(57)【要約】  金属の測温抵抗体線と、この測温抵抗体線を内部に収容する、多結晶体のセラミックを材料とした絶縁碍子と、前記絶縁碍子と前記測温抵抗体線との間に充填される充填材とを備え、前記充填材は、多結晶体の無機絶縁材粉末と、当該無機絶縁材粉末、前記測温抵抗体線及び前記絶縁碍子の融点よりも軟化点が低い非晶質体の絶縁材であるガラス粉末との混合物であって、当該混合物を前記絶縁碍子と前記測温抵抗体線との間に充填した後、前記ガラス粉末の軟化点よりも高い温度で、かつ前記測温抵抗体線、前記絶縁碍子及び前記無機絶縁材粉末の融点より低い温度で加熱して当該ガラス粉末のみを溶融させ、その後降温して固化させた極低温用測温抵抗体素子が開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測温抵抗体線と、この測温抵抗体線を内部に収容する外枠と、当該外枠と前記測温抵抗体線との間に充填される充填材とを備えた極低温用測温抵抗体素子において、
前記充填材は、多結晶体の無機絶縁材粉末と、当該無機絶縁材粉末、前記測温抵抗体線及び前記外枠の溶融する温度よりも軟化点が低い非晶質体の絶縁材であるガラス粉末との混合物であって、
当該混合物を前記外枠と前記測温抵抗体線との間に充填した後、前記ガラス粉末の軟化点よりも高く、かつ前記測温抵抗体線、前記外枠及び前記無機絶縁材粉末の溶融する温度より低い温度で加熱して当該ガラス粉末のみを溶融させ、その後降温して固化させた
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の極低温用測温抵抗体素子において、前記測温抵抗体線は、白金とコバルトの合金を材料とし、これをコイル状に形成したものである
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【請求項３】
請求項２に記載の極低温用測温抵抗体素子において、
前記白金とコバルトの合金は、白金にコバルトが０．５ｍｏｌ％含まれた合金であり、
前記ガラス粉末溶融のための加熱温度は、４６０℃以上５２０℃以下であり、かつ、前記ガラス粉末の軟化点より５０℃以上高い温度である
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【請求項４】
請求項３に記載の極低温用測温抵抗体素子において、
前記無機絶縁材粉末は、アルミナ粉末であり、
前記ガラス粉末は、酸化ビスマスが主成分で、これに酸化亜鉛及び酸化ボロンを加えたものであり、
前記ガラス粉末の前記充填材に対する混合比率は、３．５ｗｔ％から１０．０ｗｔ％の範囲である
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の極低温用測温抵抗体素子において、
前記測温抵抗体線の両端に接続されるリード線をさらに備え、
前記外枠は、軸方向に二つの貫通孔を有する略円形断面の柱状をした絶縁碍子であり、
前記測温抵抗体線は、その両端部が前記各貫通孔の同側端部から露出するように往復して挿入されており、
前記充填材は、前記貫通孔の内壁と前記測温抵抗体線との隙間に充填されている
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【請求項６】
請求項５の極低温用測温抵抗体素子において、
前記各貫通孔の両側端部を封止する、絶縁材を材料とする封止材をさらに備えている
ことを特徴とする極低温用測温抵抗体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４Ｋ（Ｋ：絶対温度の単位）から９０Ｋの極低温域の温度を測定する測温抵抗体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
測温抵抗体素子による温度測定は、測温抵抗体素子の内部に収容した測温抵抗体線の電気抵抗が温度により変化する性質を利用して行うものであって、測温抵抗体線の温度が測温抵抗体素子の温度出力となる。具体的には、測温抵抗体線の両端に接続されたリード線に一定電流を流し、電圧降下から電気抵抗値が求められ、その電気抵抗値が温度に換算される。電圧降下の測定法には、リード線の分岐数により、２線式、３線式及び４線式があるのは周知のとおりである。【０００３】
測温抵抗体素子の構成としては、外枠内に無機絶縁材粉末を介在させてコイル状の測温抵抗体線を設置したものが一般に用いられる。【０００４】
このような構成の測温抵抗体素子が一般に用いられている理由としては、製作が容易で安価であることが挙げられる。また、測温抵抗体線とその支持物の熱膨張率の差により測温抵抗体線に外部から力が加わると、測温抵抗体線の長さと断面積が変化することにより電気抵抗が変化して温度測定誤差が生じるが、コイル状の測温抵抗体線を無機絶縁材粉末の中に設置したこのような構成にすると、測温抵抗体線に加わる力が小さく、温度測定誤差が生じ難いことも一般的に用いられる理由として挙げられる。【０００５】
一般に広く使用されている測温抵抗体素子の代表的な構造を図１及び図２に示す。図１は長手方向の断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。但し、図１の測温抵抗体線４のコイル部は外面図で示している。【０００６】
