回転検出装置、検出装置、電子機器及びロボット
【課題】回転力の方向と大きさを高感度で検出する事が可能な回転検出装置、電子機器及びロボットを提供する。
【解決手段】回転軸４に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置１００であって、第一基板１１には基準点Ｐの回りに圧力センサー２が複数個設けられ、第二基板１２には基準点Ｐと重なる位置、先端部が第一基板１１に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する弾性体突起３が設けられている。第一基板１１は回転軸４に対して固定されており、第二基板１２は回転軸４に対して回転可能である。第二基板１２に回転力が付加されると、弾性体突起３は圧縮変形し、複数の圧力センサー２で異なる値の圧力値が検出される。これらの圧力値に基づいて、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する。
【解決手段】回転軸４に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置１００であって、第一基板１１には基準点Ｐの回りに圧力センサー２が複数個設けられ、第二基板１２には基準点Ｐと重なる位置、先端部が第一基板１１に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する弾性体突起３が設けられている。第一基板１１は回転軸４に対して固定されており、第二基板１２は回転軸４に対して回転可能である。第二基板１２に回転力が付加されると、弾性体突起３は圧縮変形し、複数の圧力センサー２で異なる値の圧力値が検出される。これらの圧力値に基づいて、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転検出装置、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。特許文献１の検出装置は、裏面に錐状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。又、特許文献２の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。この様な検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の検出装置では、回転力の方向と大きさ、或いは回転力と並進力との方向と大きさ、を常に高い感度で且つ再現性良く検出する事ができないと云う課題があった。例えば、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（並進力）も回転力も測定する事ができなかった。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、回転力の方向と大きさとは検出できなかった。更に、突起の変形の度合い、特に時間的な変形保持（一度変形させると、しばらくの間、変形した突起が元の状態に戻らない事）によって、外力の検出精度が悪化していた。この様に、従来の検出装置では回転力などの力の方向と大きさとを常に高感度で且つ再現性良く検出できないと云う課題があった。
【０００５】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、回転力などの外力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出する事が可能な回転検出装置や、検出装置、電子機器及びロボットを提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又、は適用例として実現する事が可能である。
【０００７】
（適用例１） 本適用例に係わる回転検出装置は、回転軸に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置であって、第一基板と第二基板とを有し、第一基板の表面には、基準点の回りに圧力センサーが複数個設けられ、第二基板の裏面には、基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第一基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する弾性体突起が設けられ、第一基板と第二基板とは、回転軸に直交し、回転軸の回りに、第一基板と第二基板とは相対的に回転可能で、第二基板は所定の弾性力を有する弾性体からなる事を特徴とする。
この構成によれば、弾性体突起の先端部が第一基板の表面に設けられた複数の圧力センサーに当接した状態で、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。従って、外力の方向と大きさとを高精度に検出できる。第二基板の裏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、回転軸に垂直な平面に沿った力の成分があると、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回転軸に垂直な平面で僅かに移動する。すると、複数の圧力センサーで異なる値の圧力値が検出され得る。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。これらの圧力値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。第一基板と第二基板とは、回転軸に対して相対的に回転し得るので、検出された外力の方向と大きさとから、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【０００８】
（適用例２） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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加えられた外力の回転方向と大きさと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、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。更に、これらの外力の方向と大きさとから、演算装置により回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【０００９】
（適用例３） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、先の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とを演算する事が容易となり、これに伴い外から加えられた回転力の方向と大きさとを効率よく検出する事ができる。
【００１０】
（適用例４） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、互いに直交する二方向が規定する平面に沿って、外力の方向と大きさを容易に演算でき、それ故に外から加えられた回転力の方向と大きさとを容易に演算する事ができる。
【００１１】
（適用例５） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、４行４列との少ない行列構成で、外力の方向と大きさとを高精度に検出する事ができる。従って、回転力の方向と大きさとを高精度に検出する事ができる。
【００１２】
（適用例６） 上記適用例に係わる回転検出装置において、弾性体突起は第二基板の裏面に複数個形成されており、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、各弾性体突起が設けられた箇所毎に外力の方向と大きさとが検出される。従って、回転軸に垂直な平面内で、回転軸の回りに掛かる回転力の方向と大きさとを厳密に検出する事ができる。
【００１３】
（適用例７） 上記適用例に係わる回転検出装置において、第一基板と第二基板との間には、回転軸に沿って回転軸材が設けられ、回転軸材が弾性体からなる事が好ましい。
この構成によれば、回転軸材が回転軸の回りに弾性変形して回転し得る。従って、第二基板が回転軸材に固定されていても、第二基板は回転軸に対して回転可能で、回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【００１４】
（適用例８） 本適用例に係わる検出装置は、外力の方向と大きさ、及び外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第三基板とを備え、第三基板の表面には、第二基準点の回りに第二圧力センサーが複数個設けられ、第一基板の裏面には、第二基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第三基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する第二弾性体突起が設けられ、第一基板は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第三基板は、回転軸に直交すると共に、第一基板との相対位置を変え得る事を特徴とする。
この構成によれば、第二圧力センサーや第二弾性体突起などで、回転軸に垂直な平面に沿った並進力（滑り力）と、回転軸に沿った圧力とを検出し、同時に回転検出装置で回転軸の回りの回転力を検出する事ができる。
【００１５】
（適用例９） 本適用例に係わる検出装置は、外力の方向と大きさ、及び外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第四基板とを備え、第二基板の表面には、第三基準点の回りに第三圧力センサーが複数個設けられ、第四基板の裏面には、第三基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第二基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する第三弾性体突起が設けられ、第四基板は、回転軸に直交すると共に、第二基板との相対位置を変え得る事を特徴とする。
この構成によれば、第三圧力センサーや第三弾性体突起などで、回転軸に垂直な平面に沿った並進力（滑り力）と、回転軸に沿った圧力とを検出し、同時に回転検出装置で回転軸の回りの回転力を検出する事ができる。
【００１６】
（適用例１０） 本適用例に係わる電子機器は、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の回転検出装置を備えているので、外力がもたらす回転力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能な電子機器を提供する事ができる。
【００１７】
（適用例１１） 本適用例に係わるロボットは、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の回転検出装置を備えているので、外力がもたらす回転力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能なロボットを提供する事ができる。
【００１８】
（適用例１２） 本適用例に係わる電子機器は、上記適用例８又は９に記載の検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の検出装置を備えているので、外力の三次元成分と外力がもたらす回転力との方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能な電子機器を提供する事ができる。
【００１９】
（適用例１３） 本適用例に係わるロボットは、上記適用例８又は９に記載の検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の検出装置を備えているので、外力の三次元成分と外力がもたらす回転力との方向と大きさを常に高い感度と精度で検出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】
【００２０】
【図１】実施形態１に係る回転検出装置の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図２】回転検出装置が圧力を検出する原理を説明した図。
【図３】回転検出装置が並進力を検出する原理を説明した図。
【図４】回転検出装置が回転力を検出する原理を説明した図。
【図５】基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する断面図。
