WO2018088241A1

WO2018088241A1 - ガスセンサ

Info

Publication number: WO2018088241A1
Application number: PCT/JP2017/038855
Authority: WO
Inventors: 西山　寛幸; 茂幸山本; 鬼頭　真一郎; 中川　伸一
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2019-05-09
Also published as: JP2018077119A

Abstract

混成電位型センサ部を固定するセラミック配線基板に接着層を介して積層部材を積層する構成において、ガス検出精度の低下を抑制したガスセンサを提供する。混成電位型センサ部２２２と、混成電位型センサ部を固定し、混成電位型センサ部の一対の電極に接続される一対の第１リード部３０Ｌ１が一方の面３０ｆに設けられたセラミック配線基板３０と、混成電位型センサ部の周囲を取り囲み、一方の面に設けられる枠状の第１接着層６６と、一方の面に第１接着層を介して積層される積層部材４０と、を備えたガスセンサ１００であって、第１リード部の少なくとも一方は、第１接着層よりも内側の領域に配置されると共に当該領域にてセラミック配線基板を貫通する貫通導体３０ｓｈに電気的に接続され、セラミック配線基板の反対面３０ｅには、貫通導体に接続されて第１接着層よりも外側の部位に延びる第２リード部３０Ｌ２が設けられてなる。

Description

ガスセンサ

　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。

　図５に示すように、特定ガスの濃度を検知する混成電位型のセンサ素子５００を配線基板３００の開口部３００ｈ内にワイヤボンディング等で宙吊り固定し、この配線基板３００に被測定ガスが流通する内部空間４００ｈを形成するための枠体４００や、図示しない蓋部等を積層した構造のガスセンサが知られている（特許文献１）。
　センサ素子５００は固体電解質体と一対の電極とを有し、各電極は、配線基板３００上に設けられたリード部３００Ｌに接続されている。リード部３００Ｌは配線基板３００の一端に延びて電極パッド３００ｐに一体に接続されている。そして、センサ素子５００の一対の電極間に生じる検知信号（起電力）は、リード部３００Ｌ及び電極パッド３００ｐを介して外部に出力される。

　配線基板３００、枠体４００等は一般にアルミナ等の絶縁性のセラミックから形成されており、各部材３００、４００を、センサ素子５０の周囲を取り囲むように枠状に形成すると共に、ガラスや無機系の接着剤６００を用いて接着して気密に積層することも行われている。この場合、枠体４００の内部空間（開口部）４００ｈを囲み、リード部３００Ｌを跨ぐように枠状に接着剤６００が塗布され、接着剤６００とリード部３００Ｌとが接点Ｃにて接することになる。

