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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor.
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Hintergrund
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Ein Kraftsensor ist bekannt, der umfasst: ein Metasurface-Muster, das auf einem ersten Substrat bereitgestellt ist; eine Reflexionsschicht, die auf einem zweiten Substrat derart bereitgestellt ist, dass sie dem Metasurface-Muster zugewandt ist; und einen Abstandshalter, der einen Abstand zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat definiert (z.B.
JP 2020 -
94973 ). In einem solchen Kraftsensor tritt Licht in das Metasurface-Muster ein, und das Licht, das durch das Metasurface-Muster hindurchgeht und das von dem Substrat reflektiert wird, wird verwendet, um Informationen betreffend den Abstand zwischen dem Metasurface-Muster und der Reflexionsschicht zu erhalten. Der Abstand ist von der Größe der Kraft abhängig, die auf das zweite Substrat wirkt. Dies ermöglicht es dem Kraftsensor, die Größe der Kraft, die auf das zweite Substrat wirkt, durch eine optische Technik zu detektieren.
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Zusammenfassung
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Technisches Problem
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Bei der Herstellung des Kraftsensors, wie in
JP 2020-94973 beschrieben, wird, nachdem das erste Substrat mit dem darauf bereitgestellten Metasurface-Muster, das zweite Substrat mit der darauf bereitgestellten Reflexionsschicht und der Abstandshalter getrennt hergestellt werden, ein Schritt des Stapelns und Verbindens des Kraftsensors, des Abstandshalters und des zweiten Substrats miteinander in dieser Reihenfolge vorgenommen.
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Wenn Fremdkörper (z.B. Luftstaub) an den Flächen des Metasurface-Musters und der Reflexionsschicht haften, wird es schwierig, das gewünschte Ansprechverhalten zu erhalten, das zur Zeit der Ausbildung spezifiziert wird. Damit solcher Staub nicht haftet, wird es bevorzugt, dass ein Schritt des Reinigens des ersten Substrats und des zweiten Substrats vor einem Schritt des Verbindens ersten Substrats, des Abstandshalters und des zweiten Substrats miteinander vorgenommen wird.
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Das Vornehmen einer solche Reinigung kann jedoch eine Oxidation der Fläche des Metasurface-Musters aufgrund eines direkten Aussetzens des Metasurface-Musters an eine Reinigungsflüssigkeit verursachen. Wie die im Vorstehenden angeführten Fremdkörper kann eine solche Oxidation der Fläche des Metasurface-Musters das gewünschte Ansprechverhalten ändern, das zur Zeit der Ausbildung spezifiziert wird. Im Gegensatz zu dem Reflexionsfilm, der ein kontinuierlicher Film ist, besteht das Metasurface-Muster aus einer Vielzahl kleiner Teilmuster und hat eine dünnere Filmdicke als der Reflexionsfilm. Das Metasurface-Muster ist daher empfindlicher für einen Oxidationseffekt, der durch die Reinigungsflüssigkeit verursacht wird, als es der Reflexionsfilm ist.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde angesichts des im Vorstehenden genannten Problems ausgebildet, und eine Aufgabe davon ist, einen Kraftsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, ein gewünschtes Ansprechverhalten zu bieten, das zur Zeit der Ausbildung spezifiziert wird.
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Lösung des Problems
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Um die vorgenannten Probleme zu lösen, umfasst ein Kraftsensor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung: ein erstes Substrat mit Lichtdurchlässigkeit; ein Metasurface-Muster, das auf einer ersten Hauptfläche des ersten Substrats bereitgestellt ist; eine Schutzschicht, die Lichtdurchlässigkeit aufweist und die das Metasurface-Muster bedeckt; ein zweites Substrat, das derart bereitgestellt ist, dass es dem ersten Substrat zugewandt ist, und eine zweite Hauptfläche aufweist, die der ersten Hauptfläche zugewandt ist; eine Reflexionsschicht, die auf der zweiten Hauptfläche bereitgestellt ist; und einen Abstandshalter, der einen Abstand zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat definiert.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, nachteilige Effekte einschließlich einer Oxidation zu reduzieren, die in dem Metasurface-Muster in einem Herstellungsprozess verursacht werden können.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht eines Kraftsensorsystems, das einen Kraftsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, wobei 1 eine Schnittansicht des Kraftsensors umfasst.
