(57)【要約】【課題】消費電力量を低減させることのできる環境測定装置および環境センサを提供する。【解決手段】本発明の環境測定装置１００は、環境における気体の温度を検出する温度センサと、上面にキャビティ３５が形成される第１基板３０と、第１基板３０の上面の面上に設けられ、前述の気体を加熱可能な発熱素子３２を含む薄膜３１と、前述の気体の温度との温度差が所定値となるように、発熱素子３２の温度を制御する温度制御回路と、を備え、発熱素子３２は、薄膜３１におけるキャビティ３５の上の部分に配置される。【選択図】図４
2015021946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境における気体の温度を検出する温度センサと、
一方の面に凹部が形成される第１の基板と、
前記一方の面上に設けられ、前記気体を加熱可能な発熱素子を含む薄膜と、
前記気体の温度との温度差が所定値となるように、前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路と、を備え、
前記発熱素子は、前記薄膜における前記凹部の上の部分に配置される、
環境測定装置。
【請求項２】
前記温度センサは、前記第１の基板の他方の面に設けられる、
請求項１に記載の環境測定装置。
【請求項３】
前記温度制御回路は、前記第１の基板の他方の面に設けられる、
請求項１または２に記載の環境測定装置。
【請求項４】
前記温度センサが設けられる第２の基板をさらに備える、
請求項１に記載の環境測定装置。
【請求項５】
前記発熱素子は、間欠的に駆動される、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の環境測定装置。
【請求項６】
前記第１の基板を内部に収納する筐体をさらに備える、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の環境測定装置。
【請求項７】
環境における気体の温度を検出する温度センサと、
一方の面に凹部が形成される第１の基板と、
前記一方の面上に設けられ、前記気体を加熱可能な発熱素子を含む薄膜と、
前記気体の温度との温度差が所定値となるように、前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路と、を備え、
前記発熱素子は、前記薄膜における前記凹部の上の部分に配置される、
環境センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、環境における物理量を測定する環境測定装置および環境センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の機器として、熱源部と、非接触温度センサとを備え、非接触温度センサが、気体が内部を流通する風路管の延在方向に少なくとも二つが並んでいる複数の感熱素子を備えた風向風速計が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１４９９４号公報
【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、特許文献１の風向風速計は、熱源部と複数の感熱素子とを備えているので、複雑な構造になり易く、また電力を消費する素子が多数存在していた。その結果、従来の環境測定装置および環境センサでは、消費電力量を低減するのが困難であった。
【０００５】
本実施形態のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、消費電力量を低減させることのできる環境測定装置および環境センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る環境測定装置は、環境における気体の温度を検出する温度センサと、一方の面に凹部が形成される第１の基板と、前述の一方の面上に設けられ、前述の気体を加熱可能な発熱素子を含む薄膜と、前述の気体の温度との温度差が所定値となるように、発熱素子の温度を制御する温度制御回路と、を備え、発熱素子は、前述の薄膜における凹部の上の部分に配置される。
【０００７】
また、本発明に係る環境センサは、環境における気体の温度を検出する温度センサと、一方の面に凹部が形成される第１の基板と、前述の一方の面上に設けられ、前述の気体を加熱可能な発熱素子を含む薄膜と、前述の気体の温度との温度差が所定値となるように、発熱素子の温度を制御する温度制御回路と、を備え、発熱素子は、前述の薄膜における凹部の上の部分に配置される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の環境測定装置および環境センサによれば、発熱素子は、熱容量が小さく、第１の基板に対して熱的に絶縁されるので、従来の環境測定装置および環境センサと比較して、発熱素子がより少ない電力で気体を加熱することが可能となる。したがって、発熱素子を含む環境センサおよび環境測定装置の全体の消費電力量を低減させることができる。また、本発明の環境センサおよび環境測定装置は、固定電源を備える機器のみならず、移動電源またはバッテリー（二次電池）から電力が供給される機器、例えば、太陽発電、温度差発電、振動発電、バイオ発電、気流または風力発電、水力発電、波力発電、回転発電などの微弱エネルギーを用いて自立発電するエネルギーハーベスト（環境発電）機器、もしくは、携帯型燃料電池を備える機器、特に、携帯型または可搬型の有線または無線通信を行う機器に、好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態における環境測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したセンサチップの一例を示す斜視図である。
