(57)【要約】【課題】  検知および計測を正確に行うことができる流体検出装置およびそれを用いた流体検出方法を提供する。【解決手段】  本発明の流体検出装置は、バイモルフ素子１と、筐体４とを備えており、バイモルフ素子１は、筐体４の内部に封止固定されている。流体は、筐体４の内部におけるバイモルフ素子１の一方側に流れ込むため、当該流体の圧力は、バイモルフ素子１の一方側のみに加わる。さらに、本発明の流体検出装置は、バイモルフ素子１における電荷の変動を電圧として取り出す出力部７と、当該電圧に基づいて、流体流量の計測を行う計測手段１２とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路が設けられた流路構造体と、平板形状の圧電素子とを備えた流体の流れを検出する流体検出装置であって、
上記圧電素子は、上記流路内の流体の圧力が当該圧電素子の片面側から加わるように、上記流路構造体に配設されていることを特徴とする流体検出装置。
【請求項２】
上記圧電素子は、上記圧力が加わる面側とは反対側に、流体が流れない中空部分が形成されるように、流路構造体に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の流体検出装置。
【請求項３】
上記圧電素子が、上記流路構造体の一部を構成していることを特徴とする請求項１に記載の流体検出装置。
【請求項４】
上記圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力する出力手段を備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の流体検出装置。
【請求項５】
上記出力手段から上記流体の有無を検知する表示手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の流体検出装置。
【請求項６】
上記出力手段から上記流体の流量を計測する計測手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の流体検出装置。
【請求項７】
上記流体の流れに脈動を起こす脈動発生手段を備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の流体検出装置。
【請求項８】
上記圧電素子は、バイモルフ素子であることを特徴とする請求項１〜７に記載の流体検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の流体検出装置を用いた流体検出方法であって、
当該圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力させることによって、流路内に流体が存在することを検出することを特徴とする流体検出方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の流体検出装置を用いた流体検出方法であって、
当該圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力させることによって、流体の流量を計測することを特徴とする流体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体検出装置およびそれを用いた流体検出方法に関し、詳細には、圧電素子に生じる電荷の変動に基づいて、流体の有無の検知および流体流量の計測を正確に行うことができる流体検出装置および流体検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体や気体を供給するための装置として、様々な供給装置が知られており、中でも、ベローズポンプやダイヤフラムポンプといった供給装置（以下、ポンプとする）は、送り込んだ流体が、流体搬送用の管路内において一定の周期の脈動を起こすという特徴を有している。このようなポンプの使用用途は広く、例えば、半導体の製造工程において用いられる。すなわち、半導体の製造工程には、シリコンウェハ上のマスクを酸によって除去した後に、ウェハ上に残留する酸を液剤により中和、洗浄する工程がある。この場合、中和剤や洗浄剤をウェハ上へ送り込む際の供給手段として上記のポンプを用いることができる。このようなポンプは高精度であるため、半導体のように製造精度によってその性能が決定してしまうような場合に好適である。
【０００３】
そこで、脈動を伴って管路内を流れる流体の有無を検出する装置として、特許文献１に開示された流体検出センサがある。
【０００４】
この流体検出センサには、圧電素子が設けられている。管路を流れる流体の圧力（流圧）が圧電素子に加わると、圧電素子が撓む。流体検出センサは、この撓みによって圧電素子内の電荷が変動することを利用し、この変動に基づいて管路内を流れる流体の有無を検知するものである。
【０００５】
以下に、この流体検出センサの構成について図７に基づいて説明する。
【０００６】
図７は、流体検出センサ１００の構成を示す断面図である。なお、同図には、流体検出センサ１００とともに、流体管路１０１を示している。この流体管路１０１は、例えば、上記したベローズポンプやダイヤフラムポンプにより一定の周期の脈動を伴った流体が流れている。流体検出センサ１００は、図示するように、信号検出部１０３と、収容部材１０５と、ばね材１０９とが設けられている。収容部材１０５は、図示するように、可撓性を有する材料によって構成されており、基端１０５ａが開放され、先端１０５ｂが閉塞された有底の細長筒状である。基端１０５ａは、管路１０１の外周面と内周面との肉厚部分に埋設されて支持されておいる。一方、先端１０５ｂは、管路１０１の内周面から内部に突出して、図中の矢印Ａで示す管路１０１の延在方向と直交する方向に延在し、管路１０１に支持されていない自由端となっている。圧電素子１０７は、バイモルフ型に構成されており、収容部材１０５の内部に基端１０５ａから先端１０５ｂに亘って収容されている。
