放熱型環境センサ
【課題】補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性バラツキが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型の放熱型環境センサを構成する。
【解決手段】熱検知部のサーミスタセラミック部分である環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償部のサーミスタセラミック部分である温度補償用感温抵抗素子には定電流が通電され、環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子はジュール熱により発熱する。環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子の温度は発熱量と周囲への放熱量とが平衡する温度で安定化する。環境値検知用感温抵抗素子の放熱は空気中への放熱が支配的であり、温度補償用感温抵抗素子の放熱は実装基板ＰＷＢへの放熱が支配的である。検知すべき環境値に応じて環境値検知用感温抵抗素子の放熱量が変化して熱的に平衡になる温度が変化するので、それを利用して環境値を検知する。
【解決手段】熱検知部のサーミスタセラミック部分である環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償部のサーミスタセラミック部分である温度補償用感温抵抗素子には定電流が通電され、環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子はジュール熱により発熱する。環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子の温度は発熱量と周囲への放熱量とが平衡する温度で安定化する。環境値検知用感温抵抗素子の放熱は空気中への放熱が支配的であり、温度補償用感温抵抗素子の放熱は実装基板ＰＷＢへの放熱が支配的である。検知すべき環境値に応じて環境値検知用感温抵抗素子の放熱量が変化して熱的に平衡になる温度が変化するので、それを利用して環境値を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、湿度、風速、気圧等の環境値を検知するセンサに関し、特に、センサから環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する放熱型環境センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
センサから環境への放熱特性が、検知しようとする環境値に依存する特性を利用したセンサとして、例えば特許文献１〜３が開示されている。特許文献１は湿度センサ、特許文献２は風速センサ、特許文献３は湿度センサである。
【０００３】
特許文献１の湿度センサの構成例を図１を参照して説明する。図１は特許文献１の湿度センサの分解斜視図である。この湿度センサは、ホルダ１に、感湿器２と、温度補償器３とが設置され、感湿器２及び温度補償器３がフード４で覆われ、また、ホルダ１の裏面にはカバー５が取付けられ、カバー５内で外部配線６を感湿器２及び温度補償器３に電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６０２６８号公報
【特許文献２】特開平６−２７１２７号公報
【特許文献３】実開平６−６５８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、補償素子（温度補償器）と検知素子（感湿器）とを個別に設ける必要があるため、全体に大型である。また、一つのセンサとして用いる場合にホルダとフード等による封止構造が必要であり部品点数が多く製造コストが嵩む。さらに、補償素子と検知素子が離れている場合に、それらの環境温度の差が誤差の要因になる、という問題があった。
【０００６】
また、補償素子と検知素子とが別々に設けられている場合、補償素子及び検知素子の特性ばらつき（例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき）が生じるおそれがあり、環境センサの感度及び応答性等が小さくなったり、ばらつきが生じたりする。
【０００７】
特許文献２，特許文献３の構成についても、補償素子と検知素子とを個別に設けることによる問題がある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性ばらつきが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型の放熱型環境センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の放熱型環境センサは次のように構成する。
（１）放熱性が依存する（所定の）環境値を検知するための環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子を備えた環境センサにおいて、
少なくとも、第１の主面側に形成される熱検知部及び第２の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた構造とする。
【００１０】
この構造により、言わば補償素子と検知素子とが一体になっている。熱検知部と温度補償部とを一体にすることにより、補償素子と検知素子のばらつき（例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき）を低減することができ、均一な温度特性を有するため、環境温度の差による誤差を最小化できる。
【００１１】
また、補償素子と検知素子とが一体となっているため小型化が可能であり、補償素子と検知素子とを封止する必要がないため低コスト化できる。
また、一般的な積層セラミック部品と同様の方法により容易に製造でき低コスト化が図れる。
また、セラミック素体に外部電極を形成することによって表面実装可能な放熱型環境センサが構成できる。
【００１２】
（２）前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞で構成する。
空気は全ての物質の中で最も熱伝導率が低いため、空洞を形成することにより断熱作用が最も大きくなる。
【００１３】
（３）前記セラミック素体のうち前記空洞部の周縁を構成している周縁部が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、前記空洞部の周囲に配置される多孔質の層によって断熱作用が高まり、熱検知部の実質的な熱容量がより小さくなる。
【００１４】
（４）前記断熱部の全体が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、空洞を形成する場合に比べて、サーミスタ素体の抗折強度が高くなる。
【００１５】
（５）前記セラミック素体は複数のセラミック層を備え、前記熱検知部電極は、前記セラミック層を介して部分的に重なり合っているものとする。
このように異なる電位に接続される熱検知部電極が、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極間の抵抗値を低く設定できるため、高いＳＮ比特性を得られる。
【００１６】
（６）前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置されたものとする。
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。
【００１７】
（７）前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向（前記熱検知部と前記温度補償部間の方向）に非接続状態に配置されたものとする。
【００１８】
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。
【００１９】
（８）前記セラミック素体を発熱させる、または加熱する手段を備える。すなわち、前記セラミック素体の温度を上昇させた状態で、前記熱検知部から環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性バラツキが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型化でき、種々の電子機器に適応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１の湿度センサの分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１をセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。