米国特許出願公開第2015/0250408号明細書（図４、図６Ｂ）

　ガスセンサの温度が高くなり、接着剤６００の抵抗（絶縁抵抗）が低下することがあると、接着剤６００とリード部３００Ｌとの接点Ｃ間にて接着剤６００を通ってリーク電流が流れることがある。ここで、接着剤６００の抵抗は高い（例えば、数十ＧΩ）が、混成電位型のセンサ素子５００の場合、一対の電極間の抵抗が高く（例えば、数ＧΩ）、各電極と接続された一対のリード部３００Ｌ間の抵抗も高くなっている。そのため、接着剤６００を通じて接点Ｃ間にリーク電流が流れると、リード部３００Ｌを通じて得られるセンサ素子５００から検知信号（起電力）が低下することになり、ガス検出精度が低下するおそれがある。
　そこで、本発明は、混成電位型センサ部からの検知信号をセラミック配線基板のリード部を介して外部に取り出すにあたり、セラミック配線基板に積層される積層部材を接着するための接着層が存在してもガス検出精度の低下が抑制され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、固体電解質体に一対の電極を設けてなり、被測定ガス中の特定成分のガスを検出する混成電位型センサ部と、前記混成電位型センサ部を直接又は他部材を介して間接的に固定し、前記混成電位型センサ部の前記一対の電極にそれぞれ電気的に接続される一対の第１リード部が一方の面に設けられたセラミック配線基板と、前記混成電位型センサ部の周囲を取り囲むように枠状に形成される第１接着層であって、自身の内側の領域に前記セラミック配線基板の前記一方の面の一部を露出させるように当該セラミック配線基板の前記一方の面に設けられる第１接着層と、前記セラミック配線基板の前記一方の面に前記第１接着層を介して積層される積層部材と、を備えたガスセンサであって、前記一対の第１リード部の少なくとも一方は、前記第１接着層よりも内側の領域に配置されると共に当該領域にて前記セラミック配線基板を貫通する貫通導体に電気的に接続され、前記セラミック配線基板の反対面には前記貫通導体に電気的に接続されて前記第１接着層よりも外側の部位に延びる第２リード部が設けられてな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一方の面に設けられる第１リード部を第１接着層よりも内側の領域に配置すると共に、セラミック配線基板の反対側の面に設けられる第２リード部を上記の内側の領域に設けられた貫通導体を経由して第１リード部に接続させている。これにより、混成電位型センサ部の検知信号をセラミック配線基板のリード部を通じて外部に取り出すにあたり、リード部（第１リード部、第２リード部）が第１接着層に接することがない。したがって、第１接着層の抵抗（絶縁抵抗）が低下することがあったとしても、ガス検出精度が低下するのを抑制することができる。
　特に、混成電位型センサ部が複数個直列に接続されている場合、電極を合計した抵抗値がさらに高くなるので、本発明がより有効となる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記セラミック配線基板は、開口部と、前記一方の面に形成され且つ該開口部の外側に位置すると共に、前記一対の第１リード部にそれぞれ接続される一対の素子周辺パッドとを備え、前記混成電位型センサ部は前記開口部に宙吊り固定されると共に、前記素子周辺パッドに通電部材を介して溶接され、前記第１接着層は前記素子周辺パッドの外側に配置されていてよい。
　このガスセンサによれば、シール部が素子周辺パッドに接続された通電部材を挟み込むことを抑制し、通電部材と素子周辺パッドとの溶接を安定して行え、両者の接合強度を高められる。

　本発明のガスセンサにおいて、前記混成電位型センサ部の周囲を取り囲むように枠状に形成されると共に、前記セラミック配線基板の前記反対面に設けられる第２接着層であって、自身の外縁が前記第１接着層の内縁よりも内側に位置してなる第２接着層を備え、前記貫通導体は、前記セラミック配線基板の厚み方向に沿って見たときに、前記第１接着層の内縁と前記第２接着層の外縁との間に設けられているとよい。
　セラミック配線基板の反対面に枠状の第２接着層が配置される場合にも、第１接着層と第２接着層との関係、及び、貫通導体の配置位置を上記のように設定することで、接着層を通じてリード部間にリーク電流が流れることがなく、ガス検出精度の低下を抑制することができる。

　この発明によれば、混成電位型センサ部を固定するセラミック配線基板に対して、接着層を介して積層部材を積層する構成において、ガス検出精度の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る混成電位型センサを含むガスセンサの分解斜視図である。混成電位型センサ側のセラミック配線基板を、接着層を介して積層する態様を示す斜視図である。混成電位型センサ部と反対面のセラミック配線基板を示す平面図である。図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。従来のガスセンサを、接着層を介して積層する態様を示す斜視図である。

　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混成電位型センサ部２２２を含むガスセンサ１００の分解斜視図、図２は混成電位型センサ部２２２側のセラミック配線基板３０を、第１接着層６６を介して積層する態様を示す斜視図、図３は混成電位型センサ部２２２と反対面のセラミック配線基板３０を示す平面図、図４は図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。なお、図１の上側を「上方」とし、下側を「下方」とする。

