JP2021183953A - Flow sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、風向を計測可能な流量センサ装置に関する。 The present invention relates to, for example, a flow rate sensor device capable of measuring a wind direction.
加熱した流量検知用抵抗素子を流体に曝し、その際の放熱作用に基づいて流体の流量を検出する熱式の流量センサ装置が知られている。例えば、特許文献1には、球状の構造体を有し、その構造体に経線方向及び緯線方向に複数の線状の検出部を配置した風向風速計に関する発明が開示されている。
A thermal flow rate sensor device is known that exposes a heated resistance element for flow rate detection to a fluid and detects the flow rate of the fluid based on the heat dissipation action at that time. For example,
しかしながら、特許文献1の構成では、球状の構造体を精度よく作製しなければならず、しかも、構造体の表面に、経線方向及び緯線方向に複数本の検出部を配置し、且つ検出部同士が交わる部分には絶縁部を設けて電気的に絶縁することが必要になる。このように、特許文献1では、かなり複雑な構造となり、また球体の表面に沿って、複数本の検出部を経線方向及び緯線方向に這わせなければならず、生産性も劣る。
However, in the configuration of
そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、風向及び風速を検出することが可能な流量センサ装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a flow rate sensor device capable of detecting a wind direction and a wind speed with a simple structure.
本発明における流量センサ装置は、基板と、前記基板に配置された複数の感温抵抗素子を備えたセンサ素子と、を有し、各センサ素子は、前記基板の平面視において、互いに斜めに傾いて配置されていることを特徴とする。 The flow sensor device in the present invention includes a substrate and a sensor element provided with a plurality of temperature-sensitive resistance elements arranged on the substrate, and each sensor element is tilted obliquely with respect to each other in a plan view of the substrate. It is characterized by being arranged in a row.
本発明の流量センサ装置においては、基板上に複数のセンサ素子を平面視にて斜めに配置した構造であり、各センサ素子にて取得される風速情報を比較することで、簡単な構造にて、風向と風速とを同時に検出することが可能になる。 The flow sensor device of the present invention has a structure in which a plurality of sensor elements are diagonally arranged on a substrate in a plan view, and a simple structure can be obtained by comparing wind speed information acquired by each sensor element. , It becomes possible to detect the wind direction and the wind speed at the same time.
以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter, abbreviated as “embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist thereof.
図1は、本実施の形態の流量センサ装置の斜視図である。図2は、本実施の形態における流量センサ装置の平面図である。 FIG. 1 is a perspective view of the flow rate sensor device of the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the flow rate sensor device according to the present embodiment.
図1、図2の各図に示されるX方向及びY方向は、平面内にて直交する2方向を示し、Z方向は、X方向及びY方向に互いに直交する高さ方向を指す。 The X and Y directions shown in FIGS. 1 and 2 indicate two directions orthogonal to each other in the plane, and the Z direction indicates a height direction orthogonal to each other in the X and Y directions.
