WO2017195611A1 - ガスセンサデバイス及びその製造方法 - Google Patents

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WO2017195611A1
WO2017195611A1 PCT/JP2017/016655 JP2017016655W WO2017195611A1 WO 2017195611 A1 WO2017195611 A1 WO 2017195611A1 JP 2017016655 W JP2017016655 W JP 2017016655W WO 2017195611 A1 WO2017195611 A1 WO 2017195611A1
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electrode
base
gas
lead wire
gas detection
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PCT/JP2017/016655
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勇樹 浦
宗春 島袋
晋一 松本
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日本写真印刷株式会社
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
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Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor device for detecting a specific gas and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-198664 discloses a gas sensor device in which a coil-shaped heater portion is incorporated in a gas-sensitive metal oxide semiconductor in order to form a gas detection portion. Yes. This coil-shaped heater part also serves as an electrode for extracting a signal from the gas detection part.
  • the power consumption tends to increase because the coiled heater portion is energized and heated.
  • the power consumption of the gas sensor device can be suppressed, for example, by reducing the gas detection element, but if the package of the gas sensor device that houses the reduced gas detection element does not match the size of the gas detection element, the mobile phone still remains The problem that it is difficult to incorporate into a relatively small device such as is not solved.
  • An object of the present invention is to provide a small gas sensor device having a gas detection unit including a coiled heater unit with reduced power consumption.
  • a gas sensor device includes a cap formed with a through-hole for taking in gas and a base formed with a recess, and the base is covered with a cap so that a space is formed around the recess.
  • a gas detection unit including a plurality of metal lead wires connected to a plurality of metal electrodes arranged around a recess of a base and including a heater unit in a space in the recess Since the gas detection unit is fixed in a suspended state, the smaller the gas detection unit, the smaller the electrodes arranged with high precision so as to surround the recess and the recess can be made dense. As a result, the area occupied by the recesses and the electrodes can be reduced, and the overall shape of the gas sensor device can be reduced.
  • the cap may have a plurality of through holes formed at locations other than directly above the gas detection unit. By comprising in this way, it can suppress that dust and a water droplet adhere to a gas detection part.
  • each of the plurality of electrodes has a first crank portion and a second crank portion that are bent in opposite directions at the upper portion and the lower portion, respectively, and the gap between the first crank portion and the second crank portion is a base. The side closer to one end than the first crank portion may be exposed above the base, and the side closer to the other end than the second crank portion may be exposed below the base.
  • the exposed upper region from the first crank portion to one end is expanded two-dimensionally, thereby making it easier to place the lead wire and exposing the second crank portion to the other end.
  • a shape that is easy to contact as a device terminal can be obtained by expanding the lower region two-dimensionally.
  • the plurality of lead wires include a first lead wire extending from the gas detection unit and a second lead wire and a third lead wire extending directly from the coiled heater unit
  • the plurality of electrodes include the first electrode, Including a second electrode and a third electrode, a second lead wire is welded to the second electrode and a third lead wire is welded to the third electrode, and the first electrode is disposed at the foremost, The distance from the rear end of the electrode to the front end of the second electrode may be longer than the distance from the rear end of the first electrode to the front end of the third electrode.
  • the second lead wire and the third lead wire that extend directly from the heater portion wound in a coil shape are shifted due to the shape of the heater portion. Since the second electrode and the third electrode are arranged at a position suitable for the above, downsizing is facilitated.
  • the method of manufacturing a gas sensor device includes a step of preparing a cap in which a through-hole for taking in gas is formed, a plurality of metal electrodes embedded therein, and a recess surrounded by the plurality of electrodes.
  • a step of forming a base having a height of 5 mm or less and a plurality of metal lead wires extending from the gas detection unit including the heater unit are arranged on the plurality of electrodes so that the gas detection unit does not contact the wall of the recess.
  • the lead wire is brought into contact with the lead wire and the electrode from above and below the base within the vertical and horizontal range of the base so that it is suspended in the space in and / or above the concave portion.
  • a step of assembling a package having a height and width of 5 mm or less by covering the base with a cap In the method of manufacturing a gas sensor device according to an aspect of the present invention, a plurality of metal lead wires extending from a gas detection unit including a coil-shaped heater unit are arranged on a plurality of electrodes embedded in a base to form a gas. With the detection unit suspended in the space above and in the recess so as not to contact the wall of the recess, the power line of the welding machine is in contact with the lead wire and electrode from above and below the base within the vertical and horizontal range of the base. Since the lead wire is electrically welded to the electrode, the electrode can be accommodated within a range of 5 mm in length and width.
  • the two power lines of the welding machine are brought into contact with each other from above and below, it becomes easier to apply the two power lines than in the case where both power lines are brought into contact with each other from above, and the manufacturing becomes easy.
  • openings connected to the plurality of electrodes from the bottom are formed by fixing pins that hold the electrodes, and in the step of electric welding, a power line is applied to the electrodes through the openings. You may contact.
  • the opening connected to the electrode is formed by the fixing pin simultaneously with the molding of the base, the opening can be formed without increasing the number of steps. Since the power line can be brought into contact with the electrode by simply inserting the power line into these openings, positioning for bringing the power line into contact with the electrode is facilitated, and electric welding can be performed quickly and easily. Thus, the manufacturing time can be shortened.
  • the gas sensor device and the manufacturing method thereof of the present invention it is possible to provide a small gas sensor device having a gas detection unit including a coil-shaped heater unit in which power consumption is suppressed as compared with the conventional one.
  • size of the gas sensor device of embodiment and the conventional gas sensor device The top view which shows the cap of a gas sensor device.
  • the top view which shows the base of a gas sensor device. The bottom view of a base.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the package taken along line VI-VI in FIG.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the package taken along line VII-VII in FIG. Sectional drawing of the package cut
  • Typical sectional drawing which shows the mold opening process of the injection molding of a base.
  • the typical sectional view showing the state where the model was closed in injection molding of the base.
  • FIG. 1 shows a gas sensor device according to an embodiment of the present invention and a conventional gas sensor device.
  • a gas sensor device 10 according to an embodiment, a conventional gas sensor device 100, and a thumb 300 are taken on a horizontal base.
  • the diameter D1 of the cylindrical package 101 is about 7.5 mm, for example.
  • the three terminals 102 protrude from the cylindrical package 101, but the length L1 from the upper surface of the package 101 to the tip of the terminal 102 is, for example, about 13 mm.
  • the gas sensor device 10 is much smaller than the conventional gas sensor device 100 and the human thumb 300.
  • the outer shape of the gas sensor device 10 is substantially a rectangular parallelepiped.
  • the vertical length L2 of the package 15 of the gas sensor device 10 depicted here is about 2.7 mm, and the horizontal length L3 is about 3.4 mm.
  • the height H1 of the package 15 of the gas sensor device 10 is about 1.25 mm (see FIG. 20).
  • the gas sensor device 10 includes the cap 20 shown in FIG. 2, the base 40 and the gas detection element 60 shown in FIG.
  • the cap 20 is fitted to the base 40.
  • the gas detection element 60 is accommodated in a space surrounded by the cap 20 and the base 40.
  • the gas detection element 60 includes a gas detection unit 61 that detects a specific gas. From the gas detection unit 61, three first lead wires 62, a second lead wire 63, and a third lead wire 64 for transmitting an electrical phenomenon generated in the gas detection unit 61 to the outside are provided from the gas detection unit 61. It extends outward.
  • the first lead wire 62 to the third lead wire 64 for example, a platinum wire having a diameter of 15 ⁇ m can be used.
  • the diameters of the first lead wire 62 to the third lead wire 64 are preferably 15 ⁇ m or less in order to obtain an appropriate resistance value of the coiled heater portion 61b with a small number of turns.
  • the first lead wire 62 extends in two directions from the gas detection unit 61, but the portion extending in one of the two directions is an incidental part that can be manufactured, and is connected anywhere. It does not serve as a lead wire. Accordingly, the first lead wire 62 extends from the gas detection unit 61 in two directions, but is counted as one.
  • the shape of the gas detector 61 is, for example, a sphere, a rugby ball, or a spheroid. In other words, the gas detection unit 61 has a bead shape.
  • the gas detection unit 61 includes a coiled heater unit 61b inside, and has a structure so that a gas sensitive body 61a made of a metal oxide semiconductor wraps around the coiled heater unit 61b.
