CN116209885A - 载荷传感器装置 - Google Patents

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CN116209885A CN202180056487.3A CN202180056487A CN116209885A CN 116209885 A CN116209885 A CN 116209885A CN 202180056487 A CN202180056487 A CN 202180056487A CN 116209885 A CN116209885 A CN 116209885A
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土屋大辅
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    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers

Abstract

本发明的一个方案的载荷传感器装置具备：载荷传感器元件，具有受压部；壳体，收纳载荷传感器元件；以及按压部件，被支承于壳体，按压部件具有：弹性体，承受载荷；刚性按压部，与受压部接触；以及弹性支承部，将刚性按压部支承于壳体，在载荷未施加于按压部件的状态下在刚性按压部与受压部之间设有间隙，因此，能够实现检测值的高精度化并且能够获得组装时的足够的公差。

Description

载荷传感器装置
技术领域
本发明涉及对载荷进行感测的载荷传感器装置。
背景技术
近年，在电子设备等中多利用对载荷进行感测的载荷传感器装置。在专利文献1中公开了如下的力检测装置，其具备：基板，具有至少两个力检测用导电连接盘以及设于其间的共用导电连接盘；导电性橡胶或者导电性弹性体制的弹性板，与力检测用导电连接盘以及共用导电连接盘对置配置；接触电阻产生面，具有形成于弹性板的与力检测用导电连接盘的对置面的许多微小突起；以及平坦的导电弹性接点，形成于弹性板的与共用导电连接盘的对置面。
在专利文献2中公开了如下的触摸屏输入操作装置，其具备：由透过性的材料构成的触摸屏部件，具有供进行输入操作的被检测体接触的操作面，并设有对被检测体与操作面接触过的位置进行感测并输出信号的触摸传感器部；上侧支架，对触摸屏部件的上侧进行保持并具有使操作面开放的开口部；由导电部件构成的下侧支架，配置于触摸屏部件的背后，对触摸屏部件的下侧进行保持；盒体，配置于下侧支架的背后；光源，将光导入由导光部件构成的下侧支架；按压开关，配置于下侧支架与盒体之间，随着触摸屏部件的操作面的按压动作而进行跟随动作，输出对触摸传感器部的输入进行确定的按压信号；以及电路基板，安装按压开关和光源。
在专利文献3中公开了如下的压敏装置，其具备：压力传感器，具有压敏面；膜部件，具有弹性，以与压敏面隔开间隔对置的方式被固定于压敏面的周围；以及弹性部件，位于压敏面与膜部件之间，将施加于膜部件的力传递至压敏面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特开2002－124404号公报
专利文献2日本特开2014－142777号公报
专利文献3国际公开第WO2019/167688号
发明内容
发明所要解决的问题
在对载荷进行感测的载荷传感器装置中，除了要求较高的感测精度以及对载荷的检测值的直线性，还要求在将载荷传感器元件收纳于壳体来进行组装时所需的公差。例如，在组装的阶段，若需要预先使承受载荷的部件与载荷传感器元件接触，则必须使承受载荷的部件与载荷传感器元件的位置关系准确地对位，组装变得困难。
本发明是鉴于这样的实际情况而完成的，其目的在于提供一种能够实现检测值的高精度化并且能够获得组装时的足够的公差的载荷传感器装置。
用于解决问题的方案
本发明的一个方案是载荷传感器装置，其具备：载荷传感器元件，具有受压部；壳体，收纳载荷传感器元件；以及按压部件，被支承于壳体，按压部件具有：弹性体，承受载荷；刚性按压部，与受压部接触；以及弹性支承部，将刚性按压部支承于壳体，在载荷未施加于按压部件的状态下在刚性按压部与受压部之间设有间隙。
根据这样的构成，通过使按压部件具有弹性，能够在弹性体被按压时，从弹性体经由弹性支承部以及刚性按压部将载荷传递至受压部。此时，与受压部接触的刚性按压部例如可以由高刚性的材料构成，因此，能够抑制载荷的流失从而提高灵敏度。此外，在刚性按压部与受压部之间存在间隙，由此能够设置组装中的公差。
在上述载荷传感器装置中，弹性支承部可以具有板簧部。弹性支承部成为板簧形状，由此，易于将载荷传递至受压部。
在上述载荷传感器装置中，弹性支承部可以是弹性体的一部分。由此，能够谋求装置构成的简化。
在上述载荷传感器装置中，可以在弹性体与刚性按压部之间设有刚性板部。通过设置这样的刚性板部，能够抑制从弹性体向刚性按压部传递的载荷的流失从而提高测定精度。
在上述载荷传感器装置中，载荷传感器元件优选具有：位移部，通过由受压部承受的载荷而产生位移；以及多个压电电阻元件，对位移部的位移量进行电学检测。能够通过这样的使用多个压电电阻元件的载荷传感器元件来提高载荷测定的线性。
在上述载荷传感器装置中，刚性按压部可以是金属，也可以是硅。由此，刚性按压部与载荷传感器元件的受压部接触的耐久性提高。
在上述载荷传感器装置中，弹性体可以是金属。由此，能够从金属的弹性体向刚性按压部高效地传递载荷。
