JPWO2003074986A1 - 応力センサ - Google Patents

Abstract

基板（３）を撓ませることで基板３面に配した歪ゲージ５を刺激する応力センサの小型化を可能とする。そのためには、先端が自由端又は半自由端である複数の片状部（１）と、それらを支持する支持部とを有する基板（３）面に歪ゲージ（５）が配され、当該片状部（１）への応力付与に起因して歪ゲージ（５）が刺激されることにより当該歪ゲージ（５）の電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握する。例えば枠状基板（３）周縁から枠内に向けて複数の片状部（１）が導出され、当該枠状基板（３）周縁が支持部である構成を採用する。

Description

技術分野
本発明は、抵抗素子等を歪ゲージとする応力センサに関し、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、携帯電話等の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。
背景技術
抵抗素子を歪ゲージとする応力センサについては、特開２０００−２６７８０３号公報、特開平８−８７３７５号公報、特開平７−２０９１０４号公報にその開示がある。
特開２０００−２６７８０３号公報で開示されている応力センサの概要は、中央部に応力伝達部材としてのポスト３０を備え、外周部と中央部の中間に前記ポスト３０を中心として放射状に４個の抵抗素子２２を備えた肉薄の多角形又は円形セラミック基板２０をその構成要素とし、前記ポスト３０の押圧に伴い前記基板２０がその外周部を支点として撓み、前記抵抗素子２２に歪みが生じ前記ポスト３０の押圧を検出するものである（図１４，図１５）。
特開平８−８７３７５号公報で開示されている応力センサの概要は、平坦な基板３の下面の互いに９０度ずつずれた位置に、該基板３と一体的に形成された４つの歪ゲージ５を有し、基板３の上面の中心部分と接続され、前記上面に対して垂直に延在すると共に、先端部が任意の方向へ変位可能な応力伝達部材としてのスティック部４０とからなり、該スティック部４０の先端部の変位方向及び変位量を該歪ゲージ５の出力から検出するものである（図１６）。
特開平７−２０９１０４号公報で開示されている応力センサの概要は、応力伝達部材としてのレバー・アーム４１と、レバー・アーム４１が取り付けられる中央部分、ならびに力検出軸に沿って当該中央部分から外方へ突出しているほぼ平坦なタブ領域４２を有する基板３を含んでおり、外力をレバー・アーム４１の自由端部にかけたときに、タブ領域４２と当該中央部分のほぼ接合部で基板３が集中ひずみを受け、当該接合部に歪ゲージ５が配されるものである（図１７）。
上記特開２０００−２６７８０３号公報で開示されている応力センサは、多角形又は円形基板２０の中央部に配されたポスト３０への押圧が、当該基板２０を撓ませる原動力である。その撓みが歪ゲージである抵抗素子２２を刺激する。当該刺激を十分に得るには、十分な基板２０撓み量を得る必要がある。しかしセラミックからなる基板２０を用いると、その剛性から十分な撓み量を得るのは困難である。そこで力点となる基板２０の中央部から支点となる基板２０の外端までの距離を大きくし、てこの原理の応用により基板２０の撓みを促進させる必要がある。そのためには基板２０外形を大きくする必要がある。従って応力センサ全体を小型化することが困難である（図１４、図１５）。
ここで基板２０材料として柔軟な材料を選択すると、上記問題点は解消すると考えられるが、新たな問題を生ずる。新たな問題とは、基板２０の塑性変形が生じ易い点である。即ち柔軟な基板２０を繰返し撓ませると、基板２０の形状が復元しにくくなる。つまり、基板２０の弾性変形の領域を越え、塑性変形するおそれがある問題である。基板２０が塑性変形すると、その後の応力付与に対する歪ゲージ（抵抗素子２２）からの出力抵抗値が不正確となる。その理由は、塑性変形が可逆性を失った変形であり、応力を除いても復元せず、そのような基板２０上の歪ゲージは、常に基板２０の塑性変形に起因する応力が付与（刺激）されることとなるためである。そのため基板２０を撓ませることで基板２０面に配した歪ゲージを刺激する応力センサにあっては、基板２０材料にはセラミックや繊維強化プラスチックのように、ある程度の剛性及び弾性を有していることが要求されると考えられる。
また、基板２０の撓ませる部分を極端に幅狭として基板２０の撓みを促進させることは理論的には可能である。しかし応力伝達部材を介した当該幅狭部への過剰な応力集中により当該幅狭部が脆性破壊するおそれがある。加えて当該幅狭部へ歪ゲージ５を位置精度良く且つ均一な状態で形成することは、大量生産における製造工程上困難である。
上記特開平８−８７３７５号公報で開示されている応力センサについても、特開２０００−２６７８０３号公報で開示されている応力センサと同様の問題を有する。その理由は応力伝達部材としてのスティック部４０が基板３中心部分と接続され、前記上面に対して垂直に延在する構成を採用しているためである。即ち、上記力点が基板３中心部分にあり、上記支点が基板３外端にあるため、てこの原理の応用により基板３の撓みを促進させるには基板３外形を大きくする必要があり、応力センサ全体を小型化することが困難である（図１６）。
また上記特開平７−２０９１０４号公報で開示されている応力センサについても、特開２０００−２６７８０３号公報及び特開平８−８７３７５号公報で開示されている応力センサと同様の問題点を有する。その理由はレバー・アーム４１が基板３中央部分に取り付けられ、当該中央部分から外方へ突出しているほぼ平坦なタブ領域４２を有する基板３を有しており、外力をレバー・アーム４１の自由端部にかけたときに、タブ領域４２と当該中央部分のほぼ接合部で基板３が集中ひずみを受け、当該接合部に歪ゲージ５が配される構成を採用しているためである。従って上記力点となる中央部分と支点となるタブ領域４２外端との距離を相応に大きくする必要があり、応力センサ全体を小型化することが困難である（図１７）。
