JP7305189B2

JP7305189B2 - 熱式流向センサ

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Publication number: JP7305189B2
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Inventors: 泰正林
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Description

本発明は、熱式の動作原理を用いて流体の流向を計測する熱式流向センサに関するものである。

居住空間、工業設備、栽培設備などの農業現場では、風速が重要な環境要素である。さらに、どの方向からの風かという風向の情報は、環境把握を行う上で重要である。例えば、居住空間では、タバコの煙など有害物質の流れの方向を把握できた方がよい。工業分野でもクリーンルームなどの風向きに留意を払うアプリケーションが存在する。また、ＩＣＴ化・クラウド化等で中心的な役割を果たすデータセンタやサーバルームなどでは、気流管理が適切に行われないと、サーバの冷却が適切に行われなくなり、処理速度の制約を受けることになる。

これらの環境では、屋外環境と異なり、空間の風速は１ｍ／ｓ以下であることが多く、また、設置場所も限られるため、小型である必要がある。また、屋外環境であっても、センサの小型化・低コスト化の要求は強くなっており、これらのニーズを満たすセンサデバイスが求められている。

ところで、センサデバイスとして、様々な方式が提案・実用化されている。例えば、屋外気象観測で一般的に用いられるのは、いわゆる風見鶏タイプのもので、風の応力によって風下側に羽根が来るようにした風向計が知られている。また、気象庁や屋外気象観測は、これに風速検出のプロペラを仕込んだ飛行機型と呼ばれる風向風速計が用いられる。

また、上述の風向風速計以外にも、超音波の伝達速度から風速と風向を求める、超音波式のものが知られている。これは、複数方向の風速を同時に計測し、その複数の風速からベクトルを導き出して風向を得る方法である。風向の算出には、最低２軸の超音波発振器と受信機が必要で、これを３組用いて３軸で計算すると、３次元での風向も得られる。

ところが、これらの従来の風向風速計は、装置の大きさが２０ｃｍ四方以上の空間を必要とするのが一般的であり、また装置コストも高額なものがほとんどである。また、１ｍ／ｓ以下の微風速を良好に検出できるのは、上述の風向風速計のうち超音波式のみであるが、超音波式の風向風速計も分解能を上げるためには使用周波数を上げるか、発振器と受信機の間の距離を広げなければならなかった。

そこで、従来から熱式の風向風速計が実用化されていた。この熱式の風向風速計は、指向性を持たせたＰｔ自己発熱式風速センサを３つ組み合わせて、指向性による感度の違いを利用して風向を算出するものであり、小型化が容易で、構造も比較的簡単であり、微風速を計測可能という特徴を備えている。

この熱式の風向風速計に用いる熱式流向センサとして、基板上に必要な回路等を実装したものが知られている。具体的には、この熱式流向センサは、図８および図９に示すように、供給電流により熱を発生するヒータ素子２０と、流体の流速に応じて変化するヒータ素子２０からの熱の温度を検出する測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）とを有する流向検出部２と、流体の気温を計測する気温計測部３と、流体の流向を演算する回路部４と、それらが実装される基板１とを備え、センサの周囲の空間における流体の流向を計測する（例えば、特許文献１参照）

そして、この熱式流向センサは、流向検出部用基板部分１１の表面および裏面において、一対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）が基板支持部１３による流向検出部２の支持軸方向に沿って対向状態に配置されていた。なお、流向検出部用基板部分１１の表面および裏面の各測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を頂点とする四面体を形成し、各測測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を結ぶ軸は全て同じ方向とならないように配置されている。

特開２０１６－１１８５１１号公報

しかしながら、上述の熱式流向センサのヒータ素子２０と測温素子２１の配置構造の場合、流体の流速が大きくなるほど、流体の流向を誤検出する場合があるという問題があった。

この点について、図１０を参照しつつ具体的に説明する。図１０は、流向検出部用基板部分１１および流向検出部用支持部１３を側面から見た図である。図を簡略化するため、測温素子２１のみを図示している。流体は、流向検出部用基板部分１１および流向検出部用支持部１３の表面に垂直に当たっている状態とする。Ｑａ１は、流向検出部２から放熱される熱を表わし、Ｑａ２は流向検出部用支持部１３から放熱される熱を表わし、Ｑｂは流向検出部用支持部１３内を伝達する熱を表わす。無風の状態であれば、Ｑａ１およびＱａ２の放熱量は少なく、Ｑｂの放熱量の方が１桁高い状態となる。

