JP2005055332A - 水素検知器および水素検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバを利用した高性能の水素検知器および水素検知システムを提供する。
【解決手段】本発明による水素検出器は、グレーティング１１２を内蔵する少ファイバグレーティング１１１と、ファイバグレーティング１１１を支持する基板１１３と、ファイバグレーティング１１１の少なくとも一部に軸方向歪を付与することによってグレーティング１１２の少なくとも一部におけるグレーティング周期を変化させることができる伸縮部材１１７を備えている。この伸縮部材１１７は、水素吸蔵合金から形成されている。ファイバグレーティング１１１に光信号を入力し、ファイバグレーティング１１１から反射または透過してきた光信号に基づいて水素を検知することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた水素検知器、および当該水素検知器を備えた水素検知システムに関している。

従来、光ファイバを用いた水素ガス検出器として、光ファイバをコイル状に巻き回した水素検出センサ部を備えた水素検出器がある。（例えば、特許文献１参照）
また、光ファイバの端面をパラジウム（Ｐｄ）膜で被覆した水素検出器が提案されている（特許文献２、３）。これらの水素検出器では、Ｐｄが水素と反応するとＰｄＨ_xに変化し反射率や厚さなどの物性値が変化することを利用して、水素を検出している。パラジウム膜の物性値の変化は、光ファイバを伝搬しパラジウム膜によって反射された光の強度または位相の変化を検知することにより、水素濃度を測定することができる。
特開平６‐１９６３４号公報 米国特許第６,１８５,３４４号明細書 米国特許第６,５１９,０４１号明細書

特許文献１に記載されている水素ガス検出器は。ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−ＳｉＯ₂系ガラスファイバを備えている。水素ガスが、このガラスファイバに浸透し拡散すると、ガラス中の非架橋酸素と水素が結合し、ＯＨ基が生じるため、ガラスファイバにおける１３８３ｎｍ近辺のＯＨ吸収ピークが増大する。この吸収ピークの増大によって光の伝送損失が増加する。こうして、光の伝送損失の程度を検知することにより、水素ガスを検知することが可能になる。しかし、ガラスファイバー中のＯＨ基による吸収損失は、１５５０ｎｍ帯の光に対しては小さいため、水素の検知を行なうためには、新たに１３００ｎｍ帯のシステムを構築する必要があり、コストが高くなるという問題がある。

一方、特許文献２や特許文献３に記載されている水素ガス検出器は、ファイバの端面をパラジウム（Ｐｄ）膜でコーティングしているので、ファイバ端面を平滑な面に形成・加工しなければ、そのファイバ端面で光が乱反射し、戻り光の評価が困難になる。また、パラジウム膜が均一な厚さを有していなければ。水素吸収によるパラジウム水素化物の膨張が均一に生じないため、光ファイバに生じるストレスが不均一になる。その結果、光学特性が変化し、水素検出精度の誤差が大きくなるという問題点がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、主たる目的は、光ファイバを用いた水素検出器および水素検出システムを提供することにある。

本発明の水素検出器は、グレーティングを内蔵する少なくとも１つのファイバグレーティングと、前記ファイバグレーティングを支持する支持部材と、前記ファイバグレーティングの少なくとも一部に軸方向歪を付与することによって前記グレーティングの少なくとも一部におけるグレーティング周期を変化させることができる伸縮部材であって、水素吸蔵合金から形成されている伸縮部材とを備えており、前記ファイバグレーティングに光信号を入力し、前記ファイバグレーティングから反射または透過してきた前記光信号に基づいて水素を検知する。

好ましい実施形態において、前記グレーティングの周期は、軸方向に沿って変化している。

好ましい実施形態において、前記水素吸蔵合金の格子間隔は水素吸蔵によって膨張し、水素排出によって収縮する。

好ましい実施形態において、前記支持部材は基板であり、前記伸縮部材をも支持している。

前記ファイバグレーティングの一端に光学的に結合された光サーキュレータを更に備えており、前記光信号は前記光サーキュレータを介して前記ファイバグレーティングに入力され、前記ファイバグレーティングから出力される。

