WO2021125014A1 - フォースセンサ - Google Patents

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WO2021125014A1
WO2021125014A1 PCT/JP2020/045846 JP2020045846W WO2021125014A1 WO 2021125014 A1 WO2021125014 A1 WO 2021125014A1 JP 2020045846 W JP2020045846 W JP 2020045846W WO 2021125014 A1 WO2021125014 A1 WO 2021125014A1
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WO
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force sensor
pressure receiving
substrate
receiving portion
sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/045846
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English (en)
French (fr)
Inventor
尚信 大川
梅津　英治
学 臼井
彩子 大塚
佑貴 今井
Original Assignee
アルプスアルパイン株式会社
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Filing date
Publication date
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Priority to CN202080088192.XA priority patent/CN114930138A/zh
Priority to DE112020006261.9T priority patent/DE112020006261T5/de
Publication of WO2021125014A1 publication Critical patent/WO2021125014A1/ja
Priority to US17/841,891 priority patent/US20220307927A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings

Definitions

  • the present invention relates to a force sensor, and more particularly to a small force sensor that detects a load.
  • Patent Document 1 describes that it is effective for reducing the thickness, has excellent stability of capacitance change even when the substrate is bent, and adjusts the capacitance change characteristic with respect to the magnitude of the force applied to the movable electrode.
  • An input device that is easy to use is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a force detector that outputs a signal according to the magnitude of the applied force, and in particular, a force detector capable of preventing a short circuit between electrodes and achieving miniaturization.
  • Patent Document 3 describes a sensor substrate on which a plurality of piezo resistance elements are formed, which are displaced when a load is applied via a pressure receiving portion projecting from the surface of the substrate and electrically detect the displacement amount, and a plurality of sensor substrates.
  • a force sensor package including a piezo resistance element and a base substrate on which an electrical wiring portion electrically connected is formed is disclosed.
  • the size of the displacement part is also becoming smaller as the sensor is miniaturized.
  • the pressure receiving portion that receives the load is reduced according to the displacement portion, the pressure receiving portion is likely to be damaged when the load is applied, that is, there is a concern that the load capacity is lowered. Further, if the force received by the pressure receiving portion becomes large, there is a concern that other constituent members of the sensor such as the sensor substrate and the base substrate may be damaged.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a force sensor capable of suppressing a decrease in load capacity even if the displacement portion is miniaturized.
  • One aspect of the present invention is a force sensor that measures a load, and has a pressure receiving portion that receives the load and a displacement portion that is displaced by the load received by the pressure receiving portion, and electrically detects the displacement amount of the displaced portion.
  • a sensor board having a plurality of piezo resistance elements, a base board having a sensor mounting surface on which the sensor board is mounted, and an electrical wiring portion for electrically connecting the plurality of piezo resistance elements are formed, and a base board are mounted.
  • a package substrate having a substrate mounting surface and a pad surface provided on a side opposite to the substrate mounting surface and formed with a pad for obtaining continuity with the outside, and the pressure receiving portion, the sensor substrate, and the base substrate are provided.
  • the first region is laminated in the normal direction of the board mounting surface, the entire displacement portion is located inside the pressure receiving portion when viewed in the normal direction, and the pad surface of the package substrate overlaps the pressure receiving portion when viewed in the normal direction. It is a force sensor characterized in that a fixing terminal is provided so that at least a part of the sensor overlaps with the sensor.
  • the entire displacement portion is located inside the pressure receiving portion in this way, even if an excessive force is applied to the pressure receiving portion, the force is directly transmitted to a part of the displacement portion and the displacement portion is excessively flexed. It is prevented from peeling, and the displacement part is less likely to be damaged.
  • the surface pressure applied to the displacement portion is lower than when the entire displacement portion is located inside the displacement portion, so that the piezoresistive resistance The sensitivity of the element is reduced. Therefore, it is necessary to appropriately deform the sensor substrate provided with the displacement portion by the pressure from the pressure receiving portion.
  • the fixing terminal is such that at least a part overlaps the first region which overlaps the pressure receiving portion when viewed in the normal direction. Is important from the viewpoint of increasing the sensitivity of the piezoresistive element.
  • the fixing terminal is not properly provided, the pressure from the pressure receiving portion diffuses to the entire sensor substrate and bends the base substrate connected to the sensor substrate. As a result, the pressure from the pressure receiving portion is less likely to be reflected as the stress change of the displacement portion in the sensor substrate, and the sensitivity of the piezoresistive element is lowered.
  • the entire displacement portion is located inside the fixing terminal when viewed in the normal direction.
  • the pressure applied from the pressure receiving portion can be received by the fixing terminals in a wider range than the displacement portion, and the displacement portion can be prevented from bending more than necessary.
  • the outer edge of the displacement portion and the outer edge of the fixing terminal overlap when viewed in the normal direction.
  • the pressure applied from the pressure receiving portion can be received by the fixing terminal so that the displacement portion is not bent more than necessary, and the stress due to the load can be efficiently transmitted to the outer edge of the displacement portion.
  • the outer edge of the pressure receiving portion and the outer edge of the fixing terminal overlap when viewed in the normal direction.
  • the pressure applied from the pressure receiving portion can be received by the fixing terminal so that the displacement portion is not bent more than necessary, and the stress due to the load can be efficiently transmitted to the outer edge of the displacement portion.
  • the fixing terminal is preferably formed of a metal material that can be solder-connected. As a result, the fixing terminal that supports the displacement portion and the package substrate can be connected by soldering.
  • FIG. 1 A) and (b) are diagrams illustrating the configuration of the force sensor according to the present embodiment.
  • (A) and (b) are schematic diagrams illustrating the force sensor according to the present embodiment.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the first embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the first embodiment.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the second embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the second embodiment.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the third embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 1 A and (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the comparative example.
  • FIG. 1 A) to (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the comparative example. It is a graph which shows the stress in the Y direction of the displacement part.
  • (A) and (b) are enlarged views of regions L1 and R1 shown in FIG. It is a graph which shows the stress in the X direction of the displacement part.
  • (A) and (b) are enlarged views of regions L2 and R2 shown in FIG.
