JP2013250117A - 水素検出素子および水素センサ - Google Patents

Abstract

【課題】十分な厚さの金属膜を有する構造でありながら低濃度の水素に対して高い検出感度を得る。
【解決手段】一方の面から光Ｌが入射され該光Ｌを透過させる基板２と、該基板２の他方の面に形成され、水素の吸着により光学的特性が変化する金属を主とする膜３とを備え、該膜３は、光Ｌの波長よりも小さい周期で表面方向に繰り返し形成された溝４を有する水素検出素子１を提供する。また、水素検出素子１と、光Ｌを基板２側から水素検出素子１に入射する光源部と、水素検出素子１からの光Ｌの反射光Ｌ’を検出する検出部とを備える水素センサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素検出素子および水素センサに関するものである。

従来、化学物質の吸着によって特性が変化する材料を使用して大気中の化学物質の濃度を検出するセンサが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。特許文献１のセンサは、パラジウム膜に水素分子が吸着したときのパラジウム膜の誘電率の変化を、プラズモン共鳴現象を利用して検出している。特許文献２のセンサは、有機分子が有機または高分子からなる膜に吸着したときの該膜の厚さや屈折率の変化を、膜の両面で反射した光の干渉光の変化として検出している。

特開２０１１−１０６９２８号公報 特許第３００１３５７号公報

しかしながら、特許文献１において、パラジウム膜の膜厚は１ｎｍ〜２０ｎｍとする必要がある。このような薄い膜は、蒸着やスパッタリングにより形成したときに膜厚が不均一となって微小な穴が形成されやすく、製造誤差によりセンサの性能にばらつきが生じるという問題がある。

特許文献２のセンサは、膜厚が光の波長程度（数百ナノメートル）でよいため膜の製造が容易であり、また、検出感度が高い。しかし、膜の材料として、光に対して大きな消衰係数を有するパラジウムのような金属を用いた場合、膜に入射した光は急激に減衰してしまい、膜の内部を往復することができない。したがって、水素センサに用いられるパラジウムなどの金属は適用できないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、十分な厚さの金属膜を有する構造でありながら低濃度の水素に対して高い検出感度を得ることができる水素検出素子および水素センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、一方の面から光が入射され該光を透過させる基板と、該基板の他方の面に形成され、水素の吸着により光学的特性が変化する金属を主とする膜とを備え、該膜は、前記光の波長よりも小さい周期で表面方向に繰り返し形成された溝を有する水素検出素子を提供する。

本発明によれば、基板側から入射して基板と膜との界面において反射される光の反射率は、膜に吸着する水素分子の量、すなわち、水素濃度によって変化するので、反射光の強度変化から水素を検出することができる。

この場合に、水素濃度の変化に対する反射光の強度の変化は、十分に低い水素濃度の範囲においては、反射率が小さいほど大きくなる。本発明によれば、光の波長よりも小さい周期で並ぶ溝を有する膜の屈折率は、溝を有さない均一な構造のバルク膜の屈折率に比べて小さくなり、基板と膜との界面における光の反射率が小さくなる。これにより、十分に低濃度の水素に対して高い検出感度を得ることができる。また、膜の厚さは特に制限されないので、十分な厚さの膜を有する構造とすることができる。

上記発明においては、前記溝が、前記他方の面に沿う一の方向に直線状に形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、基板に入射した光のうち、溝に平行な偏光（ＴＥ波）は、基板と膜との界面において水素濃度に応じた反射率で反射される。一方、溝に垂直な偏光（ＴＭ波）は大半が膜を透過して膜と空気との界面において反射されて基板側に出射する。このＴＭ波の反射光の強度は水素濃度に依存しない。したがって、ＴＭ波の反射光を参照とすることにより、ＴＥ波の反射光から水素濃度をより正確に検出することができる。

