検出装置，電子機器およびロボット
【課題】外力を検出する検出装置の耐久性を高める。
【解決手段】検出装置１００は、検出面１０に作用する外力Ｆの方向および大きさを検出する。支持基板２０の表面２２における基準点Ｒの周囲には複数の圧力センサーＳ1〜Ｓ4が配置される。弾性層４２は、弾性材料で支持基板２０の表面２２に形成されて複数の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を覆う。弾性層４２のうち支持基板２０とは反対側の表面が検出面１０である。硬質体５０は、弾性層４２よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で基準点Ｒに重なるように弾性層４２に内包される。硬質体５０は円弧面状に形成され、支持基板２０の表面２２に対向する基板対向面５４は凹面状である。
【解決手段】検出装置１００は、検出面１０に作用する外力Ｆの方向および大きさを検出する。支持基板２０の表面２２における基準点Ｒの周囲には複数の圧力センサーＳ1〜Ｓ4が配置される。弾性層４２は、弾性材料で支持基板２０の表面２２に形成されて複数の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を覆う。弾性層４２のうち支持基板２０とは反対側の表面が検出面１０である。硬質体５０は、弾性層４２よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で基準点Ｒに重なるように弾性層４２に内包される。硬質体５０は円弧面状に形成され、支持基板２０の表面２２に対向する基板対向面５４は凹面状である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出面に作用する外力を検出可能な検出装置が従来から提案されている。例えば特許文献１には、外力が作用する複数の半球状の接触子を感圧層の面上に設置した触覚センサーが開示されている。特許文献２には、スキン層に対する外力の作用時に面内方向に移動可能な球状の弾性体を加重測定層とスキン層との間に配置した加重測定センサーが開示されている。また、特許文献３には、感圧層の面上に形成された弾性層とカバー層との間に複数の柱状体を配置した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６４５５７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８７５０２号公報
【特許文献３】特許第４３６４１４６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、特許文献１から特許文献３の何れの技術においても装置の耐久性が低いという問題がある。例えば特許文献１の構成では、感圧層に底面のみで接合された各接触子に外力が直接に作用するから、外力の作用時に各接触子が脱落する可能性がある。特許文献２の技術では、弾性体が固定されていないから、例えば衝撃が作用した場合に弾性体が所期の位置からずれる可能性がある。また、特許文献３の技術では、弾性層およびカバー層の各々と柱状体との接合部分に応力が集中して破損する可能性がある。以上の事情を考慮して、本発明は、検出装置の耐久性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の検出装置は、基板（例えば支持基板２０）と、基板の表面における基準点の周囲に配置された複数の圧力センサーと、弾性材料で形成されて複数の圧力センサーを覆う弾性層と、弾性層よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で基準点に重なるように弾性層に内包された硬質体とを具備し、硬質体は、基板に対向する表面が凹状である。以上の構成では、外力の作用による弾性層の弾性変形に連動して硬質体が基板の表面に対して変位し、硬質体から各圧力センサーに圧力が伝播する。硬質体は弾性層に内包される（すなわち、硬質体の表面が弾性層の表面から外部に露出しないように弾性層に包囲（埋設）される）から、硬質体の脱落や基準点に対する位置ずれを防止して検出装置の耐久性を高めることが可能である。また、硬質体のうち基板に対向する表面が凹状であるから、例えば硬質体を球体とした構成と比較して、弾性層の弾性変形時に硬質体から基板側に伝播する圧力を局所的な領域に集中させることが可能である。したがって、弾性層に作用した外力の方向を高精度に検出できるという利点がある。
【０００６】
本発明の好適な態様において、硬質体は、複数の圧力センサーから離れた位置に配置される。以上の態様によれば、硬質体が各圧力センサーに接触しないから、外力に応じた圧力を各圧力センサーにより適切に検出することが可能である。弾性層に外力が作用しない状態で硬質体が複数の圧力センサーに接触しない構成のほか、弾性層に外力が作用した状態でも硬質体が複数の圧力センサーに接触しない構成も好適である。
【０００７】
本発明の好適な態様において、基板に垂直な断面における硬質体の断面形状は中心線に対して線対称であり、弾性層に外力が作用しない状態では、硬質体の中心線が基準点を通過する。以上の態様では、弾性層に外力が作用しない状態で硬質体の中心線が基準点を通過するから、弾性体の弾性変形に連動した硬質体の変位を高精度に検出できるという利点がある。
【０００８】
硬質体のうち基板に対向する表面を円弧面とした場合、弾性層に外力が作用しない状態で円弧面の曲率中心が基準点に合致するように硬質体を配置した構成が好適である。また、硬質体のうち基板に対向する表面を放物面（回転放物面）とした場合、弾性層に外力が作用しない状態で放物面の焦点が基準点に合致するように硬質体を配置した構成が好適である。以上の各形態によれば、硬質体から基板側に伝播する圧力が局所的な領域に集中するという作用は格別に顕著となる。したがって、弾性層に作用した外力の方向を高精度に検出できるという利点がある。
【０００９】
複数の圧力センサーを基準点に対して点対称に配置した構成によれば、基準点との位置関係（距離）が複数の圧力センサーで共通化されるから、検出結果の解析が容易であるという利点がある。また、複数の圧力センサーと硬質体との複数組を基板の面上に配置した構成によれば、平面内の圧力分布を把握することが可能である。
【００１０】
以上の各態様の検出装置は、各種の電子機器に利用される。電子機器の典型例は、利用者による操作を検出する入力機器として前述の各態様の検出装置を利用した機器（例えば携帯電話機や携帯情報端末）である。また、以上の各態様の検出装置は、各種のロボットにも利用される。例えば対象物を保持および搬送する産業用ロボットでは、対象物との接触状態の検出に以上の各態様の検出装置が利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る検出装置の模式図である。
【図２】圧力検出体の分解斜視図である。
【図３】センサー群の平面図である。
【図４】単位領域の断面図（図３のIV-IV線の断面図）である。
【図５】受圧層の製造工程図である。
【図６】演算回路が実行する処理のフローチャートである。
【図７】検出面に作用する外力と支持基板上の圧力との関係の説明図である。
【図８】第２実施形態における単位領域の断面図である。
【図９】第３実施形態におけるセンサー群の平面図である。
【図１０】変形例における単位領域の断面図である。
【図１１】変形例におけるセンサー群の平面図である。
【図１２】変形例における単位領域の断面図である。
【図１３】各形態の検出装置を利用した電子機器の一例である携帯電話機の斜視図である。
【図１４】各形態の検出装置を利用した電子機器の一例である携帯情報端末の斜視図である。
【図１５】各形態の検出装置を利用したロボットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜Ａ：第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る検出装置１００の模式図である。検出装置１００は、検出面１０の任意の位置に作用する外力の大きさと方向とを検出する平板型の力覚センサー（触覚センサー）であり、図１に示すように、検出面１０に作用する外力に応じた検出信号を生成および出力する圧力検出体１２と、圧力検出体１２が生成する検出信号に応じて外力の大きさと方向とを算定する演算回路１４とを具備する。
【００１３】
