JPH08201331A

JPH08201331A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH08201331A
Application number: JP7008012A
Authority: JP
Inventors: Takehisa Hamaguchi; 岳久濱口; Nobumasa Egashira; 信正江頭; Tomoo Kobayashi; 朋生小林; Mitsuyuki Imaizumi; 三之今泉; Tokushige Yokomatsu; 得滋横松
Original assignee: OPT D D MELCO LAB KK; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: OPT D D MELCO LAB KK; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】振動・衝撃、温度変化、結露水、雑ガスの影
響を受け難く、低消費電力で製造容易なガスセンサを得
る。【構成】複数の接続ピン２１が気密封止されているガ
ス透過性のない絶縁体で構成された接続端子１ａと、接
続ピンにワイヤ３で接続・架橋されたガスセンサ素子２
ａと、一端に測定対象ガス以外のガス吸着剤６が支持さ
れ、他端に接続端子と嵌合する形状を有する鏡筒７と、
この鏡筒を接続端子に嵌合させた時に形設された隙間に
介在される気密封止材のＯリング１０とからなり、鏡
筒、接続端子及び吸着剤によって形成され、ガスセンサ
素子が架橋状態で設置されている閉空間にセラミックス
繊維からなる緩衝充填材８を有するガスセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスセンサに関し、例
えばガス濃度を計測又は制御する分野に使用されるガス
センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は例えば実公平２−２０６８３号公
報に開示されている従来のＣＯ（一酸化炭素）ガスセン
サの構造を示す模式断面図である。図において、１は複
数の接続ピン２１が貫通し、この接続ピン２１とこれを
通す貫通穴との隙間が気密封止されているが、ガス透過
性を持たない例えば絶縁性の材質から構成された接続端
子（電子管等におけるステム相当品）である。２はガス
センサ素子であり、ワイヤ３によって接続ピン２１に架
橋状態で接続されている。４は片端（図の下側の端部）
が接続端子１と嵌合する形状を有する鏡筒であり、鏡筒
４の他端（図の上側の端部）に、２枚のガス吸着剤支持
シート５と粒状のガス吸着剤で構成されたフィルター６
とを具備している。なお、鏡筒４は接続端子１に嵌合す
ると共に、隙間は気密封止されている。

【０００３】次に、動作について説明する。ガスセンサ
素子２は、ＳｎＯ_２又はＩｎ_２Ｏ_３を主成分とする化合
物半導体の厚膜により構成されているが、通常数百度の
比較的高温に加熱して動作させている。高温に加熱する
ため、ＣＯ以外の有機ガス等にも反応し感度を示すよう
になっている。上記の構成において、被測定ガスはフィ
ルター６を通過してガスセンサ素子２に到達するため、
被測定ガス中に共存する有機ガス成分は全てフィルター
６を構成する吸着剤に捕捉される。すなわち、接続端子
１と鏡筒４とで形成されガスセンサ素子２を内包する閉
空間には、無機ガス成分のみが到達する。このため、有
機ガスが共存する被測定ガスであっても、目的とするＣ
Ｏ濃度の正確な測定が可能になるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のガスセンサでは、ガスセンサ素子が宙吊り
状態にあるため、外部からの振動や衝撃に弱く、また、
ガスセンサ素子は一定温度に加熱して使用するが、ガス
センサ内外を隔てるものが鏡筒、接続端子だけであり、
放熱量が大きいので消費電力が大きいことや、外部の温
度変化の影響を受け易いという問題があった。また、フ
ィルターとして設ける吸着剤は比表面積が大きい方が雑
ガス吸着能力が大きいので、粒状のものよりも粉末のも
のの方が望ましいのであるが、吸着剤を支持する吸着剤
支持シートとしてこれまでステンレスメッシュが使用さ
れてきたが、その細孔径として〜４０μｍ程度のものし
か得られず、これより平均粒径の小さな粉末状の吸着剤
が使用できなかった。また、接続端子と鏡筒との間に気
密を保つためのシール材を挾着するようになっているた
め、製造上の作業効率が悪かった。さらに、上述のガス
センサを例えば寒冷地の室内に放置した場合、暖房の使
用等により生じた結露水がガスセンサ内部に浸入し、ガ
スセンサ素子に到達することにより性能劣化させるとい
ったように、結露水の影響を受け易いという問題等もあ
った。

