JP2006192032A - 経皮血中ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】電極材料の使用量を低減できる経皮血中ガスセンサを提供する。
【解決手段】センサ本体110と、センサ本体110に装着される電極ユニット120とを有する。この電極ユニット120は、計測対象ガスの透過膜121と、同ガスの不透過部材122と、両者の間に保持される電解液123と、電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有する。透過膜121と不透過部材122との間に電解液123を保持させると共に、両者121,122の間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができ、高価な電極材料の使用量を低減することができる。
【選択図】図１
【解決手段】センサ本体110と、センサ本体110に装着される電極ユニット120とを有する。この電極ユニット120は、計測対象ガスの透過膜121と、同ガスの不透過部材122と、両者の間に保持される電解液123と、電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有する。透過膜121と不透過部材122との間に電解液123を保持させると共に、両者121,122の間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができ、高価な電極材料の使用量を低減することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、血中の酸素分圧や二酸化炭素分圧などを皮膚の表面から計測する経皮血中ガスセンサと、同センサ用の電極ユニットに関するものである。特に、電極材料の使用量を低減し、小型化と低コスト化を実現できる経皮血中ガスセンサに関するものである。
新生児や人工呼吸を必要とする重症患者の呼吸管理のために、血中の酸素分圧や二酸化炭素分圧を計測する技術として、例えば特許文献１に記載のセンサが知られている。このセンサは、センサの外部のガス分圧に比例した量のガスがセンサのメンブレンを通じて電解液中に溶け込み、この溶存ガス量が各測定電極に生じる電流値や電位に相関することを利用してガス分圧を計測するセンサである。
図４に示すように、このセンサ200は、センサ本体210、メンブレンホルダ220およびリング状カラー230から構成されている。センサ本体210は、その内部に、O2計測用陰極211、CO2計測用pH電極212、ヒータ213およびサーミスタ214を有し、これら各部材は銀製電極215に保持されている。銀製電極215は、O2計測用陽極、CO2計測用比較電極、加熱体を兼ねており、計測側表面を塩化銀で覆われている。この加熱体である銀製電極215はヒータ213により加熱され、サーミスタ214で銀製電極215の温度を測定して、その測定結果に基づいてヒータ213への通電量が制御されることで温度調整される。さらに、センサ本体210内には、pH電極212の計測信号を増幅するアンプ216も内蔵されている。
一方、メンブレンホルダ220はリング状カラー230とセンサ本体210の間に位置し、リング状カラー230がセンサ本体210にねじ込まれることにより、センサ本体210に取付けられる。また、メンブレンホルダ220とリング状カラー230の間には計測対象ガスを透過するメンブレン240が挟み込まれ、センサ本体210の下面とメンブレン240との間に電解液250が保持される。
このセンサで、例えば血中の酸素分圧を計測する場合、ヒータ213で銀製電極215を所定の温度に加熱して、メンブレン240を皮膚に接触させる。ヒータ213のからの熱により温められた皮下組織内の酸素は皮膚表面より拡散してメンブレン240を透過し、電解液250中に溶存される。そして、例えば陰極-陽極間に一定の電圧をかけると、溶存酸素量に応じた電流が流れるため、この電流を計測することで血中の酸素濃度を求めることができ、その酸素濃度から酸素分圧を計測することができる。
しかし、上記のセンサでは、次のような問題があった。
(1)電極材料を多用しなければならない。
上記の説明から明らかなように、O2計測用陽極、CO2計測用比較電極、加熱体を兼ねている銀製電極はブロック状の比較的大きなもので、高価な銀を多用しなければならず、その結果、製品コストの増大を招いている。
上記の説明から明らかなように、O2計測用陽極、CO2計測用比較電極、加熱体を兼ねている銀製電極はブロック状の比較的大きなもので、高価な銀を多用しなければならず、その結果、製品コストの増大を招いている。
(2)電解液やメンブレンの交換作業が煩雑である。
