JP6635891B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、特定ガスの濃度を検知するガスセンサに関する。

従来から、金属酸化物センサとして、配線基板の開口部内にセンサ素子をワイヤボンディング等で宙吊り固定した構造が知られている（特許文献１）。
このような宙吊り固定をすることで、センサ素子の熱容量や周囲の熱的影響を減らしてガスの検知精度や応答性を向上させることができる。

特開2007-298508号公報（図１）

ところで、特許文献１記載のセンサの場合、略正方形の配線基板の一端に、ワイヤボンディングとリード部を介して電気的に接続された複数（５つ）の導電パッド部が並んでおり、この導電パッド部に外部回路が接続される。
このような大きな（幅広の）配線基板に並んだ導電パッド部に外部回路を接続する手法としては、従来からピンコネクタ等が用いられているが、接続構造が大型化し、センサの小型化を図れないという問題がある。又、導電パッド部が一列に幅広に並んでいるため、接続相手のピンコネクタ等が片当たりして電気的接続が不安定になるおそれがある。
そこで、本発明は、センサ素子を固定したセラミック配線基板と外部回路との接続構造をコンパクトにし、小型化及び電気的接続の信頼性を実現したガス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、本発明のガスセンサは、長手方向に延びる板状をなし、先端側に板厚方向に貫通する開口部が形成されたセラミック配線基板と、特定ガスの濃度を検出する検出部、及び、この検出部を加熱するヒータ部を有するセンサ素子であって、複数の通電部材によって前記開口部内に宙吊り固定されると共に、前記セラミック配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、を備えるガスセンサであって、前記セラミック配線基板の前記開口部が形成された先端部は、ガスの流通が可能とされたケーシング内に収容される一方、前記セラミック配線基板の基端部は、前記ケーシングの外部に延びており、前記複数の通電部材とリード部を介して電気的に接続される複数の導電パッド部が、前記セラミック配線基板の前記基端部の表裏面のそれぞれに別れて配置されており、前記セラミック配線基板は、前記開口部が形成された先端部における長手方向及び板厚方向に直交する向きの幅寸法が、自身の基端部のうち前記導電パッド部及び前記導電パッド部に繋がる前記リード部の一部を含む幅狭領域の幅寸法よりも大きくなっており、前記セラミック配線基板の前記幅狭領域の周囲を取り囲む筒状の絶縁碍子と、前記絶縁碍子内に収容され、それぞれ前記導電パッド部に弾性的に接触する複数のバネ端子と、を備えることを特徴とする。

このガスセンサによれば、セラミック配線基板の基端部のうち幅狭領域の幅寸法を、先端部の幅寸法より小さくし、さらに導電パッド部が基端部の表裏面のそれぞれに別れて配置されている。
これにより、導電パッド部をセラミック配線基板の片面にすべて配置する場合に比べ、導電パッド部が配置されるセラミック配線基板の部位（幅狭領域）をより幅狭とすることができる。その結果、複数のバネ端子を備える筒状の絶縁碍子で、幅狭領域の周囲を取り囲むようにして導電パッド部と電気的に接続することにより、外部回路との接続構造をコンパクトにし、ガスセンサを小型化することができる。
又、導電パッド部をセラミック配線基板の片面にすべて配置する場合に比べ、バネ端子の押圧力がセラミック配線基板の両面から掛かるので、セラミック配線基板の折損を抑制できる。

本発明のガスセンサであって、前記複数のバネ端子はそれぞれ、長手方向に延びる本体部と、前記本体部の先端から基端側に折り返した折り返し部と、前記折り返し部に連結され、前記導電パッド部に弾性的に接触する接点形成部とを有してもよい。
このガスセンサによれば、導電パッド部に向けて折り返し部を弾性力で押圧し、折り返し部に連結された接点形成部にて導電パッド部と接するので、バネ端子と導電パッド部とを確実に電気的接続することができる。

本発明のガスセンサであって、前記複数のバネ端子はそれぞれ、外部回路接続用コネクタから延びる複数のリード線と接続されてなっていてもよい。
このガスセンサによれば、外部回路接続用コネクタを介して外部回路とセラミック配線基板とを容易かつ確実に電気的接続することができる。

