JP6533380B2

JP6533380B2 - センサ

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Publication number: JP6533380B2
Application number: JP2014227153A
Authority: JP
Inventors: 亮祐松井; 伸吾吉田; 澤田　真一; 真一澤田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: DE102014016636A1; JP2016011941A; US9709425B2; US20150143901A1

Description

本発明は、被検出雰囲気の特定成分のガス濃度、温度、湿度などの所定の特性を検出するセンサに関する。

近年、環境保護や自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギ源として、燃料電池の研究が活発に行われている。特に、低温で作動し、高出力で高密度な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関は、家庭用途や車載用途に期待されている。但し、これらのエネルギ源は水素を燃料としているため、水素漏れの有無を検知するセンサが必要となる。

従来、水素等の可燃性ガスの濃度を検出するセンサとして、センサ素子を保持する素子ケースを回路基板上に配し、この回路基板を樹脂製の収容ケース（ケーシング部材）に収容した構成が知られている（特許文献１参照）。このセンサにおいては、収容ケースの下部中央から下方に環状に突出しつつ開口する流路形成部が設けられ、この流路形成部内にセンサ素子を臨ませつつ、素子ケースと収容ケースとの間をゴム製のＯリングで密閉している。これにより、素子ケースと流路形成部との間に被検出雰囲気を導入する内部空間（測定室）を形成し、センサ素子により可燃性ガスの濃度を検出するようになっている。

特開２００８−２６７９４８号公報（図２）

ところで、素子ケースを用いずにセンサ素子を直接回路基板上に搭載し、この回路基板をケーシング内に収容して回路基板とケーシング部材との間にＯリングを介在させて測定室を形成する場合、以下の問題がある。
まず、Ｏリングを高い圧力で回路基板に押圧すると、回路基板に大きな応力（撓み）が加わる。その結果、回路基板に形成された配線部が断線したり、回路基板に半田付けされた電子部品や金具等の半田部分が断線するおそれがある。
さらに、Ｏリングを高い圧力で回路基板に押圧すると、Ｏリングを介してケーシング部材と回路基板とが強固に固定され、外部からケーシング部材に衝撃が加わったりケーシング部材が熱膨張すると、回路基板にケーシング部材の衝撃等が直接掛かり、上述の配線部や半田部分の断線が生じ易くなる。
そこで、本発明は、測定室の一部を形成する回路基板を、これを収容するケーシング部材に固定する際の回路基板の損傷を抑制した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、本発明のセンサは、被検出雰囲気に晒され、該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子と、前記センサ素子を自身の素子取付面に搭載する回路基板と、前記回路基板を収容するケーシング部材であって、前記センサ素子を臨ませつつ、自身に形成されたガス導入口を介して前記被検出雰囲気に連通する測定室を有するケーシング部材と、前記素子取付面に接触する状態で、前記素子取付面と前記ケーシング部材との間に介装される環状の弾性シール体と、を備え、前記弾性シール体は発泡ゴムからなり、前記弾性シール体の前記ケーシング部材に向く端面及び前記素子取付面に向く端面は平坦部からなり、前記弾性シール体は、前記平坦部全体が前記素子取付面と前記ケーシング部材に接するとともに前記平坦部間で自身が圧縮された状態で、前記素子取付面と前記ケーシング部材との間に介装され、前記回路基板の前記素子取付面に配線部が形成され、該配線部の表面に前記弾性シール体の前記平坦部の少なくとも一部が密着している。

このセンサによれば、弾性シール体は柔軟な発泡ゴムからなり、素子取付面に向く端面の少なくとも一部が平坦になっているため、素子取付面に面接触する。又、弾性シール体は柔軟な発泡ゴムからなるため、Ｏリングに比べて低い圧力で回路基板に押圧しても十分なシールが得られ、回路基板に加わる応力（撓み）が低減される。その結果、回路基板に形成された配線部が断線することや、回路基板に半田付けされた電子部品や金具等の半田部分が断線することが抑制される。
さらに、弾性シール体を高い圧力で回路基板に押圧しなくとも十分なシールが得られるため、弾性シール体を介してケーシング部材と回路基板とが強固に固定されない。その結果、外部からケーシング部材に衝撃が加わったりケーシング部材が熱膨張しても、弾性シール体がずれる等によって応力が吸収され、ケーシング部材の衝撃等が回路基板に直接掛かることが少なくなるので、上述の配線部や半田部分の断線がさらに抑制される。
なお、弾性シール体は、素子取付面とケーシング部材との間に介装されていればよいが、弾性シール体が上記平坦部間で素子取付面とケーシング部材とに高い気密性を維持するように接触するとより好ましい。

