JP2022008217A - 基板にセンサを取り付けるための取付けシステム、基板にセンサを取り付ける方法 - Google Patents

基板にセンサを取り付けるための取付けシステム、基板にセンサを取り付ける方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2022008217000001
【課題】基板にセンサを取り付けるための取付けシステムを提供する。
【解決手段】システムは、センサ（２０）を取り付けるように適合された接着材の第１の層（１１）と、基板（３０）を取り付けるように適合された接着材の第２の層（１２）とを備え、第１の層（１１）は第２の層（１２）に取り付けられ、第１の層（１１）は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて第２の層（１２）とは異なる。さらに、基板（３０）にセンサ（２０）を取り付ける方法が示されており、この方法は、センサ（２０）に接着材の第１の層（１１）を取り付けるステップと、基板（３０）に接着材の第２の層（１２）を取り付けるステップと、接着材の第１の層（１１）を接着材の第２の層（１２）に取り付けるステップとを含み、第１の層（１１）は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて第２の層（１２）とは異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板にセンサを取り付けるための取付けシステム、および基板にセンサを取り付ける方法に関する。
基板に取り付けられたセンサは、温度の変動にさらされた場合、破損を生じることが多い。
したがって、本発明の目的は、センサの破損のリスクが最小化または回避される解決策を提供することである。
この目的は、基板にセンサを取り付けるための取付けシステムによって実現され、このシステムは、センサを取り付けるように適合された接着材の第１の層と、基板を取り付けるように適合された接着材の第２の層とを備え、第１の層は第２の層に取り付けられ、第１の層は、弾性および硬度（硬さ、hardness）のうちの少なくとも１つにおいて第２の層とは異なる。
基板にセンサを取り付ける対応する方法は、センサに接着材の第１の層を取り付けるステップと、基板に接着材の第２の層を取り付けるステップと、接着材の第１の層を接着材の第２の層に取り付けるステップとを含み、第１の層は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて第２の層とは異なる。
弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおける差により、取付けシステムは、２つの面の熱膨張係数の差を補償しながら、それでもなお確実な取付けを可能にすることができる。
本発明による解決策は、以下のさらなる発展形態および有利な実施形態によってさらに改善することができ、これらの形態は、互いに独立しており、所望される場合は任意に組み合わせることができる。
第１の層は、弾性および／または硬度において、少なくとも３％、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、特に少なくとも２０％、とりわけ少なくとも４０％だけ、第２の層とは異なることができる。これは、補償効果を増大させ、したがってより安定したセンサアセンブリを提供するのに役立つ。特に弾性の場合、この差は、はるかに大きくすることができ、たとえば１００％より大きく、２００％より大きく、または１０００％より大きくすることができる。
有利な実施形態では、第１の層は、第２の層より高い硬度および／またはより低い弾性を有することができる。これは、センサが低い熱膨張係数を有するのに対して、基板が高い熱膨張係数を有するときに有用となることができる。
２つの異なる材料の連結を容易にするために、第１の層は、接着特性において第２の層とは異なることができる。第１の層のための接着機構は、第２の層のための接着機構とは異なることができる。可能な接着機構としては、機械的接着、たとえばポジティブロック、化学的結合、物理的結合、ファンデルワールス結合、静電結合、または拡散結合が挙げられる。
さらに、第１の層は、硬化特性において第２の層とは異なることができる。第１の層のための硬化機構は、第２の層のための硬化機構とは異なることができる。たとえば、一方の層、特に第２の層は、圧縮硬化機構を有することができ、他方の層は、光、加速、熱、または嫌気性の硬化機構を有することができる。
