JP6532118B2 - 電気化学ガスセンサ - Google Patents

Description

この発明は、電気化学ガスセンサのハウジング構造に関する。

電気化学ガスセンサによりＣＯ等のガスを検出することが知られている（特許文献１：JP5693,496B，特許文献２：WO 01/014864A）。ガスセンサ本体を構成するＭＥＡは、プロトン導電体膜、あるいは電解液、イオン性流体等を保持する保液シートの両面に、検出極と対極とを備えている。そしてガスとの接触により発生する、電極間を流れる電流あるいは起電力が出力となる。ＭＥＡは、通気性のある一対の導電性膜（導電性ガス拡散膜）に挟まれ、検出極側の導電性膜から検出すべき雰囲気が供給され、対極側の導電性膜から酸素が供給され、生成した水蒸気が対極から排出される（特許文献１）。

電気化学ガスセンサのハウジング構造として、特許文献１ではボタン型の電池と類似の構造を提案し、ガスケットで絶縁された２枚の金属板の間に、導電性膜とＭＥＡとを配置し、2枚の金属板をカシメにより固定する。カシメによる圧力により、ＭＥＡから２枚の金属板への電気的接触が得られる。

特許文献２では、凹みのある一対のハウジングを、凹みが向かい合うように重ね、凹み内にＭＥＡを配置する。特許文献２では、液体電解質を用いるので、凹みを液体電解質のリザーバに兼用し、ハウジングの孔等で電極を露出させ、外部へ接続できるようにする。

JP5693,496B WO 01/014864A

特許文献１のハウジングでは、ガスケットとカシメとを用いるため、ガスセンサの小形化が難しい。またカシメはＭＥＡの位置のバラツキを引き起こし易いので、工程管理が難しい。

特許文献２のハウジングでは、電極と周辺回路とを接続する配線が難しい。また通気性導電性膜を用いる場合に、通気性導電性膜を所定の圧力で加圧して電極と接触させることが難しい。

この発明は、小形化が容易で、性能バラツキが小さく、かつ基板への実装が容易な、電気化学ガスセンサを提供することにある。

この発明の電気化学ガスセンサは、
板状でかつ凹みを有するセラミックスのハウジングと、
イオン導電性膜と、イオン導電性膜の表面の第１の電極と、裏面の第２の電極とを備えているＭＥＡと、
第１の導電性ガス拡散膜と、第２の導電性ガス拡散膜と、
前記凹みを覆うように、前記ハウジングに固着されている、金属のリッドとを有し、
前記ハウジングは、前記凹みの底面からハウジングの底面へ延びる第１の電気配線と、前記凹みを取り囲む頂面から、ハウジングの底面へ延びる第２の電気配線とを備え、
第１の導電性ガス拡散膜は、前記ＭＥＡと前記凹みの底面との間に配置され、かつ前記第１の電気配線に電気的に接続され、
第２の導電性ガス拡散膜は、前記ＭＥＡと前記リッドとの間に配置され、かつ前記リッドに電気的に接続され、
前記リッドは、前記頂面に固着されると共に、前記第２の電気配線に電気的に接続され、
前記リッドにより、前記第２の導電性ガス拡散膜が前記ＭＥＡ側へ押圧され、
前記リッドもしくは前記ハウジングの底面に、ガス導入部が設けられている。

この発明では、カシメもガスケットも不要なので、電気化学ガスセンサを小形化できる。リッドにより、第１及び第２の導電性ガス拡散膜とＭＥＡが、凹みの底面側へ押圧され、ＭＥＡから第２の導電性ガス拡散膜を介してリッドへの電気的パスと、ＭＥＡから第１の導電性ガス拡散膜を介して第１の電気配線への電気的パスが得られる。そしてリッドからは、第２の電気配線により、ハウジングの底面へ配線が引き出され、第１の電気配線もハウジングの底面へ延びている。このため、ハウジングの底面で、ガスセンサの２つの電極を、周辺回路に接続できる。なおこの明細書では、リッドを上、凹みの底面を下として方向を示す。

好ましくは、前記頂面上に金属層が設けられ、かつ前記リッドが前記金属層に溶接されている。リッドを金属層に溶接するので、リッドとハウジングの固定が容易で、かつリッドと金属層を確実かつ気密に電気接続できる。

