JP2006317404A - 電気化学ガスセンサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【構成】 センサ本体４のメタル缶８の底面に、疎水性導電膜１２，１６、検知部１４、拡散制御板２６等をセットし、ガスケット３０でキャップ２０をメタル缶８にかしめる。センサ本体４を金属製の水溜６のくびれ部３４の上部で支持し、かしめ部３７でかしめる。
【効果】 ガスセンサの製造が容易で特性のばらつきが少ない。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液体電解質ガスセンサやプロトン導電体ガスセンサなどの電気化学ガスセンサとその製造方法とに関する。

特許文献１は、ボタン電池形のプロトン導電体ガスセンサを開示している。このセンサでは、プロトン導電体膜の両面に検知極と対極とを接続したＭＥＡを浅いメタル缶に収容し、メタル缶の底部の開口から検知極へガスを供給する。ＭＥＡの上部には開口のないカウンタ電極板を取り付け、ガスケットによりカウンタ電極板をメタル缶に気密に取り付ける。このためメタル缶とカウンタ電極板とがセンサの外部端子となり、センサ各部の接続はかしめによる圧力で保たれる。

特許文献２では、ＭＥＡを一対の金属板の間に挟み込み、上下の熱収縮性フィルムで金属板を覆い、フィルムを熱収縮させたセンサ本体を開示している。熱収縮に伴う圧力で、ＭＥＡの内部や金属板との接続が保たれ、金属板をフィルムから突き出させた部分が外部端子となる。また開口を備えた水溜のパックに熱収縮フィルムを取り付け、センサ本体のフィルムの開口と水溜のパックの開口とを接続して、対極へ水蒸気を導入する。

特許文献３の図１１は、特許文献２と類似のガスセンサを開示している。しかしながらこれらのガスセンサはいずれも実用化されていない。特許文献１のガスセンサは水溜がないので、乾燥雰囲気では動作しない。特許文献２のガスセンサでは、水溜へのセンサ本体の取付の信頼性に疑問がある。

このため発明者らは、特許文献３の図１のガスセンサを実用化してきた。このセンサでは深いメタル缶の上部にくびれを設け、ワッシャをくびれで支持する。ワッシャの下部のメタル缶内のスペースを水溜とし、ワッシャに設けた開口から水蒸気を対極へ導入する。ワッシャの上部には固体電解質や液体電解質を用いた検知部を配置し、その上部にフィルタ材を収容したキャップを被せて、メタル缶とキャップとをガスケットを介してかしめる。検知部の内部やワッシャ、キャップとの接続、ワッシャとメタル缶の接続はかしめの圧力で保たれ、ワッシャの周囲からの水漏れも同様にかしめの圧力とガスケットで防止される。

しかしながら特許文献３の図１のガスセンサは、メタル缶内のワッシャの上部に検知部とキャップとガスケットを配置して製造するので、各部材の位置決めが難しい。
ＵＳＰ５５７３６４８ ＷＯ ２００２／０９７４２０Ａ１ ＷＯ ２００４／０１１９２３Ａ１

この発明の課題は、製造が容易で特性のばらつきの少ない電気化学ガスセンサと、その製造方法と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、
水蒸気導入孔を有しかつ底浅の金属のケーシング内に、少なくとも対極と、液体もしくは固体の電解質膜と、検知極とを備えた検知部が配置され、検知部の上部にかつ検知部と導電的に接続された金属製の蓋が配置され、かつガスケットにより前記蓋の周囲とケーシングとがかしめられたセンサ本体と、
前記ケーシングの底面を支持すると共にケーシングの外周面にフィットしさらに前記センサ本体が導電的に固着されたリセスと、少なくとも該リセスから外部との接続位置までの導電性パスとを有する水溜、とからなる。外部との接続位置は、例えば水溜の底部やリセスの外表面とする。

