JP4164676B2 - 力学量センサ素子構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、力、圧力、トルク、速度、加速度、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化量を測定する力学量センサ素子構造およびその製造方法に関する。

従来、上記のような力学量を検出する手段として、感圧素子を用いた圧力センサや、圧力抵抗効果材料を利用して構成した荷重センサ等の力学量センサが広く利用されている。ここで、圧力抵抗効果とは，材料に圧縮応力，引張応力，剪断応力，静水圧応力が加わった際に，材料の電気抵抗が変化する現象のことである。このような力学量センサを構成する素子（以下、力学量センサ素子ともいう）は、検出した力学量を圧力として検出し、検出した圧力を電気信号などの電気量に変換して外部に出力する。そのため、力学量センサ素子には、電気信号の入出力部として電極や端子などが形成される必要がある。ところが、こうした入出力部の形成形態は、素子構造によって様々である。例えば、力学量検出部をなす感圧層の両主表面に電極層を形成し、これらを絶縁層で覆ってなる構造の力学量センサ素子であれば、電極層を絶縁層の外部にまで突出させて、その突出部を入出力部とすることができる。また、特許文献１に記載のように、感圧体を力学量印加方向の上下から絶縁体にて挟まれた構造を有する力学量センサ素子であれば、感圧体の側面が露出するため、その側面を入出力部とし、電極等を形成することができる。

特開２００２−２０２２０９号公報

ところが、これらの力学量センサにおいて、印加される圧力の力学量が大きくなると、例えば上記のような感圧層の両主表面に電極層が形成される素子構造では、印加圧力によって電極層が破壊されたり、電気量が変化したりする可能性がある。また、上記特許文献１に記載の力学量センサの素子構造では、力学量印加方向に電極層や端子が形成されていないためこれらの破壊は電気量の変化は起きにくいが、出力部をなす電極が感圧層の側面部に形成されるため、端子の形成や、ワイヤボンディング等による電気的接続を行うことが困難となるという課題が残る。

したがって、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、外部との電気的接続が容易で、かつ高い力学量の印加の影響を受けない電気接続部の形成を可能とする力学量センサ素子構造の提供である。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために、印加された力学量に基づいて電気信号を変化させて出力する検出部と絶縁体とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子構造であって、前記絶縁体と前記検出部とは力学量印加方向に積層されてなるとともに、前記検出部は、前記絶縁体との密着面側の主表面に、該絶縁体に覆われない露出した電気接続面を有することを特徴とする。

上記力学量センサ素子構造の検出部は、力学量印加方向、又はその逆方向に絶縁体に覆われずに露出する露出面（電気接続面）を有しており、該露出面に電気的接続を行うための端子部や電極を形成することができる。このとき、印加される力学量は、検出部の露出面側に形成された絶縁体を介して検出部に印加されるが、上記露出面には力学量は印加されない。したがって、この露出面に形成される端子や電極は力学量の印加によって破壊されたり、そこから出力される電気量が変化したりすることはない。この構造を有する力学量センサ素子を用いることで、長寿命でかつ信頼性の高いセンサを形成することが可能となる。

また、本発明の力学量センサ素子構造は、前記電気接続面は、少なくとも２以上形成されていることを特徴とするものであってもよい。検出部と電気的に接続される接続部は少なくとも２箇所必要であるが、これらは同一の露出平面上であってもよい。ところが、この２箇所の接続部は、検出部からの検出信号を出力するための部分であり、近接して形成されることはセンサを構成する上で好ましくない。近接して形成された場合は局所的な検出信号しか得ることができず、検出部全体に印加された力学量を検出することができないからである。逆に、同一の露出平面上に２つの接続部を距離を離して形成するとすれば、今度は検出部の露出面積が大となるという問題が生じる。この場合、力学量受圧体をなす絶縁体と検出部との密着面積が小となり、力学量の印加を受ける検出部領域が小さくなる。これは、無駄に検出部領域を形成していることと同じであり、コスト的に無駄が生じているといえる。したがって、接続部を一定の距離以上離して形成しつつ、露出部の形成面積を最小限の広さに抑えて素子構造を形成するためには、上記のように、露出部が外部接続部の最小形成数である２より多く形成され、かつ一露出部（電気接続面）に対して一接続部が形成されることが有効となる。