また、本発明は、上記に記載の水素検出素子と、前記光を前記基板側から前記水素検出素子に入射する光源部と、前記水素検出素子からの前記光の反射光を検出する検出部とを備える水素センサを提供する。
本発明によれば、光源部から水素検出素子に入射した光が、基板と膜との界面において水素濃度に応じた反射率で反射され、その反射光が検出部によって検出されることにより、水素を反射光の強度変化から検出することができる。この場合に、十分な厚さの金属膜を有する構造でありながら低濃度の水素に対して高い検出感度を得ることができる。

上記発明においては、前記溝が、前記他方の面に沿う一の方向に直線状に形成され、前記検出部が、前記水素検出素子からの前記反射光を前記溝の長手方向に平行な偏光と前記溝の長手方向に垂直な偏光とに分離する偏光分離素子と、該偏光分離素子によって分離された前記平行な偏光と前記垂直な偏光とをそれぞれ検出する２つの光検出器とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、水素検出素子からの反射光を偏光分離素子によって２つの偏光に分離し、水素濃度を反映したＴＥ波と、該ＴＥ波の参照となるＴＭ波とを別々の光検出器によって検出することができる。

また、上記発明においては、前記検出部が、前記２つの検出器から各前記偏光の検出信号が入力され、これら検出信号の差を出力する減算器を備えることとしてもよい。
このようにすることで、ＴＥ波の検出信号から、ＴＥ波およびＴＭ波に共通して加算されていたノイズ信号を、減算器により除去することができる。

また、上記発明においては、前記検出部が、前記２つの検出器から各前記偏光の検出信号が入力され、これら検出信号の比を出力する除算器を備えることとしてもよい。
このようにすることで、ＴＥ波の検出信号から、ＴＥ波およびＴＭ波に共通して乗算されていたノイズ信号を、除算器により除去することができる。

本発明によれば、十分な厚さの金属膜を有する構造でありながら低濃度の水素に対して高い検出感度を得ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る水素検出素子の全体構成図である。 図１の水素検出素子が備える膜の拡大図である。 膜の見かけの屈折率と膜におけるパラジウムの体積占有率との関係を示すグラフである。 膜の見かけの消衰係数と膜におけるパラジウムの体積占有率との関係を示すグラフである。 図１の水素検出素子の２つの偏光に対する作用を説明する図である。 膜に入射した２つの偏光の強度変化を示すグラフである。 ２つの偏光の反射率と水素濃度との関係を示すグラフである。 図１の水素検出素子およびバルク膜を備える水素検出素子の、水素濃度に対する反射率の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る水素センサの全体構成図である。 図９の水素センサの変形例を示す全体構成図である。 水素濃度とパラジウム膜の反射率との関係を表わすグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る水素検出素子１について図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態に係る水素検出素子１は、図１に示されるように、ガラスからなり一方の面から入射される光Ｌを透過させる平板状の基板２と、該基板２の他方の面に形成された膜３とを備えている。
基板２は、一方の面に入射される光Ｌに対して透明であれば、ガラス以外の材料から構成されていてもよい。

膜３は、ガラスよりも大きな屈折率を有するパラジウムからなる。パラジウムの屈折率は、水素が吸着することにより変化する。ここで、基板２側から入射した光Ｌの基板２と膜３との界面における反射率Ｒは、式（１）に示されるフレネルの式によって導かれ、膜３の屈折率に応じて変化する。したがって、基板２と膜３との界面において反射された光Ｌの反射光Ｌ’の強度は、膜３に吸着した水素分子の量、すなわち、膜３と接する外気の水素濃度に応じて変化する。式（１）において、ｎ_０は基板２の屈折率に相当し、ｎ_１は膜３の屈折率に相当する。
（１） Ｒ ＝ ｛（ｎ_０−ｎ_１）／（ｎ_０＋ｎ_１）｝^２

膜３の材料は、水素分子の吸着により屈折率などの光学的特性が変化する材料であればパラジウム以外の材料であってもよく、例えば、パラジウム合金、プラチナ、プラチナ合金であってもよい。

