(57)【要約】【課題】外力を高い精度で検出する検出装置を提供する事。【解決手段】外力を検出する検出装置１は、基準点Ｐの周りに圧力センサー１２を複数個配置した第一基板１０と、突起２２を有する第二基板２０と、を備える。第一基板１０は可撓性を有する。突起は２２、基準点Ｐと重なる位置に重心Ｇが位置し、先端部が圧力センサー１２に当接する様に配置されている。第一基板１０が外力に応じて変形するので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する検出装置１を提供する事ができる。【選択図】図１
2013113760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を検出する検出装置であって、
基準点の周りに圧力センサーを複数個配置した第一基板と、
突起を有する第二基板と、を備え、
前記第一基板は可撓性を有し、
前記突起は、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２】
前記外力が作用する面は、前記第一基板に設けられている事を特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記突起は、硬質体で形成されている事を特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記第一基板と前記第二基板とは、弾性体を介して接続されてい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検出装置。
【請求項５】
前記圧力センサーは、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１乃至４のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項６】
前記圧力センサーは、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５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記圧力センサーは、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６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記突起は前記第二基板に複数個形成されており、
前記突起は、互いに離間して配置されている事を特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
前記圧力センサーで検出された圧力値と、前記基準点に対する前記圧力センサーの位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、
前記値を用いて所定の演算を行う演算装置を備える事を特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９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１１】
筐体を備え、前記第二基板は前記筐体の一部をなしている事を特徴とする請求項１０に記載の電子機器。
【請求項１２】
請求項１乃至９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。
【請求項１３】
把持部を備え、前記第二基板は前記把持部の一部をなしている事を特徴とする請求項１２に記載のロボット。
【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。
【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２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１及び２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。
更に、特許文献１の検出装置では錘状突起が壊れ易く、特許文献２の検出装置では柱状突起が壊れ易かった。即ち、従来の検出装置では突起が破壊され易く、検出装置の寿命が短く、耐久性が低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）  本適用例に係わる検出装置は、外力を検出する検出装置であって、基準点の周りに圧力センサーを複数個配置した第一基板と、突起を有する第二基板と、を備え、第一基板は可撓性を有し、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、突起に当接する第一基板（複数の圧力センサー）が、外力に応じて変位したり変形したりする事が可能であるので、特許文献１や特許文献２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。具体的には、外力の作用方向に突起が存在する圧力センサーでは、強い圧力値が検出され、外力の作用方向に突起が存在しない圧力センサーでは、弱い圧力値が検出される。この結果、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出され、これらの検出値から滑り力（第一基板に平行に作用する外力の成分）を含む外力の大きさと方向とを高精度に計測する事ができる。
【０００７】
（適用例２）  上記適用例に係わる検出装置において、外力が作用する面は、第一基板に設けられている事が好ましい。
この構成によれば、第一基板をなす一面から外力が加えられるので、突起を有する第二基板を固定させ、第一基板の変位や変形から外力を計測する事ができる。
【０００８】
（適用例３）  上記適用例に係わる検出装置において、突起は硬質体で形成される事が好ましい。
この構成によれば、突起を丈夫な硬質体としているので、検出装置に外力が加えられても突起の変形や変位は非常に小さく、その為に外力を正確に計測する事ができる。又、検出装置の使用途上で突起が破損される可能性を低くできる。従って、検出装置の耐久性を高め、その寿命を延ばす事ができる。
【０００９】
（適用例４）  上記適用例に係わる検出装置において、第一基板と第二基板とは、弾性体を介して接続されている事が好ましい。
この構成によれば、外力の作用に応じて第一基板の変位や変形が容易となるので、検出感度を高める事ができる。
【００１０】