【０００７】
以上のような構成を備えた流体検出センサ１００は、例えば、液剤が図中の矢印Ｂに示す方向に管路１０１内を流れる場合、その流圧が収容部材１０５に加わることにより、収容部材１０５とともに内部の圧電素子１０７が矢印Ｂ方向に撓む。これにより、上述したように、圧電素子１０７に電荷の変動が生じるため、管路内を流体が流れていることを検知することができる。
【０００８】
したがって、流体検出センサ１００は、管路内の流体の有無を検知するのに用いる、管路内の流体流量に応じた信号レベルの電気信号を、管路内の流体流量の変動に応じた圧電素子の電荷の変動により発生させることが可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１４２１９７号公報（１９９９年５月２８日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の流体検出センサ１００は、図７に示したように、圧電素子１０７が、管路１０１の内周面から、図中の矢印Ａで示す管路１０１の延在方向と直交する方向に突出した構造であり、その一端は、管路１０１に支持されていない自由端となっている。そのため、圧電素子１０７（収容部材１０５）が突出している部分を通過する液剤は、その流れの一部が収容部材１０５（圧電素子１０７）によって遮られ、脈動が乱れてしまう。例えば、この脈動が乱れた液剤（以下、これを乱流とする）は、図７の矢印Ｂで示した方向とは反対方向の流圧で表すことができる。
【００１０】
乱流が生じることにより、圧電素子１０７に、本来の流体の流圧の方向とは異なる方向からの流圧が加わることになる。すなわち、本来は、圧電素子１０７にかかる収容部材１０５外部からの圧力は、図７の矢印Ｂで示した方向の流圧のみである。これにより、圧電素子１０７は、矢印Ｂで示した方向に流れる液剤の上流側から下流側に撓む。ところが、圧電素子１０７が突出している部分において液剤に乱流が発生するため、矢印Ｂで示した方向とは反対方向の流圧も圧電素子１０７に加わることになる。この反対方向の流圧は、矢印Ｂで示した方向に流れる液剤の下流側から上流側に圧電素子１０７を撓ませる。
【００１１】
したがって、特許文献１の流体検出センサ１００では、圧電素子１０７に乱流に起因する圧力が加わるため、液剤の流量を測定しようとする場合に、正確な測定を行うことができないという問題が生じる。
【００１２】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電素子における電荷の変動に基づいて流体の有無の検知および流体流量の計測を行う場合であっても、検知および計測を正確に行うことができる流体検出装置およびそれを用いた流体検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る流体検出装置は、上述した課題を解決するために、流体の流路が設けられた流路構造体と、平板形状の圧電素子とを備えた流体の流れを検出する流体検出装置であって、上記圧電素子は、上記流路内の流体の圧力が当該圧電素子の片面側から加わるように、上記流路構造体に配設されていることを特徴としている。具体的には、上記圧電素子として、バイモルフ素子を用いることができる。
【００１４】
上記の構成とすることにより、本発明の流体検出装置は、流体の有無の検知および／または流量計測を正確に行うことが可能となる。
【００１５】
本発明の流体検出装置は、平板形状の圧電素子は、その両面に上記流路内の流体の圧力が加わる構造ではなく、その一方の面側から上記の圧力が加わるように、上記流路構造体に配設されている。すなわち、本発明の流体検出装置に設けられた圧電素子は、従来技術における流体検出センサのように、流路（管路）内に突出した構造ではない。従来構造では、圧電素子の突出部分において被計測体の流れが妨げられているため、乱流が発生するとともに、上記流路内の流体の圧力が、圧電素子の両面から加わる構造であったため、乱流によって本来の流体の流れの方向とは異なる方向（例えば、反対方向）の流れが生じた場合、この流れによる圧力が圧電素子に加わるようになっていた。この圧力が加わることによって、圧電素子には被計測体の流れの下流側から上流側に向かう方向への撓みが生じるため、流量計測においては誤計測を引き起こすことになり、精度を著しく低減させる。また、従来技術の圧電素子は、突出した端が自由端となっている。自由端は、流路（管路）内において非常に不安定な構造であるため、乱流等の流量測定には不要な流体の流れによっても、圧電素子の撓みを引き起こす可能性がある。したがって、この構造も、流量計測の精度を低減させる要因となっていた。これらのことから、従来技術では、流体の有無の検知、および流量計測を正確に行うことは困難であった。そこで、本発明の流体検出装置は、上記流路内の被計測体の圧力が、平板形状の圧電素子における一方の面側から加わるようなに圧電素子を配設している。すなわち、当該圧電素子の両面から上記流路内の流体の圧力が加わるような突出した構造ではなく、圧電素子における一方の面側から上記の圧力が加わるように構成していることから、従来技術に開示されているような自由端も存在しない。例えば、本発明の流体検出装置に、流体の有無を検知することができる手段や、流体流量を計測する手段を備えて、流体の有無の検知や流体流量の計測を行う際、流路内において乱流が発生した場合であっても、流量計測の精度を低減させるような圧力が圧電素子に加わることはない。
【００１６】
以上のことから、圧電素子の電荷の変動に基づいて流体の流量を測定する本発明の流体検出装置を用いれば、より正確な流体の有無の検知および流量計測が可能となる。
