JP7097324B2 - 物理量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物理量測定装置に関する。

従来から空気流量測定装置に係る発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された発明は、信頼性の高い空気流量測定装置を提供することを目的としている。この目的を解決するための手段として、特許文献１は、以下の構成を備えた空気流量測定装置を開示している。

特許文献１の空気流量測定装置は、回路基板上に電子部品と、ボンディングパッドと、プローブパッドと、コネクタ端子を一体成形したケースを有している。回路基板上のボンディングパッドとコネクタ端子との間は、アルミワイヤによってボンディングされて電気的に接続されている。

この従来の空気流量測定装置は、プローブパッドの腐食を防止している。より具体的には、プローブパッドを回路基板上に接着する筐体下に配置して接着剤によって覆う構造としている。

特開２０１２－１６３５０４号公報

物理量測定装置を含む電子機器では、回路基板とケースに一体成形されたコネクタ端子の電気的接続として、回路基板上にボンディングパッドを配置し、ワイヤボンディングを行う場合が多い。そして、チップコンデンサやチップ抵抗などの電子部品の回路基板への実装は、はんだリフローによって行われる。

しかしながら、はんだリフローにおいては、はんだや、はんだ中のフラックスが飛散して、ボンディングパッド表面に、はんだや、はんだ中のフラックスが付着するおそれがあり、はんだやフラックスによりボンディングパッドの表面が汚損され、ワイヤボンディングの信頼性への影響が懸念される。また、ボンディングパッドと電子部品との間に大きな距離を確保しようとすると回路基板のサイズが大きくなり、回路基板の実装効率が低下し、装置全体が大型化し、物理量の測定に影響を与えるおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回路基板の実装効率を低下させることなくワイヤボンディングの信頼性を向上させることが可能な物理量測定装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明の物理量測定装置は、コネクタ端子が樹脂で一体に成形されたハウジングと、該ハウジングに収容された回路基板とを有する物理量測定装置であって、前記回路基板には、前記コネクタ端子にボンディング接続されるボンディングパッドと、チップ部品が実装されており、前記ボンディングパッドと前記チップ部品との間に、プローブパッドとパッケージ部品とスルーホールの少なくとも一つが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも回路基板のサイズを拡大させることなくワイヤボンディングの信頼性を向上させることが可能な物理量測定装置を提供することができる。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムの一例を示すシステム図。 図１に示す内燃機関制御システムに使用される物理量測定装置の正面図。 図２に示す物理量測定装置のカバーを取り外した状態の正面図。 実施例１の回路基板の要部を拡大して示す図。 実施例２の回路基板の要部を拡大して示す図。 実施例３の回路基板の要部を拡大して示す図。 実施例４の回路基板の要部を拡大して示す図。

以下、図面を参照して本開示に係る物理量測定装置の実施形態を説明する。
図１は、本開示の実施形態１に係る物理量測定装置２０を使用した電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム１のシステム図である。

内燃機関制御システム１において、エンジンシリンダ１１とエンジンピストン１２を備える内燃機関１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体２としてエアクリーナ２１から吸入される。吸入空気は、主通路２２である吸気ボディと、スロットルボディ２３と、吸気マニホールド２４を介してエンジンシリンダ１１の燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体２の物理量は、物理量測定装置２０で測定される。さらに、物理量測定装置２０で測定された物理量に基づいて、燃料噴射弁１４より燃料が供給され、吸入空気と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。

なお、本実施形態では、燃料噴射弁１４は内燃機関１０の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気に混合され、その燃料と吸入空気との混合気が、吸気弁１５を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。燃焼室に導かれた混合気は、燃料と空気とが混合された状態であり、点火プラグ１３の火花着火によって爆発的に燃焼して機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁１６から排気管に導かれ、排気ガス３として排気管から車外に排出される。

燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体２の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ２５により制御される。また、燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御される。スロットルバルブ２５の開度を制御して燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関１０が発生する機械エネルギを制御することができる。

物理量測定装置２０は、エアクリーナ２１を介して取り込まれて主通路２２を流れる吸入空気である被計測気体２の流量、温度、湿度、圧力などの物理量を測定する。物理量測定装置２０は、吸入空気の物理量に応じた電気信号を出力する。物理量測定装置２０の出力信号は制御装置４に入力される。

また、スロットルバルブ２５の開度を計測するスロットル角度センサ２６の出力が制御装置４に入力され、さらに内燃機関１０のエンジンピストン１２や吸気弁１５や排気弁１６の位置や状態、さらに内燃機関１０の回転速度を計測するために、回転角度センサ１７の出力が、制御装置４に入力される。排気ガス３の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ２８の出力が制御装置４に入力される。

