(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサチップに形成された肉薄領域上に設けられて雰囲気ガス中に位置付けられるマイクロヒータを用い、上記マイクロヒータに加えた電力とそのときの温度とから求められる前記マイクロヒータの放熱係数に従って前記雰囲気ガスの熱伝導率を求める熱伝導率測定方法であって、
熱絶縁体を介して前記センサチップを前記雰囲気ガス中に支持すると共に、前記センサチップに設けられた補助ヒータの抵抗値を一定化制御して前記センサチップの温度を一定に保ち、このときの前記マイクロヒータの駆動電力から該マイクロヒータの放熱係数を求め、このマイクロヒータの放熱係数から前記前記雰囲気ガスの熱伝導率を求めることを特徴とする熱伝導率測定方法。
【請求項２】
前記補助ヒータの抵抗値の一定化制御は、前記補助ヒータを１つのブリッジ辺とする抵抗ブリッジ回路のブリッジ間電圧に応じて上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御して行われるものである請求項１に記載の熱伝導率測定方法。
【請求項３】
前記マイクロヒータの駆動電力は、前記マイクロヒータを１つのブリッジ辺とする抵抗ブリッジ回路を用いて前記マイクロヒータの抵抗値を一定化制御したときの前記マイクロヒータへの印加電圧と上記抵抗ブリッジ回路の回路定数とから計算されるものである請求項１に記載の熱伝導率測定方法。
【請求項４】
前記マイクロヒータの放熱係数からの前記雰囲気ガスの熱伝導率の検出は、
前記熱絶縁体を介して支持した前記補助ヒータの抵抗値を一定化制御したとき、前記雰囲気ガスの温度に拘わることなく前記マイクロヒータの放熱係数と前記センサチップの近傍における前記雰囲気ガスの熱伝導率とが一元的な対応関係を示すことを利用して行われるものである請求項１に記載の熱伝導率測定方法。
【請求項５】
補助ヒータを備えたセンサチップと、
このセンサチップに形成された肉薄領域上に設けられたマイクロヒータと、
前記センサチップを該センサチップを支持する基台から熱絶縁して雰囲気ガス中に位置付ける熱絶縁体と、
前記補助ヒータの抵抗値を一定化制御して前記センサチップ全体を加熱するヒータ駆動回路と、
前記マイクロヒータを一定条件で発熱させた際の該マイクロヒータの駆動電力を求める電力検出手段と、
検出された駆動電力に従って前記マイクロヒータからの放熱係数を求める放熱係数演算手段と、
前記補助ヒータの抵抗値を一定化制御したときの、前記センサチップに近傍における前記雰囲気ガスの熱伝導率と前記マイクロヒータの放熱係数との一元的な対応関係に基づいて、前記放熱係数演算手段にて求められた放熱係数から前記雰囲気ガスの熱伝導率を求める熱伝導率演算手段と
を具備したことを特徴とする熱伝導率測定装置。
【請求項６】
前記ヒータ駆動回路は、前記補助ヒータを１つのブリッジ辺として構成された抵抗ブリッジ回路と、この抵抗ブリッジ回路のブリッジ電圧に応じて上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御する電圧制御回路とを備えたものである請求項５に記載の熱伝導率測定装置。
【請求項７】
前記熱伝導率演算手段は、雰囲気ガスの組成に応じて予め求められた、前記マイクロヒータの放熱係数と特定の温度における前記雰囲気ガスの熱伝導率との対応関係を記述したテーブルを参照して、雰囲気ガスの熱伝導率を求めるものである請求項５に記載の熱伝導率測定装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の熱伝導率測定装置を用い、一定化制御するマイクロヒータの抵抗値を変化させて、互いに異なるヒータ温度での雰囲気ガスの熱伝導率をそれぞれ求める制御手段と、
上記各ヒータ温度での熱伝導率の連立方程式から前記雰囲気ガスの組成比率を解析する解析手段と
を具備したことを特徴とするガス成分比率測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載のガス成分比率測定装置において、
更に前記解析手段により求められた前記雰囲気ガスの組成比率から、該雰囲気ガスの発熱量を求める機能を備えたことを特徴とするガス成分比率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種類が既知であるがその成分比率の不明なガス、例えば天然ガスの熱伝導率を簡易に計測し得る熱伝導率測定方法とその装置、および熱伝導率測定装置を用いたガス成分比率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの熱伝導率を計測する手法として、一定温度に保ったガス（雰囲気ガス）中におかれたヒータを定温度で駆動し、その発熱量を計測することが知られている（例えば特許文献１を参照）。この手法は、ヒータの発熱量とその雰囲気ガスの熱伝導率とが比例することを利用したものである。また熱式の流量計において、その流量センサを熱絶縁体を介して支持することで、台座からの熱的影響を除去することも提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
