(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向して配置され、少なくとも一方が可撓性を有し、かつ少なくとも一方が水素透過性を有し、周囲を気密に封止することで、真空雰囲気となる密閉された内容積を形成する一対の基板と、
前記一対の基板の少なくとも一部分に相互に対向して形成される対向電極とを含み、
水素分子透過による内容積の圧力の上昇によって前記可撓性の基板が撓み、その撓みによる対向電極間の静電容量の変化から、外部雰囲気の水素分圧を検出することを特徴とする水素圧センサ。
【請求項２】
前記一対の基板のうちの一方の基板が可撓性を有し、かつ水素透過性を有し、他方の基板が剛性の基板であることを特徴とする請求項１記載の水素圧センサ。
【請求項３】
可撓性を有する前記一方の基板において、略中央部が剛性を有し、かつその部分に対向電極が形成され、周縁部が可撓性を有し、かつ水素透過性を有することを特徴とする請求項２記載の水素圧センサ。
【請求項４】
可撓性を有する前記一方の基板において、略中央部が剛性を有し、かつその部分に対向電極が形成されて検出電極となり、その周縁部が可撓性を有し、かつ水素透過性を有し、さらに最外周部分が剛性を有し、かつ前記剛性を有する他方の基板への取付け部となるとともに、その部分に対向電極が形成されて参照電極となり、
前記検出電極と前記他方の基板において対向する電極との間の容量成分と、前記参照電極と前記他方の基板において対向する電極との間の容量成分との差分を取る演算手段をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の水素圧センサ。
【請求項５】
少なくとも前記水素透過性を有する基板が、樹脂またはガラス材料から成り、表面に前記対向電極となる導電性の膜を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素圧センサ。
【請求項６】
少なくとも一方の基板が、導電性材料から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素圧センサ。
【請求項７】
前記水素透過性を有する基板が、透過領域と非透過領域とに区分されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共存ガス中の水素濃度のみを選択的に測定する水素圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な従来技術の水素濃度センサは、たとえば特許文献１や特許文献２で示され、水素吸蔵合金や、安定化ジルコニアなどの特殊な材料が必要になり、コストが嵩むという問題がある。
【０００３】
そこで、他の従来技術である特許文献３では、水素透過膜を用いて、選択的に水素を取出し、その濃度を測定している。図６は、その水素圧センサの構造を示す断面図である。この従来技術によれば、一端をダイヤフラム１で閉塞したステンレス製の筒状体２の他端に水素透過膜３を設けて減圧した密閉空間を形成し、水素透過による前記密閉空間の膨縮を前記ダイヤフラム１に貼付けた歪みゲージ４で検出している。
【０００４】
なお、この従来技術では、多孔質セラミックス膜内にＰｄ膜源やＰｄ合金膜源を吸引させたものを水素透過膜３としているが、ガラス、樹脂、金属なども、膜厚が薄ければ、水素の透過が充分可能である。なお、水素よりも分子が細かいヘリウムがより透過し易いけれども、自然界に存在する割合が微小であるので、水素濃度の検出結果に影響を及ぼすことはない。
【特許文献１】特開２００４−２３３０９７号公報
【特許文献２】特開平１０−１２３０９３号公報
【特許文献３】特開平９−１４５５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術は、半導体による水素圧センサの問題点を解決するためになされたものであり、前記水素透過膜を用いるものの、大掛かりであり、しかも歪みゲージを用いることで、精度が低く、かつ応答性が低いという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な工程で作製可能であり、しかも歪みゲージなどに比べて、高精度で、かつ良好な応答性を得ることができる水素圧センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水素圧センサは、相互に対向して配置され、少なくとも一方が可撓性を有し、かつ少なくとも一方が水素透過性を有し、周囲を気密に封止することで、真空雰囲気となる密閉された内容積を形成する一対の基板と、前記一対の基板の少なくとも一部分に相互に対向して形成される対向電極とを含み、水素分子透過による内容積の圧力（＝Ｈ２分圧）の上昇によって前記可撓性の基板が撓み、その撓みによる対向電極間の静電容量の変化から、外部雰囲気の水素分圧を検出することを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを用いて、相互に対向する一対の基板の周囲を気密に封止することで、真空雰囲気となる密閉された内容積を形成し、前記一対の基板の少なくとも一方が可撓性を有し、かつ少なくとも一方が水素透過性を有するように形成することで、外部雰囲気から水素分子が前記水素透過性を有する基板を透過して前記内容積を増大させ、その増大量から外部雰囲気の水素分圧を検出するようにした水素圧センサであって、前記内容積の増大量の検出のために、一対の基板の少なくとも一部分に相互に対向して、金属薄膜などの対向電極を形成しておき、その対向電極間の静電容量の変化から、外部雰囲気の水素分圧を検出する。
