(57)【要約】【解決手段】感知装置及び方法。該装置は第１素子と第２素子とを具えている。前記素子はそれぞれ、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在してこれらに接続された圧電層とを具えている。各素子の第１電極、第２電極及び圧電層は圧力波トランスデューサを形成している。第１及び第２素子は、第１素子の第２電極が第２素子の第２電極と対向するように配置されている。両第２電極がコンデンサのプレートを形成するように前記両素子を互いに離間させる。
2007504440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１素子と第２素子とを具え、
前記素子はそれぞれ、
第１電極と、
第２電極と、
第１電極と第２電極との間に介在してこれらに接続された圧電層
とを具えている感知装置において、
各素子の第１電極、第２電極及び圧電層は圧力波トランスデューサを形成し、
第１及び第２素子は、第１素子の第２電極が第２素子の第２電極と対向するように配置され、両第２電極がコンデンサのプレートを形成するように前記両素子を互いに離間させる感知装置。
【請求項２】
少なくとも１つの素子が厚膜材料で構成されている請求項１に記載の感知装置。
【請求項３】
前記両素子の１つの第１及び第２電極の少なくとも１つが金で構成されている上記何れかの請求項に記載の感知装置。
【請求項４】
前記両圧電層の少なくとも１つが０−３複合体である上記何れかの請求項に記載の感知装置。
【請求項５】
前記両素子の少なくとも１つが更に、前記両電極の少なくとも１つの周囲を包囲するガードリングを具えている上記何れかの請求項に記載の感知装置。
【請求項６】
両素子の少なくとも１つが、動作環境からの保護のための保護層で被覆されている上記何れかの請求項に記載の感知装置。
【請求項７】
複数対の前記素子を具えている上記何れかの請求項に記載の感知装置。
【請求項８】
前記複数対の素子は装置の長手軸に沿って離間しており、一対内の各素子は前記軸の両側に配備されている請求項７に記載の感知装置。
【請求項９】
上記何れかの請求項に記載の感知装置であって、関心領域の両側に前記装置の両素子を配備して配置された装置を動作させることと、
第１素子の第１及び第２電極を経て、前記第１装置の圧電層を横切り、該圧電層を膨張或いは収縮させ、これによって圧力波を生成するように第１電界を印加することと、
第２素子の圧電層の膨張又は収縮及び結果として第２素子の第１及び第２電極に発生する第２電界を介して前記圧力波を検出することと、
第１素子の第２電極及び第２素子の第２電極を介して、両第２電極間の前記領域の静電容量を測定すること
とを含む感知方法。
【請求項１０】
静電容量測定及び圧力波検出を用いて前記関心領域を特徴付ける請求項９に記載の感知方法。
【請求項１１】
生成された圧力波は超音波である請求項９又は１０に記載の感知方法。
【請求項１２】
圧力波の検出及び静電容量の測定は順番に行なわれる請求項９乃至１１の何れかに記載の感知方法。
【請求項１３】
第１電極と、
第２電極と、
第１電極と第２電極との間に介在してこれらに接続された圧電層
とを具えた感知素子において、
前記素子の第１電極、第２電極及び圧電層は圧力波トランスデューサを形成し、第２電極はコンデンサのプレートを形成する感知素子。
【請求項１４】
第１層を沈着させ、これによって第１電極を形成することと、
圧電層を沈着させることと、
第３層を沈着させ、これによって第２電極を形成して、第１及び第３層が圧電層を挟むようにすること
とを含む、素子の製造の方法。
【請求項１５】
図２乃至５ｂを参照して実質的にここに説明された如き感知装置。
【請求項１６】
図２乃至５ｂを参照して実質的にここに説明された如き感知方法。
【請求項１７】
図２乃至５ｂを参照して実質的にここに説明された如き動作又は感知素子。
【請求項１８】
図２乃至５ｂを参照して実質的にここに説明された如き製造の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は感知装置に関するものであり、特にデュアルモード感知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油産業は、更なる処理及び／又は精製のため、不均一混合物を抽出して分離させることに継続的に従事している。例えば、地中から原油を抽出するとき、一般的にそのオイル自体を不均一混合物から抽出する必要がある。このような混合物は、水、気体及び輸送粒子と共に主として原油を含むものである。オイルセパレータ船舶はこのような混合物を分離させるために用いられる装置であり、図１に示している。