【図３】図２に示したセンサチップの分解斜視図である。
【図４】図３に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、
【図５】図３に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。
【図６】図３に示したＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。
【図７】図３に示したＶ−Ｖ線矢視方向断面図である。
【図８】図１に示したセンサチップの他の例を示す分解斜視図である。
【図９】図１に示したセンサチップのさらに他の例を示す斜視図である。
【図１０】図１に示したセンサチップのさらに他の例を示す斜視図である。
【図１１】図１に示した環境センサ部の他の例を示す斜視図である。
【図１２】気体の風速と発熱素子の供給電力との関係の一例を示すグラフである。
【図１３】第２実施形態における環境測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示したセンサチップおよびケースの一例を示す分解斜視図である。
【図１５】図１４に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。
【図１６】図１４および図１５に示したケースにおけるセンサチップの他の設置例を示す分解斜視図である。
【図１７】図１６に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面図である。
【図１８】図１３に示したセンサチップおよびケースの他の例を示す分解斜視図である。
【図１９】図１８に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視方向断面図である。
【図２０】図１３に示したセンサチップおよびケースのさらに他の例を示す分解斜視図である。
【図２１】図２０に示したＩＸ−ＩＸ線矢視方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本実施形態の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１ないし図１２は、本発明に係る環境測定装置および環境センサの第１実施形態を示すためのものである。図１は、第１実施形態における環境測定装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、環境測定装置１００は測定対象となる環境に配置され、当該環境における気体（雰囲気）の温度および速度（以下、適宜、風速という）のうちの少なくとも一方を測定するためのものである。環境測定装置１００は、環境センサ部（環境センサ）１０と、測定部９０と、を備える。
【００１２】
環境センサ部１０は、気体の温度および風速を検出するためのものである。環境センサ部１０は、センサチップ２０と、温度制御回路５０と、を含んで構成される。
【００１３】
図２は図１に示したセンサチップ２０の一例を示す斜視図であり、図３は図２に示したセンサチップ２０の分解斜視図である。図２および図３に示すように、センサチップ２０は、第１基板３０と、第２基板４０と、を含んで構成される。
【００１４】
第１基板３０は、例えば矩形状の板状部材であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガラスなどのセラミックなど、熱伝導率が低く、かつ、微細加工性に優れた材料で構成される。第１基板３０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ数［ｍｍ］以下程度である。但し、第１基板３０の材料、形状、および寸法は、これらの例に限定されない。
【００１５】
第１基板３０の一方の面（図２および図３において上面）の上には、薄膜３１が設けられる。薄膜３１は、第１基板３０の上面の全部または一部を覆っている。薄膜３１は、例えば、熱酸化膜、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、またはシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）など、電気絶縁性および耐環境性に優れた材料で構成される。薄膜３１の厚さは、数百［ｎｍ］から数［μｍ］以下程度であり、薄膜３１は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）やスパッタ法（スパッタリング）などの方法を用いて成膜（形成）することが可能である。但し、薄膜３１の材料、形状、寸法、および成膜（形成）方法は、これらの例に限定されない。
