JPH0357932A - 極低温測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ｉＩＩｌ
ｌ定する際に有用な極低温用水晶センサに関するもので
ある。

［発明の概要］ 本発明の極低温用水晶センサ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、コイル並列、
または直列に接続したインピーダンス素子を付加してい
るので、該インピーダンス素子により水晶温度センサの
周波数変化率がポ気的に引き起こされ、周波数変化率が
拡大し、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ことができる。

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１ 上記周波数変化率一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千段１ 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（Δ
ｆ／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。

〔作用１ 本発明の極低温用水晶センサは、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。

〔実施例］ 第１図は本発明の極低温領域における温度測定用の水晶
渦度センサの電気回路を示したもので、ｌ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、力一ボン皮膜抵抗、またはゲルマ
ニ・ユ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ｌ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ｌ図の■、■を２端子とするインピーダンス回路
は、よく知られているように第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Ｃ。は水晶振動子を誘電体としたとき
の並列容量、Ｌ．Ｃ．Ｒ．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小している。

なお、Ｃ．／Ｃ，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められる常数である。

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ＣＬ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／ｊωＣＬ＝ｊωＬＲ”７　（ｎ２＋ω２Ｌ２）とな
るから、 ＣＬ＝−（Ｒ２＋ω２Ｌ２／ω２ｔｎ２１・・・・・・
・・ｆｉｌ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ｆ。，水晶振動子ｌの直列共振周波数
をｆとすると、周波数変化率を示すｒ。−ｆ／ｆ＝Δｆ
／ｆは、 Δｆ／ｆ＝Ｃ．／２γ（Ｃ．＋ＣＬ）−−−１２１とな
り、結局 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（または直
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、ＩＯは水晶基盤ｌ１の一方の面にカーボン皮
膜ｌ２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ｌ３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ｌＯと水晶振動子２０は、内部
が気密状態に保持されているカン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）は本発明の他の実施例を示したものである
。

この実廁例では抵抗ｌ２をコイルｌ３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＠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１４２３Ｃ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、半導体能動素子とと
もに発振回路を構成すると、その発振出力を外部のアン
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。

また　本出願人が先に提案しているように、温度センサ
のリード端子（２端子■、■）３１Ａ、３１Ｂに小さな
アンテナを接続し、外部から電波を照射して極低温用水
晶センサを励振する。

そして極低温用水晶センサが共振したときのエコー波を
受信することによって極低温領域の温度を遠隔的に測定
することも出来るようになる。

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、１
０４は人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、１０７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、１１
０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Ｃ
Ｓ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ＶＣＯ１　０４に人力されて
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（ｆ，→ｆ．−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ｑ：ｔ
電波ＴＤの周波数ｆ４と水晶振動片の共振周波数ｆ。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のループアンテナから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■ＣＯ１０４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。

以上は残響振動によって温度を測定する方法を示したが
、本発明の極低温用水晶センサは、一般に行われている
水晶振動子による温度測定法を抹用して温度を測定する
ように構成してもよい。

１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、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実旅例を示す水晶振動子の電気回路
図、 第２図は水晶振動子の等価回路図、 第３図は第２図の等価回路図、 第４図（ａ）（ｂ）は抵抗の温度特性図第５図は本発明
の水晶温度センサの周波数変化特性図、 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、 第７図は従来の水晶温度センサ周波数変化特性図、 第８図は温度測定のための実旅例を示すブロック図、 第９図は第８図の動作を示す信号波形図である。 図中、ｌＯはインピーダンス素子、ｌ２は抵抗、ｌ３は
コイル、２０は水晶振動子、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水晶振動子に温度によってその値が変化するインピーダ
   ンス素子を付加することにより、前記水晶振動子の温度
   に対する発振周波数を極低温領域で大きくしたことを特
   徴とする極低温用水晶温度センサ。