JP2018013352A - ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの外側に露出した配線基板と、ケーシングとの間のシールを確実にすることができるガスセンサを提供する。
【解決手段】表面に配線を有する配線基板と、配線基板の先端部５０ａに配置されるセンサ素子と、環状側壁１０ｓを有するケーシング本体部１０、及び、ケーシング本体部の開口を閉塞する蓋部２０からなるケーシングであって、環状側壁に形成された凹部１０ｎを通じて配線基板の基端部を外側に露出させるケーシングと、フッ素系樹脂からなる第１、第２パッキン３１、３２と、を備えるガスセンサの製造方法であって、凹部を通じて配線基板の基端部を外部に露出させるようにして、底壁から見て、第２パッキン、配線基板、第１パッキン、蓋部を順に、且つ、各々が当接するよう積層する収容工程と、第１、第２パッキンが軟化する程度の熱を与えた状態で、蓋部をネジ締めによって固定する固定工程と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、特定ガスの濃度を検知するガスセンサの製造方法に関する。

従来から、金属酸化物センサとして、開口部内にセンサ素子をワイヤボンディング等で宙吊り固定した配線基板をケース（ハウジング）内に収容し、センサ素子を含む配線基板の開口部近傍をケース外に突き出した構成が知られている（特許文献１）。
この技術では、ケース側面に配線基板を突き出す矩形の孔が設けられ、この孔と配線基板との隙間をシールするようになっている。又、センサ素子を配線基板に宙吊り固定することで、センサ素子の熱容量や周囲の熱的影響を減らしてガスの検知精度や応答性を向上させることができる。

特開平9-184817号公報（図１）

ところで、配線基板の表面には配線が形成されているため、配線の厚み分だけ基板表面に凹凸が生じている。そのため、配線基板をケーシング外に突き出させた場合に、突き出し部分で配線基板とケーシングとの間のシールに凹凸による隙間が生じ、ケーシング内のガスがシールから漏れてセンサ素子による測定に影響を与えるという問題がある。一方、凹凸に追随してシール性を向上させるために柔らかいシール材を用いた場合、ケーシング内が高温となる使用条件でシール材からアウトガスが発生し、測定に影響を与えるおそれがある。
そこで、本発明は、ケーシングの外側に配線基板を露出させる場合に、ケーシングと配線基板との間のシールを確実にすることができるガスセンサの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサの製造方法は、長手方向に延びる板状をなし、表面に配線を有する配線基板と、特定ガスを検出する検出部を有し、前記配線基板の先端部に配置されると共に当該配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、底壁、及び、前記底壁から立設する環状側壁を有し、前記底壁と対向する一面が開口された、金属製のケーシング本体部、及び、前記ケーシング本体部の開口を閉塞すると共に、当該環状側壁の天面に複数のネジによって固定された、金属製の蓋部からなるケーシングであって、前記環状側壁の天面の一部に形成された凹部を通じて前記配線基板の基端部を外側に露出させた状態で、前記配線基板の前記先端部を収容すると共に、センサ素子と外部との間での特定ガスの流通を可能とする流通部が設けられたケーシングと、フッ素系樹脂からなり、前記配線基板の前記先端部の表面、及び、裏面のそれぞれに積層される環状の第１、第２パッキンと、を備えるガスセンサの製造方法であって、前記凹部を通じて前記配線基板の基端部を外部に露出させるようにして、前記ケーシング本体部の前記底壁から見て、前記第２パッキン、前記配線基板、前記第１パッキン、前記蓋部を順に、且つ、各々が当接するよう積層する収容工程と、前記第１パッキン及び前記第２パッキンが軟化する程度の熱を与えた状態で、前記ネジを用いて前記蓋部を前記環状側壁に対してネジ締めによって固定する固定工程と、を含む。

このガスセンサの製造方法によれば、収容工程の後に固定工程にて軟化した第１パッキン及び第２パッキンが、配線基板の先端部の表裏面の配線による凹凸に追随し、これらパッキンと凹凸との隙間が消失し、配線基板とケーシングとの間のシールを確実にすることができる。その結果、ケーシング内の特定ガスがシールから漏れ、センサ素子による特定ガスの測定に影響を与えることを抑制できる。