また、本発明の力学量センサ素子構造は、前記電気接続面が、前記検出部の前記主表面において、対称性を有するように配されてなることを特徴とするものであってもよい。これにより、検出部全体に印加された力学量をバランスよく検出することが可能となり、精度のよい力学量センサを形成することができる。また、前記主表面の中央部にも電気接続面を形成することが可能である。これにより、例えば中央部を含む面内３点に電気接続部を形成すれば、面内に印加される力学量印加傾向を把握することも可能となる。

また、本発明の力学量センサ素子構造は、前記電気接続面が、前記検出部の前記主表面の外縁部に形成されてなることを特徴とするものであってもよい。検出部外縁部に電気接続面が形成されれば、該電気接続面は絶縁体側だけでなく、側面側にも露出することとなる。したがって、該電気接続面に対する端子または電極の形成、さらにはワイヤボンディングなどの電気的接続が行い易くなる。

また、本発明の力学量センサ素子構造は、前記外縁部に形成された前記電気接続面が、前記密着面に対して所定の角度で傾斜し、かつ前記密着面側に対して露出していることを特徴とするものであってもよい。力学量センサを構成する場合、力学量印加方向の上下には広面積の構造体が配される可能性がある。この場合、該構造体に遮られるため、検出部の露出面（電気接続面）に対して垂直上下方向側から端子や電極を形成することが困難となる可能性がある。ところが、電気接続面が、絶縁体側に露出しつつも一定の角度で傾斜していれば、その電気接続面をなす傾斜面に対向する方向から、容易に端子や電極を形成することが可能となる。

また、本発明の力学量センサ素子構造は、前記検出部の前記絶縁体側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、その頂点部が三角形形状をなして露出するように、前記絶縁体の八角形形状の主表面が密着して形成されていることを特徴とするものであってもよい。この場合の力学量センサの素子は、例えば、直方体形状の検出部に対して、正六角柱又は正八角柱をなす第一絶縁体検出部を底面を接する形で密着した構造で構成することができる。このような構造を製造するには、直方体をなす検出部と絶縁体とを互いを揃えて密着し、その密着面における検出部の頂点部が三角形形状に露出するように絶縁体を切り落とすだけでよく、製造方法は極めてシンプルである。したがって、この構造は製造の簡易化において利点を有する。

また、前記電気接続面には、前記検出部と電気的接続を行うための端子が少なくとも２以上形成されてなることを特徴とするものであってもよい。露出面（電気接続面）に対して端子を形成する場合は、少なくとも２端子形成される必要がある。これにより、本発明の力学量センサ素子はセンサとして機能しうる。該端子は、ろうつけ又はメタライズ等により端子を形成することができ、さらに、ワイヤボンディング等を行えば、安価に信号処理回路のチップや外部接続用の端子等と電気的結合が可能となる。

また、前記検出部は、セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを主材料としてなるものであり、前記絶縁体は、セラミックスを主材料としてなるものであることを特徴とするものであってもよい。これにより、検出部と絶縁体とからなる力学センサの素子構造は、セラミックスによって形成されるため、高い圧力や荷重に耐えうる高強度の素子構造を得ることができる。また、絶縁体としても役割も果たし得るため、検出部との絶縁も十分に確保できる。したがって、高荷重、高圧力を受ける荷重センサや圧力センサの形成に好適である。

また、前記セラミックスは、ジルコ二アであることを特徴とするものであってもよく、前記圧力抵抗効果を有する材料は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦1）であることを特徴とするものであってもよい。セラミックスがジルコニアであれば、耐熱性に優れた素子構造が得られるとともに、強靭性を有するため、荷重、圧力による破壊に対して極めて高い耐性を有する素子構造が得られる。また、検出部は、電気絶縁性をなす上記ジルコニアの粒子をマトリックス材料とし、圧力抵抗効果材料のＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３粒子を電気的に連続になるように分散した構造で形成することができる。該構造は、圧力抵抗効果を有する本発明の検出部として十分に利用可能である。

