JP7059880B2 - トリミング装置 - Google Patents

Description

本発明は、トリミング装置に関する。

トリミングとは抵抗材料または回路パターン等をレーザ等で除去して、電子部品等を所望の性能に近づけるプロセスである。たとえば特許文献１では、電子部品であるＦＥＴ（Field effect transistor）のトリミング方法として、最終特性値を変化させる内部変数に対しての変化特性を算出する複数の変数演算部と、前記内部変数間の関係について実際の回路上のシミュレーションを行う変数関係演算部と、トリミング時の実績値の傾向を分析して各変数演算部へ反映させる分析部とを備え、最終的な特性値に対して加工量を算出するのではなく、回路調整上の回路特性における個々の変動要因ごとにその因果関係を管理する方法を提案している。このトリミング方法は、最終的な特性値の変化を精度よく予測し、高能率かつ高歩留まりのトリミングを可能にするものである。

特開２０００－１３３７３３号公報

前述のように、トリミングとは、電子部品等を所望の性能に近づけるプロセスである。この「電子部品等」には、様々なデバイスが含まれ、そのトリミングの高能率化は、殆どのデバイスで要求されるものと思われる。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスセンサのトリミングの高効率化が可能なトリミング装置を提供することである。

本発明は、酸素濃度を検出するガスセンサ（１１）に用いられ、多孔質材からなる拡散層（２６）、及び、拡散層よりも緻密である緻密部（２７）を有するセンサ素子（１５）の出力調整を行うトリミング装置において、レーザ照射部（３８）と、位置特定部（４０）と、情報通信用コンピュータ（３４）と、加工制御用コンピュータ（３５）と、を備える。

レーザ照射部は、センサ素子の拡散層及び緻密部にレーザ照射して加工を行う。
位置特定部は、センサ素子の位置を特定する。
情報通信用コンピュータは、直方体のセンサ素子の一端に設けられた外部電極（１６、１７）に導通するプローブ電極（３２）からセンサ素子の出力の情報を取得する。
加工制御用コンピュータは、位置特定部から取得したセンサ素子の位置情報に基づいて、レーザ照射部にレーザ照射の位置を指示し、且つ、情報通信用コンピュータから取得したセンサ素子の出力の情報に基づいて、レーザ照射のエネルギーを指示する。
加工制御用コンピュータは、レーザ照射によるセンサ素子の加工とセンサ素子の出力の測定とを同時期に行う。

エンジンの概略図である。 Ａ／Ｆセンサの断面図である。 Ａ／Ｆセンサを構成するセンサ素子の平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ断面図である。 複数のセンサ素子をトリミングする例を示す図である。 トリミング方法の一例で、時間に対する限界電流の関係を示す図である。 図６に示す粗加工時のトリミング制御のフロー図である。 図６に示す仕上げ加工時のトリミング制御のフロー図である。

以下、トリミング装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。

（一実施形態）
図１に示すように、エンジン１０のＡ／Ｆセンサ１１（Ａ／Ｆ：Air/Fuel ratio）は、車両等のエンジンコントロールユニット(ＥＣＵ：engine control unit)１２に用いられる。ＥＣＵ１２では、Ａ／Ｆセンサ１１によって測定した空燃比の値を用いて、ＥＣＵ１２が燃料噴射装置１３の噴射量をフィードバック制御する。本実施の形態のガスセンサは、Ａ／Ｆセンサ１１である。

図２、図３、および図４に基づいてＡ／Ｆセンサ１１の構成を説明する。Ａ／Ｆセンサ１１は、その略中心に直方体のセンサ素子１５を有している。センサ素子１５は、一対の外部電極１６，１７を外部に露出している。センサ素子１５の外部電極１６，１７が配置されている側とは反対側の端部を図３のＩＶ－ＩＶ断面で見ると、アルミナ２１での外壁で覆われた空間が、ジルコニア系の固体電解質２２の板で仕切られている。

