JP5100439B2 - Sensor module, wheel with sensor, and tire assembly - Google Patents
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Description
本発明は、複数のセンサが集積されたセンサモジュール、センサ付ホイール、およびタイヤ組立体に関する。 The present invention relates to a sensor module in which a plurality of sensors are integrated, a wheel with a sensor, and a tire assembly.
一般的に、対象物の複数の物理量を同時に計測するには、計測する物理量の種類に応じたセンサが必要であり、この対象物に対して複数のセンサを取り付ける必要がある。取り付けるセンサの数が増え、取り付け位置が増加したり、対象物におけるセンサの実装面積が増大すると、装置構成が複雑になり、また、この対象物自体の特性が変化することにも繋がる。複数の物理量を同時に計測する計測系においては、複数のセンサを、比較的少ない実装面積でなるべく集積させて実装することが望まれている。 In general, in order to simultaneously measure a plurality of physical quantities of an object, a sensor corresponding to the type of physical quantity to be measured is required, and it is necessary to attach a plurality of sensors to the object. If the number of sensors to be attached is increased, the attachment position is increased, or the mounting area of the sensor on the object is increased, the device configuration becomes complicated, and the characteristics of the object itself are also changed. In a measurement system that measures a plurality of physical quantities at the same time, it is desired to mount a plurality of sensors by integrating them as much as possible with a relatively small mounting area.
例えば、特許文献１には、加速度センサと圧力センサとを、１つのパッケージ内に配置したセンサ装置が記載されている。特許文献１記載のセンサ装置では、加速度センサと圧力センサと集積回路とが、一枚の基板の一方の基板面に並列に配置されている。
特許文献１記載のセンサ装置では、加速度センサと圧力センサとを１つのパッケージ内に配置しているが、加速度センサと圧力センサと集積回路とが、一方の基板面に並列に配置されているので、各センサの実装に必要な基板面の面積は比較的大きく、センサ装置の構成も複雑になっている。
In the sensor device described in
本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数種類のセンサが集積された、比較的単純な構成で、かつ比較的コンパクトなセンサモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to provide a relatively compact sensor module having a relatively simple configuration in which a plurality of types of sensors are integrated.
本願発明のセンサモジュールは、枠状部を有しており、該枠状部の内側がキャビティである基体と、前記キャビティ内に収容されるセンサ素子を含む第１のセンサ部と、前記センサ素子の収容空間を封止し且つ少なくとも一部が導電性を有する蓋体と、前記蓋体と対向した状態で前記キャビティ内に配置される固定電極とでダイアフラム圧力センサを構成する第２のセンサ部と、前記枠状部の突出端面に配置され、前記蓋体の周囲に位置している複数の外部接続端子と、を備えており、前記固定電極が、前記基体の表面に設けられており、前記固定電極と前記蓋体との離間距離が、前記センサ素子と前記蓋体との離間距離の大きさ以下であることを特徴とするものである。 The sensor module of the present invention has a frame-shaped portion, and a base body having a cavity inside the frame-shaped portion, a first sensor portion including a sensor element accommodated in the cavity, and the sensor element A second sensor part that constitutes a diaphragm pressure sensor by a lid body that seals the housing space and at least a part of which is conductive, and a fixed electrode that is disposed in the cavity so as to face the lid body And a plurality of external connection terminals disposed on the projecting end surface of the frame-like portion and positioned around the lid, and the fixed electrode is provided on the surface of the base body, The separation distance between the fixed electrode and the lid is not more than the separation distance between the sensor element and the lid .
本発明によれば、複数種類のセンサが集積されたセンサモジュールを、比較的単純な構成で、かつ比較的コンパクトに構成することができる。また、本発明によれば、圧力センサを構成する２つの電極間の静電容量を比較的大きくし、圧力変動に対する感度を比較的高くすることができる。 According to the present invention, a sensor module in which a plurality of types of sensors are integrated can be configured with a relatively simple configuration and a relatively compact configuration. Further, according to the present invention, the capacitance between the two electrodes constituting the pressure sensor can be made relatively large, and the sensitivity to pressure fluctuation can be made relatively high.
以下、本発明を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のセンサモジュールの第１の実施態様のうちの１つの実施形態（実施形態１−１）である、センサモジュール１０について説明する図である。図１（ａ）は、センサモジュール１０から後述する封止樹脂層４８を除いた状態の概略上面図である。また、図１（ｂ）は、センサモジュール１０の概略断面図であり、図１（ｃ）は、センサモジュール１０から後述する蓋体２２を除いた状態を示す概略下面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a
センサモジュール１０は、例えば複数の絶縁層１２ａが積層してなる基体１２と、基体１２の後述する枠状部１４の斜面に設けられた段差部１４ａに接合して固定された蓋体２２と、例えばピエゾ抵抗型加速度センサ素子である加速度センサ素子３２（第１センサ素子３２）と、例えば公知の温度センサ素子３４（第２センサ素子３４）と、回路素子４２や４４、およびコンデンサ４６等からなる電子回路部品４１と、例えば樹脂材料から封止樹脂層４８とを有して構成されている。
The
基体１２は、例えば周知のグリーンシート積層法によって作製された積層基板である。具体的には、接続パッド２１や外部接続端子２３、内部配線パターン２５やビアホール導体２７となる導体ペーストが印刷・塗布された複数のグリーンシートを、積層・圧着し、これを一体焼成することで作製されている。
The
より具体的には、基体１２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る積層体であり、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工・積層加工・切断加工を施すことにより生セラミック成形体を得、最後にこの生セラミック成形体を約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
More specifically, the
また、接続パッド２１や外部接続端子２３および内部配線パターン２５は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して基体１２用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを基体１２用の生セラミック成形体とともに焼成することによって基体１２の内部および表面に所定のパターンに形成される。なお、接続パッド２１や外部接続端子２３および内部配線パターン２５の露出表面には、導体表面が酸化腐食するのを防止するとともにハンダ等の導電性接合材との接合を良好なものとするために、通常であれば、厚みが１〜１０μｍ程度のニッケルメッキ層と厚みが０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されている。
