(57)【要約】【課題】ロータス効果を有する微細周期構造を適用することで、センサ内壁面での撥水性が向上し、電気力線が、ほぼ、水又は気泡のいずれかを通過することになり、気泡の検出精度をあげることができる気泡検出装置を提供すること。【解決手段】本発明のする気泡検出装置は、液体中に存在する気泡を検出、検出対象となる気泡が通過するセンサ内壁面３０の少なくとも一部に、ロータス効果を有する微細周期構造４０を形成したことを特徴とする。【選択図】        図１
2015001442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に存在する気泡を検出する気泡検出装置であって、検出対象となる前記気泡が通過するセンサ内壁面の少なくとも一部に、ロータス効果を有する微細周期構造を形成したことを特徴とする気泡検出装置。
【請求項２】
一対の電極を備え、一対の前記電極間の静電容量の変化によって前記気泡の存在を検出し、一対の前記電極間に前記センサ内壁面が配置されることを特徴とする請求項１に記載の気泡検出装置。
【請求項３】
一対の前記電極を管体の管長方向に配置し、前記管体内に前記センサ内壁面を形成したことを特徴とする請求項２に記載の気泡検出装置。
【請求項４】
一対の前記電極間の電束密度が最も高い箇所に、前記微細周期構造を形成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の気泡検出装置。
【請求項５】
前記電極間の中間隔離部に接地電極を備えることで、前記中間隔離部のシールド効果を高めたことを特徴とする請求項４に記載の気泡検出装置。
【請求項６】
前記微細周期構造のピッチを、前記検出対象となる前記気泡の直径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項７】
前記微細周期構造のピッチを、１０μｍ以下としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項８】
前記微細周期構造を、ストレート形、スパイラル形、波形、又はその他の幾何学的な構造からなる二次元パターン又は三次元パターンとしたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の気泡検出装置。
【請求項９】
前記微細周期構造を、プラスチック成形により形成したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の気泡検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に存在する気泡を検出する気泡検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、例えば燃料電池発電システムにおいて純水中に含まれる炭酸ガスなどの気泡を検出するための気泡検出装置を提案している。この気泡検出装置では、水が充満した管路の側面に設置された２つの電極間に，所定周波数の交流電圧を印加しておき、管路内を空気が通過したときに生じる誘電率の変化によって，当該気泡の有無を検出する。
特許文献２は、木材の含水率を測定することを目的として、木材の正角材の木表面と木裏面を面積Ｓの電極板で挟み、周波数１ＭＨｚの高周波を印加する既存のＬＣＲメータにて静電容量を計測し、測定終了後に、試験木材を切断して全乾燥法による重量比較により含水率を算出し、静電容量と含水率の関係をグラフ化することで、静電容量から含水率を推定する方法が開示されている。
特許文献３は、撥水性を高めるためにはロータス効果を利用した微細構造が優れており、その製造方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２７０５２号公報
【特許文献２】特許第２７５０４９８号公報
【特許文献３】特開２０１２−６６４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１によれば、安価なコイル状の2電極（以下、コイル電極）を用いた気泡検出装置を得ることができ、気泡検出の分解能を向上させることができる。
図１は、一対のコイル電極１１、１２を管体２０の管長方向に配置し、一対のコイル電極１１、１２間の管体２０内にセンサ内壁面３０を形成し、一対のコイル電極１１、１２間の静電容量の変化をもとに、気泡の有無を検出する気泡検出装置である。管路内壁における撥水性が大きいと、気泡の通過時に内壁の水摘は弾かれる（図1（ａ）)。この場合、2つのコイル電極の間、すなわち静電容量計測範囲に生じる電気力線Ｘが通る経路においては、水滴が占める割合が小さくできるため、誤って水の有る状態と判断することが無い。
