JP2012098148A - Pressure detection device, electronic device, and robot - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a pressure detection device, an electronic apparatus including the pressure detection device, and a robot.
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。
As the pressure detection device, for example, a detection device described in
しかしながら、特許文献１に記載の検出装置では、感圧素子に対して球状の弾性体が、初期の段階で点でしか接触しないので、弾性体に水平方向の外圧が加えられると、基準点（押圧点）が滑る等ずれやすくなり、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う課題がある。
However, in the detection device described in
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。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
［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圧力センサー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１基板と前記第２基板とに挟まれた隣り合う前記弾性体突起の周囲に、弾性体層が設けられていることを特徴とする。 Application Example 1 A pressure detection device according to this application example is a pressure detection device that detects a direction and a magnitude of an applied external pressure, and includes a first substrate having a plurality of pressure sensors arranged around a reference point. And a second substrate having an elastic protrusion that overlaps with the reference point of the first substrate and is elastically deformed by the external pressure while being in contact with the pressure sensor, and the first substrate and the second substrate An elastic layer is provided around the adjacent elastic protrusions sandwiched between the second substrates.
この構成によれば、弾性体突起の周囲に弾性体層が設けられているので、第２基板に外圧を加えた際、圧力センサーに対して弾性体突起の先端部が当接すると共に、弾性体層が面接触する。弾性体層と圧力センサーとが面接触することにより、弾性体突起が押し込まれた位置から安易にずれることが抑えられる。よって、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。 According to this configuration, since the elastic layer is provided around the elastic protrusion, when the external pressure is applied to the second substrate, the tip of the elastic protrusion contacts the pressure sensor, and the elastic body The layers are in surface contact. When the elastic body layer and the pressure sensor are in surface contact, it is possible to suppress the easy displacement from the position where the elastic protrusion is pushed. Therefore, the detection accuracy and detection sensitivity of the direction and magnitude of the external pressure can be improved.
［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、前記先端部が前記弾性体層の表面から突出していることが好ましい。 Application Example 2 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that the tip of the elastic protrusion protrudes from the surface of the elastic layer.
この構成によれば、弾性体突起の先端部が突出している（露出している）ので、第２基板に対して圧力が加えられた際、弾性体層よりも先に弾性体突起が圧力センサーを押圧することになり、圧力の大きさの検出感度を向上させることができる。言い換えれば、微弱な圧力のときの感度を向上させることができる。 According to this configuration, since the tip end portion of the elastic protrusion protrudes (is exposed), when pressure is applied to the second substrate, the elastic protrusion is a pressure sensor before the elastic layer. The pressure detection sensitivity can be improved. In other words, the sensitivity at a weak pressure can be improved.
［適用例３］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体突起の硬さは、前記弾性体層の硬さより硬いことが好ましい。 Application Example 3 In the pressure detection device according to the application example described above, the hardness of the elastic protrusion is preferably harder than the hardness of the elastic layer.
この構成によれば、弾性体層より弾性体突起の方が硬いので、圧力センサーに対する弾性体突起の感度を向上させることができる。よって、圧力の大きさ、圧力の方向、すべり力などを高い感度で検出することができる。 According to this configuration, since the elastic protrusion is harder than the elastic layer, the sensitivity of the elastic protrusion to the pressure sensor can be improved. Therefore, the magnitude of pressure, the direction of pressure, the sliding force, etc. can be detected with high sensitivity.
［適用例４］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記弾性体層の表面の摩擦係数は、前記弾性体突起の表面の摩擦係数よりも大きいことが好ましい。 Application Example 4 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that the friction coefficient of the surface of the elastic body layer is larger than the friction coefficient of the surface of the elastic protrusion.
この構成によれば、弾性体層の表面の摩擦係数が大きいので、弾性体突起に外圧が加えられた際、弾性体突起が押し込まれた位置から安易にずれることが抑えられる。 According to this configuration, since the coefficient of friction of the surface of the elastic body layer is large, it is possible to suppress easy displacement from the position where the elastic body protrusion is pushed when an external pressure is applied to the elastic body protrusion.
［適用例５］上記適用例に係る圧力検出装置において、前記第１基板の前記圧力センサーと前記第２基板の前記弾性体突起との間に、弾性体シートが設けられていることが好ましい。 Application Example 5 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that an elastic sheet is provided between the pressure sensor of the first substrate and the elastic protrusion of the second substrate.
この構成によれば、平坦化が容易な弾性体シートを介して第１基板と第２基板とが接触するので、第１基板と第２基板との密着力をより向上させることが可能となり、弾性体突起を介して圧力が加えられた点（基準点）がその周囲にずれることをより抑えることができる。 According to this configuration, since the first substrate and the second substrate are in contact with each other via the elastic sheet that is easy to flatten, it is possible to further improve the adhesion between the first substrate and the second substrate, It is possible to further suppress the point (reference point) to which pressure is applied via the elastic protrusion from shifting to the periphery.
