(57)【要約】【課題】ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができ、しかもダイアフラム部と直交する方向に加わる力を正確に測定できる半導体力センサを提供する。【解決手段】半導体力センサ素子３１のダイアフラム部３７に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段を剛性を有する球体３３により構成する。対向壁部５５のダイアフラム部３７の中心部と対向する位置に、ダイアフラム部３７に向かう方向に対向壁部５５を貫通する貫通孔６３を形成する。貫通孔６３は、球体３３の一部を対向壁部５５の外部に臨ませ、球体３３がダイアフラム部３７と直交する方向にのみ移動可能で且つ球体３３がダイアフラム部３７の中心部上で回動し得るように球体３３の残部の一部を収容する形状を有するように形成する。【選択図】　図２
2004004069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段と、
前記ダイアフラム部との間に間隔を開け且つ前記ダイアフラム部と対向するように配置される対向壁部を備えて、前記力伝達手段を前記ダイアフラム部の中心部に直接接触させるように、前記力伝達手段を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造とを具備し、
前記力伝達手段が剛性を有する球体により構成されている半導体力センサであって、
前記力伝達手段位置決め構造の前記対向壁部には、前記ダイアフラム部の前記中心部と対向する位置に前記ダイアフラム部に向かう方向に前記対向壁部を貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔は、前記球体の一部を前記対向壁部の外部に臨ませ、前記球体が前記ダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ前記球体が前記ダイアフラム部の前記中心部上で回動し得るように前記球体の残部の一部を収容する形状を有していることを特徴とする半導体力センサ。
【請求項２】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する球体と、
一面に開口部を有し、前記開口部と対向する位置に前記ダイアフラム部の変形を許容するように前記半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えた一面開口状のケース本体と、
前記センサ素子支持部に支持された前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部と対向する対向壁部を備えて、前記開口部を塞ぐように前記ケース本体に対して固定された蓋部材と、
前記対向壁部に形成されて前記球体を収容する貫通孔とを具備し、
前記貫通孔は、前記球体の一部を前記対向壁部の外部に臨ませ、前記球体が前記ダイアフラム部の中心部に直接接触した状態で前記ダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ前記球体が前記ダイアフラム部の前記中心部上で回動し得るように前記球体の残部の一部を収容する形状を有していることを特徴とする半導体力センサ。
【請求項３】
前記ケース本体及び前記蓋部材が、それぞれセラミックスにより形成されている請求項２に記載の半導体力センサ。
【請求項４】
前記ケース本体が、セラミックスにより形成され、
前記蓋部材が、金属により形成されている請求項２に記載の半導体力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力等の力を半導体力センサ素子により検出して電気信号として出力する半導体力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平５−１１８９３５号公報（特許公報１）には、ダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、このダイアフラム部に力を伝達する球体とを具備し、球体に加えられた力でダイアフラム部を撓ませ、この力の変化を電気信号に変化させて、球体に加えられた力を測定したり、スイッチのオンオフを行う半導体力センサが示されている。この半導体力センサでは、半導体力センサ素子の中央部に球体を載置する凹部を形成し、この凹部と対向する収納ケースの対向壁部に球体の一部が外部に臨むように球体を嵌合させる貫通孔を形成している。このような構造により、球体を半導体力センサ素子に固定した状態で、対向壁部の貫通孔により球体の位置決めを図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１１８９３５号公報（第４頁、第１図及び第４図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体力センサでは、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体を介してダイアフラム部に伝達されると、ダイアフラム部に無理な力が加わりダイアフラム部が破損するおそれがある。