JP6230334B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、温度センサに関する。

従来の温度センサとしては、半導体ピエゾ抵抗素子、サーミスタ素子などの測温抵抗体を用いたものが知られている。これらの温度センサは、電気抵抗値の温度変化を測定する方式であるため、当該電気抵抗値を測定する上で、素子に電流を流し、その時の電圧値を測定する必要がある。そのため、これらの温度センサは、温度測定に際して大きな電力消費を伴うものであるため、センサの省電力化に不向きである。

一方、温度測定に際して電力消費を伴わない温度センサとしては、充満式温度センサが知られている。当該充満式温度センサとしては、例えば、ブルトン管充満式温度センサが広く用いられている。

当該ブルトン管充満式温度センサは、金属製のブルトン管内部に充満された流体が外気温変化に即して膨張・収縮することでブルトン管を変位させ、その変位量に即した外気温変化を指針によって温度指示するものである（例えば、特許文献１等参照）。

特開平１１−５１７７７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の充満式温度センサは、外気温変化を計測することができる一方で、他の温度変化（外気温と異なったある基準温度に対する相対的な温度変化）を精確に検知することができない。というのは、上記充満式温度センサでは、外気温と異なるある基準温度に設置する上で（例えば、外気温よりも遥かに高温の基準温度で維持されるべき装置に設置する場合など）、ブルトン管が膨張・収縮して、基準温度時点で指針による温度指示がなされてしまうためである。そのため、従来の充満式温度センサは、温度センサとしての利便性が不十分であるという課題があった。

そこで、本発明は、温度変化を精確に検出できる利便性の良い温度センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る温度センサは、内部の温度が外部の温度変化に応じて変化し容積が一定の第１の温度室と、前記第１の温度室と仕切り板を介して連接され、内部の温度が外部の温度変化に追従しない容積が一定の第２の温度室と、を備え、前記仕切り板は、前記第１の温度室と前記第２の温度室とを熱的に絶縁し、前記仕切り板に配置され、前記第１の温度室と前記第２の温度室との圧力差に応じてたわみ変形するカンチレバーと、前記第１の温度室と第２の温度室との間で流体を流通させる間隙と、を含み当該カンチレバーの変形量を検出する検出部を有することを特徴とする。

請求項１記載の温度センサによると、ある基準温度に置かれた第１の温度室及び第２の温度室において、第１の温度室の温度（外部の温度）を変化させた場合、第１の温度室の内圧がその温度変化に応じて変化する一方で、第２の温度室の内圧（内部の温度）は変化しない。そのため、第１の温度室と第２の温度室の圧力差に応じてカンチレバーがたわみ変形するため、検出部にてその変形量を検出することで、基準温度に対する温度変化量（圧力変化量）を計測することが可能となる。しかも、第１の温度室及び第２の温度室をある基準温度に設置する際に第１の温度室の温度が変化したとしても、第１の温度室の流体が間隙を介して第２の温度室に流入するため、暫くすれば第１の温度室と第２の温度室は等温化（等圧化）されるため、カンチレバーをたわみの無い初期状態にすることができる。そのため、本発明の温度センサによると、第１の温度室と前記第２の温度室の相対的な温度変化量を精確に検出できる。

また、請求項２に係る温度センサは、前記検出部は、前記カンチレバーの上部に配置された圧電素子を有することを特徴とする。
請求項２記載の温度センサによると、カンチレバーのたわみ変形に応じて圧電素子が圧電効果による起電力を発生させるので、当該起電力を検出することで温度変化量を計測することができる。つまり、請求項２記載の温度センサによると、圧電素子を用いることで、温度変化量を電気信号として出力できるとともに、温度測定に際しての電力消費を極力抑えることが可能となる。

また、請求項３に係る温度センサは、前記仕切り板は、一部に開口を有し、前記カンチレバーは、前記開口の縁部に一端が固定され他端が自由端からなり、前記間隙を除く前記開口を閉塞するように配置されることを特徴とする。
請求項３記載の温度センサによると、カンチレバーが仕切り板の開口部分（つまり、第１の温度室と第２の温度室の境界部分）に設けられているので、一層精確に第１の温度室と第２の温度室の温度差を検出することができる。