Further, the
基体１２は、第１センサ素子３２が載置される載置面１２Ａから突出した枠状部１４が形成されている。枠状部１４は載置面１２Ａに形成されており、周囲が枠状部１４によって囲まれたキャビティ部１１の内部領域に、第１センサ素子３２が配置されている。この枠状部１４の突出端面には、外部接続端子２３が配置されている。また、枠状部１４の側面の、突出端面（外部接続端子２３）よりも載置面１２Ａに近い位置には、載置面１２Ａと略平行な面を有する段差部１４ａが設けられている。段差部１４ａには、蓋体接続電極２９が設けられている。この段差部１４ａには、例えば金属からなる蓋体２２が、その周縁部が接合されて固定されており、蓋体２２と蓋体接続電極２９とは電気的に接続されている。このように、センサモジュール１０には、基体１２における第１センサ素子３２の載置面１２Ａと、載置面１２Ａから突出した枠状部１４の内周面と、蓋体２２とで囲まれた封止空間が形成されている。
The
第１の実施態様に対応するセンサモジュール１０では、このキャビティ部１１の内部に、第１センサ素子３２が収容されるとともに、キャビティ部１１の内部の載置面１２Ａの表面に、蓋体２２と対向する固定電極２４が配置されている。
In the
センサモジュール１０では、基体１２の載置面１２Ａと反対の側の基板面１２Ｂに、第２センサ素子３４、回路素子４２、４４、およびコンデンサ４６等からなる電子回路部品４１が配置されている。例えば回路素子４２、４４は、例えばフリップチップ実装によって、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５と接続した電極パッド４３と接続されている。なお、回路素子４２および４４は、接着剤等により基体１２の基板面１２Ｂに設置され、ワイヤボンディング等で形成された導線によって、基板面１２Ｂに設けられた電極パッド４３等と電気的に接続されていてもよい。例えば突出部１４の突出端面に設けられた外部接続端子２３は、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５、および基板面１２Ｂの電極パッド４３や図示しない配線パターンを介して、回路素子４２および４４等と電気的に接続されている。センサモジュール１０では、この外部接続端子２３を介して各回路素子４２、４４等から信号を出力したり、また、この外部端子２３を介して各回路素子４２、４４等に所定の制御信号や、後述する補正データ等を入力可能となっている。また、固定電極２４および蓋体側接続電極２９は、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５を介して回路素子４２と電気的に接続されている。なお、本明細書に添付の各図においては、接続パッド２１、内部配線パターン２５やビアホール導体２７について、その一部のみを示している。本発明のセンサモジュールの各実施形態それぞれにおいて、センサモジュール１０を構成する各部は、本明細書に記載されているように電気的に接続されている。基体における接続パッドや内部配線パターン、およびビアホール導体等の配置や形状は、特に限定されない。
In the
蓋体２２は可塑性を有する金属からなり、例えばＮｉ−Ｆｅ合金やＮｉ−Ｆｅ―Ｃｏ合金からなり、厚さは例えば５０〜１００μｍとされている。蓋体２２は、シーム溶接や接着剤により、枠状部１４の段差部１４ａに接合されて、キャビティ１１を閉塞（密閉）して第１センサ素子３２の収容空間を封止している。蓋体２２は、段差部１４ａに設けられた蓋体側電極２９と電気的に接続されている。固定電極２４および蓋体側接続電極２９は回路素子４２と電気的に接続されている。回路素子４２は固定電極２４と蓋体側接続電極２９との間隙の電気容量の値を常時モニタし、さらに、モニタした電気容量の値をキャビティ１１の外部の圧力の値に換算する。回路素子４２は、この圧力値情報を、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５を介して外部接続端子２３へ出力する。
The
キャビティ１１を閉塞する蓋体２２は可塑性であり、キャビティ１１の内部圧力と、キャビティ１１の外部圧力との圧力差に応じて変形する。例えば、キャビティ１１外の圧力が比較的高くなれば、蓋体２２はキャビティ１１の内側に向けて凹み、一方、キャビティ１１外の圧力が比較的低くなればキャビティ外に向けて突出するように変形する。蓋体２２と固定電極２４との間隙の静電容量は蓋体２２の変形に応じて変動し、回路素子４２がこの静電容量に基づいた圧力値を求めて出力する。センサモジュール１０では、このように、キャビティ１１を閉塞する蓋体２２と、キャビティ１１内に配置された固定電極２４とで、ダイアフラム式圧力センサ１３を構成している。なお、蓋体２２は金属であることに限定されない。蓋体２２は、少なくとも一部が導電性を有していればよく、例えば金属層とセラミック等からなる絶縁体層とが、複数積層された構造であってもよい。蓋体２２の構造や厚さなどは、測定対象である外部圧力の大きさの程度、必要な測定精度等に応じて適宜設定すればよく、蓋体２２の構成については特に限定されない。
The
第１センサ素子３２は、エポキシ系接着剤３３等で基体１２の載置面１２Ａに固定されている。図２は、第１センサ素子３２について説明する図であり、図２（ａ）は第１センサ素子３２の概略上面図、図２（ｂ）は第１センサ素子３２の概略断面図である。第１センサ素子３２は、枠状体３６で囲まれた内部領域に、可動部としての可動体３８が配置されて構成されている。枠状体３６は、基体１２の載置面１２Ａに接合されて固定される固定部である。可動体３８は、枠状体３６に囲まれた内部領域に配置される重錘部３８ａと、枠状体３６の蓋体２２側から重錘部３８ａに延びて重錘部３８ａを支持する梁部３８ｂとを備えている。第１センサ素子３２において、重錘部３８ａと載置面１２Ａとの距離は、エポキシ接着剤３３の厚みによって調整されており、重錘部３８ａと載置面１２Ａとのギャップが、例えば１０μｍに設定されている。
The
複数の梁部３８ｂのそれぞれには、梁部３８ｂの変形とともに変形し、変形に応じた電気信号を発するピエゾ抵抗体からなる抵抗素子３９ａ、３９ｂ、３９ｃが設けられている。梁部３８ｂには、図中ｘ軸方向の加速度を検出するための抵抗素子３９ａ、図中ｙ軸方向の加速度を検出するための抵抗素子３９ｂ、図中ｚ軸方向の加速度を検出するための抵抗素子３９ｃ、がそれぞれ配置されている。枠状体３６の表面には、図示しない導体パターンを介して各抵抗素子３９ａ〜３９ｃそれぞれと接続した電極パッド３５が設けられている。センサモジュール１０において電極パッド３５は、ワイヤボンディングによって形成された導線１７を介して、基体１２の側の接続パッド２１と電気的に接続されている。
Each of the plurality of
第１センサ素子３２に加速度が生じると、慣性によって重錘部３８ａが変位し、加速度の大きさおよび方向に応じて各梁部３８ｂがそれぞれ変形し、この変形に応じて各抵抗素子３９ａ〜３９ｃそれぞれから電気信号が発せられる。各梁部３８ｂの変形に応じて各抵抗素子３９ａ〜３９ｃから発せられた電気信号は、電極パッド３５を介して基体１２の側の接続パッド２１に送られる。電極パッド３５と接続した接続パッド２１は、回路素子４４と電気的に接続されており、回路素子４４は、ピエゾ抵抗体３９から発せられた変形に応じた電気信号を常時モニタする。回路素子４４は、さらに、モニタした電気情報を第１センサ素子３２の加速度に換算し、換算した加速度情報を、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５を介して外部接続端子２３へ出力する。
When acceleration is generated in the
このように、第１センサ素子３２は、蓋体２２と固定電極２４とで構成されるダイアフラム式圧力センサ１３とは異なる物理量を計測するセンサである。センサモジュール１０では、キャビティ１１の内側に第１センサ素子３２を配置することで、ダイアフラム式圧力センサ１３と、このダイアフラム式圧力センサ１３と異なる物理量を計測する第１センサ素子３２とを、比較的少ない実装面積で集積させている。さらに、センサモジュール１０では、ダイアフラム式圧力センサ１３からの出力情報（静電容量の情報）を、キャビティ１１外部の圧力の値に換算するための回路素子４２を、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに配置している。また、第１センサ素子３２からの出力情報（上記変形に応じた電気信号）を、第１センサ素子３２の加速度に換算するための回路素子４４も、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに配置している。これにより、例えば、ダイアフラム式圧力センサ１３および第１センサ素子３２と並列に、基体１２の表面に各回路素子４２、４４を設ける場合に比べて、センサモジュールにおけるセンサおよび回路の実装面積を比較的小さくすることができる。また、コンデンサ４６等からなる各種電子部品についても、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに実装されており、センサモジュール１０をさらに比較的コンパクトに構成している。なお、本明細書に記載の各実施態様および実施形態では、いずれも回路素子４２および４４が備えられているが、これら回路素子を必ずしも備えている必要はない。例えば、上記静電容量の情報や、上記変形に応じた電気信号等を、外部接続端子から直接出力する構成であってもよい。
As described above, the
センサモジュール１０では、第１センサ素子３２の梁部３８ｂの側を覆うように蓋体２２が配置されており、図中ｚ軸方向に比較的強い加速度が生じた場合でも、重錘部３８ａの変位は、第１センサ素子３２と蓋体２２との間隙の範囲に抑制されている。
In the
図２に示す第１センサ素子３２は、例えば酸化膜を介してシリコン層が積層されたいわゆるＳＯＩウエハを、半導体微細加工技術（いわゆるマイクロマシンニング技術）を利用して加工することで作製することができる。例えばＳＯＩの一方の表面のシリコン層を、例えばＳｉディープＲＩＥエッチングによって酸化膜層までエッチングを行い、梁部３８ｂおよび重錘部３８ａの一部（表面層部分）を形成する。続いて、ＳＯＩの他方の表面のＳＯＩ層を、例えば周知のＳｉディープＲＩＥエッチングによって酸化膜層までエッチングを行い、重錘部３８ａを形成する。その後、酸化膜層をエッチング除去して、梁部３８ｂおよび重錘部３８ａをリリースし、可動構造とする。なお、抵抗体素子３９ａ〜３９ｃは、例えば一方のシリコン層に不純物（例えばボロン）をドーピングして、形成することができる。なお、ピエゾ抵抗型半導体素子の構成および作製方法は、上記の形態に限定されない。
The
