(57)【要約】【課題】製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計を提供する。【解決手段】磁気式酸素分析計の補助ガス流路を連通したバイパス流路に配置されている流量センサ２１は、基板２１と、この基板に実装されたセンサ素子２４及びブリッジ抵抗２５ａ，２５ｂと、基板上に形成された配線パターン２７〜３０と、これら配線パターンの端部に設けたボンディングパッド２７ａ〜３０ａと、ワイヤボンディングマシンを使用してセンサ素子２４及びボンディングパッド２７ａ〜３０ａの間に接続されたリード線３１ａ〜３１ｄとを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置された流量センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記流量センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、
前記流量センサは、基板と、この基板に実装されたセンサ素子及びブリッジ抵抗と、前記基板上に形成された配線パターンと、この配線パターンの端部に設けたボンディングパッドと、ワイヤボンディングマシンを使用して前記センサ素子及び前記ボンディングパッドの間に接続されたリード線とを備えた構造であることを特徴とする磁気式酸素分析計。
【請求項２】
請求項１に記載した磁気式酸素分析計の前記流量センサを備えたユニットであって、
前記バイパス流路と、当該バイパス流路の途中に連通し、且つ外部に開口して形成されたセンサ配置スペースと、を有するブロック体を備え、
前記流量センサを開口から前記センサ配置スペースに配置することで、前記バイパス流路の途中に前記流量センサを配置してなることを特徴とする磁気式酸素分析計用センサユニット。
【請求項３】
前記センサ配置スペースに配置した前記流量センサは、前記基板が前記センサ配置スペースの底部に固定されるとともに、前記基板に一体化された閉塞部材が、前記センサ配置スペースを形成した前記ブロック体の開口を閉塞することを特徴とする請求項２記載の磁気式酸素分析計用センサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気式酸素分析計及び磁気式酸素分析計用センサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気式酸素分析計の測定原理について、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する（例えば特許文献１を参照）。
図４（Ａ）は、酸素を含むガス中に磁界を発生させる手段（磁石）を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示したものである。図４（Ｂ）に示すように、磁界が強く、且つその強さが変化しているところ（不均一の磁界になっている磁極の端部）に酸素を引き付ける力が作用し、磁極の端部で右向きの力と左向きの力が押し合ってバランスし、酸素分子は磁界の影響を受けて引き付けられ、磁界（磁石のギャップ）内へ移動する。これにより、図４（Ｃ）に示すように、磁界内では、引き付けられた酸素の圧力（濃度）が磁界の外と比較して高くなる。
【０００３】
上述した測定原理を採用した磁気式酸素分析計として、図５から図７に示す装置が知られている。この磁気式酸素分析計は、図５に示すように、測定ガスを流す流路を備えたサンプルセル１と、測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する検出回路２と、を備えている。検出回路２は、サンプルセル１内に設置した熱線センサで構成した流量センサ１２からの信号に基づいて、測定ガス中の酸素濃度を検出する。
【０００４】
サンプルセル１は、断面が矩形形状のサンプル流路３と、このサンプル流路３の軸方向の一端側に連通して設けた測定ガス導入口４と、サンプル流路３の軸方向の他端側に連通して設けた測定ガス導出口５と、測定ガス導出口５側のサンプル流路３に連通し、このサンプル流路３の軸方向に直交する径方向から互いに対向して設けた第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７と、補助ガス供給流路８に流れてきた補助ガスを第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に同一流量で供給する第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０と、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成するポールピース（不図示）と、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に連通するバイパス流路１１と、を備えている。
【０００５】
また、バイパス流路１１の中間位置に流量センサ１２が配置され、この流量センサ１２に検出回路２が接続している。検出回路２は、流量センサ１２の信号を受信して増幅することで、測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する。
流量センサ１２は、図６に示すように、センサ素子１３と、このセンサ素子１３をバイパス流路１１に配置するセンサ取付けブロック１４と、センサ素子１３を検出回路２に接続する複数のハーメチック端子１５ａ〜１５ｃとを備えている。
