(57)【要約】【課題】  消費電力が少なく、熱効率が良好で、風速に対する感度および応答性に優れた、風速センサを提供する。【解決手段】  風速検出用負特性サーミスタ９と温度補償用負特性サーミスタ１０とが互いに別個の辺に設けられてブリッジ回路２０が形成され、風速検出用負特性サーミスタ９には加熱用負特性サーミスタ１７が熱的に結合されている。風速検出用負特性サーミスタ９と加熱用負特性サーミスタ１７とは、これらが共通のチップ状部品本体をもって一体化された複合型負特性サーミスタ素子２によって構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風速検出用負特性サーミスタと温度補償用負特性サーミスタとが互いに別個の辺に設けられてブリッジ回路が形成され、前記風速検出用負特性サーミスタには加熱用負特性サーミスタが熱的に結合されており、前記風速検出用負特性サーミスタと前記加熱用負特性サーミスタとは、これらが共通のチップ状部品本体をもって一体化された複合型負特性サーミスタ素子によって構成されている、風速センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風速センサに関するもので、特に、負特性サーミスタを用いた風速センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明にとって興味ある風速センサとして、特開平６−８２２８６号公報（特許文献１）に記載された熱式流量計がある。この熱式流量計は、次のような構成を有している。
【０００３】
検出用感温抵抗体と温度補償用感温抵抗体とが互いに別個の辺に設けられてブリッジ回路が形成される。上記検出用感温抵抗体には加熱用抵抗体が熱的に一体的に結合されている。検出用感温抵抗体のブリッジ辺出力電圧と温度補償用感温抵抗体のブリッジ辺出力電圧との差動出力が加熱用抵抗体に加えられる。
【０００４】
このような構成の熱式流量計において、流体の流れによって検出用感温抵抗体から流量に応じた放熱が起こり、検出用感温抵抗体の温度が下がり、抵抗値が変化し、検出用感温抵抗体側のブリッジ辺出力電圧が変化する。そして、検出用感温抵抗体側のブリッジ辺出力電圧と温度補償用感温抵抗体側のブリッジ辺出力電圧との差動出力が流量として検出される。この差動出力は、また、加熱用抵抗体に加えられ、この加熱用抵抗体の発熱によって、検出用感温抵抗体が、その放熱による温度低下分だけ加熱され、検出用感温抵抗体と温度補償用感温抵抗体との温度差が一定になるように制御される。
【０００５】
このような熱式流量計によれば、検出用感温抵抗体設置部分においては、検出用感温抵抗体と加熱用抵抗体とが熱的に一体形成される簡易な構造をとることができるので、熱効率が良好で、したがって感度も良好で、小型にすることができる。さらに、駆動回路においても、ブリッジ回路からの差動出力が加熱用抵抗体に加わるので、温度補償用感温抵抗体と検出用感温抵抗体との温度差を一定にするための回路構成が極めて簡単となり、このことも小型化に寄与する。
【０００６】
特許文献１に記載された好ましい実施例では、検出用感温抵抗体と温度補償用感温抵抗体とは、同じ抵抗温度係数を持つ負特性サーミスタから構成され、他方、加熱用抵抗体は、特定の抵抗温度係数を持つものではなく、単に抵抗値の小さい抵抗体から構成される。また、好ましい実施例では、検出用感温抵抗体と加熱用抵抗体とを熱的に結合させるため、熱伝導率の高い共通の基板上にこれら両者を固定している。
【特許文献１】特開平６−８２２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された熱式流量計では、検出用感温抵抗体と加熱用抵抗体とが基板を介して熱的に結合されているため、検出用感温抵抗体を加熱用抵抗体によって加熱する際、加熱のために要する電力が比較的大きくなってしまう。また、加熱された検出用感温抵抗体が、流体の流れ、たとえば風によって放熱する際、基板への熱伝導が生じるため、風速に対する応答速度が遅くなってしまう。
【０００８】