図２は、圧力検出体１２の分解斜視図である。図２に示すように、圧力検出体１２は、支持基板２０と複数のセンサー群３０と受圧層４０とを含んで構成される。支持基板２０は、例えばガラスやプラスチック等の材料で形成された矩形状（例えば縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度の正方形状）の板材である。支持基板２０の表面２２に平行なＸ-Ｙ平面にＺ軸が直交するＸＹＺ直交座標系を以下の説明では想定する。
【００１４】
支持基板２０の表面２２には複数の単位領域Ｕが画定される。複数の単位領域Ｕは、Ｘ方向およびＹ方向に沿って行列状に配列する。各単位領域Ｕは、例えば２.８ｍｍ×２．８ｍｍ程度の正方形状の領域である。各単位領域Ｕ内には１個の基準点Ｒが設定される。基準点Ｒは、例えば単位領域Ｕの中心（重心）である。したがって、支持基板２０の表面２２にはＸ方向およびＹ方向に沿って複数の基準点Ｒ（格子点）が行列状に配列する。
【００１５】
図３は、圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した平面図であり、図４は、図３におけるIV−IV線の断面図である。図２から図４に示すように、複数のセンサー群３０の各々は、支持基板２０の表面２２にて相異なる単位領域Ｕ内に形成される。各単位領域Ｕに対応するセンサー群３０は、表面２２のうちその単位領域Ｕの基準点Ｒの周囲に配置された４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を含んで構成される。各圧力センサーＳk（ｋ＝１〜４）は、自身に作用する圧力に応じた検出信号を生成する検出素子である。例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子が圧力センサーＳkとして好適に採用される。各圧力センサーＳkの形状や寸法は共通する。
【００１６】
各単位領域Ｕ内の４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4は、相互に間隔（例えば０.１ｍｍ程度の間隔）をあけて形成され、Ｘ方向およびＹ方向に沿って２行×２列の行列状に配列する。具体的には、圧力センサーＳ1は基準点Ｒに対して−Ｘ方向および＋Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ2は基準点Ｒに対して＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ3は基準点Ｒに対して−Ｘ方向および−Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ4は基準点Ｒに対して＋Ｘ方向および−Ｙ方向に位置する。すなわち、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4は、単位領域Ｕ内で基準点Ｒに対して点対称に配置され、基準点Ｒから相等しい距離に位置する。
【００１７】
図２の受圧層４０は、検出面１０に作用する外力Ｆを各センサー群３０に伝播する。図２に示すように、受圧層４０は、弾性層４２と複数の硬質体５０とを含んで構成される。弾性層４２は、支持基板２０の表面２２に設置されて複数のセンサー群３０を被覆する平板状の要素であり、全面にわたって略均等な厚さに形成される。弾性層４２のうち支持基板２０とは反対側の表面が検出面１０に相当する。弾性層４２は、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成され、検出面１０に作用する外力Ｆに応じて弾性変形する。
【００１８】
図２および図４に示すように、複数の硬質体５０は弾性層４２に内包（埋設）される。すなわち、各硬質体５０は、表面が外部に露出しないように弾性層４２で包囲される（すなわち、表面の全部が弾性層４２に密着する）。図４に示すように、各硬質体５０は、弾性層４２の検出面１０および圧力センサーＳ1〜Ｓ4の表面の双方から離れた位置に配置される。図２に示すように、複数の硬質体５０は、各単位領域Ｕ（基準点Ｒ）に対応するように平面視で（すなわちＺ方向からみて）Ｘ方向およびＹ方向に沿って行列状に配列する。
【００１９】
各硬質体５０は、検出面１０に作用する外力Ｆに応じて弾性層４２の内部にて変位することで外力Ｆの方向および大きさに応じた圧力を各圧力センサーＳkに作用させる（各圧力センサーＳkに圧力を集中させる）要素であり、弾性層４２よりも剛性が高い材料（弾性層４２よりも硬質な材料）で形成される。例えば鉄等の金属や各種の合金が硬質体５０の材料として好適である。また、プラスチック等の材料で硬質体５０を形成することも可能である。
【００２０】
硬質体５０のうち支持基板２０の表面２２に対向する表面（以下「基板対向面」という）は、表面２２に対して凹面状に形成される。具体的には、硬質体５０は、Ｚ方向に平行な直線を中心線Ａとする回転体状に形成される。すなわち、Ｘ-Ｙ平面との直交面での硬質体５０の断面形状は中心線Ａに関して線対称な形状である。図３では、円弧面状（所定厚の球殻を平面で切断した片側の部分）の硬質体５０が例示されている。硬質体５０の基板対向面５４は、曲率中心Ｐcが支持基板２０側に位置する円弧面で構成される。以上の構成では、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力が曲率中心Ｐcの近傍に集中する。
【００２１】
弾性層４２（検出面１０）に外力Ｆが作用しない状態（以下「非加圧状態」という）において、硬質体５０の中心線Ａがその硬質体５０に対応する基準点Ｒを通過するように、Ｘ-Ｙ平面内での各硬質体５０の位置が選定される。具体的には、図４に示すように、基板対向面５４の曲率中心Ｐcが非加圧状態で基準点Ｒに合致する。他方、検出面１０に外力Ｆが作用して弾性層４２が変形すると、弾性層４２の変形に連動して各硬質体５０が支持基板２０の表面２２（各基準点Ｒ）に対して変位し、各圧力センサーＳkに作用する圧力の分布が硬質体５０の位置に応じて変化する。したがって、各圧力センサーＳkが生成する検出信号を解析することで、検出面１０に作用する外力Ｆの大きさと方向とを特定することが可能である。
【００２２】
図５は、受圧層４０の製造工程図である。図５に示すように、硬質体５０の外形に対応する複数の凹部７２が表面に行列状に形成された金型７０が用意される。工程Ｔ1では、各凹部７２に嵌合するように硬質体５０を金型７０の表面に配置し、工程Ｔ2では、各硬質体５０を覆う第１層４２１を金型７０の表面に弾性材料で形成する。工程Ｔ2の実行後に第１層４２１を金型７０から取出し、第１層４２１のうち各硬質体５０が露出する表面（すなわち工程Ｔ2で金型７０に対向していた表面）を覆う第２層４２２を第１層４２１と同様の弾性材料で形成する（工程Ｔ3）。以上の工程により、第１層４２１と第２層４２２とで構成される弾性層４２の内部に複数の硬質体５０を内包した（すなわち複数の硬質体５０を第１層４２１と第２層４２２とで挟持した）受圧層４０を形成することが可能である。
【００２３】
図１の演算回路１４は、例えばＣＰＵと記憶回路（ＲＯＭやＲＡＭ）とを含んで構成され、圧力検出体１２の各圧力センサーＳkが生成する検出信号を処理して外力Ｆの大きさおよび方向を算定する。第１実施形態の演算回路１４は、検出面１０に作用する外力ＦのうちＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを複数の単位領域Ｕの各々について算定するとともにＸ-Ｙ平面内での外力Ｆの方向（以下「外力方向」という）θを算定する。図６は、演算回路１４が実行する処理のフローチャートである。図６の処理は、例えば割込信号の発生を契機として所定の周期で順次に実行される。
【００２４】
演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々について圧力値Ｐ1〜Ｐ4を算定する（処理Ｑ1）。圧力値Ｐkは、単位領域Ｕ内の４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4のうち圧力センサーＳkに作用する圧力に応じた数値であり、圧力センサーＳkが生成した検出信号から演算回路１４が算定する。
【００２５】
図７は、検出面１０に作用する外力Ｆと硬質体５０の変位との関係を示す模式図である。検出面１０に外力Ｆが作用しない図７の部分(A)の非加圧状態では圧力値Ｐkがゼロとなり、圧力センサーＳkに作用する圧力が増加するほど圧力値Ｐkが増加する場合を以下では想定する。
【００２６】
