JP7052441B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ装置に関する。

従来、ケース部に接着剤を介して接続されたセンサ部を備えるセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１～４参照）。
特許文献１ 特開平６－１８６１０４号公報
特許文献２ 特開２００１－２０１４１５号公報
特許文献３ 特開２００２－０９８７０９号公報
特許文献４ 特開２００３－０８３８２８号公報

センサ装置では、ケース部からセンサ部への応力の影響が小さいことが好ましい。

本発明の第１の態様においては、センサ部と、センサ部を収容するケース部と、センサ部とケース部との間において、ケース部と接して設けられ、且つ、ケース部よりも弾性率が小さい材料を有する弾性部と、センサ部とケース部との間に設けられる接着剤とを備えるセンサ装置を提供する。

接着剤は、弾性部との間に界面を有してよい。

弾性部は、接着剤と同一材料を有してよい。

弾性部は、接着剤よりも弾性率が小さくてよい。

弾性部は、接着剤よりも粘性が高くてよい。

弾性部は、センサ部と接して設けられてよい。

弾性部は、ケース部に固定されていてよい。

ケース部は、センサ部を載置する載置面に突起部を有し、突起部とセンサ部との間に弾性部が設けられていてよい。

突起部は、上面に凹部を有してよい。弾性部は、センサ部と凹部との間に設けられてよい。

接着剤は、センサ部の下方に設けられ、且つ、弾性部と離間して設けられてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

実施例１に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。 実施例１に係るセンサ装置１００の上面図の一例を示す。 比較例に係るセンサ装置５００の構成の一例を示す。 実施例２に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。 実施例３に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。 実施例４に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。 センサ装置１００を製造するためのフローチャートの一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１Ａは、実施例１に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。本例のセンサ装置１００は、センサ部１０と、ケース部２０と、弾性部３０と、接着剤４０と、リード端子５０と、接続部６０と、封止部７０とを備える。

本例では、センサ部１０の主面と平行な面において互いに直交する方向をＸ軸方向およびＹ軸方向とし、センサ部１０の主面と直交する方向をＺ軸方向とする。ＸＹＺ軸は、右手系を構成する。本例においてセンサ部１０の主面は、ケース部２０と対向する下面、および、当該下面とは反対側の上面である。なお、本明細書における上、下等の方向は、相対的な方向を指しており、重力方向の上、下方向、または、センサ装置１００を実装したときの上、下方向とは必ずしも一致しない。本明細書において、上面視とは、センサ部１０の上面側からの視点を指す。

センサ部１０は、予め定められた物理量を検出する物理量センサである。例えば、センサ部１０は、圧力センサおよび加速度センサ等の物理量センサを有する。本例では、センサ部１０を圧力センサとして説明するが、これに限られない。センサ部１０は、台座部１１と、センサチップ１２と、ダイアフラム１３とを備える。センサ部１０の底面は、ケース部２０に固着されている。センサ部１０の底面は、接着剤を用いてケース部２０にダイボンディングされてよい。センサ部１０の側面は、ケース部２０と離間している。

台座部１１は、Ｚ軸方向の正側の面（即ち、上面）において、センサチップ１２と接合されている。台座部１１は、Ｚ軸方向の負側の面（即ち、下面）において、接着剤４０を介してケース部２０の載置面２４に固着されている。例えば、台座部１１は、耐熱ガラスを有する。台座部１１は、載置面２４において、水平に担持されることが好ましい。

センサチップ１２は、圧力を検出するためのチップである。本例のセンサチップ１２は、センサ部１０に加えられた圧力を検出するシリコン（Ｓｉ）チップである。例えば、センサチップ１２は、台座部１１と静電接合される。

ダイアフラム１３は、センサ部１０に加えられた圧力によりたわむ。ダイアフラム１３はゲージ抵抗部１４を有する。ダイアフラム１３は、センサチップ１２において、裏面が除去されて薄板化された部分である。例えば、ダイアフラム１３は、円形状の平面形状を有する。ダイアフラム１３の厚さは、測定する圧力範囲によって異なるが、例えば数μｍ～数１０μｍ程度である。

ゲージ抵抗部１４は、ダイアフラム１３のたわみに応じた電気信号を出力する。ゲージ抵抗部１４は、ピエゾ抵抗効果を有する材料で形成される。ダイアフラム１３の上面において、４つのゲージ抵抗部１４がブリッジ接続されている。例えば、ゲージ抵抗部１４は、圧力変化に応じたダイアフラム１３の変形によりゲージ抵抗が変化し、ゲージ抵抗の変化量をブリッジ回路から電圧信号として出力する。

