JP2009025065A - 圧力センサ及びこれを用いた分布型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力レベルが１ｋＰａ程度の微小な圧力を測定でき、且つ１ｋＰａ〜１００ｋＰａの広範囲の変動圧力を測定できるとともに壊れにくい小型の圧力センサと、圧力分布を高密度に測定できる分布型圧力センサを提供する。
【解決手段】高分子圧電材料を延伸して形成した圧電薄板１０の両面に、一対の弾性部材３０を接合し、圧電薄板１０の端面に受圧板４０を接合する。圧電薄板１０端面の断面積よりも受圧板４０の表面積を大きく構成することにより、大きな受圧板４０で受けた圧力を圧電薄板１０の薄い切断面に圧力を集約して作用させることによって、微小な変動圧力を高感度に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体、気体または固体の微小な変動圧力を検出する圧力センサと、圧力分布を検出する分布型圧力センサに関する。特に、高感度でかつ壊れにくく受圧面の寸法を小さく作製できる圧力センサと、複数の圧力センサを高密度に配置した分布型圧力センサに関する。

従来の圧力センサは、周囲を支持した円形の受圧板の背面に歪みゲージ等の歪み検出素子を接着し、圧力を受けて受圧板が面外に曲げ変形するときの曲げ歪みを計測して圧力を測定するものが多い。そして、受圧板及び歪みゲージを一体的にしたものとして、圧電材料板が広く使われるようになってきた。

圧電材料板は荷重による圧電効果で、電気信号を感度よく出力する特性を有するので、この圧電材料板の面積の大きい方の面に対して垂直方向から力を作用させ、圧電材料板を歪ませて生じる電荷信号を検出し、液体、気体又は固体の圧力を測定するセンサの開発が進んでいる（例えば、特許文献１の図１及び［００２６］、特許文献２の図１、特許文献４の図３、特許文献５図２及び［００１８］、特許文献６の図１及び図２、特許文献７の図１、図２、［０００８］及び［０００９］、特許文献８の図１、特許文献９の図４、図５及び［０００９］、特許文献１０の図１及び図３、特許文献１１の図１及び図４、特許文献１２の図１、特許文献１３の図１及び図３、特許文献１４の第１図をそれぞれ参照）。
特開２００６−３４０９４４号公報 特開２００６−２２６８５８号公報 特開２００６−１９４６６９号公報 特開２００６−３８７１０号公報 特開２００５−２２１３３９号公報 特開２００５−１４７９９１号公報 特開２００５−１４７９８３号公報 特開２００２−１４８２７３号公報 特開平１１−１６９５９２号公報 特開平９−２２９７２９号公報 特開平８−３２７４１６号公報 特開平４−１２７０２７号公報 特開平２−２６８２３０号公報 特開昭６４−５４２２５号公報

上記特許文献では、全て圧電材料板の面積の大きい方の面に対して垂直方向から圧力を加え、圧電材料板を撓ませて圧力を計測しているものであり、圧電材料板の端面から力を加えて圧力を計測しているものはない。

圧電材料板は高分子からなる圧電材料を延伸して製造されるものであり、主として延伸方向に歪ませた場合に大きな電荷信号が流れる。上記特許文献のように圧電材料板の面に垂直に力を加える場合、同心円状に力が伝わるが、圧電材料板面に垂直に加わった力から延伸方向に歪ませる力は一部だけである。このため、加えた力の一部のみが圧電材料板を歪ませるに過ぎない。したがって、感度が鈍く、微小圧力の計測が困難という課題を有する。そして、増幅器の増幅率を非常に高くしなければならず、ドリフトが大きくなり正確な圧力を検出することができない。

更に、このような構成で微小圧力を測定するには、圧電材料板を薄く、大面積にしなければならない。圧電材料板を薄くすれば撓みが大きくなり、微小圧力を検出することが出来るが、薄くした場合、１ｋＰａ程度の微小圧力を測定できるものとなると、上限値を超える圧力により、容易に圧力センサが壊れてしまうという問題がある。例えば、１ｋＰａ程度の微小圧力を測定する圧力センサでは、およそ１０倍の圧力１０ｋＰａが加わると壊れてしまう。

また、圧電材料板の面積を大きくすれば撓みやすくなるので微小圧力でも検出できるが、小型のセンサを作製できなくなるという課題を有する。このため、現在市販されている微小圧力測定用センサのほとんどは、直径９ｍｍ以上の円形のものである。

このような状況から、微小圧力を測定でき、且つ、許容圧力範囲が広く壊れにくい小型の圧力センサは現在のところ存在しない状況にある。

本発明が解決しようとする課題は、圧力レベル１ｋＰａの微小な圧力を測定でき、且つ、１ｋＰａ〜１００ｋＰａの広範囲の変動圧力を測定できるとともに、壊れにくい小型の圧力センサを提供することである。また、複数の圧力センサを直線上または二次元状に配置して、高密度に圧力分布を測定できる分布型圧力センサを提供することである。

