(57)【要約】【課題】光学的セッティングが不要で、応答速度が早く、高感度で、量産容易な水素センサおよび水素検知システムを実現する。【解決手段】  部分的に細くなった括れ部１２と、括れ部１２を含む長手方向にわたり、側面の一部に付着させた水素吸蔵膜１３と、括れ部１２に近い端面に反射手段１４を具備する光ファイバ１１により、水素吸蔵膜１３の水素吸蔵による体積膨張によって括れ部１２で発生する曲げ損失変化を検出するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分的に細くなった括れ部（１２）と、当該括れ部（１２）を含む長手方向にわたり、側面の一部に付着させた水素吸蔵膜（１３）と、当該括れ部（１２）に近い端面に反射手段（１４）を具備した光ファイバ（１１）からなることを特徴とする光ファイバ水素センサ。
【請求項２】
当該水素吸蔵膜（１３）がＰｄ、Ｐｄ合金、Ｌａ−Ｎｉ合金、希土類金属−Ｎｉ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ水素センサ。
【請求項３】
熱膨張率が当該水素吸蔵膜（１３）と類似し、且つ、水素による体積変化を起こさない材質からなる熱膨張相殺膜（１５）を、当該水素吸蔵膜（１３）と対称的に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ水素センサ。
【請求項４】
当該水素吸蔵膜（１３）の材質がＰｄであり、当該熱膨張相殺膜（１５）の材質が炭素鋼或いは純鉄であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ水素センサ。
【請求項５】
当該光ファイバ水素センサと、当該光ファイバ水素センサと計測部（３）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（２）と、当該光ファイバ水素センサに供給すべき測定光を発生する発光手段（４）と、当該光ファイバ水素センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段（６）と、当該受光手段（６）の出力を水素濃度に変換する演算処理手段（８）とを備えたことを特徴とする水素検知システム。
【請求項６】
当該光ファイバ水素センサに加え、温度センサ（３１）、温度信号伝送路（３２）、温度計測部（３３）を具備し、予め取得しておいた温度に対する反射光量変化データに基づき、前記演算処理手段（８）で温度補正を行うようにしたことを特徴とする請求項５に記載の水素検知システム。
【請求項７】
特定の波長の光を特定の当該光ファイバ水素センサに分波し、当該光ファイバ水素センサからの反射光を合波する合分波フィルタ（２２）を介して当該伝送用光ファイバ（２）に複数配置した当該光ファイバ水素センサと、当該当該光ファイバ水素センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段（２１）と、当該当該光ファイバ水素センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタ（２３）と、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段（６）と、複数の当該受光手段（６）の出力を閾値処理或いは水素濃度変換するための当該演算処理手段（８）とを具備したことを特徴とする多点水素検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを使って水素を検知する光ファイバ水素センサ及びそれを用いた水素検知システムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を検出して水素を検知する光ファイバ水素センサ及びそれを用いた水素検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから今後幅広い分野での利用が期待されており、光ファイバ水素センサもそれらの利点のため開発が望まれている。
【０００３】
光ファイバ、或いは、光学的手段により水素を検知するセンサが、特許文献１、２、３、４、非特許文献１に記載されている。
【０００４】
非特許文献１には、光ファイバのクラッドに、水素により着色するＷＯ３等の調光ガラス材料を用いて、エバネッセント波の光吸収より水素を検知するライン状水素センサが開示されている。
【０００５】
特許文献１には、水素感応調光ミラーの水素化に伴う光の透過率や反射率の変化を光学的に検知する水素センサが開示されている。
