特許 7474684 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-17

(45)【発行日】2024-04-25

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/18 20060101AFI20240418BHJP

【ＦＩ】

G01N27/18

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020195836

(22)【出願日】2020-11-26

(65)【公開番号】P2022084165

(43)【公開日】2022-06-07

【審査請求日】2023-05-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001036

【氏名又は名称】弁理士法人暁合同特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 雅広

(72)【発明者】

【氏名】北野谷 昇治

(72)【発明者】

【氏名】松倉 佑介

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２４９６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０２９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２２６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３４９２０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】阿部 博幸ほか，エンジンルームに実装される筐体構造電子部品の硫黄腐食における加速試験方法の提案，材料と環境，日本，公益社団法人 腐食防食学会，2016年05月15日，65巻，5号，p.193-196

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスセンサ素子と、
ガス導入口を含む壁部を有する箱状のケーシングと、
前記ガスセンサ素子が実装された実装面を含み、前記実装面が前記壁部から離された状態で前記ガスセンサ素子が前記ガス導入口と重なるように、前記ケーシングの内部に配置される回路基板と、
前記ガスセンサ素子の周りを取り囲みつつ、前記実装面と前記壁部との間に配置される環状の弾性シール体とを備えるガスセンサであって、
前記弾性シール体は、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂からなり、かつ
前記弾性シール体は、前記実装面と前記壁部とにそれぞれ接着されているガスセンサ。

【請求項2】

前記弾性シール体は、前記実装面と前記壁部との間で挟まれた状態で配置され、前記硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂の接着性により、前記実装面と前記壁部とにそれぞれ接着されている請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記ガスセンサ素子は、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を含む熱伝導式ガスセンサ素子からなる請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記ケーシングの内部に配置される金属製の網部材を備える請求項３に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

被検出ガス（例えば、水素等の可燃性ガス）の濃度を検出するガスセンサが知られている。この種のガスセンサは、例えば、特許文献１に示されるように、被検出ガスを検出するためのガスセンサ素子が実装された回路基板が、樹脂製の箱状のケーシングに収容された構成を備えている。回路基板とケーシングとの間には、ガスセンサ素子を取り囲むように環状の弾性シール体が介在されており、弾性シール体、回路基板及びケーシングによって密閉された空間が形成される。その空間に、ケーシングに設けられたガス導入口から、被検出ガスを含む雰囲気ガスが導入されると、空間中の被検出ガスの濃度が、ガスセンサ素子により検出される。

【0003】

弾性シール体を構成する材料としては、例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴム材料が利用されている。弾性シール体には、通常、ゴム弾性を改善等する目的で、加硫（硫黄架橋）が施されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１２２６１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

加硫等により、弾性シール体中に硫黄成分が含まれていると、時間の経過と共に、弾性シール体から硫黄を含む腐食成分（例えば、硫黄ガス等の硫黄成分）が発生し、その腐食成分が、回路基板上に形成されたガスセンサ素子を実装するためのパッド部を腐食する虞があった。

【0006】

パッド部は、銅（Ｃｕ）を含んでいるため、パッド部と腐食成分とが反応すると、硫化銅（ＣｕＳ）が生成される。硫化銅が、例えば、隣り合ったパッド部の間を繋ぐように成長すると、ガスセンサ素子の端子間がショートして、ガスセンサ素子が故障する虞があった。

【0007】

本発明の目的は、ガスセンサ素子を取り囲む弾性シール体から、硫黄を含む腐食成分の発生が防止されたガスセンサを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
＜１＞ ガスセンサ素子と、ガス導入口を含む壁部を有する箱状のケーシングと、前記ガスセンサ素子が実装された実装面を含み、前記実装面が前記壁部から離された状態で前記ガスセンサ素子が前記ガス導入口と重なるように、前記ケーシングの内部に配置される回路基板と、前記ガスセンサ素子の周りを取り囲むように前記実装面に形成され、かつ前記実装面と前記壁部との間に配置される環状の弾性シール体とを備えるガスセンサであって、前記弾性シール体は、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂からなるガスセンサ。