本発明は、圧電材料からなる圧電薄板と、前記圧電薄板の端面に配置し、前記圧電薄板の端面の断面積よりも大きな面積を有する受圧板とを備え、前記受圧板で受けた圧力を前記圧電薄板の端面に垂直に加えて微小圧力を検出することを特徴とする。

また、本発明は、前記圧電薄板を挟持する弾性部材を設け、前記弾性部材の弾性率を前記圧電薄板の弾性率よりも小さくし、前記受圧板で受けた力を前記圧電薄板に集中させて加えることを特徴とする。

更に、本発明は、前記弾性部材の弾性率は前記圧電薄板の弾性率の１／１００〜１／２０００であることを特徴とする。

更に、本発明は、前記弾性部材は、天然ゴム、合成ゴム、シリコンゴム、スポンジゴム、スポンジ、発泡ゴム、又はコルクから選択されることを特徴とする。

更に、本発明は、前記圧電薄板は圧電材料を延伸して形成されてなり、前記圧電薄板の延伸方向の端面に前記受圧板を配置したことを特徴とする。

更に、本発明は、前記圧電薄板はポリフッ化ビニリデン或いはシアン化ビニリデンからなる高分子圧電材料から形成されたことを特徴とする。

更に、本発明は、前記受圧板の面積を前記圧電薄板の端面の面積の２０倍以上としたことを特徴とする。

更に、本発明は、前記圧電薄板を複数枚平行に配置したことを特徴とする。

更に、本発明は、前記圧電薄板及び前記弾性部材を１面に開口面を有する函体で覆い、前記受圧板を前記開口面に向けたことを特徴とする。

更に、本発明は、前記受圧板が矩形状であることを特徴とする。

更に、本発明は、前記受圧板の表面が曲面からなることを特徴とする。

更に、本発明は、請求項１０に記載の圧力センサを複数用い、前記受圧板の表面を揃えて直線状或いは二次元状に隣接して配置したことを特徴とする。

本発明に依れば、圧電薄板の端面に受圧板を設置し、圧電薄板の端面の面積よりも受圧板の表面積を大きくして構成している。大きな表面積の受圧板で力を集め、この力を圧電薄板の小さな端面に集約させて圧電薄板を歪ませるので、感度が高く、微小な圧力を検出することができる。

また、本発明に依れば、弾性部材は圧電薄板よりも弾性率が小さいものから構成しているため、受圧板が受ける力のほとんどは弾性部材ではなく、圧電薄板にかかる。このため、受圧板の受ける力のほとんどが圧電薄板を延伸方向に歪ませることになり、感度が高い圧力センサを提供できる。

更に、本発明に依れば、圧電薄板の両面は弾性部材で挟持されており、撓みを抑制している。圧電薄板を延伸方向にのみ歪ませるので、加わった力と歪み量が比例関係をなすため、撓みによる測定誤差がなく、正確な変動圧力を検出ができる利点がある。

更に、本発明に依れば、圧電薄板の延伸方向に力を加えて圧力を検出している。圧電薄板は主として延伸方向の歪み量に応じて電荷信号を発生することから、加わる力が直接的に無駄なく圧電薄板を延伸方向に歪ませるため、１ｋＰａ（０．１ｇ／ｍｍ^２）程度の微小な圧力でも感度良く検出できる利点を有する。

更に、本発明に依れば、圧電薄板の両面を弾性部材で挟持していることから、圧電薄板が破けることがなく、強度の高い圧力センサを実現している。

更に、本発明に依れば、外部に金属等、硬度の高い函体で覆っていることから、より強度を増した圧力センサを提供できる利点がある。

更に、複数の圧電薄板を配置しているため、受圧板が傾くことが無く、受圧板の受けた力が圧電薄板に伝達されるので、感度良く圧力を検出することができる。

更に、本発明に依れば、大きな圧電薄板を用いなくても高感度で圧力検出できるため、小型の圧力センサを提供できる。

更に、本発明に依れば、全てを固体物から構成しているため、取扱い易く、壊れにくいという利点がある。

更に、受圧板を矩形等、所望の形状にして用いることができ、受圧板を矩形形状にした圧力センサを複数個隣接して配置した分布型圧力センサとすることができる。これにより、各圧力センサ間に隙間ができないため、正確な圧力分布の計測を実現できる。

