JP3785062B2

JP3785062B2 - 温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP3785062B2
Application number: JP2001217214A
Authority: JP
Inventors: 俊司市田; 松雄座間; 透岡本
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2003033888A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ状の温度検出素子を収納する温度センサ用保護管のレーザパルス溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置では、パターンの微細化やウエハの大型化に伴いきわめて高精度な温度制御が求められてきている。現在一般的に使用されている温度センサは、Ｐｔ抵抗温度センサで、その抵抗値は１００Ω程度である。このため、高精度に温度を計測しようとすると、回路技術の限界（高速サンプリングやＡＤ分解能や小型化などの限界）から、Ｐｔ線に１〜２ｍＡの測定電流を流す必要がある。その場合、温度センサは、高速応答性を高めるために小型化された形状であるので、制御温度範囲よりも大きな温度上昇が生じる。すなわち、半導体などの温度制御範囲は±０．０１℃であるが、形状によってはＰｔ抵抗温度センサの温度上昇（測定電流による発熱）は０．１℃にもなり、制御温度範囲の１０倍以上にもなっている場合がある。そうした場合、制御対象の気体の流れが一定であれば、一定の温度上昇のままであるため、制御性に問題は起きないが、気体の流れは微視的に見れば、常に変動しているために、Ｐｔ抵抗温度センサの温度上昇は、常に変動していることになり（流速により熱放散が変わるため）、真の対象温度を測定できていないことになる。例えば、他の条件が何も変動していないで気体の流れが１０％だけ変われば、検出温度は温度上昇０．１℃の１０％（約０．０１℃）変動し、その温度を真の温度として制御することになる。それ故、高精度な制御ができず、半導体製造装置においては抵抗値が大きくて温度上昇が少なく、より高精度に温度測定することができる温度センサが要望されてきている。
【０００３】
温度センサの抵抗値が高くなると、同じ温度を検出するために必要な測定電流は少なくてすむ。温度センサの測定電流による温度上昇は、電流の２乗に比例するので小さくなる。すなわち、抵抗値が１ｋΩになると、測定電流は、Ｐｔ１００Ωの場合の１／１０、つまり０．１〜０．２ｍＡになり、温度上昇は１／１０になるので、０．０１℃の温度上昇になる。この場合、流れが変動しても制御温度以内の変動になり、高精度の制御が可能となる。
【０００４】
現在のＰｔ抵抗温度センサは、極細のＰｔ線をガラス管に巻回してＰｔ抵抗温度センサ素子を製作しているために、小型で高抵抗値な素子を製作することはできない。例えば、１ｋΩの抵抗値を製作するには１０倍の長さのＰｔ線を巻回することになり、素子自体が大型化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のＰｔ抵抗温度センサは、巻き線タイプで抵抗値が低いため、以下に述べるような問題があった。
【０００６】
▲１▼ Ｐｔ線の抵抗値は通常１００Ω程度と低いため、微小な温度変化を測定する場合は大きな測定電流を供給する必要がある。しかし、この場合は必然的に自己発熱による熱的影響が大きくなるため、高精度な測定ができなくなる。
【０００７】
例えば、抵抗値が１００Ωの抵抗体を用いた場合、温度が１℃変化したときに抵抗値が約０．４Ω変化し、その時の電流を１ｍＡとすると、信号電圧は０．４ｍＶとなる。したがって、このときの消費電力は１０^-4Ｗ（Ｗ＝ＲＩ² ＝100×10^-3 ×10^-3 ）となり、直径が１．５〜２ｍｍの保護管であると、約０．１〜０．２ｍ℃温度上昇する。それ故、このような温度センサを半導体製造装置に用いて１０ｍ℃の温度制御を行おうとすると、センサ自体の発熱量（消費電力）が大きく、制御を乱してしまう。したがって、上記した大口径のウエハにパターン幅約０．１μｍ程度のパターンをフォトエッチングによって形成する場合は、センサ自体の発熱により温度センサの温度がずれたり温度制御の邪魔をすることにより十分な制御ができなくなる。
【０００８】
▲２▼ Ｐｔ線と、これを収納する保護管との絶縁を図るために絶縁チューブを用いているため、保護管の外径が一層大きくなり、温度変化に対して感度（レスポンス）が低い。