  • the gas sensitive body 61a can be formed using, for example, a metal oxide selected from tin oxide, tungsten oxide, indium oxide, zinc oxide, titanium oxide, strontium titanate, barium titanate, and barium stannate.
  • the gas detector 61 can be formed by firing, for example, a metal oxide powder.
  • the volume of the gas detection unit 61 is, for example, but is 0.0001 mm 3 or more 0.01 mm 3 or less, preferably 0.0001 mm 3 or more 0.003 mm 3 or less, more preferably, 0.0001 mm 3 or more zero. 002 mm 3 or less.
  • a coiled heater unit 61b formed of a platinum wire having a diameter of 15 ⁇ m and having an outer diameter of 110 ⁇ m and a length in the central axis direction of 130 ⁇ m is used, for example, the gas detection unit 61 having a volume of 0.0008 mm 3 can be obtained. it can.
  • the coil-shaped heater part 61b existing inside the gas detection part 61 is formed by winding a central part of one platinum wire in a coil shape.
  • the two platinum wires extending from the coil-shaped heater portion 61 b become the second lead wire 63 and the third lead wire 64.
  • the number of turns of the coil-shaped heater portion 61b shown in FIG. 4 is substantially 3 turns.
  • the number of turns of the heater portion 61b overlaps, for example, one point P1 between the point P1 at which the second lead wire 63 starts to bend and the point P2 at which the third lead wire 64 starts to bend as viewed from the longitudinal direction of the coil. Count by the number of windings.
  • the number of turns is preferably 5 turns or less.
  • FIG. 5 is a plan view of the base 40
  • FIG. 6 is a bottom view of the base 40
  • FIG. 7 is a right side view of the base 40
  • FIG. 8 is a front view of the base 40.
  • FIG. 9 is a rear view of the base 40.
  • 10 is a cross-sectional view of the base 40 cut along line II in FIG. 5
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the base 40 cut along line II-II in FIG. 5, and FIG. It is sectional drawing of the base 40 cut
  • the base 40 is made of a thermoplastic resin and is formed by injection molding. Examples of the thermoplastic resin used for the base 40 include a liquid crystal polymer.
  • the base 40 is a plate-like member.
  • the front right corner of the base 40 is chamfered to form a chamfered surface 40a.
  • the base 40 has a vertical length L2 of, for example, 2.7 mm, a horizontal length L3 of, for example, 3.4 mm, and a height H2 of, for example, 0.7 mm.
  • a recess 41 is formed from the center of the base 40 to the rear.
  • the recess 41 has a rectangular shape in plan view.
  • the length L4 in the left-right direction of the recess 41 is, for example, 0.8 mm
  • the length L5 in the front-rear direction is, for example, 1.2 mm.
  • the length L4 in the left-right direction and the length L5 in the front-rear direction of the recess 41 are twice the length in the left-right direction and the length in the front-rear direction of the gas detector 61, respectively, in order to facilitate the introduction of gas into the recess 41. Preferably, it is preferably 5 times or more.
  • a metal first electrode 81, second electrode 82, and third electrode 83 are embedded in the base 40.
  • the first electrode 81, the second electrode 82, and the third electrode 83 are formed by, for example, nickel plating on stainless steel.
  • the stainless steel plated with nickel is suitable for electric welding of the first lead wire 62 to the third lead wire 64 (see FIG. 3) made of platinum wire.
  • the material used for the first electrode 81 to the third electrode 83 is not limited to a material obtained by subjecting stainless steel to nickel plating. For example, copper, gold, iron, or an alloy other than stainless steel can be used.
  • the electrode surface plating process is not limited to nickel plating, and can be performed using other metals such as tin plating.
  • the first electrode 81 to the third electrode 83 surround the recess 41, the first electrode 81 is disposed in front of the base 40, the second electrode 82 is disposed on the right side of the base 40, and the third electrode 83 Is arranged on the left side of the base 40. As shown in FIG. 3, the second electrode 82 and the third electrode 83 are shifted rearward with respect to the first electrode 81, but the displacement amounts of the second electrode 82 and the third electrode 83 are different from each other. ing.
  • the second electrode 82 is disposed so as to be largely displaced backward with respect to the first electrode 81 with respect to the third electrode 83.
  • the deviation L6 (the distance from the rear end 81b to the front end 82a) of the front end 82a of the second electrode 82 with respect to the rear end 81b of the first electrode 81 is the rear end of the first electrode 81 of the front end 83a of the third electrode 83.
  • the first electrode 81, the second electrode 82, and the third electrode 83 are arranged so as to be larger than the deviation L7 with respect to 81b (the distance from the rear end 81b to the front end 83a).
  • the second electrode 82 and the third electrode 83 are provided at positions suitable for the second lead wire 63 and the third lead wire 64 extending from the start and end of winding of the coil-shaped heater portion 61b.
  • the first electrode 81 to the third electrode 83 have a width W1 of 0.7 mm, for example.
  • the three electrode widths of the first electrode 81 to the third electrode 83 are the same, but they are not necessarily the same and may be different. However, if the first electrode 81 to the third electrode 83 have the same shape, components can be shared, and the number of components can be reduced.
  • Each of the first electrode 81 to the third electrode 83 has a first crank portion 84 and a second crank portion 85 (see FIGS. 10 and 11) that are bent in opposite directions at the upper and lower portions, respectively.
  • or the 3rd electrode 83 all between the 1st crank part 84 and the 2nd crank part 85 are embedded in resin.
  • the exposed upper region 86 from the first crank portion 84 to the one end 84a is expanded two-dimensionally, so that the first lead wire 62 to the third lead wire 64 are placed on the first electrode 81 to the third electrode 83. Each becomes easier.
  • the exposed lower region 87 from the second crank portion 85 to the other end 85a expands two-dimensionally, so that it can be easily contacted as a device terminal while reducing the height H3 of the first electrode 81 to the third electrode 83. Is obtained.
  • the first electrode 81 to the third electrode 83 are set such that the height H3 from the upper part to the lower part of each of the first electrode 81 to the third electrode 83 is lower than the height of the package 15 by 0.3 mm or more.
  • the height H3 from the top to the bottom is, for example, 0.65 mm
  • the height H3 from the top to the bottom of the second electrode 82 and the third electrode 83 is, for example, 0.7 mm. Since the height H1 of the package 15 is, for example, 1.25 mm, the height H3 from the top to the bottom of the second electrode 82 and the third electrode 83 is lower by 0.55 mm. Using the difference between the height H1 and the height H3, a space for taking in the gas is formed above the gas detection unit 61.
  • a first opening 42, a second opening 43, and a third opening 44 connected to the first electrode 81 to the third electrode 83 are formed on the bottom 40 b of the base 40.
  • the first opening 42, the second opening 43, and the third opening 44 are tapered so that the opening diameter decreases as the distance from the first electrode 81 to the third electrode 83 increases.
  • the opening diameter D2 of the narrowest portion of the first opening 42 to the third opening 44 is, for example, 0.4 mm, and the opening diameter D3 of the widest portion is, for example, 0.6 mm.
  • FIG. 2 is a plan view of the cap 20, FIG. 13 is a bottom view of the cap 20, FIG. 14 is a right side view of the cap 20, and FIG. 15 is a front view of the cap 20.
  • . 16 is a cross-sectional view of the cap 20 cut along line IV-IV in FIG. 2
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the cap 20 cut along line VV in FIG.
  • the cap 20 includes a flat plate-shaped top portion 21 and side portions 22 that surround the periphery of the top portion 21.
  • the cap 20 is also formed with a chamfered surface 20 a corresponding to the chamfered surface 40 a of the base 40.
  • the thickness H4 of the top part 21 in the height direction is, for example, 0.2 mm.
  • the height H5 of the side part 22 to the bottom face of the top part 21 is, for example, 0.8 mm.
  • Twenty-two through holes 23 are formed in the top portion 21. These through holes 23 are arranged in a region other than the detection unit arrangement region Ar1 immediately above the region where the gas detection unit 61 is arranged. Two of these through holes 23 a are arranged immediately above the recess 41 of the base 40.
  • the through hole 23 is tapered so that the diameter of the through hole increases toward the base 40.
  • the through hole diameter D4 of the narrowest part of the through hole 23 is, for example, 0.15 mm
  • the through hole diameter D5 of the widest part is, for example, 0.25 mm.