【０００９】
したがって、簡単な工程で作製可能であり、しかも歪みゲージなどに比べて、高精度で、かつ良好な応答性を得ることができる。また、検出のための消費電流を低減することができる。
【００１０】
また、本発明の水素圧センサは、前記一対の基板のうちの一方の基板が可撓性を有し、かつ水素透過性を有し、他方の基板が剛性の基板であることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、可撓性のある基板が水素分子を透過させる構造とすることで、水素が透過し難い剛性の基板の方は厚みの精度が不要になり、加工コストを低減することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の水素圧センサは、可撓性を有する前記一方の基板において、略中央部が剛性を有し、かつその部分に対向電極が形成され、周縁部が可撓性を有し、かつ水素透過性を有することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、可撓性を有する前記一方の基板において、周縁部が可撓性を有し（たとえばべローズ状）、かつ水素透過性を有することで、前記水素分子の透過およびそれによる内容積の増大／縮小を可能とする。一方、略中央部を剛性にして、かつその部分に対向電極を形成することで、前記内容積の増大に対して対向電極に撓みが生じることなく、かつ前記内容積が同じ圧であれば、毎回同じように膨らみ、対向電極の平行度および間隔を同じように再現することができる。
【００１４】
したがって、検出精度を高めることができる。
【００１５】
また、本発明の水素圧センサは、可撓性を有する前記一方の基板において、略中央部が剛性を有し、かつその部分に対向電極が形成されて検出電極となり、その周縁部が可撓性を有し、かつ水素透過性を有し、さらに最外周部分が剛性を有し、かつ前記剛性を有する他方の基板への取付け部となるとともに、その部分に対向電極が形成されて参照電極となり、前記検出電極と前記他方の基板において対向する電極との間の容量成分と、前記参照電極と前記他方の基板において対向する電極との間の容量成分との差分を取る演算手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、一対の前記対向電極を、可撓性を有する一方の基板の略中央部を剛性にしてその部分に設けるだけでなく、前記可撓性を実現する周縁部を介して、さらに外周側に設けられ、剛性を有する他方の基板への取付け部にも設け、それぞれ検出電極および参照電極とする。そして、演算手段を設け、それぞれの電極が他方の基板の対向電極との間で形成する容量成分の差分を求める。すなわち、差動容量型の静電センサとする。前記演算手段は、たとえば検出電極と参照電極との面積が相互に等しい場合には差分を求めることで寄生容量成分を除去することができ、前記面積に差がある場合には、差分を求めるにあたって、何れかに係数を掛ければよい。
【００１７】
したがって、寄生容量成分を除去することができ、検出精度を向上することができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の水素圧センサは、少なくとも前記水素透過性を有する基板が、樹脂またはガラス材料から成り、表面に前記対向電極となる導電性の膜を有することを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、前記水素透過性を有する基板としてガラスや樹脂系のものも利用でき、水素の透過性が高いために、高いセンサ感度を確保することができる。
【００２０】
また、本発明の水素圧センサは、少なくとも一方の基板が、導電性材料から成ることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、前記対向電極を形成するにあたっての成膜などの電極形成加工が不要になり、加工コストを低減することができる。
【００２２】
さらにまた、本発明の水素圧センサは、前記水素透過性を有する基板が、透過領域と非透過領域とに区分されていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、水素透過性を有する基板の全面を透過領域とするのではなく、たとえば水素が透過し難い材料で覆ったり、透過し難い厚みで形成するなどして、透過領域に制限を設ける。
【００２４】
したがって、透過させる面積を予め定めることで感度の精度を上げることが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の水素圧センサは、以上のように、ＭＥＭＳ技術などを用い、相互に対向する一対の基板の周囲を気密に封止することで、真空雰囲気となる密閉された内容積を形成し、前記一対の基板の少なくとも一方が可撓性を有し、かつ少なくとも一方が水素透過性を有するように形成することで、外部雰囲気から水素分子が前記水素透過性を有する基板を透過して前記内容積を増大させ、その増大量から外部雰囲気の水素分圧を検出するようにした水素圧センサであって、前記内容積の増大量の検出のために、一対の基板の少なくとも一部分に相互に対向して、金属薄膜などの対向電極を形成しておき、その対向電極間の静電容量の変化から、外部雰囲気の水素分圧を検出する。
【００２６】
