JPH02269973A - サーミスタ流速計およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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針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。

ＮＴ　Ｃ（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弓１０の一端が切断され、
ガラス被覆１１３によりビード形す−ミスクに形成され
る。

このようなど−ド形サーミスタ１１２のサーミスタ焼成
体１１１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ｆｆ１１３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、同一ロフ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５２−７５
５３５、発明の名称「測定用サーミスタ及びその製造方
法」に詳細に説明されている。

このサーミスタは、両面に電極層１１４・１１４に有す
るサーミスタチップ１１５と一対のリード線１１６・１
１６を前記電極層１１４と同様な耐熱導電塗料１１７で
接続し、接続部分全体にガラス被２１１８を施したもの
である。この形式のサーミスタは、一般にＰ　Ｓ　Ｂ　
（Ｐｅｌｌｅｔｉｚｅｄ　ＳｍａｌｌＢｅａｄ　）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、前記ビード形す−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ｆｉｌ　Ｉ　Ｂ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は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針に用
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ｌ屋できる
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。

（課題を解決するだめの手段） 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は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針を量産可能にした。

（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６１−１４６
９０２）考案の名称「サーミスタ」に詳しく述べられて
いる。

本発明による流速針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、焼結され画面に錫・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　Ｘ　０．５　ｍｍ２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
線を釘の凹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０．２
ｍｍと前記直径より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１．１　ｍ
ｍ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℃）＝１５にΩ、
Ｂ（０〜１００℃）＝３３９０にΩ、Ｒ−（１５０℃）
＝０．１？４にΩ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１〜３ｓｅ
ｃ　　（静止空気中）、熱放散定数（δ）は０．４〜０
．７ｍＷ／’Ｃ（静止空気中）、絶縁抵抗はＤＣ５０■
でＩＯＭΩ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ｌＯμＡ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℃）＝０．１？４にΩ±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。

風速検知素子工には約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ｌ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は上昇し風速検知素子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ＶｘＯ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１２■、トラン
ジスタＱ１は２ＳＤ７９４．オペアンプＵ１はμＰＣ３
２４，抵抗Ｒ＋＝１．５にΩ。

Ｒ２＝７．５にΩ、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Ｖ
　Ｘ　＝　Ｖ　。（１＋　３１　ｖＩ／２）　Ｉ／２に
略等しいものであった。

ｖｏ、ｈは定数、■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Ｖｏ値のバラツキ、１５０℃における
熱放散定数と、それと相関関係にある風速対出力電圧の
偏差（Ｖｘ　　Ｖｏ）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■ｏ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ＰＳＢＳ升形ミスタを使ったも
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ＰＳＢＳ升形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、前記流速針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５
４に植立てられたビン端子５３Ａ、Ｂに接続されてＺ軸
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５
３Ｃ，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。

ビン端子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。

第１表 （以下余白）

【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。 ｇＩＩＪ２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ＰＳＢＳ升形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・・・ビン端子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 特許出願人　　株式会社　り　ラ　ベ 代理人　　弁理士　井　ノ　ロ　　　壽才／図 才Ｘ３図 才４図 オフ図 ｔ／Ｚ 才６図 ）も

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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。