JP2013088274A - 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。
【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円錐台もしくは角錐台形状である弾性体突起２２が形成された第２基板２０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。

外力を検出する検出装置として、特許文献１及び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

しかしながら、特許文献１の検出装置は、裏面に錘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。
また、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、外力を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で外力の検出限界が決まってしまう。
以上のように、特許文献１及び２の検出装置では、いずれも外力の方向と大きさとを高い精度で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、外力の方向と大きさと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。

本発明は、上述した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）本適用例に係る検出装置は、基準点に加えられた外力の方向と大きさとを検出する検出装置であって、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、基準点と重なる位置に重心が位置するとともに、頂部が圧力センサーに当接した状態で外力によって弾性変形する弾性体突起が配置された第２基板とを備え、弾性体突起の形状は、円錐台または角錐台であることを特徴とする。

このような検出装置によれば、弾性体突起が第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、外力の方向と大きさとの検出精度を高めることができる。第２基板の表面に外力が加えられると、弾性体突起は頂部が第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力が加えられた方向と大きさを求めることができる。また、弾性体突起の形状は、円錐台または角錐台を有し、第１基板と当接する頂部は平面であることで、外力の方向と大きさとに関係無く一定の面積を第１基板に当接させることができる。このことによって、外力が加えられていない時に各圧力センサーで検出される圧力値と、外力が加えられた時に各圧力センサーで検出される圧力値との差分の比較し、演算することで外力が加えられた方向と大きさを求めることができる。

（適用例２）上記適用例に係る検出装置において、外力によって弾性体突起が弾性変形することにより複数の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せられた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力が加えられた方向と大きさとを演算する演算装置を備えることが好ましい。

（適用例３）上記適用例に係る検出装置において、複数の圧力センサーは、基準点に対して点対称に配置されることが好ましい。

このような検出装置によれば、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、弾性体突起の弾性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、弾性体突起の弾性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、弾性体突起の弾性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力の方向と大きさとを演算することが容易となり、外力を効率よく検出することができる。

（適用例４）上記適用例に係る検出装置において、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が好ましい。

このような検出装置によれば、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力の方向と大きさとを演算することが容易となる。

（適用例５）上記適用例に係る検出装置において、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が好ましい。

このような検出装置によれば、多数の圧力センサーが配置される。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力の作用する方向と大きさとを求めることができる。したがって、外力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６）上記適用例に係る検出装置において、弾性体突起は、第２基板に複数配置されており、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が好ましい。

このような検出装置によれば、弾性体突起が弾性変形したときの第２基板本体の面内に平行な方向の弾性変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起に弾性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、外力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、外力の方向と大きさとを高い精度で検出することができる。

（適用例７）上記適用例に係る検出装置において、第２基板に配置された弾性体突起の頂部と、第１基板の圧力センサーが配置された側との間に第３基板が配置されていることが好ましい。

このような検出装置によれば、例えば、弾性体突起と比べて第３基板が柔軟性を有する場合、第３基板が配置されない場合と比べて外力によって弾性変形する弾性突起の頂部が滑ることを抑制することができる。つまり、基準点の周りに複数配置された圧力センサーの領域から頂部がはみ出すことを抑制し、圧力センサー以外に外力が伝達されることを抑制することができる。従って、外力の方向と大きさとを高い精度で圧力センサーに伝達することができる。

（適用例８）上記適用例に係る検出装置において、第２基板の弾性体突起が配置された側と反対側には、第２基板と比べて高い剛性を有する補強部材が配置されていることが好ましい。

このような検出装置によれば、例えば、外力が２つの隣り合う弾性体突起の間の領域に作用する場合、補強部材が無いときに比べて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、外力の加えられた方向と反対の方向とを検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外力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９）上記適用例に係る検出装置において、圧力センサーは感圧導電性材料からなる感圧素子が配置されることが好ましい。

このような検出装置によれば、外力を検出する圧力センサーの感圧材料として感圧導電性材料を用いることで、例えば、感圧導電材料として導電フィラーを分散させた多孔質シリコーンゴムを一対の電極基板に狭持した単純な構成で圧力センサーアレイを構成できる。このことによって、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｏｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術によって形成される圧力センサーを用いた検出装置と比べて、安価かつ耐久性の良い検出装置を提供することができる。