そこで本発明が解決しようとする課題は、基板を撓ませて基板面に配した歪ゲージを刺激することで機能する、応力センサの小型化を可能とすることである。
発明の開示
上記課題を解決するため、本発明の第１の応力センサは、先端が自由端又は半自由端である複数の片状部１と、それらを支持する支持部とを有する基板３面に歪ゲージ５が配され、当該片状部１への直接的な応力付与に起因して歪ゲージ５が刺激されることにより当該歪ゲージ５の電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする（図１、図２）。
上記「自由端」とは、応力センサが動作しない状態及び動作状態で他の部材によって実質的に固定されていない片状部１の端部をいう。また上記「半自由端」とは、応力センサが動作しない状態及び動作状態で他の部材によって一応の固定はされているが、当該固定状態であっても多少の移動や変形の自由度がある片状部１の端部をいう。また上記「自由端」及び「半自由端」の別の意義は、上記支持部によって固定されず、当該支持部とは無関係に移動・変形が可能な状態の片状部１の端部をも含む。
「支持部が片状部１を支持」する状態は、支持部と片状部１とが一体化している状態や、支持部と片状部１とが当初別部材であり、それらを接着剤等で固着した状態の双方を含む。ここで図１、図２における支持部は枠状部２に相当する。また「歪ゲージ５」は、スクリーン印刷法等による厚膜抵抗素子、スパッタリング技術による薄膜抵抗素子、市販のチップ抵抗器、圧電素子、厚膜コンデンサ素子、その他の応力が付与されることにより電気特性が変化し得る回路素子である。「基板３」の材質は、前述のようにある程度の剛性及び弾性を有していることが好ましい。例えばアルミナ等のセラミック、ガラス繊維等の強化用繊維が混入された樹脂成形体、金属板表面をガラスでコーティングした材料等が好適である。但しこれらよりも剛性に劣る柔軟な材料であっても、繰返しの応力付与に対し塑性変形を起こしにくい材料であれば好適に使用できることは言うまでもない。
「片状部１への直接的な応力付与」とは、片状部１への応力の伝達に実質的な応力の減衰を伴わない応力付与をいう。例えば上記特開平７−２０９１０４号公報で開示されている応力センサのように、基板３中央部分取り付けられたレバー・アーム４１により、当該中央部分へ付与された応力がタブ領域４２（片状部１に相当）に結果として伝達される応力の伝達経路をとる片状部１への応力付与（図１７）は、当該伝達の過程で、応力が基板３中央部分の変形にも寄与するため、片状部１への応力の伝達に実質的な応力の減衰を伴い、「片状部１への直接的な応力付与」ではない。
「複数の片状部１各々へ直接的に応力付与される」ことにより、従来に比して小さな応力で基板３を撓ませることができる。従来の技術として示した３形態の応力センサ（図１４〜図１７）は、いずれも基板３は撓ませようと意図する方向に位置する基板３外端が双方とも固定・支持されている。従って基板３中央に応力伝達部材４が配され、当該応力伝達部材４に応力付与したとしても全体としては基板３の撓みが阻害される。
それに対し上記本発明の第１の応力センサは、「複数の片状部１各々へ直接的に応力付与」する。また当該片状部１は、その先端が自由端又は半自由端となっている。従って従来の基板３の撓みを阻害する要因を除去でき、応力伝達部材４に付与した応力の損失を極力無くして当該片状部１を撓ませることができる。これにより、当該片状部１を従来のように長くする必要がなくなる。即ち基板３を撓ませることで基板３面に配した歪ゲージ５を刺激する応力センサの小型化が可能となる。
また本発明の第２の応力センサは、歪ゲージ５を板状面に有する板状部材５１が、その中央領域５２に固定又は一体化される片状部１を有し、当該中央領域５２が支持部材１６に固定された状態で当該片状部１に応力が付与される機構を有し、当該片状部１への直接的な応力付与に起因して歪ゲージ５が刺激されることにより当該歪ゲージ５の電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする。
第２の応力センサの構成の例を図１０に、当該応力センサの動作状態を図１１に示した。応力伝達部材４が片状部１へ直接的に応力付与する構成であることがわかる。従って、第１の応力センサの構成によって応力センサの小型化が可能となるのと同様の理由により、第２の応力センサの構成によっても応力センサの小型化が可能となる。第２の応力センサの説明に用いた用語は、第１の応力センサの説明に用いた用語と共通するものについて同義である。
また本発明の第３の応力センサは、当該基板３面に歪ゲージ５が配され、基板３中央領域５２が固定された状態で、当該基板３の実質的な外端領域への直接的な応力付与に起因して歪ゲージ５が刺激されることにより当該歪ゲージ５の電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする。ここで上記「基板３外端領域」とは、基板３中央領域５２以外の領域を言う。
第３の応力センサが第１の応力センサ及び第２の応力センサと異なる点は、片状部１を有さない点である。片状部１が無くとも、基板３外端領域に直接的な応力を付与することにより、基板３が撓み、基板３面に配された歪ゲージ５への刺激がなされ、かかる応力を把握し得る。従って、第１の応力センサの構成によって応力センサの小型化が可能となるのと同様の理由により、第３の応力センサの構成によっても応力センサの小型化が可能となる。第３の応力センサの説明に用いた用語の意義は、第１の応力センサの説明に用いた用語と共通するものについて同義である。
