圧力検出装置、電子機器、及びロボット
【課題】検出精度および検出感度を向上させることができる圧力検出装置、電子機器、及びロボットを提供する。
【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を有する突起シート２１と、を備え、弾性体突起２３の硬さは、感圧弾性体層１４の硬さより硬い。
【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を有する突起シート２１と、を備え、弾性体突起２３の硬さは、感圧弾性体層１４の硬さより硬い。
【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２００７−１８７５０２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に記載の検出装置では、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くなるといった問題がある。
【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、前記弾性体突起の硬さは、前記感圧弾性体層の硬さより硬いことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、感圧弾性体層の硬さより弾性体突起の硬さの方が硬いので、第２基板に外圧を加えた際、感圧弾性体層に弾性体突起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の復元性を確保することができる。つまり、弾性体突起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。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記第２基板は、導電性を有することが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、第２基板を圧力センサーの対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記感圧弾性体層と前記弾性体突起との間に、導電性弾性体層が設けられていることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、導電性弾性体層を圧力センサーの対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【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。
【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ている。Ｚ軸は、Ｘ軸とＹ軸と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基板としての突起シート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するものである。
【００３３】
突起シート２１は、突起シート本体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。
【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検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、圧力センサーは、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】
突起シート２１は、矩形板状の突起シート本体２２と、突起シート本体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】
突起シート本体２２は、外圧を直接受ける部分である。突起シート本体２２は、例えばガラス、石英、及びプラスチック等の材料で構成することもできるし、発泡ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料で構成することもできる。本実施形態では、突起シート本体２２及び弾性体突起２３の形成材料として樹脂材料を用い、突起シート本体２２、及び弾性体突起２３を金型で一体形成している。
【００４２】
複数の弾性体突起２３は、突起シート本体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突起シート本体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、突起シート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、突起シート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】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図２（ａ）及び図３（ａ）は、突起シート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、突起シート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。
【００５０】
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。
【００５１】
図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、突起シート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、突起シート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、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と突起シート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。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。
【００５２】
図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、突起シート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、突起シート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、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と突起シート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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
突起シート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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
【数１】
【００５９】
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。
【００６０】
【数２】
【００６１】
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。
【００６２】
【数３】
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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（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。
【００６９】
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）。
【００７０】
縦３行×横３列に配置された各単位検出領域は、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。
【００７１】
つまり、各単位検出領域では、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。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
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の質感に応じてができる。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
（１）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、突起シート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。
【００８１】
（２）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。
【００８２】
（３）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。
【００８３】
（４）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。
【００８４】
（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。
【００８５】
第２実施形態の圧力検出装置１１０は、感圧弾性体層１４上に導電性弾性体層１５０が設けられている部分が、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。
【００８６】
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、センサー基板１１１と、センサー基板１１１と対向するように配置された突起シート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。センサー基板１１１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。
【００８７】
第２実施形態の圧力検出装置１１０の特徴として、感圧弾性体層１４上に導電性弾性体層１５０が設けられている。つまり、感圧弾性体層１４を介してセンサー電極１３と導電性弾性体層１５０とが対向配置されている。
【００８８】
この場合の圧力センサー１１５としては、上記したように、センサー電極１３と、感圧弾性体層１４と、導電性弾性体層１５０とによって構成される。導電性弾性体層１５０は、例えば、接地電位が与えられている。そして、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形し、センサー電極１３と導電性弾性体層１５０との間の抵抗値変化を検出する。
【００８９】
導電性弾性体層１５０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。
【００９０】
なお、硬い材料から順に、弾性体突起２３、導電性弾性体層１５０、感圧弾性体層１４となっている。弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４の硬さは、上記した通りである。導電性弾性体層１５０の硬さは、例えば、２５〜３０程度である。
【００９１】
上記のように、弾性体突起２３、導電性弾性体層１５０、感圧弾性体層１４の硬さを順に設定することにより、突起シート２１に圧力を加えた際、導電性弾性体層１５０を介して感圧弾性体層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、突起シート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、検出感度を向上させることができる。
【００９２】
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。
【００９３】
図１１（ａ）は、突起シート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１１（ａ）に示すように、突起シート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及び導電性弾性体層１５０は変形しない。このときの各圧力センサー１１５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１１５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。
【００９４】
図１１（ｂ）は、突起シート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１１（ｂ）に示すように、突起シート２１を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４に垂直方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１１と突起シート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１１５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１１５ともほぼ同じ値となる。
【００９５】
図１１（ｃ）は、突起シート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１１（ｃ）に示すように、突起シート２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１１と突起シート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。
【００９６】
このとき、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（図３（ｃ）参照）。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。
【００９７】
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１１５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。
【００９８】
突起シート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を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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１１１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。
【００９９】