  • FIG. (A) to (c) are schematic views illustrating bending due to a load.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of the force sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 1 (a) shows a cross-sectional view
  • FIG. 1 (b) shows a plan view
  • 2A and 2B are schematic views illustrating a force sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 2A shows a plan view excluding the sealing resin
  • FIG. 2B shows a plan view of the displacement portion.
  • the normal direction of the substrate mounting surface 40a is the Z direction
  • one direction orthogonal to the normal direction (Z direction) is the X direction
  • the other one is the Y direction.
  • the force sensor 1 measures a load, and includes a pressure receiving unit 10, a sensor substrate 20, a base substrate 30, and a package substrate 40.
  • the pressure receiving portion 10 is a portion that is provided so as to project from the upper surface of the sealing resin 50, which is a package, in a columnar shape, for example, and receives a load from the outside.
  • the pressure receiving unit 10 is made of a silicon compound or silicon (the same material as the sensor substrate 20).
  • the sensor substrate 20 has a displacement portion 21 and a piezoresistive element 25.
  • the displacement portion 21 is a portion that is displaced by the load received by the pressure receiving portion 10, and is provided on the surface of the sensor substrate 20 opposite to the pressure receiving portion 10.
  • the piezoresistive element 25 is an element that electrically detects the amount of displacement of the displacement portion 21.
  • a plurality of piezoresistive elements 25 are provided in the displacement portion 21.
  • the plurality of piezoresistive elements 25 are arranged along the peripheral edge of the displacement portion 21 with adjacent elements having different phases by 90 ° (positional relationships orthogonal to each other).
  • the electrical resistances of the plurality of piezoresistive elements 25 change according to the amount of the displacement, and the midpoint of the bridge circuit composed of the plurality of piezoresistive elements 25.
  • the potential changes, and this midpoint potential is output as a sensor output to a known measuring device.
  • the base board 30 has a sensor mounting surface 30a on which the sensor board 20 is mounted. Further, the base substrate 30 has an electrical wiring unit 35 that is electrically connected to each of the plurality of piezoresistive elements 25. A first pad portion 36 that conducts with the electrical wiring portion 35 is provided on the extension surface of the sensor mounting surface 30a on the base substrate 30.
  • the package substrate 40 has a substrate mounting surface 40a on which the base substrate 30 is mounted and a pad surface 40b provided on the side opposite to the substrate mounting surface 40a.
  • a second pad portion 46 is provided on the extension surface of the substrate mounting surface 40a of the package substrate 40, and the second pad portion 46 and the first pad portion 36 are connected by a bonding wire 48.
  • a plurality of electrode terminals 61 are provided on the pad surface 40b of the package substrate 40 in order to obtain continuity with the outside.
  • the plurality of electrode terminals 61 are conducting with the plurality of piezoresistive elements 25 via the bonding wire 48 and the electrical wiring portion 35.
  • electrode terminals 61 are provided at each of the four corners of the pad surface 40b of the package substrate 40.
  • the electrode terminal 61 is solder-connected to a connection pattern (not shown) of the mounting substrate 70 on which the force sensor 1 is mounted.
  • a sealing resin 50 is provided on the substrate mounting surface 40a side of the package substrate 40, and the package is configured by covering the base substrate 30, the bonding wire 48, and the sensor substrate 20.
  • the pressure receiving portion 10, the sensor substrate 20, and the base substrate 30 are laminated in the normal direction (Z direction) of the substrate mounting surface 40a. Then, when viewed in the normal direction (Z direction), the entire displacement portion 21 is located inside the pressure receiving portion 10, and on the pad surface 40b of the package substrate 40, the pressure receiving portion 10 is viewed in the normal direction (Z direction).
  • the fixing terminal 62 is provided so that at least a part of the first region A1 overlaps with the first region A1.
  • the fixing terminal 62 may be electrically independent of the plurality of electrode terminals 61, or may be electrically connected to any one of the plurality of electrode terminals 61.
  • the entire displacement portion 21 is located inside the pressure receiving portion 10 when viewed in the normal direction (Z direction). Therefore, the area of the pressure receiving portion 10 when viewed in the normal direction (Z direction) becomes too small, and it is unlikely that the pressure receiving portion 10 will be damaged when a load is applied. Further, it is unlikely that the pressure receiving unit 10 locally pushes the sensor substrate 20 when a load is applied to damage the sensor substrate 20. Therefore, the force sensor 1 according to the present embodiment has excellent load bearing capacity.
  • the sensor substrate 20 is bent by the load received by the pressure receiving portion 10, so that the relative position between the portion of the sensor substrate 20 where the piezoresistive element 25 is provided and the displacement portion 21 is set. It changes, and the piezoresistive element 25 detects this change as the displacement of the displacement portion 21. Therefore, when the base substrate 30 or the package substrate 40 has a structure that is easily bent, the load applied to the pressure receiving portion 10 propagates as a deformation of the base substrate 30 without properly bending the sensor substrate 20. As a result, the load received by the pressure receiving unit 10 cannot be appropriately detected.
  • the force sensor 1 by providing at least a part of the fixing terminals 62 so as to overlap the first region A1, the load received by the pressure receiving portion 10 is applied to the base substrate 30 and the package substrate 40 side. Escape is suppressed. Therefore, the load received by the pressure receiving unit 10 is appropriately transmitted to the sensor substrate 20, and the sensor substrate 20 can be appropriately bent. Therefore, the force sensor 1 according to the present embodiment can secure an appropriate detection sensitivity in the piezoresistive element 25.
  • the fixing terminal 62 is preferably made of a metal material that can be solder-connected. As a result, the fixing terminal 62 that supports the displacement portion 21 and the package substrate 40 can be connected by the solder 80.
  • the solder connection of the fixing terminal 62 can be performed in the same process as the solder connection between the electrode terminal 61 and the package substrate 40.
  • a layer 65 made of a solder-repellent material is formed by printing between two adjacent electrode terminals 61 and between the electrode terminal 61 and the fixing terminal 62. Since this layer 65 is located, an unintended short circuit is less likely to occur between two adjacent electrode terminals 61 or between the electrode terminal 61 and the fixing terminal 62 in the solder connection process.
  • the electrode terminal 61 and the fixing terminal 62 may also be formed by printing a conductive material.
