JP2019174122A - 圧電振動センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動導入体内外の部品を同時に実装して、実装コストを抑制することができ、電磁気シールド効果も良好な圧電振動センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】 振動導入体１００は、本体リング１１０を、上述した圧電素子３０を囲むように基板２０上に取り付け、圧電素子３０と本体リング１１０のハンダ付けを、リフロー処理により同時に行う。このとき、本体リング１１０に開口１１４や係合穴１１８が形成されているため、熱が内部にも良好に伝達されるようになり、リフロー温度を上げることなく、本体リング１１０と圧電素子３０のリフロー処理を同時に行うことができるようになる。更に、本体リング１１０に対してキャップ１２０を被せて、本体リング１１０の開口１１４や係合穴１１８がキャップ１２０によって塞ぐことで、外部ノイズが良好に遮断される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を利用した圧電振動センサ及びその製造方法に関し、例えば、脈拍などの各種の振動波形の検出に好適な振動波形センサ及びその製造方法の改良に関する。

脈拍の連続測定による健康管理に関するセンサデバイスの中で、圧電素子を利用した振動波形センサが考案されている。これを指先に巻き付けて使用し、指先の動脈血管壁からの振動を脈波として捉えて医療的診療に応用する例が、下記特許文献１に開示されている。

図５には、その基本的な構成が示されており、同図(A)はセンサモジュール１０の断面を示し、同図(B)は分解した様子を示し、同図(C)は底面側から見た様子を示している。これらの図において、センサモジュール１０は、基板２０の主面上に圧電素子３０が配置されており、この圧電素子３０を振動リング４０で覆った構造となっている。

以上の各部のうち、基板２０は、圧電素子３０を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのものである。基板２０の主面には、中央付近に一対の電極ランド２２，２３が設けられており、その周囲にはグランド導体２４が形成されている。電極ランド２２，２３は、基板２０の裏面側にスルーホール２２Ａ，２３Ａによって引き出されている。電極ランド２２，２３には、圧電素子３０の端子（図示せず）が導電性接着剤などで接合されている。このように、電極ランド２２，２３及びスルーホール２２Ａ，２３Ａによって、基板２０の裏面側に設けられたアンプなどと圧電素子３０とが接続されている。電極ランド２２，２３を覆うように絶縁性の樹脂を設けてもよいし、更に圧電素子３０も樹脂で覆ってよい。

次に、前記圧電素子３０には、それを囲むように振動リング４０が設けられており、振動リング４０はグランド導体２４と電気的に接合している。また、グランド導体２４は、スルーホール２４Ａ，２４Ｂ（図５(A)のみ図示）によって基板２０の裏面側に引き出されている。振動リング４０は、例えばステンレスによって形成されて導電性を有しており、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通にするとともに、生体、例えば皮膚の微小振動を導入して、更に基板２０に伝達する振動導入体として機能する。皮膚の微小振動は、振動リング４０に伝達されるとともに、振動リング４０から基板２０に伝達される。基板２０は振動体としても機能し、振動リング４０から伝達された微小振動は圧電素子３０に伝達される。これにより、例えば皮膚の微小振動が電圧信号として検出される。

以上のような圧電方式の振動センサは、振動リング４０がハムノイズなどの環境電磁ノイズの影響を受けることがあるので、それを改善するために電磁的にシールドを施した構造が、下記特許文献２に提案されている。図５(B-1)には電磁シールド構造の振動リング４１が示されており、リング部４１Ａと、該リング部４１Ａの高さ方向のほぼ中央部に設けられた略円板状の被覆部４１Ｂとによって構成されている。すなわち、振動リング４１は、同図(B-2)に断面を示すように、略Ｈ型となっている。

国際公開WO 2016/167202 国際公開WO 2017/187710

しかしながら、上述した振動リングを持つ構造のセンサモジュールを、通常の基板作成工程で使われるリフローハンダ付け工程によって製造する場合、振動リングは他の部品に比べて大型で熱容量が大きく、特にＨ型の振動リングの場合はシールド構造のために周囲への熱伝導が遮断されてしまうため、リフロー時の温度を上げないとハンダ付けを良好に行うことが困難となる。このため、上述した従来構造では、次のような問題点が生ずる。
ａ，リフロー温度を上げると、圧電素子に対していわゆる分極破壊が生じ、センサとしての機能を果たさなくなってしまう。このため、圧電素子に比較的高いキュリー温度が要求されることになる。また、リフロー温度を上げることで、他の部品についても同様に損傷する恐れがあり、歩留まり低下の原因となる。
ｂ，振動リングと圧電素子などの他の部品とを同時に実装することができず、実装工程の工数を増やす、あるいは手間のかかる手実装を導入せざるを得ず、実装工程が複雑化し、高コストの要因となる。

