JP2018100868A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内のセンサ素子の周囲のガス置換を促進して応答性を向上させたガスセンサを提供する。
【解決手段】配線基板５０と、配線基板に配置されて配線基板と複数の導電部材２８で電気的に接続されるセンサ素子２４と、センサ素子を収容し、導入口２２ａ及び排出口２２ｂが形成されるケーシング２２と、被測定ガスＧ中の特定ガスの濃度を調整して導入口に流通させる前処理部と、を備えたガスセンサであって、導入口及び排出口は、センサ素子よりも外側かつ上方向に位置し、導入口から排出口へ向かう流路を狭めるようにケーシングの内側に向かって突出する突出部２２ｐが設けられ、センサ素子から突出部の先端までの高さｈ１が、センサ素子から導入口及び排出口までの各高さｈ２、ｈ３よりも低く、突出部は、複数の導電部材のそれぞれにおけるセンサ素子よりも上方向に位置する頂部２８ｐよりも内側で、導電部材と非接触に配置されてなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサに関する。

従来から、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサが知られている（特許文献１）。
このガスセンサは、チャンバ内に被測定ガスとしての大気が一定量供給されるように構成され、チャンバ内でＣＯ等の可燃性ガスを燃焼除去する前処理を行った後、被測定ガスをセンサ素子に接触させて、ＮＯｘ濃度を検知している。

特開平10-300702号公報（図２）

特許文献１では、大気導入管と大気導出管を有するチャンバ内にセンサ素子を配置しているが、チャンバ内の被測定ガスの流れが遅くなると、センサ素子周囲のガス置換が不十分になって応答性が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、ケーシング内のセンサ素子の周囲のガス置換を促進して特定ガス検出の応答性を向上させたガスセンサ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は、長手方向に延びる配線基板と、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子であって、前記配線基板の一方の面の外周よりも内側に配置されると共に、前記配線基板と複数の導電部材で電気的に接続されるセンサ素子と、前記センサ素子を収容する収容空間を形成するケーシングであって、前記収容空間に前記被測定ガスを導入する導入口、及び、前記収容空間から前記被測定ガスを排出する排出口が形成されるケーシングと、前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を調整する前処理を行う前処理部であって、前記導入口に向けて前処理された前記被測定ガスを流通させる前処理部と、を備えたガスセンサであって、前記センサ素子の前記配線基板に面する方向を下方向と定義したときに、前記導入口及び前記排出口は、前記センサ素子の外周よりも外側に位置すると共に、前記センサ素子よりも上方向に位置しており、前記導入口から前記排出口へ向かう前記収容空間の流路の途中でかつ前記センサ素子に対向する位置に、前記流路を狭めるように前記ケーシングの内側に向かって突出する突出部が設けられ、前記センサ素子から前記突出部の先端までの前記配線基板の長手方向に直交する方向の高さが、前記センサ素子から前記導入口及び前記排出口までの前記配線基板の長手方向に直交する方向における各高さよりも低くなっており、前記突出部は、前記複数の導電部材のそれぞれにおける前記センサ素子よりも上方向に位置する頂部よりも内側で、前記導電部材と非接触に配置されてなることを特徴とする。

このガスセンサによれば、導入口から排出口へ向かう収容空間の流路を狭めるように突出部が設けられるので、センサ素子に対向する位置の流路における被測定ガスの流速がベンチュリ効果によって速くなり、センサ素子周囲のガス置換を促進して特定ガス検出の応答性を向上させることができる。
また、突出部が導電部材と２８と非接触に配置されているので、両者が接触して導電部材が断線する等の不具合を抑制することができる。さらに、突出部と導電部材との間にクリアランスが形成されるので、突出部近傍における被測定ガスの流れを妨げることも抑制できる。

本発明のガスセンサであって、前記ケーシングは金属板からなり、前記突出部は前記ケーシングに一体に形成されてなっていてもよい。
このガスセンサによれば、ケーシングの耐熱性に優れると共に、ケーシングに突出部を別部品で取付ける場合に比べて生産性が向上し、部品点数も低減する。さらに、プレス成型等の場合は突出部の角部を面取りした滑らかな形状に容易に形成することができ、突出部近傍における被測定ガスの流れを妨げることをより一層抑制できる。

この発明によれば、ケーシング内のセンサ素子の周囲のガス置換を促進して特定ガス検出の応答性を向上させたガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの変形例を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの別の変形例を示す分解斜視図である。

