JP2010236865A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部との接続端子部に加わる力による破損を防止し得るガスセンサ、及び耐熱性に優れたガスセンサを提供する。
【解決手段】スペーサ４は、電極ピン７ａ、８ａをスペーサ４に設けられた貫通孔４ａに挿通するようにして配置されている。ここで、スペーサ４の溝４ｂの底面までの厚み（貫通孔４ａ深さ）は、外側に突出する電極ピン７ａ、８ａの長さよりも若干低くなるように設定され、電極ピン７ａ、８ａの先端部が、スペーサ４に設けられた溝４ｂの底面に若干突出した状態で配置されている。この電極ピン７ａ、８ａの先端部には、アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃが溶接等の手段によって接続されている。そして、スペーサ４の各アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃを支える側の略全面を覆うように押さえ部材６を密着させ、スペーサ４と押さえ部材６により、前記アウトリードを挟み込むようにして保持している。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、特許文献３には、落下等による衝撃に対する強度を向上させた接触燃焼式ガスセンサが開示されている。この接触燃焼式ガスセンサは、検知素子及び比較素子を熱遮蔽板を挟んでベースに一体に取り付け、検知素子用ピン及び比較素子用ピンは、可撓性を有すると共に、該熱遮蔽板に対向するそれぞれの位置が、前記熱遮蔽板の平面に直交する方向において互いに重ならないように配置されており、前記各ピンの中間部分が前記熱遮蔽板の平面に直交する同一方向に折り曲げられ、前記各ピンの先端が一列に基板に接合されている。このような構成にすることで、落下等の衝撃を受けた際にピン部分が撓むことにより、衝撃を緩和させて検知素子の劣化やリード部の断線等によるセンサの故障を軽減するというものである。

特開平３−１６２６５８号公報 特開２００６−１２６１６０号公報 特開２００６−１７７９７５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来のガスセンサは、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、各電極ピンと検出回路との配線の作業性が悪く、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。

また、特許文献３に開示された従来のガスセンサは、外部基板と接続されるピンを長めに設けておき、一部を折り曲げ加工することによって緩衝作用を得るようにして耐衝撃性を向上させているが、センサそのものへの影響は軽減されたとしても、ピンに対して引っ張り応力や捩れ応力が加わった場合には、半田付け部にその衝撃が直接加わってしまうので、接続部の破損等の問題が生じる可能性が高いものである。また、ピンはセンサ内部の検知素子や比較素子を保持するものでもあるので、加わる衝撃が検知素子や比較素子の保持部に達する危険性もあり、センサの致命的な損傷を招く可能性がある。

また、ガスセンサは、各種のボイラー装置に設置され、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、各種工程の監視等を行うものであるため、高温環境下での使用に絶え得るものでなければならない。従って、外部との接続端子となる部位についても高い耐熱性構造が求められている。

そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、機器に実装する際の自由度を高め、外部との接続端子部に加わる力による破損等を防止でき、耐熱性能にも優れたガスセンサを提供しようとするものである。

本発明のガスセンサは、前記目的を達成すべく成されたもので、少なくとも、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であって、前記電極ピンが前記マウントベースの他方の面に突出する側に、前記各電極ピンを挿通する貫通孔を有するスペーサを配置し、該スペーサによって前記各電極ピンの外周全面を覆って保護すると共に、前記スペーサの貫通孔に露出した前記複数本の電極ピンの先端部にはアウトリードが接続されており、前記アウトリードは、前記スペーサ表面を覆う押さえ部材によって挟持固定され、前記電極ピンとこれに接続するアウトリードの接続部は外部に露出することなく保持されていることを特徴とする。

前記電極ピンと、該電極ピンとアウトリードの接続部は、スペーサと押さえ部材によって覆われカバーされるので、外部応力に対して強固な構造が得られる。

また、前記押さえ部材の前記スペーサと対向しない側の面に、表面積を増加するための凹凸若しくは溝を形成することができる。

押さえ部材に凹凸若しくは溝を形成すれば表面積が増えることによって外気に接する面積が増加するので、放熱性を向上できる。

また、前記スペーサと前記押さえ部材の間に熱伝導性の高い接着材を塗布し、該接着材により前記スペーサと前記押さえ部材を固着することができる。

前記スペーサと前記押さえ部材の間に熱伝導性の高い接着材を塗布して固着すれば、前記スペーサと前記押さえ部材間の余分な隙間をなくすことができるのみならず、このことで熱伝導を良好にし（前記スペーサと前記押さえ部材間の）、前記押さえ部材に凹凸若しくは溝を形成し表面積が増え放熱性が向上する影響が前記スペーサにもおよび、ガスセンサ全体として良好な放熱性が得られる。