　図１において、ガスセンサ１００は、混成電位型センサ部２２２を含むセンサユニット２００と、センサユニット２００を宙吊り固定するセラミック配線基板３０と、セラミック配線基板３０の上方に配置される矩形枠状の第１スペーサ２０と、第１スペーサ２０の上方に配置される蓋部１０と、セラミック配線基板３０の下方に配置される矩形枠状の第２スペーサ４０と、第２スペーサ４０の下方に配置される基部５０と、を備えている。

　センサユニット２００は略矩形板状をなし、上面にヒータ部２２０及び温度センサ２２１が配置され、上面とは反対側に位置する下面には混成電位型センサ部２２２が複数個直列に接続して配置され、被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するようになっている。
　なお、センサユニット２００の上面には、図３に示すように、センサユニット２００の上辺の両端側に、蛇行して延びるヒータ部２２０の両端をなす通電用パッド２２０ａ、２２０ｂが形成されている。又、温度センサ２２１は、センサユニット２００の上面においてヒータ部２２０に沿って蛇行して伸び、センサユニット２００の下辺の両端側に、温度センサ２２１の両端をなす通電用パッド２２１ａ、２２１ｂが形成されている。

　セラミック配線基板３０は、長方形状をなし、長手方向の一端側に矩形の開口部３０ｈを有し、セラミック配線基板３０の表面（図１の上面）には後述する第２リード部３０Ｌ２が複数配置されている。本実施形態では、６本の第２リード部３０Ｌ２が設けられ、そのうち４本の第２リード部３０Ｌ２の一端は、開口部３０ｈを囲む複数の素子周辺パッド３０ｓに接続されて６本の第２リード部３０Ｌ２のうち、残り２本の第２リード部３０Ｌ（図１の最左側と、左側から４本目）の一端は、素子周辺パッド３０ｓに繋がらず、セラミック配線基板３０の中央部寄りで、後述する２つの貫通導体３０ｓｈにそれぞれ繋がっている。また、各第２リード部３０Ｌ２の他端は、セラミック配線基板３０の長手方向に開口部３０ｈの反対側にて導電パッド部３０ｐにそれぞれ接続されている。
　そして、開口部３０ｈ内にセンサユニット２００が収容され、センサユニット２００の左右の辺をそれぞれ跨ぐようにして、合計４本の通電部材３０ｗがセンサユニット２００の通電用パッド２２０ａ、２２０ｂ、２２１ａ、２２１ｂと、セラミック配線基板３０の４つの素子周辺パッド３０ｓとに溶接して接合されている。これにより、センサユニット２００がセラミック配線基板３０の開口部３０ｈ内に宙吊り固定されている。

　図２に示すように、セラミック配線基板３０の下面３０ｆ側にも、開口部３０ｈの周囲に２つの素子周辺パッド３０ｓが設けられ、素子周辺パッド３０ｓは、詳しくは後述する第１リード部３０Ｌ１に接続されている。また、混成電位型センサ部２２２には、一対の電極（混成電位型センサ部２２２が複数個直列に接続されている場合、その直列回路）間に生じる検知信号（起電力）を取り出すための電極パッド２２２ａ、２２２ｂが形成されている。
　そして、各電極パッド２２２ａ、２２２ｂと、各素子周辺パッド３０ｓとに、それぞれ通電部材３０ｗが溶接されることで両者が電気的に接続されている。
　さらに、詳しくは後述するが、２本の第１リード部３０Ｌ１の他端が、貫通導体３０ｓｈを介して反対面（上面）３０ｅ側の２本の第２リード部３０Ｌ２とそれぞれ接続され、導電パッド部３０ｐに接続されるようになっている。

　このようにして、混成電位型センサ部２２２及び温度センサ２２１から出力された電気信号は導電パッド部３０ｐを介して外部に出力され、導電パッド部３０ｐを介して外部から供給された電力によりヒータ部２２０が通電加熱する。
　なお、セラミック配線基板３０の下面３０ｆ側に形成される素子周辺パッド３０ｓが、特許請求の範囲の「素子周辺パッド」に相当する。

