JP5174915B2 - 定電位電解式酸素センサ - Google Patents

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Description

本発明は、定電位電解式酸素センサに関する。
定電位電解式酸素センサは、例えば、電解液を収容するケーシングに形成された窓に被検ガスの透過が可能な撥水性多孔質膜が張設され、この撥水性多孔質膜の、電解液側に位置される面に形成された作用電極と、この作用電極と一定の距離を離間させて配置された対極とを備えてなり、例えばポテンショスタットにより作用電極の電位が酸素の還元反応が起こる一定の電位に制御されることにより酸素ガスの濃度に対応して作用電極と対極との間に流れる電解電流を検出するよう構成されている。
このような定電位電解式酸素センサにおいては、検知原理上、作用電極に供給する被検ガスの量を制限することが必要であり、例えば、被検ガスを例えばピンホールを介して作用電極に供給する構造のものなどが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特公昭61−56777号公報
而して、このような構成の定電位電解式酸素センサにおいては、例えば定電位電解式酸素センサを落下させるなどして衝撃が加えられた場合であっても、所定量以上の被検ガスが導入されることによって動作不良が生じたり、電解液が外部に漏れたりすることを防止するために、例えば被検ガスが導入されるピンホールが形成されたガス供給制限部材と、当該ガス供給制限部材の内面側に配置される作用電極との密着性が維持されることが必要とされる。
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、電解液の外部への液漏れが確実に防止され、しかも、高い耐衝撃性が得られて安定した出力が確実に得られる定電位電解式酸素センサを提供することにある。
本発明の定電位電解式酸素センサは、電解液室を形成するケーシングに、少なくとも作用電極と対極とが設けられてなる定電位電解式酸素センサにおいて、
被検ガスを導入するピンホールが貫通して形成された板状蓋部材の電解液側に位置される内面に、液不透過膜を介して、ガス透過性ベースフィルムに電極触媒層が形成されてなる作用電極が固定されており、
液不透過膜には、板状蓋部材のピンホールが連通し、作用電極のガス透過性ベースフィルムの外面が露出する貫通孔が形成されていることを特徴とする。
本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、液不透過膜の貫通孔の内径の大きさが、0.2〜5mmである構成とされていることが好ましい。
また、本発明の定電位電解式酸素センサにおいては、液不透過膜が粘着剤により板状蓋部材に固定されており、作用電極は、そのガス透過性ベースフィルムの外面が粘着剤により液不透過膜に固定された構成とすることができる。
本発明の定電位電解式酸素センサによれば、作用電極が貫通孔を有する液不透過膜を介して板状蓋部材の内面に固定された構造とされていることにより、十分な耐衝撃性を得ることができて、例えば定電位電解式酸素センサを落下させるなどして衝撃が加えられた場合であっても、作用電極の板状蓋部材に対するズレを防止、または、小さくすることができるので、電解液が外部に漏れることを確実に防止することができると共に、作用電極に対するピンホール以外からの空気の侵入を防止することができて安定した出力を確実に得ることができる。
また、液不透過膜の貫通孔の内径の大きさが所定の範囲内に設定された構成とされていることにより、板状蓋部材におけるピンホールの出口から作用電極までの酸素の拡散性をよくすることができて酸素を電極全体に供給することができて安定した出力を確実に得ることができる。
さらにまた、液不透過膜が粘着剤により板状蓋部材に固定され、さらに、作用電極が、そのガス透過性ベースフィルムの外面が粘着剤により液不透過膜に固定された構成とされていることにより、所期の耐衝撃性向上構造を確実に得ることができ、上記効果を一層確実に得ることができる。
本発明の定電位電解式酸素センサの一例における構成を示す断面図である。 図1に示す定電位電解式酸素センサの分解断面図である。 図1に示す定電位電解式酸素センサにおける板状蓋部材の内面側構造を示す拡大断面図である。 実験例1において作製した本発明に係る定電位電解式酸素センサについての衝撃試験の結果を示すグラフである。 比較実験例1において作製した比較用の定電位電解式酸素センサについての衝撃試験の結果を示すグラフである。 実験例2において作製した本発明に係る定電位電解式酸素センサの各々についての衝撃試験の結果を示すグラフである。
図1は、本発明の定電位電解式酸素センサの一例における構成を示す断面図、図2は、図1に示す定電位電解式酸素センサの分解断面図、図3は、図1に示す定電位電解式酸素センサにおける板状蓋部材の内面側構造を示す拡大断面図である。以下においては、便宜上、図1における縦方向を「上下方向」、図1における横方向を「左右方向」と定義するが、使用形態等を限定するものではない。
