(57)【要約】【課題】物体に作用する外力の方向及び大きさという力覚情報、及び外力が作用した物体の静止または滑りという滑り覚情報の複合情報を検出可能な検出装置を提供する。【解決手段】検出装置１００は検出部Ｋ及び演算部Ｅを有し、検出部Ｋでは外力が作用する側から順に、弾性基板Ａと、感圧導電シート及び感圧導電シートの抵抗値を検出する一対の電極を有する滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、基準点の回りに複数配置された圧力センサーを有する第１基板及び外力によって先端部が第１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２基板を有する外力検出部Ｄとが積層されている。検出装置１００は、滑り検出部Ｂで物体の静止または滑りという滑り覚情報と、外力検出部Ｄで作用した外力の方向及び大きさという力覚情報とを同時に検出することができる。【選択図】図１
2013108832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が作用する面を有し、
前記外力の方向と大きさとを検出する外力検出部と、
前記外力によって発生する滑り変位を検出する滑り検出部と、が積層された検出装置であって、
前記外力検出部は、
基準点の回りに複数配置された圧力センサーを有する第１基板と、
前記基準点と重なる位置に重心が位置するとともに、前記外力によって先端部が前記第１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２基板と、を備え、
前記滑り検出部は、
感圧導電シートと、
前記感圧導電シートに電気的に接続され、前記感圧導電シートの抵抗値を検出する一対の電極が形成された第３基板と、を備えていることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記外力が作用する面には、弾性を有する基板が設置されてい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】
前記外力が作用する面には、凹部と凸部のうち少なくとも一方が形成されている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】
前記外力が作用する面の側から順に、前記第３基板、前記第２基板、及び前記第１基板が積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項５】
前記第３基板と前記第２基板との間には、剛性を有する基板が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記第２基板と前記第１基板とで構成される前記外力検出部は、一対の剛性を有する基板で挟持されていることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
【請求項７】
前記第２基板と前記第３基板のうち少なくとも一方は、剛性を有する基板であることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
【請求項８】
前記外力が作用する面の側から順に、前記第２基板、前記第１基板、及び前記第３基板が積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項９】
前記第３基板の前記外力が作用する面と反対の面には、剛性を有する基板が設置されていることを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記第３基板は、一対の剛性を有する基板で挟持されていることを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記第３基板は、剛性を有する基板であることを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記第２基板は、剛性を有する基板であることを特徴とする請求項８乃至１１に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記検出装置は演算部を備え、
前記演算部は、前記外力によって前記弾性体突起が弾性変形することにより複数の前記圧力センサーで検出された圧力値のうち任意に組み合わ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力が作用した方向及び前記外力の大きさを求める演算処理を実行することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項１４】
前記演算部は、前記感圧導電シートの抵抗値を滑り検出信号に変換し、前記滑り検出信号の変化から前記滑り変位の発生を検出する演算処理を実行することを特徴とする請求項１３に記載の検出装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の検出装置を備えていることを特徴とする電子機器。
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の検出装置を備えてい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２に記載の検出装置が知られている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
特許文献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、受圧シートの表面に複数の柱状突起をマトリクス状に配置し、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。
【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】
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（滑り力）を測定することができない。特許文献２の検出装置では、外力を３次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、突起の変形の度合いで外力の検出限界が決まってしまう。
以上のように、特許文献１及び２の検出装置では、いずれも外力の方向と大きさとを高い精度で検出することができなかったという課題を有している。
【０００５】
さらに、近年のロボットには、単に硬い物体を把持するという動作だけでなく、例えば柔らかい物体を適切な力で把持するという動作、例えば人を撫でる、こする、拭くという動作など、より人に近い動作性能が要求されている。この様なロボットを実現するためには、人が持つ感覚機能の中の触覚（力覚、滑り覚）情報を高精度で検知する必要がある。詳しくは、物体に作用する力（以下、外力と称す）の方向及び大きさという力覚情報に加えて、外力が作用した物体の静止または滑りという滑り覚情報を高精度で検出する必要がある。
【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、外力の方向及び大きさという力覚情報に加えて、外力が作用した物体の静止または滑りという滑り覚情報を高精度で検出することが可能な検出装置、さらには当該検出装置を搭載した電子機器や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】
本発明は、上述の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。
【０００８】
（適用例１）
本適用例の検出装置は、外力が作用する面を有し、外力の方向と大きさとを検出する外力検出部と、外力によって発生する滑り変位を検出する滑り検出部とが積層された検出装置であって、外力検出部は、基準点の回りに複数配置された圧力センサーを有する第１基板と、基準点と重なる位置に重心が位置するとともに、外力によって先端部が第１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２基板とを備え、滑り検出部は、感圧導電シートと、感圧導電シートに電気的に接続され、感圧導電シートの抵抗値を検出する一対の電極が形成された第３基板とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、弾性体突起の先端部が第１基板（複数の圧力センサー）に当接した状態で、滑り方向（圧力センサー表面と平行な方向）に変形することが可能であるので、外力の方向と大きさとを検出することができる。更に、感圧導電シートの抵抗値は、滑り変位が発生する付近で変化点を有するので、感圧導電シートの抵抗値の変化から滑り変位の発生を検出することができる。従って、外力の方向と大きさという力覚情報に加えて、外力が作用した物体の静止または滑りという滑り覚情報からなる複合情報を検出できる検出装置を提供することができる。
【００１０】
（適用例２）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面には弾性を有する基板が設置されていることが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、外力が作用する面には弾性を有する基板が設置され、外力の作用点で弾性を有する基板が変形するので、外力の作用点が移動する（滑る）ことなく、外力を受け止めることができる。従って、弾性を有する基板によって、外力検出部及び滑り検出部に、外力が的確に伝達されるという効果を得ることができる。
【００１２】
（適用例３）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面には、凹部と凸部のうち少なくとも一方が形成されていることが好ましい。
【００１３】
本適用例によれば、外力が作用する面には凹部と凸部のうち少なくとも一方が形成されているので、外力が作用する面の摩擦力が大きくなる。よって、外力の作用点は移動する（滑る）ことがなく、外力をより的確に受け止めることができる。従って、外力検出部及び滑り検出部に、外力がより的確に伝達されるという効果を得ることができる。
【００１４】
（適用例４）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第３基板、第２基板、及び第１基板が積層されていることが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、外力が作用する面の側から順に、滑り変位を検出する滑り検出部（第３基板）及び外力の方向と大きさとを検出する外力検出部（第２基板、第１基板）が積層されているので、外力検出部によって外力の方向と大きさという力覚情報を、及び滑り検出部によって物体の静止または滑りという滑り覚情報を、同時に検出することができるという効果を得ることができる。
【００１６】
（適用例５）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第３基板、第２基板、及び第１基板が積層され、第３基板と第２基板との間には、剛性を有する基板が設置されていることが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、滑り検出部（第３基板）の外力が作用する面の反対の面には、剛性を有する基板が設置されているので、外力が作用しても滑り検出部は変形することがなく、滑り検出部に的確に外力が作用し、外力によって発生する滑り変位の発生を正確に検出することができる。さらに、外力検出部（第２基板、第１基板）の外力が作用する面には、剛性を有する基板が設置されているので、外力検出部には、一点集中でなく全体に外力が作用する。従って、外力検出部に設置した複数個所の弾性体突起に作用する外力の大きさ（外力の分布）を求めることができる。さらに、その差から作用した外力の回転モーメントも求めることができるという効果を得ることができる。
