JP4304024B2 - 定電位電解型ガスセンサー - Google Patents

Description

本発明は、定電位電解型ガスセンサーに関する。

現在、例えば半導体製造工場などにおいて毒性ガスの検出を行うに際しては、目的とする検知対象ガスの選択性に優れ、高感度で、かつ、高い精度でガス濃度を検出することができるなどの理由から、電解反応を利用した定電位電解型ガスセンサーが広く利用されている。

このような定電位電解型ガスセンサーは多数提案されており、例えば特許文献１の特開平５−２２３７７７号公報には、両端に開口を有し、これらの開口がガス透過性を有する隔膜により封止されることにより電解液が収容される電解液室が形成されるケーシングを備え、各々の隔膜が撥水性多孔質膜の接液側の面における中央部付近に電極が形成されてなるものにより構成されているものが記載されている。
そして、この定電位電解型ガスセンサーにおいては、通常、例えば金属線材よりなるリード部材が一端部が電極に接続されると共に他端部が互いに異なる位置においてケーシングの外部に導出されてリード構造が形成されている。
特開平５−２２３７７７号公報

しかしながら、上記構成の定電位電解型ガスセンサーにおいては、各電極に係るリード部材をケーシングの外部に導出するための開口部を形成することが必要とされるので、この開口部より電解液が外部に漏洩するおそれが大きくなり、信頼性の高い液密構造を形成することが困難であり、結局、目的とするガス検知を確実に行うことができないおそれがある、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、ガス検知に必要とされる電極に係るリード部分から電解液が漏洩することが確実に防止され、従って、信頼性の高い液密構造を有する小型の定電位電解型ガスセンサーを提供することにある。
本発明の他の目的は、所期の電解室内圧力調整機能を確実に発揮することができ、信頼性の高いガス検知を行うことができる新規な構造を有する小型の定電位電解型ガスセンサーを提供することにある。

本発明の定電位電解型ガスセンサーは、少なくとも一端が開口するケーシング本体の開口部に、ガス透過口が形成されたケーシング部材がシール部材を介して嵌合されて設けられて構成されたケーシングを備え、このケーシング内において、少なくとも作用電極および対極の２つのガス検知電極が電解液保持部材を介して積重された状態で電極保持部材によって保持されて構成されてなる電極構造体が、作用電極が当該シール部材を介して電極保持部材およびケーシング部材によって挟持されて保持固定されると共に当該作用電極によりガス透過口が封止されて電解液室が形成されるよう、ケーシング本体の開口部に嵌合されて設けられてなり、
作用電極および対極は、いずれも、ガス透過性疎水膜の一面上に電極部が形成されてなるものであり、当該電極部に接続用リード部材の一端部が接触または接続されており、
接続用リード部材の他端部の各々は、ケーシング本体とケーシング部材との間から、周方向に離間して並んだ位置においてケーシングの外周面における入出力端子部形成用凹所に導出されていることを特徴とする。

本発明の定電位電解型ガスセンサーにおいては、接続用リード部材をリボン状金属箔もしくは導電性ワイヤーにより構成することができる。

本発明の定電位電解型ガスセンサーにおいては、作用電極と対極との間に介在される電解液保持部材は、対極の外周縁より突出する部分を有し、
ケーシングにおけるガス透過口が上方以外の方向を向いた状態で用いられることが好ましい。

また、本発明の定電位電解型ガスセンサーにおいては、ケーシングは、筒状のケーシング本体の一端側開口部にガス透過口が形成された下面側ケーシング部材が設けられると共に他端側開口部に上面側ケーシング部材が設けられて構成されており、
上面側ケーシング部材には、電解液室の内部空間に露出する内面に凹所が形成されていると共に当該凹所を介して電解液室を外部大気と連通させる連通孔が上面側ケーシング部材の外面に開口するよう形成されており、ガス透過性疎水圧力調整膜が凹所を塞ぐよう上面側ケーシング部材の内面上に配置された構成であることが好ましい。

