(57)【要約】【課題】深い穴を有する金属部材を備えた圧力センサにおいて、金属部材中を透過するおそれの有る気体の圧力を精度良く検出することが可能な技術を提供する。【解決手段】圧力センサは、気体の圧力を検出するために用いられるものである。この圧力センサは、一端が開口し他端に底を有する穴部であって前記気体が導入される穴部を備えた金属部材と、金属部材の外面の、穴部の底に対向する位置に設けられた圧力検知部と、穴部の底に配置され、気体の透過を抑制する金属製の透過抑制層と、透過抑制層を穴部の底に固定する樹脂層と、備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の圧力を検出するために用いられる圧力センサであって、
一端が開口し他端に底を有する穴部であって前記気体が導入される穴部を備えた金属部材と、
前記金属部材の外面の、前記穴部の底に対向する位置に設けられた圧力検知部と、
前記穴部の底に配置され、前記気体の透過を抑制する金属製の透過抑制層と、
前記透過抑制層を前記穴部の底に固定する樹脂層と、
を備える圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサであって、
前記樹脂層は、フッ素樹脂によって形成されている、圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧力センサであって、
前記透過抑制層は、金属製の板によって形成されている、圧力センサ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の圧力センサであって、
前記透過抑制層は、金属材料を前記穴部の底に溶射することで形成されている、圧力センサ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
前記透過抑制層は、アルミニウム、銅、ステンレスの少なくともいずれか一つを含む、圧力センサ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
前記気体は、水素ガスである、圧力センサ。
【請求項７】
気体の圧力を検出するために用いられる圧力センサの製造方法であって、
一端が開口し他端に底を有する穴部であって前記気体が導入される穴部を備えた金属部材を用意する工程と、
前記穴部の底に、前記気体の透過を抑制する金属製の透過抑制層を設ける工程と、
前記透過抑制層を樹脂によって前記穴部の底に固定する工程と、
前記金属部材の外面の、前記穴部の底に対向する位置に、圧力検知部を設ける工程と、
を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の圧力を検出する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧な気体の圧力を検出する圧力センサとして、例えば、特許文献１に開示された圧力センサがある。特許文献１に記載の圧力センサは、Ｆｅ−Ｎｉ系や、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系などの低熱膨張金属からなる金属部材に深い穴が形成された構造を有している。この圧力センサでは、前述した穴に、測定対象となる高圧な気体を導入し、その穴の底部の変形を歪みゲージで検出することで、気体の圧力を測定している。特許文献１に記載の圧力センサは、このような構造の金属部材を採用することにより、高圧な気体に対する耐圧強度を高めている。
【０００３】
しかし、このような圧力センサによって、高圧な水素ガスの圧力を測定しようとすると、金属部材の内部を水素が透過する現象が生じる場合があった。特に、透過した水素が、金属部材と歪みゲージとの間に滞留すると、滞留した水素の圧力によって、歪みゲージの出力が不安定になるという問題があった。
【０００４】
上述した問題に対して、金属部材そのものの材質を変更する手法も考えられる。しかし、金属部材の材質としては、低い膨張率でかつ高強度であることが要求され、水素ガスの圧力を検出する場合には、耐水素脆性をも備えている必要がある。そのため、金属部材の材質そのものを見直すことは大変困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−１１４６１号公報
【特許文献２】特開平７−２６０６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、深い穴を有する金属部材を備えた圧力センサにおいて、金属部材中を透過するおそれの有る気体の圧力を精度良く検出することが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］気体の圧力を検出するために用いられる圧力センサであって、一端が開口し他端に底を有する穴部であって前記気体が導入される穴部を備えた金属部材と、前記金属部材の外面の、前記穴部の底に対向する位置に設けられた圧力検知部と、前記穴部の底に配置され、前記気体の透過を抑制する金属製の透過抑制層と、前記透過抑制層を前記穴部の底に固定する樹脂層と、を備える圧力センサ。
