CN103175638A - 传感器器件及其制造方法、传感器模块、机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供传感器器件及其制造方法、传感器模块、机器人。传感器器件具备：封装；传感器元件，其配置于所述封装；以及盖体，其对所述封装进行密封，所述传感器元件具有供所述盖体接触的接触面，所述封装具有供所述盖体接合的接合面，所述接触面与所述接合面不位于同一平面。
Description
技术领域
本发明涉及传感器器件、传感器模块、机器人以及传感器器件的制造方法。
背景技术
以往，作为使用压电材料的力传感器公知有专利文献1的装置。所公开的力传感器，利用作为压电材料的结晶圆板16夹持专利文献1的图15所示的信号电极15，并且如专利文献1的图4所示，通过焊接将多个被金属罩圆板17夹持的测定元件配置在金属环14内。
另外，图13表示现有技术的传感器器件。如图13所示，传感器器件200的整体由传感器元件214、具有收容传感器元件214的凹部的金属制造的封装202、以及与封装202的凹部的开口部220的成为外周的上表面（接合面224）接合并且与传感器元件214接触的金属制造的板状的盖体204构成。
传感器元件214是使两个具有相同截面的水晶板216以相互对置的状态夹持检测电极218而成的元件。而且水晶板216的上表面成为传感器元件214的接触面222，并与盖体204接触。
另一方面，在封装202的侧面安装有同轴连接器206。同轴连接器206具有外周部208与中心导体210，并在两者之间填充有绝缘性树脂212，从而外周部208与中心导体210电绝缘。此处，外周部208与封装202以及盖体204短路，中心导体210与检测电极218电连接。
该传感器器件200被增压板（未图示）夹持并作用增压，盖体204将力（压力）传递到传感器元件214的接触面222。于是，施加于水晶板216的力（压力）与施加于增压板的外力对应地变化。然后，水晶板216通过压电效应而向检测电极218输出（感应）伴随着施加的力而产生的电荷。因此，能够以仅进行增压的情况下的信号的输出为基准，通过同轴连接器206监控该力（压力）的变化引起的输出电荷的变化量，从而检测施加于传感器器件200的外力。
此处，在传感器器件200中，在用干燥空气充满封装202内部的状态下，利用盖体204将传感器元件214密封，以使由水晶板216感应的电荷不会通过水分等泄漏到外部。
专利文献1：日本特开平4-231827号公报
专利文献1所公开的力传感器是利用结晶圆板夹持信号电极，并利用金属罩圆板夹持该结晶圆板的结构。在通过焊接将该力传感器安装于金属环的情况下，在信号电极等各个零件存在尺寸误差，该尺寸误差形成为焊接位置的凹凸，可能会对焊接产生空隙。因此在湿度高等外部环境恶劣的状况下，可能会由于水分浸入传感器元件而导致电荷发生外部漏泄从而难以进行稳定的测定。
另外，在图13所示的现有技术的传感器器件中，出现收容于封装202的传感器元件214的接触面222的高度，与封装202的凹部的开口部220的成为外周的接合面224的高度相互不一致的情况。
图14表示现有技术的传感器器件（接触面的高度＜接合面的高度）的示意图，图14（a）表示对盖体施加力之前的示意图，图14（b）表示对盖体施加力之后的示意图。
如图14（a）所示，在传感器元件214的接触面222的高度比接合面224的高度低的情况下，使盖体204与封装202接合。于是，盖体204与传感器元件214的接触面222未接触而形成有空隙226。
图15表示现有技术的传感器器件（接触面的高度＞接合面的高度）的示意图，图15（a）表示盖体接合前的示意图，图15（b）表示盖体接合后且对盖体施加力之前的示意图，图15（c）表示对盖体施加力之后的示意图。
如图15（a）所示，在传感器元件214的接触面222的高度比封装202的接合面224的高度高的情况下，若使盖体204与封装202接合则如图15（b）那样。即、成为盖体204的中央部凸起的状态，虽然传感器元件214的接触面222的外缘与盖体204接触，但是在传感器元件214的接触面222的中央部与盖体204之间形成空隙228。
无论在哪种情况下，若对盖体204施加力（包括上述的增压），则上述空隙226、228消失。但是，如图14（b）所示，在封装202的凹部深度方向观察的俯视观察时，盖体204的成为比传感器元件214更靠外侧且比开口部220的缘更靠内侧的区域，在朝向盖体204的中心的方向（箭头230的方向）受到应力。另外，如图15（c）所示，在上述俯视观察时盖体204的成为比传感器元件214更靠外侧且比开口部220的缘更靠内侧的区域，受到从盖体204的中心呈放射状扩散的方向（箭头232的方向）上的应力。因此无论在哪种情况下，在将盖体204与封装202接合的接合部（接合面224）的成为内侧的传感器元件侧内缘部，集中地施加有剪切应力（箭头234的方向为应力的方向）。并且，在反复被施加力的传感器器件200中，在上述接合部的传感器元件侧内缘部应力集中加剧，从而可能会导致盖体204与封装202的接合变差而破坏气密密封。
发明内容
因此，本发明着眼于上述问题点，目的在于提供通过形成难以引起封装破损的结构，长期而稳定地实现收容于封装的传感器元件的气密密封的传感器器件、传感器模块、机器人以及传感器器件的制造方法。
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，并能够通过以下的应用例来实现。
在应用例1中，一种传感器器件，其特征在于具备：第一部件，其具有凹部；传感器元件，其配置于上述凹部，并具有压电体；以及第二部件，其与上述第一部件接合，并对上述第一部件的凹部进行密封，上述传感器元件具有供上述第二部件接触的接触面，上述第一部件具有供上述第二部件接合的接合面，上述接触面与上述接合面不位于同一平面。
