(57)【要約】長期間の使用に耐え得る応力センサを提供する。そのためには基板（４）単体がセンサ部（１）と、支持部（２）を兼ねる応力センサであって、センサ部（１）は与えられた応力に応答してセンサ部（１）の一部を変形させる手段及び、当該変形に応答して電気特性が変化する機能を有する歪みゲージ（５）とを有し、変形部は応力分散手段（１０）を有する。
2002052236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有し、当該変形がされる基板部分が応力分散手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項２】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有し、当該センサ部の中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域と、それらの接合部とが応力受け部材としてのポストと共に固着されることを特徴とする応力センサ。
【請求項３】
センサ部は中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域を有し、当該中央領域と片状領域との接合部が、応力分散手段を有することを特徴とする請求項１記載の応力センサ。
【請求項４】
センサ部とセンサ支持部との接合部が、応力分散手段を有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。
【請求項５】
単一基板に切込部、切欠き部又は薄肉部を基板変形部と基板非変形部との境界領域に形成することでセンサ部とセンサ支持部とを単一基板上に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。
【請求項６】
切込部、切欠き部又は薄肉部により形成される、センサ部とセンサ支持部との接合部、及び／又はセンサ部中央領域とセンサ部片状領域との接合部相当部分が、丸みを帯びるか鈍角をなすことを特徴とする請求項５記載の応力センサ。
【請求項７】
切欠き部形状又は薄肉部形状が円形、丸みを帯びた三角形又は丸みを帯びた四角形であることを特徴とする請求項５又は６記載の応力センサ。
【請求項８】
円形又は丸みのＲ値が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の応力センサ。
【請求項９】
基板が樹脂系材料、表面を絶縁被覆した金属又はセラミックからなる請求項１〜８のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１０】
センサ部の一方の基板面に、金属、セラミック、樹脂又は繊維強化樹脂からなる応力受け部材としてのポストが固着されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１１】
ポスト底面の輪郭付近に相当する当該ポスト固着面とは反対側の基板面に歪みゲージが配されることを特徴とする請求項１０記載の応力センサ。
【請求項１２】
センサ部とセンサ支持部との接合部付近の基板面に歪みゲージが配されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１３】
片状領域に歪みゲージが配置されることを特徴とする請求項２〜１１のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１４】
基板の一方の面にトリマブルチップ抵抗器が配され、歪みゲージを構成する各々の抵抗素子と直列接続されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の応力センサ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、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、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
従来の応力センサは、応力センサ部と応力センサ支持部とが別々に製造され、後からそれらが結合されるものである。例えば特開２０００−２６７８０３号公報では、図３に示すように、基板及びポストからなる応力センサ部をはんだにて応力センサ支持部、即ち印刷回路板に支持・固定した構成が開示されている。
応力センサの使用により、センサ部には必ず応力が付与される。すると当然上記構成の応力センサにおいては、前記応力がはんだ及び印刷回路板へと伝播する。図３（ａ）では、ポストに対しｘ方向（つまり任意の横方向）、図３（ｂ）ではポストに対しｚ方向（つまり下方向）へ応力を付与した際のセンサ部の動作を示した。これらのことから上記従来の応力センサの構成では、長期間の使用によりその応力が、応力センサ部／はんだ界面、はんだ／印刷回路板界面へ与える影響は無視できない。当然それら界面における結合力は使用期間と共に低下し、断線に至るおそれがある。
そこで本発明が解決しようとする課題は、長期間の使用に耐え得る応力センサを提供することである。
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、単一基板４がセンサ部１と、センサ支持部（以下、支持部とのみ記す。）とを兼ね具え、当該センサ部１は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有し、当該変形がされる基板４部分が応力分散手段１０を有することを特徴とする。