前記回路基板の前記素子取付面に配線部が形成され、該配線部の表面に前記弾性シール体の前記平坦部の少なくとも一部が密着していてもよい。
このセンサによれば、素子取付面に形成された配線部による凹凸があっても、素子取付面に弾性シール体を密着させることができるので、素子取付面と弾性シール体との密着部位で配線部を避ける等の回路設計の変更が不要となる。
なお、「密着」とは、弾性シール体の押圧力がしっかりと掛かっている状態である。

前記弾性シール体の前記ケーシング部材に向く端面が前記ケーシング部材に接着され、前記弾性シール体の内側面は、前記測定室の内壁の少なくとも一部を形成してもよい。
このセンサによれば、Ｏリングを配置する場合のようにケーシング部材にＯリングの保持溝を設けなくてよく、ケーシング部材の製造が容易になる。又、弾性シール体の内側面が測定室の内壁の一部を形成しているので、ケーシング部材の形状が簡単になるとともに、測定室に使用するケーシング部材の材料を削減できる。

前記弾性シール体は、無荷重の状態で、前記平坦部に直交する断面が矩形状をなしてもよい。
このセンサによれば、弾性シール体の端面のうち平坦部の割合が多くなり、相手材であるケーシング部材や素子取付面により確実に密着できる。

前記発泡ゴムは、複数の独立気泡を有してもよい。
このセンサによれば、発泡ゴムの気泡を介して被検出雰囲気であるガスが外部に通り抜けることができず、シール性が向上するので好ましい。

この発明によれば、測定室の一部を形成する回路基板を、これを収容するケーシング部材に固定する際の回路基板の損傷を抑制させたセンサを得ることができる。

本発明の実施形態に係るセンサの斜視図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。センサの分解斜視図である。センサ素子の平面図である。センサ素子を表面実装した実施形態に係るセンサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るセンサ１００の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３はセンサ１００の分解斜視図である。なお、以下の説明では、図１〜図３の上下方向に合わせて、「上面」、「下面」を規定する。

図１に示すように、センサ１００は、プラスチック等から成形された略矩形箱状のケーシング部材１０を備えている。ケーシング部材１０は、ケーシング本体部１１と、ケーシング本体部１１の上面開口１１ａ（図３参照）を閉塞する略平板状の上面板１２とを備えている。
ケーシング本体部１１の２つの長辺の中央部から外側に向かってそれぞれフランジ部１１ｂが延びており、各フランジ部１１ｂの中央にはボルト孔１１ｈが開口している。そして、ボルト孔１１ｈに挿通したボルト（図示せず）を、センサ１００の取付対象体（例えば車両の所定部位）にネジ止めすることで、センサ１００を取付対象体に取付けるようになっている。又、ケーシング本体部１１の１つの短辺から外側に向かい、外部との信号の入出力を行うための筒状のコネクタ部１１ｃが延びている。

一方、上面板１２の中央部から上方に向かって環状部材１２ａが突出し、環状部材１２ａの内側にはガス導入口１２ｈが開口し、ガス導入口１２ｈを介して被検出雰囲気がケーシング部材１０の内外に流通するようになっている。又、図２に示すように、環状部材１２ａを含む上面板１２は、詳しくは環状の上部網押え２１及び下部網押え２２の周囲にインサート成型され、上部網押え２１及び下部網押え２２の内側開口がガス導入口１２ｈになっている。さらに、上部網押え２１及び下部網押え２２の間には金網２０が挟持され、この金網２０がガス導入口１２ｈを覆っている。又、金網２０より下側であって、下部網押え２２の下面には撥水フィルタ２５が、ガス導入口１２ｈを覆うように配置され、ガス導入口１２ｈからセンサ１００に水が浸入することを防止している。撥水フィルタ２５は、金網２０より上側（例えば上部網押え２１の上面）で、ガス導入口１２ｈを覆うように配置されてもよい。
なお、センサ１００は、被検出雰囲気中の水素濃度を測定する水素ガスセンサである。又、金網２０は、ケーシング部材１０の内部に配置されたセンサ素子６０（図２、図３参照）の温度が水素ガスの発火温度よりも上昇して発火した場合であっても、火炎がケーシング部材１０の外部に出るのを防止する防爆機能を有するフレームアレスタとなっている。但し、例えばセンサ１００が温度センサ等である場合は、防爆機能は不要であるので金網２０を設けなくてよい。

