JP2016031301A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ装置の特性の変動を抑制する。
【解決手段】本発明によるセンサ装置は、流量検出部、および、流量検出部を制御する制御回路を構成する電子部品が実装された基板と、基板を覆う樹脂製ハウジングと、基板に実装された電子部品の少なくとも上面を覆う軟質層と、軟質層と樹脂製ハウジングとの間に介在する硬質層とを備え、樹脂製ハウジングは、少なくとも硬質層の一部で硬質層と一体化され、かつ、流量検出部を露出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、センサ装置に関する。

たとえば、自動車などの内燃機関には、電子制御燃料噴射装置が設けられている。電子制御燃料噴射装置は、内燃機関に流入する気体と燃料の量を適切に調整することにより、内燃機関を効率よく稼動させる役割を有する。このため、電子制御燃料噴射装置においては、内燃機関に流入する気体を正確に把握する必要がある。このことから、電子制御燃料噴射装置には、気体の流量を測定する流量センサ（エアフローセンサなどともいう）が設けられている。

流量センサモジュールは、流量検出部や制御回路部、マイクロコンピュータ（マイコン）などの電子部品に加え、圧力センサ、湿度センサなどのセンサを実装した基板をハウジング（筐体）に接合することで形成される。従来、電子部品を実装した基板と樹脂モールドによって成形した筐体とを接着剤で接合していたが、コスト低減等のために、電子部品が実装された基板の周囲をハウジング樹脂で成形することで、接着剤を使用せずに基板とハウジングとを直接接合することが知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−１１１８５９号公報

しかし、電子部品が実装された基板の周囲をハウジング樹脂で成形する場合、ハウジング樹脂の成形収縮力がセンサの制御を司る電子部品に負荷し、成形前後でセンサとしての特性の変動がするおそれがある。

本発明によるセンサ装置は、流量検出部、および、流量検出部を制御する制御回路を構成する電子部品が実装された基板と、基板を覆う樹脂製ハウジングと、基板に実装された電子部品の少なくとも上面を覆う軟質層と、軟質層と樹脂製ハウジングとの間に介在する硬質層とを備え、樹脂製ハウジングは、少なくとも硬質層の一部で硬質層と一体化され、かつ、流量検出部を露出する。

本発明によれば、センサとしての特性の変動を抑制することができる。

内燃機関制御システムに本発明の流量センサを使用した場合の一実施の形態を示すシステム構成図である。 流量センサの外観を示す斜視図である。 表カバーを装着する前のハウジングを表側から見た模式的な図である。 裏カバーを装着する前のハウジングを裏側から見た模式的な図である。 基板のおもて面の実装構造を示す図である。 基板の裏面の実装構造を示す図である。 図３のＡ−Ａ矢視断面を模式的に示した図である。 軟質層を設置後の基板のおもて面を見た図である。 硬質層を設置後の基板のおもて面を見た図である。 第２の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第２の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第３の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第３の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第４の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第５の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 第５の実施の形態における、第１の実施の形態の図７に相当する図である。 従来構造例における解析モデルを示す図である。 図１１に示した第２の実施の形態における解析モデルの構成を示す図である。 図１２に示した第３の実施の形態における解析モデルの構成を示す図である。 ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果に関する解析結果を示すグラフである。 射出成形時の熱伝達抑制効果に関する電子部品境界面の温度の解析結果を示すグラフである。 変形例を示す図である。

−−−第１の実施の形態−−−
図１〜９を参照して、本発明によるセンサ装置の第１の実施の形態を説明する。図１は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係るセンサ装置である流量センサを使用した一実施の形態を示す、システム図である。エンジンシリンダ１１２とエンジンピストン１１４を備える内燃機関１１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体３０としてエアクリーナ１２２から吸入され、主通路１２４である、たとえば吸気ボディ、スロットルボディ１２６、吸気マニホールド１２８を介してエンジンシリンダ１１２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３０の流量は本発明に係る流量センサ３００で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１５２より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体３０と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。流量センサ３００は、典型的には、被計測気体との間で熱伝達を行うことにより副通路を流れる被計測気体の状態を計測する熱式流量センサである。

なお、本実施形態では、燃料噴射弁１５２は内燃機関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である被計測気体３０と共に混合気を形成し、吸気弁１１６を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギーを発生する。

近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁１５２を取り付け、燃料噴射弁１５２から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。本発明の流量センサ３００は、図１に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも流量センサ３００の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図１に示す。

燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ１５４の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギーを発生する。燃焼後の気体は排気弁１１８から排気管に導かれ、排気２４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３０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１３２により制御される。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。運転者はスロットルバルブ１３２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、内燃機関が発生する機械エネルギーを制御することができる。

