検出器
【課題】媒質の熱物性値の検出の精度を向上させることができる検出器を提供する。
【解決手段】通電により発熱するヒータ３００と、ヒータ３００を支持する支持部５００を有し、ヒータ３００と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、支持部５００に設けられた空洞部６００にヒータ３００を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行う。
【解決手段】通電により発熱するヒータ３００と、ヒータ３００を支持する支持部５００を有し、ヒータ３００と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、支持部５００に設けられた空洞部６００にヒータ３００を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体・液体等の媒体の熱伝導度等の熱物性値を検出する検出器に関するものであり、特に電熱器として機能する検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の「電熱器の製造方法」は、第５（ｂ）図においてヒータ部が電熱材料のみで直線形状のヒータについて開示したものであるが、ヒータ周囲の気体への熱伝導を開示したものではないので、伝導効率も考慮されていない。
【０００３】
特許文献２の「電熱器」は、電極部へのヒータからの熱放散を低減する方法について開示したものであり、第１２図にその効果が示されている。しかし、温度差と検出量との関係において、電極部の温度をヒータ温度に近づけた考慮はされていない。
【０００４】
特許文献３の「雰囲気センサの構造」は、熱温度分布の均一化を図る（段落００１８）ためヒータのパターンの間隔を広くすることについて開示している。しかし、ヒータと熱物性の異なる薄膜絶縁体１２と一体であるため、ヒータと雰囲気の熱伝導のみを効率よく検出する考慮はなされていない。
【０００５】
特許文献４の「流量検出素子および流量センサ」は、支持部への熱伝導量を低減させるために、発熱抵抗の間隔を調整することについて記述されている（段落００２５）が、流体の熱伝導について考慮しても、発熱抵抗自身の熱伝導の効率について考慮されたものではない。
【０００６】
特許文献５の「熱交換器」は、熱交換器のフィンピッチ等と熱伝導率の関係を示した技術内容について開示してあるが、センサに適用するには短時間経過における過渡現象の考慮が必要である。
【特許文献１】特公平２−１３７３９号公報
【特許文献２】特公平６−３２２６７号公報
【特許文献３】特許第３０８６３１４号公報
【特許文献４】特開平１１−２０１７９２号広報
【特許文献５】特公平５−７７９５９号公報
【０００７】
従来の検出器の構造を図１５に図示する。この検出器は基板１００（Si）上に電気絶縁層２００（SiO2）を積層し、さらに電気導電性材料（Pt）からなるヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンを配し、さらに電気絶縁層２００を積層し、ヒータ３００と接する近傍の電気絶縁層２００をエッチング除去した後、基板１００をエッチングして空洞部６００を形成する微細加工工程を経て、ヒータ３００が空洞部６００に架橋する構造である。支持部５００は架橋しているヒータ３００を支える機能を有している。図１５の検出器の電極Ｐ１、Ｐ２、にボンディングワイヤ等の集積回路パッケージング手段により適宜電気配線をつなげ、図１６に図示した定温度制御駆動回路に組み込み、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００を通じてヒータ３００へ、図１６の定温度設定抵抗によりヒータ３００が所望の温度になるように電力を印加する。ヒータ３００が所望の温度になるまで、ヒータ３００と周囲空間７００の気体・液体等の媒質との温度勾配、周囲空間７００の気体・液体等の媒質の熱伝導率に応じて、ヒータ３００から周囲空間７００の気体・液体等の媒質へ熱伝導するため、ヒータ３００自身の温度は周囲空間７００と温度勾配を持ちつつ熱平衡状態に達するまで過渡的に上昇していく。その過渡的に上昇していく温度変化は電極Ｐ２で検出する出力電圧に反映される。よって、その出力電圧の推移を、つまり、ヒータ３００の消費電力の推移を測定することにより熱伝導する媒質への熱伝導量を検出することができる。図１６に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置を電極Ｐ１、Ｐ２に接続することにより、ヒータ３００の所望の温度において、ヒータ３００と周囲空間７００の気体・液体等の媒質との温度勾配に応じて、熱伝導する量をこの装置により消費電力の推移として測定することができる。これによって周囲空間７００の気体・液体等の媒質の熱伝導率が求められ、あるいは前もって所定の熱伝導率である媒質で検量しておけば、測定した値と比較することによって、その媒質と他の媒質との混合比率（濃度）として求めることが出来る。
【０００８】
ヒータ３００より生じる熱は周囲の媒質へ熱伝導するだけでなく、ヒータ３００の支持部５００に対しても熱伝導してしまう。検出値の精度を高めるためには、できるだけ接触する支持部５００の領域は少なくした方が良い。そのために空洞部６００を設けた構造をとっている。さらに、ヒータ３００の発熱量を過不足なく検出量に効率よく反映させるために、ヒータ３００の温度をできるだけ高くし、媒質の温度はできるだけ低くすることが望ましい。ニュートンの冷却の法則で示されているように、物体の温度Ｔが単位時間内に変化する割合は、現在の物体の温度Ｔと物体を取り囲む周囲との温度差に比例するので、温度差が大きいほど、熱伝導量は多くなるという熱伝導原理によるものである。
【０００９】
ただ、図１５のように複線配置されたヒータ３００の場合では、複線配置した隣接したヒータ３００同士（間隔Ｄ１）の影響による周囲の媒質の温度上昇が検出値の精度に影響を及ぼす点について懸念される。従って、電圧を印加し続ければ、経過と共にやがてはヒータ３００によって周囲の媒質の温度が急激に上昇してしまうおそれがある。この点についてはそもそも空洞部６００に対し１直線に配置したヒータを用いれば隣接したヒータが存在しないので、複線配置した隣接したヒータ同士の影響による周囲の媒質の温度上昇は無くなるところである。しかし、ヒータを１直線に配置した構造は検出する出力電圧の値が小さすぎて精度の良い検出が困難になる。また、出力電圧の値を大きくするためにヒータが１直線であるとヒータを細く長くしなければならない。さらに、通常はヒータ自身の耐久性に支障をきたすので、検出器の作り易さを鑑みてヒータ自身を補強する被覆手段が用いられていた。しかし、ヒータ自身を補強する被覆手段の分が熱容量となり、ヒータと周囲の媒質への熱伝導量を検出することにおいて伝導時間、伝導量を余分に消費してしまうため、そこで図１５のようなヒータ３００のような被覆手段を用いない構造が採用されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１５に示す従来の構造では（ｂ）に示すように、ヒータ間隔Ｄ１が４μｍと狭まっている場合、（ｃ）に示すように、ヒータ表面位置Ｓ１及びヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）の温度を、通電開始時刻から測定すると図１７のグラフに示すようになる。位置Ｓ１では１１msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１１msecでは１４０℃のところ３０msecでは１１０℃に減少する。すると、図１８のグラフに示すように、ヒータ隣接間隔Ｄ１が４μｍの場合、１１msec経過後の出力電圧Ｖoutは７．８Ｖにまで低下してしまう。ヒータ隣接間隔が小さすぎるため温度差が小さく、隣接ヒータの影響が大きいためである。
【００１１】
一方、検出は所定の時間間隔で行わなければならないが、ヒータ３００から生じる熱によって周囲の媒質の温度が上昇しないようにしなければならない。ヒータ３００の熱によって周囲の媒質の温度が上昇してしまうことによりヒータ３００と周囲の媒質との温度差が小さくなり、ヒータ３００からの熱伝導量は減少して検出量が低下する、というヒータ３００による周囲の媒質への熱影響のことを考慮しなければならない。
【００１２】
