JP2007121234A - 検知センサ - Google Patents
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Abstract
光検出器などの特別な装置を必要とすること無く、目視により酸素の有無などの物理的又は化学的性質を容易に検知することが可能な検知センサを提供すること。
【解決手段】
金属表面に形成された多孔質の酸化皮膜と、該酸化皮膜に付着され、該酸化皮膜が発する蛍光の波長と異なる波長の蛍光を発生する感応物質とを有することを特徴とする。好ましくは、該酸化皮膜は、シュウ酸を含む電解液で陽極酸化して形成される酸化皮膜であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
特許文献1には、アルミニウムやチタンなどの金属母材面に多孔質の酸化皮膜を形成し、該酸化皮膜表面にルテニウム、白金、オスミウム等の酸素消光特性を有する発光性の金属錯体や芳香化合物、テトラフェニルポルフィリンなどの酸素感応物質を吸着させた酸素センサが開示されている。
しかも、金属母材上に形成された酸化膜は、金属光沢を有しており、検知センサに入射する光の多くを反射する傾向があるため、ノイズが大きくなり、検知センサが発する蛍光の微小な光量変化を容易に判別できないなどの不具合が生じていた。
本発明における「感応物質」とは、蛍光を発する物質であると共に、物理的又は化学的性質に感応して、蛍光の発光量が変化する物質を意味する。なお、感応物質が感応する対象のことを「感応対象」という。
図1は、本発明に係る酸素検知センサの概略を示す断面図である。
図1では、金属1の表面に多孔質の酸化皮膜3を形成し、該酸化皮膜の表面に酸素感応物質4を付着させた酸素検知センサを示している。図1では、酸化皮膜3の表面に、酸素感応物質4を直接付着させているが、これに限らず、図2に示すように、塩化ビニルやポリスチレンなどの酸素透過性のある樹脂5に酸素感応物質4を混入し、酸化皮膜3に塗布することも可能である。
このような構成により、図4のスペクトル強度分布に示すように、酸化皮膜からの蛍光スペクトルAは波長λ1をピークとする強度分布を有し、酸素が結合していない酸素感応物質からの蛍光スペクトルBは波長λ2をピークとする強度分布を有することとなる。観察者には、スペクトルA及びBが重ね合わされた色が観測される。
このように、本発明の酸素検知センサによれば、検知センサが発する色の変化により酸素の有無を容易に判別することが可能となる。
また、感応物質としては、酸素感応物質以外に、金属酸化物層上にカルボキシル基あるいはスルホン基を持つ感圧機能を有する色素、さらには、Ru金属錯体顔料などの熱感応物質、ピレン分子などの溶媒の化学的性質を感応する感応物質などを用いることが可能である。
以下の説明では、金属母材としてアルミニウムを用いる例を中心に説明する。
(洗浄処理)
金属母材を、浸漬脱脂剤を用いてアルカリ脱脂を行い、希硝酸によりスマット除去を行う。
金属母材を、シュウ酸濃度0.05〜20%、好適には0.1〜10%に調整した電解液に浸漬し、金属母材を陽極として陽極酸化処理を行う。
電解液の温度は、3〜60℃、好適には10〜40℃である。また、電解時間は、0.1〜400分、好適には5〜150分である。電圧は5〜100V、好適には20〜80V、直流電源を用いる。
酸化被膜に吸着できるようカルホキシル基やスルホン酸基のあるポルフィリン0.005〜0.2g/lの水溶液、処理温度10〜30℃、浸漬処理時間1〜30分基板の蛍光強度とのバランスで、色素の吸着量をコントロールする。
酸素感応物質を吸着した後、乾燥処理を行う。余分な色素を水で洗浄除去し、40〜90℃の温風乾燥等で乾燥するが、乾燥すればよいので特に限定はしない。
これを改善するため、陽極酸化処理に硫酸を含む電解液を使用して酸化皮膜を形成することが好ましい。
硫酸を用いた陽極酸化処理方法は、(1)硫酸を含む電解液で陽極酸化した後、シュウ酸を含む電解液で陽極酸化する方法と、(2)シュウ酸と硫酸とを混合した電解液中で陽極酸化を行う方法とがある。
アルミニウムの金属母材20の上に、シュウ酸アルマイト皮膜21と硫酸アルマイト皮膜22が形成され、さらに酸素感応物質は硫酸アルマイト皮膜22に集中的に吸着している。
以下の示す条件で、アルミニウム板をシュウ酸により陽極酸化を行い、感応物質として酸素感応物質を吸着させた。
・使用するアルミニウム板のサイズ:25mm×67mm(有効サイズ25mm×48mm)
