ベント部材を備えたセンサー
センサー（１０）は、ハウジング（２０）と、そのハウジング内部の少なくとも２つの電極（５０、６０、７０）と、その電極間のイオン導電性を提供する電解質と、ベント部材（８０）とを含む。このベント部材（８０）は、ハウジングにおける流通口（２４）を通って延びる部分（８４）を含む第１セクション（８２）を含む。また、ベント部材は、ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる第１セクションに接続される少なくとも１つの延伸部材（８３）を含む。ベント部材の第１セクション（８２）は、ガスがベント部材を通ってハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように多孔質である。センサーの内部からガスを排出する対応する方法も開示される。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本明細書において使用する用語は、本明細書において明確に別段に記述しない限り、なんらかの特定の狭義の解釈に限定されるようには意図されていない。本明細書において引用されるいかなる参考文献も、参照によって本願に組み込まれる。
【０００２】
アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーは、構造および操作においてバッテリおよび燃料電池に類似した電気化学的電池である。このため、これらの３つの装置はいくつかの構造を共通に有する。これには、（ｉ）アノードまたはアノード隔室（ここで電気化学的酸化が生起する）、（ｉｉ）カソードまたはカソード隔室（ここで電気化学的還元が生起する）、（ｉｉｉ）導イオン性電解質（２つの電極間のイオンによる電気接触を維持する）、（ｉｖ）ハウジング（電極および電解質を閉囲する）、（ｖ）接点または極（概して電極および外部回路間の金属電気接点である）、および、（ｖｉ）これらの装置と接続して用いられる外部電子回路、が含まれる。バッテリおよび燃料電池は、主として電源として機能し、それらが電気的に接続され得る回路に対して設計上の制限を設けることはほとんどない。アンペロメトリックガスセンサーは、適正に機能するために特定の駆動回路（例えばポテンシオスタット）を必要とする場合が多い。しかし、燃料電池と同様に機能するアンペロメトリックガスセンサーであって、目標ガスまたは被分析ガスが存在する場合にアノードおよびカソード間に流れる電流の測定方法のみを必要とするアンペロメトリックガスセンサーも存在する。
【０００３】
バッテリは自己充足型の電気化学的エネルギー貯蔵および変換装置である。それは、アノードおよびカソードの両方が、異なる電気化学的エネルギーを有する相対的に大量の物質を含むか、あるいはそのような物質と緊密に電気接触するように構成される。バッテリのアノード極およびカソード極が電子回路に接続されると、有意義かつ有用な量の電流が電子回路に流れる。この電流の源泉は、アノードおよびカソード材料の電気化学的転化（酸化および還元）である。電気化学的な観点からは、バッテリは、それが、有用な寿命または電気エネルギー量を供給するのに十分なアノード材料およびカソード材料をもって製造されるという点で、自己充足的である。そのため、バッテリは通常しっかりと封止され、多くの設計において、バッテリは気密に封止される。バッテリの一般的な例には、ルクランシェ電池（「乾」電池）およびプランテ電池（鉛蓄電池）が含まれる。
【０００４】
一方、燃料電池は、アノード材料、カソード材料、あるいはその両者の外部供給を必要とする電気化学的エネルギー変換装置である。燃料電池の電極は、通常、本質的に電極触媒性のものである。この点で、燃料電池の電極は、電気化学的な活性表面を備え、電池の電気化学的反応を補助するが、その反応に化学的に実際に関与することはない。バッテリは、電気化学的に活性な電極材料が消尽されると一般的にその有効寿命が終息するが、燃料電池は、バッテリとは異なって、電気化学的な活性材料（アノード材料）および酸化剤（カソード材料）が装置に供給される限り連続的に作動するであろう。一般的な燃料電池の例は、グローブ電池もしくは水素−酸素燃料電池である。グローブ電池においては、水素が燃料であり、酸素が酸化剤である。
【０００５】
アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーは燃料電池の特殊な場合である。それは、通常、寸法が（発電用として用いられる燃料電池に比べて）小型であり、分析の対象となる目標ガス（すなわち被分析ガス）を燃料として用いるように設計される。目標ガスが存在しなければ、電極において生起するバルク電気化学的転化（ファラデー反応）が生じることはなく、従って、センサーに流れる電流は本質的にゼロである。被分析ガスが存在すると、それは電気化学的酸化または還元を受け、その結果としてファラデー電流が発生する。結果的に生じるこの電流が外部の駆動回路によって感知され、センサーの分析信号を提供する。通常、観察される電流は被分析ガスの濃度に正比例する。
【０００６】
上記のように、バッテリと、燃料電池と、アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーとは多くの点で類似している。しかし、アンペロメトリックガスセンサーの製造には、いくつかの特有の難点が存在する。第１に、バッテリとは異なって、被分析ガスのセルへの流入を可能にするガス流入口がなければならない。また、電流を電極表面から外部回路に伝送する接点または極も必要である。最後に、センサーは、多くの場合腐食性の高い酸または塩基の水溶液であるイオン性電解質を保持するように製造しなければならない。被分析ガスの流入と、生じる電流の捕集とを可能にしながら、アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーを内部の液体電解質の漏洩に対して封止することは、電気化学的ガスセンサーの機械的設計の明らかに重要な特徴である。
【０００７】
酸素センサーはアンペロメトリック電気化学的ガスセンサーの特殊な場合である。通常、電気化学的酸素センサーは、貴金属の作用電極と、通常鉛または亜鉛の犠牲金属アノードとを含む。このタイプのセンサーは、多様な用途における酸素濃度の検出用および測定用として多年にわたって使用されてきた。鉛ベースのセンサーは、寿命の制限および毒性金属の使用を含むいくつかの欠点を免れない。
【０００８】
それにも拘らず、酸素センサーの犠牲金属アノードは通常鉛アノードである。センサーに流入する酸素が作用電極において還元される一方、鉛アノードは酸化鉛に酸化される。センサーは、センサー内に電気化学的にアクセス可能な鉛が存在する限り作動する。稼働寿命を延ばすためには、鉛含有量を増大するか、あるいは酸素の流入量を低減しなければならない。センサーの寿命を増大するためのこれらの方策のそれぞれに、利点および欠点がある。しかし、いかなる場合にも、センサーの寿命はセンサー内に存在する鉛の量によって決まり、その鉛の量は製造時に決定される。
【０００９】
近年、一般的に「酸素ポンプ」センサーと呼称される新しいタイプの酸素センサーが開示された。酸素ポンプセンサーは犠牲卑金属アノードを含まない。その代りに、酸素ポンプセンサーは電極触媒アノードまたはカウンタ電極を含む。センサーに流入する酸素は作用電極において酸化物イオンに還元される。同時に、電解質がカウンタ電極において酸化され、分子ベースで１対１で、酸素が生成される。このタイプの酸素センサーは、犠牲アノードを含むセンサーよりも遥かに長い有効稼働寿命を有することができる。しかし、酸素ポンプセンサーの適正な作動を確保するためには、カウンタ電極で生成される酸素を除去する必要がある。酸素が効率的に除去されなければ、内部で生成される酸素がセンサーに圧力を加えて作用電極へ入り込み、その結果、センサーの分析信号に影響が及ぶ可能性がある。さらに、内部圧力が上昇すると、液体の電解質がセンサーハウジングの内部部分から漏出することがある。
【００１０】
酸素ポンプの原理に基づいて作動する種々のセンサーが開発されてきた。これらのセンサーは、発生した酸素を排出するベントシステムを構成するために、薄い多孔質の疎水性膜を含んでいる。この膜ベースのベントシステムは、センサーハウジングの内部から酸素を排出する拡散通路を形成できる一方で、センサーハウジングは、薄い多孔質の疎水性膜によって覆われた流通口または孔を含まなければならない。このような孔または流通口には、電解質漏出の可能性が増大するというリスクが伴う。さらに、膜ベースのベントシステムの効率的な機能または作動は、センサーの方向によって影響を受ける可能性がある。例えば、特定の方向においては、膜の内面が液体電解質によって完全に濡らされるか、あるいは膜の内面に液体電解質が接触することがあり、これは、ガスを排出する膜の働きに重大な悪影響を及ぼす可能性がある。２つ以上の流通口／膜ベントを異なる位置に設けると、位置または方向による影響を低減できるが、液体電解質がセンサーから漏出する可能性が増大することがあり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一態様において、センサーは、ハウジングと、そのハウジング内部の少なくとも２つの電極と、その電極間のイオン導電性を提供する電解質と、ベント部材とを含む。このベント部材は、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分を含む第１セクションを含み、この流通口を通って延びる部分は、ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる第１セクションに接続される。ベント部材の第１セクションは、ガスがベント部材を通ってハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。ベント部材は、例えば、それを透過する電解質の流れに抵抗できる。
【００１２】