微細加工技術（マイクロマシンニング技術）を利用して作製された、比較的微小な構造体である第１センサ素子３２は、作製時における重錘部３８ａや梁部３８ｂの加工精度の違い等（すなわち重錘部３８ａや梁部３８ｂの寸法精度の違い等）に起因し、例えば温度特性等の素子特性が、各素子毎に１つ１つ異なっている。また、センサモジュール１０における第１センサ素子３２からの出力値は、例えば第１センサ素子３２の基体１２への実装状態（例えば、設置状態での傾き）等に応じて異なっている。センサモジュール１０では、回路素子４４に例えばＲＯＭ等の図示しないメモリ部が設けられており、このメモリ部に、第１センサ素子３２固有の温度特性補正データや、センサモジュール１０固有の傾き補正データ等が記憶されている。回路素子４４は、第１センサ素子３２のピエゾ抵抗体３９から発せられた変形に応じた電気信号を受け取った後、このメモリ部に記憶された温度特性補正データや傾き補正データ等を用いて、受け取った電気信号に対して必要な補正処理を行い、各センサモジュールに応じた適切な加速度データを出力する。
The
かかる補正データは、例えばセンサモジュールの１つ１つについて個別に検査を行って生成すればよく、生成した補正データはセンサモジュール１０に設けられた補正データ入力パッドから入力すればよい。図３は、センサモジュール１０の構成について説明する概略斜視図である。センサモジュール１０では、基体１２の側面１２Ｃに、補正データ入力パッド５１が設けられている。補正データ入力パッド５１は、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５（図３では、一部のみを示す）を介して回路素子４４と接続されている。例えば、補正データ入力パッド２１には、図示しないピン状の外部端子の先端が当接され、この外部端子から出力される補正データが、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５を介して回路素子４４のメモリ部に入力される。本実施形態のセンサモジュール１０では、基体１２の側面１２Ｃには、表面が所定の曲率をもつ凹部が形成されており、補正データ入力パッド５１は、この凹部の表面に形成されている。これにより、外部端子の先端を補正データ入力パッド５１に接触させる際の作業性や、外部端子の先端と補正データ入力パッドとの接触状態が比較的良好となり、補正データの入力エラー等の不具合の発生が低減され、製造コストも比較的低くされている。なお、上述のように、回路素子４４は、ビアホール導体２７や内部配線パターン２５を介して外部接続端子２３とも接続されている。センサモジュール１０では、この外部端子２３を介して修正データを入力することで、回路素子４４のメモリ部に記憶された各種補正データを、繰り返し書き換えることが可能となっている。例えば、センサモジュール１０を外部の実装対象体（後述する実装基板６２など）に実装した状態それぞれに応じて、メモリ部に記憶された各種補正データを書き換えることで、複数の実装状態それぞれにおいて、比較的高い精度の出力値を得ることができる。
Such correction data may be generated by individually inspecting each sensor module, for example, and the generated correction data may be input from a correction data input pad provided in the
コンデンサ４６等は、回路素子４２や４４と共同して所定の回路を構成する公知の電子部品である。センサモジュール１０では、これらコンデンサ４６等からなる各種電子部品についても、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに実装されており、センサモジュール１０は比較的コンパクトに構成されている。
The
センサモジュール１０では、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに、第２センサ素子３４がさらに配置されている。センサモジュール１０では、第２センサ素子３４として、例えば公知の温度センサ素子が実装されている。第２センサ素子３４は、基板面１２Ｂの表面に、例えば接着剤等で固定されている。第２センサ素子３４は、回路素子４４と電気的に接続されており、測定した現在の温度情報を回路素子４４へと送る。回路素子４４は、第１センサ素子３２のピエゾ抵抗体３９から発せられた変形に応じた電気信号を受け取った後、第２センサ素子３４から受け取った現在の温度情報と、このメモリ部に記憶された温度特性補正データとに基づいて、受け取った電気信号に対して必要な補正処理を行い、現在の温度に応じた適切な加速度データを出力する。なお、本実施形態では、回路素子４２や４４等とは独立した部材である温度センサ素子（第２センサ素子３４）を基板面１２Ｂに配置しているが、例えば回路素子４２または回路素子４４に、温度センサ部を一体化させて設けてもよい。
In the
基体１２は、外部の実装対象体（例えば、後述する実装基板６２等）と直接当接する部位であり、外部からの熱の流入および外部への熱の流出による温度変化が比較的大きい。センサモジュール１０では、第１センサ素子３２および第２センサ素子３４が、基体１２の対向する基板面（１２Ａおよび１２Ｂ）にそれぞれ実装されているので、第１センサ素子３２および第２センサ素子３４の温度プロファイルが比較的近くなっている。すなわち、第２センサ素子３４で測定した現在温度が、第１センサ素子３２の現在温度に比較的高い精度で一致する。このため、回路素子４４において、第２センサ素子３４で測定した現在温度に基づいて、第１センサ素子からの電気信号を温度補正すれば、実際の第１センサの温度状態に基づいた比較的正確な温度補正ができる。温度プロファイルが第１センサ素子３２と比較的良好に一致するのは、回路素子４２や回路素子４４に関しても同様であり、回路素子４２や回路素子４４に一体化して温度センサ部が設けられている場合であっても、温度補正によって比較的高い精度の出力値を得ることができる。
The
基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに配置された、第２センサ素子３４、回路素子４２、４４、およびコンデンサ４６等からなる電子回路部品４１等は、例えば樹脂材料からなる封止樹脂層４８によって被覆されている。封止樹脂層４８は、例えばエポキシ系樹脂等からなり、基板面１２Ｂに配置された各部品を保護する。この封止樹脂層４８は、第２センサ素子３４や電子回路部品４１等の上面を覆うように、周知のスクリーン印刷法等により例えばエポキシ樹脂を塗布した後、例えば１８０℃、６０分の加熱により硬化して形成される。センサモジュール１０が、例えばタイヤ等の高温・高湿・高衝撃環境内に実装された場合においても、封止樹脂層４８が、水分、湿度、機械的衝撃等から各部品を保護し、センサモジュール１０の信頼性は比較的高く維持される。
An electronic circuit component 41 including the
センサモジュール１０では、上記反対側の基板面１２Ｂに封止樹脂層４８を設けつつ、第１センサ素子３２は封止樹脂層４８が設けられている側と対向する基板面（載置面１２Ａ）に配置されている。さらに、この第１センサ素子３２は、基体１２および蓋体２２とで閉塞されたキャビティ１１内に収容されている。すなわち、封止樹脂層４８と第１センサ素子３２とは、基体１２を隔てて離間しており、さらには、第１センサ素子３２はキャビティ１１内に収容されている。上記封止樹脂層４８は、対衝撃性等に優れているが、例えば高温・高湿環境においては、アウトガスが発生する可能性がある。センサモジュール１０では、封止樹脂層４８からアウトガスが発生したとしても、第１センサ素子３２や各回路素子４２、４４等へのアウトガス成分の付着を、比較的低く抑えておくことができる。このため、センサモジュール１０を、例えば高温・高湿・高衝撃環境下に配置したとしても、第１センサ素子３２や回路素子４２、４４等は、比較的高い信頼性で動作し続けることができる。
In the
本願発明の第１の態様であるセンサモジュール１０では、キャビティ１１の内側に第１センサ素子３２が配置され、基体１２の表面である載置面１２Ａに固定電極２４が配置されている。ダイアフラム式圧力センサ１３において、圧力の測定精度、すなわち静電容量の測定精度をより高めるには、蓋体２２と固定電極２４との間隙を小さくするか、蓋体２２と固定電極２４との対向面積を大きくする必要がある。図１に示す実施形態１−１のセンサモジュール１０では、キャビティ１１における載置面１２Ａの面積を比較的大きくし、かつ、第１センサ素子３２の大きさを比較的小さくすることで、蓋体２２と固定電極２４との対向面積を比較的大きくすることができる。実施形態１−１のセンサモジュールでは、キャビティ１１内に第１センサ素子３２を収容して、比較的コンパクトな構成のセンサモジュールを構成するとともに、比較的高い精度で圧力を測定することができる。
In the
図４は、本発明のセンサモジュールの第１の態様のうち、実施形態１−１とは異なる実施形態（実施形態１−２）のセンサモジュール２０について説明する概略断面図である。以下、図４に示す実施形態１−２のセンサモジュール２０について説明するが、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図４および以下のセンサモジュール２０の説明において、センサモジュール１０と同様の構成については、センサモジュール１０と同じ符号を用いている。図４に示すセンサモジュール２０では、キャビティ１１の内部において、第１センサ素子３２を囲むように、基体１２の載置面１２Ａから突出してなる第２の段差部１４ｂが形成されている。この段差部１４ｂは、蓋体２２の周縁部が接合される段差部１４ａと、キャビティ１１内に収容された第１センサ素子３２の高さ位置Ｈとの間隙に位置している。実施形態１−２のセンサモジュール２０では、この第２の段差部１４ｂに固定電極２４が配置されている。すなわち、実施形態１−２のセンサモジュール２０では、基板１２の載置面１２Ａおよび第１センサ素子３２の高さ位置Ｈの双方に対して、蓋体２２により近い位置に固定電極２４を配置している。これにより、蓋体２２と固定電極２４との間隙を比較的小さくし、ダイアフラム式圧力センサ１３における静電容量の大きさを比較的大きくしている。なお、段差部１４ｂすなわち固定電極２４を、第１センサ素子３２の高さ位置Ｈよりも、載置面１２Ａにより近い位置に配置しても構わない。ただし、ダイアフラム式圧力センサ１３における静電容量の大きさを比較的大きくするには、第１センサ素子３２の高さ位置Ｈの双方に対して、蓋体２２により近い位置に固定電極２４を配置することが好ましい。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a
