JP7445371B2

JP7445371B2 - センサ装置

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Publication number: JP7445371B2
Application number: JP2021010735A
Authority: JP
Inventors: 泰幸片瀬; 俊哉安江
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Description

この発明は、例えば、風速を計測可能なセンサ装置に関する。

加熱した流量検知用抵抗素子を流体に曝し、その際の放熱作用に基づいて流体の流量を検出する熱式のセンサ装置が知られている。センサ装置は、流量検知用抵抗素子の他に温度補償用抵抗素子を備えており、流量検知用抵抗素子と温度補償用抵抗素子が、ブリッジ回路に組み込まれている。流量検知用抵抗素子が流体を受けると、流量検知用抵抗素子の温度が低下して抵抗が変化し、これにより、ブリッジ回路より差動出力を得ることができる。この作動出力に基づいて、流体の流量を検出することができる。

例えば、特許文献１では、流量検知用抵抗素子を備えた第１センサ素子、及び温度補償用抵抗素子を備えた第２センサ素子が、夫々、リード線を介して絶縁基板から離間して支持されている。特許文献１では、第１センサ素子と第２センサ素子とが、対向して配置されている（図１等）。

特開２０１９－２１５１６３号公報

このように、特許文献１では、第１センサ素子と第２センサ素子が対向して配置されているため、流量検知用抵抗素子を備えた第１センサ素子の径方向に向けて風が作用したときに、径方向３６０度の流量検知が低下する。

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、流量検知用抵抗素子を備えた第１のセンサ素子に対する径方向３６０度の流量検知を高精度に行うことができるセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明におけるセンサ装置は、基板と、流量検知用抵抗素子を備えた第１のセンサ素子と、温度補償用抵抗素子を備えた第２のセンサ素子と、を有し、前記第１のセンサ素子及び前記第２のセンサ素子は、夫々、一対のリード線を介して、前記基板の表面から離間して支持され、前記第１のセンサ素子は、前記第２のセンサ素子よりも高い位置に配置されており、前記第１のセンサ素子及び前記第２のセンサ素子が、互いに、内側を向くように、前記一対のリード線に接続されており、前記第１のセンサ素子に接続される前記一対のリード線の間隔は、前記第２のセンサ素子に接続される前記一対のリード線の間隔より広いことを特徴とする。

本発明のセンサ装置においては、流量検知用抵抗素子を備えた第１のセンサ素子に対する径方向３６０度の流量検知を高精度に行うことができる。

第１の実施の形態におけるセンサ装置の部分側面図である。第１の実施の形態におけるセンサ装置の部分平面図である。本実施の形態のセンサ素子の断面図である。本実施の形態のセンサ装置の回路図である。第１のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。比較例におけるセンサ装置の部分側面図である。比較例のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。第２の実施の形態におけるセンサ装置の部分側面図である。第２の実施の形態のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。第３の実施の形態におけるセンサ装置の部分側面図である。第３の実施の形態のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

＜第１の実施の形態のセンサ装置の説明＞
図１Ａは、第１の実施の形態におけるセンサ装置１の部分側面図である。図１Ｂは、第１の実施の形態におけるセンサ装置１の部分平面図である。図２は、本実施の形態の第１のセンサ素子３の断面図である。図３は、本実施の形態のセンサ装置１の回路図である。

図１Ｂに示されるＸ１－Ｘ２方向及びＹ１－Ｙ２方向は、平面内にて直交する２方向を示し、図１Ａに示すＺ１－Ｚ２方向は、Ｘ１－Ｘ２方向及びＹ１－Ｙ２方向に互いに直交する高さ方向を指す。

図１Ａに示す第１の実施の形態のセンサ装置１は、基板２と、流量検知用抵抗素子を備えた第１のセンサ素子３と、温度補償用抵抗素子を備えた第２のセンサ素子４と、を有して構成される。

基板２は、絶縁基板であり、特に限定するものではないが、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた一般的なプリント基板であることが好ましく、例えば、ＦＲ４基板を提示することができる。

図１Ａに示すように、第１のセンサ素子３は、一対の第１のリード線６ａ、６ｂを介して、基板２の表面２ａからＺ１方向に離間して支持される。なお、以下では、第１のリード線６ａ、６ｂを区別せず、まとめて、「第１のリード線６」と表現することがある。