センサ素子１３は、ヒータ部及びセンサ部（不図示）が内蔵され、ガス通過穴１３ａを形成した部材である。センサ取付けブロック１４は、ガス通過穴１４ａを形成した本体固定部１４ｂを備えている。そして、ガス通過穴１３ａ，１４ａ同士が対応するように、センサ取付けブロック１４の本体固定部１４ｂに、エポキシ樹脂などの接着剤でセンサ素子１３が固定されている。
【０００６】
また、本体固定部１４ａに固定されたセンサ素子１３の近傍に、センサ取付けブロック１４に支持されたハーメチック端子１５ａ〜１５ｃの端部が延在しており、センサ素子１３から取り出したリード線１６ａ〜１６ｃが、ハーメチック端子１５ａ〜１５ｃの端部に巻き付けされているとともに、半田付けにより電気的に接続されている。
この流量センサ１２は、図７に示すように、バイパス流路１１を構成するガス配管１７に配置され、バイパス流路１１を流れる補助ガスが、センサ素子１３のガス通過穴１３ａを通過するように設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３２５０９８の図３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、磁気式酸素分析計を構成している流量センサ１２は、センサ素子１３から取り出したリード線１６ａ〜１６ｃがハーメチック端子１５ａ〜１５ｃの端部側に半田付けにより接続されるが、半田付け時に塗布したフラックスが半田を溶かす過程で飛散してセンサ素子１３に付着し、センサ素子１３に経時変化を与えた場合には、安定した検出信号を出力しない流量センサ１２となるおそれがある。
また、ハーメチック端子１５ａ〜１５ｃの端部にリード線１６ａ〜１６ｃを巻き付ける工程は微細な作業であり、特殊な技量を持った作業者に依存した工程となるので、製作コストの面で問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計及び磁気式酸素分析計用センサユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計は、サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置された流量センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記流量センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、前記流量センサは、基板と、この基板に実装されたセンサ素子及びブリッジ抵抗と、前記基板上に形成された配線パターンと、この配線パターンの端部に設けたボンディングパッドと、ワイヤボンディングマシンを使用して前記センサ素子及び前記ボンディングパッドの間に接続されたリード線と、を備えた構造である。
【００１０】
この発明の一態様に係る磁気式酸素分析計によると、半田付け作業によりリード線を接続する従来の流量センサと比較して、センサ素子に経時変化を与えるおそれがないので、流量センサは安定した検出信号を出力することができる。また、本発明の流量センサを組み立てる際に作業者の技量に依存する工程がほとんど無いので、製作コストの低減化を図ることができる。
【００１１】
また、この発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、上述した磁気式酸素分析計の流量センサを備えたユニットであって、前記バイパス流路と、当該バイパス流路の途中に連通し、且つ外部に開口して形成されたセンサ配置スペースと、を有するブロック体を備え、前記流量センサを開口から前記センサ配置スペースに配置することで、前記バイパス流路の途中に前記流量センサを配置してなることを特徴とする磁気式酸素分析計用センサユニットである。
【００１２】
さらに、この発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、前記センサ配置スペースに配置した前記流量センサが、前記基板が前記センサ配置スペースの底部に固定されるとともに、前記基板に一体化された閉塞部材が、前記センサ配置スペースを形成した前記ブロック体の開口を閉塞することが好ましい。
この発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットによると、磁気式酸素分析計を構成する他のユニットと接続することで、磁気式酸素分析計を容易に組み立てることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る磁気式酸素分析計によると、安定した検出信号を出力する流量センサを備え、流量センサを組み立てる際に作業者の技量に依存する工程がほとんど無いので、製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計を提供することができる。
また、本発明に係る磁気式酸素分析計用センサユニットによると、このセンサユニットを、磁気式酸素分析計を構成する他のユニットと接続することで、磁気式酸素分析計の組立て効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計用センサユニットを示す図である。
【図２】本発明に係る一実施形態の流量センサを示す図である。
