微小差圧測定用の差圧センサ
【課題】微小差圧を高感度に測定することのできる差圧センサを提供する。
【解決手段】差圧センサの感圧素子部２は、厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜４と、薄膜４に接触する一対の電極５と、薄膜４を保持する外枠６とを備えている。薄膜４は、誘電性の弾性樹脂と、この弾性樹脂中に１〜２０重量％分散された複数のコイル状炭素繊維とから構成されている。薄膜４に含まれるコイル状炭素繊維８は、太さ（繊維径）が１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が１５０μm以下となるように形成されている。
【解決手段】差圧センサの感圧素子部２は、厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜４と、薄膜４に接触する一対の電極５と、薄膜４を保持する外枠６とを備えている。薄膜４は、誘電性の弾性樹脂と、この弾性樹脂中に１〜２０重量％分散された複数のコイル状炭素繊維とから構成されている。薄膜４に含まれるコイル状炭素繊維８は、太さ（繊維径）が１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が１５０μm以下となるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差圧センサに関する。特に、感圧素子部と回路部とを備えており、感圧素子部が薄膜で構成されている微小差圧測定用の差圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体や気体の被測定媒体の差圧を測定するために利用される種々の圧力センサが知られている。例えば特許文献１の従来技術には、被測定媒体の圧力によってその変位が変化するするシリコン製のダイヤフラムと、このダイヤフラムの変位によって変化する静電容量を検出する検出素子とを備えた圧力センサが開示されている。又、近年では、ダイヤフラムと歪みゲージをシリコン半導体で一体形成した小型の半導体ダイヤフラム型圧力センサが実用化されている。
【０００３】
発明者らはこれまでに、特許文献２、特許文献３及び特許文献４において、コイル状炭素繊維が弾性材料に分散されて形成されている感圧素子部を備えた圧力センサを提案している。この感圧素子部に含まれるコイル状炭素繊維には伸縮性があり、その伸縮によってインダクタンス、キャパシタンス、及びレジスタンス特性が変化するという性質を備えている。コイル状炭素繊維の伸縮とインダクタンス、キャパシタンス、及びレジスタンス特性の値の変化とは非常に高い相関を有しており、且つ再現性がよいことから、このコイル状炭素繊維は圧力を高感度に測定するセンサに利用することが可能である。
【特許文献１】特開昭６０−７０４６号公報
【特許文献２】特開２００５−４９３３２号公報
【特許文献３】特開２００５−２９１９２７号公報
【特許文献４】特許出願第２００８−７５４４５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体や気体の被測定媒体の微小な差圧の測定を目的として、更に高感度な圧力センサの提供が望まれている。しかしながら、従来の半導体ダイヤフラム型圧力センサや静電容量型圧力センサでは、これらの感圧素子部が有する電気的な特性（例えば、応力に対する抵抗変化の直線性）等から、非常に微小な差圧を正確に測定することが困難な場合があった。
【０００５】
本発明は、従来技術のこのような解決すべき課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、微小差圧を従来よりも高感度で正確に測定することができる微小差圧測定用の差圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、微小差圧測定用の差圧センサに関する。本発明の差圧センサは、感圧素子部と、回路部とを備えており、その感圧素子部が、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂によって構成されている厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜と、薄膜に接触する電極と、薄膜を保持する外枠とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
発明者らは、種々の検討の結果、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂を厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜に形成して感圧素子部に利用することで、測定感度が非常に高い差圧センサが得られることを見出して本発明をなすに至った。本発明に係る差圧センサの感圧素子部を構成する薄膜は、ダイヤフラムとしての変位量が大きく、且つその変位に追従して伸縮し電気特性が高感度に変化するコイル状炭素繊維を含むために、微小差圧を従来よりも高感度で正確に測定することが可能である。
【０００８】
本発明の差圧センサの感圧素子部を構成する薄膜には、コイル状炭素繊維が弾性樹脂に対して１〜２０重量％含まれることを特徴とする。差圧センサが微小な差圧に対して高い測定感度を得るためには、薄膜がコイル状炭素繊維を１重量％以上含むことが好ましい。一方で、コイル状炭素繊維の添加量が２０重量％を越えた場合には、薄膜に必要な弾力性と柔軟性が得られなくなって、微小差圧の測定値が不正確になる恐れがある。以上のことから、感圧素子部の薄膜は、弾性材に対するコイル状炭素繊維の添加量が１〜２０重量％であることが好適である。
【０００９】
本発明の差圧センサは、２枚の隔壁で外枠の両端を閉塞して外側環境と隔離された空間を形成しており、該空間の圧力を調整することが可能である。そして本発明の差圧センサは、隔壁の少なくとも一方が、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂を厚さ０．１〜２．０ｍｍに形成した薄膜であることを特徴とする。本発明の差圧センサは、隔壁と外枠とで囲まれた空間の圧力を調整することで、センサ感度の調節を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって、液体や気体の被測定媒体の微小な差圧を高感度に測定可能な差圧センサを得ることができる。
【００１１】
本発明によって、センサ感度の調節が容易な微小差圧測定用の差圧センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る微小差圧測定用の差圧センサの最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に感圧素子部２の構成を示し、図２に差圧センサ１の感圧素子部２と回路部３の構成を模式的に示すブロック図を示す。
【００１３】
図１（ａ）に感圧素子部２の斜視図を示し、図１（ｂ）に感圧素子部２の縦断面図を示す。感圧素子部２は、厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜４と、薄膜４に接触する一対の電極５と、薄膜４を保持する外枠６とを備えている。
【００１４】
