JP3904202B2 - ガスセンサとその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の利用分野】
この発明はガスセンサとその製造方法に関し、特にパッドへのリードの取り付けに関する。
【０００２】
【従来技術】
絶縁基板に電極としてのパッドを設けて、リードをパッドに接続したガスセンサが知られている(特開平９−６８５１２)。リードはパッドに例えば溶接され、パッドへの付着強度を増すため、金ペーストなどでパッドへの溶接部を覆い焼成する。そして焼成後の金ペーストはほぼ半球状の形状をしている。またリードをパッドに溶接せず、金ペーストで覆い焼成するだけで、パッドに固定しているガスセンサもある。
【０００３】
しかしながら何れのガスセンサでも、リードのパッドへの付着強度がなおも不十分で、例えば落下試験などを行うとリードが断線することがある。発明者は、落下試験でリードが断線したガスセンサを観察し、ペーストを焼成した固定部材からリードが出る部分（固定部材の表面）で、リードが引きちぎられたように断線していることを見出した。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の課題は、落下試験などによるリードの断線を防止して、ガスセンサの耐久性を向上させることにある(請求項１〜６)。
請求項２〜５の発明での追加の課題は、落下への耐久性を向上させるための具体的な構成を提供することにある。
請求項６の発明での追加の課題は、このようなガスセンサの具体的な製造方法を提供することにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のガスセンサは、耐熱絶縁基板にヒータとガス感応膜とを設けると共に、該基板に厚膜のパッドを設けてリードを取り付け、ペースト材料を焼成した固定部材で前記取付部を固定したセンサにおいて、前記固定部材が、パッドからはみ出すようにリードを覆うことにより、パッドの外側でのリードの剛性を高めるようにしたことを特徴とする(請求項１)。リードは、溶接などによりパッドに固着し、固定部材でさらに固定するようにしても、溶接などを行わず、固定部材のみでパッドに固定しても良い。
【０００６】
好ましくは、前記固定部材に、リードの方向を長軸方向とする楕円状部を設けて、この楕円状部がパッド上に位置するようにする(請求項２)。特に好ましくは楕円状部の先端がパッドの外側にはみ出すようにする。また楕円状部の部分のアスペクト比(楕円の長軸長と短軸長の比)は例えば１.３以上、好ましくは１.４以上、最も好ましくは１.４以上で２以下とする。
また好ましくは、前記固定部材に、基板に垂直な方向から見た際に、徐々に幅が減少する三角形状の延長部を設けて、延長部の先端がパッド上からはみ出すようにする(請求項３)。ここで前記の楕円状部の外側に延長部を設けることが好ましく、特に好ましくは延長部の先端が基板からはみ出すようにする。なお楕円状部を設けず、真円状の部分と延長部とで固定部材を構成しても良い。
【０００７】
特に好ましくは、前記延長部の三角形部でのリードに沿った方向での２辺の交角を１０°〜４５°とし(請求項４)、さらに好ましくは１５°〜３５°、最も好ましくは１８°〜３２°とする。
また好ましくは、前記延長部を基板に垂直な方向から見た際に、リードの長手方向に直角な方向で、延長部の幅がリードの直径の２倍以上の長さを、リードの直径の２倍以上とし(請求項５)、さらに好ましくはこの長さをリードの直径の２倍〜１０倍とする。
【０００８】
この発明のガスセンサの製造方法は、耐熱絶縁基板にヒータとガス感応膜とを設けると共に、該基板に厚膜のパッドを設けてリードを取り付け、ペースト材料で前記取付部を被覆して焼成しリードの固定部材とする方法において、前記ペースト材料を前記取付部に供給する部材を、リードに沿って移動させながら、ペースト材料を供給することにより、ペースト材料がパッドからはみ出すようにして、パッドの外側でのリードの剛性を高めたことを特徴とする(請求項６)。供給部材は例えばディスペンサとするが、他のペースト供給部材でも良く、供給部材を移動させる範囲は、パッド上からパッドの外側まで、もしくはパッドの外側からパッド上までが好ましい。
