JP2005249565A - 風速計 - Google Patents

Abstract

【課題】
乱流の影響が少なく、測定精度が高い風速計を提供する。
【解決手段】
風洞２２内部を、入口側開口２７ａから出口側開口２７ｂに向けて気体が流れるように配置し、センサ基板４０を、気体の流れに対して検出面５０が３０度以上１５０度以下の範囲で傾くように風洞２２内に配置する。風洞２２の整流効果によって乱流が抑制され、また、検出面５０を傾けることにより、風速変化に対する検出抵抗の抵抗変化の直線線が高くなる。
【選択図】 図７

Description

本発明は風速計の技術分野にかかり、特に、応答性が高い風速計の技術分野に関する。

一般に、風速計は、風が奪う熱量は風速に応じた大きさになるという性質を利用しており、サーミスタ素子のようなヒータを発熱させ、風速に応じた温度変化が与えるヒータの抵抗値の変化から、周囲の風速を求めている。
しかし、サーミスタ素子は熱容量が大きいため、待機状態でも通電して一定温度を維持する必要がある。

ヒータの熱容量を低減するためには、マイクロマシニング技術による架橋構造上に白金薄膜抵抗体等のマイクロヒータを形成する方法が有効である。
しかし、流量計のような拘束配管内にマイクロヒータを配置する場合は、管内の気体流は層流になりやすいものの、風速計の場合は開放系流体内にマイクロヒータが配置されるので、センサチップの形状や実装構造から起因する局所的な乱流が発生し、マイクロヒータがその乱流を検出してしまい、測定結果の誤差が大きい。

整流板を設けると乱流を抑制できると考えられるが、測定対象の一つである排気ダクトに設けられた検出口は数センチ程度の直径であり、その検出口から排気ダクト内にヒータを挿入するという制約上、整流板の大きさにも制限があり、効果的に乱流を防止することができない。

従来技術の風速計には下記のようなものがある。
特開平６−２６５５６４ 特開平６−３００７６９

本発明は乱流の影響の少なく、測定精度が高い風速計を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、入口側開口から入った測定対象の気体が出口側開口から外部に流出する風洞と、 前記風洞内に配置されたセンサ基板と、前記センサ基板に配置された検出抵抗とを有し、前記検出抵抗に通電すると、前記検出抵抗が発熱するように構成された風速計。
請求項２記載の発明は、前記センサ基板の前記検出抵抗が配置された検出面が前記中心軸線に対して垂直な位置を前記検出面の傾きが９０度であるとすると、前記検出面は３０度以上１５０度以下の範囲で傾けられた状態で前記入口側開口に向けられた請求項１記載の風速計である。
請求項３記載の発明は、前記センサ基板は前記風洞の中心軸線が貫く位置に配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の風速計である。
請求項４記載の発明は、検出基板を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の風速計であって、前記検出基板は、基板本体と、前記基板本体を貫通する基板貫通孔と、前記基板本体から前記基板貫通孔の中心に向けて突き出された腕部とを有し、前記センサ基板は前記腕部によって前記基板貫通孔上に保持され、前記基板貫通孔は前記風洞の一部を構成する風速計である。
請求項５記載の発明は、第１、第２の筺体部と、前記第１、第２の筺体部をそれぞれ貫通する第１、第２の筺体貫通孔とを有し、前記第１、第２の筺体部は、前記検出基板の表面側と裏面側に配置され、前記第１、第２の筺体貫通孔は前記風洞の一部を構成する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の風速計である。
請求項６記載の発明は、前記センサ基板は、センサチップと、前記センサチップに形成された穴と、前記穴上の位置に配置された橋梁部とを有し、前記検出抵抗は前記橋梁部に配置された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の風速計である。
請求項７記載の発明は、前記検出抵抗は薄膜がパターニングされて形成された請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の風速計である。

本発明は上記のように構成されており、センサ基板が風洞内に配置されるため、センサ基板に吹き付ける気体の向きが一定になり、検出精度が高くなる。また、風洞の整流作用により乱流発生が防止され、検出精度が高くなる。

特に、第１、第２の筺体部によって検出基板を挟み、第１、第２の筺体部に形成された第１、第２の筺体貫通孔と、検出基板に形成された基板貫通孔を連通させて風洞を構成させ、検出貫通孔の中心にセンサ基板を位置させると、センサ基板に吹き付ける気体は風洞壁面の影響を受けず、また、センサ基板が風洞の入口側開口と出口側開口の両方から離間されるので、センサ基板は乱流が生じにくい位置に配置される。