好ましい実施形態において、前記光信号を解析する装置をさらに備えている。

前記装置は、前記光信号に基づいて、検出した水素の量を決定する機能を有している。

好ましい実施形態において、水素検出システムは、各々が、グレーティングを内蔵する少なくとも１つのファイバグレーティングと、前記ファイバグレーティングを支持する支持部材と、前記ファイバグレーティングの少なくとも一部に軸方向歪を付与することによって前記グレーティングの少なくとも一部におけるグレーティング周期を変化させることができる伸縮部材であって、水素吸蔵合金から形成されている伸縮部材とを備えている複数の水素検出器と、前記複数の複数の水素検出器のファイバグレーティングに光学的に結合された複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの各々を介して、対応する水素検出器のファイバグレーティングに光信号を入力し、前記ファイバグレーティングから反射または透過してきた前記光信号に基づいて水素検出器毎に水素を検知する。

好ましい実施形態において、前記複数の水素検出器の各々のファイバグレーティングに対して、異なる波長の光信号を入力する。

好ましい実施形態において、異なる波長の前記光信号を分波・合波する少なくとも１つの波長分派器を備えている。

本発明によれば、水素吸蔵合金の水素吸蔵／放出に伴って生じる膨張／収縮を利用してファイバグレーティングに歪を印加し、水素濃度に応じてグレーティング周期を変化させる。このため、ファイバグレーティングを通過・反射する光信号を評価することにより、水素濃度を高い精度で測定することができる。

（実施形態１）
以下、図１を参照しながら、本発明による水素ガス検出器の好ましい実施形態を説明する。図１は、本実施形態の水素検知器の全体構成を示す概略図である。

本実施形態の水素検知器は、コア部にグレーティング１１２が形成されたファイバグレーティング１１１と、ファイバグレーティング１１１を支持する支持部材（基板１１３）とを備えている。グレーティング１１２は、コア部の屈折率を軸方向に沿って周期的に変化させることによって形成される。本実施形態では、ファイバグレーティング１１１の所望の領域に軸方向歪を付与することにより、その領域におけるグレーティング周期を変化させることができる。このような軸方向歪を、本実施形態では、水素吸蔵合金から形成された伸縮部材１１７によって与える。伸縮部材１１７は、ファイバグレーティング１１２に取り付けられ、この水素吸蔵合金の水素濃度を調節する手段を用いて伸縮される。

以下、本実施形態の水素検知器の構成をより詳細に説明する。

本実施形態のファイバグレーティング１１１のコア中には公知の方法で形成されたブラッググレーティング１１２が設けられており、このファイバグレーティング１１１が基板１１３の上に配置されている。

基板１１１は、雰囲気中の水素が格子間隔（lattice constant）に影響を与えることが少ない材料（鉄など）から形成されている。基板１１３の上面には、ファイバグレーティング１１１を伸縮可能に保持する保持機構１１４が形成されている。本実施形態における保持機構１１４は、基板１１３の上面に設けられたＶ溝であり、ブラッググレーティング１１２はＶ溝の内壁面で保持されている。保持機構１１４の構成は、このようなものに限定されず、例えば、ファイバグレーティング１１１を軸方向にスライドさせ得る一対のリッジ部分から保持機構１１４を構成してもよい。なお、本実施形態では、ファイバグレーティング１１１の位置が大きく変動しないように、基板１１３の両端部１１５、１１６でファイバグレーティング１１１の一部を基板１１３に対して固定している。

ファイバグレーティング１１１の外周面のうち、下側はＶ溝の内壁面に接触または対向しているが、上側の少なくとも一部は、基板１１３上に置かれた伸縮部材１１７に対して固定されている。伸縮部材１１７は、基板１１３上において伸縮可能に支持されているため、ファイバグレーティング１１１は、伸縮部材１１７の水素吸蔵／放出に伴って伸縮することになる。