また、ダイアフラム部と直交する方向に加わる力を正確に測定できないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、ダイアフラム部に無理な力が加わるのを防いで、ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる半導体力センサを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、ダイアフラム部と直交する方向に加わる力を正確に測定できる半導体力センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、半導体力センサ素子のダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段と、力伝達手段位置決め構造とを具備している。力伝達手段位置決め構造は、ダイアフラム部との間に間隔を開け且つダイアフラム部と対向するように配置される対向壁部を備えて、力伝達手段をダイアフラム部の中心部に直接接触させるように、力伝達手段を位置決め配置している。そして、力伝達手段は、剛性を有する球体により構成されている。本発明では、力伝達手段位置決め構造の対向壁部に、ダイアフラム部の中心部と対向する位置にダイアフラム部に向かう方向に対向壁部を貫通する貫通孔を形成する。そして、この貫通孔は、球体の一部を対向壁部の外部に臨ませ、球体がダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ球体がダイアフラム部の中心部上で回動し得るように球体の残部の一部を収容する形状を有している。
【０００８】
より具体的な構成では、本発明の半導体力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、半導体力センサ素子のダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する球体と、一面開口状のケース本体と、蓋部材と、蓋部材に形成された貫通孔とを具備している。一面開口状のケース本体は、一面に開口部を有し、開口部と対向する位置にダイアフラム部の変形を許容するように半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えている。蓋部材は、センサ素子支持部に支持された半導体力センサ素子のダイアフラム部と対向する対向壁部を備えて、開口部を塞ぐようにケース本体に対して固定されている。貫通孔は、対向壁部に形成されて球体を収容している。そして、この貫通孔は、球体の一部を対向壁部の外部に臨ませ、球体がダイアフラム部の中心部に直接接触した状態でダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ球体がダイアフラム部の中心部上で回動し得るように球体の残部の一部を収容する形状を有している。
【０００９】
本発明のように、対向壁部の貫通孔を形成すると、ダイアフラム部と直交する方向の力が球体に加わると、球体に加えられた力でダイアフラム部が撓む。これに対して、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わると、球体がダイアフラム部の中心部上で回動して、ダイアフラム部が無理に撓むのを防ぐことができる。そのため、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わっても、ダイアフラム部に無理な力が加わることがなく、ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる。また、ダイアフラム部と直交する方向に加わる分力だけを正確に測定することができる。
【００１０】
貫通孔は種々の形状に形成することができる。例えば、貫通孔は、球体の下半部に対応するダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分と、外部側に位置する第２の貫通孔部分と、第１の貫通孔部分と第２の貫通孔部分との間に位置する第３の貫通孔部分とから構成することができる。この場合、第１の貫通孔部分は球体の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有し、第２の貫通孔部分は該第２の貫通孔部分から球体の一部が外部に露出するのを許容する一定の直径寸法を有しており、第３の貫通孔部分は球体の外面に沿うように第１の貫通孔部分から第２の貫通孔部分に近付くに従って直径寸法が小さくなる形状を有するように構成することができる。このように貫通孔を形成すれば、球体が第３の貫通孔部分に沿って回転するため、球体が貫通孔内でがたつくのを防ぐことができる。
