JPH077009B2 - サーミスタ流速計およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自己加熱中のサーミスタが移動する周囲の流
体から受ける影響を利用したサーミスタ流速計とその製
造方法に関する。

本発明は特に前記形式のサーミスタ流速計に適するサー
ミスタを選定し、個々のサーミスタと流速計の回路等と
の間の互換性を向上させたサーミスタ流速計およびその
製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、熱線式風速計に代わりサーミスタを自己加熱状態
で使用するサーミスタ風速計が利用されるようになって
きている。

この理由は、検知素子である熱線部とサーミスタでは形
状的にサーミスタの方が著しく小さいので指向性を向上
させることができること、消費電力を小さくすることが
できること等の理由によると思われる。

自己加熱形サーミスタ流速計の動作原理をサーミスタ風
速計を例にして説明すると次のとおりである。

通電により150℃程度まで自己加熱されたサーミスタに
風が当たるとサーミスタから熱が奪われる。奪われる熱
量は風速の増加にしたがって増加する。

NTC（Negative Temperature Coefficient）形のサーミ
スタが冷却されると抵抗値が上がる。この偏差を電圧等
に変換して風速を検知するものである。

本件発明者等は従来の前記形式のサーミスタ風速計につ
いて種々の検討を行った。しかし、それらは必ずしも優
れた特性や生産性を持つものではなかった。

従来、この種の風速計の風速検知素子として、多くの場
合，第７図に示すようにビード形サーミスタが利用され
てきた。

このサーミスタは、２本のリード線110・110の間にサー
ミスタ材料のペーストが滴下され乾燥後焼成されたり、
あるいは、前記貴金属線が金型にセットされサーミスタ
材料の粉体が型部に注入されプレス後、焼成されてサー
ミスタ焼成体111が形成される。

その後、前記リード線110・110の一端が切断され、ガラ
ス被覆113によりビード形サーミスタに形成される。

このようなビード形サーミスタ112のサーミスタ焼成体1
11の基本形態が対称性を欠く上に形状寸法精度の再現性
も乏しい。

すなわち、第７図において紙面に垂直な方向からみると
２本のリード線がずれて見えるが、紙面に沿ってみると
リード線は一直線状に見える。サーミスタ焼成体111は
偏平な形状であり、内部の密度も均一ではなくバラツキ
が大きく、しかも気泡を含むものがある。

また、このことが原因でガラス被覆113の中にも気泡が
発生する場合がある。

このビード形サーミスタを一定風向・風速の空間に配置
すると、サーミスタ焼成体111はリード線を軸とした対
称形とはならないから、取付方向によって空気流との相
互作用が異なることになり、異なる測定値が得られる。

つまり、風向に対して形状等が異なることになり抵抗値
と熱放散定数のバラツキが非常に大きい。同一規格，同
一ロットの前記ビード形サーミスタ多数個を順次、自己
加熱された状態で風洞に設置し、回路に接続して風速対
抵抗値（あるいは電圧値）の特性を測定すると測定値の
バラツキが大きく、互換できそうなものはほとんどな
い。

第８図は、さらに他の測定用のサーミスタを示す断面図
である。

このサーミスタおよびその製造方法は特願昭52−7553
5、発明の名称「測定用サーミスタおよびその製造方
法」に詳細に説明されている。

このサーミスタは、両者に電極層114・114に有するサー
ミスタチップ115と一対のリード線116・116を前記電極
層114と同様な耐熱電導塗料117で接続し、接続部分全体
にガラス被覆118を施したものである。この形式のサー
ミスタは、一般にPSB（Pelletized Small Bead）形と呼
ばれている。

サーミスタチップ自身の形状・寸法精度は再現性は良
く、また、密度のバラツキや気泡の発生はほとんどな
い。

しかし、前記ビード形サーミスタ同様，リード線を軸と
して対称形とはならず，ガラス被覆118がその非対称性
を増長させている。

このようなサーミスタ119を同様に風速検知素子として
風洞で各素子間の互換精度を調べると抵抗値のバラツキ
は少ないが熱放散のバラツキが見られ、回路と素子およ
び素子と素子の互換精度は良くない。