［適用例６］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。 Application Example 6 In the pressure detection device according to the application example described above, each pressure sensor arbitrarily combined among the pressure values detected by the plurality of pressure sensors when the elastic protrusions are elastically deformed by the external pressure. A calculation device is provided that calculates the difference between the detected pressure values and calculates the direction in which the external pressure is applied and the magnitude of the external pressure based on the difference.
［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、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。 Application Example 7 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that the plurality of pressure sensors are arranged symmetrically with respect to the reference point.
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。 According to this configuration, since the distance between the reference point and each pressure sensor becomes equal to each other, the relationship between the amount of change in the center of gravity of the elastic protrusion and the pressure value detected by each pressure sensor becomes equal to each other. . For example, when a plurality of pressure sensors are arranged at different distances from the reference point, the pressure values detected by the pressure sensors are different from each other even if the amount of change in the center of gravity of the elastic protrusion is the same. . For this reason, when calculating the difference between the detection values, a correction coefficient corresponding to the arrangement position of each pressure sensor is required. However, according to this configuration, since the relationship between the amount of change in the center of gravity position of the elastic protrusion and the pressure value detected by each pressure sensor becomes equal to each other, the correction coefficient is unnecessary. Therefore, it becomes easy to calculate the direction and magnitude of the external pressure from the pressure value detected by each pressure sensor, and the external pressure can be detected efficiently.
［適用例８］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。 Application Example 8 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that the plurality of pressure sensors are arranged in a matrix in two directions orthogonal to each other.
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。 According to this configuration, it becomes easy to calculate the direction and magnitude of the external pressure from the difference between the pressure values of the pressure sensors arbitrarily combined among the pressure values of the pressure sensors.
［適用例９］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。 Application Example 9 In the pressure detection device according to the application example, it is preferable that the plurality of pressure sensors are arranged in at least 4 rows and 4 columns in two directions orthogonal to each other.
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。 According to this configuration, the number of pressure sensors to be arranged increases. For this reason, the direction in which the external pressure acts can be determined by integrating the detection results of the pressure sensors based on the pressure values detected by a large number of pressure sensors. Therefore, the direction of the external pressure can be detected with high accuracy.
［適用例１０］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。 Application Example 10 In the pressure detection device according to the application example described above, it is preferable that a plurality of the elastic protrusions are formed on the second substrate and are spaced apart from each other.
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。 According to this configuration, it is possible to allow a deformation amount in a direction parallel to the surface of the second substrate when the elastic protrusion is elastically deformed. For example, when one elastic protrusion is deformed, the influence of the deformation on the other elastic protrusion can be suppressed. For this reason, it is possible to accurately transmit the external pressure to each pressure sensor as compared with the case where the plurality of elastic protrusions are arranged in contact with each other. Therefore, the direction and magnitude of the external pressure can be detected with high accuracy.
［適用例１１］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。 Application Example 11 An electronic apparatus according to this application example includes the pressure detection device described above.
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。 According to this configuration, since the pressure detection device described above is provided, it is possible to provide an electronic device that can detect the direction and magnitude of the external pressure with high accuracy.
［適用例１２］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。 Application Example 12 A robot according to this application example includes the pressure detection device described above.
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。 According to this configuration, since the pressure detection device described above is provided, it is possible to provide a robot capable of detecting the direction and magnitude of the external pressure with high accuracy.
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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. Note that the drawings to be used are appropriately enlarged or reduced so that the part to be described can be recognized.
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。 In the present embodiment, the “surface” of the first substrate refers to a plurality of pressure sensor formation surfaces on the first substrate. The “surface” of the second substrate refers to a surface opposite to the elastic protrusion forming surface in the second substrate, that is, a surface that receives external pressure.