いくつかの実施態様においては、ベント部材が、さらに、流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションを含む。この第２セクションは、例えば多孔質とすることができ、例えば、ハウジングの外面に取り付けることが可能である。第２セクションは、例えば、流通口を覆うために流通口の周囲を超えて広がることができる。第２セクションは、例えば、流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びることができる。いくつかの実施態様においては、第２セクションは、流通口を通って延びる部分に対して概ね垂直に延びる。
【００１３】
第１セクションおよび第２セクションは、それらを透過するガスの拡散通路を設けるために、例えば、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成できる。
【００１４】
延伸部材は、（流通口を通って延びる部分および第２セクションも同様に）例えば、ポリマー材料の個々の粒子から成形することが可能である。個々の粒子の少なくとも一部分は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを含む、あるいはそれから形成できる。
【００１５】
いくつかの実施態様においては、少なくともベント部材の延伸部材が、疎水性、疎油性、または多疎性である。
【００１６】
延伸部材は、例えば、ハウジングの内部の延伸部材の表面積に電解質が完全には接触できないように、ハウジングの内部を通って延びることができる。
【００１７】
作用電極は、例えば、酸素を酸化物イオンに還元するように調整することができ、センサーは、例えば、酸素を感知するように調整することができる。
【００１８】
別の態様においては、ハウジングと、ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、電極間のイオン導電性を提供する電解質とを含むセンサーの内部からガスを排出する方法が、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分と、その流通口を通って延びる部分に接続される少なくとも１つの延伸部材とを含む第１セクションを含むベント部材を設けることを含む。この延伸部材は、ハウジングの内部の一部分を少なくとも部分的に通って延びており、第１セクションは、ガスがベント部材を通ってハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。
【００１９】
さらに別の態様においては、コンテナがハウジングおよびベント部材を含み、このベント部材は、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であって、ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続される部分を含む第１セクションを含む。この第１セクションは、ガスがハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。ベント部材の第１セクションは、例えば、それを透過する液体の流れに抵抗できる。
【００２０】
ベント部材は、例えば、通路を通って延びる部分に接続される第２セクションをさらに含むことができる。この第２セクションは、例えば、多孔質とすることができ、かつ、例えば、ハウジングの外面に取り付けることが可能である。
【００２１】
いくつかの実施態様においては、延伸部材が、ハウジングの内部におけるその延伸部材の表面積にハウジング内部の液体が完全には接触し得ないように、ハウジングの内部を通って延びる。液体は、例えば、電解質を含むことができる。第２セクションは、例えば、流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びることができる。
【００２２】
いくつかの実施態様においては、第１セクションおよび第２セクションが、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される。
【００２３】
本明細書に記述するベント部材は、センサー（または他の）ハウジングにおける複数の流通口の形成に伴う電解質漏出の可能性を増大することなく、位置依存性または方向依存性を低減し、センサー（または他の）ハウジングの内部からガス（例えば酸素）を排出するための堅牢かつ効率的なシステムを提供する。
【００２４】
本明細書に記述する装置、システムおよび/または方法は、その属性および付帯的利点と共に、添付の図面と関連付けて記述される以下の詳細な説明を参照することによって、最もよく認識されかつ理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】ベント部材を含むセンサーの実施態様の側断面図を示す。
【図１Ｂ】ベント部材がセンサーハウジングから分離された状態の図１Ａのセンサーの斜視図を示す。
【図２】図１の延伸ベント部材の側面図を示す。
【図３】図１のベント部材の正面図を示す。
【図４】図１のベント部材の斜視図を示す。
【図５】図１のベント部材の別の側面図を示す。
【図６】ベント部材の一実施態様の一部分の顕微鏡写真を示す。
【図７】ベント部材の別の実施態様の斜視図を示す。
【図８Ａ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図８Ｂ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図８Ｃ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図９】ベント部材を含む酸素ポンプセンサーの一実施態様の代表的な試験研究結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書および添付の請求項において使用する単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、その文脈がそうでないことを明確に表明していない限り、複数形に関する言及を含む。従って、例えば、「延伸部材（ａｎ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）」への言及は、複数のそのような延伸部材、および当業者に知られるその均等物などを含み、「延伸部材（ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）」への言及は、１つ以上のそのような延伸部材、および当業者に知られるその均等物などへの言及である。
【００２７】
いくつかの実施態様において、ベント部材は少なくとも第１セクションを含み、この第１セクションは、例えばセンサーのハウジング内部に延びる少なくとも１つの３次元の部材または構造を含んで、ハウジング内部からハウジングの外部への、１種以上のガスのためのベント通路を提供する。
【００２８】
１つまたは複数の延伸部材の寸法および形状は、任意の適切な方法で定めることができる。いくつかの実施態様においては、延伸部材は、ガスがハウジングから流出するためのベント通路を提供する延伸部材の機能が、ハウジングの位置または方向から重大な影響を受けないような態様で、ハウジングを通って延びる。この点で、いくつかの実施態様においては、延伸部材が、センサーハウジングの位置または方向に関係なく、ハウジング内部の延伸部材の部分の全表面にわたって、電解質が延伸部材の表面を濡らすかまたはそれに接触することがないように、ハウジングを通って延びる。その際、延伸部材の少なくとも一部分がセンサーハウジング内部のガスの塊（例えば気泡）に接触すると、延伸部材は、センサーハウジングの内部からガスを排出するようにさらに効率的に機能する。延伸部材は、例えば、ハウジングを通っていかなる方向にも、例えば、概ね直線状におよび/または概ね曲線状に延びることができる。
【００２９】
ベント部材は、例えば、ハウジングとは別個に製造して、それと組み合わせることができる。また、ベント部材は、センサーハウジングの部品またはその一部分として機能することもできる。
【００３０】
延伸部材は、例えば、多孔質のポリマー材料またはプラスチック材料を含むか、あるいはそれらの材料から形成することができる。水性電解質の場合には、延伸部材の多孔質ポリマーまたは他の材料は、それを透過する水性電解質のいかなる流れをも最小化または除去するために、概して本質的に疎水性のものとすることができる。非水性電解質（例えば有機電解質）の場合には、多孔質プラスチックまたは他の材料は、それを透過する非水性電解質のいかなる流れをも最小化または除去するために、概して本質的に疎油性のものとすることができる。多孔質プラスチック材料は、疎水性かつ疎油性のものとすることも可能である。このような材料は「多疎性（ｍｕｌｔｉｐｈｏｂｉｃ）」と呼称される。延伸部材は、それを透過する液体電解質の流れまたは漏出を最小化または除去するために、化学的に、あるいは他の方法で処理することも可能である。
【００３１】
概して、本明細書で用いる「疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）」という用語は、電気化学的センサーの内部で発生する圧力において水による濡れに対して実質的にまたは完全に抵抗性を示す材料（従って、延伸部材の場合には、それを透過する水性電解質の流れを制限する材料）のことを言う。概して、本明細書で用いる「疎油性（ｏｌｅｏｐｈｏｂｉｃ）」という用語は、電気化学的センサーの内部で発生する圧力において、非水性電解質系のような低表面張力の液体による濡れに対して実質的にまたは完全に抵抗性を示す材料（従って、延伸部材の場合には、それを透過する非水性電解質の流れを制限する材料）のことを言う。ここで用いる「低表面張力の液体（ｌｏｗ−ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｑｕｉｄｓ）」という用語は、概して、水より低い表面張力を有する液体のことを言う。疎水性、疎油性および多疎性の材料については、例えば、米国特許第５，９４４，９６９号明細書において検討されている。
【００３２】
また、延伸部材の材料（例えば多孔質プラスチック材料）は、電気化学的センサーが通常使用される条件の下で、実質的に化学的かつ熱的に不活性であることが望ましい。
【００３３】
