JP4322016B2 - 応力センサの製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパーソナルコンピュータ用ポインティングディバイスに用いる応力センサの製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板面に歪ゲージと、応力受け部材としてのポストが配され、そのポストへの応力付与が前記基板を撓ませて前記歪ゲージを刺激し、当該刺激による前記歪ゲージの特性値変化により、付与された応力の方向を把握し得る応力センサについては、例えば特開２０００−２６７８０３号公報にその開示がある。当該公報をはじめとする公知の刊行物等では、付与された応力に対する歪ゲージの特性値変化を調整する技術については触れられていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばパーソナルコンピュータ用ポインティングディバイスに用いる応力センサのように、複数の歪ゲージ感度を揃えることは、応力センサを大量生産する場合には、製品不良率を低減する意味で非常に重要な事項である。本発明が解決しようとする課題は、付与された応力に対する歪ゲージ感度が揃った応力センサを提供することである。
【０００４】
【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、基板１面に歪ゲージ２と、応力受け部材としてのポスト３が配され、そのポスト３への応力付与が前記基板１を撓ませて前記歪ゲージ２を刺激し、当該刺激による前記歪ゲージ２の特性値変化により、付与された応力の方向を把握し得る応力センサの製造法は、前記基板はその内層に金属箔からなる凹部形成阻害部材を有するものであって、所定の荷重をポスト３に付与する第２の工程と、当該荷重に対する歪ゲージ２特性値を測定する第３の工程と、当該特性値が所望の値となるまで基板１面に凹部４を形成する第４の工程とを有し、第２〜第４の工程をこの順に実施することを特徴とする。以上が少なくとも本発明の応力センサの製造法を構成する要件である。
【０００５】
ここで一般に応力センサは、上記抵抗値等の電気特性を検知、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、説明の便宜上前記制御部を除いた部分について「応力センサ」と表現することとする。
【０００６】
上記本発明の応力センサの製造法の概要を図１に示した。上記第２の工程は、所定の荷重をポスト３に付与する工程である。例えば図２に示すような錘８と滑車９とで主として機能する、一定の応力を付与可能な応力付与装置を用いる。ここで前記所定の荷重を「ｂ」とする。
【０００７】
上記第３の工程は、上記荷重（一定の応力）に対する歪ゲージ２特性値を測定する工程である。ここでかかる荷重状態における歪ゲージ２の特性値をａ’とする。
【０００８】
上記第４の工程は、３の工程における当該特性値が所望の値となるまで基板１面に凹部４を形成する工程である。ここで所望の値がａ’の絶対値である場合には、その絶対値となるまで基板１面に凹部４を形成する。
【０００９】
またここで所望の値が歪ゲージ２特性値変化率である場合には、上記第２〜第４の工程に先んじて、ポスト３に応力を付与しない状態の歪ゲージ２特性値を測定する第１の工程を設ける。ここでかかる第１の工程における無荷重状態の歪ゲージ２の特性値を「ａ」とする。そして例えば（ａ’−ａ）の値若しくは（ａ’−ａ）／ｂの値が所望の値となるまで基板１面に凹部４を形成する。
【００１０】
凹部４の形成方法は、基板１の一部を除去し得る種々の方法を採用することができる。例えばレーザ照射法や、いわゆるサンドブラスト法等である。中でも前記レーザ照射法は、一般に凹部４形成速度が速いこと、凹部４形成位置精度が極めて高いこと等の利点を有しているため、好適である。
【００１１】
また「基板１面」に凹部４を形成することから、歪ゲージ２が既に配されている基板１面部分には凹部４を形成することはできないため、当該部分はここでいう「基板１面」ではない。但し歪ゲージ２が配されている側の基板１面であって、歪ゲージ２近傍に凹部４を形成することを本発明から除外するものではない。
【００１２】
凹部４を形成することにより、基板１の当該凹部４が撓み易くなる。凹部４が局部的に基板１を薄くしているためである。すると凹部４の形成の進行に伴って一定の応力に対する歪ゲージ２特性値ａ’が徐々に変化する。第１の工程を有する場合には、凹部４形成の進行に伴って（ａ’−ａ）の値が徐々に大きくなる。そして所望のａ’若しくは（ａ’−ａ）の値となった時点で凹部４の形成を終了させることで、付与された応力に対する歪ゲージ２感度が揃った応力センサを提供することができる。
【００１３】