ところが、流体が本センサとの間で相対速度を持って流れ始めると、Ｑａ１およびＱａ２の放熱量は大きくなる。これは、熱式流速センサの測定原理で良く用いられるＫｉｎｇの下記［式１］で表される。

［式１］

このとき、Ｑは流体への放熱量でＱａ１およびＱａ２に相当する。Ｕは流体速度、Ｔは発熱体の温度、Ｔａは流体の温度となる。ａとｂは定数で、ａが流体速度に関わらず流体に流れる熱量を表し、ｂは流体速度に応じて増加する熱量を表わす。つまり、流体速度が上昇すると、√Ｕに比例して流体の熱伝導も増加することを意味する。

本センサは、流向検出部用基板部分１１よりも流向検出部用支持部１３の方が表面積が大きいため、流体速度が大きくなればなるほど、Ｑａ１よりもＱａ２が大きくなって、これに伴いＱｂが増加する。すると、流向検出部用支持部１３から遠い測温素子２１ｃより、流向検出部用支持部１３に近い測温素子２１ａの温度が低くなる。風向検出の原理は、風上側の方が流体への放熱量が大きくなり、温度が低下する現象を用いていることから、本センサは下方位からの流向があると誤検知する虞があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、流体の流向を精度良く計測することができる熱式流向センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、供給電流により熱を発生するヒータ素子と、流体の流速に応じて変化する前記ヒータ素子からの熱の温度を検出する測温素子とを有する複数の流向検出部と、前記流向検出部の前記測温素子で検出された温度情報に基づいて、流体の流向を演算する回路部と、少なくとも前記流向検出部が実装される基板とを備える熱式流向センサであって、前記基板は、基板主要部と、前記流向検出部が実装される流向検出部用基板部分と、前記基板主要部から前記流向検出部用基板部分に一体的に延び、前記流向検出部を支持する細長形状の流向検出部用支持部とを備え、前記流向検出部は、前記流向検出部用基板部分の表面および／または裏面において、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子が対向状態に配置されるとともに、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが交差する態様で実装されていることを特徴とする。

これによれば、各流向検出部の測温素子がヒータ素子の熱を温度を検出する際、流向検出部用支持部における放熱の影響を軽減することができ、ひいては流体の流向を精度良く演算することが可能となる。

また、前記流向検出部は、少なくとも４個設けられ、各流向検出部の前記測温素子を結ぶ軸方向が全て異なる方向となるように前記流向検出部用支持部に実装されているのが好ましい。これによれば、４個の測温素子の温度情報に基づいて流体の流向の三次元方位を求めることができる。

また、前記流向検出部は、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが４５度～９０度の角度で交差する態様で前記流向検出部用基板部分に実装されているのが好ましく、さらに好ましくは、前記流向検出部は、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが９０度の角度で交差する態様で前記流向検出部用基板部分に実装されているのがよい。これによれば、各流向検出部の測温素子がヒータ素子の熱を温度を検出する際、流向検出部用支持部における放熱の影響をより軽減することができる。

また、前記流向検出部用基板部分および前記流向検出部用支持部が複数設けられ、各流向検出部用基板部分の表面および／または裏面に一対の前記ヒータ素子と前記測温素子を有する前記流向検出部が設けられているのが好ましい。これによれば、流向検出部と支持部の上述の配置構造を容易に製作することができる。

前記流向検出部用基板部分は、表面および／または裏面に一対の前記ヒータ素子と前記測温素子を有する前記流向検出部が設けられた第１の流向検出部用基板部分と第２の流向検出部用基板部分を備え、前記流向検出部用支持部は、前記第１の流向検出部用基板部分に連設する第１の流向検出部用支持部と、前記第２の流向検出部用基板部分に連設する第２の流向検出部用支持部とを備えるのが好ましい。この場合、前記流向検出部用支持部は、前記基板主要部から延びる流向検出部用支持部本体と、該流向検出部用支持部本体の先端部から分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部を備えてもよい。また、前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに１８０度の角度で離間方向に分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設してもよい。また、前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに９０度の角度で離間方向に分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設してもよい。また、前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに離間方向に分岐しながら延びたあと、互いに近接方向に屈曲して延びて前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設してもよい。これらによれば、簡易な構造にして、流向検出部用支持部における放熱の影響を確実に軽減することができる。