次に、図２を参照して、図１（ａ）および（ｂ）に示す水素検出器への光信号の入出す力を説明する。なお、図２に示す水素検出器では、ファイバグレーティングの一例として、チャープブラッググレーティングを用いている。

図２に示す水素検出器では、入力端子２１４ａ、入出力端子２１４ｂ、および出力端子２１４ｃを有する光サーキュレータ２１３の入出力端子２１４ｂがファイバグレーティング２１５に光学的に結合されている。ファイバグレーティング２１５のコア２１６には、グレーティングの周期（グレーティング間隔）が連続的かつ単調に変化しているチャープブラッググレーティングが形成されている。

光サーキュレータ２１３の入力端子２１４ａおよび出力端子２１４ｃは、それぞれ、不図示の光ファイバに結合されている。入力光２１１は、光サーキュレータ２１３の入力端子２１４ａに入力されると、入出力端子２１４ｂを介してファイバグレーティング２１５に達する。ファイバグレーティング２１５のコア２１６は、入力光２１１をブラッグ反射によって光サーキュレータ２１３の入出力端子２１４ｂに向けて反射する。ファイバグレーティング２１５における入力光２１１の反射位置は、グレーティング周期が軸方向に分布を有しているため、波長に応じて異なっている。この結果、ファイバグレーティング２１５で反射されて再び入出力端子２１４ｂから光サーキュレータ２１４に戻った光が出力端子２１４ｃから出力光２１２として出力されるとき、ファイバグレーティング２１５の有する波長分散によって信号波形が変化している。

図２に示すファイバグレーティング２１５の波長分散は、図１に示す伸縮部材１１７が水素を吸蔵すると、動的に変化する。このため、出力光２１２の波形を観察することにより、伸縮部材１１７の水素吸蔵量を検出することができる。

入力光２１１として、フェムト秒クラスの超短パルス光を用いる場合を考える。このような超短パルス光は、ある程度の幅を持った波長スペクトルを示すため、波長分散の影響を受けると、パルス幅が変化する。逆に、あらかじめ波長分散によってパルス幅が広がった入力光２１１が光サーキュレータ２１３の入力端子２１４ａに入力されると、その波長分散を補償する機能をファイバグレーティング２１５に付与することもできる。すなわち、入力光２１１の波長分散の絶対値が等しく、極性が反対となる波長分散を示すようにグレーティング周期の軸方向分布を設計することができる。

このように、パルス幅の短い光信号はファイバグレーティングの波長分散（グレーティング周期の軸方向分布）に敏感であるため、図１（ａ）、（ｂ）に示す伸縮部材１１７がファイバグレーティングに与える歪を高い感度で検出することができる。そして、本発明では、この伸縮部材１１７を水素吸蔵合金から形成するため、光信号のスペクトルを解析することにより、伸縮部材１１７の雰囲気中に含まれる水素濃度を敏感に検出することが可能になる。

伸縮部材１１７は、Ｐｄや、ＰｄによってコーティングされたＬａやＣｅなどの希土類金属から形成され得る。Ｐｄは酸化されにくいため、水素吸蔵合金として機能する希土類金属の表面を覆うことにより、希土類金属の酸化を好適に抑制できる。伸縮部材１１７を構成する水素吸蔵合金の格子定数（lattice constant）は、雰囲気中に水素分圧に応じて変化し、それに伴って伸縮部材１１７の体積も変化する。

図３は、一般の水素吸蔵合金について、その格子膨張率と水素分圧との関係を模式的に示すグラフである。水素吸蔵能力を有する希土類金属の場合、水素吸蔵合金の体積膨張は、以下に説明するようにして生じる。

すなわち、雰囲気中における水素分圧の増加に伴い、水素吸蔵合金中に進入する水素原子の数が増加する。水素吸蔵合金中に進入した水素原子は、最隣接金属原子に斥力を及ぼすため、これらの金属原子を外方に変位させる。こうした局所的な原子の変位が応力を伴う弾性変形として遠方まで伝わる。水素吸蔵合金の格子膨張率は、局所的な歪の大きさに比例し、その歪は合金中の水素濃度に比例する。このような水素吸蔵に伴う合金の構造変化および体積変化は、常温・常圧で生じる。

