JP2023023688A - Force sensor device - Google Patents

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Abstract

To provide a force sensor device which regulates a height relation between an electrode of a sensor chip and an electrode of a substrate in consideration of connection by a bonding wire.SOLUTION: A force sensor device has a sensor chip for detecting displacement in a predetermined axial direction, a strain body for transmitting force applied to an input part to the sensor chip, and a substrate for inputting and outputting a signal from/to the sensor chip, wherein the sensor chip and the substrate are fixed to different parts of the strain body so that each upper surface faces the same side; the substrate has a first electrode; the sensor chip has a second electrode electrically connected to the first electrode through a metal wire, and is mounted on the strain body so that one side faces the side face of the input part; and the upper surface of the second electrode is below the upper surface of the input part, and is positioned at the same height as the upper surface of the first electrode.SELECTED DRAWING: Figure 22

Description

本発明は、力覚センサ装置に関する。 The present invention relates to a force sensor device.

従来より、所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、印加された力をセンサチップに伝達する起歪体とを有する力覚センサ装置が知られている。この力覚センサ装置では、電極が形成された基板が起歪体に固定され、基板の電極とセンサチップの電極は、ボンディングワイヤにより電気的に接続されている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a force sensor device having a sensor chip for detecting displacement in a predetermined axial direction and a strain body for transmitting applied force to the sensor chip. In this force sensor device, a substrate on which electrodes are formed is fixed to a strain generating body, and the electrodes of the substrate and the electrodes of the sensor chip are electrically connected by bonding wires (see, for example, Patent Document 1).

特開2019-56684号公報JP 2019-56684 A

ワイヤボンディングをするにあたり、起歪体、センサチップの電極、基板の電極の高さ関係は重要であるが、従来は、十分に検討されていなかった。 In wire bonding, the height relationship among the strain-generating body, the sensor chip electrode, and the substrate electrode is important, but has not been sufficiently studied in the past.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ボンディングワイヤでの接続を考慮してセンサチップの電極と基板の電極の高さ関係を規定した力覚センサ装置の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a force sensor device in which the height relationship between the electrodes of the sensor chip and the electrodes of the substrate is specified in consideration of the bonding wire connection.

本力覚センサ装置(1)は、所定の軸方向の変位を検知するセンサチップ(110)と、入力部(24a等)に印加された力を前記センサチップ(110)に伝達する起歪体(20)と、前記センサチップ(110)に対して信号の入出力を行う基板(30)と、を有し、前記センサチップ(110)と、前記基板(30)は、各々の上面が同一側を向くように前記起歪体(20)の異なる部分に固定され、前記基板(30)は、第1電極(31)を備え、前記センサチップ(110)は、前記第1電極(31)と金属線(80)を介して電気的に接続された第2電極(15)を備え、一の側面が前記入力部(24a等)の側面と対向するように前記起歪体(20)に搭載され、前記第2電極(15)の上面は、前記入力部(24a等)の上面より下方にあって、前記第1電極(31)の上面と同じ高さに位置する。 This force sensor device (1) comprises a sensor chip (110) for detecting displacement in a predetermined axial direction, and a strain body for transmitting force applied to an input part (24a, etc.) to the sensor chip (110). (20) and a substrate (30) for inputting and outputting signals to and from the sensor chip (110), and the sensor chip (110) and the substrate (30) have the same top surface. Fixed to different parts of said strain body (20) facing sideways, said substrate (30) comprises a first electrode (31), said sensor chip (110) comprises said first electrode (31) and a second electrode (15) electrically connected via a metal wire (80) to the strain body (20) so that one side faces the side of the input section (24a etc.) The top surface of the second electrode (15) is positioned below the top surface of the input section (24a, etc.) and at the same height as the top surface of the first electrode (31).

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。 It should be noted that the reference numerals in the above parentheses are attached to facilitate understanding, are merely examples, and are not limited to the embodiments shown in the drawings.

開示の技術によれば、ボンディングワイヤでの接続を考慮してセンサチップの電極と基板の電極の高さ関係を規定した力覚センサ装置を提供できる。 According to the disclosed technique, it is possible to provide a force sensor device in which the height relationship between the electrodes of the sensor chip and the electrodes of the substrate is defined in consideration of connection with bonding wires.

本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。1 is a perspective view illustrating a force sensor device according to an embodiment; FIG. 本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the force sensor apparatus which concerns on this embodiment. 能動部品32~35について説明する回路ブロック図である。3 is a circuit block diagram illustrating active components 32-35; FIG. センサチップ110をZ軸方向上側から視た図である。It is the figure which looked the sensor chip|tip 110 from the Z-axis direction upper side. センサチップ110をZ軸方向下側から視た図である。It is the figure which looked the sensor chip|tip 110 from the Z-axis direction lower side. センサチップ110のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。4 is a diagram illustrating the arrangement of piezoresistive elements of the sensor chip 110; FIG. センサチップ110における電極配置と配線を例示する図である。4 is a diagram illustrating electrode arrangement and wiring in the sensor chip 110. FIG. センサチップ110の温度センサを例示する拡大平面図である。4 is an enlarged plan view illustrating temperature sensors of the sensor chip 110; FIG. 起歪体20を例示する図(その1)である。FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating the strain-generating body 20; 起歪体20を例示する図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) illustrating the strain-generating body 20; 起歪体20を例示する図(その3)である。FIG. 3 is a diagram (part 3) illustrating the strain-generating body 20; 力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その1)である。FIG. 4 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process of the force sensor device 1; 力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その2)である。FIG. 10 is a diagram (part 2) illustrating a manufacturing process of the force sensor device 1; 力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その3)である。FIG. 3 is a diagram (part 3) illustrating a manufacturing process of the force sensor device 1; 力覚センサ装置1の製造工程を例示する図(その4)である。FIG. 4 is a diagram (part 4) illustrating a manufacturing process of the force sensor device 1; 図2の部分拡大図である。FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2; 図16のD-D線に沿う断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line DD of FIG. 16; 図16の部分拡大図である。FIG. 17 is a partially enlarged view of FIG. 16; 図18の部分拡大図である。FIG. 19 is a partially enlarged view of FIG. 18; センサチップの電極と電極配置部との位置関係について説明する図である。It is a figure explaining the positional relationship of the electrode of a sensor chip, and an electrode arrangement|positioning part. 図16のE-E線に沿う断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line EE of FIG. 16; センサチップの電極と入力部との位置関係を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the positional relationship between the electrodes of the sensor chip and the input section;

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

(力覚センサ装置1の概略構成)
図1は、本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図2は、本実施形態に係る力覚センサ装置を例示する図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は側面図である。図1及び図2を参照するに、力覚センサ装置1は、センサチップ110と、起歪体20と、基板30とを有している。力覚センサ装置1は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。
(Schematic configuration of the force sensor device 1)
FIG. 1 is a perspective view illustrating a force sensor device according to this embodiment. 2A and 2B are diagrams illustrating the force sensor device according to the present embodiment, FIG. 2A being a plan view and FIG. 2B being a side view. 1 and 2, the force sensor device 1 has a sensor chip 110, a strain body 20, and a substrate 30. As shown in FIG. The force sensor device 1 is, for example, a multi-axis force sensor device mounted on an arm or finger of a robot used in a machine tool or the like.

センサチップ110は、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知する機能を有している。図1、及び後述する図4に示すように、X軸方向の力をFx、Y軸方向の力をFy、Z軸方向の力をFzとする。又、X軸を軸として回転させるモーメントをMx、Y軸を軸として回転させるモーメントをMy、Z軸を軸として回転させるモーメントをMzとする。 The sensor chip 110 has a function of detecting displacement in predetermined axial directions up to six axes. As shown in FIG. 1 and FIG. 4 to be described later, force in the X-axis direction is Fx, force in the Y-axis direction is Fy, and force in the Z-axis direction is Fz. Let Mx be the moment of rotation about the X axis, My be the moment of rotation about the Y axis, and Mz be the moment of rotation about the Z axis.

起歪体20は、印加された力をセンサチップ110に伝達する機能を有している。以降の実施の形態では、一例として、センサチップ110が6軸を検知する場合について説明するが、これには限定されず、センサチップ110はX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の力、及びX軸回転、Y軸回転、Z軸回転のモーメントから検知する軸を選択して、例えば、3軸を検知する場合等にも用いることができる。 The strain body 20 has the function of transmitting the applied force to the sensor chip 110 . In the following embodiments, as an example, a case where the sensor chip 110 detects six axes will be described, but the sensor chip 110 is not limited to this, and the sensor chip 110 detects forces in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. It is also possible to select the axis to be detected from the moment of X-axis rotation, Y-axis rotation, and Z-axis rotation, and to detect, for example, three axes.

センサチップ110は、起歪体20の上面側に、起歪体20から突出しないように接着されている。又、起歪体20の上面及び各側面に、センサチップ110に対して信号の入出力を行う基板30の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ110と基板30の各電極31とは、ボンディングワイヤ等(図示せず)により、電気的に接続されている。 The sensor chip 110 is adhered to the upper surface of the strain-generating body 20 so as not to protrude from the strain-generating body 20 . Further, one end of a substrate 30 for inputting and outputting signals to and from the sensor chip 110 is bonded to the upper surface and each side surface of the strain generating body 20 in an appropriately bent state. The sensor chip 110 and each electrode 31 of the substrate 30 are electrically connected by a bonding wire or the like (not shown).

起歪体20の側面には、能動部品32~35が配置されている。具体的には、能動部品32~35は、基板30(例えば、フレキシブルプリント基板)の一方の面に実装され、基板30の他方の面は、起歪体20の側面に固定されている。能動部品32~35は、基板30に形成された配線パターン(図示せず)を介して、対応する電極31と電気的に接続されている。 Active parts 32 to 35 are arranged on the sides of the strain generating body 20 . Specifically, the active components 32 to 35 are mounted on one surface of a substrate 30 (eg, flexible printed circuit board), and the other surface of the substrate 30 is fixed to the side surface of the strain generating body 20 . Active components 32 to 35 are electrically connected to corresponding electrodes 31 via wiring patterns (not shown) formed on substrate 30 .

より詳しくは、基板30において、起歪体20の第1の側面に配置された領域には能動部品32が実装されている。基板30において、起歪体20の第2の側面に配置された領域には能動部品33及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第3の側面に配置された領域には能動部品34及び受動部品39が実装されている。基板30において、起歪体20の第4の側面に配置された領域には能動部品35及び受動部品39が実装されている。なお、必要に応じ、起歪体20の第1の側面に配置された領域に、能動部品32に加え、受動部品39を実装してもよい。 More specifically, an active component 32 is mounted on the substrate 30 in a region located on the first side surface of the strain body 20 . An active component 33 and a passive component 39 are mounted on the substrate 30 in a region located on the second side surface of the strain-generating body 20 . An active component 34 and a passive component 39 are mounted on the substrate 30 in a region located on the third side surface of the strain-generating body 20 . An active component 35 and a passive component 39 are mounted on the substrate 30 in a region located on the fourth side surface of the strain-generating body 20 . In addition to the active component 32 , a passive component 39 may be mounted in the area arranged on the first side surface of the strain generating body 20 as necessary.

図3は、能動部品32~35について説明する回路ブロック図である。図3に示すように、能動部品33は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるX軸方向の力Fxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるY軸方向の力Fyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品33は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。 FIG. 3 is a circuit block diagram illustrating active components 32-35. As shown in FIG. 3, the active component 33 is electrically connected to the sensor chip 110, for example, an analog electrical signal from a bridge circuit that detects the X-axis direction force Fx output from the sensor chip 110, and An analog electrical signal is input from a bridge circuit that detects the force Fy in the Y-axis direction output from the sensor chip 110 . The active component 33 is, for example, a control IC having a function of converting an analog electric signal output from the sensor chip 110 into a digital electric signal, internally performing temperature correction, amplitude correction, etc., and outputting it as a digital electric signal. is.

能動部品34は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるZ軸方向の力Fzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるX軸を軸として回転させるモーメントMxを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品34は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。 The active component 34 is electrically connected to the sensor chip 110. For example, an analog electrical signal from a bridge circuit that detects the force Fz in the Z-axis direction output from the sensor chip 110 and an analog electrical signal output from the sensor chip 110 An analog electrical signal is input from a bridge circuit that detects a moment Mx rotating about the X axis. The active component 34 is, for example, a control IC having a function of converting an analog electric signal output by the sensor chip 110 into a digital electric signal, internally performing temperature correction, amplitude correction, etc., and outputting it as a digital electric signal. is.

能動部品35は、センサチップ110と電気的に接続され、例えば、センサチップ110から出力されるY軸を軸として回転させるモーメントMyを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ110から出力されるZ軸を軸として回転させるモーメントMzを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号が入力される。能動部品35は、例えば、センサチップ110が出力するアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換し、内部で温度補正や振幅補正等を施し、ディジタルの電気信号として出力する機能を備えた制御ICである。 The active component 35 is electrically connected to the sensor chip 110. For example, the analog electric signal from the bridge circuit that detects the moment My that rotates about the Y-axis output from the sensor chip 110, and the analog electric signal from the sensor chip 110 An analog electrical signal is input from a bridge circuit that detects the moment Mz that rotates about the output Z-axis. The active component 35 is, for example, a control IC having a function of converting an analog electric signal output from the sensor chip 110 into a digital electric signal, internally performing temperature correction, amplitude correction, etc., and outputting it as a digital electric signal. is.

能動部品32は、能動部品33~35と電気的に接続され、例えば、能動部品33、34、及び35の出力するディジタルの電気信号に対して所定の演算を行って、力Fx、Fy、及びFz、並びにモーメントMx、My、及びMzを力又はモーメントの単位に換算し、外部に出力する機能を備えた演算用ICである。能動部品32は、例えば、力Fx、Fy、及びFzを[N]の単位で、モーメントMx、My、及びMzを[N・cm]の単位で出力することができる。能動部品32は、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等であってもよい。受動部品39は、能動部品33~35に接続される抵抗やコンデンサ等である。 The active component 32 is electrically connected to the active components 33 to 35. For example, the active components 33, 34, and 35 perform a predetermined operation on digital electrical signals output by the active components 33, 34, and 35 to generate the forces Fx, Fy, and It is an arithmetic IC having a function of converting Fz and moments Mx, My, and Mz into units of force or moment and outputting them to the outside. The active component 32 can, for example, output forces Fx, Fy, and Fz in units of [N], and moments Mx, My, and Mz in units of [N·cm]. The active component 32 may be FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like. The passive components 39 are resistors, capacitors, etc. connected to the active components 33-35.

なお、センサチップ110からの6軸出力を全てディジタル化或いはディジタル化及び補正計算等を実施する場合、通常は1軸について1つの制御ICが必要となる。この場合、制御ICの実装スペースを力覚センサ装置1内に設けようとすると、最低6個分の配置スペースを確保する必要があり、力覚センサ装置1のサイズ拡大が必要となる。外部に制御ICが実装された制御基板モジュールを接続することで、力覚センサ装置1のサイズを拡大することなく出力のディジタル化を実現する方法も考えられるが、トータルとしてみた占有面積及び体積が増加するため好ましくない。又、6軸分の性能及び機能を有した制御ICを1チップ化することも考えられるが、この場合も、制御ICを6個とする上記の場合と比較すると小さくはなるものの、力覚センサ装置1内に設ける場合には力覚センサ装置1のサイズ拡大が必要となる。 In the case of digitizing all the 6-axis outputs from the sensor chip 110, or performing digitization and correction calculation, normally one control IC is required for each axis. In this case, if a mounting space for the control IC is to be provided in the force sensor device 1, it is necessary to secure an arrangement space for at least six ICs, and the size of the force sensor device 1 must be increased. It is conceivable to realize digitization of output without increasing the size of the force sensor device 1 by connecting a control board module on which a control IC is mounted externally. Unfavorable because it increases. It is also conceivable to integrate control ICs having performance and functions for six axes into a single chip. If it is provided inside the device 1, the size of the force sensor device 1 must be increased.