ここで上記「片状部１」とは、基板３や板状部材５１の特定領域を撓み易くするよう設けられる、基板３や板状部材５１と一体化又は固着される部分を言う。また片状部１は基板３面や板状部材５１面に沿って存在すると否とを問わない。但し一体成型等により後述する中央領域５２と一体化させることで基板３や板状部材５１構造を単純化させ、その取り扱い性や製造の容易さを求めるなら、片状部１が基板３面に沿って存在することが好ましい。
また上記「中央領域５２」とは、基板３や板状部材５１の一部を構成する部分であって、例えば図１０等に示す基板３にあっては、片状部１以外の領域を言う。また図１、図２、図９に示す枠状の基板３にあっては、「中央領域５２」は存在しない。
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、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。
発明を実施するための最良の形態
（第１の実施形態）
図１には本発明の第１の実施の形態の応力センサ（上記「第１の応力センサ」に相当）の構造の概略を示している。アルミナセラミックからなる枠状基板３の周縁（枠状部２）から枠内に向けて４つの片状部１が導出されている。枠状部２と片状部１とは一体に成形されており、当該枠状部２は片状部１の支持部である。また枠状部２と片状部１との境界領域には、歪ゲージ５としての抵抗素子６をスクリーン印刷技術により厚膜形成する。これら抵抗素子６は図５に示すような接続状態となるよう、同様のスクリーン印刷技術による導体形成により実現する。この導体は図１には図示しないが、主として枠状部２に形成されることが導体（配線）のレイアウト設計の容易さから好ましいと考えられる。
図５には本発明の応力センサにおける、電気信号入出力の状態の概要を示している。四つの抵抗素子６がブリッジ回路を構成している。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６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６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。これにより、応力付与の方向と大きさとが把握できる。
上記スクリーン印刷は、上記枠状基板３が縦横に多数連なった大型の基板１３に対して実施することが、一度の操作で多数の基板３に印刷が可能となり、量産性に優れるため好ましい。具体的には例えば図６に示す大型の基板１３が好適に用いることができる。ここに示した大型の基板１３は、縦横に分割用溝１４が形成されており、スクリーン印刷による抵抗素子６及び導体形成後に分割用溝１４を開く方向に力を加えることで個々の基板３へと分割される。
また上記スクリーン印刷では、導体用ペーストとして銀系のメタルグレーズを用い、抵抗体用ペーストとして酸化ルテニウム系のメタルグレーズであって個々の酸化ルテニウム粒子の極力小さいものを用いた。このような抵抗体ペーストは僅かな歪みに対しても大きく抵抗値が変化し、歪ゲージ５としての感度が良好であるため好適に使用できる。また抵抗素子６を保護するためのガラスペーストも用いた。これらペーストは市販のものから選択して用いることができる。
上記抵抗素子６は各々が同程度の抵抗値となるようレーザートリマーによるトリミング工程に供する。この工程は上記大型の基板１３を用いる場合にあっては、分割工程前に実施することが作業効率を高め、量産性に優れる点で好ましい。
そしてアルミナセラミック製の応力伝達部材４と嵌合部材１１のそれぞれに形成された切り欠き部１０により片状部１を挟みこみ、且つ応力伝達部材４とその外周よりも僅かに内周の大きな嵌合部材１１とを嵌合・固定させる。当該固定には接着剤等の他の部材は用いず、応力伝達部材４と嵌合部材１１との接触により固定を実現した。尚、片状部１は切り欠き部１０、応力伝達部材４下面及び嵌合部材１１とは強く密着することなく、それらとは摺動可能であり、実質的にその端部が自由端となった。
以上で本発明の第１の実施の形態の応力センサが得られた。図３に第１の実施の形態の応力センサの動作状態を示した。図３（ａ）は応力伝達部材４に何ら応力が付与されていない状態である。図３（ｂ）は応力伝達部材４にｘ、ｙ平面のいずれかの方向（任意の横方向）の応力が付与された状態である。図３（ｃ）は応力伝達部材４にｚ方向（下方向）の応力が付与された状態である。これらの場合において、図１に示した枠状部２に相当する領域は電子機器の筐体等により固定され、実質的に変形しないものとする。
図３（ａ）では基板３及び歪ゲージ５の変形が観測されない。図３（ｂ）では片状部１の自由端が、応力伝達部材４下面と嵌合部材１１底面又は図１に示した切り欠き部１０により押圧され、当該片状部１が撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、枠状部２と片状部１との境界にて顕著な基板３変形が起こり、当該境界に配されている歪ゲージ５もその変形に追従するように変形している。同図では、応力を付与する方向（同図左側）に存在する歪ゲージ５が伸びるように変形し、逆側（同図右側）の歪ゲージ５が縮むように変形している。しかし例えば当該応力センサを、例えばパーソナルコンピュータのポインティングディバイスに使用した場合は、通常応力伝達部材４頂面を下方向に押圧しながら横方向への応力を付与する。このような使用形態では全ての歪ゲージ５が伸びるように変形し、それらの伸びの程度が各々異なるといった場合もあると考えられる。第１の実施の形態では歪ゲージ５は抵抗素子であり、抵抗素子６が伸びるに従いその抵抗値は大きくなり、抵抗素子６が縮むに従いその抵抗値は小さくなる。