【００１１】
また、貫通孔は、ダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分と外部側に位置する第２の貫通孔部分とから構成することができる。この場合、第１の貫通孔部分は球体の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有するように構成することができる。また、第２の貫通孔部分は該第２の貫通孔部分から球体の一部が外部に露出するのを許容するように外部に向かうに従って徐々に直径寸法が小さくなる形状を有するように構成することができる。このように貫通孔を形成すれば、単純な機械加工等により簡単に貫通孔を形成することができる。
【００１２】
半導体力センサ素子は、ダイアフラム部の外周部に一体に設けられてセンサ素子支持部に接合される台座部を備える構造を有し、ケース本体のセンサ素子支持部に台座部を接合することができる。この場合、ダイアフラム部を覆うように絶縁性を有するゲル状保護剤をケース本体内に充填するのが好ましい。このようにすれば、ゲル状保護剤の潤滑性により、球体がダイアフラム部の中心部上で回動しやすくなる。なお、ゲル状保護剤の針入度は、球体によるダイアフラム部の撓みを向上させるため、球体がダイアフラム部上のゲル状保護剤を押し広げて、球体がダイアフラム部の中央部と実質的に直接接触するように定めるのが好ましい。
【００１３】
ケース本体は、センサ素子支持部を構成する底壁部と、一端が底壁部の周縁部に一体に設けられ他端が開口部を囲むように形成された周壁部と、周壁部の他端上に設けられた複数の嵌合用突起とを備えて絶縁樹脂材料により一体に成形することができる。また、蓋部材はケース本体の複数の嵌合用突起が貫通する複数の被嵌合用貫通孔を備えて絶縁樹脂材料により一体に成形することができる。このようにすれば、蓋部材の複数の被嵌合用貫通孔にケース本体の複数の嵌合用突起が嵌合された状態で、蓋部材から突出する複数の嵌合用突起の先端部を熱変形させるだけで、蓋部材を容易にケース本体に対して固定することができる。
【００１４】
また、このような場合、熱変形させられた凸部が蓋部材から外部に突出しないように、蓋部材の複数の被嵌合用貫通孔の周囲には、熱変形した嵌合用突起が収容される複数の凹部または段部を形成するのが好ましい。
【００１５】
周壁部の外壁部の対向する一対の位置には、周壁部の他端側及び外側に向かって開口する一対の凹部を形成し、蓋部材には対向壁部からケース本体側に向かって延びて、前述の一対の凹部に嵌合される一対の位置決め用突出部を一体に設けることができる。このようにすれば、蓋部材の一対の位置決め用突出部をケース本体の一対の凹部に嵌合するだけで、蓋部材のケース本体に対する位置決めを容易に行える。
【００１６】
ケース本体及び蓋部材は、種々の材質で形成することができる。例えば、ケース本体及び蓋部材を、それぞれセラミックスにより形成することできる。このようにすれば、ケース本体及び蓋部材の使用温度範囲を広げることができる。また、ケース本体をセラミックスにより形成し、蓋部材を金属により形成することができる。このようにすれば、ケース本体の使用温度範囲を広げることができる。また、蓋部材をセラミックスまたは金属により形成すれば、プレスポンチ等の単純な機械加工を施すだけで簡単に貫通孔を蓋部材に形成することができる。
【００１７】
ケース本体には、台座部とダイアフラム部とによって囲まれた空間をケース本体の外部と連通させる連通路を形成するのが好ましい。このような連通路を形成すれば、台座部とダイアフラム部とによって囲まれた空間が大気圧になり、ダイアフラム部の撓みが容易になる。
【００１８】
本発明の半導体力センサは、表面実装型半導体力センサに適用することができる。表面実装型半導体力センサに適用すれば、半導体力センサの実装面積を少なくできる上、外部からの力で端子が曲がることがない等の利点がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の半導体力センサの第１の実施の形態の概略断面図である。図１において、半導体力センサ素子１は、力を検出する広さ２．３ｍｍ角、厚さ３００μｍのＳｉ半導体基板を用いて形成されている。半導体基板の中心部にはダイアフラム部３が形成され、その周辺部はダイアフラム部３と一体になった台座部５によって支持されている。ダイアフラム部３は、表面部３ｂに変換部３ａを有している。変換部３ａは、半導体基板にブリッジ回路を構成する４つの拡散抵抗を形成することにより構成される。拡散抵抗は、変換部３ａに加わる力をピエゾ抵抗効果を利用して電気信号に変換して出力する。ダイアフラム部３は、半導体基板の裏面側からエッチングを施して形成した凹部の底部により構成されたシリコンダイアフラムである。台座部５は、半導体基板にダイアフラム部３を形成するためのエッチングにより残った部分として特定される。この台座部５は、ダイアフラム部３の外周部を支持しており、その表面部には抵抗ブリッジ回路に接続された複数の接続用電極等が形成されている。抵抗ブリッジ回路の抵抗は図示しない接続用電極を介して外部回路に接続される。半導体力センサ素子１の表面部は、抵抗が形成された後に、保護用の絶縁膜で覆われる。
