JP5677892B2 - イオンセンサー装置及びイオンセンサー装置を備えたイオン濃度測定装置 - Google Patents
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Description
このため、薬液等の測定対象である流体が、密閉部の内部に侵入することがない。したがって、密閉部に配置されている電気的導通部の絶縁低下を防止できる。特に、電気的導通部同士のショートを防止可能である。さらには電気的導通部が腐食あるいは変質することを防止することができる。このため、測定対象流体のイオン濃度対応値を正確に検出可能であり、長期に渡って信頼性の高い検出を可能とするイオンセンサー装置を得ることができる。
また、密閉部は、外部から閉鎖された部屋である。密閉部は、その内部に、前記電気的導通部以外に空間が存在している場合、前記電気的導通部以外に封止リング部や回路基板とケース部とを接合する接着材で埋め尽くされている場合、及び前記電気的導通部以外に封止リング部や前記接着材と空間が存在している場合があり得る。
なお、上記配線パターンに係わる絶縁低下とは、配線パターンと電子回路部品の端子等とのショート、また複数の配線パターン同士のショートを含むものである。また前記配線パターンは、前記イオンセンサーチップと導通し、回路基板の裏面に配置される電子回路部品の端子に導通し、あるいは前記他の電気的導通部に導通するものを含む。
なお、上記電子回路部品の端子等に係わる絶縁低下とは、電子回路部品の端子等同士のショート、電子回路部品の端子等と配線パターンとのショート、また電子回路部品の端子等と前記他の電気的導通部とのショートを含む。
すなわち、一方では、配線パターンは、確実な導電性確保の観点から一定幅以上のパターン幅を必要とする。他方では、外周縁リング及び液絡部外周リングは、幅広にしすぎるとケース部の対向面と密着しにくくなり、部分的な隙間が生じやすくなる。そこで、外周縁リング及び液絡部外周リングは、ある程度幅狭に形成することが好ましい。このため、回路基板を対向面に押圧して上記密着を行わせようとする際、幅狭な外周縁リング及び液絡部外周リングに上記押圧時の圧力が集中し、外周縁リング及び液絡部外周リングの全周がケース部の対向面に確実に密着する。したがって、測定対象流体がイオンセンサー装置の前記密閉部の内部に侵入することを確実に防止することができる。
図1〜図11は、実施形態1におけるイオン濃度測定装置1と、イオン濃度測定装置1の一部を構成するイオンセンサー装置2を示す図である。
なお、各図の縮尺は、理解しやすくするために必ずしも統一されていない。また各図において、構造の理解を助けるために誇張表示した部分があり、例えば配線パターン、外周縁リング、液絡部外周リング、島状部、ダミーパターンは、実際の厚さよりも厚い比率で誇張表示した。
このため、封止リング部60は、回路基板30にISFETチップ10を固定するとともに、薬液が内部に侵入することを確実に防止する。また封止リング部60は、回路基板20の裏面にISFETチップ10を固定することにも寄与している。なお、封止リング部60がイオン感応部の外周縁11a付近だけに形成されているため、封止リング部60の内側領域では、イオン感応部11が薬液に接触可能である。
外部導通部材80は、図3のように、ケース部40内に配置され、他端は装置基部3の電気導通部材(図示せず)に導通している導電ケーブルである。装置基部3の前記電気導通部材は、接続コード4を介して制御装置5に導通する。このため、イオンセンサー装置2で薬液のpH値の対応値を検出すると、制御装置5がpH値を計数しその値を表示する。
はんだボールリング34、外周縁リング35、液絡部外周リング36、島状部37及びダミーパターン38の断面構造、材質、厚さ及び製造方法は、上述の配線パターン33と同様であるが、詳細は、後述する。
ケース部40は、射出成型が可能で、寸法精度が高く、機械的強度が強く、耐薬品性(耐酸、耐アルカリ)と耐熱性(約200℃)に優れるなどの条件から、液晶ポリマー樹脂であるポリプラスチックス株式会社製の商品名ベクトラA410が好ましい。ケース部40は、図1のように、左側先端が、図1のケース部40の底辺に対して角度α(70度程度)を有した傾斜状の面に形成され、この傾斜状の面に対して回路基板30がほぼ平行に配置され固定されている。
なお、回路基板30の裏面には、図5のようにはんだボール75に対応する位置にはんだボールリング34が形成されている。はんだボールリング34は、回路基板30に対するはんだボール75の平面位置を定め、しかもはんだボール75の表面が溶融する際に溶融はんだが周囲に流れ去ることを防止する。このため回路基板30は、ケース部40の所定位置に確実に位置決めされる。また、上記はんだボール75は、はんだで形成する以外に他の金属(ステンレススチール、黄銅等)からなる金属ボールを用いてもよく、この金属ボールや上記はんだボール75を回路基板30に接合する接合材は、上記はんだ以外の接合材、例えばエポキシ系熱硬化性接着材を用いてもよい。
密閉部Mに配置されている電気的導通部は、サーミスター20及びコンデンサー25等の電子回路部品、さらには配線パターン33等の電気的導通の役割を有しているものを指すが、同時に、配線パターン33とサーミスター20の接続リード21との電気的導通箇所、配線パターン33とコンデンサー25の端子との電気的導通箇所、各配線パターン33と外部導通部材80との電気的導通箇所である他端群33dも含む。