図２、図３に示すように、センサ１００は、センサ素子６０と、回路基板３０と、センサ素子６０及び回路基板３０を収容する上述のケーシング部材１０とを備えている。回路基板３０の上面（素子取付面）３０ａには、後述する矩形の台座３５を介してセンサ素子６０が搭載（実装）されている。一方、ケーシング本体部１１の内部には、回路基板３０の下面（素子取付面３０ａと反対の面）に当接する複数の脚部１１ｐが上方に向かって突出し、ケーシング本体部１１の内部に回路基板３０を位置決めしている。そして、回路基板３０をケーシング本体部１１に収容し、ケーシング本体部１１の上面開口１１ａの内縁に上面板１２を嵌合すると、後述するように上面板１２の下面に接着された弾性シール体４０が回路基板３０の素子取付面３０ａを押圧し、回路基板３０を固定するようになっている。又、この際、センサ素子６０がガス導入口１２ｈに向くようになっている。
なお、上面板１２は、ケーシング本体部１１に接着剤や溶着等によって固定される。又、突部１２ｐは、上面開口１１ａに上面板１２を配置する際のガイドとなっており、回路基板３０の素子取付面３０ａに当接しない。

回路基板３０には、センサ素子６０を制御するマイコンや各種電子部品（図示せず）が半田付け等により実装されている。又、回路基板３０には、センサ素子６０との電気的接続を行うための複数（この例では３本）の配線部３１ａ〜３１ｃが形成され、各配線部３１ａ〜３１ｃの一端側にはスルーホール３１ｈが形成されている。４本の各スルーホール３１ｈは矩形の四隅の位置にそれぞれ設けられている。各スルーホール３１ｈには、それぞれピン状の接続端子７２が挿通されると共に、各スルーホール３１ｈから各接続端子７２が素子取付面３０ａよりも上方に向かって突出している。そして、回路基板３０の素子取付面３０ａよりも上方に台座３５が配置され、各接続端子７２の突出部は台座３５の四隅を貫通しつつ台座３５を回路基板３０から離間させた状態で支持している。さらに、台座３５の上面（ガス導入口１２ｈに向く面）の中央部にセンサ素子６０が載置され、各接続端子７２の上端が台座３５の上面よりも上方に突出しつつセンサ素子６０を囲んでいる。一方、センサ素子６０の表面には複数（この例では４個）の電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂが形成され（図４参照）、各電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂは、台座３５の上面から突出した接続端子７２のそれぞれにボンディングワイヤ６６を介して接続されている。そして、各接続端子７２が各スルーホール３１ｈに挿通されて半田付けされ、センサ素子６０が回路基板３０に実装されている。なお、共通のグランド配線である配線部３１ｃには２つのスルーホール３１ｈが形成され、グランド電極である電極６３ｂ、６５ｂが接続端子７２を介してこの２つのスルーホール３１ｈに挿通されている。
さらに、回路基板３０の一方の短辺には、各配線部３１ａ〜３１ｃとそれぞれ電気的に接続される複数（この例では３個）のスルーホール３２が形成されている。そして、コネクタ部１１ｃ内に収容された３本の雄コネクタピン７１のそれぞれ一端がスルーホール３２に挿通されて半田付けされている。

一方、上面板１２の下面から下方に向かい、ガス導入口１２ｈの外周を取り囲む環状のガス案内壁１２ｂが突出している。そして、ガス案内壁１２ｂと回路基板３０の素子取付面３０ａとの間には、発泡ゴムからなる環状の弾性シール体４０が介装されている。弾性シール体４０の上面（ケーシング部材に向く端面）４０ａ及び下面（素子取付面に向く端面）４０ｂはそれぞれ平坦になっていて、上面４０ａが接着層５０を介してガス案内壁１２ｂに密着すると共に、下面４０ｂが素子取付面３０ａに密着している。なお、弾性シール体４０の内径はガス案内壁１２ｂの内径と同径であり、ガス案内壁１２ｂに重なるように配置されている。又、弾性シール体４０は断面が矩形状をなしている。
そして、素子取付面３０ａと、ガス導入口１２ｈと、弾性シール体４０の内側面で囲まれたケーシング部材１０の内部空間が、センサ素子６０を臨ませつつ被検出雰囲気に連通する測定室１５を形成し、測定室１５内の被検出雰囲気中の水素ガス濃度をセンサ素子６０にて検出するようになっている。

