圧力検出装置、電子機器、及びロボット
【課題】高い精度で外圧の方向と大きさとを検出可能な圧力検出装置、これを備えた電子機器、及びロボットを提供すること。
【解決手段】圧力検出装置１０は、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極１３とセンサー電極１３を含む領域上に設けられた感圧弾性体層１４とにより構成された複数の圧力センサー１５を有するセンサー基板１１と、先端部がセンサー基板１１の基準点に重なると共に感圧弾性体層１４に当接した状態で外圧により弾性変形する弾性体突起２３を有する第２基板２１と、を備え、第２基板２１は、導電性を有する。
【解決手段】圧力検出装置１０は、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極１３とセンサー電極１３を含む領域上に設けられた感圧弾性体層１４とにより構成された複数の圧力センサー１５を有するセンサー基板１１と、先端部がセンサー基板１１の基準点に重なると共に感圧弾性体層１４に当接した状態で外圧により弾性変形する弾性体突起２３を有する第２基板２１と、を備え、第２基板２１は、導電性を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出装置、これを備えた電子機器、及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記圧力検出装置として、例えば、特許文献１〜３に記載の検出装置が知られている。この検出装置は、球状あるいは先端部が感圧素子側に向いた半球状の弾性体を感圧素子表面に設け、弾性体の変形および重心位置の変化から、外圧の大きさと方向を検出する構成となっている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３号公報
【特許文献３】特開２００７−１８７５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の検出装置は、裏面に錐状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献１の検出装置では、測定面にかかる圧力の面内方向の力（すべり力）を測定することができない。
上記特許文献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、これらの表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献２の検出装置では、外圧を３次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、柱状突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
上記特許文献３の検出装置では、弾性体に水平方向の外圧が加えられると、感圧素子に対して弾性体の重心位置がずれることで外圧の方向を検出可能であるが、外圧が解除された後に感圧素子に対する弾性体の重心位置が元に戻らないことがある。弾性体の重心と感圧素子との位置ずれが残留した状態では、水平方向の外圧の方向と大きさを適切に測定することができない。
以上のように、特許文献１〜３の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い精度で検出すること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、上記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ことが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例に係る圧力検出装置は、加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、前記第２基板は、導電性を有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、第２基板が導電性を有することにより、センサー電極に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。そのため、外圧の印加に伴う感圧弾性体層の抵抗値の変化に対する検出感度を向上させることができる。したがって、外圧の方向と大きさを精度よく検出することができる。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体突起は、感圧性を有する導電性弾性体により形成されることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、第２基板を構成する複数の弾性体突起を感圧導電性弾性体により形成しているので、外圧が印加された場合に感圧弾性体層のみならず、弾性体突起も変形により抵抗値が変化する。感圧弾性体層が垂直方向の圧力に対する検出感度が高いのに対して、弾性体突起は、すべり方向の力に対して感度よく変形することから、水平方向の圧力に対する検出感度を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］本適用例に係る他の圧力検出装置は、加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、前記弾性体突起を覆うように前記第２基板上に導電体膜を設けることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、弾性体突起を有する第２基板の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用いる場合に比べて材料選択の幅が拡がるので、弾性体突起を所望の形状や硬さに形成しやすくなる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記外圧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外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備える。
【００１３】
［適用例５］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていることが好ましい。
【００１４】
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、前記弾性体突起の重心位置の変化量と各圧力センサーで検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサーが基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起の重心位置の変化量が同じであっても、各圧力センサーで検出される圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーの配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起の重心位置の変化量と各圧力センサーが検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不用となる。したがって、各圧力センサーで検出された圧力値から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００１５】
［適用例６］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【００１６】
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圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
【００１７】
［適用例７］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていることが好ましい。
【００１８】
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。このため、多数の圧力センサーで検出される圧力値に基づいて各圧力センサーの検出結果を積算して外圧の作用する方向を決めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【００１９】
［適用例８］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体突起は、前記第２基板に複数形成されており、互いに離間して配置されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、弾性体突起が弾性変形したときの第２基板の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の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、外圧を正確に各圧力センサーに伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
【００２１】
［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、上記に記載の圧力検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００２３】
［適用例１０］本適用例に係るロボットは、上記に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、上記に記載の圧力検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態の圧力検出装置の構成を示す分解斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図２に対応した圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図。
【図４】センシング領域の座標系を示す図。
【図５】圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図。
【図６】圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図。
【図７】圧力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８】圧力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９】圧力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１０】第２実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図１２】第３実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、図１３に対応した圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図。
【図１５】センシング領域の座標系を示す図。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は変形例の圧力検出装置の構成と圧力の変化を示す模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。
【００２７】
また、本実施形態において、第１基板の「表面」とは、第１基板における複数の圧力センサー形成面を指す。第２基板の「表面」とは、第２基板における弾性体突起形成面の反対面を指し、つまりは、外圧を受ける面を指す。
【００２８】
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軸がセンサー基板本体１２に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸はＸ軸とＹ軸にそれぞれ直交する方向、すなわちセンサー基板１１に対する法線方向に設定されている。
【００２９】
（第１実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１は、圧力検出装置１０の構成を示す分解斜視図である。以下、圧力検出装置１０の構成を、図１を参照しながら説明する。図１において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２３に対応して配置されたセンサー電極１３を有する単位検出領域を示している。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２３の中心（重心）が平面視で位置するポイントである。
【００３０】
図１に示すように、圧力検出装置１０は、基準点Ｐに加えられた外圧の方向と大きさとを検出する圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えば、ノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。
【００３１】
具体的には、圧力検出装置１０は、第１基板としてのセンサー基板１１と、センサー基板１１と対向するように配置された第２基板２１と、圧力の方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）と、を備えている。
【００３２】
具体的には、センサー基板１１は、センサー基板本体１２上における基準点Ｐの周りに複数のセンサー電極１３が設けられており、センサー電極１３を含むセンサー基板本体１２の全体に感圧弾性体層１４が設けられている。圧力検出装置１０を構成する圧力センサー１５は、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形することにより、例えば、一対のセンサー電極１３間の抵抗値変化を検出し、それを圧力値に変換して出力するものである。
【００３３】
第２基板２１は、第２基板本体２２上における基準点Ｐに重なる位置に重心が位置する弾性体突起２３が設けられている。弾性体突起２３は、その先端部がセンサー基板１１（感圧弾性体層１４）に当接した状態で弾性変形する。また、第２基板本体２２及び弾性体突起２３は、導電性を有する。
【００３４】
演算装置は、複数の圧力センサー１５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１５で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさとを演算する。
【００３５】
より具体的には、センサー基板１１は、例えば、ガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状のセンサー基板本体１２と、センサー基板本体１２にマトリックス状に配置された複数のセンサー電極１３と、センサー基板本体１２上の全体に設けられた感圧弾性体層１４と、を具備して構成されている。センサー基板本体１２の大きさ（平面視のサイズ）は、例えば、縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度になっている。
【００３６】
複数のセンサー電極１３は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数のセンサー電極１３は、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）にマトリックス状に配置されている。これにより、一対のセンサー電極１３により構成される圧力センサー１５との間の距離が互いに等しくなる。これにより、感圧弾性体層１４の変形と各圧力センサー１５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１５の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１５で検出された圧力値の差分を演算することが容易となる。なお、圧力値の差分の演算方法については後述する。