また、図１Ａに示すように、第２のセンサ素子４は、一対の第２のリード線８ａ、８ｂを介して、基板２の表面２ａから第１のセンサ素子３と同じようにＺ１方向に離間して支持される。なお、以下では、第２のリード線８ａ、８ｂを区別せず、まとめて、「第２のリード線８」と表現することがある。このように、第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子４は、基板２から見て同じ側に配置されている。これにより、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４に作用する環境温度を一致させることができ、検知精度の向上を図ることができるとともに、小型化に寄与することができる。

第１のセンサ素子３の内部構造について、図２を用いて説明する。図２に示すように、第１のセンサ素子３は、流量検知用抵抗素子１０と、流量検知用抵抗素子１０の両側に配置された電極キャップ１１と、流量検知用抵抗素子１０及び電極キャップ１１を被覆する絶縁膜１２と、を有して構成される。

流量検知用抵抗素子１０は、例えば、セラミック等の円柱基板の表面に抵抗被膜が形成されて成る。図示しないが、流量検知用抵抗素子１０の抵抗被膜の表面には、トリミングが施されて、抵抗調整がされている。
第１のセンサ素子３の外面は、流量検知面として機能する素子表面５ａと、素子表面５ａの上下に位置する上面５ｂ及び下面５ｃとを備える。

図２に示すように、下面５ｃ側に位置する電極キャップ１１から第１のリード線６ａがＺ２方向に延出している。また、上面５ｂ側に位置する電極キャップ１１から第１のリード線６ｂが一旦、Ｚ１方向に延び、途中で折り曲げられてＺ２方向に向け延出している。このため、図２に示すように、一対の第１のリード線６ａ、６ｂは、Ｘ１－Ｘ２方向に所定の間隔を空けて対向し、ともにＺ２方向に向けて延出している。そして、図１に示すように、一対の第１のリード線６ａ、６ｂの端部が基板２の表面２ａに接続されている。

第２のセンサ素子４に関しても図２と同様の構造であるが、流量検知用抵抗素子１０の代わりに、温度補償用抵抗素子１４が内蔵されている。

図１に示すように、第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子４は、一方向に長い形状となっている。ここで、「一方向に長い」とは、一方向に対して直交するどの方向の長さよりも長い状態を指す。具体的には、第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子４は、Ｘ１－Ｘ２方向及びＹ１－Ｙ２方向よりもＺ１－Ｚ２方向に長く形成されている。限定するものではないが、第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子４は、円柱状で形成される。

図１Ｂに示すように、第１のセンサ素子３、第２のセンサ素子４、第１のセンサ素子３に対しＸ１側の側方に延出する第１のリード線６ｂ、及び、第２のセンサ素子４に対しＸ１側の側方に延出する第２のリード線８ｂは、Ｘ１－Ｘ２方向に一列に配列されている。

図３に示すように、流量検知用抵抗素子１０は、温度補償用抵抗素子１４とともに、ブリッジ回路を構成する。図３に示すように、流量検知用抵抗素子１０と、温度補償用抵抗素子１４と、抵抗器１６、１７とでブリッジ回路１８を構成している。図３に示すように、流量検知用抵抗素子１０と抵抗器１６とで第１の直列回路１９を構成し、温度補償用抵抗素子１４と抵抗器１７とで第２の直列回路２０を構成している。そして、第１の直列回路１９と第２の直列回路２０とが、並列に接続されてブリッジ回路１８を構成している。

図３に示すように、第１の直列回路１９の出力部２１と、第２の直列回路２０の出力部２２とが、夫々、差動増幅器（アンプ）２３に接続されている。ブリッジ回路１８には、差動増幅器２３を含めたフィードバック回路２４が接続されている。フィードバック回路２４には、トランジスタ（図示せず）等が含まれる。

抵抗器１６、１７は、流量検知用抵抗素子１０、及び温度補償用抵抗素子１４よりも抵抗温度係数（ＴＣＲ）が小さい。流量検知用抵抗素子１０は、例えば、所定の周囲温度よりも所定値だけ高くなるように制御された加熱状態で、所定の抵抗値Ｒｓ１を有し、また、温度補償用抵抗素子１４は、例えば、前記の周囲温度にて、所定の抵抗値Ｒｓ２を有するように制御されている。なお、抵抗値Ｒｓ１は、抵抗値Ｒｓ２よりも小さい。流量検知用抵抗素子１０と第１の直列回路１９を構成する抵抗器１６は、例えば、流量検知用抵抗素子１０の抵抗値Ｒｓ１と同様の抵抗値Ｒ１を有する固定抵抗器である。また、温度補償用抵抗素子１４と第２の直列回路２０を構成する抵抗器１７は、例えば、温度補償用抵抗素子１４の抵抗値Ｒｓ２と同様の抵抗値Ｒ２を有する固定抵抗器である。