前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、前記第１の流向検出部用基板部分に実装されている前記流向検出部の一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記第２の流向検出部用基板部分に実装されている前記流向検出部の一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向とが９０度の角度で交差する態様で前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設してもよい。これによれば、流向検出部用支持部における放熱の影響を確実に軽減するとともに、流体の流向を容易に計測することができる。

本発明によれば、各流向検出部の測温素子がヒータ素子の熱を温度を検出する際、流向検出部用支持部における放熱の影響を軽減することができ、ひいては流体の流向を精度良く演算することが可能となる。

また、流向検出部のヒータ素子と測温素子の配置を工夫したものであるため、熱式流向センサを低コストで製作、提供することがことができる。これにより、従来は価格面で設置が難しかった設置場所はもとより、従来は実験室に限定されていた風向検出を一般居住空間にも広げることができ、また従来は設置数を多く設けられなかったクリーンベンチなどにも設置することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る熱式流向センサの構成概略図である。図１の熱式流向センサの第１の流向検出部用基板部分および第２の流向検出部用基板部分の表面および裏面を示す拡大図である。図１の熱式流向センサの電気的構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る熱式流向センサの構成概略図である。図４の熱式流向センサの第１の流向検出部用基板部分および第２の流向検出部用基板部分の表面および裏面を示す拡大図である。本発明の第３の実施形態にに係る熱式流向センサの構成概略図である。図６の熱式流向センサの第１の流向検出部用基板部分および第２の流向検出部用基板部分の表面および裏面を示す拡大図である。従来の熱式流向センサの構成概略図である。図８の従来の熱式流向センサの流向検出部用基板部分の表面および裏面の拡大図である。図８の従来の熱式流向センサにおける流向検出部用基板部分および流向検出部用支持部の放熱状態を示す模式図である。

＜第１の実施形態＞
次に、本発明に係る熱式流向センサ（以下、本センサという）の第１の実施形態について図１～図３を参照しつつ説明する。

本センサは、図１に示すように、所定の形状に形成された基板１において、流向検出部２および気温計測部３が実装されており、前記流向検出部２の周囲の空間における流体の流向を計測する。なお、基板１の外部において回路部４が設けられている。以下、各構成について具体的に説明する。

前記基板１は、多角形の薄板状に形成されており、基板主要部１０と、流向検出部２が実装される２個の流向検出部用基板部分１１と、気温計測部３が実装される２個の気温計測部用基板部分１２と、基板主要部１０から流向検出部用基板部分１１まで一体的に延びる流向検出部用支持部１３と、基板主要部１０の両側部から気温計測部用基板部分１２まで延びる２個の気温計測部用支持部１４とから構成される。

この基板１としては、プリント基板として一般に広く販売されているガラスエポキシ製のＦＲ－４が好適に用いられるが、ポリアミド製の基板でもよく、セラミック製の基板、シリコン製の基板のように熱伝導率が低い部材で形成された基板でもよい。

前記基板主要部１０は、正面視矩形状に形成されており、表面と裏面が非対称または対称の所定の回路パターンが実装されている。なお、基板主要部１０は、本センサを他の装置や構造物に取り付けるための取付孔１５や、流向検出部２や気温計測部３の温度情報に関するデータをデジタル信号またはアナログ信号により外部の回路部４に伝達する電気的コネクタ１６が設けられている。

前記流向検出部用基板部分１１は、正面視円形状の第１の流向検出部用基板部分１１１と第２の流向検出部用基板部分１１２からなり、第１の流向検出部用基板部分１１１と第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面に流向検出部２が実装されている。

この流向検出部２は、流体の流向を検出するためのものであって、図２に示すように、供給電流により熱を発生するヒータ素子２０と、流体の流速に応じて変化する前記ヒータ素子２０からの熱の温度を検出する測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）とを有し、一対のヒータ素子２０と測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）で一つの流向検出部２を構成する。また、一対のヒータ素子２０と測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、互いに対向状態で配置されており、流向検出部用基板部分１１を介して熱的に直接接続された構造となっている。

これらヒータ素子２０および測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）の配置について具体的に説明すると、図２（ａ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面では、ヒータ素子２０が図２の上側、測温素子２１ａが図２の下側となるように対向状態に配置される一方、図２（ｂ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の裏面では、ヒータ素子２０が図２の下側、測温素子２１ｂが図２の上側となるように対向状態に配置され、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面と裏面で一対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ａ、２１ｂ）が上下逆の配置となっている。

