JP2015094645A - 慣性力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板上に実装された慣性力検出センサの振動印加による出力変動を抑制した信頼性の高い慣性力検出センサのモジュール実装構造を提供すること。【解決手段】加速度および角速度を検出する慣性力検出センサと、前記慣性力検出センサおよび電子部品を実装する回路基板と、前記回路基板を固定するハウジングと、を有し、前記回路基板は、前記ハウジングの底部と前記回路基板との空間に樹脂を充填することで前記ハウジングに接着固定され、前記回路基板の端部は、前記ハウジングに設けられた固定部と接合剤によって固定され、前記ハウジングは、開口部が設けられており、前記開口部を覆うようにカバーが接着により固定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度および角速度を検出する慣性力検出センサ装置に関する。

近年、自動車や農業機械および建設機械などでは走行安定性制御や安全性、作業性を向上するため種々の物理量を検出するセンサ装置が用いられている。自動車においては、特に、加速度センサや角速度センサが横滑り防止や乗員の安全性を向上するための機器（例えばエアバック）制御用として適用が拡大している。また、センサ装置の自動車への適用では、エンジンルームへの搭載も想定されるため、温度変化や機械的振動などの過酷な環境下に耐えることが必要となっている。農業機械では車体の姿勢制御や、種々の耕作用途に用いる付属機の水平制御用いられており、自動車同様過酷な環境で使用される。

センサ装置に搭載される加速度センサや角速度センサでは、小型化や多機能化・複合化、および量産性向上などを目的に、シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた検出手段が主流となってきている。微細加工技術によってシリコンの微細なくし歯状構造体を形成し、このくし歯状構造体の微小変位を、電気信号に変換することで加速度や角速度などの物理量を検出している。

センサ装置は、他の電子部品とともに実装基板に搭載された状態で使用される。また実装基板に搭載したセンサ装置を外部との電気的信号の入出力を行うコネクタとともにハウジングなどでモジュール化した状態で使用される。

上記したセンサ装置は、微小な変位を検出手段としているため、センサ装置の外部から振動や衝撃が印加されると、微細なくし歯構造体に変位が生じ、慣性力が作用していない状態でも出力が発生する。このセンサ出力は、検出誤差となり、センサ装置の信頼性を低下させる要因となる。

したがって、シリコンの微細加工技術を用いた検出装置は、各物理量検出部、または、各物理量検出素子へ振動などの外力が印加しない実装構造とすることが必要不可欠である。また、このような検出装置を自動車に搭載する場合、エンジンルームなどの過酷な環境への搭載も可能とするため、高信頼性を有した実装構造とすることが必要不可欠である。

この検出装置をはじめ、半導体素子を用いたセンサ装置の実装構造として、例えば、特許文献１や特許文献２および、特許文献３などに記載されているセンサ装置のような構造が知られている。

筐体内に取り付けられた電子部品を実装した回路基板の振動を抑制する手段として、特許文献１には、筐体底部に回路基板を支える為の直立したボスと、筐体内部の側面に回路基板の周辺を支える為に段差部を設ける構造が開示されている。前記ボスに回路基板がネジで固定され、固定されたボス位置を振動の節として回路基板が上下にたわむように振動する場合でも、前記段差が下支えすることにより回路基板の下方向への振動を抑制できることが示されている。

また、回路基板の振動を抑制する手段として特許文献２には、少なくとも一方の面に電子装置が搭載された回路基板と、回路基板を固定するベース部材を備えており、回路基板の片面に１つ以上の突起物を設置し、回路基板の周辺固定部をベース部材に固定する際、突起物の一部をベース部材に接触させ、さらに、突起物の高さを回路基板の周辺固定部高さより高くすることで、回路基板を凸状に反らせた構造とすることが記載されている。このように、回路基板を反らせることで、強固でベース部材に固定でき、耐振動性を向上でき、また、回路基板を周辺と突起部で固定するので、回路基板の共振周波数を高周波数側に移動でき、外部振動によって導かれる回路基板の共振時の振動振幅を小さく抑えることができるとある。