力を低く抑えるために、熱膨張が生じたとき、第１の層および第２の層のうちの少なくとも１つは、粘弾性を有することができる。粘弾性応答の粘性部分は、力を与えず、したがって取り付けられている材料に応力をかけない。
好ましくは、第１の層および第２の層のうちの少なくとも１つは可撓性を有する。これにより、その層が取り付けられる材料への適合を容易にすることができる。好ましくは、第２の層は、たとえば同じく可撓性を有しまたはより高い熱膨張係数を有する基板に適合するために、可撓性を有する。
第１の層および第２の層のうちの他方は、剛性を有することができる。これは、取付けシステムに機械的安定性を提供するのに役立つことができる。さらに、そのような剛性材料は、たとえば信号の伝送にとってより好適となることができ、またはより容易に取り付けることができる。
好ましい実施形態では、第１の層および第２の層のうちの一方は固体であり、他方の層は粘性または粘弾性を有する。これにより、補償効果と機械的安定性との間の良好な妥協が実現される。
好ましくは、第１の層は固体である。これは、センサを安定させるのにさらに役立つことができる。
粘性層の接着材は、べた付きまたは粘り気を有することができ、それにより良好な取付けを可能にしながら、補償効果を提供する。
固体層は、平滑にすることができ、特に平滑な表面に取り付けることができる。固体層は、シート状とすることができる。固体層は、一定の厚さを有することができる。
取付けシステムは、第１の層のうち、第２の層が取り付けられた面の反対に位置する面に、センサを取り付けるように適合させることができる。したがって、第１の層は、センサと第２の層との間に挟むことができる。この結果、小型の設計を得ることができる。
さらに、取付けシステムは、第２の層のうち、第１の層が取り付けられた面の反対に位置する面に、基板を取り付けるように適合させることができる。したがって、第２の層は、第１の層と基板との間に挟むことができる。この結果も、小型の設計を得ることができる。
一部取付け状態で、取付けシステムは、センサをさらに備えることができる。次いで、そのような取付けシステムをさらなる要素、特に基板に取り付けることができる。センサは特に、より高い硬度および／またはより低い弾性を有する層に取り付けることができる。
異なる一部取付け状態で、取付けシステムは、基板をさらに備えることができる。そのような取付けシステムは、次のステップでセンサに取り付けることができる。特に、基板は、より低い硬度および／またはより高い弾性を有する層に取り付けることができる。
好ましい実施形態では、センサアセンブリは、センサ、基板、および本発明による取付けシステムを備える。
センサは、圧電素子を備えることができる。そのような圧電素子は、壊れやすくもろい可能性がある。そのような場合、本発明の取付けシステムの使用が特に有利である。
センサは、超音波センサとすることができる。改善された熱性能に加えて、超音波センサはまた、本発明の取付けシステムによって少なくとも部分的に切り離すことができ、したがって超音波性能も改善される。
取付けおよび取外しの容易な繰返しを可能にするために、センサアセンブリは、取付けシステムとセンサとの間に位置する中間要素をさらに備えることができる。
好ましくは、中間要素は、さらなる接着材層によってセンサに取り付けられる。内部応力を低く抑えるために、さらなる接着材層は、好ましくは、弾性および／または硬度において、センサを取り付けるように適合された取付けシステムの接着材層に対応する。
この方法の好ましい実施形態では、第１の層を第２の層に取り付けるステップは、センサに第１の層を取り付けるステップおよび基板に第２の層を取り付けるステップの前に実行される。これにより、取付けプロセスを簡略化することができる。
作製を簡略化するために、第１の層を第２の層に取り付けるステップは、これらの層のうちの少なくとも１つがキャリア構造上で支持されているときに実行することができる。そのようなキャリア構造は、膜または箔とすることができる。
この方法は、第１の層が第２の層に取り付けられた後、第１または第２の層からキャリア構造を取り外すステップをさらに含むことができる。これにより、センサの性能を特に改善することができる。キャリア構造は、好ましくは、それぞれセンサまたは基板に取付けシステムを取り付けるステップ中にキャリア構造の安定化効果を使用するために、取付けシステムがセンサおよび／または基板に取り付けられているときに取り外すことができる。