　第１スペーサ２０は正方形状をなすと共に矩形の開口部２０ｈを有し、開口部２０ｈは開口部３０ｈに重なると共に開口部３０ｈよりも大きい。
　蓋部１０は、第１スペーサ２０と同一寸法の正方形状をなし、蓋部１０のうち開口部２０ｈに対向する部位にガス排出孔１０ｈが設けられている。
　第２スペーサ４０はセラミック配線基板３０と同一寸法の長方形状をなし、長手方向に開口部３０ｈ側に矩形の開口部４０ｈを有している。開口部４０ｈは開口部３０ｈに重なると共に開口部３０ｈよりも大きい。
　又、基部５０はセラミック配線基板３０と同一寸法の長方形状をなし、基部５０のうち開口部４０ｈに対向する部位にはガス導入孔５０ｈが設けられている。
　これらのセラミック配線基板３０、第１スペーサ２０、蓋部１０、第２スペーサ４０、基部５０は、例えばアルミナやムライト等の絶縁性のセラミックから形成することができる。

　又、セラミック配線基板３０と第１スペーサ２０の間、及び第１スペーサ２０と蓋部１０の間であって開口部２０ｈよりも外側の位置に、それぞれ正方形状のシール部６４、６２が配置されている。同様に、セラミック配線基板３０と第２スペーサ４０の間、及び第２スペーサ４０と基部５０の間であって開口部４０ｈよりも外側の位置に、それぞれ長方形状のシール部６６、６８が配置されている。
　なお、シール部６６、６８は、セラミック配線基板３０の長手方向に導電パッド部３０ｐ側に向かって、シール部６４、６２よりも延びている。
　ここで、各シール部６２、６４、６６、６８は、混成電位型センサ部２２２の周囲を取り囲むように枠状（具体的には四角枠状）に形成されている。そして、シール部６４、６６は、自身の内側の領域にセラミック配線基板の表面（上面又は下面）の一部を露出させる大きさに形成されており、また、シール部６４の外縁は、シール部６６の内縁よりも内側に位置するように、各シール部６４、６６の大きさやセラミック配線基板３０への設置位置が調整されている。
　各シール部６２、６４、６６、６８は、ガラスや無機系の接着剤からなる。なお、シール部６６が特許請求の範囲の「第１接着層」に相当し、シール部６４が特許請求の範囲の「第２接着層」に相当する。又、第２スペーサ４０が特許請求の範囲の「積層部材」に相当する。
　そして、本実施形態では、蓋部１０、第１スペーサ２０、セラミック配線基板３０、第２スペーサ４０、基部５０の間が、シール部６２～６８を介して気密に接着されて積層されている。

　セラミック配線基板３０の長手方向に開口部３０ｈ側の両端には位置決め孔３０ａがそれぞれ設けられ、同様に導電パッド部３０ｐ側の両端には位置決め孔３０ｂがそれぞれ設けられている。
　そして、第１スペーサ２０及び蓋部１０のうち、位置決め孔３０ａに重なる位置にそれぞれ位置決め孔２０ａ、１０ａが設けられている。
　同様に、第２スペーサ４０のうち、位置決め孔３０ａ、３０ｂに重なる位置にそれぞれ位置決め孔４０ａ、４０ｂが設けられている。又、基部５０のうち、位置決め孔３０ａ、３０ｂに重なる位置にそれぞれ位置決め孔５０ａ、５０ｂが設けられている。