また、前記検出部は、圧力の印加に基づいてオーム抵抗が変化するものであり、該オーム抵抗の変化によって荷重検出を可能とすることを特徴とするものであってもよい。センサを有し、かつ一定の荷重や圧力の印加を受けるようなセンサ構造体を形成する場合、そのセンサが一定以上の強度が必要である。強度が弱ければ、センサに伝達される圧力を減少させるために、圧力印加面積を大きくする等の構造が必要となり、コストがかかり、体格も大きくなる。ところが、上記のような圧力抵抗効果を有する材料とセラミックスとからなる感厚層を用いた素子構造であれば、印加された荷重や圧力に対して耐えることができるため、そのセンサ構造そのものをそのまま上記構造体の一部として利用できる。したがって、特に大きな荷重の印加を受ける荷重センサの形成には好適である。

本発明の力学量センサ素子構造の製造方法は、前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成し、該積層体を形成した後に、前記検出部の前記電気接続面を露出させるために前記絶縁体の所定部分を除去することを特徴とするものであってもよい。これによれば、絶縁体、検出部をこの順で形成し、電気接続面となるべき絶縁体領域を除去するというシンプルな方法で、上記発明である力学量センサ素子構造を形成することができる。

また、本発明の力学量センサ素子構造の製造方法は、前記検出部の前記電気接続面を露出させるために予め所定部分が除去された前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成することを特徴とするものであってもよい。これによれば、絶縁体領域のうち、検出部の電気接続面上となる領域を予め除去しておき、除去した絶縁体と検出部とにより、上記力学量センサ素子構造を形成することができる。

また、本発明の力学量センサ素子構造の製造方法は、前記検出部の前記電気接続面を露出させるために予め所定部分に枠体を配した前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成し、該積層体を形成した後に、前記枠体を除去することを特徴とするものであってもよい。これによれば、絶縁体領域のうち、検出部の電気接続面上となる領域に枠体を配し、該領域に第一絶縁体を形成させないでおくことができる。この枠体を有する絶縁体と検出部とにより、上記発明である力学量センサ素子構造を形成することができる。枠体は、例えば上記二体を積層した後、または上記二体を焼結した後、等の段階で除去されればよい。

また、本発明の力学量センサ素子構造の製造方法は、前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを積層する際に、接着剤を介して接合しつつ積層することを特徴とするものであってもよい。これによれば、絶縁体と検出部との接合を、有機系又は無機系の接着剤を用いた極めて簡易な方法で密着させることができる。また、前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを積層する際に、熱圧着により接合して形成することを特徴とするものであってもよい。これによれば、絶縁体と検出部との接合を熱圧着により行うことができ、仮焼結やバインダー脱脂などの効果を含んだ処理として行うことが可能となる。

また、本発明の力学量センサ素子構造の製造方法は、前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを同時に加圧焼結して形成することを特徴とするものであってもよい。これによれば、セラミックス材料の原料粉から直接、絶縁体、検出部の二体積層構造を焼結形成可能となる。このとき、絶縁体が形成される領域に上記枠体が配されていれば、焼結後に該枠体を除去するだけで本発明の力学量センサ素子構造を形成することが可能であり、極めて簡易な製造方法となる。

なお、本発明は上記のような絶縁体と検出部との二層構造が形成されていることを特徴とするものであるが、例えば、上記の電気接続面が形成されるべき絶縁体を第一絶縁体とした上で、該第一絶縁体とそれとは異なる第二絶縁体とが、検出部を挟んだ構造をなす力学量センサ素子構造であってもよい。この場合、印加された力学量に基づいて電気信号を変化させて出力する検出部を、上記の第一絶縁体と上記の第二絶縁体とが挟んだ構造を有する力学量センサ素子構造であって、前記第一絶縁体と前記検出部と前記第二絶縁体とは力学量印加方向に積層されてなるとともに、前記検出部は、前記第一絶縁体との密着面側の主表面に、該第一絶縁体に覆われない露出した電気接続面を有することを特徴とするような、第一絶縁体と検出部と第二絶縁体との三体構造をなす力学量センサ素子構造となる。また、このような力学量センサ素子構造の製造方法においても、上記の電気接続面が形成されるべき絶縁体を第一絶縁体とした上で、上記の第一絶縁体と検出部と上記の第二絶縁体とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成することを特徴とするものであっても良い。また、この三層の積層体は、接着剤を介して接合しつつ積層する、熱圧着により接合して形成する、のいずれをも特徴として有することができ、前記第一絶縁体と前記検出部と前記第二絶縁体とを同時に加圧焼結して形成することを特徴とすることも可能である。

