(57)【要約】【課題】多数の部品からなる複雑な回路で構成されることなく、簡易なシステムで超低周波を発振することが可能な、実用に供し得る小型・低廉の超低周波発振デバイスを提供すること。【解決手段】ある温度範囲で抵抗率が急激に増加するＰＴＣＲ特性を有する材料の線材または薄膜帯状体からなり、低酸素分圧下で該線材に電圧を印加してホットスポットを生成させることによって振動電流を発生する素子１と、素子１に電圧を印加する電源４と、素子１から低周波の電圧を得る変換回路２とを具備する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある温度範囲で抵抗率が急激に増加するＰＴＣＲ特性を有する材料の線材または薄膜帯状体からなり、低酸素分圧下で該線材に電圧を印加してホットスポットを生成させることによって振動電流を発生する素子と、
前記素子に電圧を印加する電源と、
前記素子から低周波の電圧を得る変換回路と
を具備することを特徴とする超低周波発振デバイス。
【請求項２】
前記素子を過電流による溶断から保護する保護回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の超低周波発振デバイス。
【請求項３】
前記ＰＴＣＲ特性を有する材料が、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ（ただし、ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選ばれる１種または２種以上である）で示される物質であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超低周波発振デバイス。
【請求項４】
前記ＰＴＣＲ特性を有する材料が、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ（ただし、ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選ばれる１つまたは混合物である）で示される物質と、ＢａＡｌ２Ｏ４との複合物質であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超低周波発振デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、超低周波発振デバイスに関し、特に１０Ｈｚ以下の超低周波を発振可能な超低周波発振デバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、１０ｋＨｚ以下の低周波を発振する低周波発振器としては、ＣＲ発振器、双デバイブレーター（マルチバイブレーター）が一般的に用いられているが、これらはいずれも抵抗、コンデンサー、トランジスターなど、多数の電子部品からなる複雑な回路で構成されている。
【０００３】
さらに、１ｋＨｚ以下のより低い周波数の発振器を作製しようとすると、使用する抵抗、コンデンサー部品は非常に大きな部品となってしまい、装置が大型となって実用的なものが得難いのが現状である。
【０００４】
特に、近時、低周波攪拌装置や、低周波治療器等の超低周波の用途に用いられる超低周波発振器が求められているが、このような超低周波発振器を上述のような電気回路で構成することは現実的ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、多数の部品からなる複雑な回路で構成されることなく、簡易なシステムで超低周波を発振することが可能な、実用に供し得る小型・低廉の超低周波発振デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の（１）〜（４）を提供する。
（１）ある温度範囲で抵抗率が急激に増加するＰＴＣＲ特性を有する材料の線材または薄膜帯状体からなり、低酸素分圧下で該線材に電圧を印加してホットスポットを生成させることによって振動電流を発生する素子と、前記素子に電圧を印加する電源と、前記素子から低周波の電圧を得る変換回路とを具備することを特徴とする超低周波発振デバイス。
【０００７】
（２）上記（１）において、過電流による前記素子の溶断を保護する保護回路をさらに具備することを特徴とする超低周波発振デバイス。
【０００８】
（３）上記（１）、（２）において、ＰＴＣＲ特性を有する材料が、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ（ただし、ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選ばれる１種または２種以上である）で示される物質であることを特徴とする超低周波発振デバイス。
【０００９】
（４）上記（１）、（２）において、ＰＴＣＲ特性を有する材料が、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ（ただし、ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選ばれる１つまたは混合物である）で示される物質と、ＢａＡｌ２Ｏ４との複合物質であることを特徴とする超低周波発振デバイス。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超低周波発振デバイスを示す概略構成図である。この超低周波発振デバイスは、振動電流を発振する発振素子１と、この発振素子１から低周波の電圧を取出す変換回路２と、発振素子１を過電流による溶断から保護する保護回路３と、発振素子１に電圧を印加する直流電源４とを有している。
【００１１】
発振素子１は、ある温度範囲で抵抗率が急激に増加するＰＴＣＲ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　）特性を有する材料を線材もしくは薄膜帯状体に加工したものが使われる。このような材料の線材もしくは薄膜帯状体の両端を電極処理し、電源に接続して所定の電圧を印加すると、該ＰＴＣＲ特性を示す材料においては、ジュール熱による発熱と雰囲気中への放熱のバランス関係から、ある電圧以上において線材中には局所的な高温赤熱点（以下ホットスポットと呼ぶ）が現われる。
