(57)【要約】【課題】計測分解能が高く、計測感度が良い力検出器を提供する事。【解決手段】検出面に加えられた力を検出する力検出器は、第一電極配線２１１と、第二電極配線２１２と、複数個の圧力センサー１２とを備える。圧力センサー１２は第一電極配線２１１と第二電極配線２１２との交点に設けられ、第二電極配線２１２は第一電極配線２１１よりも検出面側に配置される。第二電極配線２１２は圧力センサー１２の外の領域で、屈曲又は湾曲する箇所を有している。こうする事で、一つの圧力センサー１２に加えられた力が第二電極配線２１２を経由して隣の圧力センサー１２に伝播する事を抑制でき、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。【選択図】図１
2013108754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出面に加えられた力を検出する力検出器であって、
第一電極配線と、第二電極配線と、圧力センサーとを備え、
前記圧力センサーは前記第一電極配線と前記第二電極配線との交点に設けられ、
前記第二電極配線は前記第一電極配線よりも前記検出面側に配置され、
前記第二電極配線は前記圧力センサーの外の領域で、屈曲又は湾曲する箇所を有する事を特徴とする力検出器。
【請求項２】
前記第一電極配線は直線である事を特徴とする請求項１に記載の力検出器。
【請求項３】
前記外の領域に前記屈曲又は湾曲する箇所を複数個有する事を特徴とする請求項１又は２に記載の力検出器。
【請求項４】
前記交点において、前記第一電極配線と前記第二電極配線とが斜めに交差する事を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の力検出器。
【請求項５】
前記第一電極配線と前記第二電極配線との間に感圧導電性弾性体を備える事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力検出器。
【請求項６】
前記第一電極配線と前記第二電極配線との間に誘電体物質を備える事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力検出器。
【請求項７】
外力の大きさと方向とを検出する検出装置であって、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力検出器と弾性体突起とを含むと共に、第一基板と第二基板とを有し、
前記第一基板の表面には、前記力検出器が設けられ、
前記第二基板の裏面には、前記外力によって弾性変形する前記弾性体突起が設けられ、
前記第一基板には基準点が定められると共に、前記圧力センサーは前記基準点の回りに複数個設けられ、
前記弾性体突起は、前記基準点と重なる位置に重心が位置し、先端部が前記圧力センサーに当接する様に配置されている事を特徴とする検出装置。
【請求項８】
外力によって前記弾性体突起が弾性変形する事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力が加えられた方向と外力の大きさを演算する演算装置を備える事を特徴とする請求項７に記載の検出装置。
【請求項９】
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事を特徴とする請求項７又は８に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する二方向に行列状に配置されている事を特徴とする請求項９に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する二方向に少なくとも４行４列に配置されている事を特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記弾性体突起は前記第二基板に複数形成されており、
前記複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されている事を特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記第二基板の前記弾性体突起が形成された側と反対の側には、前記第二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事を特徴とする請求項１２に記載の検出装置。
【請求項１４】
請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の検出装置を備える事を特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の検出装置を備える事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、力検出器、検出装置、電子機器及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
上電極と下電極とを格子状に配置し、これらの上電極と下電極との間の抵抗或いは容量の変化を計測する事で、圧力を計測する圧力検出器が従来から提案されている。図２１は従来の圧力検出器を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は力Ｆが（ａ）の平面図の中央部に加えられた際のＲ−Ｒ’における断面図、（ｃ）は力Ｆが（ａ）の平面図の中央部に加えられた際のＣ−Ｃ’における断面図である。例えば特許文献１では、図２１に示す様に、上電極３１２と下電極３１１との間に感圧導電ゴム３１４を設け、更に上電極３１２の上に不図示の接触子を設け、接触子に作用する圧力を検出する圧力検出器が提案されている。
又、外力を検出する検出装置として、特許文献２及び３に記載の検出装置が知られている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。特許文献２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３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箇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２００８−１６４５５７号公報
【特許文献２】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献３】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の圧力検出器では接触子に加えられた圧力を正確に測定できないという課題があった。これは、図２１（ｃ）に示す様に、接触子に加えられた力Ｆが上電極３１２の配線方向に伝播して分散する為である。図２１（ｂ）に示す様に、上電極３１２の配線に直交する方向では、計測分解能は差程低下しないが、図２１（ｃ）に示す様に、上電極３１２の配線方向では計測分解能が低下し、又、検出感度も低下していた。即ち、従来の圧力検出器では、計測分解能が低く、計測感度も悪いという課題があった。
又、従来の検出装置では、特許文献１の圧力検出器と同じタイプの圧力検出器が使用されている。その為に、外力の検出装置も矢張り、計測分解能が低く、計測感度も悪いという課題があった。加えて、特許文献２の検出装置では、測定面にかかる外力の面内方向の力（滑り力）を測定できないという課題があった。又、特許文献３の検出装置では、外力を三次元の力ベクトルとして検出する事は可能であるが、突起の変形の度合いで外力の検出限界が制限されていた。以上の様に、特許文献２及び３の検出装置では、いずれも外力の大きさと方向とを高い精度で検出する事ができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決する為になされたものであり、以下の形態又は適用例として実現する事が可能である。
【０００６】
（適用例１）  本適用例に係わる力検出器は、検出面に加えられた力を検出する力検出器であって、第一電極配線と、第二電極配線と、圧力センサーとを備え、圧力センサーは第一電極配線と第二電極配線との交点に設けられ、第二電極配線は第一電極配線よりも検出面側に配置され、第二電極配線は圧力センサーの外の領域で、屈曲又は湾曲する箇所を有する事を特徴とする。
この構成によれば、一つの圧力センサーに加えられた力が第二電極配線を経由して隣の圧力センサーに伝播する事を抑制できる。従って、第二電極配線に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できる。即ち、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。換言すると、計測分解能が高く、計測感度も良い力検出器を提供する事ができる。
【０００７】
（適用例２）  上記適用例に係わる力検出器において、第一電極配線は直線である事が好ましい。
この構成によれば、第一電極配線は真っ直ぐな帯状となるので、製造が容易で有る上に、複数個の圧力センサーを行列状に配置できる。
【０００８】
（適用例３）  上記適用例に係わる力検出器において、外の領域に屈曲又は湾曲する箇所を複数個有する事が好ましい。
この構成によれば、屈曲又は湾曲する箇所が多いので、一つの圧力センサーに加えられた力が第二電極配線を経由して隣の圧力センサーに伝播する事をより確実に抑制できる。即ち、第二電極配線に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより確実に抑制できる。
【０００９】
（適用例４）  上記適用例に係わる力検出器において、交点において、第一電極配線と第二電極配線とが斜めに交差する事が好ましい。
