JP2009281838A - 雰囲気測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率・圧力・流速・温度などの雰囲気の物理量を測定するための雰囲気測定装置において、雰囲気の温度の変化の影響を分離して、さらにヒータの端損失熱、輻射熱による誤差を少なくすることによって温度補償性能を向上させた雰囲気計測装置を提供する。
【解決手段】複数の凹部２が設けられた基盤１と、基盤１に設けられ、各凹部２の上に配置された、輻射熱量は同一で雰囲気への熱伝達量が異なる構成を有する複数のヒータと、雰囲気の温度変化に応じて各ヒータの出力を変更し、各ヒータの発熱温度が一定になるように温度補償制御を行う複数の制御回路と、温度補償制御によって変化した各ヒータの出力電圧差を。記熱伝達量の差の変化量として取得する差動増幅器と、差動増幅器によって取得された熱伝達量の差の変化量からヒータ雰囲気の物理量を演算する演算手段と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、非測定箇所の熱伝導率や圧力などの物理量を測定するための雰囲気測定装置に関する。

従来から、雰囲気の状態を計測する手段として、雰囲気の状態の変化に応じてヒータの発熱温度を一定にする制御を行い、ヒータと雰囲気との熱交換においてヒータが要したエネルギーにより雰囲気の物理量を計測する装置が知られている。
かかる装置において、ヒータの発熱温度を一定に制御する方式としては、例えばヒータ１個と固定抵抗３個により、ブリッチ回路を構成し、ブリッチの２つの中点電圧をアンプなどで監視して、ブリッチが平衡状態を維持できるように、フィードバック制御を行い、ヒータの抵抗値を一定に保つ方式がある。
ヒータは、感温材料であり、温度＝抵抗値としてとらえることが出来るので、ヒータは、所定の抵抗値に設定することにより所定の温度になっている。
この状態で、雰囲気の物理量（例えば、熱伝導率、圧力、流れ）が変化すると、ヒータから雰囲気への熱伝達量が変化し、それに応じて、ヒータに加えられるエネルギーも変化することになるため、このエネルギーを計測すれば雰囲気の変化が計測できるものである。
このような計測方法によるものとして、雰囲気の熱伝導率の変化を計測する、主に湿度計・ガス濃度計測装置、または、雰囲気の圧力変化を計測する、主にピラニ真空計測装置、または、雰囲気の流れを計測する、主に流速計・加速度計測装置などがある。
熱伝導率計測は、雰囲気の種類に応じた熱伝導率を、ヒータから雰囲気へ伝達する熱エネルギー量として、電気計測するものであり、圧力計測は、雰囲気の分子密度を、ヒータから雰囲気へ伝達する熱エネルギー量として、電気計測するものであり、また、流速計測は、流体中にヒータを配置して、ヒータから流体中への熱伝達量が流速依存性があることを利用したものである。
しかしながら、上述したような雰囲気の物理量の測定方法は、ヒータと雰囲気との伝熱メカニズムを用いるので、雰囲気の温度状態の影響を受けることになる。

この影響を分離させるための温度補償技術が従来から工夫されている。
例えば、特許文献１は『雰囲気の温度勾配が急峻である場合や雰囲気の温度変化が急速である場合に於いては、２つのヒータが置かれている位置の違いによってヒータ支持部材の温度が異なり、端損失熱量が異なることになり、単純な出力差では、温度補償誤差が生じる』ことを解決する技術であり、特に、１つのヒータを高温度発熱の状態と低温度発熱の状態で、時分割して使い分け、高温度発熱（４５０℃）時の出力電圧で湿度を測定し、低温度発熱（１１０℃）時の出力に基づいて、温度補償するものである。
特許文献１における温度補償手段は、ヒータの高温発熱時の出力電圧Ｖ_Ｈと低温発熱時の出力電圧Ｖ_Ｌから、以下のような式を用いて成されている。
ｆ_１＝Ｖ_Ｈ−ｋ_１・Ｖ_Ｌ（式１０）、もしくは、ｆ_２＝Ｖ_Ｈ ^２−ｋ_２・Ｖ_Ｌ ^２（式１４）とあり、Ｖ_Ｈは、高温度発熱時のヒータ電圧、Ｖ_Ｌは低温度発熱時のヒータ電圧であり、ｋ１とｋ２は、
ｋ_１＝（α_Ｈ・Ｒ_Ｈ（Ｔ_Ｈ−Ｔ_０）／（α_Ｌ・Ｒ_Ｌ（Ｔ_Ｌ−Ｔ_０）））^１／２（式１２）
ｋ_２＝α_Ｈ・Ｒ_Ｈ／（α_Ｌ・Ｒ_Ｌ）（式１５）
上記（式１２）と（式１５）を設定することで、ｆ_１とｆ_２の変化に含まれる要素は
２Δｆ_１＝（Ｒ_Ｈ（Ｔ_Ｈ−Ｔ_０）／（α_Ｈ・Ｓ））^１／２・Δα_Ｈ（式１３）
Δｆ_２＝Ｒ_Ｈ・Ｓ（Ｔ_Ｈ−Ｔ_０）・Δα_Ｈ（式１６）
ここで、α_Ｈは、ヒータを高温度発熱としたときの熱伝達係数、Ｒ_Ｈは、ヒータを高温度発熱としたときのヒータ抵抗値、Ｔ_Ｌは、ヒータを低温度発熱としたときのヒータ温度、Ｔ_０は、雰囲気温度、α_Ｌは、ヒータを低温度発熱としたときの熱伝達係数、Ｒ_Ｌは、ヒータを低温度発熱としたときのヒータ抵抗値、Ｔ_Ｈは、ヒータを高温度発熱としたときのヒータ温度、Ｓは、ヒータの面積や形状で決まる定数とある。
上記式から解るように、（式１３）と（式１６）では、周囲温度Ｔ_０の影響を受けるが、Ｔ_ＨをＴ_０より充分高い温度として用いることで、周囲温度Ｔ_０の影響を小さくする手段が用いられている。