図３に、薄膜４の部分拡大図を示す。薄膜４は、誘電性の弾性樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタン系樹脂、又は天然ゴム等の防水性・誘電性のエラストマー）７と、この弾性樹脂７に対して１〜２０重量％分散された複数のコイル状炭素繊維８とから構成されている。コイル状炭素繊維８は、シングルコイル状又はダブルコイル状に形成された炭素繊維である。本実施の形態の薄膜４に使用されるコイル状炭素繊維８は、太さ（繊維径）が１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となるように形成されており、コイルの巻き方向、長さ方向での巻き数については特に限定されない。コイル長が３００μmを超えるとコイル状炭素繊維が相互に交絡し、基材樹脂内での分散性を欠き好ましくない。なお、図３に示すコイル状炭素繊維８は、その分散状態と形状の理解を容易にするために、その大きさを拡大して描かれている。
【００１５】
コイル状炭素繊維８は、コイル状に形成された導電性の繊維であって、インダクタンス成分（Ｌ成分）、キャパシタンス成分（Ｃ成分）、及びレジスタンス成分（Ｒ成分）をそれぞれ有している。誘電性の弾性樹脂７は、キャパシタンス成分（Ｃ成分）を有し、コンデンサとして作用する。この結果、誘電性の弾性樹脂７と、コイル状炭素繊維８とから構成されている薄膜４は、ＬＣＲ共振回路として作用する。
【００１６】
薄膜４を保持する外枠６は、測定範囲内の圧力で変形しない強度を備えたポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂などの汎用プラスチックの他、ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィンなどのエンジニアプラスチック等から形成することができる。
【００１７】
薄膜４に圧力が加わると、薄膜４全体が変形して伸長し、薄膜４に含まれるコイル状炭素繊維８も伸長する。伸長に伴って、コイル状炭素繊維８は、そのＬ成分、Ｃ成分、及びＲ成分が変化する。薄膜４に加わっていた圧力が除圧されると、コイル状炭素繊維８は元の形状に戻り、そのＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分の特性値は、圧力が加わる前の値に正確に戻る。このような特性を有するコイル状炭素繊維８を含むことで、薄膜４の電気特性は加圧量と除圧量に対応して再現性高く変化する。このような薄膜４の電気特性を測定することにより、薄膜４に加わる微小な圧力を正確に測定できる。
【００１８】
感圧素子部２に電気的に接続されている回路部３について図２を用いて説明する。差圧センサ１は、感圧素子部２と、感圧素子部２に電気的に接続されている回路部３と、回路部３が出力した信号に基づいて圧力を算出する演算部９とを備えている。回路部３は、感圧素子部２からの信号をＳ／Ｎ比を低下させずに適切に処理して演算部９に出力する。
【００１９】
図２に示すように、回路部３は、基準信号入力手段としての発振回路２０と、検出手段及び信号調整手段としての移相部３０と、検出手段としての検波部３５とを備えている。検波部３５は、第１検波器としての同相検波器３６及び第２検波器としての直交検波器３７を備えている。発振回路２０は、センサドライバ回路２１を介して感圧素子部２の一方の電極５に接続されている。感圧素子部２の他方の電極５は、バッファ回路２２を介して検波部３５に接続されている。また、発振回路２０は、移相部３０を介して検波部３５に接続されている。
【００２０】
発振回路２０は、交流信号（基準信号）をセンサドライバ回路２１に出力する。発振回路２０は、好ましくは１００KHz以上の周波数ｆ及び振幅Ａの正弦波を出力する。本実施形態における発振回路２０は、予め設定された周波数範囲内の周波数を生成可能なファンクションジェネレータＬＳＩにより構成されている。尚、発振回路２０は、時間の経過に伴って振幅が変化する交流信号を出力する構成であればよく、三角波や方形波を出力する回路を用いることも可能である。
【００２１】
センサドライバ回路２１は、感圧素子部２の駆動が可能な振幅レベルに基準信号の振幅を変換して、感圧素子部２の一方の電極５に出力する。センサドライバ回路２１は、感圧素子部２が有するインピーダンスの影響によって基準信号が歪むことを防止するために、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低くなるように構成される。本実施形態におけるセンサドライバ回路２１は、利得「１」の正相増幅器（いわゆるボルテージフォロワ）により構成されている。
【００２２】
バッファ回路２２は、感圧素子部２の他方の電極５から入力される信号（センサ出力信号）を検波部３５に出力する回路である。バッファ回路２２は、検波部３５の回路構成によってセンサ出力信号が変動しないように、入力インピーダンスが高くなるように構成されている。また、感圧素子部２のセンサ出力信号は微小であるため、本実施形態におけるバッファ回路２２は、増幅器の機能を有している。具体的には、バッファ回路２２は、非反転型増幅器により構成されている。このため、利得の調整により増幅度が調整される。
【００２３】
移相部３０は、移相器３１及び直交用移相器としての９０°移相器３２を備えている。移相器３１は、発振回路２０から入力された基準信号の位相を遅らせたり進めたりする回路である。移相器３１は、入力された信号の全ての周波数成分を通過させるフィルタ（オールパスフィルタ）により構成されている。移相器３１は、この位相が相違させられた基準信号（検波基準信号としての同相信号）を検波部３５の同相検波器３６に出力するとともに、９０°移相器３２に出力する。移相器３１は、基準信号の位相を調整することにより、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とを一致させる。
【００２４】
９０°移相器３２は、同相信号の位相を９０°だけ遅らせる回路である。すなわち、９０°移相器３２は、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態（Ｌ成分、Ｃ成分及びＲ成分が変化する前の状態）におけるセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように、基準信号を移相させる回路である。９０°移相器３２は、移相器３１と同様の構成を有し、移相器３１における位相の調整量が９０°に固定された構成となっている。９０°移相器３２は、入力された同相信号に対して９０°遅れた信号を直交信号として直交検波器３７に出力する。
【００２５】
検波部３５は、同相検波器３６及び直交検波器３７により、バッファ回路２２を介して入力されたセンサ出力信号を直交検波する。本実施形態においては、検波部３５は、直交検波の方式としてプロダクト検波を用いている。すなわち、検波部３５は、位相が９０°だけ互いに異なり、振幅及び周期が同一の２つの正弦波を用いてセンサ出力信号を検波する。
【００２６】
同相検波器３６は、同相信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３８に出力する。具体的には、同相検波器３６は、同相信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、同相信号として「Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）（ここで、ω＝２πｆ）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）（ψ：感圧素子部２による位相遅れ）」で示される正弦波が入力された場合、同相検波器３６は、「Ａ・Ａ’・ｓｉｎ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。同相検波器３６は、この信号成分のうち同相信号の２倍の周波数の信号成分「ｃｏｓ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α・ｃｏｓ（ψ）（αは、Ａ及びＡ’により定まる直流電圧であり、以下「振幅電圧」という）」として示される直流電圧（同相検波電圧Ｉ）を出力する。
