。このような場合について、従来の検出装置の構成例を参照して説明する。

図８は、従来の検出装置における外圧による弾性体突起の変形を説明する図である。詳しくは、図８（ａ）及び（ｃ）は検出装置の断面図であり、図８（ｂ）及び（ｄ）は検出装置の平面図である。なお、図８（ａ）及び（ｂ）は圧力センサーの単位検出領域が連続して配置されている検出装置の例を示し、図８（ｃ）及び（ｄ）は圧力センサーの単位検出領域が分離して配置されている検出装置の例を示している。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、いずれも斜め方向（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。なお、第１の実施形態に係る検出装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図８（ａ）及び（ｂ）に示す検出装置１００は、第１基板４０の表面が凹部のない平坦な面であること以外は、第１の実施形態に係る検出装置１とほぼ同様の構成を有している。検出装置１００では、第１基板本体４１の圧力センサー１２が配置された側の面が平坦な面となっており、弾性体突起２２が当接する第１基板４０の面も平坦な面となっている。図８（ｂ）において、弾性体突起２２ａ，２２ｂが互いに隣り合っており、同様に、弾性体突起２２ａ，２２ｂに対応する圧力センサー１２の単位検出領域Ｓａ，Ｓｂも互いに隣り合っている。

第２基板２０の表面には、非常に大きな斜め方向の外圧が付加されている。ここでは、外圧がＺ方向成分とＸ方向成分とからなるものとする。弾性体突起２２（２２ａ，２２ｂ）は、第２基板本体２１と第１基板４０との間で、外圧のＺ方向成分の作用により−Ｚ方向に圧縮変形するとともに、外圧のＸ方向成分の作用により第２基板本体２１及び第１基板４０の表面に平行な方向（Ｘ方向）に変形する。

このとき、弾性体突起２２（２２ａ，２２ｂ）の変形量が大きくなると、弾性体突起２２ａは、単位検出領域Ｓａから隣り合う単位検出領域Ｓｂにはみ出して変形し、隣り合う弾性体突起２２ｂと重なり合ってしまう。そうすると、弾性体突起２２ａに伝達された外圧の力成分は、単位検出領域Ｓａと単位検出領域Ｓｂとに分散してそれぞれの単位検出領域において圧力センサー１２で検出されることとなる。

また、単位検出領域Ｓｂにおける弾性体突起２２ａと弾性体突起２２ｂとが重なり合った部分では、弾性体突起２２ａに伝達された外圧の力成分と弾性体突起２２ｂに伝達された外圧の力成分とが合算されて圧力センサー１２で検出されることとなる。この結果、外圧の力成分の作用する方向と大きさとを正しく検出することができなくなってしまう。

次に、図８（ｃ）及び（ｄ）に示す検出装置１０１は、第１基板４２に設けられた溝部４３により、各単位検出領域Ｓが分離されていること以外は、図８（ａ）及び（ｂ）に示す検出装置１００とほぼ同様の構成を有している。検出装置１０１は、各単位検出領域Ｓ（Ｓａ，Ｓｂ）の圧力センサー１２により、外圧の圧力分布を検出する。

検出装置１０１においても、外圧により弾性体突起２２（２２ａ，２２ｂ）の変形量が大きくなると、弾性体突起２２ａは、単位検出領域Ｓａから隣り合う単位検出領域Ｓｂにはみ出して変形してしまう。そうすると、単位検出領域Ｓａでは、弾性体突起２２ａに伝達された外圧の力成分のすべてではなく一部が圧力センサー１２で検出される。また、単位検出領域Ｓｂでは、弾性体突起２２ａに伝達された外圧の力成分のうちの残りの部分と弾性体突起２２ｂに伝達された外圧の力成分のうちの一部とが検出される。この結果、外圧の圧力分布を正確に検出することができなくなってしまう。