また、特許文献１とは若干異なる方法として、特許文献２は、複数のヒータを、検出用と温度補償に使い分け、特に温度補償用として低温度発熱で用いるヒータは、検出用ヒータと比べて、複数個とする、あるいは熱容量を増やす、あるいは形状大きく、あるいは抵抗値を大きくする等で、雰囲気検出用の高温度発熱としたヒータと等価な電圧、あるいは電流を加えても発熱温度が低温度になるように工夫されたものである。
また、特許文献２における雰囲気の測定方法は、上記手段により、低温度発熱としたヒータ出力と高温度発熱としたヒータ出力の単純な出力差で温度補償を行う方法である。
以上、熱伝導率計測に関する温度補償の従来技術に関して説明したが、この技術は、そのまま圧力計測の場合にも適応出来るものであり、以下、圧力計測に関する従来技術についても説明する。
特許文献３は、特許文献２と似た構造で圧力計測を行なうものであり、特許文献３の構造は、被測定気体に接触するフィラメントを加熱し、このフィラメントから奪われる熱量を測定することにより前記気体の圧力を測定する真空度測定装置において、前記フィラメントは、基板にマイクロブリッチ状に形成されたことを特徴とする真空度測定装置である。
特許文献３は、主にマイクロブリッチのヒータ構造に関する発明であり、計測原理に関しては詳しくは述べられていないが、基本的にはピラニ真空計の計測原理によるものと考えられる。
ピラニ真空計の計測原理は、代表長さと平均自由行程の関係によって成されるもので、その制御方法も、ヒータを一定発熱温度に制御する方法が主である。また、ピラニ真空計の温度補償方法は、一般にダミー管と呼ばれる圧力に反応しないように一定圧力下で雰囲気を封止した測定子（白金細線のフィラメント）と雰囲気に暴露された測定子との比較によるものであり、この方法は、従来から有る湿度検出装置の温度補償方法と同じ考え方である。
また、近年、上記のようなピラニ真空計の技術から、更に改良が加えられ、圧力計測範囲を拡張し、１気圧まで計測できる発明がある。

特許文献４は、従来のピラニ真空計の計測原理とは若干異なり、温度差がある対向させた２枚の平板間での熱移動によるものであり、代表長さは２平板間の間隔としたものである。
特許文献４は半導体技術を用いて作成されたもので、その構成および２平板間の距離は、「基台（基板）から熱分離した１個の薄膜、もしくは、分割された薄膜に、少なくとも１個のヒータと１個もしくは複数個の温度センサとを備え、前記ヒータにより過熱された前記薄膜から０．１μｍから１０μｍの範囲内の空隙を持つようにヒートシンクに突起を設けたとある。つまり、代表長さが０．１μｍ〜１０μｍの範囲で存在するので、測定可能な圧力範囲が従来のピラニ真空計より格段に広くすることが出来る。」とある。
特開平９−５２８４号公報 特開平８−１３６４９０ 特開２００１−３２４４０３公報 特開２００７−１４７３４４公報

しかしながら、特許文献１においては、ヒータ温度と雰囲気温度に対する熱移動しか考慮されていない。
実際のヒータからの熱移動は、ヒータから雰囲気へ移動する熱とヒータから基台へ移動する端損失熱と、ヒータ表面からの輻射熱の合計であり、特に端損失熱の熱量に関しては、ヒータと基台の温度差、及び、ヒータ支持部材の形状とその熱伝導率によって決まるものであり、ヒータ支持部材の熱伝導率が、雰囲気の熱伝導率に比べて大きい場合、ヒータから移動する総熱量の内、端損失熱が占める割合は大きく、無視できるものではない。
また、端損失熱の温度特性は、上記のように雰囲気への熱伝達とは異なる熱移動の系である為、その特性式も異なり、更に輻射熱の特性まで踏まえると、特許文献１におけるような単純な演算で温度補償が出来るとは考えにくい。
ヒータの温度依存性を決める要素は、ヒータから雰囲気へ移動する熱とヒータから基台へ移動する端損失熱とヒータ表面からの輻射熱であり、これらの要素はそれぞれ異なる温度特性を示すものであるから、精度よく温度補償を行う為には、要素毎の温度依存性に応じて、温度補償する必要がある。
また、特許文献２における方法は、特許文献１と同様に、端損失熱や輻射熱についての考慮がなく、特許文献２のように単純な出力差で雰囲気の特性を取り出す為には、検出用と温度補償用のヒータで端損失熱と輻射熱が概等しくなるヒータ構造にする必要があるが、特許文献２においてはこれらに関する記載は無く、また、検出用と温度補償用のヒータ発熱温度が異なり、且つ、ヒータで形状も全く違う条件では、端損失熱と輻射熱が等価に成っているとは考えづらい。よって、端損失熱と輻射熱の違いによる誤差で、温度補償誤差が生じるものと考えられる。
また、熱伝導率・圧力・流速・温度などの物理量を分離して測定する技術として、従来は、熱伝導率計測の用途のものは、流速による影響を受けないようにパッケージングされ、また、流速計測の用途のものは、雰囲気の種類を特定するか、雰囲気の熱伝導率に影響を受けづらい低温度発熱で計測されている。

圧力計測と熱伝導率計測に関しては、ヒータの特性が、平均自由行程≫代表長さの範囲で圧力に依存し、平均自由行程≪代表長さの範囲で熱伝導率に依存するので、各々の必要とされる計測範囲が異なっており、特に分離する必要がなかった。
しかしながら、特許文献３のような半導体プロセスを用いたヒータにおいては、技術の進歩に伴いヒータ構造の微細化が進み、ヒータのパターン幅が１μｍ以下の物も製作できるようになってきている。このため、ヒータのパターン幅を代表長さと考えると、更なる微細化によって、より高い圧力まで計測できる可能性があり、また、特許文献４などは、２平面間の熱移動を利用することで、１気圧付近の圧力まで計測することが出来ている。このため、上記のような圧力計測としても、熱伝導率計測としても、それぞれの影響が混在する状態になる。そこで、雰囲気の熱伝導率と圧力を分離して測定出来る事が望まれる。
以上説明した状況をうけて、本発明は、熱伝導率・圧力・流速・温度などの雰囲気の物理量を測定するための雰囲気測定装置において、雰囲気の温度の変化の影響を分離して、さらにヒータの端損失熱、輻射熱による誤差を少なくすることによって温度補償性能を向上させた雰囲気計測装置を提供することを目的とする。
さらに、雰囲気の物理量のうち、熱伝導率と圧力とを分離して測定できる雰囲気測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の凹部が設けられた基盤と、該基盤に設けられ、各凹部の上に配置された、輻射熱量は同一で雰囲気への熱伝達量が異なる構成を有する複数のヒータと、雰囲気の温度変化に応じて各ヒータの出力を変更し、各ヒータの発熱温度が一定になるように温度補償制御を行う複数の制御回路と、該温度補償制御によって変化した各ヒータの出力電圧差を、前記熱伝達量の差の変化量として取得する差動増幅器と、前記差動増幅器によって取得された前記熱伝達量の差の変化量から前記ヒータ雰囲気の物理量を演算する演算手段と、を備えた雰囲気測定装置を特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、表面積を等しくして輻射熱量を等しくし、かつ形状を異なるようにして前記雰囲気への熱伝達量に差が出るようにしたことを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２記載の雰囲気測定装置において、各ヒータは、複数の導体パターンからなり、該複数の導体パターンはすべて、前記凹部を跨る方向で同じ長さであり、かつ幅が異なり、各ヒータを構成する導体パターンの、前記凹部を跨る方向に直交する方向の断面積の合計が等しいことを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータにおける抵抗値が等しくなるように、ひとつのヒータの前記複数の導体パターンを並列と直列の組み合わせにより構成したことを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１又は２に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータは、複数の導体パターンからなり、各導体パターンはすべて前記凹部を跨る方向で同じ長さであり、かつ幅が等しく、各ヒータにおける導体パターンの間隔が異なり、各ヒータにおける導体パターンの前記凹部を跨る方向の断面積の合計が等しいことを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータにおける抵抗値が等しくなるように、前記基台上の各導体パターンの、前記凹部を跨る方向の長さ及び前記基板上の部分の面積を異ならせたことを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項５に記載の各ヒータにおいて、各導体パターンの前記凹部を跨る方向の全長を同じにし、該方向に直交する方向の幅を狭めた箇所と広くした箇所を設け、それぞれのヒータで、導体パターンの間隔を狭めた個所と広くした個所を異なる位置に配置したことを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項１に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータにおける前記導体パターンの形状を等しくし、各ヒータから前記凹部の底部までの距離を異ならせたことを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータの出力電圧差により雰囲気の熱伝導率を測定することを特徴とする。