空間部１５は、ダイアフラム１３を形成するために、センサチップ１２の裏面が除去された領域である。空間部１５は、センサチップ１２の中央部に設けられた略円柱状の空間である。空間部１５は、センサチップ１２が台座部１１に静電接合されることにより、形成されてよい。

ケース部２０は、センサ部１０を収容する収納容器本体である。ケース部２０は、内部にセンサ部１０を収納するための凹状の空間を有する。ケース部２０は、予め定められた型枠を用いることにより、樹脂で成形される。ケース部２０の形状は本例に限られない。

ここで、ダイアフラム１３は、周囲環境から圧力を受ける以外に、ケース部２０や接着剤４０から台座部１１を介して応力を受ける場合がある。例えば、台座部１１とケース部２０との間の熱膨張差により応力が生じる。ダイアフラム１３は、周囲環境以外の応力の影響を受けないことが好ましい。これにより、センサ装置１００の圧力の検出精度が向上する。

弾性部３０は、センサ部１０とケース部２０との間に生じる応力を吸収する。弾性部３０は、センサ部１０とケース部２０との間において、ケース部２０と接して設けられる。本例の弾性部３０は、センサ部１０と接しているが、センサ部１０と接して設けられなくてもよい。弾性部３０は、柔らかく、伸縮性のある材料であることが好ましい。例えば、弾性部３０は、ケース部２０よりも弾性率が小さい材料で設けられている。弾性部３０の弾性率は、台座部１１よりも小さい。弾性部３０の弾性率を小さくすることにより、センサ部１０とケース部２０との間の応力を吸収しやすくなる。弾性部３０は、ケース部２０に固定されている。即ち、弾性部３０は、載置面２４において、予め定められた位置に配置されている。弾性部３０を所望の位置に固定することができるので、センサ部１０を水平に保持しやすくなる。

本例の弾性部３０は、先端が細くなった突起状の断面形状を有する。弾性部３０の先端を細くすることにより、ケース部２０からの熱応力がセンサ部１０に伝わりにくくなる。但し、弾性部３０の先端は、なめらかな曲線であることが好ましい。

弾性部３０は、予め定められた高さを有し、センサ部１０とケース部２０との間の空間を一定に確保する。弾性部３０を高くすることにより、接着剤４０が厚くなる。接着剤４０が厚くなることにより、ケース部２０からの熱応力がセンサ部１０に伝わりにくくなる。一例において、弾性部３０の高さは、１０μｍ以上であってよく、１００μｍ以上であってよく、１５０μｍ以上であってよく、２００μｍ以上であってよい。弾性部３０の高さは、接着剤４０の厚みよりも低ければよい。

接着剤４０は、センサ部１０とケース部２０とを接着する。接着剤４０は、センサ部１０とケース部２０との間に充填して設けられる。接着剤４０は、弾性部３０との間に界面を有する。例えば、接着剤４０と弾性部３０との間の界面は、弾性部３０および接着剤４０が別々に硬化されることにより生じる。界面は、弾性部３０と接着剤４０との間において、材料が不連続に形成された面であってよい。

接着剤４０は、高分子材料を含む。接着剤４０は、シリコン系の高分子材料であっても、フッ素系の高分子材料であってもよい。シリコン系の高分子材料は低コストである。フッ素系の高分子材料は、耐環境性に優れる。接着剤４０は、粘性を高くするために、フリーオイルを少なめに有することが好ましい。接着剤４０は、フリーオイルを含まない高分子材料で形成されてよい。フリーオイルとは、弾性率、針入度および硬度などの物性を調整するための添加剤である。接着剤４０は、フリーオイルの含有量を少なくすることにより、センサ部１０をダイボンディングする際の濡れ広がりを抑制することができる。よって、接着剤４０を予め定められた範囲内に配置しやすくなる。

弾性部３０は、接着剤４０と同一材料であってよい。弾性部３０および接着剤４０が同一の材料で形成される場合であっても、別々に硬化されることにより弾性部３０と接着剤４０との間に界面が生じる。弾性部３０および接着剤４０が同一の材料で形成される場合、弾性部３０は、接着剤４０を部分的に塗布して、硬化させたものである。