本発明によれば、外部応力に起因するアウトリードや、アウトリードと電極ピンの接続部の破損を抑えることができる。また、放熱性が良好で高耐熱性のガスセンサが得られる。

本発明のガスセンサで、（ａ）はガス検知部側を上向きにして見た斜視図、（ｂ）は、（ａ）を上下反転して見た斜視図。 本発明に係るガスセンサの側面断面図。 本発明のガスセンサのアウトリード側を上向きにして見た分解斜視図。 本発明のガスセンサを示す他の例で、アウトリード側を上向きにして見た斜視図。

以下、本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。
まず、本発明に係わるガスセンサの外観を図１を参照して説明する。このガスセンサは、接触燃焼方式のガスセンサの例であり、図１（ａ）はそのガスセンサのガス検知部側を上向きにして見た斜視図、（ｂ）はそのガスセンサを上下反転して見た斜視図である。

このガスセンサは、取付板となるホルダ基板１１とその背面側に一体に固着されたバネ性ホルダ１２とからなるホルダ１によって各部材が保持されている。
そのホルダ基板１１は、中央部に円形の開口１１aを有する環状の突出部１１ｂが形成され、その長手方向の両側にそれぞれ取付孔１１ｃが設けられている。

そのホルダ基板１１の環状の突出部１１ｂ内に、後述する円板状のマウントベースが嵌入して固定保持されており、そのマウントベースの一方の面に固着されたキャップ３が、図１（ａ）に示すように円形の開口１１ａ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を貫通する一対ずつの電極ピンに両端子が接続されて支持され、その各電極ピンとピンステイを介して上記マウントベースに固定保持され、対向して配設されている。

一方、ホルダ１の背面側には、上記各電極ピン（４本）が突出し、スペーサ４を挿通して、図１（ｂ）の上面側でホルダ１の背面に平行（マウントベースの他方の面にも平行）な方向に延びるステンレス製のアウトリード５ａ、５ｂ、５ｃと接続している。この例では、４本の電極ピンのうち検知素子と補償素子のそれぞれ一方の端子に接続した２本の電極ピンは１本のアウトリード５ａに共通に接続され、残りの２本の電極ピンは２本のアウトリード５ｂ、５ｃ個別に接続されている。（後述の図３参照。）

ホルダ１の各電極ピンが突出する側に設けられたバネ性ホルダ１２の背面側には、各電極ピンを貫通させると共に各アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃをガイドして支える円板状のスペーサ４と、そのスペーサ４の各アウトリードを支える側の略全面を覆う円板状の押さえ部材６とが設けられ、バネ性ホルダ１２によって位置決め保持されている。

そのため、バネ性ホルダ１２には、スペーサ４の外周面を対向する位置で保持する一対のスペーサ保持片（図１（ｂ）には片方だけが示されている）１２aと、押さえ部材６を互いに対向する位置でスペーサ側に押圧して係止する一対の押さえ部材係止片１２bとがバネ性を有する金属板によって一体に形成されている。このバネ性ホルダ１２はその周辺の扇形部１２ｃがホルダ基板１１に溶接されて一体化されている。

スペーサ４上に押さえ部材６を重ねて配置した後、バネ性ホルダ１２の各押さえ部材係止片１２ｂの先端部の両側に形成された係止片部１２ｂ_１を、それぞれ図１（ｂ）に矢印で示す方向に略直角に折り曲げると、押さえ部材６の背面にそれが当接し、各押さえ部材係止片１２ｂの立上がり部の湾曲によって強化されたバネ力によって、押さえ部材６をスペーサ４に押圧して保持する。このバネ性ホルダ１２のスペーサ保持片１２ａと押さえ部材係止片１２ｂは、一対ずつに限らず複数ずつ設ければよく、等角度間隔で３箇所以上ずつ設けてもよい。スペーサ４と押さえ部材６はいずれもセラミックスで形成するとよい。