また、第１の層および／または第２の層のための材料が、本発明による取付けシステムを実現するように選択的に選ばれるときも有利である。これらの材料は特に、第１の層および第２の層が互いに接着し、かつ各層が取り付けられることになる材料にその層が接着するように選ぶことができる。
これらの層の相対的な厚さは、一方の層によって安定性を実現しながら、他方の層の補償効果を維持するように選ぶことができる。
特に、層が硬いか、または固体である場合、その層は、その層が取り付けられることになる材料の熱膨張係数に適合された熱膨張係数を有することができる。「～に適合される」とは、破壊を回避するために、熱膨張係数が１％、２％、３％、５％、または１０％より大きく異ならないことを特に意味することができる。他の実施形態では、層とその層が取り付けられる材料との間の熱膨張係数の差は、これがたとえば層または材料のうちの一方の弾性または粘性によって補償される場合、異なることができる。
第１の層は、熱膨張係数において、少なくとも３％、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、特に少なくとも２０％、とりわけ少なくとも４０％だけ、第２の層とは異なることができる。これらの差は、はるかに大きくすることができ、たとえば１００％、２００％、または５００％より大きくすることができる。
これらの層の弾性および硬度は、熱膨張の補償を可能にするために、これらの層に対して平行な平面だけで異なればよい。多くの場合、この平面に直交する方向における弾性および硬度は重要ではない。しかし、多くの材料にとって、これらの層の弾性および硬度は等方性であり、特にこの平面に平行および直交する方向で等しい。
さらに、弾性および／または硬度の差は、取付け状態で存在するはずである。この状態で、接着材が硬化される。
ここで弾性とは、破壊することなく変形に応答する能力であると理解されたい。これを説明するための可能な概念では、剛性を説明するためにヤング係数を使用することができ、剪断力への反応を説明するために剪断弾性係数を使用することができ、または圧縮歪みへの反応を説明するために体積弾性係数を使用することができる。弾性を説明するために使用することができるパラメータは、特に降伏強度、すなわち材料が歪みを受けて変形または破壊し始める点までのヤング係数を含むことができる。
硬度（硬さ、hardness）とは、機械的力に耐えかつ機械的安定性を提供する能力であると理解されたい。硬度を測定するために使用することができるパラメータは、ロックウェル、たとえばＨＲＡまたはＨＲＢとすることができる。測定のための規格は、たとえばＩＳＯ６５０８－１、ＩＳＯ６５０８－２、ＩＳＯ６５０８－３、またはＩＳＯ２０３９－２から得ることができる。代替パラメータは、ビッカース硬さまたはブリネル硬さとすることができる。
本発明によれば、機械的に安定した接着材は、損傷することなく熱膨張を吸収することができる接着材と組み合わされる。
本発明について、有利な実施形態を使用し、図面を参照しながら、より詳細かつ例示的に次に説明する。記載する実施形態は、単に可能な構成であり、上述した個々の特徴は、互いに独立して提供することができ、または省略することができる。
取付けシステムの第１の実施形態をセンサおよび基板とともに示す概略断面図である。 取付けシステムの第２の実施形態の概略断面図である。 取付けシステムを作製する方法の第１のステップの概略斜視図である。 取付けシステムを作製する方法の第２のステップの概略斜視図である。 取付けシステムを作製する方法の第３のステップの概略斜視図である。 図３、図４、および図５による方法の結果の概略斜視図である。 図３、図４、および図５による方法を用いて作製された取付けシステムの概略断面図である。
図１に、センサ２０および基板３０に連結された取付けシステム１００の第１の実施形態が示されている。
基板３０にセンサ２０を取り付けるための取付けシステム１００は、センサ２０を取り付けるように適合された接着材の第１の層１１と、基板３０を取り付けるように適合された接着材の第２の層１２とを備え、第１の層１１は第２の層１２に取り付けられ、第１の層１１は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて第２の層１２とは異なる。さらに、第１の層１１は、硬化特性または硬化機構において第２の層１２とは異なることができる。