この発明によれば、センサ素子を固定したセラミック配線基板と外部回路との接続構造をコンパクトにし、小型化及び電気的接続の信頼性を実現したガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの上面図である。 本発明の実施形態に係ガスセンサの下面図である。 ケーシング内に収容されたセラミック配線基板を示す斜視図である。 カセットコネクタにセラミック配線基板を接続する態様を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 バネ端子の側面図である。 セラミック配線基板の変形例を示す上面図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態におけるガスセンサ１の分解斜視図、図２、図３はそれぞれガスセンサ１の上面図及び下面図、図４はケーシング１０内に収容されたセラミック配線基板５０を示す斜視図、図５はカセットコネクタ７０にセラミック配線基板５０を接続する態様を示す上面図、図６は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図７はバネ端子７９の側面図である。

図１において、ガスセンサ１は、略矩形箱状で上面（図１の上方に向く面）が開口する下ケース１０と、下ケース１０の開口を閉塞する蓋部２０と、下ケース１０に収容されるセラミック配線基板５０と、矩形枠状のシール材（ガスケット）３１、３２と、セラミック配線基板５０の開口部５０ｈ内に配置されるセンサ素子４０と、センサ素子４０を開口部５０ｈ内に宙吊り固定する通電部材６１、６３と、カセットコネクタ７０と、を備えている。
下ケース１０及び蓋部２０が特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。

下ケース１０は、内部空間１０ｒと、上端から下方に延びる矩形の切欠き１０ｎと、配管の接続口となるパイプ状の導入管１０ａ及び排出管１０ｂとを備えている。導入管１０ａ及び排出管１０ｂは、下ケース１０の一方の側面（図１の右側面）からそれぞれ右に突出すると共に、その内孔が内部空間１０ｒに連通し、下ケース１０内にガスＧの流通が可能とされている。
セラミック配線基板５０は、矩形枠状の先端部５０ａと、先端部５０ａの一方の辺から先端部５０ａよりも狭幅とされて外側（図１の左側）へ延びる基端部５０ｅとを備えている。
シール材３１、３２、及びセラミック配線基板５０の先端部５０ａは、下ケース１０の内部空間１０ｒに丁度収容される寸法とされ、下ケース１０側から順にシール材３１、先端部５０ａ及びシール材３２が内部空間１０ｒに収容されている。又、切欠き１０ｎからセラミック配線基板５０の基端部５０ｅが下ケース１０の外側に突出するようになっている。

そして、この状態で、シール材３２の上から蓋部２０をボルト２５にて下ケース１０にボルト締めすることで、下ケース１０と蓋部２０の間でシール材３１、３２が押圧されて下ケース１０とセラミック配線基板５０の隙間を気密にシールするようになっている。
これにより、導入管１０ａから内部空間１０ｒに導入されたガスＧがセンサ素子４０に接触して特定ガスの濃度が検出された後、排出管１０ｂから外部に排出される。

なお、センサ素子４０は略矩形板状をなし、ベース部４１の上面（図１の上方に向く面）側にヒータ部４２が配置され、ベース部４１の下面側に検出部４３が配置されており、検出部４３とヒータ部４２がベース部４１の上下に積層された一体構造となっている。
検出部４３は特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化し、その変化した電気信号を検知することで特定ガス成分の濃度を検出する。又、ヒータ部４２は通電加熱により、検出部４３を動作温度に加熱する。そして、検出部４３の出力端子、及びヒータ部４２の通電端子はセラミック配線基板５０に通電部材６１、６３にて宙吊り固定されると共に電気的に接続されている。
ベース部４１は例えばセラミック基板とすることができる。又、検出部４３は例えば酸化物半導体を用いて形成することができる。ヒータ部４２は例えばベース部４１の表面に形成されて発熱抵抗体となる回路とすることができる。

ここで、セラミック配線基板５０の基端部５０ｅの表裏面には検出部４３及びヒータ部４２に上記通電部材６１、６３及びリード部５０Ｌを介して電気的に接続された導電パッド部５０ｐが複数配置されている。そして、検出部４３から出力された電気信号はセラミック配線基板５０の導電パッド部５０ｐを介して外部に出力され、導電パッド部５０ｐを介して外部から供給された電力によりヒータ部４２が通電加熱する。