弾性部３０は、接着剤４０と異なる材料であってよい。一例において、弾性部３０は、接着剤４０よりも弾性率が小さい。弾性部３０は、接着剤４０よりも弾性率を小さくするために、架橋点の密度が小さい材料を有する。弾性部３０の硬化時に細かいポリマーが結合するところ、弾性部３０の架橋点の密度を小さくすることにより、弾性率が小さくなる。また、弾性部３０は、粘性を高くするために、オイル成分を少なめに構成されてよい。弾性部３０は、オイル成分が含有されていなくてもよい。弾性部３０は、架橋剤および反応率等を調整することにより、架橋点の密度および粘性を調整することができる。

また、弾性部３０は、接着剤４０よりも粘性が高くてよい。弾性部３０の粘性が高い程、熱硬化時に弾性部３０が崩れにくくなる。そのため、突起状の弾性部３０を形成しやすくなる。一方、熱硬化時に弾性部３０が周囲に流れて崩れると、センサ部１０とケース部２０との間の空間を十分に確保できなくなり、接着剤４０が薄くなる場合がある。このように、弾性部３０の粘性を高くすることにより、接着剤４０が厚く形成されて、ケース部２０からの応力を接着剤４０で吸収しやすくなる。

弾性部３０は、接着性の材料で構成され、ケース部２０に接着されてよい。この場合、弾性部３０自体がケース部２０と接着している。弾性部３０は、接着剤４０と同一材料であってよい。

リード端子５０は、ケース部２０と一体にインサート成形されてよい。リード端子５０の一方の端部は、ケース部２０の内部で露出する。リード端子５０の他方の端部は、ケース部２０の外側に露出されている。リード端子５０の配置はこれに限られない。リード端子５０は、銅等の導電性の材料を有する。

接続部６０は、センサ部１０とリード端子５０とを電気的に接続する。接続部６０は、パッドを介してセンサ部１０およびリード端子５０と接続されてよい。例えば、接続部６０は、金、銀、銅、アルミニウムおよびこれらの合金の少なくとも１つを含むボンディングワイヤである。

封止部７０は、センサ部１０に圧力を伝達する圧力媒体である。封止部７０は、大気圧や応力が通常時（例えば、ダイアフラム１３の変位量がゼロ）よりも大きくなると、ダイアフラム１３を台座部１１側に押し込む。ダイアフラム１３がたわむとゲージ抵抗部１４が圧縮され、ゲージ抵抗部１４の抵抗値が高くなる。一方、封止部７０にかかる大気圧や応力が通常時よりも小さくなると、ダイアフラム１３とともにゲージ抵抗部１４も台座部１１から離れる方向に引っ張られ、ゲージ抵抗部１４の抵抗値が低くなる。これにより、センサ装置１００は、加えられた圧力を検出する。

本例のセンサ装置１００は、センサ部１０とケース部２０との間に弾性部３０を備える。そのため、センサ装置１００は、ケース部２０の熱応力の変化による出力変動を抑制することができる。センサ装置１００は、経時変化によるケース部２０の熱応力による影響も低減できる。

また、本例のセンサ部１０は、ケース部２０と直接接触しない。そのため、ケース部２０からの応力が少なくなる。これにより、ケース部２０が熱応力変化した場合の応力を伝えにくくすることができる。

図１Ｂは、実施例１に係るセンサ装置１００の上面図の一例を示す。本例のセンサ装置１００は、４つの弾性部３０を備える。但し、弾性部３０の配置および個数は、本例に限られない。ａ－ａ'断面は、センサ装置１００の中心を通過するＹＺ断面である。図１Ａがａ－ａ'断面の一例である。

弾性部３０は、上面視で、ダイアフラム１３の外側に設けられることが好ましい。弾性部３０は、ダイアフラム１３を中心として、均等に配置される。これにより、センサ装置１００の出力電圧が調整しやすくなる。また、センサ装置１００の出力特性に悪影響を与えにくい。より具体的には、弾性部３０は、上面視で、ダイアフラム１３よりも外側に、例えばダイアフラム１３の外周に沿って略等間隔に配置されてよい。

弾性部３０は、センサ部１０の下方において均等に設けられる。例えば、複数の弾性部３０は、上面視で、ダイアフラム１３の中心と点対称となるように設けられる。これにより、センサ部１０が水平に担持されやすくなる。また、ケース部２０からセンサ部１０への応力の影響が方向によらず均一になるので、センサ装置１００の出力変動を小さくすることができる。

センサ部１０は、正方形状の平面形状を有する。但し、センサ部１０の平面形状は、矩形や他の形状であってよい。センサ部１０の平面形状が円形形状や楕円形形状である場合、ケース部２０の形成時に樹脂の流れ込みにくい角部がないので、ケース部２０の成形不良を抑制することができる。

