(57)【要約】      （修正有）【課題】流体の物性値の測定精度を改善する。【解決手段】基体６０と、基体６０の表面に配置された絶縁体６５と、絶縁体６５上に設けられた第１の抵抗体６１とを有し、第１の抵抗体６１に与えられる第１の駆動電力と第１の抵抗体６１の温度とに基づいて表面に接する流体の物性値を測定するのに用いられるセンサユニット６と、絶縁体６５の表面に流体が流通することを許容する空間７２を確保しつつ絶縁体６５を覆うようにセンサユニット６に設けられたカバー７と、与えられる第２の駆動電力に応じてセンサユニット６及びカバー７の少なくとも一方の温度を制御する第２の抵抗体６４と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、前記基体の表面に配置された絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた第１の抵抗体とを有し、前記第１の抵抗体に与えられる第１の駆動電力と前記第１の抵抗体の温度とに基づいて表面に接する流体の物性値を測定するのに用いられるセンサユニットと、
前記絶縁体の表面に前記流体が流通することを許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆うように前記センサユニットに設けられたカバーと、
与えられる第２の駆動電力に応じて前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方の温度を制御する第２の抵抗体と、
を備えた、センサアセンブリ。
【請求項２】
前記物性値の測定は、さらに前記絶縁体の表面に接する前記流体の温度に基づいて実施される、請求項１記載のセンサアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の抵抗体は、前記流体の温度を検出する温度センサを兼ねる、請求項２記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
前記第２の抵抗体は、前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
前記第２の抵抗体は、前記センサユニットに１つだけ設けられている、請求項４記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
前記カバーは、前記基体の熱伝導率以上の熱伝導率を有する、請求項５記載のセンサアセンブリ。
【請求項７】
前記カバーは、カバー基体と、前記カバー基体に設けられた複数の凸部とを備え、
前記空間は、前記カバー基体と前記凸部と前記絶縁体の表面とで形成される空間である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサアセンブリ。
【請求項８】
前記測定される物性値は、前記流体の熱伝導率である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサアセンブリ。
【請求項９】
前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記流体の熱量である、請求項８記載のセンサアセンブリ。
【請求項１０】
前記流体は複数種類のガスを組成成分に含む混合ガスであり、
前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記組成成分に関する値である、請求項８記載のセンサアセンブリ。
【請求項１１】
基体と、前記基体の表面に配置された絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた第１の抵抗体とを有し、前記第１の抵抗体に与えられる第１の駆動電力と前記第１の抵抗体の温度とに基づいて前記流体の物性値を測定するのに用いられるセンサユニット、前記絶縁体の表面に前記流体が流通することを許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆うように前記センサユニットに設けられたカバー、および、与えられる第２の駆動電力に応じて前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方の温度を制御する第２の抵抗体、を含むセンサアセンブリと、
前記第２の抵抗体によって前記温度が一定に制御された状態で、前記流体の物性値を測定する測定ユニットと、を備えた、流体の物性値測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の一例である、天然ガス等の気体の物性値、例えば、熱伝導率や熱量、組成成分等を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス等の気体の物性値、例えば、熱伝導率や熱量、成分等を測定する技術として、下記の特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１の記載によれば、センサチップに断熱性を有するダイアフラムを介して設けられたマイクロヒータに対して与えた電力と、そのときのヒータ温度とから放熱係数を求め、当該放熱係数を基に雰囲気ガスの熱伝導率を求めるに際して、センサチップに設けた補助ヒータによってセンサチップ周辺近傍の温度を一定化することができる。したがって、恒温層などを用いなくても、純粋ガスや混合ガスの熱伝導率を、その温度にかかわりなく簡易に計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４８２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術において、測定精度をさらに向上させたい場合がある。上述した従来技術は、補助ヒータによってセンサチップ周辺近傍の温度を一定に制御しようとするが、センサチップの表面（マイクロヒータの設けられたダイアフラム）が露出しているため、センサチップ周辺近傍の気体の温度の変動が大きいと、その変動に応じてダイアフラムの温度、つまりはヒータ温度も変動する。