  • the through hole 23 expands toward the inside of the package 15, so that it is difficult for dust and water droplets to enter and the gas is easily guided to the inside.
  • FIG. 18 is a plan view of the package 15, FIG. 19 is a bottom view of the package 15, and FIG. 20 is a rear view of the package 15.
  • 21 is a cross-sectional view of the package 15 cut along line VI-VI in FIG. 18,
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of the package 15 cut along line VII-VII in FIG. 18, and FIG. It is sectional drawing of the package 15 cut
  • the height H1 of the package 15 is, for example, 1.25 mm.
  • the height H7 of the space in the package 15 between the cap 20 and the base 40 is, for example, 0.35 mm.
  • the height H8 from the first electrode 81 to the lower surface of the top portion 21 of the cap 20 is, for example, 0.4 mm.
  • the longitudinal length L2 of the package 15 is the same as the longitudinal length of the base 40
  • the lateral length L3 of the package 15 is the same as the lateral length of the base 40.
  • the cap 20, the base 40, and the gas detection element 60 are prepared.
  • the cap 20 is molded from a thermoplastic resin by an injection molding method using a mold.
  • the base 40 is molded from a thermoplastic resin in a state where the first electrode 81, the second electrode 82, and the third electrode 83 are embedded by an insert molding method using a mold.
  • the base 40 is formed through the steps shown in FIGS. 24 to 27, for example. First, as shown in FIG. 24, the first electrode 81 is set on the first mold 91 in a state where the first mold 91 and the second mold 92 are opened.
  • the description of the second electrode 82 and the third electrode 83 is omitted, but these are also set in the first mold 91 in the same manner as the first electrode 81.
  • a fixing pin 93 is attached to the second mold 92.
  • the other two fixing pins for fixing the second electrode 82 and the third electrode 83 are also attached to the second mold 92.
  • a small through hole is formed in the first mold 91 and the first electrode 81 to the third electrode 83 are sucked. do it.
  • the first mold 91 and the second mold 92 are closed.
  • the fixing pin 93 contacts the first electrode 81, and the first electrode 81 is fixed so as not to move by the fixing pin 93.
  • the second electrode 82 and the third electrode 83 are also fixed by the other two fixing pins not shown.
  • the molten thermoplastic resin 94 is injected into a cavity surrounded by the first mold 91 and the second mold 92.
  • FIG. 27 shows the base 40 taken out by opening the first mold 91 and the second mold 92 after injection molding.
  • the portion where the fixing pin 93 exists becomes the first opening portion 42, and the portion where the other fixing pin (not shown) exists becomes the second opening portion 43 and the third opening portion 44 (see FIG. 11).
  • FIG. 28 shows a method of electric welding of the gas detection element 60.
  • a first lead wire 62 is placed on the upper region 86 of the first electrode 81.
  • the first power line 201 of the welding machine is pressed against the first electrode 81 through the first opening 42 from below the base 40.
  • the second power line 202 of the welding machine is pressed against the first lead wire 62.
  • the first electrode 81 and the first lead wire are passed.
  • the first electrode 81 and the first lead wire 62 that are melted and generate heat are joined to each other.
  • the detection element 60 is mounted.
  • the case where the first lead wire 62 to the third lead wire 64 of the gas detection element 60 in the state where the gas sensing element 61a is formed is electrically welded to the first electrode 81 to the third electrode has been described.
  • the first lead wire 62 to the third lead wire 64 are electrically welded to the first electrode 81 to the third electrode 83, and then the gas sensitive body is applied to the first lead wire 62 to the third lead wire 64 and the heater portion 61b.
  • 61a may be formed.
  • the gas detection device 1 configured using the gas sensor device 10 supplies a drive voltage to the gas sensor device 10 and the gas sensor device 10.
  • the detection unit 3 detects the voltage VS generated between the second electrode 82 and the third electrode 83 and the first electrode 81, which are heater combined electrodes.
  • the control unit 4 detects the target gas based on the resistance value between the third electrode 83 and the first electrode 81.
  • a voltage is applied to the heater unit 61 b for a very short time of, for example, 0.1 seconds or less in order to heat the heater unit 61 b.
  • the gas detection device 1 applies the voltage to the heater unit 61b for a predetermined time before the measurement to heat the heater unit 61b, and performs the measurement so that no voltage is applied to the heater unit 61b at other times. Yes.
  • the voltage applied to the heater 61b in order to generate a large amount of heat in a short time is a square wave.
  • the voltage is not limited to a square wave.
  • the applied voltage may be a sine wave. .
  • the GND terminal 2 a of the detection unit 3 and the third electrode 83 of the gas sensor device 10 are connected to the GND terminal 2 a of the drive unit 2.
  • a second electrode 82 of the gas sensor device 10 is connected to the heater terminal 2 b of the driving unit 2.
  • the heater voltage VH applied between the GND terminal 2a and the heater terminal 2b of the drive unit 2 is a pulse voltage as shown in FIG.
  • one pulse in FIG. 30A heats the heater 61b of the gas sensor device 10 for one gas detection.
  • the application time T1 of one pulse is, for example, 0.06 sec.
  • the electric power consumed by the heater unit 61b in one pulse is about 100 mW, for example.
  • the interval T2 between the pulses is set to, for example, several seconds or more and matched to the gas detection interval.
  • the first electrode 81 of the gas sensor device 10 is connected to the detection terminal 3 b of the detection unit 3.
  • the detection unit 3 detects a voltage VS generated between the first electrode 81 and the third electrode 83.
  • the control unit 4 detects the target gas by measuring the resistance value between the first electrode 81 and the third electrode 83 from the voltage VS detected by the detection unit 3.
  • the drive unit 2 applies the measurement voltage VC to the first electrode 81 via the load resistor RL in order to generate the voltage VS measured by the detection unit 3.
  • the measurement voltage terminal 2c of the drive unit 2 is connected to one end of the load resistor RL, and the other end of the load resistor RL is connected to the first electrode 81 and the detection terminal 3b.
  • the resistance value of the load resistor RL is, for example, 10 k ⁇ , and the measurement voltage VC is set in a range of, for example, 1 V to several V.
  • the measurement voltage VC is applied within ⁇ 0.1 msec from the application end point te of the heater voltage VH.
  • the heat capacity of the gas detection element 60 since the heat capacity of the gas detection element 60, particularly the heat capacity of the gas detection unit 61, is small, the power consumption consumed by the heater unit 61b is small. Further, since the gas detection device 1 has a small heat capacity, the thermal response characteristic is improved, and the target gas can be detected in a short time.
  • the metal first lead wire 62 to the third lead wire 64 are connected to the three metal first electrode 81 to the third electrode 83 arranged around the concave portion 41 of the base 40. Since the gas detection unit 61 including the heater unit 61b is fixed in a suspended state in the space inside the recess 41 and on the recess 41, the recess 41 is made smaller as the gas detection unit 61 is downsized to surround the recess 41. As described above, the first electrode 81 to the third electrode 83 arranged with high accuracy can be made small so that they can be densely packed.
  • the cap 20 has a plurality of through-holes 23 formed at locations other than directly above the gas detection unit 61, whereby dust and water droplets are prevented by the cap 20 portion of the detection unit arrangement region Ar ⁇ b> 1, and the gas detection unit 61. Dust is difficult to adhere to.
  • the three first electrodes 81 to 83 have a first crank portion 84 and a second crank portion 85 that are bent in opposite directions at the upper and lower portions, respectively.
  • the space between the first crank portion 84 and the second crank portion 85 is embedded in the base 40, the side closer to the one end 84 a than the first crank portion 84 is exposed above the base 40, and the other end 85 a than the second crank portion 85.
  • the side close to is exposed below the base 40. Since the exposed upper region 86 from the first crank portion 84 to the one end 84a is expanded two-dimensionally, the placement of the first lead wire 62 to the third lead wire 64 is facilitated.
  • the exposed lower region 87 from the second crank portion 85 to the other end 85a is expanded two-dimensionally, thereby obtaining a shape that can be easily contacted as a device terminal. Since the space between the first crank portion 84 and the second crank portion 85 is embedded, the first electrode 81 to the third electrode 83 are firmly fixed to the base 40, and the gas detection element 60 can also be firmly fixed to the package 15. Yes.
  • the two second lead wires 63 and the third lead wire 64 are wound in a three-turn coil shape by the gas detection element 60 at the connecting portion between the second lead wire 63 and the third lead wire 64 which are part of the lead wire.