（適用例１０）本適用例に係る電子機器は、上記の検出装置を備えることを特徴とする。

このような電子機器は、上述した検出装置を備えているので、外力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１１）本適用例に係るロボットは、上記の検出装置を備えることを特徴とする。

このようなロボットは、上述した検出装置を備えているので、外力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。

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実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す断面図。 第１実施形態に係る弾性体突起外力による弾性変形を示す平面図。 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実施形態に係る垂直方向の外力による圧力分布を示す図。 第１実施形態に係る外力によるすべり方向の計算例を示す図。 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。 第２実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す断面図。 第２実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す平面図。 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分解斜視図。 第３実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す断面図。 第４実施形態に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図。 第４実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す断面図。 第５実施形態に係る検出装置の概略構成を示す図。 第５実施形態に係る圧力センサーの概回路図。 第５実施形態に係る圧力センサーによる弾性体突起の弾性変形を示す断面図。 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、本発明の実施形態を図面に基づいて説明をする。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載をしている。また、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構成について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が図１に示す第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。

検出装置１は、基準点Ｐに加えられた外力の方向と大きさと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、「外力」とは、基準点Ｐに外的に加えられた力で、例えばタッチパッドを操作ために加えられる力である。また、「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。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に重なる位置に重心が位置するとともに外力によって頂部が第１基板１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２が配置された第２基板２０とを備えている。

検出装置１は、外力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力が加えられた方向と大きさとを演算する図示しない演算装置を備えている。

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２８ｍｍ×横４８ｍｍ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。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、静電気等の影響により隣り合う位置の圧力センサー１２で検出された圧力信号にノイズが重畳され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２．７ｍｍ×横２．７ｍｍ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、接触面に外力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、外力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。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の形状は、円錐台もしくは角錐台である。また、角錐台は正四角錐台が好ましく、三角や八角の多角錐台でも良い。円錐台もしくは角錐台は、面積の広い台面が第２基板本体２１と接する基部であり、他方の面積の小さい台面を頂部とし、その頂部が第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の大きさは任意に設定することができる。ここでは、円錐台形状を有する弾性体突起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）、及び角錐台形状を有する弾性体突起１２２（図２及び図３参照。）の一辺の長さ（弾性体突起１２２が第１基板１０に接する辺の長さ）は２．０ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２（弾性体突起１２２）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０．８ｍｍ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堅さ測定値）は４０程度になっている。

図２及び図３は、基準点Ｐに作用する外力の方向と大きさとを検出する方法の説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形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実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形を示す平面図である。
なお、図２（ａ１）〜（ｃ１）及び図３（ａ１）〜（ｃ１）は円錐台形状である弾性体突起２２の場合を示し、図２（ａ２）〜（ｃ２）および図３（ａ２）〜（ｃ２）は多角錐台形状である弾性体突起１２２の場合を示す。特に記載しない限り、例えば図２おいて、図（ａ１）および図（ａ２）は、総称して図２（ａ）と称し、図２（ｂ）〜図２（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）も同様とする。また、特に記載しない限り、円錐台である弾性体突起２２には角錐台形状である弾性体突起１２２が含まれるものとする。

図２（ａ）及び図３（ａ）は、第２基板２０の表面に外力が加えられる前の状態（外力の作用がないとき。）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）の外力が加えら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）の外力が加えられた状態を示している。さらに、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の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起２２は頂部が第１基板１０に当接し、変形しない。これにより、第１基板１０と第２基板２０（第２基板１２０）との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２２（弾性体突起１２２）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の圧力値は図示しないメモリー部に記憶されている。メモリー部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力の作用する方向や大きさが求められる。なお、多角錐台である弾性体突起１２２は、その多角錐台の頂部の辺が各圧力センサー１２に当接するように、第１基板１０のＸ方向及びＹ方向を基準として基準点Ｐを中心に４５°回転させて配置されている。

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力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第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との間の距離が外力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、外力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とも略同じ値となる。弾性体突起２２の頂部が各圧力センサー１２に当接する面積が等しいためである。

