(57)【要約】【課題】従来よりも良好な物理量測定が可能な構成を提供すること。【解決手段】物理量センサ１００は、流体の物理量を測定するように構成されている。この物理量センサ１００は、センサ素子１０７と、素子支持部１４１とを備えている。センサ素子１０７は、作用した物理量に応じた電気出力を発生する。素子支持部１４１は、表裏面を構成する素子支持表面１４２及び受圧面１４３を有している。素子支持表面１４２は、センサ素子１０７を支持する。受圧面１４３は、流体と対向する。素子支持部１４１は、流体に含まれる成分が内部に浸透することで膨張する性質を有する材料によって形成されている。受圧面１４３は、厚さ方向に沿って突設された凸部４０１を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の物理量を測定するように構成された、物理量センサ（１００）であって、
作用した前記物理量に応じた電気出力を発生するように設けられた、センサ素子（１０７）と、
表裏面を構成する第一面（１４２）及び第二面（１４３）を有し、前記第一面にて前記センサ素子を支持するとともに前記第二面にて前記流体と対向するように設けられ、前記流体に含まれる成分が内部に浸透することで膨張する性質を有する材料によって形成された、素子支持部（１４１）と、
を備え、
前記第二面は、前記第一面から前記第二面に向かう厚さ方向と直交する面内方向における外縁部から中央部に向かうにつれて前記第一面から離隔する凸面状に形成された、
物理量センサ。
【請求項２】
前記第二面は、前記厚さ方向に沿って突設された凸部（４０１）を有する、
請求項１に記載の物理量センサ。
【請求項３】
流体の物理量を測定するように構成された、物理量センサ（１００）であって、
作用した前記物理量に応じた電気出力を発生するように設けられた、センサ素子（１０７）と、
表裏面を構成する第一面（１４２）及び第二面（１４３）を有し、前記第一面にて前記センサ素子を支持するとともに前記第二面にて前記流体と対向するように設けられ、前記流体に含まれる成分が内部に浸透することで膨張する性質を有する材料によって形成された、素子支持部（１４１）と、
を備え、
前記第二面は、前記第一面から前記第二面に向かう厚さ方向に沿って突設された凸部（４０１）を有する、
物理量センサ。
【請求項４】
前記凸部は、リング状に形成された、
請求項２又は３に記載の物理量センサ。
【請求項５】
前記凸部は、複数設けられた、
請求項２〜４のいずれか１つに記載の物理量センサ。
【請求項６】
前記厚さ方向と平行な軸方向における一端部が閉塞され他端部が開口した筒形状に形成された、ステム部材（１０４）をさらに備え、
前記素子支持部は、前記ステム部材の前記一端部に設けられたダイアフラム部として形成され、
前記ステム部材には、前記軸方向について前記素子支持部に隣接し前記他端部にて開口する空間である流体導入部（１４４）が形成された、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の物理量センサ。
【請求項７】
前記物理量は、前記流体の圧力である、
請求項１〜６のいずれか１つに記載の物理量センサ。
【請求項８】
前記流体は、水素分子を含有する、
請求項１〜７のいずれか１つに記載の物理量センサ。
【請求項９】
水素ガスを含有する前記流体が通流するように構成された、流体システム（１）であって、
水素ガスを消費して動作するように設けられた動作部（２）に前記流体を供給するように設けられた、水素供給部（３）と、
前記流体の圧力を測定するように前記水素供給部に装着された、請求項８に記載の物理量センサと、
を備えた、流体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の物理量を測定するように構成された物理量センサ、及びこれを備えた流体システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、この種の構成の従来例を開示する。具体的には、特許文献１に記載の圧力センサは、金属ステムと、センサ基板とを備えている。金属ステムは、下端にて開口する孔部を有するとともに、上端に底を有する、略円筒状の部材である。孔部の底には、ダイアフラムが設けられている。ダイアフラムの上面には、センサ基板が、ガラスによって接着されている。この圧力センサは、測定対象となる高圧気体を孔部に導入し、孔部の底に設けられたダイアフラムの変形を、センサ基板に形成された歪みゲージで検出することで、気体の圧力を測定する。
【０００３】
