JP7152768B2

JP7152768B2 - 流速計

Info

Publication number: JP7152768B2
Application number: JP2019011422A
Authority: JP
Inventors: 勲下山; 智之 ▲高▼畑; 英俊高橋; タンヴィングェン; 岳大萩原
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: JP2020118604A

Description

本発明は、流速計に関するものである。

海洋生物の遊泳性能を評価するためには、海洋生物と周囲の水との相対速度を測定することが重要である。相対速度を測定することにより、海洋生物の移動速度を求めることができる。相対速度を得るためには、海洋生物の体表面に流速計を取り付けて、海洋生物の周囲の水を流速測定対象として、水の流速を測定することが望ましい。流速計は、海洋生物の遊泳を妨げないように小型であることが求められる。

流体の流速を計測する流速計として、構造が簡単で小型であるピトー管を用いたものが知られている。例えば、特許文献１には、全圧孔と静圧孔とを有するピトー管と、全圧孔の全圧と静圧孔の圧力との差圧を検出する差圧検出器とを備えた流速計が記載されている。流速計は、全圧孔が流体の流れに対して正対した方向に開口し、静圧孔が流体の流れに対して正対しない方向に開口する。流速は、ピトー管により得られた全圧と静圧との圧力の差（差圧）を動圧として、ベルヌーイの式を適用することにより求めることができる。

特開２００４－２９４１４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載される流速計は、例えば液体中の気泡や空気中の塵などがピトー管に入ってしまい、流速の測定精度が低下する。特に、水中と空気中とを移動する海洋生物の移動速度を測定する場合は、海洋生物が水中に飛び込む際に気泡がピトー管に入り易いので、流速を正確に計測することが難しい。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、精度よく流速を計測できる流速計を提供することを目的とする。

本発明の流速計は、流体の流れに対して正対した方向に開口する全圧孔と、前記全圧孔と接続し、前記流体の流れに対して正対しない方向に開口する静圧孔とを有するピトー管と、前記全圧孔を密封する全圧孔シール部材と、前記静圧孔を密封する静圧孔シール部材と、前記ピトー管に設けられ、前記全圧孔シール部材側の第１の圧力と前記静圧孔シール部材側の第２の圧力との差圧を検出する差圧検出部とを備える。

本発明の流速計によれば、精度よく流速を計測できる。

流速計の概略を示す斜視図である。差圧検出部の平面図である。図２ＡのＢ－Ｂ線端面を示す端面図である。ピエゾ抵抗層の形成を説明する説明図である。電極層の形成を説明する説明図である。電極層とピエゾ抵抗層のパターン形成を説明する説明図である。電極層のパターン形成を説明する説明図である。弾性膜の形成を説明する説明図である。基板のハンドル層と絶縁層のエッチングを説明する説明図である。流速計の端面図である。流速計の作用を説明する説明図である。流速計の校正結果を示すグラフである。流速計の応答を測定した結果を示すグラフである。抵抗変化率と移動速度の関係を示すグラフである。

［第１実施形態］
図１は、流速計１０の概略を示す斜視図である。流速計１０は、流体の中に配置され、周囲の流体との相対的な速度を計測するためのものである。

図１に示すように、流速計１０は、ピトー管１１と、差圧検出部１２と、全圧孔シール部材１３と、静圧孔シール部材１４と、圧力伝達媒体１５とを備える。

ピトー管１１は、差圧検出部１２と圧力伝達媒体１５とを収容する。ピトー管１１は、例えば、金属、ガラスまたはプラスチックにより形成される。プラスチックとしては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂などが用いられる。ピトー管１１は、例えば３Ｄプリンタを用いて作製することができる。

ピトー管１１は、全圧孔１６と静圧孔１７とを有する。全圧孔１６は、流体の流れに対して正対した方向に開口する。全圧孔１６は、後述する全圧孔シール部材１３で密封されている。静圧孔１７は、ピトー管１１の内部で全圧孔１６と接続している。静圧孔１７は、流体の流れに対して正対しない方向に開口する。静圧孔１７は、後述する静圧孔シール部材１４で密封されている。図１では、全圧孔１６と静圧孔１７とは互いに直交する方向に開口する。

差圧検出部１２は、ピトー管１１の内部に設けられる。差圧検出部１２は、図１では、全圧孔１６と静圧孔１７との間に配置されている。差圧検出部１２は、全圧孔シール部材１３側の第１の圧力と静圧孔シール部材１４側の第２の圧力との差圧を検出する。本実施形態では、差圧検出部１２は、第１の圧力としての全圧孔１６の全圧と、第２の圧力としての静圧孔１７の静圧との差圧を検出する。全圧孔１６の全圧と静圧孔１７の静圧は、後述する圧力伝達媒体１５により伝達される。