  • Stress distribution simulation result Next, the simulation result of the stress distribution of the force sensor 1 according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams illustrating the force sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3A shows a schematic cross-sectional view of the force sensor 1A according to the first embodiment
  • FIG. 3B shows a pressure receiving portion 10, a displacement portion 21, and a fixing terminal 62 in the force sensor 1A.
  • a schematic plan view showing the positional relationship is shown.
  • diagonal lines are shown on the fixing terminals 62.
  • the entire displacement portion 21 is located inside the fixing terminal 62. That is, the fixing terminal 62 is provided so that the entire pressure receiving portion 10 is located inside when viewed in the normal direction (Z direction). In other words, when viewed in the normal direction (Z direction), the entire pressure receiving portion 10 is arranged inside the fixing terminal 62, and the entire displacement portion 21 is arranged inside the pressure receiving portion 10.
  • the length of the fixing terminal 62 in the force sensor 1A in the X direction is substantially equal to the length of the pressure receiving portion 10 in the X direction, and the length of the fixing terminal 62 in the Y direction is larger than the length of the pressure receiving portion 10 in the Y direction. long.
  • FIG. 4 (a) to 4 (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the first embodiment.
  • the stress simulation is a calculation of the stress distribution when a force of 10 Newton (N) is applied to the pressure receiving portion 10.
  • FIG. 4A shows the overall stress distribution of the force sensor 1A
  • FIG. 4B shows the stress distribution at the boundary between the pressure receiving portion 10 and the sensor substrate 20
  • FIG. 4C shows the stress distribution. Shows the in-plane stress distribution of the displacement portion 21.
  • FIG. 5A and 5 (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 5A shows a schematic cross-sectional view of the force sensor 1B according to the second embodiment
  • FIG. 5B shows a pressure receiving portion 10, a displacement portion 21, and a fixing terminal 62 in the force sensor 1B.
  • a schematic plan view showing the positional relationship is shown.
  • diagonal lines are shown on the fixing terminals 62.
  • the size of the displacement portion 21 is substantially equal to the size of the fixing terminal 62 when viewed in the normal direction (Z direction), and is arranged at a position where they overlap (match) with each other.
  • FIG. 6 (a) to 6 (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the second embodiment.
  • the stress simulation is a calculation of the stress distribution when a force of 10 Newton (N) is applied to the pressure receiving portion 10.
  • FIG. 6A shows the overall stress distribution of the force sensor 1B
  • FIG. 6B shows the stress distribution at the boundary between the pressure receiving portion 10 and the sensor substrate 20
  • FIG. 6C shows the stress distribution. Shows the in-plane stress distribution of the displacement portion 21.
  • FIG. 7A and 7 (b) are diagrams illustrating the force sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 7A shows a schematic cross-sectional view of the force sensor 1C according to the third embodiment
  • FIG. 7B shows a pressure receiving portion 10, a displacement portion 21, and a fixing terminal 62 in the force sensor 1C.
  • a schematic plan view showing the positional relationship is shown.
  • diagonal lines are shown on the fixing terminals 62.
  • the size of the displacement portion 21 is substantially the same as the size of the fixing terminal 62 when viewed in the normal direction (Z direction), but the displacement portions 21 are arranged at positions where they overlap with each other. ..
  • the fixing terminal 62 of the force sensor 1C according to the third embodiment is offset in the X direction with respect to the displacement portion 21 and is arranged so as to cover the outer edge 21a of the displacement portion 21 and the outer edge 10a of the pressure receiving portion 10.
  • FIG. 8 (a) to 8 (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the second embodiment.
  • the stress simulation is a calculation of the stress distribution when a force of 10 Newton (N) is applied to the pressure receiving portion 10.
  • FIG. 8 (a) shows the overall stress distribution of the force sensor 1C
  • FIG. 8 (b) shows the stress distribution at the boundary between the pressure receiving portion 10 and the sensor substrate 20
  • FIG. 8 (c) shows the stress distribution. Shows the in-plane stress distribution of the displacement portion 21.
  • FIG. 9A and 9 (b) are diagrams illustrating a force sensor according to a comparative example.
  • FIG. 9A shows a schematic cross-sectional view of the force sensor 1D according to the comparative example
  • FIG. 9B is a schematic plan view showing the positional relationship between the pressure receiving portion 10 and the displacement portion 21 in the force sensor 1D. Is shown.
  • the force sensor 1D according to the comparative example is not provided with the fixing terminal 62. That is, in the force sensor 1D, nothing is provided at a position overlapping the pressure receiving portion 10 and the displacement portion 21 when viewed in the normal direction (Z direction).
  • FIG. 10 (a) to 10 (c) are diagrams showing the stress simulation results of the force sensor according to the comparative example.
  • the stress simulation is a calculation of the stress distribution when a force of 10 Newton (N) is applied to the pressure receiving portion 10.
  • FIG. 10 (a) shows the overall stress distribution of the force sensor 1D
  • FIG. 10 (b) shows the stress distribution at the boundary between the pressure receiving portion 10 and the sensor substrate 20
  • FIG. 10 (c) shows the stress distribution. Shows the in-plane stress distribution of the displacement portion 21.
  • FIG. 11 is a graph showing the stress of the displacement portion in the Y direction. That is, FIG. 11 shows each example along the line LY in the Y direction passing through the center of the displacement portion 21 shown in FIGS. 4 (c), 6 (c), 8 (c) and 10 (c). The stress is shown graphically. Further, FIG. 12A shows an enlarged view of the region L1 of FIG. 11, and FIG. 12B shows an enlarged view of the region R1 of FIG. The positions in the Y direction shown in FIGS. 12A and 12B correspond to the portion of the outer edge 21a on the line LY of the displacement portion 21.
  • the stress along the line LY of the displacement portion 21 is the largest in the force sensor 1A according to the first embodiment, and then the force sensor 1B according to the second embodiment. And the force sensor 1C according to the third embodiment has the same size.
  • the stress of the force sensor 1D according to the comparative example is the smallest. It is considered that this is due to the difference in effect depending on the presence or absence of the fixing terminal 62.
  • FIG. 13 is a graph showing the stress of the displacement portion in the X direction. That is, FIG. 13 shows each example along the line LX in the X direction passing through the center of the displacement portion 21 shown in FIGS. 4 (c), 6 (c), 8 (c) and 10 (c). The stress is shown graphically. Further, FIG. 14A shows an enlarged view of the region L2 of FIG. 13, and FIG. 14B shows an enlarged view of the region R2 of FIG. The positions in the X direction shown in FIGS. 14A and 14B correspond to the portion of the outer edge 21a on the line LX of the displacement portion 21.
