JP2014167436A

JP2014167436A - ４導線式極最小型測温抵抗素子

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Publication number: JP2014167436A
Application number: JP2013039487A
Authority: JP
Inventors: Tomosuke Imamura; 友亮今村; Naoaki Imamura; 直亮今村; Kazuaki Yamazawa; 一彰山澤; Masaru Arai; 優新井
Original assignee: NETSUSHIN KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: NETSUSHIN KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11

Abstract

【課題】直接的に素子を液体に浸漬可能な構造で、熱応答性が良く、４導線式で、かつ数十マイクロリットルの液体をはじめ、それに限定せずに、微小な測温対象の温度計測を可能とする新規な極最小型測温抵抗素子を得ること。
【解決手段】本発明は、４導線式の極最小型測温抵抗素子であって、軸方向に４つの貫通孔を設けた円筒状の基体の各貫通孔にそれぞれ導線を貫通させ、第１の導線の一端と第２の導線の一端が連結しており、第３の導線の一端と第４の導線の一端が連結しており、前記一方の連結部に測温用抵抗線の一端を結合し、前記他方の連結部に測温用抵抗線の他端を結合し、前記測温用抵抗線を前記基体の周囲に巻回し、前記白金抵抗線の巻回された基体を被覆材で被覆したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小測定領域の温度測定、特に、サーマルサイクラ装置を用いたＰＣＲ法によるＤＮＡ増幅及びｉＰＳ細胞の培養等の温度測定に用いられる測温抵抗素子に関する。

産業用に用いられる温度センサ装置は、通常とは異なる悪条件下で用いられることも多い。そのため、振動や衝撃が強い悪環境下でも精密な温度を測定可能な状態を常時維持できる温度センサ装置が求められている。

また、一般的には、温度センサ装置に求められる性能としては、測定温度範囲において規定の電気的性能が安定であること、できるだけ小型でかつ軽量であること、熱応答性に優れていること、さらに振動及び衝撃等に対して十分な機械的強度を有していること、さらには耐化学性に優れていること等である。

これら要求を満たすものとして、現在、産業用の温度計測には、白金抵抗を利用したもの、熱電対、サーミスタ、ＩＣセンサ等を用いたものが使用されるが、このうち、白金抵抗を利用したものが、熱電対、サーミスタ、ＩＣセンサ等を用いたものに比べて精度が断然によいこと、また、経年変化に対して安定で、最も安定性が高く、かつ正確であり、温度変化による抵抗変化が直線性に優れているため国際温度目盛（ＩＴＳ−９０）の中で定義されていること、などから、高精度を必要とする精密温度の計測には多く用いられている。

そして、この白金抵抗を利用したものは実用的には、測温用の抵抗素子はそのまま抵抗素子単独で用いられることはなく、保護管等の外被覆に組み込まれた測温抵抗体として用いられ、保護管等の外被覆によって振動や衝撃その他の外部環境に対応していた。

ところが、測温用の抵抗素子そのものと測温抵抗体として組み立てられたものとは同一の抵抗素子を用いた場合でも保護管等の外被覆の存在によって得られる性能は異なるものとなる。

例えば、外被覆を用いることによって、測温対象部位から測温センサ部への熱伝達時間が遅くなり、また測温センサ部の熱容量が大きくなって、測温センサとしての熱応答の遅れが生じることとなっていた。

また、白金抵抗のように低抵抗の抵抗素子を測温用に用いた精密な温度測定では、抵抗線に接続されるリード線の抵抗が無視できなくなる。そのため、通常は４線式の測定方式が採用され、測温抵抗素子の２本の口出し線のそれぞれに２本のリード線を接続して４線式として測定していたが、微細な温度測定においては、４線式のリード線に接続するまでの２本の口出し線部分の抵抗が測温用の白金抵抗に加算されるため誤差の要因となることは避けられなかった。