膜３は、図２に示されるように、基板２の他方の面に沿う一の方向（図示する例では、矩形状の基板２の一の端辺に平行な方向。矢印Ｘ参照。）に直線状に延び、膜３の厚さ方向（矢印Ｔ参照。）に貫通する溝４が、均一な周期で形成されている。溝４の周期（隣り合う溝４の中心間距離）ｐは、光Ｌの波長よりも小さく、光Ｌの波長の１０分の１以下であることが好ましい。溝４の周期ｐを光Ｌの波長の１０分の１以下とすることで、後述するように、溝４による効果がより顕著に現われ、水素の検出精度を向上することができる。なお、溝４の幅寸法よりも大きな波長を有する光Ｌは、溝４を透過することができず、基板２と膜３との界面において反射される。溝４は、例えば、電子線リソグラフィおよびエッチングにより加工される。

次に、このように構成された水素検出素子１の作用について説明する。
本実施形態に係る水素検出素子１に基板２側から入射した光Ｌは、基板２と膜３との界面において反射される。該界面における光Ｌの反射率Ｒは、基板２の屈折率と膜３の屈折率との差が小さいほど小さくなり、膜３の屈折率は水素濃度に応じて変化する。したがって、基板２と膜３との界面において反射された光Ｌの反射光Ｌ’の強度から水素濃度を算出することができる。

ここで、水素検出素子１の低濃度（具体的には、体積濃度で０％を超え４％以下）の水素に対する検出感度Ｓは、以下に示す通り、基板２と膜３との界面における光Ｌの反射率Ｒを低下させることにより向上する。

水素検出素子１の検出感度Ｓは、水素濃度ρ％のときおよび水素濃度０％のときの、基板２と膜３との界面における光Ｌの反射率Ｒ（ρ），Ｒ（０）を用いて式（２）のように定義される。すなわち、検出感度Ｓは、水素濃度０％のときの光Ｌの反射率Ｒ（０）に対する、水素濃度ρ％のときの反射率Ｒ（ρ）の変化量として定義される。
（２） Ｓ＝｜（Ｒ（ρ）／Ｒ（０）） − １｜

ここで、水素濃度ρ％が十分に小さいとき、反射率Ｒ（ρ）は式（３）で示される１次式で近似される。
（３） Ｒ（ρ）≒Ｒ（０）＋Ｒ’（０）ρ
式（３）を式（２）に代入することにより、式（４）が導かれる。
ただし、Ｒ’（０）は、水素濃度ρに対する反射率Ｒ（０）の傾きを示しており、Ｒ’（０）≠０である。
（４） Ｓ≒｜（Ｒ’（０）／Ｒ（０））｜ρ

式（４）から、十分に低濃度の水素に対して水素検出素子１の検出感度Ｓを高くするためには、基板２と膜３との界面における光Ｌの反射率Ｒ（０）を小さくすればよく、該反射率Ｒ（０）を低下させるためには基板２の屈折率と膜３の屈折率との差を小さくすればよいことが分かる。

本実施形態によれば、膜３の見かけの屈折率は、パラジウムの屈折率と溝４内の空気の屈折率との間の値をとり、膜３に占めるパラジウムの体積および空気の体積の比によって決まる。すなわち、本実施形態における膜３は、均一な厚さで形成されたバルク膜に比べて小さい屈折率を有するので、光Ｌの反射率Ｒ（０）が小さくなる。これにより、十分に低濃度の水素に対する検出感度を向上することができるという利点がある。また、水素に対する検出感度は膜３の厚さに依らないので、膜３の厚さは任意に設定可能である。これにより、膜３を製造の容易な十分な厚さとすることができる。