根据上述结构，第二部件与接触面接触、且与接合部接合。由此，能够抑制应力向第一部件与第二部件的接合部的集中。因此，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，而形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器器件。
在应用例2中，根据应用例1所记载的传感器器件，其特征在于上述第二部件具有：第一平坦部，其与上述接触面位于同一平面；以及第二平坦部，其与上述接合面位于同一平面，上述第二部件的上述第一平坦部与上述接触面接触。
根据上述结构，依照接合面与接触面的高低差而在第二部件形成有阶梯差。因此第一平坦部与有无接合面与接触面的高低差无关均与接触面接触，第二平坦部与接合部接合。由此，能够抑制应力向第一部件与第二部件的接合部的集中。因此，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器器件。
在应用例3中，根据应用例1或2所记载的传感器器件，其特征在于，在上述凹部深度方向观察的俯视观察时，在上述第二部件的成为比上述凹部的开口部更靠内侧、且比上述传感器元件更靠外侧的位置存在可挠部，该可挠部将上述传感器元件的周围包围，并具有可挠性。
根据上述结构，在使第二部件与第一部件接合的接合工序中，能够容易地使第二部件变形，从而能够容易地进行接合工序。
在应用例4中，根据应用例1至3中任一项所记载的传感器器件，其特征在于，在将上述接触面的法线方向设为Z轴方向，与上述Z轴方向正交且相互正交的方向分别设为X轴方向、Y轴方向的情况下，上述传感器元件具备检测上述X轴方向上的力的第一传感器元件、检测上述Y轴方向上的力的第二传感器元件、检测上述Z轴方向上的力的第三传感器元件的至少任意一个以上。
根据上述结构，能够根据使用目的检测任意方向上的力。
在应用例5中，一种传感器模块，其特征在于，具备：第一部件，其具有凹部；传感器元件，其配置于上述凹部，并具有压电体；第二部件，其与上述第一部件接合，并对上述第一部件的凹部进行密封；第一板，其与上述第一部件接触；第二板，其与上述第二部件接触；以及紧固部，其对上述第一板以及上述第二板进行紧固，上述传感器元件具有供上述第二部件接触的接触面，上述第一部件具有供上述第二部件接合的接合面，上述接触面与上述接合面不位于同一平面。
根据上述结构，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器模块。
在应用例6中，一种力检测装置，其特征在于，具备应用例1至4中任一项所记载的传感器器件。
根据上述结构，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的力检测装置。
在应用例7中，一种传感器模块，其特征在于，具备：第一部件，其具有凹部；传感器元件，其配置于上述凹部，并具有压电体；第二部件，其与上述第一部件接合，并对上述第一部件的凹部进行密封；以及电子电路，其与上述传感器元件电连接，上述传感器元件具有供上述第二部件接触的接触面，上述第一部件具有供上述第二部件接合的接合面，上述接触面与上述接合面不位于同一平面。
根据上述结构，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器模块。
在应用例8中，一种机器人，其特征在于，具备应用例6所记载的力检测装置。
根据上述结构，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的机器人。
在应用例9中，一种机器人，其特征在于，具备：主体部、与上述主体部连接的臂部、与上述臂部连接的手部，在上述臂部与上述手部的连接部具有传感器器件，上述传感器器件具备：第一部件，其具有凹部；传感器元件，其配置于上述凹部，并具有压电体；以及第二部件，其与上述第一部件接合，并对上述第一部件的凹部进行密封，上述传感器元件具有供上述第二部件接触的接触面，上述第一部件具有供上述第二部件接合的接合面，上述接触面与上述接合面不位于同一平面。
根据上述结构，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，形成长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封、并且能够检测施加于臂部以及手部的外力的机器人。
在应用例10中，一种传感器器件的制造方法，其特征在于，将具有压电体的传感器元件收容于第一部件的凹部，将覆盖上述第一部件的凹部的第二部件载置于上述第一部件，并在通过加载机构的按压面来将上述第二部件按压于上述传感器元件的状态下，使上述第二部件与上述第一部件接合，在上述凹部深度方向观察的俯视观察时，上述按压面的外缘位于上述凹部的内缘与上述传感器元件的与上述第二部件接触的接触面的外缘之间。
根据上述方法，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，能够制造长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器器件。
在应用例11中，根据应用例10所记载的传感器器件的制造方法，其特征在于，在通过上述加载机构的按压面将上述第二部件按压于上述传感器元件的状态下，通过第二加载机构将上述第二部件按压于上述第一部件来使上述第二部件变形，在上述第二部件形成：第一平坦部，其与上述接触面位于同一平面并与上述接触面接触；以及第二平坦部，其与上述第一部件的与上述第二部件接合的接合面位于同一平面。