屈曲又は湾曲する箇所では第二電極配線の幅が変動する恐れがある。この構成によれば、圧力センサーが設けられる交点近傍で第二電極配線は直線又は緩やかに湾曲した状態となるので、幅の変動を極めて小さくできる。即ち、圧力センサーの検出面積が変動する可能性を著しく低くする事ができ、複数個の圧力センサーの感度を均一に揃える事ができる。
【００１０】
（適用例５）  上記適用例に係わる力検出器において、第一電極配線と第二電極配線との間に感圧導電性弾性体を備える事が好ましい。
この構成によれば、計測分解能が高く、計測感度も良い感圧抵抗方式の力検出器を提供する事ができる。
【００１１】
（適用例６）  上記適用例に係わる力検出器において、第一電極配線と第二電極配線との間に誘電体物質を備える事が好ましい。
この構成によれば、計測分解能が高く、計測感度も良い静電容量方式の力検出器を提供する事ができる。
【００１２】
（適用例７）  本適用例に係わる検出装置は、外力の大きさと方向とを検出する検出装置であって、上述の適用例に記載の力検出器と弾性体突起とを含むと共に、第一基板と第二基板とを有し、第一基板の表面には、力検出器が設けられ、第二基板の裏面には、外力によって弾性変形する弾性体突起が設けられ、第一基板には基準点が定められると共に、圧力センサーは基準点の回りに複数個設けられ、弾性体突起は、基準点と重なる位置に重心が位置し、先端部が圧力センサーに当接する様に配置されている事を特徴とする。
この構成によれば、弾性体突起の先端部が第一基板（複数の圧力センサー）に当接した状態で滑り方向（圧力センサー表面に平行な方向）に変形する事が可能であるので、特許文献２や特許文献３の検出装置に比べて、外力の大きさと方向との検出精度を高める事ができる。第二基板の表面に外力が付加されると、弾性体突起は先端部が第一基板に当接した状態で圧縮変形する。この時、面内の所定の方向の滑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。即ち、弾性体突起の重心は基準点からずれて所定方向（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事となる。よって、演算装置により、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外力が加えられた方向と大きさを求める事ができる。又、圧力センサーの感度と分解能とが優れているので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する検出装置を提供する事ができる。
【００１３】
（適用例８）  上記適用例に係わる検出装置において、外力によって弾性体突起が弾性変形する事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加えられた方向と外力の大きさを演算する演算装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、大規模な演算装置を用いずとも、小規模の簡単な演算にて比較的正確に外力の大きさと方向とを計測する事ができる。
【００１４】
（適用例９）  上記適用例に係わる検出装置において、複数の圧力センサーは、基準点に対して点対称に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、基準点と各圧力センサーとの間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起の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事となる。この為、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、補正係数は不要となる。従って、各圧力センサーで検出された圧力値から外力の方向と大きさを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
【００１５】
（適用例１０）  上記適用例に係わる検出装置において、複数の圧力センサーは、互いに直交する二方向に行列状に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、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力の方向と大きさを演算する事が容易となる。
【００１６】
（適用例１１）  上記適用例に係わる検出装置において、複数の圧力センサーは、互いに直交する二方向に少なくとも４行４列に配置されている事が好ましい。
この構成によれば、配置される圧力センサーの数が多くなる。この為、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力の作用する方向と大きさを求める事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００１７】
（適用例１２）  上記適用例に係わる検出装置において、弾性体突起は第二基板に複数形成されており、複数の弾性体突起は、互いに離間して配置されている事が好ましい。
この構成によれば、弾性体突起が弾性変形した時の第二基板本体の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。例えば、一方の弾性体突起が変形した時に他方の弾性体突起に変形の影響を及ぼす事を抑制する事ができる。この為、複数の弾性体突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力を正確に各圧力センサーに伝達する事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００１８】
（適用例１３）  上記適用例に係わる検出装置において、第二基板の弾性体突起が形成された側と反対の側には、第二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事が好ましい。
この構成によれば、外力が２つの隣り合う弾性体突起の間の領域に作用する場合、補強部材が無い時に比べて２つの隣り合う弾性体突起が互いに反対の方向に圧縮変形してしまう事を抑制する事ができる。つまり、外力の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制する事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００１９】
（適用例１４）  本適用例に係わる電子機器は、上記適用例に係わる検出装置を備える事を特徴とする。
この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な電子機器を提供する事ができる。
【００２０】
（適用例１５）  本適用例に係わるロボットは、上記適用例に係わる検出装置を備える事を特徴とする。
この構成によれば、上述した検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能なロボットを提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態１に係る力検出器の概略構成を示す図。
【図２】実施形態１に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図３】実施形態１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】実施形態１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】実施形態１に係るセンシング領域の座標系を示す図。
【図６】実施形態１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】実施形態１に係る圧力センサーによる滑り方向の計算例を示す図。
【図８】実施形態２に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図９】実施形態２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】実施形態２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】実施形態２に係るセンシング領域の座標系を示す図。
【図１２】実施形態３に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１３】実施形態３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】変形例１における第二電極配線の平面形状を説明した図。
【図１５】変形例２における第二電極配線の平面形状を説明した図。
【図１６】変形例３における第二電極配線の平面形状を説明した図。
【図１７】変形例４における第二電極配線の平面形状を説明した図。
【図１８】電子機器の一例携帯電話機の概略構成を示す模式図。
【図１９】電子機器の一例携帯情報端末の概略構成を示す模式図。
【図２０】ロボットの一例ロボットハンドの概略構成を示す模式図。
【図２１】従来の圧力検出器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。かかる実施形態は、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、以下の各図においては、各構成を判り易くする為に、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。尚、以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が第一基板１０に対して平行な方向に設定され、ＸＹ平面（ｚ＝０）を検出面（図１（ｂ）の対向基板１３の表面）と称す。又、Ｚ軸が第一基板１０に対して直交する方向（検出面の法線方向）に設定されている。