【図４】図３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。
【図５】図４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。
【図６】図２に示した放熱型環境センサ１０１を実装基板（組み込み先の電子機器の回路基板）に実装した状態での断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１を用いた放熱型環境センサ回路の一例である。
【図８】検知すべき所定の環境値の変化による、放熱型環境センサ回路の出力電圧の変化の様子を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る放熱型環境センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。
【図１０】図９に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。
【図１１】図１０に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。
【図１２】第３の実施形態に係る放射型環境センサ１０３の断面図である。
【図１３】第４の実施形態に係る放射型環境センサ１０４，１０５の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１の断面図である。放熱型環境センサ１０１は、放熱型環境センサ本体となる負特性（ＮＴＣ）サーミスタセラミックスで構成されるセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、外部電極２３，２４，２８、及び空洞部２５を備えている。
【００２３】
セラミック素体３０の第１の主面側の表層部付近が熱検知部であり、この熱検知部に前記熱検知部電極２１，２２が形成されている。セラミック素体３０の第２の主面側の表層部付近が熱検知部に対する温度補償部であり、この温度補償部に温度補償部電極２６，２７が形成されている。
【００２４】
前記熱検知部電極２１，２２によって前記熱検知部のサーミスタセラミック部分が環境値検知用感温抵抗素子として用いられる。同様に、前記温度補償部電極２６，２７によって前記温度補償部のサーミスタセラミック部分が温度補償用感温抵抗素子として用いられる。
【００２５】
前記空洞部２５は、前記熱検知部と前記温度補償部との間を断熱する断熱部として形成されている。
【００２６】
ここで、放熱型環境センサ１０１の製造方法について説明する。
図３は前記放熱型環境センサ１０１をセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図３において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極２１になる内部電極用ペースト２１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２２になる内部電極用ペースト２２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極２６になる内部電極用ペースト２６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極２７になる内部電極用ペースト２７Ｐがそれぞれ形成されている。さらに層Ｓ９にはビア電極用の電極ペースト２９Ｐが形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物２５Ｐが形成されている。
【００２７】
図４は、図３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、ビア電極２９が形成されている。また、焼成することにより層Ｓ４、Ｓ５に充填された充填物２５Ｐが揮発されることによって空洞部２５が形成されている。
【００２８】
図５は、図４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図５（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図５（Ｂ）は外部電極形成後の斜視図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）に示した状態の反対面側を見た斜視図である。
【００２９】
外部電極２３は熱検知部電極２１に導通し、外部電極２４は熱検知部電極２２及び温度補償部電極２６に導通する。また、外部電極２８はビア電極２９に導通する。温度補償部電極２７は、その中央部が熱的にも外部電極２８に対して低い熱抵抗で結合している。
【００３０】
このように、温度補償部電極２７に導通するビア電極２９を直方体形状のセラミック素体の底面の中央部に露出するように形成し、そのビア電極２９に導通する外部電極２８を底面から対向する２側面にかけて形成したことにより、温度補償部と基板との接触面積が増えるので、温度補償部の熱を効果的に基板側へ放熱することができる。これにより温度補償部から空気中へ放熱される量を小さくすることができる。
【００３１】
セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスは温度変化により抵抗値が変化する半導体セラミックスであって、例えばマンガン、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミ、チタン、亜鉛など複数の遷移金属酸化物を焼結したＮＴＣサーミスタ材料を用いてもよいし、例えば希土類元素をドナーとして添加したＢａＴｉＯ3系のＰＴＣサーミスタ材料を用いてもよい。
【００３２】
また、熱検知部電極２１，２２は、サーミスタセラミックスとオーミック接合する電極材料であれば、いずれの材料を選択することができる。例えば、セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスがＮＴＣサーミスタ材料であれば、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔまたはそれらの合金等で構成され、ＰＴＣサーミスタ材料であれば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌまたはそれらの合金等で構成される。
【００３３】
熱検知部電極２１，２２は、その対向距離とセラミック素体３０の平面視での重なり面積とによって抵抗調整することができるため、所望の抵抗値を得るために、サーミスタセラミックスの抵抗率（比抵抗）に合わせて上記熱検知部電極２１，２２のパターンと層位置を定める。
【００３４】
この放熱型環境センサは積層セラミック部品であるので製造が容易であり、低コスト化が図れる。さらに、外部電極２３，２４を用いて表面実装が可能であるので、金属ケースを用いてパッケージ化された従来のセンサや、基板に素子を組込んだセンサと比較して、小型化および低コスト化を図ることができる。
【００３５】
また、図２，図３に示したように、２つの熱検知部電極２１，２２、及び温度補償部電極２６，２７を、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極２１，２２間の抵抗値、及び温度補償部電極２６，２７を低く設定でき、後に示す放熱型環境センサ回路の回路構成上、高いＳＮ比特性を得やすい。
【００３６】
具体的な製造方法は次のとおりである。ここではＮＴＣサーミスタ材料を用いたサーミスタセラミックスからなるセラミック素体の事例を説明する。
先ず、遷移金属酸化物であるMn3O4、NiO、Co3O4、Fe2O3等を所定量秤量し、次いで該秤量物をジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入して十分に湿式粉砕し、その後、所定の温度で仮焼してセラミック粉末を作製する。
【００３７】
次に、上記セラミック粉末に有機バインダを加え、湿式で混合処理を行ってスラリー状とし、その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工を施し、セラミックグリーンシートを作製する。
【００３８】
次いで、セラミックグリーンシートのうち熱検知部または温度補償部に位置するセラミックグリーンシートにＡｇ−Ｐｄを主成分とした内部電極用ペーストを使用し、セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷を施して内部電極パターンを形成する。また、空洞部に位置するセラミックグリーンシートには、レーザー加工等によって上記セラミックグリーンシートに穴を開け、その穴へ焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填を行い、空洞パターンを形成する。
