(57)【要約】【課題】気体温度を高速に測定する。【解決手段】測定素子１０は、基板と、可動部と、振動発生部と、導出部４０Ｃと、を備える。基板は、空洞を有する。可動部には、発熱部材が設けられている。発熱部材は、基板の空洞上に、梁部を介して配置されている。導出部４０Ｃは、発熱部材の消費電力と発熱部材の振動速度の振動速度依存性４２Ｂに基づいて、気体温度を導出する。【選択図】図５
2018151292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞を有する基板と、
前記空洞の上部に梁部を介して配置され、発熱部材の設けられた可動部と、
前記可動部を振動させる振動発生部と、
前記発熱部材の消費電力と前記発熱部材の振動速度の振動速度依存性とに基づいて、気体温度を導出する導出部と、
を備える測定素子。
【請求項２】
前記発熱部材の温度が特定温度を維持するように、前記発熱部材へ電流を供給する発熱制御部を備え、
前記導出部は、
前記発熱制御部によって発熱制御が実行されているときの、前記発熱部材の前記消費電力と前記振動速度の前記振動速度依存性に基づいて、気体温度を導出する、
請求項１に記載の測定素子。
【請求項３】
前記導出部は、
第１の振動速度と、前記発熱部材が前記第１の振動速度で振動しているときの前記発熱部材の前記消費電力と、前記第１の振動速度より速い第２の振動速度と、前記発熱部材が前記第２の振動速度で振動しているときの前記発熱部材の前記消費電力と、の関係に対応する気体温度を、前記振動速度依存性から特定することによって、該気体温度を導出する、請求項１または請求項２に記載の測定素子。
【請求項４】
前記振動速度依存性は、
前記消費電力と、前記振動速度と、前記気体温度と、の関係を示す、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の測定素子。
【請求項５】
前記消費電力は、前記発熱部材を特定温度に維持するための電流調整量、前記発熱部材の起電圧、前記発熱部材の抵抗値、前記発熱部材の熱輸送量、前記発熱部材の熱伝達速度、および、前記発熱部材の熱伝達率、の少なくとも一つに応じた値である、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の測定素子。
【請求項６】
前記可動部は、三次元方向に変位可能に、前記梁部によって支持されてなる、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の測定素子。
【請求項７】
前記振動発生部は、上部電極と、圧電体と、下部電極と、の積層体である、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の測定素子。
【請求項８】
空洞を有する基板と、前記空洞の上部に梁部を介して配置され、発熱部材の設けられた可動部と、前記可動部を振動させる振動発生部と、を有するセンサ素子における、前記発熱部材の消費電力と前記発熱部材の振動速度の振動速度依存性とに基づいて、気体温度を導出するステップ、
を含む測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定素子、および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝導方式の温度センサが知られている。熱伝導方式の温度センサは、他の方式に比べて応答速度が速いことが知られている。しかし、熱伝導方式の温度センサであっても、感温部分や感温部分以外の部分の熱容量などの影響により、測定環境の雰囲気の温度変化が速い場合には、測定精度が低下していた。
【０００３】
そこで、発熱部材の周囲の雰囲気を強制的に対流させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、発熱部材を、空洞上にカンチレバーを介して設置し、カンチレバーを変位させることで、発熱部材の周囲に対流を発生させる構成が開示されている。これによって、特許文献１では、発熱部材の温度を周囲雰囲気の温度に早くなじませ、該発熱部材の抵抗値に対応する温度を、測定対象の温度として得る方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発熱部材以外の部分の熱容量が応答速度に支配的に寄与するため、従来方式では、気体温度を高速に測定することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気体温度を高速に測定することができる、測定素子および測定方法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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、測定素子は、空洞を有する基板と、前記空洞の上部に梁部を介して配置され、発熱部材の設けられた可動部と、前記可動部を振動させる振動発生部と、前記発熱部材の消費電力と前記発熱部材の振動速度の振動速度依存性とに基づいて、気体温度を導出する導出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、気体温度を高速に測定することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施の形態の測定素子の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、センサ素子の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、センサ素子の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、測定素子の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、測定素子の機能的構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、風速依存性を示す線図である。
