JP2004170259A - 応力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】付与された応力が、対となる電極２及び当該電極２の双方に接続される抵抗体３を有する抵抗素子５を変形することにより、当該抵抗素子５の抵抗値を変化させ、当該抵抗値変化により出力を得る応力センサにおいて、極端に抵抗素子５を構成する電極２高さを高めることなく、当該抵抗素子５の抵抗値変化率を大きくする。
【解決手段】対となる電極２間の抵抗体３と接触し、当該抵抗体３と実質的な界面を形成する１以上の界面形成部材１を有し、上記変形が界面形成部材１と抵抗体３との密着性低下を伴うようにする。具体的には抵抗素子５が基板２面に形成され、当該抵抗素子５の変形が、当該基板２の撓みによる伸張を含むようにする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応力センサに関し、特にパーソナルコンピュータ用ポインティングディバイスや、各種電子機器用多機能スイッチ等に用いることができる応力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
付与された応力が、対となる電極及び当該電極に接続される抵抗体を有する抵抗素子を変形することにより、当該抵抗素子の抵抗値を変化させ、当該抵抗値変化により当該応力の方向と大きさとを把握する応力センサについては、国際公開ＷＯ０２／０６５４８７号公報にその開示がある。
【０００３】
かかる開示事項には、対となる電極をプレス加工などで低くする技術が含まれている。当該技術の採用により、例えばスクリーン印刷法により抵抗体を、対となる電極の双方に跨るよう形成した場合に、当該抵抗体の形状ばらつきを低く抑えることができる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら本発明者ら（発明者以外を含む。以下同じ。）の検討によれば、上記技術の採用により確かに抵抗体形状ばらつき、それに伴う抵抗素子抵抗値ばらつきを低く抑えることができるが、抵抗値変化率を大きくできないことが判明した。ここで抵抗値変化率を大きくできないと、応力センサの出力を大きくできない。応力センサの出力が大きくなることによりＳ／Ｎ比が向上し、ノイズマージンを大きくすることができる。
【０００５】
そこで本発明が解決しようとする課題は、極端に抵抗素子を構成する電極高さを高めることなく、当該抵抗素子の抵抗値変化率を大きくすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の第１の応力センサは、付与された応力が、対となる電極２及び当該電極２の双方に接続される抵抗体３を有する抵抗素子５を変形することにより、当該抵抗素子５の抵抗値を変化させ、当該抵抗値変化により出力を得る応力センサにおいて、対となる電極２間の抵抗体３と接触し、当該抵抗体３と実質的な界面を形成する１以上の導電部材を有し、上記変形が当該導電部材と抵抗体３との密着性低下を伴うことを特徴とする。
【０００７】
一般に応力センサは、上記電気信号を検知、演算等する制御部があってはじめて応力センサとして機能する。しかし本明細書では前記制御部を除いた部分について便宜上「応力センサ」と称することとする。
【０００８】
上記「界面」とは、互いに接触している二つの相の境界面を言い、この場合は主として抵抗体３と上記導電部材（以下、「界面形成部材」という。）が、互いに溶融する等して、新たな相を形成しないものを言う。仮に新たな相を形成し、その結果当該新たな相と抵抗体との界面が電気的に接触しているような場合も本発明を構成することは言うまでもない。
【０００９】
上記界面形成部材１の導電性の程度は特に限定しない。但し、応力センサ動作時の抵抗素子５への通電状態での抵抗素子５変形により、その界面における導電状態が変化し、応力センサ特性等に影響を与えることを条件とする。従ってかかる影響を全く与えない程度に界面形成部材１の導電性が低い場合は、本発明にかかる界面形成部材１に該当しない。
【００１０】
本発明は、抵抗素子５の変形が界面形成部材１と抵抗体３との界面における導電性に与える影響に着目してなされたものである。抵抗素子５の変形により界面形成部材１と抵抗体３との密着性が低下すると、当該界面における電子の授受を阻害し、それにより検出される抵抗素子５の抵抗値が高くなると発明者らは考えた。従ってかかる阻害要因を大とすることで、当該抵抗素子５の抵抗値変化率を大きくできるとの結論に帰着した。
【００１１】