一般的に応力センサは、上記電気特性を検知、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前記制御部を除いた部分について便宜上「応力センサ」と称することとする。
長期間の使用に耐え得る応力センサを提供するに際しては、従来センサ部１と、支持部２の結合に要する部材及び、応力センサ構成部材の劣化や損傷・破壊について考慮する必要があった。その点上記本発明の構成では、単一基板４がセンサ部１と支持部２とを兼ねている。そのため、センサ部１と支持部２との結合材料を必要とせず、前記結合材料の結合力劣化に起因するような応力センサ自体の劣化はあり得ない。また単一基板であることから、従来に比して部品点数の低減が図れる利点がある。また歪ゲージ５に対応する基板変形部（以下、第１の変形部と記す。）が応力分散手段１０を有しているため、局部的な応力集中による応力センサ構成部材の損傷、破壊を避けることができる。従って長期間の使用に耐え得る応力センサを提供することができる。
ここで与えられた応力に応答してセンサ部１の一部を変形させる手段は、例えば図２等に示すポスト３等である。また変形に応答して電気特性が変化する歪みゲージ５とは、例えば抵抗素子や圧電素子等である。
図２にセンサ部１の基本構造の例を示した。図２（ａ）はセンサ部１基本構造斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部１基本構造下面図であり、図２（ｃ）は、センサ部１基本構造上面図であり、図２（ｄ）はセンサ部１及び支持部２基本構造斜視図である。中央領域と、当該中央領域と結合する複数の片状領域を有する十字状基板４の下面中心部（中央領域と片状領域との接合部）に４つの歪みゲージ５が配され、全ての歪みゲージ５を刺激可能な基板４上面位置にポスト３が配されている。十字状の基板４の４つの外端部を何らかの方法で固定し、ポスト３にｘ方向（つまり横方向）の応力を付与すると、図３（ａ）のように動作する。つまり基板４が撓み、それと共に歪みゲージ５を構成する抵抗体６のいくつかが収縮し、また抵抗体６のいくつかが伸張する。若しくは全ての歪みゲージ５が伸張するが、各々の歪ゲージ５の伸張の程度が異なる。またポスト３にｚ方向（つまり下方向）の応力を付与すると、図３（ｂ）のように動作する。つまり、基板４が撓むことにより、歪みゲージ５を構成する抵抗体６の全てが略同程度に伸張する。するとそれぞれの抵抗体６の抵抗値が変化し、端子８から抵抗値変化が出力され、図示しない測定部がそれを検知して前記応力の大きさと方向とが把握可能となる。
仮に図２における基板４を十字状とせず、４つの十字状基板４外端辺をそれぞれ延長した四角形等とした場合、ある方向に与えられた応力がその方向とは無関係な歪みゲージ５にまで伝播してしまうことが考えられるため、ここでの説明におけるセンサ部１の基本構造を十字状とした。また図２にはそのセンサ部１の基本構造に支持部２を加えた構成の斜視図を示した。
上記センサ部１の基本構造に支持部２を加えた構成に類似した、本発明の応力センサの上面図を図１に示した。ここで略十字状の基板４について説明する。ポスト３に付与された応力を最も大きく受け、変形しやすい箇所は、図３から把握できると思われるが、多くの場合略十字の付け根部分（前述した接合部、又は第１の変形部に相当）である。第１の変形部が弾性変形の領域を越え、塑性変形すると、その後の応力付与に対するセンサ部１からの出力値が不正確となる。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４上の歪みゲージ５は、常に基板４の塑性変形に起因する応力が付与されることとなるためである。
これらのことから基板４は、ある程度撓むことのできる柔軟性及び多数回の撓みに対して、応力を除いたときにその形状を復元することができる剛性又は弾力性とを併せ持たなければならない。そこで第１の変形部が上記応力分散手段１０を有するようにする。応力分散手段１０とは、例えば、図１に示すセンサ部１の第１の変形部の基板４の丸みである。図２の十字の付け根部分（前述した接合部、又は第１の変形部に相当）は丸みを有していないため、十字の基板４の輪郭における二辺の交点（十字の付け根部分）に付与された応力が集中しやすい。集中した応力は基板４を塑性変形させるおそれがある。それに対し、基板４の十字の付け根部分に前記丸みを有することで、付与された応力を広範囲に分散できる。また図２に示す基本構造を略維持しているため、分散した応力が付与された応力と無関係な歪ゲージにまでは伝播しにくい。
基板４が塑性変形し易いかどうかは、その材質も大きな要因となる。例えばセラミックからなる基板４は、比較的塑性変形しにくい。それに対し印刷回路板等の材料であるガラス繊維強化エポキシ樹脂等、樹脂形材料を主成分とする基板４は、比較的塑性変形し易い。従って、応力センサが本発明の構成を有する場合、樹脂系材料を主成分とする基板４を用いたとき特に本発明の効果、つまり長期間の使用に耐え得る効果を顕著に得ることができる。但し上記本発明を構成する基板４としてセラミック板を用いることができるのは言うまでもない。
応力分散手段１０には、図２に示す、隣合う片状領域の付け根部分が形成する角度を鈍角にする手段等もある。