風洞の整流効果により、センサチップ端面に生じる乱流の影響が軽減される。
センサ基板を風洞の中心軸線上に配置することにより、風洞壁面の影響が無い位置の流速を測定することができる。

検出抵抗を穴上に配置された橋梁部に設けるので、熱容量が少なく、パルス状に電流を流して抵抗値を測定することができる。これにより、省電力の風速計が得られる。

センサ基板の検出面を気体の流れに対して３０°以上１５０°以下の範囲で傾けるので、検出抵抗の抵抗変化が、ゼロ付近の風速から大風速まで広い範囲で直線性を有するようになる。

図１の符号１は、本発明の風速計を示している。
この風速計１は、装置本体１１と、ロッド１２と、検出部１３を有している。

装置本体１１は、片手で把持可能な大きさであり、ロッド１２は装置本体１１の先端に取り付けられ、検出部１３は、ロッド１２の先端に取り付けられている。ロッド１２は伸縮自在であり、装置本体１１を持ってロッド１２を伸ばすことができる。

この風速計１を用いて排気ダクト内の気体の流れを測定する場合、排気ダクトの一部に設けられた検査孔からロッド１２の先端部分を排気ダクト内に挿入し、検出部１３を排気ダクト内に位置させる。

検出部１３の拡大図を図２に示し、その分解図を図３に示す。
検出部１３は、風洞本体２１と検出基板２３とを有しており、風洞本体２１は第１、第２の筺体部２１ａ、２１ｂを有している。

各筺体部２１ａ、２１ｂは、円筒形をその底面の中心を通る平面で二分した形状であり、二分した面に相当する面を密着面２１ａ、２１ｂとすると、密着面２４ａ、２４ｂには凹部から成る着座部２５ａ、２５ｂが形成されている。

検出基板２３は着座部２５ａ、２５ｂにはまり込む大きさであり、第１、第２の筺体部２１ａ、２１ｂが密着したときに着座部２５ａ、２５ｂによって形成される空間内に検出基板２３の一部が配置されている。

第１、第２の筺体部２１ａ、２１ｂは、検出基板２３を真ん中にして密着面２４ａ、２４ｂ同士を密着させると、円筒形の風洞本体２１が構成される。

検出基板２３の拡大斜視図を図４に示す。
検出基板２３は、基板本体３１と、該基板本体３１を厚み方向に貫通する基板貫通孔３２と、基板本体３１の一部で構成され、基板貫通孔３２の内周面から基板貫通孔３２の中心方向に突き出された１乃至複数本の腕部３３と、腕部３３の先端に配置され、基板貫通孔３２の中心に位置する台座部３４とを有している。ここでは腕部３３は四本設けられており、四本の腕部３３によって１個の台座部３４が支持されている。台座部３４の周囲は、腕部３３を除き、基板貫通孔３２の一部から成る空洞である。

第１、第２の筺体部２１ａ、２１ｂには、一端の開口が密着面２４ａ、２４ｂに位置し、他端の開口が円筒の側面に位置する第１、第２の筺体貫通孔２２ａ、２２ｂがそれぞれ形成されている。

第１、第２の筺体貫通孔２２ａ、２２ｂは、貫通孔２２ａ、２２ｂがのびる方向と垂直方向の断面形状が同じであり、且つ、同じ大きさである。また、第１、第２の筺体貫通孔２２ａ、２２ｂのその断面形状と基板貫通孔３２の平面形状は同じ形状であって且つ同じ大きさである。

着座部２５ａ、２５ｂによって形成される空間内に検出基板２３を隙間無く嵌め込んだ状態で円筒形の風洞本体２１を構成させると、３個の貫通孔２２ａ、２２ｂ、３２は中心軸線が一致した一つの貫通孔となり、その貫通孔によって風洞２２が構成される。

ここでは、第１、第２の筺体貫通孔２２ａ、２２ｂの断面形状と基板貫通孔３２の平面形状は円形であり、そのため、風洞２２の断面は円形になる。風洞２２は曲がっておらず、風洞２２の中心軸線は直線である。

台座部３４は基板貫通孔３２の中心に配置されているため、風洞２２の中心軸線５１上に位置している。
台座部３４上には、図５に示すように、センサ基板４０が固定されている。センサ基板４０の拡大斜視図を図６に示す。

センサ基板４０は、シリコン基板であるセンサチップ４１を有しており、その片面が検出面５０にされ、検出面の反対側の面が接着剤や半田等によって台座部３４に固定されている。

検出面５０の中央位置は、センサチップ４１表面がエッチング法によって厚み方向を貫通するように掘削され、それによって穴４２が形成されている。そのエッチングは、穴４２の中央位置にマスク膜が配置された状態で行われ、マスク膜が位置した部分に、センサチップ４１の一部で構成された橋梁部４４が残されている。

