WO2013175636A1 - 力学量測定装置 - Google Patents

Description

力学量測定装置

　本発明は、力学量測定装置に関し、特に、半導体ひずみセンサを用いて荷重を計測する力学量測定装置に適用して有効な技術に関するものである。

　各種の荷重計測装置（天秤、体重計など）に用いるロードセル（Load Cell：荷重（加えられた力）を検出するセンサー、荷重を電気信号に変換する素子、荷重を電気信号に変換する荷重変換器）には、荷重を受けるための負荷部と、荷重が負荷された際に変形する起歪部と、負荷部および起歪部を固定するための固定台座部と、により構成されるＳ字型の部材が用いられる。

　例えば特開２００６－３２９５号公報（特許文献１）には、起歪部の表面および裏面のそれぞれ２か所（合計で４か所）にひずみゲージ（曲げひずみを測定するための力学的センサ）を貼り付け、計測されたひずみ値から荷重値を推定するＳ字型ロードセルが開示されている。

　また、特開平０３－１４６８３８号公報（特許文献２）には、起歪部の側面に非晶質のガラスコーティングを介してひずみゲージを貼り付けた、Ｓ字形状のセラミック起歪体を用いたロードセルが開示されている。

特開２００６－３２９５号公報 特開平０３－１４６８３８号公報

　構造物のひずみまたは応力を測定する方法として、一般に、ひずみゲージ（機械的な微小変化量であるひずみを電気信号として検出する素子）が採用されている。ひずみゲージは、ポリイミドフィルム上またはエポキシ樹脂フィルム上に、銅（Ｃｕ）－ニッケル（Ｎｉ）系合金またはニッケル（Ｎｉ）－クロム（Ｃｒ）系合金の金属薄膜からなる配線パターンを形成し、これに引出しリード線を接続した構造であり、被測定物に接着剤などで取り付けて使用する。金属薄膜の変形に起因した抵抗値の変化から、被測定物のひずみを測定することができる。

　しかし、近年、ひずみゲージよりも高精度に被測定物のひずみを測定することのできる半導体ひずみセンサの開発が進んでいる。この半導体ひずみセンサは、被測定物のひずみの検知に金属薄膜ではなく、半導体、例えばシリコン（Ｓｉ）に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用する素子である。半導体ひずみセンサは、ひずみゲージと比べると、被測定物のひずみに対する抵抗値の変化率が数十倍と大きく、微小な被測定物のひずみを測定することが可能である。

　また、ひずみゲージでは、抵抗値の変化が小さいため、得られた電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。一方、半導体ひずみセンサでは、抵抗値の変化が大きいため、得られた電気信号を増幅することが必ずしも必要ではなく、外部のアンプを用いずに半導体ひずみセンサを使用することができる。また、半導体ひずみセンサを構成する半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、半導体ひずみセンサの用途または使用上の利便性が大きく広がると期待される。

　本発明者らは、Ｓ字型の部材を用い、その起歪部の一方の側面に半導体ひずみセンサを貼り付けた（接合した）ロードセルを開発している。しかし、このロードセルにおいては、剛性の大きい半導体ひずみセンサによって、半導体ひずみセンサが貼り付けられている起歪部の一方の側面の変形が抑制される。そのため、半導体ひずみセンサが貼り付けられている起歪部の一方の側面の変形と、半導体ひずみセンサが貼り付けられていない起歪部の他方の側面（一方の側面と反対側の側面）の変形とが互いに異なり、起歪部の両側面が非対称に変形する。さらに、起歪部の両側面の変形が非対称になると、負荷点の位置が中心からずれて、ロードセルの荷重推定精度が低下する。

　また、半導体ひずみセンサを貼り付ける位置のばらつきによって、同じ荷重が負荷された場合であっても、測定されるせん断ひずみが大きく変動し、ロードセルの荷重推定精度が低下する。

　本発明の目的は、半導体ひずみセンサをＳ字型の部材に接合したロードセルを用いる力学量測定装置において、荷重推定精度の低下を抑制することのできる技術を提供することにある。

　本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

　本発明は、シリコン単結晶からなる半導体基板の表面側に、平面視において四角形状の複数の抵抗素子が形成されたセンサチップ、および部材から構成されるロードセルを有する力学量測定装置である。部材は、負荷部と、固定台座部と、負荷部および固定台座部とそれぞれ離間して負荷部と固定台座部との間に配置された起歪部と、を含む。そして、半導体基板のシリコン単結晶の＜１００＞方向が荷重方向と平行となるように、センサチップが部材の起歪部の側面に貼り付けられ、また、複数の抵抗素子の長手方向は、荷重方向に対して４５度の角度を有する。

