(57)【要約】【課題】外圧の有無を高速に検出し、かつ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こと。【解決手段】検出装置は、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弾性体突起２２が形成された第２基板２０と、を備えた検出部１と、複数の圧力センサー１２のうちの一部により検出された圧力値から外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果から検出部１の次の検出動作を制御する制御部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧力センサーが配置されてなる第１の基板と、加えられた外圧を前記複数の圧力センサーにより検出する検出部とを備えた検出装置であって、
前記複数の圧力センサーのうちの一部により検出された圧力値から前記外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果に基づいて前記検出部の次の検出動作を制御する制御部を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記複数の圧力センサーは前記第１の基板上の基準点の周りに配置されてなり、
前記第１の基板の前記複数の圧力センサーに対向配置され、前記基準点と重なる位置に先端部が当接する弾性体突起が形成された第２の基板を備え、
前記検出部は、前記複数の圧力センサーと前記弾性体突起とにより構成される圧力成分分離機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記複数の圧力センサーのうちの一部は、前記基準点に最も近い位置に配置された圧力センサーを含むことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記外圧によって前記圧力成分分離機構の前記弾性体突起が弾性変形することにより、前記複数の圧力センサーのうち任意に組み合わさ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圧が加えられた方向と大きさを演算する第１の演算処理を行う演算装置を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記複数の圧力センサーは、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請求項２ないし４のいずれか一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、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請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記弾性体突起は前記第２の基板に複数形成されており、
前記検出部は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に複数の前記圧力成分分離機構を有することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項８】
前記演算装置は、前記第１の演算処理の結果を用いて、前記第２の基板に加わる外圧の合計の方向と大きさを演算する第２の演算処理を行うことを特徴とする請求項４ないし７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
前記演算装置は、前記第１の演算処理の結果を用いて、外圧によって前記第２の基板に加わる回転トルクの方向と大きさとを演算する第３の演算処理を行うことを特徴とする請求項４ないし８のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記第２の基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、前記第２の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請求項２ないし９のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０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。
【請求項１２】
請求項１ないし１０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。
【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】
外力を検出する検出装置として、特許文献１、及び特許文献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。
【０００３】
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。
特許文献２の検出装置は、表面に変位可能な接触子を備え、また接触子の変位を検出ポイントで検出して出力する複数の感圧素子を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
上記特許文献１の検出装置では、突起の変形量をカメラにより撮影した画像から演算するため演算量が多く、圧力検出に要する時間が長くなる。また受圧シートの測定面（裏面）にかかる圧力の面内方向の力（すべり力）を測定することはできない。
上記特許文献２の検出装置では、演算により測定面（表面）にかかる圧力の面内方向の力（すべり力）を算出することができるが、接触子一つあたりの検出ポイントが多い場合、出力値を得るために必要な時間が長くなってしまう。
以上のように、特許文献１、及び特許文献２の検出装置では、いずれも圧力の有無を高速に検出する機能と、外圧の分布や方向および大きさを高い精度で検出する機能とが両立されていないという課題があった。
【０００６】
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、外圧の有無を高速に検出し、かつ外圧の分布や方向および大きさを、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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［適用例１］本適用例の検出装置は、複数の圧力センサーが配置されてなる第１の基板と、加えられた外圧を前記複数の圧力センサーにより検出する検出部とを備えた検出装置であって、前記複数の圧力センサーのうちの一部により検出された圧力値から前記外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果に基づいて前記検出部の次の検出動作を制御する制御部を備えることを特徴とする。
【０００８】
この検出装置によれば、検出部に配置された複数の圧力センサーのうちの一部によって外圧の有無が検出されるため、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて、外圧の有無を高速に検出することができる。また第１の基板の表面に外圧が加えられたと判定された場合、制御部によって複数の圧力センサーの値をすべて検出するよう制御することにより、外圧の分布と大きさとを精度よく検出することができる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例の検出装置において、前記複数の圧力センサーは前記第１の基板上の基準点の周りに配置されてなり、前記第１の基板の前記複数の圧力センサーに対向配置され、前記基準点と重なる位置に先端部が当接する弾性体突起が形成された第２の基板を備え、前記検出部は、前記複数の圧力センサーと前記弾性体突起とにより構成される圧力成分分離機構を備えることを特徴とする。
【００１０】
この検出装置によれば、検出部の弾性体突起の先端部が第１の基板（複数の圧力センサー）に当接した状態で、弾性体突起がすべり方向（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、外圧の方向と大きさを検出することができる。
