JP4104100B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の利用分野】
この発明はガスセンサに関し、特にその通気性の制御に関する。
【０００２】
【従来技術】
特開平６−３００７２６号は、ガスセンサのキャップに小さな通気孔を設け、その孔径を小さくすると、キャップでガスセンサ内への拡散を制限できることを示している。そしてこの公報では、拡散の制限により、耐久性の向上、ガス選択性の向上が得られることを示している。また通気孔の外側に金網を配置することにより、通気孔の目詰まりを防止できるとしている。しかしこの従来技術は、活性炭等のフィルター付きのガスセンサについては検討していない。
【０００３】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、フィルターの破荷を遅らせることと、湿度変動の影響を緩和することにある。
この発明の追加の課題は、外側通気孔の目詰まりを防止し、かつ目詰まり防止用の不織布の損傷を防止することにある。
請求項２の発明の追加の課題は、フィルターを容易にキャップに取り付けられるようにすることにある。
【０００４】
【発明の構成】
この発明のガスセンサは、ベースにガスセンサ本体とキャップとを取り付けて、キャップによりガスセンサ本体を覆うとともに、キャップに設けた通気孔からガスセンサ本体へガスを導入するようにし、キャップにフィルターを収容して、フィルターの外側の位置でキャップに外側通気孔を設け、外側通気孔の通気性をフィルターからガスセンサ本体への通気性よりも小さくして、外側通気孔でフィルターへ導入するガスの量を制限する。
外側通気孔の付近で、キャップをフィルター側へ窪ませて凹部とするとともに、外側通気孔を該凹部の底部に配置し、かつフィルターから見た凹部の外側を通気性のある不織布で覆う。
好ましくは、フィルターを活性炭フィルターとし、その内側に通気性部材とリングとを設けて、該リングにより通気性部材をキャップに位置決めして活性炭フィルターを保持するとともに、該リングの中央部の開口を上記外側通気孔よりも大きくする。
【０００６】
【発明の作用と効果】
この発明では、ガスセンサのキャップにフィルターを収容し、フィルターの反対側の位置でキャップに外側通気孔を設け、外側通気孔の通気性をフィルターからガスセンサ本体への通気性よりも小さくする。この結果、外部の空気は外側通気孔からフィルターを介してガスセンサ本体へと導かれ、通気性の制限はフィルターの外側の外側通気孔で行われる。フィルターへの外気の導入量を制限しているので、被毒性のガスや雑ガスが侵入した場合、フィルターの破荷が遅れ、ガスセンサの耐久性を向上させ、雑ガスへの感度を減少させることができる。フィルターは一般に多量の水蒸気を吸着し、湿度変動に対するバッファとなる。そしてフィルターへの外気の導入を制限するので、周囲の湿度が変動した際の、ガスセンサ本体の付近での湿度変動を遅らせ、ガスセンサの湿度依存性を改善する事ができる。
【０００７】
外側通気孔の目詰まりを防止するため、外側通気孔の外側を不織布で覆い、かつ不織布を設けた部分でキャップをフィルター側へ窪ませて凹部とする。不織布は凹部の中に収容されるので、ガスセンサ製造時やその後の組み付け時などに、不織布に他の部材が触れて剥がれたり損傷したりすることが少ない。また仮に他の部材が触れた場合でも、たとえば他のガスセンサの足が触れた場合でも、不織布では布がほつれて破れるなどのことが少ない。さらに不織布では一般に繊維の層が多層に重なっており、金網や織布などの場合と異なり目詰まりする可能性が少ない。
【０００８】