本発明の定電位電解型ガスセンサーによれば、少なくとも作用電極および対極などの必要とされるガス検知電極の複数が電解液保持部材を介して積重されて一の電極構造体として構成されていることにより、必要とされる複数のガス検知電極がまとめられているので、ガスセンサー全体に占めるガス検知電極の占有空間の大きさを小さくすることができ、従って、ガスセンサーそれ自体を大幅に小型化されたものとして構成することができる。 しかも、作用電極および対極の各電極に係る接続用リード部材の各々が、周方向に離間して並んだ位置においてケーシングの外部に導出されていることにより、電解液室を高い液密性が確保された状態で構成することができるので、電解液が漏洩することを確実に防止することができる。
また、各々の接続用リード部材がリボン状金属箔もしくは導電性ワイヤーよりなることにより、接続用リード部材を、単に、電極と電解液保持部材とにより挟み込まれるよう配設すればよいので、各電極間が十分に液密な状態とされた液密リード構造を極めて容易に得ることができる。

また、ガス透過口が上方以外の方向を向いた状態で使用されて、電解液が電解液保持部材の周縁部分から浸透されて電解液保持部材の全体に電解液を含浸させる構成とされていることにより、電解液が減少して少量となった場合であっても、電解液を各々の電解液保持部材に確実に供給することができるので、各電極間において十分な液密状態を確実に得ることができ、信頼性の高いガス検知を確実に行うことができる。

また、ケーシングを構成する上面側ケーシング部材の内面に凹所が形成されると共に当該凹所を介して電解液室内の内部空間を外部大気と連通させる連通孔が形成されており、当該凹所が塞がれるよう上面側ケーシング部材の内面上にガス透過性疎水圧力調整膜が配置されて設けられていることにより、凹所内に保持部を形成してガス透過性疎水圧力調整膜を保持する構成であれば、電解液が保持部に付着して圧力調整機能を低下させることがある、という問題が生ずることがなく、従って、所期の圧力調整機能が確実に発揮され、信頼性の高いガス検知を確実に行うことができる。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の定電位電解型ガスセンサーの一例における構成の概略を示す説明用断面図、図２は、図１に示す定電位電解型ガスセンサーの側面図、図３は、図１に示す定電位電解型ガスセンサーの分解断面図、図４は、図１に示す定電位電解型ガスセンサーにおける電極構造体の拡大断面図である。ここに、本明細書においては、図１における上下方向を「軸方向」、左右方向を「径方向」というものとする。

この定電位電解型ガスセンサーは、円筒状のケーシング本体１０Ａ、下面側ケーシング部材１０Ｂおよび上面側ケーシング部材１０Ｃにより構成されたケーシング１０を備え、必要とされる複数のガス検知電極、この実施例においては、作用電極２１、参照電極２２および対極２３が一のユニットとして構成された電極構造体２０が作用電極２１が外面に露出されるようケーシング本体１０Ａの一端側開口部に嵌合されて設けられ、更に、軸方向に伸びるガス透過口１１が形成された下面側ケーシング部材１０Ｂがその他端側開口部にケーシング本体１０Ａが嵌合された状態で設けられると共に、上面側ケーシング部材１０Ｃがケーシング本体１０Ａの他端側開口部に嵌合されて設けられて、構成されている。 そして、電極構造体２０における作用電極２１により下面側ケーシング部材１０Ｂにおけるガス透過口１１が封止された状態とされており、これにより、電解液が収容される電解液室Ｓが液密に形成されている。

