(57)【要約】【課題】本発明の目的は、小型軽量であり、安全に取り扱うことができるガス検出装置を提供することにある。【解決手段】ガスセンサ１０は、固体電解質膜１２、固体電解質膜１２を挟み込む第１電極１４と第２電極１６を備える。ガス検出装置３０は、回路基板３２、回路基板３２にガスセンサ１０を取り付けるためのセンサ用保持部材３４、回路基板３２に実装された検出回路、検出回路を駆動させるための電源３６を備える。ガスセンサ１０と電池３６は、回路基板３２の異なる面で保持されるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサと、
回路基板と、
前記回路基板に対してガスセンサを保持するためのセンサ用保持部材と、
前記回路基板に実装され、かつガスセンサに電気接続され、ガスセンサの出力が入力される検出回路と、
前記検出回路を駆動させるための電源と、
前記回路基板、センサ用保持部材、検出回路および電源を収納するための筐体と、
を備え、
前記ガスセンサと電源が回路基板の異なる面で保持されているガス検出装置。
【請求項２】
前記筐体が開閉可能であり、筐体を開けた場合に回路基板の電源側の面が開放される請求項１のガス検出装置。
【請求項３】
前記電源がボタン形の電池であり、前記ガスセンサの外形がボタン形である請求項１または２のガス検出装置。
【請求項４】
前記ガスセンサが、
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の両面において、該固体電解質膜の少なくとも一部に接するようにして配置した第１電極および第２電極と、
前記固体電解質膜、第１電極および第２電極を収納する金属カバーと、
前記第１電極または第２電極のいずれかと金属カバーとの間に配置された導電性弾性体と、
前記導電性弾性体と第１電極または第２電極の間に配置され、開口部を有する金属板と、
を備えた請求項１から３のいずれかのガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の所定のガスについて検出するガスセンサを用いたガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や家庭用のエネルギー源として燃料電池が開発されている。燃料電池は、水素と酸素を反応させることによって、発電する電池である。燃料電池のエネルギー源となる水素分子は常温で安定であるが、反応性が高く、様々な物質と化学反応を起こしやすい。水素と酸素とを体積比２：１で混合し、火を付けると、激しく爆発する。そのため、水素を利用する場所において、水素を検出するガスセンサが必要である。水素を利用する場所でガスセンサを携行したり、必要な場所にガスセンサを簡易に設置したりするためには、ガスセンサは、小型軽量であることが望ましく、また安全に取り扱われることが必要である。
【０００３】
例えば、下記の特許文献１の水素ガスセンサは、白金担持カーボンよりなる第１電極および第２電極でプロトン伝導体を挟んでおり、第１電極と第２電極間の起電力を測定する起電力測定手段を備える。第１電極側に測定したいガスが接触すると、起電力を発生し、起電力の値によってガスの濃度を求めることができる。
【０００４】
しかし、第２電極側に接触するガスの水素分圧値が予め分かっていることが必要である。このようなガスを使用するために、構成が複雑になり、小型化が困難になる。
【０００５】
また、特許文献２にはボタン電池形状にした酸素濃度センサが開示されている。酸素濃度センサをボタン電池形状にして、その酸素濃度センサに電流計などを接続し、酸素濃度センサに流れた電流に応じて酸素濃度を求めている。ボタン電池形状にすることで小型化が可能である。実際の使用時には制御回路やアラーム等の部品を駆動させるために、電池が使用される。
【０００６】
特許文献２では空気電池を使用することが開示されているが、他のガスセンサなどに適用した場合、小型化のためにボタン電池を使用することが考えられる。センサの形状をボタン電池形状にすると、電池交換時にセンサと電池を間違えるおそれがある。回路を破壊したり、所定のガスを検出できなくなり、安全性に問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７０２００号公報
【特許文献２】特開平９−２７４００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、小型軽量であり、安全に取り扱うことができるガス検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のガス検出装置は、上記のガスセンサと、回路基板と、前記回路基板にガスセンサを取り付けるセンサ用保持部材と、前記回路基板に実装され、かつガスセンサに電気接続され、ガスセンサの出力が入力される検出回路と、前記検出回路を駆動させるための電源と、前記回路基板、センサ用保持部材、検出回路および電源を収納するための筐体とを備える。前記ガスセンサと電源が回路基板の異なる面で保持されている。
