JP2013096846A - 検出装置、電子機器及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外力の方向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第１容量電極１２を有する第１基板１０と、第１容量電極を挟んで第１基板と対向配置された第２基板２０と、第１基板と前記第２基板との間に配置された弾性体若しくは流体からなる誘電体と、第１基板と第２基板との間において誘電体を挟んで第１容量電極と対向配置された第２容量電極２２と、基準点Ｐと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２基板に当接した状態で弾性変形する円錐台または角錐台形状を有する弾性体突起３２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から特許文献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。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。また、特許文献３の検出装置は、静電容量を検出するセンシング領域を備えた素子基板と対向基板との間に誘電体層を設け、その変形による静電容量の変化から圧力の変化を検出する構成となっている。

特開昭６０−１３５８３４号公報 特開平７−１２８１６３号公報 特開２００９−１７６１８３号公報

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。また、特許文献３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。以上のように、特許文献１から特許文献３に記載の検出装置では、いずれも外力の方向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第１容量電極を有する第１基板と、第１容量電極を挟んで第１基板と対向配置された第２基板と、第１基板と前記第２基板との間に配置された弾性体若しくは流体からなる誘電体と、第１基板と第２基板との間において誘電体を挟んで第１容量電極と対向配置された第２容量電極と、基準点と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２基板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３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。

この検出装置によれば、弾性体突起と誘電体との２段構成により、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外力の方向の検出精度を高めることができる。第３基板の表面に所定の方向の外力が加えられると、弾性体突起は外力に応じて圧縮変形する。加えられた外力が大きくなると、弾性体突起はこれ以上変形しない臨界点を迎える。弾性体突起に臨界点を越えた外力が加えられると、誘電体が柔軟に変形する。このため、弾性体突起が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出することができる。また、弾性体突起は、所定方向の外力によって変形に偏りが生じる。すなわち、外力に面内の所定方向のすべり力成分がある場合、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、弾性体突起の重心が移動した部分の誘電体の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。よって、演算装置により、各容量検出素子で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向を求めることがでる。
また、弾性体突起の形状は、円錐台または角錐台を有し、第２基板と当接する頂部は平面であることで、外力の方向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容量検出素子で検出される静電容量値と、外力が加えられた時に各容量検出素子で検出される静電容量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を求めることができる。
従って、外力の方向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第１容量電極と第２容量電極と誘電体とで構成される複数の容量検出素子で検出され変化する静電容量値のうち、任意に組み合わせられた容量検出素子の静電容量の差分を演算し、当該差分に基づいて外力の方向を演算する演算装置を備えることが好ましい。

この様な検出装置によれば、外力が加えられる前に各容量検出素子で検出された静電容量値と、外力が加えられた時の各容量検出素子で検出された静電容量値とのうち、任意に組み合わせられた容量検出素子の差分を演算する演算装置を備えることで当該差分に基づいて外力の方向を検出することができる。

（適用例３）上記適用例に係る検出装置において、容量検出素子は、弾性体突起の弾性変形による静電容量値の変化と、誘電体の変形による静電容量値の変化とを別個独立して検出可能であることが好ましい。

この検出装置によれば、容量検出素子が弾性体突起の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化と、誘電体の変形による静電容量値の変化とを一括して検出する場合に比べて、外力を検出することが容易となる。例えば、弾性体突起が臨界点に達するまで誘電体が殆ど変形しないとすると、弾性体突起の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化のみを検出すれば外力が加えられた方向を求めることができる。従って、各容量検出素子の静電容量値の差分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、複数の第１容量電極は、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。

この検出装置によれば、基準点と第１容量電極との間の距離が等しくなるので、弾性体突起の変形量と第１容量電極と第２容量電極とを含んで構成される容量検出素子が検出する静電容量値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の第１容量電極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、各容量検出素子が検出する静電容量値は互いに異なることとなる。このため、検出された静電容量値の差分を演算する際に、各第１容量電極の配置位置に応じた補正係数が必要となる。そこで、当該構成によれば、弾性体突起の変形量と各容量検出素子が検出する静電容量値が互いに等しくなるので、前述の補正係数は不要となる。従って、各容量検出素子の静電容量値の差分から外力の方向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５）上記適用例に係る検出装置において、複数の第１容量電極は互いに直交する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、第１容量電極と第２容量電極とを含んで構成される容量検出素子が検出する静電容量値のうち、任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分から外力の方向を演算することが容易となる。

（適用例６）上記適用例に係る検出装置において第２容量電極は、第２基板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、第１容量電極及び第２容量電極が同一の基板に配置される場合に比べて、第１容量電極と第２容量電極との間に印加される電界のベクトル成分が誘電体の厚み方向と平行な方向の成分を多く含むこととなる。つまり、第１容量電極と第２容量電極との間に印加される電界のベクトル成分は、外力が加えられる方向とほぼ同じとなる。従って、外力の方向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容量電極は第１基板の基準点と重なる位置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、第１容量電極及び第２容量電極を同一の工程で形成することが可能となる。従って、製造工程を簡略化することができ、製造効率の向上及び製造コストの低減を図ることができる。また、製造工程において加熱工程を低減することができるため、第２基板に反り等が生じることを抑制することができる。このことによって、外力の検出精度を向上させることができる。また、弾性体突起の変形の過程において電極間の距離を一定に保つことができるので、外力の方向を高い精度で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において、複数の第１容量電極は互いに直交する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、配置される第１容量電極の数が多くなる。このため、多数の容量検出素子で検出される静電容量に基づいて各容量検出素子の検出結果を積算して外力の作用する方向を求めることができる。従って、外力の方向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、弾性体突起は複数形成されており、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３基板本体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、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起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、外力を正確に誘電体に伝達することができる。従って、外力の方向を高い精度で検出することができる。

（適用例１０）上記適用例に係る検出装置において、第１基板と第２基板との平面視における間には少なくとも隣り合う弾性体突起相互の間に第１基板と第２基板との間の距離を一定に保つスペーサー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、第３基板に加えられる外力は、スペーサーが配置された単位検出領域毎に作用することとなる。このため、スペーサーで囲まれた単位検出領域においては、他の単位検出領域との間で相互作用を及ぼすことなく、別個独立して外力を検出することができる。従って、外力の方向を高い精度で検出することができる。

