JPH01213564A - 感湿素子およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 （産業上の利用分野） 本発明は大気中等における湿度を水の電気分解により湿
度−電流あるいは湿度−電圧変換して測定するための感
湿素子に関するものである。

（従来の技術） 湿度の測定をなすための感湿素子材として従来一般的に
セラミックスや高分子を用い、抵抗方式や静電容量方式
による検出手段のものが普通であるが、何れのタイプに
よるものも取扱いの簡易性、広範囲湿度の高精度測定、
長寿命性などを共に満足し得るものはなく、又腐食性雰
囲気での使用可能なものは殆んどないのが実情である。

これに対し水の電気分解を利用したガス中湿度測定方法
も例えば米国特許第４０８３７６５号明細書に示されて
いる。即ち陽イオン交換基としてスルフォン酸基を有す
るフッ素系陽イオン交換樹脂製チューブを用い、該チュ
ーブの内外に電極としてコイル状に白金を接触させたセ
ンサーが提案されている。即ち使用材料が本質的に耐食
性に優れたものであって腐食性雰囲気下の使用も可能で
あり、広温度範囲において湿度−電流特性の直線的相関
性も良好なものである。

又特開昭６０−３６９４７号公報においては、フッ素系
イオン交換樹脂膜の両面に電極を密着させた接合体を感
湿素子として使用することが提案されている。

更に特開昭６１−２６４２４７号公報においてはレジス
トインキを用いてイオン交換樹脂膜上に電極パターンを
形成させ、イオン交換樹脂膜の露出面積比率を増すこと
が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 前記した米国特許第４０８３７６５号のものでは、固体
ポリマー電解質であるフッ素系陽イオン交換樹脂チュー
ブに機械的強度をもたせるため、ある程度以上の膜厚を
必要とし、このため含水容量が大きくなり、静的雰囲気
での応答が長くなる欠点を有している。又長期使用にお
いても構造的にチューブと電極線コイルとの接触状態を
均一に保つことが困難であり、接触抵抗の変化に伴い出
力電流も変化するため信頼性に乏しい。更に接触が悪く
、接触抵抗の大きい場合の高湿度測定時には電流値が太
き（なり、接触部における発熱のため、チューブが劣化
する不利もある。

特開昭６０−３６９４７号のものでは上記のような接触
抵抗の問題は解決されるが、略全面が電極で覆われるた
め、感湿部となるイオン交換膜の露出部分が少くなり、
湿度変動に対する応答性が劣る。

又電極からは電解生成物である酸素または水素が発生す
るため周囲水蒸気の平衡を乱し、出力が安定し難い欠点
がある。

特開昭６１−２６４２４７号ではこれらの問題をレジス
トインキを用いて改善しているが、レジストインキパタ
ーンの形成除去工程を含んだ条件の複雑な化学メツキ法
により接合体を形成させなければならないため感湿特性
の再現性が得られ難く、歩留りの向上、製造コストの低
減は困難である。

「発明の構成」 （課題を解決するための手段） 本発明は上記したような水電解の原理に基く感湿素子に
関し、従来のものの問題点を解決し、応答性が良好で、
広温度範囲に高精度な湿度測定を可能とし、又長寿命、
高信頼性を有していて腐食性雰囲気下の水分測定、さら
には液体中の水分圧の如きをも測定可能で低度な感湿素
子を提案するものである。即ち本発明によるものは、耐
酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔質基体表面
に陽極および陰極となる１対の白金族金属からなる電極
およびフッ素系陽イオン交換樹膜がら成る電解式感湿機
構を一体的に形成したことを特徴とする感湿素子と、耐
酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔質基体の表
面に白金族金属からなる陽極および陰極を配設してから
フッ素系陽イオン交換樹脂溶液を塗布し、これを乾燥、
加熱してフッ素系陽イオン交換樹脂膜を形成することを
特徴とする感湿素子の製造法である。