また、請求項４に係る温度センサは、前記第１の温度室は枠体が伝熱材からなり、前記第２の温度室は枠体が断熱材からなることを特徴とする。
請求項４記載の温度センサによると、一層容易に第１の温度室と第２の温度室の温度差形成が実現できる。

また、請求項５に係る温度センサは、前記第１の温度室は、枠体が伝熱材からなる第３の温度室と、枠体が断熱材からなり、仕切り板を介して第２の温度室と連接された第４の温度室と、前記第３の温度室と前記第４の温度室とを分離し当該第３の温度室と第４の温度室とを熱的に絶縁する分離壁と、前記分離壁に設けられ、前記第３の温度室と前記第４の温度室との圧力差が予め定めた閾値を超えた場合に開弁して前記第３の温度室と前記第４の温度室との間で流体を流通させる前記間隙よりも大きな口径からなる弁部材と、を備えることを特徴とする。

請求項５記載の温度センサによると、外部の温度が非常にゆっくりと変化し、間隙を介して外部の温度変化速度に併せて第１の温度室から第２の温度室への内部流体の流通が進行することで、双方の温度室間に十分な差圧が生じない場合であっても、第３の温度室と第４の温度室との圧力差が予め定めた閾値を超えるまで第４の温度室を第２の温度室と等温等圧に保ち、上記圧力差が閾値を超えると同時に、十分に高圧又は低圧化された第３の温度室の流体を第４の温度室に流入させることで、第４の温度室と第２の温度室との間（カンチレバーの表裏面）に差圧を形成することができる。そのため、請求項５記載の温度センサによると、外部の温度が非常にゆっくりと変化する場合であっても、精確に第１の温度室と第２の温度室の温度差を検出することができる。

したがって、本発明は、温度変化を精確に検出できる利便性の良い温度センサを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る温度センサの外観を表す概略図である。 図１に示す温度センサの縦断面図である。 図１に示す温度センサによる動作説明のための模式図であり、（Ａ）は外気温の時間変化を、（Ｂ）は第１の温度室及び第２の温度室の内圧の時間変化を、それぞれ表す。 本発明の第２実施形態に係る温度センサの縦断面図である。 図４に示す温度センサによる動作説明のための模式図であり、（Ａ）は外気温の時間変化を、（Ｂ）は第１の温度室及び第２の温度室の内圧の時間変化を、それぞれ表す。

以下、本発明に係わる温度センサ１０００の第１実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
「第１実施形態」
（温度センサの全体構成）
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る温度センサ１０００は、外気温の変化に応じて内部の温度が変化する第１の温度室２００と、外気温の変化に追従せずに内部の温度が一定の第２の温度室３００と、第１の温度室２００と第２の温度室３００の間に設けられた仕切り板４００と、仕切り板４００の上部に配設された電極５００及び圧力センサ部１００と、を備え、第１の温度室２００及び第２の温度室３００の内部に流体（空気）が密閉された構造からなる。

第１の温度室２００は、内部及び底面が開口した箱形状からなる部材である。当該第１の温度室２００は、例えば、アルミニウムや銅といった金属やSiなどの伝熱性の材料を用いて形成され、外気温の変化に応じて内部の温度が変化する。

第２の温度室３００は、仕切り板４００を介して第１の温度室２００の下部に配設され、内部及び上面が開口した箱形状からなる部材である。当該第２の温度室３００は、樹脂表面に例えば、アルミニウムといった金属が成膜された材料やセラミック材など、内外を熱的に絶縁可能な材料を用いて形成され、外気温の変化に追従せずに内部の温度を一定に保つ。

仕切り板４００は、第１の温度室２００の底面と第２の温度室３００の上面とを接続し、第１の温度室２００と第２の温度室３００の蓋として機能する板状の部材である。当該仕切り板４００は、樹脂材やセラミック材を用いて構成され、第１の温度室２００の内部と第２の温度室３００の内部とを熱的に絶縁する。

