(57)【要約】【課題】気体の圧力を検出する気体圧力センサにおいて、水素圧力の検出に伴い気体圧力センサの構成部材に入り込む水素の量を低減することを目的とする。【解決手段】検出基材１０は、筒形状部２０、および筒形状部２０の一端の開口を塞ぐ検出壁２２を備えて構成される。検出基材１０は、筒形状部２０を周回側壁とし検出壁２２を底壁とする容器形状をなし、その容器形状の内側壁面が受圧孔２６を形成する。気体圧力センサは、気体配管に設けられた開口に検出基材１０の開口が合致するよう、気体配管に固定される。検出壁２２のセンサ外側壁面には、接着用ガラス層１２を介して半導体歪みゲージ１６が固定される。接着用ガラス層１２には、検出壁２２側の面と半導体歪みゲージ１６側の面との間を貫通する複数のガラス層孔１４が開けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、
前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、
を備え、
前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサにおいて、
前記底壁の容器形状部材外側面に設けられ、一方の面から他方の面へと貫通する複数の孔を有し、前記歪みセンサを固着するセンサ固着層を備えることを特徴とする気体圧力センサ。
【請求項２】
周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、
前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、
を備え、
前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサにおいて、
前記底壁の容器形状部材外側面に設けられたカーボンナノチューブ層と、
前記底壁側とは反対側に前記カーボンナノチューブ層に重ねて設けられ、前記歪みセンサを固着するセンサ固着層と、
を備えることを特徴とする気体圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の気体圧力センサにおいて、
前記センサ固着層は、ガラスで形成されることを特徴とする気体圧力センサ。
【請求項４】
水素供給源から水素を導く水素配管と、
前記水素配管に設けられた圧力検出用開口と、
前記容器形状部材の内側が前記圧力検出用開口を覆うよう、前記圧力検出用開口に取り付けられた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の気体圧力センサと、
を備えることを特徴とする水素供給装置。
【請求項５】
周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、
前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、
を備え、
前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサ、の製造方法において、
真空中で前記底壁の容器形状部材外側面にガラス層を設けるステップと、
前記底壁に前記ガラス層を介して前記歪みセンサを固着するステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体圧力を検出する気体圧力センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池自動車について広く研究開発が行われている。燃料電池は酸素と水素との化学反応によって電力を発生する。そこで、燃料電池自動車は水素タンクを搭載し、水素タンクから送り込まれた水素と、外部から送り込まれた空気中の酸素とを用いて発電する。水素タンクに蓄積されている水素の量を検出するため、水素タンクに取り付けられた水素配管には気体圧力センサが設けられる。
【０００３】
また、燃料電池自動車の研究に伴い、燃料電池自動車に水素を補給する水素供給装置が開発されている。水素供給装置は、水素供給源から水素配管によって導かれる水素の圧力を検出する手段として気体圧力センサを用いる。
【０００４】
気体圧力センサは、水素配管に設けられた開口を塞ぐ検出部材と、検出部材の弾性変形を検出する歪み検出素子を備える。歪み検出素子は、水素圧力による検出部材の弾性変形を検出する。水素圧力を検出する装置は、歪み検出素子の検出結果に基づいて水素圧力を求める。なお、特許文献１には、超高圧流体用の圧力センサについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２９６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
気体圧力センサを用いて水素圧力を検出する場合、検出部材の一部に水素が入り込むことがある。これによって、検出部材が変形すると圧力検出値に誤差が生じることがある。
【０００７】