金属ステムは、孔部に高圧気体が導入されることから、高強度である必要がある。また、金属ステムは、ガラスを加熱により軟化させてセンサ基板をダイアフラムに接着するために、熱膨張率が低いことが求められる。このため、金属ステムは、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等の低熱膨張性金属によって形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定対象となる高圧気体に、水素ガスが含まれる場合がある。この場合、金属ステムの内部に水素が浸透することでダイアフラムが膨張し、これによりセンサ出力に変動が生じる可能性がある。かかる問題は、水素ガスを含有する高圧気体の圧力を測定する場合に限られず、透過性気体の物理量を測定する場合に共通する問題であった。
【０００６】
この点、特許文献１に記載の圧力センサにおいては、孔部の内面に透過抑制膜が形成されている。しかしながら、細長い孔部の内面に、透過抑制膜を、欠陥なく均一に形成することは困難である。
【０００７】
上記のように、従来のこの種の構成においては、製造コスト面、及び／又は、センサ出力の安定性の点で、まだまだ改善の余地があった。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、従来よりも良好な物理量測定が可能な構成を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の物理量センサ（１００）は、流体の物理量を測定するように構成されている。
【０００９】
この物理量センサは、
作用した前記物理量に応じた電気出力を発生するように設けられた、センサ素子（１０７）と、
表裏面を構成する第一面（１４２）及び第二面（１４３）を有し、前記第一面にて前記センサ素子を支持するとともに前記第二面にて前記流体と対向するように設けられ、前記流体に含まれる成分が内部に浸透することで膨張する性質を有する材料によって形成された、素子支持部（１４１）と、
を備え、
前記第二面は、前記第一面から前記第二面に向かう厚さ方向と直交する面内方向における外縁部から中央部に向かうにつれて前記第一面から離隔する凸面状に形成されている。
【００１０】
請求項３に記載の物理量センサ（１００）は、流体の物理量を測定するように構成されている。
【００１１】
この物理量センサは、
作用した前記物理量に応じた電気出力を発生するように設けられた、センサ素子（１０７）と、
表裏面を構成する第一面（１４２）及び第二面（１４３）を有し、前記第一面にて前記センサ素子を支持するとともに前記第二面にて前記流体と対向するように設けられ、前記流体に含まれる成分が内部に浸透することで膨張する性質を有する材料によって形成された、素子支持部（１４１）と、
を備え、
前記第二面は、前記第一面から前記第二面に向かう厚さ方向に沿って突設された凸部（４０１）を有する。
【００１２】
請求項９に記載の流体システム（１）は、水素ガスを含有する前記流体が通流するように構成されている。
【００１３】
この流体システムは、
水素ガスを消費して動作するように設けられた動作部（２）に前記流体を供給するように設けられた、水素供給部（３）と、
前記流体の圧力を測定するように前記水素供給部に装着された、前記物理量センサと、
を備えている。
【００１４】
なお、上記及び特許請求の範囲の欄における、各手段に付された括弧付きの参照符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。よって、本発明の技術的範囲は、上記の参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る流体システムの概略構成図である。
【図２】図１に示された圧力センサの概略構成を示す側断面図である。
【図３】図２に示されたセンサ素子の周辺部分を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３に示されたセンサ素子の平面図である。
【図５Ａ】図３に示された接合体の側断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示された接合体が水素ガスを吸収した状態を示す側断面図である。
【図６Ａ】従来の構成を示す側断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示された構成が水素ガスを吸収した状態を示す側断面図である。
【図７】従来の構成に対応するシミュレーション結果を示す図である。
【図８】実施形態の構成に対応するシミュレーション結果を示す図である。
【図９】実施形態の構成に対応するシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図５Ａに示された接合体の一変形例を示す側断面図である。