なお、特許文献１では、基板を介しての検出用感温抵抗体と加熱用抵抗体との熱的結合構造のほか、加熱用抵抗体上に検出用感温抵抗体を直接固定する構造も開示されている。しかしながら、このような構造が採用されたとしても、加熱用抵抗体と検出用感温抵抗体とは各々独立した別個の部品であるため、互いの間の熱的結合の高効率化についてはさらなる向上の余地があるばかりでなく、互いの間の接触状態あるいは互いの間に存在するたとえば接着剤のような熱伝導媒体の材質や厚み等によって、熱的結合条件が異なってくるため、熱的結合状態が不安定であり、製品間で特性がばらつきやすい。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る風速センサを提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る風速センサは、風速検出用負特性サーミスタと温度補償用負特性サーミスタとが互いに別個の辺に設けられてブリッジ回路が形成され、風速検出用負特性サーミスタには加熱用負特性サーミスタが熱的に結合されており、風速検出用負特性サーミスタと加熱用負特性サーミスタとは、これらが共通のチップ状部品本体をもって一体化された複合型負特性サーミスタ素子によって構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、風速検出用負特性サーミスタと加熱用負特性サーミスタとが共通のチップ状部品本体を備える複合型負特性サーミスタ素子によって構成されるので、加熱用負特性サーミスタにおいて生じた熱が、直接、風速検出用負特性サーミスタへと伝わる。したがって、風速検出用負特性サーミスタと加熱用負特性サーミスタとの間で高い伝熱効率を有する熱的結合を実現することができ、風速検出用負特性サーミスタを加熱するために要する電力を少なくでき、結果として、風速センサの消費電力を少なくすることができる。また、この発明に係る風速センサは、低電圧で駆動可能であるため、加熱用負特性サーミスタを発熱させるための電力を得るためのパワートランジスタ等の増幅手段での発熱を抑えることができる。
【００１２】
また、風速検出用負特性サーミスタと加熱用負特性サーミスタとの熱的結合において、基板が実質的に関与しないので、基板への熱伝導が原因となって、風速に対する感度が低下したり、風速に対する応答性が低下したりすることを抑制することができる。
【００１３】
また、風速検出用負特性サーミスタと加熱用負特性サーミスタとの熱的結合状態を安定化させることができるので、製品としての風速センサ間での特性のばらつきを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、この発明の一実施形態による風速センサ１に備える電気的要素を回路図で示したものである。図２は、図１に示した風速センサ１の機械的構成を概略的に示す平面図である。図３は、図２に示した風速センサ１に備える複合型負特性サーミスタ素子２の外観を拡大して示す斜視図である。図４は、図３に示した複合型負特性サーミスタ素子２の内部構造を示す断面図である。
【００１５】
風速センサ１は、まず、図２に示すような機械的構成を有している。すなわち、たとえば厚み１．０ｍｍであって、ガラスエポキシ材料のような熱伝導率の比較的低い材料からなる基板３を備え、この基板３上に、図１に示す回路を構成するように、種々の電気的要素が実装されている。基板３には、また、外部との接続のための端子、より具体的には、電源供給用端子４、出力取出し用端子５およびグラウンド端子６が設けられる。
【００１６】
なお、図１に示した電気的構成と図２に示した機械的構成との対応関係をより容易に理解できるようにするため、図１および図２において、対応する要素には共通する参照符号が付されている。
【００１７】
風速センサ１は、図１に示す直流電源７によって駆動される。この直流電源７は、図２に示した電源供給用端子４を通して、たとえばＮＰＮ型のパワートランジスタ８のコレクタに供給される。
【００１８】
風速センサ１は、また、風速検出用負特性サーミスタ９、温度補償用負特性サーミスタ１０および差動増幅器１１を備えている。
