JP3613089B2

JP3613089B2 - 温度測定用センサ

Info

Publication number: JP3613089B2
Application number: JP25726499A
Authority: JP
Inventors: 敏尚谷口; 慶吉高田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: JP2001083018A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハを製造する装置において薬液の温度を測定するために用いられる温度センサのような、電気的な温度測定用センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に従来の代表的な温度測定用センサの構造を例示する。薬液の温度を電気的に測定するための温度測定用センサ（温度センサ）７は、シース管とも呼ばれる保護管２の中に、熱電対や白金測温抵抗体のような測温素子１を挿入し、シース管２の内面との間の隙間に酸化マグネシウムのような充填材６を充填することによって、測温素子１をシース管２内に固定し、更に、シース管２の表面にフッ素樹脂のような耐蝕性材料５によってコーティング処理（又はライニング処理）を施すことにより耐蝕性を与えている。この場合のシース管２は一般に金属管から製作される。なお、３はシース管２の基端に取り付けられた配線用のターミナルであって、測温素子１とターミナル３との間はリード線９によって接続されている。
【０００３】
このような従来の温度センサ７の構造においては、シース管２と耐蝕性材料５のコーティング層との二つの層、及び熱伝導率が比較的小さい充填材６の層を透過して流れた熱によって形成される充填材６の内部の温度を測温素子１によって測定することになるために、高い温度応答性が得られないばかりでなく、センサ本体である測温素子１の周囲に充填材６等が介在することから、測温部８の外径が測温素子１の外径に比べて格段に大きくなって、全体に太くて曲がりにくいものになるという問題がある。
【０００４】
また、何らかの薬液槽内にこれらの温度センサを挿入して設置する場合には、薬液やそのガスが外部へ漏れ出るのを防止するために、薬液槽の蓋や壁等の穴に対して設けられる温度センサの取り付け部において気密性を保持することが必要になるが、前述のような従来の温度センサ７の構造では、測温部８の長さや取り付け位置等についての制約が多くなるので、温度センサ７を取り付けるのに困難が伴うという問題もある。
【０００５】
この問題を更に具体的に説明すると、測温素子１として例えば白金測温抵抗体を使用する場合には、測温部８を、その外径の約３０倍の長さにわたって測定位置の測温対象物質、例えば薬液内に沈める必要があるため、測温素子１の外径が例えば３．２ｍｍの場合には測温部８の長さを１００ｍｍ以上とする必要がある。
【０００６】
従って、例えば半導体ウエハを製造する装置等においては、それに使用される高価な薬液の量を少なくするために、長い温度センサ７をＬ字形等に折り曲げることにより設置面積を小さくして取り付ける必要が生じる。しかしながら、このように温度センサ７を折り曲げて取り付ける場合には、薬液槽のような測温対象に対して温度センサ７を保守、点検の必要から着脱可能に取り付けるために、通常は配管用の継手としてよく用いられている図２に示すような市販のアダプター４を使用しても、折れ曲がった温度センサ７をアダプター４に対して抜き挿しすることはできないため、温度センサ７の保守、点検を行うことができなくなる。
【０００７】
そこで、折り曲げられた温度センサ７を、取り付け部における気密性を保持しながらも着脱可能に取り付けるためには、温度センサ７にＯリング等を用いた特殊な形状の取り付け部を設けることが必要になるので、それによって温度センサ７がコスト高となるばかりでなく、取り付け位置にも大きな制約を受けることになり、これが装置の小型化、最適化を図る上での障害となる。
【０００８】