そこで、本実施の形態では、2つのチップをスタック実装して1つのパッケージに収容した2in1パッケージの制御ICを3個使用している。1チップのパッケージと2in1パッケージはサイズが大きく異ならないため、起歪体20の側面に制御ICを配置することができる。これにより、力覚センサ装置1のサイズ拡大を行うことなく、力覚センサ装置1内に6軸分の制御ICを実装可能となる。すなわち、能動部品を含めた力覚センサ装置1の小型化を実現できる。又、力覚センサ装置1のサイズ拡大を伴わずに、センサチップ110の出力信号のディジタル化が可能となる。 Therefore, in this embodiment, three 2-in-1 package control ICs, in which two chips are stacked and housed in one package, are used. Since the 1-chip package and the 2-in-1 package do not differ greatly in size, the control IC can be arranged on the side surface of the strain generating body 20 . This makes it possible to mount control ICs for six axes in the force sensor device 1 without enlarging the size of the force sensor device 1 . That is, it is possible to reduce the size of the force sensor device 1 including active components. Moreover, the output signal of the sensor chip 110 can be digitized without enlarging the size of the force sensor device 1 .

なお、能動部品32~35の機能をいくつのICで実現するかは任意に決定することができる。又、力覚センサ装置1内にいくつのICを実装するかは任意に決定することができる。例えば、力覚センサ装置1内に1つの制御ICのみを実装する形態としてもよい。 The number of ICs to implement the functions of the active components 32 to 35 can be arbitrarily determined. Also, the number of ICs to be mounted in the force sensor device 1 can be arbitrarily determined. For example, a form in which only one control IC is mounted in the force sensor device 1 may be employed.

基板30は、起歪体20の第1の側面の下方で外側に屈曲し、基板30の他端側が外部に引き出されている。基板30の他端側には、力覚センサ装置1と接続される外部回路(制御装置等)との電気的な入出力が可能な入出力端子(図示せず)が配列されている。 The substrate 30 is bent outward below the first side surface of the strain generating body 20, and the other end side of the substrate 30 is pulled out to the outside. On the other end side of the substrate 30, input/output terminals (not shown) are arranged which are capable of electrical input/output with an external circuit (control device, etc.) connected to the force sensor device 1. FIG.

このように、起歪体20の側面に能動部品(制御IC等)を配置することで、力覚センサ装置1としてのトータルサイズを最小に抑えつつ、能動部品により調整や補正がなされたディジタル信号を出力可能な力覚センサ装置1を実現することができる。 In this way, by arranging the active parts (control IC, etc.) on the side surface of the strain-generating body 20, the total size of the force sensor device 1 can be minimized, and the digital signal adjusted or corrected by the active parts can be obtained. can be realized.

又、2in1パッケージの制御ICを使用することで、力覚センサ装置1を大型化することなくディジタル出力化が可能となる。 Further, by using a 2-in-1 package control IC, digital output can be achieved without increasing the size of the force sensor device 1 .

又、基板30からはディジタルの電気信号が出力されるため、アナログの電気信号が出力される場合と比較して、ノイズ耐性を向上することができる。 In addition, since a digital electric signal is output from the substrate 30, noise resistance can be improved compared to the case where an analog electric signal is output.

なお、本実施の形態では、便宜上、力覚センサ装置1において、センサチップ110が設けられた側を上側又は一方の側、その反対側を下側又は他方の側とする。又、各部位のセンサチップ110が設けられた側の面を一方の面又は上面、その反対側の面を他方の面又は下面とする。但し、力覚センサ装置1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ110の上面の法線方向(Z軸方向)から視た形状を指すものとする。 In the present embodiment, for the sake of convenience, in the force sensor device 1, the side on which the sensor chip 110 is provided is the upper side or one side, and the opposite side is the lower side or the other side. The surface on which the sensor chip 110 of each part is provided is defined as one surface or upper surface, and the opposite surface is defined as the other surface or lower surface. However, the force sensor device 1 can be used upside down, or can be arranged at an arbitrary angle. Planar view means viewing an object from the normal direction (Z-axis direction) of the upper surface of the sensor chip 110, and planar shape means viewing the object from the normal direction (Z-axis direction) of the upper surface of the sensor chip 110. ) shall refer to the shape viewed from

(センサチップ110)
図4は、センサチップ110をZ軸方向上側から視た図であり、図4(a)は斜視図、図4(b)は平面図である。図5は、センサチップ110をZ軸方向下側から視た図であり、図5(a)は斜視図、図5(b)は底面図である。図5(b)において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ110の上面の一辺に平行な方向をX軸方向、垂直な方向をY軸方向、センサチップ110の厚さ方向(センサチップ110の上面の法線方向)をZ軸方向としている。X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向は、互いに直交している。
(Sensor chip 110)
4A and 4B are views of the sensor chip 110 viewed from above in the Z-axis direction, with FIG. 4A being a perspective view and FIG. 4B being a plan view. 5A and 5B are views of the sensor chip 110 viewed from below in the Z-axis direction, FIG. 5A being a perspective view, and FIG. 5B being a bottom view. In FIG. 5(b), for the sake of convenience, surfaces of the same height are shown with the same pear-skin pattern. The direction parallel to one side of the upper surface of the sensor chip 110 is the X-axis direction, the vertical direction is the Y-axis direction, and the thickness direction of the sensor chip 110 (the normal direction of the upper surface of the sensor chip 110) is the Z-axis direction. . The X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are orthogonal to each other.

図4及び図5に示すセンサチップ110は、1チップで最大6軸を検知できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサチップであり、SOI(Silicon On Insulator)基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ110の平面形状は、例えば、3000μm角程度の正方形とすることができる。 The sensor chip 110 shown in FIGS. 4 and 5 is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor chip capable of detecting up to six axes with one chip, and is formed from a semiconductor substrate such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate. The planar shape of the sensor chip 110 can be, for example, a square of about 3000 μm square.

センサチップ110は、柱状の5つの支持部111a~111eを備えている。支持部111a~111eの平面形状は、例えば、500μm角程度の正方形とすることができる。第1の支持部である支持部111a~111dは、センサチップ110の四隅に配置されている。第2の支持部である支持部111eは、支持部111a~111dの中央に配置されている。 The sensor chip 110 has five columnar support portions 111a to 111e. The planar shape of the support portions 111a to 111e can be, for example, a square of about 500 μm square. The support portions 111 a to 111 d, which are the first support portions, are arranged at the four corners of the sensor chip 110 . The support portion 111e, which is the second support portion, is arranged in the center of the support portions 111a to 111d.

支持部111a~111eは、例えば、SOI基板の活性層、BOX層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、500μm程度とすることができる。 The support portions 111a to 111e can be formed, for example, from an active layer, a BOX layer, and a support layer of an SOI substrate, and each can have a thickness of, for example, about 500 μm.

支持部111aと支持部111bとの間には、支持部111aと支持部111bとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112aが設けられている。支持部111bと支持部111cとの間には、支持部111bと支持部111cとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112bが設けられている。 Reinforcing beams 112a for reinforcing the structure are provided between the supporting portions 111a and 111b, both ends of which are fixed to the supporting portions 111a and 111b (connecting adjacent supporting portions). It is Between the support portions 111b and 111c, reinforcing beams 112b for reinforcing the structure are provided, both ends of which are fixed to the support portions 111b and 111c (connecting adjacent support portions). It is

支持部111cと支持部111dとの間には、支持部111cと支持部111dとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112cが設けられている。支持部111dと支持部111aとの間には、支持部111dと支持部111aとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、構造を補強するための補強用梁112dが設けられている。 Between the supporting portion 111c and the supporting portion 111d, a reinforcing beam 112c for reinforcing the structure is provided, which is fixed at both ends to the supporting portion 111c and the supporting portion 111d (connects adjacent supporting portions). It is Between the supporting portions 111d and 111a, reinforcing beams 112d for reinforcing the structure are provided, both ends of which are fixed to the supporting portions 111d and 111a (connecting adjacent supporting portions). It is

言い換えれば、第1の補強用梁である4つの補強用梁112a、112b、112c、及び112dが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部111b、111c、111d、111aとなる。 In other words, four reinforcing beams 112a, 112b, 112c, and 112d, which are the first reinforcing beams, are formed in a frame shape, and corners forming intersections of the respective reinforcing beams are support portions 111b, 111c, and 111d. , 111a.

支持部111aの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112eにより連結されている。支持部111bの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112fにより連結されている。 The inner corner of the support portion 111a and the opposite corner of the support portion 111e are connected by reinforcing beams 112e for reinforcing the structure. The inner corner of the support portion 111b and the opposing corner of the support portion 111e are connected by a reinforcing beam 112f for reinforcing the structure.

支持部111cの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112gにより連結されている。支持部111dの内側の角部と、それに対向する支持部111eの角部とは、構造を補強するための補強用梁112hにより連結されている。第2の補強用梁である補強用梁112e~112hは、X軸方向(Y軸方向)に対して斜めに配置されている。つまり、補強用梁112e~112hは、補強用梁112a、112b、112c、及び112dと非平行に配置されている。 The inner corner of the support portion 111c and the opposite corner of the support portion 111e are connected by a reinforcing beam 112g for reinforcing the structure. The inner corner of the support portion 111d and the opposing corner of the support portion 111e are connected by a reinforcing beam 112h for reinforcing the structure. The reinforcing beams 112e to 112h, which are the second reinforcing beams, are arranged obliquely with respect to the X-axis direction (Y-axis direction). That is, the reinforcing beams 112e to 112h are arranged non-parallel to the reinforcing beams 112a, 112b, 112c, and 112d.

補強用梁112a~112hは、例えば、SOI基板の活性層、BOX層、及び支持層から形成することができる。補強用梁112a~112hの太さ(短手方向の幅)は、例えば、140μm程度とすることができる。補強用梁112a~112hのそれぞれの上面は、支持部111a~111eの上面と略面一である。 The reinforcing beams 112a-112h can be formed, for example, from the active layer, the BOX layer and the supporting layer of the SOI substrate. The thickness (width in the lateral direction) of the reinforcing beams 112a to 112h can be, for example, approximately 140 μm. The top surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h are substantially flush with the top surfaces of the support portions 111a to 111e.

これに対して、補強用梁112a~112hのそれぞれの下面は、支持部111a~111eの下面及び力点114a~114dの下面よりも数10μm程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ110を起歪体20に接着したときに、補強用梁112a~112hの下面が起歪体20の対向する面と接しないようにするためである。 On the other hand, the lower surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h are recessed upward by several tens of micrometers from the lower surfaces of the support portions 111a to 111e and the power points 114a to 114d. This is to prevent the lower surfaces of the reinforcing beams 112a to 112h from contacting the opposite surfaces of the strain body 20 when the sensor chip 110 is adhered to the strain body 20. FIG.

このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ110全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。 In this manner, by arranging the stiffening reinforcing beams which are thicker than the sensing beams and have high rigidity, separately from the sensing beams for sensing strain, the rigidity of the sensor chip 110 as a whole can be increased. This makes it difficult for the beams other than the detection beams to deform with respect to the input, so that good sensor characteristics can be obtained.

支持部111aと支持部111bとの間の補強用梁112aの内側には、補強用梁112aと所定間隔を空けて平行に、支持部111aと支持部111bとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113aが設けられている。 Inside the reinforcing beam 112a between the supporting portion 111a and the supporting portion 111b, both ends were fixed to the supporting portion 111a and the supporting portion 111b in parallel with the reinforcing beam 112a with a predetermined interval (adjacent to each other). The support portions are connected to each other), and a detection beam 113a for detecting strain is provided.

検知用梁113aと支持部111eとの間には、検知用梁113a及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113aと平行に、検知用梁113bが設けられている。検知用梁113bは、補強用梁112eの支持部111e側の端部と補強用梁112fの支持部111e側の端部とを連結している。 Between the detection beam 113a and the support portion 111e, a detection beam 113b is provided parallel to the detection beam 113a with a predetermined gap from the detection beam 113a and the support portion 111e. The detection beam 113b connects the end of the reinforcing beam 112e on the side of the supporting portion 111e and the end of the reinforcing beam 112f on the side of the supporting portion 111e.

検知用梁113aの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113bの長手方向の略中央部とは、検知用梁113a及び検知用梁113bと直交するように配置された検知用梁113cにより連結されている。 The substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113a and the substantially central portion in the longitudinal direction of the opposing detection beam 113b are the detection beams arranged so as to be orthogonal to the detection beams 113a and 113b. 113c.

支持部111bと支持部111cとの間の補強用梁112bの内側には、補強用梁112bと所定間隔を空けて平行に、支持部111bと支持部111cとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113dが設けられている。 Inside the reinforcing beam 112b between the supporting portion 111b and the supporting portion 111c, both ends are fixed (adjacent The support portions are connected to each other), and a detection beam 113d for detecting strain is provided.

検知用梁113dと支持部111eとの間には、検知用梁113d及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113dと平行に、検知用梁113eが設けられている。検知用梁113eは、補強用梁112fの支持部111e側の端部と補強用梁112gの支持部111e側の端部とを連結している。 Between the detection beam 113d and the support portion 111e, a detection beam 113e is provided parallel to the detection beam 113d with a predetermined gap from the detection beam 113d and the support portion 111e. The detection beam 113e connects the end of the reinforcing beam 112f on the support portion 111e side and the end of the reinforcing beam 112g on the support portion 111e side.

検知用梁113dの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113eの長手方向の略中央部とは、検知用梁113d及び検知用梁113eと直交するように配置された検知用梁113fにより連結されている。 The substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113d and the substantially central portion in the longitudinal direction of the opposing detection beam 113e are the detection beams arranged so as to be orthogonal to the detection beams 113d and 113e. 113f.

支持部111cと支持部111dとの間の補強用梁112cの内側には、補強用梁112cと所定間隔を空けて平行に、支持部111cと支持部111dとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113gが設けられている。 Inside the reinforcing beam 112c between the supporting portion 111c and the supporting portion 111d, both ends are fixed to the supporting portion 111c and the supporting portion 111d in parallel with the reinforcing beam 112c at a predetermined interval (adjacent to each other). The supporting portions are connected to each other), and a detection beam 113g for detecting strain is provided.

検知用梁113gと支持部111eとの間には、検知用梁113g及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113gと平行に、検知用梁113hが設けられている。検知用梁113hは、補強用梁112gの支持部111e側の端部と補強用梁112hの支持部111e側の端部とを連結している。 Between the detection beam 113g and the support portion 111e, a detection beam 113h is provided parallel to the detection beam 113g with a predetermined gap from the detection beam 113g and the support portion 111e. The detection beam 113h connects the end portion of the reinforcing beam 112g on the support portion 111e side and the end portion of the reinforcing beam 112h on the support portion 111e side.

検知用梁113gの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113hの長手方向の略中央部とは、検知用梁113g及び検知用梁113hと直交するように配置された検知用梁113iにより連結されている。 The substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113g and the substantially central portion in the longitudinal direction of the opposing detection beam 113h are the detection beams arranged so as to be perpendicular to the detection beams 113g and 113h. 113i.

支持部111dと支持部111aとの間の補強用梁112dの内側には、補強用梁112dと所定間隔を空けて平行に、支持部111dと支持部111aとに両端を固定された(隣接する支持部同士を連結する)、歪を検知するための検知用梁113jが設けられている。 Inside the reinforcing beam 112d between the supporting portion 111d and the supporting portion 111a, both ends were fixed to the supporting portion 111d and the supporting portion 111a in parallel with the reinforcing beam 112d with a predetermined interval (adjacent to the supporting portion 111d). The support portions are connected to each other), and a detection beam 113j for detecting strain is provided.