なお、配線パターン33とISFETチップ10の各ソース電極S、基準電極R及びドレイン電極Dとの導通接合箇所は、封止リング部60に埋め込まれるように配置されているが、前記密閉部M内に配置してもよい。
上記密着を図る際、回路基板30を対向面42に押圧する。その際に対向面42に多数の微細な凸部が形成されているが、この微細凸部は、外周縁リング35及び液絡部外周リング36の金属膜により容易につぶれて塑性変形する。このため、外周縁リング35及び液絡部外周リング36の金属膜と前記対向面42全域とはより確実な密着状態になる。
なお、前記対向面42の微細な凹部は、外周縁リング35及び液絡部外周リング36と対向しない箇所にも形成される。この箇所においては、第1接着材層65が上記凹部に流れ込むので、凹部が上記接着材のアンカー効果を呈し、回路基板30をケース部40に強固に接合することができる。
したがって、島状部37は、回路基板30がケース部40の対向面42側へ変形することを防止する。このため、回路基板30の平面全領域において対向面42に対する平行度を確保することができる。島状部37は、円形状であるが、多角形状、長円形状等、任意の形状を採用することができる。
まず、回路基板30を製造する。回路基板30の原料としては、ポリアクリレート系の液晶ポリマーフィルム材の裏面に電解銅膜を面圧成型によってラミネートし、この銅膜上にニッケルメッキ及び金メッキを施した基材を用いる。この基材に、配線パターン33、はんだボールリング34、外周縁リング35、液絡部外周リング36、島状部37及びダミーパターン38の相当部分をマスクしてから銅膜をエッチング除去し、イオン感応部露出開口31及び液絡部露出開口32をプレス抜きして、回路基板30を得る。
このため、薬液の測定対象が、密閉部Mの内部に侵入することがない。したがって、密閉部Mに配置されている電気的導通部の絶縁低下を防止することができる。特に、電気的導通部である、配線パターン33、サーミスター20、コンデンサー25の各々同士、及び配線パターン33とサーミスター20、コンデンサー25及び外部導通部材80との導電箇所のショートを防止することができる。さらにそれら電気的導通部の腐食あるいは変質を防止することができる。このため、薬液のイオン濃度対応値であるpH対応値を正確に検出可能であり、長期に渡って信頼性の高いpH対応値を検出を可能とするイオンセンサー装置2及びイオン濃度測定装置1を得ることができる。
すなわち、一方では、配線パターンは、確実な導電性確保の観点から一定幅以上のパターン幅を必要とする。他方では、外周縁リング35及び液絡部外周リング36は、幅広にしすぎるとケース部40の対向面42と密着しにくく部分的な隙間が生じやすくなる。そこで、外周縁リング35及び液絡部外周リング36は、ある程度幅狭に形成することが好ましい。このため、回路基板30を対向面42に押圧して上記密着を行わせようとする際、幅狭な外周縁リング35及び液絡部外周リング36に上記押圧時の圧力が集中し、外周縁リング35及び液絡部外周リング36の全周がケース部40の対向面42に確実に密着する。したがって、測定対象流体がイオンセンサー装置2の密閉部Mの内部に侵入することを確実に防止することができる。
そこで、回路基板30をケース部40に接合する際に回路基板30に加わる押圧力により、上記所定距離に対応する回路基板30の外周側壁30aの近傍裏面側には外周縁リング35が不在のため、外周側壁30aの近傍部分がケース部40側に食い込むように変形し、この状態で接合される。このため、外周縁リング35と前記対向面42との密着度が高まる。しかも回路基板30の上記所定距離に相当する外周側壁30a近傍部分はケース部40側に食い込んだ状態で接合されるので、回路基板30の外周側壁30aが剥離されにくくなる。
しかも、回路基板30のイオン感応部露出開口31を形成する内縁部31aにおいて、ISFETチップ10とイオン感応部露出開口31との厚さ方向での隙間が安定するので、封止リング部60がイオン感応部露出開口31の全周にわたって安定して構成される。このため、封止リング部60により、測定対象流体がイオンセンサー装置2の密閉部Mの内部に侵入することを確実に防止することができる。
実施形態1では、回路基板30の裏面に配線パターン33が形成され、この配線パターン33の一端が、ISFETチップ10の各電極R、S、Dに導通接続し、またはサーミスター20やコンデンサー25に接続し、他端が外部導通部材80に導通接続するものであった。実施形態1の変形例1は、配線パターンを回路基板30の裏面に配置せず、他の導電手段によりISFETチップ10の各電極やサーミスター20やコンデンサー25と外部導通部材80とを導通接続するものである。
例えば、配線パターンを回路基板30の内層に埋設し、配線パターンの一端を、裏面側に露出させてISFETチップ10の各電極R、S、Dに導通接続し、サーミスター20やコンデンサー25に導通接続し、配線パターンの他端をも裏面側に露出させて外部導通部材80に導通接続する。上記裏面側に露出させるのは、回路基板30の該当箇所にスルーホールを開け、スルーホールに埋め込んだ導電性部材を用いる。したがって、回路基板に埋め込まれた配線パターンの電気ショートは、確実に防止される。上記配線パターンの他に、導電ワイヤーを用いてISFETチップ10の各電極、サーミスター20やコンデンサー25と外部導通部材80に導通接続してもよい。
