(57)【要約】【課題】検知流体の流れに対して垂直面の断面積を小さくし、流体の乱れ、圧力損失を抑えた揚力圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサを提供する。【解決手段】揚力圧電変換デバイスは、検知流体の流れに対し揚力を発生する翼型部と、一表面及び／または他表面に圧電部材を有した圧電カンチレバーと、を有し、前記翼型部は、前記圧電カンチレバーの一端に、前記圧電カンチレバーの長手方向と前記翼型部の前縁が略垂直になるように接続され、前記圧電カンチレバーの他端が、支持部で固定された揚力圧電変換デバイスであって、前記圧電部材の搭載面が前記検知流体の流れに対し略平行である。 【選択図】図１２
2019045223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知流体の流れに対し揚力を発生する翼型部と、一表面及び／または他表面に圧電部材を有した圧電カンチレバーと、を有し、前記翼型部は、前記圧電カンチレバーの一端に、前記圧電カンチレバーの長手方向と前記翼型部の前縁が略垂直になるように接続され、前記圧電カンチレバーの他端が、支持部で固定された揚力圧電変換デバイスであって、前記圧電部材の搭載面が前記検知流体の流れに対し略平行であることを特徴とする揚力圧電変換デバイス。
【請求項２】
前記翼型部は、前記翼型部の翼弦と前記圧電カンチレバーの表面とのなす角（迎角）が―５°から３０°で前記圧電カンチレバーと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の揚力圧電変換デバイス。
【請求項３】
前記翼型部と前記圧電カンチレバーの接続部の圧電カンチレバー接続端の幅が圧電カンチレバーの幅に対して狭くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の揚力圧電変換デバイス。
【請求項４】
前記翼型部と前記圧電カンチレバーの接続部において、前記圧電カンチレバーの接続部の断面二次モーメントが圧電カンチレバー中央部の断面二次モーメントに対して同等以上になっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の揚力圧電変換デバイス。
【請求項５】
前記揚力圧電変換デバイスが複数個、同一面円周上に等角度で配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の揚力圧電変換デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の揚力圧電変換デバイスと、前記揚力圧電変換デバイス全体を覆い、吸気口及び排気口を有する風洞と、を備えることを特徴とするフローセンサ。
【請求項７】
前記風洞の吸気口及び、排気口が、検知流体の流れに対し前記圧電カンチレバーの一表面及び／または他表面に略垂直に当たる様に施されていることを特徴とする請求項６に記載のフローセンサ。
【請求項８】
前記風洞の吸気口近傍に設置され、検知流体の流れ、流量または流速を調節できる調節板を有することを特徴とする請求項６又は７に記載のフローセンサ。
【請求項９】
1個の揚力圧電変換デバイスまたは前記複数の揚力圧電変換デバイスが、検知流体の流れに対し1個または複数個撓んだ時に検知流体の流れ方向を認識することができる機能を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかにに記載のフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揚力圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
フローセンサは、気体や液体が単位時間に流れる量を検出する装置である。
フローセンサとしては、例えば、図１３に示す構成の圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサが提案されている（例えば、特許文献１）
【０００３】
この圧電変換デバイスは、支持部と、前記支持部に対向する対向部と、前記支持部と前記対向部との間にあり前記支持部に一端が固定され他端が前記対向部から離れている振動ブロックと、を備え、前記振動ブロックは、前記支持部よりも薄く前記支持部に揺動自在に支持された梁部と、前記梁部の先端に設けられ前記梁部よりも厚い錘部と、前記錘部における前記梁部側とは反対側に突出し前記錘部及び前記対向部よりも薄い突出部と、前記梁部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部と、を備え、前記突出部の先端面の法線が前記対向部に交差しないように反っていることを特徴とする。
【０００４】
この圧電変換デバイスにおいて、前記突出部の固有振動数が前記振動ブロックの固有振動数よりも大きいことが好ましい。
【０００５】
この圧電変換デバイスにおいて、前記対向部は、前記支持部に対向する対向面と前記対向部の厚み方向の一面との間に、前記突出部と前記対向部との距離を長くする傾斜面を設けてあることが好ましい。
【０００６】
この圧電変換デバイスにおいて、前記対向部に、前記突出部である第１突出部側へ突出する第２突出部が設けられ、前記第２突出部は、前記第１突出部とは反対側に反っていることが好ましい。
