特開 2024-154984 流体センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024154984

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】流体センサ

(51)【国際特許分類】

   G01P 13/00 20060101AFI20241024BHJP

   G01P 5/24 20060101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

G01P13/00 E

G01P5/24 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023069267

(22)【出願日】2023-04-20

(71)【出願人】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】大場 公之

【テーマコード（参考）】

2F034

【Ｆターム（参考）】

2F034AA02

2F034AB04

2F034AB05

2F034DA10

2F034DB10

(57)【要約】      （修正有）

【課題】小型でかつ検出精度に優れた流体センサを提供すること。
【解決手段】上面視における所定の方向に沿って、第１送信信号（ｓ１）に応じた第１超音波（１０）を流路（１３）に送信可能であるとともに、流路（１３）を通った第２超音波（２０）を受信して第１受信信号（ｒ１）を出力可能な第１送受信部と（２－１）、上面視における所定の方向に沿って、第２送信信号（ｓ２）に応じた第２超音波（２０）を流路（１３）に送信可能であるとともに、流路（１３）を通った第１超音波（１０）を受信して第２受信信号（ｒ２）を出力可能な第２送受信部（２－２）と、第１送信信号（ｓ１）および第２送信信号（ｓ２）を出力するとともに、第１送信信号（ｓ１）と第２受信信号（ｒ２）の時間差、および第２送信信号（ｓ２）と第１受信信号（ｒ１）の時間差に基づき、流体（２００）の風向または風速に関する情報を出力する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流れる流路が設けられた構造体と、
上面視における所定の方向に沿って、第１送信信号に応じた第１超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った第２超音波を受信して第１受信信号を出力可能な第１送受信部と、
上面視における前記所定の方向に沿って、第２送信信号に応じた前記第２超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った前記第１超音波を受信して第２受信信号を出力可能な第２送受信部と、
前記第１送信信号および前記第２送信信号を出力するとともに、前記第１送信信号と前記第２受信信号の時間差、および前記第２送信信号と前記第１受信信号の時間差に基づき、前記流体の風向または風速に関する情報を出力する検出部と、
前記検出部と前記第１送受信部との間の接続経路に配置され、前記第１送受信部の送受信動作を切替可能な第１のスイッチと、
前記検出部と前記第２送受信部との間の接続経路に配置され、前記第２送受信部の送受信動作を切替可能な第２のスイッチと、を有する、流体センサ。

【請求項2】

前記所定の方向は、第１方向と、前記第１方向に交差する第２方向を含み、
第２方向に沿って、第３送信信号に応じた第３超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った第４超音波を受信して第３受信信号を出力可能な第３送受信部と、
前記第２方向に沿って、第４送信信号に応じた前記第４超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った前記第３超音波を受信して第４受信信号を出力可能な第４送受信部と、
前記検出部と前記第３送受信部との間の接続経路に配置され、前記第３送受信部の送受信動作を切替可能な第３のスイッチと、
前記検出部と前記第４送受信部との間の接続経路に配置され、前記第４送受信部の送受信動作を切替可能な第４のスイッチと、をさらに有し、
前記第１送受信部は、前記第１方向に沿って、前記第１送信信号に応じた前記第１超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った前記第２超音波を受信して前記第１受信信号を出力可能であり、
前記第２送受信部は、前記第１方向に沿って、前記第２送信信号に応じた前記第２超音波を前記流路に送信可能であるとともに、前記流路を通った前記第１超音波を受信して前記第２受信信号を出力可能であり、
前記検出部は、前記第１送信信号、前記第２送信信号、前記第３送信信号および前記第４送信信号を出力するとともに、前記第１送信信号と前記第２受信信号の時間差、前記第２送信信号と前記第１受信信号の時間差、前記第３送信信号と前記第４受信信号の時間差、および前記第４送信信号と前記第３受信信号の時間差に基づき、前記流体の風向および風速のそれぞれに関する情報を出力し、
前記第１のスイッチは、前記検出部と前記第１送受信部との間の接続経路に配置され、前記第１送受信部の送受信動作を切替可能であり、
前記第２のスイッチは、前記検出部と前記第２送受信部との間の接続経路に配置され、前記第２送受信部の送受信動作を切替可能である、請求項１に記載の流体センサ。

【請求項3】

前記第１送受信部と前記第１のスイッチとの間の最短距離は、前記検出部と前記第１のスイッチとの間の最短距離よりも短く、
かつ、前記第２送受信部と前記第２のスイッチとの間の最短距離は、前記検出部と前記第２のスイッチとの間の最短距離よりも短く、
かつ、前記第３送受信部と前記第３のスイッチとの間の最短距離は、前記検出部と前記第３のスイッチとの間の最短距離よりも短く、
かつ、前記第４送受信部と前記第４のスイッチとの間の最短距離は、前記検出部と前記第４のスイッチとの間の最短距離よりも短い、請求項２に記載の流体センサ。

