JP7302780B2 - Force sensor device - Google Patents

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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、金属からなる起歪体にセンサ素子を取り付け、外力が印加されることにより生じる起歪体の弾性変形をセンサ素子で検出することで、多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。このような力覚センサ装置では、例えば、歪みに対応する電気信号をセンサ素子から、別途用意されたIC等の能動部品に出力し、能動部品において所定の信号処理が行われる(例えば、特許文献1~3参照)。 Conventionally, there is a force sensor device that detects a multiaxial force by attaching a sensor element to a strain-generating body made of metal and detecting the elastic deformation of the strain-generating body caused by the application of an external force with the sensor element. Are known. In such a force sensor device, for example, an electrical signal corresponding to strain is output from the sensor element to an active component such as an IC that is separately prepared, and the active component performs predetermined signal processing (see, for example, Patent Documents 1-3).

特許第4011345号Patent No. 4011345 特許第3970640号Patent No. 3970640 特開2018-185296号公報JP 2018-185296 A

上記の力覚センサ装置では、外気温の変化等によって起歪体に膨張や収縮が生じることや、センサ素子が温度特性を有することにより、電気信号が変動することがある。力覚センサ装置内の温度分布が均一であれば、温度補正用の温度センサを設けることにより、能動部品等で温度補正が可能である。 In the force sensor device described above, the electrical signal may fluctuate due to expansion or contraction of the strain generating body due to changes in the outside air temperature or the like, or due to temperature characteristics of the sensor element. If the temperature distribution in the force sensor device is uniform, it is possible to correct the temperature with an active component or the like by providing a temperature sensor for temperature correction.

しかしながら、力覚センサ装置内では、主に熱伝導率が低い空気を介して熱伝導が行われ、温度分布が生じやすいので、温度センサを設けたとしてもセンサ素子や起歪体の温度を正確に捉えて補正を行うことは容易でない。 However, in the force sensor device, heat is conducted mainly through air, which has a low thermal conductivity, and temperature distribution tends to occur. It is not easy to catch and correct the problem.

特に、空気の熱伝導性が低いことから、急激な温度変化に対応した温度補正は困難である。このような急激な温度変化は、例えば、力覚センサ装置の起動時に能動部品が自己発熱することや、金属製で熱伝導率が高い起歪体が外部から熱の影響を受けやすいことが起因して生じ得る。 In particular, due to the low thermal conductivity of air, it is difficult to correct the temperature in response to rapid temperature changes. Such rapid temperature changes are caused, for example, by the fact that the active parts generate heat by themselves when the force sensor device is activated, or that the strain-generating body made of metal and having high thermal conductivity is easily affected by heat from the outside. can occur.

開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであって、温度変化による影響を抑制することを目的とする。 The disclosed technique has been made in view of the above points, and aims to suppress the influence of temperature change.

開示の技術は、所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、を有し、前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置である。
The disclosed technique includes a sensor element for detecting a force applied in a predetermined axial direction or around an axis, an active component electrically connected to the sensor element, the sensor element and the active component attached, and applying force. a strain body for transmitting the applied force to the sensor element; a cover mounted to cover the sensor element and the active component; and a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air. and wherein the medium is mixed with a heat transfer filler .

開示の技術によれば、温度変化による影響を抑制することができる。 According to the disclosed technique, it is possible to suppress the influence of temperature change.

第1実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。1 is a perspective view showing the appearance of a force sensor device according to a first embodiment; FIG. 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。1 is a perspective view of a force sensor device in a state where a substrate is attached to a strain body; FIG. 起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の平面図及び側面図である。2A and 2B are a plan view and a side view of the force sensor device in a state where the board is attached to the strain body; FIG. センサチップをZ軸方向上側から視た図である。It is the figure which looked the sensor chip from the Z-axis direction upper side. センサチップをZ軸方向下側から視た図である。It is the figure which looked the sensor chip from the Z-axis direction lower side. 各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。It is a figure explaining the code|symbol which shows the force and moment which act on each axis|shaft. センサチップのピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the arrangement of piezoresistive elements of a sensor chip; センサチップにおける電極配置と配線を例示する図である。It is a figure which illustrates electrode arrangement|positioning and wiring in a sensor chip. センサチップ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 a temperature sensor of a sensor chip; FIG. 起歪体を例示する図(その1)である。FIG. 1 is a diagram (part 1) exemplifying a strain-generating body; 起歪体を例示する図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) exemplifying a strain-generating body; 起歪体を例示する図(その3)である。FIG. 3 is a diagram (part 3) exemplifying a strain-generating body; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process of the force sensor device; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その2)である。FIG. 12 is a diagram (part 2) illustrating the manufacturing process of the force sensor device; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その3)である。FIG. 13 is a diagram (part 3) illustrating the manufacturing process of the force sensor device; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その4)である。FIG. 10 is a diagram (part 4) illustrating the manufacturing process of the force sensor device; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その5)である。FIG. 11 is a diagram (No. 5) exemplifying the manufacturing process of the force sensor device; 力覚センサ装置の製造工程を例示する図(その6)である。FIG. 11 is a diagram (No. 6) illustrating a manufacturing process of the force sensor device; 完成後における力覚センサ装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the force sensor device after completion. 力覚センサ装置の第1変形例を示す図である。It is a figure which shows the 1st modification of a force sensor apparatus. 力覚センサ装置の第2変形例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd modification of a force sensor apparatus.