在上述载荷传感器装置中，可以是，弹性体具有：第一接触部，包括承受载荷的第一接触点；第二接触部，包括与刚性按压部接触的第二接触点；以及立片部，设于第一接触部与第二接触部之间，用于在第一接触部与第二接触部之间设置空间，若对按压部件施加载荷，则第二接触部因来自刚性按压部的抗力而向空间侧产生弹性变形。由此，能够通过第二接触部的弹性变形来吸收载荷被施加于按压部件时的来自刚性按压部的抗力，并且向受压部高效地传递载荷。该情况下，基于将从第一接触点承受的按压力高效地传递至刚性按压部的观点来看，优选具有第二接触部的弹性变形优先于立片部的弹性变形而产生的构造。
在上述载荷传感器装置中，第一接触部、第二接触部以及立片部优选通过金属的板材被一体化。由此，能够从一张金属的板材来形成弹性体。该情况下，基于将从第一接触点承受的按压力高效地传递至刚性按压部的观点来看，在从金属的板材的两端部构成第二接触部时，优选将该两端部接合而进行一体化来形成第二接触部。
在上述载荷传感器装置中，还可以具备：集成电路，容纳于壳体内，装载载荷传感器元件。由此，能够将集成电路的功能嵌入至载荷传感器装置。
在上述载荷传感器装置中，可以在壳体设有对刚性按压部的与按压方向垂直的方向上的移动进行限制的限制部。由此，能够抑制刚性按压部与受压部的摩擦。
在上述载荷传感器装置中，还可以具备：盖部，配置于按压部件的与壳体相反的一侧，对弹性体施加载荷。由此，能够将由盖部承受的载荷从按压部件经由刚性按压部向载荷传感器元件传递。
在上述载荷传感器装置中，可以在盖部设有与弹性体接触的凸部。由此，能够从盖部的凸部向弹性体高效地传递载荷。
在上述载荷传感器装置中，可以是，弹性体与凸部形成一体，或者弹性体与凸部连接。由此，能够从盖部的凸部向弹性体无损失地传递载荷。
在上述载荷传感器装置中，还可以具备：止动部，对盖部与壳体的相对距离的接近进行限制。通过这样的止动部，盖部与壳体的超出必要的接近得到限制，能够防止向载荷传感器元件的过载荷。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够实现检测值的高精度化并且能够获得组装时的足够的公差的载荷传感器装置。
附图说明
图1A为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的构成的立体图。
图1B为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的构成的剖视图。
图2为本实施方式的载荷传感器装置的分解立体图。
图3为举例示出载荷传感器元件的位移部的俯视图。
图4A为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的动作的图。
图4B为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的动作的图。
图5A为载荷施加于本实施方式的载荷传感器装置时的应力分布图。
图5B为载荷施加于本实施方式的载荷传感器装置时的应力分布图。
图5C为载荷施加于本实施方式的载荷传感器装置时的应力分布图。
图6A为表示使用了刚性按压部的情况下的按压的状态的图。
图6B为表示使用了刚性按压部的情况下的按压的状态的图。
图7A为表示使用了弹性按压部的情况下的按压的状态的图。
图7B为表示使用了弹性按压部的情况下的按压的状态的图。
图8A为受压部以及按压部的应力分布的放大图。
图8B为受压部以及按压部的应力分布的放大图。
图9为表示相对于载荷的位移部的应力的图。
图10为表示针对载荷的载荷传感器元件的输出值的线性误差的图。
图11为表示本实施方式的载荷传感器装置的其他例的剖视图。
图12为表示本实施方式的载荷传感器装置的其他例的分解立体图。
图13A为表示载荷传感器装置的输出特性的图。
图13B为表示载荷传感器装置的输出特性的图。
图14A为表示弹性支承部的其他例(之一)的俯视图。
图14B为表示弹性支承部的其他例(之二)的俯视图。
图14C为表示弹性支承部的其他例(之三)的俯视图。
图15A为表示弹性支承部的其他例(之四)的立体图。
图15B为表示弹性支承部的其他例(之五)的立体图。
图16A为表示弹性支承部的其他例(之六)的立体图。
图16B为表示弹性支承部的其他例(之七)的立体图。
图17为表示弹性体的其他例(之一)的立体图。
图18A为表示弹性体的其他例(之二)的立体图。
图18B为表示弹性体的其他例(之二)的剖视图。
图19为表示弹性体的其他例(之三)的立体图。
图20为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的立体图。
图21为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的分解立体图。
图22为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的剖视图。
图23为表示弹性体的其他例(之四)的剖视图。
图24A为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的动作的剖视图。
图24B为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的动作的剖视图。
图25A为举例示出使用了比较例的弹性体的载荷传感器装置的动作的剖视图。
图25B为举例示出使用了比较例的弹性体的载荷传感器装置的动作的剖视图。
图26A为举例示出包括集成电路的载荷传感器装置的剖视图。
图26B为举例示出包括集成电路的载荷传感器装置的剖视图。
图27为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的立体图。
