JP2015049160A - 流速センサー及び流速センサーを用いた流速の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い検出感度を実現でき、かつ、小型化が容易な流速センサーを提供する。【解決手段】 流体の流速を検出する流速センサー１であって、隔壁１１によって仕切られた流路１２と、隔壁１１によって仕切られていない拡張流路１３と、隔壁１１上に設けられ流路１２を画成する振動板１４と、振動板１４上の流路に対向する位置に設けられた圧電素子２０と、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷をもとに、隔壁１１の振動周波数を検出する検出回路３０と、を具備する。【選択図】 図３

Description

本発明は、流速センサー及び流速センサーを用いた流速の測定方法に関する。

従来より、流体が流れる管内に所定の渦発生体を配置したとき、所定条件下において流体の流れ方向と垂直な方向に交互にカルマン渦が発生することが知られている。あるレイノルズ数範囲では、カルマン渦の単位時間当たりの発生数（渦周波数）と流体の流速とが比例関係にあることが報告されており、このような関係を利用した検出器が提案されている。

例えば、凹部の周囲に設けられた枠部と、該枠部内に設けられ貫通孔を通って外部から導かれてきた圧力を受ける受圧部と、該受圧部の両端と枠部との間に設けられ少なくとも一方にピエゾ抵抗が形成された複数の梁部と、を備えた層間構造体を具備する半導体マイクロセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の半導体マイクロセンサは、カルマン渦によって生じた周期的に変動する圧力差を、渦発生体の直後に設けた貫通孔（導圧孔）を通じてセンサチップ内部へと導圧するものである。これにより、受圧部が梁部（トーションバー）を回転軸として周期的に捻れ、この捻れの周波数をトーションバーに形成されたピエゾ抵抗で検出することによって、流体の流速を測定するようになっている。

特開平０８−０７５５１７号公報

しかしながら、特許文献１は、流速の変化等によってカルマン渦の強度が小さくなると、受圧部の捻れ量が小さくなり、ピエゾ抵抗の検出信号も小さなものとなって、所望の検出感度が得られなくなるという問題があった。

また、特許文献１では、カルマン渦によって生じる圧力差を捻れ量に変換するものであるため、圧力差を受ける受圧部や、回転軸となるトーションバー等の構成が実質的に必須となり、小型化が困難であるという問題もあった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高い検出感度を実現でき、かつ、小型化が容易な流速センサー及び流速センサーを用いた流速の測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、流体の流速を検出する流速センサーであって、隔壁によって仕切られた流路と、前記隔壁によって仕切られていない拡張流路と、前記隔壁上に設けられ前記流路を画成する振動板と、前記振動板上の前記流路に対向する位置に設けられた圧電素子と、前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷をもとに、前記隔壁の振動周波数を検出する検出回路と、を具備することを特徴とする流速センサーにある。
かかる態様では、隔壁がその下流に発生するカルマン渦と共振することによって、隔壁の振動に伴う圧電素子の変位により発生する電荷を大きなものとして得ることができ、高い検出感度を実現できるようになる。また、上記電荷をもとに隔壁の振動周波数を検出する構成のため、小型化が容易になる。

ここで、前記隔壁及び前記圧電素子は、所定の共振振動周波数で共振可能に構成されており、前記振動周波数を検出することが好ましい。これによれば、隔壁の振動周波数が共振振動周波数に一致又は実質的に一致するような流速となったとき、隔壁及び圧電素子が共振し、圧電素子の変位が大きくなって、圧電素子に生じる電荷が大きなものとなる。よって、より優れた検出感度を得ることができるようになる。

また、前記流速センサーは、前記隔壁及び前記圧電素子が、共振振動周波数が異なることが好ましい。これによれば、流速に応じて変化する隔壁の振動周波数に対して、異なる共振振動周波数の何れかが一致又は実質的に一致するようになるため、隔壁及び圧電素子が共振する確実性を向上させることができる。よって、より優れた検出感度が得られる確実性を向上させることができるようになる。

また、前記隔壁は、前記流体の流れ方向と、前記流体の流れ方向に垂直な方向とに、所定の間隔をあけて配列されていることが好ましい。これによれば、隔壁及び圧電素子が共振する確実性を向上させることができる上記構成を容易に実現できるようになる。

