フォースセンサ
【課題】フォースセンサの小型化に伴い、外部からの荷重により支持部に機械的強度を越える応力が発生し、支持部が破壊する問題が発生した。
【解決手段】センサ基板とベース基板との間にストッパを設け、センサ基板の撓みを制限し、支持部に機械的強度を越える応力が発生することを防止した。よって、前記ストッパを設けることで、支持部が破壊することなく荷重を計測できる小型なフォースセンサを提供する。
【解決手段】センサ基板とベース基板との間にストッパを設け、センサ基板の撓みを制限し、支持部に機械的強度を越える応力が発生することを防止した。よって、前記ストッパを設けることで、支持部が破壊することなく荷重を計測できる小型なフォースセンサを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重測定用の歪検出素子を複数備えたセンサ基板をベース基板に接合してなるフォースセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェース
に荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサは種々あるが、例えば
特許文献１に示されるピエゾ抵抗方式では、ダイヤフラム部を有するシリコン基板と、リム部とは反対側のダイヤフラム部に設けた複数のゲージ抵抗からなるブリッジ回路と、ダイヤフラム部と接着される中央部に凹部を有し、ブリッジ回路と電気的に接続する配線パッドを形成した絶縁性の基部と、ボンディングワイヤーにより配線パッドと電気的に接続したパッケージと、ダイヤフラム部上に設けた球とを備えている。
【０００３】
この従来のフォースセンサは、球を介して受けた荷重に応じてダイヤフラム部が変位し、その変位量に応じてブリッジ回路の出力が変化することから、荷重を検出することができる。
【０００４】
上述のフォースセンサは、実装されるモバイル機器のサイズに合わせて、小型化及び低
背化が要求される。しかし、球を介して変位部に荷重を与える従来構造では、球サイズが
大きく、低背化が難しい。球サイズを小さくすると、球の接触面積も小さくなるため狭い
エリアに荷重が集中することとなり、センサが壊れやすくなってしまう。
【０００５】
また、従来構造では、基部に形成した配線パッドとパッケージとの電気的接続にボンディングワイヤーを用いているためにスペースを確保しなければならず、これによっても低背化が難しかった。
【０００６】
上述の問題を解決するために、例えば、特許文献２に示されるフォースセンサは、変位部を構成するシリコン基板の表裏面の一方に受圧部を、他方に複数のピエゾ抵抗素子及び支持部、さらに、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続した外部実装用の外部接続電極を設け、前記外部接続電極を介して容易に外部実装することを可能とし、従来構造の球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要とし、小型化及び低背化を可能とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平５−７７３０４号公報
【特許文献２】特願２００９−２６７０７７号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】川田 雄一「材料力学―基礎と強度設計―」、昭和５９年４月１０日、裳華房Ｐ２１１
【非特許文献２】東京天文台「理科年表」、昭和５８年１１月３０日、丸善Ｐ物２５（４４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に示される従来技術のフォースセンサにおいては、外部からの荷重は、先ず受圧部が受け、前記受圧部が受けた荷重により変位する変位部を通じて、支持部及び電気接続部に加重される。この荷重により前記支持部及び前記電気接続部には応力が生じる。
【００１０】
前記フォースセンサを更に小型化するために、センサ基板及び前記支持部の平面寸法を小さくすると、前記支持部に生じる前記応力が、破壊する直前の最大応力である機械的強度を越えてしまい、前記支持部が破壊する問題が発生した。
【００１１】
本発明の目的は、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のフォースセンサは、外部からの荷重を受ける受圧部と前記外部からの荷重により変位量が変化する変位部と前記変位量に応じて電気抵抗が変化する歪検出素子とを備えたセンサ基板と、前記センサ基板と接合されたベース基板とを有し、前記センサ基板と前記ベース基板とは前記変位部が変位自在となるよう支持する支持部により接合してなり、前記センサ基板は、前記ベース基板に対向する一方の面に前記歪検出素子及び前記支持部よりも基板周縁に位置して前記歪検出素子と電気的に接続したセンサ側電気接続部を有し、他方の面に前記受圧部を有しており、前記ベース基板は、前記支持部よりも基板周縁に位置して前記センサ側電気接続部に接合するベース側電気接続部を有しており、前記変位部の変位量を制限するようにストッパが設けられたことを特徴とする。
【００１３】
このような態様であれば、前記ストッパが前記変位部の変位量を制限し、機械的強度を越える応力が前記支持部に生じることを防止するので、前記支持部が破壊することは無くなった。
【００１４】
よって、本発明によれば、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することが可能となった。
【００１５】
前記センサ基板が、シリコンからなることが好ましい。
このような態様であれば、通常の半導体プロセス技術により前記センサ基板を容易に製作することがきる。
【００１６】
前記歪検出素子が、ピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
このような態様であれば、前記ピエゾ抵抗素子が高感度な素子であることを考えると、高感度なフォースセンサを得ることができる。
【００１７】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００１８】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００１９】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面にそれぞれ設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面にそれぞれ前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００２０】
前記ストッパが、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかの金属または２つ以上からなる合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
このような態様であれば、前記ストッパは、半導体プロセス技術であるスパッタ技術、酸化技術及び微細加工技術の組み合わせにより容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ストッパが変位部の変位量を制限し、機械的強度を越える応力が支持部に生じることを防止するので、前記支持部は破壊することは無くなった。
【００２２】
よって、本発明によれば、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２におけるＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図である。
【図２】第一の実施形態であるフォースセンサ１を上面側から見て示す平面略図である。
【図３】第一の実施形態であるフォースセンサ１のセンサ基板を下面側から見て示す平面略図である。