  • the heater portion 61b is formed.
  • the heater portion 61b is reduced in size, and the gas detection element 60 is reduced in size, so that the gas sensor device 10 can be reduced in size.
  • the second lead wire 63 and the third lead wire 64 that extend directly from the heater portion 61 b wound in a coil shape are displaced due to the shape of the heater portion 61 b.
  • the second electrode and the third electrode at positions suitable for the second lead wire 63 and the third lead wire 64 in accordance with the deviation between the second lead wire 63 and the third lead wire 64, The gas sensor device 10 can be easily downsized.
  • the first lead wire 62 and the first electrode 81 extending from the gas detection unit 61 including the heater unit 61 b are respectively connected to the first and second electrodes 61 and 81 from above and below the base 40.
  • the first power line 201 and the second power line 202 are brought into contact with each other, and the first lead wire 62 is electrically welded to the first electrode 81.
  • the first lead wire 62 is disposed on the first electrode 81 embedded in the base 40 so that the gas detection unit 61 is not in contact with the wall of the recess 41. It is performed in a state suspended in the space above and inside the recess 41.
  • the welding location is within the vertical and horizontal range of the base 40.
  • Such electric welding is similarly performed for the second lead wire 63 and the second electrode 82 and the third lead wire 64 and the third electrode 83.
  • the first electrode 81 to the third electrode 83 can be accommodated within a range of 2.7 mm in length and 3.4 mm in width.
  • the two first power supply lines 201 and the second power supply line 202 of the welding machine are in contact with each other from the top and bottom, both are easier to apply than when applied from above, and the package 15 is very downsized. In this case, manufacturing is easy.
  • the gas detection unit 61 is suspended in the space in the recess 41 and on the recess 41.
  • the gas detection unit 61 may be suspended in the space in the recess 41, or the gas detection unit. 61 may be suspended in the space above the recess 41.
  • the first opening portion 42 to the third opening portion 44 connected to the three first electrodes 81 to the third electrode 83 from the bottom portion are the first electrode 81 to the third electrode. It is formed by a fixing pin 93 that presses the electrode 83.
  • the first opening 42 to the third opening 44 are formed by the fixing pin 93 simultaneously with the molding of the base 40, the first opening 42 to the third opening 44 can be formed without increasing the number of steps. .
  • the 1st power supply line 201 is inserted in these 1st opening part 42 thru
  • electric welding can be performed quickly and easily, and the manufacturing time can be shortened.

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Abstract

【課題】消費電力が抑制されたコイル状のヒータ部を含むガス検出部を有する小型のガスセンサデバイスを提供する。 【解決手段】パッケージ１５は、凹部が形成されたベース４０を含み、キャップ２０の最上部から最下部までの高さが５ｍｍ以下である。第１電極乃至第３電極８３は、ベース２０に埋め込まれた状態で凹部４１の周囲に固定されている。ガス検出エレメント６０は、コイル状のヒータ部を含むガス検出部及びガス検出部から第１電極乃至第３電極８３まで延びている金属製の複数のリード線を有する。ガス検出エレメント６０は、ヒータ部を含むガス検出部が複数のリード線によって凹部の壁に接触しないように凹部内及び凹部上の空間に宙吊り状態で固定されている。

Description

ガスセンサデバイス及びその製造方法
　本発明は、特定のガスを検出するガスセンサデバイス及びその製造方法に関する。
　特定のガスを検出するガス検出エレメントを用いるガスセンサデバイスの中には、ガス検出エレメントがコイル状のヒータ部を含むガス検出部を持ち、検出対象のガスに作用するガス検出部を加熱するものがある。例えば、特許文献１（特開平７－１９８６４４号公報）には、ガス検出部を形成するため、ガス感応金属酸化物半導体の中にコイル状のヒータ部を内蔵しているガスセンサデバイスが開示されている。このコイル状のヒータ部は、ガス検出部から信号を取り出すための電極の役割も兼ねている。
　特定のガスを検出するためにガス検出エレメントを加熱する場合には、コイル状のヒータ部に通電して加熱を行うために消費電力が大きくなる傾向がある。このヒータ部の消費電力が大きいと、携帯電話などの電池で動作する機器の中にガスセンサデバイスを組み込もうとする場合に、機器本来の機能を発揮する時間が短くなることが想定される。このようなガスセンサデバイスには、消費電力が大きくなるほどガスセンサデバイスの用途が狭くなるという問題がある。
特開平７－１９８６４４号公報
　ガスセンサデバイスの消費電力は、例えばガス検出エレメントを小さくすることで抑制できるが、小さくなったガス検出エレメントを収納するガスセンサデバイスのパッケージがガス検出エレメントの大きさに見合うものにしないと、依然として携帯電話などの比較的小さな機器に組み込むのが難しいという問題が解決されない。
