JP2012018106A - フォースセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル基板を備えた簡単な構成で低背化可能なフォースセンサを得ること。
【解決手段】所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、前記受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板の他方の面に形成され前記変位部を変位自在に支持する支持部と、前記シリコン基板の他方の面に前記支持部よりも周縁側に配置させて前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数の電気接続部と、前記シリコン基板の他方の面に配置され前記複数の電気接続部と電気的に接続されたフレキシブル基板とにより、フォースセンサを構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重測定に用いられるピエゾ抵抗方式のフォースセンサに関する。

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の図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上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（パイレックスガラス：「パイレックス」はコーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．，Ｕ．Ｓ．Ａ）の登録商標）と、ボンディングワイヤ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（サファイヤ球）とを備えている。この従来のフォースセンサは、サファイヤ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。従来構造のピエゾ抵抗式フォースセンサは、特許文献２から５にも記載されている。
また、特許文献６の図１に示されるピエゾ抵抗方式では、受圧部を介して加えられた荷重を検出するための複数のゲージ抵抗を備えた複数のセンサセルが、弾性体の上に保持されフレキシブル基板で電気的に接続されている。前記受圧部は、金属箔を介して全体を樹脂シートで被服され、更にシリコングリスを介してゴムの表皮部材が設けられている。この従来のフォースセンサは、複数のセンサセルが弾性体の上に直接に保持されフレキシブル基板で電気的に接続されるために、複数のセンサセルの同一面側にフレキシブル基板と受圧部を備なえる。

特公平５−７７３０４号公報 特開平１０−３２５７７２号公報 米国特許第４６８０６０６号 米国特許第４７４５８１２号 米国特許第４８６１４２０号 特公平７−９２４１３号公報

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特許文献１に記載の従来構造では、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。また、従来構造では、基部（パイレックスガラス）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を用いているので、ボンディングワイヤを設けるための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。
また、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、特許文献６に記載の従来構造では、弾性体の上に複数のセンサセルが設置され、その上に受圧部とフレキシブル基板、その上に金属箔、樹脂シート、シリコングリス、ゴムの表皮部材と重ねられるため低背化が難しい。また、特許文献６に記載の従来構造では、受圧部とフレキシブル基板が複数のセンサセルの同一面側にあるため、受圧部の高さはフレキシブル基板の厚さより小さくできなく低背化を制限する。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、フレキシブル基板を備えた簡単な構成で低背化可能なフォースセンサを得ることである。

所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、前記受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板の他方の面に形成され前記変位部を変位自在に支持する支持部と、前記シリコン基板の他方の面に前記支持部よりも周縁側に配置させて前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数の電気接続部と、前記シリコン基板の他方の面に配置され前記複数の電気接続部と電気的に接続されたフレキシブル基板と、を有することを特徴とする。
シリコン基板からなる前記変位部を前記支持部により支持する構造とすることで、前記支持部と同じシリコン基板の面側に、前記複数のピエゾ抵抗素子、前記複数の電気接続部、前記フレキシブル基板を配置することができ、外部基板に容易に電気的に接続できる低背なフォースセンサを得ることを可能とした。
前記電気接続部の領域における前記フレキシブル基板の前記シリコン基板の他方の面からの突出量が前記支持部の前記シリコン基板の他方の面からの突出量より小さいことを特徴とする。
この様態であれば、前記支持部の厚さが、前記複数の電気接続部やフレキシブル基板等から構成される配線部の厚さより厚くなり、配線部が圧迫されて破損することを防止できる。
前記シリコン基板は平面矩形状をなし、前記複数の電気接続部は、前記シリコン基板の矩形をなす４辺のいずれか一つの辺に臨んで設けられたことを特徴とする。
この様態であれば、前記複数の電気接続部が一箇所にあるので前記フレキシブル基板との接続が容易である。
前記シリコン基板は平面矩形状をなし、前記複数の電気接続部は、前記シリコン基板の角部にそれぞれ設けられたことを特徴とする。
この様態であれば、前記複数の電気接続部と前記フレキシブル基板の接続部が４箇所に分散するため、その固定を強固にできる。
前記電気接続部と前記フレキシブル基板との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とする。
この様態であれば、前記電気接続部と前記フレキシブル基板との接合部の固定を強固にできる。
前記支持部は、少なくとも一部が前記複数のピエゾ抵抗素子と平面的に重複するように配置されることを特徴とする。
この様態であれば、前記複数のピエゾ抵抗素子に加わる応力の異方性が大きくなり、前記複数のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が大きく変化するため、センサ感度を高感度にすることができる。
前記支持部は、筒状体であることを特徴とする。
この様態であれば、前記変位部を安定に支持することができるとともに、前記支持部の内側への樹脂や異物等の侵入を防止できる。
前記支持部は複数あり、前記支持部の断面がそれぞれ平面矩形または平面円形の柱状体であることを特徴とする。
この様態であれば、前記変位部を安定に支持することができるとともに、高感度なフォースセンサを得ることができる。
前記支持部は、金、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、シリコン、ガラス、窒化シリコン、酸化シリコン、絶縁セラミックのいずれかからなることを特徴とする。
このような材料によって前記支持部を構成することで、簡便に強固な支持部を実現できる。
前記受圧部は、前記変位部から隆起した円柱状または多角柱状であることを特徴とする。
この様態であれば、安定的に高感度なセンサ感度を得ることができる。
前記シリコン基板は支持部を介して外部基板上に接合され、前記外部基板と支持部との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とする。
この様態であれば、前記シリコン基板と外部基板の固定を強固にできる。
前記外部基板は電極が設けられており、前記外部基板の電極と前記フレキシブル基板との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とする。
この様態であれば、前記外部基板の電極と前記フレキシブル基板との固定を強固にできる。