【0009】

＜２＞ 前記ガスセンサ素子は、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を含む熱伝導式ガスセンサ素子からなる前記＜１＞に記載のガスセンサ。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ガスセンサ素子を取り囲む弾性シール体から、硫黄を含む腐食成分の発生が防止されたガスセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１に係るガスセンサの構成を模式的に表した断面図

【図2】図１の測定室付近の拡大断面図

【図3】回路基板上のパッド部と弾性シール体との配置関係を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を、図１～図３を参照しつつ説明する。図１は、実施形態１に係るガスセンサ１の構成を模式的に表した断面図である。説明の便宜上、図１の上側を、ガスセンサ１の上側とし、図１の下側を、ガスセンサ１の下側とする。ガスセンサ１は、被検出ガスへの熱伝導を利用して被検出ガスの濃度を検出する装置である。このようなガスセンサ１は、例えば、エネルギー源として水素ガスを利用した燃料電池を搭載するシステム（例えば、燃料電池自動車、家庭用燃料電池システム）に配置され、可燃性ガスである水素ガスを検出する。これにより、システム内における水素ガスの漏れを検出できる。

【0013】

ガスセンサ１は、図１に示されるように、主として、検出素子アッセンブリ２と、ケーシング３と、回路基板４と、弾性シール体５とを備えている。

【0014】

図２は、測定室付近の拡大断面図である。検出素子アッセンブリ（キャップ付きパッケージ）２は、図２に示されるように、ガスセンサパッケージ２１と、保護キャップ２５とを備えている。

【0015】

ガスセンサパッケージ２１は、主として、ガスセンサ素子２２と、本体部２３と、複数の端子部２４とを備えている。ガスセンサ素子２２は、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体（不図示）を有する熱伝導式の検出素子（熱伝導式ガスセンサ素子）である。本体部２３は、ガスセンサ素子２２を収容する上方に開口した箱状部材であり、概ね直方体状をなしている。本体部２３は、絶縁性セラミックからなる。端子部２４は、本体部２３内のガスセンサ素子２２の電極に接続する導電性の部材であり、本体部２３の底面２３ａに配される底面側端子部２４ａと、底面側端子部２４ａから立ち上がり本体部２３の外側側面２３ｂに形成される側面側端子部２４ｂとを有する。

【0016】

保護キャップ２５は、箱状の本体部２３の開口部を覆うように被せられる蓋材であり、上側に凸状に盛り上がった形をなしている。保護キャップ２５の上面部２５ａには、被検出ガスを含む雰囲気ガスを保護キャップ２５の内側に導入するための複数の通気孔（不図示）が形成されている。これらの通気孔の形成位置は、本体部２３内においてガスセンサ素子２２の発熱抵抗体が配置されている箇所と、上下方向で重ならないように設定されている。このように通気孔の位置が設定されることで、埃等の異物が保護キャップ２５内に侵入した場合でも、異物が発熱抵抗体に近付くことが抑制される。発熱抵抗体で生じた熱が異物に伝わってしまうと、被検出ガスの濃度検出の精度が低下するため、上記のように、保護キャップ２５がガスセンサパッケージ２１の本体部２３に取り付けられる。

【0017】

ケーシング３は、検出素子アッセンブリ２、回路基板４等を収容する略箱状の部材であり、非導電性の樹脂で構成されている。ケーシング３は、その内部に、検出素子アッセンブリ２等を収容する空間３１を備えている。ケーシング３は、第１ケーシング部３Ａと、第２ケーシング部３Ｂとを備えている。空間３１は、第１ケーシング部３Ａと第２ケーシング部とで囲まれている。