そのような取付けシステム１００は、たとえば熱試験サイクルまたは動作中に温度が変化したときにセンサ２０が破壊するリスクを低減させる。
図示の例では、第１の層１１はかなり硬く、安定性を提供するのに対して、第２の層１２は弾性を有し、たとえばべた付き、温度が上昇したときに基板３０が示す熱膨張を吸収する。第１の層１１およびセンサ２０は、基板３０の熱膨張係数よりはるかに低い熱膨張係数を有することができる。第２の層１２の高い弾性は、構成要素のいずれにも破損を招くことなく、この差を補償する。
層１１、１２が硬いか、または固体(solid)である場合、その層は、その層が取り付けられることになる材料の熱膨張係数に適合された熱膨張係数を有することができる。「～に適合される」とは、破壊を回避するために、熱膨張係数が１％、２％、３％、５％、または１０％より大きく異ならないことを特に意味することができる。他の実施形態では、層１１、１２とその層が取り付けられる材料との間の熱膨張係数の差は、これがたとえば層１１、１２または材料のうちの一方の弾性または粘性によって補償される場合、異なることができる。
第１の層１１は、弾性および／または硬度において、少なくとも３％、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、特に少なくとも２０％、とりわけ少なくとも４０％だけ、第２の層１２とは異なることができる。特に弾性の場合、この差は、はるかに大きくすることができ、たとえば１００％より大きく、２００％より大きく、または１０００％より大きくすることができる。
第１の層１１は、熱膨張係数において、少なくとも３％、好ましくは少なくとも５％、より好ましくは少なくとも１０％、特に少なくとも２０％、とりわけ少なくとも４０％だけ、第２の層１２とは異なることができる。これらの差は、はるかに大きくすることができ、たとえば１００％、２００％、または５００％より大きくすることができる。
２つの異なる材料の連結を可能にするために、第１の層１１は、接着特性において第２の層１２とは異なることができる。第１の層１１のための接着機構は、第２の層１２のための接着機構とは異なることができる。可能な接着機構としては、機械的接着、たとえばポジティブロック、化学的結合、物理的結合、ファンデルワールス結合、静電結合、または拡散結合が挙げられる。
さらに、第１の層１１は、硬化特性において第２の層１２とは異なることができる。第１の層１１のための硬化機構は、第２の層１２のための硬化機構とは異なることができる。たとえば、一方の層、特に第２の層１２は、圧縮硬化機構を有することができ、他方の層は、光、加速、熱、または嫌気性の硬化機構を有することができる。
力を低く抑えるために、熱膨張が生じたとき、第１の層１１および第２の層１２のうちの少なくとも１つは、粘性または粘弾性を有することができる。図示の例では、たとえば第２の層１２が粘弾性を有する。粘弾性応答の粘性部分の結果、力は生じず、したがって取り付けられている材料に応力をかけない。
好ましくは、第１の層１１および第２の層１２のうちの少なくとも１つは可撓性を有する。これにより、層１１、１２が取り付けられる材料への適合を容易にすることができる。図１の例では、第２の層１２は、たとえばより高い熱膨張係数を有する基板３０に適合するために、可撓性を有する。
第１の層１１および第２の層１２のうちの他方は、剛性を有することができる。これは、取付けシステム１００に機械的安定性を提供するのに役立つことができる。さらに、そのような剛性材料は、たとえば信号の伝送にとってより好適となることができ、またはより容易に取り付けることができる。
第１の層１１は固体であり、第２の層１２は粘性または粘弾性を有する。これにより、補償効果と機械的安定性との間の良好な妥協が実現される。
粘性の第２の層１２の接着材は、べた付きまたは粘り気を有することができ、それにより良好な取付けを可能にしながら、補償効果を提供する。
固体の第１の層１１は、平滑にすることができ、特にセンサ２０の平滑な表面に取り付けることができる。固体の第１の層は、シート状とすることができる。固体層は、一定の厚さを有することができる。
取付けシステム１００は、第１の層１１のうち、第２の層１２が取り付けられた第２の面１１ｂの反対に位置する第１の面１１ａに、センサ２０を取り付けるように適合される。第１の層１１は、センサ２０と第２の層１２との間に挟まれる。この結果、小型の設計が得られる。