【０００７】
この圧電変換デバイスにおいて、前記振動ブロックは、前記錘部の厚み方向の両面のうち前記梁部から遠い面に凹部が形成されていることが好ましい。
【０００８】
以下に先行例を示します。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２０１４／１４１３３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献１に記載されたフローセンサは、梁部の長手方向に対して垂直面に流体が流れる構造になっており、そのため、流体の流れに対して垂直方向のフローセンサの寸法を小さくすることが困難であった。また、それによる流体の乱れ、圧力損失を生じる原因にもなった。
【００１１】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、検知流体の流れに対して垂直面の面積を小さくし、流体の乱れ、圧力損失を抑えた揚力圧電変換デバイス及びそれを用いたフローセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の揚力圧電変換デバイスは、検知流体の流れに対し揚力を発生する翼型部と、一表面及び／または他表面に圧電部材を有した圧電カンチレバーと、を有し、前記翼型部は、前記圧電カンチレバーの一端に、前記圧電カンチレバーの長手方向と前記翼型部の前縁が略垂直になるように接続され、前記圧電カンチレバーの他端が、支持部で固定された揚力圧電変換デバイスであって、前記圧電部材の搭載面が前記検知流体の流れに対し略平行であることを特徴とする。 (以下、検知流体によって揚力が働く方向を上部、揚力が働く方向の面を揚力面、その反対方向を下部、逆揚力面とする)
ここで、前縁とは、図２の２ａに示すように翼型部の検知流体上流側の縁のことである。
【００１３】
この揚力圧電変換デバイスにおいて、前記翼型部は、前記翼型部の翼弦と前記圧電カンチレバーの表面とのなす角（迎角）が―５°から３０°で前記圧電カンチレバーと接続されていることが好ましい。
【００１４】
この揚力圧電変換デバイスにおいて、前記翼型部と前記圧電カンチレバーの接続部の圧電カンチレバー接続端の幅ｌが圧電カンチレバーの幅Ｌ０に対して狭くなっていることが好ましい。以下ｌ／Ｌ０（狭窄比）とする。
【００１５】
この揚力圧電変換デバイスにおいて、前記翼型部と前記圧電カンチレバーの接続部において、前記圧電カンチレバーの接続部の断面二次モーメントＩｅが圧電カンチレバー中央部の断面二次モーメントＩｃに対して同等以上になっていることが好ましい。
【００１６】
この揚力圧電変換デバイスにおいて、前記揚力圧電変換デバイス複数個を、同一面円周上に等角度で配置されていることが好ましい。
【００１７】
本発明のフローセンサは、前記揚力圧電変換デバイスと、前記揚力圧電変換デバイス全体を覆い、吸気口及び排気口を有する風洞と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明のフローセンサは、前記風洞の吸気口及び、排気口が、検知流体の流れに対し前記圧電カンチレバーの一表面及び／または他表面に略垂直に当たる様に施されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明のフローセンサは、前記風洞の吸気口近傍に設置され、検知流体の流れ、流量または流速を調節できる調節板を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明のフローセンサは、1個の揚力圧電変換デバイスまたは前記複数の揚力圧電変換デバイスが、検知流体の流れに対し1個または複数個撓んだ時に検知流体の流れ方向を認識することができる機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の揚力圧電変換デバイスにおいては、検知流体の流れに対して垂直面の面積を小さくすることができるので、流体の乱れ、圧力損失を抑えることが可能となる。
【００２２】
本発明のフローセンサにおいては、検知流体の流れに対して垂直面の面積を小さくすることができ、流体の乱れ、圧力損失を抑えることが可能な揚力圧電変換デバイスを備えているので、精度が向上し、小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態に係るフローセンサの模式的な概略平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＸ−Ｘ’概略断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の一実施形態に係るフローセンサの模式的な概略正面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の一実施形態に係るフローセンサの模式的な斜視図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、図１ＣのＹ１−Ｙ１’の上方から見た概略断面図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、図１ＣのＹ２−Ｙ２’ の下方から見た概略断面図である。
【図１Ｇ】図Ｇは、図１Ｅの揚力面配線部の拡大図である。
