JP2013152129A - Force detector, pressure detector, electronic apparatus and robot - Google Patents
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Abstract
【課題】計測分解能が高く、計測感度が良い力検出器、これを備えた圧力検出装置、電子機器及びロボットを提供する事。
【解決手段】力検出器2は、第1電極配線211と、第2電極配線212と、形状支持体214と、複数個の検出部としての圧力センサー12とを備える。圧力センサー12は第1電極配線211と第2電極配線212との交点に設けられ、第2電極配線212は第1電極配線211よりも検出面側に配置される。第2電極配線212は圧力センサー12の外の領域で、形状支持体214に沿って屈曲する突出部212aを有している。一つの圧力センサー12に加えられた力が突出部212aによって分散され、第2電極配線212を経由して隣の圧力センサー12に伝播する事を抑制でき、検出面に加えられた力Pを正確に測定する事ができる。
【選択図】図1To provide a force detector having high measurement resolution and good measurement sensitivity, a pressure detection device, an electronic device, and a robot provided with the force detector.
A force detector includes a first electrode wiring, a second electrode wiring, a shape support body, and a pressure sensor serving as a plurality of detection units. The pressure sensor 12 is provided at the intersection of the first electrode wiring 211 and the second electrode wiring 212, and the second electrode wiring 212 is disposed closer to the detection surface than the first electrode wiring 211. The second electrode wiring 212 has a protrusion 212 a that bends along the shape support 214 in a region outside the pressure sensor 12. The force applied to one pressure sensor 12 is dispersed by the protrusion 212a and can be prevented from propagating to the adjacent pressure sensor 12 via the second electrode wiring 212, and the force P applied to the detection surface can be accurately measured. Can be measured.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、力検出器、力検出器を備えた圧力検出装置、電子機器及びロボットに関する。 The present invention relates to a force detector, a pressure detection device including the force detector, an electronic apparatus, and a robot.
上記検出装置として、変位可能な接触子と、この接触子を表面に設け、接触子の変位を検出ポイントで検出して出力する感圧素子を備える触覚センサーが知られている(特許文献1)。接触子は感圧素子の表面に三つ以上設けられ、感圧素子の検出ポイントは1つの接触子につき三つ以上設けられている。これにより、接触子に作用する物理量としての荷重を検出可能であると共に、感圧素子の表面において荷重がどの方向に加わっているかというモーメントを検出可能であるとしている。
図17(a)〜(c)は特許文献1に示された感圧素子の構成を示す模式図である。上記特許文献1には、図17(a)〜(c)に示すように、感圧導電シート414と、感圧導電シート414の一方の面側に設けた複数の第1電極411と、感圧導電シート414の他方の面側に第1電極411と交差するように設けられた第2電極412とを有し、第1電極411と第2電極412とが交差する領域が検出ポイント413として機能する感圧素子400の例が示されている。つまり、感圧素子400は、感圧導電シート414を介して第1電極411と第2電極412間の電気抵抗を検出するものである。したがって、触覚センサーは、感圧素子400によって検出された電気抵抗の変化に基づいて荷重を求めている。
As the detection device, there is known a tactile sensor including a displaceable contact and a pressure-sensitive element that is provided on the surface and detects and outputs the displacement of the contact at a detection point (Patent Document 1). . Three or more contacts are provided on the surface of the pressure sensitive element, and three or more detection points of the pressure sensitive element are provided for each contact. Thus, it is possible to detect a load as a physical quantity acting on the contact and to detect a moment indicating in which direction the load is applied on the surface of the pressure sensitive element.
FIGS. 17A to 17C are schematic diagrams illustrating the configuration of the pressure-sensitive element disclosed in
上記特許文献1では、図17(b)に示すように、第2電極412の延在方向(C−C’方向)に交差する方向(R−R’方向)では、例えば隣り合う検出ポイント413の間に荷重Fが加えられたとしても、隣り合う検出ポイント413のさらに外側に延在する第2電極412には荷重Fが伝わり難いので、第2電極412の延在方向に交差する方向における荷重Fの計測分解能は確保できる。しかしながら、図17(c)に示すように、第2電極412の延在方向(C−C’方向)では、加えられた荷重Fが第2電極412の延在方向に伝播して分散する。それゆえに、第2電極412の延在方向に交差する方向に比べて延在方向おける計測分解能や計測感度が低下して、接触子に加えられた荷重や荷重のモーメントを正確に測定できないという課題があった。
In
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態また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]本適用例に係る力検出器は、第1基板と、可撓性を有する第2基板と、第1基板と第2基板との間に配置された感圧材料とを備え、第1基板は、感圧材料に面する側において互いに間隔を置いて設けられた複数の第1電極配線を含み、第2基板は、感圧材料に面する側に設けられ複数の第1電極配線と交差する第2電極配線を含み、第1電極配線と第2電極配線とが交差する領域が検出部であり、第2電極配線は、隣り合う検出部間において感圧材料側に屈曲または湾曲する突出部を有することを特徴とする。 Application Example 1 A force detector according to this application example includes a first substrate, a flexible second substrate, and a pressure-sensitive material disposed between the first substrate and the second substrate. The first substrate includes a plurality of first electrode wirings spaced from each other on the side facing the pressure-sensitive material, and the second substrate is disposed on the side facing the pressure-sensitive material. A region including the second electrode wiring intersecting with the electrode wiring, where the first electrode wiring and the second electrode wiring intersect with each other is a detection portion, and the second electrode wiring is bent toward the pressure-sensitive material side between the adjacent detection portions. Or it has the protrusion part which curves.
本適用例によれば、一つの検出部に加えられた力が突出部によって分散されるので、加えられた力が第2電極配線を経由して隣の検出部に伝搬することを抑制できる。従って第2電極配線に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できる。即ち、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。換言すると、計測分解能が高く、計測感度も良い力検出器を提供する事ができる。 According to this application example, since the force applied to one detection unit is dispersed by the protrusion, it is possible to suppress the applied force from propagating to the adjacent detection unit via the second electrode wiring. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in measurement resolution and detection sensitivity in the direction along the second electrode wiring. That is, the force applied to the detection surface can be accurately measured. In other words, a force detector with high measurement resolution and good measurement sensitivity can be provided.
[適用例2]上記適用例に係わる力検出器において、第2基板は、隣り合う検出部間において第2電極配線を支持すると共に感圧材料側に屈曲または湾曲させる形状支持体を有することを特徴とする。 Application Example 2 In the force detector according to the application example described above, the second substrate has a shape support that supports the second electrode wiring between the adjacent detection units and bends or curves toward the pressure-sensitive material side. Features.
本適用例によれば、形状支持体に沿って第2電極配線を形成でき、第2電極配線の突出部を所望の形状に形成することが可能となる。 According to this application example, the second electrode wiring can be formed along the shape support, and the protruding portion of the second electrode wiring can be formed in a desired shape.
[適用例3]上記適用例に係わる力検出器において、第2電極配線は、互いに間隔を置いて複数設けられ、形状支持体は、隣り合う第2電極配線間において互いに離間して配置されていることを特徴とする。 [Application Example 3] In the force detector according to the application example described above, a plurality of second electrode wirings are provided at a distance from each other, and the shape supports are arranged apart from each other between adjacent second electrode wirings. It is characterized by being.
本適用例によれば、形状支持体すなわち突出部が互いに離間して配置されているため、一つの検出部に加えられた力が複数の突出部により分散されるので、加えられた力が第2電極配線を経由して隣の検出部に伝搬することをより抑制できる。 According to this application example, since the shape support, that is, the protrusions are arranged apart from each other, the force applied to one detection unit is dispersed by the plurality of protrusions. Propagation to the adjacent detection unit via the two-electrode wiring can be further suppressed.
[適用例4]上記適用例に係わる力検出器において、第2電極配線は、互いに間隔を置いて複数設けられ、形状支持体は、第2基板よりも弾性係数が大きく、隣り合う第1電極配線間において複数の第2電極配線に亘って配置されていることを特徴とする。 Application Example 4 In the force detector according to the application example described above, a plurality of second electrode wirings are provided spaced apart from each other, and the shape support body has a larger elastic coefficient than the second substrate and is adjacent to the first electrode. A plurality of second electrode wirings are arranged between the wirings.