【００１８】
（適用例６）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第３基板、第２基板、及び第１基板が積層され、第２基板と第１基板とで構成される外力検出部は、一対の剛性を有する基板で挟持されていることが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、滑り検出部（第３基板）の外力が作用する面の反対の面には、剛性を有する基板が設置されているので、外力が作用しても滑り検出部は変形することがなく、滑り検出部に的確に外力が作用し、外力によって発生する滑り変位の発生を正確に検出することができる。さらに、外力検出部（第２基板、第１基板）の外力が作用する面には、剛性を有する基板が設置されているので、外力検出部には、一点集中でなく全体に外力が作用する。よって、外力検出部に設置した複数個所の弾性体突起に作用する外力の大きさ（外力の分布）、及びその差から外力の回転モーメントを求めることができる。さらに、外力検出部の外力が作用する面と反対側の面に剛性を有する基板が設置されているので、外力が作用しても外力検出部が変形し、作用する外力の方向を誤検知することがなく、変形しやすい柔軟な物体にも検出部を取り付けることができるという効果も得ることができる。
【００２０】
（適用例７）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第３基板、第２基板、及び第１基板が積層され、第２基板と第３基板のうち少なくとも一方は、剛性を有する基板であることが好ましい。
【００２１】
本適用例によれば、第２基板と第３基板のうち少なくとも一方は剛性を有するので、滑り検出部（第３基板）と外力検出部（第２基板、第１基板）との間に剛性を有する基板を新たに設置しなくても、滑り検出部と外力検出部とを適正に機能させることができるという効果を得ることができる。
【００２２】
（適用例８）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第２基板、第１基板、及び第３基板が積層されていることが好ましい。
【００２３】
本適用例によれば、外力が作用する側から順に、外力を検出する外力検出部（第２基板、第１基板）と滑り変位を検出する滑り検出部（第３基板）とが積層されているので、外力検出部によって外力の方向と大きさという力覚情報を、及び滑り検出部によって物体の静止または滑りという滑り覚情報を、同時に検出することができるという効果を得ることができる。
【００２４】
（適用例９）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第２基板、第１基板、及び第３基板が積層され、第３基板の外力が作用する面と反対の面には剛性を有する基板が設置されていることが好ましい。
【００２５】
本適用例によれば、滑り検出部（第３基板）の外力が作用する面の反対の面には、剛性を有する基板が設置されているので、外力が作用しても滑り検出部は変形することがなく、滑り検出部に的確に外力が作用し、外力によって発生する滑り変位を正確に検出することができる。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出装置を取り付けることができるという効果も得ることができる。
【００２６】
（適用例１０）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第２基板、第１基板、及び第３基板が積層され、第３基板は一対の剛性を有する基板で挟持されていることが好ましい。
【００２７】
本適用例によれば、外力検出部（第２基板、第１基板）の外力が作用する面と反対の面には、剛性基板が設置されているので、外力が作用しても外力検出部が変形し、作用する外力の方向を誤検知することがなく、外力の方向と大きさとをより正確に検出することができる。さらに、滑り検出部（第３基板）の外力が作用する面と反対の面にも、剛性を有する基板が設置されているので、外力が作用しても滑り検出部は変形することがなく、滑り検出部に的確に外力が作用し、外力によって発生する滑り変位を正確に検出することができる。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出装置を取り付けることができるという効果も得ることができる。
【００２８】
（適用例１１）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第２基板、第１基板、及び第３基板が積層され、第３基板は剛性を有する基板であることが好ましい。
【００２９】
本適用例によれば、滑り変位検出部（第３基板）は剛性を有する基板であるので、外力が作用しても変形することがなく、滑り変位検出部に所定の外力が作用し、滑り変位の発生を正確に検出することができる。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出装置を取り付ことができるという効果も得ることができる。
【００３０】
（適用例１２）
上記適用例に記載の検出装置は、外力が作用する面の側から順に第２基板、第１基板、及び第３基板が積層され、第２基板は剛性を有する基板であることが好ましい。
【００３１】
弾性突起体が形成された第２基板は剛性を有する基板であるので、第２基板から複数の圧力センサーを有する第１基板には、一点集中でなく全体に外力が作用する。よって、外力検出部に設置した複数個所の弾性体突起に作用する外力の大きさ（外力の分布）、及びその差から外力の回転モーメントを求めることができるという効果を得ることができる。
【００３２】
（適用例１３）
上記適用例に記載の検出装置は演算部を備え、演算部は外力によって弾性体突起が弾性変形することにより複数の圧力センサーで検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が作用した方向及び外力の大きさを求める演算処理を実行することが好ましい。
【００３３】
本適用例によれば、検出装置に作用する外力に、滑り方向（圧力センサー表面と平行な方向）の力成分があると、弾性体突起の重心は基準点からずれて、滑り方向に移動する。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。従って、演算部により、各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて、検出装置に作用した外力の方向と大きさとを求めることができるという効果を得ることができる。
【００３４】
（適用例１４）
上記適用例に記載の検出装置は演算部を備え、演算部は感圧導電シートの抵抗値を滑り検出信号に変換し、滑り検出信号の変化から滑り変位の発生を検出する演算処理を実行することが好ましい。
【００３５】
感圧導電シートの抵抗値は、滑り変位が発生する付近で変化点を有するので、感圧導電シートの抵抗値の変化点から、滑り変位の発生を検出することができる。演算部で、感圧導電シートの抵抗値の変化を、より正確に検出できる電気信号（滑り検出信号）に変換する。さらに、演算部で当該電気信号（滑り検出信号）の変化点から滑り変位の発生を検出する演算処理を実施することで、より正確に滑り変位の発生を検出することができるという効果を得ることができる。
【００３６】
（適用例１５）
本適用例に記載の電子機器は、上記適用例に記載の検出装置を備えていることを特徴とする。
【００３７】
上記適用例に記載の検出装置を電子機器に搭載することで、電子機器に作用する力の方向と大きさという力覚情報に加えて、静止または滑りという滑り覚情報を利用できるので、力覚情報による電子機器の操作に加えて、滑り覚情報による電子機器の操作が可能になり、より多様な操作ができる電子機器を提供することができる。例えば、情報携帯端末、携帯電話、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、デジタルスチルカメラなどのタッチパッドに当該検出装置を搭載することで、より多様な操作性を提供することができる。
【００３８】
（適用例１６）
本適用例に記載のロボットは、上記適用例に記載の検出装置を備えていることを特徴とする。
【００３９】
上記適用例に記載の検出装置を備えたロボットは、物体に作用する力の方向と大きさという力覚情報に加えて、静止または滑りという滑り覚情報を同時に検出することができるので、物体が静止している状態だけでなく、物体が滑っている状態においても物体に作用する力の方向と大きさとを検知し、物体に作用する力の方向と大きさとを適正に制御することができる。従って、例えば人を介護する動作（撫でる、こする、拭く）、例えば粘土の様な柔軟な材料を陶芸品に加工する動作など、より人に近い動作を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る検出装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１実施形態に係る感圧導電シートの状態を示す模式図である。
【図３】第１実施形態に係る電極シートの構成を示す平面図である。
【図４】第１実施形態に係る外力検出部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】第１実施形態に係る滑り検出信号回路の等価回路図である。
【図６】第１実施形態に係るセンシング回路の構成を示す等価回路図である。
【図７】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である。
【図８】リセット期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。
【図９】センシング期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。
【図１０】読出期間におけるセンシング回路の動作を示す説明図である。
【図１１】第１実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。
【図１２】第１実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す平面図である。
【図１３】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１４】第１実施形態に係る容量検出素子による垂直方向の圧力分布を示す図である。
【図１５】第１実施形態に係る容量検出素子によるすべり方向の計算例を示す図である。
【図１６】第１実施形態に係る実験装置の概略図である。
【図１７】第１実施形態に係る実験装置による評価結果を示すグラフである。
【図１８】第２実施形態に係る外力検出部の構成を示す分解斜視図である。
【図１９】第２実施形態に係る外力検出部の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２０】第２実施形態に係る外力検出部の圧力センサーによる圧力値の変化を示す平面図である。
【図２１】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２２】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である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
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。
【００４２】
（第１実施形態）
＜検出装置の概要＞
図１は、第１実施形態に係る検出装置１００の構成を示す概略図である。