本発明によれば、シリコン基板からなる前記変位部を前記支持部により支持する構造とすることで、前記支持部と同じシリコン基板の面側に、前記複数のピエゾ抵抗素子、前記複数の電気接続部、前記フレキシブル基板を配置する簡単な構成とすることができ、外部基板に容易に電気的に接続できる低背なフォースセンサを得ることを可能とした。

本発明を適用したフォースセンサの一実施形態を示す断面図である。 同フォースセンサを上面側から見て示す平面略図である。 同フォースセンサを下面側から見て示す平面略図である。 フレキシブル基板と接続する前の同フォースセンサを下面側から見て示す平面略図である。 同フォースセンサを外部基板に実装した一実施形態を示す断面図である。 フレキシブル基板の第１の変形例を備えるフォースセンサの断面図である。 フレキシブル基板の第２の変形例を備えるフォースセンサの断面図である。 フレキシブル基板の第３の変形例を備えるフォースセンサの断面図である。 支持部の第１の変形例を下面側から見て示す平面略図である。 支持部の第２の変形例を下面側から見て示す平面略図である。 支持部の第３の変形例を下面側から見て示す平面略図である。 支持部の第４の変形例を下面側から見て示す平面略図である。 電気接続部をシリコン基板の角部に配置した変形例のフレキシブル基板を取り付ける前の下面側から見て示す平面略図である。 シリコン基板の角部に配置した複数の電気接続部にフレキシブル基板を接続した変形例を下面側から見て示す平面略図である。 シリコン基板の一つの辺に臨んで並べて配置された複数の電気接続部１５に複数のフレキブル基板を接続した変形例を下面側から見て示す平面略図である。 シリコン基板の角部に配置した複数の電気接続部にフレキシブル基板を接続した変形例を下面側から見て示す平面略図である。

図１は本発明を適用したフォースセンサ１を示す断面図、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はフォースセンサ１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シリコン基板１０を備えている。シリコン基板１０は、平面矩形状をなし、荷重により変位する変位部１１を構成している。

シリコン基板１０の表面１０ａ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１２が設けられている。受圧部１２は、変位部１１の平面中心に隆起した円柱状の凸受圧部であり、その上面周縁に丸め加工（Ｒ加工）が施されている。この受圧部１２は、ニッケル合金またはシリコン（シリコン基板１０と同一材質）からなる。受圧部１２は省略可能であるが、変位部１１の平面中心に受圧部１２を設けることで、変位部１１を平面中心に対して対称的に大きく変位させることができるので、大きなセンサ感度を安定的に得ることができる。
受圧部１２の断面積は強度的に許容される範囲内で小さい方が好ましい。その理由は、変位部１１の平面中心に設置された受圧部１２の断面積が小さいと、変位部１１の平面中心に大きな力が加わるので、大きなセンサ感度を得ることができるからである。

一方、シリコン基板１０の裏面１０ｂには、図１、図３に示されるように、支持部１７、複数のピエゾ抵抗素子１３、複数のピエゾ抵抗素子１３と接続された複数のフォースセンサ配線１６を経て複数の電気接続部１５に接続され、複数の電気接続部１５はフレキシブル基板の配線２１に接続されている。フレキシブル基板１９は、柔軟性と絶縁性を備えたポリイミド樹脂フィルム等であることが好ましい。フレキシブル基板の配線２１は、柔軟性のある銅箔等の導電体であることが好ましい。

