JPH0830665B2 - 極低温測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、極低温領域の温度を高い分解能で測定す
る際に有用な極低温測定装置に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明の極低温測定装置は、水晶振動子に対し温度に
よって抵抗値が変化するような抵抗と、コイルを並列に
接続したインピーダンス素子を直列的に付加すると共
に、該インピーダンス素子を含む水晶温度センサに周波
数が異なる電波を間欠的に照射し、その残響周波数を受
信する送受信装置を配置して極低温領域に配置した水晶
温度センサの周波数変化率を測定し、特に、絶対温度が
極めて低い極低温領域の温度を高い精度で測定するよう
にしたものである。

また、本発明によれば極低温領域において、温度によ
る周波数変化を示さない圧電素子においても、大きな周
波数変化を得ることが可能になり、圧電素子を温度セン
サとして利用することが可能になる。

〔従来の技術〕 極低温領域である例えば4K〜25Kの温度を測定する温
度センサとしては、例えば温度によって抵抗が変化する
白金や半導体が知られているが、これらの材料からなる
温度センサは、極低温領域において抵抗変化が極めて小
さくなるため、高い分解能で温度変化を測定することが
困難になる。

また、これらの材料は抵抗変化を検出するために外部
から電流、または電圧を加え、基準の電圧値と比較する
必要があるため、測定装置が大型になり、極低温領域の
温度測定を困難にするという問題がある。

そこで本出願人は、先に短冊上の小型水晶振動子を使
用して、極低温領域でもクリスタルインピーダンス（CI
値）が急変することなく、安定した振動姿態を示す温度
センサを提案した。（特願昭63−291092号） 第７図は上記温度センサの極低温領域における周波数
温度特性の一例を示したもので、縦軸は水晶温度センサ
の周波数変化率Δf/fをPPMの単位で示し、横軸は絶対温
度Ｋを示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記周波数変化率−温度特性図によると、極低温領域
である５〜20K付近でも安定した周波数変化が認めら
れ、温度センサの周波数変化を例えば、電磁波として送
信し、その受信周波数変化をカウンタ等により計数する
ことによって、遠隔的に極低温領域の温度の測定が可能
になる。

しかしながら、極低温領域である４〜25K付近では周
波数変化率がきわめて小さいため、この付近の温度を高
い精度で検出することができないという問題が残る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、かかる問題点にかんがみてなされたもの
で、極低温領域における水晶温度センサの周波数変化率
（Δf/f）を大きくするために、水晶振動子に対して温
度により抵抗値が変化する抵抗と、コイルの並列、また
は直列接続回路をインピーダンス素子として付加したも
のである。

また、極低温用の温度センサに対して外部から電波を
照射し、その電波を受けて共振したときの水晶振動子の
残響振動を検出することにより極低温領域の温度が外部
から測定できるようにしたものである。

〔作用〕

本発明の極低温測定装置は、水晶振動子と温度によっ
て変化するインピーダンス素子により温度センサが構成
されているため、極低温領域の周波数変化率が従来の水
晶単体の温度センサに比較して大きくなり、温度測定を
高い精度で行うことができる。

また、温度センサに対して外部から遠隔的に電波を照
射し、その残響周波数を検出するようにしているため、
極低温領域を実現する装置に対して簡単に温度測定を行
う機構を配置することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の極低温領域における温度測装置の水
晶温度センサの電気回路を示したもので、１は水晶振動
子、２は後述するように温度によって抵抗値が変化する
抵抗であって、例えば、カーボン皮膜抵抗、またはゲル
マニュームに金をドープした抵抗等が使用されている。

３はインダクタンスＬを呈するコイルを示し、前記抵
抗２と並列に接続されている。そして、このコイル３と
抵抗２の並列回路素子が前記水晶振動子１に直列に接続
され、水晶温度センサを構成している。

この第１図のａ、ｂを２端子とするインピーダンス回
路は、等化的には第２図に示す等価回路で表すことがで
きる。

この回路においてC₀は水晶振動子を誘電体としたとき
の並列容量、L₁C₁R₁は水晶の弾性常数、圧電常数、振動
姿態および、その支持方法等によって定まる機械的なイ
ンピーダンス常数を示している。