図１に示すように、検出装置１００は、矢印で示す外力Ｆが作用する検出部Ｋと、検出部Ｋから得られた情報を演算処理する演算部Ｅとで構成される。
検出部Ｋは矩形状であり、外力Ｆが作用する側から順に、弾性基板Ａ、滑り検出部Ｂ、剛性基板Ｃ、及び外力検出部Ｄが積層され、それぞれの部材は接着剤または粘着材によって接着されている。滑り検出部Ｂから得られた信号は演算部Ｅで演算処理され、外力Ｆによる滑り変位の発生を求めることができる。外力検出部Ｄで得られた信号は演算部Ｅで演算処理され、外力Ｆの方向と大きさとを求めることができる。
【００４３】
外力Ｆが作用する側から順に、検出部Ｋの構成要素の詳細を説明する。また、以下の説明では、矩形状の検出部Ｋの１辺に沿った方向をＸ軸、当該１辺と直交し互いに対向する２辺に沿った方向をＹ軸、検出部Ｋと直交する方向をＺ軸とする。更に、検査部Ｋに外力Ｆが作用する側を上（Ｚ軸（＋）方向）、反対側を下（Ｚ軸（−）方向）とする。
【００４４】
＜弾性基板Ａ＞
弾性基板Ａ（図１参照）は、外力Ｆが作用することによって変形し、外力Ｆが除荷されると元の形状に回復する弾性を有する基板であり、好適例としてシリコンゴムシートを用いている。外力Ｆの作用点で弾性基板Ａが変形し、作用点が移動する（滑る）ことなく外力Ｆを受け止めることができるので、外力Ｆは的確に滑り検出部Ｂに伝達される。弾性基板Ａを形成する材料としては、上述のシリコンゴムの他に、天然ゴム、及びアクリルゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴムなどの合成ゴムが好適である。また、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂などの軟質な樹脂も使用できる。
【００４５】
更に、弾性基板Ａの表面に凹部または凸部を形成すると摩擦係数が高くなり、外力Ｆをより的確に滑り検出部Ｂに伝達することができる。例えば、シリコンゴムを金型成形法によって、直径１ｍｍ〜３ｍｍの半球を形成したシリコンゴムシートを用いると、外力Ｆはより的確に滑り検出部Ｂに伝達される。このような凹部または凸部は、金型成形法以外に、溶剤によるエッチング、ディスペンサーやインクジェットによる塗布形成、スクリーン印刷などの方法によっても形成することができる。凹部または凸部は、母体基板と異なる材料で形成しても良い。
なお、弾性基板Ａは、「弾性を有する基板」の一例である。
【００４６】
＜滑り検出部Ｂ＞
図２は、外力Ｆが作用する前後における滑り検出部Ｂの状態を示す模式図である。滑り検出部Ｂは可撓性を有し、弾性基板Ａと剛性基板Ｃとで挟持されることで、滑り検出部Ｂに所定の外力Ｆが作用するので、図２には弾性基板Ａと剛性基板Ｃとも図示されている。
【００４７】
図２（ａ）は外力が作用していない状態を示している。図２（ｂ）は圧縮方向（Ｚ軸（−）方向）の外力Ｆが作用した状態を示している。図２（ｃ）は、上述の圧縮方向の力に加えて、滑り方向（弾性基板Ａの表面に水平な方向）の力が作用した滑り変位発生前の状態、すなわち斜め方向の外力Ｆが作用した、滑り変位発生前の状態を示している。図２（ｄ）は、斜め方向の外力が作用した、滑り変位後の状態を示している。さらに、図２（ｂ）〜図２（ｄ）における点線は、外力Ｆが作用していない状態での感圧導電シートの輪郭を示している。
図３は電極シートＢ２の平面図である。以下、図１〜図３を参照して、滑り検出部Ｂの詳細を説明する。
【００４８】
図１に示すように、滑り検出部Ｂは、上側（外力Ｆが作用する側）に感圧導電シートＢ１、下側に電極シートＢ２が積層された２層構造となっている。電極シートＢ２は、「一対の電極が形成された第３基板」の一例である。
【００４９】
図２に示すように、感圧導電シートＢ１は、シリコンゴムなどの非導電性エラストマー樹脂Ｂ１ａに、炭素粒子などの導電性粒子Ｂ１ｂを分散させて形成され、外力Ｆによって変形する導電体である。図２では、互いに接触し導電経路を形成した導電性粒子Ｂ１ｂを黒丸で、導電経路を形成していない導電性粒子Ｂ１ｂを白丸で示している。
外力Ｆによって、感圧導電シートの抵抗値は下記に示す変化を示す。
【００５０】
（１）  外力Ｆが作用していない状態では、互いに接触する導電性粒子Ｂ１ｂの数は少な      く、導電経路がほとんど形成されていないので、１０7Ω以上の非常に大きな抵抗      値を示す（図２（ａ））。
（２）  圧縮方向の外力Ｆが作用すると、導電性粒子Ｂ１ｂは互いに接近し、互いに接触      する導電性粒子Ｂ１ｂの数が多くなるので、導電経路が形成され、図２（ａ）の状      態より抵抗値は小さくなる（図２（ｂ））。図２（ｃ）及び図２（ｄ）も同様であ      る。
（３）  圧縮方向の外力に加えて滑り方向の外力、すなわち斜め方向の外力Ｆが作用する      と、感圧導電シートＢ１は滑り方向に伸びるので、互いに離間する導電性粒子Ｂ１      ｂが増え、導電経路を形成する導電性粒子Ｂ１ｂが減少し、図２（ｂ）の状態より      抵抗値は大きくなる。また、滑り変位が発生する直前で、感圧導電シートＢ１は滑      り方向に最も伸びた状態となる。このために、滑り変位が発生する付近で、抵抗値      が最も大きくなる（図２（ｃ））。
（４）  詳細は後述するが、滑り変位が発生すると滑り方向の外力Ｆは小さくなるので、      滑り方向への感圧導電シートの伸びは小さくなる。このために、離間した導電性粒      子Ｂ１ｂは接近し、導電経路を形成した導電性粒子Ｂ１ｂが増加し、滑り変位が発      生する前の図２（ｃ）の状態よりも抵抗値は小さくなる（図２（ｄ））。
【００５１】
このように、外力Ｆによって感圧導電シートＢ１は変形し、導電性粒子Ｂ１ｂが接触または離間し、感圧導電シートＢ１の抵抗値が変化する。
【００５２】
図３に示すように、電極シートＢ２は、２本の櫛型電極１１０、１１１及び２個の電極端子１１０ａ、１１１ａが形成された樹脂フィルムである。電極シートＢ２は、感圧導電シートＢ１に電気的に接続されるように固着され、感圧導電シートＢ１の抵抗値を電極端子１１０ａと電極端子１１１ａとからモニターする。
電極シートは感圧導電シートの抵抗値をモニターすることが目的であり、例えば２本の電極を渦巻形状としても良い、例えば２本の電極を異なる基板に配置し、２枚の基板で感圧導電シートを挟持する構成としても良い。
【００５３】
＜剛性基板Ｃ＞
剛性基板Ｃ（図１参照）は、厚さ０．５ｍｍのアルミ板である。剛性基板Ｃを形成する材料としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンなどの軽金属、これら軽金属を主成分とする合金、ガラス、石英、セラミック、及びアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの硬質な樹脂が好適である。剛性基板Ｃとして、ＳＵＳ、鉄、ニッケルなどの金属も使用可能であるが、軽量化のために、アルミニウムのように比重の小さな軽金属のほうが好ましい。
【００５４】
剛性基板Ｃは、以下に示す役割を有している。
（１）  滑り検出部Ｂの下に剛性基板Ｃを配置することによって、滑り検出部Ｂは可撓性      を有していても変形することがなく、滑り検出部Ｂに所定の外力Ｆが作用する。
（２）  外力検出部Ｄの上に剛体基板Ｃが配置されることによって、外力検出部Ｄに対し      て局所的でなく、全体に外力Ｆが作用する。よって、外力検出部Ｄの複数個所で外      力の大きさ（外力の分布）、及びその差から外力の回転モーメントを検出すること      ができる。
剛体基板Ｃは、「剛性を有する基板」の一例である。
【００５５】
＜外力検出部Ｄ＞
外力検出部Ｄ（図４参照）は、基準点に外力Ｆを作用させる弾性体突起３２を有する基板、及び基準点に作用した外力Ｆの圧力値を検出する静電容量方式の圧力センサーで構成される。なお、「基準点」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。
【００５６】
図４は、外力検出部Ｄの概略構成を示す分解斜視図である。図４においては、便宜上、誘電体４０（図１１参照）の図示を省略している。図４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。
なお、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は、「圧力センサー」の一例である。
【００５７】
図４に示すように、外力検出部Ｄは、基準点Ｐの回りに複数配置された第１容量電極１２を有する第１容量電極基板１０と、第１容量電極１２を挟んで第１容量電極基板１０と対向配置された第２容量電極基板２０と、第１容量電極基板１０と第２容量電極基板２０との間に配置された誘電体４０（図１１参照）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先端部が第２容量電極基板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２基板３０と、を備えている。
なお、第１容量電極基板１０と第２容量電極基板２０と誘電体４０とで構成される素子基板は、「圧力センサーを有する第１基板」の一例である。弾性体突起３２が形成された第２基板３０は、「弾性体突起が形成された第２基板」の一例である。
【００５８】
第１容量電極基板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状の第１容量電極基板本体１１と、第１容量電極基板本体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容量電極基板本体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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、外乱や静電気等の影響により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がのらないようになっている。
【００６１】
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の形成材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を用いることができる。
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個配置されているが、これに限らない。第１容量電極１２は、単位検出領域Ｓ当たり３個以上配置されていればよく、例えば、縦３行横３列の計９個配置されていてもよく、縦４行横４列の計１６個配置されていてもよい。
【００６２】
第２容量電極基板２０は、例えばプラスチック等の材料で構成された矩形状の第２容量電極基板本体２１と、第２容量電極基板本体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容量電極基板本体２１は、接触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容量電極基板本体２１は平面視において第１容量電極基板本体１１と同じサイズに形成されている。
【００６３】
第２容量電極２２は、複数の第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２容量電極基板本体２１の下面の露出する部位全体に亘って形成されている。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（Ａｌ）等の金属材料を用いることができる。
【００６４】
誘電体４０（図１１参照）は、第１容量電極基板１０と第２容量電極基板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。
【００６５】