【0018】

第１ケーシング部３Ａは、全体的には、上方に開口した容器状をなしており、その底側（下側）を構成する壁部３Ａ１には、回路基板３を支持する凸状の支持部３Ａ２，３Ａ３が設けられている。また、第１ケーシング部３Ａの側方（図１の右側）には、コネクタ部３Ａ４が設けられている。なお、第１ケーシング部３Ａの上方に開口した部分を、開口部３Ａ５と称する。

【0019】

第２ケーシング部３Ｂは、第１ケーシング部３Ａの開口部３Ａ５を覆うような蓋状（板状）をなしており、第２ケーシング部３Ｂを構成する壁部３Ｂ１に、ガス導入口３Ｂ２が設けられている。ガス導入口３Ｂ２は、被検出ガスを、測定室７の内部に導入するためのものであり、第２ケーシング部３Ｂの略中央に設けられている。なお、ガス導入口３Ｂ２の内部には、金属製の網部材３Ｄが配置されている。

【0020】

第２ケーシング部３Ｂの壁部３Ｂ１には、上方に向かって環状に突出した環状部材３Ｂ３が設けられており、その内側に、網部材３Ｄを保持する枠部３Ｃが収容されている。枠部３Ｃの内側には、上下方向に貫通する孔部が設けられており、その孔部が、ガス導入口３Ｂ２として利用されている。枠部３Ｃは、網部材３Ｄを上下で挟持できるように２部品で構成されている。なお、他の実施形態においては、網部材と枠部とをインサート成形等により一体成形することで、枠部を１部品で構成してもよい。

【0021】

なお、第２ケーシング部３Ｂの壁部３Ｂ１には、ガス導入口３Ｂ２と重なる部分に、開口部３Ｂ４が設けられており、その開口部３Ｂ４を覆うと共に、ガス導入口３Ｂ２と重なるように、撥水フィルタ３Ｅが設けられている。なお、本明細書では、環状部材３Ｂ３や、網部材３Ｄを保持する枠部３Ｃも、第２ケーシング部３Ｂの壁部３Ｂ１の一部を構成するものとする。

【0022】

網部材３Ｄは、例えば、メッシュ状の金網からなり、ガスセンサパッケージ２１が有するガスセンサ素子の発熱抵抗体（後述）が高温になって可燃性の被検出ガスが発火した場合でも、火炎がガスセンサ１の外部に出るのを防止する機能（フレームアレスタ機能）を備えている。撥水フィルタ３Ｅは、ガス導入口３Ｂ２からケーシング３の内部に、水が浸入することを防止する機能を備えている。なお、被検出ガスは、撥水フィルタ３Ｅを通過可能である。

【0023】

第１ケーシング部３Ａに設けられたコネクタ部３Ａ４は、外部回路との電気的接続に利用される。コネクタ部３Ａ４の内部には、複数のコネクタピン６が設けられている。回路基板３には、複数のコネクタピン６を接続するための複数のスルーホール４Ａが形成されている。個々のコネクタピン６は、スルーホール４Ａに挿入された状態で、回路基板３４上にはんだ付けにより固定される。

【0024】

回路基板４は、被検出ガスの濃度を検出するための回路を備えた基板であり、上側に配される面（実装面）４ａに、検出素子アッセンブリ２が実装される。なお、回路基板４には、それ以外に、ガスセンサ素子を制御するマイコンや各種電子部品（不図示）がはんだ付け等により実装されている。

【0025】

また、回路基板４の実装面４ａには、検出素子アッセンブリ２の実装時に利用される複数のパッド部４１が設けられている。図３は、回路基板４上のパッド部４１と弾性シール体５との配置関係を示す説明図である。パッド部４１は、銅又は銅合金からなる薄手の層状部材であり、公知の方法（エッチング等）で回路基板４上に形成される。回路基板４上には、パッド部４１以外に、図示されないパターン状の配線等が形成されている。

【0026】

検出素子アッセンブリ２は、本体部２３に設けられた複数の端子部２４が、対応するパッド部４１に対してそれぞれ重なるように、回路基板４上に配置される。実装時に、パッド部４１上には、ペースト状のはんだが付与されており、そのはんだの上に、端子部２４の底面側端子部２４ａが載せられ、その状態でリフローが行われる。

