(57)【要約】【課題】測定面に加わる外圧のすべり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。【解決手段】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、先端部に複数の圧力センサー１２に対応する複数の補助突起２２ｂが設けられ、外圧によって複数の補助突起２２ｂがそれぞれ対応する圧力センサー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、を備えている。【選択図】図１
2012220316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
先端部に前記複数の圧力センサーに対応する複数の補助突起が設けられ、外圧によって前記複数の補助突起がそれぞれ対応する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、が形成された第２基板と、を備えている検出装置。
【請求項２】
前記補助突起が前記圧力センサーに当接する面積は、前記圧力センサーの検出領域の面積よりも小さい請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記補助突起は、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２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記補助突起は、前記弾性体突起の前記補助突起以外の部分よりも硬い材料で形成されている請求項２又は３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記圧力センサーは、前記第１基板の法線方向に積層された一対の電極と、前記一対の電極の間に挟持され、前記外圧によって厚み方向に弾性変形し、その弾性変形量に応じて電気抵抗が変化する感圧導電部材と、を備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項６】
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１〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項７】
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリクス状に配置されている請求項６に記載の検出装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９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。
【請求項１１】
請求項１〜９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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の検出装置では、接触子と感圧素子とが接触子の底面全体で接触している。そのため、接触子に外力を加えると、接触子と感圧素子との接触面において大きな荷重分散が発生し、外圧の検出感度が低下する。また、接触子と感圧素子との間に位置ずれが生じると、外圧の検出精度が低下するため、接触子と感圧素子とを高い組み立て精度で組み立てる必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、測定面に加わる外圧のすべり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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、先端部に前記複数の圧力センサーに対応する複数の補助突起が設けられ、外圧によって前記複数の補助突起がそれぞれ対応する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、が形成された第２基板と、を備えている。
【０００７】
この構成によれば、弾性体突起と圧力センサーとの接触部が補助突起のみとなるので、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。また、弾性体突起と圧力センサーとの間に若干の位置ずれが生じても、各補助突起が、それぞれ対応する圧力センサーと対向するように配置されていれば、外圧の検出結果に大きな誤差は生じない。よって、第１基板と第２基板との間に組立位置のずれが生じても、外圧のすべり方向を高い精度で検出することができる。
【０００８】
前記補助突起が前記圧力センサーに当接する面積は、前記圧力センサーの検出領域の面積よりも小さくてもよい。
【０００９】
この構成によれば、弾性体突起と圧力センサーとの間に若干の位置ずれが生じても、補助突起が隣りの圧力センサーに当接しにくい。
【００１０】
前記補助突起は、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。
【００１１】
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。また、補助突起の基端部（第２基板側の部分）が先端部（第１基板側の部分）よりも大きくなっているため、弾性体突起が弾性変形した際に、補助突起よりも第２基板側に配置された弾性体突起（突起本体）の内部に補助突起が埋没し、圧力センサーの検出値に大きな誤差が生じることを抑制することができる。
【００１２】
前記補助突起は、前記弾性体突起の前記補助突起以外の部分よりも硬い材料で形成されていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、弾性体突起が外圧によって弾性変形した際に、補助突起が大きく変形し、圧力センサーの検出値に大きな誤差が生じることを抑制することができる。
【００１４】
前記圧力センサーは、前記第１基板の法線方向に積層された一対の電極と、前記一対の電極の間に挟持され、前記外圧によって厚み方向に弾性変形し、その弾性変形量に応じて電気抵抗が変化する感圧導電部材と、を備えていてもよい。
【００１５】
感圧導電部材を用いた圧力センサーは、構造が単純でコストが安くなるため、幅広い用途で利用されている。しかし、感圧導電部材には、抵抗値−荷重曲線にヒステリシスがあり、加圧時と減圧時とでは同じ荷重でも抵抗値が異なるという好ましくない特性がある。抵抗値−荷重曲線にヒステリシスが生じるのは、感圧導電部材の抵抗値が荷重除去後の感圧導電部材の復元力によって変化するためである。
【００１６】
すなわち、感圧導電部材の一部を圧縮すると、圧縮部周辺の圧縮変形を起こしていない領域又は圧縮変形の小さい領域が、圧縮部の形状を復元しようとする。しかし、圧縮部が大きいと、圧縮部全体に十分な復元力が作用しにくくなり、圧縮部の一部に形状が十分に復元しない領域ができる。形状が十分に復元しない領域は抵抗値が高いので、その部分が圧縮部の抵抗値を高め、ヒステリシスの原因となる。
【００１７】