【００１６】
また、薄膜３１は、環境における気体を加熱可能な発熱素子３２と、発熱素子３２に電気的に接続される電極３３ａ，３３ｂと、を含む。発熱素子３２は、例えば、ライン状（線状）の抵抗素子であり、後述するダイアフラム内に引き回されている。電極３３ａ，３３ｂは、第１基板３０の上面における外周部に設けられる。
【００１７】
発熱素子３２および電極３３ａ，３３ｂは、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金などの金属、導電性シリコン薄膜、または導電性ダイヤモンド薄膜などの材料で構成される。また、発熱素子３２および電極３３ａ，３３ｂは、例えば、リソグラフィ法やエピタキシャル成長法（エピー成長法）などの方法を用いて形成することが可能である。但し、発熱素子３２および電極３３ａ，３３ｂの材料および形成方法は、これらの例に限定されない。
【００１８】
また、発熱素子３２の形状は、図２および図３に示した例に限定されず、他の配置（パターン）であってもよい。
【００１９】
図３に示すように、第１基板３０は、他方の面（図３において下面（裏面））に、通気路３６と脚部３７と、が形成される。
【００２０】
図２に示すように、脚部３７は第２基板４０の上面に設置され、第１基板３０は第２基板４０の上に配置される。これにより、第１基板３０の下面と第２基板４０の上面との間に空間が形成され、通気路３６を気体が流通可能になる。
【００２１】
また、脚部３７の底面は、例えば、両極接合またはエポキシなどの樹脂を用い、第２基板４０の上面に接合される。これにより、第１基板３０および第２基板４０は一体化され、センサチップ２０を集積化することが可能となる。
【００２２】
なお、通気路３６および脚部３７の形状、数、配置などは、図２および図３に示した例に限定されない。さらに、第１基板３０と第２基板４０との接合方法は、前述した例に限定されない。
【００２３】
図４は図３に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、図５は図３に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。図４および図５に示すように、第１基板３０は、一方の面（図および図５において上面）にキャビティ（凹部）３５が形成される。キャビティ３５は、例えば、断面形状が舟形凹状に形成される。
【００２４】
薄膜３１においてキャビティ３５を覆う部分は、熱容量が小さく、断熱性を有するダイアフラムを形成しており、発熱素子３２はこのダイアフラム内に設けられる。すなわち、発熱素子３２は、薄膜３１におけるキョビティ３５の上の部分に配置される。これにより、発熱素子３２は、熱容量が小さく、第１基板３０に対して熱的に絶縁されるので、従来の環境測定装置および環境センサと比較して、発熱素子３２がより少ない電力で気体を加熱することが可能となる。
【００２５】
図４に示すように、発熱素子３２は、薄膜３１によって被覆されている。これにより、薄膜３１は発熱素子３２の電気絶縁膜および保護膜として機能し得る。したがって、発熱素子３２を第１基板３０に対して電気的に絶縁することができるとともに、発熱素子３２を外部の環境から保護することができる。
【００２６】
図５に示すように、電極３３ａ，３３ｂは、薄膜３１によって被覆されておらず、電極３３ａ，３３ｂの表面は露出している。これにより、例えば、ワイヤボンディングや導電性樹脂などを用いて、電極３３ａ，３３ｂを介して発熱素子３２の電気信号を出力することができる。
【００２７】
図２および図３に示す通気路３６および脚部３７と、図４および図５に示すキャビティ（凹部）３５とは、例えば、異方性または等方性エッチングなどの化学エッチング技術、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）エッチングや等方性リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）などの気相中のエッチング（ドライエッチング）技術など、微細加工技術（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））を用いて形成することが可能である。但し、通気路３６および脚部３７と、キャビティ（凹部）３５との形成方法は、これらの例に限定されない。
【００２８】
図２および図３に示すように、第２基板４０は、第１基板３０と同様に、例えば矩形状の板状部材であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガラスなどのセラミック、アモルファスなど、熱伝導率が低く、かつ、微細加工性に優れた材料で構成される。第２基板４０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ数［ｍｍ］以下程度である。但し、第２基板４０の材料、形状、および寸法は、これらの例に限定されない。また、第２基板４０の材料、形状、および寸法は、第１基板３０と同一または略同一である場合に限定されず、第１基板３０と異なっていてもよい。