【００１７】
このように、本発明の流体検出装置は、より正確な流体の有無の検知および流量計測ができる。したがって、上記流路の容積を適宜選択すれば、流量が少ない場合であっても流体の有無の検知および流体の流量の測定を正確に行うことができる。よって、本発明の流体検出装置は、従来の流体検出センサと比較して、様々な種類の流体に対して適用することができる。
【００１８】
なお、「流量」とは、流体における単位時間あたりの流量のことを表すものとする。
【００１９】
また、「バイモルフ素子」とは、厚み方向に分極された２枚の平板形状の圧電素子から構成されたものである。
【００２０】
このように、２枚の圧電素子から構成されているバイモルフ素子を用いることにより、起電力を大きくすることができる。なお、本発明はバイモルフ素子に限定されるものではなく、ユニモルフ型や積層型の圧電素子を用いることもできる。
【００２１】
また、本発明に係る流体検出装置は、上記圧力が加わる面側とは反対側に、流体が流れない中空部分が形成されるように、流路構造体に配設されていることが好ましい。
【００２２】
上記圧電素子が、上記圧力が加わる側とは反対側に中空部分が形成されるように、上記流路の内部に封止固定されていることから、圧電素子は、極めて安定した構造となっている。すなわち、上記流路の内部において封止固定されていることにより、圧電素子に流路構造体の外部から不要な圧力が及ぶことはなく、圧電素子の撓みを、上記流路内の被計測体の圧力のみに限定することができる。よって、上記した効果に加え、より正確な流量計測を実現することができる。
【００２３】
また、圧電素子を流路の内部に配置していれば、圧電素子自体が外部環境によって劣化することを防止することができる。すなわち、上記の構成とすることにより、圧電素子の耐久性を高めることができ、よって、本発明の流体検出装置自体の耐久性を高めることができる。
【００２４】
また、本発明に係る流体検出装置は、上記圧電素子が、上記流路構造体の一部を構成していることが好ましい。
【００２５】
上記の構成とすることにより、本発明の流体検出装置は小型化を実現することができる。また、圧電素子が、当該筐体の一部分を兼ねていることから、圧電素子に欠陥等の不具合が生じた場合に修理、交換等を容易に行うことができる。
【００２６】
また、本発明に係る流体検出装置は、上記圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力する出力手段を備えていることが好ましい。
【００２７】
これにより、従来の流体検出センサに設けられている信号回路基板の構成と比較して、簡易な構成によって上記圧電素子における電荷の変動を検出することができる。したがって、流体検出装置の製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【００２８】
また、本発明に係る流体検出装置は、上記出力手段から出力された電圧から上記流体の流量を計測する計測手段を備えることができる。また、本発明に係る流体検出装置は、上記流体に脈動を起こす脈動発生手段を備えることができる。
【００２９】
なお、ここで、脈動とは、流量に変化がある流体の流れのことである。本発明の流体検出装置は、正確に流量を検出できるという観点から、周期的に流量が変化する流体の流れである脈動が好ましく、とりわけ、流量がゼロとなる場合と任意の一定流量とが周期的に変化する流体の流れである脈動が好ましい。
【００３０】
また、本発明に係る流体検出装置は、上記出力手段から上記流体の有無を検知する表示手段を備えることができる。
【００３１】
本発明に係る流体検出方法は、上述した課題を解決するために、上記流体検出装置を用いた流体検出方法であって、当該圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力させることによって、流路内に流体が存在することを検出することを特徴としている。また、本発明に係る流体検出方法は、出力した電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つを用いて、流体の流量を計測することが好ましい。
【００３２】
本発明の方法によれば、より正確な流体の有無の検知および、より少ない流量でも正確に流量の計測が可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る流体検出装置は、以上のように、流体の流路が設けられた流路構造体と、平板形状の圧電素子とを備えた流体の流れを検出する流体検出装置であって、上記圧電素子は、上記流路内の流体の圧力が当該圧電素子の片面側から加わるように、上記流路構造体に配設されていることを特徴としている。また、本発明に係る流体検出方法は、以上のように、上記流体検出装置を用いた流体検出方法であって、当該圧電素子における電荷の変動を、電圧、電流、起電力からなる群から選ばれる少なくとも１つとして出力させることによって、流路内に流体が存在することを検出することを特徴としている。
【００３４】
上記の構成によれば、たとえ流路内において乱流が発生した場合であっても、流量計測の精度を低減させるような圧力が圧電素子に加わることはない。
【００３５】
したがって、本発明の流体検出装置および流体検出方法を用いれば、より正確な流体の有無の検知および、より少ない流量でも正確に流量の計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の実施の一形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３７】
