(57)【要約】      （修正有）【課題】２つの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーを壁面から立設させ、該センサー根元の歪みを計測することにより、流体の流れの速さ、方向及び表面摩擦を簡便に測定可能な表面摩擦測定装置を提供する。【解決手段】流体中に置かれた壁面の表面摩擦を測定する装置において、高さの相違する２つの微細な片持ち梁型表面摩擦センサー１，２を壁面３から流体の流れに直交するように立設し、２つのそれぞれの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近に歪みゲージを取り付け、歪みゲージの出力から壁面近傍の流速、流れの方向及び表面摩擦を測定することを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に置かれた壁面近傍の表面摩擦を測定する装置において、高さの相違する２つの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーを壁面から流体の流れに直交するように立設し、２つのそれぞれの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近に歪みゲージを取り付け、歪みゲージの出力から壁面近傍の流速、流れの方向及び表面摩擦を測定することを特徴とする表面摩擦測定装置。
【請求項２】
片持ち梁型表面摩擦センサーが逆台形の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の表面摩擦測定装置。
【請求項３】
片持ち梁型表面摩擦センサーがいちょうの葉の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の表面摩擦測定装置。
【請求項４】
片持ち梁型表面摩擦センサーがＴ字の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の表面摩擦測定装置。
【請求項５】
片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近の表裏にそれぞれ歪みゲージを取り付けることにより温度補償を行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の表面摩擦測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械、ガスパイプライン及び高速輸送機等の壁面において流体がおよぼす摩擦を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機等の表面に作用する流体抵抗を測定する手段として、風洞内に航空機等を縮小した供試体を設置して、供試体を支持するストラットに貼着した歪ゲージの電気抵抗の変化を検出することにより供試体に作用する力を検知するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、流体の流れ上に配置した計測平板が流体の流れによって受ける抵抗を測定するに際して、計測平板と固定平板間にＦＧＢセンサを固定するとともに固定平板上にもＦＧＢセンサを設け、これらのＦＧＢセンサを直列に接続し、計測平板と固定平板間のＦＧＢセンサにて固定平板が流体の流れによって受ける抵抗による力を歪みとして計測し、固定平板上のＦＧＢセンサにより温度補正をするようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平０７−２６０６２２号公報
【特許文献２】特開２００４−２１２１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の特許文献１記載の発明においては、航空機等を縮小した供試体の受ける流体抵抗を測定するものであり、測定装置が大がかりであるばかりか、歪みゲージが壊れやすく、また、歪みゲージの温度ドリフトの問題があった。
また、上記の特許文献２記載の発明においては、ＦＧＢセンサを取り付ける計測平板を周りから切り離す必要があり、多くの手間が必要であった。