【０００９】
このような態様の圧力センサであれば、金属部材に設けられた穴部の底に、気体の透過を抑制する透過抑制層が樹脂層によって固定されている。そのため、金属部材中を透過するおそれの有る気体が、穴部内から圧力検知部に向かって金属部材中を透過することを抑制することができる。この結果、透過した気体によって圧力検知部が圧力を誤検出することが抑制されるので、気体の圧力を精度良く検出することが可能になる。また、上記態様の圧力センサでは、圧力検知部が、金属部材の外面の、穴部の底に対向する位置に設けられているため、透過抑制層は、少なくとも穴部の底に形成されていればよい。穴部の底以外の部分から気体が透過したとしても、圧力検知部による圧力の検知に対してほとんど影響を与えないからである。よって、上記態様によれば、透過抑制層を穴部内の全体に形成する必要がないため、製造コストを低減することができる。更に、上記態様であれば、穴部の底に透過抑制層を形成することで気体の透過を抑制することができるので、金属部材の材質を変更することなく、圧力の検出精度を向上させることができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載の圧力センサであって、前記樹脂層は、フッ素樹脂によって形成されている、圧力センサ。フッ素樹脂は、樹脂の中でも、水素を透過する速度が遅い素材の１つである。そのため、このような態様であれば、金属部材中への水素の透過をより効果的に抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の圧力センサであって、前記透過抑制層は、金属製の板によって形成されている、圧力センサ。このように、金属製の板を用いれば、低コストに透過抑制層を形成することができる。
【００１２】
［適用例４］適用例１または適用例２に記載の圧力センサであって、前記透過抑制層は、金属材料を前記穴部の底に溶射することで形成されている、圧力センサ。このように、溶射によって透過抑制層を形成すれば、透過抑制層の穴部内への密着性を高めることができる。
【００１３】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか一項に記載の圧力センサであって、前記透過抑制層は、アルミニウム、銅、ステンレスの少なくともいずれか一つを含む、圧力センサ。これらの金属を用いれば、水素の透過を効果的に抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれか一項に記載の圧力センサであって、前記気体は、水素ガスである、圧力センサ。
【００１５】
［適用例７］気体の圧力を検出するために用いられる圧力センサの製造方法であって、一端が開口し他端に底を有する穴部であって前記気体が導入される穴部を備えた金属部材を用意する工程と、前記穴部の底に、前記気体の透過を抑制する金属製の透過抑制層を配置する工程と、前記透過抑制層を樹脂によって前記穴部の底に固定する工程と、前記金属部材の外面の、前記穴部の底に対向する位置に、圧力検知部を設ける工程と、を備える製造方法。このような製造方法によれば、深い穴を有する金属部材を備えた圧力センサにおいて、金属部材中を透過するおそれの有る気体の圧力を精度良く検出することが可能な圧力センサを製造することができる。
【００１６】
なお、本発明は、上述した圧力センサや製造方法のほか、圧力センサを備えた燃料電池システムや、この燃料電池システムを備えた車両としても構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧力センサを備える燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図３】金属ステムの拡大断面図である。
【図４】圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。
【図５】実施例の効果を示す説明図である。
【図６】溶射によって金属膜を形成する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての圧力センサ１０を備える燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、２つの水素タンク１１０，１２０を備えている。それぞれの水素タンク１１０，１２０には、分岐管１３０を介して、各水素タンク１１０，１２０に水素ガスを充填するための充填口１３５が接続されている。水素タンク１１０，１２０には、この充填口１３５を通じて、例えば７０ＭＰａの水素ガスが充填される。
【００１９】
各水素タンク１１０，１２０は、集合管１４０および圧力調整弁１５０を通じて、燃料電池１６０に接続されている。燃料電池１６０は、各水素タンク１１０，１２０から水素ガスの供給を受けるとともに、ブロア等（図示せず）によって空気を導入することで発電を行う。燃料電池システム１００は、例えば、電気自動車に搭載されて、電力源として用いられる。
【００２０】