電解液とメンブレンは定期的に交換が必要であるが、上記のセンサではリング状カラーを外し、メンブレンを交換すると共に、電解液の充填も行わなければならない。特に、計測感度が不安定とならないように、メンブレンを不均一な張力とならないように装着したり、一定量の電解液を正確に充填し、メンブレンとセンサ本体との間の間隔が均一になるように交換作業を行うことは必ずしも容易ではない。
電解液とメンブレンは定期的に交換が必要であるが、上記のセンサではリング状カラーを外し、メンブレンを交換すると共に、電解液の充填も行わなければならない。特に、計測感度が不安定とならないように、メンブレンを不均一な張力とならないように装着したり、一定量の電解液を正確に充填し、メンブレンとセンサ本体との間の間隔が均一になるように交換作業を行うことは必ずしも容易ではない。
(3)電極の定期的なメンテナンスが必要である。
上述した従来のセンサでは、その性能を良好に保つためには、各電極を定期的にメンテナンスしなければならない。具体的には、O2電極では電極反応により陽極（金または白金）に徐々に付着する銀を研磨して除去する必要がある。また、CO2電極では、銀表面の塩化銀がはがれやすいため、その塩化銀を再度被覆処理する必要がある。
上述した従来のセンサでは、その性能を良好に保つためには、各電極を定期的にメンテナンスしなければならない。具体的には、O2電極では電極反応により陽極（金または白金）に徐々に付着する銀を研磨して除去する必要がある。また、CO2電極では、銀表面の塩化銀がはがれやすいため、その塩化銀を再度被覆処理する必要がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その主目的は、電極材料の使用量を低減できる経皮血中ガスセンサを提供することにある。
本発明の他の目的は、電極ユニットの交換が容易で、電極のメンテナンスが不要な経皮血中ガスセンサを提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、計測対象ガスの濃度を電気信号として計測できる電極機能を持った電極ユニットを提供することにある。
本発明は、計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に電解液を保持した薄型のユニットを用い、そのユニットに電極機能を持たせることで上記の目的を達成する。
本発明経皮血中ガスセンサは、センサ本体と、センサ本体に装着される電極ユニットとを有する。そして、この電極ユニットは、計測対象ガスの透過膜と、同ガスの不透過部材と、この透過膜および不透過部材の間に保持される電解液と、電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有することを特徴とする。
また、本発明電極ユニットは、計測対象ガスの透過膜と、同ガスの不透過部材と、この透過膜および不透過部材の間に保持される電解液と、電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有することを特徴とする。
本発明センサは、計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に電解液を保持させると共に、この透過膜と不透過部材との間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができ、高価な電極材料の使用量を低減することができる。
また、計測対象ガスの透過膜や電解液の交換は、電極ユニットごとセンサ本体から着脱するだけで極めて容易に行える。
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明センサは、センサ本体と、電極ユニットとを有する。まず、本発明の主たる特徴である電極ユニットの構成から説明する。
（電極ユニット）
電極ユニットは、電解液を保持すると共に、電解液内の計測ガス濃度を電気信号として抽出可能な電極機能を具えている。
電極ユニットは、電解液を保持すると共に、電解液内の計測ガス濃度を電気信号として抽出可能な電極機能を具えている。
＜透過膜＞
透過膜は、計測対象ガスが透過可能な膜であり、計測対象ガスの種類に応じて適宜選択すれば良い。例えば、O2やCO2の透過膜としてフッ素樹脂やポリプロピレンフィルムが挙げられる。
透過膜は、計測対象ガスが透過可能な膜であり、計測対象ガスの種類に応じて適宜選択すれば良い。例えば、O2やCO2の透過膜としてフッ素樹脂やポリプロピレンフィルムが挙げられる。
＜不透過部材＞
不透過部材は、透過膜との間に電解液と電極を保持して、電極ユニットにおける透過膜と反対側から計測対象ガスが電解液に侵入することや電解液の蒸発を防止して、計測精度の向上に寄与する機能を有する。例えば、O2やCO2の不透過部材として高密度ポリエステル、セラミックス、ガラスエポキシなどが挙げられる。この不透過膜部材の形態としては、代表的にはフィルムが挙げられる。ただし、柔軟性に乏しい樹脂片やセラミックス片などでもセンサ本体よりの熱伝導を阻害しない限りある程度厚みのある板状でも許容される。通常、不透過部材はセンサ本体側に面して設けられる。