また、仕切り板４００は、第１の温度室２００の内部と第２の温度室３００の内部とを連接する貫通孔４１０を有する。
電極５００は、仕切り板４００上面に設けられ、一部が外部へ露出するように配置された電極であり、後述する圧力センサ部１００と電気的に接続される。

（圧力センサ部の構成）
圧力センサ部１００は、図２に示すように、例えば、圧力センサの基部であるセンサフレーム１０と、センサフレーム１０の上部に基端側が支持されたカンチレバー１５と、カンチレバー１５の上部に配置された圧電体３０と、カンチレバー１５と貫通孔４１０の周縁との間に形成された間隙であり、第１の温度室２００と第２の温度室３００との間で内部流体を流通させるギャップ２０と、を備えている。

上記センサフレーム１０及びカンチレバー１５は、例えば、シリコン支持層１１、シリコン酸化膜１２、およびシリコン活性層１３を張り合わせたＳＯＩ基板１４によって一体に形成される。
具体的には、センサフレーム１０は、シリコン支持層１１及びシリコン酸化膜１２から構成され、貫通孔４１０に沿った孔を切り出した形状からなる。

一方、カンチレバー１５は、平板状のシリコン活性層１３よりギャップ２０を切り出した形状からなる。つまり、カンチレバー１５は、平面視矩形状の貫通孔４１０よりも長手方向及び幅方向の長さが僅かに小さくなるように（つまり、カンチレバー１５が貫通孔４１０を塞ぐように）、平面視コ字状のギャップ２０を切り出すことで、一端がセンサフレーム１０に固定され、他端が自由端からなる矩形の片持ち梁状に形成される。ここで、ギャップ２０は、第１の温度室２００の内部と第２の温度室３００の内部との微小な圧力差を検出するために、数マイクロメートルオーダーの大きさからなる。

圧電体３０は、カンチレバー１５の上面に配置され、カンチレバー１５のたわみ変形に応じて撓み、圧電効果により起電力を出力する圧電材である。当該圧電体３０は、ＭＥＭＳプロセスによりシリコン基板上に圧電材をつけて加工したものである。このような構造により、微小な圧力差によっても、圧電体３０が撓むことができるので、例えば１キロパスカル以下、数パスカルの圧力変化を検出できる感度を確保することができる。

以上のように構成された圧力センサ部１００によると、カンチレバー１５の上面側である第１の温度室２００の内圧と、カンチレバー１５の下面側である第２の温度室３００の内圧と、に差圧が生じた場合、カンチレバー１５及び圧電体３０が当該差圧に応じて撓み変形し、圧電体３０から圧電効果に基づく起電力が出力されるので、当該起電力を電極５００より検出することで、上記差圧を計測することが出来る。そして、第１の温度室２００と第２の温度室３００とは、微小なギャップ２０を介して内部流体がゆっくりと流通するため、差圧が生じた後時間経過とともに、第１の温度室２００と第２の温度室３００とが徐々に等圧化される。その結果、上記等圧化された状態では、カンチレバー１５及び圧電体３０が元の状態（たわみ変形前の状態）に戻り、電極５００による起電力の検出がなされなくなる。

（温度センサの動作）
次いで、上述の温度センサ１０００による測温時の動作について、図３を用いて説明する。ここで、第１の温度室２００の内部温度／内圧をＴ１／Ｐ１，第２の温度室２００の内部温度／内圧をＴ２／Ｐ２，外気の温度をＴＯ、とする。また、測温時において外気の温度ＴＯは、時間経過とともにＴＬ→ＴＨ（ＴＬ＜ＴＨ）へと変化していくものとする。

はじめに、温度センサ１０００が、図３（Ａ）の時間Ｓ０に示すように、外気温ＴＯ（＝ＴＬ）に変化の無い初期状態、つまり第１の温度室２００の内部温度Ｔ１と第２の温度室３００の内部温度Ｔ２とが等温状態（Ｔ１＝Ｔ２＝ＴＬ）にあるものとする。この場合、図３（Ｂ）の時間Ｓ０に示すように、第１の温度室２００と第２の温度室３００の容積がそれぞれ一定であるので、第１の温度室２００の内圧Ｐ１と第１の温度室２００の内圧Ｐ２も等圧（Ｐ１＝Ｐ２＝ＰＬ）となる。そのため、センサ部１００において、カンチレバー１５は上下面に差圧が生じないためにたわみ変形することなく、圧電体３０から起電力が出力されることは無い。