　そして、蓋部１０、第１スペーサ２０、セラミック配線基板３０、第２スペーサ４０及び基部５０（これらを「各部材」ともいう）をこの順で積層し、各位置決め孔１０ａ～５０ａ、４０ｂ、５０ｂに治具（ガイドピン）を挿通して各部材を位置決めし、各部材を接着することで、ガスセンサ１００を組み付けることができる。
　これにより、ガス導入孔５０ｈから導入された被測定ガスＧは、開口部４０ｈからなる内部空間を経てセンサユニット２００の混成電位型センサ部２２２に接触して特定ガス（例えば、ＮＯｘ）の濃度が測定された後、開口部２０ｈからなる内部空間を経てガス排出孔１０ｈから外部に排出される。

　次に、図２～図４を参照し、混成電位型センサ２２２側のガスセンサを、接着層６６を介して積層する態様について説明する。
　図２に示すように、センサユニット２００の混成電位型センサ部２２２は、セラミック配線基板３０の一方の面３０ｆ（図１の下面に相当）に向いて宙吊り固定されている。
　セラミック配線基板３０の下面３０ｆには２つの素子周辺パッド３０ｓが設けられ、各素子周辺パッド３０ｓにそれぞれ第１リード部３０Ｌ１の一端が接続され、各第１リード部３０Ｌ１の他端は、セラミック配線基板３０の開口部３０ｈよりやや下方の位置でそれぞれ貫通導体３０ｓｈに電気的に接続されている。各貫通導体３０ｓｈはセラミック配線基板３０を貫通し、図３に示すようにセラミック配線基板３０の反対面３０ｅ（図１の上面）に表出している。なお、本実施形態では、貫通導体３０ｓｈは、セラミック配線基板３０の厚み方向に貫通するスルーホールを形成し、そのスルーホールの内周面に沿うように導電ペーストを印刷、焼成することで形成されている。そして、反対面３０ｅにて各貫通導体３０ｓｈが２つ（最左側と、左側から４本目）の第２リード部３０Ｌ２にそれぞれ接続されている。この第２リード部３０Ｌ２は、いずれも自身の一端が貫通導体３０ｓｈに接続され、他端が導電パッド部３０ｐに接続されている。

　セラミック配線基板３０の下面３０ｆと、第２スペーサ４０とは、開口部４０ｈより外側で四角枠状に切れ目なく延びたシール部６６により気密に接着されて積層されている。又、各第１リード部３０Ｌ１は、シール部６６よりも内側の領域にのみ配置されると共に、この領域にて貫通導体３０ｓｈに電気的に接続されている。
　一方、貫通導体３０ｓｈに接続された各第２リード部３０Ｌ２は、セラミック配線基板３０の反対面３０ｅにてシール部６６よりも外側の部位に延び、導電パッド部３０ｐに電気的に接続されている。
　また、貫通導体３０ｓｈは、図４に示すように、セラミック配線基板３０の厚み方向に沿って見たときに、シール部６６の内縁とシール部６４の外縁との間に設けられており、第１リード部３０Ｌ１および第２リード部３０Ｌ２は、シール部６６に対して非接触の状態となっている。

　このように、セラミック配線基板３０の一方の面（下面３０ｆ）に設けられる各第１リード部３０Ｌ１を接着層であるシール部６６よりも内側の領域に配置すると共に、セラミック配線基板３０の反対面３０ｅ（上面）に設けられる第２リード部３０Ｌ２を貫通導体３０ｓｈを経由して第１リード部３０Ｌ１と接続させることで、シール部６６の抵抗（絶縁抵抗）が温度等の影響により低下することがあったとしても、ガス検出精度が低下するのを抑制ことができる。
　特に、混成電位型センサ部２２２が複数個直列に接続されている場合、電極を合計した抵抗値がさらに高くなるので、本発明がより有効となる。

　なお、図３に示すように、セラミック配線基板３０の反対面３０ｅと、第１スペーサ２０とは、開口部２０ｈより外側で四角枠状のシール部６４により気密に積層されている。
　しかしながら、ヒータ部２２０及び温度センサ２２１に接続される第２リード部３０Ｌ２の電気抵抗（数十Ω程度）は、シール部６４の電気抵抗よりも極めて低い。そのため、第２リード部３０Ｌ２が接点Ｄでシール部６４と接しても、ヒータ部２２０の通電電流や、温度センサ２２１の検知電流がシール部６６を通ってリークすることは実質的に無い。

