JP2010122100A - 防水型ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス応答速度が早く、低濃度ガスに対しても高い感度を維持することのできる防水型ガスセンサを提供する。
【解決手段】 撥水性のガス透過膜９を通じてガス導入孔Ｈ内に導入した検知対象ガスを、該ガス導入孔Ｈ内に配置した感ガス体６によって検知する防水型ガスセンサにおいて、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌを２［ｍｍ］以下に設け、且つ、ガス透過膜９からのガス導入孔Ｈの深さＤを２［ｍｍ］以下に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撥水性のガス透過膜を有する防水型ガスセンサに関する。

自動車の内外気自動切替装置等の、水分が浸入する可能性のある環境下では、防水型ガスセンサが好適に用いられる。図９には、特許文献１に記載の防水型ガスセンサを示している。この防水型ガスセンサは、通気窓７０を有する金属製カバー７１で感ガス体６を覆って成るガスセンサを、防水キャップ８０内に収納させたものである。上記防水キャップ８０は、ガス流入口８１に撥水性のガス透過膜９を貼り付けたものであり、このガス透過膜９によって防水性を確保している。

しかし、上記した従来の防水型ガスセンサは、既存のガスセンサを防水キャップ８０に収納しただけの構造である。そのため、防水キャップ８０のガス透過膜９よりも内側には、ガス透過膜９を通じて導入された検知対象ガスが感ガス体６に至るまでの間に、大きな空間が形成されている。

したがって、検知対象ガスがガス透過膜９の細孔を通り抜けて内側の空間内に拡散するまでに時間がかかり、ガス応答速度が遅くなるといった問題や、短時間で流れてきてすぐに無くなるような低濃度ガスに対しては感度が低くなるといった問題がある。
特開２０００−１８７０１４号公報

本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、ガス応答速度が早く、低濃度ガスに対しても高い感度を維持することのできる防水型ガスセンサを提供することを、課題とする。

本発明は、撥水性のガス透過膜９を通じてガス導入孔Ｈ内に導入した検知対象ガスを、該ガス導入孔Ｈ内に配置した感ガス体６によって検知する防水型ガスセンサにおいて、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌを２［ｍｍ］以下に設け、且つ、ガス透過膜９からのガス導入孔Ｈの深さＤを２［ｍｍ］以下に設けたものである。

上記構成から成る本発明の防水型ガスセンサにあっては、ガス透過膜９を通じてガス導入孔Ｈ内に導入した検知対象ガスを、２［ｍｍ］以下という非常に浅い深さＤで形成してあるガス導入孔Ｈの空間内に、速やかに拡散させることができる。加えて、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌも２［ｍｍ］以下と非常に短く設定してあるので、感ガス体６でのガス応答速度が向上するとともに、短時間で流れてきてすぐなくなるような低濃度ガスに対しても高い感度を確保することができる。

なお、本発明の防水型ガスセンサの上記深さＤや上記距離Ｌが限りなくゼロに近く設定されるわけではなく、感ガス体６の発熱の影響を受けることがない範囲内で設定されることは勿論である。具体的には、感ガス体６の発熱量Ｑ［Ｗ］としたとき、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌを、１．４４×Ｑ^１／２［ｍｍ］以上に設けることが好適である。このようにすることで、例えば感ガス体６の発熱量Ｑ＝０．１２［Ｗ］である場合にはＬ≧約０．５［ｍｍ］となり、経験的に得られる距離Ｌの下限と一致するようになる。

また、本発明の防水型ガスセンサでは、ガス透過膜９からのガス導入孔Ｈの深さＤを、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌ以上に設けることが好適である。このようにすることで、感ガス体６をガス導入孔Ｈの底壁面１１よりもガス透過膜９と近い側に位置させ、検知対象ガスに対する感ガス体６の応答速度や感度を高レベルに保つことができる。

更に、本発明の防水型ガスセンサにあっては、ガス導入孔Ｈのガス透過膜９と対向する底壁面１１に、感ガス体６を配置するための配置溝１２を凹設することも好適である。このようにすることで、感ガス体６の発熱がガス透過膜９に影響を及ぼさないように距離Ｌを極力保ったうえで、ガス導入孔Ｈの深さＤを極力浅く形成することができる。