ここでは橋梁部４４の平面形状は四角形であり、四隅の部分がセンサチップ４１に接続されており、それにより、橋梁部４４は穴４２上に保持されている。
橋梁部４４上には、パターニングされた白金薄膜又は白金合金の薄膜から成る検出抵抗４６が配置されている。

センサチップ４１の橋梁部４４以外の部分には、複数のボンディングパッド４９が配置されており、検出抵抗４６の両端は異なるボンディングパッド４９にそれぞれ接続されている。

なお、符号４７は参照抵抗を示している。この参照抵抗４７はセンサチップ４１の橋梁部４４以外の部分に配置されており、その両端は検出抵抗４６が接続されておらず、互いに異なるボンディングパッド４９に接続されている。

ここでは、ボンディングパッド４９は四個設けられており、各ボンディングパッドは、検出抵抗４６か参照抵抗４７のいずれかに接続されている。

検出基板２３上には、四本の配線膜３５が設けられている。各配線膜３５は、幅の狭い金属薄膜から成り、その一端が台座３４付近に位置するように、１本の腕部３３上を１本の配線膜３５が引き回されている。

検出抵抗４６や参照抵抗４７が接続されたボンディングパッド４９は、金属細線３６によって、異なる配線膜３５にそれそれ接続されている。

各配線膜３５の他端は幅広に成形され、その部分によって端子部３６が構成されている。各端子部３６は、基板本体３１の同じ縁部分に並べられており、装置本体１１内に配置された測定回路に接続されている。

測定回路内には定電流回路や電圧測定回路が配置されており、測定回路によって検出抵抗４６と参照抵抗４７にそれぞれ電圧を印加し、各抵抗４６、４７に定電流を流す。
そして、各抵抗４６、４７の両端に生じた電圧を測定すると、電流値と電圧値から、各抵抗４６、４７の抵抗値が求められる。

各抵抗４６、４７の値は温度によって変化するため、抵抗値から各抵抗４６、４７の温度が求められる。
ここで、参照抵抗４７には小電流を流し、発熱させずに電圧を測定すると、センサ基板４０の周囲温度、即ち、風洞２２内を流れる気体の温度が求められる。

他方、検出抵抗４６には大電流を流し、発熱させる。この場合、気体の流れによって熱が奪われている場合、検出抵抗４６の温度は、投入電力と周囲温度から予想される温度よりも低温になる。

即ち、投入電力と周囲温度から予想される検出抵抗４６の温度と、測定した電圧−電流特性から得られた検出抵抗４６の温度の間の差が気体の流れによって奪われた熱量である。

実験によれば、風速の約１／３乗に比例する量の熱が検出抵抗４６から奪われることが分かっており、従って、温度差から風速を求めることができる。

なお、検出抵抗４６は四隅がセンサチップ４１と接触しているだけであり、センサチップ４１や台座３４等とは熱的に分離されているため、検出抵抗４６の発熱が参照抵抗４７に及ぼす影響は無視することができる。ただし、参照抵抗４７は、検出抵抗４６が配置されたセンサチップとは別のセンサチップに形成してもよい。

次に、本発明の風速計１のセンサ基板４０と気体の流れの向きとの関係を説明する。
図７〜１０は、風洞２２とセンサ基板４０との位置関係を説明するための図面であり、図７〜１０の上側の図は風洞本体２１を横方向に模式的に切断した断面図であり、下側の図は、縦方向に切断した断面図である。検出基板２３は省略してある。

風洞２１の開口は、気体の入口側と出口側が決まっており、図７〜１０の符号２７ａは入口側開口であり、符号２７ｂは出口側開口を示している。

本発明の風速計１は、風洞本体２１を測定対象の排気ダクト等に配置する際、入口側開口２７ａを気体の流れの風上側に向け、出口側開口２７ｂを風下側に向けるように装置本体１１にマークが付されており、風洞２２をその向きで配置することにより、測定対象の気体は入口側開口２７ａから風洞２２内に流入し、出口側開口２７ｂから流出する。

