JP2015210161A - 慣性力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、回路基板（実装基板）上に実装されたセンサ素子チップ（センサ部品）の振動印加による出力変動を抑制した信頼性の高いモジュール実装構造を提供することにある。
【解決手段】
本発明の慣性力センサ装置１００は、部品実装面２ａが、ｘ，ｙ方向のうちｘ方向が長手方向となり、ｘ方向の長さがｙ方向の長さよりも長い形状を成す実装基板２と、実装基板２に実装されたセンサ部品１と、実装基板２を収容するハウジング３とを備え、センサ部品１は、部品実装面２ａに投影された投影形状はｘ，ｙ方向のうちｙ方向が長手方向となり、ｙ方向の長さがｘ方向の長さよりも長い形状を成し、センサ部品１の前記投影形状における長手方向が部品実装面２ａの長手方向に対して非平行になるように、センサ部品１を実装基板２上に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度又は角速度の少なくともいずれか一方を検出する慣性力検出センサを電子部品とともに回路基板に実装した状態でケーシングしてモジュール化した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や安全性、或いは作業性を向上する制御を行う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。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負荷に対する耐性が要求される。また、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に用いられており、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の慣性力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されたセンサ装置は、外部との電気的信号の入出力を行うコネクタを有するハウジングに収容され、モジュール化された状態で使用される。

上記したセンサ装置は、微細なくし歯構造体の微小な変位を検出しているため、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、上記したセンサ装置のようにシリコンの微細加工技術を用いた検出装置では、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のエンジンルームや、農業機械付属機などの過酷な環境で使用される機器に搭載するためには、検出装置の実装構造を高い信頼性を有した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、特開２０１１−９４９８７号公報（特許文献１）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。

特許文献１では、複数の固定点で固定され、表面にセンサ素子搭載部および回路パターンを形成した回路基板と、前記回路基板のセンサ素子搭載部に搭載されたセンサ素子チップとを具備した回路モジュール構造が開示されている。この回路モジュール構造では、電子部品を実装した回路基板の変形によるセンサ出力の誤差を低減するために、センサ素子チップは回路基板の固定点から所定の距離だけ離間した位置に搭載されている。これにより、温度変化により、回路基板に変形が生じた場合でも、その変位の影響を受けにくくすることが可能であり、センサ出力の誤差を抑制できる。例えば、特許文献１の段落００４３及び００４５には、長方形をした回路基板の中心に第１のセンサ素子チップが搭載され、回路基板の中心を通る短辺に平行な線上に第二のセンサ素子チップが搭載されることにより、搭載位置の回路基板面に垂直な方向の変位は大きくなるものの、傾斜角が小さくなることにより、この傾斜角による誤差を小さくして測定精度の高いセンサを実現できることが記載されている。

特開２０１１−９４９８７号公報

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により、基板上に搭載されている慣性力検出センサが変形し、センサ出力が変動する。振動によるセンサ出力変動は、本来慣性力を検出して得ら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、センサ素子チップは回路基板の固定点から所定の距離だけ離間した位置に搭載され、温度変化により、回路基板に変形が生じた場合でも、その変位の影響を受けにくくすることが可能であり、センサ出力の誤差を抑制できる。

しかしながら、温度変化による回路基板の変形と振動印加による回路基板の変形とが異なる場合、温度変化による回路基板の変形の影響を受けにくい位置にセンサ素子チップを搭載しても、外部から振動や衝撃が印加されることによる回路基板の変形が回路基板上に搭載されたセンサ素子チップへ伝達し、センサ出力誤差となる可能性がある。特許文献１では、回路基板の振動による変形については配慮がなく、回路基板の形状とセンサ素子チップの形状とに基づいて、センサ素子チップの配置を振動に対して最適化する構造については配慮がなかった。

本発明の目的は、回路基板（実装基板）上に実装されたセンサ素子チップ（センサ部品）の振動印加による出力変動を抑制した信頼性の高いモジュール実装構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の慣性力センサ装置は、部品実装面が、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成す実装基板と、前記実装基板に実装されたセンサ部品及び電子部品と、前記実装基板を収容するハウジングとを備え、前記センサ部品は、慣性力を検出するための半導体素子を内部に備えると共に、前記部品実装面に投影された投影形状が、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成す慣性力センサ装置において、前記センサ部品の前記投影形状における長手方向が前記部品実装面の長手方向に対して非平行になるように、前記センサ部品を前記実装基板上に配置したものである。

