JP2006329930A - 交直変換器用素子および交直変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力電圧等の電気的特性を向上させ、発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度を容易に調整できる交直変換器用素子および交直変換器を提供すること。
【解決手段】 交直変換器用素子１は、熱伝導性絶縁基板２上に抵抗器４が設けられてなり、発熱抵抗体３として機能するとともに、交直変換器を構成するための熱検出体６Ａ、６Ｂへの熱伝導路として機能できる構成を基本とする。交直変換器用素子１と、熱伝導性の低い絶縁基板７上に熱検出体６Ａ等が形成されてなる本体基板８とから、交直変換器１０を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は交直変換器用素子および交直変換器に係り、特に、薄膜型サーモパイルを用いた交流電圧標準用・高精度交流電圧測定用の交直変換器において出力される直流電圧等の電気的特性を向上させ、発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度を容易に調整可能とする、交直変換器用素子および交直変換器に関する。

図５、６はそれぞれ、薄膜型サーモパイルを用いた従来の交直変換器の構成例を示す表面図および裏面図である。また、
図７は、かかる従来の交直変換器の構成例を示す側面図である。これらに図示されるように従来の交直変換器は、1〜２０μｍ程度の厚みの矩形の絶縁性フィルムからなる絶縁基板３１に、２種類の金属材料からなる熱電推（サーモパイル）３２を直列接続して、矩形の３辺に配置した熱検出体（３２、３３）と、その絶縁基板３１に直接、発熱抵抗体３６と、熱伝導路たる他の絶縁基板４２とを形成したものであって、発熱抵抗体３６に電力を消費させた際に発生する熱は、絶縁基板３１を介して裏面の絶縁基板４２熱検出体（３２、３３）に熱伝導される構造である。

上記各図に示される従来の交直変換器では、入力端子３７、３８間に直流電圧もしくは交流電圧が印加されると、発熱抵抗体３６に通電し、電力消費により温度上昇が得られる。発生した熱は、熱伝導率の低い薄い絶縁性フィルムからなる絶縁基板３１を介して熱伝導率の高い絶縁基板４２を伝搬し、該絶縁基板４２を囲むように配置された熱検出体（３２、３３）部位に伝搬される。伝搬された熱は熱検出体（３２、３３）より検出され、このようにして、出力端子３４、３５間に直流電圧もしくは交流電圧に応じた直流電圧が出力される。

かかる交直変換器の電気的特性改善を課題とした提案としてはこれまで、後掲特許文献１に記載された発明がある。この発明は具体的には、薄膜型サーモパイルを構成する熱電対個数を増加させる場合に、出力抵抗値増大によって引き起こされるＳ／Ｎ比低下を防止するために、サーモパイルの一部を、銅など熱伝導率および電機伝導率がともに高い金属薄膜によって置き換えるという技術である。

特願２００４−２６１５３９号「薄膜型サーモパイル」（本願出願時に未開示）

さて、前述の通り従来の交直変換器では、発熱抵抗体３６で発生した熱は、熱伝導率の低い絶縁性フィルム等の絶縁基板３１を介して、熱伝導率の高い絶縁基板４２に伝搬され、熱検出体（３２、３３）で検出される。このため、熱伝導率の低い絶縁性フィルム３１と熱伝導率の高い絶縁基板４２の間には熱の損失が発生するため、充分な熱伝導を行うことができない。したがって、出力される直流電圧など、充分な電気的特性を得られるものではなかった。

また、従来は薄い絶縁性フィルムによる絶縁基板に直接発熱抵抗体を蒸着しているため、抵抗値の補正を事後的に行うことが困難であった。したがって、低周波数領域における交直変換誤差が大きい、抵抗温度係数が大きいなどの問題が発生した場合に、発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度を容易に調整できる発熱抵抗体の開発が求められた。

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を除き、薄膜型サーモパイルを用いた交流電圧標準用・高精度交流電圧測定用の交直変換器において、出力される直流電圧等の電気的特性を向上させることができ、また、発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度を容易に調整することができる、交直変換器用素子および交直変換器を提供することである。