【特許文献１】特許第３１１４１３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２９６０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上述した手法を採用してガスの熱伝導率を計測する場合、上記ガスを一定温度に保つための恒温槽を必要とする等、その構成が大掛かりとなることが否めない。また一般的にガスの熱伝導率は、その種類に応じた固有の温度変化特性を有するので、単純にヒータの発熱量を計測しても、その熱伝導率を正確に計測することができないと言う本質的な問題がある。特に天然ガスのように複数種類のガスが入り混じった混合ガスの場合、その熱伝導率を計測することが非常に困難であった。
【０００４】
ちなみに混合ガスをカラムと称される部材に通し、その分子量の違いに起因する流速の違いを利用してガス種の組成比率を分析し、その上で混合ガスの熱伝導率を計測することも行われている（例えば特開平１１−１４５７２号公報参照）。しかしながらこのような手法においては、カラムを用いた混合ガスの組成比率の分析に多大な時間が掛かる上、分析装置の全体構成が複雑で高価である等の問題もあった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、純粋ガスや混合ガスの熱伝導率を、その温度に拘わりなく簡易に計測することのできる熱伝導率測定方法および熱伝導率測定装置を提供することにある。
更には上記熱伝導率測定方法およびその装置を用いて種類が既知の混合ガス、例えば天然ガスの組成比率を求めて、その発熱量を評価することのできるガス成分比率測定装置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】
【０００６】
上述した目的を達成するべく本発明に係る熱伝導率測定方法とその装置、および熱伝導率測定装置を用いたガス成分比率測定装置は、マイクロヒータから雰囲気ガスへの平均熱伝達率が、雰囲気ガスの熱伝導率と前記マイクロヒータ近傍の温度境界層の厚みとにより定まり、また上記温度境界層の厚みおよび前記マイクロヒータの実効的な放熱面積が、それぞれ前記雰囲気ガスの熱伝導率に依存することに着目している。特に前記温度境界層の厚みおよびマイクロヒータの実効的な放熱面積は、専ら、マイクロヒータを形成したセンサチップの周囲の局部的な領域における雰囲気ガスの熱伝導率に依存していることに着目している。
【０００７】
そこで本発明に係る熱伝導率測定方法は、センサチップに形成された肉薄領域、例えば肉薄ダイヤフラムやマイクロブリッジ上に設けられて雰囲気ガス中に位置付けられるマイクロヒータを用い、上記マイクロヒータに加えた電力とそのときのヒータ温度とから求められる前記マイクロヒータの放熱係数に従って前記雰囲気ガスの熱伝導率を求めるに際して、
熱絶縁体を介して前記センサチップを前記雰囲気ガス中に支持すると共に、前記センサチップに形成された、例えば周囲温度検出用の発熱抵抗素子である補助ヒータの抵抗値を一定化制御してセンサチップ全体の温度を一定化制御し、このときに一定条件で駆動される前記マイクロヒータの駆動電力から該マイクロヒータの放熱係数を求め、前記マイクロヒータの放熱係数から前記雰囲気ガスの熱伝導率を求めることを特徴としている。
【０００８】
ちなみに前記補助ヒータの抵抗値の一定化制御は、例えば前記補助ヒータを１つのブリッジ辺とする抵抗ブリッジ回路のブリッジ間電圧に応じて上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御することにより行われる。また前記マイクロヒータの駆動電力は、例えば同様に抵抗ブリッジ回路を用いて前記マイクロヒータの抵抗値（温度）を一定化制御したときの前記マイクロヒータへの印加電圧と前記抵抗ブリッジ回路の回路定数とから計算することによって求められる。
【０００９】
また上述したマイクロヒータの駆動電力からの前記雰囲気ガスの熱伝導率の検出については、例えば前記マイクロヒータの駆動電力から該マイクロヒータの放熱係数を求めると共に、前記熱絶縁体を介して支持した前記センサチップにおける補助ヒータの抵抗値を一定化制御したとき、これによって補助ヒータの温度が一定に保たれると共に、マイクロヒータを形成したセンサチップの温度が一定に保たれて、該センサチップ周囲における前記雰囲気ガスの熱伝導率と前述した如く求められる前記マイクロヒータの放熱係数とが、前記雰囲気ガスの温度に拘わることなく一元的な対応関係を示すことを利用して行われる。
【００１０】
また本発明に係る熱伝導率測定装置は、
<ａ>  補助ヒータを備えたセンサチップと、
<ｂ>  このセンサチップに、例えば肉薄ダイヤフラムやマイクロブリッジ等として形成された肉薄領域上に設けられたマイクロヒータと、
