JP6676350B2 - マイクロ・ナノファイバアレイに基づく流体センサ、その測定方法及び流体測定システム - Google Patents

Description

本発明は流体センサに関し、とりわけマイクロ・ナノファイバアレイに基づく流体センサ、その測定方法及び流体測定システムに関する。

流動場状態（速度の高低及び方向、流体粘性、密度などの特性など）の測定は、数々の分野で極めて重要な価値を有しており、これら測定されたデータはより高レベルで、価値のある分析のために基礎を提供している。

従来、熱式の流量計測装置が開発されている（特許文献１）。かかる熱式の流量測定装置では、サーモパイルおよび他のサーモパイルによって検出された温度の差分に基づいて、流路内を流れる測定対象流体を算出することで、精度の高い流量測定を可能としている。

特開２０１２−２３３７７６

従来技術において、流体センサの測定精度は１ｍｍ／秒程度のものしかなく、精密な測定には、より高い精度が望まれている。

上記の課題に鑑み、本開示は、流動場特性についてより高精度測定が可能で、サイズが小さい流体センサ、その測定方法及び流体測定システムを提供する。

本開示の流体センサは、平板構造を有する単一の基体と、マイクロ・ナノファイバアレイと、測定装置とを具備する流体センサであって、前記マイクロ・ナノファイバアレイは、複数本のマイクロ・ナノファイバがマイクロ・ナノファイバの延伸方向と前記単一の基体の前記平板構造の表面とがそれぞれ夾角になるように、一端が前記単一の基体の前記表面上にそれぞれ固定され、他端が自由端となって前記単一の基体の前記表面上にそれぞれ設けられている。

前記基体はカンチレバー構造を有し、前記測定装置は、前記カンチレバー構造の表面に入射する光を出射する光源と、前記カンチレバー構造の表面にて反射した光を受光する光検出器とを具備してもよい。

前記基体はカンチレバー構造を有し、前記測定装置は、前記カンチレバー構造の湾曲変形の度合いを検出するための検出装置であってもよい。

前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置は、前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の湾曲変形の度合いを検出するための検出装置であってもよい。

前記基体は両端が固定され、前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置は、前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向に配置されているイメージセンサを具備する検出器であってもよい。

前記基体は両端が固定され、前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置は、前記基体の一側に配置され、前記基体に設けられた前記マイクロ・ナノファイバアレイの延伸方向から入射する光を出射する光源と、前記基体の対向側に配置され、前記基体に設けられた前記マイクロ・ナノファイバアレイを透過するレーザ光を受光する光検出器とを具備してもよい。

本開示に係る流体測定システムであって、上記の各種の流体センサと信号処理装置を具備し、前記各種の流体センサは、前記基体と、前記光源と、前記光検出部とを具備し、前記マイクロ・ナノファイバアレイは、複数本のマイクロ・ナノファイバがマイクロ・ナノファイバの延伸方向と前記基体の表面とが夾角になるように、一端が前記基体の表面に固定され、他端が自由端となって前記基体の表面に設けられ、前記信号処理装置は、前記光検出器からの信号が入力される入力部と、入力された前記信号を処理する信号処理部と、処理された信号を制御する制御部と、前記制御部から受信した信号を外部に出力する出力部とを具備する。

従来技術に比較して、本開示の流体センサは、より高精度な流体測定を実現し、より微細な環境での流動場測定が求められる場合に用いることができる。

本開示の第１の実施形態に係る流体センサの概略図。 本開示の第１の実施形態に係る流体センサの概略図。 本開示に係る流体測定システムのブロック図。 本開示に係るマイクロ・ナノファイバアレイの配列の態様を例示した図。 本開示に係る流体センサによる流体の測定の原理図。 本開示の第２の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第２の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第３の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第４の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第４の実施形態に係るマイクロ・ナノファイバアレイに欠陥が導入された構造概略図。 本開示の第４の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第４の実施形態に係る流体センサによる流体の測定の原理図。 本開示の第５の実施形態に係る流体センサの構造概略図。 本開示の第５の実施形態に係る流体センサが流体を測定する原理図。

本開示に係る前記カンチレバー構造は、一端が固定される固定端と、他端が自由端とを備えており、前記マイクロ・ナノファイバアレイは前記固定端から離れた表面に設けられてもよい。

前記カンチレバー構造は平行で且つ対向している一対の表面、つまり第１の表面及び第２の表面を少なくとも含み、該マイクロ・ナノファイバアレイは前記カンチレバー構造の第１の表面及び／又は第２の表面に設けられてもよい。

前記マイクロ・ナノファイバアレイ中の複数本のマイクロ・ナノファイバは互いに間隔を置いて設けられており、各々の前記マイクロ・ナノファイバの直径ｄは２０μｍないし１００μｍであってもよく、各々の前記マイクロ・ナノファイバの長径比は１０〜１０００であってもよい。

各々の前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向と前記カンチレバー構造の第１の表面、第２の表面との夾角はほぼ９０度であってもよい。

前記マイクロ・ナノファイバアレイは、四方晶格の配列になる長方形アレイ、六方晶格の配列になる三角形アレイ、「蜂の巣」状の配列になる六角形アレイ、円形アレイであってもよく、流体の方向に向かって反時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ａアレイ、流体の方向に向かって時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ｂアレイ、流体の方向に対して先が流体の方向に向かって矢羽状に配列する矢羽状アレイ、または前記放射状Ａアレイ、前記放射状Ｂアレイもしくは前記矢羽状アレイは、それぞれ複数列が並列に並ぶようにしたアレイであってもよい。上記の各種の配列のアレイは、それぞれ同一の配列形状を繰り返し配列してなるアレイであってもよく、上記各配列形状が任意に組み合わせて配列してなるアレイであってもよい。

前記マイクロ・ナノファイバアレイの高さは５００μｍないし１０ｍｍであってもよい。

前記マイクロ・ナノファイバアレイ中の隣接する任意の二本のマイクロ・ナノファイバの距離Ｌと一本のマイクロ・ナノファイバの直径ｄとの比率、つまりマイクロ・ナノファイバアレイの配列密度ｄ／Ｌは、０．００１＜ｄ／Ｌ＜１でもよく、好ましくは０．０５＜ｄ／Ｌ＜１で、より好ましくは０．１＜ｄ／Ｌ＜１を満たすようにする。

各々の前記マイクロ・ナノファイバはカーボンナノチューブ束であり、該カーボンナノチューブ束は平行に配列されたカーボンナノチューブを複数本含み、該平行に配列された複数本のカーボンナノチューブはファンデルワールス力により密集させ束状構造になってもよい。

前記マイクロ・ナノファイバの材料は、カーボンナノチューブ、炭素繊維、フォトレジスト又はポリジメチルシロキサン、酸化亜鉛及びケイ素系複合材料であってもよい。

前記検出装置は前記カンチレバー構造の同じ側に位置しているレーザ出射器と光検出器とを更に備え、前記レーザ出射器が出射したレーザは前記カンチレバー構造の表面に入射し、前記光検出器は前記カンチレバー構造の表面にて反射したレーザ光を受光するようにしてもよい。

前記カンチレバー構造の同じ側に位置しているレーザ出射器と光検出器とを備える流体センサを用いて流体特性を測定する方法は、平板構造で、一端は固定端で他端は自由端である前記カンチレバー構造を有する前記流体センサを静態環境中に置くステップと、前記光検出器によって受光された前記カンチレバー構造の表面から反射されたレーザ光について、レーザのカンチレバー構造の表面における入射位置、入射夾角α、及び１回目の反射光点の位置を記録するステップと、前記流体センサに設けられたマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、レーザ出射器がレーザを出射する入射方向及びレーザ出射器とカンチレバー構造との相対的な位置が不変の下で、光検出器を移動させ、２回目の反射光点の位置を記録し、１回目と２回目との反射光点の位置ずれ量Δを得るステップと、前記反射光点の位置ずれ量Δ、レーザ入射位置から固定端までの距離ｌ_２、マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離ｌ_１、光検出器からカンチレバー構造の表面までの垂直投影点Ｄ、レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離としてのｌ_３、及びレーザ入射夾角αに基づいて流動場速度νを算出するステップとを含んでもよい。

