(57)【要約】【課題】ホットフィルムセンサの精度を犠牲することなく、ホットフィルムセンサの膜厚を薄くする。【解決手段】絶縁断熱膜と、絶縁断熱膜に設けられた膜状感応部とを備え、絶縁断熱膜が計測対象物に設けられるホットフィルムセンサであって、絶縁断熱膜は、ポリイミド樹脂と、ポリイミド樹脂中に混合分散された中空粒子とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁断熱膜と、前記絶縁断熱膜に設けられた膜状感応部とを備え、前記絶縁断熱膜が計測対象物に設けられるホットフィルムセンサであって、
前記絶縁断熱膜は、ポリイミド樹脂と、前記ポリイミド樹脂中に混合分散された中空粒子とを含むことを特徴とするホットフィルムセンサ。
【請求項２】
前記中空粒子は、中空ナノシリカ粒子であることを特徴とする請求項１に記載のホットフィルムセンサ。
【請求項３】
前記ホットフィルムセンサは、フィルム厚が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のホットフィルムセンサ。
【請求項４】
前記絶縁断熱膜は、第１断熱層と、前記第１断熱層とは異なる断熱性を有する第２断熱層とを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のホットフィルムセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットフィルムセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の流速を測定する方法、或いは、層流や乱流といった流体の状態を計測する方法として、ホットフィルムセンサを用いた方法が知られている（例えば特許文献１参照）。この方法では、ホットフィルムセンサの金属線に供給された電流の変化量に基づき、ホットフィルムセンサが設置された箇所における流体挙動を把握することが可能である。近年では、翼等の航空機部品の性能試験として、流体に曝される試験部材の表面にホットフィルムセンサを貼り付けて、試験部材の周辺における層流や乱流の発生の判断や、試験部材の周辺において層流から乱流に遷移する位置を計測している（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５６−０６４６２８号公報
【特許文献２】特許第５７０５１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような航空機部品の性能試験において、ホットフィルムセンサの厚さが大きい場合、試験部材の表面からホットフィルムセンサが突出した段差が形成されてしまい、段差に起因する流体の乱れが生じ、流体状態が層流であるか又は乱流であるかを正確に計測することができない。このような段差の形成を抑制するために、ホットフィルムセンサを構成するセンサ部を薄くするだけでなく、センサ部と試験部材との間に位置する断熱材の厚さを小さくする必要があった。その一方、断熱材の厚さが小さくなると、ホットフィルムセンサのセンサ部から発生した熱が試験部材に伝達され易くなり、熱が試験部材に逃げてしまう。試験部材に逃げてしまう熱量は、ノイズとなり、ホットフィルムセンサの計測精度のＳＮ比が低下を招くという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ホットフィルムセンサの精度を犠牲することなく、ホットフィルムセンサの膜厚を薄くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、ホットフィルムセンサに係る第１の解決手段として、絶縁断熱膜と、上記絶縁断熱膜に設けられた膜状感応部とを備え、上記絶縁断熱膜が計測対象物に設けられるホットフィルムセンサであって、上記絶縁断熱膜は、ポリイミド樹脂と、上記ポリイミド樹脂中に混合分散された中空ナノシリカ粒子とを含む、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、ホットフィルムセンサに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記中空粒子は、中空ナノシリカ粒子である、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、ホットフィルムセンサに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、上記ホットフィルムセンサは、フィルム厚が２０μｍ以下である、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、ホットフィルムセンサに係る第４の解決手段として、上記第１から第３のいずれかの解決手段において、上記絶縁断熱膜は、第１断熱層と、上記第１断熱層とは異なる断熱性を有する第２断熱層とを含む、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、所定の温度に加熱された膜状感応部から絶縁断熱膜に伝達された熱は、中空粒子を含む絶縁断熱膜によって断熱され、熱が計測対象物に向けて放熱することを抑制することができる。