ここでフィルターの取り付けが問題となるが、例えばフィルターを活性炭フィルターとする場合、フィルターの内側に金網や織布、不織布、プラスチックシートなどの通気性部材とリングとを設けて、該リングにより通気性部材をキャップ側に押し付けて位置決めし、リング中央部の開口を外側の通気孔よりも大きくするのが好ましい。このようにすると、活性炭フィルターを外側通気孔と内側の通気性部材との間に保持でき、かつ通気性部材はリングでキャップに保持できる。
【０００９】
【実施例】
図１〜図１５に実施例とその変形とを示す。図１，図２に、実施例のガスセンサ２の構造を示すと、４は金属や樹脂などのキャップで、ここでは金属製キャップとし、６はキャップ４の頂部に設けた凹部で、８は凹部６の底面中央に設けた外側通気孔であり、その直径はたとえば０．２〜１ｍｍとする。１０は、凹部６内に収容し、外側通気孔８を覆うように配置した不織布である。なおキャップ４のサイズは、外形が約８ｍｍ、凹部６の直径が約４ｍｍ、高さが１０ｍｍ程度である。
【００１０】
不織布１０は例えば厚さ０.３５ｍｍ（凹部６の深さは０.５ｍｍ）とし、接着剤１２などにより凹部６に取り付ける。不織布１０に代えて、金網や織布あるいはフッ素樹脂シートなどのプラスチックフィルムなどを用いても良いが、不織布１０は厚くても通気性があり、外側通気孔８が目詰まりする可能性を小さくできる。また不織布１０は、金網や織布あるいはフッ素樹脂シートなどと異なり、ガスセンサ２のハンドリング時に、他のガスセンサの足などに触れても、ほつれたり破れたりする可能性が少ない。さらに不織布１０を凹部６内に配置したので、不織布１０がハンドリング時などに損傷する恐れが少ない。
【００１１】
図２に、凹部６に対する不織布１０の取り付けを示す。図２の白抜き矢印で示したように、外側通気孔８からは通気孔８の真上の部分のみでなく、その周囲の広い範囲との間で通気性があり、汚れが付着しても、通気孔８が目詰まりする恐れが少ない。すでに述べたように、不織布１０にはかなりの厚さがあり、外部からの侵入した汚れは不織布１０の表面付近でブロックされ、外側通気孔８まで侵入する恐れは少ない。
【００１２】
図１に戻り、１４は活性炭フィルターで、ここでは粒状活性炭０．１５ｇをセンサ２の１個当たりに用い、好ましい使用量は０．１〜０.３ｇである。また、粒状活性炭１４に限らず、シート状の活性炭やディスク状などに成型した活性炭、あるいはシリカゲルやアルミナゲルなどの他のフィルターを用いても良い。１６は、キャップ４の内側で活性炭フィルター１４の底面を支えるように圧入した金属製のリングであり、１８は金網である。
【００１３】
図１の右側に拡大して示すように、金網１８のサイズはキャップ４の内径よりやや広いものを用い、その端部をリング１６とキャップ４の内壁との間に挟み込み、内側からリング１６を圧入する。このようにするとリング１６は、活性炭フィルター１４で定まる位置まで前進し、ここで金網１８の端部がキャップ４とリング１６の間に挟み込まれて固定される。この結果、活性炭フィルター１４がこぼれ出すのを防止できる。なおリング１６はキャップ４に接着してもよく、金網１８はリング１６に溶接しても良い。また金網１８に代えて、フッ素樹脂シートや織布、不織布などを用いても良い。２０は、リング１６の中央の開口で、ここでは内側通気孔２０と呼ぶ。内側通気孔２０の径は外側通気孔８の径よりも十分大きくし、たとえば１ｍｍ以上とする。
【００１４】
２２はガスセンサ本体で、ここではアルミナ基板上に、ヒータ膜とＳｎＯ2膜とを積層して、ヒータ膜をパルス的に加熱し、これに伴ってＳｎＯ2膜をパルス的に加熱するようにしたガスセンサ本体とした。しかしながらガスセンサ本体２２の種類自体は任意であり、固体電解質を用いたもの、あるいはガスによる接触燃焼式触媒の温度変化を用いたものなどでも良い。２４はベースで、２６はそのステムであり、ガスセンサ本体２２の各電極をステム２６に接続する。
【００１５】