【０００５】
例えば、周囲温度が１０℃変動すると、ダイアフラムの温度は０．５℃程度変動する場合がある。このような温度変動は、熱伝導率の測定誤差の要因となり、アプリケーションによっては無視できない測定誤差が生じて要求される測定精度を満たせない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的の一つは、ガス等の流体の物性値の測定精度を改善することにある。
【０００７】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成し得る本発明の態様は、以下に示すセンサアセンブリ及び流体の物性値測定装置として把握される。
【０００９】
すなわち、センサアセンブリの一態様は、基体と、前記基体の表面に配置された絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた第１の抵抗体とを有し、前記第１の抵抗体に与えられる第１の駆動電力と前記第１の抵抗体の温度とに基づいて表面に接する流体の物性値を測定するのに用いられるセンサユニットと、前記絶縁体の表面に前記流体が流通することを許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆うように前記センサユニットに設けられたカバーと、与えられる第２の駆動電力に応じて前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方の温度を制御する第２の抵抗体と、を備える。
【００１０】
このような構成を有するセンサアセンブリでは、前記カバーによって、前記流体の流通を許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆った状態で、前記第２の抵抗体の発熱によって前記基板及び前記カバーの少なくとも一方の温度が制御される。これにより、他方の温度も前記発熱の熱伝導によって制御することができ、前記センサユニット（第１の抵抗体）に触れる流体の温度を、一定に安定化することができる。
【００１１】
ここで、前記物性値の測定は、さらに前記絶縁体の表面に接する前記流体の温度に基づいて実施することができる。
【００１２】
また、前記第２の抵抗体は、前記流体の温度を検出する温度センサを兼ねてもよい。また、前記第２の抵抗体は、前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方に設けることとしてもよく、例えば、前記センサユニットに１つだけ設けるようにしてもよい。
【００１３】
さらに、前記カバーは、前記基体の熱伝導率以上の熱伝導率を有するものとしてもよい。また、前記カバーは、カバー基体と、前記カバー基体に設けられた複数の凸部とを備え、前記空間は、前記カバー基体と前記凸部と前記絶縁体の表面とで形成される空間である、こととしてもよい。
【００１４】
さらに、前記測定される物性値は、前記流体の熱伝導率としてもよい。また、前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記流体の熱量としてもよい。さらに、前記流体は複数種類のガスを組成成分に含む混合ガスであり、前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記組成成分に関する値としてもよい。
【００１５】
また、流体の物性値測定装置の一態様は、上述したセンサアセンブリと、前記第２の抵抗体によって前記温度が一定に制御された状態で、前記流体の物性値を測定する測定ユニットと、を備える。
【００１６】
このような構成を用いることで、上述したごとく絶縁体の表面に対する流体の流通を許容する空間において前記絶縁体に接する流体の温度を、一定に安定化した状態で、流体の物性値の測定を実施することができる。
【発明の効果】
【００１７】
上述した本発明によれば、前記絶縁体、ひいては第１の抵抗体に触れる測定対象の流体の温度を、一定に安定化することができるので、前記空間における流体の温度が周囲温度の変動に応じて変動することを最小限に抑制することができる。したがって、流体の物性値の測定誤差を最小限に抑制して、前記測定の精度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態のセンサアセンブリの概略的な構成を例示する斜視図である。
【図２】図１に例示するセンサアセンブリの分解斜視図である。
【図３】図１及び図２に例示するセンサチップの概略的な断面構造を示す断面図である。
【図４】図２及び図３に例示するマイクロヒータ近傍におけるガスの温度分布の一例を模式的に示す図である。
【図５】組成比率の異なる混合ガスの温度によって変化する放熱係数Ｃとガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係を示す図である。
【図６】一実施形態に係る熱伝導率測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】本実施形態の補助ヒータおよびマイクロヒータの抵抗値を一定化するヒータ駆動回路の構成例を示す図である。