従って、試験部材に逃げてしまう熱量の低減、即ち、ノイズの低減により、ホットフィルムセンサの計測精度のＳＮ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサが設置された試験部材を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサを示す拡大平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサを示す拡大断面図であり、ホットフィルムセンサにおける発熱状態を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例に係るホットフィルムセンサを示す拡大断面図であり、ホットフィルムセンサにおける発熱状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係るホットフィルムセンサの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサが設置された試験部材（計測対象物）を示す断面図である。図１に示す試験部材１は、例えば、航空機エンジンの一部であるタービンを構成するファンの翼である。試験部材１の表面には、流体の流れ方向に沿って複数のホットフィルムセンサ１０が間隔をあけて設置されている。
【００１４】
図１に示す例では、ホットフィルムセンサ１０が試験部材１の上面（曲面、背側）に設置されているが、試験部材１の下面（平面、腹側）にホットフィルムセンサ１０が設置されてもよい。複数のホットフィルムセンサ１０の間隔は一定であってもよく、部分的に間隔を変えてホットフィルムセンサ１０が設置されてもよい。また、流体挙動が顕著に生じる領域において、集中的に、多くのホットフィルムセンサ１０が設置されてもよい。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサを示す拡大平面図である。
ホットフィルムセンサ１０は、絶縁断熱膜２０と、膜状感応部１１と、第１電極１２と、第２電極１３と、配線１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）と、第１固定フィルム１６と、第２固定フィルム１７とを備える。
【００１６】
絶縁断熱膜２０は、ポリイミド樹脂と、ポリイミド樹脂中に混合分散された中空ナノシリカ粒子（中空粒子）とを含む。このため、試験部材１と膜状感応部１１との間の電気的絶縁性を高めることができる。
中空粒子内部は、中空となっており、即ち、粒子内部に空気が存在している。このため、ポリイミド樹脂に中空ナノシリカ粒子を分散することで、ポリイミド樹脂の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱膜を実現することができる。そのため、絶縁断熱膜２０の断熱性が向上する。中空ナノシリカ粒子は、シリカを材料とする中空粒子である。中空ナノシリカ粒子としては、例えば、日鉄鉱業株式会社製のシリナックス（登録商標）を採用することができる。ポリイミド樹脂中に中空ナノシリカ粒子を分散する方法としては、ディップコーティング法を用いることができる。その他の方法として、パリレンコーティング法が挙げられる。
【００１７】
膜状感応部１１は、例えば、プラチナ等の金属で構成され、絶縁断熱膜２０上に設けられている。
第１電極１２及び第２電極１３は、例えば、金等の金属で構成され、膜状感応部１１を挟むように絶縁断熱膜２０上に設けられている。第１電極１２及び第２電極１３は、膜状感応部１１に電気的に接続されている。
【００１８】
膜状感応部１１、第１電極１２、及び第２電極１３の形成においては、スパッタリング法を用いて、絶縁断熱膜２０上に膜状感応部１１を形成した後に、膜状感応部１１に部分的に重なるように第１電極１２及び第２電極１３が形成される。
具体的に、膜状感応部１１のパターンに応じた開口を有するレジスト膜を絶縁断熱膜２０上に形成し、その後、ターゲットとしてプラチナを用いたスパッタリングを行う。次に、レジスト膜を除去することで、レジスト膜の開口に対応する位置に、プラチナからなる膜状感応部１１が絶縁断熱膜２０上に成膜される。
【００１９】