【００２９】
第２基板４０は、一方の面（図２および図３において上面）の上に薄膜４１が設けられる。薄膜４１は、第２基板４０の上面の全部または一部を覆っている。薄膜４１は、例えば、熱酸化膜、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、またはシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）など、電気絶縁性および耐環境性に優れた材料で構成される。薄膜４１の厚さは、例えば数百［ｎｍ］から数［μｍ］以下程度であり、薄膜４１は、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）やスパッタ法（スパッタリング）などの方法を用いて成膜（形成）することが可能である。但し、薄膜４１の材料、形状、寸法、および成膜（形成）方法は、これらの例に限定されない。
【００３０】
また、薄膜４１は、測定対象の環境における気体の温度を検出する温度センサ４２と、温度センサ４２に電気的に接続される電極４３ａ，４３ｂとを含む。温度センサ４２は、例えば、ライン状（線状）の抵抗素子であり、第２基板４０の上面における略中央部に引き回されている。電極４３ａ，４３ｂは、第２基板４０の上面における外周部に設けられる。
【００３１】
温度センサ４２および電極４３ａ，４３ｂは、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金などの金属、導電性シリコン薄膜、または導電性ダイヤモンド薄膜などの材料で構成される。また、温度センサ４２および電極４３ａ，４３ｂは、例えば、リソグラフィ法やエピタキシャル成長法（エピー成長法）などの方法を用いて形成することが可能である。但し、温度センサ４２および電極４３ａ，４３ｂの材料および形成方法は、これらの例に限定されない。
【００３２】
また、温度センサ４２の形状は、図２および図３に示した例に限定されず、他の配置（パターン）であってもよい。
【００３３】
図３に示すように、第２基板４０は、他方の面（図３において下面（裏面））に、通気路４６と脚部４７と、が形成される。
【００３４】
図２に示すように、脚部４７は、例えば、環境における所定の場所に設置される。これにより、第２基板３０の下面の通気路３６を気体が流通可能になる。
【００３５】
図２および図３に示す通気路４６および脚部４７は、例えば、異方性または等方性エッチングなどの化学エッチング技術、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）エッチングや等方性リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）などの気相中のエッチング（ドライエッチング）技術など、微細加工技術（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））を用いて形成することが可能である。但し、通気路４６および脚部４７の形成方法は、これらの例に限定されない。
【００３６】
また、通気路４６および脚部４７の形状、数、配置などは、図２および図３に示した例に限定されない。
【００３７】
図６は図３に示したＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図であり、図７は図３に示したＶ−Ｖ線矢視方向断面図である。図６に示すように、温度センサ４２は、薄膜４１によって被覆されている。これにより、薄膜４１は温度センサ４２の電気絶縁膜および保護膜として機能し得る。したがって、温度センサ４２を第２基板４０に対して電気的に絶縁することができるとともに、温度センサ４２を外部の環境から保護することができる。
【００３８】
図７に示すように、電極４３ａ，４３ｂは、薄膜４１によって被覆されておらず、電極４３ａ，４３ｂの表面は露出している。これにより、例えば、ワイヤボンディングや導電性樹脂などを用いて、電極４３ａ，４３ｂを介して温度センサ４２の電気信号を出力することができる。
【００３９】
本実施形態では、図２および図３において、温度センサ４２が抵抗素子である例を示したが、これに限定されない。
【００４０】
図８は、図１に示したセンサチップ２０の他の例を示す分解斜視図である。図８に示すように、温度センサ４２は、第２基板４０の上面に設けられたチップ型の半導体温度センサ、サーミスタ、白金測温抵抗体、または熱電体であってもよい。
【００４１】
図１に示す温度制御回路５０は、気体の温度との差が所定値となるように、図２、図３、および図４に示す発熱素子３２の温度を制御するためのものである。温度制御回路５０は、例えば、発熱素子３２を含むブリッジ回路と所定の利得（ゲイン）で信号を増幅する増幅器と、を含んで構成することが可能である。
【００４２】
