ホーム > 特許ランキング > マグネデザイン株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022090578
(43)【公開日】2022-06-17
(54)【発明の名称】応力インピーダンス素子付き触針棒および触針センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 1/12 20060101AFI20220610BHJP
【ＦＩ】
G01L1/12
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020203069
(22)【出願日】2020-12-07
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2021-05-12
(71)【出願人】
【識別番号】713000630
【氏名又は名称】マグネデザイン株式会社
(72)【発明者】
【氏名】本蔵 義信
(72)【発明者】
【氏名】本蔵 晋平
(57)【要約】 （修正有）
【課題】微小サイズの微弱な接触圧を検出できる応力インピーダンス素子付き触針棒および触針センサを提供する。
【解決手段】接触圧検出用の円柱状の芯棒１２の周囲にフレキシブル基板上にアモルファス磁歪ワイヤを配置した応力インピーダンスセンサ素子の４個を４回対称に貼り付けた応力インピーダンス素子付き触針棒１と、アモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電する電子回路およびデータ処理回路からなり、電子回路により計測される４つの測定値（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）をデータ処理回路で計算処理して、接触圧Ｐ（式１）とＸ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙ（式２）を同時に計測する。式１；Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）式２；σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２
【選択図】図５
【解決手段】接触圧検出用の円柱状の芯棒１２の周囲にフレキシブル基板上にアモルファス磁歪ワイヤを配置した応力インピーダンスセンサ素子の４個を４回対称に貼り付けた応力インピーダンス素子付き触針棒１と、アモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電する電子回路およびデータ処理回路からなり、電子回路により計測される４つの測定値（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）をデータ処理回路で計算処理して、接触圧Ｐ（式１）とＸ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙ（式２）を同時に計測する。式１；Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）式２；σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
触針棒と４個の応力インピーダンス素子からなる応力インピーダンス素子付き触針棒において、
前記触針棒は、曲がりやすく微小な円柱状の芯棒と前記芯棒の一方の端部には接触子を備え、他方の端部は剛性の高いホルダーに固定されており、
前記応力インピーダンス素子は、フレキシブル基板とアモルファス磁歪ワイヤと２個の電極とからなり、前記芯棒の周囲に４個の応力インピーダンス素子が４回対称に貼り付けられていて、
曲げ応力と接触圧を同時に測定できることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
前記触針棒は、曲がりやすく微小な円柱状の芯棒と前記芯棒の一方の端部には接触子を備え、他方の端部は剛性の高いホルダーに固定されており、
前記応力インピーダンス素子は、フレキシブル基板とアモルファス磁歪ワイヤと２個の電極とからなり、前記芯棒の周囲に４個の応力インピーダンス素子が４回対称に貼り付けられていて、
曲げ応力と接触圧を同時に測定できることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
【請求項2】
請求項１において、
前記芯棒は、直径０．２～１ｍｍ、長さ３～１０ｍｍにて、
前記応力インピーダンス素子は、長さ０．６～５．５ｍｍ、幅０．０５～０．８ｍｍ、厚さ０．０５～０．２５ｍｍからなり、
前記アモルファス磁歪ワイヤは、直径５～１８μｍ、長さ０．５～５．０ｍｍからなることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
前記芯棒は、直径０．２～１ｍｍ、長さ３～１０ｍｍにて、
前記応力インピーダンス素子は、長さ０．６～５．５ｍｍ、幅０．０５～０．８ｍｍ、厚さ０．０５～０．２５ｍｍからなり、
前記アモルファス磁歪ワイヤは、直径５～１８μｍ、長さ０．５～５．０ｍｍからなることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
【請求項3】
請求項１において、
前記アモルファス磁歪ワイヤは、前記フレキシブル基板上で四角環もしくは楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
前記アモルファス磁歪ワイヤは、前記フレキシブル基板上で四角環もしくは楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とする応力インピーダンス素子付き触針棒。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか一項に記載の応力インピーダンス素子付き触針棒と、電子回路と信号処理回路とからなる触針センサにおいて、
前記電子回路は、前記触針棒を構成する芯棒に負荷されている応力を４個の前記応力インピーダンス素子によって計測した信号を電圧信号として出力し、
前記信号処理回路は、前記電子回路から出力した４つの信号電圧を４つの測定値σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に変換すると、曲げ応力が付加されている状態での接触圧Ｐを関係式（１）により、Ｘ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙを関係式（２）により求めることができる回路からなることを特徴とする触針センサ。
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
前記電子回路は、前記触針棒を構成する芯棒に負荷されている応力を４個の前記応力インピーダンス素子によって計測した信号を電圧信号として出力し、
前記信号処理回路は、前記電子回路から出力した４つの信号電圧を４つの測定値σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に変換すると、曲げ応力が付加されている状態での接触圧Ｐを関係式（１）により、Ｘ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙを関係式（２）により求めることができる回路からなることを特徴とする触針センサ。
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
【請求項5】
請求項４において、
前記電子回路は、パルス発信器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなり、
前記パルス発振器は、前記アモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、
前記アモルファス磁性ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を前記高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波することを特徴とする触針センサ。
前記電子回路は、パルス発信器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなり、
前記パルス発振器は、前記アモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、
前記アモルファス磁性ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を前記高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波することを特徴とする触針センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超微小サイズの超微弱の曲げ応力と接触圧を検出する応力インピーダンス素子付き触針棒および触針センサに関する。
【背景技術】
【0002】
接触圧センサは、円柱状の触針棒に歪みゲージを貼り付けて使用されている。しかし、被測定物が凹凸面や傾斜を有する場合や柔らかな弾性体などの場合には、先端部は必ずしも被測定物と垂直に接触することができず、曲がってしまう場合がある。このような場合に、歪みゲージは接触圧と曲げ応力を同時に計測することになって正確な接触圧力を求めることができない。
【0003】
特に、医療分野においては、医療機器の先端部の触針棒は直径０．２～１ｍｍ、長さ３～１０ｍｍ程度と非常に小さく、触針棒自体が曲がりやすい。しかも、被測定物の臓器、血管、皮膚などの生体組織は柔らかな擬弾性体で、加えて接触面は平坦面とは言えない場合がほとんどである。医療機器の先端部の接触圧力を計測する場合、接触圧と同時に触針棒の曲げ応力を計測し、被測定物と触針棒の接触の仕方も重要な情報である。つまり、接触圧と曲げ応力を同時に計測することが必要である。
【0004】