图28为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的分解立体图。
图29为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的剖视图。
图30为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的放大剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地加以说明。另外，在以下的说明中，对同一部件赋予同一符号，对于曾经说明过的部件适当地省略其说明。
(载荷传感器装置的构成)
图1A以及图1B为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的构成的图。图1A中示出载荷传感器装置的立体图，图1B中示出载荷传感器装置的剖视图。
图2为本实施方式的载荷传感器装置的分解立体图。
图3为举例示出载荷传感器元件的位移部的俯视图。
本实施方式的载荷传感器装置1是承受来自外部的载荷并输出与该载荷对应的信号的装置。载荷传感器装置1具备载荷传感器元件10、收纳载荷传感器元件10的壳体20以及被支承于壳体20的按压部件30。另外，在实施方式的说明中，将壳体20的载荷传感器元件10的安装面的法线方向设为Z方向，将与法线方向(Z方向)正交的方向中的一个方向设为X方向，另一个方向设为Y方向。
载荷传感器元件10具有受压部11和传感器基板12。受压部11是从传感器基板12的上表面例如被设为呈圆柱状地突出来承受来自外部的载荷的部分。受压部11由硅化合物或硅(与传感器基板12相同的材料)构成。
传感器基板12具有：位移部121，通过由受压部11承受的载荷而产生位移；以及多个压电电阻元件122，对位移部121的位移量进行电学(日语原文：電気的)检测。传感器基板12接合于基底基板13之上，经由基底基板13连接于壳体20。位移部121是通过由受压部11承受的载荷而产生位移的部分，设于传感器基板12的与受压部11相反侧的面。
压电电阻元件122是对位移部121的位移量进行电学检测的元件。在位移部121设有多个压电电阻元件122。多个压电电阻元件122沿着位移部121的周缘部，以相邻元件之间相差90°的相位(彼此正交的位置关系)配置。若位移部121通过由受压部11承受的载荷而产生位移，则多个压电电阻元件122的电阻与该位移量相应地发生变化，由该多个压电电阻元件122构成的桥接电路的中点电位发生变化，该中点电位成为传感器输出。
壳体20例如形成为箱形，具有缘部21和作为中央的凹部的收纳部22。缘部21成为壳体20的最上面，发挥作为在承受来自外部的载荷时的止动部的作用。
载荷传感器10被收纳于收纳部22。在收纳部22设有焊盘(pad)，被收纳的载荷传感器10与焊盘通过键合线15被电连接。也可以在收纳部22内以对键合线15等进行保护的目的而嵌入树脂(未作图示)。
在缘部21的内侧以包围收纳部22的方式设有台阶部23。在台阶部23载置后述的缓冲部50以及按压部件30的刚性按压部32。
按压部件30具有：弹性体31，承受来自外部的载荷；刚性按压部32，与受压部11接触；以及弹性支承部33，将刚性按压部32支承于壳体20。弹性体31具有突出部311和法兰部312。弹性体31例如由橡胶形成。突出部311例如被设为圆柱状，法兰部312具有用于将突出部311载置于刚性按压部32之上的面。
刚性按压部32是板状的部件，由比弹性体31硬的材料形成。例如将0.2mm厚左右的不锈钢板用于刚性按压部32。作为刚性按压部32，可以使用硅、陶瓷、玻璃、铝等。刚性按压部32的弹性率比弹性体31的弹性率高，弹性率优选为60GPa以上。
弹性支承部33具有：框部331，载置于壳体20的台阶部23；以及臂部332，将框部331与刚性按压部32相连。通过弹性支承部33来支承刚性按压部32，由此，刚性按压部32成为隔着弹性支承部33位于收纳部22之上的状态。
臂部332是作为板簧发挥作用的板簧部，刚性按压部32通过臂部332的弹性变形以规定的弹簧常数被支承。该弹簧常数除了通过臂部332的材料来调整以外，还通过宽度、厚度、长度以及形状来调整。臂部332以板簧形状被设为以刚性按压部32为中心形成对称，由此使来自弹性体31的载荷易于向正下方的受压部11传递。
此外，通过使按压部件30具有弹性，在弹性体31被按压时，能够从弹性体31经由弹性支承部33以及刚性按压部32对载荷传感器10的受压部11传递载荷。此时，与受压部11接触的刚性按压部32例如可以由高刚性的材料(金属、硅等)来形成，因此，能够抑制载荷的流失从而提高检测灵敏度。
在通过由多个压电电阻元件122构成的桥接电路作为载荷传感器10来获得输出的构成的情况下，需要通过凸形的受压部11承受载荷来使位移部121高效地产生位移。因此，在从按压部件30对受压部11传递载荷时，若与受压部11接触的部件的刚性低则无法将载荷有效地传递给受压部11。在本实施方式中，由于通过刚性按压部32来按压受压部11，因此，能够抑制来自外部的载荷的流失从而高效地向受压部11传递载荷。
(载荷传感器装置的组装)
在上述构成中，载荷传感器10收纳于壳体20的收纳部22，载荷传感器10与收纳部22的焊盘通过键合线15连接。此外，在收纳部22的台阶部23载置按压部件30的弹性支承部33，在刚性按压部32之上载置弹性体31。
然后，在该状态下将框架40盖在壳体20。框架40通过挂在设于壳体20的侧面的卡钩25而被固定。在框架40的中央设有孔40h，在将框架40盖在壳体20时，成为突出部311从孔40h向上方突出的状态。弹性体31在法兰部312处被框架40按压。由此，按压部件30被固定于壳体20。