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力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第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との間の距離が外力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の頂部と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の頂部と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方が大きくなる。

弾性体突起２２は、斜め方向の外力により弾性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。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力が加えられた方向と大きさが求められる。なお、頂部は常に第１基板１０に当接し、その当接する面積は外力の方向と、大きさとに係わらず一定である。このことによって、外力が加えられる前の各圧力センサー１２で検出される圧力値と、外力が加えられた際の各圧力センサー１２で検出される圧力値と比較演算することで、外力の方向と大きさとを検出することができる。

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実施形態に係る垂直方向の外力による圧力分布を示す図である。図６は、第１実施形態に係る外力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１２（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、外力によって弾性体突起２２が弾性変形することにより４つ（複数）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力が加えられた方向が演算される。

式（１）に示すように、外力の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力のＸ方向成分が求められる。

式（２）に示すように、外力の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力のＹ方向成分が求められる。

式（３）に示すように、外力の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、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ（分力）及び外力の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、頂部の形状を先鋭にしたりすると、外力の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力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の頂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、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力の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（検出装置１）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、外力の垂直方向の圧力は、外力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１２の出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外力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Ｓ（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力の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を説明する。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、外力の垂直方向の圧力は、図５に示す様に外力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力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）に基づいて外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力の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周りに約１２３°の方向に外力が作用していることが分かる。なお、外力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。

上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起２２の頂部が第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）に弾性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、外力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２０の表面に外力が加えられると、弾性体突起２２は頂部が第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、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２２の弾性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力が加えられた方向と大きさとを求めることができる。したがって、外力の方向と大きさと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、弾性体突起２２の変形量と各圧力センサーＳ１〜Ｓ４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１２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２２の弾性変形量が同じであっても、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４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、弾性体突起２２の変形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の圧力値の差分から外力の方向と大きさとを演算することが容易となり、外力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から外力の方向と大きさと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、外力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が弾性変形したときに他方の弾性体突起２２に弾性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、外力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、外力の方向と大きさとを高い精度で検出することができる。

この構成によれば、弾性体突起２２の形状は、円錐台または角錐台を有し、第１基板１０と当接する頂部は平面を有しているので、外力の方向と大きさとに関係無く一定の面積を第１基板に当接させることができる。このことによって、外力が加えられていない時に各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出される圧力値と、外力が加えられた時に各圧力センサーで検出される圧力値との差分の比較し、演算することを容易にすることができる。従って、外力の方向と大きさと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。

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７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２の概略構成を示す分解斜視図である。図７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Ｓ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。図７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。
なお、図７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８から図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７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１１２を有する第１基板本体１１１と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外力によって頂部が第１基板１１０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。

複数の圧力センサー１１２は、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に少なくとも縦４行横４列に計１６個配置されている。具体的には、複数の圧力センサー１１２は、単位検出領域Ｓ当たり少なくとも縦４行横４列に計１６個配置されている。これら１６個の圧力センサー１１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。

図８（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形を示す断面図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形を示す平面図である。なお、図８（ａ）及び図９（ａ）は第２基板２０の表面に外力が加えられる前の状態（外力の作用がないとき）を示している。図８（ｂ）及び図９（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられた状態を示している。図８（ｃ）及び図９（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられた状態を示している。また、図９（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２２の重心を示している。図８及び図９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８（ａ）及び図９（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０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１１２の圧力値は図示しないメモリー部に記憶されている。メモリー部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力の作用する方向や大きさが求められる。

図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第１基板１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２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１１０と第２基板２０との間の距離が外力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で検出された圧力値は、外力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１１２とも略同じ値となる。

図８（ｃ）及び図９（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第１基板１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２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１１０と第２基板２０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。また、第２基板２０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の頂部と複数の圧力センサー１１２との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ほうが重なる面積の割合が大きくなる。

