(57)【要約】【課題】  水素に対する選択性が高い水素吸蔵合金を利用して気体中に含まれる水素ガスの濃度を検出する際の検出精度および検出結果の信頼性を向上させる。【解決手段】  水素検出装置１０を、略棒状の検出素子１１と、検出素子１１を長手方向の両側から挟み込む発振部１２および検出部１３と、温度センサ１４と、制御装置１５とを備えて構成した。発振部１２を、第１水晶振動子２１と、第１水晶振動子２１を厚さ方向の両側から挟み込む１対の電極２２ａ，２２ｂと、制御装置１５の制御により１対の電極２２ａ，２２ｂ間に交流電流を通電し、圧電効果により第１水晶振動子２１を励振させる通電装置２３とを備えて構成した。検出部１３を、第２水晶振動子２４と、第２水晶振動子２４を厚さ方向の両側から挟み込む１対の電極２５ａ，２５ｂと、１対の電極２５ａ，２５ｂ間に発生する電圧を検出する電圧センサ２６とを備えて構成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可逆的に水素を吸収および放出する水素吸収材と、
前記水素吸収材に接合され、所定振動数にて発振する発振手段と、
前記発振手段と干渉しない位置にて前記水素吸収材に接合され、前記発振手段の発振に応じた前記水素吸収材の振動状態を検出する検出手段とを備えることを特徴とする水素検出装置。
【請求項２】
前記発振手段は、電源と該電源からの通電により振動する第１の水晶振動子とを備え、
前記検出手段は、第２の水晶振動子と該第２の水晶振動子の機械的歪みに応じて発生する電圧を検出する電圧センサとを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中の水素濃度を検出する水素検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、水素吸蔵合金を利用して水素を検出する水素センサとして、基板の一方の面に水素吸蔵合金を固着し他方の面に水晶振動子を取り付け、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の重量増大により生じる水晶振動子の周波数変動を検出し、検出した周波数変動の大きさに基づいて水素吸蔵量を検知する水素ガスセンサ（例えば、特許文献１参照）が知られている。
【特許文献１】特開平２−１１０３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記従来技術の一例に係る水素ガスセンサのように水素吸蔵合金の水素吸蔵量に応じた重量変化を検出する場合や、あるいは、水素吸蔵合金の体積変化や温度変化等を検出する方法では、外乱の寄与が相対的に大きくなり、検出精度や検出結果に対する信頼性を向上させることが困難であるという問題が生じる。
例えば、重量変化を検出する際には水素吸蔵合金表面での結露や他の物体の付着等が生じる虞があり、また、体積変化や温度変化を検出する場合には、雰囲気の状態が変化する虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、水素に対する選択性が高い水素吸蔵合金を利用して気体中に含まれる水素ガスの濃度を検出する際の検出精度および検出結果の信頼性を向上させることが可能な水素検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の水素検出装置は、可逆的に水素を吸収および放出する水素吸収材（例えば、実施の形態での検出素子１１）と、前記水素吸収材に接合され、所定振動数にて発振する発振手段（例えば、実施の形態での発振部１２）と、前記発振手段と干渉しない位置にて前記水素吸収材に接合され、前記発振手段の発振に応じた前記水素吸収材の振動状態を検出する検出手段（例えば、実施の形態での検出部１３）とを備えることを特徴としている。
【０００５】
上記構成の水素検出装置によれば、例えば水素吸蔵合金等からなる水素吸収材は、この水素検出装置の雰囲気の水素分圧および温度に応じて可逆的に水素を吸収および放出し、この吸収および放出に応じて内部摩擦の変化が生じる。そして、この内部摩擦の変化に応じて、水素吸収材の内部を伝搬する振動の振動状態、特に、振幅の減衰度合が変化する。このため、発振手段により水素吸収材に所定の振動を入力すると共に、検出手段により水素吸収材の振動を検出し、水素吸収材の内部を伝搬した振動の振幅の減衰率を検出することにより、水素吸収材の内部の水素濃度、さらには、水素検出装置の雰囲気の水素濃度を検出することができる。
これにより、例えば水素吸収材に生じる状態変化として重量変化や体積変化や温度変化を検出する場合に比べて、検出結果に対する各種の外乱の寄与を抑制し、水素濃度の検出精度および検出結果に対する信頼性を向上させることができる。
しかも、発振手段から水素吸収材へ入力される振動の振動数を、水素吸収材の内部の水素濃度に応じて変化する内部摩擦に対して振動の振幅が相対的に大きく変化するような周波数領域に設定することによって、より一層、検出感度を向上させることができる。
【０００６】