なお、以下の説明では、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲が、以下の実施形態および図面に限定されるものではない。
【００３８】
また、本実施の形態では、圧電素子にバイモルフ型の圧電素子を備えた流体検出装置について説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、ユニモルフ型や積層型の圧電素子を用いた場合であってもよい。
【００３９】
まず、バイモルフ型の圧電素子（以下、これをバイモルフ素子とする）について、一般的な使用用途に基づいて説明する。
（バイモルフ素子）
図１（ａ）・（ｂ）は、一般的に使用されているバイモルフ素子の構成を示す断面斜視図である。一般的なバイモルフ素子の使用用途としては、ポンプやバイモルフファンや圧電バルブがあり、バイモルフ素子に対して電圧印加と無印加とを繰り返すことによって、圧電素子を周期的に撓ませて、液体等を送り出す構成である。図１（ａ）は、バイモルフ素子１に交流電圧が印加されていない状態を示したものであり、図１（ｂ）は、バイモルフ素子１に交流電圧を印加した場合の状態を示したものである。なお、図中には説明の便宜上、バイモルフ素子１に電圧を印加するための回路を示しているが、本発明の流体検出装置には、この回路は存在しない。
【００４０】
図１（ａ）に示すように、バイモルフ素子１は、厚み方向に分極された２枚の平板形状の圧電素子２ａ・２ｂから構成されており、内部に電極を埋め込んで貼り合わせた構造を有している。
【００４１】
このような構造を有するバイモルフ素子１が一般的に使用される場合における、バイモルフ素子１の駆動原理を簡単に説明すると、図１（ｂ）に示すように、圧電素子２ａ・２ｂに、電源から交流電圧を印加すると、圧電素子２ａは圧電横効果によって収縮し、反対に圧電素子２ｂは伸長する。その結果、バイモルフ素子１は全体として、図１（ｂ）に示すように屈曲する。
【００４２】
このような特性を有するバイモルフ素子１は、構造が単純で製造が容易であり、消費電極が少ない等の利点があることから、従来から、ポンプやバイモルフファンや圧電バルブに用いられている。
【００４３】
一般的な使用用途の一例として、ポンプについて挙げると、上記の特性を有するバイモルフ素子をポンプ内に設け、図１（ｂ）に示したように電圧印加することによってバイモルフ素子の屈曲動作（変位動作）を起こす。これにより、送り込まれた液体を外部に送り出すことができる。
【００４４】
本実施の形態における流体検出装置には、図１に示した構造を有するバイモルフ素子１が設けられているが、その用途は、上記とは異なるものである。すなわち、本発明の流体検出装置に設けられたバイモルフ素子は、図１の構成とは異なり、バイモルフ素子１を撓ませることによって、起電力を発生させる構成としている。なお、バイモルフ素子１の具体的な機能（動作）については、後に詳述する。
（流体検出装置）
本実施の形態における流体検出装置３は、例えば、上述したような半導体製造工程において、中和剤や洗浄剤をウェハ上に提供する場合に、所定量を提供するために用いることができる。また、これに限定されるものではなく、他にも、細胞やタンパク質等のバイオ試料を液送する場合にも、その所定量のバイオ試料を液送するためも用いることができる。さらに、石油化学品、医薬品、農薬品、化成品、電子工業薬品などの化学製品、食品当の流体にも適用することができる。特に、サイクロ減圧機の歯車やペアリングなどの潤滑油の輸送に好適である。
【００４５】
なお、脈動ポンプは、自吸式で流体を輸送できることから、通常のポンプのように呼び水と呼ばれるポンプを動作させるための流体を必要としないことから、上記化学製品製造業および食品製造業において、流体の仕込みに好適に用いられ、確かに仕込みが行われていることを確認する意味で、本発明の流体検出装置は好適に用いられる。
【００４６】
すなわち、流体検出装置３では、中和剤や洗浄剤やバイオ試料を含む液剤等（以下、これらを流体と総称する。）が筐体４内を流れていることを、バイモルフ素子１を用いて検知するとともに、その流量も当該バイモルフ素子１を用いて計測することによって、適切な量の流体（流量）を供給することができる。
【００４７】
図２は、本実施の形態における流体検出装置３の構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態の流体検出装置３は、筐体（流路構造体、流路）４と、バイモルフ素子１と、脈動発生手段６と、出力部（出力手段）７と、計測手段１２とを備えている。
【００４８】
筐体４には、バイモルフ素子１が設けられているとともに、脈動を有する流体を筐体４内部に流入させることができる。流体検出装置３が適用される条件下によって筐体４の大きさは、適宜設定することができ、例えば、流量が０〜２０ｍｌ／秒のような極僅かな流量の場合には、外形が７４ｍｍ×６８ｍｍ×２４ｍｍのものを用いることができる。また、厚みについても、適宜設定でき、例えば、上記の外形を有したものでは、１〜２ｍｍとすることができる。
【００４９】
筐体４の材質については、特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス、鉄などの金属材料、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などの高分子材料、炭素繊維、ガラスなどの無機材料、これらの複合材料等、構造材料として用いられるものが好適である。通常、流体によって腐食されないものが選定される。具体的には、有機材料であれば、金属材料、フッ素樹脂、無機材料が好ましく、水であれば、ステンレス、高分子材料が好ましく、酸性水であれば、高分子材料、無機材料が好ましく、アルカリ水であれば、金属材料、高分子材料が好ましい。
