JP7142124B2

JP7142124B2 - 水素ガス環境用歪センサおよび歪センサの使用方法

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Publication number: JP7142124B2
Application number: JP2021078429A
Authority: JP
Inventors: 英二丹羽
Original assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-09-26
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Description

特許法第３０条第２項適用学会予稿集での発表刊行物平成２９年電気学会全国大会講演論文集第３分冊第１８７～１８８頁発行日平成２９年３月５日

本発明は、水素ガス環境において歪を検出する歪センサおよび歪センサの使用方法に関する。

近時、家庭用燃料電池の普及、燃料電池自動車の出現、およびそれにともなう水素ステーションの建設等、水素エネルギー社会の実現に向けた動きが加速しつつある。水素ガスは、数十から数百ＭＰａといった高圧にして用いられることが多く、例えば自動車用途では、燃料として３５ＭＰａ、７０ＭＰａの高圧まで圧縮した水素をボンベに充填して用いており、そのような高圧水素ガス雰囲気で用いられるバルブや配管等の部材の引張強度等の機械特性の評価が求められており、このような高圧水素ガス雰囲気で機械特性を評価するための歪センサ（歪ゲージ）が求められている。

しかし、高圧水素ガス雰囲気では、材料に水素が侵入して水素脆化が生じ、歪センサに水素を原因とする特性の劣化や変動が生じるおそれがある。

これに対して、特許文献１では、水素ガス環境下で水素の影響を受けることなく安定した検出を行える歪ゲージ材料としてＦｅＣｒ系合金箔（Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ箔）を用いたものが記載されている。

特開２００８－６４５６９号公報

ところで、水素ガス環境下で適用可能な特許文献１の歪ゲージは構造が複雑で高価であり、またゲージ率は２．５程度であり、更なる高い感度が求められる。

したがって、本発明は、水素ガス環境下において高感度で歪を検出することができ、安価である歪センサおよび歪センサの使用方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、起歪体に絶縁体を介してＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜からなる受感部を形成した構造とすることにより、水素の影響を受けることなく、高圧水素ガス雰囲気中でも高感度で歪を検出できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）～（８）を提供する。

（１）水素ガス環境下で用いられる水素ガス環境用歪センサであって、起歪体と、起歪体上に形成された、Ｃｒ－Ｎ薄膜からなる受感部とを有し、
前記受感部は、無ひずみ時において、６０ＭＰａの水素中２４時間における出力変動率が３％以下であり、前記水素ガス環境下に保持された前記受感部により前記起歪体に生じた歪を検出することを特徴とする水素ガス環境用歪センサ。
（２）前記起歪体は金属からなり、前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、前記起歪体上に絶縁膜を介して形成されることを特徴とする（１）に記載の水素ガス環境用歪センサ。
（３）前記起歪体は絶縁材料からなり、前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、前記起歪体の上に直接形成されることを特徴とする（１）に記載の水素ガス環境用歪センサ。
（４）前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、絶縁材料からなる基板上に形成され、前記基板は前記起歪体上に接着されていることを特徴とする（１）に記載の水素ガス環境用歪センサ。
（５）前記絶縁材料は絶縁性セラミックスからなることを特徴とする（３）または（４）に記載の水素ガス環境用歪センサ。
（６）前記絶縁性セラミックスはジルコニアからなることを特徴とする（５）に記載の水素ガス環境用歪センサ。
（７）高圧水素ガス環境下で歪を検出することを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の水素ガス環境用歪センサ。
（８）絶縁性セラミックスまたは表面に絶縁膜を形成した金属からなる起歪体と、起歪体上に形成された、Ｃｒ－Ｎ薄膜からなる受感部とを有し、前記受感部が、無ひずみ時において、６０ＭＰａの水素中２４時間における出力変動率が３％以下である歪センサを、水素環境下に配置し、前記受感部により前記起歪体に生じた歪を検出することを特徴とする歪センサの使用方法。

本発明によれば、受感部としてＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜を用いるので高感度であり、水素ガスの影響を受けず、高圧力ガス雰囲気でも歪測定可能であるので、水素ガス雰囲気、特に高圧水素ガス雰囲気における歪センサとして好適である。また、構造がシンプルであり安価である。

