熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法
【課題】測定試料と標準試料との間の熱伝導を抑えつつ、炉体と試料との間の熱伝導を維持し、試料間の温度差を高感度で検知することができる熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】各試料容器に内の測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差を検出する熱分析装置１のセンサユニット３０であって、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部３１と、２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、熱電対素線の特定部分は、ベース部に接合されている多対熱電対３２と、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有し、多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部３５、３６と、を備え、一対の感熱部３５、３６は、ベース部３１から離間して設けられている。
【解決手段】各試料容器に内の測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差を検出する熱分析装置１のセンサユニット３０であって、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部３１と、２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、熱電対素線の特定部分は、ベース部に接合されている多対熱電対３２と、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有し、多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部３５、３６と、を備え、一対の感熱部３５、３６は、ベース部３１から離間して設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＴＡ（Differential Thermal Analyzer）、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimeter）等の熱分析装置には、一対の熱電対を備えた温度差センサが一般的に用いられている。このような温度差センサは、各熱電対により測定試料の温度と標準試料の温度をそれぞれ検出し、温度差を出力する。熱分析装置１において、試料容器を載置する各載置板には、通常、熱伝導性に優れ高温でも熱電対材料と反応しないコンスタンタン等の金属が使用され、熱電対の接点が接続されている（特許文献１参照）。
【０００３】
その一方で、感度の高い温度差センサとして、熱電対の素線を直列に接続した多対熱電対を用いた温度差センサが提案されている。多対熱電対用いる場合には、各接点のショートを防止するため、絶縁性の載置板が用いられている（特許文献２および３参照）。
【０００４】
たとえば、特許文献３の熱分析センサーは、セラミック基板上の測定位置に２つの異なる熱電対材料によって連続的に接続された熱電対配列部と、熱電対配列部の上に重ねられた絶縁層を備えている。この熱分析センサーでは、基板に熱電対と絶縁層とを重ね、絶縁層上の互いに離れた位置に試料容器を置いて試料温度を検出している。炉体からの熱は基板、熱電対、絶縁層を介して試料へ伝わることになる。また、試料により発熱や吸熱があった時の温度変化は、絶縁層を介して熱電対の接点で検知される。
【特許文献１】特開平５−２２３７６４号公報
【特許文献２】米国特許第５０３３８６６号明細書
【特許文献３】特開２００５−１３４３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のセンサーでは、絶縁層上の互いに離れた位置に試料容器を置いているだけであり、測定試料と標準試料との間に十分な熱抵抗が形成されていない。そのため、測定試料に変化があっても試料間に十分な温度勾配が生じず、センサ感度が低くなる。このように、熱抵抗が不十分であると測定感度に影響するため、上記のような熱分析装置では、試料の温度変化を高感度で検知することができない。
【０００６】
また、熱分析装置では、同時に熱時定数を小さく維持し、ヒートシンクの温度制御に対して試料の応答性を向上させることが重要となる。したがって、炉体から試料までの熱伝導を高く維持しておく必要がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、測定試料と標準試料との間の熱伝導を抑えつつ、炉体と試料との間の熱伝導を維持し、試料間の温度差を高感度で検知することができる熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法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】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、各試料容器内の測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットであって、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部と、２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、前記熱電対素線の特定部分は、前記ベース部に接合されている多対熱電対と、絶縁体で形成され、前記各試料容器が載置される載置面を有し、前記多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部と、を備え、前記一対の感熱部は、前記ベース部から離間して設けられていることを特徴としている。上記の近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【０００９】
このように、本発明の熱分析装置のセンサユニットは、感熱部をベース部から離間して設けている。したがって、感熱部とベース部との間に適度な熱抵抗が設けられていることになる。これにより、測定試料に変化があった場合には、測定試料と標準試料との間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱部に伝わる熱を逃がさず試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００１０】
その一方で、ベース部と感熱部とは多対熱電対により連結されている。したがって、多対熱電対が熱をベース部から各感熱部へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。その結果、測定試料の吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【００１１】
（２）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記熱電対素線が、平板状であり、前記多対熱電対の接点で重ねて接合されていることを特徴としている。このように、本発明の熱分析装置のセンサユニットは、平板状の熱電対素線により形成された多対熱電対が平板状となるため、炉体への収容性が向上する。
【００１２】
（３）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記平板状の熱電対素線が、幅方向に屈曲する屈曲部を有していることを特徴としている。これにより、熱電対素線が平板状に薄くても、厚さ方向に屈曲しにくくなり、十分に感熱部を支持することができる。また、熱電対素線は平板状であるため、細いワイヤー形状を束ねたものよりも酸化による影響を受け難い。
【００１３】
（４）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対が、４対の熱電対により構成されていることを特徴としている。このように、複数の熱電対を用いて各試料の温度検知の感度を高くする一方で、熱電対数を抑えることによりＳ／Ｎ比の増大を抑制している。また、多対熱電対の接点数を制限することでセンサユニットを小型化し炉体への収容性を高めている。
【００１４】
（５）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対が、クロメルの熱電対素線とコンスタンタンの熱電対素線とを接合することにより形成されていることを特徴としている。この組合せにより、温度差の信号として最も高い電圧を得ることができ、小さな電圧の変化を捉えることができる。
【００１５】