【００２３】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る力検出器の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。力検出器は第一基板１０に形成され、図１（ｂ）に示される様に、第一基板本体１１と対向基板１３と感圧材料１４とを備える。即ち、第一基板１０は、第一基板本体１１と、第一基板本体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。本実施形態で、感圧材料１４は感圧導電性弾性体である。感圧材料１４は第一基板本体１１の表面と対向基板１３の裏面とで挟持され、対向基板１３の表面が検出面である。力検出器はこの検出面に加えられた力を検出する。尚、第一基板本体１１も対向基板１３も一方の面を表面と称し、その反対の他方の面を裏面と称している。本明細書では、Ｚ軸の正の方向（図１（ｂ）の上向き）に面する方を表面と称し、Ｚ軸の負の方向（図１（ｂ）の下向き）に面する方を裏面と称する。
【００２４】
力検出器は更に第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とを備え、第一電極配線２１１は第一基板本体１１の表面に形成され、第二電極配線２１２は対向基板１３の裏面に形成されている。従って、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２との間に感圧材料１４としての感圧導電性弾性体が備えられている。即ち、力検出器は感圧抵抗方式の圧力センサー１２を用いて形成されている。力検出器の検出面が対向基板１３の表面なので、断面視にて、第二電極配線２１２は第一電極配線２１１よりも検出面側に配置されている事になる。一方、平面視においては、図１（ａ）に示される様に、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とは、互いに交差される様に配置され、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２との交点に圧力センサー１２が設けられる。力検出器に第二電極配線２１２は１本以上設けられ、第一電極配線２１１は２本以上設けられる。従って圧力センサー１２は力検出器に２個以上備えられる。この様に圧力センサー１２は、一つの力検出器に２行１列以上の行列状に設けられる。
【００２５】
図１（ａ）に示される様に、ｉ行目の行線（ｉ−ｔｈ  ＲＬ）に沿ってｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）が設けられ、ｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿ってｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）が設けられ、これらの交点にｉ行ｊ列目の圧力センサー１２が形成される。行線も列線も数学的な概念で、これらはほぼ直線で、所定の角度（好適例としては９０°）を以て互いに交差する。従って、圧力センサー１２も行線や列線に沿った直線上に形成される。第一電極配線２１１は直線である事が好ましく、実際に、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）はｉ行目の行線（ｉ−ｔｈ  ＲＬ）と平行で、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）の幅を二分する様にｉ行目の行線（ｉ−ｔｈ  ＲＬ）が位置している。要するに、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）の幅方向の真ん中にｉ行目の行線（ｉ−ｔｈ  ＲＬ）が位置している。
【００２６】
これに対して、第二電極配線２１２は圧力センサー１２の外の領域で、屈曲又は湾曲する箇所を有している。即ち、列線に沿って隣り合う２つの圧力センサー１２の間で、第二電極配線２１２は屈曲点又は湾曲する箇所を有している。ｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）はｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿って形成されるが、ｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）とｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）とはいたる場所で平行と云う訳ではない。列線に沿って隣り合う２つの圧力センサー１２の間では、ｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）の接線とｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）とが０°でない角度を有している場所が存在する。尚、屈曲点とは第二電極配線２１２に２本の異なる接線が引ける箇所で、数学的には第二電極配線２１２の幅に関する中心線の微分不能点である。図１（ａ）では、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）に設けられた圧力センサー１２と、ｉ＋１行目の第一電極配線２１１（ｉ＋１−ｔｈ  ｒｏｗ）に設けられた圧力センサー１２との間で、第二電極配線２１２は３箇所の屈曲点を有している。その内の２箇所の屈曲点は、第二電極配線２１２が第一電極配線２１１とほぼ垂直に交差し、圧力センサー１２の平面視における形状を直角四角形とするためである。
【００２７】
尚、第二電極配線２１２が湾曲する箇所とは、第二電極配線２１２の接線が列線と０°でない角度をなす箇所で、数学的には第二電極配線２１２の幅に関する中心線を列線に沿って微分した際に、微分値がゼロ以外の数値になる箇所である。第二電極配線２１２が湾曲する例に関しては後に変形例にて詳述する。
【００２８】
この様に、第二電極配線２１２は列線に沿ってはいるものの、圧力センサー１２の外の領域で、屈曲又は湾曲する箇所を有している。但し、圧力センサー１２が形成される第一電極配線２１１との交点付近では、第二電極配線２１２は列線と平行であり、第一電極配線２１１とはほぼ９０°の角度を以て交差している。従って、圧力センサー１２は、平面視にて直角四角形となる。尚、ほぼ９０°とは常識に照らして直交する場合で、数°の誤差を含んでいても良い。
【００２９】
第一基板本体１１は、例えばガラスや石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板であり、第一基板本体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。又、対向基板１３は可撓性を有する基板で、ポリイミドフィルムやポリエステルフィルムなどのプラスチックフィルムが用いられる。尚、感圧材料１４は、誘電体物質でも構わず、この場合、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２との間に誘電体物質が備えられて、静電容量方式の圧力センサー１２を以て力検出器が形成される事になる。
【００３０】
次に、上述の力検出器を用いた検出装置を説明する。図２は、実施形態１に係る検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。図２において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２２に対応して配置された複数の圧力センサー１２が検出する単位検出領域を示している。尚、図１（ａ）には、図２に対応させて、単位検出領域Ｓと基準点Ｐとを描いてある。
【００３１】
検出装置１は、基準点に加えられた外力の方向と大きさを検出する圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えばノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。尚、「基準点」とは、滑り力が作用していない場合に弾性体突起の中心が位置するポイントである。
【００３２】
図２に示す様に、検出装置１は、基準点Ｐの回りに複数配置された圧力センサー１２、を有する第一基板１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が第一基板１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２が形成された第二基板２０と、を備えている。
【００３３】
検出装置１は、外力によって弾性体突起２２が弾性変形する事により複数の圧力センサー１２で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられ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。
【００３４】
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、互いに直交する二方向（Ｘ方向及びＹ方向）に行列状に配置されている。これにより、基準点Ｐと各圧力センサー１２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起２２の変形と各圧力センサー１２で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。よって、各圧力センサー１２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分を演算する事が容易となる。尚、圧力値の差分の演算方法については後述する。