差圧検出部１２は、センサチップ１８に取り付けられている。差圧検出部１２は、ワイヤボンディングにより後述する電極層３３（図２Ａおよび図２Ｂ参照）とセンサチップ１８の電極パッド（図示なし）とが電気的に接続されている。

図２Ａおよび図２Ｂを用いて差圧検出部１２を説明する。図２Ａは、差圧検出部１２の平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ－Ｂ線端面を示す端面図である。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、差圧検出部１２は、ベース２１と、カンチレバー部２２と、弾性膜２３とを有する。

ベース２１は、カンチレバー部２２と弾性膜２３とを支持する（図２Ｂ）。ベース２１の形状は、例えば平面視において、矩形、多角形、円形、楕円形などである。図２Ａでは、ベース２１の形状は平面視において正方形とされている。ベース２１の一辺の長さは３ｍｍとした。

ベース２１は、厚み方向に開口する開口部２４を有する（図２Ｂ）。開口部２４は、ベース２１の中心に設けられている。開口部２４の形状は、例えば平面視において、矩形、多角形、円形、楕円形などである。図２Ａでは、開口部２４の形状は平面視において円形とされている。開口部２４の直径Φは２ｍｍとした。

図２Ｂに示すように、ベース２１は、基板３１と、ピエゾ抵抗層３２と、電極層３３とを有する。

基板３１は、ハンドル層３１ａと、絶縁層３１ｂと、デバイス層３１ｃとが順に積層された構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板である。この例では、基板３１はＰ型ＳＯＩ基板である。ハンドル層３１ａとデバイス層３１ｃは、例えばＳｉなどにより形成される。絶縁層３１ｂは、例えばＳｉＯ_２などにより形成される。ハンドル層３１ａの厚みは２５０μｍである。絶縁層３１ｂの厚みは０．４μｍである。デバイス層３１ｃの厚みは０．３μｍである。

ピエゾ抵抗層３２は、基板３１のデバイス層３１ｃ上に設けられている。ピエゾ抵抗層３２は、デバイス層３１ｃの表面に不純物をドーピングし、デバイス層３１ｃの表面の一部をＮ型又はＰ型半導体としたものである。ピエゾ抵抗層３２の厚みは０．１μｍである。

電極層３３は、ピエゾ抵抗層３２上に設けられている。電極層３３は、例えば図示しない下地層としてのＣｒ層と導電層としてのＡｕ層とからなる。電極層３３は、例えば、スパッタリング法を用いてＣｒ層とＡｕ層とを形成し、フォトリソグラフィとウェットエッチングを行うことによりパターン形成する。電極層３３の厚みは０．２μｍである。

カンチレバー部２２は、一端がベース２１と接続し、他端が開口部２４に配置されている。すなわち、カンチレバー部２２は片持ち梁構造を有する。カンチレバー部２２は、より具体的には、一端がベース２１に接続された２つの梁と、各梁の他端同士を接続する接続部とを有する構造とされている。２つの梁は互いに平行に配置されている。接続部は各梁に対して直角に配置されている。カンチレバー部２２は、長さが５０μｍ、幅が６０μｍ、厚さが０．３μｍである。カンチレバー部２２の梁の幅は２５μｍである。

カンチレバー部２２は、デバイス層３１ｃとピエゾ抵抗層３２とにより形成されている。カンチレバー部２２は、一面側（例えばピエゾ抵抗層３２側）の圧力と他面側（例えばデバイス層３１ｃ側）の圧力との差圧に応じて傾動する。カンチレバー部２２の傾動により、カンチレバー部２２の一端側の付け根部分が変形するので、ピエゾ抵抗層３２にひずみが生じ、抵抗値が変化する。

弾性膜２３は、開口部２４を覆うようにベース２１に設けられており、カンチレバー部２２と接触する。弾性膜２３は、開口部２４とカンチレバー部２２との間に形成された隙間を塞ぐ。弾性膜２３は、弾性を有し、かつ、流体およびゲルを非通過とする。弾性膜２３は、例えば、有機膜、金属膜などにより形成される。この例では、弾性膜２３は、ポリパラキシレンにより形成されている。弾性膜２３は、ポリパラキシレンの他、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン）、ガラス薄膜、フォトレジストなどにより形成したものでもよい。弾性膜２３の厚みは０．５μｍである。