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１の全体構成を示すブロック図、図２はガスセンサ１の分解斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１において、ガスセンサ１は、前処理部１０と、センサ部２０と、前処理部１０及びセンサ部２０間を繋ぐ図示しないガス流通管と、を備えている。そして、被測定ガスＧ（例えば、人間の呼気）が前処理部１０に導入され、前処理部１０は被測定ガスＧ中の特定ガス(例えば、ＮＯ_２)の濃度を調整した後、センサ部２０の導入口２２ａに向けて前処理された被測定ガスを流通させる。なお、前処理部としては、被測定ガス中の特定ガスの濃度を調整可能な触媒が設置された公知の構成を採用すればよいため、本実施形態の詳細な説明は省略する。
一方、センサ部２０は、前処理された被測定ガスに含まれる特定ガスを検出（詳細には、特定ガスの濃度を検出）し、排出口２２ｂから被測定ガスＧを排出する。以下、図２〜図３を参照し、センサ部２０の構成について詳しく説明する。なお、図２〜図３において、センサ素子２４の配線基板５０に面する方向を下方向Ｄとする。

図２に示すように、センサ部２０は、略矩形箱状でフランジを有し下方向Ｄに向く下面が開口する金属製のケーシング２２と、ケーシング２２のフランジに接着される矩形枠状のシール材（パッキン）２３と、ケーシング２２内に収容されるセンサ素子２４と、接着層２６と、セラミック製の配線基板５０と、を有している。そして、シール材２３の枠体にケーシング２２のフランジ及び配線基板５０の上面の外周部分が接着剤（図示せず）を介して固着されることで、ケーシング２２の開口を配線基板５０が閉塞し、ケーシング２２の内部空間が収容空間（チャンバ）Ｃ１を形成する。
ケーシング２２の上面には、パイプ状の導入口２２ａ及び排出口２２ｂがそれぞれ離間して突出しており、導入口２２ａ及び排出口２２ｂの一端は収容空間Ｃ１に連通している。導入口２２ａは被測定ガスＧを導入し、排出口２２ｂは収容空間Ｃ１から被測定ガスＧを排出する。
さらに、ケーシング２２の上面における導入口２２ａと排出口２２ｂの間の部位がプレス成型により略矩形箱状に凹んでおり、この凹部はケーシング２２の内面では内側にて向かって突出する突出部２２ｐを形成している（図３参照）。

センサ素子２４は略矩形板状をなし、図３に示すように、ベース部２４ｃの上面（図２の上方に向く面）側に検知部２４ａが配置され、ベース部２４ｃの下面側にヒータ２４ｂが配置されており、検知部２４ａとヒータ２４ｂがベース部２４ｃの上下に積層された一体構造となっている。
また、配線基板５０の上面の中央には凹部５０ｒが形成され、凹部５０ｒに接着層２６を介してヒータ２４ｂ側が接するようにしてセンサ素子２４が配置されている。つまり、センサ素子２４は配線基板５０の上面の外周よりも内側に配置されている。ここで、配線基板５０の上面が特許請求の範囲の「一方の面」に相当する。

配線基板５０は長手方向（図２の左右方向）に延び、配線基板５０の端部５０ｅ（図２の左側）はケーシング２２よりも狭幅とされて外側（図２の左側）へ延びている。そして、端部５０ｅの上面及び下面には電極パッド５０ｐが複数配置され、各電極パッド５０ｐは配線基板５０の上面及び下面に形成された配線（リード導体）５０Ｌに電気的に接続されている。さらに、配線５０Ｌの一端は、凹部５０ｒを囲む複数の素子周辺パッド５０ｓに接続されている。
なお、配線基板５０の下面に形成された配線５０Ｌは、図２に示すように、配線基板５０の先端（端部５０ｅの他端）で配線基板５０の上面側に引き回され、配線基板５０の上面側の素子周辺パッド５０ｓに接続されている。
そして、検知部２４ａの出力端子、及びヒータ２４ｂの通電端子は配線基板５０の素子周辺パッド５０ｓに対して、導電部材（具体的には、ワイヤ２８で接合され、それぞれ電気的に接続されている。つまり、検知部２４ａの出力端子、及びヒータ２４ｂの通電端子５０のそれぞれは、対応する素子周辺パッド５０ｓに対してワイヤボンディングされている。これにより、検知部２４から出力された電気信号は配線基板５０の配線５０Ｌ、電極パッド５０ｐを介して外部に出力され、電極パッド５０ｐ、配線５０Ｌを介して外部から供給された電力によりヒータ２４ｂが通電加熱する。