一方、図２（ａ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の表面では、ヒータ素子２０が図２の下側、測温素子２１ｃが図２の上側となるように対向状態に配置される一方、図２（ｂ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の裏面では、ヒータ素子２０が図２の上側、測温素子２１ｄが図２の下側となるように対向状態に配置され、これにより第２の流向検出部用基板部分１１２の表面と裏面で１対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ｃ、２１ｄ）が上下逆の配置となっている。

なお、図２中のＡ（Ａ１、Ａ２）は、第１の流向検出部用基板部分１１１または第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面において、各流向検出部２のヒータ素子２０と測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）による温度の検出軸方向を示す。本実施形態では、第１の流向検出部用基板部分１１１の流向検出部２の検出軸方向Ａ１と、第２の流向検出部用基板部分１１２の流向検出部２の検出軸方向Ａ２は平行な状態になっている。

また、上述の流向検出部２の４個の測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）は、２個の測温素子２１を結ぶ軸方向が全て異なる方向となるように配置されている。つまり、４個の測温素子２１のうち、２個の測温素子２１を直線でそれぞれ接続すると、６本の軸を有する四面体を構成するが、これらの軸の角度が同一となる組み合わせが生じないように４個の測温素子２１を配置すると、流体の流向の三次元方位を求めることができる。

また、本実施形態では、流向検出部２は、第１の流向検出部用基板部分１１１または第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面において、流向検出部の一対のヒータ素子２０と測温素子２１による温度の検出軸方向Ａ（Ａ１、Ａ２）と、後述する第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向Ｂとが９０度の角度で交差する態様で実装されている。

前記気温計測部用基板部分１２は、図１に示すように、いずれも正面視矩形状に形成されており、表面に気温計測部３が実装されている。この気温計測部３は、図示略の気温計測用素子を有しており、気温計測用素子により気温計測部３の周囲の流体の気温を計測する。

前記流向検出部用支持部１３は、基板主要部１０の長さ方向の一方端部の中央部から延びる細長形状の流向検出部用支持部本体１３０と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延び、第１の流向検出部用基板部分１１１に連設する細長形状の第１の流向検出部用支持部１３１と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延び、第２の流向検出部用基板部分１１２に連設する細長形状の第２の流向検出部用支持部１３２とを備え、第１の流向検出部用支持部１３１と第２の流向検出部用支持部１３２が流向検出部用支持部本体１３０の先端部から互いに１８０度の角度で離間方向に分岐しながら延びている。なお、図２中のＢは、第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向（第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２による第１の流向検出部用基板部分１１１および第２の流向検出部用基板部分１１２の流向検出部２を支持する軸線の方向）を示す。

このため、第１の流向検出部用基板部分１１１および第２の流向検出部用基板部分１１２に実装された流向検出部２は、基板主要部１０に一体的に形成された流向検出部用支持部１３により支持された構造となっている。このように流向検出部用支持部１３を細長形状に形成することにより、流向検出部２から基板主要部１０への熱伝導を抑えることができる。

前記気温計測部用支持部１４は、基板主要部１０の長さ方向の一方端部の両側部から気温計測部用基板部分１２まで一体的に延びる細長形状に形成されており、先端部に気温計測部用基板部分１２が同一平面上に連設されている。このため、気温計測部用基板部分１２に実装された気温計測部３は、基板主要部１０に一体的に形成された気温計測部用支持部１４により支持された構造となっている。

このように、基板１は、流向検出部用基板部分１１と気温計測部用基板部分１２がそれぞれ流向検出部用支持部１３と気温計測部用支持部１４を介して一体的に連設された構造となっている。よって、流向検出部用基板部分１１に実装された流向検出部２と、気温計測部用基板部分１２に実装された気温計測部３は、基板主要部１０と所定距離を隔てるとともに、互いに所定距離を隔てた状態で配置されることになる。

次に本センサの回路部４の電気的構成について、図３を参照しつつ説明する。

本センサの回路部４は、量子化装置４１（ＡＤコンバータ）、演算装置４２（ＣＰＵ）、情報出力装置４３によって構成されている。

前記量子化装置４１（ＡＤコンバータ）は、流向検出部２の測温素子２１からの温度情報と、気温計測部３からの温度情報を、それぞれデジタル信号に変換するＡＤ変換機能を有している。

