JP2002296291A - 風向風速センサー - Google Patents
風向風速センサーInfo
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- JP2002296291A JP2002296291A JP2001137984A JP2001137984A JP2002296291A JP 2002296291 A JP2002296291 A JP 2002296291A JP 2001137984 A JP2001137984 A JP 2001137984A JP 2001137984 A JP2001137984 A JP 2001137984A JP 2002296291 A JP2002296291 A JP 2002296291A
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- heater
- wind direction
- heaters
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型で、全方位の風速と風向が検知できるセ
ンサーを得る。 【解決手段】 温度によって電気抵抗値がかわる複数の
直線状のヒーターを、各々の一端で電気的に接絖して３
０〜９０度のかぎ型に配置し、各々のヒーターに電圧を
かける事によって、各ヒーターからの信号を比較演算処
理する事により、二次元及び三次元全方位の風向と風速
を検知する。
ンサーを得る。 【解決手段】 温度によって電気抵抗値がかわる複数の
直線状のヒーターを、各々の一端で電気的に接絖して３
０〜９０度のかぎ型に配置し、各々のヒーターに電圧を
かける事によって、各ヒーターからの信号を比較演算処
理する事により、二次元及び三次元全方位の風向と風速
を検知する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、金属、合金、半
導体等抵抗体の温度変化による電気抵抗値の変化を検知
することによって、風向と風速を同時に知る小型センサ
ーに関する。
導体等抵抗体の温度変化による電気抵抗値の変化を検知
することによって、風向と風速を同時に知る小型センサ
ーに関する。
【０００２】
【従来の技術】 風向と風速を同時に測定する装置とし
ては、もっぱら気象観測で使われている飛行機型で、胴
体の向きから方向、プロペラの回転数から風速を知るの
が一般的であった。又、流体中に感温抵抗体を設置し、
その流体の流速の変化に対する抵抗値の変化を測定する
ことにより、その流速の変化を測定する技術は周知であ
る。これは、流れている空気などの流体中に、白金線な
どの金属線、あるいは、最近では半導体からなる感温抵
抗体を設置し、この抵抗体に電流を通じて発生する加熱
と、流体による徐熱とのバランスする温度に応じる抵抗
値を測定して、流体の速度を計測するものである。この
ような熱線風速計は、クリーンブース、クリーンルー
ム、ドラフターや一般居室など空気だまりがない様に送
風換気する際、風の方向については、センサーを手で合
わせなければならない。即ち、自動的に風向と風速を同
時に測定することはできなかった。
ては、もっぱら気象観測で使われている飛行機型で、胴
体の向きから方向、プロペラの回転数から風速を知るの
が一般的であった。又、流体中に感温抵抗体を設置し、
その流体の流速の変化に対する抵抗値の変化を測定する
ことにより、その流速の変化を測定する技術は周知であ
る。これは、流れている空気などの流体中に、白金線な
どの金属線、あるいは、最近では半導体からなる感温抵
抗体を設置し、この抵抗体に電流を通じて発生する加熱
と、流体による徐熱とのバランスする温度に応じる抵抗
値を測定して、流体の速度を計測するものである。この
ような熱線風速計は、クリーンブース、クリーンルー
ム、ドラフターや一般居室など空気だまりがない様に送
風換気する際、風の方向については、センサーを手で合
わせなければならない。即ち、自動的に風向と風速を同
時に測定することはできなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、各種計測器、コ
ンピューター、テレビジョン、プラズマディスプレイな
ど各種小型電気機器では、筐体内の加熱を防ぐためにフ
ァンが取り付けられているが、内部の温度管理のための
風向や風速の測定は行なわれてはおらず、そのための小
型の風向風速計が求められていた。例えば、特公昭５３
−１１９１号公報では感温抵抗体を半導体化し電流量を
少なくした温度センサー、実公平６−４２２０９号公報
では同じく半導体化した風向・風速センサーなどが提案
されている。これらセンサーは感度を上げるために、主
基板から半導体感温部をビームリードやボンディングワ
イヤーで支持して浮かした構造をとっている。しかしこ
れらの半導体感温部は、この感温部よりかなり大きな別
の基板上に一体化して作られており、感温部に電流を流