（適用例５）  上記適用例に係わる検出装置において、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、基準点から各圧力センサーへの距離が、点対称の関係にある圧力センサー同士で等しくなるので、第一基板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、点対称の関係にある圧力センサー同士で等しくなる。これがもし、圧力センサーが基準点からそれぞれに異なる距離に配置されていると、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皆異なった値となる。この為、検出値を用いて各種の演算する際に、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。一方、この構成によれば、第一基板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、点対称の関係にある圧力センサー同士で等しくなるので、これらの圧力センサー同士では補正係数が不要となる。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。
【００１１】
（適用例６）  上記適用例に係わる検出装置において、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、外力が作用する第一基板の一面に対して、行方向又は列方向をＸ軸又はＹ軸と定義でき、外力のＸ軸成分とＹ軸成分とを分離して計測する事が容易にできる。即ち、滑り力を面内の二方向成分に分解する事が容易となる。
【００１２】
（適用例７）  上記適用例に係わる検出装置において、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ので、多数の圧力センサーで検出される多くの圧力値に基づいて、外力の作用する方向と大きさとを求める事ができる。即ち、外力を高い精度で検出する事ができる。
【００１３】
（適用例８）  上記適用例に係わる検出装置において、突起は第二基板に複数個形成されており、突起は、互いに離間して配置されている事が好ましい。
検出装置では、複数の圧力センサーに対して一つの突起を以て単位検出領域としている。従って、この構成によれば、検出装置が複数個の単位検出領域を有している場合に、単位検出領域同士を互いに離間して配置する事ができる。従って、第一基板が弾性変形した際に、第一基板の一面に平行な方向への第一基板の変形量を或る程度許容する事ができる。即ち、第一の突起に対応する圧力センサーが、第一基板の変形の結果、第一の突起の隣に位置する第二の突起に当接して誤動作する事態を抑制できる。この為、複数の突起が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力をより正確に検出する事ができる。
【００１４】
（適用例９）  上記適用例に係わる検出装置において、圧力センサーで検出された圧力値と、基準点に対する圧力センサーの位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、値を用いて所定の演算を行う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装置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。
【００１５】
（適用例１０）  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と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。
【００１６】
（適用例１１）  上記適用例に係わる電子機器において、筐体を備え、第二基板は筐体の一部をなしている事が好ましい。
この構成によれば、電子機器の製造が容易となると共に、検出装置が故障した際に第一基板を取り替えるだけで、容易に検出装置の故障を修理する事ができる。
【００１７】
（適用例１２）  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と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。
【００１８】
（適用例１３）  上記適用例に係わるロボットにおいて、把持部を備え、第二基板は把持部の一部をなしている事が好ましい。
この構成によれば、ロボットの製造が容易となると共に、検出装置が故障した際に第一基板を取り替えるだけで、容易に検出装置の故障を修理する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係わる検出装置の概略構成を示す図。
【図２】実施形態１に係わる第一基板の概略構成を示す図。
【図３】単位検出領域に作用する外力を検出する方法を説明する図。
【図４】実施形態１に係わる単位検出領域Ｓの座標系を示す図。
【図５】実施形態１に係わる圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図。
【図６】実施形態１に係わる圧力センサーによる滑り方向の計算例を示す図。
【図７】実施形態２に係わる検出装置の概略構成を示す図。
【図８】実施形態２に係わる単位検出領域の座標系を示す図。
【図９】変形例１に係わる第一基板の概略構成を示す図。
【図１０】携帯電話機の概略構成を示す模式図。
【図１１】携帯情報端末の概略構成を示す模式図。
【図１２】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】
【００２０】
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にて任意に変更可能である。又、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。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、外力が作用していない状態で、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（ａ）の第一基板本体１１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。尚、外力が検出面に作用した場合、第一基板１０は変位や変形を起こすが、ＸＹＺ直交座標系はここに記述した方向と変わらず、不変である。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係わる検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。検出装置１は外力を検出し、図１（ａ）に示す様に、第一基板１０と第二基板２０と弾性体３０とを備えている。前述の如く、第一基板１０の表面が検出面となっており、検出面に作用した外力が、検出装置１に依って検出される。尚、第一基板１０も第二基板２０も基板の一面を表面と称し、表面に反対の他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（ａ）の上向き）に面する方を表面と称し、Ｚ軸の負の方向（図１（ａ）の下向き）に面する方を裏面と称する。