流量検知用抵抗素子１０は、周囲温度よりも高い温度となるように調整されており、第１のセンサ素子３が風を受けると、発熱抵抗である流量検知用抵抗素子１０の温度は低下する。このため、流量検知用抵抗素子１０が接続された第１の直列回路１９の出力部２１の電位が変動する。これにより、差動増幅器２３により差動出力が得られる。そして、フィードバック回路２４では、差動出力に基づいて、流量検知用抵抗素子１０に駆動電圧を印加する。そして、流量検知用抵抗素子１０の加熱に要する電圧の変化に基づき、マイコン（図示せず）にて風速を換算し出力することができる。なお、マイコンは、例えば、基板２の表面に設置され、各センサ素子３、４と、各リード線６、８を介して電気的に接続されている。

また、温度補償用抵抗素子１４は、流体そのものの温度を検知し、流体の温度変化の影響を補償する。このように、温度補償用抵抗素子１４を備えることで、流体の温度変化が流量検知に影響するのを低減でき、流量検知を精度よく行うことができる。上記したように、温度補償用抵抗素子１４は、流量検知用抵抗素子１０よりも十分に抵抗が高く、且つ、温度が周囲温度付近に設定されている。このため、温度補償用抵抗素子１４が風を受けても、温度補償用抵抗素子１４が接続された第２の直列回路２０の出力部２２の電位は、ほとんど変化しない。したがって、出力部２２の電位を基準電位として、流量検知用抵抗素子１０の抵抗変化に基づく差動出力を精度よく得ることができる。
なお、図３に示す回路構成は、一例であり、これに限定されるものではない。

図１Ａに示すように、第１の実施の形態のセンサ装置１では、流量検知用抵抗素子１０を備えた第１のセンサ素子３が、温度補償用抵抗素子１４を備えた第２のセンサ素子４よりも高い位置に配置されている。すなわち、第１のセンサ素子３は、第２のセンサ素子４よりも基板２の表面２ａからＺ１方向に離れている。

これに対し、図５の比較例のセンサ装置３０では、流量検知用抵抗素子１０を備えた第１のセンサ素子３と、温度補償用抵抗素子１４を備えた第２のセンサ素子４とが同じ高さに配置されている。すなわち、図５では、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４とが高さ方向に対して直交する水平方向であるＸ１―Ｘ２方向にて対向している。

第１の実施の形態のセンサ装置１と、比較例のセンサ装置３０を用いて、水平３６０度から風を作用させたときの流量検知について実験を行った。なお、以下では、第１の実施の形態のセンサ装置１を用いた実験を「実施例１」として説明する。

ここで、「水平方向」とは、図１Ｂに示すＸ１－Ｘ２方向及びＹ１－Ｙ２方向からなる平面内にて形成される方向である。この水平方向は、図１、５に示すように、Ｚ１－Ｚ２方向に直立した第１のセンサ素子３の径方向であり、例えば、第１のセンサ素子３の断面が円であれば、第１のセンサ素子３の軸中心を通る垂線方向を意味する。そして、「水平３６０度」とは、第１のセンサ素子３の軸中心に向けた平面内の全方向を指し、第１のセンサ素子３に対する「径方向３６０度」と同義である。

実験では、センサ装置１、２０に対し、水平３６０度から風を作用させた。風速は、インバータの運動周波数を３Ｈｚ、７Ｈｚ、１０Ｈｚ、及び１４Ｈｚの４段階に制御した。運動周波数が高いほど風速が大きくなる。これら風速を、センサ装置１、２０で測定した。

実施例１の実験結果は図４に、比較例の実験結果は図６に示されている。図４、図６に示すように、風配図を模した円形グラフの外周の数値は、中心に位置するセンサ装置１、３０に向けての風の方向を示している。

円グラフ内の０、２、６、８、１０、１２の数値は風速値である。また、円グラフ内に太く表示された複数の曲線は、インバータの運動周波数を３Ｈｚ、７Ｈｚ、１０Ｈｚ、及び１４Ｈｚに調整し、水平３６０度からの風を各センサ装置１、３０にて測定した際に計測された風速の実測値である。図４、図６には、インバータの運動周波数を１４Ｈｚに調整した際に理想的な測定値としての理想値も示した。