なお、図４に示すセンサモジュール２０では、第１センサ素子３２のピエゾ抵抗体３９（図４において図示せず）が、第１センサ素子３２の枠状体３６に設けられたビアホール導体３７を介して、枠状体３６の表面に設けられた電極パッド３９と電気的に接続されている。センサモジュール２０では、この電極パッド３９が基体１２表面の電極パッド２１にフリップチップ実装されて、第１センサ素子３２が載置面１２Ａに実装されている。なお、実施形態１−１に示すセンサモジュール１０においても、第１センサ素子３２の枠状体３６にビアホール導体を設け、このビアホール導体を介して、枠状体３６の表面に設けられた電極パッド３９と電極パッド２１とが電気的に接続されるようにしてもよい。また逆に、実施形態１−２において、ワイヤボンディングで形成された導線を介して、基体１２の電極パッド２１とピエゾ抵抗体３９とが電気的に接続されていてもよい。この点は、後述する各実施態様および各実施形態において同様である。第１の加速度センサの実装形態、および電極パッドとの接続形態は、特に限定されない。
In the
図５は、本発明のセンサモジュールの第２の態様の一実施形態（実施形態２−１）について説明する概略断面図である。本発明の第２の実施態様では、キャビティ１１内に配置された第１センサ素子の枠状体（固定部）の表面に、固定電極が設けられている。以下、図５に示す実施形態２−１のセンサモジュール３０について説明するが、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図５および以下のセンサモジュール３０の説明においても、センサモジュール１０と同様の構成については、センサモジュール１０と同じ符号を用いている。図５に示すセンサモジュール３０では、キャビティ１１内部に収容された第１センサ素子３２の、固定部である枠状体３６の表面に固定電極２４が配置されている。第１センサ素子３２は、キャビティ１１の内部の載置面１２Ａに配置されており、第１センサ素子３２の表面の高さ位置Ｈ２は、基体１２の載置面１２Ａよりも蓋体２２に近い位置にある。第１センサ素子３２の表面に固定電極２４を設けることで、固定電極２４と蓋体２２との離間距離を、比較的小さくしておくことができる。これにより、固定電極２４と蓋体２２とで構成されるダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量を比較的大きくし、圧力の測定精度を比較的高くすることができる。本実施形態２−１では、例えば第１センサ素子３２が、キャビティ１１内で比較的大きな体積を占める場合でも、比較的高い圧力の測定精度を得ることができる。
FIG. 5: is a schematic sectional drawing explaining one Embodiment (Embodiment 2-1) of the 2nd aspect of the sensor module of this invention. In the second embodiment of the present invention, a fixed electrode is provided on the surface of the frame (fixed portion) of the first sensor element disposed in the
また、図６は、本発明のセンサモジュールの第２の態様の他の実施形態（実施形態２−２）について説明する概略断面図である。以下、図６に示す実施形態２−２のセンサモジュール４０について説明するが、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図６および以下のセンサモジュール４０の説明においても、センサモジュール１０と同様の構成については、センサモジュール１０と同じ符号を用いている。図６に示すセンサモジュール４０も、キャビティ１１内部に収容された第１センサ素子３２の、固定部である枠状体３６の表面に固定電極２４が配置されている。図６に示すセンサモジュール４０では、第１センサ素子３２の、梁部３８ｂおよび抵抗素子３９ａ〜３９ｃ、および電極パッド３５が設けられている側が、基体１２の載置面１２Ａと対向している。センサモジュール４０では、基体１２の電極パッド２１と第１センサ素子３２の電極パッド３５とが、例えばハンダを用いたフリップチップ実装によって接続されている。なお、センサモジュール４０では、フリップチップ実装に加えて、接着剤３３も用いて第１センサ素子３２と基体１２の載置面１２Ａとを接合しており、第１センサ素子３２は比較的高い接合強度で、基体１２に接合されている。センサモジュール４０では、固定部である枠状部３６の、抵抗素子３９ａ〜３９ｃや電極パッド３５が設けられている側と反対の側（下面側）に、固定電極２４が設けられている。この下面側には、抵抗素子３９や図示しない配線パターン、また電極パッド３５などが、いずれも配置されておらず、固定電極２４を比較的広い面積で配置しておくことができる。センサモジュール４０では、また、抵抗素子３９と基体１２の電極パッド２１との距離が比較的短いので、信号の伝送中に生じるノイズの原因となる余分な容量成分を比較的小さくすることもでき、第１センサ素子３２の抵抗素子３９ａ〜３９ｃから出力された電気信号に生じるノイズを比較的低減し、回路素子４４によって比較的高精度に取得することができる。本実施形態２−２では、圧力の測定精度が比較的高く、また、加速度の測定精度も比較的高い。
FIG. 6 is a schematic sectional view for explaining another embodiment (Embodiment 2-2) of the second aspect of the sensor module of the present invention. Hereinafter, although the
また、図７は、本発明のセンサモジュールの第３の態様の一実施形態（実施形態３−１）について説明する概略断面図である。本発明の第３の実施態様では、キャビティ内の基体載置面の表面と、キャビティ内に配置された第１センサ素子の枠状体（固定部）の表面と、の双方に固定電極が設けられている。以下、図７に示す実施形態３−１のセンサモジュール５０について説明するが、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図７および以下のセンサモジュール５０の説明においても、センサモジュール１０と同様の構成については、センサモジュール１０と同じ符号を用いている。実施形態３−１のセンサモジュール５０では、基体１２の表面である載置面１２Ａに第１の固定電極２４ａが配置されるとともに、第１センサ素子３２の枠状体３６の表面に第２の固定電極２４ｂが配置されている。実施形態３−１では、ダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量は、第１の固定電極２４ａと蓋体２２とで構成された第１の容量部と、第２の固定電極２４ｂと蓋体２２とで構成された第２の容量部とが合成された大きさになる。実施形態３−１では、ダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量の大きさは、実施形態１−１および実施形態２−１のいずれよりも大きくすることができる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment (Embodiment 3-1) of the third aspect of the sensor module of the present invention. In the third embodiment of the present invention, fixed electrodes are provided on both the surface of the substrate mounting surface in the cavity and the surface of the frame (fixed part) of the first sensor element disposed in the cavity. It has been. Hereinafter, although the
また、図８は、本発明のセンサモジュールの第３の態様のうち、実施形態３−１とは異なる実施形態（実施形態３−２）について説明する概略断面図である。以下、図８に示す実施形態３−２のセンサモジュール６０について説明するが、実施形態１−２のセンサモジュール２０と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図８および以下のセンサモジュール６０の説明において、センサモジュール２０と同様の構成については、センサモジュール２０と同じ符号を用いている。図８に示すセンサモジュール６０では、キャビティ１１の内部において、第１センサ素子３２を囲むように、基体１２の載置面１２Ａから突出してなる第２の段差部１４ｂが形成されている。実施形態３−２のセンサモジュール６０では、この第２の段差部１４ｂに第１の固定電極２４ａが配置されるとともに、第１センサ素子３２の枠状体３６の表面に第２の固定電極２４ｂが配置されている。実施形態３−２でも、実施形態３−１と同様に、ダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量は、第１の固定電極２４ａと蓋体２２とで構成された第１の容量部と、第２の固定電極２４ｂと蓋体２２とで構成された第２の容量部とが合成された大きさになる。実施形態３−２では、ダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量の大きさを、実施形態１−２および実施形態２−１のいずれよりも大きくすることができる。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment (Embodiment 3-2) different from Embodiment 3-1 in the third aspect of the sensor module of the present invention. Hereinafter, although the
また、図９（ａ）は、本発明のセンサモジュールの第４の態様の一実施形態（実施形態４−１）について説明する概略断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）で示す断面と直交する断面図である。本発明の第４の実施態様では、固定電極２４が、蓋体２２とセンサ素子３２との間に蓋体２２に対向した状態で配置された固定部材１５における、蓋体２２の導電性を有する領域２２ａと対向する領域１５ａに配置されている。以下、図９（ａ）および（ｂ）に示す実施形態４−１のセンサモジュール９０について説明するが、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様の構成については同じ符号を用いて詳細な説明を省略する。センサモジュール９０によれば、ダイアフラム式圧力センサ１３の静電容量を得るための面積を、第１センサ素子３２とは別に配置されている固定部材内１５に形成された固定電極２４で十分に確保することができるとともに、固定電極２４の位置をキャビティ１１内で一定に保つことができるので、正確な圧力を高い感度で検出することが可能なダイアフラム圧力センサ１３を含む数種類のセンサ部を有したセンサモジュール９０とすることができる。