【図４】第一の実施形態であるフォースセンサ１のベース基板を上面側から見て示す平面略図である。
【図５】第一の変形例であるフォースセンサの断面略図である。
【図６】第二の変形例であるフォースセンサの断面略図である。
【図７】第一の実施形態であるフォースセンサ１の支持部の内径をパラメータとした支持部に加重される応力とセンサ基板の最大撓みの関係を示している。
【図８】第一の実施形態であるフォースセンサ１のシリコン基板の厚さをパラメータとした支持部に加重される応力とセンサ基板の最大撓みの関係を示している。
【図９】第一の実施形態であるフォースセンサ１の支持部に加重される応力と支持部の内径との関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は本発明を適用した第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２におけるＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図、図２はフォースセンサ１を上面側から見て示す平面略図、図３はセンサ基板１１を下面側から見て示す平面略図である。フォースセンサ１は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサであって、巨視的な凹凸のない一定厚さのセンサ基板１１を備えている。センサ基板１１は、平面矩形状をなし、その中央部が荷重により変位する変位部１２を備える。
【００２５】
センサ基板１１の表面１１ａには、図１、図２に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部１３が設けられている。受圧部１３は、変位部１２の上に隆起した円柱状の凸型である。この受圧部１３は、ニッケル合金またはシリコン（センサ基板１１と同一材質）からなる。受圧部１３は省略可能であるが、変位部１２上に受圧部１３を設けることでセンサ感度を安定させることができる。
【００２６】
センサ基板１１の裏面１１ｂには、図３に示すように、ストッパ２０、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子１５、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、複数の回路配線部１７及びセンサ側支持部１８ａが設けられている。なお、歪検出素子としては、圧電材料を用いたもの等が他に挙げられる。
一方、ベース基板１０のセンサ基板に対向する面には、図４に示すように、複数のベース側電気接続部１６ｂ、ベース側支持部１８ｂ及び複数の外部接続電極１９が設けられている。
【００２７】
ストッパ２０は、センサ側支持部１８ａよりもセンサ基板１１の内側に設けられている。ピエゾ抵抗素子１５は、変位部１２の周縁部に沿って配置され、複数のセンサ側電気接続部１６ａは、複数のピエゾ抵抗素子１５よりも更にセンサ基板１１の周縁側に設けられている。
【００２８】
センサ側支持部１８ａは、複数のセンサ側電気接続部１６ａと複数のピエゾ抵抗素子１５の間に少なくとも一部が複数のピエゾ抵抗素子１５と平面的に重複するように配置され、受圧部１３を中心にして平面円形の筒状体に設けられている。このように配置することにより、センサ感度を向上させるとともに安定させることができる。
【００２９】
受圧部１３で受けた荷重により変位部１２が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１５の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１５によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として出力される。複数のピエゾ抵抗素子１５には複数の回路配線部１７がそれぞれ接続されており、この複数の回路配線部１７を介して複数のセンサ側電気接続部１６ａと電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１５と複数の回路配線部１７は、絶縁膜によって覆われている。複数のセンサ側電気接続部１６ａは、複数のベース側電気接続部１６ｂを介して、複数の外部接続電極１９に電気的に接続されており、この複数の外部接続電極１９を介して外部に出力される。
【００３０】
第一の実施形態では、図３に示すように、ストッパ２０は平面円形の柱状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面矩形の柱状体も可能である。
【００３１】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、センサ側支持部１８ａ及びベース側支持部１８ｂは平面円形の筒状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面矩形の筒状体、平面矩形の筒状体を複数に分割したもの、平面円形の筒状体を複数に分割したもの、複数の平面円形の柱状体、複数の平面矩形の柱状体も可能である。
【００３２】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは、平面矩形の柱状体であり平面矩形状をなすセンサ基板１１の裏面１１ｂの４つの角部に及び４つのセンサ側電気接続部１６ａに対向するベース基板１０の４つの位置に配置されている。この複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかまたは２つ以上を含む合金からなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
【００３３】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは平面矩形の柱状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面円形の柱状体も可能である。
【００３４】
センサ側支持部１８ａ、ベース側支持部１８ｂ及びストッパ２０は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、銅いずれかまたは２つ以上を含む合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
【００３５】
上述のような態様であれば、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、複数のベース側電気接続部１６ｂ、センサ側支持部１８ａ、ベース側支持部１８ｂ及びストッパ２０は、例えば、半導体プロセス技術であるスパッタ技術、酸化技術または微細加工技術等の組み合わせにより形成できる。
また、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、センサ側支持部１８ａ及びストッパ２０の材質を同じに選べば、同じ工程により形成でき経済的である。
また、複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂの材質を同じに選べば、同じ工程により形成でき経済的である。
【００３６】
第一の実施形態では、フォースセンサ１は、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及びセンサ側支持部１８ａと複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂをそれぞれ対向させ、受圧部１３を介してセンサ基板１１からベース基板１０に高荷重をかけることで、センサ基板１１とベース基板１０とを接合することにより製作される。
【００３７】