（６）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記感熱部が、前記多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されていることを特徴としている。各接点が電気的に独立していることにより、それぞれの接点の温度を反映することとなり、接点の数の分だけ精度が向上する。
【００１６】
（７）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記感熱部が、高熱伝導性を有するセラミックスにより形成されていることを特徴としている。これにより、試料と多対熱電対の接点との間の熱伝導性が向上し、試料の温度を高感度で検出することができる。
【００１７】
（８）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部が、前記炉体ユニットに対向する面に前記熱電対素線を嵌め込むための溝を有していることを特徴としている。これにより、熱電対素線がベース部に収容されるため、センサをコンパクトにすることができる。そして、所定位置に熱電対素線が固定されるため、バランスのとれた均一な構造にすることができる。また、熱電対素線が炉体ユニットに直接接触するのを防止できる。
【００１８】
また、溝により、溝内から接合用のロウ材が流れるのを防止することができる。そして、炉体ユニットに対向する面に溝を設けているため、ベース部が炉体ユニットに接触する場合には、接触面の炉体ユニットとの接触面積を小さくし熱膨張により炉体ユニットとベース部との間に発生する応力を緩和することができる。
【００１９】
（９）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部の溝が、前記嵌め込む熱電対素線の材料に応じて異なる溝の深さを有することを特徴としている。これにより、各材料の熱電対素線をベース部の溝に密着させて収めることができる。
【００２０】
（１０）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部が、長板状に形成され、前記感熱部の外形に沿って窪んだ側面を有することを特徴としている。これにより、センサユニットの炉体への収容性を高めるとともに、感熱部をベース部から離間させている。
【００２１】
（１１）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対の接点と前記感熱部との接合、前記接点における前記多対熱電対の熱電対素線同士の接合、および前記多対熱電対の熱電対素線の特定部分と前記ベース部との接合のうち、少なくとも一つの接合が、接合部材表面に形成した金属層同士を接合することによりなされていることを特徴としている。
【００２２】
このように、センサ部の接合は、金属層同士を接合することによりなされている。したがって、用いるロウ材の量を測定試料側と標準試料側とでほぼ均一にし、対称な位置で接合することが可能になる。その結果、測定試料と標準試料との間で、構造上のバランスをとり、熱的な対称性を得ることができる。そして、構造上の影響を排除して測定試料の温度変化を捉えることができる。
【００２３】
（１２）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットの製造方法は、それぞれ異なる熱電対材料により形成された２枚の平板を多対熱電対用のパターンに形成する工程と、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に配置されるベース部、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有する一対の感熱部および前記２枚の平板の接合用部分の表面に接合用金属の金属層を形成する工程と、前記パターン形成された２枚の平板を重ねて多対熱電対の接点となる部分を密着させ、さらに前記２枚の平板を前記ベース部および一対の感熱部に密着させる工程と、前記２枚の平板、ベース部および一対の感熱部を金属層同士で接合する工程と、を含むことを特徴としている。上記の近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【００２４】
このように、本発明のセンサユニットの製造方法では、接合を金属層同士の接合により行っている。したがって、用いるロウ材の量を測定試料側と標準試料側とでほぼ均一にし、対称な位置で接合することが可能になる。その結果、測定試料と標準試料との間で、構造上のバランスをとり、熱的な対称性を得ることができる。そして、構造上の影響を排除して測定試料の温度変化を捉えることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、測定試料に変化があった場合には、測定試料と標準試料との間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱部に伝わる熱を逃がさず試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００２６】
その一方で、多対熱電対が熱をベース部から各感熱部へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。その結果、測定試料の吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
図１は、熱分析装置１を模式的に示す断面図である。熱分析装置１は、炉体ユニット１０の温度を制御して測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差を検出し、熱流差を出力する熱流束ＤＳＣと呼ばれるものである。熱分析装置１は、その他、単に温度差を検出するＤＴＡとして用いることも可能である。
【００２９】
図１に示すように、熱分析装置１は、大きく分けて炉体ユニット１０、炉体温度制御回路２０、センサユニット３０および出力回路４０から構成されている。炉体ユニット１０は、さらに炉体１１、ヒータ線１２、炉体カバー１３、センサ台１４、および絶縁シート１５から構成されている。
【００３０】
炉体１１は、銀製であり、中心軸に対称で断面がＨ形である。そして、Ｈ形の一方の凹状空間が、試料を設置するための試料室１１ａとなっている。炉体１１は、ヒータ線１２から伝達される熱を試料室内全体に均一に伝えている。ヒータ線１２は、炉体１１の周囲を巻き回され、発熱により炉体１１を加熱する。ヒータ線１２は、後述の炉体温度制御回路２０により給電が調整され、発熱が制御されている。
【００３１】
炉体カバー１３は、銀製で円筒形状を有しており、炉体１１およびヒータ線１２を覆っている。センサ台１４は、銀製で長板状をしている。センサ台１４の端面は炉体内壁に沿って円周面の形状を有しており、中央には後述する感熱板３５、３６の外周に沿って内側に窪んだ側面を有している。センサ台１４は、炉体１１内の試料室１１ａの底面にネジ止めされている。絶縁シート１５は、センサ台１４の上面と同じ外形を有しており、センサ台１４の上面を覆って配置されている。絶縁シート１５は、熱電対素線が銀製のセンサ台１４との間でショートしないように両者を電気的に絶縁している。また、ベース板３１の底面と熱電対素線との間に十分な空隙があれば、絶縁シート１５を設けなくてもよい。
【００３２】
炉体温度制御回路２０は、炉体温度センサ２１、温度測定回路２２、ヒータ温度制御回路２３および給電回路２４により構成されている。炉体温度センサ２１には、たとえば熱電対を用いることができる。炉体温度センサ２１は、炉体の温度を表す信号を温度測定回路２２に送る。温度測定回路２２は、炉体温度センサ２１からの信号を温度値として出力する。ヒータ温度制御回路２３は、得られた炉体温度の値を参照し、炉体温度を設定された温度パターンに従わせて給電を制御する。給電回路２４は、ヒータ温度制御回路２３の制御の下で、ヒータ線１２に給電する。このように、炉体温度制御回路２０は、炉体ユニット１０の温度を制御する。
【００３３】
センサユニット３０は、ベース板３１（ベース部）、多対熱電対３２、測定試料用の感熱板３５（感熱部）および標準試料用の感熱板３６（感熱部）から構成されている。センサユニット３０は、炉体１１から熱を試料に伝えるとともに、試料の温度を検出する機能を有している。
【００３４】
ベース板３１（ベース部）は、窒化アルミニウム製であり長板状である。ベース板３１もセンサ台１４と概略同様の外形を有している。ベース板３１は、溝等の形状に特徴を有しており、これについては後述する。ベース板３１（ベース部）は、絶縁シート１５を挟んでセンサ台１４にネジ止めされている。このようにベース板３１は炉体ユニット１０に接触しているが、ベース板３１と炉体ユニット１０との間に空隙を設ける構成としてもよい。いずれにしてもベース板３１は、炉体ユニット１０の近傍に設けられている。近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【００３５】
