CN114930138A - 力传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够抑制检测灵敏度的下降并提高承载力的力传感器。本发明的一形态是测量载荷的力传感器，具备：受压部；传感器基板，具有通过受压部所受到的载荷而位移的位移部，并具有对位移部的位移量进行电检测的多个压电电阻元件；基座基板，具有安装传感器基板的传感器安装面，并形成有与多个压电电阻元件电连接的电布线部；以及封装基板，具有安装基座基板的基板安装面和形成有能够与外部导通的焊盘电极的焊盘面；受压部、传感器基板及基座基板在基板安装面的法线方向上层叠；在法线方向上观察，位移部的整体位于受压部的内侧；在封装基板的焊盘面上，以在法线方向上观察时至少一部分与重叠于受压部的第1区域重叠的方式设有固定用端子。
Description
技术领域
本发明涉及力传感器，更详细地讲，涉及检测载荷的小型的力传感器。
背景技术
近年来，在电子设备等中较多使用检测载荷的力传感器。在专利文献1中，公开了一种对于实现薄型化有效、即使对于基板弯曲也稳定的静电电容变化的稳定性良好、与施加在可动电极上的力的大小对应的静电电容变化特性的调整较容易的输入装置。
在专利文献2中，关于输出与被施加的力的大小对应的信号的力检测器，公开了特别能够阻止电极间的短路而实现小型化的力检测器。在专利文献3中，公开了一种力传感器封装，其具备形成有多个压电电阻元件的传感器基板、和形成有与多个压电电阻元件电连接的电布线部的基座基板，所述压电电阻元件当经由突出设置在基板表面上的受压部而受到载荷时，发生位移，并电检测该位移量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第WO2011/096093号
专利文献2：国际公开第WO2015/199228号
专利文献3：日本特许第5357100号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在力传感器的小型化的要求进展的过程中，随着传感器的小型化，位移部的大小也变小。另一方面，如果将受到载荷的受压部的大小匹配于位移部而减小，则当受到载荷时受压部容易损坏，即担心承载力下降。此外，如果受压部受到的力变大，则还担心传感器基板或基座基板等传感器中的其他构成部件损坏。
本发明是鉴于这样的实际情况而做出的，目的是提供一种即使位移部小型化也能够抑制承载力下降的力传感器。
用来解决技术问题的手段
本发明的一技术方案是一种力传感器，是测量载荷的力传感器，其特征在于，具备：受压部，承受载荷；传感器基板，具有通过受压部所受到的载荷而位移的位移部，并具有对位移部的位移量进行电检测的多个压电电阻元件；基座基板，具有安装传感器基板的传感器安装面，形成有与多个压电电阻元件电连接的电布线部；以及封装基板，具有安装基座基板的基板安装面、和设在与基板安装面相反侧并形成能够与外部导通的焊盘电极的焊盘面；受压部、传感器基板及基座基板在基板安装面的法线方向上层叠；在法线方向上观察，位移部的整体位于受压部的内侧；在封装基板的焊盘面上，以在法线方向上观察时至少一部分与重叠于受压部的第1区域重叠的方式设有固定用端子。
通过这样位移部的整体位于受压部的内侧，即使对受压部施加过大的力，也防止该力被直接传递给位移部的一部分而位移部过度地挠曲，不易发生位移部的损坏。另一方面，在位移部的整体位于受压部的内侧的情况下，与受压部的整体位于位移部的内侧的情况相比，对位移部施加的面压下降，所以压电电阻元件的灵敏度下降。所以，需要通过来自受压部的压力使设有位移部的传感器基板适当地变形。