【００２２】
第一基板１０には基準点Ｐが定められ、基準点Ｐの周りに圧力センサー１２が複数個配置されている。第一基板１０は第一基板本体１１と圧力センサー１２とを含み、圧力センサー１２は薄膜状又は薄板状で第一基板本体１１の裏面に設けられている。一方、第二基板２０は第二基板本体２１と突起２２とを含み、突起２２は第二基板本体２１の表面に設けられている。突起２２は、第二基板本体２１の表面（底部）にてその幅（平面視で突起形状が円形の場合には直径）がもっとも広く、先端部に近づく程幅が狭くなっている。先端部における突起２２の接平面は第一基板１０にほぼ平行で、突起２２の先端部は圧力センサー１２に当接している。突起２２の重心Ｇは基準点Ｐに重なっている。即ち、重心Ｇの（Ｘ、Ｙ）座標と基準点Ｐの（Ｘ、Ｙ）座標とはほぼ等しい。換言すると、基準点Ｐとは、第一基板１０が変形や変位をしていない時に、突起２２の中心と一致する場所である。第一基板１０と第二基板２０とは、両基板の外周部に配置された弾性体３０を介して結合されている。
【００２３】
図１（ｂ）に示す様に、検出装置１には１個以上の突起２２が設けられ、各突起２２に対応して単位検出領域Ｓが定められる。一台の検出装置１に設けられる単位検出領域Ｓの数は１個でも良いが、複数個設けた方が外力の大きさと方向とを検出する感度が向上する。本実施形態では、一台の検出装置１に４個の突起２２が設けられており、４個の単位検出領域Ｓが存在する。尚、一つの単位検出領域Ｓに一つの突起２２が対応していれば良く、一台の検出装置１に設けられる突起２２の数と単位検出領域Ｓの数とは異なっていても良い。即ち、一台の検出装置１に設けられる突起２２の数が単位検出領域Ｓの数よりも多くても良い。
【００２４】
単位検出領域Ｓの中心に重心Ｇが定められ、外力が加えられない状態でこの重心Ｇに平面視で一致する様に基準点Ｐが定められる。基準点Ｐの回りには圧力センサー１２が複数個配置されている。１個の単位検出領域Ｓに配置される圧力センサー１２の数は２個以上が好ましい。圧力センサー１２の数が２個で有れば、これら２個の圧力センサー１２を結ぶ直線方向の滑り力を検出できる。圧力センサー１２の数が３個で有れば、滑り力をＸ成分とＹ成分とに分離できる。図１（ｂ）に示される様に、圧力センサー１２の数が４個で有れば、滑り力のＸ成分とＹ成分との分離が容易となる。これらに関しては後に詳述する。
【００２５】
圧力センサー１２は、基準点Ｐに対して点対称になる様に複数個が配置されている。図１（ｂ）では圧力センサー１２が、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。具体的には、圧力センサー１２は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行横２列に合計４個配置されて、４個の圧力センサー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。これにより、基準点Ｐから各圧力センサー１２への距離が、４個の圧力センサー１２で総て等しくなるので、第一基板１０の変形量と各圧力センサー１２で検出される圧力値との関係が、４個の圧力センサー１２で皆等しくなる。従って、各圧力センサー１２で検出された圧力値から外力の方向と大きさと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。尚、検出された圧力値を用いた演算方法については後述する。
【００２６】
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。単位検出領域Ｓ内で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。
【００２７】
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突起２２と、を具備して構成されている。第二基板本体２１は、検出装置１の全体を支える部分であり、丈夫な硬質体で形成される事が好ましい。又、突起２２も丈夫な硬質体で形成される事が好ましい。こうする事で突起２２の耐久性を高め、検出装置１の製品寿命を長くできるからである。第二基板本体２１や突起２２に用いられる硬質体としては、じん性に優れた強固なプラスチックや金属等の材料が用いられ、突起２２が高い耐衝撃性と耐久性とを備える様にする。本実施形態では、第二基板本体２１及び突起２２の形成材料として、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルとブタジエン、及びスチレンの共重合合成樹脂）が用いられ、第二基板本体２１及び突起２２を、金型を用いて一体形成してある。尚、硬質体とは、外力が作用しても、外力の検出に影響する様な変形や変位を殆ど生じない材質で、第一基板本体１１よりも硬い物体である。
【００２８】
突起２２のサイズは任意に設定する事ができるが、複数の突起２２は、互いに離間して配置される。この為、第一基板１０が変位や変形を生じた時に、ＸＹ平面に平行な方向の変形を許容する事ができる。尚、ここでは、突起２２の基部の径（突起２２が第二基板２０に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。突起２２の高さ（突起２２のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。隣り合う突起２２の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。
【００２９】
更に、検出装置１は、不図示の演算装置を備えている。演算装置は、各圧力センサー１２で検出された圧力値と、基準点Ｐに対するその圧力センサー１２の位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、その関数にて計算された値を用いて所定の演算を行って、外力の大きさと方向とを特定する。
【００３０】