図３からわかるように、水素分圧が０ａｔｍから１ａｔｍに変化すると、格子は２０％膨張する。

図１（ａ）および（ｂ）に示す伸縮部材１１７は、上記のような水素吸蔵合金から形成されているため、その水素吸蔵量の増加により、伸縮部材１１７には体積膨張が引き起こされ、それに伴ってファイバグレーティング１１１に歪が印加される。その結果、ファイバグレーティング１１１におけるグレーティング周期が変化することになる。

ファイバグレーティング１１１によって反射される光の中心波長はλ_B＝２ｎ_effΛと表される。ここで、λ_Bはブラッグ波長、ｎ_effは光ファイバのコア部の実効屈折率、Λはブラッググレーティングの周期である。

上記の関係式から、ブラッググレーティングの周期Λが変化すると、ブラッグ波長λ_Bが変化することがわかる。ここで、伸縮部材１１７が水素を吸蔵して膨張したために、ブラッググレーティング１１２に生じる軸方向ひずみにより、周期Λが１ｎｍ増加したとする。いま、水素吸蔵前後のΛを、それぞれ、Λ１＝５３７ｎｍ、Λ２＝５３７．５ｎｍとし、ファイバグレーティングによって反射される光信号の中心波長λ_Bの水素吸蔵前後における大きさを、それぞれ、λ_B1、λ_B2とする。本実施形態では、ｎ_effが１．４４７であるため、λ_B1＝１５５４．１ｎｍ、λ_B2＝１．５５５．５ｎｍと算出される。このようなグレーティング周期の変化により、ファイバグレーティグ１１１の波長分散が変化する。

図４（ａ）は、ファイバグレーティング１１１による群速度遅延の波長依存性の一例を示す。ファイバグレーティング１１１のグレーティング周期を例えば５３６．６ｎｍから０．１７ｎｍだけ増加させるような軸方向歪を与えると、図４（ａ）の点線で示すように、ファイバグレーティングによるブラッグ反射波長が１５５３ｎｍから１５５３．５ｎｍへと０．５ｎｍ変化する。そのため、図４（ｂ）に示すように、２次分散が−２０ｐｓ／ｎｍから−１７．１ｐｓ／ｎｍへと変化する。

水素の吸蔵により水素吸蔵合金に僅か０．０３％の歪が生じると、この水素吸蔵合金から形成した伸縮部材１１７を介してファイバグレーティング１１１の周期が変化し、その結果として、群速度遅延の勾配が変化する。

次に、一例として図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、光信号の波形変化を説明する。図５（ａ）および（ｂ）からわかるように、ファイバグレーティング１１１に入力され前の光信号のパルス幅３ｐｓであるが、ファイバグレーティング１１１によって反射された後は、その波長分散により、１０ｐｓまで増加している。

ファイバグレーティングによって波形が変化した出力光をスペクトラムアナライザで解析し、オートコリレータ等で光信号のパルス幅を求めれば、水素の有無あるいは量を速やかに検出することができる。

上記の水素検出器を複数個用意し、光ファイバで連結することにより、複数の部屋における水素を検知するシステムが構築できる。

図６は、上述した本実施形態に係る水素検知器を４箇所に設置し、各々の水素検知器で水素を検知するシステムの概略構成を示している。

この水素検知システムは、４つの部屋の各々に設置された水素検知器６１３〜６１６と、水素検知器６１３〜６１６にそれぞれ接続それた光ファイバとを備えており、各水素検知器６１３〜６１６は、図１および図２に示す構成を有しており、ファイバグレーティングの反射中心波長は、それぞれ、λ１（１５４５ｎｍ）、λ２（１５５０ｎｍ）、λ３（１５５５ｎｍ）、λ４（１５６０ｎｍ）に設定されている。