这样组装成的载荷传感器装置1中，在载荷未施加于按压部件30的状态下在刚性按压部32与受压部11之间设有间隙d。即，刚性按压部32的受压部11侧的面不与受压部11相接。能够基于在刚性按压部32与受压部11之间存在间隙d来设置组装中的公差。
就是说，若刚性按压部32与受压部11接触或者接近到接触的程度，则刚性按压部32与受压部11可能会因各部分的尺寸误差、组装时的错位等而发生碰撞。若像刚性按压部32这样刚性高的部件与受压部11发生碰撞，则可能会将不良影响波及到载荷传感器10。如本实施方式这样，通过在刚性按压部32与受压部11之间设置间隙d，能够积极地避免组装时的碰撞从而保护载荷传感器10。
(载荷传感器装置的动作)
图4A以及图4B为举例示出本实施方式的载荷传感器装置的动作的图。图4A中表示举例示出对载荷传感器装置1施加载荷的状态的图，图4B中表示载荷传感器的输出例。在图4B中横轴表示板50的Z方向上的行程，纵轴表示输出值(相对值)。
如图4A所示，隔着板50对载荷传感器装置1的按压部件30的弹性体31施加载荷。若从板50对弹性体31在Z方向上施加载荷，则通过弹性支承部33的弹簧作用被支承的刚性按压部32在Z方向上被压入。
在此，由于在刚性按压部32与载荷传感器10的受压部11之间设有间隙d，因此，在到刚性按压部32与受压部11接触为止的期间，载荷并不施加于受压部11。
因此，图4B所示，从载荷施加于载荷传感器装置1开始到规定的行程S1为止，不产生输出。将该区域称为预行程区域R1。在预行程区域R1，当施加了载荷时，弹性支承部33产生弹性变形，在到刚性按压部32与受压部11接触为止的期间，按压部件30虽然产生行程但载荷并不传递至受压部11，输出值并不增加。预行程区域R1的长度可以根据间隙d来设定。
接着，若超过预行程区域R1而施加载荷，则输出值会与行程相应地增加。将该区域称为受力区域R2。由于在受力区域R2刚性按压部32与受压部11接触，因此，载荷会从弹性体31经由刚性按压部32传递至受压部11。因与受压部11接触的刚性按压部32的刚性，来自载荷传感器10的输出值以与行程(载荷)的大小大致成比例的方式增加。输出值与行程相应地增加至V1。
受力区域R2持续到壳体20的缘部21作为止动部发挥功能的位置。即，按压部件30被压入进去，若板50碰到壳体20的缘部21则不会被进一步压入。由此，按压部件30的行程到S2为止，输出值不会进一步增加，对载荷传感器10的过载荷得以防止。
图5A至图5C为载荷施加于本实施方式的载荷传感器装置时的应力分布图。图5A中表示未施加载荷的状态(图4B的行程0的状态)。在该状态下，对位于弹性体31与受压部11之间的刚性按压部32进行支承的弹性支承部33的臂部332未产生变形，因此，从侧方观察，刚性按压部32被框部331挡住。
图5B中表示通过载荷的施加而按压部件30在Z方向上被压入，从而刚性按压部32与受压部11接触的状态(图4B的行程S1的状态)下的应力分布。来自板50的载荷经由弹性体31被传递至刚性按压部32。由此，刚性按压部32一边被弹性支承部33的臂部332支承，一边向Z方向上的受压部11侧移动，从而与受压部11接触。
图5C中表示板50抵接于壳体20的缘部21的状态(图4B的行程S2的状态)下的应力分布。如该应力分布的变化所示，可以掌握：从板50施加的载荷从刚性按压部32经由受压部11有效地传递至载荷传感器元件10。
另外，在因某些理由(组装不均等)板50相对于载荷传感器装置1倾斜地接近(一端接触)的情况下，也能够通过与板50直接相接的弹性体31产生变形而使板50与弹性体31的接触状态稳定化。并且，承受了载荷的弹性体31一边使臂部332产生变形，一边使刚性按压部32从Z方向以接近受压部11的方式产生位移。如此，弹性体31用于使按压部件30与板50的接触稳定化，刚性按压部32用于使按压部件30与载荷传感器元件10的接触优化。
(实施例)
接下来，对与受压部11相接的按压部的硬度的比较加以说明。
图6A以及图6B是表示作为本发明例的、刚性按压部32与受压部11接触的情况下的按压的状态的图。图6A中示出表示刚性按压部32与受压部11接触的状态的示意剖视图，图6B中示出从刚性按压部32对受压部11施加了载荷的情况下的应力分布图。
图7A以及图7B是表示作为比较例的、取代刚性按压部32而是弹性率低的弹性按压部32B与受压部11接触的情况下的按压的状态的图。图7A中示出表示弹性按压部32B与受压部11接触的状态的示意剖视图，图7B中示出从弹性按压部32B对受压部11施加了载荷的情况下的应力分布图。
图8A以及图8B是受压部以及按压部的应力分布的放大图。图8A中示出图6B所示的刚性按压部32与受压部11的接触部分的应力分布的放大图，图8B中示出图7B所示的弹性按压部32B与受压部11的接触部分的应力分布的放大图。
不锈钢(SUS304)被用于图6以及图8A所示的刚性按压部32，橡胶(硬度70(使用Durometer硬度计A型来测定))被用于图7以及图8B所示的弹性按压部32B。对受压部11的载荷均为6N。
在使用刚性按压部32的情况下，可知载荷以与受压部11的接点为中心朝向传感器基板集中地传递。另一方面，在使用弹性按压部32B的情况下，可知受压部11咬入弹性按压部32B，从而载荷分散。因此，刚性按压部32具有与受压部11的接触面收于受压部11的受压面内的程度的刚性即可。该接触面的面积可以通过赫兹的接触理论求出。
图9是表示位移部相对于载荷的应力的图。
