JP4171804B2

JP4171804B2 - 熱電型交直変換素子

Info

Publication number: JP4171804B2
Application number: JP2003385268A
Authority: JP
Inventors: 仁佐々木; 彰東海林; 直子葛西; 弘之藤木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2005151692A

Description

本発明は、交流電圧標準器、高精度交流電圧測定器に用いられる熱電型交直変換素子に関する。

熱電型交直変換素子は、一般に、図１に概念図が示されているように、誘電体フィルム上に、高周波電力用の入力端子を備えた電力吸収用の抵抗体と、異種金属を交互に接続したサーモパイルが設けられている。
入力端子に高周波電力を供給すると、この電力は、抵抗体によって熱に変換される。サーもパイルはこの熱を電圧に変換し、電圧検出用の出力端子間には、入力端子間に供給された高周波電力に応じた電位差が生じる。
従来、熱電型交直変換素子は、10Hzから1MHzまでの交流電圧標準を導出するために用いられている。熱電型交直変換素子には、直流電圧と交流電圧が交互に通電され、その電力(実効値)をヒーター部において熱に変換し、その温度上昇を熱電対などの温度検出素子を用いて測定する。直流電圧と交流電圧に対して、同じ温度上昇が得られる場合には、通電された交流電圧の実効値は直流電圧に等しいと見なし、直流電圧を基準として交流電圧の基準が導出される。

熱電型交直変換素子は、基本的に、（１）電気エネルギーを熱エネルギーに変換するためのヒーター素子および（２）ヒーターの温度上昇を検出する素子の２つの要素から構成される（例えば、非特許文献１および２、特許文献１参照）。
図７は従来の熱電型交直変換素子の構成図である。
例えばセラミックによって構成されたケース１２１の内部には、誘電体からなる薄いフィルム１２２が設けられている。このフィルム１２２の一側面には、電力吸収用の抵抗体１２３が設けられている。この抵抗体１２３は測定系のインピーダンスに合わせて抵抗材料をフィルム１２１に真空蒸着して形成される。この抵抗体１２３の一端部には、電極１２４を介して高周波電力の入力端子１２５が設けられ、他端には電極１２６を介して高周波電力の接地端子１２７が設けられている。

一方、前記フィルム２１の他側面には、異種金属を交互に接続したサーモパイル１２８が真空蒸着によって設けられている。このサーモパイル１２８はその長手方向中心位置が、前記抵抗体１２３の長手方向中心と一致されており、抵抗体１２３の中心位置と対称に設けられている。このサーモパイル１２８の両端にはそれぞれ電極１２９、１３０を介して電圧検出端子１３１、１３２が設けられている。
入力端子１２５に高周波電力を供給すると、この電力は、抵抗体１２３によって吸収され、抵抗体１２３はこの吸収量に応じて発熱する。サーモパイル１２８は抵抗体１２３から発生される熱を電圧に変換し、電圧検出端子１３１、１３２の相互間には、入力端子１２５に供給された高周波電力に応じた電位差が生ずる。
Ｍ．Ｋｌｏｎｚ，"ＣｕｒｒｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎａｃｃｕｒａｔｅａｃ−ｄｃｔｒａｎｓｆｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，"ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｍｅａｓ．，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．２，ｐｐ．３６３−３６６，１９９５．Ｂ．Ｄ．Ｉｎｇｌｉｓ，"Ｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒａｃ−ｄｃｔｒａｎｓｆｅｒ，"Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉａ，ｖｏｌ．２９,ｐｐ．１９１−１９９，１９９２．実公平０７−００５４５２号公報

（１）上記従来の熱電型交直変換素子においては、交互に入力される直流電圧および交流電圧は、それぞれヒーター部において熱に変換され、その熱がさらに温度検出部に伝えられ、温度検出部における温度上昇が熱電対などの熱電変換素子を用いて直流電圧に変換され、出力端子から直流電圧として出力される。そのため、ヒーター部と温度検出部を熱的に強く結合させる必要がある。しかし、従来型の熱電型交直変換素子においては、温度検出感度を高めるためにヒーター素子および温度検出素子の熱的結合を大きくすると、同時に入出力回路間の電気的な結合も強くなってしまう欠点があった。
すなわち、ヒーターに１ＭＨｚ程度の高周波の交流電流を流すと、隣接する温接点に高周波信号が伝播し影響が出る欠点があった。