また、請求項１０の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータの出力電圧差により雰囲気の圧力を測定することを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータを低温度発熱として、各ヒータ出力の出力差により、雰囲気の温度を測定することを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の載雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、第１、第２、第３のヒータであり、前記差動増幅器は、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力から第１の出力差を得、前記第２のヒータの出力と及び前記第３のヒータの出力から第２の出力差を得、前記第１の出力差と前記第２の出力差の比から雰囲気の圧力を測定することを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の載雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、第１、第２、第３のヒータであり、前記差動増幅器は、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力から第１の出力差を得、前記第２のヒータの出力と及び前記第３のヒータの出力から第２の出力差を得、前記第１の出力差と前記第２の出力差の比から雰囲気の熱伝導率を測定することを特徴とする。

以上のように構成したことにより、本発明によっては、熱伝導率・圧力・流速・温度などの雰囲気の物理量を測定するための雰囲気測定装置において、雰囲気の温度変化の影響を分離して、さらにヒータの端損失熱、輻射熱による誤差を少なくすることによって温度補償性能を向上させることが可能になる。

以下に、図面に基づいて本発明の雰囲気測定装置の実施形態を詳細に説明する。
図１は、雰囲気への熱伝達量が異なる２つのヒータを、熱伝達率が一定の雰囲気内で、概等しい一定温度で発熱させた時に生じる総熱量を示した図であり、図１（ａ）は、各ヒータの総熱量を示す図、図１（ｂ）は、２つのヒータにおける雰囲気への熱伝達量の差を示す図である。
図１（ａ）において、横軸を周囲温度（ＴＯ）・縦軸をヒータに加えるエネルギー（ヒータワッテージ）（Ｗ）とし、雰囲気の熱伝導率と圧力は一定としたものである。
図１に示すように、ヒータの総熱量は、雰囲気への熱伝達量・端損失熱量・輻射熱量の合計であり、図１の例において、２つのヒータは、端損失熱・輻射熱は同じになっている。
従って、図１（ａ）に示すように、２つのヒータにおいて雰囲気への熱伝達のみが周囲温度の変化に応じて変化しており、図１（ｂ）に示すように、各ヒータのヒータワッテージの差は一定である。
２つのヒータで端損失熱と輻射熱にしているため、（ｂ）に示す各ヒータワッテージ（ヒータ出力）の差は、雰囲気への熱伝達量の差に対応すると考えられる。
図１（ｂ）において、この差は一定であるが、この差が変化したときはこの値の変化が雰囲気の物理量（熱伝達率、圧力等）の変化であると考えられる。
以下に説明するように、本発明の雰囲気測定装置は、このヒータ出力差の変化を測定することで雰囲気の物理量の変化を測定するものであり、各ヒータの端損失熱と輻射熱を同一にしたことにより、これらの影響による温度補償誤差も排除することができ、より正確な測定が可能である。

以下に、本発明の雰囲気計測装置の構造例とともに、詳細な説明を示す。
［第１の構造］
図２は、本発明の雰囲気測定装置の第１の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、（ａ）中Ａ−Ａ線による断面図である。
図２におけるヒータは、図２（ａ）に示すように、基台１、基台に形成された凹部２、凹部上に、感温材料で形成された導体パターン３、電極パッド４から構成されている。
また、複数の導体パターン３によって、ヒータＸ、ヒータＹが構成されている。
ここで、ヒータＸとヒータＹにおいて、長さの等しい導体パターン３の幅をヒータＸはヒータＹの１／２として、更に導体の本数をヒータＸはヒータＹの２倍の本数として、ヒータの表面積を同じにしている。
また、（ｂ）の断面図において、ヒータＸ、ヒータＹを概等しい温度で発熱させた時に生じるヒータ周囲空間の温度分布を等温線（温度分布直径ｘで規定される範囲の一例）として示す。
図２（ｂ）に示すようにヒータＸは、ヒータＹに比べて熱源が分散されているので、ヒータＹに比べて雰囲気への熱伝達量が大きくなっている。

本発明の雰囲気測定装置におけるヒータによる伝熱の仕組みについてさらに説明する。
ヒータを発熱させた時の熱伝達特性について、上記したヒータからの熱移動要素である「雰囲気への熱伝達量Ｑｇ」と「輻射熱量Ｑｒ」と「端損失熱量Ｑｓ」に分けて説明する。
まず、ヒータから雰囲気への熱伝達量Ｑｇについて説明する。
ヒータから雰囲気への熱伝達量Ｑｇは、
Ｑｇ＝ヒータ表面の熱流束ｑ×ヒータ表面積Ｓ
で表される。上記式のヒータ表面の熱流束ｑは、ヒータの導体パターンを円柱（式の単純化のため円柱とした）とすると、
ｑ＝２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄｌｎ（ｘ／ｄ）である。
ここで、κは雰囲気の熱伝導率、ｔｈはヒータ温度、ｔｇは雰囲気の温度、ｄは円柱の直径、ｘは温度分布直径である。
よって、雰囲気への熱伝達量Ｑｇは、
Ｑｇ＝Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄｌｎ（ｘ／ｄ）
になる。
上記式において、第１の構造における２つのヒータＸ、Ｙは、表面積Ｓを同じにして、円柱の直径ｄ（導体パターン幅）を異ならす。または、温度分布直径ｘを異ならせることで、熱流束ｑを異ならし、ヒータから雰囲気への熱伝達量が異なるようにしている。
次に輻射熱について説明する。
輻射熱は、ヒータ表面から雰囲気に関係なく、直接電磁波の形で伝わる熱であり、その熱量Ｑｓは、Ｑｓ＝Ｓσ（ｔｈ^４−ｔｇ^４）である。式に記したσはステファン・ボルッマン定数、ｔｈはヒータ温度、ｔｇは雰囲気温度、Ｓはヒータの表面積である。
第１の構造における２つのヒータは、表面積Ｓが概等しく、ヒータ温度ｔｈ、雰囲気温度ｔｇも概等しいので、輻射熱量は概等しくなっている。