- 2 veranschaulicht Draufsichten der Komponenten des in 1 veranschaulichten Kraftsensors, wobei 2 umfasst: (a) von 2, die eine Draufsicht eines ersten Substrats des Kraftsensors ist, (b) von 2, die eine Draufsicht eines zweiten Substrats des Kraftsensors ist, und (c) von 2, die eine Draufsicht eines Abstandshalters des Kraftsensors ist.
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Die folgende Beschreibung diskutiert den Kraftsensor 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Kraftsensorsystem 1, das den Kraftsensor 10 umfasst, mit Bezugnahme auf 1. Zusätzlich wird der Kraftsensor 10 mit Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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[Einrichtung des Kraftsensors]
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Der Kraftsensor 10 umfasst: ein erstes Substrat 11; ein zweites Substrat 12; einen Abstandshalter 13; ein Metasurface-Muster 14; eine Schutzschicht 15; eine Reflexionsschicht 16; und eine Hartüberzugsschicht 17, wie in 1 veranschaulicht.
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In dem Kraftsensor 10 wird eine Punktlast F in einem Zustand detektiert, wo, unter dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12, das zweite Substrat 12 der Wirkung der Punktlast F ausgesetzt ist.
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<Erstes Substrat>
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Das erste Substrat 11 ist ein plattenförmiges Element mit Lichtdurchlässigkeit. In der vorliegenden Ausführungsform wird Nicht-Alkaliglas als Material des ersten Substrats 11 verwendet. Das Material des ersten Substrats 11 muss nur ein festes Material sein, das für Licht des Wellenlängenbands von Licht L1 durchlässig ist (wird nachfolgend beschrieben), und kann aus im Handel erhältlichen Materialien geeignet ausgewählt werden. Andere Beispiele des Materials des ersten Substrats 11 umfassen: Quarz; und ein Polycarbonat-Harz. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform das Wellenlängenband des Lichts L1 nicht kleiner ist als 1400 nm und nicht größer als 1600 nm, wie im Nachstehenden beschrieben wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Form (siehe (a) von 2) des ersten Substrats 11 in der Draufsicht ein 4 cm Quadrat. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke des ersten Substrats 11 500 µm. Die Form und Dicke des Substrats 11 sind nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern können geeignet bestimmt werden. Die Dicke des ersten Substrats 11 ist vorzugsweise nicht kleiner als 500 µm und nicht größer als 2000 µm.
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Das erste Substrat 11 weist eine Hauptfläche 111 und eine Hauptfläche 112 auf, die ein Paar von einander zugewandten Hauptflächen bilden. In dem in 1 veranschaulichten Zustand ist das erste Substrat 11 derart angeordnet, dass die Hauptfläche 111 auf der oberen Seite angeordnet ist und die Hauptfläche 112 auf der unteren Seite angeordnet ist. Die Hauptfläche 111 ist ein Beispiel der ersten Hauptfläche.
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In dem Kraftsensor 10 wird das zweite Substrat 12 der Wirkung der Punktlast F ausgesetzt, wie im Vorstehenden beschrieben. In einem solchen Zustand verwendet der Kraftsensor 10 die Durchbiegung des zweiten Substrats 12 aufgrund der Punktlast F, um die Punktlast F zu detektieren. Daher ist das erste Substrat 11 vorzugsweise derart ausgebildet, dass, wenn das zweite Substrat 12 der Wirkung der Punktlast F ausgesetzt wird, das erste Substrat 11 nicht durchgebogen wird oder nur in dem Ausmaß durchgebogen wird, das ignoriert werden kann, verglichen mit dem Durchbiegungsbetrag des zweiten Substrats 12.
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(Metasurface-Muster)
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Die Hauptfläche 111 des ersten Substrats 11 ist mit einem Metasurface-Muster 14 versehen, wie in 1 und (a) von 2 veranschaulicht. Es ist zu beachten, dass das Metasurface-Muster 14 von der Schutzschicht 15 bedeckt ist, und es wird daher mit gestrichelten Linien in (a) von 2 dargestellt.