センサ基板１１に高荷重がかかると、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及びセンサ側支持部１８ａは、それぞれ複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂに圧着されて少なくとも一部が複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂ内に埋め込まれ接合される。
【００３８】
図１に示すように、センサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとは、圧着により接合されて支持部１８を形成する。よって、この接合されたセンサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとを、以下では支持部１８と記述する。
【００３９】
第一の実施形態では、支持部１８は、センサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとの接合により形成されるが、その変形は可能である。センサ基板１１のみにセンサ側支持部１８ａを設けるか、またはベース基板１０のみにベース側支持部１８ｂを設けて、センサ基板１１とベース基板１０とを圧着により接合する変形例も可能である。
【００４０】
第一の実施形態によれば、支持部１８よりもセンサ基板１１の内側に位置してセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたストッパ２０が変位部１２の変位量を制限し、支持部１８に機械的強度を越える応力が生じることを防止するので、支持部１８は破壊することはない。
【００４１】
第一の実施形態では、ストッパ２０はセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたが、この変形は可能である。例えば、ベース側支持部１８ｂよりもベース基板１０の内側に位置してベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面にストッパ２０を設けることは可能である。この第一の変形例を図５に示した。なお、図５は、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面に相当するものである。
【００４２】
第一の実施形態では、ストッパ２０はセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたが、この変形は可能である。例えば、センサ側支持部１８ａよりもセンサ基板１１の内側に位置してセンサ基板１１の裏面１１ｂとベース側支持部１８ｂよりもベース基板１０の内側に位置してベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面とのそれぞれに、ストッパ２０を設けることは可能である。この第二の変形例を図６に示した。なお、図６は、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面に相当するものである。
【００４３】
センサ基板１１は受圧部１３が位置する箇所に最大の撓みを持つので、ストッパ２０は、センサ基板１１の前記箇所に位置する裏面１１ｂに、及びベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面の前記箇所に対応する位置に設けることが好ましい。このような態様であれば、ストッパ２０は、確実に変位部１２の変位量を制限することができる。
【００４４】
非特許文献１によると、周辺が固定された円板の中心に集中荷重が加えられた時の最大撓みδｍは、その平面中心に発生し、式（１）によって表わせる。
δｍ＝１２（１−ν２）Ｐａ２／１６πＥｈ３ （１）
ただし、ν＝円板のポアソン比、Ｐ＝円板の中心に加えられた集中荷重、ａ＝円板の半径、Ｅ＝円板のヤング率、ｈ＝円板の厚さ
である。
【００４５】
式（１）を変形して、
Ｐ＝１６δｍπＥｈ３／１２（１−ν２）ａ２ （２）
を得る。
【００４６】
以下の計算では、計算が複雑になることを避けるために電気接続部１６に加重される応力を無視して、支持部１８に加重される応力のみを考慮して計算したが、本発明の有効性を証明する目的としては問題ないと考える。
【００４７】
図１、図３及び図４に、第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図、センサ基板１１の裏面１１ｂの平面略図及びベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面の平面略図を示す。センサ基板１１の表面１１ａに受圧部１３が設けられ、センサ基板１１の裏面１１ｂにセンサ側支持部１８ａ及びストッパ２０が設けられている。センサ基板１１、受圧部１３、センサ側支持部１８ａ及びストッパ２０は平面中心を一致させている。また、フォースセンサ１はセンサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂが接合されて製作されている。上述の円板の半径ａはセンサ基板１１の中心からセンサ側支持部１８ａの内縁までの距離である内径に当たる。また、上述の円板の厚さｈはセンサ基板１１の厚さに当る。
【００４８】
支持部１８の外径をｂとすると、支持部１８に加重される応力σは、式（２）を支持部１８の面積で割って、
σ＝１６δｍπＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２π（ｂ２−ａ２））
＝１６δｍＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２（ｂ２−ａ２）） （３）
と求まる。
【００４９】
支持部１８の幅をｗとすると、支持部１８に加重される応力σは、式（３）から、
σ＝１６δｍＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２（（ａ＋ｗ）２−ａ２）） （４）
と求まる。
【００５０】
受圧部１３に加えられた荷重は、センサ基板１１を支える支持部１８に加重される。第一の実施形態では、支持部１８の幅ｗは５０μｍ、センサ基板１１の厚さｈは２００μｍである。また、センサ基板１１はシリコンであるので、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８である。図７に、式（４）に前記の値を代入して計算した、支持部１８に加重される応力σとセンサ基板１１の最大撓みδｍの関係を示した。
【００５１】
以下の表１に非特許文献２に記載された破壊する直前の最大の引張り応力である引張り強さを示した。引張り強さは機械的強度とも言われ、本発明では機械的強度と記述した。各部材は、その機械的強度が加重されると破壊する。今回の場合は、支持部１８には圧縮応力が加重されるが、機械的強度と同じ値の圧縮応力が加重されると、支持部１８が破壊すると仮定した。
【表１】
【００５２】
図７と表１を見ると、第一の実施形態では支持部１８が金を含む構成であるので、表１より最小の機械的強度は２．０×１０８Ｎ／ｍ２であり、これに相当する最大撓みδｍは、支持部１８の内径ａが１５０μｍであるので、図７より０．０５μｍに相当する。よって、０．０５μｍ以上にセンサ基板１１が撓むと、支持部１８には機械的強度以上の応力が加重され、支持部１８は破壊する。この破壊を防ぐには、センサ基板１１を０．０５μｍ以上に撓ませなければよい。
【００５３】
図７を見ると、支持部１８の内径に当たる円板の半径ａが小さくなると、即ち、フォースセンサ１が小型化され、支持部１８の内径が小さくなると、最大撓みδｍが同じ時、支持部１８にはより大きな応力が加重されていることが分かる。よって、支持部１８の内径を小さくする場合には、支持部１８に生じる応力が機械的強度以下になるように、最大撓みδｍも小さくする必要がある。最大撓みδｍはセンサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離、即ち、支持部１８の厚さであるので、支持部１８の厚さを薄くする必要がある。
