JP2016031301A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ装置に関する。 The present invention relates to a sensor device.
たとえば、自動車などの内燃機関には、電子制御燃料噴射装置が設けられている。電子制御燃料噴射装置は、内燃機関に流入する気体と燃料の量を適切に調整することにより、内燃機関を効率よく稼動させる役割を有する。このため、電子制御燃料噴射装置においては、内燃機関に流入する気体を正確に把握する必要がある。このことから、電子制御燃料噴射装置には、気体の流量を測定する流量センサ(エアフローセンサなどともいう)が設けられている。 For example, an internal combustion engine such as an automobile is provided with an electronically controlled fuel injection device. The electronically controlled fuel injection device has a role of efficiently operating the internal combustion engine by appropriately adjusting the amount of gas and fuel flowing into the internal combustion engine. For this reason, in the electronically controlled fuel injection device, it is necessary to accurately grasp the gas flowing into the internal combustion engine. For this reason, the electronically controlled fuel injection device is provided with a flow rate sensor (also referred to as an air flow sensor or the like) that measures the flow rate of gas.
流量センサモジュールは、流量検出部や制御回路部、マイクロコンピュータ(マイコン)などの電子部品に加え、圧力センサ、湿度センサなどのセンサを実装した基板をハウジング(筐体)に接合することで形成される。従来、電子部品を実装した基板と樹脂モールドによって成形した筐体とを接着剤で接合していたが、コスト低減等のために、電子部品が実装された基板の周囲をハウジング樹脂で成形することで、接着剤を使用せずに基板とハウジングとを直接接合することが知られている(特許文献1参照)。 The flow sensor module is formed by joining a substrate mounted with a sensor such as a pressure sensor and a humidity sensor to a housing (housing) in addition to electronic components such as a flow detection unit, a control circuit unit, and a microcomputer. The Conventionally, the substrate on which the electronic component is mounted and the housing formed by the resin mold are bonded with an adhesive. However, in order to reduce costs, the periphery of the substrate on which the electronic component is mounted is molded with the housing resin. Therefore, it is known that the substrate and the housing are directly joined without using an adhesive (see Patent Document 1).
しかし、電子部品が実装された基板の周囲をハウジング樹脂で成形する場合、ハウジング樹脂の成形収縮力がセンサの制御を司る電子部品に負荷し、成形前後でセンサとしての特性の変動がするおそれがある。 However, when the periphery of the board on which electronic components are mounted is molded with housing resin, the molding shrinkage force of the housing resin is loaded on the electronic components that control the sensor, and there is a risk that the characteristics of the sensor may fluctuate before and after molding. is there.
本発明によるセンサ装置は、流量検出部、および、流量検出部を制御する制御回路を構成する電子部品が実装された基板と、基板を覆う樹脂製ハウジングと、基板に実装された電子部品の少なくとも上面を覆う軟質層と、軟質層と樹脂製ハウジングとの間に介在する硬質層とを備え、樹脂製ハウジングは、少なくとも硬質層の一部で硬質層と一体化され、かつ、流量検出部を露出する。 A sensor device according to the present invention includes a flow rate detection unit, a substrate on which electronic components constituting a control circuit that controls the flow rate detection unit are mounted, a resin housing that covers the substrate, and an electronic component mounted on the substrate. A soft layer covering the upper surface, and a hard layer interposed between the soft layer and the resin housing. The resin housing is integrated with the hard layer at least at a part of the hard layer, and the flow rate detection unit is provided. Exposed.
本発明によれば、センサとしての特性の変動を抑制することができる。 According to the present invention, fluctuations in characteristics as a sensor can be suppressed.
−−−第1の実施の形態−−−
図1〜9を参照して、本発明によるセンサ装置の第1の実施の形態を説明する。図1は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係るセンサ装置である流量センサを使用した一実施の形態を示す、システム図である。エンジンシリンダ112とエンジンピストン114を備える内燃機関110の動作に基づき、吸入空気が被計測気体30としてエアクリーナ122から吸入され、主通路124である、たとえば吸気ボディ、スロットルボディ126、吸気マニホールド128を介してエンジンシリンダ112の燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体30の流量は本発明に係る流量センサ300で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁152より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体30と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。流量センサ300は、典型的には、被計測気体との間で熱伝達を行うことにより副通路を流れる被計測気体の状態を計測する熱式流量センサである。