  • the force sensor 1A according to the first embodiment has the largest stress in the central region of the displacement portion 21, and then the force sensor 1A is the largest.
  • the force sensor 1B according to the second embodiment and the force sensor 1C according to the third embodiment have the same size.
  • the stress of the force sensor 1D according to the comparative example is the smallest.
  • the force sensor 1C according to the third embodiment is the largest in the region L2, followed by the first embodiment.
  • the force sensor 1A according to the second embodiment and the force sensor 1B according to the second embodiment have the same size.
  • the stress of the force sensor 1D according to the comparative example is the smallest.
  • the fixing terminal 62 is offset in the direction of the region L2, and a part thereof is arranged so as to overlap the outer edge 21a of the displacement portion 21 and the outer edge 10a of the pressure receiving portion 10. Therefore, it is considered that the stress escape in the region L2 is small and sufficient stress is applied to the displacement portion 21.
  • the force sensor 1A according to the first embodiment has the largest stress in the region R2, then the force sensor 1B according to the second embodiment, and then the third embodiment. It becomes the force sensor 1C which concerns on.
  • the stress of the force sensor 1D according to the comparative example is the smallest.
  • the fixing terminal 62 overlaps with the outer edge 21a of the displacement portion 21 and the outer edge 10a of the pressure receiving portion 10, and is fixed in the force sensor 1B according to the second embodiment.
  • the terminal 62 overlaps with the outer edge 21a of the displacement portion 21, and in the force sensor 1C according to the third embodiment, the fixing terminal 62 does not overlap with the outer edge 21a of the displacement portion 21 or the outer edge 10a of the pressure receiving portion 10.
  • the stress in the region R2 is different depending on the size of the overlap between the outer edge 21a of the displacement portion 21 of the fixing terminal 62 and the outer edge 10a of the pressure receiving portion 10.
  • the entire displacement portion 21 is preferably located inside the fixing terminal 62 when viewed in the normal direction (Z direction). This is because the pressure applied from the pressure receiving portion 10 can be received by the fixing terminal 62 having a wider range than the displacement portion 21 so that the displacement portion 21 is not bent more than necessary.
  • the outer edge 21a of the displacement portion 21 and the outer edge 62a of the fixing terminal 62 overlap in the Z direction.
  • the pressure applied from the pressure receiving portion 10 can be received by the fixing terminal 62 so that the displacement portion 21 is not bent more than necessary, and the stress due to the load can be efficiently transmitted to the outer edge of the displacement portion 21. Because.
  • FIG. 15 (a) to 15 (c) are schematic views illustrating bending due to a load.
  • FIG. 15 (a) shows an example of the deflection of the force sensor 1D according to the comparative example
  • FIG. 15 (b) shows an example of the deflection of the force sensor 1A according to the first embodiment
  • FIG. 15 (c) shows an example of the deflection of the force sensor 1A.
  • the fixing terminal 62 is not provided at a position overlapping the pressure receiving portion 10 and the displacement portion 21 on the pad surface 40b of the package substrate 40. Therefore, the load received by the pressure receiving portion 10 pushes the lower part of the pressure receiving portion 10 in the force sensor 1D, and the base substrate 30 and the package substrate 40 are greatly bent. On the other hand, since the sensor substrate 20 does not bend, the load received by the pressure receiving unit 10 in the piezoresistive element 25 cannot be appropriately detected.
  • the fixing terminal 62 is provided at a position overlapping the pressure receiving portion 10 and the displacement portion 21 on the pad surface 40b of the package substrate 40.
  • the load received by the pressure receiving portion 10 can be supported by the fixing terminal 62, and the bending of the base substrate 30 and the package substrate 40 is suppressed below the pressure receiving portion 10 in the force sensor 1A. Therefore, the load received by the pressure receiving unit 10 is effectively transmitted to the sensor substrate 20, and the relative displacement of the displacement portion 21 based on the deflection of the sensor substrate 20 can be efficiently detected as the resistance change of the piezoresistive element 25. it can.
  • the fixing terminal 62 is provided as in the force sensor 1A according to the first embodiment, but overlaps with the pressure receiving portion 10 and the displacement portion 21. It is placed at a position deviated from the position. As a result, the load received by the pressure receiving unit 10 can be supported by the fixing terminal 62. Since the fixing terminals 62 are arranged at offset positions, longer distances between the fixing terminals 62 and the electrode terminals 61 are slightly more likely to bend than those with a relatively short distance. Therefore, the fixing terminal 62 is often provided so as to overlap at least a part of the region overlapping the pressure receiving portion 10 (first region A1), and more preferably, the region overlapping the pressure receiving portion 10 (first region A1). It is good that it is provided so as to overlap all of.
  • the fixing terminal 62 by providing the fixing terminal 62, it is possible to prevent the displacement portion 21 from being bent more than necessary. This makes it possible to provide a force sensor 1 capable of suppressing a decrease in detection sensitivity and improving the load capacity.