図１０は、図４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１０において、複数の圧力センサーＳｉ（１００個）がマトリックス状に配置されており、このうちの２５の圧力センサーＳｉがそれぞれ−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配置されている。また、図１０においては、便宜上、１００個の圧力センサーＳｉを図示しているが、圧力センサーＳｉ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１０に示すように、複数の圧力センサーＳｉ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Ｓｉが検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰｉ（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各圧力センサーＳｉとの間の距離の面内方向成分をｒｉ（ｉ＝１〜１００）とする。また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒｘｉ（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒｙｉ（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、外力によって弾性体突起２２（図７〜図９参照）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Ｓｉの圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳｉの圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向が演算される。

式（４）に示すように、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、１００個の圧力センサーＳｉ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Ｓｉ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Ｓｉ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Ｓｉ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Ｓｉの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のＸ方向成分が求められる。

式（５）に示すように、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、１００個の圧力センサーＳｉ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Ｓｉ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Ｓｉ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Ｓｉ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Ｓｉの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のＹ方向成分が求められる。

式（６）に示すように、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、１００個の圧力センサーＳｉ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、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力の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、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力の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、外力の作用する方向の算出にあっては、１００個の圧力センサーＳｉ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Ｓｉ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。

上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
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（Ｓｉ）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（Ｓｉ）の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー１１２（Ｓｉ）で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー１１２（Ｓｉ）の検出結果を積算して外力の作用する方向と大きさとを求めることができる。したがって、外力の方向と大きさとを高い精度で検出することができる。

（第３実施形態）
図１１は、図７に対応した、本発明の第３実施形態に係る検出装置３の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図１１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３は、第１基板１１０の圧力センサー１１２が配置された側の面に、弾性体突起２２と同等、または、弾性体突起２２より柔軟性を有する材料からなる第３基板５１が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１１において、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。

図１１に示すように、検出装置３は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２を有する第１基板１１０と、第１基板１１０の圧力センサー１１２の表面に配置された第３基板５１と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに、外力によって頂部が第３基板５１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。

第３基板５１は、矩形板状となっており、平面視において第１基板本体１１１と略同じ大きさに形成されている。この第３基板５１は、弾性体突起２２と比べて柔軟性を有している。例えば、弾性体突起２２の形成材料がシリコーン樹脂（デュロメーター硬さ５０程度）の場合、第３基板５１は、弾性体突起２２と同様にシリコーン樹脂（デュロメーター硬さ３０程度）を用いて形成する。このことで、弾性変形する弾性体突起２２の頂部は、第３基板５１が変形（陥没）することで滑ることなく密接し、第２基板２０の表面に加えられた外力を圧力センサー１１２に伝えることができる。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態に係る外力による弾性体突起２２の弾性変形を示す断面図である。なお、図１２（ａ）は第２基板２０の表面に外力が加えられる前の状態（外力の作用がないとき）を示している。図１２（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられた状態を示している。図１２（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられた状態を示している。図１２において、図８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１２（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外力が加えられ前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このときの各圧力センサー１１２で検出された圧力値は図示しないメモリー部に記憶されている。メモリー部に記憶された各圧力センサー１１２で検出された圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。

図１２（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第３基板５１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１１０と第２基板２０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。また、弾性体突起２２の圧縮変形に応じて第３基板５１は、頂部と当接する部分が変形する。外力は、第３基板５１を介して第１基板１１０の表面に配置された複数の圧力センサー１１２に伝えられ、圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。

図１２（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第３基板５１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１１０（第３基板５１）と第２基板２０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。また、第２基板２０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る。また、弾性体突起２２の圧縮変形に応じて第３基板５１は、頂部と当接する部分が変形する。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。

上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
本実施形態の検出装置３によれば、弾性体突起２２の頂部と圧力センサー１１２との間に弾性体突起２２と比べて柔軟性を有する第３基板５１が配置されているので、弾性体突起２２が配置されている第２基板２０へ加えられた外力の方向を高い精度で検出することができる。例えば、第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２の頂部が第３基板５１に変形（陥没）する様に当接し、弾性体突起２２の中心が単位検出領域Ｓの基準点Ｐから滑って（ずれて）しまうことを抑制することができる。つまり、弾性体突起２２の頂部が単位検出領域Ｓの基準点Ｐから外力の加えられた方向に滑って（ずれて）外力の加えられた方向を誤検出することを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、第３基板５１は独立して形成し配置されているが、弾性体突起２２と一体となるように接合されていてもよい。これにより第２基板２０に加えられた外力によって弾性変形する弾性体突起２２の頂部が単位検出領域Ｓからずれることをさらに抑制することができる。