ここで歪ゲージ２の上記「特性値」には、例えばポスト３底面の輪郭部分に配した４つの抵抗素子からなる歪ゲージ２を図５に示すようなブリッジ回路とし、当該ブリッジ回路から出力・把握される電流値又は電圧値を含む。図５には例えば図３及び図４に示すような、ポスト３底面の輪郭を跨ぐよう、且つポスト３底面の中心から等角度間隔に歪ゲージ２（抵抗素子）を４つ配置した場合の前記ブリッジ回路の電気信号入出力の一例の概要を示した。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。これでポスト３に対し、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。またポスト３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。
【００１４】
上記本発明の応力センサの製造法を構成する要件を少なくとも備えた応力センサの製造法において、歪ゲージ２への刺激が当該歪ゲージ２の伸縮を伴い、当該伸縮方向に実質的に沿った直線であって当該歪ゲージ２の実質的な中心を通る直線に沿って基板１面に凹部４を形成することが好ましい。図３に当該凹部４形成後の応力センサの一例の平面図を示した。同図で、破線で示した歪ゲージ２は、基板１の裏側に配されている。
【００１５】
図３に示した応力センサには４つの歪ゲージ２がポスト３底面の輪郭を跨って配置されている。従ってポスト３に応力を付与し、基板１を撓ませた場合には、歪ゲージ２が伸縮する。各々の歪ゲージ２の伸縮方向は、基板１の中心から各々の歪ゲージ２の中心を通る直線方向となる。図３に示した応力センサには、前記伸縮方向に実質的に沿った直線であって当該歪ゲージ２の実質的な中心を通る直線に沿って基板１面に凹部４が形成されていることがわかる。
【００１６】
このように凹部４形成箇所を前記伸縮方向に実質的に沿った直線であって当該歪ゲージ２の実質的な中心を通る直線に沿うように形成することが好ましい理由を説明する。このように凹部４を形成することで、実際に応力を付与した方向と、応力センサから出力される「応力付与方向」についての情報のずれを無視できる程度に小さく、又は無くすることができる。凹部４の存在が基板１の撓み易さに寄与することはあっても、基板１の撓み易くなる「方向」を変更することがないためである。かかる変更があると、応力の基板１への伝達のされ方が乱れて、付与された応力の方向が正確に歪ゲージ２へ伝達されなくなり、上記「情報のずれ」を生ずる結果となる。
【００１７】
このように上記「情報のずれ」を無視できる程度に小さく、又は無くすることができると、応力の方向を感知する応力センサである、例えばパーソナルコンピュータ用ポインティングディバイスとして本発明に係る応力センサを用いる場合に特に好適となる。その理由は、ユーザの指示するｘ，ｙ方向へのマウスカーソルの移動命令等のため、又はｚ方向へのクリック動作のため等に付与された応力に対して、正確な出力を取り出すことができ、ユーザの感覚通りにパーソナルコンピュータへの命令を実行でき、ユーザの操作性向上を実現できるためである。
【００１８】
上記本発明の応力センサの製造法を構成する要件を少なくとも備えた応力センサの製造法において、歪ゲージ２への刺激が当該歪ゲージ２の伸縮を伴い、当該伸縮方向に実質的に直交する直線に沿って基板１面に凹部４を形成する応力センサの製造法であって、当該凹部４形成の起点が当該歪ゲージ２の実質的な中心を通る前記伸縮方向に沿った直線上にあり、当該起点から前記伸縮方向に沿った直線に沿って往復移動させながら凹部４を形成し、徐々に当該往復移動距離を大きくすることが好ましい。図４に当該凹部４形成後の応力センサの一例の平面図を示した。同図で、破線で示した歪ゲージ２は、基板１の裏側に配されている。
【００１９】
かかる応力センサの製造法によっても、上記図３に示した応力センサと同様に凹部４の存在が基板１の撓み易さに寄与することはあっても、基板１の撓み易くなる「方向」を変更することがないか、又は少ないことから、上記「情報のずれ」を無視できる程度に小さく、又は無くすることができる。
【００２０】
また上記本発明の応力センサの製造法を構成する要件を少なくとも備えた応力センサの製造法において、基板１内層に凹部形成阻害部材を有することが好ましい。極端に深い凹部４の存在は、基板１の撓みによって破壊するおそれがある場合があるためである。凹部４形成手段がレーザ照射である場合の、凹部形成阻害部材は、例えば銅等の金属箔である。図１に当該金属箔を内層金属５として示した。かかる内層金属５は、レーザ光を反射するためそれよりも下層への凹部４形成を阻害し得る。凹部４の存在により基板１を撓み易くする手法には、当該凹部４深さを大とするばかりでなく、当該凹部４面積が基板１全体を占める比を大とする手段もある。基板１内層に凹部形成阻害部材を存在させることは、凹部４面積が基板１全体を占める比を大とすることで基板１を撓み易くするよう調整する考え方を主として採用したものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、プリプレグを複数枚積層し、且つ後に内層金属５となる銅箔を当該プリプレグ間に挿入した後、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１となる。そして基板１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１６及び電極１２が図６に示すように形成（パターニング）される。電極１２間距離は１．２ｍｍ程度である。