上記本発明の構成に加え、応力分散手段１０をセンサ部１と支持部２との接合部（以下、第２の変形部と記す。）にも配するのが好ましい。その理由は図３から明らかなように、確かに多くの場合最も大きく変形するのは第１の変形部であるが、本発明のように単一基板４がセンサ部１と支持部２とを兼ねる構成では、第２の変形部が多くの場合次に大きな変形部となるためである。また、基板４の材質や厚み等の変更によっては、第２の変形部の変形量を第１の変形部のそれよりも大きくすることは可能である。そのような場合、第２の変形部に応力分散手段１０を施すのが更に好ましい。
図１には第２の変形部についても、応力分散手段１０を配した例を示している。ここでも前述したように、基板４形状の丸み以外に、当該部分を鈍角にする、又は基本構造である略十字状の基板４の第１の変形部に相当する箇所を他の箇所に比して幅広とする等して応力分散させる手段があることは言うまでもない。
ここで応力分散手段１０が、基板４の十字の付け根部分の丸みである場合、その丸みのＲ値（半径）は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は、それを下回るＲ値では、応力分散効果が十分に得られにくい場合があるためである。ここで第２の変形部にかかる前記Ｒ値は、第１の変形部にかかるＲ値よりも小さくてもよい。その理由は本発明の応力センサへの応力付与時の第２の変形部の変形量は、多くの場合第１の変形部の変形量よりも小さいためである。
また前記Ｒ値は、無制限に大きくする必要もない。但し後述する図６（ｇ）のように円形の穴９で応力分散させる応力分散手段１０の場合は、徒に非変形部分の面積を減らさず、有効活用する観点から２ｍｍ以下が好ましいと思われる。また後述する図６（ｂ）や図６（ｃ）のような一つの円形やそれに類似する形状で応力分散手段１０を実現する場合はその応力センサの大きさに依存するため一概には言えない。また図１の応力分散手段１０のような形態の場合、基板４の加工のし易さや応力分散手段１０が有する分散効果を十分に得ること等を考慮すると、Ｒ値は概ね１．５〜３ｍｍが望ましいと考えられる。
また図１の形態は、単一基板４に切欠き部（穴９）を基板変形部（第１の変形部及び第２の変形部）と基板非変形部（支持部２）との境界領域に形成することで、センサ部１と支持部２とを基板４上に形成するものである。前記切欠き部に代えて、薄肉部１４としてもよい。薄肉部１４は、基板４の他の領域よりも容易に変形可能であり、略切欠き部と同様の機能を有する。例えば図１における穴９の部分を基板４の薄肉部１４とした場合、当該薄肉部１４の、他の基板４部分に比した柔軟性がセンサ部１の第１の変形部の変形を容易にし、センサ部１と支持部２とを単一基板４に形成可能となる。またこの場合、歪ゲージ５が配される側の基板４面側に凹部を有するよう薄肉部１４を形成することにより、穴９を設ける場合に比して与えられる応力に対する感度を大きく損なうことはなくなる。即ち、応力伝達阻害部材で有る薄肉部１４を歪みゲージ５と離れた位置に形成することにより、歪みゲージ５への応力伝達性を良好にする。また基板４の材質や厚みによっては、穴９を設けたためにセンサ部１に要求される強度が得られない場合がある。そのような場合には、特に穴９に代えて薄肉部１４とするのが有利である。その理由は、薄肉部１４が抗力を有しており、過大な応力に対し、薄肉部１４以外の基板４と共に該応力を負担できるためである。
また図１の形態は、切欠き部が丸みを帯びた四角形である穴９を有するものである。前記丸みを帯びた四角形に代えて、円形や丸みを帯びた三角形としてもよい。この場合、円形又は丸みのＲ値が０．１ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は前述したようにそれを下回るＲ値では、応力分散効果が十分に得にくい場合があると考えられるためである。
また上記本発明が解決しようとする課題を解決するための本発明の応力センサは、単一基板がセンサ部１と、支持部２とを兼ね具え、当該センサ部１は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージ５を有し、当該センサ部１の中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域と、それらの接合部とが応力受け部材としてのポスト３と共に固着されることを特徴とする。
図６に、ここでの本発明の構成におけるポスト３が固着されない側の基板４の面の概要を示した。ここでいう固着は、当初基板４とポスト３とが別部材だったものを接着剤等で一体化することをいう。センサ部１の中央領域と、当該中央領域と接合する片状領域と、当該接合部とがポスト３（底面）と共に固着されることにより、ポスト３へ応力が付与されても前記接合部は実質的に変形することがない。従ってポスト３への繰返しの応力付与、長期間の使用に耐え得ることとなる。
また上記本発明の構成において、基板４の一方の面に、金属、セラミック、樹脂又は繊維強化樹脂からなるポスト３が固着されることが好ましい。鉄や高炭素鋼等の金属やセラミックをポスト３の材質とする場合の利点は、それらの剛性から、与えられた応力を正確に伝達できることである。また樹脂又は繊維強化樹脂をポスト３の材質とする場合の第１の利点は、その製造に際し、エネルギー消費が少ないことが挙げられる。例えば樹脂又は繊維強化樹脂を成形・硬化させる温度は、セラミックの焼結温度や金属の鋳造温度に比して非常に低い。またブロック状の金属を加工してポスト３とする場合には、金属の切断や研削工程が必要であり、それをするのに多大なエネルギーを要する。第２の利点はセラミックや金属に比して成形性に優れることである。例えば複雑な形状のポスト３を製造する際には、セラミックの成形・焼結工程、金属の鋳造工程を経るとヒビが入るおそれがある。この原因は冷却の際に、非常に高い温度から常温までの温度変化に伴う体積収縮に剛体が追随できないことにある。それに対し樹脂又は繊維強化樹脂を用いる場合は、樹脂の溶融温度が前記焼結温度や鋳造温度に比して非常に低く、冷却の際の体積収縮が小さい上に、樹脂の剛性が金属やセラミックに比して低いため、そのようなおそれは殆ど無いと言える。