エアクリーナ１２２から取り込まれ主通路１２４を流れる吸入空気である被計測気体３０の流量および温度が、流量センサ３００により計測され、流量センサ３００から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置２００に入力される。また、スロットルバルブ１３２の開度を計測するスロットル角度センサ１４４の出力が制御装置２００に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン１１４や吸気弁１１６や排気弁１１８の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ１４６の出力が、制御装置２００に入力される。排気２４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１４８の出力が制御装置２００に入力される。

制御装置２００は、流量センサ３００の出力である吸入空気の流量、および回転角度センサ１４６の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度、に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁１５２から供給される燃料量、また点火プラグ１５４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、実際にはさらに流量センサ３００で計測される吸気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１４８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２００はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ１３２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１５６により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。

＜流量センサ３００について＞
図２は、主通路１２４の上流側から見た流量センサ３００の外観を示す斜視図である。流量センサ３００は、ハウジング３０２と表カバー３０３と裏カバー３０４とから構成される筐体３０１を備えている。ハウジング３０２と表カバー３０３、およびハウジング３０２と裏カバー３０４とは、たとえばレーザ照射により溶着されている。図３は、表カバー３０３を装着する前のハウジング３０２を表側から見た模式的な図であり、図４は、裏カバー３０４を装着する前のハウジング３０２を裏側から見た模式的な図である。なお、説明の便宜上、ハウジング３０２の表裏を上述のように定める。流量センサ３００における後述する基板１の表面と平行であり、主通路１２４における被計測気体３０の流通方向をＸ方向とし、基板１の表面と平行であり、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とし、基板１の表面と垂直な方向をＺ方向とする。

ハウジング３０２は、流量センサ３００を主通路１２４である吸気ボディに固定するためのフランジ３１２と、外部機器との電気的な接続を行うための外部端子を有する外部接続部３０５と、流量等を計測するための計測部３１０を備えている。計測部３１０の内部には、副通路を作るための副通路溝が設けられており、さらに計測部３１０の内部には、流量検出部３、圧力センサ５、湿度センサ６や電子部品等が実装される基板１が設けられている。図３に示すように、計測部３１０には、外部接続部３０５の不図示の外部端子と電気的に接続されているコネクタ側接続部１１が設けられている。コネクタ側接続部１１と、基板１の後述する基板側接続部１２とは、ワイヤ１３で電気的に接続されている。

流量検出部３および基板１の流量検出部３周縁部は、ハウジンジ３０２の表面部３０６に設けられた流量検出用開口部３０６ａから露出されている。コネクタ側接続部１１および基板側接続部１２および基板１の基板側接続部１２周縁部は、ハウジンジ３０２の表面部３０６に設けられた接続部用開口部３０６ｂから露出されている。基板１の流量検出部３周縁部の裏面側は、ハウジンジ３０２の裏面部３０７に設けられた流量検出用開口部３０７ａから露出されている。圧力センサ５と湿度センサ６およびその周縁部の基板１の領域は、ハウジンジ３０２の裏面部３０７に設けられたセンサ出用開口部３０７ｂから露出されている。

流量検出部３は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の流量を計測するためのセンサであり、基板１のおもて面１ａの図示下部に実装されている。圧力センサ５は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の圧力を計測するためのセンサであり、基板１の裏面１ｂに実装されている。湿度センサ６は、主通路１２４を流れる被計測気体３０の湿度を計測するためのセンサであり、基板１の裏面１ｂに実装されている。

流量センサ３００の計測部３１０はフランジ３１２から主通路１２４の中心方向に向かって長く延びる形状を成し、その先端部には吸入空気などの被計測気体３０の一部を副通路に取り込むための入口３５０ａ，３５０ｂと副通路から被計測気体３０を主通路１２４に戻すための出口３５２ａ，３５２ｂが設けられている。計測部３１０は主通路１２４の外壁から中央に向かう軸に沿って長く延びる形状を成しているが、幅は、図２に記載の如く、狭い形状を成している。即ち流量センサ３００の計測部３１０は、側面の幅が薄く正面が略長方形の形状を成している。これにより、流量センサ３００は十分な長さの副通路を備えることができ、被計測気体３０に対しては流体抵抗を小さい値に抑えることができる。

入口３５０ａから副通路に流入した被計測気体３０は、図３における矢印３０ａに示すように、流量検出部３を通過して、矢印３０ｂに示すように副通路内を流れて出口３５２ａから流出する。図示はしないが、ハウジング３０２には、被計測気体３０を入口３５０ａから流量検出部３に案内する案内溝、被計測気体３０を流量検出部３から出口３５２ａに案内する案内溝が、螺旋状に形成されている。

入口３５０ｂから副通路に流入した被計測気体３０は、図４における矢印３０ｃに示すように、圧力センサ５、湿度センサ６を通過して、矢印３０ｄに示すように副通路内を流れて出口３５２ｂから流出する。