図３Ａ～図３Ｆを用いて差圧検出部１２の製造方法の一例を説明する。図３Ａに示すように、まず、基板３１としてＰ型ＳＯＩ基板を準備し、基板３１のデバイス層３１ｃ上に、高速熱拡散法を用いてピエゾ抵抗層３２を形成する。図３Ｂに示すように、ピエゾ抵抗層３２上に、スパッタリング法を用いてＣｒ層とＡｕ層からなる電極層３３を形成する。これにより、ベース２１が形成される。図３Ｃに示すように、電極層３３とピエゾ抵抗層３２に対し、フォトリソグラフィとウェットエッチングを行うことによりパターンを形成する。図３Ｄに示すように、電極層３３を、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）によりエッチングする。この結果、カンチレバー部２２が形成される。図３Ｅに示すように、基板３１上に、化学気相成長法により弾性膜２３を形成する。図３Ｆに示すように、基板３１のハンドル層３１ａと絶縁層３１ｂの一部をエッチングする。これにより、開口部２４が形成される。結果、差圧検出部１２が得られる。

図４は、流速計１０の端面図である。図４に示すように、全圧孔シール部材１３は、膜状に形成されており、全圧孔１６を密封する。全圧孔シール部材１３は、弾性を有し、かつ、流体を非通過とする。全圧孔シール部材１３は、有機膜、金属膜などにより形成される。この例では、全圧孔シール部材１３は、ＰＤＭＳにより形成されている。全圧孔シール部材１３は、ＰＤＭＳの他、天然ゴム、ポリイミドなどでもよい。全圧孔シール部材１３の厚みは５０μｍである。

全圧孔シール部材１３は、例えば、Ｏリング４０と取付部材４１とを用いて、ピトー管１１の全圧孔１６に対応する位置に取り付けられる。Ｏリング４０は、ピトー管１１の全圧孔１６の開口端の周囲に形成された溝（図示なし）に配置される。Ｏリング４０と取付部材４１の間に全圧孔シール部材１３が配置される。取付部材４１は、全圧孔シール部材１３を露出させる開口を有する枠状体である。取付部材４１は、例えばねじ（図示なし）を用いてピトー管１１に固定される。

静圧孔シール部材１４は、膜状に形成されており、静圧孔１７を密封する。静圧孔シール部材１４は、弾性を有し、かつ、流体を非通過とする。静圧孔シール部材１４は、全圧孔シール部材１３と同様のもの、すなわち有機膜、金属膜などにより形成される。この例では、静圧孔シール部材１４は、ＰＤＭＳにより形成されている。静圧孔シール部材１４の厚みは５０μｍである。

静圧孔シール部材１４は、例えば、Ｏリング４２と取付部材４３とを用いて、ピトー管１１の静圧孔１７に対応する位置に取り付けられる。Ｏリング４２は、ピトー管１１の静圧孔１７の開口端の周囲に形成された溝（図示なし）に配置される。Ｏリング４２と取付部材４３の間に静圧孔シール部材１４が配置される。取付部材４３は、静圧孔シール部材１４を露出させる開口を有する枠状体である。取付部材４３は、例えばねじ（図示なし）を用いてピトー管１１に固定される。

圧力伝達媒体１５は、全圧孔１６と静圧孔１７とに充填されている。圧力伝達媒体１５は、第１の圧力として全圧孔１６の全圧を差圧検出部１２へ伝達し、第２の圧力として静圧孔１７の静圧を差圧検出部１２へ伝達する。圧力伝達媒体１５は、液体または気体である。液体としては、例えば、水、シリコンオイル、イオン液体などが用いられる。気体としては、例えば、二酸化炭素、キセノンなどが用いられる。圧力伝達媒体１５としてゲルを用いてもよい。ゲルとしては、例えば、コラーゲン、アガロースゲル、ハイドロゲルなどが用いられる。圧力伝達媒体１５は、この例では純水である。

圧力伝達媒体１５は、非圧縮性流体であることが好ましい。非圧縮性流体は、流速計１０の周囲の圧力や温度が変化した場合でも体積が変化ない。圧力伝達媒体１５として非圧縮性流体を用いることにより、例えば流速計１０の周囲の圧力や温度が変化した場合でも、圧力伝達媒体１５の体積は変化しないので、流速計１０の破損やカンチレバー部２２の変形を防止することができる。なお、流速計１０の周囲の圧力や温度の変化が小さい場合は、圧力伝達媒体１５として圧縮性流体を用いてもよい。圧縮性流体は、圧力や温度の変化によって体積が変化するので、流速計１０を使用する環境によっては流速計１０の破損やカンチレバー部２２の変形を招く。