図３（ｃ）では片状部１の自由端が、応力伝達部材４下面又は図１に示した切り欠き部１０により押圧され、当該片状部１が下方向に撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、図３（ｂ）と同様に歪ゲージ５がその変形に追従するように変形している。このように応力伝達部材４を下向き（Ｚ方向）に押圧したことの検知は、当該押圧により、歪ゲージ５である４つの抵抗素子６全てが伸張し、各々の抵抗値を略同程度にまで大きくなることを認識してなされる。このような応力センサ特性は、任意の横方向に応力を付与した場合と異なる応力センサ特性であり、それらとは区別できる。即ち、外力に応答して変化する歪ゲージの電気特性変化は３直方向の座標データとして出力可能である。
（第２の実施形態）
図２には本発明の第２の実施の形態の応力センサ（上記第１の応力センサに相当）の構造の概略を示している。ガラス繊維が混入されたエポキシ樹脂板からなる枠状基板３の周縁から枠内に向けて４つの片状部１が導出されている。片状部１は基板３を掘削加工することで枠状基板３と一体にされており、当該枠状部２は片状部１の支持部である。また枠状部２と片状部１との境界領域には、歪ゲージ５となる抵抗素子６を構成する抵抗体をスクリーン印刷技術により厚膜形成する。これら抵抗素子６（Ｒ１〜Ｒ４）は図７に示すような接続状態となるようにする。ここで示しているトリマブルチップ抵抗器８（Ｒ１ｔｒｉｍ〜Ｒ４ｔｒｉｍ）については後述する。
また第２の実施の形態における導体及び抵抗素子６を構成する抵抗素子６用電極の形成は、スクリーン印刷技術によらず、いわゆるサブストラクト法やアディティブ法等の通常の印刷回路板への導体形成技術を採用することより実現する。この導体は図１には図示しないが、主として枠状部２に形成されることが導体のレイアウト設計の容易さから好ましいと考えられる。
また上記抵抗体のスクリーン印刷は、上記枠状基板３が縦横に多数連なった大型の基板１３に対して実施することが、一度の操作で多数の基板３に印刷が可能となり、量産性に優れるため好ましい。具体的には例えば図８に示す大型の基板１３が好適に用いることができる。ここに示した大型の基板１３は、縦横に分割用線１５が形成されており、スクリーン印刷による抵抗体形成後にこれらの分割用線１５に沿って回転ディスクカッター等により切断することで個々の枠状基板３へと分割される。
ここで上記大型の基板１３への抵抗体のスクリーン印刷に先立ち、基板３に対して上記掘削加工が施され、図８に示す穴１２を形成することが好ましい。その理由は掘削加工は基板３全体に対して振動を与えるものであり、印刷された厚膜抵抗体への悪影響、例えば基板３面からの剥離等が懸念されるためである。尚、前述の回転ディスクカッターによる切断加工は、ここで言う掘削加工に比べて通常基板３に対して与える振動は非常に小さく、殆ど他の部材に悪影響を与えない。
また上記スクリーン印刷では、抵抗体用ペーストとしてカーボン・レジン系のものを用いた。このような抵抗体ペーストは樹脂系材料を主成分とする基板３を劣化させない程度の温度で硬化させることができるため好ましい。また抵抗体を保護するためのポリエチレンテレフタレート系樹脂ペーストも用いた。これらは市販のものから選択して用いることができる。
上記抵抗素子６（Ｒ１〜Ｒ４）各々について直列にトリマブルチップ抵抗器８（Ｒ１ｔｒｉｍ〜Ｒ４ｔｒｉｍ）を接続して、抵抗素子６及びトリマブルチップ抵抗器８が図７に示すような接続状態となるようにする。図７はまた本発明の応力センサにおける、電気信号入出力の状態の概要を示している。４組の抵抗素子６とトリマブルチップ抵抗器８がブリッジ回路を構成している。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６とトリマブルチップ抵抗器８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６とトリマブルチップ抵抗器８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。
上記４組の抵抗素子６とトリマブルチップ抵抗器８との抵抗値の和が同程度の抵抗値となるよう、トリマブルチップ抵抗器８のみに対してレーザートリマーによるトリミングを実施する。この工程は上記大型の基板１３を用いる場合にあっては、上記切断の工程前に実施することが作業効率を高め、量産性に優れる点で好ましい。抵抗素子６に対しレーザートリマーによるトリミングを施さなかった理由は、樹脂を含む抵抗体、及び抵抗体が配されている、樹脂を主成分とする基板３に対しレーザー照射することによる抵抗値の不安定化を考慮したためである。これら樹脂はレーザ照射のような非常に高温の処理に対しては不安定な挙動を示しやすいと考えられる。しかしエキシマレーザ等の比較的低温領域で照射時の温度調整ができるレーザ照射や、ＹＡＧレーザの照射によっても比較的安定する樹脂材料（エポキシ系等）を用いる場合にはかかるトリミングが可能である。そのような場合には、トリマブルチップ抵抗器８を用いる場合に比べ、応力センサの構成部品を減らすことができる点で有利である。
尚、当該トリマブルチップ抵抗器８は図２に示す基板端子部７に配置した。この配置は公知のチップ部品実装技術及び公知のリフロー工程を経てなされる。トリマブルチップ抵抗器８を基板端子部７に配置した理由は、応力センサの動作に伴う基板３の撓みの影響を受けにくい領域（基板端子部７領域）は、当該撓みによってトリマブルチップ抵抗器８の抵抗値が変化しにくいためである。当該撓みの影響によりトリマブルチップ抵抗器８に応力が付与されると、トリマブルチップ抵抗器８の抵抗値が変化し、応力センサ出力値を狂わせるおそれがある。
基板端子部７には、当該応力センサの入出力端子１７が等間隔に設けられている。端子１７は、導体や抵抗素子６用電極等を形成する際に同時に形成する。またトリマブルチップ抵抗器８用のランドもそれらと同時に形成する。導体等のパターンは、各々のトリマブルチップ抵抗器８が各々の端子１７に接続するように形成する。