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.

<第1実施形態>
(概略構成)
図1は、第1実施形態に係る力覚センサ装置の外観を示す斜視図である。図2は、起歪体に基板が取り付けられた状態における力覚センサ装置の斜視図である。図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。図4は、センサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。
<First Embodiment>
(Outline configuration)
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the force sensor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the force sensor device in a state where the substrate is attached to the strain body. FIG. 3(a) is a plan view, and FIG. 3(b) is a side view. FIG. 4 is a perspective view illustrating a sensor chip and a strain body.

図1~図3において、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、受力板40と、カバー50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。 1 to 3, the force sensor device 1 has a sensor chip 110, a strain body 20, a substrate 30, a force receiving plate 40, and a cover 50. 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.

起歪体20には基板30が取り付けられており(図2参照)、基板30が取り付けられた起歪体20の土台21より上側及びセンサチップ110を覆うように、カバー50が取り付けられている(図1参照)。カバー50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で形成されている。カバー50には、起歪体20の入力部24a~24dを露出させる開口部が設けられており、入力部24a~24d上に受力板40が設けられている。 A substrate 30 is attached to the strain body 20 (see FIG. 2), and a cover 50 is attached so as to cover the upper side of the base 21 of the strain body 20 to which the substrate 30 is attached and the sensor chip 110 . (See Figure 1). The cover 50 is made of, for example, a metal material whose surface is plated with nickel. The cover 50 is provided with openings for exposing the input portions 24a to 24d of the strain body 20, and the force receiving plate 40 is provided on the input portions 24a to 24d.

なお、詳しくは後述するが、カバー50内には、空気よりも熱伝導率の高いゲル、ゴム、液体等からなる媒体が注入されている。なお、カバー50内とは、カバー50と起歪体20の土台21との間に形成される内部空間を指す。より具体的には、カバー50内とは、起歪体20とカバー50との間であって、センサチップ110及び能動部品32~35が存在する空間(外周部)と、起歪体20内であって、センサチップ搭載部としての柱28が存在する空間(中空部)とを指す。 Although the details will be described later, the cover 50 is filled with a medium made of gel, rubber, liquid, or the like, which has a higher thermal conductivity than air. Note that the inside of the cover 50 refers to an internal space formed between the cover 50 and the base 21 of the strain generating body 20 . More specifically, the inside of the cover 50 is defined as the space (outer peripheral portion) between the strain body 20 and the cover 50 where the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 are present, and the space inside the strain body 20. and refers to the space (hollow portion) in which the pillar 28 as the sensor chip mounting portion exists.

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。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、例えば、センサチップ110は3軸を検知するものであってもよい。 The sensor chip 110 has a function of detecting displacement in predetermined axial directions up to six axes. 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 6 axes will be described, but the sensor chip 110 is not limited to this, and for example, the sensor chip 110 may detect 3 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。また、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 side of a substrate 30 for inputting and outputting signals with respect to the sensor chip 110 is bonded to the upper surface and each side surface of the strain generating body 20 in a state of being appropriately bent. The sensor chip 110 and each electrode 31 of the substrate 30 are electrically connected by a bonding wire or the like (not shown).

(能動部品)
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)
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。 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 .

能動部品33は、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をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。 The active component 33 is, for example, an analog electric signal from a bridge circuit that detects the X-axis direction force Fx output from the sensor chip 110, and a bridge that detects the Y-axis direction force Fy output from the sensor chip 110. It is an IC (AD converter) that converts an analog electrical signal from a circuit into a digital electrical signal.

能動部品34は、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をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。 The active component 34 detects, for example, an analog electric signal from a bridge circuit that detects a force Fz in the Z-axis direction output from the sensor chip 110, and a moment Mx output from the sensor chip 110 that rotates about the X-axis. It is an IC (AD converter) that converts an analog electric signal from a bridge circuit to be detected into a digital electric signal.

能動部品35は、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をディジタルの電気信号に変換するIC(ADコンバータ)である。 For example, the active component 35 rotates about the Z-axis output from the sensor chip 110 and 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. It is an IC (AD converter) that converts an analog electrical signal from a bridge circuit that detects moment Mz into a digital electrical signal.

能動部品32は、例えば、能動部品33、34、及び35から出力されるディジタルの電気信号に対して所定の演算を行い、力Fx、Fy、及びFz、並びにモーメントMx、My、及びMzを示す信号を生成し、外部に出力するICである。受動部品39は、能動部品32~35に接続される抵抗やコンデンサ等である。 Active component 32, for example, performs predetermined operations on the digital electrical signals output from active components 33, 34, and 35 to indicate forces Fx, Fy, and Fz and moments Mx, My, and Mz. An IC that generates a signal and outputs it to the outside. The passive components 39 are resistors, capacitors, etc. connected to the active components 32-35.

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。また、能動部品32~35を基板30に実装せずに、基板30と接続される外部回路側に実装する構成とすることも可能である。この場合には、基板30からアナログの電気信号が出力される。 The number of ICs to implement the functions of the active components 32 to 35 can be arbitrarily determined. Also, it is possible to adopt a configuration in which the active components 32 to 35 are not mounted on the substrate 30, but are mounted on the side of an external circuit connected to the substrate 30. FIG. In this case, an analog electrical signal is output from the substrate 30 .