Moreover, Fig.9 (a) is a schematic sectional drawing explaining one Embodiment (Embodiment 4-1) of the 4th aspect of the sensor module of this invention, FIG.9 (b) is FIG.9 (a). It is sectional drawing orthogonal to the cross section shown. In the fourth embodiment of the present invention, the fixed
センサモジュール９０において、固定部材１５は、例えば、基体１２を構成するセラミック材料が板状に形成されたものである。センサモジュール９０における固定電極２４は、例えば、基体１２の内部および表面に形成された金属粉末メタライズと同様に固定部材１５の表面に形成されたものである。
In the
そして、第１センサ素子３２は、実施形態１−１のセンサモジュール１０と同様に、収容空間内に固定された固定部３６とこの固定部３６に支持された可動部３８とを有しており、センサモジュール９０においては、固定部材１５が、第１センサ素子３２の可動部３８に可動範囲の限界位置で対向している。具体的には、固定部材１５の第１センサ素子３２側に突起部１５ａが設けられており、この突起部１５ａの先端部が、第１センサ素子３２の可動部３８が梁部３８ｂの変形可能な範囲の限界位置に配置されている。センサモジュール９０によれば、第１センサ素子３２において可動部３８が可動範囲の限界を超えた変形をしなくなり、第１センサ素子３２が破損しにくくなるので、故障の発生を低減することができる。
And the
また、固定電極２４が、固定部材１５のうち蓋体２２と対向する側に配置されていることから、蓋体２２と固定電極２４との間の距離を小さくすることが可能となり、ダイアフラム圧力センサ１３として得られる静電容量を大きくすることができるので、圧力をより高い感度で検出することが可能となる。
In addition, since the fixed
さらに、第１センサ素子３２が、収容空間であるキャビティ１１内に固定された固定部３６とこの固定部３６に支持され蓋体２２側にセンサパターンを有した可動部３８とを含むものであり、固定部材１５が、可動部３８に可動範囲の限界位置で対向しており、固定部材１５が絶縁性の基材の蓋体２２と対向する側に導電性を有する領域として固定電極２４を有していることから、第１センサ素子３２が変形して可動体３８が固定部材１５に接触したとしても、第１センサ素子３２に形成されているピエゾ抵抗型半導体素子が固定電極１５に接触することはなく、センサ部同士の電気信号の短絡が発生しにくいので、それぞれの物理量の検出が安定しているセンサモジュール９０とすることができる。
Further, the
また、図９（ｂ）に示すように、固定部材１５の両端が、第１センサ素子３２を挟んだ位置の両側でキャビティ１１の開口部をまたぐように固定されていることから、第１センサ素子３２、固定部材１５および蓋体２２が小さな空間内で重なる無駄のない構造とすることができるので、小型化を図ることが容易なセンサモジュール９０とすることができる。
Further, as shown in FIG. 9B, both ends of the fixing
加えて、図９（ａ）に示すように、第１センサ素子３２が、蓋体２２と対向する側で固定部材１５の外側に電極パッド３５を有し、この電極パッド３５が、収容空間であるキャビティ１１に対して第１センサ素子３２の周囲で固定部材１５の外側に配置された接続パッド２１に導線１７を介して接続されていることから、導線１７を用いる場合に、第１センサ素子３２と蓋体２２とが対向する方向において導線１７と固定部材１５とが重ならないので、第１センサ素子３２と蓋体２２との間の距離を理想的に短くすることができる。
In addition, as shown in FIG. 9A, the
なお、固定部材１５として、突起部１５ａを除く部分に蓋体２２と同様に金属の板材を用い、突起部１５ａを除く固定部材１５全体を固定電極２４として利用することもできる。
Note that, as the fixing
また、図１０は、本発明のセンサモジュールの第４の態様のうち、実施形態４−１とは異なる実施形態（実施形態４−２）について説明する概略断面図である。以下、図１０に示す実施形態４−２のセンサモジュール１００について説明するが、実施形態４−１のセンサモジュール９０と同様の構成については同じ符号を用いて詳細な説明を省略する。センサモジュール１００によれば、固定部材１５が、蓋体２２により封止された第１センサ素子３２の収容空間を、第１センサ素子３２側の第１の空間１１ａと蓋体２２側の第２の空間１１ｂとに分けており、それぞれの空間１１ａ・１１ｂが密閉されている。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment (Embodiment 4-2) different from Embodiment 4-1 in the fourth aspect of the sensor module of the present invention. Hereinafter, although the
センサモジュール１００において、第１センサ素子３２が配置されて、固定部材１５によって密閉されている第１の空間１１ａは、例えばヘリウムやアルゴン等の不活性な気体を用いて充満されていることが好ましく、第１の空間１１ａ内は大気圧にほぼ等しい気圧とされている。第１の空間１１ａをこのような不活性な雰囲気とすると、第１センサ素子３２に酸化または還元といった変化が起こりにくくなるため、第１センサ素子３２の特性が変化しにくいものになる。また、固定部材１５および蓋体２２に挟まれて密閉されている第２の空間１１ｂは、第１の空間１１ａよりも気圧が低く設定されており、センサモジュール１００の外部の圧力により蓋体２２をその変化に応じて変形させるとともに蓋体２２が変形したときの固定部材１５の変形を少なくすることによって、圧力測定の感度を高めている。
In the
また、第１の空間１１ａの気圧と第２の空間１１ｂの気圧との差を大きくすると、センサモジュール１００の外部の圧力が変化した際に第１の空間１１ａに及ぶ外部の圧力の影響が小さくなるので、固定部材１５の材料によらずに固定部材１５の変形を小さくすることができることから、センサモジュール１００の外部の圧力をより正確に計測することができる。
Further, when the difference between the air pressure in the first space 11a and the air pressure in the second space 11b is increased, the influence of the external pressure on the first space 11a is reduced when the pressure outside the
なお、固定部材１５は、変形に対する剛性が蓋体２２よりも高いものを用いることが望ましく、例えば、固定部材１５および蓋体２２の材料が同じである場合には、固定部材１５の厚みを蓋体２２の厚みよりも厚く、例えば１．５倍以上にすることが望ましい。
In addition, it is desirable to use the fixing
また、第２の空間１１ｂが真空に近くなるように設定したときには、温度の変化によって生じる第２の空間１１ｂ内の気体の体積の変化が小さくなり、第２の空間１１ｂ内の気圧の変化が小さくなるので、センサモジュール１００の外部の圧力をより正確に計測することができる。
Further, when the second space 11b is set to be close to a vacuum, the change in the volume of the gas in the second space 11b caused by the temperature change becomes small, and the change in the atmospheric pressure in the second space 11b occurs. Therefore, the pressure outside the
なお、特に、第２の空間１１ｂの気圧を１０４Ｐａ以下の真空度に設定したときには、センサモジュール１００を絶対圧センサとして利用することができる。
In particular, when the atmospheric pressure in the second space 11b is set to a vacuum level of 10 4 Pa or less, the
次に、図１１は、本発明のセンサモジュールの実施形態４−２の変形例（実施形態４−３）について説明する概略断面図である。以下、図１１に示す実施形態４−３のセンサモジュール１１０について説明するが、実施形態４−２のセンサモジュール１００と同様の構成については詳細な説明を省略する。なお、図１１および以下のセンサモジュール１１０の説明においても、センサモジュール１００と同様の構成については、センサモジュール１００と同じ符号を用いている。図１１に示すセンサモジュール１１０も、固定部材１５が、蓋体２２により封止された第１センサ素子３２の収容空間を、第１センサ素子３２側の第１の空間１１ａと蓋体側の第２の空間１１ｂとに分けており、それぞれの空間１１ａ・１１ｂが密閉されている。
Next, FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a modified example (embodiment 4-3) of the embodiment 4-2 of the sensor module of the present invention. Hereinafter, although the
センサモジュール１１０においても、第１センサ素子３２が配置されて、固定部材１５によって密閉されている第１の空間１１ａは、例えばヘリウムやアルゴン等の不活性な気体を用いて充満されていることが好ましく、第１の空間１１ａ内は大気圧にほぼ等しい気圧とされている。また、固定部材１５および蓋体２２に挟まれて密閉されている第２の空間１１ｂは、第１の空間１１ａよりも気圧が低く設定されており、センサモジュール１１０の外部の圧力により蓋体２２をその変化に応じて変形させるとともに蓋体２２が変形したときの固定部材１５の変形を少なくすることによって、圧力測定の感度を高めている。また、第１の空間１１ａの気圧と第２の空間１１ｂの気圧との差を大きくすると、センサモジュール１１０の外部の圧力が変化した際に第１の空間１１ａに及ぶ外部の圧力の影響が小さくなるので、固定部材１５の材料によらずに固定部材１５の変形を小さくすることができることから、センサモジュール１１０の外部の圧力をより正確に計測することができる。