在使用弹性按压部32B的情况下，载荷会分散，由此无法从受压部11将载荷高效地传递至传感器基板12，相对于载荷而传递至传感器基板12的位移部121的应力不会变大。另一方面，在使用刚性按压部32的情况下，能够将载荷高效地传递至传感器基板，能够使相对于载荷而传递至传感器基板12的位移部121的应力增大。图9的相对于载荷的位移部121的应力变化与灵敏度等效。因此，与弹性按压部32B相比，使用刚性按压部32更能够获得足够的灵敏度。
图10为表示针对载荷的载荷传感器元件的输出值的线性误差的图。
在使用弹性按压部32B的情况下，受压部11咬入弹性按压部32B达4N，载荷会分散，因此，线性误差大。另一方面，在使用刚性按压部32的情况下，受压部11不会咬入刚性按压部32，载荷的流失几乎不会发生。因此，可知线性误差非常小。
(载荷传感器装置的其他例)
图11为表示本实施方式的载荷传感器装置的其他例的剖视图。
图12为表示本实施方式的载荷传感器装置的其他例的分解立体图。
如图11以及图12所示，其他例的载荷传感器装置1B在弹性体31与刚性按压部32之间具备刚性板部60。
在之前说明过的载荷传感器装置1中，通过弹性体31来直接按压刚性按压部32，但由于弹性体31的一部分(法兰部312)与框架、弹性支承部33的框部331接触，因此，所承受的载荷的一部分会分散从而导致传递至载荷传感器元件10的力的衰减。
另一方面，在载荷传感器装置1B中，经由刚性板部60将由弹性体31承受的载荷传递至刚性按压部32。刚性板部60能够不与其他部件干扰地将力传递至刚性按压部32的中央部分。因此，由弹性体31承受的载荷易于传递至载荷传感器元件10，能够谋求灵敏度的提高。
图13A以及图13B为表示载荷传感器装置的输出特性的图。图13A以及图13B的各图中，横轴为载荷，纵轴为载荷传感器元件10的输出值。图13A中示出载荷传感器装置1的输出特性，图13B中示出载荷传感器装置1B的输出特性。在施加了相同的载荷的情况下，载荷传感器装置1B与载荷传感器装置1相比获得约1.6倍的输出值。
即使是具备刚性板部60的载荷传感器装置1B，也与载荷传感器装置1同样地，通过设于刚性按压部32与载荷传感器元件10的受压部11之间的间隙d来设定预行程区域R1(参照图4B)。该情况下，作为预行程区域R1的从载荷的施加开始到规定的行程S1为止的大小可以通过刚性板部60的厚度来设定。即，刚性板部60的厚度越薄，间隙d越大，预行程区域R1变大。另一方面，刚性板部60的厚度越厚，间隙d越小，预行程区域R1变小。
(弹性支承部的其他例)
图14A至图14C为表示弹性支承部的其他例的俯视图。
图14A中示出弹性支承部33的其他例(之一)，图14B中示出弹性支承部33的其他例(之二)，图14C中示出弹性支承部33的其他例(之三)。
如图14A至图14C所示，对于弹性支承部33的臂部332的形状，可以想到各种形态。在图14A中，臂部332相对于配置于中央的刚性按压部32被设为线对称。此外，在图14B以及图14C中，臂部332相对于配置于中央的刚性按压部32被设为点对称。其中，在图14B中，臂部332被设为弯折状。在图14C中，臂部332被设为旋涡状。
臂部332具有这样的形状，由此，刚性按压部32易于向接近受压部11的方向(Z方向)产生弹性变形，而不易向其他方向(例如框部331的面内方向：XY方向)产生弹性变形。即，臂部332在弹性变形的难易度上具有各向异性。因此，施加于板50的载荷被高效地传递至受压部11。此外，即使在施加于板50的载荷的朝向上存在不均，也能够通过弹性体31产生弹性变形而适当地承受载荷，通过在弹性变形的难易度上存在各向异性的臂部332，弹性体31能够将所承受的载荷有效地向受压部11的方向(Z方向)传递。特别是，通过图14A所示的弹性支承部33的形状，弹性变形的各向异性效果优异，因此，与受压部11的接触可靠性提高。此外，通过图14B以及图14C所示的弹性支承部33的形状，臂部332较长，易于产生弹性变形，因此，易于获得柔和的预行程感(日语原文：プリストローク感)。
通过弹性支承部33的弹簧构造，配置于中央的刚性按压部32以规定的弹簧常数被支承。在该弹簧构造中，臂部332的长度越长或者宽度越窄，则弹簧常数越小(易于以小的载荷来产生位移)。同样地，臂部332的厚度越薄，则弹簧常数越小，但在使用不锈钢的情况下，若考虑刚性按压部32的强度，则优选具有0.2mm左右的厚度。
此外，若能够抑制被臂部332支承的刚性按压部32向面内方向的位移，则能够减少由刚性按压部32与载荷传感器元件10的受压部11的接触引起的磨耗风险，能够提供可靠性更高的制品。
图15A为表示弹性支承部的其他例(之四)的立体图。
图15B为表示弹性支承部的其他例(之五)的立体图。
图16A为表示弹性支承部的其他例(之六)的立体图。
图16B为表示弹性支承部的其他例(之七)的立体图。
在上述的任一图中，为了说明的方便，均示出卸下了弹性体31后的状态。
在弹性支承部33的其他例(之四)至(之七)中，在框部331设有定位用的孔331h。在供框部331载置的壳体20的台阶部23设有定位用的突起部23a，若将框部331载置于台阶部23，则突起部23a嵌合于定位用的孔331h从而弹性支承部33的载置位置确定。
对于图15A至图16B所示的弹性支承部33，各臂部332的与刚性按压部32的连结部分332a的板宽(Y方向上的宽度)不同。即，图15A所示的弹性支承部33的臂部332的连结部分332a的板宽最窄，臂部332的连结部分332a的板宽按图15B、图16A以及图16B所示的顺序变宽。弹性支承部33的臂部332的连结部分332a的板宽越窄，则弹簧常数越小，易于获得柔和的预行程感。另一方面，臂部332的连结部分332a的板宽越宽，则弹簧常数越大，易于获得按压感。