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, terminals (not shown) capable of electrical input/output with an external circuit (control device, etc.) connected to the force sensor device 1 are arranged.

なお、本実施形態では、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または一方の側、その反対側を下側または他方の側とする。また、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または上面、その反対側の面を他方の面または下面とする。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、または任意の角度で配置することができる。また、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 this embodiment, for convenience, the side on which the sensor chip 110 is provided in the force sensor device 1 is referred to as the upper side or one side, and the opposite side thereof is referred to as 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 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

(受力板)
受力板40の平面形状は、例えば、円形である。受力板40の上面側には平面形状が矩形の4つの凹部40xと、平面形状が円形の4つの貫通孔40yが設けられている。また、受力板40の上面側の中心部には、平面形状が円形の1つの凹部40zが設けられている。
(force receiving plate)
The planar shape of the force receiving plate 40 is, for example, circular. On the upper surface side of the force receiving plate 40, four concave portions 40x having a rectangular planar shape and four through holes 40y having a circular planar shape are provided. In addition, one concave portion 40z having a circular planar shape is provided in the central portion of the upper surface side of the force receiving plate 40 .

4つの凹部40xは各々起歪体20の入力部24a~24dを覆うように配置され、各々の凹部40xの底面は起歪体20側に突起して起歪体20の入力部24a~24dの上面と接している。但し、凹部40x、貫通孔40y、及び凹部40zの平面形状は、任意に決定することができる。 The four recesses 40x are arranged to cover the input portions 24a to 24d of the strain body 20, respectively, and the bottom surface of each recess 40x protrudes toward the strain body 20 so as to cover the input portions 24a to 24d of the strain body 20. in contact with the top surface. However, the planar shapes of the recess 40x, the through hole 40y, and the recess 40z can be arbitrarily determined.

図示はしないが、入力部24a~24dの上面に突起(または突起受部)を形成し、起歪体20側に突起した凹部40xの底面に突起受部(または突起)を形成して、入力部24a~24dの上面の突起(または突起受部)と凹部40xの底面の突起受部(または突起)を嵌め合わせることで受力板40と起歪体20とを位置決めするようにしてもよい。 Although not shown, projections (or projection receiving portions) are formed on the upper surfaces of the input portions 24a to 24d, and projection receiving portions (or projections) are formed on the bottom surfaces of the recesses 40x projecting toward the strain body 20. The force receiving plate 40 and the strain generating body 20 may be positioned by fitting the projections (or projection receiving portions) on the upper surfaces of the portions 24a to 24d and the projection receiving portions (or projections) on the bottom surface of the recess 40x. .

凹部40x及び凹部40zは、必要に応じて、力覚センサ装置1を被固定部に取り付ける際の位置決めに用いることができる。また、貫通孔40yは、力覚センサ装置1を被固定部にねじ等を用いて締結するためのねじ孔である。 The concave portion 40x and the concave portion 40z can be used for positioning when the force sensor device 1 is attached to the fixed portion as necessary. Further, the through hole 40y is a screw hole for fastening the force sensor device 1 to the fixed portion using a screw or the like.

受力板40の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)630等を用いることができる。受力板40は、例えば、溶接により起歪体20に固定することができる。 As a material of the force receiving plate 40, for example, SUS (stainless steel) 630 or the like can be used. The force receiving plate 40 can be fixed to the strain body 20 by welding, for example.

このように、受力板40を設けることで、受力板40を介して起歪体20の入力部24a~24dに外部から力を入力することができる。 By providing the force receiving plate 40 in this manner, force can be input from the outside to the input portions 24 a to 24 d of the strain generating body 20 via the force receiving plate 40 .

(センサチップ)
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。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)
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. 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 Reinforcing beams 112b for reinforcing the structure are provided between the supporting portions 111b and 111c, both ends of which are fixed to the supporting portions 111b and 111c (connecting adjacent supporting 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 opposing 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。 A substantially central portion in the longitudinal direction of the detection beam 113g and a 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, approximately 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 power 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 power point 114c is provided on the lower surface side of the longitudinal central portion of the detection beam 113g (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、力または変位を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、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図6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。また、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。 FIG. 6 is a diagram for explaining symbols indicating forces and moments applied to each axis. As shown in FIG. 6, let Fx be the force in the X-axis direction, Fy be the force in the Y-axis direction, and Fz be the force in the Z-axis direction. 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.

図7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つ力点114a~114dに対応する各検知ブロックの所定位置には、ピエゾ抵抗素子が配置されている。 FIG. 7 is a diagram illustrating the arrangement of the piezoresistive elements of the sensor chip 110. As shown in FIG. A piezoresistive element is arranged at a predetermined position of each detection block corresponding to the four power points 114a to 114d.

具体的には、図4及び図7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。また、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 7, 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). Further, the piezoresistive elements FyR3 and FyR4 detect in a region on the reinforcing beam 112a side of the line that bisects the detection beam 113a in the longitudinal direction and farther from the detection beam 113c of the detection beam 113a. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113c in the longitudinal direction.