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）、（２）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１００】
（５）第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、導電性弾性体層１５０をセンサー電極１３の対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層１４の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層１４に対し垂直方向から圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【０１０１】
（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。
【０１０２】
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２実施形態で説明した圧力検出装置１１０と異なっている。以下、第２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。
【０１０３】
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１５，１１５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。
【０１０４】
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Ｓ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Ｓ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。
【０１０５】
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Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。
【０１０６】
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値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値の変化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。
【０１０７】
図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、突起シート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、突起シート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及び導電性弾性体層１５０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、突起シート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、突起シート２１を介して導電性弾性体層１５０の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と突起シート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。
【０１１０】
図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は、突起シート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、突起シート２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と突起シート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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
突起シート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を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
【数４】
【０１１８】
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。
【０１１９】
【数５】
【０１２０】
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。
【０１２１】
【数６】
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３を介して、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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）、（２）、（５）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１３３】
（６）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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
（変形例１）
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。
【０１３６】
（変形例２）
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、他の形状の錘状や柱状でもよい。
【０１３７】
（変形例３）
上記したように、弾性体突起２３の材料は、樹脂材料で構成されていることに限定されず、例えば、導電性を有する材料であってもよい。弾性体突起２３に導電性を有する材料を用いた場合、弾性体突起２３をセンサー電極１３の対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層１４の垂直方向の電気的特性の変化を検出することができる。これにより、感圧弾性体層１４に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１０，１１０，２１０…圧力検出装置、１１，１１１，２１１…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、１５，１１５，２１５（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）…圧力センサー、２１…第２基板としての突起シート、２１ａ…表面、２２…突起シート本体、２３…弾性体突起、３０…位置、４０…領域、１５０…導電性弾性体層、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２００７−１８７５０２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に記載の検出装置では、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くなるといった問題がある。
【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、前記弾性体突起の硬さは、前記感圧弾性体層の硬さより硬いことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、感圧弾性体層の硬さより弾性体突起の硬さの方が硬いので、第２基板に外圧を加えた際、感圧弾性体層に弾性体突起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の復元性を確保することができる。つまり、弾性体突起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。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記第２基板は、導電性を有することが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、第２基板を圧力センサーの対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記感圧弾性体層と前記弾性体突起との間に、導電性弾性体層が設けられていることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、導電性弾性体層を圧力センサーの対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【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。
【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ている。Ｚ軸は、Ｘ軸とＹ軸と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基板としての突起シート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するものである。
【００３３】
突起シート２１は、突起シート本体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。
【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検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、圧力センサーは、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】
突起シート２１は、矩形板状の突起シート本体２２と、突起シート本体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】
突起シート本体２２は、外圧を直接受ける部分である。突起シート本体２２は、例えばガラス、石英、及びプラスチック等の材料で構成することもできるし、発泡ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料で構成することもできる。本実施形態では、突起シート本体２２及び弾性体突起２３の形成材料として樹脂材料を用い、突起シート本体２２、及び弾性体突起２３を金型で一体形成している。
【００４２】
複数の弾性体突起２３は、突起シート本体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突起シート本体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、突起シート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、突起シート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】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図２（ａ）及び図３（ａ）は、突起シート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、突起シート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。
【００５０】
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。
【００５１】
図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、突起シート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、突起シート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、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と突起シート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。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。
【００５２】
図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、突起シート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、突起シート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、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１と突起シート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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
突起シート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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
【数１】
【００５９】
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。
【００６０】
【数２】
【００６１】
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。
【００６２】
【数３】
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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（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。
【００６９】
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）。
【００７０】
縦３行×横３列に配置された各単位検出領域は、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。
【００７１】
つまり、各単位検出領域では、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。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
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の質感に応じてができる。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