根据上述方法，即使在接触面与接合面之间存在高低差，也能够依照该高低差形成第一平坦部与第二平坦部之间的阶梯差，因此第一平坦部与有无接触面与接合面的高低差无关均与接触面接触。因此，凭借与应用例1相同的理由，通过形成难以引起上述接合部破损的结构，能够制造长期且稳定地实现收容于第一部件的传感器元件的气密密封的传感器器件。另外，由于即使上述高低差存在偏差也能够使第一平坦部与接触面接触，因此能够提高传感器器件的制造成品率。
附图说明
图1是第一实施方式的传感器器件的示意图，图1（a）是俯视图，图1（b）是图1（a）的A-A线剖视图。
图2是表示第一实施方式的传感器器件的制造工序的示意图，图2（a）是缝焊前的示意图，图2（b）是缝焊后的示意图。
图3是第一实施方式的传感器器件，并是在盖体与传感器元件之间形成有空隙的情况的制造工序的示意图，图3（a）是砝码施加前的示意图，图3（b）是砝码施加后的示意图，图3（c）是缝焊后的示意图。
图4是在第一实施方式的传感器器件中，利用绝缘体形成封装以及盖体的情况的剖视图。
图5是表示本实施方式的盖体的变形例的示意图，图5（a）是俯视图，图5（b）是图5（a）的A-A线剖视图。
图6是第二实施方式的传感器器件的剖视图。
图7是第二实施方式的传感器器件的俯视图（省略盖体）。
图8是本实施方式的封装基座的俯视图。
图9是本实施方式的传感器元件的示意图。
图10是本实施方式的传感器模块的剖视图。
图11是本实施方式的力检测装置的示意图。
图12是搭载有本实施方式的力检测装置的机器人的示意图。
图13是现有技术的传感器器件的示意图。
图14是现有技术的传感器器件（接触面的高度＜接合面的高度）的示意图，图14（a）是对盖体施加力之前的示意图，图14（b）是对盖体施加力之后的示意图。
图15是现有技术的传感器器件（接触面的高度＜接合面的高度）的示意图，图15（a）是使盖体与封装接合之前的示意图，图15（b）是盖体接合之后、且对盖体施加力之前的示意图，图15（c）是对盖体施加力之后的示意图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式对本发明详细地进行说明。其中，对于本实施方式所记载的构成要素、种类、组合、形状、以及其相对配置等而言，只要没有特定的说明，不是将本发明的范围仅限定于此的主旨而只是说明例。
图1表示第一实施方式的传感器器件的示意图，图1（a）表示俯视图，图1（b）表示图1（a）的A-A线剖视图。第一实施方式的传感器器件1的基本结构与现有技术的传感器器件200通用，因此对相同的构成要素标注相同的标记，除了必要的情况之外省略其说明。另外，首先在本实施方式中使用如下情况进行说明，即、传感器元件214的接触面222（上表面），与具有凹部的封装（package）202（第一部件）的接合面224（上表面）不在同一平面上，接触面222比接合面224高。
本实施方式的传感器器件1主要包括具有凹部的封装202（第一部件）、传感器元件214、以及板状的盖体2（第二部件）。而且，本实施方式的传感器器件1的基本形态为：传感器元件214收容于封装202，盖体2以覆盖封装202的凹部的开口部220的方式与封装202的接合面224接合。此外，封装202成为具有凹部的封装结构但由金属（或者后述那样的陶瓷）形成。而且，依照传感器元件214的接触面222与接合面224之间的高低差，而在盖体2的力传递部3（第一平坦部）与周缘部4（第二平坦部）之间形成阶梯部5，在本实施方式中，力传递部3具有相对于周缘部4突出的形态。此处，力传递部3与接触面222接触（面接触），周缘部4与接合面224接合。
另外，本实施方式的传感器器件1例如被后述的增压板82（图10）、92（图11）从传感器元件214的接触面222的法线方向夹持，从而对其施加增压。
与封装202接合的盖体2由不锈钢、科瓦铁镍钴合金（Kovar）等金属（或者如后所述由陶瓷）形成，并且包括力传递部3、周缘部4、以及阶梯部5。力传递部3（第一平坦部）形成盖体2的中央区域，并将从外部受到的力（包括增压）传递至传感器元件214的接触面222。而且，力传递部3的外缘配置为在封装202的凹部深度方向上观察的俯视观察时（图1（a））与传感器元件214的接触面222的外缘相互重叠。由此，力传递部3与传感器元件214的接触面222整体接触。周缘部4（第二平坦部）配置于盖体2的成为周缘的位置，并与封装202的接合面224接合。
阶梯部5在力传递部3与周缘部4之间形成阶梯差（接触面222的法线方向上的阶梯差）。即、阶梯部5具有阶梯差，该阶梯差依照接触面222与接合面224之间的高低差而成，从而能够在使周缘部4与接合面224接合的状态下使力传递部3与接触面222接触。在本实施方式中，阶梯部5形成为从力传递部3朝周缘部4倾斜的形态。
接下来，对第一实施方式的传感器器件1的制造工序进行说明。此处，对在将传感器元件214收容于封装202之后，通过缝焊将盖体2与封装202接合并气密密封传感器元件214的工序进行说明。
图2表示第一实施方式的传感器器件的制造工序的示意图，图2（a）表示缝焊前的示意图，图2（b）表示缝焊后的示意图。
首先，在收容有传感器元件214的封装202上载置盖体2。此时，盖体2的相当于力传递部3的部分载置于接触面222，在盖体2的相当于周缘部4的部分与接合面224之间形成有空隙6。另外，如图2（a）所示，在盖体2的中央部载置有成为加载机构的砝码7。此处，砝码7具有能够与盖体2接触（面接触）的底面（按压面），并以其法线与传感器元件214的接触面222的法线平行的方式设置朝向。
而且，如图2（b）所示，将成为第二加载机构的辊电极8按压在盖体2的与封装202连接的位置（接合面224）来使空隙6消失，并对辊电极8施加电流而通过缝焊将盖体2与封装202接合。此时，盖体2的与传感器元件214的接触面222的外缘对置的位置被弯折（塑性变形），从而在盖体2的与接触面222对置的位置形成力传递部3（第一平坦部）。在该弯折工序中，对于砝码7而言，通过其载荷来维持盖体2的与接触面222对置的部分（力传递部3）的平坦性，从而能够使在弯折后形成的力传递部3与接触面222接触。