そこで、これらの問題を解決するものとして、特許文献１（特開２００８−１５１６０１号公報）に記載の４導線式の白金測温抵抗体が本願の共同出願人である株式会社ネツシンによって開発された。

上記白金測温抵抗体の説明用に簡略化した図を図４に示す。
このものは、素子本体１０の内部に測温用の白金抵抗線１１を有し、白金抵抗線１１に素子内部の接続点１２で接続された口出し線１３がこの素子本体１０の一端部から引き出されている白金測温抵抗素子を備え、各口出し線１３にそれぞれ接続された２本のリード線１５を介して、温度検出信号を外部に４導線式で送出する構成となっている。そして、口出し線１３とリード線１５との接続部１４の振動や衝撃とに対処して前記接続部を補強する構成として、少なくとも、各口出し線が引き出されている側の素子本体から、各口出し線と対応するリード線との接合部を越えた部分までを、樹脂１６でモールドした構成としている。

このように、測温抵抗素子やリード線間の接合部をモールドするようにしたので、振動や衝撃が強い悪環境下で使用されたとしても、断線が生じることがなく、温度を測定可能な状態を常時維持することができるものとなっている。

特開２００８−１５１６０１号公報

バイオ産業、特にＤＮＡ解析のための遺伝子増幅に用いるサーマルサイクラ装置の温度制御に関しては、その温度制御を正確に行うこと、また、均一に行うことが重要な問題となっている。

サーマルサイクラ装置とは、数十マイクロリットル程度以下の試料液体を保持するプラスチック製のアンプルに、規定の熱サイクルをかけるための装置であって、多くの場合、金属製の保持熱板上に数十本のアンプルを搭載し、自動搬送装置で装置内部に格納してプログラムされたとおりの温度履歴（熱サイクル）をかける。

ＤＮＡ解析においては、試験対象のＤＮＡに特定の酵素を加え、熱サイクルを掛けることにより鎖の部分的な複製を生成し、その数を一万倍程度に増加させる遺伝子増幅の操作を行う。熱サイクルの処理温度は概ね５０℃から１００℃の範囲内を往復させる。熱サイクルを一回掛ける毎に原理的には２倍ずつ増幅されるものだが、酵素の適切な反応のために厳密な温度コントロールが必要とされている。また、同時に数十本のアンプルを同じ工程パッチで処理を行うため、装置内の温度を均一に保つことは装置の信頼性を評価する上で重要な要件である。

サーマルサイクラ装置の温度制御および温度均一性の評価のために、従来技術では測温部を小さくできる極細の熱電対をアンプルに仕込んだものが使われてきた。しかし、ＪＩＳ規格にもあるように、熱起電力の許容差は室温付近でも±０．５℃3f程度であり、また、熱電対は素線に沿ったゼーベック効果による熱起電力を測定することを測温の原理とするために、素線の折れ曲がりに起因する不均質により、容易に温度指示値が異なってしまうこと等が問題となっていた。

そのため、サーマルサイクラ装置のように自動搬送機を備えた装置においては、自動搬送機による搬送によって素線が容易に折れ曲がったり、また、熱電対は零設定を正確に維持すること必要であることから、経路途中の温度分布がサーマルサイクラの装置間・機種間で異なったりすると、熱電対を接続した温度指示器の示す温度値の不確かさは温度制御に必要な精度を満たしていない可能性があり、大きな問題と想定されている。

これに対して、白金抵抗温度計などの抵抗温度計の場合には、導線の経路の折れ曲がりや経路途中の温度分布に依存せず、正確な温度測定が可能である。
しかし、既存の技術では後述する要因で、サーマルサイクラ装置で使用する数十マイクロリットルの液体を測温対象とする白金測温抵抗素子は存在しない。