【００１９】
また、風速センサ１には、図１に示すように、ブリッジ回路１２が形成されている。ブリッジ回路１２において、前述した風速検出用負特性サーミスタ９と温度補償用負特性サーミスタ１０とが互いに別個の辺に設けられている。
【００２０】
ブリッジ回路１２における風速検出用負特性サーミスタ９が設けられた辺であって、風速検出用負特性サーミスタ９の一方端とトランジスタ８のエミッタとの間には固定抵抗器１３が接続され、風速検出用負特性サーミスタ９の他方端はグラウンド端子６を介してグラウンド接続される。
【００２１】
ブリッジ回路１２における温度補償用負特性サーミスタ１０が設けられた辺であって、温度補償用負特性サーミスタ１０の一方端とトランジスタ８のエミッタとの間には、固定抵抗器１４が接続される。温度補償用負特性サーミスタ１０の他方端はグラウンド端子６を介してグラウンド接続される。
【００２２】
ブリッジ回路１２の、風速検出用負特性サーミスタ９側の辺であって、風速検出用負特性サーミスタ９と固定抵抗器１３との接続点１５での出力電圧は、差動増幅器１１の非反転入力端子に与えられる。他方、ブリッジ回路１２の、温度補償用負特性サーミスタ１０側の辺であって、温度補償用負特性サーミスタ１０と固定抵抗器１４との接続点１６での出力電圧は、差動増幅器１１の反転入力端子に与えられる。差動増幅器１１の差動出力電圧は、トランジスタ８のベースに与えられる。
【００２３】
また、風速センサ１は、風速検出用負特性サーミスタ９に熱的に結合されている加熱用負特性サーミスタ１７を備えている。加熱用負特性サーミスタ１７の一方端には、電流制限用の固定抵抗器１８が接続され、この固定抵抗器１８およびブリッジ回路１２を介して、加熱用負特性サーミスタ１７がトランジスタ８のエミッタに接続される。加熱用負特性サーミスタ１７の他方端はグラウンド端子６を介してグラウンド接続される。
【００２４】
上述したように、互いに熱的に結合される風速検出用負特性サーミスタ９と加熱用負特性サーミスタ１７とは、これらが共通のチップ状部品本体１９をもって一体化された複合型負特性サーミスタ素子２によって構成される。
【００２５】
主として図３および図４を参照して、チップ状部品本体１９は、負の抵抗温度係数を持つサーミスタ特性を有する複数のセラミック層２０を積層した構造を有している。部品本体１９は、図４に示すように、その右半分が風速検出用負特性サーミスタ９を与え、その左半分が加熱用負特性サーミスタ１７を与えるものである。
【００２６】
部品本体１９の、風速検出用負特性サーミスタ９を与える部分には、端縁において互いに対向するたとえば１対の内部電極２１および２２がセラミック層２０間の特定の界面に沿って形成されている。他方、部品本体１９の、加熱用負特性サーミスタ１７を与える部分においては、セラミック層２０を介して互いに対向する複数組の内部電極２３および２４がセラミック層２０間の特定の界面に沿ってそれぞれ形成されている。
【００２７】
部品本体１９における、風速検出用負特性サーミスタ９となるべき部分と加熱用負特性サーミスタとなるべき部分との境界部分には、スルーホール導体２５が設けられる。このスルーホール導体２５には、上述した内部電極２２および２４が電気的に接続される。また、部品本体１９の外表面上であって、長手方向の中央部には、外部電極２６が形成され、上述したスルーホール導体２５は、この外部電極２６に電気的に接続される。
【００２８】
部品本体１９の外表面上であって、その長手方向の各端部には、外部電極２７および２８がそれぞれ形成される。外部電極２７には、前述した内部電極２１が電気的に接続され、外部電極２８には、前述した内部電極２３が電気的に接続される。
【００２９】
このような複合型負特性サーミスタ素子２において、外部電極２６が、図２に示したグラウンド端子６に電気的に接続される。また、外部電極２７が、差動増幅器１１の非反転入力端子および固定抵抗器１３に電気的に接続される。また、外部端子２８は、電流制限用固定抵抗器１８に電気的に接続される。
【００３０】
