(57)【要約】【構成】ＭＥＡ４とカーボンフィルム１２，１４，金属板１８，２２，封孔体２６を重ねて、熱可塑性樹脂製の本体ハウジング４０で上下から挟み込んで、これらを固定する。【効果】かしめやネジを使わずに、ＭＥＡをハウジングに組み付けることができる。【選択図】    図１
2004170100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電体膜の表裏に少なくとも検知極と対極とを設けたＭＥＡを、上下一対の導電板の間に挟み込んだセンサにおいて、
前記上下一対の導電板の周縁部を、リングの内側に上下一対のつばとその間の溝を有する樹脂製のリング状部材に保持して、上下からリング状部材のつばで押圧して固定したことを特徴とする、プロトン導電体ガスセンサ。
【請求項２】
前記上下一対の導電板を各々金属板で構成し、検知極側の金属板を対極側の金属板よりも肉薄にして、該検知極側の金属板に検知対象ガスの導入用の拡散制御孔を設けたことを特徴とする、請求項１のプロトン導電体ガスセンサ。
【請求項３】
プロトン導電体膜の表裏に少なくとも検知極と対極とを設けたＭＥＡを、上下一対の導電板の間に挟み込んだセンサの製造方法において、
前記上下一対の導電板とＭＥＡを樹脂製のリング状部材にセットし、リング状部材を熱変形させて、該一対の導電板をリング状部材で上下から挟み込んで固定するようにしたことを特徴とする、プロトン導電体ガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明は、新規なプロトン導電体ガスセンサとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】米国特許５６５０，０５４号
【特許文献２】米国特許４８２０，３８６号
【０００３】
特許文献１は、プロトン導電体ガスセンサの構造を開示している。そこでは、プロトン導電体膜とその表裏の検知極と対極とからなるＭＥＡを、一対の金属板の間に挟み込み、これらを金属缶に取り付ける。下部の金属板は、金属缶のくびれ部で支持し、上部の金属板と金属缶の開口との間にガスケットを配置して、金属板の開口をかしめる。これによって、センサ本体を金属缶に固定する。この構造では、かしめに伴う機械的衝撃で、ＭＥＡの位置がずれることがある。またセンサ本体の各部での電気的コンタクトや気密性は、かしめによる圧力で保たれる。しかしセンサ本体の各部分に均一に圧力を加えるようにかしめるには、かしめを正確に管理する必要がある。
【０００４】
これとは別に特許文献２は、ＭＥＡを水溜側の樹脂製ハウジングと検知極側のフィルタヘッドとの間に挟み込み、ネジでフィルタヘッドを樹脂製ハウジングに固定して、ＭＥＡを位置決めすることを開示している。ＭＥＡはネジ止めによる圧力で固定され、同時に気密性も確保される。しかし、この構造ではハウジングが大型化し、またネジ孔加工やネジ止め作業のためにセンサのコストが増加する。
【０００５】
【発明の課題】
この発明の課題は、プロトン導電体ガスセンサの新たな構造とその製造方法とを提供することにあり、
・  ネジ止めやかしめを用いずに、ＭＥＡをハウジングに固定できる構造と製造方法とを提供し（請求項１〜３）、
・  ＭＥＡへの周囲雰囲気の拡散制御をより容易にする（請求項２）、ことにある。
【０００６】
【発明の構成】
この発明のプロトン導電体ガスセンサは、プロトン導電体膜の表裏に少なくとも検知極と対極とを設けたＭＥＡを、上下一対の導電板の間に挟み込んだセンサにおいて、前記上下一対の導電板の周縁部を、リングの内側に上下一対のつばとその間の溝を有する樹脂製のリング状部材に保持して、上下からリング状部材のつばで押圧して固定したことを特徴とする（請求項１）。
【０００７】
好ましくは、前記上下一対の導電板を各々金属板で構成し、検知極側の金属板を対極側の金属板よりも肉薄にして、該検知極側の金属板に検知対象ガスの導入用の拡散制御孔を設ける（請求項２）。