【図１Ｈ】図１Ｈは、図１Ｆの逆揚力面配線部の拡大図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る翼型部の側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る翼型部の模式的な斜視図である。
【図４】図５は、本発明の一実施形態に係る揚力圧電変換デバイスの寸法説明図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る揚力圧電変換デバイスの動作説明図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１の揚力圧電変換デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｅ）は、実施形態２の揚力圧電変換デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図８】図８は、実施形態１，２のフローセンサの概略構成図である。
【図９】図９は、実施形態１の揚力圧電変換デバイスに関し、圧電膜の出力電圧と検知流体の流速との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態１の揚力圧電変換デバイスに関し、揚力と迎角との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態１の揚力圧電変換デバイスに関し、揚力とl/Ｌ０との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に係るフローセンサの風洞をカットした模式的な斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係るフローセンサの模式的な斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）は、従来例の圧電変換デバイスの概略平面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸ−Ｘ’概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．フローセンサ
１．１  フローセンサの全体構成
１．２  翼型部
１．３  圧電カンチレバー
１．４  揚力圧電変換デバイス
１．５  風洞
１．６  信号処理部
【００２５】
（１．フローセンサ）
フローセンサとは、気体や液体が単位時間に流れる量を検出するセンサをいう。
検出方式は、体積で検出する体積流量方式と、質量で検出する質量流量方式に分けられる。特にFＡ業界で使用される気体用流量センサは、質量流量方式が主流となっており、質量流量方式にはさらに熱式、コリオリ式、カルマン渦式、超音波式、電磁式の５つの方式に大別される。本発明は、これらとは違う新たな揚力式である。  
【００２６】
（１．１  フローセンサの全体構成）
図１Ａ〜図１Ｈに示すように、本実施形態に係るフローセンサ１は、翼型部２とカンチレバー基板３、カンチレバースルーホール３ａ、カンチレバースルーホール絶縁膜３ｂ、カンチレバー厚み増し部３ｃ、揚力面絶縁膜４、揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第１電極パッド５ｃ、揚力面圧電部材６、揚力面圧電部材突起部６ａ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂ、揚力面第２電極パッド７ｃ、逆揚力面絶縁膜８、逆揚力面第１電極９ａ、逆揚力面第１配線９ｂ、逆揚力面第１電極パッド９ｃ、逆揚力面圧電部材１０、逆揚力面圧電部材突起部１０ａ、逆揚力面第２電極１１ａ、逆揚力面第２配線１１ｂ、逆揚力面第２電極パッド１１ｃ、支持部１２、支持部スルーホール１２ａ、支持部絶縁膜１２ｂから成る圧電カンチレバー１３と前記翼型部２と前記圧電カンチレバー１３を接続して成る揚力圧電変換デバイス１４と前記揚力圧電変換デバイス１４を覆う風洞１５から構成されている。前記風洞１５は、風洞スルーホール１５ａ及び風洞スルーホール絶縁膜１５ｂから成る風洞接続コネクタ１６、水平方向吸排気口１７、上下方向吸排気口１８，水平方向吸排気調節板１９、及び上下方向吸排気調節板２０を有している。
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２７】
（１．２  翼型部）
図２は、翼型部の各部名称で、前縁２ａ、後縁２ｂ、中心線２ｃ、翼弦線２ｄ、最大翼厚２ｅ、キャンバー２ｆ（翼弦線と中心線の隔たり）である。図３に示すように、翼型部２は、前記カンチレバー基板３の長手方向の一方の端部に前記カンチレバーの長手方向と前記翼型部の翼弦が平行で、尚かつ、前記翼型部２の前縁が略垂直で翼型部２とカンチレバー基板３の長手方向の中心線が揃うように接続されている。翼型部２の翼弦と前記圧電カンチレバーの表面とのなす角（迎角）（図３）は、―５°から３０°、好ましくは０°から２０°までに任意な角度に設定できる。この迎角によって
【００２８】
【数１】
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数式（１）
で表される揚力が大きく変化する。ここで、Lは翼力、ρは 流体密度（１．２９３ｋｇ／ｍ３）、Vは流体物体と流体の相対速度、Sは翼面積、CL は揚力係数 翼形状や大きさ、迎角により決る。