次いでアルミナセラミック製の応力伝達部材４下面と全ての片状部１先端とを接続部材としてのエポキシ系接着剤９を用いて固定させる。当該固定状態であっても片状部１の端部には接着剤９の存在により多少の移動や変形の自由度があり、片状部１の端部は実質的に前述した「半自由端」となった。このように「半自由端」とする一手段は、当該接続部材が片状部１材料よりも柔軟であることである。第２の実施の形態はこのことを満足する。
第２の実施の形態では接続部材に接着剤９を用いているがこれに限定されず、バネ材等も用いることができる。ここに言うバネ材は、基板３材料よりも容易に変形可能なものが「片状部１材料よりも柔軟」なバネ材であり、本発明の応力センサの構成部品として好適に使用することができる。また、接続部材に接着剤９を用いる場合であってもエポキシ樹脂系以外のものを用いることができることは言うまでもない。例えばゴム系接着剤は、より柔軟性に富んだものが選択可能と考えられ、好適である。また他にアクリル樹脂系接着剤等も用いることができる。
尚、図２示す接着剤の余剰分は片状部１の裏側へと回り込むが、このことによる応力センサ特性への悪影響はないと考えられる。但し、他の応力センサ構成部材や応力センサと近接した他の部材との相対的な位置関係によって、片状部１の自由な撓みを多少阻害することが考えられるため、かかる余剰分は少ないこと、又はかき取る等の手法で除去することが好ましい。
以上で本発明の第２の実施の形態の応力センサが得られた。図４に第２の実施の形態の応力センサの動作状態を示した。図４（ａ）は応力伝達部材４に何ら応力が付与されていない状態である。図４（ｂ）は応力伝達部材４にｘ、ｙ平面のいずれかの方向（任意の横方向）の応力が付与された状態である。図４（ｃ）は応力伝達部材４にｚ方向（下方向）の応力が付与された状態である。これらの場合において、図２に示した枠状部２に相当する領域は電子機器の筐体等により固定され、実質的に変形しないものとする。
図４（ａ）では歪ゲージ５の変形が観測されない。図４（ｂ）では片状部１の自由端が、接着剤９を介して応力伝達部材４下面により押圧され、当該片状部１が撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、枠状部２と片状部１との境界にて顕著な基板３変形が起こり、当該境界に配されている歪ゲージ５もその変形に追従するように変形している。同図では、図３（ｂ）と同様に応力を付与する方向に存在する歪ゲージ５が伸びるように変形し、逆側の歪ゲージ５が縮むように変形している。これは接着剤９に用いた材料の弾力性に起因して起こると考えられる。尚、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様に歪ゲージ５として抵抗素子６を用いているため、その変形による特性値は同様に変化する。
図４（ｃ）では片状部１の半自由端が、接着剤９を介して応力伝達部材４下面により押圧され、当該片状部１が下方向に撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、第１の実施の形態の図３（ｃ）における応力センサ特性と同様の応力センサ特性を得ることができる。
第２の実施の形態の応力センサでは、その構成部材としてトリマブルチップ抵抗器８を用いている。しかしこれと同様の抵抗値調整機能を果たすことができるのであれば、基板３面に直接形成する厚膜技術や薄膜技術によるトリミング用抵抗素子や可変抵抗器等を用いることができる。また本例ではトリミング方法としてレーザートリミングを挙げたが、それ以外の方法、例えばサンドブラスト法等の他のトリミング方法を選択することができる。
図９には上記本発明の第１又は第２の実施の形態の応力センサにおいて、それを構成し得る他の基板３形状、歪みゲージ５の配置位置、応力伝達部材４の配置位置の組合せの例を示している。図９（ａ）は、片状部１長さ寸法が、当該片状部１幅寸法以下である構成である。この構成の利点は、（１）歪ゲージ５周辺の基板１面積が大きいため導体等のレイアウトの自由度が大きくなること、（２）片状部外形寸法精度に依存する応力センサ特性値精度のばらつきが小さくなると考えられること、（３）歪ゲージ５面積を大とすることができ、それによって歪ゲージ５特性のばらつきを小さくできること等である。利点（２）を得ることができる理由は、特に第２の実施の形態における掘削加工では、細長い片状部１を残すよう掘削することは一般に困難であり、片状部１の形状にばらつきが生じ易いことによる。
図９（ｂ）は、基板３の四隅から片状部１が導出されている構成である。この構成では、枠状部２の四隅のみを電子機器筐体等に固定する場合、枠状部２部分（当該四隅）はてこの原理における支点となる。そして片状部１を力点、歪ゲージ５存在領域を作用点とすると、当該支点と作用点との距離を非常に短くでき、応力伝達部材４への応力付与に伴う応力センサ感度を高く維持できる利点がある。枠状部２の四隅はセンサ特性に関与しない比較的大きい領域であるため電子機器筐体等に固定させる部分として選択されやすい。
図９（ｃ）は、基板３の外形を円形とした構成である。この構成の利点は、応力センサの機能や動作に関与しない枠状部２の四隅が占有していた、電子機器用実装基板等の面積を他の部品の用途に活用し得る点である。
また第１の実施の形態、第２の実施の形態の応力センサに共通した利点は、同一基板３面上に歪ゲージ５及び応力伝達部材４を配置できる点である。逆に言うと基板３の反対面には何ら応力センサ構成部材を配する必要がない点である。このことにより、基板３の一方の面への抵抗素子６を構成する導体５や抵抗体３等のスクリーン印刷や、応力伝達部材４の接着剤等を用いた固着作業の際、反対面と接触する場所の清浄さ、柔らかさ等、厳しい条件は課されない。即ち製造作業性が良好となる。また特にガラス繊維混入樹脂成形体を基板３にする際には、その両面に亘り配線をするためにスルーホールを形成し、その内壁面を導体化する等の工程を経ずに済む利点がある。同様にセラミックからなる基板３についてもその両面に亘り配線をするために、いわゆるスルーホール印刷等により基板３両面の導通を実現させる工程を必要としない利点がある。
