JPH03284257A - かみ合わせ検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、かみ合わせを検出するための検出センサに
係り、特に歯をかんだ時の上歯と下歯との接触状況と、
かむ力すなわち、そしゃく力や歯車の接触圧等を計測・
表示するのに用いられるかみ合わせ検出センサに関する
。

〔従来の技術〕

人間が歯をかみ合わせたときの噛み合わせ具合や、そし
ゃく力を高分解・高精度に計測・表示する技術思想が要
望されている。

例えば、歯のかみ合わせ具合や、そしゃく力を定量的・
定性的にデータ等で計測５表示する方法が確立されれば
、入歯や虫歯の治療を行う際、医者が治療に必要な該デ
ータ等を得ることができると同時に、患者にも治療の進
展具合を具体的、がつ２わかり易く説明することができ
るので、治療を行う上で多大な効果が期待できる。

また、歯のそしゃく力は人間の健康状態の善悪（体調）
と密接に関係するといわれており、健康増進の面からも
定量的・定性的に計測・表示する装置の開発が要望され
ている。

従来、歯のかみ合わせ具合や、そしゃく力を検出・表示
する方法としては、カーボン紙のようなものの変色具合
や、プラスチック薄板が応力を受けることにより偏極す
る現象を調べてなしてきたが、これらの方法は定量性に
欠けると共に、応力による接触具合は認知できたとして
も接触圧、特にかむ力を検出することは困難であり、特
に後者では検出するための装置が高価格になるという問
題点もあった。

一方、最近では、歪み検出部に、導電性カーボンインク
の抵抗値が加える圧力によって急峻に変化する“スイッ
チング゛効果を利用して検知する構造の歪みセンサを、
格子状に配列した歯型センサが開発されている。この歯
型センサは、厚みが１ｍｍ程度であり、１ｍ「間隔で配
列された歪みセンサにより接触部の分布を粗く測定でき
、かつ、信号処理により接触の様子をＣＲＴ等の画面上
に表示できるという特徴を有している。

しかしながら−この場合、該歪み検出部には１枚のシー
ト状のカーボンインクフィルムを用いており、また歪み
検出部における歪み検出素子間の素子分離は上下にスト
リップライン状の電極のクロス部を用いているので、同
一ストリップライン状の周囲の素子による影響を受ける
ために格子状に配列された素子間隔を狭くすることすな
わち、面内分解能を高めることが困難である上、カーボ
ンインクフィルムの抵抗値のスイッヂング効果を利用し
ているために、そしゃく力を定量的に計測することがで
きなかった。

この技術内容は、　　参考文献として 中島幸−著「歯科と全身との関わりをもとめて［日本歯
科評論Ｊａｎ、１９８９．Ｎｏ、５５５．ＰＰ１６３−
１７７）　Ｊや米国パテント第４，７３４，０３４号ｒ
　Ｃｏｎｔａｃｔ　５ｅｎｓｏｒＦｏｒ　Ｍｅａｓｕｒ
ｉｎｇ　Ｄｅｎｔａｌ　０ｃｃｌｕｓｉｏｎコなどがあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上に述べたように、歯をかんだ時のかみ合わせ具合や
そしゃく力を定量的、かつ、高分解で計測・表示するの
に不可欠なかみ合わせ検出センサを実現することが本発
明の課題である。

このような歯のかみ合わせ具合と、そしゃく力を定量的
に、高分解能をもって計測し、表示することができるセ
ンサとして具備すべき要件は、（１）薄い構造であるこ
と、 （２）カー電気変換ができること、 （３）面のひろがりをもった計測ができること、（４）
計測できるダイナミックレンジが広いこと、（５）面の
ひろがりの中で、計測位置の分解能を備えること、 （６）可撓性があること、 （７）人体に有害でない素材で作り得ること、などがあ
げられる。

［課題を解決するための手段〕 周知のように歯をかむことにより、上歯と下書の間に狭
まれた物体は力を受けるので、歯をかんだ時のかみ合わ
せ具合を計測・表示するには、力を電気信号や光信号に
変換することが不可欠であるとの観点より鋭意研究開発
を行なってきた。力を電気信号や光信号に変換して検知
する基本的技術手段としては、すでに同一発明者・同−
出願人等により［ひずみゲージ（特許第１５３３５３８
号）」、［圧力センサ（特開昭６２−１５８３６７号）
１、［変位測定装置（特開平１−２９７１２号）］、［
圧力検出器（特開平１−２９７２７号）」等に開示され
ている。

