JP2019015600A - ひずみゲージ、及び、３軸力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されたひずみゲージ、及び、３軸力センサを提供する。
【解決手段】 ひずみゲージ２０は、基材２１と回路パターンＣＰとを備える。基材２１は、受感領域２１ｓと、不感領域２１ｎ１，２１ｎ２と、連結領域２１ｃ１，２１ｃ２と、を有する。回路パターンＣＰは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成するひずみ受感素子Ｘ_１，Ｘ_２及び固定抵抗素子ＲＸ_１，ＲＸ_２と、第２ホイートストンブリッジ回路を構成するひずみ受感素子Ｙ_１，Ｙ_２及び固定抵抗素子ＲＹ_１，ＲＹ_２と、第３ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの受感素子Ｚ_１，Ｚ_２と、を含む。ひずみ受感素子Ｘ_１，Ｘ_２，Ｙ_１，Ｙ_２，Ｚ_１，Ｚ_２、及び、固定抵抗素子ＲＸ_１，ＲＸ_２，ＲＹ_１，ＲＹ_２は同一材料で形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ひずみゲージ、及び、これを備える３軸力センサに関する。

ひずみゲージを備える３軸力センサは、ロボット、ゲーム機器、各種計測機器、その他の機器において広く活用されている。例えば特許文献１、２には、ひずみゲージを含む３軸力センサの一例が開示されている。

特開第２０１０−１６４４９５号公報 特許第５００８１８８号公報

ひずみゲージを備える３軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の存在が認識されており、その抑制が望まれている。

そこで本発明は、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されたひずみゲージ、及び、これを備える３軸力センサを提供することを目的とする。

本発明に係るひずみゲージは、荷重を受けてひずむ起歪部材に取り付けられて、起歪部材の第１方向に作用する荷重の第１ホイートストンブリッジ回路による検出、起歪部材の第１方向に直交する第２方向に作用する荷重の第２ホイートストンブリッジ回路による検出、並びに起歪部材の第１及び第２方向に直交する第３方向に作用する荷重の第３ホイートストンブリッジ回路による検出に用いられるひずみゲージであって、可撓性の基材と、基材上に形成された回路パターンと、を備え、基材は、起歪部材の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられる受感領域と、起歪領域の外側に配置される一対の不感領域と、受感領域と不感領域とを連結する連結領域と、を有し、連結領域の、受感領域と不感領域とが連結される方向に直交する直交方向の寸法が、受感領域及び不感領域の直交方向の寸法よりも小さく、回路パターンは、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向ひずみ受感素子と、第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向ひずみ受感素子と、第３ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第３方向ひずみ受感素子と、第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向固定抵抗素子と、第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向固定抵抗素子と、を含み、第１方向ひずみ受感素子、第２方向ひずみ受感素子、第３方向ひずみ受感素子、並びに第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、第１方向ひずみ受感素子、第２方向ひずみ受感素子及び第３方向ひずみ受感素子は、受感領域に形成されており、第１方向固定抵抗素子及び第２方向固定抵抗素子は、不感領域に形成されており、第３方向ひずみ受感素子は、第１ホイートストンブリッジ回路と第２ホイートストンブリッジ回路とを接続して第３ホイートストンブリッジ回路を構成する。

本発明に係る３軸力センサは、上記のひずみゲージと、板状の起歪部材と、起歪部材に接続された荷重作用部と、を備える。

本発明に係る３軸力センサにおいては、起歪部材の荷重作用部が接続される面とは反対側の面の周縁部から、第３方向に直立する周壁、をさらに備え、不感領域が、周壁の内周面に貼り付けられていてもよい。

本発明のひずみゲージ、及び、これを備える３軸力センサにおいては、周囲温度の変化に起因する計測誤差の発生が抑制されている。

本発明の実施形態に係る３軸力センサを適用した電子ペンの断面図である。 本発明の実施形態に係る３軸力センサの斜視図である。 図２に示す３軸力センサを、軸Ａを含むｙｚ面で切断した断面図である。 本発明の実施形態に係るひずみゲージの配線パターンを示す図である。 図４に示すひずみゲージの配線パターンに対応する回路図である。 ３軸力センサにおける計測の様子を示す説明図である。