本適用例によれば、形状支持体の弾性係数が第2基板の弾性係数よりも大きいため、一つの検出部に加えられた力が形状支持体すなわち突出部を経由して隣の検出部に伝搬することを抑制できる。従って第2電極配線に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより抑制できる。また形状支持体を、隣り合う第1電極配線間において複数の第2電極配線に亘って配置するため、形状支持体の形成を容易にする事ができる。 According to this application example, since the elastic modulus of the shape support is larger than the elastic coefficient of the second substrate, the force applied to one detection unit is applied to the adjacent detection unit via the shape support, that is, the protrusion. Propagation can be suppressed. Accordingly, it is possible to further suppress a decrease in measurement resolution and detection sensitivity in the direction along the second electrode wiring. In addition, since the shape support is disposed across the plurality of second electrode wires between the adjacent first electrode wires, the shape support can be easily formed.
[適用例5]上記適用例に係わる力検出器において、形状支持体は、第2基板に一体成形されていることを特徴とする。 Application Example 5 In the force detector according to the application example described above, the shape support is integrally formed with the second substrate.
本適用例によれば、形状支持体が第2基板に一体形成されているために、形状支持体の強度および耐久性を向上させることができる。また、高い生産効率を得ることができる。 According to this application example, since the shape support is integrally formed on the second substrate, the strength and durability of the shape support can be improved. Moreover, high production efficiency can be obtained.
[適用例6]上記適用例に係わる力検出器において、第2電極配線と感圧材料との間に設けられ、少なくとも第2電極配線の突出部を覆う絶縁層を備えることを特徴とする。 Application Example 6 The force detector according to the application example described above is characterized in that an insulating layer is provided between the second electrode wiring and the pressure-sensitive material and covers at least the protruding portion of the second electrode wiring.
本適用例によれば、第2電極配線の突出部が絶縁層で覆われているため、第2電極配線の突出部と第1電極配線間での力検出を防止することができる。すなわち、第1電極配線と第2電極配線とが交差する領域のみを検出部とすることができ、より正確な力検出が可能となる。 According to this application example, since the protruding portion of the second electrode wiring is covered with the insulating layer, force detection between the protruding portion of the second electrode wiring and the first electrode wiring can be prevented. That is, only a region where the first electrode wiring and the second electrode wiring intersect can be used as the detection unit, and more accurate force detection is possible.
[適用例7]上記適用例に係わる力検出器において、感圧材料が感圧導電性弾性体であることを特徴とする。 Application Example 7 In the force detector according to the application example described above, the pressure-sensitive material is a pressure-sensitive conductive elastic body.
本適用例によれば、一つの検出部に加えられた力が第2電極配線を経由して隣の検出部に伝搬することを抑制できる。従って、ある検出部に作用した外力が、当該検出部の隣の検出部に配置された、感圧導電性弾性体からなる抵抗方式の圧力センサーによって誤検出されることを抑制できる。 According to this application example, it is possible to suppress the force applied to one detection unit from propagating to the adjacent detection unit via the second electrode wiring. Therefore, it is possible to suppress an external force acting on a certain detection unit from being erroneously detected by a resistance type pressure sensor made of a pressure-sensitive conductive elastic body disposed in a detection unit adjacent to the detection unit.
[適用例8]上記適用例に係わる力検出器において、感圧材料が弾性を有する誘電体物質であることを特徴とする。 Application Example 8 In the force detector according to the application example described above, the pressure-sensitive material is a dielectric substance having elasticity.
本適用例によれば、一つの検出部に加えられた力が第2電極配線を経由して隣の検出部に伝搬することを抑制できる。従って、ある検出部に作用した外力が、当該検出部の隣の検出部に配置された、誘電体物質からなる誘電方式の圧力センサーによって誤検出されることを抑制できる。 According to this application example, it is possible to suppress the force applied to one detection unit from propagating to the adjacent detection unit via the second electrode wiring. Therefore, it is possible to suppress an external force acting on a certain detection unit from being erroneously detected by a dielectric pressure sensor made of a dielectric material disposed in a detection unit adjacent to the detection unit.
[適用例9]上記適用例に係わる力検出器において、感圧材料が感圧スイッチであることを特徴とする。 Application Example 9 In the force detector according to the application example described above, the pressure-sensitive material is a pressure-sensitive switch.
本適用例によれば、一つの検出部に加えられた力が第2電極配線を経由して隣の検出部に伝搬することを抑制できる。従って、ある検出部に作用した外力が、当該検出部の隣の検出部に配置された、圧力スイッチからなる圧力センサーによって誤検出されることを抑制できる。 According to this application example, it is possible to suppress the force applied to one detection unit from propagating to the adjacent detection unit via the second electrode wiring. Therefore, it can suppress that the external force which acted on a certain detection part is misdetected by the pressure sensor which consists of a pressure switch arrange | positioned at the detection part adjacent to the said detection part.
[適用例10]本適用例に係わる圧力検出装置は、外力の大きさと方向とを検出する圧力検出装置であって、上記適用例に記載の力検出器と、一方の面側に弾性体突起を有する第3基板とを備え、第3基板は弾性体突起の先端部が第2基板の感圧材料に面する側に対して反対側の表面に接するように力検出器に対向配置されていることを特徴とする。 Application Example 10 A pressure detection device according to this application example is a pressure detection device that detects the magnitude and direction of an external force, and the force detector according to the application example described above and an elastic protrusion on one surface side. The third substrate is disposed opposite to the force detector so that the tip of the elastic protrusion is in contact with the surface of the second substrate opposite to the side facing the pressure-sensitive material. It is characterized by being.
本適用例によれば、弾性体突起の先端部が第2基板に当接した状態で滑り方向(圧力検出装置に平行な方向)に変形する事が可能であるので、特許文献1の触覚センサーに比べて、外力の大きさと方向との検出精度を高める事ができる。第3基板の表面に外力が付加されると、弾性体突起は先端部が第2基板に当接した状態で圧縮変形する。この時、面内の所定の方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起の変形には偏りが生じる。即ち、弾性体突起の重心は所定方向(滑り方向)に移動する。すると、力検出器における複数の圧力センサーのうち弾性体突起の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出される事となる。よって、演算装置により、各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを求める事ができる。又、力検出器の感度と分解能とが優れているので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する圧力検出装置を提供する事ができる。
According to this application example, the tactile sensor disclosed in
[適用例11]上記適用例に係わる圧力検出装置において、第1電極配線と第2電極配線とが交差する領域が検出部であり、第1基板には基準点が定められると共に、検出部は基準点の周りに複数個設けられ、第3基板は、弾性体突起の重心が基準点と重なると共に、弾性体突起の先端部が基準点に接するように力検出器に対向配置されていることを特徴とする。 Application Example 11 In the pressure detection device according to the application example described above, a region where the first electrode wiring and the second electrode wiring intersect is a detection unit, a reference point is defined on the first substrate, and the detection unit is A plurality of third substrates are provided around the reference point, and the third substrate is disposed opposite to the force detector so that the center of gravity of the elastic protrusion overlaps with the reference point and the tip of the elastic protrusion is in contact with the reference point. It is characterized by.