【図３】本発明に係る一実施形態の流量センサを分解した図である。
【図４】磁気式酸素分析計の測定原理を示す図である。
【図５】磁気式酸素分析計を示す概略構成図である。
【図６】従来の流量センサを示す図である。
【図７】磁気式酸素分析計のバイパス流路に従来の流量センサを配置した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図５で示した磁気式酸素分析計の構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
図１は、本発明に係るセンサユユニットＳＵを示すものである。このセンサユニットＳＵは、バイパス流路１１（図５参照）を形成しているブロック体２０と、バイパス流路１１の途中に配置されるようにブロック体２０に装着された流量センサ２１とを示すものである。このセンサユニットＳＵは、図５で示した第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０などを形成する他のユニット（不図示）と接続することで磁気式酸素分析計を構成する。
【００１６】
センサユニットＳＵを構成するブロック体２０には、バイパス流路１１の途中に連通して外部に開口したセンサ配置スペース２２が形成されており、このセンサ配置スペース２２に流量センサ２１が装着される。
本実施形態の流量センサ２１は熱線センサであり、図２に示すように、ガラスエポキシ製やセラミック製からなる基板２３と、基板２３に実装されたセンサ素子２４及びブリッジ抵抗２５ａ，２５ｂと、センサ配置スペース２２に配置した基板２３をブロック体２０に保持する固定リング２６と、を備えている。
【００１７】
基板２３は長方形板状をなし、長手方向の一端側にガス通過穴２３ａが形成されている。この基板２３の長手方向の一端側に、ヒータ部及びセンサ部（不図示）が内蔵され、ガス通過穴２４ａを形成したセンサ素子２４が、ガス通過穴２３ａ，２４ａ同士を対応させた状態で実装されている。また、基板２３の長手方向の他端側に、ブリッジ抵抗２５ａ，２５ｂが実装されている。
基板２４上には、長手方向に沿って複数の配線パターン２７〜３０が形成されているとともに、それら配線パターン２７〜３０の両端部にボンディングパッド２７ａ，２７ｂ〜３０ａ，３０ｂが形成されている。
【００１８】
また、センサ素子２４と複数の配線パターン２７〜３０の一端側のボンディングパッド２７ａ，２８ａ，２９ａ，３０ａとが、複数のリード線３１ａ〜３１ｄを介して電気的に接続されており、これら複数のリード線３１ａ〜３１ｄの接続作業はワイヤボンディングマシンで行われている。
そして、配線パターン２７〜３０の他端側のボンディングパッド２７ｂ，２８ｂ，２９ｂ，３０ａには、検出回路２（図５参照）と接続するリード線（不図示）が電気的に接続されている。
【００１９】
固定リング２６は、図３（ｂ）に示すように、ブロック体２０のセンサ配置スペース２２の開口周縁と同一形状の円形の外周形状を有しているとともに、基板２４が長手方向の他端側から嵌まり込むことが可能な係合スリット２６ａが形成されている。
そして、ブリッジ抵抗２５ａ，２５ｂのみを実装していない基板２４を、固定リング２６の係合スリット２６ａに他端側から嵌め込んでいき、配線パターン２７〜３０を横切る位置で固定リング２６を基板２４に係止する。その後に、基板２４にブリッジ抵抗２５ａ，２５ｂを実装することで流量センサ２１が形成される。
【００２０】
上記構成の流量センサ２１をブロック体２０のセンサ配置スペース２２に装着し、センサ配置スペース２２の底部に当接する基板２４をエポキシ樹脂接着剤などで接着し、センサ配置スペース２２の開口部を固定リング２６閉塞することで、バイパス流路１１の途中に流量センサ２１が配置され、バイパス流路１１を流れる補助ガスがセンサ素子２４のガス通過穴２４ａを通過するセンサユニットＳＵが組み立てられる。
【００２１】
本実施形態の流量センサ２１を備えた磁気式酸素分析計の動作について、図１〜図３及び図５を参照して説明する。なお、以下の説明では、図５の流量センサ１２を本実施形態の流量センサ２１に置き替える。
サンプルセル１の測定ガス導入口４から導入された測定ガスが測定ガス導出口５に向けて流れる。また、補助ガス供給流路８から供給された補助ガスは、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分流し、第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に流入し、測定ガスと合流して測定ガス導出口５に流れる。また、補助ガス供給流路８から第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分流した補助ガスの一部は、第１補助ガス分岐流路９に接続するバイパス流路１１から流量センサ２１に向けて流れるとともに、第２補助ガス分岐流路１０に接続するバイパス流路１１から流量センサ２１に向けて流れる。
【００２２】