ベース板３１に用いられている窒化アルミニウムは、絶縁体であり、熱伝導率が金属並みに高く、金属との接合性に優れている。ベース板３１の材料としては、熱伝導性の高いセラミックスが好適であり、これを用いることで測定感度を高くさせることができる。なお、熱伝導性の高いセラミックスとしては、窒化アルミニウムの他、炭化珪素も適している。なお、ベース板３１は、ヒートシンクとしても機能し、各試料容器に熱を伝えることで、両者を熱的に同じ条件に置いている。
【００３６】
多対熱電対３２は、２種の熱電対材料の素線を交互に接合することにより形成されており、４対の熱電対が形成されている。２種の熱電対材料としては、温度差に対して高い電圧を発生するコンスタンタン−クロメルの組み合わせが好適である。ただし、ロジウムの成分比が異なる白金ロジウムの組合せ、白金−白金ロジウムの組合せ、ナイシル−ナイクロシルの組合せ、アルメル−クロメルの組合せ、コンスタンタン−鉄の組合せ、コンスタンタン−銅の組合せ等であってもよく、組合せは限定されない。
【００３７】
また、多対熱電対３２は、各熱電対材料の平板状素線を接点で重ねて接合することにより形成されており、接合による段差が生じているが、概ね平板状である。これにより、炉体１１への収容性が向上する。また、多対熱電対３２は、細いワイヤー形状に比べ酸化による影響を受け難い。各素線のうち、ベース板３１と重なる領域（特定部分）は、ベース板３１に接合されている。この接合により、多対熱電対３２は、ベース板３１により下面が浮かされ、絶縁シート１５との間に空隙が生じる。したがって、炉体１１の熱は、主にベース板３１を介し、ベース板３１と熱電対素線の接合部分から多対熱電対３２に伝えられる。
【００３８】
一対の感熱板３５、３６（感熱部）は、窒化アルミニウム製の円板であり、その一方の主面には試料容器それぞれが載置される載置面が存在する。そして、他方の主面には、多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されている。電気的に独立しているとは、互いに干渉することなく電位に影響を及ぼさないということである。少なくとも、各接点は感熱板３５、３６上で導通しないように構成されている。感熱板３５、３６は、多対熱電対３２によりベース板３１から離間して支持されている。したがって、感熱板３５、３６とベース板３１との間に適度な熱抵抗が存在し、測定試料Ｓに変化があった場合には、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱板３５、３６に伝わる熱を逃がさず、試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００３９】
その一方で、ベース板３１と感熱板３５、３６とは多対熱電対３２により接続されている。したがって、多対熱電対３２が熱をベース板３１から各感熱板３５、３６へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。たとえば、試料温度に対してレスポンスが悪すぎて測定試料Ｓの変化が終わっているにもかかわらず引き続いてピークが検知されるといったことが防止される。多対熱電対によりベース板３１と感熱板３５、３６とが接続されるため、センサ感度を鈍らせることがない。その結果、測定試料Ｓの吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【００４０】
ベース板３１の熱は、多対熱電対３２および感熱板３５、３６を介して各試料容器に伝えられる。その一方で、感熱板３５、３６は、試料の温度変化を高感度で熱電対に伝えている。感熱板３５、３６の材料としては熱伝導性の高いセラミックスが好適である。たとえば、窒化アルミニウムの他に炭化珪素も適している。
【００４１】
出力回路４０は、標準試料用熱電対４１、引き出し線４２、４３、ベースライン補正回路４５、熱量演算回路４６、および出力装置４７から構成されている。出力回路４０は、多対熱電対３２からの信号を補正して温度差を熱量に換算し、画面や紙等に出力する。
【００４２】
標準試料用熱電対４１は、ベースライン補正用に標準試料Ｒの近傍に設けられた熱電対である。標準試料用熱電対４１は、標準試料Ｒの温度の信号をベースライン補正回路４５に送る。引き出し線４２、４３は、一端を多対熱電対３２に、他端をベースライン補正回路４５に接続され、両試料間の温度差をベースライン補正回路４５に送る。炉体１１には、アルミナ管を挿通させた孔が開けられており、引き出し線４２、４３は、この孔を通ってベースライン補正回路４５に接続されている。ベースライン補正回路４５は、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差から標準試料Ｒの温度値に所定の比率を掛けた値を差し引くことで、ベースラインを補正している。熱量演算回路４６は、ベースラインを補正された温度差の値を熱量（熱流差）に換算する。出力装置４７は、たとえば表示装置や印刷装置であり、熱流差を画面に表示したり、紙に印刷したりする。熱分析装置１は、このように構成されており、特にセンサユニット３０は、温度差検知の感度を高めるための特徴を有している。
【００４３】
図２は、センサユニット３０を示す（ａ）平面図、（ｂ）、正面図および（ｃ）底面図である。図２に示すように、センサユニット３０は、多対熱電対３２が、ベース板３１および各感熱板３５、３６に接合されることで形成されている。センサユニット３０は、測定試料側と標準試料側とで対称な形状に設計されており、構造的にバランスがとれている。これにより、熱的な対称性が得られ、測定試料Ｓの熱的挙動のみを抽出して検知することが可能となる。
【００４４】
ベース板３１および感熱板３５、３６は、多対熱電対３２の同じ側に配置されている。ただし、ベース板３１は、感熱板３５、３６とは接触せず、ベース板３１から感熱板３５、３６には熱が直接伝わらないように配置されている。感熱板３５、３６は、ベース板３１より薄く形成されており、温度検知に好適な形状となっている。また、多対熱電対３２は、ベース板３１の溝３１ｂ、３１ｃに嵌めこまれており、多対熱電対３２と炉体ユニット１０との間にはわずかに隙間を生じる。その結果、多対熱電対３２は、一対の感熱板３５、３６を炉体ユニット１０およびベース板３１から離間させて支持している。
【００４５】
また、熱電対素線がベース板３１に収容されるため、センサをコンパクトにすることができる。そして、所定位置に熱電対素線が固定されるため、構造上のバランスをとり均一な構造にすることができる。なお、炉体ユニット１０からの熱伝達を高く設定すべき場合には、上記の隙間をなくし、多対熱電対３２と炉体ユニット１０とを密着させてもよい。
【００４６】
また、溝３１ｂ、３１ｃにより、溝内の接合用のロウ材が流出するのを防止することができる。また、平面領域３１ｄの炉体ユニット１０との接触面積を小さくし熱膨張により炉体ユニット１０とベース板３１との間に発生する応力を緩和することができる。
【００４７】
多対熱電対３２と溝３１ｂ、３１ｃとの接触面は、金のロウ材により接合されている。多対熱電対３２を構成するそれぞれの熱電対素線のうち、両端の熱電対素線は、その端部がベース部３１に接合されており、それ以外の熱電対素線は、その中央部分がベース部３１に接合されている。また、多対熱電対の１つおきの接点が４つずつ集められて測定試料側の感熱板３５と標準試料側の感熱板３６に接合されている。
【００４８】
図３は、ベース板３１を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図および（ｃ）底面図である。ベース板３１は、センサ台１４にセンサユニット３０ごと固定するためのネジ孔３１ａを有している。ベース板３１のセンサ台１４側の底面、すなわち炉体ユニット１０に対向する面には、深い溝３１ｂおよび浅い溝３１ｃが交互に形成されている。これにより、各材料の熱電対素線をベース板３１の溝３１ｂ、３１ｃに密着させて収めることができる。その結果、センサユニット３０をコンパクトにすることができる。
【００４９】
溝の深さに応じて、異なる材料の熱電対素線が嵌めこまれる。センサ台１４側の底面で、溝が形成されていない平面領域３１ｄは、絶縁シート１５に接触し、そこから炉体１１の熱が伝わる。ベース板３１は、側面の中央部分が窪んで、括れた形状を有している。この内側に窪んだ側面３１ｅは、感熱板３５、３６の円周に沿って円周より少し大きい曲率半径で形成されており、ベース板３１と感熱板３５、３６とは互いに接触することはない。これにより、センサユニット３０を小型化し炉体１１への収容性を高めるとともに、感熱板３５、３６をベース板３１から離間させている。ベース板３１の端面３１ｆは、炉体の試料室１１ａの内壁に沿って収まり易いように、円周面に形成されている。
【００５０】