この発明は、これらの開示された発明を基礎にしてなさ
れたものであり、面内分解能の向上、そしゃ（力の定量
的な評価を実現する上では、（１）微細加工技術に優れ
た半導体加工技術の導入が不可欠であること、 （２）また、歯のかみ合わせ面積としては少なくとも１
０ｃｍＸ　１０ｃｍ角程度０検出面積が必要なこと、（
３）さらに、歯のかみ合わせ具合を正確に評価する上で
検出手段に用いられるセンサの膜厚はできるだけ薄くで
きること、 （４）また、可撓性に優れていること、などが条件とな
る。

これらの条件を満足する。カー電気変換用の歪み検出素
子としてアモルファスシリコンの有するゲージ特性を活
用することとした。特に薄膜技術で作製可能な超小形の
アモルファスシリコン歪み検出素子をアレイ状に高密度
に配列することにより高分解能を実現した。また、そし
ゃく力の検出は、歪み検出素子のダイナミックレンジを
大きくできる構造すなわち、素子分離を良くする構造を
採用することにより実現した。

〔作用］ 第２図にアモルファスＳｉ薄膜のゲージ特性を示す。力
ＦがアモルファスＳｉ薄膜２ｄに加えられた場合に歪み
ε（＝ΔＩｔ／Ｉｌ＞が生じ、その結果、抵抗値変化は
次式で与えられる。

ΔＲ／Ｒ−ε・Ｇ　　　−−−一一一−−−〜−−−−
−−−−（１）ただし、Ｇはゲージ率でアモルファス５
ｉＦｉＩ膜２ｄでは縦効果で２０〜４０である。

また、ｐｉｎ構造では２００程度と大きな値が得られて
いる。

一方、力Ｆと歪みεには次の関係がある。

ε−Ｆ　／　Ｙ　　　　　　−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−（２）ただし、ＹはアモルファスＳｉ薄
膜２ｄのヤング率を表す。したがって、（１）式と（２
）式より、抵抗値変化は ΔＲ／　Ｒ＝　Ｃ，−Ｆ　／　Ｙ　　　−−−−−−−
−−−−−−−（３）で与えられる。

したがって、抵抗値変化を計測することにより上歯と下
歯をかんだ時のそしゃく力Ｆを計測することができる。

なお、アモルファスＳｉ薄膜２ｄのゲージ率のダイナミ
ックレンジとしては５桁以上有することを確認している
。

一方、上歯と下歯の接触状況は、素子面積の小さな歪み
検出素子をアレイ状に配列し、抵抗値変化分の有する歪
み検出素子の位置を二次元上に表示することにより認識
することができる。

〔実施例〕

本発明によるかみ合わせ検出センサの一実施例を第１図
に示す。

この発明によるかみ合わせ検出センサは、可撓性を有し
、かつ１丈夫な絶縁性基板１上に被測定物体の形状に合
わせ、マトリックス状に互いが分離して配列された複数
個の歪み検出素子２ａが設けられた歪み検出部２と、該
歪み検出部２に所定の電気信号を供給する信号供給手段
３と、かみ合わせ状態に応じて該歪み検出部２に加えら
れた力に応じて発生した歪み量を検出する検出手段４と
、該歪み検出部２の表面を保護するための表面保護膜５
とから構成される。

絶縁性基板１としてはできるだけ薄＜、例えば０．５　
ｎ＋ｍ以下が望ましく弾性に富み、かつ、耐熱性に優れ
た高分子薄膜（例えば、ポリフェニレンサルファイド（
ＰＰＳ）　、液晶性ポリエステル、ポリマー等）を用い
て構成される薄膜シートや金属薄板の表面を絶縁薄膜（
例えば、ポリイミド薄膜等）で覆ったものを用いること
ができる。

歪み検出部２の歪み検出素子２ａには、アモルファスＳ
ｔの薄膜抵抗体のゲージ特性を用いる方法やｐ−１−ｎ
構造ダイオードの電流−電圧特性が歪みに応じて変化す
る現象を用いる。