膜３の見かけの屈折率についてより詳細に説明すると、膜３の見かけの屈折率は数１および数２によって表わされる。数１および数２において、Ｎ_ＴＥは溝４の長手方向に平行な偏光（ＴＥ波）Ｌ_ＴＥの見かけの複素屈折率、Ｎ_ＴＭは溝４の長手方向に垂直な偏光（ＴＭ波）Ｌ_ＴＭの見かけの複素屈折率、Ｎ_Ｐｄはパラジウムの複素屈折率（＝ｎ_Ｐｄ＋ｉｋ_Ｐｄ）、ｆは膜３に占めるパラジウムの体積占有率である。図２において、矢印Ｐ_ＴＥはＴＥ波の偏光方向を示し、矢印Ｐ_ＴＭはＴＭ波の偏光方向を示している。

図３および図４は、数１および数２から算出される膜３の見かけの複素屈折率Ｎ_ＴＥ＝ｎ_ＴＥ＋ｉｋ_ＴＥ，Ｎ_ＭＥ＝ｎ_ＴＥ＋ｉｋ_ＴＥのうち、実数部分である見かけの屈折率ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭおよび虚数部分である消衰係数ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭの体積占有率ｆに対する変化をそれぞれ示したグラフである。ここで、光Ｌの波長を６００ｎｍ、溝４の周期ｐを６０ｎｍ、水素濃度ρが０％であるときのパラジウムの複素屈折率ＮＰｄ＝２．４４＋３．７３ｉとしている。

図３に示されるように、ＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭに対する膜３の見かけの屈折率ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭは、パラジウムの体積占有率ｆと略比例の関係を有している。すなわち、体積占有率ｆが０に近づくほど膜３の見かけの屈折率ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭは空気の屈折率１に近づき、体積占有率ｆが１に近づくほど膜３の見かけの屈折率ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭはパラジウムの屈折率２．４４に近づく。このように、膜３の光Ｌに対する見かけの屈折率ｎ_ＴＥ，ｎ_ＴＭは、光Ｌの波長よりも小さい周期の溝４が形成されていることにより、パラジウムのバルク膜の屈折率２．４４よりも小さい値となる。

一方、図４に示されるように、膜３の見かけの消衰係数ｋ_ＴＥ，ｋ_ＴＭは、ＴＥ波Ｌ_ＴＥとＴＭ波Ｌ_ＴＭとに対して異なる振る舞いを示す。すなわち、ＴＥ波Ｌ_ＴＥに対する消衰係数ｋ_ＴＥは、体積占有率ｆと略比例して増加するのに対し、ＴＭ波Ｌ_ＴＭに対する消衰係数ｋ_ＴＭは、パラジウムの体積占有率ｆが０．６程度までは略ゼロである。これは、ＴＥ波Ｌ_ＴＥが膜３に急峻に吸収されるのに対し、ＴＭ波Ｌ_ＴＭは膜３によってほとんど吸収されることなく、十分な強度を維持したまま膜３の内部を伝搬することを示している。すなわち、図５に示されるように、基板２側から水素検出素子１に入射した光Ｌのうち、ＴＥ波Ｌ_ＴＥは基板２と膜３との界面において反射され、ＴＭ波Ｌ_ＴＭは膜３を透過して膜３と空気との界面において反射されることを示している。

図６は、図３および図４と同一の条件においてパラジウムの体積占有率ｆを５０％としたときの、基板２から膜３に入射したＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭの強度Ｉ／Ｉ_０の変化を、式（５）から算出した結果を示すグラフである。式（５）において、ｚは基板２と膜３との界面からの距離（深さ）、λはＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭの波長＝６００ｎｍ、ｋは膜３の見かけの消衰係数ｋ_ＴＥ，ｋ_ＴＭである。ここで、図４から、ｋ_ＴＥ＝２．５７、ｋ_ＴＭ＝０．０３３としている。
（５） Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ（−４πｋｚ／λ）

図６に示されるように、膜３の内部において、ＴＥ波Ｌ_ＴＥは、基板２と膜３との界面からの深さ（横軸）に応じて指数関数的に減衰するのに対し、ＴＭ波Ｌ_ＴＭは、ほとんど減衰することなく伝搬し続けることが分かる。