<ｃ>  前記センサチップを基台から熱絶縁して雰囲気ガス中に支持する熱絶縁体と、
<ｄ>  前記補助ヒータの抵抗値を一定化制御するヒータ駆動回路と、
<ｅ>  前記マイクロヒータを一定条件で発熱させた際の該マイクロヒータの駆動電力Ｐhを求める電力検出手段と、
<ｆ>  検出された駆動電力に従って前記マイクロヒータからの放熱係数Ｃを求める放熱係数演算手段と、
<ｇ>  前記補助ヒータの抵抗値を一定化制御したときの、前記センサチップの近傍における前記雰囲気ガスの熱伝導率λと前記マイクロヒータの放熱係数Ｃとの一元的な対応関係に基づいて、前記放熱係数演算手段にて求められた放熱係数から前記雰囲気ガスの熱伝導率を求める熱伝導率演算手段と
を備えて構成される。
【００１１】
具体的には前記ヒータ駆動回路は、例えば前記補助ヒータを１つのブリッジ辺として構成された抵抗ブリッジ回路と、この抵抗ブリッジ回路のブリッジ電圧に応じて上記抵抗ブリッジ回路に加える駆動電圧をフィードバック制御する電圧制御回路とを備えたものとして実現される。また前記熱伝導率演算手段は、雰囲気ガスの組成に応じて予め求められた前記マイクロヒータの放熱係数Ｃと特定温度Ｔにおける前記雰囲気ガスの熱伝導率λとの対応関係を記述したテーブルを参照して、雰囲気ガスの熱伝導率を求めるものとして実現される。
【００１２】
また本発明に係るガス成分比率測定装置は、上述した熱伝導率測定装置を用いて実現されるものであって、
<ｈ>  前記熱伝導率測定装置を用い、一定化制御するマイクロヒータの抵抗値を変化させて、互いに異なるヒータ温度での雰囲気ガスの熱伝導率をそれぞれ求める制御手段と、
<ｉ>  上記各ヒータ温度での熱伝導率の連立方程式から前記雰囲気ガスの組成比率を解析する解析手段と
を備えて構成される。
【００１３】
更に前記解析手段により求められた前記雰囲気ガスの組成比率から、該雰囲気ガスの発熱量を求める機能を備えることも望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成の熱伝導率測定方法および熱伝導率測定装置によれば、熱絶縁体を介してセンサチップを雰囲気ガス中に支持すると共に、センサチップに設けられた補助ヒータの抵抗値を一定化制御しているので、センサチップ全体の温度を、ひいてはセンサチップの周囲近傍における雰囲気ガスの温度を一定に保つことが可能となる。つまりセンサチップの近傍の局部的な領域であって、マイクロヒータの周囲における前記雰囲気ガスの温度が上記センサチップの温度となるようにしている。
【００１５】
この結果、雰囲気ガスの温度に拘わらず、マイクロヒータの周囲における前記雰囲気ガスの温度を特定温度、具体的にはセンサチップの温度に一定化し、この状態で前記マイクロヒータの駆動電力から求められる該マイクロヒータの放熱係数Ｃから、前記雰囲気ガスの熱伝達率を簡易に、しかも精度良く求めることが可能となる。つまり雰囲気ガスの温度に拘わらず、その熱伝導率λを簡易に計測することが可能となる。
【００１６】
また上述した熱伝導率測定装置を用いて実現されるガス成分比率測定装置によれば、例えばガス密度と発熱量との関係から上記各ガスが有する発熱量を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ので、混合ガスの発熱量を算出することが可能となる。具体的には単位体積当たりの混合ガスが有する発熱量（エネルギ量）を、上述した如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。更にはその組成比率と各ガスの種類とから、雰囲気ガスの発熱量を簡易に計算することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る熱伝導率測定方法および熱伝導率測定装置、並びにガス成分比率測定装置について説明する。
本発明は、例えば図１にその概略構成を示すように、シリコン等のセンサチップ１上に形成されたマイクロヒータ３を用い、基本的には上記マイクロヒータ３の発熱量から雰囲気ガス（純粋ガスまたは混合ガス）の熱伝導率を測定するものである。このセンサチップ１は、例えば厚み０.５ｍｍで縦横の寸法がそれぞれ１.５ｍｍ程度のシリコン製のものからなり、その基体１ａの上面の略中央部にＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いて舟形凹状のキャビティ（凹部）１ｂを形成すると共に、このキャビティ１ｂを架橋して薄膜ダイヤフラム（薄膜部）１ｃを形成した構造を有する。またこの薄膜ダイヤフラム１ｃには、その中央領域を除いて多数の透孔１ｄが設けられており、これらの透孔１ｄを介して上記薄膜ダイヤフラム１ｃの両面が外気に開放されている。
【００１８】
このような薄膜ダイヤフラム１ｃ上に白金等からなる微小な発熱抵抗体であるマイクロヒータ（Ｒh）３が形成され、更にこのマイクロヒータ（Ｒh）３を挟んで流体の通流方向Ｆに一対の温度センサＲu,Ｒdが形成されている。またセンサチップ１におけるキャビティ１ｂの周辺の基台部１ａ上には、上記マイクロヒータ３と同様な発熱抵抗体である周囲温度センサ２が設けられている。
