JP2011112419A

JP2011112419A - フォースセンサ及びその実装方法

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Publication number: JP2011112419A
Application number: JP2009267077A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ishizone; 昌彦石曽根; Eiji Umetsu; 英治梅津; Mototeru Hirayama; 元輝平山
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】簡単な構成で低背化可能なフォースセンサ及びその実装方法を得る。
【解決手段】シリコン基板からなる変位部と、シリコン基板表面に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、シリコン基板裏面に配置した複数のピエゾ抵抗素子と、シリコン基板裏面の周縁部に突出形成されて複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続した複数の電気接続部と、この複数の電気接続部とピエゾ抵抗素子の間でシリコン基板裏面に突出形成されて変位部を変位自在に支持する支持部とにより、フォースセンサを構成した。センサ実装時には、圧着により複数の電気接続部を外部実装基板の複数の電極に埋め込ませ、支持部の底面と外部実装基板の表面を接触させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重測定に用いられるピエゾ抵抗方式のフォースセンサ及びその実装方法に関する。

近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサは種々あるが、例えば特許文献１の図１に示されるピエゾ抵抗方式では、ダイヤフラム部を有するシリコン基板と、リム部とは反対側のダイヤフラム部上に設けた複数のゲージ抵抗からなるブリッジ回路と、ダイヤフラムと接着される中央部に凹部を有し、ブリッジ回路と電気的に接続する配線パッドを形成した絶縁性の基部（パイレックス（登録商標）ガラス）と、ボンディングワイヤーにより配線パッドと電気的に接続したパッケージと、ダイヤフラム部上に設けた球（サファイヤ球）とを備えている。この従来のフォースセンサは、サファイヤ球を介して受けた荷重に応じてダイヤフラム部が変位し、その変位量に応じてブリッジ回路の出力が変化することから、荷重を検出することができる。従来構造のピエゾ抵抗式フォースセンサは、特許文献２−５にも記載されている。

特公平５−７７３０４号公報特開平１０−３２５７７２号公報米国特許第４６８０６０６号米国特許第４７４５８１２号米国特許第４８６１４２０号

上述のフォースセンサは、実装されるモバイル機器のサイズに合わせて、小型化及び低背化が要求される。しかし、球を介して変位部に荷重を与える従来構造では、球サイズが大きく、低背化が難しい。球サイズを小さくすると、球の接触面積も小さくなるため狭いエリアに荷重が集中することとなり、センサが壊れやすくなってしまう。また、従来構造では、基部（パイレックス（登録商標）ガラス）に形成した配線パッドとパッケージとの電気的接続にワイヤーボンディングを用いているので、ボンディングワイヤーを設けるためにカバーなどのスペースを確保しなければならず、これによっても低背化が難しかった。

本発明は、上記課題を鑑みて、簡単な構成で低背化可能なフォースセンサ及びその実装方法を得ることを目的とする。

本発明は、ピエゾ抵抗式フォースセンサの新たな構造を提案するもので、変位部を構成するシリコン基板の表裏面の一方に受圧部を、他方に複数のピエゾ抵抗素子及び支持部、さらに、該複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続した外部実装用の電気接続部を設ければ、該電気接続部を介して容易に外部実装でき、従来構造の球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要となることから、低背化できることに着目して完成されたものである。

すなわち、本発明によれば、所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、この受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、この複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側に位置させて前記シリコン基板の他方の面に突出形成され、該複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数の電気接続部と、この複数の電気接続部と前記複数のピエゾ抵抗素子の間に位置させて前記シリコン基板の他方の面に突出形成され、前記変位部を変位自在に支持する支持部とを備えたことを特徴としている。

前記複数の電気接続部は、平面矩形状をなすシリコン基板の角部にそれぞれ設け、前記支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称に設けることが好ましい。この態様によれば、変位部を安定に支持することができる。

前記支持部は、前記複数の電気接続部とは４５°位相を異ならせて複数配置することができる。この場合、複数の支持部は、平面矩形または平面円形の柱状体で設けるとよい。

また前記支持部は、前記変位部の周縁を囲む平面矩形または平面円形の筒状体で設けるか、前記変位部の周縁を囲む平面矩形または平面円形の筒状体を複数に分割して設けることが好ましい。あるいは、前記変位部の周縁に沿わせた平面直線形の柱状体で一対設けてもよい。

支持部は、ニッケル合金、シリコン、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、絶縁セラミックのいずれかからなることが実際的である。