ここで、図３に示すように、弾性シール体４０の下面４０ｂは、素子取付面３０ａの環状領域３０Ｒに密着し、環状領域３０Ｒは各配線部３１ａ〜３１ｃを跨いでいる。そして、弾性シール体４０は柔軟な発泡ゴムからなり、下面４０ｂの少なくとも一部が平坦になっているため、環状領域３０Ｒに面接触する。その結果、素子取付面３０ａとの密着部位（環状領域３０Ｒ）に配線部３１ａ〜３１ｃによる凹凸があっても、素子取付面３０ａに下面４０ｂを密着させることができ、シールが確実となる。
又、弾性シール体４０は柔軟な発泡ゴムからなるため、Ｏリングに比べて低い圧力で回路基板３０に押圧しても十分なシールが得られ、回路基板３０に加わる応力（撓み）が低減される。その結果、回路基板３０に形成された配線部が断線することや、回路基板３０に半田付けされた電子部品や金具（雄コネクタピン７１、接続端子７２）等の半田部分が断線することが抑制される。
さらに、弾性シール体４０を高い圧力で回路基板３０に押圧しなくとも十分なシールが得られるため、弾性シール体４０を介してケーシング部材１０（上面板１２）と回路基板３０とが強固に固定されない。その結果、外部からケーシング部材１０（上面板１２）に衝撃が加わったりケーシング部材１０が熱膨張しても、弾性シール体４０がずれる等によって応力が吸収され、ケーシング部材１０の衝撃等が回路基板３０に直接掛かることが少なくなるので、上述の配線部や半田部分の断線がさらに抑制される。
また、回路基板３０とケーシング部材１０（上面板１２）との間にＯリングを介在させる場合には、Ｏリングを圧縮するために回路基板３０に対し高い圧力でＯリングを押圧する必要がある。そのため、ケーシング部材１０の内面に、Ｏリングを内径側および外径側から固定するための壁状の凸部などの構成が必要となる。これに対し、本実施形態によれば、壁状の凸部などの不要な構成を省略することができるため、センサ１００を低背化することができる。

なお、弾性シール体４０を構成する発泡ゴムとしては、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ウレタンゴム等が例示される。又、弾性シール体４０を高い圧力で圧縮し過ぎると柔軟性を損なう。従って、弾性シール体４０を構成する発泡ゴムの気孔率（気泡率）よりも低い圧縮率、すなわち、発泡ゴムの気孔のすべてを完全に潰さない状態で弾性シール体４０が押圧（圧縮）される必要がある。
又、弾性シール体４０を構成する発泡ゴムの気泡が独立（各気泡が繋がらずにそれぞれ独立で存在する）であると、発泡ゴムの気泡を介して被検出雰囲気であるガスが外部に通り抜けることができず、シール性が向上するので好ましい。

又、本実施形態では、弾性シール体４０がケーシング部材（上面板１２のガス案内壁１２ｂ）に接着され、弾性シール体４０の内側面及び外側面が露出している。このように、弾性シール体４０をケーシング部材に接着すれば、Ｏリングを配置する場合のようにケーシング部材（上面板１２）にＯリングの保持溝を設けなくてよく、ケーシング部材の製造が容易になる。又、弾性シール体４０の内側面が測定室１５の内壁の一部を形成しているので、ケーシング部材の形状が簡単になるとともに、測定室１５に使用するケーシング部材の材料を削減できる。
又、無荷重の状態で弾性シール体４０の断面が矩形状であると、弾性シール体４０の上面４０ａ及び下面４０ｂのうち平坦部の割合が多くなり、相手材であるケーシング部材１０や素子取付面３０ａにより確実に密着できるので好ましい。

次に、図４を参照してセンサ素子６０の構成について説明する。
センサ素子６０は、平板形状（平面視四角形状）をなし、その表面の四隅にそれぞれ電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂが形成され、他方の面（裏面）の中心付近に、表面に向かって凹む平面視矩形の凹部６２が形成されている。センサ素子６０は、シリコン半導体基板上に絶縁層を形成して構成されている。そして、凹部６２に対応する領域には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体６１が絶縁層中（図示せず）に埋設されている。
発熱抵抗体６１は、被検出雰囲気（ガス）の温度（詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導）に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体であり、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体６１から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗体６１における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
発熱抵抗体６１の左端は、配線６１ａを介して電極６３ａに接続されている。又、発熱抵抗体６１の右端は、配線６１ｂを介して電極（グランド電極）６３ｂに接続されている。

