JP6346279B2 - 力検出器 - Google Patents

Description

本発明は、加えられた力の大きさに応じた信号を出力する力検出器に関し、特に電極間の短絡を阻止して小型化を図ることできる力検出器に関する。

力伝達球に加えられた力が力センサ素子に伝達され、力センサ素子は伝達された力の大きさに応じた信号を出力する力検出器が実用化されている。力伝達球及び力センサ素子は収納ケースに収納されており、力伝達球の最上部は収納ケースの上壁部に形成された貫通孔から突出し、力センサ素子は収納ケースの底壁部の内壁面と力伝達球の最下部との間に配置されている。収納ケースの底壁部（または底壁部近くの側壁部）には、力センサ素子に接続された入出力端子が外部に露出しており、底壁部の外壁面の側に配置される基板に半田付けによって接続されることにより、力検出器が基板に実装される。

小型の力検出器を半田付けにより基板に実装する際には、収納ケースの底壁部の撓みに起因する検出精度のバラツキを解消または低減するために、力伝達球の最下部と対向する位置に半田付け部を設けるようにしている（特許文献１、特開２０１１−１６９７１７号公報）。この半田付け部において収納ケースの底壁部と基板とを半田付けすることにより、力検出器の入出力端子を基板上の電極に半田付けしたときに底壁部と基板との間に生じる隙間を埋めることができるので、力伝達球を通じて力センサ素子に上方から力が加えられても、力センサ素子の下方に位置する収納ケースの底壁部が撓んで力の一部を吸収することがなくなる。その結果、検出精度のバラツキを抑えることができる。

上述のような検出精度のバラツキを防止する構成の原理を図３に示す。なお図３においては、収納ケースは底壁部４２だけを示してある。図３（ａ）に示すように、力センサ素子４０は収納ケースの底壁部４２の内壁面中央部上に置かれている。底壁部４２の外壁面上には、図３（ｂ）に示すように、半田付けランドパターンが形成されている。半田付けランドパターンを介して力センサ素子は基板４８上の図示しない半田付け電極に半田部４４，４６を介して接続されている。図３（ｂ）は底壁部４２の外壁面上のランドパターンを示す。正方形の底壁部４２の外壁面の四隅近くに配置された４つのランドパターン５０は、それぞれ力センサ素子４０の入出力端子として機能し、基板４８上の電極と半田部４４によりそれぞれ接続される。これに対しランドパターン５２は、力センサ素子４０には電気的に接続されておらず、半田部４６により底壁部４２の外壁面と基板４８との間の隙間の一部を埋めるものである。すなわち力センサ素子４０に、図３（ａ）で見て下方向きの力ｆがかかると、もしもランドパターン５２の位置に半田４６が存在しなければ、底壁部４２は基板４８に対して四隅近くの半田４４により支持されているだけであるため、底壁部４２の中心近くは基板４８に接近する方向に撓んで力ｆの少なくとも一部を吸収してしまい、検出精度にバラツキが生じる。半田部４６があれば、底壁部４２は撓むことがなく、よって力センサ素子４０は力ｆの大きさに正確に対応した信号を出力することができる。

また特開２０１１−２２０８６５号公報（特許文献２）には、フォースセンサパッケージのパッケージ基板の裏面に、センサ構造部の接着固定位置と平面的に重複させて固定用端子を設ける構造が開示されている。特に図６（ｂ）及び（ｃ）に示された具体的な構造では、ＳＭＤ端子３１と固定用端子３２とが一体に設けられた兼用端子３３が設けられている。

特開２０１１−１６９７１７号公報 特開２０１１−２２０８６５号公報

力検出器は、交換や修理等の必要性に応じて、半田付けされた基板から取り外さなければならない場合がある。図４に示す力検出器を基板から取り外す場合、半田を加熱して溶解することになる。このとき、底壁部４２の四隅の半田４４は底壁部４２の外周部近傍に位置しているので、例えば半田コテを基板４８上の電極または電極に付着した半田部４４に当てることで直接加熱することができる。しかしながら底壁部４２の中心近くに位置する半田４６には半田コテを当てることができない。