【図７】図７は、振動速度依存性の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、測定処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、測定処理の手順の一例を示す、フローチャートである。
【図１０】図１０は、ハードウェア構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して、測定素子、および測定方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の測定素子１０の一例を示す模式図である。
【００１１】
測定素子１０は、制御装置１２と、センサ素子１４と、を備える。制御装置１２とセンサ素子１４とは、電気的に接続されている。
【００１２】
センサ素子１４は、気体温度の検出機構である。制御装置１２は、センサ素子１４から出力された出力信号を用いて、気体温度を測定する。
【００１３】
＜センサ素子１４Ａ＞
図２は、センサ素子１４Ａの一例を示す模式図である。センサ素子１４Ａは、センサ素子１４の一例である。図２（Ａ）は、センサ素子１４Ａの上面図である。図２（Ｂ）は、センサ素子１４Ａの断面図である。
【００１４】
センサ素子１４Ａは、基板１６と、可動部１８と、振動発生部２４と、を備える。
【００１５】
基板１６は、空洞１６Ａを有する。空洞１６Ａは、基板１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）に貫通した貫通孔であることが好ましい。なお、空洞１６Ａは、厚み方向（矢印Ｚ方向）の一方側が開口した穴（溝部）であってもよい。
【００１６】
基板１６は、例えば、シリコンで構成される。基板１６には、例えば、単結晶シリコンを用いる。
【００１７】
可動部１８は、空洞１６Ａの上部に、梁部２２を介して配置されている。梁部２２の一端部は基板１６の縁部１６Ｂに連結されている。また、梁部２２の他端部は、可動部１８に連結されている。すなわち、可動部１８は、空洞１６Ａの上部に位置するように、梁部２２によって支持されている。
【００１８】
図２に示す例では、可動部１８は、少なくとも一軸方向（矢印Ｚ軸方向）に変位可能に、梁部２２によって支持されてなる。具体的には、可動部１８は、４つの梁部２２（梁部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）によって４点支持されている。このため、図２に示す例では、可動部１８は、少なくとも基板１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）に変位可能となるように、梁部２２によって支持されている。
【００１９】
可動部１８、梁部２２、および基板１６は、同じ材料（シリコン）によって、連続して一体的に構成されている。
【００２０】
可動部１８は、平板状の部材である。図２に示す例では、可動部１８の形状が、平面視で四角形である場合を示した。しかし、可動部１８の形状は、四角形に限定されない。例えば、可動部１８の形状は、十字形、五角形、六角形などの多角形や、円形、楕円形であってもよい。
【００２１】
可動部１８には、発熱部材２０が設けられている。
【００２２】
発熱部材２０は、制御装置１２から供給された電流に応じて発熱する部材である。本実施の形態では、発熱部材２０は、導電性の電極線２１のパターンによって形成されている。電極線２１には、例えば、白金を用いる。
【００２３】
発熱部材２０を構成する電極線２１の一端部は、梁部２２Ａ上に配設された電極線２１Ａを介して制御装置１２に接続されている。また、発熱部材２０を構成する電極線２１の他端部は、梁部２２Ｂ上に配設された電極線２１Ｂを介して、制御装置１２に接続されている。
【００２４】
このため、制御装置１２による制御によって、電極線２１Ａおよび電極線２１Ｂを介して発熱部材２０へ電流が供給されることで、発熱部材２０が発熱する。
【００２５】
なお、発熱部材２０は、温度を感知する感温部として用いてもよい。また、発熱部材２０を、発熱機能および感温機能の双方を有する部材として用いてもよい。発熱部材２０を、発熱機能を備える構成、感温機能を備える構成、発熱機能と感温機能の双方を備える構成、の何れとした場合であっても、発熱部材２０は、電極線２１のパターンによって形成すればよい。
【００２６】
発熱部材２０には、電極線２１Ｃおよび電極線２１Ｄが接続されている。電極線２１Ｃは、梁部２２Ｃ上に配設されており、一端部が発熱部材２０に接続され、他端部が制御装置１２に接続されている。電極線２１Ｄは、梁部２２Ｄ上に配設されており、一端部が発熱部材２０に接続され、他端部が制御装置１２に接続されている。これらの電極線２１Ｃおよび電極線２１Ｄは、発熱部材２０の消費電力の測定に用いられる（詳細後述）。
【００２７】
振動発生部２４は、可動部１８を振動させる。言い換えると、振動発生部２４は、可動部１８上に配置された発熱部材２０を振動させる。
【００２８】
振動発生部２４は、圧電駆動方式、電磁駆動方式、または静電駆動方式により、振動を発生させる部材である。図２には、振動発生部２４が圧電駆動方式により振動を発生させる部材である場合を、一例として示した。
【００２９】
