JPH07245425A

JPH07245425A - 温度センサ及び温度計測装置

Info

Publication number: JPH07245425A
Application number: JP6032683A
Authority: JP
Inventors: Zenemon Abe; 善右衛門阿部; Katsuhiko Ito; 勝彦伊藤; Atsuaki Shibuya; 敦章渋谷
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】誤差が極めて少なく微小温度計測用として好
適の変調型熱電対列温度センサを提供する。【構成】本発明の変調型熱電対列温度センサ２０は、
ペルチェ効果に基づく吸発熱量に基づき絶対温度に比例
する温度変化が生じる接合面２１，２２を有する異種金
属からなる変調型熱電対列であり、この変調型熱電対列
の接合面の温度変化をゼーベック効果による熱起電力変
化として加算して検出するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の材料、装置、生
体、さらには環境等の測定対象の温度を計測する変調型
熱電対列温度センサ及び温度計測装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の温度センサとしては、通常の熱
電対、抵抗温度計、トランジスタ温度計等が広く利用さ
れている。しかし、これらの温度センサの場合、周囲の
温度変化を考慮すると摂氏０．１度程度の誤差は免れ
ず、測定対象の絶対温度を計測することは実用的立場か
ら考えて容易ではない。また、微小温度変化を測定する
ためには、例えば熱電対による計測の場合、その計測回
路として変調型直流増幅器を用いる必要があり、この場
合には増幅器の温度ドリフトは改善されるものの高価格
となりかつ軽量小型化が困難であるという問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の点に
鑑みてなされたものであり、誤差が極めて少なく微小温
度計測用として好適な変調型熱電対列温度センサを提供
することを目的としている。

【０００４】また、本発明は、絶対温度の計測、基準温
度と絶対温度との差の計測を高感度に行うことができる
温度計測装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の変調型熱
電対列温度センサは、ペルチェ効果に基づく吸発熱量に
基づき絶対温度に比例する温度変化が生じる接合面を有
する異種金属からなる変調型熱電対を具備し、この変調
型熱電対の接合面の温度変化をゼーベック効果による熱
起電力変化として検出するようにしたものである。

【０００６】請求項２記載の変調型熱電対列温度センサ
は、金属製又は半導体製の加熱槽又は冷却槽の一部又は
その加熱物又は冷却物の一部を、変調型熱電対の一方の
素子として用いる構成としたものである。

【０００７】請求項３及び請求項４に記載の温度検出装
置は、ペルチェ効果に基づく吸発熱量に基づき絶対温度
に比例する温度変化が生じる接合面を有する異種金属か
らなる変調型熱電対又は変調型熱電対列と、この変調型
熱電対又は熱電対列に搬送波電流又は直流電圧を供給す
る電源と、前記変調型熱電対又は熱電対列の接合面の温
度変化をゼーベック効果による熱起電力変化として検出
するとともに、検出した変調型熱電対又は熱電対列の出
力電圧と前記搬送波電流又は直流電圧との差を求める検
出処理手段と、この検出処理手段により求めた差を測定
対象の絶対温度と基準温度との偏差として指示する指示
手段とを具備するものである。

【０００８】請求項５記載の温度検出装置は、変調型熱
電対又は熱電対列と、この変調型熱電対又は熱電対列に
正弦波の搬送波電流を供給して駆動する電源と、この電
源からの搬送波電流の直角成分により駆動され、抵抗電
圧降下及びこれに基づく漏洩若しくは誘導雑音を除去し
て検出出力を得る位相鋭感回路とを具備している。

【０００９】さらに、請求項６記載の温度検出装置は、
変調型熱電対又は熱電対列と、この変調型熱電対又は熱
電対列に正負両極性をもつパルス波の搬送波電流を供給
して駆動する電源と、この電源からの搬送波電流のパル
ス波の立ち下がり時点よりも遅れた時点で変調型熱電対
又は熱電対列の熱起電力を検出する検出回路とを具備す
るものである。

【００１０】

【作用】以下、上記各発明の作用を説明する。請求項１
記載の変調型熱電対列温度センサによれば、変調型熱電
対列の接合面におけるペルチェ効果に基づく吸発熱量に
応じた絶対温度に比例する温度変化を、ゼーベック効果
による熱起電力変化として加算して検出するようにした
ものであるから、熱電対そのものの物性を利用して接合
面、即ち、測定対象の絶対温度を簡易かつ高精度に検出
することができる。