図７の部分(B)および部分(C)に示すように、検出面１０に対して外力Ｆが作用した場合、硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力は、中心線Ａ（曲率中心Ｐc）の周囲の局所的な領域（網掛が付加された領域）αに集中する。例えば図７の部分(B)に示すように検出面１０に対して外力ＦがＺ方向に平行に作用した場合、硬質体５０が−Ｚ方向に変位して４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4に接近するから、圧力値Ｐ1〜Ｐ4は非加圧状態と比較して増加する。ただし、硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒを通過する状態（すなわち曲率中心Ｐcと基準点Ｒとが平面視で合致する状態）は維持されるから、圧力値Ｐ1〜Ｐ4は相等しい数値となる。
【００２７】
他方、図７の部分(C)に示すように検出面１０に斜め方向（すなわちＺ方向に対して傾斜する方向）の外力Ｆが作用した場合、硬質体５０は外力Ｆの方向に変位する。具体的には、硬質体５０は、−Ｚ方向に移動するとともに、Ｘ-Ｙ平面内での外力Ｆの方向（外力方向）θに変位する。すなわち、硬質体５０の曲率中心Ｐcは、平面視で基準点Ｒに対して外力方向θに移動する。したがって、各圧力値Ｐkが非加圧状態（ゼロ）と比較して増加し、かつ、基準点Ｒに対して外力方向θの前方に位置する圧力センサーＳkの圧力値Ｐkが外力方向θの後方に位置する圧力センサーＳkの圧力値Ｐkを上回る。例えば図７の部分(C)に示すように、硬質体５０の中心線Ａ（曲率中心Ｐc）が＋Ｘ方向に変位するように検出面１０に斜め方向の外力Ｆが作用した場合、基準点Ｒに対して平面視で外力方向θの前方に位置する各圧力センサーＳk（Ｓ2，Ｓ4）の圧力値Ｐ2および圧力値Ｐ4は、基準点Ｒに対して外力方向θの後方に位置する各圧力センサーＳk（Ｓ1，Ｓ3）の圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ3を上回る。
【００２８】
図６に示すように、演算回路１４は、処理Ｑ1で単位領域Ｕ毎に算定した圧力値Ｐ1〜Ｐ4を利用した演算で、外力ＦのＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを複数の単位領域Ｕの各々について算定する（処理Ｑ2）。具体的には、演算回路１４は、以下の数式(1)の演算で成分値Ｆxを算定し、数式(2)の演算で成分値Ｆyを算定し、数式(3)の演算で成分値Ｆzを算定する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
数式(1)に示すように、基準点Ｒに対して＋Ｘ方向の領域（圧力センサーＳ2および圧力センサーＳ4）で検出された圧力値（Ｐ2＋Ｐ4）と、基準点Ｒに対して−Ｘ方向の領域（圧力センサーＳ1および圧力センサーＳ3）で検出された圧力値（Ｐ1＋Ｐ3）との差分に応じて外力ＦのＸ方向の成分値Ｆxが算定される。したがって、例えば図７の部分(C)の例示のように圧力値Ｐ2および圧力値Ｐ4が圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ3と比較して大きいほど（すなわち基準点Ｒに対する硬質体５０のＸ方向の変位が大きいほど）、数式(1)で算定される成分値Ｆxは大きい数値となる。
【００３１】
数式(2)に示すように、基準点Ｒに対して＋Ｙ方向の領域（圧力センサーＳ1および圧力センサーＳ2）で検出された圧力値（Ｐ1＋Ｐ2）と、基準点Ｒに対して−Ｙ方向の領域（圧力センサーＳ3および圧力センサーＳ4）で検出された圧力値（Ｐ3＋Ｐ4）との差分に応じて外力ＦのＹ方向の成分値Ｆyが算定される。したがって、圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ2が圧力値Ｐ3および圧力値Ｐ4と比較して大きいほど（すなわち基準点Ｒに対する硬質体５０のＹ方向の変位が大きいほど）、数式(2)で算定される成分値Ｆyは大きい数値となる。また、例えば図７の部分(B)の例示のように圧力値Ｐ1〜Ｐ4が相等しい場合には、成分値Ｆxおよび成分値Ｆyの双方がゼロとなる。
【００３２】
数式(3)に示すように、圧力値Ｐ1〜Ｐ4の加算値が外力ＦのＺ方向の成分値Ｆzとして算定される。なお、数式(1)ないし数式(3)から理解されるように成分値Ｆzは成分値Ｆxまたは成分値Ｆyと数値範囲が相違するが、成分値Ｆzと成分値Ｆxや成分値Ｆyとで数値範囲が同等となるように各数値を補正することも可能である。
【００３３】
図６に示すように、演算回路１４は、処理Ｑ2で単位領域Ｕ毎に算定した成分値Ｆxおよび成分値Ｆyを利用した演算で外力方向θを算定する（処理Ｑ3）。具体的には、演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々の成分値Ｆxに応じた成分値σxと、複数の単位領域Ｕの各々の成分値Ｆyに応じた成分値σyとを算定し、成分値σxと成分値σyとから外力方向θを算定する。成分値σxは、例えば各単位領域Ｕに対応する複数の成分値Ｆxの代表値（例えば平均値や最大値）であり、成分値σyは、例えば各単位領域Ｕに対応する複数の成分値Ｆyの代表値（例えば平均値や最大値）である。なお、成分値Ｆxと成分値Ｆyとの組毎に方向θ'を算定し、複数の方向θ'の代表値（例えば平均値）を外力方向θとして確定することも可能である。
【００３４】
以上に説明したように、第１実施形態では各硬質体５０が弾性層４２に内包されるから、硬質体５０の脱落や基準点Ｒに対する位置ずれを防止して検出装置１００の耐久性を高めることが可能である。また、第１実施形態では、硬質体５０の基板対向面５４が凹面状に形成されるから、例えば硬質体５０を球体とした構成と比較して、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力を局所的な領域αに集中させることが可能である。したがって、外力Ｆの方向に応じた圧力値Ｐ1〜Ｐ4の変化が顕著となる。すなわち、第１実施形態によれば、外力方向θを高い感度で検出できるという利点がある。
【００３５】
また、第１実施形態では、基板対向面５４の中心線Ａが非加圧状態で基準点Ｒを通過するように硬質体５０が配置されるから、例えば非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒから偏心する構成と比較して、基準点Ｒに対する硬質体５０の変位の方向を容易かつ高精度に検出できるという利点もある。以上の効果は、非加圧状態で基板対向面５４の曲率中心Ｐcが基準点Ｒに合致する前述の構成において格別に顕著である。しかも、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4が基準点Ｒに対して点対称に配置される（すなわち、基準点Ｒに対する位置関係が４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4について共通化される）から、Ｘ-Ｙ平面内での硬質体５０の変位量と圧力センサーＳkの圧力値Ｐkとの関係が４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4について共通化される。したがって、基準点Ｒとの位置関係（例えば距離）が圧力センサーＳk毎に相違する構成と比較して、外力Ｆの各成分値（Ｆx，Ｆy，Ｆz）や外力方向θの演算が簡素化されるという利点もある。
【００３６】
＜Ｂ：第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を以下に説明する。なお、以下に例示する各形態において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【００３７】
図８は、第２実施形態における圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した断面図（図４に対応する断面図）である。図８に示すように、第２実施形態の硬質体５０の基板対向面５４は、中心線ＡがＺ方向に平行な放物面（回転放物面）で構成される。したがって、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力は、基板対向面５４の焦点Ｐfの近傍に集中する。
【００３８】
図８に示すように、非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒを通過するようにＸ-Ｙ平面内での硬質体５０の位置が選定される。具体的には、硬質体５０の基板対向面５４の焦点Ｐfが非加圧状態で基準点Ｒに合致する。したがって、第１実施形態と同様に、例えば非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒから偏心する構成と比較して、基準点Ｒに対する硬質体５０の変位の方向を容易かつ高精度に検出することが可能である。