（第４実施形態）
図１３は、図１１に対応した、本発明の第４実施形態に係る検出装置４の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図１３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４は、第２基板２０の弾性体突起２２が配置された面とは反対の面に第２基板本体２１と比べて高い剛性を有する補強部材５２が配置されている点で、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１１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１３に示すように、検出装置４は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２を有する第１基板１１０と、第１基板１１０に配置された圧力センサー１１２の表面に配置された第３基板５１とを備えている。また、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外力によって頂部が第３基板５１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、第２基板２０の弾性体突起２２が配置された側と反対の側に配置された補強部材５２とを備えている。

補強部材５２は、矩形板状となっており、平面視において第２基板本体２１と同じ大きさに形成されている。この補強部材５２は、第２基板本体２１よりも高い剛性を有している。例えば、第２基板本体２１の材質が弾性体突起２２の材質と同様にシリコーン樹脂（デュロメーター硬さ５０程度）の場合、補強部材５２の形成材料としては、エポキシ樹脂（デュロメーター硬さ６０程度）を用いることができる。このため、外力の接触面となる第２基板２０（補強部材５２）に配置された隣り合う弾性体突起２２の間隔と比べて小さい対象物（例えば先鋭なスタイラスペン）によって外力が加えられた場合であっても、外力を正確に検出することができる。

図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第４実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形を示す断面図である。なお、図１４（ａ）は第２基板２０の表面（補強部材５２の表面）に外力が加えられる前の状態（外力の作用がないとき）を示している。図１４（ｂ）は補強部材５２に垂直方向の外力が加えられた状態を示している。図１４（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられた状態を示している。図１４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。

図１４（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このときの各圧力センサー１１２で検出された圧力値は図示しないメモリー部に記憶されている。メモリー部に記憶された各圧力センサー１１２で検出された圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。

図１４（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第３基板５１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１１０と第２基板２０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。外力は、第３基板５１を介して第１基板１１０の表面に配置された各圧力センサー１１２に伝えられ、各圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。

また、外力は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に加えられる場合もある。本実施形態では第２基板２０の表面に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５２を備えているので、例えば、指で検出装置４を垂直方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起２２は互いに垂直方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材５２が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起２２が互いに反対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。

図１４（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第３基板５１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１１０と第２基板２０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。また、第２基板２０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。

また、外力は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に加えられる場合もある。本実施形態では第２基板２０の表面に第２基板本体２１よりも高い剛性を有する補強部材５２を備えているので、例えば、指で検出装置４を斜め方向に押した場合、２つの隣り合う弾性体突起２２は互いに斜め方向に圧縮変形することとなる。このように、補強部材５２が無い場合に比べて外力により２つの隣り合う弾性体突起２２が互いに反対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。

上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
本実施形態の検出装置４によれば、第２基板２０の弾性体突起２２が形成された側と反対の側に第２基板本体２１と比べて高い剛性を有する補強部材５２が配置されているので、外力の方向を高い精度で検出することができる。例えば、外力が２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に加えられた場合、補強部材が無いときに比べて２つの隣り合う弾性体突起２２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、外力の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制することができる。したがって、外力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、補強部材５２が第２基板２０の表面に配置されているが、これに限らない。例えば、補強部材５２を設けずに、第２基板本体２１自体を弾性体突起２２よりも高い剛性を有する材質で形成してもよい。これにより、補強部材５２を設ける構成に比べて検出装置４の薄型化を図ることができる。