更に、第１電極１２及び第２電極１３のパターンに応じた開口を有するレジスト膜を絶縁断熱膜２０上に形成し、その後、ターゲットとして金を用いたスパッタリングを行う。次に、レジスト膜を除去することで、レジスト膜の開口に対応する位置に、金からなる第１電極１２及び第２電極１３が絶縁断熱膜２０上に成膜される。
例えば、第１電極１２及び第２電極１３の膜厚は、例えば、０．５〜３μｍ程度である。
【００２０】
配線１５は、絶縁断熱膜２０上に設けられており、配線１５は、第１電極１２に接続された第１配線１５Ａと、第２電極１３に接続された第２配線１５Ｂと、端部Ｔにおいて第１配線１５Ａ及び第２配線１５Ｂに接続される引出配線１５Ｃとを有する。
引出配線１５Ｃは、端部Ｔにおいて、半田付け又はスポット溶接等により、第１配線１５Ａ及び第２配線１５Ｂに接続されている。引出配線１５Ｃは、端部Ｔからホットフィルムセンサ１０の外部に向けて延びており、制御装置Ｃに電気的に接続されている。なお、図２においては、引出配線１５Ｃと制御装置Ｃとの間に位置する接続構造が省略されている。
【００２１】
第１固定フィルム１６及び第２固定フィルム１７は、例えば、アルミニウム等の金属フィルムであり、絶縁断熱膜２０上に設けられ、配線１５を絶縁断熱膜２０に固定している。第１固定フィルム１６は端部Ｔを覆うように引出配線１５Ｃを固定しており、第２固定フィルム１７は、ホットフィルムセンサ１０の外部に向けて延びる引出配線１５Ｃを固定している。
なお、本実施形態に係るホットフィルムセンサ１０においては、オーバーコート層を絶縁断熱膜２０上に設けてもよい。また、配線の固定に接着剤とパッチ固定を用いてもよい。
【００２２】
制御装置Ｃは、膜状感応部１１が一定温度となるようにフィードバック制御を行うとともに、膜状感応部１１に供給される電流量を測定することが可能である。
具体的に、ホットフィルムセンサ１０が設置された試験部材１の表面において層流が発生している状態では、流体挙動が一定であるため、ホットフィルムセンサ１０における発熱量が少なく、制御装置Ｃによって測定される電流量は小さい。一方、試験部材１の表面において乱流が発生している状態では、乱流を発生している流体が多くの熱を奪うため、層流の場合に比べてホットフィルムセンサ１０における発熱量が多く、制御装置Ｃによって測定される電流量が大きくなる。制御装置Ｃは、ホットフィルムセンサ１０が設置された位置において、層流が発生しているか、乱流が発生しているかを計測することが可能である。
【００２３】
特に、図１に示すように、流体の流れ方向に沿って５個のホットフィルムセンサ１０が試験部材１の表面に設置されている。この場合、ホットフィルムセンサ１０に対応する制御装置Ｃを用いて、即ち、５個の制御装置Ｃを用いて、複数のホットフィルムセンサ１０の各々の電流の変化量を計測する。これにより、流体の流れ方向において、層流が発生している位置と、乱流が発生している位置とを把握することが可能となる。
このような制御装置Ｃとしては、例えば、ＣＴＡ（Constant Temperature Anemometry）が知られている。
【００２４】
また、試験部材１が回転体であるファンの翼である場合には、ホットフィルムセンサ１０と共に制御装置Ｃを試験部材１に取り付けてもよい。この場合、無線信号の送受信を行うトランスミッタ及びテレメータを用いることができる。例えば、制御装置Ｃが得た測定結果をトランスミッタが無線信号として出力し、翼に設置されていないテレメータが無線信号を受信することで、回転中の試験部材１における計測を行うことが可能である。
【００２５】
また、無線信号の送受信を行わない場合には、例えば、スリップリングを用いた機械的接続構造を採用することができる。この場合、ホットフィルムセンサ１０が試験部材１に取り付けられ、ホットフィルムセンサ１０の引出配線１５Ｃがスリップリングに接続され、スリップリングと制御装置Ｃとが電気的に接続される。この構成では、制御装置Ｃを回転させずに、回転中の試験部材１における計測を行うことが可能である。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態に係るホットフィルムセンサを示す拡大断面図であり、また、ホットフィルムセンサにおける発熱状態を説明するための図である。
図３に示すように、ホットフィルムセンサ１０の厚さＴＨ、即ち、試験部材１の表面から第２電極１３（第１電極１２）の上面までの厚さＴＨ（ホットフィルムセンサのフィルム厚）は、例えば、２０μｍ以下である。
この場合、厚さ２０μｍ以下の突起が試験部材１の表面上に形成されるが、この厚さでは流体測定の点で問題は生じない。
【００２７】
次に、ホットフィルムセンサ１０を用いた試験について説明する。