検知用梁113jと支持部111eとの間には、検知用梁113j及び支持部111eと所定間隔を空けて検知用梁113jと平行に、検知用梁113kが設けられている。検知用梁113kは、補強用梁112hの支持部111e側の端部と補強用梁112eの支持部111e側の端部とを連結している。 Between the detection beam 113j and the support portion 111e, a detection beam 113k is provided parallel to the detection beam 113j with a predetermined gap from the detection beam 113j and the support portion 111e. The detection beam 113k connects the end of the reinforcing beam 112h on the support portion 111e side and the end of the reinforcing beam 112e on the support portion 111e side.

検知用梁113jの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁113kの長手方向の略中央部とは、検知用梁113j及び検知用梁113kと直交するように配置された検知用梁113lにより連結されている。 The substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113j and the substantially central portion in the longitudinal direction of the opposing detection beam 113k are the detection beams arranged orthogonal to the detection beams 113j and 113k. 113l.

検知用梁113a~113lは、支持部111a~111eの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、SOI基板の活性層から形成することができる。検知用梁113a~113lの太さ(短手方向の幅)は、例えば、75μm程度とすることができる。検知用梁113a~113lのそれぞれの上面は、支持部111a~111eの上面と略面一である。検知用梁113a~113lのそれぞれの厚さは、例えば、50μm程度とすることができる。 The detection beams 113a to 113l are provided on the upper end side in the thickness direction of the supporting portions 111a to 111e, and can be formed from, for example, an active layer of an SOI substrate. The thickness (width in the lateral direction) of the detection beams 113a to 113l can be, for example, about 75 μm. The top surfaces of the detection beams 113a to 113l are substantially flush with the top surfaces of the support portions 111a to 111e. The thickness of each of the detection beams 113a to 113l can be, for example, approximately 50 μm.

検知用梁113aの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113aと検知用梁113cとの交点)には、力点114aが設けられている。検知用梁113a、113b、及び113cと力点114aとにより、1組の検知ブロックをなしている。 A force point 114a is provided on the lower surface side of the central portion of the detection beam 113a in the longitudinal direction (the intersection of the detection beam 113a and the detection beam 113c). The detection beams 113a, 113b, and 113c and the power point 114a form a set of detection blocks.

検知用梁113dの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113dと検知用梁113fとの交点)には、力点114bが設けられている。検知用梁113d、113e、及び113fと力点114bとにより、1組の検知ブロックをなしている。 A force point 114b is provided on the lower surface side of the detection beam 113d in the center in the longitudinal direction (the intersection of the detection beam 113d and the detection beam 113f). The detection beams 113d, 113e, and 113f and the power point 114b form a set of detection blocks.

検知用梁113gの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113gと検知用梁113iとの交点)には、力点114cが設けられている。検知用梁113g、113h、及び113iと力点114cとにより、1組の検知ブロックをなしている。 A force point 114c is provided on the lower surface side of the detection beam 113g in the center in the longitudinal direction (the intersection of the detection beam 113g and the detection beam 113i). The detection beams 113g, 113h, and 113i and the power point 114c form a set of detection blocks.

検知用梁113jの長手方向の中央部の下面側(検知用梁113jと検知用梁113lとの交点)には、力点114dが設けられている。検知用梁113j、113k、及び113lと力点114dとにより、1組の検知ブロックをなしている。 A power point 114d is provided on the lower surface side of the central portion of the detection beam 113j in the longitudinal direction (the intersection of the detection beam 113j and the detection beam 113l). The detection beams 113j, 113k, and 113l and the power point 114d form a set of detection blocks.

力点114a~114dは、外力が印加される箇所であり、例えば、SOI基板のBOX層及び支持層から形成することができる。力点114a~114dのそれぞれの下面は、支持部111a~111eの下面と略面一である。 Force points 114a-114d are locations where external forces are applied, and can be formed, for example, from the BOX layer and support layer of an SOI substrate. The lower surfaces of the power points 114a-114d are substantially flush with the lower surfaces of the support portions 111a-111e.

このように、力又は変位を4つの力点114a~114dから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、6軸の分離性が良いセンサを実現することができる。 In this way, by taking in force or displacement from the four force points 114a to 114d, different deformations of the beam can be obtained for each type of force, so a sensor with good six-axis separability can be realized.

なお、センサチップ110において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はR状とすることが好ましい。 In addition, in the sensor chip 110, from the viewpoint of suppressing stress concentration, it is preferable that the portion forming the internal angle be rounded.

図6は、センサチップ110のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。4つの力点114a~114dに対応する各検知ブロックの所定位置には、複数の歪検知素子であるピエゾ抵抗素子が配置されている。 FIG. 6 is a diagram illustrating the arrangement of the piezoresistive elements of the sensor chip 110. As shown in FIG. Piezoresistive elements, which are a plurality of strain sensing elements, are arranged at predetermined positions of each sensing block corresponding to the four power points 114a to 114d.

具体的には、図4及び図6を参照すると、力点114aに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MxR3及びMxR4は、検知用梁113aを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113aの検知用梁113cに近い領域において検知用梁113cを長手方向(Y方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FyR3及びFyR4は、検知用梁113aを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112a側であって、かつ、検知用梁113aの検知用梁113cから遠い領域において検知用梁113cを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 Specifically, referring to FIGS. 4 and 6, in the sensing block corresponding to the force point 114a, the piezoresistive elements MxR3 and MxR4 are on a line that bisects the sensing beam 113a in the longitudinal direction, and In a region of the detection beam 113a close to the detection beam 113c, they are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the detection beam 113c in the longitudinal direction (Y direction). The piezoresistive elements FyR3 and FyR4 are located on the reinforcing beam 112a side of the line that bisects the sensing beam 113a in the longitudinal direction, and in a region far from the sensing beam 113c of the sensing beam 113a. 113c are positioned symmetrically about a line that bisects 113c longitudinally.

又、ピエゾ抵抗素子MzR3'及びMzR4'は、検知用梁113aを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113aの支持部111a、111bと連結される位置と力点114aと連結される位置の中点近傍において検知用梁113cを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 In addition, the piezoresistive elements MzR3′ and MzR4′ are located on a line that bisects the detection beam 113a in the longitudinal direction and are connected to the support portions 111a and 111b of the detection beam 113a and the force point 114a. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the detection beam 113c in the longitudinal direction in the vicinity of the midpoint of the connecting position.

ここで、検知用梁113aは、支持部111a、111b又は力点114aと連結される位置の検知用梁113aの幅より、ピエゾ抵抗素子MzR3'及びMzR4'が形成された位置の検知用梁113aの幅の方が小さい。検知用梁113aは、支持部111a、111bと連結される位置と力点114aと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁113aの上にピエゾ抵抗素子MzR3'及びMzR4'が形成されている。 Here, the width of the detection beam 113a at the position where the piezoresistive elements MzR3′ and MzR4′ are formed is larger than the width of the detection beam 113a at the position where the support portions 111a and 111b or the force point 114a is connected. width is smaller. The detection beam 113a has a portion where the beam width is narrowed between the position where the beam width is connected to the support portions 111a and 111b and the position where the force point 114a is connected. Piezoresistive elements MzR3' and MzR4' are formed on the beam 113a.

力点114bに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MyR3及びMyR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113dの検知用梁113fに近い領域において検知用梁113fを長手方向(X方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FxR3及びFxR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112b側であって、かつ、検知用梁113dの検知用梁113fから遠い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 In the sensing block corresponding to the force point 114b, the piezoresistive elements MyR3 and MyR4 sense on a line that bisects the sensing beam 113d in the longitudinal direction and in a region of the sensing beam 113d close to the sensing beam 113f. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113f in the longitudinal direction (X direction). The piezoresistive elements FxR3 and FxR4 are located on the side of the reinforcing beam 112b from the line that bisects the sensing beam 113d in the longitudinal direction and in a region far from the sensing beam 113f of the sensing beam 113d. 113f are arranged symmetrically about a line that bisects 113f in the longitudinal direction.

又、ピエゾ抵抗素子MzR3及びMzR4は、検知用梁113dを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113dの支持部111b、111cと連結される位置と力点114bと連結される位置の中点近傍において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 In addition, the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 are on a line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and are connected to the support portions 111b and 111c of the detection beam 113d and to the force point 114b. symmetrical with respect to a line that bisects the detection beam 113f in the longitudinal direction near the midpoint of the position where the detection beam 113f is located.

ここで、検知用梁113dは、支持部111b、111c又は力点114bと連結される位置の検知用梁113dの幅より、ピエゾ抵抗素子MzR3及びMzR4が形成された位置の検知用梁113dの幅の方が小さい。検知用梁113dは、支持部111b、111cと連結される位置と力点114bと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁113dの上にピエゾ抵抗素子MzR3及びMzR4が形成されている。 Here, the width of the detection beam 113d at the position where the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 are formed is larger than the width of the detection beam 113d at the position where it is connected to the support portions 111b and 111c or the force point 114b. smaller. The detection beam 113d has a portion where the width of the beam is narrowed between the position where the support portions 111b and 111c are connected and the position where the power point 114b is connected. Piezoresistive elements MzR3 and MzR4 are formed on the beam 113d.

ピエゾ抵抗素子FzR2及びFzR3は、検知用梁113eを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113eの検知用梁113fに近い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FzR1'及びFzR4'は、検知用梁113eを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113eの検知用梁113fから遠い領域において検知用梁113fを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 The piezoresistive elements FzR2 and FzR3 are located on a line that bisects the sensing beam 113e in the longitudinal direction and bisects the sensing beam 113f in the longitudinal direction in a region near the sensing beam 113f of the sensing beam 113e. They are arranged symmetrically with respect to the dividing line. The piezoresistive elements FzR1' and FzR4' are on a line that bisects the sensing beam 113e in the longitudinal direction and extend along the sensing beam 113f in the region far from the sensing beam 113f. They are arranged symmetrically about the line that bisects them.

ここで、検知用梁113eは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有する。直線部は検知用梁113eの梁幅が略一定の部分である。傾斜部は、検知用梁113eの端部もしくは検知用梁113fに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子FzR2、FzR3、FzR1'、FzR4'は、上記の構成の検知用梁113eにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。 Here, the detection beam 113e has a straight portion and an inclined portion connected to the straight portion by a connecting portion. The linear portion is a portion where the beam width of the detection beam 113e is substantially constant. The inclined portion is provided at the end of the detection beam 113e or at the portion connected to the detection beam 113f, and the beam width of the inclined portion gradually increases with increasing distance from the connecting portion. The piezoresistive elements FzR2, FzR3, FzR1', and FzR4' are arranged on the inclined portion side of the connecting portion in the detection beam 113e having the above configuration.

すなわち、ピエゾ抵抗素子FzR2、FzR3、FzR1'、FzR4'は、検知用梁113eの直線部上ではなく、傾斜部の内部に配置されているといえる。又、ピエゾ抵抗素子FzR1'及びFzR4'については、ピエゾ抵抗素子FzR1'及びFzR4'の一部がそれぞれ補強用梁112g或いは補強用梁112fにかかるように形成されている。 That is, it can be said that the piezoresistive elements FzR2, FzR3, FzR1', and FzR4' are arranged not on the straight portion of the sensing beam 113e but inside the inclined portion. Further, the piezoresistive elements FzR1' and FzR4' are formed so that a part of the piezoresistive elements FzR1' and FzR4' overlaps the reinforcing beam 112g or the reinforcing beam 112f, respectively.

力点114cに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MxR1及びMxR2は、検知用梁113gを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113gの検知用梁113iに近い領域において検知用梁113iを長手方向(Y方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FyR1及びFyR2は、検知用梁113gを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112c側であって、かつ、検知用梁113gの検知用梁113iから遠い領域において検知用梁113iを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 In the sensing block corresponding to the force point 114c, the piezoresistive elements MxR1 and MxR2 sense on a line that bisects the sensing beam 113g in the longitudinal direction and in a region of the sensing beam 113g close to the sensing beam 113i. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113i in the longitudinal direction (Y direction). The piezoresistive elements FyR1 and FyR2 are located on the side of the reinforcing beam 112c from the line that bisects the sensing beam 113g in the longitudinal direction and in a region far from the sensing beam 113i of the sensing beam 113g. 113i are arranged symmetrically about a line that bisects 113i in the longitudinal direction.

ピエゾ抵抗素子MzR1'及びMzR2'は、検知用梁113gを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113gの支持部111c、111dと連結される位置と力点114cと連結される位置の中点近傍において検知用梁113iを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 The piezoresistive elements MzR1′ and MzR2′ are on a line that bisects the detection beam 113g in the longitudinal direction, and are connected to the support portions 111c and 111d of the detection beam 113g and to the force point 114c. symmetrical with respect to a line that bisects the detection beam 113i in the longitudinal direction in the vicinity of the midpoint of the position.

ここで、検知用梁113gは、支持部111c、111d又は力点114cと連結される位置の検知用梁113gの幅より、ピエゾ抵抗素子MzR1'及びMzR2'が形成された位置の検知用梁113gの幅の方が小さい。 Here, the width of the detection beam 113g at the position where the piezoresistive elements MzR1′ and MzR2′ are formed is larger than the width of the detection beam 113g at the position where it is connected to the support portions 111c, 111d or the force point 114c. width is smaller.

すなわち、検知用梁113gは、支持部111c、111dと連結される位置と力点114cと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁113gの上にピエゾ抵抗素子MzR1'及びMzR2'が形成されている。 In other words, the detection beam 113g has a portion where the width of the beam is narrowed between the position where the support portions 111c and 111d are connected and the position where the power point 114c is connected. Piezoresistive elements MzR1' and MzR2' are formed on the sensing beam 113g.

力点114dに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子MyR1及びMyR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113jの検知用梁113lに近い領域において検知用梁113lを長手方向(X方向)に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FxR1及びFxR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線よりも補強用梁112d側であって、かつ、検知用梁113jの検知用梁113lから遠い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 In the sensing block corresponding to the force point 114d, the piezoresistive elements MyR1 and MyR2 sense on a line that bisects the sensing beam 113j in the longitudinal direction and in a region of the sensing beam 113j close to the sensing beam 113l. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113l in the longitudinal direction (X direction). The piezoresistive elements FxR1 and FxR2 are located on the reinforcing beam 112d side of the line that bisects the sensing beam 113j in the longitudinal direction, and in a region far from the sensing beam 113l of the sensing beam 113j. 113l are positioned symmetrically about a line that bisects 113l in the longitudinal direction.

ピエゾ抵抗素子MzR1及びMzR2は、検知用梁113jを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113jの支持部111d、111aと連結される位置と力点114dと連結される位置の中点近傍において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 The piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are located on a line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction, and are connected to the support portions 111d and 111a of the detection beam 113j and to the force point 114d. are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the detection beam 113l in the longitudinal direction in the vicinity of the midpoint of .

ここで、検知用梁113jは、支持部111d、111a又は力点114dと連結される位置の検知用梁113jの幅より、ピエゾ抵抗素子MzR1及びMzR2が形成された位置の検知用梁113jの幅の方が小さい。 Here, the width of the detection beam 113j at the position where the piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are formed is larger than the width of the detection beam 113j at the position where it is connected to the support portions 111d and 111a or the force point 114d. smaller.

すなわち、検知用梁113jは、支持部111d、111aと連結される位置と力点114dと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁113jの上にピエゾ抵抗素子MzR1及びMzR2が形成されている。 That is, the detection beam 113j has a portion where the beam width is narrowed between the position where it is connected to the support portions 111d and 111a and the position where it is connected with the power point 114d. Piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are formed on the sensing beam 113j.

ピエゾ抵抗素子FzR1及びFzR4は、検知用梁113kを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113kの検知用梁113lから遠い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子FzR2'及びFzR3'は、検知用梁113kを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁113kの検知用梁113lに近い領域において検知用梁113lを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。 The piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are located on a line that bisects the sensing beam 113k in the longitudinal direction, and in a region far from the sensing beam 113l of the sensing beam 113k, the sensing beam 113l is bisected in the longitudinal direction. They are arranged symmetrically with respect to the dividing line. The piezoresistive elements FzR2′ and FzR3′ are on a line that bisects the sensing beam 113k in the longitudinal direction, and extend the sensing beam 113l in the longitudinal direction in a region of the sensing beam 113k near the sensing beam 113l. They are arranged symmetrically about the line that bisects them.