【図６】基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する平面図。
【図７】単位検出領域の座標系を示す図。
【図８】回転検出装置を適用した携帯電話機の概略構成を示す模式図。
【図９】回転検出装置を適用した携帯情報端末の概略構成を示す模式図。
【図１０】回転検出装置を適用したロボットハンドの概略構成を示す模式図。
【図１１】実施形態２に係る検出装置の構成を示す断面図。
【図１２】実施形態３に係るロボットハンドによる外力Ｆの検出原理を説明する図。
【図１３】変形例１に係る検出装置の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。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。又、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る回転検出装置の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。尚、図１中にＸＹＺ直交座標系を設定し、以降、必要に応じて、このＸＹＺ直交座標系を参照して各種の説明を行う。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が第一基板１１の辺部に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸がＸ軸及びＹ軸に対して直交する方向に設定されている。
【００２３】
本実施形態の回転検出装置１００は、回転軸４に対する外力Ｆの回転方向と大きさとを検出し、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たり、ロボットハンドに用いられたりする。回転検出装置１００に外力Ｆが加えられると、外力Ｆに応じて弾性体突起３は弾性変形する。この際に複数の圧力センサー２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２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Ｆが加えられた方向と大きさ、及び回転力を演算する。図１には示されていないが、回転検出装置１００はこうした演算を行う演算装置を備えているとともに、第一基板１１と第二基板１２と回転軸材４１とを備えている。第一基板１１と第二基板１２とは、回転軸材４１に対して、相対的に回転可能である。
【００２４】
第一基板１１は、例えばガラスや石英、プラスチック等の材料で構成された矩形板状で、その表面に複数の圧力センサー２を具備している。例えば、第一基板１１の大きさ（平面視のサイズ）は、縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ程度になっている。第一基板１１の表面には、基準点Ｐが複数個定められている。基準点Ｐとは、滑り力や回転力が作用していない状態で、弾性体突起３の中心（重心Ｇ）が平面的に位置するポイントである。本実施形態では図１（ｂ）に示される様に４個の基準点Ｐが定められている。
【００２５】
各基準点Ｐの回りには圧力センサー２が複数個行列状に設けられ、単位検出領域を形成している。各圧力センサー２の面積はほぼ等しい。図１（ｂ）では、一つの基準点Ｐの回りに圧力センサー２が４行４列に、合計１６個配置されている。基準点Ｐはこれら行列状に配置された圧力センサー２群の平面的な中心（単位検出領域の中心）に、ほぼ一致する様に定められる。複数の圧力センサー２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２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２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起３の変形と各圧力センサー２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２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー２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。
【００２６】
隣り合う圧力センサー２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２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。単位検出領域の大きさ（平面視のサイズ）は、縦５．６ｍｍ×横５．１６ｍｍ程度になっている。圧力センサー２としては、例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いる事ができる。圧力センサー２は、接触面に外力Ｆが作用した時にダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。
【００２７】
第二基板１２は矩形板状をなしており、第二基板１２の裏面には複数の弾性体突起３が配置されている。第二基板１２は外力Ｆを直接受ける部分である。第二基板１２は、例えばシリコーンゴムなどの弾性体を用いて構成されている。本実施形態では、第二基板１２と弾性体突起３とを接着剤により接着しているが、第二基板１２及び弾性体突起３を金型で一体形成してもよい。
【００２８】
第二基板１２の裏面には、弾性体突起３が複数個設けられている。複数の弾性体突起３は、基板本体上においてＸ方向及びＹ方向に行列状に配置され、各弾性体突起３の重心Ｇは、初期的に基準点Ｐと重なる位置に配置されている。即ち、各弾性体突起３は、平面視に於いて、先の基準点Ｐと重なる位置に重心Ｇが位置する様に設けられる。従って、第二基板１２の裏面に設けられた弾性体突起３の数と第一基板１１の表面に定められた基準点Ｐの数とは一致する。弾性体突起３の先端部は、球面の錐状となっており、回転検出装置１００に外力Ｆが掛けられない状態で、第一基板１１の表面に設けられた圧力センサー２に当接している。回転検出装置１００に外力Ｆが加えられた状態では、外力Ｆによって弾性体突起３は弾性変形する。又、複数の弾性体突起３は、互いに離間して配置されている。この為、弾性体突起３が弾性変形したときの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。
【００２９】
弾性体突起３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３の基部の径（弾性体突起３が第一基板１１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３の高さ（弾性体突起３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３の離間間隔は５．６ｍｍ程度になっている。弾性体突起３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。
【００３０】
図１（ｂ）に示す様に、平面視において、回転検出装置１００のほぼ中心に回転軸材４１が設けられ、回転軸材４１のＸＹ平面での中心が回転軸４となる。回転軸材４１は円柱状で、円の中心が回転軸４となり、円柱の一方の面（下面）が第一基板１１の表面に接合し、円柱の他方の面（上面）が第二基板１２の裏面に接している。図１（ａ）に示す様に、第一基板１１も第二基板１２も、回転検出装置１００に外力Ｆが掛けられない状態では回転軸４に直交している。即ち、第一基板１１と第二基板１２とはＸＹ平面に平行で、回転軸４はＺ軸に平行である。更に、第一基板１１は回転軸４に対して固定されており、従って回転軸材４１に対しても固定されている。又、第二基板１２は、回転軸４に対して回転可能となっている。本実施形態では、回転軸材４１は弾性体からなり、回転軸材４１と第二基板１２とは接合されている。この場合、回転軸材４１の弾性により、第二基板１２は回転軸４に対して回転可能となる。尚、回転軸材４１を剛体で形成してもよい。その場合、回転軸材４１の上部と第二基板１２の裏面との間にボールベアリングなどの回転可能な軸受けを設け、第二基板１２を回転軸４に対して回転可能とする。更に、第二基板１２は、所定の弾性力を有する弾性体からなる。第二基板１２の表面には表面弾性層５が設けられ、回転検出装置１００の表面での摩擦係数を大きくしている。尚、第一基板１１も第二基板１２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（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。
【００３１】
次に回転検出装置１００が外力Ｆ及び回転力を検出する原理を図２乃至４を参照して説明する。図２は回転検出装置が圧力を検出する原理を説明した図である。圧力とは対象平面の法線方向に働く単位面積当たりの力である。図２では第二基板１２の法線方向（Ｚ軸方向）に外力Ｆが加えられた状態が描かれている。この場合、弾性体突起３及び回転軸材４１が弾性変形し、弾性変形した弾性体突起３は圧力センサー２を押圧する。従って、各圧力センサー２が計測する力の和を取る事で外力ＦのＺ成分Ｆｚが検出される。尚、回転軸材４１が剛体である場合も第二基板１２が弾性体であるので、第二基板１２の弾性変形が弾性体突起３の弾性変形をもたらし、外力ＦのＺ成分Ｆｚを検出する事ができる。
【００３２】
図３は回転検出装置が並進力を検出する原理を説明した図である。並進力とは対象平面に平行な方向に働く力（滑り力）である。図３では回転検出装置１００（厳密には第一基板１１）に対して、斜めに外力Ｆが加えられた状態が描かれている。斜めに働く外力ＦはＸ成分ＦｘとＹ成分ＦｙとＺ成分Ｆｚとに分解される。外力ＦのＺ成分Ｆｚは先に説明した方法で検出される。回転検出装置１００に平行な方向（Ｘ軸方向やＹ軸方向）に関しては、弾性体突起３の変形具合から、外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙが検出される。第二基板１２の裏面に外力Ｆが付加されると、弾性体突起３は先端部が第一基板１１に当接した状態で圧縮変形する。この時、第一基板１１に沿った力の成分があると、弾性体突起３の変形には偏りが生じる。その結果、弾性体突起３の重心Ｇが基準点Ｐからずれてその平面方向で僅かに移動する。すると、複数の圧力センサー２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３の重心Ｇと重なる位置の圧力センサー２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３の重心Ｇと重ならない位置の圧力センサー２では相対的に小さい圧力値が検出される事となる。これらの圧力値に基づいて外力Ｆの方向と大きさ、即ちＦｘやＦｙを求める事ができる。
【００３３】
図４は回転検出装置が回転力を検出する原理を説明した図である。回転力とは対象平面に平行な方向に働く力で、回転軸４に対して回転する力である。図４では回転検出装置１００に対して、時計回りの外力Ｆ１〜Ｆ４が加えられた状態が描かれている。前述の如く、回転検出装置１００は回転軸４の回りに複数（４個）の基準点Ｐ（Ｐ１１〜Ｐ１４）を有し、各基準点Ｐで外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙを独立に検出できる。第一基板１１は回転軸４に対して固定され、第二基板１２が回転軸４の回りに回転し得るので、各基準点Ｐで検出されたＦｘやＦｙから、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。具体的には回転軸４の回りのトルクベクトル和（本実施形態の場合、Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＋Ｎ４）を検出する事ができる。トルクベクトル（例えばＮ１）とは、回転軸４から基準点Ｐ（例えばＰ１１）までの位置ベクトルｒ（例えばｒ１）と基準点Ｐ（例えばＰ１１）における外力Ｆベクトル（例えばＦ１）とのベクトル積（例えばＮ１＝ｒ１×Ｆ１）である。又、各基準点Ｐで外力Ｆの成分を独立に検出できるので、各基準点Ｐで検出された外力Ｆのベクトル和（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４）を取る事で並進力も容易に検出できる。この様に、回転検出装置１００は、回転軸４に平行な力（Ｆｚ）と回転軸４に直交する平面に沿った並進力（ＦｘとＦｙ）及び回転軸４の回りの回転力（トルク）とを検出できる。
【００３４】