また、特許文献１〜３の検出装置では、測定面にかかる外圧の方向と大きさを高い精度で測定することができないという課題があった。

これに対して、第１の実施形態に係る検出装置１の構成によれば、第１基板１０の面１０ａから−Ｚ方向に窪んだ凹部１６と重なる位置に複数の圧力センサー１２が配置されており、弾性体突起２２も凹部１６と重なる位置に配置されているので、外圧が加えられると、弾性体突起２２は先端部が凹部１６において圧力センサー１２に当接した状態で変形する。このため、特許文献１の検出装置や従来の検出装置のように圧力センサーが配置された基板に凹部が設けられていない検出装置に比べて、非常に大きな外圧が斜め方向から加えられた場合でも、凹部１６により、第１基板１０の面１０ａに平行な方向への弾性体突起２２の過度の変形を抑えることができる。

また、第１の実施形態に係る検出装置１の構成によれば、弾性体突起２２が第２基板本体２１に設けられた第２基板２０を備えているので、特許文献１の検出装置のように弾性体突起が圧力センサー上に設けられ第２基板を備えていない検出装置に比べて、第１基板１０の面１０ａに平行な方向への弾性体突起２２の過度の変形を、第２基板本体２１により基部側からも抑えることができる。

これらにより、隣り合う弾性体突起２２同士が互いに接触することや、弾性体突起２２が所定の基準点Ｐの単位検出領域Ｓからはみ出して隣の基準点Ｐの単位検出領域Ｓに入り込んでしまうことを抑止できる。また、複数の圧力センサー１２で検出された圧力値に基づいて、外圧の作用する方向と大きさとを求めることができる。この結果、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出することができる。

（第２の実施形態）
＜検出装置＞
次に、第２の実施形態に係る検出装置を説明する。第２の実施形態に係る検出装置は、第１の実施形態に対して、凹部の形状が異なっているが、その他の構成はほぼ同じである。第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図３は、第２の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図である。詳しくは、図３（ａ）は第１基板及び第２基板の基準点における断面図であり、図３（ｂ）は第１基板の基準点における断面図である。なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示す２点鎖線Ｌは、第１基板１０Ａの面１０ａ（Ｘ方向）に平行である。また、図３（ａ）及び（ｂ）では、第１基板本体１１及び圧力センサー１２の図示を省略している。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る検出装置１Ａは、第１基板１０Ａと第２基板２０とを備えている。第１基板１０Ａには、面１０ａから−Ｚ方向に窪む、断面が略楕円球状の凹面に形成された凹部１６Ａが設けられている。なお、平面視における凹部１６Ａの開口部の形状及び配置は、第１の実施形態（図１（ｂ））の凹部１６と同じである。

図３（ａ）に示すように、凹部１６Ａの面１０ａからの深さＨ１は、弾性体突起２２の基部から先端部までの高さＨ２よりも小さい。そのため、弾性体突起２２が設けられた第２基板２０の表面に外圧が付加されていない状態において、弾性体突起２２は第１基板１０の面１０ａからＺ方向に突出するので、第２基板２０が第１基板１０Ａの面１０ａに接触することはない。したがって、第２基板２０に付加された外圧は、弾性体突起２２を介して圧力センサー１２に伝達されるので、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出することができる。なお、凹部１６Ａの深さＨ１は、弾性体突起２２がこれ以上変形しない臨界点となる外圧が加えられた状態においても、弾性体突起２２の高さＨ２よりも小さいことが望ましい。

また、凹部１６Ａの開口径（直径）Ｄ１は、弾性体突起２２の基部の外径（直径）Ｄ２よりも大きい。そのため、外圧が加えられたことにより弾性体突起２２が圧縮されて変形しても、弾性体突起２２の凹部１６Ａから第１基板１０Ａの面１０ａに平行な方向へのはみ出しが抑えられる。

さらに、図３（ｂ）に示すように、凹部１６Ａの外周部（周縁部）における面１０ａに対する傾斜角度θ２は、凹部１６Ａの中央部における面１０ａに対する傾斜角度θ１よりも大きい。そのため、面１０ａに平行な方向（Ｘ方向）への弾性体突起２２の過度の変形を、凹部１６Ａの外周部により効果的に抑えることができる。凹部１６Ａは、例えば、第１基板本体１１（図示省略）の面１０ａ側の一部を異方性エッチングにより除去した後、さらに等方性エッチングを行うことで形成できる。