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Das Metasurface-Muster 14 besteht aus einer Vielzahl von Teilmustern 141 (25 Teilmustern 141 in (a) von 2), die periodisch angeordnet sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Teilmuster 141 in einer Matrix mit fünf Zeilen und fünf Spalten angeordnet.. Es ist zu beachten, dass (a) von 2 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Teilmuster 141 in einer verständlichen Weise ist. In der Realität umfasst das Metasurface-Muster 14 mehr Teilmuster 141 (z.B. 10.000 Teilmuster 141 für eine Anordnung von 100 Zeilen und 100 Spalten).
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In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes der Teilmuster 141 (d.h. das Metasurface-Muster 14) aus einem Metall hergestellt (Aluminium in der vorliegenden Ausführungsform). Das Metasurface-Muster 14, wie in (a) von 2 veranschaulicht, kann zum Beispiel durch Bilden eines kontinuierlichen Films aus Aluminium auf der Hauptfläche 111 erhalten werden, und dann durch Verwenden einer Lithografie-Technologie. Jedes Teilmuster 141 hat die Form eines 300 nm Quadrats. Jedes Teilmuster 141 hat eine Dicke (d.h. die Dicke des Metasurface-Musters 14) von 30 nm.
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Es ist zu beachten, dass die periodische Anordnung in dem Metasurface-Muster 14, das Material des Metasurface-Musters 14, die Form jedes Teilmusters 141, die Größe jedes Teilmusters 141 und die dicke jedes Teilmusters 141 nicht auf jene beschränkt sind, die im Vorstehenden beschrieben werden, sondern durch Bezugnahme auf bestehende Techniken geeignet bestimmt werden können.
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Der Kraftsensor 10 umfasst eine Schutzschicht 15 (die im Nachstehenden beschrieben wird) zum Zweck der Verringerung oder Verhinderung einer Oxidation des Metasurface-Musters 14 während der Reinigung. Eine andere Idee zur Inhibierung der Oxidation des Metasurface-Musters 14, ohne die Schutzschicht 15 zu verwenden, ist, als Material des Metasurface-Musters 14, ein oxidationsbeständiges Material zu verwenden, das durch Gold und Platin verkörpert wird. Gold und Platin sind jedoch teuer und werden daher vom Standpunkt der Reduktion der Herstellungskosten des Kraftsensors 10 nicht bevorzugt.
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(Schutzschicht)
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Die Hauptfläche 111 des ersten Substrats 11 ist mit einer Schutzschicht 15 versehen, welche jedes der Teilmuster 141 vollständig bedeckt, die das Metasurface-Muster 14 bilden, wie in (a) von 2 veranschaulicht. Die Schutzschicht 15 ist lichtdurchlässig, wie es für das erste Substrat 11 zutrifft.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schutzschicht 15 ein kontinuierlicher Film, der aus Quarzglas (SiO2) hergestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Schutzschicht 15 eine Dicke von 35 nm. Die Dicke der Schutzschicht 15 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern kann geeignet bestimmt werden. Die Dicke der Schutzschicht 15 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 35 nm und nicht mehr als 60 nm.
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Die Schutzschicht 15 ist zum Zweck der Verringerung oder Verhinderung, in einem Schritt des Reinigens des ersten Substrats 11, das mit dem Metasurface-Muster 14 versehen ist, einer Oxidation des Metasurface-Musters 14 (insbesondere der Oxidation der Fläche des Metasurface-Musters 14) bereitgestellt, die durch das direkte Aussetzen des Metasurface-Musters 14 an eine Reinigungsflüssigkeit (zum Beispiel reines Wasser) verursacht werden kann. Daher wird es bevorzugt, dass die Schutzschicht 15 lichtdurchlässig ist und aus einer ausreichend dichten Schicht gebildet wird, so dass die Schicht die Reinigungsflüssigkeit nicht überträgt.
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Die Schutzschicht 15 kann eine beliebige Schicht sein, vorausgesetzt dass die Schicht in der Lage ist, die im Vorstehenden angegebene Oxidation des Metasurface-Musters 14 zu verringern oder zu verhindern. Das Material, das Filmabscheidungsverfahren, die Dicke usw. der Schutzschicht 15 können geeignet bestimmt werden.