【0027】

なお、パッド部４１は、底面側端子部２４ａよりも大きく、パッド部４１上に底面側端子部２４ａが重ねられる部分（重畳部４１ａ）の外側に、はみ出した部分（延設部４１ｂ）がある。そのはみ出した延設部４１ｂと、端子部２４の側面側端子部２４ｂとを電気的に接続するために、はんだ付けがなされている。そのため、延設部４１ｂ及び側面側端子部２４ｂを覆うように、はんだ部２６が形成されている。

【0028】

このように、回路基板４の実装面４ａには、ガスセンサ素子２２が、検出素子アッセンブリ２のガスセンサパッケージ２１に収容された状態で、実装されている。そのため、本明細書では、「ガスセンサ素子２２が回路基板４の実装面４ａに実装されている」、と表現する場合がある。

【0029】

回路基板４は、図１に示されるように、容器状の第１ケーシング部３Ａの底側に設けられた複数の支持部３Ａ２，３Ａ３に支持された状態で、ケーシング３の内部に収容されている。ケーシング３の内部において、回路基板４は、実装面４ａが、第１ケーシング部３Ａの壁部３Ｂ１から離された状態であり、かつ回路基板４上に実装された検出素子アッセンブリ２が、ガス導入口３Ｂ２と上下方向で重なるように、配置されている。そのような回路基板４と、壁部３Ｂ１との間に、弾性シール体５が介在されている。

【0030】

壁部３Ｂ１のうち、回路基板４の実装面４ａと対向する側の部分には、下側（回路基板４側）に向かって円環状に盛り上がった円環部３Ｆが設けられており、その円環部３Ｆと、回路基板４の実装面４ａとの間で、弾性シール体５が挟まれた状態となっている。なお、円環部３Ｆは、壁部３Ｂ１の一部として構成されている。円環部３Ｆの内側に、開口部３Ｂ４が配されている。

【0031】

回路基板４、弾性シール体５及びケーシング３の壁部３Ｂ１で囲まれた空間が、被検出ガスの濃度を検出するために外部からガス導入口３Ｂ２を介して導入された雰囲気ガスを収容する測定室７として利用される。

【0032】

弾性シール体５は、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂からなる。硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂とは、硫黄を含まない縮合型シリコーン樹脂のことであり、市販品を用いることができる。なお、本明細書において「硫黄非含有」とは、ＪＩＳ Ｋ ６２３３－３に規定された電気炉燃焼法分析の結果、硫黄量が５０ｐｐｍ以下のものを言う。硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂は、大気中に含まれている水分を取り込みながら硬化反応が進行するため、硬化時に加熱が不要であり、常温（室温）で硬化させることができる。なお、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂では、硬化反応に伴って、低分子（例えば、アセトン等）が放出されるものの、その低分子は、硬化後の硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂からは実質的に放出されないため、弾性シール体５は、被検出ガスの濃度検出の精度に影響しない。

【0033】

また、弾性シール体５に使用される硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂は、硬化した状態で、従来の弾性シール体の代替品として使用可能な、適度の弾性を備えている。

【0034】

硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂としては、一液で縮合反応が進行する一液タイプであってもよいし、主剤と硬化剤とを混合した混合物の状態で縮合反応が進行する二液タイプであってもよい。なお、取扱性、作業性等の観点より、一液タイプの硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂が好ましい。

【0035】

弾性シール体５は、例えば、以下の方法で製造される。先ず、回路基板４の実装面４ａ上に、未硬化状態の流動性を備えた硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂（以下、「硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂組成物」と称する場合がある。）を、ディスペンサ等の公知の塗布機を利用して円環状に付与し、その付与物を回路基板４の実装面４ａとの間で挟むようにして、付与物にケーシング３の壁部３Ｂ１（円環部３Ｆ）を接触させる。そして、回路基板４の実装面４ａとケーシング３の円環部３Ｆとの間で、付与物（硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂組成物）を挟んだものを、所定時間、常温で放置して、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂組成物を硬化させる。このようにして、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂組成物の硬化物（硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂）からなる弾性シール体５が得られる。