【００２０】
力伝達手段９は、半導体力センサ素子１のダイアフラム部３に測定の対象となる力を伝達するためのものである。力伝達手段９は、金属製の球体により形成されている。この実施の形態では、球体からなる力伝達手段９の重心が半導体力センサ素子１のダイアフラム部３の中心部３ｄ上に位置するように（またはダイアフラム部３の表面部と直交する仮想直交線上に球体からなる力伝達手段９の中心が位置するように）、力伝達手段９を配置する必要がある。図１においては、説明のために力伝達手段９をガイドするガイド部材１６に形成した貫通孔１６ａの内壁面と球体からなる力伝達手段９の外表面との間に比較的大きな間隙があるように図示してある。しかしながら実際に実用化する場合には、球体からなる力伝達手段９に前述の仮想直交線と所定の角度を持って力が加わったときに、前述の仮想直交線に沿わない方向に向かう分力によって回転し、仮想直交線に沿う方向の分力で球体からなる力伝達手段９が仮想直交線に沿って移動するように、力伝達手段取付構造を構成するガイド部材１６が構成されている。なお具体的には、球体からなる力伝達手段９の直径が１ｍｍであるとすると、球体からなる力伝達手段９の限界の移動量は５ｋｇｆの印加で約１００μｍである。この程度の移動量に規制すれば、ダイアフラム部が破壊されることはなく、また力の変換と出力の変化との関係もより線形（直線的）なものとなる。なお、通常は５００ｇｆの印加で約１５μｍの移動量である。
【００２１】
また、力伝達手段９に力が加わっていない状態では、理論的には、力伝達手段９とダイアフラム部３とは点接触状態にある。したがって力伝達手段９を精度よく位置決めすれば、荷重は半導体力センサ素子１のダイアフラム部３の中心部３ｄだけに作用する。力伝達手段９に力が加わると、ダイアフラム部３は変形するが、力伝達手段９は実質的に変形することはない。したがって出力特性ができるだけ直線に近付くように、力伝達手段９の剛性を選択する。
【００２２】
この例では、力伝達手段９に力が加わっていない状態において、ガイド部材１６の貫通孔１６ａから突出する球体状の力伝達手段９の突出寸法Ｌ（約１００μｍ）を適宜に定めることにより、力伝達手段９のダイアフラム部３側への移動量を規制することができる。
【００２３】
ガイド部材１６に形成された貫通孔１６ａは、ダイアフラム部３側の部分１７が円柱状の形状を呈しており、それよりも外側の部分１８が切頭円錐形状を有している。なお実用上は力が力伝達手段９に加わっていない状態で、部分１８の内壁面が力伝達手段９の外周面と接触している。なお切頭円錐形状の部分１８は、球体以上の力伝達手段９が貫通孔１６ａから抜け出るのを阻止する機能を果している。
【００２４】
力伝達手段９は、図１に示す球体状の力伝達手段のように、接触面が二次曲面になるものが好ましいことが分かる。
【００２５】
図１の実施の形態においては、表面部３ｂの方向からの荷重を力を介してダイアフラム部３に印加し、ダイアフラム部３が変形することにより、荷重の変化に対して直線的に変化する出力電圧が得られる。
【００２６】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は表面実装型半導体力センサに適用した本発明の半導体力センサの第２の実施の形態の一部破断平面図、裏面図、一部破断正面図及び一部破断右側面図である。各図に示すように、本実施の形態の半導体力センサは、半導体力センサ素子３１と力伝達手段を構成する球体３３とケース３５とを有している。半導体力センサ素子３１は、広さ２．３ｍｍ角、厚さ３００μｍのＳｉ半導体基板を用いて形成されており、ダイアフラム部３７とダイアフラム部３７の外周部に一体に設けられた環状の台座部３９とを有している。ダイアフラム部３７の表面には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている。台座部３９がケース３５の後述するセンサ素子支持部４８に接合されて、半導体力センサ素子３１はケース３５内に収納されている。
【００２７】
球体３３は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子３１のダイアフラム部３７に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段を構成している。球体３３は、ダイアフラム部３７に直接力を加えられるように、半導体力センサ素子３１のダイアフラム部３７の中心部に直接接触している。