次に端損失熱について説明する。
端損失熱は、ヒータと基台間の温度差によって、ヒータ支持部材を介して移動する熱であり、その熱量Ｑｒは、
Ｑｒ＝支持部材断面の熱流束ｑ×支持部材断面積Ｄ
で表すことができ、支持部材断面での熱流束は、
ｑ＝λ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
である。式に示したλは支持部材の熱伝導率であり、ｔｈはヒータ温度、ｔｒは基台温度、ａは支持部材の長さ（ヒータと基台間の距離）である。
よって、
Ｑｒ＝Ｄλ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
となる。
本発明における２つのヒータＸ、Ｙは、ｆ発熱温度が概等しく、基台温度も概等しいので、各々の端損失熱は、雰囲気温度が変化した場合においても、ヒータと基台間の距離ａとヒータと基台を接続する部材の断面積Ｄによって決まる固定比になる。
また、本発明の主な実施例においては、導体パターン３を直接基台１に接続している為、上記支持部材は導体パターンに置換わる。
以上説明したように、本発明における２つのヒータは、雰囲気への熱伝達量を異ならし、輻射熱を概等しくし、更に、端損失熱もヒータと基台間の構造により定まる一定比率と成るようにしたものである。

図３は、かかる雰囲気測定装置における温度補償の方法を説明する図である。
図３中ＸとＹは２つのヒータであり、ＯＰ１、ＯＰ２は演算増幅器、ＯＰ３は差動増幅器、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６は固定抵抗器である。
ヒータＸ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、ＯＰ１により、ヒータＸの発熱温度を一定に制御する一定発熱温度制御回路１０を構成し、ヒータＹ、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、ＯＰ２によって一定発熱温度制御回路２０が構成されている。
図３の回路において、固定抵抗器の抵抗値がＲ１＝Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ５とすると増幅演算器ＯＰ１、ＯＰ２のフィードバック制御により、Ｘ＝Ｒ３、Ｙ＝Ｒ６になるように、ＯＰ１、ＯＰ２の出力電流ｉｓ、ｉｒが変化する。従って、ヒータＸとＹの抵抗値は常に固定抵抗器Ｒ３・Ｒ６の抵抗値に等しくなるように（すなわち、一定温度になるように）自己発熱する。
このときのヒータＸとヒータＹのヒータ出力は、それぞれＶ１とＶ２であり、２つのヒータの出力差Ｖ１−Ｖ２は、差動増幅器ＯＰ３によって得られる。
ヒータＸ、ヒータＹのヒータ出力Ｖ１及びＶ２は、
Ｖ１＝（Ｑ１／Ｒ１）^１／２Ｒ１
Ｖ２＝（Ｑ２／Ｒ２）^１／２Ｒ２
であり、Ｒ１はヒータＸを所定の温度とした時の抵抗値、Ｒ２はヒータＹを所定の温度とした時の抵抗値、Ｑ１はヒータＸの所定の温度での総熱量であり、Ｑ２はヒータＹの所定の温度での総熱量である。

また、上記したように、ヒータＸ、Ｙの総熱量Ｑ１、Ｑ２は、
Ｑ１＝Ｑｇ１＋Ｑｓ１＋Ｑｒ１
Ｑ２＝Ｑｇ２＋Ｑｓ２＋Ｑｒ２であるから、
Ｖ１とＶ２は、
Ｖ１＝（Ｑｇ１／Ｒ１）^１／２Ｒ１＋（Ｑｓ１／Ｒ１）^１／２Ｒ１＋（Ｑｒ１／Ｒ１）^１／２Ｒ１
Ｖ２＝（Ｑｇ２／Ｒ２）^１／２Ｒ２＋（Ｑｓ２／Ｒ２）^１／２Ｒ２＋（Ｑｒ２／Ｒ２）^１／２Ｒ２
また、ヒータＸとヒータＹが、輻射熱量Ｑｓ１＝Ｑｓ２、端損失熱量Ｑｒ１＝Ｑｒ２であり、且つ、２つのヒータで抵抗値もＲ１＝Ｒ２＝Ｒ１２である場合、
Ｖ１−Ｖ２＝（Ｑｇ１／Ｒ１２）^１／２Ｒ１２−（Ｑｇ２／Ｒ１２）^１／２Ｒ１２
＝（（Ｑｇ１−Ｑｇ２）Ｒ１２）^１／２
となり、雰囲気への熱伝達量Ｑｇの式になる。
これによって、出力電圧の温度補償の誤差は、
ｅｒｒＶ＝ｅｒｒＶＱｇ＋ｅｒｒＶＱｒ＋ｅｒｒＶＱｓが、ｅｒｒ（Ｖ１−Ｖ２）＝ｅｒｒＶＱｇとなる。
また、図３中の増幅器ＯＰ４は、ヒータＸとヒータＹで抵抗値や端損失熱が異なる場合を想定したもので、２つのヒータで抵抗値や端損失熱が概等しくなるように、一方のヒータ出力の大きさを調整出来るようにしたものである。

本発明のヒータを発熱させる方式は、２つのヒータを用いる為、ヒータを一定温度に制御する回路を２回路として、各々のヒータの出力差で雰囲気の物理量を計測することで、温度補償を行っている。
この温度補償の仕組みを、上記式を元に説明すると
２つのヒータの総熱量をＱ１、Ｑ２とすると
Ｑ１＝Ｑｇ１＋Ｑｓ１＋Ｑｒ１
Ｑ２＝Ｑｇ２＋Ｑｓ２＋Ｑｒ２
であり輻射熱量Ｑｓ１＝Ｑｓ２、端損失熱量Ｑｒ１＝Ｑｒ２が同じであれば、
Ｑ１−Ｑ２＝Ｑｇ１−Ｑｇ２
また、
Ｑｇ１＝Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄ_１ｌｎ（ｘ_１／ｄ_１）
Ｑｇ２＝Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄ_２ｌｎ（ｘ_２／ｄ_２）として、
また、本発明における２つのヒータは、上記式の導体直径ｄもしくは、温度分布直径ｘがヒータ形状で定まる、ほぼ一定比であるので（温度分布直径ｘは、雰囲気の熱伝導率κと雰囲気温度ｔｇによって変化するが、２つのヒータが概等しい雰囲気にあるので、２つのヒータの温度分布直径ｘの比は概等しい）、
その比率を１／（ｄ_１ｌｎ（ｘ_１／ｄ_１））：１／（ｄ_２ｌｎ（ｘ_２／ｄ_２））＝Ａ：Ｂとすると
Ｑｇ１−Ｑｇ２＝ＡＳ２κ（ｔｈ−ｔｇ）−ＢＳ２κ（ｔｈ−ｔｇ）
また、Ｑ１−Ｑ２＝Ｑｇ１−Ｑｇ２であるので、
Ｑ１−Ｑ２＝（Ａ−Ｂ）Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ）となる。
ここで、出力差Ｑ１−Ｑ２に変化を与える要素が、雰囲気の熱伝導率κと雰囲気温度ｔｇであることがわかる。
このため、本方式においては、ヒータ温度ｔｈを雰囲気温度ｔｇよりも充分高い温度として用いることで、雰囲気温度ｔｇの影響を小さくする。また、雰囲気の温度ｔｇが大きく変化する環境に於いては、後述する雰囲気温度計測手段を用いて、更に温度補償することも出来る。