【請求項4】

前記第１から前記第４のスイッチのそれぞれは、ＳＰＤＴスイッチであり、
前記第１送受信部からの前記第１受信信号を増幅した第１増幅信号、前記第２送受信部からの前記第２受信信号を増幅した第２増幅信号、前記第３送受信部からの前記第３受信信号を増幅した第３増幅信号、および前記第４送受信部からの前記第４受信信号を増幅した第４増幅信号を前記検出部に出力可能なアンプと、
前記第１のスイッチと前記アンプとの間の接続経路に配置され、前記アンプと前記第１のスイッチとの接続または非接続を切替可能な第１のＳＰＳＴスイッチと、
前記第２のスイッチと前記アンプとの間の接続経路に配置され、前記アンプと前記第２のスイッチとの接続または非接続を切替可能な第２のＳＰＳＴスイッチと、
前記第３のスイッチと前記アンプとの間の接続経路に配置され、前記アンプと前記第３のスイッチとの接続または非接続を切替可能な第３のＳＰＳＴスイッチと、
前記第４のスイッチと前記アンプとの間の接続経路に配置され、前記アンプと前記第４のスイッチとの接続または非接続を切替可能な第４のＳＰＳＴスイッチと、をさらに有する、請求項２または請求項３に記載の流体センサ。

【請求項5】

前記アンプと前記第１のＳＰＳＴスイッチとの間の最短距離の長さは、前記第１のＳＰＳＴスイッチの最大長さ以下であり、
かつ、前記アンプと前記第２のＳＰＳＴスイッチとの間の最短距離の長さは、前記第２のＳＰＳＴスイッチの最大長さ以下であり、
かつ、前記アンプと前記第３のＳＰＳＴスイッチとの間の最短距離の長さは、前記第３のＳＰＳＴスイッチの最大長さ以下であり、
かつ、前記アンプと前記第４のＳＰＳＴスイッチとの間の最短距離の長さは、前記第４のＳＰＳＴスイッチの最大長さ以下である、請求項４に記載の流体センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波を用いて流体の風向および風速を検出する流体センサが知られている。

【0003】

流体センサとして、流体が流れる流路部が形成された筐体と、流路部に設置される一対の超音波送受信部とを備え、一対の超音波送受信部の間で送受される超音波の伝播時間に基づいて流体の風向と風速を検出するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この流体センサでは、送信信号に応じて一対の超音波送受信部における送信部から出力された超音波の受信部による受信信号と、上記送信信号と、の時間差から流体の風向および風速を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－７７６４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の流体センサでは、流体センサを小型化すると、送信部に超音波の送信を指令する送信信号が受信信号に重なり、流体の風向および風速の検出精度が低下する場合がある。

【0006】

本発明は、小型でかつ検出精度に優れた流体センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本流体センサ（１００）は、流体（２００）が流れる流路（１３）が設けられた構造体（１）と、上面視における所定の方向に沿って、第１送信信号（ｓ１）に応じた第１超音波（１０）を流路（１３）に送信可能であるとともに、流路（１３）を通った第２超音波（２０）を受信して第１受信信号（ｒ１）を出力可能な第１送受信部と（２－１）、上面視における所定の方向に沿って、第２送信信号（ｓ２）に応じた第２超音波（２０）を流路（１３）に送信可能であるとともに、流路（１３）を通った第１超音波（１０）を受信して第２受信信号（ｒ２）を出力可能な第２送受信部（２－２）と、第１送信信号（ｓ１）および第２送信信号（ｓ２）を出力するとともに、第１送信信号（ｓ１）と第２受信信号（ｒ２）の時間差、および第２送信信号（ｓ２）と第１受信信号（ｒ１）の時間差に基づき、流体（２００）の風向または風速に関する情報を出力する検出部（３４）と、検出部（３４）と第１送受信部（２－１）との間の接続経路に配置され、第１送受信部（２－１）の送受信動作を切替可能な第１のスイッチ（３１－１）と、検出部（３４）と第２送受信部（２－２）との間の接続経路に配置され、第２送受信部（２－２）の送受信動作を切替可能な第２のスイッチ（３１－２）と、を有する。

【0008】

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、小型でかつ検出精度に優れた流体センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る流体センサを模式的に示す上面図である。