温度制御回路５０は、測定部９０に接続されており、測定部９０から、後述する設定信号Ｓ１が入力される。また、温度制御回路５０は、図２および図３に示す電極４３ａ，４３ｂを介して温度センサ４２に電気的に接続されており、温度センサ４２が出力する温度信号Ｓ２、例えば気体の温度に応じた電流信号が入力される。
【００４３】
温度制御回路５０は、図２および図３に示す電極３３ａ，３３ｂの一方の電極、例えば電極３３ａを介して、発熱素子３２に電気的に接続される。温度制御回路５０は、測定部９０から入力される設定信号Ｓ１と、温度センサ４２から入力される温度信号Ｓ２とに基づいて、発熱素子３２に駆動信号Ｓ３、例えば発熱素子３２のあるべき温度に応じた電力信号または電流信号を出力する。例えば、気体の温度との差がある一定になるように、温度センサ４２により検出された気体の温度が常温の場合には、発熱素子３２の温度がある一定温度差分常温より高くなるように、温度制御回路５０は発熱素子３２に設定温度信号Ｓ３を出力し、温度センサ４２により検出された気体の温度が上昇して３０［℃］になった場合には、発熱素子３２の温度がある一定温度差分３０［℃］より高くなるように、温度制御回路５０は発熱素子３２に設定温度信号Ｓ３を出力し、発熱素子３２の温度を制御する。これにより、例えば、気体の風速が変化しない場合であって、気体の温度が変化することにより、気体の温度と発熱素子３２の温度との温度差が変化する場合に、設定信号Ｓ１を補償（補正）して駆動信号Ｓ３を発熱素子３２に出力することが可能となる。
【００４４】
図１に示す測定部９０は、気体の温度および風速を求めるためのものである。測定部９０は、例えば、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)やＲＡＭ(Random Access Memory)やバッファなどのメモリ、入力インターフェースや出力インターフェースなどの各種インターフェース、および、これらを結ぶバスなどで構成することが可能である。
【００４５】
測定部９０は、図２および図３に示す電極４３ａ，４３ｂを介して温度センサ４２に電気的に接続されており、温度センサ４２が出力する温度信号Ｓ２、例えば気体の温度に応じた電流信号が入力される。これにより、測定部９０は、温度センサ４２から入力される温度信号Ｓ２に基づいて、気体の温度を測定することができる。
【００４６】
測定部９０は、温度センサ４２から入力される温度信号Ｓ２と、目標の温度差として制御される所定値と、気体の風速と、基づいて、設定信号Ｓ１、例えば、発熱素子３２に流すべき電流値設定信号、または、発熱素子３２に供給するべき電力値設定信号を、温度制御回路５０に出力する。
【００４７】
また、測定部９０は、図２および図３に示す電極３３ａ，３３ｂの他方の電極、例えば電極３３ｂを介して、発熱素子３２に電気的に接続されており、発熱素子３２から、温度信号Ｓ４、例えば発熱素子３２の実際の温度に応じた電流信号が入力される。
測定部９０は、設定信号Ｓ１と、温度センサ４２から入力される温度信号Ｓ２と、発熱素子３２から、温度信号Ｓ４と、に基づいて、気体の風速を測定する。なお、気体の風速を測定する原理については、後述する。
【００４８】
測定部９０は、環境測定装置１００の使用態様に応じて、周期的、例えば所定の時間間隔で、および／または、非周期的に、例えば所定の事象をトリガ（引き金）として、温度制御回路５０に設定信号Ｓ１を出力するのが好ましい。これにより、温度制御回路５０が設定信号Ｓ１に基づいて発熱素子３２に駆動信号Ｓ３を出力するので、発熱素子３２が間欠的に駆動される。したがって、従来の環境測定装置および環境センサと比較して、例えば、消費電力量を十分の一程度にすることができ、環境測定装置１００および環境センサ部１０の消費電力領をさらに低減させることができる。
【００４９】
本実施形態では、図２および図３において、センサチップ２０が第２基板４０を含んで構成される例を示したが、これに限定されない。
【００５０】
図９は、図１に示したセンサチップ２０のさらに他の例を示す斜視図である。なお、図９おける上の図は、センサチップ２０の一方の面（上面）の斜視図であり、図９おける下の図は、センサチップ２０の他方（下面）の面の斜視図である。図９に示すように、センサチップ２０は第１基板３０を含んで構成される。第１基板３０の上面の上には、前述した薄膜３１が設けられる。薄膜３１は、前述した発熱素子３２および電極３３ａ，３３ｂを含む。一方、第１基板３０の下面（裏面）には、前述した温度センサ４２および電極４３ａ，４３ｂが設けられている。
【００５１】
温度センサ４２は、第１基板３０の下面における略中央部に配置され、電極４３ａ，４３ｂは、第１基板３０の下面における脚部３７の底面に配置される。これにより、センサチップ２０の集積度を高めることができ、さらにセンサチップ２０を小型化することができる。
【００５２】
なお、温度センサ４２と電極４３ａ，４３ｂとを接続する配線は、脚部３７の側面に沿って三次元的に形成する技術を用いる。
【００５３】