複数のピエゾ抵抗素子１３は、隣り合う素子同士が９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で配置されている。受圧部１２で受けた荷重により変位部１１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１３の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１３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公知の測定装置に出力される。複数のピエゾ抵抗素子１３には複数のフォースセンサ配線１６がそれぞれ接続されており、フォースセンサ配線１６を介して複数の電気接続部１５と電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１３とフォースセンサ配線１６は、絶縁膜１４によって覆われている。
図３、図４に示すように、複数の電気接続部１５は、支持部１７及びピエゾ抵抗素子１３より周縁側に位置し、シリコン基板１０の一つの辺に臨んで並べて配置され、フレキシブル基板の配線２１に接続されている。この複数の電気接続部１５は、ニッケル合金や金、銅などからなる。複数の電気接続部１５が一つの辺に臨んで並べて配置されていることで、フレキシブル基板の配線２１との接続が容易にでき、フレキシブル基板１９の形状も単純にできる。複数の電気接続部１５とフレキシブル基板の配線２１の電気的接続は、半田、導電性樹脂、導電ペースト等で行なってもよいし、または圧着による金属接合のみでもよいし、または圧着前に半田、導電性樹脂、導電ペースト等で接続しそれに加えて圧着する等でもよい。

図１、図３に示すように、支持部１７は、複数の電気接続部１５と複数のピエゾ抵抗素子１３の間に少なくとも一部が複数のピエゾ抵抗素子１３と平面的に重複するように配置され、シリコン基板１０の裏面１０ｂからフレキシブル基板の配線２１よりもさらに突出した状態で設けられている。図２に示すように、支持部１７は、平面中心に受圧部１２を配置する平面矩形の筒状体であり、変位部１１を安定に支持することができる。支持部１７は、金、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、シリコン、ガラス、窒化シリコン、酸化シリコン、絶縁セラミックのいずれかからなる。

上記構成のフォースセンサ１は、図５に示されるように、フレキシブル基板の配線２１と外部基板の電極２３が接続されて実装される。支持部１７の厚さは、電気接続部１５の厚さ、フレキシブル基板の配線２１の厚さ、の合計よりも大きいことが好ましい。前記により圧迫によるフレキシブル基板１９を含む電気配線の破損が防げる。フレキシブル基板１９とフレキシブル基板の配線２１には柔軟性があるので、外部基板２への実装は容易に行なえる。
図５に示されるように、シリコン基板１０と支持部１７との接合部の周囲、支持部１７と外部基板２との接合部の周囲、シリコン基板１０と複数の電気接続部１５との接合部の周囲、複数の電気接続部１５とフレキシブル基板１９との接合部の周囲、フレキシブル基板１９と外部基板の電極２３との接合部の周囲、外部基板の電極２３と外部基板２との接合部の周囲、は樹脂１８で覆われており、前記の各箇所の固定を強固にしている。樹脂１８の樹脂材としては、エポキシ、アクリル、ポリエステル、ウレタン等が好ましい。

図３に示されるように支持部１７は平面矩形の筒状体であるので、支持部１７と外部基板２との接合部の周囲を樹脂１８で固定する時に、樹脂１８は支持部１７の内側に侵入できないので、樹脂１８が侵入することで発生する変位部１１の変位の不具合を防止できる。

以上のように本実施形態のフォースセンサ１は、シリコン基板１０からなる変位部１１を支持部１７により支持する構造とすることで、支持部１７と同じシリコン基板１０の面側に、複数のピエゾ抵抗素子１３と複数の電気接続部１５とフレキシブル基板１９とを配置することを可能とし、特許文献１に記載の従来構造では必須であったサファイヤ球、パイレックスガラス、ボンディングワイヤ、また、特許文献６に記載の従来構造では必須であったゴムの表皮部材、シリコングリス、樹脂シート、金属箔、樹脂シート、弾性体を不要とし、簡単な構成で低背化を図るとともに、フレキシブル基板１９を備えることで外部基板２への電気接続も容易とした。

本実施形態では、図１に示すように電気接続部１５とフレキシブル基板の配線２１との電気的な接続を、電気接続部１５をフレキシブル基板１９に貫通させることにより行なっている。この接続方法は変形可能であり、図６〜図８にその変形例を示す。図６は、電気接続部１５とフレキシブル基板１９に設けられた貫通電極２４が接続され、貫通電極２４がフレキシブル基板の配線２１に接続されている。図７は、電気接続部１５とフレキシブル基板の配線２１が接続され、フレキシブル基板の配線２１に貫通電極２４が接続されている。図８は、電気接続部１５とフレキシブル基板の配線２１が接続され、フレキシブル基板の配線２１の端部に貫通孔２５が設けられている。この貫通孔２５は、外部基板２を実装する時に外部基板の電極２３を貫通させる。貫通電極２４は、フレキシブル基板１９に貫通孔２５を形成し、この貫通孔２５を銀等の導電材料からなる導電ペーストで充填する方法等で形成する。