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。
In the following description, the XYZ rectangular coordinate system shown in FIG. 1 is set, and each member will be described with reference to this XYZ rectangular coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system, the X axis and the Y axis are set in a direction parallel to the
（第１実施形態）
＜圧力検出装置の構成＞
図１は、圧力検出装置の構成を示す分解斜視図である。以下、圧力検出装置の構成を、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圧力センサー１３が検出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。
(First embodiment)
<Configuration of pressure detection device>
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the pressure detection device. Hereinafter, the configuration of the pressure detection device will be described with reference to FIG. In FIG. 1, reference symbol P denotes a reference point, and reference symbol S denotes a unit detection region detected by the
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
Specifically, the
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の周りに複数の圧力センサー１３が設けられている。
Specifically, the
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（圧力センサー１３）に当接した状態で弾性変形する。また、複数の弾性体突起２３の間には、弾性体突起の略先端部が埋まる程度に、表面が平坦化された弾性体層としての弾性平坦化層１４が設けられている。
The
演算装置は、複数の圧力センサー１３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１３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。
The calculation device calculates a difference between the pressure values detected by the
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圧力センサー１３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。
More specifically, the
複数の圧力センサー１３は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数の圧力センサー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、基準点Ｐと各圧力センサー１３との間の距離が互いに等しくなる。これにより、弾性体突起２３の変形と各圧力センサー１３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１３の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１３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。
The plurality of
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。
The protruding
また、複数の弾性体突起２３の間には、上記したように、弾性体突起２３の略先端部２３ａが埋まる程度に弾性平坦化層１４が設けられている。これにより、突起シート２１に圧力を加えた際、圧力センサー１３に対して弾性体突起２３が点接触すると共に、弾性平坦化層１４が面接触する。つまり、面接触している弾性平坦化層１４と圧力センサー１３との密着力が向上する。よって、弾性体突起２３が押し込まれた位置（基準点）からその周囲にずれることを抑えることができる。
In addition, as described above, the
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の基準点（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。
Specifically, when a horizontal external pressure is applied to the protruding
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。
The protruding
弾性平坦化層１４は、例えば、弾性体突起２３の間にシリコンゴムなどが塗布されて形成されている。具体的には、弾性体突起２３よりも硬度の低い弾性材料の溶液を、弾性体突起２３の間に塗布、あるいはスプレー塗布、またはディッピングする事により形成することが出来る。
The
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２３ａは、例えば、球面の錘状となっており、センサー基板１１（センサー基板本体１２上の複数の圧力センサー１３）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。
The plurality of
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１３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１３の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー１３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。
For example, when one
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。
The size of the
なお、弾性体突起２３の硬さは、上記した弾性平坦化層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。
The
また、弾性平坦化層１４のデュロメータ硬さは、弾性体突起２３のデュロメータ硬さよりも小さな値の材料を用いる。例えば、１０〜２５程度である。材料としては、例えば、軟質ゴムが挙げられる。弾性体突起２３の方が硬いので、圧力センサー１３に対する弾性体突起２３の感度を向上させることができる。よって、圧力の大きさ、圧力の方向、すべり力などを高い感度で検出することができる。
Further, the durometer hardness of the
複数の圧力センサー１３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１３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１３の各面積がほぼ等しくなっている。
The plurality of
隣り合う圧力センサー１３の間隔は、０．１ｍｍ程度になっている。このため、外乱や静電気等の影響により、隣り合う位置の圧力センサーで検出される圧力値にノイズがのらないようになっている。
The interval between the
圧力センサーとしては、例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いることができる。この場合には、接触面に外圧が作用したときにダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。 As the pressure sensor, for example, a pressure sensitive element such as a diaphragm gauge can be used. In this case, the pressure applied to the diaphragm when an external pressure acts on the contact surface is converted into an electrical signal.
そのほかにも、圧力センサーとしては、抵抗値変化型の感圧素子を用いることが出来る。例えば、感圧導電性ゴム等で構成された感圧素子が知られている。感圧導電性ゴムシートの上側表面と下側表面に上下電極を設けた場合、外圧が作用すると、感圧導電性ゴムシートの膜厚方向の抵抗値変化を感知して外圧を検出することが出来る。また、感圧導電性ゴムシートのどちらか一方の表面に平行電極あるいは櫛歯状電極を設けた場合、外圧が作用すると、感圧導電性ゴムシートの水平方向の抵抗値変化を感知して外圧を検出することが出来る。 In addition, as the pressure sensor, a resistance value change type pressure sensitive element can be used. For example, a pressure sensitive element composed of a pressure sensitive conductive rubber or the like is known. When the upper and lower electrodes are provided on the upper and lower surfaces of the pressure-sensitive conductive rubber sheet, the external pressure can be detected by sensing the change in the resistance value in the film thickness direction of the pressure-sensitive conductive rubber sheet. I can do it. In addition, when a parallel electrode or a comb-like electrode is provided on either surface of the pressure-sensitive conductive rubber sheet, if an external pressure is applied, a change in the resistance value in the horizontal direction of the pressure-sensitive conductive rubber sheet is detected to detect the external pressure. Can be detected.
そのほかにも、圧力センサーとしては、静電容量値変化型の感圧素子を用いることが出来る。この場合、外圧が作用すると静電容量値の変化を感知して外圧を検出することが出来る。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。 In addition, as the pressure sensor, a capacitance value change type pressure sensitive element can be used. In this case, when the external pressure is applied, the external pressure can be detected by sensing a change in the capacitance value. Further, a change in inductance may be detected. In addition, when a strong electromagnetic wave exists, it may be affected by noise, so it is preferable to select and use any method depending on the situation.