実施形態1は、回路基板30の裏面にサーミスター20、コンデンサー25等の電子回路部品を取り付けていた。実施形態2は、回路基板の裏面に、前記電子回路部品を取り付けない点で実施形態1と異なる。前記電子回路部品は、図1に図示された装置基部3もしくは制御装置5に配置される。その他は、基本的には実施形態1と同様である。
図12において、回路基板130の裏面には、実施形態1と同様にISFETチップ10が取り付けられ、さらにISFETチップ10の基準電極R、ソース電極S及びドレイン電極Dに一端側が導通接続する各々の配線パターン133が配設されている。各々の配線パターン133の他端側は、ほぼ一箇所に集合して他端群133dを構成している。この他端群133dにおいて、外部導通部材80と導通接続している。
このため、薬液の測定対象が、密閉部Mの内部に侵入することがない。したがって、密閉部Mに配置されている電気的導通部に係わる絶縁低下を防止することができる。特に、電気的導通部である、配線パターン133同士、及び配線パターン133の他端群133dと外部導通部材80との導電箇所のショートを防止することが可能である。さらにはそれら電気的導通部の腐食あるいは変質を防止することができる。このため、薬液のイオン濃度対応値であるpH対応値を正確に検出可能であり、長期に渡って信頼性の高いpH対応値を検出可能とするイオンセンサー装置2及びイオン濃度測定装置1を得ることができる。
上記各実施形態において、外周縁リング35及び液絡部外周リング36は、平面形状がほぼ円形であった。変形例2は、外周縁リング35及び液絡部外周リング36の平面形状を非円形に構成したものである。図13は、外周縁リング235の平面図である。図13の外周縁リング235は、平面形状が凹凸形状である。このため、凹凸形状の外周縁リング235とケース部40の対向面42との密着長さが長くなり、薬液の侵入力に対する密着部の抵抗力を高めることができる。このため、薬液が密閉部Mの内部に侵入することをより確実に阻止することができる。
上記各実施形態において、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136は、1つのリングであった。変形例3は、外周縁リング35、135と液絡部外周リング36、136の少なくとも一方を、平面配置において多重のリングで構成するものである。例えば、内側リングの外側に外側リングを配置する2重リングでもよく、さらにその外側に他のリングを配置する3重リングでもよい。外周縁リング35、135と液絡部外周リング36、136は、同じリング数にすることも、異なるリング数とすることもできる。例えば、外周縁リング35、135を2重にし、液絡部外周リング36、136を1重とすることも可能である。外周縁リング35、135と液絡部外周リング36、136の少なくとも一方を、多重のリングで構成すると、ケース部40の対向面42に密着するリング数が増え、その分、イオンセンサー装置2、102の密閉部Mがより密閉状態となる。このため、薬液等の測定対象である流体が、配線パターン33、133を配置しているイオンセンサー装置2、102の密閉部Mの内部に侵入することをより防止することができる。
上記各実施形態において、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136は、配線パターン33、133、島状部37及びダミーパターン38と同じ金属で構成され、厚さも同じものであった。変形例4は、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136が、配線パターン33、133、島状部37及びダミーパターン38の少なくとも1つとは異なる金属または厚さで構成されるものである。その様な構成にすると、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136は、配線パターン33、133、島状部37及びダミーパターン38に影響されず独自に材質、高さを設定することができる。このため、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136とケース部40の対向面42との密着性を最良にすることができる。例えば、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136の厚さを、他よりも厚く形成すると、回路基板30,130が対向面42側に押圧される際に、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136には他の部分よりも高圧がかるため、外周縁リング35、135及び液絡部外周リング36、136が対向面42により確実に密着する。
上記各実施形態において、回路基板30、130は、フレキシブル回路基板であった。変形例5は、回路基板をフレキシブル性が殆ど認められない材料を用いている。変形例5の回路基板は、例えば無機ガラスを用いる。無機ガラスを用いれば、強度が強く、耐薬品性に優れるので多種類の測定対象のイオン濃度を検出することが出来る。測定対象によっては、ガラス繊維入りエポキシ樹脂を回路基板に用いてもよい。
なお、各実施形態及び各変形例では、イオンセンサーチップ(ISFETチップ10)を用いていたが、このISFETチップ10に代えて他の高絶縁性を必要とする他のセンサーを用い、それ以外は、各実施形態及び各変形例と同様の構造とすることも可能である。上記他のセンサーを例示すれば、電気伝導率センサー、溶存酸素濃度センサー及び塩分濃度センサー等であり、例えば水質測定用センサー装置に適用される。