＜実施形態＞
本発明に係るひずみゲージ、及び、３軸力センサの実施形態について、これらを電子ペンへ適用する場合を例として、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示すように、電子ペン２００は、ティップ３１及び３２と、３軸力センサ１００と、ホルダ３３と、ボディ３４と、フロントキャップ３５とを備える。

ティップ３１は、例えばプラスチックにより形成され、ペン先として機能する。ティップ３２は、例えばＳＵＳにより形成され、その一端がティップ３１へ接続されると共に、他端が３軸力センサ１００へ接続される。これにより、ペン先を介して加えられる外部からの荷重が３軸力センサ１００で計測されることとなる。

ホルダ３３は、３軸力センサ１００の動作に必要な信号処理回路や電源の他、各種回路が実装されたＰＣＢＡ（Printed Circuit Board Assembly）を保持する。ボディ３４は、３軸力センサ１００の一部分とホルダ３３とを覆い、フロントキャップ３５は、３軸力センサ１００の残り部分とティップ３２とを覆う。

次に、図２及び図３に示すように、本実施形態の３軸力センサ１００は、軸Ａの周りに回転対称な本体部１０を備える。本体部１０は、軸Ａを回転軸とする円板状の起歪板（板状の起歪部材）１１と、起歪板１１の表面１１ａの中央から軸方向に直立する荷重作用部１２と、起歪板１１の裏面１１ｂの周縁部から軸方向に直立する周壁１３とを含む。また、荷重作用部１２は、図１に示したティップ３２に嵌合される。本体部１０は、例えば合成樹脂素材により一体成形されている。

以降の説明においては、図２に示す如く、起歪板１１の直交する２つの径方向を３軸力センサ１００及び本体部１０のｘ方向（第１方向）及びｙ方向（第２方向）とする。また、ｘ方向及びｙ方向に直交する軸Ａの方向を３軸力センサ１００及び本体部１０のｚ方向（第３方向）とする。

起歪板１１は、荷重作用部１２を介して加えられる外部からの荷重を受けてひずむ円板である。起歪板１１におけるひずみは、起歪板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂ（図２において軸Ａに直交する上下面）において生じ、周壁１３（図２において軸Ａと平行な周面）では生じないか無視できるほど小さい。本明細書においては、本実施形態における起歪板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂのように、外部荷重を受けてひずむ領域を「起歪領域」と呼ぶこととする。起歪板１１の径及び厚さは任意である。

荷重作用部１２は、外部からの荷重を受けて移動し、起歪板１１にひずみを生じさせる。荷重作用部１２は、その中心軸が起歪板１１の回転軸（軸Ａ）と一致するよう、即ち起歪板１１と同軸状に、起歪板１１の表面１１ａに設けられている。

周壁１３は、起歪板１１の裏面１１ｂの外周に沿って裏面１１ｂから直立し、裏面１１ｂを囲んでいる。なお、図２においては、周壁１３の外周面が円筒状である場合について例示しているが、次のように周壁１３を変更してもよい。すなわち、ｘ軸方向における周壁１３の一方側又は両側において、ｘ軸に交差（直交）する平面部分を周壁１３の外周面に形成してもよい。或いは、ｙ軸方向における周壁１３の一方側又は両側において、ｙ軸に交差（直交）する平面部分を周壁１３の外周面に形成してもよい。

特に、ｘ軸方向における周壁１３の一方側のみに平面部分を設ける場合には、ｙ軸方向についても周壁１３の一方側のみに平面部分を設けることができる。この場合には、周壁１３の外周面に対して２つの平面部分が設けられることになる。また、ｘ軸方向における周壁１３の両側に平面部分を設ける場合には、ｙ軸方向についても周壁１３の両側に平面部分を設けることができる。この場合には、周壁１３の外周面に対して４つの平面部分が設けられることになる。

このように周壁１３の外周面に平面部分を設けることにより、当該平面部分を利用して、電子ペン２００のホルダ３３に対する本体部１０（すなわち、３軸力センサ１００）の位置決めを容易且つ確実に行うことが可能になる。なお、図２のような円筒状の外周面を有する周壁１３に対して、アライメントマークを設けることによって、ホルダ３３に対する本体部１０の位置決めを可能としてもよい。

本実施形態のひずみゲージ２０は、その基材２１（図４参照）の一部分（受感領域２１ｓ）が起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられ、残り部分（不感領域２１ｎ１、２１ｎ２）が周壁１３の内周面に折り曲げられて貼り付けられる。