図４は、試料載置側から見た多対熱電対３２を示す平面図である。多対熱電対３２は、コンスタンタンの熱電対素線とクロメルの熱電対素線とを交互に直列に接合することで、４対の熱電対として形成されている。多対熱電対３２は、接点において平板状の熱電対素線を重ねて接合されることで形成されている。両端の熱電対素線の端部には、引き出し線４２が接続されている。このように、複数の熱電対を用いて各試料の温度検知の感度を高くする一方で、熱電対数を抑えることによりＳ／Ｎ比の増大を抑制している。また、多対熱電対３２の接点数を制限することでセンサユニット３０を小型化し炉体１１への収容性を高めている。
【００５１】
素線同士はスポット溶接されるか、または金等のロウ材を用いて接合されている。図４では、材料の違いが白地とハッチング地の違いで示されている。重ねられた熱電対素線のうち試料載置側の熱電対素線３２ａ（白地）の材料は、コンスタンタンであり、炉体側の熱電対素線３２ｂ（ハッチング地）の材料はクロメルである。なお、コンスタンタンとクロメルの組合せは好適であるが、これに限定されるものではない。それぞれの素線は長手方向にまっすぐな平板ではなく、幅方向に屈曲する屈曲部Ｃを有している。これにより、熱電対素線が平板状に薄くても、厚さ方向に屈曲しにくくなり、炉体ユニット１０から離間させて感熱板３５、３６を支持しやすくなる。
【００５２】
感熱板３５、３６は、窒化アルミニウム製で薄い円板形状を有している。感熱板３５、３６の試料載置面の反対面において、多対熱電対３２の１つおきの４つの接点の集合が、それぞれ金のロウ材で接合されている。センサユニット３０は、このようにして構成されている。
【００５３】
次に、センサユニット３０の製造工程および熱分析装置１の組み立て工程を説明する。図５は、センサユニット３０の製造工程を示す斜視図である。
【００５４】
まず、クロメルおよびコンスタンタンの各熱電対材料により形成された２枚の平板６０、７０をエッチングにより所定のパターンに形成する。形成方法は、エッチングに限定されない。パターンは、平板を型抜きした形状としておき、各平板の外枠６１、７１および外枠と熱電対素線３２ｂ、３２ａとのつなぎ部分６３、７３を残しておく。また、外枠６１、７１の四つの角には位置合わせのための孔６２、７２を空けておく。これにより、接合や組み立てが容易になる。
【００５５】
続いて、パターン形成された２枚の平板６０、７０、ベース板３１および一対の感熱板３５、３６の所定部分の表面に接合用金属の金属層を形成する。所定部分とは、熱電対素線３２ｂと熱電対素線３２ａとが接点を形成する部分の各接触面６５、７５、熱電対素線３２ｂ、３２ａとベース板３１との接触面６６、７６、８０、および熱電対素線３２ａと感熱板３５、３６との接触面７７、８１である。両端の熱電対素線では、その端部がベース板３１と密着し、接合されている。両端以外の熱電対素線は、その中央部がベース板３１と密着し、接合されている。多対熱電対３２のそれぞれの４つの接点は、感熱板３５、３６と接合されている。金属層の材料としては、金または銀が好適であるが、これに限定されない。また、金属層は、メッキや蒸着等により形成すればよく、特に形成方法は限定されない。
【００５６】
次に、ベース板３１および一対の感熱板３５、３６に、パターン形成された２枚の平板６０、７０を重ねて密着させる。重ねる際には、外枠６１、７１の角の孔６２、７２を重ねて位置合わせを行う。そして、密着部分に圧力を加え、所定の温度まで上げて接合する。このように金属層形成処理と接合を行うことにより、接合部分がいずれも均一になる。その結果、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの間で、熱的な対称性を得ることができ、構造上の影響を排除して測定試料Ｓの温度変化を捉えることができる。最後に、熱電対材料の平板６０、７０の外枠６１、７１およびつなぎ部分６３、７３を除去する。このようにして、センサユニット３０を作製することができる。
【００５７】
さらに、熱分析装置１は、炉体ユニット１０とセンサユニット３０とをネジ止めにより組み立てることで作製できる。図６は、熱分析装置１の組み立て工程を示す斜視図である。まず、２つのネジ９１により炉体１１に、センサ台１４を固定する。そして、絶縁シート１５をセンサ台１４の上に配置し、センサユニット３０を重ねて、２つのネジ９２により固定する。このようにして、熱分析装置１を組み立てることができる。なお、上記の締結はネジにより行っているが、それ以外の締結手段を用いてもよい。
【００５８】
また、上記の実施形態では、接合用のロウ材として金が用いられているが、銀等その他のロウ材であってもよい。その他のロウ材としては、金属層形成処理や接合金属の表面材に適したものが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】熱分析装置を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）本発明に係るセンサユニットを示す平面図である。（ｂ）本発明に係るセンサユニットを示す正面図である。（ｃ）本発明に係るセンサユニットを示す底面図である。
【図３】（ａ）ベース板を示す平面図である。（ｂ）ベース板を示す正面図である。（ｃ）ベース板を示す底面図である。
【図４】試料載置側から見た多対熱電対を示す平面図である。
【図５】本発明に係るセンサユニットの製造工程を示す斜視図である。
【図６】熱分析装置の組み立て工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 熱分析装置
１０ 炉体ユニット
１１ 炉体
１１ａ 試料室
１２ ヒータ線
１３ 炉体カバー
１４ センサ台
１５ 絶縁シート
３０ センサユニット
３１ ベース板（ベース部）
３１ａ ネジ孔
３１ｂ、３１ｃ 溝
３１ｅ 内側に窪んだ側面
３１ｆ 端面
３１ｄ 平面領域
３２ 多対熱電対
３２ａ、３２ｂ 熱電対素線
３５、３６ 感熱板（感熱部）
４０ 出力回路
４１ 標準試料用熱電対
４２、４３ 引き出し線
６０、７０ 平板
６１ 外枠
６２ 孔
６３ つなぎ部分
Ｃ 屈曲部
Ｒ 標準試料
Ｓ 測定試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＴＡ（Differential Thermal Analyzer）、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimeter）等の熱分析装置には、一対の熱電対を備えた温度差センサが一般的に用いられている。このような温度差センサは、各熱電対により測定試料の温度と標準試料の温度をそれぞれ検出し、温度差を出力する。熱分析装置１において、試料容器を載置する各載置板には、通常、熱伝導性に優れ高温でも熱電対材料と反応しないコンスタンタン等の金属が使用され、熱電対の接点が接続されている（特許文献１参照）。
【０００３】
その一方で、感度の高い温度差センサとして、熱電対の素線を直列に接続した多対熱電対を用いた温度差センサが提案されている。多対熱電対用いる場合には、各接点のショートを防止するため、絶縁性の載置板が用いられている（特許文献２および３参照）。
【０００４】
たとえば、特許文献３の熱分析センサーは、セラミック基板上の測定位置に２つの異なる熱電対材料によって連続的に接続された熱電対配列部と、熱電対配列部の上に重ねられた絶縁層を備えている。この熱分析センサーでは、基板に熱電対と絶縁層とを重ね、絶縁層上の互いに離れた位置に試料容器を置いて試料温度を検出している。炉体からの熱は基板、熱電対、絶縁層を介して試料へ伝わることになる。また、試料により発熱や吸熱があった時の温度変化は、絶縁層を介して熱電対の接点で検知される。
【特許文献１】特開平５−２２３７６４号公報
【特許文献２】米国特許第５０３３８６６号明細書
【特許文献３】特開２００５−１３４３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のセンサーでは、絶縁層上の互いに離れた位置に試料容器を置いているだけであり、測定試料と標準試料との間に十分な熱抵抗が形成されていない。そのため、測定試料に変化があっても試料間に十分な温度勾配が生じず、センサ感度が低くなる。このように、熱抵抗が不十分であると測定感度に影響するため、上記のような熱分析装置では、試料の温度変化を高感度で検知することができない。
【０００６】