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。
2 and 3 are explanatory diagrams of a method for detecting the magnitude and direction of the external pressure. 2A to 2C are schematic cross-sectional views illustrating changes in pressure. 3A to 3C are schematic plan views showing the relationship between the change in pressure and the position corresponding to FIGS. 2A to 2C. Hereinafter, a method for detecting the magnitude and direction of the external pressure will be described with reference to FIGS. 3A to 3C, the symbol G indicates the center of gravity (pressure center) of the
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は変形しない。また、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層１４は、圧力センサー１３と接した状態にある。このときの各圧力センサー１３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１３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。
2A and 3A show a state before external pressure is applied to the
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１３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。
3A shows a
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、弾性体突起２３は、突起シート２１を介して垂直方向の外圧が付加されたとき、弾性体突起２３の先端部２３ａがセンサー基板本体１２の表面に配置された複数の圧力センサー１３に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する（撓む）。弾性平坦化層１４も同様に、圧力センサー１３の表面と密着すると共に、Ｚ方向に圧縮変形する。
FIG. 2B and FIG. 3B show a state in which an external pressure in a vertical direction (a state in which there is no sliding force) is applied to the
そして、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１３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１３ともほぼ同じ値となる。
The distance between the
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、弾性体突起２３は、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、弾性体突起２３の先端部２３ａがセンサー基板本体１２の表面に配置された圧力センサー１３に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。つまり、弾性体突起２３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。
FIG. 2C and FIG. 3C show a state in which an external pressure in an oblique direction (a state in which there is a sliding force) is applied to the
このとき、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層１４が圧力センサー１３の表面と密着していることにより、斜め方向の外圧が付加されたとしても、弾性体突起２３の基準点Ｐがその周囲にずれることが抑えられる。よって、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。
At this time, the
また、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と４つの各圧力センサー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と４つの各圧力センサー１３との重なる面積は、４つの圧力センサー１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサー１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された圧力センサー１３と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIG. 3C, the center of gravity G of the
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１３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。
The
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１３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。
When the external pressure in the oblique direction is applied to the
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。 FIG. 4 is a diagram illustrating a coordinate system of the sensing area. FIG. 5 is a diagram showing the pressure distribution in the vertical direction by the pressure sensor. FIG. 6 is a diagram illustrating a calculation example of the slip direction by the pressure sensor.
図４に示すように、複数の圧力センサーＳ１（１３）〜Ｓ４（１３）は、単位検出領域Ｓ当たり縦２行、横２列に計４つ配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１〜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。 As shown in FIG. 4, the plurality of pressure sensors S1 (13) to S4 (13) are arranged in a total of four rows per unit detection region S in two rows and two columns. Here, when the pressure values (detected values) detected by the pressure sensors S1 to S4 are P S1 , P S2 , P S3 , and P S4 , the X direction component Fx of the external force (X of the in-plane direction components of the external force) The ratio of the component force acting in the direction) is expressed by the following equation (1).
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。 Further, the Y direction component Fy of the external force (the ratio of the component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (2).
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。 Further, the Z direction component Fz of the external force (vertical direction component of the external force, the Z axis is omitted in FIG. 4) is expressed by the following equation (3).
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３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。
In this embodiment, the
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。 As shown in Expression (1), the X direction component Fx of the external pressure is detected by the pressure sensor S2 disposed in the + X direction and the pressure sensor S4 among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 to S4. The values detected by the pressure sensor S1 and the pressure sensor S3 arranged in the −X direction are combined. Thus, based on the difference between the pressure value obtained by the combination of the pressure sensor S2 and the pressure sensor S4 arranged in the + X direction and the pressure value obtained by the combination of the pressure sensor S1 and the pressure sensor S3 arranged in the -X direction. The X direction component of the external pressure is obtained.
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。 As shown in Expression (2), the Y-direction component Fy of the external pressure is detected by the pressure sensor S1 and the pressure sensor S2 arranged in the + Y direction among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 to S4. The values detected by the pressure sensor S3 and the pressure sensor S4 arranged in the -Y direction are combined. Thus, based on the difference between the pressure value obtained by the combination of the pressure sensor S1 and the pressure sensor S2 arranged in the + Y direction and the pressure value obtained by the combination of the pressure sensor S3 and the pressure sensor S4 arranged in the -Y direction. The Y direction component of the external pressure is obtained.
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。 As shown in Expression (3), the Z direction component Fz of the external pressure is obtained by a resultant force obtained by adding the pressure values of the four pressure sensors S1 to S4.
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。 Next, as shown in FIG. 5, a case is considered in which a position closer to the upper left than the center of the detection surface of the touchpad is pushed diagonally with a finger. At this time, the pressure in the vertical direction of the external pressure is the largest at the center of the portion where the external pressure is applied (the output voltage of the pressure sensors S1 to S4 is about 90 to 120 mV). In addition, the vertical pressure of the external pressure is next to the peripheral part (the output voltage of the pressure sensors S1 to S4 is about 60 to 90 mV) and the outermost part (the output voltage of the pressure sensors S1 to S4 is about 30 to 60 mV) next to the central part. It becomes smaller in order.
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Ｓ１〜Ｓ４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。 Moreover, the output voltage of the pressure sensors S1 to S4 is about 0 to 30 mV in the region not pressed by the finger. It is assumed that the unit detection areas (areas where the pressure sensors S1 to S4 are gathered) are arranged in a matrix (for example, a total of 225 in 15 rows x 15 columns).
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）。 Next, as shown in FIG. 6, a method for calculating the in-plane direction component (slip direction) of the external pressure when the position on the upper left side of the center of the detection surface of the touchpad is obliquely pressed with a finger will be considered. At this time, it is assumed that the finger pressing force (external force) acts on the portion arranged in the vertical 3 rows × horizontal 3 columns among the vertical rows 15 × horizontal 15 columns. Here, the pressure in the vertical direction of the external pressure is the largest at the central portion of the portion where the external pressure is applied as in FIG. 5 (110 mV).
