(57)【要約】【課題】配線基板の前記開口部にセンサ素子を宙吊り固定してなるガスセンサにおいて、熱応力による破損を抑制し、且つ、ガスセンサが落下した際にも通電部材が変形しにくいガスセンサを提供する。【解決手段】開口部５０ｈを有する配線基板５０と、配線基板の開口部内に配置されると共に、検出部４３及びヒータ部４２を有するセンサ素子４０と、一端部が配線基板に接合され、他端部がセンサ素子に接合される複数の通電部材６１、６３であって、配線基板とセンサ素子とを電気的に接続する通電部材と、を備え、複数の通電部材によってセンサ素子を開口部内に宙吊り固定してなるガスセンサ１であって、複数の通電部材のうち、少なくとも１つは板状をなす特定通電部材６１とされ、特定通電部材は、センサ素子と接合される他端部６１ａ２から配線基板と接合される一端部６１ａ１に至る部位に、自身の板厚方向Ｔに屈曲してなる屈曲部６１ｗを少なくとも１以上有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する配線基板と、
前記配線基板の前記開口部内に配置されると共に、特定ガスの濃度を検出する検出部、及び、前記検出部を加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、
一端部が前記配線基板に接合され、他端部が前記センサ素子に接合される複数の通電部材であって、前記配線基板と前記センサ素子とを電気的に接続する通電部材と、を備え、
前記複数の通電部材によって前記センサ素子を前記開口部内に宙吊り固定してなるガスセンサであって、
前記複数の通電部材のうち、少なくとも１つは板状をなす特定通電部材とされ、前記特定通電部材は、前記センサ素子と接合される前記他端部から前記配線基板と接合される前記一端部に至る部位に、自身の板厚方向に屈曲してなる屈曲部を少なくとも１以上有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記屈曲部は、アーチ状に屈曲しているガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガスセンサであって、
前記特定通電部材には、自身の板厚方向の一方向に屈曲する前記屈曲部が１つのみ設けられており、前記屈曲部の高さは、板厚の２倍以上であるガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記特定通電部材は、少なくとも２つ以上あり、
前記センサ素子は、平面視四角形状に形成されており、
前記特定通電部材の１つは、前記センサ素子の縁を形成する四辺のうちの１つである第１辺を跨ぐように前記センサ素子と前記配線基板とに接合される一方、前記特定通電部材の別の１つは、前記センサ素子の前記四辺のうちの前記第１辺と対向する第２辺を跨ぐようにして前記センサ素子と前記配線基板とに接合されているガスセンサ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記センサ素子の表面には、前記特定通電部材と溶接される導電性の通電用パッドが設けられており、前記通電用パッドと前記特定通電部材のそれぞれを構成する材質の主成分は同じであるガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
また、他のガスセンサとして、ベースに固定される複数本のピンと、複数本のピンにセンサ素子を接続するための線材からなる複数本のリードとを備え、センサ素子をリードを介して宙吊り固定した構造も知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９８５０８号公報（図１）
【特許文献２】特開２００６−２０８３５８号公報（図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、センサ素子には特定ガスの濃度を検知する検出部の他、検出部を動作温度に加熱するヒータが配置されている。このため、特許文献１のセンサでは、ヒータの加熱でワイヤボンディングが加熱され、その後に冷やされる事象が繰り返された際の熱応力（詳細には、熱応力の蓄積による金属疲労）により、ワイヤボンディングが縮んで切れたり、ワイヤボンディングと接合されたセンサ素子の通電用パッドを引っ張って脱落させるという問題がある。また、特許文献２のセンサでは、線材からなるリードにセンサ素子の幅方向に沿うように周期的に屈曲する部分を設けている。このため、センサ素子に配置されるヒータによって上記した熱応力が生じた際に、リードが熱収縮を吸収することができる。しかしながら、リードが線材で構成され、さらに屈曲する部分がセンサ素子の幅方向に沿って屈曲しているため、センサが落下して衝撃を受けた際に、リードが変形し易く、リードの過度の変形によってセンサ素子の配置位置が初期の位置から変化してしまい、ガス検出の精度の低下を招きかねない。