本発明によれば、センサ部品が実装基板の変形の影響を受けにくい構造となるため、振動などによる外力が印加されても、センサ部品のパッケージの変形を抑制することができ、耐振動性を高めることが可能となる。これにより、慣性力を検出するための半導体素子に印加される振動などの外力を抑制できるので、慣性力センサ装置の出力変動や測定誤差を低減することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る慣性力センサ装置について、ハウジングからカバーを外した状態を示す平面図である。 図１に示す慣性力センサ装置の上面図である。 図１及び図２に示す慣性力センサ装置の断面（図２のIII−III矢視断面）を示す模式図である。

本発明に係る慣性力センサ装置１００は、後述するゲージセンサ１などのセンサ部品（センサ素子チップ）が電子部品と共に実装基板２上に搭載されてハウジング３内に収容されることにより、加速度又は角速度のような慣性力を検出する機能を有するモジュールとして構成される。以下、図面を参照して、本発明に係る一実施例を説明する。

以下、実施例１における慣性力センサ装置１００の構成について説明する。図１は、本実施例に係る慣性力センサ装置１００について、ハウジング３からカバー８を外した状態を示す平面図である。図２は、本実施例の慣性力センサ装置１００の上面図である。図３は、図１及び図２に示す慣性力センサ装置１００の断面（図２のIII−III矢視断面）を示す模式図である。

なお、以下の説明においては、図３を基準として上下方向を定義して説明する。この上下方向は、図１のｚ軸の方向と一致している。また、図１及び図２に示すようにｘ軸（ｘ方向）及びｙ軸（ｙ方向）を定義する。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は相互に直交する。図３を基準として定義される上下方向は慣性力センサ装置１００の実装時における上下方向とは関係がない。ただし、加速度センサ及び角速度センサでは検出する加速度及び角速度の指向性が問題となるため、慣性力センサ装置１００は仕様により決められた実装方向に取り付けられる必要がある。本明細書で使用する上下方向は仕様によって決められる実装方向とは関係がない。

図１及び図２に示すように、本実施例の慣性力センサ装置１００は、慣性力を検出するための半導体素子(図示しない)を内部に収納し、この半導体素子の周辺を例えば樹脂（封止樹脂）で覆ってパッケージを形成したゲージセンサ１を備えている。このゲージセンサ１は、電子部品９，１０と共に、電気的に接続可能な配線構造（配線パターン）１１を備えた多層構造の実装基板２上に搭載されている。電子部品９，１０は、実装基板２の部品実装面２ａ，２ｂに、図示したもの以外にも複数が実装されている。電子部品９，１０は、図３に示すように実装基板２の両面２ａ，２ｂに実装されてもよく、この場合実装基板２の両面に部品実装面２ａ，２ｂが構成され、かつ両面の部品実装面２ａ，２ｂ上に形成された配線パターン１１が電気的に接続されている。

なお、部品実装面２ａ，２ｂはｘ−ｙ平面に平行であり、部品実装面２ａ，２ｂはｚ軸（上下方向）に垂直である。

実装基板２は、図３に示すように、樹脂製のハウジング３内に接着剤４などで固定されている。ハウジング３には、ゲージセンサ１内に内包された半導体素子の信号を外部に取り出すためのコネクタ７が樹脂で一体に形成されている。コネクタ端子６と実装基板２上の端子１２とは、アルミワイヤ５などの配線部材により電気的に接続されており、慣性力を検出する半導体素子の信号を外部に取り出すことを可能にしている。ハウジング３の上面には開口部３ａが形成されている。開口部３ａは、図３に示すように、カバー８で塞がれる。カバー８はハウジング３の開口部に接着剤４などにより接着固定される。これにより、カバー８とハウジング３とで、センサ部品（センサ素子チップ）１及び電子部品９，１０を実装する実装基板２を内包したモジュール構造体が実現されている。