【００３９】
次に、内部電極パターンがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートと、空洞パターンを加工したグリーンシートを図３に示すように積層した後、電極パターンがスクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで上下挟持し、圧着して積層体を作製する。次いで、この積層体を所定寸法に切断してジルコニア製の匣に収容し、脱バインダ処理を行った後、所定温度（例えば１０００℃〜１３００℃）で焼成処理を施す。これにより、バインダ等の有機物やカーボンペースト等が揮発し、セラミック素体の中央部付近に空洞部が形成される。これにより、熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、ビア電極２９、及び空洞部２５を備えるセラミック素体３０を構成する。
【００４０】
この後、セラミック素体３０の両端部にＡｇ等を含む外部電極用ペーストを塗布して焼付けし、外部電極２３，２４を形成する。なお、外部電極２３，２４は密着性が良好であればよく、例えばスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法で形成してもよい。
【００４１】
上述の例では、セラミック素原料としてMn3O4等の酸化物を使用したが、Mnの炭酸塩、水酸化物等を使用することもできる。
【００４２】
図６は、図２に示した放熱型環境センサ１０１を実装基板（組み込み先の電子機器の回路基板）に実装した状態での断面図である。
実装基板ＰＷＢ上のランドＬに対して放熱型環境センサ１０１が表面実装されている。実装基板ＰＷＢ上のランドＬから外部電極２３，２４にかけて半田Ｓのフィレットが形成されている。
【００４３】
後述するように、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子には定電流が通電される。そのため、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子はジュール熱により自己発熱する。前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子の温度は発熱量と周囲への放熱量とが平衡する温度で安定化する。
【００４４】
熱検知部電極２１，２２が形成されている熱検知部である前記環境値検知用感温抵抗素子は上面及び四方周囲が外部環境に対して開放されている。そのため、熱検知部の熱容量は後述する温度補償部に比較して小さく、環境値検知用感温抵抗素子の発熱は主に空気中へ放熱される。すなわち環境値検知用感温抵抗素子の放熱は空気中への放熱が支配的である。
【００４５】
これに対して、温度補償部電極２６，２７が形成されている温度補償部である前記温度補償用感温抵抗素子は実装基板ＰＷＢに接していて、半田Ｓによって接続されている。また、温度補償部電極２７は、その中央部がビア電極２９を介して外部電極２８に導通していて、熱的にも外部電極２８に対して低い熱抵抗で結合している。そのため、温度補償部の熱容量は熱検知部の熱容量より大きく、温度補償用感温抵抗素子は主に実装基板ＰＷＢ側へ放熱される。すなわち温度補償用感温抵抗素子の放熱は実装基板ＰＷＢへの放熱が支配的である。
【００４６】
前記環境値検知用感温抵抗素子の発熱が空気中へ放熱される際の放熱量は、主に風速、湿度、及び気圧の環境値によって変動する。例えば風速について着目すれば、湿度、及び気圧が一定であるとすると、風速の変化に応じて前記放熱量が変化する。また、例えば風速、及び気圧が一定であるとすると、湿度の変化に応じて前記放熱量が変化する。したがって、検知すべき所定環境値以外で放熱量に影響を与えるファクターは他の方法で測定すれば、所定の環境値を検知できる。
【００４７】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は前記放熱型環境センサ１０１を用いた放熱型環境センサ回路の二つの例である。図７（Ａ），図７（Ｂ）において、抵抗Ｒｓは熱検知部のサーミスタによる抵抗、抵抗Ｒｎは温度補償部のサーミスタの抵抗である。この抵抗Ｒｓ，Ｒｎと抵抗Ｒｏ，Ｒｏとによって抵抗ブリッジ回路を構成している。定電流回路（定電流源）ＣＣＳは前記抵抗ブリッジ回路へ定電流を通電する。増幅回路ＡＭＰは抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。
【００４８】
図７（Ａ）に示す放熱型環境センサ回路のように、定電流が流れる二つの電流経路の一方を、熱検知部のサーミスタによる抵抗（環境値検知用感温抵抗素子）Ｒｓと、温度補償部のサーミスタの抵抗（温度補償用感温抵抗素子）Ｒｎとの直列回路で構成し、他方を二つの抵抗Ｒｏの直列回路で構成すると、高いＳＮ比が得られる。
【００４９】
すなわち、図７（Ｂ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値を、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓ及び温度補償部のサーミスタの抵抗Ｒｎの抵抗値にほぼ等しくしないと大きな差動電圧が得られないが、図７（Ａ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値が前記Ｒｓ及びＲｎの抵抗値に近似する値である必要がないので、回路構成上の自由度が高く、ＳＮ比の高い回路が構成できる。例えば抵抗Ｒｏの抵抗値を充分に小さくして、増幅回路ＡＭＰへの入力インピーダンスを低くすることができる。
【００５０】
図７（Ａ），図７（Ｂ）に示した放熱型環境センサ回路によれば、温度補償部及び熱検知部が自己発熱により温度が上昇していくと、実装状況に応じて出力電圧が所定の値に平衡状態になる。ここで、温度補償部のサーミスタ（温度補償用サーミスタ）Ｒｎで周囲の温度変化による影響分を補償しているため、増幅回路ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは熱検知部のサーミスタＲｓの環境に依存した放熱量に応じた値となる。このため、環境に変化が生じた場合、熱検知部の温度の変動により、出力電圧が変動する。したがって、平衡状態の出力電圧Ｖｏｕｔから環境変化に応じて変化した出力電圧Ｖｏｕｔの変化を環境値検知信号として利用できる。
このように放熱量の違いによる抵抗変化を熱検知部電極２１，２２および外部電極２３，２４を通じて測定することで、環境値を検知することができる。
【００５１】
図８は、検知すべき所定の環境値の変化による、前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の変化の様子を示す図である。
図８（Ａ）は前記抵抗ブリッジ回路への通電電流の波形図、図８（Ｂ）は熱検知部及び温度補償部の温度変化の波形図、図８（Ｃ）は熱検知部及び温度補償部のサーミスタの抵抗値変化の波形図、図８（Ｄ）は前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の波形図である。
【００５２】
図８（Ａ）に表れているように、時刻ｔ０で通電を開始すると、速やかに一定電流が流れる。図８（Ｂ）に表れているように、前記通電によって熱検知部の温度Ｔｓ及び温度補償部の温度Ｔｎが上昇し、所定の温度で熱的に平衡状態となる。
【００５３】
検知すべき環境値（例えば湿度）が時刻ｔ１で変化すると（この例ではｔ１で環境値が急激に変化している。）、それ以降、熱検知部の温度Ｔｓと温度補償部の温度Ｔｎは新たな温度で熱的に平衡することになる。その後、検知すべき環境値が時刻ｔ２で再び変化すると、それ以降、熱検知部の温度Ｔｓと温度補償部の温度Ｔｎは再び新たな温度で熱的に平衡することになる。
【００５４】
時刻ｔ３で通電を停止すると、熱検知部の放熱によって熱検知部の温度Ｔｓ及び温度補償部の温度Ｔｎが低下する。
【００５５】
図８（Ｃ）に表れているように、熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎは前記温度Ｔｓ，Ｔｎに応じて定まる。
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、図８（Ｄ）に表れているように、通電開始時ｔｏ以降は、熱検知部と温度補償部のサーミスタの抵抗値の変化に応じて変位するが、熱検知部と温度補償部の熱的平衡に伴い、出力電圧も安定化する。時刻ｔ１で環境値が変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎに応じた出力電圧となる。時刻ｔ２で環境値が再び変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎに応じて出力電圧は再び変化する。