また、媒質自体が高温度である場合、ヒータ３００と周囲の媒質の温度差は当然小さくなり、熱伝導率が小さくなる。このとき検出する出力電圧が媒質の温度変化に対して非直線性を示してしまうので、高精度に温度補償するための温度を検量して補正する手間をかけたり、複雑な補償回路を使用しなければならない。このような事態を解消するには、ヒータによって周囲の媒質の温度が上昇しないような、ヒータの配置、形状や通電、検出方法を考えることは当然であるが、特に検出タイミングについて考慮する必要がある。
【００１３】
そこで本発明では上記事情を考慮して媒質の熱物性値の検出の精度を向上させることができる検出器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】
【００１４】
上記目的を達成する本発明の態様は、通電により発熱する第１の発熱手段と、前記第１の発熱手段を支持する支持手段を有し、前記第１の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、前記支持手段に設けられた空洞部に前記第１の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記第１の発熱手段を二以上有し、隣接した第１の発熱手段同士の間隔を、当該第１の発熱手段による発熱の拡散長の２倍以上にすることを特徴とする。
【００１６】
また、通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第２の発熱手段を有し、前記第１の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第２の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第１の発熱手段を通電するために、当該第１の発熱手段と電極を接続している接続手段と、前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１の発熱手段は立体的形状を有し、前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度を向上させることができる。簡便な手段故、通電に要する電圧は必要最小限で済み、発熱手段へのオーバーロード低減化、再現性の安定性が向上する。また、短時間で検出することになるので、周囲の媒質における過渡変動を詳細にとらえることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。説明する際には本明細書と同時に提出する図面を参照する。
【００２１】
本形態の検出器の構造を図１に図示する。この検出器は基板１００（Si）上に電気絶縁層２００（SiO2）を積層し、さらに電気導電性材料（Pt）からなるヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンを図１のように１直線上に配し、さらに電気絶縁層２００を積層し、ヒータ３００と接する近傍の電気絶縁層２００をエッチング除去した後、基板１００をエッチングして空洞部６００を形成する微細加工工程を経て、ヒータ３００が空洞部６００に架橋する構造である。支持部５００は架橋しているヒータ３００を支える機能を有している。媒質の熱伝導量を測定する原理は上述の通りである。図１６に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置が電極Ｐ１、Ｐ２に接続されており、この装置により消費電力の推移を測定する。
【００２２】
ヒータ３００の材料がPtである場合は、検出量と微細加工の歩留まりを考慮すると、ヒータは厚さ０．１〜１μｍ、幅１〜５μｍである。この場合、ヒータ３００の断面積が小さいほど内部で発生する熱の、外部への熱伝導に対する効率が良い。ヒータ３００の断面積が大きいと、ヒータ３００内部の熱が外部に伝わりにくく、内部の熱がロスになるからである。
【００２３】
空洞部６００上に１直線に沿って配置したヒータ３００は長さ１〜５ｍｍであって、長いほど熱伝導量は多く検出量も大きいが、あまりにも長い場合、材料、厚さ、幅、温度を考慮するとおおよそ1.5ｍｍを越える場合、は中間位置で強度や変形を防ぐために支持部を設ける場合がある。
【００２４】
また、ヒータの支持部５００は強度や変形を防ぐためにヒータ３００となる電熱材料以外の電気絶縁膜（電気絶縁層２００を覆う膜でありSiO2、Si3N4、Al2O3を使用する。）によるブリッジやダイヤフラムで支える構造であることが多いが、ヒータ３００の支持部５００への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部５００は少なくした方が良い。ゆえに、ブリッジやダイヤフラムで電熱材料を支えることなく、できるだけ電熱材料のみであることがより好ましい。なお、基板１００の外形は厚さ０．２〜０．４mm、横０．５〜１mm、縦１．５〜６mmであり、ヒータ３００が長いほど基板１００の外形は縦長になる。
【００２５】
検出器として周囲の媒質の熱物性の情報を得るためには、図１６の定温度駆動制御回路による一定抵抗値制御によってヒータ３００の温度を５０〜５００℃の適当な値に設定し、媒質への熱伝導による熱供給量を、定温度設定抵抗（一定抵抗値）への消費電力等の電気信号増大量として得るようにする。乾燥空気２５℃の媒質においては、室温２５℃から５０〜５００℃へのヒータ熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して０．１〜５０msecとなる。
【００２６】
一例として、乾燥空気２５℃の媒質において、材料をPt、厚さ０．５μｍ、幅３μｍ、長さ１mmのヒータ３００を使用し、基板１００の外形を厚さ０．３mm、横０．７mm、縦２mmとして、図１６の定温度駆動制御回路によってヒータ３００を２００℃定温度制御した。その結果を図２〜図５のグラフに示す。
【００２７】
まず、図２に示すように、室温２５℃から２００℃へのヒータ熱平衡到達の時間は１０msecとなる。次に、図１（ｃ）のヒータ表面位置Ｓ１とヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置Ｓ１では１０msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１０msecでは１５０℃のところ３０msecでは１２５℃に減少する。すると図３グラフに示すように１０msec出力電圧Ｖoutがでは４．０Ｖのところ、３０msecでは３．８Ｖになり、約５％減少してしまう。
【００２８】
熱平衡状態に到達以後はヒータ３００の温度は上昇しないが、周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少して検出量が下がってゆく。従って、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多くし、検出量を大きくすることができる。
【００２９】
ここで図４に示すように、位置Ｓ２の温度が低下するように休止時間を設け駆動して図中の「検出タイミング」において検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できる。また、図１の検出器を複数設置して互いにタイミングをずらして駆動することによって、それぞれの検出をあわせれば、温度が低下できる休止時間を保って検出間欠時間の短い測定をすることも可能である。
【００３０】
さらに、例えば媒質が乾燥空気と水素の混合媒質である場合は、図５に示すように、出力電圧Ｖoutの温度依存性で温度について見ると、検出タイミングが３０msecでは検出タイミングが１０msecのときと比べて混合媒質が高温度になるほど出力電圧の変化が小さくなる。つまり、検出タイミング３０msecでは１０msecにおいてよりも混合媒質の温度について１次の比例関係にないことがわかる。従って、検出する出力電圧は熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって媒質の高温度領域までの直線性が改善され、測定範囲を広げることできるがわかる。例えば、燃料電池システムにおいて空気中に漏洩する水素の濃度測定では−２０〜６０℃の温度範囲であり、燃料電池セル内の水素に対する水蒸気濃度を測定することにおいては０〜１００℃である。このように広範囲かつ高温度の条件のもとに高精度に測定することができる。
【００３１】
以上の説明から、本形態の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。
【００３２】