これに対して特許文献２に示されたパッケージ基板の裏面の兼用端子のように、ＳＭＤ端子と固定用端子とを兼用する兼用端子を設けると、兼用端子の固定用端子部分にはＳＭＤ端子に半田コテを当てることにより、半田コテの熱を固定用端子部分まで伝達することができる。しかしながらこのような兼用端子を採用した場合、小型化をすればするほど固定用端子部分と他のＳＭＤ端子との間の距離が短くなり、端子（電極）間で短絡が発生する危険性が高くなる問題がある。

本発明の目的は、電極間の短絡を阻止して、小型化を図ることができる力検出器を提供することにある。

本発明の力検出器は、ベース基板の表面に実装された力センサ素子と、力センサ素子に力を伝達する力伝達部材と、ベース基板の裏面に設けられて外部に露出する半田付け可能な複数の端子とを具備している。そして、力伝達部材から力センサ素子に加わる力の仮想延長線がベース基板を通る位置を中心にした所定領域内に半田付け可能な材料によって形成された半田付け部が設けられている。

本発明においては、力伝達部材が力センサ素子に力を伝達したときに変形する力センサ素子の変形領域をベース基板に投影した投影領域が、前述の所定領域内に含まれており、複数の端子が、ベース基板の四隅にそれぞれ形成された４つの半田付けランド電極からなる。そして４つの半田付けランド電極の形状は、それぞれ前述の投影領域内に半田付けランド電極の一部が存在して半田付け部を構成するように定められている。本発明では、投影領域内に存在する４つの半田付けランド電極の一部が全て、半田付け部を構成する。その結果、本発明によれば、投影領域に、従来のように、専用の半田付け部が存在することはないので、ベース基板の裏面に専用の半田付け部を設けるスペースを設ける必要がない。そのため本発明によれば、従来よりも力検出器の小型化を図ることが可能になる。

本発明の力検出器を実装用基板に半田付けにより実装する際には、力伝達部材から力センサ素子に加わる力の仮想延長線が基板を通る位置を中心にした所定領域内に形成された半田付け部を実装用基板上の電極に半田付けすることにより、力伝達部材から力センサ素子に加わる力による基板の撓みの発生を防止することができる。また力検出器を実装用基板から取り外す際には、力検出器の複数の端子のうち、いずれか一つの端子を加熱することにより、半田付け部に付着した半田が溶融する。その結果、前述の所定領域内に半田付け部を設けて収納ケースの底壁部の撓みを抑制した場合でも、一部が半田付け部を構成している端子に外部から熱を加えることにより半田付け部に付着した半田を溶融させて、力検出器を基板から取り外すことができる。

半田付け部を構成する４つの半田受けランド電極の一部の位置及び大きさは、力検出器の構成により異なる。すなわち各力検出器全体及び各部材の寸法、形状または材質等、特に力センサ素子の底面部の形状、収納ケースの底壁部の厚み及び材質、力センサ素子が底壁部の内壁面に占める面積及び位置、及び力伝達部材から力センサ素子に加わる力の大きさ等を考慮して、４つの半田受けランド電極の一部の位置及び大きさは定められる。

なお４つの半田付けランド電極は、短絡防止のために、それぞれ隣接する２つの半田付けランド電極間の距離が、０．１ｍｍ以上になるように形成するのが好ましい。なおこの距離は、半田付け技術の改善によりさらに小さくすることが可能である。

また、具体的には、４つの半田付けランド電極の輪郭形状は、例えば四角形状とすることができる。この場合には、４つの半田付けランド電極のそれぞれの１つの角部が、前述の投影領域内に位置するように、半田付けランド電極の形状寸法を定めるのが好ましい。