　本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

　半導体ひずみセンサをＳ字型の部材に接合したロードセルを用いる力学量測定装置において、荷重推定精度の低下を抑制することができる。

本発明者らによって検討されたロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。 本発明者らによって検討されたロードセルの起歪部の要部断面図である。（ａ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の前側面および後側面に貼り付けられていないロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。（ｂ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。 本発明者らによって検討されたロードセルの負荷部、起歪部、および固定台座部の要部断面図である。（ａ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の前側面および後側面に貼り付けられていないロードセルの負荷部、起歪部、および固定台座部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。（ｂ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの負荷部、起歪部、および固定台座部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。 本発明者らによって検討されたロードセルの前側面を示す要部側面図であり、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重が負荷された場合のロードセルを例示する。 半導体ひずみセンサを起歪部の前側面に貼り付けた構造を対象とし、ＦＥＭ解析によって得られた起歪部の前側面におけるせん断ひずみを説明するグラフ図である。 （ａ）は、実施例１によるロードセルの上面を示す要部上面図である。（ｂ）は、実施例１によるロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、（ｂ）は、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。 実施例１によるロードセルの前側面に貼り付けられた半導体ひずみセンサの構成および半導体ひずみセンサ近傍の構成を模式的に示す要部平面図である。 実施例１によるＦＥＭ解析によって得られた起歪部の前側面のせん断ひずみ分布を示すグラフ図である。 実施例１による半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。 実施例１によるロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心からずれた位置に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。 実施例１による負荷点の位置と、起歪部の一方の側面（前側面）の中央部に貼り付けられた半導体ひずみセンサにおいて得られたせん断ひずみとの関係を示すグラフ図である。 （ａ）は、実施例２による半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの前側面を示す要部側面図であり、（ｂ）は、実施例２による半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの後側面を示す要部側面図である。 実施例２によるロードセルの斜視図である。 （ａ）は、実施例３によるロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。（ｂ）は、実施例３によるロードセルの前側面に貼り付けられた半導体ひずみセンサの構成および半導体ひずみセンサ近傍の構成を模式的に示す要部平面図である。

　以下の実施例において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

　また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、以下の実施例において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

　また、以下の実施例で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　まず、本発明の実施例によるロードセルの構造がより明確となると思われるため、本発明者らによって検討された、本願発明が適用される前のロードセルにおける種々の技術的課題について詳細に説明する。

　ロードセルは、主として、荷重が負荷される（荷重がかかる、荷重を受ける）部材と、半導体ひずみセンサとから構成される。以下の実施例の説明においては、ロードセルを構成する部材の有する各面のうち、荷重が負荷される面を上面、上面と反対側の面を下面（底面）、センサチップが貼り付けられる面（チップ搭載面）を前側面、前側面と反対側の側面を後側面と言う。

　（１）第１の課題
　第１の課題について図１～図３を用いて説明する。図１は、ロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、図１は、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示している。図２（ａ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の前側面および後側面に貼り付けられていないロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。図２（ｂ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。図３（ａ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の前側面および後側面に貼り付けられていないロードセルの負荷部、起歪部、および固定台座部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。図３（ｂ）は、半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの負荷部、起歪部、および固定台座部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。

　図１に示すように、負荷部３に荷重が負荷されると、起歪部５の上下方向（荷重方向、負荷方向）に僅かに圧縮力が発生する。これにより、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂが変形して、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂが外側（図中に矢印で示す方向）に張り出す形状となる。

　ここで、半導体ひずみセンサであるセンサチップ１を貼り付けていない場合は、図２（ａ）に示すように、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂは外側に対称に変形する。これに対して、起歪部５の一方の側面（前側面２ａ）にセンサチップ１を貼り付けている場合は、図２（ｂ）に示すように、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂは外側に非対称に変形する。これは、センサチップ１が貼り付けられている起歪部５の前側面２ａでは、剛性の大きいセンサチップ１によって、その変形が抑制されるためである。

　さらに、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂの変形が対称の場合は、図３（ａ）に示すように、負荷点（荷重がかかる点）の位置は負荷部３の上面の中心からずれない。これに対して、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂの変形が非対称の場合は、図３（ｂ）に示すように、負荷点の位置が負荷部３の上面の中心からずれてしまう。負荷点の位置が負荷部３の上面の中心からずれると、センサチップ１によって測定されるせん断ひずみが変化する。つまり、本構造の場合、荷重と、荷重に対して発生したせん断ひずみとが非線形な関係となり、ロードセルの荷重推定精度が低下する。

　（２）第２の課題
　次に、２つ目の課題について図４および図５を用いて説明する。図４は、ロードセルの前側面を示す要部側面図であり、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重が負荷された場合のロードセルを例示している。図４に示したロードセルを対象として，有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）によって、荷重が負荷されたときの応力解析を実施した。図５は、せん断ひずみを説明するグラフ図である。図５に示したせん断ひずみは、図４に示す起歪部の前側面に沿って、下面のＣ点から上面のＤ点へ向かう方向におけるせん断ひずみである。

　図５に示すように、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）と上端部（起歪部５の上面のＤ点）との間の中央部付近に発生するせん断ひずみは、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）および前側面２ａの上端部（起歪部５の上面のＤ点）に発生するせん断ひずみよりも大きく、さらに、その変動量が小さく安定した値となっている。逆に、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）および前側面２ａの上端部（起歪部５の上面のＤ点）に発生するせん断ひずみは、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）と上端部（起歪部５の上面のＤ点）との間の中央部付近に発生するせん断ひずみよりも小さく、さらに、その変動量が大きい。