本形態の検出器の他の構造を図６に図示する。基本的な構造は図１のものと同様であるのでその説明を省略する。相違するところはヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、ヒータ３００間を連結する接続リード４００のパターンがコの字状に配置されているところと、当該パターンが折り返している箇所が支持部５００により支持されている点である。その結果、空洞部６００にヒータ３００が２本配置されている。微小サイズの検出器を大量生産ができるように半導体微細加工技術を活用して集積度を向上させるのであれば尚更である。そのため、微小なサイズのチップ内にできるだけ大きく検出領域を設ける必要があり、つまり、ヒータを複線配置する必要がある。
【００３３】
空洞部６００上に配置したヒータ３００は１本あたり長さ０．２〜０．８mmであって、ヒータ間隔Ｄ２は１０〜２０μｍである。基板１００の外形は厚さ０．２〜０．４mm、横０．５〜１mm、縦０．５〜１．５mmとなる。室温２５℃から５０〜５００℃へのヒータ３００による熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して０．１〜５０msecとなる。
【００３４】
検出器周囲の媒質の熱物性の情報を得る方法も図１６の定温度駆動制御回路を用いる点は同様であるが、ヒータ３００が複線なので、ヒータの抵抗値は多くなり出力電圧が大きくなる点に留意する。
【００３５】
一例として、乾燥空気２５℃の媒質において、材料をPt、厚さ０．５μｍ、幅３μｍ、長さ１mm、ヒータ隣接間隔Ｄ２は１５μｍ、基板１００の外形を厚さ０．３mm、横０．７mm、縦１．５mmとして、図１６の定温度駆動制御回路によってヒータ３００を２００℃定温度制御した。その結果を図７〜図９のグラフに示す。
【００３６】
まず、図７に示すように、室温２５℃から２００℃へのヒータ３００熱平衡到達の時間は１１msecとなる。次に、図６（ｃ）のヒータ表面位置Ｓ１とヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置Ｓ１では１１msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１１msecでは１５０℃のところ３０msecでは１２５℃に減少する。この値は、隣接ヒータがない場合の検出器の経過時刻−温度差特性（図２）とほぼ同一であって、隣接ヒータの影響が少ないものと判断できる。
【００３７】
また、従来のようにヒータ間隔Ｄ１が４μｍと狭い場合（図１５）、図１７に示すように、位置Ｓ１とＳ２の温度差が１４０℃（１１msec）から１１０℃（３０msec）であったので、図６の構造の検出器は温度差が大きい状態を維持している。また、図８の出力電圧Ｖoutの推移を比較してみると、ヒータ隣接間隔Ｄ２が１５μｍの場合は７．９Ｖ（１１msec）のところヒータ隣接間隔Ｄ１では７．８Ｖであり約２％減少してしまう。よって、ヒータ隣接間隔を4μｍより広げたほうが良い。
【００３８】
その条件は、図９のヒータ表面の温度と媒質の温度の関係からすれば、隣接ヒータ間の中央位置での媒質の温度が、ヒータからの熱伝導によって上昇しないようにすればよい。即ち、ヒータを一定温度に維持するときのヒータ表面からの熱伝導距離をヒータの熱拡散長（＝熱伝導速度×時間）として、隣接するヒータからの影響を考慮すると、隣接間隔は拡散長の２倍以上必要である。拡散長は温度差、時間、媒質の熱伝導率によって依存する。さらには、通電時間が短いほうが隣接ヒータ間距離を短くすることが出来ることがわかる。すなわち、媒質への拡散長個所でヒータからの温度上昇を受けない期間で、温度差がもっとも大きくなるタイミングは、ヒータの最高温度時に到達する通電開始後熱平衡状態に達するまでの間である。
【００３９】
一例として、大気中の水蒸気量を計測する検出器の場合を想定すると、２５℃の空気の熱伝導率２６．１mW/mK、温度勾配１５０Ｋ、時間１１msecとして熱拡散長は６μｍであるので、熱平衡に至るヒータ加熱時間の熱量を含めてもヒータ間隔は１０〜２０μｍ以上あれば良いことになる。ヒータ隣接間隔１５μｍは、室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合、ほぼ最適な間隔といえる。
【００４０】
さらに図８のグラフを見ると、ヒータ隣接間隔Ｄ２が１５μｍの場合の出力電圧Ｖoutは、１１msecでは７．９Ｖのところ３０msecでは７．５Ｖになり約５％減少してしまう。熱平衡状態に到達した後はヒータの温度は上昇しないが周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少し検出量が下がってゆく。従って、上記のヒータ隣接間隔は拡散長の２倍以上必要であることに加えて、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多く、検出量を大きくできる。
【００４１】
これによって、例えば室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合には、ヒータ隣接間隔が１５μｍであって、ヒータ加熱時間を１１msecにして１１msecまでに検出すれば、ほぼ最適な条件といえる。さらに、図４を用いて説明したように、位置Ｓ２の温度が低下するように休止時間を設け駆動して検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できるし、他のヒータを設置して交互に駆動すれば、より時間間隔の短い測定ができる。
【００４２】
なお、図６では複線のヒータを２本のヒータで示したが、図１０に示すようにそれ以上の本数も可能である。この場合、空洞部６００を上下に２箇所設けるようにし、ヒータ３００の中間位置を支持部５００で支持するようにすることでヒータ３００の安定性を保つ。
【００４３】
以上の説明から、図６の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、熱伝導量が多くなることにより検出量も多くなり計測精度が向上した。また精度が向上することによりさらに基板の寸法が微小になり、微小個所に装着できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。
【００４４】
また、本形態の検出器の他の構造を図１１に図示する。基本的な構造は図１のものと共通するのでその説明を省略する。相違するところは空洞部６００を設ける際に、それらの間に支持部５００を設けたこと、つまり、電気絶縁層２００をエッチングする箇所を一部省略したことと、電極Ｐ３、Ｐ４、支持部ヒータ８００のパターンが配置されている点である。その結果、一直線上に配置されたヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンが中央位置で支持部５００により支持されている。電極Ｐ３において電圧を印加し支持部ヒータ８００を発熱させると、この熱は支持部５００の温度を調節するように機能する。そして、電圧Ｐ４により出力電圧を検出し、支持部ヒータ８００における消費電力の推移を測定する。
【００４５】
ヒータ３００から支持部５００への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部５００の領域は少なくした方が良い。その上、周囲空間７００の媒質の熱伝導率と比較してヒータ３００の熱伝導率が無視できない場合、支持部５００もヒータ３００の温度に近づけてヒータ３００から支持部５００への熱流を少なくする必要がある。また、支持部５００の温度が上昇すると、支持部５００周囲の媒質への熱伝導が生じ、その分の検出量が障害となるので、支持部５００から媒質への熱伝導を少なくする必要がある。
【００４６】
ヒータ３００の材料がPtなどの金属材料の場合、周囲空間７００の気体などの媒質と比較し熱伝導率がはるかに大きいため、支持部５００への熱伝導量が周囲の気体などの媒質へ伝導するよりも大きくなる傾向にある。そこで、支持部５００や電極Ｐ１、Ｐ２に接続する接続リード４００近傍の温度がヒータ３００と近い温度であれば、ヒータ３００と温度差が少ないので熱伝導量は少なく、検出量は小さくなるので、これらを傍熱する電極Ｐ３、Ｐ４、支持部ヒータ８００のパターンを併設した。
【００４７】
媒質の熱伝導量の検出を行う際には、ヒータ３００による加熱のタイミングと支持部５００を傍熱するためのタイミングは基本的にはほぼ同一に行えばよい。ただ、支持部５００は空洞部６００に架橋したヒータ３００よりも熱容量が大きいので同一のタイミングに加熱するには、ヒータ３００より熱平衡到達時間を要するので、ヒータの通電開始時刻より適宜早めか投入電力を多くするとより効果がある（図１２のグラフ参照）。
