(57)【要約】【課題】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単位突起２４が形成された第２基板２０と、を備え、単位突起２４が、硬度の高い弾性体突起２２と、硬度の低い弾性体層２３と、からなる。【選択図】図２
2012073051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準点に加えられた外圧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外圧によって先端部が前記第１基板に当接した状態で弾性変形する単位突起が形成された第２基板と、を備え、
前記単位突起は、硬度の異なる２種類以上の弾性材料から形成されることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記単位突起が、
第１の弾性材料から成る弾性体突起と、
該弾性体突起を覆うように形成された弾性体層と、を有し、
該弾性体層は、前記第１の弾性材料よりも硬度が低い第２の弾性材料から成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】
前記弾性体層は、
前記弾性体突起の側面部に形成されるとともに、前記弾性体突起の先端部には形成されないことを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
外圧によって前記単位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外圧が加えられた方向と外圧の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請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置。
【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１〜４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１〜４のいずれか一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請求項６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記単位突起は前記第２基板に複数形成されており、
前記複数の単位突起は、互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出装置を備えることを特徴とするロボット。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３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の検出装置は、裏面に錐状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から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。
特許文献２の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献２の検出装置では、外圧を３次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
以上のように、特許文献１及び特許文献２の検出装置では、いずれも外圧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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、基準点に加えられた外圧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、前記基準点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前記第１基板に当接した状態で弾性変形する単位突起が形成された第２基板と、を備え、前記単位突起は、硬度の異なる２種類以上の弾性材料から形成されることを特徴とする。
【０００７】
この検出装置によれば、単位突起の先端部が第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、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基板の表面に外圧が付加されると、単位突起は先端部が第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、単位突起の変形には偏りが生じる。すなわち、単位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単位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、単位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、単位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、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検出装置を提供することができる。本発明では、単位突起が硬度の異なる２種類以上の弾性材料を用いて形成されるので、すべり方向の外圧に対しては、単位突起のうち、硬度の低い弾性材料で形成された領域の変形がより大きくなる。具体的には、単位突起の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に非常に大きい圧力値が検出され、単位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、その差が非常に大きいこととなる。従って、外圧の方向を精度よく検出できる。
【０００８】
上記に記載の検出装置は、前記単位突起が、第１の弾性材料から成る弾性体突起と、該弾性体突起を覆うように形成された弾性体層を有し、該弾性体層は前記第１の弾性材料よりも硬度が低い第２の弾性材料から成ることを特徴とする。
さらに、前記弾性体層は、前記弾性体突起の側面部に形成されるとともに、前記弾性体突起の先端部には形成されない構造でもよい。
【０００９】
この検出装置によれば、単位突起の中心部分（弾性体突起）は硬度の高い弾性材料で形成され、単位突起を覆うように形成された外周部分（弾性体層）は硬度の低い弾性材料で形成されているので、すべり方向の外圧に対しては、単位突起のうち、外周部分を構成する硬度の低い弾性材料で形成された領域の変形が、中心部分を構成する硬度の高い弾性材料で形成された領域の変形よりも大きくなる。そのため、単位突起の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に非常に大きい圧力値が検出され、単位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、その差が非常に大きいこととなる。従って、外圧の方向を精度よく検出できる。さらに、前記弾性体層は、前記弾性体突起の側面部に形成され、前記弾性体突起の先端部には形成されない構造の場合には、すべり力が印加された状態では、単位突起の重心と重ならない位置の圧力センサーでは単位突起の変形が非常に小さく、相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。
【００１０】
上記に記載の検出装置において、外圧によって前記単位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外圧が加えられた方向と外圧の大きさとを演算する演算装置を備えていてもよい。
【００１１】
上記に記載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。
【００１２】
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、前記単位突起の変形量と各圧力センサーで検出される圧力値と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、単位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、単位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から外圧の方向と大きさと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。
【００１３】
上記に記載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。
【００１４】
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とを演算することが容易となる。
【００１５】
上記に記載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方向に少なくとも４行４列に配置されていてもよい。
【００１６】
この検出装置によれば、配置される圧力センサーの数が多くなる。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圧の作用する方向を求めることができる。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。
【００１７】