このようにして、前処理部１０を通過して特定ガスの濃度が調整された被測定ガスＧは、検知部２４ａに接触して特定ガスの濃度が測定される。検知部２４ａは特定ガス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の濃度を検出する。又、ヒータ２４ｂは通電加熱により、検知部２４ａを所望の動作温度に加熱する。
ベース部２４ｃは例えば絶縁性の配線基板を用いて構成することができる。又、検知部２４ａは例えば金属酸化物半導体を用いて構成することができる。ヒータ２４ｂは、例えばベース部２４ｃの表面に形成されたミアンダ状のパターンを有し、白金等からなる発熱抵抗体によって構成することができる。なお、検知部２４ａは、固体電解質体に一対の電極を設けた、公知の混成電位式のセンサ構成を採用してもよい。

ここで、図３に示すように、導入口２２ａ及び排出口２２ｂは、センサ素子２４の外周２４ｅよりも外側に位置すると共に、センサ素子２４よりも上方向に位置している。
また、突出部２２ｐは、導入口２２ａから排出口２２ｂへ向かう収容空間Ｃ１の流路Ｆの途中で、かつセンサ素子２４に対向する位置（外周２４ｅよりも内側の位置）に、流路Ｆを狭めるようにケーシング２２の内側に向かって突出している。
さらに、センサ素子２４（の上端の検知部２４ａ）から突出部２２ｐの先端までの配線基板５０の長手方向に直交する方向の高さｈ１が、センサ素子２４から導入口２２ａまでの配線基板５０の長手方向に直交する方向における高さｈ２、及びセンサ素子２４から排出口２２ｂまでの配線基板５０の長手方向に直交する方向における高さｈ３よりも低くなっている。

また、本実施形態では、突出部２２ｐの幅寸法（図３における突出部２２ｐの紙面奥から紙面手前に向けての長さ）が、収容空間Ｃ１の幅寸法と同じ長さに形成されている。言い換えると、突出部２２ｐの幅寸法は、収容空間Ｃ１を構成する略矩形箱状のケーシング２２における対向する２つの側面の内側間の寸法と同じ長さとなっている。これにより、導入口２２ａから排出口２２ｂに向けて流れる被測定ガスＧの流れに対して、略直交するように突出部２２ｐが位置し、ガス導入口２２ａ側に向く面に当たった被測定ガスＧはセンサ素子２４に向けて誘導されることになる。その結果、センサ素子２４に対向する位置の流路Ｆにおける被測定ガスＧの流速がベンチュリ効果によって速くなり、センサ素子２４周囲のガス置換を促進して特定ガス検出の応答性を向上させることができる。

さらに、突出部２２ｐは、複数の導電部材２８のそれぞれにおけるセンサ素子２４よりも上方向に位置する頂部２８ｐよりも内側で、各導電部材２８と非接触に配置されている。
これにより、突出部２２ｐが導電部材２８と接触して導電部材２８が断線する等の不具合を抑制することができる。又、突出部２２ｐと導電部材２８との間にクリアランスが形成されるので、突出部２２ｐ近傍における被測定ガスＧの流れを妨げることも抑制できる。
なお、導電部材２８は、素子周辺パッド５０ｓと、素子周辺パッド５０ｓより内側のセンサ素子２４の外周部との間を跨いで延び、かつ素子周辺パッド５０ｓとセンサ素子２４の間で上に凸の曲線状に形成され、頂部２８ｐを有している。

なお、本実施形態においては、ケーシング２２は金属板からなり、突出部２２ｐはケーシング２２にプレス成型により一体に形成されてなる。
これにより、ケーシング２２の耐熱性に優れると共に、ケーシング２２に突出部２２ｐを別部品で取付ける場合に比べて生産性が向上し、部品点数も低減する。さらに、本実施形態のようにプレス成型等の場合は、突出部２２ｐの角部を面取りした滑らかな形状に容易に形成することができ、突出部２２ｐ近傍における被測定ガスＧの流れを妨げることをより一層抑制できる。

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。
例えば、図４に示すように、ガスセンサ１Ｂのセンサ部３０として、ケーシング３２の側面に導入口３２ａ及び排出口３２ｂを突出させてもよい。つまり、導入口３２ａ及び排出口３２ｂは、センサ素子２４の外周２４ｅよりも外側に位置すると共に、センサ素子２４よりも上方向に位置していればどのように配置されていてもよい。例えば、導入口３２ａと排出口３２ｂとを、ケーシング３２の対向する側面にそれぞれ配置してもよい。また、突出部３２ｐは、導入口３２ａから排出口３２ｂへ向かう収容空間Ｃ１の流路Ｆの途中で、かつセンサ素子２４に対向する位置に、流路Ｆを狭めるようにケーシング３２の内側に向かって突出している。さらに、突出部３２ｐは、上記実施形態と同様に、複数の導電部材２８のそれぞれにおけるセンサ素子２４よりも上方向に位置する頂部よりも内側で、各導電部材２８と非接触に配置されている。
なお、図４において、図２のセンサ部２０と同一構成部分は同一符号を付している。

