2018 Fiscal Year Research-status Report
プレート型地震に伴う津波発生検知を目的とした小型・高感度微気圧センサの開発
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18K04163
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
大河 正志 新潟大学, 自然科学系, 教授 (90213644)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 孝 新潟大学, 自然科学系, 教授 (10143752)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 微気圧センサ / 光導波型センサ / 津波検知 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は，小孔・ノズル付半密閉空間構造のステップ応答特性および周波数特性の数値流体解析を行い，誘起圧力差持続時間および遮断周波数と構造パラメータ（半密閉空間体積，小孔面積等）との関係を明らかにすることとした。
誘起圧力差持続時間に関しては，近似理論解を導出済みで，持続時間は小孔面積に反比例し，半密閉空間体積に比例することが分かっている。まず，ステップ状の印加圧力を100 Paとし，小孔直径を0.02～0.06 mmと変えて，それぞれ半密閉空間体積を10，20，30 cm^3の3通りで，持続時間と小孔面積の関係を調べた。また，同様に，半密閉空間体積を6～40 cm^3と変えて，それぞれ小孔直径を0.02，0.025 mmの2通りで，持続時間と半密閉空間体積の関係を調べた。小孔面積依存性では，近似理論解と同様に，小孔直径が小さくなるにつれて，持続時間が長くなったが，小孔直径が小さい場合は，数値解析値が近似理論値の2倍ないしはそれ以上となった。これは，小孔部での圧力損失による影響と考えられる。さらに，両依存性共に，実験値が数値解析値より大きくなった。これは，実験における流体の流れが乱流であったためと考えている。
次に，半密閉空間構造は，圧力の時間変化に対して高域通過フィルタ特性を示すため，周波数特性から遮断周波数を評価することとした。数値解析により，遮断周波数の小孔面積依存性，半密閉空間体積依存性，ステップ状印加圧力依存性を調べ，遮断周波数と誘起圧力差持続時間の関係を明らかにした。小孔直径0.04 mm，体積10 cm^3の半密閉空間を作成し，誘起圧力差持続時間と遮断周波数を測定したところ，それぞれ5.9秒，53 mHzとなった。ところで，持続時間5.9秒から期待される遮断周波数は39 mHzで，実測値との差は比較的小さく，本研究結果の妥当性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度は本プロジェクトの初年度で，微気圧センサの核心部となる半密閉空間構造のステップ応答特性および周波数応答特性について，数値流体解析およびプロトタイプを用いた実測により，考察を行うこととした。応答特性に関わるパラメータは半密閉空間の体積，小孔面積，ノズル長および印加圧力で，一方，ステップ応答特性から得られる誘起圧力差持続時間は，センサの検知可能な圧力変動の周期の上限を決定する指標である。そこで，持続時間の各パラメータ依存性を明らかにし，センサ設計指針を明らかにすることを目標とした。また，半密閉空間は高域通過フィルタ特性を有し，遮断周波数と持続時間の関係も明らかにすることとした。持続時間の小孔面積依存性では，近似理論解より反比例の関係が予測されたが，定性的な一致は見られたものの，小孔が小さくなるにつれて圧力損失が大きくなることから，べき指数の絶対値が1より大きくなった。また，全体的に，実測値が数値解析値より大きくなった。半密閉空間体積依存性では，比例関係が予想され，定性的な一致が見られた。ただし，定量的には，小孔面積依存性と同様に実測値が数値解析値より大きくなった。ところで，数値流体解析に乱流モデルを導入することで，誘起圧力差持続時間の数値解析値と実測値の差が小さくなることが確認されており，数値流体解析に基づいて，センサ設計を行える可能性も示唆された。
以上のように，半密閉空間構造の応答特性の解明に対する目標はほぼ達成できており，「(2) おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，ほぼ計画どおり「サブプロジェクト１：半密閉空間構造の応答特性の解明」を終えることができたが，誘起圧力差持続時間のさらなる長時間化のため，ノズル（細管）の導入について検討する。考察に関しては，平成30年度とほぼ同様で，数値流体解析と自作半密閉空間を用いた測定を行い，ノズル径およびノズル長依存性を明らかにする。
次に，非光学式プロトタイプを製作し，短周期圧力変化に対する線形性，長周期圧力変化に対する抑制効果の評価を行う。誘起圧力差持続時間を長時間化（5分以上）した上で，「短周期圧力変化に対する線形性」については，建物の階数（高さ）による圧力の違いを利用して，圧力変化とセンサ出力の関係を調べる。「長周期圧力変化に対する出力抑制効果」については，本センサと市販品の絶対圧センサを共に日常の大気圧変動に晒して，センサ出力をデータロガーで長時間記録し，信号のパワースペクトルを比較することで，長周期抑制効果の考察を行う。実用への適応性を考えたとき，温度や風等の外乱の影響は避けられないため，それらの評価およびその低減策についても考察する。
さらに，圧力検知にガラス基板光導波型圧力センサを用い，半密閉空間構造と組み合わせて，光導波型微気圧センサのプロトタイプ版を作成する。まず，ステップ圧力を10 kPaおよび1 kPaとしたステップ応答特性から測定をはじめ，センサ動作の確認を行う予定である。そして，光導波型化により生じる問題を解決・解消した後，100 Pa以下の短周期圧力変動の検出が可能なセンサの実現を目指す。
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| Causes of Carryover |
（理由）
平成30年度（2018年度）の研究をほぼ終えた時点での残金で，物品費として使うにも少額で，2019年度の経費に合算して使用する方が，研究遂行上有効であると判断した。
（使用計画）
少額であるため，2019年度の経費と合算して，3Dプリンタ消耗品，薬品，電子部品等の購入に充てる予定である。
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