制御装置４は、物理量測定装置２０の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ１７の出力に基づき計測された内燃機関１０の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これらの演算結果に基づいて、燃料噴射弁１４から供給される燃料量、また点火プラグ１３により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際には、さらに物理量測定装置２０で測定される温度や、スロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ２８で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置４は、さらに内燃機関１０のアイドル運転状態において、スロットルバルブ２５をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ２７により制御し、アイドル運転状態での内燃機関１０の回転速度を制御する。

内燃機関１０の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも物理量測定装置２０の出力を主パラメータとして演算される。したがって、物理量測定装置２０の測定精度の向上や、経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、物理量測定装置２０により測定される被計測気体２である吸入空気の物理量の測定精度の向上が極めて重要である。また、物理量測定装置２０が高い信頼性を維持していることも大切である。

物理量測定装置２０が搭載される車両は、温度や湿度の変化が大きい環境で使用される。物理量測定装置２０は、その使用環境における温度や湿度の変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。また、物理量測定装置２０は、内燃機関１０からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため、内燃機関１０の発熱が主通路２２である吸気管を介して物理量測定装置２０に伝わる。物理量測定装置２０は、被計測気体と熱伝達を行うことにより被計測気体の流量を測定するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。

車両に搭載される物理量測定装置２０は、以下で説明するように、単に発明が解決しようとする課題の欄に記載された課題を解決し、発明の効果の欄に記載された効果を奏するだけではない。以下で説明するように、物理量測定装置２０は、上述した様々な課題を十分に考慮し、製品として求められている様々な課題を解決し、種々の効果を奏している。物理量測定装置２０が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施形態に関する記載の中で説明する。

図２は、図１に示す内燃機関制御システムに使用される物理量測定装置の正面図である。図３は、図２に示す物理量測定装置のカバーを取り外した状態の正面図である。なお、図３では、回路基板を封止する封止材の図示を省略している。

物理量測定装置２０は、主通路２２の通路壁に設けられた取り付け孔から主通路２２の内部に挿入されて利用される。物理量測定装置２０は、ハウジング２０１と、ハウジング２０１に取り付けられるカバー２０２とを備えている。ハウジング２０１は、合成樹脂材料を射出成形することによって構成されており、カバー２０２は、たとえばアルミニウム合金などの導電性材料からなる板状部材によって構成されている。カバー２０２は、薄い板状に形成されて、広い平坦な冷却面を有している。

ハウジング２０１は、主通路２２である吸気ボディに固定されるフランジ２０１ｆと、フランジ２０１ｆから突出して外部機器との電気的な接続を行うために吸気ボディから外部に露出するコネクタ２０１ｃと、フランジ２０１ｆから主通路２２の中心に向かって突出するように延びる計測部２０１ｍを有している。

フランジ２０１ｆは、たとえば、所定の板厚からなる平面視略矩形状を有しており、角部に貫通孔を有している。フランジ２０１ｆは、たとえば、角部の貫通孔に固定ネジが挿通されて主通路２２のネジ穴に螺入されることにより、主通路２２に固定される。

コネクタ２０１ｃは、たとえば、その内部に４本の外部端子と、補正用端子とが設けられている。外部端子は、物理量測定装置２０の計測結果である流量や温度などの物理量を出力するための端子および物理量測定装置２０が動作するための直流電力を供給するための電源端子である。補正用端子は、生産された物理量測定装置２０の計測を行い、それぞれの物理量測定装置２０に関する補正値を求めて、物理量測定装置２０内部のメモリに補正値を記憶するのに使用する端子である。外部端子と補正用端子は、ハウジングに一体成形されている。外部端子の端部は、後述する回路室２３５に突出しており、コネクタ端子３０１を構成している。

計測部２０１ｍは、フランジ２０１ｆから主通路２２の中心方向に向かって延びる薄くて長い形状を成し、幅広な正面２２１と背面、および幅狭な一対の側壁面２２３、２２４を有している。計測部２０１ｍは、たとえば、主通路２２に設けられた取り付け孔から内部に挿入され、フランジ２０１ｆを主通路２２に当接させてねじで主通路２２に固定することで、フランジ２０１ｆを介して主通路２２に固定される。計測部２０１ｍは、側壁面２２３が主通路２２において被計測気体の流れ方向上流側に向かって対向し、側壁面２２４が被計測気体の流れ方向下流側に向かって対向するように、主通路２２内に配置される。

計測部２０１ｍには、副通路形成部２５０と、回路基板２０７を収容するための回路室２３５が設けられている。回路室２３５は、主通路２２における被計測気体２の流れ方向の上流側の位置に配置され、副通路２３４は、回路室２３５よりも主通路２２における被計測気体２の流れ方向の下流側の位置に配置される。