第２の基板の表面に所定の方向の外圧が付加されると、弾性体突起は先端部が第１の基板に当接した状態で圧縮変形する。このとき、面内に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の方向（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、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と大きさを求めることができる。
したがって、複数の圧力センサーのうちの一部により外圧が検出された場合、圧力成分分離機構によって圧力の検出を実行することにより、外圧の方向と大きさを求めることが可能となる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例の検出装置において、前記複数の圧力センサーのうちの一部は、前記基準点に最も近い位置に配置された圧力センサーを含むことを特徴とする。
【００１２】
この検出装置によれば、外圧によって弾性体突起が第１の基板に最初に当接する部分である基準点に最も近い位置に配置された圧力センサーによって外圧の有無を判定するため、感度よく外圧の有無を判定することが可能となる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例の検出装置において、前記外圧によって前記圧力成分分離機構の前記弾性体突起が弾性変形することにより、前記複数の圧力センサーのうち任意に組み合わさ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圧が加えられた方向と大きさを演算する第１の演算処理を行う演算装置を備えていてもよい。
【００１４】
［適用例５］上記適用例の検出装置において、前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていてもよい。
【００１５】
この検出装置によれば、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の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００１６】
［適用例６］上記適用例の検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていてもよい。
【００１７】
この検出装置によれば、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圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
【００１８】
［適用例７］上記適用例の検出装置において、前記弾性体突起は前記第２の基板に複数形成されており、前記検出部は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に複数の前記圧力成分分離機構を有していてもよい。
【００１９】
この検出装置によれば、検出部に作用する外圧の方向と大きさの分布を検出することができる。
【００２０】
［適用例８］上記適用例の検出装置において、前記演算装置は、前記第１の演算処理の結果を用いて、前記第２の基板に加わる外圧の合力の方向と大きさを演算する第２の演算処理を行うことを特徴とする。
【００２１】
この検出装置によれば、検出装置の第２基板に加えられた外圧の合計の方向と大きさを求めることができる。
【００２２】
［適用例９］上記適用例の検出装置において、前記演算装置は、前記第１の演算処理の結果を用いて、外圧によって前記第２の基板に加わる回転トルクの方向と大きさとを演算する第３の演算処理を行うことを特徴とする。
【００２３】
この検出装置によれば、検出装置の第２基板に加えられた外圧の回転トルクの方向と大きさを求めることができる。
【００２４】
［適用例１０］上記適用例の検出装置において、前記第２の基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、前記第２の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
【００２５】
この検出装置によれば、補強部材が無いときに比べて２つの隣り合う前記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、外圧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、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【００２６】
［適用例１１］本適用例の電子機器は、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
【００２７】
この電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外圧の有無を高速に検出することができ、また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。
【００２８】
［適用例１２］本適用例のロボットは、上述した検出装置を備えることを特徴とする。
【００２９】
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、外圧の有無を高速に検出することができ、また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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る検出装置の概略構成を示す模式図。
【図２】第１実施形態に係る検出部の概略構成を示す分解斜視図。
【図３】第１実施形態に係る制御部の概略構成を示す模式図。
【図４】第１実施形態に係る検出装置の制御動作の流れ図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態に係る検出部の単位検出領域における圧力成分分離機構の変化を示す断面図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態に係る検出部の単位検出領域における圧力成分分離機構の変化を示す平面図。
【図７】第１実施形態に係る検出部の単位検出領域の座標系を示す図。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】第２実施形態に係る検出装置の概略構成を示す模式図。
【図１１】第２実施形態に係る検出部の概略構成を示す分解斜視図。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態に係る検出部の単位検出領域における圧力成分分離機構の変化を示す断面図。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態に係る検出部の単位検出領域における圧力成分分離機構の変化を示す平面図。
【図１４】第２実施形態に係る検出部の単位検出領域の座標系を示す図。
【図１５】第３実施形態に係る検出部の概略構成を示す分解斜視図。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は第３実施形態に係る検出部の単位検出領域における圧力成分分離機構の変化を示す断面図。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】（ａ）および（ｂ）は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。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
以下の説明においては、図中に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。なお、図中に示すＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が第１基板１０の表裏面が形成される方向に設定され、Ｚ軸が第１基板１０の表裏面に対して直交する法線方向（第１基板１０の厚さ方向）に設定されている。