【００３７】
感圧弾性体層１４とは、圧力が印加された場合に形状や抵抗率、誘電率等の特性が変化し、この変化を電気的に抽出することで圧力を電気信号に変える層であり、かつ圧力の印加を停止した場合には元の状態に戻るものを示す。本実施形態では、圧力センサー１５が、感圧弾性体層１４の形状変化に伴う抵抗値変化を検出する場合について説明する。感圧弾性体層１４の一例としては、所定の厚みのゴムシートに導電粒子を均一に分散させたものを用いることができる。
【００３８】
導電粒子が分散されたゴム系の物質を用いることにより、圧力を加えていない場合にはほぼ絶縁体となり、圧力を加えた場合には低抵抗値となる。そのため、消費電力の増加を抑えて圧力を測定することが可能となる。さらに、この場合、抵抗値と圧力との関係をルックアップテーブル等に格納しておくことで、抵抗値からの圧力の算出を容易に行うことが可能となる。
【００３９】
圧力検出装置１０は、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形することにより、隣り合う２つのセンサー電極１３と感圧弾性体層１４により構成され、外圧を抵抗値の変化で検出する圧力センサー１５を備える。そして各圧力センサー１５で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）を備えている。なお、必ずしも隣り合うセンサー電極１３の対を用いる必要はなく、例えば、間隔を空けたセンサー電極１３を対にして用いるようにしても良い。
【００４０】
第２基板２１は、矩形板状の第２基板本体２２と、第２基板本体２２に設けられた複数の弾性体突起２３と、を具備して構成されている。
【００４１】
第２基板本体２２は、外圧を直接受ける部分である。第２基板本体２２は、例えば、導電性ゴム、導電性樹脂及びカーボンブラック等の導電性及び弾性を有する材料で構成することができる。本実施形態では、第２基板本体２２及び複数の弾性体突起２３の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用い、第２基板本体２２及び複数の弾性体突起２３を金型で一体形成している。複数の弾性体突起２３を第２基板本体２２とは別の材料で形成し、接着剤等を用いて第２基板本体２２に接着する形で第２基板２１を形成してもよい。
【００４２】
複数の弾性体突起２３は、第２基板本体２２上においてＸ方向及びＹ方向にマトリックス状に配置されている。弾性体突起２３の先端部は、例えば、球面の錘状となっており、センサー基板１１（感圧弾性体層１４）に当接している。弾性体突起２３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２３は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起２３が弾性変形したときの第２基板本体２２の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。
【００４３】
例えば、一方の弾性体突起２３が変形したときに他方の弾性体突起２３に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の弾性体突起２３が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧を正確に各圧力センサー１５に伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。また、各圧力センサー１５の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１５の圧力値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
【００４４】
弾性体突起２３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２３の基部の径（弾性体突起２３がセンサー基板１１に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。一方、弾性体突起２３の高さ（弾性体突起２３のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。さらに、隣り合う弾性体突起２３の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。
【００４５】
なお、弾性体突起２３の硬さは、上記した感圧弾性体層１４の硬さより硬い材料が用いられる。具体的には、弾性体突起２３のデュロメータ硬さ（タイプA、ＩＳＯ ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は、例えば、３０〜６０程度になっている。感圧弾性体層１４の硬さは、例えば、２０〜２５程度である。
【００４６】
このように、弾性体突起２３と感圧弾性体層１４との硬さの関係を調整することにより、第２基板２１に圧力を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起２３を押し込むことが可能となり、弾性体突起２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができる。具体的には、第２基板２１に水平方向の外圧が加えられた場合、弾性体突起２３の重心（圧力が加えられた点）が初期の段階と比べてずれてしまうことを抑えることができる。これにより、外圧の検出感度を向上させることができる。
【００４７】
また、第２基板２１を構成する複数の弾性体突起２３が導電性を有することにより、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能することができる。この場合、第２基板２１に外圧が加えられると、弾性体突起２３が弾性変形し、該弾性体突起２３に当接した感圧弾性体層１４が変形する。そして、感圧弾性体層１４の変形に伴う抵抗値の変化をセンサー電極１３及びもう一方の電極として機能する第２基板２１により検出するので、抵抗値の変化に対する検出感度が向上する。
【００４８】
また、本実施形態は、第１基板としてのセンサー基板１１と第２基板２１との間に誘電体層を挟み、外圧の印加に伴う誘電体層の静電容量値の変化を検出する場合にも対応できる。
【００４９】
複数の圧力センサー１５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１５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１５の各面積がほぼ等しくなっている。
【００５０】
図２及び図３は、外圧の大きさと方向を検出する方法の説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、圧力の変化を示す模式断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図である。以下、外圧の大きさと方向を検出する方法を、図２及び図３を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２３の重心（圧力中心）を示している。
【００５１】
図２（ａ）及び図３（ａ）は、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図２（ａ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー１５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１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【００５２】
図３（ａ）は、外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０、センサー基板１１と弾性体突起２３とが接する領域４０を示している。
【００５３】
図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、第２基板２１の表面２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図２（ｂ）に示すように、第２基板２１を介して感圧弾性体層１４の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる（言い換えれば、検出された抵抗値が小さくなる）。また、その変化量は各圧力センサー１５ともほぼ同じ値となる。
【００５４】
図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図２（ｃ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【００５５】
このとき、図３（ｃ）に示すように、弾性体突起２３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２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積は、４つのセンサー電極１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【００５６】
弾性体突起２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２３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１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、後述する差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【００５７】
第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起２３がセンサー基板１１に接した状態で、弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０がずれる。図３（ｃ）は、圧力センサー１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。
【００５８】
図４は、センシング領域の座標系を示す図である。図５は、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、圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。
【００５９】
図４に示すように、複数の圧力センサーＳ１（１５）〜Ｓ４（１５）は、単位検出領域Ｓ当たり一対のセンサー電極１３に挟まれて縦２行、横２列に計４つ配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（１）で表される。
【００６０】
【数１】
【００６１】
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（２）で表される。
【００６２】
【数２】
【００６３】
また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分、Ｚ軸は図４の図中省略）は以下の式（３）で表される。
【００６４】
【数３】
【００６５】
本実施形態では、外圧によって感圧弾性体層１４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差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【００６６】
式（１）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２、及び圧力センサーＳ４で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ３で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２、及び圧力センサーＳ４の組み合わせによる圧力値と−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及び、圧力センサーＳ３の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。
【００６７】
式（２）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ２で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３、及び圧力センサーＳ４で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ２の組み合わせによる圧力値と−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３、及び圧力センサーＳ４の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。
【００６８】
式（３）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【００６９】
次に、図５に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている（圧力値を示す圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。
【００７０】
また、指で押されていない領域は、圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域Ｓ（圧力センサーが集合した領域）がマトリックス状（例えば縦１５行×横１５列に計２２５個）に配置されているとする。
【００７１】
次に、図６に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を考える。このとき、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置されたものうち縦３行×横３列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図５と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。
【００７２】
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で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【００７３】
つまり、各単位検出領域Ｓでは、上述した式（１）及び式（２）に基づいて外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙが算出される。ここでは、＋Ｘ方向を基準として左回りに約１２３°の方向に外圧が作用していることが分かる。なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、９つの算出結果の平均値で求める方法、あるいは９つの算出結果のうちの最大値（例えば所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。
【００７４】
（電子機器）