さらに、取付けシステム１００は、第２の層１２のうち、第１の層１１が取り付けられた第１の面１２ａの反対に位置する第２の面１２ｂに、基板３０を取り付けるように適合される。第２の層１２は、第１の層１１と基板３０との間に挟まれる。またこの結果、小型の設計が得られる。
図２に、センサアセンブリ２００における取付けシステム１００の第２の実施形態が示されている。センサアセンブリ２００は、センサ２０を備えており、センサ２０は、超音波センサとすることができ、圧電素子を備えることができる。信号は、測定窓７０から出ることができる。圧電素子が壊れやすくもろいため、取付けシステム１００の使用が特に有利である。
図３～図７に、取付けシステム１００の作製のステップ、およびその結果得られる取付けシステム１００が示されている。
図３に示す第１のステップで、ロールから供給された接着材の第２の層１２が、シートの形で接着材の第１の層１１に接合される。第２の層１２および第１の層１１は、互いに押し付けられて、密接な接触を実現する。
図４に示す第２のステップで、打抜きツール８０を使用して、２層構造の一部が切り取られる。次いで、その結果得られる取付けシステム１００が、打抜きツール８０の空洞から取り外され（図５）、使用することができる。図示の例では、取付けシステム１００は、図６に見ることができるように、平面の円形の形状を有する。しかし、当然ながら他の形状も可能である。図７の断面図に、取付けシステム１００の構造を見ることができる。
図３および図４はまた、基板３０にセンサ２２を取り付ける方法の一部分を示す。特に、これらの図は、第１の層１１を第２の層１２に取り付けるステップを示し、このステップは、センサ２０に第１の層１１を取り付けるステップおよび基板３０に第２の層１２を取り付けるステップの前に実行される。
簡単な作製を可能にするために、第１の層１１を第２の層１２に取り付けるステップは、層１１、１２のうちの少なくとも１つがキャリア構造４０上で支持されているときに実行される。この場合、キャリア構造４０は、膜４１または箔である。
この方法は、第１の層１１が第２の層１２に取り付けられた後、第１の層１１または第２の層１２からキャリア構造４０を取り外すステップをさらに含むことができる。
明示的に示されていない一部取付け状態で、図３～図６に示すステップによって作製された取付けシステム１００は、センサ２０をさらに備えることができる。次いで、そのような取付けシステム１００をさらなる要素、特に基板３０に取り付けることができる。センサ２０は特に、より高い硬度および／またはより低い弾性を有する層に取り付けることができる。
同じく明示的に示されていない異なる一部取付け状態で、図３～図６に示すステップによって作製された取付けシステム１００は、基板３０をさらに備えることができる。そのような取付けシステム１００は、次のステップでセンサ２０に取り付けることができる。特に、基板３０は、より低い硬度および／またはより高い弾性を有する層に取り付けることができる。
第１の層１１および／または第２の層１２のための材料は、本発明による取付けシステム１００を実現するように選択的に選ばれる。これらの材料は特に、第１の層１１および第２の層１２が互いに接着し、かつ各層１１、１２が取り付けられることになる材料にその層が接着するように選ぶことができる。
層１１、１２の厚さは、一方の層によって安定性を実現しながら、他方の層の補償効果を維持するように選ぶことができる。より高い硬度および／またはより低い弾性を有する層の厚さを、他方の層の厚さより少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、とりわけ少なくとも５倍大きくすることができる。他の実施形態では、より低い硬度および／またはより高い弾性を有する層の厚さを、他方の層の厚さより少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、とりわけ少なくとも５倍大きくすることができる。
特に、層１１、１２が硬いか、または固体である場合、その層は、その層が取り付けられることになる材料の熱膨張係数に適合された熱膨張係数を有することができる。「～に適合される」とは、破壊を回避するために、熱膨張係数が１％、２％、３％、５％、または１０％より大きく異ならないことを特に意味することができる。
これらの層の弾性および硬度は、熱膨張の補償を可能にするために、層１１、１２に対して平行な平面だけで異なればよい。多くの場合、この平面に直交する方向における弾性および硬度は重要ではない。しかし、ほとんどの材料において、これらの特性は２つの方向に沿って等しい。