　ところで、前述した特開平０３－１４６８３８号公報（特許文献２）に、起歪部の側面のせん断ひずみを計測して、荷重を推定するロードセルが記載されている。しかし、このロードセルにおいてせん断ひずみを計測した箇所は、図４および図５で説明すれば、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）からの距離が１．２５～３．７５ｍｍの領域（下端部（起歪部５の下面のＣ点）から上端部（起歪部５の上面のＤ点）までの距離の約半分）と考えられる。

　図５に示すように、上記領域（図５中に示すＡ領域）の両端部で測定されるせん断ひずみは、上記領域の中央部で測定されるせん断ひずみよりも減少するため、ロードセルの荷重推定精度が低下してしまう。さらに、上記領域の両端部は、せん断ひずみの変動量も大きい箇所であるため、センサチップ１を貼り付ける位置のばらつきによって、同じ荷重が負荷された場合であっても発生するせん断ひずみが大きく変動して、ロードセルの荷重推定精度が低下する。

　≪ロードセルの構成部材について≫
　実施例１によるロードセルの構成部材について、前述の図１、前述の図２（ｂ）、図６、および図７を用いて説明する。図６（ａ）は、ロードセルの上面を示す要部上面図である。図６（ｂ）は、ロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、図６（ｂ）は、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示している。図７は、ロードセルの前側面に貼り付けられた半導体ひずみセンサの構成および半導体ひずみセンサ近傍の構成を模式的に示す要部平面図である。なお、センサチップの上面は封止樹脂により覆われるが、図６および図７では、封止樹脂の内部構造を示すため、封止樹脂を透過した内部構造を示している。

　図６に示すように、実施例１によるロードセルは、主として、センサチップ（半導体ひずみセンサ）１と、センサチップ１と電気的に接続されるフレキシブル配線板８と、接合材を介してセンサチップ１が搭載されるＳ字型の部材２と、センサチップ１の上面および側面を封止する封止樹脂９とを有している。

　＜センサチップ１について＞
　センサチップ１は、表面（第１主面、素子形成面）および表面の反対側の裏面（第２主面）を有する半導体基板を備える。半導体基板は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶からなるシリコン基板である。半導体基板の裏面には金属膜が形成され、裏面を覆っている。この金属膜は、例えば半導体基板の裏面側からクロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）が順に堆積された積層膜（金属積層膜）から成り、これらは、例えばスパッタリング法により形成することができる。このように半導体基板の裏面を金属膜で覆うことにより、センサチップ１と半田などの金属製の接合材との接合強度を向上させることができる。

　また、図７に示すように、センサチップ１の平面形状は、四角形状（四辺形）を成し、例えば１辺の長さが２ｍｍ～３ｍｍ程度の正方形を成す。

　また、センサチップ１は、半導体基板の表面側の中央部に位置するセンサ検知領域１０に、複数（実施例１では４個）の抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）１１を備える。また、センサチップ１の周縁部の半導体基板の表面側には、入出力回路領域が形成されている。この入出力回路領域には、上記４個の抵抗素子１１と電気的に接続される複数の電極（パッド、電極パッド）１２を備える。

　４個の抵抗素子１１は、（１００）面を有する半導体基板の表面に不純物をドープし、拡散させて形成した不純物拡散領域により構成される。また、４個の抵抗素子１１は、それぞれ四角形状（四辺形）を成し、長手方向の対向する２辺と、短手方向の対向する２辺とを有する。

　センサチップ１には、４個の抵抗素子１１を互いに電気的に接続してホイートストンブリッジ回路（検知回路）が形成されており、ピエゾ抵抗効果による抵抗素子１１の抵抗変化を計測してせん断ひずみが検知される。また、ホイートストンブリッジ回路の複数の端子は、複数の配線１３を介して複数の電極１２に接続される。複数の電極１２は、センサチップ１の入出力端子となっており、例えばセンサチップ１に電源電位（第１電源電位：Ｖｃｃ）を供給する端子、基準電位（第２電源電位：ＧＮＤ）を供給する端子、および検知信号を出力する端子が含まれる。

　ホイートストンブリッジ回路を構成する４個の抵抗素子１１の長手方向は、荷重方向（負荷方向）に対して４５度の角度を有して配置されている。すなわち、センサチップ１が備える半導体基板を、例えばシリコン単結晶からなるシリコン基板とした場合、４個の抵抗素子１１の長手方向は、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向と一致するように、４個の抵抗素子１１は配置される。

　例えば図７に示すように、センサチップ１が備えるｎ型の導電性を示す半導体基板に、シリコン単結晶の＜１１０＞方向の結晶方位に沿って電流が流れるように、４個のｐ型拡散領域（半導体基板の表面にｐ型の導電型を示す不純物をドープし、拡散させて形成した不純物拡散領域）が形成される。また、４個のｐ型拡散領域のうち、２個のｐ型拡散領域の長手方向と他の２個のｐ型拡散領域の長手方向とが垂直になるように、ホイートストンブリッジ回路は構成されている。