図２は、実施形態１に係わる第一基板の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。次に図２を参照して、第一基板１０を説明する。図２（ａ）に示す様に、第一基板１０は第一基板本体１１と対向基板１３と感圧材料１４とを備える。本実施形態では、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の裏面と対向基板１３の表面とで挟持され、第一基板本体１１の表面が検出面である。検出装置はこの検出面に加えられた力を検出する。又、対向基板１３の裏面には突起２２が当接する。尚、第一基板１０としては、上述の構造を反対にしても良い。即ち、感圧材料１４を対向基板１３の裏面と第一基板本体１１の表面とで挟持し、対向基板１３の表面を検出面とし、第一基板本体１１の裏面に突起２２が当接する様に配置しても良い。
【００３１】
第一基板１０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の裏面に形成され、第二電極配線２１２は対向基板１３の表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。圧力センサー１２は第一電極配線２１１と第二電極配線２１２と感圧材料１４とを含んで構成され、本実施形態では感圧抵抗方式となっている。一方、平面視においては、図２（ｂ）に示される様に、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とは、帯状で、互いに交差される様に配置される。第一電極配線２１１と第二電極配線２１２との交点に形成された四角の重なり部が一つの圧力センサー１２となる。圧力センサー１２は、検出面に外力が作用した時に外力を電気信号に変換する。但し、圧力センサー１２の方式については特に限定される事なく、この他に例えば、静電容量方式等を用いる事ができる。
【００３２】
第一基板本体１１と対向基板１３は可撓性物質から成り、感圧材料１４も可撓性を有する弾性物質であるので、第一基板１０は可撓性を有する。第一基板本体１１と対向基板１３はポリイミドフィルムやポリエステルフィルムなどの各種プラスチックフィルムが用いられる。感圧材料１４は、可撓性を有する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、圧力センサー１２は静電容量方式となる。
【００３３】
検出装置１では電気的な機能素子（圧力センサー１２）や回路（圧力センサー１２を結ぶ配線や圧力センサー１２の選択回路等）が第一基板１０に形成されており、第二基板２０は硬質な突起２２を備えているだけで、機能素子などは設けられていない。通常、検出装置１の故障はこうした機能素子や回路に生ずる。従って、検出装置１が故障した際には、第一基板１０の交換で故障を直す事が可能となり、低コストで検出装置１を修理する事ができる。
【００３４】
図３は、単位検出領域Ｓに作用する外力の方向と大きさとを検出する方法を説明する図である。図３（ａ）は第一基板１０の表面に外力が付加される前の状態（外力の作用がない時）を示している。図３（ｂ）は第一基板１０の表面に垂直方向（滑り力がない状態）の外力Ｆが付加された状態を示している。図３（ｃ）は第一基板１０の表面に斜め方向（滑り力がある状態）の外力Ｆが付加された状態を示している。尚、説明を判り易くする為に、４個の圧力センサー１２の内で、圧力センサーＳ１（１２）と圧力センサーＳ２（１２）の２個を描いてある。
【００３５】
図３（ａ）に示す様に、第一基板１０の表面に外力が付加される前においては、第一基板１０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、基準点Ｐは突起２２の重心Ｇ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。
【００３６】
図３（ｂ）に示す様に、第一基板１０の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、複数の圧力センサー１２は突起２２の先端部に等しく押圧され、第一基板１０はＺ軸の負の方向に撓む。従って、この時の圧力センサー１２の圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。但し、その変化量は４個の圧力センサー１２で、皆、略同じ値となる。
【００３７】
図３（ｃ）に示す様に、第一基板１０の表面に斜め方向の外力が付加された時には、第一基板１０は変位や変形を起こす。この際に、圧力センサーＳ１（１２）の様に、突起２２に強く押圧された圧力センサー１２からは大きな圧力値が検出され、反対に圧力センサーＳ２（１２）の様に、突起２２に弱く押圧されたり、或いは押圧されなかったりする圧力センサー１２からは小さな圧力値が検出される。即ち、第一基板１０の変位や変形によって、各圧力センサー１２で異なる値の圧力値が検出される。そして、後述する演算方法に基づいて外力の大きさと方向とが求められる。
【００３８】
図４は、実施形態１に係わる単位検出領域Ｓの座標系を示す図である。図５は、実施形態１に係わる圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図である。図６は、実施形態１に係わ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。次に各圧力センサー１２にて計測された圧力値から外力の大きさと方向とを求める演算方法を説明する。
【００３９】
外力Ｆの大きさと方向とを求めるには、一つの圧力センサー１２で検出された圧力値と、基準点Ｐに対するその圧力センサー１２の位置と、を変数とする関数の値を計算すると共に、得られた値を用いて所定の演算を行う。図４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。
【００４０】
【数１】
2013113760.tif 000003
【００４１】
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。
【００４２】
【数２】
2013113760.tif 000004
【００４３】
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。
【００４４】
【数３】
2013113760.tif 000005
【００４５】
