JP4537830B2 - ガス検出装置の製造方法およびガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出素子の製造方法およびガス検出装置に関するものである。

従来より、金属酸化物半導体を感ガス材料に用い、感ガス材料をヒータで所定温度に加熱した状態で感ガス材料の抵抗変化から検知対象ガスのガス濃度を検出するガス検出素子が提供されている。ガス検出素子としては、感ガス材料を楕円球状に形成した所謂燒結型のガス感応部を備えるものや、アルミナ基板上に感ガス材料が形成された基板型のガス感応部を備えるものがあった（例えば特許文献１参照）。

図８（ａ）（ｂ）は基板型のガス感応部１の例図であり、略正方形のアルミナ基板１１の裏面の四隅に、ヒータ用の一対の金電極１２Ａ，１２Ｂと、感ガス部用の一対の金電極１３Ａ’，１３Ｂ’とを形成し、金電極１２Ａ，１２Ｂ間に酸化ルテニウムからなるヒータ１４を形成している。また、アルミナ基板１１の表面にはスルーホールにより裏面の金電極１３Ａ’，１３Ｂ’とそれぞれ電気的に接続された金電極１３Ａ，１３Ｂを形成してあり、これら金電極１３Ａ，１３Ｂ間に亘るように酸化錫（ＳｎＯ₂）を主成分とする感ガス材料を塗布焼成している。

ここで、感ガス材料（ＳｎＯ₂）の調整について説明すると、まずＳｎＣｌ₄（塩化スズ）の水溶液をＮＨ₃で加水分解してスズ酸ゾルを得、この得たスズ酸ゾルを風乾燥後に空気中において例えば５００℃で１時間焼成し、ＳｎＯ₂ を得る。このＳｎＯ₂ に骨材として例えば１０００メッシュのアルミナを等量混合し、更に溶媒（例えば硫酸や硝酸など）を加えてペースト状にした後、アルミナ基板１１の正面の金電極１３Ａ，１３ｂの間に亘るように塗布して、たとえば約５００℃で空気中において１時間焼成するのである。

この焼成によって金電極１３Ａ，１３Ｂの間に亘るようにＳｎＯ_２のような金属酸化物半導体からなる感ガス体１５が、アルミナ基板１１の表面においてヒータ１４の略裏側に形成されることになる。また、この形成後にアルミナ基板１１の裏面側の各電極１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ’，１３Ｂ’にはリードワイヤ１６を夫々接続し、これらのリードワイヤ１６からヒータ接続端子および出力用端子を構成する。ここにおいて、金電極１３Ａ，１３Ｂが感ガス部１５の電気抵抗測定用の一対の電極を構成するのである。

ガス感応部１は以上のような構成を有しており、図示しない通電制御部がヒータ１４に通電して感ガス部１５を所望の設定温度に加熱すると共に、電極１３ａ，１３ｂ間の抵抗値を検出することで感ガス部１５の抵抗値を求めており、感ガス部１５が雰囲気ガスに接触すると、雰囲気中の検知対象ガスの濃度に応じて感ガス部１５の抵抗値が変化するので、感ガス部１５の抵抗値変化から検知対象ガスを検出することが可能になる。
特開平１１−２１８５１１号公報（段落番号［０００５］）

上述のガス検出素子は、ヒータ１４の通電用や感ガス材料の抵抗値検出用に複数本の外部接続端子を備え、ガス感応部１の各電極１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ’，１３Ｂ’と対応する外部接続端子との間を上述のリードワイヤ１６により電気的に接続してあり、各リードワイヤ１６の一端は端子４にスポット溶接などの電気抵抗溶接により接続されている（図９参照）。

ここで、図９（ａ）（ｃ）に示すように端子４上に載置したリードワイヤ１６の位置がばらつくと、電気抵抗溶接の際に電極棒６に接触するリードワイヤ１６の長さにばらつきが生じる。同図（ａ）（ｃ）中の点線は電極棒６の先端面を端子４上に投影した範囲を示しており、電極棒６に接触するリードワイヤ１６の長さにばらつきが生じると、同図（ａ）（ｂ）のように溶接点が短い場合と、同図（ｃ）（ｄ）のように溶接点が長い場合とでリードワイヤ１６と端子４との接触部位に流れる電流がばらついて、溶接の安定性が損なわれ、ガス感応部１と端子４との電気的接続の信頼性が低下するという問題があった。