この定電位電解式酸素センサ10は、一端側部分(図1における左端側部分)に形成された上下方向に伸びる略円柱状の貫通孔よりなる感応部形成用空間12と、この感応部形成用空間12の他端側部分に並んで形成された、他端(図1における右端)に開口する電解液室形成用空間とを有する、全体が略箱型形状のケーシング11を備えており、感応部形成用空間12における略中間位置に形成された左右方向に伸びる連通孔14により、感応部形成用空間12と電解液室形成用空間とが互いに連通されている。図1および図2における符号15は、ケーング11における一端面に形成されたリード部材配置空間であって、例えば接着剤が充填されてシールされる。また、符号23は回路基板である。
ケーシング11における電解液室形成用空間の開口部には、例えばフッ素樹脂よりなるガス透過性疎水圧力調整膜21を備えた、電解液室13内の圧力調整機能を有する閉塞部材20が設けられ、これにより、電解液室13が形成されている。
閉塞部材20には、電解液室13内の内部空間をガス透過性疎水圧力調整膜21を介して外部に連通させる貫通孔22が形成されている。この貫通孔22の内径の大きさは、外部酸素の干渉防止のために、0.5〜9mm、例えば1mmであることが好ましい。
ケーシング11における感応部形成用空間12の上方側開口部には、上面側に向かうに従って大径となる略円柱状空間部を形成する例えば3段の階段状の凹所が形成されており、各々厚み方向に貫通する複数の通孔25Aよりなる流体流通路が形成された上面側保護板25がその外周縁部が1段目の段部の平坦面上に配置された状態で嵌合されて設けられ、さらに、上面側保護板25の上面側に、例えば濾紙よりなる電解液保持層28、作用電極30および被検ガスを導入するピンホール36が貫通して形成された、例えば液晶ポリマーよりなる板状蓋部材(ガス供給制限部材)35が順次に収容されて配置された状態で、スリップリング45を介して上面側蓋部材16が螺合装着されている。図1および図2における符号37は、電解液が外部に漏れることを防止するためのO−リング、符号17は、上面側蓋部材16に両面粘着テープによって固定された防塵フィルターである。
この定電位電解式酸素センサ10においては、参照電極50が上面側保護板25の下面側中央位置において例えば濾紙よりなる電解液保持層(図示せず)が介在された状態で設けられており、電解液室13内の電解液が連通孔14を介して感応部形成用空間12に流入されることにより参照電極50が電解液中に浸漬された状態とされる。
作用電極30は、通気性と撥水性を備えた例えばフッ素系樹脂の多孔質膜などよりなるガス透過性ベースフィルム31の一面上における中央位置に、例えば白金、金、ルテニウム、パラジウムなどの微粒子、または、これらの混合物や合金などがバインダーと共に焼成されてなる電極触媒層32が形成されて構成されている。
参照電極50は、通気性と撥水性を備えたフッ素系樹脂の多孔質膜などよりなるガス透過性ベースフィルムの一面上における全面に、例えば白金、金、ルテニウム、パラジウムなどの微粒子、または、これらの混合物や合金などがバインダーと共に焼成されてなる電極触媒層が形成されて構成されている。なお、参照電極50は、金属単体により構成することもできる。
ケーシング11における感応部形成用空間12の下方側開口部には、下面側に向かうに従って大径となる略円柱状空間部を形成する例えば3段の階段状の凹所が形成されており、各々厚み方向に貫通する複数の通孔55Aよりなる流体流通路が形成された下面側保護板55がその外周縁部が1段目の段部の平坦面上に配置されると共に、この下面側保護板55の下面側に、例えば濾紙よりなる電解液保持層(図示せず)、対極53および被検ガスを排出するガス排出用貫通孔58Aが形成されたキャップ部材58が順次に収容されて配置された状態において、スリップリング59を介して下面側蓋部材18が螺合装着されている。図1および図2における符号57はO−リングであって、下面側蓋部材18が螺合装着されることによりキャップ部材58によって押圧されて対極53の外周縁部をその下面側から押圧状態で固定している。
対極53は、通気性と撥水性を備えたフッ素系樹脂の多孔質膜などよりなるガス透過性ベースフィルムの一面上における中央位置に、例えば白金、金、ルテニウム、パラジウムなどの微粒子またはこれらの混合物や合金などがバインダーと共に焼成されてなる電極触媒層が形成されて構成されている。
キャップ部材58におけるガス排出用貫通孔58Aの内径の大きさは、外部酸素の干渉防止のために、例えば0.5〜0.7mmであることが好ましい。
而して、上記定電位電解式酸素センサ10においては、作用電極30が、板状蓋部材35の内面に、板状蓋部材35のピンホール36が連通し、作用電極30のガス透過性ベースフィルム31の外面が露出する貫通孔が形成された液不透過膜を介して例えば粘着剤により固定されている。