【０００８】
またこの発明のプロトン導電体ガスセンサの製造方法は、プロトン導電体膜の表裏に少なくとも検知極と対極とを設けたＭＥＡを、上下一対の導電板の間に挟み込んだセンサの製造方法において、前記上下一対の導電板とＭＥＡを樹脂製のリング状部材にセットし、リング状部材を熱変形させて、該一対の導電板をリング状部材で上下から挟み込んで固定するようにしたことを特徴とする（請求項３）。
【０００９】
【発明の作用と効果】
この発明のプロトン導電体ガスセンサでは、ＭＥＡとその上下一対の導電板とを、樹脂製のリング上部材に挟み込んで、つばで上下から押圧して固定する。このガスセンサでは、リング状部材を熱変形させることにより少なくとも一方のつばを形成して製造できるので、かしめが不要になる。そのためかしめに伴うＭＥＡの位置ずれがなく、またネジ止めも不要なので、小型で低コストなプロトン導電体ガスセンサが得られる（請求項１）。
【００１０】
請求項２の発明では、検知極側の金属板を対極側よりも肉薄にして、拡散制御孔の形成を容易にし、精度のある拡散制御孔が得られるようにする。この結果、検知極への周囲雰囲気の拡散を正確に制御し、センサ間の出力ばらつきを小さくできる。
【００１１】
この発明のプロトン導電体ガスセンサの製造方法では、ＭＥＡと上下一対の導電板を樹脂製のリング状部材にセットし、この部材を熱変形させて、上下一対の導電板を挟み込むようにするので、かしめやネジ止めなしに、プロトン導電体ガスセンサを製造できる（請求項３）。
【００１２】
【実施例】
図１〜図４に、実施例を示す。これらの図において、２はセンサ本体で、プロトン導電体膜６の一方の表面に対極８を、他方の表面に検知極１０を設けたＭＥＡ４を用いたものである。プロトン導電体膜６には、固体高分子プロトン導電体の膜などを用いる。ＭＥＡ４の検知極１０側の表面にカーボンフィルム１２を、対極８側の表面にカーボンフィルム１４を積層する。カーボンフィルム１２，１４は、例えば多孔質のカーボンシートをフッ素樹脂などで疎水化した、導電性の多孔質膜で、検知極１０や対極８へのガスの分配と、後述の金属板１８，２２との導電性コンタクトとを行う。検知極１０側のカーボンフィルム１２は、雰囲気中のガスを検知極１０に分配し、対極８側のカーボンフィルム１４は水溜などからの水蒸気を対極８に分配する。なお対極８側のカーボンフィルム１４は、設けなくても良い。
【００１３】
１６はリング状弾性体で、例えばポリウレタンのエラストマーなどを用いる。１８，２２は金属板で、例えばステンレスやチタンの薄板などを用い、２０は対極８側の金属板１８に設けた開口で、水溜に接続しない場合は設けない。２４は、検知極１０側の金属板２２に設けた拡散制御孔である。弾性体１６は、金属板１８，２２の間で、ＭＥＡ４の周縁をシールして、検知極１０側から対極８側へ周囲雰囲気が回り込むことや、後述の本体ハウジング４０と金属板１８，２２との隙間から、周囲雰囲気などが回り込むのを防止する。
【００１４】
対極８側の金属板１８は例えば肉厚０．５ｍｍ程度の金属板を用い、開口２０は例えば直径が０．５ｍｍ程度で、エッチングやプレスによる打ち抜きなどで形成する。拡散制御孔２４は孔径の精度が重要で、開口２０よりも小さな開口である。このため検知極１０側の金属板２２を、金属板１８よりも薄肉の、例えば肉厚０．１ｍｍ程度の金属板で構成し、拡散制御孔２４は、孔径の精度を増すため、プレスによる打ち抜きで形成する。なお金属板２２は肉厚が小さいので、エッチングで拡散制御孔２４を形成しても良いが、打ち抜きに比べてオーバーエッチングやアンダーエッチングにより孔径のばらつきが増加する。
【００１５】