【００１１】請求項２記載の変調型熱電対列温度センサ
によれば、金属製又は半導体製の加熱槽又は冷却槽の一
部又はその加熱物又は冷却物の一部を、変調型熱電対列
の一方の素子として用いるので、加熱槽又は冷却槽に熱
電対を挿入する場合に比べ、応答速度の迅速化及び感度
の向上を図ることができる。

【００１２】請求項３及び請求項４に記載の温度検出装
置によれば、ペルチェ効果に基づく吸発熱量に基づき絶
対温度に比例する温度変化が生じる接合面を有する異種
金属からなる変調型熱電対又は熱電対列に対して、電源
から搬送波電流又は直流電圧を供給することで、検出処
理手段が前記接合面の温度変化をゼーベック効果による
熱起電力変化として検出し、検出した変調型熱電対又は
熱電対列の出力電圧と前記搬送波電流又は直流電圧との
差を求め、指示手段が検出処理手段により求めた差を測
定対象の絶対温度と基準温度との偏差として指示するの
で、絶対温度の計測、基準温度と絶対温度との差の計測
を高感度に行うことができる。

【００１３】請求項５記載の温度検出装置によれば、変
調型熱電対又は熱電対列に電源から正弦波の搬送波電流
を供給することで、この電源からの搬送波電流の直角成
分により駆動され位相鋭感回路が抵抗電圧降下及びこれ
に基づく漏洩若しくは誘導雑音を除去して検出出力を送
出するので、測定対象の絶対温度を簡易かつ高精度に測
定することができる。

【００１４】請求項６記載の温度検出装置によれば、変
調型熱電対又は熱電対列に電源からパルス波の搬送波電
流を供給して駆動することで、検出回路が電源からの搬
送波電流のパルス波の立ち下がり時点よりも遅れた時点
で変調型熱電対又は熱電対列の熱起電力を検出するの
で、パルスの直接入力による誤差を除いて測定対象の絶
対温度を簡易かつ高感度に測定することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は本実施例の温度センサ１の動作原理
を示すものであり、温度センサ１は金属Ａ、金属Ｂから
なる熱電対３を具備している。金属Ａ、金属Ｂは接合面
Ｃで接合しており、また、接合面Ｃは測定対象に密着し
ていて、その絶対温度をＴ₀とする。

【００１６】金属Ａ、金属Ｂには抵抗ｒ_t、抵抗Ｒを介
して交流電源４が接続され、この交流電源４から交流電
圧ｖ_cが供給され、搬送波電流（交流電流）ｉ_cが流れ
るようになっている。抵抗ｒ_tと抵抗Ｒとの接続点と、
金属Ａとの間の電圧（熱起電力）をｖ_abとして以下の説
明を行う。

【００１７】このような構成において、金属Ａ、金属Ｂ
の接合面Ｃに交流電流ｉ_cが流れると、接合面Ｃにはペ
ルチェ効果による吸発熱が生じ、それに応じて温度が変
化する。そして、ゼーベック効果による熱起電力ｖ_Tが
生じる。さらに、ｉ_cがｒ_tに流れるため、電圧降下ｖ
_r= ｉ_cｒ_t及びそのジュール熱による影響が接合面Ｃ
に及ぶために、そのゼーベック効果による熱起電力ｖ_j
も生じる。

【００１８】金属、半導体による熱電対の場合には、半
導体内の温度勾配によるキャリア移動によって起電力を
生じる。ここでは便宜上、これらの現象をゼーベック効
果と称する。

【００１９】尚、図１中、ａ、ｂは熱電対出力ｖ_abを取
り出すための出力端子である。便宜上、出力端子ａ、ｂ
に接続される増幅器の入力抵抗は無限大とする。従っ
て、数１が成立する。

【００２０】

【数１】

【００２１】前記ｖ_rの発生は当然として、前記熱起電
力ｖ_jは搬送波電流ｉ_cが抵抗ｒ_tを流れて発生するジ
ュール熱が接合面Ｃに及ぶための誤差電圧であるが、こ
れは電流の２乗に比例する。故に、搬送波電流ｉ_cを正
弦波とすれば、そのゼーベック効果による熱起電力ｖ_j
は、搬送波の２倍の周波数と直流成分からなるので、基
本周波数からなるペルチェ効果による熱起電力ｖ_Tとは
容易に識別できる。しかし、ジュール熱による熱電対３
の抵抗変化や電圧ｖ_rは誤差の原因となるが、その誤差
対策は後述する。ここでは、まずペルチェ効果による熱
起電力ｖ_Tを主対象に、本発明の動作原理を説明する。