また、被測定物との接触圧は１ｍｇ～１０００ｍｇ（１ｇ）で、強い場合でも１０ｇと非常に小さいので、通常の歪みゲージでは計測できない。そこで、高いゲージ率を有する応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）を用いることにする。
【0005】
ＳＩセンサについては、特許文献１および特許文献２に開示されている。
ここで、応力インピーダンスとは、磁性ワイヤに歪みが負荷されると磁性ワイヤのインピーダンスが歪量に応じて変化する現象で、わずかな歪みでも大きなインピーダンス変化を生じる高感度歪みゲージが開発されている。
ＳＩセンサの感度評価は、歪みゲージ率Ｇで評価されている。それは、Ｇ＝（ｄＲ／Ｒ）／（ｄＬ／Ｌ）で計算することができる。Ｌは応力検知体の長さ、ｄＬは伸びで、Ｒは応力検知体の電気抵抗、ｄＲは電気抵抗の変化量である。なお、市販の歪みゲージは、歪みゲージ率は２程度で、半導体歪みゲージの歪みゲージ率は５０～２００程度である。
ここで、応力インピーダンスとは、磁性ワイヤに歪みが負荷されると磁性ワイヤのインピーダンスが歪量に応じて変化する現象で、わずかな歪みでも大きなインピーダンス変化を生じる高感度歪みゲージが開発されている。
ＳＩセンサの感度評価は、歪みゲージ率Ｇで評価されている。それは、Ｇ＝（ｄＲ／Ｒ）／（ｄＬ／Ｌ）で計算することができる。Ｌは応力検知体の長さ、ｄＬは伸びで、Ｒは応力検知体の電気抵抗、ｄＲは電気抵抗の変化量である。なお、市販の歪みゲージは、歪みゲージ率は２程度で、半導体歪みゲージの歪みゲージ率は５０～２００程度である。
【0006】
特許文献１（実施例１）によると、応力検知体である磁性ワイヤはＦｅ系アモルファスワイヤで、直径１２５μｍ、長さ１５０ｍｍ（端子間長さ）にて、励磁周波数は１０ＭＨｚで、６３程度の歪みゲージ率が得られている。
一方、特許文献２（実施例１）によると、応力検知体である磁性ワイヤは負磁歪のＣｏ系アモルファスワイヤで、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍにて、励磁周波数は２０ＭＨｚで、１２８６の歪みゲージ率が得られている。これは、半導体歪みゲージの６．５倍も高い値である。
一方、特許文献２（実施例１）によると、応力検知体である磁性ワイヤは負磁歪のＣｏ系アモルファスワイヤで、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍにて、励磁周波数は２０ＭＨｚで、１２８６の歪みゲージ率が得られている。これは、半導体歪みゲージの６．５倍も高い値である。
【0007】
また、非特許文献１によるとワイヤ径３０μｍ、長さ３０ｍｍで、励磁周波数を２０ＭＨｚ、電流の強さ２０ｍＡとした時に、歪みゲージ率１５２４を得ている。
非特許文献２（図２）によると、素子の長さ４ｍｍ、幅２ｍｍとして、励磁周波数を１５ＭＨｚ、電流の強さ９．５ｍＡの場合に、歪みゲージ率２０００程度を得ることができると報告している。
ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは１０００程度である。非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪みゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。
非特許文献２（図２）によると、素子の長さ４ｍｍ、幅２ｍｍとして、励磁周波数を１５ＭＨｚ、電流の強さ９．５ｍＡの場合に、歪みゲージ率２０００程度を得ることができると報告している。
ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは１０００程度である。非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪みゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。
【0008】
しかし、ＳＩセンサは、既存製品の磁性ワイヤを被試験体に取り付けることが難しく実用化に至っていない。さらに、素子の長さを小さくすると歪みゲージ率が低下してしまうので、小型化と高感度化を両立させるための新技術開発が必要である。
【0009】
なお、ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは、１０００程度である。また、非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪ゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。しかし、これはシリコンのＭＥＭＳ構造体の上に歪みゲージを貼り付ける構造のため、小さな触針棒に取り付けるには適していないので、本発明における歪ゲージとしてはふさわしくないと判断して、開発の対象としなかった。
【0010】
ＳＩセンサを使った曲げ応力検出装置については、非特許文献１に差動型素子の構造、回路図および特性が紹介されている。上下の曲げに対して最小検出分解能は２．５ｍｇで、測定範囲は１．２５ｇ、目盛り数は１０００（約１０ビット）の性能を持つ曲げ応力検出装置が記載されている。
【0011】
また、特許文献３には、円柱形状プラスチックとその上部に慣性質量、その下部に固定台とからなり、円柱形状プラスチックに円柱状面に４本の磁歪アモルファスワイヤを配置して、慣性質量にかかる回転力を、ＳＩ素子でひねり応力として検知するタイプの回転角度変化速度検出センサ（ユーレートセンサ）が報告されている。１本のワイヤでも検出は可能であるが、4本のワイヤを4回対称的に円柱面状に張り付けて、ひねり応力を精度よく検出できるように工夫したものである。本センサは、センサヘッドにかかる回転力を検知するもので、接触圧や曲げ応力に影響を受けない大きな剛性を有する円柱棒が必須である。このことは、接触圧や曲げ応力を計測できないことを意味している。
【0012】
以上、医療分野において、直径１ｍｍ以下の微小な円柱状の触針棒を持ち、１ｍｇレベルの微小な接触圧の測定が可能で、しかも接触圧とともに曲げ応力を同時に計測することができる触針センサの開発が求められている。
本開発を実現するためには、ＳＩセンサの小型化と簡単に被試験体に取り付けることができるＳＩ素子の開発という新技術の開発が必要である。
また、触針センサの検出体である磁歪ワイヤは応力とともに外部磁界の影響を受ける。外部磁界が小さい場合には、その影響は無視できる。しかし、外部磁界が地磁気より大きい場合には、触針センサは外部磁界による影響は無視できなくなる。そこで、小型化と高い歪みゲージ率を両立する技術の開発とともに磁気シールドの技術開発も必要となる。
本開発を実現するためには、ＳＩセンサの小型化と簡単に被試験体に取り付けることができるＳＩ素子の開発という新技術の開発が必要である。
また、触針センサの検出体である磁歪ワイヤは応力とともに外部磁界の影響を受ける。外部磁界が小さい場合には、その影響は無視できる。しかし、外部磁界が地磁気より大きい場合には、触針センサは外部磁界による影響は無視できなくなる。そこで、小型化と高い歪みゲージ率を両立する技術の開発とともに磁気シールドの技術開発も必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開平８－１２８９０４
【特許文献2】特開平１０－１７０３５５
【特許文献3】特許第３９０８６８８号
【非特許文献】
【0014】
【非特許文献1】沈麗萍他：日本応用磁気学会２２、６７７－６８０（１９９８）
【非特許文献2】山寺秀哉ほか：豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー ３，２、ｐ５１～５６（２００１．６）
【非特許文献3】横河技報 ６０，１，ｐ４３～４７（２０１７）
【非特許文献4】ＥＥＴｉｍｅｓ ２０１９年９月３日ニュース
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
本発明は、医療分野において、直径１ｍｍ以下の微小な円柱状の触針棒（芯棒）を持ち、１ｍｇレベルの微小な接触圧測定が可能で、しかも接触圧とともに曲げ応力を同時に計測することができる触針センサの開発をＳＩセンサの小型化と高性能化を図って実現することを目指したものである。
このような触針センサは、ロボットの触覚センサとしても求められているものである。
このような触針センサは、ロボットの触覚センサとしても求められているものである。
【0016】
そのためには、第１の課題は、ＳＩセンサの素子（以下、ＳＩ素子という。）の長さをこれまでの３０ｍｍから５ｍｍ以下にするとＳＩセンサの歪みゲージ率が低下してしまう。ＳＩセンサの歪みゲージ率の大幅な改善を図り、素子長さを短くしても２０００以上の歪みゲージ率を確保できるＳＩセンサを開発することである。
第２の課題は、簡単に被試験体に取り付けることができるフレキシブルタイプのＳＩ素子を開発することである。
第３の課題は、接触圧力と曲げ応力の両方を検知しうる円柱状の触針棒タイプの触針センサを考案することである。
第４の課題は、触針センサへの外部磁界の影響を解消する技術を開発することである。
第２の課題は、簡単に被試験体に取り付けることができるフレキシブルタイプのＳＩ素子を開発することである。
第３の課題は、接触圧力と曲げ応力の両方を検知しうる円柱状の触針棒タイプの触針センサを考案することである。
第４の課題は、触針センサへの外部磁界の影響を解消する技術を開発することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明者は、歪みゲージ率に及ぼす諸因子を鋭意研究した。
その結果、磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍに変更することで、３倍程度高い歪みゲージ率を得ることができることを見出した。また、磁歪ワイヤの直径（ワイヤ径）が小さくなるほど、歪みゲージ率に及ぼす周波数のピーク周波数は増加し、かつ最適周波数におけるゲージ率が増大することを見出した（図１）。さらに、磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍへと小さくすると、最適歪みゲージ率は周波数の平方根に比例することが分かった。
