(57)【要約】【課題】磁場の影響を受け難く、静磁場および変動磁場下でも高精度の温度測定を可能とする温度センサを提供する。【解決手段】第１導電体１ａ及び第２導電体１ｂからなる第１センサ部１と、第３導電体２ａおよび第４導電体２ｂからなる第２センサ部２とを用い、均一磁場内で第１，第３導電体１ａ，２ａに生ずる抵抗変化と第２，第４導電体１ｂ，２ｂに生ずる抵抗変化とを等しく設定しておき、第１，第４導電体１ａ，２ｂと第２，第３導電体１ｂ，２ａ間に電流を流した際に、第１電位検出部１ｃと第２電位検出部２ｃに生ずる電位差から当該センサの実効抵抗を求め、環境温度を知ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場内に配置される温度センサにおいて、磁場の影響が小さな第１導電体（Ｒ１ａ）及び該第１導電体に比して磁場の影響が大きな第２導電体（Ｒ１ｂ）を、第１電位検出部（１ｃ）を介して接続すると共に、磁場による第１導電体に生ずる抵抗変化分と第２導電体に生ずる抵抗変化分とが等しくなるように第１導電体及び第２導電体の抵抗値を設定した第１センサ部（１）、上記第１センサ部と同じ磁場内に配置されて、抵抗値を上記第１導電体と同一条件に設定した第３導電体（Ｒ２ａ）及び抵抗値を上記第２導電体と同一条件に設定した第４導電体（Ｒ２ｂ）を、第２電位検出部を介して接続してなる第２センサ部（２）、上記第１センサ部及び第２センサ部を熱接触させることにより均一な温度にする熱結合手段を備え、上記第１センサ部の第１導電体と第２センサ部の第４導電体を接続した第１給電点（３）及び上記第１センサ部の第２導電体と第２センサ部の第３導電体とを接続した第２給電点（４）を介して第１センサ部および第２センサ部に給電した際に、上記第１センサ部の第１電位検出部と上記第２センサ部の第２電位検出部より得た電圧に基づいて、該磁場の環境における温度を測定するようにしたことを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
上記温度センサは、サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度変化に伴って電気抵抗が変化する導電体を用いた温度センサに関し、特に磁場下での温度測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近来は、無冷媒型の超伝導マグネットの実用化等により、様々な分野で高い磁場を使用することが容易になってきている。高い磁場を印加しつつ行われる半導体凝固プロセスでは対流の抑制による良好な半導体の育成が可能となる。また酸素の常磁性を用いた化学反応の制御、異方性凝固を用いた新規物質合成、あるいは細胞分裂への磁場の影響などさまざまな分野での応用が進んでいる。
【０００３】
このような応用において温度は重要なパラメータである。室温近傍では、放射温度計、抵抗温度センサ、熱電対温度計などが使用されている。
【０００４】
ここでは温度変化に基づく導電体の抵抗変化を利用した温度センサに着目する。このような温度センサにおいては、導電体が磁場の影響を受けるため、その指示値に偏差が生じてしまうが、この偏差を静磁場下で校正することにより、個々の温度計に対する補正が原理的には可能である。
【０００５】
よって、磁場下における温度測定は、予め既知の磁場下で当該温度センサに必要な補正値を求めておき、測定値に対して補正を施すことにより、当該環境下の温度を決定するものであった。
【０００６】
しかし、上記のような補正を逐一行っていたのでは、温度測定が煩雑になって作業効率を著しく低下させることは勿論、補正値の特定の際に混入する誤差も測定精度の向上にはマイナス要因となる。
【０００７】
また、超伝導技術の発展により、超伝導磁石の磁場の値を数Ｈｚあるいは数十Ｈｚといった周波数で変動させることができるようになり、新しい応用分野が広がったことで上記のような従来の温度センサでは対応できないという問題が生じた。すなわち、温度センサを構成する導電体の抵抗値が変動磁場による影響を受けるために、変動磁場の周波数に同期して抵抗値が変動することとなり、その値を精密に測定することはおろか、従来行われていたような補正も全く行えない状態になっている。
【０００８】