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、気体の圧力を検出する気体圧力センサにおいて、水素圧力の検出に伴い気体圧力センサの構成部材に入り込む水素の量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、を備え、前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサにおいて、前記底壁の容器形状部材外側面に設けられ、一方の面から他方の面へと貫通する複数の孔を有し、前記歪みセンサを固着するセンサ固着層を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、を備え、前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサにおいて、前記底壁の容器形状部材外側面に設けられたカーボンナノチューブ層と、前記底壁側とは反対側に前記カーボンナノチューブ層に重ねて設けられ、前記歪みセンサを固着するセンサ固着層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る気体圧力センサにおいては、前記センサ固着層は、ガラスで形成されることが好適である。
【００１１】
また、本発明は、水素供給源から水素を導く水素配管と、前記水素配管に設けられた圧力検出用開口と、前記容器形状部材の内側が前記圧力検出用開口を覆うよう、前記圧力検出用開口に取り付けられた前記気体圧力センサと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、周回側壁と底壁とを備える容器形状部材と、前記底壁の変形を検出する歪みセンサと、を備え、前記容器形状部材の内側の気体圧力を検出する気体圧力センサ、の製造方法において、真空中で前記底壁の容器形状部材外側面にガラス層を設けるステップと、前記底壁に前記ガラス層を介して前記歪みセンサを固着するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、気体圧力センサにおいて、水素圧力の検出に伴い気体圧力センサの構成部材に入り込む水素の量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る気体圧力センサの製造方法を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る気体圧力センサの製造方法を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る気体圧力センサの製造方法を示す図である。
【図７】水素配管に気体圧力センサを設けた場合の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に本発明の第１の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す。図１（ａ）は気体圧力センサの斜視図である。図１（ｂ）は気体圧力センサのＡＢ断面図である。気体圧力センサは、検出基材１０、接着用ガラス層１２、および半導体歪みゲージ１６を備えて構成される。
【００１６】
検出基材１０は、筒形状部２０、および筒形状部２０の一端の開口を塞ぐ検出壁２２を備えて構成される。検出基材１０は、筒形状部２０を周回側壁とし検出壁２２を底壁とする容器形状をなし、その容器形状の内側壁面が受圧孔２６を形成する。検出基材１０の開口には、筒形状部２０の縁の外側に厚みを持たせたフランジ２４が形成される。気体圧力センサは、気体配管に設けられた開口に検出基材１０の開口が合致するよう、気体配管に固定される。
【００１７】
ここでは、筒形状部２０を円筒形状とし検出壁２２を円板形状としている。筒形状部２０の形状は、円筒形状に限られず、取り付け先の形状に合わせてその他の筒形状を採用することができる。また、筒形状部２０を、一端の開口の大きさが他端の開口の大きさと異なるよう変形させてもよい。
【００１８】
検出基材１０の材料としては、鉄ニッケル合金（４２アロイ等）、鉄ニッケルコバルト合金等の耐水素脆化性のある弾性材料が好適である。また、受圧孔２６の気密性を高めるため、筒形状部２０、検出壁２２、およびフランジ２４は一体形成することが好ましい。
【００１９】
検出壁２２のセンサ外側壁面には、接着用ガラス層１２を介して半導体歪みゲージ１６が固定される。接着用ガラス層１２には、鉛ガラス等、純粋なガラスよりも融点が低いものを用いることが好ましい。また、接着用ガラス層１２には、検出基材１０と熱膨張率が近似したものを用いることが好ましい。
【００２０】
ここでは、半導体歪みゲージ１６を検出基材１０に固着させる部材としてガラスを用いた場合について採り上げているが、この部材としては、検出基材１０と熱膨張率が近く、接着力が得られるその他の材料を用いてもよい。
【００２１】
半導体歪みゲージ１６からは、その抵抗値を検出するための２本の検出導線２８が引き出される。半導体歪みゲージ１６は変形により抵抗値が変化する。抵抗値の変化は引き出された検出導線２８を用いて検出することができる。半導体歪みゲージ１６の上層には、半導体歪みゲージ１６を保護する、シリコン等で形成された保護層１８が設けられる。
【００２２】
接着用ガラス層１２には、検出壁２２側の面と半導体歪みゲージ１６側の面との間を貫通する複数のガラス層孔１４が開けられる。複数のガラス層孔１４は、これらの開口が接着用ガラス層１２の層表面上に一様に分布するよう開けられる。接着用ガラス層表面の直径を１ｍｍ〜５ｍｍ、接着用ガラス層１２の厚さを５０μｍ〜２００μｍとしたときに、ガラス層孔１４の直径は５μｍ〜２０μｍとすることが好ましい。