【００５６】
時刻ｔ３で前記通電が停止されると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎの変化に応じて出力電圧も比較的大きく変動する。
【００５７】
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、前記時刻ｔ１の手前、時刻ｔ２の手前、時刻ｔ３の手前など、熱的に平衡状態になったとき安定する。この安定した平衡状態のうち、環境に変化が生じていない初期の出力電圧値と、環境に変化が生じた後の平衡状態での出力電圧との差が、検知すべき環境値とは一意の関係にあるので、放熱型環境センサ回路の出力電圧の変動を読み取ることで環境値を求めることができる。
【００５８】
また、前記放熱型環境センサ回路の抵抗ブリッジ回路への通電開始後や、通電停止後は、放熱型環境センサ回路の出力電圧は過渡的な電圧変化を示すが、熱検知部の空気中への放熱量が一定であるなら、前記出力電圧変化（推移）は一定である。換言すると、前記出力電圧変化（推移）のパターンが変化すれば、それは環境値の変化に起因している。したがって、前記時刻ｔ０以降や時刻ｔ３以降の出力電圧の変化のパターンや傾斜によっても環境値を検知することができる。
【００５９】
また、本願発明はセラミック素体にサーミスタ材料を用いているため、電流を印加することにより自己発熱し、容易にセラミック素体を発熱状態にすることができるが、例えば放熱型環境センサを実装した基板を加熱する手段を設け、その基板の加熱によってセラミック素体を発熱状態にするように構成してもよい。
【００６０】
《第２の実施形態》
図９は第２の実施形態に係る放熱型環境センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図９において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極２１になる内部電極用ペースト２１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２２になる内部電極用ペースト２２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極２６になる内部電極用ペースト２６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極２７になる内部電極用ペースト２７Ｐがそれぞれ形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物２５Ｐが形成されている。
【００６１】
図１０は、図９に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７が形成されている。また、焼成することにより層Ｓ４、Ｓ５に充填された充填物２５Ｐが揮発されることによって空洞部２５が形成されている。
【００６２】
図１１は、図１０に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図１１（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図１１（Ｂ）は外部電極形成後の放熱型環境センサ１０２の斜視図である。
【００６３】
外部電極２３は熱検知部電極２１に導通し、外部電極２４は熱検知部電極２１及び温度補償部電極２６に導通する。また、外部電極２８は温度補償部電極２７に導通する。
【００６４】
このように、内部電極用ペースト２７Ｐの焼成による温度補償部電極２７が直方体形状のセラミック素体の二つの側面に露出するように形成することによって、外部電極２８を形成する際にセラミック素体の向きが揃う確率が高くなり、製造効率が高まる。
【００６５】
なお、内部電極用ペースト２７Ｐは、必ずしも層Ｓ８にセラミック素体の両側面に引き出す必要はなく、一側面へ引き出した構造でもよい。また、図１１（Ｂ）においては、一側面に外部電極２８が形成されているが、内部電極用ペースト２７Ｐが層Ｓ８の両側面に引き出されていることから、外部電極２８を両側面に形成してもよい。
【００６６】
《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係る放射型環境センサ１０３の断面図である。放射型環境センサ１０３は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、外部電極２３，２４、空洞部２５、及び多孔質部３１を備えている。
【００６７】
上記多孔質部３１は、空洞部２５の周縁を構成するサーミスタセラミック素体の周縁部であり、焼成によって多孔質になったものである。すなわち、空洞部２５を形成する開口を設けたセラミックグリーンシートは、焼成時に消失する有機物を予め分散させたものである。
【００６８】
例えば第１の実施形態で図２に示した構造では、空洞部２５の幅を大きくする程、断熱効果は高まるが、空洞部２５を確保するために空洞部２５の周囲を支える周縁部を残しておく必要がある。そこで、図１２に示したように、空洞部２５の周囲を支える周縁部を多孔質にすることにより、熱検知部電極２２より下部は空洞部２５だけでなく多孔質部３１によってより効果的に断熱される。そのため、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
【００６９】
《第４の実施形態》
図１３（Ａ），図１３（Ｂ）は第４の実施形態に係る放射型環境センサ１０４，１０５の断面図である。放射型環境センサ１０４は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、外部電極３３，３４，３５，２８及び空洞部２５を備えている。図１３（Ｂ）においては、空洞部２５の周囲に多孔質部３１を設けている。
【００７０】
この例では、熱検知部電極２１，２２に導通する外部電極３３，３４と、温度補償部電極２６，２７に導通する外部電極３５，２８とは電気的にも熱的にも分離して配置されている。すなわち、セラミック素体の側面には上下方向に連なる外部電極が形成されていない。また、ビア電極はセラミック素体の上下方向に非接続状態（非貫通状態）に配置されている。
そのため、熱検知部と温度補償部とをさらに断熱することができ、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
【００７１】
なお、以上に示した各実施形態では、サーミスタ材料であるサーミスタセラミックの層を積層し、焼結させることによってセラミック素体を構成したが、少なくとも熱検知部電極を設ける第１主面側と、温度補償部電極を設ける第２主面側をサーミスタセラミックの層で構成し、その他の層を別の材料の層で構成して、一体焼結して形成してもよい。
【００７２】
また、以上に示した各実施形態では、空洞部２５に相当する領域を、または空洞部２５を形成した層全体を多孔質部材で構成してもよい。
【００７３】
また、以上に示した各実施形態では、単一の空洞部２５を備えたが、上下方向または横方向に複数個配置してもよい。空洞部の形状はセラミック素体内に閉じられた空間を構成していてもよいし、一部で又は複数箇所で開口していてもよい。さらにはハニカム構造や細胞構造であってもよい。これらの構成によって熱抵抗の調整が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
ＡＭＰ…増幅回路
Ｌ…ランド
ＰＷＢ…実装基板
Ｓ…半田
Ｓ１〜Ｓ９…層
２１，２２…熱検知部電極
２３，２４…外部電極
２５…空洞部
２６，２７…温度補償部電極
２８…外部電極
２９…ビア電極
３０…セラミック素体
３１…多孔質部
３３，３４，３５…外部電極
１０１〜１０５…放射型環境センサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、湿度、風速、気圧等の環境値を検知するセンサに関し、特に、センサから環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する放熱型環境センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
センサから環境への放熱特性が、検知しようとする環境値に依存する特性を利用したセンサとして、例えば特許文献１〜３が開示されている。特許文献１は湿度センサ、特許文献２は風速センサ、特許文献３は湿度センサである。
【０００３】
特許文献１の湿度センサの構成例を図１を参照して説明する。図１は特許文献１の湿度センサの分解斜視図である。この湿度センサは、ホルダ１に、感湿器２と、温度補償器３とが設置され、感湿器２及び温度補償器３がフード４で覆われ、また、ホルダ１の裏面にはカバー５が取付けられ、カバー５内で外部配線６を感湿器２及び温度補償器３に電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６０２６８号公報