ケーシング１０には、その外周面におけるケーシング本体１０Ａと下面側ケーシング部材１０Ｂとの接合部分に、ガス検知電極と外部リード部材とが接続される入出力端子部形成用凹所１２が形成されていると共に、この入出力端子部形成用凹所１２より軸方向外方（図１において上方）に向かって伸びるよう、互いに周方向に離間して並んだ位置において外部リード部材配設用案内溝１３の複数が形成されている。図１および図２において、１４は、電解液を電解液室Ｓ内に注入するための電解液注入用貫通孔であり、電解液が電解液室Ｓ内に収容された後、例えば、当該電解液注入用貫通孔の凸部を熱で溶かすことにより、あるいは、例えば樹脂よりなる蓋材が装着されることにより、液密に封止される。

上面側ケーシング部材１０Ｃは、電解液室Ｓ内の過大圧力を調整する機能、すなわち、電解液室Ｓの内部空間を外部大気の圧力と平衡した状態に維持するための電解液室内過大圧力調整機能を有する。
具体的には、電解液室Ｓの内部空間に露出する内面に、断面円形状の第１空間部１５Ａと、この第１空間部１５Ａに連続する、軸方向外方（図１において上方）に向かうに従って開口径の大きさが小さくなる第２空間部１５Ｂとを有する凹所１５が形成されていると共に当該凹所１５における第２空間部１５Ｂを形成するテーパー状の内壁面より上面側ケーシング部材１０Ｃの外周面に開口するよう径方向外方に伸びる連通孔１６が形成されており、上面側ケーシング部材１０Ｃの内面上に例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）よりなるガス透過性疎水圧力調整膜１８が配置されて一体的に溶着され、これにより、液密な状態が確保された状態において電解液室Ｓの内部空間が外部大気に解放されている。

作用電極２１、参照電極２２および対極２３の各々は、いずれも、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂よりなるガス透過性疎水膜の一面に、その周縁部分に電極非形成部が形成されるよう電極部が形成された円形状のものよりなる。ここに、電極部は、例えば、白金、金、ルテニウム、銀などの貴金属よりなる電極触媒を、例えば蒸着またはスパッタリングすることにより、あるいは、電極触媒を塗布、焼成することにより、形成することができる。

上述したように、本発明の定電位電解型ガスセンサーにおいては、作用電極２１、参照電極２２および対極２３の三者は、作用電極２１および参照電極２２、並びに対極２３および参照電極２２の間にそれぞれ例えば濾紙よりなるシート状の電解液保持部材２４Ｄおよび２４Ａ、並びにシート状の電解液保持部材２４Ｂが介在されて挟み込まれた状態で積重されて一の電極構造体２０として構成されている。

具体的には、図４に示されているように、電極構造体２０は、一端が開口する円筒状の電極保持部材２５内に、電解液保持部材２４Ｃが配置された状態において、この電解液保持部材２４Ｃ上に対極２３および参照電極２２が電解液保持部材２４Ｂを介して積重されて配置され、更に、参照電極２２上に電解液保持部材２４Ａが積重されて配置されると共に、作用電極２１の電極部に応じた外径寸法を有する電解液保持部材２４Ｄが最上層に位置される電解液保持部材２４Ａ上に配置された状態において、作用電極２１がその周縁部分がリング状絶縁部材２６を介して電極保持部材２５の一端面に積重されて配置されてなり、作用電極２１が例えばパッキング２７よりなるシール部材が介在する状態で電極保持部材２５と下側ケーシング部材１０Ｂとにより挟持されて固定保持される。

各ガス検知電極間のそれぞれに介在される電解液保持部材２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃの各々は、いずれも、電極保持部材２５の内径寸法と同等の大きさの外径寸法を有するものであり、参照電極２２および対極２３は、いずれも、その外径寸法が電解液保持部材２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃの外径寸法より小さいものとされている。