本発明は、ガス応答速度が早く、低濃度ガスに対しても高い感度を維持することのできる防水型ガスセンサを提供することができるという効果を奏する。

本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における第１例の防水型ガスセンサを示しており、図２〜図４には、第１例の防水型ガスセンサを形成するためのセンサカバー１を示している。なお、図２中のセンサカバー１には感ガス体６の位置を想像線で示している。

第１例の防水型ガスセンサは、防水用のセンサカバー１内にセンサ本体２を収納したものである。センサ本体２は、細長い薄板状の端子ピン３をインサート成形によって樹脂製のベース４に三本植設し、この三本の端子ピン３の先端部に、ワイヤ５を用いて楕円球状の微小な感ガス体６を支持させたものである。三本の端子ピン３は、中央の端子ピン３ａと、端子ピン３ａを側方から挟む位置にある一対の端子ピン３ｂ，３ｃから成り、互いの厚み方向が一致するように平面視にて一直線上に配列させてある。

感ガス体６は、白金線から成るコイル状のヒータ（図示せず）を埋設した接触燃焼型のものであり、両端の端子ピン３ｂ，３ｃ間に電圧を印加することにより、好適に加熱されるようになっている。

ベース４は円板状に成形したものであり、厚み方向途中の段部を挟んで一方が大径部４ａ、他方が小径部４ｂとなっている。三本の端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれ、感ガス体６を支持する側の先端部を小径部４ｂ側の端面から図１中上方に突出させ、他方の先端部を、大径部４ａ側の端面から図１中下方に突出させている。

センサカバー１は、両端の開口した円筒状に成形したものである（図２〜図４等参照）。このセンサカバー１の図３、図４中下方に位置する一端側の開口が、上記センサ本体２を挿入するための挿入口７となり、図３、図４中上方に位置する他端側の開口が、ガスを入れ換えるための通気窓８となる。通気窓８には、その開口部分全体を外側から覆うように、ＰＴＦＥを用いた撥水性のガス透過膜９を熱溶着または粘着により固着する。

センサカバー１の互いに反対側に位置する挿入口７および通気窓８は、一連の連通孔を介して軸方向に連通している。上記連通孔は、センサ本体２のベース４が嵌合する寸法形状に設けてあるベース収容孔Ｈ１と、センサ本体２の端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃを挿通させて収容するために設けてある端子ピン収容孔Ｈ２と、端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃにより支持される感ガス体６と通気窓８との間に検知対象ガス導入用の空間を形成するために設けてあるガス導入孔Ｈとを、挿入口７側から通気窓８側へとこの順で連通させたものである。

上記ベース収容孔Ｈ１は、ベース４の大径部４ａが嵌合する断面円形状の大径孔Ｈ１′と、ベース４の小径部４ｂが嵌合する同じく断面円形状の小径孔Ｈ１″とから成る。図３、図４中下方の大径孔Ｈ１′は挿入口７に直通し、図３、図４中上方の小径孔Ｈ１″は端子ピン収容孔Ｈ２に直通する。なお、本文中でいうセンサカバー１の断面とは、図示のように挿入口７を下方に向けたときの水平断面である。

上記端子ピン収容孔Ｈ２は細長い開口形状を有する孔である。この端子ピン収容孔Ｈ２の細長い開口形状が、挿入口７側からみてベース収容孔Ｈ１（大径孔Ｈ１′および小径孔Ｈ１″）の円形の開口形状内に納まるように設けている。換言すると、端子ピン収容孔Ｈ２の開口面積は、ベース収容孔Ｈ１（大径孔Ｈ１′および小径孔Ｈ１″）の開口面積よりも小さくなるように設けている。

端子ピン収容孔Ｈ２の細長い開口形状の幅は、端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃで支持した感ガス体６が端子ピン収容孔Ｈ２の側壁面と接触することなく通過するために必要十分な幅に設ける。本例の場合、感ガス体６のサイズを長径０．５［ｍｍ］程度、短径０．３［ｍｍ］程度とし、端子ピン収容孔Ｈ２の開口形状の短辺側の幅を１［ｍｍ］に設けている。