【００４８】
しかし、支持部５００の温度が上昇すると、支持部５００周囲の媒質への熱伝導が生じる。支持部５００や電極Ｐ１、Ｐ２に接続する接続リード４００近傍は、周囲の媒質と異なる熱物性であって、周囲の媒質の状態のみを計測するときには障害となるので、その影響を除外する必要がある。そのために、接続リード４００をヒータ３００に比較して幅を広げるか厚くするか短くして接続リード４００分の抵抗値を小さくし、接続リード分の検出量を減じるようにすると良い。また、接続リード４００をヒータ３００より熱絶縁性の高いSiO2等の被覆を施すことによって、周囲の媒質への熱伝導をさらに低減させることによって影響は小さくすることができる。さらには、熱絶縁性の高いSiO2等の被覆よりも一層断熱性に優れている樹脂材料等の高分子有機材料膜や多孔質構造のAl2O3膜を被覆することにより、効果は増す。
【００４９】
また、図１３は図１１の変形例であり、図１の検出器に支持部ヒータ８００、電極Ｐ３、Ｐ４を併設したパターンを図示したものである。温度差の大きい領域だけ選択的に効率が高くなり、周囲の媒質の熱伝導だけに限られることにより、基板１００の材料の熱伝導情報を取り除いて周囲の媒質の情報を得ることができる。
【００５０】
以上の説明から、上述した効果に加え、さらに接続リード４００近傍の温度をヒータ３００の温度に近づけ、接続リード４００近傍の周囲の媒質への熱伝導量を減じたことにより、周囲の媒質の熱伝導情報だけを測定することができ、高精度な測定ができた。
【００５１】
図１４は上述した検出器に使用されたヒータ３００を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。上述した検出器は、発熱時の放熱量を消費電力相当で測定する方式であったが、熱伝導量を測定する媒質が一定速度で流れるものである場合、上述した検出器に係る発明の発明特定事項を利用して、熱が媒質を伝わって伝導する熱量を感温部９００で測定する方式を採ったほうが良い。感温部９００はコイルのような形状であり、ヒータ３００の両端において同心軸上に配置されている。このとき周囲の媒質の温度が上昇しないようにヒータ３００の配置、形状や通電方法を工夫した。
【００５２】
つまり、ヒータ３００は熱平衡状態に達する時刻以前で通電を止め、ヒータ３００が複線配置されている場合、各ヒータ３００の隣接間隔は１つのヒータの熱拡散長の少なくとも２倍以上になるようにした。また、図１４には図示していないが、支持部ヒータ８００を使用し、支持部５００の接続リード４００の近傍を加熱し、断熱材料を付加しても良い。
【００５３】
このような構成により、上述した効果に加え、流体への熱伝導に無駄が無くなることにより、より小さな電力で微小流量や高温度流体の流量が高精度に測定できた。
【００５４】
なお上述した形態は本発明を実施するための最良のものであるがこれに限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することがかのうである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
空気中の水蒸気量を計測する絶対湿度センサ、可燃性ガス漏れ検知器や燃料電池用水素ガス漏洩個所検知器のような空気中に漏洩する水素を検知してベース気体中に存在するベース気体以外の気体濃度を測定するガス濃度センサ、熱伝導率検出器方式のガスクロマトグラフに用いられるベース気体の熱伝導率と異なる熱伝導率の気体の熱伝導度ガス分析センサ、気体用のサーマルフローセンサ、液体用のサーマルフローセンサ、結露センサ等といった製品の開発が望まれる。
【００５６】
ヒータ温度を５０〜５００℃の適当な値に設定すると良い。媒質の熱伝導率や媒質の温度ならびに測定しようとする値にもよるが、気体や液体のサーマルフローセンサであれば５０〜１５０℃、絶対湿度センサであれば１５０〜４００℃、ガス濃度センサであれば２００〜５００℃、ガス分析センサであれば５０〜５００℃の範囲で温度を切り替えて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本形態の検出器の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＢＢ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図２】図１の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図３】図１の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【図４】間欠駆動による位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図５】空気中に含まれる水素濃度に対する出力電圧の温度依存性を表すグラフである。
【図６】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＣＣ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図７】図６の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図８】図６の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【図９】ヒータ表面からの距離と温度差との関係を表すグラフである。
【図１０】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。
【図１１】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）はＤＤ断面図である。（ｃ）はＥＥ断面図である。
【図１２】ヒータ３００と支持部ヒータの駆動タイミングと検出タイミングを表したグラフである。
【図１３】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。
【図１４】ヒータ３００を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。
【図１５】従来の検出器の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＡＡ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図１６】従来及び本形態の検出器を組み込んだ定温度制御駆動回路の回路図である。
【図１７】従来の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図１８】従来の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 基板
２００ 電気絶縁層
３００ ヒータ
４００ 接続リード
５００ 支持部
６００ 空洞部
７００ 周囲空間
８００ 支持部ヒータ
９００ 感温部
Ｐ１ 電極
Ｐ２ 電極
Ｐ３ 電極
Ｐ４ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体・液体等の媒体の熱伝導度等の熱物性値を検出する検出器に関するものであり、特に電熱器として機能する検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の「電熱器の製造方法」は、第５（ｂ）図においてヒータ部が電熱材料のみで直線形状のヒータについて開示したものであるが、ヒータ周囲の気体への熱伝導を開示したものではないので、伝導効率も考慮されていない。
【０００３】
特許文献２の「電熱器」は、電極部へのヒータからの熱放散を低減する方法について開示したものであり、第１２図にその効果が示されている。しかし、温度差と検出量との関係において、電極部の温度をヒータ温度に近づけた考慮はされていない。
【０００４】
特許文献３の「雰囲気センサの構造」は、熱温度分布の均一化を図る（段落００１８）ためヒータのパターンの間隔を広くすることについて開示している。しかし、ヒータと熱物性の異なる薄膜絶縁体１２と一体であるため、ヒータと雰囲気の熱伝導のみを効率よく検出する考慮はなされていない。
【０００５】
特許文献４の「流量検出素子および流量センサ」は、支持部への熱伝導量を低減させるために、発熱抵抗の間隔を調整することについて記述されている（段落００２５）が、流体の熱伝導について考慮しても、発熱抵抗自身の熱伝導の効率について考慮されたものではない。