（適用例１１）上記適用例に係る検出装置において、第３基板の弾性体突起が形成された側と反対の側に第３基板よりも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を検出するといった誤検出を抑制することができる。従って、外力の方向を高い精度で検出することができる。

（適用例１２）上記適用例に係る検出装置において、第３基板に配置された弾性体突起の頂部と、第１基板の容量検出素子が配置された側との間に弾性体突起と比べて柔軟性を有する第４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４基板が柔軟性を有する場合、第４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体突起の頂部が滑ることを抑制することができる。従って、弾性体突起の頂部が滑ることなく第１基板と第２基板との間に配置された誘電体に外力を伝達することができる。

（適用例１３）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１４）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実施形態に係るセンシング回路の構成を示す回路図。 第１実施形態に係るセンシング回路の動作を示すタイミングチャート。 リセット時におけるセンシング回路の動作を示す説明図。 センシング時におけるセンシング回路の動作を示す説明図。 読出時におけるセンシング回路の動作を示す説明図。 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の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分解斜視図。 第５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実施形態に係る弾性体突起の外力による弾性変形を示す平面図。 第５実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図。 第６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６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。 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においては、便宜上、誘電体４０（図７参照）の図示を省略している。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３２に対応して配置された複数の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４（第１容量電極１２と第２容量電極２２と誘電体４０とで構成される容量検出素子）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３２の中心が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の周りに複数配置された第１容量電極１２を有する第１基板１０と、第１容量電極１２を挟んで第１基板１０と対向配置された第２基板２０とを備える。また、第１基板１０と第２基板２０との間に配置された誘電体４０（図７参照）と、基準点Ｐに重なる位置に重心Ｇが位置するとともに外力によって頂部が第２基板２０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０と、を備えている。また、第１基板１０に対向する第２基板２０に第２容量電極２２が配置されている。

検出装置１は、外力によって弾性体突起３２が弾性変形することにより複数の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち、任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさとを演算する図示しない演算装置を備えている。

容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４は、弾性体突起３２の弾性変形による静電容量値の変化と、誘電体４０の変形による静電容量値の変化とを分けて検出することが可能になっている。

なお、本実施形態では、第１基板１０に第１容量電極１２が配置され、第２基板２０に第２容量電極２２が配置されている。つまり、第１容量電極１２と第２容量電極２２との間の誘電体４０に垂直方向（Ｚ方向）の電界を印加させる縦電界方式を採用している。

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第１容量電極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。

複数の第１容量電極１２は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数の第１容量電極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と各第１容量電極１２との間の距離が互いに等しくなるので、各第１容量電極１２と第２容量電極２２とを含んで構成される各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値が互いに等しくなる。よって、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち、任意に組み合わされた容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値の差分を演算することが容易となる。なお、静電容量値の差分の演算方法については後述する。

隣り合う第１容量電極１２の間隔は、０．１ｍｍ程度になっている。このため、静電気等の外乱の影響によって隣り合う位置の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出される静電容量の値にノイズ等が重畳しないようになっている。

複数の第１容量電極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つの第１容量電極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つの第１容量電極１２の各面積がほぼ等しくなっている。第１容量電極１２を形成する材料としては、例えばアルミニウム等の金属材料を用いることができる。

第２基板２０は、例えばプラスチック等の材料で構成された矩形板状の第２基板本体２１と、第２基板本体２１に配置された第２容量電極２２とを具備して構成されている。第２基板本体２１は、弾性体突起３２が当接する面に外力が作用したときに可撓性を有する程度の厚さに形成されている。なお、第２基板本体２１は平面視において第１基板本体１１と同じサイズに形成されている。

複数の弾性体突起３２は、第３基板本体３１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３２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３基板本体３１と接する基部であり、他方の面積の小さい台面（平面）を頂部とし、その頂部が第２基板２０に当接している。弾性体突起３２の重心Ｇ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３２は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起３２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。

第２容量電極２２は、複数形成されている第１容量電極１２の全体と重なる位置に配置されている。具体的には、第２容量電極２２は、第１基板本体１１と対向する第２基板本体２１の面に全体に形成されている。第２容量電極２２の形成材料としては、第１容量電極１２と同様に、例えばアルミニウム等の金属材料を用いることができる。

誘電体４０（図７参照）は、第１基板１０と第２基板２０との間に配置された、弾性体若しくは流体からなるものである。誘電体４０の形成材料としては、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。

第３基板３０は、矩形板状の第３基板本体３１と、第３基板本体３１に配置された複数の弾性体突起３２とを具備して構成されている。第３基板本体３１は、外力を直接受ける部分である。第３基板本体３１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３基板本体３１及び弾性体突起３２の形成材料として樹脂材料を用い、第３基板本体３１及び弾性体突起３２を金型で一体形成している。

複数の弾性体突起３２は、第３基板本体３１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３２の重心Ｇは、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３２は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起３２が弾性変形したときの第３基板本体３１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３２のサイズ（大きさ）は任意に設定することができる。ここでは、弾性体突起３２の基部の径（長さ）（弾性体突起３２が第３基板本体３１に接する部分の直径もしくは長さ）は１．８ｍｍ程度、また頂部の径（長さ）は０．６ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２の高さ（弾性体突起３２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３２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２のデュロメータ硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は５０程度になっている。

（センシング回路の構成）
図２は、容量検出素子（図１に示す符号Ｓ１〜Ｓ４）を用いて外力を検出するセンシング回路の等価回路図である。なお、図２において、符号Ｃｌは容量検出素子を示している。センシング回路６０は、リセットトランジスタ６１と、増幅トランジスタ６２と、選択トランジスタ６３と、基準容量素子Ｃｒと、容量検出素子Ｃｌとを備えている。容量検出素子Ｃｌは、第１容量電極１２と第２容量電極２２とを含み、第２容量電極２２には共通電位Ｖｃｏｍが供給される。