【特許文献２】特開平６−２７１２７号公報
【特許文献３】実開平６−６５８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、補償素子（温度補償器）と検知素子（感湿器）とを個別に設ける必要があるため、全体に大型である。また、一つのセンサとして用いる場合にホルダとフード等による封止構造が必要であり部品点数が多く製造コストが嵩む。さらに、補償素子と検知素子が離れている場合に、それらの環境温度の差が誤差の要因になる、という問題があった。
【０００６】
また、補償素子と検知素子とが別々に設けられている場合、補償素子及び検知素子の特性ばらつき（例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき）が生じるおそれがあり、環境センサの感度及び応答性等が小さくなったり、ばらつきが生じたりする。
【０００７】
特許文献２，特許文献３の構成についても、補償素子と検知素子とを個別に設けることによる問題がある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性ばらつきが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型の放熱型環境センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の放熱型環境センサは次のように構成する。
（１）放熱性が依存する（所定の）環境値を検知するための環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子を備えた環境センサにおいて、
少なくとも、第１の主面側に形成される熱検知部及び第２の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた構造とする。
【００１０】
この構造により、言わば補償素子と検知素子とが一体になっている。熱検知部と温度補償部とを一体にすることにより、補償素子と検知素子のばらつき（例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき）を低減することができ、均一な温度特性を有するため、環境温度の差による誤差を最小化できる。
【００１１】
また、補償素子と検知素子とが一体となっているため小型化が可能であり、補償素子と検知素子とを封止する必要がないため低コスト化できる。
また、一般的な積層セラミック部品と同様の方法により容易に製造でき低コスト化が図れる。
また、セラミック素体に外部電極を形成することによって表面実装可能な放熱型環境センサが構成できる。
【００１２】
（２）前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞で構成する。
空気は全ての物質の中で最も熱伝導率が低いため、空洞を形成することにより断熱作用が最も大きくなる。
【００１３】
（３）前記セラミック素体のうち前記空洞部の周縁を構成している周縁部が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、前記空洞部の周囲に配置される多孔質の層によって断熱作用が高まり、熱検知部の実質的な熱容量がより小さくなる。
【００１４】
（４）前記断熱部の全体が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、空洞を形成する場合に比べて、サーミスタ素体の抗折強度が高くなる。
【００１５】
（５）前記セラミック素体は複数のセラミック層を備え、前記熱検知部電極は、前記セラミック層を介して部分的に重なり合っているものとする。
このように異なる電位に接続される熱検知部電極が、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極間の抵抗値を低く設定できるため、高いＳＮ比特性を得られる。
【００１６】
（６）前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置されたものとする。
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。
【００１７】
（７）前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向（前記熱検知部と前記温度補償部間の方向）に非接続状態に配置されたものとする。
【００１８】
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。
【００１９】
（８）前記セラミック素体を発熱させる、または加熱する手段を備える。すなわち、前記セラミック素体の温度を上昇させた状態で、前記熱検知部から環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性バラツキが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型化でき、種々の電子機器に適応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１の湿度センサの分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１をセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。
【図４】図３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。
【図５】図４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。
【図６】図２に示した放熱型環境センサ１０１を実装基板（組み込み先の電子機器の回路基板）に実装した状態での断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１を用いた放熱型環境センサ回路の一例である。
【図８】検知すべき所定の環境値の変化による、放熱型環境センサ回路の出力電圧の変化の様子を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る放熱型環境センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。
【図１０】図９に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。
【図１１】図１０に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。
【図１２】第３の実施形態に係る放射型環境センサ１０３の断面図である。
【図１３】第４の実施形態に係る放射型環境センサ１０４，１０５の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る放熱型環境センサ１０１の断面図である。放熱型環境センサ１０１は、放熱型環境センサ本体となる負特性（ＮＴＣ）サーミスタセラミックスで構成されるセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、外部電極２３，２４，２８、及び空洞部２５を備えている。
【００２３】
セラミック素体３０の第１の主面側の表層部付近が熱検知部であり、この熱検知部に前記熱検知部電極２１，２２が形成されている。セラミック素体３０の第２の主面側の表層部付近が熱検知部に対する温度補償部であり、この温度補償部に温度補償部電極２６，２７が形成されている。
【００２４】
前記熱検知部電極２１，２２によって前記熱検知部のサーミスタセラミック部分が環境値検知用感温抵抗素子として用いられる。同様に、前記温度補償部電極２６，２７によって前記温度補償部のサーミスタセラミック部分が温度補償用感温抵抗素子として用いられる。
【００２５】
前記空洞部２５は、前記熱検知部と前記温度補償部との間を断熱する断熱部として形成されている。
【００２６】
ここで、放熱型環境センサ１０１の製造方法について説明する。