集合管１４０には、水素タンク１１０，１２０から供給された水素ガスの圧力を検出するための圧力センサ１０が取り付けられている。この圧力センサ１０の出力は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７０に入力される。ＥＣＵ１７０は、圧力センサ１０によって検出した水素ガスの圧力に応じて、水素タンク１１０，１２０内の水素ガスの残量を推定する。なお、図１には、水素タンクを２つ示したが、その数は特に限定されない。
【００２１】
Ｂ．圧力センサの構成：
図２は、圧力センサ１０の概略構成を示す断面図である。圧力センサ１０は、金属ステム２０や、ハウジング３０、ネジ部材４０、コネクタターミナル５０、コネクタケース８０などから構成される。図２には、コネクタケース８０が上方に、ハウジング３０が下方に位置するように圧力センサ１０を示しているが、圧力センサ１０の使用時には、特に方向性はない。以下では、コネクタケース８０側を圧力センサ１０の上側、ハウジング３０側を圧力センサ１０の下側として説明する。
【００２２】
図３は、金属ステム２０の拡大断面図である。金属ステム２０は、下端が開口し、上端に底を有する穴部２１を備えた略円筒状の金属部材である。後述するように、この穴部２１には、圧力の検出対象となる水素ガスが導入される。穴部２１の内径は、約２．０〜３．０ｍｍであり、その底部は、０．５〜１．０ｍｍの薄肉状に形成されている。以下では、薄肉状の底部のことを、ダイアフラム２２と呼ぶ。金属ステム２０の下端にはフランジ部２３が形成されている。金属ステム２０の上端部における側壁の厚みは、４．０〜５．０ｍｍである。
【００２３】
ダイアフラム２２の上面には、センサ基板２４がガラス２５によって接着されている。ガラス２５としては、例えば、硬質ガラスや、鉛ガラス等の低融点ガラスを用いることができる。センサ基板２４には、圧力検知部としての歪みゲージ２６や、この歪みゲージ２６の出力を増幅するためのアンプ回路（図示せず）が実装されている。センサ基板２４の上面は、センサ基板２４から電気信号を出力するボンディングワイヤ（図示せず）を保護するために、シリコンゲル２７で覆われている。
【００２４】
金属ステム２０の穴部２１の底面（換言すれば、穴部２１の上端の内面）には、ダイアフラム２２中への水素の透過を抑制するための透過抑制部２８が設けられている。透過抑制部２８は、穴部２１の底面に密着して配置された透過抑制層としての金属薄板２８ａ（金属箔）と、この金属薄板２８ａを穴部２１の底面に固定する樹脂層２８ｂとから構成されている。金属薄板２８ａは、穴部２１の内径よりも小さな径を有する略円形状であり、水素の透過を抑制する性質を有するアルミニウムを加工して形成されている。この金属薄板２８ａの厚みは、数μｍ〜５０μｍである。このような厚みであれば、金属薄板２８ａを軟らかくすることができるため、穴部２１の底面が湾曲している場合であっても良好に金属薄板２８ａを穴部２１の底面に密着させることができる。また、アルミニウムは、このように薄くても、十分に水素の透過を抑制する機能を有する。樹脂層２８ｂは、金属薄板２８ａを覆うようにフッ素樹脂を穴部２１の底面に焼き付けることで形成されている。この樹脂層２８ｂは、金属薄板２８ａよりも大きな径の略円形状を呈している。樹脂層２８ｂの厚みはなるべく薄い方が良く、本実施例では、１００μｍ以下とした。
【００２５】
金属ステム２０は、穴部２１に高圧の水素ガスが導入されることから高強度である必要がある。また、ガラス２５を軟化させてセンサ基板２４を接着することから、熱膨張率が低いことが求められる。そのため、金属ステム２０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金や、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等の低熱膨張金属などにより形成することができる。
【００２６】
圧力センサ１０のハウジング３０（図２参照）は、図１に示した集合管１４０に直接的に取り付けられる略円筒状の部材であり、その下方の外周には、集合管１４０への取り付けに用いられるネジ部３１が形成されている。ハウジング３０の内部は、上方から下方にかけて、３段階に内径が細くなる構造を有している。以下では、最も内径の大きい部分を、回路収納部３２といい、２番目に内径の大きい中間部分を、ステム収納部３３という。また、最も内径の小さい下方部分を、気体導入流路３４という。ステム収納部３３の内面には、ネジ部材４０を取り付けるためのネジ山３５が形成されている。ハウジング３０は、例えば、耐食性と高強度を合わせもつ炭素鋼（例えばＳ１５Ｃ等）に耐食性を上げる亜鉛メッキを施したものや、耐食性を有するＸＭ７、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０により形成することができる。
【００２７】
ネジ部材４０は、金属ステム２０の外周を覆う略円筒状の部材である。ネジ部材４０は、例えば、炭素鋼によって形成されている。ネジ部材４０の下方の外周には、前述したステム収納部３３への取り付けに用いられるネジ山４１が形成されている。金属ステム２０は、そのフランジ部２３がネジ部材４０の下面とステム収納部３３の底面との間に狭持されることで、ハウジング３０内に固定される。こうして、金属ステム２０がハウジング３０内に固定されると、金属ステム２０の穴部２１が、ハウジング３０内の気体導入流路３４と連通する。