以上端損失熱量が概等しい場合での説明をしたが、端損失熱量が固定比で異なっている場合についても説明する。
この場合、一方のヒータ出力に増幅回路等を用い、端損失熱による出力分が等しくなるように調整して、端損失熱を相殺する。
上記動作を２つのヒータの熱量により説明すると２つのヒータの総熱量をＱ１、Ｑ２として、Ｑ１とＱ２では端損失熱量が１：Ｂで異なっているとする
Ｑ１＝Ｑｇ１＋Ｑｓ１＋Ｑｒ１
Ｑ２′＝Ｑｇ２＋Ｑｓ２＋Ｑｒ２
ここでＱ１を増幅回路でＢ倍して、Ｑ１−Ｑ２を求めると
ＢＱ１−Ｑ２＝ＢＱｇ１−Ｑｇ２＋ＢＱｓ１−Ｑｓ２
になる。
ここで、輻射熱量Ｑｓは、Ｑｓ＝Ｓσ（ｔｈ^４−ｔｇ^４）であるが、ヒータ温度ｔｈが雰囲気温度ｔｇに比べ充分大きい条件では、ｔｇの影響は非常に小さいので、ｔｈ^４−ｔｇ^４を定数とみなし、ＢＱｓ１−Ｑｓ２をＣとしてなんら問題ないので
ＢＱ１−Ｑ２＝ＢＱｇ１−Ｑｇ２＋Ｃ
となり、雰囲気への熱伝達量Ｑｇの式になる。
これによって、出力電圧に変換される熱量Ｑの温度補償の誤差はｅｒｒＱ（Ｔ）＝ｅｒｒＱｇ（Ｔ）＋ｅｒｒＱｒ（Ｔ）＋ｅｒｒＱｓ（Ｔ）が、ｅｒｒＱ（Ｔ）＝ｅｒｒＱｇ（Ｔ）となり誤差は小さくなる。
以上、熱伝導率計測における、本発明の詳細を説明したが、本発明は、熱伝導率計測だけではなく、ヒータを発熱させ、ヒータから雰囲気への熱伝達量から雰囲気の物理量を計測する装置の温度補償に適応できるものであり、本発明を適用した圧力計測に関しては後述する。

上述したように、図２の例において、長さの等しい導体パターン３の幅をヒータＸはヒータＹの１／２として、更に導体の本数をヒータＸはヒータＹの２倍の本数として、ヒータの表面積を同じにしている。
このため、雰囲気への熱伝達量は、（ｂ）に示すようにヒータＸでは、熱源が分散され、より多くの空間を暖めるため、ヒータＹにおける場合と比べて大きくなる。
本実施例のヒータＸ、Ｙ半導体技術によって作成される２つのヒータであって、第１の構造のヒータ形状とするのに適した構造の発明である。
この例による２つのヒータは、それぞれ複数の導体パターンに分割され、ヒータＸと、ヒーＹで、導体パターン幅を異ならし、個々の導体パターンの長さを概等しくし、導体パターンの断面積の合計が概等しくして、ヒータの端損失熱を概等しくする。
すなわち、第１のヒータの導体パターン幅ｄ１と第２のヒータの導体パターン幅ｄ２を異ならすことにより、雰囲気への熱伝達量Ｑｇを２つのヒータで異ならせ、熱伝達量Ｑｇを求める。

また、上記構成によって、２つのヒータの端損失熱が概等しくなる理由は、ヒータＹとヒータＹでは、導体パターン幅は異なっているが、第１のヒータの導体パターンの断面積の合計Ｄと第２のヒータの導体パターンの断面積の合計Ｄは概等しく、また、導体パターン３中央から基台１までの距離ａも等しいから、それぞれの端損失熱量をＱｒ１、Ｑｒ２として、Ｑｒ２はパターン幅がＱｒ１の１／３で、導体パターンの本数がＱｒ１の３倍と仮定して、
Ｑｒ１＝Ｄλ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
Ｑｒ２＝３（Ｄ／３）λ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
＝Ｄλ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
とおなじである。
しかしながら、本発明によるヒータは、複数の導体パターン３に分割されているため、隣接する導体パターンで互いに熱干渉し、ヒータ全体に温度分布が生じ中央の導体パターン３と端の導体パターン３では導体パターン３の温度が異なることになる。
但し、本ヒータの発熱制御は、ヒータの抵抗値を一定に制御する一定発熱温度方式であり、この制御においては、雰囲気への熱伝達量Ｑｇや輻射熱量Ｑｒや端損失熱量Ｑｓが、雰囲気の温度変化や熱伝導率の変化で変化したとしても、ヒータの抵抗値を一定に保つ制御であるため、複数の導体パターンの平均温度は所定の温度になっているので、この条件を上記Ｑｒ２に含めると
Ｑｒ２＝（Ｄ／３）λ（（ｔｈ＋２Δｔ）−ｔｒ）／ａ
＋（Ｄ／３）λ（（ｔｈ−Δｔ）−ｔｒ）／ａ
＋（Ｄ／３）λ（（ｔｈ−Δｔ）−ｔｒ）／ａ
＝Ｄλ（ｔｈ−ｔｒ）／ａ
と同じになる。
また、上記Δｔは本ヒータの平均温度が所定の温度ｔｈになっている前提で、中央の導体パターン３の温度をｔｈ＋２Δｔとし、端部の導体パターンの温度をｔｈ−Δｔと仮定したものであるが、実際は、導体パターン１本づつに、その中央から基台にかけて温度勾配があり、更に、パターン間隔によっても温度分布が異なるため、（ｔｈ＋２Δｔ）と（ｔｈ−Δｔ）は、より複雑な形となり、導体パターン１本づつ書き表し証明すことは困難であるが、少なくとも本発明のヒータの平均温度は所定の温度ｔｈになっており、各導体パターンの平均温度と基台温度の差はｔｈ−ｔｒであるから、２つのヒータの発熱温度ｔｈが概等しく、導体パターンの長さａも等しく、導体パターンの断面積の合計Ｄが概等しく、且つ、基台温度ｔｒと熱伝導率λも等しい条件では、２つのヒータの端損失熱は概等しくなる。