して発熱させても熱容量が大きいため温度の上がり方が
少なく、感度が低いと言う欠点があった。
ンピューター、テレビジョン、プラズマディスプレイな
ど各種小型電気機器では、筐体内の加熱を防ぐためにフ
ァンが取り付けられているが、内部の温度管理のための
風向や風速の測定は行なわれてはおらず、そのための小
型の風向風速計が求められていた。例えば、特公昭５３
−１１９１号公報では感温抵抗体を半導体化し電流量を
少なくした温度センサー、実公平６−４２２０９号公報
では同じく半導体化した風向・風速センサーなどが提案
されている。これらセンサーは感度を上げるために、主
基板から半導体感温部をビームリードやボンディングワ
イヤーで支持して浮かした構造をとっている。しかしこ
れらの半導体感温部は、この感温部よりかなり大きな別
の基板上に一体化して作られており、感温部に電流を流
して発熱させても熱容量が大きいため温度の上がり方が
少なく、感度が低いと言う欠点があった。
【０００４】前記実公平６−４２２０９号公報は、風向
と風速とを同時に測定するセンサーを提案しているが、
発熱部と感温部が平行に配置されているため、発熱部と
感温部との間の小さい角度に対しては風向変化を感知す
ることができず、また、１８０度反対側からの風の方向
を区別することはできない。
と風速とを同時に測定するセンサーを提案しているが、
発熱部と感温部が平行に配置されているため、発熱部と
感温部との間の小さい角度に対しては風向変化を感知す
ることができず、また、１８０度反対側からの風の方向
を区別することはできない。
【０００５】また、特開昭６２−１４５１６９号公報に
は、二つの半導体圧力センサーを互いに交差して独立直
交に配置し、風向と風速とを同時に測定する方法が提案
されている。しかし、風圧センサーは微細な風の圧力を
充分感度よく検知するためには数十平方センチメートル
以上の面積を必要とし、微小なセンサーを目的とする本
発明とは合致しない。さらに、圧力センサーは表から押
さえた場合も裏から押さえた場合も同量の測定値を示す
ため、直行して配置された二つのセンサーのみでは、南
北軸に対称な２方向の風、および、東西軸に対称な２方
向の風をそれぞれ区別することはできない。
は、二つの半導体圧力センサーを互いに交差して独立直
交に配置し、風向と風速とを同時に測定する方法が提案
されている。しかし、風圧センサーは微細な風の圧力を
充分感度よく検知するためには数十平方センチメートル
以上の面積を必要とし、微小なセンサーを目的とする本
発明とは合致しない。さらに、圧力センサーは表から押
さえた場合も裏から押さえた場合も同量の測定値を示す
ため、直行して配置された二つのセンサーのみでは、南
北軸に対称な２方向の風、および、東西軸に対称な２方
向の風をそれぞれ区別することはできない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、風向と風
速を同時に測定する小型センサーについて鋭意検討を重
ねた結果、第１図に示すように、直線状であって、且
つ、感温部は基板に支持されず中空にあるヒーターが、
感度が最も高く、風向がヒーター方向と、これに９０度
の方向とで差が最も大きい事を見出した。図３に、風速
と直線状ヒーターの出力電圧との関係を、風向がヒータ
ーに対し０度、４５度、９０度の場合について示す。
速を同時に測定する小型センサーについて鋭意検討を重
ねた結果、第１図に示すように、直線状であって、且
つ、感温部は基板に支持されず中空にあるヒーターが、
感度が最も高く、風向がヒーター方向と、これに９０度
の方向とで差が最も大きい事を見出した。図３に、風速
と直線状ヒーターの出力電圧との関係を、風向がヒータ
ーに対し０度、４５度、９０度の場合について示す。
【０００７】尚、図３は、図４に示す回路を組み、セン
サーの感温部である図１及び図４の１に一定電流を流
し、各風向・風速下におけるアンプの出力電圧△Ｖを測
定したものである。
サーの感温部である図１及び図４の１に一定電流を流
し、各風向・風速下におけるアンプの出力電圧△Ｖを測
定したものである。
【０００８】本発明において用いることの出来る直線状
ヒーターは、金属、非金属、半導体など公知の材質でよ
い。
ヒーターは、金属、非金属、半導体など公知の材質でよ
い。
【０００９】さらに、図２に示すように、Ａ、Ｂ二本の
直線状ヒーターを、互いに電極の一方を電気的に接続し
て、３０度以上９０度以下のかぎ型に配置して、ワンチ
ップ上に形成し、一定の電流を流す事によって、Ａ、Ｂ
二つのヒーターの抵抗値または出力電圧を比較すれば、
３６０度全方位からの風向・風速を検知する事ができる
ことを見出したのである。
直線状ヒーターを、互いに電極の一方を電気的に接続し
て、３０度以上９０度以下のかぎ型に配置して、ワンチ
ップ上に形成し、一定の電流を流す事によって、Ａ、Ｂ
二つのヒーターの抵抗値または出力電圧を比較すれば、
３６０度全方位からの風向・風速を検知する事ができる