図１及び図２に示すように、測温抵抗体素子１は、両端にリード線５が繋がれたコイル状の測温抵抗体線４が、外枠である略円形断面をした柱状の絶縁碍子２に設けられた長手方向の２つの貫通孔３に、両端に接続された２本のリード線５が各貫通孔３の同側端部から露出するように往復して挿入されている。測温抵抗体線４は、貫通孔３内の隙間に充填された無機絶縁材粉末である充填材６を介在して貫通孔３内に設置されており、各貫通孔３の両側端部は内部の充填材６が脱落しないよう封止材７で封止された構造となっている。【０００７】
充填材６である無機絶縁材粉末は、アルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物などを材料とする多結晶体の粉末が用いられる。絶縁碍子２もアルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物などを材料とする多結晶体を成形したセラミックが専ら用いられる。【０００８】
封止材７としては、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコンもしくはこれらの混合物を主成分とする多結晶体の接着剤が通常使用され、エポキシ樹脂などのエナメルが用いられる場合もある。さらに、特許文献２の第１図（ａ）に示されているように、無機絶縁材粉末の脱落の恐れのない状態で使用される測温抵抗体素子には、封止材７が設けられていないものもある。【０００９】
測温抵抗体線４の材料としては、ＪＩＳＣ１６０４「測温抵抗体」に示されるように、白金が通常用いられる。しかし、測定温度が７３Ｋ（−２００℃）以下になると、温度変化に対する白金の電気抵抗の変化割合が減少して測定感度が低下するために、温度測定誤差が増加し、測定不可能となる。このため、７３Ｋ以下の温度も測定対象とする場合は、測温抵抗体線４の材料として特許文献１及び非特許文献１に示されるような白金とコバルトの合金が通常用いられる。白金とコバルトの合金は低温域でも測定感度の低下が少なく、非特許文献１に示される如く４Ｋから少なくとも３２５Ｋの温度範囲において精度良く温度を測定することができる。下限が４Ｋであるのは、４Ｋがヘリウムの沸点で、これ以下の温度での温度校正が困難なことによる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５３−５３７５８号公報「温度検出素子材料」
【特許文献２】実開昭５７−１２６０３５号公報「測温抵抗素子」
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「互換形、極低温用Ｐｔ−Ｃｏ測温抵抗体」横河技報（１９８８年）  Ｖｏｌ．３２  Ｎｏ．３  Ｐ．２９〜３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
白金とコバルトの合金を材料とする低温用の測温抵抗体線を用い、外枠内に無機絶縁材粉末を介在させてその測温抵抗体線を収容した従来の測温抵抗体素子は、約９０Ｋ以下の温度において、温度が下降するにつれて温度測定誤差がプラス側に増加し、温度が１０Ｋ以下になるとその増加が急激になるという問題があった。図１及び図２に示した測温抵抗体素子で、白金とコバルトの合金を材料とする低温用の測温抵抗体線を用いたものについて、電気抵抗を測定するために流す電流を標準的な０．２ｍＡ、１ｍＡ及び２ｍＡとした場合の４Ｋから１０Ｋの低温域における温度測定誤差を表１に示す。また、表１をグラフにしたものを図７に示す。【００１３】
【表１】
2014061069.tif 000003
【００１４】
９０Ｋ以上の温度測定では、測定電流が大きい程、測定する測温抵抗体線の電圧降下が大きいためにＳＮ比（ノイズ成分に対する信号成分の比）が大きくなり、ノイズの影響を受けない測定ができるが、表１、図７の温度測定誤差は、ノイズの多い環境においてノイズの影響を少なくするために測定電流を大きくすることが逆に誤差を大きくする問題もあることを示している。【００１５】
以上のように、従来の測温抵抗体素子には、プラス側の温度測定誤差が約９０Ｋ以下の温度、特に１０Ｋから４Ｋの温度域において大きくなり、かつその誤差は、ＳＮ比を大きくするために測定電流を増すと増加するという問題があった。【００１６】
この誤差の原因として、温度が９０Ｋ以下になると、低温化による飽和蒸気圧の降下のために無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気の液化が始まり、気体で存在していた際に果たしていた伝熱媒体としての機能が減少して熱伝導が低下し、測定電流によって発生するジュール熱を放熱する性能が落ちることにより、測温抵抗体線の温度が外部温度より高くなっていくことが考えられた。【００１７】
即ち、空気が気体として存在する温度では、測定電流により測温抵抗体線に生じたジュール熱は、無機絶縁材粉末を伝わる熱と無機絶縁材粉末の間に存在する空気の分子運動により伝わる熱によって外枠、図１の構造では絶縁碍子２を経由して外部に放出され、外部温度と測温抵抗体線の温度差が微小であったものが、温度が９０Ｋ以下になると空気成分の液滴化が始まり、温度が１０Ｋ以下のなると空気のほぼ全量が液滴化さらには固体化して体積が極小となり、ほぼ真空になった中に無機絶縁材粉末が存在している状態となる。