（１）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、突起シート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。
【００８１】
（２）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。
【００８２】
（３）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。
【００８３】
（４）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。
【００８４】
（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。
【００８５】
第２実施形態の圧力検出装置１１０は、感圧弾性体層１４上に導電性弾性体層１５０が設けられている部分が、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。
【００８６】
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、センサー基板１１１と、センサー基板１１１と対向するように配置された突起シート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。センサー基板１１１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。
【００８７】
第２実施形態の圧力検出装置１１０の特徴として、感圧弾性体層１４上に導電性弾性体層１５０が設けられている。つまり、感圧弾性体層１４を介してセンサー電極１３と導電性弾性体層１５０とが対向配置されている。
【００８８】
この場合の圧力センサー１１５としては、上記したように、センサー電極１３と、感圧弾性体層１４と、導電性弾性体層１５０とによって構成される。導電性弾性体層１５０は、例えば、接地電位が与えられている。そして、外圧によって感圧弾性体層１４が弾性変形し、センサー電極１３と導電性弾性体層１５０との間の抵抗値変化を検出する。
【００８９】
導電性弾性体層１５０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。
【００９０】
なお、硬い材料から順に、弾性体突起２３、導電性弾性体層１５０、感圧弾性体層１４となっている。弾性体突起２３及び感圧弾性体層１４の硬さは、上記した通りである。導電性弾性体層１５０の硬さは、例えば、２５〜３０程度である。
【００９１】
上記のように、弾性体突起２３、導電性弾性体層１５０、感圧弾性体層１４の硬さを順に設定することにより、突起シート２１に圧力を加えた際、導電性弾性体層１５０を介して感圧弾性体層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、突起シート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、検出感度を向上させることができる。
【００９２】
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。
【００９３】
図１１（ａ）は、突起シート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１１（ａ）に示すように、突起シート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及び導電性弾性体層１５０は変形しない。このときの各圧力センサー１１５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１１５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。
【００９４】
図１１（ｂ）は、突起シート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１１（ｂ）に示すように、突起シート２１を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４に垂直方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１１と突起シート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１１５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１１５ともほぼ同じ値となる。
【００９５】
図１１（ｃ）は、突起シート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１１（ｃ）に示すように、突起シート２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板１１１と突起シート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。
【００９６】
このとき、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（図３（ｃ）参照）。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。
【００９７】
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１１５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。
【００９８】
突起シート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を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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１１１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。
【００９９】
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）、（２）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１００】
（５）第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、導電性弾性体層１５０をセンサー電極１３の対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層１４の垂直方向の電気的特性の変化を測定することができる。これにより、感圧弾性体層１４に対し垂直方向から圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【０１０１】
（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。
【０１０２】
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２実施形態で説明した圧力検出装置１１０と異なっている。以下、第２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。
【０１０３】
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１５，１１５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。
【０１０４】
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Ｓ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Ｓ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。
【０１０５】
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Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。
【０１０６】
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値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値の変化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。
【０１０７】
図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、突起シート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、突起シート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及び導電性弾性体層１５０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、突起シート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、突起シート２１を介して導電性弾性体層１５０の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、−Ｚ方向に圧縮変形する。そして、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と突起シート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。
【０１１０】
図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）は、突起シート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、突起シート２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層１４は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、突起シート２１がＺ方向に撓み、センサー基板２１１と突起シート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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
突起シート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を介して導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
【数４】
【０１１８】
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。
【０１１９】
【数５】
【０１２０】
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。
【０１２１】
【数６】
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３を介して、導電性弾性体層１５０及び感圧弾性体層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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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）、（２）、（５）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１３３】
（６）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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
（変形例１）
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。
【０１３６】
（変形例２）
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、他の形状の錘状や柱状でもよい。
【０１３７】
（変形例３）
上記したように、弾性体突起２３の材料は、樹脂材料で構成されていることに限定されず、例えば、導電性を有する材料であってもよい。弾性体突起２３に導電性を有する材料を用いた場合、弾性体突起２３をセンサー電極１３の対向電極とすることが可能となるので、感圧弾性体層１４の垂直方向の電気的特性の変化を検出することができる。これにより、感圧弾性体層１４に対し垂直方向に圧力を加えたときの検出感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１０，１１０，２１０…圧力検出装置、１１，１１１，２１１…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、１５，１１５，２１５（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）…圧力センサー、２１…第２基板としての突起シート、２１ａ…表面、２２…突起シート本体、２３…弾性体突起、３０…位置、４０…領域、１５０…導電性弾性体層、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、
前記弾性体突起の硬さは、前記感圧弾性体層の硬さより硬い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３】
請求項１に記載の圧力検出装置であって、
前記感圧弾性体層と前記弾性体突起との間に、導電性弾性体層が設けられてい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、
前記弾性体突起の硬さは、前記感圧弾性体層の硬さより硬い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３】
請求項１に記載の圧力検出装置であって、
前記感圧弾性体層と前記弾性体突起との間に、導電性弾性体層が設けられてい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】
【公開番号】特開２０１２−９８１４７（Ｐ２０１２−９８１４７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４５９７５（Ｐ２０１０−２４５９７５）
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【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５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]