JP2015111094A - 可燃性ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】防爆機能を有する通気性の金属体をケーシング部材に配置した可燃性ガスセンサにおける小型化を実現した可燃性ガスセンサを提供する。
【解決手段】センサ素子６０と、センサ素子を自身の内部に収容する樹脂製のケーシング部材１０と、複数の通気部を有する金属体２０と、を備え、金属体の通気部を介してセンサ素子は被検出雰囲気に晒される可燃性ガスセンサ１００であって、金属体の表面側と裏面側とにそれぞれ配置され、互いに形成された通気穴１２ｈから金属体を露出させるようにして金属体を挟持する１対の挟持部材２１、２２であって、互いに係合可能な係合部２１ｐ、２２ｐと被係合部２１ｈ、２２ｈとを有する同一形態で樹脂製の１対の挟持部材をさらに備え、ケーシング部材の少なくとも一部は、金属体とは非接触状態で、挟持部材とインサート成形されてなる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサ及びそ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。

従来、水素等の可燃性ガスの濃度を検出するセンサとして、センサ素子を樹脂製の収容ケース（ケーシング部材）に収容し、収容ケースの下部に流路形成部を開口し、この流路形成部から収容ケース内のセンサ素子に被検出雰囲気を導入する構成が知られている（特許文献１参照）。ここで、センサ素子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、火炎が収容ケースの外部に出るのを防止するため、センサ素子と流路形成部との間に設けた素子ケース内に防爆機能を有する金網を配置し、金網を介して外部からセンサ素子に被検出雰囲気を流通させている。
ところで、可燃性ガスセンサの小型化や部品点数の削減を行うためには、上記素子ケースを省略し、金網を収容ケース内に一体に配置することが好ましいが、インサート成形によって金網を保持した収容ケースを製造しようとすると、インサート成形の際に溶融樹脂が金網の孔内に流動して通気性が低下する。このようなことから、金網等の多孔質部材の周縁部を予め１対の筒状部材で挟持し、この筒状部材の外面にインサート成形することで、多孔質部材に溶融樹脂を流動させずに通気性を確保した技術が知られている（特許文献２参照）。

特開２００８−２６７９４８号公報（図２） 特開２００８−１２８５６号公報

しかしながら、特許文献２記載の技術の場合、それぞれ外径が異なる１対の筒状部材を用い、そのうち大径の筒状部材の内側に小径の筒状部材を嵌合して多孔質部材を挟持している。このため、筒状部材の全体の大きさが大径の筒状部材によって決まるので、全体が大きくなってしまい、筒状部材の周囲にインサート成形されるケーシング部材、ひいては可燃性ガスセンサの小型化が困難になる。
又、２種類の筒状部材を製造及び保管しなければならず、部品点数が増えるとともに、２種類の筒状部材を区別しながら組み付けなければならず、生産性が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、防爆機能を有する通気性の金属体をケーシング部材に配置した可燃性ガスセンサにおいて小型化を実現した可燃性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、本発明の可燃性ガスセンサは、被検出雰囲気中の可燃性ガスを検出するセンサ素子と、前記センサ素子を自身の内部に収容する樹脂製のケーシング部材と、複数の通気部を有する金属体と、を備え、前記金属体の通気部を介して前記センサ素子は前記被検出雰囲気に晒される可燃性ガスセンサであって、前記金属体の表面側と裏面側とにそれぞれ配置され、互いに形成された通気穴から前記金属体を露出させるようにして前記金属体を挟持する１対の挟持部材であって、互いに係合可能な係合部と被係合部とを有する同一形態で樹脂製の１対の挟持部材をさらに備え、前記ケーシング部材の少なくとも一部は、前記金属体とは非接触状態で、前記挟持部材とインサート成形されてなる。
この可燃性ガスセンサによれば、インサート成形の際に溶融樹脂が金属体の孔内に流動して通気性が低下することが抑制され、金属体の通気性を確保することができる。又、同一形状の挟持部材を用いて金属体を挟持するため、大きさが異なる１対の部材を用いる場合に比べ、上挟持部材全体の大きさを小さくすることができ、その周囲にインサート成形されるケーシング部材、ひいては可燃性ガスセンサが小型になる。