さらに、力センサ素子は、変形領域に複数の拡散抵抗が形成された半導体力センサ素子からなり、力伝達部材は球体からなるようにすることがきる。

なお、端子に熱を加える方法には、力検出器側の端子に直接熱を加える方法だけでなく、基板上の電極に熱を加えて間接的に半田付け部に熱を加えるようにしてもよい。

図１は本発明の力検出器の一つの実施の形態を示し、図１（ａ）は基板に力検出器が実装された状態を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ断面図であり、図１（ｃ）は収納ケースの底壁部の外壁面に形成されたランド電極を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の力検出器の他の実施の形態及びさらに他の実施の形態を示す図１（ｂ）と同様の図である。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の力検出器における検出精度のバラツキ防止の原理を説明するために用いる図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本発明の力検出器の他の実施の形態の平面図、右側面図、底面図及び図４（ａ）のｄ−ｄ線断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の力検出器の実施の形態の一例について説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）において、本発明の力検出器は、収納ケース１０と、収納ケース１０の内部に収納された力センサ素子１２と、力センサ素子１２に力を伝達する力伝達部材としての力伝達球１４と、収納ケース１０に固定されて外部に露出する半田付け可能な複数の端子である４つのランド電極１６［図１（ｃ）参照］とを有する。

収納ケース１０は、ベース基板２２からなる底壁部と、周壁部２４と上壁部２８とを備えている。収納ケース１０のベース基板２２の内壁面即ち表面上には力センサ素子１２が載置され、ベース基板２２の外壁面即ち裏面には輪郭が四角形形状を呈する４つの半田付けランド電極１６が固定されている。そして周壁部２４は、ベース基板２２の外周縁部から図１（ｂ）において上方に延びており、上方から見た輪郭形状は四角形状を有している。そして上壁部２８は、周壁部２４の開口部を覆うように水平方向に延び、中心には貫通孔２６が設けられている。

力伝達球１４は、上方部分が上壁部２８の貫通孔２６から上方に突出し、下方部分が力センサ素子１２に当接しており、上方から加わる力を力センサ１２に伝達する。

力センサ素子１２は、半導体力センサ素子である。半導体力センサは、シリコン基板にボロン等を拡散することによってダイアフラム領域（変形領域）にブリッジ回路を構成する４つの拡散抵抗が形成されていて、力伝達球１４により伝達される力を、ピエゾ抵抗効果を利用して電気信号に変換して出力するものである。

力検出器は、ブリッジ回路のための４つの入出力端子（Ｖｃｃ、＋ＯＵＴＰＵＴ、ＧＮＤ、−ＯＵＴＰＵＴ）として、図１（ｃ）に示すような４つに分割された形状の半田付けランド電極１６を底壁部２２の外壁面に具備している。図１（ｃ）に示すように、収納ケース１０のベース基板２２の四隅にそれぞれ形成された４つの半田付けランド電極１６は、４つの正方形でベース基板２２の裏面の大部分を覆う大きさを有している。これらの半田付けランド電極１６は半田濡れ性の良好な金属からなる電極パターンをベース基板２２の裏面に露出するように形成されている。本実施の形態では、４つのランド電極１６の４つの角部のうち、ベース基板２２の中央部に位置する４つの角部１６Ａが全体として、半田付け部３０ａを構成する。

図１（ｃ）のランド電極形状においては、４つの半田付けランド電極１６の４つの角部１６Ａは、力伝達球１４から力センサ素子１２に加わる力の仮想延長線Ｌがベース基板２２を通る位置を中心にした所定領域Ｒ１内に含まれる。本実施の形態における所定領域Ｒ１は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、力センサ素子１２の底面の外側輪郭をベース基板２２の裏面に投影した一辺の寸法がｄ２の四角形形状の輪郭を有している。そして４つの角部１６Ａによって構成される半田付け部３０ａは、力伝達球１４が力センサ素子１２に力を伝達したときに変形する力センサ素子１２の変形領域（ダイアフラム部）をベース基板２２に投影した一辺の寸法がｄ１の四角形形状の輪郭を有する投影領域Ｒ２に含まれている。すなわち、４つのランド電極１６それぞれの、ベース基板２２の正方形の外壁面の中心点に最も近い１つの角部１６Ａが、投影領域Ｒ２内に位置している。