更に、受圧板表面を曲面から構成することもできるため、船首等測定したい箇所が平面以外の形状であっても圧力の測定ができる。

図１及び図２を参照して、本発明の圧力センサの概略構成を説明する。図１は、本発明による圧力センサの平面図（Ａ）、及びＡ−Ａ’部分の横断面図（Ｂ）である。また、図２は、圧力センサの主要部の斜視図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２に示すように、圧力センサは、表裏面に電極膜２０を付けた圧電薄板１０の端面に、圧電薄板１０の端面の面積よりも大きな表面積を有する受圧板４０を配置してなり、そして、圧電薄板１０の両面の電極膜２０を挟み込む形態に一対の柔軟な弾性部材３０を接合した構成である。

弾性部材３０及び圧電薄板１０の一方の端面（Ｔ１）全体に受圧板４０を接合し、これを剛性部材のケース６０に収納している。受圧板４０は剛性部材のケース６０の開口部からわずかに突出し開口面と平行な面に配設し、弾性部材３０及び圧電薄板１０のもう一方の端面（Ｔ２）を剛性部材のケース６０の底面に固定している。電極膜２０には電気端子を介して配線（８０Ａ、８０Ｂ）を接続している。

圧電薄板１０は、受圧板４０の面が受ける圧力を圧電薄板１０の小さな端面に集中させて、微小な圧力の変動を計測するものである。このため、圧電薄板１０の端面の断面積ができるだけ小さいほうが良いため、薄いものを用いるとよく、２０μｍ〜２００μｍのものを使用することが好ましい。

そして本発明では、圧電薄板１０の伸縮歪みにより電荷信号を生じさせるものゆえ、ポリフッ化ビニリデンやシアン化ビニリデン等、弾性率が小さい高分子圧電材料を延伸して形成した圧電薄板１０を使用すると良い。

また、圧電薄板１０の延伸方向の端面に受圧板４０を設置すると良い。高分子圧電材料からなる圧電薄板１０は、通常、一軸延伸法（たとえば、１）加重延伸法：ガラス転移温度まで加熱しながら高分子圧電材料に加重をかけて延伸する方法。２）自動延伸機を利用する方法：高分子圧電材料をガラス転移温度まで加熱しながらモーター駆動により一定延伸する方法。３）蒸気暴露延伸法：高分子圧電材料を沸騰水の蒸気に暴露しながら手延伸をする方法等がある。）によって延伸し、高電圧をかけて分極処理して形成される。この場合、圧電薄板１０は、主として延伸方向の歪み量に応じて分極し、電気信号を発生するためである。

圧電薄板１０の表裏面には、蒸着、スパッタリングなどによって一対の電極膜２０を設け、電極膜２０に導電塗料、カシメなどで電気端子を取り付け、それぞれ配線（８０Ａ、８０Ｂ）を接続している。なお、市販の両面に電極膜を付着させた圧電フィルムをそのまま使用してもよい。

圧電薄板１０の両面の電極膜２０を挟み込む形態に接合する一対の柔軟な弾性部材３０には、厚さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍで、弾性率が圧電薄板１０より小さいものを用いる。

弾性部材の弾性率が圧電薄板より小さいため、受圧板が受ける力のほとんどが圧電薄板に加わり、圧電薄板の伸縮歪みが促進させる。これにより、微小な力が受圧板に加わっても、その力が効率的に圧電薄板に加わるので、微小圧力でも検出することができる。

圧電薄板１０の弾性率の１／１００〜１／２０００の柔軟な弾性部材を用いると良く、このような弾性部材２０として、天然ゴム、合成ゴム、シリコンゴム、スポンジゴム、スポンジ、発泡ゴムなどの各種ゴムまたはゴム系素材を好適に用いることができる。各種ゴムとゴム系素材を貼り合わせた素材、あるいは、各種ゴムにコルク板を貼り合わせた素材を用いても良い。

弾性部材３０の弾性率が非常に小さい場合、弾性部材３０が変形しやすくなり、特に左右不均衡に変形すると圧電薄板１０の撓みが生じ、圧力に比例した電荷信号を出力できなるおそれがある。このような場合、圧電薄板１０から離れた側に弾性率が大きめの弾性部材３０を配置すると良く、弾性部材３０の不均等な変形による圧電薄板１０の撓みを抑制でき、圧力に比例した電荷信号を出力することになる。

一対の弾性部材３０は同じ幅にして用い、略中心に圧電薄板１０が配置されるようにする。圧電薄板１０の位置が中心であれば、両方の弾性部材３０が一様に変形するので、受圧板４０が傾くことがなく、正確に圧力を検出できる。

なお、圧電薄板１０の表裏面の電極２０と柔軟な弾性部材３０の間は、硬化後の弾性率が前記柔軟な弾性部材３０と略同じ弾性率の接着剤で接合して一体化する。

受圧板４０は、金属板、樹脂板、複合材料の板など薄く剛性のある板を用いる。そして、受圧板４０は受けた力を圧電薄板１０の端面に集中させて加えるので、表面積が大きいものを用いるとよい。

