(57)【要約】【課題】導体に対し水素が一様に接触しなくても水素を検出することができる水素センサを提供する。【解決手段】水素センサ１は、水素が接触することによって抵抗値が変化する導体２と、導体２に対向するように配置されたコイル部３と、コイル部３に渦電流を発生させて、その渦電流変化を基に水素を検出する水素測定部４とを備える。導体２の薄膜８に水素が接触すると、薄膜８の抵抗が変化し、コイル部３のインピーダンスが変化する。水素測定部４は、コイル部３のインピーダンスを基に、測定環境下に発生した水素を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素が接触することによって抵抗値が変化する導体と、
当該導体に対向するように配置されたコイル部と、
当該コイル部に交流信号を印加して当該コイル部から前記導体に磁束を付与し、前記導体に接触した水素に応じて当該導体に発生する渦電流に基づく検出信号を取得し、当該検出信号から水素を検出する水素測定部と
を備えたことを特徴とする水素センサ。
【請求項２】
前記導体は、表面に酸化タングステンの薄膜を備え、当該酸化タングステンにより水素を検知する
請求項１に記載の水素センサ。
【請求項３】
前記交流信号は、導体表面の薄膜の表皮深さに応じた周波数に設定されている
請求項１又は２に記載の水素センサ。
【請求項４】
少なくとも前記コイル部を仕切り部によって密封することにより、前記導体と異なる空間に当該コイル部を配置する
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の水素センサ。
【請求項５】
前記コイル部は、互いが重ならずに配置されるように複数設けられている
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の水素センサ。
【請求項６】
前記コイル部の内部には、コイル部を貫く磁束を確保する高透磁率材が配置されている
請求項５に記載の水素センサ。
【請求項７】
前記コイル部は、複数設けられるとともに、巻線の一部分が重なるように配置されている
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の水素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を検出する水素センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定環境下に発生した水素を検出可能な水素センサが周知である（特許文献１等参照）。近年、燃料電池車の普及が期待されており、水素漏れを検出する水素センサの需要が見込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７８１３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の水素センサは、水素の漏れ方に関係なく、水素を確実に検出する必要がある。よって、検出精度が確保された水素センサの開発ニーズがあった。
本発明の目的は、導体に対し水素が一様に接触しなくても水素を検出することができる水素センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記問題点を解決する水素センサは、水素が接触することによって抵抗値が変化する導体と、当該導体に対向するように配置されたコイル部と、当該コイル部に交流信号を印加して当該コイル部から前記導体に磁束を付与し、前記導体に接触した水素に応じて当該導体に発生する渦電流に基づく検出信号を取得し、当該検出信号から水素を検出する水素測定部とを備えた。
【０００６】
本構成によれば、測定環境下に発生した水素を渦電流方式によって検出するので、導体に水素が接触すれば、一部分であれ、導体の抵抗値が変化し、コイル部からは導体の抵抗変化に基づく検出信号が出力される。このため、水素が導体に斑に接触したとしても、コイル部の検出信号を通じて水素が検出可能となる。よって、導体に対し一様に水素が接触しなくても、水素を検出することが可能となる。
【０００７】
前記水素センサにおいて、前記導体は、表面に酸化タングステンの薄膜を備え、当該酸化タングステンにより水素を検知することが好ましい。この構成によれば、酸化タングステンには、水素がかけられたときに良好な抵抗変化をとる特性があるので、薄膜として酸化タングステンを用いれば、水素を高感度に検出することが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【０００８】
前記水素センサにおいて、前記交流信号は、導体表面の薄膜の表皮深さに応じた周波数に設定されていることが好ましい。この構成によれば、導体表面の薄膜の表皮深さに応じた最適な交流信号の周波数を設定するので、コイル部から薄膜に磁束をかけたとき、薄膜を通過してしまう磁束を少なく抑えることが可能となる。