このポスト３は、本発明の応力センサを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、特に小型携帯電子機器の多機能多方向スイッチ等に適用する際に用いられ得る。ここで前記多機能多方向スイッチとして本発明の応力センサを用いる場合は、操作する者が触感でどの方向に応力を付与するべきかを認識可能とするために、ポスト３側面の断面形状を多角形とし、ポスト３側面における各平面に対し垂直に応力を付与することによって各命令を電子機器に送信させることができるようにするのが好ましい。このような断面多角形とする場合のポスト３形状の複雑さ等を考慮した場合、前述したようにポスト３は樹脂又は繊維強化樹脂からなることが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
図４〜図７を参照しながら本発明の第１の実施の形態の例を以下に説明する。
図４に示す、ガラス繊維混入エポキシ系樹脂を主成分とする積層板両面に、銅からなる配線７を配した大型の基板４を用意する。図４（ａ）は基板４の下面図、図４（ｂ）は基板４の上面図である。大型の基板４面は、縦横に多数の分割線を有している。また穴開け加工により、丸みを帯びた三角形の穴９及び後述する支持用穴１２を多数所定位置に形成する。丸みはＲが０．４ｍｍとなるようにした。その後前記縦横の分割線で囲まれたそれぞれの一区画内に一つの応力センサとして機能するに必要な歪みゲージ５を形成する。そのため樹脂系（カーボン・レジン系）の抵抗体ペーストをスクリーン印刷により形成・加熱硬化させて抵抗体６とする。抵抗体６の両端には抵抗素子用電極とそこから伸びる配線とを兼ねた配線７が接触している。その後抵抗体６を保護するため、シリコーン系樹脂ペーストをスクリーン印刷し、その後当該ペーストを硬化して保護膜を形成する。
このシリコーン系樹脂は、繰り返しの変形に対して劣化しにくく、且つ基板４や上記樹脂系の抵抗体６との密着力を高く維持できる利点がある。
次いで各抵抗素子と直列に配線７により電気接続されたトリマブルチップ抵抗器１１を、図５に示すような抵抗体６との接続状態を実現するよう配置する。このときトリマブルチップ抵抗器１１は、図４に示すように、基板４の抵抗素子が配された面と逆の面で、且つ支持部２から伸びる非変形部に配した。従って配線７は、基板４の図示しないバイアホールを経由して為される。非変形部にトリマブルチップ抵抗器１１を配した理由は、トリマブルチップ抵抗器１１に応力が付与され、その抵抗値が変化することを極力避けるためである。またトリマブルチップ抵抗器１１は、公知の実装技術、リフロー技術により配する。
図５には、簡単に歪ケージ５の接続状態を示している。四つの抵抗体６及びトリマブルチップ抵抗器１１の直列接続したものがブリッジ回路を構成している。またこのブリッジ回路の電圧印加端子（Ｖｃｃ）には所定の電圧が印加され、他端子は接地されている。更に同図左側の抵抗体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体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。
その後４つの前記抵抗素子と、それぞれの抵抗素子と直列に電気接続されたトリマブルチップ抵抗器１１との抵抗値の和を所定範囲に調整するため、トリマブルチップ抵抗器１１に対しレーザトリミングを施す。直接抵抗素子を構成する抵抗体６に対してトリミングを施さなかった理由は、樹脂からなる抵抗体６、及び抵抗体６が配されている、樹脂を主成分とする基板４に対しレーザトリミングのような高温処理を施すことによる抵抗値の不安定化の防止を考慮したためである。これら樹脂はレーザトリミングのように非常に高温の処理に対しては不安定な挙動を示す。
トリマブルチップ抵抗器１１を用いるべきか否かは、上記抵抗素子を構成する各部材の材質や、基板４の材質により判断すべきである。例えば基板４の材質がセラミックであって、抵抗体６の材質がメタルグレーズである場合には、直接抵抗素子を構成する抵抗体６に対してレーザートリミングを施したとしても、その後の抵抗値の不安定化のような不都合は無視できる程度である。従って、このような場合は、トリマブルチップ抵抗器１１を用いなくてもよい。但しその他の原因等があり、トリマブルチップ抵抗器１１を用いる必要がある場合は、その必要に応じて用いるべきであることは言うまでもない。
次いでアルミナセラミック製のポスト３を図４に示すようにトリマブルチップ抵抗器１１が配される基板４面側の、歪みゲージ５の全てと対応する位置に固定する。固定にはエポキシ系接着剤を用いる。
前述したように、ポスト３の材質は、その他金属や樹脂や繊維強化樹脂を用いることができる。樹脂を用いる場合には、ポリビニルテレフタレート（ＰＶＴ）を成形したポスト３が、特に好適に使用できる。このＰＶＴは、樹脂系材料の中では剛性に優れるため、付与された応力を比較的正確に伝達できる利点がある。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。