端子ピン収容孔Ｈ２の側壁面には、一対のガイド溝１０を凹設している。このガイド溝１０は、断面矩形状である端子ピン収容孔Ｈ２の短辺側（つまり幅狭の側）の両部に、一箇所ずつ凹設したものである。両部のガイド溝１０には、三本の端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃのうち側方の端子ピン３ｂ，３ｃの側縁部が、それぞれスライド自在に嵌入される。

上記ガス導入孔Ｈは、断面円形状の孔である。このガス導入孔Ｈの円形状の開口面積は、上記端子ピン収容孔Ｈ２の細長形状の開口面積よりも十分に大きくなるように設けている。ガス透過膜９からガス導入孔Ｈの底壁面１１までの深さＤは、２［ｍｍ］以下（より好ましくは１．１［ｍｍ］以下）に収まるように設けている。つまり上記ガス導入孔Ｈは、開口面積が大きく、且つ、深さＤの浅い孔として形成されている。

このガス導入孔Ｈの通気窓８と対向する底壁面１１の中央部には、センサ本体２の感ガス体６を配置しておくための配置溝１２を凹設している。上記配置溝１２は、開口形状が直径２［ｍｍ］以下の円形状となり且つ深さが１［ｍｍ］以下（より好ましくは０．５［ｍｍ］以下）に収まるように形成している。また、配置溝１２は、底壁面１１において端子ピン収容孔Ｈ２と連通する部分に位置しており、該配置溝１２の側周壁によって、端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃの先端部に支持される感ガス体６の周囲を、僅かに隙間をあけて囲むようになっている。

更に、上記ガス導入孔Ｈ内には、ガス透過膜９を内側から支持するための支柱１３を複数設けている。各支柱１３は、ガス導入孔Ｈの底壁面１１から立設したものであって、図示例では配置溝１２を囲む位置に一対形成してある。

ここで、ガス透過膜９と感ガス体６との間の距離Ｌは、２［ｍｍ］以下（より好ましくは１．１［ｍｍ］以下）に収まるように設ける。但し、感ガス体６の発熱の影響がガス透過膜９に及ぶことを防止するために、距離Ｌは所定値以上に設けておく。具体的には、距離ＬをＫ×Ｑ^１／２［ｍｍ］以上となるように設ける。ここでのＫは係数（＝１．４４）であり、Ｑは感ガス体６の発熱量［Ｗ］である。発熱量Ｑ［Ｗ］は、感ガス体６の消費電力Ｐ［Ｗ］に、ガスの接触燃焼で生じる熱量Ｑ_１［Ｗ］を加えたものとなる。但し、感ガス体６が半導体式である場合や、接触燃焼式であるが接触燃焼で生じる熱量が無視できる量である場合等には、Ｑ＝Ｐとすればよい。

ここで、距離Ｌの下限をＱ^１／２と比例するように設けているのは、感ガス体６から距離Ｌだけ離れた位置にて単位面積当たりで受ける輻射熱が、距離Ｌの二乗に反比例するという関係に基づいている。また、Ｋ＝１．４４の係数値は、Ｑ＝Ｐ＝０．１２［Ｗ］のときにＰＴＦＥから成るガス透過膜９に感ガス体６を接近させて使用する場合、距離Ｌ＝０．５［ｍｍ］が限界になるといった経験的事実から導いたものである。つまり、Ｋ＝１．４４とすることで、Ｑ＝Ｐ＝０．１２［Ｗ］である場合にはＬ≧１．４４×（０．１２）^１／２≒０．５［ｍｍ］となるのである。

上記したように、ガス透過膜９と感ガス体６との間の距離Ｌは、２［ｍｍ］≧Ｌ≧１．４４×Ｑ^１／２［ｍｍ］の範囲内に収めることが好適である。そして、ガス透過膜９からのガス導入孔Ｈの深さＤは、ガス透過膜９と感ガス体６の距離Ｌ以上に設けることが好適である。これは、ガス透過膜９と感ガス体６との距離Ｌが、ガス透過膜９からのガス導入孔Ｈの深さＤよりも大きくなった場合には、感ガス体６の応答速度や感度が大幅に低下するからである。

