(57)【要約】【課題】熱電対を用いた風速計を低コストで提供する。【解決手段】本発明に係る風向風速計１は、熱電対５と、ヒータと、熱電対５からの起電力に応じた信号を積分する積分回路１１と、積分回路１１の出力を増幅する増幅回路１２と、増幅回路１２の出力が基準値を超えた場合に、積分回路１１を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路１３と、リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測するカウンタ回路１５を備える。【選択図】図２
2013195085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、を備える風速計であって、
前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力を基準値と比較し、前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、
前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、
を備えることを特徴とする風速計。
【請求項２】
請求項１に記載の風速計であって、
前記積分回路の出力を増幅する増幅回路をさらに備え、
前記比較回路は、前記増幅回路によって増幅された前記積分回路の出力を前記基準値と比較し、当該増幅された前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記リセット信号を出力することを特徴とする風速計。
【請求項３】
請求項２に記載の風速計であって、
前記増幅回路の増幅率が可変であることを特徴とする風速計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路の積分時間が可変であることを特徴とする風速計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記計測回路は、
クロック信号を発生する発振回路と、
前記リセット信号が出力される間隔において、前記クロック信号をカウントするカウンタ回路と、
を備えることを特徴とする風速計。
【請求項６】
請求項５に記載の風速計であって、
レジスタ回路をさらに備え、
前記カウンタ回路は、前記リセット信号が出力されると、既定の状態に戻されるとともに、カウント数を前記レジスタ回路に出力することを特徴とする風速計。
【請求項７】
請求項５または６に記載の風速計であって、
前記クロック信号の周波数を調整する周波数調整手段を備えることを特徴とする風速計。
【請求項８】
請求項７に記載の風速計であって、
前記周波数調整手段は、前記熱電対の端子間の温度差に応じて、前記クロック信号の周波数を調整することを特徴とする風速計。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路は差動型積分回路であり、
前記熱電対の前記２つの端子は、前記積分回路の差動入力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする風速計。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記リセット信号の長さを調整するための遅延回路を備えていることを特徴とする風速計。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記比較回路は、前記２つの端子のいずれの温度が高いかを示す信号を出力することを特徴とする風速計。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記熱電対を複数備え、
各熱電対の端子間の方向が、互いに異なることを特徴とする風速計。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路と同じ構成の積分回路であるレプリカ回路を備えていることを特徴とする風速計。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の風速計であって、
周囲温度を測定するための温度計をさらに備えることを特徴とする風速計。
【請求項１５】
請求項１４に記載の風速計であって、
前記温度計により測定した前記周囲温度を用いて熱電対の感度変化を補正することを特徴とする風速計。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記各回路は、ＩＣチップに内蔵されていることを特徴とする風速計。
【請求項１７】
請求項１６に記載の風速計であって、
前記熱電対と前記ヒータとが、前記ＩＣチップ内部に実装されていることを特徴とする風速計。
【請求項１８】
請求項１７に記載の風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの内縁に沿って設けられていることを特徴とする風速計。
【請求項１９】
請求項１７に記載の風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの対角線上または当該対角線に沿って設けられていることを特徴とする風速計。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの表面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。