本実施の形態では、流量センサ３００は、各センサおよび電子部品を実装した基板１とハウジング３０２とが、後述するように、射出成形等の樹脂成形により一体化される。基板１の流量検出部３やマイコン４など実装した面を上述したようにおもて面１ａとし、その反対側の面を裏面１ｂとする。

図５は、基板１のおもて面１ａの実装構造を示す図である。基板１のおもて面１ａには、流量検出部３と、その信号を処理する制御回路７、流量、圧力、湿度などの情報を処理するマイコン４、その他チップ抵抗などを含む複数の電子部品８が実装されている。基板１のおもて面１ａには、コネクタ側接続部１１と接続するための基板側接続部１２が設けられている。

図６は、基板１の裏面１ｂの実装構造を示す図である。基板１の裏面１ｂには、たとえば圧力センサ５、湿度センサ６が実装されている。圧力センサ５、湿度センサ６から出力される信号は、基板１のおもて面１ａに実装されたマイコン４で処理される。

ハウジング３０２は、樹脂成形により電子部品等を実装した基板１の外側に一体化成形される。測定をする上で露出していなければならない流量検出部３、圧力センサ５、湿度センサ６以外の実装品は、保護のためにハウジング３０２で覆われる。以下の説明では、ハウジング３０２を構成する樹脂のことを、ハウジング樹脂と呼ぶ。

たとえば、マイコン４などの電子部品がハウジング樹脂に直接接触した状態で覆われると、基板１よりも遥かに体積が大きいハウジング樹脂の収縮による力が直接電子部品に作用し、ハウジング３０２の成形前後でセンサとしての特性の変動がしやすくなるおそれがある。また、電子部品は半田によって基板１に実装されるが、半田の溶解温度が220〜260℃であるに対し、ハウジング３０２を熱可塑性樹脂で成形する場合の樹脂温度が200〜300℃となり、半田の溶解温度と同等となる。そのため、たとえば、高圧で樹脂が流動する射出成形でハウジング３０２を成形する時に、半田接続部が外れるおそれがある。たとえ、半田接続部が外れなかったとしても、ハウジング樹脂の成形収縮力が電子部品だけでなく、半田接続部にも作用するため、半田接続部の耐久性が低下するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、次のようにして、上述した課題を解決している。図７は、図３のＡ−Ａ矢視断面を模式的に示した図である。本実施の形態では、基板１に実装されたマイコン４、制御回路７、電子部品８とハウジング３０２との間に、軟質層９および硬質層１０を設けている。図７では、図３のＡ−Ａ矢視断面にマイコン４および電子部品８が存在しているものとして説明する。

硬質層１０は、射出成形時に流動するハウジング樹脂から受ける抵抗力や、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を抑制するため、および、高温のハウジング樹脂からの熱伝達を抑制するために設けられた緩衝層である。図７に示すように、硬質層１０は、基板１のおもて面１ａに実装されて、後述するように上面が軟質層９で覆われたマイコン４、電子部品８、および図７で不図示の制御回路７を上から覆っている。説明の便宜上、図７における図示上方を上方向とし、図示下方を下方向とする。

軟質層９は、硬質層１０で抑制しきれないハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を抑制するため、および、高温のハウジング樹脂からの熱伝達を硬質層１０とともに抑制するために設けられた緩衝層である。図７に示すように、軟質層９は、マイコン４、電子部品８、および図７で不図示の制御回路７の上面を覆っている。

硬質層１０の弾性係数がハウジング３０２の弾性係数よりも高く、軟質層９の弾性係数がハウジング３０２の弾性係数よりも低いことが望ましい。すなわち、上述したように、硬質層１０の役割がハウジング３０２の樹脂収縮歪みの伝達抑制であるので、硬質層１０がハウジング３０２よりも高剛性であるほどハウジング３０２の収縮歪みの抑制効果が高い。

一方、軟質層９の役割が硬質層１０で伝達抑制しきれなかったハウジング３０２の収縮歪みを軟質層９の変形で緩和することであるので、軟質層９が低剛性で変形しやすいほど効果が高い。一例として、ハウジング３０２をPBTなどの熱可塑樹脂など、軟質層９を低剛性のシリコーン樹脂やウレタン樹脂など、硬質層１０をガラスなどのフィラ入りエポキシ樹脂などで構成することで、各弾性係数の関係性を満足できる。なお、各部材の構成は上記に示した材料以外の組み合わせでも適用可能である。

また、高温のハウジング樹脂からの熱伝達抑制の観点から、軟質層９や硬質層１０の熱伝導率は低い方が望ましいが、熱伝導率が低くなくても、軟質層９や硬質層１０が設けられているだけで、各部品が高温のハウジング樹脂から離れるので、熱伝達抑制効果がある。