図４に、ひずみゲージ２０が起歪板１１に取り付けられる前の状態（展開図）を示す。ひずみゲージ２０は、図４に示す如く、基材２１と、基材２１の表面上にプリントされた回路パターンＣＰとを含む。基材２１は、受感領域２１ｓ及びこれを挟む不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を有し、回路パターンＣＰは、６つのひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２と、４つの固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２と、８つの端子Ｔ_１〜Ｔ_８と、これらを接続する配線Ｗとを含む。なお、以下の説明では、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２が受感領域２１ｓを挟む方向をｙ方向（第２方向）とし、基材２１の表面上においてｙ方向に直交する方向をｘ方向（第１方向）とする。

基材２１は、可撓性を有する樹脂フィルムであり、中央の円形状の受感領域２１ｓと、受感領域２１ｓを挟む一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２と、受感領域２１ｓと一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とをそれぞれ連結する一対の連結領域２１ｃ１、２１ｃ２とを有する。樹脂フィルムは容易に折り曲げが行えるような柔軟で屈曲性の高いものを用いることが望ましく、具体例としては、ポリエステル、ポリイミド等を使用することができる。また、受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２をそれぞれ異なる材料より形成することも可能であるが、これらを同一の材料により形成して全領域の温度特性（抵抗温度係数等）を等しくすることが望ましい。また、この場合は、一体に形成された材料（例えばポリエステル、ポリイミド等のシート）内の近傍の部位より受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２を一体に切り出して基材２１を形成することがより望ましい。これにより各領域の温度特性をより均一にすることができる。

受感領域２１ｓは、本体部１０の起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられる領域であるため、起歪板１１の裏面１１ｂと同等かそれより小さい径を有する。受感領域２１ｓの一面上には、中心ｃをｘ方向に挟んでひずみ受感素子（第１方向ひずみ受感素子）Ｘ_１、Ｘ_２が、ｙ方向に挟んでひずみ受感素子（第２方向ひずみ受感素子）Ｙ_１、Ｙ_２が形成されており、外周に沿ってひずみ受感素子（第３方向ひずみ受感素子）Ｚ_１、Ｚ_２が形成されている。

ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２は、それぞれ円弧状であり、図４に破線で示す荷重作用部１２の輪郭に沿った周方向をグリッドの幅方向として、ｘ方向に対向して形成されている。また、ひずみ受感素子Ｘ_１とひずみ受感素子Ｘ_２とは、それぞれ中心ｃから等距離の位置に形成されている。

ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２は、それぞれ円弧状であり、荷重作用部１２の輪郭に沿った周方向をグリッドの幅方向として、ｙ方向に対向して形成されている。また、ひずみ受感素子Ｙ_１とひずみ受感素子Ｙ_２とは、それぞれ中心ｃから等距離の位置に形成されている。

ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、それぞれ円弧状であり、受感領域２１ｓの周方向をグリッドの幅方向として、ｘ方向に対向して形成されている。そして、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２は、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の中心ｃとは反対側（外側）に配置されている。

一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は、ｙ方向に受感領域２１ｓを挟んでおり、それぞれｘ方向を長辺方向、ｙ方向を短辺方向とする矩形状である。

不感領域２１ｎ１の表面上における受感領域２１ｓから遠い部分には、それぞれｘ方向に延びる固定抵抗素子（第１方向固定抵抗素子）ＲＸ_１、ＲＸ_２が、ｘ方向に並んで形成されており、受感領域２１ｓに近い部分には、ｘ方向に並ぶ４つの端子Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４が形成されている。すなわち、不感領域２１ｎ１においては、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２が端子Ｔ_１〜Ｔ_４の、受感領域２１ｓとは反対側に配置されている。

同様に、不感領域２１ｎ２の表面上における受感領域２１ｓから遠い部分には、それぞれｘ方向に延びる固定抵抗素子（第２方向固定抵抗素子）ＲＹ_１、ＲＹ_２が、ｘ方向に並んで形成されており、受感領域２１ｓに近い部分には、ｘ方向に並ぶ４つの端子Ｔ_５、Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８が形成されている。すなわち、不感領域２１ｎ２においては、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２が端子Ｔ_５〜Ｔ_８の、受感領域２１ｓとは反対側に配置されている。