【図2】図１におけるII－II線に沿う模式的断面図である。

【図3】図１におけるIII－III線に沿う模式的断面図である。

【図4】実施形態に係る流体センサの電気的接続を示す模式図である。

【図5】実施形態に係る流体センサにおける各電子部品の配置を示す模式図である。

【図6】比較例に係る第１受信信号の第１増幅信号を示す模式図である。

【図7】実施形態に係る第１受信信号の第１増幅信号を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

【0012】

以下に示す図面において、方向表現として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する直交座標を用いる場合がある。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに略直交する。Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る流体センサの検出対象である流体が流路を流れる方向に交差する方向を示すものとする。

【0013】

Ｘ軸の矢印が向く方向を＋Ｘ方向または＋Ｘ側、＋Ｘ方向とは反対方向を－Ｘ方向または－Ｘ側と表記する。Ｙ軸の矢印が向く方向を＋Ｙ方向または＋Ｙ側、＋Ｙ方向とは反対方向を－Ｙ方向または－Ｙ側と表記する。Ｚ軸の矢印が向く方向を＋Ｚ方向または＋Ｚ側、＋Ｚ方向とは反対方向を－Ｚ方向または－Ｚ側と表記する。

【0014】

本明細書および特許請求の範囲において「方向に沿う」とは、２つの軸または方向が±１０度以下の差異で平行であることを意味する。また、＋Ｚ側を「上」、－Ｚ側を「下」と称する。＋Ｚ側から対象を視ることを「上面視」という。但し、これらの方向表現は、実施形態の方向を限定するものではない。実施形態に係る流体センサの使用時における向きは任意である。

【0015】

＜流体センサ１００の構成例＞
図１～４を参照して、実施形態に係る流体センサの構成について説明する。図１は、実施形態に係る流体センサ１００の一例を模式的に示す上面図である。図２は、図１におけるII－II線に沿う模式的断面図である。図３は、図１におけるIII－III線に沿う模式的断面図である。図４は、流体センサ１００の電気的接続の一例を示す模式図である。

【0016】

図１～４に示すように、本実施形態では、流体センサ１００は、構造体１と、第１送受信部２－１と、第２送受信部２－２と、第３送受信部２－３と、第４送受信部２－４と、検出部３４と、第１のＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチ３１－１と、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２と、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３と、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４と、を有する。また、本実施形態では、流体センサ１００は、実装基板３と、アンプ３３と、第１のＳＰＳＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチ３２－１と、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２と、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３と、第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４と、水晶振動子３５と、サーミスタ３６と、を有してよい。

【0017】

図１～３に示すように、構造体１は、上部部材１１と下部部材１２とを含む。構造体１には、流体２００が流れる流路１３が設けられている。流路１３は、上部部材１１の下面１１１と下部部材１２の上面１２１とにより画定される空間である。流体２００は、構造体１の中心軸１ｃ回りの３６０度内のどの方向にも流路１３を流れることができる。なお、流体２００は、流路１３をＸＹ平面に沿う平面に対して交差する方向に流れてよい。

【0018】

第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４のそれぞれは、例えば、超音波の送受信が可能な超音波トランスデューサである。第１送受信部２－１および第２送受信部２－２は、相互に超音波を送受できるように対をなしている。第３送受信部２－３および第４送受信部２－４は、相互に超音波を送受できるように対をなしている。第１送受信部２－１および第２送受信部２－２は、上面視において、第１方向２０１（Ｘ方向）に並んでいる。第３送受信部２－３および第４送受信部２－４は、上面視において、第２方向２０２（Ｙ方向）に並んでいる。

【0019】

流体センサ１００は、第１送受信部２－１および第２送受信部２－２を用いて、流路１３を流れる流体２００の風向および風速それぞれのＸ方向成分を検出できる。また流体センサ１００は、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４を用いて、流路１３を流れる流体２００の風向および風速それぞれのＹ方向成分を検出できる。流体センサ１００は、第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４を用いて検出される流体２００の風向および風速それぞれのＸ方向成分およびＹ方向成分から、流路１３を流れる流体２００の風向および風速を検出することができる。ここで、風向とは、流体２００が流れる方向であって、上面視において、構造体１の中心軸１ｃ回りの３６０度内のいずれかの方向をいう。風速とは、風向が示す方向に流れる流体２００の速度をいう。

【0020】

第１送受信部２－１は、上面視における第１方向２０１に沿って、第１送信信号ｓ１に応じた第１超音波１０を流路１３に送信可能であるとともに、流路１３を通った第２超音波２０を受信して第１受信信号ｒ１を出力可能である。第１送受信部２－１は、例えば構造体１の中心軸１ｃの方向に、下部部材１２の上面１２１に交差するように第１超音波１０を送信する。第１送受信部２－１からの第１超音波１０は、流路１３を通って下部部材１２の上面１２１に到達し、上面１２１で反射される。上面１２１で反射された第１超音波１０は、第２送受信部２－２に向かって伝搬し、第２送受信部２－２により受信される。