図７は、上記実施形態の圧力検出装置１０を適用した携帯電話機１０００の概略構成を示す模式図である。電子機器の一例としての携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びコントロールパッド１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１を備えている。コントロールパッド１００２を操作することによって、液晶パネル１００１に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンにカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押すことで、電話帳が表示されたり、携帯電話機１０００の電話番号が表示されたりする。
【００７５】
図８は、上記実施形態の圧力検出装置１０を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）２０００の概略構成を示す模式図である。電子機器の一例としての携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２及びコントロールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１を備えている。コントロールパッド２００３を操作すると、液晶パネル２００１に表示されたメニューを操作できる。例えば、メニュー（図示略）にカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド２００３を強く押すことで、住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。
【００７６】
このような電子機器によれば、上述した圧力検出装置１０をコントロールパッド１００２，２００３に備えているので、外圧の方向と大きさとを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００７７】
なお、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、デジタルスチールカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る圧力検出装置１０を適用させることができる。
【００７８】
（ロボット）
図９は、上記実施形態の圧力検出装置１０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９（ａ）に示すように、ロボットの一例としてのロボットハンド３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに上記圧力検出装置１０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。
【００７９】
図９（ｂ）に示すように、ロボットハンド３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合を考える。このとき、対象物３０１０に作用する力は把持部３００１で圧力として検出される。ロボットハンド３０００は、把持部３００１として上述した圧力検出装置１０を備えているので、対象物３０１０の表面（接触面）に垂直な方向の力と併せて重力Ｍｇですべる方向の力（すべり力の成分）を検出することが可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたりすべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じてできる。
【００８０】
このようなロボットによれば、上述した圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向を高い精度で検出することが可能なロボットハンド３０００を提供することができる。
【００８１】
以上詳述したように、本実施形態の圧力検出装置１０、電子機器、及びロボットによれば、以下に示す効果が得られる。
【００８２】
（１）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、第２基板２１を構成する第２基板本体２２と複数の弾性体突起２３とが導電性を有することにより、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。そのため、外圧の印加に伴う感圧弾性体層１４の抵抗値の変化に対する検出感度を向上させることができる。したがって、外圧の方向と大きさを精度よく検出することが可能な圧力検出装置１０を提供できる。
【００８３】
（２）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、感圧弾性体層１４の硬さより弾性体突起２３の硬さの方が硬いので、第２基板２１に外圧を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起２３を押し込むことが可能となると共に、外圧が解除されたときの弾性体突起２３の復元性を確保することができる。つまり、弾性体突起２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができるので、外圧の方向や大きさの検出精度および検出感度を向上させることができる。
【００８４】
（３）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、基準点Ｐと各圧力センサー１５との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起２３の重心Ｇの位置の変化量と各圧力センサー１５で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサー１５が基準点Ｐから互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起２３の重心Ｇの位置の変化量が同じであっても、各圧力センサー１５で検出される圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサー１５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２３の重心Ｇ位置の変化量と各圧力センサー１５が検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、補正係数は不用となる。したがって、各圧力センサー１５で検出された圧力値から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００８５】
（４）本実施形態の電子機器によれば、上記に記載の圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００８６】
（５）本実施形態のロボットによれば、上記に記載の圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
【００８７】
（第２実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１０は、第２実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。以下、第２実施形態の圧力検出装置の構成を、図１０を参照しながら説明する。
【００８８】
第２実施形態の圧力検出装置１１０は、複数の弾性体突起を感圧性を有する導電性弾性体（感圧導電性弾性体）により形成する点で第１実施形態と異なっている。以下、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。
【００８９】
図１０に示すように、第２実施形態の圧力検出装置１１０は、第１実施形態と同様に、第１基板としてのセンサー基板１１と、センサー基板１１と対向するように配置された第２基板１２１と、圧力の方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）と、を備えている。センサー基板１１は、センサー基板本体１２上に複数のセンサー電極１３がマトリックス状に設けられており、センサー電極１３を含むセンサー基板本体１２上に感圧弾性体層１４が設けられている。
【００９０】
第２実施形態の圧力検出装置１１０の特徴として、第２基板１２１を構成する複数の弾性体突起１２３を感圧導電性弾性体により形成している。この場合の感圧導電性弾性体とは、電気的特性の測定に必要な抵抗値以下の抵抗値を備え、圧力が印加された場合に形状が変形し、かつ圧力の印加を停止した場合には元の形状に戻るものを示す。一例としては、炭素等の導電性を示す物質を、柔軟性を備えたポリオレフィン系の樹脂中に分散させたものを挙げることができる。また、導電性ゴム、シリコンゴムなどを用いるようにしてもよい。
【００９１】
また、圧力センサー１５は、センサー電極１３と、感圧弾性体層１４とによって構成される。そして、第２基板１２１に外圧が加えられると、弾性体突起１２３および感圧弾性体層１４が弾性変形し、それぞれの抵抗値が変化する。その抵抗値変化をセンサー電極１３により検出し、上記の演算装置により演算を行って外圧の大きさを求める。第１実施形態と同様に、第２基板１２１を構成する第２基板本体２２は導電性を有しているので、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。
【００９２】
また、第１実施形態と同様に、弾性体突起１２３の硬さは、上記した感圧弾性体層１４の硬さより硬い材料が用いられる。具体的には、弾性体突起１２３のデュロメータ硬さ（タイプA、ＩＳＯ ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は、例えば、３０〜６０程度になっている。感圧弾性体層１４の硬さは、例えば、２０〜２５程度である。
【００９３】
このように、弾性体突起１２３と感圧弾性体層１４との硬さの関係を調整することにより、第２基板１２１に圧力を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起１２３を押し込むことが可能となり、弾性体突起１２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができる。具体的には、第２基板１２１に水平方向の外圧が加えられた場合、弾性体突起１２３の重心（圧力が加えられた点）が初期の段階と比べてずれてしまうことを抑えることができる。これにより、外圧の検出感度を向上させることができる。
【００９４】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、圧力の変化を示す模式断面図である。以下、圧力の変化を、図１１を参照しながら説明する。なお、圧力の変化と位置との関係を示す図は、図３と同様である。
【００９５】
図１１（ａ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１１（ａ）に示すように、第２基板１２１の表面１２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起１２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー１５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１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【００９６】
図１１（ｂ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図１１（ｂ）に示すように、第２基板１２１を介して感圧弾性体層１４に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板１２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板１２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー１５ともほぼ同じ値となる。
【００９７】
図１１（ｃ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図１１（ｃ）に示すように、第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板１２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板１２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【００９８】
このとき、弾性体突起１２３の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる（図３（ｃ）参照）。この場合、弾性体突起１２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起１２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積は、４つのセンサー電極１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【００９９】
弾性体突起１２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起１２３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（図３（ｃ）参照）。すると、各圧力センサー１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、上述した差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【０１００】
第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起１２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起１２３がセンサー基板１１に接した状態で、弾性体突起１２３の基部の相対的な位置３０がずれる。
【０１０１】
以上詳述したように、第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、上記した第１実施形態の（１）〜（５）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１０２】
（６）第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、第２基板１２１を構成する複数の弾性体突起１２３を感圧導電性弾性体により形成しているので、外圧が印加された場合に感圧弾性体層１４のみならず、弾性体突起１２３も変形により抵抗値が変化する。感圧弾性体層１４が垂直方向の圧力に対する検出感度が高いのに対して、弾性体突起１２３は、すべり方向の力に対して感度よく変形することから、水平方向の圧力に対する検出感度を向上させることができる。
【０１０３】
（第３実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１２は、第３実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。以下、第３実施形態の圧力検出装置の構成を、図１２を参照しながら説明する。
【０１０４】
第３実施形態の圧力検出装置２１０は、複数の圧力センサー２１５が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行、横４列に配置されている部分が、上述の第１実施形態で説明した圧力検出装置１０と異なっている。以下、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。
【０１０５】
第１実施形態及び第２実施形態では、圧力を分解して検出する原理を示すべく、圧力センサー１５を２行２列に配置し、圧力を分解する計算式を示したが、実際には多数の圧力センサーにより圧力を求めることとなる。ここでは、ｉ個（ｉは４以上の整数）の圧力センサー２１５を用いた場合に拡張した計算式を示す。
【０１０６】