不透過部材は、透過膜との間に電解液と電極を保持して、電極ユニットにおける透過膜と反対側から計測対象ガスが電解液に侵入することや電解液の蒸発を防止して、計測精度の向上に寄与する機能を有する。例えば、O2やCO2の不透過部材として高密度ポリエステル、セラミックス、ガラスエポキシなどが挙げられる。この不透過膜部材の形態としては、代表的にはフィルムが挙げられる。ただし、柔軟性に乏しい樹脂片やセラミックス片などでもセンサ本体よりの熱伝導を阻害しない限りある程度厚みのある板状でも許容される。通常、不透過部材はセンサ本体側に面して設けられる。
＜電解液＞
電解液は、計測対象のガスが溶存でき、そのガスの溶存量に応じて電極反応が可能な液体であればよい。より具体的には、O2ではKClやNaCl、CO2ではNaHCO3を主成分とする液体などを好適に利用することができる。
電解液は、計測対象のガスが溶存でき、そのガスの溶存量に応じて電極反応が可能な液体であればよい。より具体的には、O2ではKClやNaCl、CO2ではNaHCO3を主成分とする液体などを好適に利用することができる。
この電解液は透過膜と不透過部材との間のほぼ全面にわたって存在する必要はなく、少なくとも後述する一方電極と他方電極の電極反応が生じる箇所に電解液が存在していればよい。
＜一方電極と他方電極＞
一方電極と他方電極は、計測対象ガスの電解液中の溶存量に応じて、電気信号を取り出すことが可能な電極対であれば良い。本発明では、透過膜と不透過部材との間に一方電極と他方電極を配置するため、これら電極は薄膜状のものとする。
一方電極と他方電極は、計測対象ガスの電解液中の溶存量に応じて、電気信号を取り出すことが可能な電極対であれば良い。本発明では、透過膜と不透過部材との間に一方電極と他方電極を配置するため、これら電極は薄膜状のものとする。
より具体的な材質としては、計測対象ガスがO2の場合、計測性能の観点から、一方電極を白金または金からなる陰極とし、他方電極を銀または銀と塩化銀の複合材料からなる陽極とすることが好適である。その場合、両電極間に所定の電圧をかけておくと、陰極では酸素の還元反応が、陽極では銀の酸化反応がそれぞれ行われ、両電極間に電界電流が流れ、その電流を測定することにより電解液中の酸素濃度を近似的に測定することができる。銀と塩化銀の複合材料の代表例としては、塩化銀を被覆した銀が挙げられる。
計測対象ガスがCO2の場合、計測性能の観点から、一方電極をイオン選択性電極で、他方電極を塩化銀または銀と塩化銀の複合材料からなる比較電極とすることが好適である。イオン選択性電極は、電解液中に存在する特定イオンの濃度に応答して、電極電位が変化する電極である。このイオン選択性電極を比較電極と併用することにより、特定イオンの濃度を測定する。CO2の濃度は、透過膜を通って電解液にCO２が溶け込み、炭酸となってpH（水素イオン濃度）が変化することを利用して測定される。より具体的には、イオン選択性電極と増幅用のアンプとして電界効果型トランジスタ（FET）とを一体化したISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）が好適に利用できる。銀と塩化銀の複合材料の代表例としては、塩化銀を被覆した銀が挙げられる。
また、一つのセンサで複数の血中ガス濃度を計測できるよう、一つの電極ユニットに複数種の電極対を配置してもよい。その場合、例えば、一つの電極ユニットにO2計測用の電極対とCO2計測用の電極対が配されることになる。特に、O2計測用の陽極とCO2計測用の比較電極は、共通する材質が利用できるため、これら陽極と比較電極は一体のものを共用することが部品点数と使用材料削減の観点から好適である。
なお、これらの一方電極および他方電極は、透過膜側に接着形成しても良いし、不透過部材側に接着形成してもいずれでも良い。
＜信号端子＞
その他、通常、上記電極からの電気信号をセンサ本体側に伝送するための信号端子が設けられる。例えば、上記各電極からの信号を伝送する導体パターンを透過膜と不透過部材の間に形成し、この導体パターンから電極ユニットの外に導電部材を引き出して信号端子とすれば良い。その場合、この信号端子自体が電極ユニットをセンサ本体に装着するための係合部とすることが好適である。
その他、通常、上記電極からの電気信号をセンサ本体側に伝送するための信号端子が設けられる。例えば、上記各電極からの信号を伝送する導体パターンを透過膜と不透過部材の間に形成し、この導体パターンから電極ユニットの外に導電部材を引き出して信号端子とすれば良い。その場合、この信号端子自体が電極ユニットをセンサ本体に装着するための係合部とすることが好適である。
もちろん、電極ユニットをセンサ本体に装着するための係合部を信号端子とは別に形成しても構わない。例えば、電極ユニットの外周部を覆う補強リング部を設け、この補強リング部のセンサ本体のハウジングに係合する係合部を信号端子とは別に形成しても良い。その場合、後述する固定リングの使用を省略することも可能である。