【００２２】図２に金属Ａと金属Ｂの接合面Ｃを中心と
する温度分布を示す。図２において、ｉ_cは接合面を流
れる搬送波電流、Ｌ_A、Ｌ_Bはそれぞれの金属Ａ、Ｂで
ペルチェ効果による吸発熱によって温度変化ΔＴが生じ
る範囲で、これより外側は一定の絶対温度Ｔ₀とし、周
囲への放熱はないものと仮定する。即ち、この場合はジ
ュール熱を省略し、ΔＴは吸発熱が繰り返されるために
平均的には零で、かつ接合面Ｃの温度も（Ｔ₀＋ΔＴ）
に等しいとみなした。従って、接合面Ｃに与えられるペ
ルチェ効果による吸発熱量ｑは、数２で与えられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】この接合部近傍Ｌ_AとＬ_Bの熱容量をγ_A
とγ_B、それぞれの熱コンダクタンスをＪ_AとＪ_Bと
し、簡単のためここでは、Ｌ_A＝Ｌ_B＝ｌ／２、Ｊ_A＝
Ｊ_B＝Ｊ／２、γ_A＝γ_B＝γ／２として、ペルチェ効
果による熱方程式を求めると、数３、数４で与えられ
る。

【００２５】

【数３】

【００２６】

【数４】

【００２７】数３又は数４の一般解は、なかなか収れん
しないので、数値解析に頼らざるを得ない。しかし、ジ
ュール熱によって生じる第２高調波などによる誤差を除
くために、本発明で対象とする信号周波数をその基本周
波数に限定すると、α・Ｉ_m・ｓｉｎωｔとΔＴの積の
項は第２高調波が主体となっているので、基本波検出の
場合はこれもまた除くことになる。故に、数５を仮定し
た数４を解いて、本法の動作方程式とする。

【００２８】

【数５】

【００２９】従って数４と数５から数６で示す解が求め
られる。

【００３０】

【数６】

【００３１】故に、ΔＴに関する数６の正弦波からなる
第１項の周波数特性を図３に示す。また、この数６中の
定常項の正弦波をｓｉｎωｔとｃｏｓωｔに分けて、ｔ
ａｎθ＝ω・τを用いると、熱起電力ｖ_Tの定常項は数
７となる。

【００３２】

【数７】

【００３３】数７より搬送波電流ｉ_cと同相のｓｉｎω
ｔ成分と、直角成分であるｃｏｓωｔ成分に分離した計
測結果を図４に示す。この図４から明らかなように数８
で示される遮断周波数ｆ_cにおいて直角成分は最大値を
とり、その値は遮断周波数ｆ _cにおける同相成分の値と
等しくＫ／２であることが分かる。

【００３４】

【数８】

【００３５】また感度係数Ｋは、ゼーベック係数αの２
乗と電流密度ｉ₀との積に比例するので、これらの大き
な材料および構造を選定する。なお、直角成分検出法
は、差動出力中の電圧降下分ｖ_rの不平衡分だけでな
く、搬送波電流の接合面Ｃを介する漏洩電流などの雑音
対策としても有効である。以上は本発明の温度センサ１
の動作原理であるが、これを温度計測に利用しようとす
ると、数１に示した熱起電力ｖ_Tとｖ_jを充分軽減する
ことに考慮する必要がある。

【００３６】次に、熱起電力ｖ_T、ｖ_jの軽減を考慮し
た温度計測回路について説明する。まず、搬送波電流に
よる電圧降下分ｖ_rをブリッジの平衡によって除き、熱
起電力ｖ_Tはその不平衡成分として出力させることであ
る。このための２つの回路を図５と図６に示す。

【００３７】図５は和動型ブリッジ回路であるが、この
和動型ブリッジ回路は例えば入力側で数９の平衡条件を
満足させると、和動型ブリッジ回路の出力ｖ₀は数７に
示したｖ_Tに比例する。

【００３８】

【数９】

【００３９】ここに、ｒ_tは熱電対３の抵抗、Ｒ₀は差
動用抵抗であり、また、図５において、抵抗Ｒ₁＝抵抗
Ｒ₂で、Ｒｓは入力抵抗、Ｒ_Fは帰還抵抗、５は増幅器
である。なお、この和動型ブリッジ回路においては、Ｒ
₁＞＞ｒ_t及びＲ₂＞＞Ｒ₀を満足し、かつ発振器（交
流電源４）の出力側を接地より浮かすことが必要にな
る。