なお、本実施形態のように凹部１６Ａが傾斜面ではなく略楕円球状の凹面の場合、傾斜角度とは、図３（ｂ）に示す断面において、凹部１６Ａの凹面の各部における接線と面１０ａとがなす角度をいう。凹部１６Ａが略楕円球状の凹面の場合、凹部１６Ａの凹面の外周部における曲率は、凹部１６Ａの凹面の中央部における曲率よりも大きいと言い換えることもできる。

このように、第２の実施形態に係る検出装置１Ａの構成によれば、凹部１６の開口径Ｄ１が弾性体突起２２の外径Ｄ２よりも大きいので、弾性体突起２２が第１基板１０の面１０ａに平行な方向に変形しても、弾性体突起２２の凹部１６からのはみ出しが抑えられる。また、第１基板１０の面１０ａに対する凹部１６の外周部における傾斜角度θ２が中央部における傾斜角度θ１よりも大きいので、第１基板１０の面１０ａに平行な方向への弾性体突起２２の変形を凹部１６の外周部で抑えることができる。これらにより、隣り合う弾性体突起２２同士が接触することや、弾性体突起２２が所定の単位検出領域Ｓからはみ出して隣の単位検出領域Ｓに入り込んでしまうことを効果的に抑止できる。

また、第２の実施形態に係る検出装置１Ａの構成によれば、弾性体突起２２の高さＨ２は凹部１６の深さＨ１よりも大きいので、外圧が付加されていない状態において、第１基板１０の面１０ａに対して、弾性体突起２２が突出するので第２基板本体２１が離間される。これにより、第２基板２０に付加された外圧が弾性体突起２２を介して圧力センサー１２に伝達されるので、外圧の力成分の作用する方向と大きさや、外圧の圧力分布を正確に検出することができる。

（第３の実施形態）
＜検出装置＞
次に、第３の実施形態に係る検出装置を説明する。第３の実施形態に係る検出装置は、第１の実施形態に対して、第１基板の構成が異なっているが、その他の構成はほぼ同じである。第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図４は、第３の実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図である。詳しくは、図４（ａ）は第１基板及び第２基板の基準点における断面図であり、図４（ｂ）は第１基板の製造方法を説明する図である。

図４（ａ）に示すように、第３の実施形態に係る検出装置２は、第１基板３０と第２基板２０とを備えている。第１基板３０は、第１基板本体１１と、接着層３７と、圧力センサーシート３１と、を備えている。接着層３７は、例えば、ＵＶ硬化型の接着剤等からなる。

圧力センサーシート３１は、汎用の圧力センサーシートであり、樹脂層３６と、樹脂層３６上に順に形成された第１電極３３と中間層３４と第２電極３５とで構成された複数の圧力センサー３２と、を備えている。樹脂層３６は、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）等のフレキシブルな樹脂で構成されている。したがって、第１基板３０では、圧力センサー３２が第１基板本体１１上に接着層３７及び樹脂層３６を介して配置されている。

第１電極３３及び第２電極３５は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料からなる。中間層３４は、例えば感圧導電ゴム等の、感圧材料からなる。圧力センサー３２は、外圧が付加され第１電極３３と第２電極３５との間の距離が小さくなると、外圧の作用がないときに比べて抵抗値が小さくなる。圧力センサー３２は、抵抗値の変化により外圧を検出する抵抗方式の圧力センサーである。

圧力センサーシート３１は、第１基板本体１１の凹部１８の凹面に沿って配置されているので、第１基板３０には、凹部１８の凹面が反映され面３０ａから−Ｚ方向に窪む凹部３８が形成されている。凹部３８は、基準点Ｐと重なる位置に、弾性体突起２２が配置されたピッチ間隔と略同一の間隔で配置されている。

図４（ｂ）に示すように、第１基板３０は、接着層３７を介して、第１基板本体１１上に圧力センサーシート３１を接着することにより形成される。このように、検出装置２では、圧力センサー３２として、汎用の圧力センサーシート３１を用いることができる。また、第１基板本体１１に圧力センサーシート３１を接着することにより、半導体プロセスにより製造する第１基板１０に比べて、第１基板３０の製造工程を簡略化することができる。