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<Zweites Substrat>
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Das zweite Substrat 12 ist ein plattenförmiges Element, das dafür ausgebildet ist, um sich zu biegen, wenn es der Wirkung der Punktlast F unterzogen wird. Das zweite Substrat 12 ist derart bereitgestellt, dass es dem ersten Substrat 11 zugewandt ist, wie in 1 veranschaulicht. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Polycarbonat-Harz als Material des zweiten Substrats 12 verwendet. Es ist zu beachten, dass das Material des zweiten Substrats 12 nur ein festes Material sein muss, dass sich biegt, wenn es der Wirkung der Punktlast F unterzogen wird, und aus im Handel erhältlichen Materialien geeignet ausgewählt werden kann. Andere Beispiele des Materials des zweiten Substrats 12 umfassen: ein Harzmaterial, das durch ein Acryl-Harz, ein Polystyrol-Harz, ein AS-Harz und ein Silikon-Harz verkörpert wird; und ein Metallmaterial, das durch Aluminium, Kupfer und rostfreien Stahl verkörpert wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Form (siehe (b) von 2) des zweiten Substrats 12 in der Draufsicht ein 4 cm Quadrat, wie es für das erste Substrat 11 zutrifft. In der vorliegenden Ausführungsform hat das zweite Substrat 12 eine Dicke von 300 µm. Die Form und Dicke des zweiten Substrats 12 sind nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern müssen nur so ausgebildet sein, dass sich das zweite Substrat 12 mit einem geeigneten Durchbiegungsbetrag biegt, wenn es der Wirkung der Punktlast F unterzogen wird. Die Dicke des zweiten Substrats 12 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 300 µm und nicht mehr als 400 µm.
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Das zweite Substrat 12 weist eine Hauptfläche 121 und eine Hauptfläche 122 auf, die einander zugewandt sind und die ein Paar von Hauptflächen bilden. Die Hauptfläche 121, die ein Beispiel der zweiten Hauptfläche ist, ist der Hauptfläche 111 des ersten Substrats 11 zugewandt. Die Hauptfläche 122, die der Hauptfläche 121 zugewandt ist, ist ein Beispiel einer dritten Hauptfläche. In dem in 1 veranschaulichten Zustand ist das zweite Substrat 12 derart angeordnet, dass die Hauptfläche 121 auf der unteren Seite angeordnet ist und die Hauptfläche 122 auf der oberen Seite angeordnet ist.
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(Reflexionsschicht)
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Die Hauptfläche 121 des zweiten Substrats 12 ist mit einer Reflexionsschicht 16 versehen, wie in 1 und (b) von 2 veranschaulicht. Die Reflexionsschicht 16 ist ein Metallfilm, der das Licht L1 reflektiert und demgemäß Licht L2 erzeugt, das ein reflektiertes Licht des Lichts L1 ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird Aluminium als Material der Reflexionsschicht 16 verwendet. Es ist zu beachten, dass das Material der Reflexionsschicht 16 nur ein festes Material sein muss, welches das Licht L1 reflektiert, und aus im Handel erhältlichen Materialien geeignet ausgewählt werden kann. Andere Beispiele des Materials der Reflexionsschicht 16 umfassen Gold und Silber.
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In der vorliegenden Ausführungsform hat die Reflexionsschicht 16 eine Dicke von 50 nm. Die Dicke der Reflexionsschicht 16 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern kann geeignet bestimmt werden. Die Dicke der Reflexionsschicht 16 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 50 nm und nicht mehr als 100 nm.
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Das Material, das Filmabscheidungsverfahren, die Dicke usw. der Reflexionsschicht 16 können geeignet bestimmt werden.
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(Hartüberzugsschicht)
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Die Hauptfläche 122 ist mit der Hartüberzugsschicht 17 versehen, wie in 1 veranschaulicht. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Hartüberzugsschicht 17 derart bereitgestellt, dass sie die Gesamtheit des zweiten Substrats 12 bedeckt. Die Hartüberzugsschicht 17 bedeckt vorzugsweise einen Bereich einer Fläche des zweiten Substrats 12, der so breit wie möglich ist, wobei die Fläche zur Außenseite des Kraftsensors 10 freiliegt. Die Hartüberzugsschicht 17 kann derart bereitgestellt sein, dass sie ferner die Randfläche des zweiten Substrats 12 bedeckt.