図３は前記放熱型環境センサ１０１をセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図３において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極２１になる内部電極用ペースト２１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２２になる内部電極用ペースト２２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極２６になる内部電極用ペースト２６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極２７になる内部電極用ペースト２７Ｐがそれぞれ形成されている。さらに層Ｓ９にはビア電極用の電極ペースト２９Ｐが形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物２５Ｐが形成されている。
【００２７】
図４は、図３に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、ビア電極２９が形成されている。また、焼成することにより層Ｓ４、Ｓ５に充填された充填物２５Ｐが揮発されることによって空洞部２５が形成されている。
【００２８】
図５は、図４に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図５（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図５（Ｂ）は外部電極形成後の斜視図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）に示した状態の反対面側を見た斜視図である。
【００２９】
外部電極２３は熱検知部電極２１に導通し、外部電極２４は熱検知部電極２２及び温度補償部電極２６に導通する。また、外部電極２８はビア電極２９に導通する。温度補償部電極２７は、その中央部が熱的にも外部電極２８に対して低い熱抵抗で結合している。
【００３０】
このように、温度補償部電極２７に導通するビア電極２９を直方体形状のセラミック素体の底面の中央部に露出するように形成し、そのビア電極２９に導通する外部電極２８を底面から対向する２側面にかけて形成したことにより、温度補償部と基板との接触面積が増えるので、温度補償部の熱を効果的に基板側へ放熱することができる。これにより温度補償部から空気中へ放熱される量を小さくすることができる。
【００３１】
セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスは温度変化により抵抗値が変化する半導体セラミックスであって、例えばマンガン、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミ、チタン、亜鉛など複数の遷移金属酸化物を焼結したＮＴＣサーミスタ材料を用いてもよいし、例えば希土類元素をドナーとして添加したＢａＴｉＯ3系のＰＴＣサーミスタ材料を用いてもよい。
【００３２】
また、熱検知部電極２１，２２は、サーミスタセラミックスとオーミック接合する電極材料であれば、いずれの材料を選択することができる。例えば、セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスがＮＴＣサーミスタ材料であれば、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔまたはそれらの合金等で構成され、ＰＴＣサーミスタ材料であれば、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌまたはそれらの合金等で構成される。
【００３３】
熱検知部電極２１，２２は、その対向距離とセラミック素体３０の平面視での重なり面積とによって抵抗調整することができるため、所望の抵抗値を得るために、サーミスタセラミックスの抵抗率（比抵抗）に合わせて上記熱検知部電極２１，２２のパターンと層位置を定める。
【００３４】
この放熱型環境センサは積層セラミック部品であるので製造が容易であり、低コスト化が図れる。さらに、外部電極２３，２４を用いて表面実装が可能であるので、金属ケースを用いてパッケージ化された従来のセンサや、基板に素子を組込んだセンサと比較して、小型化および低コスト化を図ることができる。
【００３５】
また、図２，図３に示したように、２つの熱検知部電極２１，２２、及び温度補償部電極２６，２７を、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極２１，２２間の抵抗値、及び温度補償部電極２６，２７を低く設定でき、後に示す放熱型環境センサ回路の回路構成上、高いＳＮ比特性を得やすい。
【００３６】
具体的な製造方法は次のとおりである。ここではＮＴＣサーミスタ材料を用いたサーミスタセラミックスからなるセラミック素体の事例を説明する。
先ず、遷移金属酸化物であるMn3O4、NiO、Co3O4、Fe2O3等を所定量秤量し、次いで該秤量物をジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入して十分に湿式粉砕し、その後、所定の温度で仮焼してセラミック粉末を作製する。
【００３７】
次に、上記セラミック粉末に有機バインダを加え、湿式で混合処理を行ってスラリー状とし、その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工を施し、セラミックグリーンシートを作製する。
【００３８】
次いで、セラミックグリーンシートのうち熱検知部または温度補償部に位置するセラミックグリーンシートにＡｇ−Ｐｄを主成分とした内部電極用ペーストを使用し、セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷を施して内部電極パターンを形成する。また、空洞部に位置するセラミックグリーンシートには、レーザー加工等によって上記セラミックグリーンシートに穴を開け、その穴へ焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填を行い、空洞パターンを形成する。
【００３９】
次に、内部電極パターンがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートと、空洞パターンを加工したグリーンシートを図３に示すように積層した後、電極パターンがスクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで上下挟持し、圧着して積層体を作製する。次いで、この積層体を所定寸法に切断してジルコニア製の匣に収容し、脱バインダ処理を行った後、所定温度（例えば１０００℃〜１３００℃）で焼成処理を施す。これにより、バインダ等の有機物やカーボンペースト等が揮発し、セラミック素体の中央部付近に空洞部が形成される。これにより、熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７、ビア電極２９、及び空洞部２５を備えるセラミック素体３０を構成する。
【００４０】
この後、セラミック素体３０の両端部にＡｇ等を含む外部電極用ペーストを塗布して焼付けし、外部電極２３，２４を形成する。なお、外部電極２３，２４は密着性が良好であればよく、例えばスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法で形成してもよい。
【００４１】
上述の例では、セラミック素原料としてMn3O4等の酸化物を使用したが、Mnの炭酸塩、水酸化物等を使用することもできる。
【００４２】
図６は、図２に示した放熱型環境センサ１０１を実装基板（組み込み先の電子機器の回路基板）に実装した状態での断面図である。
実装基板ＰＷＢ上のランドＬに対して放熱型環境センサ１０１が表面実装されている。実装基板ＰＷＢ上のランドＬから外部電極２３，２４にかけて半田Ｓのフィレットが形成されている。
【００４３】
後述するように、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子には定電流が通電される。そのため、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子はジュール熱により自己発熱する。前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子の温度は発熱量と周囲への放熱量とが平衡する温度で安定化する。
【００４４】
熱検知部電極２１，２２が形成されている熱検知部である前記環境値検知用感温抵抗素子は上面及び四方周囲が外部環境に対して開放されている。そのため、熱検知部の熱容量は後述する温度補償部に比較して小さく、環境値検知用感温抵抗素子の発熱は主に空気中へ放熱される。すなわち環境値検知用感温抵抗素子の放熱は空気中への放熱が支配的である。
【００４５】