--- First embodiment ---
A first embodiment of a sensor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment in which a flow rate sensor, which is a sensor device according to the present invention, is used in an electronic fuel injection internal combustion engine control system. Based on the operation of the
なお、本実施形態では、燃料噴射弁152は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である被計測気体30と共に混合気を形成し、吸気弁116を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギーを発生する。
In the present embodiment, the
近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁152を取り付け、燃料噴射弁152から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。本発明の流量センサ300は、図1に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも流量センサ300の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図1に示す。
In recent years, as a method excellent in exhaust gas purification and fuel consumption improvement in many vehicles, a method in which a
燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ154の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギーを発生する。燃焼後の気体は排気弁118から排気管に導かれ、排気24として排気管から車外に排出される。燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体30の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ132により制御される。燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御される。運転者はスロットルバルブ132の開度を制御して燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギーを制御することができる。
The fuel and air guided to the combustion chamber are in a mixed state of fuel and air, and are burned explosively by the spark ignition of the
エアクリーナ122から取り込まれ主通路124を流れる吸入空気である被計測気体30の流量および温度が、流量センサ300により計測され、流量センサ300から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置200に入力される。また、スロットルバルブ132の開度を計測するスロットル角度センサ144の出力が制御装置200に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン114や吸気弁116や排気弁118の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ146の出力が、制御装置200に入力される。排気24の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ148の出力が制御装置200に入力される。
The flow rate and temperature of the
制御装置200は、流量センサ300の出力である吸入空気の流量、および回転角度センサ146の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度、に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁152から供給される燃料量、また点火プラグ154により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに流量センサ300で計測される吸気温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ148で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置200はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ132をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ156により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。
The
<流量センサ300について>
図2は、主通路124の上流側から見た流量センサ300の外観を示す斜視図である。流量センサ300は、ハウジング302と表カバー303と裏カバー304とから構成される筐体301を備えている。ハウジング302と表カバー303、およびハウジング302と裏カバー304とは、たとえばレーザ照射により溶着されている。図3は、表カバー303を装着する前のハウジング302を表側から見た模式的な図であり、図4は、裏カバー304を装着する前のハウジング302を裏側から見た模式的な図である。なお、説明の便宜上、ハウジング302の表裏を上述のように定める。流量センサ300における後述する基板1の表面と平行であり、主通路124における被計測気体30の流通方向をX方向とし、基板1の表面と平行であり、X方向と直交する方向をY方向とし、基板1の表面と垂直な方向をZ方向とする。
<About the
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the
ハウジング302は、流量センサ300を主通路124である吸気ボディに固定するためのフランジ312と、外部機器との電気的な接続を行うための外部端子を有する外部接続部305と、流量等を計測するための計測部310を備えている。計測部310の内部には、副通路を作るための副通路溝が設けられており、さらに計測部310の内部には、流量検出部3、圧力センサ5、湿度センサ6や電子部品等が実装される基板1が設けられている。図3に示すように、計測部310には、外部接続部305の不図示の外部端子と電気的に接続されているコネクタ側接続部11が設けられている。コネクタ側接続部11と、基板1の後述する基板側接続部12とは、ワイヤ13で電気的に接続されている。
The
