(57)【要約】接着剤（１）にて基板（３）と固着されるポスト（２）への応力付与により、当該基板（３）に配された歪ゲージ（４）が刺激され、当該歪ゲージ（４）特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサにおいて、ポスト（２）と基板（３）等の固定部材とを固着させる接着剤（１）の存在に起因する応力センサ感度ばらつきを低減する。そのためには、ポスト（２）周囲の接着剤（１）の余剰分を所定領域内に留める手段を設ける。当該手段は、例えばポスト（２）周囲の基板（３）面上に連続した又は断続的な凸部（堰き止め部材（５））を形成すること、若しくはポスト（２）周囲の基板（３）面に余剰接着剤（１）を溜める凹部を形成すること等である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材へ接着剤により固着されたポストへの応力付与により、歪ゲージが刺激され、当該歪ゲージ特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサにおいて、
前記接着剤の余剰分を所定領域内に留める手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項２】
接着剤にて基板と固着されるポストへの応力付与により、当該基板に配された歪ゲージが刺激され、当該歪ゲージ特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサにおいて、
前記ポスト周囲の接着剤の余剰分を所定領域内に留める手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項３】
ポスト底面が、歪ゲージの配される面とは反対側の基板面に固着され、当該ポスト底面の輪郭と歪ゲージとが、基板を介して対応位置にあることを特徴とする請求の範囲第２項記載の応力センサ。
【請求項４】
ポストへの応力付与により、当該基板が撓むことに伴い歪ゲージが刺激される応力センサであって、基板が樹脂を含む材料からなることを特徴とする請求の範囲第２項又は３項に記載の応力センサ。
【請求項５】
ポスト周囲の接着剤の余剰分を所定領域内に留める手段が、ポスト周囲の基板面上に連続した又は断続的な凸部を形成すること、若しくはポスト周囲の基板面に余剰接着剤を溜める凹部を形成することである請求の範囲第２〜４項のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項６】
凸部が、基板面の金属層の一部を除去処理し、その残部として得られるもの、又は基板面への厚膜印刷により得たものであることを特徴とする請求の範囲第５項記載の応力センサ。
【発明の詳細な説明】
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、携帯電話等の各種電子機器用多機能・多方向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
接着剤にて基板と固着されるポストへの応力付与により、当該基板に配された歪ゲージが刺激され、当該歪ゲージ特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサについては、特開２０００−２６７８０３号公報にその開示がある（図６）。同図では図示が省略されているが、同公報の明細書にはポスト３０と基板２１とは別部材であり、それが接着剤により固着されている旨の記載がある。
ここで、接着剤により固着されたポストへ応力付与される形態の応力センサにあっては、一定の固着強度が要求されることとなる。かかる一定の固着強度は、前記応力付与によっても固着状態が損なわれない程度の強度である。従ってポスト底面のみと、基板上面のみといった、限られた固着領域では固着強度が不十分となる場合がある。そこでかかる固着強度を高めるため、ポスト周面の一部（ポスト底面に近い部分）と基板上面との間にも接着剤を存在させる場合がある。
かかる場合において、ポスト周面の一部と基板上面との間に存在し、外観から「余剰分」とも見える接着剤の存在は、少なからず応力センサの感度に影響を与える。従ってその存在状態を一定にしなければ、応力センサ感度のばらつきが予想される。尚、当該応力センサ感度のばらつきとは、多数個の応力センサを作製したときの各々の応力センサにおけるばらつき、及び応力センサ単体が複数の歪ゲージを有する場合における、単位応力センサ内の各々の歪ゲージ感度のばらつきの双方を含む。
そこで本発明が解決しようとする課題は、ポストと基板等の固定部材とを固着させる接着剤の存在に起因する、応力センサ感度のばらつきを低減することである。