前記カンチレバー構造の同じ側に位置しているレーザ出射器と光検出器とを備える流体センサを用いて流体特性を測定する方法は、該流体センサ中のカンチレバー構造は平板構造であって、前記カンチレバー構造の一端は固定端であり、他端は自由端である前記流体センサを静態環境中に置くステップと、レーザ出射器を用いてレーザを前記カンチレバー構造の表面に入射させて、更に前記レーザ出射器が前記カンチレバー構造の表面に入射するとともに反射された光を該光検出器で受光して、レーザのカンチレバー構造の表面での入射位置、入射夾角α、及び１回目の反射光点の位置を記録するステップと、上記流体センサ中のマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、レーザ出射器がレーザを出射する入射方向及びレーザ出射器とカンチレバー構造との相対的な位置が変わらないように維持し、光検出器を移動させ、２回目の反射光点の位置を記録し、１回目と２回目との反射光点の位置ずれ量Δを得るステップと、該反射光点の位置ずれ量Δ、レーザ入射位置から固定端までの距離ｌ_２、マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離ｌ_１、光検出器からカンチレバー構造の表面までの垂直投影点Ｄ、レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離としてのｌ_３、及びレーザ入射夾角αに基づいて流動場速度

を算出するステップとを含み、式中、ＥＩはカンチレバー構造の曲げ剛性、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径である。

前記カンチレバー構造は導電板であって、前記流体センサは他方の導電板と前記カンチレバー構造からなる平板コンデンサを更に備えており、前記マイクロ・ナノファイバアレイは前記カンチレバー構造における前記他方の導電板から離れた表面に設けられ、前記カンチレバー構造の湾曲変形による前記平板コンデンサの静電容量値の変化により流体特性を測定するようにしてもよい。

本開示の上記流体センサを用いて流体特性を測定する方法は、前記流体センサを静態環境中に置くステップと、流体センサを静態環境中に置いた平板コンデンサの静電容量値Ｃ_０を記録するステップであって、前記Ｃ_０は、

を有し、式中、εは誘電率、ａは前記カンチレバー構造の幅、ｌ_２は前記カンチレバー構造の長さ、ｄ_０は前記カンチレバー構造と他方の導電板との間隔である、ステップと、
上記流体センサ中の前記マイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、前記平板コンデンサの静電容量値Ｃ_１を記録するステップとを含み、前記Ｃ_１は、

を有し、式中、モーメント

で、ＥＩはカンチレバー構造の曲げ剛性で、Ｃ_Ｄは抵抗係数で、ρは流体密度で、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数で、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さで、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径で、ｌ_１は前記マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離である。平板コンデンサを静態環境中に置いたときに記録した静電容量値Ｃ_０及び流動場環境中での静電容量値Ｃ_１に基づいて、流動場速度

を算出する。

前記検出装置はイメージセンサであって、前記イメージセンサは前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向に配置してもよい。

前記基体は透明基体であってもよく、前記検出装置は前記基体の対向する両側にそれぞれ位置しているレーザ出射器と光検出器とを更に備えており、前記レーザ出射器が出射したレーザはマイクロ・ナノファイバの延伸方向で前記基体及びマイクロ・ナノファイバアレイを透過するものであり、前記光検出器は前記レーザ光を受光するようにしてもよい。

前記マイクロ・ナノファイバにおいて欠陥が導入されてもよい。

前記マイクロ・ナノファイバの構造的欠陥から基体表面までの距離は、前記マイクロ・ナノファイバの高さの１／２未満であり、好ましくは前記欠陥が基体表面からの距離が短いところに位置する。

前記マイクロ・ナノファイバアレイは、基体の一の表面に複数のアレイとして間隔を置いて設けてもよく、または基体の第１の表面と、第２の表面にそれぞれ設けてもよい。

従来技術と比べて、本開示の流体センサは以下の長所を備えている。

一、マイクロ・ナノファイバは極めて大きい長径比を有することで、μｍ／秒の測定精度を実現することができ、より微細な環境での流動場の測定が求められる場合に用いることができる。

二、マイクロ・ナノファイバは極めて良好な力学的性質及び極めて優れた弾性回復能力を備えることができ、素早い変形応答を提供することができ、検出信号を増大させるよう保証すると同時に、大きな変形での材料性質の喪失や装置の損傷を回避することができる。

三、マイクロ・ナノファイバ中に構造的欠陥を取入れることで、マイクロ・ナノファイバの動作流速範囲を広げることができると同時に、構造の安定性を更に増大させることができ、センサの感度を高めることができる。よって、該流体センサは測定精度が高く、サイズが小さいという長所を備える。同時に、該流体センサの測定方法は簡単で操作しやすく、感度が高い。

流体センサの構造を理解しやすくするために、次に、マイクロ・ナノファイバアレイを用いて流体性質を測定する動作原理を説明する。

一端が固定され、他端が規制されることなく自由端となっているマイクロ・ナノファイバアレイ全体を流体中に浸し、流体は例えば、気体（ガス）、または液体にすることができ、流体とマイクロ・ナノファイバアレイは直接接触しつつ互いに作用することから、該マイクロ・ナノファイバアレイは流動場作用によって湾曲変形するものであるが、この過程はカンチレバー構造が等分布荷重作用により湾曲することに簡素化することができる。流体力学理論により、等分布荷重は以下の通りである。

式中、Ｃ_Ｄは抵抗係数であって、レイノルズ数Re

の関数であり、ρは流体密度、νは流速、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、μは動粘性係数である。

該負荷ρの作用の下、マイクロ・ナノファイバの自由端撓みw

であり、式中、ｈはマイクロ・ナノファイバアレイの高さであり、ＥＩはマイクロ・ナノファイバアレイの曲げ剛性である。流速に１μｍ／秒の変化が発生したとき、マイクロ・ナノファイバの自由端の撓みの変化は以下の通りである。

常温・常圧の空気中にて、ρ＝１．２０４ｋｇ／ｍ^３、μ＝１．９８３×１０^−５ｋｇ／ｍ・ｓ、直径ｄ＝３０μｍのカーボンナノチューブ束に対して、Ｃ_Ｄを流速ν＝５ｍ／ｓ時の値３．１４とし、マイクロ・ナノファイバの曲げ剛性ＥＩは約１０^−１３レベルとする。マイクロ・ナノファイバの高さｈがｃｍレベルに達する場合に、Δｗはμｍレベルとなり、正確な測定を実現することができる。よって、マイクロ・ナノファイバアレイに基づく流体センサではμｍ／秒の測定精度を実現することができ、より微細な環境での流動場測定が求められる場合に用いることができる。

以下にて図面を参照しながら、本開示に係る流体センサを例示的に説明する。

＜実施形態１＞
図１には本開示に係る流体センサ１００が示されている。該流体センサは、主にカンチレバー構造を有する基体（以下単に「カンチレバー構造」という場合がある）１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、光源１０８と、光検出器１０４とを備えている。

図２は、本開示に係る流体センサ１００及びマイクロ・ナノファイバアレイ１０２に関する種々の変形例も含めて示している。

図２において、光源１０８は、軸Ｘ、Ｙ、Ｚの三次元におけるいずれの方向においても基体１０１に対して、相対的位置を変更することが可能であり、また光源１０８から基体１０１への光の入射角度も自由に調整することが可能になっている。光検出器１０４は、光源１０８からの光が基体１０１によって反射された光が検出可能な位置に設けられている。