前記受圧部は、前記変位部上に***した円柱状または多角柱状であることが好ましい。この受圧部を有することで、センサ感度が安定化する。

また本発明は、フォースセンサを外部実装基板に実装するときに、フォースセンサから外部実装基板側に荷重をかけて、前記フォースセンサの複数の電気接続部と前記外部実装基板の複数の電極を圧着し、かつ、前記フォースセンサの支持部の底面と前記外部実装基板の表面を接触させることを特徴としている。フォースセンサの複数の電気接続部と外部実装基板の複数の電極を圧着することで、該複数の電気接続部が複数の電極内に一部埋め込まれるので、確実に導通がとれるとともにより低背化を図れる。また、フォースセンサと外部実装基板の固定を補強するため、前記フォースセンサのシリコン基板と前記外部実装基板の周囲を樹脂により固定することが好ましい。

本発明によれば、支持部と同じ側に設けた複数の電気接続部を介してフォースセンサを外部実装基板に容易に実装可能で、従来構造では必須であった球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングを省略でき、低背化を図れる。

本発明を適用したフォースセンサの一実施形態を示す断面図である。同フォースセンサを上面側から見て示す平面図である。同フォースセンサを下面側から見て示す平面図である。同フォースセンサの実装状態を示す断面図である。支持部の第１の変形例を示す平面図である。支持部の第２の変形例を示す平面図である。支持部の第３の変形例を示す平面図である。支持部の第４の変形例を示す平面図である。支持部の第５の変形例を示す平面図である。支持部の第６の変形例を示す平面図である。支持部の第７の変形例を示す平面図である。支持部の第８の変形例を示す平面図である。

図１は本発明を適用したフォースセンサ１を示す断面図、図２はフォースセンサ１を上面側から見て示す平面図、図３はフォースセンサ１を下面側から見て示す平面図である。フォースセンサ１は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサであって、巨視的な凹凸のない一定厚さのシリコン基板１０を備えている。シリコン基板１０は、平面矩形状をなし、その中央部が荷重により変位する変位部１１を構成している。

シリコン基板１０の表面１０ａには、図２に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部１２が設けられている。受圧部１２は、変位部１１の上に***した円柱状の凸受圧部であり、その上面周縁に丸め加工（Ｒ加工）が施されている。この受圧部１２は、ニッケル合金またはシリコン（シリコン基板１０と同一材質）からなる。受圧部１２は省略可能であるが、変位部１１上に受圧部１２を設けることでセンサ感度を安定させることができる。

一方、シリコン基板１０の裏面１０ｂには、図３に示されるように、複数のピエゾ抵抗素子１３、複数の電気接続部１５及び支持部１７が設けられている。

複数のピエゾ抵抗素子１３は、変位部１１の周縁部に沿って、隣り合う素子同士が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１２で受けた荷重により変位部１１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１３の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１３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。複数のピエゾ抵抗素子１３には回路配線部１６がそれぞれ接続されており、この回路配線部１６を介して上記複数の電気接続部１５と電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１３と回路配線部１６は、絶縁膜１４によって覆われている。

複数の電気接続部１５は、変位部１１の周縁部に沿って配置した複数のピエゾ抵抗素子１３よりもさらに基板周縁側に位置し、シリコン基板１０の裏面１０ｂから突出した状態で設けられている。本実施形態では図３に示すように、各電気接続部１５が四角柱状をなし、平面矩形状をなすシリコン基板１０の裏面１０ｂの４つの角部にそれぞれ配置されている。この複数の電気接続部１５は、ニッケル合金または低抵抗シリコンからなる。

支持部１７は、複数の電気接続部１５と複数のピエゾ抵抗素子１３の間に少なくとも一部が該複数のピエゾ抵抗素子１３と平面的に重複するように配置され、シリコン基板１０の裏面１０ｂから複数の電気接続部１５よりもさらに突出した状態で設けられている。本実施形態では図３に示すように、支持部１７が平面正方形の柱状体で４つ備えられ、複数の電気接続部１５とは４５°位相を異ならせて配置されている。この４つの支持部１７は、１８０°対向する一対がそれぞれ変位部１１の平面中心に関して対称な位置関係にあるので、変位部１１を安定に支持することができる。支持部１７は、ニッケル合金、シリコン、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、絶縁セラミックのいずれかからなる。

上記構成のフォースセンサ１は、複数の電気接続部１５と対応する外部実装基板２の複数の電極２０とを対向させ、受圧部１２を介してフォースセンサ１から外部実装基板２側に高荷重をかけることで、外部実装基板２に容易に実装することができる。図４はフォースセンサ１の実装状態を示している。フォースセンサ１から外部実装基板２側に高荷重がかかると、複数の電気接続部１５は基板側の複数の電極２０に圧着されて少なくとも一部が該電極２０内に埋め込まれ、複数の支持部１７の底面は外部実装基板２の表面に密接する。この実装時に電気接続部１５が外部実装基板２の電極２０内に埋め込まれることを考慮し、シリコン基板１０の裏面１０ｂの絶縁膜１４から突出させる各電気接続部１５の高さ及び支持部１７の高さは、該電気接続部１５の高さと実装する外部実装基板の電極厚さの合計が支持部１７の高さよりも大きくなるように設定してある。複数の電気接続部１５と外部実装基板２の複数の電極２０は圧着による金属接合のみで電気的接続をとってもよいが、圧着前に、例えば半田、導電性樹脂、異方性導電膜（ＡＣＦ；ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＦｉｌｍ）、異方性導電ペースト（ＡＣＰ；ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＰａｓｔｅ）、非導電性膜（ＮＣＦ；ＮｏｎＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＦｉｌｍ）を用いて予め電気的に接続しておいてもよい。フォースセンサ１と外部実装基板２の周囲（フォースセンサ１の外周から外部実装基板２の表面及び外周にかけて）は樹脂１８で覆われており、フォースセンサ１と外部実装基板２の固着を補強している。