【００２９】
本実施形態では、翼形状ＮＡＣＡ６５１５で流体検出を行ったが、翼型は必要な揚力に応じて翼長、翼弦長、最大翼厚２ｅ、キャンバー２ｆ、前縁半径等は任意に設定できる。また、翼平面形も矩形翼、楕円翼、テーパー翼、逆テーパー翼、デルタ翼、後退翼、前進翼何れの翼平面形でも構わない。
【００３０】
（１．３  圧電カンチレバー）
図１Ｅ、Ｆに示すように、圧電カンチレバー１３は、カンチレバー基板３の基材厚み０．２ｍｍリン青銅の上記一表面側及び／または他表面側に絶縁膜としてシリコン酸化膜をＴＥＯＳ−ＣＶＤ法で形成される。その後、表面に密着層（図示せず）としてＴｉ３０ｎｍ，揚力面第１電極５ａとしてＰｔ５００ｎｍをスパッタ成膜，続けてその上に揚力面圧電部材６としてＰＺＴ膜３μｍが成膜される。フォトレジストパターン形成後、ＰＺＴ膜及び揚力面第１電極５ａのＰｔ電極をドライエッチングする。その後、揚力面第２電極７ａとしてＰｔ５００ｎｍスパッタ成膜し、フォトレジストパターン形成後，揚力面第２電極７ａのＰｔ電極をドライエッチングする。他表面側も一表面側同様に成膜して、圧電カンチレバー１３ を得る。
【００３１】
カンチレバー基板３は、リン青銅基板に限らず、ステンレス基板やアルミ基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。  
【００３２】
また、カンチレバー基板３の基材の厚みも０．２ｍｍに限らず、基板の剛性に応じて最適な厚みに設定できる。
【００３３】
また、圧電部材の出力電圧を上げる為にカンチレバー基板３の基材の表裏両面に圧電カンチレバー１３を設ける際に、表裏両面の圧電カンチレバー１３の電極を接続させるスルーホール施したカンチレバー基板３の基材を用いることも可能である。
【００３４】
揚力面圧電部材６、逆揚力面圧電部材１０の圧電材料としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）やその他の不純物を添加したＰＺＴでもよい。また、圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＫＮＮ（Ｋ0.5Ｎａ0.5ＮｂＯ3）や、ＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＮＮ（ＮａＮｂＯ3）、ＫＮＮに不純物（例えば、Ｌｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｕ等）を添加したもの等でもよい。
【００３５】
また、揚力面圧電部材６、逆揚力面圧電部材１０は、揚力面圧電部材突起部６ａ、逆揚力面圧電部材突起部１０ａを有している。この揚力面圧電部材突起部６ａ、逆揚力面圧電部材突起部１０ａにより、揚力面第１電極５ａと揚力面第２配線７ｂ及び、逆揚力面第１電極９ａと逆揚力面第２配線１１ｂの短絡を防止している。揚力面第１電極５ａ及び逆揚力面第１電極９ａを形成すると同時に揚力面圧電部材突起部６ａ、逆揚力面圧電部材突起部１０ａを形成することにより、揚力面第１電極５ａと揚力面第２配線７ｂ及び、逆揚力面第１電極９ａと逆揚力面第２配線１１ｂの短絡を防止する絶縁層を設ける必要がなくなり、工程を減らすことが可能となる。更に、揚力面第１電極５ａと揚力面圧電部材６と揚力面第２配線７ｂの重なり面積部分、及び逆揚力面第１電極９ａと逆揚力面圧電部材１０と逆揚力面第２配線１１ｂの重なり面積部分が発現する圧電特性を有効に活用することができる。
【００３６】
揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂ、逆揚力面第１電極９ａ、逆揚力面第１配線９ｂ、逆揚力面第２電極１１ａ、逆揚力面第２配線１１ｂの材料としては、Ｐｔを採用しているが、これに限らず、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｒ等でもよい。
【００３７】
揚力面第１電極パッド５ｃ、揚力面第２電極パッド７ｃ、逆揚力面第１電極パッド９ｃ、逆揚力面第２電極パッド１１ｃの材料としては、Ａｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ等でもよい。
【００３８】
圧電カンチレバー１３は、揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂ、逆揚力面第１電極９ａ、逆揚力面第１配線９ｂ、逆揚力面第２電極１１ａ、逆揚力面第２配線１１ｂの厚みを５００ｎｍ、揚力面圧電部材６、逆揚力面圧電部材１０、の厚みを３μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
【００３９】
（１．４  揚力圧電変換デバイス）
図１Ｅ，Ｆに示すように、揚力圧電変換デバイス１４は、前記翼型部２と前記圧電カンチレバー１３を前記カンチレバー基板３の長手方向の一方の端部に前記カンチレバーの長手方向と前記翼型部の翼弦が平行で、尚かつ、前記翼型部の前縁が略垂直で翼型部とカンチレバーの長手方向の中心線が揃うように接続されている。翼型部２の翼弦と前記圧電カンチレバーの表面とのなす角（迎角）は、―５°から３０°、好ましくは０°から２０°までに任意な角度に設定できる。
【００４０】