本実施の形態では、次のようにして、ハウジング３０２を製造する。まず、各センサ３，５，６やマイコン４等が実装された、図５に示すような基板１に対して、図８に示すように、軟質層９を設ける。図８は、軟質層９の設置後の基板１のおもて面１ａを見た図である。本実施の形態では、マイコン４、制御回路７、および電子部品８の上面、すなわち、基板１のおもて面１ａと向かい合っている面とは反対側の面に軟質層９を設ける。軟質層９を設けるには、たとえば紫外線硬化樹脂を紫外線で硬化させる方法や、ホットメルトモールディング、３Ｄプリンタによって形成する方法など、様々な方法を用いることができる。

図８では、一例として、流量検出部３を除き、基板１のおもて面１ａに実装されているすべての部品４，７，８の上面に軟質層９を設けているが、少なくとも一つ以上の部品の上面に軟質層９が設けられていればよい。なお、各部品４，７，８において最も面積が広く、ハウジング３０２との距離が近い各部品４，７，８の上面に軟質層９を設けることで、硬質層１０で伝達抑制しきれなかったハウジング３０２の収縮歪みを、軟質層９で効率的に緩和できる。

その後、硬質層１０を設ける。図９は、硬質層１０の設置後の基板１のおもて面１ａを見た図である。硬質層１０は、マイコン４、電子部品８、および軟質層９を覆うように設けられている。すなわち、硬質層１０は、軟質層９上、軟質層９が設けられていない、マイコン４および電子部品８の周側面上、マイコン４および電子部品８が搭載されていない基板１の表面１ａ上全体に設けられている。硬質層１０は、基板１のマイコン４および電子部品８が配置されていない部分では厚く形成され、その上面がほぼ平坦面に形成されている。流量検出部３は、測定するうえで露出させる必要があるため、硬質層１０で覆わない。硬質層１０は、軟質層９の場合と同様に、たとえば紫外線硬化樹脂を紫外線で硬化させる方法や、ホットメルトモールディング、３Ｄプリンタによって形成する方法など、様々な方法を用いて設けることができる。

本実施の形態では、基板１のおもて面１ａのみに、マイコン４や制御回路７、電子部品８を実装しているので、基板１のおもて面１ａのみに、軟質層９および硬質層１０を設けている。なお、裏面１ｂにも電子部品等を実装することで両面実装とした場合には、ハウジング３０２の裏面部３０７で覆われる裏面１ｂの電子部品等にも軟質層９を設け、さらに硬質層１０で覆ってもよい。ただし、圧力センサ５と湿度センサ６はセンシング上露出させる必要があるため、硬質層１０で覆わない。また、基板側接続部１２は、樹脂モールドによるハウジング３０２の形成後に、コネクタ側接続部１１とワイヤ１３で接続するので、硬質層１０で覆わない。

硬質層１０を設けた後、たとえば、射出成形用の金型に基板１をセットして、射出成形を行うことで、図３，４に示すようにハウジング３０２が形成される。その後、コネクタ側接続部１１と基板側接続部１２とをワイヤ１３で接続したり、表カバー３０３、および裏カバー３０４をハウジング３０２に、たとえばレーザ照射により溶着するなどして、流量センサ３００を完成させる。

本実施の形態の流量センサ３００では、次の作用効果を奏する。
（１） 基板１に実装された各部品４，７，８の上面を軟質層９で覆うとともに、軟質層９とハウジング３０２との間に硬質層１０が介在するように構成した。これにより、射出成形時に流動するハウジング樹脂から受ける抵抗力や、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達を硬質層１０が抑制し、硬質層１０で抑制し切れなかったハウジング樹脂の収縮歪みを軟質層９が変形して吸収する。したがって、ハウジング３０２の成形時や、ハウジング３０２成形後に各部品４，７，８に作用する外力を抑制できるので、流量センサ３００の検出精度低下を防止しつつ、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

また、ハウジング３０２と各部品４，７，８との間に軟質層９と硬質層１０とが介在するので、ハウジング３０２を熱可塑性樹脂で成形する際の各部品４，７，８への熱伝達を抑制でき、半田接続部の耐久性の低下を防止して、流量センサ３００の耐久性を向上できる。

（２） 硬質層１０が基板１と直接接触して基板１を覆うので、硬質層１０の剛性が基板１の剛性で補強されて、ハウジング樹脂の収縮歪みが各部品４，７，８に伝達されるのを効率的に抑制できる。したがって、硬質層１０の体積を抑制でき、流量センサ３００のコストダウンに寄与する。