上記に記載の検出装置において、前記単位突起は前記第２基板に複数形成されており、前記複数の単位突起は、互いに離間して配置されていてもよい。
【００１８】
この検出装置によれば、単位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変形量を許容することができる。例えば、一方の単位突起が変形したときに他方の単位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、複数の単位突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧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、外圧の方向と大きさとを高い精度で検出することができる。
【００１９】
前記検出装置において、応用例として前記第２基板の前記単位突起が形成された側と反対の側には、前記第２基板よりも高い剛性を有する補強部材が配置されていてもよい。
【００２０】
前記応用例のような検出装置によれば、例えば、外圧が２つの隣り合う単位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つの隣り合う単位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。
【００２１】
本発明の電子機器は、上記に記載の検出装置を備えることを特徴とする。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明のロボットは、上記に記載の検出装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単位突起の概略構成を示す断面図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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平面図。
【図５】第１実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図。
【図６】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７】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分解斜視図。
【図９】第２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。
【図１０】第２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平面図。
【図１１】第２実施形態に係るセンシング領域の座標系を示す図。
【図１２】本発明の応用例に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１３】応用例に係る圧力センサーによる圧力値の変化を示す断面図。
【図１４】本発明の代表的な３種類の構造を示す断面図。
【図１５】本発明の代表的な別の３種類の構造を示す断面図。
【図１６】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１７】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１８】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】
【００２６】
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。
また、本実施形態において、第１基板の「表面」とは、第１基板本体の複数の圧力センサー形成面を指す。第２基板の「表面」とは、第２基板本体の単位突起形成面の反対面を指し、つまりは、外圧を受ける面を指す。
【００２７】
（第１実施形態）
本実施形態の検出装置の単位領域について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る検出装置において、複数配置された圧力センサーを有する第１基板の上に、弾性変形する単位突起が形成された第２基板が配置された状態の代表例を示す断面図である。図１では、検出装置の単位領域を図示している。
【００２８】
図１に示すように、検出装置１は、第１基板１０と第２基板２０とを含み構成されている。第１基板１０は、第１基板本体１１上に、複数の圧力センサー１２が形成されて成る。第２基板２０は、矩形板状の第２基板本体２１上に、圧力センサーに対応して複数の単位突起２４が配置されて成る。
そして、検出装置１の単位領域は、第１基板本体１１上に配置された圧力センサー１２と、単位突起２４の先端部とが接するように形成されて成る。
単位突起２４は、中心部を構成する弾性体突起２２と、該弾性体突起２２を覆うように外周部を構成する弾性体層２３と、を備えて成る。また、弾性体突起２２を形成する第１の弾性材料と、弾性体層２３を形成する第２の弾性材料とは硬度が異なる。本実施形態では、第２の弾性材料の硬度が第１の弾性材料の硬度よりも低い構成となる。
【００２９】
なお、弾性体突起２２および単位突起２４の形状は、半球状でもよいし、錐状あるいは柱状でもよい。
【００３０】
以下の説明においては、図２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】
図２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２において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの単位突起２４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。
【００３２】
検出装置１は、基準点Ｐに加えられた外圧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、「基準点」とは、すべり力が作用していない場合に単位突起２４の中心（重心）が平面視で位置するポイントである。
【００３３】
図２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単位突起２４、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、外圧によって単位突起２４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とを演算する演算装置（図示略）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、単位突起２４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。
【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。
【００３９】
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。この場合には、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。
【００４０】
そのほかにも、圧力センサー１２としては、抵抗値変化型の感圧素子を用いることが出来る。例えば、感圧導電性ゴム等で構成された感圧素子が知られている。感圧導電性ゴムシートの上側表面と下側表面に上下電極を設けた場合、外圧が作用すると、感圧導電性ゴムシートの膜厚方向の抵抗値変化を感知して外圧を検出することが出来る。また、感圧導電性ゴムシートのどちらか一方の表面に平行電極あるいは櫛歯状電極を設けた場合、外圧が作用すると、感圧導電性ゴムシートの水平方向の抵抗値変化を感知して外圧を検出することが出来る。
【００４１】
そのほかにも、圧力センサー１２としては、静電容量値変化型の感圧素子を用いることが出来る。この場合、外圧が作用すると静電容量値の変化を感知して外圧を検出することが出来る。
【００４２】
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単位突起２４と、を具備して構成されている。単位突起２４は、中心部を構成する弾性体突起２２と、該弾性体突起２２の外周部を構成する弾性体層２３と、を備えて成る。さらに、弾性体突起２２を形成する第１の弾性材料と、前記弾性体層２３を形成する第２の弾性材料とは硬度が異なる。本実施形態では、前記第２の弾性材料の硬度が前記第１の弾性材料の硬度よりも低い構成となる。
【００４３】
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。次に、弾性体突起２２の外周部に弾性体層２３を形成する。例えば、弾性体突起２２を形成する第１の弾性材料よりも硬度の低い第２の弾性材料の溶液を、弾性体突起２２の表面に塗布、あるいはスプレー塗布、またはディッピングする事により形成することが出来る。
【００４４】
複数の単位突起２４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。単位突起２４の先端部は、球面を有する半球状となっており、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。単位突起２４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、複数の単位突起２４は、互いに離間して配置されている。このため、単位突起２４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。
【００４５】