好ましくは、前記リッドは、前記ガス導入部として孔を備え、かつ前記ハウジングの底面は気密である。リッドは金属なので、小径のガス導入孔を正確に設けて、ガスセンサ内への通気性を一定にできる。またリッドにガス導入孔を設けるので、ハウジングの底面は気密にする。

好ましくは、前記第２の導電性ガス拡散膜と前記リッドとの間に、導電性でかつシート状のガス吸着フィルタが設けられている。活性炭には導電性のものがあり、シリカゲル、ゼオライト、メソポーラスシリカ等のガス吸着剤は、例えば、カーボンブラック等の導電性粒子を混合することにより、導電性を付与できる。従って、第２の導電性ガス拡散膜から、ガス吸着フィルタを介して、リッドに到る導電性パスを確保できる。またガス吸着フィルタは、リッドのガス導入孔から拡散する少量のガスを処理すれば良いので、フィルタを長寿命にできる。

好ましくは、前記ＭＥＡ、第１の導電性ガス拡散膜、第２の導電性ガス拡散膜、前記凹み、前記ハウジング、及び前記リッドが、平面視で四角形、例えば長方形あるいは正方形、である。特許文献１のような円形のＭＥＡではなく、４角形のＭＥＡを用いるので、ＭＥＡを原シートから打ち抜く際に、ロスを少なくできる。そしてＭＥＡを四角形にすることに伴い、ハウジング、リッド、凹み、第１及び第２の導電性ガス拡散膜も四角形にする。

好ましくは、前記凹みは、底面と、底面を取り囲む第１の壁と、第１の壁の上部の平坦面と、平坦面を取り囲む第２の壁とを備え、第２の壁の上部に前記頂面が存在し、
前記第１の導電性ガス拡散膜は、凹みの底面に接触し、かつ第１の壁に囲まれ、
前記第２の導電性ガス拡散膜は第２の壁に囲まれ、
前記ＭＥＡの端部もしくは前記第２の導電性ガス拡散膜の端部が、前記平坦面上に位置する。

導電性ガス拡散膜はリッドからの圧力で圧縮され、この圧力には、第１の導電性ガス拡散膜とＭＥＡの接触、及び第２の導電性ガス拡散膜と、ＭＥＡ及び第１の電気配線との接触を確実にする作用がある。凹みの底面と頂面との間に平坦面を設け、深さ方向に沿って、凹みを頂面から平坦面までの部分と平坦面から底面までの部分に分けると、加圧時の、第１の導電性ガス拡散膜の厚さと、第１の導電性ガス拡散膜の厚さとを規制できる。またＭＥＡの端部もしくは第２の導電性ガス拡散膜の端部が平坦面上に位置するので、2つの導電性ガス拡散膜が接触することが無く、かつ平坦面の上方と下方との間で、雰囲気を遮断できる。

実施例の電気化学ガスセンサの断面図 実施例の電気化学ガスセンサの平面図 実施例の電気化学ガスセンサの、リッドを外した状態での平面図 実施例の電気化学ガスセンサのハウジングの断面図 実施例の電気化学ガスセンサの要部拡大断面図 変形例の電気化学ガスセンサの断面図 第２の変形例の電気化学ガスセンサの断面図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図５に実施例を示す。電気化学ガスセンサ２は、セラミックスのハウジング４と、ＭＥＡ６と、ＭＥＡ６の上下の導電性ガス拡散膜８，１０と、金属のリッド１２とを備えている。これらの部材４〜１２は平面視で長方形〜正方形で、ＭＥＡ６及び導電性ガス拡散膜８，１０は、ハウジング４の凹み１３に収容されている。

ハウジング４は平面視で長方形〜正方形の凹み１３を備え、１４は凹み１３の底面、１５は中間の平坦面で、底面１４を取り囲み、２５は頂面で、平坦面１５を取り囲んでいる。頂面２５と平坦面１５との間には、例えば垂直な壁面１７が有り、平坦面１５と底面１４との間には、例えば垂直な壁面１８が有る。頂面２５の例えば全面に金属層１６が有り、金属層１６は金属をハウジング４のセラミックス材料と共に焼成したものでも、金属板をロー付け等により頂面２５に固定したものでも良い。金属層１６は、電気的な配線２０を介して，ハウジング４の底面１９の電気的な配線２１へ接続されている。