【0021】

第２送受信部２－２は、上面視における第１方向２０１に沿って、第２送信信号ｓ２に応じた第２超音波２０を流路１３に送信可能であるとともに、流路１３を通った第１超音波１０を受信して第２受信信号ｒ２を出力可能である。第２送受信部２－２は、例えば構造体１の中心軸１ｃの方向に、下部部材１２の上面１２１に交差するように第２超音波２０を送信する。第２送受信部２－２からの第２超音波２０は、流路１３を通って下部部材１２の上面１２１に到達し、上面１２１で反射される。上面１２１で反射された第２超音波２０は、第１送受信部２－１に向かって伝搬し、第１送受信部２－１により受信される。

【0022】

第３送受信部２－３は、上面視における第１方向２０１と交差する第２方向２０２に沿って、第３送信信号ｒ３に応じた第３超音波３０を流路１３に送信可能であるとともに、流路１３を通った第４超音波４０を受信して第３受信信号ｒ３を出力可能である。第３送受信部２－３は、例えば構造体１の中心軸１ｃの方向に、下部部材１２の上面１２１に交差するように第３超音波３０を送信する。第３送受信部２－３からの第３超音波３０は、流路１３を通って下部部材１２の上面１２１に到達し、上面１２１で反射される。上面１２１で反射された第３超音波３０は、第４送受信部２－４に向かって伝搬し、第４送受信部２－４により受信される。

【0023】

第４送受信部２－４は、上面視における第２方向２０２に沿って、第４送信信号ｓ４に応じた第４超音波４０を流路１３に送信可能であるとともに、流路１３を通った第３超音波３０を受信して第４受信信号ｒ４を出力可能である。第４送受信部２－４は、例えば構造体１の中心軸１ｃの方向に、下部部材１２の上面１２１に交差するように第４超音波４０を送信する。第４送受信部２－４からの第４超音波４０は、流路１３を通って下部部材１２の上面１２１に到達し、上面１２１で反射される。上面１２１で反射された第４超音波４０は、第３送受信部２－３に向かって伝搬し、第３送受信部２－３により受信される。

【0024】

実装基板３は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の電子部品が実装可能な基板である。実装基板３は、構造体１の上部部材１１に配置されている。実装基板３には、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４、第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４、アンプ３３、検出部３４、水晶振動子３５およびサーミスタ３６等が実装されている。但し、これらの電子部品は、複数の基板に分けて実装されてもよい。実装基板３には、上記以外の電子部品が実装されてもよい。また、実装基板３が配置される位置は、上部部材１１に限らず、適宜選択可能である。実装基板３は、構造体１から離隔して配置されてもよい。

【0025】

検出部３４は、第１送信信号ｓ１、第２送信信号ｓ２、第３送信信号ｓ３および第４送信信号ｓ４を出力する。かつ、検出部３４は、第１送信信号ｓ１と第２受信信号ｒ２の時間差、第２送信信号ｓ２と第１受信信号ｒ１の時間差、第３送信信号ｓ３と第４受信信号ｒ４の時間差、および第４送信信号ｓ４と第３受信信号ｒ３の時間差に基づき、流体２００の風向に関する情報である風向情報ｄｄおよび流体２００の風速に関する情報である風速情報ｖｄのそれぞれを出力する。

【0026】

検出部３４は、例えばマイクロコンピュータである。但し、検出部３４は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等により、またはこれらの組合せにより構成されてもよい。

【0027】

検出部３４は、第１送信信号ｓ１を第１送受信部２－１に、第２送信信号ｓ２を第２送受信部２－２に、第３送信信号ｓ３を第３送受信部２－３に、第４送信信号ｓ４を第４送受信部２－４に、それぞれ出力する。第１送信信号ｓ１、第２送信信号ｓ２、第３送信信号ｓ３および第４送信信号ｓ４のそれぞれは、例えば４０ｋＨｚで２．７Ｖｐ－ｐの矩形波信号である。検出部３４の入出力インターフェースには、ＧＰＩＯ（Ｇｅｎｅｒａｌ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）等を使用できる。

【0028】

検出部３４は、第１送受信部２－１からの第１受信信号ｒ１がアンプ３３により増幅された第１増幅信号ｒ１ａを入力する。検出部３４は、第２送受信部２－２からの第２受信信号ｒ２がアンプ３３により増幅された第２増幅信号ｒ２ａを入力する。検出部３４は、第３送受信部２－３からの第３受信信号ｒ３がアンプ３３により増幅された第３増幅信号ｒ３ａを入力する。検出部３４は、第４送受信部２－４からの第４受信信号ｒ４がアンプ３３により増幅された第４増幅信号ｒ４ａを入力する。検出部３４は、これらの入力信号をＡＤコンバータ（ＡＤＣ）により変換したデジタル信号を用いて、上記の各時間差を算出できる。