次に、図５乃至６を参照して、各基準点Ｐで外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙを検出する方法を説明する。図５は、一つの基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する断面図である。又、図６は、図５に対応して、一つの基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する平面図である。尚、図５（ａ）及び図６（ａ）は第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前の状態（外力Ｆの作用がない時）を示している。図５（ｂ）及び図６（ｂ）は第二基板１２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５（ｃ）及び図６（ｃ）は第二基板１２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。又、図６（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３の重心Ｇ（圧力中心）を示している。更に、説明を分かり易くする為に圧力センサー２は基準点Ｐの回りの２行２列分を描いてある。
【００３５】
図５（ａ）及び図６（ａ）に示す様に、第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前においては、弾性体突起３は変形しない。これにより、第一基板１１と第二基板１２との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起３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２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２の圧力値を基準として外力Ｆの作用する方向や大きさが求められる。
【００３６】
図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す様に、第二基板１２の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２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１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆ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２の圧力値は、外力Ｆの作用がない時に比べて大きくなる。又、その変化量は各圧力センサー２ともほぼ同じ値となる。
【００３７】
図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示す様に、第二基板１２の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２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１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆの作用がない時に比べて小さくなる。この時、弾性体突起３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３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は、４つの圧力センサー２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。
【００３８】
弾性体突起３は、斜め方向の外力Ｆにより変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起３の重心Ｇは基準点Ｐからずれてすべり方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、各圧力センサー２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３の重心Ｇと重なる位置の圧力センサー２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３の重心Ｇと重ならない位置の圧力センサー２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Ｆが加えられた方向と大きさが求められる。
【００３９】
図７は、単位検出領域の座標系を示す図である。図７に示す様に、４個の圧力センサーＳ１〜Ｓ４は、基準点Ｐの回りに２行２列に配置されている。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ＦのＸ方向成分Ｆｘ（外力Ｆの面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式１で表される。
【００４０】
【数１】
【００４１】
又、外力ＦのＹ方向成分Ｆｙ（外力Ｆの面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式２で表される。
【００４２】
【数２】
【００４３】
又、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚ（外力Ｆの垂直方向成分）は以下の式３で表される。
【００４４】
【数３】
【００４５】
本実施形態では、外力Ｆによって弾性体突起３が弾性変形する事により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２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Ｆが加えられた方向が演算される。
【００４６】
式１に示す様に、外力Ｆ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共に、−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。この様に、＋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ＦのＸ方向成分が求められる。
【００４７】
式２に示す様に、外力Ｆ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共に、−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。この様に、＋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ＦのＹ方向成分が求められる。
【００４８】
式３に示す様に、外力Ｆ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ＦのＺ方向成分Ｆｚは、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力Ｆ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。例えば、弾性体突起３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Ｆ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３の材質として硬いものを用いると弾性体突起３が変形しにくくなり外力Ｆの面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、弾性体突起３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。この為、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力ＦのＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起３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。
【００４９】
本実施形態の回転検出装置１００によれば、回転軸４に平行な力（Ｆｚ）と回転軸４に直交する平面に沿った並進力（ＦｘとＦｙ）及び回転軸４の回りの回転力（トルク）とを検出する事ができる。
【００５０】
図８は、本実施形態に係る回転検出装置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及びコントロールパッド１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１を備えている。コントロールパッド１００２を操作する事によって、液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンにカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押す事で、電話帳が表示されたり、携帯電話機１０００の電話番号が表示されたりする。この時、上記実施形態に係る回転検出装置１００がコントロールパッド１００２に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させる事なく、指に加える力の方向を変えるだけで簡単にカーソルを移動する事ができる。
【００５１】
図９は、本実施形態に係る回転検出装置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及びコントロールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１を備えている。コントロールパッド２００３を操作すると、液晶パネル２００１に表示されたメニューを操作できる。例えば、メニュー（図示略）にカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド２００３を強く押す事で、住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。この時、上記実施形態に係る回転検出装置１００がコントロールパッド２００３に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させる事なく、指に加える力の方向を変えるだけでカーソルの移動やページをめくる事が簡単にできる。
【００５２】
この様な電子機器によれば、上述した回転検出装置１００を備えているので、回転力を含む外力Ｆ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。
【００５３】
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、本発明に係る回転検出装置１００を適用させる事ができる。
【００５４】
図１０は、本実施形態に係る回転検出装置を適用したロボットハンドの概略構成を示す模式図である。図１０（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、並びに回転検出装置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。
【００５５】
図１０（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として上述した回転検出装置１００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）や、対象物３０１０の重心Ｇの偏りなどに起因する回転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すべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じて力を加減しながら持つ事ができる。
【００５６】
このロボットによれば、上述した回転検出装置１００を備えているので、回転力を含む外力Ｆ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。
【００５７】
尚、圧力センサー２の方式は、ダイアフラムゲージの他に静電容量方式や抵抗膜方式等が利用でき、特定の圧力センサー２に限定されるものではない。更に、本実施形態においては、圧力センサー２が単位検出領域当たり縦４行横４列に計１６個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２は、単位検出領域当たり３個以上配置されていれば良く、単位検出領域当たりに設けられる圧力センサー２の別の構成例は、縦２行横２列の計４つである。又、本実施形態に於いては、回転軸４に対して第一基板１１が固定されており、第二基板１２が回転可能であったが、これとは逆に、回転軸４に対して第二基板１２が固定され、第一基板１１を回転可能としても良い。