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態の応力センサ（上記第２の応力センサに相当）の構造の概略を示している。アルミナセラミックからなる基板３は十字形状をしており、その交差領域下面とアルミナセラミックからなる支持部材１６とを接着剤９により固着し、支持する。支持部材１６は、基板３上面の片状部１と前記交差領域との接合部分に配された歪ゲージ５である抵抗素子６と対応してその端部が位置するようにする。また基板３上面の片状部１先端には接着剤９を配し、応力伝達部材４下面と固定する。ここで片状部１端部は、支持部材１６によって固定されず、当該支持部材１６とは無関係に移動・変形が可能な状態となっているため、上述した「自由端」若しくは「半自由端」に該当する。尚、応力伝達部材４は下面に開口部がある中空体である。
図１１は、本発明の第３の実施形態の応力センサの動作状態を示した。図１１（ａ）は応力伝達部材４に何ら応力が付与されていない状態である。図１１（ｂ）は応力伝達部材４にｘ、ｙ平面のいずれかの方向（任意の横方向）の応力が付与された状態である。図１１（ｃ）は応力伝達部材４にｚ方向（下方向）の応力が付与された状態である。これらの場合において、支持部材１６底部は電子機器の実装基板等に固定されているものとする。
図１１（ａ）では基板３及び歪ゲージ５の変形が観測されない。図１１（ｂ）では片状部１の端部が、応力伝達部材４下面の縁により押圧され、当該片状部１が撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、支持部材１６と片状部１との境界にて顕著な基板３変形が起こり、当該境界に配されている歪ゲージ５もその変形に追従するように変形している。同図では、応力を付与する方向（左側）に存在する歪ゲージ５が伸びるように変形し、逆側（右側）の歪ゲージ５が縮むように変形している。尚、第３の実施の形態でも第１及び第２の実施の形態と同様に歪ゲージ５として抵抗素子６を用いているため、その変形による特性値は同様に変化する。
図１１（ｃ）では片状部１の自由端が、接着剤９を介して応力伝達部材４下面の縁により押圧され、当該片状部１が下方向に撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、第１の実施の形態の図３（ｃ）における応力センサ特性と同様の応力センサ特性を得ることができる。
本発明の第３の実施の形態の応力センサにおいて、歪ゲージ５の特性値変化を電子機器に伝達する手段は、例えば基板３交差領域下面に４つの端子を凸状に形成し、異方性導電物質からなる支持部材１６を通じてその下面の電子機器用実装基板へと伝達する等の手段が考えられる。この場合、当該凸部の存在により局部的に強く圧縮される異方性導電物質部分のみが導通するため、隣合う凸部との絶縁を保ちながら実装基板への導通が可能となる。その他、例えば支持部材１６を中空（筒状）にして、その中に導線を通す等の手段も考えられるが、特にこれらに限定されない。
上記実装基板に伝達された歪ゲージ５の特性値変化は、図５や図７に示した電気信号入出力の状態を当該実装基板に設けた制御手段で実現することにより当該応力センサを作動させることができる。
本発明の第２及び第３の実施の形態の応力センサは、応力伝達部材４と基板３との固定に接着剤９を用いている。このとき両者の位置関係にずれが生じると、応力センサ感度バランスが狂うおそれがある。従って、予定する位置関係を実現するために、両者が接触する部分の形状を工夫することが好ましい。例えば片状部１の当該接触部分を凹形状とし、応力伝達部材４の当該接触部分を凸形状とし、これら凹凸が嵌め合わせ可能な形状とする等である。
（第４の実施形態）
図１２（ａ）は、本発明の第４の実施形態の応力センサ（上記第２の応力センサに相当）の構造の概略を示している。当該構造は、第３の実施形態の構造において、支持部材１６が板状であり、当該板状面に前記板状部材５１が固定又は一体化され、且つ片状部１の撓みを許容する穴５０又は凹部を有する構造である。図１２及び図１３では前記板状部材５１が、片状部１の撓みを許容する穴５０を有しているが、当該穴５０に代えて凹部としてもよい。
ガラス繊維混入エポキシ系樹脂からなる板状部材５１は十字形状をしている。同様にガラス繊維混入エポキシ系樹脂からなる支持部材１６と前記板状部材５１の中央領域５２を接着剤９（図示しない）により固着する。支持部材１６には穴５０が設けられており、片状部１の板状部材５１面方向への撓みが許容される。前記板状部材５１の同図における上面には、抵抗素子６からなる歪ゲージ５及び図示しない導体が配されている。かかる歪ゲージ５及び導体の形成法は、上述した第２の実施の形態における形成法と同様とした。また歪ゲージ５の電気特性は、板状部材５１の側面の導体５３を経由して支持部材１６面に配された図示しない導体から基板端子部７へと伝達され、当該電気特性の制御部へと送られる。
上記板状部材５１の側面の導体５３は、導体ペーストの塗布や、スルーホールめっきやスルーホール印刷等の手段により形成される。そしてかかる板状部材５１の側面の導体５３と支持部材１６面との接続は、半田や導電性接着剤等による。かかる板状部材５１の側面の導体５３と支持部材１６面との接続強度が十分ならば、上記「接着剤９（図示しない）による固着」を要せずとも、上述した「中央領域５２が支持部材１６に固定された状態」を構成できる。この場合、前記固着の工程を経ることがなく、工程数を減らすことができる点で有利である。また、抵抗素子６等の歪ゲージ５及びその周囲の導体を、図１２（ａ）における板状部材５１下面、即ち支持部材１６面との対向面に形成することで、前記側面の導体５３を要することなく板状部材５１と指示部材１６との導通が可能である。このように前記側面の導体５３を形成しない場合には、その分の工程数を減らすことができる点で有利である。