本発明のガスセンサの製造方法であって、前記センサ素子は、前記検出部を加熱するヒータ部を有し、前記固定工程では、前記ヒータ部を通電制御して当該ヒータ部を加熱することで、前記第１パッキン及び前記第２パッキンに前記熱を与えてもよい。
このガスセンサの製造方法によれば、各パッキンの加熱装置を別途設ける必要がなく、簡便に第１パッキン及び第２パッキンを加熱できる。

本発明のガスセンサの製造方法であって、前記収容工程と前記固定工程との間に、前記ネジを用いて前記蓋部を前記環状側壁に対して仮締めする仮締め工程を含んでもよい。
このガスセンサの製造方法によれば、予め第１パッキン及び第２パッキンを配線基板の先端部の表裏面の凹凸になじませた後に各パッキンを加熱するので、シールがさらに確実になる。

この発明によれば、ガスセンサのケーシングの外側に配線基板を露出させる場合に、ケーシングと配線基板との間のシールを確実にすることができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法が適用されるガスセンサの分解斜視図である。 ケーシング本体部内に収容された配線基板及び第１パッキンを示す斜視図である。 図２のＥ方向から見た、本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法を示す図である。 図３の部分拡大図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法が適用されるガスセンサ１の分解斜視図、図２はケーシング１０内に収容された配線基板５０及び第１パッキン３２を示す斜視図、図３は、図２のＥ方向から見た、本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法を示す図、図４は図３の部分拡大図である。

図１において、ガスセンサ１は、略矩形箱状で上面（図１の上方に向く面）が開口する金属製のケーシング本体部１０と、ケーシング本体部１０の開口を閉塞する蓋部２０と、ケーシング本体部１０に収容される配線基板５０と、フッ素系樹脂からなる矩形枠状の第１パッキン３２及び第２パッキン３１と、配線基板５０の開口部５０ｈ内に配置されるセンサ素子４０と、一対のネジ２５と、を備えている。
ケーシング本体部１０と蓋部２０が特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。

ケーシング本体部１０は、底壁１０ｗ、及び底壁１０ｗから立設する矩形枠状の環状側壁１０ｓと、を有し、底壁１０ｗと対向する上面が開口１０ｈを形成している。環状側壁１０ｓのうち、一辺（図１の手前側の辺）の天面１０ｓ１から下方に向かって切欠かれた凹部１０ｎが形成され、環状側壁１０ｓの隣接する辺には、配管の接続口となるパイプ状の導入管１０ａ及び排出管１０ｂが突出して取付けられている。
導入管１０ａ及び排出管１０ｂが特許請求の範囲の「流通部」に相当する。

配線基板５０は全体として長手方向に延びる板状をなし、矩形枠状の先端部５０ａと、先端部５０ａの一方の辺から先端部５０ａよりも狭幅とされて外側（図１の左側）へ延びる基端部５０ｅとを備えている。なお、本実施形態では、配線基板５０として、絶縁性セラミック基板の表面に、後述するリード部５０Ｌ、導電パッド部５０ｐが形成されたセラミック配線基板を用いている。
第１パッキン３２、第２パッキン３１、及び配線基板５０の先端部５０ａは、ケーシング本体部１０の環状側壁１０ｓで囲まれた収容空間に丁度収容される寸法とされ、ケーシング本体部１０の底壁１０ｗ側から順に、第２パッキン３１、配線基板５０の先端部５０ａ及び第１パッキン３２が収容空間に積層されて収容されている。又、凹部１０ｎから配線基板５０の基端部５０ｅがケーシング本体部１０の外側に露出するようになっている。