Landscapes

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Abstract

本発明に係る検知感度の低下を抑制し耐荷重を向上することができるフォースセンサは、受圧部と、受圧部で受けた荷重によって変位する変位部を有し、変位部の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板と、センサ基板を実装するセンサ実装面を有し、複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板と、ベース基板を実装する基板実装面と、外部との導通を得るパッドが形成されるパッド面と、を有するパッケージ基板と、を備え、受圧部、センサ基板およびベース基板は、基板実装面の法線方向に積層され、法線方向にみて、変位部の全体は受圧部の内側に位置し、パッケージ基板のパッド面には、法線方向にみて受圧部と重なる第１領域に少なくとも一部が重なるように固定用端子が設けられる。

Description

フォースセンサ
　本発明は、フォースセンサに関し、より詳しくは、荷重を検知する小型のフォースセンサに関するものである。
　近年、電子機器などにおいて荷重を検知するフォースセンサが多く利用されている。特許文献１には、薄型化を図るのに効果的で基板の曲がりに対しても安定した静電容量変化の安定性に優れ、可動電極に加える力の大きさに対する静電容量変化特性の調整が容易な入力装置が開示される。
　特許文献２には、加えられた力の大きさに応じた信号を出力する力検出器に関し、特に電極間の短絡を阻止して小型化を図ることできる力検出器が開示される。特許文献３には、基板表面に突設した受圧部を介して荷重を受けたときに変位し、該変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子が形成されたセンサ基板と、複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板とを備えたフォースセンサパッケージが開示される。
国際公開第ＷＯ２０１１／０９６０９３号 国際公開第ＷＯ２０１５／１９９２２８号 特許第５３５７１００号公報
　フォースセンサの小型化の要求が進むなか、センサの小型化に伴い変位部の大きさも小さくなってきている。一方、荷重を受ける受圧部の大きさを変位部に合わせて小さくすると、荷重を受けたときに受圧部が破損しやすくなること、すなわち耐荷重の低下が懸念される。また、受圧部が受ける力が大きくなると、センサ基板やベース基板などセンサにおける他の構成部材が破損することも懸念される。
　本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、変位部が小型化しても耐荷重の低下を抑制することができるフォースセンサを提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、荷重を測定するフォースセンサであって、荷重を受ける受圧部と、受圧部で受けた荷重によって変位する変位部を有し、変位部の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板と、センサ基板を実装するセンサ実装面を有し、複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板と、ベース基板を実装する基板実装面と、基板実装面とは反対側に設けられ、外部との導通を得るパッドが形成されるパッド面と、を有するパッケージ基板と、を備え、受圧部、センサ基板およびベース基板は、基板実装面の法線方向に積層され、法線方向にみて、変位部の全体は受圧部の内側に位置し、パッケージ基板のパッド面には、法線方向にみて受圧部と重なる第１領域に少なくとも一部が重なるように固定用端子が設けられたことを特徴とするフォースセンサである。
　このように変位部の全体が受圧部の内側に位置することにより、受圧部に過大な力が加わっても、変位部の一部にその力が直接的に伝達されて変位部が過度に撓むことが防止され、変位部の破損が生じにくい。その一方で、変位部の全体が受圧部の内側に位置する場合には、受圧部の全体が変位部の内側に位置する場合に比べて、変位部に加わる面圧が低下するため、ピエゾ抵抗素子の感度は低下する。それゆえ、変位部が設けられたセンサ基板を受圧部からの圧力によって適切に変形させる必要がある。
　したがって、基板実装面の法線方向にみて変位部の全体が受圧部の内側に位置する場合には、法線方向にみて受圧部と重なる第１領域に少なくとも一部が重なるように固定用端子を設けることが、ピエゾ抵抗素子の感度を高める観点から重要である。かかる構成を備えることにより、受圧部から加えられる圧力によりベース基板が撓むことが抑制される。これに対し、固定用端子が適切に設けられていない場合には、受圧部からの圧力はセンサ基板全体に拡散し、センサ基板に接続されるベース基板を撓ませてしまう。その結果、受圧部からの圧力はセンサ基板内の変位部の応力変化として反映されにくくなり、ピエゾ抵抗素子の感度が低下してしまう。
　上記フォースセンサにおいて、法線方向にみて、変位部の全体は固定用端子の内側に位置することが好ましい。これにより、受圧部から加えられる圧力を、変位部よりも広い範囲の固定用端子で受けて、変位部を必要以上に撓ませないようにすることができる。
　上記フォースセンサにおいて、法線方向にみて、変位部の外縁と固定用端子の外縁とが重なることが好ましい。これにより、受圧部から加えられる圧力を固定用端子で受けて、変位部を必要以上に撓ませないようにできるとともに、荷重による応力を効率良く変位部の外縁に伝えることができる。
　上記フォースセンサにおいて、法線方向にみて、受圧部の外縁と固定用端子の外縁とが重なることが好ましい。これにより、受圧部から加えられる圧力を固定用端子で受けて、変位部を必要以上に撓ませないようにできるとともに、荷重による応力を効率良く変位部の外縁に伝えることができる。
　上記フォースセンサにおいて、固定用端子は、はんだ接続可能な金属材料によって形成されていることが好ましい。これにより、変位部を支持する固定用端子とパッケージ基板とを、はんだによって接続することができる。
　本発明によれば、検出感度の低下を抑制し耐荷重を向上することができるフォースセンサを提供することが可能となる。
（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るフォースセンサの構成を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るフォースセンサを例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１実施例に係るフォースセンサを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は、第１実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、第２実施例に係るフォースセンサを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は、第２実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、第３実施例に係るフォースセンサを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は、第２実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、比較例に係るフォースセンサを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は、比較例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。 変位部のＹ方向に対する応力を示すグラフ図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１１に示す領域Ｌ１、Ｒ１の拡大図である。 変位部のＸ方向に対する応力を示すグラフ図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１３に示す領域Ｌ２、Ｒ２の拡大図である。 （ａ）～（ｃ）は、荷重による撓みを例示する模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（フォースセンサの構成）