リセットトランジスタ６１のドレインは、電源線７０に接続されている。リセットトランジスタ６１のソースは、増幅トランジスタ６２のゲートに接続されている。電源線７０には電源電位ＶＲＨが供給される。リセットトランジスタ６１のゲートは、第１制御線７２に接続されている。第１制御線７２には、リセット信号ＲＥＳが供給される。

増幅トランジスタ６２のドレインは、電源線７０に接続されている。増幅トランジスタ６２のソースは、選択トランジスタ６３のドレインに接続されている。増幅トランジスタ６２のゲートと第１制御線７２との間には、基準容量素子Ｃｒが設けられている。また、増幅トランジスタ６２のゲートは容量検出素子Ｃｉの第１容量電極１２と接続されている。

選択トランジスタ６３のソースは検出線７４に接続されている。選択トランジスタ６３のゲートは第２制御線７６に接続されている。第２制御線７６には選択信号ＳＥＬが供給される。

（回路動作）
次に、センシング回路６０の動作を図３〜図６を参照しながら説明する。
図３は、本実施形態に係るセンシング回路６０（図４〜６参照）の動作を示すタイミングチャートである。図４は、リセット時におけるセンシング回路６０の動作を示す説明図である。図５は、センシング時におけるセンシング回路６０の動作を示す説明図である。図６は、読出時におけるセンシング回路６０の動作を示す説明図である。図３に示すように、センシング回路６０は、リセット時（期間）Ｔｒｅｓ、センシング時（期間）Ｔｓｅｎ、及び読出時（期間）Ｔｏｕｔを一単位（１サイクル）として動作する。

（リセット時）
先ず、リセット時Ｔｒｅｓにおいて、第１制御線７２に供給されるリセット信号ＲＥＳのレベルは電位ＶＤに設定される。すなわち、リセット時Ｔｒｅｓにおいては、リセット信号ＲＥＳのレベルはハイレベルに設定され、リセットトランジスタ６１はＯＮ（オン）状態となる。一方、第２制御線７６に供給される選択信号ＳＥＬはローレベルに設定され、選択トランジスタ６３はＯＦＦ（オフ）状態となる。すると、図４に示すように、増幅トランジスタ６２のゲート電位ＶＡは電源電位ＶＲＨに設定（リセット）される。また、容量検出素子Ｃｌの第１容量電極１２にも電源電位ＶＲＨが供給され、容量検出素子Ｃｌの第１容量電極１２と第２容量電極２２との間の電圧は、ＶＲＨ−（マイナス）Ｖｃｏｍの電位に設定される。

（センシング時）
次に、リセット時（期間）Ｔｒｅｓ経過後の次の時（期間）であるセンシング時（期間）Ｔｓｅｎにおいては、リセット信号ＲＥＳのレベルが電位ＶＤからＧＮＤ（ゼロ電位）に変化する。すると、図５に示すように、リセットトランジスタ６１はＯＦＦ状態となる。また、センシング時Ｔｓｅｎにおいては、選択信号ＳＥＬはローレベルに設定され、選択トランジスタ６３はＯＦＦ状態となる。増幅トランジスタ６２のゲートのインピーダンスは十分に高いため、センシング期間Ｔｓｅｎにおいては、増幅トランジスタ６２のゲートは電気的にフローティング状態となる。基準容量素子Ｃｒの一方の電極は第１制御線７２に接続されているため、第１制御線７２に供給されるリセット信号ＲＥＳのレベル（電位）が電位ＶＤからＧＮＤに変化する。すると、それに応じて増幅トランジスタ６２のゲートの電位ＶＡも変化する。このときのゲートの電位ＶＡの変化量は、基準容量素子Ｃｒと容量検出素子Ｃｌとの容量比に応じた値となる。

（読出時）
センシング時（期間）Ｔｓｅｎの次の時（期間）である読出時（期間）Ｔｏｕｔにおいては、選択信号ＳＥＬがローレベルからハイレベルに変化する。すると、図６に示すように、選択トランジスタ６３がＯＮ状態となる。これにより、増幅トランジスタ６２のゲートの電位ＶＡに応じた大きさの検出電流Ｉｔが検出線７４を流れる。この検出電流Ｉｔは、対象物（例えば指）と検出装置１との接触を検出する検出回路（図示略）へ供給される。

センシング時（期間）Ｔｓｅｎにおいて容量検出素子Ｃｌの容量値が変化すると、それに応じて増幅トランジスタ６２のゲートの電位ＶＡも変化する。したがって、対象物が検出装置１に接触していない状態のときに読出時（期間）Ｔｓｅｎで出力される検出電流Ｉｔの値と、対象物が検出装置１に接触したときに読出時Ｔｓｅｎで出力される検出電流Ｉｔの値とは異なる。

ここで、対象物が検出装置１に接触していない状態における容量検出素子Ｃｌの容量値をＣｌｃ、対象物が検出装置１に接触したときの容量検出素子Ｃｌの容量値の変化量をΔＣｌｃ、基準容量素子Ｃｒの容量値をＣｒｅｆ、第１制御線７２の電位変化をΔＶ（＝ＶＤ）とすると、対象物が検出装置１に接触したときの増幅トランジスタ６２のゲートの電位ＶＡの変化量ΔＶＡは、以下に示す式（１）で表される。ただし、式（１）においてセンシング回路６０で生じる寄生容量（浮遊容量）は無視している。

検出回路（図示略）は、検出電流Ｉｔ（検出信号に相当）の値に基づいて対象物と検出装置１との接触を検出する。対象物が検出装置１に接触したときの増幅トランジスタ６２のゲート電位ＶＡの変化量ΔＶＡが大きいほど、非接触時における検出電流Ｉｔの値と接触時における検出電流Ｉｔの値との差が大きくなり、検出感度も高くなる。

図７及び図８は、基準点Ｐに作用する外力の方向と大きさを検出する方法の説明図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す断面図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に対応した、第１実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す平面図である。なお、図７（ａ）及び図８（ａ）は第３基板３０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がないとき）を示している。なお、図７（ａ１）〜（ｃ１）及び図８（ａ１）〜（ｃ１）は円錐台形状である弾性体突起３２の場合を示し、図７（ａ２）〜（ｃ２）および図８（ａ２）〜（ｃ２）は多角錐台形状である弾性体突起１３２の場合を示す。特に記載しない限り、例えば図７おいて、図（ａ１）及び図（ａ２）は、総称して図７（ａ）と称し、図７（ｂ）〜図７（ｃ）及び図８（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３２の説明には角錐台形状である弾性体突起１３２の説明が含まれるものとする。