【００３５】
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。この為、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様になっている。
【００３６】
複数の圧力センサー１２は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に計４つ配置されている。４つの圧力センサー１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。例えば、単位検出領域Ｓの大きさ（平面視のサイズ）は、縦２．８ｍｍ×横２．８ｍｍ程度になっている。また、４つの圧力センサー１２の各面積がほぼ等しくなっている。圧力センサー１２としては、各種の感圧素子を用いる事ができる。感圧素子とは、検出面に外力が作用した時に素子に加わる圧力を電気信号に変換するもので、圧力センサー１２としては、本実施形態の感圧抵抗方式の他に、ダイヤフレームゲージや、例えば、静電容量方式等を用いる事ができる。
【００３７】
第二基板２０は、矩形板状の第二基板本体２１と、第二基板本体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。第二基板本体２１は、外力を受ける部分である。第二基板本体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事もできるし、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事もできる。本実施形態では、第二基板本体２１及び弾性体突起２２の形成材料として樹脂材料を用い、第二基板本体２１及び弾性体突起２２を金型で一体形成している。
【００３８】
複数の弾性体突起２２は、第二基板本体２１上においてＸ方向及びＹ方向に行列状に配置されている。弾性体突起２２の先端部は、球面の錘状となっており、第一基板１０（第一基板本体１１上の複数の圧力センサー１２）に当接している。弾性体突起２２の重心は、初期的に基準点Ｐと重なる位置に配置されている。また、複数の弾性体突起２２は、互いに離間して配置されている。この為、弾性体突起２２が弾性変形した時の第二基板本体２１の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。
【００３９】
弾性体突起２２のサイズは任意に設定する事ができる。ここでは、弾性体突起２２の基部の径（弾性体突起２２が第二基板本体２１に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２の高さ（弾性体突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。隣り合う弾性体突起２２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。弾性体突起２２のデュロメーター硬さ（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。
【００４０】
図３及び図４は、基準点Ｐに作用する外力の方向と大きさを検出する方法の説明図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１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、実施形態１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。尚、図３（ａ）及び図４（ａ）は第二基板２０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３（ｂ）及び図４（ｂ）は第二基板２０の表面に垂直方向（滑り力がない状態）の外力が付加された状態を示している。図３（ｃ）及び図４（ｃ）は第二基板２０の表面に斜め方向（滑り力がある状態）の外力が付加された状態を示している。また、図４（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。
【００４１】
図３（ａ）及び図４（ａ）に示す様に、第二基板２０の表面に外力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、第一基板１０と第二基板２０との間の距離は一定に保たれる。この時、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。この時の各圧力センサー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力の作用する方向や大きさが求められる。
【００４２】
図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示す様に、第二基板２０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサーの圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサーとも略同じ値となる。
【００４３】
図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示す様に、第二基板２０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時、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。
【００４４】
弾性体突起２２は、斜め方向の外力により変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起２２の重心は基準点Ｐからずれて滑り方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起２２の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起２２の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出される事となる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力が加えられた方向と大きさが求められる。
【００４５】
図５は、実施形態１に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図６は、実施形態１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、実施形態１に係る圧力センサーによる滑り方向の計算例を示す図である。
【００４６】
図５に示す様に、複数の圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（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。ここで、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰS1、ＰS2、ＰS3、ＰS4とし、各圧力センサー１２の面積をＡ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）は以下の式（１）で表される。
【００４７】
【数１】
2013108754.tif 000003
【００４８】
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）は以下の式（２）で表される。
【００４９】
【数２】
2013108754.tif 000004
【００５０】
尚、式（１）及び式（２）のｆは検出装置１に固有な比例定数で力の単位を有する。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（３）で表される。
【００５１】
【数３】
2013108754.tif 000005
【００５２】
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Ｆｚに関しては式（３）を用い、滑り力に関しては式（１）及び式（２）を用いる。滑り力に関しては、次の手順を踏む。まず、検出面上で第一軸（例えばＸ軸）と第二軸（例えばＹ軸）とを定める。第一軸に沿った滑り力の成分を検出するには、基準点より第一軸の正の方向に位置する圧力センサー１２（例えばＳ２（１２）とＳ４（１２））で検出された圧力値の和から、第一軸の負の方向に位置する圧力センサー１２（例えばＳ１（１２）とＳ３（１２））で検出された圧力値の和を差し引き（一軸差分と称する）、この数値（一軸差分）を用いて所定の演算する事で求める。同様に、第二軸に沿った滑り力の成分を検出するには、基準点より第二軸の正の方向に位置する圧力センサー１２（例えばＳ１（１２）とＳ２（１２））で検出された圧力値の和から、第二軸の負の方向に位置する圧力センサー１２（例えばＳ３（１２）とＳ４（１２））で検出された圧力値の和を差し引き（二軸差分と称する）、この数値（二軸差分）を用いて所定の演算する事で求める。所定の演算の一例としては、先の数値（一軸差分や二軸差分）を、総ての圧力センサー１２（例えばＳ１（１２）〜Ｓ４（１２））で検出された圧力値の総和にて除し、検出装置１に固有な比例定数ｆを乗ずる。
【００５３】