ことを見出したのである。
【００１０】前記二つのヒーターの配置は、角度０度を
超え９０度以下の南北軸又は東西軸に非対称かぎ型であ
れば、原理的には、３６０度全方位の風向を知ることが
できる。実際には、極端な鋭角では二つのヒーターの出
力差が近くなり、精度が落ちるため、これらの角度は３
０度以上９０度以下が適当である。
超え９０度以下の南北軸又は東西軸に非対称かぎ型であ
れば、原理的には、３６０度全方位の風向を知ることが
できる。実際には、極端な鋭角では二つのヒーターの出
力差が近くなり、精度が落ちるため、これらの角度は３
０度以上９０度以下が適当である。
【００１１】即ち、２本一対のヒーターが鋭角に配置さ
れると、一方のヒーターの発する熱が、風下にある他方
のヒーターに流れて行くため、ヒーター相互の影響がは
っきり表れる。この鋭角の角度は、３０〜６０度である
ことがもっとも効果が大きい。ここで、４５度に配置す
れば、風向が４５度変わる毎にどちらかのヒーターが最
大値または最小値を出力し、感度が上がって好ましい。
れると、一方のヒーターの発する熱が、風下にある他方
のヒーターに流れて行くため、ヒーター相互の影響がは
っきり表れる。この鋭角の角度は、３０〜６０度である
ことがもっとも効果が大きい。ここで、４５度に配置す
れば、風向が４５度変わる毎にどちらかのヒーターが最
大値または最小値を出力し、感度が上がって好ましい。
【００１２】図５によって、Ａ、Ｂ両ヒーターが４５度
のかぎ型に配置された場合について説明する。北風の場
合、Ａヒーターの出力電圧が最も大きく、Ｂヒーターに
は斜め風があたり中程度の出力となる。ここでＢヒータ
ーには、Ａヒーターからの熱が流れて来るので温度が上
がり、出力電圧は中程度よりはすこし下がる。南風の場
合はＢヒーターの出力電圧は斜め風であるため中程度で
あるが、ＡヒーターにはＢヒーターの熱が流れてきて最
大の出力電圧から少し下がる。従って、Ａ、Ｂ各ヒータ
ーの出力電圧を検知して比較演算すれば、北風と南風の
区別をつけることができる。
のかぎ型に配置された場合について説明する。北風の場
合、Ａヒーターの出力電圧が最も大きく、Ｂヒーターに
は斜め風があたり中程度の出力となる。ここでＢヒータ
ーには、Ａヒーターからの熱が流れて来るので温度が上
がり、出力電圧は中程度よりはすこし下がる。南風の場
合はＢヒーターの出力電圧は斜め風であるため中程度で
あるが、ＡヒーターにはＢヒーターの熱が流れてきて最
大の出力電圧から少し下がる。従って、Ａ、Ｂ各ヒータ
ーの出力電圧を検知して比較演算すれば、北風と南風の
区別をつけることができる。
【００１３】 東風の場合は、Ｂヒーターは中程度の出
力電圧、Ａヒーターは最小の出力電圧であるが、横をＢ
ヒーターからの熱が流れてさらに出力電圧はすこし下が
る。西風の場合はＡヒーター、Ｂヒーターとも互いに影
響されないのでそれぞれ最小と中程度の出力電圧を示
し、東風、西風の区別も可能である。同様にして、北東
風と南西風、北西風と南東風の区別もつけられ、以上、
八方向の出力電圧の組み合わせは全て異なり、検出する
ことができる。
力電圧、Ａヒーターは最小の出力電圧であるが、横をＢ
ヒーターからの熱が流れてさらに出力電圧はすこし下が
る。西風の場合はＡヒーター、Ｂヒーターとも互いに影
響されないのでそれぞれ最小と中程度の出力電圧を示
し、東風、西風の区別も可能である。同様にして、北東
風と南西風、北西風と南東風の区別もつけられ、以上、
八方向の出力電圧の組み合わせは全て異なり、検出する
ことができる。
【００１４】前記以外の方向、即ち、二つのどちらのヒ
ーターにも直角、または平行でない方向の風について
は、それぞれヒーターの直角方向のベクトルに分解して
検知されるので、Ａ、Ｂ二つのヒーターそれぞれの出力
電圧を比較、演算して風向を求めることができる。Ａ、
Ｂ各ヒーターのなす角度が４５度以外の場合でも、同様
な原理で説明される。
ーターにも直角、または平行でない方向の風について
は、それぞれヒーターの直角方向のベクトルに分解して
検知されるので、Ａ、Ｂ二つのヒーターそれぞれの出力
電圧を比較、演算して風向を求めることができる。Ａ、
Ｂ各ヒーターのなす角度が４５度以外の場合でも、同様
な原理で説明される。
【００１５】これらヒーターを、図６の様に９０度に配
置すれば、風向が９０度変わる毎にそれぞれのヒーター
は最大値または最小値を出力し、信号は処理しやすい。
置すれば、風向が９０度変わる毎にそれぞれのヒーター
は最大値または最小値を出力し、信号は処理しやすい。
【００１６】風速については、あらかじめ既知の風向風
速下で校正しておけば、各々のヒーターの出力電圧絶対
値から求めることができる。
速下で校正しておけば、各々のヒーターの出力電圧絶対
値から求めることができる。
【００１７】さらに、図２に示す平面状センサー二個
を、互いに熱的影響と、風の流れに影響をおよぼさない
近傍で、且つ、面的に直交して配置すれば、一つの空間