続いて、このガスセンサの内部構造について図２を参照して説明する。
図２は、図１の（ａ）、（ｂ）に示すガスセンサの側面断面図である。ホルダ基板１１は、ステンレス鋼板をプレス加工して成形した幾分細長い野球のベース形をした部材であり、前述したように中央部に円形の開口１１ａを有する環状の突出部１１ｂが絞り加工によって形成されている。

マウントベース２は円板状であり、その直径線上に沿って細い熱遮蔽板嵌合用のスロット２１が形成され、熱遮蔽板９が立設されている。このスロット２１と熱遮蔽板９を挟んで両側にそれぞれ一対のピンステイ嵌合用のスロット２２、２３が形成されている。そして、このスロット２２、２３にはピンステイ７、８が嵌合配置されている。

前記ピンステイ７には、一対の電極ピン７ａ（図２は断面図であるため、もう一方の電極ピン７aは図示されない。）が挿通されている。この電極ピン７ａには、図示されない感ガス素子である検知素子が電気的に接続され検知素子ユニットを構成している。

前記感ガス素子である検知素子は、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を埋設しており、そのヒーターコイルの両端を電極ピン７ａに接続している。

前記ピンステイ８には、一対の電極ピン８ａ（図２は断面図であるため、もう一方の電極ピン８aは図示されない。）が挿通されている。この電極ピン８ａには、図示されない補償素子が電気的に接続され補償素子ユニットを構成している。

前記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、検知素子のヒーターコイルと電気的特性が同じヒーターコイルを埋設しており、そのヒーターコイルの両端を電極ピン８ａに接続している。

前述のマウントベース２、検知素子ユニットのピンステイ７と、補償素子ユニットのピンステイ８、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７ａ、８ａ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。

図２でマウントベース２の上面側には、電極ピン７ａ、８ａにそれぞれ接続された検知素子や補償素子を覆うようにしてドーム状のキャップ３が被せられている。このキャップ３はガス透過性を有する構成で、ガラス接着材等による接着によって固着されている。

マウントベース２の下面側には、電極ピン７ａ、８ａを挿通するスペーサ４が配置され電極ピン７ａ、８ａの外周面は前記スペーサ４に覆われて保護された状態となる。さらに押さえ部材６がスペーサ４の表面を覆うようにして配置され、図２においては図示されないアウトリード５ａ、５ｂ、５ｃも覆われて保護される。

図３は本発明のガスセンサのアウトリード側を上向きにして見た分解斜視図である。
スペーサ４は、電極ピン７ａ、８ａをスペーサ４に設けられた貫通孔４ａに挿通するようにして配置されている。ここで、スペーサ４の溝４ｂの底面までの厚み（貫通孔４ａ深さ）は、外側に突出する電極ピン７ａ、８ａの長さよりも若干低なるように設定され、電極ピン７ａ、８ａの先端部が、スペーサ４に設けられた溝４ｂの底面に若干突出した状態で配置されている。この電極ピン７ａ、８ａの先端部には、アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃが溶接等の手段によって接続されている。このアウトリード５ａ、５ｂ、５ｃは、スペーサ４の面に平行な方向に延出された構成である。そして、このアウトリード５ａ、５ｂ、５ｃはスペーサ４の表面に形成された溝部４ｂ内に配置され支持された構成となる。そして、図示していないが、アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃが配置された溝部４ｂ内に絶縁性の接着材等を充填して固着している。

図３に示すように、スペーサ４の各アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃを支える側の略全面を覆うように押さえ部材６を密着させ、スペーサ４と押さえ部材６により、前記アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃを挟み込むようにして保持している。

このような構成によれば、アウトリード５ａ、５ｂ、５ｃが強固に保持されると同時に電極ピン７ａ、８ａとアウトリード５ａ、５ｂ、５ｃが外部へ露出した状態にならないので、外部から加わる引っ張りや捩れ等のあらゆる応力、衝撃に対して保護された構成となり、各アウトリードの破損や電極ピンとの接続部の破損はなくなり、信頼性の高いガスセンサが得られる。

図４は、本発明のガスセンサの他の例を示す図で、アウトリード側から見た斜視図である。本構成では、押さえ部材６の外表面側に凸状部６ａを形成し、表面を凹凸化して表面積を増やしている。なお、表面積を増やす手段としては、凸状部６ａの形成に限らず、押さえ部材６の表面上に溝を形成したものであっても良い。