【００４０】図６に示す差動型ブリッジ回路は抵抗
Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃と熱電対３の抵抗ｒ_tでブリッジを構
成し、その出力は差動増幅器６によって増幅するので、
発振器（交流電源４）と差動増幅器６はともに接地でき
るが、その実効同相除去比（ＣＭＲＲ）を充分大きくす
る必要がある。この差動増幅回路のブリッジ出力は数１
０となる。

【００４１】

【数１０】

【００４２】但し、増幅器の入力抵抗は充分大とする。

【００４３】上述した２回路はともに温度センサ１のｖ
_rを除くための差動回路である。このような和動型ブリ
ッジ回路、差動型ブリッジ回路の誤差対策では、各辺抵
抗が周囲温度変化によって、抵抗温度係数による誤差の
影響を受けやすいためその対策として以下の方法が考え
られる。

【００４４】第１法は、図７に示す結合型熱電対１０に
より達成できる。この結合型熱電対１０の金属Ａと金属
Ｂの２種で構成される２組の熱電対１１、１２が接触抵
抗ｒｃを介して接続されており、従って、搬送波電流ｉ
_cと接触抵抗ｒ_cとの積からなる電圧降下が誤差出力と
なる。しかし、この接触抵抗ｒ₀は容易にｍΩ以下にで
きるから、この方法はブリッジ辺の電圧降下と比較して
数桁改善できるばかりでなく、ブリッジの平衡をとる必
要がない点で有利な誤差対策である。

【００４５】第２法は、熱電対の電圧降分ｖ_rがブリッ
ジの不平衡成分として残留してΔｖ _rを出力する場合、
これは搬送波電流ｉ_cと同相であり、これを除き直角成
分である数７のｃｏｓωｔ成分を検出することである。
その回路は図８に示すように、増幅器１５の出力側に位
相鋭感回路１６を接続し、発信器１７の出力を移相回路
（位相角＝π／２）１８を経て位相鋭感回路１６に供給
するようにしたものである。

【００４６】第３法である誤差対策としてのパルス駆動
法が図９に示されている。図９中のｉ_cはパルス電流で
あり、網掛け表示の波形がパルス電流ｉ_cによる熱起電
力ｖ _Tである。この場合、図９に示したパルス電流ｉ_c
の消失後の検出時間において熱起電力ｖ_Tを検出すれ
ば、パルス電流ｉ_cの影響を受けずに信号成分を得るこ
とができる。

【００４７】しかし実際には、パルス電流ｉ_cによるジ
ュール熱による熱起電力も生じるが、これは正と負の両
極性のもつパルス電流ｉ_cを用いると、正弦波を用いた
場合と同様にその熱起電力ｖ_Tは２倍又はそれ以上の周
波数又は直流分となるので、基本波成分からは容易に分
離することが可能である。

【００４８】この方法では、パルス波の存在中に増幅器
を飽和させないように入力側を短絡する等の工夫を要す
るが、短時間パルスの電力は極めて小さくできるので、
ペルチェ係数があまり小さくならないほぼ線形領域の範
囲において極めて大きな電流密度ｉ₀のパルス電流ｉ_c
を、熱電対線の溶断等の危険性なく流せる。したがっ
て、数７の感度係数Ｋに見られるように後述する高感度
化策としても有効な手法である。

【００４９】先に求めた熱起電力ｖ_Tは絶対温度Ｔにお
けるものであるから、与えられた基準温度Ｔr からの偏
差（Ｔ−Ｔr ）の測定法を次に説明する。この場合、数
７の右辺の同相成分及び直角成分は、交流理論的に表現
すると数１１で表せる。

【００５０】

【数１１】

【００５１】故に、例えば図６において数１０に示すよ
うにＲ₁＝Ｒ₂、Ｒ₃＝ｒ_tの場合、Ｒ₃に直列にイン
ピーダンスＺr ＝ｋ／（１＋ｊωτ）を挿入し、このブ
リッジを基準温度Ｔr においてバランスさせればよい。
Ｔ≠Ｔr の場合のブリッジの不平衡電圧が（Ｔ−Ｔr ）
に比例するからである。この場合、インピーダンスＺr
と等価的なことを行わせるには、例えばＲ₃やＲ₂に並
列キャパシタを挿入する等して、Ｔ＝Ｔr における熱起
電力ｖ_Tの位相を補償してＴ＝Ｔr でブリッジバランス
を行わせるのも一案である。