更に他の従来例として、実開昭６３−７２５３４号公報には、熱溶着可能で且つ熱収縮性のある合成樹脂製のチューブ内に熱電対を複数対収容し、該チューブの先端を熱封着した線状温度センサが記載されている。しかし、この例において熱封着されるのは合成樹脂製のチューブの先端であって、測温素子である熱電対がチューブの中に融着される訳ではないので、チューブの内面と熱電対との間に大なり小なり隙間が生じることは避けられない。従って、その隙間がチューブの内面と熱電対との間で熱が移動するときに抵抗となるので、温度センサの応答性を十分に高くすることができない。また、この従来技術においては使用するのに好適な合成樹脂の代表例としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、商品名テフロン）を挙げているが、ＰＴＦＥは耐蝕性材料として優れてはいても熱可塑性のない樹脂であるから、このような目的にＰＴＦＥを使用することには加工上の問題で疑問が残る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、測温部の外径を、センサ本体である測温素子の外径に近いサイズとなるように従来よりも大幅に小径化すると共に、測温部を容易に変形させて目的の測定位置に配置することができるようにフレキシブルなものとした温度測定用センサの構造と、その温度測定用センサを製造するための好適な方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するための手段として、従来の温度センサにおいて用いられているシース管（保護管）やそのコーティング及び測温素子を固定するために使用する充填材等を廃止する一方、ＰＦＡ（パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）のような熱可塑性のあるフッ素樹脂によって代表される、耐蝕性及び熱可塑性を有する合成樹脂材料によって製造された可撓性のある細いチューブの末端の内部に、測温素子を直接に融着して固定するという新規な構造を有する温度測定用センサを提供すると共に、そのような構造の温度測定用センサを製造するのに好適な製造方法をも提供するものである。具体的には、本発明は、特許請求の範囲に記載された温度測定用センサと、それを製造するための方法を提供する。
【００１１】
本発明の温度測定用センサにおいては、高い耐蝕性と、加熱したときに溶融する性質、即ち「熱可塑性」を有するＰＦＡのようなフッ素樹脂によって代表される耐蝕性のある合成樹脂材料から製造された細い管状材（チューブ）を素材として、測温素子をその内部に直接に挿入し、チューブを加熱して部分的に溶融させることにより、チューブ内に測温素子を融着して固定するので、使用状態においては測温素子への熱の流れが殆ど抵抗を受けないことと、熱容量の大きな介在物がないことから温度応答性が高くなる。
【００１２】
また、弾性変形が可能な合成樹脂製の可撓性のあるチューブを使用するので、自由に変形させて取り付けることが可能になるのと、チューブの一部をブラケットや、一般的な配管用の継手等によって着脱可能に把持することから、測温部の配置が容易であるばかりでなく、配置後も容易に測温位置を変更することができ、チューブを真っ直ぐに伸ばすことにより取り付け穴や配管用の継手等に対して抜き差しすることもできるので、温度センサの保守・点検も容易になる。更に、配管用の継手によって温度センサの取付部の気密性も確保されるので信頼性が向上する。
【００１３】
チューブに使用する合成樹脂としては、パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）が好適であるが、耐蝕性及び熱可塑性を有すると共に弾性変形が可能な合成樹脂であれば、ＰＦＡ以外のものであってもよい。測温部を構成するチューブの先端部は測定位置へ挿入し易いように円錐形に成形されていることが望ましい。
【００１４】
チューブの中に形状保持部材を内蔵させて設けると、チューブを任意の形状に変形させて、その形状を維持することができるのと、保守・点検等のために温度センサを引き抜くときには、真っ直ぐに伸ばすことも容易になるので、例えば薬液槽内の薬液が高価であるために、なるべく少ない量の薬液内に測温部を浸す必要があるとき等には必要な長さの測温部を屈曲させて、小さい面積の平板状に形成することができる。
【００１５】