以下、本発明である力学量センサ素子を代表するものとして荷重センサを例にし、図面を用いてこれを説明する。本発明は、印加された力学量に基づいて電気信号を変化させて出力する検出部と絶縁体とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子構造に関するものであるが、以下では、電気接続面が形成される上記絶縁体を荷重の印加を受ける受圧面側絶縁体（第一絶縁体）とするとともに、上記検出部の該第一絶縁体側とは逆の主表面において、支持側絶縁体（第二絶縁体）が形成されてなる構造を有する力学量センサ素子構造を例にして、説明する。

図１は本発明の荷重センサ素子１を含むセンサ装置１００の構造を示す斜視図である。荷重センサ１は、荷重Ｆが印加される側である受圧面側絶縁体（第一絶縁体）２と、荷重Ｆの印加に基づいて電気信号を変化させて出力する感圧体（検出部）３と、支持側絶縁体（第二絶縁体）４とがこの順で積層された構造を有する。また、受圧面側絶縁体２上には荷重印加部を結合する締結部品２０が形成されており、荷重Ｆを受圧面側絶縁体２を介して感圧体３に圧力を印加する。このとき、支持側絶縁体４と密着するセラミックスケース（以下、ケースとも言う）１０は、荷重Ｆを受け止める支持部となる。また、ケース１０には外部と電気信号の入出力部分をなすターミナル１１が連結されるとともに、回路チップ１２が搭載されている。ターミナル１１の端子部分（以下、ターミナル端子ともいう）１１ａと回路チップ１２とはワイヤボンディング６によって電気的に接続している。回路チップ１２は、例えば変化した抵抗値とに基づいて荷重を演算する演算回路である。また該回路チップ１２は、感圧体の温度を検出するための温度検出素子を有し、温度検出素子で検出した温度と感圧体で変化した抵抗値とに基づいて荷重を演算する演算回路であってもよい。

ケース１０に搭載される回路チップ１２は、ワイヤボンディング６によって、感圧体３と電気的に接続している。このとき感圧体３は、荷重Ｆ側の主表面に三角形形状の露出部３ａ（図２）を有しており、この露出部（以下、電気接続面ともいう）３ａが金属端子５として形成され、ワイヤボンディング６によって回路チップ１２、ターミナル端子１１と電気的に接続している。図１に示す荷重センサ１は、感圧体３と支持側絶縁体４とが、四角形形状でかつ同じ大きさに形成されて密着してなるが、受圧面側絶縁体２は、同じ大きさの四角形形状から頂点部が切り取られた形で感圧体３に密着する。これにより、四角形形状の感圧体３の頂点部分が三角形形状をなして露出し、その露出部３ａ（電気接続面）にはＡｇを主成分とする金属端子５が形成されている。なお、本発明の端子５には、Ａｇの他、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属材料やそれらの合金又はカーボン等の電気伝導性を有した材料を用いることができる。

また、荷重センサ素子１を構成する感圧体３は、例えばセラミックスを主材料として用いることができる。これにより、より高荷重の検出に耐えうる荷重センサを形成することができる。この場合、例えば電気絶縁性を有するセラミック材料をマトリックスとし、これに圧力抵抗効果を有する粒子を電気的に連続になるように分散させて構成することができる。上記感圧体３を構成する圧力抵抗効果材料としては，ペロブスカイト構造の（Ｌｎ_1-xＭａ_x）_1-yＭｂＯ_3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），層状ペロブスカイト構造の（Ｌｎ_2-uＭａ_1+u）_1-vＭｂ₂Ｏ_7-w（ここに０＜ｕ≦１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），Ｓｉ及びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれか１種以上よりなる材料を用いることができる。また，上記マトリックス材料としては，ジルコニア（ＺｒＯ₂），Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄等を用いることができる。本実施形態においては、常温で高強度を有し、かつ破壊靭性が高いジルコニア（ＺｒＯ₂）を用いるものとする。なお、該感圧体の構造および形成材料に関する記載については、上記特許文献１ならびに特開２００１−２４２０１９、特開２００２−１４５６６４等に既に述べられているため、ここでの詳説は控えることとする。

