特開 2024-119108 センサモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024119108

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】センサモジュール

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20240827BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20240827BHJP

   G12B 7/00 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01N27/12 B

G01N27/12 E

G01N27/12 Z

G01N27/00 K

G12B7/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023025753

(22)【出願日】2023-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】近藤 牧雄

(72)【発明者】

【氏名】海田 佳生

(72)【発明者】

【氏名】小林 浩

(72)【発明者】

【氏名】米田 貞春

【テーマコード（参考）】

2F078

2G046

2G060

【Ｆターム（参考）】

2F078DA06

2F078DA10

2G046AA01

2G046BB02

2G046BH01

2G046FA01

2G060AA01

2G060AB02

2G060AB09

2G060AE19

2G060BD08

2G060KA01

2G060KA04

(57)【要約】

【課題】測定雰囲気中に含まれる所定の物理量を検出するセンサモジュールにおいて、センサ素子の環境温度に対する追従性を高める。
【解決手段】センサモジュール１は、基板１０と、基板１０に搭載されたセンサ素子を含むセンサチップ２０と、基板１０に固定され、センサチップ２０を覆うケース４０と、ケース４０の表面に設けられ、ケース４０を構成する材料よりも熱放射率の高い熱放射層５０とを備える。これによれば、センサ素子の環境温度に対する追従性が高められる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に搭載されたセンサ素子と、
前記基板に固定され、前記センサ素子を覆うケースと、
前記ケースの表面に設けられ、前記ケースを構成する材料よりも熱放射率の高い熱放射層と、
を備えるセンサモジュール。

【請求項2】

前記ケースは、前記センサ素子側に位置する内表面と、前記内表面の反対側に位置する外表面を有し、
前記熱放射層は、前記ケースの前記内表面、前記外表面又はその両方に設けられている、
請求項１に記載のセンサモジュール。

【請求項3】

前記基板は、前記センサ素子及び前記ケースが搭載された上面と、前記上面の反対側に位置する下面を有し、
前記熱放射層は、前記基板の前記上面、前記下面又はその両方に設けられており、且つ、前記基板を構成する材料よりも熱放射率が高い、
請求項１に記載のセンサモジュール。

【請求項4】

前記ケースは、内側ケースと、前記内側ケースを覆う外側ケースとを含み、
前記熱放射層は、前記内側ケース、前記外側ケース又はその両方に設けられている、
請求項１に記載のセンサモジュール。

【請求項5】

前記センサ素子は、測定雰囲気中に含まれる所定のガス成分の濃度、又は、測定雰囲気中における空気の振動、圧力、温度若しくは湿度を検出するものであり、
前記ケースには貫通孔が設けられている、
請求項１に記載のセンサモジュール。

【請求項6】

前記熱放射層は、前記ケースの表面に塗布された熱放射率が９５％以上の炭素系塗料又は金属酸化物からなる、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はセンサモジュールに関し、特に、測定雰囲気中における所定の物理量を検出するセンサモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、配線基板に搭載されたガス検出素子を保護キャップで覆った構造を有するガスセンサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４２８０７０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、保護キャップがステンレス鋼板などの金属材料によって構成されている。金属材料は熱伝導率が高いものの、熱放射率が低いことから、ガス検出素子の温度が環境温度から乖離しやすく、これが測定誤差の原因となることがあった。

【0005】

本開示においては、測定雰囲気中に含まれる所定の物理量を検出するセンサモジュールにおいて、センサ素子の環境温度に対する追従性を高める技術が説明される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面によるセンサモジュールは、基板と、基板に搭載されたセンサ素子と、基板に固定され、センサ素子を覆うケースと、ケースの表面に設けられ、ケースを構成する材料よりも熱放射率の高い熱放射層とを備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、ケースの表面が熱放射層で覆われていることから、センサ素子の環境温度に対する追従性を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の第１の実施形態によるセンサモジュール１の外観を示す略斜視図である。