更に実施の形態３と同様に、下面に開口部がある中空体である、セラミック等からなる応力伝達部材４を板状部材５１上面の片状部１に固着する。かかる固着には、接着剤９等を用いる。
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の応力センサの平面図である。同図では、支持部材１６、板状部材５１、応力伝達部材４及び歪ゲージ５相互の位置関係を示している。歪ゲージ５が板状部材５１の中央領域５２と片状部１に跨って存在するか、片状部１の撓みを許容する穴５０又は凹部の端部を跨る板状部材５１面に存在する位置関係である。
支持部材１６に形成された穴５０の中に板状部材５１の片状部１が撓んだ状態で入り込めるような位置関係になっていることがわかる。また全ての歪ゲージ５は、板状部材５１の中央領域５２と片状部１とに跨って配され、且つ支持部材１６に形成された穴５０と当該穴５０の周囲との境界上に相当する位置に位置している。このような位置に歪ゲージ５を配置することで、最も感度の高い応力センサを得ることができると考えられる点で有利である。
図１３は、本発明の第４の実施形態の応力センサの動作状態を示した。図１３（ａ）は応力伝達部材４に何ら応力が付与されていない状態である。図１３（ｂ）は応力伝達部材４にｘ、ｙ平面のいずれかの方向（任意の横方向）の応力が付与された状態である。図１３（ｃ）は応力伝達部材４にｚ方向（下方向）の応力が付与された状態である。これらの場合において、支持部材１６底部は電子機器の実装基板等に固定されているものとする。
図１３（ａ）では板状部材５１及び歪ゲージ５の変形が観測されない。図１３（ｂ）では片状部１の端部が、応力伝達部材４下面の縁により押圧され、当該片状部１が撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、支持部材１６と片状部１との境界にて顕著な板状部材５１の変形が起こり、当該境界に配されている歪ゲージ５もその変形に追従するように変形している。同図では、応力を付与する方向（同図左側）に存在する歪ゲージ５が伸びるように変形し、逆側（同図右側）の歪ゲージ５が縮むように変形している。尚、第４の実施の形態の応力センサも第１、第２及び第３の実施の形態と同様に歪ゲージ５として抵抗素子６を用いているため、その変形による特性値は同様に変化する。
図１３（ｃ）では板状部材５１の片状部１の自由端が、接着剤９を介して応力伝達部材４下面の縁により押圧され、当該片状部１が下方向に撓んでいるのがわかる。この撓みの結果、第１の実施の形態の図３（ｃ）における応力センサ特性と同様の応力センサ特性を得ることができる。
図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示す状態において、任意の横方向や下方向への過剰な応力付与があった場合には、片状部１と固着されていない応力伝達部材４部分と支持部材１６とがぶつかり、それ以上の板状部材５１の撓みを防止させる効果がある。このことから、応力伝達部材４下端と、支持部材１６の形状を調整することにより、板状部材５１の撓み量の上限を定めることができる利点がある。また前記板状部材５１を、片状部１の撓みを許容する穴５０に代えて凹部とすることにより、同様の板状部材５１の撓み量の上限を定めることができる有利な効果を有する。
第４の実施形態に係る応力センサは、第３の実施形態に係る応力センサに比して、応力センサ全体を薄型化できる利点がある。支持部材１６を板状としているためである。また第４の実施形態に係る応力センサは、第３の実施形態に係る応力センサに比して、製造が容易である利点を有している。歪ゲージ５の特性値の伝達経路が、通常の表面実装型電子部品の当該伝達経路と同様に単純化されているためである。
本発明の第２〜４の実施形態の応力センサにおいて、応力伝達部材４を片状部１に載置・固着する際に、かかる載置を容易ならしめ、応力伝達部材４と片状部１の両者の位置精度を高く維持るため、片状部１の当該載置位置を凹部（肉薄部）とし、応力伝達部材４を当該凹部に嵌め合せることができるようにすることが好ましい。同様の理由から、第３又は第４の実施形態において、支持部材１６面と基板３との一方又は双方、若しくは板状部材５１と支持部材１６との一方又は双方に凹部を設けて、それぞれの両者を嵌め合せることができるようにすることが好ましい。
本発明の第１〜４の実施形態の応力センサに用いた応力伝達部材４には、セラミックや金属等の剛体を用いるのが好ましい。応力の吸収・減衰が殆どなく、正確に応力を伝達できるためである。ここで製造コスト低減や成形のし易さ等の理由で応力伝達部材４材料に樹脂を用いる場合は、ポリビニルテレフタレート（ＰＶＴ）や、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）が、特に好適に使用できる。このＰＶＴ、ＰＢＴは、樹脂系材料の中では特に剛性に優れる。また耐熱性も良好であることから、使用環境が常温よりも多少高温である場合であっても、前記剛性を維持し得る利点を有している。
本発明の第１〜４の実施の形態の応力センサでは、歪ゲージ５が支持部と片状部１との接合部に配される例を示したが、このような配置位置には限定されない。支持部と片状部１に亘り最も応力付与に対して撓み易い領域に配するのが最も好ましい。そのためには片状部１領域のみに配する構成を採用することもできる。また、片状部１の一部を肉薄や幅狭にして、当該肉薄部や幅狭部を特に撓み易くし、そこに歪ゲージ５を配することもできる。当該肉薄部や幅狭部を形成することにより、予め歪ゲージ５を配するに最適な位置を特定でき、歪ゲージ５形成時の形成位置ずれ等を防止できる等の製造上の利点がある。
また本発明の第１〜４の実施の形態の応力センサでは、それぞれ一つの応力伝達部材４を用いているが、複数存在してもよいことは言うまでもない。例えば各々の片状部１に取り付ける等である。また、直接片状部１に応力を付与する形態の応力センサにあっては、応力伝達部材４は不要である。
