(57)【要約】【構成】水溜のケースとキャップとの間にプロトン導電体膜とその電極を挟み込むように、キャップの縁をケースの側面に沿ってフィットさせて、ケースに取り付ける。【効果】ハウジングへの装着時の、プロトン導電体膜への衝撃を小さくできる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溜のケースとキャップとの間に、プロトン導電体膜とその電極とを挟み込むようにしたセンサにおいて、
前記キャップが前記ケースよりも大径で、キャップの縁がケースの側面を覆いながらケースの側面に嵌着されていることを特徴とする、プロトン導電体ガスセンサ。
【請求項２】
前記キャップの縁を前記ケースの側面上部にフィットさせるようにして、キャップの縁とケースの側面との間をシールし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】
前記キャップの底面と前記ケースの頂面との間に、リング状の接着部材を設けたことを特徴とする、請求項１または２のプロトン導電体ガスセンサ。
【請求項４】
前記キャップと前記ケースとが共に金属製で、キャップの縁とケースとの間に絶縁層を設けたことを特徴とする、請求項２または３のプロトン導電体ガスセンサ。
【請求項５】
前記キャップにガス導入孔を設けると共に、キャップと別体に、ガスのキャップ内への拡散を制限するための部材を設けて、該部材の拡散制限部を前記ガス導入孔と重なるように配置したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのプロトン導電体ガスセンサ。
【請求項６】
水溜のケースとキャップの間に、プロトン導電体膜とその電極とを配置して、ケースの縁をキャップの側面に嵌着することにより、前記プロトン導電体膜とその電極とを、ケースとキャップの間に挟み込むように固定することを特徴とする、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】
この発明はプロトン導電体ガスセンサとその製造方法に関し、特にそのハウジングに関する。
【０００２】
【従来技術】
プロトン電体膜を用いたガスセンサの実装構造として、メタル缶を用いたものが知られている（ＵＳＰ５６５００５４）。このガスセンサの構造を図９に示すと、メタル缶０１に水６を蓄え、２枚の金属ワッシャ０２，０３の間に、プロトン導電体膜とその電極からなるＭＥＡ２０を挟み込む。そしてガスケット０４を介して、メタル缶０１の上部をかしめることにより、ワッシャ０２，０３をメタル缶０１に固定し、同時にＭＥＡ２０もワッシャ０２，０３間に固定する。
【０００３】
しかしながらメタル缶０１の上部をかしめる際の力は、ＭＥＡ２０の直ぐ側に加わり、かしめ時の力がＭＥＡ２０に及ばないようにすることが難しい。またＭＥＡ２０に、かしめ時の力が均一に加わるようにすることも難しい。このためかしめ時の衝撃で、ＭＥＡ２０が位置ずれしたり、あるいはＭＥＡ２０内の電極とプロトン導電体膜とが位置ずれしたりすることがある。これらのことがあると、ガスセンサの不良となる。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、水溜のケースとキャップとの間にプロトン導電体膜を挟み込む際の、プロトン導電体膜に加わる衝撃を小さくし、ガスセンサの不良の発生を防止することにある（請求項１〜６）。
請求項２の発明での追加の課題は、キャップとケースとの間のシールを確実にすることにある。
請求項４の発明での追加の課題は、キャップとケースとをガスセンサの出力端子に用いることができるように、キャップとケースとを簡単に絶縁することにある。
請求項５の発明での追加の課題は、プロトン導電体膜へのガスの拡散制御を容易にして、ガスセンサ出力のばらつきを小さくすることにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のプロトン導電体ガスセンサは、水溜のケースとキャップとの間に、プロトン導電体膜とその電極とを挟み込むようにしたセンサにおいて、キャップがケースよりも大径で、キャップの縁がケースの側面を覆いながらケースの側面に嵌着されていることを特徴とする（請求項１）。
