JP4828360B2 - ガスセンサー - Google Patents

Description

本発明は、雰囲気中のガス濃度を測定するガスセンサーに係り、特に、ガス検知素子の周囲を気密に保持して特定のガスだけを測定するガス圧入式のセンサーに関する。

雰囲気中のガス濃度を測定するガスセンサーとして、半導体ガスセンサー及び固体電解質ガスセンサーが知られている。
半導体ガスセンサーは、半導体の表面に被検ガスが吸着すると導電率が変化することを利用してガスを検出するセンサーである。

また、固体電解質ガスセンサーには、起電力式と限界電流式などの測定方式がある。
起電力式の固体電解質ガスセンサーは、固体電解質基板の一方の面に設けられた電極（基準極）を大気に接触させ、他方の面に設けられた電極（検知極）を被検ガス雰囲気中に接触させたときに両電極間に発生する起電力を測定するセンサーである。
限界電流式の固体電解質ガスセンサーは、固体電解質基板の両面に設けられた電極間に外部電圧を印加して被検ガスをイオン化し、その電流を検知するセンサーである。

図９に示すように、一般的に、上述したガスセンサー１００は、ステム１０１と、電極ピン１０２と、ガス検知素子１０３と、金属メッシュカバー１０５とで略構成されている。

図９（ｂ）に示すように、略円板状に形成されたステム１０１には、複数の電極ピン１０２が上下に貫通して設けられている。各電極ピン１０２は、その上端部１０２ａがステム１０１の上面１０１ａから突出するとともに、下端部１０２ｂがステム１０１の下面１０１ｂから突出している。ガス検知素子１０３は、複数の電極ピン１０２と同数のリード線１０４を有し、これらリード線１０４の端部がそれぞれ各電極ピン１０２の上端部１０２ａに接続され、ステム１０１から浮いた状態に支持されている。金属メッシュカバー１０５は、ガス検知素子１０３を覆うようにステム１０１に取り付けられ、ステム１０１の外周に設けられる固定枠１０６によって固定されている。
なお、このようなガスセンサーの構成は、下記特許文献１などに開示されている。

また、例えば、病院や在宅医療、又は工業用途向けに普及している高酸素濃度のガスを発生する圧力変動吸着型（ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption ）型）酸素濃縮器などのガス出力部には、ガス（窒素）吸着性能の低下を監視するために、出力ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサーが設けられている。この場合のガスセンサーには、被検ガス以外のガスの混入を防ぐためにガス検知素子の周囲が気密に保持されたガス圧入式のものが用いられる。

図１０に示すように、一般的なガス圧入式のセンサー２００は、上述したガスセンサー１００（図９参照）の固定枠１０６にガス導入部２０１が取り付けられたものである。ガス導入部２０１は、略気密に構成され、金属メッシュカバー１０５の径より更に大径な略ドーム状に形成されている。また、このガス導入部２０１には、酸素濃縮器などのガス出力部から気密部内にガスを流入させるガス流入部２０２と、気密部内からガスを流出させるガス流出部２０３とが設けられている。なお、ガス流入部２０２は、酸素濃縮器などのガス出力部と樹脂又は金属製チューブからなるガス流入管（不図示）を介して接続されている。また、ガス流出部２０３には、同じく樹脂又は金属製チューブからなるガス流出管（不図示）が接続される。
特開２０００−１９３６３４号公報

しかしながら、図１０に示すような従来のガス圧入式のセンサー２００では、金属メッシュカバー１０５より大径に形成されたガス導入部２０１が、ガスセンサー１００（図９参照）の上半部を覆うように取り付けられた構成であるため、センサー自体が大型化していた。また、近年のガス測定分野において、小流量でガスを測定したいという要望があり、図１０に示す従来のガス圧入式のセンサー２００のように気密部内の容積が大きいと、ガス流量を少なくしたときにガス置換に時間を要してしまい、センサーの応答速度が低下するという問題があった。

そこで本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、気密部内の容積を小さくすることが可能となり、センサー自体を小型化できるとともに、速やかにガス置換でき、応答速度を低下させず、この結果、小流量でガス測定を行うことを可能としたガスセンサーを提供することを目的としている。