【００５８】
（実施形態２）
図１１は、実施形態２に係る検出装置の構成を示す断面図である。検出装置２００は実施形態１にて詳述した回転検出装置１００に並進力を高感度で検出する構成を付加し、外力Ｆの方向と大きさ、及び外力Ｆの回転軸４に対する回転方向と大きさとを検出する。尚、本実施形態の第一圧力センサー２１が実施形態１の圧力センサー２に相当し、本実施形態の第一弾性体突起３１が実施形態１の弾性体突起３に相当し、本実施形態の第一弾性体突起３１の重心Ｇ１が実施形態１の弾性体突起３の重心Ｇに相当し、本実施形態の第一基準点Ｐ１が実施形態１の基準点Ｐに相当する。
【００５９】
図１１に示す様に、検出装置２００は、実施形態１にて詳述した回転検出装置１００と、更に第三基板１３とを備える。回転検出装置１００の第一基板１１裏面側に第三基板１３が設けられ、第三基板１３と第一基板１１とはほぼ平行の関係にある。即ち、第三基板１３は回転軸４に直交している。第三基板１３の表面には第二基準点Ｐ２が複数個設定され、各第二基準点Ｐ２の回りに第二圧力センサー２２が複数個設けられている。一方、第一基板１１の裏面には、第二基準点Ｐ２と重なる位置に重心Ｇ２が位置すると共に、先端部が第三基板１３の表面に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する第二弾性体突起３２が設けられている。第一基板１１は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第三基板１３は第一基板１１とのＸＹ平面に沿った相対位置を変え得る事ができる。即ち、回転軸４に直交する平面に沿って、第一基板１１は第三基板１３に対してその位置をずらす事ができる。第二弾性体突起３２と第二基準点Ｐ２、第二圧力センサー２２、第二弾性体突起３２の重心Ｇ２等の関係やこれらの構成は、実施形態１で詳述した弾性体突起３と基準点Ｐ、圧力センサー２、弾性体突起３の重心Ｇ等の関係やこれらの構成と同一である。
【００６０】
以上述べた様に、本実施形態に係わる検出装置２００によれば、第二圧力センサー２２や第二弾性体突起３２などで（第一基板１１の裏面と第三基板１３の表面及びこれら両基板で挟持された構成により）、回転軸４に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿った並進力（滑り力）と、回転軸４に沿った圧力とを高精度に検出する事が可能になる。実施形態１で詳述した回転検出装置１００でもこれらの検出は可能であったが、回転軸４が存在する為に或る程度の感度を犠牲にせざるを得なかった。本実施形態では、第一基板１１の裏面と第三基板１３の表面及びこれら両基板で挟持された構成要素により、並進力と圧力とを高精度に検出する事ができる。同時に回転検出装置１００で回転軸４の回りの回転力も高精度に検出できる。
【００６１】
（実施形態３）
図１２は、実施形態３に係るロボットハンドによる外力Ｆの検出原理を説明する図である。本実施形態のロボットは、実施形態１にて詳述したロボットハンド３０００の把持部３００１に、実施形態２にて詳述した検出装置２００を備えている。
【００６２】
図１２では、図１０に示される二枚の把持部３００１を第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２としている。第一把持部３００１−１も第二把持部３００１−２も実施形態２にて詳述した検出装置２００を其々備えている。第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とはＺ軸に沿った軸を回転軸４としており、互いに対面する様に配置されている。第一把持部３００１−１では、第一把持部３００１−１に掛かる外力Ｆ１とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ１とを検出する。外力Ｆ１は、Ｘ軸に平行な成分（Ｆ１ｘ）と、Ｙ軸に平行な成分（Ｆ１ｙ）と、Ｚ軸に平行な成分（Ｆ１ｚ）と、に分解されて其々検出される。第二把持部３００１−２では、第二把持部３００１−２に掛かる外力Ｆ２とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ２とを検出する。外力Ｆ２は、Ｘ軸に平行な成分（Ｆ２ｘ）と、Ｙ軸に平行な成分（Ｆ２ｙ）と、Ｚ軸に平行な成分（Ｆ２ｚ）と、に分解されて其々検出される。この結果、Ｘ軸の回りの回転力ＲｘとＹ軸の回りの回転力Ｒｙとが検出可能となる。Ｘ軸の回りの回転力Ｒｘは外力Ｆ１のＹ軸に平行な成分（Ｆ１ｙ）と外力Ｆ２のＹ軸に平行な成分（Ｆ２ｙ）とから求められる。即ち、原点Ｏを第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とを結ぶ法線（Ｚ軸）の中間点とし、原点を通るＸ軸の回りのトルク和として検出される。同様に、Ｙ軸の回りの回転力Ｒｙは外力Ｆ１のＸ軸に平行な成分（Ｆ１ｘ）と外力Ｆ２のＸ軸に平行な成分（Ｆ２ｘ）とから求められる。即ち、原点を通るＹ軸の回りのトルク和として検出される。
【００６３】
以上述べた様に、本実施形態に係わるロボットによれば、第一把持部３００１−１における外力Ｆ１の各成分（Ｆ１ｘとＦ１ｙとＦ１ｚ）とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ１、及び第二把持部３００１−２における外力Ｆ２の各成分（Ｆ２ｘとＦ２ｙとＦ２ｚ）とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ２、及びＹ軸の回りの回転力Ｒｙ、及びＸ軸の回りの回転力Ｒｘ、を検出できる。これにより、ロボットハンド３０００の動きを駆動軸に対応させて制御できる。
【００６４】
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。
【００６５】
（変形例１）
図１３は、変形例１に係る検出装置の構成を示す断面図である。検出装置３００は実施形態１にて詳述した回転検出装置１００に並進力を高感度で検出する構成を付加し、外力Ｆの方向と大きさ、及び外力Ｆの回転軸４に対する回転方向と大きさとを検出する。尚、本変形例の第一圧力センサー２１が実施形態１の圧力センサー２に相当し、本変形例の第一弾性体突起３１が実施形態１の弾性体突起３に相当し、本変形例の第一弾性体突起３１の重心Ｇ１が実施形態１の弾性体突起３の重心Ｇに相当し、本変形例の第一基準点Ｐ１が実施形態１の基準点Ｐに相当する。
【００６６】
図１３に示す様に、検出装置３００は、実施形態１にて詳述した回転検出装置１００と、更に第四基板１４とを備える。回転検出装置１００の第二基板１２の表面側に第四基板１４が設けられ、第四基板１４と第二基板１２とはほぼ平行の関係にある。即ち、第四基板１４は回転軸４に直交している。第二基板１２の表面には第三基準点Ｐ３が複数個設定され、各第三基準点Ｐ３の回りに第三圧力センサー２３が複数個設けられている。一方、第四基板１４の裏面には、第三基準点Ｐ３と重なる位置に重心Ｇが位置すると共に、先端部が第二基板１２の表面に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する第三弾性体突起３３が設けられている。第四基板１４は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第四基板１４は第二基板１２とのＸＹ平面に沿った相対位置を変え得る事ができる。即ち、回転軸４に直交する平面に沿って、第四基板１４は第二基板１２に対してその位置をずらす事ができる。第三弾性体突起３３と第三基準点Ｐ３、第三圧力センサー２３、第三弾性体突起３３の重心Ｇ３等の関係やこれらの構成は、実施形態１で詳述した弾性体突起３と基準点Ｐ、圧力センサー２、弾性体突起３の重心Ｇ等の関係やこれらの構成と同一である。
【００６７】
以上述べた様に、本変形例に係わる検出装置３００によれば、第三圧力センサー２３や第三弾性体突起３３などで（第四基板１４の裏面と第二基板１２の表面及びこれら両基板で挟持された構成により）、回転軸４に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿った並進力（滑り力）と、回転軸４に沿った圧力とを高精度に検出する事が可能になる。実施形態１で詳述した回転検出装置１００でもこれらの検出は可能であったが、回転軸４が存在する為に或る程度の感度を犠牲にせざるを得なかった。本変形例では、第四基板１４の裏面と第二基板１２の表面及びこれら両基板で挟持された構成により、並進力と圧力とを高精度に検出する事ができる。同時に回転検出装置１００で回転軸４の回りの回転力も高精度に検出できる。
【符号の説明】
【００６８】
２…圧力センサー、３…弾性体突起、４…回転軸、１１…第一基板、１２…第二基板、１３…第三基板、１４…第四基板、２２…第二圧力センサー、２３…第三圧力センサー、３２…第二弾性体突起、３３…第三弾性体突起、４１…回転軸材、１００…回転検出装置、２００…検出装置、３００…検出装置、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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転検出装置、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。特許文献１の検出装置は、裏面に錐状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。又、特許文献２の検出装置は、受圧シートの表面に複数の柱状突起を格子状に配置し、これら表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。この様な検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の検出装置では、回転力の方向と大きさ、或いは回転力と並進力との方向と大きさ、を常に高い感度で且つ再現性良く検出する事ができないと云う課題があった。例えば、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（並進力）も回転力も測定する事ができなかった。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、回転力の方向と大きさとは検出できなかった。更に、突起の変形の度合い、特に時間的な変形保持（一度変形させると、しばらくの間、変形した突起が元の状態に戻らない事）によって、外力の検出精度が悪化していた。この様に、従来の検出装置では回転力などの力の方向と大きさとを常に高感度で且つ再現性良く検出できないと云う課題があった。
【０００５】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、回転力などの外力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出する事が可能な回転検出装置や、検出装置、電子機器及びロボットを提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又、は適用例として実現する事が可能である。
【０００７】
（適用例１） 本適用例に係わる回転検出装置は、回転軸に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置であって、第一基板と第二基板とを有し、第一基板の表面には、基準点の回りに圧力センサーが複数個設けられ、第二基板の裏面には、基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第一基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する弾性体突起が設けられ、第一基板と第二基板とは、回転軸に直交し、回転軸の回りに、第一基板と第二基板とは相対的に回転可能で、第二基板は所定の弾性力を有する弾性体からなる事を特徴とする。