【００５０】
また、上記筐体４には、流入口９および流出口８が設けられている。流入口９は、上記の脈動発生手段６によって脈動を有した流体（被計測体）が筐体４内部に流入するための開口部である。流出口８は、筐体４内部から流体を流出させるための開口部である。流入口９および流出口８付近には、各々の流体の流れを制御するための制御弁１０が設けられている。制御弁１０としては、従来公知のものを用いることができ、例えば、逆止弁やボール弁等を用いることができる。
【００５１】
なお、この制御弁１０は、筐体４と一体的に設けられる必要はなく、例えば、筐体４の流入口９および流出口８に、従来公知の技術を用いて設けた配管１１に制御弁１０を設けるような構成とすることも可能である。
【００５２】
上記の脈動発生手段６は、流体を筐体４内部へ送り込むために設けられており、流体は、この脈動発生手段６によって一定の周期の脈動を伴って配管１１を流れながら、流入口９を通じて筐体４内部へ送り込まれる。脈動発生手段６としては、従来公知のベローズポンプやダイヤフラムポンプを用いることができる。流体の流れが周期的であると、正確に流量が計測できる傾向があるため、このような脈動発生手段６を設けることが好ましい。
【００５３】
なお、ここで「脈動」とは、流量に変化がある流体の流れのことである。正確に流量を検出できるという観点から、周期的に流量が変化する流体の流れである脈動が好ましく、とりわけ、流量がゼロとなる場合と任意の一定流量とが周期的に変化する流体の流れである脈動が好ましい。
【００５４】
上記バイモルフ素子１は、脈動発生手段６によって脈動を伴って配管１１を流れながら、流入口９を通じて筐体４内部に送り込まれる流体の有無を検知するとともに、流体が流入した場合には、その流量を計測するために設けられている。
【００５５】
上記バイモルフ素子１は、構造上は、図１（ａ）に示したものと同様であり、厚み方向に分極された２枚の圧電素子２ａ・２ｂを備えている。図２に示すように、圧電素子２ａ側に流体が送り込まれていない状態（これを、初期状態とする）で、バイモルフ素子１は、通常、水平状態となっている。圧電素子２ａ・２ｂとしては、例えば、圧電セラミックス板等を用いることができる。
【００５６】
上記バイモルフ素子１の配設位置は、図２に示すように、筐体４の内部に封止固定されている。具体的には、バイモルフ素子１は、筐体４の内部において、バイモルフ素子１の圧電素子２ｂ側に中空部（中空部分）５が設けられるように、封止固定されている。すなわち、流入口９を通じて筐体４内部に送り込まれる流体は、バイモルフ素子１の圧電素子２ａ側に流入する。一方、バイモルフ素子１の圧電素子２ｂ側は中空部５が設けられており、中空部５内に流体は送り込まれない。脈動発生手段６によって一定の周期の脈動を伴った流体がバイモルフ素子１の圧電素子２ａ側に送り込まれると、バイモルフ素子１は、図２に破線で示したように撓む構成となっている。
【００５７】
なお、上記バイモルフ素子１の表面には、バイモルフ素子１（圧電素子２ａ・２ｂ）の劣化を防止するために、保護膜（図示せず）が設けられている。具体的には、フッ素樹脂やエポキシ樹脂等の高分子材料を採用することができる。なお、フッ素樹脂をバイモルフ素子に塗布すると、耐薬品性、耐久性に優れることから好ましい。
【００５８】
上記出力部７は、リード線１０を介して圧電素子２ａ・２ｂと接続しており、圧電素子２ａ・２ｂの電荷の変動に基づいて、起電力、電圧および電流からなる群から選ばれる少なくとも１つ（以下、起電力等という場合がある。）を出力する。
【００５９】
上記出力部７は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプといった表示手段が設けられていており、出力部７において起電力等が得られた場合にＬＥＤランプを点灯させるような構成とすることができる。
【００６０】
上記計測手段１２では、出力部７から出力された起電力等に基づいて、流量計測が行われる。
【００６１】
次に、本実施の形態の流体検出装置３における流体の有無の検知および、流量計測の各動作について説明する。
（流体検出装置の動作）
上述したように、図２において実線で示したバイモルフ素子１は、脈動発生手段６によって脈動を伴った流体がバイモルフ素子１の圧電素子２ａ側に送り込まれると、破線で示した形状に撓む構成となっている。
【００６２】
バイモルフ素子１は、撓むことによって圧電素子２ａ・２ｂの電荷が変化するように構成されている。本実施の形態の流体検出装置３は、圧電素子２ａ・２ｂの電荷の変動に基づいて電圧を取り出すことによって、流体の有無を検知することができる。
【００６３】
具体的には、筐体４に設けられた流出口８側の制御弁１０を閉塞した状態、かつ、流入口９側の制御弁１０が開放した状態において、脈動発生手段６によって脈動を伴った流体が筐体４内部に流入する。これにより、図２において実線で示したバイモルフ素子１は、脈動発生手段６によって脈動を伴った流体がバイモルフ素子１の圧電素子２ａ側に送り込まれると、破線で示した形状に撓む。撓むことによって、圧電素子２ａ・２ｂの電荷が変動する。この電荷の変動を、出力部７において起電力等として取り出すことができる。
【００６４】
ここで、本実施の形態の流体検出装置３を、筐体４内部における流体の有無の検知のみに用いることのみを目的とする場合は、この起電力等を測定するような測定器を設け、起電力等の有無から筐体４内部の流体の有無を検知することができる。また、これ以外にも、後述する実施例に挙げるような、ランプを用いることも可能である。ランプをこの起電力等によって点灯させる構成とすることによって、筐体４内部に流体が存在する場合にランプが点灯する。これにより、筐体４内部における流体の有無の検知を行うことができる。
【００６５】