【００３３】
（第１実施形態）
＜検出装置＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る検出装置１００の電気的な構成を示すブロック図である。
本実施形態の検出装置１００は、検出部１と、制御部１２０とを備える。
検出部１は、複数の圧力センサーにより加えられた外圧を検出し、制御部１２０に入力する。
制御部１２０は、そのうちの一部の圧力センサーにより検出された圧力値から外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果から検出部１の次の検出動作を制御する。
【００３４】
検出装置１００は、外圧の方向と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。
【００３５】
図２は、検出装置１００における検出部１の構成を示す概略分解斜視図である。
ここでＸ軸は、第１基板１０の表裏面において交差する２辺のうち一方の辺に平行であり、Ｙ軸は他方の辺に平行である。さらにＺ軸は、第１基板１０の表裏面に対して直交する法線方向である。
【００３６】
図２に示すように、検出部１は、第１の基板としての第１基板１０と第２の基板としての第２基板２０とを備えている。
第１基板１０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２基板２０は、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置するとともに、先端部が第１基板１０に当接し外圧によって弾性変形する弾性体突起２２が形成されている。
本実施形態では、基準点Ｐの周りに、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ２個、合計４個の圧力センサー１２が１つの弾性体突起２２に対応して配置され、その領域を単位検出領域Ｓと呼ぶ。単位検出領域Ｓにおける複数（４個）の圧力センサー１２と複数（４個）の圧力センサー１２に対向配置された弾性体突起２２とにより、圧力成分分離機構が構成されている。
なお、「基準点」とは、すべり力が作用していない状態で弾性体突起２２の中心（重心）が平面的に位置するポイントである。
【００３７】
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。
【００３８】
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、各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。
【００３９】
複数の圧力センサー１２は、単位検出領域Ｓあたり縦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、例えば感圧導電ゴム等による感圧素子を用いることができる。圧力センサー１２は、接触面に外圧が作用したときに感圧導電ゴム等に加わる圧力を電気信号に変換する。
【００４０】
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、これらは別々に形成されていてもよい。
【００４１】
なお、上述の説明では、第２基板本体２１の平面中央部に形成された弾性体突起２２について説明したが、符号を付さない複数の弾性体突起が第２基板本体２１に形成されている。複数の弾性体突起は、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、複数の圧力成分分離機構を構成している。弾性体突起２２を含む複数の弾性体突起の先端部は、球面の錘状となっており、第１基板１０の圧力センサー１２を含む複数の圧力センサーに当接している。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。
【００４２】
弾性体突起２２のサイズは任意に設定することができる。本実施形態においては、弾性体突起２２の第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Ｚ方向の長さは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。
【００４３】
図３は、検出装置１００における制御部１２０の構成を示すブロック図である。制御部１２０は、検出部１との信号の授受と演算結果の出力を行うインターフェイス部（Ｉ／O部）１２１と、各圧力センサー１２の制御処理を行う制御ユニット１２２、各演算処理を行う演算装置１２３、およびデータを格納するデータメモリー１２４から構成される。
【００４４】
演算装置１２３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、各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第１の演算処理を行う。
【００４５】
また、演算装置１２３は、検出部１で検出された圧力の合力の方向と大きさを演算する第２の演算処理と、外圧により検出部１に作用する回転トルクの方向と大きさを演算する第３の演算処理を行う。これらの演算方法については後述する。
【００４６】
なお、本実施形態では、制御ユニット１２２と演算装置１２３とにそれぞれＣＰＵを備えているが、１つのＣＰＵにより、制御ユニット１２２における装置の制御と、演算装置１２３における各種演算とを行わせる構成としてもよい。言い換えれば、制御ユニット１２２はＣＰＵを備え、各種の演算にも対応するとしてもよい。
【００４７】
図４に、検出装置１００の検出制御動作の流れ図を示す。
まず、制御部１２０は、単位検出領域Ｓの圧力センサー１２のうち、基準点Ｐに最も近い任意の一部の圧力センサー１２により圧力値を検出する（ステップＳ４０１）。
次に、検出された圧力値から外圧の有無を判定（検出動作）する（ステップＳ４０２）。
その判定結果から、対応する単位検出領域Ｓの圧力センサー１２の次の検出動作を決定し、実行する。
【００４８】
ステップＳ４０２において、外圧が無いと判定された場合には、ステップＳ４０１に戻り、基準点Ｐに最も近い任意の一部の圧力センサー１２により圧力値を検出し（ステップＳ４０１）、検出された圧力値から外圧の有無を高速に判定する（ステップＳ４０２）検出動作を繰り返す。
一方、ステップＳ４０２において、外圧が有ると判定された場合には、対応する単位検出領域Ｓの圧力成分分離機構に配置された複数の圧力センサー１２の圧力値をそれぞれ検出する（ステップＳ４０３）。
そして、外圧の方向と大きさを演算する（ステップＳ４０４）。
また、一連の演算終了後は、その結果を出力すると同時に、ステップＳ４０１に戻り、圧力センサー１２により圧力値を検出し、外圧の有無を検出する検出動作を行なう。
【００４９】
図５及び図６は、単位検出領域Ｓにおいて、基準点Ｐに作用する外圧の方向を検出する第１の演算処理方法の説明図である。
図５（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る単位検出領域Ｓにおける圧力成分分離機構の変化を示す断面図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜（ｃ）に対応した、第１実施形態に係る単位検出領域Ｓにおける圧力成分分離機構の変化を示す平面図である。
なお、第１基板１０の表面とは圧力センサー１２の形成された面を指し、第２基板２０の表面とは、弾性体突起２２が形成された面の裏面である外圧を受ける面を指す。図５（ａ）及び図６（ａ）は第２基板２０の表面に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図５（ｂ）及び図６（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図５（ｃ）及び図６（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。また、図６（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。
【００５０】