好ましくは、前記水溜が中間にくびれを有し下部に底のある金属製の筒で、該くびれ部の上部に前記センサ本体のケーシングが固着され、かつくびれの下部のスペースに水が保持されている。
また好ましくは、前記水溜が底板付きのリセスを上部に備えた箱状の部材で、該リセスに前記センサ本体が導電的に固着され、かつ前記箱の内部のスペースに水が保持されている。

好ましくは、前記リセスで水溜とセンサ本体のケーシングとがかしめられている。
特に好ましくは、前記リセスの裏面とケーシングの表面との間が、シール剤により気密にシールされている。
また好ましくは、前記リセスで水溜とセンサ本体のケーシングとが導電性接着剤により気密に固着されている。

この発明の電気化学ガスセンサの製造方法は、水蒸気導入孔を有しかつ底浅の金属のケーシング内に、少なくとも対極と、液体もしくは固体の電解質膜と、検知極とを備えた検知部をセットし、検知部の上部にかつ検知部と導電的に接続するように金属製の蓋を配置して、ガスケットにより蓋の周囲とケーシングとをかしめてセンサ本体を製造するステップと、
製造後のセンサ本体を検査するステップと、
前記ケーシングの外周面にフィットしかつ前記ケーシングの底面を支持する底部を備えたリセスと、少なくとも該リセスから外部との接続位置までの導電性パスとを備えた水溜の、リセスの底部で検査済みのセンサ本体のケーシングを支持するように、導電的に固着するステップとからなる。

この発明では、水溜にではなく、底浅のケーシング内に検知部の各部材をセットすればよいので、これらの位置決めが簡単で、蓋をガスケットでかしめる際にこれらの部材が移動することが少ない。このため製造が簡単で、かつ各部材を所定の位置にセットしやすいので、センサの特性のばらつきが少ない。

センサのエージングや保管はセンサ本体のみで行うことができ、またセンサ本体のみで検査できるので、良品のみを水溜に固着すれば良い。さらにセンサ本体を水溜に固着するまでは水溜の水は消費されず、かつセンサの寿命は水溜の水が失われることにより定まるので、センサの寿命を延ばすことができる。

センサ本体は水溜のリセスにフィットするように固着されるので、水溜からセンサ本体が脱落したり、水溜に対するセンサ本体の位置が狂うことがない。水溜は例えば金属製とするが、導電性プラスチック製としてもよい。あるいはまた少なくともリセスの内周面や底面から外部との接続位置までを、金属ストリップや金属膜などで接続しても良い。この発明では水溜をセンサ本体の金属ケーシングに導電的に接続できるので、一方の電極の外部端子にでき、金属の蓋が他方の端子となる。またセンサ本体は水溜とは別個の部材で、水溜からセンサ本体内に液体の水が侵入する恐れが少ない。

ここでケーシングとリセスの隙間から水蒸気が失われる可能性がある。そこで好ましくはケーシングをリセスにかしめる場合、その間をシーリング剤で気密に封止する。また好ましくはケーシングを導電性接着剤でリセスに固着し、導電性接着剤によるリセスとケーシング間の隙間を封止する。

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、実施例とその変形とを示す。図１において、２はガスセンサで、４はセンサ本体で、６は水溜である。なおセンサ本体４の構造は、実施例と各変形例とを通して共通である。センサ本体４は浅いメタル缶８を備え、その底面に水蒸気導入孔１０を備えている。１２，１６は疎水性導電膜で、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオラエチレン）などで疎水化した、通気性のカーボンシートである。検知部１４は例えば固体のプロトン導電体膜や、水酸イオン導電体膜などの電解質膜の表裏に、検知極と対極とを配置したものなどから成り、対極をメタル缶８側に向け、検知極をその反対側に向ける。検知部１４には液体電解質膜を用いても良く、この場合硫酸やＫＯＨ水溶液、あるいはＭｇＳｏ₄，各種の有機スルホン酸化合物の水溶液などを多孔質のセパレータに保持させる。好ましくはセパレータの両面にプロトン導電体膜などの固体電解質膜を配置し、その外側に検知極と対極とを配置する。なお電解質の種類自体は任意である。