図１に示すように、ファンの翼である試験部材１の表面にホットフィルムセンサ１０が設置された状態で、ファンを回転させ、ファンの回転に伴って試験部材１の周囲に流体が流動する。
【００２８】
このとき、制御装置Ｃは、ホットフィルムセンサ１０に電流を供給すると、配線１５を介して、第１電極１２と第２電極１３との間に挟まれた膜状感応部１１に電流が供給され、発熱する。制御装置Ｃは、膜状感応部１１が一定温度となるように、膜状感応部１１の発熱状態を維持する。
【００２９】
この際、図３に示すように、ホットフィルムセンサ１０から熱Ｈ１及び熱Ｈ２が発生する。熱Ｈ１は試験部材１の外部に向けて、即ち、流体に向けて放出される。熱Ｈ２は、試験部材１の内部に向けて絶縁断熱膜２０に伝達される。熱Ｈ２は、中空ナノシリカ粒子を含む絶縁断熱膜２０によって断熱され、膜状感応部１１から試験部材１に逃げる熱を相対的に減らし、膜状感応部１１の発熱が試験部材１に向けて伝達することを抑制することができる。従って、絶縁断熱膜２０によって断熱される熱量は、流体に向けて放出される熱量に加算され、流体への放熱が促進される。このため、試験部材に逃げてしまう熱量の低減、即ち、ノイズの低減により、ホットフィルムセンサ１０の計測精度のＳＮ比を向上することができる。また、ホットフィルムセンサ１０の厚さＴＨを２０μｍ以下にすることができるので、ホットフィルムセンサ１０の精度を犠牲することなく、ホットフィルムセンサ１０の膜厚を薄くすることができる。
【００３０】
また、絶縁断熱膜２０は、接着性が高いポリイミド樹脂で形成されているので、絶縁断熱膜２０と試験部材１との間の接着性及び強度を高めることができる。特に、試験部材１がファンの翼である場合には、ホットフィルムセンサ１０は、試験中に、高速気流に曝され、ファンの高速回転に伴う遠心力が生じる。この場合であっても、ホットフィルムセンサ１０が試験部材１から剥離することを防止し、接着状態を維持しながら、試験を行うことができる。
【００３１】
図４は、本発明の一実施形態の変形例に係るホットフィルムセンサを示す拡大断面図であり、ホットフィルムセンサにおける発熱状態を説明するための図である。
図４において、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
変形例は、絶縁断熱膜２０が２層で構成されている点で、上述した実施形態とは異なる。
【００３２】
本変形例に係るホットフィルムセンサ１０Ａにおいて、絶縁断熱膜２０は、中空ナノシリカ粒子を含む第１断熱層２０Ａと、第１断熱層２０Ａとは異なる断熱性を有する第２断熱層２０Ｂとを含む。第１断熱層２０Ａは、膜状感応部１１の下方に設けられており、第１断熱層２０Ａの下方には、第２断熱層２０Ｂが設けられており、第２断熱層２０Ｂの下方には、試験部材１が設けられている。
第１断熱層２０Ａは、ポリイミド樹脂と、ポリイミド樹脂中に混合分散された中空ナノシリカ粒子とを含む。第２断熱層２０Ｂは、ポリイミド樹脂で構成され、中空ナノシリカ粒子を含んでいない。このため、第２断熱層２０Ｂよりも第１断熱層２０Ａの断熱性を高めることができる。
本変形例においても、ホットフィルムセンサ１０Ａの厚さＴＨは、例えば、２０μｍ以下である。
【００３３】
本変形例によれば、試験部材１の内部に向かう熱Ｈ２は、中空ナノシリカ粒子を含む第１断熱層２０Ａによって断熱され、膜状感応部１１から試験部材１に逃げる熱を相対的に減らし、膜状感応部１１の発熱が試験部材１に向けて伝達することを抑制することができる。従って、第１断熱層２０Ａによって断熱される熱量は、試験部材１の外部に放出される熱量に加わり、流体への放熱が促進される。その結果、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００３４】
更に、接着性が高いポリイミド樹脂からなる第２断熱層２０Ｂが第１断熱層２０Ａと試験部材１との間に設けられているので、第１断熱層２０Ａと試験部材１との間の接着性及び強度を高めることができる。特に、試験部材１がファンの翼である場合には、ホットフィルムセンサ１０Ａは、試験中に、高速気流に曝され、ファンの高速回転に伴う遠心力が生じる。この場合であっても、ホットフィルムセンサ１０Ａが試験部材１から剥離することを防止し、接着状態を維持しながら、試験を行うことができる。
【００３５】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３６】
なお、上述した実施形態及び変形例では、試験部材１がファンの翼である場合について説明したが、本発明は、ファンの翼にホットフィルムセンサ１０Ａを設置することを限定せず、固定翼にホットフィルムセンサ１０Ａを設置してもよい。例えば、風洞装置を用いた試験において、風洞装置内に固定された翼の表面にホットフィルムセンサ１０Ａを設置し、試験を行ってもよい。