その結果、磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍに変更することで、３倍程度高い歪みゲージ率を得ることができることを見出した。また、磁歪ワイヤの直径（ワイヤ径）が小さくなるほど、歪みゲージ率に及ぼす周波数のピーク周波数は増加し、かつ最適周波数におけるゲージ率が増大することを見出した（図１）。さらに、磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍへと小さくすると、最適歪みゲージ率は周波数の平方根に比例することが分かった。
【0018】
次に、歪みゲージ率は、磁歪ワイヤの長さＬと磁性ワイヤの断面積Ｓとの比、つまりアスペクト比（Ｌ／Ｓ）に強く依存することを見出した(図２)。
ＳＩ素子において、磁歪ワイヤの直径３０μｍでは長さ２０ｍｍの場合の歪みゲージ率は１０００程度であるが、長さを２ｍｍと短くするとゲージ率は１００程度と激減した。一方、磁歪ワイヤの直径１０μｍでは長さ１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍとした場合、歪みゲージ率は１１００程度、２３００程度および４６００程度となった。以上の知見を基に第１の課題を解決した。
なお、磁歪ワイヤとしては、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤのどちらでも使用できる。
ＳＩ素子において、磁歪ワイヤの直径３０μｍでは長さ２０ｍｍの場合の歪みゲージ率は１０００程度であるが、長さを２ｍｍと短くするとゲージ率は１００程度と激減した。一方、磁歪ワイヤの直径１０μｍでは長さ１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍとした場合、歪みゲージ率は１１００程度、２３００程度および４６００程度となった。以上の知見を基に第１の課題を解決した。
なお、磁歪ワイヤとしては、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤのどちらでも使用できる。
【0019】
また、本発明者は、柔軟性を有するフレキシブル基板に磁歪ワイヤを取り付けることができるならば、半導体歪みゲージ素子と同様に、接着剤などで被試験体に貼り付けることができるＳＩ素子を開発できるとの思いに至った。そこで、フレキシブル基板の表面に溝加工を施し、その溝に沿って磁歪ワイヤを配置し、樹脂で固定した上で、磁歪ワイヤに取り付けた磁歪ワイヤ端子と外部の電子回路とを連結する磁歪ワイヤ電極とからなるＳＩ素子を考案した。以上の考案により第２の課題を解決した。
【0020】
さらに、本発明者は、触針棒（芯棒）に１個のみのＳＩ素子を貼り付けた場合には、触針棒（芯棒）が曲がったりして精度よく計測できないことに加えて曲げ応力は計測できないことに鑑みて、円柱状の触針棒（芯棒）に４個のＳＩ素子を４回対称に貼り付けるという複合素子とすることに思い至った。つまり１個の素子の場合、曲げ応力がかかった場合、接触圧を測定することができない。４個の素子を４回対称に貼り付けて、始めて任意の方向にかかる曲げ応力と接触圧とを分離測定が可能になる。
上記複合素子の４ケ所の曲げ応力を、図３に示す電子回路を使って計測し、曲げ応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応するＶｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を求めた。作動素子の出力電圧Ｖｘ＝Ｖｘ１－Ｖｘ２、Ｖｙ＝Ｖｙ１－Ｖｙ２は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２と直線的関係にあった。また、接触圧を０ｋｇ／ｍｍ２から８ｋｇ／ｍｍ２と変えて測定した結果、同様な直線的関係が存在した。その結果を図４に示す。この関係から、つまりＶｘ，Ｖｙから曲げ応力σｘとσｙを求めることができる。
上記複合素子の４ケ所の曲げ応力を、図３に示す電子回路を使って計測し、曲げ応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応するＶｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を求めた。作動素子の出力電圧Ｖｘ＝Ｖｘ１－Ｖｘ２、Ｖｙ＝Ｖｙ１－Ｖｙ２は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２と直線的関係にあった。また、接触圧を０ｋｇ／ｍｍ２から８ｋｇ／ｍｍ２と変えて測定した結果、同様な直線的関係が存在した。その結果を図４に示す。この関係から、つまりＶｘ，Ｖｙから曲げ応力σｘとσｙを求めることができる。
【0021】
Ｘ軸またはＹ軸に対称の差動型ＳＩ素子によって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力を測定してＸＹ平面内の曲げ応力を求め、触針棒の曲げ方向を求めることを見出した。
さらに、曲げ応力が負荷している状態での接触圧Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化すると求めることができることを見出した。つまりＰ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）。曲げ応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧成分のみが残るためである。
さらに、曲げ応力が負荷している状態での接触圧Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化すると求めることができることを見出した。つまりＰ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）。曲げ応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧成分のみが残るためである。
【0022】
以上の結果から、接触圧Ｐと曲げ応力σｘおよびσｙの両方が負荷されている状態において、４つのＳＩ素子の応力をσｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２とすると、
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・（１）
σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２ ・・・（２）
で求められることが分かった。
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・（１）
σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２ ・・・（２）
で求められることが分かった。
【0023】
また、触針棒（芯棒）は、曲げ応力ベクトルσｘｙ＝（σｘ，σｙ）の方向に曲げられることが分かった。
曲げモーメントベクトルＭｘｙは、σｘｙ＝Ｍｘｙ／Ｚ、ここでＺは断面係数で、Ｚ＝πｄ３／３２で定義される。
曲率半径Ｒは、Ｒ＝（π／６４）×ｄ４×Ｅ／Ｍ、ここでｄは触針棒の直径、Ｍは曲げモーメントベクトル、Ｅは触針棒のヤング率である。
この式から、触針棒（芯棒）は、曲げモーメントベクトルの向きに、曲率半径Ｒの大きさで曲がっていることが分かることになる。
これにより、接触圧力と曲げ応力の両方を検知するという第３の課題を解決した。
曲げモーメントベクトルＭｘｙは、σｘｙ＝Ｍｘｙ／Ｚ、ここでＺは断面係数で、Ｚ＝πｄ３／３２で定義される。
曲率半径Ｒは、Ｒ＝（π／６４）×ｄ４×Ｅ／Ｍ、ここでｄは触針棒の直径、Ｍは曲げモーメントベクトル、Ｅは触針棒のヤング率である。
この式から、触針棒（芯棒）は、曲げモーメントベクトルの向きに、曲率半径Ｒの大きさで曲がっていることが分かることになる。
これにより、接触圧力と曲げ応力の両方を検知するという第３の課題を解決した。
【0024】
外部磁界を遮断する磁気シールドは、ＳＩセンサをシールドするのではなく、応力を検知する磁歪ワイヤを取り囲むように、例えば四角なリング状、楕円のリング状に磁気シールド材を配置した。この配置は、ＳＩセンサの小型化にも反しないことから第４の課題を解決した。
【発明の効果】
【0025】
医療分野において、被測定物の臓器、血管、皮膚など生体組織は柔らかな疑弾性体で、しかも接触面は平坦面とは言えない場合がほとんどである。医療用機器の先端部の接触圧を計測する場合、接触圧と同時に触針棒の曲げ応力を計測し、被測定物と触針棒の接触の仕方も重要な情報である。本発明の触針センサは、１ｍｇから１０ｇ程度の小さな接触圧を曲げ応力と同時に測定することを実現したもので、医療分野の微小な接触圧測定を可能にするものである。
また、微小な接触圧と曲げ応力を測定できることは、ロボットの触覚センサとして先端への応用を始めとして様々な分野にも展開できるものである。
また、微小な接触圧と曲げ応力を測定できることは、ロボットの触覚センサとして先端への応用を始めとして様々な分野にも展開できるものである。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】歪みゲージ率に及ぼすワイヤ径と周波数の影響を示す図である。
【図2】歪みゲージ率に及ぼすアスペクト比Ｌ／Ｓの影響を示す図である。
【図3】電子回路を示す図である。
【図4】差動素子の接触圧力および曲げ応力の測定特性を示す図である
【図5】応力インピーダンス素子付き触針棒を示す平面図である。
【図6】応力インピーダンス素子付き触針棒のＡ１－Ａ２線の断面からの概念図である。
【図7】ＳＩ素子の平面の概念図である。
【図8】ＳＩ素子のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
【図9】２本の磁歪ワイヤを用いるＳＩ素子の平面図である。
【図10】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子の平面図である。
【図11】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