【００１２】
このホットスポットが発生している状態で、酸化物からなる線状体または薄膜帯状体が置かれている雰囲気中の酸素分圧を低下させると、該線状体または薄膜帯状体のホットスポット部分の酸素欠陥量が増加し、定電流値は次第に低下する。さらに酸素分圧を低下させると、ある一定以上の電圧領域においてホットスポットは発生と消滅を繰り返し、電流値が振動するようになる。
【００１３】
この振動電流は、極めて緩やかな周期で振動を起すことから、本実施形態では、このような振動を利用して超低周波発振デバイスを構成する。本実施形態では発振素子１の周囲の酸素分圧を５ｋＰａ以下となるように調整する。
【００１４】
このような発振素子１を構成する材料としては、具体的には、ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ（ただし、Ｌｎは希土類元素）の化学式で示される高温超伝導セラミックスが好適である。希土類元素としては、Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ各種元素から選ばれる１種、または２種以上の混合物が用いられる。これらのうち、Ｓｍ，Ｎｄ，Ｙ，Ｇｄが好適である。
【００１５】
また、材料としての耐熱性を向上させる観点から、振動素子１の材料を上記ＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙにＢａＡｌ２Ｏ４を複合化させた複合物とすることが有効である。ＢａＡｌ２Ｏ４の混合率としては７０ｍｏｌ％以下が好ましい。
【００１６】
上記変換回路２は、発振素子１から低周波の電圧を取出すために必須なものである。この変換回路２は、図示のように抵抗１１とオペアンプ等のバッファ１２とからなるものが例示され、抵抗１１により振動電流を振動電圧に変換し、バッファ１２により外部回路への接続に適した状態に低インピーダンス化する。
【００１７】
上記保護回路３は、発振素子１に流れる振動電流がある既定値以上にならないようにするためのものである。つまり、振動電流が大きくなり過ぎた場合に発振素子１が溶断するおそれがあるが、この保護回路３により、発振素子１を過電流による溶断から保護する。保護回路３においては、比較回路１３にてバッファ１２により外部回路に出力する出力電圧と上述の規定値Ｖｒｅｆとが比較演算され、出力電圧がＶｒｅｆを下回る場合には、スイッチ１４へ閉信号が出力され、これによりスイッチ１４が閉じられて直流電源４からの電圧が発振素子１へ印加された状態となる。もし、外部回路に出力する出力電圧が上述の規定値Ｖｒｅｆ以上となった場合には、スイッチ１４へ開信号が出力され、これによりスイッチ１４が開放されて直流電源４からの電圧が発振素子１へ印加されないようにする。なお、この保護回路３は、特に耐熱性の低い線材を使用する場合に有効であるが、発振素子１の溶断のおそれが小さい場合には、省略しても構わない。
【００１８】
直流電源４は、電圧を前記発振素子１に印加するものであり、電圧可変機構を有している。この直流電源４からの電圧により発振素子１に電流が流れる。そして、直流電源４の電圧可変機構により電圧を変化させることにより、発振素子１の電流値を変化させることができ、所定以上の電圧を印加することにより発振素子１が緩やかな周期で発振する。直流電源の代わりに交流電源を用いてもよく、この場合にも超低周波領域で発振させることができる。
【００１９】
このように構成された超低周波発振デバイスにおいては、直流電源４から発振素子１に電圧を印加し、ホットスポットを発生させ、このホットスポットが発生している状態で、発振素子１が置かれている雰囲気中の酸素分圧を低下させると、発振素子１のホットスポット部分の酸素欠陥量が増加し、定電流値は次第に低下する。さらに酸素分圧を低下させ、５ｋＰａ以下にし、電圧を２Ｖ以上にするとホットスポットは発生と消滅を繰り返し、電流値が振動するようになる。
【００２０】
この振動電流は、抵抗１１により振動電圧に変換され、バッファ１２により外部回路への接続に適した状態に低インピーダンス化される。
【００２１】
このようにして低インピーダンス化された振動電圧を外部装置に供給することにより、所望の機能を果たすことができる。このような超低周波領域の振動は、例えば、振動撹拌装置、低周波治療装置への適用が考えられる。また、この際の振動周波数が酸素分圧に依存すれば、その関係に基づいて酸素センサーとして使用することができる。通常の酸素センサーでは、検出信号が非常にノイズに弱いという欠点を有するアナログ信号（直流電圧）として出力されるが、周波数の変化として出力されれば耐ノイズ性が高いという大きな利点がある。
【００２２】
このような超低周波発振デバイスにより、多数の部品からなる複雑な回路で構成されることなく、簡易なシステムで１ｋＨｚ以下、特に１０Ｈｚ以下の超低周波の発振が可能となる。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々変更可能である。例えば、変換回路の構成は上記構成に限らず、振動電流を振動電圧に変換できるものであればどのようなものであってもよい。また、発振素子を構成する材料も上記材料に限るものではない。さらに、保護回路は上述したように設けることが好ましいが、省略してもよく、その構成も上記実施形態のものに限定されない。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。
【００２５】
（実施例１）