受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とを連結する連結領域２１ｃ１、２１ｃ２は、それぞれ、受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２とが連結されるｙ方向に直交するｘ方向（直交方向）の寸法（幅）が受感領域２１ｓ、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２のｘ方向の寸法（幅）より小さい。そのため基材２１は、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２においてくびれた形状となっている。

図４及び図５に示すように、配線Ｗは、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２を接続して第１ブリッジ回路（第１ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ１を構成している。また、ひずみ受感素子Ｘ_１と固定抵抗素子ＲＸ_１との間に端子Ｔ_１が、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２の間に端子Ｔ_２が、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２の間に端子Ｔ_３が、ひずみ受感素子Ｘ_２と固定抵抗素子ＲＸ_２との間に端子Ｔ_４が接続されている。

同様に、配線Ｗは、ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を接続して第２ブリッジ回路（第２ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ２を構成している。ひずみ受感素子Ｙ_１と固定抵抗素子ＲＹ_１の間に端子Ｔ_８が、ひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２の間に端子Ｔ_６が、固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２の間に端子Ｔ_７が、ひずみ受感素子Ｙ_２と固定抵抗素子ＲＹ_２の間に端子Ｔ_５が接続されている。

ひずみ受感素子Ｚ_１の一端はひずみ受感素子Ｘ_１と固定抵抗素子ＲＸ_１との間において第１ブリッジ回路ＢＣ１に接続されており、他端はひずみ受感素子Ｙ_１と固定抵抗素子ＲＹ_１との間において第２ブリッジ回路ＢＣ２に接続されている。同様に、ひずみ受感素子Ｚ_２の一端はひずみ受感素子Ｘ_２と固定抵抗素子ＲＸ_２との間において第１ブリッジ回路ＢＣ１に接続されており、他端はひずみ受感素子Ｙ_２と固定抵抗素子ＲＹ_２との間において第２ブリッジ回路ＢＣ２に接続されている。これにより、一対の対辺部に第１ブリッジ回路ＢＣ１と第２ブリッジ回路ＢＣ２をそれぞれ有し、他の一対の対辺部にひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２をそれぞれ有する第３ブリッジ回路（第３ホイートストンブリッジ回路）ＢＣ３を構成している。

回路パターンＣＰに含まれるひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２、配線Ｗは互いに同じ材料により、さらに好ましくは一つの材料内の近傍の部位により形成されている。この材料は、一例として銅、銅／ニッケルなどの銅合金等である。回路パターンＣＰの基材２１上へのプリントは、フォトエッチング、印刷、蒸着、スパッタリング等により行うことができる。

図３に示すように、ひずみゲージ２０は、基材２１の、回路パターンＣＰが形成された面とは反対側の面が起歪板１１の裏面１１ｂに接するように、本体部１０に貼り付けられている。

具体的には、基材２１の受感領域２１ｓは、そのｘ方向及びｙ方向が本体部１０のｘ方向及びｙ方向にそれぞれ一致し、中心ｃが軸Ａに一致するように、起歪板１１の裏面１１ｂに貼り付けられている。すなわち、受感領域２１ｓは、起歪板１１の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられている。したがって、基材２１の受感領域２１ｓを起歪板１１に貼り付けた状態においては、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２及びひずみ受感素子Ｙ_１、Ｙ_２は、それぞれ、ｘ方向及びｙ方向において荷重作用部１２の外側の、ひずみが比較的大きく生じる領域に配置される。

基材２１の一対の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は、それぞれ、折り曲げられて周壁１３の内周面に貼り付けられている。すなわち、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２は、起歪領域の外側に配置される。したがって、不感領域２１ｎ１に形成された端子Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、不感領域２１ｎ２に形成された端子Ｔ_５、Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８は、周壁１３の径方向内側を向いて露出している。

次に、本実施形態の３軸力センサ１００、及びひずみゲージ２０の使用方法と動作について説明する。

３軸力センサ１００を電子ペン２００に用いる場合には、まず、荷重作用部１２をペン先(すなわち、ティップ３２)に嵌合させる。次いで、端子Ｔ_１〜Ｔ_８と信号処理回路（不図示）とを、それぞれ、リード線Ｌ_１〜Ｌ_８を用いて接続する。端子Ｔ_１〜Ｔ_８とリード線Ｌ_１〜Ｌ_８の接合は任意の方法で行うことができ、例えばはんだや異方性導電フィルム（ＡＣＦ）を用いて行うことができる。