また、この場合、感圧体３を挟む絶縁体２，４も、感圧体３と同様にセラミックスを主材料として用いることが有効である。ジルコニア（ＺｒＯ₂）をはじめ、Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄等を用いることも可能である。なお、本実施形態において、絶縁体２，４は感圧体３と同じジルコニア（ＺｒＯ₂）又は電気的連続性を持たない範囲で圧力抵抗材料を加えたジルコニア（ＺｒＯ₂）を用いるものとする。

図２は図１に示す荷重センサ素子１を概略的に示す斜視図（図２（ａ））および断面図（図２（ｂ））である。図２（ａ）に示すように、本実施形態の荷重センサ１は、受圧面側絶縁体２、感圧体３、および支持側絶縁体４を主として構成されている。受圧面側絶縁体２は上面および底面が八角形をなすように構成された八角柱構造をなしており、これにより感圧体３の受圧面側絶縁体２側の主表面には、三角形形状の露出部３ａが表れる。このとき露出部３ａは、感圧体３の受圧面側絶縁体２側主表面の重心位置に対して対称な位置に形成されていることが好ましい。また、露出部３ａは、受圧面側絶縁体２側の主表面の外縁に形成されていることが好ましく、これによりボンディング形成が容易な構造となる。

なお、本実施形態の力学量センサ素子は、圧力の印加に基づいて電気信号を変化させて出力する感圧体を、圧力印加方向の両側から第一絶縁体と第二絶縁体とが挟んだ構造を有する力学量センサ素子であって、感圧体は、第一絶縁体との密着面側に、該第一絶縁体に覆われない露出部３ａを有することを特徴とする。上記実施形態においては、受圧面側絶縁体２が第一絶縁体に該当し、支持側絶縁体４が第二絶縁体に該当するが、本発明においては、露出部３ａは支持側絶縁体４に形成されるものであってもよい。したがって、支持側絶縁体４を第一絶縁体とし、受圧面側絶縁体２を第二絶縁体としても本発明は成立する。本発明においては、感圧体（検出部）の少なくとも一方の主表面に絶縁体が形成されるとともに、該主表面には該絶縁体に覆われない露出面を有することを特徴としていれば良い。

図３は図２に示す実施形態とは異なる実施形態を示すものであり、露出部３ａが表れる側から見た時の概略図である。図３（ａ）は、感圧体３の第一絶縁体２（または４）側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、各頂点部が三角形形状をなして露出するように、第一絶縁体２（または４）の八角形形状の主表面が密着して形成されていることを特徴とするものである。図３（ｂ）は、感圧体３の第一絶縁体２（または４）側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、対向する２辺近傍が四角形形状をなして露出するように、第一絶縁体２（または４）の四角形形状の主表面が密着して形成されていることを特徴とするものである。図３（ｃ）は、感圧体３の第一絶縁体２（または４）側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、第一絶縁体２（または４）の円形形状の主表面が前記感圧体の主表面の４辺と接して密着形成されていることを特徴とするものである。図３（ｄ）は、感圧体３の第一絶縁体２（または４）側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、対向する２つの頂点部が三角形形状をなして露出するように、第一絶縁体２（または４）の六角形形状の主表面が密着して形成されていることを特徴とするものである。これらはいずれも本発明の実施形態の１つであり、これらの実施形態のみに限定されるものではない。本発明の特徴は、感圧体３の第一絶縁体２（または４）との密着面側に、該第一絶縁体２（または４）に覆われない露出部３ａが形成されることで、該露出部３ａに、例えば金属端子５やワイヤボンディング６のような外部との電気接続部を容易に形成可能とする構造を有していることを特徴とするものである。

