(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁極に近接して設けられ支持梁により支持された浮子を有する弾性部材と、前記支持梁の根元に形成され、この支持梁の歪を検出する歪検出手段と、からなり、前記磁界発生手段と弾性部材を酸素を含むガス中に配置したときにガス中の酸素濃度に応じて前記磁極と浮子の間に作用する磁気力変化を前記歪検出手段により検出するように構成したことを特徴とする磁気力式酸素計。
【請求項２】
前記浮子は、少なくとも一端がシリコン基板に設けた梁により支持され、シリコンの微細加工技術により形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気力式酸素計。
【請求項３】
前記歪検出手段は拡散形半導体ストレンゲージ、振動式歪ゲージ、電極間容量式歪検出器の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の磁気力式酸素計。
【請求項４】
歪検出手段からの信号と電流回路を用いて、前記歪を打ち消すための反力生成機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気力式酸素計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば煙道中を流れる混合ガスに含まれる酸素濃度を測定する磁気力式酸素計に関し、振動や衝撃に対する機能を向上させるとともに再現性、均一性及び製造コストを低減した磁気力式酸素計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
混合ガス中の酸素濃度の正確な測定は、広範囲の工業的、臨床的および研究的プロセスにおいて重要である。そのため、酸素濃度を測定するための装置が各種提案・開発されている。
【０００３】
はじめに従来例および本発明で用いる磁気力式酸素計の測定原理について図４を用いて簡単に説明する。
図４（ａ）は酸素を含むガス中に磁界発生手段を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示している。
【０００４】
ここで酸素分子に働くX軸方向の力Ｆは次式により表わすことができる。
Ｆ＝χ・（∂Ｈ／∂Ｘ）・Ｈ
χ：酸素の磁化率
Ｈ：磁界の強さ
∂Ｈ／∂Ｘ：磁界の変化率
つまり、図４（ｂ）に示すように磁界が強く、かつその強さが変化しているところ（磁極の端部 …不均一磁界）に酸素を引付ける力が作用し、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ている。
図４（ｃ）は磁界（磁石のギャップ）内では引付けられた酸素の圧力（濃度）が周囲に比較して高くなっている状態を示している。
【０００５】
図２は磁気力式酸素計の従来例の検出部の原理構成を示す図、図３（ａ）は図２のＺ視図、図３（ｂ）は酸素圧力とダンベルの挙動を示す模式図である。これらの図において１０ａ，１０ｂは先端がくさび状に形成された２対の磁石であり、それぞれが所定の距離（ａ）を隔てるとともに先端部分が所定の距離（ｂ）を隔てて対向して配置されている。これらの磁石には矢印方向（図では上から下）に磁力線が生じている。
【０００６】
１１（ａ，ｂ）はガラス製の球のなかにＮ２ガス等を封入した一対のダンベル球である。これらのダンベル球は支持棒１２の両端に固定され対向するくさび状磁石の先端同士を結ぶ線に対して所定の距離（ｃ）をずらした状態（図３ａ参照）で空間に水平に配置されている。
【０００７】
１３は支持棒（ダンベル球）の中心から十字状に設けられた支持棒で支持棒１２と１３が交差する部分に光学ミラー１４が固定されている。１５は光源、１６はフォトダイオードであり、光源１５から出射した光が光学ミラー１４に反射してフォトダイオード１６に入射するようになっている。なお、前記支持棒１２，１３は例えばＰｔワイヤで形成されている。
【０００８】
上述の構成において、この酸素計をサンプルガス中に配置すると、サンプルガスに含まれる酸素ガスは対向する磁石間で形成される磁界に引寄せられ他の領域との間及びダンベル球に封入されたガス（実施例ではＮ２）の間に密度差が発生する。
【０００９】
その結果、図３（ｂ）に示すように、くさび磁石の先端付近に酸素が吸引されてその部分の酸素密度が上昇し、ダンベル内と外に密度差が発生し、ダンベル球が矢印方向に移動する力を受け、支持棒１２が回転力を受けて変位する。
この変位によりミラーで反射する光源１５からの光の方向が変化しフォトダイオード１６はその変化を電気出力の変化として検出する。そして変化の大きさはサンプルに含まれる酸素ガスに比例する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、磁気ダンベル１１をガラスで形成し、このガラス球にＮ２ガスを封入している。また、ダンベルは白金線により支持されているので振動や衝撃に対して極めて弱く、サンプルガスを酸素計に導入する際の突入圧でダンベルの支持構造（図示省略）が破壊されるという問題があった。
また、ダンベル球の作製は手作業によるものであり、加工性が悪く再現性にも問題があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、特性の優れた磁気力式の利点は損なわずシリコンの微細加工技術利用することで、加工性と再現性を向上させ設計の自由度を拡大させ、振動や衝撃に強く製造コストの低減が可能な磁気力式酸素計を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために請求項１においては、