そこで、本発明は、配線基板の前記開口部にセンサ素子を宙吊り固定してなるガスセンサにおいて、熱応力による破損を抑制し、且つ、ガスセンサが落下した際にも通電部材が変形しにくいガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、開口部を有する配線基板と、前記配線基板の前記開口部内に配置されると共に、特定ガスの濃度を検出する検出部、及び、前記検出部を加熱するヒータ部を有するセンサ素子と、一端部が前記配線基板に接合され、他端部が前記センサ素子に接合される複数の通電部材であって、前記配線基板と前記センサ素子とを電気的に接続する通電部材と、を備え、前記複数の通電部材によって前記センサ素子を前記開口部内に宙吊り固定してなるガスセンサであって、前記複数の通電部材のうち、少なくとも１つは板状をなす特定通電部材とされ、前記特定通電部材は、前記センサ素子と接合される前記他端部から前記配線基板と接合される前記一端部に至る部位に、自身の板厚方向に屈曲してなる屈曲部を少なくとも１以上有することを特徴とする。【０００６】
このガスセンサによれば、ヒータ部の加熱で特定通電部材が加熱され、その後に冷やされる熱応力を受けても、特定通電部材の熱収縮を屈曲部が吸収する。その結果、特定通電部材が切れたり、特定通電部材と接合されたセンサ素子や配線基板の接続部位を引っ張って脱落させることを抑制でき、ガスセンサの破損を抑制できる。特に、特定通電部材が板状をなしているため、線材に対して、剛性が高く、また、配線基板との接合領域を広く確保できて当該配線基板との接合強度を高められるため、熱応力を受けても、ガスセンサの破損が良好に抑制される。
また、このガスセンサによれば、ガスセンサが落下して衝撃を受けた際にも、特定通電部材自身が板状をなすために剛性が高く、さらに、特定通電部材は板厚方向に屈曲する屈曲部を有しているが故に落下による衝撃力を有効に緩和することができ、特定通電部材の変形を抑制することができる。このため、ガスセンサが落下して衝撃を受けた際にも、特定通電部材の変形に伴って、配線基板の開口部の特定位置に宙吊りされたセンサ素子が位置ずれを生じ難く、センサ素子（検出部）周囲のガス雰囲気空間の容積がガスセンサの落下前後で変化するのを抑制でき、ガス検出精度の低下が抑えられる。【０００７】
なお、特定通電部材は、幅寸法が板厚の２倍以上を有する板状をなすことで、剛性を良好に高められ、特定通電部材の熱収縮の吸収効果、及び、ガスセンサの落下による衝撃力の緩和効果を有効に奏することができる。特定通電部材の幅寸法は板厚の３倍以上が好ましく、上限としては特に制限はないが、ガスセンサの小型化の観点から１２倍以下が好ましい。【０００８】
本発明のガスセンサであって、前記屈曲部は、アーチ状に屈曲していてもよい。
このガスセンサによれば、屈曲部が滑らかに伸び縮みできるので、特定通電部材の熱収縮をより安定して吸収できる。【０００９】
本発明のガスセンサであって、前記特定通電部材には、自身の板厚方向の一方向に屈曲する前記屈曲部が１つのみ設けられており、前記屈曲部の高さは、板厚の２倍以上であるとよい。
このガスセンサによれば、屈曲部を１つにすることで特定通電部材の構成がシンプルとなり、安価、且つ、小型のガスセンサを提供することができる。また、自身の板厚方向の一方向に屈曲する屈曲部の高さを板厚の２倍以上（好ましくは３倍以上）にすることで、特定通電部材の熱収縮を確実に吸収できると共に、ガスセンサの落下による衝撃力を確実に緩和することができる。なお、屈曲部の高さの上限は特にされないが、ガスセンサの小型化の観点から、特定通電部材の板厚の６倍以下とすればよい。【００１０】
本発明のガスセンサであって、前記特定通電部材は、少なくとも２つ以上あり、前記センサ素子は、平面視四角形状に形成されており、前記特定通電部材の１つは、前記センサ素子の縁を形成する四辺のうちの１つである第１辺を跨ぐように前記センサ素子と前記配線基板とに接合される一方、前記特定通電部材の別の１つは、前記センサ素子の前記四辺のうちの前記第１辺と対向する第２辺を跨ぐようにして前記センサ素子と前記配線基板とに接合されていてもよい。
このガスセンサによれば、センサ素子の対辺となる第１辺と第２辺をそれぞれ特定通電部材が宙吊り固定するので、センサ素子をより確実に固定できる。特に、センサ素子の４隅近傍をそれぞれ特定通電部材が宙吊り固定すると、さらに強固に固定できる。【００１１】
本発明のガスセンサであって、前記センサ素子の表面には、前記特定通電部材と溶接される導電性の通電用パッドが設けられており、前記通電用パッドと前記特定通電部材のそれぞれを構成する材質の主成分は同じであってもよい。
このガスセンサによれば、特定通電部材と通電用パッドの密着性が向上し、センサ素子をより確実に固定できる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、配線基板の前記開口部にセンサ素子を宙吊り固定してなるガスセンサにおいて、熱応力による破損を抑制し、且つ、ガスセンサが落下した際にも通電部材が変形しにくいガスセンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】本発明の実施形態に係るガスセンサの上面図である。
【図３】本発明の実施形態に係ガスセンサの下面図である。
【図４】特定通電部材を示す斜視図である。
【図５】図４から特定通電部材のみを抜き出した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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は特定通電部材６１を示す斜視図である。