【００３９】
＜Ｃ：第３実施形態＞
図９は、第３実施形態における圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した平面図（図３に対応する平面図）である。図９に示すように、第３実施形態の各センサー群３０は、単位領域Ｕ内に行列状に配列されたＭ個（Ｍ＞４）の圧力センサーＳ1〜ＳMを含んで構成される。各圧力センサーＳm（ｍ＝１〜Ｍ）は、自身に作用する圧力（圧力値Ｐm）に応じた検出信号を生成する。
【００４０】
図９では、縦１０行×横１０列の合計１００個（Ｍ＝１００）の圧力センサーＳmで１個のセンサー群３０を構成した場合が例示されている。Ｍ個の圧力センサーＳ1〜ＳMのうち基準点Ｒの近傍の各圧力センサーＳmは平面視で硬質体５０と重なり合うが、基準点Ｒから離間した位置の各圧力センサーＳmは硬質体５０と重なり合わない。
【００４１】
演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々について、Ｍ個の圧力センサーＳ1〜ＳMが生成した検出信号に応じて圧力値Ｐ1〜ＰMを算定する（図６の処理Ｑ1）。そして、演算回路１４は、検出面１０に作用する外力ＦのＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを単位領域Ｕ毎に算定する（処理Ｑ2）。成分値Ｆxの算定には以下の数式(4)が利用され、成分値Ｆyの算定には以下の数式(5)が利用され、成分値Ｆzの算定には以下の数式(6)が利用される。図９に示すように、数式(4)の変数ｘmは、圧力センサーＳmの中心と基準点ＲとのＸ方向の距離を意味し、数式(5)の変数ｙmは、圧力センサーＳmの中心と基準点ＲとのＹ方向の距離を意味する。また、演算回路１４は、第１実施形態と同様の方法で外力方向θを算定する（処理Ｑ3）。
【数２】
【００４２】
第３実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第３実施形態では、各単位領域Ｕに多数の圧力センサーＳ1〜ＳMが配置されるから、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を利用する第１実施形態と比較して外力Ｆの方向や大きさを高精度に特定できるという利点がある。
【００４３】
＜Ｄ：変形例＞
以上の各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
【００４４】
（１）変形例１
前述の各形態における硬質体５０の形状は適宜に変更される。例えば、図１０の部分(A)に示すように、基板対向面５４が錐体面（円錐や角錐の側面）で構成された硬質体５０も採用される。また、硬質体５０の厚さが全体にわたって均等である構成は必須ではない。例えば図１０の部分(B)に示すように、支持基板２０側の基板対向面５４が凹状面で構成されるとともに基板対向面５４とは反対側の表面が平面で構成された形状の硬質体５０も採用され得る。以上の例示から理解されるように、前述の各形態の硬質体５０は、基板対向面５４が凹状である要素として包括される。
【００４５】
（２）変形例２
単位領域Ｕ内に配置される圧力センサーＳ（Ｓ1，Ｓ2，……）の配置の態様（個数，形状，配列）は任意である。例えば図１１の部分(A)に示すように、基準点Ｒを中心とした半径方向および円周方向に複数の円弧状の圧力センサーＳを配置した構成や、図１１の部分(B)に示すように、基準点Ｒを中心として複数の扇形の圧力センサーＳを配置した構成も採用され得る。
【００４６】
（３）変形例３
以上の各形態では、センサー群３０と硬質体５０との複数組を支持基板２０の面上に行列状に配列したが、センサー群３０と硬質体５０との組数は任意である。例えば、センサー群３０と硬質体５０とを１組だけ配置した構成も採用され得る。
【００４７】
（４）変形例４
検出面１０は平坦面に限定されない。例えば図１２に示すように、検出面１０を、多数の微細な凹凸が形成された粗面とした構成も採用され得る。図１２の検出面１０は、各硬質体５０の高さを反映した凸部（山部）が形成された粗面である。以上の構成によれば、検出面１０を平坦面とした構成と比較して、斜め方向の外力Ｆの作用時に弾性層４２がＸ-Ｙ平面内の方向に変形し易いから、外力方向θを高精度に検出できるという利点がある。
【００４８】
＜Ｅ：応用例＞
以上の各形態に係る検出装置１００の応用例を以下に説明する。図１３および図１４は、利用者による操作を検出する入力機器として前述の各形態の検出装置１００を利用した電子機器の例示である。図１３の携帯電話機９１は、利用者が操作する複数の操作子９１２と、前述の各形態の検出装置１００（圧力検出体１２）を利用した操作パッド９１４と、画像を表示する表示機器９１６とを具備する。操作パッド９１４の検出面１０に対して利用者が指を接触させて移動することで検出面１０に対する外力Ｆの方向や大きさが検出され、検出結果に応じた情報（例えば電話帳等）が表示機器９１６に表示される。
【００４９】
図１４の携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）９２は、利用者が操作する複数の操作子９２２と、前述の各形態の検出装置１００（圧力検出体１２）を利用した操作パッド９２４と、画像を表示する表示機器９２６とを具備する。操作パッド９２４の検出面１０に対して利用者が指を接触させて移動することで検出面１０に対する外力Ｆの方向や大きさが検出され、検出結果に応じた情報（例えば住所録や予定表等）が表示機器９２６に表示されるとともに表示画像が検出結果に応じてスクロールされる。
【００５０】
本発明の検出装置が適用される電子機器としては、図１３の携帯電話機９１や図１４の携帯情報端末９２のほか、デジタルスチルカメラ，テレビ，ビデオカメラ，カーナビゲーション装置，ページャ，電子手帳，電子ペーパー，電卓，ワードプロセッサ，ワークステーション，テレビ電話，ＰＯＳ端末，プリンタ，スキャナ，複写機，ビデオプレーヤ等が例示される。
【００５１】
図１５は、前述の各形態の検出装置１００を利用したロボット（産業用ロボット）の斜視図である。図１５のロボット９３は、対象物９５を把持して搬送する装置であり、相互に間隔をあけて本体部９３２から突出する一対のアーム部９３４を具備する。各アーム部９３４において相互に対向する表面（対象物９５との対向面）に、前述の各形態の検出装置１００を利用した接触部９３６が設置される。制御装置（図示略）から供給される駆動信号に応じて各アーム部９３４の間隔が変化することで対象物９５が把持される。
【００５２】
対象物９５から各接触部９３６に作用する外力Ｆ（鉛直方向の摩擦力）の方向や大きさが検出され、検出結果に応じた駆動信号を供給することで各アーム部９３４から対象物９５に作用させる圧力が制御される。以上の構成によれば、例えば対象物９５の変形や落下が発生しないように対象物９５の性質（硬軟や摩擦係数）に応じて対象物９５を把持することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１００……検出装置、１０……検出面、１２……圧力検出体、１４……演算回路、２０……支持基板、２２……表面、Ｕ……単位領域、Ｒ……基準点、３０……センサー群、４０……受圧層、４２……弾性層、５０……硬質体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出面に作用する外力を検出可能な検出装置が従来から提案されている。例えば特許文献１には、外力が作用する複数の半球状の接触子を感圧層の面上に設置した触覚センサーが開示されている。特許文献２には、スキン層に対する外力の作用時に面内方向に移動可能な球状の弾性体を加重測定層とスキン層との間に配置した加重測定センサーが開示されている。また、特許文献３には、感圧層の面上に形成された弾性層とカバー層との間に複数の柱状体を配置した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６４５５７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８７５０２号公報