(弹性体的其他例)
图17为针对弹性体的其他例(之一)示出的立体图。
图17所示的弹性体31B兼用弹性支承部33。即，弹性支承部33成为弹性体31B的一部分。具体地讲，刚性按压部32嵌入弹性体31B的载荷传感器元件10侧的面，弹性体31的法兰部312兼具作为支承刚性按压部32的弹性支承部33的功能。在使用这样的弹性体31B的情况下，不需要图2所示的板状的弹性支承部33，能够谋求按压部件30的构成的简化。
图18A为表示弹性体的其他例(之二)的立体图。另外，为了说明的方便，在图18A中示出卸下了框架40后的状态。图18B为表示弹性体的其他例(之二)的剖视图。
在弹性体31的其他例(之二)中，弹性体31的法兰部312在X方向上延伸至壳体20的缘部21。在壳体20的缘部21设有台部21a，弹性体31的法兰部312载置于缘部21的台部21a之上。在弹性体31的与缘部21对置的侧面31a设有凹部31b，该凹部31b与设于壳体20的凸部20a卡合，从而进行弹性体31的定位。此外，通过从壳体20之上盖住框架40，弹性体31被夹入框架40与壳体20之间。若在弹性体31设有法兰部312，则该法兰部312被夹入框架40与壳体20之间，能够在对弹性体31施加侧向压力时有效地防止弹性体31偏离。
图19为表示弹性体的其他例(之三)的立体图。
在弹性体31的其他例(之三)中，弹性体31的法兰部312在X方向上延伸至壳体20的缘部21，并且法兰部312载置于缘部21的台部21a之上。在弹性体31的其他例(之三)中未设有凹部31b，但通过弹性体31的侧面31a与壳体20的内周面的抵接以及设于缘部21的四角的朝内的凸部21b与法兰部312的缺口部312b的卡合来进行弹性体31的定位。在弹性体31的其他例(之三)中，也是通过从壳体20之上盖住框架40，弹性体31被夹入框架40与壳体20之间。若在弹性体31设有法兰部312，则该法兰部312被夹入框架40与壳体20之间，能够在对弹性体31施加侧向压力时有效地防止弹性体31偏离。
图20为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的立体图。
图21为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的分解立体图。
图22为举例示出使用了弹性体的其他里(之四)的载荷传感器装置的剖视图。
图23为表示弹性体的其他例(之四)的剖视图。
其他例(之四)的弹性体31C由金属形成。例如，通过使板状的金属弯折来形成弹性体31。
弹性体31C具有：第一接触部3101，包括承受载荷的第一接触点CP1；第二接触部3102，包括与刚性按压部32接触的第二接触点CP2；以及立片部3103，设于第一接触部3101与第二接触部3102之间，用于在第一接触部3101与第二接触部3102之间设置空间S。
在该弹性体31C，通过第一接触部3101和立片部3103构成凸形。该凸形成为突出部311。第二接触部3102是与第一接触部3101对置的部分，与立片部3103的高度相应地在与第一接触部3101之间设置间隔。通过该间隔来构成第一接触部3101与第二接触部3102之间的空间S。
弹性体31C例如通过使金属的板材弯折而从一张金属的板材一体地形成第一接触部3101、第二接触部3102以及立片部3103。金属的板材的两端部接合(焊接等)，从而成为具有环状部分的弹性体31C。环状部分的内侧成为空间S。
具体地讲，通过金属的板材而构成包括第一接触点CP1并在横向(沿着XY平面的方向)延伸的第一接触部3101，通过将第一接触部3101的两端侧的板材向下方弯折成大致直角而构成两个立片部3103。而且，从立片部3103将板材向与横向上的第一接触部3101的相反侧弯折，并使板材在规定的位置折返180度，由此构成第二接触部3102。
第二接触部3102的金属的板材的两端部可以在重合的状态下接合，也可以在使端面对接的状态下接合。另外，从接合强度的观点来看，优选在重合的状态下接合。此外，重合的部分作为刚性板部60发挥功能，因此，能够谋求灵敏度的提高。此外，将从立片部3103至第二接触部3102的金属的板材以沿横向伸出的状态弯折，由此构成弹性体31C的法兰部312。
图24A以及图24B为举例示出使用了弹性体的其他例(之四)的载荷传感器装置的动作的剖视图。
图25A以及图25B为举例示出使用了比较例的弹性体的载荷传感器装置的动作的剖视图。
在图24A中示出对使用了弹性体31C的载荷传感器装置1施加载荷之前的状态，在图24B中示出对使用了弹性体31C的载荷传感器装置1施加了载荷的状态。若使板50与弹性体31C之上接触来施加载荷，则由第一接触部3101的第一接触点CP1承受的载荷施加于由第二接触部3102的第二接触点CP2所接触的刚性按压部32。
因载荷施加于刚性按压部32而弹性支承部33产生挠曲，刚性按压部32与载荷传感器元件10的受压部11接近，最终接触。若刚性按压部32与受压部11接触，则因来自刚性按压部32的抗力(日语原文：抗力)，第二接触部3102向空间S侧产生弹性变形。来自板50的载荷经由弹性体31C被传递至刚性按压部32，再从刚性按压部32经由受压部11传递至载荷传感器元件10。
在图25A中示出对使用了比较例的弹性体31D的载荷传感器装置1施加载荷之前的状态，在图25B中示出对使用了比较例的弹性体31D的载荷传感器装置1施加了载荷的状态。比较例的弹性体31D通过与弹性体31C同样地使金属的板材弯折而构成，但第二接触部3102的端部(金属的板材的端部)未接合。