それゆえ、簡単な工程で作製可能であり、しかも歪みゲージなどに比べて、高精度で、かつ良好な応答性を得ることができる。また、検出のための消費電流を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る水素圧センサ１１の構造を示す図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は縦断面図である。この水素圧センサ１１は、剛性のガラスなどから成る一方の基板１２と、可撓性のガラスや樹脂などから成る他方の基板１３とが相互に対向して配置され、スペーサ１４によって周囲を気密に封止することで構成されている。
【００２８】
前記基板１２は、前述のように剛性を有し、たとえば１ｍｍ程度の該水素圧センサ１１に所望とする強度を得るための充分な厚さを有し、水素は殆ど透過することはできない。これに対して、基板１３は、剛性を有する厚肉の検出部１３ａを中心に、その外周に前記可撓性を実現する薄肉のべローズ状の可撓部１３ｂが延設され、さらにその外周が剛性を有する厚肉のリング状の取付け部１３ｃに接続されることで、前述のように可撓性を有するように形成されている。前記可撓部１３ｂは、たとえば０．１〜０．３ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ程度までの撓み変形可能で、かつ水素を透過させることができる厚さに形成される。剛性の検出部１３ａおよびそれに対向する基板１２の部分には、相互に対向する表面に、金属薄膜などの対向電極１５，１６が形成されている。このような構造は、ＭＥＭＳ技術などを用いて作製することができ、たとえば３ｍｍ角の大きさである。
【００２９】
上述のように構成される水素圧センサ１１では、相互に対向する一対の基板１２，１３の周囲をスペーサ１４で気密に封止することで、真空雰囲気となる密閉された内容積を形成している。そして、一方の基板１３を、可撓性および水素透過性を有するように形成することで、図２において参照符号１７で示すような水素分子透過によって、前記内容積の圧力（＝Ｈ２分圧）が上昇し、図１（ｂ）から図２で示すように、前記可撓性の基板１３が撓み、対向電極１５，１６の静電容量の変化から、外部雰囲気の水素分圧を検出する。
【００３０】
したがって、簡単な工程で作製可能であり、しかも歪みゲージなどに比べて、高精度で、かつ良好な応答性を得ることができる。また、検出のための消費電流を低減することができる。
【００３１】
また、前記水素圧センサ１１は、前記一対の基板１２，１３のうちの一方の基板１３が可撓性を有し、かつ水素透過性を有し、他方の基板１２が剛性の基板であり、可撓性のある基板１３が水素分子を透過させる構造とすることで、水素が透過し難い剛性の基板１２の方は厚みの精度が不要になり、加工コストを低減することができる。
【００３２】
さらにまた、前記水素圧センサ１１は、可撓性を有する前記一方の基板１３において、可撓部１３ｂが可撓性を有し、水素透過性を有することで、水素透過による前記内容積の増大／縮小を可能とする一方、可撓性があるだけでは、膨らみ方によって、静電容量に大きな差が生じるので、略中央部の検出部１３ａが剛性を有し、周縁の可撓部１３ｂが可撓性を有するように、撓む領域と撓まない領域とを明確に分離し、かつ前記検出部１３ａに対向電極１５を形成することで、内容積が同じ圧であれば、毎回同じように膨らみ、対向電極１５，１６の平行度および間隔を同じように再現することができる。したがって、検出精度を高めることができる。
【００３３】
前記対向電極１５，１６は、基板１２，１３の表面に限らず、該基板１２，１３内に埋込まれて形成されてもよい。
【００３４】
［実施の形態２］
図３は本発明の実施の第２の形態に係る水素圧センサ２１の構造を示す縦断面図であり、図３（ａ）は縮小（水素圧小）時を示し、図３（ｂ）は膨張（水素圧大）時を示し、それぞれ前述の図１（ｂ）および図２に対応している。注目すべきは、この水素圧センサ２１では、剛性の基板２２および可撓性の基板２３が、共に金属材料から成り、厚肉の基板２２ならびに基板２３の検出部２３ａおよび取付け部２３ｃが剛性を有し、薄肉の可撓部２３ｂは可撓性を有するように形成されている。これらの基板２２，２３は、たとえば鉄から成り、水素透過性を有する。しかしながら、前記厚肉の基板２２は、前記剛性および水素透過性を得るために、０．３ｍｍまで、好ましくは０．２ｍｍ程度までに形成されており、可撓部２３ｂは、良好な応答速度を実現するために、たとえば０．０５ｍｍ以下の厚みに形成されている。基板２３の検出部２３ａおよび取付け部２３ｃも、水素透過性を有する厚さに形成されていてもよい。
【００３５】
なお、前記鉄は、前記樹脂やガラスには劣るけれども、基板２２のように、０．３ｍｍ程度でも水素透過が可能であるが、応答速度の関係からすると、可撓部２３ｂのように、０．０５ｍｍ以下の厚みが好ましい。一方、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、ステンレス等は、水素を通し難い材料であるので、前記基板２２，２３には不適である。
【００３６】
前述の水素圧センサ１１のように基板１２，１３を共にガラスや樹脂で形成すると、水素透過性が高いために、高いセンサ感度を確保することができる。しかしながら、導電性の対向電極１５，１６が必要になり、この水素圧センサ２１のように基板２２，２３を共に金属材料で形成することで、前記対向電極１５，１６を不要にすることができ、前記対向電極１５，１６を形成するための成膜などの電極形成加工が不要になり、加工コストを低減することができる。本発明は、少なくとも一方の基板が水素透過性を有し、かつ少なくとも一方の基板が可撓性を有していればよい。