また、前記検出回路は、前記圧電素子に周波数の異なる駆動信号を供給する駆動信号供給手段を具備し、前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷をもとに、前記隔壁及び前記圧電素子が共振する前記駆動信号の駆動周波数を検出し、検出された前記駆動周波数をもとに、前記振動周波数を検出することが好ましい。これによれば、流速に応じて変化する隔壁の振動周波数に対して、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を一致又は実質的に一致させることにより、隔壁及び圧電素子が確実に共振するようになるため、優れた検出感度を確実に得ることができるようになる。また、流速センサーの小型化がさらに容易になる。

また、本発明の他の態様は、上記の何れかに記載の流速センサーを用いた流速の測定方法であって、前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷を検出する第１工程と、前記電荷をもとに前記隔壁の振動周波数を検出する第２工程と、を有することを特徴とする流速センサーを用いた流速の測定方法にある。
かかる態様では、隔壁がその下流に発生するカルマン渦と共振することによって、隔壁の振動に伴う圧電素子の変位により発生する電荷を大きなものとして得ることができ、高い検出感度を実現できるようになる。また、上記方法により、流速センサーの小型化が容易になる。

ここで、前記圧電素子に周波数の異なる駆動信号を供給する工程をさらに有し、前記第２工程において、前記電荷をもとに、前記隔壁及び前記圧電素子が共振する前記駆動信号の駆動周波数を検出し、検出された前記駆動周波数をもとに、前記振動周波数を検出することが好ましい。これによれば、流速に応じて変化する隔壁の振動周波数に対して、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を一致又は実質的に一致させることにより、隔壁及び圧電素子が確実に共振するようになるため、優れた検出感度を確実に得ることができるようになる。

また、前記電荷に基づいてインピーダンス値を検出することが好ましい。これによれば、圧電素子に供給された駆動信号の周波数と、隔壁の振動周波数とが一致又は実質的に一致したとき、圧電素子の圧電効果に起因してインピーダンス値が急峻な変化をすることを利用して、隔壁の振動周波数を検出できるようになる。

また、前記流速センサーに対して流速が既知である所定の流体を導入し、ストローハル数を求める工程をさらに有することが好ましい。これによれば、正確なストローハル数を用いて隔壁の振動周波数を検出できるので、優れた検出感度を有して得た情報をもとに、流体の流速を正確に検出することができるようになる。

実施形態１に係る流速センサーの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態１に係る流速センサーの概略構成を示す平面図である。 実施形態１に係る流速センサーの概略構成を示す断面図である。 実施形態１に係る流速センサーの概略構成を示す断面図である。 隔壁の振動周波数と圧電素子の変位との関係を示す図である。 実施形態１に係る流速センサーの製造例を示す図である。 実施形態１に係る流速センサーの製造例を示す図である。 実施形態２に係る流速センサーの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態２に係る流速センサーの概略構成を示す断面図である。 インピーダンス値と駆動信号の周波数との関係を示す図である。 実施形態２に係る流速の測定方法を示すフローチャート図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る流速センサー１の概略構成を示す分解斜視図であり、図２は流速センサー１の概略構成を示す平面図である。また、図３は図２をＡ−Ａ′線で切断した断面図であり、図４は図２をＢ−Ｂ′線で切断した断面図である。ここで、Ａ−Ａ′線は流体の流れ方向とは垂直な方向（以下「幅方向」とも称する。）に沿った切断線であり、Ｂ−Ｂ′線は流体の流れ方向に沿った切断線である。

流速センサー１において、流路形成基板１０は、隔壁１１によって仕切られた流路１２と、隔壁１１によって仕切られていない拡張流路１３と、を具備するものである。

流路形成基板１０は、例えばシリコン単結晶基板からなるが、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の材料に制限されない。流路形成基板１０の対向する一対の面は、流体が流入及び流出できるように開放して構成されている。