図３にガスセンサ本体２２の組み付けに関する変形例を示すと、ベース２４の内側にはガラス部２８があり、ガラス部２８により各ステム２６が絶縁されている。この変形例では、ガスセンサ本体２２とベース２４との間に断熱部３０を設け、ガスセンサ本体２２からベース２４への熱伝導を抑制して、消費電力を減少させる。断熱部３０は、発泡ガラスやポリイミド膜などを用いるのが好ましい。
【００１６】
図４に、実施例で検討した要素を示す。外側通気孔８の径（直径）をＤ１とし、内側通気孔２０の径をＤ２とする。通気性を制限することにより、フィルター１４から最大限の性能を得るには、２つの考え方がある。第１の考え方では、外側通気孔８の径Ｄ１を絞り、フィルターへの通気性を制限する。第２の考え方では、内側通気孔２０の径Ｄ２を絞り、フィルター１４とセンサ本体２２との間の通気性を制限する。この考え方では、たとえばフィルター１４が汚染した場合でも、破荷によって放出されるガスは内側通気孔２０よりも外側通気孔８に向かい、ガスセンサ本体２２への被毒ガスや雑ガスの侵入を遅らす可能性がある。そこで発明者は、径Ｄ１，Ｄ２を制御し、雑ガスに暴露した際の特性の変化や、湿度変動の影響などを検討した。
【００１７】
ここで径Ｄ１，Ｄ２のいずれを絞っても、雰囲気の変化に対する応答は遅くなり、径Ｄ１，Ｄ２の小さい方が１ｍｍ以下となると通気性制限の影響が現れた。またこの径を機械加工で形成しうる下限は約０.３ｍｍで、それ以下ではエッチング加工が必要となる。実施例では径Ｄ１，Ｄ２の小さい側を常に０.３ｍｍとした。外側通気孔８の直径を０.３ｍｍ、内側通気孔２０の径を４ｍｍとしたものを実施例とし、外側通気孔８の径を４ｍｍ、内側通気孔２０の径を０.３ｍｍとしたものを従来例１とし、径Ｄ１，Ｄ２をいずれも共に４ｍｍとしたものを従来例２とした。
【００１８】
なおガスセンサ本体２２はＣＯ検出用のガスセンサで、ここでは毎秒１回１４ミリ秒の間、図示しないヒータ膜を発熱させて、その上部のＳｎＯ2膜を最高温度３７０℃まで昇温させ、次のパルスヒートの直前の抵抗値からＣＯを検出するようにしたものを用いた。このガスセンサ本体２２はＣＯ検出用であるが、たとえばＣＯとＬＰＧやＣＯとメタンなどのセンサでも良い。
【００１９】
図５，図６に通気性の制限による応答パターンの変化を示し、図５は径Ｄ１を０.３ｍｍとし、径Ｄ２を４ｍｍとした実施例のものである。図６は、径Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ４ｍｍとした従来例２のものである。通気孔の直径を０.３ｍｍとすると、応答性能が低下する。
【００２０】
図７〜９は溶剤暴露の影響を示し、試験条件として、３０００ｐｐｍのデカノールを用い、この雰囲気中にガスセンサ２を４日間保持し、雰囲気温度を−１０℃〜５０℃の間で周期的に変化させて、フィルター１４の汚染を進めるようにした。図７〜９は、溶剤暴露の前と、３日後のＣＯ３０〜１０００ｐｐｍに対する抵抗値の変化を示し、図７が実施例の結果を、図８が従来例１の結果を、図９が従来例２の結果を示す。通気性の制限により、溶剤暴露の影響が減少し、活性炭フィルター１４の外側で通気性を制限した図７の方が、内側で通気性を制限した図８よりも、溶剤暴露の影響が小さい。図７と図８の比較から明らかなように、活性炭フィルター１４の外側で通気性を絞り、活性炭フィルター１４の汚染を防止する方が、活性炭フィルター１４の内側で通気性を絞り、活性炭フィルター１４の汚染は許容しながら、汚染後にフィルター１４から蒸発するガスがガスセンサ本体２２へ達しないようにする事よりも優れている。
【００２１】
図１０〜図１２は、２０℃相対湿度６５％中での、空気中、エタノール中、水素中およびＣＯ中での抵抗値の変化を示すものである。また破線に、２０℃相対湿度１５％でのＣＯ中の抵抗値を示す。図１０は実施例の結果を、図１１は従来例１の結果を、図１２は従来例２の結果を示す。通気性の制限により、常温常湿中と常温低湿中とでの抵抗値の差が小さくなり、特にフィルター１４の外側で通気性を制限すると、常温常湿中から常温低湿中への抵抗値の変化を特に小さくできた。