発明の開示
上記課題を解決するため、本発明の応力センサは、接着剤１にて基板３と固着されるポスト２への応力付与により、当該基板３に配された歪ゲージ４が刺激され、当該歪ゲージ４特性値変化から当該応力に関する情報を得る本発明の応力センサは、前記ポスト２周囲の接着剤１の余剰分を所定領域内に留める手段を有することを特徴とする。
一般的に応力センサは、上記歪ゲージ４の電気特性等を検知、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。また上記歪ゲージ４は、例えば抵抗素子、コンデンサ素子、圧電素子等とすることができる。これらの中では、製造・制御のし易さ、コスト面から、抵抗素子とすることが好ましいと考えられる。また上記接着剤１は、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系等を選択することができる。但し、硬化後の耐湿性、耐衝撃性等の諸特性を考慮すると、それら諸特性に優れるエポキシ樹脂系の接着剤が好適であると考えられる。
図１には上記本発明の応力センサの構成例の概要を示している。（ａ）は上記本発明の応力センサの縦断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図を示している。基板３の一方の面に歪ゲージ４が配されており、基板３の他方の面にはポスト２底面が接着剤１により固着されている。実際には基板３は不透明であることが多いが、便宜上基板３を半透明と取扱い、ポスト２及び堰き止め部材５と、歪みゲージ４との位置関係を明確に図示している。このことは図２（ｄ）、図４についても同じである。更にポスト２周囲の基板３面上には凸状の堰き止め部材５が連続的に（枠状に）形成されている。この堰き止め部材５の存在により接着剤１の過剰な流出を抑制している。また堰き止め部材５と４つの各々の歪ゲージ４との位置関係は略同様である。
ここで図２を参照しながら、本発明により応力センサ感度ばらつきを低減することができる理由を説明する。同図（ａ）は、ポスト２に応力が付与されていない状態を示している。ここでポスト２底部側面と基板３面間には接着剤１が硬化した状態で存在している。例えば当該接着剤１の存在状態が、同図（ａ）の要部上面図である同図（ｄ）に示す状態であった場合を考えてみる。同図（ｄ）ではポスト２の右側に比して左側への接着剤１の流出距離が長いことがわかる。その結果、接着剤１が歪みゲージ４を基板３を介して覆う面積が、ポスト２の左右の歪みゲージ４で大きく違うこととなる。すると同図（ｂ）のように、ポスト２に対しｘ、ｙ方向（任意の横方向）に応力付与がされた場合、前記ポスト２の右側に比してポスト２の左側の基板３が撓みにくくなる。それに伴い対応位置にある歪みゲージ４が歪みにくくなる。この理由は硬化した接着剤１が実質的に基板３厚みを厚くしているためである。基板３厚みが厚くなればなる程基板３は撓みにくくなる。このような基板３の撓みにくさは、同図（ｃ）に示すポスト２頂面を押下するようにポスト２へ応力付与した場合、つまりｚ方向に応力付与した場合も同様に起こる。
しかし図１に示す上記堰き止め部材５の存在により、接着剤１の歪ゲージ４への歪み抑制に寄与する度合いが略同じとなり、応力センサ感度ばらつきを低減することができる。仮に接着剤１が流動可能な段階で、図２（ｄ）に示すように主に左側へ流動する蓋然性があったとしても、堰き止め部材５に接触した流動性ある接着剤１は、堰き止め部材５を超えて流出することなく、堰き止め部材５に沿ってその内側領域内で流動する。当該領域内で流動した接着剤１は、同図右側へも流動し、結局図１（ｂ）に近似した接着剤１の存在状態となると考えられる。
図１、図２では、上記本発明の応力センサにおいて、ポスト２底面が、歪ゲージ４の配される面とは反対側の基板３面に固着され、当該ポスト２底面の輪郭と歪ゲージ４とが、基板３を介して対応する位置にある応力センサを示している。このような構成の応力センサに上記本発明の応力センサの構成を適用するのが、特に好適である。その理由は、ポスト２へ応力が付与されるとポスト２底面の輪郭に最も応力が集中するが、ポスト２周囲の余剰分の接着剤１が存在すると当該応力の集中を分散させ、応力センサ感度ばらつきに大きく影響を与えると考えられるためである。
しかし上記本発明の応力センサにおけるその他の構成であっても、応力センサ感度ばらつき低減に効果があることは言うまでもない。その理由は、応力センサを動作させるためには、その構成部材を変形させるのが通常であるところ、硬化した余剰分の接着剤１が偏在すると、当該硬化した接着剤１の変形に要する応力が応力付与方向により異なるためである。