本発明では受圧板４０の表面積を小さくすることで小型の圧力センサを提供でき、例えば、一辺を２ｍｍ程度とし、４ｍｍ^２の正方形の受圧板４０を用いて小型の圧力センサとすることもできる。この場合、使用する圧電薄板１０の厚みが１００μｍとすると、圧電薄板１０の端面は０．２ｍｍ^２となるので、受圧板４０の表面積は圧電薄板１０の端面の２０倍である。なお、受圧板４０の表面積があまりに小さ過ぎると、圧電薄板１０の端面に力を集められないことから、受圧板４０の面積が圧電薄板１０の端面の面積の２０倍以上のものを用いることが好ましい。

受圧板４０の形状は一体化させた圧電薄板１０及び弾性部材３０の端面（Ｔ１）の形状と同じ形状にして用い、圧電薄板１０と弾性部材３０の一方の端面（Ｔ１）全体に受圧板４０を接合する。

なお、受圧板１０の形状は円形或いは矩形等、様々な形状にして用いても良い。受圧板１０を矩形にすれば、後述のように複数個の圧力センサを隙間無く隣接させることができ、容易に水圧等の分布の計測ができる。

剛性部材のケース６０は金属、樹脂などの材料を加工して作製する。ケース６０には受圧板４０の寸法よりもわずかに大きい開口部と配線穴を加工し、それ以外のケース６０周囲は密封した形態に作製する。

剛性部材のケース６０の開口部の表面付近と圧電薄板１０及び弾性部材３０の周囲とを開口部の表面付近で全周囲にわたってシール部材９０でシールする。また、剛性部材のケース６０の一部分に設けた配線穴から配線（８０Ａ、８０Ｂ）を剛性部材のケース６０外部に引き出して引き出し部分をシールする。

圧電薄板１０及び弾性部材３０を剛性部材のケース６０に収め、受圧板４０の表面が剛性部材のケース６０の開口部からわずかに突出し開口面と平行に位置する状態で、圧電薄板１０及び弾性部材３０のもう一方の端面（Ｔ２）を剛性部材のケース６０の底面に接着剤などで固定する。

次に、剛性部材のケース６０の開口部の表面付近と圧電薄板１０及び弾性部材３０の周囲を、開口部と略同一平面で全周囲にわたって薄いゴム膜などのシール部材９０でシールして密封する。また、配線をケース６０の外に引き出した後に配線穴もシール部材でシールして密封する。

以上のように構成した圧力センサは、受圧面を除く剛性部材のケース６０の一部分を対象物に固定して使用する。固定方法には、接着、粘着テープによる固定、ねじ止め固定等で行えばよい。

このように、圧電薄板１０の端面に受圧板４０を配置し、圧電薄板１０の強度が高い方向から力が加わる構成であること、また、圧電薄板１０の両側から弾性部材３０で支持した構成であるため、センサ本体が壊れたりすることがなく、強度に優れた圧力センサとなる。そして、同様の理由から広い許容圧力測定範囲を実現している。また、剛性部材からなるケース６０で覆っているので、更に強度を高めた圧力センサとしている。

次に、図３〜図５を用いて本発明の圧力センサの圧力の検出原理について説明する。

図３及び図４は、図１の電極膜を付けた圧電薄板１０の一方の端面に受圧板４０を接合したものであり、図３は弾性部材を設けていないもの、図４は弾性部材を設けたものを示している。測定する圧力の方向は図３及び図４の矢印に示す方向である。

圧電薄板１０の厚さは２０μｍ〜２００μｍと薄く、電極膜２０も曲げ剛性にほとんど寄与しないナノメートルの厚さであるので、電極膜２０を付けた圧電薄板１０の曲げ剛性は極めて小さい。このため、図３に示すように、受圧板４０に圧力が作用すると、微小な圧力であっても圧電薄板１０が横方向に曲げ撓みが生じたり、圧電薄板１０の長さＬが長い場合には図３（Ｂ）に示すように途中で座屈変形が生じて圧力に比例する出力信号を得ることができない。

次に、図４（Ａ）に示すように、電極膜２０を付けた圧電薄板１０の表裏面に０．５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの柔軟な弾性部材３０を接合した場合には、柔軟な弾性部材３０の弾性率は圧電薄板１０の弾性率の１／１００〜１／２０００と格段に柔らかいが、柔軟な弾性部材３０を接合することにより曲げ剛性を大幅に大きくすることができる。

厚さ方向の曲げ剛性は、物体の弾性率と厚さ方向の断面二次モーメントの積として計算される。なお、物体の断面が矩形の場合、厚さ方向の断面二次モーメントは（物体の幅）×（物体の厚さ）^３×１／１２として計算される。