また、図９（ａ）（ｂ）のように溶接点が短いと、狭い範囲に集中して電流が流れ、電極棒６の先端面に凹凸ができるなどして先端面の形状が荒れる可能性があり、電極棒６の先端面が荒れると電極棒６に接触するリードワイヤ１６の長さがばらつくため、上述と同様に溶接の安定性が低下し、ガス感応部１と端子４との電気的接続の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ガス感応部と外部接続端子との間を電気的に接続する金属細線の溶接の安定性を向上させたガス検出素子の製造方法およびガス検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、金属酸化物半導体よりなる感ガス部を備えるガス感応部と、外部接続端子との間を金属細線を介して電気的に接続するにあたり、外部接続端子に接続される側の金属細線の端部に、金属細線の線径よりも直径の大きい略球状の接合部を設けて、当該接合部を前記外部接続端子上に載置し、接合部を外部接続端子に接触させた後、接合部と外部接続端子とにそれぞれ上下両側から電極の先端面を接触させた状態で、両電極間に通電して、電気抵抗熱で接合部と外部接続端子との接触部位を溶融させることにより金属細線を外部接続端子に接合することを特徴とする。
また請求項２の発明は、請求項１記載の製造方法を用いて製造されたガス検出素子であって、金属酸化物半導体よりなる感ガス部を備えるガス感応部と、外部接続端子と、前記ガス感応部と前記外部接続端子との間を電気的に接続する金属細線とを備え、前記外部接続端子に接続される側の前記金属細線の端部に、前記金属細線の線径よりも直径の大きい略球状の接合部が設けられ、当該接合部と前記外部接続端子との接触部位が電気抵抗熱で溶融されることによって前記金属細線が前記外部接続端子に接合されることを特徴とする。

本発明によれば、金属細線の他端に、線径よりも直径の大きな略球状の接合部を形成しているので、電気抵抗溶接を行う際に接合部のみに電極が接触して、接合部以外の金属細線の部位に電極が接触することはないから、溶接点の大きさを略一定にでき、且つ、接合部に電流を集中させることができるから、電気抵抗溶接の安定性が向上するという効果がある。

以下に、本発明に係るガス検出素子の製造方法について図面を参照して説明する。先ず、本製造方法を用いて製造されるガス検出素子の構成を図２に基づいて説明する。このガス検出素子は、ガス感応部１と、ベース２と、キャップ３と、外部接続端子（以下、端子と略称す。）４とを主要な構成として備える。

ガス感応部１は、背景技術で説明した図８のガス感応部１と同一の構成を有し、絶縁基板であるアルミナ基板１１の裏面の四隅にヒータ用の金電極１２Ａ，１２Ｂと感ガス部用の金電極１３Ａ’，１３Ｂ’とを２個ずつ設け、アルミナ基板１１の裏面に金電極１２Ａ，１２Ｂ間に亘るように酸化ルテニウムからなるヒータ１４を形成するとともに、アルミナ基板１１の表面にスルーホールにより裏面の金電極１３Ａ’，１３Ｂ’とそれぞれ電気的に接続された金電極１３Ａ，１３Ｂを形成して、さらに金電極１３Ａ，１３Ｂ間に亘るように感ガス材料からなる感ガス部１５を形成してある。なお、感ガス部１５はヒータ１４の略裏側に位置するように形成されている。

ベース２はＰＢＴなどの合成樹脂により略円板状に形成されており、このベース２を厚み方向に貫通するようにして３本の端子４が一列に埋設固定されている。そして、左右両側の端子の上側部にそれぞれリードワイヤ１６を介してコイル用の電極１２Ａ，１２Ｂが電気的に接続され、中央の端子４の上側部にリードワイヤ１６を介して電極１３Ａ’が、左側の端子４の上側部にリードワイヤ１６を介して電極１３Ｂ’がそれぞれ電気的に接続されている。尚、リードワイヤ１６としては金（Ａｕ）とパラジウム（Ｐｄ）とモリブデン（Ｍｏ）との合金からなる金属細線を用いているが、リードワイヤ１６の材料を上記の合金に限定する趣旨のものではなく、アルミニウム線などの金属細線を用いても良い。

キャップ３は合成樹脂により軸方向の一端側が開口した有底円筒状に形成され、天井部を為す底部には内部と外部とを連通するガス流入口３ａが略中央に形成されており、ガス感応部１を覆うようにしてベース２のガス感応部１側に冠着されている。なお、キャップ３の天井部に設けたガス流入口３ａには、防爆のために例えばステンレス製の１００メッシュの金網５が二重に固着されており、この金網５を通して外部からガス感応部１にガスが導入されるのである。