与上述的弯折工序同时，在上述俯视观察时在与接合面224的传感器元件214侧的边缘重叠的位置，盖体2由于辊电极8的载荷而弯折（塑性变形）。然后，使辊电极8以辊遍上述连接位置（接合面224）整体的方式在盖体2上移动。由此，盖体2与封装202的连接位置成为盖体2的周缘部4（第二平坦部），周缘部4与力传递部3之间的部分成为阶梯部5，传感器元件214成为被盖体2密封了的传感器器件1。
然而，在对本实施方式的传感器器件1进行批量生产的情况下，在传感器元件214的接触面222的高度与封装202的接合面224的高低差产生偏差。即、如上所述，存在传感器元件214的接触面222的高度比封装202的接合面224的高度低的情况、和与之相反的情况。因此，接下来对接触面222的高度比接合面224的高度低的情况的传感器器件1的制造工序进行说明。
图3表示第一实施方式的传感器器件，并表示在盖体与传感器元件之间形成有空隙的情况下的制造工序的示意图，图3（a）表示砝码施加前的示意图，图3（b）表示砝码施加后的示意图，图3（c）表示缝焊后的示意图。
首先，如图3（a）所示，在封装202（接合面224）上载置盖体2。于是在盖体2与传感器元件214的接触面222之间形成空隙9。接下来如图3（b）所示，为了使盖体2变形而在盖体2的中央部载置成为加载机构的砝码7。
然后，如图3（b）所示，使用砝码7来对盖体2施加平面载荷，从而盖体2在盖体2的与砝码7的底面（按压面）的外缘对置的位置发生弯折（塑性变形）。因此，对于盖体2而言，在上述俯视观察时盖体2的成为比砝码7的底面（按压面）的外缘更靠内侧的部分成为力传递部3（第一平坦部），力传递部3与接触面222接触从而空隙9消失。
然后，如图3（c）所示，将成为第二加载机构的缝焊用的辊电极8按压在盖体2与封装202的连接位置（接合面224），并对辊电极8施加电流来通过缝焊将盖体2与封装202接合。此时，在与上述俯视观察时呈矩形环状的接合面224的内缘重叠的位置，盖体2由于辊电极8的载荷而弯折（塑性变形）。然后，使辊电极8以辊遍上述连接位置（接合面224）整体的方式在盖体2上移动。由此，盖体2与封装202的连接位置（接合面224）成为盖体2的周缘部4（第二平坦部），周缘部4与力传递部3之间的部分成为阶梯部5。
在图2、图3的盖体的接合工序中，需要将力传递部3形成至少与接触面222整体接触的形状。因此在图2、图3的接合工序中，砝码7的底面（按压面）与接触面222具有相同形状、相同面积，并且配置成在上述俯视观察时，砝码7的底面的外缘与接触面222的外缘相互重叠。由此能够形成具有最小面积的力传递部3。
但是，也可以将砝码7的底面设为比接触面222的面积大（在该情况下不需要为相同形状），并且配置成在上述俯视观察时砝码7的底面的外缘围绕接触面222的外缘。即、在上述俯视观察时，砝码7的底面（按压面）的外缘位于封装202的凹部的内缘、即在上述俯视观察时只要位于呈矩形环状的接合面224的内缘与接触面222的外缘之间即可。
由此，在图2、图3的接合工序中，即使在将砝码7载置于盖体2上的情况下存在对准误差，也会形成具有比接触面222的面积大的力传递部3，并且配置成在上述俯视观察时该力传递部3的外缘将接触面222的外缘包围。因此，能够使接触面222整个面与力传递部3可靠地接触。此外，在图3的接合工序中，力传递部3依照砝码7的底面的外缘的形状而形成。
然而，在图3（c）所示的盖体2中，以力传递部3相对于周缘部4凹下的状态形成有阶梯差，但上述阶梯差的大小极小。因此，后述的增压板82（图9）、92（图10）也与力传递部3接触，由增压板引起的增压也施加于力传递部3，力传递部3能够将力传递至接触面222。此外，在接触面222与接合面224的高度相互一致的情况下，未形成有阶梯部5（参照图13）。
在本实施方式中，如上所述，采用如下工序，即、在使用砝码7对盖体2的中央部施加载荷的状态下，利用辊电极8对盖体2的周缘施加载荷并进行缝焊。由此，即使在接触面222与接合面之间存在高低差，也依照该高低差形成盖体2的成为比阶梯部5更靠内侧的部分（力传递部3）与周缘部4之间的阶梯差，因此力传递部3与是否存在接触面222与接合面224之间的阶梯差无关而与接触面222接触。因此，能够使被施加于传感器元件214的力中的、相对于接合面224的剪切应力所吸收的成分减小，从而能够进行高精度的力的检测。
另外，由于力传递部3整体与接触面222接触，因此能够在施加增压时避免力传递部3填埋与接触面222之间的空隙这样的位移，从而能够大幅度地减少对封装202与盖体2的接合部（接合面224）的应力集中。因此，通过形成难以发生上述接合部的破损的结构，形成长期而稳定地实现收容于封装202的传感器元件214的气密密封的传感器器件1。
另外，即使由于封装12与传感器元件214的制造偏差导致在接触面222与接合面224之间的高低差产生偏差，力传递部3也与接触面222接触，因此能够以高制造成品率制造传感器器件1。
此外，在本实施方式中，说明了第一部件202为一体构造的情况，但是第一部件202也可以为分离成载置传感器元件214的部分（后述的封装基座14）、将传感器元件214的周围包围的部分（后述的侧壁部件24）、以及同轴连接器206的情况。另外在本实施方式中，说明了力传递部3与接触面222接触的情况，但是也可以使用粘合剂等将力传递部3与接触面222接合。
图4表示在第一实施方式的传感器器件中，由绝缘体形成封装以及盖体的情况的剖视图。由陶瓷等绝缘体形成封装202以及盖体2的情况是指：在封装202的凹部的底面，以与传感器元件214的下表面整体接触的方式配置接地电极9a，并在封装202的外部的侧面配置侧面电极9b。而且，配置从侧面电极9b贯通至封装202的凹部的壁面的贯通电极9c，并且在封装202的凹部的底面配置将露出凹部的壁面的贯通电极9c与接地电极9a的连接的连接电极9d。此外，在传感器元件214的上表面也以覆盖上表面整体的方式配置接地电极9e，并通过导线9f将接地电极9e与连接电极9d电连接。在该结构中，通过使侧面电极9b接地来使传感器元件214的上表面与下表面接地。在该情况下，接地电极9e的上表面成为传感器元件214的接触面222。