図４（Ｂ）に、図４（Ａ）のＢ−Ｂ´断面を示すが、ここで、電極膜２０を付けた圧電薄板の弾性率Ｅ_１が３０００ＭＰａ、厚さｈ_１が０．１ｍｍ、幅Ｂ（図の紙面に垂直方向）が１０ｍｍの場合、電極を付けた圧電薄板１０の曲げ剛性Ｅ_１Ｉ_１（但しＩ_１は電極膜を付けた圧電薄板１０の厚さ方向の断面二次モーメント）は、Ｅ_１Ｉ_１＝Ｅ_１×Ｂｈ_１ ^３／１２＝２．５ＭＰａ・ｍｍ^４である。

これに対して、電極膜２０を付けた圧電薄板１０の両面に弾性率Ｅ_２が１ＭＰａ、厚さｈ_２が２ｍｍの柔軟な弾性部材３０を接合した場合には、Ｅ_１Ｉ_１＋Ｅ_２Ｉ_２＝２．５ＭＰａ・ｍｍ^４＋５７．４ＭＰａ・ｍｍ^４＝５９．９ＭＰａ・ｍｍ^４になる。

すなわち、柔軟な弾性部材３０が圧電薄板１０の弾性率より格段に小さくても曲げ剛性は大幅に大きくなることがわかる。その結果、受圧板４０に圧力が作用した場合に、圧電薄板１０が横方向に曲げ撓みを生じたり座屈することが生じない。これにより、受圧板４０にかかる力に応じて圧電薄板１０は収縮するのみとなり、収縮による歪み量に応じた電気信号を発生させることができる。したがって、圧力の大きさに比例した変動圧力を、感度良く正確に検出することを実現している。

続いて、図５を参照し、本発明の特徴である受圧板に受けた力を圧電薄板の端面に集中させて、微小圧力を検出することについて説明する。図５は受圧板、圧電薄板の端面、弾性部材のそれぞれの面積の関係について説明する分解斜視図である。

受圧板４０の表面に圧力が作用すると、圧電薄板１０と柔軟な弾性部材３０に圧縮力が作用して、電極膜２０を付けた圧電薄板１０と柔軟な弾性部材３０はΔＬだけ長さ方向に収縮する。このとき圧電薄板１０に生じる電荷Ｑの大きさは、圧電薄板１０の長さＬ方向に生じた圧縮歪みの総和に比例する。

いま、受圧板４０の表面積をＳ（ｍｍ^２）、作用圧力をＷ（Ｍｐａ）、電極を付けた圧電薄板１０の断面積をＳ_１、左右の柔軟な弾性部材の断面積をそれぞれＳ_２とすると、圧電薄板１０の圧縮歪みεは、ε＝ΔＬ／Ｌ＝ＷＳ/（２Ｓ_２Ｅ_２＋Ｓ_１Ｅ_１）となる。但しＳ＝２Ｓ_２＋Ｓ_１である。

このときの電極膜２０を付けた圧電薄板１０は全圧力のＳ_１Ｅ_１/（２Ｓ_２Ｅ_２＋Ｓ_１Ｅ_１）を分担し、柔軟な弾性部材３０は全圧力の２Ｓ_２Ｅ_２/（２Ｓ_２Ｅ_２＋Ｓ_１Ｅ_１）を分担することになる。

たとえば、前述の例で用いたＥ_１＝３０００ＭＰａ、Ｓ_１＝ｈ_１×Ｂ＝０．１ｍｍ×１０ｍｍ＝１ｍｍ^２、Ｅ_２＝１ＭＰａ、Ｓ_２＝ｈ_２×Ｂ＝２ｍｍ×１０ｍｍ＝２０ｍｍ^２、Ｓ＝２Ｓ_２＋Ｓ_１＝４１ｍｍ^２の場合について考えると、電極膜２０を付けた圧電薄板１０が約９８．７％、柔軟な弾性部材３０が約１．３％の圧力を分担することになる。つまり、圧力のほとんどを圧電薄板１０が分担することになる。

以上説明したように、本発明の圧力センサは、金属材料と比べてはるかに弾性率の小さい圧電薄板（圧電薄板の弾性率は例えばステンレス板の約１／７０）を圧力検出に用い、圧電薄板１０に面外の曲げ撓みや座屈を生じさせることなく、薄い圧電薄板１０の切断面に圧力が作用する構成としている。すなわち、大きな表面積を有する受圧板４０に加わった力のほとんどは、小さな断面積の圧電薄板１０端面に集中して伝達される。そして、この圧電薄板１０の端面に垂直に加わった力は、圧電薄板１０が最も電荷を発生させる延伸方向に歪みを生じさせるように作用する。これにより、微小な変動圧力であっても、圧電薄板１０全体に大きな歪みが生じ、圧電薄板１０に生じた歪みの総和に比例する大きな電荷Ｑを発生させて高感度の圧力測定を実現している。

