(57)【要約】【課題】  熱電対からの出力電圧のドリフトを根本的に改善した交直変換素子を提供することを課題とする。【解決手段】  交直変換素子を構成する熱電対の基準接点が、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質に接していることを特徴とする交直変換素子。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交直変換素子を構成する熱電対の基準接点が、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質に接していることを特徴とする交直変換素子。
【請求項２】
上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、金属のブロックであることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項３】
上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、金属の膜であることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項４】
上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、高熱伝導性のセラミックスのブロックであることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項５】
上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、高熱伝導性のセラミックスの膜であることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項６】
上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、熱伝導性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項７】
上記交直変換素子は、電球型の単一熱電対型交直変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の交直変換素子。
【請求項８】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、該ガラスバルブに熱的に接触した金属のブロックが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【請求項９】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、該ガラスバルブに熱的に接触した金属の膜が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【請求項１０】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの表面に、金属の膜が蒸着されていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【請求項１１】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、高熱伝導性のセラミックスのブロックが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【請求項１２】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの表面に、高熱伝導性のセラミックスの膜が蒸着されていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【請求項１３】
上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、熱導電性樹脂が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の交直変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交直変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交直変換素子とは、ヒータ線と熱電対からなる熱電素子である。現在、交流電圧は、交直変換素子を介して発熱量を直流と交流とで比較測定する方法によって決められている。具体的には、交直変換素子に、校正されて値が決定された直流電圧と、未知の交流電圧を入力すると、電圧はヒータ線でのジュール効果により熱エネルギーに変換される。このときのヒータでの温度上昇を熱電対で測定し、直流電圧と交流電圧の発熱量を比較することで、交流電圧の値を決定する。
【０００３】
直流電圧または交流電圧を交直変換素子に印加した場合、素子の熱電対からの出力電圧にはドリフトがあることが知られている。このドリフトは次のような変化をする。すなわち、交直変換素子の熱電対から発生する起電力は約１秒で指数関数的に上昇し、電圧印加後約数秒後からは逆に指数関数的に減少し、約数分後に最大値から約０．１％程度減少した値に落ち着く。
【０００４】
測定において、交流電圧と直流電圧を切り替える必要があるが、このとき必ず有限のオフタイムが生じる。この間、交直変換素子への入力電圧が途切れ、ヒータ線の発熱もゼロとなる。再び入力電圧が印加されると、熱電対の発生する起電力は、前述した二種類の時定数で定常値に回復する。第二の時定数による電圧の減少は最大値に対し、０．１％程度であるが、発熱量の比較測定には、最大で１０ｐｐｍ程度の不確かさを与えるため問題であった。
そこで、オフタイムを極力短くするために、バックアップ電源の開発と交流/直流の切り替えが高速なスイッチが考案され、それぞれ、現在の測定システムに採用されている。（非特許文献１参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐々木仁、高橋邦彦、米崎源太、遠藤忠、高精度AC-DCトランスファー標準の開発  電子技術総合研究所彙報  第57巻  第1号  pp.106-1241999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまでは、バックアップ電源、高速スイッチを用いて、オフタイムを短くし、ドリフトが測定に与える影響を軽減させた。しかしながら、従来の方法では、バックアップ電源やスイッチ等の電子機器をシステムに組み込むため、システムが煩雑になるばかりでなく、電源やスイッチによる測定値の不確かさも加味しなくてはならない。
また、ドリフト中に測定を行っているため、交流電圧ACから直流電圧DCに切り替える際に、AC/+DC/-DC/ACなる特殊なシーケンス制御を行う必要がある。
そこで本発明は、上記のような不都合を除去して、熱電対からの出力電圧のドリフトを根本的に改善した交直変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題は、以下の交直変換素子によって解決される。
（１）交直変換素子を構成する熱電対の基準接点が、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質に接していることを特徴とする交直変換素子。