ここで、検知用梁113kは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有する。直線部は検知用梁113kの梁幅が略一定の部分である。傾斜部は、検知用梁113kの端部もしくは検知用梁113lに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子FzR1、FzR4、FzR2'、FzR3'は、上記の構成の検知用梁113kにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。 Here, the detection beam 113k has a straight portion and an inclined portion connected to the straight portion by a connecting portion. The linear portion is a portion where the beam width of the detection beam 113k is substantially constant. The sloped portion is provided at the end of the detection beam 113k or at the portion connected to the detection beam 113l, and the beam width of the sloped portion gradually increases with increasing distance from the connecting portion. The piezoresistive elements FzR1, FzR4, FzR2', and FzR3' are arranged on the inclined portion side of the connecting portion in the beam 113k for detection having the above configuration.

すなわち、ピエゾ抵抗素子FzR1、FzR4、FzR2'、FzR3'は、検知用梁113kの直線部上ではなく、傾斜部の内部に配置されているといえる。又、ピエゾ抵抗素子FzR1及びFzR4については、ピエゾ抵抗素子FzR1及びFzR4の一部がそれぞれ補強用梁112h或いは補強用梁112eにかかるように形成されている。 That is, it can be said that the piezoresistive elements FzR1, FzR4, FzR2', and FzR3' are arranged not on the straight portion of the sensing beam 113k but inside the inclined portion. Further, the piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are formed so that a part of the piezoresistive elements FzR1 and FzR4 respectively overlaps the reinforcing beam 112h or the reinforcing beam 112e.

このように、センサチップ110では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点114a~114dに印加(伝達)された力の向き(軸方向)に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知することができる。 In this way, in the sensor chip 110, a plurality of piezoresistive elements are separately arranged in each detection block. As a result, based on changes in the outputs of the plurality of piezoresistive elements arranged on the predetermined beams in accordance with the directions (axial directions) of the forces applied (transmitted) to the force points 114a to 114d, Up to 6 axes of displacement can be detected.

又、センサチップ110では、検知用梁113c、113f、113i、及び113lをできるだけ短くして、検知用梁113b、113e、113h、及び113kを検知用梁113a、113d、113g、及び113jに近づけ、検知用梁113b、113e、113h、及び113kの長さをできるだけ確保する構造としている。この構造により、検知用梁113b、113e、113h、及び113kが弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、耐荷重を向上することができる。 Further, in the sensor chip 110, the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l are shortened as much as possible, and the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k are brought closer to the detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j, The structure is such that the lengths of the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k are secured as much as possible. With this structure, the detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k can be easily bent in a bow shape, stress concentration can be alleviated, and load resistance can be improved.

又、センサチップ110では、検知用梁113c、113f、113i、及び113lにはピエゾ抵抗素子を配置していない。その代り、検知用梁113c、113f、113i、及び113lよりも細くて長く、弓なりに撓みやすい検知用梁113a、113d、113g、及び113j、並びに検知用梁113b、113e、113h、及び113kの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。その結果、センサチップ110では、効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度(同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化)を向上することができる。 Further, in the sensor chip 110, no piezoresistive elements are arranged on the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l. Instead, the stresses in sense beams 113a, 113d, 113g, and 113j, which are thinner and longer than sense beams 113c, 113f, 113i, and 113l, and which are more likely to bow, and sense beams 113b, 113e, 113h, and 113k, are stressed. A piezoresistive element is placed in the vicinity of the position where . As a result, the sensor chip 110 can take in the stress efficiently, and the sensitivity (resistance change of the piezoresistive element with respect to the same stress) can be improved.

なお、センサチップ110では、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外にも、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されている。ダミーのピエゾ抵抗素子は、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部111eの中心に対して点対称となるように配置されている。 In the sensor chip 110, dummy piezoresistive elements are arranged in addition to the piezoresistive elements used for strain detection. The dummy piezoresistive elements are arranged so that all the piezoresistive elements including the piezoresistive elements used for strain detection are point-symmetrical with respect to the center of the supporting portion 111e.

ここで、ピエゾ抵抗素子FxR1~FxR4は力Fxを検出し、ピエゾ抵抗素子FyR1~FyR4は力Fyを検出し、ピエゾ抵抗素子FzR1~FzR4、FzR1'~FzR4'は力Fzを検出する。ピエゾ抵抗素子MxR1~MxR4はモーメントMxを検出し、ピエゾ抵抗素子MyR1~MyR4はモーメントMyを検出し、ピエゾ抵抗素子MzR1~MzR4、MzR1'~MzR4'はモーメントMzを検出する。本実施の形態においては、ピエゾ抵抗素子FzR1'~FzR4'をダミーとして、ピエゾ抵抗素子FzR1~FzR4から力Fzを検出してもよい。又、ピエゾ抵抗素子MzR1'~MzR4'をダミーとして、ピエゾ抵抗素子MzR1~MzR4からモーメントMzを検出してもよい。 Here, piezoresistive elements FxR1 to FxR4 detect force Fx, piezoresistive elements FyR1 to FyR4 detect force Fy, and piezoresistive elements FzR1 to FzR4 and FzR1' to FzR4' detect force Fz. The piezoresistive elements MxR1-MxR4 detect the moment Mx, the piezoresistive elements MyR1-MyR4 detect the moment My, and the piezoresistive elements MzR1-MzR4, MzR1'-MzR4' detect the moment Mz. In this embodiment, the force Fz may be detected from the piezoresistive elements FzR1 to FzR4 by using the piezoresistive elements FzR1′ to FzR4′ as dummies. Alternatively, the moment Mz may be detected from the piezoresistive elements MzR1 to MzR4 by using the piezoresistive elements MzR1′ to MzR4′ as dummies.

このように、センサチップ110では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点114a~114dに印加(伝達)された力又は変位の向き(軸方向)に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で6軸検知することができる。 In this way, in the sensor chip 110, a plurality of piezoresistive elements are separately arranged in each detection block. As a result, according to the direction (axial direction) of the force or displacement applied (transmitted) to the points of force 114a to 114d, the output of the plurality of piezoresistive elements arranged on the predetermined beam is changed, and the output of the predetermined axis is changed. Directional displacement can be detected in up to six axes.

具体的には、センサチップ110において、Z軸方向の変位(Mx、My、Fz)は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、X軸方向及びY軸方向のモーメント(Mx、My)は、第1の検知用梁である検知用梁113a、113d、113g、及び113jの変形に基づいて検知することができる。又、Z軸方向の力(Fz)は、第2の検知用梁である検知用梁113e及び113kの変形に基づいて検知することができる。 Specifically, in the sensor chip 110, the displacement (Mx, My, Fz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of a predetermined detection beam. That is, the moments (Mx, My) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of the first detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j. Also, the force (Fz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the detection beams 113e and 113k, which are the second detection beams.

又、センサチップ110において、X軸方向及びY軸方向の変位(Fx、Fy、Mz)は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、X軸方向及びY軸方向の力(Fx、Fy)は、第1の検知用梁である検知用梁113a、113d、113g、及び113jの変形に基づいて検知することができる。又、Z軸方向のモーメント(Mz)は、第1の検知用梁である検知用梁113a、113d、113g、及び113jの変形に基づいて検知することができる。 In addition, in the sensor chip 110, displacements (Fx, Fy, Mz) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of predetermined detection beams. That is, the forces (Fx, Fy) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be detected based on the deformation of the first detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j. Also, the moment (Mz) in the Z-axis direction can be detected based on the deformation of the first detection beams 113a, 113d, 113g, and 113j.

上記の本実施の形態のセンサチップは、検知用梁113eは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有し、ピエゾ抵抗素子FzR2、FzR3、FzR1'、FzR4'は、上記の構成の検知用梁113eにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。又、検知用梁113kは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有し、ピエゾ抵抗素子FzR1、FzR4、FzR2'、FzR3'は、上記の構成の検知用梁113kにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。 In the sensor chip of the present embodiment described above, the detection beam 113e has a linear portion and an inclined portion connected to the linear portion by the connecting portion, and the piezoresistive elements FzR2, FzR3, FzR1', and FzR4' , in the detection beam 113e configured as described above, are arranged closer to the inclined portion than the connecting portion. The sensing beam 113k has a straight portion and an inclined portion connected to the straight portion by a connecting portion. , it is arranged closer to the inclined portion than the connecting portion.

各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。 By varying the thickness and width of each detection beam, it is possible to make adjustments such as making the detection sensitivity uniform and improving the detection sensitivity.

但し、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、5軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。 However, it is also possible to reduce the number of piezoresistive elements and make a sensor chip that detects displacement in a predetermined axial direction of five axes or less.

図7は、センサチップ110における電極配置と配線を例示する図であり、センサチップ110をZ軸方向上側から視た平面図である。図7に示すように、センサチップ110は、電気信号を取り出すための複数の電極15を有している。各電極15は、力点114a~114dに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ110の支持部111a~111dの上面に配置されている。各ピエゾ抵抗素子から電極15までの配線16は、各補強用梁上及び各検知用梁上を適宜引き回すことができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating the electrode arrangement and wiring in the sensor chip 110, and is a plan view of the sensor chip 110 viewed from above in the Z-axis direction. As shown in FIG. 7, the sensor chip 110 has a plurality of electrodes 15 for taking out electrical signals. Each electrode 15 is arranged on the upper surface of the support portions 111a to 111d of the sensor chip 110, which are least distorted when force is applied to the force points 114a to 114d. The wiring 16 from each piezoresistive element to the electrode 15 can be routed appropriately on each reinforcing beam and each detecting beam.

このように、各補強用梁は、必要に応じて配線を引き出す際の迂回路としても利用できるため、検知用梁とは別に補強用梁を配置することで、配線設計の自由度を向上することができる。これにより、各ピエゾ抵抗素子を、より理想的な位置に配置することが可能となる。 In this way, each reinforcing beam can also be used as a detour when wiring is drawn out as needed, so by arranging the reinforcing beams separately from the detection beams, the degree of freedom in wiring design is improved. be able to. This makes it possible to arrange each piezoresistive element at a more ideal position.

図8は、センサチップ110の温度センサを例示する拡大平面図である。図7及び図8に示すように、センサチップ110は、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子に温度補正を行うための温度センサ17を備えている。温度センサ17は、4つのピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4がブリッジ接続された構成である。 FIG. 8 is an enlarged plan view illustrating temperature sensors of the sensor chip 110. FIG. As shown in FIGS. 7 and 8, the sensor chip 110 includes a temperature sensor 17 for temperature correction of the piezoresistive element used for strain detection. The temperature sensor 17 has a configuration in which four piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4 are bridge-connected.

ピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4のうち、対向する2つは歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子MxR1等と同一特性とされている。又、ピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4のうち、対向する他の2つは、不純物半導体により不純物濃度を変えることで、ピエゾ抵抗素子MxR1等と異なる特性とされている。これにより、温度変化によりブリッジのバランスが崩れるため、温度検出が可能となる。 Of the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4, two opposing ones have the same characteristics as the piezoresistive element MxR1 used for strain detection. Among the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4, the other two facing each other have different characteristics from those of the piezoresistive elements MxR1 and the like by changing the impurity concentration with an impurity semiconductor. This makes it possible to detect the temperature because the balance of the bridge is lost due to the change in temperature.

なお、歪み検出用に用いるピエゾ抵抗素子(MxR1等)は、全て、センサチップ110を構成する半導体基板(シリコン等)の結晶方位に水平又は垂直に配置されている。これにより、同じ歪みに対して、より大きな抵抗の変化を得ることができ、印加される力及びモーメントの測定精度を向上させることが可能となる。 The piezoresistive elements (MxR1, etc.) used for strain detection are all arranged horizontally or vertically with respect to the crystal orientation of the semiconductor substrate (silicon, etc.) forming the sensor chip 110 . This makes it possible to obtain a larger change in resistance for the same strain, and to improve the measurement accuracy of the applied force and moment.

これに対して、温度センサ17を構成するピエゾ抵抗素子TR1、TR2、TR3、及びTR4は、センサチップ110を構成する半導体基板(シリコン等)の結晶方位に対して45度傾けて配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化を低減できるため、温度変化のみを精度よく検知できる。 On the other hand, the piezoresistive elements TR1, TR2, TR3, and TR4 forming the temperature sensor 17 are arranged at an angle of 45 degrees with respect to the crystal orientation of the semiconductor substrate (silicon or the like) forming the sensor chip 110. . As a result, resistance change due to stress can be reduced, so only temperature change can be detected with high accuracy.

又、温度センサ17は、力点114a~114dに力が印加された際の歪みが最も少ない、センサチップ110の支持部111aの上面に配置されている。これにより、応力に対する抵抗変化をいっそう低減できる。 Moreover, the temperature sensor 17 is arranged on the upper surface of the support portion 111a of the sensor chip 110, which is least distorted when force is applied to the force points 114a to 114d. This can further reduce the change in resistance to stress.

なお、ピエゾ抵抗素子は、本発明にかかる歪検出素子の代表的な一例である。 A piezoresistive element is a representative example of the strain sensing element according to the present invention.

(起歪体20)
図9は、起歪体20を例示する図(その1)であり、図9(a)は斜視図、図9(b)は側面図である。図10は、起歪体20を例示する図(その2)であり、図10(a)は平面図、図10(b)は図10(a)のA-A線に沿う縦断面斜視図である。図10(a)において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。図11は、起歪体20を例示する図(その3)であり、図11(a)は図10(a)のB-B線に沿う縦断面図であり、図11(b)は図11(a)のC-C線に沿う横断面図である。
(Strain generating body 20)
9A and 9B are diagrams (part 1) illustrating the strain generating body 20, FIG. 9A being a perspective view, and FIG. 9B being a side view. 10A and 10B are diagrams (part 2) illustrating the strain generating body 20, in which FIG. 10A is a plan view, and FIG. is. In FIG. 10(a), for the sake of convenience, surfaces of the same height are shown with the same pear-skin pattern. 11A and 11B are diagrams (part 3) illustrating the strain-generating body 20, FIG. 11(a) being a longitudinal sectional view taken along line BB of FIG. 11(a) is a cross-sectional view taken along line CC of FIG.

図9~図11に示すように、起歪体20は、被固定部に直接取り付けられる土台21と、センサチップ110を搭載するセンサチップ搭載部となる柱28と、柱28の周囲に離間して配置された柱22a~22dとを備えている。 As shown in FIGS. 9 to 11, the strain body 20 includes a base 21 directly attached to the fixed portion, a pillar 28 serving as a sensor chip mounting portion for mounting the sensor chip 110, and spaced apart around the pillar 28. and pillars 22a-22d arranged in parallel with each other.

より詳しくは、起歪体20において、略円形の土台21の上面に、土台21の中心に対して均等(点対称)となるように4本の柱22a~22dが配置され、隣接する柱の土台21とは反対側同士を連結する梁23a~23dが枠状に設けられている。そして、土台21の上面中央の上方に、柱28が配置されている。なお、土台21の平面形状は円形には限定されず、多角形等(例えば、正方形等)としてもよい。 More specifically, in the strain generating body 20, four pillars 22a to 22d are arranged on the upper surface of a substantially circular base 21 so as to be even (point symmetrical) with respect to the center of the base 21. Frame-shaped beams 23a to 23d are provided to connect opposite sides of the base 21 to each other. A pillar 28 is arranged above the center of the upper surface of the base 21 . Note that the planar shape of the base 21 is not limited to a circle, and may be a polygon or the like (for example, a square or the like).