図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、第２基板２０の表面に外圧が付加される前においては、弾性体突起２２は変形しない。これにより、第１基板１０と第２基板２０との間の距離は一定に保たれる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。このときの各圧力センサー１２の圧力値はデータメモリー１２４に記憶されている。データメモリー１２４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と大きさが求められる。
【００５１】
図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１０の表面に配置された複数の圧力センサー１２に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー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ともほぼ同じ値となる。
【００５２】
図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板１０の表面に配置された複数の圧力センサー１２に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このとき、弾性体突起２２の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。この場合、弾性体突起２２の先端部と４つの圧力センサー１２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起２２の先端部と４つの圧力センサー１２との重なる面積は、４つの圧力センサー１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサーと重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された圧力センサーと重なる面積のほうが大きくなる。
【００５３】
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、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Ｇ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Ｇ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圧が加えられた方向と大きさが求められる。
【００５４】
図７は、第１実施形態に係る単位検出領域Ｓの座標系を示す図である。図８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９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。
【００５５】
図７に示すように、単位検出領域Ｓの複数の圧力センサーＳ１〜Ｓ４は、単位検出領域Ｓあたり縦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、単位検出領域Ｓに加わる外力の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】
2012068029.tif 000003
【００５７】
また、単位検出領域Ｓに加わる外力の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】
2012068029.tif 000004
【００５９】
また、単位検出領域Ｓに加わる外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分、Ｚ軸は図７の図中省略）は以下の式（３）で表される。
【００６０】
【数３】
2012068029.tif 000005
【００６１】
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、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】
検出部１に加わる外圧の合計の方向と大きさは、第１の演算処理で得られた各単位検出領域Ｓに加えられた外圧の合計によって得られる。したがって外圧の合計の方向と大きさを演算する第２の演算処理は、第１の演算処理で得られた各単位検出領域Ｓに加えられた外圧の合計を算出する演算となる。
【００６６】
また、検出部１に加わる回転トルクの方向と大きさは、第２基板２０の表面に加わる外圧の分布の重心を算出し、その座標を中心として点対称となる任意の単位検出領域Ｓに加わる外圧のＸ方向成分またはＹ方向成分の差分を取ることによって得られる。したがって回転トルクの方向と大きさを演算する第３の演算処理は、外圧の分布の重心の座標を中心とした点対称となる任意の単位検出領域Ｓに加わる外力のＸ方向成分またはＹ方向成分の差分の演算となる。
【００６７】
図８は、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８に示すように、検出部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。検出部１の検出面には、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、圧力センサー１２が縦１６行×横１６列に計２５６個）に配置されているとする。また、符号ＤＧは検出した外圧の分布の重心である。
【００６８】
指で押されていない領域は、圧力センサー１２の出力電圧が０〜３０ｍＶ程度であるため、圧力センサー１２の出力電圧３０ｍＶを外圧の有無の判定基準として設定している。すなわち単位検出領域Ｓである圧力センサーＳ１〜Ｓ４の合計出力電圧が３０ｍＶ未満であれば、外圧は加わっていないと判定し、圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧が３０ｍＶ以上であれば、外圧が加わっていると判定する。
【００６９】
図８の場合、縦１６行×横１６列に配置された単位検出領域Ｓのうち、７箇所の単位検出領域Ｓで外圧が加わっていると判定される。外圧の垂直方向の圧力値は、外圧が作用した範囲の中心部が最も大きくなっている（単位検出領域Ｓの圧力センサーの合計出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外圧の垂直方向の圧力値は、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。
【００７０】
図９に示すように、検出部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の外圧の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を考える。図８の場合、指の押圧力（外力）は、縦１６行×横１６列に配置された単位検出領域Ｓのうち、７箇所の単位検出領域Ｓで外圧が加わっていると判定される。そこでこの７箇所の単位検出領域Ｓのみを抽出して第１の演算処理による外圧の面内方向成分（すべり方向）の演算を行うことにより、演算処理が高速化される。
【００７１】
抽出した７箇所の各単位検出領域Ｓ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Ｓでは、上述した式（１）及び式（２）に基づいて、各単位検出領域Ｓにおける外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙが第１の演算処理によって算出される。
【００７２】
第２の演算処理により、外圧の合計の方向と大きさが算出される。ここでは、外圧がＸ方向に−０．５４、Ｙ方向に０．８４５の方向成分を持つことから、＋Ｘ方向を基準として左回りに約１２２°の方向に合計の外圧が作用していることが分かる。
【００７３】