光源として、ある程度のエネルギを出す光であれば足り、例えば、通常の照明に使われている白熱灯であってもよく、レーザ光源を備えるレーザ出射器を使ってもよく、LEDライトなどであってもよい。なお、本実施形態においては、レーザ出射器を光源とする。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、カンチレバー構造１０１の表面に設けられ、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は延伸方向が略一致しつつカンチレバー構造１０１の表面とで夾角δを形成している複数本のマイクロ・ナノファイバを含む。

図３には、流体センサ１００と信号処理装置１０７とによって構成される流体測定システム１００１が示されている。信号処理装置１０７は、光検出器１０４からの検出信号が入力される入力部１０７１と、入力された前記信号を処理する信号処理部１０７２と、処理された信号を制御する制御部１０７３と、制御部１０７３から受信した信号を外部に出力する出力部１０７４とを具備する。

入力部１０７１は、アナログ・フロント・エント（Analog Front End）と、A／Ｄ変換器と、メモリとを備えてもよく、信号処理部１０７２または制御部１０７３には、ＣＰＵ及びメモリを備えてもよい。制御部１０７３は、光源１０８に信号を出力して光源を制御することができるように出力部を介して接続されている。光源１０８は、制御部１０７３からの信号により、光源の位置、光源の出射角度、光の強度等について調整ができるように制御されてもよい。

レーザ出射器が出射したレーザはカンチレバー構造１０１の表面に入射する。光検出器１０４はカンチレバー構造１０１の表面にて反射したレーザ光を受光する。

具体的には、カンチレバー構造１０１の一端が固定される固定端１０１３であり、他端は規制されていない自由端１０１４となっている。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２がカンチレバー構造１０１の固定端１０１３から離れた位置の表面に設けられる。カンチレバー構造１０１は平行で且つ対向している一対の表面、つまり第１の表面１０１１及び第２の表面１０１２を含むことも可能である。本実施形態では、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、それぞれカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１又は第２の表面１０１２に設けられている。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は図２(a)〜(f)に示され配列の態様で配置されてもよい。具体的には、図２(a)〜(f)に示されたように、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、基体１０１の固定端１０１３から離れたところに基体１０１の表面と所定の角度δ（図１）をなすように設けられ、または基体１０１の第１の表面１０１１に設けられてもよく（図２(a）)、基体１０１の第２の表面１０１２に設けられてもよく（図２(b）)、基体１０１の第１の表面１０１１及び第２の表面１０１２に同時に設けられてもよく（図２(c）、(d)、(f))、または、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２が基体１０１の表面１０１１に複数箇所（２以上の箇所）に設けられてもよい（図２(e)）。

カンチレバー構造１０１の材料は、一定負荷条件下で、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２を支持できるように湾曲変形可能であって適度な剛性を備えることが望ましい。好ましくは、カンチレバー構造１０１の材料はヤング率Ｅが１０ＧＰａ≦Ｅ≦１０００ＧＰａであってもよく、好ましくは１００ＧＰａ≦Ｅ≦１０００ＧＰａである。カンチレバー構造１０１の形状、サイズ、導電性は測定環境によって定めることができる。

本実施形態において、カンチレバー構造１０１は一端が固定され他端は規制されていない自由端となるシリコーンシートとし、前記シリコーンシートの長さは２０ｍｍ、幅は５ｍｍ、高さ（厚さ）は０．６ｍｍとする。なお、前記シリコーンシートの長さ、幅及び厚さはこれに限られることはなく、例えば、前記高さ（厚さ）は、測定精度の観点から、０．１ｍｍ〜２ｍｍでもよく、好ましくは、０．１ｍｍ〜1ｍｍであり、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２はマイクロ・ナノファイバを複数本含み、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中の複数本のマイクロ・ナノファイバが互いに間隔を置いて設けられている。図４に示されたように、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、次に述べる種々の配列によって構成されるアレイにすることができる。

例えば、四方晶格の配列になる長方形アレイ（図４(a)）、六方晶格の配列になる三角形アレイ（図４(b)）、「蜂の巣」状の配列になる六角形アレイ（図４(c)）、流体の方向に向かって反時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ａアレイ（図４(d)）、流体の方向に向かって時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ｂアレイ（図４(e)）、流体の方向に対して先が流体の方向に向かって矢羽状に配列する矢羽状アレイ（図４(f)）、または円形アレイなどの配置である。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、前記の配列方法に限らず、その他の幾何形状になるように配置してもよい。また、前記図４(d)〜(f)の配列は、同じ傾斜角度を以て複数列が並行して配列してもよい（図４(g)、(h)、(i)）。

該マイクロ・ナノファイバアレイ１０２における隣接する二本のマイクロ・ナノファイバの距離をＬとし、一本のマイクロ・ナノファイバの直径をｄと定義すると、アレイの配列密度ｄ／Ｌは、センサの測定性能が最適化され、センサが高精度を維持する観点から、０．００１＜ｄ／Ｌ＜１でもよく、好ましくは０．０５＜ｄ／Ｌ＜１で、より好ましくは０．１＜ｄ／Ｌ＜１を満たす。

本実施形態において、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は六角形アレイとし、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２はカンチレバー構造を具備する基体１０１の第１の表面１０１１上に設けられていることにする。

前記マイクロ・ナノファイバの材料は、カーボンナノチューブ、炭素繊維、フォトレジスト、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、酸化亜鉛及びケイ素系複合材料などとしてもよい。前記カーボンナノチューブは、単層壁カーボンナノチューブ及び多層壁カーボンナノチューブからなる群から選択される少なくとも一つとしてもよい。前記単層壁カーボンナノチューブの直径は０．５ｎｍないし５ｎｍであってもよく、好ましくは、０．５ｎｍ〜２ｎｍで、より好ましくは０．５〜１．５ｎｍであり、前記多層壁カーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ〜１００ｎｍであってもよく、好ましくは、２ｎｍ〜５０ｎｍで、より好ましくは１．５ｎｍないし５ｎｍである。前記マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は略一致しつつ、前記カンチレバー構造１０１の第１の表面とで夾角δを形成している。

なお、マイクロ・ナノファイバアレイの製造工程又はその他外部要因の影響により、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は必ずしも一致するとは限らず、一定の誤差が存在し得るが、この誤差はマイクロ・ナノファイバアレイの全体構造には影響しない程度の誤差であることは了解される。

夾角δは、０°＜δ＜１８０°であってもよく、好ましくは０°＜δ≦９０°である。より好ましくは、夾角δはほぼ９０°であり、つまり前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向はカンチレバー構造１０１の第１の表面または第２の表面とほぼ垂直となる。これはマイクロ・ナノファイバが第１の表面とほぼ垂直となっているときに、流体センサの信号強度がより優れているからである。なお、本開示において、夾角δが「ほぼ９０°」または「ほぼ垂直」は、夾角が９０°に限らず、９０°±１０°の範囲内の場合も含まれることを意味する。

本実施形態において、前記各々のマイクロ・ナノファイバはカーボンナノチューブ束であり、前記カーボンナノチューブ束はカーボンナノチューブを複数本含み、前記カーボンナノチューブ束は、該平行して配列された複数本のカーボンナノチューブがファンデルワールス力により密集させられ束状構造となり、かつ各々のカーボンナノチューブの長さは前記カーボンナノチューブ束の高さに近い。前記平行して配列された複数本のカーボンナノチューブの延伸方向はほぼ同じでありつつ、カンチレバー構造１０１の第１の表面または第２の表面とほぼ垂直となってもよい。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２において、各々のマイクロ・ナノファイバの直径ｄは２０μｍないし１００μｍであってもよく、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２の高さは５００μｍないし１０ｍｍであってもよく、各々のマイクロ・ナノファイバの長径比は１０〜１０００であってもよい。好ましくは、前記各々のマイクロ・ナノファイバの直径ｄが３０μｍないし６０μｍであり、前記各々のマイクロ・ナノファイバの長径比は２０〜１００である。これはマイクロ・ナノファイバの長径比が大きくなるほど、同じ流速作用にて、微小な流れに対して生じる変形がより顕著となり、測定精度がより高くなるからである。ただし、長径比が大きすぎると、マイクロ・ナノファイバアレイの構造安定性が低下する。