　本発明の課題は、消費電力が抑制されたコイル状のヒータ部を含むガス検出部を有する小型のガスセンサデバイスを提供することにある。
　以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
　本発明の一見地に係るガスセンサデバイスは、ガスを採り込む貫通孔が形成されたキャップ及び凹部が形成されたベースを含み、凹部の周囲に空間ができるようにベースにキャップが被せられた状態でキャップの最上部からベースの最下部までの高さが５ｍｍ以下であるパッケージと、ベースに埋め込まれた状態で凹部の周囲に固定されている金属製の複数の電極と、所定のガスを検出する際に発熱するコイル状のヒータ部を含むガス検出部及びガス検出部から複数の電極まで延びている金属製の複数のリード線を有するガス検出エレメントと、を備え、ガス検出エレメントは、ヒータ部を含むガス検出部が複数のリード線によって凹部の壁に接触しないように凹部内及び／又は凹部上の空間に宙吊り状態で固定されている。
　本発明の一見地に係るガスセンサデバイスでは、ベースの凹部の周囲に配置した金属製の複数の電極に金属製の複数のリード線を接続して、凹部内の空間にヒータ部を含むガス検出部を宙吊り状態に固定しているので、ガス検出部が小型化されるほど凹部及び凹部を囲むように精度良く配置されている電極を小さくしてそれらを密集させることができる。その結果、凹部及び電極の占有領域を小さくすることができ、ガスセンサデバイス全体の形状も小型化することができる。
　上述のガスセンサデバイスにおいて、キャップは、複数の貫通孔がガス検出部の直上以外の場所に形成されていてもよい。このように構成されることにより、ガス検出部に塵埃や水滴が付着するのを抑制することができる。
　上述のガスセンサデバイスにおいて、複数の電極は、それぞれ、上部と下部において互いに逆方向に曲がった第１クランク部と第２クランク部を有し、第１クランク部と第２クランク部の間がベースに埋め込まれ、第１クランク部よりも一端に近い側がベースの上方に露出し、第２クランク部よりも他端に近い側がベースの下方に露出していてもよい。このように構成されることにより、第１クランク部から一端までの露出した上部領域が２次元的に広がることでリード線の載置が容易になり、第２クランク部から他端までの露出した下部領域が２次元的に広がることでデバイス端子として接触させ易い形状が得られる。第１クランク部と第２クランク部の間が埋め込まれることにより電極がしっかり固定され、ガス検出エレメントもパッケージにしっかり固定される。
　上述のガスセンサデバイスにおいて、複数のリード線の少なくとも１つは、リード線の一部がガス検出エレメントで５ターン以下のコイル状に巻かれてヒータ部を形成してもよい。コイル状に巻かれたヒータ部のターン数が５ターン以下になることにより、ヒータ部を小型化し易くなり、ひいてはガス検出エレメントを小さくして、ガスセンサデバイスの小型化を促すことができる。
　上述のガスセンサデバイスにおいて複数のリード線は、ガス検出部から延びる第１リード線とコイル状のヒータ部から直接延びる第２リード線及び第３リード線を含み、複数の電極は、第１電極、第２電極及び第３電極を含み、第２電極に第２リード線が溶着されているとともに第３電極に第３リード線が溶着されていて、第１電極が最も前方に配置され、第１電極の後端から第２電極の前端までの距離が第１電極の後端から第３電極の前端までの距離よりも長くなるように構成されてもよい。このように構成されることにより、コイル状に巻かれたヒータ部から直接延びる第２リード線及び第３リード線がヒータ部の形状に起因してずれるが、第２リード線と第３リード線に適した位置に第２電極と第３電極が配置されることによって小型化が容易になる。
　本発明の一見地に係るガスセンサデバイスの製造方法は、ガスを採り込む貫通孔が形成されたキャップを準備する工程と、金属製の複数の電極が埋め込まれ、複数の電極に囲まれた凹部を有する高さが５ｍｍ以下のベースを成形する工程と、ヒータ部を含むガス検出部から延びる金属製の複数のリード線を複数の電極の上に配置してガス検出部を凹部の壁に接触しないように凹部内及び／又は凹部上の空間に宙吊りにした状態になるように、リード線と電極にそれぞれベースの上下から溶接機の電源ラインをベースの縦横の範囲内で当接させてリード線を電極に電気溶接する工程と、ベースにキャップを被せて、縦横高さがそれぞれ５ｍｍ以下であるパッケージを組み立てる工程とを備える。
　本発明の一見地に係るガスセンサデバイスの製造方法では、コイル状のヒータ部を含むガス検出部から延びる金属製の複数のリード線を、ベースに埋め込まれた複数の電極の上に配置してガス検出部を凹部の壁に接触しないように凹部内及び凹部上の空間に宙吊りにした状態で、リード線と電極にそれぞれベースの上下から溶接機の電源ラインをベースの縦横の範囲内で当接させてリード線を電極に電気溶接するので、電極を縦横５ｍｍの範囲内に収めることができる。また、溶接機の２本の電源ラインを上下から当接させているので、２本の電源ラインを両方とも上方から当接させる場合に比べて当て易くなり、製造が容易になる。
　上述のガスセンサデバイスの製造方法では、ベースを形成する工程では、底部から複数の電極に繋がる開口部が電極を押える固定ピンで形成され、電気溶接する工程では、開口部を通して電極に電源ラインを当接させてもよい。このように構成された製造方法によれば、電極に繋がる開口部がベースの成形と同時に固定ピンで形成されるので、工数を増やすくこと無く開口部を形成できる。そして、これら開口部に電源ラインを差し込むだけで電極に電源ラインを当接させることができるので、電源ラインを電極に当接させるための位置決めが容易になって電気溶接が速く簡単にできるようになり、製造時間が短縮できる。
　本発明のガスセンサデバイス及びその製造方法によれば、従来に比べて消費電力が抑制されたコイル状のヒータ部を含むガス検出部を有する小型のガスセンサデバイスを提供することができる。
実施形態のガスセンサデバイスと従来のガスセンサデバイスの大きさを比較するための斜視図。 ガスセンサデバイスのキャップを示す平面図。 ガス検出エレメントが取り付けられたベースを示す平面図。 ガス検出エレメントの一部を拡大した部分拡大平面図。 ガスセンサデバイスのベースを示す平面図。 ベースの底面図。 ベースの右側面図。 ベースの正面図。 ベースの背面図。 図５のＩ－Ｉ線で切断したベースの断面図。 図５のＩＩ－ＩＩ線で切断したベースの断面図。 図６のＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断したベースの断面図。 キャップの底面図。 キャップの右側面図。 キャップの正面図。 図２のＩＶ－ＩＶ線で切断したキャップの断面図。 図２のＶ－Ｖ線で切断したキャップの断面図。 パッケージの平面図。 パッケージの底面図。 パッケージの背面図。 図１８のＶＩ－ＶＩ線で切断したパッケージの断面図。 図１８のＶＩＩ－ＶＩＩ線で切断したパッケージの断面図。 図１９のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線で切断したパッケージの断面図。 ベースの射出成形の型開き工程を示す模式的な断面図。 ベースの射出成形において型を閉じた状態を示す模式的な断面図。 ベースの射出成形工程を示す模式的な断面図。 射出成形でできたベースを説明するための模式的な断面図。 電気溶接を説明するための模式的な断面図。 ガスセンサデバイスを用いたガス検知装置の回路図。 （ａ）ヒータ電圧の波形図、（ｂ）測定電圧の波形図。
（１）ガスセンサデバイスの大きさ
　図１には、本発明の一実施形態に係るガスセンサデバイスと従来のガスセンサデバイスが示されている。さらに詳細に説明すると、図１に描かれているものは、比較のために、水平な台の上に並べられた実施形態に係るガスセンサデバイス１０と従来のガスセンサデバイス１００と親指３００とを撮影した写真に基づくものである。
　従来のガスセンサデバイス１００の大きさは、円筒状のパッケージ１０１の直径Ｄ１が例えば約７．５ｍｍである。従来のガスセンサデバイス１００においては、円筒状のパッケージ１０１から３本の端子１０２が突出しているが、パッケージ１０１の上面から端子１０２の先端までの長さＬ１が例えば約１３ｍｍである。
　実施形態に係るガスセンサデバイス１０は、従来のガスセンサデバイス１００及び人の親指３００などと比べて、非常に小さいことが分かる。ガスセンサデバイス１０の外形は、実質的に直方体である。ここに描かれているガスセンサデバイス１０のパッケージ１５の縦の長さＬ２は約２．７ｍｍであり、横の長さＬ３は約３．４ｍｍである。また、ガスセンサデバイス１０のパッケージ１５の高さＨ１は、約１．２５ｍｍである（図２０参照）。
（２）ガスセンサデバイスの構成の概要