　ホイートストンブリッジ回路を構成する４個の抵抗素子１１の長手方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板の＜１１０＞方向と一致するセンサチップ１では、荷重方向に対して＋４５度の角度を有するＸ方向のひずみと、荷重方向に対して－４５度の角度を有するＹ方向のひずみとの差分を出力することができる。

　このように、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみとの差分を出力する計測方式は、センサチップ１に印加される熱ひずみの影響を低減する観点から有利である。すなわち、センサチップ１は、複数の部材（図６の場合は、接合材およびＳ字型の部材２）と接合するため、測定環境温度が変化すると、各部材の線膨張係数の違いに起因した熱ひずみが生じる。この熱ひずみは測定対象となるせん断ひずみとは異なるノイズ成分であるため、熱ひずみの影響は低減する方が好ましい。

　センサチップ１の平面形状が正方形の場合、熱ひずみの影響は、Ｘ方向とＹ方向とで同程度となる。ここで、起歪部５に発生するせん断ひずみは、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみとの差分に比例した値であるため、熱ひずみに起因するひずみはキャンセルされ、測定対象であるせん断ひずみを選択的に検出することができる。

　つまり、センサチップ１を用いれば、熱ひずみによる影響を低減できるので、測定環境温度の変化によるせん断ひずみのばらつきを低減することができる。また、センサチップ１を構成する抵抗素子１１、電極１２、または配線１３などの各部材は、半導体装置の製造技術を適用して形成されるので、微細化が容易である。また、製造効率を向上させて、製造コストを低減することができる。

　＜Ｓ字型の部材２について＞
　前述の図１に示すように、センサチップ１が搭載される部材２は、荷重を受けるための負荷部（荷重受座部）３と、土台６に固定するための固定台座部（取付台座部）４と、負荷部３と固定台座部４との間に、負荷部３および固定台座部４とそれぞれ離間して配置され、負荷時に変形する起歪部（受感部）５とを有する。

　負荷部３の一端部と起歪部５の一端部とは第１接続部１８Ａで繋がり、起歪部５の一端部と対向する起歪部５の他端部と固定台座部４の一端部とは第２接続部１８Ｂで繋がり、部材２をセンサチップ１が搭載される前側面（第１側面）２ａまたは前側面と反対側の後側面（第２側面）２ｂで見たときにＳ字型の形状を成す。

　よって、負荷部３と起歪部５との間の間隙部（切り込み部）２ｅは、起歪部５の一端部（例えば右側面２ｄ側の端部）では第１接続部１８Ａが形成されているため開口しないが、他の３方向の端部（例えば前側面２ａ側、後側面２ｂ側、および左側面２ｃ側のそれぞれの端部）では開口する。また、起歪部５と固定台座部４との間の間隙部（切り込み部）２ｆは、起歪部５の他端部（例えば左側面２ｃ側の端部）では第２接続部１８Ｂが形成されているため開口しないが、他の３方向の端部（例えば前側面２ａ側、後側面２ｂ側、および右側面２ｄ側のそれぞれの端部）で開口する。負荷部３、第１接続部１８Ａ、起歪部５、第２接続部１８Ｂ、および固定台座部４は一体に形成されている。

　また、負荷部３は一定の厚さを有するブロック状であり、それ自体は少なくとも定格の測定範囲内の力が掛かった場合には変形しない程度の高剛性となっている。また、固定台座部３も同様に一定の厚さを有するブロック状であり、それ自体は変形しない。起歪部５も同様に一定の厚さを有するブロック状であるが、負荷部３に力がかかることによって変形し、その変形量がセンサチップ１によって測定されてせん断ひずみに換算される。

　固定台座部４は、例えばネジ止めなどによって土台６に拘束される。負荷点は負荷部３の上面の一点に設けられるため、図６（ａ）に示すように、負荷部３の上面の一部に窪み部１４を設けている。これは、荷重をかける部材の先端の形状を球形状と想定し、負荷部３に窪み部１４を設けることによって、負荷点の位置がずれないようにするためである。

　また、負荷部３と起歪部５との間の間隙部（切り込み部）２ｅの第１接続部１８Ａと接する先端部分、および固定台座部４と起歪部５との間の間隙部（切り込み部）の第２接続部と接する先端部分には、図６（ｂ）に示すように、半径Ｒの曲率を有する曲面を設けることが好ましい。間隙部（切り込み部）２ｅの第１接続部１８Ａの先端部および間隙部（切り込み部）２ｆの第２接続部１８Ｂの先端部は応力が集中するが、曲面を設けることによって応力が低減し、信頼性を確保することができる。