ゲージセンサ１のパッケージ体は、実装基板２の部品実装面２ａ，２ｂに投影される形状が長方形であり、相互に垂直な二辺のうち一方の辺１ｓの長さが、他方の辺１ｌの長さより短くなるように構成されている。すなわち、ゲージセンサ１のパッケージ体は上面側或いは下面側から見た形状が長方形であり、短辺１ｓと長辺１ｌとを有する。

実装基板２もゲージセンサ１と同様に、部品実装面２ａ，２ｂが長方形であり、相互に垂直な二辺のうち一方の辺２ｓの長さが、他方の辺２ｌの長さより短くなるように構成されている。すなわち、実装基板２は部品実装面２ａ，２ｂの形状が長方形であり、短辺２ｓと長辺２ｌとを有する。

実装基板２の形状に合うように、カバー８とハウジング３とで形成される慣性力センサ装置１００の外形は、実装基板２の部品実装面２ａ，２ｂに垂直な方向から見た上面或いは下面の形状が長方形であり、この長方形の長辺３ｌは実装基板２の長辺２ｌに平行であり、短辺３ｓは実装基板２の短辺２ｓに平行である。図１及び図２においては、慣性力センサ装置１００の上面或いは下面の長辺３ｌ及び実装基板２の長辺２ｌはｘ軸に平行であり、慣性力センサ装置１００の上面或いは下面の短辺３ｓ及び実装基板２の短辺２ｓはｙ軸に平行である。

ゲージセンサ１は、長辺１ｌが実装基板２の短辺２ｓと平行になるように、また短辺１ｓが実装基板２の長辺２ｌと平行になるように、実装基板２上に配置する。実装基板２の部品実装面２ａ，２ｂとゲージセンサ１の部品実装面２ａ，２ｂへの投影形状とはそれぞれが長方形を成しており、それぞれの短辺方向には変形が生じ難く、長辺方向には変形を生じ易い。ゲージセンサ１を実装基板２に対して上述したように配置することにより、それぞれの変形しやすい方向が重ならなくなる。このため、外部からの振動印加によって実装基板２に変形が発生しても、その変形がゲージセンサ１のパッケージ体やその内部に収納されている慣性力を検出するための半導体素子へ伝達しにくくなっている。或いは、ゲージセンサ１の短辺１ｓが実装基板２の長辺２ｌに対して平行になるように、ゲージセンサ１が実装基板２に配置されることにより、振動によって実装基板２が長辺２ｌ方向に変形しても、長辺２ｌ方向におけるゲージセンサ１の長さが短いため、ゲージセンサ１は実装基板２の変形の影響を受け難くなる。

このような効果を得るためには、必ずしも、ゲージセンサ１の短辺１ｓが実装基板２の長辺２ｌに対して平行になるように、ゲージセンサ１が実装基板２に配置される必要はなく、ゲージセンサ１の長辺１ｌが実装基板２の長辺２ｌに対して非平行になるように、ゲージセンサ１が実装基板２に配置されればよい。このような配置であっても、ゲージセンサ１の長辺１ｌが実装基板２の長辺２ｌに対して平行に配置される場合と比べて、ゲージセンサ１は実装基板２の変形の影響を受け難くなる。しかし、効果をより大きくするためには、ゲージセンサ１の短辺１ｓが実装基板２の長辺２ｌに対して平行になるように、ゲージセンサ１が実装基板２に配置されることが望ましい。

これによって、外部から振動が印加された場合であっても、ゲージセンサ１のパッケージ体の変形（共振による振動など）を抑制することができ、センサゲージ１の内部に収納されている慣性力を検出するための半導体素子への振動の影響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１００の出力変動を抑制することが可能となる。

なお、本実施例の慣性力を検出するための半導体素子は、加速度を検出するための機能と角速度を検出する機能とのうち少なくともいずれか一方の機能を備え、それらの機能を単独もしくは複合した状態で慣性力センサ装置１００を構成する。