固体電解質２２には、白金製の一対の内部電極２３，２４が配置されており、内部電極２３，２４が外部電極１６，１７のそれぞれに導通している。外部電極１６，１７間に電圧を印加することで、固体電解質２２の内部電極２３，２４間に電圧を印加することができる。固体電解質２２で仕切られた空間２５と空間２８のうち、空間２５には、アルミナの多孔質部である、拡散層２６が配置されている。この「拡散層」は、「拡散抵抗層」と言われることもある。

拡散層２６は、センサ素子１５の外部、たとえば矢印Ｐ，Ｑの方向から、空間２５に入ってこようとする排気ガス成分の拡散を制限する。固体電解質２２は、酸素イオンを電気化学的に伝導するため、排気ガス中の酸素濃度が高くなれば、内部電極２３，２４間の印加電圧による電流値が高くなる。しかし、拡散層２６の存在により、排気ガスの拡散層２６中の拡散が制限され、内部電極２３，２４間に電圧を印加しても、出力であるセンサ電流は、増加せず飽和する特性、つまり排気ガスの酸素濃度に応じた限界電流ＩＬとなる。この限界電流ＩＬになることで、排気ガスの酸素濃度に応じた、高精度な出力の検出が可能になる。

本実施の形態のトリミング装置は、トリミングするときに、レーザ照射によるセンサ素子１５の加工と、センサ素子１５の出力の測定とを同時期に行う。レーザ照射によるセンサ素子１５の加工は、センサ素子１５の外部から、主にセンサ素子１５の外部電極１６，１７が配置されている側とは反対側の端部に対して行う。センサ素子１５の外部電極１６，１７が配置されている側とは反対側の端部には、拡散層２６およびそれ以外の、緻密なアルミナ部またはジルコニア部、すなわち「緻密部２７」を有する。

センサ素子１５の出力の測定は、外部電極１６，１７から検出される電流値、ここでは上述のように限界電流ＩＬ値である。「同時期に行う」とは、センサ素子１５の加工と、センサ素子１５の出力の測定とを「同時に行う」以外に、加工を休んでいる間に測定を行う場合、または加工の前または後に測定を行う場合等を含む。

図５は、複数のセンサ素子１５をトリミングする装置構成の、トリミング装置３０を示す図である。複数のセンサ素子１５は、一つずつ筒状のホルダー３１に保持される。センサ素子１５は、外部電極１６，１７側をホルダー３１側にして、保持される。ホルダー３１の下側には、外部電極１６，１７と導通する、容器状のプローブ電極３２が配置されている。このプローブ電極３２から導通する配線３３によってコンピュータ３４へセンサ素子１５の出力の情報が送られる。

コンピュータ３４へ送られた情報に基づいて、レーザによるセンサ素子１５のトリミング加工の条件を変えるための、加工制御用コンピュータ３５を動かす。コンピュータ３４からコンピュータ３５への情報の通信は、配線３６によって行われる。コンピュータ３５には、配線３７，３９によって、それぞれレーザ照射部３８と、各々のセンサ素子１５の位置を特定する位置特定部４０とが接続されている。

レーザ照射部３８は、コンピュータ３５の指示により、レーザ照射強度およびレーザ照射位置を変えることができる。位置特定部４０は、各々のセンサ素子１５の位置を特定して、その情報をコンピュータ３５に送信する。コンピュータ３５は、送信されてきた各々のセンサ素子１５の位置情報に基づいて、レーザ照射部３８へとレーザを照射する位置を指示する。

また、図５には、センサ素子１５の温度を昇温等させる、温度制御部４１が配置されている。温度制御部４１は、センサ素子１５の動作温度である、約７００℃を維持するようセンサ素子１５の温度調節をする。センサ素子１５の温度は、プローブ電極３２に熱電対を取り付け計測し、配線４２により温度制御部４１にその温度情報が通信される。各々のセンサ素子１５は、レール４３の動きと共に矢印Ｍの方向へ少しずつ進み、流れ作業でトリミングが行われる。なお、トリミングを行う際には、一定の酸素濃度のガス雰囲気下で行われる。また、トリミング中に出力である、センサ電流を測定する際には、内部電極２３，２４間に一定の電圧を印加する。