【００２７】
一方、直交検波器３７は、直交信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３９に出力する。具体的には、直交検波器３７は、直交信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、直交信号として「Ａ・ｃｏｓ（ωｔ）（同相信号に対して９０°位相が遅れた信号）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される正弦波が入力された場合、直交検波器３７は、「Ａ・Ａ’・ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。直交検波器３７は、この信号成分のうち直交信号の２倍の周波数の信号成分「ｓｉｎ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α’・ｓｉｎ（ψ）（α’は、Ａ及びＡ’により定まる定数）」として示される直流電圧（直交検波電圧Ｑ）を出力する。
【００２８】
オフセットアンプ回路３８は、基準電源４０で示される電圧を同相検波電圧Ｉから減算して検出電圧Ｖ１として出力する。同様に、オフセットアンプ回路３９は、基準電源４０で示される電圧を直交検波電圧Ｑから減算して検出電圧Ｖ２として出力する。なお、本実施形態におけるオフセットアンプ回路３８，３９は、減算増幅器により構成されている。オフセットアンプ回路３８やオフセットアンプ回路３９の減算量の調整により、感圧素子部２に圧力が加わっていないときの検出電圧Ｖ１，Ｖ２の値は「０」に設定されている。
【００２９】
演算部９は、入力された検出電圧Ｖ１、Ｖ２に基づいて、感圧素子部２に加わった圧力の変化量や種類を求める。以下、触覚センサ１による被検出量の検出原理について、図４に基づいて具体的に説明する。なお、検出電圧Ｖ１及び検出電圧Ｖ２は、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑをそれぞれオフセットさせることにより得られる電圧値であり、これら検波電圧Ｉ，Ｑの挙動に連動して変動する。
【００３０】
以下に、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑに基づく圧力の検出原理を説明する。図４に示すように、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態において、同相検波電圧ＩをＸ成分、直交検波電圧ＱをＹ成分として極座標表示すると（ポイントＰ０）、原点ＯからポイントＰ０までの仮想線のＸ軸に対する傾きは位相遅れψ０、原点ＯからポイントＰ０までの長さは振幅電圧αとなる。なお、本実施形態においては、移相器３１により、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とは一致しているため、位相遅れψは「０［ｒａｄ］」（ψ０＝０［ｒａｄ］）となる。ここでは、説明の便宜上、ψ０を図面上に表示している。
【００３１】
感圧素子部２に一定の圧力が加わって、位相遅れψが増大するとともに振幅電圧αが減少して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ１で示される特性を示した場合を例に挙げて説明する。この場合、感圧素子部２は、Ｒ成分及びＬ成分が増加し、Ｃ成分が減少していると推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α１に減少していることから、センサ出力信号の振幅が減少したと推定され、Ｒ成分が増加したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に増加していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが増加したと推定され、Ｌ成分が増加するとともにＣ成分が減少したと推定される。
【００３２】
また別例として、感圧素子部２に上記とは異なる圧力が加わって、位相遅れψが減少するとともに振幅電圧αが増大して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ２で示される場合について説明する。この場合の感圧素子部２は、感圧素子部２のＣ成分が増加し、Ｒ成分及びＬ成分が減少したと推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α２に増大していることから、センサ出力信号の振幅が増大したと推定され、Ｒ成分が減少したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に減少していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが減少したと推定され、Ｃ成分が増加するとともにＬ成分が減少したと推定される。
【００３３】
このように、演算部９は、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態からの振幅電圧α及び位相遅れψの変化傾向や変化量を算出することによって、感圧素子部２に圧力が加わることにより変化する成分（Ｒ成分、Ｌ成分、Ｃ成分）を検出することができる。振幅電圧α及び位相遅れψは、感圧素子部２に加わる外力の種類やその大きさにより変動する。よって、振幅電圧α及び位相遅れψの変化パターンによって感圧素子部２に加わる外力の種類や大きさを測定することができる。即ち、本実施の形態の差圧センサ１により、感圧素子部２に加わる圧力の微小な変化を検出することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例により、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）本実施例の差圧センサの感圧素子部２は、図１に示すように、リング状の外枠６に、１枚のシート状の薄膜４が固定された感圧素子部２を備えている。外枠６と薄膜４との間に一対の電極５が配置されており、電極５は薄膜４に接触するように固定されている。感圧素子部２の薄膜４は、シリコーン樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させてシート状に成形したものが用いられている。本実施例で用いられるコイル状炭素繊維は、太さが１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となっている。
【００３６】
リング状の外枠６の内径を直径１０ｍｍとし、これに厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２に、回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析した。本実施例の差圧センサでは、０Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することが可能であった。本実施例の差圧センサの感圧素子部２は、例えば圧力容器の開口部に固定されて好適に使用される。