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。 Each unit detection area arranged in 3 rows x 3 columns has four pressure sensors S1 to S4, which are arbitrarily combined among the pressure values detected by the pressure sensors S1 to S4. The difference between the pressure values detected by each pressure sensor is calculated, and the direction in which the external pressure is applied is calculated based on the difference.
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。 That is, in each unit detection region, the X-direction component Fx of the external pressure and the Y-direction component Fy of the external pressure are calculated based on the above formulas (1) and (2). Here, it can be seen that the external pressure acts in the direction of about 123 ° counterclockwise with respect to the + X direction. In calculating the direction in which the external pressure acts, the calculation is performed by the average value of the nine calculation results or the maximum value (for example, a detection value larger than a predetermined threshold value) of the nine calculation results. The method can be used.
（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。
(Electronics)
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
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。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a personal digital assistant (PDA) 2000 to which the
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。
According to such an electronic apparatus, since the
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。
Other electronic devices include personal computers, video camera monitors, car navigation devices, pagers, electronic notebooks, calculators, word processors, workstations, videophones, POS terminals, digital still cameras, and touch panels. Equipment and the like. The
（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。
(robot)
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
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の質感に応じて把持することができる。
As shown in FIG. 9B, consider a case where a
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。
According to such a robot, since the
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。
As described above in detail, according to the
（１）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、弾性体突起２３の周囲に弾性平坦化層１４が設けられているので、突起シート２１に外圧を加えた際、圧力センサー１３に対して弾性体突起２３の先端部２３ａが当接すると共に、弾性平坦化層１４が面接触する。弾性平坦化層１４と圧力センサー１３とが面接触することにより、弾性体突起２３が押し込まれた位置から安易にずれることが抑えられる。よって、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。
(1) According to the
（２）本実施形態の圧力検出装置１０によれば、弾性平坦化層１４より弾性体突起２３の方が硬いので、圧力センサー１３に対する弾性体突起２３の感度を向上させることができる。よって、圧力の大きさ、圧力の方向、すべり力などを高い感度で検出することができる。また、弾性平坦化層１４の表面の摩擦係数が大きいので、弾性体突起２３に外圧が加えられた際、弾性体突起２３が押し込まれた位置から安易にずれることが抑えられる。
(2) According to the
（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１３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１３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１３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１３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１３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１３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１３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。
(3) According to the
（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。
(4) According to the electronic device of the present embodiment, since the
（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。
(5) Since the robot according to the present embodiment includes the
（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。
(Second Embodiment)
<Configuration of pressure detection device>
FIG. 10 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of the pressure detection device of the second embodiment. Hereinafter, the structure of the pressure detection apparatus of 2nd Embodiment is demonstrated, referring FIG.
図１０に示すように、第２実施形態の圧力検出装置１１０は、複数の圧力センサー１１３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。
As shown in FIG. 10, in the
第１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１３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１１３を用いた場合に拡張した計算式を示す。
In the first embodiment, in order to show the principle of decomposing and detecting the pressure, the
図１０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圧力センサー１１３が設けられる単位検出領域を示している。なお、図１０においては、便宜上、複数の圧力センサー１１３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１１及び図１２に示すように複数の圧力センサー１１３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。
In FIG. 10, reference symbol P denotes a reference point, and reference symbol S denotes a unit detection region in which a plurality of
図１０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、圧力センサー１１３が配置されている。これら１６個の圧力センサー１１３の中心（単位検出領域Ｓの中心）が基準点Ｐとなっている。
As shown in FIG. 10, on the sensor substrate
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図２（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態の圧力の変化を示す模式断面図である。図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１１（ａ）〜（ｃ）に対応した、第２実施形態の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１１及び図１２を参照しながら説明する。 FIGS. 11A to 11C are schematic cross-sectional views showing changes in pressure in the second embodiment corresponding to FIGS. 2A to 2C. FIGS. 12A to 12C are schematic plan views showing the relationship between the change in pressure and the position in the second embodiment, corresponding to FIGS. 11A to 11C. Hereinafter, a method for detecting the magnitude and direction of the external pressure will be described with reference to FIGS.