図１０は、図１に示したセンサチップ２０のさらに他の例を示す斜視図である。なお、図１０おける上の図は、センサチップ２０の一方の面（上面）の斜視図であり、図９おける下の図は、センサチップ２０の他方（下面）の面の斜視図である。図１０に示すように、第１基板３０の下面（裏面）に設けられる温度センサ４２は、図８に示した場合と同様に、半導体温度センサ、またはサーミスタなどであってもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、図１ないし図３において、環境センサ部（環境センサ）１０がセンサチップ２０と、温度制御回路５０とを含んで構成され、センサチップ２０が第２基板４０を含んで構成される例を示したが、これに限定されない。
【００５５】
図１１は、図１に示した環境センサ部１０の他の例を示す斜視図である。なお、図１０おける上の図は、センサチップ２０の一方の面（上面）の斜視図であり、図９おける下の図は、センサチップ２０の他方（下面）の面の斜視図である。図１１に示すように、環境センサ部（環境センサ）１０は第１基板３０を含んで構成される。第１基板３０の上面の上には、前述した薄膜３１が設けられる。薄膜３１は、前述した発熱素子３２および電極３３ａ，３３ｂを含む。一方、第１基板３０の下面（裏面）には、前述した温度センサ４２および温度制御回路５０を含む集積回路６０が設けられている。
【００５６】
また、第１基板３０の下面には、さらに、集積回路６０の温度センサ４２部分に電気的に接続される電極４３ａ，４３ｂと、集積回路６０の温度制御回路５０部分に電気的に接続される電極５１ａ，５１ｂと、が設けられている。
【００５７】
電極４３ａ，４３ｂは、第１基板３０の下面（裏面）における手前側の脚部３７の底面に配置され、電極５１ａ，５１ｂは、第１基板３０の下面（裏面）における奥側の脚部３７の底面に配置される。なお、集積回路６０の温度センサ４２部分と電極４３ａ，４３ｂとを接続する配線、および、集積回路６０の温度制御回路５０部分と電極４３ａ，４３ｂとを接続する配線は、脚部３７の側面に沿って三次元的に形成する技術を用いる。これにより、環境センサ部（環境センサ）１０の集積度を高めることができ、さらに環境センサ部（環境センサ）１０を小型化することができる。
【００５８】
次に、環境測定装置１００が気体の風速を測定する原理について説明する。
【００５９】
一般に、流体中に発熱体を置くと、流体により発熱体の熱が放散し（奪われ）、発熱体の温度が低下する。このとき、発熱体の温度は、流体の速度（流速）に応じて低下することが分かっている。
【００６０】
図２に示したセンサ部２０が、気体の流れのある環境（空間）に配置される場合を考える。発熱素子３２から放散される単位時間当たりの放熱量ＱHは、Ｋｉｎｇの式により、気体の速度、つまり風速Ｕと、発熱素子３２の温度ＴHと気体の温度ＴAとの温度差ΔＴ（＝ＴH−ＴA）と、を用いて、以下の式（１）で与えられる。
ＱH＝（Ａ＋ＢＵn）×ΔＴ  …（１）
但し、ＡおよびＢは気体および発熱素子３２の形状などにより決まる定数を表し、ｎは気体の風速により決まるパラメータを表す。
【００６１】
一方、発熱素子３２に供給される単位時間当たりの供給熱量ＱSは、発熱素子３２に供給される供給電力ＰSと等しいので、発熱素子３２の供給熱量ＱSは、発熱素子３２に印加する電圧ＶS、または、発熱素子３２を流れる電流ＩSと、発熱素子３２の抵抗成分（抵抗値）ＲΔTと、を用いて、以下の式（２）で与えられる。
ＱS＝ＰS＝ＩS2×ＲΔT＝ＶS2／ＲΔT  …（２）
【００６２】
ここで、発熱素子３２の抵抗成分（抵抗値）ＲΔTは、発熱素子３２の温度ＴHと気体の温度ＴAとの温度差ΔＴに依存し、以下の式（３）で与えられる。
ＲΔT＝Ｒ0（１＋α×ΔＴ）  …（３）
但し、Ｒ0は気体の温度ＴAと同温度のときの発熱素子３２の抵抗成分（抵抗値）を表し、αは温度係数を表す。
【００６３】
前述したように、気体の風速によって発熱素子３２の熱が奪われて放散されるので、熱的に平衡状態になると、発熱素子３２の放熱量ＱHと、発熱素子３２の供給熱量ＱSとが等しくなる。よって、式（１）および式（２）から、気体の速度Ｕは、発熱素子３２の供給熱量ＱSを用いて以下の式（４）で与えられる。
Ｕ＝［｛１／（Ｂ×ΔＴ）｝（ＱS−Ａ×ΔＴ）1/n］  …（４）
【００６４】
ここで、本発明の環境測定装置１００では、気体の温度ＴAとの差が所定値となるように、図１に示す温度制御回路５０が発熱素子３２の温度ＴHを制御するので、発熱素子３２の温度ＴHと気体の温度ＴAとの温度差ΔＴは、定数とみなすことが可能となる。また、式（２）から、発熱素子３２の供給熱量ＱSは、発熱素子３２の供給電力ＰSで表すことが可能である。よって、これらのことを考慮して式（２）および式（４）を整理すると、気体の速度Ｕと発熱素子３２の供給電力ＰSとの関係は、以下の式（５）で与えられる。
Ｕ＝β｛（ＰS／Ｐ0）−１｝1/n  …（５）
但し、βは比例定数を表し、Ｐ0は気体の温度ＴAと同温度のときの発熱素子３２の供給電力（供給熱量）を表す。
【００６５】