図示していないが、ピトー管１１は、全圧孔１６と接続する貫通孔と、静圧孔１７と接続する貫通孔とを有している。各貫通孔は、圧力伝達媒体１５を全圧孔１６と静圧孔１７とに充填の際に、空気抜き用の孔として使用される。各貫通孔は、圧力伝達媒体１５を充填した後、例えば紫外線硬化樹脂を充填して塞ぐ。ピトー管１１に各貫通孔を設けることにより、圧力伝達媒体１５を充填する際に、差圧検出部１２の破損やカンチレバー部２２の変形を防止することができる。

図５を用いて、上記の構成による流速計１０の作用を説明する。流速計１０は、海洋生物が水中を前進すると、全圧孔シール部材１３は、流速測定対象となる水の流れにより、全圧孔１６に入り込むように変形する。全圧孔シール部材１３の変形により、全圧孔１６に充填された圧力伝達媒体１５に圧力がかかる。すなわち、全圧孔１６には全圧が作用する。全圧は、圧力伝達媒体１５により差圧検出部１２へ伝達される。一方、静圧孔シール部材１４は、水の流れの影響を受けないので変形しない。静圧孔シール部材１４が変形しないので、静圧孔１７に充填された圧力伝達媒体１５には圧力がかからない。すなわち、静圧孔１７には静圧が作用する。静圧は、圧力伝達媒体１５により差圧検出部１２へ伝達される。

差圧検出部１２は、全圧と静圧との差圧により、弾性膜２３が変形し、カンチレバー部２２が傾動する。カンチレバー部２２の傾動により、抵抗値が変化する。すなわち、カンチレバー部２２の抵抗変化率は、差圧に応じて変化する。カンチレバー部２２の抵抗値変化率に基づき、差圧を測定し、以下に示すベルヌーイの式（１）より流速を求めることができる。

ここで、ΔＰは差圧であり、ρは流体密度であり、ｖは流速である。流速ｖは、流体に対する海洋生物などの移動速度に相当する。

流速計１０は、全圧孔１６を密封する全圧孔シール部材１３と、静圧孔１７を密封する静圧孔シール部材１４と、全圧孔１６と静圧孔１７とに充填され、全圧孔１６の全圧を差圧検出部１２へ伝達し、かつ、静圧孔１７の静圧を差圧検出部１２へ伝達する圧力伝達媒体１５とを備えることにより、例えば液体中の気泡や空気中の塵などが全圧孔１６または静圧孔１７に侵入することが防止されているので、流速を正確に計測することができる。

図６は、流速計１０の校正結果を示すグラフである。流速計１０の校正では、差圧に対する流速計１０の応答を測定した。ハルストラップヴァルヒィヤー社製の圧力校正器（製品名KAL200）を用いて、流速計１０の全圧孔１６に圧力を加えた。圧力は、０～１０００Ｐａまで１００Ｐａの間隔で変化させた。図６は、縦軸が抵抗変化率ΔＲ／Ｒ、横軸が差圧ΔＰである。図６より、カンチレバー部２２の抵抗変化率が差圧に応じて変化することが確認できる。したがって、圧力伝達媒体１５により全圧と静圧とが差圧検出部１２へ伝達されることがわかる。

実際に、水を入れた水槽の中に流速計１０を沈め、流速計１０を移動させたときの移動速度を測定した。流速計１０は、プラスチックの棒の一端に取り付けて、プラスチックの棒の他端を手で持って手動で移動させた。実験では、まず、水槽の底に沈めた流速計１０を空気中に引き上げた。次に、流速計１０を空気中から水中に沈めた。このとき、流速計１０は、水面から約１０ｃｍの深さに沈めた。次に、水中で流速計１０を異なる速度で３回移動させた。１回分の移動距離は約３０ｃｍとした。流速計１０を移動させる様子をカメラで動画撮影した。動画撮影により得られた動画像から求めた流速計１０の最大移動速度は、１回目が０．６６ｍ／ｓ、２回目が０．９１ｍ／ｓ、３回目が１．４８ｍ／ｓであった。

図７Ａは、実験中の流速計１０の応答を測定した結果である。図７Ａは、縦軸が抵抗変化率ΔＲ／Ｒ、横軸が時間である。図７Ａにおいて、「Ｕ」は水槽の底に沈めた流速計１０を空気中に引き上げたときの応答を示し、「Ｄ」は流速計１０を空気中から水中に沈めたときの応答を示し、「Ｍ１」は流速計１０の１回目の移動に対する応答を示し、「Ｍ２」は流速計１０の２回目の移動に対する応答を示し、「Ｍ３」は流速計１０の３回目の移動に対する応答を示す。図７Ａより、流速計１０が水中に沈められた直後に応答したことがわかる。また、カンチレバー部２２の抵抗変化率が、流速計１０の移動速度に応じて変化することが確認できる。流速計１０を空気中に引き上げている間、流速計１０の出力に小さな変動が確認できるが、この変動は温度ドリフトによるものと考えられる。