光源１０８は本実施形態の場合レーザ出射器とし、光検出器１０４はカンチレバー構造１０１と間隔を置いて設けられ、カンチレバー構造１０１から反射された光を検出できるように設けられている。前記レーザ出射器はレーザを該カンチレバー構造１０１の表面に入射させるのに用いられ、前記レーザ入射位置は、入射光及び反射光がマイクロ・ナノファイバアレイ１０２に遮られないように確保する位置であればよい。光検出器１０４は入射レーザが反射した後の反射光の受光に用いられる。表面にマイクロ・ナノファイバアレイ１０２が設けられているカンチレバー構造１０１を流動場環境中に置くと、マイクロ・ナノファイバは流体作用の下で変形し、カンチレバー構造が湾曲し変形する。

光検出器１０４は、カンチレバー構造１０１の湾曲変形に起因する反射光の偏向の変化の監視に用いられ、さらに反射光の偏向による変化値を測定することで、流動場特性を測定する目的を実現する。本実施形態において、前記レーザ出射器はレーザをカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１上に入射させる。

次に、図１及び図５を合わせて参照しながら、本実施形態について具体的に説明する。本開示に係る上記流体センサ１００（図１）は、流動場特性の測定に用いることができ、具体的には以下のステップを含む。

ステップＳ１０、流体センサ１００を静態環境中に置き、レーザ出射器、光検出器１０４を起動するとともに、レーザがカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１に入射した位置、入射角α、及び１回目の反射光点の位置を記録する。

前記レーザ出射器が出射したレーザのカンチレバー構造上での入射位置点Ｏから固定端１０１３までの距離をｌ_２とし、レーザ入射光とカンチレバー構造との夾角をαとする。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２（重心位置を取る）の水平方向から固定端１０１３までの距離をｌ_１とする。

光検出器１０４のカンチレバー構造１０１の第１の表面上での垂直投影点をＤとし、前記レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離をｌ_３とすると、光検出器１０４は光点からカンチレバー構造１０１までの垂直距離がｌ_３ｔａｎαになることが測定により得られる。

ステップＳ１１、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２全体を被測定流動場環境中に置き、レーザ出射器がレーザを出射する入射方向及びレーザ出射器、光検出器１０４とカンチレバー構造１０１との相対的な位置が変わらないように維持し、光検出器１０４を通じて、２回目の反射光点の位置を直接読み取るとともに、１回目と２回目との反射光点の位置ずれ量Δを得る。

ステップＳ１２、光点の位置ずれ量Δ、レーザ入射位置から固定端までの距離ｌ_２、マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離ｌ_１、光検出器からカンチレバー構造の表面までの垂直投影点Ｄ、レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離としてのｌ_３、及びレーザ入射夾角α（図１及び図５）に基づいて、流動場速度νを算出する。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は流体中にて流体との相互作用によって変形するが、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２の流動場中での力が等分布荷重ｑとすると、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２が、カンチレバー構造１０１に接触する基部接続箇所にカンチレバー構造１０１に対してモーメントＭを印加し、Ｍ＝ｎｑｈ^２／２であり、式中ｈはマイクロ・ナノファイバの高さであり、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数である。

材料力学理論によれば、モーメントＭの作用にて、レーザ入射位置ｘ＝ｌ_２箇所にて、カンチレバー構造１０１の撓みｗ（ｌ_２）及び偏角θ（ｌ_２）は以下を満たす。

出力信号を増大させて、測定精度を向上するために、一般的にはｌ_２＞ｌ_１とする。式中、ＥＩはカンチレバー構造１０１の曲げ剛性である。

カンチレバー構造１０１に生じる撓み及び偏角はともにレーザの反射光の偏向を発生させるため、光検出器１０４上の光点にずれが生じる。しかし、ずれ量が生じる影響については、カンチレバー構造１０１の偏角の影響に比較して、カンチレバー構造１０１の撓みによる光点ずれは無視しても良いほど小さい。光点のずれ量Δは以下を満たす。

よって、

が得られる。

よって、光検出器１０４上の光点のずれ量に基づいて、所在の流動場特性の測定を実現することができる。

＜実施形態２＞
図６に本実施形態における流体センサ２００を示す。該流体センサ２００は主にカンチレバー構造を有する基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、検出装置１０５とを備えている。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、カンチレバー構造１０１の表面に設けられ、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、延伸方向が略一致しつつカンチレバー構造１０１の表面とで夾角δを形成している複数本のマイクロ・ナノファイバを含む。検出装置１０５は、カンチレバー構造の湾曲変形の度合いの検出に用いられる。

なお、カンチレバー構造１０１の材料、マイクロ・ナノファイバの材料及びマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の設置及び配列等については、実施形態１の場合と共通しているので、ここでは省略する。

検出装置１０５はカンチレバー構造１０１の湾曲変形の度合いの検出に用いられる。カンチレバー構造１０１の湾曲変形は、カンチレバー構造１０１表面に位置しているマイクロ・ナノファイバアレイ１０２が被検出流体に直接接触し、被検出流体がマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の自由端を湾曲させるために、カンチレバー構造１０１の湾曲変形をもたらすわけである。

本実施形態において、検出装置１０５はカンチレバー構造の湾曲変形による光位置変化をモニタリングするのに用いることができ、例えば検出装置１０５はレーザ出射器と光検出器１０４とからなるとし、該レーザ出射器が出射したレーザは前記カンチレバー構造の表面に入射し、該光検出器１０４は該カンチレバー構造の表面にて反射したレーザ光を受光する。

検出装置１０５は、カンチレバー構造の湾曲変形による電気的パラメータの変化のモニタリング用とすることも可能であり、例えばカンチレバー構造１０１は他方の導電板とで平板コンデンサを構成するとともに回路内に接続され、カンチレバー構造１０１の湾曲変形による平板コンデンサの静電容量変化を測定することでモニタリングを行う。

図７に本開示の第２の実施形態における流体センサ３００を示す。該流体センサ３００は主にカンチレバー構造を有する基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、レーザ出射器と、光検出器１０４とを備えている。カンチレバー構造１０１は平板構造であって、最大表面積を有して対向する二つの表面をそれぞれ第１の表面１０１１及び第２の表面１０１２として定義する。

カンチレバー構造１０１の一端は固定されており、固定端１０１３に対向する他端は自由端１０１４である。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２はカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１又は第２の表面１０１２上に設けられるとともに、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は略一致しつつ第１の表面とで夾角δを形成している。

レーザ出射器はカンチレバー構造１０１と間隔を置いて設けられるとともに、前記レーザ出射器が出射したレーザはカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１又は第２の表面１０１２に入射する。光検出器１０４は該レーザ出射器、カンチレバー構造１０１と間隔を置いて設けられ、かつ前記レーザ出射器のカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１又は第２の表面１０１２に入射した光が反射して光検出器１０４に受光される。

具体的には、本実施形態において、カンチレバー構造１０１は一端が固定され、他端は自由端１０１４となるシリコーンシートとなっており、前記シリコーンシートの長さは、本実施形態では２０ｍｍ、幅は５ｍｍ、高さ（厚さ）は０．６ｍｍとする。なお、前記シリコーンシートの長さ、幅及び厚さは、これに限らず、実施形態１の場合と同様、種々のサイズであり得る。特に、前記高さ（厚さ）は、測定精度の観点から、０．１ｍｍ〜２ｍｍでもよく、好ましくは、０．１ｍｍ〜1ｍｍであり、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、カンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１に設けられ、かつマイクロ・ナノファイバアレイ中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は第１の表面１０１１とほぼ垂直となっている。