因而，在基板安装面的法线方向上观察，在位移部的整体位于受压部的内侧的情况下，从提高压电电阻元件的灵敏度的观点来看，以在法线方向上观察时至少一部分与重叠于受压部的第1区域重叠的方式设置固定用端子是重要的。通过具备这样的结构，抑制了由于被从受压部施加的压力而基座基板挠曲的情况。相对于此，在没有适当地设置固定用端子的情况下，来自受压部的压力扩散到传感器基板整体中，使与传感器基板连接的基座基板挠曲。结果，来自受压部的压力难以被反映为传感器基板内的位移部的应力变化，压电电阻元件的灵敏度下降。
在上述力传感器中，优选的是，在法线方向上观察，位移部的整体位于固定用端子的内侧。由此，能够将从受压部施加的压力用比位移部大的范围的固定用端子承受，使得位移部不挠曲所需以上。
在上述力传感器中，优选的是，在上述法线方向上观察，位移部的外缘与固定用端子的外缘重叠。由此，能够将从受压部施加的压力用固定用端子承受，使得位移部不挠曲所需以上，并且能够将由载荷带来的应力效率良好地传递到位移部的外缘。
在上述力传感器中，优选的是，在法线方向上观察，受压部的外缘与固定用端子的外缘重叠。由此，能够将从受压部施加的压力用固定用端子承受，使得位移部不挠曲所需以上，并且能够将由载荷带来的应力效率良好地传递到位移部的外缘。
在上述力传感器中，优选的是，固定用端子由能够焊料连接的金属材料形成。由此，能够将支承位移部的固定用端子和封装基板通过焊料连接。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够抑制检测灵敏度的下降并提高承载力的力传感器。
附图说明
图1的(a)及图1的(b)是例示本实施方式的力传感器的结构的图。
图2的(a)及图2的(b)是例示本实施方式的力传感器的示意图。
图3的(a)及图3的(b)是例示第1实施例的力传感器的图。
图4的(a)～图4的(c)是表示第1实施例的力传感器的应力模拟结果的图。
图5的(a)及图5的(b)是例示第2实施例的力传感器的图。
图6的(a)～图6的(c)是表示第2实施例的力传感器的应力模拟结果的图。
图7的(a)及图7的(b)是例示第3实施例的力传感器的图。
图8的(a)～图8的(c)是表示第2实施例的力传感器的应力模拟结果的图。
图9的(a)及图9的(b)是例示比较例的力传感器的图。
图10的(a)～图10的(c)是表示比较例的力传感器的应力模拟结果的图。
图11是表示位移部的对应于Y方向的应力的曲线图。
图12的(a)及图12的(b)是图11所示的区域L1、R1的放大图。
图13是表示位移部的对应于X方向的应力的曲线图。
图14的(a)及图14的(b)是图13所示的区域L2、R2的放大图。
图15的(a)～图15的(c)是例示由载荷带来的挠曲的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。另外，在以下的说明中，对于相同的部件赋予相同的附图标记，对于说明过一次的部件适当省略其说明。
(力传感器的结构)
图1的(a)及图1的(b)是例示本实施方式的力传感器的结构的图。在图1的(a)中示出剖视图，在图1的(b)中示出俯视图。
图2的(a)及图2的(b)是例示本实施方式的力传感器的示意图。在图2的(a)中示出去除了密封树脂后的俯视图，在图2的(b)中示出位移部的俯视图。另外，在实施方式的说明中，设基板安装面40a的法线方向为Z方向，设与法线方向(Z方向)正交的方向的1个为X方向，设另1个为Y方向。
本实施方式的力传感器1是测量载荷的部件，具备受压部10、传感器基板20、基座基板30和封装基板40。受压部10从作为封装的密封树脂50的上表面例如以圆柱状突出地设置，是受到来自外部的载荷的部分。受压部10由硅化合物或硅(与传感器基板20相同的材料)构成。
传感器基板20具有位移部21及压电电阻元件25。位移部21是通过由受压部10受到的载荷而位移的部分，设在传感器基板20的与受压部10相反侧的面上。压电电阻元件25是电检测位移部21的位移量的元件。在位移部21上设有多个压电电阻元件25。多个压电电阻元件25沿着位移部21的周缘部以相邻的元件彼此相差90°的相位(相互正交的位置关系)配置。如果位移部21通过由受压部10受到的载荷而位移，则对应于其位移量，多个压电电阻元件25的电阻变化，由该多个压电电阻元件25构成的桥接电路的中点电位变化，该中点电位作为传感器输出被向周知的测量装置输出。