式（１）に示す様に、外力のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）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（１２）及びＳ４（１２）で検出された値が組み合わされると共に、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１（１２）及びＳ３（１２）で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２（１２）及びＳ４（１２）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（１２）及びＳ３（１２）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。
【００５４】
式（２）に示す様に、外力のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）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（１２）及びＳ２（１２）で検出された値が組み合わされると共に、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３（１２）及びＳ４（１２）で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１（１２）及びＳ２（１２）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（１２）及びＳ４（１２）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。
【００５５】
式（３）に示す様に、外力のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）の圧力値を足し合わせた合力で求められる。但し、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２２の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触った時のタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。この為、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。
【００５６】
図６は、検出装置１を１５行１５列の行列状（合計２２５個）に並べて、タッチバッドとした例で、各検出装置１は、単位検出領域Ｓに圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）を縦２行横２列の合計４個配置している。図６では、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ている。この時、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（圧力センサーの出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外力の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、圧力センサーの出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。
【００５７】
図６に示す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に外力の面内方向成分（滑り方向）の算出方法を考える。図７は、外力を算出する一例を示している。図７の例では、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置された検出装置１の内の縦３行×横３列に配置された部分に作用している。外力の垂直方向の圧力は、図６と同様に、外力が作用した３行３列の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。各検出装置１は、それぞれ４つの圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）を有しており、４つの圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）からの出力の和が外力の法線成分となる（上述の式（３））。例えば、先の中央部の検出装置１では各圧力センサー１２からの和は５４ｍＶ＋２８ｍＶ＋１８ｍＶ＋１０ｍＶ＝１１０ｍＶとなっている。
【００５８】
一方、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（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力が加えられた方向（滑り力の方向）が演算される。つまり、各検出装置１にて、上述した式（１）及び式（２）に基づいて外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙが算出される。例えば、中心部の検出装置１ではＦｘ＝（２８＋１０−５４−１８）／１１０ｆ＝−０．３１ｆ、Ｆｙ＝（５４＋２８−１８−１０）／１１０ｆ＝０．４９ｆとなっている。従ってｔａｎθ＝−０．４９／０．３１＝−１．５８となり、滑り力の方向はθ＝１２２°である。この様に９個の検出装置１にて検出された滑り力の方向の平均を取ると、＋Ｘ方向を基準として反時計回りに約１２３°の方向に外力が作用している事が分かる。尚、外力の作用する方向の算出にあっては、ここで行われた様に複数の検出装置１から算出された結果の平均値で求める方法の他に、例えば、複数の検出装置１から算出された結果の最大値を採用する方法や、所定の閾値よりも大きい検出値を採用する方法等を用いる事ができる。
【００５９】
本実施形態の圧力センサー１２によれば、一つの圧力センサー１２に加えられた力が第二電極配線２１２を経由して隣の圧力センサー１２に伝播する事を抑制できる。従って、第二電極配線２１２に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できる。即ち、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。換言すると、計測分解能が高く、計測感度も良い力検出器を提供する事ができる。又、第一電極配線２１１が真っ直ぐな帯状となるので、製造が容易で有る上に、複数個の圧力センサー１２を行列状に配置できる。
【００６０】
本実施形態の検出装置１によれば、弾性体突起２２の先端部が第一基板１０（複数の圧力センサー１２）に当接した状態で滑り方向（圧力センサー１２表面に平行な方向）に変形する事が可能であるので、特許文献２や特許文献３の検出装置に比べて、外力の方向と大きさの検出精度を高める事ができる。第二基板２０の表面に外力が付加されると、弾性体突起２２は先端部が第一基板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。この時、面内の所定の方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起２２の変形には偏りが生じる。即ち、弾性体突起２２の重心は基準点Ｐからずれて所定方向（滑り方向）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（１２）〜Ｓ４（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事となる。よって、演算装置により、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを求める事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な検出装置１を提供する事ができる。
【００６１】
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。この為、弾性体突起２２の変形量と各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）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２２の変形量が同じであっても、各圧力センサーで検出された圧力値は互いに異なる事となる。この為、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）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２２の変形量と各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）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。従って、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）の圧力値の差分から外力の方向と大きさを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
【００６２】
この構成によれば、複数の圧力センサー１２が互いに直交する二方向に行列状に配置されているので、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１２で検出された圧力値の差分から外力の方向と大きさを演算する事が容易となる。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（１２）及びＳ４（１２）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（１２）及びＳ３（１２）の組み合わせとを区分けして選出しやすくなる。従って、外力を効率よく検出する事ができる。