本発明の第１～第３の実施形態に係る歪センサの概略構成を示す断面図である。本発明の歪センサを高圧水素ガス用の歪センサとして用いた場合の概略構成を示す図であり、（ａ）は２アクティブ４ゲージブリッジ回路を示し、（ｂ）は４アクティブのフルブリッジ回路を示す。窒素環境試験（試験１）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図である。窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験１）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図である。水素環境試験（試験１）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験１）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験１）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ～Ｃの出力の経過時間による変化を比較した図およびその際の経過時間によるガス圧および温度の変化を示す図である。水素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ～Ｃの出力の経過時間による変化を比較した図およびその際の経過時間によるガス圧および温度の変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。水素環境試験（試験２）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図である。水素環境試験（試験２）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験２）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験２）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験２）の際のサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。水素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。水素環境試験（試験２）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図である。水素環境試験（試験２）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。水素環境試験（試験２）におけるサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ～Ｄの出力の経過時間による変化を比較した図である。水素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ～Ｄの出力の経過時間による変化を比較した図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
ゲージ率が高い歪ゲージ材料としてＣｒ薄膜が知られている（例えば特開昭６１－２５６２３３号公報）。また、本発明者は、先に、ゲージ率が高く温度安定性が高い歪ゲージ材料としてＣｒ－Ｎ薄膜が有効であることを見出し、特許出願している（特許第３６４２４４９号公報、特開２０１５－０３１６３３号公報）。

Ｃｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜は、上述したようにゲージ率が高い材料であるが、今まで水素ガス雰囲気での適用については検討されていなかった。そこで、Ｃｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜への水素への影響を調べた結果、Ｃｒ－Ｎ薄膜の歪特性は水素の影響をほぼ受けないことが確認された。また、高圧水素ガス雰囲気中でも劣化しないことが確認された。さらに、Ｃｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜は、スパッタリング等により起歪体または基板に成膜すればよいので構造がシンプルで安価である。

次に、本発明の実施形態に係る歪センサについて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る歪センサの概略構成を示す断面図であり、（ａ）は第１の実施形態、（ｂ）は本発明の第２の実施形態、（ｃ）は第３の実施形態を示すものである。

これらの図において、符号１はダイアフラム等の起歪体である。図１（ａ）に示す第１の実施形態では、起歪体１は金属材料からなり、起歪体１の上に絶縁膜２を介してＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜からなる受感部３が形成されている。図１（ｂ）に示す第２の実施形態では、起歪体１は絶縁材料からなり、起歪体１の上に直接Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜からなる受感部３が形成されている。図１（ｃ）に示す第３の実施形態では、絶縁材料からなる基板４上にＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜からなる受感部３が形成され、この基板４が起歪体１上に貼り付けられている。いずれの場合にも、起歪体１に生じた歪を受感部３により検出する。

起歪体１は、力が作用することにより弾性変形が生じ、かつ水素に対する耐性を有するものが用いられる。弾性変形が大きいほど受感部３がより大きな電気信号を発生させることができる。起歪体１の材料としては、水素中で他の構造材や部材の機械特性を調べる場合には、第１の実施形態ではＳＵＳ３１６Ｌ等の水素脆化の小さい金属材料を用いることができ、第２の実施形態では絶縁性セラミックスを用いることができる。また、第３の実施形態では、ＳＵＳ３１６Ｌ等の水素脆化の小さい金属材料および絶縁性セラミックスのいずれも用いることができる。さらに、対象物の材料特性を調べる場合、その対象物を起歪体１として用いることもできる。

図１（ａ）に示す第１の実施形態において、絶縁膜２は起歪体１とＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜からなる受感部３との間に設けられ、スパッタリング等の薄膜技術により形成されるものであり、例えば水素脆化の無い絶縁性セラミックス膜やガスバリア性の高い塗布焼成型絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜２の厚さは、十分な絶縁抵抗や絶縁耐圧をとることが可能で、かつ、歪伝達性を良くするためにできるだけ薄い厚さが好ましく、例えば０．１～１０μｍの範囲が好ましい。

図１（ｃ）に示す第３の実施形態において、基板４は、受感部３を支持するものであり、絶縁膜、ポリイミド等の樹脂板、セラミックス板を用いることができる。高圧水素ガス雰囲気での使用を考慮すると、基板４としては、高圧ガス中でも変形のないものが好ましく、剛性が高い絶縁性セラミックス、例えばジルコニアが好ましい。基板４の厚さは、材質にもよるが、５～９０μｍの範囲が好ましい。

受感部３を構成するＣｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜は、連続膜に成膜可能でかつ分解能や感度を損なわない厚さであることが好ましく、そのような観点から０．０１～１０μｍであることが好ましい。