下記表１には、検知対象ガスとして０．１［ｐｐｍ］のメチルメルカプタンを導入した場合の、本例の防水型ガスセンサでの応答速度と感度を示している。

表１に示すように、深さＤと距離Ｌを共に２［ｍｍ］以下に設定した各場合においては、立ち上がり応答速度Ｔ５０≦３．５［ｓ］、戻り応答速度≦５．５［ｓ］、Ｔ１００の感度≧３．０が達成されている。つまり、検知対象ガスに対する応答速度を高レベルに維持することができ、短時間で流れてきてすぐに無くなるような低濃度ガスに対しても、高い感度を達成できることが分かる。

なお、センサカバー１の配置溝１２については、ガス導入孔Ｈの深さＤが２［ｍｍ］以下（Ｄ＝１、１．５、２［ｍｍ］）の場合にのみ、直径２［ｍｍ］、深さ０．５［ｍｍ］の寸法で底壁面１１に形成してある。表１においては、いずれの場合もガス導入孔Ｈの直径を８［ｍｍ］に設定してあるが、下記表２、表３から分かるように、ガス導入孔Ｈの直径（つまり通気窓８の直径）が他の値となる場合でも、やはり深さＤと距離Ｌを共に２［ｍｍ］以下に設定したときに応答速度や感度が良好になる。表２は深さＤ＝５［ｍｍ］の場合、表３は深さＤ＝２［ｍｍ］の場合である。

ガス導入孔Ｈおよび通気窓８の直径についていえば、直径が小さくなるほどガス透過膜９の実効面積を小さくできてコストが抑制される。しかし、表３等から分かるように直径を小さくしすぎると、応答速度や感度が低下する。そこで、センサとしての性能とコストを両立するには、５〜８［ｍｍ］（例えば６［ｍｍ］程度）の直径に設定することが好ましい。

表１−３中の「Ｔ１００」は、１００％応答すなわち作用に対する応答が完全安定状態に到達したときを意味し、「Ｔ５０」は、５０％応答すなわち１００％応答に対して半分のところにまで到達したときを意味している。

ところで、本例の防水型ガスセンサにおいて、センサカバー１内の感ガス体６よりも内側の部分には、端子ピン収容孔Ｈ２がガス導入孔Ｈと連通して存在するが、この端子ピン収容孔Ｈ２の隙間部分はガス導入孔Ｈと比して十分に開口面積が小さく、且つ、その反対側はベース４により封止されている。そのため、この端子ピン収容孔Ｈ２の存在は、ガス検知に関して影響を与えない。

図５には、深さＤ＝１．１［ｍｍ］、距離Ｌ＝１．１［ｍｍ］に設定した場合の防水型ガスセンサのガス応答を「実施例」として示し、深さＤ＝５．５［ｍｍ］、距離Ｌ＝２［ｍｍ］に設定した場合の防水型ガスセンサのガス応答を「比較例」として示している。ガス導入孔Ｈの直径は、いずれも８［ｍｍ］である。

図５中の「臭」は、牛舎から出てくる糞尿臭や、牛の糞尿を原料とした熟成過程の糞尿の堆肥の臭いであり、臭い成分として主にアンモニアなどのアミン系ガス、硫化水素などの硫化物系ガス、酪酸などのカルボン酸系ガス、等が感知されるものと考えられる。図から明らかなように、やはり深さＤ、距離Ｌを共に２［ｍｍ］以下に設定することでガス応答が向上することが分かる。

図６には、第１例の防水型ガスセンサをガス検知装置本体５０に組み込んだ場合を示している。防水型ガスセンサのセンサカバー１には、通気窓８を開口させてある側の端部外周から側方にフランジ部１４を延設している。ガス検知装置本体５０に筒状に設けた装着部５１内に第１例の防水型ガスセンサを挿入し、図示のように、フランジ部１４の裏面と装着部５１の内周面との間にＯリング１５を挟み込み、気密したうえで防水型ガスセンサをガス検知装置本体５０に装着する。図６（ａ）は、装着部５１の筒状部分をガス検知装置本体５０の側壁から外方に突出させた場合であり、図６（ｂ）は、装着部５１の筒状部分をガス検知装置本体５０の側壁から内方に突出させた場合である。センサカバー１から図中下方に突出した端子ピン３ａ，３ｂ，３ｃは、端子平面と平面が一致するようにガス検知装置本体５０内に配置したプリント基板（図示せず）上のセンサ端子半田付用ランドに半田付けされ、電気的に接続される。