【請求項２１】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記ＩＣチップはパッケージによって封止されており、
前記熱電対は、前記パッケージの表面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。
【請求項２２】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記ＩＣチップは、基板に実装されており、
前記熱電対は、前記基板の前記ＩＣチップが実装されている面の裏面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風速計に関し、特に熱電対を用いた風速計に関する。
【背景技術】
【０００２】
風向と風速を測定する方法として、例えば特許文献１のように熱電対を用いた方法が知られている。特許文献１の発明では、電熱線を用いて周囲の空気を暖めることによりプリント基板上に風速に応じた温度差を作り出す。プリント基板上に形成した熱電対は、端子間の温度差に応じた起電力を発生させるため、その起電力を検出することで風向を測定する。また、風量はサーミスタを用いて測定している。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の発明では、電熱線（もしくはヒータ）、熱電対およびサーミスタを形成するために、プリント基板上に大きな面積を確保する必要とする。
【０００４】
そこで、ＩＣチップ内部に熱電対とヒータを形成することで、風向と風速を測定するために必要な面積を小さくする方法も提案されている。
【０００５】
図４（ａ）は、従来の風向風速計１０１の構成を示す断面図である。風向風速計１０１は、セラミックディスク１０２の裏面にＩＣチップ１０３を接着し、ＩＣチップ１０３を樹脂１０４で封止して構成される。セラミックディスク１０２の表面が風によって冷やされることにより、セラミックディスク１０２の表面の温度分布が変化する。その温度分布をＩＣチップ１０３によって測定することにより、風向風速計１０１は、風向と風速を測定する。
【０００６】
より詳しくは、図４（ｂ）に示すように、ＩＣチップ１０３には、熱電対１０５、ヒータ１０６および測定回路部１１０が内蔵されている。熱電対１０５とヒータ１０６とは、ＩＣチップ１０３の各辺に形成されている。ヒータ１０６で周囲の空気を暖めることにより、セラミックディスク１０２の裏面に、風速に応じた温度差が生じる。これにより、横方向に向かい合う熱電対１０５の各起電力に差が生じ、測定回路部１１０によってこの起電力の差を測定することにより、風向風速計１０１は風速を測定できる。また、測定回路部１１０によって、縦方向に向かい合う熱電対１０５の各起電力の差も測定することにより、風向風速計１０１は、風向も測定することができる。
【０００７】
図５に示すように、ＩＣチップ１０３の測定回路部１１０は、コンパレータ１１１およびラッチ回路１１２を備えている。コンパレータ１１１は、熱電対１０５の起電力の差を検出し、その結果をラッチ回路１１２が保持する。コンパレータ１１１は、オフセット除去機能を用いたプリアンプで実現されている。ラッチ回路１１２の出力は、ＩＣチップ１０３内部のヒータ１０６に接続されており、測定回路部１１０は、熱電対１０５の端子間の温度差が０になるようにヒータ１０６を制御する。また、ラッチ回路１１２の出力は、０または１のシリアルデータであるため、ＩＣチップ１０３の外部に設けられたフィルタ回路１２０で平準化され風速に読み替えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２４１３１８号公報（２００８年１０月９日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の風向風速計１０１は、熱電対１０５からの微弱な起電力差をコンパレータ１１１で検出する構成であるため、測定感度が低い。そのため、ＩＣチップ１０３をセラミックディスク１０２等の熱伝導率の高い板に設ける必要がある。セラミックディスク１０２は高価であり、また、ＩＣチップ１０３をセラミックディスク１０２にボンディングした後、樹脂１０４を流し込む作業が必要であるため、風向風速計１０１は、量産化が難しい。そのため、風向風速計１０１は、ＩＣチップ１０３をプリント基板に実装する場合に比べ、コストがかかるという問題があった。
【００１０】