若使板50与该弹性体31D之上接触并施加载荷，则由第一接触部3101承受的载荷被施加于与第二接触部3102接触的刚性按压部32。因载荷施加于刚性按压部32而弹性支承部33产生挠曲，刚性按压部32与载荷传感器元件10的受压部11接近，最终接触。若刚性按压部32与受压部11接触，则因来自刚性按压部32的抗力，第二接触部3102向空间S侧产生弹性变形。
此时，第二接触部3102的端部未接合，因此，越施加载荷，两个第二接触部3102越向扩宽的方向移动。而且，因两个第二接触部3102扩宽，立片部3103的第二接触部3102侧(下侧)扩宽，从而突出部311压溃。这样，与弹性体31C相比，通过弹性体31D，突出部311易于压溃。
在模拟中，若对弹性体31C的第一接触部3101以及弹性体31D的第一接触部3101赋予相等的按压力，则经由弹性体31D的第二接触部3102传递至刚性按压部32的力成为经由弹性体31C的第二接触部3102传递至刚性按压部32的力的1/5。如通过该模拟确认到的，在使用了具有第二接触部3102的弹性变形优先于立片部3103的弹性变形而产生的构造的弹性体31C的载荷传感器装置1中，与使用了具有立片部3103的弹性变形优先于第二接触部3102的弹性变形而产生的构造的弹性体31D的载荷传感器装置1相比，能够高效地将来自板50的载荷向载荷传感器元件10传递。具备第一接触部3101、第二接触部3102以及立片部3103的弹性体通过对金属的板材进行弯折加工而形成，在第二接触部3102由金属的板材的两端部构成的情况下，如弹性体31C那样，将金属的板材的两端部接合来进行一体化从而形成第二接触部3102，由此，能够将第一接触部3101所承受的按压力高效地传递至刚性按压部32。
(包括集成电路的载荷传感器装置的例子)
图26A以及图26B为举例示出包括集成电路的载荷传感器装置的剖视图。
用于该载荷传感器装置1C的集成电路70例如是将来自载荷传感器元件10的作为输出的模拟信号转换为数字信号的ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)。集成电路70也可以是信号转换以外的电路。
集成电路70供载荷传感器元件10载置。即，在壳体20的收纳部22层积集成电路70和载荷传感器元件10。由此，能够通过一个载荷传感器装置1C实现包括集成电路70的封装结构。
在图26A中示出使用模压树脂来作为载荷传感器装置1C的壳体20的例子。在图26B中示出使用陶瓷来作为载荷传感器装置1C的壳体20的例子。在使用模压树脂来作为壳体20的情况下，能够构成廉价且轻量的载荷传感器装置1C。此外，在使用陶瓷来作为壳体20的情况下，能够在壳体20形成精细的金属化图案，能够谋求与集成电路70的电连接的细化。
(具备盖部的载荷传感器装置的例子)
图27为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的立体图。
图28为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的分解立体图。
图29为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的剖视图。
图30为表示具备盖部的载荷传感器装置的例子的放大剖视图。
载荷传感器装置1D具备配置于按压部件30的与壳体20相反侧的盖部80。在该载荷传感器装置1D的壳体20设有限制刚性按压部32在与按压方向(Z方向)垂直的方向(X方向以及Y方向)上的活动的限制部27。具体地讲，限制部27是设于壳体20的孔，在该孔内容纳载荷传感器元件10以及按压部件30(弹性体31、刚性按压部32以及弹性支承部33)。另外，在载荷传感器装置1D中，在弹性体31与刚性按压部32之间设有刚性板部60。刚性板部60根据需要进行设置即可。
限制部27的孔的X方向以及Y方向上的长度沿Z方向是固定的，在限制部27的孔内，按压部件30能够在Z方向上滑动，但在X方向以及Y方向上，移动被限制。
在盖部80设有与弹性体31接触的凸部81。由此，若从盖部80施加载荷，则载荷能够从凸部81传递至弹性体31，并经由刚性按压部32向载荷传感器元件10的受压部11传递载荷。此时，按压部件30在X方向以及Y方向上的移动被壳体20的限制部27限制，因此，刚性按压部32的向X方向以及Y方向的移动也被限制，刚性按压部32与受压部11的向X方向以及Y方向的摩擦被抑制。因此，即使通过硅等高硬度且低韧性的材料构成受压部11，也能够抑制由受压部11与刚性按压部32的摩擦引起的受压部11的破损。
盖部80的凸部81可以与弹性体31形成一体，也可以是凸部81与弹性体31被连接起来。由此，能够从盖部80的凸部81向弹性体31无损失地传递载荷。
此外，优选在载荷传感器装置1D设有对盖部80与壳体20的相对距离的接近进行限制的止动部85。例如，止动部85由在盖部80的凸部81的附近设于与壳体20的对置部分的突起构成。若将盖部80压入进去，则止动部85与壳体20抵接，从而防止盖部80的进一步压入。由此，即使超出必要的载荷施加于盖部80，也能够防止向载荷传感器元件10的过载荷。止动部85优选配置于盖部80的凸部81的附近。例如，若盖部80的刚性低，则在压入盖部80时，容易发生盖部80的挠曲。如果止动部85配置于凸部81的附近，则在盖部80挠曲时，也能够通过充分地发挥通过凸部81对载荷传感器元件10进行按压时的止动部效果。此外，止动部85可以预先配置于远离凸部81的位置。由此，也能够获得盖部80的挠曲的抑制效果。另外，止动部85可以设于盖部80侧，也可以设于壳体20侧。即，止动部85设于盖部80与壳体20的对置位置即可，可以分别设于盖部80以及壳体20。