載置面２４は、センサ部１０の平面形状と対応する平面形状を有する。本例の載置面２４は、センサ部１０と同様に正方形状の平面形状を有する。載置面２４の平面形状は、センサ部１０と異なる平面形状を有してよい。載置面２４の平面形状は、センサ部１０への応力の影響が少なく、且つ、センサ部１０への応力への影響が方向によらず均等となるように設定されることが好ましい。

図２は、比較例に係るセンサ装置５００の断面図の一例を示す。本例のセンサ装置５００は、弾性部３０を有する代わりに突起部５２２を有する点で、実施例１に係るセンサ装置１００と相違する。

突起部５２２は、ケース部２０の載置面２４に設けられる。突起部５２２は、ケース部２０と一体に設けられる場合がある。突起部５２２は、接着剤４０がセンサ部５１０の外側に流れて、接着剤４０の高さが低下するのを抑制する。

センサ装置５００は、突起部５２２を有することにより、センサ部５１０とケース部２０との間に予め定められた間隔を確保することができる。しかしながら、突起部５２２がケース部２０と同一材料で形成される場合、突起部５２２が硬く伸縮性もないことから、センサ部５１０に応力の影響が伝わりやすくなる。センサ部５１０に応力の影響が伝わりやすくなると、センサ装置５００の出力変動を抑制できずに、検出精度が悪化する。

一方、実施例１に係るセンサ装置１００では、弾性部３０が弾性体で構成されることにより、ケース部２０からセンサ部１０へ応力が伝わりにくい。そのため、センサ装置１００の出力変動を抑制することができる。

図３は、実施例２に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。本例のセンサ装置１００は、突起部２２を有する点で実施例１に係るセンサ装置１００と相違する。

突起部２２は、ケース部２０の載置面２４に設けられる。突起部２２は、ケース部２０の載置面２４から予め定められた方向に延伸して設けられる。弾性部３０は、突起部２２とセンサ部１０との間に設けられている。突起部２２は、ケース部２０と同一の材料で設けられてよい。この場合、突起部２２は、ケース部２０と一体成形されてよい。突起部２２は、センサ部１０とケース部２０との間に設けられ、予め定められた厚さ以上に接着剤４０の厚さを確保する。

弾性部３０は、突起部２２の上面に形成される。弾性部３０は、突起部２２の側面にも形成されてよい。本例の弾性部３０は、突起部２２の周囲を覆う。弾性部３０は、センサ部１０と突起部２２との間において、センサ部１０に与えられる応力を緩和する。このように、センサ部１０と突起部２２との間には、少なくとも１層の弾性部３０が形成される。弾性部３０は、ケース部２０からセンサ部１０への熱応力を吸収する。

図４は、実施例３に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。本例のセンサ装置１００は、突起部２２の上部に凹部２６を有する点で、実施例２に係るセンサ装置１００と相違する。

突起部２２は、上面に凹部２６を有する。弾性部３０は、凹部２６の内部に少なくとも設けられる。弾性部３０は、センサ部１０と凹部２６との間に設けられる。弾性部３０は、突起部２２の凹部２６のみに設けられてもよいし、凹部２６に加えて突起部２２の側面にも設けられてよい。但し、センサ部１０と突起部２２との間に弾性部３０が設けられ、突起部２２がセンサ部１０と直接接触しない。突起部２２は、弾性部３０を配置すべき位置に設けられている。突起部２２は、弾性部３０を塗布する位置を特定するためのマークとして機能してよい。突起部２２の先端は、凹状であっても、凸状であっても、平坦であってもよい。

凹部２６は、突起部２２の上部への弾性部３０の配置を容易にする。凹部２６は、弾性部３０を保持できるものであれば、形状は限定されない。凹部２６は、弾性部３０が均一に保持されるように、なめらかな曲線を有することが好ましい。例えば、凹部２６は、ケース部２０と同様に、樹脂を成形することにより設けられる。

本例のセンサ装置１００では、凹部２６を設けることにより、弾性部３０を突起部２２の上面に安定して配置することができる。これにより、センサ装置１００の信頼性が向上する。センサ装置１００は、出力変動を抑制しやすくなる。

図５は、実施例４に係るセンサ装置１００の断面図の一例を示す。本例のセンサ装置１００は、上面視で、センサ部１０の内側に接着剤４０を有する点で実施例１に係るセンサ装置１００と相違する。