また、第３の演算処理により、回転トルクの方向と大きさが算出される。図８の場合、外圧の分布の重心ＤＧの座標はＸ＝６．７３、Ｙ＝１０．０４となり、Ｘ＝７、Ｙ＝１０に位置する単位検出領域Ｓに近似される。そこでＸ＝７、Ｙ＝１０を中心として点対称の関係にある２つの単位検出領域Ｓの組み合わせについて、Ｘ軸方向成分の差分から回転トルクの大きさを算出する。差分の大きさは８ｍＶであることから、検出部１の検出面には右ねじの方向にごく微小な回転トルクが作用していることが分かる。
【００７４】
本実施形態の検出装置１００によれば、外圧が加えられた単位検出領域Ｓのみを抽出して面内方向成分（すべり方向）を演算することで、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて演算処理が高速化される。
【００７５】
この構成によれば、弾性体突起２２の先端部が第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）に変形するので、外圧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の表面に所定の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、弾性体突起２２の変形には偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２２の重心Ｇ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Ｇ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Ｇ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Ｇ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、第１の演算処理により、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圧が加えられた方向と大きさを求めることができる。したがって、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１００を提供することができる。
【００７６】
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、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値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Ｐから互いに異なる距離に配置される場合、各圧力センサー１２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、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値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の圧力値の差分を演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００７７】
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、外圧を効率よく検出することができる。
【００７８】
この構成によれば、単位検出領域Ｓに対応する圧力成分分離機構がマトリックス状に配置されているので、検出部１に作用する外圧の方向と大きさの分布を検出することができる。また検出部１で検出された圧力の合力の方向と大きさを演算する第２の演算処理と、外圧による回転トルクの方向と大きさを演算する第３の演算処理により、検出部１に作用する外圧の合計の大きさと方向、および回転トルクを検出することができる。
【００７９】
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あたり縦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あたり３つ以上配置されていればよい。
【００８０】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る検出装置１０１の構成を示すブロック図である。第２実施形態の検出装置１０１は、第１実施形態と同様、複数の圧力センサー１１２により加えられた外圧を検出する検出部２と、複数の圧力センサー１１２のうちの一部により検出された圧力値から外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果から検出部の次の検出動作を制御する制御部１２０を備える。
【００８１】
図１１は、図２に対応した、第２実施形態に係る検出部２の概略構成を示す分解斜視図である。図１１において、図２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Ｓを示している。
本実施形態の検出部２は、複数の圧力センサー１１２が互いに直交する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部１と異なる。なお、図１１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あたり縦４行、横４列に配置されているが、実際には図１２及び図１３に示すように、複数の圧力センサー１１２が単位検出領域Ｓあたり縦４行、横４列以上に配置されていてもよいものとする。
【００８２】
検出部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１１０と、基準点Ｐに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１１０に当接し外圧によって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。
【００８３】
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あたり少なくとも縦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。
【００８４】
制御部１２０は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２のうち、基準点Ｐに最も近い４個の圧力センサー１１２で検出された圧力値から外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果から対応する単位検出領域の圧力センサー１１２の次の検出動作を決定する。
【００８５】
制御部１２０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１１２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１１２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第１の演算処理を行う演算装置１２３を備えている。
【００８６】
また、演算装置１２３は、検出部２で検出された圧力の合力の方向と大きさを演算する第２の演算処理と、検出部２に作用する外圧による回転トルクの方向と大きさを演算する第３の演算処理を行う。これらの演算方法は第１の実施形態と同じである。
【００８７】
検出装置１０１の検出制御動作の流れも第１実施形態と同じである。制御部１２０は、基準点Ｐの周りに複数配置された圧力センサー１１２のうち、基準点に最も近い４個の圧力センサー１１２で検出された圧力値から外圧の有無を検出する検出動作を行い、その検出結果から対応する単位検出領域Ｓの圧力センサー１１２の次の検出動作を決定する。
【００８８】
外圧が無いと判定された場合には、基準点に最も近い４個の圧力センサー１１２で検出された圧力値から外圧の有無を高速に検出する検出動作を継続する。一方、外圧が有ると判定された場合には、対応する単位検出領域Ｓの圧力成分分離機構に配置された複数の圧力センサー１１２の圧力値をそれぞれ検出し、外圧の方向と大きさを演算する。また、一連の演算終了後は、その結果を出力し、外圧の有無を検出する検出動作に戻る。