图5表示本实施方式的盖体的变形例的示意图，图5（a）表示俯视图，图5（b）表示图5（a）的A-A线剖视图。在图5所示的盖体2a中，阶梯部5a在上述俯视观察时具有圆形形状。另外，阶梯部5a配置成：在上述俯视观察时成为比接触面222更靠外侧并且比接合面224更靠内侧的位置围绕接触面222，并形成为比力传递部3以及周缘部4薄壁的可挠部。对于该阶梯部5a而言，上述的砝码（砝码的底面）为圆形形状，并且经由上述接合工序而形成。在该情况下，如图5（b）所示，力传递部3可以形成为比周缘部4突出的形式，另外也可以形成为与之相反的形式。
通过将阶梯部5a设为形成为比盖体2的其它的部分薄壁的可挠部，能够使阶梯部5a容易变形从而能够容易地进行上述接合工序。另外，通过将阶梯部5a设为圆形形状，能够避免当对盖体2a施加力（包含增压）时应力集中于阶梯部5a的特定的部位（例如形成角的部分）的情况，从而能够提高阶梯部5a的耐久性。
另外，如图5（b）所示，阶梯部5a能够形成为比力传递部3以及周缘部4薄壁并且具有波纹结构的可挠部。由此，在阶梯部5a更容易产生变形，从而能够容易地进行盖体接合时的变形。此处，在如阶梯部5a那样具有波纹结构的情况下，只要阶梯部5a比力传递部3以及周缘部4优先地变形，则不需要使阶梯部5a形成为薄壁，可以具有与力传递部3以及周缘部4相同的厚度。此外，变形例的盖体2a（阶梯部5a）可以通过冲压成型形成，也可以通过蚀刻形成。
图6表示第二实施方式的传感器器件的剖视图，图7表示第二实施方式的传感器器件的俯视图（省略盖体），图8表示本实施方式的封装基座的俯视图。此处，图6对应于图7、图8的A-A线剖视图。另外，第二实施方式的传感器器件10是检测正交三个轴向的力的器件，但是具有与第一实施方式的传感器器件1共通的作用效果。
本实施方式的传感器器件10主要包括封装12（第一部件）、传感器元件42、以及盖体34（第二部件）。而且，传感器器件10的基本形态为：传感器元件42收容于封装12的凹部，盖体34以将封装12的凹部的开口部30覆盖的方式与封装12的接合面32接合。而且，依照传感器元件42的接触面44与接合面32的高低差，在盖体34的力传递部36与周缘部38之间形成阶梯部40。
而且，本实施方式的传感器器件10被后述的增压板82（图10）、92（图11）从传感器元件42的接触面44的法线方向（图9的γ轴方向）夹持，从而对其施加增压。
封装12由陶瓷等绝缘性材料形成。而且，封装12在封装12的凹部深度方向上观察的俯视观察时具有矩形的平板形状（也可以是圆形等其他的形状），并且具有供传感器元件42配置的封装基座14。另外，封装12具有环状的侧壁部件24，该环状的侧壁部件24在上述俯视观察时（图7）具有外形与封装基座14相同的形状，并且以将传感器元件42的周围包围的方式配置在封装基座14上。
如图8所示，在封装基座14的上表面的中央配置有与传感器元件42连接的接地电极16。另外，在封装基座14的侧面的形成角的部分（四处）配置有侧面电极20A、20B、20C、20D。此外，侧面电极20A、20B、20C、20D例如经由导线等而与检测传感器器件10的输出的电子电路（未图示）连接。
另外，如图6、图7、图8所示，在封装基座14的上表面配置有连接电极18A、18B、18C、18D。连接电极18A、18B、18C、18D分别以与侧面电极20A、20B、20C、20D连接的方式配置，一端分别配置于封装基座14的形成角的位置。另一方面，连接电极18A、18B、18C的另一端配置于成为接地电极16的附近的位置。而且，连接电极18D的另一端与接地电极16连接。
如图6、图7所示，侧壁部件24层叠于封装基座14上的成为周缘的位置。侧壁部件24以覆盖连接电极18A、18B、18C、18D的方式配置。但是，侧壁部件24为矩形的环状的部件，因此使连接电极18A、18B、18C、18D的另一端侧露出到侧壁部件24的内侧，并使接地电极16也以露出的状态层叠于封装基座14上。因此，侧壁部件24形成封装12的凹部的开口部30。
另外，如图6所示，在侧壁部件24的上表面配置有金属喷镀部（metallize）26，该金属喷镀部26成为封装12（侧壁部件24）的接合面32。而且，如图6、图7所示，在侧壁部件24的与连接电极18D对置的位置配置有在高度方向贯通侧壁部件24的贯通电极28，从而金属喷镀部26与连接电极18D经由贯通电极28而电连接。
此外，接地电极16以及连接电极18A、18B、18C、18D由具备导电性的金属形成，并且金属喷镀部26也能够由与接地电极16等相同材料形成。
如图6所示，盖体34与第一实施方式的盖体2相同地具备力传递部36、周缘部38、阶梯部40。另外在本实施方式中，与第一实施方式相同，接触面44比封装12的接合面32高。因此阶梯部40依照接触面44与接合面32的高低差而变形，力传递部36与接触面44接触，周缘部38通过缝焊而与接合面32（金属喷镀部26）接合。由此，盖体34以力传递部36比周缘部38突出的形态具有阶梯差。另外，盖体34经由金属喷镀部26、贯通电极28与连接电极18D电连接。此外，第二实施方式的接合传感器器件10的盖体34的工序与第一实施方式相同。