作用電極30の固定方法について具体的に説明すると、図3に示すように、作用電極30のガス透過性ベースフィルム31の外面における周縁部が例えば中央位置に貫通孔33Aが形成された円板状の両面粘着テープ33(液不透過膜)により板状蓋部材35の内面に接着されると共に、上面側保護板25の外面側において、作用電極30に密着される電解液保持層28の周囲を囲むよう配置された例えばO−リング29よりなるシール部材によって、ガス透過性ベースフィルム31の内面における周縁部が押圧された状態で、固定されている。
液不透過膜における貫通孔、すなわち両面粘着テープ33に形成された貫通孔33Aの内径の大きさは、例えば0.2〜5mmであることが好ましい。これにより、ピンホール36より導入された被検ガスを作用電極30全体に対して確実に拡散させることができると共に、十分な耐衝撃性が得られて安定した指示値を確実に得ることができる。一方、貫通孔33Aの内径の大きさが過小である場合には、被検ガスの十分な拡散性が得られず、酸素ガスを作用電極30の一部分しか反応に寄与させることができなくなるため、安定した指示値を得ることが困難になり、また、貫通孔33Aの内径の大きさが過大である場合には、十分な耐衝撃性を得ることができず、安定した指示値を得ることが困難になると共に、応答性が悪くなったり、起動特性が悪くなったりしやすい。
ここに、板状蓋部材35におけるピンホール36の内径の大きさは、ピンホールが均一な内径を有するものである場合において、実用上、1.0〜200μmであり、例えば80μmである。
また、液不透過膜の厚み、すなわち両面粘着テープ33の厚みは、例えば0.05〜0.5mmであることが好ましい。両面粘着テープ33の厚みが過大である場合には、被検ガスが電極に到達するまでの距離が長くなり、作用電極30と対極53との間に流れる電流が低下したり、被検ガスに対する応答性が低下したりする。一方、両面粘着テープ33の厚みが過小である場合には、十分な強度や十分な耐久性が得られなくなると共に、取り扱いが困難となるため、作業性が低下する。
上記定電位電解式酸素センサ10は、電解液室13に収容された、例えば硫酸水溶液よりなる電解液が連通孔14を介して感応部形成用空間12に流入して上面側保護板25における通孔25Aを介して上面側保護板25と作用電極30との間に介在される電解液保持層28に含浸されると共に、更に、下面側保護板55における通孔55Aを介して下面側保護板55と対極53との間に介在される電解液保持層に含浸された状態において、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスがその透過量がピンホール36によって制限された状態で通常拡散(クヌーセン拡散領域およびクヌーセン拡散と通常拡散とが起こる拡散領域外)により導入されると共に、作用電極30と対極53との間に一定の電位差が生じるよう、参照電極50の電位状態を基準として、作用電極30に所定の電圧が印加され、作用電極30および対極53の両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酸素ガスの濃度が検出される。
而して、上記構成の定電位電解式酸素センサ10によれば、作用電極30が貫通孔33Aを有する両面粘着テープ33によって板状蓋部材35の内面に固定された構造とされていることにより、十分な耐衝撃性を得ることができて、例えば定電位電解式酸素センサ10を落下させるなどして衝撃が加えられた場合であっても、作用電極30の板状蓋部材35に対するズレを防止または小さくすること、換言すれば、板状蓋部材35と作用電極30との密着性を維持することができるので、電解液が外部に漏れることを確実に防止することができると共に、例えば作用電極30と板状蓋部材35との間に隙間が形成されるなどして作用電極30に対するピンホール36以外からの空気の侵入を防止することができて安定した出力を確実に得ることができる。
また、作用電極30が、そのガス透過性ベースフィルム31の内面における周縁部が上面側保護板25の外面側において、作用電極30に密着される電解液保持層28の周囲を囲むよう配置されたO−リング29によって押圧された状態で、固定されていることにより、所期の耐衝撃性向上構造を確実に得ることができ、上記効果、すなわち、作用電極30と板状蓋部材35との密着性が維持されることによる安定した出力が得られるという効果および電解液の液漏れ防止効果を一層確実に得ることができる。
また、両面粘着テープ33の貫通孔33Aの内径の大きさが0.2〜5mmに設定された構成とされていることにより、板状蓋部材35におけるピンホール36の出口から作用電極30までの被検ガスの拡散性をよくすることができて酸素ガスを作用電極30全体に供給することができると共に、十分な耐衝撃性を確実に得ることができて安定した出力を確実に得ることができる。
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を示す。
<実験例1>