次に、図３を参照して、本実施例による慣性力センサ装置１００の断面における構造を説明する。

図３に示すように、ゲージセンサ１を実装基板２のハウジング３に対する固定部から所定の距離だけ離間した位置に配置することにより、温度変化による実装基板２の変形の影響を低減することができる。この場合、ゲージセンサ１は実装基板２のハウジング３に対する固定部から可能な限り離間させることが望ましい。これにより、さらに、慣性力センサ装置１００の出力変動を抑制することが可能となる。これによって、振動印加による実装基板２の変形に加え、温度変化による実装基板２の変形に対しても、影響を受けにくい構造となる。このため、例えば、自動車のエンジンルームや、農業機械付属機など、振動や温度変化に対する高信頼性が求められる機器へも搭載が可能な慣性力センサ装置１００を提供することができる。

本実施例では、実装基板２の部品実装面２ａ，２ｂは長方形であり、センサ部品１の部品実装面２ａ，２ｂへの投影形状は長方形である。これに対して、部品実装面２ａ，２ｂ及びセンサ部品１の部品実装面２ａ，２ｂへの投影形状が、例えば平行四辺形や楕円形状であってもよい。要するに、相互に直交する二方向のうち一方の方向が長手方向となり、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状であればよい。すなわち、実装基板２は、部品実装面２ａ，２ｂが、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成していればよい。また、センサ部品１は、部品実装面２ａ，２ｂに投影された形状が、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成していればよい。そして、センサ部品１の長手方向が部品実装面２ａ，２ｂの長手方向に対して非平行になるように、センサ部品１を実装基板２上に配置すればよい。

しかし、好ましくは、部品実装面２ａ，２ｂが長方形を成す実装基板２と、実装基板２に実装されたセンサ部品１及び電子部品９，１０と、実装基板２を収容するハウジング３とを備え、センサ部品１は慣性力を検出するための半導体素子を内部に備え、部品実装面２ａ，２ｂに投影された形状が長方形を成す慣性力センサ装置において、センサ部品１の長辺が部品実装面２ａ，２ｂの長辺に対して非平行になるように、センサ部品１を実装基板２上に配置することが好ましい。

この場合、部品実装面２ａ，２ｂが成す長方形の長辺が部品実装面２ａ，２ｂの長手方向に平行になる。また、センサ部品１の部品実装面２ａ，２ｂへの投影形状が成す長方形の長辺が前記投影形状の長手方向に平行になる。

上述したように、本実施例では、高い耐振動性が求められる環境下において、高い信頼性を有する慣性力センサ装置のモジュール実装構造を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ゲージセンサ、２…実装基板、３…ハウジング、４…接着剤、５…アルミワイヤ、６…コネクタ端子、７…コネクタ、８…カバー。

Claims (5)

1. 部品実装面が、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成す実装基板と、前記実装基板に実装されたセンサ部品及び電子部品と、前記実装基板を収容するハウジングとを備え、前記センサ部品は、慣性力を検出するための半導体素子を内部に備えると共に、前記部品実装面に投影された投影形状が、相互に直交する二方向のうち一方の方向に長手方向を有し、この一方の方向における長さが他方の方向における長さよりも長い形状を成す慣性力センサ装置において、
   前記センサ部品の前記投影形状における長手方向が前記部品実装面の長手方向に対して非平行になるように、前記センサ部品を前記実装基板上に配置したことを特徴とする慣性力センサ装置。
2. 請求項１に記載の慣性力センサ装置において、
   前記センサ部品の長手方向が、前記部品実装面の長手方向に対して直交する方向に平行になるように、前記センサ部品を前記実装基板上に配置したことを特徴とする慣性力センサ装置。
3. 請求項２に記載の慣性力センサ装置において、
   前記実装基板の前記部品実装面は長方形を成し、この長方形の長辺が前記部品実装面の前記長手方向に平行であり、
   前記センサ部品の前記部品実装面への投影形状は長方形を成し、この長方形の長辺が前記投影形状における前記長手方向に平行であることを特徴とする慣性力センサ装置。
4. 請求項１に記載の慣性力センサ装置において、
   前記センサ部品を前記実装基板の前記ハウジングに対する固定部から所定の距離だけ離間した位置に配置することを特徴とする慣性力センサ装置。
5. 請求項１に記載の慣性力センサ装置において、
   前記半導体素子は、前記慣性力として、加速度と角速度とを単独もしくは複合して検出する機能を有することを特徴とする慣性力センサ装置。

Images