さらに、請求項２に記載の発明の水素検出装置では、前記発振手段は、電源（例えば、実施の形態での通電装置２３）と該電源からの通電により振動する第１の水晶振動子（例えば、実施の形態での第１水晶振動子２１）とを備え、前記検出手段は、第２の水晶振動子（例えば、実施の形態での第２水晶振動子２４）と該第２の水晶振動子の機械的歪みに応じて発生する電圧を検出する電圧センサ（例えば、実施の形態での電圧センサ２６）とを備えることを特徴としている。
【０００７】
上記構成の水素検出装置によれば、発振手段および検出手段を各水晶振動子を備えて構成することにより、水素検出装置が大型化することを防止し、装置構成を単純化することができる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明の水素検出装置によれば、例えば水素吸収材に生じる状態変化として重量変化や体積変化や温度変化を検出する場合に比べて、検出結果に対する各種の外乱の寄与を抑制し、水素濃度の検出精度および検出結果に対する信頼性を向上させることができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、発振手段および検出手段を各水晶振動子を備えて構成することにより、水素検出装置が大型化することを防止し、装置構成を単純化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の水素検出装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による水素検出装置１０は、例えば図１に示すように、略棒状の検出素子１１と、この検出素子１１を長手方向の両側から挟み込むようにして配置された発振部１２および検出部１３と、温度センサ１４と、制御装置１５とを備えて構成されている。
【００１０】
検出素子１１は、所定の水素吸蔵圧の温度変化特性を有する水素吸蔵合金からなり、所定の作動温度（例えば、１００℃等）での水素吸蔵圧（例えば、０．００５ａｔｍ）は、大気中における水素分圧と水素濃度との対応関係から、所定の水素濃度に対応するように設定されている。（例えば、水素分圧０．００５ａｔｍは水素濃度０．５％に相当する。）
さらに、検出素子１１は、水素を吸蔵した際あるいは吸蔵した水素を放出する際に生じる状態変化として、内部摩擦が変化するようになっており、例えば水素の吸蔵により検出素子１１内部の水素濃度が増大することに伴い内部摩擦が増大する。
そして、検出素子１１は、例えば焼結、圧着、溶射、接着等の適宜の接合方法により、一方の端部が発振部１２の一方の電極２２ａの表面上に接合され、他方の端部が検出部１３の他方の電極２５ｂの表面上に接合されている。
【００１１】
発振部１２は、略板状の第１水晶振動子２１と、この第１水晶振動子２１を厚さ方向の両側から挟み込む１対の電極２２ａ，２２ｂと、制御装置１５の制御により１対の電極２２ａ，２２ｂ間に交流電流を通電し、圧電効果により第１水晶振動子２１を励振させる通電装置２３とを備えて構成されている。
【００１２】
検出部１３は、略板状の第２水晶振動子２４と、この第２水晶振動子２４を厚さ方向の両側から挟み込む１対の電極２５ａ，２５ｂと、これらの１対の電極２５ａ，２５ｂ間に発生する電圧を検出する電圧センサ２６とを備えて構成されている。
【００１３】
また、例えば検出素子１１の表面上にはサーミスタ等の温度センサ１４が配置され、この温度センサ１４により検出された検出素子１１の温度Ｔの検出値は制御装置１５に出力されている。
【００１４】
本実施の形態による水素検出装置１０は上記構成を備えており、次に、この水素検出装置１０の動作について説明する。
検出素子１１を構成する水素吸蔵合金は、水素の吸蔵により内部の水素濃度が増大することに伴い内部摩擦が増大することから、内部を伝搬する振動の振動状態、特に、振幅の減衰度合が増大する。
つまり、検出素子１１の一方の端部で発振部１２により入力された所定の振幅および振動数の振動は、この一方の端部から他方の端部に向かい検出素子１１内部を伝搬する際に、検出素子１１内部の水素濃度に応じて減衰し、他方の端部において振幅が減衰した振動が検出部１３により検出される。
【００１５】
なお、水素吸蔵合金の水素吸蔵による内部摩擦の増大は、水素吸蔵合金中に存在する転位（つまり、金属の結晶構造における格子欠陥であって、金属に外部から力が加えられると金属内部で位置が移動する欠陥）と水素原子との相互作用量の増大に起因する。
すなわち、金属内部に侵入した水素原子は金属の結晶格子を歪ませる。また、金属中の転位自体も結晶格子を変形させる。このように、結晶格子中に素性の異なる歪みが生じることで、いわば互いの歪みが引き付けあったり反発するようにして、結晶格子を歪ませる互いの作用が促進されたり抑制される。これにより、外部から加えられた振動に起因した金属中における転位の移動が阻害され、金属中を伝搬する振動に遅れが生じる。この位相がずれた振動は、外部から入力される振動を、いわば打ち消すようにして、減衰させることから、金属中を伝搬する振動の振幅が減衰する。
【００１６】