本適用例によれば、第3基板の表面に外力が付加されると、弾性体突起は先端部が第2基板に当接した状態で圧縮変形する。この時、面内の所定の方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起の変形には偏りが生じる。即ち、弾性体突起の重心は基準点からずれて所定方向(滑り方向)に移動する。すると、基準点の周りに設けられた複数の検出部すなわち複数の圧力センサーのうち弾性体突起の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーで異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起の重心と重なる位置の圧力センサーでは相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起の重心と重ならない位置の圧力センサーでは相対的に小さい圧力値が検出される事となる。よって、演算装置により、各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを求める事ができる。又、力検出器の感度と分解能とが優れているので、外力の大きさと方向とを高い精度で検出する圧力検出装置を提供する事ができる。 According to this application example, when an external force is applied to the surface of the third substrate, the elastic protrusion is compressed and deformed in a state where the tip portion is in contact with the second substrate. At this time, if there is a sliding force component in a predetermined direction in the plane, the deformation of the elastic protrusion is biased. That is, the center of gravity of the elastic protrusion is displaced from the reference point and moves in a predetermined direction (sliding direction). As a result, the ratio of the plurality of detection units provided around the reference point, that is, the plurality of pressure sensors, overlapping with the portion where the center of gravity of the elastic protrusion moves is relatively large. That is, different pressure values are detected by each pressure sensor. Specifically, a relatively large pressure value is detected by the pressure sensor at a position overlapping with the center of gravity of the elastic protrusion, and a relatively small pressure value is detected by a pressure sensor at a position not overlapping with the center of gravity of the elastic protrusion. It will be a thing. Therefore, the calculation device can calculate the difference between the pressure values detected by the pressure sensors, and can determine the direction and magnitude in which the external force is applied based on the difference. Further, since the sensitivity and resolution of the force detector are excellent, it is possible to provide a pressure detection device that detects the magnitude and direction of the external force with high accuracy.
[適用例12]上記適用例に係わる圧力検出装置において、外力によって弾性体突起が弾性変形することにより複数の検出部で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた検出部でそれぞれ検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と外力の大きさを演算する演算装置を備えてもよい。 Application Example 12 In the pressure detection device according to the application example described above, the elastic protrusions are elastically deformed by an external force, and are detected by detection units arbitrarily combined among the pressure values detected by the plurality of detection units. You may provide the calculating device which calculates the difference of a pressure value, and calculates the direction and magnitude | size of an external force based on the difference.
[適用例13]本適用例に係わる電子機器は、上記適用例に係わる圧力検出装置を備えることを特徴とする。 Application Example 13 An electronic apparatus according to this application example includes the pressure detection device according to the application example.
この構成によれば、上述した圧力検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な電子機器を提供する事ができる。 According to this configuration, since the pressure detection device described above is provided, it is possible to provide an electronic device capable of detecting the direction and magnitude of the external force with high accuracy.
[適用例14]本適用例に係わるロボットは、上記適用例に係わる圧力検出装置を備えることを特徴とする。 Application Example 14 A robot according to this application example includes the pressure detection device according to the application example.
この構成によれば、上述した圧力検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能なロボットを提供する事ができる。 According to this configuration, since the pressure detecting device described above is provided, a robot capable of detecting the direction and magnitude of the external force with high accuracy can be provided.
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。尚、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軸が第1基板10に対して平行な方向に設定され、XY平面(z=0)を検出面(図1(b)の第2基板20の表面側)と称す。又、Z軸が第1基板10に対して直交する方向(検出面の法線方向)に設定されている。
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. In the following description, the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIG. 1 is set, and each member will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. In the XYZ orthogonal coordinate system, the X axis and the Y axis are set in a direction parallel to the
なお、以下の形態において、例えば「基板上に」と記載された場合、基板の上に接するように配置される場合、または基板の上に他の構成物を介して配置される場合、または基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される場合を表すものとする。 In the following embodiments, for example, when “on the substrate” is described, the substrate is disposed so as to be in contact with the substrate, or is disposed on the substrate via another component, or the substrate. It is assumed that a part is arranged so as to be in contact with each other and a part is arranged via another component.
(実施形態1)
<力検出器>
本実施形態の力検出器について、図1を参照して説明する。
図1は、実施形態1に係る力検出器の概略構成を示す図であり、(a)は平面図で、(b)は(a)のA−A’における断面図である。
本実施形態の力検出器2は図1(b)に示される様に、第1基板10と第2基板20と感圧材料15とを備える。本実施形態で、感圧材料15は感圧導電性弾性体である。感圧材料15は第1基板10の表面と第2基板20の裏面とで挟持され、第2基板20の表面側が検出面である。力検出器2はこの検出面に加えられた力を検出する。尚、第1基板10も第2基板20も一方の面を表面と称し、その反対の他方の面を裏面と称している。本明細書では、Z軸の正の方向(図1(b)の上向き)に面する方を表面と称し、Z軸の負の方向(図1(b)の下向き)に面する方を裏面と称する。
(Embodiment 1)
<Force detector>
The force detector of this embodiment will be described with reference to FIG.
1A and 1B are diagrams illustrating a schematic configuration of a force detector according to the first embodiment, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
The
力検出器2は更に第1電極配線211と第2電極配線212とを備え、第1電極配線211は第1基板10の表面に形成され、第2電極配線212は第2基板20の裏面に形成されている。従って、第1電極配線211と第2電極配線212との間に感圧材料15としての感圧導電性弾性体が備えられている。力検出器2の検出面が第2基板20の表面側なので、断面視にて、第2電極配線212は第1電極配線211よりも検出面側に配置されている事になる。一方、平面視においては、図1(a)に示される様に、第1電極配線211と第2電極配線212とは、互いに交差される様に配置され、第1電極配線211と第2電極配線212とが交差する領域が検出部であって、検出部には圧力センサー12が設けられる。即ち、力検出器2は感圧抵抗方式の複数の圧力センサー12を具備して構成されている。
The
さらに、第2基板20の裏面には感圧材料15側に突出する形状支持体214を有しており、第2電極配線212は形状支持体214の形状に沿って形成される。即ち、第2電極配線212に沿って隣り合う圧力センサー12の間で、第2電極配線212は感圧材料15側に屈曲する突出部212aを有している。断面の形状が三角形の形状支持体214は、隣り合う第2電極配線212間において互いに離間して配置されている。
Furthermore, the back surface of the
第1基板10は、例えばガラスや石英及びプラスチック等の材料で構成された矩形板であり、第1基板10の大きさ(平面視のサイズ)は、例えば縦20mm×横20mm程度になっている。又、第2基板20は可撓性を有する例えばポリイミドフィルムやポリエステルフィルムなどのプラスチックフィルムを用いて構成されている。尚、感圧材料15は、誘電体物質でも構わず、第1電極配線211と第2電極配線212との間に誘電体物質を備えた静電容量方式の圧力センサー12を以て力検出器2を構成してもよい。また、感圧材料15は、加えられた圧力によって、電気的なスイッチングが生ずる感圧スイッチでもよい。
The
形状支持体214は、第2基板20の弾性係数よりも大きい弾性係数を有する絶縁性の部材で構成することが好ましいが、上述した第2基板20を構成する部材と同じ部材を用いてもよい。これによれば、第2基板20と形状支持体214とを一体成形することもできる。
The
<圧力検出装置>
次に、上述の力検出器2を用いた圧力検出装置について図2を参照して説明する。図2は、実施形態1に係る圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。図2において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起32に対応して配置された複数の圧力センサー12が検出する単位検出領域を示している。尚、図1(a)には、図2に対応させて、単位検出領域Sと基準点Pとを描いてある。
<Pressure detection device>
Next, a pressure detection apparatus using the above-described
本実施形態の圧力検出装置1は、基準点Pに加えられた外力の方向と大きさ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。あるいは、ロボットハンドの指に取り付けられ、触覚センサーとして用いられるものである。尚、「基準点」とは、滑り力が作用していない場合に弾性体突起32の中心が位置するポイントである。