【００１９】
このような構造のセンサチップ１は、図２にその概略的な断面構造を示すように、マイクロヒータ（Ｒh）３および一対の温度センサＲu,Ｒdを薄膜のダイヤフラム１ｃ上に形成することで実質的に空中に浮かした状態で支持し、ダイヤフラム１ｃの両面（表裏面）に沿って通流する雰囲気ガスに接するようになっている。そして本装置においては、上述した感熱抵抗体からなる上記周囲温度センサ２をセンサチップ１の全体を一定温度に加熱する補助ヒータとして用いることを特徴としている。
【００２０】
ところで白金等の発熱抵抗体（感熱抵抗体）からなるマイクロヒータ３や温度センサ（補助ヒータ）２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℃なる標準温度Ｔstdでのマイクロヒータ３の抵抗値がＲstdである場合、１次の抵抗温度係数をα、２次の抵抗温度係数をβとしたとき、温度Ｔhでの上記マイクロヒータ３の抵抗値Ｒhは
Ｒh＝Ｒstd・［１＋α(Ｔh−Ｔstd)＋β(Ｔh−Ｔstd)２］
として与えられる。従ってマイクロヒータ３の抵抗値Ｒhが判れば、逆にこの抵抗値Ｒhからマイクロヒータ３の発熱温度（ヒータ温度）Ｔhを求めることが可能となる。このことは温度センサ（補助ヒータ）２でも同様である。
【００２１】
またマイクロヒータ３の温度Ｔhは、マイクロヒータ３の発熱と、該マイクロヒータ３から雰囲気ガスへの放熱とが釣り合ったところ、つまり雰囲気ガスとの間で熱的に平衡状態となったときに安定する。そしてこの平衡状態でのマイクロヒータ３の駆動電力Ｐhは、マイクロヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数をＣとしたとき、そのヒータ温度Ｔhと周囲温度Ｔoとの間で
Ｃ・(Ｔh−Ｔo)＝Ｐh
なる関係を有する。換言すれば上式を満たす条件が成立したとき、マイクロヒータ３と雰囲気ガスとが熱的に平衡状態となって安定する。従ってこの熱的平衡状態の条件から、マイクロヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数Ｃを
Ｃ＝Ｐh÷(Ｔh−Ｔo)
として求めることが可能となる。
【００２２】
一方、マイクロヒータ３の駆動電力Ｐhは、マイクロヒータ３の両端間に印加される電圧Ｖhと、そのときにマイクロヒータ３に流れる電流Ｉhとから
Ｐh＝Ｖh・Ｉh
として求めることができる。またそのときのマイクロヒータ３の抵抗値Ｒhは、
Ｒh＝Ｖh÷Ｉh＝Ｐh÷Ｉh２
として求めることができる。
【００２３】
故に、マイクロヒータ３の駆動電力Ｐhを求めれば、この駆動電力Ｐhとマイクロヒータ３に流れる電流Ｉhとに従って該マイクロヒータ３の抵抗値Ｒhを求め、更には前述したように上記抵抗値Ｒhに従ってマイクロヒータ３の温度Ｔhを求めることが可能となる。尚、周囲温度Ｔoについては、前述したセンサチップ１の周辺部に設けた温度センサ２により計測可能であるが、本装置において後述するように温度センサ（補助ヒータ）２の発熱温度（周囲温度）Ｔo自体を一定化制御するものとなっている。そしてこれらのマイクロヒータ３の駆動電力Ｐh、マイクロヒータ３のヒータ温度Ｔh、その周囲温度Ｔoをそれぞれ求めることで、前述したように
Ｃ＝Ｐh÷(Ｔh−Ｔo)
としてマイクロヒータ３から雰囲気ガスへの放熱係数Ｃを算出することが可能となる。
【００２４】
一方、上述した放熱係数Ｃは、マイクロヒータ３から雰囲気ガスへの平均熱伝達係数をｈとし、マイクロヒータ３の放熱面積をＳとしたとき、一般的には
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ
として表すことができる。尚、上記平均熱伝達係数ｈは、一般的には雰囲気ガスの自然対流の状況やマイクロヒータ３の表面状態によって変化する。また上記係数［２］は、図３にその概念を模式的に示すようにマイクロヒータ３から雰囲気ガスへの熱伝達が、マイクロヒータ３の表裏の２面でそれぞれ行われることを考慮したものである。
【００２５】
またマイクロヒータ３の素子面積（発熱面積）が微小であり、このマイクロヒータ３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、また雰囲気ガスの自然対流もないものとすると、マイクロヒータ３の周囲の温度分布は、専ら図３に示すようにマイクロヒータ３から離れるに従って次第に低くなる。特にマイクロヒータ３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３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。
【００２６】