【図１１】図５Ａに示された接合体の他の一変形例を示す側断面図である。
【図１２】図５Ａに示された接合体の他の一変形例を示す側断面図である。
【図１３】図５Ａに示された接合体の他の一変形例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると当該実施形態の理解が妨げられるおそれがあるため、当該実施形態の説明の後にまとめて記載する。
【００１７】
（流体システムの概略構成）
図１を参照すると、本実施形態の流体システム１は、水素ガスを含有する流体が通流するように構成されている。具体的には、流体システム１は、動作部２と水素供給部３とを備えている。
【００１８】
動作部２は、燃料電池であって、水素ガスを消費して動作するように設けられている。水素供給部３は、動作部２に流体を供給するように設けられている。即ち、本実施形態の流体システム１は、燃料電池システムであって、水素供給部３から水素ガスを動作部２に供給することで、動作部２にて発電を行うように構成されている。
【００１９】
水素供給部３は、水素タンク３１と、集合管３２と、タンク接続管３３と、遮断弁３４と、供給管３５と、圧力調整弁３６とを備えている。水素タンク３１には、高圧（例えば７０ＭＰａ程度）の水素ガスが貯留されている。集合管３２は、タンク接続管３３を介して水素タンク３１に接続されている。タンク接続管３３には、開閉弁である遮断弁３４が介装されている。本実施形態においては、水素供給部３は、２個の水素タンク３１を有している。即ち、水素供給部３には、水素タンク３１と、タンク接続管３３と、遮断弁３４との組が、並列で２組設けられている。
【００２０】
動作部２と集合管３２とは、供給管３５を介して接続されている。供給管３５には、圧力調整弁３６が介装されている。圧力調整弁３６は、動作部２への水素ガスの供給圧力を調整できるように、開度が可変に構成されている。
【００２１】
（物理量センサの概略構成）
本実施形態の物理量センサ１００は、圧力センサであって、流体の圧力を測定するように水素供給部３に設けられている。具体的には、本実施形態においては、物理量センサ１００は、集合管３２内の水素ガスの圧力を測定するように、集合管３２に装着されている。
【００２２】
図２を参照すると、物理量センサ１００は、外側ハウジング１０２と、内側ハウジング１０３と、ステム部材１０４と、端子部１０５と、コネクタケース１０６と、センサ素子１０７と、接合層１０８とを備えている。以下、図２〜図４を参照しつつ、本実施形態の物理量センサ１００の概略構成について説明する。
【００２３】
外側ハウジング１０２は、金属製の筒状部材であって、素子収容部１２１と接続部１２２とを有している。素子収容部１２１は、内部に収容空間１２３を有する有底筒状に形成されている。収容空間１２３は、外側ハウジング１０２の軸方向における一方側（即ち図中上側）に開口する空間である。以下、単に「軸方向」と称するときは、この「軸方向」は、外側ハウジング１０２の軸方向、即ち、外側ハウジング１０２の中心軸線と平行な方向をいうものとする。また、図１における上側を「基端側」と称し、下側を「先端側」と称する。さらに、軸方向に沿った視線で基端側から対象物を見ることを「平面視」と称する。
【００２４】
接続部１２２は、略円柱状部分であって、素子収容部１２１の最外径よりも小径に形成されている。接続部１２２は、素子収容部１２１の有底筒形状における底部から先端側に突出するように設けられている。
【００２５】
素子収容部１２１の有底筒形状における底部には、円筒状の非貫通孔である固定孔１２４が、軸方向に沿って形成されている。固定孔１２４の内周には、内側ハウジング１０３を固定するための雌ネジ部１２５が形成されている。
【００２６】
接続部１２２の外周面には、物理量センサ１００の装着対象である集合管３２（図１参照）に固定するための雄ネジ部１２６が形成されている。また、接続部１２２には、連通路１２７が設けられている。連通路１２７は、固定孔１２４と連通するように軸方向に沿って形成された貫通孔であって、外側ハウジング１０２の軸中心を通るように配設されている。即ち、連通路１２７は、測定対象である流体を、素子収容部１２１の内側に導入可能に形成されている。
【００２７】
内側ハウジング１０３は、外側ハウジング１０２と同軸に形成された金属製の段付円筒状部材であって、基部１３１と突出部１３２とを有している。基部１３１は、突出部１３２よりも大径に形成されている。突出部１３２は、基部１３１から軸方向に沿って先端側に突出するように設けられている。突出部１３２には、外側ハウジング１０２における雌ネジ部１２５と螺合する雄ネジ部１３３が形成されている。
【００２８】