流量検出部3および基板1の流量検出部3周縁部は、ハウジンジ302の表面部306に設けられた流量検出用開口部306aから露出されている。コネクタ側接続部11および基板側接続部12および基板1の基板側接続部12周縁部は、ハウジンジ302の表面部306に設けられた接続部用開口部306bから露出されている。基板1の流量検出部3周縁部の裏面側は、ハウジンジ302の裏面部307に設けられた流量検出用開口部307aから露出されている。圧力センサ5と湿度センサ6およびその周縁部の基板1の領域は、ハウジンジ302の裏面部307に設けられたセンサ出用開口部307bから露出されている。
The peripheral portions of the flow
流量検出部3は、主通路124を流れる被計測気体30の流量を計測するためのセンサであり、基板1のおもて面1aの図示下部に実装されている。圧力センサ5は、主通路124を流れる被計測気体30の圧力を計測するためのセンサであり、基板1の裏面1bに実装されている。湿度センサ6は、主通路124を流れる被計測気体30の湿度を計測するためのセンサであり、基板1の裏面1bに実装されている。
The flow
流量センサ300の計測部310はフランジ312から主通路124の中心方向に向かって長く延びる形状を成し、その先端部には吸入空気などの被計測気体30の一部を副通路に取り込むための入口350a,350bと副通路から被計測気体30を主通路124に戻すための出口352a,352bが設けられている。計測部310は主通路124の外壁から中央に向かう軸に沿って長く延びる形状を成しているが、幅は、図2に記載の如く、狭い形状を成している。即ち流量センサ300の計測部310は、側面の幅が薄く正面が略長方形の形状を成している。これにより、流量センサ300は十分な長さの副通路を備えることができ、被計測気体30に対しては流体抵抗を小さい値に抑えることができる。
The measuring
入口350aから副通路に流入した被計測気体30は、図3における矢印30aに示すように、流量検出部3を通過して、矢印30bに示すように副通路内を流れて出口352aから流出する。図示はしないが、ハウジング302には、被計測気体30を入口350aから流量検出部3に案内する案内溝、被計測気体30を流量検出部3から出口352aに案内する案内溝が、螺旋状に形成されている。
The
入口350bから副通路に流入した被計測気体30は、図4における矢印30cに示すように、圧力センサ5、湿度センサ6を通過して、矢印30dに示すように副通路内を流れて出口352bから流出する。
The measured
本実施の形態では、流量センサ300は、各センサおよび電子部品を実装した基板1とハウジング302とが、後述するように、射出成形等の樹脂成形により一体化される。基板1の流量検出部3やマイコン4など実装した面を上述したようにおもて面1aとし、その反対側の面を裏面1bとする。
In the present embodiment, in
図5は、基板1のおもて面1aの実装構造を示す図である。基板1のおもて面1aには、流量検出部3と、その信号を処理する制御回路7、流量、圧力、湿度などの情報を処理するマイコン4、その他チップ抵抗などを含む複数の電子部品8が実装されている。基板1のおもて面1aには、コネクタ側接続部11と接続するための基板側接続部12が設けられている。
FIG. 5 is a view showing a mounting structure of the
図6は、基板1の裏面1bの実装構造を示す図である。基板1の裏面1bには、たとえば圧力センサ5、湿度センサ6が実装されている。圧力センサ5、湿度センサ6から出力される信号は、基板1のおもて面1aに実装されたマイコン4で処理される。
FIG. 6 is a diagram illustrating a mounting structure of the
ハウジング302は、樹脂成形により電子部品等を実装した基板1の外側に一体化成形される。測定をする上で露出していなければならない流量検出部3、圧力センサ5、湿度センサ6以外の実装品は、保護のためにハウジング302で覆われる。以下の説明では、ハウジング302を構成する樹脂のことを、ハウジング樹脂と呼ぶ。
The
たとえば、マイコン4などの電子部品がハウジング樹脂に直接接触した状態で覆われると、基板1よりも遥かに体積が大きいハウジング樹脂の収縮による力が直接電子部品に作用し、ハウジング302の成形前後でセンサとしての特性の変動がしやすくなるおそれがある。また、電子部品は半田によって基板1に実装されるが、半田の溶解温度が220〜260℃であるに対し、ハウジング302を熱可塑性樹脂で成形する場合の樹脂温度が200〜300℃となり、半田の溶解温度と同等となる。そのため、たとえば、高圧で樹脂が流動する射出成形でハウジング302を成形する時に、半田接続部が外れるおそれがある。たとえ、半田接続部が外れなかったとしても、ハウジング樹脂の成形収縮力が電子部品だけでなく、半田接続部にも作用するため、半田接続部の耐久性が低下するおそれがある。
For example, when an electronic component such as the
そこで、本実施の形態では、次のようにして、上述した課題を解決している。図7は、図3のA−A矢視断面を模式的に示した図である。本実施の形態では、基板1に実装されたマイコン4、制御回路7、電子部品8とハウジング302との間に、軟質層9および硬質層10を設けている。図7では、図3のA−A矢視断面にマイコン4および電子部品8が存在しているものとして説明する。
Therefore, in the present embodiment, the above-described problem is solved as follows. FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line AA of FIG. In the present embodiment, the
硬質層10は、射出成形時に流動するハウジング樹脂から受ける抵抗力や、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を抑制するため、および、高温のハウジング樹脂からの熱伝達を抑制するために設けられた緩衝層である。図7に示すように、硬質層10は、基板1のおもて面1aに実装されて、後述するように上面が軟質層9で覆われたマイコン4、電子部品8、および図7で不図示の制御回路7を上から覆っている。説明の便宜上、図7における図示上方を上方向とし、図示下方を下方向とする。
The
軟質層9は、硬質層10で抑制しきれないハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を抑制するため、および、高温のハウジング樹脂からの熱伝達を硬質層10とともに抑制するために設けられた緩衝層である。図7に示すように、軟質層9は、マイコン4、電子部品8、および図7で不図示の制御回路7の上面を覆っている。
The
硬質層10の弾性係数がハウジング302の弾性係数よりも高く、軟質層9の弾性係数がハウジング302の弾性係数よりも低いことが望ましい。すなわち、上述したように、硬質層10の役割がハウジング302の樹脂収縮歪みの伝達抑制であるので、硬質層10がハウジング302よりも高剛性であるほどハウジング302の収縮歪みの抑制効果が高い。
Desirably, the elastic coefficient of the
一方、軟質層9の役割が硬質層10で伝達抑制しきれなかったハウジング302の収縮歪みを軟質層9の変形で緩和することであるので、軟質層9が低剛性で変形しやすいほど効果が高い。一例として、ハウジング302をPBTなどの熱可塑樹脂など、軟質層9を低剛性のシリコーン樹脂やウレタン樹脂など、硬質層10をガラスなどのフィラ入りエポキシ樹脂などで構成することで、各弾性係数の関係性を満足できる。なお、各部材の構成は上記に示した材料以外の組み合わせでも適用可能である。
On the other hand, since the role of the