このような温度分布をなす雰囲気ガスの温度が、上記ヒータ温度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、前述した平均熱伝達係数ｈは、雰囲気ガスの熱伝導率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
ｈ＝λ÷ｄ
として決定される。
【００２７】
ちなみに雰囲気ガスの熱伝導率λは、一般的に温度が高くなるに従って大きくなる傾向にあり、温度Ｔにおける雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）は
λ（Ｔ）＝λo（１＋γ・Ｔ）
として与えられる。但し、上記λoは、基準温度（例えば０℃）における雰囲気ガスの熱伝導率であり、γは１次の温度係数である。
【００２８】
また前記温度境界層の厚みｄは雰囲気ガスの熱伝導率λによって変化し、熱伝導率λが大きくなる程熱伝達が早いので、その厚みｄが薄くなる。逆に雰囲気ガスの熱伝導率λが小さい場合には、熱伝達が遅い分、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。つまり境界層の厚みｄは雰囲気ガスの熱伝導率λによって変化し、また雰囲気ガスの熱伝導率λは温度によって変化する。従って温度Ｔにおける上記温度境界層の厚みｄ（Ｔ）は
ｄ（Ｔ）＝ｆ［λ（Ｔ）］
として、温度Ｔにより変化する雰囲気ガスの熱伝導率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。
【００２９】
またマイクロヒータ３の放熱面積Ｓは、一般的には前述した発熱抵抗体（ヒータ）１ｄを形成したダイヤフラム１ｃの全体の面積を指すことが多く、マイクロヒータ３の近傍における雰囲気ガスの温度分布はダイヤフラム１ｃ上での温度分布に依存して変化する。しかし雰囲気ガスの熱伝導率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３の放熱面積Ｓは雰囲気ガスの熱伝導率λに応じて小さくなるので、ダイヤフラム１ｃの面積Ｓoよりも小さい面積として捉えることができる。特にマイクロヒータ３自体が微小であることと相俟って、マイクロヒータ３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看做すことができる。従ってその実効的な放熱面積Ｓを
Ｓ（Ｔ）＝ｇ［λ（Ｔ）］
として、温度Ｔにより変化する雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）をパラメータαとする関数ｇ［α］として示すことが可能となる。
【００３０】
以上の考察からマイクロヒータ３の放熱係数Ｃと雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係をまとめると、前述した各式から
Ｃ＝２・ｈ・Ｓ
＝２・(λ（Ｔ）÷ｄ（Ｔ）)・Ｓ（Ｔ）
＝２・（λ（Ｔ）÷ｆ［λ（Ｔ）］)・ｇ［λ（Ｔ）］
なる関係を導くことができる。しかし上式に示される関係から、マイクロヒータ３の放熱係数Ｃは、温度Ｔによって変化する雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）、つまり雰囲気ガスの温度特性の影響をかなり受けることが判る。
【００３１】
ちなみに図４はその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雰囲気ガスについて、その温度を０℃,２０℃,４０℃と変化させたときのマイクロヒータ３の放熱係数Ｃと上記雰囲気ガスの熱伝導率λとの関係を調べたものである。この図４に示されるように、マイクロヒータ３の放熱係数Ｃと上記各雰囲気ガスの熱伝導率λとの間には、或る程度の相関傾向があるものの、混合比率と温度によってその対応関係がかなり乱れることが判る。特に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ことが否めない。従ってマイクロヒータ３の放熱係数Ｃから雰囲気ガスの熱伝導率λを求める場合には、例えば何らかの温度補正が必要となることになる。
【００３２】
ところでマイクロヒータ３を形成したセンサチップ１をその周囲から熱絶縁して支持した場合、センサチップ１からの放熱が雰囲気ガスに対してだけ生じるようにすることができる。そしてこの条件下で前述した温度センサ（補助センサ）２の発熱温度を一定化制御すれば、温度センサ（補助ヒータ）２から発せられた熱は雰囲気ガスへの熱伝達を除いて専らセンサチップ１だけに伝わることになる。そしてシリコンからなるセンサチップ１は、その熱伝導率が高いので温度センサ（補助ヒータ）２の発熱により全体的に均一に加熱され、雰囲気ガスとの間で熱平衡状態となって安定化する。従って温度センサ２の発熱に伴って上記センサチップ１の温度は一定化され、該温度センサ（補助ヒータ）２の発熱温度（センサチップ１の温度）Ｔで安定化する。
【００３３】