第１容量電極基板１０と第２容量電極基板２０との間には、第１容量電極基板１０と第２容量電極基板２０との間の距離を一定に保つスペーサー（図示略）が複数配置されている。複数のスペーサーは、弾性体突起３２がマトリクス状に配置された領域の外周部に配置される。これにより、誘電体４０は、第１容量電極基板１０と第２容量電極基板２０との間においてＺ方向に一定の厚みを有して構成されている。
【００６６】
第２基板３０は、矩形状の第２基板本体３１と、第２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２基板本体３１には、剛体基板Ｃを介して外力Ｆが作用する。第２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２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２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。
【００６７】
複数の弾性体突起３２は、第２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の先端部は、球面の錘状となっており、第２容量電極基板本体２１に当接している。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。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。
【００６８】
弾性体突起３２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３２の基部の径（弾性体突起３２が第２基板本体３１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２ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２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程度になっている。
【００６９】
＜滑り検出に係る演算部Ｅ＞
次に、図５を参照しながら、滑り検出に係る演算部Ｅの役割の詳細を説明する。
図５は、滑り検出信号発生回路１２０の等価回路図である。
図５には、滑り検出信号発生回路１２０の働きを分かりやすく説明するために、滑り検出部Ｂも図示されている。図５では、滑り検出部Ｂの感圧導電シートは、可変抵抗１２１として図示されている。
図５に示すように、滑り検出信号発生回路１２０は、基準抵抗１２２、直流電源１２３、及び出力端子１１０ｂ、１１１ｂなどで構成されている。また、点線で囲まれた滑り検出信号Ｂは、滑り検出部Ｂの電極端子１１０ａ、１１１ａを介して、滑り検出信号発生回路１２０の基準抵抗１２２と直列に接続されている。この等価回路により、可変抵抗１２１（滑り検出部Ｂの感圧導電シート）の両端から分電電圧が出力され、滑り検出信号Ｖｓとなる。
このように、滑り検出信号発生回路１２０によって、滑り検出部Ｂの感圧導電ゴムＢ１の抵抗値が滑り検出信号Ｖｓに変換され、滑り検出信号Ｖｓから滑り変位の発生が検出される。
なお、滑り変位発生の検出方法の詳細は後述する。
【００７０】
＜外力検出に係る演算部Ｅ＞
外力検出部Ｄ（図４参照）に関しては、外力で変化する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作用した方向と外力の大きさとを求めることができる。
【００７１】
＜センシング回路＞
図６は、容量検出素子を用いて外力を検出するセンシング回路６０の等価回路図である。なお、図６には、外力検出部Ｄにおける第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、符号Ｃｌの可変容量として図示されている。
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とを備え、外力検出部Ｄの容量検出素子Ｃｌに接続されている。容量検出素子Ｃｌの第２容量電極２２には、共通電位Ｖｃｏｍが供給されている。
【００７２】
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。
【００７３】
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Ｃｌの第１容量電極１２と接続されている。
【００７４】
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。
【００７５】
＜回路動作＞
次に、センシング回路６０の動作を図７〜図１０を参照しながら説明する。
図７は、本実施形態に係るセンシング回路６０の動作を示すタイミングチャートである。図８は、リセット期間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９は、センシング期間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１０は、読出期間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７に示すように、センシング回路６０は、リセット期間Ｔｒｅｓ、センシング期間Ｔｓｅｎ、及び読出期間Ｔｏｕｔを一単位として動作する。
【００７６】
＜リセット期間＞
先ず、リセット期間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、リセット期間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はオフ状態となる。すると、図８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−Ｖｃｏｍに設定される。
【００７７】
＜センシング期間＞
次に、リセット期間Ｔｒｅｓ経過後の次の期間であるセンシング期間Ｔｓｅｎにおいては、リセット信号ＲＥＳのレベルがＶＤからＧＮＤ（＝０Ｖ）に変化する。すると、図９に示すように、リセットトランジスタ６１はオフ状態となる。また、センシング期間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はオフ状態となる。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の一方の電極には第１制御線７２を介してリセット信号ＲＥＳが供給され、信号レベルが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。
【００７８】
＜読出期間＞
センシング期間Ｔｓｅｎの次の期間である読出期間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１０に示すように、選択トランジスタ６３がオン状態となる。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、物体（例えば指）と外力検出部Ｄとの接触を検出する検出回路（図示略）へ供給される。
【００７９】
センシング期間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、物体が検出装置１００に接触していない状態のときに読出期間Ｔｓｅｎで出力される検出電流Ｉｔの値と、物体が外力検出部Ｄに接触したときに読出期間Ｔｓｅｎで出力される検出電流Ｉｔの値とは異なる。
【００８０】
ここで、物体が外力検出部Ｄ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、物体が外力検出部Ｄ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、物体が外力検査部Ｄ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）において寄生容量は無視している。
【００８１】
【数１】
2013108832.tif 000003
【００８２】
検出回路（図示略）は、検出電流Ｉｔ（検出信号に相当）の値に基づいて物体と検出装置１００との接触を検出する。物体が外力検出部Ｄに接触したときのゲートの電位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。
【００８３】
図１１及び図１２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。
【００８４】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る容量検出素子による静電容量の変化を示す断面図である。図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１１（ａ）〜（ｃ）に対応した、第１実施形態に係る容量検出素子における静電容量の変化を示す平面図である。なお、図１１（ａ）及び図１２（ａ）は第２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。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）は第２基板３０の表面に垂直方向（すべり力がない状態）の外力が付加された状態を示している。図１１（ｃ）及び図１２（ｃ）は第２基板３０の表面に斜め方向（すべり力がある状態）の外力が付加された状態を示している。また、図１２（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心（圧力中心）を示している。
【００８５】
図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示すように、第２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１２と第２容量電極２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。このときの各容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の静電容量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。
【００８６】
図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すように、第２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は先端部が第２容量電極基板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容量電極基板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。つまり、このときの容量検出素子の静電容量値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。
【００８７】
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を迎える。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。
【００８８】
図１１（ｃ）及び図１２（ｃ）に示すように、第２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は先端部が第２容量電極基板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容量電極基板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。また、第２容量電極基板２０の撓み量は−Ｘ方向成分よりも＋Ｘ方向成分のほうが大きくなる。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の先端部と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の先端部と４つの第１容量電極１２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ほうが大きくなる。