また、風向風速計１０１では、ラッチ回路１１２の出力を平準化するフィルタ回路１２０を必要とする。しかしながら、フィルタ回路１２０は、サイズが大きく発熱しやすいため、通常、ＩＣチップ１０３の外部に設ける必要がある。そのため、フィルタ回路１２０の実現にコストがかかるという問題もあった。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、熱電対を用いた風速計を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明に係る風速計は、２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、を備える風速計であって、前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力を基準値と比較し、前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、ヒータが発生する熱により、熱電対の２つの端子間に風速に応じた温度差が生じ、熱電対が起電力を発生する。さらに、積分回路が熱電対からの起電力に応じた信号を積分し、積分回路の出力が基準値を超えた場合に、比較回路がリセット信号を出力する。熱電対からの起電力が大きいほど、リセット信号が出力される間隔が短くなるので、計測回路は、リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測することができる。よって、熱電対からの起電力が小さくても、正確に風速を測定することができる。そのため、熱電対やヒータを熱伝導率が高いセラミックディスクなどに実装する必要がない。したがって、熱電対を用いた風速計を低コストで提供することができる。
【００１４】
本発明に係る風速計は、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路をさらに備え、前記比較回路は、前記増幅回路によって増幅された前記積分回路の出力を前記基準値と比較し、当該増幅された前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記リセット信号を出力することが好ましい。
【００１５】
上記の構成によれば、積分回路の出力は増幅回路によって増幅されるので、リセット信号が出力される間隔が短くなる。そのため、計測回路としてカウンタ回路を用いた場合に、カウンタ回路が飽和しにくくなり、測定が容易になる。
【００１６】
本発明に係る風速計では、前記増幅回路の増幅率が可変であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る風速計では、前記積分回路の積分時間が可変であることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、瞬間的な風速の測定と平均的な風速の測定が同一の積分回路および増幅回路を用いて実現可能となる。
【００１９】
本発明に係る風速計では、前記計測回路は、クロック信号を発生する発振回路と、前記リセット信号が出力される間隔において、前記クロック信号をカウントするカウンタ回路と、を備えることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、クロック信号の周波数、および、リセット信号が出力される間隔におけるカウンタ回路のカウント数から、リセット信号が出力される間隔が求められるので、風速を計測することができる。
【００２１】
本発明に係る風速計では、レジスタ回路をさらに備え、前記カウンタ回路は、前記リセット信号が出力されると、既定の状態に戻されるとともに、カウント数を前記レジスタ回路に出力することが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、カウンタ回路は、リセット信号によって既定の状態に戻されるので、ビット数の小さいカウンタ回路を使用することができる。
【００２３】
本発明に係る風速計では、前記クロック信号の周波数を調整する周波数調整手段を備えることが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、クロック信号の周波数を変更することで、風速計の測定精度を変更することができる。
【００２５】
本発明に係る風速計では、前記周波数調整手段は、前記熱電対の端子間の温度差に応じて、前記クロック信号の周波数を調整することが好ましい。
【００２６】
熱電対の端子間の温度差が小さくなるほど、リセット信号の出力間隔が長くなるので、周波数調整手段によってクロック信号の周波数を遅くすることで、カウンタ回路が飽和することを防ぐことができる。
【００２７】
本発明に係る風速計では、前記積分回路は差動型積分回路であり、前記熱電対の前記２つの端子は、前記積分回路の差動入力端子にそれぞれ接続されていることが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、熱電対の各端子を積分回路の差動入力端子に接続することで、熱電対からの起電力は電流に変換することが可能となる。これにより、熱電対の感度が周囲温度に依存しなくなるので、熱電対の感度を補正する必要がなくなる。
【００２９】
本発明に係る風速計では、前記リセット信号の長さを調整するための遅延回路を備えていることが好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、積分回路の積分時間に応じてリセット信号の長さを調整することができる。
【００３１】
本発明に係る風速計では、前記比較回路は、前記２つの端子のいずれの温度が高いかを示す信号を出力することが好ましい。
【００３２】
上記の構成によれば、風速計は、風向が熱電対の端子間を結ぶ方向のいずれの方向であるかを判定できる。
【００３３】
本発明に係る風速計では、前記熱電対を複数備え、各熱電対の端子間の方向が、互いに異なることが好ましい。
【００３４】
上記の構成によれば、各熱電対の端子間の温度差に基づいて、風向を正確に測定できる。
【００３５】