かかる考えによれば、従来対となる電極２を低くすることで、当該抵抗素子５の抵抗値変化率が小となった理由が説明できる。当該電極２高さを低くし、当該電極２と抵抗体３が形成する界面の面積を小とすることで、上記阻害要因が小となったためである。
【００１２】
上記本発明の構成は、本発明にかかる抵抗素子５の抵抗値変化率を大きくする効果を有する。界面形成部材１の存在により、当該界面における電子授受の阻害要因を大とすることができるためである。また前記効果を得るためには、抵抗素子５を構成する電極２高さを極端に高めることを要しない。界面形成部材１が、電極２高さを高めた場合に得られた効果、即ち界面における電子授受を阻害する役割を担うためである。
【００１３】
本発明の具体例について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）には、上記本発明の応力センサを構成する抵抗素子５の平面図を、図１（ｂ）には前記平面図のＡ−Ａ’断面図を示している。同図では抵抗素子５が基板４面に形成されている。また対となる電極２間の抵抗体３と接触する、当該抵抗体３との界面を形成する１つの界面形成部材１が基板４面上に配されている。
【００１４】
図１に示す基板４面に応力受け部材としてのポスト７を固着又は一体化し、基板４の他方の面におけるポスト７底面の輪郭と対応する位置に抵抗素子５が配される構成とし、基板４の端部を固定するなどした後で、ポスト７に応力を付与した状態を示したのが図２である。図２（ａ）では、ポスト７に対し任意の横方向、即ちｘ軸、ｙ軸方向に応力を付与した場合を示し、図２（ｂ）ではポスト７頂面を押下した場合、即ちｚ軸方向に応力を付与した場合を示している。いずれの場合も、応力の付与によって抵抗素子５が変形していることがわかる。その抵抗素子５の変形は、基板４の撓みによる伸張・収縮を伴うものであることもわかる。
【００１５】
第１の応力センサの構成を備え、且つ抵抗素子５が基板４面に形成され、当該抵抗素子５の変形が、当該基板４の撓みによる伸張を含む本発明の第２の応力センサ、及び当該本発明の応力センサを基本とした好ましい構成の応力センサにおいて、界面が、主として抵抗素子５の伸張・収縮方向に対して斜め又は垂直方向に形成されることが好ましい。当該界面における電子の授受を阻害するには効率的であるためである。具体的には、例えば図１における抵抗素子５の通電方向を当該伸張・収縮方向とすることである。
【００１６】
また、本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、界面形成部材１の界面形成面が、実質的に基板４面に対して垂直な面で構成される部分を有することが好ましい。抵抗素子５の伸張等の変形により、界面形成部材１と抵抗体３との密着性低下を最も伴い易いためである。その理由は当該垂直な面はその面積が小さく、抵抗素子５の伸張に変換された応力が集中し易いためである。
【００１７】
また、本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、図２にその概要を示すように、付与された応力を受けるポスト７を有し、当該ポスト７底面が基板４の一方の面と固着又は一体化し、基板４の他方の面におけるポスト７底面の輪郭と対応する位置に抵抗素子５が配されることが好ましい。ポスト７に応力を付与した場合には、ポスト７底面の輪郭に位置する基板４部分に最も大きな応力が伝達される。そのため抵抗素子５への応力伝達も高効率となり大きな出力を得ることができる。またこの場合において、ポスト７底面の輪郭と対応する位置又はその付近に界面が位置することが更に好ましい。上記のように、ポスト７底面の輪郭に位置する基板４部分に最も大きな応力が伝達されることから、当該位置に界面が位置することにより、更に大きな出力を得ることが期待できるためである。
【００１８】
本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、電極２及び界面形成部材１が、基板４表面の導体層の一部を除去処理し、その残部として得られるか、若しくはアディティブ法により得られることが好ましい。電極２及び界面形成部材１を同時に形成することができ、製造を簡略化できる点で有利だからである。また界面形成部材１を、基板４表面の導体層の一部を除去処理し、その残部として得るか、若しくはアディティブ法により得ることにより、前述した界面形成面を、実質的に基板４面に対して垂直な面で構成することが容易になるためである。
【００１９】