【００３７】
本実施例の一変形例として、リング状の外枠６の内径を直径１００ｍｍとし、これに厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この変形例の感圧素子部２に回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜１ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００３８】
また、本実施例の更なる変形例として、リング状の外枠６の内径を直径１００ｍｍとし、これに厚さ２ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この感圧素子部２に、回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜１０ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．１ｋＰａで測定可能であった。
【００３９】
また、本実施例の更なる変形例として、内径が直径１００ｍｍのリング状の外枠６に、コイル状炭素繊維の含有率を１％とした厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この感圧素子部２に、回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜３００ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００４０】
（実施例２）本実施例の差圧センサの感圧素子部１２は、図５に示すように、矩形状の外枠１３に、１枚のシート状の薄膜１４が保持されている。外枠１３と薄膜１４との間に一対の電極５が挟まれており、電極５は薄膜１４に接触するように固定されている。
【００４１】
矩形状の外枠１３は、縦１０ｍｍ、横１５ｍｍの開口部を有するように形成されている。又、薄膜１４は、ポリウレタン系樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させて、厚さ０．１ｍｍのシート状に成形したものが用いられている。本実施例で用いられるコイル状炭素繊維は、太さが１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となっている。この感圧素子部１２に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析した結果、０Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００４２】
（実施例３）本実施例の差圧センサは、図６に示すように任意形状の外枠に１枚のシート状の薄膜が保持された感圧素子部１５を備えている。薄膜の構成、電極の配置、及び回路部から印可される電圧については実施例１と同一であり、同一符号を付与して重複説明を省略する。外枠の形状を感圧素子部１５が配置される位置に合わせて成形することで、本実施例の差圧センサは、気体、液体、その他任意流体の静圧、動圧、振動圧、静流圧、変動流圧、微風、微粒子衝突圧などの微圧、微小振動の変化を出力信号の変化として捉え、その変化量を情報として利用することができる。
【００４３】
（実施例４）本実施例の差圧センサの感圧素子部１６は、図７に示すように２枚の隔壁１７，１７’によって外枠１８の両端が閉塞されており、外側環境と隔離された空間が形成されている。外枠１８の寸法は、リング状であれば内径１０〜１０００ｍｍ、矩形状であれば開口部の一辺が１０〜１０００ｍｍの範囲で任意に設定することができる。
【００４４】
２枚の隔壁のうち、一方の隔壁１７は、実施例１の薄膜４と同様に、シリコーン樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させた厚さ０．１ｍｍの薄膜で構成されている。他方の隔壁１７’は外枠１８と同一のプラスチックで構成されている。一対の電極５が、外枠１８と隔壁１７との間に固定されている。外枠１８と２枚の隔壁１７，１７’とで隔離された空間の圧力は、外枠１８に設けられた圧力調整弁１９によって０Ｐａ〜３０ｋＰａに調整することができる。この圧力の調整によって、差圧センサの感度の調節を容易に行うことが可能である。
【００４５】
感圧素子部１６に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析することにより、０Ｐａ〜４ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することが可能である。
【００４６】
（実施例５）本実施例の差圧センサの感圧素子部２６は、図８に示すように、外枠１８の両端部に薄膜で構成された２枚の隔壁１７が配置されている。２枚の隔壁１７には、各々１対の電極５が接している。それ以外の外枠１８と隔壁１７の構成、及び感圧素子部２６に印可される電圧については実施例４と同一であり、同一符号を付与して重複説明を省略する。外枠１８に設けられた圧力調整弁１９によって、外枠１８と隔壁１７とで隔離された空間の圧力は、０Ｐａ〜３０ｋＰａに調整可能である。感圧素子部２６に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析することにより、０Ｐａ〜４ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の差圧センサは、血圧・血流、脈動・脈波等の検知を行う医療支援機器用の差圧検知センサ、振動を検出して疑似聴覚を付与するヒューマノイドロボット用センサ、設備の異常検知を行うＦＡ生産ライン管理・監視用センサ、設備、装置の運転機能を把握するための化学機器、流体移送機器等への利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の差圧センサの一実施形態における感圧素子部２の構成を示す図である。
【図２】差圧センサ１の主要な構成である感圧素子部２と回路部３とを模式的に示すブロック図である。
【図３】薄膜４の部分拡大図である。
【図４】差圧センサ１による検出原理を示すグラフである。
【図５】第２実施例の感圧素子部１２の斜視図である。
【図６】第３実施例の感圧素子部１５の斜視図である。
【図７】第４実施例の感圧素子部１６の縦断面図である。
【図８】第５実施例の感圧素子部２６の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 差圧センサ
２，１２，１５，１６，２６ 感圧素子部
３， 回路部
４，１４ 薄膜
５ 電極
６，１３，１８ 外枠
７ 弾性樹脂
８ コイル状炭素繊維
９ 演算部
１７，１７’隔壁
１９ 圧力調整弁
２０ 発振回路
２１ センサドライバ回路
２２ バッファ回路
３０ 移相部
３１ 移相器
３２ ９０°移相器
３５ 薄膜
３６ 同相検波器
３７ 直交検波器
３８，３９ オフセットアンプ回路