この流路形成基板１０には、複数の隔壁１１が設けられている。複数の隔壁１１は、流体の流れ方向と、幅方向とに、所定の間隔をあけて配列（アレイ状に配置）されている。本実施形態において、複数の隔壁１１は、流体の流れ方向に複数行（図１等では３行）、幅方向に複数列（図１等では３列）配置されている。そして、このような流路形成基板１０及び複数の隔壁１１によって、片側を隔壁１１によって仕切られた流路１２、すなわち、流路形成基板１０及び隔壁１１によって仕切られた流路１２と、両側を隔壁１１によって仕切られた流路１２とが形成されている。

ただし、複数の隔壁１１の配置は、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。流れ方向のみに隔壁１１を並設するようにしてもよいし、幅方向のみに隔壁１１を並設するようにしてもよい。隔壁１１の形状、数及び配置等は、流速センサー１の全体形状やサイズ等も変わってくるため、流速センサー１の用途等を考慮して、本発明の要旨に基づいて適宜設計すればよい。

このような複数の隔壁１１は、同一の材料を用い、同一の形状に構成することができる。例えば、複数の隔壁１１は、流路形成基板１０と同一の材料を用い、同一の直方体形状に構成されている。これによれば、製造容易性を向上させることができる。ただし、隔壁１１の構成等は上記のように本発明の要旨に基づいて適宜設計が可能であり、可能であるならば、隔壁１１ごとに材料や形状を異ならせても構わない。これによれば、隔壁１１ごとに異なった振動特性を付与しやすくなる。

拡張流路１３は、幅方向に並設された流路１２同士が連通するように構成されており、流路１２の入口領域や出口領域となっている。本実施形態において、拡張流路１３は、幅方向に並設されたすべての流路１２同士が連通する構成となっているが、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。例えば、アレイ状に設けられた隔壁１１のうち、所定の列の隔壁が流れ方向に連続して形成され、この流れ方向に連続して形成された隔壁をはさんで、幅方向に２以上の拡張流路が隣り合って形成されるような構成となっていてもよい。

また、本実施形態の流速センサー１は、隔壁１１上に設けられ流路１２を画成する振動板１４と、振動板１４上の流路１２に対向する位置に設けられた圧電素子２０と、を具備するものである。

振動板１４は、流路形成基板１０の開口面側に設けられている。振動板１４は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる弾性膜１５と、弾性膜１５上に設けられた酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなる絶縁膜１６とが積層形成されている。振動板１４は、流路形成基板１０上に薄膜プロセスにより形成されたものでもよいし、別途形成した薄膜を流路形成基板１０に接合したものでもよい。

振動板１４上には、厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、振動板１４及び圧電素子２０の密着性を向上させるための密着層１７が設けられている。ただし、密着層１７は省略することも可能である。

密着層１７上には、圧電素子２０が設けられている。圧電素子２０は、第１電極２１と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層２２と、第２電極２３とが積層形成されている。以降、圧電素子２０は、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３を含む部分をいう。

上述した例では、弾性膜１５、絶縁膜１６、密着層１７、及び第１電極２１が振動板１４として作用し得るが、これに限定されるものではなく、弾性膜１５や密着層１７を設けなくても構わない。この場合、絶縁膜１６や第１電極２１が振動板１４として作用することとなる。また、圧電素子２０自体が実質的に振動板１４を兼ねるようにしてもよい。ただし、流路形成基板１０上に第１電極２１を直接設ける場合には、第１電極２１と流体とが導通しないように第１電極２１を絶縁性の保護膜等で保護するのが好ましい。

尚、流路形成基板１０の振動板１４とは反対側の面には、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる固定板１８が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。固定板１８の構成は、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。

密着層１７上の圧電素子２０は、第１電極２１を共通電極とし、この第１電極２１や、第２電極２３及び圧電体層２２を流路１２毎にパターニングして構成することができる。本実施形態では、配線の都合や製造容易性等の観点から、第１電極２１を共通電極とすることが好ましい。

一方、圧電体層２２は、流路１２ごとに個別に設けられることが好ましい。これによれば、例えば流路１２ごとに圧電体層２２の幅や長さを異なるものとし、異なった振動特性を有する圧電素子２０を形成しやすくなる。ただし、製造容易性等の観点から、圧電体層２２を共通化させて設けることも可能である。この場合、第２電極２３は、流路１２ごとに個別に設けられることが好ましい。