また、熱分析装置では、同時に熱時定数を小さく維持し、ヒートシンクの温度制御に対して試料の応答性を向上させることが重要となる。したがって、炉体から試料までの熱伝導を高く維持しておく必要がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、測定試料と標準試料との間の熱伝導を抑えつつ、炉体と試料との間の熱伝導を維持し、試料間の温度差を高感度で検知することができる熱分析装置のセンサユニットおよびその製造方法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】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、各試料容器内の測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットであって、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部と、２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、前記熱電対素線の特定部分は、前記ベース部に接合されている多対熱電対と、絶縁体で形成され、前記各試料容器が載置される載置面を有し、前記多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部と、を備え、前記一対の感熱部は、前記ベース部から離間して設けられていることを特徴としている。上記の近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【０００９】
このように、本発明の熱分析装置のセンサユニットは、感熱部をベース部から離間して設けている。したがって、感熱部とベース部との間に適度な熱抵抗が設けられていることになる。これにより、測定試料に変化があった場合には、測定試料と標準試料との間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱部に伝わる熱を逃がさず試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００１０】
その一方で、ベース部と感熱部とは多対熱電対により連結されている。したがって、多対熱電対が熱をベース部から各感熱部へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。その結果、測定試料の吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【００１１】
（２）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記熱電対素線が、平板状であり、前記多対熱電対の接点で重ねて接合されていることを特徴としている。このように、本発明の熱分析装置のセンサユニットは、平板状の熱電対素線により形成された多対熱電対が平板状となるため、炉体への収容性が向上する。
【００１２】
（３）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記平板状の熱電対素線が、幅方向に屈曲する屈曲部を有していることを特徴としている。これにより、熱電対素線が平板状に薄くても、厚さ方向に屈曲しにくくなり、十分に感熱部を支持することができる。また、熱電対素線は平板状であるため、細いワイヤー形状を束ねたものよりも酸化による影響を受け難い。
【００１３】
（４）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対が、４対の熱電対により構成されていることを特徴としている。このように、複数の熱電対を用いて各試料の温度検知の感度を高くする一方で、熱電対数を抑えることによりＳ／Ｎ比の増大を抑制している。また、多対熱電対の接点数を制限することでセンサユニットを小型化し炉体への収容性を高めている。
【００１４】
（５）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対が、クロメルの熱電対素線とコンスタンタンの熱電対素線とを接合することにより形成されていることを特徴としている。この組合せにより、温度差の信号として最も高い電圧を得ることができ、小さな電圧の変化を捉えることができる。
【００１５】
（６）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記感熱部が、前記多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されていることを特徴としている。各接点が電気的に独立していることにより、それぞれの接点の温度を反映することとなり、接点の数の分だけ精度が向上する。
【００１６】
（７）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記感熱部が、高熱伝導性を有するセラミックスにより形成されていることを特徴としている。これにより、試料と多対熱電対の接点との間の熱伝導性が向上し、試料の温度を高感度で検出することができる。
【００１７】
（８）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部が、前記炉体ユニットに対向する面に前記熱電対素線を嵌め込むための溝を有していることを特徴としている。これにより、熱電対素線がベース部に収容されるため、センサをコンパクトにすることができる。そして、所定位置に熱電対素線が固定されるため、バランスのとれた均一な構造にすることができる。また、熱電対素線が炉体ユニットに直接接触するのを防止できる。
【００１８】
また、溝により、溝内から接合用のロウ材が流れるのを防止することができる。そして、炉体ユニットに対向する面に溝を設けているため、ベース部が炉体ユニットに接触する場合には、接触面の炉体ユニットとの接触面積を小さくし熱膨張により炉体ユニットとベース部との間に発生する応力を緩和することができる。
【００１９】
（９）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部の溝が、前記嵌め込む熱電対素線の材料に応じて異なる溝の深さを有することを特徴としている。これにより、各材料の熱電対素線をベース部の溝に密着させて収めることができる。
【００２０】
（１０）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記ベース部が、長板状に形成され、前記感熱部の外形に沿って窪んだ側面を有することを特徴としている。これにより、センサユニットの炉体への収容性を高めるとともに、感熱部をベース部から離間させている。
【００２１】
（１１）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットは、前記多対熱電対の接点と前記感熱部との接合、前記接点における前記多対熱電対の熱電対素線同士の接合、および前記多対熱電対の熱電対素線の特定部分と前記ベース部との接合のうち、少なくとも一つの接合が、接合部材表面に形成した金属層同士を接合することによりなされていることを特徴としている。
【００２２】
このように、センサ部の接合は、金属層同士を接合することによりなされている。したがって、用いるロウ材の量を測定試料側と標準試料側とでほぼ均一にし、対称な位置で接合することが可能になる。その結果、測定試料と標準試料との間で、構造上のバランスをとり、熱的な対称性を得ることができる。そして、構造上の影響を排除して測定試料の温度変化を捉えることができる。
【００２３】
（１２）また、本発明に係る熱分析装置のセンサユニットの製造方法は、それぞれ異なる熱電対材料により形成された２枚の平板を多対熱電対用のパターンに形成する工程と、絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に配置されるベース部、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有する一対の感熱部および前記２枚の平板の接合用部分の表面に接合用金属の金属層を形成する工程と、前記パターン形成された２枚の平板を重ねて多対熱電対の接点となる部分を密着させ、さらに前記２枚の平板を前記ベース部および一対の感熱部に密着させる工程と、前記２枚の平板、ベース部および一対の感熱部を金属層同士で接合する工程と、を含むことを特徴としている。上記の近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【００２４】
このように、本発明のセンサユニットの製造方法では、接合を金属層同士の接合により行っている。したがって、用いるロウ材の量を測定試料側と標準試料側とでほぼ均一にし、対称な位置で接合することが可能になる。その結果、測定試料と標準試料との間で、構造上のバランスをとり、熱的な対称性を得ることができる。そして、構造上の影響を排除して測定試料の温度変化を捉えることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、測定試料に変化があった場合には、測定試料と標準試料との間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱部に伝わる熱を逃がさず試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００２６】
その一方で、多対熱電対が熱をベース部から各感熱部へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。その結果、測定試料の吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