【００８９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る単位検出領域Ｓにおける圧力成分分離機構の変化を示す断面図である。図１３（ａ）〜（ｃ）は、図６（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る単位検出領域Ｓにおける圧力成分分離機構の変化を示す平面図である。
なお、図１２（ａ）及び図１３（ａ）は第２基板２０の表面に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図１２（ｃ）及び図１３（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。また、図１３（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１２及び図１３において、図５及び図６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。
【００９０】
図１２（ａ）及び図１３（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の圧力値はデータメモリー１２４に記憶されている。データメモリー１２４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圧の作用する方向や大きさが求められる。
【００９１】
図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板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との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１１２で検出された圧力値は、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１１２ともほぼ同じ値となる。
【００９２】
図１２（ｃ）及び図１３（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第１基板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との間の距離が外圧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の先端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。
【００９３】
図１４は、図７に対応した、第２実施形態に係る単位検出領域Ｓの座標系を示す図である。なお、図１４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個の圧力センサー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１４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。
【００９４】
図１４に示すように、複数の圧力センサーＳiは、単位検出領域Ｓあたり縦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、単位検出領域Ｓに加わる外力の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。
【００９５】
【数４】
2012068029.tif 000006
【００９６】
また、単位検出領域Ｓに加わる外力の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。
【００９７】
【数５】
2012068029.tif 000007
【００９８】
また、単位検出領域Ｓに加わる外力の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。
【００９９】
【数６】
2012068029.tif 000008
【０１００】
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圧が加えられた方向が演算される。
【０１０１】
式（４）に示すように、外圧の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圧のＸ方向成分が求められる。
【０１０２】
式（５）に示すように、外圧の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圧のＹ方向成分が求められる。
【０１０３】
式（６）に示すように、外圧の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。
【０１０４】
検出部２に加わる外圧の合力の方向と大きさは、第１実施形態と同様、第１の演算処理で得られた各単位検出領域Ｓに加えられた外力の合計によって得られる。したがって外圧の合計の方向と大きさを演算する第２の演算処理は、第１の演算処理で得られた各単位検出領域Ｓに加えられた外圧の合計を算出する演算となる。
【０１０５】
また検出部２に加わる回転トルクの方向と大きさは、第２基板２０の表面に加わる外圧の分布の重心の座標を算出し、その外圧の分布の重心の座標を中心とした点対称となる、任意の単位検出領域に加わる外圧のＸ方向成分、またはＹ方向成分の差分を取ることによって得られる。したがって回転トルクの方向と大きさを演算する第３の演算処理は、外圧の分布の重心の座標を中心として点対称となる任意の単位検出領域Ｓに加わる外圧のＸ方向成分またはＹ方向成分の差分の演算となる。
【０１０６】
本実施形態の検出装置１０１によれば、単位検出領域Ｓあたり縦１０行、横１０列に計１００個配置された複数の圧力センサーＳiのうち、基準点Ｐに最も近い４個の圧力センサー１１２のみによって圧力の有無を検出するため、特許文献１や特許文献２の検出装置に比べて検出処理が高速化される。
【０１０７】
この構成によれば、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ので、第１実施形態に比べて配置される圧力センサー１１２の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー１１２で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー１１２の検出結果を積算して外圧の作用する方向と大きさを求めることができる。したがって、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。
【０１０８】
（第３実施形態）
図１５は、図１１に対応した、第３実施形態に係る検出装置１０２の検出部３の概略構成を示す分解斜視図である。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１０２は、検出部３の第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１０１と異なる。図１５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。
【０１０９】
図１５に示すように、検出部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、基準点Ｐに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、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５１と、を備えている。
【０１１０】
補強部材５１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と同じサイズに形成されている。この補強部材５１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の材質と同様に発泡ウレタン樹脂（デュロメーター硬さ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（デュロメーター硬さ６０程度）を用いたりすることができる。このため、補強部材５１の表面である接触面に弾性体突起２２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、外圧を正確に検出することができる。