このような本発明の温度センサは、ＰＦＡのような合成樹脂製のチューブの一端を固定し、他端側の部分をチューブの長手方向に引っ張りながら測温部となる部分を外部から加熱して部分的に溶融させることにより、測温部となる部分にくびれによる円錐形状を形成し、その内部へ測温素子を挿入し、更に加熱して測温素子をチューブ内に融着させることによって製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の温度測定用センサ（温度センサ）の第１実施例を示す。第１実施例の温度センサ１０は、白金測温抵抗体或いは熱電対等の測温素子１１と、先端が閉じていると共に内部に測温素子１１を一体的に融着することによって固定している合成樹脂製のチューブからなる測温部１２と、融着して測温部１２の外被部分となった合成樹脂製のチューブに一体的に接続する同じ合成樹脂製のチューブからなる導管部１３と、導管部１３の基端部に取り付けられ、測温素子１１から後方へ延びるリード線１４に接続される配線用ターミナル１５と、導管部１３の一部に嵌着され、対象となる薬液槽の蓋等に形成された穴に温度センサ１０を取り付けるために使用されるアダプター１６等から構成される。
【００１７】
温度センサ１０の先端の測温部１２の外被部分と、それに一体として接続している導管部１３は、薬品等に対する耐蝕性及び熱可塑性を有すると共に、弾性変形が可能な合成樹脂から製造された細いチューブを材料として製作される。この目的に使用し得る合成樹脂としては、耐蝕性に優れているフッ素樹脂の中でも、特に熱可塑性のあるパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）が好適である。
【００１８】
温度センサ１０は、その測温素子１１が、ＰＦＡからなる細いチューブ材料そのままか、或いは僅かに縮径しただけの導管部１３に一体的に接続して、外形が円錐形に形成された同じ材料からなる先端の測温部１２の内部に埋め込むように、特に「融着状態」で固定されている点に特徴がある。以下温度センサ１０の構造を詳細に説明する。
【００１９】
まず、第１実施例の温度センサ１０の諸元を例示すると、測温素子１１としては外径が０．４ｍｍ、長さが８ｍｍの白金測温抵抗体を使用しており、導管部１３、即ち、チューブの外径は４ｍｍ、肉厚は１ｍｍであって、先端の測温部１２は円錐形であるために、その外径は先端に向かって漸減している。測温部１２において測温素子１１はＰＦＡからなる円錐形の外被の内部に埋没して、それに融着することにより固定されている。その結果、測温部１２内の測温素子１１は０．８ｍｍ前後の厚さのＰＦＡからなる耐蝕性に富む外被によって完全に覆われている。
【００２０】
測温部１２とは反対側の導管部（チューブ）１３の基端部には、配線を容易にするために、図２に示した従来の温度センサ７に用いられているものと同様な構造の配線用ターミナル１５が取り付けられ、導管部１３の内部を通るリード線１４によって測温素子１１と電気的に接続している。
【００２１】
また、図２に示した従来の温度センサ７と同様に、導管部１３の任意の位置に嵌着されるアダプター１６は、市販の一般的な配管用継手であって、測温対象となる薬液槽の蓋等に形成された螺子穴に螺着されるテーパー螺子を有する螺子ブロックと、導管部１３を周囲から締めつける楔部材と、それを軸方向に押圧するために螺子ブロックに形成された別の螺子に螺合する袋ナット等からなっているが、その構造は周知であるから詳細な説明は省略する。
【００２２】
第１実施例の温度センサ１０はこのような構造を有するから、測温素子１１は外形が円錐形に成形されたＰＦＡからなる先端の測温部１２の内部に全く隙間なくそれと一体的に融合して固定されていることと、測温素子１１を覆うＰＦＡの外被の厚さは０．８ｍｍ前後に過ぎないことから、測温素子１１と測温部との間の熱の流れを妨げる熱的な抵抗及び熱容量は非常に小さな値となる。従って、温度センサ１０の温度応答性は従来の温度センサに比べて格段に高くなる。
【００２３】
しかも、取り付け対象となる薬液槽等の内部へ挿入される温度センサ１０の導管部１３は可撓性のあるＰＦＡチューブからなり、その外径は、温度センサ本体である測温素子１１の外径よりも僅かに大きいだけの細いものであるから、導管部１３は先端の測温部１２の設置位置に応じて自由に弾性変形をすることができる。従って、薬液槽の蓋等に形成された螺子穴にアダプター１６を螺着することによって、温度センサ１０の先端の測温部１２を任意の測温位置に配置して確実に支持することができる。なお、導管部１３が非常に長くなる場合は、測温部１２に近い位置等において導管部１３を何らかのブラケットによって支持した方がよいことは言うまでもない。