図７（ａ）及び図８（ａ）は、第３基板３０，１３０（第３基板本体３１，１３１）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７（ｂ）及び図８（ｂ）は、第３基板３０，１３０（第３基板本体３１，１３１）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７（ｃ）及び図８（ｃ）は、第３基板３０，１３０（第３基板本体３１，１３１）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８（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心Ｇ（圧力中心）を示している。

図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、第３基板３０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起３２は頂部が第２基板２０に当接し、変形しない。これにより、第１容量電極１２と第２容量電極２２（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３２（弾性体突起１３２）の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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１３２は、その多角錐台の頂部の辺が各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４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７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面に当接した状態で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容量電極１２と第２容量電極２２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。このときの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。

弾性体突起３２は、外力の大きさに応じて圧縮変形する。外力が大きくなると、弾性体突起３２はこれ以上変形しない臨界点に到達する。弾性体突起３２に臨界点を越えた外力が作用すると、誘電体４０がＺ方向に柔軟に変形する。このため、弾性体突起３２が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出することができる。

図７（ｃ）及び図８（ｃ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面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容量電極１２と第２容量電極２２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３２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３２の頂部と４つの第１容量電極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３２の頂部と４つの第１容量電極との重なる面積は、４つの第１容量電極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３２は、外力の大きさに応じて斜めに圧縮変形し、外力が大きくなるとこれ以上変形しない臨界点に到達する。また、弾性体突起３２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３２の重心Ｇ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、弾性体突起３２の重心Ｇ移動した部分の誘電体４０の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子（Ｓ１〜Ｓ４）で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心Ｇと重なる位置の容量検出素子では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起３２の重心Ｇと重ならない位置の容量検出素子では相対的に小さい静電容量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とが求められる。

図９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１０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１１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９に示すように、複数の容量検出素子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、各容量検出素子（Ｓ１〜Ｓ４）が検出する静電容量値（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（２）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（３）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（４）で表される。

本実施形態では、外力によって弾性体突起３２が弾性変形することにより複数（４つ）の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値の差分を演算し、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（２）に示すように、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量のうち＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４で検出された値が組み合わせられるとともに、−Ｘ方向に配置された容量検出素子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方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせによる静電容量値と−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静電容量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（３）に示すように、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値のうち＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された容量検出素子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方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２の組み合わせによる静電容量値と−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４の組み合わせによる静電容量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（４）に示すように、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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）に比べて静電容量（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３２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３２の材質として硬いものを用いると弾性体突起３２が変形しにくくなり外力の面内方向の静電容量（検出値）が小さくなってしまう。また、弾性体突起３２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３２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１０に示すように、タッチパッド（検出装置１）の検出面（第３基板３０）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（容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４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、容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４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（容量検出素子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１１に示すように、タッチパッドの検出面（第３基板３０）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１０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つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４を有しており、各容量検出素子（Ｓ１〜Ｓ４）で検出された静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出装置の差分を演算し、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（２）及び式（３）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３２と誘電体４０との２段構成により、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外力の方向の検出精度を高めることができる。第３基板３０の表面に外力が加えられると、弾性体突起３２は外力に応じてある程度の厚みまで圧縮変形する。加えられる外力が大きくなると、弾性体突起３２はこれ以上変形しない臨界点に到達する。弾性体突起３２に臨界点を越えた外力が作用すると、誘電体４０が柔軟に変形する。このため、弾性体突起３２が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出することができる。

また、弾性体突起３２は、所定方向の外力により弾性変形に偏りが生じる。すなわち、外力に面内の所定方向のすべり力成分がある場合、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐからずれて所定方向（すべり方向）移動する。すると、弾性体突起３２の重心Ｇが移動した部分の誘電体４０の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心Ｇと重なる位置の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起３２の重心Ｇと重ならない位置の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。よって、演算装置により、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさとを求めることができる。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１を提供することができる。

本実施形態の検出装置１によれば、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が弾性体突起３２の弾性変形の弾性変形による静電容量値の変化と誘電体４０の変形による静電容量値の変化とを別個独立に検出するので、それらを一括して検出する場合に比べて、外力を検出することが容易となる。例えば、弾性体突起３２が臨界点に到達するまで誘電体４０がほとんど変形しないとすると、その間は弾性体突起３２の弾性変形による静電容量値の変化のみを検出すれば外力が加えられた方向と外力の大きさとを求めることができる。従って、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値の差分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。

本実施形態の検出装置１によれば、複数の第１容量電極１２が基準点Ｐに対して点対称に配置されているため、弾性体突起３２の変形量と、基準点Ｐと各第１容量電極１２との間の距離との関係が互いに等しくなる。このため、各第１容量電極１２と第２容量電極２２とを含んで構成される各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値が互いに等しくなる。例えば、複数の第１容量電極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３２の変形量が同じであっても、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値は互いに異なることとなる。このため、検出容量の差分を演算する際に各第１容量電極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３２の変形量と各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。従って、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出された静電容量値の差分から外力の方向と大きさ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。

本実施形態の検出装置１によれば、複数の第１容量電極１２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ので、各第１容量電極１２と第２容量電極２２とを含んで構成される各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち、任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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、複数の第１容量電極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方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせと相対的に−Ｘ方向に配置された容量検出素子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。従って、外力を効率よく検出することができる。

本実施形態の検出装置１によれば、第２容量電極２２が第２基板２０に配置されているため、第１容量電極１２及び第２容量電極２２が同一の基板に配置される場合に比べて、第１容量電極１２と第２容量電極２２との間に印加される電界は、誘電体４０の厚み方向と平行な方向に作用することとなる。つまり、第１容量電極１２と第２容量電極２２との間に印加される電界のベクトル成分は、外力が加えられる方向とほぼ同じとなる。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できる。