本発明は、かかる点に着目したもので、振動リング内外の部品を同時にリフロー実装して、実装コストを抑制することができ、電磁気シールド効果も良好な圧電振動センサ及びその製造方法を提供することを、その目的とする。

本発明の圧電振動センサは、回路基板と、該回路基板に設けられ、前記回路基板の振動を連続して測定して振動波形を得る圧電素子と、対象物に接触してその振動を前記回路基板に伝達する振動導入体とを有する圧電振動センサであって、前記振動導入体を、開口を備えており、前記回路基板の圧電素子の周囲にリフロー処理によりハンダ付けされる本体と、該本体に被せられて、前記開口を覆うキャップと、によって構成したことを特徴とする。

主要な形態の一つによれば、前記開口を、前記本体の頂面に形成したことを特徴とする。他の形態によれば、前記開口にブリッジを設けたことを特徴とする。他の形態によれば、前記本体と前記キャップとを係合する係合手段を設けたことを特徴とする。更に他の形態によれば、前記係合手段は、前記本体外側に形成した係合穴と、前記キャップ内側に形成した突起であることを特徴とする。更に他の形態によれば、前記本体の一部を、前記回路基板に対してハンダ付けしたことを特徴とする。

本発明の圧電振動センサの製造方法は、前記回路基板に対する前記圧電素子のリフロー処理によるハンダ付けと、前記回路基板に対する前記振動導入体の本体のリフロー処理によるハンダ付けを、同時に行う工程と、前記振動導入体の本体に、前記キャップを被せて係合する工程と、を含むことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、振動導入体の本体に開口を設けてリフロー処理を行うとともに、前記本体に開口を塞ぐキャップを被せることとしたので、本体内外の部品を同時にリフロー実装して、実装コストを抑制することができ、キャップにより良好な電磁気シールド効果も得ることができる。

本発明の振動導入体の実施例を示す図である。 本発明の圧電振動センサのリフロー処理工程の実施例を示す図である。 前記リフロー処理工程の他のハンダ載せ形態を示す図である。 本発明の振動導入体の本体の他の実施例を示す図である。 従来の振動導入体の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１を参照しながら、本発明の振動導入体（振動リング）の実施例について説明する。同図(A)は斜視図であり、同図(B)は(A)の#B1線，#B2線に沿って矢印方向に見た主要断面図であり、同図(C)は組み立てた状態の断面図である。これらの図において、振動導入体１００は、本体リング１１０と、キャップ１２０とによって構成されており、本体リング１１０にキャップ１２０を被せるようになっている。本体リング１１０及びキャップ１２０は、金属製の素材、例えばステンレスによって形成される。

これらのうち、本体リング１１０は、裾から頂に向かって縮径するテーパ形状となっており、裾にはフランジ１１２が設けられており、頂面には開口１１４とブリッジ１１６が形成されており、側面には一対の係合穴１１８が対称となる位置に設けられている。一方、キャップ１２０は、裾にフランジ１２２が設けられており、頂面には外周にリブ１２４が設けられている。側面内側には、一対の突起１２８が対称となる位置に設けられている。

以上の各部のうち、本体リング１１０のフランジ１１２は、本体リング１１０を基板２０のグランド導体２４に接合するためのものである。開口１１４は、リフロー時に熱が本体リング１１０内に伝達されるようにするために形成されている。ブリッジ１１６は、本体リング１１０を真空吸着して基板２０上に配置するために形成されている。キャップ１２０のリブ１２４は、対象物に接触して振動を検出するために設けられている。そして、本体リング１１０の係合穴１１８に、キャップ１２０の突起１２８が嵌まり込んで係合することで、本体リング１１０にキャップ１２０が被せられて固定されるようになっている。

次に、本実施例の振動導入体１００の作用を説明すると、振動導入体１００は、まず、本体リング１１０を、上述した圧電素子３０を囲むように基板２０上に取り付け、圧電素子３０と本体リング１１０のハンダ付けを、リフロー処理により同時に行う。このとき、特に上述した断面略Ｈ型の振動リング４１を用いると、熱が振動リング４１の内側に良好に伝達されない。しかし、本実施例によれば、本体リング１１０に開口１１４や係合穴１１８が形成されているため、熱が内部にも良好に伝達されるようになる。従って、リフロー温度を上げることなく、本体リング１１０と圧電素子３０のリフロー処理を同時に行うことができるようになる。

次に、本体リング１１０に対してキャップ１２０を被せ、本体リング１１０の係合穴１１８にキャップ１２０の突起１２８が嵌まり込むようにすることで、キャップ１２０を係合する。これにより、本体リング１１０の開口１１４や係合穴１１８がキャップ１２０によって塞がれるため、外部ノイズが良好に遮断される。