いくつかの実施態様においては、延伸部材が多孔質のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から形成された。しかし、例えば、多孔性、疎水性および/または疎油性に関する所望の特性を有する任意のポリマー材料または他の材料を使用できる。
【００３４】
上記のように、１つまたは複数の延伸部材は、事実上任意の形状のものとすることができる。試験研究した形状は円形または長方形断面のロッドを含んでいたが、概して任意の断面形状を有する１つまたは複数の延伸部材を使用できる。いくつかの試験研究においては、部材または形状が、予備成形されたロッドから、またはシート材から切断加工された。複雑な３次元の形状は、例えば、個々のポリマー粒子を所望の３次元構造に成形することによって製造できる。いくつかの実施態様においては、成形または焼結ポリマー構造が、２０〜２００μｍの範囲の粒子サイズ（直径）を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子から形成された。いくつかの実施態様においては、粒子を篩い分け処理して、１５０μｍより小さい、あるいは１０８μｍより小さい、あるいは９０μｍより小さい粒子サイズ／直径を有するように分級した。結果的に得られた３次元構造は０．５μｍ以下の有効細孔径を有していた。
【００３５】
焼結ポリマー構造の場合には、ポリマー粒子を、例えば、ガラス転移温度（Ｔg）を超えているが融解温度（Ｔm）未満の温度に加熱できる。ガラス転移温度を超えて加熱される間、ポリマー粒子は相互に付着する。粒子間の間隙間隔または容積によって、制御された多孔性が提供される。いくつかの実施態様においては、付着および/または成形を容易にするため、加熱されたポリマー粒子に圧力を印加できる。ポリマー粒子は、所望の３次元要素を得るために、事実上任意の形状の型内で焼結することが可能である。
【００３６】
代わりの方式として、開放セル発泡体を形成することが可能である。開放セル発泡体においては、細孔は結合され、相互結合された多孔質ネットワークが形成される。例えば、ポリウレタンおよび/またはポリ尿素発泡体を、重合の間に、水のような発泡剤を用いて形成できる。
【００３７】
いくつかの代表的な試験研究において、ＰＴＦＥ粒子の焼結によって形成された多孔質の延伸部材を含むベント部材が、例えば、熱かしめ、超音波溶接、レーザ溶接、接着および射出成形を含む多様な方法によって、センサーハウジングの中に組み込まれた。当業者には明らかなように、ベント部材をセンサーハウジングの中に取り付けるまたは組み込む他の方法も適している。すべての試験研究において、３次元の多孔質ポリマー製延伸部材を含むベント部材が、電解質漏出を阻止するセンサーハウジングの堅牢さを維持しながら、効率的かつ効果的なガス拡散通路を提供した。
【００３８】
図１Ａおよび１Ｂは、ハウジング２０を含むセンサー１０の一実施態様を示す。センサー支持部材３０がハウジング２０の内部に配置され、そのことにより、例えば少なくとも２つの電極（例えば作用電極およびカウンタ電極）を支持することができる。支持部材３０は、例えば、当分野で知られる基準電極を含む１つ以上の他の電極を支持することができる。一般的に、基準電極は、作用電極を既知の電圧または電位に維持するために用いられる。被分析ガスは、流入流通口２２からハウジング２０に流入できる。
【００３９】
電解質は、例えば、センサー分野で知られるウィッキング材料４０であって、センサー支持材３０によって支持されるウィッキング材料４０（図１Ａにおいては模式的に表現されている）に、少なくとも部分的に吸収させることができる。電解質は、電極５０、６０および７０（例えば、作用または感知電極、基準電極およびカウンタ電極）の間のイオン導電性を提供する。ウィッキング材料４０は、電極５０、６０および７０を物理的に分離してそれらの間の短絡回路を防止するようにも作用する。センサーハウジング２０は、例えば、（図１の方向において）センサー支持材３０の下に、例えば、吸湿性の電解質の場合に水分を吸収した結果として電解質の容積が増大した場合にも、電解質に対して付加的な容積を提供するための保留容積を含む。
【００４０】
図１Ａおよび１Ｂの実施態様においては、ベント部材８０が、ハウジング２０の内部容積の少なくとも一部分を通って延びる（すなわち、延びる長さを有する）少なくとも１つの延伸部材８３を含む第１セクション８２を含む。上記のように、第１延伸部材８３は、延伸部材８３の表面積全体に電解質が接触すること、あるいは表面積全体が電解質によって濡らされることがないようにハウジング２０を通って延びることができる。従って、図１Ａおよび１Ｂの実施態様（並びに他の実施態様）においては、方向または位置とは無関係なガス排出が実現され、その場合、ガス排出用の単一の流通口（すなわち流通口２４）だけがハウジング２０に形成される。このため、延伸部材８３の少なくとも一部分がガスの容積と接触した状態で保たれ、このことは、ガス（例えば、酸素ポンプタイプのセンサーの場合は酸素）を除去するためのその効率的な作動を維持するのに役立つ。酸素ポンプセンサーのいくつかの実施態様においては、延伸部材８３が、カウンタ電極から流入流通口２２への拡散通路よりもカウンタ電極から延伸部材８３への拡散通路の方が容易になるように配置される。
【００４１】
ベント部材８０は、図２〜５にも表現されている。図示の実施態様においては、延伸部材８３は概して円筒形状である。図示の実施態様においては、ベント部材８０の第１セクション８２は、ベント部材８０がハウジング２０と作動結合される場合に流通口２４に隣接すると共にその流通口２４を貫通して延びる部分８４であって、延伸部材８３に接続される部分８４をも含む。部分８４は、例えば、延伸部材８３よりも大きな直径を有することができ、その寸法を、流通口２４の直径よりも僅かに小さい直径を有するように定めることができる。いくつかの実施態様においては、（部分８４および延伸部材８３を含む）第１セクション８０がモノリシックに形成された。
【００４２】
図示の実施態様においては、ベント部材８０は、さらに、第１セクション８０の部分８４に対して概ね垂直に延びる第２セクションまたは部材８６を含む。第２セクション８６は、例えば、ハウジング２０の外部との適切な接続の形成を容易にすることができる。その際、第１セクション８０の部分８４は、上記のようにハウジング２０の流通口２４を貫通して延びており、１つまたは複数の延伸部材８３と接続されている。図示の実施態様においては、第２セクション８６は、部分８４の直径より大きい幅を有しており（すなわち流通口２４の直径または周囲を超えて広がっており）、流通口２４を覆って（液体電解質の脱出の可能性を抑えるための）シールを形成すると共に、ハウジング２０との確実な係合あるいはベント部材８０のハウジング２０との接続を確保するための表面積を提供する。第２セクション８６は、例えば、熱かしめ、超音波溶接、レーザ溶接、接着、射出成形によって、あるいは任意の他の適切な取り付け方法を介して、ハウジング２０に取り付けることができる。ハウジング２０へのベント部材８０の取り付け方法がいかなるものであれ、ガスをハウジング２０の内部からその外部に排出するための、ベント部材８０によって設けられる拡散通路を破壊しないように注意しなければならない。図１Ｂに示すように、ハウジング２０は、例えば、第２部材８４を受け入れてそれを載せる座２６を含むことができる。
【００４３】
図示の実施態様においては、第２セクション８６は、部分８４に対してある角度で（図示の実施態様においては垂直に）延びており、これによって、流通口２４を覆うことと、ハウジング２０の表面に合致しかつその表面との結合を形成する表面積を設けることとが容易になる。図示の実施態様においては、第２セクション８６は、概して長方形でフラットな材料のリボンとして形成される。上記のように、概してフラットな第２セクション８６によって、ハウジング２０との結合が容易になる。
【００４４】
延伸部材８３およびその部分８４を含む第１セクション８２と第２セクション８６とのそれぞれは、例えば、多孔質材料であって、それを通じた電解質の通過を防止しながら、それを透過してガス（例えば酸素）を拡散させるような材料から形成できる。いくつかの実施態様においては、第１セクション８２および第２セクション８６が、そのような多孔質材料から一体的にまたはモノリシックに形成された。代わりの方式として、例えば、第１セクション８２を別個に形成して第２セクション８６に取り付けることができる。同様に、例えば、延伸部材８３を部分８４とは別個に形成してそれに取り付けることができる。しかし、取り付けの間には、ベント部材８０を透過する拡散通路が確実に保持されるように注意しなければならない。いくつかの実施態様においては、ベント部材２０は、疎水性の多孔質構造を形成するように成形されたＰＴＦＥ粒子からモノリシックに形成された。約１００μｍの最大粒子サイズを有するＰＴＦＥの成形された粒子から形成されたベント部材の一部分の顕微鏡写真を図６に示す。
【００４５】
図７は、ハウジング２０との結合に用いるベント部材８０’の別の実施態様を示す。図７の実施態様においては、第１セクション８２’が、テーパ形状を有する延伸部材８３’を含む。すなわち、延伸部材８３’の直径が、第２セクション８６’に接続されるその第１端部において、その第２端部または末端端部におけるよりも大きい。第２セクション８６’に近接する延伸部材８３’の部分は、ベント部材８０’がハウジング２０と作動結合されると、ハウジング２０における流通口２４を貫通する。延伸部材８３’および第２セクション８６’の接合部における延伸部材８３’の直径は、例えば、流通口２４の直径よりも僅かに小さくなるように定めることができる。第１セクション８２’および第２セクション８６’は、例えば、上記のようにモノリシックに形成することが可能である。
【００４６】