図５に示す装置構成で、単独のセンサ素子１５に対してトリミングを行う場合の、各構成要素の動作を説明する。図６に示すように、本トリミングは、トリミング初期の粗加工と、トリミング終期の仕上げ加工に分けている。

まず、粗加工から説明する。図７に粗加工のフローを示す。粗加工が開始されると、コンピュータ３５がレーザエネルギーを「５」ｊ／ｃｍ²に設定する（Ｓ１）。その設定は、レーザ照射部３８に伝えられる。そのレーザエネルギーで、拡散層２６の加工（Ｓ２）と緻密部２７の加工（Ｓ３）が、同時に行われる。「同時に」とは言え、レーザ照射部３８のレーザ照射は、レーザの照射領域を非常に狭く絞り、それを走査させるため、拡散層２６の加工と緻密部２７の加工が順番に行われ、それが繰り返される。

なお、アルミナ２１、固体電解質２２および拡散層２６にレーザを照射すると、アルミナ２１、固体電解質２２および拡散層２６の表面が溶けて除去された状態となり、外見上の大きな形状変化はないが、拡大鏡等で見れば、多数の細かい溝が形成されているのがわかる。そして、緻密部２７の加工を行っているときには、出力としての限界電流ＩＬの変化は殆ど無い。また、拡散層２６の加工を行っているときには、出力としての限界電流ＩＬが変化する。拡散層２６を加工すると、拡散層２６が若干薄くなり、センサ素子１５周囲の一定の酸素濃度のガスの、拡散層２６中の拡散の制限が緩まるため、出力であるセンサ電流は、加工前よりも大きな限界電流ＩＬとなる。

出力は、限界電流ＩＬが殆ど変化しない時期である、緻密部２７の加工を行うときに、測定する（Ｓ４）。この出力が図６に示す第１閾値Ａ以上になったかどうかを判断する（Ｓ５）。そして出力が第１閾値Ａ以上になるまで、出力測定を繰り返す（Ｓ４，Ｓ５）。この、出力測定を繰り返す間に、拡散層２６の加工（Ｓ２）が行われることがある。しかし、その、拡散層２６の加工（Ｓ２）と、出力測定とは、同時に行われることはなく、たとえば拡散層２６の加工の休止期間等に、出力測定（Ｓ４）がされる。この休止時間は、たとえば４ｍ秒である。

出力測定（Ｓ４）により、出力が第１閾値Ａ以上になったと判断された（Ｓ５）場合には、コンピュータ３５がレーザエネルギーを「３」ｊ／ｃｍ²に変更する（Ｓ６）。すなわち、トリミング作業を「遅く」する。その変更は、レーザ照射部３８に伝えられる。そして出力が図６に示す第２閾値Ｂ以上になるまで、出力測定を繰り返す（Ｓ７，Ｓ８）。この、出力測定を繰り返す間に、拡散層２６の加工（Ｓ２）が行われることがある。しかし、その、拡散層２６の加工（Ｓ２）と、出力測定とは、同時に行われることはなく、たとえば拡散層２６の加工の休止期間等に、出力測定（Ｓ７）がされる。この休止時間は、たとえば４ｍ秒である。

出力測定（Ｓ７）により、出力が第２閾値Ｂ以上になったと判断された（Ｓ８）場合には、粗加工を終了し（Ｓ９）、仕上げ加工へと進む（Ｓ１０）。

図８に仕上げ加工のフローを示す。仕上げ加工が開始されると、コンピュータ３５がレーザエネルギーを「２」ｊ／ｃｍ²に設定する（Ｓ１１）。その設定は、レーザ照射部３８に伝えられる。そのレーザエネルギーで、所定時間拡散層２６の加工（Ｓ１２）を行う。この所定時間は、たとえば４ｍ秒である。所定時間後、拡散層２６の加工を停止し（Ｓ１３）、出力を測定する（Ｓ１４）。