【0029】

第１送信信号ｓ１と第２受信信号ｒ２の時間差、第２送信信号ｓ２と第１受信信号ｒ１の時間差、第３送信信号ｓ３と第４受信信号ｒ４の時間差、および第４送信信号ｓ４と第３受信信号ｒ３の時間差は、流路１３を流れる流体２００の風向および風速によって変化する。検出部３４は、これら時間差に基づき、風向情報ｄｄおよび風速情報ｖｄを演算により取得することで、流路１３を流れる流体２００の風向および風速を検出できる。検出部３４は、取得された風向情報ｄｄおよび風速情報ｖｄを、Ｉ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の通信インターフェースを介して外部装置に出力できる。ここでの外部装置は、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）や、インターネット等のネットワークを介して通信可能に接続された外部サーバ等である。

【0030】

図４に示すように、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１は、検出部３４と第１送受信部２－１との間の接続経路に配置され、第１送受信部２－１の送受信動作を切替可能である。第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１は、第１のスイッチの一例である。第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２は、検出部３４と第２送受信部２－２との間の接続経路に配置され、第２送受信部２－２の送受信動作を切替可能である。第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２は、第２のスイッチの一例である。第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３は、検出部３４と第３送受信部２－３との間の接続経路に配置され、第３送受信部２－３の送受信動作を切替可能である。第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３は、第３のスイッチの一例である。第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４は、検出部３４と第４送受信部２－４との間の接続経路に配置され、第４送受信部２－４の送受信動作を切替可能である。第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４は、第４のスイッチの一例である。

【0031】

第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３および第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４のそれぞれは、３つの端子を備えた単極双投スイッチである。これらは、例えば汎用ロジックＩＣにより構成できる。

【0032】

第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１により第１送受信部２－１と検出部３４とが電気的に接続されると、第１送受信部２－１は送信動作を行う。一方、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１により第１送受信部２－１と第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１とが電気的に接続されると、第１送受信部２－１は受信動作を行う。第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２により第２送受信部２－２と検出部３４とが電気的に接続されると、第２送受信部２－２は送信動作を行う。一方、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２により第２送受信部２－２と第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２とが電気的に接続されると、第２送受信部２－２は受信動作を行う。第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３により第３送受信部２－３と検出部３４とが電気的に接続されると、第３送受信部２－３は送信動作を行う。一方、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３により第３送受信部２－３と第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３とが電気的に接続されると、第３送受信部２－３は受信動作を行う。第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４により第４送受信部２－４と検出部３４とが電気的に接続されると、第４送受信部２－４は送信動作を行う。一方、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４により第４送受信部２－４と第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４とが電気的に接続されると、第４送受信部２－４は受信動作を行う。

【0033】

第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１は第１送受信部２－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２は第２送受信部２－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３は第３送受信部２－３、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４は第４送受信部２－４それぞれの送受信を、ｍｓオーダ、例えば１秒間に４回、周期的に切替可能である。図４に示す状態では、第１送受信部２－１は送信動作、第２送受信部２－２は受信動作、第３送受信部２－３は送信動作、第４送受信部２－４は受信動作をそれぞれ行っている。検出部３４は、送受信が４回切り替わる間に得られる複数の風向および風速それぞれの検出値の平均値、最大値または最小値等を、風向情報ｄｄおよび風速情報ｖｄとして出力できる。

【0034】

アンプ３３は、第１送受信部２－１からの第１受信信号ｒ１を増幅した第１増幅信号ｒ２ａ、第２送受信部２－２からの第２受信信号ｒ２を増幅した第２増幅信号ｒ２ａ、第３送受信部２－３からの第３受信信号ｒ３を増幅した第３増幅信号ｒ３ａ、および第４送受信部２－４からの第４受信信号ｒ４を増幅した第４増幅信号ｒ４ａを検出部３４に出力可能である。アンプ３３は、第１受信信号ｒ１、第２受信信号ｒ２、第３受信信号ｒ３および第４受信信号ｒ４のそれぞれを、例えば３００倍に増幅できる。なお、アンプ３３は、１つに限らず複数設けられ、第１受信信号ｒ１、第２受信信号ｒ２、第３受信信号ｒ３および第４受信信号ｒ４のそれぞれの増幅を、複数のアンプにより分担してもよい。