（発明が解決しようとする課題） 本件発明者等は従来問題となっている流体の方位の差に
よる指示値の変化および素子自体の特性のバラツキにつ
いて種々の検討を行った。

そして、前記方位によるバラツキは形状とか内部構造の
不均一性とその分布位置のバラツキに基づく熱放散定数
のバラツキによるものであることをつき止めた。

そして、相互の素子間の温度抵抗特性のバラツキや応答
速度のバラツキの主原因と前述と同様に形状とか内部構
造の不均一性とその分布位置のバラツキによると考えら
れるが、本件出願人の先の出願に係るサーミスタ（後
述）は、前記バラツキの原因が少ないことを見い出し
た。

また、本件発明者等は、特定のサーミスタが流速系に用
いられる場合の流速の変化に対応する抵抗値の変化は、
ある設定された一つの測定状態で略完全に把握できるこ
とを見いだした。

本発明の目的は、自己加熱状態のサーミスタの特定支持
位置にあって、本来的に流体の方位に対する熱放散定数
のバラツキが少ないサーミスタを選定し、これを一定の
条件下に選別して使用したサーミスタ流速計およびその
製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明によるサーミスタ流
速計は、NTCサーミスタをその両端リードで支持構造に
設け、そのリードの中心軸線が被測定流体の速度方向に
略垂直になるように配置し、前記リードで回路に接続し
て自己加熱状態を形成し抵抗値の変化を検出することに
より流体速度を測定するサーミスタ流速計であって、前
記サーミスタは、両面に電極層を有するサーミスタチッ
プ，前記サーミスタチップの前記面と相当，あるいはわ
ずかに大きい面積のフランジ部と一体に形成されたリー
ド部を持ち前記フランジ部でそれぞれ前記サーミスタチ
ップの両面に熱圧着により接続された一対のリード線，
前記サーミスタチップと前記フランジ部を被覆する略球
状のガラス被覆部から構成されている。

また特許請求の範囲第１項記載のサーミスタ流速計の製
造方法において、前記サーミスタを自己加熱され使用さ
れる温度領域内の温度雰囲気内で自己加熱をさせない程
度の電流を流して前記サーミスタの抵抗値を測定するこ
とによりサーミスタを選定して回路に接続するように構
成されている。

（作用） 前記の様に構成されたサーミスタ流速計は、使用される
サーミスタがそのサーミスタの形状・寸法精度の再現性
が良く、また密度のバラツキや気泡の発生もほとんどな
い。

そして、リード線を軸として対称形になっているので、
支持構造に対する取付け方位に対し抵抗値と熱放散のバ
ラツキは著しく小さくなる。

また、前記理由により油恒温槽等で抵抗値を所定後の値
に同定するだけで流速計用のサーミスタとしたときの風
速対抵抗値（あるいは電圧値）特性の高い互換性が生ま
れるのでステムのような支持構造に取付ける前のサーミ
スタ段階で高い互換精度で素子の選択を可能にした。そ
のため風洞に設置して特性の検定をしなくても高い互換
精度を得ることを可能にし、従来の一品製作的な製造お
よび修理の過程が必要であった流速計を量産可能にし
た。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明す
る。

第２図は、本発明に使用されるサーミスタの断面図であ
る。

このサーミスタの基本的な構造は本件出願人の出願に係
るものであり、その原理的な構成は実開昭61−146902、
考案の名称「サーミスタ」に詳しく述べられている。

本発明による流速計で使用するサーミスタは前記提案に
係るサーミスタにさらに改良を施し、製造方法に改良を
加え、より安定した製品として完成されたものである。

サーミスタチップ６はマンガン・ニッケル等の酸化物が
ウェーハ状に加圧成形後、焼結され画面に銀・パラジウ
ムが焼き付けられ電極層７・７が形成されたものを0.5
×0.5mm²に切断して得られたものである。

ヘディングリード線８・８は直径0.2mmの銅被覆鉄線を
釘の頭状に鍛造したものである。

このヘディングリード線のフランジ部の直径はサーミス
タチップの対角線0.71mmと略等しく、幅は0.2mmと前記
直径よりも狭く構成されている。リード線の全長は28mm
のものを使用した。