また、高温のハウジング樹脂からの熱伝達抑制の観点から、軟質層9や硬質層10の熱伝導率は低い方が望ましいが、熱伝導率が低くなくても、軟質層9や硬質層10が設けられているだけで、各部品が高温のハウジング樹脂から離れるので、熱伝達抑制効果がある。
Further, from the viewpoint of suppressing heat transfer from the high-temperature housing resin, it is desirable that the
本実施の形態では、次のようにして、ハウジング302を製造する。まず、各センサ3,5,6やマイコン4等が実装された、図5に示すような基板1に対して、図8に示すように、軟質層9を設ける。図8は、軟質層9の設置後の基板1のおもて面1aを見た図である。本実施の形態では、マイコン4、制御回路7、および電子部品8の上面、すなわち、基板1のおもて面1aと向かい合っている面とは反対側の面に軟質層9を設ける。軟質層9を設けるには、たとえば紫外線硬化樹脂を紫外線で硬化させる方法や、ホットメルトモールディング、3Dプリンタによって形成する方法など、様々な方法を用いることができる。
In the present embodiment, the
図8では、一例として、流量検出部3を除き、基板1のおもて面1aに実装されているすべての部品4,7,8の上面に軟質層9を設けているが、少なくとも一つ以上の部品の上面に軟質層9が設けられていればよい。なお、各部品4,7,8において最も面積が広く、ハウジング302との距離が近い各部品4,7,8の上面に軟質層9を設けることで、硬質層10で伝達抑制しきれなかったハウジング302の収縮歪みを、軟質層9で効率的に緩和できる。
In FIG. 8, as an example, the
その後、硬質層10を設ける。図9は、硬質層10の設置後の基板1のおもて面1aを見た図である。硬質層10は、マイコン4、電子部品8、および軟質層9を覆うように設けられている。すなわち、硬質層10は、軟質層9上、軟質層9が設けられていない、マイコン4および電子部品8の周側面上、マイコン4および電子部品8が搭載されていない基板1の表面1a上全体に設けられている。硬質層10は、基板1のマイコン4および電子部品8が配置されていない部分では厚く形成され、その上面がほぼ平坦面に形成されている。流量検出部3は、測定するうえで露出させる必要があるため、硬質層10で覆わない。硬質層10は、軟質層9の場合と同様に、たとえば紫外線硬化樹脂を紫外線で硬化させる方法や、ホットメルトモールディング、3Dプリンタによって形成する方法など、様々な方法を用いて設けることができる。
Thereafter, the
本実施の形態では、基板1のおもて面1aのみに、マイコン4や制御回路7、電子部品8を実装しているので、基板1のおもて面1aのみに、軟質層9および硬質層10を設けている。なお、裏面1bにも電子部品等を実装することで両面実装とした場合には、ハウジング302の裏面部307で覆われる裏面1bの電子部品等にも軟質層9を設け、さらに硬質層10で覆ってもよい。ただし、圧力センサ5と湿度センサ6はセンシング上露出させる必要があるため、硬質層10で覆わない。また、基板側接続部12は、樹脂モールドによるハウジング302の形成後に、コネクタ側接続部11とワイヤ13で接続するので、硬質層10で覆わない。
In the present embodiment, since the
硬質層10を設けた後、たとえば、射出成形用の金型に基板1をセットして、射出成形を行うことで、図3,4に示すようにハウジング302が形成される。その後、コネクタ側接続部11と基板側接続部12とをワイヤ13で接続したり、表カバー303、および裏カバー304をハウジング302に、たとえばレーザ照射により溶着するなどして、流量センサ300を完成させる。
After providing the
本実施の形態の流量センサ300では、次の作用効果を奏する。
(1) 基板1に実装された各部品4,7,8の上面を軟質層9で覆うとともに、軟質層9とハウジング302との間に硬質層10が介在するように構成した。これにより、射出成形時に流動するハウジング樹脂から受ける抵抗力や、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を硬質層10が抑制し、硬質層10で抑制し切れなかったハウジング樹脂の収縮歪みを軟質層9が変形して吸収する。したがって、ハウジング302の成形時や、ハウジング302成形後に各部品4,7,8に作用する外力を抑制できるので、流量センサ300の検出精度低下を防止しつつ、流量センサ300のコストダウンを図れる。
The
(1) The upper surfaces of the
また、ハウジング302と各部品4,7,8との間に軟質層9と硬質層10とが介在するので、ハウジング302を熱可塑性樹脂で成形する際の各部品4,7,8への熱伝達を抑制でき、半田接続部の耐久性の低下を防止して、流量センサ300の耐久性を向上できる。
In addition, since the
(2) 硬質層10が基板1と直接接触して基板1を覆うので、硬質層10の剛性が基板1の剛性で補強されて、ハウジング樹脂の収縮歪みが各部品4,7,8に伝達されるのを効率的に抑制できる。したがって、硬質層10の体積を抑制でき、流量センサ300のコストダウンに寄与する。
(2) Since the
(3) 硬質層10の弾性係数がハウジング302の弾性係数よりも高く、軟質層9の弾性係数がハウジング302の弾性係数よりも低くなるように構成することで、ハウジング302の成形時や、ハウジング302成形後に各部品4,7,8に作用する外力を効率的に抑制できるので、流量センサ300の精度低下を防止しつつ、流量センサ300のコストダウンを図れる。
(3) The elastic coefficient of the
(4) センシング上露出していなければならない流量検出部3、圧力センサ5、湿度センサ6が露出するように、軟質層9、硬質層10およびハウジング302を設けるように構成した。これにより、保護が必要な部分を確実に保護できるので、流量センサ300の信頼性を向上できる。
(4) The
(5) 基板1上に電子部品を高密度で実装すると、基板1上を電子部品が占有するため、ハウジング302を射出成形する際の金型への固定部分の確保が困難となる。そこで、上述したように、基板1上の電子部品を軟質層9および硬質層10で覆うことで、基板1上に電子部品が高密度で実装されていても、軟質層9および硬質層10の上から金型を接触させて基板1を固定できる。これにより、電子部品が高密度で実装された基板1に対して、ハウジング302を射出成形等によって形成できるので、流量センサ300の高性能化とコストダウンとを両立できる。
(5) When electronic components are mounted on the
−−−第2の実施の形態−−−
図10,11を参照して、本発明によるセンサ装置の第2の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、軟質層9が各部品4,7,8の上面だけでなく、側面も覆う点で、第1の実施の形態と異なる。
--- Second Embodiment ---
A second embodiment of the sensor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first embodiment. This embodiment is different from the first embodiment mainly in that the
図10,11は、それぞれ、第1の実施の形態における図7に相当する図であり、図3のA−A矢視断面図に相当する模式的な図である。図10,11に示すように、第2の実施の形態では、マイコン4、電子部品8、および図10,11で不図示の制御回路7の上面と側面とが軟質層9で覆われている。すなわち、本実施の形態では、各部品4,7,8は、基板1のおもて面1aと向かい合っている面以外が全て軟質層9で覆われている。