この構成によれば、弾性体突起の先端部が第一基板の表面に設けられた複数の圧力センサーに当接した状態で、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。従って、外力の方向と大きさとを高精度に検出できる。第二基板の裏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、回転軸に垂直な平面に沿った力の成分があると、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回転軸に垂直な平面で僅かに移動する。すると、複数の圧力センサーで異なる値の圧力値が検出され得る。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。これらの圧力値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。第一基板と第二基板とは、回転軸に対して相対的に回転し得るので、検出された外力の方向と大きさとから、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【０００８】
（適用例２） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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加えられた外力の回転方向と大きさと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、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。更に、これらの外力の方向と大きさとから、演算装置により回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【０００９】
（適用例３） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、先の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とを演算する事が容易となり、これに伴い外から加えられた回転力の方向と大きさとを効率よく検出する事ができる。
【００１０】
（適用例４） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、互いに直交する二方向が規定する平面に沿って、外力の方向と大きさを容易に演算でき、それ故に外から加えられた回転力の方向と大きさとを容易に演算する事ができる。
【００１１】
（適用例５） 上記適用例に係わる回転検出装置において、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、４行４列との少ない行列構成で、外力の方向と大きさとを高精度に検出する事ができる。従って、回転力の方向と大きさとを高精度に検出する事ができる。
【００１２】
（適用例６） 上記適用例に係わる回転検出装置において、弾性体突起は第二基板の裏面に複数個形成されており、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、各弾性体突起が設けられた箇所毎に外力の方向と大きさとが検出される。従って、回転軸に垂直な平面内で、回転軸の回りに掛かる回転力の方向と大きさとを厳密に検出する事ができる。
【００１３】
（適用例７） 上記適用例に係わる回転検出装置において、第一基板と第二基板との間には、回転軸に沿って回転軸材が設けられ、回転軸材が弾性体からなる事が好ましい。
この構成によれば、回転軸材が回転軸の回りに弾性変形して回転し得る。従って、第二基板が回転軸材に固定されていても、第二基板は回転軸に対して回転可能で、回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。
【００１４】
（適用例８） 本適用例に係わる検出装置は、外力の方向と大きさ、及び外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第三基板とを備え、第三基板の表面には、第二基準点の回りに第二圧力センサーが複数個設けられ、第一基板の裏面には、第二基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第三基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する第二弾性体突起が設けられ、第一基板は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第三基板は、回転軸に直交すると共に、第一基板との相対位置を変え得る事を特徴とする。
この構成によれば、第二圧力センサーや第二弾性体突起などで、回転軸に垂直な平面に沿った並進力（滑り力）と、回転軸に沿った圧力とを検出し、同時に回転検出装置で回転軸の回りの回転力を検出する事ができる。
【００１５】
（適用例９） 本適用例に係わる検出装置は、外力の方向と大きさ、及び外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第四基板とを備え、第二基板の表面には、第三基準点の回りに第三圧力センサーが複数個設けられ、第四基板の裏面には、第三基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が第二基板の表面に当接した状態で外力によって弾性変形する第三弾性体突起が設けられ、第四基板は、回転軸に直交すると共に、第二基板との相対位置を変え得る事を特徴とする。
この構成によれば、第三圧力センサーや第三弾性体突起などで、回転軸に垂直な平面に沿った並進力（滑り力）と、回転軸に沿った圧力とを検出し、同時に回転検出装置で回転軸の回りの回転力を検出する事ができる。
【００１６】
（適用例１０） 本適用例に係わる電子機器は、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の回転検出装置を備えているので、外力がもたらす回転力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能な電子機器を提供する事ができる。
【００１７】
（適用例１１） 本適用例に係わるロボットは、上記適用例１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の回転検出装置を備えているので、外力がもたらす回転力の方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能なロボットを提供する事ができる。
【００１８】
（適用例１２） 本適用例に係わる電子機器は、上記適用例８又は９に記載の検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の検出装置を備えているので、外力の三次元成分と外力がもたらす回転力との方向と大きさを常に高い感度と精度で検出可能な電子機器を提供する事ができる。
【００１９】
（適用例１３） 本適用例に係わるロボットは、上記適用例８又は９に記載の検出装置を備える事が好ましい。
この構成によれば、上記適用例の検出装置を備えているので、外力の三次元成分と外力がもたらす回転力との方向と大きさを常に高い感度と精度で検出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】
【００２０】
【図１】実施形態１に係る回転検出装置の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図２】回転検出装置が圧力を検出する原理を説明した図。
【図３】回転検出装置が並進力を検出する原理を説明した図。
【図４】回転検出装置が回転力を検出する原理を説明した図。
【図５】基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する断面図。
【図６】基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する平面図。
【図７】単位検出領域の座標系を示す図。
【図８】回転検出装置を適用した携帯電話機の概略構成を示す模式図。
【図９】回転検出装置を適用した携帯情報端末の概略構成を示す模式図。
【図１０】回転検出装置を適用したロボットハンドの概略構成を示す模式図。
【図１１】実施形態２に係る検出装置の構成を示す断面図。
【図１２】実施形態３に係るロボットハンドによる外力Ｆの検出原理を説明する図。
【図１３】変形例１に係る検出装置の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。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。又、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る回転検出装置の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。尚、図１中にＸＹＺ直交座標系を設定し、以降、必要に応じて、このＸＹＺ直交座標系を参照して各種の説明を行う。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸が第一基板１１の辺部に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸がＸ軸及びＹ軸に対して直交する方向に設定されている。
【００２３】
本実施形態の回転検出装置１００は、回転軸４に対する外力Ｆの回転方向と大きさとを検出し、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たり、ロボットハンドに用いられたりする。回転検出装置１００に外力Ｆが加えられると、外力Ｆに応じて弾性体突起３は弾性変形する。この際に複数の圧力センサー２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２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Ｆが加えられた方向と大きさ、及び回転力を演算する。図１には示されていないが、回転検出装置１００はこうした演算を行う演算装置を備えているとともに、第一基板１１と第二基板１２と回転軸材４１とを備えている。第一基板１１と第二基板１２とは、回転軸材４１に対して、相対的に回転可能である。
【００２４】
第一基板１１は、例えばガラスや石英、プラスチック等の材料で構成された矩形板状で、その表面に複数の圧力センサー２を具備している。例えば、第一基板１１の大きさ（平面視のサイズ）は、縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ程度になっている。第一基板１１の表面には、基準点Ｐが複数個定められている。基準点Ｐとは、滑り力や回転力が作用していない状態で、弾性体突起３の中心（重心Ｇ）が平面的に位置するポイントである。本実施形態では図１（ｂ）に示される様に４個の基準点Ｐが定められている。
【００２５】
各基準点Ｐの回りには圧力センサー２が複数個行列状に設けられ、単位検出領域を形成している。各圧力センサー２の面積はほぼ等しい。図１（ｂ）では、一つの基準点Ｐの回りに圧力センサー２が４行４列に、合計１６個配置されている。基準点Ｐはこれら行列状に配置された圧力センサー２群の平面的な中心（単位検出領域の中心）に、ほぼ一致する様に定められる。複数の圧力センサー２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２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２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起３の変形と各圧力センサー２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２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー２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。
【００２６】
隣り合う圧力センサー２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２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。単位検出領域の大きさ（平面視のサイズ）は、縦５．６ｍｍ×横５．１６ｍｍ程度になっている。圧力センサー２としては、例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いる事ができる。圧力センサー２は、接触面に外力Ｆが作用した時にダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。
【００２７】
