本发明涉及力传感器装置。
背景技术
一直以来，已知有力传感器装置，其在由金属构成的应变体粘贴多个应变仪，通过将施加有外力时的形变转换成电信号，从而检测多轴的力。但是，该力传感器装置需要通过手工作业一张张地粘贴应变仪，因此精度、生产性上存在问题，而且在构造上难以小型化。
另一方面，提出了一种力传感器装置，其通过将应变仪置换成形变检测用的mems的传感器芯片，从而消除贴合精度的问题，而且实现小型化(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4011345号
技术实现要素：
发明所要解决的课题
然而，虽然力传感器装置例如有时以使用螺纹件等将应变体安装于框体等的被固定部的方式使用，但是根据将传感器芯片固定于应变体的构造，有时应变体因螺纹件等的紧固时产生的应力而变形，该变形传递给传感器芯片而使传感器芯片的输出产生变动(偏移)。
本发明鉴于上述的点而做成，其目的在于降低因将力传感器装置安装于被固定部时产生应力而引起的传感器芯片的输出的变动。
用于解决课题的方案
本力传感器装置1具有探测多个预定的轴向的位移的传感器芯片110和将施加的力传递给上述传感器芯片110的应变体20，该力传感器装置1的特征在于，上述应变体20具备搭载上述传感器芯片110的传感器芯片搭载部28和分离地配置于上述传感器芯片搭载部28的周围的多个柱22a、22b、22c、22d，上述传感器芯片搭载部28经由连接用梁28a、28b、28c、28d固定于各个上述柱22a、22b、22c、22d。
此外，上述括号内的参照符号是为了容易理解而添加的，只是一例，并非限定于图示的方案。
发明的效果
根据公开的技术，能够降低因将力传感器装置安装于被固定部时产生的应力而引起的传感器芯片的输出的变动。
附图说明
图1是示例第一实施方式的力传感器装置的立体图。
图2是示例第一实施方式的力传感器装置的传感器芯片及应变体的立体图。
图3是从z轴方向上侧观察传感器芯片110的图。
图4是从z轴方向下侧观察传感器芯片110的图。
图5是对表示施加于各轴的力及力矩的符号进行说明的图。
图6是示例传感器芯片110的压电电阻元件的配置的图。
图7是示例传感器芯片110的电极配置和配线的图。
图8是示例传感器芯片110的温度传感器的放大俯视图。
图9是示例应变体20的图(其一)。
图10是示例应变体20的图(其二)。
图11是示例应变体20的图(其三)。
图12是示例力传感器装置1的制造工序的图(其一)。
图13是示例力传感器装置1的制造工序的图(其二)。
图14是示例力传感器装置1的制造工序的图(其三)。
图15是示例第一实施方式的变形例1的力传感器装置的立体图。
图16是示例第一实施方式的变形例1的力传感器装置的图。
图17是对将应变体固定于被固定部时传感器芯片的fz输出产生的偏移进行说明的图(其一)。
图18是对将应变体固定于被固定部时传感器芯片的fz输出产生的偏移进行说明的图(其二)。
图19是通过模拟求出图18(b)～图18(d)的状态下的传感器芯片的fz输出(偏移)的结果。
图20是对比较例、实施例1以及实施例2的各构造的传感器芯片的输出的模拟结果。
图21是说明针对比较例及实施例2的构造的其它轴成分的模拟的图(其一)。
图22是说明针对比较例及实施例2的构造的其它轴成分的模拟的图(其二)。
图23是对将应变体固定于被固定部时传感器芯片的fz输出产生的偏移进行说明的图。
图24是通过模拟求出图23(a)及图23(b)所示的模型的传感器芯片110的fz输出(偏移)的结果。
图25是说明图24的结果的图。
图26是使力传感器装置载置于约50℃的帕耳帖元件表面而评价传感器芯片的输出的温度追随性的结果。
图27是fz的偏移温度漂移的解析结果(其一)。
图28是fz的偏移温度漂移的解析结果(其二)。
图29是fz的偏移温度漂移的解析结果(其三)。
图中：1、1a—力传感器装置，15—电极，16—配线，17—温度传感器，20—应变体，21—基座，22a～22d、25a～25d、28—柱，23a～23d、26a～26d—梁，24a～24d—输入部，27a～27d—突起部，30—输入/输出基板，31—电极，32～35—有源部件，39—无源部件，40—受力板，40x、40z—凹部，40y—贯通孔，41、42—粘接剂，110—传感器芯片，111a～111e—支撑部，112a～112h—加强用梁，113a～113l—探测用梁，114a～114d—力点。
具体实施方式
以下，参照附图，对用于实施本发明的方案进行说明。在各附图中，对相同结构部分标注相同符号，有时省略重复的说明。
〈第一实施方式〉
(力传感器装置1的概略结构)
图1是示例第一实施方式的力传感器装置的立体图。图2是示例第一实施方式的力传感器装置的传感器芯片及应变体的立体图。参照图1及图2，力传感器装置1具有传感器芯片110、应变体20以及输入/输出基板30。力传感器装置1例如是搭载于机床等使用的机器人的腕、指等的多轴的力传感器装置。
传感器芯片110具有对预定的轴向的位移最大进行6轴探测的功能。应变体20具有将施加的力传递给传感器芯片110的功能。
传感器芯片110以从应变体20不突出的方式粘接于应变体20的上表面侧。另外，在应变体20的上表面及各侧面，以适当屈曲的状态粘接有针对传感器芯片110进行信号的输入/输出的输入/输出基板30的一端侧。传感器芯片110和输入/输出基板30的各电极31通过焊线等(未图示)电连接。
在输入/输出基板30的配置于应变体20的第一侧面的区域装配有有源部件32及无源部件39。在输入/输出基板30的配置于应变体20的第二侧面的区域装配有有源部件33及无源部件39。在输入/输出基板30的配置于应变体20的第三侧面的区域装配有有源部件34及无源部件39。在输入/输出基板30的配置于应变体20的第四侧面的区域具有有源部件35及无源部件39。