如图6所示，传感器元件42具有压电性，例如为由水晶、锆钛酸铅（PZT：Pb（Zr、Ti）O3）、铌酸锂、钽酸锂等形成的板状基板，在本实施方式中作为压电体而使用水晶板。而且，传感器元件42按从上到下的顺序层叠有第一传感器元件46、第三传感器元件58、第二传感器元件52。第一传感器元件46以第一水晶板48A、48B夹持第一检测电极50的方式形成，第二传感器元件52以第二水晶板54A、54B夹持第二检测电极56的方式形成，第三传感器元件58以第三水晶板60A、60B夹持第三检测电极62的方式形成。
而且，在第一传感器元件46（第一水晶板48B）与第三传感器元件58（第三水晶板60A）之间配置有第一接地电极64，在第三传感器元件58（第三水晶板60B）与第二传感器元件52（第二水晶板54A）之间配置有第二接地电极66。并且，第一传感器元件46（第一水晶板48A）的上表面成为传感器元件42的接触面44，并且与盖体34的力传递部36接触而接地。另外，第二传感器元件52（第二水晶板54B）的下表面通过与接地电极16连接而接地。
如图7所示，第一检测电极50、第二检测电极56、第三检测电极62、第一接地电极64、第二接地电极66，分别以其一部分从第一水晶板至第三水晶板露出的方式配置。而且第一检测电极50通过导电性的导线68A而与连接电极18A的露出部分（另一端侧）连接，第二检测电极56通过导线68B而与连接电极18B的露出部分（另一端侧）连接，第三检测电极62通过导线68C而与连接电极18C的露出部分（另一端侧）连接。另外，第一接地电极64、以及第二接地电极66分别通过导线68D、68E而与连接电极18D的露出部分（另一端侧）连接。
通过上述连接，侧面电极20A经由连接电极18A、导线68A而与第一检测电极50电连接。另外，侧面电极20B经由连接电极18B、导线68B而与第二检测电极56电连接。而且，侧面电极20C经由连接电极18C、导线68C而与第三检测电极62电连接。
另外，侧面电极20D经由连接电极18D而与接地电极16电连接。此外，侧面电极20D经过与连接电极18D连接的导线68D而与第一接地电极64电连接，并经由与连接电极18D连接的导线68E而与第二接地电极66电连接，并经由与连接电极18D连接的贯通电极28以及金属喷镀部26而与盖体34电连接。
作为上述的各种电极的材料而能够使用金、钛、铝、铜、以及铁等的单体或合金。例如，也能够使用不锈钢作为铁合金，并且由于耐久性、耐腐蚀性优秀而优选地使用。
图9表示本实施方式的传感器元件的示意图。在本实施方式中，力传递部36不仅能够将与传感器元件42的接触面44的法线方向（γ轴）平行的方向上的力传递至接触面44，还能够将接触面44的面方向上的力即、分别与γ轴正交且相互正交的两个方向（α轴、β轴）上的力传递至接触面44。而且，传感器元件42（第一传感器元件46、第二传感器元件52、第三传感器元件58）能够如后述那样地检测分别与α轴、β轴、γ轴平行的力。
在第一传感器元件46中，第一水晶板48A、48B由Y切割（Y-cut）水晶板形成，并具有产生压电效应的结晶方位亦即X方向成为与第一水晶板48A、48B的法线（图9的与γ轴平行的方向）垂直的方向的结晶方位。而且，第一水晶板48A、48B以X方向互为反方向的方式配置。并且，第一水晶板48A、48B以X方向与空间正交坐标的α轴平行的方式配置。
在第二传感器元件52中，第二水晶板54A、54B由Y切割水晶板形成，并具有X方向成为与第二水晶板54A、54B的法线（与γ轴平行的方向）垂直的方向的结晶方位。而且，第二水晶板54A、54B以X方向互为反方向的方式配置。并且，第二水晶板54A、54B以X方向与空间正交坐标的β轴平行的方式配置。
在第三传感器元件58中，第三水晶板60A、60B由X切割（X-cut）水晶板形成，并具有X方向成为与第三水晶板60A、60B的法线（与γ轴平行的方向）平行的方向的结晶方位。而且，第三水晶板60A、60B以X方向互为反方向的方式配置。并且，第三水晶板60A、60B以X方向与空间正交坐标的γ轴平行的方式配置。
如图9所示，对于本实施方式的传感器元件42而言，将与空间正交坐标的γ轴平行的方向作为传感器器件10的高度方向。而且，如后所述利用增压板82（图10）、92（图11）将传感器元件42从γ轴的方向夹持并施加增压，并且经由盖体34（力传递部36）从与γ轴平行的方向对传感器元件42施加增压。由此，第三水晶板60A、60B从X方向受到增压（压缩力），因此由于压电效应而诱发电荷，并将电荷（Fz信号）输出至第三检测电极62。
在上述结构中，若施加使两个增压板的相对位置相互在与α轴平行的方向错开的外力，则经由力传递部36而对传感器元件42施加与α轴平行的方向的外力。于是，第一水晶板48A、48B从X方向受到外力（剪切力），因此由于压电效应而诱发电荷，并将电荷（Fx信号）输出至第一检测电极50。
另外，若施加使两个增压板的相对位置相互在与β轴平行的方向错开的外力，则经由力传递部36而对传感器元件42施加与β轴平行的方向的外力。于是，第二水晶板54A、54B从X方向受到外力（剪切力），因此由于压电效应而诱发电荷，并将电荷（Fy信号）输出至第二检测电极56。
另外，若施加使两个增压板的相对位置相互在与γ轴平行的方向错开的外力，则经由力传递部36而对传感器元件42施加与γ轴平行的方向的外力。于是，第三水晶板60A、60B从X方向受到外力（压缩力或者拉伸力），因此由于压电效应而诱发的电荷量发生变化，从而输出至第三检测电极62的电荷（Fz信号）的大小发生变化。
因此，本实施方式的传感器器件10能够分别对经由侧面电极20A输出至第一检测电极50的电荷（Fx信号）、经由侧面电极20B输出至第二检测电极56的电荷（Fy信号）、以及经由侧面电极20C输出至第三检测电极62的电荷（Fz信号）进行监控，从而能够对与相互正交的α轴（后述X轴）、β轴（后述Y轴）、以及γ轴（后述Z轴）平行的方向的外力（Fx、Fy、Fz）进行检测。此外，传感器元件42形成具有第一传感器元件46、第二传感器元件52、以及第三传感器元件58的层叠结构，但是也可以是使用至少任意一个以上的结构。另外，未必需要将第一传感器元件46、第二传感器元件52、以及第三传感器元件58层叠，也可以将各传感器元件并列地收容于封装12内，使各传感器元件的上表面（接触面）能够与力传递部36接触。