【図12】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＣ１－Ｃ２線の断面図である。
【図13】４個のＳＩ素子による測定値を同時に計測する電子回路を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
第１発明の応力インピーダン素子付き触針棒は、触針棒と４個の応力インピーダンス素子からなる応力インピーダンス素子付き触針棒において、前記触針棒は、曲がりやすく微小な円柱状の芯棒と前記芯棒の一方の端部には接触子を備え、他方の端部は剛性の高いホルダーに固定されており、前記応力インピーダンス素子は、柔軟性を有するフレキシブル基板とアモルファス磁歪ワイヤと２個の電極とからなり、前記芯棒の周囲に４個の応力インピーダンス素子が４回対称に貼り付けられていて、曲げ応力と接触圧を同時に測定できることを特徴とする。
【0028】
これによって、これまで測定できなかった曲がりやすい微小な円柱状の触針棒にかかる接触圧および曲げ応力の測定することが可能となる。
【0029】
第２発明の応力インピーダンス素子付き触針棒は、前記芯棒は、直径０．２～１ｍｍ、長さ３～１０ｍｍにて、前記応力インピーダンス素子は、長さ０．６～５．５ｍｍ、幅０．０５～０．８ｍｍ、厚さ０．０５～０．２５ｍｍからなり、前記アモルファス磁歪ワイヤは、直径５～１８μｍ、長さ０．５～５．０ｍｍからなることを特徴とする。
【0030】
これによって、カテーテルのような直径が1ｍｍ以下の微小な医療機器の先端部の触針棒の微小な円柱状の芯棒の周囲に４回対称に配置することが可能となる。
【0031】
第３発明の応力インピーダンス素子付き触針棒は、アモルファス磁歪ワイヤは、フレキシブル基板上で四角環、楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とする。
【0032】
これによって、外部磁界の影響を受けることなく、精度の高い接触圧および曲げ応力の計測が可能となる。
【0033】
第４発明の触針センサは、第１から第３発明の応力インピーダンス素子付き触針棒と電子回路と信号処理回路とから構成され、前記電子回路は、前記触針棒を構成する芯棒に負荷されている応力を４個の前記応力インピーダンス素子によって計測した信号を電圧信号として出力し、前記信号処理回路は、前記電子回路から出力した４つの信号電圧を４つの測定値σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に変換すると、曲げ応力が付加されている状態での接触圧Ｐを関係式（１）により、Ｘ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙを関係式（２）により求めることができる回路からなることを特徴とする。
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
【0034】
これにより、芯棒の円周に９０度間隔で貼り付けられている４個の応力インピーダンス素子の出力電圧を電子回路で処理して、4つの応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２を計測し、それを（１）式を使って信号処理して、接触圧を精度よく求め、（２）式を使って信号処理して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力を測定してＸＹ平面内の曲げ応力および芯棒の曲げ方向を求めることを可能となる。
【0035】
第５発明の触針センサは、前記電子回路はパルス発信器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器から構成されている。
前記パルス発振器はアモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を前記高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波することを特徴とする。
前記パルス発振器はアモルファス磁歪ワイヤに周波数５０～５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を前記高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波することを特徴とする。
【0036】
上記電子回路を採用することにより、周波数とアモルファス磁歪ワイヤのサイズとの組み合せにより２０００以上の高い歪みゲージ率を得ることが可能となる。
【0037】
以下、本発明の応力インピーダンス素子付き触針棒と触針センサの最良の実施形態につ
いて詳細に説明する。ここで、応力インピーダンス素子付き触針棒を構成する１個の応力イ
ンピーダンス素子（以下、ＳＩ素子という。）と１つの電子回路からなる組合せを応力イン
ピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）と称する。
先ず、応力インピーダンス素子付き触針棒について図５及び６を用いて構成を説明し、ＳＩ素子については図７～１２を用いて説明し、電子回路については図３および図１３を用いて説明する。
いて詳細に説明する。ここで、応力インピーダンス素子付き触針棒を構成する１個の応力イ
ンピーダンス素子（以下、ＳＩ素子という。）と１つの電子回路からなる組合せを応力イン
ピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）と称する。
先ず、応力インピーダンス素子付き触針棒について図５及び６を用いて構成を説明し、ＳＩ素子については図７～１２を用いて説明し、電子回路については図３および図１３を用いて説明する。
【0038】
応力インピーダンス素子付き触針棒１は、図５および図５のＡ１－Ａ線の断面図である図６に示すように、被測定物と接触するとともに芯棒１２を保護する接触子１１、接触圧力を受ける円柱状の芯棒１２、芯棒１２の周囲に４回対称に貼り付けられて接触圧力を検出する４個のＳＩ素子１３（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）、ＳＩ素子から電子回路２（図示せず）へのリード線１４、芯棒１２およびＳＩ素子１３を保護する絶縁性を有する樹脂、および芯棒１２などを支えるホルダー１６から構成される。
【0039】
ＳＩ素子について、その内容を詳細に説明する。
＜ＳＩ素子の構造＞
ＳＩ素子の構造の例を図７に示す。
ＳＩ素子３は、柔軟性を有するフレキシブル基板（以下、基板という。）３１上に設けられている溝３２にアモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端の磁歪ワイヤ端子３４から接続配線３５を経由して磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）へと接続されている。図８は、図７のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
このＳＩ素子３は、基板３１の上にレジスト層３１Ｒを設けている基板で、レジスト層３１Ｒに溝３２が設置され、磁歪ワイヤ３３が配置されてその外周は絶縁性を有する樹脂３７で被覆されている。
なお、溝３２と磁歪ワイヤ３３との関係では、磁歪ワイヤ３３の上部が溝３３からはみ出して、基板上面（レジスト層１１Ｒの表面）に対して凸部を形成している。
磁歪ワイヤ３３は、溝３２内に埋もれている場合でもよい。
＜ＳＩ素子の構造＞
ＳＩ素子の構造の例を図７に示す。
ＳＩ素子３は、柔軟性を有するフレキシブル基板（以下、基板という。）３１上に設けられている溝３２にアモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端の磁歪ワイヤ端子３４から接続配線３５を経由して磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）へと接続されている。図８は、図７のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
このＳＩ素子３は、基板３１の上にレジスト層３１Ｒを設けている基板で、レジスト層３１Ｒに溝３２が設置され、磁歪ワイヤ３３が配置されてその外周は絶縁性を有する樹脂３７で被覆されている。
なお、溝３２と磁歪ワイヤ３３との関係では、磁歪ワイヤ３３の上部が溝３３からはみ出して、基板上面（レジスト層１１Ｒの表面）に対して凸部を形成している。
磁歪ワイヤ３３は、溝３２内に埋もれている場合でもよい。
【0040】
また、磁歪ワイヤ３３を２本用いるＳＩ素子３Ａを図９に示す。磁歪ワイヤ３３の長さを短くして２本用いることにより、ＳＩ素子３Ａの小型化を図りながら、磁歪ワイヤ３３の長い１本の場合と同じ感度が得られる。
なお、磁歪ワイヤの全長により感度は決まってくるので、その本数と長さとの組み合せは素子サイズの設計に左右される。
なお、磁歪ワイヤの全長により感度は決まってくるので、その本数と長さとの組み合せは素子サイズの設計に左右される。
【0041】
ＳＩ素子３および３Ａのサイズは、応力検知体として直径５～１８μｍ、長さ０．５～５ｍｍである磁歪ワイヤ３３の１本または複数本を基板３１に貼り付けてその磁歪ワイヤ３３の磁歪ワイヤ端子３４、磁歪ワイヤ電極３６を配置できるサイズであること、ＳＩ素子を芯棒１２に容易に貼り付けられること、そしてＳＩ素子の製造性を考慮して長さ０．８～５．５ｍｍ、幅０．０５～０．８ｍｍ、厚さ０．０５～０．２５ｍｍである。基板３１のサイズ（長さと幅）とほぼ同じである。
【0042】
＜フレキシブル基板＞
応力検知体である磁歪ワイヤ３３および磁歪ワイヤ電極３６などを配置する基板３１は、応力の負荷状態を測定する棒状の芯棒１２に貼り付けられた磁歪ワイヤ３３が微小な応力を検知できるように柔軟性を有する基板３１からなる。
基板としては、フレキシブル性（柔軟性）と耐熱性を有し、テープ、フィルムなどの薄膜板からなる。例えばエレクトロニクス分野などで使用されている耐熱テープが好ましい。
よって、フレキシブル基板３１に磁歪ワイヤ３３が配置されているので基板表面を芯棒１２の丸みのあるＲ形状に応じて柔軟かつ容易に接着剤で固定できる。