基座基板30具有安装传感器基板20的传感器安装面30a。此外，基座基板30具有与多个压电电阻元件25分别电连接的电布线部35。在基座基板30的传感器安装面30a的延长面上设有与电布线部35导通的第1焊盘部36。
封装基板40具有安装基座基板30的基板安装面40a和设在与基板安装面40a相反侧的焊盘面40b。在封装基板40的基板安装面40a的延长面上设有第2焊盘部46，第2焊盘部46与第1焊盘部36之间被用接合线48连接。
在封装基板40的焊盘面40b上，为了能够与外部导通而设有多个电极端子61。多个电极端子61经由接合线48及电布线部35而与多个压电电阻元件25导通。在与4个压电电阻元件25对应而设有4个电极端子61的情况下，在封装基板40的焊盘面40b的四角分别设有电极端子61。电极端子61与安装力传感器1的安装用基板70的连接用图案(未图示)被焊料连接。
在封装基板40的基板安装面40a侧设有密封树脂50，将基座基板30、接合线48及传感器基板20覆盖，从而构成封装。
在这样的力传感器1中，受压部10、传感器基板20及基座基板30在基板安装面40a的法线方向(Z方向)上层叠。并且，当在法线方向(Z方向)上观察时，位移部21的整体位于受压部10的内侧，在封装基板40的焊盘面40b上，以在法线方向(Z方向)上观察时至少一部分与第1区域A1重叠的方式设有固定用端子62，所述第1区域A1重叠于受压部10。固定用端子62既可以与多个电极端子61在电气上独立，也可以与多个电极端子61的某1个导通。
在本实施方式的力传感器1中，在法线方向(Z方向)上观察，位移部21的整体位于受压部10的内侧。因此，当在法线方向(Z方向)上观察受压部10时的面积成为过小而受压部10受到载荷时，不易导致损坏的状况。此外，当受到载荷时，受压部10将传感器基板20局部地推压也不易达到传感器基板20损坏的状况。所以，本实施方式的力传感器1的承载性优良。
在本实施方式的力传感器1中，传感器基板20通过受压部10所受到的载荷而挠曲，从而在传感器基板20中设有压电电阻元件25的部分与位移部21的相对位置变化，压电电阻元件25检测该变化作为位移部21的位移。因此，在基座基板30或封装基板40是容易挠曲的构造的情况下，施加在受压部10上的载荷不使传感器基板20适当地挠曲而作为基座基板30的变形进行传播。结果，不再能够适当地检测受压部10所受到的载荷。所以，在本实施方式的力传感器1中，通过将固定用端子62的至少一部分以与第1区域A1重叠的方式设置，抑制受压部10所受到的载荷向基座基板30或封装基板40侧排散。因此，受压部10所受到的载荷被适当地传递给传感器基板20，能够使传感器基板20适度地挠曲。所以，本实施方式的力传感器1能够确保压电电阻元件25的适当的检测灵敏度。
固定用端子62优选的是由可焊料连接的金属材料形成。由此，能够将支承位移部21的固定用端子62和封装基板40用焊料80连接。固定用端子62的焊料连接可以通过与电极端子61和封装基板40的焊料连接相同的工序进行。在相邻的两个电极端子61之间以及电极端子61与固定用端子62之间，通过印刷形成有由疏焊料性材料构成的层65。由于存在该层65，所以在焊料连接的工序中，在相邻的两个电极端子61之间或电极端子61与固定用端子62之间不易发生不希望的短路。电极端子61及固定用端子62也可以通过将导电性材料印刷而形成。
(应力分布的模拟结果)
接着，对本实施方式的力传感器1的应力分布的模拟结果进行说明。
<第1实施例>
图3的(a)及图3的(b)是例示第1实施例的力传感器的图。在图3的(a)中示出第1实施例的力传感器1A的示意剖视图，在图3的(b)中示出了表示力传感器1A的受压部10、位移部21及固定用端子62的位置关系的示意俯视图。为了说明的方便，在固定用端子62上示出了斜线。