部における三次元全方向の風向・風速を知ることができ
る。この三次元風向風速計を図７に示す。
を、互いに熱的影響と、風の流れに影響をおよぼさない
近傍で、且つ、面的に直交して配置すれば、一つの空間
部における三次元全方向の風向・風速を知ることができ
る。この三次元風向風速計を図７に示す。
【００１８】
【実施例】以下実施例により、半導体を用いた風向風速
センサーの場合における本発明を具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
第１図にセンサーの断面図を示す。よく洗浄した単結晶
シリコン製の主基板５上にＣＶＤ法により、二酸化ケイ
素絶縁層４を５〜１５μｍの間の一定の厚さに製膜し、
その上に減圧ＣＶＤ法によりポリシリコンを２〜１０μ
ｍの間の一定の厚さに製膜する。フォトリソ工程、ＲＩ
Ｅ工程でポリシリコンを非支持部１００〜２０００μｍ
間の一定長さで、幅１０〜１００μｍ間一定の感温部１
を形成し、その後、ポリシリコンをマスクとしてバッフ
ァード・フッ酸液中で、ポリシリコン製短冊状センサー
１の下及び周辺の二酸化ケイ素を取り除き、空洞６を形
成して中空に浮かせた。最後に、アルミ蒸着工程、フォ
トリソ工程、温リン酸によるアルミエッチング工程を経
て金属電極２、３を形成する。
センサーの場合における本発明を具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
第１図にセンサーの断面図を示す。よく洗浄した単結晶
シリコン製の主基板５上にＣＶＤ法により、二酸化ケイ
素絶縁層４を５〜１５μｍの間の一定の厚さに製膜し、
その上に減圧ＣＶＤ法によりポリシリコンを２〜１０μ
ｍの間の一定の厚さに製膜する。フォトリソ工程、ＲＩ
Ｅ工程でポリシリコンを非支持部１００〜２０００μｍ
間の一定長さで、幅１０〜１００μｍ間一定の感温部１
を形成し、その後、ポリシリコンをマスクとしてバッフ
ァード・フッ酸液中で、ポリシリコン製短冊状センサー
１の下及び周辺の二酸化ケイ素を取り除き、空洞６を形
成して中空に浮かせた。最後に、アルミ蒸着工程、フォ
トリソ工程、温リン酸によるアルミエッチング工程を経
て金属電極２、３を形成する。
【００１９】本発明のセンサーの平面図を図２に示す。
下が空洞６である中空に浮いた感温部Ａ１１と別の感温
部Ｂ１２とを４５度、且つ、かぎ状に配置して、それら
の接続部に金属電極２１を設け、それぞれ他方の金属電
極３１及び３２を設けて電圧をかけるようにし、図５に
示すように電源部、演算部を接続して風向・風速測計を
製造した。
下が空洞６である中空に浮いた感温部Ａ１１と別の感温
部Ｂ１２とを４５度、且つ、かぎ状に配置して、それら
の接続部に金属電極２１を設け、それぞれ他方の金属電
極３１及び３２を設けて電圧をかけるようにし、図５に
示すように電源部、演算部を接続して風向・風速測計を
製造した。
【００２０】
【発明の効果】本発明によって、風速検知の感度を極め
て高くすることができ、且つ、平面上の３６０度すべて
の方向の風向と風速を検知することができ、さらに、空
間部におけるあらゆる三次元的風向と風速を検知するこ
とが出来るようになった。
て高くすることができ、且つ、平面上の３６０度すべて
の方向の風向と風速を検知することができ、さらに、空
間部におけるあらゆる三次元的風向と風速を検知するこ
とが出来るようになった。
【００２１】
【図１】 本発明のセンサーの断面図
【図２】 本発明のセンサーの平面図
【図３】 風向と風速に対する出力電圧測定図
【図４】 １本のヒーターによる出力電圧測定のため
の回路図
の回路図
【図５】 本発明の方法による風向風速計の第１の例
【図６】 本発明の方法による風向風速計の第２の例
【図７】 本発明の方法による三次元風向風速計の例
１：ヒーター、 １１、１３、１５、１７：Ａヒータ
ー、 １２、１４、１６、１８：Ｂヒーター、 ２、
３、２１、３１、３２：電極、 ４：絶縁体、 ５、５
１、５２：主基板、 ６：空洞、 ７：電源および演算
部、 ８：表示部
ー、 １２、１４、１６、１８：Ｂヒーター、 ２、
３、２１、３１、３２：電極、 ４：絶縁体、 ５、５
１、５２：主基板、 ６：空洞、 ７：電源および演算
部、 ８：表示部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻井 俊男 広島県福山市明王台５−149 (72)発明者 岡野 慎悟 広島県因島市田熊町3214 Ｆターム(参考） 2F034 AA02 AB03 DA01 DA09 DA16 DB01 DB09 DB15
Claims (5)
- 【請求項１】 両端に電圧をかける複数の直線状ヒータ
ーを用いる風向風速センサーであって、前記各ヒーター
は両端が支持されて中央部が中空に浮き、且つ、前記ヒ
ーターは各々の一端が電気的に接続して９０度以下の角
度をなし、前記ヒーターから得られる信号を処理する事