　Ｓ字型の部材２を構成する材料は特に限定されないが、後述するように、接合材は、半田等の金属接合材を用いることが好ましい。よって、接合材との接続信頼性を向上させる観点からは、少なくともチップ搭載面（前側面２ａ）となる起歪部５の表面上は金属材料で構成することが好ましい。また、Ｓ字型の部材２の破壊を抑制する観点からは、Ｓ字型の部材２全体を金属材料で構成することが好ましい。実施例１では、Ｓ字型の部材２全体は、例えば鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、所謂ステンレス鋼（クロム元素を含む鉄合金）、または所謂ジュラルミン（アルミニウム合金）などからなる。

　＜接合材について＞
　センサチップ１は、前述の図２（ｂ）に示すように、接合材７を介して起歪部５の一方の側面（前側面２ａ）に貼り付けられる。接合材７は、センサチップ１の裏面全体、およびセンサチップ１の側面の一部を覆うように設けられる。言い換えれば、接合材７の周縁部は、センサチップ１の側面の外側まで広がり、フィレットを形成する。センサチップ１とＳ字型の部材２を接着固定する観点からは、接合材７は金属材料に限定されず、例えば熱硬化性樹脂などの樹脂製接着材を用いることができる。しかし、センサチップ１の測定精度を向上させる観点からは、接合材７を金属材料で構成することが好ましい。

　＜フレキシブル配線８について＞
　図６および図７に示すように、Ｓ字型の部材２の起歪部５の前側面２ａには、センサチップ１の複数の電極１２と電気的に接続される複数の配線１５を備えるフレキシブル配線８が固定される。フレキシブル配線８は、金属材料からなる複数の配線１５が樹脂フィルム内に封止された構成であり、樹脂フィルムの一部に設けられた開口部１６において、複数の配線１５の一部が露出している。この露出部分が複数の端子を構成する。

　また、センサチップ１の複数の電極１２とフレキシブル配線８の複数の端子（配線部）とは、複数の導電性部材１７を介して電気的に接続されている。導電性部材１７は、線径が１０μｍ～２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）であって、封止樹脂９により封止されている。導電性部材１７を封止樹脂９によって覆うことにより、隣り合う導電性部材１７同士の短絡を防止することができる。また、図示は省略するが、フレキシブル配線８の一方の端部は、Ｓ字型の部材２に固定されるが、他方の端部には、例えばコネクタが形成されて、例えばひずみ測定を制御する制御回路等が電気的に接続される。

　図６および図７では、複数の配線１５の一部が開口部１６から露出した複数の端子と複数の導電性部材１７とにより配線部を構成する態様を例示した。しかし、配線部は、センサチップ１と図示しない外部機器の間で、入出力電流を伝送することができれば良く、図６および図７に示す態様には限定されない。

　≪ロードセルの構造について≫
　実施例１によるロードセルの構造について図８～図１０を用いて説明する。

　まず、センサチップの貼り付け位置について、図８を用いて説明する。図８は、ＦＥＭ解析によって得られた起歪部の前側面のせん断ひずみ分布を示すグラフ図である。

　図８に示すように、せん断ひずみは、左側面２ｃから右側面２ｄまでの起歪部５の前側面２ａの複数の位置（ひずみ評価位置）で求めた。

　ひずみ評価位置のうち、負荷部３と起歪部５との間の間隙部（切り込み部）２ｅの先端部の下に位置する起歪部５の前側面２ａ（図８に符号Ｓ１で示す位置）、および固定台座部４と起歪部５との間の間隙部（切り込み部）２ｆの先端部の上に位置する起歪部５の前側面２ａ（図８に符号Ｓ２で示す位置）では、せん断ひずみが急激に変化する。これに対して、ひずみ評価位置のうち、起歪部５の中央付近の前側面２ａ（図８に符号Ｓ３で示す位置）では、せん断ひずみはほぼ一定となる。従って、起歪部５の前側面２ａの中央部にセンサチップ１を貼り付ければ、センサチップ１の貼り付け位置が多少ずれても、発生するせん断ひずみは大きく変化しないため、ロードセルに負荷される荷重を高精度かつ高感度に検出することができる。

　次に、センサチップを構成する半導体基板の結晶方位と荷重方向との関係について、図９を用いて説明する。図９は、半導体ひずみセンサが起歪部の一方の側面（前側面）に貼り付けられたロードセルの起歪部の要部断面図（前側面から後側面に向かう方向に沿った断面図）である。

　センサチップ１が備える半導体基板を、シリコン単結晶からなるシリコン基板とした場合、荷重方向と、半導体基板の＜１００＞方向とが平行となるように、センサチップ１を起歪部５に貼り付ける。シリコン弾性率は結晶方位によって異なり、結晶方位が＜１００＞の場合のシリコン弾性率は、約１３０ＧＰａである。一方，それ以外の結晶方位の場合のシリコン弾性率は約１７０ＧＰａであり、結晶方位が＜１００＞の場合よりもシリコン弾性率は大きくなる。

　ところで、センサチップ１を貼り付けた前側面２ａの外側への張り出し形状とセンサチップ１を貼り付けていない後側面２ｂの外側への張り出し形状とを対称とするためには、センサチップ１の剛性はなるべく小さくすることが望ましい。実施例１では、荷重方向と、半導体基板（シリコン単結晶）の＜１００＞方向とを平行にすることにより、荷重方向の結晶方位の半導体基板の弾性率が小さくなり、センサチップ１の剛性を低下させることができる。