図１２は、気体の風速と発熱素子３２の供給電力との関係の一例を示すグラフである。図１２に示すように、気体の風速Ｕと発熱素子３２の供給電力ＰSとの関係は、式（５）を基にリニアライズ（直線化または線形化）することが可能である。図１に示す測定部９０は、例えば、図１２に示す関係をあらかじめメモリなどに記憶しておき、この関係に基づいて、発熱素子３２の供給電力ＰSから気体の風速Ｕを測定する。本発明の環境測定装置１００は、例えば、数［ｍｍ／ｓ］から数十［ｍ／ｓ］までの広範囲の風速を求める（得る）ことが可能となる。
【００６６】
具体的に、例えば、気体の温度との差が１００［℃］になるように、温度制御回路５０が発熱素子３２の温度を制御するとき、温度センサ４２により検出された気体の温度が２０［℃］である場合に、測定部９０は、１００［℃］に相当（対応）する電力、例えば１００［ｍＷ］を発熱素子３２に供給させる設定信号Ｓ１を温度制御回路５０に出力する。温度制御回路５０は、温度信号Ｓ４に基づいて設定信号Ｓ１の内容を補正して駆動信号Ｓ３を発熱素子３２に出力する。次に、発熱素子３２から温度信号Ｓ４が測定部９０に入力される。例えば、温度信号Ｓ４に基づく発熱素子３２の温度が１１０［℃］である場合、温度信号Ｓ２に基づく気体の温度が２０［℃］のままであれば、先の設定信号Ｓ１との差である１０［℃］は、気体の風速による低下であると考えられる。よって、測定部９０は、例えば、発熱素子３２に供給する電力を、変化分である１０［℃］に相当（対応）する電力、例えば１０［ｍＷ］を演算などにより求め、例えば１１０［ｍＷ］を発熱素子３２に供給させる新たな設定信号Ｓ１を、温度制御回路５０に出力する。温度制御回路５０は、新たな設定信号Ｓ１と温度信号Ｓ４とに基づいて、新たな駆動信号Ｓ３を発熱素子３２に出力する。このように、温度信号Ｓ２および温度信号Ｓ４に基づいて設定信号Ｓ１を更新する動作を繰り返すことにより、発熱素子３２の温度はフィードバック制御される。
【００６７】
また、測定部９０は、図１２に示す関係に基づいて、気体の風速による増加分である１０［ｍＷ］の発熱素子３２の電力から気体の風速、例えば１０［ｍｍ／ｓ］を求める（得る）。
【００６８】
なお、前述した例では、式（５）において、気体の風速Ｕと発熱素子３２の供給電力ＰSとの関係を示したが、これに限定されない。式（２）から明らかなように、気体の風速Ｕと発熱素子３２の電流ＩSとの関係、または、気体の風速Ｕと発熱素子３２の電圧ＶSとの関係についても、方程式で表すことができる。これらの場合も同様に、リニアライズ（直線化または線形化）することが可能であり、測定部９０は、これら関係に基づいて、発熱素子３２の電流ＩSまたは発熱素子３２の電圧ＶSから気体の風速Ｕを測定する。
【００６９】
このように、本実施形態の環境測定装置１００および環境測定センサ１０によれば、発熱素子３２は、熱容量が小さく、第１基板３０に対して熱的に絶縁されるので、従来の環境測定装置および環境センサと比較して、発熱素子３２がより少ない電力で気体を加熱することが可能となる。したがって、発熱素子３２を含む環境センサ部（環境センサ）１０および環境測定装置１００の全体の消費電力量を低減させることができる。また、本実施形態の環境センサ部（環境センサ）１０および環境測定装置１００は、固定電源を備える機器のみならず、移動電源またはバッテリー（二次電池）から電力が供給される機器、例えば、太陽発電、温度差発電、振動発電、バイオ発電、気流または風力発電、水力発電、波力発電、回転発電などの微弱エネルギーを用いて自立発電するエネルギーハーベスト（環境発電）機器、もしくは、携帯型燃料電池を備える機器、特に、携帯型または可搬型の有線または無線通信を行う機器に、好適に用いることができる。
【００７０】
＜第２実施形態＞
図１３ないし図２１は、本発明に係る環境測定装置および環境センサの第２実施形態を示すためのものである。なお、特に記載がない限り、前述した第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、前述した第１実施形態と類似する構成部分は類似の符号をもって表し、その詳細な説明を省略する。さらに、図示しない構成、動作、および配置は、前述した第１実施形態と同様とする。
【００７１】
図１３は、第２実施形態における環境測定装置１００Ａの概略構成を示すブロック図である。環境測定装置１００Ａは、環境センサ部（環境センサ）１０Ａと、前述した測定部９０と、を備える。環境センサ部１０Ａは、前述したセンサチップ２０および温度制御回路５０に加え、ケース（筐体）７０をさらに備える。
【００７２】
ケース（筐体）７０は、環境センサ部（環境センサ）１０Ａの一部または全部を内部に収容するためのものである。ケース７０は、例えば、センサチップ２０を内部に収容する。これにより、センサチップ２０に含まれる第１基板３０が保護され、第１基板３０の破損の可能性を低減することができる。
【００７３】
図１４は図１３に示したセンサチップ２０およびケース７０の一例を示す分解斜視図であり、図１５は図１４に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。図１４および図１５に示すように、ケース７０は、矩形状の板状部材である第１部材７１および第２部材７２と、第１部材６１の下面（裏面）における各角部に接合されまたは形成された支持部材７３と、を含んで構成される。第２部材７２の上面における略中央部には、センサチップ２０が設置される。第１部材７１は、支持部材７３によって、第２部材７２の上面に対して所定の距離を離間させて配置される。これにより、第１部材７１と第２部材７２との間に、気体の流れが流通可能な空間が形成される。