これに対して、温度補償部電極２６，２７が形成されている温度補償部である前記温度補償用感温抵抗素子は実装基板ＰＷＢに接していて、半田Ｓによって接続されている。また、温度補償部電極２７は、その中央部がビア電極２９を介して外部電極２８に導通していて、熱的にも外部電極２８に対して低い熱抵抗で結合している。そのため、温度補償部の熱容量は熱検知部の熱容量より大きく、温度補償用感温抵抗素子は主に実装基板ＰＷＢ側へ放熱される。すなわち温度補償用感温抵抗素子の放熱は実装基板ＰＷＢへの放熱が支配的である。
【００４６】
前記環境値検知用感温抵抗素子の発熱が空気中へ放熱される際の放熱量は、主に風速、湿度、及び気圧の環境値によって変動する。例えば風速について着目すれば、湿度、及び気圧が一定であるとすると、風速の変化に応じて前記放熱量が変化する。また、例えば風速、及び気圧が一定であるとすると、湿度の変化に応じて前記放熱量が変化する。したがって、検知すべき所定環境値以外で放熱量に影響を与えるファクターは他の方法で測定すれば、所定の環境値を検知できる。
【００４７】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は前記放熱型環境センサ１０１を用いた放熱型環境センサ回路の二つの例である。図７（Ａ），図７（Ｂ）において、抵抗Ｒｓは熱検知部のサーミスタによる抵抗、抵抗Ｒｎは温度補償部のサーミスタの抵抗である。この抵抗Ｒｓ，Ｒｎと抵抗Ｒｏ，Ｒｏとによって抵抗ブリッジ回路を構成している。定電流回路（定電流源）ＣＣＳは前記抵抗ブリッジ回路へ定電流を通電する。増幅回路ＡＭＰは抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。
【００４８】
図７（Ａ）に示す放熱型環境センサ回路のように、定電流が流れる二つの電流経路の一方を、熱検知部のサーミスタによる抵抗（環境値検知用感温抵抗素子）Ｒｓと、温度補償部のサーミスタの抵抗（温度補償用感温抵抗素子）Ｒｎとの直列回路で構成し、他方を二つの抵抗Ｒｏの直列回路で構成すると、高いＳＮ比が得られる。
【００４９】
すなわち、図７（Ｂ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値を、熱検知部のサーミスタによる抵抗Ｒｓ及び温度補償部のサーミスタの抵抗Ｒｎの抵抗値にほぼ等しくしないと大きな差動電圧が得られないが、図７（Ａ）に示した回路構成では、抵抗Ｒｏの抵抗値が前記Ｒｓ及びＲｎの抵抗値に近似する値である必要がないので、回路構成上の自由度が高く、ＳＮ比の高い回路が構成できる。例えば抵抗Ｒｏの抵抗値を充分に小さくして、増幅回路ＡＭＰへの入力インピーダンスを低くすることができる。
【００５０】
図７（Ａ），図７（Ｂ）に示した放熱型環境センサ回路によれば、温度補償部及び熱検知部が自己発熱により温度が上昇していくと、実装状況に応じて出力電圧が所定の値に平衡状態になる。ここで、温度補償部のサーミスタ（温度補償用サーミスタ）Ｒｎで周囲の温度変化による影響分を補償しているため、増幅回路ＡＭＰの出力電圧Ｖｏｕｔは熱検知部のサーミスタＲｓの環境に依存した放熱量に応じた値となる。このため、環境に変化が生じた場合、熱検知部の温度の変動により、出力電圧が変動する。したがって、平衡状態の出力電圧Ｖｏｕｔから環境変化に応じて変化した出力電圧Ｖｏｕｔの変化を環境値検知信号として利用できる。
このように放熱量の違いによる抵抗変化を熱検知部電極２１，２２および外部電極２３，２４を通じて測定することで、環境値を検知することができる。
【００５１】
図８は、検知すべき所定の環境値の変化による、前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の変化の様子を示す図である。
図８（Ａ）は前記抵抗ブリッジ回路への通電電流の波形図、図８（Ｂ）は熱検知部及び温度補償部の温度変化の波形図、図８（Ｃ）は熱検知部及び温度補償部のサーミスタの抵抗値変化の波形図、図８（Ｄ）は前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の波形図である。
【００５２】
図８（Ａ）に表れているように、時刻ｔ０で通電を開始すると、速やかに一定電流が流れる。図８（Ｂ）に表れているように、前記通電によって熱検知部の温度Ｔｓ及び温度補償部の温度Ｔｎが上昇し、所定の温度で熱的に平衡状態となる。
【００５３】
検知すべき環境値（例えば湿度）が時刻ｔ１で変化すると（この例ではｔ１で環境値が急激に変化している。）、それ以降、熱検知部の温度Ｔｓと温度補償部の温度Ｔｎは新たな温度で熱的に平衡することになる。その後、検知すべき環境値が時刻ｔ２で再び変化すると、それ以降、熱検知部の温度Ｔｓと温度補償部の温度Ｔｎは再び新たな温度で熱的に平衡することになる。
【００５４】
時刻ｔ３で通電を停止すると、熱検知部の放熱によって熱検知部の温度Ｔｓ及び温度補償部の温度Ｔｎが低下する。
【００５５】
図８（Ｃ）に表れているように、熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎは前記温度Ｔｓ，Ｔｎに応じて定まる。
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、図８（Ｄ）に表れているように、通電開始時ｔｏ以降は、熱検知部と温度補償部のサーミスタの抵抗値の変化に応じて変位するが、熱検知部と温度補償部の熱的平衡に伴い、出力電圧も安定化する。時刻ｔ１で環境値が変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎに応じた出力電圧となる。時刻ｔ２で環境値が再び変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎに応じて出力電圧は再び変化する。
【００５６】
時刻ｔ３で前記通電が停止されると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Ｒｓと温度補償部のサーミスタの抵抗値Ｒｎの変化に応じて出力電圧も比較的大きく変動する。
【００５７】
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、前記時刻ｔ１の手前、時刻ｔ２の手前、時刻ｔ３の手前など、熱的に平衡状態になったとき安定する。この安定した平衡状態のうち、環境に変化が生じていない初期の出力電圧値と、環境に変化が生じた後の平衡状態での出力電圧との差が、検知すべき環境値とは一意の関係にあるので、放熱型環境センサ回路の出力電圧の変動を読み取ることで環境値を求めることができる。
【００５８】
また、前記放熱型環境センサ回路の抵抗ブリッジ回路への通電開始後や、通電停止後は、放熱型環境センサ回路の出力電圧は過渡的な電圧変化を示すが、熱検知部の空気中への放熱量が一定であるなら、前記出力電圧変化（推移）は一定である。換言すると、前記出力電圧変化（推移）のパターンが変化すれば、それは環境値の変化に起因している。したがって、前記時刻ｔ０以降や時刻ｔ３以降の出力電圧の変化のパターンや傾斜によっても環境値を検知することができる。
【００５９】
また、本願発明はセラミック素体にサーミスタ材料を用いているため、電流を印加することにより自己発熱し、容易にセラミック素体を発熱状態にすることができるが、例えば放熱型環境センサを実装した基板を加熱する手段を設け、その基板の加熱によってセラミック素体を発熱状態にするように構成してもよい。
【００６０】
《第２の実施形態》
図９は第２の実施形態に係る放熱型環境センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図（積み図）である。図９において、層Ｓ１には後の焼成によって熱検知部電極２１になる内部電極用ペースト２１Ｐ、層Ｓ２には後の焼成によって熱検知部電極２２になる内部電極用ペースト２２Ｐがそれぞれ形成されている。層Ｓ７には後の焼成によって温度補償部電極２６になる内部電極用ペースト２６Ｐ、層Ｓ８には後の焼成によって温度補償部電極２７になる内部電極用ペースト２７Ｐがそれぞれ形成されている。また、層Ｓ４，Ｓ５には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物２５Ｐが形成されている。
【００６１】
図１０は、図９に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極２１，２２、温度補償部電極２６，２７が形成されている。また、焼成することにより層Ｓ４、Ｓ５に充填された充填物２５Ｐが揮発されることによって空洞部２５が形成されている。
【００６２】
図１１は、図１０に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図１１（Ａ）は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図１１（Ｂ）は外部電極形成後の放熱型環境センサ１０２の斜視図である。
【００６３】