一方、センサチップ１の周囲近傍の雰囲気ガスは、センサチップ１全体からの放熱を受けて加熱され、センサチップ１との間で熱的に平衡状態となった状態で安定する。従ってセンサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスは、該雰囲気ガスの温度に拘わりなくセンサチップ１の温度に依存して部分的に安定化する。換言すればセンサチップ１の周囲近傍においては、雰囲気ガスはその温度に拘わりなく上記センサチップ１の温度（温度センサ２の発熱温度）Ｔに安定化する。そしてこの温度が安定化したセンサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスが前述したようにマイクロヒータ３からの放熱を受けて温度境界層を形成することになる。
【００３４】
従ってそのときの温度境界層の厚みｄは、一定化された温度Ｔcnstにおける雰囲気ガスの熱伝導率をλとしたとき、
ｄ＝ｆ［λ］
として一意に決定される。またマイクロヒータ３の実効的な放熱面積Ｓも
Ｓ＝ｇ［λ］
として、一定化された温度Ｔcnstにおける雰囲気ガスの熱伝導率λに依存して一意に決定される。故に、マイクロヒータ３の放熱係数Ｃと上記一定温度Ｔcnstにおける雰囲気ガスの熱伝導率λとの関係は
Ｃ＝２・（λ÷ｆ［λ］)・ｇ［λ］
となり、これらは雰囲気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。
【００３５】
本発明はこのような考察に基づき、マイクロヒータ３を形成したセンサチップ１を熱絶縁して雰囲気ガス中に支持し、この状態で温度センサ（補助ヒータ）２の抵抗値Ｒrを一定化してその発熱温度を一定化して前記センサチップ１の全体を一定の温度に保ち、これによってセンサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスの温度を一定化した測定環境を形成するものとなっている。そしてこの測定環境において上記マイクロヒータ３を、例えば抵抗値一定制御により一定条件で駆動したときの該マイクロヒータ３の駆動電力Ｐhから求められる放熱係数Ｃに従い、上述した放熱係数Ｃと熱伝導率λoとの比例関係から以下に示すように上記一定温度Ｔcnstにおける雰囲気ガスの熱伝導率λを求めることを特徴としている。
【００３６】
図５は本発明の実施形態を示す概念図で、図中２は前述した図１に示したようにセンサチップ１上に形成されたマイクロヒータを示している。特にセンサチップ１は、構造的には図１に示すように、例えばガラス製またはセラミック製等の熱絶縁性の台座（熱絶縁体）４を介して雰囲気ガス中に支持されている。この台座４は、例えばセンサチップ１の四隅をそれぞれ支持する４つの脚部を有して該センサチップ１を空中に浮かす、いわゆる逆テーブル型のものからなる。
【００３７】
ちなみに熱絶縁性の台座（熱絶縁体）４としては、本出願人が先に提唱した、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技術を適宜採用したものであれば、この発明において望む断熱効果が得られる。またセンサチップ１を保持する台座４としては、好ましくは熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の部材が望ましい。このような部材としては、例えば多孔性部材などがある。熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となると、センサチップ１全体を第１の温度に一定化制御するために必要となる電流が大きくなるので、容量の大きい電源を準備することが必要となり実用的ではない。従ってセンサチップ１を保持する台座４としては、上述したように熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の部材が望ましい。
【００３８】
また図中３０,２０は上記マイクロヒータ３および温度センサ（補助ヒータ）２をそれぞれ発熱駆動するヒータ駆動電源を示している。これらのヒータ駆動電源３０,２０は、例えば図６に示すように、その温度制御対象である前記マイクロヒータ３または温度センサ（補助ヒータ）２を１つのブリッジ辺として構成された抵抗ブリッジ回路３ａと、この抵抗ブリッジ回路３ａのブリッジ電圧Ｖ2に応じて上記抵抗ブリッジ回路３ａ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３ｂとを備えたものとして構成される。
【００３９】
即ち、このヒータ駆動電源３０,２０は、抵抗値が既知の固定抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3と抵抗値がＲhのマイクロヒータ３または抵抗値がＲrの補助ヒータ２とを用いた抵抗ブリッジ回路３ａのブリッジ電圧Ｖ2ａ,Ｖ2ｂを差動増幅器（電圧制御回路）３ｂに入力し、マイクロヒータ３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、そのブリッジ駆動電圧Ｖ1をフィードバック制御することで、前記マイクロヒータ３の抵抗値Ｒhまたは補助ヒータ２の抵抗値Ｒrを一定化するように構成される。