また、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。また、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 addition, in the detection block corresponding to the force point 114b, the piezoresistive elements MyR3 and MyR4 are located on a line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and in an area of the detection beam 113d close to the detection beam 113f. are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the detection beam 113f in the longitudinal direction (X direction). In addition, the piezoresistive elements FxR3 and FxR4 detect in a region on the reinforcement beam 112b side of the line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and farther from the detection beam 113f of the detection beam 113d. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113f in the longitudinal direction.

また、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よりも検知用梁113f側であって、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113eを長手方向に二等分する線よりも支持部111e側であって、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。 In addition, the piezoresistive elements MzR3 and MzR4 detect in a region closer to the detection beam 113f than the line that bisects the detection beam 113d in the longitudinal direction and closer to the detection beam 113f. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113f in the longitudinal direction. The piezoresistive elements FzR2 and FzR3 are located on the support portion 111e side of the line that bisects the detection beam 113e in the longitudinal direction, and in a region of the detection beam 113e near the detection beam 113f. symmetrically about a line that bisects the

また、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。また、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 addition, in the sensing block corresponding to the force point 114c, the piezoresistive elements MxR1 and MxR2 are located on a line that bisects the sensing beam 113g in the longitudinal direction and in an area of the sensing beam 113g close to the sensing beam 113i. , are arranged symmetrically with respect to a line that bisects the detection beam 113i in the longitudinal direction (Y direction). In addition, 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 are located farther from the sensing beam 113i than the sensing beam 113g. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113i in the longitudinal direction.

また、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。また、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 addition, in the detection block corresponding to the force point 114d, the piezoresistive elements MyR1 and MyR2 are located on a line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction and in an area of the detection beam 113j close to the detection beam 113l. , are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the detection beam 113l in the longitudinal direction (X direction). In addition, the piezoresistive elements FxR1 and FxR2 are located on the reinforcement beam 112d side of the line that bisects the detection beam 113j in the longitudinal direction, and are located farther from the detection beam 113l than the detection beam 113j. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113l in the longitudinal direction.

また、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よりも検知用梁113k側であって、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113kを長手方向に二等分する線よりも支持部111e側であって、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。 In addition, the piezoresistive elements MzR1 and MzR2 are located on the sensing beam 113k side of the line that bisects the sensing beam 113j in the longitudinal direction, and are located near the sensing beam 113l of the sensing beam 113j. They are arranged at symmetrical positions with respect to a line that bisects the beam 113l in the longitudinal direction. The piezoresistive elements FzR1 and FzR4 are located on the support portion 111e side of the line that bisects the detection beam 113k in the longitudinal direction, and in a region far from the detection beam 113l of the detection beam 113k. symmetrically about a line that bisects the

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.

また、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に近つけ、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、耐荷重が向上する。 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. , detection beams 113b, 113e, 113h, and 113k. 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 the load capacity can be improved.

また、センサチップ110では、短くしたことで応力に対する変形が小さくなった検知用梁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)が向上する。 Further, in the sensor chip 110, no piezoresistive elements are arranged on the detection beams 113c, 113f, 113i, and 113l, which are shortened so that deformation against stress is small. 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) is 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は力Fzを検出する。また、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はモーメントMzを検出する。 Here, piezoresistive elements FxR1 to FxR4 detect force Fx, piezoresistive elements FyR1 to FyR4 detect force Fy, and piezoresistive elements FzR1 to FzR4 detect force Fz. The piezoresistive elements MxR1 to MxR4 detect the moment Mx, the piezoresistive elements MyR1 to MyR4 detect the moment My, and the piezoresistive elements MzR1 to MzR4 detect the moment Mz.

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)された力または変位の向き(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 a plurality of piezoresistive elements arranged on a predetermined beam is changed, and a predetermined axis is generated. 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。また、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.

また、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。また、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113d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 detection beams 113d and 113j, which are the first detection beams.

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8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8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. 8 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. 8, 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9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8及び図9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. 9 is an enlarged plan view illustrating temperature sensors of the sensor chip 110. FIG. As shown in FIGS. 8 and 9, 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。また、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)の結晶方位に水平また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.

また、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することができる。 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.

(起歪体)
図10は、起歪体20を例示する図(その1)であり、図10(a)は斜視図、図10(b)は側面図である。図11は、起歪体20を例示する図(その2)であり、図11(a)は平面図、図11(b)は図11(a)のA-A線に沿う縦断面斜視図である。図12は、起歪体20を例示する図(その3)であり、図12(a)は図11(a)のB-B線に沿う縦断面図であり、図12(b)は図12(a)のC-C線に沿う横断面図である。
(Strain-generating body)
10A and 10B are diagrams (part 1) illustrating the strain body 20, FIG. 10(a) being a perspective view and FIG. 10(b) being a side view. 11A and 11B are diagrams (part 2) illustrating the strain generating body 20, FIG. 11A being a plan view, and FIG. is. 12A and 12B are diagrams (part 3) illustrating the strain-generating body 20, FIG. 12(a) being a longitudinal sectional view taken along the line BB in FIG. 11(a), and FIG. 12(a) is a cross-sectional view taken along line CC of FIG.

図10~図12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. 10 to 12, the strain generating 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 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 polygonal or the like (for example, 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 The 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. By fixing the column 28 to the columns 22a to 22d via the connection beams 28a to 28d instead of directly fixing the column 28 to the upper surface of the base 21, the size of the entire force sensor device does not increase. , the Fz output (offset) of the sensor chip 110 during screw fastening can be reduced.