図８Ａおよび８Ｂは、それぞれ、ベント部材８０ａおよび８０ｂの代替的な実施態様を示す。このベント部材８０ａおよび８０ｂは、それぞれ、少なくとも第１セクション８２ａおよび８２ｂを含み、この第１セクション８２ａおよび８２ｂは、センサーハウジング２０のようなセンサーハウジングの内部を通って曲線状に延びる延伸部材８３ａおよび８３ｂを有する。ベント部材８０ａおよび８０ｂの部分または部材８４ａおよび８４ｂは、それぞれ、ガスをセンサーハウジングの内部からセンサーハウジングの外部に排出するように、センサーハウジングにおける流通口を貫通して延びている。ベント部材８０ａおよび８０ｂは、さらに、（ベント部材８０の第２セクション８６に類似の、あるいはそれと同じ）第２部材またはセクションを含むことができる。この第２部材またはセクションは、ハウジングの外面と連携して、ハウジングと共に（液体）シールの形成を容易にし、かつハウジングへの十分な結合または取り付けの形成を容易にする。
【００４７】
図８Ａおよび８Ｂの実施態様においては、延伸部材８３ａおよび８３ｂは閉ループを形成している。図８Ｃはさらに別の実施態様のベント部材８０ｃを示すが、このベント部材８０ｃは、少なくとも、センサーハウジング２０のようなセンサーハウジングの内部を通って曲線状（例えば、カンチレバー状）に延びる複数の延伸部材８３ｃを有する第１セクション８２ｃを含んでいる。ベント部材８０ｃの部分または部材８４ｃは、ガスをセンサーハウジングの内部からセンサーハウジングの外部に排出するように、センサーハウジングにおける流通口を貫通して延びている。
【００４８】
図８Ａ〜８Ｃに示される延伸部材は、例えばセンサーハウジング２０の内部においてほぼ横方向に延びているが、その延伸部材は、そのハウジング内部において縦方向に延びることも可能である。さらに、そのベント部材の１つ以上の延伸部材（１つ以上のその部分）は、例えば、１つ以上の面または方向に延びる分岐構造を有することができる。
【００４９】
図９は、上記のようなベント部材８０を含む酸素ポンプセンサーの一実施態様に関する代表的な試験研究の結果を示す。この試験研究の酸素ポンプセンサーの実施態様においては、作用電極、カウンタ電極および基準電極は、それぞれ、多孔質のＰＴＦＥ膜の片面に塗布された白金（Ｐｔ）黒を含んでいた。各膜は支持構造として機能し、作用電極の場合には、Ｐｔ黒と共に、アンペロメトリックガスセンサー分野において知られるガス拡散電極を形成した。作用電極は、外部のポテンシオスタット回路によって、基準電極に対して−６００ｍＶの電位に保持された。
【００５０】
図９は、センサーを空気流れおよび窒素（Ｎ2）流れ（すなわちガスはゼロ容積％の酸素を含む）に曝露した場合の試験研究の典型的な結果を示す。実験においては、空気（２０．８容積％のＯ2を含む）を約２５０ｍＬ／分の流量でセンサーに流した。図９の５分の標識点において、流れを突然Ｎ2（すなわち０．０容積％のＯ2のガス）に切り替えた。図９の１０分の標識点において、流れを突然空気（２０．８容積％のＯ2含有量）に戻した。表１はこのようなセンサーの典型的な性能特性を表している。
【表１】
【００５１】
試験研究したセンサーの多孔質のベント部材は、効率的に作用してセンサーからガスを排出した。センサーからのガス排出が効率的に行われなければ、センサーは、実施された試験研究の期間に故障していたであろう。
【００５２】
多孔質のベント部材は、一般的に、ガスを、（例えば、センサー、バッテリ等のコンテナ／ハウジングの内部からその外部に）排出しなければならないような（例えばセンサーやバッテリ内にある）任意のコンテナまたはハウジングと組み合わせて用いることができる。上記のように、コンテナまたはハウジングの内部は（電解質のような）液体を含むことができるが、その場合、このベント部材は、液体がコンテナの内部からその外部に流出することを抑えあるいはそれを防止するが、ガス排出用の拡散通路は確保するのである。
【００５３】
以上の記述および添付の図面は現時点における実施態様を述べている。当然のことながら、当業者には、以上に述べた教示に照らして、以上の記述よりも以下の請求項によって示される本発明の範囲から逸脱することのない種々の修正、追加および代替的な設計が明らかになるであろう。請求項の意味および均等物の範囲内のすべての変更および変形は、この範囲内に含入されるべきである。
【００５４】
関連出願の相互参照
本願は、米国仮特許出願第６１／２５６，７１２号の利益を主張する。この仮特許出願の内容は参照によって本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００１】
本明細書において使用する用語は、本明細書において明確に別段に記述しない限り、なんらかの特定の狭義の解釈に限定されるようには意図されていない。本明細書において引用されるいかなる参考文献も、参照によって本願に組み込まれる。
【０００２】
アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーは、構造および操作においてバッテリおよび燃料電池に類似した電気化学的電池である。このため、これらの３つの装置はいくつかの構造を共通に有する。これには、（ｉ）アノードまたはアノード隔室（ここで電気化学的酸化が生起する）、（ｉｉ）カソードまたはカソード隔室（ここで電気化学的還元が生起する）、（ｉｉｉ）導イオン性電解質（２つの電極間のイオンによる電気接触を維持する）、（ｉｖ）ハウジング（電極および電解質を閉囲する）、（ｖ）接点または極（概して電極および外部回路間の金属電気接点である）、および、（ｖｉ）これらの装置と接続して用いられる外部電子回路、が含まれる。バッテリおよび燃料電池は、主として電源として機能し、それらが電気的に接続され得る回路に対して設計上の制限を設けることはほとんどない。アンペロメトリックガスセンサーは、適正に機能するために特定の駆動回路（例えばポテンシオスタット）を必要とする場合が多い。しかし、燃料電池と同様に機能するアンペロメトリックガスセンサーであって、目標ガスまたは被分析ガスが存在する場合にアノードおよびカソード間に流れる電流の測定方法のみを必要とするアンペロメトリックガスセンサーも存在する。
【０００３】
バッテリは自己充足型の電気化学的エネルギー貯蔵および変換装置である。それは、アノードおよびカソードの両方が、異なる電気化学的エネルギーを有する相対的に大量の物質を含むか、あるいはそのような物質と緊密に電気接触するように構成される。バッテリのアノード極およびカソード極が電子回路に接続されると、有意義かつ有用な量の電流が電子回路に流れる。この電流の源泉は、アノードおよびカソード材料の電気化学的転化（酸化および還元）である。電気化学的な観点からは、バッテリは、それが、有用な寿命または電気エネルギー量を供給するのに十分なアノード材料およびカソード材料をもって製造されるという点で、自己充足的である。そのため、バッテリは通常しっかりと封止され、多くの設計において、バッテリは気密に封止される。バッテリの一般的な例には、ルクランシェ電池（「乾」電池）およびプランテ電池（鉛蓄電池）が含まれる。
【０００４】
一方、燃料電池は、アノード材料、カソード材料、あるいはその両者の外部供給を必要とする電気化学的エネルギー変換装置である。燃料電池の電極は、通常、本質的に電極触媒性のものである。この点で、燃料電池の電極は、電気化学的な活性表面を備え、電池の電気化学的反応を補助するが、その反応に化学的に実際に関与することはない。バッテリは、電気化学的に活性な電極材料が消尽されると一般的にその有効寿命が終息するが、燃料電池は、バッテリとは異なって、電気化学的な活性材料（アノード材料）および酸化剤（カソード材料）が装置に供給される限り連続的に作動するであろう。一般的な燃料電池の例は、グローブ電池もしくは水素−酸素燃料電池である。グローブ電池においては、水素が燃料であり、酸素が酸化剤である。
【０００５】
アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーは燃料電池の特殊な場合である。それは、通常、寸法が（発電用として用いられる燃料電池に比べて）小型であり、分析の対象となる目標ガス（すなわち被分析ガス）を燃料として用いるように設計される。目標ガスが存在しなければ、電極において生起するバルク電気化学的転化（ファラデー反応）が生じることはなく、従って、センサーに流れる電流は本質的にゼロである。被分析ガスが存在すると、それは電気化学的酸化または還元を受け、その結果としてファラデー電流が発生する。結果的に生じるこの電流が外部の駆動回路によって感知され、センサーの分析信号を提供する。通常、観察される電流は被分析ガスの濃度に正比例する。
【０００６】
上記のように、バッテリと、燃料電池と、アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーとは多くの点で類似している。しかし、アンペロメトリックガスセンサーの製造には、いくつかの特有の難点が存在する。第１に、バッテリとは異なって、被分析ガスのセルへの流入を可能にするガス流入口がなければならない。また、電流を電極表面から外部回路に伝送する接点または極も必要である。最後に、センサーは、多くの場合腐食性の高い酸または塩基の水溶液であるイオン性電解質を保持するように製造しなければならない。被分析ガスの流入と、生じる電流の捕集とを可能にしながら、アンペロメトリック電気化学的ガスセンサーを内部の液体電解質の漏洩に対して封止することは、電気化学的ガスセンサーの機械的設計の明らかに重要な特徴である。
【０００７】
酸素センサーはアンペロメトリック電気化学的ガスセンサーの特殊な場合である。通常、電気化学的酸素センサーは、貴金属の作用電極と、通常鉛または亜鉛の犠牲金属アノードとを含む。このタイプのセンサーは、多様な用途における酸素濃度の検出用および測定用として多年にわたって使用されてきた。鉛ベースのセンサーは、寿命の制限および毒性金属の使用を含むいくつかの欠点を免れない。
【０００８】
それにも拘らず、酸素センサーの犠牲金属アノードは通常鉛アノードである。センサーに流入する酸素が作用電極において還元される一方、鉛アノードは酸化鉛に酸化される。センサーは、センサー内に電気化学的にアクセス可能な鉛が存在する限り作動する。稼働寿命を延ばすためには、鉛含有量を増大するか、あるいは酸素の流入量を低減しなければならない。センサーの寿命を増大するためのこれらの方策のそれぞれに、利点および欠点がある。しかし、いかなる場合にも、センサーの寿命はセンサー内に存在する鉛の量によって決まり、その鉛の量は製造時に決定される。
【０００９】