　図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るフォースセンサの構成を例示する図である。図１（ａ）には断面図が示され、図１（ｂ）には平面図が示される。
　図２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るフォースセンサを例示する模式図である。図２（ａ）には封止樹脂を除いた平面図が示され、図２（ｂ）には変位部の平面図が示される。なお、実施形態の説明では、基板実装面４０ａの法線方向をＺ方向、法線方向（Ｚ方向）に直交する方向の１つをＸ方向、他の１つをＹ方向とする。
　本実施形態に係るフォースセンサ１は荷重を測定するであって、受圧部１０と、センサ基板２０と、ベース基板３０と、パッケージ基板４０とを備える。受圧部１０は、パッケージである封止樹脂５０の上面から例えば円柱状に突出して設けられ、外部からの荷重を受ける部分である。受圧部１０は、シリコン化合物またはシリコン（センサ基板２０と同一材料）からなる。
　センサ基板２０は、変位部２１およびピエゾ抵抗素子２５を有する。変位部２１は、受圧部１０で受けた荷重によって変位する部分であり、センサ基板２０の受圧部１０とは反対側の面に設けられる。ピエゾ抵抗素子２５は、変位部２１の変位量を電気的に検出する素子である。変位部２１には複数のピエゾ抵抗素子２５が設けられる。複数のピエゾ抵抗素子２５は変位部２１の周縁部に沿って、隣り合う素子どうしが９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で配置されている。受圧部１０で受けた荷重により変位部２１が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子２５の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子２５によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。
　ベース基板３０は、センサ基板２０を実装するセンサ実装面３０ａを有する。また、ベース基板３０は、複数のピエゾ抵抗素子２５のそれぞれと電気的に接続する電気配線部３５を有する。ベース基板３０におけるセンサ実装面３０ａの延長面上には電気配線部３５と導通する第１パッド部３６が設けられる。
　パッケージ基板４０は、ベース基板３０を実装する基板実装面４０ａと、基板実装面４０ａとは反対側に設けられるパッド面４０ｂと、を有する。パッケージ基板４０における基板実装面４０ａの延長面上には第２パッド部４６が設けられ、第２パッド部４６と第１パッド部３６との間がボンディングワイヤ４８によって接続される。
　パッケージ基板４０のパッド面４０ｂには、外部と導通を得るために複数の電極端子６１が設けられる。複数の電極端子６１は、ボンディングワイヤ４８および電気配線部３５を介して複数のピエゾ抵抗素子２５と導通している。４つのピエゾ抵抗素子２５に対応して４つの電極端子６１が設けられている場合、パッケージ基板４０のパッド面４０ｂにおける四隅のそれぞれに電極端子６１が設けられる。電極端子６１は、フォースセンサ１を実装する実装用基板７０の接続用パターン（図示せず）とはんだ接続される。
　パッケージ基板４０の基板実装面４０ａ側には封止樹脂５０が設けられ、ベース基板３０、ボンディングワイヤ４８およびセンサ基板２０を覆うことでパッケージを構成している。
　このようなフォースセンサ１において、受圧部１０、センサ基板２０およびベース基板３０は、基板実装面４０ａの法線方向（Ｚ方向）に積層される。そして、法線方向（Ｚ方向）にみたとき、変位部２１の全体は受圧部１０の内側に位置し、パッケージ基板４０のパッド面４０ｂには、法線方向（Ｚ方向）にみて受圧部１０と重なる第１領域Ａ１に少なくとも一部が重なるように固定用端子６２が設けられる。固定用端子６２は、複数の電極端子６１と電気的に独立していてもよいし、複数の電極端子６１のいずれか１つと導通していてもよい。
　本実施形態に係るフォースセンサ１では、法線方向（Ｚ方向）にみて、変位部２１の全体が受圧部１０の内側に位置している。このため、受圧部１０を法線方向（Ｚ方向）にみたときの面積が過小となって受圧部１０が荷重を受けたとき破損する事態に至りにくい。また、荷重を受けたときに受圧部１０がセンサ基板２０を局所的に押してセンサ基板２０が破損する事態にも至りにくい。それゆえ、本実施形態に係るフォースセンサ１は耐荷重性に優れる。
　本実施形態に係るフォースセンサ１では、受圧部１０で受けた荷重によりセンサ基板２０が撓むことにより、センサ基板２０においてピエゾ抵抗素子２５が設けられている部分と変位部２１との相対位置が変化し、この変化をピエゾ抵抗素子２５が変位部２１の変位として検出する。このため、ベース基板３０やパッケージ基板４０が撓みやすい構造である場合には、受圧部１０に加えられた荷重がセンサ基板２０を適切に撓ませずにベース基板３０の変形として伝搬する。その結果、受圧部１０で受けた荷重を適切に検出できなくなってしまう。そこで、本実施形態に係るフォースセンサ１では、固定用端子６２の少なくとも一部を第１領域Ａ１と重なるように設けることで、受圧部１０で受けた荷重がベース基板３０やパッケージ基板４０側に逃げることが抑制される。このため、受圧部１０で受けた荷重はセンサ基板２０に適切に伝達されて、センサ基板２０を適度に撓ませることができる。それゆえ、本実施形態に係るフォースセンサ１はピエゾ抵抗素子２５における適切な検知感度を確保することができる。
　固定用端子６２は、はんだ接続可能な金属材料によって形成されていることが好ましい。これにより、変位部２１を支持する固定用端子６２とパッケージ基板４０とを、はんだ８０によって接続することができる。固定用端子６２のはんだ接続は、電極端子６１とパッケージ基板４０とのはんだ接続と同じ工程で行うことができる。隣り合う２つの電極端子６１の間、および電極端子６１と固定用端子６２との間には、撥はんだ性材料からなる層６５が印刷で形成されている。この層６５が位置するため、はんだ接続の工程において、隣り合う２つの電極端子６１の間や電極端子６１と固定用端子６２との間において、意図しない短絡が生じにくくなる。電極端子６１および固定用端子６２も導電性材料を印刷することにより形成してもよい。
（応力分布のシミュレーション結果）
　次に、本実施形態に係るフォースセンサ１の応力分布のシミュレーション結果について説明する。
＜第１実施例＞
　図３（ａ）および（ｂ）は、第１実施例に係るフォースセンサを例示する図である。図３（ａ）には、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａの模式断面図が示され、図３（ｂ）には、フォースセンサ１Ａにおける受圧部１０、変位部２１および固定用端子６２の位置関係を示す模式平面図が示される。説明の便宜上、固定用端子６２に斜線を示している。