Also in the
なお、この例における固定部材１５も、変形に対する剛性が蓋体２２よりも高いものを用いることが望ましく、例えば、固定部材１５および蓋体２２の材料が同じである場合には、固定部材１５の厚みを蓋体２２の厚みよりも厚く、例えば１．５倍以上にすることが望ましい。
Note that the fixing
また、第２の空間１１ｂが真空に近くなるように設定したときには、温度や湿度の変化によって生じる第２の空間１１ｂ内の気体の体積の変化が小さくなり、第２の空間１１ｂ内の気圧の変化が小さくなるので、センサモジュール１１０の外部の圧力をより正確に計測することができる。
Further, when the second space 11b is set to be close to a vacuum, the change in the volume of the gas in the second space 11b caused by changes in temperature and humidity becomes small, and the atmospheric pressure in the second space 11b is reduced. Since the change becomes small, the pressure outside the
なお、特に、第２の空間１１ｂの気圧を１０3Ｐａ以下の真空度に設定したときには、センサモジュール１１０を絶対圧センサとして利用することができる。
In particular, when the atmospheric pressure in the second space 11b is set to a vacuum level of 10 3 Pa or less, the
図１１に示すセンサモジュール１１０では、図２に示す第１センサ素子３２の、梁部３８ｂおよび抵抗素子３９ａ〜３９ｃならびに電極パッド３５が設けられている側が、基体１２の載置面１２Ａと対向している。このセンサモジュール１１０では、第１センサ素子３２をフリップチップ実装していることから、第１センサ素子３２と固定部材１５との距離を短くでき、第１の空間１１ａを小さくできるので、実施形態４−２のセンサモジュール１００と比較してセンサモジュールを小型化することができる。
In the
また、図１２は、本発明のセンサモジュールの実施形態１−１の変形例の一例である、センサモジュール７０について説明する概略断面図である。センサモジュール７０では、キャビティ１１の内部に、第１センサ素子３２に加えて、例えば回路素子４２が収容されている。第１の回路素子４２は、例えばキャビティ１１内の基体１２の載置面１２Ａに、例えばフリップチップ実装によって配置固定されており、載置面１２Ａの、第１センサ素子３２の配置領域および回路素子４２の配置領域を囲む領域には、固定電極２４が設けられている。図１２では、実施形態１−１の変形例の一例のみを示しているが、上記各実施態様および実施形態（実施形態１−１〜実施形態３−２）のいずれの形態においても、キャビティ１１内に、第１センサ素子３２以外の部材が配置されていてもよい。また、キャビティ１１内に配置される部材も、回路素子４２であることに限定されず、例えば第２センサ素子３４や各種コンデンサ等をキャビティ１１内に配置しても構わない。キャビティ１１内に配置する部材の種類および個数については、特に限定されない。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a
また、図１３は、本発明のセンサモジュールの実施形態１−１の変形例の他の例である、センサモジュール８０について説明する図であり、センサモジュール８０から封止樹脂層４８を除去した状態の概略上面図である。センサモジュール８０は、無線器６６やバッテリ６７、発電器６８等が、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに設けられている。無線器６６、バッテリ６７、および発電器６８は、例えばフリップチップ実装によって、基体１２の反対側の基板面１２Ｂに接合・固定されている。無線器６６および発電器６８は、基板面１２Ｂに設けられた図示しない電極パッドおよび導電パターンを介して、回路素子４２や４４等と接続されている。無線器６６は、無線による情報またはエネルギーの伝送機能を有する公知の送受信モジュールである。無線通信モジュールとしては、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格の送受信モジュール、ＷｉＦｉ規格の送受信モジュール、ＺｉｇＢｅｅ規格の送受信モジュールなど、公知の無線通信モジュールを用いればよい。また、無線器６６としては、いわゆるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）における位置情報信号を受信可能な受信モジュールであってもよい。この場合、基板面１２Ｂに設けられた図示しない情報処理回路が、無線器６６が受信した位置情報信号に応じて、センサモジュール１０の現在の位置情報（経度および緯度）を求めてもよい。
Moreover, FIG. 13 is a figure explaining the
バッテリ６７は、無線器６６やセンサモジュール１０の各構成部材に電力を供給する、公知のバッテリである。発電器６８は、例えば基体１２の振動のエネルギーを電力エネルギーに変換するＭＥＭＳ発電素子等や、外部から与えられたエネルギーによる変形や歪みに応じた電気が発生する圧電素子等からなる。発電器６８は、バッテリ６７に電力を供給し、バッテリ６７の電力残量を一定レベルに安定して維持させる。本発明では、上記各実施態様および実施形態（実施形態１−１〜実施形態３−２）のいずれの形態においても、無線器６６やバッテリ６７、発電器６８等が、基体１２の上記反対側の基板面１２Ｂに設けられていてもよい。また、無線器６６は、外部から伝送される電磁波のエネルギーを電力に変換するエネルギー変換機構を備えていてもよい。この場合、例えば、無線器６６のエネルギー変換機構が、外部から伝送された電磁波のエネルギーを電力に変換し、変換した電力をバッテリ６７に蓄電すればよい。この場合、バッテリ６７において電力が比較的少なくなることを効果的に防止し、センサモジュール１０の動作信頼性を比較的高くできる。この際、エネルギー変換機構としては、例えば、ダイオードやコンデンサ、抵抗器等を組み合わせて構成された周知の全波整流回路と、図示しないアンテナとを用いて構成したものを用いることができる。例えば、図示しないアンテナが外部から送信された送信された電磁波を受信し、全波整流回路が、電磁波の受信によってアンテナに誘起された高周波電流を整流して直流電流に変換し、バッテリ６７に蓄電すればよい。無線器６６やバッテリ６７の種類等についても、特に限定されない。また、基板面１２Ｂの側に配置される部材の種類も、無線器やバッテリなどに限定されない。また、基体に配置される部材の種類や個数について、特に限定されない。
The
また、上述の各実施態様および実施形態では、基体に構成されるダイアフラム式圧力センサは、可塑性を有する蓋体と固定電極との間の静電容量に基づいてキャビティ１１外の圧力を測定する、静電容量型の圧力センサについて示している。この圧力センサの種類についても、特に限定されない。例えば、蓋体２２のキャビティ１１に対応する部分に、弾性表面波素子（いわゆるＳＡＷ素子）を設け、蓋体の歪みや変形に応じた弾性表面波の伝搬速度の変化を計測することで、キャビティ１１の外部の圧力の変動を測定する、いわゆるＳＡＷ素子型圧力センサを構成してもよい。具体的には、例えば圧電体とインターデジタルトランスデューサー電極（ＩＤＴ電極）と、このＩＤＴ電極の弾性表面波の伝搬方向の両側に形成される一対の反射器電極と、からならなる弾性表面波共振子を、蓋体２２のキャビティ１１側の内壁面に形成するとともに、キャビティ１１内に、この弾性表面波素子と接続される増幅回路とを有して構成される発振回路を配置すればよい。この場合、例えば蓋体２２が圧力を受け変形が生じると、その部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子の電極間隔が変化する。そして、それぞれの作用によって弾性表面波素子の共振周波数が変化し、これによって弾性表面波素子とそれに接続される増幅回路とで構成される発振回路の発振周波数が変化する。この場合、例えば回路素子４２が、この発信周波数から、蓋体２２にかかっている圧力の大きさを算出する構成とすればよい。
Further, in each of the above-described embodiments and embodiments, the diaphragm pressure sensor configured on the base measures the pressure outside the
また、キャビティ１１内に収容されるセンサの種類についても、特に限定されない。上記各実施態様および実施形態では、キャビティ１１内にピエゾ抵抗体型加速度センサ素子を配置した例について記載しているが、キャビティ１１内に、例えばバイモルフ圧電素子を用いたカンチレバー型の加速度センサ（いわゆるショックセンサ）など、ピエゾ抵抗型加速度センサと異なる構成の加速度センサを配置してもよい。また、キャビティ１１内に加速度センサを配置することに限定する必要もなく、例えば角速度センサなど他の運動量を計測するセンサや、温度センサなどを配置してもよい。同様に、基体におけるキャビティと反対側の面に配置するセンサも、温度センサに限定されず、ピエゾ抵抗型の加速度センサ、カンチレバー型の加速度センサ、または角速度センサなどを配置してもよい。このようにして、所望の物理量を測定する各種センサを、比較的コンパクトに集積することができる。
Further, the type of sensor accommodated in the
図１４は、先に述べたセンサモジュールを支持基板の表面に実装した状態について説明する図である。図１４（ａ）は、実装基板６２にセンサモジュール１０が実装された状態を示す概略斜視図であり、図１４（ｂ）は概略断面図である。図１４および以下の説明では、上記各実施形態および変形例のうち、実施形態１−１のセンサモジュール１０を実装した場合について代表して説明しているが、上述の各実施形態のいずれのセンサモジュールを用いてもよいのはもちろんである。実装基板６２は、例えばセラミックス等からなる絶縁性基板であり、この実装基板６２の表面には、制御素子６４、および無線器６６が設けられている。実装基板６２の表面には、電極パッド６１や導電性パターン６９（図１４には一部のみ示している）が設けられている。制御素子６４や無線器６６は、例えばハンダを用いたいわゆるフリップチップ実装によって、実装基板６２の表面に配置、固定されている。