10 and 11 are diagrams corresponding to FIG. 7 in the first embodiment, and are schematic views corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3. As shown in FIGS. 10 and 11, in the second embodiment, the upper surface and side surfaces of the
図10に示す例では、軟質層9は、各部品4,7,8を個別に覆っていて、隣り合う部品同士の間の基板1のおもて面1aには、軟質層9で覆われておらず、硬質層10が接触している。図11に示す例では、軟質層9は、各部品4,7,8のうち、最も厚い部品に合せて、一様の厚さで各部品4,7,8、および、隣り合う部品同士の間の基板1のおもて面1aを覆っている。
In the example shown in FIG. 10, the
第2の実施の形態の流量センサ300では、第1の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
(1) 各部品4,7,8の上面と側面を軟質層9で覆うように構成した。これにより、各部品4,7,8が硬質層10に直接接触しなくなるので、ハウジング302の成形時や、ハウジング302成形後に各部品4,7,8に作用する外力を効率的に抑制できる。したがって、流量センサ300の精度低下を防止しつつ、流量センサ300のコストダウンを図れる。
The
(1) The upper surface and the side surface of each
(2) 図10に示すように、各部品4,7,8を個別に軟質層9で覆い、隣り合う部品同士の間の基板1のおもて面1aに硬質層10が接触するように構成することで、硬質層10の剛性が基板1の剛性で補強される。これにより、ハウジング樹脂の収縮歪みが各部品4,7,8に伝達されるのを効率的に抑制でき、硬質層10の体積を抑制できるので、流量センサ300のコストダウンに寄与する。
(2) As shown in FIG. 10, each
(3) 図11に示すように、各部品4,7,8のうち、最も厚い部品に合せて、一様の厚さで各部品4,7,8、および、隣り合う部品同士の間の基板1のおもて面1aを軟質層9で覆うように構成することで、軟質層9の設置が容易になる。これにより、軟質層9の設置に係るコストを抑制でき、流量センサ300のコストダウンに寄与する。
(3) As shown in FIG. 11, in accordance with the thickest part among the
−−−第3の実施の形態−−−
図12,13を参照して、本発明によるセンサ装置の第3の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1または第2の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1または第2の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、ハウジング302の樹脂によるモールド領域が第1および第2の実施の形態と異なる。
--- Third embodiment ---
A third embodiment of the sensor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same components as those in the first or second embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first or second embodiment. In the present embodiment, the mold region of the
図12,13は、それぞれ第1の実施の形態における図7に相当する図であり、図3のA−A矢視断面図に相当する模式的な図である。図12,13に示すように、第3の実施の形態では、基板1を上方から見たときに、各部品4,7,8の実装領域と重なる領域にハウジング302の樹脂が存在せず、硬質層10が露出している。すなわち、本実施の形態では、各部品4,7,8の上方には、軟質層9と硬質層10とが設けられているが、ハウジング302の樹脂が存在しない。ハウジング302は、少なくとも基板1のX方向の両脇に設けられる。
12 and 13 are diagrams corresponding to FIG. 7 in the first embodiment, and are schematic views corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3. As shown in FIGS. 12 and 13, in the third embodiment, when the
各部品4,7,8の上方のハウジング302の樹脂量が多いほど、また、各部品4,7,8の上方のハウジング302との距離が近いほど、各部品4,7,8はハウジング302成形時の樹脂収縮力を受けやすい。このため、本実施の形態のように各部品4,7,8の上方にハウジング302を形成しなければ、上述した樹脂収縮力の各部品4,7,8への影響を低減できる。なお、図12に示すように、ハウジング302の樹脂が基板1の周縁だけに存在するようにハウジング302を構成してもよく、図13に示すように、隣り合う部品同士の間の上方にもハウジング302の樹脂が存在するようにハウジング302を構成してもよい。
As the amount of resin in the
なお、図12,13に示した軟質層9および硬質層10の構造は、第2の実施の形態における図11に示した構造と同じであるが、第2の実施の形態における図10に示した構造と同じ構造としてもよい。
The structure of the
基板1のおもて面1aに実装されている全ての部品4,7,8の上方にハウジング302の樹脂が存在しないように構成すると、部品4,7,8が高密度に実装されている場合には、基板1とハウジング302との接合領域の確保が困難になる。そこで、上述した樹脂収縮力に対する感度が高い部品や、部品自体が大きく、部品自体や半田接合部への影響が大きくなる部品(例えばマイコン4や制御回路7など)に対して、優先的に部品の上方にハウジング302の樹脂を設けない上述した構造とすればよい。これにより、主要部品に対する上述した樹脂収縮力の影響の低減と、ハウジング302の固定領域確保の両立が可能である。
If the resin of the
第3の実施の形態の流量センサ300では、第1および第2の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
(1) 基板1を各部品4,7,8の上方から見たときに、各部品4,7,8が存在する領域には、ハウジング302の樹脂が存在しないようにハウジング302を構成した。これにより、ハウジング302の成形時や、ハウジング302成形後に各部品4,7,8に作用する外力を効率的に抑制できので、流量センサ300の精度低下を防止しつつ、流量センサ300のコストダウンを図れる。
The
(1) When the
(2) ハウジング302の樹脂の使用量を減らすことができるので、流量センサ300を軽量化できる。
(2) Since the amount of resin used in the
−−−第4の実施の形態−−−
図14を参照して、本発明によるセンサ装置の第4の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1〜第3の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1〜第3の実施の形態と同じである。本実施の形態では主に、基板1を上方から見たときに、各部品4,7,8の実装領域と重なる領域のハウジング302の厚さが他の領域よりも薄い点で、第1〜第3の実施の形態と異なる。
--- Fourth embodiment ---
