JP2010066174A

JP2010066174A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2010066174A
Application number: JP2008234040A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shimizu; 康夫清水
Original assignee: Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Current assignee: Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【目的】感ガス素子の各電極ピンや補償素子の各電極ピンを外部基板へ直接半田付け可能とし、機器に実装する際の自由度を高めることを目的とする。
【構成】電極ピン４ａ、５ａのマウントベース２から外部へ突出した部分には、半田付け可能な材料からなる外部接続端子１０が取り付けられている。この外部接続端子１０は筒状に形成されており、各電極ピン４ａ、５ａのそれぞれが筒状の外部接続端子１０の空洞内に挿通され取り付けられている。各電極ピン４ａ、５ａと外部接続端子１０との固定はレーザー溶接法によって各々を接合固定するのが好ましい。尚、この外部接続端子１０は、ニッケル、銅、又はニッケルと銅の合金の何れかから選択された材料で形成されたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種ガス漏れや毒性ガスの検知、排気ガスや大気汚染等の監視、各種工程の監視等、広範な用途に使用されるガスセンサ、特に燃焼装置において不完全燃焼時に発生する一酸化炭素（ＣＯ）ガス、あるいは燃料電池自動車（ＦＣＶ）における水素ガスの漏れなどを、精度よく検出するガスセンサに関する。

従来から、水素ガスやメタンガスあるいは一酸化炭素ガス等の可燃性ガスを検知するセンサとして、接触燃焼式ガスセンサや半導体式ガスセンサ等がある。これらのガスセンサはいずれも、可燃性ガスを検知するのに利用される熱源を内蔵している。
接触燃焼式ガスセンサは、例えば特許文献１に記載されているように、熱源として燃焼触媒を備えたヒーターコイルからなる感ガス素子（検知素子）を有しており、この燃焼触媒上で生成される可燃性ガスの接触燃焼熱によるヒーターコイルの抵抗値変化を電圧変化として出力することにより、可燃性ガスの存在を検知するものである。

また、半導体式ガスセンサは、熱源として半導体層を備えたヒーターコイルからなる感ガス素子を有しており、この半導体層における可燃性ガスの吸着現象により発生する半導体層の電気伝導度変化を電圧変化として出力することにより、可燃性ガスの存在を検知するものである。
これらの既存のガスセンサにおいては、上述したように可燃性ガスを検知するための熱源があり、その熱平衡性能の安定化を図り、また可燃性ガスに対する防爆性能を確保するために、金網、金属焼結体または多孔質セラミックス等で構成されたガス透過性キャップが装備されている。

さらに、周囲温度の変化による影響を補償するために、上記検知素子と直列に補償素子を接続し、２個の抵抗を直列に接続した直列回路と並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、その並列回路の両端間に直流電圧を印加し、検知素子と補償素子の接続点と２個の抵抗の接続点との間の電圧を検出するようにしたガス検知装置も、特許文献１に記載されている。この場合の補償素子としては、検知素子と同じ電気的特性をもつヒーターコイルを酸化触媒の被覆も担持もしない熱伝導層中に埋設したものを使用する。

一方、これらの既存のガスセンサには、ガス透過性を有さない合成樹脂製のマウントベースが設けられている。このマウントベースは、上述した検知素子及び補償素子の両端子と電気的に接続してそれらを支持する一対ずつの電極ピンを貫通させた状態で支持し、検知素子及び補償素子をガス透過性キャップ内に対向させて保持する。
このように、検知素子と補償素子が同一筐体内に設置される場合、両素子の熱干渉を防止するために、金属製または合成樹脂製の熱遮蔽板が両素子の間に装備されている。

しかし、このようなガスセンサにおけるガス透過性キャップは、環境要因に対する検知素子の防護の機能を有するが、その一方で、ガス透過性に制限を生じるため、センサの応答性能を損なう原因にもなる。また、既存のマウントベースは、検知対象ガスがセンサ内部へ透過するにあたっては何ら貢献していないため、センサの応答性能に寄与しない。さらに、接触燃焼式ガスセンサにおける熱遮蔽板は、検知素子と補償素子の相互の断熱を目的として設けられているが、その一方で、センサ内部における両素子の雰囲気環境を遮断してしまうため、ガスセンサの温湿度特性に対する出力電圧の安定性に対しては必ずしも好ましいとはいえない。

