JP2006300580A - 管内圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】、本発明の目的は、細径の流体流通管の内圧を十分な感度で測定することができ、構造が簡単で且つ測定の対象となる流体の流れに乱れが生じない管内圧力センサを提供すること。
【解決手段】体流通管１の内壁にフィルム状圧電素子２を貼り付けた管内圧力センサである。
流体流通管１の断面形状を円筒状または角形状である。
そして、フィルム状圧電素子２は、フィルム状の基板２１と、該基板２１の上面に形成される第一電極層２２と、該第一電極より上方に形成される圧電体層２３と、該圧電体層より上方に形成される第二電極層２４とを有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、管内の流体の圧力を測定するための管内圧力センサに関する。
より詳しくは、流体流通管の内壁に環状に変形させたフィルム状圧電素子を貼り付けた管内圧力センサに関する。

従来、管内を流れる流体中の圧力を測定するために、主として圧力センサが使用されている。
この圧力センサとしては、流体を流す管内から枝管を分岐させ、この枝管に取り付けて使用するもの、いわゆるシングルポート型のものが広く使われている。
しかし、このシングルポート型の圧力センサは、枝管内の流体を滞留させるために液体に、例えば変質等の悪影響を与える。
また枝管を設けるために圧力センサ装置自体が複雑な構造となる欠点がある。

このようなことから、分岐管を設けないで構造の圧力センサ、すなわちインライン型の圧力センサが開発されている（例えば特許文献１参照）。

このインライン型の圧力センサは、キャップ体の中に不凍液等の別の液体を封入させ該液体を介して感圧素子に圧力を伝える構造となっているため装置が複雑であり、また介在する部品が多いためにセンサとしての感度に限界がある。
そして、管内に突出した部分が存在するために流れに乱れが生じ易く、この乱流の発生によって流体に少なくとも悪影響を及ぼす欠点もある。
特開２００５−１００７８号公報

本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、細径の流体流通管の内圧を十分な感度で測定することができ、構造が簡単で且つ測定の対象となる流体の流れに乱れが生じない管内圧力センサを提供することを目的とする。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、フィルム状圧電素子を流体流通管の内壁に貼ることにより、上記の問題点を一挙に解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、流体流通管の内壁にフィルム状圧電素子を貼り付けた管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（２）、前記流体流通管の断面形状を円筒状にした上記（１）に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（３）、前記流体流通管の断面形状を角形状にした上記（１）に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（４）、前記フィルム状圧電素子は、多重巻きした上記（１）に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（５）、前記フィルム状圧電素子は、フィルム状の基板と、該基板の上面に形成される第一電極層と、該第一電極より上方に形成される圧電体層と、該圧電体層より上方に形成される第二電極層と、を有する上記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（６）、前記第一電極層と前記第二電極層との間には、短絡防止用の絶縁層が形成された上記（５）に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（７）、前記第一電極層及び前記第二電極層の材質は、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銅、チタン、タングステン、シリコン、マグネシウム、亜鉛、スズ、モリブデン、ニオブ、ジルコニア、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、イットリウム、ステンレス、黄銅又は青銅のうち少なくとも１種類を含む上記（５）に記載の管内圧力センサに存する。

すなわち、本発明は、（８）、前記圧電体層の材質は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのうち少なくとも１種類を主成分として含むものである上記（５）に記載の管内圧力センサに存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記（１）〜（８）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明によれば、流体流通管の内壁にフィルム状圧電素子を貼り付けたので、流体流通管の内壁面の全周に渡りフィルム状圧電素子を張り巡らすことができる。
そのため、該圧電素子の受圧面積を大きく取ることができるので、細径の流体流通管の内圧であっても、十分な感度で測定することができる。
また、管内に突出物が存在しないため管内を流れる流体の流れが乱れることがない。