【０００６】
特許文献２には、白金、ロジウムなど水素ガスを吸着解離する触媒金属膜の透過率や反射率の変化を光学的に検出する水素センサが開示されている。
【０００７】
特許文献３には、Ｍｇ-Ｎｉ合金薄膜の水素化を、表面の光学反射率の変化により検知する水素センサが開示されている。
【０００８】
特許文献４には、水素吸蔵合金膜の体積膨張によって起こるガラス基板の歪みを光学的手法で検出する水素センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２６５５９０号公報
【特許文献２】特開平５−１９６５６９号公報
【特許文献３】特開２００５−８３８３２号公報
【特許文献４】特許第３８６６００１号公報
【非特許文献１】岡崎ら、“光ファイバを使ったライン状水素センサの検討”、第２３回光波センシング技術研究会、LST23-22，pp.147-152(1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１に開示されている水素センサでは、酸化タングステンの耐水性が悪いため、センサ寿命が短く、また水素に対する反応特性の経時変化が著しいという問題があった。
【００１０】
特許文献１、２、３、で開示されている水素感応調光ミラー、白金、ロジウムなどの触媒金属、Ｍｇ-Ｎｉ合金薄など、水素感応材料の透過率や反射率変化を検知するセンサでは、基板上に製膜した水素感応膜の透過率や反射率変化を検出するための精密な光学的セッティングが必要であり、光学部品の僅かな位置ずれで検出光強度が変化してしまうという問題があった。
【００１１】
このような光学的セッティングの煩雑さをなくすために、水素感応膜を光ファイバ端面に直接製膜して反射率変化を測定する方法が考えられるが、このような方法は応答速度が遅くなるという問題があった。特許文献３に開示されているように、透過率測定は、膜全体が水素化するのに時間を要すため応答が遅く、膜表面の変化を直ぐに反映できる反射率測定のほうが速い応答が得られる。しかしながら、光ファイバ端面に水素感応膜を直接製膜した場合は、水素に暴露されている膜表面から水素化が起こり、光ファイバ端面に達するまで時間を要すため、反射率測定であっても応答が遅くなってしまうという問題が生じる。
【００１２】
特許文献４に開示されている水素吸蔵合金膜の体積膨張によって起こるガラス基板の歪みを光学的手法で検出する水素センサでは、基板の歪み測定に光テコ法のような複雑な光学装置を必要とするため、精密な光学的セッティングが必要であり、装置が複雑で高価になるという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、煩雑な光学的セッティングが不要で、応答速度が早く、高感度で、量産容易な水素センサおよびそれを用いた水素検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そのため、本発明は、（１）部分的に細くなった括れ部と、当該括れ部を含む長手方向にわたり、側面の一部に付着させた水素吸蔵膜と、当該括れ部に近い端面に反射手段を具備した光ファイバ（１１）からなることを特徴とする光ファイバ水素センサを提供する。
【００１５】
また、（２）当該水素吸蔵膜がＰｄ、Ｐｄ合金、Ｌａ−Ｎｉ合金、希土類金属−Ｎｉ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金であることを特徴とする光ファイバ水素センサを提供する。
【００１６】
また、（３）熱膨張率が当該水素吸蔵膜と類似し、且つ、水素により体積変化を起こさない材質からなる熱膨張相殺膜を、当該水素吸蔵膜と対称的に配置することにより、温度による曲げ損失変化の影響を軽減したことを特徴とする光ファイバ水素センサを提供する。
【００１７】
また、（４）当該水素吸蔵膜の材質がＰｄであり、当該熱膨張相殺膜が炭素鋼或いは純鉄であることを特徴とする光ファイバ水素センサを提供する。
【００１８】
また、（５）光ファイバ水素センサと、当該光ファイバ水素センサと計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバと、当該光ファイバ水素センサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ水素センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力を閾値処理或いは水素濃度変換する演算処理手段を備えたことを特徴とする水素検知システムを提供する。