従って、例えばポスト２底面輪郭よりも外側の基板３領域のみに歪ゲージ４が配される応力センサや、ポスト２と歪ゲージ４とが同一基板３面に配される応力センサや、ポスト２底面が基板３を介さずに歪ゲージ４を押圧・刺激する構成の応力センサについても、上記本発明の応力センサの構成を適用することで応力センサ感度ばらつき低減に効果があることとなる。
同様の理由から、上記本発明とは別の構成を有する本発明の応力センサ、例えば固定部材へ接着剤１により固着されたポスト２への応力付与により、歪ゲージ４が刺激され、当該歪ゲージ４特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサにおいて、前記接着剤１の余剰分を所定領域内に留める手段を有することを特徴とする応力センサであっても、応力センサ感度ばらつき低減に効果がある。例えば電子機器筐体等の固定部材へ固着されたポスト２の側面に歪ゲージ４が複数配され、ポスト２に応力を付与することにより当該歪ゲージ４特性値が変化する構成の応力センサである。このような構成の場合、固定部材に接着剤１の余剰分を所定領域内に留める手段を設ける等する。
上記本発明の構成を有し、且つ図２に示すような、ポスト２への応力付与により基板３が撓むことに伴い歪ゲージ４が刺激される応力センサにおいて、基板３が樹脂を含む材料からなる場合には、本発明の効果である、応力センサ感度ばらつき低減が特に顕著となり、本発明適用の利点が大きい。通常かかる場合は、基板３と接着剤１の剛性が同等となり、接着剤１が基板２の撓みを阻害する寄与度が高いと考えられるためである。樹脂を含む基板３材料は、例えばガラス繊維を混入させたエポキシ樹脂等の繊維強化樹脂が挙げられる。
一方、アルミナ等のセラミックを基板３材料とする場合であっても、本発明適用の利点があることは言うまでもない。接着剤１の存在状態によっては応力センサ感度のばらつきは生じ得るためである。
また上記本発明の構成を有する応力センサにおける、ポスト２周囲の接着剤１の余剰分を所定領域内に留める手段は、例えばポスト２周囲の基板３面上に連続した又は断続的な凸部を形成すること、若しくはポスト２周囲の基板３面に余剰接着剤１を溜める凹部を形成することである。前記凸部は、例えば図１に示す堰き止め部材５である。同図では連続した凸部となっているが、断続した凸部となっていてもよい。例えば図１（ｂ）の上面四角形の四隅に相当する部分は、歪ゲージ４の存在位置とは離れており、接着剤１の存在によって応力センサ感度に大きく影響しないと考えられるため、凸部を省略しても構わないと考えられる。かかる省略をする場合において、歪ゲージ４に近接する部分の省略は避けるのが好ましいと考えられる。接着剤１の当該部分から外側への流出によって、応力センサ感度への影響が無視できなくなる場合があると考えられるためである。但し当該影響が無視できる程度の省略であれば許容されるのは言うまでもない。
堰き止め部材５等の凸部は、基板３面に配された金属層の一部を除去処理し、その残部として、又は基板３面への厚膜印刷等により得ることができる。前者は、例えば公知の印刷回路板製造工程におけるサブストラクト法等のパターニング技術により得ることができる。後者は、例えばスクリーン印刷技術により得ることができる。当該パターニング技術により基板３面の配線等、他の構成部材を形成し得る応力センサにあっては、当該パターニング工程によって、堰き止め部材５及び当該他の構成部材を同時に形成することができ、堰き止め部材５の構成部材の増加が、製造を煩雑にしない利点がある。
また上記凹部は、例えば図１の堰き止め部材５存在位置の基板３の掘削加工やプレス加工（成形体を基板３として用いる場合の、当該成形工程におけるプレスを含む）等で形成される。流出の蓋然性のある流動状態の接着剤１が当該凹部に溜まることにより、それよりも外側への流出が防止される。この凹部についても、上記凸部が断続的に存在することが許容されるのと同様の理由から、断続的に存在することが許容される。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施の形態の例を、図面を参照しながら以下に述べる。
まず図３（ａ）に示すように、通常の印刷回路板用基板に用いられるガラス繊維混入エポキシ樹脂をプレス成型した基板３上面に、銅箔６を貼付したものを用意する。ここで基板３厚みは約０．８ｍｍ、銅箔６厚みは１８μｍである。
次に公知のサブストラクト法により、銅箔６をエッチング処理して後述する歪ゲージ４の電気特性を得るための配線と、堰き止め部材５を同時形成する（図３（ｂ））。後述する歪ゲージ４は、基板３下面に形成する。そこで基板３上下面の導通を実現するため、基板３の必要部分にスルーホールを開け、当該スルーホール内壁面に導体形成するための無電解銅めっきを施す。当該無電解銅めっきにより前記堰き止め部材５上面にも銅が析出し、その高さが約４０μｍとなる。尚、図３の各図では、基板３下面に形成する、歪ゲージ４の電気特性を取り出すための配線の図示を省略している。