なお、上述したように、この測定器やランプは、出力部７に備えることも可能である。
【００６６】
このように、本実施の形態の流体検出装置３を用いることにより、筐体４内部に送り込まれた脈動を伴った流体によって、圧電素子２ａ・２ｂの電荷が変動し、この変動を起電力等として取り出すことができる。したがって、この起電力等に基づいて、筐体４内部の流体の有無を検知することができる。
【００６７】
ところで、本発明の流体検出装置３は、図２に示すように、さらに、計測手段１２を備えており、流体の流量計測を行うことができる。すなわち、本発明の流体検出装置３は、後述する実施例にも示すように、流体の流量と、起電力等の量とが正比例の関係となるように構成されている。したがって、本発明の流体検出装置３を用いることによって、起電力等の量に基づいて、流体の流量計測を行うことができる。
【００６８】
上記計測手段１２は、上述したように、出部７によってとして取り出された圧電素子２ａ・２ｂにおける電荷の変動に基づく起電力（電圧）を取り込むことによって、流量計測を行うことができる。
【００６９】
流量計測方法については、特に限定されるものではないが、例えば、流体検出装置３の製造時に、流体の流量と、出力部７から取り出される起電力量との関係を予め設定しておき、このデータに基づいて、出力部７から得られた起電力量から流量を算出することができる。
【００７０】
これ以外にも、例えば、流体が連続して流体検出装置３を流れるような場合には、流体検出装置３の使用を開始する段階（初期段階）において、一度、流量が明らかな流体を流体検出装置３（筐体４）に送り込み、圧電素子２ａ・２ｂにおける電荷の変動を、起電力（電圧）として取り出して検量データを取得し、その後、連続して流体の流量を計測するような構成としてもよい。
【００７１】
なお、本実施の形態の流体検出装置３に設けられたバイモルフ素子１（圧電素子２ａ・２ｂ）自体は、その構造上、図２において、実線で示した形状から、破線で示した形状に変化すると再び実線で示した形状に戻る（復元する）構成となっている。しかしながら、本発明の流体検出装置はこれに限定されるものではなく、破線で示した形状から復元しないような構成のバイモルフ素子１であってもよい。この場合、流体の有無の検知および／または流量計測を一度行うと、圧電素子２ａ・２ｂが破線で示した状態のままになるため、連続して流体の検知や流量計測を行う場合には、図２における破線で示した圧電素子２ａ・２ｂから、実線で示した状態に戻す（復元する）必要が生じる。このような構成とした場合における復元する方法としては、これに限定されるものではないが、例えば、上述したような、一般的な使用用途のバイモルフ素子と同じように、破線で示した状態にある圧電素子２ａ・２ｂに、図示しない電源から電圧を印加して屈曲させ、実線で示した状態に復元することが可能である。
【００７２】
また、流体の検知および／または流量計測が完了すると、検知や計測に用いられた筐体４内部の流体は、筐体４の流出口８から排出される。
【００７３】
この排出方法としては、例えば、脈動発生手段６から脈動を伴った流体が連続して提供されるような場合には、バイモルフ素子１を用いて検知や計測を完了すると、流入口９側および流出口８側のそれぞれの制御弁を開放し、脈動発生手段６から新たに提供される流体によって、検知や計測に用いられた筐体４内部の流体を流出口８から排出することができる。
【００７４】
また、脈動発生手段６から新たに流体が提供されないような場合には、流入口９側の制御弁１０を閉塞し、かつ、流出口８側の制御弁１０を開放して、バイモルフ素子１に電圧を印加して屈曲させることによって、流出口８から筐体４内部の流体を排出することも可能である。
【００７５】
流体の流量計測を行った計測結果は、例えば、図示しない表示手段に表示することができる。
【００７６】
なおまた、流量を調節することができる流量調節手段を備え、ここに計測手段から得られた計測結果を出力することによって、流量の調整を行うことも可能である。
【００７７】
以上のように、本実施の形態の流体検出装置３を用いれば、バイモルフ素子１における一方の面側のみから、すなわち、図２におけるバイモルフ素子１の圧電素子２ａ側のみから、筐体４内における流体の圧力が加わるようにバイモルフ素子１を配設している。すなわち、バイモルフ素子１は、従来構造のように、圧電素子の両面に流体の圧力が加わるような筐体内（管路内）において突出した構造ではなく、また、従来構造のように自由端も存在しない。したがって、流体検出装置３を用いれば、たとえ筐体４内において乱流が発生した場合であっても、流量計測の精度を低減させるような圧力がバイモルフ素子１に加えられることはない。
【００７８】
以上のことから、流体検出装置３を用いれば、バイモルフ素子１の電荷の変動に基づいて流体の有無の検知および流量計測を行うことができるとともに、従来構造と比較して、より正確に行うことが可能となる。
【００７９】
また、流体検出装置３を用いれば、バイモルフ素子１が、バイモルフ素子１の圧電素子２ｂ側に中空部５が形成されるように、筐体４内部に封止固定されていることから、バイモルフ素子１は、極めて安定した構造となっている。
【００８０】
すなわち、このように配設されていることによって、バイモルフ素子１に対して筐体４の外部から不要な圧力が加わることなく、上記筐体４内の流体の圧力のみに限定することができる。これにより、より正確な流体の検知および流量計測を実現することができる。
【００８１】
また、バイモルフ素子１を筐体４の内部に配置していれば、バイモルフ素子１自体が外部環境によって劣化することを防止することができる。
【００８２】
すなわち、上記の構成とすることにより、バイモルフ素子１の耐久性を高めることができ、よって、流体検出装置３自体の耐久性を高めることができる。