【０００９】
【発明の作用と効果】
この発明では、固定部材がパッドからはみ出すようにリードを覆うので、リードの内でパッドからの熱で高温になり剛性が低下している部分が、固定部材で覆われて剛性が増す。このため、落下試験などに対する耐久性を高めることができる(請求項１〜６)。
【００１０】
好ましくは、固定部材に楕円状の部分を設け、楕円状の部分がパッド上に位置するようにして、リードが固定部材で覆われて剛性が増している部分を長くする(請求項２)。
また上面視(基板に垂直な方向でパッドの上から見ること)で、リードがパッドの外にはみ出すに沿って徐々に幅が減少する三角形状の延長部を設けて、延長部によりリードを補強しても良い。このようにすると、リードに力が加わった際に、リードの変形が集中する点が生じず、断線しにくくなる。また楕円状部を設けるのに比べて、ペースト材料を節約できる(請求項３)。
【００１１】
この三角形部は、リードを覆う厚さがほぼ一定の単なる薄い皮膜では意味が無く、ある程度の厚さが必要で、かつ厚さが徐々に減少することが必要である。そこで三角形部の２辺の交角は、例えば１０°〜４５°とする(請求項４)。１０°未満では厚さが一定の皮膜に近く、４５°以上では三角形部を長くできない。そして三角形部の厚さが徐々に減少するように、交角はより好ましくは１５°以上、特に１８℃以上とし、三角形部を長くできるように、交角はより好ましくは３５°以下とし、最も好ましくは３２°以下とする。
【００１２】
三角形部は有る程度の長さがひつようで、しかもこの部分で単なる薄い皮膜では、リードの補強にならない。そこで三角形部の形状を特徴付ける長さのサイズとして、三角形部の幅がリードの直径の２倍以上となる範囲の長さを考える。この長さがリードの直径の２倍以上あると、リードはその直径の２倍以上の長さを三角形部で補強されていることになる(請求項５)。なおあまりに長い三角形部を設けるのは、ペースト材料を多量に要し、三角形部の基部側の真円状部や楕円状部の径を不必要に大きくすることになるので、この長さはより好ましくはリードの直径の２倍以上１０倍以下とする。
【００１３】
この発明のガスセンサを製造する場合、ディスペンサなどのペーストの供給部材をリードに沿って動かしながらペーストを供給するのがよい。供給部材を移動させない場合、ペーストは表面張力などで半球状になり、パッドの外まではみ出すように供給すると、固定部材が不必要に大きくなり、ペーストの消費量が大きくなる(請求項６)。
【００１４】
【実施例】
図１〜図５に、実施例とその変形とを示す。なお各変形例において、特に指摘していない点は、図１，図２の実施例と同様である。図１，図２の実施例において、２はガスセンサで、４はアルミナなどの耐熱絶縁基板で、６はヒータ膜で、８はリードで、１０はパッドである。ヒータ膜６は例えば酸化ルテニウム膜やＰt膜などを設け、図１においてヒータ膜６の裏側には、ＳｎＯ2膜などの感ガス膜がある。またリードは、Ｐt−ＺＧＳ(Ｐtの粒界にジルコニアを析出させた合金)やＡＰＭ(Ａu−Ｐd−Ｍo合金)あるいはＰt−Ｗなどのように、貴金属をベースとする合金で、合金化により抵抗率を高めたものが好ましい。これは、リード８の抵抗率を増すと一般に熱伝導率も低下するので、リード８を介する放熱を減少させて、消費電力を小さくするためである。なおリード８には、単味のＰtやＰt−Ｒh、Ｉr−Ｐdなどの比較的低抵抗の貴金属線を用いても良い。またリード８の線径は例えば直径で２０〜９０μｍ程度とし、実施例では直径７０μｍのＰt−ＺＧＳ線をリード８とした。
【００１５】
パッド１０には貴金属の厚膜を用い、例えばここでは下地に基板４との付着力が高いＰt(２０μｍ厚)と上地にリード８との付着力が高いＡu(厚さ２０μｍ厚)の２層のパッド１０を用いた。なおパッド１０はＡu単味でもＰt単味でも、あるいはその他の材料から成るものでも良い。実施例では、ガスセンサ２当たりのパッド１０の数を４個とし、リード８も４本用いたが、これらを例えば５個ずつ、あるいは３個ずつなどとしても良い。
【００１６】