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁極に近接して設けられ支持梁により支持された浮子を有する弾性部材と、前記支持梁の根元に形成され、この支持梁の歪を検出する歪検出手段と、からなり、前記磁界発生手段と弾性部材を酸素を含むガス中に配置したときにガス中の酸素濃度に応じて前記磁極と浮子の間に作用する磁気力変化を前記歪検出手段により検出するように構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２においては、請求項１記載の磁気力式酸素計において、前記浮子は、少なくとも一端がシリコン基板に設けた梁により支持され、シリコンの微細加工技術により形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３においては、請求項１記載の磁気力式酸素計において、
前記歪検出手段は拡散形半導体ストレンゲージ、振動式歪ゲージ、電極間容量式歪検出器の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項４においては、請求項１記載の磁気力式酸素計において、
歪検出手段からの信号と電流回路を用いて、前記歪を打ち消すための反力生成機構を備えたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１（ａ，ｂ）は本発明の実施形態の一例を示す原理構成図であり、図（ａ）は要部断面構成図、（ｂ）は歪計測チップの要部平面構成図である。これらの図において、１は磁界印加装置であり、この磁界印加装置１の磁極はくさび状に形成されＡで示す部分に磁界が生じている状態を示している。
【００１７】
２はシリコンチップを公知のシリコン微細加工技術により形成した歪計測チップである。この例ではチップ２の中央部に浮子３を形成し、この浮子３を薄肉状に形成した４本の支持梁４により支持した状態とされている。５は例えば拡散半導体ストレンゲージであり、浮子部３の変位を最大に感じる支持梁３の根元に形成されている。
【００１８】
図では省略するがストレンゲージ５の抵抗変化はブリッジなどの公知の電気回路を介して電気信号として検出される。なお、磁界印加装置１は先端のくさび状の部分が浮子３の中心部分に位置するように配置される。
【００１９】
上述の構成において、磁界発生部分にサンプルガスを導入すると、サンプルガスに含まれる酸素濃度に関連して酸素が磁界発生部分に引きつけられ、その部分のガス密度が上昇する。この密度の上昇は浮子３に対して磁気浮力を与えることとなり、図の場合浮子３を下方に押し下げる力となる。
【００２０】
浮子３が下方に押し下げられると支持梁４の根元に形成されたストレンゲージの抵抗が変化する。この抵抗変化はブリッジなどの公知の電気回路を介して電気信号として検出される。この場合サンプルガスは磁石のくさび部分と浮子の間を流れるように導入され、浮子の動きは流れるサンプルガスに含まれる酸素ガスの濃度に対応した変位となる。
【００２１】
なお、浮子の移動は弾性体の変形に基づくが、作用する力が増大すると変位量が比例して増大せず、一般的には飽和傾向が現れる。このため高濃度酸素計測時に、信号の飽和現象が現れるため、従来、直線化の装置などを必要とした。これを解決する手段として、図1（ｂ）に示すように、歪計測チップ表面の浮子部分に電流回路６を設け、歪検出手段からの信号とその電流回路６を用いて、歪を打ち消すための反力生成機構を備えることができる。
【００２２】
即ち、酸素濃度に対応して浮子３が変位すると歪ゲージ５に抵抗変化が生じて出力が変化する。この出力変化を電気回路６にフィードバックし浮子の変位を打ち消すような電流を流し、この電流を新たな信号とすれば、浮子の変位を伴うことなく直線性が確保でき、広範囲の酸素濃度を検出することができる。
【００２３】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば本実施例では浮子を４本の支持梁により支持したが１〜３でも４本以上であってもよく、ストレンゲージに適切な電気信号が生じればよい。また、歪の検出手段としてはストレンゲージの他、振動式歪ゲージ、電極間容量式歪検出器を用いてもよい。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁極に近接して設けられ支持梁により支持された浮子を有する弾性部材と、前記支持梁の根元に形成され、この支持梁の歪を検出する歪検出手段と、からなり、前記磁界発生手段と弾性部材を酸素を含むガス中に配置したときにガス中の酸素濃度に応じて前記磁極と浮子の間に作用する磁気力変化を前記歪検出手段により検出するように構成したので、特性の優れた磁気力式の利点は損なわず、シリコンの微細加工技術を利用して歪計測チップを形成することで、加工性と再現性を向上させ設計の自由度を拡大させ、振動や衝撃に強く製造コストの低減が可能な磁気力式酸素計を実現することができる。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気力式酸素計の実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】従来の磁気力式酸素計の一例を示す構成図である。
【図３】磁気力式酸素計の原理を示す説明図である。
【図４】磁気力式酸素計の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１            磁界印加装置
２            歪計測チップ
３            浮子
４            支持梁
５              ストレンゲージ
６              電流回路
【図１】
0003775592.tif 000002
【図２】
0003775592.tif 000003
【図３】
0003775592.tif 000004
【図４】
0003775592.tif 000005