（センサ本体）
一方、センサ本体の基本構成は、従来からの経皮血中ガスセンサの構成が利用できる。代表的には、センサ本体は、ハウジングと、加熱手段と、加熱体と、温度センサとを具えている。
一方、センサ本体の基本構成は、従来からの経皮血中ガスセンサの構成が利用できる。代表的には、センサ本体は、ハウジングと、加熱手段と、加熱体と、温度センサとを具えている。
＜ハウジング＞
ハウジングは、本発明センサのカバーに相当する部材である。通常、樹脂成形された開口部を有する容器状の部材が好適に利用できる。このハウジングには、上記電極ユニットの信号端子が差し込まれるレセプタクルを有することが望ましい。信号端子をレセプタクルに係合させ、本発明センサの計測信号をセンサ本体を介して経皮血中ガス測定装置に出力できるようにする。そして、このハウジング内には加熱手段と、加熱体と、温度センサが収納される。
ハウジングは、本発明センサのカバーに相当する部材である。通常、樹脂成形された開口部を有する容器状の部材が好適に利用できる。このハウジングには、上記電極ユニットの信号端子が差し込まれるレセプタクルを有することが望ましい。信号端子をレセプタクルに係合させ、本発明センサの計測信号をセンサ本体を介して経皮血中ガス測定装置に出力できるようにする。そして、このハウジング内には加熱手段と、加熱体と、温度センサが収納される。
＜加熱手段＞
加熱手段は、次述する加熱体を所定温度に温め、その温度を皮膚に伝熱させて皮下組織からの計測対象ガスを効率的に皮膚表面に拡散させるためのものである。例えば、通電加熱によるヒータが好適に利用できる。
加熱手段は、次述する加熱体を所定温度に温め、その温度を皮膚に伝熱させて皮下組織からの計測対象ガスを効率的に皮膚表面に拡散させるためのものである。例えば、通電加熱によるヒータが好適に利用できる。
＜加熱体＞
上記の加熱手段により温められる部材が加熱体である。この加熱体の熱が電極ユニットを介して皮膚に伝達される。加熱体は、加熱手段で温められることに対する耐熱性と速やかに加熱手段の熱が伝達される熱伝導性を有する材料が好ましい。
上記の加熱手段により温められる部材が加熱体である。この加熱体の熱が電極ユニットを介して皮膚に伝達される。加熱体は、加熱手段で温められることに対する耐熱性と速やかに加熱手段の熱が伝達される熱伝導性を有する材料が好ましい。
従来、この加熱体がO2計測用陽極、CO2計測用比較電極の機能も兼ねていたため電極面を塩化銀で覆われた銀で構成されていたが、本発明においてはO2計測用電極対、CO2計測用電極対が電極ユニットに設けられているため、加熱体はより安価な材料を用いることが好ましい。より具体的には、銅、アルミニウム、洋白（洋銀：Cu・Ni・Znの合金）が挙げられる。
この加熱体は、通常、その一部がハウジングの開口部から露出するようにハウジング内にはめ込まれる。そして、この加熱体の露出面に面して電極ユニットが装着される。
＜温度センサ＞
加熱体の温度は、温度センサにより検知され、その検知結果に基づいて加熱手段を制御することで調整される。このための温度センサには、サーミスタなどの半導体素子が好適に利用できる。
加熱体の温度は、温度センサにより検知され、その検知結果に基づいて加熱手段を制御することで調整される。このための温度センサには、サーミスタなどの半導体素子が好適に利用できる。
＜増幅手段＞
その他、必要に応じてセンサ本体内に増幅手段を設けてもよい。この増幅手段は、電極ユニットの電極から送られる信号を増幅して、経皮血中ガス測定装置に出力する。
その他、必要に応じてセンサ本体内に増幅手段を設けてもよい。この増幅手段は、電極ユニットの電極から送られる信号を増幅して、経皮血中ガス測定装置に出力する。
（固定リング）
その他、センサ本体に係合されて、電極ユニットをセンサ本体側に固定する固定リングを利用することが好ましい。代表的には、センサ本体の外周にねじ込みにより装着可能で、電極ユニットの周縁部を覆う環状部材が挙げられる。
その他、センサ本体に係合されて、電極ユニットをセンサ本体側に固定する固定リングを利用することが好ましい。代表的には、センサ本体の外周にねじ込みにより装着可能で、電極ユニットの周縁部を覆う環状部材が挙げられる。
本発明センサおよび電極ユニットによれば、次の効果を奏することができる。
(1)計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に電解液を保持させると共に、透過膜と不透過部材との間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができる。そのため、高価な電極材料の使用量を低減することができ、製品コストを低減することもできる。