【０００６】
好ましくは、キャップの縁をケースの側面上部にフィットさせるようにして、キャップの縁とケースの側面との間をシールする（請求項２）。
また好ましくは、キャップの底面とケースの頂面との間に、リング状の接着部材を設ける（請求項３）。
【０００７】
好ましくは、キャップとケースとが共に金属製で、キャップの縁とケースとの間に絶縁層を設ける（請求項４）。この絶縁層は、絶縁性のフィルムや絶縁性の接着剤などとする。
キャップあるいはケースの一方をプラスチック製とする場合、インサート成型によりプラスチックのケースやキャップに金属リードを取り付け、プロトン導電体膜の電極に接続することが好ましい。
【０００８】
好ましくは、キャップにガス導入孔を設けると共に、キャップと別体に、ガスのキャップ内への拡散を制限するための部材を設けて、部材の拡散制限部を前記ガス導入孔と重なるように配置する（請求項５）。
【０００９】
この発明のプロトン導電体ガスセンサの製造方法では、水溜のケースとキャップの間に、プロトン導電体膜とその電極とを配置して、ケースの縁をキャップの側面に嵌着することにより、プロトン導電体膜とその電極とを、ケースとキャップの間に挟み込むように固定する（請求項６）。
【００１０】
【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、キャップをケースよりも大径にして、キャップの縁はケースの側面を覆いながら、ケースの側面に嵌着されている。キャップをケースに取り付ける際の動作は、キャップをケースの底面側へ動かすことで、従来例に比べ静かにキャップをケースに取り付けることができる。このため、プロトン導電体膜やその電極などに加わる、キャップ取り付け時の衝撃が小さく、プロトン導電体膜や電極が位置ずれしたりすることに伴う、ガスセンサの不良を防止できる（請求項１〜６）。
【００１１】
請求項２の発明では、キャップの縁をケースの側面にフィットさせて、簡単にキャップの縁とケースの側面との隙間をシールし、静かにキャップを取り付けることができる。
キャップのケースに対する固定には、キャップの縁をケースの側面にかしめる、キャップの縁をケースの側面に接着剤で固定するなどでも良い。しかしリング状の接着剤をプロトン導電体膜の周囲に配置して、この部分で接着すると、簡単にキャップをケースに固定し、しかもシールも行うことができる（請求項３）。
【００１２】
キャップやケースを共に金属製にすると、これらをガスセンサの正負の出力端子に利用できる。また金属製のケースは水蒸気の透過による水のロスがない。ここでキャップとケースの接触部でその間に絶縁層を設けると、簡単にケースとキャップを絶縁できる（請求項４）。
【００１３】
発明者の経験によると、プロトン導電体ガスセンサの感度のばらつきは、プロトン導電体膜やその電極が正しい位置にない、プロトン導電体膜へのガスの拡散が均一に制御されていない、などにより生じる。これらの内で、プロトン導電体膜などの位置ずれは、センサ出力の変動が激しいので、ばらつきというよりもガスセンサの不良となる。拡散の制御が不均一であることは、ガスセンサ出力が拡散の容易さに比例するため、センサ出力のばらつきの原因となる。この要素が、センサ出力のばらつきでの最大の原因となる。
ここでキャップに均一に小径のガス導入孔を設けて拡散を制御することは難しいが、キャップと別体にした金属板に正確な径のガス導入孔を設けることや、キャップと別体に所定の通気性を持つフィルムを用意して、拡散を制御することは比較的容易である。このため請求項５の発明では、ガスセンサの出力ばらつきを小さくできる。
【００１４】
この発明のプロトン導電体ガスセンサの製造方法では、キャップの縁をケースの側面に嵌着して、プロトン導電体膜やその電極を固定するので、固定時のプロトン導電体膜などへの衝撃を小さくして、ガスセンサの不良を少なくできる（請求項６）。
【００１５】
【実施例】