【００６３】
この構成によれば、複数の弾性体突起２２が互いに離間して配置されているので、弾性体突起２２が弾性変形した時の第二基板本体２１の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。例えば、一方の弾性体突起２２が変形した時に他方の弾性体突起２２に変形の影響を及ぼす事を抑制する事ができる。この為、複数の弾性体突起２２が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力を正確に各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）に伝達する事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００６４】
尚、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。
【００６５】
（実施形態２）
図８は、図２に対応した、本発明の実施形態２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が互いに直交する二方向に少なくとも縦４行横４列に配置されている点で、上述の実施形態１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。尚、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に示す様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良い。
【００６６】
図８に示す様に、検出装置２は、基準点Ｐの回りに複数配置された圧力センサー１１２、を有する第一基板１１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が第一基板１１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が形成された第二基板２０と、を備えている。
【００６７】
複数の圧力センサー１１２は、互いに直交する二方向（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。
【００６８】
図９（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に対応した、実施形態２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９（ａ）〜（ｃ）に対応した、実施形態２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。尚、図９（ａ）及び図１０（ａ）は第二基板２０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９（ｂ）及び図１０（ｂ）は第二基板２０の表面に垂直方向の外力が付加された状態を示している。図９（ｃ）及び図１０（ｃ）は第二基板２０の表面に斜め方向の外力が付加された状態を示している。また、図１０（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。
【００６９】
図９（ａ）及び図１０（ａ）に示す様に、第二基板２０の表面に外力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、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離は一定に保たれる。この時、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。この時の各圧力センサー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力の作用する方向や大きさが求められる。
【００７０】
図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示す様に、第二基板２０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。
【００７１】
図９（ｃ）及び図１０（ｃ）に示す様に、第二基板２０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。また、第二基板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。この時、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。
【００７２】
図１１は、図５に対応した、実施形態２に係るセンシング領域の座標系を示す図である。尚、図１１において、複数の圧力センサーＳｉ（１１２）（１００個）が行列状に配置されており、このうちの２５の圧力センサーＳｉ（１１２）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（１１２）を図示しているが、圧力センサーＳｉ（１１２）の配置数はこれに限らず任意に変更する事ができる。
【００７３】
図１１に示す様に、複数の圧力センサーＳｉ（１１２）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（１１２）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（１１２）との間の距離の面内方向成分をｒｉ（ｉ＝１〜１００）とする。また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒｘｉ（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒｙｉ（ｉ＝１〜１００）とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力）は以下の式（４）で表される。
【００７４】
【数４】
2013108754.tif 000006
【００７５】
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）は以下の式（５）で表される。
【００７６】
【数５】
2013108754.tif 000007
【００７７】
尚、式（４）及び式（５）のｇは検出装置２に固有な比例定数で力／長さの単位を有する。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。式（６）のＡは、一つの圧力センサー１１２の面積である。
【００７８】
【数６】
2013108754.tif 000008
【００７９】
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Ｆｚに関しては式（６）を用い、滑り力に関しては式（４）及び式（５）を用いる。滑り力の検出に関しては、次の手順を踏む。まず、検出面上で第一軸（例えばＸ軸）と第二軸（例えばＹ軸）とを定める。第一軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各圧力センサー１１２で検出された圧力値を距離の第一軸成分で重み付けし、これら重み付けされた圧力値（第一モーメントと称する）の総和を用いて所定の演算する事で求める。同様に、第二軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各圧力センサー１１２で検出された圧力値を距離の第二軸成分で重み付けし、これら重み付けされた圧力値（第二モーメントと称する）の総和を用いて所定の演算する事で求める。所定の演算の一例としては、重み付けされた圧力値の総和を、総ての圧力センサー１１２で検出された圧力値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
【００８０】
式（４）に示す様に、第一軸をＸ軸とし、外力のＸ方向成分Ｆｘを求めるには、１００個の圧力センサーＳｉ（１１２）で検出された圧力値を用いて１００個の第一モーメントを求め、これを総ての圧力センサー１１２で検出された圧力値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
【００８１】
同様に、式（５）に示す様に、第二軸をＹ軸とし、外力のＹ方向成分Ｆｙを求めるには、１００個の圧力センサーＳｉ（１１２）の圧力値を用いて１００個の第二モーメントを求め、これを総ての圧力センサー１１２で検出された圧力値の総和にて除し、検出装置２に固有な比例定数ｇを乗ずる。
【００８２】
式（６）に示す様に、外力のＺ方向成分Ｆｚを求めるには、１００個の圧力センサーＳｉ（１１２）で検出された圧力値を足し合わせ、これに一つの圧力センサー１１２の面積Ａを乗ずる。但し、外力のＺ方向成分Ｆｚは、外力のＸ方向成分Ｆｘ及び外力のＹ方向成分Ｆｙに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。この為、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。
【００８３】
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が互いに直交する二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。この為、多数の圧力センサー１１２で検出された圧力値に基づいて、外力の作用する方向と大きさとをより正確に求める事ができる。
【００８４】
（実施形態３）