在第1实施例的力传感器1A中，位移部21的整体位于固定用端子62的内侧。即，在法线方向(Z方向)上观察，固定用端子62设置为使受压部10的整体位于内侧。换言之，在法线方向(Z方向)上观察，受压部10的整体被配置在固定用端子62的内侧，位移部21的整体被配置在受压部10的内侧。
此外，力传感器1A中的固定用端子62的X方向的长度与受压部10的X方向的长度大致相等，固定用端子62的Y方向的长度比受压部10的Y方向的长度长。
图4的(a)～图4的(c)是表示第1实施例的力传感器的应力模拟结果的图。应力模拟计算了对受压部10施加10牛顿(N)的力时的应力分布。在图4的(a)中示出了力传感器1A的整体的应力分布，在图4的(b)中示出了受压部10和传感器基板20的边界部分的应力分布，在图4的(c)中示出了位移部21的面内的应力分布。
<第2实施例>
图5的(a)及图5的(b)是例示第2实施例的力传感器的图。在图5的(a)中示出了第2实施例的力传感器1B的示意剖视图，在图5的(b)中示出了表示力传感器1B的受压部10、位移部21及固定用端子62的位置关系的示意俯视图。为了说明的方便，在固定用端子62上示出了斜线。
在第2实施例的力传感器1B中，在法线方向(Z方向)上观察，位移部21的大小与固定用端子62的大小大致相等，配置在相互重叠(一致)的位置。
图6的(a)～图6的(c)是表示第2实施例的力传感器的应力模拟结果的图。应力模拟计算了在受压部10上施加了10牛顿(N)的力时的应力分布。在图6的(a)中示出了力传感器1B的整体的应力分布，在图6的(b)中示出了受压部10与传感器基板20的边界部分的应力分布，在图6的(c)中示出了位移部21的面内的应力分布。
<第3实施例>
图7的(a)及图7的(b)是例示第3实施例的力传感器的图。在图7的(a)中示出了第3实施例的力传感器1C的示意剖视图，在图7的(b)中示出了表示力传感器1C中的受压部10、位移部21及固定用端子62的位置关系的示意俯视图。为了说明的方便，在固定用端子62上示出了斜线。
在第3实施例的力传感器1C中，在法线方向(Z方向)上观察，位移部21的大小与固定用端子62的大小大致相等，但相互的一部分被配置在重叠的位置。第3实施例的力传感器1C的固定用端子62相对于位移部21在X方向上被偏置，以卡挂在位移部21的外缘21a及受压部10的外缘10a上的方式被配置。
图8的(a)～图8的(c)是表示第2实施例的力传感器的应力模拟结果的图。应力模拟计算了对受压部10施加了10牛顿(N)的力时的应力分布。在图8的(a)中示出了力传感器1C的整体的应力分布，在图8的(b)中示出了受压部10与传感器基板20的边界部分的应力分布，在图8的(c)中示出了位移部21的面内的应力分布。
<比较例>
图9的(a)及图9的(b)是例示比较例的力传感器的图。在图9的(a)中示出了比较例的力传感器1D的示意剖视图，在图9的(b)中示出了表示力传感器1D中的受压部10及位移部21的位置关系的示意俯视图。
在比较例的力传感器1D中，没有设置固定用端子62。即，在力传感器1D中，在法线方向(Z方向)上观察，在与受压部10及位移部21重叠的位置都没有设置固定用端子62。
图10的(a)～图10的(c)是表示比较例的力传感器的应力模拟结果的图。应力模拟计算了对受压部10施加了10牛顿(N)的力时的应力分布。在图10的(a)中示出了力传感器1D的整体的应力分布，在图10的(b)中示出了受压部10与传感器基板20的边界部分的应力分布，在图10的(c)中示出了位移部21的面内的应力分布。
<各例的应力的差异>
图11是表示位移部的对应于Y方向的应力的曲线图。即，在图11中，用曲线图示出了沿着在图4的(c)、图6的(c)、图8的(c)及图10的(c)所示的位移部21的中心穿过的Y方向的线LY的各例的应力。