なお、C₀/C₁は容量比γと呼び、この値は振動子の結
晶に対する切断方位角で決まられる常数である。

第３図は付加された抵抗２、コイル３の並列インピー
ダンスＺを等価的なコンデンサC_Lと抵抗ｒによって置き
換えた回路である。

この第３図の等価回路ではコンデンサＣLの容量は前
記並列インピーダンスＺを としたとき、その虚数部に着目すると 1/jωC_L＝ｊωLR²（R²＋ω²L²） となるから、 C_L＝−｛R²＋ω²L²/ω²LR²｝ ……（１） となる負の容量値を示すことになる。

また、第３図の等価回路によって水晶温度センサが共
振する共振周波数をf₀,水晶振動子１の直列共振周波数
をｆとすると、周波数変化率を示すf₀−f/f＝Δf/fは、 Δf/f＝C₀/2γ（C₀＋C_L） ……（２） となり、結局 で示される。

第４図（ａ）は常温で100Ωのカーボン抵抗Ｒの温度
特性を示したものである。

また第４図（ｂ）は、ゲルマニュウムの極低温領域に
おける抵抗値の変化特性を示したものである。

本発明は、例えば上記ような極低温領域で大きな抵抗
変化を示す抵抗をＲとし、この抵抗（特に前記したゲル
マニュウムによる半導体抵抗）とコイルを並列に接続し
たインピーダンス素子を水晶振動子に付加することによ
って極低温領域で周波数変化が大きくなるようにしたも
のである。

第５図は上式の計算値の一例として水晶振動子の周波
数を一定とし、抵抗（Ｒ）が第４図に示すような変化を
した場合のセンサの周波数変化をコイル（Ｌ）の値をパ
ラメータとして示したものである。

この図から分かるように、本発明の水晶温度センサは
極低温領域の範囲における周波数変化を大きくすること
ができ、温度の測定を高精度、高分解能で行うことが可
能になる。

すなわち、前記第７図の従来の特性と比較すると、例
えば、5K〜10K付近では従来の水晶温度センサの感度
は、約0.5PPM/Kであるのに対し、本発明の温度センサの
感度は、約5.8PPM/Kとなり、従来のものに対し約11倍の
高分解能で温度測定を行うことが実現された。

このような感度の向上による有効性は、測定時間の短
縮となり、ハイレスポンスの測定を可能にするものであ
る。

第６図（ａ）は本発明の極低温用水晶温度センサの一
実施例を示している。

この図で、10は水晶基盤11の一方の面にカーボン皮膜
12を付け抵抗体を構成し、他方の面にスパイラル状の導
体を蒸着、またはプリントしたコイル13を設け、これら
を端子14A、14B間で並列に接続した付加インピーダンス
素子、20は電極21A、21Bが円形の水晶片22の両面に張り
付けられている水晶振動子である。

付加インピーダンス素子10と水晶振動子20は、内部が
気密状態に保持されている容器30内に密封され各リード
端子14A、14Bおよび23A、23Bが前記第３図の回路を構成
するように接続されている。

第６図（ｂ）は本発明の水晶振動子の他の実施例を示
したものである。

この実施例では抵抗12をコイル13と分離としてバルク
素子とされているものを使用し、水晶振動子20として、
短冊型に切りだしたものが使用されている。そして、水
晶振動子20の一方の電極23Bと、インピーダンス素子10
を形成する一方の電極が共通電極23Cとされているが、
他の記号は第６図（ａ）と同一機能を示すものである。

このような極低温用水晶センサは、後で述べるように
その残響振動を外部のアンテナによって受信し、カウン
タ等によって周波数を計数することにより、極低温領域
の温度を精度良く測定することができる。

すなわち、外部から電波を照射し水晶振動子を励振す
ると、その電波と水晶振動子の共振周波数が一致したと
きは、水晶振動子の高いＱによって電波が消失した後も
水晶振動子が残響振動を継続し、その電波を外部で受信
することによって水晶振動子の共振周波数、すなわち低
温領域の温度を外部から検出することができる。

この場合、前記水晶振動子に接続されているコイル13
も電波の影響を受ける受信または送信アンテナとなるか
ら、温度センサのリード端子（２端子ａ、ｂ）31A、31B
に設ける小さなアンテナと共同して電波を受信し送信す
る作用を持つことになる。

第８図は上記した水晶振動片による温度測定法の一例
の概要をブロック図としたものであって、101は基準の
クロック信号を出力する基準信号源、102は所定の計数
値でリセットされるカウンタ回路、103はカウンタ回路
の計算値を出力レベルに変換するＤ−Ａ変換器、104は
入力信号レベルによって発振周波数が変化する電圧可変
発振器（VCO）、105は送信装置、106はスイッチ回路、1
07は外部アンテナを示す。