また、半導体加速度センサを実装した回路基板を保持する接続端子の長さを振動を吸収する長さに設定し、さらに中間部に吸振構造を形成する実装構造例が、特許文献３に記載されている。上記した構造によって、外部から衝撃が印加された場合でも、接続端子自体の変形で衝撃を吸振緩衝し、半導体加速度センサの衝撃振動による破損を防止することが示されている。

特開平１１−２８４３７４号公報 特開２００９−１１１１７１号公報 特開平５−１４９９６７号公報

しかしながら、慣性力検出センサを回路基板上に搭載し、ケーシングした実装モジュールでは、外部から振動が印加されると、回路基板に面外変形が生じる場合がある。この回路基板の変形は、基板上に搭載されている慣性力検出センサにも伝達し、センサ出力をも変動させる。振動によるセンサ出力変動は、本来慣性力を検出して出力される出力に重畳されることで検出誤差となり、慣性力検出センサの信頼性を低下させる要因（課題）となる。

特許文献１において、回路基板周辺を筐体側壁内面に設けた段差部により下支えすることによって、下方向への回路基板振動は抑えることができる。しかしながら、回路基板周囲と段差部とが固定されていないため、外部から印加される振動の加速度が大きい場合、上方に変形した回路基板と段差部とが繰り返し衝突するようになり、この衝突による振動が回路基板上に搭載された慣性力検出センサに影響を及ぼす可能性がある。また、回路基板を支えるボスどうしの間隔が広い場合には、ボスどうしの間の回路基板部分に局所的な変形が生じるようになり、十分な振動抑制効果が得られないことも考えられる。

特許文献２では、回路基板の片面に設けた突起部がベース部材に接触しているだけなので、特許文献１と同様に、印加される振動加速度が大きい場合には、突起部とベース部材とが離れてしまう。これによって、突起部とベース部材が繰り返し衝突することによる振動が回路基板上に搭載した慣性力センサの出力を変動させる要因となる。また、突起部を周辺固定部より高くして回路基板を反らすによって回路基板をベース基板に強固に固定する効果は得ることができる。しかしながら、回路基板を反らせることで、実装されている種々の部品にも反り変形が生じることになり、はんだ接続部に過大な応力が生じ、破断する課題がある。また、加速度を検知するセンサ部品を実装する場合、回路基板の反りによる傾斜によって出力が変動し、検出誤差の要因となる場合がある。

さらに、特許文献３に開示された技術では、単発の衝撃的外力に対しては接続端子の吸振作用が機能するが、振動のような連続的な外力に対しては、接続端子自体も振動してしまうため、回路基板の振動を抑制することが困難になる。

本発明の目的は、回路基板上に実装された慣性力検出センサの振動印加による出力変動を抑制した信頼性の高い慣性力検出センサのモジュール実装構造を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の慣性力センサ装置は、例えは、加速度および角速度を検出する慣性力検出センサと、前記慣性力検出センサおよび電子部品を実装する回路基板と、前記回路基板を固定するハウジングと、を有し、前記回路基板は、前記ハウジングの底部と前記回路基板との空間に樹脂を充填することで前記ハウジングに接着固定され、前記回路基板の端部は、前記ハウジングに設けられた固定部と接合剤によって固定され、前記ハウジングは、開口部が設けられており、前記開口部を覆うようにカバーが接着により固定される。

本発明によれば、回路基板に実装した状態でケーシングした慣性力検出センサのモジュール実装構造において、振動印加時による回路基板の変形を抑制し、回路基板に実装する慣性力検出センサの出力変動を抑えることができる。