(2)計測対象ガスの透過膜や電解液の交換は、電極ユニットごとセンサ本体から着脱するだけで極めて容易に行える。そのため、従来問題となっていたメンブレンを均一な張力で装着することや、電解液層の厚みを均一にするといった煩雑な作業を解消することができる。
(3)電極は計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に挟みこまれて保護されているため、直接手で電極に触れることが無く、電極を汚損したり損傷させたりすることもない。
(4)各電極は電極ユニットごと交換されるため、従来のように電極を研磨したり塩化銀を再被覆するなどのメンテナンスを行うことなく、センサの性能を良好な状態に保持することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。ここでは、血中のO2とCO2の分圧を計測するためのセンサを例として説明する。
（全体構造）
本発明センサ100は、図１および図２に示すように、センサ本体110、電極ユニット120および固定リング130を具えている。これらの各構成要素を詳細に説明する。
本発明センサ100は、図１および図２に示すように、センサ本体110、電極ユニット120および固定リング130を具えている。これらの各構成要素を詳細に説明する。
（センサ本体）
センサ本体110は、ハウジング111と、ヒータ112と、加熱体113と、サーミスタ114と増幅手段115とを具えている。
センサ本体110は、ハウジング111と、ヒータ112と、加熱体113と、サーミスタ114と増幅手段115とを具えている。
＜ハウジング＞
ハウジング111は、本発明センサ100のカバーに相当する部材で、その内部にヒータ112と、加熱体113と、サーミスタ114とを収納している。ここでは、上部が閉じられ、下部が開口した円盤容器状のプラスチック製ハウジング111を用いた。このハウジング111の開口側外周面には雄ネジ部111Aが形成され、そこに固定リング130がねじ込まれることで、センサ本体110と固定リング130との間に電極ユニット120を挟みこんで保持する。
ハウジング111は、本発明センサ100のカバーに相当する部材で、その内部にヒータ112と、加熱体113と、サーミスタ114とを収納している。ここでは、上部が閉じられ、下部が開口した円盤容器状のプラスチック製ハウジング111を用いた。このハウジング111の開口側外周面には雄ネジ部111Aが形成され、そこに固定リング130がねじ込まれることで、センサ本体110と固定リング130との間に電極ユニット120を挟みこんで保持する。
また、このハウジング111には、開口側端面にレセプタクル111Bが形成されている。このレセプタクル111Bは、後述する電極ユニットの信号端子126が差し込まれ、後述する各電極対と電気的接続を行うためのものである。
＜ヒータ＞
加熱手段であるヒータ112は、次述する加熱体113を所定温度に温め、その温度を皮膚に伝熱させて皮下組織からの酸素や二酸化炭素を効率的に皮膚表面に拡散させるためのものである。ここでは、加熱体113の外周に電熱線を巻き付けてヒータ112としている。このヒータ112は、図示しない経皮血中ガス測定装置に接続されて、同装置より電力供給を受ける。
加熱手段であるヒータ112は、次述する加熱体113を所定温度に温め、その温度を皮膚に伝熱させて皮下組織からの酸素や二酸化炭素を効率的に皮膚表面に拡散させるためのものである。ここでは、加熱体113の外周に電熱線を巻き付けてヒータ112としている。このヒータ112は、図示しない経皮血中ガス測定装置に接続されて、同装置より電力供給を受ける。
＜加熱体＞
上記のヒータ112により温められる部材が加熱体113である。この加熱体113の熱が電極ユニット120を介して皮膚に伝達される。ここでは、上部側ほど外径が大きく下方に向かうに従って段階的に径が小さくなる円柱ブロック状の銅製加熱体を用いている。また、この加熱体113の上面には、サーミスタ114の装着孔113Aが下方に向かって伸びるように形成されている。
上記のヒータ112により温められる部材が加熱体113である。この加熱体113の熱が電極ユニット120を介して皮膚に伝達される。ここでは、上部側ほど外径が大きく下方に向かうに従って段階的に径が小さくなる円柱ブロック状の銅製加熱体を用いている。また、この加熱体113の上面には、サーミスタ114の装着孔113Aが下方に向かって伸びるように形成されている。
この加熱体113は、その下面がハウジング111の開口から露出するようにハウジング111内にはめ込まれる。そして、この加熱体113の露出面に面して電極ユニット120が装着される。
＜サーミスタ＞
加熱体113の温度は、温度センサであるサーミスタ114により検知され、その検知結果に基づいてヒータ112を制御することで調整される。このサーミスタ114は、上記加熱体113の装着孔113A内に収納されている。このサーミスタ114は、図示しない経皮血中ガス測定装置に接続されている。