第１電極２１及び第２電極２３は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属元素や導電性ポリマー等を用いて構成することができる。ただし、第１電極２１及び第２電極２３は、導電性を有する材料であればよく、前記の材料に限定されない。

圧電体層２２は、例えばビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物として構成することができる。これによれば、鉛を含まない圧電素子２０を構成できるようになり、環境への負荷を低減できる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、組成式（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３で表される。

ただし、圧電体層２２は、圧電性を有する材料であれば前記の材料に限定されず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）ＴｉＯ_３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ_３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）及びこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体を用いることもできる。

また、流速センサー１は、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷をもとに、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する検出回路３０を具備するものである。本実施形態において、検出回路３０は、第１電極２１及び第２電極２３のそれぞれに一方が接続された配線３１、３２と、それぞれの配線３１、３２の他方が接続された検出装置３３と、を含んで構成されているが、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。

検出装置３３は、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷をもとに、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出することができるものであればよく、公知のものを用いることができる。本実施形態では、圧電素子２０の変位により発生する電荷を検出する機能と、検出された電荷をもとに、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する機能とを兼ね備えた検出装置３３が構成されているが、各機能を有する装置を別個に設けるように構成されていてもよい。

次に、本実施形態の流速センサー１の構成について、その動作や流速の測定原理とともに、さらに詳述する。

隔壁１１は、流速センサー１に導入される流体の流れに対する障害物となるものである。流体が流れる流路に所定の障害物を配置したとき、所定条件下においてカルマン渦が発生することが知られており、本実施形態においても、流速センサー１に流体が導入されると、所定条件下においてカルマン渦が発生する。

カルマン渦は、隔壁１１の下流の拡張流路１３に発生する。言い換えれば、カルマン渦が発生し得る領域が、隔壁１１の下流の拡張流路１３によって確保されている。カルマン渦は、所定の渦周波数ｆ_Ｋに基づいて発生し、この渦周波数ｆ_Ｋに従った圧力変動よって、隔壁１１が所定の振動力を受ける。

流体は、流速の測定対象となるものであり、例えば気体や液体が挙げられる。

隔壁１１は、カルマン渦の発生のしやすさ、振動のしやすさ、振動に耐え得る強度、及び流体の圧力損失等を考慮して、その形状、数及び配置等が本発明の要旨に基づいて設計されており、圧力変動によって振動力を受けると所定の振動周波数ｆ_Ｗで振動する。圧力変動は、カルマン渦の渦周波数ｆ_Ｋに従って生じているため、下式（１）で表されるように、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗはカルマン渦の渦周波数ｆ_Ｋに近似したものとなる。

〔式１〕
ｆ_Ｗ≒ｆ_Ｋ （１）
（式中、ｆ_Ｗは隔壁１１の振動周波数、ｆ_Ｋはカルマン渦の渦振動数）

上記のように、流速センサー１は、隔壁１１上に設けられ流路１２を画成する振動板１４と、振動板１４上の流路１２に対向する位置に設けられた圧電素子２０と、を具備するため、カルマン渦による隔壁１１の振動が、振動板１４を介して圧電素子２０に伝達する。そうすると、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに従って、圧電素子２０が例えばたわみ変形するようになる。

圧電素子２０の振動モードは前記に制限されない。ただし、圧電素子２０がたわみ変形する振動モードであれば、振動板１４上に圧電素子２０が設けられる構成上、圧電素子２０が変位抵抗を受けにくくなるため、他の振動モードと比較して大きな変位を得ることができるようになる。

圧電素子２０が例えばたわみ変形すると、この変位に応じて圧電素子２０に電荷が生じ、この電荷が、上記検出回路３０によって検出される。また、カルマン渦の渦周波数ｆ_Ｋと流体の流速Ｕとは、あるレイノルズ数範囲において比例関係にあることが知られており、その比例定数はストローハル数Ｓｔと呼ばれる。ここで、流体の流速Ｕは下式（２）で表される。