図６は、本発明の圧力センサを用いた圧力測定装置の回路図である。圧電薄板は電流源と圧電薄板自身のもつ静電容量Ｃ_１でモデル化される。圧力測定装置は圧力センサと、圧力センサの配線に並列に接続する静電容量Ｃ_２が１０ｎＦ〜１μＦのコンデンサと、前記コンデンサを介して圧力センサの信号を増幅する入力抵抗Ｒ_０が１０ＭΩまたはそれ以上の電圧増幅器７００と、前記電圧増幅器７００からの信号を測定記録する電圧記録計８００とから構成される。

また、後述する分布型圧力センサの場合には、センサ個数分のコンデンサと、必要チャンネル数の電圧増幅器７００および必要チャンネル数の電圧記録計８００で構成する。なお、コンデンサと電圧増幅器７００は一体に製作しても良く、電圧記録計８００はＡ／Ｄ変換器を介してパーソナルコンピュータに置き換えることもできる。

圧力センサに圧力が作用して圧電薄板に歪みが生じると、圧電薄板に接続する配線からは、圧電薄板に発生した電荷Ｑの時間微分に比例した電流ｉ＝ｄＱ／ｄｔが流れる。並列接続した静電容量Ｃ_２が１０ｎＦ〜１μＦのコンデンサと電圧増幅器の入力抵抗Ｒ_０を介することで、ｄＱ／ｄｔに比例する信号は積分されて、電圧増幅器７００の入力抵抗部分の端子電圧は、電荷Ｑすなわち圧力の大きさに比例するようになる。圧力が微小である場合には圧電薄板に生じる電荷Ｑが小さいので、電圧増幅器７００は５０倍から１０００倍の増幅率の電圧増幅器７００を用いると好適である。

図７は、一の受圧板に対して複数の圧電薄板を平行に配置した圧力センサの概略構成を示す平面図（Ａ）及び、図７（Ａ）のＣ−Ｃ´断面図（Ｂ）である。同一平面上に２つ配置した二対の圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０と、この圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０の面と直交する一方の端面全体に接合された受圧板４０と、圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０全体を収納する剛性部材のケース６０から構成する。

受圧板４０は剛性部材のケース６０の開口部からわずかに突出し開口面と平行なる位置に配設し、二対の圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０のもう一方の端面全体を剛性部材のケース６０の底面に固定する。次に、剛性部材のケース６０の開口部の表面付近と圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０の周囲を開口部の表面付近で全周囲にわたってシール部材９０でシールする。また、剛性部材のケース６０の一部分に設けた配線穴から配線（８１Ａ、８１Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ）を剛性部材のケース６０外部に引き出して引き出し部分をシールする。

図７の圧力センサは、受圧板４０に作用する圧力に比例する信号を、２つの圧電薄板１０Ａ，１０Ｂの出力信号の和で測定する方式であるので、圧電薄板１０Ａの正極側の配線８１Ａと圧電薄板１０Ｂの正極側の配線８２Ａを結線し、また、圧電薄板１０Ａの負極側の配線８１Ｂと圧電薄板１０Ｂの負極側の配線８２Ｂを結線して２つの圧電薄板１０Ａ，１０Ｂの出力信号の和を測定するようにする。結線する位置は剛性部材のケース６０の外側であってもケース６０の内側であっても良い。

図７のように構成した圧力センサは、受圧板４０の表面積を大きくすることができる。なお、二対の一体化させた圧電薄板１０Ａ，１０Ｂ及び弾性部材３０の間隔は密接して配置しても間隔を開けて配置しても良い。また、同一な一体化させた圧電薄板１０及び弾性部材３０を３つ以上平面に並べて、全体を覆う形態に受圧板を接合した構成とすることもできる。

このように、複数の圧電薄板を配置すると、一方の弾性部材の変形により受圧板が傾くことが無く、圧電薄板の撓みを抑制できるので、感度良く圧力を検出することができる。

図８を参照して、受圧板の表面を曲面とした場合の圧力センサの概略を説明する。図８（Ａ）は圧力センサの断面、（Ｂ）は使用状況を示している。前述の図７に示す圧力センサの受圧板４０を、表面が曲面からなる受圧板４１に置き換えた構成である。本発明では、従来のように圧電薄板の面に垂直方向から力を加えるものではないため、平板の受圧板の代わりに、表面が凸に盛り上がった形状の受圧板４１を設けることもできる。そして、受圧板４１の表面を曲面とすることにより、図８（Ｂ）に示す、これまで計測できなかった航空機の翼先端部や船舶の船首部のような曲面部位の圧力測定にも利用することができる。