【００２２】
金属酸化物半導体を用いたＣＯセンサは、一般に低湿中において高濃度のＣＯへの感度が小さくなるという問題がある。このことは図１２の３００〜１０００ｐｐｍ領域に現れている。そして活性炭フィルター１４の外側で通気性を制限すると、低湿中で高濃度のＣＯに対し、センサ抵抗のＣＯ濃度依存性が減少することを防止できることがわかった。
【００２３】
図１３〜図１５に、常温低湿中１週間の通電の前後での、ＣＯ中での抵抗値の挙動を示す。図１３は実施例の結果を、図１４は従来例１の結果を、図１５は従来例２の結果を示し、図１３の○や□や△は、常温常湿中で通電を続けた際の比較用のセンサの結果である。通気性の制限により湿度依存性が減少し、図１３と図１４とを比較すると、活性炭フィルター１４の内側で通気性を制限するよりも、外側で通気性を制限した方が、湿度依存性を小さくできることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例のガスセンサの断面図
【図２】 図１の要部拡大断面図
【図３】 ガスセンサ本体のベースへの取り付けの変形例を示す断面図
【図４】 ガスセンサでの外側通気孔径Ｄ１と内側通気孔径Ｄ２の意味を示す断面図
【図５】 実施例での応答パターンを示す特性図
【図６】 通気孔の径を十分大きくした従来例（従来例２）での応答パターンを示す特性図
【図７】 実施例のガスセンサへの溶剤暴露の影響を示す特性図
【図８】 内側通気孔で通気性を制限した従来例（従来例１）のガスセンサへの溶剤暴露の影響を示す特性図
【図９】 従来例２のガスセンサへの溶剤暴露の影響を示す特性図
【図１０】 実施例での常温常湿中と常温低湿中とでのＣＯガスへの濃度依存性を示す特性図
【図１１】 従来例１での常温常湿中と常温低湿中とでのＣＯガスへの濃度依存性を示す特性図
【図１２】 従来例２での常温常湿中と常温低湿中とでのＣＯガスへの濃度依存性を示す特性図
【図１３】 実施例での常温低湿中通電の前後での抵抗値の変化を示す特性図
【図１４】 従来例１での常温低湿中通電の前後での抵抗値の変化を示す特性図
【図１５】 従来例２での常温低湿中通電の前後での抵抗値の変化を示す特性図
【符号の説明】
２ ガスセンサ
４ キャップ
６ 凹部
８ 外側通気孔
１０ 不織布
１２ 接着剤
１４ 活性炭フィルター
１６ リング
１８ 金網
２０ 内側通気孔
２２ ガスセンサ本体
２４ ベース
２６ ステム
２８ ガラス部
３０ 断熱部

Claims (2)

1. ベースにガスセンサ本体とキャップとを取り付けて、前記キャップによりガスセンサ本体を覆うとともに、キャップに設けた通気孔からガスセンサ本体へガスを導入するようにしたガスセンサにおいて、
   前記キャップにフィルターを収容して、フィルターの外側の位置でキャップに外側通気孔を設け、外側通気孔の通気性をフィルターからガスセンサ本体への通気性よりも小さくして、外側通気孔でフィルターへ導入するガスの量を制限すると共に、
   外側通気孔の付近で、前記キャップをフィルター側へ窪ませて凹部として、前記外側通気孔を該凹部の底部に配置し、かつフィルターから見た凹部の外側を通気性のある不織布で覆ったことを特徴とする、ガスセンサ。
2. 前記フィルターを活性炭フィルターとし、その内側に通気性部材とリングとを設けて、該リングにより通気性部材をキャップに位置決めして活性炭フィルターを保持するとともに、該リングの中央部の開口を前記外側通気孔よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１のガスセンサ。

Images