突出部１３２の内部には、軸方向に沿った貫通孔である収容孔１３４が形成されている。収容孔１３４は、ステム部材１０４を収容するように、ステム部材１０４の外形形状に対応した形状を有している。具体的には、収容孔１３４の軸方向における中間位置には、先端側に向けて露出するテーパ面１３５が形成されている。基部１３１における、収容孔１３４が開口する部分の近傍位置には、回路基板１３６が固定されている。回路基板１３６には、信号処理回路等が設けられている。回路基板１３６は、ボンディングワイヤ等を介して、センサ素子１０７と電気接続されている。
【００２９】
ステム部材１０４は、軸方向における基端部が閉塞され先端部が開口した筒形状に形成されている。具体的には、ステム部材１０４は、先端側に開口する有底円筒形状を有している。ステム部材１０４は、耐水素脆化性及び低熱膨張性を有する金属材料によって、継目無く一体に形成されている。ステム部材１０４を構成する金属材料としては、例えば、鉄ニッケル合金（４２アロイ等）、鉄ニッケルコバルト合金（コバール等）が用いられ得る。かかる金属材料は、測定対象である流体に含まれる成分である水素が内部に浸透することで膨張する性質を有している。
【００３０】
具体的には、ステム部材１０４は、筒状部１４０と素子支持部１４１とを有している。筒状部１４０は、素子支持部１４１の外縁部と一体的に接続された段付円筒状の部分であって、軸方向に沿って延びるように設けられている。素子支持部１４１は、筒状部１４０の基端部を閉塞するように、薄肉の円板状に形成されている。
【００３１】
素子支持部１４１は、表裏面を構成する素子支持表面１４２及び受圧面１４３を有している。素子支持部１４１は、素子支持表面１４２から受圧面１４３に向かう厚さ方向が軸方向と略平行となるように形成されている。
【００３２】
素子支持部１４１の外側表面（即ち図中上側表面）である素子支持表面１４２は、軸方向と直交する平面状に形成されている。素子支持部１４１は、素子支持表面１４２が収容孔１３４から基端側に露出するように、回路基板１３６に隣接する位置に配置されている。素子支持表面１４２には、接合層１０８を介して、センサ素子１０７が固定されている。接合層１０８は、ガラス材料からなり、略円板状に形成されている。
【００３３】
素子支持部１４１は、素子支持表面１４２にてセンサ素子１０７を支持するとともに、受圧面１４３にて測定対象である流体と対向するように設けられている。具体的には、図２及び図３を参照すると、ステム部材１０４には、円柱状の非貫通孔である流体導入部１４４が形成されている。即ち、素子支持部１４１は、ステム部材１０４の基端部に設けられたダイアフラム部であって、流体導入部１４４に導入された流体の圧力によって撓み変形するように構成されている。
【００３４】
流体導入部１４４は、受圧面１４３と対向するように、素子支持部１４１における素子支持表面１４２の裏側に設けられている。流体導入部１４４は、軸方向について素子支持部１４１に隣接し、先端部にて開口する空間である。即ち、流体導入部１４４は、外側ハウジング１０２における連通路１２７と連通することで、測定対象である流体を導入可能に構成されている。
【００３５】
再び図２を参照すると、上記の通り、本実施形態においては、ステム部材１０４は、段付円筒形状を有している。即ち、筒状部１４０の先端部には、大径部１４５が設けられている。また、軸方向における筒状部１４０の中間位置（即ち大径部１４５の基端部）には、基端側に向けて露出するテーパ面１４６が形成されている。
【００３６】
テーパ面１４６は、内側ハウジング１０３における雄ネジ部１３３が外側ハウジング１０２における雌ネジ部１２５と螺合した状態で、内側ハウジング１０３におけるテーパ面１３５と当接するように設けられている。ステム部材１０４は、テーパ面１３５とテーパ面１４６とが当接するまで雄ネジ部１３３が雌ネジ部１２５と螺合することで、外側ハウジング１０２と内側ハウジング１０３との間の位置にて固定されている。
【００３７】
端子部１０５は、内側ハウジング１０３における基部１３１とコネクタケース１０６との間にて挟持されている。端子部１０５は、モールド部１５１と導通部材１５２とを有している。モールド部１５１は、合成樹脂によって形成されていて、導通部材１５２の一部を被覆するように設けられている。具体的には、端子部１０５は、金属製の部材である導通部材１５２を樹脂成形用金型にセットしてインサート成形することによって形成されている。
【００３８】
導通部材１５２は、外部接続端子１５３と内部接続端子１５４とを有している。外部接続端子１５３は、図示しない通信ケーブルの末端に設けられたコネクタがコネクタケース１０６に装着された場合に、当該コネクタと電気接続されるように、モールド部１５１から基端側に向けて突設されている。内部接続端子１５４は、回路基板１３６と対向するように、モールド部１５１から側方（即ち軸方向と直交する方向）に突設されている。内部接続端子１５４は、接続ピン１５５を介して回路基板１３６と電気接続されている。
