JPH03186726A

JPH03186726A - 力検出装置用起歪体の製造方法

Info

Publication number: JPH03186726A
Application number: JP32562289A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Wako KK
Current assignee: Wako KK
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1991-08-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は力検出装置用起歪体の製造方法、特に機械的変
形によって電気抵抗が変化する性質をもった抵抗素子か
形成された力検出基板に対し、外力を伝達するために用
いる起歪体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、機械的変形によって電気抵抗が変化するというピ
エゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を、半導体基板上
に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化から力を検出す
る技術が提案されている。力の作用によって半導体基板
上に機械的な歪みを起こさせ、これによって生じる抵抗
素子の抵抗値の変化を電気的に検出するのである。たと
えば、特開昭６３−２６６３２９号公報には、ＸＹ平面
上に広がった基板上の、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿っ
た所定位置に、複数の抵抗素子を形成し、これら抵抗素
子を特有のブリッジ回路に組むことにより、各軸方向に
作用した力および各軸回りに作用したモーメントを、ブ
リッジ電圧の変化として検出できる技術か開示されてい
る。

このような力検出装置では、半導体基板に直接外力を作
用させると基板が損傷しやすいため、外力を゛［導体基
板に伝達させるための起歪体が用いられる。この起歪体
は、外力を受けるための作用部と、この作用部の周囲に
形成され可撓性をもつた可撓部と、この可撓部の周囲に
形成された支持部と、の３つの構成部を一体として備え
、上面に半導体基板か接合される。支持部を装置本体に
固定した状態で、作用部に外力を作用させると、可撓部
が撓むため作用部と支持部との間に変位が生じることに
なる。この変位は、半導体基板に機械的変形として伝達
され、外力が電気抵抗の変化として検出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

起歪体は外力の作用を直接受けるため、力による損傷を
受けにくい材質で構成する必要がある。

また、半導体基板に接合されるために、シリコンなどの
半導体と熱膨脹係数が近い材質を用いるのが好ましい。

そこで、起歪体の材質として、一般にコバール（鉄、コ
バルト、ニッケルの合金）といった合金が用いられてい
る。ところが、このような合金は、粘性が高く、細かな
機械加工が困難である。前述のように、起歪体は、作用
部、可撓部、支持部の３つの部分が一体となるように構
成されるが、このような構成を実現するには、非常に細
かな機械加工を特徴とする特に可撓部を形成するために
は溝堀工程が必要であり、起歪体を小型化すればするほ
どより細かな溝堀工程を行う必要が生しる。従来は、切
削加工や放電加工といった機械加工によって、この細か
な機械加工を行っている。このため、加工が非常に困難
であり、コストが高くなるという問題があった。

そこで本発明は、加工が容易で、低コストな力検出装置
用起歪体の製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本願発明は、外力を受けるための作用部と、この作用部
の周囲に可撓性をもって形成された可撓部と、この可撓
部の周囲に環状体として形成された支持部と、の３つの
構成部を備え、機械的変形によって電気抵抗が変化する
性質をもった抵抗素子が形成された力検出基板を接有す
るための接合面が上面に形成され、加えられた外力に起
因して生しる作用部の支持部に対する変位を、接合面を
介して力検出基板に機械的変形として伝達させる機能を
有する力検出装置用起歪体、を製造する方法に関するも
のであり、その要点は次のとおりである。

（１）　　本願節１の発明は、起歪体の下面形状に対応
した雌型を用意し、この雌型に焼結金属粉を入れ、即座
蓋によってこの焼結金属粉に圧力をかけて成型し、雌型
から取り出した成型物を高温中で焼成した後、表面の必
要箇所に仕上げ加工を行うようにしたものである。

（２）　　本願節２の発明は、可撓部と支持部とが一体
となった第１の部材と、作用部を形成する第２の部材と
、を別々に用意し、これらを溶接により接合した後、溶
接痕を除去する仕上げ加工を行うようにしたものである
。

（３）　　本願節３の発明は、可撓部、支持部、および
作用部の接合面側の一部、が一体となった第１の部材と
、作用部の残りの部分を形成する第２の部材と、を別々
に用意し、これらを溶接により接合した後、溶接痕を除
去する仕上げ加工を行うようにしたものである。