本発明に係る風速計では、前記積分回路と同じ構成の積分回路であるレプリカ回路を備えていることが好ましい。
【００３６】
上記の構成によれば、レプリカ回路で積分容量の絶対値のバラツキを測定することにより、積分回路の積分容量の絶対値のバラツキを補正することができる。
【００３７】
本発明に係る風速計では、周囲温度を測定するための温度計をさらに備えることが好ましい。
【００３８】
本発明に係る風速計では、前記温度計により測定した前記周囲温度を用いて熱電対の感度変化を補正することが好ましい。
【００３９】
上記の構成によれば、熱電対の感度が周囲温度により変化した場合には、温度計で測定した周囲温度を用いて、熱電対の感度を補正することができる。
【００４０】
本発明に係る風速計では、前記各回路は、ＩＣチップに内蔵されていることが好ましい。
【００４１】
本発明に係る風速計では、前記熱電対と前記ヒータとが、前記ＩＣチップ内部に実装されていることが好ましい。
【００４２】
上記の構成によれば、風速計を容易に小型化することができる。
【００４３】
本発明に係る風速計では、前記熱電対は、前記ＩＣチップの内縁に沿って設けられていることが好ましい。
【００４４】
本発明に係る風速計では、前記熱電対は、前記ＩＣチップの対角線上または当該対角線に沿って設けられていることが好ましい。
【００４５】
上記の構成によれば、端子間の方向が互いに異なる熱電対が複数設けられている場合、各熱電対の端子間の温度差に基づいて、風向を正確に測定できる。
【００４６】
本発明に係る風速計では、前記熱電対は、前記ＩＣチップの表面の温度分布によって起電力を発生することが好ましい。
【００４７】
上記の構成によれば、ＩＣチップの表面の温度分布から風速を測定することができる。
【００４８】
本発明に係る風速計では、前記ＩＣチップはパッケージによって封止されており、前記熱電対は、前記パッケージの表面の温度分布によって起電力を発生することが好ましい。
【００４９】
上記の構成によれば、パッケージの表面の温度分布から風速を測定することができる。
【００５０】
本発明に係る風速計では、前記ＩＣチップは、基板に実装されており、前記熱電対は、前記基板の前記ＩＣチップが実装されている面の裏面の温度分布によって起電力を発生することが好ましい。
【００５１】
上記の構成によれば、基板の裏面の温度分布から風速を測定することができる。
【発明の効果】
【００５２】
以上のように、本発明に係る風速計は、２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、を備える風速計であって、前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力を基準値と比較し、前記増幅回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、を備える構成であるので、熱電対を用いた風速計を低コストで提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態に係る風向風速計の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、当該風向風速計のＩＣチップの構成を示す平面図である。
【図２】図１（ｂ）に示す風向風速計のさらに詳細な構成を示す回路図である。
【図３】上記ＩＣチップの測定回路部の動作を示す図である。
【図４】（ａ）は、従来の風向風速計の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、当該風向風速計のＩＣチップの構成を示す平面図である。
【図５】図４（ｂ）に示す風向風速計のさらに詳細な構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明の実施の一形態について図１〜図３に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００５５】
（風向風速計の構成）
図１（ａ）は、本実施形態に係る風向風速計１の構成を示す断面図である。風向風速計１は、基板２およびＩＣチップ３を備えている。ＩＣチップ３は、基板２の表面上に直接実装されており、樹脂のパッケージ４によって封止されている。風向風速計１は、パッケージ４の表面の温度分布を測定することにより、パッケージ４の表面における風向と風速を測定する。
【００５６】
より詳しくは、図１（ｂ）に示すように、ＩＣチップ３には、熱電対５、ヒータ６および測定回路部１０が内蔵されている。熱電対５とヒータ６とは、ＩＣチップ３の各辺に形成されている。ヒータ６で周囲の空気を暖めることにより、ＩＣチップ３に風速に応じた温度差が生じる。これにより、横方向に向かい合う熱電対５の２つの端子間に温度差が生じ、熱電対５は、この温度差による起電力を発生させる。風向風速計１は、測定回路部１０によってこの起電力を測定することにより、風速を測定する。また、測定回路部１０によって、縦方向に向かい合う熱電対５の端子間の起電力も測定することにより、風向風速計１は、風向も測定することができる。
【００５７】
また、ＩＣチップ３は温度計を備えてもよい。ＩＣチップ３に温度計を内蔵することで、周囲温度の測定も可能となり、熱電対５の感度が周囲温度により変化した場合には、温度計で測定した周囲温度を用いて、熱電対５の感度を補正することが可能である。