【０００９】
前記水素センサにおいて、少なくとも前記コイル部を仕切り部によって密封することにより、前記導体と異なる空間に当該コイル部を配置することが好ましい。この構成によれば、仮に水素が反応を起こしても、この影響をコイル部に与えずに済む。よって、コイル部を水素反応から保護することが可能となる。
【００１０】
前記水素センサにおいて、前記コイル部は、互いが重ならずに配置されるように複数設けられていることが好ましい。この構成によれば、導体の表面を各コイル部で区画して水素を検出するようにしたので、仮に導体に水素が斑に接触した場合であっても、その斑に相対するコイル部で水素を検出することが可能となる。すなわち、コイル面全体で水素を検出するコイル部を複数組み合わせて、導体に接触した水素を検出する。よって、水素検出の精度を確保するのに有利となる。
【００１１】
前記水素センサにおいて、前記コイル部の内部には、コイル部を貫く磁束を確保する高透磁率材が配置されていることが好ましい。この構成によれば、コイル部を貫く磁束を多くとることが可能となるので、コイル部のインピーダンス変化量を大きくとることが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【００１２】
前記水素センサにおいて、前記コイル部は、複数設けられるとともに、巻線の一部分が重なるように配置されていることが好ましい。この構成によれば、導体の表面上にコイル部を隙間なく敷き詰めることが可能となるので、導体に接触した水素を漏れなく検出することが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、導体に対し水素が一様に接触しなくても水素を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の水素センサの構成図。
【図２】導体の側面図。
【図３】水素センサに水素を含む気体が接触したときの状態図。
【図４】水素センサの等価回路図。
【図５】従来位置付けの水素センサの構成図。
【図６】防爆式の水素センサの概略図。
【図７】第２実施形態の水素センサの模式図。
【図８】高透磁率材を取り付けたコイル部の概略図。
【図９】高透磁率材を取り付けた他のコイル部の概略図。
【図１０】第３実施形態の水素センサの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、水素センサの第１実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、水素センサ１は、水素が接触することによって抵抗値が変化する導体２と、導体２に対向するように配置されたコイル部３と、コイル部３を通じて導体２に渦電流を発生させて、その渦電流変化を基に水素を検出する水素測定部４とを備える。このように、本例の水素センサ１は、導体２に発生する渦電流によって、気体中の水素の有無、又は水素濃度を検出するセンサとなっている。
【００１６】
図１及び図２に示すように、導体２は、基材７と、基材７の表面に設けられた薄膜８とを備える。基材７は、例えば石英等の絶縁体からなる。薄膜８は、例えば酸化タングステンからなり、表面にプラチナ（Ｐｔ）の触媒を設けることが好ましい。薄膜８の厚さは、例えば３００ｎｍ程度であることが好ましい。薄膜８は、水素の有無により、例えば６０Ｍ〜１０Ω程度に抵抗値が変化する。
【００１７】
図１に戻り、コイル部３は、巻線を周状に複数巻回した形状をとり、導体２に対し所定間隔（例えば１〜２ｍｍ程度）を隔てて配置されている。コイル部３は、コイル軸心Ｌ１が導体２の平面方向（図１のＸ−Ｙ平面）に対して垂直となるような向きに配置されている。
【００１８】
水素測定部４は、コイル部３の両端が接続されている。水素測定部４は、コイル部３に交流信号Ｖｃを印加して、コイル部３から導体２に磁束Ｂを付与する。磁束Ｂは、コイル部３内を貫くように発生する。本例のコイル部３は、導体２に対し垂直方向に磁束Ｂを付与する。導体２に磁束Ｂが付与されたとき、導体２に磁束Ｂの流れを遮るような電流（すなわち渦電流）が流れると、コイル部３の磁束Ｂに対し逆方向の磁束が生じる。
【００１９】
水素測定部４は、コイル部３の端子間に接続された検出回路１１から、コイル部３に発生した磁束（コイル部３のインピーダンスＺｃ）に応じた検出信号Ｖｘを入力する。検出回路１１は、例えば電圧検出回路であることが好ましい。水素測定部４は、検出回路１１から入力する検出信号Ｖｘを基に、コイル部３のインピーダンスＺｃ、すなわち渦電流の値を検出して、測定環境下に発生した水素を検出する。
【００２０】
次に、図１、図３〜図６を用いて、水素センサ１の作用及び効果を説明する。