単位突起２４のサイズは任意に設定することができる。ここでは、単位突起２４の基部の径（単位突起２４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の基部の径（弾性体突起２２が弾性体層２３を介して第１基板１０に接する部分の直径）は１．８ｍｍ以下になっている。例えば０．５ｍｍから１．６ｍｍ程度の大きさでもよい。一方、単位突起２４の高さ（単位突起２４のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。また、弾性体突起２２の高さ（弾性体突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ以下になっている。例えば０．５ｍｍから１．９ｍｍ程度の大きさでもよい。さらに、隣り合う単位突起２４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、ISO 7619準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は３０〜６０程度になっている。また、前記弾性体層２３のデュロメータ硬さは前記弾性体突起２２のデュロメータ硬さよりも小さな値の材料を用いる。例えば、１０〜３０程度でもよい。
【００４６】
図３及び図４は、基準点Ｐに作用する外圧の方向を検出する方法の説明図である。
図３（ａ）〜（ｃ）は、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４（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に対応した、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平面図である。なお、図３（ａ）及び図４（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３（ｂ）及び図４（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３（ｃ）及び図４（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４（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは単位突起２４の重心（圧力中心）、符号Ｇ１は弾性体突起２２の重心、符号Ｇ２は弾性体層２３の重心、を示している。以下ではそれぞれの重心が重なるように単位突起２４が形成されている場合を例として実施形態の説明を進めることとする。本発明においては、それぞれの重心Ｇ１と重心Ｇ２が必ずしも重ならなくてもよい。
【００４７】
図３（ａ）及び図４（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、単位突起２４は変形しない。すなわち、弾性体突起２２及び弾性体層２３も変形しない。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、単位突起２４の重心Ｇ、及び弾性体突起２２の重心Ｇ１、及び弾性体層２３の重心Ｇ２、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ーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー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。
【００４８】
外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０、第１基板１０と単位突起２４とが接する領域４０、を図４（ａ）に示す。この状態では弾性体層２３のみが変形して第１基板１０と接する場合が多い。従って、図４（ａ）においては、第１基板１０と単位突起２４とが接する領域４０は、第１基板１０と弾性体層２３とが接する領域と同等である。また、各重心の位置Ｇ，Ｇ１，Ｇ２と基準点Ｐの位置は重なっている。
【００４９】
図３（ｂ）及び図４（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、単位突起２４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。垂直方向の外力のため、それぞれの重心Ｇ，Ｇ１，Ｇ２の位置は重なったままでずれない。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。本実施形態によれば、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２３の変形量が大きくなる。従って、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の大きさの検出感度が向上するという効果が得られる。
【００５０】
第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された場合には、単位突起２４が大きく変形し、弾性体層２３ばかりでなく弾性体突起２２も弾性体層２３を介して第１基板１０に接する。この状態における、複数の圧力センサー１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０、第１基板１０と弾性体層２３とが接する領域４０、第１基板と弾性体突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０を図４（ｂ）に示す。弾性体層２３のほうが弾性体突起２２よりも硬度が低いので変形しやすく、第１基板１０と弾性体層２３とが接する領域４０は大きくなる。なお、この場合にも各重心Ｇ，Ｇ１，Ｇ２の位置と基準点Ｐの位置は重なっている。
【００５１】
図３（ｃ）及び図４（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、単位突起２４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、単位突起２４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、単位突起２４の先端部と４つの各圧力センサー１２との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、単位突起２４の先端部と４つの各圧力センサー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１２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１２と重なる面積のほうが大きくなる。
【００５２】
単位突起２４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Ｇ１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Ｇ１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加えられた外圧の方向が求められる。
【００５３】
本実施形態では、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２３の変形量は弾性体突起２２の変形量よりも大きい。したがって、それぞれの重心Ｇ１，Ｇ２の位置のずれる量が異なる。単位突起２４の重心Ｇの位置は、弾性体突起２２の重心Ｇ１の位置のずれと、弾性体層２３の重心Ｇ２の位置のずれと、が加算されたものとなる。したがって、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の方向の検出感度が向上するという効果が得られる。
【００５４】
第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された場合には、単位突起２４が大きく変形し、単位突起２４が第１基板１０に接した状態で、単位突起２４の基部の相対的な位置３０がずれる。図４（ｃ）は、センサー１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。
また、第１基板１０と弾性体層２３とが接する領域４０、及び、第１基板１０と弾性体突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０、とが斜め方向の外圧により偏りが生じていることを示している。さらに、弾性体突起２２の重心Ｇ１と弾性体層２３の重心Ｇ２と単位突起２４の重心Ｇとが基準点Ｐに対してずれることを示している。弾性体層２３のほうが弾性体突起２２よりも硬度が低いので変形しやすいため、第１基板１０と弾性突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０の変形の偏りよりも、第１基板１０と弾性体層２３とが接する領域４０の変形の偏りが大きくなる。
【００５５】
図５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６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７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。
【００５６】
図５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。
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、Ｚ軸は図５の図中省略）は以下の式（３）で表される。
【００５７】
【数１】
2012073051.tif 000003
【００５８】