前記レーザ出射器がカンチレバー構造１０１におけるマイクロ・ナノファイバアレイ１０２が設けられている表面に入射したときでも、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２がカンチレバー構造１０１の表面全てを覆うことのないようにして、反射光がマイクロ・ナノファイバアレイにより遮られ、測定精度に影響を及ぼすのを回避する。また、前記レーザ出射器がカンチレバー構造１０１におけるマイクロ・ナノファイバアレイ１０２が設けられていない表面に入射したときは、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２はカンチレバー構造１０１の他の表面を完全に覆うようにしてもよい。

前記レーザ出射器、光検出器１０４はカンチレバー構造１０１と間隔を置いて設けられている。前記レーザ出射器はレーザを該カンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１又は第２の表面１０１２に入射させるために用いられ、前記レーザ入射位置は、入射光及び反射光がマイクロ・ナノファイバアレイ１０２に遮られないように確保すればよい。

光検出器１０４は入射レーザが反射した後の反射光を受光するのに用いられる。表面にマイクロ・ナノファイバアレイ１０２が設けられているカンチレバー構造１０１を流動場環境中に置くと、マイクロ・ナノファイバは流体作用の下で変形し、カンチレバー構造を湾曲させる。光検出器１０４は、カンチレバー構造１０１の湾曲変形による反射光の偏向の変化をモニタリングし、さらに反射光の偏向による変化値を測定することで、流体特性を測定する目的を実現する。本実施形態において、前記レーザ出射器は、レーザをカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１上に入射させる。

次に、図７及び図５を参照しながら、本実施形態に係る流体特性の測定方法を説明する。本開示に係る上記流体センサ３００は、流体特性を測定するのに用いることができ、具体的な方法は例示として以下のステップを含む。

ステップＳ２０、流体センサ３００を静態環境中に置き、レーザ出射器、光検出器１０４を起動するとともに、レーザがカンチレバー構造１０１の第１の表面１０１１に入射した位置、レーザ入射角α、及び１回目の反射光点の位置を記録する。

前記レーザ出射器が出射したレーザのカンチレバー構造上での入射位置点Ｏから固定端までの距離をｌ_２とし、レーザ入射光とカンチレバー構造との夾角をαとする。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２（重心位置を取る）の水平方向から固定端までの距離をｌ_１とする。光検出器１０４のカンチレバー構造１０１の第１の表面上での垂直投影点をＤとし、前記レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離をｌ_３とし、光検出器１０４は光点からカンチレバー構造１０１までの垂直距離がｌ_３ｔａｎαになることが測定により得られる。

ステップＳ２１、流体センサ３００中のマイクロ・ナノファイバアレイ１０２全体を被測定流動場環境中に置き、レーザ出射器がレーザを出射する入射方向及びレーザ出射器、光検出器１０４とカンチレバー構造１０１との相対的な位置が変わらないように維持し、光検出器１０４を通じて、２回目の反射光点の位置を記録して、１回目と２回目との反射光点の位置ずれ量Δを得る。

ステップＳ２２、光点位置ずれ量Δ、レーザ入射位置から固定端までの距離ｌ_２、マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離ｌ_１、光検出器からカンチレバー構造の表面までの垂直投影点Ｄ、レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離としてのｌ_３、及びレーザ入射夾角αに基づいて、流動場速度νを算出する。なお、流動場速度νの算出方法は実施形態１の場合と同様であり、ここでは省略する。

＜実施形態３＞
図８には、本開示に係る第３の実施形態の流体センサ４００が示されている。該流体センサ４００は主に、カンチレバー構造有する基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、導電板１０６とを備えている。

該カンチレバー構造１０１は導電板構造であって、該カンチレバー構造１０１は導電板１０６とで平板コンデンサ３０１を構成する。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２はカンチレバー構造１０１における該他方の導電板１０６から離れた表面に設けられるとともに、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は該カンチレバー構造の表面とで夾角δを形成している。使用に際しては、流体センサ４００を閉回路（図示せず）中に置くことで、平板コンデンサ３０１の静電容量の変化を測定することができる。

本開示の第３の実施形態に係るマイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、第２の実施形態に係るマイクロ・ナノファイバアレイ１０２とほぼ同じであるが、以下の点が異なる。本第３の実施形態において、マイクロ・ナノファイバアレイは、平板コンデンサ３０１中のカンチレバー構造１０１の表面上に設けられ、該平板コンデンサ３０１はカンチレバー構造の湾曲変形による静電容量値の変化をモニタリングする。

該流体センサ４００を流動場環境中に置くと、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は流体作用の下で、カンチレバー構造１０１が湾曲変形し、それにより、カンチレバー構造１０１と導電板１０６との間の距離が変化し、さらに平板コンデンサ３０１の静電容量値が変化し、静電容量の変化量を通じて、あわせて流動場とマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の相互作用及びマイクロ・ナノファイバのカンチレバー構造１０１に対する荷重伝達により、流体特性を測定する目的を実現する。

次に、本実施形態に係る流体センサ４００を用いて流体特性を測定する方法について例示的に説明する。前記測定方法は主に以下のステップを含む。

ステップＳ３０、流体センサ４００を静態環境中に置き、平板コンデンサ３０１の静電容量値Ｃ_０を記録する。

流体センサ４００は静態環境中に置かれて、カンチレバー構造１０１が湾曲していないことから、該平板コンデンサ３０１の静電容量は以下の通りである。

式中、εは誘電率、ａはカンチレバー構造１０１の幅、ｌ_２はカンチレバー構造１０１の長さ、ｄ_０はカンチレバー構造１０１と他方の導電板１０６との間隔である。

ステップＳ３１、流体センサ４００中のマイクロ・ナノファイバアレイ１０２全体を被測定流動場中に置き、平板コンデンサ３０１の静電容量値Ｃ_１を記録する。

マイクロ・ナノファイバの流動場中で受ける力が等分布荷重ｑとすると、マイクロ・ナノファイバのカンチレバー構造１０１に接触する基部接続箇所には上平板に対してモーメントＭが印加されて、Ｍ＝ｎｑｈ^２／２であり、式中ｈはマイクロ・ナノファイバの高さであり、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数である。そして、

であるから、

材料力学理論によれば、モーメントＭの作用にて、該カンチレバー構造１０１の撓み曲線方程式は以下の通りである。

式中、ＥＩはカンチレバー構造１０１の曲げ剛性で、ｌ_１はマイクロ・ナノファイバアレイ１０２（重心位置を取る）の水平方向から固定端までの距離である。

該カンチレバー構造１０１がモーメントＭの作用下で湾曲したとき、コンデンサの静電容量値はＣ_１に変化し、つまり、

ステップ３２、平板コンデンサ３０１の記録した静電容量値Ｃ_０、Ｃ_１及び数式（１）〜（３）に基づいて、流動場速度νを算出する。

モーメントＭは流速νの関数であって、つまり静電容量の変化量は以下の通りであり、

式中、Ｆは流速νの関数であって、ΔＣはνの単調関数であるので、Ｆの逆関数Ｆ^−１が存在し、つまり、

つまり、

よって、コンデンサの静電容量変化値に基づいて、流体特性への測定を実現することができる。

＜実施形態４＞
次に、図９を参照しながら実施形態４を説明する。本実施形態に係る流体センサ５００は主に基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、検出装置１０５とを備えている。基体１０１の両端はいずれも固定端となっている。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は基体１０１の表面に設けられ、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は、延伸方向が略一致しつつ基体１０１の表面とほぼ垂直となる複数本のマイクロ・ナノファイバを含む。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの一端は基体１０１の表面に固定され、他端は自由端となっている。検出装置１０５はマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の自由端の湾曲変形の度合いを検出するのに用いられる。