図３および図４に示した複合型負特性サーミスタ素子２は、たとえば、次のようにして製造されることができる。
【００３１】
Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等の酸化物を用いて、たとえば比抵抗が１００Ω・ｃｍ、Ｂ定数が３２００Ｋの負特性サーミスタ材料となる原料粉末が用意される。次に、この原料粉末にバインダ等を混合することによって、スラリーを得る。次に、ドクターブレード法などを適用して、スラリーをシート状に成形し、たとえば厚さ６０μｍのグリーンシートを得、これを所定の寸法にカットする。
【００３２】
このようにして得られた複数のグリーンシートの特定のものに、内部電極２１〜２４を、たとえば、Ａｇ−Ｐｄ合金を導電成分として含む導電性ペーストを印刷することによって形成する。次に、複数のグリーンシートを、図４に示すような内部電極２１〜２４の配置状態が得られるように積層し、次いで、積層方向に熱圧着し、生の積層体を得る。次に、生の積層体に、スルーホール導体２５を設けるため、貫通孔を形成し、そこに、たとえばＡｇ−Ｐｄ合金を導電成分として含む導電性ペーストを注入する。
【００３３】
次に、上述の生の積層体を、必要に応じて、カットした後、たとえば、１２００℃程度の温度で２時間焼成し、焼結後の積層体、すなわちチップ状部品本体１９を得る。
【００３４】
次に、チップ状部品本体１９の外表面上に、外部電極２６〜２８を形成するため、たとえばＡｇを導電成分として含む導電性ペーストを付与し、７００℃程度の温度で焼付け、Ａｇ厚膜を形成した後、ＮｉめっきおよびＳｎめっきを順次施す。
【００３５】
以上のようにして、複合型負特性サーミスタ素子２を得ることができる。
【００３６】
温度補償用負特性サーミスタ１０も、その内部構造が複合型負特性サーミスタ素子２とは異なるが、図２に示すように、チップ状の部品本体を備える負特性サーミスタ素子によって構成される。
【００３７】
また、図２に示すように、固定抵抗器１３、１４および１８の各々は、チップ抵抗器によって与えられている。なお、これら固定抵抗器１３、１４および１８は、基板３上に直接形成した厚膜抵抗体または薄膜抵抗体によって与えられてもよい。
【００３８】
以上説明した風速センサ１において、一実施例では、風速検出用負特性サーミスタ９は、２５℃での抵抗値が２．２ｋΩとされ、温度補償用負特性サーミスタ１０は、２５℃での抵抗値が１．５ｋΩとされ、加熱用負特性サーミスタ１７は、２５℃での抵抗値が１０Ωとされる。また、固定抵抗器１３は、抵抗値が２．２ｋΩとされ、固定抵抗器１４は、抵抗値が１．５ｋΩとされ、固定抵抗器１８は、抵抗値が１０Ωとされる。概略的に言えば、風速検出用負特性サーミスタ９および温度補償用負特性サーミスタ１０ならびに固定抵抗器１３および１４の各々の抵抗値が数ｋΩとされ、加熱用負特性サーミスタ１７の抵抗値は数１０Ωとされ、電流制限用の固定抵抗器１８の抵抗値は数Ωとされる。
【００３９】
図１を参照して、風速センサ１の動作を説明すると、直流電源７が供給されたとき、トランジスタ８から、固定抵抗器１８および加熱用負特性サーミスタ１７へと電流が流れる。このとき、抵抗値が数ｋΩと高い、固定抵抗器１３および１４ならびに風速検出用負特性サーミスタ９および温度補償用負特性サーミスタ１０へは、電流がほとんど流れない。
【００４０】
上述の状態において、加熱用負特性サーミスタ１７が通電によって自己発熱し、この発熱によって、風速検出用負特性サーミスタ９が加熱され、この風速検出用負特性サーミスタ９の抵抗値が低下する。このような状況において、差動増幅器１１のブリッジが平衡状態になる。すなわち、ブリッジ回路１２から差動増幅器１１の非反転入力端子に加えられる出力電圧と、同じく反転入力端子に加えられる出力端子との差が最小になる。
【００４１】
他方、上述のように加熱された風速検出用負特性サーミスタ９に風が当たると、放熱効果により、風速検出用負特性サーミスタ９が冷却され、この風速検出用負特性サーミスタ９の抵抗値が上昇する。その結果、差動増幅器１１の非反転入力端子に加えられるブリッジ回路１２からの出力電圧が増加し、したがって、差動増幅器１１からの差動出力電圧が増加する。