このため、測温抵抗体線に生じたジュール熱は無機絶縁材粉末のみを伝わって、絶縁碍子経由で外部に放出されることとなる。この放熱性能の低下により、ジュール熱の排出が不十分となり、測温抵抗体線の温度が９０Ｋ以下で外部温度より高くなり始め、１０Ｋから４Ｋの低温域では表１、図７に示すような温度まで高くなり、かつ、ジュール熱は測定電流の２乗に比例するので、測定電流が大きい程、ジュール熱が増加し、ジュール熱の不十分な排出よる測温抵抗体線の温度上昇が助長されると考えられるのである。【００１８】
なお、殆どの気体が液化、固体化する低温度領域では、通常、必然的に高真空状態である。測温抵抗体素子として、特許文献２の第１図（ａ）に示されるような封止材を設けない構造のものもあるが、このような構造でも、無機絶縁材粉末が真空中に存在する状態となって、プラス側に温度測定誤差が発生する問題があることは同じである。【００１９】
本発明は、上述した誤差に鑑みてなされたものであり、９０Ｋから４Ｋの極低温域で精度よく温度測定ができる温抵抗体素子を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本件発明者は、鋭意研究の結果、９０Ｋ以下の温度において、温度が下降するにつれて温度測定誤差がプラス側に増加し、特に１０Ｋから４Ｋの低温域でその誤差が大きく、かつその誤差はＳＮ比を大きくするために測定電流を増すと増加するという従来の測温抵抗体素子に見られた問題を生じさせないために、以下の測温抵抗体素子とした。【００２１】
測温抵抗体線と、この測温抵抗体線を内部に収容する外枠と、外枠と測温抵抗体線との間に充填される充填材とを備えた極低温用測温抵抗体素子において、充填材は、多結晶体の無機絶縁材粉末と、この無機絶縁材粉末、測温抵抗体線及び外枠の溶融する温度よりも軟化点が低い非晶質体の絶縁材であるガラス粉末との混合物とし、当該充填材を外枠と測温抵抗体線との間に充填した後、ガラス粉末の軟化点よりも高い温度で、かつ測温抵抗体線、外枠及び無機絶縁材粉末の溶融する温度より低い温度で加熱してガラス粉末のみを溶融させ、その後降温して固化させた極低温用測温抵抗体素子とした。【００２２】
従来の充填材は、多結晶体の無機絶縁材粉末のみであったのに対し、本発明では、多結晶体の無機絶縁材粉末と非晶質体の絶縁材であるガラス粉末とを混合した混合物を充填材として外枠と測温抵抗体線との間に充填し、これを当該ガラス粉末の軟化点よりも高く設定された加熱温度で加熱して当該ガラス粉末を外枠内で溶融させた後、降温して固化させたものである点が異なる。【００２３】
非晶質体であるガラスは、温度が転移点を超えると溶融が始まり、固体状態にあったものが液体の性質を持ち始める。さらに温度を上げてリルトン点とも呼ばれる軟化点の温度に達するとガラスは自重で変形する状態まで溶融する。したがって、軟化点以上に加熱することにより充填材中のガラス粉末は無機絶縁材粉末の隙間に広がり、降温した際には無機絶縁材粉末の多くをガラスが連結した状態となる。【００２４】
対して、金属、単結晶体及び多結晶体は、転移点、軟化点が無く、温度が融点に達するまで、ほぼその形状を維持し、融点を超えると溶融して液状となる。
したがって、加熱温度は、無機絶縁材粉末の融点、並びに測温抵抗体線及び外枠の融点または転移点以下の温度で、かつガラス粉末の軟化点以上の温度に設定される。【００２５】
本発明の態様では、無機絶縁材粉末に混合したガラス粉末のみを溶融させたことにより、無機絶縁材粉末の各粒子の多くは相互にガラスによって連結した状態となっている。この連結により高い熱伝導を有し、９０Ｋ以下の低温域において無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気等の気体が低温のため液滴化、さらには固体化しても、従来のものに見られた測定電流によって発生するジュール熱の放熱が妨げられてプラスの温度測定誤差が生じる現象が本態様では生じず、４Ｋの低温まで、ジュール熱の影響を受けない精度のよい温度測定が可能である。加えて、低温においても充填材の熱伝導が保たれるので、測定対象の温度変化に対する測温抵抗体線の温度追従も悪化せず、温度測定の応答速度が遅くならないという副次的な効果もある。【００２６】
充填材中の無機絶縁材粉末は、従来のものと同様、アルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物を材料とする多結晶体の粉末を用いことができ、外枠も従来のものと同様、アルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物を材料とする多結晶体を成形したセラミックを用いることができる。これらの材料の融点は１５００℃以上であり、非晶質体のガラスの軟化点は、特殊な高温用ガラスを除いて、せいぜい８００℃である。【００２７】
測温抵抗体線として、従来と同様に、特許文献１及び非特許文献１に示した低温域で測定精度のよい白金とコバルトの合金を材料とするものを使用できる。白金とコバルトの合金の融点は、特殊な高温用のものを除いたガラスの軟化点より遥かに高い。【００２８】
以上のような材料の融点と軟化点より、無機絶縁材粉末、外枠及び測温抵抗体線は形状を保ち、ガラス粉末のみを溶融させる加熱が可能である。【００２９】