（３） 硬質層１０の弾性係数がハウジング３０２の弾性係数よりも高く、軟質層９の弾性係数がハウジング３０２の弾性係数よりも低くなるように構成することで、ハウジング３０２の成形時や、ハウジング３０２成形後に各部品４，７，８に作用する外力を効率的に抑制できるので、流量センサ３００の精度低下を防止しつつ、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

（４） センシング上露出していなければならない流量検出部３、圧力センサ５、湿度センサ６が露出するように、軟質層９、硬質層１０およびハウジング３０２を設けるように構成した。これにより、保護が必要な部分を確実に保護できるので、流量センサ３００の信頼性を向上できる。

（５） 基板１上に電子部品を高密度で実装すると、基板１上を電子部品が占有するため、ハウジング３０２を射出成形する際の金型への固定部分の確保が困難となる。そこで、上述したように、基板１上の電子部品を軟質層９および硬質層１０で覆うことで、基板１上に電子部品が高密度で実装されていても、軟質層９および硬質層１０の上から金型を接触させて基板１を固定できる。これにより、電子部品が高密度で実装された基板１に対して、ハウジング３０２を射出成形等によって形成できるので、流量センサ３００の高性能化とコストダウンとを両立できる。

−−−第２の実施の形態−−−
図１０，１１を参照して、本発明によるセンサ装置の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、軟質層９が各部品４，７，８の上面だけでなく、側面も覆う点で、第１の実施の形態と異なる。

図１０，１１は、それぞれ、第１の実施の形態における図７に相当する図であり、図３のＡ−Ａ矢視断面図に相当する模式的な図である。図１０，１１に示すように、第２の実施の形態では、マイコン４、電子部品８、および図１０，１１で不図示の制御回路７の上面と側面とが軟質層９で覆われている。すなわち、本実施の形態では、各部品４，７，８は、基板１のおもて面１ａと向かい合っている面以外が全て軟質層９で覆われている。

図１０に示す例では、軟質層９は、各部品４，７，８を個別に覆っていて、隣り合う部品同士の間の基板１のおもて面１ａには、軟質層９で覆われておらず、硬質層１０が接触している。図１１に示す例では、軟質層９は、各部品４，７，８のうち、最も厚い部品に合せて、一様の厚さで各部品４，７，８、および、隣り合う部品同士の間の基板１のおもて面１ａを覆っている。

第２の実施の形態の流量センサ３００では、第１の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
（１） 各部品４，７，８の上面と側面を軟質層９で覆うように構成した。これにより、各部品４，７，８が硬質層１０に直接接触しなくなるので、ハウジング３０２の成形時や、ハウジング３０２成形後に各部品４，７，８に作用する外力を効率的に抑制できる。したがって、流量センサ３００の精度低下を防止しつつ、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

（２） 図１０に示すように、各部品４，７，８を個別に軟質層９で覆い、隣り合う部品同士の間の基板１のおもて面１ａに硬質層１０が接触するように構成することで、硬質層１０の剛性が基板１の剛性で補強される。これにより、ハウジング樹脂の収縮歪みが各部品４，７，８に伝達されるのを効率的に抑制でき、硬質層１０の体積を抑制できるので、流量センサ３００のコストダウンに寄与する。

（３） 図１１に示すように、各部品４，７，８のうち、最も厚い部品に合せて、一様の厚さで各部品４，７，８、および、隣り合う部品同士の間の基板１のおもて面１ａを軟質層９で覆うように構成することで、軟質層９の設置が容易になる。これにより、軟質層９の設置に係るコストを抑制でき、流量センサ３００のコストダウンに寄与する。

−−−第３の実施の形態−−−
図１２，１３を参照して、本発明によるセンサ装置の第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１または第２の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１または第２の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、ハウジング３０２の樹脂によるモールド領域が第１および第２の実施の形態と異なる。

図１２，１３は、それぞれ第１の実施の形態における図７に相当する図であり、図３のＡ−Ａ矢視断面図に相当する模式的な図である。図１２，１３に示すように、第３の実施の形態では、基板１を上方から見たときに、各部品４，７，８の実装領域と重なる領域にハウジング３０２の樹脂が存在せず、硬質層１０が露出している。すなわち、本実施の形態では、各部品４，７，８の上方には、軟質層９と硬質層１０とが設けられているが、ハウジング３０２の樹脂が存在しない。ハウジング３０２は、少なくとも基板１のＸ方向の両脇に設けられる。

各部品４，７，８の上方のハウジング３０２の樹脂量が多いほど、また、各部品４，７，８の上方のハウジング３０２との距離が近いほど、各部品４，７，８はハウジング３０２成形時の樹脂収縮力を受けやすい。このため、本実施の形態のように各部品４，７，８の上方にハウジング３０２を形成しなければ、上述した樹脂収縮力の各部品４，７，８への影響を低減できる。なお、図１２に示すように、ハウジング３０２の樹脂が基板１の周縁だけに存在するようにハウジング３０２を構成してもよく、図１３に示すように、隣り合う部品同士の間の上方にもハウジング３０２の樹脂が存在するようにハウジング３０２を構成してもよい。