【特許文献３】特許第４３６４１４６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、特許文献１から特許文献３の何れの技術においても装置の耐久性が低いという問題がある。例えば特許文献１の構成では、感圧層に底面のみで接合された各接触子に外力が直接に作用するから、外力の作用時に各接触子が脱落する可能性がある。特許文献２の技術では、弾性体が固定されていないから、例えば衝撃が作用した場合に弾性体が所期の位置からずれる可能性がある。また、特許文献３の技術では、弾性層およびカバー層の各々と柱状体との接合部分に応力が集中して破損する可能性がある。以上の事情を考慮して、本発明は、検出装置の耐久性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の検出装置は、基板（例えば支持基板２０）と、基板の表面における基準点の周囲に配置された複数の圧力センサーと、弾性材料で形成されて複数の圧力センサーを覆う弾性層と、弾性層よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で基準点に重なるように弾性層に内包された硬質体とを具備し、硬質体は、基板に対向する表面が凹状である。以上の構成では、外力の作用による弾性層の弾性変形に連動して硬質体が基板の表面に対して変位し、硬質体から各圧力センサーに圧力が伝播する。硬質体は弾性層に内包される（すなわち、硬質体の表面が弾性層の表面から外部に露出しないように弾性層に包囲（埋設）される）から、硬質体の脱落や基準点に対する位置ずれを防止して検出装置の耐久性を高めることが可能である。また、硬質体のうち基板に対向する表面が凹状であるから、例えば硬質体を球体とした構成と比較して、弾性層の弾性変形時に硬質体から基板側に伝播する圧力を局所的な領域に集中させることが可能である。したがって、弾性層に作用した外力の方向を高精度に検出できるという利点がある。
【０００６】
本発明の好適な態様において、硬質体は、複数の圧力センサーから離れた位置に配置される。以上の態様によれば、硬質体が各圧力センサーに接触しないから、外力に応じた圧力を各圧力センサーにより適切に検出することが可能である。弾性層に外力が作用しない状態で硬質体が複数の圧力センサーに接触しない構成のほか、弾性層に外力が作用した状態でも硬質体が複数の圧力センサーに接触しない構成も好適である。
【０００７】
本発明の好適な態様において、基板に垂直な断面における硬質体の断面形状は中心線に対して線対称であり、弾性層に外力が作用しない状態では、硬質体の中心線が基準点を通過する。以上の態様では、弾性層に外力が作用しない状態で硬質体の中心線が基準点を通過するから、弾性体の弾性変形に連動した硬質体の変位を高精度に検出できるという利点がある。
【０００８】
硬質体のうち基板に対向する表面を円弧面とした場合、弾性層に外力が作用しない状態で円弧面の曲率中心が基準点に合致するように硬質体を配置した構成が好適である。また、硬質体のうち基板に対向する表面を放物面（回転放物面）とした場合、弾性層に外力が作用しない状態で放物面の焦点が基準点に合致するように硬質体を配置した構成が好適である。以上の各形態によれば、硬質体から基板側に伝播する圧力が局所的な領域に集中するという作用は格別に顕著となる。したがって、弾性層に作用した外力の方向を高精度に検出できるという利点がある。
【０００９】
複数の圧力センサーを基準点に対して点対称に配置した構成によれば、基準点との位置関係（距離）が複数の圧力センサーで共通化されるから、検出結果の解析が容易であるという利点がある。また、複数の圧力センサーと硬質体との複数組を基板の面上に配置した構成によれば、平面内の圧力分布を把握することが可能である。
【００１０】
以上の各態様の検出装置は、各種の電子機器に利用される。電子機器の典型例は、利用者による操作を検出する入力機器として前述の各態様の検出装置を利用した機器（例えば携帯電話機や携帯情報端末）である。また、以上の各態様の検出装置は、各種のロボットにも利用される。例えば対象物を保持および搬送する産業用ロボットでは、対象物との接触状態の検出に以上の各態様の検出装置が利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る検出装置の模式図である。
【図２】圧力検出体の分解斜視図である。
【図３】センサー群の平面図である。
【図４】単位領域の断面図（図３のIV-IV線の断面図）である。
【図５】受圧層の製造工程図である。
【図６】演算回路が実行する処理のフローチャートである。
【図７】検出面に作用する外力と支持基板上の圧力との関係の説明図である。
【図８】第２実施形態における単位領域の断面図である。
【図９】第３実施形態におけるセンサー群の平面図である。
【図１０】変形例における単位領域の断面図である。
【図１１】変形例におけるセンサー群の平面図である。
【図１２】変形例における単位領域の断面図である。
【図１３】各形態の検出装置を利用した電子機器の一例である携帯電話機の斜視図である。
【図１４】各形態の検出装置を利用した電子機器の一例である携帯情報端末の斜視図である。
【図１５】各形態の検出装置を利用したロボットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜Ａ：第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る検出装置１００の模式図である。検出装置１００は、検出面１０の任意の位置に作用する外力の大きさと方向とを検出する平板型の力覚センサー（触覚センサー）であり、図１に示すように、検出面１０に作用する外力に応じた検出信号を生成および出力する圧力検出体１２と、圧力検出体１２が生成する検出信号に応じて外力の大きさと方向とを算定する演算回路１４とを具備する。
【００１３】
図２は、圧力検出体１２の分解斜視図である。図２に示すように、圧力検出体１２は、支持基板２０と複数のセンサー群３０と受圧層４０とを含んで構成される。支持基板２０は、例えばガラスやプラスチック等の材料で形成された矩形状（例えば縦５６ｍｍ×横５６ｍｍ程度の正方形状）の板材である。支持基板２０の表面２２に平行なＸ-Ｙ平面にＺ軸が直交するＸＹＺ直交座標系を以下の説明では想定する。
【００１４】
支持基板２０の表面２２には複数の単位領域Ｕが画定される。複数の単位領域Ｕは、Ｘ方向およびＹ方向に沿って行列状に配列する。各単位領域Ｕは、例えば２.８ｍｍ×２．８ｍｍ程度の正方形状の領域である。各単位領域Ｕ内には１個の基準点Ｒが設定される。基準点Ｒは、例えば単位領域Ｕの中心（重心）である。したがって、支持基板２０の表面２２にはＸ方向およびＹ方向に沿って複数の基準点Ｒ（格子点）が行列状に配列する。
【００１５】
図３は、圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した平面図であり、図４は、図３におけるIV−IV線の断面図である。図２から図４に示すように、複数のセンサー群３０の各々は、支持基板２０の表面２２にて相異なる単位領域Ｕ内に形成される。各単位領域Ｕに対応するセンサー群３０は、表面２２のうちその単位領域Ｕの基準点Ｒの周囲に配置された４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を含んで構成される。各圧力センサーＳk（ｋ＝１〜４）は、自身に作用する圧力に応じた検出信号を生成する検出素子である。例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子が圧力センサーＳkとして好適に採用される。各圧力センサーＳkの形状や寸法は共通する。
【００１６】
各単位領域Ｕ内の４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4は、相互に間隔（例えば０.１ｍｍ程度の間隔）をあけて形成され、Ｘ方向およびＹ方向に沿って２行×２列の行列状に配列する。具体的には、圧力センサーＳ1は基準点Ｒに対して−Ｘ方向および＋Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ2は基準点Ｒに対して＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ3は基準点Ｒに対して−Ｘ方向および−Ｙ方向に位置し、圧力センサーＳ4は基準点Ｒに対して＋Ｘ方向および−Ｙ方向に位置する。すなわち、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4は、単位領域Ｕ内で基準点Ｒに対して点対称に配置され、基準点Ｒから相等しい距離に位置する。
【００１７】
図２の受圧層４０は、検出面１０に作用する外力Ｆを各センサー群３０に伝播する。図２に示すように、受圧層４０は、弾性層４２と複数の硬質体５０とを含んで構成される。弾性層４２は、支持基板２０の表面２２に設置されて複数のセンサー群３０を被覆する平板状の要素であり、全面にわたって略均等な厚さに形成される。弾性層４２のうち支持基板２０とは反対側の表面が検出面１０に相当する。弾性層４２は、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成され、検出面１０に作用する外力Ｆに応じて弾性変形する。