図４は、本発明の雰囲気測定装置において、実際に雰囲気変化を演算するための構成を示すブロック図である。
図４において、Ａ／Ｄコンバータ１００、マイコン（演算手段）１０１、測定結果を出力するための表示装置１０３、マイコン１０１に通信回路で接続された外部装置１０２などで構成される。
図３の差動増幅器ＯＰ３から出力された計測値、すなわちヒータＸ、Ｙの出力差α（Ｖ１−Ｖ２）をＡ／Ｄコンバータ１００によりデジタル値へ変換して、マイコン（演算手段）による演算を行い、圧力やガス濃度、湿度に変換する。
かかる測定装置によっては、上記に説明したように温度補償性能が良い検出値を使用しているので、熱伝導率計測装置の温度補償の向上が計れる。
さらに、温度補償性能が良い検出値を使用しているので、圧力計測装置の温度補償の向上が計れる。
以下に、本発明の雰囲気測定装置の異なる構造の例を説明する。
これらの構造は、更に温度補償性能を向上させるヒータ構造として、端損失熱による誤差が小さいヒータ構造とし、さらに検出回路などで生じる電気特性の誤差が小さいヒータ構造を実現するためのものである。

［第２の構造］
図５は、本発明の雰囲気測定装置の第２の構造を示す図である。
以下の説明において、図２と同じ要素については、同一の符号を付して詳細な説明は省略している。
この第２の構造においては、凹部２上に配置されている支持部材５に、導体パターン３が設置される構造であるため、端損失熱量が第２の構造におけるヒータよりも少なくなる。
［第３の構造］
図６は、本発明の雰囲気測定装置の第３の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線における断面図である。
第３の構造において、導体パターン３の幅をヒータＸにおいては、ヒータＹの１／２として、導体の本数をヒータＸではヒータＹの２倍の本数とし、ヒータＸは隣接する導体を２本ずつ並列接続として、そして、並列接続した導体を直列接続し、双方のヒータの合成抵抗を等しくしている。
このように導体の接続に、並列接続と直列接続を組み合わせて、合成抵抗を概等しくすることにより、計測回路等による電気的誤差を小さくすることが出来る。
（ｂ）の断面図にヒータを発熱させた時に生じるヒータ周囲空間の温度分布を等温線（温度分布直径ｘで規定される範囲の一例）として示す。
（ｂ）に示すようにヒータＸは、ヒータＹに比べて熱源が分散されているので、ヒータＹに比べて雰囲気への熱伝達量が、第１の構造の場合と同様に大きい。
なる。

［第４の構造］
図７は、本発明の雰囲気測定装置の第４の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、Ｃ−Ｃ線における断面図である。
第４の構造において、ヒータＸとヒータＹで、導体パターン３の幅を概等しくして、導体間隔を異ならし、導体パターンの本数は同じにしているので、発熱に要する表面積は同じになる。
（ｂ）の断面図にヒータを発熱させた時に生じるヒータ周囲空間の温度分布を等温線（温度分布直径ｘで規定される範囲の一例）として示す。
雰囲気への熱伝達量は、（ｂ）に示すようにヒータＹでは、隣接する導体どうしで温度分布を共有するため、ヒータＸに比べ小さくなる。
また、基台１に接続される導体パターン３の断面積の合計を該等しくしているので、概等しい発熱温度とした時に生じる端損失熱を概等しくすることが出来る。
この第４の構造におけるヒータは、半導体技術によって作成される２つのヒータであって、第１の構造のヒータ形状とするのに適した構造とは異なる。
この例による２つのヒータは、複数の導体パターンに分割され、第１のヒータと第２のヒータで、導体パターン幅を同じとし、導体パターンの間隔を異ならし、個々の導体パターンの長さを概等しくし、導体パターンの断面積の合計を概等しくして、ヒータの端損失熱を概等しくする。
すなわち、この第４の構造においては、導体パターン間隔の違いによって、温度分布直径ｘを異ならせ、雰囲気への熱伝達量Ｑｇを異ならしている。

［第５の構造］
図８は、本発明の雰囲気測定装置の第５の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、Ｄ−Ｄ線による断面図である。
第５の構造における導体パターン３は、上記した第４の構造の場合と概ね同じ形状であるが、基台上１の導体長さをヒータＸに対して、ヒータＹの長さを長くして導体パターン３の全長を概等しくしたものである。
雰囲気への熱伝達量は、（ｂ）に示すようにヒータＹでは、隣接する導体パターン同士で温度分布を共有するため、ヒータＸに比べ小さくなる。
この構造においては、２つのヒータは、基台上に配置される導体パターンの長さや幅を異ならせて導体パターン幅の全長を概等し、ヒータの合成抵抗値を概等しくして、計測回路等による電気的誤差を小さくすることが出来る。
［第６の構造］
図９は、本発明の雰囲気測定装置の第６の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、Ｅ−Ｅ線による断面図である。
第６の構造における導体パターンは、ヒータＸとヒータＹで導体パターン幅をほぼ同じにして、ヒータＸでは２本ずつ一まとめにして、導体パターンの間隔を狭めた個所と広くした個所を設け、ヒータＹでは４本ずつ一まとめとして、導体パターンの間隔を狭めた個所と広くした個所を設けている。
このように、２つのヒータにおいて、導体パターン幅の全長を概等しくして、合成抵抗が概等しくなるようにしているので、計測回路等による電気的誤差を小さくすることが出来る。
この第６の構造は、第４の構造に加え、２つのヒータは、導体パターンの全長を同じにして、導体パターンの間隔を狭めた個所と広くした個所を設け、第１のヒータと第２のヒータで、その構成を異ならして、雰囲気への熱伝達量Ｑｇを異ならし（（ｂ）に示すように、導体パターン間隔の違いによって、温度分布直径ｘを異ならせ、雰囲気への熱伝達量Ｑｇを異ならしている）、且つ、ヒータの合成抵抗値も概等しくしている。

［第７の構造］
図１０は、本発明の雰囲気測定装置の第７の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は、Ｆ−Ｆ線による断面図である。
第７の構造における２つのヒータは、導体パターン形状を概等しくし、ヒータＸとヒータＹで、各ヒータから凹部２底部までの距離を異ならせている。
第７の構造において、両ヒータにおける導体パターンの形状は同じであり、ヒータＸとヒータＹとの違いは、ヒータから凹部２の底部までの距離だけであるので、発熱に要するヒータ表面積は同じである。
（ｂ）の断面図にヒータを概等しい温度で発熱させた時に生じるヒータ周囲空間の温度分布を等温線（温度分布直径ｘで規定される範囲の一例）として示す。
雰囲気への熱伝達量は、（ｂ）に示すようにヒータＹでは、凹部２の底部が温度分布を妨げるため、ヒータＸに比べ大きくなる。
このように、ヒータ形状を概等しくしているので、概等しい温度で発熱させた時に生じる端損失熱を概等しくすることが出来、計測回路等による電気的誤差も小さくすることが出来る。この第７の構造は、半導体技術によって作成される２つのヒータであって、第１の構造に記載のヒータ形状とするのに適した形状とは異なる。
この例では、ヒータと凹部の底面までの距離の違いによって、ヒータの温度分布直径ｘを異ならせ、雰囲気への熱伝達量Ｑｇを２つのヒータで異ならしている。