【図2】図２は、センサモジュール１の略分解斜視図である。

【図3】図３は、センサモジュール１を裏面側から見た略平面図である。

【図4】図４は、センサモジュール１の略断面図である。

【図5】図５は、センサモジュール１の第１の変形例による略断面図である。

【図6】図６は、センサモジュール１の第２の変形例による略断面図である。

【図7】図７は、センサモジュール１の第３の変形例による略断面図である。

【図8】図８は、センサモジュール１の第４の変形例による略断面図である。

【図9】図９は、センサモジュール１の第５の変形例による略断面図である。

【図10】図１０は、センサモジュール１の第６の変形例による略断面図である。

【図11】図１１は、センサモジュール１の第７の変形例による略断面図である。

【図12】図１２は、センサモジュール１の第８の変形例による略断面図である。

【図13】図１３は、センサモジュール１の第９の変形例による略断面図である。

【図14】図１４は、本開示の第２の実施形態によるセンサモジュール２の外観を示す略斜視図である。

【図15】図１５は、センサモジュール２の略分解斜視図である。

【図16】図１６は、センサモジュール２の略断面図である。

【図17】図１７は、本開示の第３の実施形態によるセンサモジュール３の略断面図である。

【図18】図１８は、センサモジュール３の第１の変形例による略断面図である。

【図19】図１９は、センサモジュール３の第２の変形例による略断面図である。

【図20】図２０は、センサモジュール３の第３の変形例による略断面図である。

【図21】図２１は、センサモジュール３の第４の変形例による略断面図である。

【図22】図２２は、センサモジュール３の第５の変形例による略断面図である。

【図23】図２３は、センサモジュール３の第６の変形例による略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら、本開示に係る技術の実施形態について詳細に説明する。

【0010】

図１は、本開示の第１の実施形態によるセンサモジュール１の外観を示す略斜視図である。また、図２は、センサモジュール１の略分解斜視図である。

【0011】

図１及び図２に示すように、第１の実施形態によるセンサモジュール１は、基板１０と、基板１０の上面１１に搭載されたセンサチップ２０及びコントロールＩＣ３０と、基板１０に固定され、センサチップ２０及びコントロールＩＣ３０を覆うケース４０とを備えている。図３に示すように、基板１０の下面１２には複数の外部端子１３が設けられている。基板１０の上面１１及び下面１２は、ＸＹ面を構成する。

【0012】

センサチップ２０は、所定の物理量を測定するセンサ素子を備える。所定の物理量としては、測定雰囲気中における空気の振動、圧力、温度、湿度などを検出するセンサ、つまりマイクロフォン、圧力センサ、温度センサ、湿度センサなどであっても構わない。また、図２に示す例では、２つのセンサチップ２０を基板１０に搭載しているが、基板１０に搭載するセンサチップ２０の数については特に限定されない。

【0013】

コントロールＩＣ３０はセンサチップ２０に接続され、センサチップ２０の出力に基づいて計測値を算出する制御回路が集積されている。特に限定されないが、コントロールＩＣ３０としてはベアチップ状態の半導体ＩＣを用いることができる。コントロールＩＣ３０は外部端子１３に接続される。外部端子１３の一部は、センサチップ２０に直接接続されていても構わない。また、センサチップ２０とコントロールＩＣ３０が別チップである点についても必須でなく、センサ素子と制御回路を１チップ化したＩＣを用いても構わない。

【0014】

ケース４０は、金属や樹脂など十分な強度を有する材料からなり、基板１０の上面１１と対向する天板部４１と、天板部４１に接続され平面視で（Ｚ方向から見て）センサチップ２０及びコントロールＩＣ３０を囲む側板部４２を含む。天板部４１は基板１０の上面１１と平行であり、ＸＹ面を構成する。側板部４２は、基板１０の上面１１に対して垂直であり、ＸＺ面又はＹＺ面を構成する。

【0015】

図４は、本実施形態によるセンサモジュール１の略断面図である。

【0016】

図４に示すように、ケース４０は、センサチップ２０及びコントロールＩＣ３０側に位置する内表面４３と、内表面４３の反対側に位置する外表面４４を有している。そして、図４に示す例では、ケース４０の外表面４４のうち、天板部４１を構成する部分に熱放射層５０が設けられている。

【0017】

熱放射層５０は、熱放射率の高い材料からなり、センサチップ２０の温度を環境温度に近づける役割を果たす。熱放射層５０の熱放射率は、少なくともケース４０を構成する材料の熱放射率よりも高い必要があり、具体的には９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがより好ましい。熱放射層５０が９０％以上である材料としては、黒色酸化ステンレスなどの金属酸化物が挙げられる。また、熱放射層５０が９５％以上である材料としては、カーボンブラックなどの炭素系塗料が挙げられる。熱放射層５０は、例えば炭素系塗料をケース４０の表面にスプレー塗装することによって形成することができる。

【0018】

熱放射率の高い材料としてはガラスやセラミックスなども挙げられるが、これらの材料は金属や樹脂などに比べると加工性が低いとともに脆性であり、且つ、材料コストも高いことから、ケース４０自体の材料としてガラスやセラミックスを用いると、コストが高くなるとともに信頼性も低くなる。これに対し、本実施形態においては、ケース４０自体の材料については金属又は樹脂を用い、その表面に熱放射率がケース４０よりも高い熱放射層５０を形成していることから、低コストで信頼性の高いセンサモジュール１を提供することが可能となる。