（作用） 陰極と陽極間に通電し、水の電気分解の原理に従い、湿
度と電流、あるいは湿度と電圧を変換し感湿測定する。

多孔質基体に対し電極およびフ・ノ素系陽イオン交換樹
脂膜が安定に定着される。

感湿機構の表面に更にポリテトラフルオロエチレン多孔
質膜を基体とした被覆を施すことにより高湿度下での結
露ないし水分付着を防止しあるいは液浸型としても適切
に水蒸気圧と電流との関係を検出する。

上記したような本発明について更に説明すると、本発明
における耐酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔
質基体としては、多孔質ガラス材、八１０□、ＺｒＯ２
、ＳｉＣ、ＡＩＮ　Ｘ５ｉＮ　ＸＢＮ等のセラミックス
からなる多孔質体、あるいはＰＴＦＥ、　ＦＥＰ　。

ＰＦＡ　、　ＥＴＦＥなどのフン素樹脂からなる多孔質
体、好ましくはＡｌ１またはＰＴＦＥからなる多孔質体
、特に好ましくは耐食性に卓越し、吸水率が低く、通気
性が良好で、適切な機械的強度および柔軟性を有し、し
かも後述するフッ素系陽イオン交換樹脂の密着性に優れ
ているなどの観点から延伸多孔質ＰＴＦＥが挙げられる
。この形状は必要な感湿素子の構成に応じて平板型、円
筒型、円柱型（ソ’Ｊ　ｙト）などの何れでもよい。

上記のような多孔質基体の表面に陽極および陰極となる
１対の白金族金属からなる電極およびフッ素系陽イオン
交換樹脂膜とからなる電解式感湿機構を形成するが、こ
の機構としては下記の何れのものでもよい。

■　多孔質基体上に陽極および陰極をあらかじめ形成し
、あるいは密着固定した後、フッ素系陽イオン交換樹脂
溶液を塗布し乾燥加熱して皮膜を形成する。

■　多孔質基体上に陽極または陰極の何れか一方を形成
し、あるいは密着固定した後、フッ素系陽イオン交換樹
脂溶液を塗布し乾燥加熱して皮膜を形成し、その後上記
のように基体上に形成または密着固定した一方の電極と
対をなす他方の電極（陰極または陽極）を前記皮膜上に
形成または密着固定する。場合によっては更にこのもの
の上にフッ素系陽イオン交換樹脂溶液を塗布して乾燥加
熱することにより、皮膜を複合形成する。

■　多孔質基体上にフッ素系陽イオン交換樹脂溶液の塗
布、乾燥、加熱することにより皮膜を形成した後、該皮
膜の表面に陽極および陰極を形成する。場合によっては
このものの上に更にフッ素イオン交換樹脂溶液を塗布、
乾燥、加熱して外層皮膜を形成させてもよい。

上記した■〜■の中で、■によるものは感温部であるフ
ッ素系陽イオン交換樹脂膜を隔てて片面の多孔質基体側
のみに酸水素ガスが発生し、直接感湿面となる反対側の
面は被感湿ガスのみに曝されるため湿度平衡を乱さず、
感湿面積も大きくなるものであるから好ましい形式と言
える。

何れにしても電極の材質としては、フッ素系陽イオン交
換樹脂が酸性であり、またこの感湿機構が本質的に水電
解であって発生期の酸素、水素に曝されるため、化学的
安定性の面からｐｔ、　、　Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕｓ　Ｒｄ
などの白金族金属またはこれらの合金あるいは酸化物が
好ましい。又これらの電極を形成する方法としては印刷
法、メツキ法、蒸着法、スパッタリング法、プラスチッ
ク、特にＰＴＦＥとの混練物を塗布後、加熱プレスする
方法、線材またはパターンを形成した箔を融着するか、
あるいは単に物理的に密着させる方法の如きの何れでも
よい。一般に感湿素子形状を平面型とする場合には印刷
法、メツキ法、蒸着ないしスパッタリング法が有利であ
り、円柱型または円筒型とする場合にはそれ以外の方法
、特に線材または線条体を巻きつけて固定する方法が好
ましい。何れにしても電極形成後にフッ素系陽イオン交
換樹脂溶液を塗布乾燥加熱することにより皮膜を形成す
る場合には電極と皮膜との密着は非常によいものとなる
が、線材または線条体を使用した場合には更に密着をよ
くするためその表面を機械的に粗くしたり、白金ブラッ
クメツキ等の粗面化処理を行ってもよい。