また、流体流通管が円筒状の場合、フィルム状圧電素子であるためにスプリングバック力を生かして湾曲させることにより簡単に取り付けることができる。

またダイヤフラムの変形を読み取るための歪み素子等を必要とせず、圧力センサとしての構造がシンプルとなる。
また、フィルム状圧電素子を多重巻きにすることで、圧力センサとしての感度が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
〔第一実施形態〕
図１は本発明の管内圧力センサの第一実施形態に用いられるフィルム状圧電素子の流体流通管内壁への取付け形態を示している。
この第一実施形態の管内圧力センサでは、アクリル樹脂製の円筒状の細径の流体流通管１の内壁に、フィルム状圧電素子２が貼り付けられている。
このようなフィルム状圧電素子２は、丸めた際に発生するスプリングバック力により管壁に密着するように広がるため取り付けが簡単である。
フィルム状圧電素子２の端面は、流体が導電性の場合を考慮すると導通防止を施すことが好ましい。

以上のように、管内壁の周方向に沿ってフィルム状圧電素子２を貼り付けると、流体流通管１の内壁における周方向全体における圧力値の平均化を図ることができる。
また比較的高精度に圧力測定を行うことができる。
またフィルム状圧電素子２が管内壁に貼り付いているために、管内に突出することはなく乱流が生じにくい。

円筒状の流体流通管１の内壁にフィルム状圧電素子２を貼り付ける方法としては、例えば、紫外線硬化樹脂を流体流通管１の内壁に薄く塗布しておき、フィルム状圧電素子２を該樹脂上に仮貼付けしてから、透明のアクリル樹脂に紫外線を照射して硬化させる方法が挙げられる。

図２は、図１の流体流通管１の一部を拡大した形態を示している。
このフィルム状圧電素子２は、フィルム状の基板２１、第一電極層２２、圧電体層２３及び第二電極層２４を備えている。
基板２１は、第一電極層２２、圧電体層２３及び第二電極層２４を支持する機能を有するものであり、基板２１の材質には可撓性を有する薄い樹脂シートが用いられる。
また、基板２１の厚さは、第一電極層２２、圧電体層２３及び第二電極層２４を損傷することなく支持しつつ、基板２１が容易に変形する厚さが良く、例えば、０．１ｍｍとするのが好ましい。

樹脂基板の材質としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッカビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の内の少なくとも一種類を含むようにすると良い。

第一電極層２２及び第二電極層２４の材質としては導電性を有すれば良く、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銅、チタン、タングステン、シリコン、マグネシウム、亜鉛、スズ、モリブデン、ニオブ、ジルコニア、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、イットリウム、ステンレス、黄銅又は青銅のうち少なくとも一種類を含むようにすると良い。
また、第一電極層２２及び第二電極層２４の厚さは、０．００５μｍ〜５０μｍとするのが好ましい。
０．００５μｍより小さいと電極としての機能を十分に発揮することができなくなるからであり、また５０μｍを超えると、不必要に厚くなり材料が無駄になる上、湾曲性が低下するからである。

圧電体層２３の材質は、通常の圧電性を有するものであれば適用可能であり、特に限定されない。
ここで圧電性を有する材質の一例を挙げると、ペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）の複合酸化物が挙げられる。
Ａサイトとしては通常、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｂｉの中から選択される少なくとも一種類の元素が採用される。
またＢサイトとしてはＴｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｆｅの中から選択される少なくとも一種類の元素が採用される。

具体例としては、窒化アルミニウム薄膜、酸化亜鉛薄膜、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのうち少なくとも一種類を主成分として含むようにすると良い。

また、圧電体層２３は上述した材料とは異なり、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする材料としても良い。
ウルツ鉱型構造の化合物としては具体的には窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛又はヨウ化銀等があり、これらの中から一種類以上を主成分とすれば良い。

圧電体層２３の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法及びＭＯＣＶＤ法等が知られており、その中から好ましいものを適宜選択すると良い。
因みに、前述した電極層の形成方法も上記のような手法を適宜選択する。
圧電体層２３の厚さは０．１μｍ〜１０μｍとすることが好ましい。
０．１μｍ未満では圧力センサとして用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１０μｍを超えるとクラックや剥離が発生し易くなるからである。