図１〜図８に、実施例とその変形とを示す。図１〜図４に、実施例のプロトン導電体ガスセンサ２を示すと、４はステンレスなどの金属製のケースで、断面は例えば円形で、その内部に水６を蓄えている。水６は液体の水とするが、ゲル化したり、プラスチックの袋に充填したり、アクリル酸ポリマーなどの吸水性樹脂に吸収させ、もしくはシリカゲルなどに吸着させて用いてもよい。８は水蒸気導入孔で、１０は金属製のキャップで、断面は例えば円形で、その内径はケース４の外形とほぼ一致する。キャップ１０にはステンレスなどを用いる。１２はフィルタで、活性炭やゼオライト、あるいはシリカゲルなどを用い、ここではキャップ１０の外側に設けたが、キャップ１０とケース４との間などに設けても良い。またフィルタ１２は設けなくても良い。１４はキャップ１０に設けたガス導入孔で、２０はプロトン導電体膜などからなるＭＥＡである。
【００１６】
図２にＭＥＡ２０とその周囲とを示すと、ＭＥＡ２０は、プロトン導電体膜２２とその表裏の電極２３，２４、並びに通気性のカーボンペーパー２５，２６から成っている。なおカーボンペーパー２５，２６は設けなくても良い。１６は厚さ１００μｍなどのステンレスの薄板からなる拡散制御部材で、打ち抜きなどにより正確な径に設けた拡散制御部１８を設け、拡散制御部１８はキャップ１０のガス導入孔１４に重なるように配置してある。
【００１７】
プロトン導電体膜２２には、スルホン酸基を導入したフッ素樹脂の膜などを用い、電極２３は　ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−　などの反応によりプロトンを生成させ、電極２４では　２Ｈ＋＋１／２Ｏ２　→Ｈ２Ｏ　の反応により水を生成する。カーボンペーパー２５，２６の役割は、電極２３，２４と拡散制御部材１６並びにケース４との電気的接続を得ること、ガス導入孔１４と拡散制御部１８から導入されたガスを電極２３にほぼ均一に供給すること、水蒸気導入孔８から導入された水蒸気や酸素を電極２４に均一に供給することなどにある。そして拡散制御部材１６はキャップ１０に電気的に接続され、キャップ１０がガスセンサ２の−側の出力端子となり、ケース４が＋側の出力端子となる。
【００１８】
図３に示すように、キャップ１０はケース４よりも大径で、キャップ１０の内径はケース４の外径とほぼ等しく、キャップ１０の縁１１、即ちケース４側に円筒状に突き出た部分を、ケース４の側面上部５にフィットさせるようにして固定する。２８は絶縁膜で、ここではキャップ１０の縁１１に取り付けたが、ケース４の側面上部５に設けても良い。３０はかしめ部で、キャップ１０の縁でケース４の側面上部５で、これらを互いにかしめることにより、キャップ１０をケース４に対して固定する。なおかしめ部３０を設ける代わりに、絶縁性の接着剤を介してキャップ１０の縁１１の内面を、ケース４の側面上部５に固着しても良い。
【００１９】
図４に、ガスセンサ２の製造工程を示す。ケース４の頂面に、あるいはキャップ１０の底面に、ＭＥＡ２０を配置し、キャップ１０を上側から静かにケース４の側面上部５に嵌め込む。そしてキャップ１０をケース４に対して所定の位置まで嵌め込むと、これらの側面をかしめて、図３のかしめ部３０を設ける。この結果、キャップ１０やＭＥＡ２０は、ケース４に対して所定の位置に固定され、ＭＥＡ２０とキャップ１０やケース４との接続も確保される。
【００２０】
実施例では、キャップ１０をケース４に静かに嵌め込むことができ、かしめ時の衝撃もＭＥＡ２０に伝わりにくいので、ＭＥＡ２０の位置ずれなどがない。またＭＥＡ２０の内部でも、カーボンペーパー２５，２６や、電極２３，２４並びにプロトン導電体膜２２などが互いにずれることがない。このためＭＥＡ２０の位置不良によるガスセンサ２の出力不良を防止できる。次に拡散制御部材１６に正確に一定の孔からなる拡散制御部１８を設けることにより、ＭＥＡ２０への拡散制御を正確に行うことができる。なお拡散制御部材１６は通気性を所定の値に保ったテフロン（登録商標）フィルムやポリエチレンフィルムなどのフィルムでも良い。例えば水蒸気導入孔８は大径でよいので、直径１ｍｍ程度とし、ガス導入孔１４は例えば直径を０．２５ｍｍ程度とする。ケース４やキャップ１０は機械的な強度が必要なため、肉厚にせざるを得ず、ガス導入孔１４を正確に一定の径で設けることは難しい。これに対して拡散制御部材１６は、例えば厚さ０．１ｍｍのステンレスの薄板であり、薄肉なので打ち抜きなどにより正確に所定の径の拡散制御部１８を設けることができる。例えばここでは、拡散制御部１８の直径を０．１ｍｍとする。