近年、一般的に「酸素ポンプ」センサーと呼称される新しいタイプの酸素センサーが開示された。酸素ポンプセンサーは犠牲卑金属アノードを含まない。その代りに、酸素ポンプセンサーは電極触媒アノードまたはカウンタ電極を含む。センサーに流入する酸素は作用電極において酸化物イオンに還元される。同時に、電解質がカウンタ電極において酸化され、分子ベースで１対１で、酸素が生成される。このタイプの酸素センサーは、犠牲アノードを含むセンサーよりも遥かに長い有効稼働寿命を有することができる。しかし、酸素ポンプセンサーの適正な作動を確保するためには、カウンタ電極で生成される酸素を除去する必要がある。酸素が効率的に除去されなければ、内部で生成される酸素がセンサーに圧力を加えて作用電極へ入り込み、その結果、センサーの分析信号に影響が及ぶ可能性がある。さらに、内部圧力が上昇すると、液体の電解質がセンサーハウジングの内部部分から漏出することがある。
【００１０】
酸素ポンプの原理に基づいて作動する種々のセンサーが開発されてきた。これらのセンサーは、発生した酸素を排出するベントシステムを構成するために、薄い多孔質の疎水性膜を含んでいる。この膜ベースのベントシステムは、センサーハウジングの内部から酸素を排出する拡散通路を形成できる一方で、センサーハウジングは、薄い多孔質の疎水性膜によって覆われた流通口または孔を含まなければならない。このような孔または流通口には、電解質漏出の可能性が増大するというリスクが伴う。さらに、膜ベースのベントシステムの効率的な機能または作動は、センサーの方向によって影響を受ける可能性がある。例えば、特定の方向においては、膜の内面が液体電解質によって完全に濡らされるか、あるいは膜の内面に液体電解質が接触することがあり、これは、ガスを排出する膜の働きに重大な悪影響を及ぼす可能性がある。２つ以上の流通口／膜ベントを異なる位置に設けると、位置または方向による影響を低減できるが、液体電解質がセンサーから漏出する可能性が増大することがあり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一態様において、センサーは、ハウジングと、そのハウジング内部の少なくとも２つの電極と、その電極間のイオン導電性を提供する電解質と、ベント部材とを含む。このベント部材は、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分を含む第１セクションを含み、この流通口を通って延びる部分は、ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる第１セクションに接続される。ベント部材の第１セクションは、ガスがベント部材を通ってハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。ベント部材は、例えば、それを透過する電解質の流れに抵抗できる。
【００１２】
いくつかの実施態様においては、ベント部材が、さらに、流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションを含む。この第２セクションは、例えば多孔質とすることができ、例えば、ハウジングの外面に取り付けることが可能である。第２セクションは、例えば、流通口を覆うために流通口の周囲を超えて広がることができる。第２セクションは、例えば、流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びることができる。いくつかの実施態様においては、第２セクションは、流通口を通って延びる部分に対して概ね垂直に延びる。
【００１３】
第１セクションおよび第２セクションは、それらを透過するガスの拡散通路を設けるために、例えば、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成できる。
【００１４】
延伸部材は、（流通口を通って延びる部分および第２セクションも同様に）例えば、ポリマー材料の個々の粒子から成形することが可能である。個々の粒子の少なくとも一部分は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを含む、あるいはそれから形成できる。
【００１５】
いくつかの実施態様においては、少なくともベント部材の延伸部材が、疎水性、疎油性、または多疎性である。
【００１６】
延伸部材は、例えば、ハウジングの内部の延伸部材の表面積に電解質が完全には接触できないように、ハウジングの内部を通って延びることができる。
【００１７】
作用電極は、例えば、酸素を酸化物イオンに還元するように調整することができ、センサーは、例えば、酸素を感知するように調整することができる。
【００１８】
別の態様においては、ハウジングと、ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、電極間のイオン導電性を提供する電解質とを含むセンサーの内部からガスを排出する方法が、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分と、その流通口を通って延びる部分に接続される少なくとも１つの延伸部材とを含む第１セクションを含むベント部材を設けることを含む。この延伸部材は、ハウジングの内部の一部分を少なくとも部分的に通って延びており、第１セクションは、ガスがベント部材を通ってハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。
【００１９】
さらに別の態様においては、コンテナがハウジングおよびベント部材を含み、このベント部材は、ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であって、ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続される部分を含む第１セクションを含む。この第１セクションは、ガスがハウジングの内部からハウジングの外部に拡散し得るように、多孔質である。ベント部材の第１セクションは、例えば、それを透過する液体の流れに抵抗できる。
【００２０】
ベント部材は、例えば、通路を通って延びる部分に接続される第２セクションをさらに含むことができる。この第２セクションは、例えば、多孔質とすることができ、かつ、例えば、ハウジングの外面に取り付けることが可能である。
【００２１】
いくつかの実施態様においては、延伸部材が、ハウジングの内部におけるその延伸部材の表面積にハウジング内部の液体が完全には接触し得ないように、ハウジングの内部を通って延びる。液体は、例えば、電解質を含むことができる。第２セクションは、例えば、流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びることができる。
【００２２】
いくつかの実施態様においては、第１セクションおよび第２セクションが、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される。
【００２３】
本明細書に記述するベント部材は、センサー（または他の）ハウジングにおける複数の流通口の形成に伴う電解質漏出の可能性を増大することなく、位置依存性または方向依存性を低減し、センサー（または他の）ハウジングの内部からガス（例えば酸素）を排出するための堅牢かつ効率的なシステムを提供する。
【００２４】
本明細書に記述する装置、システムおよび/または方法は、その属性および付帯的利点と共に、添付の図面と関連付けて記述される以下の詳細な説明を参照することによって、最もよく認識されかつ理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】ベント部材を含むセンサーの実施態様の側断面図を示す。
【図１Ｂ】ベント部材がセンサーハウジングから分離された状態の図１Ａのセンサーの斜視図を示す。
【図２】図１の延伸ベント部材の側面図を示す。
【図３】図１のベント部材の正面図を示す。
【図４】図１のベント部材の斜視図を示す。
【図５】図１のベント部材の別の側面図を示す。
【図６】ベント部材の一実施態様の一部分の顕微鏡写真を示す。
【図７】ベント部材の別の実施態様の斜視図を示す。
【図８Ａ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図８Ｂ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図８Ｃ】ベント部材のさらに別の実施態様を示す。
【図９】ベント部材を含む酸素ポンプセンサーの一実施態様の代表的な試験研究結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書および添付の請求項において使用する単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、その文脈がそうでないことを明確に表明していない限り、複数形に関する言及を含む。従って、例えば、「延伸部材（ａｎ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）」への言及は、複数のそのような延伸部材、および当業者に知られるその均等物などを含み、「延伸部材（ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）」への言及は、１つ以上のそのような延伸部材、および当業者に知られるその均等物などへの言及である。
【００２７】
いくつかの実施態様において、ベント部材は少なくとも第１セクションを含み、この第１セクションは、例えばセンサーのハウジング内部に延びる少なくとも１つの３次元の部材または構造を含んで、ハウジング内部からハウジングの外部への、１種以上のガスのためのベント通路を提供する。
【００２８】