【００３９】
コネクタケース１０６は、蓋部１６１とコネクタ装着部１６２とを有していて、ポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂によって一体的に形成されている。蓋部１６１は、軸方向と直交する円板状に形成されている。蓋部１６１の外縁部であるフランジ部１６３は、外側ハウジング１０２における収容空間１２３における円筒面状の内壁面に当接するように設けられている。
【００４０】
蓋部１６１における端子部１０５と対向する表面から先端側に突出するように、リング部１６４が形成されている。リング部１６４は、平面視にてフランジ部１６３の内側に設けられたリング状の突起であって、先端面が端子部１０５と当接するように設けられている。フランジ部１６３とリング部１６４との間に形成された凹部には、Ｏリングであるシール部材１６５が装着されている。即ち、リング部１６４の周囲にシール部材１６５を装着した状態で、蓋部１６１を収容空間１２３内に挿入することで、収容空間１２３は液密的にシールされている。
【００４１】
コネクタ装着部１６２は、蓋部１６１から基端側に突設された筒状部であって、非貫通孔であるコネクタ収容孔１６６が内部に形成されている。コネクタ収容孔１６６は、外部接続端子１５３を囲むように設けられている。コネクタ収容孔１６６は、上述の図示しないコネクタに対応する形状を有している。
【００４２】
図３及び図４を参照すると、センサ素子１０７は、薄板状の部材であって、平面視にて正方形状に形成されている。センサ素子１０７は、作用した物理量に応じた電気出力を発生するように設けられている。具体的には、図４を参照すると、センサ素子１０７は、シリコン系の半導体基板上にゲージ抵抗１７０を形成することによって構成されている。ゲージ抵抗１７０は、素子支持部１４１に対応する所定位置に配置されている。
【００４３】
本実施形態においては、図４に示されているように、センサ素子１０７には、複数のゲージ抵抗１７０が形成されている。複数のゲージ抵抗１７０は、ブリッジ回路（即ち具体的にはホイートストンブリッジ回路）を形成するように設けられている。即ち、センサ素子１０７は、素子支持部１４１に作用する流体圧力による素子支持部１４１の歪みに応じた電気出力（即ち上述のホイートストンブリッジ回路における中点電圧）を発生するように構成されている。
【００４４】
（ダイアフラム部の構成）
図３に示されているように、ステム部材１０４とセンサ素子１０７と接合層１０８との接合体を、「接合体１９０」と称する。図５Ａは、図３に示された接合体１９０の側断面図を示す。図５Ａに示されているように、受圧面１４３は、厚さ方向に沿って突設された凸部４０１を有している。
【００４５】
本実施形態においては、受圧面１４３には、１個の凸部４０１が形成されている。即ち、素子支持部１４１は、下方に凸となる平凸レンズ状に形成されている。また、受圧面１４３は、厚さ方向と直交する面内方向における外縁部から中央部に向かうにつれて素子支持表面１４２から離隔するような、下方に突出する凸面状に形成されている。
【００４６】
（効果）
以下、本実施形態の構成による動作及び効果について、概念図及び計算機シミュレーション結果を用いて説明する。
【００４７】
図１を参照すると、流体システム１の運転中においては、遮断弁３４が及び圧力調整弁３６が開弁される。これにより、水素ガスを含有する流体が、動作部２に供給される。このとき、集合管３２に装着された物理量センサ１００は、集合管３２の内部の流体圧力に対応する電気信号（例えば電圧）を発生する。圧力調整弁３６の開度は、物理量センサ１００の出力に基づいて、適宜調整される。
【００４８】
図５Ａを参照すると、流体導入部１４４に流体が導入されることで、受圧面１４３に流体圧力が作用する。これにより、ダイアフラム部である素子支持部１４１には、作用した流体圧力に対応して、撓み変形が生じる。これにより、センサ素子１０７には、素子支持部１４１の歪みに応じた応力が作用する。センサ素子１０７は、作用した応力に対応する電気出力（例えば電圧）を発生する。
【００４９】
素子支持部１４１は、測定対象である流体と接している。また、この流体は、素子支持部１４１を含むステム部材１０４を構成する材料に浸透する水素ガスを含有している。よって、流体導入部１４４の内面を構成する受圧面１４３には、水素分子が、ファンデルワールス力等により物理吸着する。
【００５０】