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２３に対応して配置された複数のセンサー電極２１３が設けられる単位検出領域Ｓｉを示している。なお、図１２においては、便宜上、複数のセンサー電極２１３が単位検出領域Ｓｉ当たり縦４行、横４列に配置されているが、実際には図１３及び図１４に示すように複数のセンサー電極２１３が単位検出領域Ｓｉ当たり縦４行、横４列以上に配置されていてもよいものとする。
【０１０７】
図１２に示すように、センサー基板本体１２上には、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に少なくとも縦４行、横４列に計１６個、センサー電極２１３が配置されている。これら１６個のセンサー電極２１３の中心（単位検出領域Ｓｉの中心）が基準点Ｐとなっている。
【０１０８】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態の圧力センサーによる圧力の変化を示す断面図である。図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態の圧力センサーによる圧力の変化と位置との関係を示す平面図である。以下、外圧の大きさと方向を検出する方法を、図１３及び図１４を参照しながら説明する。
【０１０９】
図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１３（ａ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー２１５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２１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【０１１０】
図１４（ａ）は、外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー２１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０、センサー基板２１１と弾性体突起２３とが接する領域４０を示している。
【０１１１】
図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、第２基板２１の表面２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図１３（ｂ）に示すように、第２基板２１を介して感圧弾性体層１４の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー２１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー２１５ともほぼ同じ値となる。
【０１１２】
図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図１３（ｃ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【０１１３】
このとき、図１４（ｃ）に示すように、弾性体突起２３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２３の先端部と４つの各センサー電極２１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起２３の先端部と４つの各センサー電極２１３との重なる面積は、４つのセンサー電極２１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極２１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極２１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【０１１４】
弾性体突起２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２３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２１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、後述する差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【０１１５】
第２基板２１の表面に斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起２３がセンサー基板２１１に接した状態で、弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０がずれる。図１４（ｃ）は、圧力センサー２１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。
【０１１６】
図１５は、図４に対応した、第３実施形態のセンシング領域の座標系を示す図である。なお、図１５において、複数の圧力センサーＳi（１００個）がマトリックス状に配置されており、このうちの２５個の圧力センサーＳiがそれぞれ−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域に配置されている。また、図１５においては、便宜上、１００個の圧力センサーＳiを図示しているが、圧力センサーＳiの配置数はこれに限らず任意に変更することができる。
【０１１７】
図１５に示すように、複数の圧力センサーＳiは、単位検出領域Ｓ当たり縦１０行、横１０列に計１００個配置されている。ここで、各圧力センサーＳiが検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰi（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各圧力センサーＳiとの間の距離の面内方向成分をｒi（ｉ＝１〜１００）とする。
【０１１８】
また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒxi（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒyi（ｉ＝１〜１００）とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（４）で表される。
【０１１９】
【数４】
【０１２０】
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（５）で表される。
【０１２１】
【数５】
【０１２２】
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。
【０１２３】
【数６】
【０１２４】
本実施形態では、外圧によって変化する１００個の圧力センサーＳiの圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳiの圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【０１２５】
式（４）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値のうち相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。
【０１２６】
式（５）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、１００個の圧力センサーＳiの圧力値のうち相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。
【０１２７】
式（６）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【０１２８】
なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値の算出結果の平均値で求める方法、あるいは１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値の算出結果のうちの最大値（例えば、所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。
【０１２９】
本実施形態の圧力検出装置２１０によれば、複数の圧力センサー２１５が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行、横４列に配置されているので、配置される圧力センサー２１５の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー２１５で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー２１５の検出結果を積算して外圧の作用する方向と大きさとを求めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【０１３０】
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３を介して、感圧弾性体層１４が弾性変形することにより変化するｉ個の圧力センサー２１５の圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【０１３１】
式（４）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで測定された圧力値のうちＸ方向に配置された圧力センサーＳiで測定された値を処理して外圧のＸ方向成分が求められる。
【０１３２】
式（５）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで測定された圧力値のうちＹ方向に配置された圧力センサーＳiで測定された値を処理して外圧のＹ方向成分が求められる。
【０１３３】
式（６）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで検出された圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【０１３４】
以上詳述したように、第３実施形態の圧力検出装置２１０によれば、上記した第１実施形態及び第２実施形態の（１）〜（６）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１３５】
（７）第３実施形態の圧力検出装置２１０によれば、配置される圧力センサー２１５の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー２１５で検出される圧力値に基づいて各圧力センサー２１５の検出結果を積算して外圧の作用する方向を決めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【０１３６】
なお、実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。
【０１３７】
（変形例１）
例えば、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３を覆うように、導電体膜としての導電性膜３２４を成膜して第２基板３２１を構成してもよい。この場合、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３の形成材料として絶縁性ゴムや発砲ウレタン等の樹脂材料を用い、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３を金型で一体形成し、その後、複数の弾性体突起３２３の露出する部位全体を覆って第２基板本体２２の上に例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を形成してもよい。これにより、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用いる場合に比べて材料選択の幅が拡がるので、弾性体突起３２３を所望の形状や硬さに形成しやすくなる。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、変形例１の圧力検出装置３１０によれば、外圧の方向と大きさを精度よく検出することができる。
【０１３８】
（変形例２）
上記したように、感圧弾性体層１４として導電粒子が分散されたゴムを用いて電気抵抗値変化を検出していたが、電気的特性の変化から圧力を検出するものであればよく、例えば、誘電体材料を用いて容量値変化を検出するようにしてもよい。また、インダクタンスの変化を検出するようにしてもよい。なお、強い電磁波が存在する場合、ノイズによる影響を受ける場合があるので、状況に応じていずれかの方法を選択して使用することが好ましい。
【０１３９】
（変形例３）
上記したように、弾性体突起２３の形状は、半球状であることに限定されず、例えば、他の形状の錐状や柱状でもよい。
【符号の説明】
【０１４０】
１０，１１０，２１０…圧力検出装置、１１，２１１…第１基板としてのセンサー基板、１２…センサー基板本体、１３，２１３…センサー電極、１４…感圧弾性体層、１５，２１５（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）…圧力センサー、２１…第２基板、２１ａ…表面、２２…第２基板本体、２３…弾性体突起、３０…位置、４０…領域、１０００…携帯電話機、１００１，２００１…液晶パネル、１００２，２００３…コントロールパッド、１００３，２００２…操作ボタン、２０００…携帯情報端末、３０００…ロボットハンド、３００１…把持部、３００２…アーム部、３００３…本体部、３０１０…対象物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出装置、これを備えた電子機器、及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記圧力検出装置として、例えば、特許文献１〜３に記載の検出装置が知られている。この検出装置は、球状あるいは先端部が感圧素子側に向いた半球状の弾性体を感圧素子表面に設け、弾性体の変形および重心位置の変化から、外圧の大きさと方向を検出する構成となっている。このような検出装置は、タッチパネルやロボットの触覚センサー等への応用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１３５８３４号公報
【特許文献２】特開平７−１２８１６３号公報
【特許文献３】特開２００７−１８７５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の検出装置は、裏面に錐状突起が略均一に配置された受圧シートを用い、その突起の変形量から圧力分布を検出する構成となっている。しかしながら、特許文献１の検出装置では、測定面にかかる圧力の面内方向の力（すべり力）を測定することができない。
上記特許文献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、これらの表面突起の周辺部を等分した個所の裏面に円錐状の突起を設けた構成となっている。特許文献２の検出装置では、外圧を３次元の力ベクトルとして検出することは可能であるが、柱状突起の変形の度合いで外圧の検出限界が決まってしまう。
上記特許文献３の検出装置では、弾性体に水平方向の外圧が加えられると、感圧素子に対して弾性体の重心位置がずれることで外圧の方向を検出可能であるが、外圧が解除された後に感圧素子に対する弾性体の重心位置が元に戻らないことがある。弾性体の重心と感圧素子との位置ずれが残留した状態では、水平方向の外圧の方向と大きさを適切に測定することができない。