有源部件33例如是将来自对从传感器芯片110输出的x轴方向的力fx进行检测的桥电路的模拟电信号、以及来自对从传感器芯片110输出的y轴方向的力fy进行检测的桥电路的模拟电信号转换成数字电信号的ic(ad转换器)。
有源部件34例如是将来自从对传感器芯片110输出的z轴方向的力fz进行检测的桥电路的模拟电信号、及来自对从传感器芯片110输出的使以x轴为轴旋转的力矩mx进行检测的桥电路的模拟电信号转换成数字电信号的ic(ad转换器)。
有源部件35例如是将来自对从传感器芯片110输出的使以y轴为轴旋转的力矩my进行检测的桥电路的模拟电信号、及来自对从传感器芯片110输出的检测使以z轴为轴旋转的力矩mz进行检测的桥电路的模拟电信号转换呈数字电信号的ic(ad转换器)。
有源部件32例如是对从有源部件33、34以及35输出的数字电信号进行预定的运算，生成表示力fx、fy及fz以及力矩mx、my及mz的信号，并输出至外部的ic。无源部件39是连接于有源部件32～35的电阻或电容器等。
此外，能够任意决定通过几个ic来实现有源部件32～35的功能。另外，也可以构成为，将有源部件32～35不装配于输入/输出基板30而装配于与输入/输出基板30连接的外部电路侧。该情况下，从输入/输出基板30输出模拟电信号。
输入/输出基板30在应变体20的第一侧面的下方向外侧屈曲，使输入/输出基板30的另一端侧引出至外部。在输入/输出基板30的另一端侧配列有可进行与连接于力传感器装置1的外部电路(控制装置等)的电输入/输出的端子(未图示)。
此外，在本实施方式中，为了方便，在力传感器装置1中，将设有传感器芯片110的一侧设为上侧或一方侧，将其相反侧设为下侧或另一方侧。另外，将各部位的设有传感器芯片110的一侧的面设为一方的面或上表面，将其相反侧的面的设为另一方的面或下表面。但是，力传感器装置1能够以上下颠倒的状态使用，或者能够以任意的角度配置。另外，平面视野是指从传感器芯片110的上表面的法线方向(z轴方向)观察对象物，平面形状是指从传感器芯片110的上表面的法线方向(z轴方向)观察对象物的形状。
(传感器芯片110)
图3是从z轴方向上侧观察传感器芯片110的图，图3(a)是立体图，图3(b)是俯视图。图4是从z轴方向下侧观察传感器芯片110的图，图4(a)是立体图，图4(b)是仰视图。在图4(b)中，为了方便，将相同高度的面示出为相同的梨地纹模样。此外，将与传感器芯片110的上表面的一边平行的方向设为x轴方向，将垂直的方向设为y轴方向，将传感器芯片110的厚度方向(传感器芯片110的上表面的防线方向)设为z轴方向。x轴方向、y轴方向以及z轴方向相互正交。
图3及图4所示的传感器芯片110是能够通过一个芯片最大探测6轴的mems(microelectromechanicalsystems)传感器芯片，由soi(silicononinsulator)基板等半导体基板形成。传感器芯片110的平面形状例如能够做成3000μm见方左右的正方形。
传感器芯片110具备柱状的五个支撑部111a～111e。支撑部111a～111e的平面形状例如能够做成500μm见方左右的正方形。作为第一支撑部的支撑部111a～111d配置于传感器芯片110的四个拐角。作为第二支撑部的支撑部111e配置于支撑部111a～111d的中央。
支撑部111a～111e例如能够由soi基板的活性层、box层以及支撑层形成，且分别的厚度例如能够做成500μm左右。
在支撑部111a与支撑部111b之间设有将两端固定于支撑部111a和支撑部111b(连结相邻的支撑部彼此)的用于加强构造的加强用梁112a。在支撑部111b与支撑部111c之间设有将两端固定于支撑部111b和支撑部111c(连结相邻的支撑部彼此)的用于加强构造的加强用梁112b。
在支撑部111c与支撑部111d之间设有将两端固定于支撑部111c和支撑部111d(连结相邻的支撑部彼此)的用于加强构造的加强用梁112c。在支撑部111d与支撑部111a之间设有将两端固定于支撑部111d和支撑部111a(连结相邻的支撑部彼此)的用于加强构造的加强用梁112d。
换言之，作为第一加强用梁的四个加强用梁112a、112b、112c以及112d形成为框状，形成各加强用梁的交点的角部成为支撑部111b、111c、111d、111a。
支撑部111a的内侧的角部和与之对置的支撑部111e的角部通过用于加强构造的加强用梁112e连结。支撑部111b的内侧的角部和与之对置的支撑部111e的角部通过用于加强构造的加强用梁112f连结。
支撑部111c的内侧的角部和与之对置的支撑部111e的角部通过用于加强构造的加强用梁112g连结。支撑部111d的内侧的角部和与之对置的支撑部111e的角部通过用于加强构造的加强用梁112h连结。作为第二加强用梁的加强用梁112e～112h相对于x轴方向(y轴方向)倾斜配置。也就是，加强用梁112e～112h与加强用梁112a、112b、112c以及112d非平行地配置。
加强用梁112a～112h例如能够有soi基板的活性层、box层以及支撑层形成。加强用梁112a～112h的粗度(短边方向的宽度)例如能够做成140μm左右。加强用梁112a～112h的每一个的上表面与支撑部111a～111e的上表面为大致齐平面。
与之相对，加强用梁112a～112h的每一个的下表面比支撑部111a～111e的下表面及力点114a～114d的下表面向上表面侧凹陷几十μm左右。这是为了在将传感器芯片110粘接于应变体20时，使加强用梁112a～112h的下表面不接触应变体20的对置的面。
这样，通过与探测形变的探测用梁不同地配置形成为比探测用梁厚的刚性较强的加强用梁，能够提高传感器芯片110整体的刚性。由此，因为相对于输入，探测用梁以外难以变形，因此能够得到良好的传感器特性。