【０００６】
特許文献５の「熱交換器」は、熱交換器のフィンピッチ等と熱伝導率の関係を示した技術内容について開示してあるが、センサに適用するには短時間経過における過渡現象の考慮が必要である。
【特許文献１】特公平２−１３７３９号公報
【特許文献２】特公平６−３２２６７号公報
【特許文献３】特許第３０８６３１４号公報
【特許文献４】特開平１１−２０１７９２号広報
【特許文献５】特公平５−７７９５９号公報
【０００７】
従来の検出器の構造を図１５に図示する。この検出器は基板１００（Si）上に電気絶縁層２００（SiO2）を積層し、さらに電気導電性材料（Pt）からなるヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンを配し、さらに電気絶縁層２００を積層し、ヒータ３００と接する近傍の電気絶縁層２００をエッチング除去した後、基板１００をエッチングして空洞部６００を形成する微細加工工程を経て、ヒータ３００が空洞部６００に架橋する構造である。支持部５００は架橋しているヒータ３００を支える機能を有している。図１５の検出器の電極Ｐ１、Ｐ２、にボンディングワイヤ等の集積回路パッケージング手段により適宜電気配線をつなげ、図１６に図示した定温度制御駆動回路に組み込み、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００を通じてヒータ３００へ、図１６の定温度設定抵抗によりヒータ３００が所望の温度になるように電力を印加する。ヒータ３００が所望の温度になるまで、ヒータ３００と周囲空間７００の気体・液体等の媒質との温度勾配、周囲空間７００の気体・液体等の媒質の熱伝導率に応じて、ヒータ３００から周囲空間７００の気体・液体等の媒質へ熱伝導するため、ヒータ３００自身の温度は周囲空間７００と温度勾配を持ちつつ熱平衡状態に達するまで過渡的に上昇していく。その過渡的に上昇していく温度変化は電極Ｐ２で検出する出力電圧に反映される。よって、その出力電圧の推移を、つまり、ヒータ３００の消費電力の推移を測定することにより熱伝導する媒質への熱伝導量を検出することができる。図１６に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置を電極Ｐ１、Ｐ２に接続することにより、ヒータ３００の所望の温度において、ヒータ３００と周囲空間７００の気体・液体等の媒質との温度勾配に応じて、熱伝導する量をこの装置により消費電力の推移として測定することができる。これによって周囲空間７００の気体・液体等の媒質の熱伝導率が求められ、あるいは前もって所定の熱伝導率である媒質で検量しておけば、測定した値と比較することによって、その媒質と他の媒質との混合比率（濃度）として求めることが出来る。
【０００８】
ヒータ３００より生じる熱は周囲の媒質へ熱伝導するだけでなく、ヒータ３００の支持部５００に対しても熱伝導してしまう。検出値の精度を高めるためには、できるだけ接触する支持部５００の領域は少なくした方が良い。そのために空洞部６００を設けた構造をとっている。さらに、ヒータ３００の発熱量を過不足なく検出量に効率よく反映させるために、ヒータ３００の温度をできるだけ高くし、媒質の温度はできるだけ低くすることが望ましい。ニュートンの冷却の法則で示されているように、物体の温度Ｔが単位時間内に変化する割合は、現在の物体の温度Ｔと物体を取り囲む周囲との温度差に比例するので、温度差が大きいほど、熱伝導量は多くなるという熱伝導原理によるものである。
【０００９】
ただ、図１５のように複線配置されたヒータ３００の場合では、複線配置した隣接したヒータ３００同士（間隔Ｄ１）の影響による周囲の媒質の温度上昇が検出値の精度に影響を及ぼす点について懸念される。従って、電圧を印加し続ければ、経過と共にやがてはヒータ３００によって周囲の媒質の温度が急激に上昇してしまうおそれがある。この点についてはそもそも空洞部６００に対し１直線に配置したヒータを用いれば隣接したヒータが存在しないので、複線配置した隣接したヒータ同士の影響による周囲の媒質の温度上昇は無くなるところである。しかし、ヒータを１直線に配置した構造は検出する出力電圧の値が小さすぎて精度の良い検出が困難になる。また、出力電圧の値を大きくするためにヒータが１直線であるとヒータを細く長くしなければならない。さらに、通常はヒータ自身の耐久性に支障をきたすので、検出器の作り易さを鑑みてヒータ自身を補強する被覆手段が用いられていた。しかし、ヒータ自身を補強する被覆手段の分が熱容量となり、ヒータと周囲の媒質への熱伝導量を検出することにおいて伝導時間、伝導量を余分に消費してしまうため、そこで図１５のようなヒータ３００のような被覆手段を用いない構造が採用されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１５に示す従来の構造では（ｂ）に示すように、ヒータ間隔Ｄ１が４μｍと狭まっている場合、（ｃ）に示すように、ヒータ表面位置Ｓ１及びヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）の温度を、通電開始時刻から測定すると図１７のグラフに示すようになる。位置Ｓ１では１１msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１１msecでは１４０℃のところ３０msecでは１１０℃に減少する。すると、図１８のグラフに示すように、ヒータ隣接間隔Ｄ１が４μｍの場合、１１msec経過後の出力電圧Ｖoutは７．８Ｖにまで低下してしまう。ヒータ隣接間隔が小さすぎるため温度差が小さく、隣接ヒータの影響が大きいためである。
【００１１】
一方、検出は所定の時間間隔で行わなければならないが、ヒータ３００から生じる熱によって周囲の媒質の温度が上昇しないようにしなければならない。ヒータ３００の熱によって周囲の媒質の温度が上昇してしまうことによりヒータ３００と周囲の媒質との温度差が小さくなり、ヒータ３００からの熱伝導量は減少して検出量が低下する、というヒータ３００による周囲の媒質への熱影響のことを考慮しなければならない。
【００１２】
また、媒質自体が高温度である場合、ヒータ３００と周囲の媒質の温度差は当然小さくなり、熱伝導率が小さくなる。このとき検出する出力電圧が媒質の温度変化に対して非直線性を示してしまうので、高精度に温度補償するための温度を検量して補正する手間をかけたり、複雑な補償回路を使用しなければならない。このような事態を解消するには、ヒータによって周囲の媒質の温度が上昇しないような、ヒータの配置、形状や通電、検出方法を考えることは当然であるが、特に検出タイミングについて考慮する必要がある。
【００１３】
そこで本発明では上記事情を考慮して媒質の熱物性値の検出の精度を向上させることができる検出器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】
【００１４】
上記目的を達成する本発明の態様は、通電により発熱する第１の発熱手段と、前記第１の発熱手段を支持する支持手段を有し、前記第１の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、前記支持手段に設けられた空洞部に前記第１の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記第１の発熱手段を二以上有し、隣接した第１の発熱手段同士の間隔を、当該第１の発熱手段による発熱の拡散長の２倍以上にすることを特徴とする。
【００１６】
また、通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第２の発熱手段を有し、前記第１の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第２の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第１の発熱手段を通電するために、当該第１の発熱手段と電極を接続している接続手段と、前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１の発熱手段は立体的形状を有し、前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度を向上させることができる。簡便な手段故、通電に要する電圧は必要最小限で済み、発熱手段へのオーバーロード低減化、再現性の安定性が向上する。また、短時間で検出することになるので、周囲の媒質における過渡変動を詳細にとらえることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。説明する際には本明細書と同時に提出する図面を参照する。