【００３７】
また、上述した変形例では、第２断熱層２０Ｂが中空ナノシリカ粒子を含まない場合を説明したが、第２断熱層２０Ｂは、中空ナノシリカ粒子を含んでもよい。この場合、第２断熱層２０Ｂに含まれる中空ナノシリカ粒子の密度が第１断熱層２０Ａに含まれる中空ナノシリカ粒子の密度よりも低くなるように、第１断熱層２０Ａ及び第２断熱層２０Ｂに対する中空ナノシリカ粒子の添加量が調整される。これにより、第２断熱層２０Ｂは、第１断熱層２０Ａとは異なる断熱性を有し、特に、第２断熱層２０Ｂよりも第１断熱層２０Ａの断熱性を高めることができる。
【００３８】
また、第１断熱層２０Ａ及び第２断熱層２０Ｂにおける中空ナノシリカ粒子の密度を調整する方法として、中空ナノシリカ粒子の添加量を調整することに代えて、粒子径が比較的大きい中空ナノシリカ粒子を第１断熱層２０Ａに添加し、第１断熱層２０Ａよりも粒子径が小さい中空ナノシリカ粒子を第２断熱層２０Ｂに添加してもよい。
【００３９】
また、上述した変形例では、絶縁断熱膜２０が２層構成である場合を説明したが、本発明はこの構成を限定しない。例えば、絶縁断熱膜２０が３層以上の層構成を有してもよい。
例えば、互いに異なる断熱性を有する第１断熱層、第２断熱層、及び第３断熱層が膜状感応部１１から試験部材１に向けた方向に積層された構造が採用されてもよい。
【００４０】
この場合、例えば、第１断熱層は、ポリイミド樹脂と、ポリイミド樹脂中に混合分散された中空ナノシリカ粒子とを含む。第２断熱層は、ポリイミド樹脂で構成されており、第２断熱層においては第１断熱層よりも中空ナノシリカ粒子の密度が低い。第３断熱層は、ポリイミド樹脂で構成され、中空ナノシリカ粒子を含んでいない。
この構成によれば、中空ナノシリカ粒子の密度を段階的に異ならせた積層構造が得られる。更に、第２断熱層が、第１断熱層と第３断熱層との接着性を向上する中間層として機能し、絶縁断熱膜２０内における界面剥離を防止することができる。
【００４１】
また、互いに異なる断熱性を有する第１断熱層、第２断熱層、及び第３断熱層が膜状感応部１１から試験部材１に向けた方向に積層された構造においては、中空ナノシリカ粒子の粒子径を異ならせてもよい。
この場合、例えば、粒子径が比較的大きい中空ナノシリカ粒子を第１断熱層に添加し、第１断熱層よりも粒子径が小さい中空ナノシリカ粒子を第２断熱層に添加し、第２断熱層よりも粒子径が小さい中空ナノシリカ粒子を第３断熱層に添加する。なお、第３断熱層には、中空ナノシリカ粒子を添加しなくてもよい（粒子径がゼロ）。
この構成によれば、中空ナノシリカ粒子の粒子径を段階的に異ならせた積層構造が得られる。更に、第２断熱層が、第１断熱層と第３断熱層との接着性を向上する中間層として機能し、絶縁断熱膜２０内における界面剥離を防止することができる。
【００４２】
また、上述した実施形態のように絶縁断熱膜２０が単層で形成されている構造においては、絶縁断熱膜２０の内部において、試験部材１から膜状感応部１１に向けた方向に、中空ナノシリカ粒子の密度分布の勾配を設けてもよい。例えば、試験部材１に近い領域における中空ナノシリカ粒子の密度が最も低く、かつ、膜状感応部１１に近い領域における中空ナノシリカ粒子の密度が最も高くなるように、絶縁断熱膜２０が構成されてもよい。
この場合、試験部材１に近い領域において絶縁断熱膜２０と試験部材１との接着性を高めることができ、膜状感応部１１に近い領域において断熱性を高めることができる。また、絶縁断熱膜２０が複数の層で構成されていないため、界面が形成されておらず、絶縁断熱膜２０内における界面剥離を防止することができる。
【００４３】
また、絶縁断熱膜２０を構成するポリイミド樹脂に混合分散される中空粒子として、中空ナノシリカ粒子に代えて、シラスバルーン粒子を用いてもよい。シラスバルーン粒子は、中空構造を有するため、絶縁断熱膜２０の断熱性を実現できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  試験部材（計測対象物）
１０、１０Ａ  ホットフィルムセンサ
１１  膜状感応部
１２  第１電極
１３  第２電極
１５  配線
１５Ａ  第１配線（配線）
１５Ｂ  第２配線（配線）
１５Ｃ  引出配線（配線）
１６  第１固定フィルム
１７  第２固定フィルム
２０  絶縁断熱膜
２０Ａ  第１断熱層
２０Ｂ  第２断熱層
Ｃ  制御装置
Ｔ  端部
Ｈ１、Ｈ２  熱
ＴＨ  厚さ（ホットフィルムセンサのフィルム厚）
【図１】
2018084457.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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