ここで、図２に示すように、センサ素子４０は平面視四角形状に形成されており、そのうち第１辺４０ａ（図２の左側の辺）を跨ぐようにして、２本の通電部材６１ａ、６１ｂがセンサ素子４０の両端側とセラミック配線基板５０とに接合されている。同様に、第１辺４０ａと対向する第２辺４０ｂ（図２の右側の辺）を跨ぐようにして、別の２本の通電部材６１ｃ、６１ｄがセンサ素子４０の両端側とセラミック配線基板５０とに接合されている。

なお、セラミック配線基板５０の表面には、開口部５０ｈを囲むように複数（図２では４つ）の素子周辺パッド５０ｓが形成されており、各素子周辺パッド５０ｓはリード部５０Ｌを介して導電パッド部５０ｐ（図２では３つ）に接続されている。
又、ヒータ部４２をなす発熱抵抗体の両端にはそれぞれ通電用パッド４２ｐが形成されており、各通電用パッド４２ｐにそれぞれ対向するように２つの素子周辺パッド５０ｓが配置されている。通電部材６１ａ、６１ｄは、それぞれ各素子周辺パッド５０ｓと対向する各通電用パッド４２ｐとを接続している。
さらに、ヒータ部４２に沿って温度センサ４４が配置されており、温度センサ４４の両端にもそれぞれ通電用パッド４４ｐが形成されている。各通電用パッド４４ｐにそれぞれ対向するように２つの素子周辺パッド５０ｓが配置されており、通電部材６１ｂ、６１ｃは、それぞれ各素子周辺パッド５０ｓと対向する各通電用パッド４４ｐとを接続している。
なお、図２の右下の素子周辺パッド５０ｓには、Ｕ字状の導電部材５５が接続されており、この導電部材５５はセラミック配線基板５０の反対面の素子周辺パッド５０ｓに接続されている（図３参照）。

一方、図３に示すように、センサ素子４０の反対面においても、セラミック配線基板５０の裏面には、開口部５０ｈを囲むように複数（図３では３つ）の素子周辺パッド５０ｓが形成されており、各素子周辺パッド５０ｓはリード部５０Ｌを介して導電パッド部５０ｐ（図３では３つ）に接続されている。
そして、２本の通電部材６３ａ、６３ｂが、センサ素子４０の検出部４３に繋がる２つの通電用パッド４３ｐと、対向するセラミック配線基板５０の素子周辺パッド５０ｓとの間に接合されている。

通電部材６１及び導電部材５５は例えばＰｔで形成することができ、又、通電部材６３は例えばＡｕで形成することができ、対応する通電用パッド及び素子周辺パッドに溶接等により電気的に接続することができる。又、各通電用パッドはＰｔペースト等をセンサ素子４０のベース部４１に塗布印刷後、焼成して形成することができる。素子周辺パッド５０ｓ、リード部５０Ｌ及び導電パッド部５０ｐは、Ａｕペースト等を印刷後、焼成して形成することができる。

次に、図４〜図７を参照し、カセットコネクタ７０にセラミック配線基板５０を接続する態様について説明する。
図４に示すように、セラミック配線基板５０の先端部５０ａは、ケーシング（ケース）１０内に収容される一方、基端部５０ｅがケーシング（ケース）１０の外部に延びている。そして、開口部５０ｈが形成された先端部５０ａにおける長手方向Ｌ及び板厚方向Ｔに直交する向きの幅寸法Ｗ１が、基端部５０ｅのうち導電パッド部５０ｐ及び導電パッド部５０ｐに繋がるリード部５０Ｌの一部を含む幅狭領域５０Ｒの幅寸法Ｗ２よりも大きくなっている。
なお、「リード部５０Ｌの一部」とは、リード部５０Ｌのうち導電パッド部５０ｐ側の部位であり、少なくとも導電パッド部５０ｐとの接続部位を含む。