例えば、振動発生部２４は、下部電極２４Ｃと、圧電体２４Ｂと、上部電極２４Ａと、をこの順に積層した積層体である。上部電極２４Ａおよび下部電極２４Ｃは、制御装置１２に接続されている。圧電体２４Ｂは、上部電極２４Ａおよび下部電極２４Ｃに印加された電圧に応じて、振動する。
【００３０】
本実施の形態では、振動発生部２４は、梁部２２（梁部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）上に設けられている。
【００３１】
このため、振動発生部２４によって発生した振動は、梁部２２を介して可動部１８へ伝搬する。そして、可動部１８の振動（すなわち、矢印Ｚ方向への変位）に伴い、可動部１８上の発熱部材２０が振動する。
【００３２】
図２に示す構成の場合、上述したように、可動部１８は、基板１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）に変位可能となるように、梁部２２によって支持されている。このため、振動発生部２４によって、可動部１８および発熱部材２０は、少なくとも一軸方向（矢印Ｚ方向）に変位、すなわち振動する。
【００３３】
また、可動部１８の振動に伴い、可動部１８の周囲の空気が空洞１６Ａを通って対流する。このため、発熱部材２０の周囲には、可動部１８の振動に伴い、強制対流が生じる。
【００３４】
強制対流とは、発熱部材２０の周囲に空気の流れが生じている状態を示す。自然対流とは、発熱部材２０の周囲に空気の流れが生じていない状態、すなわち、無風または無風に類する状態であることを示す。
【００３５】
＜センサ素子１４Ｂ＞
なお、センサ素子１４の梁部２２は、可動部１８を三次元方向に変位可能に支持した構成であってもよい。
【００３６】
図３は、センサ素子１４Ｂを示す模式図である。センサ素子１４Ｂは、センサ素子１４の一例である。なお、図３は、センサ素子１４Ｂの上面図である。
【００３７】
図３に示すように、可動部１８は、三次元方向に変位可能に、梁部２２によって支持されていてもよい。
【００３８】
具体的には、可動部１８は、２つの梁部２２によって支持されてなる。図３に示す例では、可動部１８は、２つの梁部（梁部２２Ｅ、梁部２２Ｆ）によって、２点支持されている。梁部２２Ｅの一端部は、可動部１８に連結されている。梁部２２Ｅの他端部は、基板１６の縁部１６Ｂに連結されている。梁部２２Ｆの一端部は、可動部１８に連結されている。梁部２２Ｆの他端部は、基板１６の縁部１６Ｂに連結されている。また、梁部２２Ｅと梁部２２Ｆは、四角形状の空洞１６Ａを構成する４つの壁面の内の、同じ１つの壁面に連結され、且つ、他の壁面には非接触に連結されている。
【００３９】
このため、可動部１８は、基板１６の厚み方向（矢印Ｚ方向）と、厚み方向に垂直な平面上における、互いに直交する２方向（矢印Ｘ方向、矢印Ｙ方向）と、に変位可能に支持されている。なお、可動部１８の三次元変位の方向は、図３に示す、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々に一致する形態に限定されず、不一致であってもよい。
【００４０】
梁部２２Ｅおよび梁部２２Ｆの各々上には、振動発生部２４が設けられている。
【００４１】
このため、振動発生部２４によって発生した振動は、梁部２２（梁部２２Ｅ、梁部２２Ｆ）を介して可動部１８へ伝搬する。そして、可動部１８の振動（すなわち、三次元方向への変位）に伴い、可動部１８上の発熱部材２０が、三次元方向に変位し、振動する。
【００４２】
このため、センサ素子１４Ｂは、センサ素子１４Ａ（図２参照）に比べて、発熱部材２０の振動による熱伝達量の増加を図ることができる。
【００４３】
なお、可動部１８は、一軸方向、二次元方向、三次元方向の何れかに変位可能となるように、梁部２２によって支持されていればよい。このため、梁部２２による可動部１８の支持形態は、図２および図３に示す構成に限定されない。
【００４４】
＜測定素子１０Ｂ＞
なお、センサ素子１４は、他の部材によってパッケージされた構成であってもよい。
【００４５】
図４は、測定素子１０Ｂの一例を示す模式図である。測定素子１０Ｂは、制御装置１２とセンサ素子１４とを備える。図４に示す例では、センサ素子１４は、他の部材によってパッケージされている。
【００４６】
具体的には、センサ素子１４は、開口を備えた空洞Ｃを有する筐体３０の空洞Ｃ内に、支持部材３２を介して配置されている。支持部材３２の一端部は、筐体３０の空洞Ｃの底部に連結され、支持部材３２の他端部は、センサ素子１４に連結されている。
【００４７】
筐体３０の開口は、蓋部材３４によって覆われている。蓋部材３４は、空気の通過可能な１または複数の貫通孔を備えている。蓋部材３４に設けられた貫通穴は、筐体３０の空洞Ｃと、蓋部材３４の外部と、を連通する孔であればよい。蓋部材３４は、例えば、複数の貫通孔を備えた樹脂などで構成すればよい。
【００４８】
＜制御装置１２＞
次に、制御装置１２の構成を説明する。
【００４９】
図５は、測定素子１０の機能的構成を示すブロック図である。
【００５０】
図５に示すように測定素子１０は、制御装置１２と、センサ素子１４と、を備える。制御装置１２とセンサ素子１４とは電気的に接続されている。
【００５１】
なお、図５では、センサ素子１４がセンサ素子１４Ａである場合を一例として説明する。しかし、測定素子１０に設けられるセンサ素子１４は、センサ素子１４Ｂ（図３参照）であってもよい。また、図４に示すように、センサ素子１４を他の部材でパッケージングした構成であってもよい。
【００５２】
制御装置１２は、センサ素子１４を制御する。制御装置１２は、処理部４０と、記憶部４２と、出力部４４と、を備える。処理部４０と、記憶部４２および出力部４４と、は、データや信号を授受可能に接続されている。また、処理部４０とセンサ素子１４とは電気的に接続されている。詳細には、処理部４０と、センサ素子１４の、電極線２１Ａ、電極線２１Ｂ、電極線２１Ｃ、電極線２１Ｄとは、電気的に接続されている。