１つまたは複数の延伸部材の寸法および形状は、任意の適切な方法で定めることができる。いくつかの実施態様においては、延伸部材は、ガスがハウジングから流出するためのベント通路を提供する延伸部材の機能が、ハウジングの位置または方向から重大な影響を受けないような態様で、ハウジングを通って延びる。この点で、いくつかの実施態様においては、延伸部材が、センサーハウジングの位置または方向に関係なく、ハウジング内部の延伸部材の部分の全表面にわたって、電解質が延伸部材の表面を濡らすかまたはそれに接触することがないように、ハウジングを通って延びる。その際、延伸部材の少なくとも一部分がセンサーハウジング内部のガスの塊（例えば気泡）に接触すると、延伸部材は、センサーハウジングの内部からガスを排出するようにさらに効率的に機能する。延伸部材は、例えば、ハウジングを通っていかなる方向にも、例えば、概ね直線状におよび/または概ね曲線状に延びることができる。
【００２９】
ベント部材は、例えば、ハウジングとは別個に製造して、それと組み合わせることができる。また、ベント部材は、センサーハウジングの部品またはその一部分として機能することもできる。
【００３０】
延伸部材は、例えば、多孔質のポリマー材料またはプラスチック材料を含むか、あるいはそれらの材料から形成することができる。水性電解質の場合には、延伸部材の多孔質ポリマーまたは他の材料は、それを透過する水性電解質のいかなる流れをも最小化または除去するために、概して本質的に疎水性のものとすることができる。非水性電解質（例えば有機電解質）の場合には、多孔質プラスチックまたは他の材料は、それを透過する非水性電解質のいかなる流れをも最小化または除去するために、概して本質的に疎油性のものとすることができる。多孔質プラスチック材料は、疎水性かつ疎油性のものとすることも可能である。このような材料は「多疎性（ｍｕｌｔｉｐｈｏｂｉｃ）」と呼称される。延伸部材は、それを透過する液体電解質の流れまたは漏出を最小化または除去するために、化学的に、あるいは他の方法で処理することも可能である。
【００３１】
概して、本明細書で用いる「疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）」という用語は、電気化学的センサーの内部で発生する圧力において水による濡れに対して実質的にまたは完全に抵抗性を示す材料（従って、延伸部材の場合には、それを透過する水性電解質の流れを制限する材料）のことを言う。概して、本明細書で用いる「疎油性（ｏｌｅｏｐｈｏｂｉｃ）」という用語は、電気化学的センサーの内部で発生する圧力において、非水性電解質系のような低表面張力の液体による濡れに対して実質的にまたは完全に抵抗性を示す材料（従って、延伸部材の場合には、それを透過する非水性電解質の流れを制限する材料）のことを言う。ここで用いる「低表面張力の液体（ｌｏｗ−ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｌｉｑｕｉｄｓ）」という用語は、概して、水より低い表面張力を有する液体のことを言う。疎水性、疎油性および多疎性の材料については、例えば、米国特許第５，９４４，９６９号明細書において検討されている。
【００３２】
また、延伸部材の材料（例えば多孔質プラスチック材料）は、電気化学的センサーが通常使用される条件の下で、実質的に化学的かつ熱的に不活性であることが望ましい。
【００３３】
いくつかの実施態様においては、延伸部材が多孔質のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から形成された。しかし、例えば、多孔性、疎水性および/または疎油性に関する所望の特性を有する任意のポリマー材料または他の材料を使用できる。
【００３４】
上記のように、１つまたは複数の延伸部材は、事実上任意の形状のものとすることができる。試験研究した形状は円形または長方形断面のロッドを含んでいたが、概して任意の断面形状を有する１つまたは複数の延伸部材を使用できる。いくつかの試験研究においては、部材または形状が、予備成形されたロッドから、またはシート材から切断加工された。複雑な３次元の形状は、例えば、個々のポリマー粒子を所望の３次元構造に成形することによって製造できる。いくつかの実施態様においては、成形または焼結ポリマー構造が、２０〜２００μｍの範囲の粒子サイズ（直径）を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子から形成された。いくつかの実施態様においては、粒子を篩い分け処理して、１５０μｍより小さい、あるいは１０８μｍより小さい、あるいは９０μｍより小さい粒子サイズ／直径を有するように分級した。結果的に得られた３次元構造は０．５μｍ以下の有効細孔径を有していた。
【００３５】
焼結ポリマー構造の場合には、ポリマー粒子を、例えば、ガラス転移温度（Ｔg）を超えているが融解温度（Ｔm）未満の温度に加熱できる。ガラス転移温度を超えて加熱される間、ポリマー粒子は相互に付着する。粒子間の間隙間隔または容積によって、制御された多孔性が提供される。いくつかの実施態様においては、付着および/または成形を容易にするため、加熱されたポリマー粒子に圧力を印加できる。ポリマー粒子は、所望の３次元要素を得るために、事実上任意の形状の型内で焼結することが可能である。
【００３６】
代わりの方式として、開放セル発泡体を形成することが可能である。開放セル発泡体においては、細孔は結合され、相互結合された多孔質ネットワークが形成される。例えば、ポリウレタンおよび/またはポリ尿素発泡体を、重合の間に、水のような発泡剤を用いて形成できる。
【００３７】
いくつかの代表的な試験研究において、ＰＴＦＥ粒子の焼結によって形成された多孔質の延伸部材を含むベント部材が、例えば、熱かしめ、超音波溶接、レーザ溶接、接着および射出成形を含む多様な方法によって、センサーハウジングの中に組み込まれた。当業者には明らかなように、ベント部材をセンサーハウジングの中に取り付けるまたは組み込む他の方法も適している。すべての試験研究において、３次元の多孔質ポリマー製延伸部材を含むベント部材が、電解質漏出を阻止するセンサーハウジングの堅牢さを維持しながら、効率的かつ効果的なガス拡散通路を提供した。
【００３８】
図１Ａおよび１Ｂは、ハウジング２０を含むセンサー１０の一実施態様を示す。センサー支持部材３０がハウジング２０の内部に配置され、そのことにより、例えば少なくとも２つの電極（例えば作用電極およびカウンタ電極）を支持することができる。支持部材３０は、例えば、当分野で知られる基準電極を含む１つ以上の他の電極を支持することができる。一般的に、基準電極は、作用電極を既知の電圧または電位に維持するために用いられる。被分析ガスは、流入流通口２２からハウジング２０に流入できる。
【００３９】
電解質は、例えば、センサー分野で知られるウィッキング材料４０であって、センサー支持材３０によって支持されるウィッキング材料４０（図１Ａにおいては模式的に表現されている）に、少なくとも部分的に吸収させることができる。電解質は、電極５０、６０および７０（例えば、作用または感知電極、基準電極およびカウンタ電極）の間のイオン導電性を提供する。ウィッキング材料４０は、電極５０、６０および７０を物理的に分離してそれらの間の短絡回路を防止するようにも作用する。センサーハウジング２０は、例えば、（図１の方向において）センサー支持材３０の下に、例えば、吸湿性の電解質の場合に水分を吸収した結果として電解質の容積が増大した場合にも、電解質に対して付加的な容積を提供するための保留容積を含む。
【００４０】
図１Ａおよび１Ｂの実施態様においては、ベント部材８０が、ハウジング２０の内部容積の少なくとも一部分を通って延びる（すなわち、延びる長さを有する）少なくとも１つの延伸部材８３を含む第１セクション８２を含む。上記のように、第１延伸部材８３は、延伸部材８３の表面積全体に電解質が接触すること、あるいは表面積全体が電解質によって濡らされることがないようにハウジング２０を通って延びることができる。従って、図１Ａおよび１Ｂの実施態様（並びに他の実施態様）においては、方向または位置とは無関係なガス排出が実現され、その場合、ガス排出用の単一の流通口（すなわち流通口２４）だけがハウジング２０に形成される。このため、延伸部材８３の少なくとも一部分がガスの容積と接触した状態で保たれ、このことは、ガス（例えば、酸素ポンプタイプのセンサーの場合は酸素）を除去するためのその効率的な作動を維持するのに役立つ。酸素ポンプセンサーのいくつかの実施態様においては、延伸部材８３が、カウンタ電極から流入流通口２２への拡散通路よりもカウンタ電極から延伸部材８３への拡散通路の方が容易になるように配置される。
【００４１】
ベント部材８０は、図２〜５にも表現されている。図示の実施態様においては、延伸部材８３は概して円筒形状である。図示の実施態様においては、ベント部材８０の第１セクション８２は、ベント部材８０がハウジング２０と作動結合される場合に流通口２４に隣接すると共にその流通口２４を貫通して延びる部分８４であって、延伸部材８３に接続される部分８４をも含む。部分８４は、例えば、延伸部材８３よりも大きな直径を有することができ、その寸法を、流通口２４の直径よりも僅かに小さい直径を有するように定めることができる。いくつかの実施態様においては、（部分８４および延伸部材８３を含む）第１セクション８０がモノリシックに形成された。
【００４２】
図示の実施態様においては、ベント部材８０は、さらに、第１セクション８０の部分８４に対して概ね垂直に延びる第２セクションまたは部材８６を含む。第２セクション８６は、例えば、ハウジング２０の外部との適切な接続の形成を容易にすることができる。その際、第１セクション８０の部分８４は、上記のようにハウジング２０の流通口２４を貫通して延びており、１つまたは複数の延伸部材８３と接続されている。図示の実施態様においては、第２セクション８６は、部分８４の直径より大きい幅を有しており（すなわち流通口２４の直径または周囲を超えて広がっており）、流通口２４を覆って（液体電解質の脱出の可能性を抑えるための）シールを形成すると共に、ハウジング２０との確実な係合あるいはベント部材８０のハウジング２０との接続を確保するための表面積を提供する。第２セクション８６は、例えば、熱かしめ、超音波溶接、レーザ溶接、接着、射出成形によって、あるいは任意の他の適切な取り付け方法を介して、ハウジング２０に取り付けることができる。ハウジング２０へのベント部材８０の取り付け方法がいかなるものであれ、ガスをハウジング２０の内部からその外部に排出するための、ベント部材８０によって設けられる拡散通路を破壊しないように注意しなければならない。図１Ｂに示すように、ハウジング２０は、例えば、第２部材８４を受け入れてそれを載せる座２６を含むことができる。