【００４２】
上述の差動出力電圧は、風速の検出信号として取り出される。
【００４３】
また、差動出力電圧は、トランジスタ８によって増幅され、加熱用負特性サーミスタ１７に加えられる。これによって、加熱用負特性サーミスタ１７が発熱し、これと熱的に結合されている風速検出用負特性サーミスタ９が加熱され、この風速検出用負特性サーミスタ９の抵抗値が下がる。その結果、差動増幅器１１の非反転入力端子に加えられるブリッジ回路１２からの出力電圧が下がり、再び、この非反転入力端子に加えられる電圧と反転入力端子に加えられる電圧との差が最小になる。
【００４４】
このとき、トランジスタ８から固定抵抗器１８へと流れる電流を検知することによって、風速を検出することもできる。
【００４５】
次に、この発明によって得られる効果、特に、風速検出用負特性サーミスタ９と加熱用負特性サーミスタ１７とを一体化した複合型負特性サーミスタ素子２を用いることによって得られる効果について、より具体的に説明する。
【００４６】
まず、平面寸法が１．６ｍｍ×０．８ｍｍである、この発明に係る複合型負特性サーミスタ素子（実施例）を作製したところ、無風状態で、約１．０ｍＷ／℃の熱放散定数のものが得られた。
【００４７】
他方、特許文献１に記載されるような構造であって、平面寸法が３ｍｍ×３ｍｍでありかつ厚みが０．６３ｍｍであるアルミナ基板上に、ともに平面寸法が１．６ｍｍ×０．８ｍｍの加熱用抵抗体および負特性サーミスタ素子を実装したもの（比較例）を作製したところ、無風状態で、約６．０ｍＷ／℃の熱放散定数を有するものが得られた。
【００４８】
これら実施例と比較例とを比較すると、無風状態のとき、風速検出用負特性サーミスタと温度補償用負特性サーミスタとの温度差を１０℃にするには、風速検出用負特性サーミスタを１０℃昇温させる必要がある。この昇温にあたって必要な電力は、実施例では、１．０ｍＷ／℃×１０℃＝１０ｍＷであり、他方、比較例では、６．０ｍＷ／℃×１０℃＝６０ｍＷであり、実施例によれば、比較例に比べて、約５０ｍＷの省電力化が可能である。
【００４９】
また、風速を１０ｍ／秒とすると、熱放散定数は約２倍となるため、消費電力は、実施例では、１．０ｍＷ／℃×２×１０℃＝２０ｍＷであり、他方、比較例では、６．０ｍＷ／℃×２×１０℃＝１２０ｍＷであり、実施例によれば、比較例に比べて、約１００ｍＷの省電力化が可能である。
【００５０】
また、応答速度について比較すると、上述の実施例では、６３％応答時間が約１０秒であり、比較例では、約２０秒であり、実施例によれば、応答時間を比較例の約半分とすることができる。したがって、風速センサとしての応答時間についても、実施例によれば、比較例の約半分とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の一実施形態による風速センサ１に備える電気的要素を回路図で示したものである。
【図２】図１に示した風速センサ１の機械的構成を概略的に示す平面図である。
【図３】図２に示した風速センサ１に備える複合型負特性サーミスタ素子２の外観を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３に示した複合型負特性サーミスタ素子２の内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  風速センサ
２  複合型負特性サーミスタ素子
９  風速検出用負特性サーミスタ
１０  温度補償用負特性サーミスタ
１１  差動増幅器
１２  ブリッジ回路
１７  加熱用負特性サーミスタ
１９  チップ状部品本体
２０  セラミック層
２１〜２４  内部電極
２５  スルーホール導体
２６〜２８  外部電極
【図１】
2005283536.tif 000003
【図２】
2005283536.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005283536.tif 000006