図４、図６に示すように、インバータの運動周波数が３Ｈｚのとき、実施例１に比べて、比較例では、約７２度～約１００度の方向からの風、及び、約２５０度～約２９０度の方向からの風に対し流量検知が大幅に低下することがわかった。また、インバータの運動周波数が７Ｈｚのとき、実施例１に比べて、比較例では、約７２度～約１０２度の方向からの風、及び、約２５０度～約２８５度の方向からの風に対し流量検知が大幅に低下することがわかった。また、インバータの運動周波数が１０Ｈｚのとき、実施例１に比べて、比較例では、約７２度～約１０５度の方向からの風、及び、約２５０度～約２８８度の方向からの風に対し流量検知が大幅に低下することがわかった。また、実施例１に比べて、比較例では、インバータの運動周波数を１４Ｈｚとしたときの実測値が理想値から、６５度～８６度近辺、及び２４５度～２７０度近辺で大幅に外れることがわかった。

９０度近辺及び２７０度近辺からの風は、約Ｘ１－Ｘ２方向からの風であるが、これは、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４の並び方向に概略一致している。比較例では、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４は高さ方向に一致するため、特に、並び方向であるＸ１－Ｘ２方向近辺の風の検知については強く影響しあい、検知精度が大幅に低下すると考えられる。

これに対して、実施例１では、図１Ａに示すように、第１のセンサ素子３が、第２のセンサ素子４よりも高い位置に配置されている。このため、第２のセンサ素子４の影響は、比較例よりも小さくなり、図４に示すように、９０度及び２７０度の方向近辺から作用する風に対する検知精度を、比較例に比べて改善できることがわかった。

以上より、第１の実施の形態のセンサ装置１によれば、水平３６０度の風量検知精度を向上させることができる。

第１の実施の形態では、第１のセンサ素子３は、第２のセンサ素子４に接続された第２のリード線８ｂよりも高い位置に配置されることが好ましい。図１Ａに示すように、第２のリード線８ｂは、第２のセンサ素子４より高い位置にまで延びている。このため、第１のセンサ素子３は、第２のセンサ素子４のみならず、第２のリード線８ｂともＸ１－Ｘ２方向で対向しないように、第１のセンサ素子３を、第２のリード線８ｂより高い位置に配置する。これにより、水平３６０度の風量検知精度をより高めることができる。

第１の実施の形態では、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１のセンサ素子３は、Ｘ１－Ｘ２方向に間隔を空けてＺ１－Ｚ２方向に延びる一対の第１のリード線６ａ、６ｂのＸ２側で接続されている。同じように、第２のセンサ素子４は、Ｘ１－Ｘ２方向に間隔を空けてＺ１－Ｚ２方向に延びる一対の第２のリード線８ａ、８ｂのＸ２側で接続されている。このように第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子４は、ともに、一対のリード線６、８の同じ側で接続されている。これにより、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４が離れすぎない構造にできる。図示していないが、各センサ素子３、４に対して保護構造を用いた際、各センサ素子３、４を近くに配置することで、各センサ素子３、４に対する保護構造の影響を弱め、或いは影響のばらつきを小さくできると考えられる。

＜第２の実施の形態のセンサ装置の説明＞
図７は、第２の実施の形態のセンサ装置４０の部分側面図である。図１Ａに示すセンサ装置１との相違点を中心に記載すると、第１の実施の形態では、各センサ素子３、４に接続される一対のリード線６、８が同じ線径であった。これに対し、第２の実施の形態では、第１のセンサ素子３に接続される一対の第１のリード線６の線径が、第２のセンサ素子４に接続される一対の第２のリード線８の線径よりも細い。

図８は、第２の実施の形態のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。ここで、第２の実施の形態のセンサ装置４０を用いて行った実験を「実施例２」とする。

図８に示すように、実施例２では、図４に示す実施例１よりも水平３６０度の風量検知精度がより向上したことがわかった。特に、約７２度～約１５０度方向からの風に対する風量検知精度が大幅に改善され、ほぼ理想値に一致した。これは、第１のセンサ素子３に対する第１のリード線６の影響が弱まったからである。すなわち、図７に示すように第１のセンサ素子３と、第１のリード線６ｂとは、Ｘ１－Ｘ２方向で対向している。このため、特に図示右側から左方向に向けて作用する風は、第１のセンサ素子３に到達する前に第１のリード線６ｂの影響を受ける。そこで、第１のリード線６を第２のリード線８よりも細くすることで、風量検知の際、第１のセンサ素子３に対する第１のリード線６の影響を弱めることができる。その結果、図４に比べて、Ｘ１―Ｘ２方向近辺から作用する風の検知精度をより高めることができ、ひいては、水平３６０度の検知精度をより効果的に高めることができる。