このガス検出素子を組み立てるにあたっては、感ガス部１５およびヒータ１４が形成されたアルミナ基板１１の電極１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ’，１３Ｂ’にリードワイヤ１６の一端を溶接或いは熱圧着などの方法で電気的且つ機械的に接続するとともに、リードワイヤ１６の他端を加熱するなどして、部分的に溶融させることでリードワイヤ１６の線径よりも直径の大きな略球状の接合部１６ａを形成する。略球状の接合部１６ａを形成する方法としては、リードワイヤ１６の切断時に行えばより効率的である。たとえば小型バーナーの炎でリードワイヤ１６を部分的に溶融するか、或いは、二つの電極をリードワイヤ１６に接触させて電流を印加することにより、リードワイヤ１６を部分的に溶融して切断すると、リードワイヤ１６の線径よりも直径の大きな略球状の接合部１６ａが形成される。ここで、リードワイヤ１６として例えば線径が約５０μｍの金属細線を用い、このリードワイヤ１６の他端に直径が約１２０μｍの略球状の接合部１６ａを形成した後、リードワイヤ１６の接合部１６ａを端子４にスポット溶接などの電気抵抗溶接により溶接する。その後、端子４にベース２をインサート成形し、ベース２にキャップ３を嵌着して、ガス検出素子の組立を完了する。

ここで、本発明に係る製造方法では、一端がガス感応部１５の電極１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ’，１３Ｂ’に接続されたリードワイヤ１６の他端を端子４に溶接するにあたり、リードワイヤ１６の他端を加熱するなどして、先端部を部分的に溶融させることで、リードワイヤ１６の線径よりも直径が大きな略球状の接合部１６ａを形成し、この接合部１６ａを端子４に接触させた後、接合部１６ａに上側から電極６を接触させるとともに、端子４に下側から電極６’を接触させた状態で、両電極６，６’間に通電し、球状部１６ａと端子４との接触部位を電気抵抗熱で溶融させることで、リードワイヤ１６を端子４に電気的且つ機械的に接合する。

したがって、図３（ａ）（ｃ）に示すようにリードワイヤ１６の先端位置がばらついたとしても、同図（ｂ）（ｄ）に示すように電極６の先端面が略球状の接合部１６ａのみに接触し、接合部１６ａ以外のリードワイヤ１６の部位に接触することがないから、溶接点の長さがばらつくことはなく、接合部１６ａのみに電流が集中して、溶接の安定性を向上させることが可能になる。また、リードワイヤ１６の他端（端子４との接合部位）に略球状の接合部１６ａを形成していない場合は、図４（ｂ）に示すように長期間の使用によって電極６の先端面が斜めに削れたり、凹凸ができるなどして先端面の形状が荒れると、リードワイヤ１６の先端の位置が一定していても、電極６に接触する部分の面積にばらつきが発生して溶接の安定性が低下する可能性があるが、リードワイヤ１６の先端に大径の接合部１６ａを形成していれば、図４（ａ）に示すように接合部１６ａのみが電極６の先端面に接触することになり、溶接点の大きさを略一定にして、溶接の安定性を高めることが可能になる。

なお、図５に示すようにアルミナ基板１１と端子４とを高さ方向に位置をずらして略平行に配置し、アルミナ基板１１の各電極と端子４との間を電気的且つ機械的に接続するリードワイヤ１６の中間部を略Ｚ字状に撓ませても良く、リードワイヤ１６の中間部を撓ませることによって、振動が加わった場合でもリードワイヤ１６に張力が加わってリードワイヤ１６が断線するのを防止できる。

ところで、以上の説明では本発明に係る製造方法を、アルミナ基板１１に感ガス部１５が形成されたガス感応部１を備えるガス検出素子に適用した例を説明したが、図６及び図７に示すように感ガス材料を楕円球状に形成した所謂燒結型のガス感応部を備えるガス検出素子に適用しても良い。

図７に示すように、このガス検出素子は、略円板状の樹脂製のベース２と、ベース２を貫通してベース２の表面側および裏面側に突出する３本の端子４と、各々の端子４にリードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａを介して取り付けられたガス感応部１と、天井面を有する略円筒状に形成されガス感応部１を覆うようにしてベース２に冠着される金属製のカバー３と、カバー３の天井面に設けたガス流入口３ａに取着されたステンレス製の金網５とを備えている。

ガス感応部１は、図６に示すように酸化錫（ＳｎＯ_２）などの金属酸化物半導体を主成分とし略球状（球状あるいは楕円球状）に形成された所謂焼結体型の感ガス部１９を有しており、この感ガス部１９中にコイル状の白金よりなるヒータ兼用電極１７を埋設するとともに、ヒータ兼用電極１７のコイルの中心を貫通するようにして貴金属線からなる中心電極１８を感ガス部１９中に埋設して形成される。ここに、感ガス部１９から突出するヒータ兼用電極１７の両端部から上述のリードワイヤ１７ａ，１７ｂが構成され、感ガス部１９から突出する中心電極１８の一端部（下端部）からリードワイヤ１８ａが構成される。なお、感ガス部１９の外径寸法は０．８ｍｍ以下となっており、感ガス部１９を略平板状に形成したり、略円筒状に形成して筒内にコイルを埋設した場合に比べて感ガス部１９を小型化でき、熱容量を小さくすることができる。