柱28は、柱22a~22dよりも太くて短く形成されている。なお、センサチップ110は、柱22a~22dの上面から突出しないように、柱28上に固定される。 The pillar 28 is thicker and shorter than the pillars 22a-22d. The sensor chip 110 is fixed on the column 28 so as not to protrude from the upper surfaces of the columns 22a to 22d.

柱28は、土台21の上面には直接固定されていなく、接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定されている。そのため、土台21の上面と柱28の下面との間には空間がある。柱28の下面と、接続用梁28a~28dの各々の下面とは、面一とすることができる。 The pillars 28 are not directly fixed to the upper surface of the base 21, but are fixed to the pillars 22a to 22d via connecting beams 28a to 28d. Therefore, there is a space between the top surface of the base 21 and the bottom surface of the pillar 28 . The lower surface of the column 28 and the lower surface of each of the connecting beams 28a-28d can be flush with each other.

柱28の接続用梁28a~28dが接続される部分の横断面形状は例えば矩形であり、矩形の四隅と矩形の四隅に対向する柱22a~22dとが接続用梁28a~28dを介して接続されている。接続用梁28a~28dが、柱22a~22dと接続される位置221~224は、柱22a~22dの高さ方向の中間よりも下側であることが好ましい。この理由については、後述する。なお、柱28の接続用梁28a~28dが接続される部分の横断面形状は矩形には限定されず、円形や多角形等(例えば、六角形等)としてもよい。 The cross-sectional shape of the portion of the column 28 to which the connection beams 28a to 28d are connected is, for example, a rectangle, and the four corners of the rectangle and the columns 22a to 22d facing the four corners of the rectangle are connected via the connection beams 28a to 28d. It is Positions 221 to 224 where the connecting beams 28a to 28d are connected to the columns 22a to 22d are preferably lower than the middle of the columns 22a to 22d in the height direction. The reason for this will be described later. The cross-sectional shape of the portion of the column 28 to which the connection beams 28a to 28d are connected is not limited to a rectangle, and may be circular or polygonal (for example, hexagonal).

接続用梁28a~28dは、土台21の中心に対して均等(点対称)となるように、土台21の上面と所定間隔を空けて土台21の上面と略平行に配置されている。接続用梁28a~28dの太さや厚み(剛性)は、起歪体20の変形を妨げないようにするため、柱22a~22dや梁23a~23dよりも細く薄く形成することが好ましい。 The connecting beams 28a to 28d are arranged substantially parallel to the upper surface of the base 21 with a predetermined gap therebetween so as to be even (point symmetrical) with respect to the center of the base 21. As shown in FIG. The thickness and thickness (rigidity) of the connection beams 28a-28d are preferably thinner and thinner than the columns 22a-22d and the beams 23a-23d so as not to hinder the deformation of the strain generating body 20.

このように、土台21の上面と柱28の下面とは所定の距離だけ離れている。所定の距離は、例えば、数mm程度とすることができる。柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造とした場合、土台21の上面と柱28の下面との距離を長くするほど、ねじ締結時の柱28の変形が低減され、結果としてセンサチップ110のFz出力(オフセット)が低減される。一方、土台21の上面と柱28の下面との距離を長くするほど、センサチップ110の出力が低下する(感度が低下する)。 Thus, the upper surface of the base 21 and the lower surface of the pillar 28 are separated by a predetermined distance. The predetermined distance can be, for example, approximately several millimeters. If the column 28 is not directly fixed to the top surface of the base 21 but is fixed to the columns 22a to 22d via the connection beams 28a to 28d, the distance between the top surface of the base 21 and the bottom surface of the column 28 is , the deformation of the column 28 during screw fastening is reduced, and as a result, the Fz output (offset) of the sensor chip 110 is reduced. On the other hand, the longer the distance between the upper surface of the base 21 and the lower surface of the column 28, the lower the output of the sensor chip 110 (the lower the sensitivity).

すなわち、柱28は、柱22a~22dの中間よりも下側に接続することが好ましい。これにより、センサチップ110の感度を確保しながら、ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)を低減することができる。 That is, it is preferable that the column 28 be connected to the lower side of the middle of the columns 22a to 22d. As a result, the Fz output (offset) of the sensor chip 110 during screw fastening can be reduced while ensuring the sensitivity of the sensor chip 110 .

ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)の低減を土台21の剛性を上げることで達成しようとした場合、土台21の厚みを厚くする必要があり、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなってしまう。柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造とすることにより、力覚センサ装置全体のサイズが大きくなることなく、ねじ締結時のセンサチップ110のFz出力(オフセット)を低減することができる。 If an attempt is made to reduce the Fz output (offset) of the sensor chip 110 during screw fastening by increasing the rigidity of the base 21, the thickness of the base 21 must be increased, which increases the overall size of the force sensor device. turn into. The structure in which the column 28 is fixed to the columns 22a to 22d via the connection beams 28a to 28d without directly fixing the column 28 to the upper surface of the base 21 increases the size of the entire force sensor device. Therefore, it is possible to reduce the Fz output (offset) of the sensor chip 110 during screw fastening.

又、柱28を土台21の上面には直接固定せず、柱28を接続用梁28a~28dを介して柱22a~22dに固定する構造とすることにより、モーメント(Mx、My)入力時のモーメント成分(Mx、My)と並進方向の力成分(Fx、Fy)の分離性を向上することができる。 In addition, the column 28 is not directly fixed to the top surface of the base 21, but is fixed to the columns 22a to 22d via the connection beams 28a to 28d, thereby reducing the moment (Mx, My) input. Separability between moment components (Mx, My) and translational force components (Fx, Fy) can be improved.

土台21には、起歪体20を被固定部にねじ等を用いて締結するための貫通孔21xが設けられている。本実施の形態では、土台21には4つの貫通孔21xが設けられているが、貫通孔21xの個数は任意に決定することができる。 The base 21 is provided with a through hole 21x for fastening the strain generating body 20 to a fixed portion using a screw or the like. In this embodiment, the base 21 is provided with four through-holes 21x, but the number of through-holes 21x can be arbitrarily determined.

土台21を除く起歪体20の概略形状は、例えば、縦5000μm程度、横5000μm程度、高さ7000μm程度の直方体状とすることができる。柱22a~22dの横断面形状は、例えば、1000μm角程度の正方形とすることができる。柱28の横断面形状は、例えば、2000μm角程度の正方形とすることができる。 The general shape of the strain body 20 excluding the base 21 can be, for example, a rectangular parallelepiped shape with a length of about 5000 μm, a width of about 5000 μm, and a height of about 7000 μm. The cross-sectional shape of the pillars 22a to 22d can be, for example, a square of about 1000 μm square. The cross-sectional shape of the column 28 can be, for example, a square of about 2000 μm square.

但し、起歪体20において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はR状とすることが好ましい。例えば、柱22a~22dの土台21の上面の中心側の面は、上下がR状に形成されていることが好ましい。同様に、梁23a~23dの土台21の上面と対向する面は、左右がR状に形成されていることが好ましい。 However, in the strain body 20, from the viewpoint of suppressing stress concentration, it is preferable that the portion forming the internal angle be R-shaped. For example, it is preferable that the center side surface of the upper surface of the base 21 of the columns 22a to 22d is formed in a rounded shape at the top and bottom. Similarly, the surfaces of the beams 23a to 23d facing the upper surface of the base 21 are preferably rounded on the left and right sides.

なお、R状の部分の曲率半径が大きいほど、応力集中を抑制する効果が大きくなる。しかし、R状の部分の曲率半径を大きくし過ぎると、起歪体20が大型化し、結果として力覚センサ装置1も大型化するため、R状の部分の曲率半径を大きくすることには限界がある。 It should be noted that the greater the radius of curvature of the R-shaped portion, the greater the effect of suppressing stress concentration. However, if the radius of curvature of the R-shaped portion is made too large, the strain-generating body 20 becomes large, and as a result, the force sensor device 1 also becomes large. There is

そこで、本実施の形態では、図10(a)に濃い梨地模様で示したように、力覚センサ装置1にMx、My、及びMzが印加された際に過大な応力集中が発生する梁23a~23dの長手方向の中央部を両端部よりも太くしている。そして、梁23a~23dの長手方向の中央部は、柱22a~22dの側面よりも内側及び外側に張り出した張り出し部を備えている。 Therefore, in the present embodiment, as shown by the dark satin pattern in FIG. 10A, the beam 23a on which excessive stress concentration occurs when Mx, My, and Mz are applied to the force sensor device 1 23d in the longitudinal direction is thicker than both ends. The central portions of the beams 23a to 23d in the longitudinal direction are provided with projecting portions projecting inwardly and outwardly from the side surfaces of the pillars 22a to 22d.

これにより、梁23a~23dの長手方向の中央部の断面積が大きくなるため、力覚センサ装置1にMx、My、及びMzが印加された際に、元々応力集中していた梁23a~23dの長手方向の中央部に発生する応力を低減することができる。すなわち、梁23a~23dの長手方向の中央部への応力集中を緩和することができる。 As a result, the cross-sectional areas of the central portions in the longitudinal direction of the beams 23a to 23d are increased, so that when Mx, My, and Mz are applied to the force sensor device 1, the beams 23a to 23d on which the stress was originally concentrated It is possible to reduce the stress generated in the central portion in the longitudinal direction of the . That is, it is possible to relax the stress concentration on the longitudinal central portions of the beams 23a to 23d.

又、梁23a~23dの長手方向の中央部の側面を柱22a~22dの側面よりも外側に張り出させて張り出し部を設けたことにより、起歪体20の4つの側面に余剰空間が生じたため、能動部品32~35の各々の少なくても一部分を余剰空間に入り込ませることができ、起歪体20の側面に効率的に配置することができる(図1、図2等参照)。 In addition, since the side surfaces of the beams 23a to 23d in the central portion in the longitudinal direction are projected outward from the side surfaces of the columns 22a to 22d to provide the projecting portions, surplus spaces are generated on the four side surfaces of the strain generating body 20. Therefore, at least a portion of each of the active components 32 to 35 can be inserted into the surplus space, and can be efficiently arranged on the side surface of the strain generating body 20 (see FIGS. 1, 2, etc.).

能動部品32~35は、例えば、梁23a~23dよりも土台21側の起歪体20の側面において、平面視で張り出し部と少なくとも一部が重複するように配置することができる(図2(a)、図2(b)等参照)。 For example, the active parts 32 to 35 can be arranged so that at least a part of the overhanging portion overlaps the side surface of the strain generating body 20 closer to the base 21 than the beams 23a to 23d (FIG. 2 ( a), see FIG. 2(b), etc.).

梁23a~23dのそれぞれの上面の長手方向の中央部には、梁23a~23dの長手方向の中央部から上方に突起する入力部24a~24dが設けられている。入力部24a~24dは、例えば、矩形状であるが、円形、楕円形、その他のより複雑な形状等であってもよい。入力部24a~24dは外部から力が印加される部分であり、入力部24a~24dに力が印加されると、それに応じて梁23a~23d及び柱22a~22dが変形する。 Input portions 24a to 24d project upward from the longitudinal central portions of the upper surfaces of the beams 23a to 23d, respectively. The input sections 24a-24d are, for example, rectangular, but may be circular, elliptical, or other more complicated shapes. The input portions 24a to 24d are portions to which force is applied from the outside, and when force is applied to the input portions 24a to 24d, the beams 23a to 23d and the columns 22a to 22d are deformed accordingly.

このように、4つの入力部24a~24dを設けることで、例えば1つの入力部の構造と比較して、梁23a~23dの耐荷重を向上することができる。 By providing the four input portions 24a to 24d in this manner, the load resistance of the beams 23a to 23d can be improved compared to the structure of one input portion, for example.

柱28の上面の四隅には4本の柱25a~25dが配置され、柱28の上面の中央部には第4の柱である柱25eが配置されている。柱25a~25eは、同一の高さに形成されている。 Four pillars 25a to 25d are arranged at the four corners of the upper surface of the pillar 28, and a fourth pillar 25e is arranged at the central portion of the upper surface of the pillar 28. As shown in FIG. The pillars 25a-25e are formed at the same height.

すなわち、柱25a~25eのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。柱25a~25eのそれぞれの上面は、センサチップ110の下面と接着される接合部となる。 That is, the upper surfaces of the columns 25a to 25e are located on the same plane. The upper surface of each of the pillars 25a to 25e serves as a joint that is adhered to the lower surface of the sensor chip 110. As shown in FIG.

梁23a~23dのそれぞれの内側面の長手方向の中央部には、梁23a~23dのそれぞれの内側面から水平方向内側に突出する梁26a~26dが設けられている。梁26a~26dは、梁23a~23dや柱22a~22dの変形をセンサチップ110に伝達する梁である。又、梁26a~26dのそれぞれの上面の先端側には、梁26a~26dのそれぞれの上面の先端側から上方に突起する突起部27a~27dが設けられている。 Beams 26a to 26d projecting inward in the horizontal direction from the inner surfaces of the beams 23a to 23d are provided at the longitudinal central portions of the inner surfaces of the beams 23a to 23d, respectively. The beams 26a-26d are beams that transmit the deformation of the beams 23a-23d and the columns 22a-22d to the sensor chip 110. FIG. Protrusions 27a to 27d projecting upward from the tip sides of the upper surfaces of the beams 26a to 26d are provided on the tip sides of the upper surfaces of the beams 26a to 26d, respectively.

突起部27a~27dは、同一の高さに形成されている。すなわち、突起部27a~27dのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。突起部27a~27dのそれぞれの上面は、センサチップ110の下面と接着される接合部となる。梁26a~26d及び突起部27a~27dは、可動部となる梁23a~23dと連結されているため、入力部24a~24dに力が印加されると、それに応じて変形する。 The protrusions 27a to 27d are formed at the same height. That is, the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d are positioned on the same plane. The upper surface of each of the protrusions 27a to 27d serves as a joint portion that is adhered to the lower surface of the sensor chip 110. As shown in FIG. The beams 26a to 26d and the projections 27a to 27d are connected to the beams 23a to 23d, which are movable parts, so that when a force is applied to the input parts 24a to 24d, they deform accordingly.

なお、入力部24a~24dに力が印加されていない状態では、柱25a~25eのそれぞれの上面と、突起部27a~27dのそれぞれの上面とは、同一平面上に位置している。 Note that when no force is applied to the input portions 24a-24d, the upper surfaces of the columns 25a-25e and the upper surfaces of the protrusions 27a-27d are positioned on the same plane.

起歪体20において、土台21、柱22a~22d、柱28、梁23a~23d、入力部24a~24d、柱25a~25e、梁26a~26d、及び突起部27a~27dの各部位は、剛性を確保しかつ精度良く作製する観点から、一体に形成されていることが好ましい。起歪体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いSUS630を用いることが好ましい。 In the strain generating body 20, the base 21, the columns 22a to 22d, the columns 28, the beams 23a to 23d, the input portions 24a to 24d, the columns 25a to 25e, the beams 26a to 26d, and the protrusions 27a to 27d are rigid. is preferably formed integrally from the viewpoint of securing and manufacturing with high accuracy. As a material of the strain generating body 20, for example, a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used. Among them, SUS630, which is particularly hard and has high mechanical strength, is preferably used.

このように、センサチップ110と同様に、起歪体20も柱と梁とを備えた構造とすることで、印加される力によって6軸それぞれで異なる変形を示すため、6軸の分離性が良い変形をセンサチップ110に伝えることができる。 In this way, like the sensor chip 110, the strain-generating body 20 also has a structure including columns and beams, so that different deformations are exhibited in each of the six axes depending on the applied force. A good deformation can be transmitted to the sensor chip 110 .