【００５３】
記憶部４２は、各種情報を記憶する。記憶部４２は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などの公知の記憶媒体である。なお、記憶部４２を、ネットワークを介して接続された外部装置に設けた構成であってもよい。本実施の形態では、振動速度依存性情報４２Ｂを予め記憶する。振動速度依存性情報４２Ｂについては、詳細を後述する。
【００５４】
出力部４４は、各種情報を出力する。出力部４４は、例えば、各種画像を表示する表示部や、外部装置へ情報を送信する送信部である。
【００５５】
処理部４０は、制御装置１２全体を制御する。本実施の形態では、処理部４０は、発熱制御部４０Ａと、振動制御部４０Ｂと、導出部４０Ｃと、出力制御部４０Ｄと、を有する。
【００５６】
これらの各部は、例えば、１または複数のプロセッサにより実現される。例えば上記各部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などのプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現してもよい。上記各部は、専用のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現してもよい。上記各部は、ソフトウェアおよびハードウェアを併用して実現してもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部のうち１つを実現してもよいし、各部のうち２以上を実現してもよい。
【００５７】
発熱制御部４０Ａは、発熱部材２０の温度が特定温度を維持するように、発熱部材２０へ電流を供給する。特定温度は、予め定めればよい。例えば、特定温度は、３００℃や、４００℃などである。
【００５８】
発熱制御部４０Ａは、特定温度を維持するように、発熱部材２０の電極線２１の一端部に連結する電極線２１Ａと、発熱部材２０の電極線２１の他端部に連結する電極線２１Ｂと、の間に電流を供給する。このような電流の供給によって、発熱部材２０は、特定温度に発熱する。
【００５９】
振動制御部４０Ｂは、振動発生部２４の振動を制御する。具体的には、振動制御部４０Ｂは、振動発生部２４の上部電極２４Ａと下部電極２４Ｃとの間に供給する電流値を調整することで、振動発生部２４の振動を制御する。
【００６０】
ここで、可動部１８（すなわち、発熱部材２０）の振動速度によって、可動部１８上に設けられた発熱部材２０の、周囲の気体への熱輸送量が変化する。これは、振動によって可動部１８の周囲に生じた強制対流の風速によって、熱伝達率が変化するためである。
【００６１】
風速と熱伝達率との関係は、風速依存性で表される。図６は、風速依存性４２Ａを示す線図である。風速依存性４２Ａは、風速と熱伝達率との関係を示す。図６に示す例では、風速依存性４２Ａを、風速と熱伝達率との関係を示す線図５０Ａおよび線図５０Ｂで示した。
【００６２】
図６中、線図５０Ａは、測定素子１０のセンサ素子１４Ａにおいて、可動部１８を振動させることで強制対流を生じさせたときの、該強制対流の風速と、発熱部材２０から周囲への熱伝達率と、の関係を示す。線図５０Ｂは、センサ素子１４Ａにおいて、可動部１８を振動させず自然対流が生じている場合の、自然対流の風速と、発熱部材２０から周囲への熱伝導率と、の関係を示す。
【００６３】
なお、図６では、発熱部材２０の代表長は１７０μｍとした。代表長とは、図２に示すように、矩形状の発熱部材２０の一辺の長さＬを示す。また、図６では、気体の雰囲気の温度は２５℃であった。また、図６では、発熱制御部４０Ａが、特定温度４００℃を維持するように、発熱部材２０を温度調整した。また、線図５０Ａおよび線図５０Ｂの計算には、後述する式（２）および式（３）を用いた。
【００６４】
図６に示すように、数ｍ／ｓの風速の強制対流の熱伝達率は、自然対流の熱伝達率に比べて、１桁以上大きいことがわかる。
【００６５】
そこで、本実施の形態では、導出部４０Ｃは、可動部１８の振動によって空洞１６Ａに強制対流の生じた状態で、発熱部材２０の消費電力を検出する。そして、導出部４０Ｃは、消費電力と、発熱部材２０の振動速度の振動速度依存性４２Ｂと、に基づいて、気体温度を導出する。
【００６６】
振動速度依存性４２Ｂとは、発熱部材２０の消費電力と気体温度が、発熱部材２０の振動速度に依存する性質を示す。
【００６７】
上述したように、可動部１８（すなわち、発熱部材２０）の振動によって、可動部１８の周囲、すなわち、可動部１８に設けられた発熱部材２０の周囲に強制対流が発生する。強制対流の風速が大きいほど（すなわち、振動が大きいほど）、発熱部材２０から周囲の気体への熱伝達率が大きい（図６参照）。
【００６８】
すなわち、可動部１８の振動によって、可動部１８に設けられた発熱部材２０から周囲の気体への熱伝達率や熱輸送量が変化する。発熱部材２０から周囲の気体への熱伝達率や熱輸送量の変化は、発熱部材２０の消費電力として検出することができる。
【００６９】
また、発熱部材２０の振動速度と発熱部材２０の消費電力との関係は、気体温度に応じて異なるものとなる。
【００７０】
このため、本実施の形態では、導出部４０Ｃは、センサ素子１４における振動速度依存性４２Ｂを予め記憶部４２へ記憶する。そして、振動速度依存性４２Ｂと、発熱部材２０の消費電力と、を用いて、気体温度を導出する。
【００７１】
図７は、振動速度依存性４２Ｂの一例を示す模式図である。振動速度依存性４２Ｂは、発熱部材２０の振動速度と、発熱部材２０の消費電力と、気体温度と、の関係を示す検量線５２によって表される。
【００７２】