一方フッ素系陽イオン交換樹脂皮膜の上に電極を形成す
る場合には、密着あるいは接着性の弱い場合には更にフ
ッ素系陽イオン交換樹脂液を塗布することにより密着性
を向上させることができる。

次にフッ素系陽イオン交換樹脂膜としては耐酸化性、耐
熱性などの観点からフッ化炭素重合体を基体としたイオ
ン交換膜が好ましく、このようなものとしては例えばデ
ュポン社の市販製品Ｎａｆｉｏｎ（商品名）がある。こ
れはテトラフルオロエチレンとスルホニルフロライドビ
ニルエーテルの共重合体で、スルホン酸基を交換基とす
るものである。

またこの共重合体溶液は、濃度５％程度のアルコール溶
液として入手可能であるが、本発明感湿素子においては
該共重合体に拘泥するものでなく、フッ素系陽イオン交
換樹脂溶液として得られるものであれば同様に使用し得
る。例えば交換基としてカルボキシル基を有するものや
、スルホン酸基またはカルボキシル基に交換し得る基を
有するものであってもよい。要するに安定したＨ゛伝導
可能であり、溶液として得られるものであれば使用可能
である。又交換基容量に関しても湿度検出時の出力電流
は変るが、殊更に支障とはならない。

而して本発明においてはこのフッ素系陽イオン交換樹脂
皮膜は、上記溶液を塗布、乾燥、加熱して形成すること
を必須とするが、これは電極との密着性のよい皮膜を形
成するため、および可及的に薄い皮膜とするために必要
なことであって、電極との密着性がよいことにより長寿
命で安定した性能が得られ、薄膜とすることにより応答
性の良好なものが得られる。皮膜形成後の加熱により皮
膜を安定な水不溶性のものとすることができるが、加熱
温度としては用いる樹脂によって異り、一般的には１０
０〜３００℃程度である。皮膜の厚さとしては０．５μ
ｍ以上で、−ｉには２００μｍ程度以下とし、特に２０
μｍ程度以下とすることにより応答性の優れたものとす
ることができる。又この溶液に造孔剤を混入させ、ある
いは塩素系溶剤等の貧溶媒を混入させる等の方法によっ
て該樹脂皮膜を多孔質としてもよい。このように多孔質
とすることにより該樹脂皮膜の相対的な面積が増大し、
応答性が向上すると同時に生成ガスの拡散を容易とし、
特性を安定化することができる。前記皮膜の形成に当り
、塗布、乾燥あるいは塗布、乾燥、加熱を２回以上繰返
してもよい。

上記したような皮膜の支持体として本発明においては多
孔質基体に限定しているが、多孔質基体に該樹脂溶液を
塗布皮膜化することにより一般に接着力の弱いフッ素系
陽イオン交換樹脂膜をアンカー効果によって強固に固着
させることができ、これによって薄膜の形成が容易とな
ると共に該皮膜の状態および該皮膜と電極との密着状態
が長期に亘って良好に保たれることとなる。又さらに密
着性を増すためにフッ素系陽イオン交換樹脂溶液中に他
のフン素樹脂溶液または例えばＰＴＦＥ、　ＦＥＰ等の
分散液などを混合した後、塗布乾燥加熱し、更にイオン
交換基を例えば５ｏ２Ｎａのような金属塩型とした後、
該フン素樹脂の融点以上の温度に加熱し、その後に再び
塩酸などにより酸型（Ｓ０３８など）のイオン交換基と
して形成してもよい。