気体が風洞２２内を流れる際、風洞２２内で気体の流れは整流され、風洞２２の中心軸線５１と平行に流れるようになる。

風洞２２内では、中心付近に比べ、壁面近くでは風速が遅くなるので、検出基板４０は、壁面の影響が無いように風洞２２の中心軸線５１上に位置するように配置されている。

また、検出基板４０は、その検出面５０が、風洞２２内を流れる気体に対して３０度以上１５０度以下の範囲の所定角度で傾くように配置されている。

図１０は、検出面５０が風洞２２内を流れる気体に対して平行な場合であり、このとき、検出面５０と中心軸線５１の成す角度θをゼロ度とすると、図７は角度θがゼロ度よりも大きく９０度よりも小さい場合であり、図８は９０度の場合、図９は９０度よりも大きく１８０度よりも小さい場合である。１８０度に達すると、図１０に示したゼロ度と同様に、検出面５０は中心軸線５１に対して平行になる。

本発明では、検出面５０と風洞２２内を流れる気体の角度、即ち、検出面５０と中心軸線５１とが成す角度θが３０度以上１５０度以下になるように配置されている。

検出面５０と中心軸線５１との間に３０度の角度を設けた場合の出力信号の安定性を説明する。
上記風速計１では、検出面５０は鉛直であったが、図１１(ａ)〜(ｃ)は、検出面５０を水平面に対して３０度傾けることで中心軸線５１に対して３０度傾けた状態にし、水平方向に気体を流した場合の、気体の流れの向きとセンサ基板４０の出力信号強度の関係を示すグラフである。

グラフ周囲の０〜３４５の数字は気体の流れの向きを示す角度であり、検出面５０の正面から気体が吹き付ける場合をゼロ度、検出面の裏側から気体が吹き付ける場合を１８０度としてある。

図１１(ａ)〜(ｃ)は、風速がそれぞれ１０、１５、２０ｍ／秒の場合であり、±１５度の範囲で、出力信号の変動が０．７％以内になっており、安定性が高い。

比較例として風洞が無く、検出面５０を水平に配置ち、水平方向から気体を吹き付けた場合の、気体の流れ方向と出力信号強度の関係を図１５に示す。所定方向から吹き付ける場合をゼロ度としてある。

この場合は吹きつけ方向によらず、出力信号強度は一定になるはずであるが、基板本体が四角であることや、ワイヤーボンディングの影響により、特定の気体の流れ方向で乱流が発生し、その結果、出力信号強度が一定にならない。

本発明では、乱流の影響が排除されるため、図１１(ａ)〜(ｃ)に示されるように、信号変動が小さくなっている。
また、比較例として、風洞ではなく、平行平板を水平に配置し、その間に検出面を水平にしてセンサチップを配置した場合の気体の流れ方向と出力信号の強度の関係を図１６に示す。同図最内周のグラフが風速７．８ｍ／秒の場合、その外側が１５ｍ／秒の場合、最外周が２０ｍ／秒の場合である。
平行平板では、本願の風洞２２に比べて乱流の影響が大きい。

次に、図１２は、気体の流れと検出面５０とが成す傾きθと消費電力(ｍＷ)の関係を示すグラフである。風速は１．０ｍ／秒の場合である。
ゼロ度は、検出面５０が水平に配置された場合であり、９０度は検出面５０が鉛直に配置され、気体が検出面５０に垂直に吹き付ける場合である。不図示の９０度から１８０度の範囲は、９０度の位置を中心にグラフが対称に折り返される。

図１２から分かるように、３０度以上の範囲でグラフが水平であり、出力が安定しており、即ち、３０度以上１５０度以下の範囲で出力が安定することが分かる。

次に、図１３は、３０度傾けた場合の風速と出力信号(電圧)の関係を示すグラフである。風速に対する電圧の応答の直線性が高い。
比較例として、風洞２２内に配置せず、検出面５０を水平にした場合の風速と出力信号電圧との関係を図１７に示す。８ｍ／秒以上になると乱流が生じ、測定不能であることが分かる。

次に、本発明の検出抵抗４６に流す電流波形を説明する。
図１４の下側のグラフは、検出抵抗４６に流れる電流波形であり、上側のグラフは抵抗値を示す波形である。パルス状の電流波形に対し、その応答である抵抗値の波形もパルス状になっている。

本発明の検出抵抗４６は、穴４２上に位置する橋梁部４４に配置されており、橋梁部４４はセンサチップ４１の他の部分からは熱的に分離されている。橋梁部４４の熱容量は小さいので、パルス状に電流を流しても温度が速やかに変化し、電流変化に対する抵抗値変化の追随性が高いためである。

なお、上記基板本体３１はシリコン単結晶基板であったが、シリコン以外の他の半導体や誘電体の基板であってもよい。要するに、パターニングにより検出抵抗４６や参照抵抗４７を構成する薄膜抵抗を形成でき、穴上に橋梁部を配置できる基板であればよい。