【０００５】この発明は、上述の問題点を解決するため
になされたもので、まず、第１の目的は、外部からの振
動、衝撃や温度変化の影響を受け難く、かつ消費電力の
小さなガスセンサを得ることである。また、第２の目的
は、雑ガスのガスセンサ素子への到達を防ぐような吸着
能力の高いフィルターを持つガスセンサを得ることであ
る。さらに、第３の目的は、製造が容易なガスセンサを
得ることであり、そして、第４の目的は、結露水の影響
を受けないガスセンサを得ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るガスセン
サは、複数の接続ピンが貫通状態で気密封止されている
ガス透過性のない材質で構成された接続端子と、接続ピ
ンにワイヤで接続・架橋されたガスセンサ素子と、一端
に測定対象ガス以外のガス吸着剤が支持され、他端に接
続端子と嵌合する形状を有する鏡筒と、この鏡筒を接続
端子に嵌合させた時に形設された隙間に介在される気密
封止材とからなり、鏡筒、接続端子及び吸着剤によって
形成され、ガスセンサ素子が架橋状態で設置されている
閉空間に緩衝用の充填材を有するものである。

【０００７】上述の構成において、緩衝用の充填材はセ
ラミックス繊維からなるものであることが好ましい。

【０００８】そして、鏡筒に設けられる吸着剤の支持シ
ートは、金属繊維焼結体、発泡金属、多孔質セラミック
ス、多孔質ガラス及びセラミックス繊維焼結体の内のい
ずれか一種のシートを使用するのが好都合である。

【０００９】また、鏡筒と接続端子とを嵌合させた場
合、その間に形設された隙間にＯリングを介在させて気
密封止を行うようにするとよい。

【００１０】さらに、吸着剤の支持シートの少なくとも
一つを撥水性を有する高分子多孔質シートで覆うとさら
に好都合である。

【００１１】

【作用】この発明においては、ガスセンサ素子が設置さ
れている閉空間内にセラミック繊維からなる緩衝充填材
を充填しているから、この充填材が外部からの振動・衝
撃を緩衝するので、ガスセンサ素子への振動・衝撃を吸
収する。同時に、充填材の断熱作用により、小さい電力
（ガスセンサ素子を加熱するためのヒーター用電力）で
ガスセンサ素子が動作できることに加えて、外部の温度
変化の影響を受け難くする。

【００１２】また、上述の例えば金属繊維焼結体のよう
な目の細かい吸着剤の支持シートを使用するので、粉末
状の吸着材の支持が可能となるので、粒度の小さい吸着
材を充填することが可能になり、雑ガスに対して吸着能
力の大きいフィルターを得ることができる。

【００１３】また、気密封止材としてＯリングを使用す
るので、接続端子にこのＯリングを乗せ、鏡筒を被せて
キャップをはめるという簡単な製造手順で接続端子と鏡
筒との気密が得られる。

【００１４】さらに、フィルターの吸着剤支持シートの
少なくともどちらか一つを撥水性を有する高分子多孔質
シートで覆うと、ガスセンサ素子への結露水の到達が防
止される。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）図１はこの発明によるガスセンサの一実施
例を示す模式断面図である。図１において、１ａは接続
端子、２ａはガスセンサ素子を示し、３はワイヤである
が、これらは前述の図６で示した従来例ガスセンサの部
品と同一構成乃至同一目的のものであるので、その説明
は省略する。８は例えばセラミックス繊維からなる充填
材であり、ガスセンサ素子２ａの周囲すなわち接続端子
１及び鏡筒７によって閉ざされた空間部分に充填されて
いる。図の上部の鏡筒開口部には、ステンレス繊維焼結
シートからなる２枚の吸着材支持シート９ａ及び９ｂが
装着され、その間に粉末状吸着材によってフィルター６
を形成している。なお、接続端子１においては、図にみ
られるように、絶縁物の上面より突出する接続ピン２１
の先端部分をできるだけ短くして、ガスセンサ素子２ａ
を取り付ける接続ピン２１が振動等によりぶれることの
ないようにしている。