【図８】（ａ）は本実施形態の熱伝導率測定装置によって計測される、温度Ｔoにおける放熱係数Ｃとガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係の一例を示す図、（ｂ）は本実施形態の熱伝導率測定装置によって計測される、放熱係数Ｃとプロパンガス濃度との関係の一例を示す図である。
【図９】一実施形態のガス成分比率測定装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
【００２０】
図１は一実施形態に係るセンサアセンブリ１を模式的に示す斜視図、図２は図１に例示するセンサアセンブリ１の分解斜視図、図３は図２に例示するセンサチップ６のII−II矢視断面図である。
【００２１】
本実施形態のセンサアセンブリ１は、例示的に、平板状のセンサチップ（センサユニット）６と、センサチップ６を一方の面（裏面）から支持する台座５と、センサチップ６上に中空支持されてセンサチップ６の他方の面（表面）を覆うカバー７とを有する。
【００２２】
センサチップ６は、第１の抵抗体の一例としてのマイクロヒータ（発熱抵抗体）６１を有し、その発熱量を基に流体の一例である気体（例えばガス）の熱伝導率を測定するのに用いられる。ガスは、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の純粋ガスでもよいし、これらのいずれかを組成成分に含む天然ガス等の混合ガスでもよい。
【００２３】
センサチップ６は、図２及び図３に例示するように、キャビティ（凹部）６６が設けられた基体の一例である基板６０と、基板６０上に少なくともキャビティ６６を覆うように設けられた絶縁体６５と、を備える。絶縁体６５は、例えば膜状の絶縁層として形成することができる。
【００２４】
基板６０の厚みは、例えば０．５ｍｍであり、基板６０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．５ｍｍ程度である。ただし、基板６０の寸法、形状は、これらに限られない。基板６０の材料としては、例示的に、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。絶縁体６５の材料としては、例示的に、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等が使用可能である。
【００２５】
キャビティ６６は、基板６０の一方の面の略中央部に異方性エッチングやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等を用いて形成することができる。図２及び図３には、一例として舟形凹状のキャビティ６６が形成された様子を例示している。
【００２６】
絶縁体６５は、熱容量が小さく、基板６０に対して断熱性を有する部材（断熱部）としても用いられ、また、キャビティ６６を覆う部分の絶縁体６５は、基板６０に対して断熱性を有するダイアフラムをなす。ダイアフラムには、例示的に、複数の透孔６７が設けられており、これらの透孔６７を介してダイアフラムの両面が外気に開放されている。
【００２７】
センサチップ６の全体は、図１及び図２に例示するように、台座５によって支持される。台座５は、例示的に、平板状の基体５０の四隅に、突出する４つの脚部（凸部）５１（１つは図１及び図２において死角にある）を有する。
【００２８】
台座５は、これらの脚部５１とセンサチップ６の四隅とが接合されることで、センサチップ６を実質的に空中（測定対象のガス中）に浮かした状態で支持（中空支持）、固定することができる。これにより、台座５の基体５０とセンサチップ６との間には、台座５の基体５０と台座５の各脚部５１とセンサチップ６とで形成される十字状の空間５２が確保され、当該空間５２に対してガスの流通が許容される。つまり、空間５２は、ガスの流路として位置付けられる。
【００２９】
このような台座５は、支持するセンサチップ６の寸法、形状に応じた寸法、形状とすることができる。例えば、１辺の長さは約１．５ｍｍ、厚さは約０．３ｍｍ、脚部５１の高さ（流路５２の深さ）は約０．７ｍｍ、脚部５１の一辺の長さは０．３ｍｍ程度とすることができる。
【００３０】
脚部５１とセンサチップ６との固定（接合）には、既知の種々の接合手法を用いることができ、例えば、接着剤を用いてもよいし、嵌合、係止等の機械的な接続構造を用いてもよい。台座５の材料としては、例えばガラスやセラミック等が利用可能である。また、台座５には、熱伝導率の大きい部材、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の部材を用いることができる。熱伝導率の大きい部材を用いれば、センサチップ６全体を所定の温度に一定制御するのに用いる電流量を抑制でき、容量の小さな電源でも効率的な温度制御が可能となる。熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の部材の一例としては、多孔性部材等が挙げられる。
【００３１】
なお、台座５には、例えば特許第３７４００２６号公報、特許第３７４００２７号公報、特開２００２−２９６８８号公報、特開２００２−３１８１４８号公報、特開２００２−３１８１４９号公報等にそれぞれ記載されているものを適宜採用することができる。
【００３２】
カバー７は、例示的に、平板状の基体（カバー基体）７０と、基体７０の四隅に突出して設けられた４つの脚部（凸部）７１（１つは図１及び図２において死角にある）と、を有する。これらの脚部７１とセンサチップ６の四隅とがそれぞれ接合されることで、カバー７は、センサチップ６（絶縁体６５）のマイクロヒータ６１が設けられた面と所定の空間７２を保って当該センサチップ６を覆う。