ここで、発振部１２においては、制御装置１５の制御により１対の電極２２ａ，２２ｂ間に所定の交流電流を通電することで圧電効果により第１水晶振動子２１を励振させ、所定の周波数および振幅の振動を検出素子１１の一方の端部に入力する。
また、検出部１３においては、検出素子１１の他方の端部の振動が第２水晶振動子２４に伝搬することで圧電効果により１対の電極２５ａ，２５ｂ間に、伝搬した振動に応じた電圧が発生し、この電圧の位相角および実効値に対する検出値が電圧センサ２６から制御装置１５へ出力される。
なお、検出部１３は第２水晶振動子２４を備えるとしたが、これに限定されず、検出素子１１の振動状態を検出可能な適宜のセンサであれば、如何なるセンサも適用可能である。
【００１７】
そして、制御装置１５は、通電装置２３に対して出力した制御信号、つまり通電装置２３から発振部１２へ通電する交流電流の周波数および振幅に係る制御信号と、電圧センサ２６から入力される電圧の位相角および実効値の検出値とに基づき、発振部１２により検出素子１１の一方の端部に入力された振動が検出素子１１内部を伝搬し、他方の端部において検出部１３により検出されるまでの間に亘る振幅の減衰率を検出する。
ここで、検出素子１１内部の水素濃度に応じて変化する内部摩擦は検出素子１１を構成する水素吸蔵合金の内部の物質構造に応じて変化することから、制御装置１５は、検出した減衰率に基づき、予め保持している所定のマップ等（つまり、検出素子１１内部での振動の減衰率に応じた内部摩擦と、検出素子１１内部の水素濃度との関係を示す所定のデータ）を参照して、検出素子１１内部の水素濃度を検出する。
さらに、制御装置１５は、予め検出素子１１の水素吸蔵特性のデータ、つまり雰囲気の水素濃度と検出素子１１の温度Ｔとの変化に応じた検出素子１１内部の水素濃度の変化を示す所定のマップ等を保持しており、温度センサ１４から出力される温度Ｔの検出値と、検出した検出素子１１内部の水素濃度とに基づき、雰囲気の水素濃度を検出する。
【００１８】
例えば、制御装置１５は、図２に示すような、検出素子１１を構成する水素吸蔵合金中の水素濃度が増大することに伴い、この水素吸蔵合金の内部を伝搬する振動の振幅の減衰率が増大傾向に変化することを示す所定のマップを保持しており、電圧センサ２６の検出結果に基づき算出した振動の減衰率に基づき、水素吸蔵合金中の水素濃度をマップ検索する。
さらに、制御装置１５は、図３に示すような、水素吸蔵合金の各温度毎に対して、雰囲気の水素濃度の増大に伴い、水素吸蔵合金中の水素濃度が増加傾向に変化することを示す所定のマップを保持しており、検出した水素吸蔵合金中の水素濃度に基づき、雰囲気の水素濃度をマップ検索する。
【００１９】
なお、制御装置１５は、通電装置２３へ出力する制御信号により、検出素子１１内部の水素濃度に応じて変化する内部摩擦に対して、検出素子１１内部を伝搬する振動の振幅が相対的に大きく変化するような周波数領域の振動が通電装置２３からの通電により発振部１２から出力されるように指示する。
【００２０】
上述したように、本実施の形態による水素検出装置１０によれば、検出素子１１内部の水素濃度に応じて変化する内部摩擦に基づき雰囲気の水素濃度を検出することから、例えば検出素子１１に生じる状態変化として重量変化や体積変化や温度変化を検出する場合に比べて、検出結果に対する各種の外乱の寄与を抑制し、水素濃度の検出精度および検出結果に対する信頼性を向上させることができる。
しかも、発振部１２から検出素子１１へ入力される振動の振動数を、検出素子１１内部の水素濃度に応じて変化する内部摩擦に対して振動の振幅が相対的に大きく変化するような周波数領域に設定することによって、より一層、検出感度を向上させることができる。
【００２１】
なお、上述した実施の形態においては、発振部１２および検出部１３は検出素子１１を両側から挟み込むとしたが、これに限定されず、例えば検出素子１１の表面上において互いに干渉しない位置に配置されてもよい。
また、発振部１２および検出部１３は各水晶振動子２１，２４を備えるとしたが、これに限定されず、他の発振装置および振動検出装置を備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素検出装置の構成図である。
【図２】水素吸蔵合金中の水素濃度の変化に応じた水素吸蔵合金の内部を伝搬する振動の振幅の減衰率の変化の一例を示すグラフ図である。
【図３】水素吸蔵合金の各温度毎に対して、雰囲気の水素濃度の変化に応じた水素吸蔵合金中の水素濃度の変化の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  水素検出装置
１１  検出素子（水素吸収材）
１２  発振部（発振手段）
１３  検出部（検出手段）
１４  温度センサ
２１  第１水晶振動子（第１の水晶振動子）
２３  通電装置（電源）
２４  第２水晶振動子（第２の水晶振動子）  
２６  電圧センサ
【図１】
2005308580.tif 000003
【図２】
2005308580.tif 000004
【図３】
2005308580.tif 000005