【００８３】
なお、本発明に係る流体検出装置は、バイモルフ素子１の配設位置を、図２に示したような構造に限定するものではない。例えば、図３に示すように、バイモルフ素子１が筐体４の一部分を兼ねている構造であってもよい。図３に示すような構造とすれば、小型化を実現することができる。また、バイモルフ素子１に欠陥等の不具合が生じた場合に修理、交換等を容易に行うことができる。
【００８４】
なお、本実施の形態では、圧電素子２ａ・２ｂに生じた電荷の変動を、出力部７において起電力（電圧）として取り出す構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば以下のように構成することも可能である。
【００８５】
すなわち、上記出力部７の代わりに、図４に示すように、電荷／電圧変換回路１３ａと、フィルタ回路１３ｂと、シュミットトリガ回路１３ｃと、電源回路１３ｄとを備えた信号出力部１３が設けられた構成であってもよい。
【００８６】
この構成によれば、電荷／電圧変換回路１３ａが、リード線１０を介して圧電素子２ａ・２ｂと接続している。電荷／電圧変換回路１３ａでは、電源回路１３ｄから印加される交流電圧が、電荷の変化に応じた波形の電圧信号として出力される。フィルタ回路１３ｂでは、電荷／電圧変換回路１３ａから出力された電圧信号のノイズが除去される。シュミットトリガ回路１３ｃでは、フィルタ回路１３ｂによってノイズを除去された電圧信号が、矩形波状のパルス信号に波形成形される。波形成形されることによって、流体の脈動と同じ周期の矩形波状を呈するパルス信号が信号出力部１３から出力される。
【００８７】
すなわち、信号出力部１３の外部にパルス信号が出力されれば、筐体４内部に流体が存在しているということになり、信号出力部１３の外部にパルス信号が出力されなければ、筐体４内部に流体が存在していないということになる。
【００８８】
このように、信号出力部１３の外部にパルス信号が出力されることによって、筐体４内部に流体の存在を検出したことを電気信号化して検知することができる。
【００８９】
なお、この場合、流量を計測する計測手段１２も、パルス信号に基づいて計測されるような構成のものを用いればよい。
【００９０】
なお、本発明に係る流体検出装置は、流体として、上述したような中和剤や洗浄剤やバイオ試料以外でも適用することができる。また、液体に限定されることはなく、気体であっても適用可能である。
【００９１】
以下に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
〔実施例〕
以下の説明は、本実施の形態に係る流体検出装置について記載する。
【００９２】
本実施例では、上述した実施の形態中の図２と同じ流体検出装置３の構成を備える。なお、本実施例では、バイモルポンプ（登録商標）（日東工器（株）、ＢＰＨ−２１４Ｇ）を、図２における筐体４およびバイモルフ素子１として用いた。このバイモルポンプは、自吸力８ｋＰａ、吐出圧１７ｋＰａである。バイモルポンプのコンセントをテスター（電圧計）に接続して、発生する電圧（起電力）を測定した。
【００９３】
制御弁１０には、ボール弁を用いた。配管１１には、SUS304からなる２５Ａの内径約２７ｍｍの配管を用いた。
【００９４】
脈動発生手段６には、ダイヤフラムポンプ（最大吐出量：230 L/分、最大吐出圧：7 kg/cm2、最大ストローク数：150回/分、材質：プロピレン、日本フィーダ工業株式会社 製、ＤＬ４０）を用いた。使用する流体は、サイクロ減速機用に用いられる機械油（VG150）を用いた。
【００９５】
以上のような構成を備えた流体検出装置３を用いて、流体の有無の検知について調べた。
（流体の検知）
ＬＥＤランプの点灯によって流体の有無の検知を行う構成とするため、バイモルポンプのコンセントにＬＥＤランプを接続した。
【００９６】
機械油が充填されたドラム缶と、脈動発生手段６とを配管によって接続し、脈動発生手段６から脈動を伴った機械油をバイモルポンプに送り込んだ。その結果、バイモルポンプ内に機械油が流れると、ＬＥＤランプが点灯することが確認できた。
【００９７】
したがって、本発明に係る流体検出装置は、流体の存在を、バイモルフ素子における電荷の変動に基づき、発生電圧として取り出すことができた。すなわち、本発明に係る流体検出装置を、流体の有無の検知に用いることができることが確認できた。
【００９８】
次に、上記の構成の流体検出装置３を用いて、流体の流量と、発生する電圧量との関係を測定した。
（流量と発生する電圧量との関係）
流体の流量と、発生する電圧量との関係を測定するためには、電圧量を測定する必要がある。電圧量の測定は、バイモルポンプのコンセントに端子台を設け、テスター（電圧計）を用いて測定した。また、バイモルポンプに送り込まれる機械油の流量を調節する必要がある。そこで、流量の調節は、制御弁１０であるボール弁によって行った。なお、流量の測定は、バイモルポンプの流出口から排出される機械油を計量することによって測定した。
【００９９】
脈動発生手段６から脈動を伴った機械油をバイモルポンプに送り込み、電圧量の測定と流量の測定を行った。その結果を、下記の表１に示す。
【０１００】
【表１】
2006125861.tif 000003
【０１０１】
また、この結果をグラフにしたものを図５に示す。なお、図５には、表１の結果を実線で表すとともに、表１の結果の近似値をとったものを破線で示している。
【０１０２】
図５から、発生する電圧量に、流体の流量が正比例していることがわかった。
【０１０３】
したがって、本発明の流体検出装置を用いれば、発生する電圧量から、流体の流量を測定することが可能であることが示された。
【０１０４】
以下に、本発明の流体検出装置と、図７に示した従来技術と同様に突出した構造の圧電素子を有した流体検出装置（流体検出センサ）とを用いて、流量計測の感度を比較した。