本願発明者は上記課題について検討した結果、熱伝導路とするための熱伝導性絶縁基板を、発熱抵抗体に接するように配置させる構成をとることによって、上記課題の解決が基本的に可能であることを見出し、本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下のとおりである。

（１） 熱伝導性絶縁基板上に抵抗器が設けられてなる素子であって、発熱抵抗体として機能するとともに、交直変換器を構成するための熱検出体への熱伝導路として機能できることを特徴とする、交直変換器用素子。
（２） 前記抵抗器は、前記熱伝導性絶縁基板上に蒸着されていることを特徴とする、（１）に記載の交直変換器用素子。
（３） （１）または（２）に記載の交直変換器用素子と、該交直変換器用素子に係る絶縁基板と比較して熱伝導性の低い絶縁基板上に熱検出体が形成されてなる本体基板とからなり、前記抵抗器への交流電圧供給により直流電圧を得ることのできる交直変換器。
（４） 前記交直変換器用素子と前記本体基板とは、電気的にも磁気的にも遮断されていることを特徴とする、（３）に記載の交直変換器。
（５） 発熱抵抗体と、比較的熱伝導性の低い絶縁基板上に熱検出体が形成されてなる本体基板と、該発熱抵抗体において発生した熱を該熱検出体に伝えるための熱伝導性絶縁基板とを備えてなる交直変換器であって、該熱伝導性絶縁基板が該発熱抵抗体に接するように配置されていることを特徴とする、交直変換器。

つまり上記の問題を解決するために本発明では、発熱抵抗体を形成するための基板として、従来のような熱伝導率の低い絶縁性フィルム基板ではなく熱伝導に優れた絶縁基板を直接に用いることのできる構成としたものであり、かかる絶縁基板上に発熱抵抗体が設けられてなる交直変換器用素子を、発熱抵抗体兼熱伝導路として機能させるものである。

また本発明は、該交直変換器用素子と、熱検出体（サーモパイル）を設けた基板とを電気的・磁気的に遮断した状態で接合した構造の交直変換器により、発熱抵抗体に電力消費させたときに発生した熱が熱伝導に優れた絶縁基板を伝搬し、熱を効率よく熱検出体に伝搬させるものである。

本発明の交直変換器用素子および交直変換器は上述のように構成されるため、これによれば、出力される直流電圧等の電気的特性を向上させることができる。また、発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度を容易に調整することができる。

つまり本発明によれば、熱損失を相当程度防止できるため、従来のものよりも発熱抵抗体への入力電力を増大することができ、その結果、出力電圧も増大させることが可能である。さらには、電気的・磁気的干渉を排除できることに加え、周波数特性の向上、交直差の向上も得ることができ、電気的特性の向上効果は著しいものがある。

その上、熱伝導に優れた絶縁基板に発熱抵抗体を形成するため、抵抗値範囲を自由かつ簡便に設定できる他、抵抗温度係数も約１０ｐｐｍ／℃であるため、入力電力に基づく発熱抵抗体の温度上昇によって出力電圧の変動がなく、常に一定の出力を得ることができる。すなわち本発明によれば、かかる幾多の利点によって、従来よりも精密かつ信頼性のある交流電圧標準、高精度交流電圧測定用の交直変換器を提供することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の交直変換器用素子の構成および交直変換器の要部構成を示す側面図である。また、
図１−２は、図１の交直変換器の構成を分解して示す説明図である。これらに図示するように本交直変換器用素子１は、熱伝導性絶縁基板２上に抵抗器４が設けられてなるものであって、発熱抵抗体３として機能するとともに、交直変換器を構成するための熱検出体（サーモパイル）６Ａ、６Ｂへの熱伝導路として機能できる構成を基本とする。また、図示するように該発熱抵抗体３は、該抵抗器４と電極５Ａ、５Ｂ（一方が＋電極、他方が−電極）とを備えて構成される。後述するように、該交直変換器用素子１と、該交直変換器用素子１に係る絶縁基板２と比較して熱伝導性の低い絶縁基板７上に熱検出体６Ａ等が形成されてなる本体基板８とから、交直変換器１０を形成することができる。