前記演算装置４２は、流向検出部２で検出されたヒータ素子２０の温度情報と、気温計測部３で計測された周囲流体の気温情報とに基づいて流体の流向を演算する。具体的には、回路部４は、流体の三次元方位の流向を求めるために、測温素子２１間の温度差を各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）について演算する機能と、各測温素子２１の誤差および温度特性に基づいて各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の温度差の値を補正する機能と、各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の合成ベクトルを演算する機能と、この合成ベクトル値から三次元方位を演算する機能を有している。

前記情報出力装置４３は、演算装置４２により演算された流体の流向を所定の装置に出力する。

なお、前記演算装置４２は、流向検出部２で検出されたヒータ素子２０の温度情報と、気温計測部３で計測された周囲流体の気温情報とに基づいて、ＫＩＮＧの式などの熱式の動作原理を用いて流体の流速や流量を演算してもよい。

次に、本センサの作用動作について説明する。

まず、流向検出部２において、流向検出部用基板部分１１の内部電源配線（図示略）からの供給電流により、流向検出部用基板部分１１の表面に実装されているヒータ素子２０が加熱される。そして、本センサが流体中に配置されると、その流体の流速に応じてヒータ素子２０の熱は変化して、流向検出部用基板部分１１を介して測温素子２１へと熱的に直接伝導する。そして、測温素子２１が、ヒータ素子２０から伝導してきた熱の温度を検出する。

一方、気温計測部３において、図示略の気温計測用素子が気温計測部３の周囲の流体の気温を計測する。

そして、回路部４において、流向検出部２で検出されたヒータ素子２０の温度情報と、気温計測部３で計測された周囲流体の気温情報とに基づいて流体の流向を演算する。

具体的には、本センサを流体中に配置すると、その流体の流速や流速に応じて各測温素子２１で検出される温度に変化が生じるとともに、各測温素子２１の位置関係による温度変化の違いが生じる。そして、流体中に置かれた発熱体であるヒータ素子２０の上流側と下流側では、上流側が下流側より温度が低下し、また、上流側と下流側との間の温度差は流体の流速に応じて大きくなる。従って、この原理を利用して流体の流向を演算することができる。

例えば、本実施形態の場合、図２（ａ）の左右方向をＸ軸として、右側をＸ軸のプラス方向とする。また、奥方向をＹ軸として、奥側Ｙ軸のプラス方向とする。さらに、上下方向をＺ軸方向として、上方向をＺ軸のプラス方向とする。まず、測温素子２１ａおよび／または測温素子２１ｂと、測温素子２１ｃおよび／または測温素子２１ｄとの温度差から流体のＸ軸方向の流れとその強さを表わすベクトルＸを求める。このとき、Ｘ軸プラス側の２個の測温素子２１およびマイナス側の２個の測温素子２１の平均値から温度差を求めてもよいし、左右の個々の差を先に求めて、それらの平均値から温度差を求めてもよい。また、測温素子２１ｂおよび／または測温素子２１ｃと測温素子２１ａおよび／または測温素子２１ｄとの温度差から、流体のＺ軸方向の流れとその強さを表わすベクトルＺを求める。このとき、上方位および下方位の２個の測温素子２１の平均値を求めてから差を導いてもよいし、個別の測温素子２１の差を求めてから平均化して差を求めてもよい。また、測温素子２１ａおよび／または測温素子２１ｃと測温素子２１ｂおよび／または測温素子２１ｄとの温度差から、流体のＹ軸方向の流れとその強さを表わすベクトルＹを求める。このようにして求めた３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のベクトルＸ、ベクトルＹ、ベクトルＺから流体の流向の三次元方位を求めることができる。

このとき、本センサは、流向検出部部用基板部分１１よりも流向検出部用支持部１３の方が表面積が多いため、流体速度が大きくなればなるほど、流向検出部用基板部分１１からの放熱量Ｑａ１よりも流向検出部用支持部１３からの放熱量Ｑａ２が大きくなって、これに伴い流向検出部用基板部分１１から流向検出部用支持部１３への放熱量Ｑｂが増加する。このため、図８および図９に示すように、ヒータ素子２０と測温素子２１が流向検出部用支持部１３の支持軸方向に沿って配置されている従来のセンサの場合、測温素子２１ｃより測温素子２１ａの温度が低くなって、本センサは下方位からの流向があると誤検知する虞があった。

この点、本実施形態では、各流向検出部２は、第１の流向検出部用基板部分１１１または第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面において、各流向検出部２における一対のヒータ素子２０と測温素子２１による温度の検出軸方向Ａ（Ａ１、Ａ２）と、第１の流向検出部用支持部１３１または第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向Ｂとが９０度の角度で交差する態様で実装されている。