在支撑部111a与支撑部111b之间的加强用梁112a的内侧与加强用梁112a隔开预定间隔并平行地设置探测用梁113a，探测用梁113a将两端固定于支撑部111a和支撑部111b(连结相邻的支撑部彼此)，且用于探测形变。
在探测用梁113a与支撑部111e之间与探测用梁113a及支撑部111e隔开预定间隔并与探测用梁113a平行地设有探测用梁113b。探测用梁113b连结加强用梁112e的支撑部111e侧的端部和加强用梁112f的支撑部111e侧的端部。
探测用梁113a的长边方向的大致中央部和与之对置的探测用梁113b的长边方向的大致中央部通过以与探测用梁113a及探测用梁113b正交地配置的探测用梁113c连结。
在支撑部111b与支撑部111c之间的加强用梁112b的内侧与加强用梁112b隔开预定间隔并平行地设置有探测用梁113d，探测用梁113d将两端固定于支撑部111b和支撑部111c(连结相邻的支撑部彼此)，且用于探测形变。
在探测用梁113d与支撑部111e之间与探测用梁113d及支撑部111e隔开预定间隔并与探测用梁113d平行地设有探测用梁113e。探测用梁113e连结加强用梁112f的支撑部111e侧的端部和加强用梁112g的支撑部111e侧的端部。
探测用梁113d的长边方向的大致中央部和与之对置的探测用梁113e的长边方向的大致中央部通过以与探测用梁113d及探测用梁113e正交地配置的探测用梁113f连结。
在支撑部111c与支撑部111d之间的加强用梁112c的内侧与加强用梁112c隔开预定间隔并平行地设置探测用梁113g，探测用梁113g将两端固定于支撑部111c和支撑部111d(连结相邻的支撑部彼此)，且用于探测形变。
在探测用梁113g与支撑部111e之间与探测用梁113g及支撑部111e隔开预定间隔并与探测用梁113g平行地设有探测用梁113h。探测用梁113h连结加强用梁112g的支撑部111e侧的端部和加强用梁112h的支撑部111e侧的端部。
探测用梁113g的长边方向的大致中央部和与之对置的探测用梁113h的长边方向的大致中央部通过以与探测用梁113g及探测用梁113h正交地配置的探测用梁113i连结。
在支撑部111d与支撑部111a之间的加强用梁112d的内侧与加强用梁112d隔开预定间隔并平行地设置探测用梁113j，探测用梁113j将两端固定于支撑部111d和支撑部111a(连结相邻的支撑部彼此)，且用于探测形变。
在探测用梁113j与支撑部111e之间，与探测用梁113j及支撑部111e隔开预定间隔并与探测用梁113j平行地设有探测用梁113k。探测用梁113k连结加强用梁112h的支撑部111e侧的端部和加强用梁112e的支撑部111e侧的端部。
探测用梁113j的长边方向的大致中央部和与之对置的探测用梁113k的长边方向的大致中央部通过以与探测用梁113j及探测用梁113k正交地配置的探测用梁113l连结。
探测用梁113a～113l设于支撑部111a～111e的厚度方向的上端侧，例如能够由soi基板的活性层形成。探测用梁113a～113l的粗度(短边方向的宽度)例如能够做成75μm左右。探测用梁113a～113l的每一个的上表面与支撑部111a～111e的上表面为大致齐平面。探测用梁113a～113l的每一个的厚度例如能够做成50μm左右。
在探测用梁113a的长边的中央部的下表面侧(探测用梁113a与探测用梁113c的交点)设有力点114a。由探测用梁113a、113b以及113c和力点114a形成一组探测块。
在探测用梁113d的长边的中央部的下表面侧(探测用梁113d与探测用梁113f的交点)设有力点114b。由探测用梁113d、113e以及113f和力点114b形成一组探测块。
在探测用梁113g的长边的中央部的下表面侧(探测用梁113g与探测用梁113i的交点)设有力点114c。由探测用梁113g、113h以及113i和力点114c形成一组探测块。
在探测用梁113j的长边的中央部的下表面侧(探测用梁113j与探测用梁113l的交点)设有力点114d。由探测用梁113j、113k以及113l和力点114d形成一组探测块。
力点114a～114d是施加外力的部位，例如，能够由soi基板的box层及支撑层形成。力点114a～114d的每一个的下表面与支撑部111a～111e的下表面是大致齐平面。
这样，通过从四个力点114a～114d获取力或位移，每个力的种类可得到不同的梁的变形，因此能够实现6轴的分离性良好的传感器。
此外，在传感器芯片110中，从抑制应力集中的观点出发，优选形成内角的部分做成圆角状。
图5是对表示施加于各轴的力及力矩的符号进行说明的图。如图5所示，将x轴方向的力设为fx，将y轴方向的力设为fy，将z轴方向的力设为fz。另外，将使以x轴为轴旋转的力矩设为mx，将使以y轴为轴旋转的力矩设为my，将使以z轴为轴旋转的力矩设为mz。
图6是示例传感器芯片110的压电电阻元件的配置的图。在与多个力点114a～114d对应的各探测块的预定位置配置有压电电阻元件。
具体而言，参照图3及图6，在与力点114a对应的探测块中，压电电阻元件mxr3及mxr4配置于如下位置：位于将探测用梁113a沿长边方向二等分的线上，且在探测用梁113a的靠近探测用梁113c的区域相对于将探测用梁113c沿长边方向(y方向)二等分的线对称。另外，压电电阻元件fyr3及fyr4配置于如下位置：位于比将探测用梁113a沿长边方向二等分的线靠加强用梁112a侧，且在探测用梁113a的远离探测用梁113c的区域相对于将探测用梁113c沿长边方向二等分的线对称。