【００５４】
センサ基板１１を０．０５μｍ以上に撓ませないためには、支持部１８の厚さは０．０５μｍ以下に、及びセンサ側電気接続部１６ａとベース側電気接続部１６ｂとの厚みの和を０．０５μｍ以下にすることが必要である。
【００５５】
支持部１８の厚さを０．０５μｍ以下にできればストッパ２０を設ける必要はない。ところが、支持部１８は二つの金層を圧着する金属接合により形成するが、圧着による金属接合を安定的に行なうためには、それぞれの金層の厚みは０．１μｍ以上が必要である。よって、前記金属接合による手法では、センサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離を０．０５μｍ以下にして、センサ基板１１の最大撓みδｍを０．０５μｍ以下にすることはできなかった。
【００５６】
一方、第一の実施形態では、センサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離は０．２２μｍに設定されているので、その厚さが０．１７μｍ以上に設定したストッパ２０をセンサ基板１１の中心に位置して裏面１１ｂに設けることにより、センサ基板１１の最大撓みδｍを０．０５μｍ以下にすることを可能にした。
【００５７】
本発明によれば、ストッパ２０の厚みを調整することにより支持部１８に機械的強度以上の応力が加重されることを防止できるので、フォースセンサの更なる小型化を可能とした。
【００５８】
図８を見ると、センサ基板１１の厚さに当る円板の厚さｈを薄くすると、最大撓みδｍが同じ時、支持部１８により小さい応力が加重されることが分かる。よって、フォースセンサの小型化を進めるために支持部１８の内径を小さくする時に、支持部１８に生じる応力を機械的強度以下にすることは、センサ基板１１の厚さを薄くすることによっても可能である。なお、図８は、式（４）に、支持部１８の内径ａ＝１５０μｍ、支持部１８の幅ｗ＝５０μｍ、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８を代入して計算した。
【００５９】
よって、センサ基板１１の厚さを調整することにより支持部１８に機械的強度以上の応力が加重されることを防止できるので、センサ基板１１の厚さを調整する方法によっても、フォースセンサの小型化を進めることは可能である。
【００６０】
ところが、第一の実施形態では、センサ基板１１の厚さは２００μｍに設定している。センサ基板１１の厚さを薄くすると製造工程の作業時に割れ等の破損が発生し易くなるので、センサ基板１１の厚さを２００μｍ以下にすることは難しい。
【００６１】
また、センサ基板１１の厚さを薄くすると、受圧部１３が受ける荷重によりセンサ基板１１内に生じる応力が大きくなり機械的強度を越える危険性が増す。よって、センサ基板１１の厚さは、検知する荷重範囲を考慮して適切に決める必要がある。
【００６２】
支持部１８の材質を機械的強度が高いものに変更する場合を考える。例えば、タンタルを選ぶと、表１より機械的強度は８．０×１０８Ｎ／ｍ２である。第一の実施形態の支持部１８の厚さは０．２２μｍに設定されており、この値にセンサ基板１１が撓むと、図７より支持部１８の荷重応力は約８．０×１０８Ｎ／ｍ２である。よって、第一の実施形態では、支持部１８の材質をタンタルに選べば、ストッパ２０を設けなくても、支持部１８はほぼ破壊することはない。
【００６３】
ところが、支持部１８の材質がタンタルの場合でも、フォースセンサ１を小型化するために、図７でａ＝１２５μｍに選択した場合には、タンタルの機械的強度８．０×１０８Ｎ／ｍ２に相当する最大撓みδｍは約０．１２５μｍであり、その厚さが０．０９５μｍ以上であるストッパ２０が必要になる。よって、支持部１８の材質を機械的強度の高いものに変更する場合でも、フォースセンサ１の小型化にストッパ２０は有効である。
【００６４】
支持部１８の荷重応力を小さくするために、センサ基板１１に接する支持部１８の面積を大きくすることが考えられる。外径を大きくすることは小型化に反するので、内径を小さくして、前記面積を大きくすることを考える。
【００６５】
図９に、第一の実施形態である支持部１８の外径２００μｍを一定にして、支持部１８の内径を小さくする条件で、式（３）を使って計算した支持部１８に加重される応力σと支持部１８の内径ａの関係を示した。なお、図９は、式（３）に、支持部１８の外径ｂ＝２００μｍ、センサ基板１１の厚さｈ＝２００μｍ、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８、δｍは０．２２μｍを代入して計算した。
【００６６】
式（３）を支持部１８の内径ａで微分しｄσ／ｄａ＝０の条件より、支持部１８に加重される応力σの支持部１８の内径ａに対する最小値を計算する。その結果、支持部１８の内径ａがｂ／２０．５で支持部１８に加重される応力σが最小になることが分かる。但し、ｂは支持部１８の外径である。この値を、第一の実施形態の数値を使って計算すると、１４１μｍとなる。これは、図９によっても確認できる。
【００６７】
図９を見て分かるように、支持部１８に加重される応力σが最小になるように支持部１８の内径を設定しても、支持部１８に加重される応力σは金の機械的強度２．０×１０８Ｎ／ｍ２を越えており、前記内径の最適化のみでは支持部１８の破壊は避けられず、ストッパ２０が必要であることが分かる。
【００６８】
上述の計算より、支持部１８の内径は、ｂ／２０．５±２０μｍに設定することが好ましい。但し、ｂは支持部１８の外径である。
【符号の説明】
【００６９】
１ フォースセンサ
１０ ベース基板
１１ センサ基板
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 変位部
１３ 受圧部
１５ ピエゾ抵抗素子
１６ 電気接続部
１６ａ センサ側電気接続部
１６ｂ ベース側電気接続部
１７ 回路配線部
１８ 支持部
１８ａ センサ側支持部
１８ｂ ベース側支持部
１９ 外部接続電極
２０ ストッパ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重測定用の歪検出素子を複数備えたセンサ基板をベース基板に接合してなるフォースセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェース
に荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサは種々あるが、例えば
特許文献１に示されるピエゾ抵抗方式では、ダイヤフラム部を有するシリコン基板と、リム部とは反対側のダイヤフラム部に設けた複数のゲージ抵抗からなるブリッジ回路と、ダイヤフラム部と接着される中央部に凹部を有し、ブリッジ回路と電気的に接続する配線パッドを形成した絶縁性の基部と、ボンディングワイヤーにより配線パッドと電気的に接続したパッケージと、ダイヤフラム部上に設けた球とを備えている。
【０００３】
この従来のフォースセンサは、球を介して受けた荷重に応じてダイヤフラム部が変位し、その変位量に応じてブリッジ回路の出力が変化することから、荷重を検出することができる。
【０００４】
上述のフォースセンサは、実装されるモバイル機器のサイズに合わせて、小型化及び低
背化が要求される。しかし、球を介して変位部に荷重を与える従来構造では、球サイズが
大きく、低背化が難しい。球サイズを小さくすると、球の接触面積も小さくなるため狭い
エリアに荷重が集中することとなり、センサが壊れやすくなってしまう。
【０００５】
また、従来構造では、基部に形成した配線パッドとパッケージとの電気的接続にボンディングワイヤーを用いているためにスペースを確保しなければならず、これによっても低背化が難しかった。
【０００６】