本実施形態では、外圧によって単位突起２４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。
【００５９】
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、及び圧力センサー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、及び圧力センサー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、及び圧力センサー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、及び圧力センサー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。
【００６０】
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、及び圧力センサー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及び圧力センサー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及び圧力センサー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及び圧力センサー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。
【００６１】
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、単位突起２４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、単位突起２４の材質として硬いものを用いると単位突起２４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、単位突起２４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、単位突起２４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。
【００６２】
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Ｓ１〜Ｓ４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（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧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（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。
【００６３】
図７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６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）。
【００６４】
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。
【００６５】
本実施形態の検出装置１によれば、単位突起２４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、単位突起２４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、単位突起２４の変形には偏りが生じる。すなわち、単位突起２４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のうち単位突起２４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、単位突起２４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、単位突起２４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、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圧が加えられた方向を求めることができる。本実施形態では、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２４の変形量は弾性体突起２２の変形量よりも大きい。したがって、それぞれの重心の位置がずれる。単位突起２４の重心Ｇの位置は、弾性体突起２２の重心Ｇ１の位置のずれと、弾性体層２３の重心Ｇ２の位置のずれと、が加算されたものとなる。よって、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の方向の検出感度が向上するという効果が得られる。したがって、外圧の方向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。
【００６６】
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が基準点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。
【００６７】
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及び圧力センサー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及び圧力センサー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。
【００６８】
この構成によれば、複数の単位突起２４が互いに離間して配置されているので、単位突起２４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、一方の単位突起２４が変形したときに他方の単位突起２４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、複数の単位突起２４が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧を効率良く各圧力センサーＳ１〜Ｓ４に伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
【００６９】
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。
【００７０】
（第２実施形態）
図８は、図２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８において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの単位突起２４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８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。なお、図８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９及び図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。
【００７１】
図８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単位突起２４、が形成された第２基板２０と、を備えている。
【００７２】
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。
【００７３】
図９（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２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１０（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２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平面図である。
なお、図９（ａ）及び図１０（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９（ｂ）及び図１０（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９（ｃ）及び図１０（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１０（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは単位突起２４の重心（圧力中心）、符号Ｇ１は弾性体突起２２の重心、符号Ｇ２は弾性体層２３の重心、を示している。以下ではそれぞれの重心が重なるように単位突起２４が形成されている場合を例として実施形態の説明を進めることとする。本発明においては、それぞれの重心Ｇ１とＧ２が必ずしも重ならなくてもよい。図９及び図１０において、図３及び図４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。
【００７４】