本実施形態によれば、流体流通管１の内壁に環状に変形させたフィルム状圧電素子２を貼り付けたので、流体流通管１の内壁面の全周に渡り流体と接するフィルム状圧電素子２が存在することとなる。
そのため、該圧電素子２の受圧面積を大きく取ることができるので、細径の流体流通管１の内圧であっても、十分な感度で測定することができる。
また、フィルム状圧電素子２を使っているために、管内に貼り付ける場合にも、スプリングバック力を生かして湾曲させることにより簡単に取り付けることができ製造が容易である。

〔第二実施形態〕
図３は本発明の管内圧力センサの第二実施形態に用いられるフィルム状圧電素子の流体流通管内壁への取付け形態を示している。
この第二実施形態の管内圧力センサでは、アクリル樹脂製で形成された円筒状の細径の流体流通管１の内壁に、フィルム状圧電素子２が貼り付けられている。
フィルム状圧電素子２は、多重巻きにして環状に貼り付けられており、このようにフィルム状圧電素子２を多重巻きにすると、受圧面積が更に大きくなり、圧力センサとしての感度が向上する。

この場合も第１の実施の形態で述べたように、フィルム状圧電素子２の端面が導通しないように、導通防止を施すことが好ましい。

なお、この第二実施形態のフィルム状圧電素子２の構成は、第一実施形態のフィルム状圧電素子２と同一であるため、その説明は省略する。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、流体流通管１の径はフィルム状圧電素子２が極めて薄いものであるために小径のものから大径のものまで適用可能である。
また、流体流通管の断面形状は円筒状に限らず、楕円形、或いは四角形、８角形等の角形でも当然採用可能である。

また、圧電素子には、電極間の短絡を防止するために、圧電素子の材質によっては、第一電極層２２と第二電極層２４との間に絶縁層を形成することもある。
例えば、図４に示すように、圧電体層２３と第二電極層２４との間に絶縁層２５を形成しても良いし、図５に示すように、第一電極層２２と圧電体層２３との間に絶縁層２５を形成しても良い。

以下、実施例を挙げて説明するが、本発明は、当然、これらの実施例によって限定されるものではない。

図６は本発明の管内圧力センサが作動すること、及び圧力センサとしての実証性を確認するための実験装置を示している。
図に示すように、流体流通管１の両端にシリコンチューブ３Ａ，３Ｂを接続した。
一方のシリコンチューブ３Ａの一端には、外部の空気をシリコンチューブ３Ａ内に吸引するために、エアポンプ４を接続した。
下方のシリコンチューブ３Ｂの一端には、圧力測定のためのプラスチック製のエアチャンバ５（１１ｃｍ×７．５ｃｍ×３．５ｃｍ）を接続した。

このエアチャンバ５内に歪ゲージ６を設けて圧力測定器７に接続し、エアチャンバ５内の圧力を測定する。
なお、エアチャンバ５にはオリフィス付きのドレイン８を設け、内部圧力が一定値以上に上昇しないようにエアーを逃がすようにした。

流体流通管１は、アクリル製の円筒状部材（外径５ｍｍ、内径３ｍｍ）とした。
そして、この流体流通管１の内壁にフィルム状圧電素子２を貼り付けた。
ここではフィルム状圧電素子２の多重巻きの回数は１５回とした。
また、フィルム状圧電素子２の電極層に接続されたケーブル線をアクリル製の円筒状部材に設けた小穴から外部に引き出して圧力測定器７に接続した。
これで、流体流通管１内を流れる流体の圧力を測定する準備が整った。

ここでフィルム状圧電素子２の構造は、図５に示す構造と同一のものを使った。
具体的には、絶縁層２５として厚さ８．５μｍのポリイミドフィルムを用いた。
このポリイミドフィルムの片面に圧電体層２３として窒化アルミニウム膜をスパッタリングにより１μｍ形成した。

この圧電体層２３である窒化アルミニウム膜の上面には、第二電極層２４として、膜厚０．１μｍのＰｔ膜を形成した。
また、ポリイミドフィルムのもう一方の面には、第一電極層２２として、第二電極層２４と同一の条件で、膜厚０．１μｍのＰｔ膜を形成した。
そして、第一電極層２２にフィルム状の基板２１として厚さ５μｍのポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）フィルムをシリコン系接着剤を用いて貼り付け、フィルム状圧電素子２を形成した。