【００１０】
前記筐体が開閉可能であり、筐体を開けた場合に回路基板の電源側の面が開放される。電源を交換するときに、ガスセンサは視認できず、電源のみが視認できる。
【００１１】
前記電源がボタン形またはコイン形の電池であり、前記ガスセンサがボタン形またはコイン形である。ガスセンサの外形と電源の外形は、ボタン形またはコイン形の電池と同じまたは類似の形状であり、ガスセンサと電源の外形は同一または類似である。
【００１２】
ガスセンサは、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両面において、該固体電解質膜の少なくとも一部に接するようにして配置した第１電極および第２電極と、前記固体電解質膜および電極を収納する金属カバーと、前記第１電極または第２電極のいずれかと金属カバーとの間に配置された導電性弾性体と、前記導電性弾性体と第１電極または第２電極の間に配置され、開口部を有する金属板とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のガス検出装置は、回路基板の異なる面でガスセンサと電源が保持されているため、電源とガスセンサを間違えて取り替えるおそれがない。安全にガス検出装置を使用することができ、ガスの検出を確実におこなうことができる。ガス検出装置に使用されるガスセンサは、水素分圧値を既知にする必要はなく、構成が複雑にならず、小型軽量化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ガスセンサを示す模式図であり、（ａ）はガスセンサの断面を示し、（ｂ）は固体電解質膜と電極を示す図である。
【図２】ガス検出装置を示す図であり、（ａ）は回路基板の一面側から見た図であり、（ｂ）は回路基板の他面側から見た図である。
【図３】検出回路を示す図である。
【図４】筐体の一例を示す図であり、（ａ）は筐体の平面図であり、（ｂ）は筐体の正面図であり、（ｃ）は、筐体の中に回路基板等が収納された図である。
【図５】回路基板の一面を開放した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のガス検出装置について図面を使用して説明する。ガス検出装置に用いられるガスセンサとして、空気中の水素濃度を検出する水素ガスセンサについて以下記載する。
【００１６】
図１（ａ）に示すガスセンサ１０は、固体電解質膜１２、固体電解質膜１２を挟み込む第１電極１４と第２電極１６を備える。
【００１７】
固体電解質膜１２は、高いプロトン導電性を有するパーフルオロスルフォン酸系、パーフルオロカルボン酸系等のパーフルオロ系高分子や、Poly(styrene-ran-ethylen),sulufonated等のpartially sulfonated styrene-olefin copolymerからなる固体高分子電解質膜を採用するのが好ましい。具体的には、ナフィオン（デュポン社製、登録商標：NAFION）やアシプレックス（旭化成社製、登録商標：ACIPLEX）等が好適に使用できる。さらに、固体電解質膜１２には、導線性粒子を分散させても良い。
【００１８】
第１電極１４と第２電極１６は、水素をプロトンに解離できる触媒作用を有する金属を含有する。その金属としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等の白金族金属が挙げられる。また、第１電極１４と第２電極１６は上記のような金属を含有していれば良く、例えば、上記金属を担持した炭素であっても良い。具体的には、第１電極１４と第２電極１６は白金族金属を担持した炭素を使用することもできる。さらに、第１電極１４を白金族金属からなるものを使用し、第２電極１６を白金族金属を担持した炭素からなるものを使用することもできる。触媒作用を有する金属が少量であっても、第２電極１６が大気中の酸素と水素に接触する面積が増大し、固体電解質膜１２内のプロトン濃度を低くすることができる。
【００１９】
ガスセンサ１０の近傍に水素ガスが存在した場合、下記（１）式のように水素がプロトンと電子に解離する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−    （１）
解離によって生成したプロトンは第１電極１４および第２電極１６内を拡散し、固体電解質膜１２に到達する。同時に第１電極１４および第２電極１６近傍において大気中に存在する酸素により、下記（２）式のようにプロトンが消滅する反応も生じる。