白金とコバルトの合金は、非特許文献１に記載されているように、内部歪の量により電気抵抗値が変化するために、内部歪が変化すると温度測定値が変化して誤差となる。一方、ガラス粉末を溶融させる加熱温度よって白金とコバルトの合金を材料とする測温抵抗体線の焼鈍度合いが変わり、その内部歪の量が変化するので、ガラス粉末を溶融させる加熱温度を、内部歪が温度測定誤差を小さくする量になる温度とすることが望ましい。この観点から、測温抵抗体線の材料を白金にコバルトが０．５ｍｏｌ％含まれた合金とし、加熱温度を４６０℃以上５２０℃以下とすることが好適で、この温度とすることにより、後に述べる我々の試験の結果が示すように、本発明による極低温用測温抵抗体素子の低温域における温度測定誤差を小さく抑えることができる。【００３０】
また、充填材中のガラス粉末を軟化点以上に加熱することによりガラス粉末は溶融して無機絶縁材粉末の隙間に広がり、冷却した際には無機絶縁材粉末の多くをガラスが連結した状態となるが、ガラス粉末の無機絶縁材粉末の隙間への広がりをより確実なものとするためには、加熱温度を軟化点より５０℃以上高い温度とすることが望ましい。換言すれば、軟化点が４１０℃以下のガラス粉末を用いて、加熱温度を４６０℃以上５２０℃以下とすることが好適である。【００３１】
無機絶縁材粉末の材料を、無機絶縁材のなかでは比較的熱伝導がよく、かつ安価なアルミナ粉末とし、ガラス粉末を、化学的に安定で扱い易く、鉛等の毒性物が含まれず、電気絶縁性を有し、かつ軟化点温度が４０５℃前後になる、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を主成分としてこれに酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化ボロン（Ｂ２Ｏ３）を加えた材料とすることにより、経済的で、毒性物質を含まず、温度測定誤差の少ない極低温用測温抵抗体素子とすることができる。【００３２】
充填材における無機絶縁材粉末に対するガラス粉末の混合比率に関し、混合比率が少ないと、無機絶縁材粉末の各粒子間のガラスによる連結が十分に行われず、熱伝導の向上が限られたものとなってジュール熱によるプラス側の温度測定誤差が発生する。また、混合比率が多すぎると、ガラスとしての性質が支配的になって測温抵抗体線を拘束する力が強くなり、測温抵抗体線と充填材の熱膨張差による測温抵抗体線の長さと断面積の変化、及び当該熱膨張差による測温抵抗体線の内部歪の変化が電気抵抗の変化を生じさせ、温度測定誤差を増加させる要因となる。【００３３】
このように、無機絶縁材粉末と混合するガラス粉末の混合比率が少ない場合、多い場合ともに温度測定誤差の増加をもたらすが、無機絶縁材粉末をアルミナ粉末とし、ガラス粉末を酸化ビスマスが主成分でこれに酸化亜鉛及び酸化ボロンを加えた材料とし、ガラス粉末の混合比率を３．５ｗｔ％から１０ｗｔ％の範囲とすることにより、熱伝導がよく、かつ測温抵抗体線を拘束する力が抑制されたものとなり、後に述べる我々の試験の結果が示すように、温度測定誤差の小さい測温抵抗体素子が得られる。なお、ガラス粉末の混合比率の数値は、無機絶縁材粉末とガラス粉末の合計重量に対するガラス粉末重量の比率（以下、充填材中のガラス粉末量を示すｗｔ％は合計重量に対する比率を示す）で、上述のガラス粉末の比重は７．４である。【００３４】
白金にコバルトが０．５ｍｏｌ％含まれた合金を材料とする測温抵抗体線の内部歪は、ガラス粉末を溶融させるための加熱温度を４６０℃以上５２０℃以下にすることにより適切な歪量になって温度測定誤差が小さくなるが、適切な内部歪をガラス粉末の混合比率を多くした充填材の測温抵抗体線に対する拘束力により実現することは、この拘束力による内部歪は測温抵抗体線と充填材の熱膨張差により生じるものであるために温度によって変化し、また、当該熱膨張差に起因する測温抵抗体線の長さと断面積の変化による温度測定誤差を生じさせるので好ましくない。したがって、本発明では、内部歪をガラス粉末溶融の加熱温度により調節し、充填材による拘束力は抑制した。【００３５】
充填材による測温抵抗体線の拘束力は抑制されているため、測温抵抗体線をコイル状にすることは、測温抵抗体線と充填材の熱膨張差に起因する測温抵抗体線の長さと断面積の変化、及び内部歪の変化をさらに軽減し、測定誤差を少なくする効果がある。【００３６】
また、以上示した本発明の態様は、図１及び図２に示した従来から広く使用されている測温抵抗体素子の構造に適用することに支障はなく、適用することにより製作が容易で安価な測温抵抗体素子とすることができる。但し、従来の構造の測温抵抗体素子は、貫通孔内の無機絶縁材末が脱落しないように貫通孔の両側端部が絶縁材を材料とする封止材で封止されていたが、本発明の極低温用測温抵抗体素子においては、ガラス粉末を溶融させた後は、無機絶縁材粉末はガラス粉末で連結されるので脱落する懸念がなく、封止材は必須でない。しかし、ガラス粉末の溶融までの製作工程において、封止していないために無機絶縁材粉末とガラス粉末の混合物が脱落する恐れがある場合は、封止材を設けることによりこれを防ぐことができる。封止材の材料としては、従来のものと同様、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコンもしくはこれらの混合物の多結晶体を主成分とする接着剤が使用できる。これらの接着剤の耐熱温度は１０００℃以上あり、一般のガラスの軟化点がせいぜい８００℃であるのに対して十分高く、ガラス粉末溶融のための加熱によって損傷することはない。【００３７】