次に、上記の初期状態より外気温ＴＯに変化が生じた、一例として、図３（Ａ）の時間Ｓ０〜Ｓ１に示すように、外気温ＴＯがＴＬからＴＨに変化（ＴＨ＞ＴＬ）したものとする。この場合、第１の温度室２００の内部温度Ｔ１は、外気温ＴＯの変化に応じてＴＨに変化する一方、第２の温度室３００の内部温度Ｔ２は、外気温ＴＯの変化に依らずにＴＬを保つ。そのため、Ｔ１＞Ｔ２の関係性と、第１の温度室２００と第２の温度室３００の容積の一定性と、により、図３（Ｂ）の時間Ｓ１に示すように、Ｐ１＞Ｐ２の関係（Ｐ１＝ＰＨ，Ｐ２＝ＰＬ，ＰＨ＞ＰＬ）が成り立つ。

したがって、センサ部１００において、カンチレバー１５の上面側が下面側に対して高圧となってカンチレバー１５がその差圧に応じて下向きにたわみ変形するので、当該変形量に応じた起電力が圧電体３０から出力される。その結果、センサ部１００は、外気温ＴＯの変化に応じた起電力を検出することで、温度変化量を計測することが可能となる。

そして、センサ部１００は、当該温度を測定した後、第１の温度室２００の内部流体と第２の温度室３００の内部流体とが徐々に混ざり合っていき、第１の温度室２００の内部温度Ｔ１と第２の温度室３００の内部温度Ｔ２とが等温化されるにつれて、図３（Ｂ）の時間Ｓ２に示すように、カンチレバー１５の上下面の差圧が消滅し（Ｐ１＝Ｐ２＝ＰＨとなり）、カンチレバーがたわみのない状態に帰着する。

以上のように、本実施形態に係る温度センサ１０００によると、ある基準温度に置かれた第１の温度室２００及び第２の温度室３００において、第１の温度室２００の温度（外部の温度）を変化させた場合、第１の温度室２００の内圧がその温度変化に応じて変化する一方で、第２の温度室３００の内圧（内部の温度）は外部の温度に追従する変化をしない。そのため、第１の温度室２００と第２の温度室３００の圧力差に応じてカンチレバー１５がたわみ変形するため、センサ部１００にてその変形量を検出することで、基準温度に対する温度変化量（圧力変化量）を計測することが可能となる。しかも、第１の温度室２００及び第２の温度室３００をある基準温度に設置する際に第１の温度室２００の温度が変化したとしても、第１の温度室２００の流体がギャップ２０を介して第２の温度室３００に流入するため、暫くすれば第１の温度室２００と第２の温度室３００は等温化（等圧化）されるため、カンチレバー１５をたわみの無い初期状態にすることができる。そのため、本発明の温度センサによると、第１の温度室２００と第２の温度室３００の相対的な温度変化量を精確に検出できる。

「第２実施形態」
次いで、本発明の第２実施形態に係る温度センサ１１００について、図４〜図５を用いて説明する。なお、温度センサ１１００の各部構成について、第１実施形態に係る温度センサ１０００と同一構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

第１実施形態に係る温度センサ１０００では、図５の破線で示すように、微小時間Ｓ１で外気温ＴＯがＴＬからＴＨに変化した際、その温度変化量を圧力センサ部１００にて計測出来る旨を説明したが、図５の実線で示すように、外気温ＴＯの変化が非常にゆっくりと変化する場合（Ｓ１＜＜Ｓ３）、外気温ＴＯの変化速度に併せて第１の温度室２００から第２の温度室３００への内部流体の流通が進行することで、双方の温度室間に十分な差圧が生じない可能性もある。