以上のように、本実施例によれば、次のような効果が得られる。
ａ，本体リング１１０に開口１１４を設けることとしたので、本体リング１１０と圧電素子３０の取り付け処理を同時に行うことができるようになる。
ｂ，本体リング１１０にキャップ１２０を被せることとしたので、良好な電磁気シールド効果を得ることができる。

次に、図２を参照しながら、上述した振動導入体１００を使用するリフロー工程の実施例について説明する。本実施例のセンサモジュール２００は、上述した背景技術と同様に、基板２０をベースに構成されている。基板２０は、圧電素子３０を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのもので、ガラスエポキシなどの樹脂材料やセラミックなどの硬質な材料によって形成されている。基板２０の主面には、中央付近に一対の電極ランド２２，２３が設けられており、その周囲にはグランド導体２４が形成されている。電極ランド２２，２３は、基板２０の裏面側にスルーホール２２Ａ，２３Ａによって引き出されている。

基板２０としては、例えば12mm角で厚さ1mmのガラスエポキシ基板を使用する。また、圧電素子３０としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を使用するが、特に材質は問わず、適切な感度（圧電定数や容量など）を持つもので、形状は用途に応じて0603から3216程度のものであればどのようなものでもよい。

まず、同図(A-1)に示すように、電極ランド２２，２３に導電性接着剤であるハンダ２０２，２０４を載せるとともに、同図(A-2)に示すように、グランド導体２４上にハンダ１３０を載せる。そして、ハンダ２０２，２０４に圧電素子３０の端子を置くとともに、ハンダ１３０に本体リング１１０のフランジ１１２が当たるように、本体リング１１０を置く。この状態でリフローの加熱を行うと、熱が本体リング１１０の開口１１４や係合穴１１８からリング内に侵入するようになり、ハンダ２０２，２０４，１３０がいずれも良好に溶けるようになり、圧電素子３０及び本体リング１１０のハンダ付けが行われる。

なお、基板２０の裏面側には、アンプなどの電子部品（前記先行技術文献参照）が同様にハンダ付けされ、これらは、電極ランド２２，２３及びスルーホール２２Ａ，２３Ａによって圧電素子３０と接続される。

次に、同図(C)に示すように、本体リング１１０にキャップ１２０を被せる。このとき、本体リング１１０の係合穴１１８にキャップ１２０の突起１２８が嵌まるようにすることで両者が係合し、同図(D-1)，(D-2)に示すように固定される。これにより、本体リング１１０の開口１１４や係合穴１１８がキャップ１２０で塞がれるようになり、これが電磁気シールドとして作用することで、ハムノイズなどの環境電磁ノイズの影響が低減されるようになる。

このようにして得たセンサモジュール２００は、同図(E)に示すように、人体の皮膚などの対象物５０に、キャップ１２０のリブ１２４が接するように取り付けられる。キャップ１２０及び本体リング１１０により構成された振動導入体１００は、導電性を有していることから、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通にするとともに、皮膚の微小振動を導入して基板２０に伝達する振動導入体として機能する。基板２０も振動体としても機能し、振動導入体１００から伝達された皮膚の微小振動は、基板２０を介して圧電素子３０に伝達される。これにより、皮膚の微小振動が電圧信号として検出され、計測機器に取り込まれる。

このようにして得た圧電振動センサと、従来の手動実装で製造した圧電振動センサとの特性を比較したところ、製造ばらつきの範囲内の特性差しか生じなかったことが確認されている。

以上のように、本実施例によれば、次のような効果が得られる。
ａ，本体リング１１０に開口１１４や係合穴１１８を設けることとしたので、リング内側も外側と同様に温度が上がるため、リング内側の部品を含めて一括でリフロー実装することができる。
ｂ，リフロー実装後にキャップ１２０を本体リング１１０に被せることとしたので、良好な電磁気シールド効果が得られる。なお、キャップ１２０を被せる工程は、最小限の工数と工程で済ませることができる。
ｃ，従って、実装コストを抑制することができ、安価に圧電振動センサを提供することができる。

次に、図３を参照しながら、本発明の実施例３について説明する。この実施例は、本体リング１１０に対するハンダの取り付け方の改良に関するものである。上述した図２(A-2)に示した例では、図３(A)に拡大して示すように、図の上下のグランド導体２４上にハンダ１３０が載せられている。このため、本体リング１１０ののフランジ１２２が全周に渡ってグランド導体２４に接合するわけではなく、一部が接合する。このように、ハンダの取り付け箇所を制限することで、圧電振動センサとしての感度の向上を図ることができる。図示の例では、本体リング１１０の全周のうち、２か所に形成されている。
ａ，ハンダ付けする方向は、圧電素子３０の外部電極を通る線と90度直交するＬＣ方向とする。
ｂ，取付け角度は、ＬＣを中心として、両方向にそれぞれ30度から45度（両方向合わせて60度から90度，全周に対して１２０度ないし１８０度）が好ましい。