上述したように従来の白金測温抵抗体は、素子内部に構造的に２導線（リード線が２本）部分を含んでいるため、素子の白金抵抗体部分とリード線を含めた全長が感温部となるため、熱電対に匹敵する小ささとすることはできなかった。そのために数十マイクロリットル程度の微量の温度測定では、感温部の全体を液中に浸すことができないことがあり、サーマルサイクラ装置等に適しているとは言えなかった。

一方、既存の白金測温抵抗素子でも、直径φ０．４ｍｍ、長さ１．５ｍｍのような小型の素子単体も制作可能であり市販されている。しかし、これは構造的に直接液体中に浸漬可能なものではなく、液体の温度測定にはステンレス製細管などの保護管を設け、その中に素子を配置する必要があった。

ステンレス製細管などの保護管を設けた場合、上述のようにその熱容量や、それに沿っての熱伝導が存在することで、測温対象が非常に微少な場合には正確な温度測定はできない。また、素子と保護管との熱接触の良否により、自己加熱に起因する測定不確かさも大きくなる。

そして、素子が直接剥き出しになっていないためどうしても被測温体が直接素子にふれず、素子の外装部を介して間接的に熱がふれることでレスポンスが遅くなってしまうことが問題となっていた。

このように、既存の白金測温抵抗素子を上記のバイオ産業、特にＤＮＡ解析のための遺伝子増幅に用いるサーマルサイクラ装置等の温度制御に用いることはできなかった。

以上に説明したとおり、上記に挙げた数十マイクロリットルの液体を測温対象とする既存技術による白金測温抵抗素子は存在せず、ニーズを満たすような新規な超小型の白金抵抗を用いた温度センサが求められていた。そこで、本発明の目的は、直接的に素子を液体に浸漬可能な構造で、熱応答性が良く、４導線式で、かつ数十マイクロリットルの液体をはじめ、それに限定せずに、微小な測温対象の温度計測を可能とする新規な極最小型測温抵抗素子を得ることである。

上記本発明の目的は、以下の構成によって実現することができる。
本発明は、４導線式極最小型測温抵抗素子であって、軸方向に４つの貫通孔を設けた円柱状の基体の各貫通孔にそれぞれ導線を貫通させ、第１の導線の一端と第２の導線の一端が連結しており、第３の導線の一端と第４の導線の一端が連結しており、前記一方の連結部に測温用抵抗線の一端を結合し、前記他方の連結部に測温用抵抗線の他端を結合し、前記測温用抵抗線を前記基体の周囲に巻回し、前記測温用抵抗線の巻回された基体を被覆材で被覆したことを特徴とする。
また、本発明は、４導線式極最小型測温抵抗素子であって、軸方向に４つの貫通孔を設けた円柱状の基体の各貫通孔にそれぞれ導線を貫通させ、第１の導線の一端と第２の導線の一端が第１の連結部で連結しており、第３の導線の一端と第４の導線の一端が前記第１の連結部と同じ側で第２の連結部で連結しており、前記第１ないし第４の導線のそれぞれ連結されていない側がリード線として導出され、前記第１の連結部に測温用抵抗線の一端を結合し、前記測温用抵抗線を前記基体の周囲に巻回し、前記測温用抵抗線の他端を前記第２の連結部から導出されるリード線の基体からの導出部の近辺に結合し、前記測温用抵抗線の巻回された基体を被覆材で被覆したことを特徴とする。

本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子は、素子の測定部が剥き出しであって外被覆を有しないため熱容量を小さくすることが可能となり、熱応答性が速く、かつ精密な計測が可能となる。また、４線のリード線に測温用抵抗線が直接接続されているため従来のような口出し線による誤差のない精密な測定が可能となる。また、測温用抵抗線と４線式のリード線との間に口出し線が存在しないため、測温部が抵抗線のみとなって小型化が可能となり、微細な部分の測温が可能となる。さらに、４線のリード線が２本ずつ１組となって基体の２つの貫通孔に跨がってＵターン状に通って引き出されているためリード線間の絶縁低下（不良）の問題がなく、構造的にも堅牢である。