此外，在图12的(a)中示出图11的区域L1的放大图，在图12的(b)中示出图11的区域R1的放大图。图12的(a)及图12的(b)所示的Y方向的位置相当于位移部21的线LY上的外缘21a的部分。
如图11及图12所示的曲线图那样，对于位移部21的沿着线LY的应力而言，第1实施例的力传感器1A最大，接着，第2实施例的力传感器1B及第3实施例的力传感器1C为相同程度的大小。比较例的力传感器1D的应力最小。可以认为这显现出了因固定用端子62的有无带来的效果的差异。
图13是表示位移部的对应于X方向的应力的曲线图。即，在图13中，用曲线图示出了沿着在图4的(c)、图6的(c)、图8的(c)及图10的(c)所示的位移部21的中心穿过的X方向的线LX的各例的应力。
此外，在图14的(a)中示出了图13的区域L2的放大图，在图14的(b)中示出了图13的区域R2的放大图。图14的(a)及图14的(b)所示的X方向的位置相当于位移部21的线LX上的外缘21a的部分。
如图13及图14所示的曲线图那样，在位移部21的沿着线LX的应力中，在位移部21的中央区域中，第1实施例的力传感器1A最大，接着，第2实施例的力传感器1B及第3实施例的力传感器1C为相同程度的大小。比较例的力传感器1D的应力最小。这里，可以认为这也显现出了因固定用端子62的有无带来的效果的差异。
此外，如果观察位移部21的沿着线LX的应力中的、位移部21的外缘21a的部分，则在区域L2中，第3实施例的力传感器1C最大，接着，第1实施例的力传感器1A及第2实施例的力传感器1B为相同程度的大小。比较例的力传感器1D的应力最小。
可以认为这是因为，在第3实施方式的力传感器1C中，由于固定用端子62被向区域L2的方向偏置，以一部分与位移部21的外缘21a及受压部10的外缘10a重叠的方式配置，所以区域L2中的应力的排散较少，在位移部21上被施加充分的应力。
在位移部21的沿着线LX的应力中，关于区域R2，第1实施例的力传感器1A最大，接着为第2实施例的力传感器1B、接着为第3实施例的力传感器1C。比较例的力传感器1D的应力最小。
可以认为这与区域R2中的固定用端子62的位置有关。即，如果观察区域R2，则在第1实施例的力传感器1A中，固定用端子62与位移部21的外缘21a及受压部10的外缘10a重叠，在第2实施例的力传感器1B中，固定用端子62与位移部21的外缘21a重叠，在第3实施例的力传感器1C中，固定用端子62既不与位移部21的外缘21a重叠也不与受压部10的外缘10a重叠。这样，对应于固定用端子62与位移部21的外缘21a及受压部10的外缘10a之间的重叠的大小，在区域R2的应力中发生了差异。
根据这些模拟结果可知，优选的是，在法线方向(Z方向)上观察，位移部21的整体位于固定用端子62的内侧。这是因为，由此，由范围比位移部21大的固定用端子62接受从受压部10施加的压力，能够使得位移部21不挠曲所需以上。
此外也可知，优选的是从Z方向观察，位移部21的外缘21a与固定用端子62的外缘62a重叠。这是因为，由此，由固定用端子62承受被从受压部10施加的压力，能够使得位移部21不挠曲所需以上，并且能够将由载荷带来的应力效率良好地传递给位移部21的外缘。
图15的(a)～图15的(c)是例示由载荷带来的挠曲的示意图。在图15的(a)中示出了比较例的力传感器1D的挠曲的例子，在图15的(b)中示出了第1实施例的力传感器1A的挠曲的例子，在图15的(c)中示出了第3实施例的力传感器1C的挠曲的例子。另外，在图15中，将对受压部10施加了载荷的情况下的挠曲的状态强调表示。
在图15的(a)所示的比较例的力传感器1D中，在封装基板40的焊盘面40b的与受压部10及位移部21重叠的位置，没有设置固定用端子62。因而，通过受压部10所受到的载荷，将力传感器1D的受压部10的下方推入，使得基座基板30及封装基板40较大地挠曲。另一方面，由于传感器基板20不挠曲，所以在压电电阻元件25中不能适当地检测受压部10所受到的载荷。