４０ 基準電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差圧センサに関する。特に、感圧素子部と回路部とを備えており、感圧素子部が薄膜で構成されている微小差圧測定用の差圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体や気体の被測定媒体の差圧を測定するために利用される種々の圧力センサが知られている。例えば特許文献１の従来技術には、被測定媒体の圧力によってその変位が変化するするシリコン製のダイヤフラムと、このダイヤフラムの変位によって変化する静電容量を検出する検出素子とを備えた圧力センサが開示されている。又、近年では、ダイヤフラムと歪みゲージをシリコン半導体で一体形成した小型の半導体ダイヤフラム型圧力センサが実用化されている。
【０００３】
発明者らはこれまでに、特許文献２、特許文献３及び特許文献４において、コイル状炭素繊維が弾性材料に分散されて形成されている感圧素子部を備えた圧力センサを提案している。この感圧素子部に含まれるコイル状炭素繊維には伸縮性があり、その伸縮によってインダクタンス、キャパシタンス、及びレジスタンス特性が変化するという性質を備えている。コイル状炭素繊維の伸縮とインダクタンス、キャパシタンス、及びレジスタンス特性の値の変化とは非常に高い相関を有しており、且つ再現性がよいことから、このコイル状炭素繊維は圧力を高感度に測定するセンサに利用することが可能である。
【特許文献１】特開昭６０−７０４６号公報
【特許文献２】特開２００５−４９３３２号公報
【特許文献３】特開２００５−２９１９２７号公報
【特許文献４】特許出願第２００８−７５４４５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体や気体の被測定媒体の微小な差圧の測定を目的として、更に高感度な圧力センサの提供が望まれている。しかしながら、従来の半導体ダイヤフラム型圧力センサや静電容量型圧力センサでは、これらの感圧素子部が有する電気的な特性（例えば、応力に対する抵抗変化の直線性）等から、非常に微小な差圧を正確に測定することが困難な場合があった。
【０００５】
本発明は、従来技術のこのような解決すべき課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、微小差圧を従来よりも高感度で正確に測定することができる微小差圧測定用の差圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、微小差圧測定用の差圧センサに関する。本発明の差圧センサは、感圧素子部と、回路部とを備えており、その感圧素子部が、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂によって構成されている厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜と、薄膜に接触する電極と、薄膜を保持する外枠とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
発明者らは、種々の検討の結果、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂を厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜に形成して感圧素子部に利用することで、測定感度が非常に高い差圧センサが得られることを見出して本発明をなすに至った。本発明に係る差圧センサの感圧素子部を構成する薄膜は、ダイヤフラムとしての変位量が大きく、且つその変位に追従して伸縮し電気特性が高感度に変化するコイル状炭素繊維を含むために、微小差圧を従来よりも高感度で正確に測定することが可能である。
【０００８】
本発明の差圧センサの感圧素子部を構成する薄膜には、コイル状炭素繊維が弾性樹脂に対して１〜２０重量％含まれることを特徴とする。差圧センサが微小な差圧に対して高い測定感度を得るためには、薄膜がコイル状炭素繊維を１重量％以上含むことが好ましい。一方で、コイル状炭素繊維の添加量が２０重量％を越えた場合には、薄膜に必要な弾力性と柔軟性が得られなくなって、微小差圧の測定値が不正確になる恐れがある。以上のことから、感圧素子部の薄膜は、弾性材に対するコイル状炭素繊維の添加量が１〜２０重量％であることが好適である。
【０００９】
本発明の差圧センサは、２枚の隔壁で外枠の両端を閉塞して外側環境と隔離された空間を形成しており、該空間の圧力を調整することが可能である。そして本発明の差圧センサは、隔壁の少なくとも一方が、コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂を厚さ０．１〜２．０ｍｍに形成した薄膜であることを特徴とする。本発明の差圧センサは、隔壁と外枠とで囲まれた空間の圧力を調整することで、センサ感度の調節を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって、液体や気体の被測定媒体の微小な差圧を高感度に測定可能な差圧センサを得ることができる。
【００１１】
本発明によって、センサ感度の調節が容易な微小差圧測定用の差圧センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る微小差圧測定用の差圧センサの最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に感圧素子部２の構成を示し、図２に差圧センサ１の感圧素子部２と回路部３の構成を模式的に示すブロック図を示す。
【００１３】
図１（ａ）に感圧素子部２の斜視図を示し、図１（ｂ）に感圧素子部２の縦断面図を示す。感圧素子部２は、厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜４と、薄膜４に接触する一対の電極５と、薄膜４を保持する外枠６とを備えている。
【００１４】
図３に、薄膜４の部分拡大図を示す。薄膜４は、誘電性の弾性樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタン系樹脂、又は天然ゴム等の防水性・誘電性のエラストマー）７と、この弾性樹脂７に対して１〜２０重量％分散された複数のコイル状炭素繊維８とから構成されている。コイル状炭素繊維８は、シングルコイル状又はダブルコイル状に形成された炭素繊維である。本実施の形態の薄膜４に使用されるコイル状炭素繊維８は、太さ（繊維径）が１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となるように形成されており、コイルの巻き方向、長さ方向での巻き数については特に限定されない。コイル長が３００μmを超えるとコイル状炭素繊維が相互に交絡し、基材樹脂内での分散性を欠き好ましくない。なお、図３に示すコイル状炭素繊維８は、その分散状態と形状の理解を容易にするために、その大きさを拡大して描かれている。
【００１５】
コイル状炭素繊維８は、コイル状に形成された導電性の繊維であって、インダクタンス成分（Ｌ成分）、キャパシタンス成分（Ｃ成分）、及びレジスタンス成分（Ｒ成分）をそれぞれ有している。誘電性の弾性樹脂７は、キャパシタンス成分（Ｃ成分）を有し、コンデンサとして作用する。この結果、誘電性の弾性樹脂７と、コイル状炭素繊維８とから構成されている薄膜４は、ＬＣＲ共振回路として作用する。
【００１６】
薄膜４を保持する外枠６は、測定範囲内の圧力で変形しない強度を備えたポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂などの汎用プラスチックの他、ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィンなどのエンジニアプラスチック等から形成することができる。
【００１７】