另外，在与力点114b对应的探测块中，压电电阻元件myr3及myr4配置于如下位置：位于将探测用梁113d沿长边方向二等分的线上，且在探测用梁113d的靠近探测用梁113f的区域相对于将探测用梁113f沿长边方向(x方向)二等分的线对称。另外，压电电阻元件fxr3及fxr4配置于如下位置：位于比将探测用梁113d沿长边方向二等分的线靠加强用梁112b侧，且在探测用梁113d的远离探测用梁113f的区域相对于将探测用梁113f沿长边方向二等分的线对称。
另外，压电电阻元件mzr3及mzr4配置于如下位置：位于比将探测用梁113d沿长边方向二等分的线靠探测用梁113f侧，且在探测用梁113d的靠近探测用梁113f的区域相对于将探测用梁113f沿长边方向二等分的线对称。另外，压电电阻元件fzr2及fzr3配置于如下位置：位于比将探测用梁113e沿长边方向二等分的线靠支撑部111e侧，且在探测用梁113e的靠近探测用梁113f的区域相对于将探测用梁113f沿长边方向二等分的线对称。
另外，在与力点114c对应的探测块中，压电电阻元件mxr1及mxr2配置于如下位置：位于将探测用梁113g沿长边方向二等分的线上，且在探测用梁113g的靠近探测用梁113i的区域相对于将探测用梁113i沿长边方向(y方向)二等分的线对称。另外，压电电阻元件fyr1及fyr2配置于如下位置：位于比将探测用梁113g沿长边方向二等分的线靠加强用梁112c侧，且在探测用梁113g的远离探测用梁113i的区域相对于将探测用梁113i沿长边方向二等分的线对称。
另外，在与力点114d对应的探测块中，压电电阻元件myr1及myr2配置于如下位置：位于将探测用梁113j沿长边方向二等分的线上，且在探测用梁113j的靠近探测用梁113l的区域相对于将探测用梁113l沿长边方向(x方向)二等分的线对称。另外，压电电阻元件fxr1及fxr2配置于如下位置：位于比将探测用梁113j沿长边方向二等分的线靠加强用梁112d侧，且在探测用梁113j的远离探测用梁113l的区域相对于将探测用梁113l沿长边方向二等分的线对称。
另外，压电电阻元件mzr1及mzr2配置于如下位置：位于比将探测用梁113j沿长边方向二等分的线靠探测用梁113k侧，且在探测用梁113j的靠近探测用梁113l的区域相对于将探测用梁113l沿长边方向二等分的线对称。压电电阻元件fzr1及fzr4配置于如下位置：位于比将探测用梁113k沿长边方向二等分的线靠支撑部111e侧，且在探测用梁113k的靠近探测用梁113l的区域相对于将探测用梁113l沿长边方向二等分的线对称。
这样，在传感器芯片110中，在各探测块将多个压电电阻元件分开配置。由此，能够基于与施加(传递)至力点114a～114d的力的朝向(轴向)相应的配置于预定的梁的多个压电电阻元件的输出的变化对预定的轴向的位移进行最大6轴探测。
另外，在传感器芯片110中，构成为，尽量缩短探测用梁113c、113f、113i以及113l，使探测用梁113b、113e、113h以及113k靠近探测用梁113a、113d、113g以及113j，尽量确保探测用梁113b、113e、113h以及113k的长度。根据该结构造，探测用梁113b、113e、113h以及113k容易呈弓形挠曲，能够缓解应力集中，能够提高承受负载。
另外，在传感器芯片110中，在通过缩短而使对应力的变形变小的探测用梁113c、113f、113i、及113l不配置压电电阻元件。取而代之，在比探测用梁113c、113f、113i、及113l细且长的且容易呈弓形挠曲的探测用梁113a、113d、113g、及113j以及探测用梁113b、113e、113h、及113k的应力成为最大的位置的附近配置压电电阻元件。其结果，在传感器芯片110中，能够高效地获取应力，能够提高灵敏度(相对于相同的应力的压电电阻元件的电阻变化)。
此外，在传感器芯片110中，除了用于形变的检测的压电电阻元件以外，还配置有虚拟的压电电阻元件。虚拟的压电电阻元件配置为使包含用于形变的检测的压电电阻元件在内的所有的压电电阻元件相对于支撑部111e的中心成为点对称。
在此，压电电阻元件fxr1～fxr4检测力fx，压电电阻元件fyr1～fyr4检测力fy，压电电阻元件fzr1～fzr4检测力fz。另外，压电电阻元件mxr1～mxr4检测力矩mx，压电电阻元件myr1～myr4检测力矩my，压电电阻元件mzr1～mzr4检测力矩mz。
这样，在传感器芯片110中，在各探测块将多个压电电阻元件分开配置。由此，能够基于与施加(传递)至力点114a～114d的力或位移的朝向(轴向)相应的配置于预定的梁的多个压电电阻元件的输出的变化，对预定的轴向的位移进行最大6轴探测。
具体而言，在传感器芯片110中，z轴方向的位移(mx、my、fz)能够基于预定的探测用梁的变形探测。即，x轴方向及y轴方向的力矩(mx、my)能够基于作为第一探测用梁的探测用梁113a、113d、113g、及113j的变形探测。另外，z轴方向的力(fz)能够基于作为第二探测用梁的探测用梁113e及113k的变形探测。
另外，在传感器芯片110中，x轴方向及y轴方向的位移(fx、fy、mz)能够基于预定的探测用梁的变形探测。即，x轴方向及y轴方向的力(fx、fy)能够基于作为第一探测用梁的探测用梁113a、113d、113g、及113j的变形探测。另外，z轴方向的力矩(mz)能够基于作为第一探测用梁的探测用梁113d及113j的变形探测。
通过使各探测用梁的厚度和宽度可变，从而能够实现检测灵敏度的均等化、检测灵敏度的提高等的调整。
但是，也能够减少压电电阻元件的个数，做成探测5轴以下的预定的轴向的位移的传感器芯片。
图7是示例传感器芯片110的电极配置和配线的图，是从z轴方向上侧观察传感器芯片110的俯视图。如图7所示，传感器芯片110具有用于输出电信号的多个电极15。各电极15配置于对力点114a～114d施加力时的形变最小的传感器芯片110的支撑部111a～111d的上表面。从各压电电阻元件到电极15的配线16能够适当地在各加强用梁上及各探测用梁上穿梭。