　次に、負荷点の位置について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、ロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心からずれた位置に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。図１１は、負荷点の位置と、起歪部の一方の側面（前側面）の中央部に貼り付けられた半導体ひずみセンサにおいて得られたせん断ひずみとの関係を示すグラフ図である。

　図１０に示すように、負荷点は、負荷部３の上面の中心から、負荷部３と起歪部５とを繋ぐ第１接続部１８Ａが形成された一端部とは反対側の第１接続部１８Ａが形成されていない他端部の方向にずれた位置にある。

　図１１に示すように、ひずみ評価点である起歪部５の前側面２ａの中央部よりも第１接続部１８Ａが形成されていない他端部側（開口側、自由端側）に負荷点がある場合には、発生するせん断ひずみはほぼ一定である。一方、ひずみ評価点である起歪部５の前側面２ａの中央部よりも第１接続部１８Ａが形成された一端部側（閉口側）に負荷点がある場合には、負荷点が閉口側へ移動するに従って、発生するせん断ひずみが増加する。

　ロードセルを使用する際には、負荷点は僅かに変動することが考えられる。ロードセルの精度を確保するためには、多少負荷点が変動しても発生するせん断ひずみがほとんど変化しないことが必要となる。よって、負荷点を負荷部３の上面の中心よりも第１接続部１８Ａが形成されていない他端部側（開口側、自由端側）へずらす。これにより、荷重推定精度を向上させることができる。

　なお、負荷点を負荷部３の上面の中心よりも極端に第１接続部１８Ａが形成されていない他端部側（開口側、自由端側）へずらすと、負荷部３と第１接続部１８Ａとの境界部分（根元部分）に発生する曲げモーメントが増大するため、その境界部分（根元部分）が破壊する恐れがある。または、その境界部分（根元部分）の破壊を防止するため、許容できる荷重値を小さく設定する必要が生じる。従って、負荷点を負荷部３の上面の中心よりも極端に第１接続部１８Ａが形成されていない他端部側（開口側、自由端側）に設定することは望ましくない。

　以下に、実施例１により得られる主な効果をまとめる。

　（１）センサチップ１を、起歪部５の前側面２ａの中央部に貼り付けることにより、センサチップ１の貼り付け位置が多少ずれてもせん断ひずみの変動量は小さく、また、大きいせん断ひずみを得ることができる。

　（２）センサチップ１に、複数（例えば４個）の抵抗素子１１を互いに電気的に接続したホイートストンブリッジ回路を形成し、複数の抵抗素子１１の長手方向が、それぞれ（１００）面を有する半導体基板（シリコン単結晶）の＜１１０＞方向と一致するように、複数の抵抗素子１１を配置する。これにより、熱ひずみの影響を低減して、測定環境温度の変化によるせん断ひずみのばらつきを低減することができる。

　（３）センサチップ１を、荷重方向と、半導体基板（シリコン単結晶）の＜１００＞方向とが平行になるように、センサチップ１を起歪部５の前側面２ａの中央部に貼り付けて、センサチップ１の剛性を低下させる。これにより、センサチップ１を貼り付けた前側面２ａの外側への張り出し形状とセンサチップ１を貼り付けていない後側面２ｂの外側への張り出し形状との非対称を低減することができので、負荷点の位置のずれを防ぐことができる。

　（４）負荷点の位置を、負荷部３の上面の中心から、負荷部３と起歪部５とを繋ぐ第１接続部１８Ａが形成された一端部とは反対側の第１接続部１８Ａが形成されていない他端部の方向へずらす。これにより、負荷点の位置がずれても、せん断ひずみの変動量を小さく抑えることができる。

　これらのことから、ロードセルの荷重推定精度の低下を抑制することができる。

　実施例２は、起歪部５の前側面２ａの変形および後側面２ｂの変形を対称とする実施例である。実施例１では、起歪部５の前側面２ａのみにセンサチップ１を貼り付けたが、実施例２では、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂのそれぞれにセンサチップ（後述の図１２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ符号１ａおよび符号１ｂで示すセンサチップ）を貼り付ける。これにより、起歪部５の前側面２ａの外側への張り出し形状と起歪部５の後側面２ｂの外側への張り出し形状とを対称とする。

　≪ロードセルの構成部材について≫
　図１２（ａ）は、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの前側面を示す要部側面図であり、図１２（ｂ）は、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの後側面を示す要部側面図である。

　ロードセルの構成部材であるセンサチップ１ａ，１ｂ、Ｓ字型の部材２、フレキシブル配線板８ａ，８ｂ、および封止樹脂９ａ，９ｂ等は、前述した実施例１のセンサチップ１、Ｓ字型の部材２、フレキシブル配線板８、および封止樹脂９等と同じである。