まず、ＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ焼結体を固相法で作製した。Ｓｍ２Ｏ３　，ＢａＣＯ，ＣｕＯ粉末を、Ｓｍ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３の割合で混合し、大気中９００℃で１０時間仮焼後、粉砕した。粉末を５×２×０．５ｃｍ３に加圧成形し、大気中９２０℃で１０時間焼成し、嵩密度が理論密度の約６０％である焼結体を得た。Ｘ線回折によりＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙの単相であることを確認した。この焼結体から０．６５×０．６５×１６ｍｍの線材を切り出し、その両端にＡｇペーストを用いて電極を作製した。この線材の周囲の酸素分圧を１ｋＰａに調整し、線材に電圧を印加した。　印加電圧と電流の関係を図２に示す。電圧が１．６Ｖ以下では、電流値は電圧増加につれて増加した。１．６Ｖ以上に上げると電流は緩やかに減少し、２．５Ｖ以上で目視可能なホットスポットを発現することを確認した。さらに電圧を上げると、３．６Ｖ以上で電流が振動する現象を確認した。試料に印加する電圧を５．４〜５．６Ｖに変化させた場合の電流の経時変化を図３に示す。この図から、周期が約８．６秒（周波数＝０．１１Ｈｚ）の振動電流を発振していることが確認された。
【００２６】
この線材を使用した発振素子を作製し、これに電圧変換回路、保護回路および電源を取り付けて図１に示す超低周波発振デバイスを作製した。電源から上記範囲の電圧を印加することにより、出力電圧が超低周波領域で発振していることが確認された。
【００２７】
（実施例２）
まず、Ｇｄ２Ｏ３　，ＢａＣＯ，ＣｕＯ粉末を、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３の割合で混合し、大気中９１０℃で１０時間仮焼して固相反応させ、粉砕してＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙの粉末を得た。一方、ＢａＣＯ３，Ａｌ２Ｏ３粉末を、ＢａＯ：Ａｌ２Ｏ３のモル比で１：１になるよう混合し、１０００℃　１０時間固相反応させ、ＢａＡｌ２Ｏ４の粉末を得た。ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙの粉末にＢａＡｌ２Ｏ４の粉末を０および３０ｍｏｌ％の割合で混合し、５×２×０．５ｃｍ３に加圧成形し、大気中９００℃で５時間焼成した。嵩密度が理論密度の約６６％である焼結体を得た。Ｘ線回折によりＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙおよびＢａＡｌ２Ｏ４の２相のみからなる複合セラミックスであることを確認した。この焼結体から０．６５×０．６５×３０ｍｍの線材を切り出し、その両端にＡｇペーストを用いて電極を作製した。大気中で電圧を印加した場合の印加電圧と電流の関係を図４に示す。ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙの単相の線材が消費電力２．７Ｗで溶断したのに対し、ＢａＡｌ２Ｏ４を混合した複合セラミックスではホットスポットが全体に広がる消費電力約１５Ｗまで線材が保持された。ＢａＡｌ２Ｏ４とを混合することによって、耐熱性が向上したことが確認された。
【００２８】
次に、ＢａＡｌ２Ｏ４の粉末３０ｍｏｌ％の割合で混合した複合セラミックスについて、実施例１と同様に、この周囲の酸素分圧を１ｋＰａに調整し、電圧を調整した結果、振動電流が観察されることを確認した。試料に印加する電圧を１６．０Ｖ〜１６．４Ｖに変化させた場合の電流の経時変化を図５に示す。この図から、減衰は大きいが、周期が約２０秒（周波数＝０．０５Ｈｚ）の振動電流を発振していることが確認された。
【００２９】
この線材を使用した発振素子を作製し、これに電圧変換回路、保護回路および電源を取り付けて図１に示す超低周波発振デバイスを作製した。電源から上記範囲の電圧を印加することにより、出力電圧が超低周波領域で発振していることが確認された。
【００３０】
（実施例３）
実施例１の材料の焼結体から切り出した０．６５×０．６５×１０ｍｍの線材の両端にＡｇペーストを用いて電極を作製し、この線材の周囲の酸素分圧を１ｋＰａに調整し、線材に５０Ｈｚ、８．１５Ｖの交流電圧を印加した。その際の電流の経時変化を図６に示す。この図から、交流電源を用いた場合にも振動電流が得られることが確認された。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基本的に、ある温度範囲で抵抗率が急激に増加するＰＴＣＲ特性を有する材料の線材または薄膜帯状体からなり、低酸素分圧下で該線材に電圧を印加してホットスポットを生成させることによって振動電流を発生する素子と、前記素子に電圧を印加する電源と、前記素子から低周波の電圧を得る変換回路とで超低周波発振デバイスを構成するので、多数の部品からなる複雑な回路で構成されることなく、簡易なシステムで超低周波を発振することが可能な、実用に供し得る小型・低廉の超低周波発振デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超低周波発振デバイスを示す概略構成図。
【図２】ＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ線材における印加電圧と電流との関係を示す図。
【図３】ＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ線材に印加する電圧を５．４Ｖ〜５．６Ｖに変化させた場合の電流の経時変化を示す図。
【図４】ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ線材およびＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙにＢａＡｌ２Ｏ４を３０ｍｏｌ％添加した線材の印加電圧と電流との関係を示す図。
【図５】ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙにＢａＡｌ２Ｏ４を３０ｍｏｌ％添加した線材に印加する電圧を１６．０Ｖ〜１６．４Ｖに変化させた場合の電流の経時変化を示す図。
【図６】ＳｍＢａ２Ｃｕ３Ｏ７‐ｙ線材に５０Ｈｚ、８．１５Ｖの交流電圧を印加した場合の電流の経時変化を示す図。
【符号の説明】
１；発振素子
２；変換回路
３；保護回路
４；直流電源
【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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