【００２３】
次に、本実施形態に係る気体圧力センサを水素圧力センサとして用いた場合の作用について説明する。検出壁２２は検出基材１０の開口から受圧孔２６に入った水素の圧力によって弾性変形する。これによって、半導体歪みゲージ１６は、検出壁２２から接着用ガラス層１２を介して力を受けて弾性変形し、弾性変形に応じて抵抗値が変化する。２本の検出導線２８を接続した圧力検出装置は、検出導線２８間の抵抗値に基づいて受圧孔２６内の水素圧力を求める。
【００２４】
受圧孔２６内の水素はその圧力によって検出壁２２を透過し、接着用ガラス層１２に入り込む。接着用ガラス層１２に入り込んだ水素は、半導体歪みゲージ１６までの距離よりもガラス層孔１４までの距離が短い場合にはガラス層孔１４内に放出される。ガラス層孔１４内に放出された水素は、そのガラス層孔１４が半導体歪みゲージ１６によって塞がれていない場合には、そのガラス層孔１４の開口から放出される。一方、そのガラス層孔１４が半導体歪みゲージ１６によって塞がれている場合には、水素は、接着用ガラス層１２と半導体歪みゲージ１６との間の隙間から放出される。
【００２５】
従来の気体圧力センサにおいては、接着用ガラス層１２にガラス層孔１４が設けられていなかった。このような従来構成では、検出壁２２を透過した水素が接着用ガラス層１２に至ると、接着用ガラス層１２内に形成された気泡に水素が入り込むことで接着用ガラス層１２が変形し、水素圧力の検出値に誤差が生じることが発明者の調査により明らかになった。
【００２６】
本発明の実施形態に係る気体圧力センサによれば、接着用ガラス層１２内に形成された気泡に入り込む水素の量を低減することができ、接着用ガラス層１２の変形を回避することができる。これによって、半導体歪みゲージ１６によって検出される水素圧力の誤差を低減することができる。
【００２７】
接着用ガラス層１２の層表面面積および厚さ、ガラス層孔１４の数、ガラス層孔１４の径、ガラス層孔１４を設ける位置等については、半導体歪みゲージ１６の接着強度、検出誤差の低減効果等を鑑みて、実験、シミュレーション等に基づき最適化することが好ましい。
【００２８】
気体圧力センサの構成例として、検出基材１０を４２アロイによって形成し、筒形状部２０における受圧孔２６の内径（直径）を１ｍｍ以上５ｍｍ以下、筒形状部２０の厚さを１ｍｍより厚くし、検出壁２２の厚さを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、接着用ガラス層表面の直径を１ｍｍ以上５ｍｍ以下、接着用ガラス層１２の厚さを５０μｍ以上２００μｍ以下、ガラス層孔１４の直径を５μｍ以上２０μｍ以下としたものが挙げられる。
【００２９】
この場合、本願出願時に広く用いられている半導体歪みゲージ１６を用いることで、２００ＭＰａ以下の水素圧力を検出することができる。燃料電池自動車に用いられる水素配管内の水素圧力は１００ＭＰａ以下であるため、この構成例は燃料電池自動車に好適であるといえる。
【００３０】
第１の実施形態に係る気体圧力センサの製造方法について図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して説明する。初めに、図２（ａ）に示すように検出壁２２のセンサ外側面を平坦加工して洗浄した後、検出壁２２のセンサ外側面に接着用ガラス層１２を付着させる。この工程は、溶融したガラスを検出壁２２に付着させた後、接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、接着用ガラス層１２に複数のガラス層孔１４を開ける。この工程は、例えば、薬品を用いたエッチング、レーザ照射加工を用いて行うことができる。ガラス層孔１４を設けた後、図２（ｃ）に示すように、接着用ガラス層１２の上に半導体歪みゲージ１６を固着する。この工程は、接着用ガラス層１２を一旦溶融させ、溶融した接着用ガラス層１２に半導体歪みゲージ１６が接触した状態で接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。次に、図２（ｄ）に示すように、半導体歪みゲージ１６の保護層１８を設ける。保護層１８の材料としては、シリコンを用いることが好適である。
【００３２】
図３に第２の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。この気体圧力センサは、接着用ガラス層１２と検出基材１０との間にカーボンナノチューブ層３０を設けたものである。
【００３３】
カーボンナノチューブは気体透過性がある。したがって、検出壁２２を透過してカーボンナノチューブ層３０に至った水素は、図３の横方向に流れて気体圧力センサの外側へと放出される。このような構成によれば、接着用ガラス層１２内に形成された気泡に入り込む水素の量を低減することができ、接着用ガラス層１２の変形を回避することができる。これによって、半導体歪みゲージ１６によって検出される水素圧力の誤差を低減することができる。
【００３４】