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    （２）
よって、第１電極１４および第２電極１６を電気的に接続することで、上記（１）式および（２）式の反応が第１電極１４および第２電極１６内で生じるため、大気中に含まれる水素分子が電極表面に到達した後、電極表面から内部に拡散するにしたがって、水素分子あるいはプロトン濃度が減少していく。このような濃度勾配を形成することにより、プロトンが移動することになり、電極に検知回路を接続することにより、検知回路に水素濃度に応じた電流が流れる。
【００２０】
上記のような濃度勾配を効率的に生成するために、第１電極１４と第２電極１６の厚みを変更しても良い。例えば図１（ｂ）のように、第２電極１６を第１電極１４よりも厚くする。第２電極１６の厚みｂと第１電極１４の厚みａの差が１０〜２００ｎｍであり、好ましくは３０〜８０ｎｍになるようにする。厚みａ，ｂの差が１０ｎｍ未満であれば、プロトン濃度の差が小さくなり、水素濃度に応じた電流も小さくなる。２００ｎｍを超えると、応答速度の低下や固体電解質膜１２のカール等が発生する。
【００２１】
第１電極１４の厚みａは、１〜２５ｎｍであり、好ましくは５〜１０ｎｍである。厚みａが１ｎｍ未満であると、電気抵抗が高くなり、電流が取り出しにくくなる。厚みａが２５ｎｍを超えると、固体電解質膜１２へ到達するプロトンが少なくなるため、水素濃度に応じた電流が小さくなる。
【００２２】
また、ガスセンサ１０は、上記の第１電極１４と第２電極１６を直接検出回路の導線に接続すれば、水素濃度を求めることができるが、電流を一部から取り出すことになり、効率が落ちる場合がある。そのため、ガスセンサ１０は、金属板１８、ガス透過性導電体２０、第２電極１６、固体電解質膜１２、第１電極１４、およびガス透過性導電体２２を順番に積層し、金属カバー２４の中に収納し、導電性弾性体２６で金属板１８を押すことによってガス透過性導体２２を金属カバー２４に押し当てている。導電性弾性体２６としては、金属等の導電性材料からなるコイル状バネや波板状バネなどが例示できる。
【００２３】
金属板１８は、開口部を有し、ステンレスなどで形成される。開口部を有することによって、第２電極１６を露出させることができる。また、金属板１８から導電性弾性体２６および金属カバー２４を介して電流を取り出すことができる。
【００２４】
ガス透過性導電体２０、２２は、カーボンペーパーや発泡金属から成る。カーボンペーパーは炭素繊維と炭素からなる多孔質体であり、ガス透過性と導電性を備える。発泡金属は、気孔率９０％以上のものは、特にガス透過性が良く、金属であるので導電性も良い。ガス透過性導電体２０、２２が各電極１６、１４に接することによって、各電極１６、１４に水素を供給しつつ、電極１６、１４の全面から電流を取り出すことができる。
【００２５】
金属カバー２４は２つであり、導電性弾性体２６が一方の金属カバー２４に接し、積層されたガス透過性導電体２２を他方の金属カバー２４に押し当てる。２つの金属カバー２４は絶縁スペーサー２８を介して一体になっている。金属カバー２４同士は絶縁されており、１つの金属カバー２４が１つの電極１４（または１６）に接続されるため、電流を取り出すことができる。
【００２６】
金属カバー２４はステンレスなどで構成されており、円筒形になっている。なお、円筒形の高さは限定されず、１〜２ｍｍ等の場合も含み、国際電気標準会議（ＩＥＣ）で規定される形状のボタン形（またはコイン形とも言う）の寸法の電池と同形状であっても良い。例えば、金属カバー２４の外形は、ＬＲ４４やＣＲ２０１６の電池の形状と同形状である。周知の電池と同形状にすることによって、金属カバー２４の製造が容易である。また、絶縁スペーサー２８は、ポリプロピレンなどの樹脂である。金属カバー２４に開口を設け、金属カバー２４の内方に水素ガスが入るようにする。
【００２７】
本発明は、従来と異なりガスの水素分圧値が予め分かっていることは必要無く、構成が複雑にならない。ガスセンサ１０を小型にでき、コイン形やボタン形の電池と同じ形にすることができる。
【００２８】
次に、上記ガスセンサ１０を使用したガス検出装置を説明する。図２のガス検出装置３０は、回路基板３２、回路基板３２に対してガスセンサ１０を保持するためのセンサ用保持部材３４、回路基板３２に実装された検出回路、検出回路を駆動させるための電源３６を備える。
【００２９】
回路基板３２は、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸した板体に導体箔で回路配線を施したものが挙げられる。回路基板３２にセンサ用保持部材３４、検出回路、電源３６が設けられる。