図７に示すように、センサ素子１４の出力信号（消費電力）は、発熱部材２０の振動速度の０．５乗に比例する。
【００７３】
また、センサ素子１４の出力信号と振動速度との関係を示す検量線５２の傾きは、気体温度によって異なる。例えば、気体温度が、ＴＡ＞ＴＢ＞ＴＣ＞ＴＤの関係であったとする。すると、振動速度の０．５乗に対する出力信号を示す検量線５２の傾きは、気体温度が高いほど大きい。
【００７４】
なお、センサ素子１４の出力信号は、発熱部材２０の消費電力を示す。
【００７５】
発熱部材２０の消費電力は、発熱部材２０に接続された電極線２１Ｃと電極線２１Ｄとの間の起電圧（電位差）、発熱部材２０の抵抗値、発熱部材２０を上記特定温度に維持するための電流調整量、発熱部材２０の熱輸送量、発熱部材２０の熱伝達速度、および、発熱部材２０の熱伝達率、の少なくとも１つから導出される。
【００７６】
導出部４０Ｃは、測定素子１０に接続されているセンサ素子１４（例えば、センサ素子１４Ａ）の振動速度依存性４２Ｂを予め測定し、記憶部４２へ予め記憶する。
【００７７】
そして、導出部４０Ｃは、発熱制御部４０Ａによって発熱部材２０が特定温度となるように発熱制御されているときに、振動発生部２４によって可動部１８（および発熱部材２０）を振動させたときの、発熱部材２０の消費電力と、発熱部材２０の振動速度と、に対応する気体温度を、振動速度依存性４２Ｂから特定する。
【００７８】
これによって、導出部４０Ｃは、気体温度を導出する。
【００７９】
ここで、気体の熱伝達速度は、センサ素子１４を構成する各部材の熱容量に依存しない。このため、導出部４０Ｃが、振動速度依存性４２Ｂを用いて、気体温度を導出することで、測定素子１０は、熱容量に依存しない速度で（すなわち高速に）気体温度を測定することができる。
【００８０】
ここで、センサ素子１４における熱回路は、気体への熱伝達、気体中の熱伝導、熱輻射、および、梁部２２への熱伝導、で構成される（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｇａｓ  Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  （２００９）参照）。
【００８１】
このうち、気体への熱伝達による熱輸送量は、下記式（１）で表すことができる。
【００８２】
Ｑ＝（Ｔｈ−Ｔｇ）×Ｓ×ｈ・・・式（１）
【００８３】
式（１）中、Ｑは、気体の熱伝達における熱輸送量［Ｗ］を示し、Ｔｈは、発熱部材２０の発熱温度［℃］を示す。また、Ｔｇは、気体の温度［℃］を示し、Ｓは、発熱部材２０の表面積［ｍ２］を示す。ｈは、熱伝達率［Ｗ／ｍ２・℃］を示す。
【００８４】
熱伝達率ｈは、発熱部材２０の周辺の気流、すなわち、発熱部周辺の気流（すなわち、自然対流または強制対流）によって、下記式（２）または下記式（３）で表すことができる（エレクトロニクスのための熱設計完全入門，日刊工業新聞社（１９９７）参照）。
【００８５】
ｈｎ＝２．５１×Ｃ×｛（Ｔｈ−Ｔｇ）／ｌ｝０．２５    ・・・式（２）
ｈｆ＝３．８６×（ｖ／ｌ）０．５              ・・・式（３）
【００８６】
式（２）および式（３）中、ｈｎは、自然対流の熱伝達率［Ｗ／ｍ２・℃］を示し、ｈｆは、強制対流の熱伝達率［Ｗ／ｍ２・℃］を示す。また、式（２）中、Ｃは、係数（マイクロヒータの上面：０．５２、下面：０．２６）を示す。式（２）および式（３）中、ｌは、発熱部材２０の代表長［ｍ］を示す（図２の代表長Ｌ参照）。また、式（３）中、ｖは、発熱部材２０の表面に平行な風の風速［ｍ／ｓ］を示す。
【００８７】
すると、自然対流における熱輸送量Ｑｎは式（２）を式（１）に代入することによって、下記式（４）で表される。
【００８８】
Ｑｎ＝２．５１×Ｓ×Ｃ×ｌ０．２５×（Ｔｈ−Ｔｇ）１．２５      ・・・式（４）
【００８９】
一方、強制対流における熱輸送量Ｑｆは、式（３）を式（１）に代入することによって、下記式（５）で表される。
【００９０】
Ｑｆ＝３．８６×Ｓ×（ｖ／ｌ）０．５×（Ｔｈ−Ｔｇ）      ・・・式（５）
【００９１】
そして、式（４）と式（５）の両辺を積算すると、下記式（６）が得られる。
【００９２】
（Ｔｈ−Ｔｇ）２．２５＝（Ｑｎ×Ｑｆ）／（９．６８８６×Ｓ２×Ｃ×ｖ０．５×ｌ−０．２５）      ・・・式（６）
【００９３】
なお、式（６）中、発熱部材２０の発熱温度Ｔｈは、発熱制御部４０Ａによって上記特定温度で一定となるように調整されている。発熱制御部４０Ａは、フィードバック回路などにより構成すればよい。
【００９４】
また、式（６）中、Ｓ、Ｃ、ｌは、既知の定数または構造パラメータである。
【００９５】
例えば、振動制御部４０Ｂが、発熱部材２０の振動速度として風速ｖを制御し、導出部４０Ｃは、Ｑｎ×Ｑｆを、検出器の出力信号（消費電力）として用い、振動速度依存性４２Ｂを用いて、気体温度を導出する。
【００９６】
なお、発熱部材２０の消費電力は、Ｑｎ×Ｑｆの値に限定されない。上述したように、導出部４０Ｃは、発熱部材２０に接続された電極線２１Ｃと電極線２１Ｄとの間の起電圧（電位差）や、発熱部材２０の抵抗値や、発熱部材２０を上記特定温度に維持するための電流調整量や、発熱部材２０の熱伝達速度、を、発熱部材２０の出力信号（消費電力）として用いてもよい。
【００９７】
例えば、電流調整量を消費電力として用いる場合には、導出部４０Ｃは、以下の方法で気体温度を導出すればよい。
【００９８】
発熱部材２０は、発熱制御部４０Ａによって、特定温度を維持するように制御される。しかし、振動発生部２４で発生した振動によって発熱部材２０が振動すると、発熱部材２０の表面温度が変化する（例えば、冷却される）。このため、振動によって、発熱部材２０の抵抗値が変化する。発熱制御部４０Ａは、発熱部材２０の抵抗値の変化に応じて、発熱部材２０が特定温度を維持するように、電流値を調整する。導出部４０Ｃは、この電流値の調整量を、消費電力として用い、振動速度依存性４２Ｂを用いて、気体温度を導出すればよい。