108は外部アンテナ107で受信した電波を効果的に増幅
する受信装置、109は受信電波の検波回路、110は例えば
前記カウンタ回路102の計数出力でアドレスされ、前記
検波回路109の出力によってそのアドレスのデータが読
み出されるようなRAMテーブルである。

水晶温度センサCSは、例えば、強力な磁界を印加し、
ヘリュームガス等によって冷却することにより、超電導
状態を形成する極低温槽120内に挿入される。

そして、外部アンテナ107の電波が水晶温度センサCS
に照射される。

外部アンテナ107から照射される電波TDは第９図に示
すように、スイッチ106によって期間T1だけ出力される
ように断続制御され、電波が照射されていない期間T2で
受信装置108が受信状態に切り変わるようになされてい
る。

照射電波TDの周波数ｆはVCO104に入力されている信号
レベルの段階波形に対応してクロック周期で段階上に上
昇（f₁→f₂→f₃・・・・・・）し、水晶温度センサCSに
照射される。

ところで、水晶振動片はきわめて高いＱ値を有するた
め、照射された電波の周波数ｆと水晶振動片の共振周波
数が一致していないときは、水晶片が励振されない。

しかしながら、第９図に示したように、例えば照射電
波TDの周波数f₄と水晶振動片の共振周波数f₀が一致する
と、電波TDの送信が遮断されたあとでも、水晶振動子は
その高いＱ特性によって振動を継続することになる。

このような残響振動が生じると、水晶振動片のピエゾ
効果によって、送信電波が遮断された後に水晶温度セン
サCSのコイル13及び付加されたアンテナから装置側の外
部アンテナに残響振動波に基づく電波RDが送信されるこ
とになり、この電波が受信装置によって受信される。

RAMテーブル110にはカウンタ回路102で指定されたと
きのデータが、そのときのVCO104の発振周波数として記
憶されているので、この受信状態を示す検波信号edによ
ってカウンタ回路102でその時にアドレスされたデータ
を読み出すことによって、水晶温度センサの共振周波数
を検知することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の極低温用水晶温度セン
サは、水晶振動子に対して温度により抵抗値が変化する
抵抗と、コイルの並列インピーダンスを直列に接続し、
水晶振動子の振動周波数が極低温領域で周波数変化率が
高くなるように構成されているから、この極低温領域に
おける温度測定が高い精度で検出できるようになるとい
う優れた効果がある。

また、水晶振動子に付加されたコイルが電波を吸収
し、、また、放出する作用の一部を形成しているので、
外部から照射される電波に対して効果的に反応し水晶振
動子の共振周波数を精度よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す水晶振動子の電気回路
図である、 第２図は水晶振動子の等価回路図である、 第３図は第２図の等価回路図である、 第４図（ａ）（ｂ）は抵抗の温度特性図である、 第５図は本発明の水晶温度センサの周波数変化特性図で
ある、 第６図（ａ）（ｂ）は本発明の水晶温度センサの一例を
示す概要説明図である、 第７図は従来の水晶温度センサ周波数変化特性図であ
る、 第８図は温度測定装置の実施例を示すブロック図であ
る、 第９図は第８図の動作を示す信号波形図である。 図中、10はインピーダンス素子、 12は抵抗、 13はコイル、 20は水晶振動子、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚本 孝一 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 石神 純幸 東京都大田区中央５丁目６番11号 東京電 波株式会社内 (72)発明者 佐藤 充 東京都大田区中央５丁目６番11号 東京電 波株式会社内 (72)発明者 杉本 久 東京都大田区中央５丁目６番11号 東京電 波株式会社内 審査官 森 雅之 (56)参考文献 特開 昭57−211024（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−138837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−114826（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−92908（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−192136（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶振動子と、 該水晶振動子に対して直列に接続され、極低温領域で温
   度上昇ととともに抵抗値が減少する抵抗とコイルの並列
   回路からなる温度センサと 前記温度センサに対して異なる周波数の電波を間欠的に
   照射し、前記水晶振動子の残響振動を受信する送受信装
   置とを備え、 前記送受信装置により極低温領域に配置した前記温度セ
   ンサの振動周波数を測定することにより、極低温領域の
   温度を測定することを特徴とする極低温測定装置。