また、上記図２、図４の実施形態のガスセンサ１では、突出部２２ｐを収容空間Ｃ１の幅寸法と同じ長さに形成したが、センサ素子２４周囲のガス置換を促進して特定ガス検出の応答性を向上できる効果が発揮される範囲内であれば、図５に示す別実施形態のガスセンサ１Ｃのように、ケーシング２２に設ける突出部としては、センサ素子２４に対向する位置に配置されると共に、収容空間Ｃ１の幅寸法よりも短い幅寸法の突出部４２ｐを設けるようにしてもよい。この突出部４２ｐについても、上記実施形態と同様に、複数の導電部材２８のそれぞれにおけるセンサ素子２４よりも上方向に位置する頂部よりも内側で、各導電部材２８と非接触に配置されている。なお、図５のガスセンサ１Ｃにおいて、図２のガスセンサ１と同一構成部分は同一符号を付している。

ガスセンサ、及びそれを構成する前処理部、ケーシング、センサ素子、導電部材、突出部の形状、材質、種類等は上記実施形態に限定されない。突出部の個数も限定されない。
また、上記実施形態では、シール材２３の枠体にケーシング２２のフランジ及び配線基板５０の上面の外周部分を接着剤を介して固着させる構成を採ったが、ケーシング２２、及び、シール材２３、配線基板５０の固着構造はこれに限定されない。例えば、接着剤を用いずに、ケーシング２２の外側から他部材（例えば、ボルトとナット）を用いて配線基板５０に向けて力（付勢力）を付与し、ケーシング２２、シール材２３、配線基板５０の各部材が位置ずれしないよう固定してガスセンサ１を構成するようにしてもよい。
さらに、上記の各実施形態では、突出部２２ｐ、３２ｐ、４２ｐを金属製のケーシング２２、３２にプレス成形により一体に形成するようにした。しかし、突出部２２ｐ、３２ｐ、４２ｐの構成はこれに限定されず、例えば、天面がフラット形状にされたケーシングを準備し、このケーシングの天面の内側の所定位置に凸条片を接合（具体的には溶接）して取り付け、この凸条片を本発明の突出部として機能させるようにしてもよい。

１、１Ｂ、１Ｃ ガスセンサ
１０ 前処理部
２２、３２ ケーシング
２２ａ、３２ａ 導入口
２２ｂ、３２ｂ 排出口
２２ｐ、３２ｐ、４２ｐ 突出部
２４ センサ素子
２４ｅ センサ素子の外周
２８ 導電部材
２８ｐ 導電部材のセンサ素子よりも上方向に位置する頂部
５０ 配線基板
Ｃ１ 収容空間
Ｄ 下方向
Ｆ 流路
Ｇ 被測定ガス
ｈ１ センサ素子から突出部の先端までの高さ
ｈ２ センサ素子から導入口までの高さ
ｈ３ センサ素子から排出口までの高さ

Claims (2)

1. 長手方向に延びる配線基板と、
   被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサ素子であって、前記配線基板の一方の面の外周よりも内側に配置されると共に、前記配線基板と複数の導電部材で電気的に接続されるセンサ素子と、
   前記センサ素子を収容する収容空間を形成するケーシングであって、前記収容空間に前記被測定ガスを導入する導入口、及び、前記収容空間から前記被測定ガスを排出する排出口が形成されるケーシングと、
   前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を調整する前処理を行う前処理部であって、前記導入口に向けて前処理された前記被測定ガスを流通させる前処理部と、
   を備えたガスセンサであって、
   前記センサ素子の前記配線基板に面する方向を下方向と定義したときに、前記導入口及び前記排出口は、前記センサ素子の外周よりも外側に位置すると共に、前記センサ素子よりも上方向に位置しており、
   前記導入口から前記排出口へ向かう前記収容空間の流路の途中でかつ前記センサ素子に対向する位置に、前記流路を狭めるように前記ケーシングの内側に向かって突出する突出部が設けられ、
   前記センサ素子から前記突出部の先端までの前記配線基板の長手方向に直交する方向の高さが、前記センサ素子から前記導入口及び前記排出口までの前記配線基板の長手方向に直交する方向における各高さよりも低くなっており、
   前記突出部は、前記複数の導電部材のそれぞれにおける前記センサ素子よりも上方向に位置する頂部よりも内側で、前記導電部材と非接触に配置されてなる
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記ケーシングは金属板からなり、前記突出部は前記ケーシングに一体に形成されてなるガスセンサ。

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