JP6622593B2 - センサの検査方法及びセンサの製造方法 - Google Patents

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の検査方法及びセンサの製造方法に関する。

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。

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）に収容した構成が開発されている（特許文献１参照）。このセンサにおいては、回路基板とケーシング部材との間を、発泡ゴムからなる環状の弾性シール体で密閉し、ケーシング部材に開口するガス導入口から被検出雰囲気を導入する内部空間（測定室）を形成している。そして、測定室の内部に収容された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。
弾性シール体は、回路基板とケーシング部材との間で圧縮されて回路基板及びケーシング部材と密着し、測定室がケーシング部材の内部と隔離されるようになっている。

米国特許出願公開ＵＳ２０１５／０１４３９０１号明細書

しかしながら、弾性シール体の取り付けをしなかった場合には測定室に導入された被検出雰囲気のガスがケーシング部材の内部に漏れてしまう。又、弾性シール体が斜めに取り付けられる等で十分に圧縮されない場合、弾性シール体と回路基板又はケーシング部材との間に隙間が生じ、この場合も被検出雰囲気のガスがケーシング部材の内部に漏れることがある。そして、これらの場合、測定室の内部のセンサ素子が被検出雰囲気に十分に晒されなかったり、測定室内の被検出雰囲気が十分に交換されないため、ガスの濃度の検出精度や応答性が低下するおそれがある。
又、測定室を構成する回路基板やケーシング部材の一部に亀裂が生じた場合にも、測定室からケーシング部材の内部に被検出雰囲気のガスが漏れる。

一方、従来からＸ線を用いた欠陥の検査方法が広く知られているが、装置が高価で大型であると共に、取得したＸ線画像の解析に時間を要するという問題がある。又、弾性シール体の取り付け忘れや、回路基板及びケーシング部材の亀裂のような明瞭な欠陥であれば、Ｘ線画像から判断が可能である。ところが、弾性シール体の圧縮不良により回路基板又はケーシング部材との間にわずかに隙間が生じた場合、この隙間をＸ線画像から判断することは困難である。さらに、弾性シール体自身の不良（例えば、透気度が設計値より大きい等の製造不良）をＸ線画像から判断することも困難である。

そこで、本発明は、センサ素子を収容する測定室からケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を簡便かつ確実に検査できるセンサの検査方法及びセンサの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセンサの検査方法は、ガス導入口を介して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、前記測定室の内部に収容されて該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子とを備えたセンサの検査方法であって、前記測定室は、前記ガス導入口側が開口する有底筒状の壁面により前記ケーシング部材の内部と隔離されて形成され、かつ前記壁面の筒部の一部が圧縮された環状の弾性シール体で構成され、前記ケーシング部材の内外を連通する空気孔が前記測定室を除く前記ケーシング部材に設けられており、前記ガス導入口から前記測定室の内部に向けて所定流量の検査ガスを流したとき、前記流量に基づいて前記測定室から前記ケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を検査する。
このセンサの検査方法によれば、検査装置が簡便であり、しかもガスの漏れを直接反映する検査ガスの流量を検出するので、測定室からケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を簡便かつ確実に検査できる。

本発明のセンサの製造方法は、ガス導入口を介して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、前記測定室の内部に収容されて該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子とを備えたセンサの製造方法であって、前記測定室は、前記ガス導入口側が開口する有底筒状の壁面により前記ケーシング部材の内部と隔離されて形成され、かつ前記壁面の筒部の一部が圧縮された環状の弾性シール体で構成され、前記ケーシング部材の内外を連通する空気孔が前記測定室を除く前記ケーシング部材に設けられており、前記センサを組み付けた後、前記ガス導入口から前記測定室の内部に向けて所定流量の検査ガスを流し、前記流量に基づいて前記測定室から前記ケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を検査する検査工程を有する。
このセンサの製造方法によれば、検査装置が簡便であり、しかもガスの漏れを直接反映する検査ガスの流量を検出するので、測定室からケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を検査したセンサを容易に製造できる。