　ガスセンサデバイス１０は、図２に示されているキャップ２０と、図３に示されているベース４０及びガス検出エレメント６０とを備えている。ベース４０にはキャップ２０が嵌合される。ガス検出エレメント６０は、キャップ２０とベース４０で囲まれた空間の中に収納される。
（２－１）ガス検出エレメント
　図４に示されているように、ガス検出エレメント６０は、特定のガスを検出するガス検出部６１を有している。このガス検出部６１からは、ガス検出部６１で発生する電気的現象を外部に伝えるための３本の第１リード線６２、第２リード線６３及び第３リード線６４がガス検出部６１から外に向かって延びている。これら第１リード線６２乃至第３リード線６４として、例えば直径１５μｍの白金線を用いることができる。これら第１リード線６２乃至第３リード線６４の直径は、少ないターン数でコイル状のヒータ部６１ｂの適切な抵抗値を得るために１５μｍ以下が好ましい。第１リード線６２は、ガス検出部６１から２方向に向かって延びているが、２方向のうちの一方に延びている部分は、製造上できてしまう付帯的な部分であってどこにも繋がらずリード線としての役割を果たさない。従って、第１リード線６２は、ガス検出部６１から２方向に延びているが一本と数える。
　ガス検出部６１の形状は、例えば球体状、ラクビーボール状又は回転楕円体状である。言い換えると、ガス検出部６１はビーズ形状を有しているということである。ガス検出部６１は、内部にコイル状のヒータ部６１ｂを含み、コイル状のヒータ部６１ｂの周囲を金属酸化物半導体からなる感ガス体６１ａが包み込むように構造を持っている。この感ガス体６１ａは、例えば、酸化スズ、酸化タングステン、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム及びスズ酸バリウムから選択される金属酸化物を用いて形成できる。ガス検出部６１は、例えば金属酸化物の粉末を焼成して成形することができる。ガス検出部６１の体積は、例えば、０．０００１ｍｍ3以上０．０１ｍｍ3以下であるが、好ましくは０．０００１ｍｍ3以上０．００３ｍｍ3以下であり、より好ましくは、０．０００１ｍｍ3以上０．００２ｍｍ3以下である。例えば、直径１５μｍの白金線で形成された外径１１０μｍ及び中心軸方向の長さ１３０μｍのコイル状のヒータ部６１ｂを用いた場合、例えば体積が０．０００８ｍｍ3のガス検出部６１を得ることができる。
　ガス検出部６１の内部に在るコイル状のヒータ部６１ｂは、一本の白金線の中央部をコイル状に巻くことにより形成される。そしてコイル状のヒータ部６１ｂから延びる２本の白金線が第２リード線６３及び第３リード線６４になる。図４に示されているコイル状のヒータ部６１ｂの巻き数は実質的に３ターンである。ここでヒータ部６１ｂの巻き数は、コイルの長手方向から見て、第２リード線６３が曲がり始める点Ｐ１から第３リード線６４が曲がり始める点Ｐ２の間で、例えば一方の点Ｐ１と重なる巻線の本数で数える。ガス検出エレメント６０を小型化するためには、ターン数は５ターン以下が好ましい。
（２－２）ベース
　図５はベース４０の平面図であり、図６はベース４０の底面図であり、図７はベース４０の右側面図であり、図８はベース４０の正面図であり、図９はベース４０の背面図である。また、図１０は、図５のＩ‐Ｉ線で切断したベース４０の断面図であり、図１１は、図５のＩＩ‐ＩＩ線で切断したベース４０の断面図であり、図１２は、図６のＩＩＩ‐ＩＩＩ線で切断したベース４０の断面図である。
　ベース４０は、熱可塑性樹脂からなり、射出成形により成形される。ベース４０に用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば液晶ポリマーがある。ベース４０は、板状の部材である。ベース４０の前方右側の角が面取りされ、面取り面４０ａが形成されている。ベース４０は、縦の長さＬ２が例えば２．７ｍｍ、横の長さＬ３が例えば３．４ｍｍ、高さＨ２が例えば０．７ｍｍである。ベース４０の中央から後方にかけて凹部４１が形成されている。凹部４１は、平面視において長方形の形状を呈する。凹部４１の左右方向の長さＬ４は例えば０．８ｍｍであり、前後方向の長さＬ５は例えば１．２ｍｍである。凹部４１の左右方向の長さＬ４及び前後方向の長さＬ５は、凹部４１の中にガスを導き易くするために、それぞれガス検出部６１の左右方向長さ及び前後方向の長さの２倍以上であることが好ましく、５倍以上であることがさらに好ましい。
　ベース４０には、金属製の第１電極８１、第２電極８２及び第３電極８３が埋め込まれている。第１電極８１、第２電極８２及び第３電極８３は、例えばステンレスにニッケルメッキを施して形成されている。ステンレスにニッケルメッキを施したものは、白金線からなる第１リード線６２乃至第３リード線６４（図３参照）の電気溶接に適している。なお、第１電極８１乃至第３電極８３に用いられる材料は、ステンレスにニッケルメッキを施したものに限られず、例えばステンレス以外の銅、金若しくは鉄又はそれらの合金を用いることができる。また、電極表面のメッキ処理も、ニッケルメッキに限られず、例えばスズメッキなど他の金属を用いて行うことができる。第１電極８１乃至第３電極８３が凹部４１の周囲を囲んでおり、第１電極８１は、ベース４０の前方に配置され、第２電極８２はベース４０の右側に配置され、第３電極８３がベース４０の左側に配置されている。
　図３に示されているように、第１電極８１に対して、第２電極８２及び第３電極８３が後方にずれているが、第２電極８２及び第３電極８３のズレ量が互いに異なっている。第２電極８２の方が第３電極８３よりも第１電極８１に対して後方に大きくずれるように配置されている。つまり、第２電極８２の前端８２ａの第１電極８１の後端８１ｂに対するズレＬ６（後端８１ｂから前端８２ａまでの距離）の方が第３電極８３の前端８３ａの第１電極８１の後端８１ｂに対するズレＬ７（後端８１ｂから前端８３ａまでの距離）よりも大きくなるように第１電極８１、第２電極８２及び第３電極８３が配置されている。このように配置されることにより、コイル状のヒータ部６１ｂの巻き始めと巻き終わりから延びる第２リード線６３と第３リード線６４に適した位置に第２電極８２と第３電極８３を設けることができる。
　第１電極８１乃至第３電極８３は、幅Ｗ１が例えば０．７ｍｍである。なお、ここでは、第１電極８１乃至第３電極８３の電極幅が３つとも同じであるが、必ずしも同じである必要はなく、異なっていてもよい。ただし、第１電極８１乃至第３電極８３に、互いに形状が同じものを用いれば、部品を共用することができるので、部品点数を減らすことができる。第１電極８１乃至第３電極８３は、それぞれ、上部と下部において互いに逆方向に曲がった第１クランク部８４と第２クランク部８５（図１０及び図１１参照）を有している。第１電極８１乃至第３電極８３は、いずれも第１クランク部８４と第２クランク部８５の間が樹脂中に埋め込まれている。第１クランク部８４から一端８４ａまでの露出する上部領域８６が２次元的に広がることで、第１電極８１乃至第３電極８３への第１リード線６２乃至第３リード線６４の載置がそれぞれ容易になる。第２クランク部８５から他端８５ａまでの露出する下部領域８７が２次元的に広がることで、第１電極８１乃至第３電極８３の高さＨ３を低くしながらデバイスの端子として接触させ易い形状が得られる。
　第１電極８１乃至第３電極８３は、それぞれの上部から下部までの高さＨ３がパッケージ１５の高さよりも０．３ｍｍ以上低くなるように設定されるが、ここでは例えば第１電極８１の上部から下部までの高さＨ３は例えば０．６５ｍｍであり、第２電極８２及び第３電極８３の上部から下部までの高さＨ３は例えば０．７ｍｍである。パッケージ１５の高さＨ１が例えば１．２５ｍｍであるから、第２電極８２及び第３電極８３の上部から下部までの高さＨ３の方が０．５５ｍｍだけ低くなっている。これらの高さＨ１と高さＨ３の差を使って、ガス検出部６１の上方に、ガスを採り込むための空間が形成される。
　ベース４０の底部４０ｂには、第１電極８１乃至第３電極８３に繋がる第１開口部４２、第２開口部４３及び第３開口部４４が形成されている。第１開口部４２、第２開口部４３及び第３開口部４４には、第１電極８１乃至第３電極８３に近くなるほど開口径が小さくなるようにテーパがついている。第１開口部４２乃至第３開口部４４の最も狭い部分の開口径Ｄ２は例えば０．４ｍｍであり、最も広い部分の開口径Ｄ３は例えば０．６ｍｍである。
（２－３）キャップ
　図２はキャップ２０の平面図であり、図１３はキャップ２０の底面図であり、図１４はキャップ２０の右側面図であり、図１５はキャップ２０の正面図である。また、図１６は、図２のＩＶ‐ＩＶ線で切断したキャップ２０の断面図であり、図１７は、図２のＶ‐Ｖ線で切断したキャップ２０の断面図である。
　キャップ２０は、平板状の天部２１と、天部２１の周囲を取り囲む側部２２とを備えている。キャップ２０にも、ベース４０の面取り面４０ａに対応する面取り面２０ａが形成されている。天部２１の高さ方向の厚みＨ４は例えば０．２ｍｍである。また、天部２１の底面までの側部２２の高さＨ５は例えば０．８ｍｍである。