この例では、異なる４つの波長λ１、λ２、λ３、λ４を有するパルス光を多重化した光信号を用いる。波長λ１、λ２、λ３、λ４は、それぞれ、１５４５ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５６０ｎｍに設定する。

多重化された波長λ１、λ２、λ３、λ４の光信号は、光ファイバ６１１に入力されると、分波器６１２によって波長λ１、λ２、λ３、λ４の個々の光信号に分波された後、対応する水素検知器６１３、６１４、６１５、６１６のファイバグレーティングに入力される。これらの水素検知器は、例えば、水素濃度が異なり得る４つの部屋または空間に配置される。

波長λ１、λ２、λ３、λ４の光信号は、対応する水素検知器６１３、６１４、６１５、６１６を通過して合波器６１７で再び多重化される。そして、多重化された光信号は、光ファイバ６１８を介して信号解析装置６１９に入力される。信号解析装置６１９は、スペクトラムアナライザによる周波数解析およびオートコリレータ等による光パルス解析を実行する。

信号解析装置６１９のスペクトラムアナライザで光信号の中心周波数を解析することにより、水素を検知することができる。例えば、水素検知器６１５が設置されている部屋（例えば実験室）に水素漏れが発生すると、水素検知器６１５の水素吸蔵合金から形成された伸縮部材が水素を吸蔵し、膨張する。このとき、水素検出器６１５のファイバグレーティングのグレーティング周期が０．５ｎｍ長くなるように歪が印加されるとする。すると、水素検知器６１５におけるファイバグレーティングの反射中心周波数が１．５ｎｍ変化することになる。

図７（ａ）は、水素検出器６１５が備えられている部屋で水素漏れが発生する前に信号解析装置６１９によって得られる光信号のスペクトルを示しており、図７（ｂ）は、水素漏れが発生したときに信号解析装置６１９によって得られる光信号のスペクトルを示している。図７（ａ）、（ｂ）からわかるように、水素漏れの前後における周波数スペクトルに変化が生じているため、この変化により、水素漏れを検知することができる。

図８（ａ）は、水素検出器６１５が備えられている部屋で水素漏れが発生する前に信号解析装置６１９によって得られる光信号のパルス波形（横軸：時間）を示しており、図８（ｂ）は、水素漏れが発生したときに信号解析装置６１９によって得られる光信号のパルス波形（横軸：時間）を示している。図８（ａ）、（ｂ）からわかるように、光信号のパルス幅を観察することにより、水素漏れを検知できる。

前述したように、ファイバグレーティングのグレーティング周期が例えば０．５ｎｍだけ長くなるように歪が印加されると、光信号のパルス幅は３ｐｓから１０ｐｓへ広がる。パルス幅の変化は、例えば光信号の読み取りエラー（符号誤り）の発生の有無により、検知することも可能である。

本発明の水素検知装置によれば、水素吸蔵合金から形成した伸縮部材によってファイバグレーティングに対して軸方向歪を付加するため、グレーティング周期の僅かな変化を光信号の中心波長や波形の変化として高い精度で迅速に検出することが可能となる。

また、本発明の水素検知システムによれば、光信号の伝送／解析により、信号解析装置から遠く離れた位置での水素漏れを迅速に検出することができるため、既存の光ファイバ通信網を利用して多数の地域における水素漏れを１つの信号解析装置で検出することができ、水素ガス漏れ事故を効果的に防止することが可能となる。