本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、界面形成部材１が、対となる電極２間に点在して配される基板４面上の複数の導電性突起であってもよい。かかる突起を例えば多数用いることにより、抵抗体３と界面形成部材１との界面の総面積を大きくできる点で有利である。
【００２０】
本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、界面が、抵抗素子５の伸張方向に対して異なる角度の複数の斜め成分及び／又は垂直成分及び／又は曲線成分を有することが好ましい。例えば図１における界面形成部材１を蛇行させる、階段状とする等である。このようにすることによっても、抵抗体３と界面形成部材１との界面の総面積を大きくでき、その点で有利となる。
【００２１】
本発明の第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、基板４面上に抵抗体３が厚膜形成され、当該抵抗体３が界面形成部材１の一部又は全部を覆うことが好ましい。これは抵抗体３と界面形成部材１との界面形成の一形態である。ここで例えば厚膜技術としてスクリーン印刷を採用して、抵抗体３ペーストを界面形成部材１の上に印刷する手法は、抵抗体３と界面形成部材１との界面形成を容易にする利点がある。またこのとき、電極２と抵抗体３との接触をも同時に実現することが容易にできる。そのため製造を簡略化できる点で非常に有利である。
【００２２】
本発明の第１及び第２の応力センサの構成及びそれを基本とした好ましい構成において、抵抗体３が、導電性物質と非導電性物質とからなり、両者が融合しない状態にあることが好ましい。これに該当する抵抗体３は例えば、アモルファスカーボンや黒鉛等の炭素材粉末を導電性物質とし、エポキシ系樹脂材料を主な非導電性物質とするものである。また前記炭素材粉末に代えて、銀などの金属粉末とするものも該当し得る。炭素材や金属と、樹脂材料とは融合しないためである。他方これに該当しないのは、ガラスフリット中に酸化ルテニウムが溶解（融合）し、抵抗体３の略全体が導電性を有している、いわゆるメタルグレーズ系のようなものである。
【００２３】
導電性物質と非導電性物質とからなり、両者が融合しない状態にある抵抗体３は、非導電性物質と導電性物質とが各々独立して存在する。その界面における抵抗体３と界面形成部材１との導通は、界面付近の導電性物質が実際に界面に接触することを条件にしてなされる。従ってかかる抵抗体３を用いた抵抗素子５は、前記接触の有無で抵抗値が大きく異なることがわかる。かかる抵抗素子５に対し、界面形成部材１や電極２と、抵抗体３との密着性低下を伴う抵抗素子５の変形がなされたとき、当該抵抗素子５の抵抗値変化は大きくなる。
【００２４】
それに対し抵抗体３の略全体が導電性を有している、上記メタルグレーズ系のような抵抗体３を用いた抵抗素子５は、上記接触の有無という概念はない。従って、かかる抵抗素子５に対し、界面形成部材１や電極２と、抵抗体３との密着性低下を伴う抵抗素子５の変形がなされたとき、当該抵抗素子５の抵抗値変化は比較的穏やかであると考えられる。
【００２５】
もちろん上記メタルグレーズ系のような抵抗体３であっても、界面形成部材１との密着性低下があれば抵抗値変化はするため、本発明を構成する抵抗体３から除外するものではないことは言うまでもない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
まず、プリプレグを複数枚積層して加熱・加圧成型したガラス繊維混入エポキシ系樹脂板を用意する。当該板が基板４となる。そして基板４両面に厚み１８μｍの銅箔を貼付した後に当該銅箔の必要部分を除いて公知のエッチング処理（除去処理）を施すことにより、配線６、電極２及び界面形成部材１が図１に示すように形成される。
【００２７】
次いで基板２に予め穴あけ加工によって設けられているスルーホールの内壁に無電解めっき法にて導電性物質を配することにより、基板２表裏面の配線６同士を導通させる。このとき、無電解めっきにより析出する導電性物質（銅）は配線６、電極２及び界面形成部材１表面にも析出する。その結果配線６、電極２及び界面形成部材１のそれぞれの高さは、３０〜５０μｍの略一定値になる。この程度の電極２高さであれば、抵抗素子５を構成する電極２高さが極端に高いわけではないため、後述するスクリーン印刷によって配される抵抗体３形状のばらつきに起因する抵抗素子５の抵抗値ばらつきは抑制できる。
【００２８】
