(57)【要約】  【課題】  構造の複雑化、大型化並びにコストアップを招くことなく、検出感度及び応答性の向上を実現できる赤外線ガス分析計用流量検出素子を提供する。  【解決手段】  ガス流通路としての空洞部１ａを有する基板１と、この基板１上に空洞部１ａを遮るように設けられる絶縁膜２を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータ４とを有し、この蛇行状ヒータ４を保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔６を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子において、ヒータ４への通電用電極３との接続部４ｂを除く蛇行状ヒータ４を、その全長部が基板１と重ならないように基板１における空洞部１ａの外郭線ＯＬで囲まれた領域内に配置している。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填された二つのガス室を連通させるガス通路内に配置される赤外線ガス分析計用流量検出素子であって、ガス流通路としての空洞部を有する基板と、この基板上に前記空洞部を遮るように設けられる絶縁膜を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータとを有し、この蛇行状ヒータを保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子において、
前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部が前記基板と重ならないように基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域内に配置していることを特徴とする赤外線ガス分析計用流量検出素子。
【請求項２】
前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータが、その全長部のうちの最も外周に位置する部分と前記基板における空洞部の外郭線との間に環状形の絶縁膜部分が存在するように前記空洞部の中央部付近に集約配置されている請求項１に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子。
【請求項３】
前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータは、該蛇行状ヒータで囲まれる領域の温度が一様になるように、その全長に亘り一定のヒータ線間隔のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線幅が中央部分のヒータ線幅よりも細く形成されている、もしくは、その全長に亘り一定のヒータ線幅のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線間隔が中央部分のヒータ線間隔よりも小さく形成されている請求項１または２に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非分散型の赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）の検出器として用いられる赤外線ガス分析計用流量検出素子に関する。詳しくは、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填され、測定セルに対して直列的または並列的に配置される二つのガス室を連通させるガス通路内に配置されるものであって、ガス流通路としての空洞部を有する基板と、この基板上に前記空洞部を遮るように設けられる絶縁膜を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータとを備え、この蛇行状ヒータを保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の一般的な赤外線ガス分析計用流量検出素子は、図６および図７に示すように、ニッケル等の金属箔からジグザク蛇行状に形成された二枚のヒータ５１ａ，５１ｂと、これらのヒータ５１ａ，５１ｂを相対向させて配置しかつ固定するためのガラス等の絶縁材料製の板材５２ａ，５２ｂとからなり、これら板材５２ａ，５２ｂに形成された開口５３ａ，５３ｂ内に蛇行状ヒータ５１ａ，５１ｂを位置させてそれら蛇行状ヒータ５１ａ，５１ｂの隣接する直線ヒータ部分間の隙間をガス流通路５４に形成して構成されていた。
【０００３】
このような赤外線ガス分析計用流量検出素子は、ヒータ５１ａ，５１ｂに一定電圧を印加して前記ガス室に充填されたガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように温度制御して使用される。そして、赤外線が照射されない非検出状態では、二つのヒータ５１ａ，５１ｂは、図７中に符号ａで示すような温度分布を呈しているが、一方のガス室に赤外線を照射する検出状態では、そのガス室内に充填されたガスが膨張して前記ガス流通路５４に他方のガス室に向かうガスの流れ５５が発生する。このガスの流れ５５によって、上流側（図７の左側に位置する）のヒータ５１ａは、ガスの流速に応じて冷却され、逆に、下流側（図７の右側に位置する）のヒータ５１ｂは、上流側のヒータ５１ａから奪われた熱により加熱されて、図７中に符号ｂで示すような温度分布を呈することになる。このような温度分布の変化によりヒータ５１ａ，５１ｂの抵抗値が変化するので、この抵抗値の変化量をホイートストンブリッジ回路を用いて電圧値として出力させることによってガス流量が検出される。この検出されたガス流量は、非分散型赤外線ガス分析計の測定セル（周知であるるため、図示省略する）に流通させた測定対象ガスによる赤外線吸収量（測定対象ガスの濃度）に対応しており、したがって、ガス流量を検出することで測定対象ガスの濃度を測定し分析を行なう。