第２図は本発明に係るかみ合わせ検出センサに用いる薄
膜抵抗体を用いて構成した（歪み検出部２の）歪み検出
素子２ａの一実施例を示す図で、アモルファスＳｉ薄膜
２ｄ及びその上下に設けられた一対のオーミック電極２
ｂ、　２ｃとから構成される。これらのオーミック電極
としてはアルミニウム薄膜や■ＴＯＦ！膜等を、また、
アモルファスＳｉ薄膜２ｄとしてはプラズマＣＶＤ法、
光ＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマ法等を用いて比較的低温で
形成されるｎ形又はｐ形の薄膜を用いればよいが、特に
（１１１）に微結晶相が配向したｐ形アモルファスＳｔ
￥ｉｌ膜を用いることにより大きなゲージ率を得ること
ができる。アモルファスＳｉ薄膜２ｄに矢印方向の力Ｆ
が加えられると、該アモルファスＳｉ薄膜２ｄはｙ方向
に縮みすなわち、歪みεが生しるので、（３）式で与え
られるΔＲ／Ｒの抵抗値が変化する（抵抗値変化という
）。以下、この抵抗値変化を検出する検出手段４につい
て説明する。

検出手段４は、その外部に設けられた抵抗体４ｂを介し
て所定の電圧を、電圧源３ｃを用いて印加して、該抵抗
体４ｂに発生する電圧値Ｖの変化分Δ■を電圧計４ａを
用いて測定する。外部から力Ｆが加わった場合に生じた
歪み検出素子２ａの抵抗値変化分ΔＲに伴う電圧変化Δ
■は、概ね（４）式を用いて表わすことができる。

ΔＶ＃　（Ｒｏ／　（Ｒ十Ｒｏ）２） ×ΔＲＸＶ　ｏ　　　・−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−（４）信号バス６を介して制御器（図示せず
）より送られてきた制御信号に基づいて、電圧源３ｃ、
切換器３ａと３６．及びストリップライン３ｂ、　３ｅ
を介してマｉ・リックス状に配列された複数個の歪み検
出素子２ａにより構成される歪み検出部２に電気信号が
供給されると同時に歪み量に伴う抵抗値変化は電圧計４
８を用いて計測される。

電圧計４８を用いて計測された該電気信号は、信号バス
６を介して前記制御器に送られ、信号処理を行なった後
、ＣＲＴ等の画像表示を行う。

歪み検出部２に設けられた複数個の歪み検出素子２ａを
、電気的に分離する方法としては、アモルファス５ｉＦ
ｔ膜の不用部をエツチングを用いて除去し、ポリイミド
を用いて該除去部を埋めて平坦にする方法と、最初、導
電率の小さな該歪み検出素子２ａを構成するアモルファ
ス５ｉｆｆ膜を堆積しておき、レーザアニーリング等を
用いてアモルファスＳｉ薄膜の導電率を増大させる方法
とがある。

後者のレーザアニーリングでは、遮光マスクを用いるこ
とにより１００μｍ角程度の開口を有する導電率の大き
なアモルファスＳｉ薄膜の領域を形成することは、アニ
ーリング条件を最適化させることで比較的容易に実現で
きる。

第３図は本発明に係るかみ合わせ検出センサに用られる
歪み検出部２を構成する歪み検出素子２ａの他の一実施
例を示す図であり、　ｐ−１−ｎ構造ダイオードから成
ることを特徴とする。

この歪み検出素子２ａは、ｐ形（又はｎ形）アモルファ
スＳｉ薄膜２ｅ、　　４形アモルファスＳｉ！膜２ｒ及
びｎ形（又はｐ形）アモルフスＳｉ薄膜２ｇを層状に重
ねて構成し、その上下には一対のオーミック電極２ｂ、
　２ｃが設けである。

これらアモルファスＳｉ薄膜２ｅ、２ｆ、２ｇは、ブラ
ズＶＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマｃｖＤ法等
を用いて比較的低温で形成できる。

歪み検出素子２ａに、所定の電圧を電圧源３ｃを用いて
印加した状態で歪みεを加えると、該歪み検出素子２ａ
に流れる電流が変化し、その電流変化分を抵抗体４ｂを
介して電圧計４ａで読み取ることにより歪みすなわち、
外部から加えられた力Ｆを検出することができる。この
時の電流変化分はゲージ率として１００前後に相当する
。歪み検出部２の歪み検出素子２ａの電気分離としては
、全面に均一に１ ｐ−ｉ−ｎアモルファスＳｉ薄膜を堆積したのち、上方
に設けられたオーミック電極２ｂに接して設けられてい
るｐ形（又はｎ形）アモルファスＳｉ薄膜２ｅの不用部
をエツチング等により除去すればよい。この実施例にお
けるｐ形（又はｎ形）アモルファスｓｔｙ膜２ｅの厚み
としては０．１μｍ以下なので、特に処理を施さなくと
も段差による段切れ等の問題は生じない。