【００１８】
図２および図４に示すように、複数の硬質体５０は弾性層４２に内包（埋設）される。すなわち、各硬質体５０は、表面が外部に露出しないように弾性層４２で包囲される（すなわち、表面の全部が弾性層４２に密着する）。図４に示すように、各硬質体５０は、弾性層４２の検出面１０および圧力センサーＳ1〜Ｓ4の表面の双方から離れた位置に配置される。図２に示すように、複数の硬質体５０は、各単位領域Ｕ（基準点Ｒ）に対応するように平面視で（すなわちＺ方向からみて）Ｘ方向およびＹ方向に沿って行列状に配列する。
【００１９】
各硬質体５０は、検出面１０に作用する外力Ｆに応じて弾性層４２の内部にて変位することで外力Ｆの方向および大きさに応じた圧力を各圧力センサーＳkに作用させる（各圧力センサーＳkに圧力を集中させる）要素であり、弾性層４２よりも剛性が高い材料（弾性層４２よりも硬質な材料）で形成される。例えば鉄等の金属や各種の合金が硬質体５０の材料として好適である。また、プラスチック等の材料で硬質体５０を形成することも可能である。
【００２０】
硬質体５０のうち支持基板２０の表面２２に対向する表面（以下「基板対向面」という）は、表面２２に対して凹面状に形成される。具体的には、硬質体５０は、Ｚ方向に平行な直線を中心線Ａとする回転体状に形成される。すなわち、Ｘ-Ｙ平面との直交面での硬質体５０の断面形状は中心線Ａに関して線対称な形状である。図３では、円弧面状（所定厚の球殻を平面で切断した片側の部分）の硬質体５０が例示されている。硬質体５０の基板対向面５４は、曲率中心Ｐcが支持基板２０側に位置する円弧面で構成される。以上の構成では、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力が曲率中心Ｐcの近傍に集中する。
【００２１】
弾性層４２（検出面１０）に外力Ｆが作用しない状態（以下「非加圧状態」という）において、硬質体５０の中心線Ａがその硬質体５０に対応する基準点Ｒを通過するように、Ｘ-Ｙ平面内での各硬質体５０の位置が選定される。具体的には、図４に示すように、基板対向面５４の曲率中心Ｐcが非加圧状態で基準点Ｒに合致する。他方、検出面１０に外力Ｆが作用して弾性層４２が変形すると、弾性層４２の変形に連動して各硬質体５０が支持基板２０の表面２２（各基準点Ｒ）に対して変位し、各圧力センサーＳkに作用する圧力の分布が硬質体５０の位置に応じて変化する。したがって、各圧力センサーＳkが生成する検出信号を解析することで、検出面１０に作用する外力Ｆの大きさと方向とを特定することが可能である。
【００２２】
図５は、受圧層４０の製造工程図である。図５に示すように、硬質体５０の外形に対応する複数の凹部７２が表面に行列状に形成された金型７０が用意される。工程Ｔ1では、各凹部７２に嵌合するように硬質体５０を金型７０の表面に配置し、工程Ｔ2では、各硬質体５０を覆う第１層４２１を金型７０の表面に弾性材料で形成する。工程Ｔ2の実行後に第１層４２１を金型７０から取出し、第１層４２１のうち各硬質体５０が露出する表面（すなわち工程Ｔ2で金型７０に対向していた表面）を覆う第２層４２２を第１層４２１と同様の弾性材料で形成する（工程Ｔ3）。以上の工程により、第１層４２１と第２層４２２とで構成される弾性層４２の内部に複数の硬質体５０を内包した（すなわち複数の硬質体５０を第１層４２１と第２層４２２とで挟持した）受圧層４０を形成することが可能である。
【００２３】
図１の演算回路１４は、例えばＣＰＵと記憶回路（ＲＯＭやＲＡＭ）とを含んで構成され、圧力検出体１２の各圧力センサーＳkが生成する検出信号を処理して外力Ｆの大きさおよび方向を算定する。第１実施形態の演算回路１４は、検出面１０に作用する外力ＦのうちＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを複数の単位領域Ｕの各々について算定するとともにＸ-Ｙ平面内での外力Ｆの方向（以下「外力方向」という）θを算定する。図６は、演算回路１４が実行する処理のフローチャートである。図６の処理は、例えば割込信号の発生を契機として所定の周期で順次に実行される。
【００２４】
演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々について圧力値Ｐ1〜Ｐ4を算定する（処理Ｑ1）。圧力値Ｐkは、単位領域Ｕ内の４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4のうち圧力センサーＳkに作用する圧力に応じた数値であり、圧力センサーＳkが生成した検出信号から演算回路１４が算定する。
【００２５】
図７は、検出面１０に作用する外力Ｆと硬質体５０の変位との関係を示す模式図である。検出面１０に外力Ｆが作用しない図７の部分(A)の非加圧状態では圧力値Ｐkがゼロとなり、圧力センサーＳkに作用する圧力が増加するほど圧力値Ｐkが増加する場合を以下では想定する。
【００２６】
図７の部分(B)および部分(C)に示すように、検出面１０に対して外力Ｆが作用した場合、硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力は、中心線Ａ（曲率中心Ｐc）の周囲の局所的な領域（網掛が付加された領域）αに集中する。例えば図７の部分(B)に示すように検出面１０に対して外力ＦがＺ方向に平行に作用した場合、硬質体５０が−Ｚ方向に変位して４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4に接近するから、圧力値Ｐ1〜Ｐ4は非加圧状態と比較して増加する。ただし、硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒを通過する状態（すなわち曲率中心Ｐcと基準点Ｒとが平面視で合致する状態）は維持されるから、圧力値Ｐ1〜Ｐ4は相等しい数値となる。
【００２７】
他方、図７の部分(C)に示すように検出面１０に斜め方向（すなわちＺ方向に対して傾斜する方向）の外力Ｆが作用した場合、硬質体５０は外力Ｆの方向に変位する。具体的には、硬質体５０は、−Ｚ方向に移動するとともに、Ｘ-Ｙ平面内での外力Ｆの方向（外力方向）θに変位する。すなわち、硬質体５０の曲率中心Ｐcは、平面視で基準点Ｒに対して外力方向θに移動する。したがって、各圧力値Ｐkが非加圧状態（ゼロ）と比較して増加し、かつ、基準点Ｒに対して外力方向θの前方に位置する圧力センサーＳkの圧力値Ｐkが外力方向θの後方に位置する圧力センサーＳkの圧力値Ｐkを上回る。例えば図７の部分(C)に示すように、硬質体５０の中心線Ａ（曲率中心Ｐc）が＋Ｘ方向に変位するように検出面１０に斜め方向の外力Ｆが作用した場合、基準点Ｒに対して平面視で外力方向θの前方に位置する各圧力センサーＳk（Ｓ2，Ｓ4）の圧力値Ｐ2および圧力値Ｐ4は、基準点Ｒに対して外力方向θの後方に位置する各圧力センサーＳk（Ｓ1，Ｓ3）の圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ3を上回る。
【００２８】
図６に示すように、演算回路１４は、処理Ｑ1で単位領域Ｕ毎に算定した圧力値Ｐ1〜Ｐ4を利用した演算で、外力ＦのＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを複数の単位領域Ｕの各々について算定する（処理Ｑ2）。具体的には、演算回路１４は、以下の数式(1)の演算で成分値Ｆxを算定し、数式(2)の演算で成分値Ｆyを算定し、数式(3)の演算で成分値Ｆzを算定する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
数式(1)に示すように、基準点Ｒに対して＋Ｘ方向の領域（圧力センサーＳ2および圧力センサーＳ4）で検出された圧力値（Ｐ2＋Ｐ4）と、基準点Ｒに対して−Ｘ方向の領域（圧力センサーＳ1および圧力センサーＳ3）で検出された圧力値（Ｐ1＋Ｐ3）との差分に応じて外力ＦのＸ方向の成分値Ｆxが算定される。したがって、例えば図７の部分(C)の例示のように圧力値Ｐ2および圧力値Ｐ4が圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ3と比較して大きいほど（すなわち基準点Ｒに対する硬質体５０のＸ方向の変位が大きいほど）、数式(1)で算定される成分値Ｆxは大きい数値となる。
【００３１】