相对于此，在图15的(b)所示的第1实施例的力传感器1A中，在封装基板40的焊盘面40b的与受压部10及位移部21重叠的位置，设有固定用端子62。由此，能够由固定用端子62支承受压部10所受到的载荷，在力传感器1A的受压部10的下方抑制基座基板30及封装基板40的挠曲。因而，受压部10所受到的载荷被有效地传递给传感器基板20，能够将基于传感器基板20的挠曲的位移部21的相对的位移，效率良好地检测为压电电阻元件25的电阻变化。
在图15的(c)所示的第3实施例的力传感器1C中，与第1实施例的力传感器1A同样设有固定用端子62，但配置在从与受压部10及位移部21重叠的位置错开的位置。由此，能够将受压部10所受到的载荷用固定用端子62支承。另外，由于固定用端子62配置在错开的位置，所以固定用端子62与电极端子61的距离相对变长者比相对变短者，容易稍稍挠曲。因而，固定用端子62优选的是以至少一部分与重叠于受压部10的区域(第1区域A1)重叠的方式设置，更优选的是以与重叠于受压部10的区域(第1区域A1)的全部重叠的方式设置。
这样，根据本实施方式，通过设置固定用端子62，能够抑制给位移部21带来所需以上的挠曲。由此，能够提供能够抑制检测灵敏度的下降、提高承载力的力传感器1。
另外，在上述中说明了本实施方式，但本发明并不限定于这些例子。例如，本领域技术人员适当对上述的各实施方式进行了构成要素的追加、删除、设计变更后所得的形态，或将各实施方式的结构例的特征适当组合后的形态，也只要具备本发明的主旨，就包含在本发明的范围中。
附图标记说明
1、1A、1B、1C、1D…力传感器
10…受压部
10a…外缘
20…传感器基板
21…位移部
21a…外缘
25…压电电阻元件
30…基座基板
30a…传感器安装面
35…电布线部
36…第1焊盘部
40…封装基板
40a…基板安装面
40b…焊盘面
46…第2焊盘部
48…接合线
50…密封树脂
61…电极端子
62…固定用端子
62a…外缘
65…疏焊料性材料的层
70…安装用基板
80…焊料
A1…第1区域
L1、L2…区域
LX、LY…线
R1、R2…区域
Claims (5)
1.一种力传感器，用于测量载荷，其特征在于，具备：
受压部，承受载荷；
传感器基板，具有通过上述受压部所受到的载荷而位移的位移部，并且具有对上述位移部的位移量进行电检测的多个压电电阻元件；
基座基板，具有安装上述传感器基板的传感器安装面，形成有与上述多个压电电阻元件电连接的电布线部；以及
封装基板，具有基板安装面和焊盘面，上述基板安装面用于安装上述基座基板，上述焊盘面设置在与上述基板安装面相反侧，并形成有获得与外部的导通的焊盘电极，
上述受压部、上述传感器基板及上述基座基板在上述基板安装面的法线方向上层叠，
在上述法线方向上观察，上述位移部的整体位于上述受压部的内侧，
在上述封装基板的上述焊盘面上，以在上述法线方向上观察时至少一部分与重叠于上述受压部的第1区域重叠的方式设有固定用端子。
2.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，
在上述法线方向上观察，上述位移部的整体位于上述固定用端子的内侧。
3.如权利要求1或2所述的力传感器，其特征在于，
在上述法线方向上观察，上述位移部的外缘与上述固定用端子的外缘重叠。
4.如权利要求1～3中任一项所述的力传感器，其特征在于，
在上述法线方向上观察，上述受压部的外缘与上述固定用端子的外缘重叠。
5.如权利要求1～4中任一项所述的力传感器，其特征在于，
上述固定用端子由能够焊料连接的金属材料形成。
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