以上のように、特許文献１〜３の検出装置では、いずれも外圧の方向と大きさを高い精度で検出すること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、上記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ことが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例に係る圧力検出装置は、加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、前記第２基板は、導電性を有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、第２基板が導電性を有することにより、センサー電極に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。そのため、外圧の印加に伴う感圧弾性体層の抵抗値の変化に対する検出感度を向上させることができる。したがって、外圧の方向と大きさを精度よく検出することができる。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体突起は、感圧性を有する導電性弾性体により形成されることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、第２基板を構成する複数の弾性体突起を感圧導電性弾性体により形成しているので、外圧が印加された場合に感圧弾性体層のみならず、弾性体突起も変形により抵抗値が変化する。感圧弾性体層が垂直方向の圧力に対する検出感度が高いのに対して、弾性体突起は、すべり方向の力に対して感度よく変形することから、水平方向の圧力に対する検出感度を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］本適用例に係る他の圧力検出装置は、加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、前記弾性体突起を覆うように前記第２基板上に導電体膜を設けることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、弾性体突起を有する第２基板の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用いる場合に比べて材料選択の幅が拡がるので、弾性体突起を所望の形状や硬さに形成しやすくなる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記外圧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外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備える。
【００１３】
［適用例５］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていることが好ましい。
【００１４】
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、前記弾性体突起の重心位置の変化量と各圧力センサーで検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサーが基準点から互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起の重心位置の変化量が同じであっても、各圧力センサーで検出される圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーの配置位置に応じた補正係数が必要となる。しかしながら、この構成によれば、弾性体突起の重心位置の変化量と各圧力センサーが検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不用となる。したがって、各圧力センサーで検出された圧力値から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００１５】
［適用例６］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【００１６】
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圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
【００１７】
［適用例７］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていることが好ましい。
【００１８】
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。このため、多数の圧力センサーで検出される圧力値に基づいて各圧力センサーの検出結果を積算して外圧の作用する方向を決めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【００１９】
［適用例８］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体突起は、前記第２基板に複数形成されており、互いに離間して配置されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、弾性体突起が弾性変形したときの第２基板の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。例えば、一方の弾性体突起が変形したときに他方の弾性体突起に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の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、外圧を正確に各圧力センサーに伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。
【００２１】
［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、上記に記載の圧力検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００２３】
［適用例１０］本適用例に係るロボットは、上記に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、上記に記載の圧力検出装置を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態の圧力検出装置の構成を示す分解斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図２に対応した圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図。
【図４】センシング領域の座標系を示す図。
【図５】圧力センサーによる垂直方向の圧力分布を示す図。
【図６】圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図。
【図７】圧力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８】圧力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９】圧力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１０】第２実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図１２】第３実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は圧力の変化を示す模式断面図。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、図１３に対応した圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図。
【図１５】センシング領域の座標系を示す図。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は変形例の圧力検出装置の構成と圧力の変化を示す模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。
【００２７】
また、本実施形態において、第１基板の「表面」とは、第１基板における複数の圧力センサー形成面を指す。第２基板の「表面」とは、第２基板における弾性体突起形成面の反対面を指し、つまりは、外圧を受ける面を指す。
【００２８】
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軸がセンサー基板本体１２に対して平行な方向に設定され、Ｚ軸はＸ軸とＹ軸にそれぞれ直交する方向、すなわちセンサー基板１１に対する法線方向に設定されている。
【００２９】
（第１実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１は、圧力検出装置１０の構成を示す分解斜視図である。以下、圧力検出装置１０の構成を、図１を参照しながら説明する。図１において、符号Ｐは基準点、符号Ｓは１つの弾性体突起２３に対応して配置されたセンサー電極１３を有する単位検出領域を示している。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２３の中心（重心）が平面視で位置するポイントである。
【００３０】
図１に示すように、圧力検出装置１０は、基準点Ｐに加えられた外圧の方向と大きさとを検出する圧力センサー方式のタッチパッドであり、例えば、ノートパソコン等の電子機器においてマウスの代わりのポインティングデバイスとして用いられるものである。
【００３１】
具体的には、圧力検出装置１０は、第１基板としてのセンサー基板１１と、センサー基板１１と対向するように配置された第２基板２１と、圧力の方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）と、を備えている。
【００３２】
具体的には、センサー基板１１は、センサー基板本体１２上における基準点Ｐの周りに複数のセンサー電極１３が設けられており、センサー電極１３を含むセンサー基板本体１２の全体に感圧弾性体層１４が設けられている。圧力検出装置１０を構成する圧力センサー１５は、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形することにより、例えば、一対のセンサー電極１３間の抵抗値変化を検出し、それを圧力値に変換して出力するものである。
【００３３】
第２基板２１は、第２基板本体２２上における基準点Ｐに重なる位置に重心が位置する弾性体突起２３が設けられている。弾性体突起２３は、その先端部がセンサー基板１１（感圧弾性体層１４）に当接した状態で弾性変形する。また、第２基板本体２２及び弾性体突起２３は、導電性を有する。
【００３４】
演算装置は、複数の圧力センサー１５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１５で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさとを演算する。
【００３５】
より具体的には、センサー基板１１は、例えば、ガラス、石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板状のセンサー基板本体１２と、センサー基板本体１２にマトリックス状に配置された複数のセンサー電極１３と、センサー基板本体１２上の全体に設けられた感圧弾性体層１４と、を具備して構成されている。センサー基板本体１２の大きさ（平面視のサイズ）は、例えば、縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度になっている。
【００３６】
複数のセンサー電極１３は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数のセンサー電極１３は、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）にマトリックス状に配置されている。これにより、一対のセンサー電極１３により構成される圧力センサー１５との間の距離が互いに等しくなる。これにより、感圧弾性体層１４の変形と各圧力センサー１５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１５の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１５で検出された圧力値の差分を演算することが容易となる。なお、圧力値の差分の演算方法については後述する。
【００３７】
感圧弾性体層１４とは、圧力が印加された場合に形状や抵抗率、誘電率等の特性が変化し、この変化を電気的に抽出することで圧力を電気信号に変える層であり、かつ圧力の印加を停止した場合には元の状態に戻るものを示す。本実施形態では、圧力センサー１５が、感圧弾性体層１４の形状変化に伴う抵抗値変化を検出する場合について説明する。感圧弾性体層１４の一例としては、所定の厚みのゴムシートに導電粒子を均一に分散させたものを用いることができる。
【００３８】
導電粒子が分散されたゴム系の物質を用いることにより、圧力を加えていない場合にはほぼ絶縁体となり、圧力を加えた場合には低抵抗値となる。そのため、消費電力の増加を抑えて圧力を測定することが可能となる。さらに、この場合、抵抗値と圧力との関係をルックアップテーブル等に格納しておくことで、抵抗値からの圧力の算出を容易に行うことが可能となる。
【００３９】
圧力検出装置１０は、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形することにより、隣り合う２つのセンサー電極１３と感圧弾性体層１４により構成され、外圧を抵抗値の変化で検出する圧力センサー１５を備える。そして各圧力センサー１５で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）を備えている。なお、必ずしも隣り合うセンサー電極１３の対を用いる必要はなく、例えば、間隔を空けたセンサー電極１３を対にして用いるようにしても良い。
【００４０】
第２基板２１は、矩形板状の第２基板本体２２と、第２基板本体２２に設けられた複数の弾性体突起２３と、を具備して構成されている。
【００４１】
第２基板本体２２は、外圧を直接受ける部分である。第２基板本体２２は、例えば、導電性ゴム、導電性樹脂及びカーボンブラック等の導電性及び弾性を有する材料で構成することができる。本実施形態では、第２基板本体２２及び複数の弾性体突起２３の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用い、第２基板本体２２及び複数の弾性体突起２３を金型で一体形成している。複数の弾性体突起２３を第２基板本体２２とは別の材料で形成し、接着剤等を用いて第２基板本体２２に接着する形で第２基板２１を形成してもよい。
【００４２】
複数の弾性体突起２３は、第２基板本体２２上においてＸ方向及びＹ方向にマトリックス状に配置されている。弾性体突起２３の先端部は、例えば、球面の錘状となっており、センサー基板１１（感圧弾性体層１４）に当接している。弾性体突起２３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２３は、互いに離間して配置されている。このため、弾性体突起２３が弾性変形したときの第２基板本体２２の面内に平行な方向の変形量を許容することができる。
【００４３】
例えば、一方の弾性体突起２３が変形したときに他方の弾性体突起２３に変形の影響を及ぼすことを抑制することができる。このため、複数の弾性体突起２３が互いに接触して配置されている場合に比べて、外圧を正確に各圧力センサー１５に伝達することができる。したがって、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することができる。また、各圧力センサー１５の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１５の圧力値の差分から外圧の方向と大きさを演算することが容易となる。