上述の問題を解決するために、例えば、特許文献２に示されるフォースセンサは、変位部を構成するシリコン基板の表裏面の一方に受圧部を、他方に複数のピエゾ抵抗素子及び支持部、さらに、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続した外部実装用の外部接続電極を設け、前記外部接続電極を介して容易に外部実装することを可能とし、従来構造の球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要とし、小型化及び低背化を可能とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平５−７７３０４号公報
【特許文献２】特願２００９−２６７０７７号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】川田 雄一「材料力学―基礎と強度設計―」、昭和５９年４月１０日、裳華房Ｐ２１１
【非特許文献２】東京天文台「理科年表」、昭和５８年１１月３０日、丸善Ｐ物２５（４４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に示される従来技術のフォースセンサにおいては、外部からの荷重は、先ず受圧部が受け、前記受圧部が受けた荷重により変位する変位部を通じて、支持部及び電気接続部に加重される。この荷重により前記支持部及び前記電気接続部には応力が生じる。
【００１０】
前記フォースセンサを更に小型化するために、センサ基板及び前記支持部の平面寸法を小さくすると、前記支持部に生じる前記応力が、破壊する直前の最大応力である機械的強度を越えてしまい、前記支持部が破壊する問題が発生した。
【００１１】
本発明の目的は、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のフォースセンサは、外部からの荷重を受ける受圧部と前記外部からの荷重により変位量が変化する変位部と前記変位量に応じて電気抵抗が変化する歪検出素子とを備えたセンサ基板と、前記センサ基板と接合されたベース基板とを有し、前記センサ基板と前記ベース基板とは前記変位部が変位自在となるよう支持する支持部により接合してなり、前記センサ基板は、前記ベース基板に対向する一方の面に前記歪検出素子及び前記支持部よりも基板周縁に位置して前記歪検出素子と電気的に接続したセンサ側電気接続部を有し、他方の面に前記受圧部を有しており、前記ベース基板は、前記支持部よりも基板周縁に位置して前記センサ側電気接続部に接合するベース側電気接続部を有しており、前記変位部の変位量を制限するようにストッパが設けられたことを特徴とする。
【００１３】
このような態様であれば、前記ストッパが前記変位部の変位量を制限し、機械的強度を越える応力が前記支持部に生じることを防止するので、前記支持部が破壊することは無くなった。
【００１４】
よって、本発明によれば、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することが可能となった。
【００１５】
前記センサ基板が、シリコンからなることが好ましい。
このような態様であれば、通常の半導体プロセス技術により前記センサ基板を容易に製作することがきる。
【００１６】
前記歪検出素子が、ピエゾ抵抗素子であることが好ましい。
このような態様であれば、前記ピエゾ抵抗素子が高感度な素子であることを考えると、高感度なフォースセンサを得ることができる。
【００１７】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００１８】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００１９】
前記ストッパを前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面にそれぞれ設けることは、前記変位部の変位量を制限することに有効である。
前記支持部よりも基板内側に位置する前記受圧部が外部から荷重を受けるため、前記支持部よりも基板内側に位置する部分が大きく撓む。よって、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面にそれぞれ前記ストッパを設けることで、前記ストッパは前記変位部の変位量を制限することができる。
【００２０】
前記ストッパが、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかの金属または２つ以上からなる合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
このような態様であれば、前記ストッパは、半導体プロセス技術であるスパッタ技術、酸化技術及び微細加工技術の組み合わせにより容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ストッパが変位部の変位量を制限し、機械的強度を越える応力が支持部に生じることを防止するので、前記支持部は破壊することは無くなった。
【００２２】
よって、本発明によれば、ストッパを設けることで、前記支持部が破壊することなく荷重を計測することができる小型なフォースセンサを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２におけるＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図である。
【図２】第一の実施形態であるフォースセンサ１を上面側から見て示す平面略図である。
【図３】第一の実施形態であるフォースセンサ１のセンサ基板を下面側から見て示す平面略図である。
【図４】第一の実施形態であるフォースセンサ１のベース基板を上面側から見て示す平面略図である。
【図５】第一の変形例であるフォースセンサの断面略図である。
【図６】第二の変形例であるフォースセンサの断面略図である。
【図７】第一の実施形態であるフォースセンサ１の支持部の内径をパラメータとした支持部に加重される応力とセンサ基板の最大撓みの関係を示している。
【図８】第一の実施形態であるフォースセンサ１のシリコン基板の厚さをパラメータとした支持部に加重される応力とセンサ基板の最大撓みの関係を示している。
【図９】第一の実施形態であるフォースセンサ１の支持部に加重される応力と支持部の内径との関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は本発明を適用した第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２におけるＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図、図２はフォースセンサ１を上面側から見て示す平面略図、図３はセンサ基板１１を下面側から見て示す平面略図である。フォースセンサ１は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサであって、巨視的な凹凸のない一定厚さのセンサ基板１１を備えている。センサ基板１１は、平面矩形状をなし、その中央部が荷重により変位する変位部１２を備える。
【００２５】
センサ基板１１の表面１１ａには、図１、図２に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部１３が設けられている。受圧部１３は、変位部１２の上に隆起した円柱状の凸型である。この受圧部１３は、ニッケル合金またはシリコン（センサ基板１１と同一材質）からなる。受圧部１３は省略可能であるが、変位部１２上に受圧部１３を設けることでセンサ感度を安定させることができる。
【００２６】
センサ基板１１の裏面１１ｂには、図３に示すように、ストッパ２０、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子１５、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、複数の回路配線部１７及びセンサ側支持部１８ａが設けられている。なお、歪検出素子としては、圧電材料を用いたもの等が他に挙げられる。