図１１（ａ）及び図１２（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は変形しない。また、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層１４は、圧力センサー１１３と接した状態にある。このときの各圧力センサー１１３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１１３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。
FIG. 11A and FIG. 12A show a state before external pressure is applied to the
図１２（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１１３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１１１と弾性体突起２３とが接する領域４０を示している。
12A shows a
図１１（ｂ）及び図１２（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の表面に垂直方向の外圧が付加されたとき、弾性体突起２３は、Ｚ方向に圧縮変形する。弾性平坦化層１４も同様に、圧力センサー１１３の表面と密着すると共に、Ｚ方向に圧縮変形する。そして、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１１３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１１３ともほぼ同じ値となる。
FIG. 11B and FIG. 12B show a state in which external pressure in the vertical direction (in a state where there is no sliding force) is applied to the
図１１（ｃ）及び図１２（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、弾性体突起２３は、斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、弾性体突起２３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。
FIG. 11C and FIG. 12C show a state in which an external pressure in an oblique direction (a state in which there is a sliding force) is applied to the
このとき、第１実施形態と同様に、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層１４が圧力センサー１１３の表面と密着していることにより、斜め方向の外圧が付加されたとしても、弾性体突起２３の基準点Ｐがその周囲にずれることが抑えられる。よって、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。
At this time, as in the first embodiment, the
また、図１２（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つの各圧力センサー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つの各圧力センサー１１３との重なる面積は、４つの圧力センサー１１３のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された圧力センサー１１３と重なる面積よりも、＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された圧力センサー１１３と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIG. 12C, the center of gravity G of the
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１１３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。
The
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。図１２（ｃ）は、圧力センサー１１３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。
When the external pressure in the oblique direction is applied to the
図１３は、図４に対応した、第２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１３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１３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。 FIG. 13 is a diagram illustrating a coordinate system of the sensing area of the second embodiment corresponding to FIG. In FIG. 13, a plurality of pressure sensors S i (100) are arranged in a matrix, and 25 of these pressure sensors S i are divided into −X direction and + Y direction, respectively, + X And a region partitioned in the + Y direction, a region partitioned in the −X direction and the −Y direction, and a region partitioned in the + X direction and the −Y direction. In FIG. 13, for convenience, 100 pressure sensors S i are illustrated, but the number of pressure sensors S i is not limited to this, and can be arbitrarily changed.
図１３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。 As shown in FIG. 13, a plurality of pressure sensors S i are arranged in a total of 100 per unit detection region S in 10 rows and 10 columns. Here, the pressure value (detected value) detected by each pressure sensor S i is P i (i = 1 to 100), and the in-plane direction component of the distance between the reference point P and each pressure sensor S i is r. i (i = 1 to 100).
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。 Further, if the X direction component of the in-plane direction component is r xi (i = 1 to 100), and the Y direction component of the in-plane direction component is r yi (i = 1 to 100), the X direction component Fx of the external force. (The ratio of the component force acting in the X direction out of the in-plane direction component of the external force) is expressed by the following equation (4).
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。 Further, the Y direction component Fy of the external force (the ratio of the component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (5).
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。 Further, the Z direction component Fz of the external force (vertical direction component of the external force) is expressed by the following formula (6).
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。 In this embodiment, the difference between the pressure values of the pressure sensors S i arbitrarily combined among the pressure values of the 100 pressure sensors S i that change depending on the external pressure is calculated, and the external pressure is applied based on the difference. The direction is calculated.
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。 As shown in Expression (4), in the X direction component Fx of the external pressure, the pressure values detected by the pressure sensors S i arranged relatively in the + X direction among the pressure values detected by the 100 pressure sensors S i are detected. The values are combined, and the values detected by the pressure sensor S i arranged relatively in the −X direction are combined. Thus, external pressure on the basis of the difference between the pressure value by a combination of pressure values relatively -X direction arranged pressure sensors S i by a combination of disposed relatively + X direction pressure sensors S i An X direction component is obtained.
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。 As shown in the equation (5), in the Y direction component Fy of the external pressure, the values detected by the pressure sensors S i arranged in the + Y direction are combined among the pressure values of the 100 pressure sensors S i. At the same time, the values detected by the pressure sensor S i relatively arranged in the −Y direction are combined. Thus, external pressure on the basis of the difference between the pressure value due to the combination of a relatively + Y pressure is arranged in a direction sensor S i pressure sensor S i arranged relatively -Y direction and pressure values of a combination of A Y direction component is obtained.
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。 As shown in Expression (6), the Z direction component Fz of the external pressure is obtained by a resultant force obtained by adding the pressure values detected by the 100 pressure sensors S i .
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。 Incidentally, in the calculation of the direction of action of the external pressure, 100 of the pressure sensor S method for determining the average value of the calculation result of the pressure value detected by the in i or 100 of the pressure sensor S i in the detected pressure, A method of obtaining a maximum value (for example, a detection value larger than a predetermined threshold value) among the calculation results of values can be used.
本実施形態の圧力検出装置１１０によれば、複数の圧力センサー１１３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１１３の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー１１３で検出された圧力値に基づいて各圧力センサー１１３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。
According to the
本実施形態では、外圧によって弾性体突起２３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１１３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。
In the present embodiment, the difference between the pressure values of the
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。 As shown in Expression (4), in the X direction component Fx of the external pressure, the value measured by the pressure sensor S i arranged in the X direction among the pressure values measured by the i pressure sensors S i is processed. Thus, the X direction component of the external pressure is obtained.
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。 As shown in Expression (5), in the Y direction component Fy of the external pressure, the value measured by the pressure sensor S i arranged in the Y direction among the pressure values measured by the i pressure sensors S i is processed. Thus, the Y direction component of the external pressure is obtained.
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。 As shown in Expression (6), the Z direction component Fz of the external pressure is obtained by a resultant force obtained by adding the pressure values detected by the i pressure sensors S i .