第３の実施形態に係る検出装置２の構成によれば、第１の実施形態に係る検出装置１と同様に、隣り合う弾性体突起２２同士が相互に接触することや、弾性体突起２２が所定の単位検出領域Ｓからはみ出して隣の単位検出領域Ｓに入り込んでしまうことを抑止できる。

また、第３の実施形態に係る検出装置２の構成によれば、半導体プロセスにより第１基板１０を製造する第１の実施形態に比べて、汎用の圧力センサーシート３１を用いて、容易に第１基板３０を製造することができるので、検出装置２の製造コストを低減することができる。

（第４の実施形態）
＜電子機器＞
次に、上記実施形態の検出装置のいずれかを適用した電子機器の一例として、携帯電話機及び携帯情報端末の概略構成を説明する。図５は、第４の実施形態に係る電子機器の一例の概略構成を示す模式図である。詳しくは、図５（ａ）は携帯電話機の概略構成を示す模式図であり、図５（ｂ）は携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）の概略構成を示す模式図である。

図５（ａ）に示すように、携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３と、コントロールパッド１００２と、表示部としての液晶パネル１００１と、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、液晶パネル１００１に、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５（ｂ）に示すように、携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２と、コントロールパッド２００３と、表示部としての液晶パネル２００１と、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、液晶パネル１００１に、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。

携帯電話機１０００及び携帯情報端末２０００は、上述した検出装置１，１Ａ，２のいずれかをコントロールパッド１００２，２００３に備えている。そのため、コントロールパッド１００２，２００３を押す操作を行うと、加えられた外圧の方向及び大きさを検出装置１，１Ａ，２が正確に検出するので、操作に対応した動作を的確に行うことができる。

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。

第４の実施形態の電子機器によれば、上述した検出装置１，１Ａ，２のいずれかを備えているので、ユーザーの操作により加えられる外圧の方向及び大きさを正確に検出して、的確に動作することが可能な電子機器を提供することができる。

（第５の実施形態）
＜ロボット＞
次に、上記実施形態の検出装置のいずれかを適用したロボットの一例として、ロボットハンドの概略構成を説明する。図６は、第５の実施形態に係るロボットの一例の概略構成を示す模式図である。詳しくは、図６（ａ）はロボットハンドで何も把持していない状態を示す図であり、図６（ｂ）はロボットハンドで対象物を把持している状態を示す図である。

図６（ａ）に示すように、ロボットハンド３０００は、本体部３００３と、一対のアーム部３００２及び把持部３００１と、を備えている。把持部３００１は、上述した検出装置１，１Ａ，２のいずれかを備えている。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６（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に上述した検出装置１，１Ａ，２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）や、回転トルクを検出することができる。これにより、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可能である。

第５の実施形態のロボットハンド３０００によれば、上述した検出装置１，１Ａ，２のいずれかを備えているので、対象物３０１０を把持することにより加えられる外圧の方向、大きさ、及び回転トルクを正確に検出して、対象物３０１０に応じて把持する力を加減することが可能なロボットを提供することができる。

なお、実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。

（変形例１）
上述した実施形態では、検出装置１，１Ａ，２が弾性体突起２２が設けられた第２基板２０を備える構成であったが、このような形態に限定されない。例えば、図７（ａ）に示す検出装置１Ｂのように、第２基板２０を備えておらず、弾性体突起２３が第１基板１０上に配置された構成であってもよい。図７（ａ）に示す例では、弾性体突起２３の基部が凹部１６に設置されており、弾性体突起２３の先端部に外圧が付加される構成となっている。このような構成であっても、凹部１６により、第１基板１０の面１０ａに平行な方向への弾性体突起２３の過度の変形を抑えることができる。

（変形例２）
上述した実施形態では、凹部１６，１６Ａ，３８は球状面又は楕円球状面を有していたが、このような形態に限定されない。凹部は、例えば、図７（ｂ）に示す凹部１６Ｂのように、第１基板１０Ｂの断面が傾斜面となる円錐状の凹面であってもよいし、図７（ｃ）に示す凹部１６Ｃのように、第１基板１０Ｃの断面が傾斜角度が異なる複数の傾斜面で構成される凹面であってもよい。また、凹部は、これらの傾斜面と球状面との組み合わせで構成されていてもよい。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、凹部が複数の傾斜面や球状面の組み合わせで構成される場合は、外周部における曲率又は傾斜角度が中央部における曲率又は傾斜角度よりも大きいことが望ましい。