【0019】

熱放射層５０は熱の吸収率及び放射率が高いことから、ケース４０の表面に設けることにより、環境温度が変化した場合であっても、ケース４０で囲まれた空間の温度をより短時間で環境温度に近づけることができる。つまり、熱放射層５０を設けない場合と比べ、センサチップ２０の環境温度に対する追従性を高めることが可能となる。特に、ケース４０が金属材料からなる場合、ケース４０自体の熱放射率が低いことから、環境温度が変化しても、ケース４０で囲まれた空間の温度がこれに追従するまでに比較的長い時間がかかってしまう。これに対し、熱伝導率の高いケース４０の表面に熱放射率の高い熱放射層５０を設ければ、ケース４０で囲まれた空間の温度をより速やかに環境温度に追従させることが可能となる。

【0020】

これにより、センサチップ２０に含まれるセンサ素子に温度依存性がある場合であっても、測定値を正しく校正することが可能となる。また、センサチップ２０に含まれるセンサ素子を所定の温度に加熱する必要がある場合であっても、環境温度に関わらず正しい温度に加熱することが可能となる。

【0021】

図４に示す例では、ケース４０の外表面４４のうち、天板部４１を構成する部分に熱放射層５０を設けているが、熱放射層５０を設ける位置についてはこれに限定されない。例えば、図５に示すように、ケース４０の外表面４４のほぼ全面に熱放射層５０を設けても構わない。また、図６に示すように、ケース４０の内表面４３のうち、天板部４１を構成する部分に熱放射層５０を設けても構わないし、図７に示すように、ケース４０の内表面４３のほぼ全面に熱放射層５０を設けても構わない。さらには、図８に示すように、天板部４１の内表面４３及び外表面４４の両方に熱放射層５０を設けても構わないし、図９に示すように、ケース４０の内表面４３及び外表面４４のほぼ全面に熱放射層５０を設けても構わない。

【0022】

また、図１０に示すように、基板１０の下面１２にさらに熱放射層５０を設けても構わないし、図１１に示すように、基板１０の上面１１にさらに熱放射層５０を設けても構わない。図示しないが、基板１０の上面１１及び下面１２の両方に熱放射層５０を設けても構わない。基板１０の上面１１又は下面１２に熱放射層５０を設ける場合、熱放射層５０の熱放射率は、基板１０を構成する材料の熱放射率よりも高い必要がある。また、基板１０の上面１１に設ける熱放射層５０は、図１１に示すように、ケース４０で覆われた領域の内側及び外側の両方に設けても構わないし、図１２に示すようにケース４０で覆われた領域の内側にだけ設けても構わないし、図１３に示すようにセンサチップ２０及びコントロールＩＣ３０の近傍にのみ設けても構わない。

【0023】

図１４は、本開示の第２の実施形態によるセンサモジュール２の外観を示す略斜視図である。また、図１５はセンサモジュール２の略分解斜視図であり、図１６はセンサモジュール２の略断面図である。

【0024】

図１４～図１６に示すように、第２の実施形態によるセンサモジュール２は、天板部４１に複数の貫通孔４５が設けられている点において、第１の実施形態によるセンサモジュール１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるセンサモジュール１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0025】

貫通孔４５は、外部からケース４０に囲まれた空間内への空気の流通を確保するために設けられている。本実施形態においては、センサチップ２０が測定雰囲気中に含まれる所定のガス成分（ＣＯ_２など）の濃度を測定するセンサ素子を備えている。測定対象となるガス成分は、貫通孔４５を介してケース４０に囲まれた空間に侵入し、センサチップ２０によってその濃度が測定される。そして、図１４～図１６に示す例では、ケース４０の外表面４４のうち、天板部４１を構成する部分であって、貫通孔４５と重ならない位置に熱放射層５０が設けられている。

【0026】

このように、ケース４０に貫通孔４５を設ければ、貫通孔４５を介してケース４０に囲まれた空間内への空気の流通が可能となることから、センサチップ２０がガスセンサを含んでいる場合おいてより好適である。但し、センサチップ２０がガスセンサ以外のセンサ、例えば、測定雰囲気中における空気の振動、圧力、温度若しくは湿度を検出するセンサを含んでいても構わない。

【0027】

図１７は、本開示の第３の実施形態によるセンサモジュール３の略断面図である。

【0028】

図１７に示すように、第３の実施形態によるセンサモジュール３は、ケース４０が内側ケース４０Ａと、内側ケース４０Ａを覆う外側ケース４０Ｂとによって構成されている点において、第１の実施形態によるセンサモジュール１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるセンサモジュール１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0029】