这样，各加强用梁能够根据需要用作引出配线时的迂回路，因此通过配置与探测用梁不同的加强用梁，能够提高配线设计的自由度。由此，能够将各压电电阻元件配置于更理想的位置。
图8是示例传感器芯片110的温度传感器的放大俯视图。如图7及图8所示，传感器芯片110具备用于对形变检测用的压电电阻元件进行温度补正的温度传感器17。温度传感器17是桥接四个压电电阻元件tr1、tr2、tr3及tr4的结构。
压电电阻元件tr1、tr2、tr3及tr4中的对置的两个做成与形变检测用的压电电阻元件mxr1等相同的特性。另外，压电电阻元件tr1、tr2、tr3、及tr4中对置的另外两个通过利用杂质半导体改变杂质浓度而做成与压电电阻元件mxr1等不同的特性。由此，桥平衡因温度变化而破坏，因此能够检测温度。
此外，形变检测用的压电电阻元件(mxr1等)全部以构成传感器芯片110的半导体基板(硅等)的结晶取向，水平或垂直地配置。由此，对于相同的形变，能够得到更大的电阻变化，能够提高施加的力及力矩的测量精度。
与之相对，构成温度传感器17的压电电阻元件tr1、tr2、tr3、及tr4相对于构成传感器芯片110的半导体基板(硅等)的结晶取向倾斜45度配置。由此，能够降低相对于应力的电阻变化，因此仅能够高精度地探测温度变化。
另外，温度传感器17配置于对力点114a～114d施加力时的形变最小的传感器芯片110的支撑部111a的上表面。由此，能够进一步降低相对于应力的电阻变化。
此外，压电电阻元件是本发明的形变检测元件的代表性的一例。
(应变体20)
图9是示例应变体20的图(其一)，图9(a)是立体图，图9(b)是侧视图。图10是示例应变体20的图(其二)，图10(a)是俯视图，图10(b)是沿图10(a)的a－a线的纵向剖视立体图。图10(a)中，为了方便，将相同高度的面示出为相同的梨地纹模样。图11是示例应变体20的图(其三)，图11(a)是沿图10(a)的b－b线的纵向剖视图，图11(b)是沿图11(a)的c－c线横向剖视图。
如图9～图11所示，应变体20具备：直接安装于被固定部的基座21；成为搭载传感器芯片110的传感器芯片搭载部的柱28；分离地配置于柱28的周围的柱22a～22d。
更详细而言，在应变体20中，在大致圆形的基座21的上表面以相对于基座21的中心成为均等(点对称)的方式配置有四个柱22a～22d，连接相邻的柱彼此的第一梁即四个梁23a～23d呈框状设置。而且，在基座21的上表面中央的上方配置有柱28。此外，基座21的平面形状不限定于圆形，也可以做成多边形等(例如，正方形等)。
柱28形成为比柱22a～22d粗且短。此外，传感器芯片110以从柱22a～22d的上表面不突出的方式固定于柱28上。
柱28不直接固定于基座21的上表面，经由连接用梁28a～28d而固定于柱22a～22d。因此，在基座21的上表面与柱28的下表面之间具有空间。柱28的下表面和连接用梁28a～28d的每一个的下表面能够做成齐平面。
柱28的连接连接用梁28a～28d的部分的横截面形状例如为矩形，矩形的四个拐角和与矩形的四个拐角对置的柱22a～22d经由连接用梁28a～28d连接。连接用梁28a～28d与柱22a～22d连接的位置221～224优选为比柱22a～22d的高度方向的中间靠下侧。对于该理由，后面进行叙述。此外，柱28的连接连接用梁28a～28d的部分的横截面形状不限于矩形，也可以做成圆形、多边形等(例如，六边形等)。
连接用梁28a～28d以相对于基座21的中心成为均等(点对称)的方式与基座21的上表面隔开预定间隔地与基座21的上表面大致平行地配置。连接用梁28a～28d的粗度、厚度(刚性)为了不妨碍应变体20的变形，优选形成为比柱22a～22d、梁23a～23d细且薄。
这样，基座21的上表面和柱28的下表面分离预定的距离。预定的距离例如能够做成几mm左右。对于将柱28不直接固定于基座21的上表面而使基座21的上表面和柱28的下表面分离预定的距离的技术上的意义，后面参照图17～图22进行叙述。
在基座21设有用于使用螺纹件等将应变体20紧固于被固定部的贯通孔21x。本实施方式中，在基座21设有四个贯通孔21x，但是贯通孔21x的个数能够任意决定。
除了基座21的应变体20的概略形状例如能够做成纵为5000μm左右、横为5000μm左右、高度为7000μm左右的长方体状。柱22a～22d的横截面形状例如能够做成1000μm见方左右的正方形。柱28的横截面形状例如能够做成2000μm见方左右的正方形。
但是，在应变体20中，从抑制应力集中的观点出发，优选形成内角的部分做成圆角状。例如，柱22a～22d的基座21的上表面的中心侧的面优选上下形成为圆角状。同样地，梁23a～23d的与基座21的上表面对置的面优选左右形成圆角状。
在梁23a～23d的每一个的上表面的长边方向的中央部设有从梁23a～23d的长边方向的中央部向上方突起的突起部，在突起部上例如设有四棱柱状的输入部24a～24d。输入部24a～24d是从外部施加力的部分，当对输入部24a～24d施加力时，梁23a～23d及柱22a～22d与之相应地变形。
这样，通过设置四个输入部24a～24d，相比例如一个输入部的构造，能够提高梁23a～23d的承受负载。
在柱28的上表面的四个拐角配置有四个柱25a～25d，在柱28的上表面的中央部配置有作为第四柱的柱25e。柱25a～25e形成为相同的高度。
即，柱25a～25e的每一个的上表面位于同一平面上。柱25a～25e的每一个的上表面成为与传感器芯片110的下表面粘接的接合部。
在梁23a～23d的每一个的内侧面的长边方向的中央部设有从梁23a～23d的每一个的内侧面向水平方向内侧突出的梁26a～26d。梁26a～26d是将梁23a～23d、柱22a～22d的变形传递给传感器芯片110的第二梁。另外，在梁26a～26d的每一个的上表面的前端侧设有从梁26a～26d的每一个的上表面的前端侧向上方突起的突起部27a～27d。