　第１実施例に係るフォースセンサ１Ａにおいて、変位部２１の全体は固定用端子６２の内側に位置している。すなわち、法線方向（Ｚ方向）にみて固定用端子６２は受圧部１０の全体を内側に位置するように設けられる。言い換えると、法線方向（Ｚ方向）にみて、固定用端子６２の内側に受圧部１０の全体が配置され、受圧部１０の内側に変位部２１の全体が配置される。
　また、フォースセンサ１Ａにおける固定用端子６２のＸ方向の長さは受圧部１０のＸ方向の長さとほぼ等しく、固定用端子６２のＹ方向の長さは受圧部１０のＹ方向の長さよりも長い。
　図４（ａ）～（ｃ）は、第１実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。応力シミュレーションは、受圧部１０に１０ニュートン（Ｎ）の力を加えた際の応力分布を計算したものである。図４（ａ）にはフォースセンサ１Ａの全体の応力分布が示され、図４（ｂ）には受圧部１０とセンサ基板２０との境界部分の応力分布が示され、図４（ｃ）には変位部２１の面内での応力分布が示される。
＜第２実施例＞
　図５（ａ）および（ｂ）は、第２実施例に係るフォースセンサを例示する図である。図５（ａ）には、第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂの模式断面図が示され、図５（ｂ）には、フォースセンサ１Ｂにおける受圧部１０、変位部２１および固定用端子６２の位置関係を示す模式平面図が示される。説明の便宜上、固定用端子６２に斜線を示している。
　第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂにおいて、法線方向（Ｚ方向）にみて、変位部２１の大きさは固定用端子６２の大きさとほぼ等しく、互いに重なる（一致する）位置に配置される。
　図６（ａ）～（ｃ）は、第２実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。応力シミュレーションは、受圧部１０に１０ニュートン（Ｎ）の力を加えた際の応力分布を計算したものである。図６（ａ）にはフォースセンサ１Ｂの全体の応力分布が示され、図６（ｂ）には受圧部１０とセンサ基板２０との境界部分の応力分布が示され、図６（ｃ）には変位部２１の面内での応力分布が示される。
＜第３実施例＞
　図７（ａ）および（ｂ）は、第３実施例に係るフォースセンサを例示する図である。図７（ａ）には、第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃの模式断面図が示され、図７（ｂ）には、フォースセンサ１Ｃにおける受圧部１０、変位部２１および固定用端子６２の位置関係を示す模式平面図が示される。説明の便宜上、固定用端子６２に斜線を示している。
　第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃにおいて、法線方向（Ｚ方向）にみて、変位部２１の大きさは固定用端子６２の大きさとほぼ等しいが、互いの一部が重なる位置に配置される。第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃの固定用端子６２は、変位部２１に対してＸ方向にオフセットされ、変位部２１の外縁２１ａおよび受圧部１０の外縁１０ａにかかるように配置される。
　図８（ａ）～（ｃ）は、第２実施例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。応力シミュレーションは、受圧部１０に１０ニュートン（Ｎ）の力を加えた際の応力分布を計算したものである。図８（ａ）にはフォースセンサ１Ｃの全体の応力分布が示され、図８（ｂ）には受圧部１０とセンサ基板２０との境界部分の応力分布が示され、図８（ｃ）には変位部２１の面内での応力分布が示される。
＜比較例＞
　図９（ａ）および（ｂ）は、比較例に係るフォースセンサを例示する図である。図９（ａ）には、比較例に係るフォースセンサ１Ｄの模式断面図が示され、図９（ｂ）には、フォースセンサ１Ｄにおける受圧部１０および変位部２１の位置関係を示す模式平面図が示される。
　比較例に係るフォースセンサ１Ｄにおいては、固定用端子６２が設けられていない。すなわち、フォースセンサ１Ｄでは、法線方向（Ｚ方向）にみて、受圧部１０および変位部２１と重なる位置に何も設けられていない。
　図１０（ａ）～（ｃ）は、比較例に係るフォースセンサの応力シミュレーション結果を示す図である。応力シミュレーションは、受圧部１０に１０ニュートン（Ｎ）の力を加えた際の応力分布を計算したものである。図１０（ａ）にはフォースセンサ１Ｄの全体の応力分布が示され、図１０（ｂ）には受圧部１０とセンサ基板２０との境界部分の応力分布が示され、図１０（ｃ）には変位部２１の面内での応力分布が示される。
＜各例における応力の相違＞
　図１１は、変位部のＹ方向に対する応力を示すグラフ図である。すなわち、図１１には、図４（ｃ）、図６（ｃ）、図８（ｃ）および図１０（ｃ）に示す変位部２１の中心を通るＹ方向の線ＬＹに沿った各例の応力がグラフで示される。
　また、図１２（ａ）には、図１１の領域Ｌ１の拡大図が示され、図１２（ｂ）には、図１１の領域Ｒ１の拡大図が示される。図１２（ａ）および（ｂ）に示すＹ方向の位置は、変位部２１の線ＬＹ上の外縁２１ａの部分に相当する。
　図１１および図１２に示すグラフ図のように、変位部２１の線ＬＹに沿った応力は、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａが最も大きく、次に、第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂおよび第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃが同程度の大きさとなる。比較例に係るフォースセンサ１Ｄの応力は最も小さい。これは、固定用端子６２の有無による効果の差が現れているものと考えられる。
　図１３は、変位部のＸ方向に対する応力を示すグラフ図である。すなわち、図１３には、図４（ｃ）、図６（ｃ）、図８（ｃ）および図１０（ｃ）に示す変位部２１の中心を通るＸ方向の線ＬＸに沿った各例の応力がグラフで示される。
　また、図１４（ａ）には、図１３の領域Ｌ２の拡大図が示され、図１４（ｂ）には、図１３の領域Ｒ２の拡大図が示される。図１４（ａ）および（ｂ）に示すＸ方向の位置は、変位部２１の線ＬＸ上の外縁２１ａの部分に相当する。
　図１３および図１４に示すグラフ図のように、変位部２１の線ＬＸに沿った応力のうち、変位部２１の中央領域では、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａが最も大きく、次に、第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂおよび第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃが同程度の大きさとなる。比較例に係るフォースセンサ１Ｄの応力は最も小さい。ここでも、固定用端子６２の有無による効果の差が現れているものと考えられる。
　また、変位部２１の線ＬＸに沿った応力のうち、変位部２１の外縁２１ａの部分についてみると、領域Ｌ２では、第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃが最も大きく、次に第１実施例に係るフォースセンサ１Ａおよび第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂが同程度の大きさとなる。比較例に係るフォースセンサ１Ｄの応力は最も小さい。