【００２８】
ネジ部材４０の上部は、椀状に形成されている。この椀状部分の底面には、セラミック基板６０が接着されている。このセラミック基板６０は、金属ステム２０の上面に接着されたセンサ基板２４とボンディングワイヤ６１によって電気的に接続されている。セラミック基板６０には、センサ基板２４から入力される信号に対して所定の信号処理を加えるためのＩＣチップ６２が実装されている。また、セラミック基板６０には、ＩＣチップ６２と導通するピン６３が立設されている。
【００２９】
コネクタターミナル７０は、金属端子７２を樹脂にインサート成形して構成された部材である。このコネクタターミナル７０は、ネジ部材４０の椀状部分の上部に嵌め込まれる。金属端子７２は、レーザ溶接等によって、セラミック基板６０上に設けられたピン６３に接合されている。なお、金属端子７２は、図２では１本だけ示しているが、センサ基板２４やセラミック基板６０への電源供給に用いられる端子や、信号出力に用いられる端子、接地のために用いられる端子など、複数本が設けられている。
【００３０】
コネクタケース８０は、金属端子７２の周囲を囲む部材である。コネクタケース８０は、Ｏリング９０を介してハウジング３０の上端の開口部に挿入される。このとき、ハウジング３０の上端が内側にかしめられ、コネクタケース８０は、ハウジング３０の上部に一体的に固定される。
【００３１】
以上のように構成された圧力センサ１０では、ハウジング３０に設けられた気体導入流路３４を通じて、水素タンク１１０，１２０から、金属ステム２０の穴部２１に、最大７０ＭＰａの高圧水素が導入される。すると、この水素ガスの圧力によってダイアフラム２２が変形する。ダイアフラム２２が変形すると、その上面に接着されたセンサ基板２４に実装されている歪みゲージ２６も変形する。すると、歪みゲージ２６からは、その変形度合いに応じた電気信号が出力され、センサ基板２４、セラミック基板６０、および、金属端子７２を通じて、その電気信号がＥＣＵ１７０に伝達される。ＥＣＵ１７０は、この電気信号に応じて、水素タンク１１０，１２０から供給される水素ガスの圧力を検出する。
【００３２】
Ｃ．圧力センサの製造方法： 
図４は、圧力センサ１０の製造方法のフローチャートである。本実施例の製造方法では、最初に、穴部２１を形成した金属ステム２０を用意する（ステップＳ１０）。続いて、この穴部２１の底面に透過抑制部２８を形成するために、まず、穴部２１の底面に対して金属薄板２８ａを密着するように配置する（ステップＳ２０）。例えば、穴部２１の底面の形状に合わせて先端の形状を加工した棒を、金属薄板２８ａを配置した穴部２１内に挿し込めば、金属薄板２８ａと穴部２１の底面との密着性を向上させることができる。
【００３３】
穴部２１の底面に対して金属薄板２８ａを配置すると、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）といったフッ素樹脂を穴部２１の底面に対して２００〜４００℃で焼き付けることで金属薄板２８ａを覆うように樹脂層２８ｂを形成し、金属薄板２８ａを穴部２１の底面に接着・固定する（ステップＳ３０）。こうした樹脂層２８ｂの形成方法としては、例えば、オートクレーブ成形を採用することが可能である。オートクレーブ成形を行えば、加圧処理が行われるため、穴部２１の底面への金属薄板２８ａの密着性をより高めることができる。
【００３４】
以上のようにして、金属ステム２０の穴部２１の底面に透過抑制部２８を形成すると、続いて、ダイアフラム２２の上面に、歪みゲージ２６が実装されたセンサ基板２４をガラス２５によって接着する（ステップＳ３０）。そして、最後に、ネジ部材４０によって金属ステム２０をハウジング３０内に取り付け、更に、コネクタターミナル７０とコネクタケース８０とをハウジング３０に取り付けることで、圧力センサ１０を組み立てる（ステップＳ４０）。
【００３５】
図５は、本実施例の効果を示す説明図である。本実施例の圧力センサ１０では、金属ステム２０中のダイアフラム２２部分は、金属ステム２０の中で最も薄い部分であるため、水素が最も透過しやすい部分である。しかし、本実施例では、図５（ａ）に示すように、金属ステム２０の穴部２１の底面、すなわち、ダイアフラム２２の内面に、水素の透過を抑制するアルミニウム製の金属薄板２８ａが配置されている。そのため、穴部２１内に高圧の水素ガスを導入しても、この金属薄板２８ａによって、水素がダイアフラム２２内に透過することを抑制することができる。この結果、図５（ｂ）のように、水素が、金属ステム２０と歪みゲージ２６との間に存在するガラス２５等に滞留してしまうことが抑制されるため、歪みゲージ２６の出力が安定し、水素ガスの圧力を精度良く検出することが可能になる。
【００３６】