〔式２〕
Ｕ＝（ｆ_Ｋ・ｄ）／Ｓｔ （２）
（式中、Ｕは流体の流速、ｆ_Ｋは渦周波数、ｄは隔壁幅、Ｓｔはストローハル数）

レイノルズ数Ｒｅが５．０×１０^２〜２．０×１０^５程度の範囲であれば、ストローハル数Ｓｔは０．２に近似できることが知られている。そして、隔壁幅ｄも既知のため、上記式（１）及び（２）に基づいて、検出回路３０によって検出された隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに基づけば、流体の流速Ｕを検出することができるようになる。

流速センサー１に対して流速が既知である流体を導入し、予めストローハル数Ｓｔを求めるようにしてもよい。これによれば、上記式（２）の比例定数であるストローハル数を正確に得た上で隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出できるので、目的の流速を正確に検出することができるようになる。また、流速によって変化するストローハル数Ｓｔを所定間隔で測定するようにし、その値を校正するようにしてもよい。

このような流速センサー１において、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷が大きいことは、優れた検出感度を得ることができる条件の一つとなる。本実施形態の流速センサー１によれば、隔壁１１がその下流に発生するカルマン渦と共振し、隔壁１１が自励的に振動するようになる。よって、検出回路３０において、圧電素子２０の電荷を大きなものとして得ることができ、高い検出感度を実現できるようになる。

また、上記電荷をもとに隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する構成のため、小型化が容易になる。よって、微小空間を流れる流体の流速を検出したり、高密度に配置したりすることも容易となる。

ここで、本実施形態において、隔壁１１及び圧電素子２０は、所定の共振振動周波数ｆ_Ｃで共振可能に構成されており、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出することが好ましい。

図５（ａ）は、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗと圧電素子２０の変位との関係を示す図である。流体の流速によって隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗが変化するなかで、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗが共振振動周波数ｆ_Ｃに一致するような流速となったとき、隔壁１１及び圧電素子２０が共振し、圧電素子２０の変位が極大値をとることが分かる。このとき、圧電素子２０に発生する電荷が大きなものとなり、より優れた検出感度を得ることができるようになる。

尚、隔壁１１及び圧電素子２０の共振は、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗと隔壁１１及び圧電素子２０の共振振動周波数ｆ_Ｃとが完全に一致せずとも、共振しうる程度に実質的に一致していれば起こり得る。

隔壁１１及び圧電素子２０が共振振動周波数ｆ_Ｃで共振可能に構成するには、隔壁１１及び圧電素子２０が共振振動周波数ｆ_Ｃを有するように、隔壁１１や圧電素子２０の固有振動数を調節するようにすればよい。固有振動数は、隔壁１１や圧電素子２０の形状、厚さ、材料等を変更することにより調節することができる。ここでも、隔壁１１及び圧電素子２０の固有振動数は、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗと完全に一致せずとも、共振振動周波数ｆ_Ｃにおいて共振し得る程度に実質的に一致するようにすればよい。

また、本実施形態において、隔壁１１及び圧電素子２０が、共振振動周波数ｆ_Ｃが異なることが好ましい。これによれば、図５（ｂ）に示すように、共振可能な周波数空間を広く確保することができるようになる。

例えば、本実施形態では、複数（図１〜４では１２個）の圧電素子２０の幅方向の長さが、互いに異なるように形成されている。これにより、１２個の隔壁１１及び圧電素子２０が、互いに異なる共振振動周波数ｆ_Ｃ１〜ｆ_Ｃ１２で共振可能となっている。

その結果、流速に応じて変化する隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに対して、共振振動周波数ｆ_Ｃ１〜ｆ_Ｃ１２の何れかが一致又は実質的に一致するようになる。よって、検出回路３０において隔壁１１及び圧電素子２０が共振する確実性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、複数の隔壁１１がアレイ状に配置されているため、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する確実性を向上させることができる上記構成を実現しやすくなっている。

隔壁１１や圧電素子２０の数が多いほど、共振振動周波数ｆ_Ｃが異なる隔壁１１及び圧電素子２０を多くすることができ、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する確実性を向上させることができる。一方、隔壁１１や圧電素子２０の数が多すぎると、流速センサー１の小型化を実現しにくくなる。よって、隔壁１１や圧電素子２０の形状、数及び配置等は、上記のように本発明の要旨に基づいて設計すればよい。