【００５２】また、インピーダンスＺr 等を用いずにＴ
＝Ｔr でブリッジのアンバランス電圧Δｖ_rを出力さ
せ、これを発振器出力またはその一部である搬送波電流
ｉ_cを利用して、その電圧に適当な位相をもたせて、絶
対温度Ｔ＝基準温度Ｔr における前記ブリッジバランス
電圧との差をとり、その合成出力を零とする手法も考え
られる。

【００５３】これらのブリッジ出力の検出には、当然図
８に示すような回路（ロックインアンプ）を用いること
になるが、その直流出力を別に設けた直流電圧との差を
とり、これを絶対温度Ｔ＝基準温度Ｔr で零とすること
によって基準温度Ｔと絶対温度Ｔr との差を検出するこ
ともできる。

【００５４】前記ロックインアンプの回路構成例を図８
に示したが、この場合の移相回路１８は、増幅器１５の
出力の位相に合致した位相鋭感回路（ＰＳＤ）１６のオ
ン、オフを繰り返させ、感度最大を図るのが普通であ
る。また、本実施例の場合、以下の１種の使い方も効果
的である。

【００５５】図８におけるΔｖ_Tとｖ_Tは、それぞれブ
リッジの不平衡電圧で、不平衡電圧ｖ_Tは搬送波電流ｉ
_cと同相成分と直角成分を含むものとする。また、簡単
のために、前記インピーダンスＺr 等を用いない抵抗と
変調型熱電対だけからなるブリッジ回路を取り扱うもの
とする。いま、この移相回路１８を調整して、同相成分
だけを出力するものとすると、直角成分は出力されない
ので、抵抗（Ｒ₃等）を調整することによって絶対温度
Ｔ＝基準温度Ｔr で出力を零にできる。

【００５６】それ故、絶対温度Ｔ＝基準温度Ｔr におけ
る出力は、その差に比例したものとなるが、この中には
抵抗（ｒ_tやＲ₃）内の周囲温度変化等による誤差を含
みがちであるが、簡単に基準温度Ｔと熱電対接合面Ｃの
絶対温度Ｔr との差を取り出せる。

【００５７】次に移相回路１８を調整して、数７の直角
成分だけを取り出す。この場合、その絶対温度Ｔに比例
した直流電圧を得ることができる。故に、これを絶対温
度Ｔ＝基準温度Ｔr において出力零とするためには、直
流電圧を用いてその出力を打ち消せばよい。さらに、も
う１つ簡便法として次の方法がある。これは移相回路１
８の調整を直角成分検出の場合よりやや位相をずらし
て、同相成分も出力するように調整することにより行
う。この場合、図８に示す増幅器１５の出力を図１０に
示す。

【００５８】そして、絶対温度Ｔ＝基準温度Ｔr におけ
るこのブリッジ不平衡成分に直角となるように移相回路
１８を調整し、出力を零とするのである。この方法は、
補償用直流電圧を要することなく簡単に抵抗（Ｒ₃等）
の微小変化の調整だけでブリッジを平衡できる利点があ
る。前記同相成分及びここで述べた直角成分主体の基準
温度等価回路は、簡易さにその特徴がある。しかし、抵
抗（Ｒ₃等）の変化による誤差を伴いがちなのは、止む
を得ない点であり、この点インピーダンスＺr又はそれ
と等価な位相調整法が高精度温度測定用として優れてい
ることは明らかである。

【００５９】なお本方法の感度は、その搬送波電流に比
例するが、その変化に無関係に基準温度等価回路の前記
条件が成立できるのも、この方法の特徴である。

【００６０】さて、金属系熱電対を用いた結果による
と、そのゼーベック係数が低いために普通の熱電対感度
に対して上述した方法の感度が２桁程度低い。本実施例
では変調型回路を採用しているから、その利点を生かす
と普通の熱電対＋アナログＩＣの直結型回路に比較し、
そのドリフトレベルは２桁程度有利となる。結局、両者
は同程度の性能となる。

【００６１】本実施例の変調型回路の高感度対策として
は、以下のものがある。一つは、前記したパルス電流を
搬送波として用い、搬送波電流が感度に比例することを
利用して感度を高める。二つめは、例えばＳｉなどの半
導体を熱電対の一方の素子として用いる。この場合に
は、ゼーベック係数αが金属系に比してほぼ１桁高く、
これにより感度はゼーベック係数αの２乗に比例するの
で、ほぼ２桁の感度上昇が見込める。