かかる構成により本交直変換器用素子１では、交流電圧の印加により該発熱抵抗体３において発生した熱は、該熱伝導性絶縁基板２を介して、何ら他の熱伝導率の低い部位を通ることなく、熱損失の防止された状態を維持しつつ、該熱検出体６Ａ等へと伝播される。

本発明に係る熱伝導性絶縁基板の材料としては、たとえば、窒化アルミ基板を好適に用いることができるが、本発明はかかる材料に限定されるものではなく、要するに熱伝導率が高い絶縁体であれば、適宜のものを用いることができる。

前記本体基板８とは別に構成されてなる交直変換器用素子１を用いることにより、従来のような、熱検出体６Ａ等の設けられる低熱伝導性の絶縁フィルム等の絶縁基板７上に高熱伝導性の絶縁基板を形成する必要がない。したがって、該交直変換器用素子１の発熱抵抗体３に係る抵抗値の補正を事後的に行うことに何ら困難はなく、発熱抵抗体３の抵抗値範囲と精度を容易に調整することができる。

これらの図において本交直変換器用素子１は、前記抵抗器４が蒸着により前記熱伝導性絶縁基板２上に設けられた構成とすることができる。蒸着処理としては、公知の技術を適宜用いることができる。

図１、１−２に示すように本発明交直変換器１０は、上述した交直変換器用素子１と、該交直変換器用素子１に係る絶縁基板２と比較して熱伝導性の低い絶縁基板７上に熱検出体６Ａ等が形成されてなる本体基板８とから、基本的に構成することができ、該交直変換器用素子１を構成する前記抵抗器４への交流電圧供給により、上述の所定の作用が生じて、最終的に直流電圧を得ることができる。

本交直変換器１０は、該交直変換器用素子１において発生する熱のみを該本体基板８に伝播するために、該本体基板８とは電気的・磁気的には遮断された構成がとられる。

以上説明した本発明交直変換器１０は、すなわち、発熱抵抗体３と、比較的熱伝導性の低い絶縁基板７上に熱検出体６Ａ等が形成されてなる本体基板８と、該発熱抵抗体３において発生した熱を該熱検出体６Ａ等に伝えるための熱伝導性絶縁基板２とを備えてなり、特に、該熱伝導性絶縁基板２が該発熱抵抗体３に接するように配置されているという特徴的構成を備えたものであるといえる。

以下、本発明の一実施例について、図面を用いながら説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

図２は、本発明交直変換器の実施例につきその表面の構成を示す平面図である。図示するように本例においては、薄い絶縁性フィルムからなる低熱伝導性の絶縁基板１３の一方面に、異種金属を交互に接続したサーモパイル（熱検出体）１４が熱結合導体１５を介して真空蒸着によって設けられている。このサーモパイル１４は矩形の３辺に配置されており、直列に接続され、電極１６、１７（一方が＋電極、他方が−電極）に接続されている。また一方では、抵抗器を熱伝導の優れた絶縁性の基板に形成してなる発熱抵抗体１８を電極１９、２０（一方が＋電極、他方が−電極）に接続している。そして、熱検出体であるサーモパイル１４と発熱抵抗体１８とは電気的・磁気的に遮断された構造となっている。

図３は、図２の実施例につきその裏面の構成を示す平面図である。図示するように本例交直変換器の裏面には、サーモパイル１４と同じ構造のサーモパイル２１を設けている。このサーモパイル２１は電極２２、２３（一方が＋電極、他方が−電極）に接続されており、実機に搭載する際には電極１７と電極２２はリード線等によって短絡され、本交直変換器両面のサーモパイル１４および２１が直列に接続される。

図４は、図２の実施例に係る発熱抵抗体および絶縁基板からなる素子の構成を示す平面図である。図示するように本素子は、熱伝導に優れた絶縁基板２５上に発熱抵抗体１８が設けられてなるものである。該発熱抵抗体１８は、抵抗器（発熱体）２６が真空蒸着によって該絶縁基板２５上に設けられ、その両端に電極２７、２８（一方が＋電極、他方が−電極）が接続されて構成されている。かかる構成により本素子は、発熱抵抗体としての機能と、サーモパイル１４等への熱伝導路としての機能を併せ備えたものとなっている。