次に、流速センサー１の製造方法の一例について、図６〜図７を参照して説明する。図６〜図７は、幅方向の切断線で切断した断面図、すなわち、図２に示すＡ−Ａ′線で切断した断面図である。図６〜図７において、検出回路３０の図示は省略されている。

まず、図６（ａ）に示すように、流路形成基板１０を構成する基板形成材２４上に、弾性膜１５を熱酸化等で形成後、弾性膜１５上に、ジルコニウムを成膜した後、例えば５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁膜１６を形成する。そして、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜１６上に、密着層１７をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。その後、密着層１７上に、第１電極２１をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、この密着層１７及び第１電極２１が所定の形状となるように同時にパターニングする。

次いで、図６（ｃ）に示すように、第１電極２１上に圧電体層２２を積層する。圧電体層２２は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。

具体的には、第１電極２１上に、例えばビスマス（Ｂｉ）、リチウム（Ｌｉ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含有する金属錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＣＳＤ溶液（前駆体溶液）をスピンコート法等を用いて、塗布して前駆体膜を形成する。次いで、この前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させ、乾燥した前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。その後、前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体層２２を形成する。

その後、図６（ｄ）に示すように、圧電体層２２に、第２電極２３をスパッタリング法や熱酸化等により形成する。これにより、密着層１７上に、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３からなる圧電素子２０が形成される。

次に、図７（ａ）に示すように、基板形成材２４上の所定箇所に、マスク膜２５を新たに形成する。そして、図７（ｂ）に示すように、基板形成材２４を、マスク膜２５を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、基板形成材２４の一部を除去して、流路形成基板１０及び隔壁１１を形成する。その後、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板１０及び隔壁１１と固定板１８とを接着剤等により接合する。以上のように、流速センサー１を製造することができる。

以上説明した流速センサー１を用いた流速の測定方法の一例について説明する。本実施形態の流速センサー１を用いた流速の測定方法は、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷を検出する第１工程と、この電荷をもとに隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する第２工程と、を有するものである。

かかる態様において、共振振動周波数ｆ_Ｃが異なる複数の隔壁１１及び圧電素子２０を具備する流速センサー１を用いれば、流速に応じて変化する隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに対して、異なる共振振動周波数ｆ_Ｃの何れかが一致又は実質的に一致するようになり、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する確実性を向上させることができる。

また、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷をもとに隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する方法のため、流速センサー１の小型化が容易になり、微小空間を流れる流体の流速を検出したり、高密度に配置したりすることも容易となる。

さらに、本実施形態の流速の測定方法によれば、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出するために比較的複雑な制御工程等を要することがないため、大きな制御負荷がかかることを回避することもできるようになる。

（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２に係る流速センサー４０の概略構成を示す分解斜視図であり、図９は図８を幅方向（流路形成基板１０の長手方向）に沿った切断線で切断した断面図である。

本実施形態の流速センサー４０は、基本的には実施形態１の流速センサー１と同様の構成を有しているが、検出回路５０の構成が異なる。すなわち、検出回路５０は、圧電素子２０に周波数の異なる駆動信号を供給する駆動信号供給手段５１を具備し、隔壁１１の振動に伴う圧電素子２０の変位により発生する電荷をもとに、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する駆動信号の駆動周波数ｆ_Ｐを検出し、検出された駆動周波数ｆ_Ｐをもとに、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出するように構成されている。

これによれば、流速に応じて変化する隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに対して、圧電素子２０に供給する駆動信号の駆動周波数ｆ_Ｐを一致又は実質的に一致させることにより、隔壁１１及び圧電素子２０が確実に共振するようになる。

つまり、流速センサー４０では、隔壁１１が複数でなくても、隔壁１１及び圧電素子２０の共振を利用して優れた検出感度を確実に得ることができるようになっている。このため、流速センサー４０は、カルマン渦の発生し得る隔壁１１の数が最小となる構成、すなわち、片側を１つの隔壁１１によって仕切られた２つの流路１２を具備する構成となっており、小型化に極めて有利な態様となっている。以下、本実施形態の流速センサー４０について詳述する。

検出回路５０では、図９に示すように、第１電極２１に接続された配線５２が分岐しており、一方が電源５３に接続され、他方が抵抗５４を介して検出装置３３及び第２電極２３を接続する配線３２に接続されている。また、電源５３は、配線５５によって検出装置３３に接続されている。ただし、抵抗５４は省略が可能であり、検出回路５０の接続態様も、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。