この発明によれば、センサ素子を収容する測定室からケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を簡便かつ確実に検査できる。又、測定室からケーシング部材の内部へのガスの漏れを検査したセンサを容易に製造できる。

本発明の実施形態に係るセンサの検査方法が適用され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。 本発明の実施形態に係るセンサの検査方法を示す図である。

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の検査方法が適用されるセンサ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。これにより、上面板１２と、ケーシング本体部１１との嵌合部は密着され、嵌合部における気密が保持される。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）の電極が形成され（図示せず）、各電極は、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。

なお、コネクタ部１１ｃはケーシング本体部１１の側壁から外側に延びており、雄コネクタピン７１は、ケーシング本体部１１の側壁にインサート成型されている。又、この側壁には、ケーシング本体部（ケーシング部材）１１の内外を連通する空気孔８０が設けられている。空気孔８０は、ケーシング部材１０の熱膨張等を抑制する。

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、上面板１２の内側面と、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。

なお、素子取付面３０ａと、上面板１２と、弾性シール体４０とが、特許請求の範囲の「壁面」に相当し、この有底筒状の壁面がケーシング部材１０の内部と隔離した測定室１５を形成する。

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。

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。

次に、図４を参照して本発明の実施形態に係るセンサの検査方法について説明する。
図４において、センサの検査装置２００は、センサ１００を設置する基板２０２と、検査ガスが流れるガス配管２０４と、ガス配管２０４を流れる検査ガスの流量を測定する流量計２０６と、ガス配管２０４を流れる検査ガスの圧力を測定する圧力計２０８と、ガス配管２０４の上流から導入される一次ガスＧ１の圧力を１０ｋＰａ程度に低下させるレギュレータ２１０とを備えている。圧力計２０８と流量計２０６はこの順にレギュレータ２１０の下流側でガス配管２０４に接続され、レギュレータ２１０で降圧された検査ガスＧ２の圧力及び流量を測定可能になっている。一次ガスＧ１（検査ガスＧ２）としては、例えば空気を使用できる。
基板２０２は円盤状の凹み２０２ｒを有し、この凹み２０２ｒに、上下をひっくり返したセンサ１００の環状部材１２ａを収容するようになっている。又、基板２０２の上面に位置決め部材２０２ａが複数本突出しており、位置決め部材２０２ａの内側に上下をひっくり返したセンサ１００を設置して位置決めするようになっている。

凹み２０２ｒの中央開口にガス配管２０４の下流側の端部が取り付けられ、中央開口の周囲の上面には図示しないＯリングが装着されている。そして、上述のように、凹み２０２ｒに環状部材１２ａを収容すると、Ｏリングが環状部材１２ａのガス導入口１２ｈの周囲に密着してシールした状態で、ガス配管２０４から検査ガスＧ２がガス導入口１２ｈに導入される。

このようにして、ガス導入口１２ｈから測定室１５の内部に向けて所定流量（例えば５．５Ｌ／ｍｉｎ）の検査ガスＧ２を流す。このとき、測定室１５を形成する壁面（素子取付面３０ａ、上面板１２、弾性シール体４０）に隙間や亀裂等の欠陥がなければ、測定室１５に導入された検査ガスＧ２がケーシング部材１０の内部に漏れないので、流量計２０６の流量が低下する。
一方、壁面に隙間や亀裂等の欠陥が生じている場合、測定室１５に導入された検査ガスＧ２は、ケーシング部材１０の内部にリークガスＧ３として漏れ、このリークガスＧ３が空気孔８０を通ってケーシング部材１０の外に流れる。このため、流量計２０６の流量は、壁面に隙間や亀裂等の欠陥が無い場合に比べて多くなる。
つまり、検査ガスＧ２の流量に基づいて、測定室１５からケーシング部材１０の内部へのガスの漏れの有無を検査することができる。ここで、検査装置２００は簡便であり、しかもガスの漏れを直接反映する検査ガスの流量を検出するので、ガスの漏れの有無を簡便かつ確実に検査できる。さらに、検査ガスＧ２の流量の変化は比較的短時間（１０秒程度）で生じるので、ガスの漏れの有無を短時間で検査できる。