【００４４】
弾性体突起２３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２３の基部の径（弾性体突起２３がセンサー基板１１に接する部分の直径）は１．８ｍｍ程度になっている。一方、弾性体突起２３の高さ（弾性体突起２３のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。さらに、隣り合う弾性体突起２３の離間間隔は１ｍｍ程度になっている。
【００４５】
なお、弾性体突起２３の硬さは、上記した感圧弾性体層１４の硬さより硬い材料が用いられる。具体的には、弾性体突起２３のデュロメータ硬さ（タイプA、ＩＳＯ ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は、例えば、３０〜６０程度になっている。感圧弾性体層１４の硬さは、例えば、２０〜２５程度である。
【００４６】
このように、弾性体突起２３と感圧弾性体層１４との硬さの関係を調整することにより、第２基板２１に圧力を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起２３を押し込むことが可能となり、弾性体突起２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができる。具体的には、第２基板２１に水平方向の外圧が加えられた場合、弾性体突起２３の重心（圧力が加えられた点）が初期の段階と比べてずれてしまうことを抑えることができる。これにより、外圧の検出感度を向上させることができる。
【００４７】
また、第２基板２１を構成する複数の弾性体突起２３が導電性を有することにより、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能することができる。この場合、第２基板２１に外圧が加えられると、弾性体突起２３が弾性変形し、該弾性体突起２３に当接した感圧弾性体層１４が変形する。そして、感圧弾性体層１４の変形に伴う抵抗値の変化をセンサー電極１３及びもう一方の電極として機能する第２基板２１により検出するので、抵抗値の変化に対する検出感度が向上する。
【００４８】
また、本実施形態は、第１基板としてのセンサー基板１１と第２基板２１との間に誘電体層を挟み、外圧の印加に伴う誘電体層の静電容量値の変化を検出する場合にも対応できる。
【００４９】
複数の圧力センサー１５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１５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１５の各面積がほぼ等しくなっている。
【００５０】
図２及び図３は、外圧の大きさと方向を検出する方法の説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、圧力の変化を示す模式断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、圧力の変化と位置との関係を示す模式平面図である。以下、外圧の大きさと方向を検出する方法を、図２及び図３を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起２３の重心（圧力中心）を示している。
【００５１】
図２（ａ）及び図３（ａ）は、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図２（ａ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー１５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１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【００５２】
図３（ａ）は、外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０、センサー基板１１と弾性体突起２３とが接する領域４０を示している。
【００５３】
図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、第２基板２１の表面２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図２（ｂ）に示すように、第２基板２１を介して感圧弾性体層１４の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる（言い換えれば、検出された抵抗値が小さくなる）。また、その変化量は各圧力センサー１５ともほぼ同じ値となる。
【００５４】
図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図２（ｃ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【００５５】
このとき、図３（ｃ）に示すように、弾性体突起２３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２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積は、４つのセンサー電極１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【００５６】
弾性体突起２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２３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１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、後述する差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【００５７】
第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起２３がセンサー基板１１に接した状態で、弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０がずれる。図３（ｃ）は、圧力センサー１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。
【００５８】
図４は、センシング領域の座標系を示す図である。図５は、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、圧力センサーによるすべり方向の計算例を示す図である。
【００５９】
図４に示すように、複数の圧力センサーＳ１（１５）〜Ｓ４（１５）は、単位検出領域Ｓ当たり一対のセンサー電極１３に挟まれて縦２行、横２列に計４つ配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１〜Ｓ４が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（１）で表される。
【００６０】
【数１】
【００６１】
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（２）で表される。
【００６２】
【数２】
【００６３】
また、外力のＺ方向成分Ｆｚ（外力の垂直方向成分、Ｚ軸は図４の図中省略）は以下の式（３）で表される。
【００６４】
【数３】
【００６５】
本実施形態では、外圧によって感圧弾性体層１４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差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【００６６】
式（１）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２、及び圧力センサーＳ４で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ３で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２、及び圧力センサーＳ４の組み合わせによる圧力値と−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１及び、圧力センサーＳ３の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。
【００６７】
式（２）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４で検出された圧力値のうち＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ２で検出された値が組み合わされるとともに、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３、及び圧力センサーＳ４で検出された値が組み合わされる。このように、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１、及び圧力センサーＳ２の組み合わせによる圧力値と−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３、及び圧力センサーＳ４の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。
【００６８】
式（３）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１〜Ｓ４の圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【００６９】
次に、図５に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合を考える。このとき、外圧の垂直方向の圧力は、外圧が作用した部分の中心部が最も大きくなっている（圧力値を示す圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧９０〜１２０ｍＶ程度）。また、外圧の垂直方向の圧力は、中心部に次いでその周辺部（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧６０〜９０ｍＶ程度）、最外周部（圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧３０〜６０ｍＶ程度）の順に小さくなっている。
【００７０】
また、指で押されていない領域は、圧力センサーＳ１〜Ｓ４の出力電圧が０〜３０ｍＶ程度となっている。なお、タッチパッドには単位検出領域Ｓ（圧力センサーが集合した領域）がマトリックス状（例えば縦１５行×横１５列に計２２５個）に配置されているとする。
【００７１】
次に、図６に示すように、タッチパッドの検出面の中央部より左上寄りの位置を指で斜めに押した場合の外圧の面内方向成分（すべり方向）の算出方法を考える。このとき、指の押圧力（外力）は、縦１５行×横１５列に配置されたものうち縦３行×横３列に配置された部分に作用しているとする。ここで、外圧の垂直方向の圧力は、図５と同様に外圧が作用した部分の中心部がもっとも大きくなっている（１１０ｍＶ）。
【００７２】
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で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【００７３】
つまり、各単位検出領域Ｓでは、上述した式（１）及び式（２）に基づいて外圧のＸ方向成分Ｆｘ及び外圧のＹ方向成分Ｆｙが算出される。ここでは、＋Ｘ方向を基準として左回りに約１２３°の方向に外圧が作用していることが分かる。なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、９つの算出結果の平均値で求める方法、あるいは９つの算出結果のうちの最大値（例えば所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。
【００７４】
（電子機器）
図７は、上記実施形態の圧力検出装置１０を適用した携帯電話機１０００の概略構成を示す模式図である。電子機器の一例としての携帯電話機１０００は、複数の操作ボタン１００３及びコントロールパッド１００２、並びに表示部としての液晶パネル１００１を備えている。コントロールパッド１００２を操作することによって、液晶パネル１００１に表示される画面がスクロールされる。液晶パネル１００１にはメニューボタン（図示略）が表示される。例えば、メニューボタンにカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド１００２を強く押すことで、電話帳が表示されたり、携帯電話機１０００の電話番号が表示されたりする。
【００７５】
図８は、上記実施形態の圧力検出装置１０を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）２０００の概略構成を示す模式図である。電子機器の一例としての携帯情報端末２０００は、複数の操作ボタン２００２及びコントロールパッド２００３、並びに表示部としての液晶パネル２００１を備えている。コントロールパッド２００３を操作すると、液晶パネル２００１に表示されたメニューを操作できる。例えば、メニュー（図示略）にカーソル（図示略）を合わせてコントロールパッド２００３を強く押すことで、住所録が表示されたり、スケジュール帳が表示されたりする。
【００７６】
このような電子機器によれば、上述した圧力検出装置１０をコントロールパッド１００２，２００３に備えているので、外圧の方向と大きさとを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００７７】
なお、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、デジタルスチールカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る圧力検出装置１０を適用させることができる。
【００７８】
（ロボット）
図９は、上記実施形態の圧力検出装置１０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９（ａ）に示すように、ロボットの一例としてのロボットハンド３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに上記圧力検出装置１０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。
【００７９】
図９（ｂ）に示すように、ロボットハンド３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合を考える。このとき、対象物３０１０に作用する力は把持部３００１で圧力として検出される。ロボットハンド３０００は、把持部３００１として上述した圧力検出装置１０を備えているので、対象物３０１０の表面（接触面）に垂直な方向の力と併せて重力Ｍｇですべる方向の力（すべり力の成分）を検出することが可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたりすべりやすい物体を落としたりしないよう、対象物３０１０の質感に応じてできる。
【００８０】
このようなロボットによれば、上述した圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向を高い精度で検出することが可能なロボットハンド３０００を提供することができる。