The
図2に示す様に、圧力検出装置1は、基準点Pの周りに複数配置された圧力センサー12、を有する力検出器2と、基準点Pに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が力検出器2に当接した状態で弾性変形する弾性体突起32が形成された第3基板30と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
圧力検出装置1は、外力によって弾性体突起32が弾性変形する事により複数の圧力センサー12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12で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを演算する演算装置(図示略)を備えている。
The
複数の圧力センサー12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12は、互いに直交する二方向(X方向及びY方向)に行列状に配置されている。これにより、基準点Pと各圧力センサー12との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起32の変形と各圧力センサー12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12の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー12で検出された圧力値の差分を演算する事が容易となる。尚、圧力値の差分の演算方法については後述する。
The plurality of
複数の圧力センサー12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12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4mm×横4mm程度になっている。また、4つの圧力センサー12の各面積がほぼ等しくなっている。圧力センサー12は、接触面に外力が作用した時に加わる圧力を抵抗の変化として検出して電気信号に変換する。但し、圧力センサー12の方式については特に限定される事なく、この他に例えば、前述した静電容量方式などを用いる事ができる。
A plurality of
第3基板30は、矩形板状の第3基板本体31と、第3基板本体31に配置された複数の弾性体突起32と、を具備して構成されている。第3基板本体31は、外力を受ける部分である。第3基板本体31は、例えばガラス、石英及びプラスチックなどの材料で構成する事もできるし、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事もできる。本実施形態では、第3基板本体31及び弾性体突起32の形成材料として樹脂材料を用い、第3基板本体31及び弾性体突起32を金型で一体形成している。
The
複数の弾性体突起32は、第3基板本体31上においてX方向及びY方向に行列状に配置されている。弾性体突起32の先端部は、球面の錘状となっており、力検出器2に当接している。弾性体突起32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32は、互いに離間して配置されている。この為、弾性体突起32が弾性変形した時の第3基板本体31の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。
The plurality of
弾性体突起32のサイズは任意に設定する事ができる。ここでは、弾性体突起32の基部の径(弾性体突起32が第3基板本体31に接する部分の直径)は5mm程度になっている。弾性体突起32の高さ(弾性体突起32のZ方向の距離)は5mm程度になっている。隣り合う弾性体突起32の離間間隔は2.5mm程度になっている。弾性体突起32のデュロメーター硬さ(タイプA、ISO7619準拠のデュロメーターによる硬さ測定値)は30程度になっている。
The size of the
次に、基準点Pに作用する外力の方向と大きさを検出する方法について、図3及び図4を参照して説明する。図3(a)〜(c)は、実施形態1に係る圧力検出装置の構造変化を示す断面図である。図4(a)〜(c)は、図3(a)〜(c)に対応した、実施形態1に係る圧力検出装置の圧力値の変化を示す平面図である。尚、図3(a)及び図4(a)は第3基板30の表面に外力が付加される前の状態(外力の作用がないとき)を示している。図3(b)及び図4(b)は第3基板30の表面に垂直方向(滑り力がない状態)の外力が付加された状態を示している。図3(c)及び図4(c)は第3基板30の表面に斜め方向(滑り力がある状態)の外力が付加された状態を示している。また、図4(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起32の重心(圧力中心)を示している。
Next, a method for detecting the direction and magnitude of the external force acting on the reference point P will be described with reference to FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing structural changes of the pressure detection device according to the first embodiment. FIGS. 4A to 4C are plan views showing changes in the pressure value of the pressure detection device according to the first embodiment, corresponding to FIGS. 3A to 3C. 3A and 4A show a state before an external force is applied to the surface of the third substrate 30 (when no external force is applied). FIG. 3B and FIG. 4B show a state in which an external force in a vertical direction (a state without a sliding force) is applied to the surface of the
図3(a)及び図4(a)に示す様に、圧力検出装置1の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起32は変形しない。これにより、力検出器2と第3基板30との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起32の重心Gは基準点Pと重なる位置に配置されている。この時の各圧力センサー12の圧力値は例えばメモリー(図示省略)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12の圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
As shown in FIGS. 3A and 4A, the
図3(b)及び図4(b)に示す様に、圧力検出装置1の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起32は先端部が力検出器2に配置された複数の圧力センサー12に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、力検出器2と第3基板30との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサー12の圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。また、その変化量は各圧力センサー12とも略同じ値となる。
As shown in FIGS. 3B and 4B, when a vertical external force is applied to the surface of the
図3(c)及び図4(c)に示す様に、圧力検出装置1の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起32は先端部が力検出器2に配置された複数の圧力センサー12に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第2基板20が−Z方向に撓み、力検出器2と第3基板30との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時、弾性体突起32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32の先端部と4つの圧力センサー12とがそれぞれ重なる面積が変化する。具体的には、弾性体突起32の先端部と、4つの圧力センサー12のうち−X方向及び−Y方向に配置された圧力センサー12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12と重なる面積のほうが大きくなる。
As shown in FIGS. 3C and 4C, when an external force in an oblique direction is applied to the surface of the
弾性体突起32は、斜め方向の外力により変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起32の重心Gは基準点Pからずれて滑り方向(X方向及びY方向)に移動する。すると、各圧力センサー12で異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起32の重心Gと重なる位置の圧力センサー12では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起32の重心Gと重ならない位置の圧力センサー12では相対的に小さい圧力値が検出される事となる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力が加えられた方向と大きさが求められる。
The
図5は、実施形態1に係るセンシング領域の座標系を示す図である。図6は、実施形態1に係る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7は、実施形態1に係る圧力センサーによる滑り方向の計算例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a coordinate system of the sensing area according to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram illustrating a vertical pressure distribution by the pressure sensor according to the first embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating a calculation example of the slip direction by the pressure sensor according to the first embodiment.
図5に示す様に、複数の圧力センサーS1(12)〜S4(12)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(12)〜S4(12)が検出する圧力値(検出値)をそれぞれPS1、PS2、PS3、PS4とし、各圧力センサー12の面積をA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)は以下の式(1)で表される。
As shown in FIG. 5, a plurality of pressure sensors S1 (12) to S4 (12) are arranged in a total of four per unit detection area S in two rows and two columns. Here, when the pressure values (detected values) detected by the pressure sensors S1 (12) to S4 (12) are P S1 , P S2 , P S3 , and P S4 , respectively, and the area of each
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)は以下の式(2)で表される。 Further, the Y direction component Fy of the external force (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).
尚、式(1)及び式(2)のfは圧力検出装置1に固有な比例定数で力の単位を有する。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(3)で表される。
Note that f in the equations (1) and (2) is a proportionality constant inherent to the
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Fzに関しては式(3)を用い、滑り力に関しては式(1)及び式(2)を用いる。滑り力に関しては、次の手順を踏む。
まず、検出面上で第1軸(例えばX軸)と第2軸(例えばY軸)とを定める。第1軸に沿った滑り力の成分を検出するには、基準点Pより第1軸の正の方向に位置する圧力センサー12(例えば圧力センサーS2(12)と圧力センサーS4(12))で検出された圧力値の和から、第1軸の負の方向に位置する圧力センサー12(例えば圧力センサーS1(12)と圧力センサーS3(12))で検出された圧力値の和を差し引き(1軸差分と称する)、この数値(1軸差分)を用いて所定の演算を行って求める。同様に、第2軸に沿った滑り力の成分を検出するには、基準点Pより第2軸の正の方向に位置する圧力センサー12(例えば圧力センサーS1(12)と圧力センサーS2(12))で検出された圧力値の和から、第2軸の負の方向に位置する圧力センサー12(例えば圧力センサーS3(12)と圧力センサーS4(12))で検出された圧力値の和を差し引き(2軸差分と称する)、この数値(2軸差分)を用いて所定の演算を行って求める。所定の演算の一例としては、先の数値(1軸差分や2軸差分)を、総ての圧力センサー12(例えば圧力センサーS1(12)〜S4(12))で検出された圧力値の総和にて除し、圧力検出装置1に固有な比例定数fを乗ずる。
In this embodiment, when detecting the component of the external force, the equation (3) is used for the normal component Fz, and the equations (1) and (2) are used for the sliding force. The following steps are taken for the sliding force.