図９（ａ）及び図１０（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、単位突起２４は変形しない。すなわち、弾性体突起２２及び弾性体層２３も変形しない。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、単位突起２４の重心Ｇ、及び弾性体突起２２の重心Ｇ１、及び弾性体層２３の重心Ｇ２、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の圧力値は図示略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー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。
【００７５】
外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー１１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０、第１基板１１０と単位突起２４とが接する領域４０、を図１０（ａ）に示す。この状態では弾性体層２３のみが変形して第１基板１１０と接する場合が多い。したがって、図１０（ａ）においては、第１基板１１０と単位突起２４とが接する領域４０は、第１基板１１０と弾性体層２３とが接する領域と同等である。また、各重心Ｇ，Ｇ１，Ｇ２の位置と基準点Ｐの位置は重なっている。
【００７６】
図９（ｂ）及び図１０（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、単位突起２４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。垂直方向の外力のため、それぞれの重心Ｇ，Ｇ１，Ｇ２の位置は重なったままでずれない。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１１２ともほぼ同じ値となる。
本実施形態によれば、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２３の変形量が大きくなる。したがって、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の大きさの検出感度が向上するという効果が得られる。
【００７７】
第２基板２０の表面に垂直方向の外圧が付加された場合には、単位突起２４が大きく変形し、弾性体層２３ばかりでなく弾性体突起２２も弾性体層２３を介して第１基板１１０に接する。この状態における、複数の圧力センサー１１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０、第１基板１１０と弾性体層２３とが接する領域４０、第１基板１１０と弾性体突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０を図１０（ｂ）に示す。弾性体層２３のほうが弾性体突起２２よりも硬度が低いので変形しやすく、第１基板１１０と弾性体層２３とが接する領域４０は大きくなる。
【００７８】
図９（ｃ）及び図１０（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、単位突起２４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。このとき、単位突起２４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、単位突起２４の先端部と複数の圧力センサー１１２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、単位突起２４の先端部と複数の圧力センサー１１２との重なる面積は、複数の圧力センサー１１２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサー１１２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１１２と重なる面積のほうが大きくなる。
【００７９】
単位突起２４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１１２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１１２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１１２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が求められる。
本実施形態では、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２３の変形量は弾性体突起２２の変形量よりも大きい。したがって、それぞれの重心の位置がずれる。単位突起２４の重心Ｇの位置は、弾性体突起２２の重心Ｇ１の位置のずれと、弾性体層２３の重心Ｇ２の位置のずれと、が加算されたものとなる。したがって、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の方向の検出感度が向上するという効果が得られる。
【００８０】
第２基板２０の表面に斜め方向の外圧が付加された場合には、単位突起２４が大きく変形し、単位突起２４が第１基板１１０に接した状態で、単位突起２４の基部の相対的な位置３０がずれる。図１０（ｃ）は、圧力センサー１１２や基準点Ｐに対する単位突起２４の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。また、第１基板１１０と弾性体層２３とが接する領域４０、及び、第１基板１１０と弾性体突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０、とが斜め方向の外圧により偏りが生じていることを示している。さらに、弾性体突起２２の重心Ｇ１と弾性体層２３の重心Ｇ２と単位突起２４の重心Ｇとが基準点Ｐに対してずれることを示している。弾性体層２３のほうが弾性体突起２２よりも硬度が低いので変形しやすいため、第１基板１１０と弾性体突起２２とが弾性体層２３を介して接する領域５０の変形の偏りよりも、第１基板１１０と弾性体層２３とが接する領域４０の変形の偏りが大きくなる。
【００８１】
図１１は、図５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１１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１１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。
【００８２】
図１１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。
【００８３】
【数２】
2012073051.tif 000004
【００８４】
本実施形態では、外圧によって単位突起２４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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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（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、単位突起２４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、単位突起２４の材質として硬いものを用いると単位突起２４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、単位突起２４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、単位突起２４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。
【００８８】
なお、外圧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。
【００８９】
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とを求めることができる。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。
【００９０】
本実施形態では、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されているので、弾性体層２３の変形量は弾性体突起２２の変形量よりも大きい。したがって、それぞれの重心の位置がずれる。単位突起２４の重心Ｇの位置は、弾性体突起２２の重心Ｇ１の位置のずれと、弾性体層２３の重心Ｇ２の位置のずれと、が加算されたものとなる。よって、単位突起２４が単一の材料で形成された場合に比べて、外圧の方向の検出感度が向上するという効果が得られる。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２を提供することができる。
【００９１】
（応用例）
図１２は、図８に対応した、本発明の応用例に係る検出装置３の概略構成を示す分解斜視図である。なお、図１２において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの単位突起２４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。本応用例の検出装置３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。
【００９２】