揚力圧電変換デバイス１４は、揚力面第１電極（下部電極）５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極（上部電極）７ａ、揚力面第２配線７ｂ、逆揚力面第１電極（下部電極）９ａ、逆揚力面第１配線９ｂ、逆揚力面第２電極（上部電極）１１ａ、逆揚力面第２配線１１ｂ、と支持部１２に設けた支持部スルーホール１２ａで電気的に接続されており、外部に電荷を出力することができる。
【００４１】
図４に示すように、前記翼型部２と圧電カンチレバー１３の接続部の圧電カンチレバー接続端の幅ｌが圧電カンチレバー中央部の幅Ｌ０に対して狭くなっていることが好ましい。具体的にはｌ／Ｌ０（狭窄比）０．２≦ｌ／Ｌ０≦１．０。好ましくは、０．２≦ｌ／Ｌ０≦０．５。
【００４２】
前記翼型部２と圧電カンチレバー１３の接続部の圧電カンチレバー接続端の幅ｌが圧電カンチレバー中央部の幅Ｌ０に対して狭くすることにより、図４及び図５の空間Ａにおける検知流体の上方から下方の流れを圧電部材の面積に対して十分に確保できる。空間Ａにおける検知流体の上方から下方の流れを多く確保することにより、より大きな揚力を得ることが可能と成る。
【００４３】
この揚力圧電変換デバイス１４において、前記翼型部２と圧電カンチレバー１３の接続部の圧電カンチレバー接続端部の断面二次モーメントＩｅが圧電カンチレバー中央部の厚みＩｃに対して同等以上になっていることが好ましい。具体的にはＩｃ≦Ｉｅとなっていることが好ましい  。
【００４４】
この揚力圧電変換デバイス１４において、前記翼型部２と圧電カンチレバー１３の接続部の圧電カンチレバー接続端部の断面二次モーメントＩｅが圧電カンチレバー中央部の厚みＩｃに対して同等以上にするのは、圧電カンチレバー１３が厚み方向に上下から外力を受けた際に細くなっている前記翼型部２と圧電カンチレバー１３の接続部の圧電カンチレバー接続端部が優先的に撓むのを防ぐ為で有る。圧電カンチレバー接続端部の断面二次モーメントＩｅを増加する方法としては、圧電カンチレバー接続端部の厚みを変えてもよく、また断面形状を変えても良い。また、部分的に曲げに強い高強度材料に材質を変えても良い。例えば、Ｗを含む合金、Ｂｅを含む合金、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｍｏの何れか一つを含む合金、Ａｌ２Ｏ３，ＢｅＯ，ＭｇＯ等の酸化物である。
【００４５】
（１．５  風洞）
前記揚力圧電変換デバイス１４を覆う風洞１５は、支持部１２で前記揚力圧電変換デバイス１４と固定され、支持部１２に設けた支持部スルーホール１２ａと前記風洞１５に設けられた風洞スルーホール１５ａは電気的に接続されており、外部に電荷を出力することができる。
前記風洞１５は、検出流体の特定の方向のみを一方向に流すことができるように設計されている。
前記風洞１５の風路断面積を任意に設定することにより、検出流体の流体速度の測定範囲を任意設定できる。
【００４６】
風洞材は、ステンレス基板やアルミ基板、ポリマー基板等を用いることも可能である。  
【００４７】
また、前記風洞１５は、水平方向吸排気口１７、上下方向吸排気口１８，水平方向吸排気調節板１９、及び上下方向吸排気調節板２０を有している。
ここで、水平方向吸排気口１７は、前記圧電部材の搭載面に対し略平行である前記検知流体の流れを取り込むための吸排気口であり、上下吸排気口は、前記圧電部材の搭載面に対し略垂直な前記検知流体の流れを取り込むための吸排気口である。
【００４８】
水平方向吸排気調節板１９は、水平方向吸排気口１７から流入する水平方向の検出流体の流量、流速を調節することができ、翼型部２の揚力を調節することができる。
【００４９】
上下方向吸排気調節板２０は、上下方向吸排気口１８から流入する上下方向の検出流体の流量、流速を調節することができ、揚力圧電変換デバイス１４の撓み量を調節することができる。
【００５０】
（１．６  信号処理部）
信号処理部は、図８に示すように、チャージアンプと信号処理回路、及びメモリのよって構成される。複数個の揚力圧電変換デバイス１４の撓みによって生じた電荷は，電気配線を通じて信号処理部に入力され，チャージアンプはその電荷を電圧に変換する。さらに変換された電圧は、予めメモリの記憶した揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、出力する。複数個の揚力圧電変換デバイス１４の出力を比較することにより、最も出力電圧が高い揚力圧電変換デバイス１４の方位が、検知流体が流れてくる方向であると検知することができる。
【００５１】
更に複数個の揚力圧電変換デバイス１４の出力を比較して、複数個の出力電圧が同時に同等の出力電圧であった場合は、図１３に示す風洞の上下方向に設けた風洞上下方向吸排気口方向の検知流体の流れであると検知することができる。この場合、予めメモリの記憶した複数個の揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、上下方向の流速を測定できる。また、その場合の出力電圧の正負により、検知流体の上下方向の何れかを判明することができる。
以下、実施形態を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
本フローセンサは、検知流体が気体のみならず、液体においても検知できることは言うまでもない。
【００５３】
（実施形態１）