リード８はパッド１０に溶接や超音波熱圧着などにより固定する。そして導電性や絶縁性のペースト材料で、リード８とパッド１０との接続部を固定し、ペースト材料を焼成して固定部材１２とする。実施例ではリード８をパラレルギャップ溶接によりパッド１０に固定し、金ペーストを用いて固定部材１２を形成したが、溶接などを省略して、金ペーストなどの固定部材１２のみによりパッド１０への固定と、パッド１０との電気的接続の双方を行っても良い。また固定部材１２に用いるペースト材料には、５００〜９００℃程度で焼成できるものが好ましい。固定部材１２は、リード８とパッド１０との取付部を楕円状に覆う楕円状部１４と、楕円状部１４からリード８の取り出し方向に沿って延長した延長部１６とを設ける。
【００１７】
図２に移り、１８はリード８をパッド１０にパラレルギャップ溶接した溶接部である。パッド１０は例えば長方形状で、リード８の長手方向に沿った長さをａ、幅をｂとし、パッド１０のリードの引き出し側の端部と、基板４の端部との間隔をｃとする。実施例ではパッド１０の長さａを７００μｍ、幅ｂを５００μｍとし、間隔ｃを１５０μｍとした。次にリード８の直径をＤとすると、延長部１６で重要なのは、基板４に垂直な方向で上から見た際に、延長部１６の幅がリード８の直径の２倍を超える部分である。そこでパッド１０のリードの引き出し側の端部から、延長部１６の幅が徐々に減少してリード８の直径Ｄの２倍となるまでの間隔をｅ、基板４の端部から延長部１６の幅がリード８の２倍の幅となるまでの間隔をｆとする。間隔ｅや間隔ｆが大きいほど、パッド１０や基板４から離れた位置まで、リード８が保護されていることになり、間隔ｅやｆはリード８の直径Ｄの２倍以上が好ましく、より好ましくは２倍〜１０倍とする。また ｆ≦ｅ である。
【００１８】
楕円状部１４のアスペクト比は、図２の鎖線のように、楕円状部１４の楕円を固定部材１２に対して当てはめた際の、長軸長さと短軸長さの比である。アスペクト比が大きいことは、溶接部１８から離れた場所までリード８が楕円状部１４により保護され、溶接による強度の低下やパッド１０からの伝熱による強度の低下が生じている部分を、楕円状部１４で保護していることになる。アスペクト比は、従来例では例えば１.０程度で、大きなものでも１.１程度であり、実施例では例えば１.３以上、好ましくは１.４以上とする。
【００１９】
延長部１６は、基板４の上側から見て形状は例えば三角形状であり、そのうち上から見た際の幅がリード８の直径Ｄの２倍以上である区間が特に重要である。そしてこの区間の長さを、例えばリードの直径Ｄの２倍以上とし、より好ましくはリードの直径Ｄの２倍〜１０倍とする。また上面視で、即ち基板４に垂直な方向からパッド１０やリード８を見下ろすように見た際に、延長部１６の幅がリード８の直径Ｄの２倍以上となる部分は、好ましくは、リード８を引き出す方向に沿って基板４からはみ出すようにする。図２の場合、この部分が基板４から距離ｆだけはみ出しているものとする。そしてパッド１０の端からはみ出した間隔ｅや、基板４からはみ出した間隔ｆを延ばすことにより、リード８の溶接や、リード８にパッド１０から加わる熱のために、剛性が低下している部分を補強できる。
【００２０】
延長部１６に関する他の指標として、延長部１６を三角形に近似した際の、三角形の２辺の交角θがある。この２辺はリード８の長手方向に沿った２辺である。またこの三角形は、楕円状部１４から延長部１６へと移り変わる部分に着目して、その部分で固定部材１２に接線を引き、左右２つの接線の交わる部分の角を交角θとする。交角θが適当な範囲にあることは、リード８と固定部材１２との合計での剛性が、楕円状部１４からリードの引き出し方向に沿って、徐々に低下していくことを意味する。そしてこのようにすると、リード８に引っ張り力や曲げ力が加わった時に、特定の場所に応力が集中しない。交角θの好ましい範囲は、経験的に１０°〜４５°で、より好ましくは１５°〜３５°とし、最も好ましくは１８°〜３２°とする。
【００２１】