図1〜図3に示す構成に従って、本発明に係る定電位電解式酸素センサを作製し、以下に示す方法による衝撃試験を行った。この定電位電解式酸素センサにおいては、板状蓋部材におけるピンホールの内径の大きさが80μmであり、作用電極の大きさ(外径)が15mm、電極触媒層の外径が10mm、厚みが0.3mmであり、液不透過膜として厚みが0.2mm、外径の大きさが15mm、貫通孔の内径の大きさが2mmである両面粘着テープを用いた。
衝撃試験は、JIS T8201の規格に準じて、厚さ30±5mmの杉板をコンクリート上に置き、定電位電解式酸素センサを杉板の表面から100〜110mmの高さ位置から自然(自由)落下させたときの、衝撃による指示変動の状態を調べた。結果を図4に示す。
図4に示す結果から明らかなように、本発明に係る定電位電解式酸素センサによれば、衝撃が加わった場合(計測開始から約10秒経過した時点)であっても、安定した指示値を得ることができ、耐衝撃性に優れた構造を有することが確認された。
<比較実験例1>
実験例1において作製した定電位電解式酸素センサにおいて、作用電極を両面粘着テープによって板状蓋部材に固定するのではなく、ガス透過性ベースフィルムの内面における周縁部を単にO−リングによって押圧状態で、板状蓋部材に対して固定した構成としたことの他は実験例1と同様の構成を有する比較用の定電位電解式酸素センサを作製し、実験例1と同様の衝撃試験を行った。結果を図5に示す。
図5に示す結果から明らかなように、比較用の定電位電解式酸素センサにおいては、衝撃が加えられると(計測開始から約10秒経過した時点)、指示値が急激に上昇し、指示値が安定するまでに数秒間の時間を要することが確認された。この理由としては、センサに衝撃が加えられたことによりO−リングが変形(潰し量が変化)してピンホールと作用電極との間に隙間ができ、この隙間にピンホールの外側から空気を引き込んだためであると考えられる。
<実験例2>
実験例1において、両面粘着テープ(液不透過膜)における貫通孔の内径の大きさを、(a)3mm、(b)4mm、(c)5mm、(d)6mmと変更したことの他は、実験例1において作製した定電位電解式酸素センサと同様の構成を有する4種類の本発明に係る定電位電解式酸素センサを作製し、各々の定電位電解式酸素センサについて、実験例1と同様の衝撃試験を行った。結果を図6に示す。図6において、自然(自由)落下により衝撃が加えられた時点は、計測開始から約10秒経過した時点である。
図6に示す結果から明らかなように、4種類の定電位電解式酸素センサのいずれのものについても、耐衝撃性構造を有することが確認されたが、両面粘着テープにおける中央貫通孔の内径の大きさが大きくなるに従って衝撃による指示値の変動幅が大きくなることが確認され、この結果より、両面粘着テープにおける貫通孔の内径の大きさが5mm以下であることにより、優れた耐衝撃性が得られることが確認された。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
本発明の定電位電解式酸素センサは、例えば地下の工事現場や坑道、その他の人が立ち入る場所や作業領域などにおける酸欠事故の発生を未然に防止するために、有用なものである。
10 定電位電解式酸素センサ
11 ケーシング
12 感応部形成用空間
13 電解液室
14 連通孔
15 リード部材配置空間
16 上面側蓋部材
17 防塵フィルター
18 下面側蓋部材
20 閉塞部材
21 ガス透過性疎水圧力調整膜
22 貫通孔
23 回路基板
25 上面側保護板
25A 通孔
28 電解液保持層
29 O−リング
30 作用電極
31 ガス透過性ベースフィルム
32 電極触媒層
33 両面粘着テープ
33A 貫通孔
35 板状蓋部材
36 ピンホール
37 O−リング
45 スリップリング
50 参照電極
53 対極
55 下面側保護板
55A 通孔
57 O−リング
58 キャップ部材
58A ガス排出用貫通孔
59 スリップリング

Claims (3)

  1. 電解液室を形成するケーシングに、少なくとも作用電極と対極とが設けられてなる定電位電解式酸素センサにおいて、
    被検ガスを導入するピンホールが貫通して形成された板状蓋部材の電解液側に位置される内面に、液不透過膜を介して、ガス透過性ベースフィルムに電極触媒層が形成されてなる作用電極が固定されており、
    液不透過膜には、板状蓋部材のピンホールが連通し、作用電極のガス透過性ベースフィルムの外面が露出する貫通孔が形成されていることを特徴とする定電位電解式酸素センサ。
  2. 液不透過膜の貫通孔の内径の大きさが、0.2〜5mmであることを特徴とする請求項1に記載の定電位電解式酸素センサ。
  3. 液不透過膜が粘着剤により板状蓋部材に固定されており、作用電極は、そのガス透過性ベースフィルムの外面が粘着剤により液不透過膜に固定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の定電位電解式酸素センサ。
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