図５にヒーターの背面にポリイミド薄膜を介してサーモパイルの温接点を蒸着した、従来型の熱電型交直変換素子の交直変換特性を示す。基準用の熱電型交直変換素子と配置を入れ替えた際に、周波数特性に大きな差がみられ、正確な測定は困難であることが示される。
図５の横軸は周波数、縦軸は直流電力と交流電力の変換誤差をｐｐｍ（存在比：百万分の１）で表してある。正常位置の特性と交換位置の特性を示す。特性上交換特性は高い周波数の領域で正常位置の特性と大きく相違する。
本発明は、上記従来例の問題点に鑑み、ヒーターに高周波電流を印加したときにも温接点に影響の出ないようにし、交流電圧の実効値と直流電圧の測定感度を損なわずに、高い入出力分離を行う交直変換素子を提供することを目的とする。

本発明は、ヒーターと温接点を離して配置する基板を、電気伝導率が小さく、熱伝導率が大きな材料で構成する。具体的には、ヒーター素子と温度検出素子を、高い熱伝導率を有するアルミナ、窒化アルミニウムと銅薄膜を組み合わせた構造で接続し、さらに銅薄膜を接地することにより、入出力間の寄生容量を抑えると同時に十分な熱伝導を得る。具体的には、
（１）
熱電型交直変換素子において、薄膜型のヒーター回路と温度検出回路を空間的に分離し、前記両者間を熱伝導体で熱伝導可能に接続したことを特徴とする。
（２）
熱電型交直変換素子において、耐熱性絶縁フィルムの一側に、ヒーターと該ヒーターに接続された接地電位側の広い面積のリード線部分を連設し、耐熱性絶縁フィルムの他側に、サーモパイルを配置し、前記耐熱性絶縁フィルムを中心にして、前記広い面積のリード線部分に対向して前記サーモパイルを配置した熱電型交直変換素子であって、
少なくとも前記ヒーターを熱伝導体で覆うことを特徴とする。
（３）
熱電型交直変換素子において、ポリイミド膜の一側に、ヒーターと該ヒーターに接続された接地電位側の広い面積のリード線部分を連設し、ポリイミド膜の他側に、サーモパイルを配置し、前記ポリイミド膜を中心にして、前記広い面積のリード線部分に対向して前記サーモパイルを配置した熱電型交直変換素子であって、
少なくとも前記ヒーターを熱伝導体で覆うことを特徴とする。
（４）
熱電型交直変換素子において、ポリイミド膜の一側に、ヒーターと該ヒーターに接続された接地電位側の広い面積のリード線部分を連設し、ポリイミド膜の他側に、サーモパイルを配置し、前記ポリイミド膜を中心にして、前記広い面積のリード線部分に対向して前記サーモパイルを配置した熱電型交直変換素子であって、
前記ヒーターをアルミナチップ又は窒化アルミニウムチップ３で覆うことを特徴とする。
（５）
熱電型交直変換素子において、ポリイミド膜の一側に、ヒーターと該ヒーターに接続された接地電位側の広い面積のリード線部分を連設し、ポリイミド膜の他側に、サーモパイルを配置し、前記ポリイミド膜を中心にして、前記広い面積のリード線部分に対向して前記サーモパイルを配置した熱電型交直変換素子であって、
前記ヒーターとこのヒーターに接続された接地電位側の広い面積のリード線部分をアルミナチップ又は窒化アルミニウムチップ３で覆うことを特徴とする。

本発明を用いれば，感度が高くかつ入出力分離の良い交直比較器を構成することが可能となる。即ち、図５にヒーターの背面にポリイミド薄膜を介してサーモパイルの温接点を蒸着した、従来型の熱電型交直変換素子の交直変換特性は、基準用の熱電型交直変換素子と配置を入れ替えた際に、周波数特性に大きな差がみられ、正確な測定が困難となっていた。一方、ヒーターとサーモパイルの温接点を空間的に隔てる構成をとった本発明の熱電型交直変換素子の交直変換特性は、図６に示すように、基準用の熱電型交直変換素子と配置を入れ替えた際の、周波数特性の差は検出感度以内に改善される。
図６の横軸は周波数、縦軸は直流電力と交流電力の変換誤差をｐｐｍ（存在比：百万分の１）で表してある。正常位置の特性と交換位置の特性を示す。両特性は、最大でも数ｐｐｍ程度の相違しかなく、高い一致を示し、図５の特性より改善されていることがわかる。