本実施形態の検出装置１によれば、複数の弾性体突起３２が互いに離間して配置されているので、弾性体突起３２が弾性変形したときの第３基板本体３１の面内に平行な方向の弾性変形を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起３２が変形したときに他方の弾性体突起３２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３２が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力を正確に誘電体４０に伝達することができる。従って、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。

本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起３２の形状は、円錐台または角錐台を有し、第２基板２０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２基板２０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誘電体４０及び各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で検出される外力の大きさと、外力が加えられた時に誘電体４０及び各容量検出素子で検出される外力の大きさと方向との差分の比較し、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１を提供することができる。

なお、本実施形態においては、第１容量電極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、これに限らず、第１容量電極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１２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１２においては、便宜上、誘電体４０（図１３参照）の図示を省略している。また、図１２において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起３２に対して配置された複数の容量検出素子Ｓｉ（第１容量電極１１２と第２容量電極２２と誘電体４０とで構成される素子）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２は、複数の第１容量電極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１２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１２においては、便宜上、複数の第１容量電極１１２が単位検出領域Ｓ当たり縦４行横４列に配置された記載であるが、実際には図１３及び図１４に示すように複数の第１容量電極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１２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第１容量電極１１２を有する第１基板１１０と、第１容量電極１１２を挟んで第１基板１１０と対向配置された第２基板２０とを備えている。また、第１基板１１０と第２基板２０との間に配置された誘電体４０（図１３参照）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２基板２０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０とを備えている。

複数の第１容量電極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、複数の第１容量電極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個の第１容量電極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１３（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す断面図である。図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す平面図である。なお、図１３（ａ）及び図１４（ａ）は第３基板３０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１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は第３基板３０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１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は第３基板３０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１４（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心を示している。図１３及び図１４において、図７及び図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１３（ａ）及び図１４（ａ）に示すように、第３基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２は変形しない。これにより、第１容量電極１１２と第２容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各容量検出素子Ｓｉの静電容量値は図示略の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容量検出素子Ｓｉの静電容量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１３（ｂ）及び図１４（ｂ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面に当接した状態で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容量電極１１２と第２容量電極２２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。つまり、このときの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなっている。

図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面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容量電極１２１と第２容量電極２２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３２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３２の頂部と複数の第１容量電極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方が重なる面積の割合が大きくなる。

図１５は、図９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１５において、複数の容量検出素子Ｓｉ（１００個）がマトリクス状に配置されており、このうちの２５個の容量検出素子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１５においては、便宜上、１００個の容量検出素子Ｓｉを図示しているが、容量検出素子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１５に示すように、複数の容量検出素子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、各容量検出素子Ｓｉが検出する静電容量値（検出値）をそれぞれＰｉ（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各第１容量電極１１２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（５）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（６）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（７）で表される。

本実施形態では、外力によって弾性体突起３２（図１２〜図１４参照）が弾性変形することにより変化する１００個の容量検出素子Ｓｉの静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓｉの静電容量値の差分を演算し、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（５）に示すように、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、１００個の容量検出素子Ｓｉの静電容量値のうち相対的に＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓｉが組み合わされるとともに、相対的に−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓｉが組み合わされる。このように、相対的に＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓｉの組み合わせによる静電容量値と相対的に−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓｉの組み合わせによる静電容量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（６）に示すように、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、１００個の容量検出素子Ｓｉの静電容量値のうち相対的に＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓｉが組み合わされるとともに、相対的に−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓｉが組み合わされる。このように、相対的に＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓｉの組み合わせによる静電容量値と相対的に−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓｉの組み合わせによる静電容量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（７）に示すように、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、１００個の容量検出素子Ｓｉの静電容量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３２の材質や形状によって決定される補正係数で検出された静電容量（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個の容量検出素子Ｓｉによる静電容量値の算出結果の平均値で求める方法、あるいは１００個の容量検出素子Ｓｉによる静電容量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、複数の第１容量電極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ので、配置される第１容量電極１１２の数が多くなる。このため、多数の容量検出素子Ｓｉで検出される静電容量に基づいて各容量検出素子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。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できる。

（第３実施形態）
図１６は、図１２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１６においては、便宜上、誘電体４０（図１７参照）の図示を省略している。また、図１６において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起３２に対応して配置された複数の容量検出素子Ｓｉ（第１容量電極１１２と第２容量電極２２と誘電体４０とで構成される素子）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と第２基板２０の間において少なくとも隣接する弾性体突起３２の境界にスペーサー５０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１６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１６に示すように、検出装置３は、基準点Ｐの回りに複数配置された第１容量電極１１２、を有する第１基板１１０と、第１容量電極１１２を挟んで第１基板１１０と対向配置された第２基板２０と、第１基板１１０と第２基板２０との間に配置された誘電体４０（図１３参照）とを備えている。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２基板２０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０と、平面視する第１基板本体１１１と第２基板２０との平面視する間において少なくと も隣り合う弾性体突起３２相互の間に配置されたスペーサー５０とを備えている。

スペーサー５０は、円柱形状となっており、隣接する弾性体突起３２の境界に配置されている。スペーサー５０の配置構成は、前記境界の交差する領域に配置されていてもよいし、前記境界に沿って周回する例えば枠状形状するなど、単位検出領域Ｓの周囲全体に亘って配置されていてもよい。ここでは、スペーサー５０は前記境界の交差する領域に配置されている。つまり、スペーサー５０は単位検出領域Ｓの四隅に配置されている。

図１７（ａ）〜（ｃ）は、図１３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態に係る容量検出素子Ｓｉによる静電容量の変化を示す断面図である。なお、図１７（ａ）は第３基板３０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３基板３０の表面に垂直方向の外力が付加された状態を示している。図１７（ｃ）は第３基板３０の表面に斜め方向の外力が付加された状態を示している。図１７において、図１３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３基板３０の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起３２はその頂部が第２基板２０と当接し、変形はしていない。これにより、第１容量電極１１２と第２容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。このときの各容量検出素子Ｓｉの静電容量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容量検出素子Ｓｉの静電容量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３基板３０の表面に垂直方向の外力が付加されたときには、弾性体突起３２は頂部が第２基板２０の表面に当接した状態で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容量電極１１２と第２容量電極２２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。つまり、このときの容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。