【００１６】ここで、接続端子１ａの上面側周辺部には
段差１ｂが設けられており、一方、鏡筒７の内面中間部
は段差１ｂに対応する形で断面形状が凸型になるよう肉
厚になっている。すなわち、接続端子１ａと鏡筒７を後
述する方法で組み合わせた場合、図に示す段差１ｂの上
面と鏡筒７の凸型部の下面とで形成される空間部にＯ
（オー）リング１０が圧着されるような気密シール構造
となっている。また、接続端子１ａの段差１ｂにＯリン
グ１０を乗せた後、鏡筒７を被せ、キャップ１１ａの内
周面に設けた凹部分（例えば図示の三角溝）と、これに
対応する鏡筒７の外周面に設けた凸部分（例えば図示の
三角土手）とを嵌め合い、Ｏリング１０をプレスし、接
続端子１ａと鏡筒７を気密を保持した状態で固定してい
る。なお、キャップ１１ａの下側の底部は、装着時に接
続ピン２１が邪魔にならないように、穴１１ｃが設けら
れている。そして、上側のキャップ１１ｂにも同様な凸
部分、鏡筒７にも同様な凹部分が設けられていて、同様
な方法でキャップ１１ｂを鏡筒７に冠着してフィルター
６を押圧・固定するようになっていて、この発明による
ガスセンサが形成されている。ここで、キャップ１１ｂ
の天井部はガスが入り易いような大きなガス導入用の穴
１１ｄが設けられている。

【００１７】ここで、前述の吸着材支持シート９ａ及び
９ｂに使用した材料として、市販のステンレス繊維焼結
シートを例に取り上げ、その作用を説明する。このよう
なシートとして、日本精線（株）社からナスロンフィル
タメディアという商品名のものが販売されている。これ
は直径が１０μｍ前後のステンレス繊維からできた綿状
のフィルターを約１０００℃の高温で焼きながら加圧
し、フェルト状に加工したものである。ステンレス繊維
が焼結されて３次元的に複雑に入り組んでいるため、平
均粒径が数μｍの粉末状の吸着剤も脱落することなく支
持できるようになっている。このステンレス繊維焼結シ
ートの使用により、雑ガス吸着性能の高いフィルターを
備えたガスセンサを得ることができる。

【００１８】なお、上述の吸着材支持シート９ａ及び９
ｂには、上述のステンレス繊維焼結シートの外に、金属
繊維焼結シート、発泡金属、多孔質セラミックス、多孔
質ガラス又はセラミックス繊維焼結シート等を使用して
もよい。

【００１９】以下、この発明によるガスセンサの各種の
試験結果について説明する。まず、表１は、ガスセンサ
素子２ａとして固体電解質型炭酸ガスセンサを適用した
場合について、実施例１と実施例１のガスセンサからセ
ラミックス繊維の充填材８を取り除いた比較例（従来例
方式と類似の構造のもの）とを、センサ素子加熱時の消
費電力について比較した検討結果を示すものである。表
１から、センサ素子の周辺にセラミックス繊維を充填し
たもの（実施例１の試料）は、充填していないもの（比
較例の試料）に比べて、素子温度３５０℃〜５５０℃の
温度範囲において４．９〜８．６％程度の消費電力が低
減できることがわかる。