次いで、歪ゲージ４を形成する（図３（ｃ））。歪ゲージ４には抵抗素子を用いる。従って上記電気特性は抵抗値となる。当該抵抗素子は、上記配線と同材質で且つ同時に形成された対となる電極と、当該対の電極間へスクリーン印刷法により配されたカーボン・レジン系の抵抗体ペーストを加熱硬化したものから構成される。また更に当該抵抗体を保護するための保護膜を樹脂ペーストのスクリーン印刷により得る。歪ゲージ４と上記堰き止め部材５との位置関係は、図１（ｂ）と同様である。
各々の歪ゲージ４と、上記堰き止め部材５の中心位置で、且つ基板３上面に接着剤１を供給する（図３（ｄ））。当該接着剤１には市販のエポキシ樹脂系接着剤を用いた。かかる供給作業には、注射器の注射針を無くした形状及び機能のディスペンサを用い、エアー圧の調整により一定量の接着剤１の供給を可能ならしめている。
その後接着剤１が硬化する前に、セラミック製のポスト２底面と基板３上面とが接するように実装する（図３（ｅ））。ポスト２が接着剤１を押しのけた結果、余剰分の接着剤１はポスト２の周囲に寄せられる。しかし堰き止め部材５の存在により、接着剤１が堰き止められ、それを超えて流動することはなかった。その後１５０℃、２０分の加熱工程を経て、接着剤１が硬化される。以上の過程を経て本発明の応力センサを得ることができる。
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一例の概要を示している。４つの歪ゲージ４としての抵抗素子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とＸ端子（Ｘｏｕｔ）によりＸ軸方向の応力センサが構成される。これによりポスト２に付与された応力の方向と大きさとを把握し得ることとなる。その結果当該応力センサは、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・多方向スイッチ等に好適に用いることができる。
しかし本発明の適用分野はこれらに限定されない。例えば構成要素としての歪ゲージ４が一つであり、応力の大きさのみを感知する応力センサにも本発明は適用できる。このような応力センサであっても、ポスト２と基板３等の固定部材とを固着させる接着剤１の存在に起因する応力センサ感度ばらつきを低減する効果を有する。
本例では堰き止め部材５を、上記のように基板３上下面の配線と同時に形成される銅箔６のエッチング残部として形成した。この形成法は、上述したように、本堰き止め部材５を形成しないとした場合と同じ工程数で足りる利点がある。これに対し、上述したスクリーン印刷技術による堰き止め部材５の形成は、工程数が一つ増える点で多少不利であるといえる。また応力センサの基板３上面に、例えば歪ゲージ４としての抵抗素子の抵抗値を調整するためのトリマブルチップ抵抗器等が配されている場合にあっては、その後のスクリーン印刷が困難になる点で不利である。スクリーンがトリマブルチップ抵抗器にぶつかり、良好な印刷状態が得られないことが予想されるためである。但し本例によるエッチング残部としての堰き止め部材５形成法は、本例のようにその後の無電解銅めっき工程を経ることでその高さが変化するため、一定の高さを得ることが困難と考えられる。その点はスクリーン印刷技術の採用が有利である。堰き止め部材５の高さ調整がスクリーン印刷技術によると比較的容易だからである。
また本例における堰き止め部材５の存在が応力センサの感度バランスに影響を与えることはなかった。各々の歪ゲージ４との位置関係が同じだからであると考えられる。銅箔６の当初の厚みを３５μｍとし、無電解銅めっき後の堰き止め部材５の高さが約７０μｍとなった場合も同様に、その存在が応力センサの感度バランスに影響を与えることはなかった。但し堰き止め部材５の高さが７０μｍを超えると、その高さを一定にすることが困難となる場合がある。従って堰き止め部材５の高さは７０μｍ以下であることが好ましい。
図４には本発明の応力センサの他の実施の形態例を示している。同図では、ポスト２と、歪ゲージ４と、堰き止め部材５との位置関係及び、これらの形状のバリエーションを上面図として示している。これら応力センサの縦断面図は、基本的に図１（ａ）と同様である。
図４（ａ）は、図１（ｂ）における上面正方形の堰き止め部材５の四隅を省略した堰き止め部材５形状を採用した例である。本構成では、堰き止め部材５の材質に剛性の高いものを選択し、その存在自体によって応力センサ感度バランスが狂うおそれがある場合等に有利であると考えられる。ポスト２に付与された応力の方向と直交する方向のみに堰き止め部材５があり、その応力の伝達を阻害しない配置であると言えるためである。