　なお、図２に示すように、シール部６６は素子周辺パッド３０ｓの外側に配置されているとよい。このようにすると、シール部６６が素子周辺パッド３０ｓに接続された細長い通電部材３０ｗを挟み込むことを抑制し、通電部材３０ｗと素子周辺パッドとの溶接を安定して行え、両者の接合強度を高められる。

　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。
　混成電位型センサ部の種類、セラミック配線基板への混成電位型センサ部の固定方法等は上記実施形態に限定されない。
　又、一対の第１リード部のうち、少なくとも一方が接着層よりも内側の領域に配置されていればよいが、一対の第１リード部を共に接着層よりも内側の領域に配置すると、ガス検出精度の低下を一層抑制することができる。さらに、上記実施形態では、貫通導体３０ｓｈとしてセラミック配線基板３０に形成したスルーホールの内周面に沿うように導電ペーストを印刷、焼成することで形成したが、セラミック配線基板３０に形成したスルーホールに導電ペーストを充填、焼成することで形成してもよい。

　３０　　　セラミック配線基板
　３０ｅ　　セラミック配線基板の反対面
　３０ｆ　　　セラミック配線基板の一方の面
　３０Ｌ１　　　第１リード部
　３０Ｌ２　　　第２リード部
　３０ｓｈ　　　貫通導体
　３０ｈ　　　開口部
　３０ｓ　　　素子周辺パッド
　３０ｗ　　　通電部材
　４０　　　積層部材
　６４　　　シール部（第２接着層）
　６６　　　シール部（第１接着層）
　１００　　　ガスセンサ
　２２２　　　混成電位型センサ部

Claims

　固体電解質体に一対の電極を設けてなり、被測定ガス中の特定成分のガスを検出する混成電位型センサ部と、
　前記混成電位型センサ部を直接又は他部材を介して間接的に固定し、前記混成電位型センサ部の前記一対の電極にそれぞれ電気的に接続される一対の第１リード部が一方の面に設けられたセラミック配線基板と、
　前記混成電位型センサ部の周囲を取り囲むように枠状に形成される第１接着層であって、自身の内側の領域に前記セラミック配線基板の前記一方の面の一部を露出させるように当該セラミック配線基板の前記一方の面に設けられる第１接着層と、
　前記セラミック配線基板の前記一方の面に前記第１接着層を介して積層される積層部材と、
　を備えたガスセンサであって、
　前記一対の第１リード部の少なくとも一方は、前記第１接着層よりも内側の領域に配置されると共に当該領域にて前記セラミック配線基板を貫通する貫通導体に電気的に接続され、
　前記セラミック配線基板の前記一方の面とは反対側に位置する反対面には、前記貫通導体に電気的に接続されて前記第１接着層よりも外側の部位に延びる第２リード部が設けられてなることを特徴とするガスセンサ。
　前記セラミック配線基板は、開口部と、前記一方の面に形成され且つ該開口部の外側に位置すると共に、前記一対の第１リード部にそれぞれ接続される一対の素子周辺パッドとを備え、
　前記混成電位型センサ部は前記開口部に宙吊り固定されると共に、前記素子周辺パッドに通電部材を介して電気的に接続され、
　前記第１接着層は前記素子周辺パッドの外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
　前記混成電位型センサ部の周囲を取り囲むように枠状に形成されると共に、前記セラミック配線基板の前記反対面に設けられる第２接着層であって、自身の外縁が前記第１接着層の内縁よりも内側に位置してなる第２接着層を備え、
　前記貫通導体は、前記セラミック配線基板の厚み方向に沿って見たときに、前記第１接着層の内縁と前記第２接着層の外縁との間に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。