【００２０】

【表１】

【００２１】次に、同じく実施例１と比較例とについ
て、落下衝撃試験を行った結果を、図３及び表２に示
す。センサの試験条件は、いずれもガスセンサ素子２ａ
を線径０．１ｍｍφのＰｔ（白金）線４本で架橋した試
料に対して、同一条件で落下衝撃を加えた時のセンサ損
傷の有無を比較したものである。図３は実施例１の４個
のサンプルａ，ｂ，ｃ及びｄについて、１００Ｇの衝撃
をＸＹＺ３方向へ各３回印加した時の結果を、ぞれぞれ
感度勾配（上側図）及び出力電圧（下側図）について得
た特性図である。なお、両図において、横軸は衝撃前と
試験後の２回を示している。図にみられるように、いず
れの特性、いずれの試料も、実施例１の試料は衝撃履歴
後も何等の不具合は生じていない。これに対して、表２
は、比較例の試料について、１００Ｇの衝撃をＸ方向に
各１回印加した時の結果を示すものである。表２から明
らかなように、僅か１回の履歴で、全てのサンプルのワ
イヤに断線が生じている。このように、ガスセンサ素子
２ａの周囲をセラミックス繊維で充填することにより、
耐衝撃性が大幅に改善されることが確認された。

【００２２】

【表２】

【００２３】さらに、図４，５は、上記と同様の試料に
対して、結露サイクル試験を行った結果を示す感度勾配
及びセンサ出力電圧の特性図である。これらの実施例セ
ンサ試料（サンプルｅ，ｆ，ｇ及びｈ）及び比較例セン
サ試料（サンプルｉ，ｊ，ｋ，ｌ及びｍ）で用いている
固体電解質型炭酸ガスセンサでは、測定極（図示せず）
に結露耐性の低いアルカリ金属炭酸塩を使用している。
そのため、比較例試料では、図５にみられるように僅か
１７〜２７サイクルで測定極からアルカリ金属炭酸塩が
流出し、センサ出力電圧、感度勾配ともに劣化した。こ
れに対し、図４にみられる実施例試料の場合は、１５０
サイクルの履歴後もセンサ出力電圧、感度勾配ともにほ
とんど変化しなかった。これは、実施例試料の場合は、
充填材８として使用しているセラミックス繊維がアルカ
リ金属炭酸塩の流出を妨げているためである。つまり、
結露水中に溶け出したアルカリ金属炭酸塩は、測定極と
接するセラミックス繊維に保持されるため、乾燥後も測
定極から脱落することはほとんどないと考えられるから
である。このように、固体電解質型炭酸ガスセンサをガ
スセンサ素子に用いた場合、セラミックス繊維を充填す
ることにより、結露耐性が大幅に改善されることが明ら
かである。

【００２４】（実施例２）図２はこの発明によるガスセ
ンサの他の実施例を示す模式断面図である。図２におい
て、部品符号１２以外の符号は前述の図で示した実施例
ガスセンサの部品と同一構成のものであるので、その説
明は省略する。この実施例では、図１の実施例で示した
フィルター８の吸着剤支持シート９ａ，９ｂの内の少な
くとも１つを撥水性を有する高分子多孔質シート１２で
覆ったものとなっている。このような高分子多孔質シー
トとして、ジャパンゴアテックス（株）社より市販され
ているゴアテックス（商品名）がある。これはテフロン
（ポリテトラフルオロエチレンの米国デュポン社の商品
名）を加工してできた多孔質シートであり、３５０℃の
耐熱性を有し、気体分子は透過するが撥水性を有するも
のである。このようなこの実施例構成により、ガスセン
サの特性を損なうことなく、結露水の侵入を防ぐことが
でき、実施例１で説明したような結露水による性能劣化
の問題は生じなくなる効果がある。

【００２５】なお、上述の説明において、実施例１及び
２のガスセンサとして、固体電解質型炭酸ガスセンサの
場合を例にとって説明したが、この発明のガスセンサ
は、炭酸ガス（ＣＯ_２）のセンサに限定するものでな
く、他のガス例えばＣＯ，Ｏ_２等の一般ガス用のセンサ
にも適用可能である。また、上述の実施例において、充
填材の材質としてセラミック繊維である場合について説
明したが、セラミック繊維に限定されるものでなく、同
様の機能を有する材質からなるものであればよいことは
言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、ガスセ
ンサ内のガスセンサ素子の周囲の空間にセラミックス繊
維からなる充填材を充填するので、その緩衝作用によ
り、耐震性及び耐衝撃性が向上したガスセンサを得るこ
とができる効果が得られた。この場合、断熱効果を発揮
するので、消費電力が小さく、かつ外部温度の影響を受
けにくいガスセンサが得られる利点がある。さらに、今
のべたように低消費電力であるため、ガスセンサ自身の
防爆性を向上することが可能となる。そして、耐結露性
を持つガスセンサとすることが容易である。