【0035】

第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１は、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１とアンプ３３との間の接続経路に配置され、アンプ３３と第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１との接続または非接続を切替可能である。第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２は、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２とアンプ３３との間の接続経路に配置され、アンプ３３と第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２との接続または非接続を切替可能である。第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３は、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３とアンプ３３との間の接続経路に配置され、アンプ３３と第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３との接続または非接続を切替可能である。第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４は、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４とアンプ３３との間の接続経路に配置され、アンプ３３と第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４との接続または非接続を切替可能である。

【0036】

第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４のそれぞれは、２つの端子を備えた単極単投スイッチである。これらは、例えば汎用ロジックＩＣにより構成できる。

【0037】

第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１により２つの端子が電気的に接続されることで、アンプ３３と第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１とが電気的に接続する。第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１により２つの端子が電気的に非接続になることで、アンプ３３と第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１とが電気的に非接続になる。第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２により２つの端子が電気的に接続されることで、アンプ３３と第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２とが電気的に接続する。第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２により２つの端子が電気的に非接続になることで、アンプ３３と第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２とが電気的に非接続になる。第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３により２つの端子が電気的に接続されることで、アンプ３３と第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３とが電気的に接続する。第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３により２つの端子が電気的に非接続になることで、アンプ３３と第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３とが電気的に非接続になる。第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４により２つの端子が電気的に接続されることで、アンプ３３と第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４とが電気的に接続する。第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４により２つの端子が電気的に非接続になることで、アンプ３３と第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４とが電気的に非接続になる。

【0038】

４つのＳＰＤＴと４つのＳＰＳＴは連携している。すなわち、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１が受信動作を行うときには、第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１は、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１とアンプ３３とを電気的に接続させる。第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２が受信動作を行うときには、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２は、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２とアンプ３３とを電気的に接続させる。第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３が受信動作を行うときには、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３は、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３とアンプ３３とを電気的に接続させる。第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４が受信動作を行うときには、第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４は、第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４とアンプ３３とを電気的に接続させる。

【0039】

図４に示す例では、第２送受信部２－２および第４送受信部２－４が受信動作を行っているため、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４が接続状態になっている。一方、第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１および第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３は非接続状態になっている。

【0040】

水晶振動子３５は、所定周波数で発振し、検出部３４を構成するマイクロコンピュータ等に基本クロックを供給する。サーミスタ３６は、流体センサ１００周辺の温度を検出する。サーミスタ３６により検出される温度は、流体センサ１００による風向および風速の検出値の補正等に使用できる。

【0041】

＜流体センサ１００における各電子部品の配置例＞
図５は、流体センサ１００における各電子部品の配置の一例を示す模式図である。図５に示すように、実装基板３は、上面視において略矩形形状を有する。第１送受信部２－１および第２送受信部２－２は、Ｘ方向において実装基板３の向かい合う二辺のそれぞれの近傍に配置される。第３送受信部２－３および第４送受信部２－４は、Ｙ方向において実装基板３の向かい合う二辺のそれぞれの近傍に配置される。第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１は、第１送受信部２－１の近傍に配置される。第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２は、第２送受信部２－２の近傍に配置される。第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３は、第３送受信部２－３の近傍に配置される。第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４は、第４送受信部２－４の近傍に配置される。

【0042】

本実施形態では、第１送受信部２－１と第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１との間の最短距離ｄ１は、検出部３４と第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１との間の最短距離Ｄ１よりも短い。かつ、第２送受信部２－２と第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２との間の最短距離ｄ２は、検出部３４と第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２との間の最短距離Ｄ２よりも短い。かつ、第３送受信部２－３と第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３との間の最短距離ｄ３は、検出部３４と第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３との間の最短距離Ｄ３よりも短い。かつ、第４送受信部２－４と第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４との間の最短距離ｄ４は、検出部３４と第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４との間の最短距離Ｄ４よりも短い。

【0043】

また、本実施形態では、アンプ３３と第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１との間の最短距離、アンプ３３と第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２との間の最短距離、アンプ３３と第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３との間の最短距離、およびアンプ３３と第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４との間の最短距離のそれぞれの長さはほぼ等しく、いずれも長さｅである。第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１の最大長さ、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２の最大長さ、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３の最大長さ、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４の最大長さはそれぞれほぼ等しく、いずれも最大長さＥである。本実施形態では、長さｅは最大長さＥ以下である。

【0044】

＜流体センサ１００の作用効果＞
図６～７を参照して、流体センサ１００の作用効果について説明する。まず、図６は、比較例に係る第２受信信号ｒ１Ｘの第２増幅信号ｒ１ａＸを示す模式図である。

【0045】

例えば、超音波トランスデューサ等の送受信動作が可能な送受信部を複数用いて、流体の風向および風速を検出する流体センサでは、送受信部に送信を指令する送信信号が受信信号に重なり、流体の風向および風速の検出精度が低下する場合がある。