そして、図５に示すように、この幅狭領域５０Ｒの一部（基端部５０ｅ側）を、カセットコネクタ７０の第１セパレータ７１の貫通孔７１ｈに挿入することで、後述するようにカセットコネクタ７０にセラミック配線基板５０が電気的に接続されることになる。
第１セパレータ７１が特許請求の範囲の「絶縁碍子」に相当する。

図６に示すように、カセットコネクタ７０は、筒状で中央に貫通孔７１ｈを有するセラミック製の第１セパレータ７１と、筒状セラミック製の第２セパレータ７２と、ゴム製のグロメット７４と、リード線７６と、外部回路（図示せず）のオスコネクタに接続されメスコネクタからなる外部回路接続用コネクタ７８と、を備えている。なお、第１セパレータ７１の最大外径は、下ケース１０及び蓋部２０からなるケーシングの幅寸法よりも小さい寸法になっている（図５参照）。
第１セパレータ７１の基端側に第２セパレータ７２、グロメット７４がこの順に同軸に接続されている。第１セパレータ７１及び第２セパレータ７２には所定の挿通孔が複数（本例では６つ）設けられ、各挿通孔にバネ端子７９が収容されて保持されている。
バネ端子７９は、貫通孔７１ｈ内に挿入された基端部５０ｅの導電パッド部５０ｐに接点Ｐにて弾性的に接触し、導電パッド部５０ｐと電気的に接続するようになっている。各バネ端子７９の基端側の圧着端子部７９ｃに芯線を剥いたリード線７６の先端が加締めにより圧着固定され、各リード線７６はグロメット７４の各貫通孔から外側に引き出され、各リード線の後端側がメスコネクタ７８に接続されている。
なお、基端部５０ｅはバネ端子７９で挟まれているため、貫通孔７１ｈから抜けることが防止されている。又、第２セパレータ７２は、基端部５０ｅとグロメット７４とに挟まれて保持されている。

図７に示すように、バネ端子７９は、長手方向Ｌに延びる本体部７９ａと、本体部７９ａの先端から基端側（図７の上側）に折り返した折り返し部７９ｂと、折り返し部７９ｂに連結され、導電パッド部５０ｐに弾性的に接触する接点形成部７９ｐと、上記圧着端子部７９ｃとを備えている。
バネ端子７９は、例えば耐熱金属（インコネル）の板をプレス加工して製造することができる。

以上のように、セラミック配線基板５０の基端部５０ｅのうち導電パッド部５０ｐ及びこれに繋がるリード部５０Ｌの一部を含む幅狭領域５０Ｒの幅寸法Ｗ２を、先端部５０ａの幅寸法Ｗ１より小さくし、さらに導電パッド部５０ｐが基端部５０ｅの表裏面のそれぞれに別れて配置されている。
これにより、導電パッド部５０ｐをセラミック配線基板５０の片面にすべて配置する場合に比べ、導電パッド部５０ｐが配置されるセラミック配線基板５０の部位（基端部５０ｅの幅狭領域５０Ｒ）をより幅狭とすることができる。
その結果、複数のバネ端子７９を備える筒状の絶縁碍子７１で、幅狭領域５０Ｒの周囲を取り囲むようにして導電パッド部５０ｐと電気的に接続することにより、外部回路との接続構造をコンパクトにし、ガスセンサ１を小型化することができる。
又、導電パッド部５０ｐをセラミック配線基板５０の片面にすべて配置する場合に比べ、バネ端子７９の押圧力がセラミック配線基板５０の両面から掛かるので、セラミック配線基板５０の折損を抑制できる。

又、上記実施形態においては、バネ端子７９は、本体部７９ａから折り返した折り返し部７９ｂと、接点形成部７９ｐとを備えている。これにより、基端部５０ｅの導電パッド部５０ｐに向けて折り返し部７９ｂを弾性力で押圧し、折り返し部７９ｂに連結された接点形成部７９ｐにて導電パッド部５０ｐと接するので、バネ端子７９と導電パッド部５０ｐとを確実に電気的接続することができる。
又、上記実施形態においては、バネ端子７９は外部回路接続用コネクタ７８から延びる複数のリード線７６と接続されているので、外部回路接続用コネクタ７８を介して外部回路とセラミック配線基板５０とを容易かつ確実に電気的接続することができる。