加熱体113の温度は、温度センサであるサーミスタ114により検知され、その検知結果に基づいてヒータ112を制御することで調整される。このサーミスタ114は、上記加熱体113の装着孔113A内に収納されている。このサーミスタ114は、図示しない経皮血中ガス測定装置に接続されている。
＜増幅手段＞
ハウジング111と加熱体113上面との間に形成された空間には、増幅手段115が配置されている。この増幅手段115は、電極ユニット120の電極から送られる信号を増幅して、図示しない経皮血中ガス測定装置に出力する。
ハウジング111と加熱体113上面との間に形成された空間には、増幅手段115が配置されている。この増幅手段115は、電極ユニット120の電極から送られる信号を増幅して、図示しない経皮血中ガス測定装置に出力する。
（電極ユニット）
次に電極ユニット120を説明する。図３(A)に電極ユニットの断面図を、同(B)にその平面図を示す。この電極ユニット120は、透過膜121、不透過部材122、電解液123、O2計測用電極対124、CO2計測用電極対125および信号端子126を有し、電解液123を両者121,122の間に保持すると共に、電解液内の計測ガス濃度を電気信号として抽出可能な電極機能を具えている。
次に電極ユニット120を説明する。図３(A)に電極ユニットの断面図を、同(B)にその平面図を示す。この電極ユニット120は、透過膜121、不透過部材122、電解液123、O2計測用電極対124、CO2計測用電極対125および信号端子126を有し、電解液123を両者121,122の間に保持すると共に、電解液内の計測ガス濃度を電気信号として抽出可能な電極機能を具えている。
＜透過膜＞
透過膜121は、計測対象ガスが透過可能な膜である。ここでは、O2およびCO2の透過膜としてポリプロピレンフィルムを用いた。この透過膜121は、図1に示すように下面側に配されて、直接皮膚と接触される。
透過膜121は、計測対象ガスが透過可能な膜である。ここでは、O2およびCO2の透過膜としてポリプロピレンフィルムを用いた。この透過膜121は、図1に示すように下面側に配されて、直接皮膚と接触される。
＜不透過部材＞
不透過部材122は、透過膜121との間に電解液123と電極対124、125を保持して、電極ユニット120における透過膜121と反対側から計測対象ガスが電解液122に侵入することを防止する。ここでは、O2およびCO2の不透過部材122として高密度ポリエステルフィルムを用いた。この不透過部材122はセンサ本体110における加熱体113の露出面に面して設けられる。
不透過部材122は、透過膜121との間に電解液123と電極対124、125を保持して、電極ユニット120における透過膜121と反対側から計測対象ガスが電解液122に侵入することを防止する。ここでは、O2およびCO2の不透過部材122として高密度ポリエステルフィルムを用いた。この不透過部材122はセンサ本体110における加熱体113の露出面に面して設けられる。
＜電解液＞
電解液123は、計測対象のガスが溶存でき、そのガスの溶存量に応じて電極反応が可能な液体である。ここではNaCl、NaHCO3などを主成分とする液体を用いている。また、この電解液123は、電極ユニット120の一部にのみ保持されている。本例では、次述するO2計測用電極対124とCO2計測用電極対125の電極反応に関わる箇所、つまり、電極ユニット120のほぼ中央部のみに電解液123を保持している。この電解液123の保持される箇所は、部分的に透過膜121と不透過部材122とが接着されない部分を形成し、その部分における透過膜121と不透過部材122との間に電解液123を貯留させることで構成している。その他、電解液123を保持するために、多孔質フィルムを用いてもよい。
電解液123は、計測対象のガスが溶存でき、そのガスの溶存量に応じて電極反応が可能な液体である。ここではNaCl、NaHCO3などを主成分とする液体を用いている。また、この電解液123は、電極ユニット120の一部にのみ保持されている。本例では、次述するO2計測用電極対124とCO2計測用電極対125の電極反応に関わる箇所、つまり、電極ユニット120のほぼ中央部のみに電解液123を保持している。この電解液123の保持される箇所は、部分的に透過膜121と不透過部材122とが接着されない部分を形成し、その部分における透過膜121と不透過部材122との間に電解液123を貯留させることで構成している。その他、電解液123を保持するために、多孔質フィルムを用いてもよい。
＜O2計測用電極対とCO2計測用電極対＞
本例では、O2とCO2の両方を一つのセンサで計測できるよう、O2計測用電極対とCO2計測用電極対を設けている。
本例では、O2とCO2の両方を一つのセンサで計測できるよう、O2計測用電極対とCO2計測用電極対を設けている。