【００２４】
図３は本発明の第２実施例としての温度センサ２０の構造を示すものである。第１実施例の温度センサ１０の構造と異なる点は、導管部１３の中などに形状保持部材として、例えば、薄くて幅の狭いステンレス鋼板製のリボンを螺旋管状に巻き上げたスパイラルチューブ２１を挿入し、その内部に絶縁被覆を有するリード線１４を通していることである。その他の構造部分は図１に示す第１実施例の温度センサ１０と同じである。
【００２５】
第２実施例の温度センサ２０においては形状保持部材としてのスパイラルチューブ２１が導管部１３内などに設けられているので、スパイラルチューブ２１が設けられた部分では、それを任意の形状に容易に変形させることできると共に、変形させた後は外力が加わらない限りその形状を保持する。
【００２６】
従って、図４に示したように測温部１２と導管部１３をアダプター１６の穴に挿通した後に、導管部１３を任意の形状に変形させて、薬液槽３０の蓋３１等に形成された穴３２内へ挿入し、測温部１２に近い部分の導管部１３を固定フック３３のようなブラケットによって固定することによって、温度センサ２０を簡単に測定位置へ配置することができる。また、温度センサ２０の保守・点検等の際には、変形させた導管部１３を伸ばしながら薬液槽の蓋の穴３２やアダプター１６から容易に引く抜くこともできる。
【００２７】
第２実施例の温度センサ２０においては、導管部１３を任意の形状に変形させることによってその形状を保持させることができるから、例えば、高価な薬液を収容している薬液槽に温度センサ２０を取り付ける場合には、測温部１２や導管部１３の少なくとも一部を偏平なジグザク形状、Ｌ字形状、或いは渦巻き形状、コイル状等に曲げてから薬液槽３０内へ挿入することにより、十分な長さの測温部１２を量の少ない薬液槽内へ沈めることが可能になる。
【００２８】
なお、測温素子１１を測温部１２内へ挿入して融着・固定する前に、測温素子１１の外面にフッ素樹脂等を薄くコーティングしておくと、測温部１２の外被が万一破損したときでも薬液等が直ちに測温素子１１内へ侵入しないので、温度センサの故障を抑止することができる。このように測温素子１１に対して予め施す薄いコーティングは、介在物というよりは測温素子１１そのものの一部と考えてよいものであり、それが熱の流れの抵抗を著しく増大させるような恐れはない。
【００２９】
次に、本発明の温度センサを製造するための工程を、図５に示した例によって説明する。例えば第１実施例の温度センサ１０のようなものを製造する場合は、まず工程▲１▼において、コイル状に巻かれた電気ヒータ４０の中へ測温部１２の外被と導管部１３となるＰＦＡの細いチューブ４１を挿入し、チューブ４１の一端（右端）をクランプによって固定すると共に、他端側の部分をチューブ４１の長手方向に軽く引っ張りながら、電気ヒータ４０に通電してチューブ４１の一部を加熱することにより軟化・溶融させる。それによってチューブ４１は対向円錐形にくびれると共に、くびれて最も細くなった部分において完全に閉塞される。
【００３０】
次に、工程▲２▼のように、チューブ４１の内部へ測温素子１１を挿入し、更に電気ヒータ４０によって外部から加熱する。それによって、工程▲３▼のように、測温部１２となる部分では、チューブ４１のＰＦＡ材料が測温素子１１の回りに溶着するので、内部に測温素子１１を融着・固定した円錐形の測温部１２が形成される。その際に測温素子１１の周りのチューブ４１の部分は若干縮径する。これを冷却・硬化させた後に、工程▲４▼のように、カッター４２等によって不要な部分を切り離す。また、この際に測温部１２の外形を整形することもできる。なお、測温素子１１をチューブ４１内へ挿入する時期は、対向円錐形のくびれ部分が閉じる時期の後であっても、或いは前であってもよい。
【００３２】