【００１９】
また、（６）当該水素検知システムに、温度センサ、温度信号伝送路、温度計測部を付加し、予め取得しておいた反射光量の温度依存性データに基づき、当該演算処理手段の温度による影響を除去するようにしたことを特徴とする水素検知システムを提供する。
【００２０】
更に、特定の波長の光を特定の当該光ファイバ水素センサに分波し、当該光ファイバ水素センサからの反射光を合波する合分波フィルタを介して当該伝送用光ファイバに複数配置した当該光ファイバ水素センサと、当該光ファイバ水素センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ水素センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタと、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段と、複数の当該受光手段の出力を閾値処理或いは水素濃度変換するための当該演算処理手段とを具備したことを特徴とする多点水素検知システムを提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、煩雑な光学的セッティングが不要で、応答速度が早く、高感度で、量産容易な水素センサを実現できる。また、それを用いて、複数地点の水素をリアルタイムで検知できる水素検知システムを簡易な構成で安価に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１（ａ）は本発明の第一実施例である光ファイバ水素センサの構成側面図、（ｂ）は切断面図である。
【００２４】
図中、１は水素センサ部で、構成側面図（ａ）、切断面図（ｂ）に示すように、光ファイバ１１の一部を細くした括れ部1２、水素吸蔵膜１3、及び反射ミラー１４を具備している。
【００２５】
光ファイバ１１は、線形性のよい応答を得るためにシングルモードファイバであるのが望ましく、また、伝送距離、コスト面から光通信波長帯に適合したものが望まれる。
【００２６】
括れ部１２は、光ファイバ１１に、微小な力で、再現性よく、大きな曲率の曲げを与える役割をし、括れ部１２の中央の径が細いほど高感度となる。以下、括れ部１２の中央の径を括れ径と称す。しかし、括れ径が細すぎると光出力が非線形となりやすいため、細すぎる括れ径は望ましくない。例えば、クラッド径が１２５μｍ、ＭＦＤ（モードフィールド径）が１０μｍ（波長：１．５５μｍ）程度である通常のシングルモードファイバの場合、括れ径は５０〜９０μｍの範囲であることが望ましい。括れ径が９０μｍ以上の場合は、曲げによる光の漏洩が殆ど起こらず、５０μｍ以下の場合は、曲げがない場合でも光の漏洩が大きく、また、光出力が非線形で不安定となりやすい。
【００２７】
１３は水素吸蔵膜で、図１（a）、（b）に示すように、括れ部１２を含むファイバ側面の一部に形成する。水素吸蔵膜１３の長手方向の幅は、括れ部１２の幅よりやや広い程度でよい。また、水素吸蔵膜１３は、水素を吸蔵して体積膨張が起こったときに、括れ部１２に曲げの変化を与えるよう、ファイバ側面の一部に形成する。最も効率よく曲げを起こすには、ファイバ側面の半分に水素吸蔵膜１３を形成するのがよい。水素吸蔵膜１３の材質は、水素を吸蔵して体積膨張が起こる素材であり、例えば、Ｐｄ、Ｐｄ合金、Ｌａ−Ｎｉ合金などの希土類金属合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金等を用いることができる。当然、水素吸蔵に対して体積膨張が大きい材質ほど高感度のセンサとなる。水素吸蔵膜１３の形成は、スパッタリグ装置、イオンアシスト蒸着装置など通常の製膜装置で容易に形成でき、膜厚は０．１〜０．５μｍ程度である。
【００２８】
１４は反射ミラーであり、括れ部１２の曲げ動作に支障を与えないよう軽量のほうがよく、光ファイバ１１の端面にスパッタリング、蒸着などの製膜手段により直接形成するのが望ましい。括れ部１２の中央から反射ミラー１４までの距離は、やはり軽量化のため短いほうが望ましく、通常、10mm以下である。
【００２９】
本実施例の光ファイバ水素センサの動作を図２を用いて説明する。図２は、水素センサ部１の曲げの変化を示している。括れ部１２を具備する光ファイバ１１の側面に水素吸蔵膜１３を形成する際、製膜温度を室温より高くしておくと、（ａ）に示すように、製膜時にセンサ部分１を直線状にしておいても、水素吸蔵膜は光ファイバ(石英)より熱膨張率が大きいので、室温では水素吸蔵膜１３がより収縮して水素センサ部１は（ｂ）のように適度に曲がり、一定の漏洩光を発生する状態となる。この漏洩光の強さは、製膜時の温度で調節可能であり、線形的応答性、ダイナミックレンジの観点から、通常、５〜１０ｄＢ程度の漏洩光が発生するようにするのが望ましい。