このような構成とすれば、外気と接する面積が増えるので放熱効果が向上する。よって、放熱性能に優れたガスセンサが得られる。

尚、押さえ部材６に設ける凹凸や溝は、その高さや溝深さを変えることによって外気に接する表面積を増減して放熱性を調整することができる。また、部材の材料の熱伝導特性の違い（材料性能の違い）を利用して放熱性を調整することも可能で、前記各種法の組み合わせに於いても放熱性を調整することができることはもちろんである。

このガスセンサにおいて、最も高い放熱性を確保しようとした場合、押さえ部材６に設けられる凸状部６ａの高さを押さえ部材６の厚みの１／４〜１／１に設定するのが望ましい。また、押さえ部材６表面に溝を形成するのであれば、溝の深さを押さえ部材６の厚みの１／５〜１／２に設定するのが望ましい。これは、溝の深さが押さえ部材の厚みの１／５以下では表面積が十分に確保できず放熱性能が劣り、例えばボイラー等の停止時（運転停止により降温になる時）、ガスセンサに於いても同等の温度降下が求められるが、先の放熱性能（溝の深さが押さえ部材の厚みの１／５以下の構成）では実現できず実用的でなくなるためである。また、溝の深さを押さえ部材の厚みの１／２以上とすることは、その成形手法に用いられるプレス成形では加工ができず、切削等の別手段を用いなければならないため製造コスト的に不利となるからである。さらに、１／２以上に設定した場合、押さえ部材自体の強度が損なわれてしまう可能性もあるためである。

前述のガスセンサは、スペーサ４と押さえ部材６の保持手段としてスペーサ保持片１２ａや押さえ部材係止片１２ｂを用いているが、これらの固定には接着材を併用するかまたは、接着材のみにて固定することも可能である。接着固定することにより、スペーサ４と押さえ部材６とが一体化することで熱伝導性は、前記構成のようなスペーサ４と押さえ部材６とを押圧して固定した場合に比べて向上する。すなわち、押さえ部材６により放熱性を調整する場合においてガスセンサ全体としての放熱性の調整をより厳密なものとすることが容易になる。

さらに、スペーサ４と押さえ部材６の固定に用いる接着材は、本ガスセンサがボイラー等の外部装置に設置された場合、その炉内に近いスペーサ４側から押さえ部材６への熱伝導を考慮し、熱伝導性の高い接着材、耐熱性に優れる接着材を選択的に採用し得る。したがって、押さえ部材に設ける凹凸若しくは溝の構成との組み合わせによって、使用環境に合わせた最適な構成を適宜組合せて採用することが可能となるものである。

１ ホルダ
２ マウントベース
３ キャップ
４ スペーサ
４ａ 貫通孔
４ｂ 溝部
５ａ アウトリード
５ｂ アウトリード
５ｃ アウトリード
６ 押さえ部材
６ａ 凸状部
７ ピンステイ
７ａ 電極ピン
８ ピンステイ
８ａ 電極ピン
９ 熱遮蔽板
１１ ホルダ基板
１１ａ 開口
１１ｂ 突出部
１１ｃ 取付孔
１２ バネ性ホルダ
１２ａ スペーサ保持片
１２ｂ 押さえ部材係止片
１２ｂ_１ 係止片部
１２ｃ 扇形部
２１ スロット
２２ スロット
２３ スロット

Claims (3)

1. 少なくとも、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であって、前記電極ピンが前記マウントベースの他方の面に突出する側に、前記各電極ピンを挿通する貫通孔を有するスペーサを配置し、該スペーサによって前記各電極ピンの外周全面を覆って保護すると共に、前記スペーサの貫通孔に露出した前記複数本の電極ピンの先端部にはアウトリードが接続されており、前記アウトリードは、前記スペーサ表面を覆う押さえ部材によって挟持固定され、前記電極ピンとこれに接続するアウトリードの接続部は外部に露出することなく保持されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記押さえ部材の前記スペーサと対向しない側の面には、表面積を増加するための凹凸若しくは溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記スペーサと前記押さえ部材の間には、熱伝導性の高い接着材が塗布され、該接着材により前記スペーサと前記押さえ部材が固着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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