応力検知体である磁歪ワイヤ３３および磁歪ワイヤ電極３６などを配置する基板３１は、応力の負荷状態を測定する棒状の芯棒１２に貼り付けられた磁歪ワイヤ３３が微小な応力を検知できるように柔軟性を有する基板３１からなる。
基板としては、フレキシブル性（柔軟性）と耐熱性を有し、テープ、フィルムなどの薄膜板からなる。例えばエレクトロニクス分野などで使用されている耐熱テープが好ましい。
よって、フレキシブル基板３１に磁歪ワイヤ３３が配置されているので基板表面を芯棒１２の丸みのあるＲ形状に応じて柔軟かつ容易に接着剤で固定できる。
【0043】
＜アモルファス磁歪ワイヤ＞
応力検出体として、アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）を用いる。微小な応力を検知するために可能な限り磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ）は小さいほど、すなわちアスペクト比（磁歪ワイヤの長さＬ／磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ））が大きいほど歪みゲージ率が高くなることから、直径は５～１８μｍとする。アスペクト比は１０～１００程度にて好ましくは１２～５０である。製造性の点から５μｍ以上とする。
磁歪ワイヤの長さは、小型化のため長さ０．５～５ｍｍである。歪みゲージ率へ影響するアスペクト比Ｌ／Ｓと製造性を考慮すると０．５ｍｍ以上とする。
材質は、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤのいずれでもよい。
また、磁歪ワイヤはガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤでもよい。絶縁性を有するガラス被覆により磁歪ワイヤの絶縁性の確保が容易となる。
磁歪ワイヤの本数は、１本に限らず、図９に示すように２本の磁歪ワイヤ３３を用いることにより、ＳＩ素子３Ａの長さを短くして小型化を図ることもできる。
応力検出体として、アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）を用いる。微小な応力を検知するために可能な限り磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ）は小さいほど、すなわちアスペクト比（磁歪ワイヤの長さＬ／磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ））が大きいほど歪みゲージ率が高くなることから、直径は５～１８μｍとする。アスペクト比は１０～１００程度にて好ましくは１２～５０である。製造性の点から５μｍ以上とする。
磁歪ワイヤの長さは、小型化のため長さ０．５～５ｍｍである。歪みゲージ率へ影響するアスペクト比Ｌ／Ｓと製造性を考慮すると０．５ｍｍ以上とする。
材質は、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤのいずれでもよい。
また、磁歪ワイヤはガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤでもよい。絶縁性を有するガラス被覆により磁歪ワイヤの絶縁性の確保が容易となる。
磁歪ワイヤの本数は、１本に限らず、図９に示すように２本の磁歪ワイヤ３３を用いることにより、ＳＩ素子３Ａの長さを短くして小型化を図ることもできる。
【0044】
＜磁歪ワイヤ電極など＞
磁歪ワイヤ３３に生じたインピーダンスの変化量を磁歪ワイヤ３３から、磁歪ワイヤ３３の両端に形成した磁歪ワイヤ電極からリード線により外部の電子回路に伝えている。よって、２個の磁歪ワイヤ電極からなる。
また、図７に示すように、磁歪ワイヤの両端に磁歪ワイヤ端子３４を設け、必要に応じて接続配線３５を介して、磁歪ワイヤ電極３４を設けて磁歪ワイヤ電極３４からの配線により外部の電子回路に伝えてもよい。よって、２個の磁歪ワイヤ端子３４と２個の磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）からなり、必要に応じて磁歪ワイヤ端子３４と磁歪ワイヤ電極３６とを接続する２個の接続配線３５からなる。
磁歪ワイヤ電極のサイズは、０．０４ｍｍ×０．０４ｍｍ～０．０８ｍｍ×０．０８ｍｍ
または０．０４～０．０８φｍｍとすることで可能となる。電極パッドのサイズを０．０４ｍｍ以上としたのは、小さすぎると、信号配線上の電極との接合が難しくなるためである。
ガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤの場合は、磁歪ワイヤの両端は磁歪ワイヤの上面のガラス被覆を除去して金属蒸着膜で磁歪ワイヤ端子を形成し、磁歪ワイヤ端子と磁歪ワイヤ電極とを接続する。
ガラス被覆付きの磁歪ワイヤは、溝に配置したときや被試験体に固定したときなどに絶縁性の確保を確実にできるので短絡の恐れが無い。
磁歪ワイヤ３３に生じたインピーダンスの変化量を磁歪ワイヤ３３から、磁歪ワイヤ３３の両端に形成した磁歪ワイヤ電極からリード線により外部の電子回路に伝えている。よって、２個の磁歪ワイヤ電極からなる。
また、図７に示すように、磁歪ワイヤの両端に磁歪ワイヤ端子３４を設け、必要に応じて接続配線３５を介して、磁歪ワイヤ電極３４を設けて磁歪ワイヤ電極３４からの配線により外部の電子回路に伝えてもよい。よって、２個の磁歪ワイヤ端子３４と２個の磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）からなり、必要に応じて磁歪ワイヤ端子３４と磁歪ワイヤ電極３６とを接続する２個の接続配線３５からなる。
磁歪ワイヤ電極のサイズは、０．０４ｍｍ×０．０４ｍｍ～０．０８ｍｍ×０．０８ｍｍ
または０．０４～０．０８φｍｍとすることで可能となる。電極パッドのサイズを０．０４ｍｍ以上としたのは、小さすぎると、信号配線上の電極との接合が難しくなるためである。
ガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤの場合は、磁歪ワイヤの両端は磁歪ワイヤの上面のガラス被覆を除去して金属蒸着膜で磁歪ワイヤ端子を形成し、磁歪ワイヤ端子と磁歪ワイヤ電極とを接続する。
ガラス被覆付きの磁歪ワイヤは、溝に配置したときや被試験体に固定したときなどに絶縁性の確保を確実にできるので短絡の恐れが無い。
【0045】
＜磁歪ワイヤなどの磁気シールド＞
また、アモルファス磁歪ワイヤは、四角のリング状の磁性薄膜により取り囲まれている。
これにより、外部磁界の影響を受けることなく、高い歪みゲージ率、高い歪検出力を有するＳＩ素子を得ることができる。
また、アモルファス磁歪ワイヤは、四角のリング状の磁性薄膜により取り囲まれている。
これにより、外部磁界の影響を受けることなく、高い歪みゲージ率、高い歪検出力を有するＳＩ素子を得ることができる。
【0046】
図１０～１２にその構造の例を示す。図１０はＳＩ素子３Ｂの平面図で、そのＢ１－Ｂ２線の断面図を図１１に示し、そのＣ１－Ｃ２線の断面図を図１２に示している。
図１０に示すＳＩ素子３Ｂにおいて、基板３１上にレジスト層３１Ｒに設けられている溝３２に磁歪ワイヤ３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端には磁歪ワイヤ端子３４がそれぞれ形成され、接続配線３５により基板３１の端部に磁歪電極３６１、３６２が形成されている。
パーマロイ３１Ｐからなる磁性薄膜が、磁歪ワイヤ３３の周囲に四角のリング状に基板３１またはレジスト層３１Ｒの上に形成されている。基板３１に接続配線１５が配置されている一辺は絶縁性を有するレジスト層３１Ｒの上にパーマロイ３１Ｐを形成し、他の三辺は絶縁被覆されている基板３１上にパーマロイ３１Ｐを形成し、より磁気シールド効果を高めている。
図１０に示すＳＩ素子３Ｂにおいて、基板３１上にレジスト層３１Ｒに設けられている溝３２に磁歪ワイヤ３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端には磁歪ワイヤ端子３４がそれぞれ形成され、接続配線３５により基板３１の端部に磁歪電極３６１、３６２が形成されている。
パーマロイ３１Ｐからなる磁性薄膜が、磁歪ワイヤ３３の周囲に四角のリング状に基板３１またはレジスト層３１Ｒの上に形成されている。基板３１に接続配線１５が配置されている一辺は絶縁性を有するレジスト層３１Ｒの上にパーマロイ３１Ｐを形成し、他の三辺は絶縁被覆されている基板３１上にパーマロイ３１Ｐを形成し、より磁気シールド効果を高めている。
【0047】
磁歪ワイヤ３３を取り囲む磁性薄膜３１Ｐの形状は、素子の周辺上に沿い、内部に磁歪ワイヤ３３が配置されている四角環である。磁歪ワイヤ３３の直径が１０μｍの場合には、四角環の厚みは、５μｍ～２０μｍ程度でその環の幅は２０μｍ～５０μｍ、四角環の長辺の長さは、外側はＳＩ素子３１Ｂの長さより短く、内側は磁歪ワイヤ３３の長さより長い。
【0048】
この例に加えて、四角環の類似である楕円環でもよい。また、磁歪ワイヤを上下左右から取り囲む包袋状の場合、平面の四角環に上下面にプレート状の磁性薄膜を取り付けた形状である。プレートの厚みは、２μｍ～１０μｍ程度である。
本発明においては、磁歪ワイヤを外部磁界からシールドできる磁性薄膜であれば、上記四角環や楕円環の形状や包袋状の形状に制限されない。
磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。
本発明においては、磁歪ワイヤを外部磁界からシールドできる磁性薄膜であれば、上記四角環や楕円環の形状や包袋状の形状に制限されない。
磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。
【0049】
＜電子回路＞
本発明の電子回路は、図３および図１３に示すように、パルス発信器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなる。図３の電子回路２は、１個のＳＩ素子に対して１つの電子回路を設けており、図１３の電子回路２Ａは４個のＳＩ素子（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）に対して電子スイッチ２２の切り替えにより各磁歪ワイヤにパルス電流を流し、最後に各増幅器２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）で増幅して出力できるように１つの電子回路とするものである。