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）が開口するケース１０と、ケース１０の開口を閉塞する蓋部２０と、ケース１０に収容されるセラミック配線基板（以下、単に「配線基板」という）５０と、矩形枠状のシール材（ガスケット）３１、３２と、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、を備えている。なお、通電部材６１は４本存在しているが、図１では、それらのうちの１本がシール材３１の下に配置されている関係から図示していない。又、通電部材６３は２本存在している。
【００１５】
ケース１０は、収容空間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、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、その内孔が収容空間１０ｒに連通している。
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、及び配線基板５０の先端部５０ａは、ケース１０の収容空間１０ｒに丁度収容される寸法とされ、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が収容空間１０ｒに収容されている。又、切欠き１０ｎから配線基板５０の基端部５０ｅがケース１０の外側に突出するようになっている。
【００１６】
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にてケース１０にボルト締めすることで、ケース１０と蓋部２０の間でシール材３１、３２が押圧されてケース１０と配線基板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から収容空間１０ｒに導入された特定ガス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。
【００１７】
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に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。
【００１８】
ここで、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、検知部２４から出力された電気信号は配線基板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。
【００１９】
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の両端側と配線基板５０とに接合されている。
これら４本の通電部材６１ａ〜６１ｄは、詳しくは後述する図４に示すように屈曲しており、特許請求の範囲の「特定通電部材」に相当する。
【００２０】
なお、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３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はそれぞれ第１辺４０ａ及び第２辺４０ｂに向いて配置されている。そして、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が配置されており、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のパターン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もそれぞれ第１辺４０ａ及び第２辺４０ｂに向いて配置されている。そして、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。
【００２１】
なお、通電部材６１ａ、６１ｄはセンサ素子４０のうち図２の上側に配置され、通電部材６１ｂ、６１ｃはセンサ素子４０の下側に配置されている。これにより、４本の通電部材６１ａ〜６１ｄが第１辺４０ａ及び第２辺４０ｂの上側及び下側、つまりセンサ素子４０の４隅近傍を宙吊り固定している。
又、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、の導電部材５５は配線基板５０の反対面の素子周辺パッド５０ｓに接続し（図３参照
）、グランドとなっている。
【００２２】
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６３ａ、６３ｂは屈曲しておらず、特許請求の範囲の「特定通電部材」に相当しない。
【００２３】
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。なお、本実施形態では、通電部材６１は、電気抵抗溶接により、通電用パッド及び素子周辺パッドに接合されている。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ペースト等を配線基板５０に印刷後、焼成して形成することができる。
【００２４】
次に、図４を参照し、特定通電部材６１ａについて説明する。図４は、図２の左上の特定通電部材６１ａの斜視図である。また、図５に、図４から特定通電部材６１ａのみを抜き出した斜視図を示す。