第二基板１２は矩形板状をなしており、第二基板１２の裏面には複数の弾性体突起３が配置されている。第二基板１２は外力Ｆを直接受ける部分である。第二基板１２は、例えばシリコーンゴムなどの弾性体を用いて構成されている。本実施形態では、第二基板１２と弾性体突起３とを接着剤により接着しているが、第二基板１２及び弾性体突起３を金型で一体形成してもよい。
【００２８】
第二基板１２の裏面には、弾性体突起３が複数個設けられている。複数の弾性体突起３は、基板本体上においてＸ方向及びＹ方向に行列状に配置され、各弾性体突起３の重心Ｇは、初期的に基準点Ｐと重なる位置に配置されている。即ち、各弾性体突起３は、平面視に於いて、先の基準点Ｐと重なる位置に重心Ｇが位置する様に設けられる。従って、第二基板１２の裏面に設けられた弾性体突起３の数と第一基板１１の表面に定められた基準点Ｐの数とは一致する。弾性体突起３の先端部は、球面の錐状となっており、回転検出装置１００に外力Ｆが掛けられない状態で、第一基板１１の表面に設けられた圧力センサー２に当接している。回転検出装置１００に外力Ｆが加えられた状態では、外力Ｆによって弾性体突起３は弾性変形する。又、複数の弾性体突起３は、互いに離間して配置されている。この為、弾性体突起３が弾性変形したときの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。
【００２９】
弾性体突起３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３の基部の径（弾性体突起３が第一基板１１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３の高さ（弾性体突起３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３の離間間隔は５．６ｍｍ程度になっている。弾性体突起３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。
【００３０】
図１（ｂ）に示す様に、平面視において、回転検出装置１００のほぼ中心に回転軸材４１が設けられ、回転軸材４１のＸＹ平面での中心が回転軸４となる。回転軸材４１は円柱状で、円の中心が回転軸４となり、円柱の一方の面（下面）が第一基板１１の表面に接合し、円柱の他方の面（上面）が第二基板１２の裏面に接している。図１（ａ）に示す様に、第一基板１１も第二基板１２も、回転検出装置１００に外力Ｆが掛けられない状態では回転軸４に直交している。即ち、第一基板１１と第二基板１２とはＸＹ平面に平行で、回転軸４はＺ軸に平行である。更に、第一基板１１は回転軸４に対して固定されており、従って回転軸材４１に対しても固定されている。又、第二基板１２は、回転軸４に対して回転可能となっている。本実施形態では、回転軸材４１は弾性体からなり、回転軸材４１と第二基板１２とは接合されている。この場合、回転軸材４１の弾性により、第二基板１２は回転軸４に対して回転可能となる。尚、回転軸材４１を剛体で形成してもよい。その場合、回転軸材４１の上部と第二基板１２の裏面との間にボールベアリングなどの回転可能な軸受けを設け、第二基板１２を回転軸４に対して回転可能とする。更に、第二基板１２は、所定の弾性力を有する弾性体からなる。第二基板１２の表面には表面弾性層５が設けられ、回転検出装置１００の表面での摩擦係数を大きくしている。尚、第一基板１１も第二基板１２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（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。
【００３１】
次に回転検出装置１００が外力Ｆ及び回転力を検出する原理を図２乃至４を参照して説明する。図２は回転検出装置が圧力を検出する原理を説明した図である。圧力とは対象平面の法線方向に働く単位面積当たりの力である。図２では第二基板１２の法線方向（Ｚ軸方向）に外力Ｆが加えられた状態が描かれている。この場合、弾性体突起３及び回転軸材４１が弾性変形し、弾性変形した弾性体突起３は圧力センサー２を押圧する。従って、各圧力センサー２が計測する力の和を取る事で外力ＦのＺ成分Ｆｚが検出される。尚、回転軸材４１が剛体である場合も第二基板１２が弾性体であるので、第二基板１２の弾性変形が弾性体突起３の弾性変形をもたらし、外力ＦのＺ成分Ｆｚを検出する事ができる。
【００３２】
図３は回転検出装置が並進力を検出する原理を説明した図である。並進力とは対象平面に平行な方向に働く力（滑り力）である。図３では回転検出装置１００（厳密には第一基板１１）に対して、斜めに外力Ｆが加えられた状態が描かれている。斜めに働く外力ＦはＸ成分ＦｘとＹ成分ＦｙとＺ成分Ｆｚとに分解される。外力ＦのＺ成分Ｆｚは先に説明した方法で検出される。回転検出装置１００に平行な方向（Ｘ軸方向やＹ軸方向）に関しては、弾性体突起３の変形具合から、外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙが検出される。第二基板１２の裏面に外力Ｆが付加されると、弾性体突起３は先端部が第一基板１１に当接した状態で圧縮変形する。この時、第一基板１１に沿った力の成分があると、弾性体突起３の変形には偏りが生じる。その結果、弾性体突起３の重心Ｇが基準点Ｐからずれてその平面方向で僅かに移動する。すると、複数の圧力センサー２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３の重心Ｇと重なる位置の圧力センサー２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３の重心Ｇと重ならない位置の圧力センサー２では相対的に小さい圧力値が検出される事となる。これらの圧力値に基づいて外力Ｆの方向と大きさ、即ちＦｘやＦｙを求める事ができる。
【００３３】
図４は回転検出装置が回転力を検出する原理を説明した図である。回転力とは対象平面に平行な方向に働く力で、回転軸４に対して回転する力である。図４では回転検出装置１００に対して、時計回りの外力Ｆ１〜Ｆ４が加えられた状態が描かれている。前述の如く、回転検出装置１００は回転軸４の回りに複数（４個）の基準点Ｐ（Ｐ１１〜Ｐ１４）を有し、各基準点Ｐで外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙを独立に検出できる。第一基板１１は回転軸４に対して固定され、第二基板１２が回転軸４の回りに回転し得るので、各基準点Ｐで検出されたＦｘやＦｙから、高い精度で回転力の方向と大きさとを検出する事ができる。具体的には回転軸４の回りのトルクベクトル和（本実施形態の場合、Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＋Ｎ４）を検出する事ができる。トルクベクトル（例えばＮ１）とは、回転軸４から基準点Ｐ（例えばＰ１１）までの位置ベクトルｒ（例えばｒ１）と基準点Ｐ（例えばＰ１１）における外力Ｆベクトル（例えばＦ１）とのベクトル積（例えばＮ１＝ｒ１×Ｆ１）である。又、各基準点Ｐで外力Ｆの成分を独立に検出できるので、各基準点Ｐで検出された外力Ｆのベクトル和（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４）を取る事で並進力も容易に検出できる。この様に、回転検出装置１００は、回転軸４に平行な力（Ｆｚ）と回転軸４に直交する平面に沿った並進力（ＦｘとＦｙ）及び回転軸４の回りの回転力（トルク）とを検出できる。
【００３４】
次に、図５乃至６を参照して、各基準点Ｐで外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙを検出する方法を説明する。図５は、一つの基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する断面図である。又、図６は、図５に対応して、一つの基準点Ｐに作用する外力Ｆの方向と大きさを検出する方法の説明する平面図である。尚、図５（ａ）及び図６（ａ）は第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前の状態（外力Ｆの作用がない時）を示している。図５（ｂ）及び図６（ｂ）は第二基板１２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５（ｃ）及び図６（ｃ）は第二基板１２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。又、図６（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３の重心Ｇ（圧力中心）を示している。更に、説明を分かり易くする為に圧力センサー２は基準点Ｐの回りの２行２列分を描いてある。
【００３５】
図５（ａ）及び図６（ａ）に示す様に、第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前においては、弾性体突起３は変形しない。これにより、第一基板１１と第二基板１２との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起３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２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２の圧力値を基準として外力Ｆの作用する方向や大きさが求められる。
【００３６】
図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す様に、第二基板１２の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２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１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆ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２の圧力値は、外力Ｆの作用がない時に比べて大きくなる。又、その変化量は各圧力センサー２ともほぼ同じ値となる。
【００３７】
図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示す様に、第二基板１２の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２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１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆの作用がない時に比べて小さくなる。この時、弾性体突起３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３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は互いに異なる。具体的には、弾性体突起３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は、４つの圧力センサー２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。
【００３８】
弾性体突起３は、斜め方向の外力Ｆにより変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起３の重心Ｇは基準点Ｐからずれてすべり方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、各圧力センサー２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３の重心Ｇと重なる位置の圧力センサー２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３の重心Ｇと重ならない位置の圧力センサー２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Ｆが加えられた方向と大きさが求められる。
【００３９】
図７は、単位検出領域の座標系を示す図である。図７に示す様に、４個の圧力センサーＳ１〜Ｓ４は、基準点Ｐの回りに２行２列に配置されている。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ＦのＸ方向成分Ｆｘ（外力Ｆの面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式１で表される。
【００４０】