回路基板２０７は、回路室２３５に収容されている。回路基板２０７は、計測部２０１ｍの長手方向に沿って延在する略長方形の形状を有しており、その表面には、回路パッケージ２０８、圧力センサ２０４、温湿度センサ２０６及び吸気温度センサ２０３等のパッケージ部品と、チップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４と、ボンディングパッド３０２が実装されている。

回路基板２０７は、ボンディングパッド３０２とハウジング２０１にインサート成形されたコネクタ端子３０１との間を、たとえばアルミワイヤの様な線材３０３を用いて超音波接合するワイヤボンディング（ボンディング接続）を行い、電気的に接続している。

回路基板２０７の表面には、基板単体または、ハウジングに実装した後等、各工程における特性調整や、特性チェック時に電圧供給や、電位測定に使用するためのプローブパッド３０５が配置されている。プローブパッド３０５の表面は、銅などの導体が露出した面、または、導体にめっきを施しためっき面からなる。

パッケージ部品やチップ部品３０４は、はんだリフロー処理によって回路基板２０７に実装される。リフロー処理工程では、はんだに含まれるフラックスによる汚染、溶融したはんだ中に何らかの理由によって水分が入り込み、水蒸気爆発による、はんだ爆ぜが発生する可能性がある。はんだ爆ぜによって、はんだやフラックスが飛散し、回路基板２０７や、回路基板に実装されている部品に付着して汚染する可能性がある。

はんだ爆ぜによって飛散したはんだやフラックスがボンディングパッド３０２の表面に付着してボンディングパッド３０２が汚染されると、ボンディングパッド３０２とコネクタ端子３０１との間のワイヤボンディングの信頼性に影響を与え、接合強度が低下する。ボンディングパッド３０２の表面の汚染が激しい場合は、ボンディングパッド３０２から線材３０３が剥がれるおそれがある。

回路基板２０７に実装される部品のうち、回路パッケージ２０８や圧力センサ２０４などのパッケージ部品は、メッキされた端子を有しており、端子を回路基板２０７にはんだ付けするためのはんだは、回路基板２０７側にのみ存在する。したがって、パッケージ部品は、リフロー処理中にはんだ爆ぜが発生する可能性は低く、発生しても爆ぜ方が小さい。また、ボンディングパッド３０２は、その表面に、はんだを用いていない。したがって、ボンディングパッド３０２は、リフロー処理中にはんだ爆ぜが発生する可能性はない。

一方、チップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４は、内部電極を有しているので、内部電極に水分が残留する可能性が高く、内部電極に残留している水分がリフロー処理時の加熱によって気化して、はんだ爆ぜを起こし易い。したがって、ボンディングパッド３０２の近傍にチップ部品３０４を配置すると、リフロー処理中のはんだ爆ぜによってボンディングパッド３０２の表面が汚染される可能性が高い。

ボンディングパッド３０２の表面が汚染されるのを抑制するためには、チップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４が配置される回路基板２０７上の位置を、ボンディングパッド３０２から遠ざけることが有効であるが、単に遠ざけることでは、回路基板２０７の実装効率が悪化し、回路基板のサイズが大きくなってしまう。

上記の問題に鑑みて、本実施形態の物理量測定装置では、ボンディングパッド３０２とチップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４との間に、はんだ爆ぜの発生する可能性が低いプローブパッド３０５やパッケージ部品を配置することにより、実装効率を悪化させることなく、ワイヤボンディングの信頼性の向上を図ることができる。

図４は、実施例１の回路基板の要部を拡大して示す図である。
ボンディングパッド３０２とチップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４との間には、パッケージ部品である圧力センサ２０４と、プローブパッド３０５と、スルーホール３０６が配置されている。本実施例では、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間に、圧力センサ２０４と、プローブパッド３０５と、スルーホール３０６が配置されているので、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間の距離を大きくすることができる。したがって、リフロー処理においてチップ部品３０４にはんだ爆ぜが発生して、はんだが飛散しても、ボンディングパッド３０２まで到達するのを防ぐことができる。

特に、図４に示す構成の場合、所定の高さを有する圧力センサ２０４がボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間に配置されているので、圧力センサ２０４が防護壁となり、はんだ爆ぜにより飛散したはんだがボンディングパッド３０２まで到達するのを防ぐことができる。したがって、ボンディングパッド３０２が、はんだによって汚染されるのを防ぎ、ボンディングパッド３０２に対するワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

なお、本実施例では、パッケージ部品が圧力センサ２０４である場合を例に説明したが、圧力センサ２０４以外のダイオードやトランジスタ等のパッケージ部品でもよく、圧力センサ２０４の場合と同様の効果を得ることができる。