O2計測用電極対124は、白金からなる陰極124Aと、表面が塩化銀で覆われた銀からなる陽極124Bとで構成される。陰極124Aと陽極124Bの間に所定の電圧をかけておくと、陰極124Aでは酸素の還元反応が、陽極124Bでは銀の酸化反応がそれぞれ行われ、両電極124A、124B間に電界電流が流れ、その電流を測定することにより電解液123中の酸素濃度を近似的に測定することができる。本例では、電極ユニット120のほぼ中央から外周側に伸びる細長い薄膜状の陰極124Aと、電極ユニット120のほぼ中央に配されてE型で陰極124Aよりも大きな陽極124Bを用いている。陰極124Aの先端は、E型の陽極124Bの２つある凹部の一つにはめ込まれるように配され、陽極124Bと一定のギャップが確保されている。
CO2計測用電極対125は、ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）125Aを用いた一方電極と、表面が塩化銀で覆われた銀からなる比較電極125Bとで構成される。ISFET125Aはイオン選択性電極と増幅用のアンプとしてFETを一体化した半導体イオン電極である。このISFET125Aは、透過膜121を通ったCO２が電解液123に溶け込み炭酸となってpH（水素イオン濃度）が変化することを、比較電極125Bと併用することにより電極電位の変位として抽出してCO2濃度を計測する。このISFET125AはE型の比較電極125B（陽極124B）の２つある凹部の残る一つにはめ込まれるように比較電極125Bと一定のギャップをもって配され、電極ユニット120の外周側に伸びる2本の導電パターン127接続されている。この２本の導電パターン127はO2計測用の陰極124A平行に配されている。
上記のO2計測用の陽極124BとCO2計測用の比較電極125Bは、共通する材質で構成されるため、これら陽極124Bと比較電極125Bは一体のものとして共用している。この陽極124B（比較電極125B）には１本の細長い薄膜状の導電パターン128が接続されている。その導電パターン128は、電極ユニット120のほぼ中央部から陰極124Aおよび導電パターン127とは反対方向に伸びて外周縁部にまで達している。
＜信号端子＞
この電極ユニット120には、電極対124,125からの電気信号をセンサ本体側に伝送するための信号端子126が設けられる。本例では、O2計測用の陽極124Bの一端、ISFET125Aに接続される２本の導電パターン127の各端部、陽極124B（比較電極125B）に接続される導電パターン128の端部の合計４箇所に信号端子126を形成している。これら各端子126は、不透過部材122を貫通して、電極ユニットの不透過部材122（センサ本体110）側に突出されている。これらの端子126が前述したハウジング111のレセプタクル111Bにはめ込まれることで各電極対124,125からの電気信号がセンサ本体側に伝送される。
この電極ユニット120には、電極対124,125からの電気信号をセンサ本体側に伝送するための信号端子126が設けられる。本例では、O2計測用の陽極124Bの一端、ISFET125Aに接続される２本の導電パターン127の各端部、陽極124B（比較電極125B）に接続される導電パターン128の端部の合計４箇所に信号端子126を形成している。これら各端子126は、不透過部材122を貫通して、電極ユニットの不透過部材122（センサ本体110）側に突出されている。これらの端子126が前述したハウジング111のレセプタクル111Bにはめ込まれることで各電極対124,125からの電気信号がセンサ本体側に伝送される。
（固定リング）
上記の電極ユニット120をセンサ本体110に装着する際、同電極ユニット120を確実にセンサ本体110に押圧するため、固定リング130が用いられる（図１、図２参照）。この固定リング130は、環状部131と、その下方において内周側に張り出した薄いリング状の押圧面132とから構成される。環状部131の内側には、ハウジングの雄ねじ部111Aにねじ込まれる雌ネジ部131Aが形成されている。
上記の電極ユニット120をセンサ本体110に装着する際、同電極ユニット120を確実にセンサ本体110に押圧するため、固定リング130が用いられる（図１、図２参照）。この固定リング130は、環状部131と、その下方において内周側に張り出した薄いリング状の押圧面132とから構成される。環状部131の内側には、ハウジングの雄ねじ部111Aにねじ込まれる雌ネジ部131Aが形成されている。
電極ユニット120をセンサ本体120に装着し、さらにハウジングの雄ネジ部111Aに固定リングの雌ネジ部131Aをねじ込むことで、電極ユニット120の周縁部は押圧面132でハウジング111との間に挟まれる。そして、ハウジング111開側外周端面よりも加熱体113の下面が下方に突出しているため、電極ユニット120は加熱体113の下面に押し付けられて一定の張力で張った状態に保持される。