【００４３】
図示の実施態様においては、第２セクション８６は、部分８４に対してある角度で（図示の実施態様においては垂直に）延びており、これによって、流通口２４を覆うことと、ハウジング２０の表面に合致しかつその表面との結合を形成する表面積を設けることとが容易になる。図示の実施態様においては、第２セクション８６は、概して長方形でフラットな材料のリボンとして形成される。上記のように、概してフラットな第２セクション８６によって、ハウジング２０との結合が容易になる。
【００４４】
延伸部材８３およびその部分８４を含む第１セクション８２と第２セクション８６とのそれぞれは、例えば、多孔質材料であって、それを通じた電解質の通過を防止しながら、それを透過してガス（例えば酸素）を拡散させるような材料から形成できる。いくつかの実施態様においては、第１セクション８２および第２セクション８６が、そのような多孔質材料から一体的にまたはモノリシックに形成された。代わりの方式として、例えば、第１セクション８２を別個に形成して第２セクション８６に取り付けることができる。同様に、例えば、延伸部材８３を部分８４とは別個に形成してそれに取り付けることができる。しかし、取り付けの間には、ベント部材８０を透過する拡散通路が確実に保持されるように注意しなければならない。いくつかの実施態様においては、ベント部材２０は、疎水性の多孔質構造を形成するように成形されたＰＴＦＥ粒子からモノリシックに形成された。約１００μｍの最大粒子サイズを有するＰＴＦＥの成形された粒子から形成されたベント部材の一部分の顕微鏡写真を図６に示す。
【００４５】
図７は、ハウジング２０との結合に用いるベント部材８０’の別の実施態様を示す。図７の実施態様においては、第１セクション８２’が、テーパ形状を有する延伸部材８３’を含む。すなわち、延伸部材８３’の直径が、第２セクション８６’に接続されるその第１端部において、その第２端部または末端端部におけるよりも大きい。第２セクション８６’に近接する延伸部材８３’の部分は、ベント部材８０’がハウジング２０と作動結合されると、ハウジング２０における流通口２４を貫通する。延伸部材８３’および第２セクション８６’の接合部における延伸部材８３’の直径は、例えば、流通口２４の直径よりも僅かに小さくなるように定めることができる。第１セクション８２’および第２セクション８６’は、例えば、上記のようにモノリシックに形成することが可能である。
【００４６】
図８Ａおよび８Ｂは、それぞれ、ベント部材８０ａおよび８０ｂの代替的な実施態様を示す。このベント部材８０ａおよび８０ｂは、それぞれ、少なくとも第１セクション８２ａおよび８２ｂを含み、この第１セクション８２ａおよび８２ｂは、センサーハウジング２０のようなセンサーハウジングの内部を通って曲線状に延びる延伸部材８３ａおよび８３ｂを有する。ベント部材８０ａおよび８０ｂの部分または部材８４ａおよび８４ｂは、それぞれ、ガスをセンサーハウジングの内部からセンサーハウジングの外部に排出するように、センサーハウジングにおける流通口を貫通して延びている。ベント部材８０ａおよび８０ｂは、さらに、（ベント部材８０の第２セクション８６に類似の、あるいはそれと同じ）第２部材またはセクションを含むことができる。この第２部材またはセクションは、ハウジングの外面と連携して、ハウジングと共に（液体）シールの形成を容易にし、かつハウジングへの十分な結合または取り付けの形成を容易にする。
【００４７】
図８Ａおよび８Ｂの実施態様においては、延伸部材８３ａおよび８３ｂは閉ループを形成している。図８Ｃはさらに別の実施態様のベント部材８０ｃを示すが、このベント部材８０ｃは、少なくとも、センサーハウジング２０のようなセンサーハウジングの内部を通って曲線状（例えば、カンチレバー状）に延びる複数の延伸部材８３ｃを有する第１セクション８２ｃを含んでいる。ベント部材８０ｃの部分または部材８４ｃは、ガスをセンサーハウジングの内部からセンサーハウジングの外部に排出するように、センサーハウジングにおける流通口を貫通して延びている。
【００４８】
図８Ａ〜８Ｃに示される延伸部材は、例えばセンサーハウジング２０の内部においてほぼ横方向に延びているが、その延伸部材は、そのハウジング内部において縦方向に延びることも可能である。さらに、そのベント部材の１つ以上の延伸部材（１つ以上のその部分）は、例えば、１つ以上の面または方向に延びる分岐構造を有することができる。
【００４９】
図９は、上記のようなベント部材８０を含む酸素ポンプセンサーの一実施態様に関する代表的な試験研究の結果を示す。この試験研究の酸素ポンプセンサーの実施態様においては、作用電極、カウンタ電極および基準電極は、それぞれ、多孔質のＰＴＦＥ膜の片面に塗布された白金（Ｐｔ）黒を含んでいた。各膜は支持構造として機能し、作用電極の場合には、Ｐｔ黒と共に、アンペロメトリックガスセンサー分野において知られるガス拡散電極を形成した。作用電極は、外部のポテンシオスタット回路によって、基準電極に対して−６００ｍＶの電位に保持された。
【００５０】
図９は、センサーを空気流れおよび窒素（Ｎ2）流れ（すなわちガスはゼロ容積％の酸素を含む）に曝露した場合の試験研究の典型的な結果を示す。実験においては、空気（２０．８容積％のＯ2を含む）を約２５０ｍＬ／分の流量でセンサーに流した。図９の５分の標識点において、流れを突然Ｎ2（すなわち０．０容積％のＯ2のガス）に切り替えた。図９の１０分の標識点において、流れを突然空気（２０．８容積％のＯ2含有量）に戻した。表１はこのようなセンサーの典型的な性能特性を表している。
【表１】
【００５１】
試験研究したセンサーの多孔質のベント部材は、効率的に作用してセンサーからガスを排出した。センサーからのガス排出が効率的に行われなければ、センサーは、実施された試験研究の期間に故障していたであろう。
【００５２】
多孔質のベント部材は、一般的に、ガスを、（例えば、センサー、バッテリ等のコンテナ／ハウジングの内部からその外部に）排出しなければならないような（例えばセンサーやバッテリ内にある）任意のコンテナまたはハウジングと組み合わせて用いることができる。上記のように、コンテナまたはハウジングの内部は（電解質のような）液体を含むことができるが、その場合、このベント部材は、液体がコンテナの内部からその外部に流出することを抑えあるいはそれを防止するが、ガス排出用の拡散通路は確保するのである。
【００５３】
以上の記述および添付の図面は現時点における実施態様を述べている。当然のことながら、当業者には、以上に述べた教示に照らして、以上の記述よりも以下の請求項によって示される本発明の範囲から逸脱することのない種々の修正、追加および代替的な設計が明らかになるであろう。請求項の意味および均等物の範囲内のすべての変更および変形は、この範囲内に含入されるべきである。
【００５４】
関連出願の相互参照
本願は、米国仮特許出願第６１／２５６，７１２号の利益を主張する。この仮特許出願の内容は参照によって本願に組み込まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、
前記電極間のイオン導電性を提供する電解質と、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であり、前記ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続された部分を有する第１セクションを備えるベント部材であって、前記第１セクションは、ガスが前記ベント部材を通って前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材と、
を備えるセンサー。
【請求項２】
前記ベント部材が、それを透過する電解質の流れに抵抗する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記ベント部材が、さらに、前記流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションを備え、該第２セクションは多孔質であり、かつ前記ハウジングの外面に取り付けられる、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記第２セクションが、前記流通口を覆うために前記流通口の周囲を超えて広がる、請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びる、請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対して概ね垂直に延びる、請求項５に記載のセンサー。
【請求項７】
前記第１セクションおよび前記第２セクションが、それらを透過するガスの拡散通路を提供するために、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項４に記載のセンサー。
【請求項８】
前記少なくとも１つの延伸部材がポリマー材料の個々の粒子から成形される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
少なくとも前記ベント部材の延伸部材が、疎水性、または疎油性、または多疎性有する、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１０】
前記第１セクションおよび前記第２セクションがポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項５に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記個々の粒子の少なくとも一部分がポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１０に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの延伸部材が、前記ハウジングの内部における前記少なくとも１つの延伸部材の表面積に電解質が完全には接触し得ないように、前記ハウジングの内部を通って延びる、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記作用電極が酸素を酸化物イオンに還元するように調整され、前記センサーが酸素を感知するように調整される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１４】