すなわち、図５に示す応力インピーダンス付き触針棒１において、４回対称に４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）からそれぞれ延びるリード線１４を介して４個の電子回路と接続して４個のＳＩセンサとし、4個のＳＩセンサからデータ処理回路へと出力信号が送られる場合と、４回対称に４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）からそれぞれ延びるリード線１４を介して１個の電子回路と接続して１個のＳＩセンサとし、電子スイッチの切り替えによりＳＩセンサからデータ処理回路へと出力信号が送られる場合とである。
本発明の電子回路は、図３および図１３に示すように、パルス発信器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなる。図３の電子回路２は、１個のＳＩ素子に対して１つの電子回路を設けており、図１３の電子回路２Ａは４個のＳＩ素子（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）に対して電子スイッチ２２の切り替えにより各磁歪ワイヤにパルス電流を流し、最後に各増幅器２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）で増幅して出力できるように１つの電子回路とするものである。
すなわち、図５に示す応力インピーダンス付き触針棒１において、４回対称に４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）からそれぞれ延びるリード線１４を介して４個の電子回路と接続して４個のＳＩセンサとし、4個のＳＩセンサからデータ処理回路へと出力信号が送られる場合と、４回対称に４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）からそれぞれ延びるリード線１４を介して１個の電子回路と接続して１個のＳＩセンサとし、電子スイッチの切り替えによりＳＩセンサからデータ処理回路へと出力信号が送られる場合とである。
【0050】
はじめに、磁歪ワイヤに通電する高周波電流またはパルス電流の周波数は５０～５００ＭＨｚである。磁歪ワイヤを５～１８μｍと細径化する場合には、より高周波とすることにより歪みゲージ率を改善することができる。
周波数の上限は、５００ＭＨｚ以下とする。高すぎると、歪みゲージ率が低下するからである。
なお、消費電力は高周波電流よりパルス電流の方が少ないので、パルス電流が好ましい。電流の強度は５０～２５０ｍＡである。
周波数の上限は、５００ＭＨｚ以下とする。高すぎると、歪みゲージ率が低下するからである。
なお、消費電力は高周波電流よりパルス電流の方が少ないので、パルス電流が好ましい。電流の強度は５０～２５０ｍＡである。
【0051】
なお、ＳＩセンサの電子回路としては、高周波電流の場合には素子の信号をインピーダンスアナライザ回路で測定する回路（特許文献１）、パルス電流の場合には磁歪ワイヤが発信するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドする回路（特許文献２）などが広く使用されおり、これらの回路は本発明の電子回路として使用することもできる。
【0052】
本発明の電子回路としては、パルス発振器２１からパルス電流を磁歪ワイヤに通電し、パルス信号波形のピーク値を高速電子スイッチ２４で開閉時間をできるだけ短くして、ピークホールド回路２６で検知し、増幅器２７で増幅後、外部の信号処理回路に転送することが好ましい。ここで、開閉時間は０．２ｎ秒以下としてピークホールド回路によりピーク電圧を検波することが好ましい。
【0053】
本発明のＳＩセンサは、直径５～１８μｍの磁歪ワイヤと５０～５００ＭＨｚの周波数のパルス電流を組み合わせたもので、歪み量に比例した出力電圧を出力することが可能となり、ＳＩ素子の長さが０．６～５．５ｍｍと小型で、しかも２０００～５０００程度と非常に優れた歪みゲージ率を有する。
【0054】
なお、本発明の触針センサは、ＳＩ素子に限らず高い歪みゲージ率を有する歪みゲージなどでもよい。
【0055】
＜触針センサ＞
次に、接触圧と曲げ応力の両方を検知しうる円柱状の芯棒タイプの触針センサについて、４個のＳＩ素子からなる複合素子を用いる場合の機能を図５および図６により説明する。
円柱状の芯棒１２に、４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）を４回対称に接着剤で張り付け、１対（１３ａ１、１３ａ２）をＸ軸方向、他の１対（１３ｂ１、１３ｂ２）をＹ軸方向とする。
次に、接触圧と曲げ応力の両方を検知しうる円柱状の芯棒タイプの触針センサについて、４個のＳＩ素子からなる複合素子を用いる場合の機能を図５および図６により説明する。
円柱状の芯棒１２に、４個のＳＩ素子（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）を４回対称に接着剤で張り付け、１対（１３ａ１、１３ａ２）をＸ軸方向、他の１対（１３ｂ１、１３ｂ２）をＹ軸方向とする。
【0056】
応力インピーダンス素子付き触針棒（以下、触針棒という。）が柔らかなばね性に富んだ擬弾性体からなる被測定物に接触すると、その曲げ応力を含む接触圧力（力）は触針棒の先端に固定されている接触子を介してそのまま芯棒に力が負荷され、芯棒の周囲に貼り付けられている４個のＳＩ素子を構成する４本の磁歪ワイヤに分散して応力として負荷されることにより４本の磁歪ワイヤにそれぞれ応力に応じた歪みが発生する。磁歪ワイヤにパルス電流を通電すると歪みに応じてインピーダンスが変化し、これに対応する電圧が出力される。
【0057】
電子回路（図３）を使ってＶｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を求め、４カ所の歪み応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２を計測する。Ｘ軸対称またはＹ軸対称の差動型ＳＩ素子として構成した。作動素子の出力電圧Ｖｘ＝Ｖｘ１－Ｖｘ２，Ｖｙ＝Ｖｙ１－Ｖｙ２は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２とそれぞれ直線的関係にある。すなわち、曲げ応力と出力電圧との関係は直線的になる。電子回路は素子１個毎の回路（図３）としてもよいが、４個の測定値を同時に計測できる１つの電子回路（図１３）の方が好ましい。
さらに、曲げ応力が負荷していない状態での接触圧Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化すると求めることができる。さらに、つまり、曲げ応力が負荷している状態での接触圧Ｐも、同様にＰ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）で求めることができる。曲げ応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。
さらに、曲げ応力が負荷していない状態での接触圧Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化すると求めることができる。さらに、つまり、曲げ応力が負荷している状態での接触圧Ｐも、同様にＰ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）で求めることができる。曲げ応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。
【0058】
本発明のデータ処理回路は、４か所の応力測定値をσｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２とすると、接触圧Ｐを関係式（１）により、Ｘ軸方向の曲げ応力σｘおよびＹ軸方向の曲げ応力σｙを関係式（２）により求めることができる回路からなる。
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・ （１）
σｘ＝σｘ１－σｘ２、σｙ＝σｙ１－σｙ２ ・・・ （２）
【0059】
４つの応力測定値から接触圧Ｐを、Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）で求める。Ｘ軸対称またはＹ軸対称の差動型ＳＩ素子によって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２から計算する。この二つの計算値σｘとσｙから、ＸＹ平面内の曲げ応力を求め、芯棒の曲げ方向を求めることとする。
【0060】
また、芯棒は、曲げ応力ベクトルσｘｙ＝（σｘ，σｙ）の方向に、σｘｙに反比例した大きさの曲率半径Ｒだけ曲げられる。ここで、Ｒ＝（π／６４）×ｄ４×Ｅ／Ｍ、ｄは芯棒の直径、Ｍは曲げモーメント、Ｅは芯棒のヤング率である。この式から芯棒は曲げモーメントベクトルの向きに、曲率半径Ｒの大きさで曲がっていることが分かることになる。
【実施例0061】
以下、実施例について図５～８および図１３を参照して説明する。
［実施例１］
実施例１の触針センサは、応力インピーダンス素子付き触針棒１、電子回路１３およびデータ処理回路（図示せず）とからなる。
応力インピーダンス素子付き触針棒１は、被測定物と接触する接触子１１、円柱状の芯棒１２、芯棒１２の周囲に貼り付けられているＳＩ素子１３を４個（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）、ＳＩ素子１３から電子回路（図示せず）とのリード線１４、保護被膜としての樹脂１５およびホルダー１６から構成されている。
電子回路１３は、ホルダー１６内に設置されている。電子回路１３から出力される出力電圧は外部のデータ処理回路へと伝えられる。