この事態に対処するため、金属系の温度センサに見られる磁場の影響の異方性を用いて、磁場の影響を受け難く、変動磁場下においても高精度の温度測定を行える温度センサが提案されている（下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−２６０５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献にも記載されているように、磁場の印加方向に制限が加わるため、センサの設置に制約が発生することが問題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る温度センサは、略々均一な磁場内に配置されて、磁場の影響が比較的小さな第１導電体（Ｒ１ａ）と、該第１導電体に比して磁場の影響が比較的大きな第２導電体（Ｒ１ｂ）とを第１電位検出部（１ｃ）を介して接合すると共に、磁場内で第１導電体に生ずる抵抗変化分と第２導電体に生ずる抵抗変化分とが等しくなるように各抵抗値を設定した第１センサ部（１）と、上記第１センサ部と同じ磁場内に配置されて、抵抗値と磁場依存性を上記第１導電体と略々同一条件に設定した第３導電体（Ｒ２ａ）と、抵抗値と磁場依存性を上記第２導電体と略々同一条件に設定した第４導電体（Ｒ２ｂ）とを第２電位検出部（２ｃ）を介して接合してなる第２センサ部（２）と、上記第１センサ部および第２センサ部を熱接触させることにより、略々均一な温度にする熱結合手段（例えば、等温ブロック７）とを備え、上記第１センサ部の第１導電体と第２センサ部の第４導電体を接合した第１給電点（例えば、第１給電端子３）と、上記第１センサ部の第２導電体と第２センサ部の第３導電体とを接合した第２給電点（例えば、第２給電端子３）とを介して第１センサ部および第２センサ部に給電した際に、上記第１センサ部の第１電位検出部と上記第２センサ部の第２電位検出部より得た電圧に基づいて、当該磁場の環境における温度を測定するようにした。
【００１１】
（作用）測温環境の磁場によって、第１センサ部の第１ 導電体と第２センサ部の第４導電体に生ずる抵抗変化分は略々等しいと共に、第１センサ部の第２導電体および第２センサ部の第３導電体に生ずる抵抗変化分も略々等しいので、磁場強度が変化することに起因する抵抗の変化は互いに相殺され、第１電位検出部と第２電位検出部との間に生ずる電位差は温度変化のみに依存することとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の温度センサは、磁場下における第１〜第４導電体の抵抗値を調整することにより、磁場の影響によって第１センサ部と第２センサ部に生ずる抵抗変化を互いにキャンセルさせる構成としたので、外部磁場の影響を受け難い温度センサとすることができ、測定精度を高めることが可能である。また、本発明の温度センサは、第１導電体および第３導電体に生ずる磁場による抵抗変化と、第２ 導電体および第４導電体に生ずる磁場による抵抗変化との間に相対的な変化が無いような変動磁場についても磁場方向を含めた磁場変動の影響を受けることがなく、測温精度の低下はない。したがって、静磁場下はもとより、変動磁場下においても高精度の温度測定が可能である、極めて有用な温度センサと成し得るという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、発明を実施するための最良の形態を示す。先ずは、その動作原理を図１〜図３により説明する。
【００１４】
本発明において着目する半導体型温度センサとして知られるサーミスタの電気抵抗Ｒは、磁場B中では零磁場中の電気抵抗から変化する。この変化した抵抗を見掛けの温度に換算して表したのが図１である。ここで、サーミスタを構成する金属酸化物の配合を変えることにより、その温度の影響がAとBのように大きく異なることに着目する。
【００１５】
一方、このように磁場の影響には大きな違いはあるが、相対的な温度依存性については、図2のように大きな差はない。
【００１６】
また、磁場の影響の小さなサーミスタAについて磁場の影響の異方性を精密に測定したところ、図3にあるようにそれらの依存性は非常に小さく１mK以内であることが判明した。また個体差も同様に小さい。
【００１７】
ここで、図４のようなブリッジ回路を考える。この回路において、導電体Ｒ１ａは、図１におけるＡの特性を示す材料で作製したものであり、磁場の影響が小さい導電体である。Ｒ１ｂは、同Ｂの特性を示す材料で作製したものであり、磁場の影響が大きい導電体である。Ｂの特性を持つ材料における磁場による増加率をεｂ（Ｂ）と表記する。言い換えれば抵抗はＲ（１＋εb（Ｂ））のごとく変化する。同様にＡの特性を持つ材料における磁場による増加率をεa（Ｂ）と表記する。εb（Ｂ）に対するεa（Ｂ）の比をαと表す。ここでαは１よりも十分に小さく、略略30分の1程度である。Ｒ２ａは、Ｒ１ａと同じであり、Ｒ２ｂは、Ｒ１ｂと同じものである。出力は、Ｒ１ａとＲ１ｂの接続点（１Ｃ）及びＲ２ａとＲ２ｂの接続点（２Ｃ）から得る。
【００１８】
上記ブリッジ回路における各導電体の抵抗を温度のみに依存するＲ（Ｔ）と磁場のみに依存する部分に分離して記載すると以下のようになる。
Ｒ１ａ＝Ｒ（１＋εａ（Ｂ））
Ｒ１ｂ＝αＲ（１＋εｂ（Ｂ））    （α：定数）
Ｒ２ａ＝Ｒ（１＋εａ（Ｂ））
Ｒ２ｂ＝αＲ（１＋εｂ（Ｂ））
ただし、εａは、上記で述べたように図１における材料Ａの磁場による抵抗の増加分を表し、εｂは、同じく材料Ｂの磁場による抵抗の増加分である。