図７は、水素検出素子１の水素濃度ρに対する光Ｌの反射率Ｒ_ＴＥ（ρ），Ｒ_ＴＭ（ρ）を、式（１）および数１，数２から計算した結果である。なお、基板２の硝材として、ｎ_０＝１．７８４である光学ガラスＳＦ１１（Ｓｃｈｏｔｔ社商標）を想定して計算しているが、基板２の屈折率ｎ_０はこの値に限定されない。各水素濃度ρにおけるパラジウムの屈折率Ｎ_ｐｄは、文献「JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 107 (2010)，“Optical properties of Pd thin films exposed to hydrogen studies by transmittance and reflectance spectroscopy”」に添付の図６に基づいた値を使用している。

図１１は、上記文献の図６の水素圧力とパラジウム膜の屈折率との関係から、水素濃度とパラジウム膜の反射率との関係を算出して表わしたグラフである。すなわち、入射媒質を空気（ｎ_０＝１）とし、フレネルの式を用いてパラジウム膜の屈折率を反射率に換算している。また、水素気圧７６０ｔｏｒｒを水素濃度１００％とし、水素気圧を水素濃度に換算している。水素濃度が増加するとパラジウム膜の反射率は減少する傾向にあり、水素濃度０％における反射率（６２％）に対して、水素濃度６％付近において反射率（５５％）が最も大きく変化しており、そのときの反射率の変化量は１２％（＝１−５５％／６２％）である。

ここで、水素の爆発限界濃度は体積濃度で約４％であり、水素センサとしては４％よりも十分に低い濃度の水素に対して高い検出感度が要求される。しかしながら、特許文献１のセンサは、０％と０．５％とにおける反射光強度の変化量はわずか１％程度であり、低濃度の水素に対する感度が不十分である。これに対して、本実施形態によれば、図７に示されるように、水素濃度ρが０％以上４％以下の範囲においては、ＴＥ波Ｌ_ＴＥの反射率Ｒ_ＴＥ（ρ）が十分に大きな変化率で変化していることから、上記範囲の濃度の水素を高感度で検出することができることが分かる。一方、ＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射率Ｒ_ＴＭ（ρ）は、水素濃度ρに対して相関を有さず、略一定の値をとることが分かる。

図８は、水素検出素子１の反射率Ｒ（ρ）および比較例に係る水素検出素子の反射率ｒ（ρ）の、水素濃度ρに対する変化を比較したグラフである。比較例に係る水素検出素子は、膜３をバルク膜に代えたことを除いて本実施形態に係る水素検出素子１と同一の構造を有する。図８において、縦軸は、各水素濃度ρにおける反射率Ｒ（ρ），ｒ（ρ）を、水素濃度が０％のときの各反射率の値を１としてそれぞれ規格化した値を示している。

図８に示されるように、本実施形態に係る水素検出素子１の反射率Ｒ（ρ）は、水素濃度ρが０％以上４％以下の範囲において大きく変化し、その変化量はバルク膜を備える水素検出素子の反射率ｒ（ρ）と比べて約３倍である。したがって、本実施形態に係る水素検出素子１によれば、低濃度における水素濃度のわずかな変化をより大きな反射光Ｌ’の変化として検出することができ、十分に低濃度の水素を高感度で検出することができる。

また、図７に示されるように、ＴＥ波Ｌ_ＴＥの反射光Ｌ_ＴＥ’は低濃度の水素に対して感度良く変化するのに対し、ＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射光Ｌ_ＴＭ’は水素濃度に依らずに略一定の値となる。したがって、ＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射光Ｌ_ＴＭ’をリファレンスとして用いることにより、水素の検出精度をさらに向上することができる。例えば、ＴＥ波Ｌ_ＴＥの反射光Ｌ_ＴＥ’にノイズが混入した場合、ＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射光Ｌ_ＴＭ’はノイズの分だけ変動する。したがって、ＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射光Ｌ_ＴＭ’の変化量をＴＥ波Ｌ_ＴＥの反射光Ｌ_ＴＥ’から減算または除算することにより、反射光Ｌ_ＴＥ’含まれるノイズを除去することができる。

