JP6520636B2 - 物理量センササブアセンブリおよび物理量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物理量センササブアセンブリおよび物理量測定装置に関する。

従来、空気等の被測定気体に関する物理量を測定する物理量測定装置が知られている。物理量測定装置は、物理量センシング素子を保持する物理量センササブアセンブリを有している。物理量センササブアセンブリの構造としては、例えば、物理量センシング素子を樹脂モールドしたプレ成形部品における配線端子と、プレ成形部品を載せる基板の配線とをはんだにより電気的に接続し、このプレ成形部品が実装された基板を、筐体に保持させる構造などが公知である。物理量測定装置では、必要な検出信号を発生させるため、物理量センシング素子を被測定気体に曝さなければならない場合がある。

なお、先行する特許文献１には、内燃機関の吸気管内を流れる吸入空気の流量と湿度とを測定する空気物理量測定装置が開示されている。同文献には、湿度センサ用電子回路基板と湿度センサ用コネクタ端子とを金属ワイヤで電気的に接続した後、コーティング部材を用いて湿度センサ用電子回路基板の表面を保護する点などが記載されている。

特許第５６７５７１７号公報

しかしながら、上述した物理量センササブアセンブリでは、被測定気体中に含まれていたセンサの汚れの原因となる微小な不純物や水滴等が、プレ成形部品の配線端子と基板との電気接続部位に付着しやすい。電気接続部位に不純物や水滴等が付着すると、リーク電流の増加等による測定精度の悪化や端子間のショート等の不具合を招くおそれがある。そこで、電気接続部位を保護するため、電気接続部位の周辺に形成された隙間にエポキシ樹脂等の樹脂を充填して封止する、いわゆる、樹脂ポッティングを行う必要が生じる。

ところが、樹脂ポッティングは、流し込んだ樹脂を硬化させる工程が必要となる。そのため、物理量センササブアセンブリの製作工程が複雑になる。また、上述した構造の物理量センササブアセンブリは、これを保持する筐体も別途必要になることから、部品点数も多くなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、耐環境性を向上させることができ、製作工程を簡素化することができ、部品点数を削減可能な物理量センササブアセンブリ、これを用いた物理量測定装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、被測定気体の流量以外の物理量を検出する物理量センシング素子（１１１）と、該物理量センシング素子に電気的に接続された配線端子（１１２）と、上記被測定気体が導入される凹部（１１３ａ）を備え、該凹部に上記物理量センシング素子のセンシング面（１１１ａ）を露出させた状態で、上記物理量センシング素子と上記配線端子とを一体的にモールドする内側樹脂部（１１３）と、を有するプレ成形部品（１１）と、
該プレ成形部品の上記配線端子に電気的に接続された配線部材（１２）と、
上記凹部に連通する開口穴部（１３１）を備え、上記プレ成形部品と、上記配線部材と、上記プレ成形部品と上記配線部材との電気接続部位（１２１）とを一体的にモールドする外側樹脂部（１３）と、
を有しており、
上記開口穴部における下部開口面積は、上記凹部における上部開口面積よりも大きい、
物理量センササブアセンブリ（１）にある。

本発明の他の態様は、上記被測定気体の流量を測定する流量測定部（２１）と、上記被測定気体の流量以外の物理量を測定する物理量測定部（２２）とを有しており、該物理量測定部は、上記物理量センササブアセンブリを含む、物理量測定装置（２）にある。

上記物理量センササブアセンブリによれば、プレ成形部品と配線部材との電気接続部位が、外側樹脂部により保護される。そのため、上記物理量センササブアセンブリは、被測定気体中に含まれていた不純物や水滴等が上記電気接続部位に付着するのを回避することが可能となり、耐環境性を向上させることができる。

また、上記物理量センササブアセンブリは、樹脂ポッティングを行う必要がない。そのため、上記物理量センササブアセンブリは、製作工程を簡素化することができる。

また、上記物理量センササブアセンブリでは、外側樹脂部が、電気接続部位の保護のみならず、プレ成形部品が実装された配線部材を保持する筐体としての機能を兼ねることができる。そのため、上記物理量センササブアセンブリは、筐体が不要になる分、部品点数を削減することができる。それ故、上記物理量センササブアセンブリは、筐体の作製、筐体への組み付け等が不要となるため、この点でも、製作工程を簡素化することができる。したがって、上記物理量センササブアセンブリは、コスト低減に有利である。

上記物理量測定装置によれば、上記物理量センサアセンブリによって耐環境性を向上させることができるため、被測定気体の流量と、被測定気体の流量以外の物理量とを精度良く測定することができる。また、上記物理量測定装置は、製作工程の簡素化、部品点数の削減を図ることができる。

なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の物理量センササブアセンブリの正面を模式的に示した説明図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面を模式的に示した説明図である。 図２の一部を拡大して示した説明図である。 図２に相当する、実施形態２の物理量センササブアセンブリを模式的に示した説明図である。 図２に相当する、実施形態３の物理量センササブアセンブリを模式的に示した説明図である。 図１に相当する、実施形態４の物理量センササブアセンブリを模式的に示した説明図である。 実施形態１の物理量センササブアセンブリを有する実施形態５の物理量測定装置が気体流路に取り付けられた状態を、取り付け位置を基準として被測定気体の流れ方向上流側から見た模式的な説明図である。 実施形態５の物理量測定装置の内部を模式的に示した説明図である。

（実施形態１）
実施形態１の物理量センササブアセンブリについて、図１〜図３を用いて説明する。図１〜図３に例示されるように、本実施形態の物理量センササブアセンブリ１は、プレ成形部品１１と、配線部材１２と、外側樹脂部１３と、を有している。

プレ成形部品１１は、物理量センシング素子１１１と、配線端子１１２と、内側樹脂部１１３と、を有している。

プレ成形部品１１において、物理量センシング素子１１１は、被測定気体の流量以外の物理量を検出する。被測定気体は、具体的には、例えば、内燃機関の吸気流路内を流れる吸入空気とすることができる。この場合には、吸入空気に含まれる不純物や水滴等に対する耐性に優れた物理量センササブアセンブリ１を構成することができる。被測定気体の流量以外の物理量としては、湿度、温度、および、圧力からなる群より選択される少なくとも１種とすることができる。この場合には、被測定気体の流量を測定する流量測定部を有する物理量測定装置に、さらに、物理量センササブアセンブリを含む物理量測定部を設けることにより、被測定気体の流量以外にも、被測定気体の湿度、温度、圧力、または、これらの組み合わせを測定することが可能となる。詳細については、実施形態５にて説明する。被測定気体の流量以外の物理量としては、より具体的には、湿度、湿度と温度、圧力、圧力と温度などを例示することができる。

本実施形態では、物理量センシング素子１１１は、チップ形状を呈しており、被測定気体の湿度を検出する。物理量センシング素子１１１は、具体的には、半導体の基板上に容量素子等が設けられたものであり（詳細不図示）、周知の電気容量式検出法を採用するセンサチップである。

プレ成形部品１１において、配線端子１１２は、物理量センシング素子１１１に電気的に接続されている。本実施形態では、具体的には、物理量センシング素子１１１の表面の内、容量素子等を有するセンシング面１１１ａの配線（不図示）と配線端子１１２とが、ボンディングワイヤ１１２ａにより結線されている。

プレ成形部品１１において、内側樹脂部１１３は、被測定気体が導入される凹部１１３ａを備えている。凹部１１３ａは、具体的には、例えば、センシング面１１１ａに平行な横断面における開口面積が、物理量センシング素子１１１側に向かって漸次小さくなるように構成することができる。本実施形態では、凹部１１３ａは、具体的には、円錐台状に形成されており、凹部１１３ａの底部にセンシング面１１１ａの一部が露出するように配置されている。他にも、凹部１１３ａは、四角錐台状等の多角錐台状、円柱状、多角柱状などの形状に形成されていてもよい。

内側樹脂部１１３は、凹部１１３ａに物理量センシング素子１１１のセンシング面１１１ａを露出させた状態で、物理量センシング素子１１１と配線端子１１２とを一体的にモールドしてこれらを固定し、保護している。配線端子１１２は、配線部材１２と電気的に接続できるようにプレ成形部品１１における配線部材１２側の表面に露出している。なお、物理量センシング素子１１１と配線端子１１２とを結線するボンディングワイヤ１１２ａは、内側樹脂部１１３内に埋設されることによって保護されている。

配線部材１２は、プレ成形部品１１の配線端子１１２に電気的に接続されている。本実施形態では、具体的には、配線部材１２と配線端子１１２とがはんだ１２０により電気的に接続されることにより、電気接続部位１２１が構成されている。配線部材１２は、具体的には、プリント基板である。プリント基板は、リジッド基板であってもよいし、フレキシブル基板であってもよいし、リジッド基板とフレキシブル基板との組み合わせなどであってもよい。本実施形態では、配線部材１２は、より具体的には、リジッド基板である。リジッド基板は、フレキシブル基板に比べ、硬質である。そのため、この構成によれば、外側樹脂部１３による樹脂モールド効果と相まって、物理量センササブアセンブリ１の強度向上に有利である。なお、配線部材１２には、ターミナル１２２が電気的に接続されている。