本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の構成の全体図である。本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の構成を説明するための図である。本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の構成を説明するための図である。従来の白金抵抗測温素子を説明するための図である。

以下、本発明による４導線式極最小型測温抵抗素子の実施例を図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の外観全体図、図２（ａ）は素子本体部分を先端方向から見た正面図、図２（ｂ）その長さ方向の断面図である。図３は素子本体の斜視図である。

以下の説明では、本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の基体としてアルミナ碍子、また、測温用抵抗線として白金線を用いたものを例として説明する。
図１の本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の全体図において、２は本発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の基体となるアルミナ碍子、３はリード線、４は白金抵抗線、５は白金抵抗線保護用の被覆材、である。

図２に示すように、アルミナ碍子２は円柱形状であり、一例として、押し出し成形で成型され、その長さ方向に４つの貫通孔６が設けられている。このような構成で、上記１つの貫通孔６の後端側の口６ａからリード線３が挿通され、先端側の口６ｂに出たリード線３は折り返されて７でＵターンされて隣り合う貫通孔６に通されて後端側に戻された構成となっている。リード線の実際の挿入においては、Ｕ字状に折り曲げたリード線をアルミナ碍子の先端側から隣り合う２つの貫通孔に挿入してもよい。また、それぞれ２つの貫通孔に挿通されたリード線３の先端側を溶接してＵターン状としてもよい。

従って、図２（ａ）に示すように、Ｕターン状に折り返されたリード線３の２本の導線はアルミナ碍子２の隣り合う２つの孔にまたがって貫通されており、もう１方のＵターン状のリード線３の２本の導線がアルミナ碍子２の残りの２つの隣り合う孔に同じ側からまたがって貫通されている。

そして、図３（ａ）に示すように、その一方のＵターン状のリード線３のＵ字状の折り返し部７の頂部８ａには白金抵抗線４の一端がスポット溶接等によって電気的接続を保って結合されており、他方のＵターン状のリード線のＵ字状の折り返し部７の頂部８ｂに白金抵抗線４の他端が同様に結合されており、１本の白金抵抗線の両端がそれぞれリード線に結合された構成となっている。そして、両端を溶接等によって結合された白金抵抗線４はその両端から２本を並行にアルミナ碍子２の外周に券回されて、その末端部９は接着剤等で仮止めされている。

そして、白金抵抗線４の巻回されたアルミナ碍子２の基体部分はリード線３と白金抵抗線４との結合部８ａ、８ｂを含んで樹脂またはガラス等の被覆材５で被覆されている。
このような構成で、アルミナ碍子２の周囲に白金抵抗線４が券回され、アルミナ碍子２の先端部で白金抵抗線４と結合された４本のリード線３が貫通孔６を通って後端部６ａから導出されている。

上記４導線式極最小型測温抵抗素子の実施態様を実際の製造過程を含めてさらに詳細に説明する。

本願発明の試作に用いたアルミナ碍子２は、外径φ０．４ｍｍ、長さが０．５ｍｍで共に１ｍｍ以下という極小の円柱状で、軸方向にφ０．０９ｍｍの貫通孔６が４つ開けられている。このアルミナ碍子２の前記貫通孔６のそれぞれにφ０．０８ｍｍの白金線（リード線）３を通す。このときに１本の白金線を隣同士の貫通孔にＵターンさせる形で通すことが本願発明の最も重要な特徴となっている。

また、その他の方法として２本の白金線を溶接等によって結線しＵターン状にしてしまう方法もある。これらの方法で通すことにより、アルミナ碍子２に結合される白金線（リード線）の長さが０．５ｍｍであっても、引っ張られても抜けないという強度が保たれる。