次いで大型の基板４を上記分割線に沿ってディスクカッターにより切断・分割し、個々の応力センサとする。ポスト３を分割前に固定することにより、作業性が良好になる。その理由は、個々の応力センサに分割した後にポスト３を各々の応力センサを有する基板４に取付ける作業は、大型の基板４に対する作業に比して取扱い性、ハンドリング性に劣り、煩雑なためである。
大型の基板４がアルミナ等のセラミック製である場合には、分割線ではなく、分割溝を予め形成してある大型の基板４を用いることが好ましい。その理由はディスクカッターを用いなくとも、当該分割溝を開くように手等で力を加えると、容易に基板４の分割ができるためである。
次いで支持用穴１２を介して筐体等に応力センサを固定することにより、支持部２が殆ど変形せず、センサ部１がポスト３に与えられた応力により変形可能な応力センサ装置となる。ここでセンサ部１下面に空隙が設けられた構成である場合、ポスト３を図３（ｂ）のように下向き（ｚ方向）に応力付与したことを検知させることが可能となる。その理由は、前記下向きに応力付与することにより、歪ゲージ５である４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とができるためである。このような電気特性から得られる情報は、図３（ａ）のように横方向（ｘ方向）に応力を付与した場合と異なる電気的特性から得られる情報であり、それらとは区別できる。
応力センサにおいて、下向き（ｚ方向）への応力付与に何らかの機能を付与することにより、多機能化が図れる。例えばコンピュータのポインティングディバイスとして本発明の応力センサを使用した場合、いわゆるマウスをクリックする機能を前記下向きへの応力付与に対応させることができる。また、例えばいわゆる携帯電話等の小型携帯機器用の多機能・多方向スイッチとして本発明の応力センサを使用した場合には、所定時間下向きへの応力付与をしたときに当該携帯機器の電源のオン・オフの命令に対応させる等が可能となる。
本発明の第２の実施の形態を図６を参照しながら以下に述べる。
基板４に設けられた４つの穴９を、基板４の対角線と略直交する線状となっており、且つその線の両端はＲが０．３ｍｍの丸みを有している。また、歪みゲージ５は、前述した第２の変形部位置であってポスト３が配置（固着）される側の基板４面に配されている。
このことにより、ポスト３への応力付与方向により、各々の歪みゲージ５が伸張するか、収縮するかを、上記本発明の第１の実施の形態と同様にすることができる。即ち、上記本発明の第１の実施の形態で使用される応力センサ制御部を転用し得る。
これら以外についての諸条件は、第１の実施の形態と同様とした。
第２の実施の形態は、ポスト３に付与された応力が優先的に前述の第２の変形部を変形できるように意図した形態である。換言すると、センサ部１の片状領域の外端を主に変形させることを意図した形態である。
第２の実施の形態が有する第１の利点は、第１の実施の形態よりも基板４材料を多く残すことができることから、基板４の強度を高く維持できることが挙げられる。また、穴９の形状が例えば図１に示した穴９形状に比して単純であることから、打抜きによる穴９形成加工が容易であることが挙げられる。
また、第２の実施の形態における、前述した第２の変形部位置に歪みゲージ５を配置することは、図６に示す応力センサの形態にのみ適用可能なものではなく、後述する図８及び図９に示した本発明の応力センサ（図９（ｌ）を除く）についての前述した第２の変形部位置に対しても適用可能なことは言うまでもない。また、第１の変形部位置及び第２の変形部位置の双方に歪みゲージ５を配することで、歪みゲージ５の電気特性変化量を加算することにより、出力特性の良好な応力センサとすることもできる。
本発明の第３の実施の形態を図７を参照しながら以下に述べる。
ポスト３の底面の輪郭が、基板４の中央領域よりも大きく、中央領域の全ては、ポスト３底面によって覆われた状態で固着されている。この固着の手段はエポキシ系接着剤の使用による。このとき、余剰分の接着剤がポスト３底部周囲に溢れ出し、それが硬化することにより実質的にポスト３形状を変えて、基板４を変形させる態様にばらつきが多少生じ、結果としてセンサ感度にばらつきを生じさせる問題があった。しかし、本実施の形態では余剰分の接着剤は穴９を通過して基板４の裏側（ポスト３が配されていない側）の基板面に移動し、ポスト３形状を実質的に変えることがないため、前記問題点は解消される。
また、接着剤によりポスト３底面と「接合部」とが固定されているため、「接合部」における変形、応力集中は妨げられている。
また、歪みゲージ５の配置位置を基板４の片状領域の略中央部としている。それに加えてポスト３底面の輪郭を、当該歪みゲージ５位置に対応させている。このことにより、ポスト３に付与された応力が基板４の片状領域の略中央に伝達する。当該領域は基板４のセンサ部１の中で最も変形が容易であり、歪みゲージ５からの出力を大きくすることができる利点を有している。
以下、本発明の実施の形態について、応力分散手段１０を実現するための他の基板４形状の例について説明する。