【０００３】
図１に示す如く、オイルセパレータ船舶は複数の平行プレート１や堰２等を含むものであり、これらは、抽出された混合物をその成分に分離させるために利用される。混合物をセパレータから抽出するのではなく、船舶内で分離が行なわれるようにすることが望ましい。
【０００４】
使用時、原油４、水５、気体６及び固体７の不均一混合物３を船舶に入れる。該混合物は泡８及び乳剤９となる。前記平行プレート１は、混合物をその様々な相に分離させるために用いられ、前記堰２は、水５から低密度オイル４を除去するために利用される。固体７は、平行プレート１の下部の排出口10から船舶外に出すことができる。同様に、気体は排出口11から、水は排出口12から、そしてオイルは排出口13から、セパレータから抽出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
混合物３を分離させんとするに際し、静電容量測定を利用して、該混合物３及び分離過程における対応相分布を撮像することができる。このような情報を用い、通常は堰２やプレート１等のリアルタイム制御によって、オイルセパレータ船舶をその混合物３の分離においてより効率的にすることができる(ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＧＢ９８／０２２７１、公開番号ＷＯ９９／０６８９１に開示されているように)。しかしながら、静電容量測定単独では、例えば乳剤(オイルと水との傾斜界面)や泡(オイルと気体との傾斜界面)という不明瞭な(曖昧とも言える)界面14を全ての状況下で特徴付けるのに十分ではない。又、縦に配列された複数の静電容量センサは、残留オイルで汚れることがよくある。
【０００６】
上記不利点の少なくとも１つを除去或いは緩和することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、第１素子と第２素子とを具え、前記素子はそれぞれ、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在してこれらに接続された圧電層とを具えている感知装置において、各素子の第１電極、第２電極及び圧電層は圧力波トランスデューサを形成し、第１及び第２素子は、第１素子の第２電極が第２素子の第２電極と対向するように配置され、両第２電極がコンデンサのプレートを形成するように前記両素子を互いに離間させる感知装置が提供される。
【０００８】
本発明者らは、圧力波トランスデューサを利用することで必要な測定様式が追加されるということに気が付いた。即ち、圧力波と静電容量とを組み合わせた装置(即ちデュアルモード装置)は、最小数の構成部品を利用して、不明瞭な界面を特定し特徴付けるための必要な方法を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様は、１つの装置が、圧電効果を利用すると共にコンデンサを形成しながら圧力波を生成及び検出できるという点において有利である。
【００１０】
最も好ましくは、少なくとも１つの素子が厚膜材料で構成され、好ましくは、前記両素子の１つの第１及び第２電極の少なくとも１つが金で構成されている。最も好ましくは、前記両圧電層の少なくとも１つが０−３複合体である。
【００１１】
前記両素子の少なくとも１つが更に、前記両電極の少なくとも１つの周囲を包囲するガードリングを具えていてもよい。
【００１２】
前記感知装置は、動作環境からの保護のための保護層で被覆されていてもよい。
【００１３】
前記装置は複数対の前記素子を具えていてもよい。最も好ましくは、前記複数対の素子は装置の長手軸に沿って離間しており、一対内の各素子は前記軸の両側に配備されている。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、上述の如き感知装置であって、関心領域の両側に前記装置の両素子を配備して配置された装置を動作させることと、第１素子の第１及び第２電極を経て、前記第１装置の圧電層を横切り、該圧電層を膨張或いは収縮させ、これによって圧力波を生成するように第１電界を印加することと、第２素子の圧電層の膨張又は収縮及び結果として第２素子の第１及び第２電極に発生する第２電界を介して前記圧力波を検出することと、第１素子の第２電極及び第２素子の第２電極を介して、両第２電極間の前記領域の静電容量を測定することとを含む感知方法が提供される。