凹み１３の底面１４の全面あるいは一部に、配線２２が設けられ、配線２３，２４をを介して、ハウジング４の底面１９へ引き出されている。配線２０〜２４は、金属をハウジング４のセラミックス材料と共に焼成したものである。なおハウジング４の端面に配線２０，２３を設ける代わりに、ハウジング４に導電化した気密なスルーホールを設けても良い。

リッド１２にはガス導入孔２６を１個〜複数個設け、ガス導入孔２６のサイズを一定にすることにより、ガスセンサ２の内部への通気性を一定にする。金属への孔空け加工なので、一定サイズのガス導入孔２６を作成できる。なおリッド１２にガス導入孔を設ける代わりに、ハウジング４の底面１９から凹み１３の底面１４までの層を通気性のセラミックスで構成しても良い。

ＭＥＡ６は、図１の左側に示すように、プロトン導電体膜３４の上部に検出極３５を、下部に対極３６を設けたものである。ＭＥＡ６では、プロトン導電体膜３４の代わりに、電解液あるいはイオン性流体を保持するシートを用いても良い。ＭＥＡ６はガスセンサ２中で最も高価な部材であり、ＭＥＡ６の原シートから打ち抜くことによりＭＥＡ６を製造し、長方形〜正方形のＭＥＡ６では打ち抜きによるロスが生じない。

導電性ガス拡散膜８，１０は、カーボンブラック、炭素繊維等の導電性粒子を有する通気性のシートであり、高い導電性は必要ない。拡散膜８，１０はＰＴＦＥ等の繊維を加えて疎水化しても良いが、好ましくはポリアミド、メチルセルロース、ポリビニルアルコール等の親水性繊維を混合して調湿性を持たせ、ガスセンサ２の湿度依存性を小さくする。

２８はフィルタで、通気性と導電性がある活性炭のシートであり、リッド２と第１の導電性膜８との間に配置され、これらを電気的に接続する。ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ等の他の吸着剤に導電性粒子を混合し、繊維状のバインダにより成形したシートも、フィルタ２８として使用できる。

ガスセンサ２の製造過程を説明する。図５に示すように、ハウジング４は３つの層３０〜３２から成り、例えば、層３０の両面に配線２１，２２，２４を形成し、層３２の頂面２５に金属層１６を形成し、層３０〜３２を重ねて焼成することにより製造する。配線２０，２３は層３０〜３２と同時に形成して同時に焼成しても良く、あるいは層３０〜３２の焼成後に形成しても良い。

ＭＥＡ６の上下に導電性ガス拡散膜８，１０を重ね、例えば導電性ガス拡散膜１０を凹み１３の底面１４に上に配置する。ＭＥＡ６と導電性ガス拡散膜８のいずれかの端部が平坦面１５により支持されるようにし、導電性ガス拡散膜８，１０の接触を防止するとと共に、平坦面１５よりも上方と下方とで雰囲気を分離する。

ガス拡散膜８上にフィルタ２８を重ね、リッド１２で凹み１３を覆い、シーム溶接によりリッド１２を金属層１６に溶接する。シーム溶接は、セラミックスパッケージへのＩＣチップの封止に用いられ、リッド１２を簡単かつ気密にハウジング４に固定できる。なおシーム溶接の代わりに、導電性接着剤による接着も可能である。

リッド１２により、フィルタ２８，導電性ガス拡散膜８，ＭＥＡ６，導電性ガス拡散膜１０が凹み１３の底面１４側へ押圧され、これらの部材は電気的に接続され、また位置も一定になる。導電性ガス拡散膜８，１０は加圧により薄くなり、加圧後の厚さは、導電性ガス拡散膜１０では壁面１８の高さにより定まり、導電性ガス拡散膜８では壁面１７の高さにより定まる。またＭＥＡ６と導電性ガス拡散膜８の端部が平坦面１５上にあるので、導電性ガス拡散膜８，１０が接触することはない。さらに壁面１８と導電性ガス拡散膜１０との隙間は、ＭＥＡ６と導電性ガス拡散膜８により覆われ、検出極側の雰囲気が対極側へ回り込むことを制限する。