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Die Hartüberzugsschicht 17 ist eine Deckschicht, die in derselben Weise ausgebildet ist wie es die Deckschicht ist, die auf der Fläche eines Smartphones, eines Anzeigebildschirms oder dergleichen bereitgestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Silikon-Harz als Material der Hartüberzugsschicht 17 verwendet. Es ist zu beachten, dass das Material der Hartüberzugsschicht 17 nicht darauf beschränkt ist. Andere Beispiele des Materials der Hartüberzugsschicht 17 umfassen ein Acryl-Harz und ein Fluor-Harz.
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Die Hartüberzugsschicht 17 ist härter als das Material (ein Polycarbonat in der vorliegenden Ausführungsform) des zweiten Substrats 12 und ist daher kratzfest. Zusätzlich hat die Hartüberzugsschicht 17 eine Eigenschaft, weniger dazu zu zeigen, ein Gas zu übertragen.
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<Abstandshalter>
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Der Abstandshalter 13 ist ein Element zum Definieren des Abstands (des Abstands unter keiner Last) zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12, wie in 1 veranschaulicht. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Abstandshalter 13 zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12 gehalten. Das erste Substrat 11 und der Abstandshalter 13 sind miteinander verbunden, und das zweite Substrat 12 und der Abstandshalter 13 sind miteinander verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform wird, als Verbindungselement zum Verbinden des Abstandshalters 13 mit jedem von dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12, ein fotohärtbares Harz verwendet. Es ist zu beachten, dass das Verbindungselement nicht darauf beschränkt ist, jedoch aus im Handel erhältlichen Verbindungselementen geeignet ausgewählt werden kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Dicke des Abstandshalters 13 derart bestimmt, dass der Abstand G zwischen der Schutzschicht 15 und der Reflexionsschicht 16 190 nm beträgt. Ferner wird der Betrag der Durchbiegung des zweiten Substrats 12, die beobachtet wird, wenn die Punktlast F auf das Zentrum oder in der Nähe des Zentrums des zweiten Substrats 12 wirkt, als Durchbiegungsbetrag ΔG definiert. Wenn es der Wirkung der Punktlast F unterzogen wird, biegt sich das zweite Substrat 12 mit dem Biegungsbetrag ΔG. Dies bewirkt, dass der Abstand G um den Durchbiegungsbetrag ΔG schmäler ist als der Abstand G, der unter keiner Last beobachtet wird.
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Wie im Vorstehenden, bewirkt der dazwischenliegende Abstandshalter 13 zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12, dass der Abstand zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12 fixiert wird. Spezifisch wird ein schleifenförmiger Rahmen, wie in (c) von 2 veranschaulicht, mit einem äußeren Rand und einem inneren Rand, von denen jeder quadratisch ist, als Abstandshalter 13 verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform misst der äußere Rand des Abstandshalters 13 4 cm pro Seite und hat einen Umriss, der in der Form gleich ist wie der Umriss des ersten Substrats 11 und des zweiten Substrats 12. Es ist zu beachten, dass die Form des äußeren Rands des Abstandshalters 13 nicht darauf beschränkt ist und geeignet bestimmt werden kann. Ferner ist der Abstandshalter 13 nicht auf einen geschlossenen Rahmen beschränkt, sondern kann einen Abschnitt enthalten, in dem der Abstandshalter 13 nicht geschlossen ist. Darüber hinaus kann der Abstandshalter 13 aus einem einzelnen Element bestehen oder kann aus einer Vielzahl von Elementen bestehen. Im letzteren Fall kann jedes der Vielzahl von Elementen ein säulenartiges oder zylindrisches Element sein, das als Säule dient.
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Der Abstandshalter 13 hat eine gleichmäßige Dicke. Dies macht es möglich, das erste Substrat 11 und das zweite Substrat 12 derart zu fixieren, dass die Hauptfläche 111 und die Hauptfläche 121, die den Abstandshalter 13 dazwischen halten, parallel zueinander sind.