本発明の第１実施形態をなすモジュール実装構造を断面化した図であり、ハウジング底部に樹脂を充填した実装構造図。 本発明の第１実施形態をなすモジュール実装構造の外観図。 本発明の第実施形態をなすモジュール実装構造の基板と同等のモデルの振動解析結果グラフ。 本発明の第２実施形態をなすモジュール実装構造のリブ−リブ間の断面化した図であり、回路基板裏面とケース一部に大面積の基板搭載部を設けた実装構造図。 本発明の第２実施形態をなすモジュール実装構造の上部のカバーを取り除いた平面図。 本発明の第３実施形態をなすモジュール実装構造の、センサを囲むように金属ケースを設置し、基板に固定するセンサの搭載部剛性を局所的に高くした実装構造図。 本発明の第３実施形態をなすモジュール実装構造の上部のカバーを取り除いた平面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明をする。

本発明の第１実施例をなす慣性力検出センサのモジュール実装構造について、図１〜図２を用いて説明する。

図１に示すように、本発明の第一実施例をなす慣性力検出センサのモジュール実装構造は、外部制御装置と信号伝達する為のコネクタ８と外部機器と接続する為に設けられたブラケット１１と一体形成したケース型のハウジング３に加速度・角速度を検出する慣性力検出センサ２を収納している。慣性力検出センサ２及びこれらセンサを制御する種々の電子部品４を実装する回路基板１は、ハウジング３内部の基板搭載部に接着剤９で接続し、回路基板１とコネクタ端子８はアルミワイヤ９で電気的に接続し信号伝達機能を備えている。ハウジング３には開口部が設けられており、開口部にはカバー１０が接着剤９より接着されてモジュール構造体化している。また、回路基板１とハウジング３の底面部との隙間には樹脂５が充填されており、回路基板１を拘束している。これによって、外部振動が印加された場合でも、回路基板１がハウジング３に拘束されることで回路基板１の変形を低減でき、ハウジング３から回路基板１経由で慣性力検出センサ２（ゲージセンサ）に伝播する振動を抑制することができる。これによって、慣性力センサ装置の出力変動を抑制することが可能となる。

ハウジング３の材料には例えばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を用い、回路基板１はＦＲ−４やＦＲ−５相当のガラスエポキシ基板などを用いる。なお、回路基板１にアルミワイヤ９が接続されている側の面上には、アルミワイヤ９全体を覆うようにゲル（シリコーンゲル）を設けても良い。

図３は、第１実施形態と同等のモデルにより回路基板の剛性変化を、固有値解析より示したグラフである。横軸は基板と樹脂を合わせた厚さ（ｍｍ）であり、縦軸は固有振動数（Ｈｚ）である。基板に樹脂を接着したことで剛性が高くなり、固有振動数が上昇する。これにより、外部から負荷される振動の周波数と固有振動数が一致したことに起因して発生する出力変動を抑えられる周波数域を広げることができ、耐振動性が向上する。
また、樹脂５において、温度変化時の内部応力による基板の歪みを低減する為に、回路基板１やハウジング３の線膨張係数と同等の材料を選定することが好ましい。また、回路基板１を強固に固定するため、弾性率の高いフィラー（例えば溶融シリカやアルミナフィラー）を充填したエポキシ接着剤などを用いることが好ましい。なお、樹脂の線膨張係数は充填するフィラーの量によって調整することができる。これによって、回路基板１、ハウジング３と充填樹脂との線膨張係数差に起因して発生する熱応力を低減することができ、界面はく離や樹脂割れの発生を抑制することができる。また、回路基板１とハウジング３、カバー１０とハウジング３を固定する接着剤も熱応力による変形を抑制する為に前述のエポキシ接着剤で固定することが好ましい。これより回路基板１の剛性が向上し変形を抑制することでセンサ出力誤差を低減可能とする。

次に、第２実施形態をなす慣性力検出センサのモジュール実装構造について図４、図５を用いて説明する。図４は第２実施形態のモジュール実装構造のコネクタを正面から見たブラケット間の断面図であり、図５は第２実施形態をなすモジュール実装構造体の上部のカバーを取り除いた平面図である。