図３に、実施例の作用効果を示す。図３(Ａ)のガスセンサ２０Ａは、従来例のガスセンサを示し、パッド１０に半球状の固定部材２２Ａを設けるので、固定部材２２Ａからのリード８の出口に支点２４Ａが生じる。支点２４Ａの位置でリード８は高温であり、溶接による影響などを受けているので、この部分に引っ張り力や曲げ力が集中すると、リード８は支点２４Ａを中心として引きちぎられやすい。このことが、従来例のガスセンサで、落下試験などによりリード８に断線が生じた原因であると考えられる。
【００２２】
図３(Ｂ)のセンサ２は実施例のセンサで、リード８は楕円状部１４で保護され、次いで延長部１６で保護される。このためパッド１０に近い部分でリード８の剛性が高められており、しかもリード８と固定部材１２の合計の剛性は延長部１６で徐々に低下するので、曲げ変形などに対する特定の支点が生じることがない。このため曲げ力や引っ張り力に対する耐久性が向上する。
【００２３】
図３(Ｃ)の変形例のガスセンサ２０Ｃでは、延長部１６を設けず、楕円状部１４のみを設けている。なお固定部材２２Ｃを半球状から楕円状に延ばした部分に斜線を施した。図３(Ｃ)のガスセンサ２０Ｃでも、溶接部に近い部分やパッド１０により高温に熱せられる部分が、固定部材２２Ｃにより保護されている。しかし固定部材２２Ｃからの出口に支点２４Ｃが生じ、ここに応力集中が生じやすくなる。また図３(Ｃ)のガスセンサ２０Ｃの場合、同じ長さに渡ってリード８を保護するために、より多量のペースト材料を必要とする。なお楕円状部１４のみを設ける場合、楕円状部１４の端部は少なくともパッド１０からリード８の引き出し方向に沿ってはみ出すようにし、好ましくは基板４の端部からリード８の引き出し方向に沿ってはみ出すようにする。
【００２４】
図３(Ｄ)のガスセンサ２０Ｄは比較例のもので、固定部材２２Ｄから薄い皮膜状の被覆部２６を、リード８の引き出し方向に沿って延長させている。被覆部２６の厚さは、例えばリード８の直径の１／２未満で、直径の１／３〜１／４程度を想定する。薄い皮膜ではリードの補強にならない。また被覆部２６は厚さがほぼ一定なので、リード８の保護効果を徐々に小さくして応力集中を避けるとの効果が得られない。そして固定部材２２Ｄの真円部の出口に支点２４Ｄが生じ、この部分でリード８の断線が生じやすくなる。
【００２５】
図４に、実施例のガスセンサ２の製造方法を示す。３０はペースト材料を滴下するためのディスペンサで、溶接部１８を覆うようにディスペンサ３０の位置を固定してペースト材料を滴下しても、ペーストは半球状にまとまり、楕円状部１４や延長部１６が得られない。ここでディスペンサ３０を溶接部１８上の位置からリード８の引き出し方向へと移動させ、あるいはこの逆にリード８の引き出し方向から溶接部１８側へと移動させると、固定部材１２が得られる。そして溶接部１８上での滴下量と、これよりも図４の左側での滴下量との比を適宜に制御することにより、楕円状部１４の形状や延長部１６の形状を制御できる。なおディスペンサに代えて、適宜のペーストの滴下手段を用いることができる。
【００２６】
図５は他の変形例のガスセンサを示し、ここでは金ペーストなどの導電性貴金属ペーストを節約することを目的とする。図３(Ａ)の従来例と同様に半球状の固定部材２２Ａを金ペーストなどの導電性貴金属ペーストで構成し、ガラスペーストなどのより安価なペーストから成る異種材料層３４で楕円状部や延長部を形成する。そして固定部材２２Ａを異種材料層３４で覆って延長部１６を設けたものを、全体としての固定部材３２とする。この場合、異種材料層３４の形成時にディスペンサ３０を図４と同様に移動させる必要がある。
【００２７】
図３(Ａ)のガスセンサ２０Ａ（従来例）と、図３(Ｂ)のガスセンサ２（実施例）とについて、ガスセンサの落下耐久試験を行った。なおガスセンサの各リード８は図示しないハウジングのピンに溶接し、ハウジングにキャップを取り付けて、ガスセンサを保護した。リード８には直径７０μｍのＰt−ＺＧＳ線を用い、Ｐｔ−Ａｕのパッド１０にパレットレルギャップ溶接した。固定部材として金ペーストを用いて、ディスペンサで滴下後、７００℃で焼成した。
【００２８】