上記のように多孔質基体に予め電極を形成させてから皮
膜を形成させる場合においては湿度検出時に電極から発
生する酸素または水素ガスを多孔質基体中の孔隙を通し
て速かに拡散させることができる。

以上のようにして得られた感湿素子に対し、更に保護膜
としてＰＴＦＥ多孔質膜を基体としたカバーを感湿機構
の表面に形成することは実地的に有効である。即ち上記
のような感湿素子の感湿皮膜が油分や金属イオンなどの
付着によってその性能が劣化することを防止するため、
および測定雰囲気下における気体流動の影響を小さくす
るため、更には高湿度下での結露あるいは水分の付着を
防止し、あるいは液浸型の水分測定素子として使用する
場合において感湿皮膜が直接に液と接触することを防止
して水薄気圧と電流密度の関係を検出するような目的に
おいて上記保護膜を形成することは枢要である。これら
の目的をその組織および材質的に何れも有効に達成する
ＰＴＦＥ多孔質膜は感湿皮膜形成時にフッ素系陽イオン
交換樹脂溶液を接着剤兼用として一体に接着形成しても
よく、又感湿皮膜形成後、あるいは感湿素子として完成
後単につつみ込むように被せるのみでもよい。又必要な
らばこの多孔質ＰＴＦＥ保護膜の外表面に更に透湿性を
有する非多孔質のポリマー、例えばシリコンゴム、親水
性ウレタンあるいは上記したような感湿皮膜と同様なポ
リマーなどによる皮膜を形成してもよい。

本発明によるものの具体的な実施例について説明すると
以下の如くである。

実施例１ 孔径０．２　ｐ　ｍで、空隙率４０％、厚さ０．５ｎの
アルミナ製多孔質板（１０Ｘ８ｍｍ）を準備し、該多孔
質板の表面にスクリーン印刷法により白金ペーストを櫛
歯状に塗布した電極を対設し、焼成することにより１対
の白金電極を形成した。

次いでこのものの表面にテトラフルオロエチレンとスル
ホニルビニルエーテルの共重合体溶液を塗布し、風乾し
た後、１３０℃で６０時間加熱して皮膜を形成した。こ
のようにして得られた感湿素子の電極間にポテンショス
タートを用い、印加電圧５ＵＶの場合について相対湿度
ＲＨと電流密度の関係を求めた結果は第１図に示す如く
であり、極めて的確な直線的相関関係を採るものである
ことが確認された。

又この感湿素子を３０℃の温度条件下で、湿度８４％と
１１％の環境間において移し替え、その応答性を調査し
たところ、２分以内に略安定した電流値を示した。

更にこの感湿素子を温度５０℃で、相対湿度が８０％の
雰囲気下において、その経時変化を検討したところ、５
００時間経過後においてもその電流値は殆んど変化しな
かった。

実施例２ 内径が８ｍで、外径１８１ｍの延伸多孔質ＰＴＦＥチュ
ーブ（商品名ボアテックスチューブ）を用意し、このも
のの中空孔に芯材として８龍径のピアノ線を挿入してか
ら該チューブ１の外面に第２図に示すように１対の径５
０μｍである白金線２を０．５鶴ピツチでスパイラル状
に巻きつけ、その端部をＦＥＰ熱収縮チューブ３で固定
し、次いでフッ素系イオン交換樹脂溶液であるテトラフ
ルオロエチレンとスルホニルフロライドビニルエーテル
の共重合体溶液を塗布し、乾燥してから１５０℃で１２
時間の加熱を３回繰返して感温部の保護膜４を形成し、
このようにしてから前記芯材を同じく８ｍｌ径の３フン
化塩化エチレン製モノフイラメントを交換し第２図に示
すような感湿素子を得た。