（４）　　本願節４の発明は、可撓部と作用部とが一体
となった第１の部材と、支持部を形成する第２の部材と
、を別々に用意し、これらを溶接により接合した後、溶
接痕を除去する仕上げ加工を行うようにしたものである
。

〔作　用〕

（１）　　本願節１の発明によれば、起歪体は雌型を用
いて焼結金属粉の焼成によって製造される。

したがって、複雑な機械加工を行う必要がなく、大幅な
コストダウンを図ることができる。

（２）　　木廓第２の発明によれば、可撓部と支持部と
が一体となった第１の部材と、作用部を形成する第２の
部材と、の溶接により起歪体を形成するようにしたため
、可撓部を形成するための溝堀工程が不要になり、加工
を容易にしコストダウンを図ることができる。

（３）　　本願節３の発明によれば、可撓部、支持部、
および作用部の接合面側の一部、が一体となった第１の
部材と、作用部の残りの部分を形成する第２の部材と、
の溶接により起歪体を形成するようにしたため、可撓部
を形成するための溝堀工程が不要になり、加工を容易に
しコストダウンを図ることができる。

（４）　　本願節４の発明によれば、可撓部と作用部と
が一体となった第１の部材と、支持部を形成する第２の
部材と、の溶接により起歪体を形成するようにしたため
、可撓部を形成するための溝堀工程が不要になり、加工
を容易にしコストダウンを図ることができる。

〔実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

力検出装置の基本構造はじめに、本願発明に係る起歪体の製造方法について述
べる前に、本願発明の適用対象となる力検出装置の基本
構造について簡単に説明しておく。

第１図はこの力検出装置の側断面図、第２図は同装置の
上面図である。この装置は、半導体基板１０と起歪体２
０とによって構成されている。半導体基板１０は、この
例では、Ｎ型の不純物を含んだ正方形のシリコン基板で
あり、その上面にはＰ型の不純物を拡散させてなる抵抗
素子「１〜ｒ４が形成されている。これらの抵抗素子は
機械的変形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果
をもっている。

起歪体２０は、中心部において円柱状をなす作用部２１
と、この作用部２１の周囲に可撓性をもった環状平板と
して形成された可撓部２２と、この可撓部２２の周囲に
環状体として形成された支持部２３と、の３つの構成部
を備えている。この上面は平ｊＱ面となっており、’ｔ
ｚ導体基板１０を接有するための接合面２４を形成する
。可撓部２２は他の各部に比べて肉厚を薄くすることに
より可撓性をもたせた部分である。

通常は、支持部２３を装置本体にねし止めなどの方法に
より固定し、作用部２１の下端に測定対象となる外力が
作用するような溝底とする。作用部２１の下端に外力が
作用すると、この外力によって可撓部２２が撓み、作用
部２１が支持部２３に対して変位を生じることになる。

起歪体２０の接合面２４と半導体基板］０の下面との間
は、通常は共晶結合による接合がなされており、この変
位は半導体基板１０に機械的変形を生じさせ、結果的に
抵抗素子ｒ１〜ｒ４の電気抵抗が変化することになる。

なお、図には示されていないが、抵抗素子ｒ１〜ｒ４に
よってブリッジ回路が形成されており、このブリッジ回
路の出力により作用部２１に作用した外力が電気信号と
して検出されることになる。第２図に示す例では、抵抗
素子ｒ１〜ｒ４が一列に配されているが、実際の装置で
は複数の方向について多数の抵抗素子が配され、これら
の抵抗素子により複数のブリッジ回路を構成し、作用し
た外力の向きおよび大きさを各方向成分ごとに検出する
ことができる。これらの技術については、たとえば、特
許協力条約に基づく国際出願ＰＣＴ／Ｊ　Ｐ８８１００
３９５号明細書に開示されている。