ここで、リファレンスとなるＴＭ波Ｌ_ＴＭの反射光Ｌ_ＴＭ’の強度をより大きくするために、膜３の光学膜厚は略λ／２とされていることが好ましい。λは、光Ｌの波長である。より詳細には、膜３の光学膜厚は、膜３の見かけの屈折率と膜厚との積で表わされるが、光Ｌの波長が６００ｎｍである場合、膜３のＴＭ波Ｌ_ＴＭに対する見かけの屈折率ｎ_ＴＭが１．４２７であるので、膜厚は約２１０ｎｍに設定されることが好ましい。

また、本実施形態に係る水素検出素子１によれば、膜３が溝４を有することにより、バルク膜に比べて膜３の表面積が大きくなり、水素分子との接触面積が大きくなる。これにより、水素分子が膜３に吸着する頻度が増加して水素濃度の変化に対する応答時間が速くなるので、水素の検出性能をさらに向上することができる。

なお、本実施形態においては、溝４が一の方向に直線状に形成されていることとしたが、溝４の形状はこれに限定されるものではなく、光Ｌの波長よりも小さい周期で形成されていればよい。溝４が他の形状とされていても、膜３の光Ｌに対する見かけの屈折率が小さくなることにより、基板２と膜３との界面における光Ｌの反射率Ｒを小さくし、水素の検出感度を向上することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る水素センサ１００について図９および図１０を参照して説明する。
本実施形態に係る水素センサ１００は、図９に示されるように、上述した水素検出素子１と、該水素検出素子１に基板２側から光Ｌを入射する光源部１１と、水素検出素子１からの反射光Ｌ’を検出する検出部１２とを備えている。

光源部１１は、光源１３として、例えば、ＬＥＤまたはレーザを備え、溝４の周期ｐよりも大きな波長とランダムな偏光を有する光Ｌを光源１３から水素検出素子１に照射する。図中、符号１４は、光源１３からの発散光Ｌを平行光にするコリメートレンズ、符号１５は、無位相ビームスプリッタを示している。無位相ビームスプリッタ１５は、光源１３からの光Ｌを水素検出素子１の方向に反射するとともに、水素検出素子１からの反射光Ｌ’を透過させる。このように、無位相ビームスプリッタ１５を用いることにより、膜３からの反射光（検出光）Ｌ’が無位相ビームスプリッタ１５を通過する際に、溝４に平行な偏光成分と垂直な偏光成分との間で位相差が生じないため、２つの成分を後述する偏光ビームスプリッタ１６にて適切に分離することができる。

検出部１２は、無位相ビームスプリッタ１５を透過した反射光Ｌ’を偏光方向によってＴＥ波Ｌ_ＴＥとＴＭ波Ｌ_ＴＭとに分離する偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）１６と、該偏光ビームスプリッタ１６によって分離されたＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭをそれぞれ受光する２つのフォトダイオード（光検出器）１７，１８と、これらのフォトダイオード１７，１８から出力された電圧（検出信号）Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭが入力され該電圧Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭの差を出力する減算器１９とを備えている。

次にこのように構成された水素センサ１００の作用について説明する。
本実施形態に係る水素センサ１００において、光源１３から出射されたランダムな偏光の光Ｌは、コリメートレンズ１４によって平行光束とされ、無位相ビームスプリッタ１５によって水素検出素子１の方向へ反射される。水素検出素子１に基板２側から入射した光Ｌのうち、溝４に平行な偏光方向を有するＴＥ波Ｌ_ＴＥは、基板２と膜３との界面において反射され、溝４に垂直な偏光方向を有するＴＭ波Ｌ_ＴＭは主に膜３と空気との界面において反射される。