・シュウ酸による陽極酸化条件
シュウ酸濃度:2%
電解液の温度:25℃
電解時間:40分
印加電圧:46V
印加電流密度:約1A/dm2
・酸素感応物質とその吸着方法
ポルフィリン濃度:0.02g/l(水溶液)
処理温度:15℃
浸漬処理時間:2分(緩やかな揺動下で)
シュウ酸濃度が0.05%未満の場合は膜形成速度が非常に遅いという問題があり、10%を超えると、液温を高くしなければならず、また皮膜が黄色に着色し透明度が低下するため色変化を認識しにくいという問題を生じる。特に、図6及び7より、0.1%〜10%の範囲が、シュウ酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
なお、電解液の温度が25℃では、シュウ酸濃度が10%を越えると溶解が難しくなるが、シュウ酸濃度が20%の場合でも、電解液温度を40℃位に維持することで、溶解は可能となる。このように、シュウ酸濃度が上昇すると、電解液温度も上げる必要があり、さらに、電流密度を所定値に維持しながら処理するためには、印加電圧を下げる必要がある。従って、酸化皮膜の処理条件は、シュウ酸濃度のみを変更して調整し処理するものではない。
温度が3℃未満の場合は電流が流れにくく膜成長が非常に遅いという問題があり、60℃より大きいと生成した膜が白色化し透明性が低下する(60℃では膜厚が厚くなるため、無酸素状態である窒素中の蛍光強度が増大し赤色は見やすくなるが、膜が白色化するため青色が弱くなる)という問題を生じる。特に、図8及び9より、10〜40℃の範囲が、シュウ酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
電解時間が0.1分未満の場合は膜の厚みが不足のために蛍光が微弱であるという問題があり、200分より大きいと膜が黄色く着色し、透明度が低下するという問題を生じる。特に、図10及び11より、5〜150分の範囲が、シュウ酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
以下の示す条件で、アルミニウム板に対し、硫酸による陽極酸化とシュウ酸による陽極酸化を行い、感応物質として酸素感応物質を吸着させた。
・使用するアルミニウム板のサイズ:25mm×67mm(有効サイズ25mm×48mm)
・硫酸による陽極酸化条件
硫酸濃度:10%
電解液の温度:25℃
電解時間:40分
印加電圧:12V
印加電流密度:約1A/dm2
・シュウ酸による陽極酸化条件
シュウ酸濃度:2%
電解液の温度:25℃
電解時間:40分
印加電圧:46V
印加電流密度:約1A/dm2
・酸素感応物質とその吸着方法
ポルフィリン濃度:0.02g/l(水溶液)
処理温度:15℃
浸漬処理時間:2分(緩やかな揺動下で)
硫酸濃度が0.1%未満の場合は成膜速度が遅いという問題があり、40%より大きいと生成した膜が溶解するために望む膜厚が得られず、また膜が白色化し透明度が低下するという問題を生じる。特に、図12より、1〜20%の範囲が、硫酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
温度が5℃未満の場合は成膜技術速度が遅いこと、酸化被膜の体積が非常に小さいため酸素感応物質量を多く吸着できないという問題があり、35℃より大きいと徐々に膜の透明性が失われる(曇りが発生)。このように膜の透明性が失われると、下地となっているシュウ酸膜の青色の発光が目見えにくくなり、色の変化を識別することが難しくなる。また、40℃より大きいと膜の溶解が起こりやすいという問題を生じる。特に、図13より、10〜35℃の範囲が、硫酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
電解時間が0.1分未満の場合は膜厚が小さいことによる感応物質量の不足という問題があり、120分より大きいと膜が白色化し透明度が低下するため、酸化膜の青色が見えにくいという問題を生じる。特に、図14より、5〜120分の範囲が、硫酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
印加電圧が0.1V未満の場合は膜が生成しにくいという問題があり、20Vより大きいと膜の溶解が起こりやすく、また白色化が起こるという問題を生じる。特に、図15より、1〜18Vの範囲が、硫酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
