JPS5833499B2 - 還元性気体検知装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属酸化物半導体を利用した還元性（可燃性）
気体検知装置および、その製造方法に関するものである
。

近年、還元性の気体を検知をするために種々の材料が検
討されている。

このうちでも特に５ｎ０２やＦｅ ２０３、ＺｎＯ，Ｔ
ｉＯ２、ＷＯ３などの金属酸化物にｐｔやＰｄなどの白
金系金属、あるいはそれらの酸化物を活性化触媒として
添加したものを検知素子材料とする金属酸化物半導体が
注目されて来ている。

これら材料を検知素子に使用した装置は、２００〜５０
０℃の高温でその検知素子に適した一定温度に加熱した
状態において水素、−酸化炭素、メタン、プロパン、ア
ルコール、またはアンモニアなどの各種還元性気体が素
子表面に吸着することによっであるいは素子表面で接触
燃焼することによって、金属酸化物半導体の電気抵抗が
変化する現象を応用したものである。

これら還元性気体検知装置は、還元性気体を電気抵抗の
大きな変化として確実にかつ再現性よく定量検知するた
めに、実際の素子ではＮｉＣｒ、Ｆｅ−Ｃｒ５Ｐｔ−Ｉ
ｒなどの電熱線やサーミスタ、メタルグレーズ抵抗体を
加熱源として素子に一体化して構成しているのが普通で
ある。

そして、この構７成で重要なことは、還元性気体の濃度
が同一状態のもとにおいても素子の加熱温度の差違によ
って検知した時の電気抵抗が異なるために、すなわち加
熱温度依存性を有するために素子が常に所定の適切な温
度に加熱されかつ、均一な熱分布のもとに保持されてい
なげればならない。

そこで、このような問題点を把握しながら改良された検
知装置として、第１図に示す如き還元性気体検知装置を
先に開発した。

この装置は、コイル状に形成された金属線１を耐熱性絶
縁材料２で被覆してなる加熱源Ｈとこの加熱源のコイル
状金属線の中空部の中央付近に配置され、１対の電極線
４，４′が埋設されてなる、金属線のコイル内径および
コイル長さよりも寸法の小さい金属酸化物半導体を焼結
した感応体３からなる検知素子Ｓとを配置してなること
を特徴とするものである。

この装置によって得られる特性上の効果は、検知素子Ｓ
が筒状の加熱源Ｈの中に位置し、その輻射熱によって加
熱されるため、気流の変化などによって周辺の温度が変
化したとしても、加熱源Ｈが十分な熱容量をもっている
ため防壁として作用し、検知素子Ｓの受ける影響はきわ
めて少なく、また検知素子Ｓの温度分布は非常に均一化
され、さらに加熱源Ｈな垂直にして使用することによっ
て加熱源Ｈと検知素子Ｓとの間隙に、下部から上部へ向
かう自然対流が生じ、この煙突効果によって加熱源Ｈの
下部より外部雰囲気が効果的に吸い込まれ、還元性気体
も加熱源Ｈの輻射熱によって加熱されて活性化し、検知
素子Ｓの金属酸化物半導体３とすみやかに反応する。

その結果、応答性が高められるとともに還元性気体を迅
速に定量的に検知することができるとする特徴がある。

本発明はこの還元性気体検知装置にさらに改良を加え、
より消費電力が少なく、かつ量産性に富んだ新しい気体
検知装置を提供しようとするものである。

以下本発明について詳細に説明する。この発明の主要点
は第１にコイル状に形成された金属線を加熱源として、
この加熱源となるコイル状金属線のコイル中空部中央付
近に１対の電極線を埋設してなる前記金属線のコイル内
径および長さよりも寸法の小さい金属酸化物半導体還元
性気体検知素子とを配置する装置において、金属の薄い
板からあらかじめ作られたフレームに加熱源および検知
素子の電極取出し部を接合して、加熱源と検知素子を所
定の位置に配置せしめ、さらに電気的にそのフレームを
介して外部接続端子に接合したことを特徴とするもので
ある。

第２図に本発明の一実施例を示し詳細な説明を行なう。

第２図において１１はコイル状に形成された金属線で、
部分的に耐熱性絶縁材料でその線間が電気的に短絡しな
い様に絶縁層１２ 、１２’で被覆され、これによって
加熱源ＨＥが構成されている。

絶縁の状態は第３図ａ、ｂに略々拡大図として示される
。

このコイル状金属線１１は電流を通じることによって発
熱するため、比抵抗が大きく通常の空気中でその表面が
酸化されに（いｐｔ−Ｉ ｒ線やあるいは酸化しても電
気抵抗の変化が少ないＦｅ −Ｃｒ −Ａ Ｉを主成分
とした合金線、たとえば米国ガブリウス社製のカンタル
合金線を使用する。