図１２は、図８に対応した、本発明の実施形態３に係る検出装置３の概略構成を示す分解斜視図である。尚、図１２において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起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を示している。本実施形態の検出装置３は、第二基板２０の表面に第二基板本体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、上述の実施形態２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。
【００８５】
図１２に示す様に、検出装置３は、基準点Ｐの回りに複数配置された圧力センサー１１２、を有する第一基板１１０と、基準点Ｐに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が第一基板１１０に当接した状態で弾性変形する弾性体突起２２、が形成された第二基板２０と、第二基板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。
【００８６】
補強部材５１は、矩形板状となっており、平面視において第二基板本体２１と同じサイズに形成されている。この補強部材５１は、第二基板本体２１よりも高い剛性を有している。例えば、第二基板本体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）を用いたりする事ができる。この為、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、外力を正確に検出する事ができる。
【００８７】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、図９（ａ）〜（ｃ）に対応した、実施形態３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。尚、図１３（ａ）は第二基板２０の表面（補強部材５１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１３（ｂ）は第二基板２０の表面に垂直方向の外力が付加された状態を示している。図１３（ｃ）は第二基板２０の表面に斜め方向の外力が付加された状態を示している。図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。
【００８８】
図１３（ａ）に示す様に、第二基板２０の表面に外力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、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離は一定に保たれる。この時の各圧力センサー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力の作用する方向や大きさが求められる。
【００８９】
図１３（ｂ）に示す様に、第二基板２０の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板１１０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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサー１１２で検出された圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。
【００９０】
また、外力は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。本実施形態では第二基板２０の表面に第二基板本体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つの隣り合う弾性体突起２２は互いに垂直方向に圧縮変形する事となる。この様に、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事を抑制する事ができる。
【００９１】
図１３（ｃ）に示す様に、第二基板２０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起２２は先端部が第一基板１１０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、第二基板２０が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１０と第二基板２０との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。また、第二基板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。この時、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。
【００９２】
また、外力は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。本実施形態では第二基板２０の表面に第二基板本体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つの隣り合う弾性体突起２２は互いに斜め方向に圧縮変形する事となる。この様に、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事を抑制する事ができる。
【００９３】
本実施形態の検出装置３によれば、第二基板２０の弾性体突起２２が形成された側と反対の側に第二基板本体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、外力の方向を高い精度で検出する事ができる。例えば、外力が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、補強部材が無い時に比べて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事を抑制する事ができる。つまり、外力の加えられた方向と反対の方向を検出するといった誤検出を抑制する事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００９４】
尚、本実施形態においては、補強部材５１が第二基板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、第二基板本体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良い。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事ができる。
【００９５】
尚、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事が可能である。変形例を以下に述べる。
【００９６】
（変形例１）
図１４は変形例１における第二電極配線の平面形状を説明した図である。以下、図１４を用いて変形例１を説明する。実施形態１では、列線に沿って隣り合う圧力センサー１２の間で、第二電極配線２１２は３箇所の屈曲点を有していたが、屈曲点又は湾曲する箇所の個数はこれに限られず、１つ以上あれば良い。図１４では、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）とｉ＋１行目の第一電極配線２１１（ｉ＋１−ｔｈ  ｒｏｗ）とに、ｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿ってｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）が設けられている部位が示されている。第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、７箇所の屈曲点を有している。その内の２箇所の屈曲点は、第二電極配線２１２が第一電極配線２１１とほぼ垂直に交差し、圧力センサー１２の平面視における形状を直角四角形とするためである。
【００９７】
本変形例に示す様に、圧力センサー１２の外の領域に屈曲又は湾曲する箇所を複数個有すると、屈曲又は湾曲する箇所が多くなるので、一つの圧力センサー１２に加えられた力が第二電極配線２１２を経由して隣の圧力センサー１２に伝播する事をより確実に抑制できる。即ち、第二電極配線２１２に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより確実に抑制できる。
【００９８】
（変形例２）
図１５は変形例２における第二電極配線の平面形状を説明した図である。以下、図１５を用いて変形例２を説明する。実施形態１では、列線に沿って隣り合う圧力センサー１２の間で、第二電極配線２１２は３箇所の屈曲点を有していたが、屈曲点又は湾曲する箇所の個数はこれに限られず、１つ以上あれば良い。図１５では、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）とｉ＋１行目の第一電極配線２１１（ｉ＋１−ｔｈ  ｒｏｗ）とに、ｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿ってｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）が設けられている部位が示されている。図１５（ａ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、２箇所の屈曲点と１箇所の湾曲する箇所とを有している。２箇所の屈曲点は、第二電極配線２１２が第一電極配線２１１とほぼ垂直に交差し、圧力センサー１２の平面視における形状を直角四角形とするためである。又、図１５（ｂ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、２箇所の屈曲点と２箇所の湾曲する箇所とを有している。湾曲する箇所の数は、１箇所以上有れば、何カ所設けられても良い。