【００３７】
［実施の形態３］
図４は本発明の実施の第３の形態に係る水素圧センサ３１の構造を示す図であり、図４（ａ）は縦断面図であり、図４（ｂ）は基板３２の平面図である。図４（ｂ）において、図４（ａ）の切断面を、参照符号Ａ−Ａで示す。この水素圧センサ３１は、前述の水素圧センサ１１，２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この水素圧センサ３１では、金属材料から成る可撓性の基板３３が、略中央部が剛性を有する検出部３３ａとなり、その周縁部が可撓性を有し、かつ水素透過性を有する可撓部３３ｂとなり、さらに最外周部分が剛性を有し、かつ前記剛性を有する他方の基板への取付け部３３ｃとなっていることに対応して、基板３２側では、ガラス製の該基板３２の略中央部に前記検出部３３ａに対応した検出電極１６が形成されるだけでなく、前記取付け部３３ｃに対向する表面において、前記検出電極１６と同面積の参照電極３６が形成されていることである。前記取付け部３３ｃでは、環状の前記参照電極３６の対向部分を除く外周部分が、スペーサ３４によって基板３２に保持されている。
【００３８】
そして、前記電極１６，３６は外部接続端子３７，３８に接続され、その外部接続端子３７，３８の電位は、演算手段である演算回路３９に入力される。演算回路３９は、それぞれの電極１６，３６が基板３３側と形成する容量成分の差分を求める。ここで、基板３２の検出電極１６−基板３３の検出部３３ａ間の静電容量をＣ１、基板３２の参照電極３６−基板３３の取付け部３３ｃ間の静電容量をＣ２とすると、Ｃ１の中で周囲から発生する浮遊容量成分は、Ｃ１，Ｃ２の面積がほぼ同じであれば、Ｃ２の浮遊容量成分と同等であり、差動容量Ｃ１−Ｃ２として演算することで、不安定浮遊成分を除去することが可能になる。
【００３９】
こうして、該水素圧センサ３１は、差動容量型の静電センサとなり、前記演算回路３９は、上述のように検出電極１６と参照電極３６との面積が相互に等しい場合には差分を求めることで寄生容量成分を除去することができ、前記面積に差がある場合には、差分を求めるにあたって、アンプなどを介在して、何れかに係数を掛ければよい。
【００４０】
このように構成することで、撓みにほとんど依存しない前記寄生容量成分を除去することができ、検出精度を向上することができる。
【００４１】
［実施の形態４］
図５は本発明の実施の第４の形態に係る水素圧センサ４１の構造を示す図であり、図５（ａ）は縦断面図であり、図５（ｂ）は基板４２の底面図である。注目すべきは、この水素圧センサ４１では、剛性の基板４２および可撓性の基板４３が、共に金属材料から成り、基板４３が前記Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、ステンレス等の水素を通し難い材料から成り、基板４２が前記鉄などの水素を通し易い材料および厚さから成り、ただし基板４２の底面の一部が、前記Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、ステンレス等の水素を通し難い材料から成る被覆層４４で覆われていることである。
【００４２】
したがって、図５において、参照符号４５で示すように、開口部４６からしか水素は透過することができず、こうして水素透過性を有する基板４２が、透過領域と非透過領域とに区分されている。なお、水素が透過し難い前記被覆層４４で覆うのではなく、基板４２を、透過領域となる前記開口部４６は薄肉に形成し、非透過領域となる残余の部分は厚肉に形成してもよい。
【００４３】
このように透過させる面積を予め定めることで、感度の精度を上げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る水素圧センサの構造を示す図である。
【図２】図１で示す水素圧センサが膨張した状態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の第２の形態に係る水素圧センサの構造を示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施の第３の形態に係る水素圧センサの構造を示す図である。
【図５】本発明の実施の第４の形態に係る水素圧センサ４１の構造を示す図である。
【図６】典型的な従来技術の水素圧センサの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１，２１，３１，４１，    水素圧センサ
１２，２２，３２，４２    基板
１３，２３，４３    基板
１４，３４    スペーサ
１３ａ，２３ａ，３３ａ    検出部
１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ    可撓部
１３ｃ，２３ｃ，３３ｃ    取付け部
１５，１６    対向電極
３６    参照電極
３７，３８    外部接続端子
３９    演算回路
４４    被覆層
【図１】
0004400521.tif 000002
【図２】
0004400521.tif 000003
【図３】
0004400521.tif 000004
【図４】
0004400521.tif 000005
【図５】
0004400521.tif 000006
【図６】
0004400521.tif 000007