水素検出素子１から出射した反射光Ｌ_ＴＥ’，Ｌ_ＴＭ’は、無位相ビームスプリッタ１５を透過し、一方の反射光Ｌ_ＴＥ’は偏光ビームスプリッタ１６によって反射され、他方の反射光Ｌ_ＴＭ’は偏光ビームスプリッタ１６を透過する。分離された各反射光Ｌ_ＴＥ’，Ｌ_ＴＭ’はフォトダイオード１７，１８によって別々に検出される。フォトダイオード１７，１８は、検出した反射光Ｌ_ＴＥ’，Ｌ_ＴＭ’の強度を電圧Ｉ_ＴＭ，Ｉ_ＴＥに変換して出力する。減算器１９は、２つの電圧Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭの差を出力する。

この場合に、本実施形態に係る水素センサ１００によれば、ＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭに共通のノイズδが加算されていた場合に、減算器１９においてノイズδが除去される。例えば、光源１３から偏光ビームスプリッタ１６までの光路の途中で外来光が光Ｌまたは反射光Ｌ’に混入した場合、外来光由来のノイズ電圧Ｉ_δは２つの電圧Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭに共通して含まれる。このノイズ電圧Ｉ_δは、減算器１９による減算計算において互いに相殺される。このように、水素濃度に対して略一定の値を有するＴＭ波Ｌ_ＴＭをリファレンスとして用いることにより、水素濃度をより正確に検出することができる。

なお、本実施形態においては、減算器１９により２つ電圧Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭの差を算出することとしたが、これに代えて、図１０に示されるように、除算器２０により２つの電圧Ｉ_ＴＥ，Ｉ_ＴＭの比を算出することとしてもよい。
このように除算器２０を備える水素センサ１００’は、ＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭに共通のノイズδが乗算されていた場合に、そのノイズδを除去することができる。例えば、光源１３から出力される照明光Ｌの明るさが変動する場合には、その明るさの変動によるノイズδ’が２つのＴＥ波Ｌ_ＴＥおよびＴＭ波Ｌ_ＴＭの強度に共通して乗算される。このようなノイズδ’を、除算器２０による除算計算において相殺することができる。

１ 水素検出素子
２ 基板
３ 膜
４ 溝
１１ 光源部
１２，１２’ 検出部
１３ 光源
１４ コリメートレンズ
１５ 無位相ビームスプリッタ
１６ 偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）
１７，１８ フォトダイオード（光検出器）
１９ 減算器
２０ 除算器
１００ 水素センサ

Claims (6)

1. 一方の面から光が入射され該光を透過させる基板と、
   該基板の他方の面に形成され、水素の吸着により光学的特性が変化する金属を主とする膜とを備え、
   該膜は、前記光の波長よりも小さい周期で表面方向に繰り返し形成された溝を有する水素検出素子。
2. 前記溝が、前記他方の面に沿う一の方向に直線状に形成されている請求項１に記載の水素検出素子。
3. 請求項１に記載の水素検出素子と、
   前記光を前記基板側から前記水素検出素子に入射する光源部と、
   前記水素検出素子からの前記光の反射光を検出する検出部とを備える水素センサ。
4. 前記溝が、前記他方の面に沿う一の方向に直線状に形成され、
   前記検出部が、前記水素検出素子からの前記反射光を前記溝の長手方向に平行な偏光と前記溝の長手方向に垂直な偏光とに分離する偏光分離素子と、該偏光分離素子によって分離された前記平行な偏光と前記垂直な偏光とをそれぞれ検出する２つの光検出器とを備える請求項３に記載の水素センサ。
5. 前記検出部が、前記２つの検出器から各前記偏光の検出信号が入力され、これら検出信号の差を出力する減算器を備える請求項４に記載の水素センサ。
6. 前記検出部が、前記２つの検出器から各前記偏光の検出信号が入力され、これら検出信号の比を出力する除算器を備える請求項４に記載の水素センサ。

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