【００３３】
これにより、マイクロヒータ６１へ測定対象のガスが流通することを許容する空間７２を確保しつつセンサチップ６がカバー７で覆われる。その結果、カバー７の基体７０とカバー７の各脚部７１とセンサチップ６（絶縁体６５）の表面とで十字状の空間７２が形成され、この空間７２に対してガスの流通が許容されて、ガスをセンサチップ６の表面に触れさせることができる。したがって、空間７２は、空間５２と同様に、ガスの流路として位置付けられる。
【００３４】
換言すれば、カバー７は、センサチップ６（絶縁体６５）のマイクロヒータ６１の設けられた面がガスに露出した状態で覆うことのできる形状を有していれば足りる。例示すれば、カバー７は、ドーム状のものであってもよい。また、カバー７とセンサチップ６との接合箇所も、センサチップ６の四隅には限られない。センサアセンブリ１として必要な強度に応じて、接合箇所やその数は適宜変更してよい。
【００３５】
なお、脚部７１とセンサチップ６との固定（接合）についても、既知の種々の接合手法を用いることができ、例えば、接着剤を用いてもよいし、機械的な嵌め合わせや係合構造を用いてもよい。また、カバー７の寸法、形状、材料は、台座５の寸法、形状と同じでもよいし、異なっていてもよい。仮に同じにすれば、カバー７と台座５とを共用化することもでき、センサアセンブリ１の部品点数を削減できる。
【００３６】
また、カバー７には、センサチップ６（基板６０）と同じかそれよりも大きい熱伝導率を有する部材を用いることができる。熱伝導率の大きい部材を用いることで、後述するように周囲温度センサ（補助ヒータ）６４が電圧供給を受けて駆動されることにより発熱した熱が効率的にカバー７にも伝わり、センサチップ６とカバー７の双方の温度を容易に所望の温度に制御できる。
【００３７】
なお、センサチップ６とカバー７との接合に接着剤を用いる場合、接着剤にも熱伝導率の大きいものを用いれば、センサチップ６とカバー７との間の熱伝導を妨げずに効率的に行なうことが可能である。また、カバー７は、センサチップ６に専用のものでなくてもよく、例えば、測定対象のガスが流通する流路を形成する配管の側壁の一部をカバー７として利用（つまり兼用）してもよい。
【００３８】
センサチップ６は、絶縁体６５に設けられた既述のマイクロヒータ６１と、マイクロヒータ６１から隔離されて絶縁体６５に設けられた周囲温度センサ６４と、を備える。
【００３９】
つまり、センサチップ６は、図３にその概略的な断面構造を例示するように、マイクロヒータ６１を、断熱性を有する前記ダイアフラム上に設けることで実質的に空中に浮かした状態で支持する。これにより、センサチップ６は、ダイアフラムの両面、換言すれば、既述のように台座５及びカバー７と、センサチップ６とがそれぞれ成す空間（流路）５２，７２に沿って流通するガスに接することができる。なお、センサチップ６（センサアセンブリ１）を測定対象のガス中に配置する際の向きは、例えば、ガスの流通方向Ｆに対してマイクロヒータ６１の長辺が交差する向きである。
【００４０】
マイクロヒータ６１は、例示的に、キャビティ６６を覆う絶縁体６５の中心に配置され、マイクロヒータ６１に接するガスを加熱する。周囲温度センサ６４は、マイクロヒータ６１から隔離した位置に配置することができる。これにより、周囲温度センサ６４は、マイクロヒータ６１の温度に影響されずに、センサチップ６の表面に接するガスの温度（周囲温度）を検出することができる。
【００４１】
換言すれば、周囲温度センサ６４は、マイクロヒータ６１の放熱による影響を受けない位置に設けられていれば足り、また、その数も１つに限られない。周囲温度センサ６４には、マイクロヒータ６１と同様の発熱抵抗体（第２の抵抗体）を用いることができる。この場合、周囲温度センサ６４は、絶縁体６５の温度を制御してセンサチップ６（あるいはカバー７）全体を一定温度に加熱する補助的なヒータ（以下、「補助ヒータ」ともいう）としても機能し得る。つまり、第２の抵抗体は、補助ヒータとしての機能と周囲温度センサ６４としての機能を兼ねている。
【００４２】
なお、図２及び図３において、補助ヒータ６４は、例示的に、センサチップ６（基板６０）側に対して１つだけ設けられているが、カバー７側に設けることもできるし、カバー７側とセンサチップ６側の双方にそれぞれ１又は複数設けることもできる。
【００４３】
補助ヒータ６４による温度一定制御により、センサチップ６（センサアセンブリ１）の周辺近傍のガス温度の変動が、センサチップ６の表面（マイクロヒータ６１）に接する気体に与える温度変動（ヒータ温度）の影響を抑制することが可能となる。しかも、本実施形態では、カバー７にセンサチップ６（基体６０）と同じかそれよりも大きい熱伝導率の部材を用いることで、補助ヒータ６４が発した熱をカバー７にも効率的に伝達してセンサチップ６とカバー７の双方を、効率良く所望の温度に制御できる。したがって、より効果的に、上記の周囲温度変化の影響を抑制することが可能である。
【００４４】
なお、マイクロヒータ６１及び周囲温度センサ６４のいずれか一方又は双方は、白金（Ｐｔ）等を用いて形成可能であり、形成方法には、リソグラフィ法等を適用できる。
【００４５】
ところで、マイクロヒータ６１や補助ヒータ６４に用いる白金等の発熱抵抗体（感熱抵抗体）は、温度によってその抵抗値が変化する性質を有する。例えば２０℃の標準温度Ｔstdでのマイクロヒータ６１の抵抗値をＲstd、１次の抵抗温度係数をα、２次の抵抗温度係数をβとそれぞれ表す場合、温度Ｔｈでのマイクロヒータ６１の抵抗値Ｒｈは、次式（１）により求めることができる。