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、２つの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーを壁面から立設させ、該センサー根元の歪みを計測することにより、流体の流れの速さ、方向及び表面摩擦を簡便に測定可能な表面摩擦測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の流体が壁面におよぼす流体の表面摩擦を測定する測定原理について説明する。
図１は、壁面近傍の境界層における流体の流れを示すもので、横軸ｘが流体の速度Ｕを、縦軸ｙが壁面からの距離を示している。壁面の極近くの領域は層流底層と呼ばれ、流体の速度はｙと比例関係になる。
流体が壁面に及ぼす摩擦抵抗τｗは次式で定義される。
τｗ＝μ×ｄＵ／ｄｙ                                           （１）
この式において、μは流体の粘性係数であり、ｙは壁面から垂直に流れの場へ向かう距離である。この式から壁面近傍の速度勾配が摩擦抵抗を決めることがわかる。
今、流体の流れの中に高さの相違する２つの片持ち梁を置き、それぞれの片持ち梁に歪みゲージを装着しておくとすると、歪みゲージの出力は、局所的流速と比例関係にあることが知られている。
Ｕｙ１＝α１×Ｅ１                                            （２）
Ｕｙ２＝α２×Ｅ２                                            （３）
α１とα２は定数、Ｕｙ１とＵｙ２は壁面からの距離ｙ１、ｙ２に対応する局所的流速、Ｅ１、Ｅ２は、それぞれの歪みゲージの電気出力である。式（２）（３）のα１、α２は校正試験により定めることができるので、Ｅ１、Ｅ２からＵｙ１とＵｙ２が求まることになる。Ｅ１、Ｅ２には温度の影響も含まれるが、その除去方法については後述する。
また、片持ち梁の伸び又は縮に従って歪みゲージの出力は正又は負の出力となるので、Ｅ１、Ｅ２の符号により流れの方向の識別ができる。
【０００６】
高さの相違する２つの片持ち梁のそれぞれの高さをｌ１、ｌ２とすると、上記の（１）式は次のように近似される。
τｗ＝μ×（Ｕｙ１−Ｕｙ２）／（ｌ１−ｌ２）＝μ×（α１×Ｅ１−α２×Ｅ２）／（ｌ１−ｌ２）＝μ×［α１／（ｌ１−ｌ２）×Ｅ１−α２／（ｌ１−ｌ２）×Ｅ２］
＝μ×［β１×Ｅ１−β２×Ｅ２］                                     （４）
ここで、β１＝α１／（ｌ１−ｌ２）、  β２＝α１／（ｌ１−ｌ２）であり、測定系の寸法諸元が決まれば定まる量である。
従って、式（４）から摩擦抵抗τｗを求めることができる。
【０００７】
次に、温度補償について説明する。
流体の流れに起因する歪みゲージの出力成分をｅｆ、温度に起因する歪みゲージの出力成分をｅｔとおくと、歪みゲージの電気出力Ｅは
Ｅ＝ｅｆ＋ｅｔ                                                       （５）
として表される。
２つの片持ち梁のそれぞれの高さｌ１及びｌ２の差であるΔｌ＝ｌ１−ｌ２は微分を近似するためにできるだけ小さくとる必要がある。それに従って、局所的流速Ｕｙ１及びＵｙ２の差であるΔＵも当然小さくなる。その結果、温度変動による出力とほぼ同程度となる。このような理由から、長さが僅かに異なる２本の片持ち梁による摩擦抵抗測定においては、温度による誤差は極力取り除かなければならない。
今、同一形状の２本の片持ち梁の表又は裏に同一の歪みゲージが取り付けられている状況を考えると、歪みゲージが風上にあるか風下にあるかでｅｆの正負の符号が逆転する。一方、温度の効果は同一となる。表側の歪みゲージ出力ｅｆが正とすると、裏側の歪みゲージ出力ｅｆは負となる。
Ｅ１＝ｅｆ＋ｅｔ
Ｅ２＝−ｅｆ＋ｅｔ
従って、両辺を加減することによって
ｅｆ＝０．５×（Ｅ１＋Ｅ２）
ｅｔ＝０．５×（Ｅ１−Ｅ２）
以上の操作により、ｅｆ及びｅｔが確定し、温度の影響を取り除くことができる。
【０００８】
上記測定原理に基づいた、本発明の表面摩擦測定装置は、流体中に置かれた壁面の表面摩擦を測定する装置において、高さの相違する２つの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーを壁面から流体の流れに直交するように立設し、２つのそれぞれの微細な片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近に歪みゲージを取り付け、歪みゲージの出力から壁面近傍の流速、流れの方向及び表面摩擦を測定することを特徴としている。