　≪ロードセルの構造について≫
　図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、ロードセルの起歪部５の前側面２ａにセンサチップ１ａを取り付け、同様に、後側面２ｂにもセンサチップ１ｂを取り付けている。前述の図２（ｂ）に示したように、ロードセルの起歪部５の前側面２ａのみにセンサチップ１を貼り付けた場合、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂは外側に非対称に変形する。しかし、実施例２によるロードセルでは、起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂの両側面にセンサチップ１ａ，１ｂを貼り付けているため、負荷部３に力をかけたときの起歪部５の前側面２ａおよび後側面２ｂの変形状態は同じあり、非対称の変形は発生しない。これにより、荷重推定精度を確保することができる。

　実施例２によるロードセルの場合、荷重を負荷した際のせん断ひずみは、起歪部５の前側面２ａに貼り付けたセンサチップ１ａの出力値と起歪部５の後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂの出力値との平均値とする。ただし、起歪部５の前側面２ａに貼り付けたセンサチップ１ａと起歪部５の後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂとを同じ向きに貼り付けた場合は、せん断ひずみの符号は逆方向となる。つまり，前側面２ａに貼り付けたセンサチップ１ａの出力値が正の場合、後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂの出力値は負となる。よって、平均値を求める場合は、後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂの出力値を－１倍した値を用いて平均値を導出する必要がある。

　図１３は、ロードセルの斜視図である。

　図１３に示すように、負荷部３の上面において、負荷点が前側面２ａと後側面２ｂとの中間点から前側面２ａ側へ、または後側面２ｂ側へ変動することが考えられる。例えば負荷部３の上面において負荷点が前側面２ａ側へ変動した場合は、前側面２ａに貼り付けたセンサチップ１ａの出力値が増加し、後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂの出力値が減少する。しかし、実施例２によるロードセルでは、起歪部５の前側面２ａに貼り付けたセンサチップ１ａの出力値と後側面２ｂに貼り付けたセンサチップ１ｂの出力値との平均値を用いる。従って、負荷点が変動しても、上記平均値はほとんど変化しないため、ロードセルの荷重推定精度は低下しないという効果がある。

　実施例３は、半導体ひずみセンサの貼り付け位置に起因する荷重推定精度の低下を抑制することのできる実施例である。

　≪ロードセルの構成部材について≫
　ロードセルの構成部材であるセンサチップ１、Ｓ字型の部材２、フレキシブル配線板８、および封止樹脂９等は、前述した実施例１と同じである。

　≪ロードセルの構造について≫
　図１４（ａ）は、ロードセルの前側面を示す要部側面図である。具体的には、半導体ひずみセンサが貼り付けられたロードセルの一方の側面（前側面）を示す要部側面図であり、起歪部に半導体ひずみセンサを貼り付け、固定台座部の下面（底面）を完全拘束し、負荷部の上面の中心に荷重を負荷した場合のロードセルを例示する。図１４（ｂ）は、ロードセルの前側面に貼り付けられた半導体ひずみセンサの構成および半導体ひずみセンサ近傍の構成を模式的に示す要部平面図である。

　図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、センサチップ１は、ロードセルの起歪部５の前側面２ａの下端部（例えば前述の図４の起歪部５の下面のＣ点）と上端部（例えば前述の図４の起歪部５の上面のＤ点）との間の中央部に貼り付けられる。さらに、センサチップ１には、複数の抵抗素子１１が形成されているが、これら複数の抵抗素子１１が配置された領域の荷重方向の長さ（図１４（ｂ）に符号Ｌ１で示す長さ）が、起歪部５の下端部から上端部までの長さ（図１４（ａ）に符号Ｌ２で示す長さ）の１／４以下である。

　前述の図５を用いて説明したように、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）と上端部（起歪部５の上面のＤ点）との間の中央部付近に発生するせん断ひずみは、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）および前側面２ａの上端部（起歪部５の上面のＤ点）に発生するせん断ひずみよりも大きく、さらに、その変動量が小さく安定した値となっている。逆に、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）および前側面２ａの上端部（起歪部５の上面のＤ点）に発生するせん断ひずみは、起歪部５の前側面２ａの下端部（起歪部５の下面のＣ点）と上端部（起歪部５の上面のＤ点）との間の中央部付近に発生するせん断ひずみよりも小さく、さらに、その変動量が大きい。

　従って、ロードセルの起歪部５の前側面２ａの下端部と上端部との間の中央部を中心とし、起歪部５の下端部から上端部までの長さ（Ｌ２）の1／４の領域（例えば前述の図５に示すＢ領域）に、センサチップ１を貼り付けることにより、ロードセルの荷重推定精度の低下を抑制することができる。

　以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

　例えば本実施例では、複数の抵抗素子を、ｎ型の導電性を示す半導体基板にｐ型の導電性を示す不純物を導入して形成したｐ型拡散領域により構成したが、これに限定されるものではない。