Ｒｈ＝Ｒstd・［１＋α(Ｔｈ−Ｔstd)＋β(Ｔｈ−Ｔstd)2］  …（１）
【００４６】
したがって、マイクロヒータ６１の抵抗値Ｒｈが特定されれば、上記式（１）により、抵抗値Ｒｈからマイクロヒータ６１の発熱温度（ヒータ温度）Ｔｈを求めることが可能となる。この点は、周囲温度センサ（補助ヒータ）６４についても同様である。
【００４７】
また、マイクロヒータ６１の温度Ｔｈは、マイクロヒータ６１の発熱と、マイクロヒータ６１からガスへの放熱とが釣り合った状態（熱平衡状態）となったときに安定する。熱平衡状態において、ヒータ温度をＴｈ、周囲温度をＴｏ、マイクロヒータ６１からガスへの放熱係数をＣとそれぞれ表すとき、マイクロヒータ６１の駆動電力Ｐｈは、次式（２）で表すことができる。
Ｃ・(Ｔｈ−Ｔｏ)＝Ｐｈ  …（２）
【００４８】
換言すれば、上記の式（２）を満たす条件が成立したとき、マイクロヒータ６１とガスとが熱平衡状態となって安定する。したがって、この熱平衡状態の条件から、マイクロヒータ６１からガスへの放熱係数Ｃを、次式（３）により求めることが可能となる。
Ｃ＝Ｐｈ／(Ｔｈ−Ｔｏ)  …（３）
【００４９】
一方、マイクロヒータ６１の駆動電力Ｐｈは、マイクロヒータ６１の両端間に印加される電圧をＶｈとし、そのときにマイクロヒータ６１に流れる電流をＩｈとして、次式（４）により求めることができる。
Ｐｈ＝Ｖｈ・Ｉｈ  …（４）
【００５０】
また、そのときのマイクロヒータ６１の抵抗値Ｒｈは、次式（５）により求めることができる。
Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ＝Ｐｈ／Ｉｈ2  …（５）
【００５１】
したがって、マイクロヒータ６１の駆動電力Ｐｈを求めれば、駆動電力Ｐｈとマイクロヒータ６１に流れる電流Ｉｈとに基づいて、マイクロヒータ６１の抵抗値Ｒｈを求めることができ、更には抵抗値Ｒｈに基づいて、マイクロヒータ６１の温度Ｔｈを求めることができる。
【００５２】
周囲温度Ｔｏについては、既述のように補助ヒータ６４の発熱温度（周囲温度）Ｔｏ自体を一定制御する場合、その制御条件から求めることができる。マイクロヒータ６１の駆動電力Ｐｈ、マイクロヒータ６１のヒータ温度Ｔｈ、その周囲温度Ｔｏがそれぞれ得られれば、前記の式（３）により、マイクロヒータ６１からガスへの放熱係数Ｃを算出することが可能である。
【００５３】
一方、放熱係数Ｃは、マイクロヒータ６１からガスへの平均熱伝達係数をｈとし、マイクロヒータ６１の放熱面積をＳとして、例えば次式（６）で表すことができる。
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ  …（６）
なお、平均熱伝達係数ｈは、ガスの自然対流の状況やマイクロヒータ６１の表面の状態によって変化し得る。また、上記係数［２］は、図４に模式的に示すように、マイクロヒータ６１からガスへの熱伝達が、マイクロヒータ６１の表裏の２面でそれぞれ行なわれることを考慮したものである。
【００５４】
マイクロヒータ６１の素子面積（発熱面積）が微小であり、このマイクロヒータ６１の発熱によって生じる温度変化の範囲が微小であってスポット的な温度変位しか生じることがなく、また、ガスの自然対流もないものと仮定すると、マイクロヒータ６１の周囲の温度分布は、図４に例示するようにマイクロヒータ６１から離れるに従って次第に低くなる。例えば、マイクロヒータ６１に接する部位での温度はヒータ温度Ｔｈまで高められ、マイクロヒータ６１から離れるに従ってその温度は次第に周囲温度Ｔｏまで低下する。
【００５５】
このような温度分布を有するガスの温度がヒータ温度Ｔｈから周囲温度Ｔｏまで低下するまでの領域を温度境界層と定義し、その厚みをｄとすると、平均熱伝達係数ｈは、ガスの熱伝導率λに比例し、且つ、温度境界層の厚みｄに反比例すると考えられる。即ち、平均熱伝達係数ｈは、次式（７）によって決定できる。
ｈ＝λ／ｄ  …（７）
【００５６】
ここで、ガスの熱伝導率λは、温度が高くなるほど大きくなる傾向にあり、温度Ｔにおけるガスの熱伝導率λ（Ｔ）は、例えば次式（８）により表すことができる。
λ（Ｔ）＝λo（１＋γ・Ｔ）  …（８）
ただし、λoは、基準温度（例えば０℃）におけるガスの熱伝導率を表し、γは１次の温度係数を表す。
【００５７】
前記温度境界層の厚みｄは、ガスの熱伝導率λによって変化し、熱伝導率λが大きくなるほど熱伝導が速いので、その厚みｄが薄くなる。逆に、ガスの熱伝導率λが小さい場合には、熱伝導が遅い分、その温度変化の勾配が緩やかとなって温度境界層の厚みｄが厚くなる。
【００５８】
つまり、境界層の厚みｄはガスの熱伝導率λによって変化し、また、ガスの熱伝導率λは温度によって変化する。したがって、温度Ｔにおける上記温度境界層の厚みｄ（Ｔ）は、次式（９）に示すように、温度Ｔにより変化するガスの熱伝導率λ（Ｔ）をパラメータαとする関数ｆ［α］を用いて表すことができる。
ｄ（Ｔ）＝ｆ［λ（Ｔ）］  …（９）
【００５９】
また、マイクロヒータ６１の放熱面積Ｓは、例えば、マイクロヒータ６１を設けたダイアフラムの全体の面積を指し、マイクロヒータ６１の近傍におけるガスの温度分布はダイアフラム上での温度分布に依存して変化する。しかし、ガスの熱伝導率λが大きい場合には、その温度分布がシャープな形状となるので、その実効的なマイクロヒータ６１の放熱面積Ｓは、ガスの熱伝導率λに応じて小さくなる。そのため、放熱面積Ｓは、ダイアフラムの面積Ｓoよりも小さな面積として捉えることができる。
【００６０】