薄膜４に圧力が加わると、薄膜４全体が変形して伸長し、薄膜４に含まれるコイル状炭素繊維８も伸長する。伸長に伴って、コイル状炭素繊維８は、そのＬ成分、Ｃ成分、及びＲ成分が変化する。薄膜４に加わっていた圧力が除圧されると、コイル状炭素繊維８は元の形状に戻り、そのＬ成分、Ｃ成分及びＲ成分の特性値は、圧力が加わる前の値に正確に戻る。このような特性を有するコイル状炭素繊維８を含むことで、薄膜４の電気特性は加圧量と除圧量に対応して再現性高く変化する。このような薄膜４の電気特性を測定することにより、薄膜４に加わる微小な圧力を正確に測定できる。
【００１８】
感圧素子部２に電気的に接続されている回路部３について図２を用いて説明する。差圧センサ１は、感圧素子部２と、感圧素子部２に電気的に接続されている回路部３と、回路部３が出力した信号に基づいて圧力を算出する演算部９とを備えている。回路部３は、感圧素子部２からの信号をＳ／Ｎ比を低下させずに適切に処理して演算部９に出力する。
【００１９】
図２に示すように、回路部３は、基準信号入力手段としての発振回路２０と、検出手段及び信号調整手段としての移相部３０と、検出手段としての検波部３５とを備えている。検波部３５は、第１検波器としての同相検波器３６及び第２検波器としての直交検波器３７を備えている。発振回路２０は、センサドライバ回路２１を介して感圧素子部２の一方の電極５に接続されている。感圧素子部２の他方の電極５は、バッファ回路２２を介して検波部３５に接続されている。また、発振回路２０は、移相部３０を介して検波部３５に接続されている。
【００２０】
発振回路２０は、交流信号（基準信号）をセンサドライバ回路２１に出力する。発振回路２０は、好ましくは１００KHz以上の周波数ｆ及び振幅Ａの正弦波を出力する。本実施形態における発振回路２０は、予め設定された周波数範囲内の周波数を生成可能なファンクションジェネレータＬＳＩにより構成されている。尚、発振回路２０は、時間の経過に伴って振幅が変化する交流信号を出力する構成であればよく、三角波や方形波を出力する回路を用いることも可能である。
【００２１】
センサドライバ回路２１は、感圧素子部２の駆動が可能な振幅レベルに基準信号の振幅を変換して、感圧素子部２の一方の電極５に出力する。センサドライバ回路２１は、感圧素子部２が有するインピーダンスの影響によって基準信号が歪むことを防止するために、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低くなるように構成される。本実施形態におけるセンサドライバ回路２１は、利得「１」の正相増幅器（いわゆるボルテージフォロワ）により構成されている。
【００２２】
バッファ回路２２は、感圧素子部２の他方の電極５から入力される信号（センサ出力信号）を検波部３５に出力する回路である。バッファ回路２２は、検波部３５の回路構成によってセンサ出力信号が変動しないように、入力インピーダンスが高くなるように構成されている。また、感圧素子部２のセンサ出力信号は微小であるため、本実施形態におけるバッファ回路２２は、増幅器の機能を有している。具体的には、バッファ回路２２は、非反転型増幅器により構成されている。このため、利得の調整により増幅度が調整される。
【００２３】
移相部３０は、移相器３１及び直交用移相器としての９０°移相器３２を備えている。移相器３１は、発振回路２０から入力された基準信号の位相を遅らせたり進めたりする回路である。移相器３１は、入力された信号の全ての周波数成分を通過させるフィルタ（オールパスフィルタ）により構成されている。移相器３１は、この位相が相違させられた基準信号（検波基準信号としての同相信号）を検波部３５の同相検波器３６に出力するとともに、９０°移相器３２に出力する。移相器３１は、基準信号の位相を調整することにより、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とを一致させる。
【００２４】
９０°移相器３２は、同相信号の位相を９０°だけ遅らせる回路である。すなわち、９０°移相器３２は、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態（Ｌ成分、Ｃ成分及びＲ成分が変化する前の状態）におけるセンサ出力信号に対して９０°の位相差となるように、基準信号を移相させる回路である。９０°移相器３２は、移相器３１と同様の構成を有し、移相器３１における位相の調整量が９０°に固定された構成となっている。９０°移相器３２は、入力された同相信号に対して９０°遅れた信号を直交信号として直交検波器３７に出力する。
【００２５】
検波部３５は、同相検波器３６及び直交検波器３７により、バッファ回路２２を介して入力されたセンサ出力信号を直交検波する。本実施形態においては、検波部３５は、直交検波の方式としてプロダクト検波を用いている。すなわち、検波部３５は、位相が９０°だけ互いに異なり、振幅及び周期が同一の２つの正弦波を用いてセンサ出力信号を検波する。
【００２６】
同相検波器３６は、同相信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３８に出力する。具体的には、同相検波器３６は、同相信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、同相信号として「Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）（ここで、ω＝２πｆ）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）（ψ：感圧素子部２による位相遅れ）」で示される正弦波が入力された場合、同相検波器３６は、「Ａ・Ａ’・ｓｉｎ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。同相検波器３６は、この信号成分のうち同相信号の２倍の周波数の信号成分「ｃｏｓ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α・ｃｏｓ（ψ）（αは、Ａ及びＡ’により定まる直流電圧であり、以下「振幅電圧」という）」として示される直流電圧（同相検波電圧Ｉ）を出力する。
【００２７】
一方、直交検波器３７は、直交信号によりセンサ出力信号を検波してオフセットアンプ回路３９に出力する。具体的には、直交検波器３７は、直交信号とセンサ出力信号とを乗算して出力する。例えば、直交信号として「Ａ・ｃｏｓ（ωｔ）（同相信号に対して９０°位相が遅れた信号）」で示される正弦波が入力され、センサ出力信号として「Ａ’ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される正弦波が入力された場合、直交検波器３７は、「Ａ・Ａ’・ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）」で示される信号を出力する。直交検波器３７は、この信号成分のうち直交信号の２倍の周波数の信号成分「ｓｉｎ（２ωｔ＋ψ）」をローパスフィルタにより除去して、「α’・ｓｉｎ（ψ）（α’は、Ａ及びＡ’により定まる定数）」として示される直流電圧（直交検波電圧Ｑ）を出力する。
【００２８】
オフセットアンプ回路３８は、基準電源４０で示される電圧を同相検波電圧Ｉから減算して検出電圧Ｖ１として出力する。同様に、オフセットアンプ回路３９は、基準電源４０で示される電圧を直交検波電圧Ｑから減算して検出電圧Ｖ２として出力する。なお、本実施形態におけるオフセットアンプ回路３８，３９は、減算増幅器により構成されている。オフセットアンプ回路３８やオフセットアンプ回路３９の減算量の調整により、感圧素子部２に圧力が加わっていないときの検出電圧Ｖ１，Ｖ２の値は「０」に設定されている。