【００２１】
本形態の検出器の構造を図１に図示する。この検出器は基板１００（Si）上に電気絶縁層２００（SiO2）を積層し、さらに電気導電性材料（Pt）からなるヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンを図１のように１直線上に配し、さらに電気絶縁層２００を積層し、ヒータ３００と接する近傍の電気絶縁層２００をエッチング除去した後、基板１００をエッチングして空洞部６００を形成する微細加工工程を経て、ヒータ３００が空洞部６００に架橋する構造である。支持部５００は架橋しているヒータ３００を支える機能を有している。媒質の熱伝導量を測定する原理は上述の通りである。図１６に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置が電極Ｐ１、Ｐ２に接続されており、この装置により消費電力の推移を測定する。
【００２２】
ヒータ３００の材料がPtである場合は、検出量と微細加工の歩留まりを考慮すると、ヒータは厚さ０．１〜１μｍ、幅１〜５μｍである。この場合、ヒータ３００の断面積が小さいほど内部で発生する熱の、外部への熱伝導に対する効率が良い。ヒータ３００の断面積が大きいと、ヒータ３００内部の熱が外部に伝わりにくく、内部の熱がロスになるからである。
【００２３】
空洞部６００上に１直線に沿って配置したヒータ３００は長さ１〜５ｍｍであって、長いほど熱伝導量は多く検出量も大きいが、あまりにも長い場合、材料、厚さ、幅、温度を考慮するとおおよそ1.5ｍｍを越える場合、は中間位置で強度や変形を防ぐために支持部を設ける場合がある。
【００２４】
また、ヒータの支持部５００は強度や変形を防ぐためにヒータ３００となる電熱材料以外の電気絶縁膜（電気絶縁層２００を覆う膜でありSiO2、Si3N4、Al2O3を使用する。）によるブリッジやダイヤフラムで支える構造であることが多いが、ヒータ３００の支持部５００への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部５００は少なくした方が良い。ゆえに、ブリッジやダイヤフラムで電熱材料を支えることなく、できるだけ電熱材料のみであることがより好ましい。なお、基板１００の外形は厚さ０．２〜０．４mm、横０．５〜１mm、縦１．５〜６mmであり、ヒータ３００が長いほど基板１００の外形は縦長になる。
【００２５】
検出器として周囲の媒質の熱物性の情報を得るためには、図１６の定温度駆動制御回路による一定抵抗値制御によってヒータ３００の温度を５０〜５００℃の適当な値に設定し、媒質への熱伝導による熱供給量を、定温度設定抵抗（一定抵抗値）への消費電力等の電気信号増大量として得るようにする。乾燥空気２５℃の媒質においては、室温２５℃から５０〜５００℃へのヒータ熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して０．１〜５０msecとなる。
【００２６】
一例として、乾燥空気２５℃の媒質において、材料をPt、厚さ０．５μｍ、幅３μｍ、長さ１mmのヒータ３００を使用し、基板１００の外形を厚さ０．３mm、横０．７mm、縦２mmとして、図１６の定温度駆動制御回路によってヒータ３００を２００℃定温度制御した。その結果を図２〜図５のグラフに示す。
【００２７】
まず、図２に示すように、室温２５℃から２００℃へのヒータ熱平衡到達の時間は１０msecとなる。次に、図１（ｃ）のヒータ表面位置Ｓ１とヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置Ｓ１では１０msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１０msecでは１５０℃のところ３０msecでは１２５℃に減少する。すると図３グラフに示すように１０msec出力電圧Ｖoutがでは４．０Ｖのところ、３０msecでは３．８Ｖになり、約５％減少してしまう。
【００２８】
熱平衡状態に到達以後はヒータ３００の温度は上昇しないが、周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少して検出量が下がってゆく。従って、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多くし、検出量を大きくすることができる。
【００２９】
ここで図４に示すように、位置Ｓ２の温度が低下するように休止時間を設け駆動して図中の「検出タイミング」において検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できる。また、図１の検出器を複数設置して互いにタイミングをずらして駆動することによって、それぞれの検出をあわせれば、温度が低下できる休止時間を保って検出間欠時間の短い測定をすることも可能である。
【００３０】
さらに、例えば媒質が乾燥空気と水素の混合媒質である場合は、図５に示すように、出力電圧Ｖoutの温度依存性で温度について見ると、検出タイミングが３０msecでは検出タイミングが１０msecのときと比べて混合媒質が高温度になるほど出力電圧の変化が小さくなる。つまり、検出タイミング３０msecでは１０msecにおいてよりも混合媒質の温度について１次の比例関係にないことがわかる。従って、検出する出力電圧は熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって媒質の高温度領域までの直線性が改善され、測定範囲を広げることできるがわかる。例えば、燃料電池システムにおいて空気中に漏洩する水素の濃度測定では−２０〜６０℃の温度範囲であり、燃料電池セル内の水素に対する水蒸気濃度を測定することにおいては０〜１００℃である。このように広範囲かつ高温度の条件のもとに高精度に測定することができる。
【００３１】
以上の説明から、本形態の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。
【００３２】
本形態の検出器の他の構造を図６に図示する。基本的な構造は図１のものと同様であるのでその説明を省略する。相違するところはヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、ヒータ３００間を連結する接続リード４００のパターンがコの字状に配置されているところと、当該パターンが折り返している箇所が支持部５００により支持されている点である。その結果、空洞部６００にヒータ３００が２本配置されている。微小サイズの検出器を大量生産ができるように半導体微細加工技術を活用して集積度を向上させるのであれば尚更である。そのため、微小なサイズのチップ内にできるだけ大きく検出領域を設ける必要があり、つまり、ヒータを複線配置する必要がある。
【００３３】
空洞部６００上に配置したヒータ３００は１本あたり長さ０．２〜０．８mmであって、ヒータ間隔Ｄ２は１０〜２０μｍである。基板１００の外形は厚さ０．２〜０．４mm、横０．５〜１mm、縦０．５〜１．５mmとなる。室温２５℃から５０〜５００℃へのヒータ３００による熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して０．１〜５０msecとなる。
【００３４】
検出器周囲の媒質の熱物性の情報を得る方法も図１６の定温度駆動制御回路を用いる点は同様であるが、ヒータ３００が複線なので、ヒータの抵抗値は多くなり出力電圧が大きくなる点に留意する。
【００３５】
一例として、乾燥空気２５℃の媒質において、材料をPt、厚さ０．５μｍ、幅３μｍ、長さ１mm、ヒータ隣接間隔Ｄ２は１５μｍ、基板１００の外形を厚さ０．３mm、横０．７mm、縦１．５mmとして、図１６の定温度駆動制御回路によってヒータ３００を２００℃定温度制御した。その結果を図７〜図９のグラフに示す。
【００３６】
まず、図７に示すように、室温２５℃から２００℃へのヒータ３００熱平衡到達の時間は１１msecとなる。次に、図６（ｃ）のヒータ表面位置Ｓ１とヒータ近傍位置Ｓ２（Ｓ１から２μｍ離れている）位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置Ｓ１では１１msecで２００℃の熱平衡状態に達し、位置Ｓ２では熱伝導のため徐々に昇温し、Ｓ１とＳ２の温度差が１１msecでは１５０℃のところ３０msecでは１２５℃に減少する。この値は、隣接ヒータがない場合の検出器の経過時刻−温度差特性（図２）とほぼ同一であって、隣接ヒータの影響が少ないものと判断できる。