【００７４】
なお、図１４および図１５に示した第１部材７１、第２部材７２、および、支持部材７３は一例であって、第１部材７１、第２部材７２、および支持部材７３の形状、寸法、配置、数などは、図１４および図１５に示した例に限定されない。
【００７５】
図１６は図１４および図１５に示したケース７０におけるセンサチップ２０の他の設置例を示す分解斜視図であり、図１７は、図１６に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面図である。図１６および図１７に示すように、第１部材７１の下面における略中央部には、センサチップ２０が設置されてもよい。これにより、環境における気体にゴミ、チリ、ホコリなど不純物（混入物）が含まれる場合に、不純物がセンサチップ２０に堆積するのを防止することができる。
【００７６】
図１８は図１３に示したセンサチップ２０およびケース７０の他の例を示す分解斜視図であり、図１９は図１８に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視方向断面図である。図１８および図１９に示すように、矩形状の板状部材である第１部材７１および第２部材７２と、第２部材７２の上面における各角部に接合されまたは形成された支持部材７３と、を含んで構成される。第１部材７１の下面（裏面）にはガイド板７４が設けられ、第２部材７２の上面にはガイド板７５が設けられる。センサチップ２０は、ガイド板６５の内側に配置される。ガイド板７４およびガイド板７５は、支持部材７３によって支持される第１基板７１が、第２基板７２の上方に配置されたときに、ガイド板７４がガイド板７５を包み込むように構成される。また、ガイド板７４およびガイド板７５は、気体の流れが、図１９において矢印で示すように、ガイド板７４およびガイド板７５の内部の空間に誘導（案内）されて流通するように構成される。これにより、環境における気体にゴミ、チリ、ホコリなど不純物（混入物）が含まれる場合に、ガイド板７４およびガイド板７５によって気体から不純物を除去することができる。
【００７７】
なお、図１８および図１９に示したガイド板７４およびガイド板７５は一例であって、ガイド板７４およびガイド板７５の形状、配置などは、図１８および図１９に示した例に限定されない。
【００７８】
図２０は図１３に示したセンサチップ２０およびケース７０のさらに他の例を示す分解斜視図であり、図２１は図２０に示したＩＸ−ＩＸ線矢視方向断面図である。図２０および図２１に示すように、第１部材７１にはガイド板７４の周辺部に通気路７６が形成され、第２部材７２にはガイド板７５の周辺部に通気路７７が形成されていてもよい。これにより、環境における気体にゴミ、チリ、ホコリなど不純物（混入物）が含まれる場合に、図２１において白抜き矢印で示すように、気体が通気路７６および通気路７７を通ってケース７０の外部に排出（排気）されるので、ケース７０に不純物が溜まるのを防止することができる。
【００７９】
なお、図２０および図２１に示した通気路７６および通気路７７は一例であって、通気路７６および通気路７７の数、孔の形状、配置などは、図２０および図２１に示した例に限定されない。
【００８０】
このように、本実施形態の環境測定装置１００Ａおよび環境センサ１０Ａによれば、第１実施形態の環境測定装置１００および環境センサ１０の作用効果に加え、環境センサ部（環境センサ）１０Ａの少なくとも一部がケース７０の内部に収容されるので、環境センサ部（環境センサ）１０Ａが保護され、破損の可能性を低減することができる。また、環境における気体にゴミ、チリ、ホコリなど不純物（混入物）が含まれる場合に、当該不純物による環境センサ部（環境センサ）１０Ａの性能低下を防止することができる。
【００８１】
なお、前述した各実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本実施形態の構成は前述した各実施形態のみに限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０，１０Ａ…環境センサ部（環境センサ）
２０…センサチップ
３０…第１基板
３１…薄膜
３２…発熱素子
３３ａ，３３ｂ…電極
３５…キャビティ（凹部）
３６…通気路
３７…脚部
４０…第２基板
４１…薄膜
４２…温度センサ
４３ａ，４３ｂ…電極
４６…通気路
４７…脚部
５０…温度制御回路
６０…集積回路
７０…ケース（筐体）
７１…第１部材
７２…第２部材
７３…支持部材
７４，７５…ガイド板
７６，７７…通気路
１００，１００Ａ…環境測定装置
Ｓ１…設定信号
Ｓ２，Ｓ４…温度信号
Ｓ３…駆動信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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