電極構造体２０における作用電極２１、参照電極２２および対極２３の各電極には、接続用リード部材３１、３２、３３がその一端部が電極部と電解液保持部材とにより挟み込まれた状態で接続されている。
そして、作用電極２１に係る接続用リード部材３１の他端側部分は、当該作用電極２１に沿って径方向外方（図４において左方）に伸び、そして、ケーシング本体１０Ａの内壁面に沿って折り曲げられた状態で軸方向外方（図１において下方）に伸び、入出力端子部形成用凹所１２に導出されてケーシング１０本体の外周面に沿って折り曲げられた状態とされている。
また、参照電極２２に係る接続用リード部材３２および対極２３に係る接続用リード部材３３の他端側部分の各々は、互いに周方向に離間した位置において電極保持部材２５の内壁面に沿って折り曲げられた状態で軸方向外方（図１において下方）に伸びると共に電極保持部材２５の一端面に沿って折り曲げられた状態で径方向外方（図１において左方）に伸び、更に、ケーシング本体１０Ａの内壁面に沿って折り曲げられた状態で作用電極２１に係る接続用リード部材３１と互いに平行に軸方向外方（図１において下方）に伸び、互いに周方向に離間して並んだ位置において入出力端子部形成用凹所１２に導出されてケーシング本体１０Ａの外周面に沿って折り曲げられた状態とされている。

各々の接続用リード部材３１、３２、３３は、例えば白金、金などよりなるリボン状金属箔、もしくは導電性ワイヤーにより構成されている。
接続用リード部材３１、３２、３３がリボン状金属箔により構成される場合には、例えば、厚みが０．０５〜０．３ｍｍ、幅が０．５〜１．５ｍｍのものが用いられ、導電性ワイヤーにより構成されている場合には、例えば、線径が０．０５〜０．５ｍｍのものが用いられる。

電極保持部材２５には、電解液が流入される流体流通路である通孔２５Ａが軸方向に伸びるよう形成されている。

外部リード部材３５、３５、３５の各々は、入出力端子部形成用凹所１２に位置される一端側部分３５Ａが板状に変形されたピンリードよりなり、一端側部分３５Ａにおける平坦な面が外方（図１において左方）を向いた状態で、例えばスポット溶接などにより、対応するガス検知電極に係る接続用リード部材３１、３２、３３における先端部分にそれぞれ接続されている。
そして、ケーシング１０における入出力端子部形成用凹所１２が液密シール用の絶縁性樹脂層１９により被覆され、これにより、液密シール構造が形成されている。

以上において、本発明の定電位電解型ガスセンサーにおいて用いられる電解液としては、例えば、硫酸水溶液、リン酸水溶液、あるいは、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）などの中性水溶液、イオン性液体などを例示することができる。

また、検知対象ガスの種類は特に限定されるものではなく、例えば硫化水素、一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化炭素、二酸化硫黄、ハイドライドガス、アンモニア等を例示することができる。

本発明の定電位電解型ガスセンサーは、ガス透過口１１が上方以外の方向、例えば横方向を向いた状態で使用され、これにより、電解液室Ｓに収容された電解液が電極保持部材２５における通孔２５Ａに流入して電極保持部材２５と対極２３との間に介在される電解液保持部材２４Ｃに含浸され、更に、余剰な電解液が電極非形成部の外周縁より露出する部分から浸透して各電極間に介在される電解液保持部材２４Ｂ、２４Ａ、２４Ｄの各々に順次に含浸され、これにより、作用電極２１、参照電極２２および対極２３の各電極間において液密な状態が得られる。
この状態において、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスがガス透過口１１より作用電極２１を介して導入されると共に、作用電極２１と参照電極２２の間が一定の電位差状態に保たれ、この状態で、作用電極２１および対極２３の電極間に生ずる電流値が測定されることにより被検ガス中の特定成分（検知対象ガス）の濃度が検出される。

而して、上記構成の定電位電解型ガスセンサーによれば、作用電極２１、参照電極２２および対極２３が電解液保持部材２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄを介して積重されて一の電極構造体２０として構成されていることにより、必要とされる複数のガス検知電極がまとめられているので、ガスセンサー全体に占めるガス検知電極の占有空間の大きさを小さくすることができ、従って、ガスセンサーそれ自体を大幅に小型化されたものとして構成することができる。
具体的な一寸法例を示すと、ケーシング１０における軸方向長さを３０ｍｍ、外径の大きさを２０ｍｍとすることができる。