すなわち、起歪体20の入力部24a~24dに印加された力を、柱22a~22d、梁23a~23d、及び梁26a~26dを介してセンサチップ110に伝達し、センサチップ110で変位を検知する。そして、センサチップ110において、1つの軸につき1個ずつ形成されたブリッジ回路から各軸の出力を得ることができる。 That is, the forces applied to the input portions 24a to 24d of the strain generating body 20 are transmitted to the sensor chip 110 via the columns 22a to 22d, the beams 23a to 23d, and the beams 26a to 26d, and the sensor chip 110 causes displacement. detect. In the sensor chip 110, an output of each axis can be obtained from a bridge circuit formed for each axis.

(力覚センサ装置1の製造工程)
図12~図15は、力覚センサ装置1の製造工程を例示する図である。まず、図12に示す工程では、起歪体20の柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面に接着剤41を塗布する。そして、センサチップ110の下面が柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面に塗布された接着剤41と接するように、センサチップ110を起歪体20内に加圧しながら配置する。そして、接着剤41を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、センサチップ110が起歪体20内に固定される。具体的には、センサチップ110の支持部111a~111dが各々柱25a~25e上に固定され、支持部111eが柱25e上に固定され、力点114a~114dが各々突起部27a~27d上に固定される。
(Manufacturing process of the force sensor device 1)
12 to 15 are diagrams illustrating the manufacturing process of the force sensor device 1. FIG. First, in the process shown in FIG. 12, an adhesive 41 is applied to the upper surfaces of the pillars 25a to 25e and the projections 27a to 27d of the strain body 20. As shown in FIG. Then, the sensor chip 110 is placed under pressure in the strain generating body 20 so that the lower surface of the sensor chip 110 is in contact with the adhesive 41 applied to the upper surfaces of the columns 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d. . Then, the adhesive 41 is heated to a predetermined temperature and cured. As a result, the sensor chip 110 is fixed inside the strain generating body 20 . Specifically, the support portions 111a to 111d of the sensor chip 110 are fixed on the columns 25a to 25e, respectively, the support portion 111e is fixed on the column 25e, and the power points 114a to 114d are fixed on the protrusions 27a to 27d, respectively. be done.

起歪体20は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いSUS630を用いることが好ましい。起歪体20を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体20を作製できる。 The strain-generating body 20 can be integrally formed by, for example, molding, cutting, wire discharge, or the like. As a material of the strain generating body 20, for example, a hard metal material such as SUS (stainless steel) can be used. Among them, SUS630, which is particularly hard and has high mechanical strength, is preferably used. When the strain-generating body 20 is produced by molding, for example, metal particles and a binder resin are placed in a mold and molded, and then sintered to evaporate the resin, thereby forming a strain-generating body 20 made of metal. A body 20 can be made.

接着剤41としては、例えば、変性シリコーン等の接着剤を用いることができる。接着剤41のヤング率は130MPa以上1.5GPa以下が好ましく、接着剤41の厚さは10μm以上40μm以下が好ましい。 As the adhesive 41, for example, an adhesive such as modified silicone can be used. The Young's modulus of the adhesive 41 is preferably 130 MPa or more and 1.5 GPa or less, and the thickness of the adhesive 41 is preferably 10 μm or more and 40 μm or less.

センサチップ110は、例えば、SOI基板を準備し、準備した基板にエッチング加工(例えば、反応性イオンエッチング等)等を施す周知の方法により作製できる。又、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等によりアルミニウム等の金属膜を成膜後、金属膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることにより作製できる。 The sensor chip 110 can be manufactured, for example, by a well-known method of preparing an SOI substrate and subjecting the prepared substrate to an etching process (for example, reactive ion etching, etc.). Also, the electrodes and wiring can be produced by, for example, forming a metal film of aluminum or the like on the surface of the substrate by sputtering or the like, and then patterning the metal film by photolithography.

次に、図13に示す工程では、能動部品32~35及び受動部品39が実装された基板30を準備する。基板30は、柱22a~22dの上面(端面)に固定される端面固定部30aを備えている。図13において、十字がクロスする領域が端面固定部30aである。端面固定部30aの四隅には、電極31(ボンディングパッド)が設けられている。 Next, in the process shown in FIG. 13, the board 30 on which the active components 32 to 35 and the passive component 39 are mounted is prepared. The substrate 30 has an end surface fixing portion 30a fixed to the top surfaces (end surfaces) of the columns 22a to 22d. In FIG. 13, the area crossed by the cross is the end face fixing portion 30a. Electrodes 31 (bonding pads) are provided at the four corners of the end surface fixing portion 30a.

基板30は、端面固定部30aから4方向に延伸し、図15(a)の工程で端面固定部30aに対して屈曲して柱22a~22dの側面に固定される側面固定部30b~30eを備えている。 The substrate 30 extends in four directions from the end fixing portion 30a, and has side fixing portions 30b to 30e that are bent with respect to the end fixing portion 30a and fixed to the side surfaces of the columns 22a to 22d in the process of FIG. I have.

本実施の形態では、側面固定部30bには能動部品32が実装され、側面固定部30cには能動部品33及び受動部品39が実装され、側面固定部30dには能動部品34及び受動部品39が実装され、側面固定部30eには能動部品35及び受動部品39が実装されている。但し、側面固定部30b~30eの全てに能動部品が実装される必要はなく、側面固定部30b~30eうちの少なくとも1つに能動部品が実装されていればよい。 In this embodiment, the active component 32 is mounted on the side fixed portion 30b, the active component 33 and the passive component 39 are mounted on the side fixed portion 30c, and the active component 34 and the passive component 39 are mounted on the side fixed portion 30d. An active component 35 and a passive component 39 are mounted on the side fixing portion 30e. However, it is not necessary to mount the active component on all of the side fixed portions 30b to 30e, and it is sufficient that at least one of the side fixed portions 30b to 30e is mounted with the active component.

基板30は、側面固定部30bから延伸する延伸部30fを備えている。延伸部30fの端部には、力覚センサ装置1と接続される外部回路(制御装置等)との電気的な入出力が可能な入出力端子(図示せず)が配列されている。 The substrate 30 has an extension portion 30f extending from the side fixing portion 30b. An input/output terminal (not shown) capable of electrical input/output with an external circuit (such as a control device) connected to the force sensor device 1 is arranged at the end of the extended portion 30f.

端面固定部30aは、図14(a)の工程で柱22a~22dの上面(端面)に固定される際にセンサチップ110及び入力部24a~24dを露出する開口部30xを備えている。開口部30xは、端面固定部30aから側面固定部30b~30eの各々の一部に延伸している。 The end face fixing portion 30a has an opening 30x that exposes the sensor chip 110 and the input portions 24a to 24d when it is fixed to the upper surfaces (end faces) of the columns 22a to 22d in the process of FIG. 14(a). The opening 30x extends from the end fixing portion 30a to part of each of the side fixing portions 30b to 30e.

このように、基板30は、開口部30xが設けられていること、配線の引き回しの容易性、及び能動部品32~35が実装されることから、例えば、十字形状の外形とすることができる。 In this way, the substrate 30 can have, for example, a cross-shaped outer shape due to the opening 30x, the ease of wiring, and the mounting of the active components 32-35.

上記のような基板30を準備した後、柱22a~22dの上面に、接着剤42を塗布する。接着剤42としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤42は、基板30を起歪体20上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。 After preparing the substrate 30 as described above, an adhesive 42 is applied to the upper surfaces of the columns 22a to 22d. As the adhesive 42, for example, an epoxy-based adhesive or the like can be used. The adhesive 42 is for fixing the substrate 30 onto the strain generating body 20, and since no force is applied from the outside, a general-purpose adhesive can be used.

次に、図14(a)に示す工程では、基板30の端面固定部30aの四隅の下面が柱22a~22dの上面に塗布された接着剤42と接するように、基板30を起歪体20上に配置する。この時点では、側面固定部30b~30eは、端面固定部30aに対して屈曲していない。 Next, in the step shown in FIG. 14(a), the substrate 30 is attached to the strain body 20 so that the lower surfaces of the four corners of the end surface fixing portion 30a of the substrate 30 are in contact with the adhesive 42 applied to the upper surfaces of the columns 22a to 22d. place on top. At this point, the side fixing portions 30b to 30e are not bent with respect to the end face fixing portion 30a.

次に、図14(b)に示す工程では、柱22a~22dの各々の外側を向く2側面に接着剤43を(例えば、上下方向に2カ所ずつ)塗布する。但し、能動部品32が実装された部分の基板30の下面と接着される領域では、柱22a及び22dの側面下方から土台21の上面外周部に延伸するように接着剤43を塗布する。 Next, in the step shown in FIG. 14B, the adhesive 43 is applied (for example, two places in the vertical direction) on the two side surfaces facing the outside of each of the columns 22a to 22d. However, in the area where the active component 32 is mounted and adhered to the lower surface of the substrate 30, the adhesive 43 is applied so as to extend from the lower sides of the pillars 22a and 22d to the outer periphery of the upper surface of the base 21. FIG.

接着剤43としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤43は、基板30を起歪体20上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。接着剤43として、接着剤42と同じ接着剤を用いてもよい。或いは、接着剤42としてはワイヤボンディング性を確保するためにフィラー入りの比較的硬い(ヤング率の高い)接着剤を用い、接着剤43としては起歪体20の変形に追従する柔軟性を確保するために比較的柔らかい(ヤング率の低い)接着剤を用いてもよい。又、接着剤43は、図13の工程で接着剤42と共に塗布してもよい。 As the adhesive 43, for example, an epoxy-based adhesive or the like can be used. The adhesive 43 is for fixing the substrate 30 onto the strain generating body 20, and since force is not applied from the outside, a general-purpose adhesive can be used. As the adhesive 43, the same adhesive as the adhesive 42 may be used. Alternatively, as the adhesive 42, a filler-containing relatively hard (high Young's modulus) adhesive is used in order to secure wire bonding properties, and as the adhesive 43, flexibility to follow the deformation of the strain generating body 20 is secured. A relatively soft (low Young's modulus) adhesive may be used to Alternatively, the adhesive 43 may be applied together with the adhesive 42 in the process of FIG.

次に、図15(a)に示す工程では、起歪体20上に配された端面固定部30aから水平方向にはみ出した側面固定部30b~30eを、起歪体20の各側面側に折り曲げる。そして、基板30を起歪体20側に加圧しながら接着剤42及び43を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、基板30が起歪体20に固定される。なお、基板30はフレキシブル基板であり、起歪体20に対して十分に柔らかいことや、基板30と起歪体20とが部分的な接着であることから、基板30は起歪体20の変形を阻害しない。 Next, in the process shown in FIG. 15(a), the side surface fixing portions 30b to 30e protruding in the horizontal direction from the end surface fixing portion 30a arranged on the strain body 20 are bent toward the side surfaces of the strain body 20. . Then, the adhesives 42 and 43 are heated to a predetermined temperature and hardened while pressing the substrate 30 toward the strain generating body 20 side. Thereby, the substrate 30 is fixed to the strain generating body 20 . Note that the substrate 30 is a flexible substrate and is sufficiently soft with respect to the strain-generating body 20, and the substrate 30 and the strain-generating body 20 are partially bonded. do not impede

次に、基板30の電極31とセンサチップ110の対応する電極15とをボンディングワイヤ(金線や銅線等の金属線)等(図示せず)により電気的に接続する。基板30において、端面固定部30aの、柱22a~22dの上面(端面)と平面視で重複する四隅の領域に電極31が形成されているが、柱22a~22dの上面(端面)は、入力部24a~24dに力が印加された際の歪みが最も少ない領域である。そのため、この領域は、超音波で加圧することが容易であり、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。以上の工程により力覚センサ装置1が完成する。 Next, the electrodes 31 of the substrate 30 and the corresponding electrodes 15 of the sensor chip 110 are electrically connected by bonding wires (metal wires such as gold wires and copper wires) or the like (not shown). In the substrate 30, the electrodes 31 are formed in the four corner regions overlapping the upper surfaces (end surfaces) of the pillars 22a to 22d in plan view of the end surface fixing portion 30a. This is the region with the least strain when force is applied to the portions 24a-24d. Therefore, this region can be easily pressurized with ultrasonic waves, and wire bonding can be performed stably. The force sensor device 1 is completed through the above steps.

このように、力覚センサ装置1は、センサチップ110、起歪体20、及び基板30の3部品のみで作製できるため、組み立てが容易であり、かつ位置合わせ箇所も最低限で済むため、実装起因による精度の劣化を抑制できる。 In this way, since the force sensor device 1 can be manufactured with only three parts, the sensor chip 110, the strain-generating body 20, and the substrate 30, it is easy to assemble, and since the number of positions to be aligned can be kept to a minimum, it is easy to mount. It is possible to suppress the deterioration of accuracy due to the cause.

又、起歪体20において、センサチップ110との接続箇所(柱25a~25eの上面、及び突起部27a~27dの上面)は全て同一平面にあるため、起歪体20に対するセンサチップ110の位置合わせが1回で済み、起歪体20にセンサチップ110を実装することが容易である。 Further, in the strain body 20, the connection points with the sensor chip 110 (upper surfaces of the pillars 25a to 25e and upper surfaces of the protrusions 27a to 27d) are all on the same plane. It is easy to mount the sensor chip 110 on the strain-generating body 20 because only one alignment is required.

なお、図15(b)に示すように、更にカバーを接着する工程を設けてもよい。図15(b)に示す工程では、起歪体20の土台21より上側及びセンサチップ110を覆うように、入力部24a~24dを露出する開口部が設けられたカバー50を土台21の外周部に接着する。入力部24a~24dは、開口部を通ってカバー50の上面側に突出する。カバー50としては、例えば、金属材の表面にニッケルめっき等を施した材料を用いることができる。 In addition, as shown in FIG. 15(b), a step of adhering the cover may be further provided. In the step shown in FIG. 15B, a cover 50 provided with openings for exposing the input portions 24a to 24d is placed on the outer periphery of the base 21 so as to cover the upper side of the base 21 of the strain body 20 and the sensor chip 110. to adhere to. The input portions 24a to 24d protrude to the upper surface side of the cover 50 through the openings. As the cover 50, for example, a material obtained by plating the surface of a metal material with nickel or the like can be used.

基板30は起歪体20に接着されており、かつ、基板30の能動部品32~35が実装された部分は、基板30を折り曲げた際に、起歪体20の高さ方向のサイズ以内に収まっている。そのため、基板30は、カバー50の取付を阻害しない。 The substrate 30 is adhered to the strain-generating body 20, and the portion of the substrate 30 on which the active components 32 to 35 are mounted is within the size of the strain-generating body 20 in the height direction when the substrate 30 is bent. It's settled. Therefore, the board 30 does not interfere with the mounting of the cover 50 .

カバー50を設けることにより、防塵及び電気ノイズ対策が可能となる。特に、金属製の起歪体20及びカバー50を、銀ペースト等を用いて、基板30のGNDと電気的に接続することにより、ノイズ耐性(信号安定性)を高めることができる。この場合、基板30に、センサチップ110及び能動部品32~35とは系列の異なるGND端子を設け、このGND端子と起歪体20及びカバー50とを電気的に接続することが好ましい。 By providing the cover 50, dust prevention and electrical noise countermeasures can be achieved. In particular, noise resistance (signal stability) can be enhanced by electrically connecting the metal strain element 20 and the cover 50 to the GND of the substrate 30 using silver paste or the like. In this case, it is preferable that the substrate 30 is provided with a GND terminal of a different series from that of the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 and that this GND terminal is electrically connected to the strain generating body 20 and the cover 50 .

ここで、基板30の形状について、さらに詳しく説明する。 Here, the shape of the substrate 30 will be described in more detail.

図16は、図2の部分拡大図である。図17は、図16のD-D線に沿う断面図である。図18は、図16の部分拡大図である。図16~図18では、図13に示す端面固定部30aの四隅を、それぞれ電極配置部61~64としている。 16 is a partially enlarged view of FIG. 2. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line DD of FIG. 16. FIG. 18 is a partially enlarged view of FIG. 16. FIG. 16 to 18, the four corners of the end surface fixing portion 30a shown in FIG. 13 are used as electrode placement portions 61 to 64, respectively.