【００８９】
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を迎える。また、弾性体突起３２は、斜め方向の外力により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起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作用した方向と大きさとが求められる。
【００９０】
図１３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１４は、第１実施形態に係る容量検出素子による垂直方向の外力分布を示す図である。図１５は、第１実施形態に係る容量検出素子によるすべり方向の計算例を示す図である。
【００９１】
図１３に示すように、複数の容量検出素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，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，Ｓ２，Ｓ３，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。
【００９２】
【数２】
2013108832.tif 000004
【００９３】
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。
【００９４】
【数３】
2013108832.tif 000005
【００９５】
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。
【００９６】
【数４】
2013108832.tif 000006
【００９７】
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変化する４つの容量検出素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，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作用した方向と大きさが演算される。
【００９８】
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，Ｓ２，Ｓ３，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。
【００９９】
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，Ｓ２，Ｓ３，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。
【０１００】
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，Ｓ２，Ｓ３，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及び外力のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起３２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、外力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検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起３２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。
【０１０１】
図１４に示すように、外力検出部Ｄの検出面（弾性基板Ａに外力が作用する面）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。外力検出部Ｄには単位検出領域Ｓが縦１５行×横１５列（計２２５個）マトリクス状に配置されている。すなわち、図１４の実線で囲まれた矩形状格子が単位検出領域Ｓであり、各単位検出領域Ｓには縦２行横２列の４つ容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４（図示省略）が存在する。
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（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）の順小さくなっている。また、指で押されていない領域は、０〜３０ｍＶ程度となっている。
【０１０２】
図１５に示すように、外力検出部Ｄ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。指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置された単位検出領域Ｓのうち、縦３行×横３列に配置された部分の単位検出領域Ｓに作用しているとする。
【０１０３】
図１５（ａ）は、外力が作用した単位検出領域Ｓにおける４つ容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の検出値の合計値（ＰS1＋ＰS2＋ＰS3＋ＰS4）を示している。図１５（ｂ）は、上述の単位検出領域の４つ容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の各検出値（ＰS1，ＰS2，ＰS3，ＰS4）を、単位検出領域Ｓごとに示している。また、図１５（ｂ）の実線は単位検出領域Ｓの境界を、及び点線は容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の境界を示している。図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）の点線Ｑで囲んだ単位検出領域Ｓに配置されている、４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４のレイアウトと座標系とを示している。また、図１５（ｃ）に示すように、容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４の検出値が、ＰS1〜ＰS4となる。図１５（ｂ）における他の単位検出領域Ｓの４つの容量検出素子Ｓ１〜Ｓ４も、同様のレイアウトと座標系とになっている。図１５（ｄ）は、上述した式（１）と式（２）とによって求めた、外力のＸ方向成分Ｆｘと外力のＹ方向成分Ｆｙとを、単位検出領域Ｓごとに示している。
【０１０４】
外力の作用する方向は、例えば図１５（ｄ）に示す９つの算出結果の平均値で求める方法、例えば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）により求める方法などを用いて求めることができる。ここでは、図１５（ｄ）に示す９つの算出結果を平均することで、外力のＸ方向成分Ｆｘと外力のＹ方向成分Ｆｙとを求め、外力は＋Ｘ方向を基準として左回りに約１２３°の方向に作用していることが分かる。
このように、縦３行×横３列に配置された各単位検出領域Ｓ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作用した方向が演算される。
【０１０５】
＜検出装置を用いた実験＞
図１６は検出装置１００を用いた実験装置２００の模式図である。なお、図１６では検出装置１００を構成する演算部Ｅの図示を省略している。
実験装置２００は、押圧部材２０１、検出部Ｋ、把持部材２０２、及び台車２０３で構成される。押圧部材２０１はアクリル板である。検出部Ｋは、押圧部材２０１の側から順に弾性基板Ａ、滑り検出部Ｂ、剛性基板Ｃ、及び外力検出部Ｄが積層されている。把持部材２０２はアクリル板である。検出部Ｋは押圧部材２０１に、把持部材２０２は台車２０３に、それぞれ粘着剤で台車２０３に接着されている。
実験装置２００では、押圧部材２０１から検出部Ｋ（弾性基板Ａ）に６Ｎの垂直方向（Ｚ軸（−）方向）の外力（以下、垂直荷重と称す）が作用し、台車２０３に滑り方向（Ｘ軸（−）方向）の外力Ｆｓが作用している。このような外力を作用させることで、押圧部材２０１から検出部Ｋに、垂直荷重６Ｎと滑り方向の外力Ｆｓとが合成された斜め方向の外力が作用しているものとみなすことができる。
【０１０６】
滑り方向の外力Ｆｓの大きさは、外力検出部Ｄで測定される。滑り検出信号Ｖｓは、滑り検出部Ｂで測定される。また、検出部Ｋにおける垂直荷重の作用面（弾性基板Ａ）の位置）はレーザー変位計（図示略）によって測定され、変位量（初期に対する移動距離）が算出される。このような実験装置２００を用いて、滑り方向の外力Ｆｓを変化させ、滑り変位が発生する前後における滑り検出信号Ｖｓ、滑り方向の外力Ｆｓ、及び変位量を計測した。
【０１０７】
図１７に実験結果を示す。図１７（ａ）は滑り検出部Ｂによって測定された滑り検出信号Ｖｓの経時変化を、図１７（ｂ）は外力検出部Ｄによって測定された滑り方向の外力Ｆｓの経時変化を、及び図１７（ｃ）は検出部Ｋ（弾性基板Ａ）の変位量の経時変化を示している。各グラフの横軸は経過時間であり、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）共に同じスケールになっている。横軸のｔａ（概略０．２３秒）から検出部Ｋに滑り方向の外力Ｆｓが作用し、横軸のｔｂ（概略０．３４秒）で滑り変位が発生した。
滑り方向の外力Ｆｓが作用していない期間をＴ１、外力Ｆｓが作用し滑り変位が発生するまでの期間（ｔａ〜ｔｂ）をＴ２、及び滑り変位が発生した以降（ｔｂ以降）の期間をＴ３とする。以下に、期間Ｔ１、期間Ｔ２、及び期間Ｔ３に関する実験装置２００の状態を説明する。
【０１０８】
（１）期間Ｔ１
検出部Ｋには６Ｎの垂直荷重が作用しているために、滑り検出部Ｂは圧縮変形し、概略０．５Ｖの略一定の滑り検出信号Ｖｓが発生している。また、滑り方向の外力Ｆｓはゼロであるので、変位量もゼロとなっている。
【０１０９】
（２）期間Ｔ２
検出部Ｋに滑り方向の外力Ｆｓが作用すると、外力Ｆｓに抗する力、すなわち静止摩擦力が外力Ｆｓと逆方向に作用し、検出部Ｋは静止状態を維持する。ここで、静止摩擦力＝垂直荷重（６Ｎ）×静止摩擦係数という関係にあり、静止摩擦力は外力Ｆｓに比例して変化する。期間Ｔ２における外力Ｆｓは、この静止摩擦力に相当する。また、外力Ｆｓは時間の経過と共に大きくなる。外力Ｆｓが最大静止摩擦力よりも大きくなると、検出部Ｋに滑り変位が発生する。滑り変位が発生する直前の外力Ｆｓ、すなわち図１７（ｂ）のｔｂ時点（概略０．３４秒）の外力Ｆｓは、最大静止摩擦力（垂直荷重（６Ｎ）×最大静止摩擦係数）に相当する。
【０１１０】
滑り方向の外力Ｆｓが作用すると、滑り検出部Ｂと弾性基板Ａとは滑り方向に伸び、滑り検出部Ｂでは互いに離間する導電性粒子Ｂ１ｂが増加するので、抵抗値は徐々に大きくなる。このために、図１７（ａ）に示すように、当該抵抗値から変換された滑り検出信号Ｖｓは徐々に大きくなる。また、図１７（ｃ）に示すように、軽微であるが変位量の増加が観測される。これは、滑り変位が発生する前段階における検出部Ｋの滑り方向の伸びを示している。
【０１１１】
（３）期間Ｔ３