ハウジングと、前記ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、前記電極間のイオン導電性を提供する電解質とを備えるセンサーの内部からガスを排出する方法であって、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分と、前記流通口を通って延びる部分に接続される少なくとも１つの延伸部材であり前記ハウジングの内部の一部分を少なくとも部分的に通って延びる延伸部材とを有する第１セクションを備えるベント部材を設けることであって、前記第１セクションは、ガスが前記ベント部材を通って前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材を設けること、
を含む方法。
【請求項１５】
ハウジングと、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であり、前記ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続される部分を有する第１セクションを備えるベント部材であって、前記第１セクションは、ガスが前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材と、
を備えるコンテナ。
【請求項１６】
前記第１セクションがそれを透過する液体の流れに抵抗する、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１７】
前記ベント部材が、前記流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションをさらに備え、前記第２セクションは多孔質であり、かつ、前記ハウジングの外面に取り付けられる、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの延伸部材が、前記ハウジングの内部における前記少なくとも１つの延伸部材の表面積に前記ハウジング内部の液体が完全には接触し得ないように、前記ハウジングの内部を通って延びる、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１９】
前記液体が電解質を含む、請求項１８に記載のコンテナ。
【請求項２０】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びる、請求項１７に記載のコンテナ。
【請求項２１】
前記第１セクションおよび前記第２セクションが、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項２０に記載のセンサー。
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、
前記電極間のイオン導電性を提供する電解質と、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であり、前記ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続された部分を有する第１セクションを備えるベント部材であって、前記第１セクションは、ガスが前記ベント部材を通って前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材と、
を備えるセンサー。
【請求項２】
前記ベント部材が、それを透過する電解質の流れに抵抗する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記ベント部材が、さらに、前記流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションを備え、該第２セクションは多孔質であり、かつ前記ハウジングの外面に取り付けられる、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記第２セクションが、前記流通口を覆うために前記流通口の周囲を超えて広がる、請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びる、請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対して概ね垂直に延びる、請求項５に記載のセンサー。
【請求項７】
前記第１セクションおよび前記第２セクションが、それらを透過するガスの拡散通路を提供するために、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項４に記載のセンサー。
【請求項８】
前記少なくとも１つの延伸部材がポリマー材料の個々の粒子から成形される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
少なくとも前記ベント部材の延伸部材が、疎水性、または疎油性、または多疎性有する、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１０】
前記第１セクションおよび前記第２セクションがポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項５に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記個々の粒子の少なくとも一部分がポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１０に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの延伸部材が、前記ハウジングの内部における前記少なくとも１つの延伸部材の表面積に電解質が完全には接触し得ないように、前記ハウジングの内部を通って延びる、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記作用電極が酸素を酸化物イオンに還元するように調整され、前記センサーが酸素を感知するように調整される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１４】
ハウジングと、前記ハウジング内部の少なくとも２つの電極と、前記電極間のイオン導電性を提供する電解質とを備えるセンサーの内部からガスを排出する方法であって、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分と、前記流通口を通って延びる部分に接続される少なくとも１つの延伸部材であり前記ハウジングの内部の一部分を少なくとも部分的に通って延びる延伸部材とを有する第１セクションを備えるベント部材を設けることであって、前記第１セクションは、ガスが前記ベント部材を通って前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材を設けること、
を含む方法。
【請求項１５】
ハウジングと、
前記ハウジングにおける流通口を通って延びる部分であり、前記ハウジングの内部の少なくとも一部分を通って延びる少なくとも１つの延伸部材に接続される部分を有する第１セクションを備えるベント部材であって、前記第１セクションは、ガスが前記ハウジングの内部から前記ハウジングの外部に拡散し得るように多孔質であるベント部材と、
を備えるコンテナ。
【請求項１６】
前記第１セクションがそれを透過する液体の流れに抵抗する、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１７】
前記ベント部材が、前記流通口を通って延びる部分に接続される第２セクションをさらに備え、前記第２セクションは多孔質であり、かつ、前記ハウジングの外面に取り付けられる、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの延伸部材が、前記ハウジングの内部における前記少なくとも１つの延伸部材の表面積に前記ハウジング内部の液体が完全には接触し得ないように、前記ハウジングの内部を通って延びる、請求項１５に記載のコンテナ。
【請求項１９】
前記液体が電解質を含む、請求項１８に記載のコンテナ。
【請求項２０】
前記第２セクションが、前記流通口を通って延びる部分に対してある角度で延びる、請求項１７に記載のコンテナ。
【請求項２１】
前記第１セクションおよび前記第２セクションが、ポリマー材料の個々の粒子からモノリシックに形成される、請求項２０に記載のセンサー。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【公表番号】特表２０１３−５０９５９０（Ｐ２０１３−５０９５９０Ａ）
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３７０８３（Ｐ２０１２−５３７０８３）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４５８２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５３７３９
【国際公開日】平成２３年５月５日（２０１１．５．５）
【出願人】（５０３１５８９４７）マイン セイフティ アプライアンセス カンパニー (3)
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４５８２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５３７３９
【国際公開日】平成２３年５月５日（２０１１．５．５）
【出願人】（５０３１５８９４７）マイン セイフティ アプライアンセス カンパニー (3)
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