（２）上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、金属のブロックであることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（３）上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、金属の膜であることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（４）上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、高熱伝導性のセラミックスのブロックであることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（５）上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、高熱伝導性のセラミックスの膜であることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（６）上記熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質は、熱伝導性樹脂であることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（７）上記交直変換素子は、電球型の単一熱電対型交直変換素子であることを特徴とする（１）に記載の交直変換素子。
（８）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、該ガラスバルブに熱的に接触した金属のブロックが設けられていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
（９）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、該ガラスバルブに熱的に接触した金属の膜が設けられていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
（１０）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの表面に、金属の膜が蒸着されていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
（１１）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、高熱伝導性のセラミックスの膜が設けられていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
（１２）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの表面に、高熱伝導性のセラミックスの膜が蒸着されていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
（１３）上記電球型の単一熱電対型交直変換素子のガラスバルブの周囲に、熱伝導性樹脂の膜が設けられていることを特徴とする（７）に記載の交直変換素子。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、交直変換素子の熱電対の基準接点を、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質に接した構造としたため、ドリフトの根本的な改善が可能である。
このため電源や機械式スイッチなどの電子機器をシステムに組み込む必要がなくなり、ドリフトそのものが改善されているので、測定精度が向上する。また、第二の時定数による数十分にわたって生じるドリフトが改善されたため、安定になるまでの待ち時間が短くなる。特殊なシーケンス制御を行う必要はない。そのため、従来に比べ、測定時間の短縮が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の電球型の単一熱電対型交直変換素子の構造
【図２】本発明に係る電球型の単一熱電対型交直変換素子の構造
【図３】交直変換素子の直流電圧の過渡応答特性
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（ドリフトのメカニズム）
交直変換素子として電球型の単一熱電対型交直変換素子を例示して、ドリフトのメカニズムを解明する。
電球型の単一熱電対型交直変換素子の熱電対の基準接点の温度は、図１に示したガラスバルブの温度である。ヒータの温度が上昇すると、輻射等によって、熱がガラスバルブに伝わり、ガラスバルブの温度が上昇する。ガラスバルブはヒータと比べ、熱容量が大きく、熱伝導率が低いため、ヒータの温度上昇速度に比べると、ゆっくりとした速度でガラスバルブの温度が上昇する。このガラスバルブの温度上昇は、熱電対の基準点の温度が上昇することに相当するから、熱電対からの、みかけの出力電圧が低下することを意味する。このように、ガラスバルブの温度上昇がドリフトの原因であると考えることができる。
したがって交直変換素子の熱電対の基準接点を構成するガラスバルブの温度上昇を防止することがドリフト防止に効果的であると推測できる。
【００１１】
（実施例）
図２に本発明によるドリフトが改善可能な電球型の単一熱電対型交直変換素子を示す。図１に示す電球型の単一熱電対型交直変換素子は、ガラスバルブと熱電対がガラスバルブの中に真空封入された構造になっている。ガラスバルブと熱電対は熱的に接触しており、ガラスバルブの温度が熱電対の基準接点の温度となっている。測定においては、電気的ノイズの影響を防ぐために、アルミ製のシャーシの中に組み込まれる。
本発明に係る電球型の単一熱電対型交直変換素子は、ヒータと熱電対を取り囲むガラスバルブに銅ブロックが熱的に接触した構造になっている。この構造では、銅ブロックの大きな熱容量、高い熱伝導率により、ガラスバルブの温度上昇が抑制されるため、ドリフトの改善が可能である。
【００１２】
実施例では一辺が５０ｍｍ以上の銅ブロックを使用したが、本発明に係る銅ブロックの大きさはこの範囲に限定されない。また、材質は熱伝導率の高い銅が好ましいが、他の金属、例えばアルミ、金、銀あるいは真鍮等の合金であってもよい。
さらに、窒化アルミ等の高熱伝導性のセラミックス、あるいは樹脂に金属やセラミックスなどのフィラ―が添加された熱伝導性樹脂のような複合材料でも効果が認められる。
【００１３】
（実験結果）
図３には、本発明に係る図２の電球型の単一熱電対型交直変換素子の直流電圧の過渡特性曲線を改良型素子として示した。比較のため、従来の交直変換素子に相当する図１の電球型の単一熱電対型交直変換素子の過渡特性曲線を従来型素子として示した。
従来型素子では、最大出力電圧に対して、数分後に約０．１％の低下が観測される。それに対し、本発明の改良型素子の出力電圧の低下は、無視できるほど小さかった。この結果から、銅ブロックを熱浴として用いることで、第二の時定数によるドリフトが改善できることが明らかになった。
【００１４】
実施例では銅等の金属ブロックを例示したが、本発明は金属ブロックに限らず、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質からなる膜であってもよい。
材質は熱伝導率の高い銅が好ましいが、他の金属、例えばアルミ、金、銀、真鍮等の合金又は窒化アルミ等の高熱伝導性のセラミックス、あるいは樹脂に金属やセラミックスなどのフィラ―が添加された熱伝導性樹脂のような複合材料でも効果が認められる。
さらに、熱伝導率が高く、熱容量の大きな物質として、ガラスバルブの表面に銅等の金属や窒化アルミ等の高熱伝導性のセラミックスを、真空蒸着法、スパッタ法、PLD法、CVD法、PVD法、ゾルゲル法、DIPコーティング法等で形成させた膜、あるいは銅等の金属からなるフォイルであってもよい。また、熱伝導性樹脂の場合には、その機械的性質により形状を問わず本発明の効果を得ることができる。
【００１５】
また、本発明は、図２に示した電球型の単一熱電対型交直変換素子に限らず、薄膜型交直変換素子であっても、本発明の構造を採ることにより同様の効果が得られる。
すなわち温度検出に熱電対を用いる交直変換素子であれば、例えば基準接点に十分大きな熱容量と熱伝導率を持つ金属膜のような物質を設けることで、ドリフトの改善が可能である。
【図１】
2012026811.tif 000003
【図２】
2012026811.tif 000004
【図３】
2012026811.tif 000005