【００２９】
演算部９は、入力された検出電圧Ｖ１、Ｖ２に基づいて、感圧素子部２に加わった圧力の変化量や種類を求める。以下、触覚センサ１による被検出量の検出原理について、図４に基づいて具体的に説明する。なお、検出電圧Ｖ１及び検出電圧Ｖ２は、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑをそれぞれオフセットさせることにより得られる電圧値であり、これら検波電圧Ｉ，Ｑの挙動に連動して変動する。
【００３０】
以下に、同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧Ｑに基づく圧力の検出原理を説明する。図４に示すように、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態において、同相検波電圧ＩをＸ成分、直交検波電圧ＱをＹ成分として極座標表示すると（ポイントＰ０）、原点ＯからポイントＰ０までの仮想線のＸ軸に対する傾きは位相遅れψ０、原点ＯからポイントＰ０までの長さは振幅電圧αとなる。なお、本実施形態においては、移相器３１により、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態におけるセンサ出力信号の位相と同相信号の位相とは一致しているため、位相遅れψは「０［ｒａｄ］」（ψ０＝０［ｒａｄ］）となる。ここでは、説明の便宜上、ψ０を図面上に表示している。
【００３１】
感圧素子部２に一定の圧力が加わって、位相遅れψが増大するとともに振幅電圧αが減少して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ１で示される特性を示した場合を例に挙げて説明する。この場合、感圧素子部２は、Ｒ成分及びＬ成分が増加し、Ｃ成分が減少していると推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α１に減少していることから、センサ出力信号の振幅が減少したと推定され、Ｒ成分が増加したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に増加していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが増加したと推定され、Ｌ成分が増加するとともにＣ成分が減少したと推定される。
【００３２】
また別例として、感圧素子部２に上記とは異なる圧力が加わって、位相遅れψが減少するとともに振幅電圧αが増大して同相検波電圧Ｉ及び直交検波電圧ＱがポイントＰ２で示される場合について説明する。この場合の感圧素子部２は、感圧素子部２のＣ成分が増加し、Ｒ成分及びＬ成分が減少したと推定される。詳しくは、振幅電圧αが振幅電圧α０から振幅電圧α２に増大していることから、センサ出力信号の振幅が増大したと推定され、Ｒ成分が減少したと推定される。また、位相遅れψが位相遅れψ０から位相遅れψ１に減少していることから、同相信号に対するセンサ出力信号の位相遅れψが減少したと推定され、Ｃ成分が増加するとともにＬ成分が減少したと推定される。
【００３３】
このように、演算部９は、感圧素子部２に圧力が加わっていない状態からの振幅電圧α及び位相遅れψの変化傾向や変化量を算出することによって、感圧素子部２に圧力が加わることにより変化する成分（Ｒ成分、Ｌ成分、Ｃ成分）を検出することができる。振幅電圧α及び位相遅れψは、感圧素子部２に加わる外力の種類やその大きさにより変動する。よって、振幅電圧α及び位相遅れψの変化パターンによって感圧素子部２に加わる外力の種類や大きさを測定することができる。即ち、本実施の形態の差圧センサ１により、感圧素子部２に加わる圧力の微小な変化を検出することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例により、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）本実施例の差圧センサの感圧素子部２は、図１に示すように、リング状の外枠６に、１枚のシート状の薄膜４が固定された感圧素子部２を備えている。外枠６と薄膜４との間に一対の電極５が配置されており、電極５は薄膜４に接触するように固定されている。感圧素子部２の薄膜４は、シリコーン樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させてシート状に成形したものが用いられている。本実施例で用いられるコイル状炭素繊維は、太さが１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となっている。
【００３６】
リング状の外枠６の内径を直径１０ｍｍとし、これに厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２に、回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析した。本実施例の差圧センサでは、０Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することが可能であった。本実施例の差圧センサの感圧素子部２は、例えば圧力容器の開口部に固定されて好適に使用される。
【００３７】
本実施例の一変形例として、リング状の外枠６の内径を直径１００ｍｍとし、これに厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この変形例の感圧素子部２に回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜１ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００３８】
また、本実施例の更なる変形例として、リング状の外枠６の内径を直径１００ｍｍとし、これに厚さ２ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この感圧素子部２に、回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜１０ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．１ｋＰａで測定可能であった。
【００３９】
また、本実施例の更なる変形例として、内径が直径１００ｍｍのリング状の外枠６に、コイル状炭素繊維の含有率を１％とした厚さ０．１ｍｍの薄膜４を固定した感圧素子部２を作成した。この感圧素子部２に、回路部３から同様の交流電位を印可して出力信号を解析したところ、０Ｐａ〜３００ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００４０】
（実施例２）本実施例の差圧センサの感圧素子部１２は、図５に示すように、矩形状の外枠１３に、１枚のシート状の薄膜１４が保持されている。外枠１３と薄膜１４との間に一対の電極５が挟まれており、電極５は薄膜１４に接触するように固定されている。
【００４１】