しかし、気泡検出装置の気泡検出精度には、検出部である樹脂筒内面の撥水性が大きく影響する。すなわち、樹脂筒の管路内壁における撥水性が小さい場合には（図1（ｂ）)、2つのコイル電極の間に生じる電気力線Ｘが、水中と気泡内を通ることになり、コイル電極間の静電容量変化の計測精度が低い装置では、気泡は存在せず水のみが有る状態と誤って判断されてしまうという問題がある。
このように撥水性が検知精度へ大きく影響するため、気泡センサの配管部分となる樹脂筒の材質に、一般に撥水性が優れていると言われる熱可塑性フッ素系樹脂を使用したが、例えば０．２ｃｃ以下のような微細な気泡を十分に検出できないという問題があった。
特許文献２では、電極板の面積Ｓは５００ｃｍ２以上の大面積を必要とし、あらかじめ含水率と静電容量の特性を取得しておくことも必須であり、局所箇所の水中に含まれる気泡の有無判定には適用できないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、特許文献３で提案されているようなロータス効果を有する微細周期構造を適用することで、センサ内壁面での撥水性が向上し、電気力線が、ほぼ、水又は気泡のいずれかを通過することになり、気泡の検出精度をあげることができる気泡検出装置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】
【０００６】
請求項１記載の本発明の気泡検出装置は、液体中に存在する気泡を検出する気泡検出装置であって、検出対象となる前記気泡が通過するセンサ内壁面の少なくとも一部に、ロータス効果を有する微細周期構造を形成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の気泡検出装置において、一対の電極を備え、一対の前記電極間の静電容量の変化によって前記気泡の存在を検出し、一対の前記電極間に前記センサ内壁面が配置されることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の気泡検出装置において、一対の前記電極を管体の管長方向に配置し、前記管体内に前記センサ内壁面を形成したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２又は請求項３に記載の気泡検出装置において、一対の前記電極間の電束密度が最も高い箇所に、前記微細周期構造を形成したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の気泡検出装置において、前記電極間の中間隔離部に接地電極を備えることで、前記中間隔離部のシールド効果を高めたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の気泡検出装置において、前記微細周期構造のピッチを、前記検出対象となる前記気泡の直径よりも小さくしたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の気泡検出装置において、前記微細周期構造のピッチを、１０μｍ以下としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の気泡検出装置において、前記微細周期構造を、ストレート形、スパイラル形、波形、又はその他の幾何学的な構造からなる二次元パターン又は三次元パターンとしたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の気泡検出装置において、前記微細周期構造を、プラスチック成形により形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、検出対象となる気泡が存在するセンサ内壁面の少なくとも一部に、ロータス効果を発現させる微細周期構造を形成することで、センサ内壁面での撥水性が向上して、内壁表面に接する水の面がなす接触角を高めることで、気泡の検出精度をあげることができ、更にセンサ内壁面の汚れによる接触角の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の基本原理の説明図
【図２】気泡検出装置のブロック図