【００３０】
センサ用保持部材３４は金属で構成されており、回路基板３２に取り付けられている。センサ用保持部材３４と対向するように回路基板３２に電極を設ける。センサ用保持部材３４の一部にバネ部４２を設けており、回路基板３２の電極にガスセンサ１０を押さえつけ、ガスセンサ１０は回路基板３２に保持される。センサ用保持部材３４と回路基板３２の電極は検出回路に接続されており、所望のガスが存在したときに、検出回路に電流が流れる。ガスセンサ１０を回路基板３２に完全に固定することは無く、必要に応じてガスセンサ１０の種類を変更することができる。
【００３１】
図３に示す検出回路５０は、ガスセンサ１０の出力が入力され、ガスの濃度を求める回路である。検出回路５０は、検出回路５０のオンとオフを切り替えるスイッチＳＷ、ガスセンサ１０に接続された増幅部５２、増幅部５２の出力が入力され、ガス濃度を求める演算部５４、ガス濃度に応じて警報を発する出力部５６を備える。なお、図２の回路基板３２では、検出回路５０を省略している。
【００３２】
スイッチＳＷは、検出回路５０と演算部５４などの回路への電源供給と遮断を選択する部品である。電源供給を選択（電源３６側と接続）すると、検出回路５０を駆動させると同時に、ガスセンサ１０および増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子とスイッチＳＷとの接続が切れて、増幅部５２のオペアンプＯＰの動作により、ガスセンサ１０の両端と増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子と非反転入力端子とが同電位に保たれる。遮断を選択すると、電源供給が遮断されて検出回路５０が停止すると同時に、ガスセンサ１０の両端と増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子と非反転入力端子とが電位差の無い状態を保つようになっている。つまり、スイッチＳＷの状態に関係なく、ガスセンサ１０の両端と増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子と非反転入力端子とが同電位に保たれることになる。
【００３３】
スイッチＳＷが遮断の際に、ガスセンサ１０と増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子とが同電位を保たない回路である場合、スイッチＳＷで電源供給を選択した直後に、増幅部５２のオペアンプＯＰの動作により、ガスセンサ１０の両端と増幅部５２のオペアンプＯＰの反転入力端子と非反転入力端子とを同電位に保たとうとするための過渡電流が生じることがある。そのため、演算部５４が出力を誤ったり、電源供給直後からガス検知開始までの待ち時間が必要になったりする。しかし、本検出回路５０のような構造にしておけば、過渡的出力がなくなるため、電源供給直後からガス検知開始までの時間を短縮できる。
【００３４】
増幅部５２はオペアンプＯＰ、コンデンサＣおよび抵抗Ｒを備えており、上記のようにガスセンサ１０が反応して電流が流れたとき、その値を増幅する。増幅部５２の出力は、演算部５４に入力され、必要に応じてアナログ・ディジタル変換が行われる。
【００３５】
演算部５４はマイクロコンピュータ等で構成され、電流値に応じてガス濃度を求め、一定値を超えた場合に出力部５６に信号を発する。出力部５６は、ＬＥＤ５８やスピーカー６０であり、演算部５４から信号を受けることによって発光したり、音を発したりする。ＬＥＤ５８やスピーカー６０などで構成することによって、ガス検出装置３０を大型化せずにすむ。
【００３６】
検出回路５０は、ガスセンサ１０が反応した際の電流を計測できる回路であれば、上記の回路に限定されない。また、必要に応じて、外部のコンピュータに出力するための出力端子６２を演算部５４に接続する。
【００３７】
電源３６は、ガス検出装置３０を小型（薄型）軽量にするために、ボタン形（またはコイン形とも言う）の寸法の電池を使用する。国際電気標準会議（ＩＥＣ）で定められるＬＲ４４やＣＲ２０３２が挙げられる。すなわち、電源３６の形状はガスセンサ１０と同じか類似する形状になっている。電源３６を上記のような電池にすることによって、ガス検出装置３０を携行できるようになる。以下、電源３６を電池と記載する。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、電池３６は、ガスセンサ１０と同様に、ガスセンサ１０に使用したセンサ用保持部材３４と同様の電池用保持部材６２で回路基板３２に保持される。電池用保持部材６２は金属で構成され、バネ部６４を備える。バネ部６４が電池３６を回路基板３２に押しつけ、電池が保持される。回路基板３２には電極が形成されており、その電極と電池用保持部材６２とで検出回路５０に電池３６を接続し、電力を取り出す。