この場合、マイクロヒータ６１が微小であることと相俟って、マイクロヒータ６１の放熱面積Ｓは、スポット状であり、実質的に点熱源をなしているとみることができる。したがって、実効的な放熱面積Ｓは、例えば次式（１０）に示すように、温度Ｔにより変化するガスの熱伝導率λ（Ｔ）をパラメータαとする関数ｇ［α］として表すことができる。
Ｓ（Ｔ）＝ｇ［λ（Ｔ）］  …（１０）
【００６１】
以上から、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃとガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係をまとめると、前述した各式から次式（１１）で表される関係を導くことができる。
【００６２】
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ
＝２・(λ（Ｔ）÷ｄ（Ｔ）)・Ｓ（Ｔ）
＝２・（λ（Ｔ）÷ｆ［λ（Ｔ）］)・ｇ［λ（Ｔ）］  …（１１）
【００６３】
この式（１１）に示される関係から、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃは、温度Ｔによって変化するガスの熱伝導率λ（Ｔ）、つまりはガスの温度特性の影響を受けることが理解できる。
【００６４】
図４に、成分が既知であるプロパンガスと空気との混合比率を変えた複数種のガスについて、その温度を０℃，２０℃，４０℃と変化させたときのマイクロヒータ６１の放熱係数Ｃと上記ガスの熱伝導率λとの関係（特性）の一例を示す。
【００６５】
図４に示されるように、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃと各ガスの熱伝導率λとの間には、或る程度の相関傾向があるものの、温度の影響を受けて放熱係数Ｃと熱伝導率λとの対応関係が変化する。したがって、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃからガスの熱伝導率λを求める場合には、何らかの温度補正を行なうのが好ましい。
【００６６】
そこで、既述のように、マイクロヒータ６１を有するセンサチップ６を周囲から断熱して支持した場合、ガスに伝達する熱は、センサチップ６の放熱によるものが支配的となる。したがって、補助ヒータ６４の発熱温度を一定制御すれば、補助ヒータ６４から発せられた熱は、ガスへの放熱分を除いて、センサチップ６に伝達することになる。
【００６７】
これにより、センサチップ６は、全体的に均一に加熱され、ガスとの間で熱平衡状態となることで温度が安定化する。つまり、センサチップ６の温度は、補助ヒータ６４の発熱温度（センサチップ６の温度）Ｔで安定化すると考えてよい。
【００６８】
一方、センサチップ６の周囲近傍のガスは、センサチップ６全体からの放熱を受けて加熱され、センサチップ６との間で熱平衡状態となったときに安定する。したがって、センサチップ６の周囲近傍におけるガスは、センサチップ６の温度に依存して部分的に安定化する。つまり、センサチップ６の周囲近傍において、ガスはセンサチップ６の温度（補助ヒータ６４の発熱温度）Ｔに安定化すると考えてよい。
【００６９】
このように温度が安定化したセンサチップ６の周囲近傍におけるガスが、図４により前述したようにマイクロヒータ６１からの放熱を受けて温度境界層を形成する。したがって、そのときの温度境界層の厚みｄは、安定化された温度Ｔcnstにおけるガスの熱伝導率をλとしたとき、ｄ＝ｆ［λ］として一意に決定することができる。
【００７０】
また、マイクロヒータ６１の実効的な放熱面積Ｓも、Ｓ＝ｇ［λ］として、温度Ｔcnstにおけるガスの熱伝導率λに依存して一意に決定することができる。したがって、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃと、一定温度Ｔcnstにおけるガスの熱伝導率λとの関係は、Ｃ＝２・（λ÷ｆ［λ］)・ｇ［λ］となり、これらはガスの温度特性に依存することなく１対１に対応付けられることになる。
【００７１】
以上のような考察に基づき、マイクロヒータ６１を有するセンサチップ６を周囲から断熱してガス中に支持し、この状態で、例えば補助ヒータ６４の抵抗値Ｒｒを一定化して発熱温度を一定化することで、センサチップ６の全体を一定温度に保つことができる。また、補助ヒータ６４の発熱は、カバー７にも伝達され、カバー７の全体も一定の温度に保つことができる。
【００７２】
これにより、センサチップ６（絶縁体６５）の表面とカバー７の内面（基体７０）と脚部７１とで形成される空間（流路）７２における測定対象のガスの温度を、カバー７を設けない場合よりも高安定化した測定環境を提供することができる。
【００７３】
このようにガスの温度が安定化された測定環境において、マイクロヒータ６１を駆動したときの駆動電力Ｐｈから放熱係数Ｃを求め、求めた放熱係数Ｃと熱伝導率λoとの相関関係を基にして、温度Ｔcnstにおけるガスの物性値の一例として熱伝導率λを求めれば、温度変動による測定誤差を最小限に抑制して高精度にガスの熱伝導率を求めることができる。
【００７４】
以下、以上のようにして熱伝導率λを求める装置（熱伝導率測定装置）の一例について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る気体の物性値測定装置の一例としての熱伝導率測定装置の構成例を示すブロック図である。
【００７５】
この図６に例示する熱伝導率測定装置（以下、単に「測定装置」ともいう）は、ガスの熱伝導率を測定する測定ユニットとして、例示的に、周囲温度センサ（補助ヒータ）６４及びマイクロヒータ６１のそれぞれに電流を供給して発熱駆動するヒータ駆動電源２０及び３０と、駆動電力検出部４０１と、ヒータ電流検出部４０２と、ヒータ温度検出部４０３と、周囲温度検出部４０４と、放熱係数算出部４０５と、熱伝導率算出部４０６と、メモリ４０７と、を備える。