【００１５】
本発明の第２の態様は、１つの装置を設けることにより圧力波及び静電容量測定を利用して関心領域を特徴付けることができるという点において有利である。圧力波は、圧電層が膨張或いは収縮することによって生成される(即ちそれは機械的に変形するか、形状の変化を受ける)。
【００１６】
最も好ましくは、静電容量測定及び圧力波検出を用いて前記関心領域を特徴付け、最も好ましくは、生成された圧力波は超音波である。
【００１７】
最も好ましくは、圧力波の検出及び静電容量の測定は順番に行なわれる。
【００１８】
本発明の第３の態様によれば、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在してこれらに接続された圧電層とを具えた感知素子において、前記素子の第１電極、第２電極及び圧電層は圧力波トランスデューサを形成し、第２電極はコンデンサのプレートを形成する感知素子が提供される。
【００１９】
この素子は、前記感知装置のベースユニットとなり、圧電効果を介して圧力波を生成或いは検出でき、又、コンデンサのプレートを形成するという点において有利である。
【００２０】
本発明の第４の態様によれば、第１層を沈着させ、これによって第１電極を形成することと、圧電層を沈着させることと、第３層を沈着させ、これによって第２電極を形成して、第１及び第３層が圧電層を挟むようにすることとを含む、素子の製造の方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の実施形態に従う素子15の断面図である。素子15は、第１電極16と、圧電層17と、第２電極18と、絶縁層24とを具えている。この実施形態において、絶縁層24は、電極16、18及び圧電層17の構造支持体及び基板として作用する。第１電極16、圧電層17及び第２電極18は圧力波トランスデューサを形成している。第２電極18は又、コンデンサのプレートを形成している。圧電層とは、機械的ひずみにより電気を生成する一方、逆に、印加された電界の効果により膨張或いは収縮する層のことである。絶縁層24は電気的絶縁体である。絶縁層24は、セラミック、例えばアルミナタイルとすることができる。第１電極16は１５μｍ厚で、表面積は１０ｍｍ×１０ｍｍであり、この表面積が圧力波トランスデューサの全体寸法を規定しているが、これは大きい方の第２電極18の寸法を制限するものではない。第２電極18も又１５μｍ厚であるが、表面積は３５ｍｍ×３５ｍｍである。図面は実物大ではなく、単に説明に役立つものとして意図されているということに留意されたい。第１電極16と第２電極18とは実質的に平行であり、５０μｍ厚の圧電層17を共に挟んでいる。
【００２２】
第１電極16、圧電層17及び第２電極18は全て、周知の方法、例えば、ペーストをスクリーン印刷してから該ペーストを焼成して厚膜層を形成することによって、基板24に沈着させる。第１電極16は、金ペースト(イングランド、リーディング所在エレクトロサイエンスラボラトリーズ製ＥＳＬ８８３６金ペースト)として沈着させ、それから焼成して強固な厚膜を形成する。そして圧電層17は、０−３複合体、ジルコン酸チタン酸鉛厚膜ペースト(ＰＺＴ型５Ａ／ガラスペースト、サウサンプトン大学作成、イングランド、サウサンプトン所在モーガンエレクトロセラミックによって提供された原材料、ＰＺＴ材料の分類「５Ａ」に属する)として第１電極16の上に沈着させ(又、図示した例では、該電極16を超えて延びている)、それから焼成する。「０−３」という用語は、該複合体の構成結合材料が互いに直交するｘ、ｙ及びｚ軸に沿って接続されていないが、構成圧電材料がこれらの互いに直交する軸の全てに沿って活性であるという事実を言っている。第２電極18は、金ペースト(ＥＳＬ８８３６金ペースト)として沈着させ、それから焼成し、これによって、第１電極16と、絶縁層24と、第２電極18との間で圧電層17を挟む厚膜を形成する。厚膜が利用されてきたのは、それらがコンパクトで、強固で、比較的安価であると共に、１つの装置に圧力波トランスデューサとコンデンサとを組み合わせたものを作製するのに十分万能であるからである。厚膜は、水のような高温流体を含む環境での使用に特に適している。
【００２３】