図１に示すように、コイル部３に交流信号Ｖｃが印加されると、コイル部３には、コイル内を貫くような磁束Ｂが生成され、この磁束Ｂが導体２に付与される。このとき、水素センサ１の測定環境下に水素が発生していない場合、薄膜８は高抵抗となっており、コイル部３から磁束Ｂがかかっても、導体２には渦電流が発生しない。すなわち、水素測定部４は、インピーダンス変化のない検出信号Ｖｘを入力し、これをもって測定環境下に水素が発生していないことを検出する。
【００２１】
ここで、図３に示すように、水素センサ１の測定環境下において、水素が発生したとする。このとき、薄膜８に水素が一様に接触するのではなく、斑（スポット的）に水素が薄膜８に接触すると想定される。薄膜８に水素が斑に接触すると、水素が触れた部分は低抵抗に変化し、水素が触れていない部分は高抵抗のままとなる。そして、薄膜８に低抵抗の部分が発生すると、その部分にのみ渦電流が発生する。すなわち、薄膜８において斑に抵抗値が変化し、部分的に渦電流が発生した状態となる。
【００２２】
導体２に渦電流が発生すると、この渦電流によって、導体２からコイル部３の磁束Ｂを打ち消すような向きに磁束が発生する。すなわち、コイル部３のインピーダンスＺｃが変化する。これにより、水素測定部４は、コイル部３のインピーダンス変化に準じた検出信号Ｖｘを入力し、これを基に水素を検出することが可能となる。このように、コイル部３のインピーダンス変化から渦電流の値を間接的に検出することができ、渦電流センサの原理を用いて、水素を検出することができる。
【００２３】
図４に、本例の水素センサ１の等価回路を示す。この等価回路においては、導体２側の電気的定数を抵抗Ｒ２、インダクタンスＬ２とし、コイル部３側の電気的定数を抵抗Ｒｃ、インダクタンスＬｃとしている。コイル部３から導体２に磁束Ｂがかかると、導体２に渦電流が流れる。そして、導体２（薄膜８）に水素が接触して抵抗Ｒ２が変化すると、コイル部３側から見た場合、コイル部３の抵抗Ｒｃ及びインダクタンスＬｃが変化したとみなせる。すなわち、導体２に水素が接触することでコイル部３のインピーダンスＺｃが変化し、このインピーダンスＺｃから水素の有無又は濃度を検出する。
【００２４】
図５に、従来位置付けの水素センサ３１を図示する。従来位置付けの水素センサ３１は、薄膜８（導体２）の両端に電極３２，３３を設け、電極３２，３３の間の合成抵抗を測定することにより、薄膜８に接触した水素を検出するものである。ところで、前述したように、薄膜８の全体に水素を含む気体が接触しないと、薄膜８上の抵抗変化は斑に生じてしまう。すなわち、前述したように、薄膜８の一部の抵抗値が下がり、他の部分が高いままとなる。よって、従来位置付けの水素センサ３１の場合、電極３２，３３の間の合成抵抗を測定して水素を検出しようとしても、測定の等価回路が直列となり、結果として抵抗の変動量があまり取り出せない。これは、特に電極３２，３３に水素が接触しないとき顕著となる。
【００２５】
一方、本例の水素センサ１の場合、渦電流方式をとっているので、薄膜８の抵抗変化が斑であっても、水素を含む気体が接触したときには、コイル部３のインピーダンスＺｃは、それ相応の変化をとる。よって、本例の水素センサ１を用いれば、導体２（薄膜８）に対し水素が一様に接触しなくても、水素を検出することが可能となる。
【００２６】
なお、本例の水素センサ１は、測定環境下における水素の有無を判定するオンオフセンサであることが好ましい。また、本例の水素センサ１は、オンオフセンサに限らず、測定環境下の水素濃度を検出する水素濃度検出センサとしてもよい。この場合、薄膜８の抵抗変化と水素濃度とは比例関係をとる特性を利用して、薄膜８の抵抗変化に準ずるコイル部３のインピーダンスＺｃから水素濃度を測定する。
【００２７】
本例の場合、導体２は、表面に酸化タングステンの薄膜８を備え、この薄膜８により水素を検知する。酸化タングステンには、水素が接触したときに良好な抵抗変化をとる特性があるので、薄膜８として酸化タングステンを用いれば、水素を高感度に検出することが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【００２８】
コイル部３に印加される交流信号Ｖｃは、導体表面の薄膜８の表皮深さに応じた周波数に設定されている。表皮深さは、ある材質に入射した電磁界が所定の値に減衰するのに要する距離のことをいう。交流信号Ｖｃの周波数は、例えば薄膜８の厚さと表皮深さとが同一又はその近似となるような値に設定されることが好ましく、例えば１〜１００ＧＨｚ程度のミリ波帯であるとよい。よって、交流信号Ｖｃの周波数を薄膜８の表皮深さに応じた最適な値に設定することができる。従って、コイル部３から磁束Ｂを薄膜８にかけたとき、薄膜８を通過してしまう磁束を少なく抑えることができる。
【００２９】