外側樹脂部１３は、凹部１１３ａに連通する開口穴部１３１を備えている。これにより、開口穴部１３１を通じて凹部１１３ａに被測定気体が到達することができる。開口穴部１３１は、凹部１１３ａと連通させやすくなる観点から、凹部１１３ａに接して配置されているとよい。開口穴部１３１は、具体的には、例えば、センシング面１１１ａに平行な横断面における開口面積が、物理量センシング素子１１１側に向かって漸次小さくなるように構成することができる。また、センシング面１１１ａ側を下側、被測定気体の導入側を上側とした場合、開口穴部１３１における下部開口面積は、凹部１１３ａにおける上部開口面積よりも大きい構成とされている。この構成によれば、外側樹脂部１３のモールド時に、プレ成形部品１１の凹部１１３ａをモールド型で閉塞することができ、凹部１１３ａが外側樹脂部１３によって閉塞されることなく凹部１１３ａを維持したまま容易にモールド成形することが可能になる。

本実施形態では、開口穴部１３１は、具体的には、円錐台状に形成されている。この構成によれば、開口穴部１３１に角部がなくなるため、使用時に応力集中が生じ難くなり、物理量センササブアセンブリ１の強度を確保しやすくなる。また、テーパー状の斜面により、被測定気体が凹部１１３ａに案内されやすい。

外側樹脂部１３は、プレ成形部品１１と、配線部材１２と、プレ成形部品１１と配線部材１２との電気接続部位１２１と、を一体的にモールドしてこれらを固定し、保護している。本実施形態では、配線部材１２の表面のうち、プレ成形部品１１の搭載側の面と、先端面と、基端面と、側端面が外側樹脂部１３により覆われている。但し、図１に示される物理量センササブアセンブリ１の下方が先端側、上方が基端側である。つまり、配線部材１２の表面のうち、プレ成形部品１１の搭載側と反対側の面は、外側樹脂部１３によって覆われておらず、外部に露出されている。なお、配線部材１２は、外側樹脂部１３内に埋設されていてもよい。配線部材１２に接続されたターミナル１２１の一部は、配線部材１２とともに外側樹脂部１３によりモールドされている。

物理量センササブアセンブリ１は、例えば、予めモールド成形されたプレ成形部品１１を配線部材１２に実装し、次いで、これをさらにモールド成形して外側樹脂部１３を形成することなどによって製造することができる。

物理量センササブアセンブリ１によれば、プレ成形部品１１と配線部材１２との電気接続部位１２１が、外側樹脂部１３により保護される。そのため、物理量センササブアセンブリ１は、被測定気体中に含まれていた不純物や水滴等が電気接続部位１２１に付着するのを回避することが可能となり、耐環境性を向上させることができる。

また、物理量センササブアセンブリ１は、樹脂ポッティングを行う必要がない。そのため、物理量センササブアセンブリ１は、製作工程を簡素化することができる。

また、物理量センササブアセンブリ１では、外側樹脂部１３が、電気接続部位１２１の保護のみならず、プレ成形部品１１が実装された配線部材１２を保持する筐体としての機能を兼ねることができる。そのため、物理量センササブアセンブリ１は、筐体が不要になる分、部品点数を削減することができる。それ故、物理量センササブアセンブリ１は、筐体の作製、筐体への組み付け等が不要となるため、この点でも、製作工程を簡素化することができる。したがって、物理量センササブアセンブリ１は、コスト低減に有利である。

（実施形態２）
実施形態２の物理量センササブアセンブリについて、図４を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図４に例示されるように、本実施形態の物理量センササブアセンブリ１は、配線部材１２が、具体的には、リードフレームである。配線部材１２の一部は、外側樹脂部１３の基端面より突出しており、その他の部分は、外側樹脂部１３内に埋設されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態の物理量センササブアセンブリ１によっても、実施形態１と同様に、配線部材１２を固定し、保護できるので、耐環境性を向上させることができる。また、製作工程を簡素化することができ、部品点数を削減することもできる。