［第８の構造］
図１１は、本発明の雰囲気測定装置における第８の構造を示す図である。
図１１は、第３の構造に対して、更にヒータを１つ追加した構成である。
また、図１２は、この構造を備えた雰囲気測定装置における回路構成を示すブロック図である。
図１２における一定発熱温度制御回路は、図３中に示すものと同じである。
さらに、ヒータＸとヒータＹの出力差α（Ｖ１−Ｖ２）を得るための差動増幅器ＯＰ３に加え、ヒータＹとヒータＺの出力差β（Ｖ２−Ｖ３）を得るための差動増幅器ＯＰ５を新たに追加している。
また、ヒータＺを一定発熱温度に制御する一定発熱温度制御回路３０を追加している。
図１３は、図１１のヒータを制御した場合の雰囲気の熱伝導率に対するヒータ出力の変化を示す図である。
雰囲気の温度と圧力を一定として、縦軸にヒータ出力電圧、横軸を雰囲気の熱伝導率と
して示している。
本グラフのヒータＸＹＺの反応の違いは、ヒータから雰囲気への熱伝達量の違いによって生じているため、（Ｘ（Ｖ１）−Ｙ（Ｖ２））：（Ｙ（Ｖ２）−Ｚ（Ｖ３））の比α：βは絶対湿度の変化に関係なく一定比になる。

また、図１４は、図１１のヒータを制御した場合の雰囲気の圧力に対するヒータ出力の変化を示す図である。
雰囲気の温度と熱伝導率を一定として、縦軸にヒータ出力電圧、横軸を雰囲気の圧力として示したグラフである。
本グラフのＸＹＺの反応の違いは、３つのヒータの代表長さと気体分子の平均自由行程の関係によって生じるものであり、（Ｘ（Ｖ１）−Ｙ（Ｖ２））：（Ｙ（Ｖ２）−Ｚ（Ｖ３））の比α：βは圧力によって変化する。
また、この第８の構造は、第３の構造によるヒータ構成をもとに説明したが、第１から第７の構造のヒータ構成によるものが全て適用でき、また、複合するなどして、必要とする計測範囲に応じた代表長さを設定しても良いことは言うまでもない。

図１５は、ヒータ構造を複合させた第８の構造の他の例を示す図である。
図１５においては、圧力計測範囲を広くする目的で、３つのヒータＸ、Ｙ、Ｚの代表長さの違いが大きくなるように、第６、第７の構造を組み合わせた構造である。
この構造においては、熱伝導率による特性と圧力に対する特性の違いを利用しているので、熱伝導率と圧力を分離して計測することができる。
第１〜７の構造のヒータを３つとして、発熱温度が概等しくなるように電力を印加し、第１のヒータ出力と第２のヒータ出力と第３のヒータ出力の差を得て、その出力差から雰囲気の熱伝導率を測定し、その出力差の比から圧力を計測するものである。
本発明に関する熱伝導率計測は、第１の構造について記した内容と同じだが、圧力との分離計測のため、更に一定発熱温度とする回路を加えて、第１のヒータ出力と第２のヒータ出力と第３のヒータ出力が得られる構成になっている。
第１の構造と同様に端損失熱と輻射熱の影響が相殺できるように、３つのヒータ出力それぞれの差をもって計測するものである。

本発明に於ける圧力と熱伝導率を分離して計測する手段を説明する。
（１）雰囲気の圧力ｐと温度ｔｇを一定とし、雰囲気の熱伝導率κが変化する条件にて、３つのヒータによる出力をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とすると、それぞれの出力差は、
Ｑ１−Ｑ２＝（Ａ−Ｂ）Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ）
Ｑ２−Ｑ３＝（Ｂ−Ｃ）Ｓ２κ（ｔｈ−ｔｇ） （第１の構造の説明より）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃはヒータの導体直径ｄもしくは、温度分布直径ｘで定まる固定比であるから、Ｑ１−Ｑ２とＱ２−Ｑ３の比も一定になり、その値は、熱伝導率κと雰囲気温度ｔｇに依存する。
また、本方式に於けるヒータ発熱温度ｔｈは雰囲気温度ｔｇより充分高い温度とすることで、雰囲気の温度ｔｇによる影響を小さくする。
（２）次に雰囲気の熱伝導率κが一定であり、圧力ｐが、雰囲気の分子の平均自由行程≫代表長さ（雰囲気の分子の平均自由行程は、圧力ｐによって変化する変数であり、代表長さは、導体パターン幅ｄや温度分布の形状により異なる無次元数である。）になる条件で、雰囲気への熱伝達量Ｑは、Ｑ＝表面積Ｓ×熱流束ｑであり、熱流束ｑは、ｑ＝γΛｐ（ｔｈ−ｔｇ）となる。
上記式のγは、ヒータ導体の材料と雰囲気分子の組成で決まる係数（適応係数）であり、Λは自由分子熱伝導率、ｔｈはヒータ発熱温度、ｔｇは雰囲気温度である。
ここで、本発明に於ける３つのヒータは、表面積が同じであり、発熱温度も同じであるから、３つのヒータの出力をＱ１、Ｑ２、Ｑ３とすると、それぞれの出力差は、熱流束ｑが同じに成る為、Ｑ１−Ｑ２＝０、Ｑ２−Ｑ３＝０であり、ヒータ出力の差は得られない。

しかしながら、本発明のヒータは、導体パターン幅ｄ、もしくは、温度分布直径ｘを異ならしているので、それぞれのヒータで代表長さが異なっている。
よって、本発明による３つのヒータを上記、雰囲気の分子の平均自由行程≫代表長さの状態から加圧していくと、それぞれのヒータによって異なる代表長さ＝雰囲気の分子の平均自由行程となるポイントに向けて、それぞれ異なる圧力で上記式、ｑ＝γΛｐ（ｔｈ−ｔｇ）からはずれていき、最終的に圧力に依存しない、ｑ＝２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄｌｎ（ｘ／ｄ）に近似される。
つまり、本発明の圧力計測は、雰囲気の分子の平均自由行程≫代表長さが成立つ条件より高い圧力から、圧力に依存しない雰囲気の分子の平均自由行程≪代表長さの圧力範囲の中間領域にて、圧力を計測するものであり、その特徴は、各々のヒータの出力が、式ｑ＝γΛｐ（ｔｈ−ｔｇ）から外れる圧力値が、代表長さによって異なり、３つのヒータでの出力差Ｑ１−Ｑ２、Ｑ２−Ｑ３の比が圧力変化に応じて変化することを利用したものである。
以上述べたように、本発明に於ける、３つのヒータの出力差は、雰囲気の熱伝導率に依存するが、３つのヒータの出力差の比は、圧力に依存するものであるから、それぞれの出力差を計測し、雰囲気の熱伝導率とその比から圧力を計測することが出来る。