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）〜（３）の効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
As described above in detail, according to the
（６）第２実施形態の圧力検出装置１１０によれば、配置される圧力センサー１１３の数が多くなる。このため、多数の圧力センサー１１３で検出される圧力値に基づいて各圧力センサー１１３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。
(6) According to the
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。 In addition, embodiment is not limited above, It can also implement with the following forms.
（変形例１）
上記したような突起シート２１（圧力検出装置１０）の構成に限定されず、図１４（ａ）及び図１５（ａ）に示すような突起シート５２１，６２１（圧力検出装置５１０，６１０）の構成であってもよい。図１４（ａ）〜（ｃ）及び図１５（ａ）〜（ｃ）は、圧力の変化を示す模式断面図である。
(Modification 1)
The configuration of the protruding sheet 21 (pressure detection device 10) is not limited to the configuration described above, and the configuration of the protruding
まず、図１４（ａ）に示す突起シート５２１は、突起シート本体２２上に弾性体突起２３が設けられている。弾性体突起２３の周囲（弾性体突起２３間）には、弾性平坦化層５１４が設けられている。ここで、上記実施形態と異なる点としては、弾性体突起２３の先端部２３ａが、弾性平坦化層５１４の表面から突出している点である。以下、突起シート５２１に圧力が加えられた場合の突起シート５２１が変化する様子を、図１４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
First, the protruding
図１４（ａ）は、突起シート５２１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１４（ａ）に示すように、突起シート５２１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は変形しない。また、弾性平坦化層５１４は、センサー基板１１（圧力センサー１３）と接触していない。
FIG. 14A shows a state before external pressure is applied to the
図１４（ｂ）は、突起シート５２１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１４（ｂ）に示すように、弾性体突起２３は、突起シート５２１を介して垂直方向の外圧が付加されたとき、弾性体突起２３の先端部２３ａがセンサー基板本体１２の表面に配置された複数の圧力センサー１３に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する（撓む）。その後、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層５１４と圧力センサー１３とが密着する。
FIG. 14B shows a state in which an external pressure in the vertical direction (a state in which there is no sliding force) is applied to the
図１４（ｃ）は、突起シート５２１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１４（ｃ）に示すように、弾性体突起２３は、突起シート５２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、弾性体突起２３の先端部２３ａがセンサー基板本体１２の表面に配置された圧力センサー１３に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。同時に、弾性平坦化層５１４も、圧力センサー１３に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。
FIG. 14C shows a state in which external pressure in an oblique direction (with a sliding force) is applied to the
このとき、弾性体突起２３の周囲に設けられた弾性平坦化層５１４が圧力センサー１３の表面と密着していることにより、斜め方向の外圧が付加されたとしても、弾性体突起２３の基準点Ｐがその周囲にずれることが抑えられる。よって、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。
At this time, the
更に、弾性体突起２３の先端部２３ａが突出している（露出している）ので、突起シート５２１に対して圧力が加えられた際、弾性平坦化層５１４よりも先に弾性体突起２３が圧力センサー１３を押圧することになり、圧力の大きさの検出感度を向上させることができる。特に、微弱な圧力のときの感度を向上させることができる。
Further, since the
また、図１５（ａ）に示す突起シート６２１は、突起シート本体２２上に弾性体突起２３が設けられている。弾性体突起２３の周囲（弾性体突起２３間）には、弾性平坦化層６１４が設けられている。ここで、上記実施形態及び変形例と異なる点としては、弾性体突起２３の先端部２３ａが弾性平坦化層６１４の表面と略同じ高さに設けられ、これらを覆うように平坦化された弾性体シート６１５が設けられている点である。以下、突起シート６２１に圧力が加えられた場合の突起シート６２１が変化する様子を、図１５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
Further, the protruding
図１５（ａ）は、突起シート６２１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１５（ａ）に示すように、突起シート６２１の表面２１ａに外圧が付加される前においては、弾性体シート６１５と圧力センサー１３とが接触しているものの、弾性体突起２３は変形していない。
FIG. 15A shows a state before external pressure is applied to the
図１５（ｂ）は、突起シート６２１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１５（ｂ）に示すように、弾性体突起２３は、突起シート６２１を介して垂直方向の外圧が付加されたとき、弾性体シート６１５が圧力センサー１３に当接した状態で、弾性体シート６１５及び弾性平坦化層６１４と共にＺ方向に圧縮変形する。
FIG. 15B shows a state in which an external pressure in the vertical direction (in a state where there is no sliding force) is applied to the
ここで、突起シート６２１を構成する部材の硬さ関係を説明する。硬い部材から順に、弾性体突起２３、弾性体シート６１５、弾性平坦化層６１４となっている。なお、弾性体シート６１５と弾性平坦化層６１４の硬さは同じであってもよい。
Here, the hardness relationship of the members constituting the protruding
図１５（ｃ）は、突起シート６２１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１５（ｃ）に示すように、弾性体突起２３は、突起シート６２１の表面２１ａに斜め方向の外圧が付加されたとき、弾性体シート６１５が圧力センサー１３の表面と密着した状態で斜めに圧縮変形する。
FIG. 15C shows a state in which external pressure in an oblique direction (with a sliding force) is applied to the
このように、平坦化が容易な弾性体シート６１５を介してセンサー基板１１と突起シート６２１とが全面で接触するので、センサー基板１１と突起シート６２１との密着力をより向上させることが可能となり、弾性体突起２３を介して圧力が加えられた点（基準点Ｐ）がその周囲にずれることをより抑えることができる。
As described above, since the
（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。
(Modification 2)
As described above, the shape of the
（変形例３）
上記したように、弾性平坦化層１４の表面が平坦であることに限定されず、以下のような表面状態であってもよい。例えば、弾性平坦化層１４の表面が細かい波状であったり、凸凹状であったりしてもよい。言い換えれば、弾性体突起２３の基準点Ｐがその周囲にずれない程度に、弾性平坦化層１４とセンサー基板１１とが接触していることが望ましい。
(Modification 3)
As described above, the surface of the