例えば、平面視で、センサチップ110は矩形であり、平面視で、矩形の2本の対角線の延長線上に柱22a~22dが配置されている。そして、各々の柱の上面に、電極配置部61~64が固定されている。平面視で、電極配置部61~64は、センサチップ110の矩形の対角線に対して線対称の形状であってもよい。平面視で、電極配置部61~64は、同一の形状であってもよい。ここいう同一の形状は、回転対称な形状を含むものとする。 For example, the sensor chip 110 is rectangular in plan view, and the pillars 22a to 22d are arranged on extension lines of two diagonal lines of the rectangle in plan view. Electrode placement portions 61 to 64 are fixed to the upper surface of each column. The electrode arrangement portions 61 to 64 may have a line-symmetrical shape with respect to the diagonal line of the rectangle of the sensor chip 110 in plan view. The electrode arrangement portions 61 to 64 may have the same shape in plan view. The same shape here includes rotationally symmetrical shapes.

電極配置部61~64の下面は、樹脂(図13の接着剤42)により、それぞれ柱22a~22dの上面に固定されている。そして、電極配置部61~64から側面固定部30b~30eが延伸し、樹脂(図14の接着剤43)により、側面固定部30b~30eの下面が柱22a~22dの側面に固定されている。ただし、図17では、接着剤42及び43の図示は省略されている。 The lower surfaces of the electrode arrangement portions 61 to 64 are fixed to the upper surfaces of the columns 22a to 22d, respectively, with resin (adhesive 42 in FIG. 13). The side fixing portions 30b to 30e extend from the electrode arrangement portions 61 to 64, and the lower surfaces of the side fixing portions 30b to 30e are fixed to the side surfaces of the columns 22a to 22d with resin (adhesive 43 in FIG. 14). . However, in FIG. 17, illustration of the adhesives 42 and 43 is omitted.

図18に示すように、平面視で、電極配置部61の輪郭は、側面固定部30eとの境界となる第1部分611と、第1部分611の入力部24a側の端部に連続する第2部分612とを含む。そして、平面視で、第2部分612は、第1部分611の入力部24a側の端部を通り梁23aの長手方向と垂直な方向に引いた第1仮想直線L1に対して入力部24a側にはみ出す部分を有する。第2部分612において、第1仮想直線L1に対して入力部24a側にはみ出す部分は、断面視で入力部24aの裾野に接する程度まではみ出してもよい。 As shown in FIG. 18 , in plan view, the contour of the electrode placement portion 61 includes a first portion 611 that is a boundary with the side fixing portion 30e and a second portion that is continuous with the end portion of the first portion 611 on the input portion 24a side. 2 parts 612 . In a plan view, the second portion 612 is located near the input portion 24a with respect to a first imaginary straight line L1 drawn in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam 23a through the end of the first portion 611 on the input portion 24a side. It has a part that sticks out. A portion of the second portion 612 that protrudes toward the input portion 24a with respect to the first imaginary straight line L1 may protrude to the extent that it touches the base of the input portion 24a in a cross-sectional view.

また、平面視で、電極配置部61の輪郭は、側面固定部30bとの境界となる第3部分613と、第3部分613の入力部24d側の端部に連続する第4部分614とを含む。そして、平面視で、第4部分614は、第3部分613の入力部24d側の端部を通り梁23dの長手方向と垂直な方向に引いた第2仮想直線L2に対して入力部24d側にはみ出す部分を有する。第4部分614において、第2仮想直線L2に対して入力部24d側にはみ出す部分は、断面視で入力部24dの裾野に接する程度まではみ出してもよい。 Further, in a plan view, the contour of the electrode arrangement portion 61 is composed of a third portion 613 that forms a boundary with the side fixing portion 30b, and a fourth portion 614 that is continuous with the end portion of the third portion 613 on the input portion 24d side. include. In a plan view, the fourth portion 614 is located on the input portion 24d side with respect to a second imaginary straight line L2 drawn in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam 23d through the end of the third portion 613 on the input portion 24d side. It has a part that sticks out. A portion of the fourth portion 614 that protrudes toward the input portion 24d with respect to the second imaginary straight line L2 may protrude to the extent that it touches the base of the input portion 24d in a cross-sectional view.

なお、梁の長手方向とは、平面視で、隣接する柱の上面の重心同士を結ぶ直線の方向を指す。 Note that the longitudinal direction of the beam refers to the direction of a straight line that connects the centers of gravity of the upper surfaces of adjacent columns in a plan view.

平面視で、第2部分612の第1部分611との接続側と反対側は、第4部分614の第3部分613との接続側と反対側に連続する。なお、柱22aにおいて、平面視で、側面固定部30eが固定される側面と、側面固定部30bが固定される側面とは、非平行である。例えば、平面視で、側面固定部30eが固定される側面と、側面固定部30bが固定される側面とは、略直交する方向を向いている。 In plan view, the side of the second portion 612 opposite to the side connected to the first portion 611 is continuous with the side opposite to the side connected to the third portion 613 of the fourth portion 614 . In addition, in the pillar 22a, the side surface to which the side fixing portion 30e is fixed and the side surface to which the side fixing portion 30b is fixed are not parallel in plan view. For example, in a plan view, the side surface to which the side fixing portion 30e is fixed and the side surface to which the side fixing portion 30b is fixed are oriented in a substantially orthogonal direction.

このように、力覚センサ装置1では、基板30の電極配置部61に、入力部側にはみ出す部分を有する第2部分612及び第4部分614を設けている。これにより、柱22aの上面に塗布する樹脂(接着剤42)の量がある程度多くても、電極配置部61の第2部分612及び第4部分614に内接する領域が電極配置部61の上面側に樹脂が這い上がることを抑制可能となる。 As described above, in the force sensor device 1, the electrode placement portion 61 of the substrate 30 is provided with the second portion 612 and the fourth portion 614 having portions protruding toward the input portion side. As a result, even if the amount of the resin (adhesive 42) applied to the upper surface of the column 22a is large to some extent, the area inscribed with the second portion 612 and the fourth portion 614 of the electrode placement portion 61 is located on the upper surface side of the electrode placement portion 61. It becomes possible to suppress the resin from creeping up.

仮に、柱22aの上面に塗布する樹脂の量が少ないと、電極配置部61の平坦性が十分に得られず、ワイヤボンディングを行う際に支障が出る。力覚センサ装置1では、樹脂の塗布量をある程度多くできるため、電極配置部61の平坦性を十分に得ることが可能となり、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。 If the amount of resin applied to the upper surface of the pillar 22a is small, the flatness of the electrode placement portion 61 cannot be sufficiently obtained, and wire bonding is hindered. In the force sensor device 1, since the amount of resin applied can be increased to some extent, it is possible to obtain sufficient flatness of the electrode arrangement portion 61, and wire bonding can be performed stably.

平面視で、第2部分612は、入力部24aの反対方向に括れる括れ部615を有してもよい。例えば、樹脂(接着剤42)の塗布量を制御することで、図19に示すように、括れ部615を介して、電極配置部61の下面側から電極配置部61の上面側に、樹脂(接着剤42)の一部が回り込むようにすることができる。 In plan view, the second portion 612 may have a constricted portion 615 constricted in the opposite direction of the input portion 24a. For example, by controlling the application amount of the resin (adhesive 42), as shown in FIG. A portion of the adhesive 42) can be wrapped around.

また、平面視で、第4部分614は、入力部24dの反対方向に括れる括れ部616を有してもよい。例えば、樹脂(接着剤42)の塗布量を制御することで、図19に示すように、括れ部616を介して、電極配置部61の下面側から電極配置部61の上面側に、樹脂(接着剤42)の一部が回り込むようにすることができる。 Further, in plan view, the fourth portion 614 may have a constricted portion 616 constricted in the opposite direction of the input portion 24d. For example, by controlling the application amount of the resin (adhesive 42), as shown in FIG. A portion of the adhesive 42) can be wrapped around.

このように、樹脂(接着剤42)の塗布量を制御して樹脂(接着剤42)の一部を電極配置部61の上面側に回り込ませることで、電極配置部61を柱22aに固定する際の固定強度を向上できる。また、電極配置部61の下面側に十分に樹脂が塗布されていることを、電極配置部61の上面側から目視で確認できる。 In this way, by controlling the amount of resin (adhesive 42) to be applied and causing part of the resin (adhesive 42) to wrap around the upper surface of the electrode placement portion 61, the electrode placement portion 61 is fixed to the column 22a. It can improve the fixing strength at the time. Further, it is possible to visually confirm from the upper surface side of the electrode arrangement portion 61 that the resin is sufficiently applied to the lower surface side of the electrode arrangement portion 61 .

電極配置部61の上面の外縁の少なくとも一部を被覆し、中央側の一部を露出する絶縁層70が設けられることが好ましい。絶縁層70は、所謂ソルダーレジスト層であり、例えば、エポキシ系樹脂等から形成される。絶縁層70の厚さは、例えば、30μm程度である。電極配置部61の上面の絶縁層70から露出する部分に、電極31や電極31から延伸するめっき線等の導体層が形成されている。なお、図16、図18、及び図19において、梨地模様で示す部分が絶縁層70である。図17では、絶縁層70の図示は省略されている。 It is preferable to provide an insulating layer 70 that covers at least a portion of the outer edge of the upper surface of the electrode placement portion 61 and exposes a portion of the center side. The insulating layer 70 is a so-called solder resist layer, and is made of, for example, an epoxy resin or the like. The thickness of the insulating layer 70 is, for example, about 30 μm. Electrodes 31 and conductor layers such as plated wires extending from the electrodes 31 are formed on the upper surface of the electrode placement portion 61 exposed from the insulating layer 70 . 16, 18, and 19, the insulating layer 70 is indicated by a satin pattern. In FIG. 17, illustration of the insulating layer 70 is omitted.

電極配置部61の上面の外縁の少なくとも一部を被覆する絶縁層70を設けることで、電極配置部61の上面に樹脂(接着剤42)が這い上がることを防止できる。また、導体層の端部が絶縁層70で被覆されることで、導体層間のショートを防止できる。絶縁層70は、電極配置部61の上面の外縁を環状に被覆することが、より好ましい。これにより、電極配置部61の上面に樹脂(接着剤42)が這い上がることを一層防止できる。また、導体層間のショートを一層防止できる。 By providing the insulating layer 70 covering at least a part of the outer edge of the upper surface of the electrode placement portion 61 , it is possible to prevent the resin (adhesive 42 ) from creeping up on the upper surface of the electrode placement portion 61 . In addition, by covering the ends of the conductor layers with the insulating layer 70, short circuits between the conductor layers can be prevented. More preferably, the insulating layer 70 annularly covers the outer edge of the upper surface of the electrode arrangement portion 61 . Thereby, it is possible to further prevent the resin (adhesive 42 ) from creeping up on the upper surface of the electrode arrangement portion 61 . In addition, short-circuiting between conductor layers can be further prevented.

また、柱22aの上面に電極配置部61を固定する際には、柱22aの上面に樹脂(接着剤42)を塗布し、樹脂上に電極配置部61を配置し、電極配置部61の上面側を、平坦面を有する治具により押圧する。絶縁層70が電極配置部61の上面の外縁を環状に被覆する場合には、環状の絶縁層70を介して電極配置部61の全体を治具の平坦面で均等に押圧できる。そのため、電極配置部61が柱22aの上面に対して傾くことを防止できると共に、電極配置部61の固定強度を向上できる。 When fixing the electrode arrangement portion 61 to the upper surface of the column 22a, the resin (adhesive 42) is applied to the upper surface of the column 22a, the electrode arrangement portion 61 is arranged on the resin, and the upper surface of the electrode arrangement portion 61 is The side is pressed by a jig with a flat surface. When the insulating layer 70 covers the outer edge of the upper surface of the electrode placement portion 61 in a ring shape, the entire electrode placement portion 61 can be evenly pressed by the flat surface of the jig through the ring-shaped insulating layer 70 . Therefore, the electrode placement portion 61 can be prevented from tilting with respect to the upper surface of the column 22a, and the fixing strength of the electrode placement portion 61 can be improved.

なお、電極配置部61の第2部分612及び第4部分614に入力部側にはみ出す部分を設けたことにより、電極配置部61の上面の面積が従来と比べて大きくなったため、電極配置部61の上面の外縁に絶縁層70を設けることが可能となり、上記の効果が得られるようになった。絶縁層70は、最も幅が狭い部分でも、200~300μm程度確保することができる。 Since the second portion 612 and the fourth portion 614 of the electrode placement portion 61 are provided with portions protruding toward the input portion side, the area of the upper surface of the electrode placement portion 61 becomes larger than that of the conventional one. It became possible to provide the insulating layer 70 on the outer edge of the upper surface of the substrate, and the above effect can be obtained. The insulating layer 70 can ensure a width of about 200 to 300 μm even at the narrowest portion.

以上は電極配置部61について説明したが、電極配置部62~64についても、電極配置部61と同様の効果を奏する。 Although the electrode placement portion 61 has been described above, the electrode placement portions 62 to 64 also have the same effect as the electrode placement portion 61 does.

ここで、センサチップ110の電極15と、基板30の電極31とのワイヤボンディングについて、さらに詳しく説明する。 Here, wire bonding between the electrodes 15 of the sensor chip 110 and the electrodes 31 of the substrate 30 will be described in more detail.

前述のように、センサチップ110と、基板30は、各々の上面が同一側を向くように起歪体20の異なる部分に固定されている。センサチップ110は、側面が入力部の側面と対向するように起歪体20に搭載されている。そして、センサチップ110の電極15は、基板30の電極31と、ボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。 As described above, the sensor chip 110 and the substrate 30 are fixed to different parts of the strain generating body 20 so that their upper surfaces face the same side. The sensor chip 110 is mounted on the strain-generating body 20 so that its side surface faces the side surface of the input section. The electrodes 15 of the sensor chip 110 are electrically connected to the electrodes 31 of the substrate 30 via bonding wires.

前述のように、ワイヤボンディングを安定して行うために、入力部24a~24dに力が印加された際の歪みが最も少ない領域である柱22a~22dの上面に、電極31を有する電極配置部61~64が配置されている。電極配置部61~64は、図11に示す端面固定部30aの四隅に位置する部分である。 As described above, in order to perform wire bonding stably, the electrode placement portion having the electrode 31 on the upper surface of the pillars 22a to 22d, which is the region where the distortion is the least when force is applied to the input portions 24a to 24d. 61 to 64 are arranged. The electrode placement portions 61 to 64 are portions located at the four corners of the end surface fixing portion 30a shown in FIG.

一方、センサチップ110の電極15は、各辺の中点に近い位置に配置されると、ワイヤボンディングに用いるキャピラリが入力部24a~24dと干渉するおそれがあり、またボンディングワイヤの長さが長くなってしまう。そこで、キャピラリと入力部24a~24dとの干渉を避け、かつボンディングワイヤを最短にするため、センサチップ110の電極15は、センサチップ110の上面の四隅に配置されていることが好ましい(図18参照)。 On the other hand, if the electrodes 15 of the sensor chip 110 are arranged near the midpoint of each side, the capillaries used for wire bonding may interfere with the input sections 24a to 24d, and the bonding wires are long. turn into. Therefore, in order to avoid interference between the capillaries and the input portions 24a to 24d and to shorten the bonding wires, the electrodes 15 of the sensor chip 110 are preferably arranged at the four corners of the upper surface of the sensor chip 110 (FIG. 18). reference).