２６は封孔体で、金属キャップ２８と下部金属板３０とからなり、これらの間に活性炭やシリカゲル、ゼオライトなどのフィルタ材３２を充填し、ガス導入孔３４，３６から周囲の雰囲気を拡散制御孔２４へ供給する。そしてフィルタ材３２により、被毒ガスや誤報の原因となるガスを除去する。ガス導入孔３４，３６は、少なくともその一方が封孔体２６の軸方向中心から離れた位置に配置し、ここではガス導入孔３４を封孔体２６の軸方向中心に配置し、ガス導入孔３６を金属キャップ２８の側面に複数個設ける。このようにしてフィルタ材３２が全体的に使用され、その寿命が延びるようにする。なお下部金属板３０を設けず、金属キャップ２８に拡散制御孔２４を設けた金属板２２を直接溶接などで取り付けても良い。
【００１６】
４０は樹脂製の本体ハウジングで、リング状の部材であり、樹脂の材料には好ましくは熱可塑性樹脂を用い、例えばポリプロピレン、ＡＢＳ、ナイロン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、などを用いる。本体ハウジング４０には熱硬化性樹脂も用い得るが、熱変形前にリング状に成型するのが困難である。本体ハウジング４０には、ゴム状の樹脂を用いて、ゴムの弾力で上下から金属板１８，２２を押圧するようにしても良いが、ゴム状の樹脂は、７０℃程度の高温にさらされた際にガスを発生して、ＭＥＡ４に影響を及ぼすおそれがある。
【００１７】
４２は本体ハウジング４０の底部で、本体ハウジング４０の成形時に最初からこのような形に成形しておく。４４は側部で、４５はその内側の溝部で、４６はセンサ本体２の組み付け時に熱変形により設けた頂部である。本体ハウジング４０は、側部４４の内側の溝部４５に、金属板１８から下部金属板３０までを収容し、これらを一対のつばとしての底部４２と頂部４６とで挟み込み、底部４２と頂部４６間の押圧力で、封孔体２６〜金属板１８を固定すると共に、これらの間の気密性や電気的接続を確保する。
【００１８】
本体ハウジング４０の上部を熱可塑性樹脂の軟化温度付近に加熱しながら、封孔体２６側に力を加えると、本体ハウジング４０の上部が熱変形して頂部４６となる。その後の冷却に伴い、頂部４６は収縮しようとするので、頂部４６から底部４２の向きに働く押圧力が発生する。これらの押圧力により、下部金属板３０と金属板２２との電気的コンタクトが確保され、同様に金属板２２とカーボンフィルム１２，カーボンフィルム１２と検知極１０間の電気的接続が確保される。これと同様にして、金属板１８とカーボンフィルム１４、並びにカーボンフィルム１４と対極８間の電気的接続が確保される。また頂部４６と底部４２間の押圧力により、気密性が確保され、例えば下部金属板３０の周縁や金属板１８の周縁などを介して回り込むガスを遮断できる。
【００１９】
頂部４６の熱変形後の押圧力を用いてセンサ本体２を固定するので、かしめのように衝撃を加えることがない。発明者の経験では、かしめを用いてＭＥＡ４やカーボンフィルム１２，１４などを金属板１８，２２間に位置決めすると、５％程度の頻度でカーボンフィルム１２，１４やＭＥＡ４の位置ずれが発生した。位置ずれの生じたセンサは不良品となるが、熱変形を用いると機械的な衝撃がないので、このような不良が発生しない。また熱変形後の収縮力を利用した押圧では、下部金属板３０や金属板１８の周方向に沿って、ほぼ均一に圧力を加えることができる。
【００２０】
図２にセンサ本体２の要部の分解状態を示すと、ＭＥＡ４の検知極１０寄りにカーボンフィルム１２があり、対極８寄りにカーボンフィルム１４がある。カーボンフィルム１２，１４やＭＥＡ４はそれぞれ膜厚数十μｍ程度の部材で、これらは同径であり、リング状弾性体１６がその周囲を取り巻いている。カーボンフィルム１４の下側には、肉厚の金属板１８があり、直径の大きな開口２０を設けてある。これに対して、カーボンフィルム１２の上側には肉薄の金属板２２があり、打ち抜き加工により直径０．１ｍｍ程度の拡散制御孔２４を設けてある。そして金属板２２に重なて、封孔体２６を配置してある。
【００２１】