Ｃｒ薄膜は、Ｃｒと不可避不純物とからなり、１５程度以上の大きなゲージ率を有する。また、Ｃｒ－Ｎ薄膜は、Ｃｒ、Ｎおよび不可避不純物からなり、５以上の大きいゲージ率が得られるとともに、抵抗温度係数（ＴＣＲ）がほぼ０であるといった大きな利点がある。このような特性を得る観点から、Ｃｒ－Ｎ薄膜のＮの含有量は、原子％で０．０００１～３０％の範囲であることが好ましい。

受感部３を構成するＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜を成膜する手法は特に限定されないが、Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜の形成が可能な合金を原料とした蒸着法、ＣｒターゲットまたはＣｒ－Ｎ薄膜の形成が可能な合金ターゲット、複合ターゲットまたは多元ターゲットを用いたスパッタリング法、Ｃｒ－Ｎ薄膜の場合は、窒素ガスを含む成膜雰囲気を用いた反応性スパッタリング法、上記薄膜の形成が可能な原料を用いた気相輸送法、もしくはめっきを含む液相法等により成膜することができる。また、このような薄膜を形成する際に、マスク法などを用いて所望の形状の薄膜を形成してもよいし、薄膜を形成した後、ドライエッチング（プラズマエッチング、スパッタエッチング等）、化学エッチング（腐食法）、リフトオフ法、レーザトリミング法などのエッチングまたはトリミング加工などを施すことにより所望の形状に加工してもよい。さらに、Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜は成膜したままで使用してもよいが、大気中、非酸化性ガス中、還元性ガス中または真空中で２００℃以上１０００℃以下の温度の加熱処理を行うことが好ましい。

本発明の歪センサを高圧水素ガス用の歪センサとして用いる場合には、例えば図２（ａ）のような構成とすることができる。すなわち、起歪体に絶縁体を介して２つのアクティブゲージ素子１２が形成された起歪部１１と、固定基材の上にダミーゲージ素子１４が形成された固定部１３とを有し、２アクティブ４ゲージブリッジ回路を形成したものとする。そして、全体を高圧水素ガス容器１０内に設置する。これにより、圧力依存変化・温度依存変化を排除することができる。なお、図２（ｂ）に示すように、４つのゲージ素子１２の全部を起歪部１１上に載せる４アクティブのフルブリッジ回路も可能であり、その方が出力が２倍大きくなる。

以上のような構成の歪センサによれば、受感部を構成するＣｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜はゲージ率が高く、さらに、水素ガスの影響を受けずに歪を検出することができ、高圧水素ガス雰囲気中でも劣化しないことから、一般の大気圧から高圧に至るまで幅広い圧力範囲の水素ガス環境下における歪センサとして好適である。また、構造がシンプルであり安価である。圧力の上限は明らかではないが、１０００ＭＰａ程度の超高圧水素ガス環境下における歪センサとして期待される。

なお、本発明は上記実施形態に限らず本発明の要旨の範囲内で種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、歪センサのみについて示したが、本発明は上記歪センサを、力センサ、圧力センサ、加速度センサ、変位センサ、トルクセンサ、流量センサ、重量センサ等の各種力学量センサに適用することもできる。

以下、本発明の実施例について説明する。
［試料］
ここでは、１２．５μｍ厚のポリイミドベース（基板）の上に、５．２μｍ厚のＣｕＮｉ箔からなるゲージ材（受感部）が形成され、その上に１２．５μｍ厚のカバーが形成された市販品の歪ゲージ（サンプルＡ）と、３０μｍ厚のジルコニアベース（基板）の上に、０．５μｍ厚のＣｒ－Ｎ薄膜からなるゲージ材（受感部）を形成したサンプル（サンプルＢ）と、２５μｍ厚のポリイミドベース（基板）の上に、０．５μｍ厚のＣｒ－Ｎ薄膜からなるゲージ材（受感部）を形成したサンプル（サンプルＣ）、特許文献２に基づく株式会社共和電業製の市販品の歪ゲージ（ポリイミドベース（厚さ不明）の上に、１５μｍのＦｅＣｒ系合金箔からなるゲージ材（受感部）が形成されたもの）（サンプルＤ）を各１枚準備し、それらを３０ｍｍ角の大きさで厚さ１２ｍｍのＳＵＳ３１６製の塊状の金属ブロック上に接着して試験体とした。単純な金属ブロックはカンチレバーやダイアフラムなどのような起歪構造を持たないため、ガスの圧力が加わる以外は、試験体に外力による意図的な変形が加えられることはなく、すなわち、無ひずみの状態で試験が行われた。各サンプル（受感部）はそれぞれ高圧ガス容器外に置かれたブリッジボックス（ブリッジ回路を形成するための抵抗付接続端子回路）に接続し、信号として取り出した。