【図３】本発明の気泡検出装置に形成する微細周期構造を示す説明図
【図４】ナノサイズの長手方向ストレート溝を射出成形で試作した樹脂筒センサ内壁面の二次元画像
【図５】ミクロンサイズの長手方向ストレート溝を成形加工した樹脂筒センサ内壁面の画像
【図６】有限要素法を用いた電場解析を行うために、気泡検出装置の断面形状を用いて作成した無限平板モデルの形状を示す図
【図７】図６に示す無限平板モデル形状を元にした電場解析結果を示す図
【図８】流速１０ｃｃ／ｍｉｎで連続流の条件における気泡の検出時間特性を示すグラフ
【図９】静電容量式気泡検出装置の気泡検出波形を示す図
【図１０】流速１０ｃｃ／ｍｉｎで連続流の条件における気泡の検出限界とｔ検定のＰ値を示す図
【図１１】流速１０ｃｃ／ｍｉｎで間欠流の条件における気泡の検出時間特性を示すグラフ
【図１２】流速１０ｃｃ／ｍｉｎで間欠流の条件における気泡の検出限界とｔ検定のＰ値を示す図
【図１３】本発明の他の実施例による気泡検出装置の構成図
【図１４】微細周期構造の加速耐久試験における実証結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による気泡検出装置は、検出対象となる気泡が通過するセンサ内壁面の少なくとも一部に、ロータス効果を有する微細周期構造を形成したものである。本実施の形態によれば、センサ内壁面での撥水性が向上して気泡の検出精度をあげることができ、更にセンサ内壁面の汚れによる接触角の低下を抑えることができる。
【００１０】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による気泡検出装置において、一対の電極を備え、一対の電極間の静電容量の変化によって気泡の存在を検出し、一対の電極間にセンサ内壁面が配置されるものである。本実施の形態によれば、センサ内壁面における撥水性が大きいため、気泡や空気の通過時に、センサ内壁面の水摘は弾かれて、円筒内での内壁表面に接する水の面がなす接触角が高くなることで、静電容量計測範囲に水滴の占める割合が少なくなり、水が有る状態と誤って判断することがなく、電気力線が気泡のみを通ることで検知精度が向上する。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による気泡検出装置において、一対の電極を管体の管長方向に配置し、管体内にセンサ内壁面を形成したものである。本実施の形態によれば、管体内を流れる微細な気泡についても検出することができる。
【００１２】
本発明の第４の実施の形態は、第２又は第３の実施の形態による気泡検出装置において、一対の電極間の電束密度が最も高い箇所に、微細周期構造を形成したものである。本実施の形態によれば、検知精度を更に向上させることができる。
【００１３】
本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態による電極間の中間隔離部に接地電極を備えることで、中間隔離部のシールド効果を高めたものである。本実施の形態によれば、電気力線の外部への漏れを減少させ、微小な気泡を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００１４】
本発明の第６の実施の形態は、第１から第５の実施の形態による気泡検出装置において、微細周期構造のピッチを、検出対象となる気泡の直径よりも小さくしたものである。本実施の形態によれば、ロータス効果を得ることができる。
【００１５】
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態による気泡検出装置において、微細周期構造のピッチを、１０μｍ以下としたものである。本実施の形態によれば、ロータス効果を得ることができる。
【００１６】
本発明の第８の実施の形態は、第１から第７の実施の形態による気泡検出装置において、微細周期構造を、ストレート形、スパイラル形、波形、又はその他の幾何学的な構造からなる二次元パターン又は三次元パターンとしたものである。本実施の形態によれば、これらの幾何学的構造によってロータス効果を得ることができ、二次元パターンだけでなく、階層構造とした三次元パターンとすることで、条件に応じて撥水性を高めることができる。
【００１７】
本発明の第９の実施の形態は、第１から第８の実施の形態による気泡検出装置において、微細周期構造を、プラスチック成形により形成したものである。本実施の形態によれば、ナノサイズに至るまで微細周期構造の加工を実現できる。