【００９９】
次に、制御装置１２が実行する測定処理の手順の一例を説明する。
【０１００】
図８は、制御装置１２が実行する測定処理の手順の一例を示す、フローチャートである。
【０１０１】
まず、発熱制御部４０Ａが、発熱部材２０を特定温度に維持する発熱制御を開始する（ステップＳ１００）。
【０１０２】
次に、導出部４０Ｃが、発熱部材２０の出力信号（第１の出力信号と称する）を測定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、振動発生部２４が振動を発生させていない状態（すなわち、自然対流の状態）における、発熱部材２０の出力信号を、第１の出力信号として測定する。
【０１０３】
次に、振動制御部４０Ｂが振動発生部２４の振動制御を開始する（ステップＳ１０４）。例えば、振動制御部４０Ｂは、発熱部材２０が特定の振動速度で振動するように、振動発生部２４の振動制御を行う。ステップＳ１０４の処理によって、可動部１８が振動を開始し、可動部１８の振動に伴い、発熱部材２０が振動する。
【０１０４】
次に、導出部４０Ｃは、発熱部材２０の出力信号（第２の出力信号と称する）を測定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４の制御によって、発熱部材２０が振動しているときの、発熱部材２０の出力信号を測定する。言い換えると、ステップＳ１０６では、発熱部材２０の振動によって強制対流が生じているときの、発熱部材２０の出力信号を、第２の出力信号として測定する。
【０１０５】
なお、発熱制御部４０Ａは、発熱部材２０を特定温度に維持する発熱制御を行っている。しかし、ステップＳ１０４による振動制御によって発熱部材２０が振動すると、発熱部材２０の表面温度が変化するため、発熱部材２０の抵抗値が変化する。このため、第２の出力信号は、第１の出力信号とは異なる値となる。
【０１０６】
次に、振動制御部４０Ｂは、振動発生部２４の振動制御を終了する（ステップＳ１０８）。
【０１０７】
次に、導出部４０Ｃが、ステップＳ１０２で測定した第１の出力信号と、ステップＳ１０６で測定した第２の出力信号と、振動速度依存性４２Ｂと、を用いて、気体温度を導出する（ステップＳ１１０）。
【０１０８】
具体的には、導出部４０Ｃは、第１の出力信号および該第１の出力信号を測定したときの発熱部材２０の振動速度と、第２の出力信号および該第２の出力信号を測定したときの発熱部材２０の振動速度と、第１の出力信号と、第２の出力信号と、振動速度依存性４２Ｂと、を用いて、気体温度を導出する。
【０１０９】
例えば、導出部４０Ｃは、ステップＳ１０２で第１の出力信号を測定したときの発熱部材２０の振動速度の０．５乗と、ステップＳ１０６で第２の出力信号を測定したときの発熱部材２０の振動速度の０．５乗と、の振動速度差に対する、第１の出力信号と第２の出力信号との差（消費電力の差）によって表される傾きを示す、一次直線（検量線５２）によって表される気体温度を、振動速度依存性４２Ｂから特定する（図７参照）。
【０１１０】
なお、導出部４０Ｃは、第１の出力信号および第２の出力信号の各々を測定したときの、発熱部材２０の振動速度を、以下の式（Ａ）を用いて算出すればよい。
【０１１１】
発熱部材２０の振動速度＝変位／単位時間＝（振動発生部２４（可動部１８）の最大振れ角と最小振れ角との差）／振動周波数の逆数      ・・・式（Ａ）。
【０１１２】
なお、導出部４０Ｃは、最大振れ角と最小振れ角との差を、駆動電圧および素子構造から、圧電、電磁、静電のそれぞれの駆動方式に基づいて算出することによって特定すればよい。また、導出部４０Ｃは、振動周波数を、駆動周波数を参照することによって特定すればよい。
【０１１３】
なお、発熱部材２０の振動速度は、振動制御部４０Ｂで測定してもよい。また、可動部１８の変位（可動部１８の最大振れ角と最小振れ角との差）および振動周波数は、振動制御部４０Ｂが振動発生部２４の上部電極２４Ａおよび下部電極２４Ｃへ供給する電流値または印加した電圧値に対応する値を、予め測定しておけばよい。そして、振動制御部４０Ｂは、振動発生部２４の制御時に振動発生部２４へ供給した電流値または印加した電圧値に対応する、可動部１８の変位および振動周波数を特定し、上記式（Ａ）を用いて、発熱部材２０の振動速度を導出すればよい。
【０１１４】
このようにして、導出部４０Ｃは、気体温度を導出する。
【０１１５】
なお、導出部４０Ｃは、図７に示す検量線５２に代えて、振動速度依存性４２Ｂを示す校正式を予め用意してもよい。そして、導出部４０Ｃは、第１の出力信号と第２の出力信号から、これらの校正式を用いて、気体温度を導出してもよい。
【０１１６】
次に、出力制御部４０Ｄは、導出部４０Ｃで導出された気体温度を、測定素子１０で測定した気体温度として出力するように、出力部４４を制御する（ステップＳ１１２）。そして、本ルーチンを終了する。
【０１１７】
以上説明したように、本実施の形態の測定素子１０は、基板１６と、可動部１８と、振動発生部２４と、導出部４０Ｃと、を備える。基板１６は、空洞１６Ａを有する。可動部１８には、発熱部材２０が設けられている。発熱部材２０は、基板１６の空洞１６Ａ上に、梁部２２を介して配置されている。導出部４０Ｃは、発熱部材２０の消費電力と発熱部材２０の振動速度の振動速度依存性４２Ｂに基づいて、気体温度を導出する。
【０１１８】
このように、本実施の形態の測定素子１０は、可動部１８の振動によって強制対流の生じた状態における、発熱部材２０の消費電力と、発熱部材２０の振動速度依存性４２Ｂと、を用いて、気体温度を導出する。
【０１１９】