以下では、本実施形態１のフローセンサ１の製造方法について図６に基づいて説明する。
【００５４】
揚力圧電変換デバイス１４の製造にあたっては、まず、カンチレバー基板３の基材である０．２ｍｍのリン青銅基板を準備し、その後、第１工程を行う。第１工程では、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法で、カンチレバー基板３の上記一表面側、他表面側それぞれに、シリコン酸化膜からなる揚力面絶縁膜４、逆揚力面絶縁膜１０を形成する（図６（ａ）参照）。
【００５５】
第１工程の後には、第２工程、第３工程を順次行う。第２工程では、カンチレバー基板３の上記一表面側の全面に、揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂの基礎となる密着層（図示せず）、第１導電層を連続形成する。第２工程において第１導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第３工程では、揚力面圧電部材６の基礎となる圧電材料層を形成する。第３工程において圧電材料層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法等を採用してもよい
【００５６】
第３工程の後には、第４工程、第５工程を順次行う。第４工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、圧電材料層を揚力面圧電部材６の所定の形状にパターニングする。その際、揚力面第１電極５ａを形成すると同時に揚力面圧電部材突起部６ａを形成する。第５工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂの所定の形状にパターニングする。
【００５７】
第５工程の後には、第６工程、第７工程を順次行う。第６工程では、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂの基礎となる第２導電層を、カンチレバー基板３の上記一表面側の全面に形成する。第６工程において第２導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第７工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第２導電層を揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂの所定の形状にパターニングする（図６（ｂ）参照）。  
【００５８】
第７工程の後には、第８工程、第９工程を順次行う。第８工程では、揚力面第１電極パッド５ｃ及び揚力面第２電極パッド７ｃの基礎となる第３導電層を、カンチレバー基板３の上記一表面側の全面に形成する。第８工程において第３導電層を形成する方法としては、スパッタ法を採用しているが、これに限らず、例えば、ＣＶＤ法や蒸着法等を採用してもよい。第９工程では、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、第３導電層を揚力面第１電極パッド５ｃ及び揚力面第２電極パッド７ｃの所定の形状にパターニングする（図６（ｃ）参照）。揚力圧電変換デバイス１４の製造方法では、第８工程と第９工程とを順次行う代わりに、リフトオフ法を利用して揚力面第１電極パッド５ｃ及び揚力面第２電極パッド７ｃを形成してもよい。また、揚力圧電変換デバイス１４の製造方法では、第８工程と第９工程とを順次行う代わりに、メタルマスク等を利用して蒸着法等により揚力面第１電極パッド５ｃ及び揚力面第２電極パッド７ｃを形成してもよい。  
【００５９】
第９工程の後には、第１０工程を行う。第１０工程では、翼型部２とカンチレバー基板３の一端部が嵌合するように予め翼型部２に溝を設けており、接着剤等で固定する。第１０工程において翼型部２とカンチレバー基板３を固定するする方法としては、接着剤を用いているが、これに限らず、例えば、流体の流れを阻害しないようにネジ止めを採用してもよい。
【００６０】
以上説明した本実施形態の揚力圧電変換デバイス１４は、圧電カンチレバー１３に揚力のような外力が働いて撓むことにより、圧電カンチレバー１３の揚力面に設けた揚力面圧電部材６が撓み、前記撓み量に応じて揚力面圧電部材６に電荷が発生し、前記電荷を揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂを通じて発生した電荷を外部に出力し、電圧変換し、外力を測定するものである。
【００６１】
揚力圧電変換デバイス１４は、第１１工程で風洞と一体化することにより、フローセンサとして機能する。第１１工程では、上下２分割された風洞の一方には支持部１２と支持部１２に設けた支持部スルーホール１２ａに合致する風洞接続コネクタ１６が設置されている。第１１工程では、揚力圧電変換デバイス１４の支持部１２と風洞接続コネクタ１６が各々のスルーホールが接続するように固定される。次に残りの他方の風洞の半分が前記一方の風洞と一体化する。工程１１により、前記風洞１５に設けられた風洞スルーホール１５ａは電気的に接続され、外部に電荷を出力することができる。
【００６２】