【００２２】
次いで基板１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１２表裏面の配線１６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１６及び電極１２表面にも析出する。その結果配線１６、電極１２のそれぞれの高さは、３０〜５０μｍの略一定値になる。
【００２３】
次いで基板１の電極１２が形成された面に、スクリーン印刷技術により抵抗体１３を配し、加熱硬化する。これで図６に示すような対となる電極１２及び抵抗体１３からなる抵抗素子が、応力センサ一つあたり四つ同時に形成された。ここで抵抗体１３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。四つの抵抗素子は、それらの抵抗値を略同等とするため、レーザトリミング工程に供される。
【００２４】
その後基板１の略中央であって抵抗素子が形成された基板１面とは逆側の面に、アルミナセラミック製ポスト３を固定する。かかる固定にはエポキシ系接着剤を用いた。
【００２５】
次いで本発明に係る基板１への凹部４形成工程を実施する。以下にその手順を説明する。まず基板１の外端を固定する。かかる固定は、例えば基板１の四隅に、穴を設け、当該穴を介して固定用冶具にネジにより固定する等による。
【００２６】
次に本例の応力センサに対し応力を付与しない状態での歪ゲージ２（抵抗素子）特性値を把握する（上述した「第１の工程」に相当）。かかる特性値の把握は、図４に示す本発明の応力センサ動作時の上記ブリッジ回路の電気信号入出力と略同じ手順による。このブリッジ回路の電圧印加端子（Ｖｃｃ）−（ＧＮＤ）間に一定の電圧が印加される。そしてＸｏｕｔ−ＧＮＤ間の電圧を測定し、これを応力を付与しない状態での歪ゲージ２（抵抗素子）特性値とする。Ｙｏｕｔについても同様である。
【００２７】
次にポスト８へ所定の応力を付与し（上述した「第２の工程」に相当）、同様にＸｏｕｔ−ＧＮＤ間の電圧を測定し（上述した「第３の工程」に相当）、これを応力付与状態での歪ゲージ２（抵抗素子）特性値とする。応力が付与されたことによるＸｏｕｔ−ＧＮＤ間の電圧の変化、即ち（応力付与状態の特性値）−（応力付与状態特性値）がＸｏｕｔ出力電圧となる。Ｙｏｕｔについても同様に測定する。
【００２８】
ここで上記応力付与状態を形成する方法は、図２に示す荷重付加部材７により一定の荷重をポスト３側面に付与する方法とする。当該一定の荷重は、錘８の質量に依存する。エアシリンダ１１の作動により、荷重付加部材７のストッパ１０を自由にすることで、錘８を下降させ、滑車９を介して荷重付加部材７が応力センサのポスト３側面を錘８の重量分だけ押圧するのである。かかる押圧を、図６におけるポスト３を、各々４つの歪ゲージ２（抵抗素子）側に倒す方向（Ｘ，Ｙ方向）について行う。
【００２９】
各々の歪ゲージ２（抵抗素子）側に倒す方向に応力を付与したときの上記出力電圧を所望の値とすべく、レーザ照射装置６にて、歪ゲージ２が配された基板１面とは反対側の基板１面に凹部４を形成する（上述した「第４の工程」に相当）。かかる凹部４は、図３に示すように形成する。ここでレーザ照射は、基板１外端側からポスト３に向かって移動させることにより、出力電圧が所望の値となるまで溝状の凹部４を形成した。以上で本発明に係る基板１への凹部４形成工程が終了する。
【００３０】
本例では基板１材料をガラス繊維混入エポキシ系樹脂とし、ポスト３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３と基板１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１材料を樹脂系材料として、凹部４を加工・形成し易くすることが好ましい。
【００３１】
また本例では、Ｘ，Ｙ方向にポスト３を押圧した際に検出される歪ゲージ２特性値に基づき、出力電圧が所望の値となるまで凹部４を形成する過程を経て本発明に係る応力センサを得ている。しかし前記検出される歪ゲージ２特性値は、Ｘ，Ｙ方向にポスト３を押圧した際に検出される歪ゲージ２特性値に限られない。応力センサの用途によっては例えば、ポスト３頂面を押圧する方向（Ｚ方向）に対する歪ゲージ２特性値に基づき、凹部４を形成することができる。またこれらＸ，Ｙ，Ｚの全ての方向へのポスト３の押圧に対する歪ゲージ２特性値に基づき、凹部４を形成することができることは言うまでもない。
【００３２】