［窒素ガス環境試験］
窒素ガス環境試験は、サンプルＡ～Ｃを接着した試験体を高圧ガス容器内に装入し、容器内に窒素ガスを導入して３０ｍｉｎで６０ＭＰａまで圧力を上昇させ、６時間保持後、３０ｍｉｎで圧力を大気圧に戻す試験１と、サンプルＡ～Ｄを接着した試験体を高圧容器内に装入し、容器内に窒素ガスを導入して３０ｍｉｎで６０ＭＰａまで圧力を上昇させ、２４時間保持後、３０ｍｉｎで圧力を大気圧に戻す試験２とを行った。

［水素ガス環境試験］
水素ガス環境試験は、サンプルＡ～Ｃを接着した試験体を高圧ガス容器内に装入し、容器内に水素ガスを導入して３０ｍｉｎで６０ＭＰａまで圧力を上昇させ、６時間保持後、３０ｍｉｎで圧力を大気圧に戻す試験１と、サンプルＡ～Ｄを接着した試験体を高圧容器内に装入し、容器内に水素ガスを導入して３０ｍｉｎで６０ＭＰａまで圧力を上昇させ、２４時間保持後、３０ｍｉｎで圧力を大気圧に戻す試験２とを行った。

［結果］
図３は窒素環境試験（試験１）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図、図４は窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図、図５は窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図、図６は窒素環境試験（試験１）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。

また、図７は水素環境試験（試験１）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図、図８は水素環境試験（試験１）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図、図９は水素環境試験（試験１）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図、図１０は水素環境試験（試験１）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。

さらに、図１１は窒素環境試験（試験１）および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図、図１２は窒素環境試験（試験１）および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図、図１３は窒素環境試験（試験１）および水素環境試験（試験１）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。図１１～１３において、（ａ）が窒素環境試験（試験１）の結果であり、（ｂ）が水素環境試験（試験１）の結果である。

なお、図１４に窒素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ～Ｃの出力の経過時間による変化を比較して示し、図１５に水素環境試験（試験１）におけるサンプルＡ～Ｃの出力の経過時間による変化を比較して示す。

さらにまた、図１６は窒素環境試験（試験２）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図、図１７は窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図、図１８は窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図、図１９は窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。図２０は窒素環境試験（試験２）の際のサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。

さらにまた、図２１は窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図、図２２は窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図、図２３は窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミドのガス圧と出力との関係を示す図、図２４は窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。

さらにまた、図２５は水素環境試験（試験２）の際の容器内の経過時間による圧力変化を示す図、図２６は水素環境試験（試験２）の際のサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図、図２７は水素環境試験（試験２）の際のサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）の経過時間による出力変化を示す図、図２８は水素環境試験（試験２）の際のサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図、図２９は水素環境試験（試験２）の際のサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）の経過時間による出力変化を示す図である。

さらにまた、図３０は水素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ（ＣｕＮｉ箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図、図３１は水素環境試験（試験２）におけるサンプルＢ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ジルコニア）のガス圧と出力との関係を示す図、図３２は水素環境試験（試験２）におけるサンプルＣ（Ｃｒ－Ｎ薄膜／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図、図３３は水素環境試験（試験２）におけるサンプルＤ（ＦｅＣｒ系合金箔／ポリイミド）のガス圧と出力との関係を示す図である。

なお、図３４に窒素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ～Ｄの出力の経過時間による変化を比較して示し、図３５に水素環境試験（試験２）におけるサンプルＡ～Ｄの出力の経過時間による変化を比較して示す。

これらの試験においては、各サンプルに形成されたブリッジ回路に２Ｖの電圧を印加し、各サンプルの抵抗変化にともなって生じる電圧（ｅ）の変化を指示歪値ε（ε［ｋμε］＝２ｅ［ｍＶ／Ｖ］）で表し、出力として示した。