図１は、熱分析装置１を模式的に示す断面図である。熱分析装置１は、炉体ユニット１０の温度を制御して測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差を検出し、熱流差を出力する熱流束ＤＳＣと呼ばれるものである。熱分析装置１は、その他、単に温度差を検出するＤＴＡとして用いることも可能である。
【００２９】
図１に示すように、熱分析装置１は、大きく分けて炉体ユニット１０、炉体温度制御回路２０、センサユニット３０および出力回路４０から構成されている。炉体ユニット１０は、さらに炉体１１、ヒータ線１２、炉体カバー１３、センサ台１４、および絶縁シート１５から構成されている。
【００３０】
炉体１１は、銀製であり、中心軸に対称で断面がＨ形である。そして、Ｈ形の一方の凹状空間が、試料を設置するための試料室１１ａとなっている。炉体１１は、ヒータ線１２から伝達される熱を試料室内全体に均一に伝えている。ヒータ線１２は、炉体１１の周囲を巻き回され、発熱により炉体１１を加熱する。ヒータ線１２は、後述の炉体温度制御回路２０により給電が調整され、発熱が制御されている。
【００３１】
炉体カバー１３は、銀製で円筒形状を有しており、炉体１１およびヒータ線１２を覆っている。センサ台１４は、銀製で長板状をしている。センサ台１４の端面は炉体内壁に沿って円周面の形状を有しており、中央には後述する感熱板３５、３６の外周に沿って内側に窪んだ側面を有している。センサ台１４は、炉体１１内の試料室１１ａの底面にネジ止めされている。絶縁シート１５は、センサ台１４の上面と同じ外形を有しており、センサ台１４の上面を覆って配置されている。絶縁シート１５は、熱電対素線が銀製のセンサ台１４との間でショートしないように両者を電気的に絶縁している。また、ベース板３１の底面と熱電対素線との間に十分な空隙があれば、絶縁シート１５を設けなくてもよい。
【００３２】
炉体温度制御回路２０は、炉体温度センサ２１、温度測定回路２２、ヒータ温度制御回路２３および給電回路２４により構成されている。炉体温度センサ２１には、たとえば熱電対を用いることができる。炉体温度センサ２１は、炉体の温度を表す信号を温度測定回路２２に送る。温度測定回路２２は、炉体温度センサ２１からの信号を温度値として出力する。ヒータ温度制御回路２３は、得られた炉体温度の値を参照し、炉体温度を設定された温度パターンに従わせて給電を制御する。給電回路２４は、ヒータ温度制御回路２３の制御の下で、ヒータ線１２に給電する。このように、炉体温度制御回路２０は、炉体ユニット１０の温度を制御する。
【００３３】
センサユニット３０は、ベース板３１（ベース部）、多対熱電対３２、測定試料用の感熱板３５（感熱部）および標準試料用の感熱板３６（感熱部）から構成されている。センサユニット３０は、炉体１１から熱を試料に伝えるとともに、試料の温度を検出する機能を有している。
【００３４】
ベース板３１（ベース部）は、窒化アルミニウム製であり長板状である。ベース板３１もセンサ台１４と概略同様の外形を有している。ベース板３１は、溝等の形状に特徴を有しており、これについては後述する。ベース板３１（ベース部）は、絶縁シート１５を挟んでセンサ台１４にネジ止めされている。このようにベース板３１は炉体ユニット１０に接触しているが、ベース板３１と炉体ユニット１０との間に空隙を設ける構成としてもよい。いずれにしてもベース板３１は、炉体ユニット１０の近傍に設けられている。近傍とは、熱的相互作用がある範囲をいう。
【００３５】
ベース板３１に用いられている窒化アルミニウムは、絶縁体であり、熱伝導率が金属並みに高く、金属との接合性に優れている。ベース板３１の材料としては、熱伝導性の高いセラミックスが好適であり、これを用いることで測定感度を高くさせることができる。なお、熱伝導性の高いセラミックスとしては、窒化アルミニウムの他、炭化珪素も適している。なお、ベース板３１は、ヒートシンクとしても機能し、各試料容器に熱を伝えることで、両者を熱的に同じ条件に置いている。
【００３６】
多対熱電対３２は、２種の熱電対材料の素線を交互に接合することにより形成されており、４対の熱電対が形成されている。２種の熱電対材料としては、温度差に対して高い電圧を発生するコンスタンタン−クロメルの組み合わせが好適である。ただし、ロジウムの成分比が異なる白金ロジウムの組合せ、白金−白金ロジウムの組合せ、ナイシル−ナイクロシルの組合せ、アルメル−クロメルの組合せ、コンスタンタン−鉄の組合せ、コンスタンタン−銅の組合せ等であってもよく、組合せは限定されない。
【００３７】
また、多対熱電対３２は、各熱電対材料の平板状素線を接点で重ねて接合することにより形成されており、接合による段差が生じているが、概ね平板状である。これにより、炉体１１への収容性が向上する。また、多対熱電対３２は、細いワイヤー形状に比べ酸化による影響を受け難い。各素線のうち、ベース板３１と重なる領域（特定部分）は、ベース板３１に接合されている。この接合により、多対熱電対３２は、ベース板３１により下面が浮かされ、絶縁シート１５との間に空隙が生じる。したがって、炉体１１の熱は、主にベース板３１を介し、ベース板３１と熱電対素線の接合部分から多対熱電対３２に伝えられる。
【００３８】
一対の感熱板３５、３６（感熱部）は、窒化アルミニウム製の円板であり、その一方の主面には試料容器それぞれが載置される載置面が存在する。そして、他方の主面には、多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されている。電気的に独立しているとは、互いに干渉することなく電位に影響を及ぼさないということである。少なくとも、各接点は感熱板３５、３６上で導通しないように構成されている。感熱板３５、３６は、多対熱電対３２によりベース板３１から離間して支持されている。したがって、感熱板３５、３６とベース板３１との間に適度な熱抵抗が存在し、測定試料Ｓに変化があった場合には、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの間に急な温度勾配が生じ、熱起電力が増大する。その結果、センサの感度やＳ／Ｎ比が向上する。また、感熱板３５、３６に伝わる熱を逃がさず、試料の温度変化を高感度で検知することができる。
【００３９】
その一方で、ベース板３１と感熱板３５、３６とは多対熱電対３２により接続されている。したがって、多対熱電対３２が熱をベース板３１から各感熱板３５、３６へ伝え、試料温度の時定数を小さく維持することができる。たとえば、試料温度に対してレスポンスが悪すぎて測定試料Ｓの変化が終わっているにもかかわらず引き続いてピークが検知されるといったことが防止される。多対熱電対によりベース板３１と感熱板３５、３６とが接続されるため、センサ感度を鈍らせることがない。その結果、測定試料Ｓの吸熱や発熱等の変化を十分に検知することができる。
【００４０】
ベース板３１の熱は、多対熱電対３２および感熱板３５、３６を介して各試料容器に伝えられる。その一方で、感熱板３５、３６は、試料の温度変化を高感度で熱電対に伝えている。感熱板３５、３６の材料としては熱伝導性の高いセラミックスが好適である。たとえば、窒化アルミニウムの他に炭化珪素も適している。
【００４１】
出力回路４０は、標準試料用熱電対４１、引き出し線４２、４３、ベースライン補正回路４５、熱量演算回路４６、および出力装置４７から構成されている。出力回路４０は、多対熱電対３２からの信号を補正して温度差を熱量に換算し、画面や紙等に出力する。
【００４２】
標準試料用熱電対４１は、ベースライン補正用に標準試料Ｒの近傍に設けられた熱電対である。標準試料用熱電対４１は、標準試料Ｒの温度の信号をベースライン補正回路４５に送る。引き出し線４２、４３は、一端を多対熱電対３２に、他端をベースライン補正回路４５に接続され、両試料間の温度差をベースライン補正回路４５に送る。炉体１１には、アルミナ管を挿通させた孔が開けられており、引き出し線４２、４３は、この孔を通ってベースライン補正回路４５に接続されている。ベースライン補正回路４５は、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの温度差から標準試料Ｒの温度値に所定の比率を掛けた値を差し引くことで、ベースラインを補正している。熱量演算回路４６は、ベースラインを補正された温度差の値を熱量（熱流差）に換算する。出力装置４７は、たとえば表示装置や印刷装置であり、熱流差を画面に表示したり、紙に印刷したりする。熱分析装置１は、このように構成されており、特にセンサユニット３０は、温度差検知の感度を高めるための特徴を有している。
【００４３】
