JP2005283536A - Air velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a wind speed sensor, and more particularly to a wind speed sensor using a negative characteristic thermistor.
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。 An interesting wind speed sensor for this invention is a thermal flow meter described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-82286 (Patent Document 1). This thermal flow meter has the following configuration.
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。 The temperature sensing resistor for detection and the temperature sensing resistor for temperature compensation are provided on separate sides to form a bridge circuit. A heating resistor is thermally and integrally coupled to the temperature sensing resistor. A differential output between the bridge side output voltage of the temperature sensing resistor for detection and the bridge side output voltage of the temperature compensation temperature sensing resistor is applied to the heating resistor.
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。 In a thermal flow meter with such a configuration, heat is generated from the temperature sensing resistor for detection according to the flow rate due to the fluid flow, the temperature of the temperature sensing resistor for detection decreases, the resistance value changes, and The bridge side output voltage on the temperature resistor side changes. Then, a differential output between the bridge side output voltage on the temperature sensing resistor side for detection and the bridge side output voltage on the temperature compensation temperature sensor side is detected as a flow rate. This differential output is also applied to the heating resistor. Due to the heat generated by the heating resistor, the detection temperature-sensitive resistor is heated by the temperature drop due to the heat radiation. Control is performed so that the temperature difference from the temperature-compensating temperature-sensitive resistor is constant.
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。 According to such a thermal flow meter, in the detection temperature resistor installation portion, a simple structure in which the detection temperature resistor and the heating resistor are integrally formed thermally can be taken. Therefore, the thermal efficiency is good, and therefore the sensitivity is good, and the size can be reduced. Further, in the drive circuit, since the differential output from the bridge circuit is applied to the heating resistor, there is a circuit configuration for making the temperature difference between the temperature compensation temperature sensing resistor and the detection temperature sensing resistor constant. It becomes extremely simple and this also contributes to miniaturization.
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。
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。
However, in the thermal flow meter described in
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。
In
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a wind speed sensor that can solve the above-described problems.
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。 In the wind speed sensor according to the present invention, a negative characteristic thermistor for detecting wind speed and a negative characteristic thermistor for temperature compensation are provided on separate sides to form a bridge circuit, and the negative characteristic thermistor for heating includes a negative characteristic thermistor for heating. The negative characteristic thermistor for detecting wind speed and the negative characteristic thermistor for heating are composed of a composite negative characteristic thermistor element integrated with a common chip-shaped component body. It is a feature.
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。 According to the present invention, since the negative characteristic thermistor for detecting wind speed and the negative characteristic thermistor for heating are constituted by the composite negative characteristic thermistor element having a common chip-shaped component body, the heat generated in the negative characteristic thermistor for heating is Directly transmitted to negative characteristic thermistor for wind speed detection. Therefore, thermal coupling having high heat transfer efficiency can be realized between the negative characteristic thermistor for detecting the wind speed and the negative characteristic thermistor for heating, and the power required to heat the negative characteristic thermistor for detecting the wind speed can be reduced. As a result, the power consumption of the wind speed sensor can be reduced. In addition, since the wind speed sensor according to the present invention can be driven at a low voltage, it is possible to suppress heat generation in an amplifying means such as a power transistor for obtaining power for generating heat in the heating negative characteristic thermistor.
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。 Also, since the substrate is not substantially involved in the thermal coupling between the negative temperature thermistor for detecting the wind speed and the negative temperature thermistor for heating, the sensitivity to the wind speed decreases due to heat conduction to the substrate, and the wind speed It can suppress that the responsiveness with respect to falls.
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。 Moreover, since the thermal coupling state of the negative characteristic thermistor for detecting the wind speed and the negative characteristic thermistor for heating can be stabilized, variation in characteristics between the wind speed sensors as products can be suppressed.
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。
FIG. 1 is a circuit diagram showing electrical elements included in a
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。
First, the
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。 In order to make it easier to understand the correspondence between the electrical configuration shown in FIG. 1 and the mechanical configuration shown in FIG. 2, reference numerals common to corresponding elements in FIGS. Is attached.
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。
The
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。
The
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。
Further, as shown in FIG. 1, a
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。
A
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。
A
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。
The output voltage at the
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。
The
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。
As described above, the
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。
Referring mainly to FIGS. 3 and 4, the chip-shaped
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。
For example, a pair of
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。
A through-
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。
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。
In such a composite negative
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。
The composite negative
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。 Using an oxide such as Mn, Ni, or Cu, a raw material powder that becomes a negative characteristic thermistor material having a specific resistance of 100 Ω · cm and a B constant of 3200 K, for example, is prepared. Next, a slurry is obtained by mixing this raw material powder with a binder or the like. Next, by applying a doctor blade method or the like, the slurry is formed into a sheet shape, for example, a green sheet having a thickness of 60 μm is obtained, and this is cut into a predetermined dimension.
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。
The
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。
Next, after cutting the raw laminate as necessary, for example, it is fired at a temperature of about 1200 ° C. for 2 hours to obtain a sintered laminate, that is, a chip-shaped
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。
Next, in order to form the
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。
The composite negative
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。
The temperature compensation negative
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。
Also, as shown in FIG. 2, each of the fixed
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。
In the
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。
The operation of the
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。
In the above-described state, the heating negative
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。
On the other hand, when the wind hits the negative
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。 The differential output voltage is extracted as a wind speed detection signal.
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。
The differential output voltage is amplified by the
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。
At this time, the wind speed can also be detected by detecting the current flowing from the
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。
Next, the effect obtained by the present invention, in particular, the effect obtained by using the composite negative
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。 First, when a composite negative characteristic thermistor element (Example) according to the present invention having a planar dimension of 1.6 mm × 0.8 mm was produced, it had a heat dissipation constant of about 1.0 mW / ° C. in a windless state. was gotten.
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。
On the other hand, on the alumina substrate having a structure as described in
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。
Comparing these examples and the comparative example, in order to make the temperature difference between the negative characteristic thermistor for detecting wind speed and the negative characteristic thermistor for
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。 In addition, when the wind speed is 10 m / sec, the heat dissipation constant is about twice, so the power consumption is 1.0 mW / ° C. × 2 × 10 ° C. = 20 mW in the example, while in the comparative example, 6.0 mW / ° C. × 2 × 10 ° C. = 120 mW, and according to the embodiment, power saving of about 100 mW can be achieved as compared with the comparative example.
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。 Further, when comparing the response speed, in the above-described example, the 63% response time is about 10 seconds, and in the comparative example, it is about 20 seconds. According to the example, the response time is about half that of the comparative example. can do. Therefore, according to the embodiment, the response time as the wind speed sensor can be reduced to about half that of the comparative example.
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
DESCRIPTION OF
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004102071A JP2005283536A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Air velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004102071A JP2005283536A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Air velocity sensor |
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Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=35182059
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004102071A Pending JP2005283536A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Air velocity sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005283536A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011033444A (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-17 | Murata Mfg Co Ltd | Heat-dissipating environmental sensor |
WO2019031198A1 (en) * | 2017-08-10 | 2019-02-14 | 株式会社村田製作所 | Fixed temperature heat generation device |
-
2004
- 2004-03-31 JP JP2004102071A patent/JP2005283536A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011033444A (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-17 | Murata Mfg Co Ltd | Heat-dissipating environmental sensor |
WO2019031198A1 (en) * | 2017-08-10 | 2019-02-14 | 株式会社村田製作所 | Fixed temperature heat generation device |
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