【実施例】
【００１８】
以下本発明の実施例について図面とともに説明する。
図１は本発明の基本原理の説明図である。図１では、本発明の気泡検出装置の一実施例として静電容量式気泡センサを示している。
静電容量式気泡センサは、静電容量は誘電率の大きさに比例するという原理に基づき、センサ検知部外側の面に、コイルや銅板などによる２つの静電容量検出電極を設け、水の比誘電率εｒ≒８０と、気体（空気及び炭酸ガス）の比誘電率εｒ≒１の差により、気泡の通過の有無により生ずる静電容量Ｃの変化を検出するセンサである。
【００１９】
静電容量Ｃは次式により表される。
Ｃ＝εｏεｒＳ／Ｌ・・・・・（１）
ただし、εｏは真空誘電率８．８５×１０−２Ｆ／ｍ、Ｓは対面する電極間の実効面積、Ｌは電極間の距離である。
上式（１）より、εｒの変化による静電容量Ｃの変化を検出することで、気泡の有無を判断する。
【００２０】
静電容量式気泡センサは、内径４ｍｍのプラスチック樹脂シリンダと、その外側に電極１１と電極１２からなる２つの電極で構成されている。電極間には、周波数１０ｋＨｚ、実効値２４Ｖｒｍｓの交流電圧が印加されている。周波数を１０ｋＨｚとしたのは、例えば１６ｋＨｚ以上とした場合に、本発明による静電容量式気泡センサを搭載するシステムからの電気的なノイズの干渉を受け、計測精度が低下する恐れがあるためである。さらには、１０ｋＨｚという低い周波数にすることで、制御基板等の電気回路の設計が簡素になり、浮遊静電容量等をはじめとする外乱の影響を受けにくくなる。なお、外部からの干渉が生じない場合には周波数は１０ｋＨｚ以外であってもよい。また、電圧を２４Ｖｒｍｓとしたが、これに限られたものではない。電極１１、電極１２間に定電圧を印加すると電場が生じる。静電容量式気泡センサ内が水のみで満たされている場合、電極間に生じるインピーダンスは、水の比誘電率と水の導電率で決まる。もし、この電場の箇所に気泡が到来すると、電気力線の一部が気泡内を通り、この時のインピーダンスは水の比誘電率だけでなく、空気の比誘電率の影響も受ける。水と空気の比誘電率は、それぞれ８０と１であり、両電極間の静電容量Ｃが気体の有無によって変化する。そのため、電極１１、１２間を空気が通過した際の静電容量Ｃの変化が大きいため、気泡の検知が容易にできる。
【００２１】
電極１１と電極１２間に形成されるコンデンサのリアクタンスＸｃは次式で表される。
Ｘｃ＝１／（２πｆＣ）・・・・・（２）
ただし、ｆは周波数、Ｃは静電容量である。
このときのコンデンサに流れる電流Ｉは、印加した交流電圧をＶとすると次式で表される。
Ｉ＝Ｖ／Ｘｃ＝２ＶπｆＣ・・・・・（３）
印加した交流電圧の周波数ｆと電圧Ｖが一定であるとすると、電極１１と電極１２間の静電容量Ｃに比例した電流が流れる。
【００２２】
本発明では、図２のブロック図に示すように、コンデンサを流れる電流ｉは受信部７０で検知され、その信号は帯域フィルタ８０により高周波成分などのノイズを除去した後、整流回路９０により直流電圧信号に整流され、気泡の大きさや有無を判定するための基準となる電圧閾値を予め設定した判定回路１００により、例えば、気泡有りの場合にはＯＦＦの出力信号を出し、気泡が無しの場合にはＯＮの出力信号を出す。なお、電極１１には、発振回路６０が接続されている。
【００２３】
図１（ａ）に示す本発明の静電容量式気泡センサでは、検出対象となる気泡が存在するセンサ内壁面３０の少なくとも一部に、ロータス効果を発現させる微細周期構造４０を形成している。
微細周期構造４０を形成した場合のセンサ内壁面３０における水の接触角をθａ、微細周期構造４０を形成しない場合のセンサ内壁面３０における水の接触角をθｂとすると、図１に示すように、θａ＞θｂとなる。
【００２４】
図１（ａ）に示す電気力線Ｘは、空気のみを通るのに対して、図１（ｂ）に示す電気力線Ｘは、一部が水を通る。従って、空気のみを電気力線Ｘが通る図１（ａ）の検知精度が高くなる。なお、電極１１と電極１２との間が、静電容量計測範囲となる。電極１１と電極１２は、管体２０の外側にφ０．３２ｍｍのポリウレタン銅線（ＵＥＷ）をそれぞれ２３ターンほど巻付け、それぞれの巻始めと巻終わり点を電気的に接続してコイルのインダクタンス成分を失わせて、コイル状コンデンサを形成することで、安価な検出用コンデンサを得ることができる。なお、コイルの代わりに銅板等を管体２０に巻き付けてそれぞれの電極として用いてもよい。