A fourth embodiment of the sensor device according to the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first to third embodiments. In the present embodiment, when the
図14は、第1の実施の形態における図7に相当する図であり、図3のA−A矢視断面図に相当する模式的な図である。図14に示すように、第4の実施の形態では、基板1を上方から見たときに、各部品4,7,8の実装領域と重なる領域のハウジング302の厚さが、他の領域よりも薄い。
14 is a diagram corresponding to FIG. 7 in the first embodiment, and is a schematic diagram corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3. As shown in FIG. 14, in the fourth embodiment, when the
たとえば、上述した第3の実施の形態では、ハウジング302を形成する際に、基板1が金型にセットされて挟持されるが、最外層となる硬質層10の上面が金型と当接する。基盤1、軟質層9および硬質層10には寸法公差が存在し、上述した第3の実施の形態では、ハウジング302を形成する際に用いられる金型は、基盤1、軟質層9および硬質層10の厚さが最も小さくなる寸法に合わせて製作される。そのため、基盤1や軟質層9、硬質層10の厚さがそれぞれ寸法公差内であっても、金型に挟持される部分の厚さが金型の寸法よりも厚くなることがある。そのため、基板1が金型に挟持されたときに、各部品4,7,8に圧縮力が不所望に作用するおそれがある。
For example, in the third embodiment described above, when the
そこで、本実施の形態でハウジング302を形成する際に用いられる金型は、基板1を挟持したときに、最外層の硬質層10との間に隙間ができるように構成されている。このように金型を構成することで、基板1が金型に挟持されても、各部品4,7,8に不所望な圧縮力が作用するおそれがない。この金型を用いてハウジング302を形成すると、図14に示すように、各部品4,7,8の実装領域と重なる領域にも厚さが薄いハウジング302が形成されるが、厚さが薄いため、ハウジング302成形時の樹脂収縮力の影響は、上述した第1および第2の実施の形態よりも小さい。
Therefore, the mold used when forming the
第4の実施の形態の流量センサ300では、第1〜第3の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
(1) 基板1を各部品4,7,8の上方から見たときに、各部品4,7,8が存在する領域では、他の領域に比べてハウジング302の樹脂の厚さが薄くなるようにハウジング302を構成した。これにより、ハウジング302の成形時や、ハウジング302成形後に各部品4,7,8に作用する外力を効率的に抑制できので、流量センサ300の精度低下を防止しつつ、流量センサ300のコストダウンを図れる。
The
(1) When the
(2) ハウジング302形成用の金型に、基板1を挟持したときに、最外層の硬質層10との間に隙間ができるように構成された金型を用いることができるので、金型の寸法精度を必要以上に上げなくても済むため、金型のコストを抑制でき、流量センサ300のコストダウンを図れる。
(2) When the
−−−第5の実施の形態−−−
図15,16を参照して、本発明によるセンサ装置の第5の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1〜第4の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1〜第4の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、基板1のおもて面1aに溝14を設け、この溝14にも軟質層9または硬質層10が設けられるように構成した点で、第1〜第4の実施の形態と異なる。
--- Fifth embodiment ---
A fifth embodiment of the sensor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first to fourth embodiments. In the present embodiment, the first to fourth points are mainly configured in such a manner that a
図15,16は、それぞれ第1の実施の形態における図7に相当する図であり、図3のA−A矢視断面図に相当する模式的な図である。図15,16に示すように、第5の実施の形態では、基板1のおもて面1aに溝14が設けられている。図15に示す例では、軟質層9が溝14にも形成されているので、アンカー効果により、基板1と軟質層9との接合強度が向上する。図16に示す例では、硬質層10が溝14にも形成されているので、アンカー効果により、基板1と硬質層10との接合強度が向上する。
FIGS. 15 and 16 are diagrams corresponding to FIG. 7 in the first embodiment, and are schematic views corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3. As shown in FIGS. 15 and 16, in the fifth embodiment, a
第5の実施の形態の流量センサ300では、第1〜第4の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。すなわち、基板1のおもて面1aに溝14を設け、この溝14にも軟質層9または硬質層10が設けられるように構成したので、たとえば、射出成形などでハウジング302の樹脂をモールドする際の高圧の射出圧が作用しても、軟質層9や硬質層10が基板1から外れることがない。したがって、流量センサ300の信頼性を向上できる。
The
−−−各実施の形態の効果について−−−
以下、一例として、図11に示した第2の実施の形態、および、図12に示した第3の実施の形態における、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果と、射出成形時の熱伝達抑制効果について、所定のモデルを用いて解析的に求めた結果を説明する。なお本解析ではコンピュータでのシミュレーションソフトウェアで公知の樹脂成形解析手法などを用いた処理により解析した。
--- About effects of each embodiment ---
Hereinafter, as an example, in the second embodiment shown in FIG. 11 and the third embodiment shown in FIG. 12, the effect of suppressing the shrinkage distortion of the housing resin and the heat transfer during injection molding are suppressed. About the effect, the result calculated | required analytically using the predetermined model is demonstrated. In this analysis, analysis was performed by a computer simulation software using a known resin molding analysis method.