【００８１】
以上詳述したように、本実施形態の圧力検出装置１０、電子機器、及びロボットによれば、以下に示す効果が得られる。
【００８２】
（１）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、第２基板２１を構成する第２基板本体２２と複数の弾性体突起２３とが導電性を有することにより、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。そのため、外圧の印加に伴う感圧弾性体層１４の抵抗値の変化に対する検出感度を向上させることができる。したがって、外圧の方向と大きさを精度よく検出することが可能な圧力検出装置１０を提供できる。
【００８３】
（２）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、感圧弾性体層１４の硬さより弾性体突起２３の硬さの方が硬いので、第２基板２１に外圧を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起２３を押し込むことが可能となると共に、外圧が解除されたときの弾性体突起２３の復元性を確保することができる。つまり、弾性体突起２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができるので、外圧の方向や大きさの検出精度および検出感度を向上させることができる。
【００８４】
（３）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、基準点Ｐと各圧力センサー１５との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起２３の重心Ｇの位置の変化量と各圧力センサー１５で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサー１５が基準点Ｐから互いに異なる距離に配置される場合、弾性体突起２３の重心Ｇの位置の変化量が同じであっても、各圧力センサー１５で検出される圧力値は互いに異なることとなる。このため、検出値の差分を演算する際に各圧力センサー１５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２３の重心Ｇ位置の変化量と各圧力センサー１５が検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、補正係数は不用となる。したがって、各圧力センサー１５で検出された圧力値から外圧の方向と大きさを演算することが容易となり、外圧を効率よく検出することができる。
【００８５】
（４）本実施形態の電子機器によれば、上記に記載の圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能な電子機器を提供することができる。
【００８６】
（５）本実施形態のロボットによれば、上記に記載の圧力検出装置１０を備えているので、外圧の方向と大きさを高い精度で検出することが可能なロボットを提供することができる。
【００８７】
（第２実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１０は、第２実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。以下、第２実施形態の圧力検出装置の構成を、図１０を参照しながら説明する。
【００８８】
第２実施形態の圧力検出装置１１０は、複数の弾性体突起を感圧性を有する導電性弾性体（感圧導電性弾性体）により形成する点で第１実施形態と異なっている。以下、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。
【００８９】
図１０に示すように、第２実施形態の圧力検出装置１１０は、第１実施形態と同様に、第１基板としてのセンサー基板１１と、センサー基板１１と対向するように配置された第２基板１２１と、圧力の方向と大きさを演算する演算装置（図示せず）と、を備えている。センサー基板１１は、センサー基板本体１２上に複数のセンサー電極１３がマトリックス状に設けられており、センサー電極１３を含むセンサー基板本体１２上に感圧弾性体層１４が設けられている。
【００９０】
第２実施形態の圧力検出装置１１０の特徴として、第２基板１２１を構成する複数の弾性体突起１２３を感圧導電性弾性体により形成している。この場合の感圧導電性弾性体とは、電気的特性の測定に必要な抵抗値以下の抵抗値を備え、圧力が印加された場合に形状が変形し、かつ圧力の印加を停止した場合には元の形状に戻るものを示す。一例としては、炭素等の導電性を示す物質を、柔軟性を備えたポリオレフィン系の樹脂中に分散させたものを挙げることができる。また、導電性ゴム、シリコンゴムなどを用いるようにしてもよい。
【００９１】
また、圧力センサー１５は、センサー電極１３と、感圧弾性体層１４とによって構成される。そして、第２基板１２１に外圧が加えられると、弾性体突起１２３および感圧弾性体層１４が弾性変形し、それぞれの抵抗値が変化する。その抵抗値変化をセンサー電極１３により検出し、上記の演算装置により演算を行って外圧の大きさを求める。第１実施形態と同様に、第２基板１２１を構成する第２基板本体２２は導電性を有しているので、センサー基板１１におけるセンサー電極１３に対応するもう一方の電極としても機能させることができる。
【００９２】
また、第１実施形態と同様に、弾性体突起１２３の硬さは、上記した感圧弾性体層１４の硬さより硬い材料が用いられる。具体的には、弾性体突起１２３のデュロメータ硬さ（タイプA、ＩＳＯ ７６１９準拠のデュロメータによる硬さ測定値）は、例えば、３０〜６０程度になっている。感圧弾性体層１４の硬さは、例えば、２０〜２５程度である。
【００９３】
このように、弾性体突起１２３と感圧弾性体層１４との硬さの関係を調整することにより、第２基板１２１に圧力を加えた際、感圧弾性体層１４に弾性体突起１２３を押し込むことが可能となり、弾性体突起１２３が押し込まれた位置からその周囲にずれることを抑えることができる。具体的には、第２基板１２１に水平方向の外圧が加えられた場合、弾性体突起１２３の重心（圧力が加えられた点）が初期の段階と比べてずれてしまうことを抑えることができる。これにより、外圧の検出感度を向上させることができる。
【００９４】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、圧力の変化を示す模式断面図である。以下、圧力の変化を、図１１を参照しながら説明する。なお、圧力の変化と位置との関係を示す図は、図３と同様である。
【００９５】
図１１（ａ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１１（ａ）に示すように、第２基板１２１の表面１２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起１２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー１５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１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【００９６】
図１１（ｂ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図１１（ｂ）に示すように、第２基板１２１を介して感圧弾性体層１４に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板１２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板１２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー１５ともほぼ同じ値となる。
【００９７】
図１１（ｃ）は、第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図１１（ｃ）に示すように、第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板１２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と第２基板１２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【００９８】
このとき、弾性体突起１２３の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる（図３（ｃ）参照）。この場合、弾性体突起１２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起１２３の先端部と４つの各センサー電極１３との重なる面積は、４つのセンサー電極１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【００９９】
弾性体突起１２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起１２３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（図３（ｃ）参照）。すると、各圧力センサー１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、上述した差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【０１００】
第２基板１２１の表面１２１ａに斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起１２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起１２３がセンサー基板１１に接した状態で、弾性体突起１２３の基部の相対的な位置３０がずれる。
【０１０１】
以上詳述したように、第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、上記した第１実施形態の（１）〜（５）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１０２】
（６）第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、第２基板１２１を構成する複数の弾性体突起１２３を感圧導電性弾性体により形成しているので、外圧が印加された場合に感圧弾性体層１４のみならず、弾性体突起１２３も変形により抵抗値が変化する。感圧弾性体層１４が垂直方向の圧力に対する検出感度が高いのに対して、弾性体突起１２３は、すべり方向の力に対して感度よく変形することから、水平方向の圧力に対する検出感度を向上させることができる。
【０１０３】
（第３実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１２は、第３実施形態の圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。以下、第３実施形態の圧力検出装置の構成を、図１２を参照しながら説明する。
【０１０４】
第３実施形態の圧力検出装置２１０は、複数の圧力センサー２１５が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行、横４列に配置されている部分が、上述の第１実施形態で説明した圧力検出装置１０と異なっている。以下、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。
【０１０５】
第１実施形態及び第２実施形態では、圧力を分解して検出する原理を示すべく、圧力センサー１５を２行２列に配置し、圧力を分解する計算式を示したが、実際には多数の圧力センサーにより圧力を求めることとなる。ここでは、ｉ個（ｉは４以上の整数）の圧力センサー２１５を用いた場合に拡張した計算式を示す。
【０１０６】
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２３に対応して配置された複数のセンサー電極２１３が設けられる単位検出領域Ｓｉを示している。なお、図１２においては、便宜上、複数のセンサー電極２１３が単位検出領域Ｓｉ当たり縦４行、横４列に配置されているが、実際には図１３及び図１４に示すように複数のセンサー電極２１３が単位検出領域Ｓｉ当たり縦４行、横４列以上に配置されていてもよいものとする。
【０１０７】
図１２に示すように、センサー基板本体１２上には、互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に少なくとも縦４行、横４列に計１６個、センサー電極２１３が配置されている。これら１６個のセンサー電極２１３の中心（単位検出領域Ｓｉの中心）が基準点Ｐとなっている。
【０１０８】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態の圧力センサーによる圧力の変化を示す断面図である。図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１３（ａ）〜（ｃ）に対応した、第３実施形態の圧力センサーによる圧力の変化と位置との関係を示す平面図である。以下、外圧の大きさと方向を検出する方法を、図１３及び図１４を参照しながら説明する。
【０１０９】
図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前の状態（外圧の作用がないとき）を示している。図１３（ａ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４は変形しない。このときの各圧力センサー２１５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２１５の圧力値を基準として外圧の作用する方向や大きさが求められる。
【０１１０】
図１４（ａ）は、外圧が付加されない状態における、複数の圧力センサー２１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０、センサー基板２１１と弾性体突起２３とが接する領域４０を示している。
【０１１１】
図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、第２基板２１の表面２１ａに垂直方向（すべり力がない状態）の外圧が付加された状態を示している。図１３（ｂ）に示すように、第２基板２１を介して感圧弾性体層１４の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。このときの圧力センサー２１５の圧力値は、外圧の作用がないときに比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー２１５ともほぼ同じ値となる。
【０１１２】
図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向（すべり力がある状態）の外圧が付加された状態を示している。図１３（ｃ）に示すように、第２基板２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第２基板２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と第２基板２１との間の距離が外圧の作用がないときに比べて小さくなる。
【０１１３】
このとき、図１４（ｃ）に示すように、弾性体突起２３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２３の先端部と４つの各センサー電極２１３との重なる面積はそれぞれ異なる。具体的には、弾性体突起２３の先端部と４つの各センサー電極２１３との重なる面積は、４つのセンサー電極２１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置されたセンサー電極２１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置されたセンサー電極２１３と重なる面積のほうが大きくなる。