ガラス被覆材９としては、外径0.8,長さ1.1mmのガラス
管を用意した。

サーミスタチップ６、一対のヘディングリード線８・8,
ガラス管を治具に設置し、軸方向に加圧しながら加熱
し，リード線の熱圧着とガラス封着を同時に行なう。

得られたサーミスタのガラス被覆材９の径は約1mmであ
った。

このサーミスタの基準特性は、Ｒ（０℃）＝15KΩ,B
（０〜100℃）＝3390KΩ,R＝（150℃）＝0.174KΩであ
る。

そしてその他の定格は次のとおりである。

定格電力は0.25mW、熱時定数（τ）は１〜3sec（静止空
気中）、熱放散定数（δ）は0.4〜0.7mW/℃（静止空気
中）、絶縁抵抗はDC50Vで10MΩ以上（ガラス・リード
間）である。

前述のような定格を持ち、前述のようにして得られたサ
ーミスタ５を風速検知素子として自己加熱させられる温
度と同じ150℃の油恒温槽の中で10μＡという通常自己
加熱の原因とならない微少なる定電流で抵抗値の同定を
行った。

そこで、Ｒ（150℃）＝0.174KΩ±１％になるように同
定し試料20ケを抽出した。

このようにして同定された試料をステム４のピン端子３
・３に熔接し、風速検知素子１とした。

この風速検知素子１は第３図に示す自動平衡ブリッジ回
路に組み込まれ、次のように動作する。

風速検知素子１には約20mAの電流が流され約150℃に自
己加熱された状態で風洞に設置され風が当てられる。

風が当たると、風速検知素子１は冷却され抵抗値が高く
なり電圧Vxが上がろうとする。

しかし、基準電圧VRとの偏差はオペアンプU1により増幅
されトランジスタQ1がより深くバイアスされるので電圧
Vaは上昇し風速検視素子１を流れる電流は増大し自己加
熱を促進し抵抗値を下げる方向に働く。

この動作は、電圧Vxが基準電圧VRに一致するまで続き、
その後は基準電圧VRに収束するよう振動を繰り返す一種
のレギュレータである。

このとき電圧Vaは，無風状態の初期値より増加している
ので、基準電圧VR,電圧Vxも初期値より増加している。

したがって、この電圧Vxの値を連続的にとれば風速に対
応した出力値となる。ここで電圧Ｅは12V,トランジスタ
Q1は2SD794,オペアンプU1はμPC324,抵抗R₁＝1.5KΩ，R
₂＝7.5KΩ，R₃＝39Ωである。

得られる出力電圧Vxは熱線式定温度風速計と同様にVx＝
V⁰(1+hv^1/2)^1/2に略等しいものであった。

V₀,hは定数,vは風速である。

この様子を第４図に示す。

ここで前記PSB形サーミスタ119による風速検知素子を用
意し、本実施例のものと比較する。使用したサーミスタ
チップ，ガラス管は本実施例のものと同じであり、リー
ド線の径および長さは同じであるがフランジ部のないも
のを使用した。試料数は20ケである。

比較するものは動作時の抵抗値に相当する出力特性上の
オフセットであるV₀値のバラツキ,150℃における熱放散
定数と，そめれと相関関係にある風速対出力電圧の偏差
〔Vx−V₀〕のバラツキであり基準値に設定された第３図
に示す回路に試料素子が順次接続され測定した。

その結果を発明の詳細な説明の末尾に示す第１表に示
す。

前記バラツキ状態は風温を０℃,50℃にしてもほとんど
同じであった。このように油恒温槽における抵抗値の同
定だけでも本実施例のものは、オフセットの標準偏差は
オフセットV₀に比べて１％以内のバラツキであり、熱放
散定数のバラツキも同様である。

さらに、各風速における出力電圧の標準偏差はその時の
電圧値に対していずれも１％以内であり、十分に高い互
換精度を有すると言える。

これに対して、前述したPSB形サーミスタを使ったもの
は、どの比較項目をとっても、そのバラツキは本実施例
に比べ３倍程度大きく高い互換精度を有するとは言い難
い。