図1に示す本実施の形態の流量センサ装置1は、基板2と、複数のセンサ素子3、4、5と、を有して構成される。
The flow
基板2は、絶縁基板であり、特に限定するものではないが、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた一般的なプリント基板であることが好ましく、例えば、FR4基板を提示することができる。
The
図1に示すように、各センサ素子3、4、5は、夫々、リード線7を介して、基板2の表面2aの鉛直方向(高さ方向;Z方向)に離間して配置される。
As shown in FIG. 1, the
センサ素子3、4、5の構造について、図3を用いて説明する。図3に示すように、センサ素子3、4、5は、感温抵抗素子10と、感温抵抗素子10の両側に配置された電極キャップ11と、感温抵抗素子10及び電極キャップ11を被覆する絶縁膜12と、を有して構成される。そして、電極キャップ11からリード線7、8がセンサ素子3、4の両側外方に延出している。
The structure of the
図3に示す感温抵抗素子10は、例えば、セラミック等の円柱基板の表面に抵抗被膜が形成されて成る。図示しないが、感温抵抗素子10の抵抗被膜の表面には、トリミングが施されて、抵抗調整がされている。
The temperature-
図3に示すように、感温抵抗素子10は、一方向に長く形成されている。したがって、感温抵抗素子10を含むセンサ素子3、4、5も、一方向に長い形状となっている。ここで、「一方向に長い」とは、一方向に対して直交するどの方向の長さよりも長い状態を指す。
As shown in FIG. 3, the temperature-
以下、センサ素子3を第1センサ素子3、センサ素子4を第2センサ素子4、センサ素子5を第3センサ素子5として説明する。
Hereinafter, the
第1センサ素子3、第2センサ素子4及び、及び第3センサ素子5は、いずれも感温抵抗素子(流量検知用抵抗素子)10を備える。
The
感温抵抗素子10は、温度補償用抵抗素子14とともに、図4に示す回路を構成する。なお、図4に示す回路は、各センサ素子3、4、5の感温抵抗素子10ごとに組み込まれる。図4に示すように、感温抵抗素子10と、温度補償用抵抗素子14と、抵抗器16、17とでブリッジ回路18を構成している。図4に示すように、感温抵抗素子10と抵抗器16とで第1の直列回路19を構成し、温度補償用抵抗素子14と抵抗器17とで第2の直列回路20を構成している。そして、第1の直列回路19と第2の直列回路20とが、並列に接続されてブリッジ回路18を構成している。
The temperature-
図4に示すように、第1の直列回路19の出力部21と、第2の直列回路20の出力部22とが、夫々、差動増幅器(アンプ)23に接続されている。ブリッジ回路18には、差動増幅器23を含めたフィードバック回路24が接続されている。フィードバック回路24には、トランジスタ(図示せず)等が含まれる。
As shown in FIG. 4, the
抵抗器16、17は、感温抵抗素子10、及び温度補償用抵抗素子14よりも抵抗温度係数(TCR)が小さい。感温抵抗素子10は、例えば、所定の周囲温度よりも所定値だけ高くなるように制御された加熱状態で、所定の抵抗値Rs1を有し、また、温度補償用抵抗素子14は、例えば、前記の周囲温度にて、所定の抵抗値Rs2を有するように制御されている。なお、抵抗値Rs1は、抵抗値Rs2よりも小さい。感温抵抗素子10と第1の直列回路19を構成する抵抗器16は、例えば、感温抵抗素子10の抵抗値Rs1と同様の抵抗値R1を有する固定抵抗器である。また、温度補償用抵抗素子14と第2の直列回路20を構成する抵抗器17は、例えば、温度補償用抵抗素子14の抵抗値Rs2と同様の抵抗値R2を有する固定抵抗器である。
The
各センサ素子3、4、5が、周囲温度よりも高い温度に設定されており、風を受けると、発熱抵抗である感温抵抗素子10の温度は低下する。このため、感温抵抗素子10が接続された第1の直列回路19の出力部21の電位が変動する。これにより、差動増幅器23により差動出力が得られる。そして、フィードバック回路24では、差動出力に基づいて、感温抵抗素子10に駆動電圧を印加する。そして、感温抵抗素子10の加熱に要する電圧の変化に基づき、マイコン(図示せず)にて風速を換算し出力することができる。なお、マイコンは、例えば、基板2の表面に設置され、各センサ素子3、4、5と、各リード線7及び基板2の表面の配線パターン(図示しない)を介して電気的に接続されている。
Each of the
また、温度補償用抵抗素子14は、流体そのものの温度を検知し、流体の温度変化の影響を補償する。このように、温度補償用抵抗素子14を備えることで、流体の温度変化が流量検知に影響するのを低減でき、流量検知を精度よく行うことができる。上記したように、温度補償用抵抗素子14は、感温抵抗素子10よりも十分に抵抗が高く、且つ、温度が周囲温度付近に設定されている。このため、温度補償用抵抗素子14が風を受けても、温度補償用抵抗素子14が接続された第2の直列回路20の出力部22の電位は、ほとんど変化しない。したがって、出力部22の電位を基準電位として、感温抵抗素子10の抵抗変化に基づく差動出力を精度よく得ることができる。
Further, the temperature compensating
なお、図4に示す回路構成は、一例であり、これに限定されるものではない。 The circuit configuration shown in FIG. 4 is an example and is not limited thereto.