測温抵抗体６５は、測定室１５内に存在する被検出雰囲気（ガス）の温度を検出するためのものであり、センサ素子６０の上辺（一辺）に沿って絶縁層中（図示せず）に埋設されている。測温抵抗体６５は、抵抗値が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料で構成され、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。
測温抵抗体６５は、配線膜（図示せず）を介して電極６５ａ及び電極（グランド電極）６５ｂに接続されている。

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、上記実施形態においては、センサ１００としてガスセンサの１種である水素ガスセンサを例示したが、例えば酸化物半導体、発熱抵抗体、又は熱伝導素子を用いた可燃性ガスセンサであってもよい。又、センサ１００としてはガスセンサに限らず、温度センサや湿度センサ等の他のセンサであってもよい。
又、弾性シール体４０の形状も上記実施形態に限定されない。上記実施形態では、弾性シール体４０は円環状としたが、これに限られず、矩形等の多角形の環形状であってもよい。

さらに、素子６０を回路基板３０へ実装する方法は上記実施形態の方法に限られず、図５に示すような表面実装により、素子６０を回路基板３０へ実装してもよい。具体的には、回路基板３０の上面（素子取付面）３０ａに、センサ素子６０を実装するための素子台座３８が設置されている。素子台座３８は絶縁性を有するセラミック絶縁層を複数層（図５では４層）積層して略直方体に形成されると共に、センサ素子６０を収容するための凹部が形成されている。そして、センサ素子６０はエポキシ樹脂等の接着剤によって素子台座３８の凹部に固定されている。さらに、センサ素子６０の表面の電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂ（図４参照）が、素子台座３８に設けられた電極パッドにボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。素子台座３８の電極パッドは、それぞれ図示しない内部配線を介して素子台座３８の裏面まで引き回され、回路基板３０の配線部に電気的に接続される。このようにして、センサ素子６０が表面実装される。
さらに、素子台座３８の上面には、センサ素子６０を覆うように保護キャップ３９が取り付けられている。なお、センサ素子６０がガス導入口１２ｈに対向している。
また、上記実施形態においては、素子取付面３０ａと、ガス導入口１２ｈと、弾性シール体４０の内側面で囲まれた内部空間が測定室１５を形成したが、弾性シール体４０は少なくとも素子取付面３０ａとケーシング部材１０とのシールを行えばよく、弾性シール体４０が測定室１５の一部を形成しなくてもよい。

１０ケーシング部材
１２ｈガス導入口
１５測定室
３０回路基板
３０ａ素子取付面
３１ａ〜３１ｃ配線部
４０弾性シール体
４０ａ弾性シール体のケーシング部材に向く端面
４０ｂ弾性シール体の素子取付面に向く端面
６０センサ素子
１００センサ

Claims

被検出雰囲気に晒され、該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子と、
前記センサ素子を自身の素子取付面に搭載する回路基板と、
前記回路基板を収容するケーシング部材であって、前記センサ素子を臨ませつつ、自身に形成されたガス導入口を介して前記被検出雰囲気に連通する測定室を有するケーシング部材と、
前記素子取付面に接触する状態で、前記素子取付面と前記ケーシング部材との間に介装される環状の弾性シール体と、
を備えたセンサであって、
前記弾性シール体は発泡ゴムからなり、
前記弾性シール体の前記ケーシング部材に向く端面及び前記素子取付面に向く端面は平坦部からなり、
前記弾性シール体は、前記平坦部全体が前記素子取付面と前記ケーシング部材に接するとともに前記平坦部間で自身が圧縮された状態で、前記素子取付面と前記ケーシング部材との間に介装され、
前記回路基板の前記素子取付面に配線部が形成され、該配線部の表面に前記弾性シール体の前記平坦部の少なくとも一部が密着しているセンサ。
前記弾性シール体の前記ケーシング部材に向く端面が前記ケーシング部材に接着され、
前記弾性シール体の内側面は、前記測定室の内壁の少なくとも一部を形成する請求項１記載のセンサ。
前記弾性シール体は、無荷重の状態で、前記平坦部に直交する断面が矩形状をなす請求項１又は２記載のセンサ。
前記発泡ゴムは、複数の独立気泡を有する請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。