弾性体突起の先端部に補助突起が形成されていない場合には、弾性体突起と第１基板との接触面積が大きくなるので、感圧導電部材は広い面積で圧縮する。そのため、圧縮部全体に十分な復元力が作用しにくくなり、ヒステリシスが大きくなる。
【００１８】
一方、弾性体突起の先端部に補助突起が形成されている場合には、弾性体突起と第１基板との接触面積が小さくなるので、感圧導電部材の圧縮変形が狭い面積で局所的に起こる。そのため、圧縮部全体に十分な復元力が作用し易くなり、ヒステリシスが小さくなる。よって、検出精度のよい検出装置を提供することが可能となる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】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】弾性体突起の重心が基準点からずれた場合の圧力センサーの圧力値を示す図である。
【図４】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】第１実施形態に係る圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。
【図７】補助突起の形状とその作用を説明するための図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】ロボットの一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
（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によって外圧が検出される検出領域を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。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が、第２基板本体２１と弾性体突起２２は互いに異なる材料で形成してもよい。
【００４０】
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、基端部を構成する突起本体２２ａと、先端部を構成する複数の補助突起２２ｂと、を具備して構成されている。突起本体２２ａと補助突起２２ｂは、いずれも第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。図１の例では、突起本体２２ａは、半球の上端部をＸＹ平面と平行な面で切断し除去して得られた半球台状の形状となっており、補助突起２２ｂは、そのＸＹ平面と平行な面（第１基板１０側の面）から第１基板１０側に突出する半球状の形状となっているが、突起本体２２ａ及び補助突起２２ｂの形状は、これに限定されない。
【００４１】
補助突起２２ｂは、単位検出領域Ｓに設けられた圧力センサー１２の数と同じ数だけ設けられており、１つの圧力センサー１２に対して１つの補助突起２２ｂが１対１の関係で対向して配置されている。各補助突起２２ｂの形状や大きさは全て同じである。複数の補助突起２２ｂは、突起本体２２ａの中心に対して点対称な位置に配置されている。補助突起２２ｂが対応する圧力センサー１２に当接する面積は、当該圧力センサー１２の検出領域の面積よりも小さい。これにより、弾性体突起２２と圧力センサー１２との間に若干の位置ずれが生じても、補助突起２２ｂが隣りの圧力センサー１２に当接しにくくなる。
【００４２】
本実施形態では、補助突起２２ｂと突起本体２２ａは互いに同じ材料で一体に形成されているが、補助突起２２ｂと突起本体２２ａは互いに異なる材料で形成されていてもよい。例えば、突起本体２２ａに比べて局所的に大きな力が作用し易い補助突起２２ｂを補助突起以外の部分（突起本体２２ａ）よりも硬い材料で形成し、補助突起２２ｂが外圧によって潰れにくくなるようにしてもよい。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）をいう。
【００４３】
弾性体突起２２は、先端部の補助突起２２ｂ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。
【００４４】
弾性体突起２２のサイズは任意に設定することができる。ここでは、弾性体突起２２の基部の径（弾性体突起２２が第１基板１０に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２の高さ（弾性体突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。隣り合う弾性体突起２２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２のデュロメータ硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は３０程度になっている。
【００４５】
図２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）の左側は、第２基板２０の表面に外圧を加える前又は加えた後の弾性体突起２２の弾性変形の様子を示す断面図であり、図２（ｂ）〜（ｃ）の右側は、第２基板２０の表面に外圧を加えたときの圧力センサー１２の圧力値を示す図である。なお、図２（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）を示しており、図２（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おり、図２（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。
【００４６】
図２（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。
【００４７】
図２（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧Ｆ１が付加されたときには、弾性体突起２２は、先端部の複数の補助突起２２ｂが、それぞれ対応する圧力センサー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Ｆ１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１２とも略同じ値となる。
【００４８】
図２（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧（垂直方向の外圧Ｆ１、すべり方向の外圧Ｆ２）が付加されたときには、弾性体突起２２は、先端部の複数の補助突起２２ｂが、それぞれ対応する圧力センサー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の重心は基準点Ｐからすべり方向にずれる。
【００４９】
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。
【００５０】