熱電型交直変換素子の必要とされる条件は以下のようになる。
（１）熱伝導の結果を測定する必要から、熱電型交直変換素子の特性が安定するまでに数秒程度の時間を要する。このために、ヒーターの発熱量の最適化と、主な熱伝導物質の熱伝導特性の選択等が必要となる。
（２）熱電型交直変換素子の使用周波数帯は、数十Ｈｚから１ＭＨｚの周波数帯になるので、低周波数帯における発生熱の変動の抑制と、高周波数帯における表皮効果の影響の低減を必要とする。
（３）熱電型交直変換素子は、高周波入力信号の、ヒーターやサーモパイル等からなる容量結合による出力への影響を抑制するための構成を採用する必要がある。
（４）熱電型交直変換素子は、交直変換誤差が極めて小さな値、例えば数ｐｐｍレベルとなることが必要で、そのために熱伝導が効率的に行われる構成が必要となる。
本発明は以上の各条件を満足するように構成される。

図２は、本発明の熱電型交直変換素子の実施例１の構成図である。
薄膜型のヒーター回路は、電極部４および５と、配線パターン１３、１４および１５と、ヒーター７からなる。
温度検出回路は、電極部１０および１１と、配線パターン１６および１７と、サーモパイル９からなる。
図２では、薄い耐熱性絶縁フィルム２、例えば、ポリイミドフィルム（以下、ポリイミドフィルムを用いて実施例を説明する）の一方側に，ヒーター７と該ヒーター７から各端子４、５までの銅箔リード線の配線パターン１３、１４、１５を形成する。
耐熱性絶縁フィルム６は、２００度程度の蒸着温度に耐える、耐熱性を有する絶縁性の薄いフィルム材で構成され、例えば、ポリイミドフィルムやテフロン（登録商標）系のフィルム材が好ましい。

配線パターン１３は高圧側の端子５からヒーター７の一端までの給電路の幅に形成される。配線パターン１５は接地側の端子４までの給電路の幅に形成され、配線パターン１４は配線パターン１５の一端とヒーター７の他端を接続し給電路になると共にヒーター７の発生した熱をサーモパイルへ伝えるために幅広に構成されている。
この配線パターン１４は、ヒーター７の接地側からヒーター７の長さ方向にヒーター７の横幅より広い横幅で後述する多数の熱電対(サーモパイル)７を多段に折り曲げて配置する横幅に相当する長さ相当延びるように構成される。ヒーター７の接地電位側の配線パターン１４は、配線パターン１３と比べ、そのパターン面積が極端に大きく形成されている。

ヒーター７は、実施例の場合、直方体に形成されている。直方体の寸法は、実施例では、平面図で見たときのタテ対ヨコの比は約３：１になり、厚さは極めて薄くする。なお、他の形状でも可能である。
一方、薄いポリイミドフィルム２の他方側には、前記ヒーターの接地電位側の広幅の配線パターン１４を覆うように多対の熱電対(サーモパイル)９を配置する。
サーモパイル９は、Ｂｉ（ビスマス）とＳｂ（アンチモン）を成分とし、パターン成形される。このパターンの構成は、例えば、定格入力電力を２０ｍＷとしたとき、膜厚は、例えば、Ｂｉが１．６μｍ、Ｓｂが０．８μｍで、パターン幅０．１ｍｍ、対数が３０対とすることが好ましい。サーモパイル９は、冷接点と温接点が交互に接続された構造を有する。
このサーモパイル９の両端にも各端子１０、１１までの銅箔リード線の配線パターン１６，１７が設けられている。

ヒーター７部分を該ヒーター部分を覆いつくす面積の熱伝導体であるアルミナチップ３でカバーする。
熱伝導体となるアルミナチップ３は、熱容量を必要以上に大きくせず、かつ十分な熱伝導を確保できる厚さとする。０．６ｍｍ厚のアルミナ基板が好ましい。他の例としては、後述する窒化アルミニウムがある。
ヒーター７での発熱は、アルミナチップ３、配線パターン１４、ポリイミドフィルム６を経て、サーモパイル９に導かれる。
ヒーター７やサーモパイル９等の構成要素を搭載したポリイミドフィルム６は、その周辺部でアルミナ枠２に固定される。
ポリイミドフィルム６は、例えば、約１２．５μｍの厚さが好ましい。
アルミナ枠２は、アルミナシートの４層構造で、例えば、幅９ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの構成が好ましい。