本実施の形態では、温度補償用抵抗素子14の配置場所を限定するものではない。例えば、基板2の裏面に配置することができる。
In the present embodiment, the location of the temperature compensating
本実施の形態では、図1、図2に示すように、第1センサ素子3は、基板2の平面視にて、X方向に平行に配置されている。ここで、センサ素子の配置方向は、センサ素子(感温抵抗素子10)の長手方向に沿う方向である。図1、図2に示すように、第2センサ素子4は、第1センサ素子3の図示左側に配置されるとともに、平面視にて、X方向に対し直交するY方向から、第1センサ素子3に向けて傾いて配置される。本実施の形態では、互いに対向する第1センサ素子3の素子表面3aと、第2センサ素子4の素子表面4aとの間の角度θ1が、約60度となるように配置されている。また、第3センサ素子5は、第1センサ素子3の図示右側に配置されるとともに、平面視にて、Y方向から、第1センサ素子3に向けて傾いて配置される。本実施の形態では、互いに対向する第1センサ素子3の素子表面3aと、第3センサ素子5の素子表面5aとの間の角度θ2が、約60度となるように配置されている。これにより、互いに対向する第2センサ素子4の素子表面4aと、第3センサ素子5の素子表面5aとの間の角度θ3も、約60度となる。図2の平面視に示すように、第1センサ素子3、第2センサ素子4及び第3センサ素子5が、略正三角形に配置されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
また、図1に示すように、第1センサ素子3は、最も低い位置に形成されており、第2センサ素子4が、次に高い位置に形成されており、第3センサ素子5が、最も高い位置に形成される。すなわち、第1センサ素子3、第2センサ素子4、及び第3センサ素子5の順に、基板2から離れて配置されている。なお、各センサ素子3、4、5の高さは、センサ素子3、4、5を構成する感温抵抗素子10の位置にて規定される。
Further, as shown in FIG. 1, the
本実施の形態では、これら3つのセンサ素子3、4、5から得られる風速情報を比較することで、風向と風速を同時に検出することが可能になる。例えば、X方向に沿って吹く風に対しては、第1センサ素子3を有する図4の回路からの出力は最も小さくなり(出力はほぼゼロになる)、一方、第2センサ素子4及び第3センサ素子5を有する回路からは所定の出力が得られる。そして、各センサ素子3、4、5の出力値を比較することで、風向を検出することができる。また、各センサ素子3、4、5の傾き角度がわかっているため、各センサ素子3、4、5の出力値に基づいて風速を検出することができる。
In the present embodiment, the wind direction and the wind speed can be detected at the same time by comparing the wind speed information obtained from these three
ここで、本実施の形態における風向検出の原理について説明する。図5は、1つの感温抵抗素子のみが配置された流量センサ装置に、風を吹き付けた際、風向によって風速値が変わることを示すグラフである。すなわち、図5に示すセンサの示す風速値は、図1に示す本実施の形態の流量センサ装置1に設けられたセンサ素子3、4、5が一つのみ配置された構成から得られた風速値である。なお、風速はどの向きからに対しても一定であるとする。
Here, the principle of wind direction detection in the present embodiment will be described. FIG. 5 is a graph showing that when a wind is blown onto a flow rate sensor device in which only one temperature-sensitive resistance element is arranged, the wind speed value changes depending on the wind direction. That is, the wind speed value indicated by the sensor shown in FIG. 5 is the wind speed obtained from the configuration in which only one
図5には、差圧から算出した風速値の検出結果も示されている。図5に示すように差圧では、風向よって出力が変化しないため、風向を検知することができない。一方、センサの示す風速値は、感温抵抗素子と風向との関係で、出力が変化する。図5に示すように、感温抵抗素子の表面に垂直に風が当たるときは、ピーク値の11m/sが検出され、感温抵抗素子の表面に対し徐々に風向が傾くと検出される風速値は小さくなっていく。 FIG. 5 also shows the detection result of the wind speed value calculated from the differential pressure. As shown in FIG. 5, in the differential pressure, the output does not change depending on the wind direction, so that the wind direction cannot be detected. On the other hand, the output of the wind speed value indicated by the sensor changes depending on the relationship between the temperature-sensitive resistance element and the wind direction. As shown in FIG. 5, when the wind hits the surface of the temperature-sensitive resistance element vertically, the peak value of 11 m / s is detected, and the wind speed is detected when the wind direction gradually tilts with respect to the surface of the temperature-sensitive resistance element. The value is getting smaller.