【００２８】
ケース３５は、ケース本体４１とケース本体４１に対して固定された蓋部材４３とを有している。ケース本体４１は、樹脂により形成されており、一面に開口する開口部４５を有する箱形を呈している。このケース本体４１は、矩形に近い形状の底壁部４７と底壁部４７の周縁部に一体に設けられた周壁部４９とを有している。底壁部４７には、半導体力センサ素子３１の長手方向の両側面からそれぞれ３つずつ突出するように６つの端子５１…が固定されている。端子５１は、その大部分が底壁部４７内に埋設されており、半導体力センサが回路基板上に表面実装可能なように、外部に露出するクリーム半田塗布面５１ａを有している。本例では、６つの端子５１…をインサートとして射出成形によりケース本体４１を形成した。なお、底壁部４７を貫通する６つの孔４７ａ…は、ケース本体４１を射出成形する際に６つの端子５１…を成形型内に支持するピンが抜けた孔である。また、底壁部４７には、半導体力センサ素子３１の台座部３９とダイアフラム部３７とによって囲まれた空間をケース本体の外部と連通させる連通路４７ｂが底壁部４７を貫通するように形成されている。底壁部４７は、半導体力センサ素子３１が接合されるセンサ素子支持部４８を中央部分に有している。このように、センサ素子支持部４８に台座部３９が接合された状態で、ダイアフラム部３７を覆うように絶縁性を有するシリコーンからなるゲル状保護剤５０がケース本体４１内に充填されている。ゲル状保護剤５０の針入度は、球体３３がダイアフラム部３７上のゲル状保護剤５０を押し広げて、球体３３がダイアフラム部３７の中央部と実質的に直接接触するように定められている。本例では、この針入度は約６５であり、弾性率は約１×１０−５Ｎ／ｍ２となっている。周壁部４９の外壁部の対向する一対の位置には、周壁部４９の他端側及び外側に向かって開口して、後述する蓋部材４３の一対の位置決め用突出部５７，５７が係合される一対の凹部５３が形成されている。
【００２９】
蓋部材４３は、ダイアフラム部３７と対向するように配置される矩形板状の対向壁部５５と対向壁部５５から突出する一対の位置決め用突出部５７，５７とを有しており、合成樹脂により一体に成形されている。一対の位置決め用突出部５７，５７は、対向壁部５５の長辺の中央からケース本体４１側に向かって延びて、ケース本体４１の凹部５３に係合されている。また、対向壁部５５は、対向壁部５５の厚みを薄くして形成した４つの凹部または段部５９…を四隅に有している。４つの段部５９…のほぼ中央には、４つの被嵌合用貫通孔６１…がそれぞれ形成されている。蓋部材４３は熱溶着部６０によりケース本体４１に対して固定されている。この熱溶着部６０は、４つの被嵌合用貫通孔６１…にケース本体４１に形成された４つの嵌合用突起を嵌合させた状態で、蓋部材４３から突出する嵌合用突起の先端部を熱変形させて形成している。また、対向壁部５５のダイアフラム部３７の中心部と対向する位置には、球体３３を収納する貫通孔６３が形成されている。図３に詳細に示すように、貫通孔６３は、ダイアフラム部３７側に位置する第１の貫通孔部分６５と、外部側に位置する第２の貫通孔部分６７と、第１の貫通孔部分６５と第２の貫通孔部分６７との間に位置する第３の貫通孔部分６９とから構成されている。第１の貫通孔部分６５は、球体３３の下半部に対応する位置に形成されており、球体３３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分６７は該第２の貫通孔部分６７から球体３３の一部が外部に露出するのを許容する一定の直径寸法を有している。第３の貫通孔部分６９は、球体３３の外面に沿うように、第１の貫通孔部分６５から第２の貫通孔部分６７に近付くに従って直径寸法が小さくなる形状を有している。球体３３は、貫通孔６３に収納されることにより、球体３３の一部を対向壁部５５の外部に臨ませ、球体３３がダイアフラム部３７の中心部に直接接触した状態で、ダイアフラム部３７と直交する方向にのみ移動可能で且つダイアフラム部３７の中心部上で回動し得るように、ケース３５内に位置決めされることになる。本例のように、球体の外面に沿う形状を有する貫通孔部分（第３の貫通孔部分６９）を備えた貫通孔は、蓋部材４３を柔軟性のある合成樹脂により形成した場合に適している。本例のような形状に貫通孔６３を形成すれば、球体３３が第３の貫通孔部分６９に沿って回転するため、球体３３が貫通孔６３内でがたつくのを防ぐことができる。
【００３０】
本例の半導体力センサでは、ダイアフラム部３７と直交する方向（矢印Ａ）の力が球体３３に加わると、球体３３に加えられた力でダイアフラム部３７が撓む。これに対して、ダイアフラム部３７と直交する方向以外の方向（矢印Ｂ）の力が球体３３に加わると、球体３３がダイアフラム部３７の中心部上で回動して（矢印Ｃ）、ダイアフラム部３７を撓むのを防ぐことができる。そのため、ダイアフラム部３７と直交する方向以外の方向の力が球体３３に加わっても、ダイアフラム部３７に無理な力が加わることがなく、ダイアフラム部３７が破損するのを防ぐことができる。また、ダイアフラム部３７と直交する方向に加わる分力だけを正確に測定することができる。