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<Innerer Raum>
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Wie in 1 veranschaulicht, kann der Kraftsensor 10 der vorliegenden Ausführungsform durch Stapeln des ersten Substrats 11, das mit dem Metasurface-Muster 14 und der Schutzschicht 15 versehen ist, des Abstandshalters 13 und des zweiten Substrats 12, das mit der Reflexionsschicht 16 und der Hartüberzugsschicht 17 versehen ist, in dieser Reihenfolge und dann Verbinden des ersten Substrats 11, des Abstandshalters 13 und des zweiten Substrats 12 miteinander erhalten werden. Daher sind das Metasurface-Muster 14, die Schutzschicht 15 und die Reflexionsschicht 16 in einem inneren Raum S aufgenommen, der von dem ersten Substrat 11, dem zweiten Substrat 12 und dem Abstandshalter 13 umgeben ist.
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Der innere Raum S des in 1 veranschaulichten Kraftsensors 10 ist abgedichtet. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der innere Raum S nicht abgedichtet sein. In einem Fall, wo der innere Raum S nicht abgedichtet ist, muss mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem ersten Substrat 11, dem zweiten Substrat 12 und dem Abstandshalter 13, nur mit einer Entlüftung versehen sein, die den inneren Raum S und den Raum an der Außenseite des Kraftsensors 10 miteinander in Kommunikation bringt.
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<Effekte>
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In dem Kraftsensor 10 wird das Metasurface-Muster 14, das auf dem ersten Substrat 11 bereitgestellt ist, von der Schutzschicht geschützt. Dies macht es möglich, ein direktes Aussetzen des Metasurface-Musters 14 an eine Reinigungsflüssigkeit sogar in einem Fall zu verhindern, wo das erste Substrat 11, welches das Metasurface-Muster 14 aufweist, in einem Schritt nach dem Bilden des Metasurface-Musters 14 auf der Hauptfläche 111 gereinigt wird. Wenn das Metasurface-Muster direkt einer Reinigungsflüssigkeit ausgesetzt wird, kann die Fläche des Metasurface-Musters oxidiert werden. Der Kraftsensor 10 macht es möglich, nachteilige Effekte einschließlich einer Oxidation zu reduzieren, die in dem Metasurface-Muster 14 verursacht werden können, sogar in einem Fall, wo das erste Substrat 11, welches das Metasurface-Muster 14 aufweist, in dem Herstellungsprozess gereinigt wird. Daher ist es möglich, dass der Kraftsensor 10 ein gewünschtes Ansprechverhalten bietet, das zur Zeit der Ausbildung spezifiziert wird.
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Das zweite Substrat 12 des Kraftsensors 10 ist vorzugsweise aus einem Metall oder einem Harz hergestellt. Diese Einrichtung, im Gegensatz zu der Einrichtung, bei der das zweite Substrat 12 aus Glas hergestellt ist, macht es möglich, die Möglichkeit zu verringern, dass das zweite Substrat 12 bricht, auch wenn eine größere Kraft als erwartet auf das zweite Substrat 12 wirkt. Demgemäß macht es der Kraftsensor 10 dieses Typs möglich, die Sicherheit bei einer Wirkung einer Kraft zu erhöhen, die größer ist als erwartet.
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Es ist möglich, die Bereiche der Wahl des Elastizitätsmoduls und der Poissonzahl des Materials des zweiten Substrats 12 in einem Fall bereiter zu machen, wo das zweite Substrat 12 aus einem Metall oder Harz verwendet wird, als in einem Fall, wo das zweite Substrat aus Glas verwendet wird. Das Ansprechverhalten des Kraftsensors 10 (z.B. der detektierbare Kraftbereich und die Auflösung, mit der eine Kraft detektiert werden kann) ist von dem Durchbiegungsbetrag ΔG abhängig, der beobachtet wird, wenn die Punktlast F wirkt. Das heißt, das Ansprechverhalten des Kraftsensors 10 ist von dem Elastizitätsmodul und der Poissonzahl des Materials des zweiten Substrats 12 abhängig. Aus diesem Grund macht es die Auswahl des Materials des zweiten Substrats 12 des Kraftsensors 10 aus Metallen und Harzen anstelle von Glas möglich, den Bereich von Abwandlungen eines durchführbaren Ansprechverhaltens zu vergrößern. Das heißt, es ist möglich, den Bereich von Abwandlungen der Produktpalette des Kraftsensors 10 zu vergrößern.