また、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, by fixing the column 28 to the columns 22a to 22d via the connection beams 28a to 28d instead of directly fixing the column 28 to the upper surface of the base 21, the moment (Mx, My) when inputting the moment It is possible to improve the separation between the components (Mx, My) and the force components (Fx, Fy) in the translational direction.

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.

また、土台21の中心部には、1つの貫通孔21aが設けられている。貫通孔21aは、カバー50と起歪体20とで形成される内部空間に連通上述の媒体を注入するために用いられる。 In addition, one through hole 21a is provided in the central portion of the base 21. As shown in FIG. The through-hole 21a is used for injecting the above-described medium that communicates with the internal space formed by the cover 50 and the strain body 20 .

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11(a)に示したように、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 in FIG. 11(a), when Mx, My, and Mz are applied to the force sensor device 1, the longitudinal length of the beams 23a to 23d where excessive stress concentration occurs The central portion in the direction is made thicker than the both end portions. 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.

また、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2、図3等参照)。 In addition, since the side surfaces of the beams 23a to 23d in the central part in the longitudinal direction protrude 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. 2, 3, 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3(a)、図3(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. 3 ( a), see FIG. 3(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突起部が設けられ、突起部上に、例えば四角柱状の入力部24a~24dが設けられている。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。 Projections that protrude upward from the longitudinal centers of the beams 23a to 23d are provided at the longitudinal center portions of the top surfaces of the beams 23a to 23d, respectively. ~24d are provided. 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。また、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 protrusions 27a to 27d are connected to the beams 23a to 23d, which are movable parts, so that when 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.

(力覚センサ装置の製造工程)
図13~図18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13(a)に示すように、起歪体20を作製する。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。
(Manufacturing process of force sensor device)
13 to 18 are diagrams illustrating the manufacturing process of the force sensor device 1. FIG. First, as shown in FIG. 13(a), a strain body 20 is produced. 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.

次に、図13(b)に示す工程では、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。接着剤41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。外部から印加される力に対する耐力の点から、接着剤41はヤング率1GPa以上で厚さ20μm以下であることが好ましい。 Next, in the step shown in FIG. 13B, an adhesive 41 is applied to the upper surfaces of the pillars 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d. As the adhesive 41, for example, an epoxy-based adhesive or the like can be used. From the standpoint of resistance to externally applied force, the adhesive 41 preferably has a Young's modulus of 1 GPa or more and a thickness of 20 μm or less.

次に、図14(a)に示す工程では、センサチップ110を作製する。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。また、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。 Next, in the process shown in FIG. 14A, the sensor chip 110 is manufactured. 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14(b)に示す工程では、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。 Next, in the step shown in FIG. 14B, the sensor chip 110 is placed so that the lower surface of the sensor chip 110 is in contact with the adhesive 41 applied to the upper surfaces of the pillars 25a to 25e and the upper surfaces of the protrusions 27a to 27d. It is placed in the strain generating body 20 while being pressurized. 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 force points 114a to 114d are fixed on the protrusions 27a to 27d, respectively. be done.

次に、図15(a)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。 Next, in the step shown in FIG. 15(a), the substrate 30 on which the active components 32 to 35 and the passive component 39 are mounted is prepared.

基板30は、図16(a)の工程で柱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15(a)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4隅には、電極31(ボンディングパッド)が設けられている。 The substrate 30 has an end surface fixing portion 30a that is fixed to the upper surfaces (end surfaces) of the pillars 22a to 22d in the step of FIG. 16(a). In FIG. 15(a), the area crossed by the cross is the end face fixing portion 30a. Electrodes 31 (bonding pads) are provided at 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17(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. Input/output terminals (not shown) capable of electrical input/output with an external circuit (control device, etc.) connected to the force sensor device 1 are arranged at the end of the extended portion 30f.

端面固定部30aは、図16(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 surface 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 surfaces) of the columns 22a to 22d in the process of FIG. 16(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.

次に、図15(b)に示す工程では、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。 Next, in the step shown in FIG. 15B, 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16(a)に示す工程では、基板30の端面固定部30aの4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. 16(a), the substrate 30 is attached to the strain-generating body 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. 20. 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16(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の裏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. 16B, the adhesive 43 is applied (for example, two places each in the vertical direction) to 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 back 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。また、接着剤43は、図15(b)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. 15(b).

次に、図17(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 step shown in FIG. 17(a), the side surface fixing portions 30b to 30e protruding in the horizontal direction from the end surface fixing portion 30a disposed 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4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 columns 22a to 22d in plan view of the end surface fixing portion 30a. This is the region with the least distortion when force is applied to the input portions 24a to 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 requires only a minimum number of positions to be aligned. It is possible to suppress the deterioration of accuracy due to the cause.

また、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。 In addition, in the strain body 20, the connection points with the sensor chip 110 (the top surfaces of the columns 25a to 25e and the top surfaces of the protrusions 27a to 27d) are all on the same plane, so the position of the sensor chip 110 with respect to the strain body 20 is It is easy to mount the sensor chip 110 on the strain-generating body 20 because only one alignment is required.