なお、図１２，１３に示した軟質層９および硬質層１０の構造は、第２の実施の形態における図１１に示した構造と同じであるが、第２の実施の形態における図１０に示した構造と同じ構造としてもよい。

基板１のおもて面１ａに実装されている全ての部品４，７，８の上方にハウジング３０２の樹脂が存在しないように構成すると、部品４，７，８が高密度に実装されている場合には、基板１とハウジング３０２との接合領域の確保が困難になる。そこで、上述した樹脂収縮力に対する感度が高い部品や、部品自体が大きく、部品自体や半田接合部への影響が大きくなる部品（例えばマイコン４や制御回路７など）に対して、優先的に部品の上方にハウジング３０２の樹脂を設けない上述した構造とすればよい。これにより、主要部品に対する上述した樹脂収縮力の影響の低減と、ハウジング３０２の固定領域確保の両立が可能である。

第３の実施の形態の流量センサ３００では、第１および第２の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
（１） 基板１を各部品４，７，８の上方から見たときに、各部品４，７，８が存在する領域には、ハウジング３０２の樹脂が存在しないようにハウジング３０２を構成した。これにより、ハウジング３０２の成形時や、ハウジング３０２成形後に各部品４，７，８に作用する外力を効率的に抑制できので、流量センサ３００の精度低下を防止しつつ、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

（２） ハウジング３０２の樹脂の使用量を減らすことができるので、流量センサ３００を軽量化できる。

−−−第４の実施の形態−−−
図１４を参照して、本発明によるセンサ装置の第４の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１〜第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１〜第３の実施の形態と同じである。本実施の形態では主に、基板１を上方から見たときに、各部品４，７，８の実装領域と重なる領域のハウジング３０２の厚さが他の領域よりも薄い点で、第１〜第３の実施の形態と異なる。

図１４は、第１の実施の形態における図７に相当する図であり、図３のＡ−Ａ矢視断面図に相当する模式的な図である。図１４に示すように、第４の実施の形態では、基板１を上方から見たときに、各部品４，７，８の実装領域と重なる領域のハウジング３０２の厚さが、他の領域よりも薄い。

たとえば、上述した第３の実施の形態では、ハウジング３０２を形成する際に、基板１が金型にセットされて挟持されるが、最外層となる硬質層１０の上面が金型と当接する。基盤１、軟質層９および硬質層１０には寸法公差が存在し、上述した第３の実施の形態では、ハウジング３０２を形成する際に用いられる金型は、基盤１、軟質層９および硬質層１０の厚さが最も小さくなる寸法に合わせて製作される。そのため、基盤１や軟質層９、硬質層１０の厚さがそれぞれ寸法公差内であっても、金型に挟持される部分の厚さが金型の寸法よりも厚くなることがある。そのため、基板１が金型に挟持されたときに、各部品４，７，８に圧縮力が不所望に作用するおそれがある。

そこで、本実施の形態でハウジング３０２を形成する際に用いられる金型は、基板１を挟持したときに、最外層の硬質層１０との間に隙間ができるように構成されている。このように金型を構成することで、基板１が金型に挟持されても、各部品４，７，８に不所望な圧縮力が作用するおそれがない。この金型を用いてハウジング３０２を形成すると、図１４に示すように、各部品４，７，８の実装領域と重なる領域にも厚さが薄いハウジング３０２が形成されるが、厚さが薄いため、ハウジング３０２成形時の樹脂収縮力の影響は、上述した第１および第２の実施の形態よりも小さい。

第４の実施の形態の流量センサ３００では、第１〜第３の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
（１） 基板１を各部品４，７，８の上方から見たときに、各部品４，７，８が存在する領域では、他の領域に比べてハウジング３０２の樹脂の厚さが薄くなるようにハウジング３０２を構成した。これにより、ハウジング３０２の成形時や、ハウジング３０２成形後に各部品４，７，８に作用する外力を効率的に抑制できので、流量センサ３００の精度低下を防止しつつ、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

（２） ハウジング３０２形成用の金型に、基板１を挟持したときに、最外層の硬質層１０との間に隙間ができるように構成された金型を用いることができるので、金型の寸法精度を必要以上に上げなくても済むため、金型のコストを抑制でき、流量センサ３００のコストダウンを図れる。

−−−第５の実施の形態−−−
図１５，１６を参照して、本発明によるセンサ装置の第５の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１〜第４の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１〜第４の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、基板１のおもて面１ａに溝１４を設け、この溝１４にも軟質層９または硬質層１０が設けられるように構成した点で、第１〜第４の実施の形態と異なる。