本実施の形態のように、3つのセンサ素子3、4、5が正三角形となるように配置された構成では、図6に示すように、各センサ素子3、4、5の出力がずれて変化する。図6に示すように、各センサ素子3、4、5の出力は、それぞれ60度ずつ位相がずれている。
In the configuration in which the three
図7には、各センサ素子3、4、5と風向との関係を示している。図7(a)では、センサ素子3の長手方向と風向とが一致している。図7(a)は、図6の角度0度に該当し、センサ素子3の出力は0であり、センサ素子4、5の出力は約0.8である。図7(b)〜図7(g)のように、右回りにセンサ素子を30度ずつ回転させると、図6に示すように、各センサ素子3、4、5の出力は、徐々に変化し、各センサ素子3、4、5に当たる風の向きとのなす角度が0度から180度における範囲で、それぞれの角度における各センサ素子3、4、5の出力値の組み合わせが全て異なる。このため、3つのセンサ素子3、4、5の出力値に基づいて、風向と風速を検出することが可能となる。
FIG. 7 shows the relationship between the
本実施の形態では、図1に示すように、各センサ素子3、4、5の高さを変えることが好ましい。これにより、各センサ素子3、4、5が互いに、風の接触を妨害する障壁にならず、風向と風速を高精度に検出することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, it is preferable to change the height of each of the
本実施の形態の流量センサ装置1では、図1に示すように、基板2と、基板2の表面に立設された複数のセンサ素子3、4、5とを具備する構成であり、簡単な構造で、風向と風速を同時に検出することが可能である。
As shown in FIG. 1, the flow
図1、図2に示す実施の形態では、センサ素子3、4、5の数を3つとしたが、数を限定するものではない。ただし、センサ素子は、平面視にて、隣り合うセンサ素子の素子表面が、等角度で傾くように配置されることが好ましい。これにより、各センサ素子から得られる風速情報の比較制御がしやすくなるため、風向と風速を算出する制御回路への負担を小さくでき、且つ高精度に、風向と風速を検出することができる。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the number of the
なお、本実施の形態では、センサ素子3、4、5を3つ配置し、且つ平面視で正三角形となるように配置することが、少ない素子数で且つ、高精度に、風向と風速を検出することができ好適である。
In this embodiment, three
上記では、流量センサ装置1は、風を検知するものとして説明したが、検知する流体としては、風以外にガスや、液体であってもよい。
In the above, the flow
本発明では、風向及び風速を同時に検出可能な流量センサ装置とすることができ、様々なアプリケーションに適用することができる。例えば、LED等の発光素子を搭載し、風向や風速の大きさに応じて、色の変化等を制御することで、イルミネーションを実現でき、また、風の制御系や分析用などとして適用することも可能である。 In the present invention, the flow rate sensor device capable of simultaneously detecting the wind direction and the wind speed can be used, and can be applied to various applications. For example, by mounting a light emitting element such as an LED and controlling the color change according to the wind direction and the magnitude of the wind speed, illumination can be realized, and it can be applied to a wind control system or analysis. Is also possible.
1 :流量センサ装置
2 :基板
3 :第1センサ素子
4 :第2センサ素子
5 :第3センサ素子
7、8 :リード線
10 :感温抵抗素子
14 :温度補償用抵抗素子
16、17 :抵抗器
18 :ブリッジ回路
21、22 :出力部
23 :差動増幅器
24 :フィードバック回路
1: Flow sensor device 2: Substrate 3: First sensor element 4: Second sensor element 5:
Claims (4)
前記基板に配置された複数の感温抵抗素子を備えたセンサ素子と、を有し、
各センサ素子は、前記基板の平面視において、互いに斜めに傾いて配置されていることを特徴とする流量センサ装置。 With the board
It has a sensor element having a plurality of temperature-sensitive resistance elements arranged on the substrate, and has.
A flow rate sensor device characterized in that each sensor element is arranged at an angle to each other in a plan view of the substrate.
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