【０００４】
ところで、上記した構成の一般的な赤外線ガス分析計用流量検出素子においては、ヒータ５１ａ，５１ｂが単に蛇行状に形成されているものであるから、ホイートストーンブリッジ回路に電圧を印加した場合、ヒータ５１ａ，５１ｂの中心部が周辺部より温度が高くなる。その結果、ガスが流れた場合、ヒータ５１ａ，５１ｂの中心部の温度変化、即ち、感度と周辺部の温度に差が生じ、結果として得られる感度は小さいものとなってしまうという課題がある。
【０００５】
このような課題を解消するものとして、従来、絶縁膜を介して蛇行状に保持されるヒータにより囲まれる内部位置においてのみ、隣接する直線ヒータ部分で挟まれた隙間部分にその隙間面積よりも小さい流路面積に設定されるように複数のガス流通孔からなるガス流通路を形成することにより、ガス流通路を通過するガスとヒータとの間での熱授受がヒータの中央部分においてのみ行われ、その結果、熱授受の効率上昇により大きな出力を得て、検出感度及び応答性の向上を図らんとしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、ガス流通路としての空洞部を有する基板上で蛇行状ヒータの周辺部に補助加熱手段を設けて流量検出素子自体を加熱することによって、ヒータから基板への熱移動、つまり、放熱を補って空洞部領域内の平均温度を上昇させ、検出感度の向上を図らんとしたものも従来より提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５７０８７号公報
【特許文献２】特開平９−２２９８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記した従来例はいずれも、蛇行状ヒータの一部が基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域、すなわち、ガス流通路より外側にはみ出して基板と重なり接触し、ヒータから基板への熱伝導による放熱ロスがあり、その結果、ガス流通路の温度分布が一様でなくなり、検出感度及び応答性を十分に向上させることができないという問題がある。
【０００９】
特に、特許文献２等にみられるような補助加熱手段を設ける場合は、流量検出素子自体の構造が複雑化かつ大型化し製造コストが高くなるだけでなく、基板への放熱ロス以外に補助加熱のための電力消費も加わるために、消費電力が非常に大きくてランニングコストの上昇は避けられないという問題があった。
【００１０】
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、構造の複雑化、大型化並びにコストアップを招くことなく、検出感度及び応答性の向上を実現することができる赤外線ガス分析計用流量検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子は、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填された二つのガス室を連通させるガス通路内に配置される赤外線ガス分析計用流量検出素子であって、ガス流通路としての空洞部を有する基板と、この基板上に前記空洞部を遮るように設けられる絶縁膜を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータとを有し、この蛇行状ヒータを保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子において、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部が前記基板と重ならないように基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域内に配置していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の本発明によれば、一定電圧が印加される蛇行状ヒータの全長部が基板と接触しない領域内に配置されているため、ヒータから基板への熱伝導による放熱ロスを抑制してガス流通部付近の温度分布を一様にすることができるので、検出感度及び応答性の向上を実現することができる。また、基板への放熱ロスをヒータの配置工夫のみによって抑えることが可能で、その放熱を抑制するための補助加熱手段の設置は不要であるから、流量検出素子自体の構造の簡単化、小型化及び消費電力の低減化を図ることができるという効果を奏する。
【００１３】
特に、請求項２に記載のように、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部のうちの最も外周に位置する部分と前記基板における空洞部の外郭線との間に環状形の絶縁膜部分が存在するように前記空洞部の中央部付近に集約配置することにより、基板への放熱ロスを一層低減できるとともに、ヒータの全長が短くなり、同じ抵抗値の検出素子を形成する場合、ヒータ幅を細くして、より高密度にセンサを配置し、検出感度の一層の向上を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子において、請求項３に記載のように、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、該蛇行状ヒータで囲まれる領域の温度が一様になるように、その全長に亘り一定のヒータ線間隔のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線幅を、抵抗値を上げるために中央部分のヒータ線幅よりも細く形成する、もしくは、その全長に亘り一定のヒータ線幅のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線間隔が中央部分のヒータ線間隔よりも小さく形成することによって、ガス流通部付近の中央部と周辺部との温度分布を一様にすることが可能となり、検出感度の一層の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子（以下、単に流量検出素子という）Ａの平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図、図３は図１のＹ−Ｙ線に沿った縦断面図である。