（第５実施形態）
図１５は、図１に対応した、本発明の第５実施形態に係る検出装置５の概略構成を示す図である。図１５（ａ）は、検出装置５の分解斜視図である。また、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す線分Ａ−Ａ線における第１基板２１０の断面概略構成を示す模式図である。なお、図１５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２１２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５は、上述した第１実施形態の検出装置１の圧力センサー１２に相当する圧力センサー２１２として、感圧導電性ゴムなどからなる圧力センサー２１２が配置されている。図１５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。
なお、図１５においては、便宜上、複数の圧力センサー２１２が単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に配置されているが、実際には第２実施形態から第４実施形態で説明をしたように圧力センサー２１２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１５（ａ）に示すように、検出装置５は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー２１２を有する第１基板２１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに外力によって頂部が第１基板２１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２が配置された第２基板２０とを備えている。

複数の圧力センサー２１２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２１２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２１２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２１２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２１２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー２１２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。

複数の圧力センサー２１２は、一対の電極基板２１３，２１４に配線された行電極２１３ａと列電極２１４ａの間に感圧導電材料を配置することにより形成した感圧導電素子ＰＲである。
図１５（ｂ）に示す第１基板２１０は、感圧素子ＰＲをポリイミド樹脂で構成される電極基板２１３，２１４の間に配置し、電極基板２１３に配線されている行電極２１３ａと、電極基板２１４に配線されている列電極２１４ａとに接続した圧力センサー２１２が複数配置されたアレイ基板である。感圧素子ＰＲは、感圧導電材料に外力が加えられることで行電極２１３ａ，列電極２１４ａ間における電気的な抵抗変化を電流値として検出可能にしたものである。感圧素子ＰＲは、感圧導電材料からなり導電フィラーを分散させた多孔質シリコーンゴムで構成されている。

図１６は、本実施形態の検出装置５における第１基板２１０に配置された複数の圧力センサー２１２の概略回路図である。感圧素子ＰＲは、その感圧素子ＰＲに外力が加わることで電気的な抵抗変化が生じる。感圧素子ＰＲの電気的な抵抗変化は、行電極２１３ａと列電極２１４ａとに電源ＰＷを接続し、感圧素子ＰＲに電圧を印加することで、外力に応じた電気的な抵抗変化を測定部２１５（電流計）で電流信号として取り出すことができる。

第１基板２１０に配置された複数の圧力センサー２１２は、各感圧素子ＰＲに対応する。各感圧素子ＰＲは、マトリックス状に配置され走査部ＳＷを切り替えることで個々の感圧素子ＰＲに加えられた外力の大きさを電流信号として取り出すことができる。例えば、図１５に示す領域Ｓ１に配置された圧力センサー２１２は、図１６に示す感圧素子ＰＲ１１に対応する。また、領域Ｓ２に配置された圧力センサー２１２は、感圧素子ＰＲ１２に対応し、領域Ｓ３に配置された圧力センサー２１２は、感圧素子ＰＲ２１に対応し、領域Ｓ４に配置された圧力センサー２１２は、感圧素子ＰＲ２２に対応する。
また、検出装置５は、マトリックス状に配置された感圧素子ＰＲの抵抗変化を検出するために電源ＰＷと測定部２１５と走査部ＳＷとを備える。例えば、Ｓ１に配置された圧力センサー２１２に対応する感圧素子ＰＲ１１の抵抗変化を検出する場合は、走査部ＳＷ１１、ＳＷ２１のスイッチを閉じることで、行電極２１３ａ及び列電極２１４ａを通じて電源ＰＷと、感圧素子ＰＲ１１と、測定部２１５との閉回路が構成される。
これにより領域Ｓ１に配置された感圧素子ＰＲ（圧力センサー２１２）に加えられた外力によって生じた抵抗変化を測定部２１５で電流として測定できる。各圧力センサー２１２（感圧素子ＰＲ）での圧力計測は、走査部ＳＷを順番に切り替えて電源ＰＷと、測定部２１５とを感圧素子ＰＲに接続しておこなう。測定部２１５で測定した電流（圧力信号）を図示しないメモリー部に圧力値として記録する。
なお、感圧素子ＰＲの抵抗変化は、電源ＰＷと感圧素子ＰＲと図示しない基準抵抗を直列に接続し、感圧抵抗ＰＲの抵抗変化によって基準抵抗の両端に生じる電圧変化を測定する方法としても良い。これにより、各感圧素子ＰＲの配線長さ（距離）による誤差を抑制することができる。