＜第３の実施の形態のセンサ装置の説明＞
図９は、第３の実施の形態のセンサ装置５０の部分側面図である。図１Ａに示すセンサ装置１との相違点を中心に記載すると、第１の実施の形態では、各センサ素子３、４が同じ側を向くように、一対のリード線６、８に接続される。すなわち、第１のセンサ素子３及び第２のセンサ素子は、互いに、Ｘ２側に位置する第１のリード線６ａ及び第２のリード線８ａに接続されている。これに対し、第３の実施の形態では、各センサ素子３、４が互いに内側を向くように、一対のリード線６、８に接続される。すなわち、第１のセンサ素子３は、Ｘ２側に位置する第１のリード線６ａに接続されており、第２のセンサ素子４は、Ｘ１側に位置する第２のリード線８ｂに接続される。

また、第１のセンサ素子３が接続された一対の第１のリード線６ａ、６ｂの間隔Ｔ１は、第２のセンサ素子４に接続された一対の第２のリード線８ａ、８ｂの間隔Ｔ２より広い。例えば、外側に位置する第１のリード線６ｂと第２のリード線８ａとの間の中心位置に、第１のリード線６ａに接続された第１のセンサ素子３を配置することができる。例えば、基板２の中心Ｏに第１のセンサ素子３を配置し、第１のセンサ素子３からＸ１側及びＸ２側に等間隔の位置に第１のリード線６ｂ及び第２のリード線８ａを配置することができる。

図１０は、第３の実施の形態のセンサ装置を用いて行った、風速と角度指向特性との関係を示す実験結果である。ここで、第３の実施の形態のセンサ装置５０を用いて行った実験を「実施例３」とする。

図１０に示すように、実施例３では、図４に示す実施例１よりも水平３６０度の風量検知精度がより向上したことがわかった。８０度～９０度付近に多少の落ち込みがみられるものの、実施例１に比べて、約４３度～約１４０度方向からの風に対する風量検知精度を大幅に改善できることがわかった。これは、第１のセンサ素子３と第１のリード線６ｂとの間の間隔Ｔ２が広くなったこと、及び第１のセンサ素子３を基板２の中心Ｏに配置できたことで、第１のセンサ素子３に適切に水平３６０度からの風が作用したことによる。また、第１のセンサ素子３と第２のセンサ素子４とをできる限り近くに配置できる。その結果、図４に比べて、Ｘ１―Ｘ２方向近辺から作用する風の検知精度をより高めることができ、ひいては、水平３６０度の検知精度をより効果的に高めることができる。

上記では、センサ装置１は、風を検知するものとして説明したが、検知する流体としては、風以外にガスや、液体であってもよい。

本発明では、水平３６０度検知を高精度に行うことができ、様々なアプリケーションに適用することができる。例えば、空調設備や、風の制御系、分析用などに適用することが可能である。

１、３０、４０、５０センサ装置
２基板
２ａ表面
３第１のセンサ素子
４第２のセンサ素子
６、６ａ、６ｂ第１のリード線
８、８ａ、８ｂ第２のリード線
１０流量検知用抵抗素子
１１電極キャップ
１２絶縁膜
１４温度補償用抵抗素子
１６抵抗器
１７抵抗器
１８ブリッジ回路
１９第１の直列回路
２０第２の直列回路
２１出力部
２２出力部
２３差動増幅器
２４フィードバック回路

Claims

基板と、
流量検知用抵抗素子を備えた第１のセンサ素子と、
温度補償用抵抗素子を備えた第２のセンサ素子と、を有し、
前記第１のセンサ素子及び前記第２のセンサ素子は、夫々、一対のリード線を介して、前記基板の表面から離間して支持され、
前記第１のセンサ素子は、前記第２のセンサ素子よりも高い位置に配置されており、
前記第１のセンサ素子及び前記第２のセンサ素子が、互いに、内側を向くように、前記一対のリード線に接続されており、
前記第１のセンサ素子に接続される前記一対のリード線の間隔は、前記第２のセンサ素子に接続される前記一対のリード線の間隔より広いことを特徴とするセンサ装置。
前記第１のセンサ素子は、前記第２のセンサ素子に接続された前記リード線よりも高い位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記第１のセンサ素子に接続された第１のリード線の線径は、前記第２のセンサ素子に接続された第２のリード線の線径と同じか、或いはそれよりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ装置。
前記第１のセンサ素子及び前記第２のセンサ素子は、高さ方向に長い形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ装置。