この出力が図６に示す第３閾値Ｃ以上になったかどうかを判断する（Ｓ１５）。そして出力が第３閾値Ｃ以上になるまで、所定時間拡散層２６の加工（Ｓ１２）、およびその加工の停止（Ｓ１３）、ならびに出力測定を繰り返す（Ｓ１４，Ｓ１５）。このように、出力測定（Ｓ１４）をする際には、拡散層２６の加工を停止（Ｓ１３）している。

出力測定（Ｓ１４）により、出力が第３閾値Ｃ以上になったと判断された（Ｓ１５）場合には、コンピュータ３５がレーザエネルギーを「１」ｊ／ｃｍ²に変更する。すなわち、トリミング作業を「遅く」する。その変更は、レーザ照射部３８に伝えられる。そのレーザエネルギーで、所定時間拡散層２６の加工（Ｓ１７）を行う。この所定時間は、たとえば４ｍ秒である。所定時間後、拡散層２６の加工を停止し（Ｓ１８）、出力を測定する（Ｓ１９）。

この出力が、図６に示す目標下限値Ｄ１以上になったかどうかを判断する（Ｓ２０）。そして出力が目標下限値Ｄ１以上になるまで、所定時間拡散層２６の加工（Ｓ１７）、および出力測定を繰り返す（Ｓ１８，Ｓ１９）。このように、出力測定（Ｓ１９）をする際には、拡散層２６の加工を停止（Ｓ１８）している。

出力測定（Ｓ１９）により、出力が目標下限値Ｄ１以上になったと判断された（Ｓ２０）場合には、トリミングを終了する。以上により、出力が目標下限値Ｄ１以上かつ目標上限値Ｄ２以下のセンサ素子１５が作成される。同様の粗加工および仕上げ加工を行えば、同様に出力が目標下限値Ｄ１以上かつ目標上限値Ｄ２以下のセンサ素子１５が多数作成される。センサ素子１５の目標出力は目標下限値Ｄ１以上かつ目標上限値Ｄ２以下である。

従来のガスセンサのトリミング装置は、センサ素子の出力を測定した後、ダイシング等で切断する等してトリミングを行い、そのトリミングの結果を、再度センサ素子の出力を測定して確認し、さらにトリミングを要する場合には、再度トリミングを行っていた。特にダイシング等での切断の工程は、常温で行われるのに対して、出力の測定の工程は、約７００℃で行われていた。このトリミング方法は、非常に効率が悪かった。トリミング装置３０は、レーザ照射によるセンサ素子の加工と、センサ素子の出力の測定とを、同時期に行うこととしたため、効率的なトリミングが可能なトリミング装置３０を提供することができる。

上記のダイシング等での切断工程は、時間がかかる。その点、レーザ照射の工程は、レーザの走査で済むため、極めて短時間で、加工をすることができる。また、センサ素子１５の加工と、センサ素子１５の出力の測定とをセンサ素子１５の動作温度である、約７００℃で行うことができるため、トリミングの精度が良くなる。なお、約７００℃は、センサ素子１５の動作温度であるため、実際の動作の際と同じ温度環境でトリミングができ、よりトリミングの精度が良くなる。

また、センサ素子１５の出力の測定は、拡散層２６の加工の最中には行わずに、緻密部２７の加工の最中または拡散層２６の加工の休止時に行っている。そのため、出力値の変動の大きな拡散層２６の加工の最中の出力の測定を避けることができ、より安定した出力の測定を可能としている。

また、センサ素子１５の出力が目標とする目標下限値Ｄ１までに至る、加工の際のレーザエネルギーを、５ｊ／ｃｍ²から３ｊ／ｃｍ²、２ｊ／ｃｍ²、１ｊ／ｃｍ²へと段階的に下げている。このことにより、目標下限値Ｄ１への到達まで遠い段階では、大きなレーザエネルギーにより短時間で出力を大きく変動させる加工を行うと共に、目標下限値Ｄ１に近づくに従い、小さなレーザエネルギーで慎重に目標下限値Ｄ１へと近づけることができる。特に、センサ素子１５は、レーザ照射によって出力値を上げることはできるが、下げることはできない。そのため、出力を上げすぎて規格外の出力となってしまったセンサ素子１５は、不良品となってしまうことがある。そのような不良品を作らないためにも、加工の際のレーザエネルギーを段階的に下げることは重要である。