検出装置５は、外力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２１２（感圧素子ＰＲ）で測定されメモリー部に記録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２１２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力が加えられた方向と大きさを演算する図示しない演算装置を備えている。
なお、圧力値の差分の演算方法については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

図１７（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）〜（ｃ）に対応した、第５実施形態に係る弾性体突起２２の外力による弾性変形を示す断面図である。なお、図１７（ａ）は第２基板２０の表面に外力が加えられる前の状態（外力の作用がないとき）を示している。図１７（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられた状態を示している。図１７（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外力が加えられた状態を示している。図１７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１７（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このときの各圧力センサー２１２（感圧素子ＰＲ）で検出された圧力値は図示しないメモリー部に記憶されている。メモリー部に記憶された各圧力センサー２１２で検出された圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。

図１７（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外力が加えられたときには、弾性体突起２２は頂部が第１基板１０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１１０と第２基板２０との間の距離が外力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、外力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。弾性体突起２２の頂部が各圧力センサー１２に当接する面積が等しいためである。

図１７（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外力が付加されたときには、弾性体突起２２は頂部が第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との間の距離が外力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の頂部と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の頂部と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、斜め方向の外力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。

上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
本実施形態の検出装置５によれば、外力を検出する圧力センサー２１２の感圧素子ＰＲとして感圧導電性材料を用いることで、例えば、感圧導電材料として導電フィラーを分散させた多孔質シリコーンゴムを一対の電極基板に狭持した単純な構成で圧力センサー２１２が配置された第１基板２１０（圧力センサーアレイ）を形成することができる。このことによって、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｏｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術によって形成される圧力センサーを用いた検出装置と比べて、安価かつ耐久性の良い検出装置を提供することができる。

（電子機器）
図１８は、上述した実施形態に係る検出装置１から検出装置５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（図示省略）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１９は、上述した実施形態に係る検出装置１から検出装置５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（図示省略）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１から５を備えているので、外力の方向と大きさと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、上述の各実施形態に係る検出装置を適用させることができる。

（ロボット）
図２０は、上記各実施形態に係る検出装置１から検出装置５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２０（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２０（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、外圧の方向と大きさと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。

１〜５…検出装置、１０，１１０，２１０…第１基板、１１，１１１…第１基板本体、１２，１１２，２１２…圧力センサー、２０，１２０…第２基板、２１…第２基板本体、２２，１２２…弾性体突起、５１…第３基板、５２…補強部材、２１３，２１４…電極基板、２１３ａ…行電極、２１４ａ…列電極、２１５…測定部、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、ＰＲ…感圧素子、ＳＷ…走査部。

Claims (11)

1. 基準点に加えられた外力の方向と大きさとを検出する検出装置であって、
   前記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前記外力によって頂部が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が配置された第２基板と、を備え、
   前記弾性体突起の形状は、円錐台または角錐台であること、
   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、
   前記外力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せられた前記圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、当該差分に基づいて前記外力が加えられた方向と大きさとを演算する演算装置を備えること、
   を特徴とする検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の検出装置であって、
   複数の前記圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていること、
   を特徴とする検出装置。
4. 請求項３に記載の検出装置であって、
   複数の前記圧力センサーは、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、
   を特徴とする検出装置。
5. 請求項４に記載の検出装置であって、
   複数の前記圧力センサーは、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、
   を特徴とする検出装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   前記弾性体突起は、前記第２基板に複数配置されており、
   複数の前記弾性体突起は、互いに離間して配置されていること、
   を特徴とする検出装置。
7. 請求項６に記載の検出装置であって、
   前記第２基板に配置された前記弾性体突起の頂部と、前記第１基板の前記圧力センサーが配置された側との間に第３基板が配置されていること、
   を特徴とする検出装置。
8. 請求項７に記載の検出装置であって、
   前記第２基板の前記弾性体突起が配置された側と反対側には、前記第２基板と比べて高い剛性を有する補強部材が配置されていること、
   を特徴とする検出装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   前記圧力センサーは感圧導電性材料からなる感圧素子が配置されること、
   を特徴とする検出装置。
10. 請求項１から請求項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から請求項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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