ｔ２時点で滑り変位が始まり、検出部Ｋには外力Ｆｓが作用する方向への移動、すなわち滑り変位が発生する。ここでは検出部Ｋに動摩擦力が作用するので、期間Ｔ３における外力Ｆｓは動摩擦力に相当する。また、動摩擦力＝垂直荷重（６Ｎ）×動摩擦係数という関係にあり、動摩擦係数は最大静摩擦係数よりも小さいので、滑り変位が発生すると外力Ｆｓは急激に減少する。滑り変位が発生した以降にスティックアンドスリップ現象（滑り振動）、すなわち検出部Ｋが押圧部材２０１に対して滑ったり、引っ掛かったりという動作を繰り返す現象が生じるので、外力Ｆｓは一定範囲で変動することとなる。
【０１１２】
図１７（ｂ）における外力Ｆｓが最大となった時点が、滑り変位が発生する時点である。図１７（ｂ）のＰ３領域は、上述のスティックアンドスリップ現象を示している。また、図１７（ａ）に示すように、滑り変位が発生した直後に滑り検出信号Ｖｓが最大となっている。
【０１１３】
＜滑り変位の検出方法＞
このように、外力Ｆｓが最大となる時点で滑り変位が発生するので、外力Ｆｓの変化から滑り変位の発生を検出できるはずであるが、最大静止摩擦係数と動摩擦係数との差が小さい物体では、外力Ｆｓの変化から滑り変位を検出することが難しい。すなわち、最大静止摩擦係数と動摩擦係数との差が大きなアクリル板では、外力Ｆｓは図１７（ｂ）に示す変化を示し、滑り変位を検出することが可能であるが、布や表面が柔らかく変形しやすい材料などでは、最大静止摩擦係数と動摩擦係数との差が小さく、外力Ｆｓの変化は非常に小さいので、外力Ｆｓの変化から滑り変位の発生を検出することが難しい。
【０１１４】
一方、滑り検出信号Ｖｓは、滑り検出信号発生回路１２０（図５参照）によって、滑り検出部Ｂを構成する感圧導電ゴムＢ１の抵抗値から変換された分電電圧であり、滑り変位が発生する付近で増加するという特性がある。詳しくは、図２（ｃ）と図２（ｄ）とで模式的に示したように、滑り変位が発生する前後で滑り方向に形状変化が発生し、感圧導電ゴムＢ１の抵抗値、すなわち滑り検出信号Ｖｓの変化点が発生する。さらに、滑り検出信号Ｖｓは、上述の摩擦係数（最大静止摩擦係数、動摩擦係数）に依存しないので、布や表面が柔らかく変形しやすい材料であっても、滑り変位の発生を検出することができる。このように、外力検出部Ｄで滑り変位の発生を検出することが困難な材料であっても、滑り検出部Ｂで滑り変位の発生を検出することができる。
【０１１５】
今回の実験では、滑り変位が発生した直後に滑り検出信号Ｖｓが最大となった。他の材料の押圧部材２０１を用いた実験では、滑り検出信号Ｖｓが最大となる時点は、ある一定の範囲の分布を有していた。すなわち、滑り検出信号Ｖｓが最大となる時点は、押圧部材２０１の種類、表面形状などで変化し、滑り変位が発生する直前に最大となる場合、滑り変位の発生と同時に最大となる場合、及び滑り変位が発生した直後に最大となる場合があった。ただし、滑り検出信号Ｖｓが最大となる時点と滑り変位が発生する時点との時間差は小さく、滑り検出信号Ｖｓが最大となった時点を、滑り変位が発生した時点と見なして良い。
【０１１６】
このように、演算部Ｅで、滑り検出部Ｂの抵抗値を滑り検出信号Ｖｓに変換し、滑り変位が最大となる時点を求める演算処理を実施することで、押圧部２０１の種類に関係なく滑り変位の発生を検出することができる。すなわち、図１７（ａ）のＰ１領域の検出信号Ｖｓが最大となった時点が、滑り変位が発生した時点となる。また、滑り検出信号Ｖｓの高周波成分を離散ウェーブレット変換して求めたウェーブレット係数の変化からも、滑り変位の発生を検出することが可能である。
【０１１７】
図１７（ｂ）のＰ２領域に示すように、滑り変位が発生する前段階で、滑り検出信号Ｖｓが極大となる滑り前ピークが発生する場合がある。現状では、滑り前ピークが発生する場合と、発生しないは場合があるが、滑り前ピークを確実に検出することができれば、滑り変位の発生を予知することも可能である。
【０１１８】
以上述べたように、本実施形態に係る検出装置１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１９】
検出装置１００を構成する検出部Ｋは、滑り変位の発生を検出する滑り検出部Ｂと、外力の大きさと方向とを検出する外力検出部Ｄとが積層されているので、外力の方向と大きさという力覚情報に加えて、外力が作用した物体の静止または滑りという滑り覚情報からなる複合情報を検出することができる。
【０１２０】
検出部Ｋの外力作用面には弾性基板Ａが設置され、外力Ｆの作用点で弾性基板Ａが変形するので、外力Ｆの作用点が移動する（滑る）ことなく、外力Ｆを的確に受け止めることができる。従って、外力Ｆは的確に滑り検出部Ｂと外力検出部Ｄとに伝達され、より正確に力覚情報と滑り覚情報とを検出することができる。
【０１２１】
滑り変位検出部Ｂの下には剛性基板Ｃが設置されているので、滑り検出部Ｂが可撓性を有していても変形することがないので、外力Ｆは的確に滑り変位検出部Ｂに作用する。従って、滑り変位をより正確に検出することができる。
【０１２２】
外力検出部Ｄの上には剛性基板Ｃが設置されているので、外力検出部Ｄには、一点集中でなく全体に外力Ｆが作用する。よって、外力検出部Ｄに設置した複数個所の弾性体突起３２に作用する外力Ｆの大きさ（外力Ｆの分布）、及びその差から外力Ｆの回転モーメントを検出することができる。
【０１２３】
滑り変位検出部Ｂにおける滑り検出信号Ｖｓは、滑り変位が発生する付近で増加し、最大となる特性を有する。さらに、滑り検出信号Ｖｓは、滑り検出部Ｂを構成する感圧導電シートの形状（抵抗値）に依存して変化するので、物体の種類に関係なく検出信号Ｖｓが最大となる変化点を求めることができ、安定して滑り変位の発生を検出することができる。
【０１２４】
外力検出部Ｄに作用する外力に、滑り方向（圧力センサー表面と平行な方向）の力成分があると、弾性体突起３２の重心は基準点Ｐからずれて、滑り方向に移動する。すると、複数の圧力センサーＳ１〜Ｓ４のうち、弾性体突起３２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３２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。従って、演算部Ｅにより、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて、外力検出部Ｄに作用した外力Ｆの方向と大きさとを求めることができる。
【０１２５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る検出装置１００を説明する。本実施形態においては、外力検出部Ｄの構成が第１実施形態と異なり、それ以外の構成は同じである。詳しくは、外力検出部Ｄを構成する圧力センサーは、第１実施形態では静電容量方式の圧力センサーを使用しているが、本実施形態においては抵抗方式の圧力センサーを使用している点が異なる。
よって、第１実施形態と同一の構成部位に関しては、同一の番号を附し、重複する説明を省略する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【０１２６】
＜外力検出部Ｄ＞
図１８は、第２実施形態に係る外力検出部Ｄの概略構成を示す分解斜視図である。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圧力センサー４２が検出する単位検出領域を示している。
外力検出部Ｄは、基準点に外力Ｆを作用させる弾性体突起３２を有する基板、及び基準点に作用した外力Ｆの圧力値を検出する抵抗方式の圧力センサーで構成される。なお、「基準点」とは、すべり力が作用していない場合に、後述する弾性体突起３２の中心が位置するポイントである。
なお、説明の都合上、圧力センサー４２、圧力センサーＳ１〜Ｓ４というように、圧力センサーに異なる符号を附して説明する場合がある。
【０１２７】
図１８に示すように、外力検出部Ｄは、基準点Ｐの回りに複数配置された圧力センサー４２を有する第１基板１０１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先端部が第１基板１０１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２基板３０と、を備えている。
なお、圧力センサー４２を有する第１基板１０１は、「圧力センサーを有する第１基板」の一例である。弾性体突起３２が形成された第２基板３０は、「弾性体突起が形成された第２基板」の一例である。
【０１２８】
外力検出部Ｄ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圧力センサー４２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４２で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が作用した方向と大きさを演算する演算装置（図示略）を備えている。
【０１２９】
第１基板１０１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状の第１基板本体１１１と、第１基板本体１１１に配置された複数の圧力センサー４２と、を具備して構成されている。例えば、第１基板本体１１１の大きさ（平面視のサイズ）は、縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度になっている。
【０１３０】
複数の圧力センサー４２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４２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４２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起３２の変形と各圧力センサー４２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４２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー４２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。
【０１３１】
隣り合う圧力センサー４２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４２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。
【０１３２】
複数の圧力センサー４２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４２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４２の各面積がほぼ等しくなっている。圧力センサー４２は、感圧導電ゴムを使用した感圧素子である。圧力センサー４２は、接触面に外力が作用したときに感圧導電ゴムに加わる外力を電気信号に変換する。
【０１３３】
第２基板３０は、矩形状の第２基板本体３１と、第２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２基板本体３１は、外力を直接受ける部分である。第２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、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２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。
【０１３４】
複数の弾性体突起３２は、第２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の先端部は、球面の錘状となっており、第１基板１０１（第１基板本体１１１上の複数の圧力センサー４２）に当接している。弾性体突起３２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３１の面内に平行な方向の変形を許容することができる。