出力された電荷は、図８に示す信号処理部で処理される。信号処理部は、チャージアンプ、信号処理回路とメモリで構成される。揚力圧電変換デバイス１４の撓みによって生じた電荷は，電気配線を通じて信号処理部に入力され，チャージアンプはその電荷を電圧に変換する。さらに変換された電圧は、予めメモリの記憶した揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、出力する。
【００６３】
ところで、本願発明者は、本発明のフローセンサを用いて特性評価を行った結果、図９に示す圧電部材の出力電圧と流速の関係を得た。
【００６４】
図１０は、図９の特性を示すフローセンサを基に風速２０ｍ／ｓ、ｌ／Ｌ０＝０．２５で迎角を変化させた場合の揚力と迎角の関係を示す。この結果より、迎角の範囲は、―５°から３０°、好ましくは０°から２０°である。
【００６５】
図１１は、図９の特性を示すフローセンサを基に風速２０ｍ／ｓ、迎角２０°で狭窄比ｌ／Ｌ０を変化させた場合の揚力と狭窄比ｌ／Lの関係を示す。この結果より、狭窄比ｌ／Ｌ０の範囲は、０．２≦ｌ／Ｌ０≦１．０。好ましくは、０．２≦ｌ／Ｌ０≦０．５である。
【００６６】
（実施形態２）
以下では、本実施形態２のフローセンサ１の製造方法について図７に基づいて説明する
【００６７】
揚力圧電変換デバイス１４の製造にあたっては、まず、貫通電極用のカンチレバースルーホール３ａを施したカンチレバー基板３の基材である０．２ｍｍのリン青銅基板を準備し、その後、第１’工程を行う。第１’工程では、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法で、カンチレバー基板３の上記一表面側、他表面側、スルーホール側面、それぞれに、シリコン酸化膜からなる揚力面絶縁膜４、逆揚力面絶縁膜１０を形成した後、カンチレバースルーホール３ａを湿式メッキでビアフィルを行う（図７（ａ）参照）。第１’工程においてカンチレバースルーホール３ａを充填する方法としては、湿式メッキ法を採用しているが、これに限らず、例えば、導電ペーストを使った印刷法を採用してもよい。
【００６８】
第２工程以降、第９工程までは、実施形態１と同様の工程であり、説明を省略する。（図７（ｂ）、（ｃ）参照）。
【００６９】
第９工程の後には、他表面に再度、実施形態１と同様の第２工程から第９工程、第２’工程から第９’工程を行う。これにより実施形態１の両面に処理を施した実施形態２が行われる。（図７（ｄ）、（ｅ）参照）。
【００７０】
第９’工程の後には、実施形態１と同様の第１０工程を行う。第１０工程では、翼型部２とカンチレバー基板３の一端部が嵌合するように予め翼型部２に溝を設けており、接着剤等で固定する。第１０工程において翼型部２とカンチレバー基板３を固定するする方法としては、接着剤を用いているが、これに限らず、例えば、流体の流れを阻害しないようにネジ止めを採用してもよい。
【００７１】
以上説明した本実施形態の揚力圧電変換デバイス１４は、圧電カンチレバー１３に揚力のような外力が働いて撓むことにより、圧電カンチレバー１３の揚力面に設けた揚力面圧電部材６が撓み、前記撓み量に応じて揚力面圧電部材６に電荷が発生し、前記電荷を揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂを通じて測定し、外力を測定するものである。
【００７２】
揚力圧電変換デバイス１４は、第１１工程で風洞と一体化することにより、フローセンサとして機能する。第１１工程では、上下２分割された風洞の一方には支持部１２と支持部１２に設けた支持部スルーホール１２ａに合致する風洞接続コネクタ１５ｃが設置されている。第１１工程では、揚力圧電変換デバイス１４の支持部１２と風洞接続コネクタ１６が各々のスルーホールが接続するように固定される。次に残りの他方の風洞の半分が前記一方の風洞と一体化する。工程１１により、前記風洞１５に設けられた風洞スルーホール１５ａは電気的に接続されており、外部に電荷を出力することができる。
【００７３】
出力された電荷は、図８に示す信号処理部で処理される。信号処理部は、チャージアンプ、信号処理回路とメモリで構成される。揚力圧電変換デバイス１４の撓みによって生じた電荷は，電気配線を通じて信号処理部に入力され，チャージアンプはその電荷を電圧に変換する。さらに変換された電圧は、予めメモリの記憶した揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、出力する。
【００７４】
（実施形態３）
以下では、本実施形態３のフローセンサ１の製造方法について図１２に基づいて説明する
【００７５】
図１２に示すように１方位のスローセンサを８方位に等角度に放射状に接合した形状の８方位カンチレバー基板を準備する。
【００７６】
前記方位カンチレバー基板を用いて８個の揚力圧電変換デバイスが一体となった揚力圧電変換デバイス１４を作製する。揚力圧電変換デバイス１４の製造にあたっては、第１工程以降、第９’工程までは、実施形態２と同様の工程であり、説明を省略する。
【００７７】
第９’工程の後には、実施形態２と同様の第１０工程を行う。第１０工程では、８個の翼型部２とカンチレバー基板３の一端部が嵌合するように予め８個の翼型部２に溝を設けており、接着剤等で固定する。第１０工程において翼型部２とカンチレバー基板３を固定するする方法としては、接着剤を用いているが、これに限らず、例えば、流体の流れを阻害しないようにネジ止めを採用してもよい。
【００７８】