【0036】

なお、他の実施形態においては、上述した方法とは反対に、先ず、ケーシング３の壁部３Ｂ１（円環部３Ｆ）に、硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂組成物を付与し、その後、その付与物に、回路基板４の実装面４ａを接触させて、付与物を自然硬化させてもよい。

【0037】

硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂は、接着性を備えており、未硬化の状態から硬化すると、ケーシング３の壁部３Ｂ１や、回路基板４の実装面４ａに対して接着性を発揮する。そのため、弾性シール体５とケーシング３の壁部３Ｂ１（円環部３Ｆ）との間や、弾性シール体５と回路基板４の実装面４ａとの間に隙間が形成されることが抑制され、測定室７は、優れた気密性（密閉性）を備えている。

【0038】

本実施形態の弾性シール体５は、硫黄を含んでいないため、弾性シール体５から硫黄を含む腐食成分（例えば、硫黄ガス等の硫黄成分）が発生することが防止される。そのため、回路基板４上に形成されたパッド部４１が腐食成分により腐食されることが防止される。

【0039】

本実施形態のガスセンサ１では、隣り合ったパッド部４１の間を繋ぐように、腐食生成物（硫化銅）が形成されて、ガスセンサ素子２２の端子部２４間がショートすることにより、ガスセンサ素子２２が故障することが防止される。

【0040】

なお、回路基板４の実装面４ａ上のパッド部４１は、図３に示されるように、弾性シール体５の近くに配置されている。特に、パッド部４１の延設部４１ｂは、弾性シール体５の近くに配置されている。延設部４１ｂは、対応する端子部２４との電気的な接続のために、はんだ部２６によって覆われているものの、その付近に、腐食成分（硫黄ガス等の硫黄成分）が存在していると、銅を含むパッド部４１（延設部４１ｂ）は、時間の経過と共に、腐食成分によって腐食されてしまう。なお、図３において、一点鎖線で囲まれた範囲Ｓに、検出素子アッセンブリ２が実装される。

【0041】

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0042】

（１）実施形態１において、回路基板４の実装面４ａのうち、環状の弾性シール体５よりも外側の範囲にある外側実装面４ａ１には、湿気や腐食ガス等が接触しないように保護するコーティン層（保護層）が形成されている。コーティング層としては、例えば、ポリオレフィン樹脂を含む公知のものが利用される。コーティン層は、回路基板４に形成されたパターン状の配線（銅を含む）等を覆うように形成されている。弾性シール体５からは、硫黄を含んだ腐食成分が発生しないため、他の実施形態においては、外側実装面４ａ１に、コーティング層の形成を省略して、パターン状の配線等を露出させてもよい。

【0043】

（２）弾性シール体に使用される硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂としては、低分子シロキサンの発生が抑制されたものが好ましい。ただし、ガスセンサ素子として、熱伝導式のガスセンサ素子を使用すれば、低分子シロキサンによる劣化の問題が発生しないため、低分子シロキサンをある程度、発生する硫黄非含有縮合型シリコーン樹脂を使用することができる。

【符号の説明】

【0044】

１…ガスセンサ、２…検出素子アッセンブリ、２１…ガスセンサパッケージ、２２…ガスセンサ素子、２３…本体部、２４…端子部、２５…保護キャップ、２６…はんだ部、３…ケーシング、３Ａ…第１ケーシング部、３Ｂ…第２ケーシング部、３Ｂ１…第２ケーシング部の壁部、３Ｂ２…ガス導入口、４…回路基板、４１…パッド部、５…弾性シール体、７…測定室

【図1】

【図2】

【図3】