受圧面１４３に物理吸着した水素分子は、水素原子に解離する。これにより、水素原子が受圧面１４３に化学吸着する。受圧面１４３に化学吸着した水素原子は、ステム部材１０４の内部に浸透及び拡散する。ステム部材１０４の内部に拡散した水素原子が、金属結晶格子の間隙に侵入して侵入型固溶体を形成したり、金属原子と反応して水素化物を形成したり、格子欠陥又は結晶粒界にて再結合して水素分子を形成したりすると、図５Ｂに示されているように、素子支持部１４１が上方に向かって膨張する。
【００５１】
上記のような、水素浸透による素子支持部１４１の膨張が発生すると、この膨張がセンサ素子１０７における応力状態に影響を与えることで、物理量センサ１００の出力が変動するおそれがある。即ち、水素浸透が発生する流体の場合と、水素浸透が発生しない流体との間で、出力にオフセットが生じる。これを「水素ドリフト」と称する。また、素子支持部１４１の膨張が発生すると、接合層１０８における剥離が発生する懸念がある。
【００５２】
この点、本実施形態の構成においては、受圧面１４３は、凸部４０１を有している。具体的には、受圧面１４３は、下方に突出する凸面状に形成されている。また、素子支持部１４１は、軸中心を中心とした径方向における中央部が外縁部よりも厚く形成されている。
【００５３】
かかる構成においては、素子支持部１４１に水素が浸透した場合に、図５Ｂに示されているように、上記のような素子支持部１４１の全体に対する水素の浸透に起因した上方に向かう膨張に加えて、受圧面１４３の形状に起因した下方に向かう膨張が発生する。すると、上方に向かう膨張が下方に向かう膨張によって相殺されることで、センサ素子１０７における応力状態に対する影響が可及的に抑制され得る。したがって、本実施形態によれば、水素ドリフトの発生が、良好に抑制され得る。また、接合層１０８における剥離の発生が、良好に抑制され得る。
【００５４】
これに対し、図６Ａに示されているような従来の構成、即ち、受圧面１４３が平坦又は凹面状である場合、図６Ｂに示されているように、素子支持部１４１には、上方に向かう膨張のみが発生する。これにより、大きな水素ドリフトが発生してしまう。
【００５５】
図７〜図９は、受圧面１４３の形状を変更した場合の、水素固溶量及び水素ドリフト量を、計算機シミュレーションした結果を示す。各図において、上から順に、概略形状、水素固溶量、水素ドリフト量が示されている。また、水素固溶量のシミュレーション結果を示す図において、一点鎖線の楕円は、素子支持部１４１における水素固溶状態に注目するために付したものである。
【００５６】
シミュレーション条件は、以下の通りである。ステム部材１０４の外径はφ７［ｍｍ］であり、内径はφ２．５［ｍｍ］である。素子支持部１４１の最大厚さ、即ち、受圧面１４３の面内方向における中心位置での素子支持部１４１の厚さは、０．６［ｍｍ］である。受圧面１４３の外縁部にて形成された、側断面視におけるＲ部は、Ｒ０．３［ｍｍ］である。計算の単純化のため、凸部４０１は、受圧面１４３の外縁部を底部とする円錐形状とし、母線と底辺とのなす角である逆テーパ角をθ［度］とする。図７は、θ＝０、即ち従来の構成に相当する。図８は、θ＝５の場合である。図９は、θ＝１０の場合である。
【００５７】
水素固溶量は、流体導入部１４４に７０ＭＰａ，１１０℃の水素ガスが導入された状態における定常状態を前提として算出した。ハッチングが濃い程、水素固溶量が多いことを示している。また、各図において、同一のハッチングは、同一の固溶量範囲を示す。
【００５８】
水素ドリフト量は、流体導入部１４４に導入した気体の温度及び圧力をともに７０ＭＰａ，１１０℃として、空気の場合と水素ガスの場合との、測定圧力値［ＭＰａ］の差を算出した。なお、受圧面１４３を凸面状とした場合、受圧面１４３の外縁部における応力集中が大きくなって強度低下が発生することが懸念される。そこで、水素固溶量の算出条件と同じ条件にて、最大主応力も算出した。
【００５９】
図７〜図９を参照すると、θの値が大きいほど、素子支持部１４１における水素固溶状態が均一化され、これにより水素ドリフト量が大幅に低下した。なお、最大主応力については、図７の場合が約２４０ＭＰａであったのに対し、図８の場合は約２６０ＭＰａであり、図９の場合は約２８０ＭＰａであった。即ち、図８及び図９の場合において、強度低下が懸念されるような、顕著な応力集中は発生しなかった。
【００６０】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一又は均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾又は特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
【００６１】