【００５８】
（ＩＣチップの回路構成）
図２に示すように、ＩＣチップ３の測定回路部１０は、積分回路１１、増幅回路１２、比較回路１３、遅延回路１４、カウンタ回路１５および発振回路１６を備えている。
【００５９】
積分回路１１は、オペアンプ１１ａ、２つの容量１１ｂ・１１ｃおよび３つのスイッチ１１ｄ〜１１ｆを備えた差動型積分回路であり、熱電対５の端子間の起電力により流れる電流を積分する。オペアンプ１１ａは、全差動型のオペアンプであり、オペアンプ１１ａの２つの入力端子は、積分回路１１の差動入力を構成している。容量１１ｂとスイッチ１１ｄとは、オペアンプ１１ａの反転入力端子と非反転出力端子との間に並列接続されており、容量１１ｃとスイッチ１１ｅとは、オペアンプ１１ａの非反転入力端子と反転出力端子との間に並列接続されている。また、スイッチ１１ｆは、オペアンプ１１ａの２つの入力端子間に設けられている。
【００６０】
容量１１ｂ・１１ｃは可変容量であり、容量１１ｂ・１１ｃの容量値を変化させることにより、積分回路１１の積分時間が調整できるようになっている。また、スイッチ１１ｄ〜１１ｆのＯＮ／ＯＦＦは、後述するリセット信号Ｒによって制御され、スイッチ１１ｄ〜１１ｆがＯＮすることにより、積分回路１１を既定の状態に戻すことができる。
【００６１】
増幅回路１２は、オペアンプ１２ａおよび４つの抵抗１２ｂ〜１２ｅを備えている。抵抗１２ｂは、オペアンプ１２ａの反転入力端子と出力端子との間に接続されており、抵抗１２ｃは、オペアンプ１２ａの非反転入力端子と接地との間に接続されている。抵抗１２ｄは、オペアンプ１１ａの非反転出力端子とオペアンプ１２ａの反転入力端子との間に接続され、抵抗１２ｅは、オペアンプ１１ａの反転出力端子とオペアンプ１２ａの非反転入力端子との間に接続されている。抵抗１２ｂ・１２ｃは可変抵抗であり、抵抗１２ｂ・１２ｃの抵抗値を変化させることにより、増幅回路１２の増幅率を調整できるようになっている。
【００６２】
以上の構成により、積分回路１１は、端子間の温度差に応じて熱電対５に発生する起電力により流れる電流を積分し、増幅回路１２は、積分回路１１の出力を増幅する。増幅回路１２で増幅された信号は比較回路１３で基準値と比較され、比較回路１３は、増幅回路１２の出力が基準値を超えた場合にリセット信号Ｒを出力する。
【００６３】
また、比較回路１３は、熱電対５の端子のいずれの温度が高いかを示す判定信号Ｄも出力する。これにより、風向が熱電対５の端子間を結ぶ方向のいずれの方向であるかを判定できる。
【００６４】
リセット信号Ｒは、遅延回路１４を介して、積分回路１１およびカウンタ回路１５に入力される。リセット信号Ｒによって、積分回路１１は既定の状態に戻される。カウンタ回路１５には、リセット信号Ｒの他に発振回路１６からクロック信号ＣＬが入力される。
【００６５】
カウンタ回路１５および発振回路１６は、リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路を構成する。カウンタ回路１５は、リセット信号Ｒが出力される間隔において、クロック信号ＣＬの立ち上がりエッジの数を数え続ける。カウンタ回路１５にリセット信号Ｒが入力された場合、カウンタ回路１５のカウント数は、図示しないレジスタ回路に取り込まれたのち既定の値に戻され、カウンタ回路１５は、新たにカウントを開始する。
【００６６】
なお、カウンタ回路１５が飽和した時にもカウント数は既定の値に戻され、飽和したことを示す信号がカウンタ回路１５から出力される。
【００６７】
（風速の計算）
図３は、風速を測定するための測定回路部１０の動作を示す図である。風速が一定であると仮定すると、積分回路１１および増幅回路１２の出力は、風向に応じて単調に増加または減少する。増幅回路１２の出力が基準値を超えた時に、比較回路１３からリセット信号Ｒが出力される。
【００６８】
カウンタ回路１５は、リセット信号Ｒが立ち上がってから次のリセット信号Ｒが立ち上がるまでの期間、クロック信号ＣＬの立ち上がりエッジの数を数え、当該期間におけるカウント数をレジスタ回路に記憶させる。これにより、レジスタ回路に記憶されたクロック数は、リセット信号Ｒが出力される間隔に対応する。例えば、組み合わせ表を参照することにより、上記クロック数を風速に読み替えることができる。
【００６９】
このように、測定回路部１０は、リセット信号Ｒが出力される間隔に基づいて風速を計測することができる。
【００７０】
（本実施形態の効果）
このように、本実施形態では、ＩＣチップ３単体で風速を測定可能であり、従来のように外部のフィルタ回路を必要としない。
【００７１】
また、本実施形態では、積分回路１１を用いて測定回路部１０を実現しているので、熱電対５の起電力が小さくても、正確に風速を測定することができる。そのため、ＩＣチップ３を熱伝導率が高いセラミックディスクなどに実装する必要がない。また、ＩＣチップ３をパッケージ４によって封止することにより、熱電対５の端子間における温度差が小さくなっても、問題は生じない。すなわち、通常のパッケージ４に風向風速を測定するためのＩＣチップ３を封止することができるため、量産化が容易であり、風向風速計１の製造コストを低減することができる。
【００７２】