また耐熱性絶縁性材料には、融点の高いガラスや５ｉ０
２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２などを主成分とした無機セメ
ントを塗布して焼結せしめて絶縁層１２ 、１２’とす
る。

第２図においてｓＥは金属酸化物半導体からなる気体検
知素子で、その大きさは前述した如く加熱源ＨＥの中空
部に収納できる。

加熱源ＨＥの金属線１１と直接接触しないだけの余裕を
もったコイル状金属線１１の内径およびその長さより小
さい感応体１３と電極線１４ 、１４’からなっている
。

この感応体１３は、５ｎ０２、Ｆ ｅ ２０ ａ、Ｚｎ
Ｏ。

ＴｉＯ２、ｗＤ３などの金属酸化物、あるいは他の金属
元素を含む複合金属酸化物の粉末を成形、焼成して作ら
れる。

この成形の際５０〜２００μの太さのｐｔ、ｐｈ、Ｉｒ
、Ｐｔ、あるいはその合金線を埋設しておき電極線１４
、１４’としている。

さて、加熱源ＨＥとなるコイル状金属線１１の末端１１
Ａ、１１Ａ′と半導体素子中に埋設されたす−ド線１４
、１４’の末端１４Ｂ、１４Ｂｌは、それぞれ金属板
をあらかじめ化学エツチングあるいは機械的打抜きによ
って作られたフレーム１５の端部１５Ａ、１５Ａ′、１
５Ｂ、１５Ｂ′に接合される。

むろんこの際半導体気体検知素子ｓＥは第２図に示す如
く加熱源ＨＦ、の中空部中央に装置されるべく工夫され
る。

このフレーム１５はＦｅ −Ｎｉ −Ｃ。合金（コバー
ル） 、 Ｆｅ −Ｃｒ 合金（ステンレス）などの熱
伝導率の小さい金属板を用いる。

このことは加熱源ＨＥおよび検知素子ＳＥＯフレームを
伝導することによって放散する熱損失を出来るだけ小さ
くして、加熱源ＨＥと検知素子ｓＥの温度を低電力で一
定に保つ上で重要である。

そしてこのフレーム１５のもう一方の端部１５ａ、１５
ａ’ツ１５ｂ、１５ｂ’は、耐熱性合成樹脂、ガラスま
たはセラミック材料で作られた電気絶縁性の基体（ヘッ
ダ）１６に埋設された４ケの外部接続端子である金属リ
ードピン１７の端部１７ａ 、 １７ａ’。

１７ｂ、１７ｂ′に接合されている。

なお、このフレームは１５ａ ｓ １５ａ’、１ ｓｂ
ｊ １５ｂ’の部分が点線ｐｌｔｐ２で示す様に最初
一連につながっており、すなわち変形したコム状のフレ
ームであり、ピンの一端にフレームのそれらが接合され
たのち点線部分が個々に切断除去された後述するごとき
工程をたどったことを特徴としている。

そして最後に上記の順序で構成されたマウントを保護体
１８で囲んでいる。

この保護体１８は１００メツシユ程度の金属製ネットま
たは連続気孔を有する焼結金属でキャップ状に金属ベル
ト１９でかしめられて構成されており、引火爆発性の危
険のある還元性気体を検出する時の防爆機能をもたせる
と共に検知素子や塵埃や油煙などにより汚染されること
を防止するためのものであり、これによって本発明によ
る還元性気体検知装置は完成する。

さて、本発明の主要点としてフレームを用いて加熱源と
検知素子を適切な対応位置に固定化し電気的にもフレー
ムを介して外部接続端子に接合することを説明したが、
このフレームを用いることはこの検知装置の量産効果を
得ることを目的とした点で重要な役目をになっている。

その１具体例として第４図に量産時の略々組立工程図を
示す。

まず第４図ａは第２図の実施例で説明した如く、変形し
たコム状のフレーム１５は半エンドレスになっている。

そして、複数個のフレーム１５は基部によって一体にな
っている。

そして第４図すでフレーム１５の一端に検知素子ＳＥが
接合され、第４図Ｃで加熱源となるコイル状の金属線１
１が接合される。

この時すでにコイル状の金属線間を絶縁するために部分
的に耐熱性材料で被覆された絶縁層が形成せられて加熱
源ＨＥが構成される。

次いで第４図ｄでこのフレーム１５はヘッダ１６にあら
かじめ埋設された外部接続端子（リードピン）１７に接
合される。

そして第４図ｅですべての接合が終ったのちに不必要な
フレームが切断除去され最後に第４図ｆで保護体キャッ
プ１８が被冠され本発明の還元性気化検知装置が完成す
る。

以上のように、上記本発明の実施例では外部接続端子を
直線状に平行に配置し、加熱源となるコイル状金属線と
フレーム、検知素子とフレーム、フレームと外部接続端
子のそれぞれの接合部がほぼ同一平面上に配列されてお
り、同一平面上で検知装置を組立ることかできるため、
製造上きわめて低コストにつながる特徴を有する。