参照抵抗４７については、気体の流れが影響しない位置に配置される方が望ましい。従って、検出抵抗４６とは別の基板本体に配置してもよい。
また、上記実施例ではワイヤーボンディングによって検出抵抗４６や参照抵抗４７を配線膜３５に接続したがそれに限定されるものではない。

上記実施例では排気ダクトに流れる空気流を測定する場合について説明したが、本発明は排気ダクトに限定されるものではない。また、空気流の測定でなく、配管内を流れる窒素ガス等の空気以外の気体の流れも測定することができる。
また、上記実施例では、風洞の断面の直径は一定であり、直管形状であったが、入口側開口２７ａや出口側開口２７ｂ付近の直径が、基板貫通孔３２の直径よりも大きく、中央の直径が小さい鼓型であってもよい。

また、上記実施例では、穴４２はセンサチップの厚み方向を貫通する貫通孔であったが、エッチングを厚み方向が貫通する前に終了させ、底部を設けてもよい。この場合、橋梁部４４は底部と非接触の状態にさせ、橋梁部４４をセンサチップ４１の他の部分から熱的に分離させるとよい。気体が通り抜ける分、貫通孔の方が望ましい。

本発明の風速計の先端 その風速計の検出部 検出部の分解斜視図 センサ基板の斜視図 センサ基板の台座上に配置されたセンサチップを示す図 センサチップの斜視図 気体の流れの方向とセンサチップの向きとの成す角度を説明するための図(０°〜９０°) 気体の流れの方向とセンサチップの向きとの成す角度を説明するための図(９０°) 気体の流れの方向とセンサチップの向きとの成す角度を説明するための図(９０°〜１８０°) 気体の流れの方向とセンサチップの向きとの成す角度を説明するための図(ゼロ°) (ａ)〜(ｃ)：センサ基板に対する気体の流れ方向と出力電圧の関係を示すグラフ 気体の流れと検出面５０とが成す傾きθと消費電力(ｍＷ)の関係を示すグラフ ３０度傾けた場合の風速と出力信号(電圧)の関係を示すグラフ 検出抵抗に流れるパルス状の電流と抵抗値の変化を示すグラフ 水平な検出面に水平方向から気体を吹き付けた場合の吹き付け角度と出力信号強度の関係を示すグラフ 平行平板内にセンサチップを配置した場合の吹き付け角度と出力信号 風洞の外部にセンサチップを配置した場合の風速と出力信号電圧の関係を示すグラフ

符号の説明

１……風速計
２１ａ……第１の筺体部
２１ｂ……第２の筺体部
２２……風洞
２２ａ……第１の筺体貫通孔
２２ｂ……第２の筺体貫通孔
２３……検出基板
２７ａ……入口側開口
２７ｂ……出口側開口
３２……基板貫通孔
３３……腕部
４０……センサ基板
４１……センサチップ
４２……穴
４４……橋梁部
４６……検出抵抗
５０……検出面
５１……風洞の中心軸線

Claims (7)

1. 入口側開口から入った測定対象の気体が出口側開口から外部に流出する風洞と、
   前記風洞内に配置されたセンサ基板と、
   前記センサ基板に配置された検出抵抗とを有し、
   前記検出抵抗に通電すると、前記検出抵抗が発熱するように構成された風速計。
2. 前記センサ基板の前記検出抵抗が配置された検出面が前記中心軸線に対して垂直な位置を前記検出面の傾きが９０度であるとすると、
   前記検出面は３０度以上１５０度以下の範囲で傾けられた状態で前記入口側開口に向けられた請求項１記載の風速計。
3. 前記センサ基板は前記風洞の中心軸線が貫く位置に配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の風速計。
4. 検出基板を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の風速計であって、
   前記検出基板は、基板本体と、
   前記基板本体を貫通する基板貫通孔と、前記基板本体から前記基板貫通孔の中心に向けて突き出された腕部とを有し、
   前記センサ基板は前記腕部によって前記基板貫通孔上に保持され、
   前記基板貫通孔は前記風洞の一部を構成する風速計。
5. 第１、第２の筺体部と、前記第１、第２の筺体部をそれぞれ貫通する第１、第２の筺体貫通孔とを有し、
   前記第１、第２の筺体部は、前記検出基板の表面側と裏面側に配置され、前記第１、第２の筺体貫通孔は前記風洞の一部を構成する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の風速計。
6. 前記センサ基板は、
   センサチップと、
   前記センサチップに形成された穴と、
   前記穴上の位置に配置された橋梁部とを有し、
   前記検出抵抗は前記橋梁部に配置された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の風速計。
7. 前記検出抵抗は薄膜がパターニングされて形成された請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の風速計。

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