【００７６】
ヒータ駆動電源３０，２０は、例えば図７に示すように、温度制御対象であるマイクロヒータ６１または周囲温度センサ（補助ヒータ）６４を１つのブリッジ辺とした抵抗ブリッジ回路３０ａと、この抵抗ブリッジ回路３０ａのブリッジ電圧Ｖ2に応じて上記抵抗ブリッジ回路３０ａに加える駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御する電圧制御回路３０ｂと、を備える。
【００７７】
即ち、ヒータ駆動電源３０，２０は、抵抗値が既知の固定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、抵抗値Ｒｈのマイクロヒータ６１、又は抵抗値Ｒｒの補助ヒータ６４と、を用いた抵抗ブリッジ回路３０ａのブリッジ電圧Ｖ2a，Ｖ2bを、電圧制御回路３０ｂの一例としての差動増幅器の入力電圧とし、マイクロヒータ６１側のブリッジ電圧Ｖ2aが常に固定抵抗Ｒ２，Ｒ３側のブリッジ電圧Ｖ2bとなるように、ブリッジ駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御する。これにより、マイクロヒータ６１の抵抗値Ｒｈ、又は補助ヒータ６４の抵抗値Ｒｒが一定となるよう精度良く制御される。結果、熱伝導率λの測定精度も向上できる。
【００７８】
このとき、マイクロヒータ６１に流れる電流Ｉｈは、Ｉｈ＝（Ｖ1−Ｖ2a）／Ｒ１となる。また、マイクロヒータ６１側のブリッジ電圧Ｖ2aは、Ｖ2a＝Ｖ2b＝Ｖ１・Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）として求めることができる。
【００７９】
したがって、ヒータ電流検出部４０２によって電流Ｉｈを求めることで、駆動電力検出部４０１は、マイクロヒータ６１の駆動電力ＰｈをＰｈ＝Ｉｈ・Ｖ２ａとして求めることができる。また、ヒータ抵抗Ｒｈは、既述のように、Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈとして求めることができる。
【００８０】
ヒータ温度検出部４０３は、各検出部４０１及び４０２で検出された、駆動電力Ｐｈと通電電流Ｉｈとに基づいて、マイクロヒータ６１の温度Ｔｈを求める。周囲温度検出部４０４は、ヒータ駆動電源２０が周囲温度センサ（補助ヒータ）６４に与える駆動電力を基に、センサチップ６の周囲近傍におけるガスの温度（周囲温度）Ｔoを求める。
【００８１】
放熱係数算出部４０５は、ヒータ温度Ｔｈ、周囲温度Ｔo、および駆動電力Ｐｈに基づいて、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃを、Ｃ＝Ｐｈ／（Ｔｈ−Ｔo）として求める。メモリ４０７は、例えば、成分が既知のガスの温度Ｔoにおける熱伝導率λoと、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃとの対応関係（Ｃ−λ0特性）をテーブル形式のデータ等として記憶しておく。
【００８２】
そして、熱伝導率算出部４０６は、放熱係数算出部４０５で求められた放熱係数Ｃに基づいて、メモリ４０７に記憶された上記のデータ（テーブル）を参照することで、放熱係数Ｃに対応する温度Ｔoでのガスの熱伝導率λoを求めることができる。
【００８３】
以上のように、本実施形態によれば、センサチップ６を基板６０に対して断熱した状態でガス中に支持し、補助ヒータ６４の発熱温度を一定制御することで、センサチップ６とカバー７の双方を一定温度に保つことができる。したがって、センサチップ６の表面とカバー７の内面とで形成される空間（測定空間）７２におけるガスの温度をカバー７の無い場合よりも高度に安定化させることができる。
【００８４】
例えば、カバー７を設けない場合、周囲温度が１０℃変動するとセンサチップ６のダイアフラム近傍の温度が０．５度変動するものであったのが、カバー７を設けることで、同じ環境で半分（０．２５度）程度の温度変動に抑えることができる。したがって、カバー７の無い場合よりも測定誤差を低減して、センサチップ６近傍のガスの熱伝導率λを精度良く求めることができる。ひいては、例えば、熱伝導率の計測精度がシビアなアプリケーションにも十分対応することが可能となる。
【００８５】
図８（ａ）に、ガスとして混合比率を異ならせたプロパンガスと空気との複数種の混合ガスを用い、その温度を変化させながら前述したようにして計測される放熱係数Ｃと熱伝導率λとの関係を例示する。
【００８６】
図８（ａ）に示されるように、本実施形態の測定装置によれば、ガスの温度の違いにかかわらず、プロパンガスと空気との混合比率の違いに応じて、つまりはガスの成分比率に放熱係数Ｃと熱伝導率λとの関係を１対１に対応付けることができる。したがって、その対応関係を予め調べてメモリ４０７に記憶しておけば、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃを求めることで、混合ガスの熱伝導率λを求めることができる。
【００８７】
また、図８（ｂ）に、上述した混合ガスにおけるプロパンガスと空気との混合比率から求められるプロパンガスの濃度とマイクロヒータ６１の放熱係数Ｃとの関係を例示する。混合ガスの熱伝導率λmixは、プロパンガスの熱伝導率をλpg、空気の熱伝導率をλairとしたとき、その混合比率が［ｘ：ｙ］であるとして、λmix＝ｘ・λpg＋ｙ・λair（ｘ＋ｙ＝１）として表すことができる。