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、圧力値と圧力センサー１２の位置とを変数とする関数として、基準点Ｐ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））に関しては、＋１を検出された圧力値に乗じ、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））に関しては、−１を検出された圧力値に乗じ、これらの総和を取るものとする。次に、得られた数値（一軸差分と称する）を用いて所定の演算をする事で、第一軸に沿った滑り力の成分を求める。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Ｐ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））に関しては、＋１を検出された圧力値に乗じ、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））に関しては、−１を検出された圧力値に乗じ、これらの総和を取るものとする。次に、得られた数値（二軸差分と称する）を用いて所定の演算をする事で、第二軸に沿った滑り力の成分を求める。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、第一基板本体１１の材質として硬いものを用いたり、或いは突起２２の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。具体的には、第一基板１０の材質として硬いものを用いると、第一基板１０の変位や変形が生じにくくなり、外力の面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、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の検出値の感度と揃えるには、第一基板１０に用いられて居る各構成基材の材質や突起２２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。実際には、こうした影響を正しく補正する様に検出装置１に固有な比例定数ｆが定められる。
【００４９】
図５は、検出装置１を１５行１５列の行列状（合計２２５個）に並べて、タッチパッドとした例で、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５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１２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１２の出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。
【００５０】
図５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６は、外力を算出する一例を示している。図６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５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。
【００５１】
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（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。
【００５２】
本実施形態の検出装置１によれば、突起２２に当接する第一基板１０が、外力Ｆに応じて変位したり変形したりする事が可能であるので、特許文献１や特許文献２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。具体的には、外力の作用方向に突起２２が存在する圧力センサー１２では、強い圧力値が検出され、外力の作用方向に突起２２が存在しない圧力センサー１２では、弱い圧力値が検出される。この結果、各圧力センサー１２で異なる値の圧力値が検出され、これらの検出値から滑り力を含む外力の大きさと方向とを高精度に計測する事ができる。又、第一基板１０をなす一面から外力が加えられるので、突起２２を有する第二基板２０を固定させる事ができる。更に、突起を丈夫な硬質体としているので、計測精度が向上すると共に、検出装置の使用途上で突起が破損される可能性を低くでき、検出装置の耐久性を高め、その寿命を延ばす事ができる。
【００５３】
又、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、各圧力センサーＳ１（１２）〜Ｓ４（１２）の位置と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。
【００５４】
又、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から外力の方向と大きさを演算する事が容易となる。換言すれば、外力を効率よく検出する事ができる。
【００５５】
又、複数の突起２２が互いに離間して配置されているので、第一基板１０が変位や変形した時の検出面に平行な方向の変形を許容する事ができる。この結果、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
【００５６】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係わる検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。以下、本実施形態に係わる検出装置２について説明する。尚、実施形態１と同一の構成部位については、同一の符号を附し、重複する説明は省略する。
【００５７】
本実施形態の検出装置２は、複数の圧力センサー１２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。尚、図７においては、便宜上、複数の圧力センサー１２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８に示す様に複数の圧力センサー１２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。
【００５８】
図７（ａ）に示す様に、検出装置２は、基準点Ｐの回りに複数個配置された圧力センサー１２を有する第一基板１０と、先端部が第一基板１０に当接している突起２２が形成された第二基板２０と、を備えている。又、図７（ｂ）に示す様に、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１２の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっており、基準点Ｐの（Ｘ、Ｙ）座標は重心Ｇの（Ｘ、Ｙ）座標にほぼ一致している。