以上のように本実施形態のフォースセンサ１は、シリコン基板１０の受圧部１２側とは反対側に、複数のピエゾ抵抗素子１３と電気的に接続した複数の電気接続部１５と変位部１１を支持する支持部１７を備えたので、この複数の電気接続部１５を介して外部実装基板２に容易に実装することができる。これにより、従来構造では必須であった球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要となるので、これらの高さ分を省略できて低背化を図れる。また、簡単な構成でフォースセンサ１を実現でき、低コスト化も図れる。

本実施形態では、支持部１７を平面正方形の柱状体で複数設けたが、支持部１７の平面形状は変形可能である。図５〜図１２は支持部１７の変形例であって、図５は平面正方形の角部を面取りした四角柱状体、図６は円柱状体とした場合である。また、図７は変位部１１の周縁を囲む平面矩形状の筒状体、図８は図７の筒状体を面取りしたもの、図９は変位部１１の周縁を囲む円筒体とした場合である。図１０は図７の筒状体を複数に分割した平面Ｌ字形の柱状体、図１１は図１０の平面Ｌ字形の筒状体を面取りしたもの、図１２は変位部１１の周縁に沿わせた一対の平面直線形の柱状体とした場合である。図５〜図１２に示される支持部１７はいずれも、少なくともその一部が複数のピエゾ抵抗素子１３と平面的に重複するように配置されている。また、複数の電気接続部１５を設ける位置は、複数のピエゾ抵抗素子１３よりもシリコン基板１０の周縁側であれば自由度があるが、変位部１１を安定に支持するために変位部１１の平面中心に関して対称に配置することが好ましい。

また本実施形態では、円柱状の受圧部１２を設けたが、受圧部１２は多角柱状であってもよい。

１フォースセンサ
２外部実装基板
１０シリコン基板
１０ａ表面
１０ｂ裏面
１１変位部
１２受圧部
１３ピエゾ抵抗素子
１４絶縁膜
１５電気接続部
１６回路配線部
１７支持部
１８樹脂
２０電極

Claims

所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、
前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、
この受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、
この複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側に位置させて前記シリコン基板の他方の面に突出形成され、該複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数の電気接続部と、
この複数の電気接続部と前記複数のピエゾ抵抗素子の間に位置させて前記シリコン基板の他方の面に突出形成され、前記変位部を変位自在に支持する支持部と、
を備えたことを特徴とするフォースセンサ。
請求項１記載のフォースセンサにおいて、前記複数の電気接続部は、平面矩形状をなすシリコン基板の角部にそれぞれ設け、前記支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称に設けたフォースセンサ。
請求項２記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、前記複数の電気接続部とは４５°位相を異ならせて複数配置されているフォースセンサ。
請求項３記載のフォースセンサにおいて、前記複数の支持部は、平面矩形または平面円形の柱状体で設けるフォースセンサ。
請求項２記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、前記変位部の周縁を囲む平面矩形または平面円形の筒状体で設けるフォースセンサ。
請求項２記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、前記変位部の周縁を囲む平面矩形または平面円形の筒状体を複数に分割して設けるフォースセンサ。
請求項２記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、前記変位部の周縁に沿わせた平面直線形の柱状体で一対設けるフォースセンサ。
請求項１ないし７のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記支持部は、ニッケル合金、シリコン、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、絶縁セラミックのいずれかからなるフォースセンサ。
請求項１ないし８のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記受圧部は、前記変位部上に***した円柱状または多角柱状であるフォースセンサ。
請求項１ないし９のいずれか一項に記載のフォースセンサを外部実装基板に実装するときに、
フォースセンサから外部実装基板側に荷重をかけて、前記フォースセンサの複数の電気接続部と前記外部実装基板の複数の電極を圧着し、かつ、前記フォースセンサの支持部の底面と前記外部実装基板の表面を接触させることを特徴とするフォースセンサの実装方法。
請求項１０記載のフォースセンサの実装方法において、前記フォースセンサのシリコン基板と前記外部実装基板の周囲を樹脂により固定するフォースセンサの実装方法。