なお、図17(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17(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。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。カバー50の上面の中心部には、貫通孔50aが設けられている。貫通孔21aは、カバー50内の空間に連通している。 In addition, as shown in FIG. 17(b), a step of adhering the cover may be further provided. In the step shown in FIG. 17B, 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. 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. A through hole 50 a is provided in the center of the upper surface of the cover 50 . The through hole 21 a communicates with the space inside the cover 50 .

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の取り付けを阻害しない。 The substrate 30 is adhered to the strain-generating body 20, and the portion of the substrate 30 where 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 attachment 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 .

次に、図18(a)に示す製造工程では、起歪体20の土台21を下方に向けた状態において、カバー50に設けられた貫通孔50aからカバー50内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。この媒体の注入には、例えば、ニードル式のディスペンサを用いる。図18(a)に示すように、ディスペンサのニードル60を貫通孔50aに挿入することにより媒体の注入を行う。 Next, in the manufacturing process shown in FIG. 18( a ), with the base 21 of the strain body 20 facing downward, thermal conductivity from air is introduced into the cover 50 through the through hole 50 a provided in the cover 50 . Inject a medium with high fluidity and thermosetting properties. For injection of this medium, for example, a needle-type dispenser is used. As shown in FIG. 18(a), the medium is injected by inserting the needle 60 of the dispenser into the through hole 50a.

次に、図18(b)に示す製造工程では、起歪体20の土台21を上方に向けた状態において、土台21に設けられた貫通孔21aからカバー50内に、空気より熱導電性が高く、流動性及び熱硬化性を有する媒体を注入する。図18(a)に示す製造工程と同様に、ディスペンサのニードル60を貫通孔21aに挿入することにより媒体の注入を行う。なお、ねじ穴として土台21に設けられた貫通孔21xから媒体を注入してもよい。 Next, in the manufacturing process shown in FIG. 18(b), with the base 21 of the strain generating body 20 facing upward, thermal conductivity from air flows into the cover 50 from the through hole 21a provided in the base 21. Inject a medium with high fluidity and thermosetting properties. As in the manufacturing process shown in FIG. 18A, the medium is injected by inserting the needle 60 of the dispenser into the through hole 21a. Note that the medium may be injected from a through hole 21x provided in the base 21 as a screw hole.

カバー50内に注入する媒体は、例えばシリコーンゲルである。シリコーンゲルの熱伝導率が約0.2W/(m・K)であり、空気の熱伝導率である約0.041W/(m・K)の約5倍である。このため、カバー50内をシリコーンゲル等の媒体で満たすことにより、カバー50内に温度分布が生じた場合であっても、高い熱伝導性により短時間で温度分布が均一化して温度平衡状態となる。 The medium injected into the cover 50 is silicone gel, for example. The thermal conductivity of silicone gel is about 0.2 W/(m·K), which is about five times the thermal conductivity of air, which is about 0.041 W/(m·K). Therefore, by filling the inside of the cover 50 with a medium such as silicone gel, even if a temperature distribution occurs inside the cover 50, the high thermal conductivity will make the temperature distribution uniform in a short period of time, and a temperature equilibrium state will be reached. Become.

なお、カバー50内に注入する媒体の熱伝導率をさらに上げるために、媒体に熱伝達フィラーを混合することも好ましい。熱伝達フィラーとして、例えば熱伝達率が約100W/(m・K)であり絶縁性を有し腐食性が無い、窒化ホウ素が用いられる。媒体に熱伝達フィラーを混合することで、媒体の熱伝導率を約1W/(m・K)とすることができる。 In order to further increase the thermal conductivity of the medium injected into the cover 50, it is also preferable to mix the medium with a heat transfer filler. As the heat transfer filler, for example, boron nitride is used, which has a heat transfer coefficient of about 100 W/(m·K), has insulating properties, and has no corrosive properties. By mixing a heat transfer filler into the medium, the thermal conductivity of the medium can be approximately 1 W/(m·K).

なお、必ずしも、図18(a)に示す製造工程と図18(b)に示す製造工程との両方を行う必要はなく、いずれか一方の製造工程によってカバー50内に媒体を注入してもよい。 Note that it is not always necessary to perform both the manufacturing process shown in FIG. 18(a) and the manufacturing process shown in FIG. 18(b), and the medium may be injected into the cover 50 by either manufacturing process. .

この後、ベーキング処理を行うことにより、カバー50内に注入された媒体を硬化させる。そして、起歪体20の入力部24a~24dの上面に、受力板40の下面を当接させ、溶接等により起歪体20と受力板40とを接合することにより、図1に示した力覚センサ装置1が完成する。 After that, a baking process is performed to harden the medium injected into the cover 50 . Then, the lower surface of the force-receiving plate 40 is brought into contact with the upper surface of the input portions 24a to 24d of the strain-generating body 20, and the strain-generating body 20 and the force-receiving plate 40 are joined by welding or the like. The force sensor device 1 is completed.

図19は、完成後における力覚センサ装置1の縦断面図である。図19は、図12(a)と同じ断面を示している。図19に示すように、図18(a)及び図18(b)の製造工程で注入された媒体70は、カバー50と起歪体20との間であって、センサチップ110及び能動部品32~35が存在する空間(外周部)と、起歪体20内であって、センサチップ搭載部としての柱28が存在する空間(中空部)とに充填されている。 FIG. 19 is a longitudinal sectional view of the force sensor device 1 after completion. FIG. 19 shows the same cross section as FIG. 12(a). As shown in FIG. 19, the medium 70 injected in the manufacturing process of FIGS. , and the space (hollow portion) in the strain generating body 20 in which the column 28 as the sensor chip mounting portion exists.

