JP6945376B2

JP6945376B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP6945376B2
Application number: JP2017146055A
Authority: JP
Inventors: 石塚　典男; 典男石塚; 余語　孝之; 孝之余語; 暁上ノ段
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: WO2019021714A1; JP2019027865A

Description

本発明は空気流量や圧力などの物理量を計測するセンサ装置に係り、特に、内燃機関の吸入空気量、圧力、温度、湿度などを計測する多機能のセンサに関する。

空気流量の物理量は、様々な機器において重要な制御パラメータとして広く使用されており、これらの物理量を計測するセンサは、機器の性能を左右する重要な構成部品のひとつである。例えば、内燃機関を搭載した車両では、省燃費の要望や排気ガス浄化の要望が非常に高い。

空気流量センサはダイアフラム構造をしており、このダイアフラムが密閉された場合、温度変化によりダイアフラムが変形し、空気流量特性に誤差を生じる。

上記課題を解決する手段として、例えば特開平6-50783号公報（特許文献１）に開示されているものがある。特許文献１には、ダイアフラムの裏面空間の密閉を防ぐための連通口を設けることが記載されている。

特開平6-50783号

近年、省燃費や排気ガス浄化をさらに向上させるため、空気流量だけでなく、圧力や湿度の物理量を高い精度で計測する多機能の流量測定装置が必要となってきた。

上記、圧力、湿度、温度を計測するセンサを実装する場合には、はんだ実装が可能なプリント基板を用いると容易に実装できるので好都合である。また、圧力、湿度を計測しない単機能の流量測定装置であっても、多機能の流量測定装置と基板を共通化することで量産効率を向上できるため、プリント基板に実装することが求められてきている。

被測定媒体中には、水やダストなどが含まれており、係る水等の侵入を抑制しつつ、貫通孔がふさがらないようにするために、貫通孔の寸法にはある程度の精度が求められる。プリント基板は、加工が難しく、切削等機械加工により精度よく貫通孔を形成することが困難であった。また、切削では、切りくずが発生するため、歩留り悪化にもつながっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされており、その目的は、プリント基板にダイアフラムを備える物理用測定装置を実装する場合においても、容易に連通孔を形成できる物理量測定装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の物理量検出装置は、プリント基板の表層に形成されるパターン上に、ダイアフラムを有する物理量検出素子が実装され、前記パターンによる段差を用いて、ダイアフラム内外部を連通する連通口が形成され、前記パターンは銅を用いて形成した。

本発明によれば、プリント基板に流量センサを配置させるために必要な連通口や空気流量センサ表面と周囲との高さの概ね同一化を容易に形成することができる。

本願に係る第１実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第１実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第１実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第２実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第４実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第４実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第３実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。本願に係る第３実施例におけるプリント基板の平面図及び断面図である。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

［実施例１］
まず、センサ装置の第１実施例について図１〜４を用いて説明する。各図には平面図、断面図を示してある。図１に示すように、プリント基板１の空気流量センサ６を配置する領域に、約50μｍ厚の銅で形成したパターン２を設ける。その後、パターン２の保護を目的にレジスト３を塗布する。この際に、パターン２の厚みに起因する段差４が形成される。

図２に示すように、空気流量センサ６の裏面と、レジスト３とが接着テープ５で接着されている。空気流量センサ６は、パターン２の上に配置されている。ダイアフラム１２の内部と外部との圧力差無くす連通口7が、プリント基板１と空気流量センサ６の間に形成される。

その後、図３に示すように空気流量センサ６の電気信号を外に出すために、空気流量センサ６とプリント基板１上の配線（記載せず）とをワイヤボンディング８により結線する。ワイヤボンディング８は、樹脂１０により保護されている。

本実施例では、プリント基板の表層に形成されるパターン上に、ダイアフラムを有する物理量検出素子が実装され、前記パターンによる段差を用いて、ダイアフラム内外部を連通する連通口が形成される。連通口７の寸法は、段差４により求められるところ、段差４の形状は、プリント基板１の表層に形成される銅膜のパターン２により定まる。銅膜は、精度よくその形状とすることができるため、プリント基板を加工することよりも精度よく連通口７を設けることが可能となる。また、銅膜のパターン２は、配線を形成する際に同時に形成することができるため、工程の追加なく実施可能である。また、プリント基板に対して切削等の機械加工を必要とせず、切削屑や、切削面がダイアフラム裏面に形成されないことから、歩留り向上にも寄与する。

実施例１の更なる好例について説明する。

第１の好例として、プリント基板１上のパターン２は図１に示すように、空気の上流側では開口（段差４）がなく、下流側並びに流れ方向に垂直な方向の先端（樹脂10側ではない）に開口を設けている。このようなパターン配置により、上流から来る水の進入をダイアフラム１２内に抑えることが可能である。

第２の好例として、空気流量センサ６をワイヤボンディングする際に、ワイヤボンディング下地に開口があると、空気流量センサ６がたわむため、ワイヤボンディングがしにくくなる。そのため、ワイヤボンディングが実施されるパッド部の下側領域には開口を設けないパターンとすることが好ましい。

第３の好例として、銅で形成したパターン２は、GNDへの設置、もしくはフローティング、もしくは、同電位化とするとよい。これは、パターン２同士に電位差が生じ、かつ塩水等が浸入した場合には銅が腐食する可能性があるからである。第３の好例においては、銅で形成したパターン２を保護するレジスト３が無くてもよい。すなわち、銅によるパターン２で段差４を形成する構成であってもよい。

本実施例では、物理量センサの例として、空気流量センサ６を例として説明したが、流量センサに限定されるものでなく、ダイアフラム１２を有する他の物理量センサ（例えば、熱式の湿度センサ）にも適用可能である。