しかも、作用電極２１、参照電極２２および対極２３に係る接続用リード部材３１、３２、３３の各々が、周方向に離間して並んだ位置においてケーシング１０の外部、すなわち入出力端子部形成用凹所１２に導出されていることにより、電解液室Ｓを高い液密性が確保された状態で構成することができるので、電解液が漏洩することを確実に防止することができる。
また、各々の接続用リード部材３１、３２、３３がリボン状金属箔、もしくは線径が小さい導電性ワイヤーよりなることにより、接続用リード部材を、単に、電極と電解液保持部材とにより挟み込まれるよう配設すればよいので、各電極間が十分に液密な状態とされた液密リード構造を極めて容易に得ることができる。

さらに、作用電極２１、参照電極２２および対極２３の各々に対応する外部リード部材３５、３５、３５の複数が互いに近接して設けられているので、電流の供給構造を形成するに際して極めて有利である。

ガス透過口１１が上方以外の方向を向いた状態で使用されて、電解液が電極保持部材２５における通孔２５Ａを介して電解液保持部材の周縁部分より浸透されて電解液保持部材の全体に電解液を含浸させる構成とされていることにより、電解液が減少して少量となった場合であっても、電解液を各々の電解液保持部材２４Ｃ、２４Ｂ、２４Ａ、２４Ｄに確実に供給することができるので、各電極間において十分な液密状態を確実に得ることができる。
従って、例えば人に携行されることによってガスセンサーそれ自体が傾いたりするなど姿勢差が生じた場合であっても、各電極間を十分に液密な状態に維持することができ、目的とするガス検知を高い信頼性をもって確実に行うことができる。

また、ケーシング１０を構成する上面側ケーシング部材１０Ｃの内面に凹所１５が形成されると共に当該凹所１５を介して電解液室Ｓ内の内部空間を外部大気と連通させる連通孔１６が形成されており、当該凹所１５が塞がれるよう上面側ケーシング部材１０Ｃの内面上にガス透過性疎水圧力調整膜１８が配置されて設けられていることにより、凹所１５内に保持部を形成してガス透過性疎水圧力調整膜１８を保持する構成であれば、電解液が保持部に付着して圧力調整機能を低下させることがある、という問題が生ずることがなく、従って、所期の圧力調整機能が確実に発揮され、信頼性の高いガス検知を確実に行うことができる。

また、上記構成の定電位電解型ガスセンサーは、ケーシング構成部材、電極構造体２０およびその他の構成部材が組み立てられて構成されている、すなわち、ケーシング本体１０Ａの一端側開口部に電極構造体２０が作用電極２１が外面に露出する状態で嵌合されて配置され、この状態において、下側ケーシング部材１０Ｂがその他端側開口部にケーシング本体１０Ａが嵌合された状態で設けられると共に、ケーシング本体１０Ａの他端側開口部に上面側ケーシング部材１０Ｃが嵌合されて設けられ、そして、ケーシング１０の外周面に外部リード部材３５、３５、３５が配設されて対応するガス検知電極の接続用リード部材３１、３２、３３にそれぞれ接続されて、構成されているので、所期の特性を有する定電位電解型ガスセンサーを極めて容易に製造することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明に係る定電位電解型ガスセンサーにおいては、参照電極が設けられることは必須の構成要件ではなく、少なくとも作用電極および対極によりガス検知電極が構成されていてもよい。

また、電解液が電解液室に充填されている必要はなく、蒸発等による電解液の減少量を考慮した上で各電極間において十分な液密状態を得るために必要とされる量だけ電解液室内に収容されていればよい。