Claims (12)
- イオン感応部を有するイオンセンサーチップと、
裏面に前記イオンセンサーチップを保持するとともに、前記イオン感応部を露出させるイオン感応部露出開口及び液絡部露出開口が形成された回路基板と、
前記回路基板を保持するケース部と、
前記液絡部露出開口から一端が露出する状態で前記ケース部に配置された液絡部とを備え、
前記回路基板の前記イオン感応部露出開口を形成する内縁部と前記イオン感応部の外周縁とは封止リング部により封止され、
前記回路基板は、最外周縁の近傍裏面に金属膜からなる外周縁リング及び前記液絡部露出開口を形成する内縁部の近傍裏面に金属膜からなる液絡部外周リングが形成されており、
前記回路基板が前記ケース部に保持された際に、前記外周縁リング及び前記液絡部外周リングが前記回路基板の裏面に対向する前記ケース部の対向面に実質的に密着されることにより、前記外周縁リングの内側領域であり前記封止リング部の外側領域でありかつ前記液絡部外周リングの外側領域に該当する平面領域において前記回路基板の裏面及び前記イオンセンサーチップの裏面とケース部との間には、外部密閉された密閉部が形成されており、
前記密閉部には、電気的導通部が配置されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1に記載されたイオンセンサー装置であって、
前記電気的導通部は、前記回路基板の裏面に配置された金属膜からなる配線パターンであることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1または請求項2に記載されたイオンセンサー装置であって、
前記電気的導通部は、前記回路基板の裏面に保持された電子回路部品であることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項2または請求項3に記載されたイオンセンサー装置であって、
前記外周縁リング及び前記液絡部外周リングは、前記配線パターンと同一の材料で同一厚に形成されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項2から請求項4のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記外周縁リング及び前記液絡部外周リングは、前記配線パターンの最小幅より幅狭に形成されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1から請求項5のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記回路基板は、フレキシブル回路基板であることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項6に記載されたイオンセンサー装置であって、
前記外周縁リングは、前記回路基板の外周側壁から所定距離だけ内側領域に配置され、前記液絡部外周リングは、液絡部露出開口を形成する前記内縁部から所定距離だけ外側領域に配置されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1から請求項7のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記ケース部は合成樹脂材からなり、前記ケース部の前記対向面の面粗さは、前記外周縁リング及び前記液絡部外周リングの面粗さよりも粗く形成されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1から請求項8のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記回路基板の裏面には、前記外周縁リング及び前記液絡部外周リングと同一厚で同一金属膜からなり、前記外周縁リングの内側領域において前記ケース部の対向面に接触可能な平面位置に配置され、どの導通部材とも導通しない島状部を有し、当該島状部が前記対向面に接触していることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項2から請求項9のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記回路基板における前記イオン感応部露出開口を形成する前記内縁部の近傍裏面であり、前記イオン感応部露出開口を挟んだ前記配線パターンの対向側に、前記配線パターンと同一厚の金属膜からなるダミーパターンが形成されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1から請求項10のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置であって、
前記回路基板に接合され、かつ前記回路基板を前記ケース部に位置決めするための金属ボールをさらに備えており、
前記金属ボールは、前記ケース部の所定位置に形成された金属ボール位置決め孔に挿入されていることを特徴とするイオンセンサー装置。 - 請求項1から請求項11のうちいずれかに記載されたイオンセンサー装置と、前記イオンセンサー装置にイオン濃度対応値を検出させてイオン濃度測定結果を出力する測定出力制御部とを備えたことを特徴とするイオン濃度測定装置。
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