前記ケーシング部材は、前記１対の挟持部材の外側面に密着する形態でインサート成形されてなっていてもよい。
この可燃性ガスセンサによれば、インサート成形の際に溶融樹脂が金属体の孔内に流動して通気性が低下することがより一層抑制され、金属体の通気性をより確実に確保することができる。

可燃性ガスセンサの製造方法は、被検出雰囲気中の可燃性ガスを検出するセンサ素子と、前記センサ素子を自身の内部に収容する樹脂製のケーシング部材と、複数の通気部を有する金属体と、を備え、前記金属体の通気部を介して前記センサ素子は前記被検出雰囲気に晒される可燃性ガスセンサの製造方法であって、同一形態で樹脂製の１対の挟持部材により、該挟持部材の互いに形成された通気穴から前記金属体を露出させるようにして、該挟持部材の互いに係合可能な係合部と被係合部とを係合し、前記金属体の表面側と裏面側とから前記金属体を挟持したものを金型に配置し、前記金属体とは非接触状態で、前記ケーシング部材を前記挟持部材とインサート成形する。
この可燃性ガスセンサの製造方法によれば、インサート成形の際に溶融樹脂が金属体の孔内に流動して通気性が低下することが抑制され、金属体の通気性を確保することができる。又、同一形状の挟持部材を用いて金属体を挟持するため、大きさが異なる１対の部材を用いる場合に比べ、上挟持部材全体の大きさを小さくすることができ、その周囲にインサート成形されるケーシング部材、ひいては可燃性ガスセンサが小型になる。

この発明によれば、防爆機能を有する通気性の金属体をケーシング部材に配置した可燃性ガスセンサの小型化を実現することができる。

本発明の実施形態に係る可燃性ガス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。 可燃性ガスセンサの分解斜視図である。 センサ素子の平面図である。 上部網押え及び下部網押えで金網を挟持する状態を示す分解斜視図である。 上面板をインサート成形する工程を示す図である。 センサ素子を表面実装した実施形態に係るセンサの断面図である。

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可燃性ガスセンサ１００の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は可燃性ガスセンサ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、可燃性ガスセンサ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。なお、上面板１２が特許請求の範囲の「樹脂部材」に相当する。
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、可燃性ガスセンサ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、可燃性ガスセンサ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形され、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。金網２０が特許請求の範囲の「金属体」に相当する。又、上部網押え２１及び下部網押え２２が特許請求の範囲の「１対の挟持部材」に相当する。ガス導入口１２ｈが特許請求の範囲の「通気穴」に相当する。
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、可燃性ガスセンサ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。

図２、図３に示すように、可燃性ガスセンサ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。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の上端は台座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６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂが形成され（図４参照）、各電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂ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。

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、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ウレタンゴム等の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はガス案内壁１２ｂと同径で、断面が矩形状をなしている。弾性シール体４０は発泡ゴムに限定されず、例えばＯリングでもよい。
そして、素子取付面３０ａと、ガス導入口１２ｈ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。

次に、図４を参照してセンサ素子６０の構成について説明する。
センサ素子６０は、平板形状（平面視四角形状）をなし、その表面の四隅にそれぞれ電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂが形成され、他方の面（裏面）の中心付近に、表面に向かって凹む平面視矩形の凹部６２が形成されている。センサ素子６０は、シリコン半導体基板上に絶縁層を形成して構成されている。そして、凹部６２に対応する領域には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体６１が絶縁層中（図示せず）に埋設されている。
発熱抵抗体６１は、被検出雰囲気（ガス）の温度（詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導）に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体であり、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体６１から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗体６１における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
発熱抵抗体６１の左端は、配線６１ａを介して電極６３ａに接続されている。又、発熱抵抗体６１の右端は、配線６１ｂを介して電極（グランド電極）６３ｂに接続されている。

測温抵抗体６５は、測定室１５内に存在する被検出雰囲気（ガス）の温度を検出するためのものであり、センサ素子６０の上辺（一辺）に沿って絶縁層中（図示せず）に埋設されている。測温抵抗体６５は、抵抗値が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料で構成され、例えば白金（Ｐｔ）で形成されている。
測温抵抗体６５は、配線膜（図示せず）を介して電極６５ａ及び電極（グランド電極）６５ｂに接続されている。