本発明の実施例における各材料の好ましい物性値を例示する（但し、後述する窒化アルミニウムも含める）。
アルミナ（Ａ１２０３）
熱伝導率：２１．０Ｗｍ^−１Ｋ^−１
定積比熱Ｃｖ：０．８Ｊｇ^−１Ｋ^−１／３．７ｇｃｍ^−３＝２．９６ＪＫ^−１ｃｍ^−３
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
熱伝導率：１７０Ｗｍ^−１Ｋ^−１
定積比熱Ｃｖ：０．７Ｊｇ^−１Ｋ^−１／３．２ｇｃｍ^−３＝２．２４ＪＫ^−１ｃｍ^−３
ポリイミドフィルム
熱伝導率：０．２７Ｗｍ^−１Ｋ^−１
ヒーター薄膜（ＮｉＣｒ）
熱伝導率：１３．０Ｗｍ^−１Ｋ^−１
銅箔膜（Ｃｕ）
熱伝導率：４０３Ｗｍ^−１Ｋ^−１
定積比熱Ｃｖ：０．３８Ｊｇ^−１Ｋ^−１／８．９３ｇｃｍ^−３＝３．３９ＪＫ^−１ｃｍ^−３
体積抵抗率ρ：１．７２×１０^−８Ωｍ
ビスマス箔膜（Ｂｉ）
熱伝導率：８．２Ｗｍ^−１Ｋ^−１
体積抵抗率ρ：１２０×１０^−８Ωｍ
対Ｐｔ起電力ε：−０．０７４×１０^−３ＶＫ^−１
アンチモン薄膜（Ｓｂ）
熱伝導率：２５．５Ｗｍ^−１Ｋ^−１
体積抵抗率ρ：３８．７×１０^−８Ωｍ
対Ｐｔ起電力ε：+０．０４９×１０^−３ＶＫ^−１
ヒーター７の配線パターン１４は、サーモパイル９と対向配置されるため、入出力間で容量結合を構成するが、本発明の場合、この配線パターン１４は接地電極へ接続されるので、入力側から出力側への寄生容量を介した不要信号の影響を抑制することができる。

図３は、本発明の熱電型交直変換素子の実施例２の構成図である。
図３では、図２の例と比べ、ヒーター部分を覆う熱伝導体であるチップを、アルミナチップ３に替えて熱伝導率の大きな窒化アルミニウムチップとし、ヒーター７および配線パターン１４全面をカバーするように広幅に構成される。
窒化アルミニウムチップ３は、金属と同等の熱伝導率を有し、チップのカバーすべき面積が大きくなるので、熱容量と熱伝導を両立させるため、絶縁体の中で熱伝導率の大きなアルミナ基板を研磨して使用する。例えば、基板厚さ０．３ｍｍに研磨した場合、面内熱伝導率は５１０００×１０^−６ｗｋ^−１になる。
熱電型交直変換素子の熱伝導特性は、窒化アルミニウムの形状に依存する。

参考までに、薄膜又は薄板における面方向の固有熱伝導率を示すと、以下のようになる。
窒化アルミニウム（３００μｍ）で、５１０００×１０^−６ｗｋ^−１、
アルミナ（６００μｍ）で、１２６００×１０^−６ｗｋ^−１、
銅蒸着膜（Ｃｕ／０．５μｍ）で、２０１×１０^−６ｗｋ^−１、
Ｓｂ蒸着膜（Ｓｂ／０．８μｍ）で、２０．４×１０^−６ｗｋ^−１、
Ｂｉ蒸着膜（Ｂｉ／１．６μｍ）で、１３．１×１０^−６ｗｋ^−１、
ポリイミド膜（１２．５μｍ）で、３．３７×１０^−６ｗｋ^−１、
ヒーター薄膜（ＮｉＣｒ／０．０５μｍ）で、０．６５×１０^−６ｗｋ^−１。