（実施形態３）
実施形態３の物理量センササブアセンブリについて、図５を用いて説明する。

図５に例示されるように、本実施形態の物理量センササブアセンブリ１は、配線部材１２が、具体的には、プリント基板であり、より具体的には、フレキシブル基板である。本実施形態では、配線部材１２の先端部側に外側樹脂部１３が形成されている。配線部材１２の先端部側において、配線部材１２の表面のうち、プレ成形部品１１の搭載側の面と、先端面と、側端面が外側樹脂部１３により覆われている。つまり、配線部材１２の先端部側において、配線部材１２の表面のうち、プレ成形部品１１の搭載側と反対側の面は、外側樹脂部１３により覆われておらず、外部に露出されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態の物理量センササブアセンブリ１によっても、実施形態１と同様に、耐環境性を向上させることができ、製作工程を簡素化することができ、部品点数を削減することができる。

（実施形態４）
実施形態４の物理量センササブアセンブリについて、図６を用いて説明する。

図６に例示されるように、本実施形態の物理量センササブアセンブリ１は、開口穴部１３１が、具体的には、多角錐台状に形成されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態の物理量センササブアセンブリ１によれば、実施形態１に比べ、開口穴部１３１の開口量を多くしやすい。そのため、この場合には、プレ成形部品１１の凹部１１３ａに被測定気体を導きやすくなる。その他の作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態５）
実施形態５の物理量測定装置について、図７、図８を用いて説明する。図７、図８に例示されるように、本実施形態の物理量測定装置２は、被測定気体の流量を測定する流量測定部２１と、被測定気体の流量以外の物理量を測定する物理量測定部２２とを有している。物理量測定部２２は、物理量センササブアセンブリを含んでいる。本実施形態では、実施例１の物理量センササブアセンブリ１が用いられている。

本実施形態では、物理量測定装置２は、具体的には、被測定気体が流れる気体流路３に装着されて、流量測定部２１により被測定気体の流量を、物理量測定部２２により被測定気体の湿度を、それぞれ測定するものである。ここでは、気体流路３は、内燃機関（不図示）の吸気流路であり、被測定気体は、吸入空気である。また、物理量測定装置２は、測定により得られたデータを電子制御ユニット（ＥＣＵ、不図示）に出力する。電子制御ユニットは、物理量測定装置２から得られた被測定気体としての吸入空気の流量および湿度のデータに基づき、燃料の噴射制御や添加制御等を行う。

本実施形態において、流量測定部２１は、具体的には、筐体部２１１と、流量センサ２１２と、コネクタ２１３とを有している。

筐体部２１１は、具体的には、バイパス形成部２１１ａと、嵌合部２１１ｂと、取り付け部２１１ｃとを有している。

筐体部において、バイパス形成路２１１ａは、管状の気体流路３内に突出する部位である。バイパス形成路２１１ａは、その内部に、気体流路３を迂回するバイパス路２１１ｄと、バイパス路２１１ｄをさらに迂回するサブバイパス路２１１ｅとを有している。バイパス形成部２１１ａは、気体流路３内における被測定気体の流れに対して垂直となるように気体流路３内に突出した状態で配置される。なお、筐体部２１１は、例えば、面対称性を有する２つの樹脂製パーツが接合されることにより構成することができる。

筐体部２１１において、嵌合部２１１ｂは、気体流路３の流路壁に形成された挿入口３１に嵌合される部位である。本実施形態では、嵌合部２１１ｂは、円筒状に形成され、その外周面には、Ｏリング４が嵌まる環状の溝２１１ｆが形成されている。

筐体部２１１において、取り付け部２１１ｃは、気体流路３の流路壁に螺子等の締結部材により締結される部位である。

流量センサ２１２は、被測定気体の流量を検出する流量センシング素子２１２ａを有している。流量センシング素子２１２ａは、チップ形状を呈している。流量センシング素子２１２ａは、具体的には、半導体の基板上に発熱抵抗素子、感温抵抗素子等が設けられたものであり、（詳細不図示）、周知の熱式検出法を採用するセンサチップである。流路センサ２１２は、バイパス形成部２１１ａに保持されており、気体流路３内における被測定気体の流れに対して垂直となるように気体流路３内に突き出ている。流量センシング素子２１２ａは、サブバイパス路２１１ｅに配置されている。

コネクタ２１３は、被測定気体の流量、被測定気体の流量以外の物理量（湿度等）に応じた信号を外部（電子制御ユニット等）に出力したり、流量センサ２１２、物理量センササブアセンブリ１に電力を供給したりするための部位である。コネクタ２１３は、筐体部２１１と一体に形成されている。なお、流量センサ２１２、物理量センササブアセンブリ１は、いずれもコネクタ２１３に設けられたコネクタ端子２１３ａに電気的に接続されている。