次に、図５、図６を参照して、本発明の特徴部分である樹脂部材（上面板１２）をインサート成形する方法について説明する。図５は上部網押え２１及び下部網押え２２で金網２０を挟持する状態を示す分解斜視図、図６は上面板１２をインサート成形する工程を示す図である。

図５に示すように、下部網押え２２は樹脂製で中央にガス導入口１２ｈが開口する略円板状に形成され、図５の左側の位置にピン孔２２ｈが開口し、ピン孔２２ｈに対して中心を対称点とした図５の右側の位置にピン２２ｐが突出している。又、ガス導入口１２ｈから径方向外側には肉薄で円形の位置決め面２２ｓが形成され、位置決め面２２ｓの外周から径方向外側に段状に立ち上がって肉厚な外周部２２ｔに繋がっている。
一方、上部網押え２１は下部網押え２２と同一形状であり、下部網押え２２のピン孔２２ｈ、ピン２２ｐ、位置決め面２２ｓ及び外周部２２ｔが、それぞれ上部網押え２１のピン孔２１ｈ、ピン２１ｐ、位置決め面２１ｓ及び外周部２１ｔに対応している。又、上部網押え２１は下部網押え２２の上下を引っくり返して中心まわりに１８０度回転させた関係にある。従って、上部網押え２１と下部網押え２２とをこの関係で配置すると、互いに点対称なピン２２ｐとピン孔２１ｈとが対向し、ピン２１ｐとピン孔２２ｈとが対向する。そして、位置決め面２１ｓ、２２ｓの間に、これら位置決め面２１ｓ、２２ｓよりやや小径の金網２０を収容し、ピン２２ｐをピン孔２１ｈに挿入（係合）し、ピン２１ｐをピン孔２２ｈに挿入（係合）すると、金網２０の周縁部を両面からそれぞれ上部網押え２１及び下部網押え２２にて挟持することができる。
なお、ピン２１ｐ、ピン２２ｐが特許請求の範囲の「係合部」に相当し、ピン孔２１ｈ、ピン孔２２ｈが特許請求の範囲の「被係合部」に相当する。又、本実施形態では、２枚の金網２０が重ねられて上部網押え２１及び下部網押え２２の間に挟持されているが、金網２０の枚数は限定されない。

そして、図６（ａ）に示すように、金網２０を挟持した上部網押え２１及び下部網押え２２を金型２０１、２０２の内部に配置する。金型２０１、２０２に形成されたキャビティＣは上面板１２の外形と同一形状である。ここで、キャビティＣは金網２０に接しておらず、金網２０より外周側に位置する上部網押え２１及び下部網押え２２の外面にのみ接している。
次に、キャビティＣに溶融樹脂を射出成形等によって注入し、上部網押え２１及び下部網押え２２と一体化された樹脂製の上面板１２をインサート成形する（図６（ｂ））。この際、キャビティＣは金網２０に接していないので、上面板１２は金網２０とは非接触であって、上部網押え２１及び下部網押え２２の外面に密着して成形されることになる。
このため、インサート成形の際に溶融樹脂が金網２０の孔内に流動して通気性が低下することが抑制され、金網２０の通気性を確保することができる。
又、同一形状の上部網押え２１及び下部網押え２２を用いて金網２０を挟持するため、大きさが異なる１対の部材を用いる場合に比べ、上部網押え２１及び下部網押え２２全体の大きさを小さくすることができ、その周囲にインサート成形される上面板１２（ケーシング部材）、ひいては可燃性ガスセンサ１００が小型になる。

なお、本実施形態においては、金型２０１の内面に、上部網押え２１とほぼ同径で円形の凹部２０１ｒが形成され、上部網押え２１の上面２１ａ全体、及び側面２１ｂの一部が凹部２０１ｒに収容されている。このようにすると、凹部２０１ｒが上部網押え２１の位置決めを行うので、金型２０１内に上部網押え２１を別途位置決めする装置（押さえピン等）が不要となる。
この場合、インサート成形して得られた上面板１２から、上部網押え２１の上面２１ａ全体、及び側面２１ｂの一部が露出し、側面２１ｂに、インサート成形して流動した樹脂からなる環状部材１２ａが密着することになる。