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、図８に示すように、セラミック配線基板１５０のうち、センサ素子４０を宙吊り固定する開口部１５０ｈが形成された先端部１５０ａをケース（ケーシング）１１０内に収容する一方、先端部１５０ａと幅狭領域１５０Ｒとの間に中間部１５０ｃを設けてもよい。この中間部１５０ｃは、先端部１５０ａと同じ幅寸法Ｗ１でケース１１０の切欠き１１０ｎの外部に延び、幅狭領域１５０Ｒに向かってテーパ状に幅寸法Ｗ２に窄まった後、幅狭領域１５０Ｒに一体に接続されている。
この場合、中間部１５０ｃから幅寸法Ｗ２に窄まり、かつ導電パッド部及び導電パッド部に繋がるリード部の一部を含む幅狭領域１５０Ｒの一部が、絶縁碍子７１の貫通孔７１ｈ内に収容される。この形態においても、外部回路との接続構造をコンパクトにし、ガスセンサの小型化を図ることができる。

セラミック配線基板及びケーシングの形状、導電パッド部及びバネ端子の形状及び個数、センサ素子及び絶縁碍子の形状等は上記実施形態に限定されない。ヒータ部及び検知部の構造、種類等も限定されない。又、外部回路接続用コネクタ７８の内部に、検出部４３から出力された電気信号を処理する回路や、ヒータ部４２の通電制御を行うための回路を実装した回路基板を収容させる形態を採ってもよい。

１ ガスセンサ
１０、２０、１１０ ケーシング
４０ センサ素子
４２ ヒータ部
４３ 検出部
５０、１５０ セラミック配線基板
５０ａ、１５０ａ 先端部
５０ｅ、１５０ｅ 基端部
５０ｈ、１５０ｈ 開口部
５０Ｌ リード部
５０ｐ 導電パッド部
５０Ｒ、１５０Ｒ 幅狭領域
６１、６３ 通電部材
７１ 絶縁碍子
７６ リード線
７８ 外部回路接続用コネクタ
７９ バネ端子
７９ａ 本体部
７９ｂ 折り返し部
７９ｐ 接点形成部
Ｇ ガス
Ｌ 長手方向
Ｔ セラミック配線基板の板厚方向
Ｗ１ 先端部の幅寸法
Ｗ２ 幅狭領域の幅寸法

Claims (3)

1. 長手方向に延びる板状をなし、先端側に板厚方向に貫通する開口部が形成されたセラミック配線基板と、
   特定ガスの濃度を検出する検出部、及び、この検出部を加熱するヒータ部を有するセンサ素子であって、複数の通電部材によって前記開口部内に宙吊り固定されると共に、前記セラミック配線基板と電気的に接続されるセンサ素子と、を備えるガスセンサであって、
   前記セラミック配線基板の前記開口部が形成された先端部は、ガスの流通が可能とされたケーシング内に収容される一方、前記セラミック配線基板の基端部は、前記ケーシングの外部に延びており、
   前記複数の通電部材とリード部を介して電気的に接続される複数の導電パッド部が、前記セラミック配線基板の前記基端部の表裏面のそれぞれに別れて配置されており、
   前記セラミック配線基板は、前記開口部が形成された先端部における長手方向及び板厚方向に直交する向きの幅寸法が、自身の基端部のうち前記導電パッド部及び前記導電パッド部に繋がる前記リード部の一部を含む幅狭領域の幅寸法よりも大きくなっており、
   前記セラミック配線基板の前記幅狭領域の周囲を取り囲む筒状の絶縁碍子と、
   前記絶縁碍子内に収容され、それぞれ前記導電パッド部に弾性的に接触する複数のバネ端子と、を備える
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記複数のバネ端子はそれぞれ、長手方向に延びる本体部と、前記本体部の先端から基端側に折り返した折り返し部と、前記折り返し部に連結され、前記導電パッド部に弾性的に接触する接点形成部とを有するガスセンサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサであって、
   前記複数のバネ端子はそれぞれ、外部回路接続用コネクタから延びる複数のリード線と接続されてなるガスセンサ。

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