【００３０】
（ｂ）に示すような適度な曲げを持つ水素センサ部１を水素含有ガスに暴露すると、水素吸蔵膜１３が水素を吸蔵して体積膨張を起こすため、センサ部分１の曲げの曲率が小さくなり、漏洩光が減少し、反射光強度が増大するので、この反射光強度の変化を検出すれば、水素漏洩検知器とすることができる。
【００３１】
水素の吸蔵は、水素吸蔵膜１３の表面から起こり、奥に浸透していくが、水素センサ部１の曲率変化は水素吸蔵膜１３表面に水素が吸蔵された時点から始まるので、応答速度の速い水素漏洩検知器となる。
【００３２】
また、曲率は水素濃度の増大と共に小さくなるので、水素濃度と反射光強度の関係を予め取得しておけば、水素濃度測定に使用することも可能である。
【００３３】
以上、説明したように、括れ部１２を具備する光ファイバ１１と、光ファイバ１１側面に直接形成した水素吸蔵膜１３と、反射ミラー１４で水素センサ部１を構成することにより、部品が一体化したセンサとなるため煩雑な光部品のセッティングが不要であり、薄膜製造プロセスで製造できるため量産容易で、曲げに極めて敏感な括れ部（１２）の曲げロスを利用するため高感度で、簡易な構造で製造容易なため安価な水素センサを実現できる。
【実施例２】
【００３４】
図３は、図１（ａ）（ｂ）に示す水素センサの第一実施例を発展させた形態を示す。１５は、熱膨張相殺膜で、水素吸蔵膜１３と熱膨張率が類似し、且つ、水素により体積変化を起こさない材質からなる。図３では、括れ部１２を含む長手方向にわたり、光ファイバ１１の側面半分を熱膨張相殺膜１５、残りの側面半分を水素吸蔵膜１３として描いてあるが、両膜は対称的に配置されていればよく、必ず半分ずつ配置される必要はない。これら両膜の膜厚はほぼ同等にする。
【００３５】
具体的な材質の例としては、水素吸蔵膜１３を熱膨張率が１１．８×１０−６／ＫのＰｄとした場合、熱膨張率１１．７×１０−６／Ｋの炭素鋼や純鉄を熱膨張率相殺膜１５として使用できる。
【００３６】
このように、水素吸蔵膜１３と熱膨張率が類似し、且つ、水素により体積変化を起こさない材質の熱膨張相殺膜１５を、水素吸蔵膜１３と対称的に配することにより、温度による水素センサ部１の曲げ変化を減少できるので、温度変化の影響を受けにくい水素センサとなる。
【００３７】
熱膨張相殺膜１５を具備した水素センサの動作を説明する。
【００３８】
水素吸蔵膜１３、熱膨張相殺膜１５を同じ製膜温度で形成すると、室温においても水素センサ部１はほぼ直線状態であり、括れ部１２における漏洩光強度はほぼ最小となる。
【００３９】
水素センサ部１を水素含有気体中に暴露すると水素吸蔵膜１３が水素を吸蔵して体積膨張するので、括れ分１２に曲げが生じて漏洩光が増大、反射光強度が減少する。従って、反射光強度を測定することにより水素を検知できる。
【実施例３】
【００４０】
図４は、本発明の第三実施例である水素検知システムの概略構成を示す図である。
【００４１】
図中、２は水素センサ部１への光の伝送および反射してくる信号光を計測部３に導くための伝送用光ファイバである。計測部３の主要構成部品は、発光素子４、光カプラ５、受光素子６、光アイソレータ７、演算処理回路８である。発光素子４は光ファイバに入射可能な光源であり、より遠隔まで信号を伝送するためには、波長帯が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など通信波長帯であることが望ましく、例えば、通信波長帯の半導体レーザを利用できる。
【００４２】
発光素子４から出射した測定光は、光アイソレータ７、光カプラ５を通過して光伝送用ファイバ２に送られ、水素センサ部１に入射される。括れ部１２で一部の光を漏洩した後、測定光は反射ミラー１４で反射され、括れ部１２で再度光を漏洩した後、伝送用光ファイバ２を経て光カプラ５に達し、受光素子６で受光される。発光素子４側に戻る一部の光は光アイソレータ７でブロックされる。反射光強度と水素濃度の相関を予め演算処理回路８に入力しておき、受光素子６の出力を演算処理すれば水素濃度検知システムとして動作する。
【００４３】
また、計測部３の主要構成部品は何れも光通信で使用されている市販品を安価に購入できるため安価なシステムが構成できる。
【実施例４】
【００４４】