なお、ＩＣチップ３をパッケージ４によって封止せずに、熱電対５がＩＣチップ３の表面の温度分布によって起電力を発生するように構成してもよい。あるいは、熱電対５が基板２のＩＣチップ３が実装されている面の裏面の温度分布によって起電力を発生するように構成してもよい。すなわち、風向風速計１は、ＩＣチップ３の表面の温度分布または基板２の裏面の温度分布に基づいて、風向と風速を測定することも可能である。
【００７３】
（他の特徴）
また、上記のように、積分回路１１および増幅回路１２は、それぞれ積分時間および増幅率を調整できるようになっている。そのため、瞬間的な風速の測定と平均的な風速の測定が同一の積分回路１１および増幅回路１２を用いて実現可能である。なお、リセット信号Ｒの長さ（出力される間隔）は、積分回路１１の積分時間に応じて変える必要があるため、本実施形態では、遅延回路１４によってリセット信号Ｒの長さを調整可能としている。
【００７４】
また、風速が微弱で熱電対５からの起電力が小さい場合には、比較回路１３からリセット信号Ｒが出力される間隔が広がるため、カウンタ回路１５が飽和しやすくなる。そこで、本実施形態では、発振回路１６からのクロック信号ＣＬの周波数を可変としている。クロック信号ＣＬの周波数は、分周回路などの周波数調整手段によって調整される。熱電対５の端子間の温度差が小さくなるほど、リセット信号Ｒの出力間隔が長くなるので、クロック信号ＣＬの周波数を遅くすることで、カウンタ回路１５が飽和することを防ぐことができる。また、用途に応じて、クロック信号ＣＬの周波数を変更することで、風向風速計１の測定精度を変更することもできる。
【００７５】
上記のように、熱電対５の両端を積分回路１１の差動入力端子に接続することで、熱電対５の起電力を電流に変換することが可能となる。このとき、ＩＣチップ３内部に適切な素材で熱電対５を形成した場合には、Mottの関係式より、熱電対５のゼーベック係数は周囲温度に依存せず、熱電対５の端子間の温度差にのみ依存するようになる。
【００７６】
より詳細には、Mottの関係式よりゼーベック係数Ｓ(Ｖ／Ｋ)と抵抗率ρ(Ω・ｍ)との間には、
Ｓ＝αρ
という関係が成り立つ。つまり、ゼーベック係数の温度変化は抵抗率の温度変化に等しくなる。
【００７７】
また、熱電対５の端子間の温度差がΔＴのときの起電力Ｖは、
Ｖ＝ＳΔＴ
で表される。そのため、熱電対５の端子間に流れる電流Ｉは、
Ｉ＝Ｖ／Ｒ＝(αρΔＴ)／(ρＬ／Ａ)＝αＡΔＴ／Ｌ
となり、温度差ΔＴのみに比例する。つまり、電流Ｉは周囲温度に依存しない。よって、熱電対５の端子間の起電力により流れる電流を用いることにより、周囲温度を考慮することなく温度測定を行うことができる。この場合、周囲温度に基づいて熱電対５の感度を補正しなくてもよいので、周囲温度を測定するための温度計が不要となる。
【００７８】
また、積分回路１１は、熱電対５に発生する起電力により流れる電流の積分を行うために容量１１ｂ・１１ｃを用いているので、容量１１ｂ・１１ｃの絶対値のバラツキは、電流値すなわち風速のバラツキと等価である。そのため、積分回路１１は、容量１１ｂ・１１ｃの絶対値のバラツキを補正するために、冗長な容量を有していることが好ましい。容量の相対値の精度は容量の絶対値の精度よりも正確である。
【００７９】
そこで、積分回路１１と同じ構成の積分回路であるレプリカ回路を設けることが好ましい。このレプリカ回路で容量１１ｂ・１１ｃの絶対値のバラツキを測定することにより、容量の補正値が計算される。
【００８０】
（変形例）
上述した実施形態では、ＩＣチップ３が基板２に実装されていたが、本発明はこれに限定されない。ＩＣチップ３を、フィルムやプラスチック面に実装してもよい。
【００８１】
また、上述した実施形態では、熱電対５およびヒータ６を、ＩＣチップ３内部に実装していたが、ＩＣチップ３の外部に設けてもよい。例えば、熱電対５およびヒータ６を基板に直接実装して、基板の裏面の温度分布に基づいて風速を測定してもよい。
【００８２】
また、上述した実施形態では、熱電対５をＩＣチップ３の内縁に沿って設けていたが、熱電対５をＩＣチップ３の対角線上または当該対角線に沿って設けてもよい。
【００８３】
また、上述した実施形態では、積分回路１１の出力を増幅回路１２によって増幅して、増幅した出力を比較回路１３において基準値と比較する構成であったが、これに限定されない。増幅回路１２を設けずに、積分回路１１の出力を基準値と比較する構成であってもよい。
【００８４】
また、上述した実施形態では、風向風速計１は、端子間の方向が互いに異なる熱電対５を複数備える構成であったが、熱電対５を１つのみ備える構成であってもよい。その場合、風向風速計１は、風向を測定せず、風速のみを測定してもよい。
【００８５】
（付記事項）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８６】
なお、本発明は以下のように表現できる。
【００８７】
本発明に係る風向風速計は、熱電対を用いた風向風速計であって、風速に応じた温度差を作り出すために熱を発生させるヒータと、前記熱電対からの起電力による信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅するための増幅回路と、前記増幅回路の出力を基準値と比較しリセット信号を出力する比較回路と、前記リセット信号が出力される間隔を調べるカウント回路と、を備えることを特徴とする。
【００８８】
本発明に係る風向風速計では、前記熱電対と前記ヒータをIC内部に実装することが好ましい。
【００８９】