力検出器は、図１（ａ）に示すように、実装用基板２０の表面に設けた半田付け電極１９に半田部１８を介して半田付けランド電極１６が接合されて実装用基板２０に実装される。実装用基板２０上の半田付け電極１９間の隙間及び４つの半田付けランド電極１６間の隙間寸法は、半田部１８によって隣接する半田付け電極１９どうしまたは隣接する半田付けランド電極１６どうしが半田により短絡されないように定められている。具体的には、短絡防止のために、４つのランド電極１６及び半田付け電極１９は、それぞれ隣接する２つの電極間の距離が０．１ｍｍ以上になるように形成されている。

４つのランド電極１６と半田付け電極１９とを半田部１８により接続することにより、実装用基板２０に実装された力センサ素子１２に加わる力は半田付け部３０ａを介して実装用基板２０へと伝わる。その結果、ベース基板２２の撓みを抑制ないし防止することができる。

また半田付け部３０ａは各半田付けランド電極１６の一部により形成されているので、実装用基板２０に実装された本実施の形態の力検出器の半田付け部３０ａに付着した半田部１８は、各半田付けランド電極１６に熱を加えることにより溶融する。従って、各半田付けランド電極１６を加熱することにより、力検出器を容易に基板２０から取り外すことができる。本実施の形態においては各半田付けランド電極１６はベース基板２２の裏面の縁から中心寄りに配置されているので、各半田付けランド電極１６を直接加熱することはできず、実装用基板２０の半田付け電極にコテを当てることにより間接的に加熱される。

また半田付け部を含むランド電極パターンは、可能な限り偏りを生じることなく底壁部の撓みを抑制できるように、対称性を有することが好ましい。例えば図１（ｃ）に示したベース基板２２の外壁面上のランド電極パターンは、正方形の２組の対向する２辺の中心を結ぶ２本の中心線、及び２本の対角線について線対称であり、且つ正方形の中心点について点対称である。

半田付け部がその内に形成される所定領域、及び投影領域の範囲は、各力検出器の種類により異なる。図２（ａ）及び図２（ｂ）には、図１に示した力センサ素子１２とはそれぞれ異なる構造の力センサ素子が搭載された力検出器が示されている。

図２（ａ）の力検出器における力センサ素子３６は、図１の力センサ素子１２と比較すると、やや広い変形領域を有し、従って投影領域Ｒ２も図１（ｃ）の投影領域Ｒ２よりやや広くなっている。図２（ｂ）の力センサ素子３８は変形領域をなすダイアフラムを周縁の台座が支持する構造であり、やはり投影領域Ｒ２は図１（ｃ）の投影領域Ｒ２よりやや広くなっている。

図４（ａ）乃至（ｄ）には、本発明の力検出器の他の実施の形態の、平面図、右側面図、底面図及び図４（ａ）のｄ−ｄ線断面を示している。本実施の形態において、図１に示した実施の形態の力検出器と同様の部分には、図１に付した符号の数に１００の数を付した符号を付して説明を省略する。図１の実施の形態と図４の実施の形態とを比較すると、力センサ素子１１２の構成、収納ケース１１０の構造、半田付けランド電極１１６の形状及び位置とが異なる。力センサ素子１１２はガラス製の基台１１２Ａの上に半導体力センサ素子１１２Ｂが実装された構造を有している。そして半導体力センサ素子１１２Ｂの上にはゲル状の保護層１１３が形成されている。また収納ケース１１０は、金属製のキャップと回路基板とから構成されている。回路基板はベース基板１２２を構成する。半導体センサ素子１１２Ｂとベース基板１２２を構成する回路基板上の電極とはワイヤーボンディング１０６により接続されている。特に本実施の形態では、収納ケース１１０のベース基板１２２を構成する長方形形状の回路基板の裏面に形成した半田付けランド電極１１６が、長方形形状を呈しており、かつ長方形形状の底面の角部に完全に一致した状態で形成されている。その結果、本実施の形態によれば、力検出器を取り外す際に、外部からの熱を半田付けランド電極１１６に直接伝えることができる。なおランド電極１１６の位置及び大きさと、力センサ素子１１２の位置及び大きさとの関係、並びに隣り合う半田付けランド電極１１６間の距離等の定め方は、上記実施の形態と同じである。したがって本実施の形態でも、４つの半田付けランド電極１１６の４つの角部のうち、ベース基板１２２の中央部に位置する４つの角部１１６Ａが、それぞれ半田付け部１３０ａを構成する。また短絡防止のために、４つのランド電極１１６は、それぞれ隣接する２つの電極間の距離が０．１ｍｍ以上になるように形成されている。