図６は本発明の温度センサ１０と従来の温度センサ７の温度応答性をそれぞれ測定した結果を比較して示した線図であって、太い曲線は本発明の温度センサの特性を、細い曲線は従来の温度センサの特性を示している。即ち、９８°Ｃの水の中に従来の温度センサ７と本発明の温度センサ１０を同時に浸漬して、これら２つの温度センサからの信号を記録したものである。この線図から、本発明の温度センサ１０は従来の温度センサ７に比べて約４倍もの高い温度応答性を有することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の温度センサの構造を示す縦断面図である。
【図２】従来の温度センサの構造を例示する縦断面図である。
【図３】第２実施例の温度センサの構造を示す縦断面図である。
【図４】第２実施例の温度センサを薬液槽内に取り付けた状態を示す断面図である。
【図５】▲１▼から▲４▼は本発明の温度センサの製造工程を順次に示す断面図である。
【図６】本発明の温度センサと従来の温度センサの温度応答性を比較して示す線図である。
【符号の説明】
２…保護管（シース管）
５…耐蝕性材料のコーティング（ライニング）
６…充填材
７…従来の温度センサ
１０…第１実施例の温度センサ
１１…測温素子
１２…測温部（先端部）
１３…導管部（チューブ）
１６…アダプター（配管用継手）
２０…第２実施例の温度センサ
２１…スパイラルチューブ（形状保持部材）
３０…薬液槽
３１…蓋の穴
３３…固定フック（ブラケット）
４０…電気ヒータ
４１…ＰＦＡのチューブ
４２…カッター

Claims

耐蝕性及び熱可塑性を有すると共に弾性変形が可能な合成樹脂製のチューブの先端部の内部に、後方に向かってリード線が接続された測温素子を実質的に介在物なしに直接に挿入し、前記チューブの先端部を外部から加熱して部分的に溶融させることにより、前記チューブの先端部内に前記測温素子を直接に融着して固定すると共に、前記チューブの先端部を閉じて前記測温素子を含む測温部を構成し、更に、加熱溶融されないためにチューブの形状を維持している前記測温部以外の前記チューブの基端部寄りの一部を配管用の継手によって着脱可能に把持することにより、前記測温部を目的の測温位置に位置させるように構成したことを特徴とする温度測定用センサ。
請求項１において、前記チューブに使用する合成樹脂としてパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）が用いられていることを特徴とする温度測定用センサ。
請求項１または２において、内部に前記測温素子を融着して固定することにより測温部を構成する前記チューブの先端部が、その外径が前記チューブの基端部寄りの部分の外径から漸次減少するように、概ね円錐形に成形されていることを特徴とする温度測定用センサ。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記チューブの一部に、任意の形状に変形され得ると共に変形されたその形状を保持することができる形状保持部材が設けられていることを特徴とする温度測定用センサ。
請求項１ないし４のいずれかに記載された前記温度測定用センサを製造するために、耐蝕性及び熱可塑性を有すると共に弾性変形が可能な合成樹脂製のチューブの一端を固定し、他端側の部分を前記チューブの長手方向に引っ張りながら前記測温部となる部分を外部から加熱して部分的に溶融させることにより、前記測温部となる部分にくびれによる円錐形状が成形された後に、その円錐形状の内部へ測温素子を挿入し、更に外部から加熱して前記測温素子を前記チューブ内に融着させると共に前記チューブの先端部を閉じ、冷却、硬化させた後に不要な部分を切り離すことを特徴とする温度測定用センサの製造方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載された前記温度測定用センサを製造するために、耐蝕性及び熱可塑性を有すると共に弾性変形が可能な合成樹脂製のチューブの一端を固定し、他端側の部分を前記チューブの長手方向に引っ張りながら前記測温部となる部分を外部から加熱して部分的に溶融させることにより、前記測温部となる部分にくびれによる円錐形状が成形されると共にその部分が閉じた後に、その円錐形状の内部へ測温素子を挿入し、更に外部から加熱して前記測温素子を前記チューブ内に融着させ、冷却、硬化させた後に不要な部分を切り離すことを特徴とする温度測定用センサの製造方法。