本例交直変換器において入力端子１９、２０間に交流電圧を印加すると、熱伝導に優れた絶縁基板２５に設けられた抵抗器（発熱体）２６から熱エネルギーとして熱が発生し、温度が上昇する。この熱は、何ら低熱伝導の部位を通ることなく、すなわち熱損失が防止された状態で、熱伝導に優れた絶縁基板２５を介して伝搬し、熱検出体であるサーモパイル１４、２１に対して伝導される。サーモパイル１４、２１はこの熱を直流電圧に変換し、電圧検出端子たる電極１６、２３間には、入力電極に供給された交流電力に応じた電位差が生ずる。

本発明の交直変換器用素子および交直変換器によれば、電気的特性の向上、および発熱抵抗体の抵抗値範囲と精度調整の容易化を実現できる。具体的には、本発明によって、ＲＭＳ−ＤＣコンバータの入力電力の向上と特性インピーダンス温度係数が向上された素子を得ることができる。つまり、従来よりも精密で信頼性があり、さらに使用の便利な交直変換器を提供でき、産業上利用価値が高い発明である。

本発明の交直変換器用素子の構成および交直変換器の要部構成を示す側面図である。 図１の交直変換器の構成を分解して示す説明図である。 本発明交直変換器の実施例につきその表面の構成を示す平面図である。 図２の実施例につきその裏面の構成を示す平面図である。 図２の実施例に係る発熱抵抗体および絶縁基板からなる素子の構成を示す平面図である。 薄膜型サーモパイルを用いた従来の交直変換器の構成例を示す表面図である。 薄膜型サーモパイルを用いた従来の交直変換器の構成例を示す裏面図である。 従来の交直変換器の構成例を示す側面図である。

符号の説明

１…交直変換器用素子
２…熱伝導性絶縁基板
３…発熱抵抗体
４…抵抗器
５Ａ、５Ｂ…電極（一方が＋電極、他方が−電極）
６Ａ、６Ｂ…熱検出体（サーモパイル）
６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂ…熱電対
６３Ａ、６３Ｂ、６４Ａ、６４Ｂ…熱結合導体
７…熱伝導性の低い絶縁基板
８…本体基板
１０…交直変換器
１３…低熱伝導性の絶縁基板
１４、２１…サーモパイル
１５、２４…熱結合導体
１６、１７、１９、２０、２２、２３、２７、２８…電極
１８…発熱抵抗体
２５…熱伝導性の高い絶縁基板
２６…抵抗器
３１…絶縁基板
３２、３９…サーモパイル
３３…熱結合導体
３４、３５、３７、３８、４０、４１…電極
３６…発熱抵抗体
４２…他の絶縁基板

Claims (5)

1. 熱伝導性絶縁基板上に抵抗器が設けられてなる素子であって、発熱抵抗体として機能するとともに、交直変換器を構成するための熱検出体への熱伝導路として機能できることを特徴とする、交直変換器用素子。
2. 前記抵抗器は、前記熱伝導性絶縁基板上に蒸着されていることを特徴とする、請求項１に記載の交直変換器用素子。
3. 請求項１または２に記載の交直変換器用素子と、該交直変換器用素子に係る絶縁基板と比較して熱伝導性の低い絶縁基板上に熱検出体が形成されてなる本体基板とからなり、前記抵抗器への交流電圧供給により直流電圧を得ることのできる交直変換器。
4. 前記交直変換器用素子と前記本体基板とは、電気的にも磁気的にも遮断されていることを特徴とする、請求項３に記載の交直変換器。
5. 発熱抵抗体と、比較的熱伝導性の低い絶縁基板上に熱検出体が形成されてなる本体基板と、該発熱抵抗体において発生した熱を該熱検出体に伝えるための熱伝導性絶縁基板とを備えてなる交直変換器であって、該熱伝導性絶縁基板が該発熱抵抗体に接するように配置されていることを特徴とする、交直変換器。