【0046】

図６において、送信信号ｓ２Ｘは、送受信部に送信を指令する信号である。増幅信号ｒ１ａＸは、一対の送受信部において、送信信号ｓ２Ｘに応じて一方の送受信部から送信された超音波を、他方の送受信部で受信した受信信号の増幅信号である。増幅信号ｓ２ａＸは、送信信号ｓ２Ｘがアンプに直接入力された後、アンプにより増幅された信号である。送信信号がアンプ等の検出回路に直接入力する現象は、送受信部における送受信の切替において、受信側の遮断が不十分であり、オフアイソレーションが大きくなることによって発生する。オフアイソレーションは、オフ状態のスイッチを通して漏れてくる不要信号の大きさを意味する。

【0047】

増幅信号ｓ２ａＸは、送信信号ｓ２Ｘに対してほぼ時間差がない信号であって、時間の経過に応じて減衰する信号である。増幅信号ｓ２ａＸが十分に減衰する前に、アンプに超音波の受信信号が入力されることで、アンプによる増幅信号ｒ１ａＸと増幅信号ｓ２ａＸとが重なると、超音波の受信信号の受信タイミングが不明確になる。この結果、送信信号ｓ２Ｘと増幅信号ｓ２ａＸとの時間差を正確に検出できず、流体センサによる風向および風速の検出精度が低下する場合がある。

【0048】

流体センサが小型化するほど、送信信号の送信タイミングと受信信号の受信タイミングとの時間差が短くなるため、送信信号がアンプに直接入力した信号が減衰する前に受信信号と重なりやすく、検出精度が低下しやすい。換言すると、流体センサが小型化するほど、アンプ等の検出回路に直接入力する信号と受信信号との重なりによる検出精度の低下が顕著になる。

【0049】

本実施形態では、流体センサ１００は、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３、および第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４を有する。すなわち、流体センサ１００は、第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれの送受信を切り替えるスイッチを個別に有する。これにより、単極多投のＳＰ４Ｔ等のスイッチを用いる場合と比較して、オフアイソレーションを低減できる。例えば、単極多投のＳＰ４Ｔを用いた場合のオフアイソレーションは約－６０ｄＢである。これに対し、流体センサ１００は、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３、および第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４を用いることで、オフアイソレーションを約－７５ｄＢに低減できる。これにより、送信信号がアンプ等の検出回路に直接入力される現象を低減できる。この結果、本実施形態では、流体センサ１００を小型化した場合にも送信信号が受信信号に重なることを低減し、小型でかつ検出精度に優れた流体センサ１００を提供することができる。

【0050】

また、本実施形態では、流体センサ１００が第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれの送受信のスイッチを個別に有することで、単極多投のＳＰ４Ｔ等を用いる場合と比較して、図５に示した最短距離Ｄ１～Ｄ４のそれぞれを短くできる。これにより、本実施形態では、流体センサ１００における送信接続経路と受信接続経路との間でのクロストークを低減し、流体センサ１００の検出精度を高くすることができる。なお、送信接続経路は、検出部３４と第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれとの間の接続経路を意味する。受信接続経路は、第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれとアンプ３３との間の接続経路を意味する。

【0051】

また、本実施形態では、第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４を有する。これにより、第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれと、アンプ３３等の検出回路との接続経路１つ当たりに２つのスイッチを配置できる。そして、２つのスイッチを非接続状態にすることで、オフアイソレーションを２段階で減衰させることができる。例えば、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３、および第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４を用いて、かつ第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４を用いない場合には、オフアイソレーションは約－７５ｄＢである。これに対し、流体センサ１００は、第１のＳＰＤＴスイッチ３１－１、第２のＳＰＤＴスイッチ３１－２、第３のＳＰＤＴスイッチ３１－３、および第４のＳＰＤＴスイッチ３１－４を用いて、かつ第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４を用いることで、オフアイソレーションを約－１５０ｄＢに低減できる。この結果、流体センサ１００を小型化した場合にも送信信号が受信信号に重なることを低減し、小型でかつ検出精度に優れた流体センサ１００を提供することができる。

【0052】

また、本実施形態では、上述したように、最短距離ｄ１は最短距離Ｄ１よりも短く、かつ最短距離ｄ２は最短距離Ｄ２よりも短く、かつ最短距離ｄ３は最短距離Ｄ２よりも短く、かつ最短距離ｄ４は最短距離Ｄ４よりも短い。これらは、流体センサ１００が第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４それぞれの送受信のスイッチを個別に有することで、スイッチの配置自由度が高くなることから得られる作用である。この作用により、実装基板３上における各構成の配置スペースを省スペース化し、流体センサ１００を小型化することができる。また、送受信部とＳＰＤＴスイッチとの間の配線長が短くなるため、クロストークや外乱の影響を低減し、流体センサ１００の検出精度を高くすることができる。