図４は、実施例２の熱電型交直変換素子を分解した説明図である。
図４では、上から下に向かって積層順に並べてある。
（１）一側面には一層目としてアルミナカバー１が設けられる。アルミナカバー１の両上隅は、外部電極（図示省略）を後述する配線パターン１３、１５に接続するために切り欠かれている。
（２）次の層は、アルミナ枠２と窒化アルミニウムチップ３により構成される。アルミナ枠２は、前記一層目のアルミナカバー１と同じ外形を有し、中央部分に窒化アルミニウムチップ３の形状より大きい形状の開口が形成されている。窒化アルミニウムチップ３は、その厚みがアルミナ枠２の厚みと同じ厚みで、長方形の平板に構成される。その長方形の面積は、次に述べるヒーター７と該ヒーター７の配線パターン１４を多い尽くす面積に形成される。
ヒーター７と窒化アルミニウムチップ３は、保護膜形成用のワニス（図示省略）を用いて熱接触される。ワニスの熱伝導率はポリイミド膜６と同程度の０．２７Ｗｍ^−１Ｋ^−１程度が好ましい。
（３）次の層は、主要な構成要素を搭載した耐熱性絶縁フィルムであるポリイミド膜６の層からなる。
窒化アルミニウムチップ３側のポリイミド膜６上には、電極部５とヒーター用電極部を配線部分で接続した銅箔リードの配線パターン１３と、接地側の電極部４とヒーター用電極部兼幅広配線部を接続した銅箔リードの配線パターン１４と１５が形成され、前記両ヒーター用電極間にヒーター７が設けられている。
前記ヒーター７とは反対側のポリイミド膜６上には、電極部１１とサーモパイル９の一方の端子までの間の配線部分からなる銅箔リードの配線パターン１６と、電極部１０とサーモパイルの他方の端子までの間の銅箔リードの配線パターン１７と、サーモパイル９が形成されている。サーモパイル９は、温接点と冷接点を交互に接続し端部８で折り返して接続した構成とされる。
（４）次の層は、前記２層目のアルミナ枠２を、切り欠き部を上下逆に設けた構成とする。この切り欠き部は、前記両出力用の端子１０，１１に外部端子（図示省略）を接続するために形成されている。
（５）最後の層は、前記１層目のアルミナカバー１を、端子１０，１１用の切り欠き部を上下逆に設けた構成とする。この切り欠き部は、前記端子１０，１１に外部端子（図示省略）を接続するために形成されている。

以上、実施例１および２に示したように、ヒーター７とサーモパイル９の温接点を熱伝導面に沿って空間的に隔てる構成をとった本発明の熱電型交直変換素子の交直変換特性は、図６に示すように、基準用の熱電型交直変換素子と配置を入れ替えた際の周波数特性の差を検出感度以内に改善する。
また、本発明の交直変換素子は、ヒーターに高周波電流を印加したときにも温接点に影響の出ないようにし、交流電圧の実効値と直流電圧の測定感度を損なわずに、高い入出力分離を行うことができる。

熱電型交直変換の原理を説明する概念図である。本発明の熱電型交直変換素子の実施例１の構成図である。本発明の熱電型交直変換素子の実施例２の構成図である。本発明の熱電型交直変換素子の実施例２の分解図である。従来の熱電型交直変換素子の交直変換特性図である。本発明の熱電型交直変換素子の交直変換特性図である。従来の熱電型交直変換素子の構成図である。

符号の説明

１アルミナカバー
２アルミナ枠
３、１２熱伝導体（アルミナチップ、窒化アルミニウムチップ）
４、５、１０，１１電極部
６耐熱性絶縁フィルム（ポリイミド膜）
７ヒーター
８端部
９サーモパイル

Claims

耐熱性絶縁フィルムと、該耐熱性絶縁フィルムの一側面に設けたヒーター及び該ヒーターの長さ方向の一対の端部のそれぞれに接続された高圧側及び接地側の一対の配線パターンと、前記耐熱性絶縁フィルムの他側面に設けたサーモパイル及び該サーモパイルの一対の端部のそれぞれに接続された一対の配線パターンとからなり、
前記ヒーターに接続された接地端子側の配線パターンのヒーター側部分配線パターンは、該ヒーターに接続された高圧端子側部分配線パターンと比べヒーター側部分配線パターンのパターン面積を極端に大きく形成し、該ヒーター側部分配線パターンは接地端子に接続された接地側部分配線パターンとヒーターの一端を接続し給電路になると共に前記ヒーターの発生した熱を前記サーモパイルへ伝えるために幅広に構成され、前記部分配線パターンは、前記ヒーターの接地端子側から前記ヒーターの長さ方向に前記ヒーターの横幅より広い横幅で前記サーモパイルを多段に折り曲げて配置する横幅に相当する長さ延びるようにし、前記耐熱性絶縁フィルムの他方側には、前記ヒーターの接地端子側の広幅の配線パターンを覆うようにサーモパイルを配置したことを特徴とする熱電型交直変換素子。
前記ヒーターを熱伝導体で覆うことを特徴とする請求項１記載の熱電型交直変換素子。
前記熱伝導体をアルミナチップ又は窒化アルミニウムチップとしたことを特徴とする請求項２記載の熱電型交直変換素子。
前記耐熱性絶縁フィルムをポリイミド膜としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電型交直変換素子。