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Der Kraftsensor 10 weist vorzugsweise die Hartüberzugsschicht 17 auf. In einem Fall, wo ein Harz als Material des zweiten Substrats 12 verwendet wird, kann ein Gas weiterhin von dem zweiten Substrat 12 erzeugt werden, sogar nachdem der Kraftsensor 10 hergestellt wird. Mit der im Vorstehenden angegebenen Einrichtung ist die Hauptfläche 122 des zweiten Substrats 12 von der Hartüberzugsschicht 17 bedeckt. Das Material der Hartüberzugsschicht 17 hat nicht nur eine hohe Härte, sondern ist auch in der Lage, die Übertragung eines Gases zu verringern. Daher ist es in dem Kraftsensor 10 möglich, die Menge eines Gases zu verringern, das von dem zweiten Substrat 12 erzeugt werden kann.
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Der innere Raum S des Kraftsensors 10 ist vorzugsweise abgedichtet. Mit dieser Einrichtung ist es möglich zu verhindern, dass Fremdkörper (z.B. Luftstaub) in den inneren Raum S eindringen. Daher ist es in dem Kraftsensor 10 möglich, das zur Zeit der Ausbildung erwartete Ansprechverhalten beizubehalten.
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Es ist möglich, in dem Kraftsensor 10 eine weitere Einrichtung zu verwenden, bei welcher der innere Raum S und der Raum an der Außenseite des Kraftsensors 10 miteinander in Kommunikation stehen. Mit dieser Einrichtung, bei welcher der innere Raum S nicht abgedichtet ist, ist es möglich, den Abstand G, unter keiner Last, zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12 auf einem vorherbestimmten Abstand zu halten, sogar in einem Fall, wo sich der Druck in dem äußeren Raum ändert. Dies macht es möglich, dass diese Abwandlung des Kraftsensors 10 ein zur Zeit der Ausbildung erwartetes Ansprechverhalten zeigt, ungeachtet des Drucks in dem äußeren Raum.
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[Konfiguration des Kraftsensorsystems]
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Das Kraftsensorsystem 1 umfasst den im Vorstehenden beschriebenen Kraftsensor 10 und eine Messsektion 20, wie in 1 veranschaulicht. Hier folgt eine kurze Beschreibung der Messsektion 20.
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Die Messsektion 20 umfasst: eine Lichtquelle 21; eine optische Faser 22; einen Zirkulator 23; eine optische Faser 24; eine Kollimatorlinse 25; eine optische Faser 26; und eine Lichtdetektionssektion 27.
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Die Lichtquelle 21 ist eingerichtet, um das Licht L1 mit einem Wellenlängenband von nicht weniger als 1400 nm und nicht mehr als 1600 nm zu emittieren. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine lichtemittierende Diode (LED), die nahe Infrarotstrahlen ausstrahlt, als Lichtquelle 21 verwendet. Es ist zu beachten, dass die Lichtquelle 21 nicht auf eine LED beschränkt ist, sondern aus im Handel erhältlichen Lichtquellen geeignet ausgewählt werden kann. Ferner weist die Lichtquelle 21 ein Filter auf, welches stromabwärts von dieser LED bereitgestellt ist und welches das Wellenlängenband des Lichts L1 auf nicht weniger als 1400 nm und nicht mehr als 1600 nm einschränkt.
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Der Zirkulator 23 ist eine optische Vorrichtung, die drei Ports P1, P2 und P3 aufweist. Der Zirkulator 23 ist eingerichtet, um: aus dem Port P2 Licht freizusetzen, das in den Port P1 eintritt; aus dem Port P3 Licht freizusetzen, das in den Port P2 eintritt; und aus dem Port P1 Licht freizusetzen, das in den Port P3 eintritt.
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Die optische Faser 22 hat ein und die anderen Enden, die jeweils mit der Lichtquelle 21 und dem Port P1 des Zirkulators 23 verbunden sind. Demgemäß gestattet es die optische Faser 22, dass das Licht L1, das von der Lichtquelle 21 emittiert wird, in den Port P1 des Zirkulators 23 eintritt.
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Die optische Faser 24 hat ein und die anderen Enden, die jeweils mit der Kollimatorlinse 25 und dem Port P2 des Zirkulators 23 verbunden sind. Demgemäß gestattet es die optische Faser 24, dass das Licht L1, das aus dem Port P2 des Zirkulators 23 freigesetzt wird, zu der Kollimatorlinse 25 freigesetzt wird, und gestattet es, dass Licht L2, das durch die Kollimatorlinse 25 eintritt, in den Port P2 eintritt.