図４は、図２および図３に示す本発明の実施形態とは異なる実施形態を示すものであり、本発明の力学量センサの断面図である。感圧体３の露出部３ａが、傾斜面を有する形状を有している。図１の締結部材２０や、該締結部２０の荷重印加側に形成される部材の形状等により、図のＡ方向（この場合、力学方向印加方向）からのボンディングが困難な場合には、Ｂ方向からワイヤを進入させることとなる。このとき、露出部３ａはワイヤ進入方向に向き合うように傾斜した面であることが好ましい。図４に示す露出部３ａは外側に向けて一定角度を有して傾斜した面が形成されており、ボンディング時にワイヤをＢ方向から侵入させることで、ボンディングが行い易くなっている。なお、ボンディング時に露出面３ａが水平面となるように、すなわち、Ｂ方向が該水平面に対して垂直で真上方向となるように、センサ構造全体を傾斜させれば、ボンディングはより行い易くなる。

また、力学量センサ素子１には必ずしも端子５のような端子部または電極部が形成される必要はない。例えば図５のように、力学量センサ３が配線基板５０に搭載される場合、配線基板５０側に、力学量センサ素子１の露出部３ａと接続するための端子５を形成しておけばよい。この場合、力学量センサ素子１に端子５を形成せずとも配線基板５０との電気的接続がなされる。これにより、力学量センサと電気的に接続される配線基板を備えた力学量センサ構造を有するセンサ構造体を形成することができる。

以下、本発明の力学量センサの製造方法の一実施形態を、図６を用いて説明する。本発明は、絶縁体と検出部とが力学量印加方向に積層された構造を有する力学量センサ素子構造の製造方法であるが、以下においては、該絶縁体を第一絶縁体とした上で、図６に示すように、第一絶縁体と検出部と第二絶縁体とがこの順で力学量印加方向に積層されてなる、上述の力学量センサ素子構造について、その製造方法を説明することとする。

まず、工程１では、感圧体３用の材料として，圧力抵抗効果材料Ｌａ_0.62Ｓｒ_0.38ＭｎＯ₃と上記マトリックスをなす１２ｗｔ％ＣｅＯ₂添加ＺｒＯ₂とを所定の割合（例えば７：３）で調合した粉末を準備する。この粉末を微粉砕機（例えばボールミル等）で４時間混合，粉砕し，その後乾燥して，混合粉を得る。この混合粉と樹脂バインダー，水，添加剤とを強制撹拌混合機で混練し，スラリーを調整した後，周知のドクターブレード法により所定の厚さ（例えば１００μｍ）の感圧セラミックスシートを形成し、そのうちの３枚を積層して感圧セラミックスシート体３Ｓを成形する。なお、シート体の厚みは焼結によるシートの収縮率を考慮した上で、そのシート厚さ及び積層枚数が設定される。次いで、絶縁体（第一絶縁体および第二絶縁体）２，４用の材料として，１２ｗｔ％ＣｅＯ₂添加ＺｒＯ₂を準備する。上記と同様に１２ｗｔ％ＣｅＯ₂添加ＺｒＯ₂と樹脂バインダー，水，分散剤とを強制撹拌混合機で混合した後，ドクターブレード法で、所定の厚さ（例えば１００μｍ）の第一絶縁体となるべき第一絶縁セラミックスシートを形成し、そのうちの６枚を積層して第一絶縁セラミックスシート体２Ｓと、所定の厚さ（例えば１００μｍ）の第二絶縁体となるべき第二絶縁セラミックスシートを形成し、そのうちの６枚を積層して第二絶縁セラミックスシート体４Ｓとを成形する。これらの厚みも焼結によるシートの収縮率を考慮した上で、そのシート厚さ及び積層枚数が設定される。

工程２では、第一絶縁セラミックスシート体２Ｓ、感圧セラミックスシート体３Ｓ、第二絶縁セラミックスシート体４Ｓをこの順で重ね合わせた積層シート体１Ｓを形成し、該積層シート体１Ｓを、例えばホットプレス等により熱圧着する。次いで，この圧着体を脱脂炉で樹脂バインダーを分解除去する。そして，ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）後，焼結炉にて，所定の条件（例えば、１５００℃，４時間）で焼結する。これにより感圧体３と絶縁体２，４とが一体的に焼結される。そして、工程３では得られた焼結体を、素子形状（例えば、５ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ）に切断加工する。次いで工程４にて、素子形状を有する焼結体のうち、第一絶縁体となるべき絶縁体の所定の位置を切断加工して切り抜く。これにより、感圧体３の露出部３ａを露出させる。これによって、第一絶縁体２（または４）と感圧体３と第二絶縁体４（または２）とがこの順で積層されてなる積層体を含む積層シート体１Ｓを形成し、該積層シート体１Ｓ形成後に、積層体が有する感圧体３の露出部３ａを露出させるために第一絶縁体２（または４）の所定部分を切断除去することで本発明の力学量センサ素子１を得ることができる。なお、必要であれば該露出面３ａに対し、例えば銀ペースト等を焼きつけて金属端子５を形成してもよい。