図６に示すように、水素センサ１は、少なくともコイル部３を仕切り部４１によって密封することにより、導体２と異なる空間にコイル部３が配置された防爆センサとしてもよい。このため、仮に水素が反応を起こしても、この影響をコイル部３側に与えずに済む。よって、コイル部３を水素反応から保護することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図７〜図９に従って説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態のコイル部３の構成を変更した実施例である。よって、第１実施形態と同一部分には同じ符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
【００３１】
図７に示すように、コイル部３は、互いが重ならずに配置されるように複数設けられている。本例の複数のコイル部３は、薄膜８の奥行き方向（図７の矢印Ｌ１方向）と薄膜８の幅方向（図７のＬ２方向）との両方において、等間隔に並び配置されている。水素測定部４は、これらコイル部３から検出信号Ｖｘを入力し、これら検出信号Ｖｘを基に水素を検出する。
【００３２】
ところで、コイル部３は、コイル面の全体で薄膜８上の水素を検出することが水素検出精度を確保するにあたって重要である。これは、１つのコイル部３で薄膜８上の水素を検出する場合、薄膜８に濃度が低い水素が広範囲に接触したときと、薄膜８に高い濃度の水素がスポット的に接触したときとで、コイル部３のインピーダンスＺｃが同じ値をとってしまう可能性が生じるからである。この対策をとらないと、水素濃度を正確に検出するのに支障を来す。
【００３３】
そこで、本例の場合、複数のコイル部３を設けて、これらで薄膜８上の水素を検出する。このように、導体２（薄膜８）の表面を各コイル部３で区画して水素を検出するようにすれば、仮に導体２に水素が斑に接触した場合であっても、その斑に相対するコイル部３で水素を検出することが可能となる。すなわち、コイル面全体で水素を検出するコイル部３を複数組み合わせて、導体に接触した水素を検出する。よって、水素検出の精度を確保するのに有利となる。また、複数のコイル部３の検出信号Ｖｘのうち最もインピーダンスＺｃが変化する値を用いて、水素濃度を検出するとよい。
【００３４】
図８に示すように、コイル部３の内部には、コイル部３を貫く磁束Ｂを確保する高透磁率材４５が配置されることが好ましい。この場合、コイル部３を貫く磁束Ｂを多くとることが可能となるので、コイル部３のインピーダンス変化量を大きくとることが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【００３５】
図９に示すように、コイル部３の内部に高透磁率材４５を配置する場合、コイル部３の中心に配置した薄膜８を、高透磁率材４５の表面積Ｓ２より小さい面積Ｓ１（＜Ｓ２）にしてもよい。薄膜８を小さい面積にしても、コイル部３を貫く磁束Ｂは、コイル部３の中央が最も多いので、この箇所に薄膜８を配置しておけば、必要な磁束Ｂを検出するのに足りる。よって、磁束Ｂの確保と薄膜８の小型化とを両立させることができる。
【００３６】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図１０に従って説明する。なお、第３実施形態は、第２実施形態で示した複数のコイル部３の配列の仕方を変更した実施例である。よって、第１実施形態と同一部分には同じ符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
【００３７】
図１０に示すように、コイル部３は、複数設けられるとともに、巻線の一部分が重なるように配置されている。このため、導体２の表面上にコイル部３を隙間なく敷き詰めることが可能となるので、導体２に接触した水素を漏れなく検出することが可能となる。よって、水素検出の精度を確保するのに一層有利となる。
【００３８】
なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・導体２やコイル部３の形状は、実施形態以外の他の形状に変更可能である。
・基材７や薄膜８の材質は、他に変更可能である。特に薄膜８は、酸化タングステン以外の材質に変更可能である。
【００３９】
・導体２は、基材７及び薄膜８の２層構造に限定されず、１層や３層以上としてもよい。
・水素センサ１は、防爆式に限定されず、仕切り部４１がないセンサとしてもよい。
【００４０】
・水素センサ１は、車両（燃料電池車）に搭載されることに限らず、他の装置や機器に使用してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１…水素センサ、２…導体、３…コイル部、４…水素測定部、７…基材、８…薄膜、４１…仕切り部、４５…高透磁率材、Ｖｃ…交流信号、Ｂ…磁束、Ｖｘ…検出信号。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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