ところで、弾性体突起３２が圧縮変形したときの面積よりも狭い距離でスペーサー５０を配置すると、基板（第２基板２０）の撓みやすいところと撓みにくいところで（変形の度合い）で検出値のむらが生じやすくなることが知られている。本実施形態では、弾性体突起３２が圧縮変形したときの面積よりも広い距離でスペーサー５０を配置している。このため、第２基板２０の撓みはスペーサー５０で囲まれた領域内で生じる。つまり、外力はスペーサー５０で区画された単位検出領域Ｓ毎に作用することとなる。例えば、指で検出装置３を垂直方向に押した場合、押圧された箇所以外の単位検出領域Ｓで垂直方向の外力が検出されることを抑制することができる。

図１７（ｃ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面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容量電極１１２と第２容量電極２２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３２の重心は基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。

また、第２基板２０の撓みはスペーサー５０で囲まれた領域内で生じる。つまり、外力はスペーサー５０で区画された単位検出領域毎Ｓに作用することとなる。例えば、指で検出装置３を斜め方向に押した場合、押圧された箇所以外のところで斜め方向の外力が検出されることを抑制することができる。また、第２基板２０がスペーサー５０で固定されているため、外力が作用したときに第２基板２０がつられて移動してしまうことを抑制することもできる。

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３によれば、第１基板１１０と第２基板２０の間に少なくとも隣接する弾性体突起３２の境界にスペーサー５０が配置されているので、外力はスペーサー５０で囲まれた単位検出領域Ｓ毎に作用することとなる。このため、スペーサー５０で囲まれた単位検出領域Ｓにおいては、他の単位検出領域Ｓとの間で相互作用を及ぼし合うことなく、別個独立して外力を検出することができる。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。

（第４実施形態）
図１８は、図１２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１８においては、便宜上、誘電体４０（図１９参照）の図示を省略している。また、図１８において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起３２に対応して配置された複数の容量検出素子Ｓｉ（第１容量電極１１２と第２容量電極２２と誘電体４０とで構成される素子）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３基板３０の表面に第３基板本体３１と比べて高い剛性を有する補強部材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１８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１８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第１容量電極１１２、を有する第１基板１１０と、第１容量電極１１２を挟んで第１基板１１０と対向配置された第２基板２０と、第１基板１１０と第２基板２０との間に配置された誘電体４０（図１９参照）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２基板２０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０と、第３基板３０の弾性体突起３２が配置された面と反対の面に配置された補強部材５１とを備えている。

補強部材５１は、矩形板状となっており、平面視において第３基板本体３１と同じサイズに形成されている。この補強部材５１は、第３基板本体３１と比べて高い剛性を有している。例えば、第３基板本体３１の材質が弾性体突起３２の材質と同様に発泡ウレタン樹脂（デュロメータ硬さ３０程度）の場合、補強部材５１の形成材料としては、エポキシ樹脂を用いたりウレタン樹脂（デュロメータ硬さ６０程度）を用いたりすることができる。このため、接触面（補強部材５１面）に弾性体突起３２の配置間隔よりも小さい対象物（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、外力の力と方向とを正確に検出することができる。

図１９（ａ）〜（ｃ）は、図１３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第４実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す断面図である。なお、図１９（ａ）は第３基板３０の表面（補強部材５１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１９（ｂ）は第３基板３０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１９（ｃ）は第３基板３０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１９において、図１３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１９（ａ）に示すように、第３基板３０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起３２は変形しない。これにより、第１容量電極１１２と第２容量電極２２との間の距離は一定に保たれる。このときの各容量検出素子Ｓｉの静電容量値は図示略の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容量検出素子Ｓｉの静電容量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１９（ｂ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面に当接した状態で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容量電極１１２と第２容量電極２２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。つまり、このときの容量検出素子Ｓｉの静電容量値は、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３２の間の領域に加えられる場合もある。本実施形態では第３基板３０の表面に第３基板本体３１よりも高い剛性を有する補強部材５１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３２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５１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３２が互いに外力が加えられた部分を中心に、反対方向へ圧縮変形してしまうことを抑制することができる。

図１９（ｃ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第２基板２０の表面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容量電極１１２と第２容量電極２２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３２の重心は基準点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３２の間の領域に加えられる場合もある。本実施形態では第３基板３０の表面に第３基板本体３１と比べて高い剛性を有する補強部材５１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３２は互いに斜め方向に圧縮変形することとなる。従って、補強部材５１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３２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３基板３０の弾性体突起３２が形成された面と反対の面に第３基板本体３１と比べて高い剛性を有する補強部材５１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３２の間の単位検出領域Ｓに加えられた場合、補強部材５１が無いときに比べて２つの隣り合う弾性体突起３２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５１が第３基板３０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５１を設けずに、第３基板本体３１自体を弾性体突起３２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５１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２０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の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図２０においては、便宜上、誘電体４０（図２１参照）の図示を省略している。また、図２０において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起３２に対応して配置された容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４（第１容量電極２１２と第２容量電極２２２と誘電体４０とで構成される素子）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５は、第２容量電極２２２が第１基板２１０（第１基板本体２１１）の基準点Ｐと重なる位置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２０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２０に示すように、検出装置５は、基準点Ｐの回りに複数配置された第１容量電極２１２及び基準点Ｐと重なる位置に配置された第２容量電極２２２を有する第１基板２１０と、第１容量電極２１２を挟んで第１基板２１０と対向配置された第２基板１２０とを備えている。また、第１基板２１０と第２基板１２０との間に配置された誘電体４０（図２１参照）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２基板１２０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０とを備えている。

なお、本実施形態では、第１基板２１０に第１容量電極２１２及び第２容量電極２２２が配置されている。つまり、第１容量電極２１２と第２容量電極２２２との間の誘電体４０に横方向（ＸＹ方向）の電界を印加させる横電界方式を採用している。

また、第２基板１２０は一枚板であり、縦電界方式を採用した第１実施形態の構成のように電極（第２容量電極２２）が形成されていない。例えば、第２基板１２０の形成材料としてプラスチック等の樹脂材料を用いて電極を蒸着やスパッタ等の方法で形成すると、製造プロセス中の加熱工程において第２基板１２０に反り等が生じる場合がある。しかしながら、本実施形態の構成によれば第２基板１２０に電極を形成する必要がないので、製造工程中において第２基板１２０に反り等が生じることを抑制することができる。