【００６２】三つめは、次に述べる変調型熱電対列法で
ある。変調型熱電対列２０の構成例を図１１に示す。図
１１の矢印の方向に搬送波電流ｉ_cが流れるとした場
合、このとき、接合面２１（金属Ａ→金属Ｂ）において
は、ペルチェ発熱が行われて、熱起電力ｖ_T1が図示し
た方向に生じる。このとき同時に、接合面２２（金属Ｂ
→金属Ａ）では、ペルチェ吸熱が行われてここに生じる
熱起電力ｖ_T2は同様に図示した矢印の極性となり、熱
起電力ｖ_T1と同極性となる。

【００６３】その理由は、前記接合面２１と接合面２２
では発生する熱の発熱、吸熱が逆となり、金属Ａ、Ｂの
組み合わせも逆であるから、結局は熱起電力ｖ_T1と熱
起電力ｖ_T2は同極性となって加算される。このように
熱起電力ｖ_T1と熱起電力ｖ_T2 が加算されることは、そ
れぞれの極性には無関係であることを意味し、この場合
の感度は１個の熱電対の２倍となる。

【００６４】図１１の変調型熱電対列２０の応用とし
て、後述の多重化構造および坩堝３０等の加熱槽３１と
熱電対列３２との一体化構造がある。この一体化構造の
例を図１２に示す。図１２から明らかなように、坩堝３
０自体を例えばニッケル、鉄、黒鉛等の金属Ａとし、一
対の取り出しリード線３３、３４を金属Ｂにより形成す
る。これら両金属Ａ、Ｂは密着しているので、外部より
加熱槽３１に熱電対を挿入する場合に比べて、その応答
速度を速くできるばかりでなく、さらに機械的振動によ
る雑音を低下し、その上で２倍の感度を持たせることが
できる。金属ＡとしてはＳｉやＳｉＣのような半導体を
用いることも可能である。

【００６５】また加熱される物質が、金属や半導体のよ
うな熱電対材料になり得るものであれば、これを金属Ａ
として用い、その内部に直接金属Ｂを挿入して熱電対列
を構成することも可能である。以上は加熱体を対象とし
て述べたが、これは冷却体についても同様に成立するこ
とである。

【００６６】なお、図１２に示す構造は、前記リード線
３３、３４を、銅又はブリッジ内の他の素子と同種材料
等で形成することで、ブリッジ内素子の接続面における
誤差熱起電力の低下に役立つ。

【００６７】次に図１３を参照して変調型熱電対列４０
の多重化構造を説明する。図１３に示すように両金属
Ａ、Ｂの接合面の数をＮとすれば、総合的な熱起電力ｖ
_Trは数１２に示すように、１個当たりの感度ｖ_T0のＮ倍
となる。

【００６８】

【数１２】

【００６９】図１３に示す多重化構造は、蒸着や鍍金な
どによって多層構造にすることができるので、簡単かつ
微細化可能な変調型熱電対列４０を容易に製作できる利
点がある。普通の熱電対列の場合は接合面がＮ個であれ
ば、その出力電圧は数１３で与えられる。なお、変調型
熱電対も熱電対列も、それぞれ温度センサの出力特性は
等価である。したがって、温度計測回路も同様に取り扱
ってよいことは明らかである。

【００７０】

【数１３】

【００７１】故に、普通の熱電対列の感度は、接合面の
総数のほぼ１／２となり、さらに一方の接合面群を測定
温度に、他の接合面群を基準温度に設定する必要があ
り、そのために両群をある程度遠ざけて一群の接合面に
は共通の基準温度を与える必要がある。この結果、セン
サ部に微細構造をもたせ得ないという欠点をもつ。

【００７２】これに対して、変調型の場合には全ての接
合面を測定温度に設定すればよく、微細化技術による超
多重接合面による高感度化が小型構造で実現できる。

【００７３】ところで、図２に示すＬまでの接近は差し
支えないが、それ以内になると両端にある接合面の一方
の発熱と他方の吸熱が打ち消し合い、その中央部には接
合面における吸発熱と無関係な層が出現する。そのため
に強制的に熱コンダクタンスが下がるので、１個当たり
の素子としては低感度化してしまう。しかし、代わりに
熱時定数が小さくなる利点も出てくる。従って、接合面
数のＮ倍の増加と、１個当たりの低感度化の比をＭとす
ると、総合感度は（Ｎ／Ｍ）ｖ_T0となる。