次いで基板４の電極２が形成された面に、スクリーン印刷技術により抵抗体３を配し、加熱硬化する。これで図１に示すような抵抗素子５が、応力センサ一つあたり四つ形成された。ここで抵抗体３は、アモルファスカーボン粉末を導電性物質とし、エポキシ系樹脂材料を非導電性物質とするものである。四つの抵抗素子５は、それらの抵抗値を略同等とするため、公知のレーザトリミング工程に供される。
【００２９】
その後図３に示す形状に基板４を裁断し、また固定用穴８を設ける。そして基板４の略中央であって抵抗素子５が形成された基板４面とは逆側の面に、アルミナセラミック製ポスト７を固定する（図３（ａ））。かかる固定にはエポキシ系接着剤を用いた。また固定位置は、図３（ｂ）に示すようにポスト７底面の輪郭が基板４を介して全ての抵抗素子５と対応位置にあるようにする。
【００３０】
以上の工程を経て、本発明の応力センサを得ることができる。この応力センサは、固定用穴８にネジを挿入する等して電子機器等に取り付けられる。そしてポスト７に応力を付与することにより、上述した図２の説明にあるように抵抗素子５を伸張させる。このとき、全ての抵抗素子５の伸張方向に対し略垂直方向に界面形成部材１が位置するよう、前述したエッチング処理の際にパターニングする。また配線６は、当該パターニングにより図３では示していないが、基板４表裏に亘り形成され、結果として図４に示すブリッジ回路を四つの抵抗素子５で構成するようパターニングされる。
【００３１】
かかる応力センサは、これ単体では動作することができず、信号制御部を介して電子機器の制御が可能となる。図４には本発明の応力センサにおける、上記ブリッジ回路の電気信号入出力の状態の概要を示した。このブリッジ回路の電圧印加端子（Ｖｃｃ）−（ＧＮＤ）間には所定の電圧が印加されている。また同図左側の抵抗素子５及びＹ端子（Ｙｏｕｔ）によりＹ軸方向の応力センサが構成され、更に同図右側の抵抗素子５及びＸ端子（Ｘｏｕｔ）によりＸ軸方向の応力センサが構成される。これで図２（ａ）に示すように任意のｘ、ｙ方向に応力を付与した旨、及びそのときの応力の方向と大きさとを把握することができる。また図２（ｂ）に示したようにポスト７頂面を押下したとき、即ちｚ軸方向へ応力付与した旨、及びそのときの応力の大きさを把握することができる。ｚ軸方向に応力付与することにより、四つの抵抗素子５全てを伸張させ、各々の抵抗値を略同程度にまで大きくする。このような電気特性は、任意の横方向（ｘ、ｙ方向）に応力を付与した場合と異なる電気的特性であり、それらとは区別できる。
【００３２】
上記ｚ軸方向への応力の付与を感知する場合は、例えばコンピュータのポインティングディバイスとして本発明の応力センサを使用し、いわゆるマウスをクリックする信号に上記ｚ軸方向への応力の付与を割り当てる場合である。また、例えばいわゆる携帯電話等の小型携帯機器用の多機能・多方向スイッチとして本発明の応力センサを使用した場合である。この場合は、所定時間下向きへの応力付与をしたときに当該携帯機器の電源のオン・オフの命令に対応させる等が可能となる。これら２つの場合では、付与された応力の大小を精度良く感知する必要性は乏しい。一定レベルの応力が付与されたことを感知できればよい。しかしこれらの場合であっても付与された応力の大きさを把握することには変わりはない。また後者の場合は任意の横方向（ｘ、ｙ方向）に応力を付与した場合についても、一定レベルの応力が付与されたことを感知できればよいことになる。
【００３３】
本例では基板４材料をガラス繊維混入エポキシ系樹脂とし、ポスト７をアルミナセラミックとしたが、この組み合わせに限定されないことは言うまでもない。例えばポスト７と基板４の双方をセラミック材料とすることもできる。但し本例のように基板４材料よりもポスト７材料の剛性を高くすることが好ましい。基板４の変形を容易にし、抵抗素子５の抵抗値変化率を大きくできるためである。しかしあまりにも基板４の変形を容易にし過ぎると、変形に可逆性が失われる塑性変形にまで至るおそれがあるため、その点注意を要する。本例で用いた基板４材料であるガラス繊維混入エポキシ系樹脂は、主成分の樹脂材料よりも張力が大きい繊維を混入した材料からなり、可塑変形に至るのを有効に防止し得る。基板４に繊維混入樹脂系材料を用いる場合に好適な繊維には、ガラス繊維の他にアラミド樹脂系繊維、ナイロン繊維、ポリオレフィン系樹脂等の１種以上である。
【００３４】
また本例では界面形成部材１を銅からなる材料とし、その数量を１とし、またその形状を図１に示す棒状としているが、これに限定されないことは言うまでもない。本例の界面形成部材１に代えて、別の界面形成部材１を用いて抵抗素子５を構成した例を図５に示した。
【００３５】