FIG. 14 is a diagram illustrating a state where the above-described sensor module is mounted on the surface of the support substrate. FIG. 14A is a schematic perspective view showing a state in which the
また、センサモジュール１０も、基体１２の枠状部１４の突出端面に設けられた外部接続端子２３が、ハンダバンプ６５によって電極パッド６１と接合されて固定されている。ハンダバンプ６５を用いた外部接続端子２３と電極パッド６１との接合は、いわゆるフリップチップ実装によって行えばよい。センサモジュール１０の蓋体２２と、実装基板６２との基板面とは、ハンダバンプ６５によって規定される所定の間隔だけ離間している。蓋体２２は、枠状部１４に周囲が囲まれているが、枠状部１４の突出端面と実装基板６２の基板面は、このハンダバンプ６５によって規定される間隔だけ離間している。すなわち、蓋体２２は、少なくとも、このハンダバンプ６５によって規定された間隔を介して、実装基板６２が設置されている周辺空気と接しており、蓋体２２は、この周辺空気の圧力とキャビティ１１内の圧力差に応じて変形する。また、センサモジュール１０の基体１２の枠状部１４の突出端には、蓋体２２の中心部から基体１２の外側に向けて形成された複数の溝１４ｂが設けられており、蓋体２２は、この溝１４ｂを介しても、実装基板６２が設置されている周辺空気と接している。
In the
制御素子６４は、電極パッド６１や導電性パターン６９を介して、センサモジュール１０の外部接続端子２３や、実装基板６２に実装された無線器６６と接続している。制御素子６４は、例えば回路素子４２や４４から出力される、ダイアフラム式圧力センサ１３で測定した圧力情報、第１センサ素子３２で測定した加速度情報、また、第２センサ素子３４で測定した温度情報などの各種情報を受け取る。制御素子６４は、受け取った各種情報を、予め設定された所定タイミングで各情報を無線器６６から送信させる。また、無線器６６が受信した外部からの指示情報に基づき、各回路素子４２、４４におけるデータ処理動作の制御等も行う。
The
無線器６６は、無線による情報の送受信機能を有する公知の送受信モジュールである。無線通信モジュールとしては、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格の送受信モジュール、ＷｉＦｉ（登録商標）規格の送受信モジュール、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）規格の送受信モジュールなど、公知の無線通信モジュールを用いればよい。また、無線器６６としては、いわゆるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）における位置情報信号を受信可能な受信モジュールであってもよい。この場合、例えば制御素子６４が、無線器６６が受信した位置情報信号に応じて、センサモジュール１０の現在の位置情報（経度および緯度）を求めてもよい。なお、実装基板６２表面には、図示しないバッテリが配置されており、無線器６６やセンサモジュール１０は、このバッテリから必要な電力を受け取ればよい。なお、無線器６６が基板面１２Ｂに実装されている上述の変形例の場合（図１３に示すセンサモジュール８０を用いる場合）、実装基板６２の表面には、例えば制御素子６４のみが配置されていればよい。
The
図１５は、先に述べたセンサモジュールを用いて、対象測定物の複数の物理量を測定する実施例の１つであり、車両に装着されたタイヤ組立体８２を構成するホイール８４に、センサモジュール１０を固定した状態について説明する図である。図１５は、センサモジュール１０が固定されたタイヤ組立体８２の概略断面斜視図を示している。図１５は、センサモジュール１０の装着部分の周辺を拡大して示している。
FIG. 15 shows one of the embodiments for measuring a plurality of physical quantities of the object to be measured using the sensor module described above. The sensor module is attached to the
タイヤ組立体８２は、ホイール８４にタイヤ８８が組み付けられて構成されている。センサモジュール１０は、上述の実装基板６２がホイール８４を構成するリム８６の外周面に固定されることで、タイヤ組立体８２に対して固定されている。実装基板６２は、リム８６の外周面に例えば接着剤によって固着されている。なお、図１５おいては図示していないが、実装基板６２には、センサモジュール１０や制御素子６４や無線器６６等を被覆する封止層や、センサモジュール１０や制御素子６４や無線器６６等を覆う筐体等が設けられていてもよい。かかる封止層や筐体は、無線器６６における無線通信機能を阻害しない材質、例えば樹脂等で構成されていることが好ましい。
The
タイヤ組立体８２は、図１６に示すように、車両９２の複数の車輪位置にそれぞれ装着されている。車両９２には、図示しないアンテナと接続された受信器９４と、受信器９４が受信した情報を処理する処理装置９６と、処理装置９６における処理結果等に応じて動作する報知手段９８と、が備えられている。報知手段９８は、例えばディスプレイやブザー等からなり、車両９２を運転操作する運転者に対して、警告画面を表示したり警告音を発したりすることができる構成となっている。
As shown in FIG. 16, the
上述のように、センサモジュール１０の蓋体２２は、ハンダバンプ６５によって規定された間隔を介してタイヤ８８内部の空気と接しており、タイヤ８８内部の空気圧に応じて蓋体２２は変形する。この状態で、センサモジュール１０のダイアフラム式圧力センサは、タイヤ８８内部の空気圧を測定するタイヤ内圧センサとして機能する。センサモジュール１０では、実装基板６２に実装された状態において、実装基板６２の基板面が蓋体２２を覆うように配置されている。また、蓋体２２のタイヤ８８の空洞領域を向く側は、基体１２によって覆われている。タイヤ８８の内部には、小石など比較的硬いゴミが混入している場合もあり、この場合、車両の走行中すなわちタイヤ８８の転動中、タイヤ８８の内部では、比較的硬いゴミが比較的高い速度で飛び交っている。仮に、比較的硬いゴミが比較的高い速度で、可塑性を有する蓋体２２に衝突すると、この蓋体２２の特性が変化し、場合によっては破壊されることもある。センサモジュール１０では、蓋体２２が、タイヤ８８の内部を向く側と反対の側を向いて配置されている。加えて、センサモジュール１０では、実装基板６２および基体１２が蓋体２２を覆うように配置されており、タイヤ組立体８２の転動中であっても、蓋体２２へゴミ等が衝突する可能性を低減することができる。
As described above, the
車両の走行中、タイヤ組立体８２およびホイール８４は転動するが、センサモジュール１０は、ホイール８４の転動に応じて回転移動し、また、ホイール８４の振動に伴って振動する。センサモジュール１０の第１センサ素子３２は、車両の走行に伴うホイール８４の回転に伴って生じる加速度の大きさを、比較的高い精度で計測することができる。第１センサ素子３２は、直交する３軸の加速度を測定することが可能であり、例えばタイヤ８８の半径方向、幅方向、および周方向それぞれの加速度を測定する。センサモジュール１０で測定した各情報は、上述のように、無線器６６から無線で送信される。
While the vehicle is running, the
無線器６６から送信された各種情報は、車両９２に備えられた受信器９２によって受信され、処理装置９６に送られる。処理装置９６では、例えば、タイヤ８８内の現在の空気圧の情報を受け取り、現在のタイヤ８８の空気圧が所定の閾値を下回る場合など、報知手段９８の動作を制御して運転者に警告を発する。また、例えば、第１センサ素子３２による、比較的低い周波数の加速度情報に基づいて、現在のタイヤの回転速度や、走行路面に対するタイヤの滑り具合等を算出する。車両９２では、かかる回転速度や滑り具合の情報に基づき、図示しない動作制御システムによって車両９２の動作を制御する。車両９２は、例えば、公知のＡＢＳ（アンチ・ロック・ブレーキシステム）、ＴＣＳ（トラクション・コントロール・システム）、ＥＰＳ（横滑り防止システム）などの動作制御システムが備えられており、回転速度や滑り具合の情報に基づいて、各システムを比較的高い制御性で動作させることができる。また、例えば第１センサ素子３２による、比較的高い周波数の振動の加速度情報に基づいて、タイヤ組立体８２やタイヤ８８に生じている振動の大きさを判定することもできる。タイヤ組立体８２やタイヤ８８に生じている振動の大きさは、タイヤ組立体８２に加わった衝撃の大きさ等に対応する。例えば、第１センサ素子３２による、比較的高い周波数の加速度情報に基づいて、車両９２の走行の開始タイミングや、車両９２が走行している（タイヤ８８が接地している）路面状態、タイヤ８８の横滑りの程度などを評価することもできる。これらの情報は、車両９２に備えられている車両動作制御システムの動作や、無線器６６による情報の送信タイミングの制御などに用いることができる。
Various types of information transmitted from the
このように、上述したセンサモジュール、センサモジュール付ホイール、タイヤ組立体を用いれば、車両走行中におけるタイヤ内の空気圧、ホイールの回転、ホイールに生じた振動等の各種情報を、車両の走行中であってもリアルタイムで把握しておくことができる。また、車両側では、取得した各種情報に基づき、より高い精度で車両動作を制御することができる。 As described above, when the sensor module, the wheel with the sensor module, and the tire assembly described above are used, various information such as the air pressure in the tire, the rotation of the wheel, and the vibration generated in the wheel during the traveling of the vehicle can be obtained. You can keep track of it in real time. Further, on the vehicle side, the vehicle operation can be controlled with higher accuracy based on the acquired various information.