First, a first axis (for example, X axis) and a second axis (for example, Y axis) are defined on the detection surface. In order to detect the component of the sliding force along the first axis, the pressure sensor 12 (for example, the pressure sensor S2 (12) and the pressure sensor S4 (12)) positioned in the positive direction of the first axis from the reference point P is used. The sum of the pressure values detected by the pressure sensor 12 (for example, the pressure sensor S1 (12) and the pressure sensor S3 (12)) located in the negative direction of the first axis is subtracted from the sum of the detected pressure values (1 This is obtained by performing a predetermined calculation using this numerical value (one-axis difference). Similarly, in order to detect the component of the sliding force along the second axis, the pressure sensor 12 (for example, the pressure sensor S1 (12) and the pressure sensor S2 (12) positioned in the positive direction of the second axis from the reference point P is used. )), The sum of the pressure values detected by the pressure sensor 12 (for example, the pressure sensor S3 (12) and the pressure sensor S4 (12)) located in the negative direction of the second axis. Subtraction (referred to as a two-axis difference), and a predetermined calculation is performed using this numerical value (two-axis difference). As an example of the predetermined calculation, the sum of the pressure values detected by all the pressure sensors 12 (for example, the pressure sensors S1 (12) to S4 (12)) is used as the previous numerical value (one-axis difference or two-axis difference). Is multiplied by a proportionality constant f unique to the
式(1)に示す様に、外力のX方向成分Fxにおいては、4つの圧力センサーS1(12)〜S4(12)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(12)及び圧力センサーS4(12)で検出された値が組み合わされると共に、−X方向に配置された圧力センサーS1(12)及び圧力センサーS3(12)で検出された値が組み合わされる。この様に、+X方向に配置された圧力センサーS2(12)及び圧力センサーS4(12)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(12)及び圧力センサーS3(12)の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のX方向成分が求められる。 As shown in the equation (1), in the X direction component Fx of the external force, the pressure sensor S2 (12 arranged in the + X direction among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 (12) to S4 (12). ) And the value detected by the pressure sensor S4 (12) are combined, and the values detected by the pressure sensor S1 (12) and the pressure sensor S3 (12) arranged in the −X direction are combined. In this way, the pressure value by the combination of the pressure sensor S2 (12) and the pressure sensor S4 (12) arranged in the + X direction and the pressure sensor S1 (12) and the pressure sensor S3 (12) arranged in the -X direction. The X direction component of the external force is obtained based on the difference from the pressure value by the combination.
式(2)に示す様に、外力のY方向成分Fyにおいては、4つの圧力センサーS1(12)〜S4(12)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(12)及び圧力センサーS2(12)で検出された値が組み合わされると共に、−Y方向に配置された圧力センサーS3(12)及び圧力センサーS4(12)で検出された値が組み合わされる。この様に、+Y方向に配置された圧力センサーS1(12)及び圧力センサーS2(12)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(12)及び圧力センサーS4(12)の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力のY方向成分が求められる。 As shown in Expression (2), in the Y direction component Fy of the external force, the pressure sensor S1 (12) arranged in the + Y direction among the pressure values detected by the four pressure sensors S1 (12) to S4 (12). ) And the value detected by the pressure sensor S2 (12) are combined, and the value detected by the pressure sensor S3 (12) and the pressure sensor S4 (12) arranged in the −Y direction are combined. Thus, the pressure value by the combination of the pressure sensor S1 (12) and the pressure sensor S2 (12) arranged in the + Y direction and the pressure sensor S3 (12) and the pressure sensor S4 (12) arranged in the -Y direction. The Y direction component of the external force is obtained based on the difference from the pressure value by the combination.
式(3)に示す様に、外力のZ方向成分Fzにおいては、4つの圧力センサーS1(12)〜S4(12)の圧力値を足し合わせた合力で求められる。但し、外力のZ方向成分Fzは、外力のX方向成分Fx及び外力のY方向成分Fy(分力)に比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起32の材質として硬いものを用いたり、先端部の形状を先鋭にしたりすると、外力のZ方向成分Fzの検出感度が高くなる。しかしながら、弾性体突起32の材質として硬いものを用いると弾性体突起32が変形しにくくなり外力の面内方向の検出値が小さくなってしまう。また、弾性体突起32の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触った時のタッチ感に強い感度(違和感)を与える場合がある。この為、外力のZ方向成分Fzの検出値を、外力のX方向成分Fxの検出値及び外力のY方向成分Fyの検出値と揃えるには、弾性体突起32の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
As shown in Expression (3), the Z direction component Fz of the external force is obtained by a resultant force obtained by adding the pressure values of the four pressure sensors S1 (12) to S4 (12). However, the Z direction component Fz of the external force tends to be detected with a larger detection value than the X direction component Fx of the external force and the Y direction component Fy (component force) of the external force. For example, when a hard material is used as the material of the
図6は、圧力検出装置1を15行15列の行列状(合計225個)に並べて、タッチバッドとした例で、各圧力検出装置1は、単位検出領域Sに圧力センサーS1(12)〜S4(12)を縦2行横2列の合計4個配置している。図6では、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ている。この時、外力の垂直方向(Z方向)の圧力は、外力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12の出力電圧が90mV〜120mV程度)。また、外力の垂直方向(Z方向)の圧力は、中心部に次いでその周辺部(圧力センサー12の出力電圧が60mV〜90mV程度)、最外周部(圧力センサー12の出力電圧が30mV〜60mV程度)の順に小さくなっている。また、指で押されていない領域は、圧力センサー12の出力電圧が0mV〜30mV程度となっている。
FIG. 6 shows an example in which the
図6に示す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に外力の面内方向成分(滑り方向)の算出方法を考える。図7は、外力を算出する一例を示している。図7の例では、指の押圧力(外力)は、縦15行×横15列に配置された圧力検出装置1の内の縦3行×横3列に配置された部分に作用している。外力の垂直方向の圧力は、図6と同様に、外力が作用した3行3列の中心部がもっとも大きくなっている(110mV)。各圧力検出装置1は、それぞれ4つの圧力センサーS1(12)〜S4(12)を有しており、4つの圧力センサーS1(12)〜S4(12)からの出力の和が外力の法線成分となる(上述の式(3))。例えば、先の中央部の圧力検出装置1では各圧力センサー12からの出力の和は54mV+28mV+18mV+10mV=110mVとなっている。
Consider a method of calculating the in-plane direction component (sliding direction) of the external force when the upper left position of the touchpad detection surface shown in FIG. FIG. 7 shows an example of calculating the external force. In the example of FIG. 7, the finger pressing force (external force) acts on a portion arranged in 3 rows × 3 columns in the
一方、各圧力センサーS1(12)〜S4(12)で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサーで検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向(滑り力の方向)が演算される。つまり、各圧力検出装置1にて、上述した式(1)及び式(2)に基づいて外力のX方向成分Fx及び外力のY方向成分Fyが算出される。例えば、中心部の圧力検出装置1ではFx=(28+10−54−18)/110f=−0.31f、Fy=(54+28−18−10)/110f=0.49fとなっている。従ってtanθ=−0.49/0.31=−1.58となり、滑り力の方向はθ=122°である。この様に9個の圧力検出装置1にて検出された滑り力の方向の平均を取ると、+X方向を基準として反時計回りに約123°の方向に外力が作用している事が分かる。尚、外力の作用する方向の算出にあっては、ここで行われた様に複数の圧力検出装置1から算出された結果の平均値で求める方法の他に、例えば、複数の圧力検出装置1から算出された結果の最大値を採用する方法や、所定の閾値よりも大きい検出値を採用する方法等を用いる事ができる。