〔比較例〕
従来技術と同様に、突出した構造の圧電素子を有した流体検出装置には、上記の実施例において、バイモルポンプを用いた箇所からバイモルポンプを外し、その代わりに、配管にバイモルフ素子１（図２）を差し込んだものを用いた。それ以外の構成は、上記実施例と同じである。
【０１０５】
バイモルフ素子１には、発電バイモルフモジュール（日新電機（株）製）をそのまま差し込んだ。この発電バイモルフモジュールは、長さ６７ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）板の中央部の両面に圧電素子（幅１０ｍｍ弱、長さ約４０ｍｍ）を貼合したものであり、圧電素子に接続された出力口にテスターを接続して、発生する電圧を測定した。
（感度の比較）
上記した実施例および比較例の各流体検出装置を用いて、機械油の流量を０．２ｍＬ／秒〜１０ｍＬ／秒の間で適宜設定して、それぞれの装置に発生する電圧量を測定した。
【０１０６】
その結果、上記の範囲の流量では、比較例の流体検出装置では発生電圧を確認することができなかった。
【０１０７】
そこで、比較例の各流体検出装置については、機械油の流量の上限を８７０ｍＬ／秒まで増加させて、再度電圧を測定した。
【０１０８】
実施例および比較例の各流体検出装置において、機械油の各流量において発生した電圧量の測定結果を下記の表２にまとめた。
【０１０９】
【表２】
2006125861.tif 000004
【０１１０】
比較例の流体検出装置では、機械油の流量が６０ｍＬ／秒を越えた付近から初めて発生電圧を確認することができた。
【０１１１】
図６には、実施例および比較例の各流体検出装置において発生した電圧量を、横軸に流量をとって表したグラフである。なお、実施例における測定結果を実線で示し、比較例における測定結果を破線で示している。
【０１１２】
図６から、機械油の流量が６０ｍＬ／秒を越えた付近から初めて発生電圧を確認することができた従来の構成のものでは、流量が３００ｍＬ／秒を越えるような、非常に多い流量である場合に、電圧と流量との関係が比例関係となる。すなわち、従来の構成のものでは、非常に多い流量の場合には、適用することができるが、流量が少ない場合では適用が困難であるといえる。これは、上記したような問題点があるためだと考えられる。
【０１１３】
したがって、流体流量による測定電圧の感度は、従来の構成のものと比較して、本発明の流体検出装置のほうが格段に高いことがわかった。
【０１１４】
このように、本発明の流体検出装置を用いることによって、流量が少ない場合であっても、流体の有無の検知および流体の流量の測定を正確に行うことができる。
【０１１５】
すなわち、本発明の流体検出装置は、従来の構成のものでは対応できないような、バイオ試料や薬剤といった微量の液量を取り扱う機器に液送するような場合にも好適に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係る流体検出装置およびそれを用いた流体検出方法は、圧電素子における電荷の変動を、起電力等として取り出すことができるため、この起電力等に基づいて、流体の有無の検知を行うことができる。また、電圧と、流体の流量とが比例することから、起電力等を測定することにより流体の流量を計測することができる。さらに、本発明に係る流体検出装置は、従来技術のものよりも、少ない流量に対しても正確な流量計測を実施することができる。
【０１１７】
したがって、半導体製造工程において、中和剤や洗浄剤をウェハ上に提供する流体検出装置や、バイオ試料や薬剤といった微量の液量を取り扱うような機器に対する液送装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】（ａ）・（ｂ）はともに、一般的に用いられるバイモルフ素子の断面斜視図であり、（ａ）は、当該バイモルフ素子に交流電圧が印加されていない状態を示したものであり、（ｂ）は、バイモルフ素子に交流電圧を印加した場合の状態を示したものである。
【図２】本発明の一実施形態に係る流体検出装置の構成を示した断面図である
【図３】本発明に係る流体検出装置のバイモルフ素子の他の配置について示した断面図である。
【図４】本発明に係る流体検出装置の出力部の他の構成ついて示したブロック図である。
【図５】本発明に係る流体検出装置において電圧を測定した結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る流体検出装置と、従来技術の構成を備えた流体検出装置（流体検出センサ）とにおける流量と測定電圧との関係を比較して示したグラフ図である。
【図７】従来技術における流体検出センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１          バイモルフ素子
２ａ、２ｂ  圧電素子
３          流体検出装置
４          筐体（流路構造体、流路）
５          中空部（中空部分）
６          脈動発生手段
７          出力部（出力手段）
８          流出口
９          流入口
１０          制御弁
１１          配管
１２          計測手段
【図１】
2006125861.tif 000005
【図２】
2006125861.tif 000006
【図３】
2006125861.tif 000007
【図４】
2006125861.tif 000008
【図５】
2006125861.tif 000009
【図６】
2006125861.tif 000010
【図７】
2006125861.tif 000011