【００３１】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は表面実装型半導体力センサに適用した本発明の半導体力センサの第３の実施の形態の裏面図及び断面図である。本例では、ケースの構造を除いては、図２に示す半導体力センサと同じ構造を有している。したがって、本図においては、図２の半導体力センサと同じ部材には、図２に付した符号に１００を加えた符号を付して説明を省略する。
【００３２】
本図に示すように、ケース１３５は、ケース本体１４１とケース本体１４１に対して固定された蓋部材１４３とを有している。ケース本体１４１は、セラミックスにより形成されており、一面に開口部１４５を有する箱形を呈している。このケース本体１４１は、底壁部１４７と底壁部１４７の周縁部に一体に設けられた周壁部１４９とを有している。底壁部１４７の裏面には、半導体力センサ素子１３１の長手方向の両端縁部にそれぞれ４つずつ配置されるように８つの端子１５１…が金属膜により形成されている。８つの端子１５１…は、ケース本体１４１の長手方向に対向する両側面において上下方向に延びる溝１４１ａ…内に形成された導電部等を介してダイアフラム部の表面の変換部に電気的に接続されている。また、底壁部１４７には、半導体力センサ素子１３１の台座部１３９とダイアフラム部１３７とによって囲まれた空間をケース本体の外部と連通させる連通路１４７ｂが底壁部１４７を貫通するように形成されている。底壁部１４７は、半導体力センサ素子１３１が接合されるセンサ素子支持部１４８を中央部分に有している。このように、センサ素子支持部１４８に台座部１３９が接合された状態で、ダイアフラム部１３７を覆うように絶縁性を有するシリコーンからなるゲル状保護剤１５０がケース本体１４１内に充填されている。
【００３３】
蓋部材１４３は、ダイアフラム部１３７と対向するように配置される矩形板状の対向壁部を構成しており、第１の蓋板材１４０と第２の蓋板材１４２とが積層されて形成されている。第１の蓋板材１４０及び第２の蓋板材１４２は、いずれもセラミックスまたは金属からなり矩形状を有している。図５に詳細に示すように、第１の蓋板材１４０の中心部に貫通して形成された第１の貫通孔部分１６５と、第２の蓋板材１４２の中心部に貫通して形成された第２の貫通孔部分１６７とにより球体１３３を収納する貫通孔１６３が形成されている。第１の貫通孔部分１６５は球体１３３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分１６７は該第２の貫通孔部分１６７から球体１３３の一部が外部に露出するのを許容するように外部に向かうに従って徐々に直径寸法が小さくなる形状を有している。本例の貫通孔は、蓋部材を硬度の高いセラミックスまたは金属により形成した場合に適している。このように第１の蓋板材１４０に第１の貫通孔部分１６５を形成し、第２の蓋板材１４２に第２の貫通孔部分１６７を形成すれば、硬度が高いセラミックスまたは金属を用いて蓋部材１４３を形成しても、第１の貫通孔部分１６５及び第２の貫通孔部分１６７を正確な寸法で容易に形成することができる。また、ケース本体１４１及び蓋部材１４３の少なくとも一方をセラミックスにより形成すれば、ケース本体または蓋部材の使用温度範囲を広げることができる。
【００３４】
貫通孔の形状としては、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、種々の形状のものを用いることができる。図６（Ａ）に示す貫通孔２６３は、ダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分２６５と、外部側に位置する第２の貫通孔部分２６７とから構成されている。第１の貫通孔部分２６５は、球体２３３の下半部に対応する位置に形成されており、球体２３３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分２６７は、該第２の貫通孔部分２６７から球体２３３の一部が外部に露出するのを許容するように、球体２３３の外面に沿って外部に向かうに従って直径寸法が小さくなる形状を有している。本例の貫通孔は、前述したように蓋部材を柔軟性のある合成樹脂により形成した場合に適している。本例では、貫通孔２６３の球体２３３の外面に沿って外部に向かうに従って直径寸法が小さくなる部分（第２の貫通孔部分２６７）が、図２に示す貫通孔６３よりも広い範囲で形成されているので、図２に示す例よりも更に球体２３３が貫通孔２６３内でがたつくのを防ぐことができる。
【００３５】