図９は圧力センサを、５つ直線上に配置して一体化した分布型圧力センサの一実施例である。本発明の圧力センサは、受圧板の形状を矩形にして作製できるので、複数の圧力センサを高密度に並べて一体化させて、分布型の圧力センサを容易に構成することができる。例えば、図９のように剛性部材のケース５個を受圧板４０の高さを揃え、一列に並べて一体化すれば、５つの連続配置された箇所の圧力分布を測定することができる。

従来の円形状の受圧板では、例えば、流体の分布圧力測定では、隙間に入り込む流体によって、乱流等を生じて正確な分布圧力を測定できない。一方、本発明は隙間無く密接に圧力センサを配置した分布型圧力センサとなるため、乱流等が生じず、正確な分布圧力の測定ができる。

図１０に示す圧力センサを作製し、加わる力に応じた圧力を検出ができるか否か、錘を用いて検証を行った。両面にアルミ蒸着の電極膜２０を有する８０μｍの厚さのポリフッ化ビニリデンから形成された圧電薄板１０Ａ，１０Ｂを使用した。この圧電薄板１０Ａ，１０Ｂをゴム硬度５０、厚さ１ｍｍのシリコンゴムからなる第１の柔軟な弾性部材３０でそれぞれ挟持した。これを並列に配置し、その外側に約１ｍｍ厚のコルク板からなる第２の柔軟な弾性部材３１を貼り合わせて用いた。圧電薄板１０及び弾性部材３０の長さＬは１８ｍｍ、幅Ｂ（紙面に垂直方向）は６ｍｍである。受圧板４０は厚さ０．５ｍｍのアルミ板を用いた。受圧板４０の表面積は６ｍｍ×６ｍｍである。剛性部材のケース６０はアルミ板を加工して製作した。このようにして、同寸法の２つの圧力センサを作成し検証を行った。

この圧力センサの受圧板の上に、種々の錘を載せて電圧信号を検出した。圧力測定装置には、静電容量Ｃ_２が２００ｎＦのコンデンサを使用し、電圧増幅器には入力抵抗が１０ＭΩまたはそれ以上のシグナルコンデイショナＣＤＶ−７００Ａ（共和電業）を使用した。また、電圧記録計にはオムニエースＲＡ１３００（ＮＥＣ三栄）を用いた。電圧増幅器の増幅率は８０倍である。

その結果を図１１に示す。図からわかるように、いずれの圧力センサにおいても錘の荷重と出力電圧は比例関係にあることがわかる。したがって、加わる荷重に応じた変動圧力を正確に検出できることが確認できる。そして、５ｇの軽い錘についても検出できていることから、１．３ｋＰａ（０．１３ｇ／ｍｍ^２）程度の微小圧力の検出ができ、感度が良いことも確認できる。

次に図１２に示す圧力センサを作成し、水槽を用いて水の変動圧力を測定した。両面にアルミ蒸着の電極膜２０を有する８０μｍの厚さのポリフッ化ビニリデンから形成された圧電薄板を使用した。柔軟な弾性部材には，ゴム硬度５０，厚さ１ｍｍのシリコンゴムからなる第１の柔軟な弾性部材３０を貼り合わせ、その外側に１．３ｍｍ厚さのコルク板からなる第２の柔軟な弾性部材３１を貼り合わせて用いた。圧電薄板１０、第１の弾性部材３０及び第２の弾性部材３１の長さＬは７ｍｍ、幅Ｂ（紙面に垂直方向）は１０ｍｍとした。受圧板４３は厚さ０．５ｍｍのアルミ板を用い表面積は５ｍｍ×１０ｍｍとした。

図１３は、波の変動圧力の測定に使用した装置を示すもので、長さ５０ｃｍ、幅３０ｃｍの水槽の側壁と底面の境界部分に上記圧力センサ５００を設置し、深さ約５ｃｍまで水を入れて、水槽を揺らした実験を説明する図である。

圧力測定装置には、静電容量Ｃ_２が１００ｎFのコンデンサ６００を使用し、電圧増幅器７００には入力抵抗が１０ＭΩまたはそれ以上のシグナルコンデイショナＣＤＶ−７００Ａ（共和電業）を使用した。また、電圧記録計８００にはオムニエースＲＡ１３００（ＮＥＣ三栄）を用いた。電圧増幅器の増幅率は２００倍である。

波がセンサに当たるように４回ゆっくり揺らした後に最後に大きく１回揺らしたときの波形の一例を、横軸に時間を、縦軸に電圧記録計の測定電圧をとって図１４に示す。図には、最後に激しく当たった時の波形（図１４（Ａ）の波線で囲った部分）の拡大図も示している。図１４より、小さなピークが４つ、そして大きなピークが１つ検出できており、波が当たった時の圧力波形を測定できることがわかる。