【００３７】
また、従来のようにヒータ間隔Ｄ１が４μｍと狭い場合（図１５）、図１７に示すように、位置Ｓ１とＳ２の温度差が１４０℃（１１msec）から１１０℃（３０msec）であったので、図６の構造の検出器は温度差が大きい状態を維持している。また、図８の出力電圧Ｖoutの推移を比較してみると、ヒータ隣接間隔Ｄ２が１５μｍの場合は７．９Ｖ（１１msec）のところヒータ隣接間隔Ｄ１では７．８Ｖであり約２％減少してしまう。よって、ヒータ隣接間隔を4μｍより広げたほうが良い。
【００３８】
その条件は、図９のヒータ表面の温度と媒質の温度の関係からすれば、隣接ヒータ間の中央位置での媒質の温度が、ヒータからの熱伝導によって上昇しないようにすればよい。即ち、ヒータを一定温度に維持するときのヒータ表面からの熱伝導距離をヒータの熱拡散長（＝熱伝導速度×時間）として、隣接するヒータからの影響を考慮すると、隣接間隔は拡散長の２倍以上必要である。拡散長は温度差、時間、媒質の熱伝導率によって依存する。さらには、通電時間が短いほうが隣接ヒータ間距離を短くすることが出来ることがわかる。すなわち、媒質への拡散長個所でヒータからの温度上昇を受けない期間で、温度差がもっとも大きくなるタイミングは、ヒータの最高温度時に到達する通電開始後熱平衡状態に達するまでの間である。
【００３９】
一例として、大気中の水蒸気量を計測する検出器の場合を想定すると、２５℃の空気の熱伝導率２６．１mW/mK、温度勾配１５０Ｋ、時間１１msecとして熱拡散長は６μｍであるので、熱平衡に至るヒータ加熱時間の熱量を含めてもヒータ間隔は１０〜２０μｍ以上あれば良いことになる。ヒータ隣接間隔１５μｍは、室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合、ほぼ最適な間隔といえる。
【００４０】
さらに図８のグラフを見ると、ヒータ隣接間隔Ｄ２が１５μｍの場合の出力電圧Ｖoutは、１１msecでは７．９Ｖのところ３０msecでは７．５Ｖになり約５％減少してしまう。熱平衡状態に到達した後はヒータの温度は上昇しないが周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少し検出量が下がってゆく。従って、上記のヒータ隣接間隔は拡散長の２倍以上必要であることに加えて、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多く、検出量を大きくできる。
【００４１】
これによって、例えば室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合には、ヒータ隣接間隔が１５μｍであって、ヒータ加熱時間を１１msecにして１１msecまでに検出すれば、ほぼ最適な条件といえる。さらに、図４を用いて説明したように、位置Ｓ２の温度が低下するように休止時間を設け駆動して検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できるし、他のヒータを設置して交互に駆動すれば、より時間間隔の短い測定ができる。
【００４２】
なお、図６では複線のヒータを２本のヒータで示したが、図１０に示すようにそれ以上の本数も可能である。この場合、空洞部６００を上下に２箇所設けるようにし、ヒータ３００の中間位置を支持部５００で支持するようにすることでヒータ３００の安定性を保つ。
【００４３】
以上の説明から、図６の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、熱伝導量が多くなることにより検出量も多くなり計測精度が向上した。また精度が向上することによりさらに基板の寸法が微小になり、微小個所に装着できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。
【００４４】
また、本形態の検出器の他の構造を図１１に図示する。基本的な構造は図１のものと共通するのでその説明を省略する。相違するところは空洞部６００を設ける際に、それらの間に支持部５００を設けたこと、つまり、電気絶縁層２００をエッチングする箇所を一部省略したことと、電極Ｐ３、Ｐ４、支持部ヒータ８００のパターンが配置されている点である。その結果、一直線上に配置されたヒータ３００、電極Ｐ１、Ｐ２、接続リード４００のパターンが中央位置で支持部５００により支持されている。電極Ｐ３において電圧を印加し支持部ヒータ８００を発熱させると、この熱は支持部５００の温度を調節するように機能する。そして、電圧Ｐ４により出力電圧を検出し、支持部ヒータ８００における消費電力の推移を測定する。
【００４５】
ヒータ３００から支持部５００への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部５００の領域は少なくした方が良い。その上、周囲空間７００の媒質の熱伝導率と比較してヒータ３００の熱伝導率が無視できない場合、支持部５００もヒータ３００の温度に近づけてヒータ３００から支持部５００への熱流を少なくする必要がある。また、支持部５００の温度が上昇すると、支持部５００周囲の媒質への熱伝導が生じ、その分の検出量が障害となるので、支持部５００から媒質への熱伝導を少なくする必要がある。
【００４６】
ヒータ３００の材料がPtなどの金属材料の場合、周囲空間７００の気体などの媒質と比較し熱伝導率がはるかに大きいため、支持部５００への熱伝導量が周囲の気体などの媒質へ伝導するよりも大きくなる傾向にある。そこで、支持部５００や電極Ｐ１、Ｐ２に接続する接続リード４００近傍の温度がヒータ３００と近い温度であれば、ヒータ３００と温度差が少ないので熱伝導量は少なく、検出量は小さくなるので、これらを傍熱する電極Ｐ３、Ｐ４、支持部ヒータ８００のパターンを併設した。
【００４７】
媒質の熱伝導量の検出を行う際には、ヒータ３００による加熱のタイミングと支持部５００を傍熱するためのタイミングは基本的にはほぼ同一に行えばよい。ただ、支持部５００は空洞部６００に架橋したヒータ３００よりも熱容量が大きいので同一のタイミングに加熱するには、ヒータ３００より熱平衡到達時間を要するので、ヒータの通電開始時刻より適宜早めか投入電力を多くするとより効果がある（図１２のグラフ参照）。
【００４８】
しかし、支持部５００の温度が上昇すると、支持部５００周囲の媒質への熱伝導が生じる。支持部５００や電極Ｐ１、Ｐ２に接続する接続リード４００近傍は、周囲の媒質と異なる熱物性であって、周囲の媒質の状態のみを計測するときには障害となるので、その影響を除外する必要がある。そのために、接続リード４００をヒータ３００に比較して幅を広げるか厚くするか短くして接続リード４００分の抵抗値を小さくし、接続リード分の検出量を減じるようにすると良い。また、接続リード４００をヒータ３００より熱絶縁性の高いSiO2等の被覆を施すことによって、周囲の媒質への熱伝導をさらに低減させることによって影響は小さくすることができる。さらには、熱絶縁性の高いSiO2等の被覆よりも一層断熱性に優れている樹脂材料等の高分子有機材料膜や多孔質構造のAl2O3膜を被覆することにより、効果は増す。
【００４９】
また、図１３は図１１の変形例であり、図１の検出器に支持部ヒータ８００、電極Ｐ３、Ｐ４を併設したパターンを図示したものである。温度差の大きい領域だけ選択的に効率が高くなり、周囲の媒質の熱伝導だけに限られることにより、基板１００の材料の熱伝導情報を取り除いて周囲の媒質の情報を得ることができる。
【００５０】
以上の説明から、上述した効果に加え、さらに接続リード４００近傍の温度をヒータ３００の温度に近づけ、接続リード４００近傍の周囲の媒質への熱伝導量を減じたことにより、周囲の媒質の熱伝導情報だけを測定することができ、高精度な測定ができた。
【００５１】
図１４は上述した検出器に使用されたヒータ３００を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。上述した検出器は、発熱時の放熱量を消費電力相当で測定する方式であったが、熱伝導量を測定する媒質が一定速度で流れるものである場合、上述した検出器に係る発明の発明特定事項を利用して、熱が媒質を伝わって伝導する熱量を感温部９００で測定する方式を採ったほうが良い。感温部９００はコイルのような形状であり、ヒータ３００の両端において同心軸上に配置されている。このとき周囲の媒質の温度が上昇しないようにヒータ３００の配置、形状や通電方法を工夫した。
【００５２】