図６（Ｂ）に示す貫通孔３６３は、ダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分３６５と、外部側に位置する第２の貫通孔部分３６７と、第１の貫通孔部分３６５と第２の貫通孔部分３６７との間に位置する第３の貫通孔部分３６９とから構成されている。第１の貫通孔部分３６５は、球体３３３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分３６７は該第２の貫通孔部分３６７から球体３３３の一部が外部に露出するのを許容する一定の直径寸法を有している。第３の貫通孔部分３６９は第１の貫通孔部分３６５及び第２の貫通孔部分３６７に直交する円環状形を有している。本例の貫通孔は、前述したように蓋部材を硬度の高いセラミックスまたは金属により形成した場合に適している。本例も、図５に示す貫通孔１６３と同様に、硬度が高いセラミックスまたは金属を用いて蓋部材を形成しても、第１の貫通孔部分３６５及び第２の貫通孔部分３６７を正確な寸法で容易に形成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わっても、ダイアフラム部に無理な力が加わることがなく、ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる。また、ダイアフラム部と直交する方向に加わる力だけを正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体力センサの第１の実施の形態の概略断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の半導体力センサの第２の実施の形態の一部破断平面図、裏面図、一部破断正面図及び一部破断右側面図である。
【図３】図２に示す半導体力センサの貫通孔近傍の断面図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の半導体力センサの第３の実施の形態の裏面図及び断面図である。
【図５】図４に示す半導体力センサの貫通孔近傍の断面図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の他の実施の形態の半導体力センサの貫通孔近傍の断面図である。
【符号の説明】
３１　半導体力センサ素子
３３　球体（力伝達手段）
３５　ケース
３７　ダイアフラム部
３９　台座部
４１　ケース本体
４３　蓋部材
４７　底壁部
４７ｂ　連通路
４９　周壁部
５０　ゲル状保護剤
５３　凹部
５５　対向壁部
５７　位置決め用突出部
５９　凹部または段部
６０　熱溶着部
６１　被嵌合用貫通孔
６３　貫通孔
６５　第１の貫通孔部分
６７　第２の貫通孔部分
６９　第３の貫通孔部分
【図１】
2004004069.tif 000003
【図２】
2004004069.tif 000004
【図３】
2004004069.tif 000005
【図４】
2004004069.tif 000006
【図５】
2004004069.tif 000007
【図６】
2004004069.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月4日(2003.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための力伝達手段と、
前記ダイアフラム部との間に間隔を開け且つ前記ダイアフラム部と対向するように配置される対向壁部を備えて、前記力伝達手段を前記ダイアフラム部の中心部に直接接触させるように、前記力伝達手段を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造とを具備し、
前記力伝達手段が剛性を有する球体により構成されている半導体力センサであって、
前記力伝達手段位置決め構造の前記対向壁部には、前記ダイアフラム部の前記中心部と対向する位置に前記ダイアフラム部に向かう方向に前記対向壁部を貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔は、前記球体の一部を前記対向壁部の外部に臨ませ、前記球体が前記ダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ前記球体が前記ダイアフラム部の前記中心部上で回動し得るように前記球体の残部の一部を収容する形状を有していることを特徴とする半導体力センサ。
【請求項２】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する球体と、
一面に開口部を有し、前記開口部と対向する位置に前記ダイアフラム部の変形を許容するように前記半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えた一面開口状のケース本体と、