そこで、例えば特許文献２に記載されているように、上述したようにキャップ、マウントベースおよび熱遮蔽板を備えたガスセンサにおいて、それらを全てセラミックス、好ましくは多孔質セラミックスで構成することにより検知対象ガスがセンサ内部に全方向から流入可能にし、ガスセンサ内部のガス濃度を周囲環境のそれに高速で一致させ、それによってガスセンサ出力の応答性能を向上させるようにしたものも提案されている。

また、ＣＯ_２やＮＯｘを検出するガスセンサとして、例えば特許文献３に見られるような固体電解質ガスセンサも多用されている。その感ガス素子であるセンサ本体は、ヒーター基板と固体電解質ペレットからなり、その固体電解質ペレットのヒーター基板側とその反対側にそれぞれ設けた基準極と検出極をリード線で一対の電極ピンに接続し、その電極ピンがベースを貫通して支持されることによって、センサ本体がカバー内に宙ずりで保持されている。
特開平３−１６２６５８号公報特開２００６−１２６１６０号公報特開２００６−４７２３０号公報

しかしながら、このような従来のガスセンサは、いずれも上述したように感ガス素子の電極ピン、あるいはさらに補償素子の各電極ピンもマウントベースを貫通して支持され、その各基端部がマウントベースの背面から垂直に一定の長さだけ突出している。そのため、各電極ピンが近接しており、しかもその材質が一般にステンレス鋼の一種であるハステロイ等の半田付けが困難なものであるため、電極ピンと外部基板とを直接半田付けすることができず、各電極ピンと検出回路との配線、回路基板への実装の作業性が悪いという問題があった。また、機器に実装する際の自由度も低く、余分なスペースを要する場合もあった。電極ピンの材質としてステンレス材が選択されるのは、ヒーターコイルから成る感ガス素子や補償素子を電極ピンに溶接接合するためであり、高温環境下での耐熱性や腐蝕対策のためである。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、感ガス素子の各電極ピンや補償素子の各電極ピンを回路基板等の外部基板へ直接半田付け可能とし、配線、実装の作業性を向上して機器に実装する際の自由度を高めることを目的とする。

感ガス素子と、該感ガス素子と一端部で電気的に接続して該感ガス素子を支持する複数本の電極ピンと、該複数本の電極ピンをそれぞれ一方の面から他方の面に貫通させて支持する絶縁材からなるマウントベースと、該マウントベースの前記感ガス素子を含む前記一方の面側の領域を覆うように該マウントベースに固着されたガス透過性を有するカバー部材とを備えたガスセンサにおいて、前記複数本の電極ピンにおける前記マウントベースの前記他方の面側に突出した部分に、半田付け可能な材料からなる外部接続端子が取り付けられているガスセンサとする。

前記外部接続端子は筒状に形成されており、前記電極ピンが筒状の外部接続端子の空洞内に挿通されてなるガスセンサとすることができる。

前記筒状の外部接続端子には、その長手方向に延在する切欠き部が設けられているガスセンサとすることができる。

前記外部接続端子と前記電極ピンは、レーザー溶接法によって接合されるガスセンサとすることができる。

前記外部接続端子はニッケル、銅、又はニッケルと銅の合金のうち、何れかから選択された材料からなるガスセンサとすることができる。

この発明によるガスセンサは、マウントベースの背面から突出する少なくとも感ガス素子の各電極ピンに、半田付け可能な材料から成る外部接続端子を接続して設けたので、外部基板との接続を直接半田付けにより行うことができるので配線、実装作業が容易になる。また、機器に実装する際の自由度が高められ、基板側の構成も単純化される。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は一実施例のガスセンサの正面略断面図であり、図２は側面略断面図である。このガスセンサは、接触燃焼方式のガスセンサの例である。

ベース受け部材１の環状の突出部１ａ内に、円板状のマウントベース２が嵌入して固定保持されており、そのマウントベース２の一方の面に固着されたキャップ３が、ベース受け部材１の開口１ｂから突出している。そのキャップ３はガス透過性を有し、この例では多孔質セラミックスでドーム状に形成されている。
そのキャップ３内には、その詳細は後述するが、感ガス素子である検知素子と補償素子がそれぞれピンステイ４、５を貫通する一対ずつの電極ピン４ａ・４ａ、５ａ・５ａに両端子が接続されて支持され、その各電極ピン４ａ・４ａ、５ａ・５ａとピンステイ４、５を介して上記マウントベース２に固定保持され、対向して配設されている。前記電極ピンは合計４本の構成である。（一対の電極ピン５ａの一方は図示されない）