图10表示本实施方式的传感器模块的剖视图。本实施方式的传感器模块具有如下结构，其中，利用增压板82将第二实施方式的传感器器件10（也可以是第一实施方式的传感器器件1）夹持，并通过紧固部将增压板82彼此紧固并且对传感器器件10施加增压。
增压板82包括与封装12接触的第一板82a、与盖体34（力传递部36）接触的第二板82b。而且紧固部包括紧固螺栓84a与紧固螺母84b。另外，在第一板82a、第二板82b形成有供紧固螺栓84a穿插的螺栓孔86a，收容紧固螺栓84a的头部以及紧固螺母84b的沉孔86b与螺栓孔86a连通地形成。
此处，在通过第一板82a以及第二板82b夹持传感器器件10的状态下，将紧固螺栓84a插通螺栓孔86a并通过紧固螺栓84a与紧固螺母84b进行螺栓紧固。于是，第一板82a与第二板82b通过紧固部而受到相互接近的方向上的力，从而传感器器件10从高度方向受到增压，由此，构成传感器器件10的盖体34（力传递部36）对传感器元件42的接触面44施加增压。
而且，与上述相同，侧面电极20A、20B、20C、20D与接收来自传感器器件10的信号的电子电路（未图示）连接。因此，若对增压板82施加外力，则该外力经由力传递部36而传递至接触面44，接触面44所受到的力发生变化，由此从传感器器件10输出的信号的输出发生变化。因此，以仅施加增压的情况下的信号输出为基准，监控该信号输出的变化量，从而能够检测施加于传感器模块80的力（也包括其方向）。此外，也可以在第一板82a的与传感器器件10对置的位置埋入电子电路（未图示），并使传感器器件10的侧面电极20A、20B、20C、20D延伸突出至封装12的下表面，并通过锡焊等分别将电子电路（未图示）上的安装电极（未图示）与侧面电极的延伸突出至封装12的下表面的部分连接。
图11表示本实施方式的力检测装置。本实施方式的力检测装置90具有通过两个增压板92将四个传感器器件10夹持的结构。配置有经由导线等而与传感器器件10电连接的电子电路（未图示）。而且，在力检测装置90中，四个传感器器件10以其全部朝向相同方向的状态被增压板92夹持并施加增压。例如，传感器器件10成为如下状态，即、使第一传感器元件46（图9）的检测轴朝向与Fx平行的方向，使第二传感器元件52（图9）的检测轴朝向与Fy平行的方向，使第三传感器元件58（图9）的检测轴朝向与Fz平行的方向。
此处，在受到使增压板92的相对位置相互在Fx方向错开的力的情况下，传感器器件10分别检测Fx1、Fx2、Fx3、Fx4的力。另外，在受到使增压板92的相对位置相互在Fy方向错开的力的情况下，传感器器件10分别检测Fy1、Fy2、Fy3、Fy4的力。此外，在受到使增压板92的相对位置相互在Fz方向错开的力的情况下，传感器器件10分别检测Fz1、Fz2、Fz3、Fz4的力。另外增压板92能够进行相互在绕X轴（Mx）旋转的方向错开的相对位移、相互在绕Y轴（My）旋转的方向错开的相对位移、相互在绕Z轴（Mz）旋转的方向错开的相对位移，并能够将与此相伴的力传递至传感器器件10。
因此，在力检测装置90中，能够如以下那样地求出：相互正交的力Fx、Fy、Fz；以与Fx平行的方向为旋转轴的旋转力Mx；以与Fy平行的方向为旋转轴的旋转力My；以及以与Fz平行的方向为旋转轴的旋转力Mz。
公式1
Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4
Fy＝Fy1+Fy2+Fy3+Fy4
Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4
Mx＝b×(Fz4-Fz2)
My＝ax(Fz3-Fz1)
Mz＝b×(Fx2-Fx4)+a×(Fy1-Fy3)
此处，a、b为常量。因此，本实施方式的力检测装置90能够检测来自三维的所有方向上的力（六个轴向的力），从而形成能够长期而稳定地实现收容于封装12的传感器元件42的气密密封的力检测装置90。
图12表示搭载有本实施方式的力检测装置的机器人。如图12所示，机器人100包括主体部102、臂部104、机器人手部116等。主体部102例如固定在底板、墙壁、天花板、以及可移动的台车上等。臂部104以相对于主体部102可动的方式设置，并在主体部102内置有：产生用于使臂部104旋转的动力的促动器（未图示）；控制促动器的控制部等（未图示）。
臂部104包括第一构架106、第二构架108、第三构架110、第四构架112、以及第五构架114。第一构架106经由旋转弯曲轴而以能够旋转或者能够弯曲的方式与主体部102连接。第二构架108经由旋转弯曲轴而与第一构架106以及第三构架110连接。第三构架110经由旋转弯曲轴而与第二构架108以及第四构架112连接。第四构架112经由旋转弯曲轴而与第三构架110以及第五构架114连接。第五构架114经由旋转弯曲轴而与第四构架112连接。通过控制部的控制，使臂部104的各构架以各旋转弯曲轴为中心复合地旋转或者弯曲从而进行驱动。
在第五构架114的前端安装有机器人手部116，能够把握对象物的机器人手120经由机器人手连接部118而与第五构架114连接，其中，该机器人手连接部118中内置有使该机器人手120进行旋转动作的马达（未图示）。
在机器人手连接部118，除了马达之外还内置有上述的力检测装置90（图11），当通过控制部的控制使机器人手部116移动至规定的动作位置时，能够通过力检测装置90对与障碍物的接触、或者超过规定位置的动作命令引起的与对象物的接触等作为力进行检测，并向机器人100的控制部反馈，从而执行回避动作。