図３(B)に示すように、本体リング１１０の全周の４か所にハンダ１３２を設けるようにしてもよいし、同図(C)に示すように、３か所にハンダ１３４を設けるようにしてもよい。。いずれにしても、ハンダの取付け角度は、本体リング１１０の全周の半分以下で実装強度が得られる範囲、例えば１２０度〜１８０度が好ましい。

次に、図４を参照しながら、本発明の実施例４について説明する。上述した実施例では、本体リング１１０のブリッジ１１６を一筋設けたが、図４(A)の本体リング３１０では、十字状にブリッジ３１６が形成されており、開口３１４は４つに分割されている。同図(B)の本体リング４１０では、Ｙ字状にブリッジ４１６が形成されており、開口４１４は３分割されている。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、圧電素子と本体リングを同時にリフロー処理によるハンダ付けを行う場合を示したが、他の部品を同時にハンダ付けすることを妨げるものではない。
(2)前記実施例では、本体リングやキャップをいずれも円形としたが、楕円形など、各種の形状としてよい。また、側面の傾斜の程度も、必要に応じて変更してよい。
(3)前記実施例では、キャップの頂面にリブを形成したが、平坦面とし、面全体として対象物に接触するようにしてもよい。
(4)本体リングとキャップを係合する係合手段としては、係合穴と突起の組み合わせが一般的であるが、各種の公知の係合構造としてよい。
(5)前記実施例では、本体リングの頂面に開口を設けたが、本体リングの側面に開口を設けるようにしてもよい。この場合でも、キャップによって開口が隠れるようにすれば、十分な電磁気シールド効果を得ることができる。
(6)前記実施例では、係合穴を本体リング側に設け、突起をキャップ側に設けたが、逆の構成であってもよい。しかし、本体リング側に係合穴を設けることで、熱が開口のみならず係合穴も通るようになるので、好都合である。

本発明によれば、振動導入体の本体に開口を設けてリフロー処理を行うとともに、前記本体に開口を塞ぐキャップを被せることとしたので、本体内外の部品を同時にリフロー実装して、実装コストを抑制することができ、キャップにより良好な電磁気シールド効果も得ることができ、圧電振動センサに好適である。

１０：センサモジュール
２０：基板
２２，２３：電極ランド
２２Ａ，２３Ａ：スルーホール
２４：グランド導体
２４Ａ，２４Ｂ：スルーホール
３０：圧電素子
４０：振動リング
４１：振動リング
４１Ａ：リング部
４１Ｂ：被覆部
５０：対象物
１００：振動導入体
１１０：本体リング
１１２：フランジ
１１４：開口
１１６：ブリッジ
１１８：係合穴
１２０：キャップ
１２２：フランジ
１２４：リブ
１２８：突起
１３０，１３２，１３４：ハンダ
２００：センサモジュール
２０２，２０４：ハンダ
３１０：本体リング
３１４：開口
３１６：ブリッジ
４１０：本体リング
４１４：開口
４１６：ブリッジ

Claims (7)

1. 回路基板と、
   該回路基板に設けられ、前記回路基板の振動を連続して測定して振動波形を得る圧電素子と、対象物に接触してその振動を前記回路基板に伝達する振動導入体とを有する圧電振動センサであって、
   前記振動導入体を、
   開口を備えており、前記回路基板の圧電素子の周囲にハンダ付けされる本体と、
   該本体に被せられて、前記開口を覆うキャップと、
   によって構成したことを特徴とする圧電振動センサ。
2. 前記開口を、前記本体の頂面に形成したことを特徴とする請求項１記載の圧電振動センサ。
3. 前記開口にブリッジを設けたことを特徴とする請求項２記載の圧電振動センサ。
4. 前記本体と前記キャップとを係合する係合手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電振動センサ。
5. 前記係合手段は、前記本体外側に形成した係合穴と、前記キャップ内側に形成した突起であることを特徴とする請求項４記載の圧電振動センサ。
6. 前記本体の一部を、前記回路基板に対してハンダ付けしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電振動センサ。
7. 請求項１記載の圧電振動センサの製造方法であって、
   前記回路基板に対する前記圧電素子のリフロー処理によるハンダ付けと、前記回路基板に対する前記振動導入体の本体のリフロー処理によるハンダ付けを、同時に行う工程と、
   前記振動導入体の本体に、前記キャップを被せて係合する工程と、
   を含むことを特徴とする圧電振動センサの製造方法。

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