On the other hand, the difference between the pressure values detected by the pressure sensors arbitrarily combined among the pressure values detected by the pressure sensors S1 (12) to S4 (12) is calculated, and an external force is applied based on the difference. The calculated direction (direction of sliding force) is calculated. That is, in each
本実施形態の力検出器2によれば、隣り合う圧力センサー12間の第2電極配線212に突出部212aが設けられているので、一つの圧力センサー12に加えられた力が第2電極配線212を経由して隣の圧力センサー12に伝播する事を抑制できる。従って、第2電極配線212に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できる。即ち、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。換言すると、計測分解能が高く、計測感度も良い力検出器2を提供する事ができる。又、第1電極配線211が真っ直ぐな帯状となるので、製造が容易で有る上に、複数個の圧力センサー12を行列状に配置できる。
According to the
本実施形態の圧力検出装置1によれば、弾性体突起32の先端部が力検出器2(複数の圧力センサー12)に当接した状態で滑り方向(圧力センサー12表面に平行な方向)に変形する事が可能であるので、特許文献1の触覚センサーに比べて、外力の方向と大きさの検出精度を高める事ができる。圧力検出装置1の表面に外力が付加されると、弾性体突起32は先端部が力検出器2に配置された複数の圧力センサー12に当接した状態で圧縮変形する。この時、面内の所定の方向の滑り力成分がある場合、弾性体突起32の変形には偏りが生じる。即ち、弾性体突起32の重心は基準点Pからずれて所定方向(滑り方向)に移動する。すると、複数の圧力センサー12のうち弾性体突起32の重心が移動した部分と重なる割合が相対的に大きくなる。つまり、各圧力センサーS1(12)〜S4(12)で異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起32の重心と重なる位置の圧力センサー12では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起32の重心と重ならない位置の圧力センサー12では相対的に小さい圧力値が検出される事となる。よって、演算装置により、各圧力センサーS1(12)〜S4(12)で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力が加えられた方向と大きさを求める事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な圧力検出装置1を提供する事ができる。
According to the
本実施形態によれば、複数の圧力センサー12が基準点Pに対して点対称に配置されているので、基準点Pと各圧力センサー12との間の距離が互いに等しくなる。この為、弾性体突起32の変形量と各圧力センサーS1(12)〜S4(12)で検出される圧力値の関係が互いに等しくなる。例えば、複数の圧力センサー12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32の変形量が同じであっても、各圧力センサー12で検出された圧力値は互いに異なる事となる。この為、検出値の差分を演算する際に各圧力センサーS1(12)〜S4(12)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、本実施形態によれば、弾性体突起32の変形量と各圧力センサーS1(12)〜S4(12)が検出する圧力値との関係が互いに等しくなるので、前記補正係数は不要となる。従って、各圧力センサーS1(12)〜S4(12)の圧力値の差分から外力の方向と大きさを演算する事が容易となり、外力を効率よく検出する事ができる。
According to the present embodiment, since the plurality of
本実施形態によれば、複数の圧力センサー12が互いに直交する二方向に行列状に配置されているので、各圧力センサーS1(12)〜S4(12)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12で検出された圧力値の差分から外力の方向と大きさを演算する事が容易となる。例えば、面内方向成分のうちX方向成分を演算する場合、複数の圧力センサー12が複数の方向にランダムに配置されている場合に比べて、相対的に+X方向に配置された圧力センサーS2(12)及び圧力センサーS4(12)の組み合わせと相対的に−X方向に配置された圧力センサーS1(12)及び圧力センサーS3(12)の組み合わせとを区分けして選出しやすくなる。従って、外力を効率よく検出する事ができる。
According to the present embodiment, since the plurality of
本実施形態によれば、第3基板本体31には、複数の弾性体突起32が互いに離間して配置されているので、弾性体突起32が弾性変形した時の第3基板本体31の面内に平行な方向の変形量を許容する事ができる。例えば、一方の弾性体突起32が変形した時に他方の弾性体突起32に変形の影響を及ぼす事を抑制する事ができる。この為、複数の弾性体突起32が互いに接触して配置されている場合に比べて、外力を正確に各圧力センサーS1(12)〜S4(12)に伝達する事ができる。従って、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事ができる。
According to this embodiment, since the plurality of
尚、本実施形態においては、圧力センサー12が単位検出領域S当たり縦2行横2列に計4つ配置されている例を挙げて説明したが、これに限らない。圧力センサー12は、単位検出領域S当たり3つ以上配置されていればよい。
In the present embodiment, an example in which a total of four
(実施形態2)
<他の圧力検出装置>
次に、実施形態2の圧力検出装置について図8〜図11を参照して説明する。
図8は、図2に対応した、本発明の実施形態2に係る圧力検出装置の概略構成を示す分解斜視図である。図8において、符号Pは基準点、符号Sは1つの弾性体突起32に対応して配置された複数の圧力センサー112が検出する単位検出領域を示している。本実施形態の圧力検出装置4は、複数の圧力センサー112が互いに直交する二方向に少なくとも縦4行横4列に配置されている点で、上述の実施形態1で説明した圧力検出装置1と異なる。図8において、図2と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。尚、図8においては、便宜上、複数の圧力センサー112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10及び図11に示す様に複数の圧力センサー112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良い。
(Embodiment 2)
<Other pressure detection devices>
Next, the pressure detection apparatus of
FIG. 8 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of the pressure detection device according to the second embodiment of the present invention, corresponding to FIG. In FIG. 8, reference symbol P indicates a reference point, and reference symbol S indicates a unit detection region detected by a plurality of
図8に示す様に、圧力検出装置4は、基準点Pの周りに複数配置された圧力センサー112、を有する力検出器3と、基準点Pに重なる位置に重心が位置すると共に外力によって先端部が力検出器3に当接した状態で弾性変形する弾性体突起32、が形成された第3基板30と、を備えている。
As shown in FIG. 8, the
複数の圧力センサー112は、互いに直交する二方向(X方向及びY方向)に少なくとも縦4行横4列に計16個配置されている。具体的には、複数の圧力センサー112は、単位検出領域S当たり少なくとも縦4行横4列に計16個配置されている。これら16個の圧力センサー112の中心(単位検出領域Sの中心)が基準点Pとなっている。
A plurality of
図9(a)〜(c)は、図3(a)〜(c)に対応した、実施形態2に係る圧力検出装置4の構造の変化を示す断面図である。図10(a)〜(c)は、図9(a)〜(c)に対応した、実施形態2に係る圧力検出装置4の圧力値の変化を示す平面図である。尚、図9(a)及び図10(a)は圧力検出装置4の表面に外力が付加される前の状態(外力の作用がないとき)を示している。図9(b)及び図10(b)は圧力検出装置4の表面に垂直方向の外力が付加された状態を示している。図9(c)及び図10(c)は圧力検出装置4の表面に斜め方向の外力が付加された状態を示している。また、図10(a)〜(c)において、符号Gは弾性体突起32の重心を示している。図9及び図10において、図3及び図4と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
9A to 9C are cross-sectional views showing changes in the structure of the
図9(a)及び図10(a)に示す様に、圧力検出装置4の表面に外力が付加される前においては、弾性体突起32は変形しない。これにより、力検出器3と第3基板30との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起32の重心Gは基準点Pと重なる位置に配置されている。この時の各圧力センサー112の圧力値は例えばメモリー(図示省略)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112の圧力値を基準として外力の作用する方向や大きさが求められる。
尚、力検出器3は、第1電極配線311を有する第1基板110と、第1電極配線311に対して交差する方向に配置された第2電極配線312を有する第2基板120と、両基板に挟持された感圧材料15とにより構成されている。第1基板110や第2基板120の材料構成は、実施形態1と同様である。
As shown in FIGS. 9A and 10A, the
The
図9(b)及び図10(b)に示す様に、圧力検出装置4の表面に垂直方向の外力が付加された時には、弾性体突起32は先端部が力検出器3の表面に配置された複数の圧力センサー112に当接した状態でZ方向に圧縮変形する。これにより、第2基板120が−Z方向に撓み、力検出器3と第3基板30との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサー112で検出された圧力値は、外力の作用がない時に比べて大きくなる。
As shown in FIG. 9B and FIG. 10B, when a vertical external force is applied to the surface of the
図9(c)及び図10(c)に示す様に、圧力検出装置4の表面に斜め方向の外力が付加された時には、弾性体突起32は先端部が力検出器3の表面に配置された複数の圧力センサー112に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第2基板120が−Z方向に撓み、力検出器3と第3基板30との間の距離が外力の作用がない時に比べて小さくなる。また、第2基板120の撓み量は−X方向成分よりも+X方向成分の方が大きくなる。この時、弾性体突起32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32の先端部と複数の圧力センサー112との重なる面積の割合は、−X方向及び−Y方向に配置された部分と重なる面積よりも+X方向及び+Y方向に配置された部分と重なる面積のほうが重なる面積の割合が大きくなる。
As shown in FIGS. 9C and 10C, when an external force in an oblique direction is applied to the surface of the
図11は、図5に対応した、実施形態2に係るセンシング領域の座標系を示す図である。尚、図11において、複数の圧力センサーSi(112)(100個)が行列状に配置されており、このうちの25の圧力センサーSi(112)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11においては、便宜上、100個の圧力センサーSi(112)を図示しているが、圧力センサーSi(112)の配置数はこれに限らず任意に変更する事ができる。 FIG. 11 is a diagram illustrating a coordinate system of the sensing area according to the second embodiment, corresponding to FIG. In FIG. 11, a plurality of pressure sensors Si (112) (100) are arranged in a matrix, and 25 of these pressure sensors Si (112) are partitioned in the −X direction and the + Y direction, respectively. It is arranged in a region, a region partitioned in the + X direction and 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. 11, for convenience, 100 pressure sensors Si (112) are illustrated, but the number of pressure sensors Si (112) is not limited to this, and can be arbitrarily changed.