通过使用这样的机器人100能够容易地进行在以往的位置控制中无法处理的障碍物回避动作、以及对象物损伤回避动作等，能够获得能进行安全且细致的作业的机器人100。并且，形成即使是少的位移量也能够稳定地进行高精度的力的检测的机器人100。另外不限定于本实施方式，还能够适用于双臂机器人。
附图标记说明：
1…传感器器件；2…盖体；2a…盖体；3…力传递部；4…周缘部；5…阶梯部；5a…阶梯部；6…空隙；7…砝码；8…辊电极；9…空隙；9a…接地电极；9b…侧面电极；9c…贯通电极；9d…连接电极；9e…接地电极；9f…导线；10…传感器器件；12…封装；14…封装基座；16…接地电极；18A、18B、18C、18D…连接电极；20A、20B、20C、20D…侧面电极；24…侧壁部件；26…金属喷镀部；28…贯通电极；30…开口部；32…接合面；34…盖体；36…力传递部；38…周缘部；40…阶梯部；42…传感器元件；44…接触面；46…第一传感器元件；48A、48B…第一水晶板；50…第一检测电极；52…第二传感器元件；54A、54B…第二水晶板；56…第二检测电极；58…第三传感器元件；60A、60B…第三水晶板；62…第三检测电极；64…第一接地电极；66…第二接地电极；68A、68B、68C、68D、68E…导线；80…传感器模块；82…增压板；82a…第一板；82b…第二板；84a…紧固螺栓；84b…紧固螺母；86a…螺栓孔；86b…沉孔；90…力检测装置；92…增压板；100…机器人；102…主体部；104…臂部；106…第一构架；108…第二构架；110…第三构架；112…第四构架；114…第五构架；116…机器人手部；118…机器人手连接部；120…机器人手；200…传感器器件；202…封装；204…盖体；206…同轴连接器；208…外周部；210…中心导体；212…绝缘性树脂；214…传感器元件；216…水晶板；218…检测电极；220…开口部；222…接触面；224…接合面；226、228…空隙。
Claims (8)
1.一种传感器器件，其特征在于，具备：
第一部件，其具有凹部；
传感器元件，其配置于所述凹部，并具有压电体；以及
第二部件，其与所述第一部件接合，并对所述第一部件的所述凹部进行密封，
所述传感器元件具有与所述第二部件接触的接触面，
所述第一部件具有供所述第二部件接合的接合面，
所述接触面与所述接合面不位于同一平面。
2.根据权利要求1所述的传感器器件，其特征在于，
所述第二部件具有：
第一面，其与所述传感器元件的所述接触面接触；以及
第二面，其与所述第一部件的所述接合面接合。
3.根据权利要求1或2所述的传感器器件，其特征在于，
在将所述接触面的法线方向设为γ轴方向，与所述γ轴方向正交且相互正交的方向分别设为α轴方向、β轴方向的情况下，
所述传感器元件具备检测所述α轴方向上的力的第一传感器元件、检测所述β轴方向上的力的第二传感器元件、以及检测所述γ轴方向上的力的第三传感器元件的任意一个以上。
4.一种传感器模块，其特征在于，具备：
传感器器件，该传感器器件具备第一部件、传感器元件以及第二部件，其中，所述第一部件具有凹部，所述传感器元件配置于所述凹部并具有压电体，所述第二部件与所述第一部件接合并对所述第一部件的所述凹部进行密封；
第一板，该第一板与所述第一部件接触；
第二板，该第二板与所述第二部件接触；以及
紧固部，该紧固部对所述第一板以及所述第二板进行紧固，
所述传感器元件具有与所述第二部件接触的接触面，
所述第一部件具有供所述第二部件接合的接合面，
所述接触面与所述接合面不位于同一平面。
5.一种传感器模块，其特征在于，具备：
第一部件，该第一部件具有凹部；
传感器元件，该传感器元件配置于所述凹部，并具有压电体；
第二部件，该第二部件与所述第一部件接合，并对所述第一部件的所述凹部进行密封；以及
电子电路，该电子电路与所述传感器元件电连接，
所述传感器元件具有与所述第二部件接触的接触面，
所述第一部件具有供所述第二部件接合的接合面，
所述接触面与所述接合面不位于同一平面。
6.一种机器人，其特征在于，具备：
主体部；
臂部，该臂部与所述主体部连接；以及
手部，该手部与所述臂部连接，
在所述臂部与所述手部的连接部具有传感器器件，
所述传感器器件具备：
第一部件，该第一部件具有凹部；
传感器元件，该传感器元件配置于所述凹部，并具有压电体；以及
第二部件，该第二部件与所述第一部件接合，并对所述第一部件的所述凹部进行密封，
所述传感器元件具有与所述第二部件接触的接触面，
所述第一部件具有供所述第二部件接合的接合面，
所述接触面与所述接合面不位于同一平面。
7.一种传感器器件的制造方法，其特征在于，
所述传感器器件具备：
第一部件，该第一部件具有凹部；
传感器元件，该传感器元件配置于所述凹部，并具有压电体；以及
第二部件，该第二部件与所述第一部件接合，并对所述第一部件的所述凹部进行密封，
所述传感器元件具有与所述第二部件接触的接触面，
所述第一部件具有供所述第二部件接合的接合面，
在所述传感器器件的制造方法中，
以覆盖收容有所述传感器元件的所述第一部件的所述凹部的方式载置所述第二部件，
通过第一加载机构所具备的的按压面来按压所述第二部件，其中，所述按压面的外缘配置在所述凹部的开口内、且位于所述接触面的区域外，
使所述第二部件与所述第一部件接合。
8.根据权利要求7所述的传感器器件的制造方法，其特征在于，
通过所述第一加载机构的所述按压面将所述第二部件按压于所述传感器元件，
通过第二加载机构将所述第二部件按压于所述第一部件，
在所述第二部件形成：
第一面，该第一面与所述传感器元件的所述接触面接触；以及
第二面，该第二面与所述第一部件的所述接合面接触，
将所述第一部件与所述第二部件接合。
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