図３は、本発明の第１実施形態に従う装置の断面図を示す。この場合において、前記素子15は厚膜形状でアルミナタイル24に沈着しており、該アルミナタイルは鋼製支持体21に実装されて前記素子に十分な剛性及び支持を付与している。前記装置は、図２に示す如き素子を２つ、第１素子15と第２素子19とを具えている。第２素子19は第１素子15と実質的に同一であり、第１電極16aと、圧電層17aと、第２電極18aとを具えている。この実施形態における第１素子15と同様、第２素子は、鋼製支持体21aに実装されたアルミナタイル24aに厚膜形状で沈着させている。
【００２４】
実装された両素子は互いに対向して配置され、第１素子15の第２電極18が第２素子19の第２電極18aに対向している。両素子は互いに２０ｍｍ離間されている。第１素子15の第２電極18は第２素子19の第２電極18aに接続され、これによってコンデンサを形成している。
【００２５】
前記両素子は、保護層、通常は素子の外表面に沈着させたエポキシ層(図示省略)に被覆されていてもよい。これにより、装置が物理的に厳しい動作環境で用いられる場合に幾らか保護され、保護層が装置の性能に悪影響を及ぼさないように好都合に薄い層を利用することができる。保護層は、ブラッシング又はスクレイピング等どのような好都合な手段によって沈着させてもよい。このような層を例えば０．１ｍｍ厚のエポキシ層とすることもできる。
【００２６】
前記装置は、圧力波又は静電容量測定を用いて関心領域を特徴付けるために用いることができる。このような領域が装置の２つの素子の中間にくるように該装置を配置することによって特徴付けが達成される。
【００２７】
このような関心領域は、流体、又は複数の流体及び／又は固体微粒子を含む不均一混合物であってもよい。このような関心領域の特徴付けは、２つの相補的測定、即ち、該領域を通過する超音波の伝達及び該領域の静電容量の測定を用いることによって達成される。関心領域を通過する超音波の速度を測定することによって、構成材料の割合を抽出することができる。静電容量測定は、関心領域の誘電率における特性を特定するために使用される。誘電率の変化によって生じる静電容量全体の変化は、不均一混合物における相間の界面に対応するものである。
【００２８】
各素子は２つの電気接続部(図示省略)を有し、１つは第１電極16、16aに、１つは第２電極18、18aに接続されている。該電気接続部は更に、電気信号処理及び電気信号生成手段に接続されている。電気信号処理手段は、電極での信号を検出して素子間の静電容量を決定するため、及び／又は素子に起こる圧力波を検出するために利用される。電気信号生成手段は、素子15、19の１つの素子の両電極16、16a、18、18aに電気接続部を通して適切な電気信号を供給して圧力波を生成するために利用される。第１素子15を圧力波のアクチュエータとして用いると、第１及び第２電極16、18により圧電層17に亘って変動する電界が印加される。該電界は、圧力波を生成するように圧電層17を膨張及び収縮させるのに十分な周波数のものである。好ましくは、該周波数は超音波周波数(即ち２０，０００Ｈｚを超える周波数)であり、これによって事実上超音波である圧力波を生成する。従って、第２素子19はセンサとして動作する。第２素子19の第２電極18aに作用する圧力波がこれを運動させる。このような運動により第２素子19の圧電層17aが膨張及び収縮し、これによって電気エネルギーを生成する。このように、第１及び第２電極18a、16a間に変動する電界が形成され、圧力波の検出が可能になる。発生した電気エネルギーを測定することによって、検出された圧力波を特徴付けることができる。
【００２９】
静電容量測定は、第１素子15の第２電極18と第２素子19の第２電極18aとを電気的に接続することによって形成されたようなコンデンサを用いて行なうことができる。このような静電容量測定は順番に、或いは圧力波測定と平行して行なうことができる。
【００３０】
前記装置は単に例として説明したものであり、特許請求の範囲によって得られる保護を超えないであろう様々な変形を前記装置に行なってもよいということが当業者には自明であろう。
【００３１】
例えば、感知部品を電気的損傷から保護するために図２に示した素子15を変形することができるということが理解されるであろう。図５ａ及び図５ｂはそれぞれ、本発明の他の実施形態に従う素子15’の断面図及び平面図である。該素子15’は、図２を参照して説明したものと同様のものである。同一の参照符号を用いて同様の特徴を示している。しかしながら、この実施形態において、第２電極18’は表面積において図２のそれより小さい。又、第２電極18’の周囲に、しかしそれと接触しないで、ガードリング25が配置されている。該ガードリング25は、金ペースト等の厚膜導電体として沈着させる。使用時、ガードリング25はどのような容量ピックアップでも消散させ、これによって、それが包囲している電極が望ましくない電荷を蓄積することから保護している。