上述したように、気体の熱伝達速度は、センサ素子１４を構成する各部材の熱容量に依存しない。そして、本実施の形態では、熱伝達速度は、発熱部材２０の振動によって変化する。そして、導出部４０Ｃは、振動速度依存性４２Ｂを用いて、気体温度を導出する。このため、測定素子１０は、センサ素子１４の熱容量に依存しない高速の応答速度で気体温度を測定することができる。
【０１２０】
従って、本実施の形態の測定素子１０は、気体温度を高速に測定することができる。
【０１２１】
また、測定素子１０は、発熱部材２０の温度が特定温度を維持するように、発熱部材２０へ電流を供給する発熱制御部４０Ａを備える。導出部４０Ｃは、発熱制御部４０Ａによって発熱制御が実行されているときの、発熱部材２０の消費電力と振動速度の振動速度依存性４２Ｂに基づいて、気体温度を導出する。
【０１２２】
また、振動速度依存性４２Ｂは、発熱部材２０の消費電力と、発熱部材２０の振動速度と、気体温度と、の関係を示す。
【０１２３】
また、発熱部材２０の消費電力は、発熱部材２０を特定温度に維持するための電流調整量、発熱部材２０の起電圧、発熱部材２０の抵抗値、発熱部材２０の熱輸送量、発熱部材２０の熱伝達速度、および、発熱部材２０の熱伝達率、の少なくとも一つに応じた値である。
【０１２４】
また、振動発生部２４は、上部電極２４Ａと、圧電体２４Ｂと、下部電極２４Ｃと、の積層体である。
【０１２５】
また、本実施の形態の測定方法は、空洞１６Ａを有する基板１６と、空洞１６Ａの上部に梁部２２を介して配置され発熱部材２０の設けられた可動部１８と、可動部１８を振動させる振動発生部２４と、を有するセンサ素子１４における、発熱部材２０の消費電力と発熱部材２０の振動速度の振動速度依存性４２Ｂとに基づいて、気体温度を導出するステップ、を含む。
【０１２６】
（第２の実施の形態）
上記実施の形態では、測定素子１０の制御装置１２では、自然対流発生時の第１の出力信号と、強制対流発生時の第２の出力信号と、を用いて、気体温度を導出した。しかし、発熱部材２０が異なる振動速度で振動しているときの、第１の出力信号と第２の出力信号と、を用いて、気体温度を導出してもよい。
【０１２７】
図５は、測定素子１０Ｃの機能的構成を示すブロック図である。
【０１２８】
図５に示すように測定素子１０Ｃは、制御装置１２Ａと、センサ素子１４と、を備える。制御装置１２Ａとセンサ素子１４とは電気的に接続されている。センサ素子１４は、上記実施の形態と同様である。
【０１２９】
制御装置１２Ａは、処理部４１と、記憶部４２と、出力部４４と、を備える。制御装置１２Ａは、処理部４０に代えて処理部４１を備えた点以外は、第１の実施の形態の制御装置１２と同様である。
【０１３０】
処理部４１は、発熱制御部４０Ａと、振動制御部４１Ｂと、導出部４１Ｃと、出力制御部４０Ｄと、を備える。処理部４１は、振動制御部４０Ｂおよび導出部４０Ｃに代えて、振動制御部４１Ｂおよび導出部４１Ｃを備える点以外は、第１の実施の形態と同様である。
【０１３１】
振動制御部４１Ｂは、第１の実施の形態の振動制御部４０Ｂと同様に、振動発生部２４の振動を制御する。具体的には、振動制御部４１Ｂは、振動発生部２４の上部電極２４Ａと下部電極２４Ｃとの間に供給する電流値を調整することで、振動発生部２４の振動を制御する。
【０１３２】
本実施の形態では、振動制御部４１Ｂは、第１の振動速度と、第１の振動速度より速い第２の振動速度と、の各々で発熱部材２０が振動するように、振動発生部２４の振動を制御する。振動制御部４１Ｂは、振動発生部２４の上部電極２４Ａと下部電極２４Ｃとの間に供給する電流値を調整することで、第１の振動速度または第２の振動速度で振動するように、振動発生部２４を制御する。
【０１３３】
導出部４１Ｃは、第１の実施の形態の導出部４０Ｃと同様に、振動速度依存性４２Ｂと、発熱部材２０の消費電力と、を用いて、気体温度を導出する。
【０１３４】
ここで、第１の実施の形態では、導出部４０Ｃは、自然対流発生時の第１の出力信号と、強制対流発生時の第２の出力信号と、を用いて、気体温度を導出した。しかし、本実施の形態では、導出部４１Ｃは、強制対流発生時であって、強制対流の速度の異なる２つの状態における、第１の出力信号と第２の出力信号とを用いて、気体温度を導出する。
【０１３５】
すなわち、導出部４１Ｃは、第１の振動速度と、発熱部材２０が第１の振動速度で振動しているときの発熱部材２０の消費電力と、第１の振動速度より速い第２の振動速度と、発熱部材２０が第２の振動速度で振動しているときの発熱部材２０の消費電力と、の関係に対応する気体温度を、振動速度依存性４２Ｂから特定する。これにより、導出部４１Ｃは、気体温度を導出する。
【０１３６】
図７を用いて説明する。例えば、第１の振動速度の０．５乗と、第１の振動速度のときの消費電力（第１の出力信号）と、の対応点Ｐ１が測定されたと仮定する。また、第２の振動速度の０．５乗と、第２の振動速度の時の消費電力（第２の出力信号）と、の対応点Ｐ２が測定されたと仮定する。
【０１３７】
この場合、導出部４１Ｃは、対応点Ｐ１と対応点Ｐ２によって示される関係（図７では、検量線５２Ｂによって示される傾き）に対応する、気体温度ＴＢを、気体温度として導出する。
【０１３８】
次に、本実施の形態の制御装置１２Ａが実行する測定処理の手順の一例を説明する。
【０１３９】
図９は、制御装置１２Ａが実行する測定処理の手順の一例を示す、フローチャートである。
【０１４０】
まず、発熱制御部４０Ａが、発熱部材２０を特定温度に維持する発熱制御を開始する（ステップＳ２００）。
【０１４１】
次に、振動制御部４１Ｂが、可動部１８（発熱部材２０）が第１の振動速度で振動するように、振動発生部２４を振動させるための振動制御を開始する（ステップＳ２０２）。
【０１４２】