図４に示すように、種々の電子部品４とともに搭載された慣性力検出センサ２の投影面積と実質的に同じサイズの基板搭載部１２をハウジング底面に設け、回路基板１の慣性力検出センサ２非搭載面と基板搭載部を接着剤９で接続し、回路基板の周辺部をハウジングに設けた固定部に接合剤９で接続し、回路基板上の電極とハウジング３と一体に形成されたコネクタ６の電極との電気的接続手段を備え、ハウジング上部にカバー１０を接着してケーシングしたことを特徴とする。本実施形態によれば、回路基板１の慣性力検出センサ搭載部とハウジングの基板搭載部１２とを接着することにより、回路基板１のセンサ搭載部剛性を向上させ基板変形を抑え、センサの出力誤差を抑制することが可能となる。

次に、第３実施例をなす慣性力検出センサのモジュール実装構造について図６、図７を用いて説明する。図６は第２実施形態のモジュール実装構造のコネクタを正面から見てリブ−リブ間の断面図であり、図７は第２実施形態をなすモジュール実装構造の上部のカバーを取り除いた平面図である。

図６に示すように、回路基板１の表面に、種々の電子部品４とともに搭載された慣性力検出センサ２の上面および側面を囲み、一面が開口したケース１３で慣性力検出センサ２を覆い、ケース１３の開口端部を回路基板表面に接合剤で接続し、回路基板１の周辺部をハウジング３に設けた固定部に接合剤で接続し、回路基板１上の電極とハウジング３と一体に形成されたコネクタ６の電極との電気的接続手段を備え、ハウジング上部にカバー１０を接着してケーシングした。さらに、ケース１３の一面とハウジング３に接着するカバー１０の表面とを接合剤で接続する。さらにケース１３は金属材料で形成することが好ましい。なお、金属のケース１３の開口部は、回路基板１の表面に設けた図示していないパッドなどにはんだ材や接着剤で固定する。このような構成により、回路基板１のセンサ搭載部の剛性を部分的に高くすることができ、外部から印加された振動に起因して発生するこの部分の基板変形を抑え、センサの出力誤差を抑制することが可能となる。また、金属のケース１３で慣性力検出センサ２の周囲を覆うことによって、電磁ノイズに対する耐性も向上することができる。

１…回路基板
２…慣性力検出センサ
３…ハウジング
４…電子部品
５…樹脂
６…コネクタ
７…コネクタ端子
８…アルミワイヤ
９…接着剤
１０…カバー
１１…ブラケット
１２…基板搭載部
１３…ケース
１４…はんだ

Claims (5)

1. 加速度および角速度を検出する慣性力検出センサと、
   前記慣性力検出センサおよび電子部品を実装する回路基板と、
   前記回路基板を固定するハウジングと、を有し、
   前記回路基板は、前記ハウジングの底部と前記回路基板との空間に樹脂を充填することで前記ハウジングに接着固定され、
   前記回路基板の端部は、前記ハウジングに設けられた固定部と接合剤によって固定され、
   前記ハウジングは、開口部が設けられており、前記開口部を覆うようにカバーが接着により固定されることを特徴とする慣性力センサ装置。
2. 前記樹脂は、前記回路基板および前記ハウジングを形成する材質の線膨張係数と同等であり、フィラーが充填されたエポキシ接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ装置。
3. 前記接着剤は、前記回路基板および前記ウジングを形成する材質の線膨張係数と同等であり、フィラーを充填されたエポキシ接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ装置。
4. 前記ハウジングの底面には、前記慣性力検出センサの投影面積とほぼ同サイズの基板搭載部が設けられ、
   前記回路基板のうち前記慣性力検出センサの非搭載面と前記基板搭載部を接合材で接続したことを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ装置。
5. 前記回路基板の表面に前記慣性力検出センサの上面および側面を囲み一面が開口したケースが備えられ、
   前記ケースの開口の端部を前記回路基板の表面に接合剤で接続し、
   前記回路基板の周辺部をハウジングに設けた固定部に接合剤で接続することを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ装置。