このような構成のガスセンサの製造方法を以下に説明する。先ず、３本の端子４をインサート成形によりベース２と同時成形した後、左右両側の端子４，４の先端にヒータ兼用電極１７の両端（リードワイヤ１７ａ，１７ｂ）を、中央の端子４の先端に中心電極１８の一端（リードワイヤ１８ａ）をそれぞれ電気抵抗溶接により接合する。次にＰｄ，Ｐｔなどの触媒を添加した酸化錫の粉体に溶媒（硫酸や硝酸など）を加えてペースト状にしたものを電極１７，１８に塗布し、両電極１７，１８の略全体を内部に埋設した楕円球状の感ガス部１９を形成して、約６００℃で燒結させた後、感ガス部１９の機械的強度を上げるためにシリカ系バインダーを塗布し、再び約６００℃で焼成する。そして、感ガス部１９を覆うようにしてベース２にカバー３を嵌着し、カバー３をかしめることによってベース２に固定して、ガス感応部１の組立を完了する。

ここで、３本の端子４にそれぞれリードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａを溶接するにあたっては、リードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａの先端を加熱するなどして、先端部を部分的に溶融させることで、リードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａの線径よりも直径が大きな略球状の接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂを形成し、これらの接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂを対応する端子４にそれぞれ接触させた後、接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂと端子４とにそれぞれ電極を接触させた状態で、両電極間に通電して、電気抵抗熱で接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂと端子４との接触部位を溶融させることにより、リードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａを端子４に接合する。このようにリードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａの先端部に設けた略球状の接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂに電極を接触させて電気抵抗溶接を行うので、上述と同様、電極の先端面が接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂのみに接触し、接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂ以外のリードワイヤ１７ａ，１７ｂ，１８ａの部位に接触することがなく、溶接点の長さがばらつくことがないから、接合部１７ｃ，１７ｃ，１８ｂのみに電流が集中して、溶接の安定性を向上させることが可能になる。

ところで、端子４の材料として従来は鉄とニッケルの合金が用いられていたが、リードワイヤを溶接により接合するために端子４の表面に半田めっきを施すことができないので、感ガス材料を焼成する際に飛散した溶媒中の硫酸或いは硝酸によって端子４に錆が発生する可能性があった。そこで、端子４の材料として例えば銅、ニッケル、亜鉛合金（所謂洋白）や純ニッケルなどの材料、特に好ましくは銅の含有量が５４．０〜５８．０％、ニッケルの含有量が１６．５〜１９．５％で、残部が亜鉛の銅、ニッケル、亜鉛合金（ＪＩＳ Ｈ ３１３０ Ｃ７７０１）を用いるのが好ましく、これらの材料は錆びにくい性質を有しているので、感ガス部１５を焼成する際に溶媒の硫酸や硝酸が飛散して、端子４に付着したとしても端子４に錆が発生するのを抑制することができる。

ガス検出素子の要部を示す斜視図である。 同上の一部破断せる外観斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は同上のリードワイヤと外部端子との溶接箇所の説明図である。 （ａ）（ｂ）は同上のリードワイヤと外部端子との溶接箇所の説明図である。 同上の他の形態を示す要部拡大図である。 ガス検出素子の他の構成を示し、キャップを外した状態の説明図である。 （ａ）は同上の一部破断せる正面図、（ｂ）は同上の一部破断せる上面図である。 同上のガス感応部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は裏面図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来の製造方法を用いたリードワイヤと外部端子との溶接箇所の説明図である。

符号の説明

４ 端子
１１ アルミナ基板
１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ’，１３Ｂ’ 電極
１４ ヒータ
１６ リードワイヤ
１６ａ 球状部

Claims (2)

1. 金属酸化物半導体よりなる感ガス部を備えるガス感応部と、外部接続端子との間を金属細線を介して電気的に接続するにあたり、前記外部接続端子に接続される側の前記金属細線の端部に、前記金属細線の線径よりも直径の大きい略球状の接合部を設けて、当該接合部を前記外部接続端子上に載置し、接合部を前記外部接続端子に接触させた後、前記接合部と前記外部接続端子とにそれぞれ上下両側から電極の先端面を接触させた状態で、両電極間に通電して、電気抵抗熱で前記接合部と前記外部接続端子との接触部位を溶融させることにより前記金属細線を前記外部接続端子に接合することを特徴とするガス検出素子の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法を用いて製造されたガス検出素子であって、
   金属酸化物半導体よりなる感ガス部を備えるガス感応部と、外部接続端子と、前記ガス感応部と前記外部接続端子との間を電気的に接続する金属細線とを備え、前記外部接続端子に接続される側の前記金属細線の端部に、前記金属細線の線径よりも直径の大きい略球状の接合部が設けられ、当該接合部と前記外部接続端子との接触部位が電気抵抗熱で溶融されることによって前記金属細線が前記外部接続端子に接合されることを特徴とするガス検出素子。

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