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Die Kollimatorlinse 25 wandelt das Licht L1, das aus dem einen Ende der optischen Faser 24 freigesetzt wird, in kollimiertes Licht um. Das Licht L1, das von der Kollimatorlinse 25 kollimiert wurde, wird, durch Reflexion von der Reflexionsschicht 16, in das Licht L2 umgewandelt, das sich seinerseits in der umgekehrten Richtung desselben Wegs ausbreitet. Das Licht L2 tritt in das eine Ende der optischen Faser 24 durch die Kollimatorlinse 25 ein. Die Kollimatorlinse 25 koppelt effizient das Licht L2, das kollimiertes Licht ist, wie es für das Licht L1 zutrifft, mit dem einen Ende der optischen Faser 24.
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Die optische Faser 26 hat ein und die anderen Enden, die jeweils mit der Lichtdetektionssektion 27 und dem Port P3 des Zirkulators 23 verbunden sind. Demgemäß gestattet es die optische Faser 26, dass das Licht L2, das aus dem Port P3 des Zirkulators 23 freigesetzt wird, zu der Lichtdetektionssektion 27 freigesetzt wird.
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Die Lichtdetektionssektion 27 ist eine Komponente zum Messen des Spektrums des Lichts L2 (Reflexionsspektrum in der vorliegenden Ausführungsform). In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Lichtdetektionssektion 27: ein Spektroskop, welches das Licht L2 streut; und eine Fotodiode, die Licht jeder der Wellenlängenkomponenten des Lichts L2, das gestreut wurde, in ein elektrisches Signal umwandelt.
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Die eingefügte Figur in 1 ist ein Graph, der schematisch das Spektrum des Lichts L1, das Eingangslicht des Kraftsensors 10 ist, und das Spektrum des Lichts L2, das Ausgangslicht des Kraftsensors 10 ist, anzeigt. In der eingefügten Figur wird das Spektrum des Lichts L1 mit einer durchgehenden Linie angezeigt, und das Spektrum des Lichts L2 wird mit einer gestrichelten Linie angezeigt.
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Wie aus der eingefügten Figur ersichtlich ist, verglichen mit der zentralen Wellenlänge des Spektrums des Lichts L1, ist die zentrale Wellenlänge des Spektrums des Lichts L2 zu längeren Wellenlängen um einen Verschiebungsbetrag von Δλ verschoben. Der Verschiebungsbetrag Δλ ist eine Größe, die gemäß dem in 1 veranschaulichten Abstand G bestimmt wird. Der Abstand G ist eine Größe, die gemäß dem Betrag der Durchbiegung ΔG des zweiten Substrats 12 bestimmt wird, die beobachtet wird, wenn die Punktlast F auf das Zentrum oder in der Nähe des Zentrums des zweiten Substrats 12 wirkt. Demgemäß ist der Verschiebungsbetrag Δλ des Kraftsensors 10 ist eine Größe, die gemäß der Größe der Punktlast F bestimmt wird. In dem Kraftsensorsystem 1 ist es möglich, die Punktlast F zu detektieren, indem die Korrelation zwischen der Punktlast F und dem Verschiebungsbetrag Δλ in dem Kraftsensor 10 im Voraus erhalten oder berechnet wird.
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<Ergänzende Anmerkung>
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen im Vorstehenden beschränkt, sondern kann von Fachleuten innerhalb des Umfangs der Ansprüche abgeändert werden. Die vorliegende Erfindung umfasst auch, in ihrem technischen Umfang, jede Ausführungsform, die durch das Kombinieren von in verschiedenen Ausführungsformen offenbarten technischen Mitteln abgeleitet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftsensorsystem
- 10
- Kraftsensor
- 11
- Erstes Substrat
- 12
- Zweites Substrat
- 13
- Abstandshalter
- 14
- Metasurface-Muster
- 15
- Schutzschicht
- 16
- Reflexionsschicht
- 17
- Hartüberzugsschicht
- 20
- Messsektion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020 [0002]
- JP 94973 [0002]
- JP 2020094973 [0003]