外部電極２３は熱検知部電極２１に導通し、外部電極２４は熱検知部電極２１及び温度補償部電極２６に導通する。また、外部電極２８は温度補償部電極２７に導通する。
【００６４】
このように、内部電極用ペースト２７Ｐの焼成による温度補償部電極２７が直方体形状のセラミック素体の二つの側面に露出するように形成することによって、外部電極２８を形成する際にセラミック素体の向きが揃う確率が高くなり、製造効率が高まる。
【００６５】
なお、内部電極用ペースト２７Ｐは、必ずしも層Ｓ８にセラミック素体の両側面に引き出す必要はなく、一側面へ引き出した構造でもよい。また、図１１（Ｂ）においては、一側面に外部電極２８が形成されているが、内部電極用ペースト２７Ｐが層Ｓ８の両側面に引き出されていることから、外部電極２８を両側面に形成してもよい。
【００６６】
《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係る放射型環境センサ１０３の断面図である。放射型環境センサ１０３は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、外部電極２３，２４、空洞部２５、及び多孔質部３１を備えている。
【００６７】
上記多孔質部３１は、空洞部２５の周縁を構成するサーミスタセラミック素体の周縁部であり、焼成によって多孔質になったものである。すなわち、空洞部２５を形成する開口を設けたセラミックグリーンシートは、焼成時に消失する有機物を予め分散させたものである。
【００６８】
例えば第１の実施形態で図２に示した構造では、空洞部２５の幅を大きくする程、断熱効果は高まるが、空洞部２５を確保するために空洞部２５の周囲を支える周縁部を残しておく必要がある。そこで、図１２に示したように、空洞部２５の周囲を支える周縁部を多孔質にすることにより、熱検知部電極２２より下部は空洞部２５だけでなく多孔質部３１によってより効果的に断熱される。そのため、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
【００６９】
《第４の実施形態》
図１３（Ａ），図１３（Ｂ）は第４の実施形態に係る放射型環境センサ１０４，１０５の断面図である。放射型環境センサ１０４は、ＮＴＣサーミスタセラミックスのセラミック素体３０、熱検知部電極２１，２２、外部電極３３，３４，３５，２８及び空洞部２５を備えている。図１３（Ｂ）においては、空洞部２５の周囲に多孔質部３１を設けている。
【００７０】
この例では、熱検知部電極２１，２２に導通する外部電極３３，３４と、温度補償部電極２６，２７に導通する外部電極３５，２８とは電気的にも熱的にも分離して配置されている。すなわち、セラミック素体の側面には上下方向に連なる外部電極が形成されていない。また、ビア電極はセラミック素体の上下方向に非接続状態（非貫通状態）に配置されている。
そのため、熱検知部と温度補償部とをさらに断熱することができ、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
【００７１】
なお、以上に示した各実施形態では、サーミスタ材料であるサーミスタセラミックの層を積層し、焼結させることによってセラミック素体を構成したが、少なくとも熱検知部電極を設ける第１主面側と、温度補償部電極を設ける第２主面側をサーミスタセラミックの層で構成し、その他の層を別の材料の層で構成して、一体焼結して形成してもよい。
【００７２】
また、以上に示した各実施形態では、空洞部２５に相当する領域を、または空洞部２５を形成した層全体を多孔質部材で構成してもよい。
【００７３】
また、以上に示した各実施形態では、単一の空洞部２５を備えたが、上下方向または横方向に複数個配置してもよい。空洞部の形状はセラミック素体内に閉じられた空間を構成していてもよいし、一部で又は複数箇所で開口していてもよい。さらにはハニカム構造や細胞構造であってもよい。これらの構成によって熱抵抗の調整が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
ＡＭＰ…増幅回路
Ｌ…ランド
ＰＷＢ…実装基板
Ｓ…半田
Ｓ１〜Ｓ９…層
２１，２２…熱検知部電極
２３，２４…外部電極
２５…空洞部
２６，２７…温度補償部電極
２８…外部電極
２９…ビア電極
３０…セラミック素体
３１…多孔質部
３３，３４，３５…外部電極
１０１〜１０５…放射型環境センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱性が依存する環境値を検知するための環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子を備えた環境センサにおいて、
少なくとも、第１の主面側に形成される熱検知部及び第２の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた放熱型環境センサ。
【請求項２】
前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞である、請求項１に記載の放熱型環境センサ。
【請求項３】
前記セラミック素体のうち前記断熱部の周縁を構成している周縁部は多孔質の部材である、請求項２に記載の放熱型環境センサ。
【請求項４】
前記断熱部は多孔質の部材で構成された、請求項１に記載の放熱型環境センサ。
【請求項５】
前記セラミック素体は複数のセラミック層を備え、前記熱検知部電極は、前記セラミック層を介して部分的に重なり合っている、請求項１〜４のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項６】
前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置された、請求項１〜５のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項７】
前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向に非接続状態に配置された、請求項１〜５のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項８】
前記セラミック素体を発熱させる、または加熱する手段を備えた、請求項１〜７のいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項１】
放熱性が依存する環境値を検知するための環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子を備えた環境センサにおいて、
少なくとも、第１の主面側に形成される熱検知部及び第２の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた放熱型環境センサ。
【請求項２】
前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞である、請求項１に記載の放熱型環境センサ。
【請求項３】
前記セラミック素体のうち前記断熱部の周縁を構成している周縁部は多孔質の部材である、請求項２に記載の放熱型環境センサ。
【請求項４】
前記断熱部は多孔質の部材で構成された、請求項１に記載の放熱型環境センサ。
【請求項５】
前記セラミック素体は複数のセラミック層を備え、前記熱検知部電極は、前記セラミック層を介して部分的に重なり合っている、請求項１〜４のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項６】
前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置された、請求項１〜５のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項７】
前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向に非接続状態に配置された、請求項１〜５のうちいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【請求項８】
前記セラミック素体を発熱させる、または加熱する手段を備えた、請求項１〜７のいずれかに記載の放熱型環境センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−３３４４４（Ｐ２０１１−３３４４４Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７９０２１（Ｐ２００９−１７９０２１）
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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