図１５，１６は、それぞれ第１の実施の形態における図７に相当する図であり、図３のＡ−Ａ矢視断面図に相当する模式的な図である。図１５，１６に示すように、第５の実施の形態では、基板１のおもて面１ａに溝１４が設けられている。図１５に示す例では、軟質層９が溝１４にも形成されているので、アンカー効果により、基板１と軟質層９との接合強度が向上する。図１６に示す例では、硬質層１０が溝１４にも形成されているので、アンカー効果により、基板１と硬質層１０との接合強度が向上する。

第５の実施の形態の流量センサ３００では、第１〜第４の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。すなわち、基板１のおもて面１ａに溝１４を設け、この溝１４にも軟質層９または硬質層１０が設けられるように構成したので、たとえば、射出成形などでハウジング３０２の樹脂をモールドする際の高圧の射出圧が作用しても、軟質層９や硬質層１０が基板１から外れることがない。したがって、流量センサ３００の信頼性を向上できる。

−−−各実施の形態の効果について−−−
以下、一例として、図１１に示した第２の実施の形態、および、図１２に示した第３の実施の形態における、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果と、射出成形時の熱伝達抑制効果について、所定のモデルを用いて解析的に求めた結果を説明する。なお本解析ではコンピュータでのシミュレーションソフトウェアで公知の樹脂成形解析手法などを用いた処理により解析した。

図１７は、軟質層９および硬質層１０が設けられていない従来構造例における解析モデルを示す図である。図１７において、１６は基板の領域を示し、１５はマイコンや制御回路などの電子部品の領域を示し、１７はハウジングの領域を示す。一例として、図１７に示すように、基板の領域１６の厚さを0.5mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。電子部品の領域１５の厚さを0.5mm、X方向の幅を3.0mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく3.0mmとした。電子部品の領域１５は基板の領域１６の中心に設置した。ハウジングの領域１７の厚さを1.5mm、X方向の幅を15.0mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。ただし、電子部品の領域１５と重なる領域はハウジングの領域１７から除いた。

図１８は、図１１に示した第２の実施の形態における解析モデルを示す図である。本解析モデルでは、図１８に示すように、基板の領域１６、マイコンや制御回路などの電子部品の領域１５、ハウジングの領域１７に加えて、軟質層の領域１８、硬質層の領域１９を設定する。基板の領域１６および電子部品の領域１５は従来構造例における解析モデルと同じく設定した。基板の領域１６のZ方向上側のXY平面および電子部品の領域１５の周囲に軟質層の領域１８を設置し、その厚さを0.7mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。ただし、電子部品の領域１５と重なる領域は軟質層の領域１８から除いた。

さらに軟質層の領域１８のZ方向上側のXY平面に硬質層の領域１９を設置し、その厚さを0.3mm、X方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。さらに硬質層の領域１９のZ方向上側のXY平面にハウジングの領域１７を設置し、その厚さを0.5mmとして、基板の領域１６のZ方向上側のXY平面からハウジングの領域１７のZ方向上側のXY平面の距離が図１７に示す従来構造例の解析モデルと同じ1.5mmとなるようにした。ハウジングの領域１７のX方向の幅を15mmとし、Y方向の幅をX方向と同じく15.0mmとした。

図１９は、図１２に示した第３の実施の形態における解析モデルを示す図である。本解析モデルでは、ハウジングの領域１７を除いて、図１８に示した、第２の実施の形態の図１１における解析モデルと同じ構成である。ハウジングの領域１７は電子部品の領域１５の上部の領域を除いて設置した。

物性データとして、基板の領域１６には、一例としてプリント基板を想定し、弾性係数20GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数12.0×10^-6、熱伝導率0.62W/mK、比熱950J/kgK、密度2000kg/m³を入力した。電子部品の領域１５には、一例としてシリコンチップを想定し、弾性係数188GPa、ポアソン比0.18、線膨張係数2.3×10^-6、熱伝導率150W/mK、比熱712J/kgK、密度2330kg/m³を入力した。軟質層の領域１８には、一例としてウレタンを想定し、弾性係数0.2GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数200×10^-6、熱伝導率0.15W/mK、比熱1900J/kgK、密度1180kg/m³を入力した。

硬質層の領域１９には、一例としてガラスフィラー入りのエポキシ樹脂を想定し、弾性係数27GPa、ポアソン比0.3、線膨張係数8.0×10^-6、熱伝導率0.3W/mK、比熱1100J/kgK、密度1850kg/m³を入力した。ハウジングの領域１７には、一例としてガラスフィラー入りのポリブチレンテレフタラート（PBT）を想定し、弾性係数7.4GPa、ポアソン比0.2、線膨張係数50×10^-6、熱伝導率0.3W/mK、比熱1200J/kgK、密度1300kg/m³を入力した。