周波数が高周波以下であれば、電極部のインダクタンス成分は無視できる。電極１１と電極１２の間の任意の距離の箇所を中間隔離部５０と呼ぶ。中間離隔部５０には、接地電極Ｒとして同様の銅線を３ターンほど巻付け、当該銅線の両端を接地している。この接地電極Ｒにより、電極１１と電極１２の対極間部分で管体２０の外側に漏れる電気力線はシールド効果により接地電極Ｒに回収されるため、電極１１と電極１２により生じる電気力線は、中間隔離部５０、すなわち接地電極Ｒの内周側樹脂部分だけに介在することになる。また、電極１１と電極１２との対極間部分における寄生静電容量を抑制できる効果が得られる。このため、気泡が中間隔離部５０に差しかかった際、静電容量Ｃが低下し易くなり、電圧極小値がシャープに発現することから、気泡有無の分解能が向上し、小気泡の検出が可能となる。
図１（ｃ）は、静電容量式気泡センサの構造を示す説明図である。電極１１にはリード線Ｐ１が、電極１２にはリード線Ｐ２が、接地電極Ｒにはリード線Ｐ３がそれぞれ接続されている。
【００２５】
図３は、本発明の気泡検出装置に形成する微細周期構造を示す説明図である。
図３（ａ）はストレート形、図３（ｂ）は横ストレート形、図３（ｃ）はスパイラル形、図３（ｄ）は波形による微細周期構造である。図３（ａ）に示すストレート形は気泡の移動方向を溝方向としており、図３（ｂ）に示す横ストレート形は気泡の移動方向に垂直な方向を溝方向としている。図３（ｃ）に示すスパイラル形は、例えば図１に示すような管体２０の内面に形成される。
ロータス効果を発揮する微細周期構造は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すようなストレート形、スパイラル形、波形、又はその他の幾何学的な構造からなる三次元パターンで、周期的な凸凹構造を有する。また、微細周期構造のピッチは１０μｍ以下とすることが好ましく、検出対象となる気泡の直径よりも小さくする。微細周期構造の溝深さは、数百ｎｍ〜数十μｍのサイズである。
断面方向から見た微細周期構造は、二次元パターンだけでなく、階層構造とした三次元パターンとすることで、条件に応じて撥水性を高めることができる。
【００２６】
微細周期構造は、例えば、樹脂筒センサ内壁面に成形加工などにより付与することができる。
図４は、ナノサイズの長手方向ストレート溝を射出成形で試作した樹脂筒センサ内壁面の二次元画像、図５は、ミクロンサイズの長手方向ストレート溝を成形加工した樹脂筒センサ内壁面の画像である。
図４に示す微細周期構造の溝寸法は、ナノサイズ長手方向ストレート溝であり、ピッチ約５６０ｎｍ、深さ約２９０ｎｍ（ＲＭＳ）である。また、図５に示す微細周期構造の溝寸法は、ミクロンサイズ長手方向ストレート溝であり、ピッチ約１７μｍ、深さ約４．５μｍ（ＲＭＳ）である。
図４及び図５に示すように、プラスチック成形によって、樹脂筒センサ内壁面に対して、ナノサイズやミクロンサイズの微細周期構造を転写できる。
【００２７】
図６及び図７を用いて、本発明の微細周期構造の形成位置について説明する。ただし、電極１１と電極１２の間の中間隔離部５０に接地電極Ｒが無い場合として計算した。
図６は、有限要素法を用いた汎用工学シミュレーションソフトウェア（ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ、計測エンジニアリングシステム（株））による電場解析を行うために、気泡検出装置の断面形状を用いて作成した無限平板モデルの形状である。一対の電極１１、１２を管体２０の管長方向に配置している。
気泡検出装置は、空気（εｒ＝１）中に配置させ、気泡も空気とした。管体２０には、熱可塑性フッ素系樹脂（ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｔｒａ  ｆｌｕｏｒｏ  ｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＥＴＦＥ）（εｒ＝２．６）を用いた。管体２０内には、水（εｒ＝８０）で満たされているとした。また、電極１１は正電荷（Ｑ＝＋１（Ｃ））を、電極１２は、負電荷（Ｑ＝−１（Ｃ））を与えた。
【００２８】
図７は、図６に示す無限平板モデルを元にした電場解析結果である。
図７（ａ）は電気力線の分布を示す図、図７（ｂ）は電束密度Ｄ（Ｃ／ｍ２）分布を示す図である。