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、金属体として金網２０を例示したが、複数の通気部を有するものであればよく、例えば金属粒子を焼結した多孔質体であってもよい。又、係合部及び被係合部としては、上述のピン及びピン孔に限られず公知の係合部材を用いることができ、例えば互いに係合するフック（鉤）であってもよい。

さらに、素子６０を回路基板３０へ実装する方法は上記実施形態の方法に限られず、図７に示すような表面実装により、素子６０を回路基板３０へ実装してもよい。具体的には、回路基板３０の上面（素子取付面）３０ａに、センサ素子６０を実装するための素子台座３８が設置されている。素子台座３８は絶縁性を有するセラミック絶縁層を複数層（図５では４層）積層して略直方体に形成されると共に、センサ素子６０を収容するための凹部が形成されている。そして、センサ素子６０はエポキシ樹脂等の接着剤によって素子台座３８の凹部に固定されている。さらに、センサ素子６０の表面の電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂ（図４参照）が、素子台座３８に設けられた電極パッドにボンディングワイヤ等によって電気的に接続されている。素子台座３８の電極パッドは、それぞれ図示しない内部配線を介して素子台座３８の裏面まで引き回され、回路基板３０の配線部に電気的に接続される。このようにして、センサ素子６０が表面実装される。
さらに、素子台座３８の上面には、センサ素子６０を覆うように保護キャップ３９が取り付けられている。なお、センサ素子６０がガス導入口１２ｈに対向している。
また、上記実施形態においては、インサート成形される上面板１２だけでなく、ケーシング本体部１１も樹脂製とされたが、例えばケーシング本体部１１を金属製としてもよい。

１０ ケーシング部材
１２ 上面板（樹脂部材）
１２ｈ ガス導入口（通気穴）
２０ 金網（金属体）
２１ 上部網押え（挟持部材）
２２ 下部網押え（挟持部材）
２１ｐ、２２ｐ ピン（係合部）
２１ｈ、２２ｈ ピン孔（被係合部）
６０ センサ素子
１００ 可燃性ガスセンサ
２０１、２０２ 金型

Claims (3)

1. 被検出雰囲気中の可燃性ガスを検出するセンサ素子と、
   前記センサ素子を自身の内部に収容する樹脂製のケーシング部材と、
   複数の通気部を有する金属体と、
   を備え、
   前記金属体の通気部を介して前記センサ素子は前記被検出雰囲気に晒される可燃性ガスセンサであって、
   前記金属体の表面側と裏面側とにそれぞれ配置され、互いに形成された通気穴から前記金属体を露出させるようにして前記金属体を挟持する１対の挟持部材であって、互いに係合可能な係合部と被係合部とを有する同一形態で樹脂製の１対の挟持部材をさらに備え、
   前記ケーシング部材の少なくとも一部は、前記金属体とは非接触状態で、前記挟持部材とインサート成形されてなる可燃性ガスセンサ。
2. 請求項１に記載の可燃性ガスセンサであって、
   前記ケーシング部材は、前記１対の挟持部材の外側面に密着する形態でインサート成形されてなる可燃性ガスセンサ。
3. 被検出雰囲気中の可燃性ガスを検出するセンサ素子と、前記センサ素子を自身の内部に収容する樹脂製のケーシング部材と、複数の通気部を有する金属体と、を備え、前記金属体の通気部を介して前記センサ素子は前記被検出雰囲気に晒される可燃性ガスセンサの製造方法であって、
   同一形態で樹脂製の１対の挟持部材により、該挟持部材の互いに形成された通気穴から前記金属体を露出させるようにして、該挟持部材の互いに係合可能な係合部と被係合部とを係合し、前記金属体の表面側と裏面側とから前記金属体を挟持したものを金型に配置し、
   前記金属体とは非接触状態で、前記ケーシング部材を前記挟持部材とインサート成形する可燃性ガスセンサの製造方法。

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