図３は、弾性体突起２２の重心が基準点Ｐからずれた場合の圧力センサー１２の圧力値を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）の左側は、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧を加えた後の弾性体突起２２の弾性変形の様子を示す断面図であり、図３（ａ）及び（ｂ）の右側は、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧を加えたときの圧力センサー１２の圧力値を示す図である。なお、図３（ａ）は、弾性体突起２２の先端部に補助突起２２ｂが形成されている場合の圧力センサー１２の圧力値を示す図であり、図３（ｂ）は、弾性体突起２２の先端部に補助突起２２ｂが形成されていない場合の圧力センサー１２の圧力値を示す図である。
【００５１】
弾性体突起２２は、その重心が４つの圧力センサー１２の中心（基準点）と重なるように位置決めされる。しかし、第１基板１０と第２基板２０との組立位置のずれによって、弾性体突起２２の重心が基準点からずれる場合がある。
【００５２】
図３（ｂ）に示すように、弾性体突起２２の先端部に補助突起が形成されていないと、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧Ｆ１を加えた場合に、各圧力センサー１２の圧力値には弾性体突起２２の重心位置のずれに応じた偏りが生じ、すべり方向の検出結果に誤差を生じる。
【００５３】
一方、図３（ａ）に示すように、弾性体突起２２の先端部に補助突起２２ｂが形成されていると、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧Ｆ１を加えた場合に、外圧Ｆ１が４つの補助突起２２ｂによって４つの圧力センサー１２に等しく分散され、各圧力センサー１２において同じ圧力値が検出される。これにより、弾性体突起２２と圧力センサー１２との位置ずれに起因した各圧力センサー１２の圧力値の偏りが抑制され、外圧のすべり方向の検出精度が高まる。
【００５４】
図４は、第１実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図５は、第１実施形態に係る圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。図６は、第１実施形態に係る圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。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。
【００５５】
図４に示すように、複数の圧力センサーＳ１〜Ｓ４は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（１）で表される。
【００５６】
【数１】
2012220316.tif 000003
【００５７】
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。
【００５８】
【数２】
2012220316.tif 000004
【００５９】
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。
【００６０】
【数３】
2012220316.tif 000005
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
式（３）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外圧のＺ方向成分Ｆｚは、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起２２の材質として硬いものを用いたり、先端部の形状を先鋭にしたりすると、外圧のＺ方向成分Ｆｚの検出感度が高くなる。しかしながら、弾性体突起２２の材質として硬いものを用いると弾性体突起２２が変形しにくくなり外圧の面内方向の検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起２２の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触ったときのタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。このため、外圧のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起２２の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
【００６５】
図５に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている（圧力センサーの出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、圧力センサーの出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域（圧力センサーＳ１〜Ｓ４が縦２行横２列に計４つ配置された領域）がマトリクス状（例えば縦１５行×横１５列に計２２５個）に配置されているとする。
【００６６】
図６に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を考える。このとき、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置されたものうち縦３行×横３列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図５と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。
【００６７】
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。
【００６８】
本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起２２の先端部に複数の補助突起２２ｂが設けられている。弾性体突起２２と圧力センサー１２との接触部は補助突起２２ｂのみとなるため、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。また、弾性体突起２２と圧力センサー１２との間に若干の位置ずれが生じても、各補助突起２２ｂが、それぞれ対応する圧力センサー１２と対向するように配置されていれば、外圧の検出結果に大きな誤差は生じない。よって、第１基板１０と第２基板２０との間に組立位置のずれが生じても、外圧のすべり方向を高い精度で検出することができる。
【００６９】
補助突起２２ｂは、第２基板２０の法線と直交する面で切った断面が第２基板２０側から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。そのため、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。
【００７０】