【０１１１】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、図１２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態に係る単位検出領域Ｓにおける圧力成分分離機構の変化を示す断面図である。
なお、図１６（ａ）は第２基板２０の表面（補強部材５１の表面）に外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１６（ｂ）は第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された状態を示している。図１６（ｃ）は第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された状態を示している。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。
【０１１２】
図１６（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データメモリー１２４に記憶されている。データメモリー１２４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圧の作用する方向や大きさが求められる。
【０１１３】
図１６（ｂ）に示すように、第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第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基板１１０と第２基板２０との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。
【０１１４】
また、外圧は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用している。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５１を備えているので、例えば、指で検出部３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。
【０１１５】
図１６（ｃ）に示すように、第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加されたときには、弾性体突起２２は先端部が第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基板１１０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。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。
【０１１６】
また、外圧は２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用している。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５１を備えているので、例えば、指で検出部３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。
【０１１７】
本実施形態の検出装置１０２によれば、検出部３には第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よりも高い剛性を有する補強部材５１が配置されているので、外圧の方向を高い精度で検出することができる。例えば、外圧が２つの隣り合う弾性体突起２２の間の領域に作用する場合、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、外圧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、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
【０１１８】
なお、本実施形態においては、補強部材５１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５１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５１を設ける構成に比べて装置の薄型化を図ることができる。
【０１１９】
（第４実施形態）
＜電子機器＞
図１７は、上記実施形態に係る検出装置１００，１０１，１０２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及びコントロールパッド１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１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、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。
【０１２０】
図１８は、上記実施形態に係る検出装置１００，１０１，１０２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及びコントロールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１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、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。
【０１２１】
このような電子機器によれば、上述した検出装置１００，１０１，１０２のいずれかをコントロールパッド１００２，２００３に備えているので、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。
【０１２２】
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、本発明に係る検出装置を適用させることができる。
【０１２３】
（第５実施形態）
＜ロボット＞
図１９は、上記実施形態に係る検出装置１００，１０１，１０２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１９（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１００，１０１，１０２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。
【０１２４】
図１９（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１００，１０１，１０２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。
【０１２５】
このロボットによれば、上述した検出装置１００，１０１，１０２のいずれかを備えているので、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】
【０１２６】
１，２，３…検出部、１０，１１０…第１基板、１２，１１２，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓi…圧力センサー、２０…第２基板、２２…弾性体突起、５１…補強部材、１００，１０１，１０２…検出装置、１２０…制御部、１２１…インターフェイス部、１２２…制御ユニット、１２３…演算装置、１２４…データメモリー、１０００…携帯電話機（電子機器）、２０００…携帯情報端末（電子機器）、３０００…ロボットハンド（ロボット）、Ｇ…弾性体突起の重心、ＤＧ…外圧の分布の重心。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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