を特徴とする、風向風速センサー。 - 【請求項２】 両端に電圧をかける直線状ヒーター一対
からなる風向風速センサーであって、前記各ヒーターは
両端が支持されて中央部が中空に浮き、且つ、前記ヒー
ターは各々の一端が電気的に接続して３０度以上９０度
以下の角度に配置し、前記ヒーターから得られる信号を
処理する事を特徴とする、風向風速センサー。 - 【請求項３】 前記ヒーターの角度が４５度である事を
特徴とする、請求項２の風向風速センサー。 - 【請求項４】 請求項２における第１のヒーター一対
と、前記第１のヒーターの存在する面に対する直角面上
に、請求項２における第２のヒーター一対を配置するこ
とを特徴とする、三次元風向風速センサー。 - 【請求項５】 前記ヒーターが半導体である事を特徴と
する、請求項１〜４の風向風速センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001137984A JP2002296291A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 風向風速センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001137984A JP2002296291A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 風向風速センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002296291A true JP2002296291A (ja) | 2002-10-09 |
Family
ID=18984995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001137984A Pending JP2002296291A (ja) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | 風向風速センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002296291A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009250928A (ja) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Ｍｅｍｓ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサ |
| CN105527454A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-04-27 | 东南大学 | 一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法 |
| CN113777344A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-10 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 风速风向传感器 |
-
2001
- 2001-03-30 JP JP2001137984A patent/JP2002296291A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009250928A (ja) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Ｍｅｍｓ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサ |
| CN105527454A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-04-27 | 东南大学 | 一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法 |
| CN105527454B (zh) * | 2016-01-19 | 2018-11-16 | 东南大学 | 一种高灵敏热式风速传感器及其封装方法 |
| CN113777344A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-10 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 风速风向传感器 |
| CN113777344B (zh) * | 2021-09-15 | 2024-04-19 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 风速风向传感器 |
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