本発明のさらなる特徴、目的、構成、並びに作用効果は、添付図面と併せて読むべき以下の詳細な説明から容易に理解できるであろう。
【発明の効果】
【００３８】
従来の測温抵抗体素子において外枠と測温抵抗体線との隙間に充填されていた無機絶縁材粉末を、無機絶縁材粉末とガラス粉末の混合物に変え、これをガラス粉末の溶融温度以上に加熱して熱伝導性能を高めることにより、従来の測温抵抗体素子で見られていた９０Ｋ以下の温度において、温度が下降するにつれて温度測定誤差がプラス側に増加し、特に１０Ｋから４Ｋの低温域で誤差が急増し、かつその誤差はＳＮ比を大きくするために測定電流を増すと増加するという現象が生じず、９０Ｋから４Ｋの極低温域においても、測定電流値の影響を受けずに精度よく温度測定ができる測温抵抗体素子とした。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来及び本発明の実施の一形態に係る極低温用測温抵抗体素子の縦断面図である。
【図２】図１の極低温用測温抵抗体素子のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】電気抵抗値と温度の関係の設定値から温度が高く出力される計器を用いて、本発明に係るガラス粉末溶融のための加熱温度と温度測定誤差の関係を試験した結果を示すグラフである。
【図４】電気抵抗値と温度の関係の設定値から温度が低く出力される計器を用いて、本発明に係るガラス粉末溶融のための加熱温度と温度測定誤差の関係を試験した結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係るガラス粉末の混合比率と電気抵抗値測定電流を増加した際の温度測定値変化の関係を試験した結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る極低温用測温抵抗体素子による測定温度と温度測定誤差との関係を示すグラフである。
【図７】比較例（従来例）に係る極低温用測温抵抗体素子による測定温度と温度測定誤差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００４１】
本発明の実施の一形態に係る測温抵抗体素子の具体的構造を図１及び図２に示す。構造は従来のものと変わりない。充填材６が従来は多結晶体の無機絶縁材粉末であったのに対し、本形態では、多結晶体の無機絶縁材粉末と非晶質体の絶縁材であるガラス粉末の混合物とし、ガラス粉末の軟化点よりも高い加熱温度で加熱してガラス粉末のみを溶融させた後、降温して固化させたものである点が従来のもと異なる。
【００４２】
図１は長手方向の断面図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図１の測温抵抗体線４のコイル部は、外面図で示している。
【００４３】
図１に示すように、本実施形態に係る測温抵抗体素子１は、外殻を構成する絶縁碍子２と、この絶縁碍子２に収容される測温抵抗体線４と、絶縁碍子２と測温抵抗体線４との間に充填される充填材６とを備えている。
【００４４】
絶縁碍子２は、多結晶体であるアルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物を材料としたセラミックであり、軸方向に二つの貫通孔を有する略円形断面の柱状をしている。絶縁碍子２としては、アルミナとシリカの混合物を材料とするセラミックで作られた、外径φ１．４ｍｍ、長さ１０．５ｍｍの絶縁碍子が好適な一例である。２つの貫通孔３の径は、例えば、φ０．４ｍｍである。無論、絶縁碍子２の別の例として、円筒形に形成された貫通孔が１つのものを採用してもよい。その場合には、測温抵抗体線４は貫通孔内で折り返された状態で収容してもよいし、折り返さない状態で収容してもよい。
【００４５】
絶縁碍子２の各貫通孔３には、測温抵抗体線４が収容されている。本実施形態では、測温抵抗体線４は、コイル状の白金とコバルトの合金である。測温抵抗体線４は、当該測温抵抗体線４の一端部と他端部とがそれぞれ絶縁碍子２の各貫通孔３の同じ側から突出するように、貫通孔３に往復して挿入されている。図１及び図２の測温抵抗体線４としては、コバルトを０．５ｍｏｌ％含んだ白金とコバルトの合金を材料とする外径φ２０μｍの線が好適な一例である。コバルトの含有量としては、特許文献１に示されるように、例えば、０．０５ｍｏｌ％から２．０ｍｏｌｍ％であってもよい。或いは、白金とコバルトの合金に代えて、極低温域において使用されるその他の抵抗体線、例えば、ロジウムと鉄の合金を採用してもよい。
【００４６】
また、測温抵抗体線４の一端部及び他端部には、それぞれリード線５が接続されている。リード線５としては、電気抵抗が小さく、測温抵抗体線の電気抵抗の測定値に影響を与えることが少ない白金とロジウムの合金が好適な一例である。
【００４７】