図７に示すように、電極１１と電極１２との間の電束密度が一番高くなっている。従って、一対の電極１１、１２間の電束密度が最も高い箇所、すなわち、電極１１と電極１２が設置されているすぐ真下の樹脂（ＥＴＦＥ）部と、電極１１、１２間部分の樹脂（ＥＴＦＥ）部内壁に微細周期構造を加工し、そのセンサ内壁面３０の撥水性を向上させることで検知精度を向上させることができる。
【００２９】
以下、本発明の一実施例による微細周期構造の実証結果を説明する。
本発明の一実施例によるセンサ内壁面に施した微細周期構造として、ナノサイズで長手方向縦ストレート溝の微細周期構造Ａと、ミクロンサイズで長手方向縦ストレート溝の微細周期構造Ｂを用いた。微細周期構造Ａのピッチは５６０ｎｍ、微細周期構造Ｂのピッチは１７μｍである。比較例としては、センサ内壁面に微細周期構造を施していないものを用いた。
なお、気泡検出装置には、図１に示す静電容量式気泡センサを用い、管体２０には内径φ４ｍｍの熱可塑性フッ素系樹脂を用いた。
図８は、流速１０ｃｃ／ｍｉｎで連続流の条件における気泡の検出時間特性を示しており、図８（ａ）は比較例、図８（ｂ）は微細周期構造Ａ、図８（ｃ）は微細周期構造Ｂである。なお気泡検出時間特性は、０．２ｃｃの検出精度を検証するために気泡の大きさを０．１ｃｃ〜０．３ｃｃの範囲で０．０５ｃｃのステップで変化させた場合の気泡検出時間を計測することで求めた。
【００３０】
実験の手順を以下に示す。
i）連続流ポンプに静電容量式気泡センサを取り付け、蒸留水（0．1μS／ｃｍ３）を流し管内に水を充填する。
ii）シリンジを用いて気泡を注入する。
iii）オシロスコープ（メーカー：ＩＷＡＴＳＵ、型番：ＤＳ−５１０２Ｂ）を用いて中間隔離部５０を気泡が通過した際の検出波形を計測した。
iv）iからiiiの過程を１０ｃｃ／ｍｉｎで５回ずつ計測した。
v）iからivの過程を３種類の静電容量式気泡センサ（微細周期構造A、微細周期構造B、比較例）で行った。
【００３１】
気泡検出の有無は、図９に示すオシロスコープの波形の変化により判断した。気泡が電極１１の電極部に近づき中間隔離部５０に到達すると整流回路９０の整流電圧波形の電圧値が低下した。この下降時の閾値ａを例えば９６ｍＶと設定した。その後、気泡が中間隔離部５０並びに電極１２の電極部を離れていき、中間隔離部５０が水のみで満たされると整流回路９０の整流電圧波形の電圧値が上昇した。この上昇時の閾値ｂを例えば１２２ｍＶと設定した。判定回路１００は、中間隔離部５０に気泡が無しのときは判定出力電圧は２．５Ｖ一定のままで、この状態を“ＯＮ”と定義する。一方、中間隔離部５０に気泡が存在するときは判定出力電圧は５Ｖが出力され、この状態を“ＯＦＦ”と定義する。この閾値ａ及び閾値ｂの設定により、気泡の検出感度の調整をすることが可能となる。
【００３２】
図９（ａ）は、気泡無しの純水（導電率０．１μＳ／ｃｍ３、導電率の温度変化係数２％／℃で導電率設定）の入ったビーカーからプランジャーポンプで静電容量式気泡センサへ通水した場合の整流回路９０の整流電圧波形であり、２０４ｍＶであった。この場合は判定回路１００の判定出力電圧波形は２．５Ｖ一定値を示し、気泡無しを意味する出力信号“ＯＮ”を表示する。
一方、図９（ｂ）は、前記と同様の純水を用い、ビーカーからプランジャーポンプで静電容量式気泡センサへ通水し、その際、注射器で約０．２ｃｃの空気を注入し、その気泡が電極１１、中間隔離部５０、電極１２を通過したときの整流回路９０の整流電圧波形の変化を示している。気泡が電極部に近づき中間隔離部５０に至ると整流回路９０の整流電圧は低下し、予め設定した下降時の閾値９６ｍＶに達すると判定回路１００の判定出力電圧５Ｖが出力され、その後整流電圧は１２ｍＶまで低下して気泡が中間隔離部５０に留まっている期間一定値を示し、この間、判定回路１００の判定出力は５Ｖが出力され続け、気泡有りを意味する出力信号“ＯＦＦ”を表示する。その後、気泡が電極部を離れると整流電圧は上昇し、予め設定した上昇時の閾値１２２ｍＶに達すると判定回路１００の判定出力電圧が２．５Ｖ低下し、気泡無しを意味する“ＯＮ”を表示する。
【００３３】
図１０は、流速１０ｃｃ／ｍｉｎで連続流の条件における気泡検出限界とｔ検定のＰ値を示す図である。
このように、閾値判定回路において閾値を定め、コンパレータで比較することで、ＨｉとＬｏのデジタル出力信号を得る。気泡検知時にはＨｉ（出力信号としてはＯＦＦとして出力）の出力信号を得、水のみの場合にはＬｏ（出力信号としてはＯＮとして出力）を得る。
このことから、どの程度の大きさの気泡までを検出できるかの感度を決めるには、この直流電圧の閾値の設定を調整することで可能となる。