図２は、センサユニット３０を示す（ａ）平面図、（ｂ）、正面図および（ｃ）底面図である。図２に示すように、センサユニット３０は、多対熱電対３２が、ベース板３１および各感熱板３５、３６に接合されることで形成されている。センサユニット３０は、測定試料側と標準試料側とで対称な形状に設計されており、構造的にバランスがとれている。これにより、熱的な対称性が得られ、測定試料Ｓの熱的挙動のみを抽出して検知することが可能となる。
【００４４】
ベース板３１および感熱板３５、３６は、多対熱電対３２の同じ側に配置されている。ただし、ベース板３１は、感熱板３５、３６とは接触せず、ベース板３１から感熱板３５、３６には熱が直接伝わらないように配置されている。感熱板３５、３６は、ベース板３１より薄く形成されており、温度検知に好適な形状となっている。また、多対熱電対３２は、ベース板３１の溝３１ｂ、３１ｃに嵌めこまれており、多対熱電対３２と炉体ユニット１０との間にはわずかに隙間を生じる。その結果、多対熱電対３２は、一対の感熱板３５、３６を炉体ユニット１０およびベース板３１から離間させて支持している。
【００４５】
また、熱電対素線がベース板３１に収容されるため、センサをコンパクトにすることができる。そして、所定位置に熱電対素線が固定されるため、構造上のバランスをとり均一な構造にすることができる。なお、炉体ユニット１０からの熱伝達を高く設定すべき場合には、上記の隙間をなくし、多対熱電対３２と炉体ユニット１０とを密着させてもよい。
【００４６】
また、溝３１ｂ、３１ｃにより、溝内の接合用のロウ材が流出するのを防止することができる。また、平面領域３１ｄの炉体ユニット１０との接触面積を小さくし熱膨張により炉体ユニット１０とベース板３１との間に発生する応力を緩和することができる。
【００４７】
多対熱電対３２と溝３１ｂ、３１ｃとの接触面は、金のロウ材により接合されている。多対熱電対３２を構成するそれぞれの熱電対素線のうち、両端の熱電対素線は、その端部がベース部３１に接合されており、それ以外の熱電対素線は、その中央部分がベース部３１に接合されている。また、多対熱電対の１つおきの接点が４つずつ集められて測定試料側の感熱板３５と標準試料側の感熱板３６に接合されている。
【００４８】
図３は、ベース板３１を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図および（ｃ）底面図である。ベース板３１は、センサ台１４にセンサユニット３０ごと固定するためのネジ孔３１ａを有している。ベース板３１のセンサ台１４側の底面、すなわち炉体ユニット１０に対向する面には、深い溝３１ｂおよび浅い溝３１ｃが交互に形成されている。これにより、各材料の熱電対素線をベース板３１の溝３１ｂ、３１ｃに密着させて収めることができる。その結果、センサユニット３０をコンパクトにすることができる。
【００４９】
溝の深さに応じて、異なる材料の熱電対素線が嵌めこまれる。センサ台１４側の底面で、溝が形成されていない平面領域３１ｄは、絶縁シート１５に接触し、そこから炉体１１の熱が伝わる。ベース板３１は、側面の中央部分が窪んで、括れた形状を有している。この内側に窪んだ側面３１ｅは、感熱板３５、３６の円周に沿って円周より少し大きい曲率半径で形成されており、ベース板３１と感熱板３５、３６とは互いに接触することはない。これにより、センサユニット３０を小型化し炉体１１への収容性を高めるとともに、感熱板３５、３６をベース板３１から離間させている。ベース板３１の端面３１ｆは、炉体の試料室１１ａの内壁に沿って収まり易いように、円周面に形成されている。
【００５０】
図４は、試料載置側から見た多対熱電対３２を示す平面図である。多対熱電対３２は、コンスタンタンの熱電対素線とクロメルの熱電対素線とを交互に直列に接合することで、４対の熱電対として形成されている。多対熱電対３２は、接点において平板状の熱電対素線を重ねて接合されることで形成されている。両端の熱電対素線の端部には、引き出し線４２が接続されている。このように、複数の熱電対を用いて各試料の温度検知の感度を高くする一方で、熱電対数を抑えることによりＳ／Ｎ比の増大を抑制している。また、多対熱電対３２の接点数を制限することでセンサユニット３０を小型化し炉体１１への収容性を高めている。
【００５１】
素線同士はスポット溶接されるか、または金等のロウ材を用いて接合されている。図４では、材料の違いが白地とハッチング地の違いで示されている。重ねられた熱電対素線のうち試料載置側の熱電対素線３２ａ（白地）の材料は、コンスタンタンであり、炉体側の熱電対素線３２ｂ（ハッチング地）の材料はクロメルである。なお、コンスタンタンとクロメルの組合せは好適であるが、これに限定されるものではない。それぞれの素線は長手方向にまっすぐな平板ではなく、幅方向に屈曲する屈曲部Ｃを有している。これにより、熱電対素線が平板状に薄くても、厚さ方向に屈曲しにくくなり、炉体ユニット１０から離間させて感熱板３５、３６を支持しやすくなる。
【００５２】
感熱板３５、３６は、窒化アルミニウム製で薄い円板形状を有している。感熱板３５、３６の試料載置面の反対面において、多対熱電対３２の１つおきの４つの接点の集合が、それぞれ金のロウ材で接合されている。センサユニット３０は、このようにして構成されている。
【００５３】
次に、センサユニット３０の製造工程および熱分析装置１の組み立て工程を説明する。図５は、センサユニット３０の製造工程を示す斜視図である。
【００５４】
まず、クロメルおよびコンスタンタンの各熱電対材料により形成された２枚の平板６０、７０をエッチングにより所定のパターンに形成する。形成方法は、エッチングに限定されない。パターンは、平板を型抜きした形状としておき、各平板の外枠６１、７１および外枠と熱電対素線３２ｂ、３２ａとのつなぎ部分６３、７３を残しておく。また、外枠６１、７１の四つの角には位置合わせのための孔６２、７２を空けておく。これにより、接合や組み立てが容易になる。
【００５５】
続いて、パターン形成された２枚の平板６０、７０、ベース板３１および一対の感熱板３５、３６の所定部分の表面に接合用金属の金属層を形成する。所定部分とは、熱電対素線３２ｂと熱電対素線３２ａとが接点を形成する部分の各接触面６５、７５、熱電対素線３２ｂ、３２ａとベース板３１との接触面６６、７６、８０、および熱電対素線３２ａと感熱板３５、３６との接触面７７、８１である。両端の熱電対素線では、その端部がベース板３１と密着し、接合されている。両端以外の熱電対素線は、その中央部がベース板３１と密着し、接合されている。多対熱電対３２のそれぞれの４つの接点は、感熱板３５、３６と接合されている。金属層の材料としては、金または銀が好適であるが、これに限定されない。また、金属層は、メッキや蒸着等により形成すればよく、特に形成方法は限定されない。
【００５６】
次に、ベース板３１および一対の感熱板３５、３６に、パターン形成された２枚の平板６０、７０を重ねて密着させる。重ねる際には、外枠６１、７１の角の孔６２、７２を重ねて位置合わせを行う。そして、密着部分に圧力を加え、所定の温度まで上げて接合する。このように金属層形成処理と接合を行うことにより、接合部分がいずれも均一になる。その結果、測定試料Ｓと標準試料Ｒとの間で、熱的な対称性を得ることができ、構造上の影響を排除して測定試料Ｓの温度変化を捉えることができる。最後に、熱電対材料の平板６０、７０の外枠６１、７１およびつなぎ部分６３、７３を除去する。このようにして、センサユニット３０を作製することができる。
【００５７】
さらに、熱分析装置１は、炉体ユニット１０とセンサユニット３０とをネジ止めにより組み立てることで作製できる。図６は、熱分析装置１の組み立て工程を示す斜視図である。まず、２つのネジ９１により炉体１１に、センサ台１４を固定する。そして、絶縁シート１５をセンサ台１４の上に配置し、センサユニット３０を重ねて、２つのネジ９２により固定する。このようにして、熱分析装置１を組み立てることができる。なお、上記の締結はネジにより行っているが、それ以外の締結手段を用いてもよい。
【００５８】
また、上記の実施形態では、接合用のロウ材として金が用いられているが、銀等その他のロウ材であってもよい。その他のロウ材としては、金属層形成処理や接合金属の表面材に適したものが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】熱分析装置を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）本発明に係るセンサユニットを示す平面図である。（ｂ）本発明に係るセンサユニットを示す正面図である。（ｃ）本発明に係るセンサユニットを示す底面図である。
【図３】（ａ）ベース板を示す平面図である。（ｂ）ベース板を示す正面図である。（ｃ）ベース板を示す底面図である。
【図４】試料載置側から見た多対熱電対を示す平面図である。
【図５】本発明に係るセンサユニットの製造工程を示す斜視図である。
【図６】熱分析装置の組み立て工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 熱分析装置
１０ 炉体ユニット
１１ 炉体
１１ａ 試料室
１２ ヒータ線
１３ 炉体カバー
１４ センサ台