解析条件として、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果に関する解析では、ハウジング樹脂の領域に温度変化ΔT＝-170℃の熱収縮荷重を与え、図１７〜１９に示すように中心軸上の基板下面を拘束点とした。一方、射出成形時の熱伝達抑制効果に関する電子部品境界面の温度の解析では、ハウジング樹脂の領域の初期温度を樹脂溶解温度の250℃とし、基板の領域の下面の温度が金型温度の80℃となるように温度境界を設定した。

図２０は、ハウジング樹脂の収縮歪みの伝達抑制効果に関する解析を示すグラフである。図２０に示すように、（a）従来構造例に比べて、（b）実施の形態２のように電子部品の周囲に軟質層、さらにその周囲に硬質層を設けた場合、電子部品に負荷する応力の低減効果は-68％となった。（b）実施の形態２からさらにXY平面上で電子部品と重なる領域を除いたハウジング構造とした(c) 実施の形態３の場合、（a）従来構造例に比べて、電子部品に負荷する応力の低減効果は-79％となった。

図２１は、射出成形時の熱伝達抑制効果に関する電子部品境界面の温度の解析結果を示すグラフである。図２１では電子部品境界面の最高到達温度を縦軸に取り、評価した。図２１に示すように、（a）従来構造例では、ハウジング樹脂が直接半田と接触するため、電子部品境界面の最高到達温度は溶解樹脂温度同じ250℃となった。一方、（b）実施の形態２および（c）実施の形態３はハウジング樹脂と電子部品の間に熱伝導率の低い軟質層および硬質層を挟むことによって、それぞれの電子部品境界面の最高到達温度は101℃と91℃となり、半田の溶解温度220〜260℃に対し、十分低い結果となり、半田への熱的負荷も低減可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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変更可能であることは言うまでもない。本発明は、センサ装置の構造として、流量検出部や制御回路部、圧力センサ、湿度センサ、マイクロコンピュータ（マイコン）などの電子部品を実装した基板をハウジング（筐体）に接合する構造に関して適用可能である。例えば、流量センサに限らず、同様のモジュール構造を採る他の種類のセンサ装置にも適用可能である。

なお、上述の説明では、ハウジング３０２の樹脂が、少なくとも一部で基板１と直接接触しているが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図２２に示すように、ハウジング３０２の樹脂と基板１との間に硬質層１０が介在して、ハウジング３０２の樹脂が基板１と直接接触していなくてもよい。
上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

１ 基板、３ 流量検出部、４ マイコン、５ 圧力センサ、６ 湿度センサ、７ 制御回路、８ 電子部品、９ 軟質層、１０ 硬質層、３００ 流量センサ、３０１ 筐体、３０２ ハウジング、３１０ 計測部

Claims (9)

1. 流量検出部、および、前記流量検出部を制御する制御回路を構成する電子部品が実装された基板と、
   前記基板を覆う樹脂製ハウジングと、
   前記基板に実装された前記電子部品の少なくとも上面を覆う軟質層と、
   前記軟質層と前記樹脂製ハウジングとの間に介在する硬質層とを備え、
   前記樹脂製ハウジングは、少なくとも前記硬質層の一部で前記硬質層と一体化され、かつ、前記流量検出部を露出するセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記軟質層は、前記電子部品の表面のうち、前記基板と対向する面を除く他の面を全て覆うセンサ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサ装置において、
   前記電子部品は、前記基板の両面のうち、一方の面に実装され、
   前記硬質層は、前記基板の前記一方の面のうち、前記軟質層で覆われていない部分で前記基板の前記一方の面に接触しているセンサ装置。
4. 請求項２に記載のセンサ装置において、
   前記電子部品は、前記基板の両面のうち、一方の面に実装され、
   前記軟質層は、前記基板の前記一方の面を全て覆うセンサ装置。
5. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記基板を前記電子部品の上方から見たときに、前記電子部品が存在する領域には、前記樹脂製ハウジングが設けられていないセンサ装置。
6. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記基板を前記電子部品の上方から見たときに、前記電子部品が存在する領域は、他の領域よりも前記樹脂製ハウジングの厚さが薄いセンサ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記基板は、前記一方の面に形成された溝を有し、
   前記軟質層および前記硬質層の少なくともいずれか一方は、前記溝にも形成されているセンサ装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記基板には、被検出流体の圧力を検出する圧力センサと、前記被検出流体の湿度を検出する湿度センサがさらに実装され、
   前記圧力センサおよび前記湿度センサは、露出しているセンサ装置。
9. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記軟質層の弾性係数は、前記樹脂製ハウジングの弾性係数よりも低く、
   前記硬質層の弾性係数は、前記樹脂製ハウジングの弾性係数よりも高いセンサ装置。

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