図４～６および図７～１０に示すように、窒素環境試験（試験１）および水素環境試験（試験１）において、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡに比較して極めて高い出力が得られることが確認された。そのことは、これらの結果をまとめた図１４および図１５に明確に示されている。また、図１１～１３は窒素環境試験（試験１）および水素環境試験（試験１）におけるガス圧と出力の関係を示すものであり、いずれの図も、手動で圧力上昇させたため直線的に圧力を上昇させることが難しくばらつきがみられるが、圧力を下げる際にはガスを抜くだけであるからリニアに圧力が変化し、出力は線形となっている。これらの中でＣｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、窒素環境および水素環境にかかわらず、圧力変化に対し直線性を示しており、特に、ジルコニア基板を用いたＢは極めて高い直線性を示すことが確認された。これに対し、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡは、高圧水素の影響により出力が大きく変動することが確認された。また、ポリイミド基板を用いたサンプルＡ、Ｃは、高圧保持時に基板の変形と思われる出力変化が生じたが、ジルコニア基板を用いたサンプルＢではそのような出力変化が見られなかった。

図２６～２９に示す２４時間の水素環境試験（試験２）の時間と出力の関係を、図１７～２０に示す２４時間の窒素環境試験（試験２）の時間と出力の関係と比較すると、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡ、ＦｅＣｒ系合金箔を用いたサンプルＤに比較して極めて高い出力が得られることが確認された。そのことは、これらの結果をまとめた図３４および図３５に明確に示されている。また、水素ガス圧を６０ＭＰａに保持した時間は、図２５から約２４時間（経過時間で約４０分時から約１５００分時までの間）であることを読み取ることができる。サンプルＡの結果を示す図２６において、最大出力値は－２．０７ｋμεであり、その約４０分時から１５００分時までの６０ＭＰａ保持期間内における出力値の負の最大値は１３６７分時の約－２．０７ｋμεであり、負の最小値は４０分時の約－０．１１ｋμεであることを読み取ることができる。同様に、図２７における最大出力値は－４．５３ｋμεであり、その約４０分時から１５００分時までの６０ＭＰａ保持期間内における出力値の負の最大値は１３６５分時の約－４．９８ｋμεであり、負の最小値は４０分時の約－４．８６ｋμεであることを読み取ることができる。また同様に、図２８における最大出力値は－５．３５ｋμεであり、その約４０分時から１５００分時までの６０ＭＰａ保持期間内における出力値の負の最大値は２５０分時の約－５．３５ｋμεであり、負の最小値は１５００分時の約－４．６４ｋμεであることを読み取ることができる。さらに同様に、図２９における最大出力値は－０．１７３ｋμεであり、その約４０分時から１５００分時までの６０ＭＰａ保持期間内における出力値の負の最大値は４０分時の約－０．１７３ｋμεであり、負の最小値は３３０分時の約－０．１６０ｋμεであることを読み取ることができる。それらの数値を用いて、図２６～２９から、水素中においてサンプルを６０ＭＰａで２４時間保持した時の最大出力値に対する出力の最大変動幅（図中４０分時から１５００分時までの６０ＭＰａ保持期間内における出力値の負の最大値と負の最小値の差）の割合出力変動率と定義すると、その出力変動率は、サンプルＡ、Ｂ、ＣおよびＤで、それぞれ約９５％、３％、１３％および８％と見積もることができる。これらの結果から、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、水素環境の影響をほぼ受けていないが、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡは、高圧水素の影響により出力が大きく変動することが確認された（例えば図２６のＦ）。また、ポリイミド基板を用いたサンプルＡ、Ｃは、高圧保持時に基板の変形と思われる出力変化が生じたが（例えば図２６のＥ、図２８のＧ）、ジルコニア基板を用いたサンプルＢではそのような出力変化が見られなかった。

図２１～２４に示す２４時間の窒素環境試験（試験２）のガス圧と出力の関係において、ポリイミド基板を用いたサンプルＡ、Ｃ、Ｄはいずれも、圧力上昇した場合と圧力降下した場合とで、基板の影響と思われるヒステリシスが見られたが、ジルコニア基板を用いたサンプルＢは、ほとんどヒステリシスが見られず、良好な直線性を示した。

図３０～３３に示す２４時間の水素環境試験（試験２）のガス圧と出力の関係において、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ，ＣおよびＦｅＣｒ系合金箔を用いたサンプルＤはいずれも水素の影響はほとんど受けていないが、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡは極めて大きな影響を受けていることが確認された。また、図３２と図３３を比較することにより、Ｃｒ－Ｎ薄膜のサンプルＣがＦｅＣｒ系合金箔のサンプルＤよりも出力は大きく、高圧水素ガス環境の影響が小さいことが確認された。