基体１０１は主にマイクロ・ナノファイバアレイ１０２に対して支持を提供するのに用いられ、支持部材として機能する。基体１０１の形状、サイズ、材料は測定環境によって定まる。基体１０１の両端が固定端であることは、いずれも基体１０１の両端が後続の測定過程において変位による変化が発生しないことを意味し、とりわけ基体１０１の表面にほぼ垂直となる方向での位置が不変を維持することを意味する。

上述のとおり、前記マイクロ・ナノファイバアレイは前記図４(a)〜(i)に示された態様などで配置することが可能であるが、本実施形態において、前記マイクロ・ナノファイバアレイは六角形アレイ（図４(c)）とする。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は略一致しつつ、基体１０１の表面とほぼ垂直となる。

なお、前記マイクロ・ナノファイバの材料、前記マイクロ・ナノファイバの配列、サイズ、マイクロ・ナノファイバアレイにおける前記マイクロ・ナノファイバの配置等については、前記実施形態１で例示された態様も同様に適用できるので、ここで省略する。

さらに、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバ材料中に構造的欠陥を導入することができる。以下に、図１０を参照しながら本実施形態について説明する。

前記構造的欠陥は、前記マイクロ・ナノファイバアレイ中の各々のマイクロ・ナノファイバにて基体表面一端寄りの位置上に位置しており、前記各マイクロ・ナノファイバ上の構造的欠陥から基体表面までの距離は略一致しつつ、前記マイクロ・ナノファイバの高さの１／２未満である。前記各マイクロ・ナノファイバ上の構造的欠陥の位置は、基体の表面に近いほどよく、つまり基体の表面までの距離が短いほど好ましい。

前記各マイクロ・ナノファイバ上の構造的欠陥は、マイクロ・ナノファイバ材料の製造過程で形成された欠陥でもよく、意図的に導入した欠陥でもよい。また、前記各マイクロ・ナノファイバ上の構造的欠陥は、特に形状についての制限はなく、如何なる形状でもよい。前記各マイクロ・ナノファイバ上の構造的欠陥は、複数の異なる形状を有するもので集まって形成されたものであってもよい。また、同じ形状であってもよく、異なる形状でもよい。

マイクロ・ナノファイバ材料中に導入された構造的欠陥は、マイクロ・ナノファイバの臨界屈曲応力及び曲げ剛性を引き下げることができ、マイクロ・ナノファイバは流速が遅いときに屈曲が発生するようにすることで、構造の安定性を増強することができ、マイクロ・ナノファイバの動作流速範囲を広げることができる。同時に、構造的欠陥の導入後のマイクロ・ナノファイバは曲げ剛性が低下するので、ファイバの変形を更に増大させ、センサの感度を高めることができる。

検出装置１０５はマイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの湾曲変形の度合いの検出に用いられる。検出装置１０５はマイクロ・ナノファイバの湾曲変形によるマイクロ・ナノファイバの自由端の変位による変化をモニタリングするのに用いられ、例えば検出装置１０５はイメージセンサ１０３１であって、マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置ずれの変化値をモニタリングすることでモニタリングを行う。

検出装置１０５は、マイクロ・ナノファイバの湾曲変形による光強度の変化の監視に用いることができ、例えば、検出装置１０５はレーザ出射器と光検出器１０９とからなるものであってもよく、前記レーザ出射器が出射したレーザはマイクロ・ナノファイバの延伸方向で基体及びマイクロ・ナノファイバアレイを透過して、更に光検出器１０９により該レーザ光を受光してモニタリングする。

以下、図１１及び図１２を参照しながら、本開示に係る第４の実施形態の流体センサ６００について説明する。該流体センサ６００は主に基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、イメージセンサ１０３１とを備えている。基体１０１の両端はいずれも固定端となっている。マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は基体１０１の表面上に設けられるとともに、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は該基体１０１表面とほぼ垂直となる。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの一端は基体１０１の表面に固定されて、他端は自由端である。イメージセンサ１０３１はマイクロ・ナノファイバの延伸方向上に設けられることで、流動場環境におけるマイクロ・ナノファイバの自由端の位置変化を記録する。

該流体センサ６００を流動場環境中に置くと、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は流体作用の下で湾曲変形するので、マイクロ・ナノファイバの自由端に変位による変化が生じる。マイクロ・ナノファイバの自由端の位置ずれ変化値は、マイクロ・ナノファイバの自由端の撓み値となり、マイクロ・ナノファイバの自由端の流体中での撓み値に基づいて、流体特性を測定する目的を実現することができる。

上記流体センサ６００を用いて流体特性を測定する方法の例示として、主に以下のステップを含む。

ステップＳ４０、流体センサ６００を静態環境中に置き、イメージセンサ１０３１がマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の自由端の位置を記録する。

ステップＳ４１、流体センサ６００中のマイクロ・ナノファイバアレイ１０２全体を被測定流動場環境中に置き、イメージセンサ１０３１がマイクロ・ナノファイバアレイ１０２の自由端が移動した位置を記録して、マイクロ・ナノファイバアレイの自由端における２回の位置の変化値ΔＬを得る。

マイクロ・ナノファイバの流動場環境中における自由端の位置ずれ変化値ΔＬは、つまりマイクロ・ナノファイバの自由端の撓みｗとなることは了解される。

ステップＳ４２、自由端の変位変化値ΔＬに基づいて、流動場速度νを算出する。

前記マイクロ・ナノファイバは流動場の作用下で湾曲変形するが、前記マイクロ・ナノファイバへの負荷をｑとする。流体力学理論によれば、

となる。式中、Ｃ_Ｄは抵抗係数であって、レイノルズ数Ｒｅ=ρνｄ／μの関数であり、ρは流体密度、νは流速、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、μは動粘性係数である。材料力学理論によれば、該負荷ｑの作用の下、前記マイクロ・ナノファイバの自由端の撓み

であって、

式中、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さであり、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバの曲げ剛性である。

また、ΔＬ＝ｗがあり、つまり、

がある。

よって、イメージセンサ１０３１の監視により前記マイクロ・ナノファイバの自由端の位置変化値を得ることで、流体特性の測定を実現することができる。

＜実施形態５＞
図１３及び図１４を参照しながら、本開示に係る第５の実施形態における流体センサ７００を説明する。該流体センサは、主に基体１０１と、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２と、レーザ出射器と、光検出器１０９とを備えている。基体１０１の両端はいずれも固定端であり、該基体は透明基体である。

マイクロ・ナノファイバアレイ１０２は基体１０１の表面上に設けられ、かつマイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向は基体１０１表面とほぼ垂直となる。前記レーザ出射器及び光検出器１０９はそれぞれ基体１０１の両側に位置している。前記レーザ出射器が出射したレーザはマイクロ・ナノファイバアレイ１０２中のマイクロ・ナノファイバの延伸方向で基体１０１及びマイクロ・ナノファイバアレイ１０２を透過して、光検出器１０９は、該レーザ光の受光し、マイクロ・ナノファイバの湾曲によるレーザ入射強度の変化を得るのに用いられる。

次に、本実施形態における流体センサ７００を用いて流体特性を測定する方法を説明する。該測定方法は、主に以下のステップを含む。

ステップＳ５０、流体センサ７００を静態環境中に置き、レーザ出射器、光検出器１０９を起動して、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイ１０２を透過した後の光照射面積Ａ_１を記録する。

ステップＳ５１、流体センサ７００中のマイクロ・ナノファイバアレイ１０２全体を被測定流動場環境中に置き、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイ１０２を透過した後の光照射面積Ａ_２を記録する。

ステップＳ５２、マイクロ・ナノファイバアレイ１０２の変形前後におけるレーザ透過面積の比率に基づいて、流動場速度νを算出する。

前記マイクロ・ナノファイバは流動場の作用下で湾曲変形し、前記レーザ出射器が出射したレーザは下から上向きにマイクロ・ナノファイバアレイ１０２を透過したとき、アレイの湾曲変形に伴ってレーザの透過面積も変化し、変化後のレーザ透過面積と初期状態レーザ透過面積との比率ｋは以下の関係を満たす。