【００１９】
すると、電流Iに対して電圧出力は以下のようになる。
Ｖ＝ＲＩ／２×（１−α＋（εａ（Ｂ）−αεｂ（Ｂ）））
ここで、比αは上記で述べたようにεa／εbに等しいので、
Ｖ＝ＲＩ／２×（１−α）
となり、Ｉもαも磁場に依存しないので、結局
Ｖ＝ｋＩＲ  （ｋ：定数）
であり、ブリッジ回路の外部から見た見かけの抵抗であるＶ／Ｉにおいて磁場の影響は、0にすることができ、その場の温度をｋＲ（Ｔ）から求めることが出来る。ｋはほぼ０．５であるので見かけの抵抗の温度依存性は元のサーミスタの半分となり、通常のサーミスタと同様に用いることが出来る。
【実施例１】
【００２０】
上記に基づき、実験データを実際に入れて評価する。市販のサーミスタ（例えば、ＹＳＩ社の４４００４，４４００６又は４４００８等）のうちで磁場依存性が大きく異なる2種を選定し、磁場の影響の大きなサーミスタの抵抗を市販のものより小さくしたものを組み合わせれば、本発明の回路により磁場の影響はキャンセルされることが期待できる。実際3/1000の電気抵抗を持つもので磁場依存性を試算した所、図６のように＋−3mK以内に15Tまでの磁場に対してその影響をキャンセルすることが見出された。
【００２１】
このように磁場による実効的な抵抗変化はごく小さくなり、磁場の影響は、よくキャンセルされている。また、αが非常に小さく、もともとの温度特性は、二つのサーミスタで類似しているため、温度特性に大きな変化はない。これは、図2のように、本センサは、温度センサとしての相対感度（ｄＲ／ｄＴ）／Ｒがもとの感温材と変化ないことからも明らかである。
【００２２】
従って、本発明により、温度センサとしての特性は、いささかも損なわれていない。すなわち、本発明に係る温度センサの原理においては、実効抵抗を零磁場中の温度に対して校正すれば、磁場中においてもそのまま無補正で使用することができ、変動磁場下での測温への信頼性が非常に高まることが期待できる。
【００２３】
なお、上記のようにして得られた抵抗値は、当該感温材料より作成した温度センサ特有のデータテーブル（零磁場下の抵抗−温度特性）に照らして温度値に変換する。
【００２４】
特筆すべきは、このセンサの磁場の影響には異方性がなく、どの方向から磁場を加えても磁場の影響はキャンセルされることになり、その使い勝手は非常に優れたものとなる。
【００２５】
従来のサーミスタにおいては、温度特性をテーブルに合わせるために複数の素子を使った複合型温度センサとされているが、本件発明の組み合わせにすれば、温度特性は、通常のサーミスタと異なることがなく、磁場の影響のみが抑えられたセンサとすることが可能となる。
【００２６】
また、温度測定に際して第１、第２給電端子３、４より供給する電源は、直流電源に限らず、交流電流源を用いて実効電圧と実効電流を取得して実効抵抗を求め、該実効抵抗値から環境温度を特定することも可能である。
【００２７】
このように、本発明に係る図４の実施例の温度センサは、磁場による磁気抵抗効果の影響を受け難いので、静磁場下は勿論、第１導電体Ｒ１ａおよび第３導電体Ｒ２ａに生ずる磁場による抵抗変化と、第２導電体Ｒ１ｂおよび第４導電体Ｒ２ｂに生ずる磁場による抵抗変化との間に相対的な変化が無いような変動磁場についても、磁場の影響を受けることがない。また、磁場方向Ｈを変えない状態で磁場強度が変化したり、そのまま磁場方向が回転したりするような変動磁場においても、磁気抵抗効果の影響を受けることがない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、温度変化に伴って電気抵抗が変化する導電体を用いた温度センサであって、静磁場及び変動磁場においても、磁場に影響されることなく温度測定を行う場合に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】サーミスタ抵抗温度センサの水の三重点における磁場による温度シフト特性図（AとBの異なったサーミスタの結果を示す。）
【図２】図1のサーミスタの温度依存性（A、Bは、図1に対応している。）
【図３】サーミスタAにおける磁場印加方向の依存性
【図４】実施例に係る温度センサの回路配置図
【図５】理論計算の最終結果
【符号の説明】
【００３０】
１    第１センサ部
１ａ  第１導電体
１ｂ  第２導電体
１ｃ  第１電位検出部
２    第２センサ部
２ａ  第３導電体
２ｂ  第４導電体
２ｃ  第２電位検出部
３    第１給電点
４    第2給電点
【図１】
2005249500.tif 000003
【図２】
2005249500.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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