なお、上記実施形態において、第一絶縁セラミックスシート体２Ｓ、感圧セラミックスシート体３Ｓ、第二絶縁セラミックスシート体４Ｓからなる積層シート体１Ｓは、各シートが熱圧着によって接合されているが、有機系又は無機系の接着剤、または接合層（図示なし）を介して接合することも可能である。ただし、耐熱性が悪い接着剤（特に有機系接着剤）を用いる場合は、上記製造方法では焼結時の熱に接着剤が耐え得ない。したがって、こうした場合は、既に焼結処理がなされた各セラミックスシート体２Ｓ，３Ｓ，４Ｓを形成しておいた上で、接着剤によりこれら接合して形成すればよい。これにより、極めて簡単な作業で、かつ低コストで製造することが可能となる。

また、上記実施形態実施形態においては、第一絶縁セラミックスシート体２Ｓ、感圧セラミックスシート体３Ｓ、第二絶縁セラミックスシート体４Ｓをこの順で重ね合わせた積層シート体１Ｓを形成し、該積層シート体１Ｓを素子形状毎に切断した後に、第一絶縁体となるべき絶縁体の所定の位置を切断加工して露出部３ａを露出させている。ところが、第一絶縁体を形成すべき第一絶縁セラミックスシート体２Ｓに対して、感圧体３の露出部３ａが露出すべき領域上にあたる絶縁体部分を予め除去し、この除去された第一絶縁セラミックスシート体２Ｓと、感圧セラミックスシート体３Ｓ、第二絶縁セラミックスシート体４Ｓからなる積層シート体１Ｓを形成してもよい。これによれば、素子形状を有する個々の焼結体毎に第一絶縁体となるべき絶縁体領域を除去する必要はなく、効率的に力学量センサを製造することが可能となる。

また、本発明の力学量センサ１の製造方法は、上記実施形態とは異なるものであってもよい。以下、上記実施形態を第一実施形態とした上で、本発明の第二実施形態を説明する。まず１２ｗｔ％ＣｅＯ₂添加ＺｒＯ₂とＬａ_0.62Ｓｒ_0.38ＭｎＯ₃との混合割合を、所定の比率、例えば７：３に調合した感圧体形成用の混合粉３Ｐを作製する。次いで第一絶縁体となるべきＺｒＯ₂粉末２Ｐを所定の厚さ（例えば、８００μｍ）を有するように層状に配し，その上に感圧体となるべき混合粉３Ｐを所定の厚さ（例えば、３００μｍ）を有するように層状に配し，さらにその混合粉３Ｐ上に第二絶縁体となるべきＺｒＯ₂粉４Ｐを所定の厚さ（例えば、８００μｍ）を有するように層状に配してなる粉体１Ｐ（直径４０ｍｍ×厚さ１．９ｍｍ）を得る。以降の処理は上記実施形態と同様であり、該粉体１Ｐを焼結処理、切断加工を施して素子形状を有する焼結体を形成する。この素子形状の焼結体のうち、第一絶縁体となるべき絶縁体の所定の位置を切断除去して、感圧体３の露出部３ａを露出させることで本発明の力学量センサを形成することができる。

ただし、上記第二実施形態において第一絶縁体となるべきＺｒＯ₂粉末２Ｐを層状に配する際に、枠体を使用することで、上記製造方法を単純化することができる。図７の工程１のように、第一絶縁体となるべきＺｒＯ₂粉末２Ｐが配される領域のうち、焼結後に感圧体３の露出部３ａ上をなす領域に、該領域を覆う枠体６０を配する。これによれば、該領域には第一絶縁体となるべきＺｒＯ₂粉２Ｐが配されない。このようなＺｒＯ₂粉末２Ｐを上記粉体１Ｐが有していれば、該粉体１Ｐを焼結して得られた焼結体から枠体６０を除去するだけで、感圧体３の露出部３ａが容易に露出する。この後、上記実施形態と同様に枠体６０が除去された焼結体を、素子形状に切断加工するだけで、本発明の力学量センサ素子１は得られる。また、様々なパターンをなす枠体６０を予め準備しておくことで、図２に示すような様々な形態の露出部３ａを有する力学量センサ１を、容易に形成することができる。なお、枠体６０は、焼結後に除去されるため焼結温度に耐えうる材料で構成される必要がある。