端子Ｔ_１、Ｔ_５は、それぞれ、リード線Ｌ_１、Ｌ_５により、電源（不図示）に接続される。端子Ｔ_２、Ｔ_３、端子Ｔ_６、Ｔ_７、端子Ｔ_４、Ｔ_８は、それぞれ、リード線Ｌ_２、Ｌ_３、リード線Ｌ_６、Ｌ_７、リード線Ｌ_４、Ｌ_８により、信号処理回路内のアンプ（不図示）を介して、信号処理回路内の演算部（不図示）に接続される。

３軸力センサ１００の動作時には、電源により端子Ｔ_１と端子Ｔ_５との間に入力電圧Ｅｉをかける。第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を構成する各ひずみ受感素子の抵抗値及び各固定抵抗素子の抵抗値は、基材２１の受感領域２１ｓにたわみがない状態において、端子Ｔ_２、Ｔ_３間で電圧が等しくなり、端子Ｔ_６、Ｔ_７間で電圧が等しくなり、端子Ｔ_４、Ｔ_８間で電圧が等しくなるように調整されている。

したがって、図６（ａ）に示す如く起歪板１１にひずみが生じておらず、受感領域２１ｓにたわみがない状態においては、端子Ｔ_２、Ｔ_３間、端子Ｔ_６、Ｔ_７間、端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差はなく、演算部はひずみを算出しない。

次に、図６（ｂ）に示す如く荷重作用部１２にｘ方向の荷重が付加されると、荷重作用部１２が荷重を受けて移動し、起歪板１１にひずみを生じさせる。この時、起歪板１１に貼り付けられたひずみゲージ２０の基材２１の受感領域２１ｓも起歪板１１と一体にたわみ、ひずみ受感素子Ｘ_１には圧縮ひずみが、ひずみ受感素子Ｘ_２には伸びひずみが生じる。

これにより、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２の抵抗値がそれぞれ変化し、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２を含む第１ブリッジ回路ＢＣ１の端子Ｔ_２、Ｔ_３間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板１１に生じたひずみの量を求め、荷重作用部１２に作用したｃ方向の荷重の大きさを求める。なおこの時、周壁１３にはひずみは生じておらず、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２の抵抗値は一定である。

荷重作用部１２にｙ方向の荷重が付加された場合も、同様にして作用したｙ方向の荷重の大きさを求める。

荷重作用部１２にｚ方向の荷重が付加された場合には、起歪板１１及び基材２１の受感領域２１ｓは中心が突出するように湾曲するため、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２の全てにおいて延びひずみが生じる。これにより、第１ブリッジ回路ＢＣ１の合成抵抗、第２ブリッジ回路ＢＣ２の合成抵抗、ひずみ受感素子Ｚ_１、Ｚ_２の抵抗値がそれぞれ変化し、第３ブリッジ回路ＢＣ３の端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差が生じる。演算部はこの電位差に基づいて、起歪板１１に生じたひずみの量を求め、荷重作用部１２に作用したｚ方向の荷重の大きさを求める。

ここで、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上にプリントし、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２と同一の材料により形成する意義について説明する。

（１）固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２をこのように形成することにより、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２が、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２と同一の材料で、且つこれらに近接した位置に形成されることになる。ここで、温度変化に対する抵抗値の変化の割合を示す抵抗温度係数は、材料に依存する物性値であるため、本実施形態では全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子の抵抗温度係数は等しい。また、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２が基材２１上に形成されており、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２の近傍に形成されているため、全ひずみ受感素子と全固定抵抗素子に影響する周囲温度の変化は実質的に同一となる。したがって、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値は同一の割合で変化する。

第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３においては、それぞれに含まれる抵抗素子（ひずみ受感素子及び固定抵抗素子）の間で抵抗値のバランスが変化した場合に、端子Ｔ_２、Ｔ_３間、端子Ｔ_６、Ｔ_７間、端子Ｔ_４、Ｔ_８間に電位差が生じ、これに基づきひずみが検出される。したがって周囲温度の変化によりひずみ受感素子の抵抗値及び固定抵抗素子の抵抗値の間のバランスが変化した場合には、このバランスの変化により計測誤差が生じ得る。しかしながら、本実施形態においては、周囲温度に変化が生じた場合には、全ひずみ受感素子の抵抗値と全固定抵抗素子の抵抗値が同一の割合で変化するため、周囲の温度が変化した場合でも各素子間の抵抗値のバランスは変化せず、計測誤差の発生が抑制される。なお、回路パターンＣＰの形成時に、一体の塊りとして準備された材料（銅、銅合金等）の近傍の部位を用いてひずみ受感素子等を形成することで、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２、配線Ｗの抵抗温度係数をより均一とでき、計測誤差の発生をより良好に抑制することができる。