一方、ベース基板１０のセンサ基板に対向する面には、図４に示すように、複数のベース側電気接続部１６ｂ、ベース側支持部１８ｂ及び複数の外部接続電極１９が設けられている。
【００２７】
ストッパ２０は、センサ側支持部１８ａよりもセンサ基板１１の内側に設けられている。ピエゾ抵抗素子１５は、変位部１２の周縁部に沿って配置され、複数のセンサ側電気接続部１６ａは、複数のピエゾ抵抗素子１５よりも更にセンサ基板１１の周縁側に設けられている。
【００２８】
センサ側支持部１８ａは、複数のセンサ側電気接続部１６ａと複数のピエゾ抵抗素子１５の間に少なくとも一部が複数のピエゾ抵抗素子１５と平面的に重複するように配置され、受圧部１３を中心にして平面円形の筒状体に設けられている。このように配置することにより、センサ感度を向上させるとともに安定させることができる。
【００２９】
受圧部１３で受けた荷重により変位部１２が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１５の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１５によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として出力される。複数のピエゾ抵抗素子１５には複数の回路配線部１７がそれぞれ接続されており、この複数の回路配線部１７を介して複数のセンサ側電気接続部１６ａと電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１５と複数の回路配線部１７は、絶縁膜によって覆われている。複数のセンサ側電気接続部１６ａは、複数のベース側電気接続部１６ｂを介して、複数の外部接続電極１９に電気的に接続されており、この複数の外部接続電極１９を介して外部に出力される。
【００３０】
第一の実施形態では、図３に示すように、ストッパ２０は平面円形の柱状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面矩形の柱状体も可能である。
【００３１】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、センサ側支持部１８ａ及びベース側支持部１８ｂは平面円形の筒状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面矩形の筒状体、平面矩形の筒状体を複数に分割したもの、平面円形の筒状体を複数に分割したもの、複数の平面円形の柱状体、複数の平面矩形の柱状体も可能である。
【００３２】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは、平面矩形の柱状体であり平面矩形状をなすセンサ基板１１の裏面１１ｂの４つの角部に及び４つのセンサ側電気接続部１６ａに対向するベース基板１０の４つの位置に配置されている。この複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかまたは２つ以上を含む合金からなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
【００３３】
第一の実施形態では、図３、図４に示すように、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及び複数のベース側電気接続部１６ｂは平面矩形の柱状体であるが、この変形は可能である。例えば、平面円形の柱状体も可能である。
【００３４】
センサ側支持部１８ａ、ベース側支持部１８ｂ及びストッパ２０は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、銅いずれかまたは２つ以上を含む合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることが好ましい。
【００３５】
上述のような態様であれば、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、複数のベース側電気接続部１６ｂ、センサ側支持部１８ａ、ベース側支持部１８ｂ及びストッパ２０は、例えば、半導体プロセス技術であるスパッタ技術、酸化技術または微細加工技術等の組み合わせにより形成できる。
また、複数のセンサ側電気接続部１６ａ、センサ側支持部１８ａ及びストッパ２０の材質を同じに選べば、同じ工程により形成でき経済的である。
また、複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂの材質を同じに選べば、同じ工程により形成でき経済的である。
【００３６】
第一の実施形態では、フォースセンサ１は、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及びセンサ側支持部１８ａと複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂをそれぞれ対向させ、受圧部１３を介してセンサ基板１１からベース基板１０に高荷重をかけることで、センサ基板１１とベース基板１０とを接合することにより製作される。
【００３７】
センサ基板１１に高荷重がかかると、複数のセンサ側電気接続部１６ａ及びセンサ側支持部１８ａは、それぞれ複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂに圧着されて少なくとも一部が複数のベース側電気接続部１６ｂ及びベース側支持部１８ｂ内に埋め込まれ接合される。
【００３８】
図１に示すように、センサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとは、圧着により接合されて支持部１８を形成する。よって、この接合されたセンサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとを、以下では支持部１８と記述する。
【００３９】
第一の実施形態では、支持部１８は、センサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂとの接合により形成されるが、その変形は可能である。センサ基板１１のみにセンサ側支持部１８ａを設けるか、またはベース基板１０のみにベース側支持部１８ｂを設けて、センサ基板１１とベース基板１０とを圧着により接合する変形例も可能である。
【００４０】
第一の実施形態によれば、支持部１８よりもセンサ基板１１の内側に位置してセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたストッパ２０が変位部１２の変位量を制限し、支持部１８に機械的強度を越える応力が生じることを防止するので、支持部１８は破壊することはない。
【００４１】
第一の実施形態では、ストッパ２０はセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたが、この変形は可能である。例えば、ベース側支持部１８ｂよりもベース基板１０の内側に位置してベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面にストッパ２０を設けることは可能である。この第一の変形例を図５に示した。なお、図５は、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面に相当するものである。
【００４２】