図11に示す様に、複数の圧力センサーSi(112)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(112)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(112)との間の距離の面内方向成分をri(i=1〜100)とする。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)は以下の式(4)で表される。 As shown in FIG. 11, the plurality of pressure sensors Si (112) are arranged in a total of 100 per unit detection area S in 10 rows and 10 columns. Here, the pressure value (detection value) detected by each pressure sensor Si (112) is Pi (i = 1 to 100), and the in-plane direction of the distance between the reference point P and each pressure sensor Si (112). Let the component be ri (i = 1 to 100). Further, when the X direction component of the in-plane direction component is rxi (i = 1 to 100) and the Y direction component of the in-plane direction component is ryi (i = 1 to 100), the X direction component Fx (external force) of the external force Of the in-plane direction component) is expressed by the following formula (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)は以下の式(5)で表される。 Further, the Y direction component Fy of the external force (a component force acting in the Y direction among the in-plane direction components of the external force) is expressed by the following equation (5).
尚、式(4)及び式(5)のgは圧力検出装置4に固有な比例定数で力/長さの単位を有する。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。式(6)のAは、一つの圧力センサー112の面積である。
In the equations (4) and (5), g is a proportionality constant inherent to the
本実施形態では、外力の成分を検出する際に法線成分Fzに関しては式(6)を用い、滑り力に関しては式(4)及び式(5)を用いる。滑り力の検出に関しては、次の手順を踏む。まず、検出面上で第1軸(例えばX軸)と第2軸(例えばY軸)とを定める。第1軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各圧力センサー112で検出された圧力値を距離の第1軸成分で重み付けし、これら重み付けされた圧力値(第1モーメントと称する)の総和を用いて所定の演算を行って求める。同様に、第2軸に沿った滑り力の成分を検出するには、各圧力センサー112で検出された圧力値を距離の第2軸成分で重み付けし、これら重み付けされた圧力値(第2モーメントと称する)の総和を用いて所定の演算を行って求める。所定の演算の一例としては、重み付けされた圧力値の総和を、総ての圧力センサー112で検出された圧力値の総和にて除し、圧力検出装置4に固有な比例定数gを乗ずる。
In this embodiment, when detecting the component of the external force, the equation (6) is used for the normal component Fz, and the equations (4) and (5) are used for the sliding force. The following steps are taken to detect slip force. First, a first axis (for example, X axis) and a second axis (for example, Y axis) are defined on the detection surface. In order to detect the component of the sliding force along the first axis, the pressure value detected by each
式(4)に示す様に、第1軸をX軸とし、外力のX方向成分Fxを求めるには、100個の圧力センサーSi(112)で検出された圧力値を用いて100個の第1モーメントを求め、これを総ての圧力センサー112で検出された圧力値の総和にて除し、圧力検出装置4に固有な比例定数gを乗ずる。
As shown in the equation (4), in order to obtain the X-direction component Fx of the external force with the first axis as the X-axis, 100 pressure values detected by the 100 pressure sensors Si (112) are used. One moment is obtained, divided by the sum of the pressure values detected by all the
同様に、式(5)に示す様に、第2軸をY軸とし、外力のY方向成分Fyを求めるには、100個の圧力センサーSi(112)の圧力値を用いて100個の第2モーメントを求め、これを総ての圧力センサー112で検出された圧力値の総和にて除し、圧力検出装置4に固有な比例定数gを乗ずる。
Similarly, as shown in Expression (5), in order to obtain the Y-direction component Fy of the external force with the second axis as the Y-axis, 100 pressure values of the 100 pressure sensors Si (112) are used. Two moments are obtained, divided by the sum of the pressure values detected by all the
式(6)に示す様に、外力のZ方向成分Fzを求めるには、100個の圧力センサーSi(112)で検出された圧力値を足し合わせ、これに一つの圧力センサー112の面積Aを乗ずる。但し、外力のZ方向成分Fzは、外力のX方向成分Fx及び外力のY方向成分Fyに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。この為、外力のZ方向成分Fzの検出値を、外力のX方向成分Fxの検出値及び外力のY方向成分Fyの検出値と揃えるには、弾性体突起32の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。
As shown in the equation (6), in order to obtain the Z-direction component Fz of the external force, the pressure values detected by the 100 pressure sensors Si (112) are added, and the area A of one
本実施形態の圧力検出装置4によれば、複数の圧力センサー112が互いに直交する二方向に少なくとも縦4行横4列に配置されているので、実施形態1に比べて配置される圧力センサー112の数が多くなる。この為、多数の圧力センサー112で検出された圧力値に基づいて、外力の作用する方向と大きさとをより正確に求める事ができる。
According to the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加える事が可能である。変形例を以下に述べる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be added to the above-described embodiment. A modification will be described below.