【００７４】また、この変調型熱電対列４０の構造は、
例えばＳｉ基板表面をＳｉＯ₂で覆ってその基板と絶縁
し、そのＳｉＯ₂の表面にＳｉを蒸着し、蒸着したＳｉ
を微小矩形状にホトエッチングする。さらに、熱電対列
４０の他方の素材でこれらの矩形状のＳｉを接続する
と、広い面積をもつ熱電対列４０を製造できる。

【００７５】これは遠赤外線のように焦点の結び難い信
号を取り出す場合に好適である。なお、この時Ｓｉ基板
よりホトエッチングによる孔開けでＳｉＯ₂表面の前記
素子と接続したリード線を取り出せば、広い熱電対列４
０の各部の信号を取り出すことも可能となるし、逆に、
前記孔を通じてＳｉＯ₂表面上の矩形状Ｓｉ片間を熱電
対線材で接続することもできる。

【００７６】次に、図１４、図１５を参照し、結合型構
成による変調型熱電対列５０について説明する。図１４
は入力側層５１、図１５は出力側層５２を示すものであ
り、入力側層５１には、金属Ｂによる薄板又は適当な絶
縁板上に設けた金属Ｂの薄膜の上に、電気的に金属Ａか
らなる矩形状薄板を設けた構造となっている。

【００７７】この入力側層５１に搬送波電流ｉ_cを流す
と、一方の金属Ａと金属Ｂとの接合面に吸熱が生じれ
ば、他方の金属Ａと金属Ｂとの接合面に発熱が生じ、こ
の状態が搬送波電流ｉ_cの極性反転によって交互に生じ
る。

【００７８】このような図１４に示す熱電対面上をＳｉ
Ｏ₂等の絶縁膜で覆い、その上に図１５に示すように短
冊状又は線状の金属Ｃと金属Ｄとからなる出力側層５２
としての熱電対を構成する。この場合、金属Ｃ、金属Ｄ
の両金属の接合面は各々前記金属Ａの上に位置するよう
に配置する。これにより、図１１に示す場合のように、
金属Ｃ、金属Ｄの接合面間の電圧は各々加算されて出力
される。

【００７９】具体的な金属の組み合せ例は、金属ＡをＡ
l 、金属ＢをＳi 基板とする。そして、Ｓi Ｏ₂又はＡ
ｌ₂Ｏ₃の絶縁膜で覆う。また、金属Ｃ、金属ＤはＳi
とＡｌとするか、他の熱電対の材料を使用することもで
きる。

【００８０】この実施例の温度計測装置は、普通の熱電
対又は熱電対列と変調型直流増幅器より構成される微小
温度計測回路よりも、一層低雑音化できるが、その理由
を以下に述べる。

【００８１】このような目的の微小温度計測法では、変
調器と増幅器を結合する場合に、入力トランスを設けて
増幅器のＳ／Ｎを改善するのが普通であるが、その場合
の入力トランスの入力側抵抗を考慮すると、本実施例の
場合には熱電対抵抗が該当するのに対して、普通の場合
は変調器の出力側抵抗が該当する。この出力側抵抗は熱
電対抵抗よりも大幅に大きい値となる。従って、本実施
例の温度計測装置の入力トランスの設計条件は容易で、
低雑音化しやすいのである。

【００８２】尚、超低温における温度計測に当たって
は、熱電対抵抗は常温に比して一層低いので上述した利
点を生かしやすいばかりでなく、本実施例の温度計測装
置は絶対温度計測を行うので、基準温度を要しない点も
有利な点といえる。この場合、ジュール熱が問題になる
とすれば、それを補償する極性で例えば直流電流を流す
のもよく、場合によっては、搬送波電流を整流してこれ
により接合面のジュール熱を吸熱するようにしてもよ
い。

【００８３】本発明は上述した実施例の他、その要旨の
範囲内で種々の変形が可能であることは容易に理解でき
るはずである。

【００８４】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、以下の効
果を奏する。請求項１に記載の発明によれば、熱電対そ
のものの物性を利用して接合面、即ち、測定対象の絶対
温度を簡易かつ高精度に検出でき変調型熱電対列温度セ
ンサを提供することができる。

【００８５】請求項２記載の発明によれば、加熱槽又は
冷却槽に熱電対を挿入する場合に比べ、応答速度の迅速
化及び信号対雑音比の向上を図ることができる変調型熱
電対列温度センサを提供することができる。