そこで、図４に示すように、本実施形態に係る温度センサ１１００は、第１の温度室２００と、第２の温度室３００と、仕切り板４００と、電極５００と、圧力センサ部１００と、を備え、第１の温度室２００が、分離部６００によって第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂとに分離される構成とする。

第３の温度室２００ａは、例えば、アルミニウムや銅といった金属やSiなどの伝熱性の材料を用いて形成され、外気温の変化に応じて内部の温度が変化する。
第４の温度室２００ｂは、樹脂表面に例えば、アルミニウムといった金属が成膜された材料やセラミック材など、内外を熱的に絶縁可能な材料を用いて形成され、外気温の変化に追従せずに内部の温度を一定に保つ。

分離部６００は、第１の温度室２００を第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂとに分離する分離壁６１０，６２０と、予め定められた開弁圧で開弁する弁部材６５０と、で構成される。
分離壁６１０，６２０は、樹脂材やセラミック材を用いて構成され、第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂの内部とを熱的に絶縁する。

弁部材６５０は、第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂの差圧が開弁圧Ｐｔｈを上回った際に開弁して、第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂとの間の流体の流通を許容する弁である。なお、弁部材６５０の開弁時の開口径は、ギャップ２０の口径よりも十分大きいものとする。

（温度センサの動作）
次いで、上述の温度センサ１１００による測温時の動作について、図５を用いて説明する。ここで、第２の温度室３００の内部温度／内圧をＴ２／Ｐ２，第３の温度室２００ａの内部温度／内圧をＴ３／Ｐ３，第４の温度室の内部温度／内圧をＴ４／Ｐ４、外気の温度をＴＯ、とする。また、測温時において外気の温度ＴＯは、時間経過とともにＴＬ→ＴＭ１→ＴＭ２→ＴＨ（ＴＬ＜ＴＭ１＜ＴＭ２＜ＴＨ）へと変化していくものとする。さらに、弁部材６５０の開弁圧Ｐｔｈは、図５（Ｂ）に示される、ＰＭ１−ＰＬよりも大きくＰＭ２−ＰＬよりも小さい値とする。

はじめに、図５（Ａ）の実線の時間Ｓ０に示すように、温度センサ１０００が、外気温ＴＯ（＝ＴＬ）に変化の無い初期状態、つまり第２の温度室３００〜第４の温度室２００ｂの内部温度が等温状態（Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔ４＝ＴＬ）にある場合は、第１実施形態と同様である。

次に、図５（Ａ）の実線の時間Ｓ１に示すように、上記の初期状態より外気温ＴＯがＴＭ１に変化したものとする。この場合、第３の温度室２００ａの内部温度Ｔ３が外気温ＴＯの変化に応じてＴＭ１に変化するため、図５（Ｂ）の実線で示すように内圧Ｐ３がＰＭ１に上昇する。一方で、第２の温度室３００の内部温度Ｔ２及び第４の温度室２００ｂの内部温度Ｔ４は、外気温ＴＯの変化に依らずにＴＬを保つため、図５（Ｂ）の破線及び一点鎖線で示すように、第２の温度室３００の内圧Ｐ２及び第４の温度室２００ｂの内圧Ｐ４はＰＬのままである。この際、第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂの圧力差は、ＰＭ１−ＰＬであり、弁部材６５０の開弁圧Ｐｔｈ未満であるため、第３の温度室２００ａから第４の温度室２００ｂへ内部流体は流通しない。

次に、図５（Ａ）の実線の時間Ｓ２に示すように、外気温ＴＯがＴＭ１からＴＭ２に変化したものとする。この場合、第３の温度室２００ａの内部温度Ｔ３が外気温ＴＯの変化に応じてＴＭ２に変化するため、内圧Ｐ３がＰＭ２に上昇する一方、第２の温度室３００の内部温度Ｔ２及び第４の温度室２００ｂの内部温度Ｔ４は、外気温ＴＯの変化に依らずにＴＬを保つ。そのため、第２の温度室３００の内圧Ｐ２及び第４の温度室２００ｂの内圧Ｐ４はＰＬのままである。この際、第３の温度室２００ａと第４の温度室２００ｂの圧力差は、ＰＭ２−ＰＬであり、弁部材６５０の開弁圧Ｐｔｈを超えるため弁部材６５０が開弁し、第３の温度室２００ａから第４の温度室２００ｂへ高圧の内部流体が一気に流入する。