貫通孔３の内部には、充填材６が充填されている。充填材６は、絶縁碍子２と測温抵抗体線４との間に充填され、機械的に測温抵抗体線４を保持しているとともに、測定電流が発生するジュール熱を、絶縁碍子２を経由して外部に放熱するための熱媒体として機能するものである。本実施形態において、充填材６は、アルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物などの多結晶体を材料とする無機絶縁材粉末と、この無機絶縁材粉末に混合した非晶質体の絶縁材であるガラスとで構成されている。この充填材６は、無機絶縁材粉末にガラス粉末を均一に混合した上で所定の温度以上で加熱してガラス粉末を溶かした後、降温して固化したものである。無機絶縁材粉末の大部分が固化したガラスによって連結されている。
この連結により充填材６は、極低温域においても高い熱伝導性を有し、測定電流が発生するジュール熱を放出する機能を維持するので、極低温域での温度測定誤差を小さくする効果がある。
【００４８】
充填材６の無機絶縁材粉末としては、例えば、比較的熱伝導率が高く安価なアルミナ粉末が好適な一例である。
【００４９】
絶縁碍子２の両端部には、封止材７が設けられている。封止材７は、貫通孔３の内部に充填した充填材６が脱落しないように、絶縁碍子２の両端部に設けられ、貫通孔３の両側端部を封止している。封止は、アルミナ、シリカ、ジルコン、またはこれらの混合物の多結晶体を主成分とする接着剤により行われる。なお、本発明においては、封止材７は、必須ではなく、省略してもよい。
【００５０】
本実施形態に係る測温抵抗体素子１を製造する際には、絶縁碍子２の内部に測温抵抗体線４を図１に示すように、両端部が絶縁碍子２の一端側に揃うように往復させて挿入する。その状態で、無機絶縁材粉末と、絶縁碍子２、測温抵抗体線４及び無機絶縁材粉末の融点よりも軟化点が低い非晶質体の絶縁材であるガラス粉末とを均一に混合したものを貫通孔３内に充填し、必要ならば封止材７で封止する。次いで、この組立体を電気炉の中に入れて、予め設定された加熱温度で例えば、２時間加熱する。加熱温度は、白金にコバルトが０．５ｍｏｌ％含まれた合金を材料とする測温抵抗体線４を用いた測温抵抗体素子１では、ガラス粉末の軟化点以上の温度であって、測温抵抗体線４の焼鈍による内部歪が適切なものとなる４６０℃以上５２０℃以下が好適である。
このように加熱処理された測温抵抗体素子１は、充填材６中のガラス粉末が内部で溶融し、溶融したガラス粉末が無機絶縁材粉末の粒子を連結した状態で固化したものに変化して極低温域でも測定電流が発生するジュール熱を放出する機能を維持することに加え、測温抵抗体線４の内部歪が適切な量となっていることから、極低温域において温度測定誤差を小さくする効果が高められたものとなる。
【００５１】
ガラス粉末は、その軟化点以上に加熱すると溶融して無機絶縁材粉末の隙間に広がるが、上述の４６０℃以上５２０℃以下の加熱温度においてより確実な溶融をするために、比較的軟化点の低い素材が好適である。例えば、酸化ビスマスを主成分とした軟化点が４０５℃程度のガラス粉末が好適な一例である。加熱温度が下限の４６０℃であっても軟化点より５０℃以上温度が高いのでガラス粉末はより確実に溶融し、また、このガラスは有害な鉛成分を実質的に含まない無鉛ガラスの粉末を生成することができる利点もある。
【００５２】
本実施形態の極低温用測温抵抗体素子１において、無機絶縁材粉末は、アルミナ粉末であり、ガラス粉末は、酸化ビスマスを主成分とし、これに酸化亜鉛及び酸化ボロンを加えた比重７．４のものであり、ガラス粉末の充填材６中における混合比率は、３．５ｗｔ％から１０．０ｗｔ％の範囲としたものが好適である。混合比率をこの範囲とすることにより、極低温域において高い熱伝導を維持するに十分な無機絶縁材粉末のガラスによる連結がなされること、及び、測温抵抗体線４を拘束する力が抑制されて熱膨張が測温抵抗体線４にもたらす変形と内部歪の変化を微小にできることから、極低温域においても温度測定誤差の小さい測温抵抗体素子１を得ることができる。
【００５３】
次に、以上述べた本発明の効果及び実施形態の裏付けとなる試験結果について説明する。
【００５４】
試験は以下に示す試験１から試験３の３つの試験を行なった。各試験の試験体と試験内容に共通する項目は次のとおりである。
【００５５】
試験体の構成は図１及び図２に示したものと同じである。
測温抵抗体線４には、白金にコバルトが０．５ｍｏｌ％含まれた合金を材料とする外径φ２０μｍの線を使用し、リード線５は外径φ０．２ｍｍの白金とロジウムの合金を使用した。
また、絶縁碍子２は、アルミナとシリカの混合物を成形したセラミックで作られた、外径φ１．４ｍｍ、長さ１０．５ｍｍのもので、長手方向に設けられた２つの貫通孔３の径はφ０．４ｍｍである。封止材７には、アルミナを主成分とする耐熱性接着剤を使用した。
充填材６は、アルミナ粉末に、酸化ビスマスが主成分でこれに酸化亜鉛と酸化ボロンを加えた比重が７．４で軟化点温度が４０５℃のガラス粉末を混合したものを用いた。
【００５６】
これらを図１及び図２に示す形状に組み立てた後、ガラス粉末を溶融させるための加熱を行って極低温用測温抵抗体素子１とした。なお、ガラス粉末溶融のための加熱時間は２時間とし、電気抵抗値の測定は４線式に拠った。
【００５７】
［試験１：ガラス粉末を溶融させるための加熱温度に関する試験］
白金とコバルトの合金を材料とする測温抵抗体線は内部歪の量により電気抵抗値が変化するが、ガラス粉末を溶融させる加熱温度よってその焼鈍度合いが変わり、内部歪の量が変化するので、ガラス粉末を溶融させる加熱温度によって温度測定誤差が増減する。
【００５８】