また、ここで使用する白金線（リード線）３に対しての制限はなく、白金に限らず加工が可能ならば、例えば、ニッケルや銅、またはその他の材質を用いてもよい。

次工程において、リード線３のＵ字状の連結部７の頂部８にφ０．０１３ｍｍで長さ１０〜２０ｍｍ程度の極細の白金抵抗線４の端部をスポット溶接等によって結合し、アルミナ碍子２の外周にこの極細の白金抵抗線４を巻く。
試作品ではφ０．０１３ｍｍの白金線を用いたが、このときの白金線の線径に対しても制限はないため、巻くことが可能ならばどのような線径でもかまわない。

また、巻き方については、上記の実施態様では図３（ａ）に示すように両端を溶接等によって結合した白金抵抗線を無誘導巻きで２本同時に巻く加工方法を説明した。別な態様として、白金抵抗線４がアルミナ碍子２の外周に巻き付けられており、その両端がリード線３に直接結合される巻き方であれば、上記の巻き方に限定されるものではなく、別な巻き方を行っても良い。

別な巻き方として、図３（ｂ）に示すように、リード線３のＵ字状の連結部７の頂部８ａに一端を結合した１本の白金抵抗線４をアルミナ碍子２の外周に誘導巻きで巻いて行き他端をまだ白金抵抗線の結合されていないリード線３のアルミナ碍子２の後端近辺８ｃに溶接等によって結合する加工方法でも良い。

その後、白金抵抗線４を巻き付けたアルミナ碍子２全体をリード線３と白金抵抗線４との結合部を含んでガラスで被覆加工を行う。この工程は、絶縁対策及び抵抗値の変化等を防ぐ役割を果たすために行う。
ここでは、被覆材としてガラスを用いたが、エポキシ等の樹脂を用いてもよい。また、測定環境に応じて、電気絶縁性が高く熱伝導性の良いその他の被覆材を用いることもできる。

できあがった４導線式の測温抵抗素子は素子本体の大きさが外径、長さ共に１ｍｍ以下という極小のものであって、実際には、外径が０．４ｍｍ程度で長さが０．５ｍｍ程度であり、抵抗値は約１０Ωで、０．０４Ω/℃の温度特性が得られた。

上記実施形態では各部のサイズを具体的な数値を用いて説明したが、これらの数値に限定されるものではなく、使用環境等に応じて各部のサイズは適宜定められるものである。

また、基体としてアルミナ碍子を用いて説明したが電気絶縁性の高い加工可能な他の材料を用いることもできる。

また、測温用抵抗線とリード線との結合方法としては、スポット溶接等の溶接以外にも、測温用抵抗線とリード線とを電気的接続を保って結合できる方法であれば他の方法でも構わない。例えば、測温用抵抗線の端部をリード線に電気的接続を保って巻き付ける方法等でも構わない。

また、測温用抵抗線として白金抵抗線を用いた例を説明したが、ニッケル、銅、その他の測温用抵抗線に対しても本願発明は適用できることは勿論である。

以上に説明した本願発明の４導線式極最小型測温抵抗素子の特徴を要約すると以下のとおりとなる。
（１）測温用抵抗線を口出し線を介することなく直接４線式のリード線に接続しているため、口出し線抵抗の影響が無く、また、測温部を小型化できる。（２）測温抵抗素子の基体に４穴のアルミナ碍子を用いて、４本のリード線がそれぞれの穴をとおされていることから絶縁の問題は解消されている。
（３）リード線をＵターンさせる構造のために引っ張り強度が強い。
（４）測温用抵抗線が基体の外側に巻かれており、被覆材と密着しているため熱接触が良好であり、レスポンスが極めて速い。
（５）熱電対のホットジャンクション、サーミスタとほぼ同じ大きさとすることができる。
（６）測温素子の形状をしているが、保護管等を要することなく測温体として直接、液中等の被測定箇所で用いることが出来る。

本願発明のこれらの特徴を生かして、様々な用途に用いられることが期待される。
現在の産業界で使用されている極小温度センサの主流は熱電対やサーミスタである。この種のタイプの問題点としては、精度や、互換性などが上げられ産業界の現場からは精度の向上などが求められていた。