このように、力覚センサ装置1の内部空間に熱伝導性の高い媒体70を充填することにより、当該内部空間の熱伝導性が高まり、熱に対する応答性が向上することで温度分布が均一化する。 In this way, by filling the internal space of the force sensor device 1 with the medium 70 having high thermal conductivity, the thermal conductivity of the internal space is increased, and the responsiveness to heat is improved, resulting in uniform temperature distribution. do.

力覚センサ装置1の温度が何らかの影響により変化した場合には、起歪体20が熱膨張または収縮することや、センサチップ110や能動部品32~35の特性が変化することにより、検出誤差が生じる可能性がある。力覚センサ装置1の内部空間の温度分布は、例えば、力覚センサ装置1の起動時に能動部品32~35が自己発熱することや、熱伝導率が高い起歪体20や受力板40が外部の熱の影響を受けることにより生じる。また、能動部品32~35は、基板30を介して起歪体20の側面に固定されているので、外部の温度変化に対する温度変化が遅延する。 When the temperature of the force sensor device 1 changes due to some influence, detection errors may occur due to thermal expansion or contraction of the strain generating body 20 or changes in the characteristics of the sensor chip 110 and the active components 32-35. may occur. The temperature distribution in the internal space of the force sensor device 1 is such that, for example, the active parts 32 to 35 self-heat when the force sensor device 1 is activated, and the strain body 20 and the force receiving plate 40 with high thermal conductivity are It is caused by being affected by external heat. In addition, since the active components 32 to 35 are fixed to the side surface of the strain-generating body 20 via the substrate 30, the temperature change with respect to the external temperature change is delayed.

本実施形態では、力覚センサ装置1の内部空間に熱伝導性の高い媒体70を充填しているの、温度分布が均一化、センサチップ110と能動部品32~35との間の温度差や、起歪体20と能動部品32~35との間の温度差が低減され、温度変化による検出誤差が低減する。また、力覚センサ装置1内に、センサチップ110からの出力を温度補正する機能を有するICを設けた場合に、温度補正誤差が低減する。 In the present embodiment, the internal space of the force sensor device 1 is filled with the medium 70 having high thermal conductivity, so that the temperature distribution is uniformed, and the temperature difference between the sensor chip 110 and the active components 32 to 35 is reduced. , the temperature difference between the strain-generating body 20 and the active components 32 to 35 is reduced, and detection errors due to temperature changes are reduced. Further, when an IC having a function of temperature-correcting the output from the sensor chip 110 is provided in the force sensor device 1, the temperature correction error is reduced.

また、センサチップ110を媒体70で覆うことにより、センサチップ110へのゴミや異物の付着が抑制され、故障や異常の発生が防止され、信頼性が向上するといった効果も得られる。 Moreover, by covering the sensor chip 110 with the medium 70, adhesion of dust and foreign matter to the sensor chip 110 is suppressed, failures and abnormalities are prevented, and reliability is improved.

媒体70は、空気より熱伝導率が高いことの他に、起歪体20やセンサチップ110の変形を阻害しない程度の剛性であることが好ましい。また、媒体70は、センサチップ110のボンディングワイヤやパッドに接触することから、絶縁性であって、腐食性がないことが好ましい。したがって、媒体70は、高熱伝導性、低剛性及び低ヤング率の物質である、ゲル(シリコーンゲル等)、ゴム、液体(シリコーンオイル等)であることが好ましい。上述のように媒体70に熱伝達フィラーを混合することで熱伝導性を向上させることができる。 The medium 70 preferably has a higher thermal conductivity than air and is rigid enough not to hinder the deformation of the strain-generating body 20 and the sensor chip 110 . In addition, since the medium 70 contacts the bonding wires and pads of the sensor chip 110, it is preferable that the medium 70 be insulating and non-corrosive. Therefore, the medium 70 is preferably a gel (such as silicone gel), rubber, or liquid (such as silicone oil), which is a substance with high thermal conductivity, low stiffness and low Young's modulus. As described above, thermal conductivity can be improved by mixing the medium 70 with a heat transfer filler.

<変形例>
次に、第1実施形態の変形例について説明する。第1実施形態では、起歪体20とカバー50との間の外周部と、起歪体20内の中空部とに媒体70を注入しているが、いずれか一方にのみ媒体70を注入してもよい。
<Modification>
Next, a modified example of the first embodiment will be described. In the first embodiment, the medium 70 is injected into the outer peripheral portion between the strain-generating body 20 and the cover 50 and the hollow portion inside the strain-generating body 20, but the medium 70 is injected into only one of them. may

図20は、起歪体20とカバー50との間の外周部に媒体70を充填した例を示す縦断面図である。このように外周部にのみ媒体70を充填するには、カバー50に設けられた貫通孔50aから媒体70を注入すればよい。 FIG. 20 is a longitudinal sectional view showing an example in which the outer peripheral portion between the strain generating body 20 and the cover 50 is filled with the medium 70. As shown in FIG. In order to fill only the outer peripheral portion with the medium 70 in this manner, the medium 70 may be injected from the through hole 50 a provided in the cover 50 .