（作用効果）
上記の本発明センサによれば、計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に電解液を保持させると共に、両膜の間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができ、高価な電極材料の使用量を低減することができる。
上記の本発明センサによれば、計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に電解液を保持させると共に、両膜の間に電極機能を付加することで、薄膜状の電極を利用することができ、高価な電極材料の使用量を低減することができる。
また、計測対象ガスの透過膜や電解液の交換は、固定リングを取り外し、電極ユニットごとセンサ本体から着脱するだけで極めて容易に行える。
さらに、電極は計測対象ガスの透過膜と不透過部材との間に挟みこまれて保護されているため、直接手で電極に触れることが無く、電極を汚損したり損傷させたりすることもない。
そして、電極ユニットごと電極も交換されるため、従来、必要とされていた電極のメンテナンスも不要となる。
本発明センサおよび電極ユニットは、皮膚の上から血中の酸素分圧や二酸化炭素分圧を計測する分野に利用できる。より具体的には、新生児や人工呼吸を必要とする重症患者の呼吸管理などに好適に利用することができる。
100 センサ
110 センサ本体
111 ハウジング 112 ヒータ 113 加熱体 114 サーミスタ
115 増幅手段 111A 雄ネジ部 111B レセプタクル 113A 装着孔
120 電極ユニット
121 透過膜 122 不透過部材 123 電解液 124 O2計測用電極対
125 CO2計測用電極対 124A 陰極 124B 陽極 125A ISFET
125B 比較電極 126 信号端子 127、128 導電パターン
130 固定リング
131 環状部 132 押圧面 131A 雌ネジ部
200 センサ
210 センサ本体 220 メンブレンホルダ 230 リング状カラー
240 メンブレン 250 電解液
211 O2計測用陰極 212 CO2計測用pH電極 213 ヒータ
214 サーミスタ 215 銀製電極 216 アンプ
110 センサ本体
111 ハウジング 112 ヒータ 113 加熱体 114 サーミスタ
115 増幅手段 111A 雄ネジ部 111B レセプタクル 113A 装着孔
120 電極ユニット
121 透過膜 122 不透過部材 123 電解液 124 O2計測用電極対
125 CO2計測用電極対 124A 陰極 124B 陽極 125A ISFET
125B 比較電極 126 信号端子 127、128 導電パターン
130 固定リング
131 環状部 132 押圧面 131A 雌ネジ部
200 センサ
210 センサ本体 220 メンブレンホルダ 230 リング状カラー
240 メンブレン 250 電解液
211 O2計測用陰極 212 CO2計測用pH電極 213 ヒータ
214 サーミスタ 215 銀製電極 216 アンプ
Claims (6)
- センサ本体と、
センサ本体に装着される電極ユニットとを有し、
この電極ユニットは、
計測対象ガスの透過膜と、
同ガスの不透過部材と、
前記透過膜および不透過部材の間に保持される電解液と、
電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有することを特徴とする経皮血中ガスセンサ。 - 計測対象ガスがO2で、一方電極が白金または金からなる陰極で、他方電極が銀または銀と塩化銀の複合材料からなる陽極であることを特徴とする請求項１に記載の経皮血中ガスセンサ。
- 計測対象ガスがCO2で、一方電極がイオン選択性電極で、他方電極が塩化銀または銀と塩化銀の複合材料からなる比較電極であることを特徴とする請求項１に記載の経皮血中ガスセンサ。
- 計測対象ガスがO2とCO2で、
O2計測用の一方電極が白金または金からなる陰極で、他方電極が銀または銀と塩化銀の複合材料からなる陽極であり、
CO2計測用の一方電極がイオン選択性電極で、他方電極が塩化銀または銀と塩化銀の複合材料からなる比較電極であることを特徴とする請求項１に記載の経皮血中ガスセンサ。 - O2計測用の陽極とCO2計測用の比較電極とが一体であることを特徴とする請求項４に記載の経皮血中ガスセンサ。
- 計測対象ガスの透過膜と、
同ガスの不透過部材と、
前記透過膜と不透過部材との間に保持される電解液と、
電解液中の計測対象ガスの濃度を電気信号として計測可能な薄膜状の一方電極および他方電極とを有することを特徴とする経皮血中ガスセンサ用の電極ユニット。
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