つまり、ヒータ３００は熱平衡状態に達する時刻以前で通電を止め、ヒータ３００が複線配置されている場合、各ヒータ３００の隣接間隔は１つのヒータの熱拡散長の少なくとも２倍以上になるようにした。また、図１４には図示していないが、支持部ヒータ８００を使用し、支持部５００の接続リード４００の近傍を加熱し、断熱材料を付加しても良い。
【００５３】
このような構成により、上述した効果に加え、流体への熱伝導に無駄が無くなることにより、より小さな電力で微小流量や高温度流体の流量が高精度に測定できた。
【００５４】
なお上述した形態は本発明を実施するための最良のものであるがこれに限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することがかのうである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
空気中の水蒸気量を計測する絶対湿度センサ、可燃性ガス漏れ検知器や燃料電池用水素ガス漏洩個所検知器のような空気中に漏洩する水素を検知してベース気体中に存在するベース気体以外の気体濃度を測定するガス濃度センサ、熱伝導率検出器方式のガスクロマトグラフに用いられるベース気体の熱伝導率と異なる熱伝導率の気体の熱伝導度ガス分析センサ、気体用のサーマルフローセンサ、液体用のサーマルフローセンサ、結露センサ等といった製品の開発が望まれる。
【００５６】
ヒータ温度を５０〜５００℃の適当な値に設定すると良い。媒質の熱伝導率や媒質の温度ならびに測定しようとする値にもよるが、気体や液体のサーマルフローセンサであれば５０〜１５０℃、絶対湿度センサであれば１５０〜４００℃、ガス濃度センサであれば２００〜５００℃、ガス分析センサであれば５０〜５００℃の範囲で温度を切り替えて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本形態の検出器の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＢＢ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図２】図１の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図３】図１の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【図４】間欠駆動による位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図５】空気中に含まれる水素濃度に対する出力電圧の温度依存性を表すグラフである。
【図６】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＣＣ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図７】図６の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図８】図６の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【図９】ヒータ表面からの距離と温度差との関係を表すグラフである。
【図１０】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。
【図１１】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）はＤＤ断面図である。（ｃ）はＥＥ断面図である。
【図１２】ヒータ３００と支持部ヒータの駆動タイミングと検出タイミングを表したグラフである。
【図１３】本形態の検出器の他の構造を図示したものである。
【図１４】ヒータ３００を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。
【図１５】従来の検出器の構造を図示したものである。（ａ）は正面図であり、（ｂ）（ｃ）はＡＡ断面図である。特に、（ｃ）はヒータ表面位置Ｓ１、ヒータ近傍位置Ｓ２を図示したものである。
【図１６】従来及び本形態の検出器を組み込んだ定温度制御駆動回路の回路図である。
【図１７】従来の検出器の位置Ｓ１と位置Ｓ２における温度の時間変化を表すグラフである。
【図１８】従来の検出器のヒータ３００からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 基板
２００ 電気絶縁層
３００ ヒータ
４００ 接続リード
５００ 支持部
６００ 空洞部
７００ 周囲空間
８００ 支持部ヒータ
９００ 感温部
Ｐ１ 電極
Ｐ２ 電極
Ｐ３ 電極
Ｐ４ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱する第１の発熱手段と、
前記第１の発熱手段を支持する支持手段を有し、
前記第１の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、
前記支持手段に設けられた空洞部に前記第１の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする検出器。
【請求項２】
前記第１の発熱手段を二以上有し、
隣接した第１の発熱手段同士の間隔を、当該第１の発熱手段による発熱の拡散長の２倍以上にすることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
【請求項３】
通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第２の発熱手段を有し、
前記第１の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第２の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする請求項１または２に記載の検出器。
【請求項４】
前記第１の発熱手段を通電するために、当該第１の発熱手段と電極を接続している接続手段と、
前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の検出器。
【請求項５】
前記第１の発熱手段は立体的形状を有し、
前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の検出器。
【請求項１】
通電により発熱する第１の発熱手段と、
前記第１の発熱手段を支持する支持手段を有し、
前記第１の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、
前記支持手段に設けられた空洞部に前記第１の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする検出器。
【請求項２】
前記第１の発熱手段を二以上有し、
隣接した第１の発熱手段同士の間隔を、当該第１の発熱手段による発熱の拡散長の２倍以上にすることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
【請求項３】
通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第２の発熱手段を有し、
前記第１の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第２の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする請求項１または２に記載の検出器。
【請求項４】
前記第１の発熱手段を通電するために、当該第１の発熱手段と電極を接続している接続手段と、
前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の検出器。
【請求項５】
前記第１の発熱手段は立体的形状を有し、
前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の検出器。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００７−１５５５０２（Ｐ２００７−１５５５０２Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５１１４３（Ｐ２００５−３５１１４３）
【出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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