【００５９】
図８は、図４に対応した、実施形態２に係わる単位検出領域Ｓの座標系を示す図である。尚、図８において、複数の圧力センサーＳｉ（１２）（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（１２）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８においては、便宜上、１００個の圧力センサーＳｉ（１２）を図示しているが、圧力センサーＳｉ（１２）の配置数はこれに限らず任意に変更する事ができる。
【００６０】
図８に示す様に、複数の圧力センサーＳｉ（１２）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（１２）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（１２）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。
【００６１】
【数４】
2013113760.tif 000006
【００６２】
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。
【００６３】
【数５】
2013113760.tif 000007
【００６４】
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１２の面積である。
【００６５】
【数６】
2013113760.tif 000008
【００６６】
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１２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をする事で求める。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１２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をする事で求める。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（第一モーメントの総和や第二モーメントの総和）を、総ての圧力センサー１２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。
【００６７】
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（１２）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て和を取り、これを総ての圧力センサー１２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。
【００６８】
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（１２）の圧力値を用いて１００個の第二モーメントを求めて和を取り、これを総ての圧力センサー１２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。
【００６９】
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（１２）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１２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の検出値の感度と揃えるには、第一基板１０の材質や突起２２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。具体的には、こうした影響を正しく補正する様に検出装置２に固有な比例定数ｇが定められる。
【００７０】
本実施形態の検出装置２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１２の数が多くなる。この為、多数の圧力センサー１２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。
【００７１】
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。
【００７２】
（変形例１）
図９は、変形例１に係わる第一基板の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。次に図９を参照して、変形例１に係わる第一基板１０を説明する。図２に示す実施形態１では、対向基板１３が設けられていたが、これは必須ではなく、本変形例では対向基板１３を省いている。図９（ａ）に示す様に、第一基板１０は第一基板本体１１と感圧材料１４とを備える。感圧材料１４は第一基板本体１１の裏面に接着され、第一基板本体１１の表面が検出面である。突起２２は直に感圧材料１４に当接する。実施形態１と同様に、第一基板本体１１と感圧材料１４とは可撓性を有する物質であるので、第一基板１０は可撓性を有する。尚、第一基板１０としては、上述の構造を反対にしても良い。即ち、感圧材料１４を第一基板本体１１の表面に接着し、感圧材料１４の表面を検出面とし、第一基板本体１１の裏面に突起２２が当接する様に配置しても良い。
【００７３】
第一基板１０は第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とを備え、第一電極配線２１１も第二電極配線２１２も第一基板本体１１の裏面に形成される。従って、第一基板１０の水平方向（ＸＹ平面に平行な方向）に関する感圧材料１４の電気特性が検出される。一方、平面視においては、図９（ｂ）に示される様に、第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とは、帯状で、ほぼ平行となる様に配置される。第一電極配線２１１と第二電極配線２１２とに挟まれた四角形が一つの圧力センサー１２となる。本変形例では感圧材料１４として、感圧導電性弾性体が用いられているので、圧力センサー１２は、水平方向の電気抵抗Ｒを計測する。但し、圧力センサー１２の方式については特に限定される事なく、この他に例えば、静電容量方式等を用いる事ができる。検出感度を高めるには、隣り合う圧力センサー１２で、同極性となる電極配線が隣接するように配置するのが好ましい。即ち、第一電極配線２１１も第二電極配線２１２もＹ軸に平行なので、圧力センサーＳ１（１２）とＳ３（１２）では、圧力センサー１２の内で第一電極配線２１１が右側（Ｘ軸の正の側）に設けられ、第二電極配線２１２が左側（Ｘ軸の負の側）に設けられている。これに対して、圧力センサーＳ２（１２）とＳ４（１２）では、圧力センサー１２の内で第一電極配線２１１が左側（Ｘ軸の負の側）に設けられ、第二電極配線２１２が右側（Ｘ軸の正の側）に設けられている。尚、圧力センサー１２の数が増えた際には、第一電極配線２１１や第二電極配線２１２と、外部の演算装置とを結ぶ配線を圧力センサー１２間の隙間や第一基板本体１１の外周部に設ける事ができる。