また、駆動信号供給手段５１は、公知の構成からなるマイクロコンピューターを中心に構成されており、検出装置３３及び電源５３等に接続され、各部はマイクロコンピューターによるプログラムの実行によって実現されるようになっている。

この駆動信号供給手段５１は、電源５３に対し制御信号を送信し、圧電素子２０に所定の周波数を有する駆動信号を供給するようになっている。また、駆動信号の周波数を所定範囲内で掃引するとともに、検出装置３３によって検出される圧電素子２０の電荷に関する情報を受け取って、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する駆動信号の駆動周波数ｆ_Ｐを検出するようになっている。

圧電素子２０の電荷に関する情報としては、例えば圧電素子２０のインピーダンス値Ｚが挙げられる。これは、図１０に示すように、圧電素子２０に供給された駆動信号の周波数と、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗとが一致又は実質的に一致して、隔壁１１及び圧電素子２０が共振するようになったとき、圧電素子２０の圧電効果に起因して、圧電素子２０の電荷に基づいて検出されるインピーダンス値Ｚが急峻に変化することを利用したものである。

ただし、圧電素子２０の電荷に関する情報は、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されない。圧電素子２０に供給される駆動信号の周波数と、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗとが一致又は実質的に一致して、隔壁１１及び圧電素子２０が共振するようになったことが検出可能な情報であればよく、例えば、圧電素子２０に流れる電流量を検出してもよい。

掃引する周波数範囲は、予め実験等により定めておくことが可能である。周波数範囲として、固定された範囲を用いてもよく、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗの検出結果等に基づいて、適宜調節するようにしてもよい。

また、駆動信号供給手段５１には、各部での検出結果等が記憶されるＲＡＭ５６が設けられている。ＲＡＭ５６は、駆動信号供給手段５１と別個に設けられていても構わない。

駆動信号供給手段５１は、圧電素子２０に周波数の異なる駆動信号を供給するための機能と、駆動信号の周波数を所定範囲内で掃引するための機能と、隔壁１１の振動に伴って圧電素子２０が共振する駆動周波数ｆ_Ｐを検出するための機能と、駆動周波数ｆ_Ｐをもとに、隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出する機能と、を兼ね備えている。ただし、これらの機能を有するそれぞれの手段を別個に設けても構わない。

次に、本実施形態の流速センサー４０を用いた流速の測定方法について説明する。本実施形態の流速センサー４０を用いた流速の測定方法は、圧電素子２０に周波数の異なる駆動信号を供給する工程をさらに有し、実施形態１で説明した第２工程において、電荷をもとに、隔壁１１及び圧電素子２０が共振する駆動信号の駆動周波数ｆ_Ｐを検出し、検出された駆動周波数ｆ_Ｐをもとに隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出するものである。

かかる方法によれば、流速に応じて変化する隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗに対し、圧電素子２０に供給する駆動信号の駆動周波数ｆ_Ｐを一致又は実質的に一致させることにより、隔壁１１及び圧電素子２０が確実に共振するようになる。

このような本実施形態の測定方法について、図１１を用いてさらに詳述する。図１１は、本実施形態に係る流速センサー４０を用いた流速の測定方法を説明するフローチャート図である。

図示するように、本実施形態では、ステップＳ１で圧電素子２０に対して所定の周波数を有する駆動信号を供給する。ステップＳ２で圧電素子２０の電荷に基づいてインピーダンス値Ｚを検出し、記憶する。

その後、ステップＳ３で、周波数の掃引が終了したか否かを判断する。ステップＳ３において周波数の掃引が終了していないと判断されたとき（ステップＳ３；Ｎｏ）は、ステップＳ４において、ステップＳ１において供給された駆動信号の周波数とは異なる周波数に変更し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ３において周波数の掃引が終了したと判断されたとき（ステップＳ３；Ｙｅｓ）は、ステップＳ５に進み、記憶された最も小さいインピーダンス値Ｚを与える駆動周波数ｆ_Ｐを決定する。その後のステップＳ６で、ステップＳ５において決定された駆動周波数ｆ_Ｐを隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗとして取り扱い、上記式（１）及び（２）から流体の流速Ｕを検出する。