式中、Ａ_{ｔｏｔａｌ}はレーザ総照射面積、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバアレイの曲げ剛性、ρは流体密度、Ｃ_Ｄは抵抗係数である。

である。

よって、光検出器の監視に基づき前記マイクロ・ナノファイバの湾曲によるレーザ透過面積の変化比率値を得ることで、流体特性の測定を実現することができる。

本開示に係る流体センサは以下の長所を備えている。

マイクロ・ナノファイバは極めて大きい長径比を有することで、μｍ／秒の測定精度を実現することができ、より微細な環境での流動場測定が求められるに用いることができる。マイクロ・ナノファイバは極めて良好な力学的性質及び極めて優れた弾性回復能力を備えることができ、素早い変形応答を提供することができ、検出信号の増大を確保すると同時に、大きな変形での材料性質の喪失や装置の損傷を回避することができる。

マイクロ・ナノファイバ中に構造的欠陥を導入することで、マイクロ・ナノファイバの動作流速範囲を広げることができると同時に、構造の安定性をより一層増大させることができ、センサの感度を高めるので、該流体センサの測定精度を更に高めるとともに、該流体センサのサイズも相対的により小さな範囲内に抑えることができる。同時に、該流体センサの測定方法は簡単で操作しやすく、感度が高い。

本開示に係る流体センサは、前記カンチレバー構造の表面に設けられており、延伸方向が略一致しつつ前記カンチレバー構造の表面とで夾角を形成している複数本のマイクロ・ナノファイバを含むマイクロ・ナノファイバアレイと、前記カンチレバー構造の表面に入射するレーザを出射するレーザ出射器と、前記カンチレバー構造の表面にて反射したレーザ光を受光する光検出器と、を備えている。

本開示に係る他の流体センサは、基体と、前記基体の表面に設けられており、延伸方向が略一致しつつ該基体の表面とほぼ垂直となる複数本のマイクロ・ナノファイバを含み、一端が前記基体の表面に固定され、他端が自由端となっているマイクロ・ナノファイバアレイと、前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の湾曲変形の度合いを検出するための検出装置と、を備えている。

上記の流体センサを用いて流体特性を測定する方法は、該流体センサを静態環境中に置くステップと、イメージセンサで前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置を記録するステップと、前記流体センサ中のマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、該イメージセンサが前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置を記録し、マイクロ・ナノファイバアレイの自由端における２回の位置の変化値ΔＬを得るステップと、自由端の位置ずれ変化値ΔＬに基づいて、流動場速度

を算出するステップとを含み、式中、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバの曲げ剛性、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度である。

上記の流体センサを用いて流体特性を測定する他の方法は、該流体センサを静態環境中に置くステップと、レーザ出射器がレーザを出射して前記マイクロ・ナノファイバアレイに入射させて、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイを透過した後の光照射面積Ａ_１を記録するステップと、前記流体センサ中のマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイを透過した後の光照射面積Ａ_２を記録するステップと、マイクロ・ナノファイバアレイの変形前後におけるレーザ透過面積の比率に基づいて、流動場速度

を算出するステップとを含み、式中、κ＝Ａ_２／Ａ_１、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度、Ａ_{ｔｏｔａｌ}はレーザ総照射面積、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバの曲げ剛性である。

以上、本開示に係るマイクロ・ナノファイバアレイに基づく流体センサ、その測定方法及び流体測定システムについて例示的に説明したが、上記例示的な実施形態に限られることなく、当業者であれば本発明の技術的思想内でその他の変形ができ、当然のことながら、これら本発明の技術的思想に基づいて行われる変形は、本発明が保護を求める範囲内に含むものとする。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 流体センサ
１００１ 流体測定システム
１０１ 基体またはカンチレバー構造
１０２ マイクロ・ナノファイバアレイ
１０３1 イメージセンサ
１０４ 光検出器
１０５ 検出装置
１０６ 導電板
１０７ 信号処理装置
１０７１ 入力部
１０７２ 信号処理部
１０７３ 制御部
１０７４ 出力部
１０８ 光源
１０９ 光検出器
１０１１ 第１の表面
１０１２ 第２の表面
１０１３ 固定端
１０１４ 自由端
３０１ 平板コンデンサ

Claims (31)