ところで、本発明のヒータは、感温材料であり、温度＝抵抗値として捕らえることが出来るので、ヒータを発熱させないように微弱な電流を通電し、ヒータの抵抗値を計測すれば温度の計測が出来るものである。しかしながら、ヒータの支持部材や基台の熱容量が付加され、雰囲気の温度に対する追従性が遅くなるため、温度に対する応答性を高めて精度を上げるためには、この影響をなくすことが求められる。
また、この例の雰囲気測定装置における駆動検出回路は、図３の場合と同じであるが、図中のＲ３とＲ６の抵抗値を発熱温度が所定の低温度となるように設定する。
この場合、基台の熱容量やケーブルからの熱移動に影響を受ける端損失熱が相殺されるので、温度に対する反応を速くすることが出来る。
すなわち、第１から７の構造のヒータ構造で、ヒータ発熱温度を雰囲気の熱伝導率の影響が少ない低温度として計測するものである。
熱流束ｑの式ｑ＝２κ（ｔｈ−ｔｇ）／ｄｌｎ（ｘ／ｄ）から解るように、ヒータ温度ｔｈを低くして、雰囲気の温度ｔｇの影響をより大きくすることによって成されるものである。
よって、本方式では、端損失熱に影響を受けずに雰囲気温度を測定できる。
また、この場合、雰囲気の熱伝導率κの影響も受けるため、雰囲気の熱伝導率が大きく変化する環境に於いては、第１の構造による雰囲気の熱伝導率計測手段とあわせて用い、それぞれの値から、お互いを補整しても良い。

雰囲気への熱伝達量が異なる２つのヒータを概等しい一定温度で発熱させた時に生じる総熱量を示した図。 本発明の雰囲気測定装置の第１の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置における温度補償の方法を説明する図。 本発明の測定装置の具体的な構成を示すブロック図。 本発明の雰囲気測定装置の第２の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第３の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第４の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第５の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第６の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第７の構造を示す図。 本発明の雰囲気測定装置の第８の構造を示す図。 第８の構造の雰囲気測定装置における回路構成を示すブロック図である 図１１のヒータを制御した場合の雰囲気の熱伝導率に対するヒータ出力の変化を示す図。 図１１のヒータを制御した場合の雰囲気の圧力に対するヒータ出力の変化を示す図。 ヒータ構造を複合させた第８の構造の他の例を示す図。

符号の説明

Ｘ、Ｙ、Ｚ ヒータ、１ 基台、２ 凹部、３ 導体パターン、４ 電極パッド、５ 支持部材、１００ Ａ／Ｄコンバータ、１０１ マイコン、１０２ 外部装置、１０３ 表示装置、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ４ 増幅演算器、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ 固定抵抗器、ＯＰ３ 差動増幅器、ＯＰ５ 差動増幅器

Claims (13)

1. 複数の凹部が設けられた基盤と、
   該基盤に設けられ、各凹部の上に配置された、輻射熱量は同一で雰囲気への熱伝達量が異なる構成を有する複数のヒータと、
   雰囲気の温度変化に応じて各ヒータの出力を変更し、各ヒータの発熱温度が一定になるように温度補償制御を行う複数の制御回路と、
   該温度補償制御によって変化した各ヒータの出力電圧差を、前記熱伝達量の差の変化量として取得する差動増幅器と、
   前記差動増幅器によって取得された前記熱伝達量の差の変化量から前記ヒータ雰囲気の物理量を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする雰囲気測定装置。
2. 請求項１記載の雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、表面積を等しくして輻射熱量を等しくし、かつ形状を異なるようにして前記雰囲気への熱伝達量に差が発生するようにしたことを特徴とする雰囲気測定装置。
3. 請求項１又は２記載の雰囲気測定装置において、
   各ヒータは、複数の導体パターンからなり、
   該複数の導体パターンはすべて、前記凹部を跨る方向で同じ長さであり、かつ幅が異なり、
   各ヒータを構成する導体パターンの、前記凹部を跨る方向に直交する方向の断面積の合計が等しいことを特徴とする雰囲気測定装置。
4. 請求項３に記載の雰囲気測定装置において、
   各ヒータにおける抵抗値が等しくなるように、一つのヒータの前記複数の導体パターンを並列と直列の組み合わせにより構成したことを特徴とする雰囲気測定装置。
5. 請求項１又は２に記載の雰囲気測定装置において、
   各ヒータは、複数の導体パターンからなり、各導体パターンはすべて前記凹部を跨る方向で同じ長さであり、かつ幅が等しく、
   各ヒータにおける導体パターンの間隔が異なり、
   各ヒータにおける導体パターンの前記凹部を跨る方向の断面積の合計が等しいことを特徴とする雰囲気測定装置。
6. 請求項５に記載の雰囲気測定装置において、
   各ヒータにおける抵抗値が等しくなるように、前記基台上の各導体パターンの、前記凹部を跨る方向の長さ及び前記基板上の部分の面積を異ならせたことを特徴とする雰囲気測定装置。
7. 請求項５に記載の各ヒータにおいて、各導体パターンの前記凹部を跨る方向の全長を同じにし、該方向に直交する方向の幅を狭めた箇所と広くした箇所を設け、それぞれのヒータで、導体パターンの間隔を狭めた個所と広くした個所を異なる位置に配置したことを特徴とする雰囲気測定装置。
8. 請求項１に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータにおける前記導体パターンの形状を等しくし、各ヒータから前記凹部の底部までの距離を異ならせたことを特徴とする雰囲気測定装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータの出力電圧差により雰囲気の熱伝導率を測定することを特徴とする雰囲気測定装置。
10. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータの出力電圧差により雰囲気の圧力を測定することを特徴とする雰囲気測定装置。
11. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の雰囲気測定装置において、各ヒータを低温度発熱として、各ヒータ出力の出力差により、雰囲気の温度を測定することを特徴とする雰囲気測定装置。
12. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の載雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、第１、第２、第３のヒータであり、
    前記差動増幅器は、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力から第１の出力差を得、前記第２のヒータの出力と及び前記第３のヒータの出力から第２の出力差を得、前記第１の出力差と前記第２の出力差の比から雰囲気の圧力を測定することを特徴とする雰囲気測定装置。
13. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の載雰囲気測定装置において、前記複数のヒータは、第１、第２、第３のヒータであり、
    前記差動増幅器は、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力から第１の出力差を得、前記第２のヒータの出力と及び前記第３のヒータの出力から第２の出力差を得、前記第１の出力差と前記第２の出力差の比から雰囲気の熱伝導率を測定することを特徴とする雰囲気測定装置。

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