接着剤４０は、センサ部１０の下方に設けられる。即ち、接着剤４０は、上面視でセンサ部１０の内側に設けられている。接着剤４０は、上面視でセンサ部１０の外側に設けられていない。本例の接着剤４０は、ダイアフラム１３が設けられた領域と対応して設けられている。接着剤４０は、上面視で、ダイアフラム１３の内側にのみ設けられてもよい。接着剤４０は、弾性部３０と離間して設けられる。接着剤４０は、上面視で、弾性部３０よりもセンサ部１０の中心側に設けられる。接着剤４０が設けられる領域を少なくすることにより、ケース部２０からセンサ部１０への応力の影響が低減する。

図６は、センサ装置１００を製造するためのフローチャートの一例を示す。本例の製造方法は、一例であり、他の製造方法のフローチャートによってもセンサ装置１００が製造され得る。

ケース部２０を用意する（Ｓ１００）。ケース部２０は、樹脂を成形することにより設けられてよい。ケース部２０の載置面２４に弾性部３０を設ける（Ｓ１０２）。弾性部３０は、加熱により硬化又は仮硬化される（Ｓ１０４）。弾性部３０は、硬化又は仮硬化により、予め定められた形状に保持される。弾性部３０は、接着剤４０を塗布しても崩れない程度に硬化される。弾性部３０を硬化又は仮硬化することにより、弾性部３０と同一の材料で接着剤４０を塗布した場合であっても、弾性部３０と接着剤４０との間に界面が形成される。

次に、ケース部２０の載置面２４に接着剤４０を塗布する（Ｓ１０６）。接着剤４０上にセンサ部１０を配置する（Ｓ１０８）。なお、センサ部１０が押圧してケース部２０に接着されるので、弾性部３０の頂点とセンサ部１０との間には、接着剤４０が存在しない場合がある。即ち、弾性部３０は、センサ部１０と直接接触してもよいし、接着剤４０を介して接触してもよい。接着剤４０を硬化する（Ｓ１１０）。このように、本例では、ステップＳ１０４とステップＳ１１０の２回の熱硬化段階を有する。なお、センサ装置１００の製造プロセスにおいて、３回以上の熱硬化が実行されてもよい。

接続部６０をワイヤボンディングすることにより、センサ部１０とリード端子５０とを電気的に接続する（Ｓ１１２）。そして、封止部７０でセンサ部１０を封止する（Ｓ１１４）。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・センサ部、１１・・・台座部、１２・・・センサチップ、１３・・・ダイアフラム、１４・・・ゲージ抵抗部、１５・・・空間部、２０・・・ケース部、２２・・・突起部、２４・・・載置面、２６・・・凹部、３０・・・弾性部、４０・・・接着剤、５０・・・リード端子、６０・・・接続部、７０・・・封止部、１００・・・センサ装置、５００・・・センサ装置、５１０・・・センサ部、５２２・・・突起部

Claims (9)

1. センサ部と、
   前記センサ部を収容するケース部と、
   前記センサ部と前記ケース部との間において、前記ケース部と接して設けられ、且つ、前記ケース部よりも弾性率が小さい材料を有する弾性部と、
   前記センサ部と前記ケース部との間に設けられる接着剤と
   を備え、
   前記ケース部は、前記センサ部を載置する載置面に突起部を有し、
   前記突起部と前記センサ部との間に前記弾性部が設けられている
   センサ装置。
2. 前記突起部は、上面に凹部を有し、
   前記弾性部は、前記センサ部と前記凹部との間に設けられる
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記接着剤は、前記弾性部との間に界面を有する
   請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記弾性部は、前記接着剤と同一材料を有する
   請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
5. 前記弾性部は、前記接着剤よりも弾性率が小さい
   請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
6. 前記弾性部は、前記接着剤よりも粘性が高い
   請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
7. 前記弾性部は、前記センサ部と接して設けられる
   請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ装置。
8. 前記弾性部は、前記ケース部に固定されている
   請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
9. センサ部と、
   前記センサ部を収容するケース部と、
   前記センサ部と前記ケース部との間において、前記ケース部と接して設けられ、且つ、前記ケース部よりも弾性率が小さい材料を有する弾性部と、
   前記センサ部と前記ケース部との間に設けられる接着剤と
   を備え、
   前記接着剤は、前記センサ部の下方に設けられ、且つ、前記弾性部と離間して設けられる
   センサ装置。

Images