そして、この状態で、第１パッキン３２の上から蓋部２０を複数（本例では２つ）のネジ２５にてケーシング本体部１０の環状側壁１０ｓの天面１０ｓ１にネジ締めすることで、ケーシング本体部１０と蓋部２０の間で第２パッキン３１、第１パッキン３２が押圧されてケーシング１０、２０と配線基板５０の隙間を気密にシールするようになっている。
これにより、導入管１０ａから収容空間に導入された特定ガスＧがセンサ素子４０に接触して特定ガスの濃度が検出された後、排出管１０ｂから外部に排出される。
又、ネジ２５は、対向する環状側壁１０ｓにそれぞれ１つずつ取り付けられる。

なお、センサ素子４０は略矩形板状をなし、ベース基板４１の上面（図１の上方に向く面）側にヒータ部４２が配置され、ベース基板４１の下面側に検出部４３が配置されており、検出部４３とヒータ部４２がベース基板４１の上下に積層された一体構造となっている。
検出部４３は特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化し、その変化した電気信号を検知することで特定ガス成分の濃度を検出する。又、ヒータ部４２は通電加熱により、検出部４３を動作温度に加熱する。
ベース基板４１は例えばセラミック基板とすることができる。又、検出部４３は例えば酸化物半導体を用いて形成することができる。ヒータ部４２は例えばベース基板４１の表面に形成されて発熱抵抗体となる回路とすることができる。

ここで、図２に示すように、センサ素子４０は平面視四角形状に形成されており、配線基板５０の先端部５０ａに設けられた矩形の開口部５０ｈ内に、通電部材６１、６３（図２では通電部材６１のみ表示）を介して宙吊り固定されている。
一方、配線基板５０の表面にリード部５０Ｌ及び導電パッド部５０ｐが複数配置されている。そのうち導電パッド部５０ｐは基端部５０ｅに配置され、導電パッド部５０ｐは図示しない外部回路に接続されている。
そして、通電部材６１、６３は、リード部５０Ｌの先端側とセンサ素子４０との間に接続され、検出部４３から出力された電気信号はリード部５０Ｌを介して導電パッド部５０ｐから外部回路に出力される。一方、外部回路から導電パッド部５０ｐ及びリード部５０Ｌを介して供給された電力によりヒータ部４２が通電加熱する。
なお、リード部５０Ｌ及び導電パッド部５０ｐは、例えばＡｕペースト等をセンサ素子４０のベース基板４１に印刷後、焼成して形成することができる。
リード部５０Ｌ及び導電パッド部５０ｐが特許請求の範囲の「配線」に相当する。

次に、図２〜図４を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法について説明する。
図２に示すように、配線基板５０の先端部５０ａの表面(図２の上面)のうち、ケーシング本体部１０の凹部１０ｎに臨む部位に第１パッキン３２が積層される。ここで、先端部５０ａの表面は、リード部５０Ｌの厚み（例えば２０μｍ）の分だけ凹凸が生じている。このため、図４に示すように、先端部５０ａの領域Ｒにおける表面（上面）５０ａ１の凹凸に、第１パッキン３２の表面が追随できずに両者間に隙間Ｖが生じる。先端部５０ａの裏面(下面)５０ａ２の凹凸と第２パッキン３１の間にも、同様に隙間Ｖが生じる。

そこで、図３に示すように、まず、凹部１０ｎを通じて配線基板５０の基端部５０ｅを外部に露出させるようにして、ケーシング本体部１０の底壁１０ｗから見て、第２パッキン３１、配線基板５０、第１パッキン３２、蓋部２０を順に、且つ、各々が当接するよう積層する（収容工程）。
次に、第１パッキン３２及び第２パッキン３１が軟化する程度の熱を与え、この状態で、ネジ２５を用いて蓋部２０を環状側壁１０ｓに対してネジ締めによって固定する（固定工程）。第１パッキン３２及び第２パッキン３１がフッ素系樹脂（例えば、テフロン（登録商標））の場合、これらが軟化する程度の熱としては、例えば１２０〜２００℃で３〜３０分間加熱すればよい。
これにより、軟化した第１パッキン３２及び第２パッキン３１が先端部５０ａの表裏面の凹凸に追随して隙間Ｖが消失し、配線基板５０とケーシング１０，２０との間のシールを確実にすることができる。その結果、ケーシング１０，２０内の特定ガスＧがシールから漏れ、センサ素子４０による特定ガスの測定に影響を与えることを抑制できる。