図１２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、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単位突起２４、が形成された第２基板２０と、第２基板２０の単位突起２４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。本応用例では、単位突起２４は中心部が硬度の高い弾性体突起２２で形成され、外周部が弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性体層２３で形成されている。
【００９３】
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。
さらに、本応用例では、弾性体突起２２の外周部に硬度の低い弾性体層２３が形成されているので、弾性体層２３の変形量は弾性体突起２２の変形量よりも大きい。したがって、前述の通り、外圧の方向を正確に検出することができる。
【００９４】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、図９（ａ）〜（ｃ）に対応した、上記応用例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。なお、図１３（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。図１３において、図９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。
【００９５】
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、単位突起２４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略のメモリーに記憶されている。メモリーに記憶された各圧力センサー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。
【００９６】
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、単位突起２４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。
【００９７】
また、外圧は２つの隣り合う単位突起２４の間の領域に作用している。本応用例では第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、指で検出装置３を垂直方向に押した場合、２つの隣り合う単位突起２４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つの隣り合う単位突起２４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。
【００９８】
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、単位突起２４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、単位突起２４の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。
【００９９】
また、外圧は２つの隣り合う単位突起２４の間の領域に作用している。本応用例では第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、指で検出装置３を斜め方向に押した場合、２つの隣り合う単位突起２４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つの隣り合う単位突起２４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。
【０１００】
本応用例の検出装置３によれば、第２基板２０の単位突起２４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つの隣り合う単位突起２４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つの隣り合う単位突起２４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。
【０１０１】
なお、本応用例においては、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。
【０１０２】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、本発明において提案する第２基板２０の代表的な３種類の構造を示す断面図である。
【０１０３】
図１４（ａ）は第１実施形態及び第２実施形態の説明において用いられた第２基板２０の構造を示す断面図である。単位突起２４は、弾性体突起２２と弾性体突起２２の外周部に形成された弾性体層２３とにより構成されている。弾性体層２３は弾性体突起２２よりも硬度の低い弾性材料によって形成されている。なお、弾性体突起２２の形状は、半球状の場合を例として説明しているが、錐状あるいは柱状でもよい。
【０１０４】
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の構造において、弾性体突起２２の間の領域にも弾性体層２３が形成されている実施例を示す構造断面図である。塗布やディッピングで弾性体層２３を形成できるので、工程の簡素化、短縮、あるいは信頼性向上等の効果が得られる。
【０１０５】
図１４（ｃ）は、図１４（ａ）の構造において、弾性体突起２２の先端部の領域に弾性体層２３が形成されていない実施例を示す構造断面図である。すなわち単位突起２４の先端部は単位突起２４の側面部よりも硬度が高い弾性材料で形成されている。この構造により、第２基板２０にななめ方向の外力が加わったときの単位突起２４の変形量が大きいので、外力の方向の検出感度が向上する。
【０１０６】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、本発明における第２基板２０の別の３種類の構造を示す断面図である。図１４（ａ）〜（ｃ）における弾性体突起２２の形状が、円筒あるいは円柱状のような柱状の場合の変形実施例である。本実施例のように弾性体突起２２が柱状構造を有することにより、ななめ方向の外力が加わった場合の変形量が、半球状の場合の変形量に比べて大きくなるので、外力の方向の検出感度が向上する。また、本発明は図示された形状だけにとらわれるものではない。
【０１０７】
（電子機器）
図１６は、上記実施形態に係る検出装置１〜３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。電子機器の一例としての携帯電話機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に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンにカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押すことで、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。
【０１０８】
図１７は、上記実施形態に係る検出装置１〜３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。電子機器の一例としての携帯情報端末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。
【０１０９】
このような電子機器によれば、上述した検出装置１〜３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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
（ロボット）
図１８は、上記実施形態に係る検出装置１〜３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１８（ａ）に示すように、ロボットの一例としてのロボットハンド３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに上記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。
【０１１２】
図１８（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。
【０１１３】
このようなロボットによれば、上述した検出装置１〜３のいずれかを備えているので、外圧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。
【符号の説明】
【０１１４】
１，２，３…検出装置、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、２３…弾性体層、２４…単位突起、３０…複数の圧力センサーや基準点Ｐに対する単位突起の基部の相対的な位置、４０…第１基板と単位突起とが接する領域、５０…第１基板と弾性体突起とが弾性体層を介して接する領域、５１…補強部材、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）、Ｐ…基準点、Ｇ…単位突起の重心位置、Ｇ１…弾性体突起の重心位置、Ｇ２…弾性体層の重心位置。
【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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