矩形状の外枠１３は、縦１０ｍｍ、横１５ｍｍの開口部を有するように形成されている。又、薄膜１４は、ポリウレタン系樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させて、厚さ０．１ｍｍのシート状に成形したものが用いられている。本実施例で用いられるコイル状炭素繊維は、太さが１ｎｍ〜１０μｍ、コイル直径が１ｎｍ〜１００μｍ、コイル長が３００μm以下となっている。この感圧素子部１２に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析した結果、０Ｐａ〜１０ｋＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定可能であった。
【００４２】
（実施例３）本実施例の差圧センサは、図６に示すように任意形状の外枠に１枚のシート状の薄膜が保持された感圧素子部１５を備えている。薄膜の構成、電極の配置、及び回路部から印可される電圧については実施例１と同一であり、同一符号を付与して重複説明を省略する。外枠の形状を感圧素子部１５が配置される位置に合わせて成形することで、本実施例の差圧センサは、気体、液体、その他任意流体の静圧、動圧、振動圧、静流圧、変動流圧、微風、微粒子衝突圧などの微圧、微小振動の変化を出力信号の変化として捉え、その変化量を情報として利用することができる。
【００４３】
（実施例４）本実施例の差圧センサの感圧素子部１６は、図７に示すように２枚の隔壁１７，１７’によって外枠１８の両端が閉塞されており、外側環境と隔離された空間が形成されている。外枠１８の寸法は、リング状であれば内径１０〜１０００ｍｍ、矩形状であれば開口部の一辺が１０〜１０００ｍｍの範囲で任意に設定することができる。
【００４４】
２枚の隔壁のうち、一方の隔壁１７は、実施例１の薄膜４と同様に、シリコーン樹脂に１０重量％のコイル状炭素繊維を分散させた厚さ０．１ｍｍの薄膜で構成されている。他方の隔壁１７’は外枠１８と同一のプラスチックで構成されている。一対の電極５が、外枠１８と隔壁１７との間に固定されている。外枠１８と２枚の隔壁１７，１７’とで隔離された空間の圧力は、外枠１８に設けられた圧力調整弁１９によって０Ｐａ〜３０ｋＰａに調整することができる。この圧力の調整によって、差圧センサの感度の調節を容易に行うことが可能である。
【００４５】
感圧素子部１６に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析することにより、０Ｐａ〜４ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することが可能である。
【００４６】
（実施例５）本実施例の差圧センサの感圧素子部２６は、図８に示すように、外枠１８の両端部に薄膜で構成された２枚の隔壁１７が配置されている。２枚の隔壁１７には、各々１対の電極５が接している。それ以外の外枠１８と隔壁１７の構成、及び感圧素子部２６に印可される電圧については実施例４と同一であり、同一符号を付与して重複説明を省略する。外枠１８に設けられた圧力調整弁１９によって、外枠１８と隔壁１７とで隔離された空間の圧力は、０Ｐａ〜３０ｋＰａに調整可能である。感圧素子部２６に回路部３から１００ＫＨｚ以上の交流電位を印可してその出力信号を解析することにより、０Ｐａ〜４ＭＰａの圧力範囲の気体や液体の差圧を分解能０．０１ｋＰａで測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の差圧センサは、血圧・血流、脈動・脈波等の検知を行う医療支援機器用の差圧検知センサ、振動を検出して疑似聴覚を付与するヒューマノイドロボット用センサ、設備の異常検知を行うＦＡ生産ライン管理・監視用センサ、設備、装置の運転機能を把握するための化学機器、流体移送機器等への利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の差圧センサの一実施形態における感圧素子部２の構成を示す図である。
【図２】差圧センサ１の主要な構成である感圧素子部２と回路部３とを模式的に示すブロック図である。
【図３】薄膜４の部分拡大図である。
【図４】差圧センサ１による検出原理を示すグラフである。
【図５】第２実施例の感圧素子部１２の斜視図である。
【図６】第３実施例の感圧素子部１５の斜視図である。
【図７】第４実施例の感圧素子部１６の縦断面図である。
【図８】第５実施例の感圧素子部２６の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 差圧センサ
２，１２，１５，１６，２６ 感圧素子部
３， 回路部
４，１４ 薄膜
５ 電極
６，１３，１８ 外枠
７ 弾性樹脂
８ コイル状炭素繊維
９ 演算部
１７，１７’隔壁
１９ 圧力調整弁
２０ 発振回路
２１ センサドライバ回路
２２ バッファ回路
３０ 移相部
３１ 移相器
３２ ９０°移相器
３５ 薄膜
３６ 同相検波器
３７ 直交検波器
３８，３９ オフセットアンプ回路
４０ 基準電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧素子部と、回路部とを備えている微小差圧測定用の差圧センサであって、
前記感圧素子部が、
コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂によって構成されている厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜と、
前記薄膜に接触する電極と、
前記薄膜を保持する外枠とを備えていることを特徴とする差圧センサ。
【請求項２】
前記薄膜には、前記コイル状炭素繊維が前記弾性樹脂に対して１〜２０重量％含まれることを特徴とする請求項１に記載の差圧センサ。
【請求項３】
２枚の隔壁で前記外枠の両端を閉塞して外側環境と隔離された空間を形成し、該空間の圧力を調整することが可能であり、前記隔壁の少なくとも一方が、前記薄膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項１】
感圧素子部と、回路部とを備えている微小差圧測定用の差圧センサであって、
前記感圧素子部が、
コイル状炭素繊維を含む弾性樹脂によって構成されている厚さ０．１〜２．０ｍｍの薄膜と、
前記薄膜に接触する電極と、
前記薄膜を保持する外枠とを備えていることを特徴とする差圧センサ。
【請求項２】
前記薄膜には、前記コイル状炭素繊維が前記弾性樹脂に対して１〜２０重量％含まれることを特徴とする請求項１に記載の差圧センサ。
【請求項３】
２枚の隔壁で前記外枠の両端を閉塞して外側環境と隔離された空間を形成し、該空間の圧力を調整することが可能であり、前記隔壁の少なくとも一方が、前記薄膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１３３７７５（Ｐ２０１０−１３３７７５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０８５７１（Ｐ２００８−３０８５７１）
【出願日】平成２０年１２月３日（２００８．１２．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（３９９０５４０００）シーエムシー技術開発 株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月３日（２００８．１２．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（３９９０５４０００）シーエムシー技術開発 株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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