特定通電部材６１ａは線材ではなく、板状をなしている。特定通電部材６１ａは、センサ素子４０の通電用パッド４２ｐと接合される一端部６１ａ１から、配線基板５０の素子周辺パッド５０ｓと接合される他端部６１ａ２の間に、自身の板厚方向Ｔに対して一方向に（つまり、板厚方向Ｔの双方向に蛇行することなく）、アーチ状に屈曲してなる屈曲部６１ｗを１つ有している。特定通電部材６１ａは、幅寸法Ｗが板厚Ｄの２倍以上を有する板状をなしている。本実施形態では、板厚Ｄが８０μｍであり、幅寸法Ｗが２５０μｍとなっている。また、屈曲部６１ｗの高さＨは、板厚Ｄの２倍以上を有しており、本実施形態では、高さＨは３００μｍ（０．３ｍｍ）となっている。なお、他の特定通電部材６１ｂ、６１ｃ、６１ｄも、特定通電部材６１ａと同様の板厚Ｄ、幅寸法Ｗを有していると共に、高さＨを有する屈曲部を１つ有している。
【００２５】
これにより、ヒータ部４２の加熱で特定通電部材６１ａ〜６１ｄが加熱され、その後に冷やされる熱応力を受けても、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの熱収縮を屈曲部６１ｗが吸収する。その結果、特定通電部材６１ａ〜６１ｄが切れたり、特定通電部材６１ａ〜６１ｄと接合された通電用パッド４２ｐを引っ張って脱落させることを抑制できる。ガスセンサ１が落下して衝撃を受けた際にも、特定通電部材６１ａ〜６１ｄ自身が板状をなすために剛性が高く、さらに、特定通電部材６１ａ〜６１ｄは板厚方向Ｔに屈曲する屈曲部６１ｗを有しているが故に落下による衝撃力を有効に緩和することができ、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの変形を抑制できる。このため、ガスセンサ１が落下して衝撃を受けた際にも、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの変形に伴って、配線基板５０の開口部５０ｈの特定位置に宙吊りされたセンサ素子４０が位置ずれを生じ難く、ケース１０内におけるセンサ素子４０（検出部４３）周囲のガス雰囲気空間の容積がガスセンサ１の落下前後で変化するのを抑制でき、ガス検出精度の低下が抑えられる。
【００２６】
又、上記実施形態においては、屈曲部６１ｗがアーチ状に屈曲している。これにより、屈曲部６１ｗが滑らかに伸び縮みできるので、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの熱収縮をより安定して吸収できる。さらに、上記実施形態では、特定通電部材６１ａ〜６１ｄが屈曲部６１ｗをそれぞれ１つのみ設けた構成であるため、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの構成がシンプルとなり、安価、且つ、小型のガスセンサ１を提供することができる。また、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの板厚方向Ｔの一方向に屈曲する屈曲部６１ｗの高さＨが板厚Ｄの２倍以上を有しているため、特定通電部材６１ａ〜６１ｄの熱収縮を確実に吸収できると共に、ガスセンサ１の落下による衝撃力を確実に緩和することができる。
【００２７】
又、図２に示すように、上記実施形態においては、特定通電部材６１ａ、６１ｂがセンサ素子４０の第１辺４０ａ側に接合される一方、特定通電部材６１ｃ、６１ｄは第１辺４０ａと対向する第２辺４０ｂ側に接合されている。これにより、センサ素子４０の対辺をそれぞれ特定通電部材６１ａ〜６１ｄが宙吊り固定するので、センサ素子４０をより確実に固定できる。特に、本例では、センサ素子４０の４隅近傍をそれぞれ特定通電部材６１ａ〜６１ｄが宙吊り固定するので、さらに強固に固定できる。
又、上記実施形態においては、特定通電部材６１ａ〜６１ｄ及び通電用パッド４２ｐ、４４ｐのそれぞれを構成する材質の主成分は同じ（Ｐｔ）であるので、特定通電部材６１ａ〜６１ｄと通電用パッド４２ｐ、４４ｐｔの密着性が向上し、センサ素子４０をより確実に固定できる。
【００２８】
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。
特定通電部材の形状及び個数、屈曲部の形状及び個数、センサ素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。また、上記実施形態では、特定通電部材をセンサ素子及び配線基板に接合するにあたって電気抵抗溶接を採用したが、接合の態様はこれに限定さらない。
【符号の説明】
【００２９】
１    ガスセンサ
４０    センサ素子
４０ａ    第１辺
４０ｂ    第２辺
４２    ヒータ部
４２ｐ、４４ｐ    通電用パッド
４３    検出部
５０    配線基板
５０ｈ    開口部
６１、６３    通電部材
６１    特定通電部材
６１ａ１    一端部
６１ａ２    他端部
６１ｗ    屈曲部
Ｇ    特定ガス
Ｔ    特定通電部材の板厚方向
Ｄ    特定通電部材の板厚
【図１】
2018016482.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2018016482.tif 000008
2018016482.tif 000009
2018016482.tif 000010
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