１０，１１０，５１０，６１０…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、１３，１１３（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）…圧力センサー、１４，５１４，６１４…弾性体層としての弾性平坦化層、２１，５２１，６２１…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、２３ａ…先端部、３０…位置、４０…領域、６１５…弾性体シート、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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110,510,610 ... Pressure detection apparatus, 11, 111, 211 ... Sensor board | substrate as 1st board | substrate, 12 ... Sensor board | substrate body, 13, 113 (S1, S2, S3, S4) ... Pressure sensor, 14, 514, 614 ... Elastic flattening layer as an elastic layer, 21, 521, 621 ... Projection sheet as a second substrate, 21a ... Surface, 22 ... Projection sheet body, 23 ... Elastic projection, 23a ... Tip, 30 ... position, 40 ... area, 615 ... elastic sheet, 1000 ... mobile phone, 1001, 2001 ... liquid crystal panel, 1002, 2003 ... control pad, 1003, 2002 ... operation buttons, 2000 ... portable information terminal, 3000 ... robot hand, 3001 ... Gripping part, 3002 ... Arm part, 3003 ... Main body part, 3010 ... Object.
Claims (12)
基準点の周りに複数配置された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圧力センサー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１基板と前記第２基板とに挟まれた隣り合う前記弾性体突起の周囲に、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。 A pressure detection device that detects the direction and magnitude of applied external pressure,
A first substrate having a plurality of pressure sensors arranged around a reference point;
A second substrate having an elastic protrusion that is elastically deformed by the external pressure in a state in which a front end portion overlaps the reference point of the first substrate and is in contact with the pressure sensor;
A pressure detecting device, wherein an elastic body layer is provided around the adjacent elastic protrusions sandwiched between the first substrate and the second substrate.
前記弾性体突起は、前記先端部が前記弾性体層の表面から突出していることを特徴とする圧力検出装置。 The pressure detection device according to claim 1,
The pressure detecting device, wherein the elastic protrusion has a tip protruding from a surface of the elastic layer.
前記弾性体突起の硬さは、前記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。 The pressure detection device according to claim 1 or 2,
The pressure detector according to claim 1, wherein the hardness of the elastic protrusion is harder than the hardness of the elastic layer.
前記弾性体層の表面の摩擦係数は、前記弾性体突起の表面の摩擦係数よりも大きいことを特徴とする圧力検出装置。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 3,
The pressure detection device according to claim 1, wherein a friction coefficient of a surface of the elastic layer is larger than a friction coefficient of a surface of the elastic protrusion.
前記第１基板の前記圧力センサーと前記第２基板の前記弾性体突起との間に、弾性体シートが設けられていることを特徴とする圧力検出装置。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 4,
An elastic sheet is provided between the pressure sensor of the first substrate and the elastic protrusion of the second substrate.
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。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 5,
The elastic protrusion is elastically deformed by the external pressure to calculate the difference between the pressure values detected by the pressure sensors arbitrarily combined among the pressure values detected by the plurality of pressure sensors, and based on the difference A pressure detection device comprising a calculation device that calculates a direction in which external pressure is applied and a magnitude of the external pressure.
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。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 6,
The plurality of pressure sensors are arranged symmetrically with respect to the reference point.
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。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 7,
The plurality of pressure sensors are arranged in a matrix in two directions orthogonal to each other.
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。 The pressure detection device according to claim 8,
The plurality of pressure sensors are arranged in at least 4 rows and 4 columns in two directions orthogonal to each other.
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。 The pressure detection device according to any one of claims 1 to 9,
A plurality of the elastic protrusions are formed on the second substrate and are arranged apart from each other.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010245976A JP2012098148A (en) | 2010-11-02 | 2010-11-02 | Pressure detection device, electronic device, and robot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023058114A1 (en) * | 2021-10-05 | 2023-04-13 | 日本電信電話株式会社 | Input device, input system, and input method |
-
2010
- 2010-11-02 JP JP2010245976A patent/JP2012098148A/en not_active Withdrawn
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