前記センサ素子支持部に支持された前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部と対向する対向壁部を備えて、前記開口部を塞ぐように前記ケース本体に対して固定された蓋部材と、
前記対向壁部に形成されて前記球体を収容する貫通孔とを具備し、
前記貫通孔は、前記球体の一部を前記対向壁部の外部に臨ませ、前記球体が前記ダイアフラム部の中心部に直接接触した状態で前記ダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ前記球体が前記ダイアフラム部の前記中心部上で回動し得るように前記球体の残部の一部を収容する形状を有していることを特徴とする半導体力センサ。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記球体の下半部に対応するダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分と、前記外部側に位置する第２の貫通孔部分と、前記第１の貫通孔部分と前記第２の貫通孔部分との間に位置する第３の貫通孔部分とからなり、
前記第１の貫通孔部分は前記球体の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有しており、前記第２の貫通孔部分は該第２の貫通孔部分から前記球体の一部が前記外部に露出するのを許容する一定の直径寸法を有しており、前記第３の貫通孔部分は前記球体の外面に沿うように前記第１の貫通孔部分から前記第２の貫通孔部分に近付くに従って直径寸法が小さくなる形状を有している請求項１または２に記載の半導体力センサ。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記ダイアフラム部側に位置する第１の貫通孔部分と前記外部側に位置する第２の貫通孔部分とからなり、
前記第１の貫通孔部分は前記球体の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有しており、前記第２の貫通孔部分は該第２の貫通孔部分から前記球体の一部が前記外部に露出するのを許容するように前記外部に向かうに従って徐々に直径寸法が小さくなる形状を有している請求項１または２に記載の半導体力センサ。
【請求項５】
前記ケース本体は、前記センサ素子支持部を構成する底壁部と、一端が前記底壁部の周縁部に一体に設けられ他端が前記開口部を囲むように形成された周壁部と、前記周壁部の他端上に設けられた複数の嵌合用突起とを備えて絶縁樹脂材料により一体に成形されており、
前記蓋部材は前記ケース本体の前記複数の嵌合用突起が貫通する複数の被嵌合用貫通孔を備えて絶縁樹脂材料により一体に成形されており、
前記蓋部材の前記複数の被嵌合用貫通孔に前記ケース本体の前記複数の嵌合用突起が嵌合された状態で、前記蓋部材から突出する前記複数の嵌合用突起の先端部が熱変形されて前記蓋部材が前記ケース本体に対して固定されている請求項２に記載の半導体力センサ。
【請求項６】
前記蓋部材の前記複数の被嵌合用貫通孔の周囲には、熱変形した前記嵌合用突起が収容される複数の凹部または段部が形成されている請求項５に記載の半導体力センサ。
【請求項７】
前記ケース本体及び前記蓋部材が、それぞれセラミックスにより形成されている請求項２に記載の半導体力センサ。
【請求項８】
前記ケース本体が、セラミックスにより形成され、
前記蓋部材が、金属により形成されている請求項２に記載の半導体力センサ。
【請求項９】
ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部を備えたダイアフラム部を有する半導体力センサ素子と、
前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部に測定の対象となる力を加えるための剛性を有する球体と、
一面に開口部を有し、前記開口部と対向する位置に前記ダイアフラム部の変形を許容するように前記半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持部を備えた一面開口状の合成樹脂製のケース本体と、
前記センサ素子支持部に支持された前記半導体力センサ素子の前記ダイアフラム部と対向する対向壁部を備えて、前記開口部を塞ぐように前記ケース本体に対して固定された蓋部材と、
前記対向壁部に形成されて前記球体を収容する貫通孔と、
前記ケース本体にインサート成形により固定された複数の端子とを具備し、
前記貫通孔は、前記球体の一部を前記対向壁部の外部に臨ませ、前記球体が前記ダイアフラム部の中心部に直接接触した状態で前記ダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ前記球体が前記ダイアフラム部の前記中心部上で回動し得るように前記球体の残部の一部を収容する形状を有しており、
前記複数の端子は、前記ケース本体から表面実装可能に突出していることを特徴とする表面実装型半導体力センサ。