（２）本実施形態のように、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を、基材２１の不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に形成し、不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を、本体部１０のひずみが生じない部分（起歪領域の外側）に貼り付けた場合には、固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２を温度補償用のダミーゲージとして作用させることができる。したがって、周囲温度の変化により起歪板１１を含む本体部１０に膨張や収縮が生じた場合にも、この膨張や収縮によるひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の抵抗値の変化を補償して、計測誤差の発生を抑制することができる。

（３）固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上にプリントして形成することにより、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を、それぞれ、基材２１上で完結した閉回路として形成することができる。

ブリッジ回路を構成するひずみ受感素子を基材上にプリントし、ブリッジ回路を構成する固定抵抗素子を基材の外部、例えば信号処理回路に設ける場合には、ブリッジ回路を閉回路とするために、基材上のひずみ受感素子と信号処理部の固定抵抗素子とをリード線等により接続する必要がある。この場合、基材上の配線とリード線との接続は、基材上に設けられた電極にリード線を接合して行うが、電極とリード線との接合部に接合抵抗が生じるとこれがブリッジ回路内の抵抗となり大きなひずみ検出誤差の原因となるため、接合方法は、接合抵抗が実質的に無視できるほど小さいはんだ接合に限られている。

しかしながら、はんだ接合を良好に行うためには、基材上に比較的大きな電極を設け、且つ複数の電極間のピッチを確保する必要があるため、基材が大きくなってしまう。また、はんだ接合を良好に行うためにはある程度の厚みを有してはんだを盛る必要があるため、３軸力センサの小型化の妨げにもなる。

これに対し、本実施形態では、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３が、それぞれ、基材２１上で完結した閉回路として形成されており、端子Ｔ_１〜Ｔ_８を介した基材２１と信号処理部との接続は、第１ブリッジ回路ＢＣ１、第２ブリッジ回路ＢＣ２、第３ブリッジ回路ＢＣ３を電源や演算部に接続するための接合にすぎない。したがって、本実施形態においては、端子Ｔ_１〜Ｔ_８とリード線Ｌ_１〜Ｌ_８との接合部において接合抵抗の発生が許容され、はんだ接合以外の任意の接合方法、例えば異方性導電フィルムを用いた接合を採用することができる。なお、異方性導電フィルムを用いることにより、電極の大きさ、電極間のピッチ、接合部の厚さをいずれもはんだ接合の場合の１０分の１程度に抑えることができるため、３軸力センサ１００の小型化を望む場合には異方性導電フィルムによる接合が有利である。

本実施形態のひずみゲージ２０、及び、３軸力センサ１００の効果は以下の通りである。

ひずみゲージ２０は、第１ブリッジ回路ＢＣ１の固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、第２ブリッジ回路ＢＣ２の固定抵抗素子ＲＹ_１、ＲＹ_２を基材２１上に形成しているため、上記（２）、（３）の効果を奏することができ、更に固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２をひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２と同一の材料により形成しているため上記（１）の効果を奏することができる。

ひずみゲージ２０においては、受感領域２１ｓには、ひずみ受感素子Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｚ_１、Ｚ_２のみが形成されており、端子Ｔ_１〜Ｔ_８及び固定抵抗素子ＲＸ_１、ＲＸ_２、ＲＹ_１、ＲＹ_２は不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に形成されている。したがって、受感領域２１ｓの径（寸法）を小さくすることができ、ひいては３軸力センサ１００の起歪板１１を小さくすることができる。起歪板１１の小型化は３軸力センサ１００の小型化につながり好もしい。

ひずみゲージ２０においては、端子Ｔ_１〜Ｔ_８が不感領域２１ｎ１、２１ｎ２に設けられているため、必要に応じて、受感領域２１ｓの径を大きくすることなく、端子Ｔ_１〜Ｔ_８の寸法を大きくし、リード線等との接合作業を容易とすることができる。