突起部27a～27d形成为相同的高度。即，突起部27a～27d的每一个的上表面位于同一平面上。突起部27a～27d的每一个的上表面成为与传感器芯片110的下表面粘接的接合部。梁26a～26d及突起部27a～27d与成为可动部的梁23a～23d连结，因此当对输入部24a～24d施加力时，与之相应地变形。
此外，在对输入部24a～24d未施加力的状态下，柱25a～25e的每一个的上表面和突起部27a～27d的每一个的上表面位于同一平面上。
在应变体20中，基座21、柱22a～22d、柱28、梁23a～23d、输入部24a～24d、柱25a～25e、梁26a～26d、以及突起部27a～27d各部位从确保刚性且高精度制作的观点出发，优选一体形成。作为应变体20的材料，例如能够使用sus(不锈钢)等硬质金属材料。其中，尤其优选使用硬质且机械强度较高的sus630。
这样，与传感器芯片110同样地应变体20也做成具备柱和梁的构造，从而根据施加的力，6轴分别表示不同的变形，因此能够将6轴的分离性良好的变形传递给传感器芯片110。
即，将对应变体20的输入部24a～24d施加的力经由柱22a～22d、梁23a～23d以及梁26a～26d传递给传感器芯片110，并通过传感器芯片110探测位移。而且，在传感器芯片110中，能够从每一个轴形成有一个的桥电路得到各轴的输出。
(力传感器装置1的制造工序)
图12～图14是示例力传感器装置1的制造工序的图。首先，如图12(a)所示，制作应变体20。应变体20例如能够通过成形、切削、线放电等而一体形成。作为应变体20的材料，例如能够使用sus(不锈钢)等硬质的金属材料。其中，有时优选使用硬质且机械强度高的sus630。在通过成形来制作应变体20的情况下，例如，将金属粒子和成为粘合剂的树脂放入金属模具进行成形，然后进行烧结，使树脂蒸发，从而能够制作由金属形成的应变体20。
然后，在图12(b)所示的工序中，向柱25a～25e的上表面、及突起部27a～27d的上表面涂敷粘接剂41。作为粘接剂41，例如能够使用环氧树脂系的粘接剂等。从对从外部施加的力的耐力的观点出发，粘接剂41优选为杨氏模量为1gpa以上且厚度为20μm以下。
然后，在图13(a)所示的工序中，制作传感器芯片110。传感器芯片110例如，能够通过准备soi基板，并对准备的基板实施蚀刻加工(例如，反应性离子蚀刻等)等公知的方法来制作。另外，电极、配线例如能够通过在利用溅射法等在基板的表面形成铝等的金属膜后，利用光刻技术对金属膜进行构图，从而来制作。
然后，在图13(b)所示的工序中，以使传感器芯片110的下表面与涂敷于柱25a～25e的上表面、及突起部27a～27d的上表面的粘接剂41接触的方式将传感器芯片110一边加压一边配置于应变体20内。然后，以预定温度加热粘接剂41使硬化。由此，传感器芯片110固定于应变体20内。具体而言，传感器芯片110的支撑部111a～111d固定于各个柱25a～25e上，支撑部111e固定于柱25e上，力点114a～114d固定于各个突起部27a～27d上。
然后，在图14(a)所示的工序中，向柱22a～22d的上表面涂敷粘接剂42。作为粘接剂42，例如能够使用环氧树脂系的粘接剂等。此外，粘接剂42用于将输入/输出基板30固定于应变体20上，因为不从外部施加力，因此能够使用通用的粘接剂。
然后，在图14(b)所示的工序中，准备装配有有源部件32～35及无源部件39的输入/输出基板30，以使输入/输出基板30的下表面与涂敷于柱22a～22d的上表面的粘接剂42接触的方式将输入/输出基板30配置于应变体20上。然后，将输入/输出基板30向应变体20侧加压，并且以预定温度加热粘接剂42使硬化。由此，输入/输出基板30固定于应变体20。
此外，输入/输出基板30以使传感器芯片110及输入部24a～24d露出的方式固定于应变体20。输入/输出基板30的各电极31优选配置于对输入部24a～24d施加力时的形变最小的应变体20的柱22a～22d上。
然后，将输入/输出基板30的从应变体20沿水平方向伸出的部分(除了输入端子侧)向应变体20的各侧面侧折弯。然后，通过焊线等(未图示)电连接输入/输出基板30和传感器芯片110的对应的部分。由此，完成力传感器装置1。
这样，力传感器装置1能够仅由传感器芯片110、应变体20、以及输入/输出基板30这三个部件制作，因此容易装配，而且对位部位也降到最低限度，因此能够抑制因装配而引起的精度的劣化。
另外，在应变体20中，与传感器芯片110的连接部位(柱25a～25e的上表面、及突起部27a～27d的上表面)全部处于同一平面，因此传感器芯片110相对于应变体20的对位进行一次，容易将传感器芯片110装配于应变体20。
〈第一实施方式的变形例1〉
在第一实施方式的变形例1中，示出了具备受力板的力传感器装置的例。此外，在第一实施方式的变形例1中，有时省略对与已经说明了的实施方式相同的结构部的说明。
图15是示例第一实施方式的变形例1的力传感器装置的立体图。图16是示例第一实施方式的变形例1的力传感器装置的图，图16(a)是俯视图，图16(b)是沿图16(a)的d－d线的纵剖视图。参照图15及图16，力传感器装置1a与力传感器装置1的不同点在于在应变体20的输入部24a～24d上设有受力板40。
受力板40的平面形状例如能够做成圆形，但是也可以做成矩形等。在受力板40的上表面侧设有平面形状为矩形的四个凹部40x和平面形状为圆形的四个贯通孔40y。另外，在受力板40的上表面侧的中心设有平面形状为圆形的一个凹部40z。