さらに、弾性および／または硬度の差は、取付け状態で存在するはずである。この状態で、接着材が硬化される。
ここで弾性とは、破壊することなく変形に応答する能力であると理解されたい。これを説明するための可能な概念では、剛性を説明するためにヤング係数を使用することができ、剪断力への反応を説明するために剪断弾性係数を使用することができ、または圧縮歪みへの反応を説明するために体積弾性係数を使用することができる。弾性を説明するために使用することができるパラメータは、特に降伏強度、すなわち材料が歪みを受けて変形または破壊し始める点までのヤング係数を含むことができる。
硬度とは、機械的力に耐えかつ機械的安定性を提供する能力であると理解されたい。
本発明の解決策はまた、他のデバイスまたは構造の取付けに使用することもできる。たとえば、第１の基板を第２の基板に取り付けることができる。
本発明によれば、機械的に安定した接着材は、損傷することなく熱膨張を吸収することができる接着材と組み合わされる。
１１ 第１の層
１１ａ 第１の面
１１ｂ 第２の面
１２ 第２の層
１２ａ 第１の面
１２ｂ 第２の面
２０ センサ
３０ 基板
４０ キャリア構造
４１ 膜
７０ 測定開口
８０ 打抜きツール
１００ 取付けシステム
２００ センサアセンブリ

Claims (13)

  1. 基板（３０）にセンサ（２０）を取り付けるための取付けシステム（１００）であって、前記センサ（２０）を取り付けるように適合された接着材の第１の層（１１）と、前記基板（３０）を取り付けるように適合された接着材の第２の層（１２）とを備え、前記第１の層（１１）は前記第２の層（１２）に取り付けられ、前記第１の層（１１）は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて前記第２の層（１２）とは異なる、取付けシステム（１００）。
  2. 前記第１の層（１１）は、より高い硬度および／またはより低い弾性を有する、請求項１に記載の取付けシステム（１００）。
  3. 前記第１の層（１１）は、接着特性において前記第２の層（１２）とは異なる、請求項２に記載の取付けシステム（１００）。
  4. 前記第１の層（１１）は、硬化特性において前記第２の層（１２）とは異なる、請求項３に記載の取付けシステム（１００）。
  5. 前記第１の層（１１）および前記第２の層（１２）のうちの少なくとも１つは、粘弾性を有する、請求項４に記載の取付けシステム（１００）。
  6. 前記第１の層（１１）および前記第２の層（１２）のうちの一方は固体であり、他方は粘性または粘弾性を有する、請求項５に記載の取付けシステム（１００）。
  7. 前記センサ（２０）をさらに備える、請求項６に記載の取付けシステム（１００）。
  8. 前記基板（３０）をさらに備える、請求項７に記載の取付けシステム（１００）。
  9. センサ（２０）、基板（３０）、および請求項１から６のいずれか一項に記載の取付けシステム（１００）を備える、センサアセンブリ（２００）。
  10. 前記センサ（２０）は、圧電素子を備える、請求項９に記載のセンサアセンブリ（２００）。
  11. 前記センサアセンブリ（２００）は、前記取付けシステム（１００）と前記センサ（２０）との間に位置する中間要素をさらに備える、請求項１０に記載のセンサアセンブリ（２００）。
  12. 基板（３０）にセンサ（２０）を取り付ける方法であって、前記センサ（２０）に接着材の第１の層（１１）を取り付けるステップと、前記基板（３０）に接着材の第２の層（１２）を取り付けるステップと、接着材の前記第１の層（１１）を接着材の前記第２の層（１２）に取り付けるステップとを含み、前記第１の層（１１）は、弾性および硬度のうちの少なくとも１つにおいて前記第２の層（１２）とは異なる、方法。
  13. 前記第１の層（１１）を前記第２の層（１２）に取り付ける前記ステップは、前記センサ（２０）に前記第１の層（１１）を取り付ける前記ステップおよび前記基板（３０）に前記第２の層（１２）を取り付ける前記ステップの前に実行され、前記第１の層（１１）を前記第２の層（１２）に取り付ける前記ステップは、前記第１の層（１１）および前記第２の層（１２）のうちの少なくとも１つがキャリア構造（４０）上で支持されているときに実行される、請求項１２に記載の方法。
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