図５は、実施例２の回路基板の要部を拡大して示す図である。
上述の実施例１では、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間に、圧力センサ２０４と、プローブパッド３０５と、スルーホール３０６が配置されている場合を例に説明したが、圧力センサ２０４と、プローブパッド３０５と、スルーホール３０６のうち少なくとも一つが配置されていればよい。

実施例２の構成では、ボンディングパッド３０２とチップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４との間に、パッケージ部品である圧力センサ２０４のみを配置している。本実施例でも、実施例１と同様に、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間の距離を大きくすることができる。したがって、リフロー処理においてチップ部品３０４にはんだ爆ぜが発生して、はんだが飛散しても、ボンディングパッド３０２まで到達するのを効果的に防ぐことができる。

そして、圧力センサ２０４を防護壁として、はんだ爆ぜにより飛散したはんだがボンディングパッド３０２まで到達するのを効果的に防ぐことができる。したがって、ボンディングパッド３０２が、はんだによって汚染されるのを防ぎ、ボンディングパッド３０２に対するワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

図６は、実施例３の回路基板の要部を拡大して示す図である。
本実施例では、ボンディングパッド３０２とチップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４との間には、プローブパッド３０５が配置されている。本実施例でも、実施例１、２と同様に、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間の距離を大きくすることができる。したがって、リフロー処理においてチップ部品３０４にはんだ爆ぜが発生して、はんだが飛散しても、ボンディングパッド３０２まで到達するのを防ぐことができる。したがって、ボンディングパッド３０２が、はんだによって汚染されるのを防ぎ、ボンディングパッド３０２に対するワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

特に、本実施例では、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間を仕切る方向に沿って複数のプローブパッド３０５が一列に並んで配置されている。したがって、これら複数のプローブパッド３０５を防護壁として、はんだ爆ぜにより飛散したはんだがボンディングパッド３０２まで到達するのを効果的に防ぐことができる。したがって、ボンディングパッド３０２が、はんだによって汚染されるのを防ぎ、ボンディングパッド３０２に対するワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

図７は、実施例４の回路基板の要部を拡大して示す図である。
回路基板２０７がガラスエポキシ製の積層基板（ガラスエポキシ基板）である場合、積層基板にはスルーホール３０６が設けられる。本実施例では、ボンディングパッド３０２とチップコンデンサやチップ抵抗などのチップ部品３０４との間にスルーホール３０６が配置されている。本実施例でも、実施例１～３と同様に、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間の距離を大きくすることができる。したがって、リフロー処理においてチップ部品３０４にはんだ爆ぜが発生して、はんだが飛散しても、ボンディングパッド３０２まで到達するのを防ぐことができる。

そして、本実施例では、ボンディングパッド３０２とチップ部品３０４との間を仕切る方向に沿って複数のスルーホール３０６が一列に並んで配置されている。したがって、これら複数のスルーホール３０６を防護壁として、はんだ爆ぜにより飛散したはんだがボンディングパッド３０２まで到達するのを効果的に防ぐことができる。したがって、ボンディングパッド３０２が、はんだによって汚染されるのを防ぎ、ボンディングパッド３０２に対するワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２０ 物理量測定装置
２０１ ハウジング
２０２ カバー
２０３ 吸気温度センサ
２０４ 圧力センサ（パッケージ部品）
２０６ 温湿度センサ
２０７ 回路基板
２０８ 回路パッケージ
３０１ コネクタ端子
３０２ ボンディングパッド
３０３ 線材
３０４ チップ部品
３０５ プローブパッド
３０６ スルーホール

Claims (5)

1. コネクタ端子が樹脂で一体に成形されたハウジングと、該ハウジングに収容された回路基板とを有する物理量測定装置であって、
   前記回路基板には、前記コネクタ端子にボンディング接続されるボンディングパッドと、チップ部品が実装されており、
   前記ボンディングパッドと前記チップ部品との間に、プローブパッドとパッケージ部品とスルーホールの少なくとも一つが配置されていることを特徴とする物理量測定装置。
2. 前記プローブパッドは、前記ボンディングパッドと前記チップ部品との間を仕切る方向に沿って並ぶように複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
3. 前記スルーホールは、前記ボンディングパッドと前記チップ部品との間を仕切る方向に沿って並ぶように複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
4. 前記回路基板は、ガラスエポキシ基板であることを特徴する請求項３に記載の物理量測定装置。
5. 前記プローブパッドの表面は、導体が露出した面、または、導体にめっきを施しためっき面であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の物理量測定装置。

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