本発明に係る風向風速計では、前記熱電対がICの内縁に置かれていることが好ましい。
【００９０】
本発明に係る風向風速計では、向かい合う前記熱電対の起電力の差を検出することで風向を測定することが好ましい。
【００９１】
本発明に係る風向風速計では、前記熱電対がICの対角線上に置かれていることが好ましい。
【００９２】
本発明に係る風向風速計では、前記熱電対の両端を前記積分回路の差動入力に接続して起電力を電流に変換することで前記熱電対の感度が前記ICの周囲温度に依存しないようにすることが好ましい。
【００９３】
本発明に係る風向風速計では、前記ICを直接基板に実装し、風によるIC表面もしくは基板裏面の温度分布から風向と風速を測定することが好ましい。
【００９４】
本発明に係る風向風速計では、前記ICをパッケージに封止し、風によるパッケージ表面の温度分布から風向と風速を測定することが好ましい。
【００９５】
本発明に係る風向風速計では、前記積分回路の積分時間と前記増幅回路の増幅率を可変とするために前記積分回路の容量値と前記増幅回路の抵抗値が可変であることが好ましい。
【００９６】
本発明に係る風向風速計では、前記比較回路は風向を検知するための信号も出力することが好ましい。
【００９７】
本発明に係る風向風速計では、風速に応じて前記熱電対の端子間の温度差が変わった場合には前記カウンタ回路が飽和しないように入力されるクロック周波数を調整する機能を備えていることが好ましい。
【００９８】
本発明に係る風向風速計では、前記カウンタ回路に入力される前記クロック周波数を変更することで測定精度を変更することが好ましい。
【００９９】
本発明に係る風向風速計では、前記リセット信号は、前記積分回路と前記カウンタ回路を既定の状態に戻すための信号であるとともに前記カウンタ回路のカウント数をレジスタに取り込むための信号でもあることが好ましい。
【０１００】
本発明に係る風向風速計では、前記リセット信号の長さを調整するための遅延回路を備えていることが好ましい。
【０１０１】
本発明に係る風向風速計では、前記積分回路の積分容量の絶対値のバラツキを補正するために前記積分回路と同じ構成の積分回路を有するレプリカ回路を備えることが好ましい。
【０１０２】
本発明に係る風向風速計では、温度計を内蔵することで周囲温度の測定も行うことが好ましい。
【０１０３】
本発明に係る風向風速計では、前記温度計により測定した前記周囲温度を用いて熱電対の感度変化を補正することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、熱電対を用いた風向風速計に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１    風向風速計（風速計）
２    基板
３    ＩＣチップ
４    パッケージ
５    熱電対
６    ヒータ
１０  測定回路部
１１  積分回路
１１ａ  オペアンプ
１１ｂ  容量
１１ｃ  容量
１１ｄ  スイッチ
１１ｅ  スイッチ
１１ｆ  スイッチ
１２  増幅回路
１２ａ  オペアンプ
１２ｂ  抵抗
１２ｃ  抵抗
１２ｄ  抵抗
１２ｅ  抵抗
１３  比較回路
１４  遅延回路
１５  カウンタ回路
１６  発振回路
１０１  風向風速計
１０２  セラミックディスク
１０３  ＩＣチップ
１０４  樹脂
１０５  熱電対
１０６  ヒータ
１１０  測定回路部
１１１  コンパレータ
１１２  ラッチ回路
１２０  フィルタ回路
ＣＬ  クロック信号
Ｄ    判定信号
Ｒ    リセット信号
【図１】
2013195085.tif 000003
【図２】
2013195085.tif 000004
【図３】
2013195085.tif 000005
【図４】
2013195085.tif 000006
【図５】
2013195085.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月22日(2013.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明に係る風速計は、２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、が内部に内蔵されているＩＣチップを備える風速計であって、前記熱電対は、前記ＩＣチップの各辺に形成され、前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力を基準値と比較し、前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、を備え、前記積分回路の出力に基づいて風向を計測することを特徴としている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