更に、本実施例では、フッ素樹脂によって形成された樹脂層２８ｂによって金属薄板２８ａがダイアフラム２２の内面に接着されている。フッ素樹脂は、樹脂の中でも、水素を透過する速度が遅い素材の１つである。そのため、本実施例では、フッ素樹脂によって形成された樹脂層２８ｂによって、ダイアフラム２２内への水素の透過をより効果的に抑制することができる。なお、本実施例では、樹脂層２８ｂをフッ素樹脂によって形成することとしたが、エポキシ樹脂など他の樹脂によって形成してもよい。また、樹脂層２８ｂは、金属薄板２８ａの穴部２１への接着を主目的としており、金属薄板２８ａだけでも水素の透過を抑制することが可能である。そのため、水素透過抑制機能を有していない他の接着剤によって金属薄板２８ａを穴部２１に接着することとしてもよい。
【００３７】
また、本実施例の金属ステム２０には、ダイアフラム２２の上面に歪みゲージ２６が配置されているため、ダイアフラム２２の下面にあたる穴部２１の底部のみに透過抑制部２８を形成している。これは、他の部分（例えば、穴部２１の側壁）から水素が透過したとしても、歪みゲージ２６によるダイアフラム２２の変形の検出に与える影響が無視し得る程度だからである。このように、本実施例では、穴部２１内の全体に透過抑制部２８を形成する必要がないので、金属薄板２８ａをフッ素樹脂によって穴部２１の底面に接着するという単純な製造方法で、低コストに透過抑制部２８を形成することができる。更に、本実施例では、透過抑制部２８を穴部２１の底面に設けることで水素の透過を抑制するので、金属ステム２０の材質を変更することなく、圧力の検出精度を向上させることができる。
【００３８】
なお、本実施例では、金属薄板２８ａの材料としてアルミニウムを用いたが、アルミニウム合金や、銅、銅合金、オーステナイト系ステンレス鋼等を用いることも可能である。アルミニウム合金や、銅、銅合金は、アルミニウムと同様に、水素原子の侵入を妨げる性質を有しているため、水素ガスの透過を抑制することが可能である。また、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼は、水素を吸収するものの、その内部への水素の拡散が著しく遅いという性質を有しているため、実質的に水素ガスの透過を抑制することが可能である。
【００３９】
Ｄ．他の実施例： 
上述した実施例では、金属薄板２８ａをフッ素樹脂によって、金属ステム２０の穴部２１の底面に固定した。これに対して、例えば、図５に示すように、溶射装置２００を用いて金属ステム２０の穴部２１の底面にアルミニウム等を溶射して金属膜を形成し、その上からフッ素樹脂のコーティングを施すことでも、透過抑制部２８を形成することが可能である。金属膜に対してフッ素樹脂のコーティングを施せば、金属膜が剥離することを抑制することが可能になる。溶射方法としては、例えば、火炎溶射、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxygen Fuel）溶射、プラズマ溶射などを適用することができる。上述した金属膜を形成するには、どの溶射方法も適用可能であるが、金属膜と金属ステム２０との密着性を考慮すると、火炎溶射よりも、より高温、高速に溶射が可能なＨＶＯＦ溶射が好適である。なお、溶射によって穴部２１の底面以外に形成された金属膜（例えば、穴部２１の側面や金属ステム２０の底面に形成された膜）は、切削等の機械加工によって除去する。
【００４０】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることが可能である。例えば、上記実施例では、圧力センサ１０は、燃料電池システム１００の集合管１４０に取り付けられることとしたが、水素タンク１１０，１２０に直接取り付けられていてもよい。また、圧力調整弁１５０よりも下流側の配管に取り付けられていてもよい。その他、上記実施例では、歪みゲージ２６によって水素の圧力を検知することとしたが、水素の圧力を検知可能であれば、他の圧力検知手段を適宜採用することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…圧力センサ
２０…金属ステム
２１…穴部
２２…ダイアフラム
２３…フランジ部
２４…センサ基板
２５…ガラス
２６…歪みゲージ
２７…シリコンゲル
２８…透過抑制部
２８ａ…金属薄板
２８ｂ…樹脂層
３０…ハウジング
３１…ネジ部
３２…回路収納部
３３…ステム収納部
３４…気体導入流路
３５…ネジ山
４０…ネジ部材
４１…ネジ山
５０…コネクタターミナル
６０…セラミック基板
６１…ボンディングワイヤ
６２…ＩＣチップ
６３…ピン
７０…コネクタターミナル
７２…金属端子
８０…コネクタケース
９０…Ｏリング
１００…燃料電池システム
１１０…水素タンク
１３０…分岐管
１３５…充填口
１４０…集合管
１５０…圧力調整弁
１６０…燃料電池
１７０…ＥＣＵ
２００…溶射装置
【図１】
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【図２】
2011117783.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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