一方、特性面では次の様な改善された特徴をもっている
。

第１に、従来のコイル状金属線間を全面にわたって絶縁
層を被覆したものにあっては、外部からの気体の流入は
煙突効果による自然対流を強く生じせしめた方法に依存
していた。

この場合、加熱源を垂直にすべく装置のセットに方向性
をもたす必要があった。

しかし本発明の実施例では、線間絶縁はごく一部分的に
設けられており線間からの気体の流出入も自由であり装
置のセットにはほとんど方向性をもたないこと、そして
検知すべき還元性気体も加熱源により加熱活性されやす
く、その結果応答性が向上する特徴がある。

むろん従来例のごとく金属線間を全面にわたって絶縁層
を被覆したものであって特に問題はなく、検知装置のま
わりの気流の変化がある時、すなわち周囲温度が変化し
やすい時には、むしろ全面にわたって被覆されている方
が防壁として作用し、検知素子の温度分布が非常に均一
化されるために定量検知精度が維持、向上する効果があ
るので、金属線間の絶縁層を部分被覆するか全面被覆す
るかは、どちらを採用しても本発明の効果にはほとんど
差がない。

第２に、熱伝導率の小さいフレームを介することで前述
した如くフレームを通して外部に放散する熱損失が小さ
く消費電力が少なくてすみ、かつ加熱源、検知素子は急
な気流の変化にも十分な熱容量が維持でき、温度分布も
均一であり、検知精度を向上する要因となっている。

第３に、フレームに加熱源、検知素子を接合することに
よって加熱源の金属線、検知素子のリード線では普通保
持できない機械的強度が向上し、検知素子が直接、加熱
源となる金属線に接触することがない様に配置、固定化
が出来、検知装置として落下や振動に対して強い構造体
となる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば金属薄
板によるフレームで検知素子、コイル状金属線が外部接
続端子に接続されているので、フレームを通して放散す
る熱が少なく、消費電力が少なくてすむ。

またフレームは製造時基部によって一体になっているの
で、製造が容易であり、量産性に富むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に先だって考えられた還元性気体検知装
置の一部切欠斜視図、第２図は本発明の一実施例におけ
る還元性気体検知装置の一部切欠斜視図、第３図ａ、ｂ
は同装置の一部分の平面図および側面図、第４図ａ、ｂ
ｙｅ、ｄ、ｅ、ｆは同装置の製造工程を示す図である。 １１・・・・・・コイル状金属線、１１Ａ、１１Ｂ・■
。 末端、１４ 、１４’・・・・・・リード線、１４Ｂｔ
１４Ｂ’・・・・・・末端、１５・・・・・・フレーム
、１５Ａ、１５Ａ′。 １５Ｂｔ１５Ｂ’・・・・・・端部、ｓＥ・・・・・・
半導体気体検知素子、ＨＦ、・・・加熱源、１２ 、１
２’・・・・・・絶縁層、１３・・・・・・感応体、１
６・・・・・・ヘッダ、１７・・・・・・金属リードビ
ン、１８・・・・・・保護体、２０・・・・・・基部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コイル状に形成された金属線を加熱源とし、このコ
   イル状金属線の中空部に、加熱状態において還元性気体
   に反応する半導体検知素子を収納し、この半導体検知素
   子に接続された電極線を上記コイル状金属線の中空部よ
   り引き出し、この引き出した電極線の端部および上記金
   属線の端子を、それぞれ金属薄板で構成した複数本のフ
   レームの一端に電気的に接続し、この複数本のフレーム
   の他端を複数本の外部接続端子にそれぞれ接続したこと
   を特徴とする還元性気体検知装置。 ２ 複数本の外部接続端子を略同一平面上に平行に配列
   し、これら外部接続端子の同一面側に加熱源となるコイ
   ル状金属線の接続端子および半導体検知素子の接続端子
   を配置し、前記コイル状金属線および前記半導体検知素
   子の接続端子をフレームを介して前記外部接続端子に接
   続したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の還
   元性気体検知装置。 ３ 複数本の外部接続端子として、電気絶縁性の基体に
   植設された複数本のリードピンを用いたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の還元性気体
   検知装置。 ４ フレームの材質として熱伝導率の少さい金属を用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の還元性気体検知装置。 ５ 複数本のフレームがその基部において連結された形
   状の金属薄板を用意し、上記複数本のフレームの端部に
   、コイル状に形成された金属線の端子と、このコイル状
   金属線の中空部に挿入された加熱状態において還元性気
   体に反応する半導体検知素子の電極線をそれぞれ接続し
   、上記基部の上記各フレームに対向する所に複数本の外
   部接続端子を接続した後、上記基部の不要部分を切断し
   て各フレームを独立させることを特徴とする還元性気体
   検知装置の製造方法。