以上説明した本実施形態の揚力圧電変換デバイス１４は、８個一体となった圧電カンチレバー１３の各々に揚力のような外力が働いて撓むことにより、外力が働いた圧電カンチレバー１３の揚力面に設けた揚力面圧電部材６が撓み、前記撓み量に応じて揚力面圧電部材６に電荷が発生し、前記電荷を揚力面第１電極５ａ、揚力面第１配線５ｂ、揚力面第２電極７ａ、揚力面第２配線７ｂを通じて測定し、各々の圧電カンチレバー１３に働いた外力を測定するものである。
【００７９】
８個一体型揚力圧電変換デバイス１４は、第１１工程で８方位の風洞と一体化することにより、フローセンサとして機能する。第１１工程では、上下２分割された８方位の風洞の一方には支持部１２と支持部１２に設けた支持部スルーホール１２ａに合致する風洞接続コネクタ１５ｃが設置されている。第１１工程では、揚力圧電変換デバイス１４の支持部１２と風洞接続コネクタ１６が各々のスルーホールが接続するように固定される。次に残りの他方の風洞の半分が前記一方の風洞と一体化する。工程１１により、前記風洞１５に設けられた８方位の風洞スルーホール１５ａは電気的に接続されており、８個の揚力圧電変換デバイスは各々外部に電荷を出力することができる。
【００８０】
出力された電荷は、図８に示す信号処理部で処理される。信号処理部は、チャージアンプ、信号処理回路とメモリで構成される。８個の各々の揚力圧電変換デバイス１４の撓みによって生じた電荷は，電気配線を通じて信号処理部に入力され，チャージアンプは、その電荷を電圧に変換する。さらに変換された電圧は、予めメモリの記憶した揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、出力する。８個の揚力圧電変換デバイス１４の出力を比較することにより、最も出力電圧が高い揚力圧電変換デバイス１４の方位が、検知流体が流れてくる方向であると検知することができる。
【００８１】
更に８個の揚力圧電変換デバイス１４の出力を比較して、８個の出力電圧が同時に同等の出力電圧であった場合は、図１３に示す風洞の上下方向に設けた風洞上下方向吸排気口方向の検知流体の流れであると検知することができる。この場合、予めメモリの記憶した8個の揚力圧電変換デバイス１４で発生する電圧と流速とを対応付けたテーブルから流速を算出し、上下方向の流速を測定できる。また、その場合の出力電圧の正負により、検知流体の上下方向の何れかを判定することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１    …  フローセンサ
２    …  翼型部
２ａ  …  前縁
２ｂ  …  後縁
２ｃ  …  中心線
２ｄ  …  翼弦線
２ｅ  …  最大翼厚
２ｆ  …  キャンバー
３    …  カンチレバー基板
３ａ  …  カンチレバースルーホール
３ｂ  …  カンチレバースルーホール絶縁膜
３ｃ  …  カンチレバー厚み増し部
４    …  揚力面絶縁膜
５ａ  …  揚力面第１電極
５ｂ  …  揚力面第１配線
５ｃ  …  揚力面第１電極パッド
６    …  揚力面圧電部材
６ａ  …  揚力面圧電部材突起部
７ａ  …  揚力面第２電極
７ｂ  …  揚力面第２配線
７ｃ  …  揚力面第２極パッド
８    …  逆揚力面絶縁膜
９ａ  …  逆揚力面第１電極
９ｂ  …  逆揚力面第１配線
９ｃ  …  逆揚力面第１電極パッド
１０  …  逆揚力面圧電部材
１０ａ…  逆揚力面圧電部材突起部
１１ａ…  逆揚力面第２電極
１１ｂ…  逆揚力面第２配線
１１ｃ…  逆揚力面第２電極パッド
１２  …  支持部
１２ａ…  支持部スルーホール
１２ｂ…  支持部スルーホール絶縁膜
１３  …  圧電カンチレバー
１４  …  揚力圧電変換デバイス
１５  …  風洞
１５ａ…  風洞スルーホール
１５ｂ…  風洞スルーホール絶縁膜
１６  …  風洞接続コネクタ
１７  …  水平方向吸排気口
１８  …  上下方向吸排気邪口
１９  …  水平方向吸排気調節板
２０  …  上下方向吸排気調節板
【図１Ａ】
2019045223.tif 000004
【図１Ｂ】
2019045223.tif 000005
【図１Ｃ】
2019045223.tif 000006
【図１Ｄ】
2019045223.tif 000007
【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
2019045223.tif 000010
【図１Ｈ】
2019045223.tif 000011
【図２】
2019045223.tif 000012
【図３】
2019045223.tif 000013
【図４】
2019045223.tif 000014
【図５】
2019045223.tif 000015
【図６】
2019045223.tif 000016
【図７】
2019045223.tif 000017
【図８】
2019045223.tif 000018
【図９】
2019045223.tif 000019
【図１０】
2019045223.tif 000020
【図１１】
2019045223.tif 000021
【図１２】
2019045223.tif 000022
【図１３】
2019045223.tif 000023
【図１４】
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