四个凹部40x配置为覆盖各个应变体20的输入部24a～24d，各个凹部40x的底面向应变体20侧突起而与应变体20的输入部24a～24d的上表面接触。但是，凹部40x、贯通孔40y、及凹部40z的平面形状能够任意决定。
通过这样的构造，能够将受力板40和应变体20定位。另外，凹部40x及凹部40z根据需要，能够用于将力传感器装置1a安装于被固定部时的定位。另外，贯通孔40y是用于利用螺纹件等将力传感器装置1a紧固于被固定部的螺纹孔。
作为受力板40的材料，例如能够使用sus(不锈钢)630等。受力板40例如能够通过焊接、粘接、螺纹固定等固定于应变体20。
这样，通过设置受力板40，能够经由受力板40从外部向应变体20的输入部24a～24d输入力。
〈模拟1〉
图17～图18是对将应变体固定于被固定部时传感器芯片的fz输出产生的偏移进行说明的图。
如图17(a)～图17(c)所示，准备具备基座21的上表面与柱28的下表面的距离不同的应变体三种力传感器装置。
图17(a)中，设为基座21的上表面与柱28的下表面的距离l1＝1.35mm(设为实施例1)。图17(a)中，基座21的上表面与柱28的下表面的距离l1成为柱22a～22d的高度l0的大致一半的值。也就是，连接柱28的位置是柱22a～22d的大致中间。此外，在此，将柱22a～22d的高度l0定义为，从基座21的最高的位置到与之对置的梁的下表面的距离。
图17(b)中，设为基座21的上表面与柱28的下表面的距离l2＝0.5mm(设为实施例2)。在图17(b)中，基座21的上表面与柱28的下表面的距离l2比柱22a～22d的高度l0的一半的值小。也就是，连接柱28的位置比柱22a～22d的中间靠下侧。
图17(c)中，在基座21的上表面直接形成柱28，基座21的上表面与柱28的下表面的距离为零(设为比较例)。
如图18(a)所示，使用四个螺纹件520将图17(a)～图17(c)的每一个紧固于由金属形成的被固定部500。图18(b)～图18(d)是将图17(a)～图17(c)的每一个如图18(a)所示地固定的情况下的应变体20的变形的模拟结果。
如图18(b)所示，在比较例(图17(c))的构造中，螺纹紧固时的变形涉及到柱28。另一方面，如图18(c)所示，在实施例1(图17(a))的构造中，螺纹紧固时的柱28的变形比图18(a)大幅降低。另外，如图18(d)所示，在实施例2(图17(b))的构造中，螺纹紧固时的柱28的变形比图18(b)大幅降低，但是与图18(c)所示的实施例1相比，柱28的变形更大。
图19是通过模拟求出图18(b)～图18(d)的状态下的传感器芯片110的fz输出(偏移)的结果，将比较例作为100％示出。如图19所示，在实施例1的构造下，相比比较例的构造，fz输出(偏移)降低到8％，在实施例2的构造下，相比比较例的构造，fz输出(偏移)降低到27％。
这样，确认了使基座21的上表面与柱28的下表面的距离越长，越能够降低螺纹紧固时的柱28的变形，作为结果，越能够降低传感器芯片110的fz输出(偏移)。
图20是对比较例、实施例1、以及实施例2的各构造的传感器芯片110的输出的模拟结果，将向各方向施加相同的力或力矩时的输出水平以将比较例的构造作为100％的方式示出。图20(a)是将模拟结果图表化的图，图20(b)是将图20(a)的结果数值化并进行了总结的图。
如图20所示，若比较比较例和实施例1，则在实施例1中，mx(my)的输出与比较例相同，但是fx(fy)、fz、以及mz的输出相对于比较例降低为60～80％左右。
另外，若比较比较例和实施例2，则在实施例2中，fx(fy)、fz、以及mz的输出相对于比较例收敛在±5％左右的范围内，这可以认为与比较例相同程度的输出。另一方面，实施例2的mx(my)的输出相对于比较例提高10％以上，这可以认为是明显的差异。
关于实施例2的mx(my)的输出相对于比较例提高了的情况，对于比较例的构造和实施例2的构造，分别通过模拟求出施加力矩my时的其它轴成分。
图21(a)是针对比较例的构造的模拟结果，图21(b)是放大了图21(a)的虚线部的图。如图21(a)及图21(b)所示，在比较例的构造下，在基座21的上表面直接形成有柱28，因此施加力矩my时，柱28基本不倾斜，而仅梁26d倾斜(对于梁26a～26c也同样)。梁26d相对于柱28的斜度成为fx成分。
另一方面，图21(c)是针对实施例2的构造的模拟结果，图21(d)是放大了图21(c)的虚线部的图。如图21(c)及图21(d)所示，在实施例2的构造下，基座21的上表面和柱28的下表面分离，柱28未固定于基座21的上表面，因此施加力矩my时，柱28和梁26d向同方向倾斜(对于梁26a～26c也同样)。
其结果，如图22(a)所示，在比较例的构造下，施加力矩my时出现fx成分，但是如图22(b)所示，在实施例2的构造下，施加力矩my时，不出现fx成分。另外，可以认为，在实施例2中，不出现fx成分的量添加到my的输出，因此my的输出相对于比较例提高了10％以上。
对以上进行总结，在构成为将柱28不直接固定于基座21的上表面而经由连接用梁28a～28d将柱28固定于柱22a～22d的情况下，越增长基座21的上表面与柱28的下表面的距离，越能够降低螺纹紧固时的柱28的变形，作为结果，能够降低传感器芯片110的fz输出(偏移)。另一方面，越增长基座21的上表面与柱28的下表面的距离，传感器芯片110的输出越降低(灵敏度越降低)。
即，柱28优选连接于比柱22a～22d的中间靠下侧。由此，能够确保传感器芯片110的灵敏度，并且降低螺纹紧固时的传感器芯片110的fz输出(偏移)。
在欲通过提高基座21的刚性来实现螺纹紧固时的传感器芯片110的fz输出(偏移)的降低的情况下，需要加厚基座21的厚度，力传感器装置整体的尺寸会变大。通过构成为将柱28不直接固定于基座21的上表面，而将柱28经由连接用梁28a～28d固定于柱22a～22d，能够使力传感器装置整体的尺寸不增大地降低螺纹紧固时的传感器芯片110的fz输出(偏移)。