産業上の利用可能性
本発明により、基板を撓ませることで基板面に配した歪ゲージを刺激する応力センサの小型化を可能とすることができた。このように小型化された応力センサは、パーソナルコンピュータや携帯電話等の小型電子機器の操作用部品として特に適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態の応力センサの構造の概要を示す図である。図２は、本発明の第２の実施の形態の応力センサの構造の概要を示す図である。図３は、本発明の第１の実施の形態の応力センサの動作の状態を示す図である。図４は、本発明の第２の実施の形態の応力センサの動作の状態を示す図である。図５は、本発明の応力センサにおける、電気信号入出力の状態の概要の一例を示す図である。図６は、本発明の第１の実施の形態の応力センサの製造に用いる大型の基板の平面図である。図７は、本発明の応力センサにおける、電気信号入出力の状態の概要の一例を示す図である。図８は、本発明の第２の実施の形態の応力センサの製造に用いる大型の基板の平面図である。図９は、本発明の第１又は第２の実施の形態の応力センサの変形例の要部を示す図である。図１０は、本発明の第３の実施の形態の応力センサの構造の概要を示す図である。図１１は、本発明の第３の実施の形態の応力センサの動作の状態を示す図である。図１２は、本発明の第４の実施の形態の応力センサの構造の概要を示す図である。図１３は、本発明の第４の実施の形態の応力センサの動作の状態を示す図である。図１４は、従来の応力センサの構造を示す図である。図１５は、従来の応力センサの動作状態を示す図である。図１６は、従来の応力センサの構造を示す図である。図１７は、従来の応力センサの構造を示す図である。
これらの図面に付した符号は、１…片状部、２…枠状部、３…基板４…応力伝達部材、５…歪ゲージ、６…抵抗素子、７…基板端子部、８…トリマブルチップ抵抗器、９…接着剤、１０…切り欠き部、１１…嵌合部材、１２…穴、１３…大型の基板、１４…分割用溝、１５…分割用線、１６…支持部材、１７…端子、２０…基板、２１…トリミング溝、２２…抵抗素子、２３…ポスト操作部、２４…導体、３０…ポスト、３０ｂ…ポスト底面輪郭、３１…回路板、３２…はんだ、４０…スティック部、４１…レバーアーム、４２…タブ領域、５０…穴、５１…板状部材、５２…中央領域、５３…導体である。

Claims (13)

1. 先端が自由端又は半自由端である複数の片状部と、それらを支持する支持部とを有する基板面に歪ゲージが配され、当該片状部への直接的な応力付与に起因して歪ゲージが刺激されることにより当該歪ゲージの電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする応力センサ。
2. 枠状基板周縁から枠内に向けて複数の片状部が導出され、当該枠状基板周縁が支持部であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の応力センサ。
3. 歪ゲージを板状面に有する板状部材が、その中央領域に固定又は一体化される片状部を有し、当該中央領域が支持部材に固定された状態で当該片状部に直接的な応力が付与される機構を有し、当該片状部への応力付与に起因して歪ゲージが刺激されることにより当該歪ゲージの電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする応力センサ。
4. 片状部へ応力を伝達する応力伝達部材を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の応力センサ。
5. 片状部と応力伝達部材とが接続部材により接続され、当該接続部材が片状部及び応力伝達部材よりも柔軟であることを特徴とするの請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の応力センサ。
6. 歪ゲージが支持部と片状部との接合部に配されることを特徴とする請求の範囲第１、２、４又は５項のいずれかに記載の応力センサ。
7. 外力に応答して変化する歪ゲージの電気特性変化は、３直交方向の座標データとして出力可能なものであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の応力センサ。
8. 支持部にトリミング用抵抗素子が配され、当該トリミング用抵抗素子と抵抗素子からなる歪ゲージとが直列接続されることを特徴とする請求の範囲第１、２、又は４〜７項のいずれかに記載の応力センサ。
9. 片状部長さ寸法が、当該片状部幅寸法以下であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の応力センサ。
10. 片状部への直接的な応力付与が、当該片状部の実質的な外端になされることを特徴とする請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の応力センサ。
11. 支持部材が板状であり、当該板状面に前記板状部材が固定又は一体化され、且つ片状部の撓みを許容する穴又は凹部を有することを特徴とする請求の範囲第３〜５、７、９、又は１０項のいずれかに記載の応力センサ。
12. 歪ゲージが板状部材の中央領域と前記片状部に跨って存在するか、片状部の撓みを許容する穴又は凹部の端部を跨る板状部材面に存在することを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の応力センサ。
13. 基板面に歪ゲージが配され、当該基板中央領域が固定された状態で、当該基板の実質的な外端領域への直接的な応力付与に起因して歪ゲージが刺激されることにより当該歪ゲージの電気特性を変化させ、当該電気特性変化から前記応力を把握することを特徴とする応力センサ。

Images