数式(2)に示すように、基準点Ｒに対して＋Ｙ方向の領域（圧力センサーＳ1および圧力センサーＳ2）で検出された圧力値（Ｐ1＋Ｐ2）と、基準点Ｒに対して−Ｙ方向の領域（圧力センサーＳ3および圧力センサーＳ4）で検出された圧力値（Ｐ3＋Ｐ4）との差分に応じて外力ＦのＹ方向の成分値Ｆyが算定される。したがって、圧力値Ｐ1および圧力値Ｐ2が圧力値Ｐ3および圧力値Ｐ4と比較して大きいほど（すなわち基準点Ｒに対する硬質体５０のＹ方向の変位が大きいほど）、数式(2)で算定される成分値Ｆyは大きい数値となる。また、例えば図７の部分(B)の例示のように圧力値Ｐ1〜Ｐ4が相等しい場合には、成分値Ｆxおよび成分値Ｆyの双方がゼロとなる。
【００３２】
数式(3)に示すように、圧力値Ｐ1〜Ｐ4の加算値が外力ＦのＺ方向の成分値Ｆzとして算定される。なお、数式(1)ないし数式(3)から理解されるように成分値Ｆzは成分値Ｆxまたは成分値Ｆyと数値範囲が相違するが、成分値Ｆzと成分値Ｆxや成分値Ｆyとで数値範囲が同等となるように各数値を補正することも可能である。
【００３３】
図６に示すように、演算回路１４は、処理Ｑ2で単位領域Ｕ毎に算定した成分値Ｆxおよび成分値Ｆyを利用した演算で外力方向θを算定する（処理Ｑ3）。具体的には、演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々の成分値Ｆxに応じた成分値σxと、複数の単位領域Ｕの各々の成分値Ｆyに応じた成分値σyとを算定し、成分値σxと成分値σyとから外力方向θを算定する。成分値σxは、例えば各単位領域Ｕに対応する複数の成分値Ｆxの代表値（例えば平均値や最大値）であり、成分値σyは、例えば各単位領域Ｕに対応する複数の成分値Ｆyの代表値（例えば平均値や最大値）である。なお、成分値Ｆxと成分値Ｆyとの組毎に方向θ'を算定し、複数の方向θ'の代表値（例えば平均値）を外力方向θとして確定することも可能である。
【００３４】
以上に説明したように、第１実施形態では各硬質体５０が弾性層４２に内包されるから、硬質体５０の脱落や基準点Ｒに対する位置ずれを防止して検出装置１００の耐久性を高めることが可能である。また、第１実施形態では、硬質体５０の基板対向面５４が凹面状に形成されるから、例えば硬質体５０を球体とした構成と比較して、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力を局所的な領域αに集中させることが可能である。したがって、外力Ｆの方向に応じた圧力値Ｐ1〜Ｐ4の変化が顕著となる。すなわち、第１実施形態によれば、外力方向θを高い感度で検出できるという利点がある。
【００３５】
また、第１実施形態では、基板対向面５４の中心線Ａが非加圧状態で基準点Ｒを通過するように硬質体５０が配置されるから、例えば非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒから偏心する構成と比較して、基準点Ｒに対する硬質体５０の変位の方向を容易かつ高精度に検出できるという利点もある。以上の効果は、非加圧状態で基板対向面５４の曲率中心Ｐcが基準点Ｒに合致する前述の構成において格別に顕著である。しかも、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4が基準点Ｒに対して点対称に配置される（すなわち、基準点Ｒに対する位置関係が４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4について共通化される）から、Ｘ-Ｙ平面内での硬質体５０の変位量と圧力センサーＳkの圧力値Ｐkとの関係が４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4について共通化される。したがって、基準点Ｒとの位置関係（例えば距離）が圧力センサーＳk毎に相違する構成と比較して、外力Ｆの各成分値（Ｆx，Ｆy，Ｆz）や外力方向θの演算が簡素化されるという利点もある。
【００３６】
＜Ｂ：第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を以下に説明する。なお、以下に例示する各形態において作用や機能が第１実施形態と同等である要素については、以上の説明で参照した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【００３７】
図８は、第２実施形態における圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した断面図（図４に対応する断面図）である。図８に示すように、第２実施形態の硬質体５０の基板対向面５４は、中心線ＡがＺ方向に平行な放物面（回転放物面）で構成される。したがって、検出面１０に対する外力Ｆの作用時に硬質体５０から支持基板２０側に伝播する圧力は、基板対向面５４の焦点Ｐfの近傍に集中する。
【００３８】
図８に示すように、非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒを通過するようにＸ-Ｙ平面内での硬質体５０の位置が選定される。具体的には、硬質体５０の基板対向面５４の焦点Ｐfが非加圧状態で基準点Ｒに合致する。したがって、第１実施形態と同様に、例えば非加圧状態で硬質体５０の中心線Ａが基準点Ｒから偏心する構成と比較して、基準点Ｒに対する硬質体５０の変位の方向を容易かつ高精度に検出することが可能である。
【００３９】
＜Ｃ：第３実施形態＞
図９は、第３実施形態における圧力検出体１２のうち１個の単位領域Ｕに着目した平面図（図３に対応する平面図）である。図９に示すように、第３実施形態の各センサー群３０は、単位領域Ｕ内に行列状に配列されたＭ個（Ｍ＞４）の圧力センサーＳ1〜ＳMを含んで構成される。各圧力センサーＳm（ｍ＝１〜Ｍ）は、自身に作用する圧力（圧力値Ｐm）に応じた検出信号を生成する。
【００４０】
図９では、縦１０行×横１０列の合計１００個（Ｍ＝１００）の圧力センサーＳmで１個のセンサー群３０を構成した場合が例示されている。Ｍ個の圧力センサーＳ1〜ＳMのうち基準点Ｒの近傍の各圧力センサーＳmは平面視で硬質体５０と重なり合うが、基準点Ｒから離間した位置の各圧力センサーＳmは硬質体５０と重なり合わない。
【００４１】
演算回路１４は、複数の単位領域Ｕの各々について、Ｍ個の圧力センサーＳ1〜ＳMが生成した検出信号に応じて圧力値Ｐ1〜ＰMを算定する（図６の処理Ｑ1）。そして、演算回路１４は、検出面１０に作用する外力ＦのＸ方向の成分値ＦxとＹ方向の成分値ＦyとＺ方向の成分値Ｆzとを単位領域Ｕ毎に算定する（処理Ｑ2）。成分値Ｆxの算定には以下の数式(4)が利用され、成分値Ｆyの算定には以下の数式(5)が利用され、成分値Ｆzの算定には以下の数式(6)が利用される。図９に示すように、数式(4)の変数ｘmは、圧力センサーＳmの中心と基準点ＲとのＸ方向の距離を意味し、数式(5)の変数ｙmは、圧力センサーＳmの中心と基準点ＲとのＹ方向の距離を意味する。また、演算回路１４は、第１実施形態と同様の方法で外力方向θを算定する（処理Ｑ3）。
【数２】
【００４２】
第３実施形態においても第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第３実施形態では、各単位領域Ｕに多数の圧力センサーＳ1〜ＳMが配置されるから、４個の圧力センサーＳ1〜Ｓ4を利用する第１実施形態と比較して外力Ｆの方向や大きさを高精度に特定できるという利点がある。
【００４３】
＜Ｄ：変形例＞
以上の各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
【００４４】
（１）変形例１
前述の各形態における硬質体５０の形状は適宜に変更される。例えば、図１０の部分(A)に示すように、基板対向面５４が錐体面（円錐や角錐の側面）で構成された硬質体５０も採用される。また、硬質体５０の厚さが全体にわたって均等である構成は必須ではない。例えば図１０の部分(B)に示すように、支持基板２０側の基板対向面５４が凹状面で構成されるとともに基板対向面５４とは反対側の表面が平面で構成された形状の硬質体５０も採用され得る。以上の例示から理解されるように、前述の各形態の硬質体５０は、基板対向面５４が凹状である要素として包括される。
【００４５】
（２）変形例２
単位領域Ｕ内に配置される圧力センサーＳ（Ｓ1，Ｓ2，……）の配置の態様（個数，形状，配列）は任意である。例えば図１１の部分(A)に示すように、基準点Ｒを中心とした半径方向および円周方向に複数の円弧状の圧力センサーＳを配置した構成や、図１１の部分(B)に示すように、基準点Ｒを中心として複数の扇形の圧力センサーＳを配置した構成も採用され得る。
【００４６】
（３）変形例３