第一の実施形態では、ストッパ２０はセンサ基板１１の裏面１１ｂに設けられたが、この変形は可能である。例えば、センサ側支持部１８ａよりもセンサ基板１１の内側に位置してセンサ基板１１の裏面１１ｂとベース側支持部１８ｂよりもベース基板１０の内側に位置してベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面とのそれぞれに、ストッパ２０を設けることは可能である。この第二の変形例を図６に示した。なお、図６は、図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面に相当するものである。
【００４３】
センサ基板１１は受圧部１３が位置する箇所に最大の撓みを持つので、ストッパ２０は、センサ基板１１の前記箇所に位置する裏面１１ｂに、及びベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面の前記箇所に対応する位置に設けることが好ましい。このような態様であれば、ストッパ２０は、確実に変位部１２の変位量を制限することができる。
【００４４】
非特許文献１によると、周辺が固定された円板の中心に集中荷重が加えられた時の最大撓みδｍは、その平面中心に発生し、式（１）によって表わせる。
δｍ＝１２（１−ν２）Ｐａ２／１６πＥｈ３ （１）
ただし、ν＝円板のポアソン比、Ｐ＝円板の中心に加えられた集中荷重、ａ＝円板の半径、Ｅ＝円板のヤング率、ｈ＝円板の厚さ
である。
【００４５】
式（１）を変形して、
Ｐ＝１６δｍπＥｈ３／１２（１−ν２）ａ２ （２）
を得る。
【００４６】
以下の計算では、計算が複雑になることを避けるために電気接続部１６に加重される応力を無視して、支持部１８に加重される応力のみを考慮して計算したが、本発明の有効性を証明する目的としては問題ないと考える。
【００４７】
図１、図３及び図４に、第一の実施形態であるフォースセンサ１の図２のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面略図、センサ基板１１の裏面１１ｂの平面略図及びベース基板１０のセンサ基板１１に対向する面の平面略図を示す。センサ基板１１の表面１１ａに受圧部１３が設けられ、センサ基板１１の裏面１１ｂにセンサ側支持部１８ａ及びストッパ２０が設けられている。センサ基板１１、受圧部１３、センサ側支持部１８ａ及びストッパ２０は平面中心を一致させている。また、フォースセンサ１はセンサ側支持部１８ａとベース側支持部１８ｂが接合されて製作されている。上述の円板の半径ａはセンサ基板１１の中心からセンサ側支持部１８ａの内縁までの距離である内径に当たる。また、上述の円板の厚さｈはセンサ基板１１の厚さに当る。
【００４８】
支持部１８の外径をｂとすると、支持部１８に加重される応力σは、式（２）を支持部１８の面積で割って、
σ＝１６δｍπＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２π（ｂ２−ａ２））
＝１６δｍＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２（ｂ２−ａ２）） （３）
と求まる。
【００４９】
支持部１８の幅をｗとすると、支持部１８に加重される応力σは、式（３）から、
σ＝１６δｍＥｈ３／（１２（１−ν２）ａ２（（ａ＋ｗ）２−ａ２）） （４）
と求まる。
【００５０】
受圧部１３に加えられた荷重は、センサ基板１１を支える支持部１８に加重される。第一の実施形態では、支持部１８の幅ｗは５０μｍ、センサ基板１１の厚さｈは２００μｍである。また、センサ基板１１はシリコンであるので、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８である。図７に、式（４）に前記の値を代入して計算した、支持部１８に加重される応力σとセンサ基板１１の最大撓みδｍの関係を示した。
【００５１】
以下の表１に非特許文献２に記載された破壊する直前の最大の引張り応力である引張り強さを示した。引張り強さは機械的強度とも言われ、本発明では機械的強度と記述した。各部材は、その機械的強度が加重されると破壊する。今回の場合は、支持部１８には圧縮応力が加重されるが、機械的強度と同じ値の圧縮応力が加重されると、支持部１８が破壊すると仮定した。
【表１】
【００５２】
図７と表１を見ると、第一の実施形態では支持部１８が金を含む構成であるので、表１より最小の機械的強度は２．０×１０８Ｎ／ｍ２であり、これに相当する最大撓みδｍは、支持部１８の内径ａが１５０μｍであるので、図７より０．０５μｍに相当する。よって、０．０５μｍ以上にセンサ基板１１が撓むと、支持部１８には機械的強度以上の応力が加重され、支持部１８は破壊する。この破壊を防ぐには、センサ基板１１を０．０５μｍ以上に撓ませなければよい。
【００５３】
図７を見ると、支持部１８の内径に当たる円板の半径ａが小さくなると、即ち、フォースセンサ１が小型化され、支持部１８の内径が小さくなると、最大撓みδｍが同じ時、支持部１８にはより大きな応力が加重されていることが分かる。よって、支持部１８の内径を小さくする場合には、支持部１８に生じる応力が機械的強度以下になるように、最大撓みδｍも小さくする必要がある。最大撓みδｍはセンサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離、即ち、支持部１８の厚さであるので、支持部１８の厚さを薄くする必要がある。
【００５４】
センサ基板１１を０．０５μｍ以上に撓ませないためには、支持部１８の厚さは０．０５μｍ以下に、及びセンサ側電気接続部１６ａとベース側電気接続部１６ｂとの厚みの和を０．０５μｍ以下にすることが必要である。
【００５５】
支持部１８の厚さを０．０５μｍ以下にできればストッパ２０を設ける必要はない。ところが、支持部１８は二つの金層を圧着する金属接合により形成するが、圧着による金属接合を安定的に行なうためには、それぞれの金層の厚みは０．１μｍ以上が必要である。よって、前記金属接合による手法では、センサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離を０．０５μｍ以下にして、センサ基板１１の最大撓みδｍを０．０５μｍ以下にすることはできなかった。
【００５６】
一方、第一の実施形態では、センサ基板１１とベース基板１０とを隔てる距離は０．２２μｍに設定されているので、その厚さが０．１７μｍ以上に設定したストッパ２０をセンサ基板１１の中心に位置して裏面１１ｂに設けることにより、センサ基板１１の最大撓みδｍを０．０５μｍ以下にすることを可能にした。
【００５７】
本発明によれば、ストッパ２０の厚みを調整することにより支持部１８に機械的強度以上の応力が加重されることを防止できるので、フォースセンサの更なる小型化を可能とした。
【００５８】
図８を見ると、センサ基板１１の厚さに当る円板の厚さｈを薄くすると、最大撓みδｍが同じ時、支持部１８により小さい応力が加重されることが分かる。よって、フォースセンサの小型化を進めるために支持部１８の内径を小さくする時に、支持部１８に生じる応力を機械的強度以下にすることは、センサ基板１１の厚さを薄くすることによっても可能である。なお、図８は、式（４）に、支持部１８の内径ａ＝１５０μｍ、支持部１８の幅ｗ＝５０μｍ、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８を代入して計算した。
【００５９】
よって、センサ基板１１の厚さを調整することにより支持部１８に機械的強度以上の応力が加重されることを防止できるので、センサ基板１１の厚さを調整する方法によっても、フォースセンサの小型化を進めることは可能である。
【００６０】
ところが、第一の実施形態では、センサ基板１１の厚さは２００μｍに設定している。センサ基板１１の厚さを薄くすると製造工程の作業時に割れ等の破損が発生し易くなるので、センサ基板１１の厚さを２００μｍ以下にすることは難しい。
【００６１】
また、センサ基板１１の厚さを薄くすると、受圧部１３が受ける荷重によりセンサ基板１１内に生じる応力が大きくなり機械的強度を越える危険性が増す。よって、センサ基板１１の厚さは、検知する荷重範囲を考慮して適切に決める必要がある。