以上のように、本発明に係る風速計は、２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、が内部に内蔵されているＩＣチップを備える風速計であって、前記熱電対は、前記ＩＣチップの各辺に形成され、前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力を基準値と比較し、前記増幅回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、を備え、前記積分回路の出力に基づいて風向を計測する構成であるので、熱電対を用いた風速計を低コストで提供できるという効果を奏する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの端子間の温度差による起電力を発生する熱電対と、熱を発生するヒータと、が内部に内蔵されているＩＣチップを備える風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの各辺に形成され、
前記熱電対からの起電力に応じた信号を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力を基準値と比較し、前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記積分回路を既定の状態に戻すリセット信号を出力する比較回路と、
前記リセット信号が出力される間隔に基づいて風速を計測する計測回路と、を備え、
前記積分回路の出力に基づいて風向を計測することを特徴とする風速計。
【請求項２】
請求項１に記載の風速計であって、
前記積分回路の出力を増幅する増幅回路をさらに備え、
前記比較回路は、前記増幅回路によって増幅された前記積分回路の出力を前記基準値と比較し、当該増幅された前記積分回路の出力が前記基準値を超えた場合に、前記リセット信号を出力することを特徴とする風速計。
【請求項３】
請求項２に記載の風速計であって、
前記増幅回路の増幅率が可変であることを特徴とする風速計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路の積分時間が可変であることを特徴とする風速計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記計測回路は、
クロック信号を発生する発振回路と、
前記リセット信号が出力される間隔において、前記クロック信号をカウントするカウンタ回路と、
を備えることを特徴とする風速計。
【請求項６】
請求項５に記載の風速計であって、
レジスタ回路をさらに備え、
前記カウンタ回路は、前記リセット信号が出力されると、既定の状態に戻されるとともに、カウント数を前記レジスタ回路に出力することを特徴とする風速計。
【請求項７】
請求項５または６に記載の風速計であって、
前記クロック信号の周波数を調整する周波数調整手段を備えることを特徴とする風速計。
【請求項８】
請求項７に記載の風速計であって、
前記周波数調整手段は、前記熱電対の端子間の温度差に応じて、前記クロック信号の周波数を調整することを特徴とする風速計。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路は差動型積分回路であり、
前記熱電対の前記２つの端子は、前記積分回路の差動入力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする風速計。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記比較回路は、前記２つの端子のいずれの温度が高いかを示す信号を出力することを特徴とする風速計。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記熱電対を複数備え、
各熱電対の端子間の方向が、互いに異なることを特徴とする風速計。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記積分回路と同じ構成の積分回路であるレプリカ回路を備えていることを特徴とする風速計。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風速計であって、
周囲温度を測定するための温度計をさらに備えることを特徴とする風速計。
【請求項１４】
請求項１３に記載の風速計であって、
前記温度計により測定した前記周囲温度を用いて熱電対の感度変化を補正することを特徴とする風速計。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の風速計であって、
前記各回路は、前記ＩＣチップに内蔵されていることを特徴とする風速計。
【請求項１６】
請求項１５に記載の風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの内縁に沿って設けられていることを特徴とする風速計。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の風速計であって、
前記熱電対は、前記ＩＣチップの表面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。
【請求項１８】
請求項１５または１６に記載の風速計であって、
前記ＩＣチップはパッケージによって封止されており、
前記熱電対は、前記パッケージの表面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。
【請求項１９】
請求項１５または１６に記載の風速計であって、
前記ＩＣチップは、基板に実装されており、
前記熱電対は、前記基板の前記ＩＣチップが実装されている面の裏面の温度分布によって起電力を発生することを特徴とする風速計。