図３に、センサ本体２の組み付け工程を示す。ＭＥＡ４とカーボンフィルム１２，１４、金属板１８，２２並びに封孔体２６を、ハウジングの底部４２上にセットする。続いてハウジングの上部を下部金属板３０側へと加熱しながら押圧すると、熱変形により頂部４６が形成される。これによって本体ハウジング４０への組み付けが終了し、ハウジング４０が冷却すると、頂部４６に働く収縮力のために、底部４２と頂部４６との間に前記の押圧力が発生する。そしてこの押圧力で、センサ本体２の各部材の位置決めがなされ、電気的なコンタクトや必要な気密性が確保される。
【００２２】
実施例では底部４２を事前に成形し、頂部４６をセンサ本体２の組み付け時に熱変形させたが、逆に頂部４６を事前に成形し、底部４２をセンサ本体の組み付け時に熱変形させても良い。また封孔体２６はフィルタ材３２を収容するための部材で、特に設けなくても良く、また封孔体２６を金属板１８，２２などと一体に本体ハウジング４０に組み付ける必要はない。
【００２３】
図４に、センサ本体２を樹脂製などの水溜５０に取り付けた例を示す。５２はポリプロピレンフィルムなどを用いた水パックで、内部に水を収容し、５４は水蒸気導入孔、５６は小部屋である。５８，６０は金属製のリードであり、６２は金属製の弾性体である。図４の例では、水パック５２を透過した水蒸気を水蒸気導入孔５４から小部屋５６へと導入する。小部屋５６内の水蒸気は、センサ本体２の開口２０を介して対極８に導入され、小部屋５６を周囲雰囲気から気密にして、対極８へ周囲雰囲気が回り込むのを防止する。リード６０は溶接などにより封孔体２６に取り付け、リード５８は弾性体６２を介して対極側の金属板に導通させる。またセンサ本体２は、本体ハウジング４０の頂部４６側に設けた爪などにより、水溜５０に固定する。
【００２４】
なお水溜５０の構造は任意であり、センサ本体２は必ずしも水溜に取り付ける必要はない。水溜を用いない場合、金属板１８に開口２０を設けないようにして、対極８を周囲雰囲気から遮断すればよく、相対湿度が５０％以下に低下しない環境では、水溜なしでもセンサ本体２は動作可能である。センサ本体２は任意の構造の水溜に取り付けることができ、またそれ単独で用いることができる。センサ本体２の組み付けには本体ハウジング４０の熱変形を利用するので、簡単で作業性が良く、機械的な衝撃を加えないので、カーボンフィルムやＭＥＡの位置ずれなどがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のプロトン導電体ガスセンサでのセンサ本体の断面図
【図２】実施例でのセンサ本体の分解状態を示す図
【図３】実施例でのセンサ本体の組み付け工程を示す図
【図４】実施例でセンサ本体を水溜に装着した例を示す断面図
【符号の説明】
２          センサ本体
４          ＭＥＡ
６          プロトン導電体膜
８          対極
１０        検知極
１２，１４  カーボンフィルム
１６        リング状弾性体
１８，２２  金属板
２０        開口
２４        拡散制御孔
２６        封孔体
２８        金属キャップ
３０        下部金属板
３２        フィルタ材
３４，３６  ガス導入孔
４０        本体ハウジング
４２        底部
４４        側部
４５        溝部
４６        頂部
５０        水溜
５２        水パック
５４        水蒸気導入孔
５６        小部屋
５８，６０  リード
６２        弾性体
【図１】
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【図２】
2004170100.tif 000004
【図３】
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【図４】
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