（変形例３）
上述した実施形態では、弾性体突起２２の先端部が球面の錘状であったが、このような形態に限定されない。弾性体突起の形状は、例えば、図７（ｄ）に示す弾性体突起２４のように半球状であってもよいし、図７（ｅ）に示す弾性体突起２５のように円柱状でああってもよい。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例４）
上述した実施形態では、圧力センサー１２が単位検出領域Ｓ当たり４行４列に計１６個マトリックス状に配置されている例をあげて説明したが、このような形態に限定されない。圧力センサーは、単位検出領域Ｓ当たり３つ以上配置されていればよいし、マトリックス状以外の配置であってもよい。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例５）
上述した実施形態では、検出装置１，１Ａ，２が圧力センサーとして静電容量方式の圧力センサー１２及び抵抗方式の圧力センサー３２のいずれかを備えていたが、このような形態に限定されない。圧力センサーとして、例えば、ダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換するダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いる構成や、インダクタンスの変化を検出する素子を用いる構成であってもよい。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例６）
上述した実施形態では、検出装置１，１Ａ，２が携帯電話機１０００及び携帯情報端末２０００等の電子機器やロボットハンド３０００に搭載された例を説明したが、このような形態に限定されない。例えば、検出装置１，１Ａ，２を、衣服等の身に着けるものの中に縫い込むことや埋め込むことにより搭載する構成であってもよい。このような構成によれば、筋肉等の身体の一部の動作を検知することが可能となる。

（変形例７）
上述した実施形態では、検出装置１，１Ａ，２がロボットハンド３０００の把持部３００１に搭載された例を説明したが、このような形態に限定されない。例えば、ロボットの指先や足裏等に搭載して触覚センサーとして用いる構成としてもよい。このような構成によれば、対象物の表面状態や動作状態を検知して、より精密な動作を行うことが可能なロボットを提供することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，２，１００，１０１…検出装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…第１基板、１０ａ…一面としての面、１１…第１基板本体、１２，３２…圧力センサー、１３…第１電極、１４…中間層、１５…第２電極、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１８…凹部、２０…第２基板、２２…弾性体突起、３６…樹脂層、１０００…携帯電話機、１００１…液晶パネル、１００２，２００３…コントロールパッド、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、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)

1. 基準点に加えられた外圧の方向及び大きさを検出する検出装置であって、
   第１基板と、
   前記第１基板の一面から窪んで設けられ、前記基準点と重なる位置に配置された凹部と、
   前記第１基板の前記一面側に設けられ、前記基準点の周りに複数配置された圧力センサーと、
   前記基準点と重なる位置に配置され、外圧によって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と、
   を備えることを特徴とする検出装置。
2. 請求項１に記載の検出装置であって、
   前記凹部の開口径は、前記弾性体突起の外径よりも大きいことを特徴とする検出装置。
3. 請求項１または２に記載の検出装置であって、
   前記凹部の外周部における前記一面に対する傾斜角度は、前記凹部の中央部における前記一面に対する傾斜角度よりも大きいことを特徴とする検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   前記凹部の深さは、前記弾性体突起の高さよりも小さいことを特徴とする検出装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   前記第１基板は、
   第１基板本体と、樹脂層と、をさらに備え、
   前記圧力センサーは、前記第１基板本体上に前記樹脂層を介して配置されていることを特徴とする検出装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   前記第１基板に対向配置された第２基板をさらに備え、
   前記弾性体突起は、前記第２基板の前記第１基板に対向する面に設けられていることを特徴とする検出装置。
7. 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、
   凹部と、前記凹部に第１及び第２の圧力センサーとが配置された第１基板と、
   弾性体突起が配置された第２基板とからなり、
   前記凹部と前記凹部に前記第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。
8. 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７記載の検出装置。
9. 請求項１から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。
10. 請求項１から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。

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