図８（ａ）は、応力分散手段１０を具備する穴９の形状をＬ字型とした場合の本発明の形態を応力センサの上面図にて示した図である。図１における第１の変形部及び第２の変形部について穴９の丸みを有することにより応力の分散を実現する。この穴９形状を採用する利点は、穴９面積を小さくすることができ、それにより穴９以外の基板４面であり、且つ実質的に応力付与によりに変形しない箇所に配線７やトリマブルチップ抵抗器１１の配置を容易にできることである。またこの穴９形状を採用する場合の多少不利な点は、このようなＬ字形状を打抜き加工で加工するのに困難性があることである。
図８（ｂ）は、応力分散手段１０を具備する穴９の形状を円形としした場合の本発明の形態を応力センサの上面図にて示した図である。図１における第１の変形部及び第２の変形部について穴９の輪郭により応力の分散を実現する。この穴９形状を採用する利点は、打抜き加工が容易であり、また打抜き用の金型の磨耗が図８（ａ）におけるＬ字型に比して極めて少ないことが予想される点である。
図８（ｃ）、図８（ｄ）は、図８（ｂ）について、第１の変形部及び第２の変形部に影響しない部分、この場合センサ部１の四隅の基板４を打抜き時に残存させた形態である。これにより図８（ａ）の利点と同じ利点を得ることができる。
図８（ｅ）は、切込部１３によってセンサ部１と支持部２とを切り離した形態であり、第１の変形部にかかる切込部１３形状に丸みを有し、また第２の変形部にかかる切込部１３端部に円形の打抜き加工部を設けることにより、各々変形部における応力分散を実現した形態である。
図８（ｆ）は、図８（ｅ）の切込部１３を薄肉部１４とする以外は同様の形態である。薄肉部１４の形成法は、例えば微細掘削加工等の機械加工による。薄肉部１４は変形が他の部分に比して容易であるため、切込部１３や穴９を設けた場合と略同様にセンサ部１と支持部２とを切り離すことができる。つまり、第１の変形部及び第２の変形部は、薄肉部１４の存在により変形可能となる。薄肉部１４によってセンサ部１と支持部２とを切り離した場合の利点は、過大な応力がセンサ部１に付与された場合、過大分の応力負担を薄肉部１４が担うことができ、それにより応力センサの破壊を抑制することができる。また応力の分散効果も他に比して大きいと考えられる。
図８（ｇ）は図８（ｅ）の切込部１３を穴９とする以外は同様の形態である。穴９の形成法は、例えば微細掘削加工等の機械加工により、基板４を貫通させる程度の加工をすることによる。センサ部１と支持部２との境界にある穴９終端部に形成する円形の打抜き穴が、図８（ｅ）、図８（ｆ）同様に第２の変形部にかかる応力分散手段１０の役割をしている。ここで前記打抜き穴の直径は、０．１ｍｍ〜３ｍｍが適当である。その理由は前記直径が小さすぎると応力分散効果が小さく、その直径が大きすぎると第２の変形部にかかる基板４幅が狭くなり、却って応力を負担してしまうおそれがあるためである。
図８（ｈ）は、上記打抜き穴をセンサ部１と支持部２との境界に有しつつ、穴９形状が全体として丸みを帯びた三角形である形態である。
図８（ｉ）は、略十字状のセンサ部１の四方に伸びる基板４が徐々に幅広になり、センサ部１と支持部２との境界部に係る切欠き部の輪郭が、鈍角をなすことで応力分散手段１０として機能する形態である。
図８（ｊ）は、略十字状のセンサ部１の四方に伸びる基板４が中心に向かうに従い徐々に幅広になり、第１の変形部に係る切欠き部の輪郭が、鈍角をなすことでそこでの応力分散手段１０として機能する形態である。通常、第１の変形部の方が第２の変形部に比して変形量が大きいため、このような形態とすることで、第１の変形部及び第２の変形部の変形量を同等とすることができる。それにより、変形量に起因する応力センサ部１構成部材の劣化を抑制し、応力センサを繰り返し使用した場合の寿命を延ばすことができる。
図８（ｋ）は、図８（ｊ）の形態において、穴９の形状に全体的に丸みを持たせた形態である。
図８（ｌ）は、図８（ｋ）の形態において、穴９の形状をそれぞれ１８０°回転させた形態である。このような形態とすることにより、第１の変形部が非常に幅広となり、応力分散が為される。またこの形態とした場合の利点は、歪みゲージ５を大きくできることである。歪ゲージが抵抗素子の場合、抵抗素子サイズが大きければ大きい程その抵抗値が安定する傾向がある。歪ゲージを大きくする場合、ポスト３の底面を図８（ｌ）のように大きくして、ある方向に与えられた応力がその方向とは無関係な歪みゲージ５にまで伝播することを防ぐことが好ましい。
図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、それぞれ図８（ｅ）、図８（ｆ）、図８（ｇ）の形態において、第１の変形部における応力分散手段１０を切込部１３や薄肉部１４や穴９の滑らかな曲線で実現していたのに対し、円形の切欠き（穴９）を開けることで実現した形態である。これらの形態の利点は、例えば切込部１３や薄肉部１４や穴９を滑らかな曲線として形成する困難性を回避でき得る点にある。一般的に切込部１３や薄肉部１４は、直線的に形成するのが最も困難性が少ない。また穴９は直線的に又は円形を形成するのが最も困難性が少ない。従って切込部１３、薄肉部１４、穴９を直線的にのみ形成し、その後若しくは前に円形の穴９を形成する。このような製法により図８（ｅ）、図８（ｆ）、図８（ｇ）の形態を実質的に実現できる。