ＭＥＡ６の検出極と対極は、ハウジング４の底面の配線２１，２４に接続され、プリント基板等の基板に、リフロー半田、導電性接着剤等によりガスセンサ２を実装できる。

図６は第１の変形例の電気化学ガスセンサ４２を示し、特に指摘する点以外は、図１〜図５の実施例と同様である。ガスセンサ４２では、ガス吸着剤から成るフィルタ４８を、リッド１２のガス導入孔２６の上部に配置する。ガス導入孔２６で通気量を絞る前のガスを処理するので、フィルタ２８に比べ、大きなフィルタ４８が必要である。

図７は第２の変形例の電気化学ガスセンサ５２を示し、特に指摘する点以外は、図１〜図５の実施例と同様である。図１〜図５での、中間に平坦面１５がある２段の凹み１３ではなく、平面視で長方形〜正方形の１段の凹み５３を用いて、ＭＥＡ６とガス拡散膜８，１０，フィルタ２８を収容する。５７は凹み５３の壁面である。

２ 電気化学ガスセンサ ４ ハウジング ６ ＭＥＡ
８，１０ 導電性ガス拡散膜 １２ リッド １３ 凹み
１４ 凹みの底面 １５ 平坦面 １６ 金属層
１７，１８ 壁面 １９ ハウジングの底面 ２０〜２４ 配線
２５ 頂面 ２６ ガス導入孔 ２８，４８ フィルタ
３０〜３２ 層 ３４ プロトン導電体膜 ３５ 検出極
３６ 対極 ４２，５２ 電気化学ガスセンサ ５３ 凹み
５７ 壁面

Claims (6)

1. 板状でかつ凹みを有するセラミックスのハウジングと、
   イオン導電性膜と、イオン導電性膜の表面の第１の電極と、裏面の第２の電極とを備えているＭＥＡと、
   第１の導電性ガス拡散膜と、第２の導電性ガス拡散膜と、
   前記凹みを覆うように、前記ハウジングに固着されている、金属のリッドとを有し、
   前記ハウジングは、前記凹みの底面からハウジングの底面へ延びる第１の電気配線と、前記凹みを取り囲む頂面から、ハウジングの底面へ延びる第２の電気配線とを備え、
   第１の導電性ガス拡散膜は、前記ＭＥＡと前記凹みの底面との間に配置され、かつ前記第１の電気配線に電気的に接続され、
   第２の導電性ガス拡散膜は、前記ＭＥＡと前記リッドとの間に配置され、かつ前記リッドに電気的に接続され、
   前記リッドは、前記頂面に固着されると共に、前記第２の電気配線に電気的に接続され、
   前記リッドにより、前記第２の導電性ガス拡散膜が前記ＭＥＡ側へ押圧され、
   前記リッドもしくは前記ハウジングの底面に、ガス導入部が設けられている、電気化学ガスセンサ。
2. 前記頂面上に金属層が設けられ、かつ前記リッドが前記金属層に溶接されていることを特徴とする、請求項１の電気化学ガスセンサ。
3. 前記リッドは、前記ガス導入部として、孔を備え、かつ前記ハウジングの底面は気密であることを特徴とする、請求項１または２の電気化学ガスセンサ。
4. 前記第２の導電性ガス拡散膜と前記リッドとの間に、導電性でかつシート状のガス吸着フィルタが設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの電気化学ガスセンサ。
5. 前記ＭＥＡ、第１の導電性ガス拡散膜、第２の導電性ガス拡散膜、前記凹み、前記ハウジング、及び前記リッドが、平面視で四角形であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの電気化学ガスセンサ。
6. 前記凹みは、底面と、底面を取り囲む第１の壁と、第１の壁の上部の平坦面と、平坦面を取り囲む第２の壁とを備え、第２の壁の上部に前記頂面が存在し、
   前記第１の導電性ガス拡散膜は、凹みの底面に接触し、かつ第１の壁に囲まれ、
   前記第２の導電性ガス拡散膜は第２の壁に囲まれ、
   前記ＭＥＡの端部もしくは前記第２の導電性ガス拡散膜の端部が前記平坦面上に位置することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの電気化学ガスセンサ。

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