【００６２】
支持部１８の材質を機械的強度が高いものに変更する場合を考える。例えば、タンタルを選ぶと、表１より機械的強度は８．０×１０８Ｎ／ｍ２である。第一の実施形態の支持部１８の厚さは０．２２μｍに設定されており、この値にセンサ基板１１が撓むと、図７より支持部１８の荷重応力は約８．０×１０８Ｎ／ｍ２である。よって、第一の実施形態では、支持部１８の材質をタンタルに選べば、ストッパ２０を設けなくても、支持部１８はほぼ破壊することはない。
【００６３】
ところが、支持部１８の材質がタンタルの場合でも、フォースセンサ１を小型化するために、図７でａ＝１２５μｍに選択した場合には、タンタルの機械的強度８．０×１０８Ｎ／ｍ２に相当する最大撓みδｍは約０．１２５μｍであり、その厚さが０．０９５μｍ以上であるストッパ２０が必要になる。よって、支持部１８の材質を機械的強度の高いものに変更する場合でも、フォースセンサ１の小型化にストッパ２０は有効である。
【００６４】
支持部１８の荷重応力を小さくするために、センサ基板１１に接する支持部１８の面積を大きくすることが考えられる。外径を大きくすることは小型化に反するので、内径を小さくして、前記面積を大きくすることを考える。
【００６５】
図９に、第一の実施形態である支持部１８の外径２００μｍを一定にして、支持部１８の内径を小さくする条件で、式（３）を使って計算した支持部１８に加重される応力σと支持部１８の内径ａの関係を示した。なお、図９は、式（３）に、支持部１８の外径ｂ＝２００μｍ、センサ基板１１の厚さｈ＝２００μｍ、Ｅ＝１．３×１０１１Ｎ／ｍ２、ν＝０．２８、δｍは０．２２μｍを代入して計算した。
【００６６】
式（３）を支持部１８の内径ａで微分しｄσ／ｄａ＝０の条件より、支持部１８に加重される応力σの支持部１８の内径ａに対する最小値を計算する。その結果、支持部１８の内径ａがｂ／２０．５で支持部１８に加重される応力σが最小になることが分かる。但し、ｂは支持部１８の外径である。この値を、第一の実施形態の数値を使って計算すると、１４１μｍとなる。これは、図９によっても確認できる。
【００６７】
図９を見て分かるように、支持部１８に加重される応力σが最小になるように支持部１８の内径を設定しても、支持部１８に加重される応力σは金の機械的強度２．０×１０８Ｎ／ｍ２を越えており、前記内径の最適化のみでは支持部１８の破壊は避けられず、ストッパ２０が必要であることが分かる。
【００６８】
上述の計算より、支持部１８の内径は、ｂ／２０．５±２０μｍに設定することが好ましい。但し、ｂは支持部１８の外径である。
【符号の説明】
【００６９】
１ フォースセンサ
１０ ベース基板
１１ センサ基板
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 変位部
１３ 受圧部
１５ ピエゾ抵抗素子
１６ 電気接続部
１６ａ センサ側電気接続部
１６ｂ ベース側電気接続部
１７ 回路配線部
１８ 支持部
１８ａ センサ側支持部
１８ｂ ベース側支持部
１９ 外部接続電極
２０ ストッパ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの荷重を受ける受圧部と、
前記外部からの荷重により変位量が変化する変位部と、
前記変位量に応じて電気抵抗が変化する歪検出素子と、
を備えたセンサ基板と、
前記センサ基板と接合されたベース基板と、
を有し、
前記センサ基板と前記ベース基板とは前記変位部が変位自在となるよう支持する支持部により接合してなり、
前記センサ基板は、前記ベース基板に対向する一方の面に前記歪検出素子及び前記支持部よりも基板周縁に位置して前記歪検出素子と電気的に接続したセンサ側電気接続部を有し、他方の面に前記受圧部を有しており、
前記ベース基板は、前記支持部よりも基板周縁に位置して前記センサ側電気接続部に接合するベース側電気接続部を有しており、
前記変位部の変位量を制限するようにストッパが設けられたことを特徴とするフォースセンサ。
【請求項２】
前記センサ基板が、シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載のフォースセンサ。
【請求項３】
前記歪検出素子が、ピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項２に記載のフォースセンサ。
【請求項４】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項５】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項６】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に、それぞれ設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項７】
前記ストッパが、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかの金属または２つ以上からなる合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項１】
外部からの荷重を受ける受圧部と、
前記外部からの荷重により変位量が変化する変位部と、
前記変位量に応じて電気抵抗が変化する歪検出素子と、
を備えたセンサ基板と、
前記センサ基板と接合されたベース基板と、
を有し、
前記センサ基板と前記ベース基板とは前記変位部が変位自在となるよう支持する支持部により接合してなり、
前記センサ基板は、前記ベース基板に対向する一方の面に前記歪検出素子及び前記支持部よりも基板周縁に位置して前記歪検出素子と電気的に接続したセンサ側電気接続部を有し、他方の面に前記受圧部を有しており、
前記ベース基板は、前記支持部よりも基板周縁に位置して前記センサ側電気接続部に接合するベース側電気接続部を有しており、
前記変位部の変位量を制限するようにストッパが設けられたことを特徴とするフォースセンサ。
【請求項２】
前記センサ基板が、シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載のフォースセンサ。
【請求項３】
前記歪検出素子が、ピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項２に記載のフォースセンサ。
【請求項４】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項５】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項６】
前記ストッパが、前記支持部よりも基板内側に位置して前記ベース基板に対向する前記センサ基板の一方の面に及び前記支持部よりも基板内側に位置して前記センサ基板に対向する前記ベース基板の一方の面に、それぞれ設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【請求項７】
前記ストッパが、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金、タンタル、鉄、金いずれかの金属または２つ以上からなる合金またはシリコン、ガラス、酸化シリコン、窒化シリコン、絶縁セラミックからなる単層膜または積層膜であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−６８１８１（Ｐ２０１２−６８１８１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４７０３（Ｐ２０１０−２１４７０３）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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