【０１３５】
弾性体突起３２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３２の基部の径（弾性体突起３２が第１基板１０１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２ｍｍ程度になっている。弾性体突起３２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程度になっている。
【０１３６】
図１９及び図２０は、基準点Ｐに作用する外力の方向と大きさとを検出する方法の説明図である。
図１９（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係る圧力センサー４２による圧力値の変化を示す断面図である。図２０（ａ）〜（ｃ）は、図１９（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態に係る圧力センサー４２による圧力値の変化を示す平面図である。なお、図１９（ａ）及び図２０（ａ）は第２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。図１９（ｂ）及び図２０（ｂ）は第２基板３０の表面に垂直方向（すべり力がない状態）の外力が付加された状態を示している。図１９（ｃ）及び図２０（ｃ）は第２基板３０の表面に斜め方向（すべり力がある状態）の外力が付加された状態を示している。また、図２０（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３２の重心（圧力中心）を示している。
【０１３７】
図１９（ａ）及び図２０（ａ）に示すように、第２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基板１０１と第２基板３０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。このときの各圧力センサー４２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４２の圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
【０１３８】
図１９（ｂ）及び図２０（ｂ）に示すように、第２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は先端部が第１基板１０１の表面に配置された複数の圧力センサー４２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３０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０１と第２基板３０との間の距離が外力の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー４２の圧力値は、外力の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー４２とも略同じ値となる。
【０１３９】
図１９（ｃ）及び図２０（ｃ）に示すように、第２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は先端部が第１基板１０１の表面に配置された複数の圧力センサー４２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３０が−Ｚ方向に撓み、第１基板１０１と第２基板３０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の先端部と４つの圧力センサー４２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の先端部と４つの圧力センサー４２との重なる面積は、４つの圧力センサー４２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。
【０１４０】
弾性体突起３２は、斜め方向の外力により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起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、各圧力センサー４２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３２の重心と重なる位置の圧力センサー４２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３２の重心と重ならない位置の圧力センサー４２では相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力が作用した方向と大きさが求められる。
＜外力検出に係る演算部Ｅ＞
【０１４１】
図１８に示す外力検出部Ｄに関しては、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力が作用した方向が演算される。
【０１４２】
第２実施形態と第１実施形態とでは、圧力センサーの方式が異なるだけで、圧力センサーの配置、圧力センサーの出力値などは同等である。さらに、第１実施形態と同じ条件で外力が作用した方向と大きさとを求めたので、第１実施形態と同じ図面、すなわち図１３（センシング領域の座標系を示す図）、図１４（圧力センサーによる垂直方向の外力分布を示す図）、図１５（圧力センサーによるすべり方向の計算例）を用いて、外力が作用した方向を求める演算方法の詳細を説明する。
【０１４３】
図１３に示すように、複数の圧力センサーＳ１〜Ｓ４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。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、第１実施形態と同様の以下の式（５）で表される。
【０１４４】
【数５】
2013108832.tif 000007
【０１４５】
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）も、第１実施形態と同様の以下の式（６）で表される。
【０１４６】
【数６】
2013108832.tif 000008
【０１４７】
また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分）も、第１実施形態と同様の以下の式（７）で表される。
【０１４８】
【数７】
2013108832.tif 000009
【０１４９】
式（５）に示すように、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２及びＳ４で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ３で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２及びＳ４の組み合わせによる圧力値と−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ３の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のＸ方向成分が求められる。
【０１５０】
式（６）に示すように、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ２で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３及びＳ４で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１及びＳ２の組み合わせによる圧力値と−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３及びＳ４の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のＹ方向成分が求められる。
【０１５１】
式（７）に示すように、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙ（分力）に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起３２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検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起３２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、外力のＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力のＸ方向成分Ｆｘ及びの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。
【０１５２】
図１４に示すように、外力検出部Ｄの検出面（弾性基板Ａに外力が作用する面）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。外力検出部Ｄには単位検出領域Ｓが縦１５行×横１５列（計２２５個）マトリクス状に配置されている。すなわち、図１４の実線で囲まれた矩形状格子が単位検出領域Ｓであり、各単位検出領域Ｓには縦２行横２列の４つ圧力センサーＳ１〜Ｓ４（図示省略）が存在する。
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（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）の順小さくなっている。また、指で押されていない領域は、０〜３０ｍＶ程度となっている。
【０１５３】
図１５に示すように、外力検出部Ｄ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。指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置された単位検出領域Ｓのうち、縦３行×横３列に配置された部分の単位検出領域Ｓに作用しているとする。
【０１５４】
図１５（ａ）は、外力が作用した単位検出領域Ｓにおける４つ圧力センサーＳ１〜Ｓ４の検出値の合計値（ＰS1＋ＰS2＋ＰS3＋ＰS4）を示している。図１５（ｂ）は、上述の単位検出領域の４つ圧力センサーＳ１〜Ｓ４の各検出値（ＰS1，ＰS2，ＰS3，ＰS4）を、単位検出領域Ｓごとに示している。また、図１５（ｂ）の実線は単位検出領域Ｓの境界を、及び点線は圧力センサーＳ１〜Ｓ４の境界を示している。図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）の点線Ｑで囲んだ単位検出領域Ｓに配置されている、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４のレイアウトと座標系とを示している。また、図１５（ｃ）に示すように、圧力センサーＳ１〜Ｓ４の検出値が、ＰS1〜ＰS4となる。図１５（ｂ）の他の単位検出領域Ｓの４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４も、同様のレイアウトと座標系とになっている。図１５（ｄ）は、上述した式（５）と式（６）とによって求めた、外力のＸ方向成分Ｆｘと外力のＹ方向成分Ｆｙとを、単位検出領域Ｓごとに示している。
【０１５５】
外力の作用する方向は、例えば図１５（ｄ）に示す９つの算出結果の平均値で求める方法、例えば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）により求める方法などを用いて求めることができる。ここでは、図１５（ｄ）に示す９つの算出結果を平均することで、外力のＸ方向成分Ｆｘと外力のＹ方向成分Ｆｙとを求め、外力は＋Ｘ方向を基準として左回りに約１２３°の方向に作用していることが分かる。