【０１１４】
弾性体突起２３は、斜め方向の外圧により変形に偏りが生じる。すなわち、弾性体突起２３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２１５で異なる値の圧力値が検出される。そして、後述する差分の演算方法に基づいて加えられた外圧の方向が求められる。
【０１１５】
第２基板２１の表面に斜め方向の外圧が付加された場合には、弾性体突起２３を介して感圧弾性体層１４が大きく変形する。そして、弾性体突起２３がセンサー基板２１１に接した状態で、弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０がずれる。図１４（ｃ）は、圧力センサー２１５や基準点Ｐに対する弾性体突起２３の基部の相対的な位置３０が外力の方向にずれることを示している。
【０１１６】
図１５は、図４に対応した、第３実施形態のセンシング領域の座標系を示す図である。なお、図１５において、複数の圧力センサーＳi（１００個）がマトリックス状に配置されており、このうちの２５個の圧力センサーＳiがそれぞれ−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に区画された領域、−Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域、＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に区画された領域に配置されている。また、図１５においては、便宜上、１００個の圧力センサーＳiを図示しているが、圧力センサーＳiの配置数はこれに限らず任意に変更することができる。
【０１１７】
図１５に示すように、複数の圧力センサーＳiは、単位検出領域Ｓ当たり縦１０行、横１０列に計１００個配置されている。ここで、各圧力センサーＳiが検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰi（ｉ＝１〜１００）、基準点Ｐと各圧力センサーＳiとの間の距離の面内方向成分をｒi（ｉ＝１〜１００）とする。
【０１１８】
また、面内方向成分のうちＸ方向成分をｒxi（ｉ＝１〜１００）、面内方向成分のうちＹ方向成分をｒyi（ｉ＝１〜１００）とすると、外力のＸ方向成分Ｆｘ（外力の面内方向成分のうちＸ方向に作用する分力の割合）は以下の式（４）で表される。
【０１１９】
【数４】
【０１２０】
また、外力のＹ方向成分Ｆｙ（外力の面内方向成分のうちＹ方向に作用する分力の割合）は以下の式（５）で表される。
【０１２１】
【数５】
【０１２２】
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。
【０１２３】
【数６】
【０１２４】
本実施形態では、外圧によって変化する１００個の圧力センサーＳiの圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーＳiの圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【０１２５】
式（４）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値のうち相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＸ方向成分が求められる。
【０１２６】
式（５）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、１００個の圧力センサーＳiの圧力値のうち相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされるとともに、相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiで検出された値が組み合わされる。このように、相対的に＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値と相対的に−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳiの組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外圧のＹ方向成分が求められる。
【０１２７】
式（６）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【０１２８】
なお、外圧の作用する方向の算出にあっては、１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値の算出結果の平均値で求める方法、あるいは１００個の圧力センサーＳiで検出された圧力値の算出結果のうちの最大値（例えば、所定のしきい値よりも大きい検出値）により求める方法を用いることができる。
【０１２９】
本実施形態の圧力検出装置２１０によれば、複数の圧力センサー２１５が互いに直交する２方向に少なくとも縦４行、横４列に配置されているので、配置される圧力センサー２１５の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー２１５で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー２１５の検出結果を積算して外圧の作用する方向と大きさとを求めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【０１３０】
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３を介して、感圧弾性体層１４が弾性変形することにより変化するｉ個の圧力センサー２１５の圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外圧が加えられた方向が演算される。
【０１３１】
式（４）に示すように、外圧のＸ方向成分Ｆｘにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで測定された圧力値のうちＸ方向に配置された圧力センサーＳiで測定された値を処理して外圧のＸ方向成分が求められる。
【０１３２】
式（５）に示すように、外圧のＹ方向成分Ｆｙにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで測定された圧力値のうちＹ方向に配置された圧力センサーＳiで測定された値を処理して外圧のＹ方向成分が求められる。
【０１３３】
式（６）に示すように、外圧のＺ方向成分Ｆｚにおいては、ｉ個の圧力センサーＳiで検出された圧力値を足し合わせた合力で求められる。
【０１３４】
以上詳述したように、第３実施形態の圧力検出装置２１０によれば、上記した第１実施形態及び第２実施形態の（１）〜（６）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１３５】
（７）第３実施形態の圧力検出装置２１０によれば、配置される圧力センサー２１５の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー２１５で検出される圧力値に基づいて各圧力センサー２１５の検出結果を積算して外圧の作用する方向を決めることができる。したがって、外圧の方向を高い精度で検出することができる。
【０１３６】
なお、実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。
【０１３７】
（変形例１）
例えば、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３を覆うように、導電体膜としての導電性膜３２４を成膜して第２基板３２１を構成してもよい。この場合、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３の形成材料として絶縁性ゴムや発砲ウレタン等の樹脂材料を用い、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３を金型で一体形成し、その後、複数の弾性体突起３２３の露出する部位全体を覆って第２基板本体２２の上に例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を形成してもよい。これにより、第２基板本体２２及び弾性体突起３２３の形成材料として導電性及び弾性を有する材料を用いる場合に比べて材料選択の幅が拡がるので、弾性体突起３２３を所望の形状や硬さに形成しやすくなる。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、変形例１の圧力検出装置３１０によれば、外圧の方向と大きさを精度よく検出することができる。
【０１３８】
（変形例２）
上記したように、感圧弾性体層１４として導電粒子が分散されたゴムを用いて電気抵抗値変化を検出していたが、電気的特性の変化から圧力を検出するものであればよく、例えば、誘電体材料を用いて容量値変化を検出するようにしてもよい。また、インダクタンスの変化を検出するようにしてもよい。なお、強い電磁波が存在する場合、ノイズによる影響を受ける場合があるので、状況に応じていずれかの方法を選択して使用することが好ましい。
【０１３９】
（変形例３）
上記したように、弾性体突起２３の形状は、半球状であることに限定されず、例えば、他の形状の錐状や柱状でもよい。
【符号の説明】
【０１４０】
１０，１１０，２１０…圧力検出装置、１１，２１１…第１基板としてのセンサー基板、１２…センサー基板本体、１３，２１３…センサー電極、１４…感圧弾性体層、１５，２１５（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）…圧力センサー、２１…第２基板、２１ａ…表面、２２…第２基板本体、２３…弾性体突起、３０…位置、４０…領域、１０００…携帯電話機、１００１，２００１…液晶パネル、１００２，２００３…コントロールパッド、１００３，２００２…操作ボタン、２０００…携帯情報端末、３０００…ロボットハンド、３００１…把持部、３００２…アーム部、３００３…本体部、３０１０…対象物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、
基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、
先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、
前記第２基板は、導電性を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力検出装置であって、
前記弾性体突起は、感圧性を有する導電性弾性体により形成されることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項３】
加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、
基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、
先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、
前記弾性体突起を覆うように前記第２基板上に導電体膜を設けることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記外圧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外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備えることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記弾性体突起は、前記第２基板に複数形成されており、互いに離間して配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とするロボット。
【請求項１】
加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、
基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、
先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、
前記第２基板は、導電性を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力検出装置であって、
前記弾性体突起は、感圧性を有する導電性弾性体により形成されることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項３】
加えられた外圧の方向と大きさを検出する圧力検出装置であって、
基準点の周りに複数配置されたセンサー電極と前記センサー電極を含む領域上に設けられた感圧弾性体層とにより構成された複数の圧力センサーを有する第１基板と、
先端部が前記第１基板の前記基準点に重なると共に前記感圧弾性体層に当接した状態で前記外圧により弾性変形する弾性体突起を有する第２基板と、を備え、
前記弾性体突起を覆うように前記第２基板上に導電体膜を設けることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記外圧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外圧が加えられた方向と外圧の大きさを演算する演算装置を備えることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、前記基準点に対して点対称に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向にマトリックス状に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力検出装置であって、
前記複数の圧力センサーは、互いに直交する２方向に少なくとも４行４列に配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の圧力検出装置であって、
前記弾性体突起は、前記第２基板に複数形成されており、互いに離間して配置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の圧力検出装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の圧力検出装置を備えること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１４】
【図１５】
【図１６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１３２８１６（Ｐ２０１２−１３２８１６Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５９６７（Ｐ２０１０−２８５９６７）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【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２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【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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