【００７４】
本変形例に示す様に、対向基板１３は省略できるので、容易に第一基板１０を製造することが出来る。
【００７５】
（電子機器）
検出装置１乃至２は、検出面に加えられた外力の大きさと方向とを検出するタッチパッド等に使用され、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。この際に、電子機器は筐体を備え、第二基板２０は筐体の一部をなしている事が好ましい。即ち、筐体が第二基板本体２１を兼用しており、筐体に直に突起２２が設けられていても良い。こうする事で検出装置１乃至２が故障した際に、第一基板１０を交換する事で、容易に修理が完了するからである。
【００７６】
図１０は、上記実施形態に係わる検出装置１乃至２、又は、上記変形例に記述された第一基板１０を用いた検出装置１乃至２、を適用した携帯電話機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及びスクロール装置１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１、を備えている。検出装置１は平面状のスクロール装置１００２に用いられ、スクロール装置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にはメニューアイコン（図示略）が表示される。例えば、スクロール装置１００２を操作して、電話帳のメニューアイコンを選択すると、液晶パネル１００１に電話帳が表示されたりする。
【００７７】
図１１は、上記実施形態に係わる検出装置１乃至２、又は、上記変形例に記述された第一基板１０を用いた検出装置１乃至２、を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）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及びタッチパッド２００３、並びに表示部として液晶パネル２００１を備えている。検出装置１はタッチパッド２００３に用いられ、タッチパッド２００３を操作する事によって、液晶パネル１００１に表示されるポインターが移動されたり、或いはメニューが選択されたりする。例えば、タッチパッド２００３を介してポインターを住所録メニューアイコン（図示略）に移動させ、そこで選択動作を施す事に依り、住所録が表示される。
【００７８】
このような電子機器によれば、上述した検出装置１乃至２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電子機器を提供する事ができる。又、検出装置１乃至２が故障した際には、容易に修理を施す事ができる。
【００７９】
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、本発明に係わる検出装置１乃至２を適用させる事ができる。
【００８０】
（ロボット）
図１２は、上記実施形態に係わる検出装置１乃至２、又は、上記変形例に記述された第一基板１０を用いた検出装置１乃至２、を適用したロボットの概略構成を示す模式図である。図１２（ａ）に示す様に、ロボット３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに検出装置１乃至２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。ここで、第二基板２０が把持部３００１の一部をなしていても良い。即ち、把持部３００１が第二基板本体２１を兼用しており、把持部３００１に直に突起２２が設けられていても良い。こうする事で検出装置１乃至２が故障した際に、第一基板１０を交換する事で、容易に修理が完了するからである。
【００８１】
図１２（ｂ）に示す様に、ロボット３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合を考える。この時、対象物３０１０に作用する把持力は把持部３００１で圧力として検出される。ロボット３０００は、把持部３００１として上述した検出装置１乃至２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）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易い物体を落としたりしない様に、対象物３０１０の質感に応じて力を加減しながら把持する事ができる。
【００８２】
このロボットによれば、上述した検出装置１乃至２を備えているので、把持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】
【００８３】
１…検出装置、２…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…突起、３０…弾性体、２１１…第一電極配線、２１２…第二電極配線、１０００…携帯電話機、１００２…スクロール装置、２０００…携帯情報端末、２００３…タッチバッド、３０００…ロボット、３００１…把持部、３０１０…対象物。
【図１】
2013113760.tif 000009
【図２】
2013113760.tif 000010
【図３】
2013113760.tif 000011
【図４】
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【図５】
2013113760.tif 000013
【図６】
2013113760.tif 000014
【図７】
2013113760.tif 000015
【図８】
2013113760.tif 000016
【図９】
2013113760.tif 000017
【図１０】
2013113760.tif 000018
【図１１】
2013113760.tif 000019
【図１２】
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