本実施形態では、支持部１７を平面矩形の筒状体で設けたが、支持部１７の平面形状は変形可能である。図９〜図１２は支持部１７の変形例であって、図９は平面円形の筒状体である。図１０は平面矩形の筒状体を複数に分割したものである。図１１は複数の平面円形の柱状体、図１２は複数の平面矩形の柱状体である。支持部１７はいずれも、少なくともその一部が複数のピエゾ抵抗素子１３と平面的に重複するように配置されている。また、複数の支持部１７を設ける位置は、変位部１１を安定に支持するために受圧部１２に関して対称に配置することが好ましい。

また本実施形態では、円柱状の受圧部１２を設けたが、受圧部１２は多角柱状であってもよい。

本実施形態では、電気接続部１５を平面矩形状をなすシリコン基板１０の一つの辺に臨んで並べて配置したが、電気接続部１５の配置の変更は可能である。図１３は、複数の電気接続部１５を、平面矩形状をなすシリコン基板１０の角部に、各々に配置した変形例である。図１４は、前記にフレキシブル基板１９を接続した変形例である。

本実施形態では、複数の電気接続部１５にフレキシブル基板１９を接続したが、フレキシブル基板１９の変形は可能である。図１５は、シリコン基板１０の一つの辺に臨んで並べて配置した複数の電気接続部１５の各々に、複数のフレキシブル基板１９を接続した変形例である。図１６は、シリコン基板１０の角部に配置された複数の電気接続部１５に、複数のフレキシブル基板１９を接続した変形例である。図１５、図１６の配置以外に、フレキシブル基板１９は、都合により自由に配置することが可能である。このように、個々の電気接続部１５に、個々のフレキシブル基板１９を接続することは、外部基板２への実装の自由度を高める。

１ フォースセンサ
２ 外部基板
１０ シリコン基板
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１１ 変位部
１２ 受圧部
１３ ピエゾ抵抗素子
１４ 絶縁膜
１５ 電気接続部
１６ フォースセンサ配線
１７ 支持部
１８ 樹脂
１９ フレキシブル基板
２１ フレキシブル基板の配線
２３ 外部基板の電極
２４ 貫通電極
２５ 貫通孔

Claims (12)

1. 所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、
   前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、前記受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、
   前記シリコン基板の他方の面に形成され、前記変位部を変位自在に支持する支持部と、
   前記シリコン基板の他方の面に前記支持部よりも周縁側に配置させて、前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数の電気接続部と、
   前記シリコン基板の他方の面に配置され、前記複数の電気接続部と電気的に接続されたフレキシブル基板と、
   を有することを特徴とするフォースセンサ。
2. 請求項１に記載のフォースセンサにおいて、前記電気接続部の領域における前記フレキシブル基板の前記シリコン基板の他方の面からの突出量が前記支持部の前記シリコン基板の他方の面からの突出量より小さいことを特徴とするフォースセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のフォースセンサにおいて、前記シリコン基板は平面矩形状をなし、前記複数の電気接続部は、前記シリコン基板の矩形をなす４辺のいずれか一つの辺に臨んで設けられたことを特徴とするフォースセンサ。
4. 請求項１または請求項２に記載のフォースセンサにおいて、前記シリコン基板は平面矩形状をなし、前記複数の電気接続部は、前記シリコン基板の角部にそれぞれ設けられたことを特徴とするフォースセンサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかの一項に記載のフォースセンサにおいて、前記電気接続部と前記フレキシブル基板との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とするフォースセンサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、少なくとも一部が前記複数のピエゾ抵抗素子と平面的に重複するように配置されることを特徴とするフォースセンサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は筒状体であることを特徴とするフォースセンサ。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は複数あり、前記支持部の断面がそれぞれ平面矩形または平面円形の柱状体であることを特徴とするフォースセンサ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、金、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、シリコン、ガラス、窒化シリコン、酸化シリコン 、絶縁セラミックのいずれかからなることを特徴とするフォースセンサ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記受圧部は、前記変位部から隆起した円柱状または多角柱状であることを特徴とするフォースセンサ。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記シリコン基板は支持部を介して外部基板上に接合され、前記外部基板と支持部との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とするフォースセンサ。
12. 請求項１１に記載のフォースセンサにおいて、前記外部基板は電極が設けられており、前記外部基板の電極と前記フレキシブル基板との接合部の周囲を樹脂で固定したことを特徴とするフォースセンサ。

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