図７Ｂは、抵抗変化率と移動速度の関係を示すグラフである。図７Ｂは、縦軸が抵抗変化率ΔＲ／Ｒ、横軸が移動速度である。図７Ｂにおいて、「Ｍ１」は流速計１０の１回目の移動に対する応答を示し、「Ｍ２」は流速計１０の２回目の移動に対する応答を示し、「Ｍ３」は流速計１０の３回目の移動に対する応答を示す。図７Ｂより、カンチレバー部２２の抵抗変化率の絶対値が移動速度とともに大きくなっていることが確認できる。

以上の実験結果より、流速計１０は、水中と空気中との間で移動された場合でも、流速を正確に計測することができることが確認できた。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

差圧検出部１２は、上記実施形態では全圧孔１６と静圧孔１７との間に配置されているが、差圧検出部１２の位置はピトー管１１の内部であれば特に限定されない。例えば、差圧検出部１２を全圧孔１６の開口部分に設けてもよい。差圧検出部１２を全圧孔１６の開口部分に設ける場合は、全圧孔シール部材１３を設けずに、差圧検出部１２の弾性膜２３を用いて全圧孔１６を密封してもよい。すなわち、弾性膜２３を全圧孔シール部材として用いてもよい。弾性膜２３は、流速測定対象となる水の流れにより変形し、カンチレバー部２２を傾動させる。これによりカンチレバー部２２の抵抗変化率が変化するので、流速を計測することができる。また、差圧検出部１２を静圧孔１７の開口部分に設けてもよい。差圧検出部１２を静圧孔１７の開口部分に設ける場合は、差圧検出部１２の弾性膜２３を用いて静圧孔１７を密封してもよい。すなわち、弾性膜２３を静圧孔シール部材として用いてもよい。

差圧検出部１２は、カンチレバー部２２の他に、温度補償用カンチレバー部をさらに有するものでもよい。温度補償用カンチレバー部は、カンチレバー部２２と同様の温度に対する抵抗変化特性を有するものを用いる。すなわち、カンチレバー部２２および温度補償用カンチレバー部における温度に対する抵抗の変化率は互いに等しい。これにより、両者を用いて温度ドリフトの影響をキャンセルすることが可能である。
具体的には、カンチレバー部２２で差圧に伴う抵抗値を測定するとともに、温度補償用カンチレバー部で実際の温度を測定する。予め測定しておいたカンチレバー部２２の温度特性から実際の温度に対応する補償値を算出する。これにより、カンチレバー部２２で得られた抵抗値から補償値を除算することにより、抵抗値に対して温度補償をすることができる。

差圧検出部１２は、カンチレバー部２２を有するものに限られず、差圧を検出できるものであればよい。

１０流速計
１１ピトー管
１２差圧検出部
１３全圧孔シール部材
１４静圧孔シール部材
１５圧力伝達媒体
１６全圧孔
１７静圧孔

Claims

流体の流れに対して正対した方向に開口する全圧孔と、前記全圧孔と接続し、前記流体の流れに対して正対しない方向に開口する静圧孔とを有するピトー管と、
前記全圧孔を密封し、変形可能な全圧孔シール部材と、
前記静圧孔を密封し、変形可能な静圧孔シール部材と、
前記ピトー管に設けられ、前記全圧孔シール部材側の第１の圧力と前記静圧孔シール部材側の第２の圧力との差圧を検出する差圧検出部とを備える流速計。
前記全圧孔と前記静圧孔とに充填された圧力伝達媒体を備え、
前記差圧検出部は、前記全圧孔と前記静圧孔との間に配置されており、
前記圧力伝達媒体は、前記第１の圧力として前記全圧孔の全圧を前記差圧検出部へ伝達し、前記第２の圧力として前記静圧孔の静圧を前記差圧検出部へ伝達する請求項１に記載の流速計。
前記圧力伝達媒体は非圧縮性流体である請求項２に記載の流速計。
前記全圧孔と前記静圧孔とは互いに直交する方向に開口する請求項１～３のいずれか１項に記載の流速計。
前記差圧検出部は、
開口部を有するベースと、
一端が前記ベースと接続し、他端が前記開口部に配置されたカンチレバー部と、
前記開口部を覆うように前記ベースに設けられており、前記カンチレバー部と接触する弾性膜とを有する請求項１～４のいずれか１項に記載の流速計。