1. 平板構造を有する単一の基体と、マイクロ・ナノファイバアレイと、測定装置とを具備する流体センサであって、
   前記マイクロ・ナノファイバアレイは、複数本のマイクロ・ナノファイバがマイクロ・ナノファイバの延伸方向と前記単一の基体の前記平板構造の表面とがそれぞれ夾角になるように、一端が前記単一の基体の前記表面上にそれぞれ固定され、他端が自由端となって前記単一の基体の前記表面上にそれぞれ設けられている流体センサ。
2. 前記基体はカンチレバー構造を有し、
   前記測定装置は、前記カンチレバー構造の表面に入射するレーザを出射するレーザ出射器と、前記カンチレバー構造の表面にて反射したレーザ光を受光する光検出器とを具備する請求項１に記載の流体センサ。
3. 前記基体はカンチレバー構造を有し、
   前記測定装置は、前記カンチレバー構造の湾曲変形の度合いを検出するための検出装置である請求項１に記載の流体センサ。
4. 前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置は、前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の湾曲変形の度合いを検出するための検出装置である請求項１に記載の流体センサ。
5. 前記カンチレバー構造は、一端が固定される固定端と、他端が自由端とを備えており、前記マイクロ・ナノファイバアレイは前記固定端から離れた表面に設けられている請求項２または３に記載の流体センサ。
6. 前記カンチレバー構造は平行で且つ対向している一対の表面である第１の表面及び第２の表面を少なくとも含み、前記マイクロ・ナノファイバアレイはそれぞれ前記カンチレバー構造の第１の表面及び／又は第２の表面上に設けられている請求項２または３に記載の流体センサ。
7. 前記マイクロ・ナノファイバアレイにおける複数本のマイクロ・ナノファイバは互いに間隔を置いて設けられており、各々の前記マイクロ・ナノファイバの直径ｄは２０μｍないし１００μｍであって、各々の前記マイクロ・ナノファイバの高さと前記直径との比は１０〜１０００である請求項１乃至４のいずれかに記載の流体センサ。
8. 各々の前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向と前記カンチレバー構造の第１の表面、第２の表面との夾角はほぼ９０度である請求項６に記載の流体センサ。
9. 前記マイクロ・ナノファイバアレイは、四方晶格の配列になる長方形アレイ、六方晶格の配列になる三角形アレイ、「蜂の巣」状の配列になる六角形アレイ、流体の方向に向かって反時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ａアレイ、流体の方向に向かって時計回りで流体の方向と所定の角度をなすように傾斜して配列する放射状Ｂアレイ、流体の方向に対して先が流体の方向に向かって矢羽状に配列する矢羽状アレイ、及び円形アレイからなる群から選ばれた少なくとも１種類以上を含む請求項１乃至８のいずれかに記載の流体センサ。
10. 前記放射状Ａアレイ、前記放射状Ｂアレイまたは前記矢羽状アレイは、それぞれ複数列が並列に並んでいる請求項９に記載の流体センサ。
11. 前記マイクロ・ナノファイバアレイの高さは５００μｍないし１０ｍｍである請求項１乃至１０のいずれかに記載の流体センサ。
12. 前記マイクロ・ナノファイバアレイ中の隣接する任意の二本のマイクロ・ナノファイバの距離Ｌと一本のマイクロ・ナノファイバの直径ｄとの比率、つまりマイクロ・ナノファイバアレイの配列密度ｄ／Ｌは０．１＜ｄ／Ｌ＜１を満たす請求項１乃至１１のいずれかに記載の流体センサ。
13. 各々の前記マイクロ・ナノファイバはカーボンナノチューブ束であり、前記カーボンナノチューブ束は平行して配置されたカーボンナノチューブを複数本含み、前記平行して配置された複数本のカーボンナノチューブはファンデルワールス力により密集させ束状構造になる請求項１乃至１２のいずれかに記載の流体センサ。
14. 前記マイクロ・ナノファイバの材料は、カーボンナノチューブ、炭素繊維、フォトレジスト又はポリジメチルシロキサン、酸化亜鉛及びケイ素複合材料のいずれである請求項１乃至１３のいずれかに記載の流体センサ。
15. 前記検出装置は前記カンチレバー構造の同じ側に位置しているレーザ出射器と光検出器とを更に備え、前記レーザ出射器が出射したレーザは前記カンチレバー構造の表面に入射し、前記光検出器は前記カンチレバー構造の表面にて反射したレーザ光を受光する請求項３に記載の流体センサ。
16. 前記カンチレバー構造は導電板であって、前記流体センサは他方の導電板と前記カンチレバー構造からなる平板コンデンサを更に備えており、前記マイクロ・ナノファイバアレイは前記カンチレバー構造における前記他方の導電板から離れた表面に設けられ、前記カンチレバー構造の湾曲変形による前記平板コンデンサの静電容量値の変化により流体特性を測定する請求項３に記載の流体センサ。
17. 前記検出装置はイメージセンサであって、前記イメージセンサは前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向に位置している請求項４に記載の流体センサ。
18. 前記基体は透明基体であり、前記検出装置は前記基体の対向する両側にそれぞれ位置しているレーザ出射器と光検出器とを更に備えており、前記レーザ出射器が出射したレーザはマイクロ・ナノファイバの延伸方向で前記基体及びマイクロ・ナノファイバアレイを透過するものであり、前記光検出器は前記レーザ光を受光する請求項４に記載の流体センサ。
19. 前記基体は両端が固定され、前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置はイメージセンサを具備する検出器であり、前記イメージセンサは前記マイクロ・ナノファイバの延伸方向に配置されている請求項１に記載の流体センサ。
20. 前記検出器によって検出された前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置の変化値に基づいて流動場速度νを算出することにより流体特性を測定することが可能である請求項１９に記載の流体センサ。
21. 前記基体は両端が固定され、前記夾角がほぼ９０度であり、前記測定装置は、前記基体の一側に配置され、前記基体に設けられた前記マイクロ・ナノファイバアレイの延伸方向から入射するレーザを出射するレーザ出射器と、前記基体の対向側に配置され、前記基体に設けられた前記マイクロ・ナノファイバアレイを透過するレーザ光を受光する光検出器とを具備する請求項１に記載の流体センサ。
22. 前記光検出器によって検出され静態環境に置かれた際のマイクロ・ナノファイバアレイの透過後の光照射面積Ａ_１と、前記光検出器によって検出され前記流体センサのマイクロ・ナノファイバアレイ全体が被測定流動場環境に置かれた際のマイクロ・ナノファイバアレイの透過後の光照射面積Ａ₂とに基づき、流動場速度νを算出することにより流体特性を測定することが可能である請求項２１に記載の流体センサ。
23. 前記マイクロ・ナノファイバにおいて欠陥が導入されている請求項１乃至２２のいずれかに記載の流体センサ。
24. 請求項１乃至請求項２３に記載の流体センサを用いて、流体特性を測定する測定方法。
25. 請求項１５に記載の流体センサを用いて流体特性を測定する測定方法であって、
    平板構造で、一端は固定端で他端は自由端である前記カンチレバー構造を有する前記流体センサを静態環境中に置くステップと、
    前記光検出器によって受光された前記カンチレバー構造の表面から反射されたレーザ光について、レーザのカンチレバー構造の表面における入射位置、入射夾角α、及び１回目の反射光点の位置を記録するステップと、
    前記流体センサに設けられたマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、レーザ出射器がレーザを出射する入射方向及びレーザ出射器とカンチレバー構造との相対的な位置が不変の下で、光検出器を移動させ、２回目の反射光点の位置を記録し、１回目と２回目との反射光点の位置ずれ量Δを得るステップと、
    前記反射光点の位置ずれ量Δ、レーザ入射位置から固定端までの距離ｌ_２、マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離ｌ_１、光検出器からカンチレバー構造の表面までの垂直投影点Ｄ、レーザ入射位置から投影点Ｄまでの距離としてのｌ_３、及びレーザ入射夾角αに基づいて流動場速度νを算出するステップとを含む測定方法。
26. 前記流動場速度νは、下式により算出され、
    

    

    式中、ＥＩはカンチレバー構造の曲げ剛性、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径である請求項２５に記載の測定方法。
27. 請求項１６に記載の流体センサを用いて流体特性を測定する方法であって、
    前記流体センサを静態環境中に置くステップと、
    流体センサを静態環境中に置いた平板コンデンサの静電容量値Ｃ_０を記録するステップと、
    上記流体センサ中の前記マイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場中に置き、前記平板コンデンサの静電容量値Ｃ_１を記録するステップと、を含み、
    

    

    を有しており、
    式中、εは誘電率、ａは前記カンチレバー構造の幅、ｌ_２は前記カンチレバー構造の長さ、ｄ_０は前記カンチレバー構造と他方の導電板との間隔、ＥＩはカンチレバー構造の曲げ剛性、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｌ_１は前記マイクロ・ナノファイバアレイの重心位置から固定端までの距離であり、
    平板コンデンサの記録した静電容量値Ｃ_０、Ｃ_１及び数式（１）〜（３）に基づいて、流動場速度
    

    

    を算出する測定方法。
28. 請求項１７に記載の流体センサを用いて流体特性を測定する測定方法であって、
    該流体センサを静態環境中に置くステップと、
    該イメージセンサで前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置を記録するステップと、
    前記流体センサ中のマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、該イメージセンサが前記マイクロ・ナノファイバアレイの自由端の位置を記録して、マイクロ・ナノファイバアレイの自由端における２回の位置の変化値ΔＬを得るステップと、
    自由端の位置ずれ変化値ΔＬに基づいて、流動場速度
    

    

    を算出するステップとを含み、式中、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバの曲げ剛性、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、Ｃ_Ｄは抵抗係数、ρは流体密度である測定方法。
29. 請求項１８に記載の流体センサを用いて流体特性を測定する方法であって、
    前記流体センサを静態環境中に置くステップと、
    レーザ出射器がレーザを出射して前記マイクロ・ナノファイバアレイに入射させて、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイを透過した後の光照射面積Ａ_１を記録するステップと、
    前記流体センサ中のマイクロ・ナノファイバアレイ全体を被測定流動場環境中に置き、レーザがマイクロ・ナノファイバアレイを透過した後の光照射面積Ａ_２を記録するステップと、
    マイクロ・ナノファイバアレイの変形前後におけるレーザ透過面積の比率に基づいて、流動場速度νを算出するステップとを含む測定方法。
30. 前記流動場速度は、下式によって算出され、
    

    

    式中、κ＝Ａ_２／Ａ_１、Ｃ_Ｄは抵抗係数、Ａ_{ｔｏｔａｌ}はレーザ総照射面積、ｎはマイクロ・ナノファイバの本数、ｄはマイクロ・ナノファイバの直径、ｈはマイクロ・ナノファイバの高さ、Ｅ_ｆｌ_ｆはマイクロ・ナノファイバの曲げ剛性である請求項２９に記載の測定方法。
31. 流体測定システムであって、前記流体測定システムは前記請求項２、１５、１８、２１のいずれか１項に記載の流体センサと信号処理装置と具備し、
    前記信号処理装置は、前記光検出器からの検出信号が入力される入力部と、入力された前記信号を処理する信号処理部と、処理された信号を制御する制御部と、前記制御部から受信した信号を外部に出力する出力部とを具備する流体測定システム。

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