载荷传感器装置1D具备盖部80，因此，可以直接使用载荷传感器装置1D来作为制品中配置于能被用户视觉辨认的位置的构成部件。作为这样的构成部件的具体例，可以列举出配置于屋内、车辆内的面板开关。可以在盖部80的供用户进行视觉辨认的一侧设有图像显示装置。能够通过调整弹性体31的材料(弹性率)来改变盖部80的按压感(面板开关的按压响应)。此外，能够通过调整弹性体31的厚度来调整盖部80的表面位置(面板开关的触摸位置)。
如此，根据本实施方式，能够提供能够获得较高的感测精度以及对载荷的检测值的直线性，并且能够获得组装时的足够的公差的载荷传感器装置1、1B、1C以及1D。
另外，在上述对本实施方式进行了说明，但本发明并不限定于这些例子。例如，弹性支承部33的臂部332的形状并不限定于上述说明的形状。此外，只要具备本发明的主旨，则对上述的各实施方式，本领域技术人员适当地进行构成要素的追加、削除、设计变更而得到的特征、对各实施方式的构成例的特征适当地进行组合而得到的特征，都包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1、1B、1C、1D……载荷传感器装置
10……载荷传感器元件
11……受压部
12……传感器基板
13……基底基板
15……键合线
20……壳体
20a……凸部
21……缘部
21a……台部
21b……凸部
22……收纳部
23……台阶部
23a……突起部
25……卡钩
27……限制部
30……按压部件
31、31B、31C、31D……弹性体
31a……侧面
31b……凹部
32……刚性按压部
32B……弹性按压部
33……弹性支承部
40……框架
40h……孔
50……板
60……刚性板部
70……集成电路
80……盖部
81……凸部
85……止动部
121……位移部
122……压电电阻元件
311……突出部
312……法兰部
312b……缺口部
331……框部
331h……定位用的孔
332……臂部
332a……连结部分
3101……第一接触部
3102……第二接触部
3103……立片部
CP1……第一接触点
CP2……第二接触点
R1……预行程区域
R2……受力区域
d……间隙
S……空间

Claims (16)

1.一种载荷传感器装置，具备：
载荷传感器元件，具有受压部；
壳体，收纳上述载荷传感器元件；以及
按压部件，被支承于上述壳体，
上述按压部件具有：
弹性体，承受载荷；
刚性按压部，与上述受压部接触；以及
弹性支承部，将上述刚性按压部支承于上述壳体，
在载荷未施加于上述按压部件的状态下，在上述刚性按压部与上述受压部之间设有间隙。
2.根据权利要求1所述的载荷传感器装置，其中，
上述弹性支承部具有板簧部。
3.根据权利要求1或2所述的载荷传感器装置，其中，
上述弹性支承部是上述弹性体的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
在上述弹性体与上述刚性按压部之间设有刚性板部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
上述载荷传感器元件具有：
位移部，通过由上述受压部承受的载荷而产生位移；以及
多个压电电阻元件，对上述位移部的位移量进行电学检测。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
上述刚性按压部是金属。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
上述刚性按压部是硅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
上述弹性体是金属。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
上述弹性体具有：
第一接触部，包括承受载荷的第一接触点；
第二接触部，包括与上述刚性按压部接触的第二接触点；以及
立片部，设于上述第一接触部与上述第二接触部之间，用于在上述第一接触部与上述第二接触部之间设置空间，
在对上述按压部件施加载荷时，上述第二接触部因来自上述刚性按压部的抗力而向上述空间侧产生弹性变形。
10.根据权利要求9所述的载荷传感器装置，其中，
上述第一接触部、上述第二接触部以及上述立片部通过金属的板材被一体化。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的载荷传感器装置，还具备：
集成电路，容纳于上述壳体内，并装载上述载荷传感器元件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的载荷传感器装置，其中，
在上述壳体设有限制部，该限制部对上述刚性按压部的与按压方向垂直的方向上的移动进行限制。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的载荷传感器装置，还具备：
盖部，配置于上述按压部件的与上述壳体相反的一侧，对上述弹性体施加载荷。
14.根据权利要求13所述的载荷传感器装置，其中，
在上述盖部设有与上述弹性体接触的凸部。
15.根据权利要求14所述的载荷传感器装置，其中，
上述弹性体与上述凸部形成一体，或者上述弹性体与上述凸部连接。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的载荷传感器装置，还具备：
止动部，对上述盖部与上述壳体的相对距离的接近进行限制。
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