１８はシール剤で、２０は金属製のキャップであり、その内部に活性炭やゼオライトなどのフィルタ材２２を収容し、２４，２５は検知ガスの導入用の開口である。開口２５と疎水性導電膜１６との間に、金属の拡散制御板２６を配置し、拡散制御孔２８から検知ガスを供給する。拡散制御板２６は図示しない検知極へのガスの拡散を制限できる部材であればよい。

３０はガスケットで、３２はシール剤で、ガスケット３０とメタル缶８の内面との間のスペースを封止する。またシール剤３６は、メタル缶８の外面と金属の水溜６の内面の間を気密に封止する。さらに水溜６は底のある筒状の部材で、その中央部よりやや上部にくびれ部３４を設けて、この部分でセンサ本体４を支持する。センサ本体４の側面、即ちメタル缶８の側面は、シール剤３６により絶縁されているので、メタル缶８の底部のエッジをくびれ部３４に当接させて導電性を確保する。また水溜６はかしめ部３７により、メタル缶８の上部にかしめられ、これらの間にも前記のシール剤３６がある。水溜６の下部には水３８が保持され、これは液体の水でもゲル化した水でも良い。

図３に変形例のガスセンサを示す。センサ本体４は図２にもので、円筒状もしくは直方体状の水溜４０の蓋４２に、底板４４を溶接部４６で溶接して固着する。４５は水蒸気導入孔である。蓋４２はこの部分でプレス加工などにより突起４８に変形されており、突起４８の内側と底板４４とから成るリセスに、センサ本体４をかしめ部３７でかしめ、その間をシール材３６で気密に封止する。かしめ部３７からの圧力により、メタル缶８は底板４４に押し付けられ、溶接部４６を介して蓋４２へと電気的接続が保たれる。また蓋４２はかしめ部５０で水溜４０の他の部分にかしめられている。

図３のガスセンサの製造に当たっては、蓋４２に底板４４を溶接した後、センサ本体４をかしめ、次いでかしめ部５０をかしめるとよい。

図４に他の変形例のガスセンサを示す。この場合も水溜５２は筒状もしくは直方体状の形状をし、その蓋５４を下側にプレス変形させてリセス５８を形成する。センサ本体４をリセス５８にセットし、メタル缶８とリセス５８の裏面とを導電性接着剤５６により固着する。導電性接着剤には例えばアクリル樹脂などにＣｕ粉などの金属粉を混入したものなどを用いると良い。この場合水３８の水面が、メタル缶８の底面よりも上部に来る場合、例えばＰＴＦＥ膜などの通気性のある防水膜６０を底板４４とメタル缶８との間に配置して防水すると良い。

実施例や変形例では、センサ本体４は水溜のリセスにセットされ、かしめや導電性接着剤により固着される。センサ本体４の周囲はリセスの内側にフィットし、これらの間の隙間は導電性接着剤で封止され、あるいはシール材３６で封止される。これによってこの隙間から水蒸気が蒸発し、水溜の水が失われるのを防止できる。さらにセンサ本体４はリセス内に固着されているので、水溜から脱落したり、あるいは水溜に対して不適切な位置に移動したりすることがない。

センサ本体４の組立では、浅いメタル缶８の底部に種々の部材をセットしてかしめれば良く、例えば図１のくびれ部３４の上に配置されたワッシャなどの上に部材を配置するのではないので、部材の配置が容易である。またこれに伴って部材の位置精度も高く保つことができ、センサ特性のばらつきを小さくできる。メタル缶８は肉厚を薄くできるので、水蒸気導入孔１０を小さくできる。水蒸気導入孔１０を小さくすると、水溜の水３８の消費が少なくなり、ガスセンサ２の寿命を長くすることができる。