また、第２容量電極２２２は、複数の第１容量電極２１２と等間隔に配置されている。具体的には、複数の第１容量電極２１２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。これら４つの第１容量電極２１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっており、この基準点Ｐに第２容量電極２２２が配置されている。

図２１（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に対応した、第５実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す断面図である。図２２（ａ）〜（ｃ）は、図２１（ａ）〜（ｃ）に対応した、第５実施形態に係る弾性体突起３２の外力による弾性変形を示す平面図である。なお、図２１（ａ）及び図２２（ａ）は第３基板３０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２１（ｂ）及び図２２（ｂ）は第３基板３０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２１（ｃ）及び図２２（ｃ）は第３基板３０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２２（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心Ｇを示している。図２１及び図２２において、図７及び図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。なお、第１容量電極２１２と第２容量電極２２２との間の距離は外力が加えられている過程において一定に保たれる。

図２１（ａ）及び図２２（ａ）に示すように、第３基板３０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起３２の頂部が第２基板１２０に当接し弾性変形していない。このとき、弾性体突起３２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。また、弾性体突起３２の頂部は第２容量電極２２２に重なっている。具体的には、弾性体突起３２の頂部は第２容量電極２２２と重なった状態で平面視円形となっている。なお、このときの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量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２１（ｂ）及び図２２（ｂ）に示すように、第３基板３０の表面に垂直方向の外力が加えられた時には、弾性体突起３２は頂部が第２基板１２０の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板１２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板２１０と第２基板１２０との間の距離（誘電体４０の厚み）が外力の作用がないときに比べて小さくなる。つまり、このときの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなっている。また、弾性体突起３２の頂部は外力の作用がないときよりも大きいサイズの平面視円形となっている。

図２１（ｃ）及び図２２（ｃ）に示すように、第３基板３０の表面に斜め方向の外力が加えられた時には、弾性体突起３２は頂部が第２基板１２０の表面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１２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板２１０と第２基板１２０との間の距離（誘電体４０の厚み）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１２０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３２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この弾性体突起３２の重心Ｇのずれ（変位量）から外力の面内方向成分（上述したＦｘ及びＦｙ）を算出することができる。また、弾性体突起３２の頂部は平面視楕円形となっている。具体的には、弾性体突起３２の頂部と複数の第１容量電極２１２との重なる面積は、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分の方が重なる割合が大きくなっている。

図２３は、図９に対応した、第５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２３に示すように、容量検出素子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、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４が検出する静電容量値（検出値）をそれぞれＰＳ１〜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）は上述した式（２）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）は上述した式（３）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）は上述した式（４）で表される。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、外力によって弾性体突起３２が弾性変形することにより変化する４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち任意に組み合わされた各容量検出素子の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさが演算される。

式（２）に示すように、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４が組み合わされるとともに、−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３が組み合わされる。このように、＋Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ２及びＳ４の組み合わせによる静電容量値と−Ｘ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ３の組み合わせによる静電容量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（３）に示すように、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４が組み合わされる。このように、＋Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ１及びＳ２の組み合わせによる静電容量値と−Ｙ方向に配置された容量検出素子Ｓ３及びＳ４の組み合わせによる静電容量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（４）に示すように外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値を足し合わせた合力で求められる。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３２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。

本実施形態の検出装置５によれば、第１容量電極２１２及び第２容量電極２２２を第１基板２１０に配置しているため、第１容量電極２１２及び第２容量電極２２２を同一の工程で形成することが可能となる。従って、製造工程を簡略化することができ、製造効率の向上及び製造コストの低減を図ることができる。また、製造工程中の加熱工程において第２基板１２０に反り等が生じることを抑制することができるため、外力の検出精度を向上させることができる。また、弾性体突起３２の変形の過程において電極間の距離を一定に保つことができるので、外力の方向と大きさとを高い精度で検出することができる。

（第６実施形態）
図２４は、図１に対応した、本発明の第６実施形態に係る検出装置６の概略構成を示す分解斜視図である。図２４においては、便宜上、誘電体４０（図２５参照）の図示を省略している。図２４において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起３２に対応して配置された複数の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４（第１容量電極１２と第２容量電極２２と誘電体４０とで構成される素子）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６は、第２基板２０の第２容量電極２２が配置された反対側の面に、弾性体突起３２と比べて柔軟性を有する第４基板５２が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２４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２４に示すように、検出装置６は、基準点Ｐの周りに複数配置された第１容量電極１２を有する第１基板１０と、第１容量電極１２を挟んで第１基板１０と対向配置された第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に配置された誘電体４０（図２５参照）と、第１基板１０に対向する第２基板２０面に第２容量電極２２が配置されている。また、第２基板２０の第２容量電極２２が配置された反対側の面に第４基板５２が配置されている。さらに、第２基板２０の基準点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４基板５２に当接した状態で弾性変形する弾性体突起３２が形成された第３基板３０と、を備えている。

検出装置６は第１実施形態と同様に、外力によって弾性体突起３２が弾性変形することにより複数の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値のうち、任意に組み合わされた各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさを演算する図示しない演算装置を備えている。

容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４は、弾性体突起３２の弾性変形による静電容量値の変化と、誘電体４０の変形による静電容量値の変化とを分けて検出することが可能になっている。

なお、本実施形態では第１実施形態と同様に、第１基板１０に第１容量電極１２が配置され、第２基板２０に第２容量電極２２が配置されている。つまり、第１容量電極１２と第２容量電極２２との間の誘電体４０に縦方向（Ｚ方向）の電界を印加させる縦電界方式を採用している。

第４基板５２は、矩形板状となっており、平面視において第１基板本体１１と略同じ大きさに形成されている。この第４基板５２は、弾性体突起３２と比べて柔軟性を有している。例えば、弾性体突起３２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４基板５２は、弾性体突起３２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、第４基板５２が変形（陥没）することで滑ることなく弾性変形する弾性体突起３２の頂部が第４基板５２に密接し、第３基板３０の表面に加えられた外力を誘電体４０に伝えることができる。