このように、縦３行×横３列に配置された各単位検出領域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で検出された検出値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳ１〜Ｓ４の検出値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が作用した方向が演算される。
【０１５６】
以上述べたように、本実施形態に係る検出装置１００によれば、第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【０１５７】
外力検出部Ｄは、第２基板３０に形成した弾性体突起３２の先端部が第１基板１０１（複数の圧力センサー４２）に当接した状態ですべり方向（圧力センサー４２表面に平行な方向）に変形することが可能であるので、外力の方向と大きさの検出精度を高めることができる。
詳しくは、第２基板３０の表面に外力が付加されると、弾性体突起３２は先端部が第１基板１０１に配置された複数の圧力センサー４２に当接した状態で圧縮変形する。このとき、面内の所定の方向のすべり力成分がある場合、弾性体突起３２の変形には偏りが生じる。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４２のうち弾性体突起３２の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起３２の重心と重なる位置の圧力センサー４２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３２の重心と重ならない位置の圧力センサー４２では相対的に小さい圧力値が検出されることとなる。よって、演算装置により、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が作用した方向と大きさを求めることができる。したがって、外力の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な検出装置１００を提供することができる。
【０１５８】
外力検出部Ｄに配置された圧力センサー４２は、柔軟性に優れた感圧導電ゴムで構成されるので、衝撃などの機械的ストレスに強いという効果を得ることができる。
【０１５９】
なお、外力検出部Ｄに配置する圧力センサー４２は、静電容量方式及び抵抗方式に限定されない。例えば、強誘電体結晶に圧力を加えると結晶表面に電荷が生じるピエゾ効果を利用した電荷変化方式であっても良い。例えば、弾性体の変形による光反射率の変化や弾性体の中のマーカーを変位計測するなどの光学方式であっても良い。また、例えば、バネ等の機械的構造の変位、変形から検出する機械的変位方式であっても良い。要は、圧力によって変化する物理量を電気的信号として検出できる素子であれば良い。
【０１６０】
（第３実施形態）
（電子機器）
図２１は、上記実施形態１及び／または実施形態２に係る検出装置１００を適用した電子機器としての携帯情報端末（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部Ｋ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（図示略）を指で触れると各種ゲームが表示されたり、電子黒板が表示されたりする。
【０１６１】
このような電子機器によれば、上述した検出装置１００を備えているので、外力の方向と大きさという力覚情報に加えて、静止及び滑りという滑り覚情報を、電子機器を操作するための入力情報として取り込むことができる。例えば、指による操作で滑り変位が発生した場合に、液晶パネル２００１のバックライト（図示省略）の点灯色を変化させるなどを実行すれば、アミューズメント用途におけるゲームの多様性を増すことができる。
【０１６２】
なお、電子機器としては、情報携帯端末以外にも、例えば携帯電話、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、デジタルスチルカメラなどの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、上記実施形態に係る検出装置１００を適用させることができる。
【０１６３】
（第４実施形態）
（ロボット）
図２２は、上記実施形態１及び／または実施形態２係る検出装置１００を適用したロボットとしてのロボットハンド３０００の概略構成を示す模式図である。図２２（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。
【０１６４】
図２２（ｂ）に示すように、ロボットハンド３０００でコップ等の物体（対象物）３０１０を把持する場合を考える。このとき、物体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を備えているので、物体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、物体３０１０の質感に応じて力を加減しながら持つことができる。
【０１６５】
このロボットによれば、物体が静止している状態だけでなく、滑り状態おいても物体に作用させる力を適正に制御することができるので、上述した滑りやすい物体を適切に把持する動作以外に、例えば人を介護する動作（撫でる、こする、拭く）、例えば粘土の様な柔軟な材料を適切な力で加工する職人的な動作のように、より人に近い動作を提供することができる。
【０１６６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【０１６７】
（変形例１）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄと、剛性基板Ｃとが積層されている。
【０１６８】
このような構成にすることによって、外力検出部Ｄの外力が作用する面と反対側の面にも剛性基板Ｃが設置されているので、外力が作用しても外力検出部Ｄが変形し、作用する外力の方向を誤検知することがない。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出部Ｋを取り付けることができるという効果も得ることができる。
【０１６９】
（変形例２）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、外力検出部Ｄとが積層され、滑り検出部Ｂの一対の電極を形成した電極シートＢ２または外力検出部Ｄの弾性体突起３２が形成された第２基板３０のうち少なくとも一方は、ガラス、セラミック、金属、樹脂などの剛性を有する基板で構成されている。
【０１７０】
このような構成にすることによって、滑り検出部Ｂまたは外力検出部Ｄの少なくとも一方は剛性を有する基板を有しているので、滑り検出部Ｂと外力検出部Ｄとの間に剛性基板Ｃを設置しなくても、滑り検出部Ｂと外力検出部Ｄとを適正に機能させることができるという効果を得ることができる。
【０１７１】
（変形例３）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、外力検出部Ｄと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃとが積層されている。
【０１７２】
このような構成にすることによっても、外力検出部Ｄによって外力の方向と大きさという力覚情報、及び滑り検出部Ｂによって静止または滑りという滑り覚情報という複合情報を検出することができるという効果を得ることができる。
【０１７３】
（変形例４）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、外力検出部Ｄと、滑り検出部Ｂとが積層されている。
【０１７４】
このような構成にすることによって、剛性を有する物体に検出部Ｋを取り付ける場合において、滑り検出部Ｂの外力が作用する面と反対の面に剛性を有する基板を設置しなくても、検出部Ｋを取り付ける物体自身が剛性を有しているので、滑り検出部Ｂは外力によって変形することなく、物体の静止または滑りという滑り覚情報を正確に検出することができる。さらに、剛性基板Ｃを省略できるので、検出部Ｋをより安価に製造できるという効果も得ることができる。
【０１７５】
（変形例５）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、外力検出部Ｄと、剛性基板Ｃと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃとが積層されている。
【０１７６】
このような構成にすることによって、外力検出部Ｄの外力が作用する面と反対側の面に剛性基板Ｃが設置されているので、外力が作用しても外力検出部Ｄが変形し、作用する外力の方向を誤検知することがない。さらに、滑り検出部Ｂの外力が作用する面と反対側の面にも剛性基板Ｃが設置されているので、外力が作用しても滑り検出部Ｂは変形することがなく、滑り検出部Ｂに所定の外力が作用する。よって、滑り検出部Ｂにおいて静止または滑りという滑り覚情報を正確に検出することができる。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出部Ｋを取り付けることができるという効果も得ることができる。
【０１７７】
（変形例６）
外力が作用する側から順に、第１実施形態の検出部Ｋは、弾性基板Ａと、滑り検出部Ｂと、剛性基板Ｃと、外力検出部Ｄとが積層されているが、本変形例の検出部Ｋでは、弾性基板Ａと、外力検出部Ｄと、滑り検出部Ｂとが積層され、滑り検出部Ｂの一対の電極を形成した電極シートＢ２は、ガラス、セラミック、金属、樹脂などの剛性を有する基板で構成されている。
【０１７８】
このような構成にすることによって、滑り検出部Ｂは剛性を有するので、外力が作用しても変形することがなく、所定の外力が作用する。よって、滑り検出部Ｂにおいて静止または滑りという滑り覚情報を正確に検出することができるという効果を得ることができる。さらに、変形しやすい柔軟な物体にも検出部Ｋを取り付けることができるという効果も得ることができる。
【０１７９】
（変形例７）
上述の変形例３乃至変形例６において、外力検出部Ｄの弾性体突起３２が形成された第２基板３０は、ガラス、セラミック、金属、樹脂などの剛性を有する基板で構成されている。
【０１８０】
このような構成にすることによって、外力検出部Ｄの第２基板３０は剛性を有するので、外力検出部Ｄの弾性体突起３２には、一点集中でなく、複数個所に外力が作用する。よって、複数個所の弾性体突起３２に作用した外力の大きさ（外力の分布）、及びその差から外力の回転モーメントを検出することができるという効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１８１】
Ａ…弾性基板、Ｂ…滑り検出部、Ｃ…剛性基板、Ｄ…外力検出部、Ｅ…演算部、Ｆ…外力、Ｆｓ…滑り方向の外力、Ｋ…検出部、Ｂ１…感圧導電シート、Ｂ２…電極シート、Ｂ１ａ…非導電性エラストマー樹脂、Ｂ１ｂ…導電性粒子、Ｐ…基準点、Ｓ…単位検出領域、１０…第１容量電極基板、２０…第２容量電極基板、３０…第２基板、３２…弾性体突起、４０…誘電体、１００…検出装置、１０１…第１基板、２００…実験装置、２０１…押圧部材、２０２…把持部材、２０３…台車、２０００…携帯情報端末（電子機器）、３０００…ロボットハンド（ロボット）
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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