これらの結果から、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡ、ＦｅＣｒ系合金箔を用いたサンプルＤに比較して極めて高い出力が得られることが確認された。また、Ｃｒ－Ｎ薄膜を用いたサンプルＢ、Ｃは、高圧ガスの圧力変化に対して直線性の良い高感度な出力を示し、窒素と水素で大きな違いは見られなかった。このことから、歪センサの受感部としてＣｒ－Ｎ薄膜を用いることにより、高圧水素ガス雰囲気中で水素の影響をほとんど受けずに高感度で圧力（静水圧）を検出できることが確認された。ここで、Ｃｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜の大きなゲージ率の起源は半導体ゲージと同様のピエゾ抵抗効果と考えられ、シリコン（Ｓｉ）と同様に静水圧が検知できたことは、その証左と考えられる。とするならば、シリコンにおいてその効果は静水圧によるよりも引張や曲げなどの単軸的応力による方がはるかに大きいことが報告されている（五十嵐伊勢美、江刺正喜、藤田博之編集「マイクロオプトメカトロニクスハンドブック」朝倉書店，p.183（1997年））。すなわちＣｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜においても、得られた静水圧に対する感度よりもはるかに大きな単軸応力感度、すなわちゲージ率を示すことになる。よって、Ｃｒ薄膜およびＣｒ－Ｎ薄膜は、高圧水素ガス雰囲気中で水素の影響をほとんど受けずに高感度で歪を検出できることが確認された。ただし、上記の通り圧力（静水圧）に対する感度もある程度得られるため、段落００２３でも述べたように、圧力変動の影響を排除することが好ましい。一方、ＣｕＮｉ箔を用いたサンプルＡは、高圧水素の影響により出力が大きく変動することが確認された。また、Ｃｒ－Ｎ薄膜のサンプルＣがＦｅＣｒ系合金箔のサンプルＤよりも水素の影響が小さいことが確認された。

また、ポリイミド基板を用いたサンプルＡ、Ｃは、高圧保持時に基板の変形と思われる出力変化が生じたが、ジルコニア基板を用いたサンプルＢではそのような出力変化が見られず、高圧に対しては、樹脂であるポリイミド基板よりもセラミックスであるジルコニア基板のほうが好ましいことが確認された。なお、ジルコニア基板のサンプルＢとポリイミド基板のサンプルＣにおいて、窒素中と水素中で出力の変化挙動に大きな違いが見られないことから、ポリイミドへの水素の影響は小さく、水素環境用の歪センサとして十分利用可能と考えられる。

１；起歪体、２；絶縁体、３；受感部（Ｃｒ薄膜またはＣｒ－Ｎ薄膜）、１０；高圧水素ガス容器、１１；起歪部、１２；アクティブゲージ、１３；固定部、１４；ダミーゲージ

Claims

水素ガス環境下で用いられる水素ガス環境用歪センサであって、起歪体と、起歪体上に形成された、Ｃｒ－Ｎ薄膜からなる受感部とを有し、
前記受感部は、無ひずみ時において、６０ＭＰａの水素中２４時間における出力変動率が３％以下であり、前記水素ガス環境下に保持された前記受感部により前記起歪体に生じた歪を検出することを特徴とする水素ガス環境用歪センサ。
前記起歪体は金属からなり、前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、前記起歪体上に絶縁膜を介して形成されることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス環境用歪センサ。
前記起歪体は絶縁材料からなり、前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、前記起歪体の上に直接形成されることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス環境用歪センサ。
前記受感部をなすＣｒ－Ｎ薄膜は、絶縁材料からなる基板上に形成され、前記基板は前記起歪体上に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス環境用歪センサ。
前記絶縁材料は絶縁性セラミックスからなることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の水素ガス環境用歪センサ。
前記絶縁性セラミックスはジルコニアからなることを特徴とする請求項５に記載の水素ガス環境用歪センサ。
高圧水素ガス環境下で歪を検出することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素ガス環境用歪センサ。
絶縁性セラミックスまたは表面に絶縁膜を形成した金属からなる起歪体と、起歪体上に形成された、Ｃｒ－Ｎ薄膜からなる受感部とを有し、前記受感部が、無ひずみ時において、６０ＭＰａの水素中２４時間における出力変動率が３％以下である歪センサを、水素環境下に配置し、前記受感部により前記起歪体に生じた歪を検出することを特徴とする歪センサの使用方法。