【００４０】
このとき、マイクロヒータ３に流れる電流Ｉhは、
Ｉh＝（Ｖ1−Ｖ2ａ）÷Ｒ1
となる。またマイクロヒータ３側のブリッジ電圧Ｖ2ａは
Ｖ2ａ＝Ｖ2ｂ＝Ｖ1・Ｒ3／（Ｒ2＋Ｒ3）
として与えられる。そしてこのときにマイクロヒータ３に加えられる電力Ｐhは
Ｐh＝Ｉh・Ｖ2ａ
として求めることができ、またヒータ抵抗Ｒhは前述したように
Ｒh＝Ｖh÷Ｉh
となる。
【００４１】
さて本発明に係る熱伝導率測定方法および装置は、図５に示すように、基本的にはヒータ駆動電源２０によりセンサチップ１を一定温度Ｔoに加熱した条件下において、前記ヒータ駆動電源３０により発熱駆動されるマイクロヒータ３の駆動電力Ｐhを求める電力検出手段５ａ、マイクロヒータ３の通電電流Ｉhを電流検出手段５ｂ、およびヒータ駆動電力Ｐhとヒータ電流Ｉhとに従ってヒータ温度Ｔhを求めるヒータ温度検出手段５ｃを備える。更に熱伝導率測定装置は、上記ヒータ温度Ｔhと前述した温度センサ２にて求められるセンサチップ温度Ｔoをセンサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスの温度（周囲温度）として求める周囲温度検出手段５ｄを備える。
【００４２】
そして熱伝導率測定方法および装置は、放熱係数算出手段６にて前記ヒータ温度Ｔhと周囲温度Ｔo、および前記マイクロヒータ３の駆動電力Ｐhに従って前記マイクロヒータ３の放熱係数Ｃを
Ｃ＝Ｐh÷（Ｔh−Ｔo）
として求めており、更に熱伝導率算出手段７においては、上記放熱係数算出手段６にて求められた放熱係数Ｃに従ってテーブル８を参照して、上記放熱係数Ｃに相当する温度Ｔoでの前記雰囲気ガスの熱伝導率λoを求めるものとなっている。
【００４３】
かくしてこのように構成された熱伝導率測定方法および装置によれば、雰囲気ガスの温度に拘わらず、センサチップ１の周囲近傍における雰囲気ガスの温度を部分的にセンサチップ１の温度に一定化することができる。そしてその温度を周囲温度センサ（補助ヒータ）２の駆動条件から求められるセンサチップ温度（周囲温度）Ｔoとして検出することができる。またマイクロヒータ３の発熱温度（ヒータ温度）Ｔhについては、前述したようにマイクロヒータ３の駆動電力Ｐhとその通電電流Ｉhとから検出することができる。従って前述したテーブル８に、予めその成分が既知なる雰囲気ガスの温度Ｔoにおける熱伝導率λoと、マイクロヒータ３の放熱係数Ｃとの対応関係を登録しておけば、前述した如くマイクロヒータ３の駆動電力Ｐhからその放熱係数Ｃを求め、上記テーブル８を参照することで雰囲気ガスの熱伝導率を簡易に求めることが可能となる。
【００４４】
特に本発明に係る熱伝導率測定方法および装置によれば、センサチップ１を熱絶縁体３を介して雰囲気ガス中に支持し、センサチップ１に設けられた補助ヒータ（周囲温度センサ）２の温度を一定化制御し、この条件下でマイクロヒータ３の抵抗値（ヒータ温度）を一定化制御してその駆動電力Ｐを求めるだけで良いので、簡易にして効果的に雰囲気ガスの温度特性に拘わることなく、一定温度Ｔoにおける上記雰囲気ガスの熱伝導率λoを高精度に計測することが可能となる。
【００４５】
図７(ａ)は雰囲気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との関係を調べたものである。この図７(ａ)に示されるように本発明に係る熱伝導率測定方法および装置によれば、雰囲気ガスの温度の違いに拘わらず、プロパンガスと空気との混合比率の違いに応じて、つまり雰囲気ガスの成分比率に放熱係数Ｃと熱伝導率λとの関係が１対１に対応付けられる。従ってその対応関係を予め調べてテーブル８に登録しておけば、マイクロヒータ３の放熱係数Ｃを求めることで、混合ガス（雰囲気ガス）の熱伝導率λを求めることができる。
【００４６】
また図７(ｂ)は、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３の放熱係数Ｃとの関係を示したものである。ちなみに上記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
とした表すことができる。従って前述した如くマイクロヒータ３の放熱係数Ｃを求めることで、その成分が既知なる混合ガスの成分比率を、具体的には上記混合ガスの場合にはそのプロパンガス濃度を図７(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。
【００４７】
また上述したようにして混合ガスを形成する複数のガスの組成比率を求めれば、例えばガス密度と発熱量との関係から上記各ガスが有する発熱量を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ので、混合ガスの発熱量を算出することが可能となる。具体的には単位体積当たりの混合ガスが有する発熱量（エネルギ量）を、上述した如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。