図５に、図１のガスセンサ２の製造工程を示すが、図３，図４の変形例の場合も同様である。メタル缶にＭＥＡやセパレータと固体電解質膜や電極膜、並びに疎水性導電膜などをセットし、さらに拡散制御板やシール剤１８などをセットする。次いでキャップ２０とガスケットとをセットし、かしめることによってセンサ本体４を完成する。

この段階でセンサ本体は完成したので、センサ本体のみを在庫し、適宜にエージングする。そして水溜に組み付ける前にセンサ本体を単独で検査し、例えばガス感度を測定する。良品のセンサ本体のみを選別し、水溜のリセスにセンサ本体をセットし、かしめや導電性接着剤などにより固着する。以上により、ガスセンサ２が完成する。

実施例のガスセンサの断面図 センサ本体の断面図 変形例のガスセンサの断面図 他の変形例のガスセンサの断面図 実施例のガスセンサの製造工程図

符号の説明

２ ガスセンサ
４ センサ本体
６ 水溜
８ メタル缶
１０ 水蒸気導入孔
１２，１６ 疎水性導電膜
１４ 検知部
１８ シール剤
２０ キャップ
２２ フィルタ材
２４，２５ 開口
２６ 拡散制御板
２８ 拡散制御孔
３０ ガスケット
３２，３６ シール剤
３４ くびれ部
３７ かしめ部
３８ 水
４０，５２ 水溜
４２，５４ 蓋
４４ 底板
４５ 水蒸気導入孔
４６ 溶接部
４８ 突起
５０ かしめ部
５６ 導電性接着剤
５８ リセス
６０ 防水膜

Claims (7)

1. 水蒸気導入孔を有しかつ底浅の金属のケーシング内に、少なくとも対極と、液体もしくは固体の電解質膜と、検知極とを備えた検知部が配置され、検知部の上部にかつ検知部と導電的に接続された金属製の蓋が配置され、かつガスケットにより前記蓋の周囲とケーシングとがかしめられたセンサ本体と、
   前記ケーシングの底面を支持すると共にケーシングの外周面にフィットしさらに前記センサ本体が導電的に固着されたリセスと、少なくとも該リセスから外部との接続位置までの導電性パスとを有する水溜、とからなる電気化学ガスセンサ。
2. 前記水溜が中間にくびれを有し下部に底のある金属製の筒で、該くびれ部の上部に前記センサ本体のケーシングが固着され、かつくびれの下部のスペースに水が保持されている、請求項１の電気化学ガスセンサ。
3. 前記水溜が底板付きのリセスを上部に備えた箱状の部材で、該リセスに前記センサ本体が導電的に固着され、かつ前記箱の内部のスペースに水が保持されている、請求項１の電気化学ガスセンサ。
4. 前記リセスで水溜とセンサ本体のケーシングとがかしめられている、請求項１の電気化学ガスセンサ。
5. 前記リセスの裏面とケーシングの表面との間が、シール剤により気密にシールされている、請求項４の電気化学ガスセンサ。
6. 前記リセスで水溜とセンサ本体のケーシングとが導電性接着剤により気密に固着されている、請求項１の電気化学ガスセンサ。
7. 水蒸気導入孔を有しかつ底浅の金属のケーシング内に、少なくとも対極と、液体もしくは固体の電解質膜と、検知極とを備えた検知部をセットし、検知部の上部にかつ検知部と導電的に接続するように金属製の蓋を配置して、ガスケットにより蓋の周囲とケーシングとをかしめてセンサ本体を製造するステップと、
   製造後のセンサ本体を検査するステップと、
   前記ケーシングの外周面にフィットしかつ前記ケーシングの底面を支持する底部を備えたリセスと、少なくとも該リセスから外部との接続位置までの導電性パスとを備えた水溜の、リセスの底部で検査済みのセンサ本体のケーシングを支持するように、導電的に固着するステップとからなる、電気化学ガスセンサの製造方法。

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