以上のように、起歪体２０は外力を半導体基板１０に導
く重要な機能を有する。この起歪体２０の材質としては
次の２つの特徴を兼ね備えたちのを用いるのが好ましい
。すなわち、第１の特徴は、外力の作用によっても破損
することのない頑強な材質であること、そして第２の特
徴は、半導体基板１０に接合しても応力歪みを生じない
ように熱膨脹係数が半導体基板１０に近いこと、の２つ
である。この２つの特徴を兼ね備えるものとして一般に
コバールが用いられているが、このコノ〈−ルは細かな
機械加工が困難であることは前述のとおりである。特に
、最近ではこのような力検出装置に対しても小型化が要
求されており、半導体基板１０としては一辺が１０ｍｍ
程度のものが用いられる。このため、起歪体２０として
もかなり小型のものが用いられ、たとえば、第１図に示
す起歪体２０の各部において、可撓部２２の厚みａが０
．２〜１．０ｍｍ程度、支持部２３の厚みｂが４゜０開
枠度、作用部２１の外径Ｃが３ｍ１１程度、支持部２３
の内径が７ｍ箇程度、とするのが一般的である。ところ
が、切削加工によってこのような形状の起歪体２０を製
造するには、かなり高度な機械加工技術を必要する。特
に、可撓部２２を形成するだめには、下面に幅２ｍ＋＋
、深さ３ｍｍ程度の満を掘る必要があるが、この満堀加
工はバイトの刃が入りにくいため、特に高度な技術を要
する加工となる。一方、放電加工はこのような細かな加
工には比較的有利ではあるが、一般的にコスト高となる
。したがって、切削加工や放電加工のいずれを用いても
、１体の起歪体を製造するのに必要なコストは、数万円
のオーダーが一般的であった。

以下に述べる各実施例は、いずれも起歪体の製造コスト
を低減させることのできる方法である。

第１の実施例の方法それでは、本願第１の発明に対応する第１の実施例の方
法を第３図に基づいて説明する。まず、同図（ａ）に示
すように、起歪体２０の下面形状に対応した雌型３０を
用意する。この雌型３０に焼結金属粉４０を入れる。こ
の実施例の場合は、コバールの焼結金属粉（日立金属株
式会社製の焼粘低熱膨脹合金：ＹＥＦ４２Ｓ、ＹＥＦ２
９−１．７Ｓ、ＹＥＴ３６Ｓ、ＹＥＴ３１５Ｓなど）を
用いている。一般に、シリコンなどの半導体基板１０と
同等の熱膨脹係数をもったコバールの焼結低熱膨脂合金
を用いるのが好ましい。続いて、同図（ｂ）に示すよう
に、押圧蓋３１によってこの焼結金属粉４０に圧力をか
けて成型する。押圧蓋３１の下面は平坦面となっている
ため、半導体基板１０に対する接合面２４が形成できる
。このようにして成型したものを雌型３０から取り出し
、高温中に入れて焼成する。必要に応じて、真空中で焼
成するとよい。こうして出来上がった起歪体２゜は、表
面が粗いため、必要箇所に仕上げ加工を行う。たとえば
、同図（Ｃ）に示す起歪体２０において、外側にハツチ
ングを施した部分（接合面２４と膚の内面２５）につい
て、切削加工あるいは研磨加圧を施して仕上げを行うと
よい。

このような雌型を使った焼成工程は非常に容易であり、
また製造コストも大幅に低減することができる。雌型を
作るための全型代として１００万固程度の費用が見積も
られるものの、起歪体の１体あたりの製造コストは２０
０円程度となり、大量生産した場合には、大幅なコスト
ダウンが期待できる。

第２の実施例の方法続いて、本願第２の発明に対応する第２の実施例の方法
を第４図に基づいて説明する。はじめに、同図（ａ）に
示すように、可撓部２２と支持部２３とが一体となった
第１の部材５１と、作用部２１を形成する第２の部材５
２と、を別々に用意する。

これらは、コバールの原料塊に対して一般的な切削加工
を行うことによって用意できる。このように、２つの部
材に分けることにより、可撓部２２を形成するのに必要
な溝堀工程が不要となるため、切削加工は非常に容易に
なり、加工コストも低減する。

続いて、これらの部材５１．５２を溶接により接有する
。溶接としては、ろうづけや電気溶接など、−膜内な方
法を用いればよい。なお、溶接作業を容易かつ確実にす
るために、同図（ａ）に示すように、溶接面５１ａ、５
２ａはテーパー状にしておくのが好ましい。

このような溶接を行うと、同図（ｂ）に示すように、溶
接箇所に溶接痕５３が形成される。そこで、この溶接痕
を除去する仕上げ加工を行う。これは、切削加工や研磨
加工といった機械加工で行えばよい。ここに示す実施例
では、同図（Ｃ）に示すように、起歪体２０の上面の中
央部を切削加工することにより、平坦な接合面２４を形
成している。