また、パターン２を形成する材料の例として銅を示したが、別の金属材料でも同様の効果を達成できる。

［実施例２］
本発明の実施例２について、図４を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

本実施例では、コの字（あるいはU字）型のプレート９を空気流量センサ６の周囲に接着剤によりプリント基板１上に設けている。ワイヤボンディング部を覆う樹脂１０は、プレート９の一部にも覆うようにしている。

図４のA-A断面図に示すように、プレート９の表面と流量センサ６の表面とが、プリント基板１からの高さが略等しいように形成されている。すなわち、プレート９の表面と、流量センサ６の表面とが、流れ方向において略水平に形成されているため、乱流の発生を抑制できるため、流量測定の誤差を抑制できる。

本実施例によれば、プリント基板に加工を施すことなく、流量センサ６の周辺の高さを略等しくできるため、プリント基板を採用する場合であっても、容易に流量測定の誤差を抑制することが可能である。

プレート９は、樹脂材料で形成すると、耐腐食性、加工性、軽量化の観点で有利である。

プレート９は、金属材料で形成すると、耐ノイズ性、荷電粒子の除電が可能になることから耐汚損性の観点で有利である。

プレート９をコの字型とした利点としては、プリント基板１、空気流量センサ６、プレート９を樹脂１０により各々容易に接着できる点である。特に、順流側、逆流側での測定誤差を抑制するために、順流側と逆流側にプレートを設ける場合、順流側と逆流側を別々に実装するのではなく、順流側と逆流側とを一体化したコの字型のプレートとすることで、順流側と逆流側の高さを調整する部材を同時に実装できるため、製造プロセスの簡略化が可能である。

更なる好例として、図４で示した空気流量センサ６とプレート９の隙間１４は狭い方が水の浸入を抑制できる。本筆者らが実施した実験によれば100μｍ以下であれば水は浸入しないので、隙間１４は100μｍ以下が好ましい。

本実施例では、空気流量センサ６をまずプリント基板１に配置させ、その後にプレート９を配置させたが、プリント基板１上にプレート９を配置させ、その後に空気流量センサ６を配置させても構わない。

［実施例３］
本発明の第３実施例について説明する。なお、実施例１もしくは２と同様の構成については説明を省略する。

実施例１においてはプリント基板１上に銅で形成したパターン２を配置させたが、レジスト３を成膜プロセスでパターン化する構成とする。図７に示すようにレジストによりパターン１５を形成し、その上にさらにレジスト３を形成することで段差４を形成する。図８に示すようにレジスト３のパターン１５でも連通口７は形成可能なので、温度変化によるダイアフラム１２の変形もなく流量測定誤差を生じない。また、銅のパターン２の腐食の心配もない。

［実施例４］
本発明の実施例４について説明する。なお、実施例２の構成と同様の構成については、説明を省略する。

本実施例では、図５に示すように、プリント基板１とプレート９が接着する面にお互いに凹凸１１を設けて嵌め合うようにして接着剤で固定する。凹凸は、各辺一箇所と表現したが、複数個所あってもよい。

このようなことをすることにより、プリント基板１へのプレート９の位置決めが容易になるので好ましい。プリント基板１の凸は銅のパターン２やレジスト３のパターン２で形成することができ、プレートの凹は金型を工夫することにより可能である。

なお、図６に示したようにプレート端部を角部除去１３すると、乱流の発生をさらに抑制できるので図６のように、プレートの角部除去をしても良い。

１…プリント基板
２…パターン
３…レジスト
４…段差
５…簡易接着テープ
６…空気流量センサ
７…連通口
８…ワイヤボンディング
１０…樹脂
１１…凹凸
１２…ダイアフラム
１３…角部除去
１４…隙間
１５…パターン

Claims

プリント基板の表層に形成されるパターン上に、ダイアフラムを有する物理量検出素子が実装され、前記パターンによる段差を用いて、ダイアフラム内外部を連通する連通口が形成され、
前記パターンは銅を用いて形成したことを特徴とする物理量検出装置。
前記パターンは空気上流側に開口がなく、下流側並びに流れ方向に垂直な方向に開口がある請求項１の物理量検出装置。
前記パターンは銅を用いて形成され、その上にレジストを用いて形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記パターンは、電気的に何処にも繋がっていない請求項１または３のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記プリント基板の表層に樹脂プレート部材が実装され、前記樹脂プレート部材は、その表面の少なくとも一部が前記ダイアフラムを有する物理量検出素子上流側に位置し、前記樹脂プレート部材の表面と、物理量検出素子表面とは、流れ方向の断面で略同一高さとなる請求項１乃至４のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記樹脂プレート部材は、コの字形状の樹脂プレートであり、
前記ダイアフラムを有する物理量検出素子の周囲を囲むように前記プリント基板に実装される請求項５に記載の物理量検出装置。
前記プリント基板の表層に樹脂プレート部材が実装され、前記ダイアフラムを有する物理量検出素子と前記プリント基板の間には、搭載面の四方を囲う簡易接着部材があり、前記物理量検出素子と前記プリント基板とは、金属ワイヤにより電気的導通が図られており、前記金属ワイヤと物理量検出素子の一部と前記樹脂プレート部材の一部とは、樹脂により覆われている請求項１乃至６のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記ダイアフラムを有する物理量検出素子は流量検出素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記ダイアフラムを有する物理量検出素子は湿度検出素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の物理量検出装置。
前記樹脂プレート部材の裏面とプリント基板表面には、前記樹脂プレート部材とプリント基板が嵌め合うように凹凸が設けられている請求項５または６に記載の物理量検出装置。