このため、各流向検出部２の測温素子２１がヒータ素子２０の熱を温度を検出する際、流向検出部用支持部１３における放熱の影響を軽減することができ、ひいては流体の流向を精度良く演算することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る熱式流向センサの第２の実施形態について図４および図５を参照しつつ説明する。なお、以下では上記の実施形態と異なる構成についてのみ説明することとし、同一の構成については説明を省略して同一の符号を付すこととする。

本センサは、図４に示すように、所定の形状に形成された基板１において、流向検出部２および気温計測部３が実装されており、前記流向検出部２の周囲の空間における流体の流向を計測する。なお、基板１の外部において回路部４が設けられている

また、図５（ａ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面では、ヒータ素子２０が図２の右斜上側、測温素子２１ａが図２の左斜下側となるように対向状態に配置される一方、図５（ｂ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の裏面では、ヒータ素子２０が図２の右斜下側、測温素子２１ｂが図２の左斜上側となるように対向状態に配置され、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面と裏面で一対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ａ、２１ｂ）が上下逆の配置となっている。

一方、図５（ａ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の表面では、ヒータ素子２０が図２の右斜下側、測温素子２１ｃが図２の左斜上側となるように対向状態に配置される一方、図５（ｂ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の裏面では、ヒータ素子２０が図２の右斜上側、測温素子２１ｄが図２の左斜下側となるように対向状態に配置され、これにより第２の流向検出部用基板部分１１２の表面と裏面で１対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ｃ、２１ｄ）が上下逆の配置となっている。

これにより、本実施形態では、第１の流向検出部用基板部分１１１の流向検出部２の検出軸方向Ａ１と、第２の流向検出部用基板部分１１２の流向検出部２の検出軸方向Ａ２が互いに９０度の角度となるように各流向検出部２のヒータ素子２０と各測温素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）が対向状態に配置されている

また、前記流向検出部用支持部１３は、基板主要部１０の長さ方向の一方端部の中央部から延びる細長形状の流向検出部用支持部本体１３０と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延び、第１の流向検出部用基板部分１１１に連設する細長形状の第１の流向検出部用支持部１３１と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延び、第２の流向検出部用基板部分１１２に連設する細長形状の第２の流向検出部用支持部１３２とを備え、第１の流向検出部用支持部１３１と第２の流向検出部用支持が流向検出部用支持部本体１３０の先端部から互いに９０度の角度で離間方向に分岐しながら延びている。

なお、図５中のＢ１は、第１の流向検出部用支持部１３１の支持軸方向（第１の流向検出部用支持部１３１による第１の流向検出部用基板部分１１１の流向検出部２を支持する軸線の方向）を示し、図５中のＢ２は、第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向（第２の流向検出部用支持部１３２による第２の流向検出部用基板部分１１２の流向検出部２を支持する軸線の方向）を示す、

而して、本実施形態では、流向検出部２は、第１の流向検出部用基板部分１１１および第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面において、各流向検出部２のヒータ素子２０と測温素子２１による温度の検出軸方向Ａ（Ａ１、Ａ２）と、第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向Ｂ（Ｂ１、Ｂ２）とが９０度の角度で交差する態様で実装されることになる。

このため、第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２が第１の流向検出部用支持部１１１および第２の流向検出部用支持部１１２に対して斜め下方位になるため、流体の流向の検出阻害となる角度が斜め下方位に集約される。よって、流体の流向を良好に検出できる角度が広がり、より実用的な流向検出部２を備えることが可能となる。

なお、本実施形態における、流向の算出方法の例を以下に示す。図５（ａ）において、左右方向をＸ軸かつ右側をＸ軸のプラス方向とする。奥行方向をＹ軸とし、奥側をＹ軸のプラス方向とする。上下方向をＺ軸とし、上方向をＺ軸のプラス方向とする。説明を容易にするため、軸Ａ１は、Ｘ軸、Ｚ軸に対して４５度の角度を持ち、軸Ａ２も同様にＸ軸、Ｚ軸に対して45度の角度を持つものとする。軸Ａ１とＡ２は平行の関係ではない。このため、軸Ａ１に配置される２１ａおよび２１ｂの温度差および、軸Ａ２に配置される２１ｃおよび２１ｄの温度差は、Ｘ軸とＺ軸の双方の成分を測定している事となる。そのため、軸Ａ１と軸Ａ２の差から合成ベクトルのベクトルＡＶを計算し、三角関数を用いてベクトルＡＶからＸ軸に投影すれば、Ｘ軸の強さが判る。同様にして三角関数にてベクトルＡＶからＺ軸に投影すれば、Ｚ軸の強さが判る。同様にＹ軸に対しても三角関数で投影させる事も可能だが、表面に配置された２１ａおよび２１ｃと、裏面に配置された２１ｂおよび２１ｄとの差から単純に得ることもできる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る流向検出センサの第２の実施形態について図６および図７を参照しつつ説明する。