図17は、軟質層9および硬質層10が設けられていない従来構造例における解析モデルを示す図である。図17において、16は基板の領域を示し、15はマイコンや制御回路などの電子部品の領域を示し、17はハウジングの領域を示す。一例として、図17に示すように、基板の領域16の厚さを0.5mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。電子部品の領域15の厚さを0.5mm、X方向の幅を3.0mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく3.0mmとした。電子部品の領域15は基板の領域16の中心に設置した。ハウジングの領域17の厚さを1.5mm、X方向の幅を15.0mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。ただし、電子部品の領域15と重なる領域はハウジングの領域17から除いた。
FIG. 17 is a diagram illustrating an analysis model in a conventional structure example in which the
図18は、図11に示した第2の実施の形態における解析モデルを示す図である。本解析モデルでは、図18に示すように、基板の領域16、マイコンや制御回路などの電子部品の領域15、ハウジングの領域17に加えて、軟質層の領域18、硬質層の領域19を設定する。基板の領域16および電子部品の領域15は従来構造例における解析モデルと同じく設定した。基板の領域16のZ方向上側のXY平面および電子部品の領域15の周囲に軟質層の領域18を設置し、その厚さを0.7mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。ただし、電子部品の領域15と重なる領域は軟質層の領域18から除いた。
FIG. 18 is a diagram showing an analysis model in the second embodiment shown in FIG. In this analysis model, a
さらに軟質層の領域18のZ方向上側のXY平面に硬質層の領域19を設置し、その厚さを0.3mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。さらに硬質層の領域19のZ方向上側のXY平面にハウジングの領域17を設置し、その厚さを0.5mmとして、基板の領域16のZ方向上側のXY平面からハウジングの領域17のZ方向上側のXY平面の距離が図17に示す従来構造例の解析モデルと同じ1.5mmとなるようにした。ハウジングの領域17のX方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。
Further, a
図19は、図12に示した第3の実施の形態における解析モデルを示す図である。本解析モデルでは、ハウジングの領域17を除いて、図18に示した、第2の実施の形態の図11における解析モデルと同じ構成である。ハウジングの領域17は電子部品の領域15の上部の領域を除いて設置した。
FIG. 19 is a diagram showing an analysis model in the third embodiment shown in FIG. This analysis model has the same configuration as the analysis model in FIG. 11 of the second embodiment shown in FIG. 18 except for the
物性データとして、基板の領域16には、一例としてプリント基板を想定し、弾性係数20GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数12.0×10-6、熱伝導率0.62W/mK、比熱950J/kgK、密度2000kg/m3を入力した。電子部品の領域15には、一例としてシリコンチップを想定し、弾性係数188GPa、ポアソン比0.18、線膨張係数2.3×10-6、熱伝導率150W/mK、比熱712J/kgK、密度2330kg/m3を入力した。軟質層の領域18には、一例としてウレタンを想定し、弾性係数0.2GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数200×10-6、熱伝導率0.15W/mK、比熱1900J/kgK、密度1180kg/m3を入力した。
As physical property data, a printed circuit board is assumed as an example in the
硬質層の領域19には、一例としてガラスフィラー入りのエポキシ樹脂を想定し、弾性係数27GPa、ポアソン比0.3、線膨張係数8.0×10-6、熱伝導率0.3W/mK、比熱1100J/kgK、密度1850kg/m3を入力した。ハウジングの領域17には、一例としてガラスフィラー入りのポリブチレンテレフタラート(PBT)を想定し、弾性係数7.4GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数50×10-6、熱伝導率0.3W/mK、比熱1200J/kgK、密度1300kg/m3を入力した。
As an example, the
解析条件として、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果に関する解析では、ハウジング樹脂の領域に温度変化ΔT=-170℃の熱収縮荷重を与え、図17〜19に示すように中心軸上の基板下面を拘束点とした。一方、射出成形時の熱伝達抑制効果に関する電子部品境界面の温度の解析では、ハウジング樹脂の領域の初期温度を樹脂溶解温度の250℃とし、基板の領域の下面の温度が金型温度の80℃となるように温度境界を設定した。 As an analysis condition, in the analysis related to the effect of suppressing the transmission of shrinkage strain of the housing resin, a heat shrinkage load having a temperature change ΔT = −170 ° C. is applied to the region of the housing resin, and the lower surface of the substrate on the central axis as shown in FIGS. Was defined as the restraint point. On the other hand, in the analysis of the temperature of the electronic component boundary surface regarding the heat transfer suppression effect at the time of injection molding, the initial temperature of the housing resin region is set to 250 ° C. of the resin melting temperature, and the temperature of the lower surface of the substrate region is The temperature boundary was set to be ℃.
図20は、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果に関する解析を示すグラフである。図20に示すように、(a)従来構造例に比べて、(b)実施の形態2のように電子部品の周囲に軟質層、さらにその周囲に硬質層を設けた場合、電子部品に負荷する応力の低減効果は-68%となった。(b)実施の形態2からさらにXY平面上で電子部品と重なる領域を除いたハウジング構造とした(c) 実施の形態3の場合、(a)従来構造例に比べて、電子部品に負荷する応力の低減効果は-79%となった。 FIG. 20 is a graph showing an analysis regarding the effect of suppressing the shrinkage strain of the housing resin. As shown in FIG. 20, (a) as compared with the conventional structure example, (b) when a soft layer and a hard layer are provided around the electronic component as in the second embodiment, the load is applied to the electronic component. The stress reduction effect is -68%. (B) A housing structure in which an area overlapping with an electronic component on the XY plane is removed from the second embodiment. (C) In the case of the third embodiment, (a) Compared to the conventional structure example, the electronic component is loaded. The stress reduction effect was -79%.