ひずみゲージ２０の基材２１は、受感領域２１ｓと不感領域２１ｎ１、２１ｎ２の間に、受感領域２１ｓ及び不感領域２１ｎ１、２１ｎ２よりも幅の狭い連結領域２１ｃ１、２１ｃ２を有するため、受感領域２１ｓ及び不感領域２１ｎ１、２１ｎ２を、連結領域２１ｃ１、２１ｃ２との接続部に規制されることなく様々な態様で配置することができる。

本実施形態の３軸力センサ１００及び電子ペン２００は、ひずみゲージ２０を備えるため、ひずみゲージ２０の効果と同様の効果を奏することができる。

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１０ 本体部
１１ 起歪板（起歪部材）
１２ 荷重作用部
１３ 周壁
２０ ひずみゲージ
２１ 基材
２１ｓ 受感領域
２１ｃ１、２１ｃ２ 連結領域
２１ｎ１、２１ｎ２ 不感領域
３１、３２ ティップ
３３ ホルダ
３４ ボディ
３５ フロントキャップ
１００ ３軸力センサ
２００ 電子ペン
ＢＣ１ 第１ブリッジ回路（第１ホイートストンブリッジ回路）
ＢＣ２ 第２ブリッジ回路（第２ホイートストンブリッジ回路）
ＢＣ３ 第３ブリッジ回路（第３ホイートストンブリッジ回路）
ＲＸ_１、ＲＸ_２ 固定抵抗素子（第１方向固定抵抗素子）
ＲＹ_１、ＲＹ_２ 固定抵抗素子（第２方向固定抵抗素子）
Ｔ_１〜Ｔ_８ 端子
Ｘ_１、Ｘ_２ ひずみ受感素子（第１方向ひずみ受感素子）
Ｙ_１、Ｙ_２ ひずみ受感素子（第２方向ひずみ受感素子）
Ｚ_１、Ｚ_２ ひずみ受感素子（第３方向ひずみ受感素子）

Claims (3)

1. 荷重を受けてひずむ起歪部材に取り付けられて、前記起歪部材の第１方向に作用する荷重の第１ホイートストンブリッジ回路による検出、前記起歪部材の第１方向に直交する第２方向に作用する荷重の第２ホイートストンブリッジ回路による検出、並びに前記起歪部材の第１及び第２方向に直交する第３方向に作用する荷重の第３ホイートストンブリッジ回路による検出に用いられるひずみゲージであって、
   可撓性の基材と、
   前記基材上に形成された回路パターンと、を備え、
   前記基材は、前記起歪部材の荷重を受けてひずみが生じる起歪領域に取り付けられる受感領域と、前記起歪領域の外側に配置される一対の不感領域と、前記受感領域と前記不感領域とを連結する連結領域と、を有し、
   前記連結領域の、前記受感領域と前記不感領域とが連結される方向に直交する直交方向の寸法が、前記受感領域及び前記不感領域の前記直交方向の寸法よりも小さく、
   前記回路パターンは、前記第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向ひずみ受感素子と、前記第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向ひずみ受感素子と、前記第３ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第３方向ひずみ受感素子と、前記第１ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第１方向固定抵抗素子と、前記第２ホイートストンブリッジ回路を構成する２つの第２方向固定抵抗素子と、を含み、
   前記第１方向ひずみ受感素子、前記第２方向ひずみ受感素子、前記第３方向ひずみ受感素子、並びに前記第１方向固定抵抗素子及び前記第２方向固定抵抗素子は同一材料で形成されており、
   前記第１方向ひずみ受感素子、前記第２方向ひずみ受感素子及び前記第３方向ひずみ受感素子は、前記受感領域に形成されており、
   前記第１方向固定抵抗素子及び前記第２方向固定抵抗素子は、前記不感領域に形成されており、
   前記第３方向ひずみ受感素子は、前記第１ホイートストンブリッジ回路と前記第２ホイートストンブリッジ回路とを接続して前記第３ホイートストンブリッジ回路を構成する、
   ひずみゲージ。
2. 請求項１に記載のひずみゲージと、
   板状の前記起歪部材と、
   前記起歪部材に接続された荷重作用部と、
   を備えた３軸力センサ。
3. 前記起歪部材の前記荷重作用部が接続される面とは反対側の面の周縁部から、前記第３方向に直立する周壁、をさらに備え、
   前記不感領域が、前記周壁の内周面に貼り付けられている、
   請求項２に記載の３軸力センサ。

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