なお、以上の説明では歪み検出素子２ａに用いる薄膜と
して、アモルファスＳｉ薄膜を用いた例を説明したが、
アモルファスＧｅ薄膜、アモルファスＳｉＣｍ膜、アモ
ルファスＣＩ膜等を用いても同様の効果を得ることがで
きる。表面ができるだけ丈夫で、かつ９弾性に冨む絶縁
性薄膜例えば、ポリイミド薄膜等で構成された表面保護
膜５で覆うことによりかみ合わせ時の電気的短絡が生し
ないようにする。マトリック状に配列された。歪み検出
部２の歪み検出素子２ａに電気信号を供給し、また、変
位量を検出するのに用いられるストリップライン３ｂ、
　３ｅはアルミニウムストリップ線やＡｕ線を用２ いて構成できる。電圧源３ｃ＋電圧計４ａ、切換器３ａ
及び切換器３ｄは堅固で小形な筐体（図示せず）に実装
され、絶縁性基板ｌ、歪み検出素子２ａ、ストリップラ
イン３ｂ、　３ｅ及び表面保護膜５より構成される歪み
検出部２ば、前記筐体に容易に装着したり、脱着したり
できる構造の端子をそれぞれに設けである（図示せず）
。

また、この歪み検出部２は、消耗品として用いられるの
に適合するよう安価に作製できる構造としたところに特
徴がある。

以上に述べたように、本発明によるかみ合わせ検出セン
サは、プラズマＣＶＤ法等に代表されるアモルファスＳ
ｔ半導体プロセス技術と、主としてＩＣを用いたハイブ
リッド集積化技術とを組み合せて容易に実現することが
できる。

また、本発明によるかみ合わせ検出センサは、無害の物
質のみを用いて構成されているので、歯科医が上歯と下
歯のかみ合わセ具合や、そしゃく力を診断・計測するの
に安心して用いることができる。

〔発明の効果〕

次に、本発明の効果を述べる。

本発明によるかみ合わせセンサは、 アモルファスＳｉを用いて互いに素子分離ができる歪み
検出素子をプレイ状に配列したので、前記「発明が解決
しようとする課題」の項で述べた７つの要件をすべて満
足し、加えて、次に示す固有の効果を有する。

（１）ゲージ率のダイナミックレンジの大きなアモルフ
ァスＳｔを用いて歪み検出部の歪み検出素子を構成した
ので、そしゃく力を定量的に評価するかみ合わせ検出セ
ンサを初めて実現できた。

（２）微細加工技術の施せるアモルファスＳｉを用いて
微小形状の歪み検出素子をアレイ状に配列したので、面
内分解能を従来素子と比較して１桁以上向上させること
ができた。

（３）本発明によるかみ合わせ検出センサは半導体プロ
セス技術を用いて大量生産できるので安価となり、した
がって、使い捨てが可能である。

以上述べたように、本発明によるかみ合わせ検出センサ
は、歯のかみ合わせ具合やそしゃく力を定量的、かつ、
高精度で計測・表示できることがら歯科医が入歯や虫歯
の治療を行う上で極めて有効な手段を与えることができ
るので、従来のものに比べ幾多の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るかみ合わせ検出センサの一実施例
を示す図、第２図は歪み検出部の歪み検出素子の一実施
例を示す図、第３図は歪み検出素子の他の一実施例を示
す図である。 図中、　　■は絶縁性基板、２は歪み検出部、２ａは歪
み検出素子、３は信号供給手段、４は検出手段、５は表
面保護膜をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　可撓性を有する絶縁性基板（１）と、該絶縁性基板（
   １）上に、複数個の歪み検出素子（２ａ）が互いに分離
   してマトリックス状に配列され、被測定物体の形状を有
   する歪み検出部（２）と、該歪み検出部（２）に所定の
   電気信号を供給する信号供給手段（３）と、かみ合わせ
   状態に応じて該歪み検出部（２）に加えられた歪み量を
   検出する検出手段（４）と、該歪み検出部（２）を覆う
   表面保護膜（５）とを備えたことを特徴とするかみ合わ
   せ検出センサ。