温度測定誤差の少ない適切な内部歪とするための加熱温度を検証するために、充填材６中のアルミナ粉末に混合するガラス粉末の混合比率を４．２ｗｔ％にした本発明による極低温用測温抵抗体素子を５体作り、各体のガラス粉末を溶融させるための加熱温度を４５５℃から５４０℃の範囲で異なる温度とし、９０Ｋ及び１０Ｋにおける温度測定誤差を試験した。これらの加熱温度は使用したガラス粉末の軟化点温度４０５℃より５０℃以上高い温度である。
【００５９】
電気抵抗値測定のための電流は２ｍＡとし、温度測定誤差は、公的機関で校正されたゲルマニュウム温度計を規準温度計として計測した。
【００６０】
白金とコバルトの合金を材料とする測温抵抗体線の電気抵抗値と温度との関係を定めるＪＩＳ等の公的規準は、現状未だ制定されておらず、白金とコバルトの合金を材料とする測温抵抗体線の電気抵抗を測定し、温度に変換して出力する計器に設定されている電気抵抗値と温度の関係は計器メーカによって少し異なるものとなっている。
【００６１】
試験は、計器に設定された電気抵抗値と温度の関係から温度が高く出力される計器と低く出力される計器を用いて実施した。試験結果を表２に、表２をグラフにしたものを図３及び図４に示す。
【００６２】
【表２】
2014061069.tif 000004
【００６３】
表２中の計器１は、計器に設定された電気抵抗値と温度の関係から温度が高く出力される計器を指し、この計器を用いた試験結果は図３に示すとおりで、計器２は、温度が低く出力される計器を指し、この計器を用いた試験結果は図４に示すとおりである。図３から、ガラス粉末を溶融させるための加熱温度を４９０℃から５２０℃の範囲とすると、約１℃以内の温度測定誤差となる。また、図４からは、４６０℃から４９０℃の範囲で約１℃以内の温度測定誤差となる。
【００６４】
図３と図４の結果は、本発明による測温抵抗体素子において、ガラス粉末を溶融させるための加熱温度が４６０℃以上５２０℃以下で、かつ、当該ガラス粉末の軟化点温度より５０℃以上高い温度とすれば、電気抵抗値と温度の関係の設定から温度が高く出力される計器、温度が低く出力される計器、または中間的な温度が出力される計器の何れかを用いることによって、９０Ｋから１０Ｋにおいて約１℃以内の温度測定誤差が得られることを示している。
【００６５】
図３の結果はまた、ガラス粉末溶融のための加熱温度を５０３℃とし、電気抵抗値と温度の関係の設定から温度が高く出力される計器を用いれば、温度測定誤差がほぼ零となることを示している。以下の試験ではガラス粉末溶融のための加熱温度を５０３℃とし、電気抵抗値と温度の関係の設定から温度が高く出力される計器を用いて行った。
【００６６】
［試験２：ガラス粉末の混合率とジュール熱による誤差との関係を検証する試験］
図３及び図４の試験結果の温度測定誤差には、測温抵抗体線４に流されている電気抵抗値測定のための電流が発生するジュール熱に起因する誤差が含まれている。充填材６においてアルミナ粉末粒子がガラスにより連結され、ジュール熱の排出が十分に行われていることを検証するための試験を次に実施した。
【００６７】
前出のＪＩＳＣ１６０４では、測温抵抗体の電気抵抗値測定のための電流として０．５ｍＡ、１ｍＡ及び２ｍＡの３電流が規定されているが、ＳＮ比を大きくしてノイズの影響を抑える意味から２ｍＡを採用することが望ましい。測定電流を２ｍＡとした際に発生するジュール熱に起因するプラス側の温度測定誤差を評価するために、電流を０．２ｍＡから２ｍＡに増した際の温度測定値の変化を、ガラス粉末の混合比率を変えたものについて試験した。
【００６８】
充填材６のアルミナ粉末に混合するガラス粉末の混合比率を１．８ｗｔ％、３．５ｗｔ％、４．２ｗｔ％、６．１ｗｔ％、及び９．９ｗｔ％とした５種類の本発明による極低温用測温抵抗体素子により、測定電流を変化させた際の温度測定値の変化を調べた結果を表３に、これをグラフ化したものを図５に示す。試験温度は８Ｋ及び１０Ｋとし、混合比率４．２ｗｔ％以上のものについては２０Ｋでも試験した。
【００６９】
【表３】
2014061069.tif 000005
【００７０】
図５に示すように、ガラス粉末の混合比率が３．５ｗｔ％以上では、電気抵抗値測定のための電流を０．２ｍＡから２ｍＡに増しても、温度測定値の変化は０．１℃以下と微小である。ジュール熱は電流の二乗に比例し、この試験の場合では１００倍に増加していることを考えると、ジュール熱の外部への放出は十分に行われており、電気抵抗値測定のためにＪＩＳに規定される最大の電流２ｍＡを流しても、そのジュール熱に起因してプラス側に生じる誤差は、ガラス粉末の混合比率が３．５ｗｔ％から少なくとも１０．０ｗｔ％の範囲にあれば、無視できる程度に小さい。
【００７１】
図５において混合比率が１．８ｗｔ％のものは、電流の増加に伴いプラス側に温度測定値が上昇しているが、これは、ガラス量が少ないために連結が不充分で、発生したジュール熱が内部に残って測温抵抗体線の温度を上昇させたことの現れである。
【００７２】
［試験３：１０Ｋから４Ｋの低温域での温度測定誤差を検証する試験］
充填材６のアルミナ粉末に混合するガラス粉末の混合比率を７．７ｗｔ％とした本発明による極低温用測温抵抗体素子を作り、４Ｋから１０Ｋの低温域における温度測定誤差を試験した。温度測定誤差は、公的機関で校正されたゲルマニュウム温度計を規準温度計として計測した。