図21は、射出成形時の熱伝達抑制効果に関する電子部品境界面の温度の解析結果を示すグラフである。図21では電子部品境界面の最高到達温度を縦軸に取り、評価した。図21に示すように、(a)従来構造例では、ハウジング樹脂が直接半田と接触するため、電子部品境界面の最高到達温度は溶解樹脂温度同じ250℃となった。一方、(b)実施の形態2および(c)実施の形態3はハウジング樹脂と電子部品の間に熱伝導率の低い軟質層および硬質層を挟むことによって、それぞれの電子部品境界面の最高到達温度は101℃と91℃となり、半田の溶解温度220〜260℃に対し、十分低い結果となり、半田への熱的負荷も低減可能である。
FIG. 21 is a graph showing the analysis result of the temperature of the electronic component boundary surface related to the effect of suppressing heat transfer during injection molding. In FIG. 21, the highest achieved temperature at the electronic component boundary surface is plotted on the vertical axis and evaluated. As shown in FIG. 21, (a) in the conventional structure example, since the housing resin is in direct contact with the solder, the maximum temperature reached at the electronic component interface is 250 ° C., the same as the melting resin temperature. On the other hand, in (b) Embodiment 2 and (c)
以上、本発明者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言うまでもない。本発明は、センサ装置の構造として、流量検出部や制御回路部、圧力センサ、湿度センサ、マイクロコンピュータ(マイコン)などの電子部品を実装した基板をハウジング(筐体)に接合する構造に関して適用可能である。例えば、流量センサに限らず、同様のモジュール構造を採る他の種類のセンサ装置にも適用可能である。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say. The present invention can be applied to the structure of a sensor device in which a substrate on which electronic components such as a flow rate detection unit, a control circuit unit, a pressure sensor, a humidity sensor, and a microcomputer are mounted is joined to a housing (housing). It is. For example, the present invention can be applied not only to the flow rate sensor but also to other types of sensor devices that adopt a similar module structure.
なお、上述の説明では、ハウジング302の樹脂が、少なくとも一部で基板1と直接接触しているが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図22に示すように、ハウジング302の樹脂と基板1との間に硬質層10が介在して、ハウジング302の樹脂が基板1と直接接触していなくてもよい。
上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。
In the above description, the resin of the
The above-described embodiments and modifications may be combined.
1 基板、3 流量検出部、4 マイコン、5 圧力センサ、6 湿度センサ、7 制御回路、8 電子部品、9 軟質層、10 硬質層、300 流量センサ、301 筐体、302 ハウジング、310 計測部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板を覆う樹脂製ハウジングと、
前記基板に実装された前記電子部品の少なくとも上面を覆う軟質層と、
前記軟質層と前記樹脂製ハウジングとの間に介在する硬質層とを備え、
前記樹脂製ハウジングは、少なくとも前記硬質層の一部で前記硬質層と一体化され、かつ、前記流量検出部を露出するセンサ装置。 A substrate on which electronic components constituting a flow rate detection unit and a control circuit for controlling the flow rate detection unit are mounted;
A resin housing covering the substrate;
A soft layer covering at least the upper surface of the electronic component mounted on the substrate;
A hard layer interposed between the soft layer and the resin housing;
The resin housing is a sensor device in which at least a part of the hard layer is integrated with the hard layer and exposes the flow rate detection unit.
前記軟質層は、前記電子部品の表面のうち、前記基板と対向する面を除く他の面を全て覆うセンサ装置。 The sensor device according to claim 1,
The said soft layer is a sensor apparatus which covers all the surfaces other than the surface which opposes the said board | substrate among the surfaces of the said electronic component.
前記電子部品は、前記基板の両面のうち、一方の面に実装され、
前記硬質層は、前記基板の前記一方の面のうち、前記軟質層で覆われていない部分で前記基板の前記一方の面に接触しているセンサ装置。 The sensor device according to claim 1 or 2,
The electronic component is mounted on one side of both sides of the substrate,
The hard layer is a sensor device that is in contact with the one surface of the substrate at a portion of the one surface of the substrate that is not covered with the soft layer.
前記電子部品は、前記基板の両面のうち、一方の面に実装され、
前記軟質層は、前記基板の前記一方の面を全て覆うセンサ装置。 The sensor device according to claim 2,
The electronic component is mounted on one side of both sides of the substrate,
The soft layer is a sensor device that covers all of the one surface of the substrate.
前記基板を前記電子部品の上方から見たときに、前記電子部品が存在する領域には、前記樹脂製ハウジングが設けられていないセンサ装置。 The sensor device according to claim 1,
A sensor device in which the resin housing is not provided in a region where the electronic component is present when the substrate is viewed from above the electronic component.
前記基板を前記電子部品の上方から見たときに、前記電子部品が存在する領域は、他の領域よりも前記樹脂製ハウジングの厚さが薄いセンサ装置。 The sensor device according to claim 1,
When the substrate is viewed from above the electronic component, the region where the electronic component is present is a sensor device in which the resin housing is thinner than the other regions.
前記基板は、前記一方の面に形成された溝を有し、
前記軟質層および前記硬質層の少なくともいずれか一方は、前記溝にも形成されているセンサ装置。 In the sensor device according to any one of claims 1 to 6,
The substrate has a groove formed on the one surface;
A sensor device in which at least one of the soft layer and the hard layer is also formed in the groove.
前記基板には、被検出流体の圧力を検出する圧力センサと、前記被検出流体の湿度を検出する湿度センサがさらに実装され、
前記圧力センサおよび前記湿度センサは、露出しているセンサ装置。 In the sensor device according to any one of claims 1 to 6,
A pressure sensor for detecting the pressure of the fluid to be detected and a humidity sensor for detecting the humidity of the fluid to be detected are further mounted on the substrate.
The pressure sensor and the humidity sensor are exposed sensor devices.
前記軟質層の弾性係数は、前記樹脂製ハウジングの弾性係数よりも低く、
前記硬質層の弾性係数は、前記樹脂製ハウジングの弾性係数よりも高いセンサ装置。 In the sensor device according to any one of claims 1 to 6,
The elastic modulus of the soft layer is lower than the elastic modulus of the resin housing,
A sensor device in which an elastic coefficient of the hard layer is higher than an elastic coefficient of the resin housing.
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Legal Events
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