　天部２１には、２２個の貫通孔２３が形成されている。これらの貫通孔２３は、ガス検出部６１が配置される領域の直上の検出部配置領域Ａｒ１以外の領域に配置されている。これらの中の２つの貫通孔２３ａは、ベース４０の凹部４１の直上に配置されている。貫通孔２３は、ベース４０の方に向かって貫通孔径が広がるようにテーパが付けられている。貫通孔２３の最も狭い部分の貫通孔径Ｄ４は例えば０．１５ｍｍであり、最も広い部分の貫通孔径Ｄ５は例えば０．２５ｍｍである。このようにパッケージ１５の内部に向けて貫通孔２３が広がることにより、塵埃や水滴を入り難くするとともにガスを内部に導き易くなる。
（２－４）パッケージ
　図１８はパッケージ１５の平面図であり、図１９はパッケージ１５の底面図であり、図２０はパッケージ１５の背面図である。また、図２１は、図１８のＶＩ‐ＶＩ線で切断したパッケージ１５の断面図であり、図２２は、図１８のＶＩＩ‐ＶＩＩ線で切断したパッケージ１５の断面図であり、図２３は、図１９のＶＩＩＩ‐ＶＩＩＩ線で切断したパッケージ１５の断面図である。
　パッケージ１５の高さＨ１は、例えば１．２５ｍｍである。キャップ２０とベース４０との間にあるパッケージ１５内の空間の高さＨ７は例えば０．３５ｍｍである。ただし、第１電極８１からキャップ２０の天部２１の下面までの高さＨ８は例えば０．４ｍｍである。既に説明したが、このパッケージ１５の縦方向の長さＬ２はベース４０の縦方向の長さと同じであり、パッケージ１５の横方向の長さＬ３はベース４０の横方向の長さと同じである。
（３）ガスセンサデバイスの製造方法
　ガスセンサデバイス１０を製造するために、キャップ２０とベース４０とガス検出エレメント６０とを準備する。ここでは、キャップ２０とベース４０とガス検出エレメント６０とが並列に独立して準備される場合を例に挙げて説明する。キャップ２０は、金型を用いた射出成形法により熱可塑性樹脂から成形される。ベース４０は、金型を用いたインサート成形法により第１電極８１、第２電極８２及び第３電極８３を埋め込んだ状態で熱可塑性樹脂から成形される。ベース４０は、例えば、図２４乃至図２７に示されている工程を経て形成される。
　まず、図２４に示されているように、第１型９１と第２型９２が型開きされた状態で、第１電極８１が第１型９１にセットされる。図２４では、第２電極８２及び第３電極８３の記載が省略されているが、これらも第１電極８１と同様に第１型９１にセットされる。第２型９２には固定ピン９３が取り付けられている。図２４には示されていないが、第２電極８２及び第３電極８３を固定するための他の２本の固定ピンも第２型９２に取り付けられている。第１電極８１乃至第３電極８３がセットされた状態で動かないように留めておくには、例えば第１型９１に小さな貫通孔を開けておいて第１電極８１乃至第３電極８３を吸引すればよい。
　次に、図２５に示されているように、第１型９１と第２型９２が閉じられる。第１型９１と第２型９２が閉じられた状態では固定ピン９３が第１電極８１に当たっており、この固定ピン９３によって第１電極８１が動かないように固定される。第２電極８２及び第３電極８３も、図示されていない他の２本の固定ピンによって固定される。
　次に、図２６に示されているように、溶融した熱可塑性樹脂９４が第１型９１と第２型９２に囲まれたキャビティ内に射出される。
　図２７には、射出成形後に、第１型９１と第２型９２を型開きして取り出されたベース４０が示されている。固定ピン９３が存在した部分が第１開口部４２になり、図示されていない他の固定ピンが存在した部分が第２開口部４３及び第３開口部４４（図１１参照）になる。
　図２８には、ガス検出エレメント６０の電気溶接の方法が示されている。第１電極８１の上部領域８６の上に、第１リード線６２が載置されている。ベース４０の下から第１開口部４２を通して、溶接機の第１電源ライン２０１が第１電極８１に押し当てられている。ベース４０の上からは、溶接機の第２電源ライン２０２が第１リード線６２に押し当てられている。図２８に示されている状態で、第１電源ライン２０１から第１電極８１と第１リード線６２を経由して第２電源ライン２０２に電流を流すと、第１電極８１と第１リード線６２の間で発熱して、溶けた第１電極８１と第１リード線６２が接合される。
　第２電極８２と第２リード線６３及び第３電極８３と第３リード線６４との間でも同様の電気溶接を繰り返すことにより、図３に示されているように、ベース４０の上にガス検出エレメント６０がマウントされる。
　上記の例では、感ガス体６１ａが形成された状態のガス検出エレメント６０の第１リード線６２乃至第３リード線６４を、第１電極８１乃至第３電極に電気溶接する場合について説明したが、先に第１リード線６２乃至第３リード線６４を、第１電極８１乃至第３電極８３に電気溶接した後に、第１リード線６２乃至第３リード線６４及びヒータ部６１ｂに感ガス体６１ａを形成するようにしてもよい。
（４）ガスセンサデバイスを用いたガス検知装置
　上述のガスセンサデバイス１０を用いて構成されるガス検知装置１は、図２９に示されているように、ガスセンサデバイス１０と、ガスセンサデバイス１０に駆動電圧を出力する駆動部２と、ガスセンサデバイス１０の所定箇所の電圧を検出する検出部３と、駆動部２及び検出部３に接続されてガス検知装置１を制御する制御部４と、負荷抵抗ＲＬとを備えている。ここでは、検出部３は、ヒータ兼用電極である第２電極８２及び第３電極８３と第１電極８１との間に発生する電圧ＶＳを検出している。そして、制御部４は、第３電極８３と第１電極８１との間の抵抗値に基づいて対象ガスの検知を行っている。
　ガスセンサデバイス１０は、ヒータ部６１ｂの加熱のために、例えば０．１秒以下の非常に短い時間だけヒータ部６１ｂに電圧が印加されている。つまり、ガス検知装置１は、測定前の所定時間だけヒータ部６１ｂに電圧を印加してヒータ部６１ｂを加熱し、それ以外の時間ではヒータ部６１ｂに電圧を印加しないようにして測定を行っている。それにより、ガスセンサデバイス１０の温度、特にガス検出エレメント６０の周囲の温度が上昇するのを防いでいる。ここでは、短時間に多くの熱を発生させるためにヒータ部６１ｂに印加される電圧が方形波になっているが、方形波に限られず、例えば印加される電圧はサイン波であってもよい。
　駆動部２のＧＮＤ端子２ａには、検出部３のＧＮＤ端子３ａ及びガスセンサデバイス１０の第３電極８３が接続されている。駆動部２のヒータ端子２ｂには、ガスセンサデバイス１０の第２電極８２が接続されている。駆動部２のＧＮＤ端子２ａとヒータ端子２ｂとの間に印加されるヒータ電圧ＶＨは、図３０（ａ）に示されているようなパルス電圧である。ここでは、１回のガス検知のためにガスセンサデバイス１０のヒータ部６１ｂを加熱するのは、例えば図３０（ａ）の１パルスである。この１パルスの印加時間Ｔ１は、例えば０．０６ｓｅｃである。この１パルスでヒータ部６１ｂが消費する電力は、例えば１００ｍＷ程度である。ガスセンサデバイス１０が過度に加熱されるのを防ぐために、パルス間の間隔Ｔ２は、例えば数秒以上で、ガス検知のインターバルに合わせて設定されている。なお、複数のパルス電圧を用いて複数回のガス検知を行うことを１セットとして、１度のガス検知の結果とすることも可能である。
　ガスセンサデバイス１０の第１電極８１は、検出部３の検出端子３ｂに接続されている。この検出部３は、第１電極８１と第３電極８３の間に生じる電圧ＶＳを検出する。制御部４は、検出部３が検出して電圧ＶＳから第１電極８１と第３電極８３の間の抵抗値を測定して対象ガスの検知を行う。
　駆動部２は、検出部３が測定する電圧ＶＳを発生させるために、負荷抵抗ＲＬを介して測定電圧ＶＣを第１電極８１に印加する。そのために、駆動部２の測定電圧端子２ｃは、負荷抵抗ＲＬの一端に接続され、負荷抵抗ＲＬの他端は、第１電極８１及び検出端子３ｂに接続されている。負荷抵抗ＲＬの抵抗値は、例えば１０ｋΩであり、測定電圧ＶＣは例えば１Ｖから数Ｖの範囲で設定される。測定電圧ＶＣは、図３０（ｂ）に示されているように、ヒータ電圧ＶＨの印加終了時点ｔｅから±０．１ｍｓｅｃ以内に印加される。
　ガス検知装置１では、ガス検出エレメント６０の熱容量、特にガス検出部６１の熱容量が小さいために、ヒータ部６１ｂで消費される消費電力が小さくなる。また、ガス検知装置１は、熱容量が小さいために、熱応答特性が良くなり、短時間で対象ガスの検知が行える。
（５）特徴
（５－１）
　上述のガスセンサデバイス１０では、ベース４０の凹部４１の周囲に配置された３つの金属製の第１電極８１乃至第３電極８３に金属製の第１リード線６２乃至第３リード線６４を接続して凹部４１内及び凹部４１上の空間にヒータ部６１ｂを含むガス検出部６１を宙吊り状態に固定しているので、ガス検出部６１が小型化されるほど凹部４１を小さくして凹部４１を囲むように精度良く配置されている第１電極８１乃至第３電極８３も小さくしてそれらを密集させることができる。その結果、凹部４１及びその周囲の第１電極８１乃至第３電極８３の占有領域を小さくすることができ、ガスセンサデバイス１０の全体の形状も小型化することができる。