以上の各形態では、センサー群３０と硬質体５０との複数組を支持基板２０の面上に行列状に配列したが、センサー群３０と硬質体５０との組数は任意である。例えば、センサー群３０と硬質体５０とを１組だけ配置した構成も採用され得る。
【００４７】
（４）変形例４
検出面１０は平坦面に限定されない。例えば図１２に示すように、検出面１０を、多数の微細な凹凸が形成された粗面とした構成も採用され得る。図１２の検出面１０は、各硬質体５０の高さを反映した凸部（山部）が形成された粗面である。以上の構成によれば、検出面１０を平坦面とした構成と比較して、斜め方向の外力Ｆの作用時に弾性層４２がＸ-Ｙ平面内の方向に変形し易いから、外力方向θを高精度に検出できるという利点がある。
【００４８】
＜Ｅ：応用例＞
以上の各形態に係る検出装置１００の応用例を以下に説明する。図１３および図１４は、利用者による操作を検出する入力機器として前述の各形態の検出装置１００を利用した電子機器の例示である。図１３の携帯電話機９１は、利用者が操作する複数の操作子９１２と、前述の各形態の検出装置１００（圧力検出体１２）を利用した操作パッド９１４と、画像を表示する表示機器９１６とを具備する。操作パッド９１４の検出面１０に対して利用者が指を接触させて移動することで検出面１０に対する外力Ｆの方向や大きさが検出され、検出結果に応じた情報（例えば電話帳等）が表示機器９１６に表示される。
【００４９】
図１４の携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）９２は、利用者が操作する複数の操作子９２２と、前述の各形態の検出装置１００（圧力検出体１２）を利用した操作パッド９２４と、画像を表示する表示機器９２６とを具備する。操作パッド９２４の検出面１０に対して利用者が指を接触させて移動することで検出面１０に対する外力Ｆの方向や大きさが検出され、検出結果に応じた情報（例えば住所録や予定表等）が表示機器９２６に表示されるとともに表示画像が検出結果に応じてスクロールされる。
【００５０】
本発明の検出装置が適用される電子機器としては、図１３の携帯電話機９１や図１４の携帯情報端末９２のほか、デジタルスチルカメラ，テレビ，ビデオカメラ，カーナビゲーション装置，ページャ，電子手帳，電子ペーパー，電卓，ワードプロセッサ，ワークステーション，テレビ電話，ＰＯＳ端末，プリンタ，スキャナ，複写機，ビデオプレーヤ等が例示される。
【００５１】
図１５は、前述の各形態の検出装置１００を利用したロボット（産業用ロボット）の斜視図である。図１５のロボット９３は、対象物９５を把持して搬送する装置であり、相互に間隔をあけて本体部９３２から突出する一対のアーム部９３４を具備する。各アーム部９３４において相互に対向する表面（対象物９５との対向面）に、前述の各形態の検出装置１００を利用した接触部９３６が設置される。制御装置（図示略）から供給される駆動信号に応じて各アーム部９３４の間隔が変化することで対象物９５が把持される。
【００５２】
対象物９５から各接触部９３６に作用する外力Ｆ（鉛直方向の摩擦力）の方向や大きさが検出され、検出結果に応じた駆動信号を供給することで各アーム部９３４から対象物９５に作用させる圧力が制御される。以上の構成によれば、例えば対象物９５の変形や落下が発生しないように対象物９５の性質（硬軟や摩擦係数）に応じて対象物９５を把持することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１００……検出装置、１０……検出面、１２……圧力検出体、１４……演算回路、２０……支持基板、２２……表面、Ｕ……単位領域、Ｒ……基準点、３０……センサー群、４０……受圧層、４２……弾性層、５０……硬質体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面における基準点の周囲に配置された複数の圧力センサーと、
弾性材料で形成されて前記複数の圧力センサーを覆う弾性層と、
前記弾性層よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で前記基準点に重なるように前記弾性層に内包された硬質体とを具備し、
前記硬質体は、前記基板に対向する表面が凹状である
検出装置。
【請求項２】
前記硬質体は、前記複数の圧力センサーから離れた位置に配置される
請求項１の検出装置。
【請求項３】
前記基板に垂直な断面における前記硬質体の断面形状は中心線に対して線対称であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記硬質体の中心線が前記基準点を通過する
請求項１または請求項２の検出装置。
【請求項４】
前記硬質体のうち前記基板に対向する表面は円弧面であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記円弧面の曲率中心が前記基準点に合致する
請求項１から請求項３の何れかの検出装置。
【請求項５】
前記硬質体のうち前記基板に対向する表面は放物面であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記放物面の焦点が前記基準点に合致する
請求項１から請求項３の何れかの検出装置。
【請求項６】
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る
請求項１から請求項５の何れかの検出装置。
【請求項７】
前記複数の圧力センサーと前記硬質体との複数組が前記基板の面上に配置される
請求項１から請求項６の何れかの検出装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れかの検出装置を具備する電子機器。
【請求項９】
請求項１から請求項７の何れかの検出装置を具備するロボット。
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面における基準点の周囲に配置された複数の圧力センサーと、
弾性材料で形成されて前記複数の圧力センサーを覆う弾性層と、
前記弾性層よりも剛性が高い材料で形成されて平面視で前記基準点に重なるように前記弾性層に内包された硬質体とを具備し、
前記硬質体は、前記基板に対向する表面が凹状である
検出装置。
【請求項２】
前記硬質体は、前記複数の圧力センサーから離れた位置に配置される
請求項１の検出装置。
【請求項３】
前記基板に垂直な断面における前記硬質体の断面形状は中心線に対して線対称であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記硬質体の中心線が前記基準点を通過する
請求項１または請求項２の検出装置。
【請求項４】
前記硬質体のうち前記基板に対向する表面は円弧面であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記円弧面の曲率中心が前記基準点に合致する
請求項１から請求項３の何れかの検出装置。
【請求項５】
前記硬質体のうち前記基板に対向する表面は放物面であり、
前記弾性層に外力が作用しない状態では、前記放物面の焦点が前記基準点に合致する
請求項１から請求項３の何れかの検出装置。
【請求項６】
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る
請求項１から請求項５の何れかの検出装置。
【請求項７】
前記複数の圧力センサーと前記硬質体との複数組が前記基板の面上に配置される
請求項１から請求項６の何れかの検出装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れかの検出装置を具備する電子機器。
【請求項９】
請求項１から請求項７の何れかの検出装置を具備するロボット。
【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２０１２−１９８１７２（Ｐ２０１２−１９８１７２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６３８７４（Ｐ２０１１−６３８７４）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【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１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【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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