外周部にのみ媒体70を充填することで、カバー50を通して伝搬する外気の温度変化を伝達することができる。 By filling the medium 70 only in the outer peripheral portion, the temperature change of the outside air propagating through the cover 50 can be transmitted.

図21は、起歪体20内の中空部に媒体70を充填した例を示す縦断面図である。このように中空部にのみ媒体70を充填するには、起歪体20に設けられた貫通孔21a及び/又は貫通孔21xから媒体70を注入すればよい。 FIG. 21 is a vertical cross-sectional view showing an example in which a medium 70 is filled in the hollow portion of the strain generating body 20. As shown in FIG. In order to fill only the hollow portion with the medium 70 in this manner, the medium 70 may be injected from the through hole 21 a and/or the through hole 21 x provided in the strain generating body 20 .

なお、第1実施形態は、起歪体に受力板を接続しているが、力覚センサ装置には受力板は必須ではなく、省略してもよい。 Although the force receiving plate is connected to the strain body in the first embodiment, the force receiving plate is not essential to the force sensor device and may be omitted.

また、第1実施形態に係る力覚センサ装置は、センサ素子としてMEMSセンサチップを起歪体に搭載したものであるが、本発明は、センサ素子として歪みゲージを起歪体に張り付けた力覚センサ装置にも適用可能である。 Further, the force sensor device according to the first embodiment has the MEMS sensor chip mounted on the strain body as the sensor element. It is also applicable to sensor devices.

なお、センサ素子は、軸方向に印加された力と、軸回りに印加された力(モーメント)のうち、少なくとも一方を検知するものであればよい。 The sensor element should detect at least one of the force applied in the axial direction and the force (moment) applied around the axis.

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、17 温度センサ、20 起歪体、21 土台、21a 貫通孔、21x 貫通孔、22a~22d 柱、24a~24d 入力部、25a~25e 柱、28 柱(搭載部)、30 基板、32~35 能動部品、39 受動部品、40 受力板、50 カバー、50a 貫通孔、60 ニードル、70 媒体、110 センサチップ(センサ素子) 1 force sensor device, 17 temperature sensor, 20 strain element, 21 base, 21a through hole, 21x through hole, 22a to 22d pillar, 24a to 24d input section, 25a to 25e pillar, 28 pillar (mounting section), 30 Substrate 32 to 35 Active component 39 Passive component 40 Force receiving plate 50 Cover 50a Through hole 60 Needle 70 Medium 110 Sensor chip (sensor element)

Claims (5)

所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記媒体には、熱伝達フィラーが混合されている力覚センサ装置。
a sensor element that detects a force applied in or around a predetermined axis;
an active component electrically connected to the sensor element;
a strain body to which the sensor element and the active component are attached and which transmits the applied force to the sensor element;
a cover attached to cover the sensor element and the active component;
a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air;
has
The force sensor device , wherein the medium is mixed with a heat transfer filler .
所定の軸方向または軸回りに印加された力を検知するセンサ素子と、
前記センサ素子と電気的に接続された能動部品と、
前記センサ素子及び前記能動部品が取り付けられ、印加された前記力を前記センサ素子に伝達する起歪体と、
前記センサ素子及び前記能動部品を覆うように取り付けられたカバーと、
前記カバー内に注入され、空気よりも高い熱伝導率を有する媒体と、
を有し、
前記能動部品は、基板の一方の面に実装され、
前記基板の他方の面は、前記起歪体の側面に固定され、
前記起歪体は、
前記センサ素子を搭載する搭載部と、
前記搭載部の周囲に離間して配置された複数の柱と、を備え、
前記基板の他方の面は、隣接する前記柱の側面に固定され、
前記媒体は、前記起歪体と前記カバーとの間であって、前記センサ素子及び前記能動部品が存在する外周部と、前記起歪体内であって、前記搭載部が存在する中空部とに充填されている力覚センサ装置。
a sensor element that detects a force applied in or around a predetermined axis;
an active component electrically connected to the sensor element;
a strain body to which the sensor element and the active component are attached and which transmits the applied force to the sensor element;
a cover attached to cover the sensor element and the active component;
a medium injected into the cover and having a higher thermal conductivity than air;
has
The active component is mounted on one side of the substrate,
The other surface of the substrate is fixed to the side surface of the strain body,
The strain-generating body is
a mounting portion for mounting the sensor element;
a plurality of pillars spaced around the mounting portion;
The other surface of the substrate is fixed to the side surface of the adjacent pillar,
The medium is provided between the strain-generating body and the cover and in an outer peripheral portion where the sensor element and the active component exist, and a hollow portion in the strain-generating body where the mounting portion exists. A filled force sensor device.
前記媒体は、シリコーンゲルである請求項1又は2に記載の力覚センサ装置。 3. The force sensor device according to claim 1 , wherein the medium is silicone gel. 前記熱伝達フィラーは、窒化ホウ素である請求項に記載の力覚センサ装置。 The force sensor device according to claim 1 , wherein the heat transfer filler is boron nitride. 前記センサ素子は、MEMSセンサチップである請求項2又は3に記載の力覚センサ装置。 4. The force sensor device according to claim 2 , wherein the sensor element is a MEMS sensor chip.
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