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明の請求項１記載のガスセンサー１は、上下両面に突出するように貫通して設けられた複数の電極端子３を有するステム２と、
複数のリード線１４を有し、前記複数のリード線１４の各端部が前記ステム２の前記上面２ａに突出した前記複数の電極端子３にそれぞれ接続され前記ステム２から浮いた状態に支持されるガス検知素子１３と、
前記ステム２に取り付けられ、前記ステム２の前記上面２ａを底面とする気密部１７を形成して前記ガス検知素子１３の周囲を気密に保持する気密キャップ１５と、
前記気密部１７外から該気密部１７内に通じる流入路６が設けられ、前記流入路６を流れるガスを前記気密部１７内に流入させるガス流入口５と、
前記気密部１７内から該気密部１７外に通じる流出路１２が設けられ、前記流出路１２へガスを前記気密部１７内から流出させるガス流出口１１と、を具備するとともに、
前記ガス流入口５に前記流入路６の径が拡がって形成されたキャビティ８が設けられ、更に、前記キャビティ８内にフィルター９が配設されることを特徴としている。

請求項２記載のガスセンサー１は、前記ガス流入口５の近傍に、前記流入路６が屈曲したオフセット部７が設けられることを特徴としている。

本発明によるガスセンサーによれば、これまでガス検知素子の周囲を気密に保持していたガス導入部が不要となることに加え、ステムの上面が気密部の底面を形成していることにより、従来のガス圧入式のセンサーに比べて気密部内の容積を小さくすることが可能となる。これにより、センサーを小型化できるとともに、気密部内において速やかにガス置換でき、応答速度を低下させずにガス測定を行うことが可能となる。この結果、小流量でガス測定を行うことができるようになる。

また、ガス流入口にキャビティが設けられ、このキャビティ内にフィルターが配設されることにより、フィルターが塵や埃などを吸着し、気密部内にガス以外の不純物が入り込むことを防止できる。さらに、気密部内に流入される前にガスがフィルターを通ることで拡散され、ガス流入口におけるガスの流速が緩和される。これにより、高温のガス検知素子に直接冷たいガスが吹きかかることで該素子が損傷することを防止できる。

また、ガス流入口の近傍に、流入路が屈曲したオフセット部が設けられていることにより、流入路を流れるガスが屈曲部（オフセット部）によって向きを変え、ガス流入口におけるガスの流れる方向が変わる。これにより、上記同様にガス検知素子に直接ガスが吹きかかることを防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明によるガスセンサーの一実施の形態を示す断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視図（一部断面図）、図３は同底面図である。

図１に示すように、この実施の形態のガスセンサー１は、複数の電極端子３を有するステム２と、ガス検知素子１３と、気密キャップ１５と、固定枠１８とで略構成されている。

図１〜３に示すように、略円板状に形成されたステム２には、略円柱状に形成された複数の電極端子３が上下に貫通して設けられている。また、電極端子３の上端部３ａは他より大径に形成されている。なお、この実施の形態では、４本の電極端子３を有している。各電極端子３は、上端部３ａがステム２の上面２ａから突出するとともに、下端部３ｂがステム２の下面２ｂから突出している。また、ステム２の側周面には、後述する気密キャップ１５のフランジ１６が載せられる載置台４が設けられている。

ステム２の上面２ａには、略矩形のガス流入口５及びガス流出口１１が設けられている。ガス流入口５は、ステム２の上面２ａから下面２ｂにかけて貫通する流入路６に通じている。流入路６には、ステム２の上面２ａ（ガス流入口５）近傍において、流入路６が略直角に屈曲されたオフセット部７が設けられている。さらに、流入路６には、オフセット部７がステム２の上面２ａに向けて再度屈曲されるとともに、流入路６の径が拡がって形成された略矩形空間（キャビティ８）が設けられている。キャビティ８内にはフィルター９が配設されている。この場合、キャビティ８内に高密度のセラミックウール又はグラスウールが詰め込まれフィルター９を形成している。流入路６は、ステム２の下面２ｂから更に下方に延出し、下面２ｂから下向きに突出する突出部１０を形成している。

ガス流出口１１は、ステム２の上面２ａから下面２ｂにかけて貫通する流出路１２に通じている。また、流出路１２は、下方に向かって徐々に小径となって設けられている。

図１に示すように、ガス検知素子１３は、電極端子３に対応した複数のリード線１４を有している。なお、この実施の形態では、４本のリード線１４を有している。各リード線１４の端部は、電極端子３の上端部３ａにそれぞれ接続され、ガス検知素子１３をステム２から浮いた状態に支持している。このガス検知素子１３は、安定化ジルコニアを用いて構成されている。

図１に示すように、前述した気密キャップ１５は、気密に構成された略ドーム状に形成されている。気密キャップ１５の開口縁にはフランジ１６が設けられている。なお、この気密キャップ１５の開口径は１５ｍｍ程度である。また、気密キャップ１５がステム２に取り付けられたときに、ステム２の上面２ａを底面とする気密空間（気密部１７）を形成している。