ここで、芯棒１２、接触子１１およびホルダー１４の材質は、耐食性を有する金属からなり、一般的にはＳＵＳ３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼からなり、実施例ではＳＵＳ３０４である。
［実施例１］
実施例１の触針センサは、応力インピーダンス素子付き触針棒１、電子回路１３およびデータ処理回路（図示せず）とからなる。
応力インピーダンス素子付き触針棒１は、被測定物と接触する接触子１１、円柱状の芯棒１２、芯棒１２の周囲に貼り付けられているＳＩ素子１３を４個（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）、ＳＩ素子１３から電子回路（図示せず）とのリード線１４、保護被膜としての樹脂１５およびホルダー１６から構成されている。
電子回路１３は、ホルダー１６内に設置されている。電子回路１３から出力される出力電圧は外部のデータ処理回路へと伝えられる。
ここで、芯棒１２、接触子１１およびホルダー１４の材質は、耐食性を有する金属からなり、一般的にはＳＵＳ３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼からなり、実施例ではＳＵＳ３０４である。
【0062】
芯棒の大きさは直径０．３ｍｍ、長さ８ｍｍである。その周囲に長さ４．５ｍｍ、歪みゲージ率４６００のＳＩ素子１３が４回対称に貼り付けられている。Ｘ軸方向にＳＩ素子１３ａ１および１３ａ２、Ｙ軸方向にＳＩ素子１３ｂ１および１３ｂ２が貼り付けられ、電子回路で４ケ所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２を計測される。４つの応力測定値から、接触圧Ｐは、Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）の計算で求められる。また、曲げ応力については、Ｘ軸方向の曲げ応力σｘは、σｘ＝σｘ１―σｘ２、Ｙ軸方向の曲げ応力σｙは、σｙ＝σｙ１―σｙ２の計算により求められる。
【0063】
素子の構造は、図７および図８により説明する。
ＳＩ素子３は、基板３１、溝３２、磁歪ワイヤ３３、磁歪ワイヤ端子３４、接続配線３５、磁歪ワイヤ電極３６および絶縁性レジスト３１Ｒ、樹脂３７（絶縁性、接着性を有する。）からなる。
基板は、耐熱性を有する基板プロセス用テープを用いて、長さ４．５ｍｍ、幅０．２０ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍからなり、その上面に厚さ０．０１０ｍｍの絶縁性を有するレジスト層３１Ｒが形成され、深さ８μｍ、幅１５μｍの溝３２が長手方向に加工されている。
ＳＩ素子３は、基板３１、溝３２、磁歪ワイヤ３３、磁歪ワイヤ端子３４、接続配線３５、磁歪ワイヤ電極３６および絶縁性レジスト３１Ｒ、樹脂３７（絶縁性、接着性を有する。）からなる。
基板は、耐熱性を有する基板プロセス用テープを用いて、長さ４．５ｍｍ、幅０．２０ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍからなり、その上面に厚さ０．０１０ｍｍの絶縁性を有するレジスト層３１Ｒが形成され、深さ８μｍ、幅１５μｍの溝３２が長手方向に加工されている。
【0064】
レジスト層３１Ｒの溝３２内に、直径１０μｍ、長さ４．０ｍｍの磁歪ワイヤ３３を設置し、絶縁性を有する樹脂により溝３２内に接着・固定されている。これにより、応力検知体である磁歪ワイヤ３３は、レジスト層３１Ｒの上面から２μｍほど凸部となる。さらにこの凸部となる磁歪ワイヤ３３は樹脂３７で被覆される。
応力検知体である磁歪ワイヤ３３は素子３の表面から凸状に張り出しているので直接被測定体（芯棒）に接触して被測定体（芯棒）の歪みを磁歪ワイヤ３３の歪みに変換することができる。
応力検知体である磁歪ワイヤ３３は素子３の表面から凸状に張り出しているので直接被測定体（芯棒）に接触して被測定体（芯棒）の歪みを磁歪ワイヤ３３の歪みに変換することができる。
【0065】
磁歪ワイヤ端子３４、接続配線３５および磁歪ワイヤ電極３６を金の蒸着により形成されている。
磁歪ワイヤ端子３４のサイズは直径４０μｍ、磁歪ワイヤ電極３６の直径は５０μｍにて厚さはいずれも２μｍである。
よって、ＳＩ素子３のサイズは、長さ４．５ｍｍ、幅０．２５ｍｍ、厚さ０．１３２ｍｍとなる。
磁歪ワイヤ端子３４のサイズは直径４０μｍ、磁歪ワイヤ電極３６の直径は５０μｍにて厚さはいずれも２μｍである。
よって、ＳＩ素子３のサイズは、長さ４．５ｍｍ、幅０．２５ｍｍ、厚さ０．１３２ｍｍとなる。
【0066】
芯棒１２に接着剤で貼り付けられた４個のＳＩ素子１３はリード線１４により電子回路に接続される。ＳＩ素子１３、リード線１４および芯棒１２は保護被膜１５により被覆される。保護被膜は、樹脂状で絶縁性、耐食性など測定する環境から触針センサを保護できるものである。
【0067】
電子回路２Ａは、図１３に示すように、４個のＳＩ素子を１つの電子回路で処理するものである。
周波数２００ＭＨｚ、電流の強さ１００ｍＡのパルス電流を磁歪ワイヤに流すパルス発振器２１、パルス通電をＯＮ－ＯＦＦする電子スイッチ２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）、ＳＩ素子２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）、ＳＩ素子が発するパルス電圧波形のピーク値を検波するピークホールド回路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）からなる。パルス電流の場合には、磁歪ワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドするピークホールド回路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）は高速電子スイッチ２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）とコンデンサ２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）からなっている。ピークホールドされた電圧は増幅器２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）で増幅処理され、電子スイッチ２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）にて個々のＳＩ素子の出力電圧をＯＮ－ＯＦＦし、データ処理回路に出力電圧として出力される。その出力電圧は被測定物にかけられた応力に比例する。
周波数２００ＭＨｚ、電流の強さ１００ｍＡのパルス電流を磁歪ワイヤに流すパルス発振器２１、パルス通電をＯＮ－ＯＦＦする電子スイッチ２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）、ＳＩ素子２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）、ＳＩ素子が発するパルス電圧波形のピーク値を検波するピークホールド回路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）からなる。パルス電流の場合には、磁歪ワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドするピークホールド回路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）は高速電子スイッチ２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）とコンデンサ２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）からなっている。ピークホールドされた電圧は増幅器２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）で増幅処理され、電子スイッチ２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）にて個々のＳＩ素子の出力電圧をＯＮ－ＯＦＦし、データ処理回路に出力電圧として出力される。その出力電圧は被測定物にかけられた応力に比例する。
【0068】
触針センサの特性を求めた。
荷重を０ｇから５ｇ、つまり圧力換算で０から５０ｋｇ／ｍｍ２を触針棒に負荷して、歪を０から０．０５％変化させた。その結果、出力電圧は５００ｍＶで、測定レンジは最大５０ｋｇ／ｍｍ２、荷重で言えば２５ｇ程度となった。ノイズは０．１ｋｇ／ｍｍ２、荷重で言えば０．５ｍｇ程度となった。
曲げ応力は、接触圧を８ｋｇ／ｍｍ２以下で、Ｘ軸方向の曲げ応力は±２０ｋｇ／ｍｍ２を負荷した時、出力電圧は－３２０ｍＶから４８０ｍＶまで直線的に変化した。ノイズは、０．２０ｋｇ／ｍｍ２程度となった。
荷重を０ｇから５ｇ、つまり圧力換算で０から５０ｋｇ／ｍｍ２を触針棒に負荷して、歪を０から０．０５％変化させた。その結果、出力電圧は５００ｍＶで、測定レンジは最大５０ｋｇ／ｍｍ２、荷重で言えば２５ｇ程度となった。ノイズは０．１ｋｇ／ｍｍ２、荷重で言えば０．５ｍｇ程度となった。
曲げ応力は、接触圧を８ｋｇ／ｍｍ２以下で、Ｘ軸方向の曲げ応力は±２０ｋｇ／ｍｍ２を負荷した時、出力電圧は－３２０ｍＶから４８０ｍＶまで直線的に変化した。ノイズは、０．２０ｋｇ／ｍｍ２程度となった。
【0069】
接触圧を０．５ｍｇの最小単位にして、最大２５ｇまで測定できた。曲げ応力は０．２０ｋｇ／ｍｍ２を最小単位にして、曲げ応力を±２０ｋｇ／ｍｍ２の範囲で測定できた。
接触圧と曲げ応力の両方を測定できることを確認した。
接触圧と曲げ応力の両方を測定できることを確認した。
【0070】
［実施例２］
実施例２は、実施例１で使用したＳＩ素子を、図９に示すような、長さ２ｍｍの磁歪ワイヤの２本タイプで歪みゲージ率４６００のＳＩ素子に変更したものである。ＳＩのサイズは長さ２．５ｍｍ、幅０．２５ｍｍ、厚さ０．１３７ｍｍである。
接触圧を１ｍｇの最小単位にして、最大５０ｇまで測定できて、曲げ応力は０．４０ｋｇ／ｍｍ２を最小単位にして、曲げ応力を±４０ｋｇ／ｍｍ２の範囲で測定できた。接触圧と曲げ応力の両方を測定できることを確認した。