【数１】
【００４１】
又、外力ＦのＹ方向成分Ｆｙ（外力Ｆの面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式２で表される。
【００４２】
【数２】
【００４３】
又、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚ（外力Ｆの垂直方向成分）は以下の式３で表される。
【００４４】
【数３】
【００４５】
本実施形態では、外力Ｆによって弾性体突起３が弾性変形する事により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２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Ｆが加えられた方向が演算される。
【００４６】
式１に示す様に、外力Ｆ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共に、−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。この様に、＋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ＦのＸ方向成分が求められる。
【００４７】
式２に示す様に、外力Ｆ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共に、−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。この様に、＋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ＦのＹ方向成分が求められる。
【００４８】
式３に示す様に、外力Ｆ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ＦのＺ方向成分Ｆｚは、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力Ｆ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。例えば、弾性体突起３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Ｆ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３の材質として硬いものを用いると弾性体突起３が変形しにくくなり外力Ｆの面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、弾性体突起３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。この為、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力ＦのＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起３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。
【００４９】
本実施形態の回転検出装置１００によれば、回転軸４に平行な力（Ｆｚ）と回転軸４に直交する平面に沿った並進力（ＦｘとＦｙ）及び回転軸４の回りの回転力（トルク）とを検出する事ができる。
【００５０】
図８は、本実施形態に係る回転検出装置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及びコントロールパッド１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１を備えている。コントロールパッド１００２を操作する事によって、液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンにカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押す事で、電話帳が表示されたり、携帯電話機１０００の電話番号が表示されたりする。この時、上記実施形態に係る回転検出装置１００がコントロールパッド１００２に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させる事なく、指に加える力の方向を変えるだけで簡単にカーソルを移動する事ができる。
【００５１】
図９は、本実施形態に係る回転検出装置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及びコントロールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１を備えている。コントロールパッド２００３を操作すると、液晶パネル２００１に表示されたメニューを操作できる。例えば、メニュー（図示略）にカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド２００３を強く押す事で、住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。この時、上記実施形態に係る回転検出装置１００がコントロールパッド２００３に設けられているので、操作する指の位置を大きく移動させる事なく、指に加える力の方向を変えるだけでカーソルの移動やページをめくる事が簡単にできる。
【００５２】
この様な電子機器によれば、上述した回転検出装置１００を備えているので、回転力を含む外力Ｆ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。
【００５３】
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、本発明に係る回転検出装置１００を適用させる事ができる。
【００５４】
図１０は、本実施形態に係る回転検出装置を適用したロボットハンドの概略構成を示す模式図である。図１０（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、並びに回転検出装置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。
【００５５】
図１０（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として上述した回転検出装置１００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）や、対象物３０１０の重心Ｇの偏りなどに起因する回転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すべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じて力を加減しながら持つ事ができる。
【００５６】
このロボットによれば、上述した回転検出装置１００を備えているので、回転力を含む外力Ｆ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。
【００５７】
尚、圧力センサー２の方式は、ダイアフラムゲージの他に静電容量方式や抵抗膜方式等が利用でき、特定の圧力センサー２に限定されるものではない。更に、本実施形態においては、圧力センサー２が単位検出領域当たり縦４行横４列に計１６個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２は、単位検出領域当たり３個以上配置されていれば良く、単位検出領域当たりに設けられる圧力センサー２の別の構成例は、縦２行横２列の計４つである。又、本実施形態に於いては、回転軸４に対して第一基板１１が固定されており、第二基板１２が回転可能であったが、これとは逆に、回転軸４に対して第二基板１２が固定され、第一基板１１を回転可能としても良い。
【００５８】
（実施形態２）
図１１は、実施形態２に係る検出装置の構成を示す断面図である。検出装置２００は実施形態１にて詳述した回転検出装置１００に並進力を高感度で検出する構成を付加し、外力Ｆの方向と大きさ、及び外力Ｆの回転軸４に対する回転方向と大きさとを検出する。尚、本実施形態の第一圧力センサー２１が実施形態１の圧力センサー２に相当し、本実施形態の第一弾性体突起３１が実施形態１の弾性体突起３に相当し、本実施形態の第一弾性体突起３１の重心Ｇ１が実施形態１の弾性体突起３の重心Ｇに相当し、本実施形態の第一基準点Ｐ１が実施形態１の基準点Ｐに相当する。
【００５９】
図１１に示す様に、検出装置２００は、実施形態１にて詳述した回転検出装置１００と、更に第三基板１３とを備える。回転検出装置１００の第一基板１１裏面側に第三基板１３が設けられ、第三基板１３と第一基板１１とはほぼ平行の関係にある。即ち、第三基板１３は回転軸４に直交している。第三基板１３の表面には第二基準点Ｐ２が複数個設定され、各第二基準点Ｐ２の回りに第二圧力センサー２２が複数個設けられている。一方、第一基板１１の裏面には、第二基準点Ｐ２と重なる位置に重心Ｇ２が位置すると共に、先端部が第三基板１３の表面に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する第二弾性体突起３２が設けられている。第一基板１１は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第三基板１３は第一基板１１とのＸＹ平面に沿った相対位置を変え得る事ができる。即ち、回転軸４に直交する平面に沿って、第一基板１１は第三基板１３に対してその位置をずらす事ができる。第二弾性体突起３２と第二基準点Ｐ２、第二圧力センサー２２、第二弾性体突起３２の重心Ｇ２等の関係やこれらの構成は、実施形態１で詳述した弾性体突起３と基準点Ｐ、圧力センサー２、弾性体突起３の重心Ｇ等の関係やこれらの構成と同一である。
【００６０】
以上述べた様に、本実施形態に係わる検出装置２００によれば、第二圧力センサー２２や第二弾性体突起３２などで（第一基板１１の裏面と第三基板１３の表面及びこれら両基板で挟持された構成により）、回転軸４に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿った並進力（滑り力）と、回転軸４に沿った圧力とを高精度に検出する事が可能になる。実施形態１で詳述した回転検出装置１００でもこれらの検出は可能であったが、回転軸４が存在する為に或る程度の感度を犠牲にせざるを得なかった。本実施形態では、第一基板１１の裏面と第三基板１３の表面及びこれら両基板で挟持された構成要素により、並進力と圧力とを高精度に検出する事ができる。同時に回転検出装置１００で回転軸４の回りの回転力も高精度に検出できる。
【００６１】
（実施形態３）
図１２は、実施形態３に係るロボットハンドによる外力Ｆの検出原理を説明する図である。本実施形態のロボットは、実施形態１にて詳述したロボットハンド３０００の把持部３００１に、実施形態２にて詳述した検出装置２００を備えている。
【００６２】
図１２では、図１０に示される二枚の把持部３００１を第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２としている。第一把持部３００１−１も第二把持部３００１−２も実施形態２にて詳述した検出装置２００を其々備えている。第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とはＺ軸に沿った軸を回転軸４としており、互いに対面する様に配置されている。第一把持部３００１−１では、第一把持部３００１−１に掛かる外力Ｆ１とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ１とを検出する。外力Ｆ１は、Ｘ軸に平行な成分（Ｆ１ｘ）と、Ｙ軸に平行な成分（Ｆ１ｙ）と、Ｚ軸に平行な成分（Ｆ１ｚ）と、に分解されて其々検出される。第二把持部３００１−２では、第二把持部３００１−２に掛かる外力Ｆ２とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ２とを検出する。外力Ｆ２は、Ｘ軸に平行な成分（Ｆ２ｘ）と、Ｙ軸に平行な成分（Ｆ２ｙ）と、Ｚ軸に平行な成分（Ｆ２ｚ）と、に分解されて其々検出される。この結果、Ｘ軸の回りの回転力ＲｘとＹ軸の回りの回転力Ｒｙとが検出可能となる。Ｘ軸の回りの回転力Ｒｘは外力Ｆ１のＹ軸に平行な成分（Ｆ１ｙ）と外力Ｆ２のＹ軸に平行な成分（Ｆ２ｙ）とから求められる。即ち、原点Ｏを第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とを結ぶ法線（Ｚ軸）の中間点とし、原点を通るＸ軸の回りのトルク和として検出される。同様に、Ｙ軸の回りの回転力Ｒｙは外力Ｆ１のＸ軸に平行な成分（Ｆ１ｘ）と外力Ｆ２のＸ軸に平行な成分（Ｆ２ｘ）とから求められる。即ち、原点を通るＹ軸の回りのトルク和として検出される。