また、補助突起２２の基端部（第２基板２０側の部分）が先端部（第１基板１０側の部分）よりも大きくなっているため、弾性体突起２２が弾性変形した際に、補助突起２２よりも第２基板２０側に配置された弾性体突起（突起本体２２ａ）の内部に補助突起２２ｂが埋没し、圧力センサー１２の検出値に大きな誤差が生じることを抑制することができる。
【００７１】
例えば、図７（ｂ）は、補助突起２２ｂの基端部が先端部と同じ太さで形成されている場合を示しているが、この場合には、補助突起２２ｂの基端部が細いので、補助突起２２ｂと突起本体２２ａとの接続部に作用する単位面積当たりの力が大きくなり、接続部周辺の突起本体２２ａが補助突起２２ｂの側方に沿って大きく変形する。突起本体２２ａが補助突起２２ｂの側方にまわりこんで第１基板１０の圧力センサーに接触すると、圧力センサーの圧力値が変化するので、検出精度が低下する。
【００７２】
一方、図７（ｂ）に示すように、補助突起２２ｂの基端部が先端部よりも太く形成されていると、補助突起２２ｂと突起本体２２ａとの接続部に作用する単位面積当たりの力が小さくなり、接続部周辺の突起本体２２ａの変形量は小さくなる。そのため、突起本体２２ａが補助突起２２ｂの側方にまわりこんで第１基板１０の圧力センサーに接触する惧れが少なくなり、検出精度が向上する。
【００７３】
図７では、突起本体２２ａの変形によって突起本体２２ａが第１基板１０に接触する例を示したが、実際には、補助突起２２ｂも弾性変形するので、補助突起２２ｂが変形することによって突起本体２２ａが第１基板１０と接触する場合もある。すなわち、補助突起２２ｂには、突起本体２２ａよりも局所的に大きな力が作用しやすいので、補助突起２２ｂが大きく潰れて、接続部周辺の突起本体２２ａが第１基板１０と接触する場合もある。
【００７４】
この場合には、補助突起２２ｂの潰れが問題であるので、補助突起２２ｂを潰れにくい材料、例えば、補助突起２２ｂ以外の部分（突起本体２２ａ）よりも硬い材料で形成することで、このような問題を回避することができる。例えば、突起本体２２ａ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）を３０〜５０とし、補助突起２２ｂ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）を８０とすることで、突起本体２２ａの柔軟性を損なわずに、補助突起２２ｂの潰れを抑制することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る検出装置２の断面図であり、図８（ｂ）は、比較例に係る検出装置の断面図である。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。
【００７６】
検出装置２の圧力センサー１８は、第１基板１０の法線方向（Ｚ方向）に積層された一対の電極（第１電極１５、第２電極１７）と、一対の電極１５，１７の間に挟持され、外圧によって厚み方向に弾性変形し、その弾性変形量に応じて電気抵抗が変化する感圧導電部材１６と、を備えている。図８において、符号１３は、第１基板本体であり、符号１４は、第２電極１７を保護する絶縁保護膜である。
【００７７】
感圧導電部材１６は、ゴム等の絶縁性の弾性部材にカーボン等の導電粒子を分散させたものである。第１電極１５と第２電極１７は、互いに直交するストライプ状の電極である。第１電極１５と第２電極１７とが交差する領域が１つの検出領域であり（図８では、２つの検出領域Ｓ１，Ｓ２のみを示す）、１つの検出領域に配置された第１電極１５、第２電極１７及び感圧導電部材１６が、１つの圧力センサー１８となる。
【００７８】
感圧導電部材１６を用いた圧力センサー１８は、構造が単純でコストが安くなるため、幅広い用途で利用されている。しかし、感圧導電部材１６には、図８（ｂ）に示すように、抵抗値−荷重曲線にヒステリシスがあり、加圧時と減圧時とでは同じ荷重Ｆ１でも抵抗値Ｒが異なるという好ましくない特性がある。抵抗値−荷重曲線にヒステリシスが発生するのは、感圧導電部材１６の抵抗値が荷重除去後の感圧導電部材１６の復元力によって変化するためである。
【００７９】
すなわち、感圧導電部材１６の一部を圧縮すると、圧縮部周辺の圧縮変形を起こしていない領域又は圧縮変形の小さい領域が、圧縮部の形状を復元しようとする。しかし、圧縮部が大きいと、圧縮部全体に十分な復元力が作用しにくくなり、圧縮部の一部に形状が十分に復元しない領域ができる。形状が十分に復元しない領域は抵抗値が高いので、その部分が圧縮部の抵抗値を高め、ヒステリシスの原因となる。
【００８０】
図８（ｂ）に示すように、弾性体突起２２の先端部に補助突起２２ｂが形成されていない場合には、弾性体突起２２と第１基板１０との接触面積が大きくなるので、感圧導電部材１６は広い面積で圧縮される。そのため、圧縮部全体に十分な復元力が作用しにくくなり、ヒステリシスが大きくなる。
【００８１】
一方、図８（ａ）に示すように、弾性体突起２２の先端部に補助突起２２ｂが形成されている場合には、弾性体突起２２と第１基板１０との接触面積が小さくなるので、感圧導電部材１６の圧縮変形が狭い面積で局所的に起こる。そのため、圧縮部全体に十分な復元力が作用し易くなり、ヒステリシスが小さくなる。よって、検出精度のよい検出装置を提供することができる。
【００８２】
（電子機器）
図９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。
【００８３】
図１０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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
（ロボット）
図１１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１１（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。
【００８７】
図１１（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。
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
１，２…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…突起本体、２２ｂ…補助突起、１５…第１電極、１６…感圧導電部材、１７…第２電極、１８…圧力センサー、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
【図１】
2012220316.tif 000006
【図２】
2012220316.tif 000007
【図３】
2012220316.tif 000008
【図４】
2012220316.tif 000009
【図５】
2012220316.tif 000010
【図６】
2012220316.tif 000011
【図７】
2012220316.tif 000012
【図８】
2012220316.tif 000013
【図９】
2012220316.tif 000014
【図１０】
2012220316.tif 000015
【図１１】
2012220316.tif 000016