【００３２】
ここまで、図２の素子15を参照して前記装置を説明したが、図５ａ及び５ｂを参照して説明した素子15’をこのような装置に実施することもできるということは容易に理解されるであろう。
【００３３】
更に、前記装置は様々な寸法のものであってもよいということが理解されるであろう。例えば、それぞれの層の表面積は上述のものと異なっていてもよい。２つの素子の移動は、一方の素子の、他方によって生成された超音波を検出する能力によって制限されるのみである。該移動は、素子の構成層の寸法、そして又、特徴付けされるべき関心領域(例えば流体)の特性の機能である。
【００３４】
又、前記装置を構成する素子の圧電層として、０−３複合体同様、例えば、１−３複合体又は３−３複合体等の他の圧電材料を使用してもよいということが理解されるであろう。更に、圧電層は必ずしも厚膜性質のものでなくても、焼結セラミック又はポリマー圧電体等の他の材料から作製してもよいということが理解されるであろう。同じ機能性を有する装置を薄膜から作製してもよい。化学蒸着又はスパッタリング技術によって薄膜を沈着させてもよい。加えて、プラチナ又は銀等、金以外の金属から電極を作製してもよい。
【００３５】
更に、上述の例における絶縁層24は、２つの金属層、即ち第１及び第２電極間の電気的接続を防止するように配備されているということが理解されるであろう。他の構成において、別個の絶縁層は不要であるということが理解されるであろう。例えば、圧電層は、実質的に第２電極の下を延びてそれを第１電極から絶縁していてもよい。
【００３６】
本発明の更なる実施形態を図４に示す。ここで、図３に示す如き複数の装置が長手方向に配置されている。これらの装置は、隣り合う装置の鋼製支持体21、21a が互いに平行で一線に沿うように配置されている。この実施形態において、鋼製支持体21、21aは連続した支持体を形成している。この実施形態において、前記連続した支持体はチューブとして整形されており、該チューブの表面内の隙間は、各装置を形成している両素子間にチューブの外側から物質を流すことができるようになっている。
【００３７】
図示の如く、これらの装置を形成している複数対の素子は装置の長手軸23に沿って離間しており、一対内の各素子は前記軸の両側に配備されている。
【００３８】
使用時、複数の関心領域を同時に特徴付けることができる。従って、前記複数の装置を図１のオイルセパレータ船舶に設置し、複数の関心領域を特徴付け、更に、相間の不明瞭な界面を特徴付け、決定するために用いることができる。
【００３９】
装置自体の、上述の材料及び寸法の変更同様、上に例示したもの以外の方法で前記複数の装置を配置してもよいということが当業者には理解されるであろう。前記複数の装置は、例えばアレイ又はマトリクス状の構造を形成することもできる。このような構造は多くの形をとることができる。
【００４０】
例えば、複数の装置を線状に或いは長手方向に配置して、簡易な１次元の装置のアレイを形成してもよい。複数の１次元のアレイを前記線上配置の方向に直交する方向に配置して、装置の２次元アレイを形成してもよい。前記線状及び２次元の繰り返しの両方に直交する方向に前記２次元アレイを繰り返して、３次元アレイを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】周知のオイルセパレータ船舶の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に従う素子の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に従う装置の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に従う装置の断面図である。
【図５ａ】本発明の他の実施形態に従う素子の断面図である。
【図５ｂ】本発明の他の実施形態に従う素子の平面図である。
【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５ａ】
2007504440.tif 000007
【図５ｂ】
2007504440.tif 000008
【国際調査報告】
2007504440.tif 000009
2007504440.tif 000010