次に、導出部４１Ｃが、発熱部材２０が第１の振動速度で振動しているときの、発熱部材２０の出力値を、第１の出力信号として測定する（ステップＳ２０４）。
【０１４３】
次に、振動制御部４１Ｂが、可動部１８（発熱部材２０）が第２の振動速度で振動するように、振動発生部２４を振動させるための振動制御を開始する（ステップＳ２０６）。
【０１４４】
次に、導出部４１Ｃが、発熱部材２０が第２の振動速度で振動しているときの、発熱部材２０の出力値を、第２の出力信号として測定する（ステップＳ２０８）。
【０１４５】
次に、振動制御部４１Ｂは、振動発生部２４の振動制御を終了する（ステップＳ２１０）。
【０１４６】
次に、導出部４１Ｃが、ステップＳ２０４で測定した第１の出力信号と、第１の振動速度と、ステップＳ２０８で測定した第２の出力信号と、第２の振動速度と、振動速度依存性４２Ｂと、を用いて、気体温度を導出する（ステップＳ２１２）。
【０１４７】
そして、出力制御部４０Ｄは、導出部４１Ｃで導出された気体温度を、測定素子１０Ｃで測定した気体温度として出力するように、出力部４４を制御する（ステップＳ２１４）。そして、本ルーチンを終了する。
【０１４８】
以上説明したように、本実施の形態の測定素子１０Ｃでは、第１の振動速度と、発熱部材２０が第１の振動速度で振動しているときの発熱部材２０の消費電力と、第１の振動速度より速い第２の振動速度と、発熱部材２０が第２の振動速度で振動しているときの発熱部材２０の消費電力と、の関係に対応する気体温度を、振動速度依存性４２Ｂから特定することによって、該気体温度を導出する。
【０１４９】
このため、本実施の形態の測定素子１０Ｃでは、気体温度を高速に測定することができる。
【０１５０】
次に、上述した実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａのハードウェア構成について説明する。
【０１５１】
図１０は、実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａのハードウェア構成図である。実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａは、ＣＰＵ９０と、ＲＯＭ９１と、ＲＡＭ９２と、ＨＤＤ９３と、Ｉ／Ｆ９４と、がバス９５を介して接続されている。Ｉ／Ｆ９４は、通信装置や、表示装置や、入力装置などが接続される。
【０１５２】
上記実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａで実行される処理は、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供される。
【０１５３】
ＣＰＵ９０は、ＲＡＭ９２をワークエリア（作業領域）とし、ＲＯＭ９１またはＨＤＤ９３などに格納されたプログラムを実行することで、全体の動作を制御し、上記各種機能部を実現する。
【０１５４】
また、上記実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａで実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上記実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａで実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
【０１５５】
すなわち、上記各種機能をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを提供するウェブサーバに、本実施の形態の情報処理装置１０を適用してもよい。
【０１５６】
また、本実施の形態の上記情報処理を実行するためのプログラムを暗号化し、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してもよい。そして、この暗号化されたプログラムを復号するための鍵情報を用いて該プログラムにアクセスがなされた場合に、該プログラムを復号して実行してもよい。
【０１５７】
また、上記実施の形態の制御装置１２および制御装置１２Ａで実行されるプログラムを、ＲＯＭ９１等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
【０１５８】
なお、本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１０  測定素子
１２  制御装置
１４、１４Ａ、１４Ｂ  センサ素子
１６  基板
１６Ａ  空洞
１８  可動部
２０  発熱部材
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ  梁部
２４  振動発生部
２４Ａ  上部電極
２４Ｂ  圧電体
２４Ｃ  下部電極
４０Ａ  発熱制御部
４０Ｂ、４１Ｂ  振動制御部
４０Ｃ、４１Ｃ  導出部
４２Ｂ  振動速度依存性
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１６０】
【特許文献１】特開平８−１２２１０７号公報
【図１】
2018151292.tif 000003
【図２】
2018151292.tif 000004
【図３】
2018151292.tif 000005
【図４】
2018151292.tif 000006
【図５】
2018151292.tif 000007
【図６】
2018151292.tif 000008
【図７】
2018151292.tif 000009
【図８】
2018151292.tif 000010
【図９】
2018151292.tif 000011
【図１０】
2018151292.tif 000012