図５は、図４に示す水素検知システムの第三実施例を発展させ、温度特性を向上させた構成を示す。図中、３１は温度センサ、３２は温度信号伝送路、３３は温度計測部である。温度センサには、光ファイバセンサシステムの特徴を最大限活かすため、例えば、特開２００７−２４５２７に本願発明者等により開示されているような光ファイバ式温度センサが望ましいが、熱電対、白金抵抗体などの一般的センサを利用することも可能である。信号伝送路３２は、温度センサ３２の種類によって異なり、例えば、光ファイバ式温度センサでは光ファイバであり、熱電対では補償導線となる。温度計測部３３も同様に温度センサに適合したものとする。
【００４５】
予め測定しておいた水素センサ部１の出力の温度依存性を、演算処理回路８に入力しておき、温度センサ２１で測定した温度データを用いて温度の影響を補正することにより、温度の影響を受けない正確な水素検知システムとなる。
【実施例５】
【００４６】
図６は、本発明の第五実施例である多点水素検知システムの概略構成を示す図である。以下、システムの動作を説明する。光源２１は、ＡＳＥ光源、チューナブルレーザなどのように複数の波長を発光する光源で、光源２１から発光された光は、光アイソレータ７、２個の光カプラ５を経て伝送用光ファイバ２に入射される。光アイソレータ７を出た光の一部は、光カプラ５で分岐され光源２１の光強度変化をモニターするパワーモニタ用受光素子２４に入射され、光源の変動を補正するデータとして使われる。
【００４７】
測定光が合分波フィルタ２２−１に到達すると、波長λ１の光のみ温度センサ部１−１側に分岐され、残りの波長の光は伝送用光ファイバ２を先に進む。合分波フィルタ２２−２ではλ２、合分波フィルタ２２−３ではλ３というように各水素センサ部１−（1〜n）に割り当てられた波長が分岐されていく。各水素センサ部１−（1〜n）で反射された各波長の光は、再度合分波フィルタ２２を経て伝送用光ファイバ２に入射され、光カプラ５を経て波長分岐フィルタ２３に達する。波長分岐フィルタ２３で光は各波長に分岐され、各々割り当てられた受光素子６に入射される。
【００４８】
演算処理回路８に光量レベルの閾値を設定しておき、各受光素子６の出力が閾値に到達したときに警報を発するようにすれば多点水素漏洩検知システムとして動作する。
【００４９】
演算処理回路８に予め取得しておいた水素濃度と反射光強度の関係式を入力しておき、各受光素子６の出力を演算処理すれば、各水素センサ部１−（１〜ｎ）の水素濃度を検知する多点水素濃度検知システムとして動作する。
【００５０】
各水素センサ部１−（１〜ｎ）の識別に異なる波長の光λ１〜λｎを用い、各波長に割り当てた複数の受光素子ＰＤ１〜ＰＤｎで並列に受光することにより、計測時間が短くなり、リアルタイム測定ができる。
【００５１】
また、伝送用光ファイバ２、光カプラ５、光アイソレータ７、合分波フィルタ２２、波長分岐フィルタ２３、受光素子６など、上記各種の構成部品には光通信用に開発された安価で信頼性の高い市販品を利用できるため、安価で信頼性の高いシステムを構成できる。
【００５２】
特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施例である水素センサの構成を示す図である。
【図２】センサ部の動作を説明する側面図である。
【図３】本発明の第２実施例であるセンサ部の側面図と切断面図である。
【図４】本発明の第３実施例である水素検知システムの概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第４実施例である水素検知システムの概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第５実施例である水素検知システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：水素センサ部
２：伝送用光ファイバ
３：計測部
４：発光素子
５：光カプラ 
６：受光素子
７：光アイソレータ
８：演算処理回路
１１：光ファイバ
１２：括れ部
１３：水素吸蔵膜
１４：反射ミラー
１５：熱膨張率相殺膜
２０：多点計測部
２１：光源
２２：（１〜ｎ）：合分波フィルタ
２３：波長分岐フィルタ
２４：パワーモニタ用受光素子
３１：温度センサ
３２：温度信号伝送路
３３：温度計測部
【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５】
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【図６】
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