また、本発明の表面摩擦測定装置は、片持ち梁型表面摩擦センサーが逆台形の形状をしていることを特徴としている。
また、本発明の表面摩擦測定装置は、片持ち梁型表面摩擦センサーがいちょうの葉の形状をしていることを特徴としている。
また、本発明の表面摩擦測定装置は、片持ち梁型表面摩擦センサーがＴ字の形状をしていることを特徴としている。
また、本発明の表面摩擦測定装置は、片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近の表裏にそれぞれ歪みゲージを取り付けることにより温度補償を行うようにしたことを特徴としている。  
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）測定したい壁面に２本の片持ち梁型表面摩擦センサーを立設するだけという簡便な手段で流体が壁面におよぼす摩擦を測定できる。
（２）片持ち梁型表面摩擦センサー根元の歪みを計測することにより、流体の流れの速さ、方向及び表面摩擦を測定できる。
（３）片持ち梁型表面摩擦センサーの根元付近の表裏にそれぞれ歪みゲージを取り付けることにより温度補償を行うことができる。
（４）時間応答が極めて良好である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る表面摩擦測定手段を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。
【実施例】
【００１１】
図２は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）加工により製作された微細なシリコン製片持ち梁型表面摩擦センサー（ＣＦＳ）を２本用い、流体中に置かれた壁面の表面摩擦を測定する装置を示したものであり、流体は紙面に垂直な方向に流れる。
２本の片持ち梁型表面摩擦センサー１、２は、幅ｂ及び厚さｈは共通しているが、壁面３からの高さｌが異なっており、センサー１の高さｌ１は１２００μｍ、センサー２の高さｌ２は６００μｍである。なお、両センサーのそれぞれの幅ｂは４３５μｍ、厚さｈは５０μｍであり、両センサー間の距離は約２ｍｍ程度である。
なお、片持ち梁型表面摩擦センサーの、高さｌは５００〜２０００μｍ、幅ｂは３００〜５００μｍ、厚さｈは１０〜２００μｍが望ましい。
２本の片持ち梁型表面摩擦センサー１、２のそれぞれの根元には、歪みゲージであるピエゾ抵抗素子４が４個設けられ、ホイートストン・ブリッジの４つの腕に接続されている。温度補償を考慮する場合は、片持ち梁型表面摩擦センサー１、２のそれぞれの根元の表及び裏に同一の歪みゲージであるピエゾ抵抗素子４を４個取り付ける。  
【００１２】
図３は、センサー１及び２の流体の流れを受ける面の形状の一例を示したものである。
図３のタイプ１は逆台形、タイプ２はいちょうの葉、タイプ３はＴ字形のセンサーであり、いずれのタイプも壁面から離れた部分の面積が根元部分に比べて大きく形成され、壁から所定の距離だけ離れた場所での流速を選択的に感知できる形となっている。センサーの形状は、図３に示したものに限らず適宜のものが採用可能である。
【００１３】
片持ち梁型表面摩擦センサーは、図４に示すように壁面３に立設された際に流れ方向へ曲がる。曲がることにより、ホイートストン・ブリッジの４つの腕に接続されている４個のボロンを持つ歪みゲージであるピエゾ抵抗素子４（図２参照。）の長さが応力のために伸びまたは縮み、この伸縮によりピエゾ抵抗素子４が抵抗変化を起こす。このようにして、ホイートストン・ブリッジの電圧出力は流れの方向性を示し、片持ち梁型表面摩擦センサー全体の長さにおける平均流速が増す時、電力出力も正の方向に増えていく。流れが逆方向へ向かう時、例えば、境界層の表面で逆流域ができる剥離流れ等の時、ホイートストン・ブリッジの出力は逆符号（負）へと向かう。これが、片持ち梁型表面摩擦センサーが流れ方向を判別する手段となる所以であり、同時に境界層において、既知の速度プロフィールによって片持ち梁型表面摩擦センサーが較正されれば、速度分布が線形の層流底層における壁面近傍の速度勾配を測定することができ、摩擦を正確に測定することができる。