図９（ｄ）、図９（ｅ）、図９（ｆ）は、それぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）の製造の簡易さを実現できる上、円形の穴９からなる第１の変形部における応力分散手段１０の応力分散性を向上させた形態である。即ち、第１の変形部における応力分散手段１０である円形の穴９の円周のうち、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）では、ポスト３から離れた側の円周約５０％には応力を分散できない形態であったところ、図９（ｄ）、図９（ｅ）、図９（ｆ）では、ポスト３から離れた側の円周約２５％に応力を分散できないのみで、他の円周部分に応力を略均一に分散し得る形態である。
図９（ｇ）は図８（ｋ）、図９（ｈ）は図８（ｈ）について、基板４の四隅の実質的に変形しない部分を更に有効活用し得る形態である。
図９（ｉ）は、かなり変形した十字形状のセンサ部１を有する形態である。この形態の利点は、例えば歪ゲージ５からの配線７が複雑な場合、その配線７を基本構造である十字状基板４の幅の一部広い領域に容易に収容できることである。
図９（ｊ）は、図８（ｊ）や図８（ｋ）の形態を直線の切込手段と円形の穴形成手段のみで形成し得る形態である。前述のように直線の切込と円形の穴形成はその形状の単純さから、最も加工がしやすく、製造の困難性が少ないのがこのような形態の利点である。
図９（ｋ）は、図８（ａ）において、ポスト３底面が各々の穴９領域の一部に重なるようにポスト３が配された形態である。図７の形態において説明した有利な点、即ち、基板とポスト３との固着を接着剤にて実施した場合の、当該接着剤の余剰分がもたらすセンサ感度のばらつき発生を抑制することができる。
図９（ｌ）は、固着されるポスト３底面の四隅位置に相当する基板の領域に４箇所円形の穴を開けた形態である。穴の形状は円形に限定されないが、円形にすることにより、他の形状にした場合に比べて穴開け加工が容易になることと、後述する応力分散機能が良好に発揮される利点がある。当該穴は、応力分散手段１０の機能と、センサ部１とセンサ支持部２とを単一基板に形成するための穴９の機能とを兼ね具えている。基板周縁を固定した状態でポスト３に応力を付与することにより、ポスト３底面の周縁と接触する基板部分が変形する。そして当該変形部分（ポスト３が配される面とは逆側面）に歪みゲージ５を配し、それら歪みゲージ５及び必要に応じて図示しないトリマブルチップ抵抗器１１が相互に図５に示すブリッジ回路を形成することで本発明の応力センサを得ることができる。この応力センサは、極めて構造が単純であり、他の形態に比べて製造に困難性が少ない等の利点がある。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明により、長期間の使用に耐え得る応力センサを提供することができた。また単一基板４がセンサ部１と支持部２とを兼ねる構成の応力センサであることから、従来に比して部品点数の低減が図れる利点がある。また本発明の応力センサは、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、各種電子機器用多機能スイッチ等に好適に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の応力センサのの上面図を示した図である。図２は、センサ部の基本構造、及びセンサ部の基本構造に支持部が取付けられた構成の例を示す図である。図３は、従来の応力センサ装置の構造及び動作状態を示す図である。図４は、本発明の第１の実施の形態の一例の応力センサを示す図である。図５は、歪みゲージを形成する抵抗素子と、トリマブルチップ抵抗器との電気接続状態を示す図である。図６は、本発明の第２の実施の形態の一例の応力センサを示す図である。図７は、本発明の第３の実施の形態の一例の応力センサを示す図である。図８は、本発明の実施の形態の応力センサにおける応力分散手段の例を列挙する図である。図９は、本発明の実施の形態の応力センサにおける応力分散手段の例を列挙する図である。これらの図面に付した符号は、１…センサ部、２…支持部、３…ポスト、４…基板、５…歪みゲージ、６…抵抗体、７…配線、８…端子、９…穴、１０…応力分散手段、１１…トリマブルチップ抵抗器、１２…支持用穴、１３…切込部、１４…薄肉部、である。
【図１】
2002052236.tif 000003
【図２】
2002052236.tif 000004
【図３】
2002052236.tif 000005
【図４】
2002052236.tif 000006
【図５】
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【図６】
2002052236.tif 000008
【図７】
2002052236.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月6日(2002.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有する応力センサであって、
当該センサ部の中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域と、それらの接合部とが、応力受け部材としてのポストと共に固着されることを特徴とする応力センサ。
【請求項２】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有する応力センサであって、
前記単一基板に薄肉部を形成することで、単一基板上にセンサ部とセンサ支持部とを形成することを特徴とする応力センサ。
【請求項３】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は応力受け部材としてのポストに与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有する応力センサであって、