另外，通过构成为将柱28不直接固定于基座21的上表面而将柱28经由连接用梁28a～28d固定于柱22a～22d，能够提高力矩(mx、my)输入时的与力矩成分(mx、my)并进方向的力成分(fx、fy)的分离性。
〈模拟2〉
模拟1中示出了，使基座21的上表面与柱28的下表面的距离越长，越能够降低螺纹紧固时的柱28的变形，作为结果，能够降低传感器芯片110的fz输出(偏移)。
但是，根据螺纹紧固时的紧固力等条件，若使基座21的上表面与柱28的下表面的距离过长，则存在产生相反极性的偏移的情况。在模拟2中，对改善该问题的方法进行说明。
图23是对将应变体固定于被固定部时传感器芯片的fz输出产生的偏移进行说明的图。
如图23(a)及图23(b)所示，准备两种力传感器装置。图23(a)是与图17(a)所示的模型相同的模型(但是，未设置受力板40)。图23(b)是在图23(a)的柱28的下表面追加了突出至比连接用梁28a～28d的下表面靠下侧(基座21侧)的突出部28z的模型。在图23(b)中，连接用梁28a～28d与突出部28z的连接部分做成圆角状。
图24是通过模拟求出图23(a)及图23(b)所示的模型下的传感器芯片110的fz输出(偏移)的结果。如图24所示可知，在不具有图23(a)所示的突出部28z的模型下，当距离l1比1mm左右长时，产生向负侧的偏移。与之相对，可知，在具有图23(b)所示的突出部28z的模型下，即使距离l1比1mm左右长，也未发生向负侧的偏移。
如图25所示，可以认为，在不具有突出部28z的模型下，当距离l1比预定值(例如，1mm)长时，柱22a～22d的上部如箭头a所示地向外侧被拉伸，因此柱28向上侧(箭头b侧)被上推，由此成为图24那样的结果。另一方面，可以认为，在具有突出部28z的模型下，突出部28z抑制柱28向上侧(箭头b侧)被推(弯曲)，因此成为图24那样的结果。
这样，可以确认，通过设置突出至比连接用梁28a～28d的下表面靠下侧的突出部28z，能够抑制在将距离l1延伸时，传感器芯片110的fz输出产生向负侧的偏移。
此外，通过将连接用梁28a～28d的下表面与突出部28z的连接部分做成圆角状，能够缓解连接部分的应力集中，因此能够提高连接部分对外力的强度。
〈模拟3〉
在模拟3中，进行传感器芯片的偏移的温度特性的动态评价。图26是将力传感器装置载置于约50℃的帕耳帖元件表面来评价传感器芯片的输出的温度追随性的结果。如图26的用虚线长圆包围地那样，可知，仅6轴纵的fz轴发生与其它轴不同的特性的输出变动(偏移温度漂移)。此外，用于图26的评价的力传感器装置搭载了图18(b)所示的比较例的应变体。
图27是fz的偏移温度漂移的解析结果(其一)，示出了使应变体的温度在25℃～55℃变化时的温度施加1秒后的应变体的温度分布和z位移(位移为放大500倍显示)。此外，比较例3是与图18(b)所示的比较例相同的应变体，实施例3是与图18(c)所示的实施例1相同的应变体。
如图27所示，在比较例3中，图10所示的柱25a～25d的上表面与突起部27a～27d的上表面的z轴位移差较大，且产生了0.6μm左右的台阶。与之相对，在实施例3中，图10所示的柱25a～25d的上表面与突起部27a～27d的上表面的z轴位移差较小，且台阶为0.13μm左右。在比较例3中，存在较大的台阶的产生是fz轴的偏移温度漂移的一个原因的可能性，这样的话，可以预测，在实施例3中，fz轴的偏移温度漂移降低。以下对此进行探讨。
图28是fz的偏移温度漂移的解析结果(其二)，是比较例3及实施例3的应变体的从温度施加到40秒后的过程传热解析结果。对于比较例3及实施例3的模型，如上所述。在图28的比较例3及实施例3的每一个中，圆表示图10所示的柱25a～25d的上表面的温度的平均值，四边形表示图10所示的突起部27a～27d的上表面的温度的平均值。如图28所示，在比较例3中，从温度印加到30秒左右之间，柱25a～25d的上表面的温度的平均值和突起部27a～27d的上表面的温度的平均值不一致，但是实施例3中，两者大致一致。
图29是fz的偏移温度漂移的解析结果(其三)，对于在比较例3的应变体搭载有传感器芯片的模型(设为比较例4)及在实施例3的应变体搭载有传感器芯片的模型(设为实施例4)，估算传感器输出的推移。此外，温度施加于基座21的下表面侧。
如图29所示，在比较例4及实施例4的任一个中，对于fz以外的输出，偏移都大致为零。另一方面，对于fz，在比较例4中，在从温度印加到30秒左右之间存在较大的偏移温度漂移，但是在实施例4中，偏移温度漂移大幅降低。
如上所述，对于通过动态偏移温特评价发现的fz的特别的举动，实施模拟解析，能够确认fz输出因随着应变体的过渡性的过热分布的位移而变动。
即，fz的特殊的举动的主要原因是应变体的构造，在如比较例4那样地使基座21的上表面和柱28的下表面连续的构造中，如图28所示，在从温度施加到30秒左右的之间，温度从基座21的下表面传递给柱25a～25d的上表面和突起部27a～27d的上表面的时间不同。因此，在柱25a～25d的上表面与突起部27a～27d的上表面之间产生较大的台阶(参照图27)，如图29所示地产生fz的偏移温度漂移。
与之相对，在如实施例4那样地使基座21的上表面和柱28的下表面分离预定的距离的构造下，如图28所示，温度从基座21的下表面传递给柱25a～25d的上表面和突起部27a～27d的上表面的时间大致相同。因此，柱25a～25d的上表面与突起部27a～27d的上表面之间的台阶降低，如图29所示地，fz的偏移温度漂移大幅改善。
以上，对优选的实施方式进行了详细说明，但不限于上述的实施方式，能够不脱离技术方案记载的范围地对上述的实施方式添加各种变形及置换。