一方で、一般に白金測温抵抗体は、熱電対に比較して低温測定に使用され精度も優れている。しかし、速い応答性が要求される場合や表面および微小箇所の測定には不向きと考えられている。それは、白金測温抵抗体が抵抗素子として少なからず体積を持つため熱平衡に達するまでの時間が熱電対式温度センサに比べ長いためである。そのため、白金測温抵抗体の測温センサ部分はできるだけ小さく熱容量を小さくすることが求められていた。

本願発明によって可能となった白金測温抵抗素子本体の外径φ０．４ｍｍ程度、長さ０．５ｍｍ程度という大きさは、熱電対のホットジャンクションと呼ばれる測温点やサーミスタセンサとほぼ同じ大きさであり、今までに、国内外でこのような極小での白金測温抵抗素子が製造されている例はなかった。

今後は、従来熱電対やサーミスタが用いられていた分野にも本願発明による白金測温抵抗素子が積極的に用いられることが期待される。

実際に医療バイオの分野では、ＤＮＡ鑑定や細胞の温度を測定する現場などから期待されている。特に、サーマルサイクラ装置を用いたＰＣＲ法によるＤＮＡ増幅の研究並びにｉＰＳ細胞の培養にかかわる温度測定の精度向上に大いに期待されている。

２基体（アルミナ碍子）
３リード線
４測温用抵抗線（白金線）
５被覆
６アルミナ碍子の貫通孔
７口出し線のＵ字状連結部
８ａ，ｂ，ｃ結合部
９固定部
１０白金測温抵抗体の素子本体部
１１白金抵抗線
１２白金抵抗線と口出し線の接続部
１３口出し線
１４口出し線とリード線との接続部
１５リード線
１６被腹部

Claims

軸方向に４つの貫通孔を設けた円柱状の基体の各貫通孔にそれぞれ導線を貫通させ、第１の導線の一端と第２の導線の一端が第１の連結部で連結しており、第３の導線の一端と第４の導線の一端が前記第１の連結部と同じ側で第２の連結部で連結しており、前記第１ないし第４の導線のそれぞれ連結されていない側がリード線として導出され、前記第１の連結部に測温用抵抗線の一端を結合し、前記第２の連結部に前記測温用抵抗線の他端を結合し、前記測温用抵抗線を前記基体の周囲に巻回し、前記測温用抵抗線の巻回された基体を被覆材で被覆したことを特徴とする４導線式極最小型測温抵抗素子。
軸方向に４つの貫通孔を設けた円柱状の基体の各貫通孔にそれぞれ導線を貫通させ、第１の導線の一端と第２の導線の一端が第１の連結部で連結しており、第３の導線の一端と第４の導線の一端が前記第１の連結部と同じ側で第２の連結部で連結しており、前記第１ないし第４の導線のそれぞれ連結されていない側がリード線として導出され、前記第１の連結部に測温用抵抗線の一端を結合し、前記測温用抵抗線を前記基体の周囲に巻回し、前記測温用抵抗線の他端を前記第２の連結部から導出されるリード線の基体からの導出部の近辺に結合し、前記測温用抵抗線の巻回された基体を被覆材で被覆したことを特徴とする４導線式極最小型測温抵抗素子。
前記第１の導線と第２の導線、および第３の導線と第４の導線とはそれぞれ１本の導線で構成され、前記第１の連結部および前記第２の連結部は前記それぞれ１本の導線を折り返した折り返し部であることを特徴とする請求項１または２に記載の４導線式極最小型測温抵抗素子。
前記第１の連結部は前記第１の導線と第２の導線との溶接部であり、前記第２の連結部は前記第３の導線と第４の導線との溶接部であることを特徴とする請求項１または２に記載の４導線式極最小型測温抵抗素子。
前記測温用抵抗線が白金抵抗線であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の４導線式極最小型測温抵抗素子。