上記実施例においては、各々の電極に係る外部リード部材の各々がケーシング本体の周面に形成された外部リード部材配設用案内溝内に配設されて、給電構造が形成された構成とされているが、例えば図５に示されているように、各々の電極に対応する３本の外部リード部材３５、３５、３５が保持部材４１によって保持されて一つのユニットとして構成されてなる外部リード部材構造体４０を形成し、この外部リード部材構造体４０全体を、ケーシング本体１０Ａに形成された凹所１０１に装着することにより、給電構造を形成するよう構成されていてもよい。

本発明の定電位電解型ガスセンサーの一例における構成の概略を示す説明用断面図である。 図１に示す定電位電解型ガスセンサーの側面図である。 図１に示す定電位電解型ガスセンサーの分解断面図である。 図１に示す定電位電解型ガスセンサーにおける電極構造体の拡大断面図である。 （ａ）本発明の定電位電解型ガスセンサーの他の例における側面図、（ｂ）（ａ）におけるＸ−Ｘ断面の一部分を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０ ケーシング
１０Ａ ケーシング本体
１０Ｂ 下面側ケーシング部材
１０Ｃ 上面側ケーシング部材
１０１ 凹所
１１ ガス透過口
１２ 入出力端子部形成用凹所
１３ 外部リード部材配設用案内溝
１４ 電解液注入用貫通孔
１５ 凹所
１５Ａ 第１空間部
１５Ｂ 第２空間部
１６ 連通孔
１８ ガス透過性疎水圧力調整膜
１９ 絶縁性樹脂層
２０ 電極構造体
２１ 作用電極
２２ 参照電極
２３ 対極
Ｓ 電解液室
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 電解液保持部材
２５ 電極保持部材
２５Ａ 通孔
２６ リング状絶縁部材
２７ パッキング
３１、３２、３３ 接続用リード部材
３５ 外部リード部材
３５Ａ 一端側部分
４０ 外部リード部材構造体
４１ 保持部材

Claims (5)

1. 少なくとも一端が開口するケーシング本体の開口部に、ガス透過口が形成されたケーシング部材がシール部材を介して嵌合されて設けられて構成されたケーシングを備え、このケーシング内において、少なくとも作用電極および対極の２つのガス検知電極が電解液保持部材を介して積重された状態で電極保持部材によって保持されて構成されてなる電極構造体が、作用電極が当該シール部材を介して電極保持部材およびケーシング部材によって挟持されて保持固定されると共に当該作用電極によりガス透過口が封止されて電解液室が形成されるよう、ケーシング本体の開口部に嵌合されて設けられてなり、
   作用電極および対極は、いずれも、ガス透過性疎水膜の一面上に電極部が形成されてなるものであり、当該電極部に接続用リード部材の一端部が接触または接続されており、
   接続用リード部材の他端部の各々は、ケーシング本体とケーシング部材との間から、周方向に離間して並んだ位置においてケーシングの外周面における入出力端子部形成用凹所に導出されていることを特徴とする定電位電解型ガスセンサー。
2. 接続用リード部材がリボン状金属箔よりなることを特徴とする請求項１に記載の定電位電解型ガスセンサー。
3. 接続用リード部材が導電性ワイヤーよりなることを特徴とする請求項１に記載の定電位電解型ガスセンサー。
4. 作用電極と対極との間に介在される電解液保持部材は、対極の外周縁より突出する部分を有し、
   ケーシングにおけるガス透過口が上方以外の方向を向いた状態で用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の定電位電解型ガスセンサー。
5. ケーシングは、筒状のケーシング本体の一端側開口部にガス透過口が形成された下面側ケーシング部材が設けられると共に他端側開口部に上面側ケーシング部材が設けられて構成されており、
   上面側ケーシング部材には、電解液室の内部空間に露出する内面に凹所が形成されていると共に当該凹所を介して電解液室を外部大気と連通させる連通孔が上面側ケーシング部材の外面に開口するよう形成されており、ガス透過性疎水圧力調整膜が凹所を塞ぐよう上面側ケーシング部材の内面上に配置されて設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の定電位電解型ガスセンサー。

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