【００７３】
測定電流を０．２ｍＡ、１ｍＡ及び２ｍＡとした試験結果を表４に、これをグラフ化したものを図６に示す。
【００７４】
【表４】
2014061069.tif 000006
【００７５】
表１及び図７に温度測定誤差示した従来の測温抵抗体素子は、試験３に使用した測温抵抗体素子と、充填材６にガラス粉末が混合されずガラス粉末溶融のための加熱を行っていない点のみが異なり、その他の構造、寸法、及び材料は同じものである。
【００７６】
表４及び図６の温度測定誤差を表１及び図７に示した従来の測温抵抗体素子の温度測定誤差と比較すると、充填材６にガラス粉末を混合し、溶融させることにより誤差が大幅に軽減されていることが解かる。
【００７７】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはいうまでもない。
【００７８】
例えば、実施形態の説明の冒頭に、絶縁碍子、測温抵抗体線の寸法と材料を示し、また、リード線、封止材、無機絶縁材粉末、及びガラス粉末の材料を示したが、本発明による極低温用測温抵抗体素子の寸法、材料はこれに限ったものではない。
【００７９】
一例としては、絶縁碍子２の材料を窒化ボロンの多結晶体を成形したセラミックとしてもよいし、無機絶縁材粉末を多結晶体の窒化ボロンを粉末したものを用いることが可能である。
【００８０】
測温抵抗体線の外径は２０μｍに限ったものではなく、また、リード線として白金とロジウムの合金以外の低電気抵抗の材料を用いてもよく、封止材としてガラス粉末を溶融するための加熱温度に耐える絶縁性接着剤であれば使用できる。
【００８１】
ガラス粉末の材料も、軟化点が測温抵抗体線の内部歪を大きく変えるような高い温度のもの以外であれば適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の極低温用測温抵抗体素子は、クライオポンプ内の温度測定、水素ステーションでの温度測定等において、４Ｋから９０Ｋの極低温域の温度を測定する温度センサ素子に好適である。【００８３】
本発明による無機絶縁材粉末にガラス粉末を混合し、ガラス粉末を溶融させる方法は、低温域での使用において、貫通孔内に存在する空気等の気体が液滴化、固体化することによる熱伝導の低下を防止することができる。
熱伝導が低下すると、熱の移動量が少なくなるために、測定対象の温度変化に対する測温抵抗体線の温度追従が悪くなり、温度測定の応答速度が遅くなるという弊害も発生する。本発明による無機絶縁材粉末にガラス粉末を混合し、ガラス粉末を溶融させる方法は、液滴化、固体化による熱伝導の低下が生じないため、このような弊害は生じない。【００８４】
熱電対素線を金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて熱電対素線を収容したシース熱電対も極低温域の温度センサとして使用されることがある。シース熱電対の場合、電気抵抗値を測定する電流は不要であるため、極低温域での使用において無機絶縁材粉末の隙間に存在する空気等の気体が液滴化、固体化して熱伝導が低下しても、測温抵抗体素子のように測定電流が発生するジュール熱に起因する温度測定誤差が発生することはないが、熱伝導の低下によって温度測定の応答速度が遅くなる弊害は生じる。【００８５】
本発明による無機絶縁材にガラス粉末を混合し、ガラス粉末を溶融させることにより熱伝導の低下を防ぐ方法を、シース熱電対の測温点（プラス熱電対素線とマイナス熱電対素線の接合点）周辺の無機絶縁材粉末に適用して、シース内部空気の液滴化、固体化による熱伝導の低下を無くすことにより、極低温域で使用しても温度測定の応答速度が低下しないシース熱電対とすることができる。【００８６】
また、金属シース内に無機絶縁材粉末を介在させて測温抵抗体素子を収容したシース測温抵抗体において、測温抵抗体素子を本発明による極低温用測温抵抗体素子として低温域で使用するシース熱電対とするケースで、測温抵抗体素子周辺の無機絶縁材粉末にガラス粉末を混合し、ガラス粉末を溶融させることによって、極低温用測温抵抗体内部に加えてシースと測温抵抗体素子との間の空気の液滴化、固体化による熱伝導の低下をも無くして、極低温域で使用しても、温度測定の応答速度が速く、かつ、測定電流が発生するジュール熱による温度測定誤差が小さいシース測温抵抗体とすることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１  極低温用測温抵抗体素子
２  絶縁碍子
３  貫通孔
４  測温抵抗体線
５  リード線
６  充填材
７  封止材
【図１】
2014061069.tif 000007
【図２】
2014061069.tif 000008
【図３】
2014061069.tif 000009
【図４】
2014061069.tif 000010
【図５】
2014061069.tif 000011
【図６】
2014061069.tif 000012
【図７】
2014061069.tif 000013
【国際調査報告】
2014061069.tif 000014
2014061069.tif 000015
2014061069.tif 000016
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