【００３４】
図１１は、プランジャーポンプを用い、流速１０ｃｃ／ｍｉｎでの水を０．３秒間に０．１ｃｃの水が動き、続く０．３秒間は水の流れが停止する状態を間欠流の条件とした場合における気泡検出時間特性を示すグラフであり、図１１（ａ）は比較例、図１１（ｂ）は微細周期構造Ａ、図１１（ｃ）は微細周期構造Ｂの気泡検出時間特性である。比較例は、センサ内壁面に微細周期構造を施していないもので図８と同じものである。
図１２は、流速１０ｃｃ／ｍｉｎで間欠流の条件における気泡検出限界とｔ検定のＰ値を示す図である。
流速１０ｃｃ／ｍｉｎの間欠流を用いた場合において、気泡検出時間特性の０．１５ｃｃと０．２ｃｃでｔ検定を行ったところ、比較例と微細周期構造Ａでは統計的な有意差が確認されなかったが（Ｐ＞０．０５）、微細周期構造Ｂでは統計的な有意差が確認された。気泡検出限界で比較しても、微細周期構造Ｂの値が最も小さかった。すなわち、これら３つの条件においては、微細周期構造Ｂの気泡検出性能が一番良好であった。
このとき、図１０及び図１２に示すように、接触角の比較では、比較例の８５°に対して、微細周期構造Ａは９５°、微細周期構造Ｂは１１９．７°であった。また、接触角の大きさの変化が気泡検出限界に反映されていることが分かる。このことから、微細周期構造による撥水効果の向上が、気泡検出性能の向上に影響しているといえる。
なお、図８と図１１とを比較すると、間欠流に比べて連続流では誤差が減少しており、間欠流より連続流での測定の方が、ノイズが小さいことがわかる。また、ノイズが大きい間欠流での測定において、微細周期構造Ｂの検出限界が最も小さくなったことに加えて、ノイズの小さい連続流での測定においても微細周期構造Ｂの検出限界が最も小さくなったことから、微細周期構造が気泡検出性能の向上に効果があるといえる。
【００３５】
図１３は、本発明の他の実施例による気泡検出装置の構成図である。
本実施例による気泡検出装置は、円筒状センサ部２１の上端面に一方の電極１３を、下端面に他方の電極１４を配置している。
円筒状センサ部２１の上端面には、液体が流入する導入管２２が、円筒状センサ部２１の下端面には、液体が流出する導入管２３が設けられている。
微細周期構造４１は、センサ内壁面３１の円筒内側面に形成される。
【００３６】
本発明による微細周期構造４１は、センサ内壁面３１の汚れによる接触角の低下を抑えることができる。以下に実証結果を示す。
図１４（ａ）は、加速耐久試験における試験条件と汚れ具合を示す図である。試験条件として、図に示す３つの条件で行った。
図１４（ｂ）は、加速耐久試験後の接触角を示す図である。本試験では、既に説明した微細周期構造Ｂを用いた。
家庭用燃料電池の配管部に設置される気泡検出装置では、循環水中のイオンやゴミなどの汚れが付着すると考えられる。
図１４（ａ）に示す試験条件の試験水を、気泡検出装置に長時間通水し続けたところ、センサ内壁面３１に汚れが確認された。そして、図１４（ｂ）に示すように、汚れの程度によって接触角が変化することがわかった。つまり、試験水を長時間通水させて汚れが付着した気泡検出装置の接触角を測定したところ、微細周期構造の有無に関わらず、いずれの気泡検出装置も接触角が低下していた。しかし、微細周期構造Ｂを加工した気泡検出装置の接触角は、非加工の気泡検出装置の接触角よりも高い値を示した。このことから、微細周期構造によるロータス効果で、汚れによる接触角の低下を防いでいることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の気泡検出装置は、家庭用燃料電池エネファーム（ＳＯＦＣ形）での水循環システム内に発生する気泡や水枯れ検知や、医療機器での輸液回路などのエアー混入検知にも利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１１  電極
１２  電極
２０  管体
３０、３１  センサ内壁面
４０、４１  微細周期構造
５０  中間隔離部
７０  受信部
８０  帯域フィルタ
９０  整流回路
１００  判定回路
Ｒ  接地電極
Ｐ１  電極１１のリード線
Ｐ２  電極１２のリード線
Ｐ３  接地電極Ｒのリード線
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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