【００８８】
したがって、前述したごとくマイクロヒータ６１の放熱係数Ｃを求めることで、ガスの物性値の他の例として、成分が既知の混合ガスの成分比率を、例えば混合ガスの場合にはそのプロパンガス濃度を図８（ｂ）に示す放熱係数Ｃとの対応関係から容易に求めることが可能となる。
【００８９】
また、上述したようにして混合ガスをなす複数のガスの組成成分の比率を求めれば、例えばガス密度と発熱量との関係から各ガスが有する発熱量を、ガスの物性値のさらに他の例として、混合ガスの総量とその組成比率に応じてそれぞれ求めることができる。したがって、混合ガスの発熱量を算出することが可能となる。例えば、単位体積当たりの混合ガスが有する発熱量（エネルギー量）を、上述したごとく求められる成分比率から簡易に、しかも正確に計算することが可能となる。
【００９０】
このようにして混合ガスの成分比率を求め、更にはその発熱量を求める測定装置の一例を図９に示す。
【００９１】
図９に示す測定装置は、例示的に、図６に例示した構成に加えて、メモリ４０８と、成分比率演算部４０９と、メモリ４１０と、発熱量計算部４１１と、を備える。なお、メモリ４０７，４０８，４１０の一部又は全部は、共用メモリとして統合されていてもよい。
【００９２】
メモリ４０８には、温度Ｔでの混合ガスの熱伝導率λ（Ｔ）と、当該混合ガスに含まれると思われる複数のガスについての温度Ｔでの熱伝導率λ（Ｔ）とを対応付けたデータが記憶される。当該データは、例えば、異なる複数の温度Ｔに対応する測定条件に従ってヒータ電源３０の発熱温度を制御し、それぞれの測定条件下で熱伝導率算出部４０６にて求められる各温度Ｔでの熱伝導率λ（Ｔ）をメモリ４０８に書き込むことで設定できる。
【００９３】
成分比率演算部４０９は、メモリ４０８に記憶した混合ガス及び各ガスの熱伝導率λ（Ｔ）を基に前述した連立方程式を解くことで各ガスの成分比率を求めることができる。
【００９４】
メモリ４１０は、ガスの種類に応じたガス密度と発熱量との関係を表すデータ（発熱量テーブル）を記憶する。
【００９５】
発熱量計算部４１１は、成分比率演算部４０９によって算出された成分比率に基づいて、メモリ４１０の発熱量テーブルを参照することで、混合ガスの組成成分ごとの発熱量及び／又は総発熱量を求めることができる。
【００９６】
なお、測定対象のガスの物性値の他の例として、代替的あるいは付加的に、温度Ｔに対応するガスの湿度を求めてもよい。
【００９７】
以上のように、本実施形態によれば、カバー７付きのセンサチップ６（センサアセンブリ１）を外部環境から熱的に遮断してセンサチップ６を補助ヒータ６４によって一定温度に制御した状態で、マイクロヒータ６１の放熱係数Ｃを求めることで、ガス（純粋ガス又は混合ガス）の熱伝導率λ（Ｔ）、付加的に成分比率、発熱量等を精度良く、また、簡易に求めることができる。しかも、恒温槽を設ける等の大掛かりな設備を用いなくても、簡易に測定対象とするガスの熱伝導率λ（Ｔ）を求めることができるので、コスト低減にも寄与する。
【００９８】
加えて、本実施形態では、センサチップ６にカバー７を設けることで、先に述べたとおり熱伝導率算出部４０６で求められる熱伝導率λ（Ｔ）の測定誤差を低減して測定精度を向上できるから、熱伝導率λ（Ｔ）を基に求められるガスの成分比率や発熱量の測定精度も、カバー７を設けない場合よりも向上できる。したがって、許容される測定誤差が微小でシビアな測定精度が要求されるアプリケーションに対しても十分に対応することが可能となる。
【００９９】
なお、本発明は上述した実施形態は、あくまでも例示であり、以上に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【０１００】
例えば、上述した実施形態では、熱伝導率等の物性値の測定対象の流体が気体（ガス）である場合について説明したが、液体を測定対象とすることもできる。
【０１０１】
また、測定装置における各演算機能は、マイクロコンピュータにおけるソフトウェアにより実現することも可能である。また、マイクロヒータ６１の構造も特に限定されるものではなく、既存の熱式流量センサに設けられたヒータ素子を流用することも可能である。
【０１０２】
さらに、補助ヒータ６４やマイクロヒータ６１を駆動する手段についても、上述した抵抗ブリッジ回路３０ａと、そのブリッジ電圧をフィードバック制御する差動増幅器３０ｂとを用いた例に限定されない。
【符号の説明】
【０１０３】
１  センサアセンブリ
５  台座
２０，３０  ヒータ駆動電源
５０  基体
５１  脚部（凸部）
５２  空間（流路）
６  センサチップ（センサユニット）
６０  基板（基体）
６１  マイクロヒータ（第１の抵抗体）
６４  周囲温度センサ（補助ヒータ；第２の抵抗体）
６５  絶縁体（断熱部）
６６  キャビティ（凹部）
７  カバー
７０  基体
７１  脚部（凸部）
７２  空間（流路）
４０１  駆動電力検出部
４０２  ヒータ電流検出部
４０３  ヒータ温度検出部
４０４  周囲温度検出部
４０５  放熱係数算出部
４０６  熱伝導率算出部
４０７，４０８，４１０  メモリ
４０９  成分比率演算部
４１１  発熱量計算部
【図１】
2010236983.tif 000003
【図２】
2010236983.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010236983.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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