(変形例1)
図12は変形例1における形状支持体の平面形状を説明した図である。以下、図12を用いて変形例1を説明する。実施形態1では形状支持体214は、隣り合う第2電極配線212間において互いに離間して配置されていたが、形状支持体214は、第2基板20よりも弾性係数が大きく、隣り合う第1電極配線211間において複数の第2電極配線212に亘って配置されていてもよい。
(Modification 1)
FIG. 12 is a diagram for explaining the planar shape of the shape support in the first modification. Hereinafter,
本変形例に示す様に、形状支持体214の弾性係数が第2基板20の弾性係数よりも大きいため、一つの圧力センサー12に加えられた力が形状支持体214を経由して隣の圧力センサー12に伝搬することを抑制できる。従って第2電極配線212に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できる。即ち、検出面に加えられた力を正確に測定する事ができる。換言すると、計測分解能が高く、計測感度も良い力検出器を提供する事ができる。また形状支持体214を、隣り合う第1電極配線211間において複数の第2電極配線212に亘って配置するため、形状支持体214の形成を容易にする事ができる。
As shown in this modification, since the elastic coefficient of the
(変形例2)
図13は変形例2における形状支持体の断面形状を説明した図である。以下、図13を用いて変形例2を説明する。実施形態1では、形状支持体214の断面形状は三角形であって第2電極配線212に沿って設けられた突出部212aは3か所の屈曲点を有していたが、屈曲点の個数はこれに限られず、1つ以上有ればよく、あるいは湾曲していても良い。図13(a)に示すように第2電極配線212は断面形状が長方形の形状支持体214に沿うように設けられた突出部212bを有している。図13(b)に示すように第2電極配線212は断面形状が台形の形状支持体214に沿うように設けられた突出部212cを有している。したがって図13(a)および(b)では4か所の屈曲点を有している。図13(c)に示すように第2電極配線212は断面形状が三角形の複数(2つ)の形状支持体214に沿うように設けられた複数(2つ)の突出部212aを有している。したがって、図13(c)では6か所の屈曲点を有している。図13(d)に示すように第2電極配線212は断面形状が半円形の形状支持体214に沿うように設けられた突出部212dを有している。図13(d)では突出部212dが湾曲している。即ち、第2電極配線212に設けられる突出部は複数の屈曲点あるいは湾曲点を有した断面形状を採用することができる。
(Modification 2)
FIG. 13 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of the shape support in
特に図13(c)に示す様に、第2電極配線212が圧力センサー12の外の領域に屈曲点を有する突出部212aを複数個有すると、屈曲する箇所が多くなるので、一つの圧力センサー12に加えられた力が第2電極配線212を経由して隣の圧力センサー12に伝播する事をより確実に抑制できる。即ち、第2電極配線212に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下をより確実に抑制できる。
In particular, as shown in FIG. 13C, when the
(変形例3)
図14は変形例3における力検出器の断面形状を説明した図である。以下、図14を用いて変形例3を説明する。実施形態1では形状支持体214に沿って感圧材料15側に屈曲又は湾曲した突出部212aが感圧材料15に直接接する構造であったのに対し、変形例3では形状支持体214に沿って感圧材料15側へ突出した第2電極配線212の突出部212aに絶縁層215を設け、該突出部212aにおいては第2電極配線212と感圧材料15とが絶縁される点が異なる。絶縁層215は第1電極配線211と第2電極配線212が交差する領域に被らないよう設けられていれば良い。
(Modification 3)
FIG. 14 is a diagram illustrating a cross-sectional shape of the force detector in the third modification. Hereinafter,
本変形例に示す様に、突出部212aにおいて第2電極配線212と感圧材料15とが絶縁されると、感圧材料15側へ突出した第2電極配線212と第1電極配線211間での力検出を防止することができる。すなわち、第1電極配線211と第2電極配線212とが交差する領域のみを検出部とすることができ、より正確な力検出が可能となる。
As shown in this modification, when the
<電子機器>
図15(a)は、上記実施形態に係る圧力検出装置1,4又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた圧力検出装置1,4を適用した電子機器としての携帯電話機1000の概略構成を示す模式図である。携帯電話機1000は、複数の操作ボタン1003及びスクロールボタン1002、並びに表示部としての上記圧力検出装置を適用した液晶パネル1001を備えている。スクロールボタン1002を操作する事によって、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、メニューボタンを指で触れると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。
<Electronic equipment>
FIG. 15A shows a schematic configuration of a
図15(b)は、上記実施形態に係る圧力検出装置1,4又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた圧力検出装置1,4を適用した電子機器としての携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistants)2000の概略構成を示す模式図である。携帯情報端末2000は、複数の操作ボタン2002及び電源スイッチ2003、並びに表示部としての上記圧力検出装置を適用した液晶パネル2001を備えている。電源スイッチ2003を操作すると、液晶パネル2001にはメニューボタン(図示省略)が表示される。例えば、メニューボタン(図示省略)を指で触れると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. 15B shows a personal digital assistant (PDA) as an electronic device 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を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能な電子機器を提供する事ができる。 According to such an electronic device, since the pressure detecting device described above is provided, an electronic device capable of detecting the direction and magnitude of the external force with high accuracy can be provided.
尚、電子機器としては、この他にも、例えばパーソナルコンピューター、ビデオカメラのモニター、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、デジタルスチルカメラ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。これらの電子機器に対しても、本発明に係る圧力検出装置を適用させる事ができる。 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 pressure detection device according to the present invention can also be applied to these electronic devices.
<ロボット>
図16は、上記実施形態に係る圧力検出装置1,4又は、上記変形例に係わる力検出器を用いた圧力検出装置1,4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16(a)に示す様に、ロボットハンド3000は、本体部3003及び一対のアーム部3002、並びに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. 16 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a
図16(b)に示す様に、ロボットハンド3000でコップ等の対象物3010を把持する場合を考える。この時、対象物3010に作用する力は把持部3001で圧力として検出される。ロボットハンド3000は、把持部3001として上述した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(滑り力の成分)を検出する事が可能である。例えば、柔らかい物体を変形させたり滑りやすい物体を落としたりしないよう、対象物3010の質感に応じて力を加減しながら持つ事ができる。
As shown in FIG. 16B, consider a case where the
このロボットハンド3000によれば、上述した圧力検出装置を備えているので、外力の方向と大きさを高い精度で検出する事が可能なロボットハンド3000を提供する事ができる。
According to this
1…圧力検出装置、2…力検出器、3…力検出器、4…圧力検出装置、10…第1基板、12…圧力センサー、15…感圧材料、20…第2基板、30…第3基板、31…第3基板本体、32…弾性体突起、110…第1基板、112…圧力センサー、120…第2基板、211…第1電極配線、212…第2電極配線、212a,212b,212c,212d…突出部、214…形状支持体、311…第1電極配線、312…第2電極配線、1000…携帯電話機、2000…携帯情報端末、3000…ロボットハンド、3001…把持部、3010…対象物。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
可撓性を有する第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板との間に配置された感圧材料と、を備え、
前記第1基板は、前記感圧材料に面する側において互いに間隔を置いて設けられた複数の第1電極配線を含み、
前記第2基板は、前記感圧材料に面する側に設けられ、前記複数の第1電極配線と交差する第2電極配線を含み、
前記第1電極配線と前記第2電極配線とが交差する領域が検出部であり、
前記第2電極配線は、隣り合う前記検出部間において前記感圧材料側に屈曲または湾曲する突出部を有することを特徴とする力検出器。 A first substrate;
A second substrate having flexibility;
A pressure sensitive material disposed between the first substrate and the second substrate,
The first substrate includes a plurality of first electrode wirings provided at intervals on the side facing the pressure-sensitive material,
The second substrate includes a second electrode wiring provided on a side facing the pressure-sensitive material and intersecting the plurality of first electrode wirings,
A region where the first electrode wiring and the second electrode wiring intersect is a detection unit,
The second electrode wiring has a protrusion that is bent or curved toward the pressure-sensitive material between the adjacent detectors.
前記形状支持体は、隣り合う前記第2電極配線間において互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項2に記載の力検出器。 A plurality of the second electrode wirings are provided at intervals from each other,
3. The force detector according to claim 2, wherein the shape supporting bodies are arranged apart from each other between the adjacent second electrode wirings.
前記形状支持体は、前記第2基板よりも弾性係数が大きく、隣り合う前記第1電極配線間において複数の前記第2電極配線に亘って配置されていることを特徴とする請求項2に記載の力検出器。 A plurality of the second electrode wirings are provided at intervals from each other,
3. The shape support body according to claim 2, wherein the shape support body has a larger elastic coefficient than the second substrate, and is disposed across the plurality of second electrode wirings between the adjacent first electrode wirings. Force detector.
一方の面側に弾性体突起を有する第3基板と、を備え、
前記第3基板は、前記弾性体突起の先端部が前記第2基板の前記感圧材料に面する側に対して反対側の表面に接するように前記力検出器に対向配置されていることを特徴とする圧力検出装置。 A force detector according to any one of claims 1 to 9,
A third substrate having an elastic protrusion on one surface side,
The third substrate is disposed so as to face the force detector so that the tip of the elastic protrusion is in contact with the surface of the second substrate opposite to the side facing the pressure-sensitive material. A pressure detection device.
前記第1基板には基準点が定められると共に、前記検出部は前記基準点の周りに複数個設けられ、
前記第3基板は、前記弾性体突起の重心が前記基準点と重なると共に、前記弾性体突起の先端部が前記基準点に接するように前記力検出器に対向配置されていることを特徴とする請求項10に記載の圧力検出装置。 In the force detector, a region where the first electrode wiring and the second electrode wiring intersect is a detection unit,
A reference point is defined on the first substrate, and a plurality of the detection units are provided around the reference point.
The third substrate is disposed opposite to the force detector so that the center of gravity of the elastic protrusion overlaps the reference point and the tip of the elastic protrusion is in contact with the reference point. The pressure detection device according to claim 10.
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