本センサは、図６に示すように、所定の形状に形成された基板１において、流向検出部２、気温計測部３および回路部４が実装されており、前記流向検出部２の周囲の空間における流体の流向を計測する。

また、図７（ａ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面では、ヒータ素子２０が図７の右斜下側、測温素子２１ａが図７の左斜上側となるように対向状態に配置される一方、図７（ｂ）に示すように、第１の流向検出部用基板部分１１１の裏面では、ヒータ素子２０が図７の右斜上側、測温素子２１ｂが図７の左斜下側となるように対向状態に配置され、第１の流向検出部用基板部分１１１の表面と裏面で一対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ａ、２１ｂ）が上下逆の配置となっている。

一方、図７（ａ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の表面では、ヒータ素子２０が図７の右斜上側、測温素子２１ｃが図７の左斜下側となるように対向状態に配置される一方、図７（ｂ）に示すように、第２の流向検出部用基板部分１１２の裏面では、ヒータ素子２０が図７の右斜下側、測温素子２１ｄが図７の左斜上側となるように対向状態に配置され、これにより第２の流向検出部用基板部分１１２の表面と裏面で１対のヒータ素子２０および測温素子２１（２１ｃ、２１ｄ）が上下逆の配置となっている。

また、前記流向検出部用支持部１３は、基板主要部１０の長さ方向の一方端部の中央部から延びる細長形状の流向検出部用支持部本体１３０と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延びて第１の流向検出部用基板部分１１１に連設する細長形状の第１の流向検出部用支持部１３１と、該流向検出部用支持部本体１３０の先端部から分岐しながら延びて第２の流向検出部用基板部分１１２に連設する細長形状の第２の流向検出部用支持部１３２とを備える。第１の流向検出部用支持部１３１と第２の流向検出部用支持部１３２は、流向検出部用支持部本体１３０の先端部から互いに９０度の角度で離間方向に分岐しながら延びたあと、互いに近接方向に屈曲して延びて前記第１の流向検出部用基板部分１１１および第２の流向検出部用基板部分１１２に連設する。

なお、図７中のＢ１は、第１の流向検出部用支持部１３１の支持軸方向（第１の流向検出部用支持部１３１による第１の流向検出部用基板部分１１１の流向検出部２を支持する軸線の方向）を示し、図７中のＢ２は、第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向（第２の流向検出部用支持部１３２による第２の流向検出部用基板部分１１２の流向検出部２を支持する軸線の方向）を示す、

而して、本実施形態では、流向検出部２は、第１の流向検出部用基板部分１１１および第２の流向検出部用基板部分１１２の表面および裏面において、各流向検出部２におけるヒータ素子２０と測温素子２１による温度の検出軸方向Ａ（Ａ１、Ａ２）と、第１の流向検出部用支持部１３１および第２の流向検出部用支持部１３２の支持軸方向Ｂ（Ｂ１、Ｂ２）とが９０度の角度で交差する態様で実装されることになる。

このため、第１の流向検出部用基板部分１１１の流向検出部２と第２の流向検出部用支持部１１２の流向検出部２の距離が近くなるため、流体の流向の検出範囲をピンポイントでとらえることが可能となる。

以上の各実施形態では、流向検出部用基板部分１１を２個設けるものとしたが、その他の個数設けてもよい。

また、前記流向検出部用支持部１３を２つに分岐させたが、その他の個数に分岐させてもよい。あるいは、流向検出部用支持部１３を分岐させるのではなく、複数の流向検出部用支持部１３を基板主要部１０に直接設けてもよい。

また、前記流向検出部用基板部分１１の表面および裏面の各面に流向検出部２を実装したが、いずれか一方の面のみに実装してもよい。

また、各流向検出部２のヒータ素子２０と測温素子２１による温度の検出軸方向Ａと、流向検出部用支持部１３による流向検出部２の支持軸方向Ｂを９０度の角度で交差させたが、その他の角度で交差させてもよい。ただ、流体の流向を精度良く計測するためには、検出軸方向Ａと支持軸方向Ｂは４５度～９０度（４５度および９０度を含む）の範囲内で交差させるのが好ましい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