なお、固定工程において、センサ素子４０に搭載されたヒータ４２を加熱して第１パッキン３２及び第２パッキン３１を加熱するようにすれば、加熱装置を別途設ける必要がなく、簡便に第１パッキン３２及び第２パッキン３１を加熱できる。
又、収容工程と固定工程との間に、ネジ２５を用いて蓋部２０を環状側壁１０ｓに対して仮締めする仮締め工程を設けると、予め第１パッキン３２及び第２パッキン３１を先端部５０ａの表裏面の凹凸になじませた後に第１パッキン３２及び第２パッキン３１を加熱するので、シールがさらに確実になる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
ケーシング、環状側壁、凹部導入口、第１、第２パッキン、センサ素子の形状等は上記実施形態に限定されない。ネジの個数も限定されず、ヒータ部及び検知部の構造、種類等も限定されない。又、第１、第２パッキンの材質は上記実施形態の材質に限定されず、フッ素系樹脂として他の材質を用いてもよい。

１ ガスセンサ
１０ ケーシング本体部（ケーシング）
１０ａ、１０ｂ 流通部
１０ｈ 開口
１０ｓ 環状側壁
１０ｓ１ 天面
１０ｎ 凹部
１０ｗ 底壁
２０ 蓋部（ケーシング）
２５ ネジ
３１ 第２パッキン
３２ 第１パッキン
４０ センサ素子
４２ ヒータ部
４３ 検出部
５０ 配線基板
５０ａ 配線基板の先端部
５０ａ１ 配線基板の先端部の表面
５０ａ２ 配線基板の先端部の裏面
５０ｅ 配線基板の基端部
５０Ｌ リード部（配線）
５０ｐ 導電パッド部（配線）
Ｇ 特定ガス

Claims (3)

1. 長手方向に延びる板状をなし、表面に配線を有する配線基板と、
   特定ガスを検出する検出部を有し、前記配線基板の先端部に配置されると共に当該配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、
   底壁、及び、前記底壁から立設する環状側壁を有し、前記底壁と対向する一面が開口された、金属製のケーシング本体部、及び、前記ケーシング本体部の開口を閉塞すると共に、当該環状側壁の天面に複数のネジによって固定された、金属製の蓋部からなるケーシングであって、前記環状側壁の天面の一部に形成された凹部を通じて前記配線基板の基端部を外側に露出させた状態で、前記配線基板の前記先端部を収容すると共に、センサ素子と外部との間での特定ガスの流通を可能とする流通部が設けられたケーシングと、
   フッ素系樹脂からなり、前記配線基板の前記先端部の表面、及び、裏面のそれぞれに積層される環状の第１、第２パッキンと、
   を備えるガスセンサの製造方法であって、
   前記凹部を通じて前記配線基板の基端部を外部に露出させるようにして、前記ケーシング本体部の前記底壁から見て、前記第２パッキン、前記配線基板、前記第１パッキン、前記蓋部を順に、且つ、各々が当接するよう積層する収容工程と、
   前記第１パッキン及び前記第２パッキンが軟化する程度の熱を与えた状態で、前記ネジを用いて前記蓋部を前記環状側壁に対してネジ締めによって固定する固定工程と、
   を含む、
   ことを特徴とするガスセンサの製造方法。
2. 請求項１に記載のガスセンサの製造方法であって、
   前記センサ素子は、前記検出部を加熱するヒータ部を有し、
   前記固定工程では、前記ヒータ部を通電制御して当該ヒータ部を加熱することで、前記第１パッキン及び前記第２パッキンに前記熱を与えることを特徴とするガスセンサの製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサの製造方法であって、
   前記収容工程と前記固定工程との間に、前記ネジを用いて前記蓋部を前記環状側壁に対して仮締めする仮締め工程を含む、ことを特徴とするガスセンサの製造方法。

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