図４（ｂ）は図１（ｂ）における堰き止め部材５形状を上面円形とした例である。本構成でも、堰き止め部材５の材質に剛性の高いものを選択し、その存在自体によって応力センサ感度バランスが狂うおそれがある場合等に有利であると考えられる。円形は角部がないため正方形に比して一般に形成物形状の再現性が高く、堰き止め部材５の形状ばらつきに起因した応力センサ感度バランスの狂いを抑えることができる。このことは特に堰き止め部材５をスクリーン印刷技術で形成した場合に有効である。スクリーン印刷技術では、流動性あるペーストを用い、その外形形状（特に角部）が特に一定になりにくいためである。
図４（ｃ）及び（ｄ）は、ポスト２底面を約４５°回転させた以外は図４（ａ）及び（ｂ）とそれぞれ同じ構成である。従って得られる効果も図４（ａ）及び（ｂ）とそれぞれ同様である。但しポスト２底面を約４５°回転することにより、ポスト２底面の角部が歪みゲージ４と対応する位置となる。すると当該角部への応力集中が歪ゲージ４へ伝播することとなり、大きな応力センサ出力（歪ゲージ４特性値変化量）が得られる利点がある。尚、ポスト２上部は図４（ａ）及び（ｂ）と同じ角度としているのは、ポスト２を基板３へ実装する際にポスト２先端を挟持し易くするためである。これは通常の実装装置が、基板３外形の片と同じ角度で部品を挟持するようになっていることによる。
このように歪ゲージ４に対する応力集中が大きい構成の応力センサにあっては、堰き止め部材５が担う応力センサ感度バランス維持作用は、相対的に小さくなると考えられる。余剰分の接着剤の存在状態により、応力センサ感度バランスの狂う要因が歪ゲージ４に与える影響に比べ、当該応力集中により歪ゲージ４に与える影響が大きいと考えられるためである。
従って、仮に堰き止め部材５の効果が十分に現れ難い構成とせざるを得ない応力センサにあっては、図４（ｃ）〜（ｅ）に示すようにポスト２底面を約４５°回転させる等して歪ゲージ４に対する応力集中の大きい構成を採用することが好ましい。
図４（ｅ）は図４（ｃ）において、堰き止め部材５の形状をポスト２の角部に合わせた構成である。この場合堰き止め部材５がポスト２の基板３への固着位置の目印となる利点がある。また堰き止め部材５を固着位置の目視検査、画像処理による検査の基準位置とすることで、これらの検査を容易にし得る利点がある。
図４（ｆ）は図４（ｅ）の構成において、堰き止め部材５にかかる凸部を連続させた形態である。余剰分の接着剤１は、主にポスト２底部周囲の角部以外の領域に流出することから、その流出分を堰き止めるに有効である。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明により、接着剤にて基板等の固定部材と固着されるポストへの応力付与により、当該基板等の固定部材に配された歪ゲージが刺激され、当該歪ゲージ特性値変化から当該応力に関する情報を得る応力センサにおいて、ポストと基板等の固定部材とを固着させる接着剤の存在に起因する応力センサ感度ばらつきを低減することができた。
【図面の簡単な説明】
図１の（ａ）は本発明の応力センサの一例の縦断面図、（ｂ）は当該応力センサの上面図の概略を示している。（ｂ）における基板３は、便宜上半透明として図示している。図２の（ａ）は、応力センサの一例の静止状態、（ｂ）は（ａ）の応力センサのポストに対し、ｘ、ｙ方向（横方向）の応力を付与した状態、（ｃ）は（ａ）の応力センサのポストに対し、ｚ方向（下方向）の応力を付与した状態、（ｄ）は（ａ）の上面の概略を示す図である。（ｄ）における基板３は、便宜上半透明として図示している。図３の（ａ）〜（ｅ）は、本発明の応力センサの一例の製造過程の概略を縦断面図として示す図である。図４の（ａ）、（ｂ）は、本発明の応力センサの他の実施の形態の概略を示す図である。基板３は、便宜上半透明として図示している。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、従来の応力センサの概略を示す図である。これらの図面に付した符号は、１…接着剤、２…ポスト、３…基板、４…歪ゲージ、５…堰き止め部材、６…銅箔、２１…基板、２２…歪ゲージ、３０…ポスト、３０ｂ．ポスト底面の輪郭、３１…印刷回路板、である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2003087750.tif 000009
2003087750.tif 000010
2003087750.tif 000011
2003087750.tif 000012