第２の実施形態に係る気体圧力センサの製造方法について図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して説明する。初めに、図４（ａ）に示すように検出壁２２のセンサ外側面を平坦加工して洗浄した後、検出壁２２のセンサ外側面にカーボンナノチューブ層３０を付着させる。この工程は、化学気相成長法等を用いて行うことができる。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ層３０の上に、接着用ガラス層１２を重ねる。この工程は、溶融したガラスをカーボンナノチューブ層３０に付着させた後、接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。接着用ガラス層１２を設けた後、図４（ｃ）に示すように、接着用ガラス層１２の上に半導体歪みゲージ１６を固着する。この工程は、接着用ガラス層１２を一旦溶融させ、溶融した接着用ガラス層１２に半導体歪みゲージ１６が接触した状態で接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。次に、図４（ｄ）に示すように、半導体歪みゲージ１６の保護層１８を設ける。
【００３６】
図５に第３の実施形態に係る気体圧力センサの構成を示す。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。この気体圧力センサは、接着用ガラス層１２の材料として気泡排除ガラスを用いたものである。この実施形態においては、必ずしもガラス層孔１４を設ける必要はない。
【００３７】
上述したように、水素が接着用ガラス層１２内の気泡に入り込むと、接着用ガラス層１２が変形し、水素圧力の検出値に誤差が生じる。そこで、本実施形態においては、真空中でガラスを溶融させて検出壁２２に付着させた気泡排除ガラスを接着用ガラス層１２の材料として用いる。
【００３８】
この気体圧力センサの製造方法について図６（ａ）〜図６（ｄ）を参照して説明する。初めに、図６（ａ）に示すように検出壁２２のセンサ外側面を平坦加工して洗浄した後、真空チャンバ３２内に検出基材１０を置く。そして、図６（ｂ）に示すように、真空チャンバ３２内の真空度を高めた上で、検出壁２２のセンサ外側面に接着用ガラス層１２を付着させる。この工程は、溶融したガラスを検出壁２２に付着させた後、接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。
【００３９】
次に、図６（ｃ）に示すように、接着用ガラス層１２の上に半導体歪みゲージ１６を固着する。この工程は、接着用ガラス層１２を一旦溶融させ、溶融した接着用ガラス層１２に半導体歪みゲージ１６が接触した状態で接着用ガラス層１２を凝固させることで行うことができる。次に、図６（ｄ）に示すように、半導体歪みゲージ１６の保護層１８を設ける。
【００４０】
このような方法によれば、真空度の高い環境下で接着用ガラス層１２を形成することができるため、接着用ガラス層１２内に気泡が形成されることを回避することができる。これによって、接着用ガラス層１２内の気泡に水素が入り込むことに基づいて、水素圧力の検出値に誤差が生じることを回避することができる。
【００４１】
図７に、燃料電池自動車に用いられる水素配管、水素補給ステーション等に用いられる水素供給装置の水素配管等に、第１の実施形態に係る気体圧力センサを設けた場合の構成例を断面図を以て示す。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。ここでは、第１の実施形態に係る気体圧力センサを用いた例を示しているが、第２または第３の実施形態に係る気体圧力センサを用いてもよいことは明らかである。
【００４２】
水素配管３４には、水素圧力を検出するための検出分岐管３６が取り付けられる。検出分岐管３６の開口端は、気体圧力センサの開口と合致するよう形成される。気体圧力センサは、そのフランジ２４が検出分岐管３６の開口端に合致するよう検出分岐管３６に取り付けられる。気体圧力センサは、フランジ上側面３８に接触しつつ気体圧力センサを検出分岐管３６に押しつける部材（図示せず）を用いて固定することができる。
【００４３】
水素配管３４内の水素は、気体圧力センサの開口から受圧孔２６に入る。水素は、受圧孔２６の壁面に圧力を与える。このような構成によれば、気体圧力センサから引き出された検出導線２８間の抵抗値を検出することで、水素配管３４内の水素圧力を検出することができる。
【００４４】
本発明に係る気体圧力センサは、燃料電池自動車、燃料電池自動車に水素を補給する装置の他、高圧力で水素を供給する一般の水素供給設備に用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  検出基材、１２  接着用ガラス層、１４  ガラス層孔、１６  半導体歪みゲージ、１８  保護層、２０  筒形状部、２２  検出壁、２４  フランジ、２６  受圧孔、２８  検出導線、３０  カーボンナノチューブ層、３２  真空チャンバ、３４  水素配管、３６  検出分岐管、３８  フランジ上側面。
【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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