【００２７】また、固体電解質型炭酸ガスセンサに限っ
た利点として、センサ素子が結露状態にある場合でも、
上述の充填材がセンサ素子表面の金属炭酸塩の流失を防
止することができるので、結露耐性を向上させる効果が
ある。

【００２８】フィルター部の吸着剤支持用シートにステ
ンレス繊維焼結シートを用いるので、粉末状の細かい吸
着剤の充填が可能となり、雑ガス吸着性能の優れたフィ
ルターを備えたガスセンサを得ることができるため、測
定対象のガスに対する正確度及び測定精度が高くなる。

【００２９】センサ全体の組み立てにおいて、接続端子
と鏡筒とを鏡筒とキャップとの嵌め合いとＯリングによ
って固定する構成としたから、製造が容易となり、製造
コストの低下にも寄与する。

【００３０】さらに、フィルターの吸着剤支持シートの
少なくとも一つを高分子多孔質シートで覆うようにした
場合は、結露が生じた場合でも、結露水の影響を受けな
いガスセンサを得ることのできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるガスセンサの一実施例を示す
断面図である。

【図２】この発明によるガスセンサの他の実施例を示
す断面図である。

【図３】この発明の第１実施例の耐衝撃試験の結果を
示す線図である。

【図４】この発明の第１実施例の耐結露試験の結果を
示す線図である。

【図５】従来のガスセンサの耐結露試験の結果を示す
線図である。

【図６】従来のガスセンサを示す断面説明図である。

【符号の説明】

１，１ａ接続端子、１ｂ段差、２，２ａガスセン
サ素子、３ワイヤ、４，７鏡筒、５，９ａ，９ｂ
吸着剤支持シート、６フィルター、８充填材、１０
Ｏリング、１１ａ，１１ｂキャップ、１１ｃ，１１
ｄ穴、１２高分子多孔質シート、２１接続ピン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江頭信正鎌倉市大船二丁目14番40号三菱電機株式会社住環境研究開発センター内 (72)発明者小林朋生鎌倉市大船二丁目14番40号三菱電機株式会社住環境研究開発センター内 (72)発明者今泉三之東京都東久留米市八幡町１丁目２番９号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者横松得滋東京都東久留米市八幡町１丁目２番９号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の接続ピンが貫通状態で気密封止さ
れているガス透過性のない材質で構成された接続端子
と、前記接続ピンにワイヤで接続・架橋されたガスセンサ素
子と、一端に測定対象ガス以外のガス吸着剤が支持され、他端
に前記接続端子と嵌合する形状を有する鏡筒と、この鏡筒を前記接続端子に嵌合させた時に形設された隙
間に介在される気密封止材とからなり、前記鏡筒、前記
接続端子及び前記吸着剤によって形成され、前記ガスセ
ンサ素子が架橋状態で設置されている閉空間に緩衝用の
充填材を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】前記の充填材はセラミックス繊維によっ
て形成されたものであることを特徴とする請求項１記載
のガスセンサ。
【請求項３】前記鏡筒に設けられる前記吸着剤の支持
シートは、金属繊維焼結体、発泡金属、多孔質セラミッ
クス、多孔質ガラス及びセラミックス繊維焼結体の内の
いずれか一種のシートであることを特徴とする請求項１
記載のガスセンサ。
【請求項４】前記鏡筒と前記接続端子との間に形設さ
れた隙間に介在される気密封止材がＯリングであること
を特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項５】前記ガスセンサ素子は固体電解質型炭酸
ガスセンサ素子であることを特徴とする請求項１記載の
ガスセンサ。
【請求項６】前記吸着剤の支持シートの少なくとも一
つを撥水性を有する高分子多孔質シートで覆ったことを
特徴とする請求項１記載のガスセンサ。