図20は、センサチップの電極と電極配置部との位置関係について説明する図であり、図16のF-F線に沿う部分断面図である。なお、図16のF-F線は、カバー50の上面に平行な線である。例えば、力覚センサ装置1がカバー50を有する場合、図20に示すように、センサチップ110の位置を上方に移動し、センサチップ110の電極15の上面を、電極配置部61~64の上面より上方に位置するようにしたとする。この場合、ボンディングワイヤ80と接触しないようにカバー50も上方に移動することになるため、入力部24a~24dの上面とカバー50の上面との距離が短くなってしまう。 FIG. 20 is a diagram for explaining the positional relationship between the electrodes of the sensor chip and the electrode arrangement portion, and is a partial cross-sectional view taken along line FF of FIG. 16 is a line parallel to the upper surface of the cover 50. As shown in FIG. For example, when the force sensor device 1 has the cover 50, as shown in FIG. Suppose that it is positioned higher. In this case, the cover 50 is also moved upward so as not to come into contact with the bonding wires 80, so that the distance between the upper surfaces of the input sections 24a to 24d and the upper surface of the cover 50 is shortened.

カバー50から突出する入力部24a~24dには受力板が溶接される場合があり、その場合、溶接の際にスパッタの飛散を抑制するために、入力部24a~24dの上面とカバー50の上面との距離をある程度長くしたい。したがって、スパッタの飛散を抑制しにくい点で、図20の矢印右側の構造は好ましくない。また、スパッタの飛散を抑制するために、図20の矢印右側の構造において、入力部24a~24dの上面の位置を上方に移動すると、力覚センサ装置1の全体高さが高くなってしまう点で好ましくない。 A force receiving plate may be welded to the input portions 24a to 24d protruding from the cover 50. In this case, the upper surfaces of the input portions 24a to 24d and the cover 50 are separated from each other in order to suppress the scattering of spatter during welding. I want to increase the distance to the top surface to some extent. Therefore, the structure on the right side of the arrow in FIG. 20 is not preferable in that it is difficult to suppress scattering of spatter. In addition, in the structure on the right side of the arrow in FIG. 20, if the positions of the top surfaces of the input portions 24a to 24d are moved upward in order to suppress the scattering of spatter, the overall height of the force sensor device 1 increases. I don't like it.

このように、センサチップ110の電極15の上面は、電極配置部61~64の上面と同じ高さに位置するか又は電極配置部61~64の上面より下方に位置することが好ましい。これにより、力覚センサ装置1の全体高さが高くなることなく、ボンディングワイヤ80とカバー50の下面との接触を防止できると共に、入力部24a~24dの上面とカバー50の上面との距離も確保できる。 Thus, the top surface of the electrode 15 of the sensor chip 110 is preferably positioned at the same height as the top surfaces of the electrode placement portions 61-64 or below the top surfaces of the electrode placement portions 61-64. As a result, contact between the bonding wires 80 and the lower surface of the cover 50 can be prevented without increasing the overall height of the force sensor device 1, and the distance between the upper surface of the input portions 24a to 24d and the upper surface of the cover 50 can be reduced. can be secured.

なお、ワイヤボンディングは、センサチップ110の電極15に対して最初に行い(1stボンド)、電極配置部61~64に対して後に行う(2ndボンド)ことが好ましい。1stボンドの方が、2ndボンドよりも対象物に対する応力が低くて済むため、繊細なセンサチップ110に対して大きな応力がかからないようにするためである。 It is preferable that the wire bonding is first performed on the electrode 15 of the sensor chip 110 (1st bond) and then performed on the electrode arrangement portions 61 to 64 (2nd bond). This is because the 1st bond requires less stress on the object than the 2nd bond, so that a large stress is not applied to the delicate sensor chip 110 .

ところで、センサチップ110の電極15の上面は、電極配置部61~64の上面よりいくらでも低い位置にあってもよいわけではない。図21は、図16のE-E線に沿う断面図である。図21に示す200は、図20に示すボンディングワイヤ80の接続時に使用されるキャピラリを示している。キャピラリ200は先細り形状(コーン状)であり、図21の位置に挿入されるため、入力部24bや入力部24cを含む各入力部との干渉に留意が必要である。 By the way, the top surface of the electrode 15 of the sensor chip 110 may not be positioned any lower than the top surfaces of the electrode placement portions 61 to 64 . 21 is a cross-sectional view along line EE in FIG. 16. FIG. 200 shown in FIG. 21 indicates a capillary used when connecting the bonding wire 80 shown in FIG. Since the capillary 200 has a tapered shape (conical shape) and is inserted at the position shown in FIG. 21, it is necessary to pay attention to interference with each input section including the input section 24b and the input section 24c.

図22は、センサチップの電極と入力部との位置関係を模式的に示す図である。前述のように入力部24cは梁23cの長手方向の中央部から上方に突起するが、図22においてBLは入力部24cと梁23cとの境界を示している。境界BLは、基板30が固定される起歪体20の面(柱22a~22dの上面)と同一平面上に位置する。すなわち、図22に示すBLとセンサチップ110の電極15の上面との距離(高さ)hは、基板30が固定される起歪体20の面(柱22a~22dの上面)とセンサチップ110の電極15の上面との距離(高さ)に等しい。 FIG. 22 is a diagram schematically showing the positional relationship between the electrodes of the sensor chip and the input section. As described above, the input portion 24c protrudes upward from the longitudinal central portion of the beam 23c. In FIG. 22, BL indicates the boundary between the input portion 24c and the beam 23c. The boundary BL is located on the same plane as the surface of the strain generating body 20 to which the substrate 30 is fixed (upper surfaces of the pillars 22a to 22d). That is, the distance (height) h between BL and the upper surface of the electrode 15 of the sensor chip 110 shown in FIG. is equal to the distance (height) from the upper surface of the electrode 15.

図22において、キャピラリ200が入力部24cに干渉しないためには、D+P>TD/2+h・tan(θ/2)・・・(1)を満たす必要がある。言い換えれば、式(1)を満たす範囲内で、センサチップ110を下方に移動させても、キャピラリ200は入力部24cに干渉しない。 In FIG. 22, D+P>TD/2+h·tan(θ/2) (1) must be satisfied so that the capillary 200 does not interfere with the input section 24c. In other words, even if the sensor chip 110 is moved downward within the range that satisfies the formula (1), the capillary 200 does not interfere with the input section 24c.

式(1)において、Dは平面視で入力部24cとセンサチップ110の対向する側面間の距離[μm]、Pは平面視でセンサチップ110の側面から電極15の中心までの距離[μm]、TDはボンディングワイヤの接続時に使用されるキャピラリ200の先端部の外径[μm]、θはキャピラリ200の先細り角度(テーパー角)[deg]である。 In equation (1), D is the distance [μm] between the opposing sides of the input section 24c and the sensor chip 110 in plan view, and P is the distance [μm] from the side of the sensor chip 110 to the center of the electrode 15 in plan view. , TD is the outer diameter [μm] of the tip of the capillary 200 used when connecting the bonding wire, and θ is the taper angle [deg] of the capillary 200 .

数値の一例として、D=300μm、P=100μmが挙げられる。このような寸法の場合、一般的にはTD=150μm、θ=20degのキャピラリが使用される。この場合、h=0μm以上1800μm以下となる。すなわち、この場合、センサチップ110の電極15の上面は、基板30が固定される起歪体20の面(柱22a~22dの上面)よりh=1800μmの範囲内で下方に位置しても、キャピラリ200が入力部24cに干渉することはない。ただし、ボンディングワイヤを短くする観点から、h=0μm以上100μm以下であることが好ましく、h=0μm以上50μm以下であることがより好ましい。 An example of numerical values is D=300 μm and P=100 μm. For such dimensions, a capillary with TD=150 μm and θ=20 deg is generally used. In this case, h=0 μm or more and 1800 μm or less. That is, in this case, even if the upper surface of the electrode 15 of the sensor chip 110 is located below the surface of the strain generating body 20 (upper surface of the columns 22a to 22d) to which the substrate 30 is fixed within a range of h=1800 μm, The capillary 200 does not interfere with the input section 24c. However, from the viewpoint of shortening the bonding wire, h=0 μm or more and 100 μm or less is preferable, and h=0 μm or more and 50 μm or less is more preferable.

なお、図22では、センサチップ110と入力部24cとの関係について説明したが、センサチップ110と入力部24a、24b、及び24dとの関係についても同様である。 Although the relationship between the sensor chip 110 and the input section 24c has been described in FIG. 22, the same applies to the relationship between the sensor chip 110 and the input sections 24a, 24b, and 24d.

以上をまとめると、センサチップ110の電極15の上面は、各入力部の上面より下方にあって、基板30が固定される起歪体20の面(柱22a~22dの上面)より式(1)を満たすh[μm]の範囲内で下方に位置する必要があるといえる。これにより、力覚センサ装置1の全体高さが高くなることなく、ボンディングワイヤ80とカバー50の下面との接触を防止できると共に、各入力部の上面とカバー50の上面との距離も確保できる。そして、キャピラリ200が各入力部に干渉することはない。 To summarize the above, the top surface of the electrode 15 of the sensor chip 110 is below the top surface of each input section, and the surface of the strain generating body 20 to which the substrate 30 is fixed (the top surfaces of the columns 22a to 22d) is expressed by the formula (1). ) must be positioned below within the range of h [μm]. As a result, contact between the bonding wires 80 and the lower surface of the cover 50 can be prevented without increasing the overall height of the force sensor device 1, and the distance between the upper surface of each input section and the upper surface of the cover 50 can be secured. . And the capillary 200 does not interfere with each input section.

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiment without departing from the scope of the claims. can be added.

1 力覚センサ装置、15 電極、16 配線、 17 温度センサ、20 起歪体、21 土台、22a~22d、25a~25d、28 柱、23a~23d、26a~26d 梁、24a~24h 入力部、27a~27d 突起部、29a~29d 接合部、30 基板、30x 開口部、31 電極、32~35 能動部品、39 受動部品、41、42、43 接着剤、50 カバー、61~64 電極配置部、70 絶縁層、80 ボンディングワイヤ、110 センサチップ、111a~111e 支持部、112a~112h 補強用梁、113a~113l 検知用梁、114a~114d 力点、611 第1部分、612 第2部分、613 第3部分、614 第4部分、615、616 括れ部 1 force sensor device, 15 electrode, 16 wiring, 17 temperature sensor, 20 elastic body, 21 base, 22a to 22d, 25a to 25d, 28 pillar, 23a to 23d, 26a to 26d beam, 24a to 24h input section, 27a-27d protrusions, 29a-29d junctions, 30 substrate, 30x openings, 31 electrodes, 32-35 active components, 39 passive components, 41, 42, 43 adhesives, 50 covers, 61-64 electrode arrangement portions, 70 insulating layer, 80 bonding wire, 110 sensor chip, 111a to 111e support portion, 112a to 112h reinforcing beam, 113a to 113l detection beam, 114a to 114d force point, 611 first portion, 612 second portion, 613 third Part 614 Fourth Part 615, 616 Constriction

Claims (6)

所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、
入力部に印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、
前記センサチップに対して信号の入出力を行う基板と、を有し、
前記センサチップと、前記基板は、各々の上面が同一側を向くように前記起歪体の異なる部分に固定され、
前記基板は、第1電極を備え、
前記センサチップは、前記第1電極と金属線を介して電気的に接続された第2電極を備え、一の側面が前記入力部の側面と対向するように前記起歪体に搭載され、
前記第2電極の上面は、前記入力部の上面より下方にあって、前記第1電極の上面と同じ高さに位置する、力覚センサ装置。
a sensor chip that detects displacement in a predetermined axial direction;
a strain-generating body that transmits the force applied to the input unit to the sensor chip;
a substrate for inputting and outputting signals to and from the sensor chip;
The sensor chip and the substrate are fixed to different parts of the strain body so that their top surfaces face the same side,
the substrate comprises a first electrode;
The sensor chip includes a second electrode electrically connected to the first electrode via a metal wire, and is mounted on the strain body so that one side surface faces a side surface of the input section,
The force sensor device, wherein the upper surface of the second electrode is located below the upper surface of the input section and at the same height as the upper surface of the first electrode.
所定の軸方向の変位を検知するセンサチップと、
入力部に印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、
前記センサチップに対して信号の入出力を行う基板と、を有し、
前記センサチップと、前記基板は、各々の上面が同一側を向くように前記起歪体の異なる部分に固定され、
前記基板は、第1電極を備え、
前記センサチップは、前記第1電極と金属線を介して電気的に接続された第2電極を備え、一の側面が前記入力部の側面と対向するように前記起歪体に搭載され、
前記第2電極の上面は、前記入力部の上面より下方にあって、前記基板が固定される前記起歪体の面より式(1)を満たすh[μm]の範囲内で下方に位置する、力覚センサ装置。
D+P>TD/2+h・tan(θ/2)・・・(1)
ただし、式(1)において、Dは平面視で前記入力部と前記センサチップの対向する側面間の距離[μm]、Pは平面視で前記センサチップの側面から前記第2電極の中心までの距離[μm]、TDは前記金属線の接続時に使用される先細り形状のキャピラリの先端部の外径[μm]、θは先細り角度[deg]である。
a sensor chip that detects displacement in a predetermined axial direction;
a strain-generating body that transmits the force applied to the input unit to the sensor chip;
a substrate for inputting and outputting signals to and from the sensor chip;
The sensor chip and the substrate are fixed to different parts of the strain body so that their top surfaces face the same side,
the substrate comprises a first electrode;
The sensor chip includes a second electrode electrically connected to the first electrode via a metal wire, and is mounted on the strain body so that one side surface faces a side surface of the input section,
The upper surface of the second electrode is below the upper surface of the input section and positioned below the surface of the strain body to which the substrate is fixed within a range of h [μm] that satisfies formula (1). , a force sensor device.
D+P>TD/2+h·tan(θ/2) (1)
However, in the formula (1), D is the distance [μm] between the facing sides of the input section and the sensor chip in plan view, and P is the distance from the side face of the sensor chip to the center of the second electrode in plan view. The distance [μm], TD is the outer diameter [μm] of the tip of the tapered capillary used for connecting the metal wire, and θ is the taper angle [deg].
前記起歪体は、
四隅に配置された4本の柱と、
4本の前記柱の内側に配置され、センサチップを搭載するセンサチップ搭載部と、
隣接する前記柱同士を連結する4つの梁と、
各々の前記梁の長手方向の中央部から上方に突起する、前記入力部を含む4つの入力部と、を有し、
前記基板は、4本の前記柱の上面にそれぞれに前記第1電極が固定され、
前記センサチップは、それぞれの前記第1電極と金属線を介して電気的に接続された第2電極を備える、請求項1又は2に記載の力覚センサ装置。
The strain-generating body is
Four pillars arranged at the four corners,
a sensor chip mounting portion disposed inside the four pillars for mounting a sensor chip;
four beams connecting the adjacent pillars;
and four input portions including the input portion projecting upward from the longitudinal central portion of each of the beams;
the first electrode is fixed to each of the top surfaces of the four pillars of the substrate;
3. The force sensor device according to claim 1, wherein said sensor chip includes second electrodes electrically connected to said first electrodes via metal wires.
平面視で、前記センサチップは矩形であり、各側面が各入力部の側面と対向するように前記センサチップ搭載部に搭載され、
前記第2電極は、前記矩形の四隅に配置されている、請求項3に記載の力覚センサ装置。
In a plan view, the sensor chip is rectangular, and is mounted on the sensor chip mounting portion so that each side surface faces the side surface of each input portion,
4. The force sensor device according to claim 3, wherein said second electrodes are arranged at four corners of said rectangle.
平面視で、前記矩形の2本の対角線の延長線上に、4本の前記柱が配置されている、請求項4に記載の力覚センサ装置。 5. The force sensor device according to claim 4, wherein the four pillars are arranged on extensions of two diagonal lines of the rectangle in plan view. 前記センサチップを覆うカバーを有し、
前記カバーは、開口部を有し、
前記入力部は、前記開口部を通って前記カバーの上面側に突出する、請求項1乃至5の何れか一項に記載の力覚センサ装置。
Having a cover that covers the sensor chip,
The cover has an opening,
The force sensor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the input section protrudes toward the upper surface of the cover through the opening.
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