【００４８】
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ガス成分比率測定装置は、温度Ｔでの混合ガスの熱伝導率λ（Ｔ）と、この混合ガスを形成していると思われる複数のガスについての上記温度Ｔでの熱伝導率λ（Ｔ）とを対応付けて登録したテーブル８を準備しておけば良い。そしてテーブル８を参照して求められる各温度Ｔでの熱伝導率λ（Ｔ）をメモリ９に書き込む。
【００４９】
そして成分比率演算手段１０においては、上記メモリ９に記憶した混合ガスおよび各ガスの熱伝導率λ（Ｔ）から前述した連立方程式を立て、この連立方程式を解析して各ガスの成分比率を求めるようにする。そして更に発熱量計算手段１１においては、算出された成分比率に従って前記混合ガスの総発熱量を計算するようにすれば良い。尚、この総発熱量の計算については、発熱量テーブル１２に予め登録した、ガスの種類に応じたガス密度と発熱量との関係を参照することによって行うようにすれば良い。
【００５０】
以上説明したように本発明によれば、前述したようにセンサチップ１をその外部環境から熱的に遮断し、センサチップ１自体を一定の温度に制御した条件下でマイクロヒータの放熱係数Ｃを求めるだけで、純粋ガスや混合ガスの熱伝導率λ（Ｔ）を高精度に、しかも簡易に求めることができる。しかも従来のように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雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）を求めることができる。
【００５１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば熱伝達量測定装置における前述した各演算機能については、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そのまま流用することも可能である。また補助ヒータ２やマイクロヒータ３の発熱駆動手段についても上述した抵抗ブリッジ回路３ａと、そのブリッジ電圧をフィードバック制御する作動増幅器３ｂを用いた例に限定されないことは言うまでもない。またセンサチップ１としては、基体部１ａの上面中央部に設けたキャビティ（凹部）１ｂの上を跨いで橋状のマイクロブリッジ（薄膜部）を設け、このマイクロブリッジ上に第２のヒータ３等を形成したものであっても良い。その他、本発明はその要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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明で用いられるマイクロヒータを備えたセンサチップの概略的な素子構造を示す図。
【図２】センサチップの概略的な断面構造を示す図。
【図３】マイクロヒータを発熱駆動したときのマイクロヒータ近傍における雰囲気ガスの温度分布を模式的に示す図。
【図４】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と雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係を示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係る熱伝導率測定方法および装置の要部概略構成図。
【図６】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。
【図７】本発明に係る熱伝導率測定方法および装置によって計測される温度Ｔoにおける放熱係数Ｃと雰囲気ガスの熱伝導率λ（Ｔ）との関係、および放熱係数Ｃとプロパンガス濃度との関係を示す図。
【図８】本発明に係るガス成分比率測定装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１  センサチップ
２  補助ヒータ（周囲温度センサ）
３  マイクロヒータ
４  熱絶縁体
５ａ  駆動電力検出手段
５ｂ  ヒータ電流検出手段
５ｃ  ヒータ温度検出手段
５ｅ  周囲温度検出手段
６  放熱係数算出手段
７  熱伝導率算出手段
８  テーブル（Ｃ-λo特性）
９  メモリ
１０  成分比率演算手段
１１  発熱量計算手段
１２  発熱量テーブル
２０,３０  ヒータ駆動電源
【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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【図８】
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