本発明によれば、力伝達部材が力センサ素子に力を伝達したときに変形する力センサ素子の変形領域をベース基板に投影した投影領域内に存在する４つの半田付けランド電極の一部全てにより、半田付け部を構成するので、従来のように、専用の半田付け部が存在することはない。したがってベース基板の裏面に専用の半田付け部を設けるスペースを設ける必要がなく、従来よりも力検出器の小型化を図ることが可能になる。また本発明の力検出器によると、所定領域内に半田付け部を設けることで収納ケースの底壁部の撓みを抑制して検出精度のバラツキの発生を防止することができるとともに、端子に熱を加えることにより半田付け部に付着した半田を溶融させて、力検出器を基板から取り外すことができる。

Ｒ２ 投影領域
Ｒ１ 所定領域
１０，１１０ 収納ケース
１２，１１２ 力センサ素子
１４，１１４ 力伝達球
１６，１１６ 半田付けランド電極
１８ 半田
２０ 基板
２２，１２２ ベース基板（底壁部）
２４ 周壁部
２６ 貫通孔
２８ 上壁部
３０ａ，３０ｂ，１３０ａ 半田付け部
３６，３８ 力センサ素子

Claims (5)

1. ベース基板の表面上に実装された力センサ素子と、
   前記力センサ素子に力を伝達する力伝達部材と、
   前記ベース基板の裏面に設けられて外部に露出する半田付け可能な複数の端子とを具備し、
   前記ベース基板の前記裏面には、前記力伝達部材から前記力センサ素子に加わる力の仮想延長線が前記ベース基板を通る位置を中心にした所定領域内に半田付け可能な材料によって形成された半田付け部が設けられている力検出器であって、
   前記力伝達部材が前記力センサ素子に力を伝達したときに変形する前記力センサ素子の変形領域を前記ベース基板に投影した投影領域が、前記所定領域内に含まれており、
   前記複数の端子は、前記ベース基板の四隅にそれぞれ形成された４つの半田付けランド電極からなり、
   前記４つの半田付けランド電極の形状は、それぞれ前記投影領域内に前記半田付けランド電極の一部が存在して前記半田付け部を構成するように定められていることを特徴とする力検出器。
2. 前記４つの半田付けランド電極は、それぞれ隣接する２つの前記半田付けランド電極間の距離が、０．１ｍｍ以上になるように形成されている請求項１に記載の力検出器。
3. 前記４つの半田付けランド電極の輪郭形状は四角形であり、
   前記４つの半田付けランド電極のそれぞれの１つの角部が前記投影領域内に位置している請求項２に記載の力検出器。
4. 前記力センサ素子は、変形領域に複数の拡散抵抗が形成された半導体力センサ素子からなり、
   前記力伝達部材は球体からなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の力検出器。
5. ベース基板からなる底壁部と、周壁部と上壁部とからなる収納ケースと、
   前記基板の表面上に設けられて前記収納ケース内に収納された力センサ素子と、
   前記力センサ素子に力を伝達する力伝達部材と、
   前記ベース基板の裏面に設けられて外部に露出する半田付け可能な複数の端子とを具備し、
   前記ベース基板の裏面には、前記力伝達部材から前記力センサ素子に加わる力の仮想延長線が前記ベース基板を通る位置を中心にした所定領域内に半田付け可能な材料によって形成された半田付け部が設けられている力検出器であって、
   前記力伝達部材が前記力センサ素子に力を伝達したときに変形する前記力センサ素子の変形領域を前記ベース基板に投影した投影領域が、前記所定領域内に含まれており、
   前記複数の端子は、前記ベース基板の四隅にそれぞれ形成された４つの半田付けランド電極からなり、
   前記４つの半田付けランド電極の形状は、それぞれ前記投影領域内に前記半田付けランド電極の一部が存在して前記半田付け部を構成するように定められていることを特徴とする力検出器。
   

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