本発明の力学量センサ素子構造を利用してなるセンサ構造体の概略図 本発明の力学量センサ素子構造の一実施形態を示す概略図 本発明の力学量センサの様々な実施形態を示す上面図 本発明の力学量センサ素子構造の他の実施形態を示す概略図 本発明の力学量センサ素子と配線基板との接続を示す図 本発明の力学量センサ素子の製造方法の第一実施形態を示す概略図 本発明の力学量センサ素子の製造方法の第二実施形態を示す概略図

符号の説明

１ 荷重センサ素子
２ 受圧面側絶縁体
３ 感圧体
３ａ 露出部
４ 支持側絶縁体
５ 金属端子
６ ワイヤボンディング
１０ セラミックスケース
１１ ターミナル
１２ 回路チップ
２０ 締結部品
１００ センサ装置

Claims (16)

1. 印加された力学量に基づいて電気信号を変化させて出力する検出部と絶縁体とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子構造であって、
   前記絶縁体と前記検出部とは力学量印加方向に積層されてなるとともに、前記検出部は、前記絶縁体との密着面側の主表面の外縁部に、該絶縁体に覆われない露出した電気接続面を有し、
   前記外縁部に形成された前記電気接続面は、前記密着面に対し所定の角度で傾斜し、かつ前記密着面側に対して露出していることを特徴と力学量センサ素子構造。
2. 前記電気接続面は、少なくとも２以上形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力学量センサ素子構造。
3. 前記電気接続面は、前記検出部の前記主表面において、対称性を有するように配されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の力学量センサ素子構造。
4. 前記検出部の前記絶縁体側の主表面は四角形形状をなすとともに、該主表面には、その頂点部が三角形形状をなして露出するように、前記絶縁体の八角形形状の主表面が密着して形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造。
5. 前記電気接続面には、前記検出部と電気的接続を行うための端子が少なくとも２以上形成されてなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造。
6. 前記検出部は、セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを主材料としてなるものであり、前記絶縁体は、セラミックスを主材料としてなるものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造。
7. 前記セラミックスは、ジルコニアであることを特徴とする請求項６に記載の力学量センサ素子構造。
8. 前記圧力抵抗効果を有する材料は、Ｌａ_１−_ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項６または７に記載の力学量センサ素子構造。
9. 前記検出部は、印加された圧力に基づいてオーム抵抗が変化するものであり、該オーム抵抗の変化によって荷重検出を可能とすることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造。
10. 前記検出部は、前記力学量印加方向における前記力学量の印加側に前記絶縁部を密着して有する一方で、当該絶縁部とは逆側が、密着する前記検出部及び前記絶縁部を有した力学量センサ素子を支持し、かつ前記電気接続面と電気的に接続される回路チップが搭載される支持部が設けられる側とされている請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法であって、
    前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成し、該積層体を形成した後に、前記検出部の前記電気接続面を露出させるために前記絶縁体の所定部分を除去することを特徴とする力学量センサ素子構造の製造方法。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法であって、
    前記検出部の前記電気接続面を露出させるために予め所定部分が除去された前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成することを特徴とする力学量センサ素子構造の製造方法。
13. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法であって、
    前記検出部の前記電気接続面を露出させるために予め所定部分に枠体を配した前記絶縁体と前記検出部とが力学量印加方向に積層されてなる積層体を形成し、該積層体を形成した後に、前記枠体を除去することを特徴とする力学量センサ素子構造の製造方法。
14. 前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを積層する際に、接着剤を介して接合しつつ積層することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法。
15. 前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを積層する際に、熱圧着により接合して形成することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法。
16. 前記積層体は、前記絶縁体と前記検出部とを同時に加圧焼結して形成することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の力学量センサ素子構造の製造方法。

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