【００１４】
４個のピエゾ抵抗素子を持つホイートストン・ブリッジの出力は、ピエゾ抵抗素子の歪みに比例するため、片持ち梁型表面摩擦センサーを設計する際には４個のボロンを持つピエゾ抵抗素子部に、十分に伸張性のある歪みを持たせることを考慮しなければならない。
【００１５】
以下に、片持ち梁型表面摩擦センサーによる予備テストの結果を示す。
この予備テストでは、厚さの異なる（２０μｍ、５０μｍ、１５０μｍ）３種類の片持ち梁型表面摩擦センサーの出力テストを行った。
なお、この予備テストは、片持ち梁型表面摩擦センサーに対する温度と速度を分離した結果を示したものであり、表面摩擦の測定とは直接の関係はないものである。したがって、以下では片持ち梁型表面摩擦センサーを単に片持ち梁センサーと呼ぶ。
１．テスト条件
（ａ）口でゆっくりと片持ち梁センサーを吹くもので、吹き口より両側を吹く。
温度：約３５℃  
制御速度：０ｍ／ｓ（携帯用温度、速度センサーにて計測）
（ｂ）電気アイロンを片持ち梁センサーに近づける。
温度：約２００℃
速度：０ｍ／ｓ
（ｃ）エアガンで片持ち梁センサーを吹く。
温度：約５℃
速度：１ｍ／ｓ
（ｄ）小さいピンを使い、片持ち梁センサーを物理的に押す。
規模はスケールにより計測する。
【００１６】
１．結果及び考察
２−１．出力結果
「−」は片持ち梁センサーの出力減、「＋」は出力増を表す。
2006071404.tif 000003
【００１７】
２−２．考察
（１）温度効果
厚さの違う３つの片持ち梁センサーで、ケース（ａ）と（ｂ）のテストを行った結果、温度が片持ち梁センサーの出力に大きな影響を与えることがわかった。特に、温度が高い場合は出力のドリフトが上昇し、２００℃の高温においては０．９Ｖにも及ぶ。温度の上昇は片持ち梁センサーの出力にとってマイナス要素を提供し、温度が高ければ高いほど悪影響を誘因する。
【００１８】
（２）温度効果の解明
片持ち梁型表面摩擦センサーの「上部を吹いた際の出力」と「裏側を吹いた際の出力」とを求めとところ、例えば、厚さ２０μｍの片持ち梁センサーにおける温度効果は図５に示すとおりであった。この図５は、温度と速度とを分離する処理を行ったものである。
図６は、同じような分離処理をした出力の速度依存性を示す。出力は、流速に比例している。
【００１９】
図６では、速度変化に伴う厚さ２０μｍの片持ち梁センサー出力が示されている。この図から速度と片持ち梁センサー出力が直線関係にあることがわかる。
（３）結果
今回の実験では、異なる速度に対する片持ち梁センサー出力の実証に成功できた。また、片持ち梁センサー出力により温度効果を知る方法も発見できたことにより、温度効果がこれまでの計測エラーの主な原因となってきたことを考えると、最も特筆すべき点である。片持ち梁センサー出力は、温度及び流れ速さに対しては直線関係を示しているが、出力は温度効果に反比例しても、流れ速さに対しては比例していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の壁面における流体の表面摩擦を測定する測定原理を説明するための、壁面近傍の境界層における流体流れを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ加工により製作された微細なシリコン製片持ち梁型表面摩擦センサーを２本用い、流体中に置かれた壁面の表面摩擦を測定する装置を示す正面図である。流体は紙面に垂直な方向に流れる。
【図３】本発明の実施の形態に係る片持ち梁型表面摩擦センサーの形状の一例を示す正面図である。
【図４】流れに直面した時の片持ち梁型表面摩擦センサーのたわみを示した説明図である。
【図５】厚さ２０μｍの片持ち梁型表面摩擦センサーにおける温度効果を示す図である。
【図６】速度変化に伴う厚さ２０μｍの片持ち梁型表面摩擦センサー出力を示した図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    片持ち梁型表面摩擦センサー
２    片持ち梁型表面摩擦センサー
３    壁面
４    歪みゲージであるピエゾ抵抗素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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