前記センサ部は、基板の中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域とを有し、
前記片状領域外端が前記センサ支持部と一体となり、
前記片状領域に前記歪ゲージが配され、
前記歪ゲージ存在領域にポスト底面の輪郭が位置することを特徴とする応力センサ。
【請求項４】
ポスト底面の輪郭が、基板の中央領域と片状領域との接合部と、センサ支持部と片状領域との接合部との略中間に相当する片状領域に位置することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の応力センサ。
【請求項５】
基板面に応力受け部材としてのポストが固着され、当該ポスト底面の輪郭が位置する基板領域に歪ゲージが配され、当該ポストへの応力付与に伴う歪ゲージへの刺激に応答して当該歪ゲージの電気特性が変化する応力センサであって、
前記基板が複数の穴を有し、隣合う穴の間にポスト底面の輪郭が位置することを特徴とする応力センサ。
【請求項６】
穴が円形であることを特徴とする請求の範囲５項に記載の応力センサ。
【請求項７】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有する応力センサであって、
前記センサ部と前記センサ支持部との接合部に、前記歪ゲージが配され、且つ当該接合部が応力分散手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項８】
単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有する応力センサであって、
前記センサ部は、基板の中央領域と、当該中央領域と接合する複数の片状領域とを有し、
前記歪ゲージが、前記センサ部と前記センサ支持部との接合部、及び前記基板の中央領域と前記片状領域との接合部の双方に配され、両者の歪ゲージの電気特性変化量が加算される機能を有し、且つ前記センサ部と前記センサ支持部との接合部、及び前記基板の中央領域と前記片状領域との接合部が応力分散手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項９】
基板が樹脂系材料であることを特徴とする請求の範囲１項〜８項のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１０】
樹脂系材料からなる単一基板がセンサ部と、センサ支持部とを兼ね具え、当該センサ部は与えられた応力に応答して変形し、当該変形に応答して電気特性が変化する歪ゲージを有し、当該変形がされる基板部分が応力分散手段を有することを特徴とする応力センサ。
【請求項１１】
樹脂系材料が、ガラス繊維混入樹脂系材料であることを特徴とする請求の範囲９項又は１０項に記載の応力センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
おける二辺の交点（十字の付け根部分）に付与された応力が集中しやすい。集中した応力は基板４を塑性変形させるおそれがある。それに対し、基板４の十字の付け根部分に前記丸みを有することで、付与された応力を広範囲に分散できる。また図２に示す基本構造を略維持しているため、分散した応力が付与された応力と無関係な歪ゲージにまでは伝播しにくい。
基板４が塑性変形し易いかどうかは、その材質も大きな要因となる。例えばセラミックからなる基板４は、比較的塑性変形しにくい。それに対し印刷回路板等の材料であるガラス繊維強化エポキシ樹脂等、樹脂系材料を主成分とする基板４は、比較的塑性変形し易い。従って、応力センサが本発明の構成を有する場合、樹脂系材料を主成分とする基板４を用いたとき特に本発明の効果、つまり長期間の使用に耐え得る効果を顕著に得ることができる。但し上記本発明を構成する基板４としてセラミック板を用いることができるのは言うまでもない。
応力分散手段１０には、図２に示す、隣合う片状領域の付け根部分が形成する角度を鈍角にする手段等もある。
上記本発明の構成に加え、応力分散手段１０をセンサ部１と支持部２との接合部（以下、第２の変形部と記す。）にも配するのが好ましい。その理由は図３から明らかなように、確かに多くの場合最も大きく変形するのは第１の変形部であるが、本発明のように単一基板４がセンサ部１と支持部２とを兼ねる構成では、第２の変形部が多くの場合次に大きな変形部となるためである。また、基板４の材質や厚み等の変更によっては、第２の変形部の変形量を第１の変形部のそれよりも大きくすることは可能である。そのような場合、第２の変形部に応力分散手段１０を施すのが更に好ましい。
図１には第２の変形部についても、応力分散手段１０を配した例を示している。ここでも前述したように、基板４形状の丸み以外に、当該部分を鈍角にする、又は基本構造である略十字状の基板４の第１の変形部に相当する箇所を他の箇所に比して幅広とする等して応力分散させる手段があることは言うまでもない。
ここで応力分散手段１０が、基板４の十字の付け根部分の丸みである場合、そ




【国際調査報告】
2002052236.tif 000012
2002052236.tif 000013
2002052236.tif 000014
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