なお、上記実施例では、タイヤ組立体８２を構成するホイール８６の外周面にセンサモジュール１０を取り付けた例について説明したが、例えば、ホイール８６に設けられている空気バルブ８９の、タイヤ８８の内周面側の端部に取り付けられていてもよい。また、例えば、図１７に示すように、タイヤ８８の内周面にセンサモジュール１０を取り付けてもよい。また、センサモジュール１０の蓋体にタイヤ８８の内部の空気圧がかかる状態とした上で、タイヤ８８のトレッド部やサイド部などの内部に、センサモジュール１０を埋め込んで配置してもよい。このような場合、タイヤ８８の例えばトレッド部の変形や振動の情報を、より直接的に計測することができる。この場合、車両９２において、かかるタイヤ８８の例えばトレッド部の変形や振動の情報に基づいて、上記ＡＢＳ、ＴＣＳ、ＥＰＳなどの動作制御システムを動作させればよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
また、上記実施例では、センサモジュールを、車両に装着されるタイヤ組立体に装着した場合について説明したが、例えば航空機の車輪を構成するタイヤ組立体等に装着してもよく、また、タイヤ組立体に装着して用いられることに特に限定されない。 In the above embodiment, the case where the sensor module is mounted on a tire assembly mounted on a vehicle has been described. However, for example, the sensor module may be mounted on a tire assembly constituting an aircraft wheel. It is not particularly limited to be used by being mounted on a solid body.
以上、センサモジュール、センサ付ホイール、タイヤ組立体について説明したが、本発明は上記実施態様、実施形態、および実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。例えば、本発明のセンサモジュールを大気圧の測定に用いてもよい。 As mentioned above, although the sensor module, the wheel with a sensor, and the tire assembly were demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment, embodiment, and an Example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is various. Of course, improvements and changes may be made. For example, the sensor module of the present invention may be used for measuring atmospheric pressure.
例えば、本発明のセンサモジュールの各実施形態において、蓋体２２をその主面方向から平面視した際の形状は円形であってもよい。蓋体２２の主面の形状が円形である場合は、蓋体２２に圧力が加わったときに、蓋体２２の円周部にかかる応力が均一になるため、蓋体２２の外周部の破損を少なくすることができる。また、実施形態４−２，４−３における固定部材１５を平面視した際の形状も、同様に円形にしてもよい。
For example, in each embodiment of the sensor module of the present invention, the shape of the
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０ センサモジュール
１２ 基体
１２ａ 絶縁層
１２Ａ 載置面
１２Ｂ 基板面
１３ ダイアフラム式圧力センサ
１４ 枠状部
１４ａ、１４ｂ 段差部
１５ 固定部材
１７ 導線
２１ 接続パッド
２２ 蓋体
２３ 外部接続端子
２４ 固定電極
２５ 内部配線パターン
２７ ビアホール導体
２９ 蓋体側電極
３２ 第１のセンサ素子（加速度センサ素子）
３３ 接着剤
３４ 第２のセンサ素子
３５ 電極パッド
３６ 枠状体
３８ 可動体
３８ａ 重錘部
３８ｂ 梁部
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ 抵抗素子
４０ 電子回路部品
４２、４４ 回路素子
４６ コンデンサ
４８ 封止樹脂層
６６ 無線器
６７ バッテリ
６８ 発電器
８２ タイヤ組立体
８４ ホイール
８６ リム
８８ タイヤ
９２ 車両
９４ 受信器
９６ 処理装置
９８ 報知手段
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110
33 Adhesive 34
Claims (10)
前記キャビティ内に収容されるセンサ素子を含む第１のセンサ部と、
前記センサ素子の収容空間を封止し且つ少なくとも一部が導電性を有する蓋体と、前記蓋体と対向した状態で前記キャビティ内に配置される固定電極とでダイアフラム圧力センサを構成する第２のセンサ部と、
前記枠状部の突出端面に配置され、前記蓋体の周囲に位置している複数の外部接続端子と、
を備えており、
前記固定電極が、前記基体の表面に設けられており、
前記固定電極と前記蓋体との離間距離が、
前記センサ素子と前記蓋体との離間距離の大きさ以下であることを特徴とするセンサモジュール。 It has a frame-like portion, and the substrate is the inner cavities of the frame-like portion,
A first sensor unit including a sensor element housed in the cavity;
A diaphragm pressure sensor is configured by a lid body that seals the accommodation space of the sensor element and at least a part of which is conductive, and a fixed electrode that is disposed in the cavity in a state of facing the lid body. The sensor part of
A plurality of external connection terminals disposed on the projecting end surface of the frame-shaped portion and positioned around the lid;
Equipped with a,
The fixed electrode is provided on the surface of the substrate;
The distance between the fixed electrode and the lid is
A sensor module having a size equal to or less than a distance between the sensor element and the lid .
前記固定電極が、前記センサ素子の前記固定部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のセンサモジュール。 The sensor element includes a fixed portion joined to the base body in the cavity, and a movable portion supported by the fixed portion.
The fixed electrode is 1 Symbol placement sensor module according to claim, characterized in that provided on the fixed portion of the sensor element.
前記センサモジュールが実装された支持基板と、
前記支持基板が外周面上に固定されたホイールと、を有して構成されていることを特徴とするセンサ付ホイール。 The sensor module according to any one of claims 1 to 7 ,
A support substrate on which the sensor module is mounted;
A wheel with a sensor, wherein the support substrate includes a wheel fixed on an outer peripheral surface.
前記センサ付ホイールに組み付けられた空気入りタイヤとを備えて構成されたタイヤ組立体。 A wheel with a sensor according to claim 8 ,
A tire assembly comprising a pneumatic tire assembled to the sensor-equipped wheel.
前記空気入りタイヤが組み付けられたホイールと、
前記ホイールに設けられた空気バルブと、
前記空気バルブに設けられた、請求項１〜７のいずれかに記載のセンサモジュールと、
を備えて構成されたタイヤ組立体。 Pneumatic tires,
A wheel assembled with the pneumatic tire;
An air valve provided on the wheel;
The sensor module according to any one of claims 1 to 7 , provided in the air valve;
A tire assembly comprising:
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