前記実施例に示したサーミスタを使用すれば、サーミス
タを風洞における検定をしなくても高い互換精度が得ら
れPSB形サーミスタとの比較においてリード線を軸とす
る対称性の有意義が明確になっている。

ここで、抵抗値の同定は150℃のみであったが、０℃あ
るいは25℃,100℃等でも重ねて同定すれば互換精度のさ
らなる向上は明らかである。

第５図は、前記流速計のさらに他の実施例のサーミスタ
と支持構造を示す斜視図である。

風速検出用のサーミスタ56は支持構造であるステム54に
植立てられたピン端子53A,Bに接続されてＺ軸値方向に
懸垂されている。

温度検出用（または周囲温度補償用）のサーミスタ56は
支持構造であるステム54に植立てられたピン端子53C,D
に接続されてＺ軸方向に垂直な面内に懸垂されている。

第６図は、前記支持構造で支持されたサーミスタに対す
る風の方位を変えて（ステムを回転して）風速検出用の
サーミスタの抵抗値の変化を測定した結果を示すグラフ
である。

ピン端子53Aの影響を受ける僅かな範囲で抵抗値が低く
現れているが他の部分はほとんど変わらないと言える。

（発明の効果） 以上説明したように本発明による風速検知素子は抵抗値
のバラツキの少ないサーミスタチップを使いリード線を
軸とする対称形状となっているので熱放散定数のバラツ
キも少ないので、風洞による検定を必要とせず、油恒温
槽等で抵抗値を所定の値に同定するだけで風速対出力特
性のバラツキが拡大せず、高い互換精度を保有すること
を可能にしている。

また、経済的効果について言えば、温度センサと同等な
手段で風速検知素子が得られるので、その効果は絶大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による自己加熱形サーミスタ流速計の
検出部の実施例を示す図である。 第２図は、第１図の自己加熱形サーミスタ流速計に使用
されたサーミスタを一部破断して示した図である。 第３図は、本発明による自己加熱形サーミスタ流速計が
組み込まれた自動平衡ブリッジ回路である。 第４図は、本発明による実施例の出力特性を示すグラフ
である。 第５図は、前記流速計のさらに他の実施例におけるサー
ミスタと支持構造を示す斜視図である。 第６図は、方位を変えて抵抗値の変位を測定した結果を
示すグラフである。 第７図は、ビート形サーミスタを示した図である。 第８図は、従来のPSB形サーミスタを示した断面図であ
る。 １…風速検知素子 ２…絶縁ベース 3,53A,B,C,D…ピン端子 4,54…ステム ５…サーミスタ 6,56,66…サーミスタチップ ７…電極層 ８…ヘディングリード線 ９…ガラス被覆材 110…リード線 111…サーミスタ焼成体 112…ビート形サーミスタ 113…ガラス被覆 114…電極層 115…サーミスタチップ 116…リード線 117…耐熱導電塗料 118…ガラス被覆 119…PSB形サーミスタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】NTCサーミスタをその両端リードで支持構
   造に設け、そのリードの中心軸線が被測定流体の速度方
   向に略垂直になるように配置し、前記リードで回路に接
   続して自己加熱状態を形成し抵抗値の変化を検出するこ
   とにより流体速度を測定するサーミスタ流速計であっ
   て、前記サーミスタは、両面に電極層を有するサーミス
   タチップ，前記サーミスタチップの前記面と相当，ある
   いはわずかに大きい面積のフランジ部と一体に形成され
   たリード部を持ち前記フランジ部でそれぞれ前記サーミ
   スタチップの両面に熱圧着により接続された一対のリー
   ド線，前記サーミスタチップと前記フランジ部を被覆す
   る略球状のガラス被覆部から構成されているサーミスタ
   流速計。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のサーミスタ流
   速計の製造方法において、前記サーミスタを自己加熱さ
   れ使用される温度領域内の温度雰囲気内で自己加熱をさ
   せない程度の電流を流して前記サーミスタの抵抗値を測
   定することによりサーミスタを選定して回路に接続する
   ように構成したサーミスタ流速計の製造方法。