【００９９】
本変形例に示す様に、圧力センサー１２の外の領域に屈曲又は湾曲する箇所を複数個有すると、屈曲又は湾曲する箇所が多くなるので、一つの圧力センサー１２に加えられた力が第二電極配線２１２を経由して隣の圧力センサー１２に伝播する事をより確実に抑制できる。即ち、第二電極配線２１２に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより確実に抑制できる。
【０１００】
（変形例３）
図１６は変形例３における第二電極配線の平面形状を説明した図である。以下、図１６を用いて変形例３を説明する。実施形態１では、列線に沿って隣り合う圧力センサー１２の間で、第二電極配線２１２は３箇所の屈曲点を有していたが、屈曲点又は湾曲する箇所の個数はこれに限られず、１つ以上あれば良い。図１６では、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）とｉ＋１行目の第一電極配線２１１（ｉ＋１−ｔｈ  ｒｏｗ）とに、ｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿ってｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）が設けられている部位が示されている。図１６（ａ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、４箇所の屈曲点を有している。その内の２箇所の屈曲点は、第二電極配線２１２が第一電極配線２１１とほぼ垂直に交差し、圧力センサー１２の平面視における形状を直角四角形とするためである。各屈曲点にて第二電極配線２１２はほぼ直角に曲がっている。又、図１６（ｂ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、１２箇所の屈曲点を有しており、矢張り各屈曲点にてほぼ直角に曲がっている。屈曲する箇所の数は、１箇所以上有れば、何カ所設けられても良い。
【０１０１】
本変形例に示す様に、圧力センサー１２の外の領域に屈曲又は湾曲する箇所を複数個有すると、屈曲又は湾曲する箇所が多くなるので、一つの圧力センサー１２に加えられた力が第二電極配線２１２を経由して隣の圧力センサー１２に伝播する事をより確実に抑制できる。即ち、第二電極配線２１２に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより確実に抑制できる。
【０１０２】
（変形例４）
図１７は変形例４における第二電極配線の平面形状を説明した図である。以下、図１７を用いて変形例４を説明する。実施形態１では、列線に沿って隣り合う圧力センサー１２の間で、第二電極配線２１２は３箇所の屈曲点を有しており、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とはほぼ直交していた。屈曲点又は湾曲する箇所の個数はこれに限られず、１つ以上あれば良く、又、交点において、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とが斜めに交差しても良い。図１７では、ｉ行目の第一電極配線２１１（ｉ−ｔｈ  ｒｏｗ）とｉ＋１行目の第一電極配線２１１（ｉ＋１−ｔｈ  ｒｏｗ）とｉ＋２行目の第一電極配線２１１（ｉ＋２−ｔｈ  ｒｏｗ）とに、ｊ列目の列線（ｊ−ｔｈ  ＣＬ）に沿ってｊ列目の第二電極配線２１２（ｊ−ｔｈ  ｃｏｌｕｍｎ）が設けられている部位が示されている。図１７（ａ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、１箇所の屈曲点を有し、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とが斜めに交差している。又、図１７（ｂ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、１箇所の湾曲する箇所を有し、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とが斜めに交差している。更に、図１７（ｃ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、１箇所の湾曲する箇所を有し、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２と交点で屈曲点をなしている。又、図１７（ｄ）では、第二電極配線２１２は隣り合う二本の行線の間で、１箇所の湾曲する箇所を有し、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とが斜めに交差しており、交差の角度が９０°に近くなっている。これらの例が示す様に、屈曲点や湾曲点の形状や、それらの位置は任意に設定する事ができる。
【０１０３】
一般に屈曲又は湾曲する箇所では第二電極配線２１２の幅が変動する恐れがある。本変形例に示す様に、圧力センサーが設けられる交点近傍で第二電極配線２１２を直線又は緩やかに湾曲した状態とすると、交点近傍における第二電極配線２１２の幅の変動を極めて小さくできる。即ち、圧力センサーの検出面積がセンサー間で変動する可能性を著しく低くする事ができ、複数個の圧力センサーの感度を均一に揃える事ができる。
【０１０４】
（電子機器）
図１８は、上記実施形態に係る検出装置１〜３又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた検出装置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。携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びスクロールボタン１００２、並びに表示部としての検出装置を適用した液晶パネル１００１を備えている。スクロールボタン１００２を操作する事によって、液晶パネル１００１に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンを指で触れると電話帳が表示されたり、携帯電話機の電話番号が表示されたりする。
【０１０５】
図１９は、上記実施形態に係る検出装置１〜３又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた検出装置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。携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２及び電源スイッチ２００３、並びに表示部としての検出装置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。
【０１０６】
このような電子機器によれば、上述した検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な電子機器を提供する事ができる。
【０１０７】
尚、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事ができる。
【０１０８】
（ロボット）
図２０は、上記実施形態に係る検出装置１〜３又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた検出装置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２０（ａ）に示す様に、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。
【０１０９】
図２０（ｂ）に示す様に、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。この時、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（滑り力の成分）を検出する事が可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたり滑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事ができる。
【０１１０】
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、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能なロボットを提供する事ができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１…検出装置、２…検出装置、３…検出装置、１０…第一基板、１１…第一基板本体、１２…圧力センサー、１３…対向基板、１４…感圧材料、２０…第二基板、２１…第二基板本体、２２…弾性体突起、５１…補強部材、１１０…第一基板、１１２…圧力センサー、２１１…第一電極配線、２１２…第二電極配線、１０００…携帯電話機、２０００…携帯情報端末、３０００…ロボットハンド、３００１…把持部、３０１０…対象物。
【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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