図１，３に示すように、固定枠１８は、ステム２の最大外径（載置台４の外径）より僅かに大きい内径を有する略円筒形状に形成され、ステム２が嵌入可能な構成となっている。さらに、固定枠１８の上端部が中心に向けて略直角に屈曲されることで抜止部１９が形成されている。

この実施の形態のガスセンサー１を組み立てる際には、まず、気密キャップ１５を上からステム２に被せてフランジ１６を載置台４に載置する。そして、ステム２を下から固定枠１８内に嵌入する。このとき、フランジ１６が載置台４と抜止部１９との間に挟まれることで気密キャップ１５の脱落が防止される。

この実施の形態のガスセンサー１では、突出部１０が、酸素濃縮器などのガス出力部に樹脂又は金属製チューブなどを介して接続される。
図１に示すように、流入路６を流れる被検ガスが、オフセット部７及びキャビティ８内のフィルター９を通過してガス流入口５から気密部１７内に流入される。そして、気密部１７内にガスが充満すると、被検ガスは気密部１７内のガス圧に押されてガス流出口１１から流出路１２を流れて気密部１７外に流出される。

また、図４は気密部内におけるガス流量とガス検知素子の９０％応答時間の関係を示すグラフである。
図４に示すように、この実施の形態のガスセンサーでは、被検ガスの流量が少なくてもガス検知素子の応答時間が従来のガスセンサーと略同等である。つまり、このガスセンサーでは、小流量のガスで従来のガスセンサーと略同等の応答性能を確保できる。

この実施の形態によれば、気密キャップ１５によってガス検知素子１３の周囲を気密に保持することにより、これまでガス検知素子の周囲を気密に保持していたガス導入部が不要となることに加え、ステム２の上面２ａが気密部１７の底面を形成していることにより、従来のガス圧入式のセンサーに比べて気密部１７内の容積を小さくすることが可能となる。これにより、センサーを小型化できるとともに、気密部１７内において速やかにガス置換でき、応答速度を低下させずにガス測定を行うことが可能となる。

また、キャビティ８内に高密度のセラミックウール又はグラスウールが詰め込まれることでフィルター９を形成し、気密部１７内に被検ガス以外の不純物が入り込むことを防止できる。さらに、気密部１７内に流入される前にガスがフィルター９を通ることで拡散され、ガス流入口５における被検ガスの流速が緩和される。

また、ガス流入口５の近傍に、流入路６が屈曲されたオフセット部７が設けられることにより、流入路６を流れる被検ガスがオフセット部７によって向きを変え、ガス流入口５における被検ガスの流れる方向が変わる。

なお、上述した実施の形態では、ステム２の上面２ａ近傍にキャビティ８が設けられ、キャビティ８内にフィルター９が配設される構成としたが、図５に示すように、内部に活性炭フィルター２３が配されたハウジング２２を有するフィルターユニット２１が前記突出部１０に接続される構成としてもよい。このフィルターユニット２１には、ハウジング２２の上下面に略円筒が設けられている。ハウジング２２上面の略円筒２４は、突出部１０の外径より僅かに大きい内径を有し、突出部１０が挿通可能に形成されている。また、内面にはネジ部２５が設けられ、突出部１０に設けられたネジ部２６と螺合することで着脱自在に接続される。また、ハウジング２２下面の略円筒２７は、前記流入路６と略同等の径に形成され、フィルターユニット２１が接続されたときに流入路６となる。

このような構成によれば、フィルターユニット２１が着脱自在に構成されていることから、このフィルターユニット２１を必要に応じて取り付けることが可能となる。その場合、上記同様に気密部１７内に被検ガス以外の不純物が入り込むことを防止できるとともに、フィルター２３が汚れたり損傷した場合に容易に取り換えられる。

また、図６〜８に示すガスセンサーは、ガス流入口（流入路）及びガス流出口（流出路）が上述した実施の形態と異なる位置に設けられたものである。
なお、以下で説明するガスセンサーにおいて、上述した実施の形態と同等或いは同一箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６は、ガス流入口３１がステム２に設けられ、ガス流出口３３が気密キャップ１５に設けられているガスセンサー３０ａ，３０ｂの断面図である。
図６（ａ）に示すガスセンサー３０ａには、ガス流入口３１が、上述した実施の形態と同様にステム２の上面２ａに設けられ、ガス流出口３３が、気密キャップ１５の上部に設けられている。なお、ガス流入口３１は、ステム２の上面２ａから下面２ｂにかけて貫通する流入路３２に通じ、ガス流出口３３は、気密キャップ１５から上向きに延出する流出路３４に通じている。
図６（ｂ）に示すガスセンサー３０ｂには、ガス流入口３１が、上述した実施の形態と同様にステム２の上面２ａに設けられ、ガス流出口３３が、気密キャップ１５の側部に設けられている。なお、ガス流入口３１は、ステム２の上面２ａから下面２ｂにかけて貫通する流入路３２に通じ、ガス流出口３３は、気密キャップ１５から横向きに延出する流出路３４に通じている。