例えば、タンカーでは波等に起因してスロッシングが起こるが、スロッシングにより原油漏れが生じないよう、原油室壁面に圧力センサを設置してスロッシングを検知し、原油を安全に運搬できるように制御している。本発明では、上述のように壁面に当たる波を高感度に測定できるので、船舶等、間断なく圧力変動が伴う箇所での使用にも適している。

次に、図１０に示す圧力センサとほぼ同様な構成のセンサを試作して行った実験について説明する。圧力センサの構成は第２の柔軟な弾性部材３１の厚さを０．６５ｍｍとし、長さＬが２０ｍｍ、幅Ｂ（紙面に垂直方向）が８ｍｍ、厚さは７ｍｍである。受圧板４０の表面積は８ｍｍ×７ｍｍである。

実験は図１３に示す装置を用い、実施例２と同様の方法で行った。圧力測定装置には、静電容量Ｃ_２が２００ｎＦのコンデンサを使用し、電圧増幅器と電圧記録計は実施例１と同じものを用いた。電圧増幅器の増幅率は８０倍とした。

図１５（Ａ）に横軸に時間を、縦軸に電圧記録計の測定電圧をとって実験結果の一例を示す。図では正圧力を負側にとって示してある。図１５（Ａ）より、小さなピークが４つ、そして大きなピークを１つ検出しており波が当たった時の圧力波形が測定できることがわかる。

また、図１５（Ｂ）に小さい波が当たったときの波形（図１５（Ａ）の波線で囲った部分）の拡大図を示す。図１５（Ｂ）では、小さな波のピークに内在する更に小さな複数のピークをも検出していることから、微小な変動圧力でも感度良く検出できることを実証できた。

本発明の圧力センサの概略構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の圧力センサの主要部の概略構成を示す斜視図である。 本発明の圧力センサの変形状態を説明する断面図である。 本発明の圧力センサの変形状態を説明する断面図である。 本発明の圧力センサの出力信号について説明する分解斜視図である。 本発明の圧力センサを用いた圧力測定装置の構成を説明する回路図である。 本発明の他の形態の圧力センサの概略構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の他の形態の圧力センサの概略構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の分布型圧力センサの一実施例を説明する斜視図である。 本発明の実施例に用いた圧力センサの概略構成を示す断面図である 本発明の圧力センサの測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例に用いた圧力センサの概略構成を示す断面図である 本発明の実施例に用いた装置を示す断面図である。 本発明の圧力センサによる変動水圧の測定結果を示すグラフである。 本発明の圧力センサによる変動水圧の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 圧電薄板
１０Ａ 圧電薄板
１０Ｂ 圧電薄板
２０ 電極膜
３０，３１ 弾性部材
４０，４１ 受圧板
６０ ケース
８０Ａ，８０Ｂ 配線
８１Ａ，８１Ｂ 配線
８２Ａ，８２Ｂ 配線
９０ シール部材
７００ 電圧増幅器
８００ 電圧記録計

Claims (12)

1. 圧電材料からなる圧電薄板と、
   前記圧電薄板の端面に配置し、前記圧電薄板の端面の断面積よりも大きな面積を有する受圧板とを備え、
   前記受圧板で受けた圧力を前記圧電薄板の端面に垂直に加えて微小圧力を検出することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧電薄板を挟持する弾性部材を設け、前記弾性部材の弾性率を前記圧電薄板の弾性率よりも小さくし、前記受圧板で受けた力を前記圧電薄板に集中させて加えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記弾性部材の弾性率は前記圧電薄板の弾性率の１／１００〜１／２０００であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記弾性部材は、天然ゴム、合成ゴム、シリコンゴム、スポンジゴム、スポンジ、発泡ゴム、又はコルクから選択されることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記圧電薄板は圧電材料を延伸して形成されてなり、前記圧電薄板の延伸方向の端面に前記受圧板を配置したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
6. 前記圧電薄板はポリフッ化ビニリデン或いはシアン化ビニリデンからなる高分子圧電材料から形成されたことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記受圧板の面積を前記圧電薄板の端面の面積の２０倍以上としたことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
8. 前記圧電薄板を複数枚平行に配置したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
9. 前記圧電薄板及び前記弾性部材を１面に開口面を有する函体で覆い、前記受圧板を前記開口面に向けたことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
10. 前記受圧板が矩形状であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
11. 前記受圧板の表面が曲面からなることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
12. 請求項１０に記載の圧力センサを複数用い、前記受圧板の表面を揃えて直線状或いは二次元状に隣接して配置したことを特徴とする分布型圧力センサ。

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