物理量測定部２２における物理量センササブアセンブリ１は、具体的には、物理量測定装置２が気体流路３に装着された際に、被測定気体が流れる気体流路３内に突出するように設けられている。そのため、物理量測定装置２が気体流路３に装着されると、物理量センササブアセンブリ１は、気体流路３内に突出した状態で配置される。物理量センササブアセンブリ１は、具体的には、例えば、気体流路３内における被測定気体の流れに対して垂直、かつ、筐体部２１１と離間した状態で気体流路３内に突出するように配置することができる。

本実施形態の物理量測定装置２によれば、本実施形態の物理量センサアセンブリ１によって耐環境性を向上させることができるため、被測定気体の流量と、被測定気体の流量以外の物理量とを精度良く測定することができる。また、本実施形態の物理量測定装置２は、製作工程の簡素化、部品点数の削減を図ることができる。

本発明は、上記各実施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において種々の実施形態に適用することが可能である。

上述した各実施形態では、内燃機関の吸気流路内を流れる吸入空気に関する物理量を測定する例を示した。これ以外にも、上述した物理量センササブアセンブリ１および物理量測定装置２は、例えば、内燃機関の排ガス流路内を流れる排ガスに関する物理量の測定等に用いることもできる。

また、物理量センササブアセンブリ１は、例えば、プレ成形部品１１の凹部１１３ａを覆うフィルタ（不図示）を有することができる。この場合には、フィルタを通過して凹部１１３ａに被測定気体が導入される。そのため、被測定気体中に含まれていた不純物や水滴等がフィルタで除去されるため、これらが物理量センシング素子１１１のセンシング面１１１ａに付着するのを抑制することができる。それ故、この構成によれば、高い精度で物理量を検出しやすい物理量センサアセンブリ１、物理量測定装置２が得られる。なお、フィルタは、例えば、センシング面１１１ａと離間した状態で凹部１１３ａを覆うように設けることできる。また、フィルタの外周縁は、例えば、外側樹脂部１３に埋設された状態とすることができる。フィルタの材質としては、例えば、セラミックス、樹脂、金属などが挙げられる。

また、物理量センササブアセンブリ１における開口穴部１３１は、円錐台状、多角錐台状のみならず、円柱状、多角柱状に形成されていてもよい。

また、実施形態５の物理量測定装置２では、実施形態１の物理量センササブアセンブリ１を用いた例を示した。実施形態５の物理量測定装置２は、実施形態１の物理量センササブアセンブリ１に代えて、実施形態２〜４の物理量センササブアセンブリ１を有することもできる。

１ 物理量センササブアセンブリ
１１ プレ成形部品
１１１ 物理量センシング素子
１１１ａ センシング面
１１２ 配線端子
１１３ 内側樹脂部
１１３ａ 凹部
１２ 配線部材
１２１ 電気接続部位
１３ 外側樹脂部
１３１ 開口穴部
２ 物理量測定装置
２１ 流量測定部
２２ 物理量測定部
３ 気体流路

Claims (6)

1. 被測定気体の流量以外の物理量を検出する物理量センシング素子（１１１）と、該物理量センシング素子に電気的に接続された配線端子（１１２）と、上記被測定気体が導入される凹部（１１３ａ）を備え、該凹部に上記物理量センシング素子のセンシング面（１１１ａ）を露出させた状態で、上記物理量センシング素子と上記配線端子とを一体的にモールドする内側樹脂部（１１３）と、を有するプレ成形部品（１１）と、
   該プレ成形部品の上記配線端子に電気的に接続された配線部材（１２）と、
   上記凹部に連通する開口穴部（１３１）を備え、上記プレ成形部品と、上記配線部材と、上記プレ成形部品と上記配線部材との電気接続部位（１２１）とを一体的にモールドする外側樹脂部（１３）と、
   を有しており、
   上記開口穴部における下部開口面積は、上記凹部における上部開口面積よりも大きい、
   物理量センササブアセンブリ（１）。
2. 上記開口穴部は、円錐台状、または、多角錐台状に形成されている、請求項１に記載の物理量センササブアセンブリ。
3. 上記物理量は、湿度、温度、および、圧力からなる群より選択される少なくとも１種である、請求項１または２に記載の物理量センササブアセンブリ。
4. 上記配線部材は、プリント基板、リードフレーム、および、バスバーからなる群より選択される１種である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の物理量センササブアセンブリ。
5. 上記被測定気体の流量を測定する流量測定部（２１）と、上記被測定気体の流量以外の物理量を測定する物理量測定部（２２）とを有しており、該物理量測定部は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の物理量センササブアセンブリを含む、物理量測定装置（２）。
6. 上記物理量センササブアセンブリは、上記被測定気体が流れる気体流路（３）内に突出するように設けられている、請求項５に記載の物理量測定装置。

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