図５（ａ）は、抵抗素子５の伸張方向（図５の配線６と平行な方向）に対し斜め成分の直線と、垂直方向の直線から界面が形成されるよう、界面形成部材１が蛇行している場合を示している。蛇行させることにより、界面の面積を大きくすることができている。
【００３６】
図５（ｂ）は、図１に示した本例の界面形成部材１（図１）を２つ用いた場合を示している。この場合も界面の面積を大きくすることができている。
【００３７】
図５（ｃ）は、本例で用いたものよりも長さの短い界面形成部材１を、多数千鳥状に配置した場合を示している。この場合も界面の面積を大きくすることができている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、極端に抵抗素子を構成する電極高さを高めることなく、当該抵抗素子の抵抗値変化率を大きくすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態の一例の応力センサを構成する抵抗素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態の一例の応力センサに対し、任意のｘ、ｙ方向に応力付与した様子であり、（ｂ）は（ａ）に示した応力センサに対し、ｚ方向に応力付与した様子である。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態の一例の応力センサの平面図であり、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図４】本発明の応力センサの信号入出力の様子の一例を示す図である。
【図５】本発明の応力センサを構成する界面形成部材の種々の形状を示す図である。
【符号の説明】
１．界面形成部材
２．電極
３．抵抗体
４．基板
５．抵抗素子
６．配線
７．ポスト
８．固定用穴

Claims (11)

1. 付与された応力が、対となる電極及び当該電極の双方に接続される抵抗体を有する抵抗素子を変形することにより、当該抵抗素子の抵抗値を変化させ、当該抵抗値変化により出力を得る応力センサにおいて、
   対となる電極間の抵抗体と接触し、当該抵抗体との界面を形成する１以上の導電部材を有し、上記変形が当該導電部材と抵抗体との密着性低下を伴うことを特徴とする応力センサ。
2. 抵抗素子が基板面に形成され、当該抵抗素子の変形が、当該基板の撓みによる伸張を含むことを特徴とする請求項１記載の応力センサ。
3. 界面形成部材の界面形成面が、実質的に基板面に対して垂直な面で構成される部分を有することを特徴とする請求項２記載の応力センサ。
4. 界面が、主として抵抗素子の伸張方向に対して斜め又は垂直方向に形成されることを特徴とする請求項２又は３記載の応力センサ。
5. 付与された応力を受けるポストを有し、当該ポスト底面が基板の一方の面と固着又は一体化し、基板の他方の面におけるポスト底面の輪郭と対応する位置に抵抗素子が配されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の応力センサ。
6. ポスト底面の輪郭と対応する位置又はその付近に界面が位置することを特徴とする請求項５記載の応力センサ。
7. 電極及び界面形成部材が、基板表面の導体層の一部を除去処理し、その残部として得られるか、若しくはアディティブ法により得られることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の応力センサ。
8. 界面形成部材が、対となる電極間に点在して配される基板面上の複数の導電性突起であることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の応力センサ。
9. 界面が、抵抗素子の伸張方向に対して異なる角度の複数の斜め成分及び／又は垂直成分及び／又は曲線成分を有することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の応力センサ。
10. 基板面上に抵抗体が厚膜形成され、当該抵抗体が界面形成部材の一部又は全部を覆うことを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の応力センサ。
11. 抵抗体が、導電性物質と非導電性物質とからなり、両者が融合しない状態にあることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の応力センサ。

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