【００６３】
以上述べた様に、本実施形態に係わるロボットによれば、第一把持部３００１−１における外力Ｆ１の各成分（Ｆ１ｘとＦ１ｙとＦ１ｚ）とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ１、及び第二把持部３００１−２における外力Ｆ２の各成分（Ｆ２ｘとＦ２ｙとＦ２ｚ）とＺ軸に沿った回転軸４の回りの回転力Ｒｚ２、及びＹ軸の回りの回転力Ｒｙ、及びＸ軸の回りの回転力Ｒｘ、を検出できる。これにより、ロボットハンド３０００の動きを駆動軸に対応させて制御できる。
【００６４】
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。
【００６５】
（変形例１）
図１３は、変形例１に係る検出装置の構成を示す断面図である。検出装置３００は実施形態１にて詳述した回転検出装置１００に並進力を高感度で検出する構成を付加し、外力Ｆの方向と大きさ、及び外力Ｆの回転軸４に対する回転方向と大きさとを検出する。尚、本変形例の第一圧力センサー２１が実施形態１の圧力センサー２に相当し、本変形例の第一弾性体突起３１が実施形態１の弾性体突起３に相当し、本変形例の第一弾性体突起３１の重心Ｇ１が実施形態１の弾性体突起３の重心Ｇに相当し、本変形例の第一基準点Ｐ１が実施形態１の基準点Ｐに相当する。
【００６６】
図１３に示す様に、検出装置３００は、実施形態１にて詳述した回転検出装置１００と、更に第四基板１４とを備える。回転検出装置１００の第二基板１２の表面側に第四基板１４が設けられ、第四基板１４と第二基板１２とはほぼ平行の関係にある。即ち、第四基板１４は回転軸４に直交している。第二基板１２の表面には第三基準点Ｐ３が複数個設定され、各第三基準点Ｐ３の回りに第三圧力センサー２３が複数個設けられている。一方、第四基板１４の裏面には、第三基準点Ｐ３と重なる位置に重心Ｇが位置すると共に、先端部が第二基板１２の表面に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する第三弾性体突起３３が設けられている。第四基板１４は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第四基板１４は第二基板１２とのＸＹ平面に沿った相対位置を変え得る事ができる。即ち、回転軸４に直交する平面に沿って、第四基板１４は第二基板１２に対してその位置をずらす事ができる。第三弾性体突起３３と第三基準点Ｐ３、第三圧力センサー２３、第三弾性体突起３３の重心Ｇ３等の関係やこれらの構成は、実施形態１で詳述した弾性体突起３と基準点Ｐ、圧力センサー２、弾性体突起３の重心Ｇ等の関係やこれらの構成と同一である。
【００６７】
以上述べた様に、本変形例に係わる検出装置３００によれば、第三圧力センサー２３や第三弾性体突起３３などで（第四基板１４の裏面と第二基板１２の表面及びこれら両基板で挟持された構成により）、回転軸４に垂直な平面（ＸＹ平面）に沿った並進力（滑り力）と、回転軸４に沿った圧力とを高精度に検出する事が可能になる。実施形態１で詳述した回転検出装置１００でもこれらの検出は可能であったが、回転軸４が存在する為に或る程度の感度を犠牲にせざるを得なかった。本変形例では、第四基板１４の裏面と第二基板１２の表面及びこれら両基板で挟持された構成により、並進力と圧力とを高精度に検出する事ができる。同時に回転検出装置１００で回転軸４の回りの回転力も高精度に検出できる。
【符号の説明】
【００６８】
２…圧力センサー、３…弾性体突起、４…回転軸、１１…第一基板、１２…第二基板、１３…第三基板、１４…第四基板、２２…第二圧力センサー、２３…第三圧力センサー、３２…第二弾性体突起、３３…第三弾性体突起、４１…回転軸材、１００…回転検出装置、２００…検出装置、３００…検出装置、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置であって、
第一基板と第二基板とを有し、
前記第一基板の表面には、基準点の回りに圧力センサーが複数個設けられ、
前記第二基板の裏面には、前記基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第一基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する弾性体突起が設けられ、
前記第一基板と前記第二基板とは、前記回転軸に直交し、
前記回転軸の回りに、前記第一基板と前記第二基板とは相対的に回転可能で、
前記第二基板は所定の弾性力を有する弾性体からなる事を特徴とする回転検出装置。
【請求項２】
前記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回転方向と大きさとを演算する演算装置を備える事を特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
【請求項３】
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１又は２に記載の回転検出装置。
【請求項４】
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３に記載の回転検出装置。
【請求項５】
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４に記載の回転検出装置。
【請求項６】
前記弾性体突起は前記第二基板の裏面に複数個形成されており、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１乃至５のいずれか一項に記載の回転検出装置。
【請求項７】
前記第一基板と前記第二基板との間には、前記回転軸に沿って回転軸材が設けられ、前記回転軸材が弾性体からなる事を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転検出装置。
【請求項８】
外力の方向と大きさ、及び前記外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第三基板とを備え、
前記第三基板の表面には、第二基準点の回りに第二圧力センサーが複数個設けられ、
前記第一基板の裏面には、前記第二基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第三基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する第二弾性体突起が設けられ、
前記第一基板は所定の弾性力を有する弾性体からなり、
前記第三基板は、前記回転軸に直交すると共に、前記第一基板との相対位置を変え得る事を特徴とする検出装置。
【請求項９】
外力の方向と大きさ、及び前記外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第四基板とを備え、
前記第二基板の表面には、第三基準点の回りに第三圧力センサーが複数個設けられ、
前記第四基板の裏面には、前記第三基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第二基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する第三弾性体突起が設けられ、
前記第四基板は、前記回転軸に直交すると共に、前記第二基板との相対位置を変え得る事を特徴とする検出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事を特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事を特徴とするロボット。
【請求項１２】
請求項８又は９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１３】
請求項８又は９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１】
回転軸に対する外力の回転方向と大きさとを検出する回転検出装置であって、
第一基板と第二基板とを有し、
前記第一基板の表面には、基準点の回りに圧力センサーが複数個設けられ、
前記第二基板の裏面には、前記基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第一基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する弾性体突起が設けられ、
前記第一基板と前記第二基板とは、前記回転軸に直交し、
前記回転軸の回りに、前記第一基板と前記第二基板とは相対的に回転可能で、
前記第二基板は所定の弾性力を有する弾性体からなる事を特徴とする回転検出装置。
【請求項２】
前記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回転方向と大きさとを演算する演算装置を備える事を特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
【請求項３】
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１又は２に記載の回転検出装置。
【請求項４】
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３に記載の回転検出装置。
【請求項５】
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４に記載の回転検出装置。
【請求項６】
前記弾性体突起は前記第二基板の裏面に複数個形成されており、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１乃至５のいずれか一項に記載の回転検出装置。
【請求項７】
前記第一基板と前記第二基板との間には、前記回転軸に沿って回転軸材が設けられ、前記回転軸材が弾性体からなる事を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転検出装置。
【請求項８】
外力の方向と大きさ、及び前記外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第三基板とを備え、
前記第三基板の表面には、第二基準点の回りに第二圧力センサーが複数個設けられ、
前記第一基板の裏面には、前記第二基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第三基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する第二弾性体突起が設けられ、
前記第一基板は所定の弾性力を有する弾性体からなり、
前記第三基板は、前記回転軸に直交すると共に、前記第一基板との相対位置を変え得る事を特徴とする検出装置。
【請求項９】
外力の方向と大きさ、及び前記外力の回転軸に対する回転方向と大きさ、を検出する検出装置であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置と第四基板とを備え、
前記第二基板の表面には、第三基準点の回りに第三圧力センサーが複数個設けられ、
前記第四基板の裏面には、前記第三基準点と重なる位置に重心が位置すると共に、先端部が前記第二基板の表面に当接した状態で前記外力によって弾性変形する第三弾性体突起が設けられ、
前記第四基板は、前記回転軸に直交すると共に、前記第二基板との相対位置を変え得る事を特徴とする検出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事を特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転検出装置を備える事を特徴とするロボット。
【請求項１２】
請求項８又は９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１３】
請求項８又は９に記載の検出装置を備える事を特徴とするロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８８３３４（Ｐ２０１３−８８３３４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３０４０２（Ｐ２０１１−２３０４０２）
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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