尚、流速センサー４０に対して流速が既知である流体を導入することにより、予めストローハル数を求める工程を実施してもよい。これによれば、ストローハル数を正確に得た上で隔壁１１の振動周波数ｆ_Ｗを検出できるので、目的の流速を正確に検出することができるようになる。また、流速によって変化するストローハル数Ｓｔを所定間隔で測定するようにし、その値を校正するようにしてもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、これに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いてもよい。

さらに、上述した実施形態では、第１電極２１、圧電体層２２及び第２電極２３を順次積層した圧電素子２０を例示したが、これに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。

また、例えば図３〜図４や図９では、流速センサー１、４０が水平にして図示されているが、実際の流速の測定に際しては水平に限られず、垂直に近い状態にしても測定が可能である。

本発明は、流速センサー及び流速センサーを用いた流速の測定方法の産業分野で利用することができる。本発明によれば、優れた検出感度を実現できる。また、小型化が容易となるため、微小空間を流れる流体の流速の測定に好適に適用することができる。鉛を含有しない圧電材料を用いれば、環境への負荷を低減することができる。

１，４０ 流速センサー、 １０ 流路形成基板、 １１ 隔壁、 １２ 流路、 １３、拡張流路、 １４ 振動板、 １５ 弾性膜、 １６ 絶縁膜、 １７ 密着層、 １８ 固定板、 ２０ 圧電素子、 ２１ 第１電極、 ２２ 圧電体層、 ２３ 第２電極、 ２４ 基板形成材、 ２５ マスク膜、 ３０，５０ 検出回路、 ３１，３２，５２，５５ 配線、 ３３ 検出装置、 ５１ 駆動信号供給手段、 ５３ 電源、 ５４ 抵抗、 ５６ ＲＡＭ

Claims (9)

1. 流体の流速を検出する流速センサーであって、
   隔壁によって仕切られた流路と、
   前記隔壁によって仕切られていない拡張流路と、
   前記隔壁上に設けられ前記流路を画成する振動板と、
   前記振動板上の前記流路に対向する位置に設けられた圧電素子と、
   前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷をもとに、前記隔壁の振動周波数を検出する検出回路と、を具備することを特徴とする流速センサー。
2. 前記隔壁及び前記圧電素子は、所定の共振振動周波数で共振可能に構成されており、前記振動周波数を検出することを特徴とする請求項１に記載の流速センサー。
3. 前記隔壁及び前記圧電素子が、前記共振振動周波数が異なることを特徴とする請求項２に記載の流速センサー。
4. 前記隔壁は、前記流体の流れ方向と、前記流体の流れ方向に垂直な方向とに、所定の間隔をあけて配列されていることを特徴とする請求項３に記載の流速センサー。
5. 前記検出回路は、前記圧電素子に周波数の異なる駆動信号を供給する駆動信号供給手段を具備し、
   前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷をもとに、前記隔壁及び前記圧電素子が共振する前記駆動信号の駆動周波数を検出し、検出された前記駆動周波数をもとに、前記振動周波数を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の流速センサー。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の流速センサーを用いた流速の測定方法であって、
   前記隔壁の振動に伴う前記圧電素子の変位により発生する電荷を検出する第１工程と、前記電荷をもとに前記隔壁の振動周波数を検出する第２工程と、を有することを特徴とする流速センサーを用いた流速の測定方法。
7. 前記圧電素子に周波数の異なる駆動信号を供給する工程をさらに有し、
   前記第２工程において、前記電荷をもとに、前記隔壁及び前記圧電素子が共振する前記駆動信号の駆動周波数を検出し、検出された前記駆動周波数をもとに、前記振動周波数を検出することを特徴とする請求項６に記載の流速センサーを用いた流速の測定方法。
8. 前記電荷に基づいてインピーダンス値を検出することを特徴とする請求項６又は７に記載の流速センサーを用いた流速の測定方法。
9. 前記流速センサーに対して流速が既知である所定の流体を導入し、ストローハル数を求める工程を有することを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の流速センサーを用いた流速の測定方法。

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