図２５（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）に対応した、第６実施形態に係る外力による弾性体突起３２の弾性変形を示す断面図である。なお、図２５（ａ）は第３基板３０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２５（ｂ）は第３基板３０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２５（ｃ）は第３基板３０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２５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２５（ａ）に示すように、第３基板３０の表面に外力が加えられる前においては、弾性体突起３２は頂部が第４基板５２に当接し、変形しない。これにより、第１容量電極１２と第２容量電極２２（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３２の重心は基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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２５（ｂ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第４基板５２の表面に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板２０及び第４基板５２が−Ｚ方向に撓み、第１容量電極１２と第２容量電極２２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。このときの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。

弾性体突起３２は、外力の大きさに応じて圧縮変形する。外力が大きくなると、弾性体突起３２はこれ以上変形しない臨界点に到達する。弾性体突起３２に臨界点を越えた外力が作用すると、誘電体４０がＺ方向に柔軟に変形する。このため、弾性体突起３２が変形しうる臨界点以上の大きさの外力を検出することができる。

図２５（ｃ）に示すように、第３基板３０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３２は頂部が第４基板５２の表面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および第４基板５２が−Ｚ方向に撓み、第１容量電極１２と第２容量電極２２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３２の重心は基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起３２の頂部と４つの第１容量電極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３２の頂部と４つの第１容量電極との重なる面積は、４つの第１容量電極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３２は、外力の大きさに応じて斜めに圧縮変形し、外力が大きくなるとこれ以上変形しない臨界点に到達する。また、弾性体突起３２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３２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、弾性体突起３２の重心が移動した部分の誘電体４０の厚みが相対的に薄くなる。つまり、各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４で異なる値の静電容量が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心と重なる位置の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４では相対的に大きい静電容量が検出され、弾性体突起３２の重心と重ならない位置の容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４では相対的に小さい静電容量が検出されることとなる。そして、第１実施形態で前述した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とが求められる。

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６によれば、弾性体突起３２の頂部と第２基板２０との間に弾性体突起３２と比べて柔軟性を有する第４基板５２が配置されているため、弾性体突起３２が配置されている第３基板３０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３基板３０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３２の頂部が第４基板５２に変形（陥没）する様に当接し、弾性体突起３２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３２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４基板５２は独立して形成し配置されているが、弾性体突起３２と一体形成してもよい。これにより第３基板３０に加えられた外力によって弾性変形する弾性体突起３２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。

（電子機器）
図２６は、上述した各実施形態に係る検出装置１〜６のいずれか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１〜６のいずれか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２７は、上述した各実施形態に係る検出装置１〜６のいずれか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１〜６のいずれか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１〜６のいずれかを備えているため、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２８は、上記各実施形態に係る検出装置１〜６のいずれか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２８（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１〜６のいずれかを適用した把持部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２８（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１〜６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）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１〜６のいずれかを備えているので、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ロボットを提供することができる。

１〜６…検出装置、１０，１１０，２１０…第１基板、１１，１１１…第１基板本体、１２，１１２，２１２…第１容量電極、２０，１２０…第２基板、２１，２１１…第２基板本体、２２，２２２…第２容量電極、３０…第３基板、３１…第３基板本体、３２，１３２…弾性体突起、４０…誘電体、５０…スペーサー、５１…補強部材、５２…第４基板、６０…センシング回路、６１…リセットトランジスタ、６２…増幅トランジスタ、６３…選択トランジスタ、７０…電源線、７２…第１制御線、７４…検出線、７６…第２制御線、Ｓ１〜Ｓ４…容量検出素子、Ｓ…単位検出領域、１０００…携帯電話機、１００１…液晶パネル、１００２…スクロールボタン、１００２…及びスクロールボタン、１００３…複数の操作ボタン、２０００…携帯情報端末、２００１…液晶パネル、２００２…複数の操作ボタン、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 (14)

1. 基準点に加えられた外力の方向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第１容量電極を有する第１基板と、
   前記第１容量電極を挟んで前記第１基板と対向配置された第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置された、弾性体若しくは流体からなる誘電体と、
   前記第１基板と前記第２基板との間において前記誘電体を挟んで前記第１容量電極と対向配置された第２容量電極と、
   前記基準点と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前記第２基板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３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前記第１容量電極と前記第２容量電極と前記誘電体とで構成される複数の容量検出素子で検出され変化する静電容量値のうち、任意に組み合わせられた前記容量検出素子の静電容量の差分を演算し、当該差分に基づいて前記外力の方向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２に記載の検出装置であって、
   前記容量検出素子は、前記弾性体突起の弾性変形による静電容量値の変化と、前記誘電体の変形による静電容量値の変化とを別個独立して検出可能であること、を特徴とする検出装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の検出装置であって、
   複数の前記第１容量電極は、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。
5. 請求項４に記載の検出装置であって、
   前記複数の第１容量電極は互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていること、特徴とする検出装置。
6. 請求項５に記載の検出装置であって、
   前記第２容量電極は、前記第２基板に配置されていること、を特徴とする検出装置。
7. 請求項５に記載の検出装置であって、
   前記第２容量電極は、前記第１基板の前記基準点と重なる位置に配置されていること、を特徴とする検出装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の検出装置であって、
   複数の前記第１容量電極は互いに直交する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。
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、
   前記弾性体突起は複数形成されており、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。
10. 請求項９に記載の検出装置であって、
    前記第１基板と前記第２基板との平面視における間には少なくとも隣り合う前記弾性体突起相互の間に前記第１基板と前記第２基板との間の距離を一定に保つスペーサーが配置されていることを特徴とする検出装置。
11. 請求項９または請求項１０に記載の検出装置であって、
    前記第３基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側に前記第３基板よりも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。
12. 請求項１から請求項１１に記載の検出装置であって、
    前記第３基板に配置された前記弾性体突起の頂部と、前記第１基板の前記容量検出素子が配置された側との間に前記弾性体突起と比べて柔軟性を有する第４基板が配置されていることを特徴とする検出装置。
13. 請求項１から請求項１２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。
14. 請求項１から請求項１２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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