【0053】

また、本実施形態では、上述したように、最短距離の長さｅは最大長さＥ以下である。これは、第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４を個別に有することで、スイッチの配置自由度が高くなることから得られる作用である。この作用により、実装基板３上における各構成の配置スペースを省スペース化し、流体センサ１００を小型化することができる。また、上記作用により、送受信部とＳＰＤＴスイッチとの間の配線長が短くなるため、クロストークや外乱の影響を低減し、流体センサ１００の検出精度を高くすることができる。さらに、上記作用により、アンプ３３と第１のＳＰＳＴスイッチ３２－１、第２のＳＰＳＴスイッチ３２－２、第３のＳＰＳＴスイッチ３２－３、および第４のＳＰＳＴスイッチ３２－４それぞれとの間における狭い範囲のみをグランドシールドの対象領域にできる。これにより、実装基板３を小型化するとともに、流体センサ１００を小型化することができる。

【0054】

図７は、本実施形態に係る第２受信信号ｒ１の第２増幅信号ｒ１ａを示す模式図である。オフアイソレーション特性の向上により、送信信号ｓ２がアンプ３３に直接入力される現象が低減された結果、アンプ３３に直接入力された送信信号ｓ２のアンプ３３による増幅信号である増幅信号ｓ２ａの電圧が０．１Ｖｐ－ｐ以下程度に低減されている。増幅信号ｓ２ａの電圧が低減されることで、流体センサ１００は、送信信号ｓ２と増幅信号ｒ１ａとの間の時間差Δｔを高精度に検出でき、風向および風速の検出精度を高くすることができる。

【0055】

本実施形態では、増幅信号ｒ１ａにおける振幅変調を近似式で表現し、振幅変調の起点となるタイミングをこの近似式を用いて算出してもよい。このようにすることで、送信信号ｓ２と増幅信号ｒ１ａとの間の時間差Δｔを正確に求め、風向および風速の検出精度を高くすることができる。

【0056】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0057】

例えば、本実施形態に係る流体センサは、第１送受信部２－１、第２送受信部２－２、第３送受信部２－３および第４送受信部２－４の４つの送受信部を有する構成に限定されない。本実施形態に係る流体センサは、３つの送受信部を有する構成であっても、流体２００の風向および風速それぞれのＸ方向成分およびＹ方向成分を求め、流路１３を流れる流体２００の風向および風速を検出することができる。

【0058】

本実施形態に係る流体センサは、小型でかつ検出精度に優れているので、様々な場所に配置でき、流体の風向および風速を高精度に検出できる。流体センサの応用範囲を広げるとともに、新しい用途を提供することができる。

【符号の説明】

【0059】

１・・・構造体、１１・・・上部部材、１１１・・・下面、１２・・・下部部材、１２１・・・上面、１３・・・流路、１ｃ・・・中心軸、２－１・・・第１送受信部、２－２・・・第２送受信部、２－３・・・第３送受信部、２－４・・・第４送受信部、３・・・実装基板、３１－１・・・第１のＳＰＤＴスイッチ、３１－２・・・第２のＳＰＤＴスイッチ、３１－３・・・第３のＳＰＤＴスイッチ、３１－４・・・第４のＳＰＤＴスイッチ、３２－１・・・第１のＳＰＳＴスイッチ、３２－２・・・第２のＳＰＳＴスイッチ、３２－３・・・第３のＳＰＳＴスイッチ、３２－４・・・第４のＳＰＳＴスイッチ、３３・・・アンプ、３４・・・検出部、３５・・・水晶振動子、３６・・・サーミスタ、１０・・・第１超音波、２０・・・第２超音波、３０・・・第３超音波、４０・・・第４超音波、１００・・・流体センサ、２００・・・流体、２０１・・・第１方向、２０２・・・第２方向、ｓ１・・・第１送信信号、ｓ２・・・第２送信信号、ｓ３・・・第３送信信号、ｓ４・・・第４送信信号、ｒ１・・・第１受信信号、ｒ２・・・第２受信信号、ｒ３・・・第３受信信号、ｒ４・・・第４受信信号、ｒ１ａ・・・第１増幅信号、ｒ２ａ・・・第２増幅信号、ｒ３ａ・・・第３増幅信号、ｒ４ａ・・・第４増幅信号、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４・・・最短距離、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４・・・最短距離、ｅ・・・長さ、Ｅ・・・最大長さ、Δｔ・・・時間差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】