６は感ガス素子である検知素子で、検知対象ガスを接触により燃焼させる酸化触媒を表面に被覆するか担持する熱伝導層中に白金系合金線からなるヒーターコイル６ａを埋設している。そのヒーターコイル６ａの両端と電気的に接続して検知素子６を支持する一対の電極ピン４ａ、４ａをピンステイ４に挿通させると同時に、ピンステイ４に当接するようにしてピンベース７、７を各電極ピン４ａ、４ａに嵌装して設け、そのピンステイ４と各電極ピン４ａ、４ａとピンベース７、７とをガラス接着剤等によって、電極ピン４ａ、４ａを平行に保持するよう接着固定している。ここで、電極ピン４ａ、４ａの接着される部分の表面は、接着強度を得やすいように凹凸（本例では、アヤメローレット加工処理による）が部分的に設けられている。

補償素子は周囲温度の変化による影響を補償するために設けた素子であり、酸化触媒を有しない熱伝導層中に、検知素子６のヒーターコイル６ａと電気的特性が同じヒーターコイル８を埋設している。そのヒーターコイル８の両端と電気的に接続して補償素子（不図示）を支持する一対の電極ピン５ａ、５ａをピンステイ５に挿通させると同時に、ピンステイ５に当接するようにしてピンベース７、７を各電極ピン５ａ、５ａに嵌装して設け、そのピンステイ５と各電極ピン５ａ、５ａとピンベース７、７とをガラス接着剤等によって、電極ピン５ａ、５ａを平行に保持するよう接着固定している。ここで、電極ピン５ａ、５ａの接着される部分の表面は、接着強度を得やすいように凹凸（本例では、アヤメローレット加工処理による）が部分的に設けられている。

マウントベース２には、その直径線上に沿って細い熱遮蔽板９の嵌合用のスロット２ａが形成されており、熱遮蔽板９が挿入固定されている。スロット２ａを挟んで両側には、それぞれ一対のピンステイ４、５の嵌合用のスロット２ｂ、２ｃが形成されており、このスロット２ｂ、２ｃにピンステイ４、５がそれぞれ挿入固定されている。

前述のマウントベース２、ピンステイ４、５とピンベース７、７および熱遮蔽板９は、いずれも耐熱絶縁材で、好ましくはセラミックスで作られる。用途によってはマウントベース２と熱遮蔽板９を多孔質セラミックスで形成してもよい。電極ピン４ａ、４ａ、５ａ、５ａは耐熱及び耐蝕性の高い導電材、例えばステンレス鋼の一種であるハステロイで作られる。

前記電極ピン４ａ、４ａ、５ａ、５ａのマウントベース２から外部へ突出した部分には、半田付け可能な材料からなる外部接続端子１０が取り付けられている。この外部接続端子１０は筒状に形成されており、各電極ピン４ａ、４ａ、５ａ、５ａのそれぞれが筒状の外部接続端子１０の空洞内に挿通され取り付けられている。各電極ピン４ａ、４ａ、５ａ、５ａと外部接続端子１０との固定はレーザー溶接法によって各々を接合固定するのが好ましい。尚、この外部接続端子１０は、ニッケル、銅、又はニッケルと銅の合金の何れかから選択された材料で形成されたものである。

図６は本実施例のガスセンサの実装状態を示す略断面図である。電極ピン４ａ、４ａと、図６中では隠れて図示されない電極ピン５ａ、５ａの外側端部に取り付けられた外部接続端子１０は、回路基板１３に設けられた孔１３ａに挿入され、この挿入部付近に半田を塗布することで電気的、機械的に接続されたものである。１４はガスセンサの実装面側に配置されるスペーサで、１５はスペーサー１４の位置ずれ防止機能を有する板状部材である。この板状部材１５は、耐熱性等を考慮し金属材料からなっている。したがって、スペーサー１４を設けることで回路基板１３に実装された他の部品との接触、ショート等を防止している。尚、ピンベース７をその端部が回路基板１３側へ延びた形状に形成加工されたものとすれば、ピンベース７にスペーサー機能を持たせることも可能である。この場合にはスペーサー部材を別途設ける必要はない。