シュウ酸濃度が0.1%未満の場合は皮膜が生成しにくいため青色が見えにくいという問題があり、20%より大きいと、シュウ酸が先に形成されている硫酸膜を溶解するため、酸素感応物質の吸着量が少なくなるという問題を生じる(つまり、20%では先に形成されている硫酸膜のほとんどを溶解しているため、応答性色素の吸着量が少なくなり、青が強く赤が弱いという問題がある)。特に、図16及び図6(0.01%の蛍光強度を考慮)より0.1〜10%の範囲が、硫酸による陽極酸化後のシュウ酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
温度が3℃未満の場合はシュウ酸の膜生成しにくいという問題があり、35℃より大きいと、シュウ酸が先に形成されている硫酸膜を溶解するため、酸素感応物質の吸着量が少なくなるという問題を生じる。特に、図17及び図8(3℃の蛍光強度を考慮)より、10℃〜30℃の範囲が、硫酸による陽極酸化後のシュウ酸による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
以下の示す条件で、アルミニウム板に対し、シュウ酸と硫酸との混合電解液による陽極酸化を行い、感応物質として酸素感応物質を吸着させた。
・使用するアルミニウム板のサイズ:25mm×67mm(有効サイズ25mm×48mm)
・陽極酸化条件
2%シュウ酸と10%硫酸との混合比:9:1
電解液の温度:25℃
電解時間:120分
印加電圧:25V
印加電流密度:約1A/dm2
・酸素感応物質とその吸着方法
ポルフィリン濃度:0.02g/l(水溶液)
処理温度:15℃
浸漬処理時間:2分(緩やかな揺動下で)
電解時間が1分未満の場合は成膜不足、蛍光微弱という問題があり、400分より大きいと膜の脱落が起こりやすいという問題を生じる。特に、図18より、5〜180分の範囲が、混合電解液による陽極酸化処理には好適であることが理解できる。
図19及び20により、実施例の酸素検知センサにより、酸素の有無をセンサが発光する色の違いにより識別できることが容易に理解される。
2 多孔質の孔
3,12 酸化皮膜
4,13 酸素感応物質
5 樹脂
10 支持体
11 金属膜
12 酸化皮膜
21 シュウ酸による酸化皮膜
22 硫酸による酸化皮膜
Claims (6)
- 金属表面に形成された多孔質の酸化皮膜と、該酸化皮膜に付着され、該酸化皮膜が発する蛍光の波長と異なる波長の蛍光を発生する感応物質とを有することを特徴とする検知センサ。
- 請求項1に記載の検知センサにおいて、該酸化皮膜は、シュウ酸を含む電解液で陽極酸化して形成される酸化皮膜であることを特徴とする検知センサ。
- 請求項2に記載の検知センサにおいて、該電解液が、シュウ酸と硫酸との混酸であることを特徴とする検知センサ。
- 請求項1に記載の検知センサにおいて、該酸化皮膜は、硫酸を含む電解液で陽極酸化した後、シュウ酸を含む電解液で陽極酸化して形成される酸化皮膜であることを特徴とする検知センサ。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の検知センサにおいて、該金属表面を形成する材料が、アルミニウムであることを特徴とする検知センサ。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の検知センサにおいて、該感応物質は、酸素感応物質、圧力感応物質、熱感応物質、溶媒の化学的性質に係る感応物質のいずれかであることを特徴とする検知センサ。
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JP2005317324A JP4473205B2 (ja) | 2005-10-31 | 2005-10-31 | 酸素検知方法 |
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JP2010271051A (ja) * | 2009-05-19 | 2010-12-02 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 過酸化物測定用センサー及びそれを用いた過酸化物の測定方法 |
-
2005
- 2005-10-31 JP JP2005317324A patent/JP4473205B2/ja not_active Expired - Fee Related
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