落下耐久試験として、高さ１ｍからコンクリートの床に落下させることを２０回繰り返し、リード８の断線の発生状況を観察した。従来例のガスセンサとして、図３(Ａ)のガスセンサ２０Ａを用い、ここでの固定部材２２Ａのアスペクト比は１〜１.１であった。実施例のガスセンサとして図３(Ｂ)のガスセンサ２を用い、ペースト材料は同様に金ペーストで、楕円状部１４のアスペクト比は１.４または１.６とし、交角θは２０°または３０°とし、延長部の幅がリードの直径の２倍以上となる長さは、リード直径の約５倍とした。
【００２９】
２０回の落下耐久により、従来例では１０個中５個のセンサで断線が生じたが、実施例の場合、断線は生じなかった（サンプル数は試料の種類ごとに各１０個）。落下耐久の試験結果を確認するため、落下高さを３ｍに変えて３回落下させる試験（３ｍ×３回落下試験）を行った。図３(Ａ)の従来例では、１０個中２個のセンサで断線が生じ、実施例では各試料共に断線は生じなかった。実施例のセンサは、楕円状部のアスペクト比を１.４としたものと１.６としたもの（２種類）、延長部の三角形の交角を２０°としたものと３０°としたもの（２種類）の計４種類とした。１ｍ×２０回落下でも、３ｍ×３回落下でも、実施例のセンサ間に有意差は生じなかった。
【００３０】
これらのことを総合すると、リード８の内で、高温に加熱されあるいは溶接部の影響を受けて強度が低下する部分が、楕円状部１４や延長部１６により保護されて、断線が生じにくくなったことが分かる。また延長部１６の幅が徐々に減少するので、特定の場所に応力が集中することがなく、さらに断線が生じにくくなったものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例のガスセンサの平面図
【図２】 実施例のガスセンサでの、パッドへのリードの取付部の付近を、拡大して示す平面図
【図３】 パッドへのリードの取付部の種類を示す図で、(Ａ)は従来例での取付部を、(Ｂ)は実施例での取付部を、(Ｃ)は変形例での取付部を、(Ｄ)は他の従来例での取付部を示す。
【図４】 実施例での、パッドへのリードの取り付け工程を示す図
【図５】 他の変形例のガスセンサでの、パッドへのリードの取付部を示す図
【符号の説明】
２ ガスセンサ
４ 耐熱絶縁基板
６ ヒータ膜
８ リード
１０ パッド
１２ 固定部材
１４ 楕円状部
１６ 延長部
１８ 溶接部
２０Ａ〜Ｄ ガスセンサ
２２Ａ〜Ｄ 固定部材
２４Ａ〜Ｄ 支点
２６ 被覆部
３０ ディスペンサ
３２ 固定部材
３４ 異種材料層

Claims (6)

1. 耐熱絶縁基板にヒータとガス感応膜とを設けると共に、該基板に厚膜のパッドを設けてリードを取り付け、ペースト材料を焼成してなる固定部材で前記取付部を固定したガスセンサにおいて、
   前記固定部材が、パッドからはみ出すようにリードを覆うことにより、パッドの外側でのリードの剛性を高めるようにしたことを特徴とする、ガスセンサ。
2. 前記固定部材に、リードの方向を長軸方向とする楕円状部を設けて、該楕円状部がパッド上に位置するようにしたことを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
3. 前記固定部材に、徐々に幅が減少し基板に垂直な方向から見た際に三角形状の延長部を設けて、延長部の先端がパッド上からはみ出すようにしてあることを特徴とする、請求項１または２のガスセンサ。
4. 前記延長部の三角形部でのリードに沿った方向での２辺の交角が１０°〜４５°であることを特徴とする、請求項２のガスセンサ。
5. 前記延長部を基板に垂直な方向から見た際に、リードの長手方向に直角な方向で、延長部の幅がリードの直径の２倍以上の長さが、リードの直径の２倍以上であることを特徴とする、請求項３または４のガスセンサ。
6. 耐熱絶縁基板にヒータとガス感応膜とを設けると共に、該基板に厚膜のパッドを設けてリードを取り付け、ペースト材料で前記取付部を被覆して焼成しリードの固定部材とする、ガスセンサの製造方法において、
   前記ペースト材料を前記取付部に供給する部材を、リードに沿って移動させながら、ペースト材料を供給することにより、ペースト材料がパッドからはみ出すようにして、パッドの外側でのリードの剛性を高めたことを特徴とする、ガスセンサの製造方法。

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