実施例２は、実施例１で使用したＳＩ素子を、図９に示すような、長さ２ｍｍの磁歪ワイヤの２本タイプで歪みゲージ率４６００のＳＩ素子に変更したものである。ＳＩのサイズは長さ２．５ｍｍ、幅０．２５ｍｍ、厚さ０．１３７ｍｍである。
接触圧を１ｍｇの最小単位にして、最大５０ｇまで測定できて、曲げ応力は０．４０ｋｇ／ｍｍ２を最小単位にして、曲げ応力を±４０ｋｇ／ｍｍ２の範囲で測定できた。接触圧と曲げ応力の両方を測定できることを確認した。
【0071】
［実施例３］
実施例３は、ＳＩ素子の長さをさらに短くして、長さ１ｍｍの磁歪ワイヤとしたものである。ＳＩ素子の幅、厚さは実施例２と同じである。
磁歪ワイヤの長さを１ｍｍとした場合、短くすると歪ゲージ率が低下するが、磁歪ワイヤを２本とすることで２２００程度のすぐれた歪みゲージ率を確保することが可能である。
この２本磁歪ワイヤのＳＩ素子を上記芯棒に貼り付けた触針センサは、荷重を０ｇ～５ｇ、つまり圧力換算で０～５０ｋｇ／ｍｍ２を触針棒に負荷して歪を０～０．０５％変化させた場合には、出力電圧は２５０ｍＶで、測定レンジは最大１００ｋｇ／ｍｍ２である。
実施例３は、ＳＩ素子の長さをさらに短くして、長さ１ｍｍの磁歪ワイヤとしたものである。ＳＩ素子の幅、厚さは実施例２と同じである。
磁歪ワイヤの長さを１ｍｍとした場合、短くすると歪ゲージ率が低下するが、磁歪ワイヤを２本とすることで２２００程度のすぐれた歪みゲージ率を確保することが可能である。
この２本磁歪ワイヤのＳＩ素子を上記芯棒に貼り付けた触針センサは、荷重を０ｇ～５ｇ、つまり圧力換算で０～５０ｋｇ／ｍｍ２を触針棒に負荷して歪を０～０．０５％変化させた場合には、出力電圧は２５０ｍＶで、測定レンジは最大１００ｋｇ／ｍｍ２である。
【0072】
ノイズは０．２ｋｇ／ｍｍ２となり、荷重で言いうと１ｍｇ程度となる。曲げ応力は、触圧を８ｋｇ／ｍｍ２として、Ｘ軸方向の曲げ応力を±２０ｋｇ／ｍｍ２を負荷したときには、出力電圧は－１６０ｍＶから＋２４０ｍＶまで直線的に変化した。ノイズは、０．４０ｋｇ／ｍｍ２程度となる。
【産業上の利用可能性】
【0073】
本発明の触針センサは、１ｍｇから１０ｇ程度の小さな接触圧を曲げ応力と同時に測定することを実現したもので、疑弾性体からなる臓器、血管、皮膚など生体組織と医療機器との接触圧測定を可能にするものである。
また、高度の接触圧と曲げ応力を必要とするロボットの触覚センサなどにも期待される。
また、高度の接触圧と曲げ応力を必要とするロボットの触覚センサなどにも期待される。
【符号の説明】
【0074】
１：応力インピーダンス素子（ＳＩ素子）付き触針棒
１１：接触子、１２：芯棒、１３（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）：ＳＩ素子、１４：リード線、１５：樹脂、１６：ホルダー
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＳＩ素子、２４：高速電子スイッチ、
２５：コンデンサ、２６：ピークホールド回路、２７：増幅器
２Ａ：電子回路
２１：パルス発振器、２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）：電子スイッチ、２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）：ＳＩ素子、２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）：高速電子スイッチ、２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）：コンデンサ、２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）：ピークホールド回路、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）：増幅器、２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）：電子スイッチ
３：ＳＩ素子
３１：フレキシブル基板（基板）、３１Ｒ：レジスト層、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、３７：樹脂
３Ａ：ＳＩ素子（磁歪ワイヤ２本）
３１：基板、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極
３Ｂ：ＳＩ素子（磁性被膜）
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３１Ｐ：パーマロイ、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、
３７：樹脂
１１：接触子、１２：芯棒、１３（１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２）：ＳＩ素子、１４：リード線、１５：樹脂、１６：ホルダー
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＳＩ素子、２４：高速電子スイッチ、
２５：コンデンサ、２６：ピークホールド回路、２７：増幅器
２Ａ：電子回路
２１：パルス発振器、２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）：電子スイッチ、２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）：ＳＩ素子、２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）：高速電子スイッチ、２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）：コンデンサ、２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）：ピークホールド回路、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）：増幅器、２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）：電子スイッチ
３：ＳＩ素子
３１：フレキシブル基板（基板）、３１Ｒ：レジスト層、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、３７：樹脂
３Ａ：ＳＩ素子（磁歪ワイヤ２本）
３１：基板、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極
３Ｂ：ＳＩ素子（磁性被膜）
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３１Ｐ：パーマロイ、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、
３７：樹脂
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【手続補正書】
【提出日】2021-01-31
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0039】
ＳＩ素子について、その内容を詳細に説明する。
＜ＳＩ素子の構造＞
ＳＩ素子の構造の例を図７に示す。
ＳＩ素子３は、柔軟性を有するフレキシブル基板（以下、基板という。）３１上に設けられている溝３２にアモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端の磁歪ワイヤ端子３４から接続配線３５を経由して磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）へと接続されている。図８は、図７のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
このＳＩ素子３は、基板３１の上にレジスト層３１Ｒを設けている基板で、レジスト層３１Ｒに溝３２が設置され、磁歪ワイヤ３３が配置されてその外周は絶縁性を有する樹脂３７で被覆されている。
なお、溝３２と磁歪ワイヤ３３との関係では、磁歪ワイヤ３３の上部が溝３２からはみ出して、基板上面（レジスト層３１Ｒの表面）に対して凸部を形成している。
磁歪ワイヤ３３は、溝３２内に埋もれている場合でもよい。
＜ＳＩ素子の構造＞
ＳＩ素子の構造の例を図７に示す。
ＳＩ素子３は、柔軟性を有するフレキシブル基板（以下、基板という。）３１上に設けられている溝３２にアモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端の磁歪ワイヤ端子３４から接続配線３５を経由して磁歪ワイヤ電極３６（３６１、３６２）へと接続されている。図８は、図７のＢ１－Ｂ２線の断面図である。
このＳＩ素子３は、基板３１の上にレジスト層３１Ｒを設けている基板で、レジスト層３１Ｒに溝３２が設置され、磁歪ワイヤ３３が配置されてその外周は絶縁性を有する樹脂３７で被覆されている。
なお、溝３２と磁歪ワイヤ３３との関係では、磁歪ワイヤ３３の上部が溝３２からはみ出して、基板上面（レジスト層３１Ｒの表面）に対して凸部を形成している。
磁歪ワイヤ３３は、溝３２内に埋もれている場合でもよい。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0064】
レジスト層３１Ｒの溝３２内に、直径１０μｍ、長さ４．０ｍｍの磁歪ワイヤ３３を設置し、絶縁性を有する樹脂により溝３２内に接着・固定されている。これにより、応力検知体である磁歪ワイヤ３３は、レジスト層３１Ｒの上面から２μｍほど凸部となる。さらにこの凸部となる磁歪ワイヤ３３は樹脂３７で被覆される。
応力検知体である磁歪ワイヤ３３は素子３の表面から凸状に張り出しているので直接被測定体に接触して被測定体の歪みを磁歪ワイヤ３３の歪みに変換することができる。
応力検知体である磁歪ワイヤ３３は素子３の表面から凸状に張り出しているので直接被測定体に接触して被測定体の歪みを磁歪ワイヤ３３の歪みに変換することができる。