本発明の流体システム１は、燃料電池システムに限定されない。また、本発明における、物理量の測定対象である流体は、水素ガスに限定されない。即ち、本発明の流体システム１が、水素分子を消費して動作する構成を有する場合、本発明の適用対象である流体は、少なくとも水素分子を含有するものであればよい。
【００６２】
本発明の適用対象は、水素分子を成分として含有する流体に限定されない。即ち、本発明は、上記の通り、水素ガスを含有する高圧気体の物理量を測定する場合に限られず、素子支持部１４１の内部に浸透することで素子支持部１４１が膨張する性質を有する透過性気体の物理量を測定する場合に、広く適用可能である。
【００６３】
本発明は、上記の実施形態にて示された具体的構成に限定されない。即ち、例えば、水素供給部３に設けられる水素タンク３１の数は、１個でもよいし、３個以上でもよい。水素供給部３に設けられる水素タンク３１の数が１個である場合、集合管３２は省略され得る。この場合、タンク接続管３３と供給管３５とは、圧力調整弁３６を介して互いに接続され得る。
【００６４】
物理量センサ１００の装着対象は、集合管３２に限定されない。即ち、物理量センサ１００は、水素タンク３１、集合管３２、タンク接続管３３、遮断弁３４、供給管３５、及び圧力調整弁３６のうちの、少なくともいずれか１つに装着され得る。
【００６５】
本発明の物理量センサ１００は、圧力センサに限定されない。また、素子支持部１４１は、ダイアフラム部に限定されない。例えば、物理量センサ１００は、温度センサ等であってもよい。
【００６６】
物理量センサ１００の構成の細部も、上記の実施形態にて示された具体例に限定されない。例えば、センサ素子１０７及び接合層１０８の平面視における形状は、正方形状であってもよいし、長方形状であってもよいし、四角形以外の多角形状であってもよいし、楕円形状であってもよいし、長円形状であってもよい。センサ素子１０７及び／又は接合層１０８は、素子支持表面１４２上に複数個設けられていてもよい。
【００６７】
図１０及び図１１に示されているように、凸部４０１は、複数設けられてもよい。複数の凸部４０１は、図１０に示されているように互いに同じ形状であってもよいし、図１１に示されているように複数種類の形状が存在してもよい。また、図１１に示されているように、受圧面１４３は、図５Ａに示されているようなサイズの大きい凸部に、図１０に示されているようなサイズの小さい凸部を重畳した形状を有していてもよい。
【００６８】
図１２に示されているように、複数の凸部４０１は、同心円状のリング状に形成されていてもよい。あるいは、図１３に示されているように、複数の凸部４０１は、ドーム状又は円錐状に形成されていてもよい。なお、図１２及び図１３に示されているように、素子支持部１４１の面内方向における中心位置には、ドーム状又は円錐状の凸部４０１が設けられていることが好ましい。
【００６９】
複数の凸部４０１は、ストライプ状に形成されていてもよい。あるいは、複数の凸部４０１は、格子状に形成されていてもよい。
【００７０】
上記の説明において、互いに継目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継目無く一体に形成されてもよい。
【００７１】
素子支持表面１４２及び／又は受圧面１４３には、透過抑制層又は透過抑制膜が形成されていてもよい。透過抑制層及び透過抑制膜は、例えば、酸化アルミニウム、窒化チタン、炭化チタン、等によって形成され得る。例えば、素子支持表面１４２に透過抑制層又は透過抑制膜を形成することで、接合層１０８、接合層１０８と素子支持表面１４２との接合部、及び／又はセンサ素子１０７と接合層１０８との接合部への水素の浸出に起因する水素ドリフトの発生が、良好に抑制され得る。透過抑制層及び透過抑制膜の詳細については、例えば、特開２０１１−２３９３号公報、特開２０１１−１１７７８３号公報を参照のこと。
【００７２】
上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
【００７３】
変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記の実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。
【符号の説明】
【００７４】
１        流体システム
２        動作部
３        水素供給部
１００    物理量センサ
１０４    ステム部材
１０７    センサ素子
１４１    素子支持部
１４２    素子支持表面
１４３    受圧面
４０１    凸部
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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