応用分野としては、エアコン等の空調管理やそれによるエネルギーマネジメント分野など、人の生活環境への利用が見込まれる。また、産業分野では、クリーンルームなどの気流環境を重要視する製造現場や、温室などの栽培施設における風の管理など、従来ではセンサ設置が難しかった場所での設置が可能となる。

１…基板
１０…基板主要部
１１…流向検出部用基板部分
１１１…第１の流向検出部用基板部分
１１２…第２の流向検出部用基板部分
１２…気温計測部用基板部分
１３…流向検出部用支持部
１３０…流向検出部用支持部本体
１３１…第１の流向検出部用支持部
１３２…第２の流向検出部用支持部
１４…気温計測部用支持部
１５…取付孔
１６…電気的コネクタ
２…流向検出部
２０…ヒータ素子
２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）…測温素子
３…気温計測部
４…回路部
４１…量子化装置
４２…演算装置
４３…情報出力装置

Claims

供給電流により熱を発生するヒータ素子と、流体の流速に応じて変化する前記ヒータ素子からの熱の温度を検出する測温素子とを有する複数の流向検出部と、
前記流向検出部の前記測温素子で検出された温度情報に基づいて、流体の流向を演算する回路部と、
少なくとも前記流向検出部が実装される基板とを備える熱式流向センサであって、
前記基板は、基板主要部と、前記流向検出部が実装される流向検出部用基板部分と、前記基板主要部から前記流向検出部用基板部分に一体的に延び、前記流向検出部を支持する細長形状の流向検出部用支持部とを備え、
前記流向検出部は、前記流向検出部用基板部分の表面および／または裏面において、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子が対向状態に配置されるとともに、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが交差する態様で実装されていることを特徴とする熱式流向センサ。
前記流向検出部は、少なくとも４個設けられ、各流向検出部の前記測温素子を結ぶ軸方向が全て異なる方向となるように前記流向検出部用支持部に実装されている請求項１に記載の熱式流向センサ。
前記流向検出部は、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが４５度～９０度の角度で交差する態様で前記流向検出部用基板部分に実装されている請求項１または請求項２に記載の熱式流向センサ。
前記流向検出部は、一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記流向検出部用支持部による前記流向検出部の支持軸方向とが９０度の角度で交差する態様で前記流向検出部用基板部分に実装されている請求項３に記載の熱式流向センサ。
前記流向検出部用基板部分および前記流向検出部用支持部が複数設けられ、
各流向検出部用基板部分の表面および／または裏面に一対の前記ヒータ素子と前記測温素子を有する前記流向検出部が設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱式流向センサ。
前記流向検出部用基板部分は、表面および／または裏面に一対の前記ヒータ素子と前記測温素子を有する前記流向検出部が設けられた第１の流向検出部用基板部分と第２の流向検出部用基板部分を備え、
前記流向検出部用支持部は、前記第１の流向検出部用基板部分に連設する第１の流向検出部用支持部と、前記第２の流向検出部用基板部分に連設する第２の流向検出部用支持部とを備える請求項５に記載の熱式流向センサ。
前記流向検出部用支持部は、前記基板主要部から延びる流向検出部用支持部本体と、該流向検出部用支持部本体の先端部から分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部を備える請求項６に記載の熱式流向センサ。
前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに１８０度の角度で離間方向に分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する請求項６または請求項７に記載の熱式流向センサ。
前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに９０度の角度で離間方向に分岐しながら延び、前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する請求項６または請求項７に記載の熱式流向センサ。
前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、互いに離間方向に分岐しながら延びたあと、互いに近接方向に屈曲して延びて前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する請求項６または請求項７に記載の熱式流向センサ。
前記第１の流向検出部用支持部および前記第２の流向検出部用支持部は、前記第１の流向検出部用基板部分に実装されている前記流向検出部の一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向と、前記第２の流向検出部用基板部分に実装されている前記流向検出部の一対の前記ヒータ素子と前記測温素子による温度の検出軸方向とが９０度の角度で交差する態様で前記第１の流向検出部用基板部分および前記第２の流向検出部用基板部分にそれぞれ連設する請求項６に記載の熱式流向センサ。