次に、本発明の実施形態における第２例の防水型ガスセンサについて、図７、図８に基づいて説明する。なお、第２例の防水型ガスセンサの構成のうち、第１例と同様の構成については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

第２例の防水型ガスセンサの感ガス体６は、第１例のように感ガス材料を微小な楕円球状に成形したものでなく、印刷技術によってアルミナ基板３０上に成形したものである。アルミナ基板３０は水平方向に張設した四本のリード線３１によって支持されており、各リード線３１のアルミナ基板３０と接続する側と逆側の先端は、それぞれ柱状の電極端子３２に接合させてある。四本の電極端子３２は、中央に凹部３４を設けて皿状に形成してあるセンサケース３３の底部に貫通固定させ、リード線３１と接続する側と逆側の端部を、外方（図８中下方）に突出させてある。

本例では、上記センサケース３３の凹部３４の開口部分が通気窓８となり、この通気窓８全体を覆うように外側から撥水性のガス透過膜９を固着させている。上記凹部３４のガス透過膜９より内側の部分が、第２例のガス導入孔Ｈとなり、このガス導入孔Ｈ内に感ガス体６が支持されている。

第２例のガス導入孔Ｈにおいても、ガス透過膜９からガス導入孔Ｈの底壁面１１までの深さＤを２［ｍｍ］以下に設け、且つ、感ガス体６とガス透過膜９との間の距離Ｌを２［ｍｍ］以下に設けることで、第１例と同様に検知対象ガスに対する応答速度を高レベルに維持することができる。また、短時間で流れてきてすぐに無くなるような低濃度ガスに対しても、高い感度を達成することができる。

そして、距離Ｌを１．４４×Ｑ^１／２［ｍｍ］以上とする設定が好適であることや、深さＤを距離Ｌ以上とする設定が好適であることは、第１例と同様である。また、図示例では配置溝１２を設けていないが、第１例と同様の配置溝１２を底壁面１１中央に設けて感ガス体６を位置させることも好適である。

本発明の実施形態における第１例の防水型ガスセンサの一部破断側面図である。 同上の防水型ガスセンサを形成するセンサカバーの平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 同上の防水型ガスセンサと、従来の防水型ガスセンサとのガス応答の違いを示すグラフ図である。 （ａ）（ｂ）は同上の防水型ガスセンサをガス検知装置本体に組み込んだ状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における第２例の防水型ガスセンサの平面図である。 本発明の実施形態における第２例の防水型ガスセンサの側断面図である。 従来の防水型ガスセンサの一部破断側面図である。

符号の説明

６ 感ガス体
９ ガス透過膜
１１ 底壁面
１２ 配置溝
Ｄ 深さ
Ｈ ガス導入孔
Ｌ 距離
Ｑ 発熱量

Claims (4)

1. 撥水性のガス透過膜を通じてガス導入孔内に導入した検知対象ガスを、該ガス導入孔内に配置した感ガス体によって検知する防水型ガスセンサにおいて、ガス透過膜と感ガス体の距離を２［ｍｍ］以下に設け、且つ、ガス透過膜からのガス導入孔の深さを２［ｍｍ］以下に設けることを特徴とする防水型ガスセンサ。
2. 感ガス体の発熱量Ｑ［Ｗ］としたとき、ガス透過膜と感ガス体の距離を、１．４４×Ｑ^１／２［ｍｍ］以上に設けることを特徴とする請求項１に記載の防水型ガスセンサ。
3. ガス透過膜からのガス導入孔の深さを、ガス透過膜と感ガス体の距離以上に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の防水型ガスセンサ。
4. ガス導入孔のガス透過膜と対向する底壁面に、感ガス体を配置するための配置溝を凹設することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の防水型ガスセンサ。
   
   

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