したがって、図５（Ａ）の実線の時間Ｓ２〜Ｓ３にかけて、第４の温度室２００ｂの内圧Ｐ４は第３の温度室２００ａの内圧Ｐ３に追従するように一気に昇圧される。一方で、第４の温度室２００ｂと第２の温度室３００との内部流体の流通は、弁部材６５０よりも十分小さな口径よりなるギャップ２０を介してなされるため、第２の温度室３００の内圧Ｐ２は非常にゆっくりと昇圧される。

その結果、センサ部１００において、カンチレバー１５の上面側が下面側に対して高圧となってカンチレバー１５がその差圧に応じて下向きにたわみ変形するので、当該変形量に応じた起電力が圧電体３０から出力される。その結果、センサ部１００は、外気温ＴＯの変化に応じた起電力を検出することで、温度を計測することが可能となる。

以上により、第２実施形態に係る温度センサ１１００によると、第１実施形態に係る温度センサ１０００と同様の効果が得られることは勿論、外気温が非常にゆっくりと変化した場合であっても、その温度変化量を計測することが可能となるので、一層利便性の良い温度センサを提供することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態への適宜の変更が可能である。具体的には、上記第１及び第２実施形態において、温度センサ１０００，１１００が外気温の変化を計測する例を示したが、温度センサ１０００，１１００は、所定の装置に取り付けられ当該装置の温度変化（停止時と駆動時の温度変化など）を計測することとしても勿論良い。この場合の温度センサ１０００，１１００は、熱伝導性に優れた第１の温度室２００（第３の温度室２００ａ）の表面側に上記装置が当接するように取り付けられることで、精確に装置の温度変化を計測することができる。

１０００，１１００ 温度センサ
１０
１１ シリコン支持層
１２ シリコン酸化膜
１３ シリコン活性層
１４ ＳＯＩ基板
１５ カンチレバー
２０ ギャップ（間隙）
１００ 圧力センサ部
２００ 第１の温度室
２００ａ 第３の温度室
２００ｂ 第４の温度室
３００ 第２の温度室
４００ 仕切り板
４１０ 貫通孔（開口）
５００ 電極
６００ 分離部
６１０，６２０ 分離壁
６５０ 弁部材

Claims (4)

1. 内部の温度が外部の温度変化に応じて変化する第１の温度室と、
   前記第１の温度室と仕切り板を介して連接され、内部の温度が外部の温度変化に追従しない第２の温度室と、
   を備え、
   前記仕切り板は、前記第１の温度室と前記第２の温度室とを熱的に絶縁し、
   前記仕切り板に配置され、前記第１の温度室と前記第２の温度室との圧力差に応じてたわみ変形するカンチレバーと、前記第１の温度室と第２の温度室との間で流体を流通させる間隙と、を含み、前記カンチレバーの上部に配置された圧電体を有し前記外部の温度変化に応じて前記圧電体から出力される起電力を検出する検出部を有することを特徴とする温度センサ。
2. 前記仕切り板は、一部に開口を有し、
   前記カンチレバーは、前記開口の縁部に一端が固定され他端が自由端からなり、前記間隙を除く前記開口を閉塞するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記第１の温度室は枠体が伝熱材からなり、前記第２の温度室は枠体が断熱材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 前記第１の温度室は、
   枠体が伝熱材からなる第３の温度室と、
   枠体が断熱材からなり、仕切り板を介して第２の温度室と連接された第４の温度室と、
   前記第３の温度室と前記第４の温度室とを分離し当該第３の温度室と第４の温度室とを熱的に絶縁する分離壁と、
   前記分離壁に設けられ、前記第３の温度室と前記第４の温度室との圧力差が予め定めた閾値を超えた場合に開弁して前記第３の温度室と前記第４の温度室との間で流体を流通させる前記間隙よりも大きな口径からなる弁部材と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ。

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