本実施形態においては、このような二重構造を有するケース４０を用いていることから、センサチップ２０及びコントロールＩＣ３０の信頼性が高められる。そして、図１７に示す例では、内側ケース４０Ａの外表面４４Ａのうち、天板部４１Ａを構成する部分に熱放射層５０が設けられている。或いは、図１８に示すように、外側ケース４０Ｂの内表面４３Ｂのうち、天板部４１Ｂを構成する部分にも熱放射層５０を設け、これら２つの熱放射層５０を互いに接触させても構わない。また、図１９に示すように、外側ケース４０Ｂの内表面４３Ｂのほぼ全面にも熱放射層５０を設け、これら２つの熱放射層５０を互いに接触させても構わない。さらには、図２０に示すように、外側ケース４０Ｂの外表面４４Ｂのほぼ全面にも熱放射層５０を設けても構わない。また、図２１に示すように、図１９の構成に加えて、外側ケース４０Ｂの外表面４４Ｂのほぼ全面に熱放射層５０を設けても構わない。

【0030】

或いは、図２２に示すように、内側ケース４０Ａに貫通孔４５Ａを設け、外側ケース４０Ｂに貫通孔４５Ｂを設けても構わない。この場合、貫通孔４５Ａと貫通孔４５ＢをＺ方向から見て互いに重ならない位置に配置することにより、空気の流通を確保しつつ、異物の侵入を抑制することができる。また、図２３に示すように、内側ケース４０Ａの内表面４３Ａ及び外表面４４Ａのほぼ全面と、外側ケース４０Ｂの内表面４３Ｂ及び外表面４４Ｂのほぼ全面と、基板１０の上面１１及び下面１２とに熱放射層５０を設けても構わない。

【0031】

以上、本開示に係る技術の実施形態について説明したが、本開示に係る技術は、上記の実施形態に限定されることなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示に係る技術の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【0032】

本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。

【0033】

本開示の一側面によるセンサモジュールは、基板と、基板に搭載されたセンサ素子と、基板に固定され、センサ素子を覆うケースと、ケースの表面に設けられ、ケースを構成する材料よりも熱放射率の高い熱放射層とを備える。これによれば、センサ素子の環境温度に対する追従性が高められる。

【0034】

上記のセンサモジュールにおいて、ケースは、センサ素子側に位置する内表面と、内表面の反対側に位置する外表面を有し、熱放射層は、ケースの内表面、外表面又はその両方に設けられていても構わない。このように、熱放射層は、センサ素子の環境温度に対する追従性が十分に高められるよう、所望の位置に配置することができる。

【0035】

上記のセンサモジュールにおいて、基板は、センサ素子及びケースが搭載された上面と、上面の反対側に位置する下面を有し、熱放射層は、基板の上面、下面又はその両方に設けられており、且つ、基板を構成する材料よりも熱放射率が高くても構わない。このように、基板にも熱放射層を設ければ、センサ素子の環境温度に対する追従性をより高めることが可能となる。

【0036】

上記のセンサモジュールにおいて、ケースは、内側ケースと、内側ケースを覆う外側ケースとを含み、熱放射層は、内側ケース、外側ケース又はその両方に設けられていても構わない。これによれば、センサ素子の信頼性が高められる。

【0037】

上記のセンサモジュールにおいて、センサ素子は、測定雰囲気中に含まれる所定のガス成分の濃度、又は、測定雰囲気中における空気の振動、圧力、温度若しくは湿度を検出するものであり、ケースには貫通孔が設けられていても構わない。これによれば、貫通孔を介してケースに囲まれた空間内への空気の流通が可能となる。

【0038】

上記のセンサモジュールにおいて、熱放射層は、ケースの表面に塗布された熱放射率が９５％以上の炭素系塗料又は金属酸化物からなるものであっても構わない。これによれば、センサ素子の環境温度に対する追従性をより高めることが可能となる。

【符号の説明】

【0039】

１～３ センサモジュール
１０ 基板
１１ 基板の上面
１２ 基板の下面
１３ 外部端子
２０ センサチップ
３０ コントロールＩＣ
４０ ケース
４０Ａ 内側ケース
４０Ｂ 外側ケース
４１，４１Ａ，４１Ｂ 天板部
４２ 側板部
４３，４３Ａ，４３Ｂ 内表面
４４，４４Ａ，４４Ｂ 外表面
４５，４５Ａ，４５Ｂ 貫通孔
５０ 熱放射層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】