（ａ）は、本発明の水素検知器の実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 図１の水素検知器に光サーキュレータが結合された状態を示す図である。 水素吸蔵合金の格子膨張率の水素分圧依存性を示すグラフである。 （ａ）は、図１に示す水素検知器による群速度遅延の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は、その水素検知器による２次分散特性を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施形態における入力光におけるパルス時間幅を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態における出力光におけるパルス時間幅を示す図である。 本発明による水素検知システムの実施形態の構成を示す図である。 （ａ）は、水素検出器が備えられている部屋で水素漏れが発生する前に信号解析装置によって得られる光信号のスペクトルを示しており、（ｂ）は、水素漏れが発生したときに信号解析装置によって得られる光信号のスペクトルを示している。 （ａ）は、ある水素検出器が備えられている部屋で水素漏れが発生する前に信号解析装置によって得られる光信号のパルス波形（横軸：時間）を示しており、（ｂ）は、水素漏れが発生したときに信号解析装置によって得られる光信号のパルス波形（横軸：時間）を示している。

符号の説明

１１１ ファイバグレーティング
１１２ グレーティング
１１３ 基板
１１４ 保持機構
１１５ 基板両端
１１６ 基板両端
１１７ 水素吸蔵合金から形成された伸縮部材
２１１ 入力光
２１２ 出力光
２１３ 光サーキュレータ
２１４ａ 光サーキュレータ８１３の入力端子
２１４ｂ 光サーキュレータ８１３の入出力端子
２１４ｃ 光サーキュレータ８１３の出力端子
２１５ ファイバグレーティング
２１６ コア
６１１ 光ファイバ
６１２ 分派器
６１３ 水素ガス検知器Ｈ１
６１４ 水素ガス検知器Ｈ２
６１５ 水素ガス検知器Ｈ３
６１６ 水素ガス検知器Ｈ４
６１７ 合波器
６１８ 光ファイバ
６１９ 信号解析装置

Claims (10)

1. グレーティングを内蔵する少なくとも１つのファイバグレーティングと、
   前記ファイバグレーティングを支持する支持部材と、
   前記ファイバグレーティングの少なくとも一部に軸方向歪を付与することによって前記グレーティングの少なくとも一部におけるグレーティング周期を変化させることができる伸縮部材であって、水素吸蔵合金から形成されている伸縮部材と、
   を備えており、
   前記ファイバグレーティングに光信号を入力し、前記ファイバグレーティングから反射または透過してきた前記光信号に基づいて水素を検知する水素検出器。
2. 前記グレーティングの周期は、軸方向に沿って変化している請求項１に記載の水素検出器。
3. 前記水素吸蔵合金の格子間隔は水素吸蔵によって膨張し、水素排出によって収縮する請求項１または２に記載の水素検出器。
4. 前記支持部材は基板であり、前記伸縮部材をも支持している請求項１から３のいずれかに記載の水素検出器。
5. 前記ファイバグレーティングの一端に光学的に結合された光サーキュレータを更に備えており、前記光信号は前記光サーキュレータを介して前記ファイバグレーティングに入力され、前記ファイバグレーティングから出力される、請求項１から４のいずれかに記載の水素検出器。
6. 前記光信号を解析する装置をさらに備えている請求項１から５のいずれかに記載の水素検出器。
7. 前記装置は、前記光信号に基づいて、検出した水素の量を決定する機能を有している請求項６に記載の水素検出器。
8. 各々が、
   グレーティングを内蔵する少なくとも１つのファイバグレーティングと、
   前記ファイバグレーティングを支持する支持部材と、
   前記ファイバグレーティングの少なくとも一部に軸方向歪を付与することによって前記グレーティングの少なくとも一部におけるグレーティング周期を変化させることができる伸縮部材であって、水素吸蔵合金から形成されている伸縮部材と、
   を備えている複数の水素検出器と、
   前記複数の複数の水素検出器のファイバグレーティングに光学的に結合された複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバの各々を介して、対応する水素検出器のファイバグレーティングに光信号を入力し、前記ファイバグレーティングから反射または透過してきた前記光信号に基づいて水素検出器毎に水素を検知する水素検出システム。
9. 前記複数の水素検出器の各々のファイバグレーティングに対して、異なる波長の光信号を入力する、請求項８に記載の水素検出システム。
10. 異なる波長の前記光信号を分波・合波する少なくとも１つの波長分派器を備えている請求項９に記載の水素検出システム。

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