（他の実施形態）
本実施の形態では、センサ素子１５の動作温度で、センサ素子１５の加工と、センサ素子１５の出力の測定とを行っている。しかし、たとえば、センサ素子１５の加工を約６００℃で行い、センサ素子１５の出力の測定をセンサ素子１５の動作温度である、約７００℃で行っても良い。

また、センサ素子１５の出力の測定は、センサ素子１５の加工のうち、センサ素子１５のうち多孔質材からなる拡散層２６の加工を休止しているとき、またはセンサ素子１５のうち多孔質材ではない緻密部２７の加工を行っているときに、行っている。しかし、センサ素子１５の出力の測定は、拡散層２６の加工の最中に行っても良い。

また、本実施の形態では、目標とするセンサ素子１５の出力までに至る、加工の際のレーザエネルギーを、段階的に下げている。具体的には、目標とするセンサ素子１５の目標下限値Ｄ１までに至る、加工の際のレーザエネルギーを、５ｊ／ｃｍ²から３ｊ／ｃｍ²、２ｊ／ｃｍ²、１ｊ／ｃｍ²へと段階的に下げている。しかし、段階的ではなく、無断階に徐々にレーザエネルギーを下げても良いし、一定のレーザエネルギーで加工の最初から最後まで維持しても良い。さらには、レーザエネルギーを段階的に下げるにしても、５ｊ／ｃｍ²から３ｊ／ｃｍ²、２ｊ／ｃｍ²、１ｊ／ｃｍ²へと下げるのではなく、別の数値または比率で下げることとしても良い。

また、図５に示す装置構成のトリミング装置３０を用いて、図６，図７，および図８の動作を説明した。しかし、図５に示す装置構成以外のトリミング装置を用いて、図６，図７，および図８の動作を行っても良い。

以上、本発明はこのような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で種々の形態で実施可能である。

１１・・・Ａ／Ｆセンサ（ガスセンサ）
１５・・・センサ素子
２６・・・拡散層
２７・・・緻密部
３０・・・トリミング装置

Claims (4)

1. 酸素濃度を検出するガスセンサ（１１）に用いられ、多孔質材からなる拡散層（２６）、及び、前記拡散層よりも緻密である緻密部（２７）を有するセンサ素子（１５）の出力調整を行うトリミング装置において、
   前記センサ素子の前記拡散層及び前記緻密部にレーザ照射して加工を行うレーザ照射部（３８）と、
   前記センサ素子の位置を特定する位置特定部（４０）と、
   直方体の前記センサ素子の一端に設けられた外部電極（１６、１７）に導通するプローブ電極（３２）から前記センサ素子の出力の情報を取得する情報通信用コンピュータ（３４）と、
   前記位置特定部から取得した前記センサ素子の位置情報に基づいて、前記レーザ照射部にレーザ照射の位置を指示し、且つ、前記情報通信用コンピュータから取得した前記センサ素子の出力の情報に基づいて、レーザ照射のエネルギーを指示する加工制御用コンピュータ（３５）と、
   を備え、
   前記加工制御用コンピュータは、
   レーザ照射による前記センサ素子の加工と前記センサ素子の出力の測定とを同時期に行うトリミング装置。
2. 前記センサ素子の温度を所定の動作温度に維持する温度制御部（４１）をさらに備え、
   前記加工制御用コンピュータは、
   前記センサ素子の加工と前記センサ素子の出力の測定とを前記センサ素子の動作温度で行う請求項１に記載のトリミング装置。
3. 前記加工制御用コンピュータは、
   前記拡散層の加工を休止しているとき、または前記緻密部の加工を行っているときに前記センサ素子の出力の測定を行う請求項１または２に記載のトリミング装置。
4. 前記加工制御用コンピュータは、前記レーザ照射部に対し、
   前記センサ素子の出力が目標出力に至るまでの間に、前記加工の際のレーザエネルギーを段階的に下げるように指示する請求項１～３のいずれか１項に記載のトリミング装置。

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