（５－２）
　キャップ２０は、複数の貫通孔２３がガス検出部６１の直上以外の場所に形成されていることにより、検出部配置領域Ａｒ１のキャップ２０の部分によって塵埃や水滴が防がれ、ガス検出部６１に塵埃が付着し難くなっている。
（５－３）
　３つの第１電極８１乃至第３電極８３は、それぞれ、上部と下部において互いに逆方向に曲がった第１クランク部８４と第２クランク部８５を有している。第１クランク部８４と第２クランク部８５の間がベース４０に埋め込まれ、第１クランク部８４よりも一端８４ａに近い側がベース４０の上方に露出し、第２クランク部８５よりも他端８５ａに近い側がベース４０の下方に露出している。第１クランク部８４から一端８４ａまでの露出した上部領域８６が２次元的に広がることで第１リード線６２乃至第３リード線６４の載置が容易になっている。また、第２クランク部８５から他端８５ａまでの露出した下部領域８７が２次元的に広がることでデバイス端子として接触させ易い形状が得られている。第１クランク部８４と第２クランク部８５の間が埋め込まれることにより第１電極８１乃至第３電極８３がベース４０にしっかり固定され、ガス検出エレメント６０もパッケージ１５にしっかり固定することができている。
（５－４）
　２つの第２リード線６３及び第３リード線６４は、リード線の一部である第２リード線６３と第３リード線６４の接続部分がガス検出エレメント６０で３ターンのコイル状に巻かれてヒータ部６１ｂを形成している。コイル状に巻かれたヒータ部６１ｂのターン数が３ターンになることにより、ヒータ部６１ｂが小型化され、ひいてはガス検出エレメント６０が小さくなり、ガスセンサデバイス１０の小型化が達成できている。
（５－５）
　図３及び図４を用いて説明したように、コイル状に巻かれたヒータ部６１ｂから直接延びる第２リード線６３及び第３リード線６４がヒータ部６１ｂの形状に起因してずれている。しかし、第２リード線６３と第３リード線６４のズレに合わせて、これら第２リード線６３と第３リード線６４に適した位置に第２電極と第３電極が配置されることによって、ガスセンサデバイス１０の小型化が容易になる。
（５－６）
　ガスセンサデバイス１０の製造方法においては、図２８を用いて説明したように、ヒータ部６１ｂを含むガス検出部６１から延びる第１リード線６２と第１電極８１にそれぞれベース４０の上下から溶接機の第１電源ライン２０１及び第２電源ライン２０２を当接させて第１リード線６２を第１電極８１に電気溶接している。この電気溶接は、ベース４０に埋め込まれた第１電極８１の上に、第１リード線６２を配置してガス検出部６１を凹部４１の壁に接触しないように、ガス検出部６１を凹部４１内及び凹部４１上の空間に宙吊りにした状態で行われる。さらに、溶接箇所は、ベース４０の縦横の範囲内にある。このような電気溶接は、第２リード線６３と第２電極８２及び第３リード線６４と第３電極８３についても同様に行われる。その結果、第１電極８１乃至第３電極８３を縦２．７ｍｍ、横３．４ｍｍの範囲内に収めることができる。また、溶接機の２本の第１電源ライン２０１と第２電源ライン２０２を上下から当接させているので、両方とも上方から当てる場合に比べて当て易くなり、非常に小型化されたパッケージ１５においても製造が容易になっている。なお、上記実施形態では、ガス検出部６１が凹部４１内及び凹部４１上の空間に宙吊りにされていたが、ガス検出部６１を凹部４１内の空間に宙吊りにしてもよく、又はガス検出部６１を凹部４１上の空間に宙吊りにしてもよい。
（５－７）
　ガスセンサデバイス１０の製造方法において、ベース４０を形成する工程では、底部から３つの第１電極８１乃至第３電極８３に繋がる第１開口部４２乃至第３開口部４４が第１電極８１乃至第３電極８３を押える固定ピン９３で形成されている。このように第１開口部４２乃至第３開口部４４がベース４０の成形と同時に固定ピン９３で形成されるので、工数を増やすこと無く、第１開口部４２乃至第３開口部４４を形成できる。そして、これら第１開口部４２乃至第３開口部４４に第１電源ライン２０１を差し込めば第１電極８１乃至第３電極８３に当接させて簡単に位置決めできるので、非常に小さなガスセンサデバイス１０にたいしても電気溶接が速く簡単にできるようになり、製造時間が短縮できる。
（６）変形例
（６－１）変形例１Ａ
　上記実施形態では、コイル状のヒータ部６１ｂが感ガス体６１ａの中に配置されている場合について説明したが、接触燃焼式のガスセンサのように、白金線などの触媒をコイル状に巻いて、コイル状のヒータ部を露出した状態で用いる場合についても本発明を適用することができる。
１０　　　ガスセンサデバイス
１５　　　パッケージ
２０　　　キャップ
２３　　　貫通孔
４０　　　ベース
４１　　　凹部
４２　　　第１開口部
４３　　　第２開口部
４４　　　第３開口部
６０　　　ガス検出エレメント
６１　　　ガス検出部
６１ａ　　　感ガス体
６１ｂ　　　ヒータ部
６２　　　第１リード線
６３　　　第２リード線
６４　　　第３リード線
８１　　　第１電極
８２　　　第２電極
８３　　　第３電極
８４　　　第１クランク部
８５　　　第２クランク部
９３　　　固定ピン
２０１　　　第１電源ライン
２０２　　　第２電源ライン

Claims (7)

  1. 　ガスを採り込む貫通孔が形成されたキャップ及び凹部が形成されたベースを含み、前記凹部の周囲に空間ができるように前記ベースに前記キャップが被せられた状態で前記キャップの最上部から前記ベースの最下部までの高さが５ｍｍ以下であるパッケージと、
    　前記ベースに埋め込まれた状態で前記凹部の周囲に固定されている金属製の複数の電極と、
    　所定のガスを検出する際に発熱するコイル状のヒータ部を含むガス検出部及び前記ガス検出部から複数の前記電極まで延びている金属製の複数のリード線を有するガス検出エレメントと、
    を備え、
    　前記ガス検出エレメントは、前記ヒータ部を含む前記ガス検出部が複数の前記リード線によって前記凹部の壁に接触しないように前記凹部内及び／又は前記凹部上の空間に宙吊り状態で固定されている、ガスセンサデバイス。
  2. 　前記キャップは、複数の前記貫通孔が前記ガス検出部の直上以外の場所に形成されている、
    請求項１に記載のガスセンサデバイス。
  3. 　複数の前記電極は、それぞれ、上部と下部において互いに逆方向に曲がった第１クランク部と第２クランク部を有し、前記第１クランク部と前記第２クランク部の間が前記ベースに埋め込まれ、前記第１クランク部よりも一端に近い側が前記ベースの上方に露出し、前記第２クランク部よりも他端に近い側が前記ベースの下方に露出している、
    請求項１又は請求項２に記載のガスセンサデバイス。
  4. 　複数の前記リード線の少なくとも１つは、前記リード線の一部が前記ガス検出エレメントで５ターン以下のコイル状に巻かれて前記ヒータ部を形成している、
    請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサデバイス。
  5. 　複数の前記リード線は、前記ガス検出部から延びる第１リード線とコイル状の前記ヒータ部から直接延びる第２リード線及び第３リード線を含み、
    　複数の前記電極は、第１電極、第２電極及び第３電極を含み、前記第２電極に前記第２リード線が溶着されているとともに前記第３電極に前記第３リード線が溶着されていて、前記第１電極が最も前方に配置され、前記第１電極の後端から前記第２電極の前端までの距離が前記第１電極の前記後端から前記第３電極の前端までの距離よりも長いことを特徴とする、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のガスセンサデバイス。
  6. 　ガスを採り込む貫通孔が形成されたキャップを準備する工程と、
    　金属製の複数の電極が埋め込まれ、複数の前記電極に囲まれた凹部を有する高さが５ｍｍ以下のベースを成形する工程と、
    　コイル状のヒータ部を含むガス検出部から延びる金属製の複数のリード線を複数の前記電極の上に配置して前記ガス検出部を前記凹部の壁に接触しないように前記凹部内及び／又は前記凹部上の空間に宙吊りにした状態になるように、前記リード線と前記電極にそれぞれ前記ベースの上下から溶接機の電源ラインを前記ベースの縦横の範囲内で当接させて前記リード線を前記電極に電気溶接する工程と、
    　前記ベースに前記キャップを被せて、縦横高さがそれぞれ５ｍｍ以下であるパッケージを組み立てる工程と
    を備える、ガスセンサデバイスの製造方法。
  7. 　前記ベースを形成する工程では、底部から複数の前記電極に繋がる開口部が前記電極を押える固定ピンで形成され、
    　電気溶接する工程では、前記開口部を通して前記電極に前記電源ラインを当接させる、請求項６に記載のガスセンサデバイスの製造方法。
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