【００８６】請求項３及び請求項４に記載の発明によれ
ば、絶対温度の計測、基準温度と絶対温度との差の計測
を高感度に行うことができる温度検出装置を提供するこ
とができる。

【００８７】請求項５記載の発明によれば、測定対象の
絶対温度を簡易かつ高精度に測定できる温度検出装置を
提供することができる。

【００８８】請求項６記載の発明によれば、電源からパ
ルス波の搬送波電流を利用して測定対象の絶対温度を簡
易かつ高感度に測定できる温度検出装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱電対に搬送波電流を供給する回路を示す回路
図である。

【図２】熱電対の動作方程式を導くための接合面近傍の
温度分布のモデルを示す説明図である。

【図３】変調型熱電対接合面の温度変化の周波数特性を
示すグラフである。

【図４】熱起電力の搬送波電流との同相および直角成分
の周波数特性を示すグラフである。

【図５】本実施例の温度計測装置の和動増幅器による構
成例を示す回路図である。

【図６】本実施例の温度計測装置の差動増幅器による構
成例を示す回路図である。

【図７】本実施例の２熱電対を用いた結合型回路を示す
回路図である。

【図８】本実施例の位相鋭感回路を用いた温度計測装置
を示す回路図である。

【図９】パルス状の搬送波電流を用いた熱起電力の検出
タイミングを示す説明図である。

【図１０】ブリッジの不平衡成分を、直角成分と同相成
分に分離し、これらを利用して基準温度と等価な電圧源
を得るための説明図である。

【図１１】変調型熱電対列の動作原理を説明するための
構造図である。

【図１２】変調型熱電対列の構成例の他例を示す断面図
である。

【図１３】変調型多層化熱電対列の構成例を示す正面図
である。

【図１４】結合型構成の変調型熱電対列の構成例を示す
平面図である。

【図１５】結合型構成の変調型熱電対列の構成例を示す
平面図である。

【符号の説明】１温度センサ３熱電対４交流電源１６位相鋭感回路１７発振器１８移相回路２０変調型熱電対列Ａ金属Ｂ金属

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変調型熱電対において、第１の金属と第
２の金属がペルチェ効果に基づく吸発熱量に基づき絶対
温度に比例する温度変化を生じる第１の接合面と、この
第２の金属の他端に第１の金属と同種の第３の金属とを
接合した第２の接合面を有して変調型熱電対列を形成
し、これら接合面の温度変化をゼーベック効果による熱
起電力変化として加算して検出するようにしたことを特
徴とする変調型熱電対列温度センサ。
【請求項２】金属製又は半導体製の加熱槽又は冷却槽
の一部又はその加熱物又は冷却物の一部を、変調型熱電
対列の一方の素子として用いることを特徴とする請求項
１記載の変調型熱電対列温度センサ。
【請求項３】ペルチェ効果に基づく吸発熱量に基づき
絶対温度に比例する温度変化が生じる接合面を有する異
種金属からなる変調型熱電対と、該変調型熱電対に搬送
波電流又は直流電圧を供給する電源と、前記変調型熱電
対の接合面の温度変化をゼーベック効果による熱起電力
変化として検出するとともに、検出した変調型熱電対の
出力電圧と前記搬送波電流又は直流電圧との差を求める
検出処理手段と、該検出処理手段により求めた差を測定
対象の絶対温度と基準温度との偏差として指示する指示
手段とを具備することを特徴とする温度計測装置。
【請求項４】請求項３の温度計測装置において、変調
型熱電対を変調型熱電対列としたことを特徴とする温度
計測装置。
【請求項５】変調型熱電対又は熱電対列と、この変調
型熱電対又は熱電対列に正弦波の搬送波電流を供給して
駆動する電源と、この電源からの搬送波電流の直角成分
により駆動され、抵抗電圧降下及びこれに基づく漏洩雑
音を除去して検出出力を得る位相鋭感回路とを具備する
ことを特徴とする温度計測装置。
【請求項６】変調型熱電対又は熱電対列と、この変調
型熱電対又は熱電対列に正負両極性をもつパルス波の搬
送波電流を供給して駆動する電源と、この電源からの搬
送波電流のパルス波の立ち下がり時点よりも遅れた時点
で変調型熱電対又は熱電対列の熱起電力を検出する検出
回路とを具備することを特徴とする温度計測装置。