１５ 絶縁シート
３０ センサユニット
３１ ベース板（ベース部）
３１ａ ネジ孔
３１ｂ、３１ｃ 溝
３１ｅ 内側に窪んだ側面
３１ｆ 端面
３１ｄ 平面領域
３２ 多対熱電対
３２ａ、３２ｂ 熱電対素線
３５、３６ 感熱板（感熱部）
４０ 出力回路
４１ 標準試料用熱電対
４２、４３ 引き出し線
６０、７０ 平板
６１ 外枠
６２ 孔
６３ つなぎ部分
Ｃ 屈曲部
Ｒ 標準試料
Ｓ 測定試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各試料容器内の測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットであって、
絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部と、
２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、前記熱電対素線の特定部分は、前記ベース部に接合されている多対熱電対と、
絶縁体で形成され、前記各試料容器が載置される載置面を有し、前記多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部と、を備え、
前記一対の感熱部は、前記ベース部から離間して設けられていることを特徴とする熱分析装置のセンサユニット。
【請求項２】
前記熱電対素線は、平板状であり、前記多対熱電対の接点で重ねて接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項３】
前記平板状の熱電対素線は、幅方向に屈曲する屈曲部を有していることを特徴とする請求項２記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項４】
前記多対熱電対は、４対の熱電対により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項５】
前記多対熱電対は、クロメルの熱電対素線とコンスタンタンの熱電対素線とを接合することにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項６】
前記感熱部は、前記多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項７】
前記感熱部は、高熱伝導性を有するセラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項８】
前記ベース部は、前記炉体ユニットに対向する面に前記熱電対素線を嵌め込むための溝を有していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項９】
前記ベース部の溝は、前記嵌め込む熱電対素線の材料に応じて異なる溝の深さを有することを特徴とする請求項８記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１０】
前記ベース部は、長板状に形成され、前記感熱部の外形に沿って窪んだ側面を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１１】
前記多対熱電対の接点と前記感熱部との接合、前記接点における前記多対熱電対の熱電対素線同士の接合、および前記多対熱電対の熱電対素線の特定部分と前記ベース部との接合のうち、少なくとも一つの接合は、接合部材表面に形成した金属層同士を接合することによりなされていることを特徴とする請求項１から請求項１０記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１２】
それぞれ異なる熱電対材料により形成された２枚の平板を多対熱電対用のパターンに形成する工程と、
絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に配置されるベース部、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有する一対の感熱部および前記２枚の平板の接合用部分の表面に接合用金属の金属層を形成する工程と、
前記パターン形成された２枚の平板を重ねて多対熱電対の接点となる部分を密着させ、さらに前記２枚の平板を前記ベース部および一対の感熱部に密着させる工程と、
前記２枚の平板、ベース部および一対の感熱部を金属層同士で接合する工程と、を含むことを特徴とする熱分析装置のセンサユニットの製造方法。
【請求項１】
各試料容器内の測定試料と標準試料との温度差を検出する熱分析装置のセンサユニットであって、
絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に設けられたベース部と、
２種の熱電対素線を交互に接合することにより形成され、前記熱電対素線の特定部分は、前記ベース部に接合されている多対熱電対と、
絶縁体で形成され、前記各試料容器が載置される載置面を有し、前記多対熱電対の接点が接合されている一対の感熱部と、を備え、
前記一対の感熱部は、前記ベース部から離間して設けられていることを特徴とする熱分析装置のセンサユニット。
【請求項２】
前記熱電対素線は、平板状であり、前記多対熱電対の接点で重ねて接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項３】
前記平板状の熱電対素線は、幅方向に屈曲する屈曲部を有していることを特徴とする請求項２記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項４】
前記多対熱電対は、４対の熱電対により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項５】
前記多対熱電対は、クロメルの熱電対素線とコンスタンタンの熱電対素線とを接合することにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項６】
前記感熱部は、前記多対熱電対の接点がそれぞれ電気的に独立して接合されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項７】
前記感熱部は、高熱伝導性を有するセラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項８】
前記ベース部は、前記炉体ユニットに対向する面に前記熱電対素線を嵌め込むための溝を有していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項９】
前記ベース部の溝は、前記嵌め込む熱電対素線の材料に応じて異なる溝の深さを有することを特徴とする請求項８記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１０】
前記ベース部は、長板状に形成され、前記感熱部の外形に沿って窪んだ側面を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１１】
前記多対熱電対の接点と前記感熱部との接合、前記接点における前記多対熱電対の熱電対素線同士の接合、および前記多対熱電対の熱電対素線の特定部分と前記ベース部との接合のうち、少なくとも一つの接合は、接合部材表面に形成した金属層同士を接合することによりなされていることを特徴とする請求項１から請求項１０記載の熱分析装置のセンサユニット。
【請求項１２】
それぞれ異なる熱電対材料により形成された２枚の平板を多対熱電対用のパターンに形成する工程と、
絶縁体で形成され、温度制御される炉体ユニットの近傍に配置されるベース部、絶縁体で形成され、各試料容器が載置される載置面を有する一対の感熱部および前記２枚の平板の接合用部分の表面に接合用金属の金属層を形成する工程と、
前記パターン形成された２枚の平板を重ねて多対熱電対の接点となる部分を密着させ、さらに前記２枚の平板を前記ベース部および一対の感熱部に密着させる工程と、
前記２枚の平板、ベース部および一対の感熱部を金属層同士で接合する工程と、を含むことを特徴とする熱分析装置のセンサユニットの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−８９４７４（Ｐ２００８−８９４７４Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７２１７５（Ｐ２００６−２７２１７５）
【出願日】平成１８年１０月３日（２００６．１０．３）
【出願人】（０００２５０３３９）株式会社リガク (206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月３日（２００６．１０．３）
【出願人】（０００２５０３３９）株式会社リガク (206)
【Ｆターム（参考）】
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