　これは、第３実施形態に係るフォースセンサ１Ｃでは、固定用端子６２が領域Ｌ２の方向へオフセットしており、一部が変位部２１の外縁２１ａおよび受圧部１０の外縁１０ａと重なるように配置されていることから、領域Ｌ２での応力の逃げが少なく、変位部２１に十分な応力が加えられたためと考えられる。
　変位部２１の線ＬＸに沿った応力のうち、領域Ｒ２については、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａが最も大きく、次に第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂ、その次に第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃとなる。比較例に係るフォースセンサ１Ｄの応力は最も小さい。
　これは、領域Ｒ２における固定用端子６２の位置に関係していると考えられる。すなわち、領域Ｒ２についてみると、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａでは固定用端子６２が変位部２１の外縁２１ａおよび受圧部１０の外縁１０ａと重なり、第２実施例に係るフォースセンサ１Ｂでは固定用端子６２が変位部２１の外縁２１ａと重なり、第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃでは固定用端子６２が変位部２１の外縁２１ａとも受圧部１０の外縁１０ａとも重ならない。このように、固定用端子６２の変位部２１の外縁２１ａおよび受圧部１０の外縁１０ａとの重なりの大きさに対応して領域Ｒ２における応力に差が生じている。
　これらのシミュレーション結果から、法線方向（Ｚ方向）にみて、変位部２１の全体は固定用端子６２の内側に位置することが好ましいことが分かる。これにより、受圧部１０から加えられる圧力を、変位部２１よりも広い範囲の固定用端子６２で受けて、変位部２１を必要以上に撓ませないようにすることができるためである。
　また、Ｚ方向にみて、変位部２１の外縁２１ａと固定用端子６２の外縁６２ａとが重なることが好ましいことも分かる。これにより、受圧部１０から加えられる圧力を固定用端子６２で受けて、変位部２１を必要以上に撓ませないようにできるとともに、荷重による応力を効率良く変位部２１の外縁に伝えることができるためである。
　図１５（ａ）～（ｃ）は、荷重による撓みを例示する模式図である。図１５（ａ）には比較例に係るフォースセンサ１Ｄの撓みの例が示され、図１５（ｂ）には第１実施例に係るフォースセンサ１Ａの撓みの例が示され、図１５（ｃ）には第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃの撓みの例が示される。なお、図１５では、受圧部１０に荷重が加えられた場合の撓みの状態を強調して表している。
　図１５（ａ）に示す比較例に係るフォースセンサ１Ｄでは、パッケージ基板４０のパッド面４０ｂにおける受圧部１０および変位部２１と重なる位置に固定用端子６２が設けられていない。したがって、受圧部１０で受けた荷重によってフォースセンサ１Ｄにおける受圧部１０の下方が押し込まれ、ベース基板３０およびパッケージ基板４０は大きく撓むようになる。その一方で、センサ基板２０は撓まないため、ピエゾ抵抗素子２５において受圧部１０で受けた荷重を適切に検出することができない。
　これに対し、図１５（ｂ）に示す第１実施例に係るフォースセンサ１Ａでは、パッケージ基板４０のパッド面４０ｂにおける受圧部１０および変位部２１と重なる位置に固定用端子６２が設けられる。これにより、受圧部１０で受けた荷重を固定用端子６２で支持することができ、フォースセンサ１Ａにおける受圧部１０の下方においてベース基板３０およびパッケージ基板４０の撓みが抑制される。したがって、受圧部１０で受けた荷重が効果的にセンサ基板２０に伝達され、センサ基板２０の撓みに基づく変位部２１の相対的な変位をピエゾ抵抗素子２５の抵抗変化として効率良く検知することができる。
　図１５（ｃ）に示す第３実施例に係るフォースセンサ１Ｃでは、第１実施例に係るフォースセンサ１Ａと同様に固定用端子６２が設けられているが、受圧部１０および変位部２１と重なる位置からずれた位置に配置されている。これにより、受圧部１０で受けた荷重を固定用端子６２で支持できる。なお、固定用端子６２がずれた位置に配置されているため、固定用端子６２と電極端子６１との距離が相対的に短くなる方に比べて長くなるほうが僅かに撓みやすくなる。したがって、固定用端子６２は、受圧部１０と重なる領域（第１領域Ａ１）に少なくとも一部が重なるように設けられることがよく、さらに好ましくは、受圧部１０と重なる領域（第１領域Ａ１）の全てと重なるように設けられているとよい。
　このように、本実施形態によれば、固定用端子６２を設けることで、変位部２１に必要以上の撓みを与えることを抑制することができる。これにより、検出感度の低下を抑制し、耐荷重を向上することができるフォースセンサ１を提供することが可能となる。
　なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…フォースセンサ
１０…受圧部
１０ａ…外縁
２０…センサ基板
２１…変位部
２１ａ…外縁
２５…ピエゾ抵抗素子
３０…ベース基板
３０ａ…センサ実装面
３５…電気配線部
３６…第１パッド部
４０…パッケージ基板
４０ａ…基板実装面
４０ｂ…パッド面
４６…第２パッド部
４８…ボンディングワイヤ
５０…封止樹脂
６１…電極端子
６２…固定用端子
６２ａ…外縁
６５…撥はんだ性材料の層
７０…実装用基板
８０…はんだ
Ａ１…第１領域
Ｌ１，Ｌ２…領域
ＬＸ，ＬＹ…線
Ｒ１，Ｒ２…領域

Claims (5)

  1. 　荷重を測定するフォースセンサであって、
    　荷重を受ける受圧部と、
    　前記受圧部で受けた荷重によって変位する変位部を有し、前記変位部の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子を有するセンサ基板と、
    　前記センサ基板を実装するセンサ実装面を有し、前記複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続する電気配線部が形成されたベース基板と、
    　前記ベース基板を実装する基板実装面と、前記基板実装面とは反対側に設けられ、外部との導通を得るパッド電極が形成されるパッド面と、を有するパッケージ基板と、
    　を備え、
    　前記受圧部、前記センサ基板および前記ベース基板は、前記基板実装面の法線方向に積層され、
    　前記法線方向にみて、前記変位部の全体は前記受圧部の内側に位置し、
    　前記パッケージ基板の前記パッド面には、前記法線方向にみて前記受圧部と重なる第１領域に少なくとも一部が重なるように固定用端子が設けられた、ことを特徴とするフォースセンサ。
  2. 　前記法線方向にみて、前記変位部の全体は前記固定用端子の内側に位置する、請求項１記載のフォースセンサ。
  3. 　前記法線方向にみて、前記変位部の外縁と前記固定用端子の外縁とが重なる、請求項１または請求項２に記載のフォースセンサ。
  4. 　前記法線方向にみて、前記受圧部の外縁と前記固定用端子の外縁とが重なる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
  5. 　前記固定用端子は、はんだ接続可能な金属材料によって形成された、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフォースセンサ。
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