この流量検出素子Ａは、図６および図７に示した一般的な流量検出素子と同様に、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填された二つのガス室を連通させるガス通路に、このガス通路と直交するように配置されるものであって、同一形状、同一構造の二つの検出素子単位体Ａ１，Ａ１を二段重ねに接着して構成されている。
【００１６】
この流量検出素子Ａの検出素子単位体Ａ１は、ガス流通路としての空洞部１ａを有する基板１と、この基板１上に前記空洞部１ａを遮るように設けられた絶縁膜２を介して蛇行状のパターン形状に保持されて通電用電極３，３により一定電圧が印加されるヒータ４とを有し、この蛇行状ヒータ４を保持する部分を除く絶縁膜２部分で隣接する直線ヒータ部分４ａ，４ａで挟まれた隙間部分５にそれぞれ、前記空洞部１ａに連通接続される状態で複数の長円状ガス流通孔６が形成されている。
【００１７】
ここで、前記検出素子単位体Ａ１の製造方法の一例を簡単に説明すると、前記基板１は非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性材料から形成され、この基板１上に、例えば、Ｐｔ、ＮｉまたはＮｉＣｒなどの温度係数の高い材料を例えばスパッタ法によって０．１〜０．５μｍ厚で蛇行状に堆積させ、かつ、露光して所定パターンのヒータ４を形成した後、前記基板１上に感光性ポリイミドやエポキシ系の有機系絶縁薄膜やＳｉＯ2 等の無機系絶縁薄膜を０．５〜３μｍ厚に堆積させ、かつ、露光することにより前記蛇行状パターンのヒータ４をその上部から保持する絶縁膜２を形成し、その後、基板１をその裏面側からエッチングすることにより、ガス流通路としての空洞部１ａを形成する。
【００１８】
上例のような製造方法で製造される流量検出素子Ａにおける各検出素子単位体Ａ１において、前記蛇行状ヒータ４は、通電用電極３，３との接続部４ｂ，４ｂを除く全長部が基板１と重ならないように、基板１における空洞部１ａの外郭線ＯＬで囲まれた領域内に配置されている。より具体的には、蛇行状ヒータ４の全長部のうち最も外周に位置する部分、即ち、隣接する直線ヒータ部分４ａ，４ａ間をそれぞれ繋ぐ各折返しヒータ部分４ｃ及び通電用電極３，３との接続部４ｂ，４ｂに連なる両側直線ヒータ部分４ｄ，４ｄと基板１の空洞部１ａの外郭線ＯＬとの間に環状形の絶縁膜部分２ａが存在するように空洞部１ａの中央部付近に集約配置されている。
【００１９】
上記のように構成された流量検出素子Ａによれば、蛇行状ヒータ４の全長部が基板１と重ならない領域内でガス流通路としての空洞部１ａの中央部付近に集約的に配置されているために、ヒータ４から基板１への熱伝導による放熱ロスが抑制されガス流通部（空洞部１ａ及びガス流通孔６）付近の温度を一様に高めて大きな出力を得ることができる。また、ヒータ４の配置工夫のみによって基板１への放熱ロスを抑えることが可能で、放熱ロスを抑制するための補助加熱手段の設置は不要であるから、流量検出素子Ａ自体の構造の簡単化、小型化並びに製造コストの低減化が図れるとともに、補助加熱のための余分な電力消費がないことと基板１への放熱ロスを抑制することが相俟って、全体としての消費電力を著しく低減することが可能でありながら、検出感度及び応答性の向上を実現することができる。
【００２０】
なお、上記の実施の形態では、蛇行状ヒータ４がその全長に亘って一定のヒータ線幅に形成されているもので示したが、図４に示すように、該蛇行状ヒータ４をその全長に亘り一定のヒータ線間隔としたうえで、通電用電極３，３に近い両側部分のヒータ線幅を中央部分のヒータ線幅よりも細く形成する、あるいは、図５に示すように、その全長に亘り一定のヒータ線幅としたうえで、通電用電極３，３に近い両側部分のヒータ線間隔を中央部分のヒータ線間隔よりも小さく形成することによって、ガス流通部の周辺部のジュール熱を中央部のジュール熱よりも大きくしてガス流通部付近の中央部と周辺部との温度分布を一様あるいはほぼ一様にすることが可能となり、その結果、中央部温度と周辺部温度の平均値として出力される電圧値を大きくし、検出感度の一層の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子の平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ線に沿った縦断面図である。
【図４】流量検出素子における蛇行状ヒータの変形例を示す要部の平面図である。
【図５】流量検出素子における蛇行状ヒータの他の変形例を示す要部の平面図である。
【図６】従来の熱式流量検出素子を示す平面図である。
【図７】図６のＶ−Ｖ線断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
Ａ  赤外線ガス分析計用流量検出素子
１  基板
１ａ  空洞部
２  絶縁膜
３  通電用電極
４  蛇行状ヒータ
４ａ  直線ヒータ部分
４ｂ  通電用電極との接続部
６  ガス流通孔
ＯＬ  空洞部の外郭線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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