図３は、他の実施例によるガスセンサの正面図である。この例では、外部接続端子に切欠き部が設けられた構成になっている。１１は外部接続端子であり、その長手方向に延在する切欠き部１１ａが設けられており、この外部接続端子１１の断面はＣ字形状である。この外部接続端子１１を電極ピン４ａ、４ａに挿入した後、レーザー光を照射ポイントＰ（図３中の×印）に照射して溶接接合したものである。図３に示すように、切欠き部１１ａ上をレーザー光の照射ポイントＰとすることにより、電極ピン４ａ、４ａと外部接続端子１１の接点部に直接レーザー光を照射できるので接合が確実になされる。また、切欠き部１１ａを設けているので、レーザー接合後の接合状態を目視によって確認することができるので、接合状態の良否判定が即座に行える。

図４は、図３に示す外部接続端子を電極ピンへ挿通する前の状態を示す部品図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。外部接続端子１１は、複数個（図４においては２つ）が連結部材１２に連結保持されている。２つの外部接続端子１１は、例えば前述の電極ピン４ａ、４ａのピン間隔に合せて配列されており、２本の電極ピンを同時に挿通できるようになっている。この状態で複数個のガスセンサの各電極ピンに対応して外部接続端子１１を挿通し、レーザー溶接を行った後、薄肉に形成されている連結部１２ａを切断して外部接続端子１１の取り付けが完了する。このようにして複数個の電極ピンに対する外部接続端子の取り付けが一括処理される。

図５は外部接続端子の他の例を示す斜視図である。外部接続端子に設ける切欠き部は、図４に示したように一端部から他端部へ連続して形成されたものに限らず、図５（ａ）に示すように両端部まで切り込まれていないものであっても良い。また、図５（ｂ）に示すように、両端部から中央に向かいその途中まで形成されたものであっても良い。取り付け固定は前記と同様に、切欠き部分にレーザーを照射して溶接固定することができる。

前述のように構成したガスセンサは、感ガス素子の各電極ピンや補償素子の各電極ピンを回路基板へ直接半田付けすることができるので、配線、実装の作業性が良くなり機器に実装する際の自由度を高めることができる。

本実施例のガスセンサを示す正面略断面図。本実施例のガスセンサを示す側面略断面図。他の実施例によるガスセンサの正面図。外部接続端子を電極ピンへ挿通する前の状態を示す部品図。外部接続端子の他の例を示す斜視図。本実施例のガスセンサの実装状態を示す略断面図。

符号の説明

１ベース受け部材
１ａ突出部
１ｂ開口
２マウントベース
２ａスロット
２ｂスロット
２ｃスロット
３キャップ
４ピンステイ
４ａ電極ピン
５ピンステイ
５ａ電極ピン
６検知素子
６ａヒーターコイル
７ピンベース
８ヒーターコイル
９熱遮蔽板
１０外部接続端子
１１外部接続端子
１１ａ切欠き部
１２連結部材
１２ａ連結部
１３回路基板
１３ａ孔
１４スペーサー
１５板状部材

Claims

感ガス素子と、該感ガス素子と一端部で電気的に接続して該感ガス素子を支持する複数本の電極ピンと、該複数本の電極ピンをそれぞれ一方の面から他方の面に貫通させて支持する絶縁材からなるマウントベースと、該マウントベースの前記感ガス素子を含む前記一方の面側の領域を覆うように該マウントベースに固着されたガス透過性を有するカバー部材とを備えたガスセンサにおいて、
前記複数本の電極ピンにおける前記マウントベースの前記他方の面側に突出した部分に、半田付け可能な材料からなる外部接続端子が取り付けられていることを特徴とするガスセンサ。
前記外部接続端子は筒状に形成されており、前記電極ピンが筒状の外部接続端子の空洞内に挿通されてなることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記筒状の外部接続端子には、長手方向に延在する切欠き部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記外部接続端子と前記電極ピンは、レーザー溶接法によって接合されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のガスセンサ。
前記外部接続端子はニッケル、銅、又はニッケルと銅の合金のうち、何れかから選択された材料からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のガスセンサ。