【００３９】
図４に示すように、ガス検出装置３０は、上記の回路基板３２などを収納するための筐体７０を備える。筐体７０は、例えばＡＢＳ樹脂（Acrylonitrile、ButadieneおよびStyreneの共重合合成樹脂）で形成することができる。
【００４０】
筐体７０は第１筐体７２と第２筐体７４からなり、これらの筐体７２，７４によって形成された内部空間にガスセンサ１０、回路基板３２、センサ用保持部材３４、検出回路５０および電池３６などが収納される。内部空間にガスを導入するために複数の開口７６を備える。第２筐体７４の周縁部に爪部７８を設け、第１筐体７２の内面に設けた窪み８０に嵌め合わされるようにする。爪部７８と窪み８０が嵌め合わされることによって、第１筐体７２と第２筐体７４が互いに固定され、筐体７０を構成する。筐体７０の弾性を利用して窪み８０から爪部７８を外すことによって、第１筐体７２と第２筐体７４を互いに分離することができる。第１筐体７２と第２筐体７４が分離できることによって、電池３６の交換が可能になる。
【００４１】
回路基板３２にガスセンサ１０、センサ用保持部材３４、検出回路５０および電池３６が取り付け（実装）されており、回路基板３２と筐体７０とをねじ８２などの固定部材で固定する。回路基板３２が固定されるのは第１筐体７２または第２筐体７４のいずれかである。本説明では第２筐体７４に回路基板３２が固定されている。
【００４２】
ガスセンサ１０と電池３６は、回路基板３２の異なる面で保持されるようにする。回路基板３２の一面３８に電池３６が保持され、他面４０にガスセンサ１０が保持される。そのために、回路基板３２の一面３８に電池用保持部材６２を取り付け、他面４０にセンサ用保持部材３４を取り付ける。
【００４３】
第２筐体７４に回路基板３２を固定したときに、回路基板３２の他面４０が第２筐体７４と向き合っており、ガスセンサ１０が回路基板３２と第２筐体７４によって隠れるようにする。第１筐体７２と第２筐体７４を互いに固定したときに、一面３８が第１筐体７２と向き合うようになる。
【００４４】
電池交換のために第１筐体７２と第２筐体７４を分離したとき、図５のように回路基板３２の一面３８が開放される。一面３８には電池３６が保持されており、電池交換できる。使用者に対して電池３６を視認でき、ガスセンサ１０を視認することはできない。この理由は、ガスセンサ１０と電池３６は同一または類似する形状である。ガスセンサ１０と電池３６の形状に合わせて各保持部材３４、６２を形成しているため、各保持部材３４、６２も同一または類似する形状になる。間違えてガスセンサ１０を取り外して電池３６を取り付けることを防止するためである。
【００４５】
以上のように、本発明は携行可能なようにボタン形（またはコイン形）のガスセンサ１０であり、小型（薄型）軽量になる。また、ガスセンサ１０と電池３６とが同一または類似の形状になっているが、電池交換の際に、電池３６のみが視認できるようになっており、ガスセンサ１０と電池３６とを間違えて交換することがない。ガス検出装置３０の破壊などを防止でき、安全に使用することができる。増幅部５２の過渡的な出力がないので、検出回路５０が駆動してからガス検出を開始するまでの時間を短縮できる。
【００４６】
以上、本発明について実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、ガスセンサ１０として水素ガスを測定するものを示したが、他のガスを測定するガスセンサであっても良い。ガスセンサ１０の形状と電池３６の形状が同一または類似である場合、本願のように回路基板３２の異なる面で保持されるようにする。そして、電池交換のために筐体７０を開いたとき、電池３６は視認できるが、ガスセンサ１０は視認できないようにする。
【００４７】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０：ガスセンサ
１２：固体電解質膜
１４、１６：電極
１８：金属板
２０、２２：ガス透過性導電体
２４：金属カバー
２６：導電性弾性体
２８：絶縁スペーサー
３０：ガス検出装置
３２：回路基板
３４：センサ用保持部材
３６：電源（電池）
５０：検出回路
５２：増幅部
５４：演算部
５６：出力部
５８：ＬＥＤ
６０：スピーカー
６２：電池用保持部材
７０：筐体
７２：第１筐体
７４：第２筐体
７６：開口部
７８：爪部
８０：窪み
８２：ねじ（固定部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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