図７は、本発明の応力センサの製造法に係る凹部４形成位置の他の例を平面図として示したものである。同図で、破線で示した歪ゲージ２は、基板１の裏側に配されている。
【００３３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、凹部４形成位置と、歪ゲージ２配置位置との距離を大きくした例である。この構成にすることにより、凹部４形成の過程において極力歪ゲージ２の損傷を抑えることができる。また上述した「情報のずれ」を無視できる程度に小さく、又は無くすることができる構成でもある。
【００３４】
図７（ｃ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）同様凹部４形成位置と、歪ゲージ２配置位置との距離を大きくした例であるが、凹部４形状を略円形としている点で異なる。図７（ａ）及び図７（ｂ）の構成にて得られる利点に加え、ポスト３底面の輪郭の中で最も応力の集中するポスト３角部付近の基板１部分を集中的に撓み易くすることで、少ない凹部４形成量（深さ、長さ）で所望の歪ゲージ２特性値を得ることができる。即ち基板１を極力損傷させない利点がある。
【００３５】
図７（ｄ）は、図７（ｃ）の構成において、集中的に撓み易い部分に歪ゲージ２を配置することで、更に少ない凹部４形成量（深さ、長さ）で所望の歪ゲージ２特性値を得ることができる利点がある。
【００３６】
図７（ｅ）は、図７（ｃ）の構成において、凹部４を歪ゲージ２存在部分に集中的に形成したものである。比較的少ない凹部４形成量（深さ、長さ）で所望の歪ゲージ２特性値を得ることができる利点がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明により、基板１面に歪ゲージ２と、応力受け部材としてのポスト３が配され、そのポスト３への応力付与が前記基板１を撓ませて前記歪ゲージ２を刺激し、当該刺激による前記歪ゲージ２の特性値変化により、付与された応力の方向を把握し得る応力センサの製造法において、付与された応力に対する歪ゲージ感度が揃った応力センサを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の応力センサの製造法の概要を示す当該応力センサ側面図である。
【図２】所定の荷重をポストに付与する手段の例を示す図である。
【図３】本発明に係る応力センサの一例の平面図を示す図である。
【図４】本発明に係る応力センサの一例の平面図を示す図である。
【図５】本発明の応力センサの製造法に係る特性値測定法を説明する図である。
【図６】本発明の応力センサの製造法に係るポスト３と歪ゲージ２である抵抗素子との位置関係を示した図である。
【図７】本発明の応力センサの製造法に係る凹部４形成位置の例の平面図である。
【符号の説明】
１．基板
２．歪ゲージ
３．ポスト
４．凹部
５．内層金属
６．レーザ照射装置
７．荷重付加部材
８．錘
９．滑車
１０．ストッパ
１１．エアシリンダ
１２．電極
１３．抵抗体
１６．配線

Claims (5)

1. 基板面に歪ゲージと、応力受け部材としてのポストが配され、そのポストへの応力付与が前記基板を撓ませて前記歪ゲージを刺激し、当該刺激による前記歪ゲージの特性値変化により、付与された応力の方向を把握し得る応力センサの製造法において、
   前記基板はその内層に金属箔からなる凹部形成阻害部材を有するものであって、
   所定の荷重を前記ポストに付与する第２の工程と、
   当該荷重に対する歪ゲージ特性値を測定する第３の工程と、
   当該特性値が所望の値となるまで基板面に凹部を形成する第４の工程とを有し、
   第２〜第４の工程をこの順に実施することを特徴とする応力センサの製造法。
2. 第２の工程の前に、前記ポストに応力を付与しない状態の歪ゲージ特性値を測定する第１の工程を有することを特徴とする請求項１記載の応力センサの製造法。
3. 凹部を形成する手段が、レーザ照射であることを特徴とする請求項１又は２記載の応力センサの製造法。
4. 歪ゲージへの刺激が当該歪ゲージの伸縮を伴い、当該伸縮方向に実質的に沿った直線であって当該歪ゲージの実質的な中心を通る直線に沿って基板面に凹部を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の応力センサの製造法。
5. 歪ゲージへの刺激が当該歪ゲージの伸縮を伴い、当該伸縮方向に実質的に直交する直線沿って基板面に凹部を形成する応力センサの製造法であって、
   当該凹部形成の起点が当該歪ゲージの実質的な中心を通る前記伸縮方向に沿った直線上にあり、当該起点から前記伸縮方向に沿った直線に沿って往復移動させながら凹部を形成し、徐々に当該往復移動距離を大きくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の応力センサの製造法。

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