以上の準備の後、エアポンプ４を作動させた。
すると、シリコンチューブ３Ａ，３Ｂ及び流体流通管１内にエアが流れ、エアチャンバ５内にエアが流入した。
しばらくの間、エアポンプ４を作動させておくと、ドレイン８からのエアの逃げ量とエアポンプ４からのエアを送出量とが等しくなり、多少の圧力変動が生じる定常状態となった。
そこで、この状態で３秒間圧力測定を行った。
その最初の秒間の結果を図７に示す。

図７は、図６の圧力測定器によって観測された出力値の比較を示す説明図であり、縦軸は電圧値（Ｖ）、横軸は時間（ｓ）を示す。
図に示すように、フィルム状圧電素子２による測定値とエアチャンバ５内の歪ゲージ６による測定値とは相違しているが、これは、シリコンチューブ３Ｂ内等で圧力損失が発生するからと考えられる。
また、両出力とも周期は等しく、フィルム状圧電素子２の出力には、図中丸印で示す部分にエアチャンバ５のエア入口部からの反射波が観測された。
すなわち、フィルム状圧電素子２の感度は、かかる反射波をも的確に観測することができる程度に高感度であることが分かった。
なお追加実験として、流体流通管１の断面形状を８角形（すなわち内壁が８角形で最大内長４ｍｍ）のものを使って、上述の実験に準じて実験を行ったが、ほぼ同様な効果を得ている。

図１は、本発明の管内圧力センサの第一実施形態に用いられるフィルム状圧電素子の流体流通管内壁への取付け形態を示す説明図である。 図２は、図１の流体流通管の一部を拡大した形態を示す説明図である。 図３は、本発明の管内圧力センサの第二実施形態に用いられるフィルム状圧電素子の流体流通管内壁への取付け形態を示す説明図である。 図４は、フィルム状圧電素子の変形例を示す説明図である。 図５は、フィルム状圧電素子の別の変形例を示す説明図である。 図６は本発明の管内圧力センサが作動すること、及び圧力センサとしての実証性を確認するための実験装置を示す説明図である。 図７は、図６の圧力測定器によって観測された出力値の比較を示す説明図であり、縦軸は電圧値（Ｖ）、横軸は時間（ｓ）を示す。

符号の説明

１ 流体流通管
２ フィルム状圧電素子
２１ 基板
２２ 第一電極層
２３ 圧電体層
２４ 第二電極層
２５ 絶縁層
３Ａ，３Ｂ シリコンチューブ
４ エアポンプ
５ エアチャンバ
６ 歪ゲージ
７ 圧力測定器
８ ドレイン

Claims (8)

1. 流体流通管の内壁にフィルム状圧電素子を貼り付けたことを特徴とする管内圧力センサ。
2. 前記流体流通管の断面形状を円筒状にしたことを特徴とする請求項１に記載の管内圧力センサ。
3. 前記流体流通管の断面形状を角形状にしたことを特徴とする請求項１に記載の管内圧力センサ。
4. 前記フィルム状圧電素子は、多重巻きしたことを特徴とする請求項１に記載の管内圧力センサ。
5. 前記フィルム状圧電素子は、フィルム状の基板と、該基板の上面に形成される第一電極層と、該第一電極より上方に形成される圧電体層と、該圧電体層より上方に形成される第二電極層と、を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の管内圧力センサ。
6. 前記第一電極層と前記第二電極層との間には、短絡防止用の絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項５に記載の管内圧力センサ。
7. 前記第一電極層及び前記第二電極層の材質は、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銅、チタン、タングステン、シリコン、マグネシウム、亜鉛、スズ、モリブデン、ニオブ、ジルコニア、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、イットリウム、ステンレス、黄銅又は青銅のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項５に記載の管内圧力センサ。
8. 前記圧電体層の材質は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのうち少なくとも１種類を主成分として含むものであることを特徴とする請求項５に記載の管内圧力センサ。
   

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