上記のようにして得られた素子について実施例１におけ
ると同じに相対湿度ＲＨと電流密度との関係を評価した
結果は第３図の如くであって、的確な直線的相対関係を
有することが確認された。

又応答性に関しては、略１分間以内に安定した電流値が
得られ、実施例１のもの以上に優れた応答性を有し、更
に経時変化は殆んど認められなかった。

なおこの感湿素子に保護膜として内径１９朋で、外径２
２Ｂの延伸多孔質ＰＴＦＥチューブを被覆して同様の試
験を行った結果は上記したところと同然であり、しかも
このものは空気流動による影響を受けることが殆んどな
く、この点において頗る優れたものであることが確認さ
れた。

実施例３ 上記した実施例２で使用した保護膜つきの感湿素子を各
種濃度の硫酸水溶液中に入れ、硫酸濃度−電流密度の関
係を調査したところ第４図のような結果が得られた。

更にこの素子を６０℃、４０％濃度の硫酸水溶液中にお
いて電圧印加状態で５００時間保持した後、再度硫酸濃
度−電流の関係を調査したところ、第４図と略同様の関
係が得られた。

なお本発明者等は電極として白金以外の前記したような
白金族金属を用いることについても検討したが何れも好
ましい上記実施例の場合に準じた作用効果を得ることが
できた。

「発明の効果」 以上説明したような本発明によるときは腐食性雰囲気下
、１２０℃までのような高温且つ高湿度雰囲気において
卓越した応答性、安定性ないし耐久性を有し、又適宜に
保護膜を付加することにより液中での湿度測定などをも
可能となし、更にはその製作が容易で比較的低コストに
優賞の製品を提供することができるなどの効果を共に有
しており、工業的にその効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであって、第１図
は本発明の実施例１によるものの相対湿度と電流との関
係を示した図表、第２図は本発明の実施例２による製品
の１例についての構成関係を斜面図的に示した説明図、
第３図はその相対湿度と電流との関係を示した図表、第
４図はその硫酸濃度と電流との関係を示した図表である
。 然してこれらの図面において、１は耐酸化性、耐還元性
および耐酸性を有する多孔質基体、２は白金族金属から
なる電極、３は熱収縮チューブ、４はフッ素系陽イオン
交換樹脂膜を示すものである。 特許出願人　　ジャパンゴアテックス株式会社発　　　
明　　　者　　　加　　　胚　　　　　　　博同　　　
　　　　　　　　鳥　　　養　　　栄　　　−第　　／
　　醜 ＲＩＪ（％） 熱収縮千二−フ 第　　Ｊ　　圓 ＲＮ（〆）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．　耐酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔質
   基体表面に陽極および陰極となる１対の白金族金属から
   なる電極およびフッ素系陽イオン交換樹脂膜から成る電
   解式感湿機構を一体的に形成したことを特徴とする感湿
   素子。
2. ２．　フッ素系陽イオン交換樹脂膜が多孔質である請求
   項１に記載の感湿素子。
3. ３．　耐酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔質
   基体がセラミックス多孔質体またはフッ素系樹脂多孔質
   体である請求項１または２の何れか１つに記載の感湿素
   子。
4. ４．　電解式感湿機構の表面に更にポリテトラフルオロ
   エチレン多孔質膜を基体とした被覆を設けた請求項１〜
   ３の何れか１つに記載の感湿素子。
5. ５．　耐酸化性、耐還元性および耐酸性を有する多孔質
   基体の表面に白金族金属からなる陽極および陰極を配設
   してからフッ素系陽イオン交換樹脂溶液を塗布し、これ
   を乾燥、加熱してフッ素系陽イオン交換樹脂膜を形成す
   ることを特徴とする感湿素子の製造法。
6. ６．　フッ素系陽イオン交換樹脂溶液を塗布し乾燥して
   から１００〜３００℃に加熱し形成された皮膜を水不溶
   性とする請求項５に記載の感湿素子の製造法。