　本発明は、力学量測定装置に広く利用することができる。

　１，１ａ，１ｂ　センサチップ（半導体ひずみセンサ）
　２　部材
　２ａ　前側面（第１側面）
　２ｂ　後側面（第２側面）
　２ｃ　左側面
　２ｄ　右側面
　２ｅ，２ｆ　間隙部（切り込み部）
　３　負荷部（荷重受座部）
　４　固定台座部（取付台座部）
　５　起歪部（受感部）
　６　土台
　７　接合材
　８，８ａ，８ｂ　フレキシブル配線板
　９，９ａ，９ｂ　封止樹脂
１０　センサ検知領域
１１　抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）
１２　電極（パッド、電極パッド）
１３　配線
１４　窪み部
１５　配線
１６　開口部
１７　導電性部材
１８Ａ　第１接続部
１８Ｂ　第２接続部

Claims (12)

1. 　センサチップと、前記センサチップが貼り付けられた部材とから構成されるロードセルを有する力学量測定装置であって、
   　前記センサチップは、表面、および前記表面と反対側の裏面を有する第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の前記表面側に形成された複数の抵抗素子と、前記半導体基板の前記表面側の周縁部に形成された複数の電極と、を含み、
   　前記部材は、荷重が負荷される上面を有する負荷部と、固定台座部と、前記負荷部と前記固定台座部との間に、前記負荷部および前記固定台座部とそれぞれ離間して配置された起歪部と、前記負荷部の一端部と前記起歪部の一端部とを繋ぐ第１接続部と、前記起歪部の一端部と対向する前記起歪部の他端部と前記固定台座部の一端部とを繋ぐ第２接続部と、から構成され、
   　前記センサチップは、前記半導体基板の前記裏面が接合するように、接合材を介して前記部材の前記起歪部の第１側面の中央部に貼り付けられており、
   　前記半導体基板はシリコン単結晶から成り、前記シリコン単結晶の＜１００＞方向が荷重方向と平行であることを特徴とする力学量測定装置。
2. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、平面視において、長手方向の対向する２辺と、前記長手方向と直交する短手方向の対向する２辺とからなる四角形状であり、
   　前記複数の抵抗素子のそれぞれの長手方向は、荷重方向に対して、４５度の角度を有することを特徴とする力学量測定装置。
3. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、前記半導体基板の前記表面側に、前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を導入して形成された不純物拡散領域により構成され、
   　前記不純物拡散領域は、平面視において、長手方向の対向する２辺と、前記長手方向と直交する短手方向の対向する２辺とからなる四角形状であり、
   　前記不純物拡散領域のそれぞれの長手方向は、荷重方向に対して、４５度の角度を有することを特徴とする力学量測定装置。
4. 　請求項３記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、ブリッジ回路を構成する４個の抵抗素子であり、
   　前記４個の抵抗素子のうち、２個の抵抗素子の前記不純物拡散領域の長手方向と他の２個の抵抗素子の前記不純物拡散領域の長手方向とが垂直になるように、前記４個の抵抗素子が配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
5. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、平面視において、長手方向の対向する２辺と、前記長手方向と直交する短手方向の対向する２辺とからなる四角形状であり、
   　前記複数の抵抗素子のそれぞれの長手方向は、前記シリコン単結晶の＜１１０＞方向と一致することを特徴とする力学量測定装置。
6. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、前記半導体基板の前記表面側に、前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を導入して形成された不純物拡散領域により構成され、
   　前記不純物拡散領域は、平面視において、長手方向の対向する２辺と、前記長手方向と直交する短手方向の対向する２辺とからなる四角形状であり、
   　前記不純物拡散領域のそれぞれの長手方向は、前記シリコン単結晶の＜１１０＞方向と一致することを特徴とする力学量測定装置。
7. 　請求項６記載の力学量測定装置において、
   　前記複数の抵抗素子は、ブリッジ回路を構成する４個の抵抗素子であり、
   　前記４個の抵抗素子のうち、２個の抵抗素子の前記不純物拡散領域の長手方向と他の２個の抵抗素子の前記不純物拡散領域の長手方向とが垂直になるように、前記４個の抵抗素子が配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
8. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記負荷部の前記上面には、負荷点を特定するための窪み部が設けられており、前記窪み部の位置は、前記負荷部の前記上面の中心から、前記第１接続部が形成された前記負荷部の前記一端部と反対側の方向にずれていることを特徴とする力学量測定装置。
9. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
   　前記センサチップが、前記半導体基板の前記裏面が接合するように、接合材を介して前記部材の前記起歪部の前記第１側面と反対側の第２側面の中央部にも貼り付けられていることを特徴とする力学量測定装置。
10. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
    　前記複数の抵抗素子が形成された領域の前記荷重方向の長さが、前記起歪部の上端部から下端部までの前記第１側面に沿った長さの１／４以下であることを特徴とする力学量測定装置。
11. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
    　前記半導体基板の前記裏面は、前記裏面側からクロム、ニッケル、および金が順に積層された金属積層膜に覆われており、前記接合材は、半田であることを特徴とする力学量測定装置。
12. 　請求項１記載の力学量測定装置において、
    　前記複数の抵抗素子および前記複数の電極を覆うように、前記センサチップの上面および側面が封止樹脂により覆われていることを特徴とする力学量測定装置。

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