【００２１】
実施例のガスセンサ２の場合、キャップ１０を取り付ける際にＭＥＡ２０に衝撃が加わらないため、ガスセンサの製造不良が解消し、これによって収率が数％向上する。次に正確に一定な径の拡散制御部１８を設けることができるため、ガスセンサの出力ばらつきを小さくできる。例えばキャップ１０のガス導入孔１４のみで拡散制御を行う場合に比べ、ＣＯ中での出力分布の標準偏差を１／３〜１／４程度にできる。これらのため、ガスセンサ２の出力ばらつきを著しく小さくすることができる。
【００２２】
キャップ１０をケース４に固定するには、様々な手法が可能である。図５の変形例はこのような例を示し、３２はリング状のゲル状接着剤で、ＭＥＡ２０の周囲を取り巻き、キャップ１０とケース４とを接着すると共に、キャップの縁とケースの側面上部との間からのガス流路をシールする。なお以下の図では、拡散制御部材１６や、絶縁膜２８を省略する。
【００２３】
図６の変形例は、ケース４’とキャップ１０’とのシールに、ガスケット３４を用いている。しかしガスケット３４を用いるよりも、図１〜図５の実施例や変形例のように、キャップをケースに対してフィットさせて。嵌着するほうが容易である。
【００２４】
実施例では、キャップ１０やケース４を金属製とした。これはケース４やキャップ１０をガスセンサ２の出力端子として用いることと、プラスチックでは僅かではあるが水蒸気透過性があるため、水６のロスが大きく、ガスセンサの寿命が短くなることによる。しかしながらキャップやケースをプラスチックで構成しても良く、これらの双方ともプラスチックとしても、一方をプラスチックとし、他方（例えばケース）を金属としても良い。このような例を図７，図８に示すと、４０はプラスチックケース、４２はプラスチックキャップで、材料にはポリプロピレンやポリブチルテレフタレートあるいはシクロオレフィン系のプラスチックなどの透湿性の低いものを用い、他の点では実施例のケース４やキャップ１０と同様である。４４，４６はリードで、これらは例えばステンレスリードなどを用い、ケース４０やキャップ４２などと例えば一体成型する。４５，４７はリード４４，４６に設けた開口である。そしてリード４６に正確に所定の径の開口４７を設けるのは困難なので、この場合も好ましくは拡散制御部材１６を設けて、拡散制御部１８により拡散を制御する。
【００２５】
キャップ４２のケース４０への取り付けでは、例えばリング状のゲル状接着剤３２などを用いて接着し、あるいはキャップ４２の縁の部分とケース４０の側面上部とを融着もしくは接着しても良い。さらにはキャップ４２の縁の内周面あるいはケース４０の側面上部に、小突起とこれに対応する小凹部を設けて、突起と凹部とを利用して嵌着しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のガスセンサの断面図
【図２】実施例のガスセンサでのＭＥＡの付近を示す部分断面図
【図３】実施例のガスセンサでの、ケースとキャップの絶縁及びそれらのかしめを示す部分断面図
【図４】実施例のガスセンサの製造工程を模式的に示す図
【図５】変形例のガスセンサの部分断面図
【図６】他の変形例のガスセンサの部分断面図
【図７】プラスチックケースとプラスチックキャップを用いた変形例のガスセンサの断面図
【図８】図７のガスセンサでのＭＥＡの付近を示す部分断面図
【図９】従来例のガスセンサの断面図
【符号の説明】
２　　　　　プロトン導電体ガスセンサ
４　　　　　ケース
６　　　　　水
８　　　　　水蒸気導入孔
１０　　　　キャップ
１２　　　　フィルタ
１４　　　　ガス導入孔
１６　　　　拡散制御部材
１８　　　　拡散制御部
２０　　　　ＭＥＡ
２２　　　　プロトン導電体膜
２３，２４　電極
２５，２６　カーボンペーパー
２８　　　　絶縁膜
３０　　　　かしめ部
３２　　　　ゲル状接着剤
３４　　　　ガスケット
４０　　　　プラスチックケース
４２　　　　プラスチックキャップ
４４，４６　リード
４５，４７　開口
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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