第３の実施例の方法続いて、本願第３の発明に対応する第３の実施例の方法
を第５図に基づいて説明する。はじめに、同図（ａ）に
示すように、可撓部２２、支持部２３、および作用部２
１の接合面２４側の一部、が一体となった第１の部材６
１と、作用部２１の残りの部分を形成する第２の部材６
２と、を別々に用意する。これらは、コバールの原料塊
に対して一般的な切削加圧を行うことによって用意でき
る。このように、２つの部材に分けることにより、可撓
部２２を形成するのに必要な溝堀工程が不要となるため
、切削加工は非常に容易になり、加工コストも低減する
。

続いて、これらの部材６１．６２を溶接により接有する
。このときも、溶接作業を容易かつ確実にするために、
同図（ａ）に示すように、溶接面６１ａ、６２ａはテー
パー状にしておくのが好ましい。そして、同図（ｂ）に
示すように、溶接箇所に形成された溶接痕６３を除去す
る仕上げ加工を行う。ここに示す実施例においても、同
図（Ｃ）に示すように、起歪体２０の上面の中央部を切
削加工することにより、平坦な接合面２４を形成してい
る。

第４の実施例の方法最後に、本願第４の発明に対応する第４の実施例の方法
を第６図に基づいて説明する。はじめに、同図（ａ）に
示すように、可撓部２２と作用部２１とが一体となった
第１の部材７１と、支持部２３を形成する第２の部材７
２と、を別々に用意する。

続いて、これらの部材７］、７２を溶接により接有する
。そして、同図（ｂ）に示すように、溶接箇所に形成さ
れた溶接痕７３を除去する仕上げ加工を行う。ここに示
す実施例においても、同図（ｃ）に示すように、起歪体
２０の上面の中央部を切削加工することにより、平坦な
接合面２４を形成している。

その他の実施例以上、本願発明をいくつかの実施例に基づいて説明した
が、本願発明はこれらの実施例のみに限定されるもので
はなく、種々の応用が可能である。

たとえば、第１の部材や第２の部材を別々に形成する方
法としては、どのような加工方法を用いてもかまわない
し、両者を溶接する方法もどのような溶接方法をとって
もかまわない。また、溶接痕を除去する仕上げ加Ｊユも
どのような加］−を行ってもよい。

また、上述の実施例は、第１図に示すように、可撓部２
２が環状平板の形態をとっている起歪体の製造方法であ
るが、第７図〜第９図に示すように、可撓部２２が作用
部２１の中心軸に関する様々な回転対称体となるような
起歪体（このような起歪体は特願平１−１５５０３２号
明細書に開示されている）の製造方法についても本願発
明を同様に適用することが可能である。上述の第１の実
施例をこれらに適用するには、雌型および抑圧蓋のそれ
ぞれに、必要な凹凸形状を形成させておけばよい。上述
節２、第３、および第４の実施例をこれらに適用するに
は、第７図〜第９図のそれぞれ破線Ａ、−点鎖線Ｂ、お
よび二点鎖線Ｃで示す位置て起歪体を２つの部分に分け
、各部を別々に用意してから溶接すれば良い。

また、本願発明は力検出装置用起歪体についてのもので
あるが、力検出装置そのものは、モーメントセンサにも
なるし、作用部に錘を付加することにより加速度センサ
ともなり、更に作用部に磁性体を付加することにより磁
気センサともなるものである。本願発明は、これら各セ
ンサに応用される起歪体の製造方法に広く適用しうるち
のである。

〔発明の効果〕

（１〉　　本願節１の発明によれば、雌型を用いて焼結
金属粉の焼成によって起歪体を製造するようにしたため
、複雑な機械加工を行う必要がなく、大幅なコストダウ
ンを図ることができる。

（２）　　本願節２の発明によれば、可撓部と支持部と
が一体となった第１の部材と、作用部を形成する第２の
部材と、の溶接により起歪体を形成するようにしたため
、可撓部を形成するための溝堀工程が不要になり、加工
を容易にしコストダウンを図ることができる。