図７は、ガス流入口４１及びガス流出口４３が共に気密キャップ１５に設けられているガスセンサー４０ａ，４０ｂの断面図である。
図７（ａ）に示すガスセンサー４０ａには、ガス流入口４１が、気密キャップ１５の上部に設けられ、ガス流出口４３が、気密キャップ１５の側部に設けられている。なお、ガス流入口４１は、気密キャップ１５から上向きに延出する流入路４２に通じている。また、ガス流出口４３は、気密キャップ１５から横向きに延出する流出路４４に通じている。
図７（ｂ）に示すガスセンサー４０ｂには、ガス流入口４１が、気密キャップ１５の側部（図中右方）に設けられ、ガス流出口４３が、気密キャップ１５の反対側の側部（図中左方）に設けられている。なお、ガス流入口４１及びガス流出口４３は、気密キャップ１５からそれぞれ横向きに延出する流入路４２及び流出路４４に通じている。

図８は、ガス流入口５１が、気密キャップ１５に設けられ、ガス流出口５３が、上述した実施の形態と同様に、ステム２に設けられているガスセンサー５０ａ，５０ｂの断面図である。
図８（ａ）に示すガスセンサー５０ａには、ガス流入口５１が、気密キャップ１５の側部に設けられ、ガス流出口５３が、上述した実施の形態と同様にステム２の上面２ａに設けられている。なお、ガス流入口５１は、気密キャップ１５から横向きに延出する流入路５２に通じ、ガス流出口５３は、ステム２の上面２ａから下面２ｂにかけて貫通する流出路５４に通じている。
図８（ｂ）に示すガスセンサー５０ｂには、ガス流入口５１が、気密キャップ１５の上部に設けられ、ガス流出口５３が、上述した実施の形態と同様にステム２の上面２ａに設けられている。なお、ガス流入口５１は、気密キャップ１５から上向きに延出する流入路５２に通じ、ガス流出口５３は、ステム２の上面２ａから下面３ａにかけて貫通する流出路５４に通じている。

以上説明した図６〜８に示すガスセンサー３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂによれば、上述した実施の形態と同様に、気密キャップ１５によってガス検知素子１３の周囲を気密に保持し、これまで必要であったガス導入部が不要となることに加え、ステム２の上面２ａが気密部１７の底面を形成していることにより、従来のガス圧入式のセンサーに比べて気密部１７内の容積を小さくすることが可能となる。この結果、センサーを小型化できるとともに、気密部１７内において速やかにガス置換して応答速度を低下させずにガス測定が可能になるという効果が得られる。

本発明によるガスセンサーの一実施の形態を示す断面図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視図（一部断面）である。 同底面図である。 ガス流量とガス検知素子の応答時間の関係を示すグラフである。 他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）従来のガスセンサーを示す断面図である。 従来のガスセンサー（ガス圧入式）を示す断面図である。

符号の説明

１…ガスセンサー
２…ステム
３…電極端子
５…ガス流入口
６…流入路
７…オフセット部
８…キャビティ
９…フィルター
１１…ガス流出口
１２…流出路
１３…ガス検知素子
１４…リード線
１５…気密キャップ
１７…気密部
２３…フィルター

Claims (2)

1. 上下両面に突出するように貫通して設けられた複数の電極端子を有するステムと、
   複数のリード線を有し、前記複数のリード線の各端部が前記ステムの前記上面に突出した前記複数の電極端子にそれぞれ接続され前記ステムから浮いた状態に支持されるガス検知素子と、
   前記ステムに取り付けられ、前記ステムの前記上面を底面とする気密部を形成して前記ガス検知素子の周囲を気密に保持する気密キャップと、
   前記気密部外から該気密部内に通じる流入路が設けられ、前記流入路を流れるガスを前記気密部内に流入させるガス流入口と、
   前記気密部内から該気密部外に通じる流出路が設けられ、前記流出路へガスを前記気密部内から流出させるガス流出口と、を具備するとともに、
   前記ガス流入口に前記流入路の径が拡がって形成されたキャビティが設けられ、更に、前記キャビティ内にフィルターが配設されることを特徴とするガスセンサー。
2. 前記ガス流入口の近傍に、前記流入路が屈曲したオフセット部が設けられることを特徴とする請求項１記載のガスセンサー。

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