そして、測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成するが、酸素分子が引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。これにより、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０のそれぞれからサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が同じになり、第１補助ガス分岐流路９からバイパス流路１１内の流量センサ２１を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス分岐流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ２１を経由する補助ガスの流量が同じとなる。これにより、流量センサ２１の信号が得られず、検出回路２は酸素濃度を検出しない。
【００２３】
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成すると、その部分に酸素分子が引き付けられ、酸素の凝集圧により圧力が上昇する。そのため、第１補助ガス分岐流路９からサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に、サンプル流路３の第２補助ガス流入口７が連通する付近では磁界が発生していないため流体抵抗は増大せず、第１補助ガス流入口６側との比較により補助ガスの流出量が増加する。
【００２４】
これにより、補助ガス供給流路８から第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分岐する地点Ｐ０（以下、分岐点Ｐ０と称する）で、補助ガスが第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分岐する際の分流比が変化し、第１補助ガス分岐流路９からバイパス流路１１内の流量センサ２１を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス分岐流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ２１を経由する補助ガスの流量に差が生じ、流量センサ２１が補助ガスの流量変化の信号を得ることで、検出回路２が測定ガスの酸素濃度を検出する。
ここで、本発明に係る測定ガス入口が測定ガス導入口４に対応し、本発明に係る測定ガス出口が測定ガス導出口５に対応し、本発明に係る補助ガス流路が第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に対応し、本発明に係る閉塞部材が、自身の係合スリット２６ａで基板２４を挟み込んでいる固定リング２６に対応している。
【００２５】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の流量センサ２１は、基板２３に実装したセンサ素子２４と、基板２４上に形成した配線パターン２７〜３０の端部に設けたボンディングパッド２７ａ，２８ａ，２９ａ，３０ａとが、ワイヤボンディングマシンを使用してリード線３１ａ〜３１ｄにより接続されており、半田付け作業によりリード線を接続する従来の流量センサと比較して、センサ素子に経時変化を与えるおそれがないので、本実施形態の流量センサ２１は、安定した検出信号を出力することができる。このため、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定する磁気式酸素分析計を提供することができる。
【００２６】
また、図６及び図７で示した従来の流量センサ１２は、ハーメチック端子１５ａ〜１５ｃの端部にリード線１６ａ〜１６ｃを巻き付ける工程が微細な作業であり特殊な技量を持った作業者に依存した工程となっていたが、本実施形態の流量センサ２１は、組み立てる際に作業者の技量に依存する工程がほとんど無いので、製作コストの低減化を図ることができる。
したがって、上記構成の流量センサ２１を備えた磁気式酸素分析計は、製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる。
【００２７】
また、本実施形態の磁気式酸素分析計を構成するセンサユニットＳＵは、流量センサ２１をブロック体２０のセンサ配置スペース２２に装着し、センサ配置スペース２２の底部に当接する基板２４をエポキシ樹脂接着剤などで接着し、センサ配置スペース２２の開口部を固定リング２６閉塞することで、バイパス流路１１を流れるガス流量が高精度に検出できるように流量センサ２１を配置したユニットであり、磁気式酸素分析計を構成する他のユニットと接続することで、磁気式酸素分析計を容易に組み立てることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１…サンプルセル、２…検出回路、３…サンプル流路、４…測定ガス導入口、５…測定ガス導出口、６…第１補助ガス流入口、７…第２補助ガス流入口、８…補助ガス供給流路、９…第１補助ガス分岐流路、１０…第２補助ガス分岐流路、１１…バイパス流路、２０…ブロック体、２１…流量センサ、２２…センサ配置スペース、２３…基板、２４…センサ素子、２５ａ，２５ｂ…ブリッジ抵抗、２６…固定リング、２６ａ…係合スリット、２３ａ…ガス通過穴、２４ａ…ガス通過穴、２７〜３０…配線パターン、２７ａ，２７ｂ〜３０ａ，３０ｂ…ボンディングパッド、３１ａ〜３１ｄ…リード線、ＳＵ…センサユニット
【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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