（４〉　　本願節４の発明によれば、可撓部と作用部と
が一体となった第１の部材と、支持部を形成する第２の
部材と、の溶接により起歪体を形成するようにしたため
、可撓部を形成するための溝堀工程が不要になり、加工
を容易にしコストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本願発明の適用対象となる力検出
装置の基本構成を示すそれぞれ側断面図および上面図、
第３図は本願節１の発明の一実施例に係る方法を示す側
断面図、第４図は本願節２の発明の一実施例に係る方法
を示す側断面図、第５図は本願節３の発明の一実施例に
係る方法を示す側断面図、第６図は本願節４の発明の一
実施例に係る方法を示す側断面図、第７図〜第９図はそ
れぞれ本願発明の更に別な実施例に係る方法を示す側断
面図である。１０・・・半導体基板、２０・・・起歪体、２１・・・
作用部、２２・・・可撓部、２３・・・支持部、２４・
・・接合面、２５・・・溝の内面、３０・・・雌型、３
１・・・押圧蓋、４０・・・焼結金属粉、５１・・・第
１の部材、５１ａ・・・接合面、５２・・・第２の部材
、５２ａ・・・接合面、５３・・・溶接痕、６１・・・
第１の部材、６１ａ・・・接合面、６２・・・第２の部
材、６２ａ・・・接合面、６３・・・溶接痕、７１・・
・第１の部材、７２・・・第２の部材、７３・・・溶接
痕、ｒ１〜ｒ４・・・抵抗素子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外力を受けるための作用部と、この作用部の周囲
に可撓性をもって形成された可撓部と、この可撓部の周
囲に環状体として形成された支持部と、の３つの構成部
を備え、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質を
もった抵抗素子が形成された力検出基板を接合するため
の接合面が上面に形成され、加えられた外力に起因して
生じる前記作用部の前記支持部に対する変位を、前記接
合面を介して前記力検出基板に機械的変形として伝達さ
せる機能を有する力検出装置用起歪体、を製造する方法
において、起歪体の下面形状に対応した雌型を用意し、この雌型に
焼結金属粉を入れ、押圧蓋によってこの焼結金属粉に圧
力をかけて成型し、雌型から取り出した成型物を高温中
で焼成した後、表面の必要箇所に仕上げ加工を行うこと
を特徴とする力検出装置用起歪体の製造方法。
（２）外力を受けるための作用部と、この作用部の周囲
に可撓性をもって形成された可撓部と、この可撓部の周
囲に環状体として形成された支持部と、の３つの構成部
を備え、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質を
もった抵抗素子が形成された力検出基板を接合するため
の接合面が上面に形成され、加えられた外力に起因して
生じる前記作用部の前記支持部に対する変位を、前記接
合面を介して前記力検出基板に機械的変形として伝達さ
せる機能を有する力検出装置用起歪体、を製造する方法
において、前記可撓部と前記支持部とが一体となった第１の部材と
、前記作用部を形成する第２の部材と、を別々に用意し
、これらを溶接により接合した後、溶接痕を除去する仕
上げ加工を行うことを特徴とする力検出装置用起歪体の
製造方法。
（３）外力を受けるための作用部と、この作用部の周囲
に可撓性をもって形成された可撓部と、この可撓部の周
囲に環状体として形成された支持部と、の３つの構成部
を備え、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質を
もった抵抗素子が形成された力検出基板を接合するため
の接合面が上面に形成され、加えられた外力に起因して
生じる前記作用部の前記支持部に対する変位を、前記接
合面を介して前記力検出基板に機械的変形として伝達さ
せる機能を有する力検出装置用起歪体、を製造する方法
において、前記可撓部、前記支持部、および前記作用部の前記接合
面側の一部、が一体となった第１の部材と、前記作用部
の残りの部分を形成する第２の部材と、を別々に用意し
、これらを溶接により接合した後、溶接痕を除去する仕
上げ加工を行うことを特徴とする力検出装置用起歪体の
製造方法。
（４）外力を受けるための作用部と、この作用部の周囲
に可撓性をもって形成された可撓部と、この可撓部の周
囲に環状体として形成された支持部と、の３つの構成部
を備え、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質を
もった抵抗素子が形成された力検出基板を接合するため
の接合面が上面に形成され、加えられた外力に起因して
生じる前記作用部の前記支持部に対する変位を、前記接
合面を介して前記力検出基板に機械的変形として伝達さ
せる機能を有する力検出装置用起歪体、を製造する方法
において、前記可撓部と前記作用部とが一体となった第１の部材と
、前記支持部を形成する第２の部材と、を別々に用意し
、これらを溶接により接合した後、溶接痕を除去する仕
上げ加工を行うことを特徴とする力検出装置用起歪体の
製造方法。