なお、ガスの漏れの有無を検査するに当たり、予め壁面に隙間や亀裂等の欠陥が無い状態のセンサを準備し、そのときに測定室１５に導入された検査ガスＧ２の流量を測定し、閾値としておく。そして、実際の検査で、この閾値よりも検査ガスＧ２の流量が多くなった場合を、壁面に隙間や亀裂等の欠陥が生じているとみなし、該当するセンサを廃棄する等すればよい。
又、壁面に隙間や亀裂等の欠陥が生じている場合においても、検査ガスＧ２の流量を欠陥に応じて分類することで、流量に基づいて欠陥の種類を判別することができる。例えば、（１）弾性シール体の取り付け忘れや、回路基板及びケーシング部材の大きな亀裂の場合、ガスの漏れも大きくなるので、検査ガスＧ２の流量が最も多くなる、（２）弾性シール体の圧縮不良により回路基板又はケーシング部材との間にわずかに隙間が生じた場合、ガスの漏れは小さいので、検査ガスＧ２の流量は（１）よりも少ない。
従って、（１）に相当する不良が生じたときの検査ガスＧ２の流量を測定し、第２の閾値としておくことで、実際の検査で、第２の閾値よりも検査ガスＧ２の流量が多くなった場合を、（１）の不良が生じているとみなし、センサの生産ラインのトラブル発見や、納入された弾性シール体４０の不良の有無の発見等に役立てることもできる。

本発明の実施形態に係るセンサの製造方法は、製造後のセンサについて上記した検査を行い、ガスの漏れが無いと判定したセンサを最終製品として出荷等することができる。

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、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。測定室１５を形成する壁面の構成、形状も上記実施形態の方法に限られない。

さらに、検査ガスＧ２をガス導入口１２ｈに導入する方法や装置は上記実施形態の方法に限られない。

１０ ケーシング部材
１２ 壁面（上面板）
１２ｈ ガス導入口
１５ 測定室
３０ａ 壁面（素子取付面）
４０ 壁面（弾性シール体）
６０ センサ素子
８０ 空気孔
１００ センサ
Ｇ２ 検査ガス

Claims (2)

1. ガス導入口を介して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、前記測定室の内部に収容されて該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子とを備えたセンサの検査方法であって、
   前記測定室は、前記ガス導入口側が開口する有底筒状の壁面により前記ケーシング部材の内部と隔離されて形成され、かつ前記壁面の筒部の一部が圧縮された環状の弾性シール体で構成され、
   前記ケーシング部材の内外を連通する空気孔が前記測定室を除く前記ケーシング部材に設けられており、
   前記ガス導入口から前記測定室の内部に向けて所定流量の検査ガスを流したとき、前記流量に基づいて前記測定室から前記ケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を検査するセンサの検査方法。
2. ガス導入口を介して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、前記測定室の内部に収容されて該被検出雰囲気の所定の特性を検出するセンサ素子とを備えたセンサの製造方法であって、
   前記測定室は、前記ガス導入口側が開口する有底筒状の壁面により前記ケーシング部材の内部と隔離されて形成され、かつ前記壁面の筒部の一部が圧縮された環状の弾性シール体で構成され、
   前記ケーシング部材の内外を連通する空気孔が前記測定室を除く前記ケーシング部材に設けられており、
   前記センサを組み付けた後、前記ガス導入口から前記測定室の内部に向けて所定流量の検査ガスを流し、前記流量に基づいて前記測定室から前記ケーシング部材の内部へのガスの漏れの有無を検査する検査工程を有する、センサの製造方法。

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