【０００９】
そこで、本発明者らは上記した問題▲１▼，▲２▼について鋭意検討し、種々のセンサを製作して実験を行った結果、Ｐｔ線の代わりにＮｉ等の金属箔抵抗体を用いると、半導体のリソグラフィ技術によって抵抗パターンを微細化することができるため、高抵抗で消費電力を少なくすることができ、上記▲１▼の問題を完全に解決することができた。
【００１０】
また、金属箔抵抗体を基板に設け、この基板を保護管に挿入すればガラス管と絶縁チューブを必要としないため、保護管を肉厚が０．０５ｍｍ程度で直径１．４ｍｍ以下に小径化することができ、温度変化に対するレスポンスが速い温度センサが得られ、上記▲２▼の問題を解決することができた。この場合、保護管は、温度検出素子を収納する先端部側が小径（１ｍｍ程度）で、リード線が挿入される基端部側が大径の薄肉異径管となる。
【００１１】
薄肉異径管の製作方法としては、
（１）絞り加工によって異径管を製作する方法
（２）絞り加工によって外径が異なり肉厚が等しい２種類のパイプを製作し、これらをロー付けまたは連続レーザ溶接によって接合して異径の保護管とする方法の２通りが考えられる。
【００１２】
しかしながら、（１）の絞り加工によって異径の保護管を一気に製作する方法は、肉厚が不均一になり、温度変化に対するレスポンスにばらつきが生じるため採用できない。例えば、直径が１．４ｍｍ程度で、肉厚が薄くて長い細管を絞り加工によって製作することは、非常に難しい。
【００１３】
（２）の製作方法によれば肉厚が均一な異径保護管が得られる。ただし、小径パイプと大径パイプをロー付けによって接合すると、接合温度が低いため肉厚の薄保護管が溶けることはないが、高純度な水を使用する半導体製造装置の温度測定に用いた場合、ロー材中に含まれている不純物が溶けだして半導体の製造に悪影響を及ぼすため採用できない。
【００１４】
連続レーザ溶接の場合は、レーザ光を連続的に照射して溶接すると、加熱温度が高くなり過ぎて穴が明く等の溶接不良が発生するため好ましくない。すなわち、連続レーザ溶接は、重ね合わされた２つの部材の接合部が溶融して両者が融合することが必要である。保護管の溶接箇所にレーザ光を連続的に照射すると、溶接初期は保護管の温度が低いので、ある程度大きなエネルギを必要とするが、次第に保護管の温度が上昇するため初期のレーザエネルギでは大きくなり過ぎ、溶接箇所が溶け過ぎて穴が明いてしまう。特に、保護管が細管で肉厚が薄い場合は熱の放散が不十分で熱が溜まり易く、急速に温度上昇して溶けてしまうものである。また、溶接箇所を加熱溶融すると、垂れ下がって固化するため、溶接部の内径が溶接前の内径より大幅に小径化し、内部に挿入しようとする部品が挿入できなくなるおそれがある。さらに、溶接時の溶け方や固まり方が異なるため、保護管が曲がってしまうこともあった。
【００１５】
そこで、パルスレーザ溶接方法を採用し、パルスレーザ光を溶接箇所に照射して加熱溶融し、１ショットの溶接が終了すると当該溶接箇所を十分に冷却して固化させた後、次の溶接箇所をレーザ照射すると、１ショット毎の溶接条件が略一定となるため、保護管が溶融し過ぎて穴が明いたりすることがなく良好に溶接することができた。また、溶接箇所の小径化については、保護管内部にピンを予め挿入しておき、この状態でパルスレーザ溶接すると、溶けた部分の垂れ下がりをピンが阻止するため、溶接部の小径化、さらには保護管の曲がりを良好に防止することができた。
【００１６】
本発明は上記した従来の問題、検討結果および実験結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、溶接箇所に穴が明いたり内径が小さくなるなどの溶接不良が発生せず、良好に溶接することができるようにした温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、温度検出素子を収納した温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法であって、前記保護管が前記温度検出素子を収納する小径パイプと、この小径パイプが溶接される大径パイプとからなり、前記大径パイプは内部において前記温度検出素子の回路と外部リード線とが接続され、一端に前記小径パイプが嵌挿される筒状のボス部を有し、このボス部の肉厚を前記小径パイプより厚くし、該ボス部の溶接箇所をパルスレーザ光の照射によって加熱溶融し、１ショット毎に溶接が終了すると、当該溶接部を一定時間冷却して固化させるとともに、次の溶接箇所の一部が前記溶接箇所と周方向に重なるように保護管を所要角度回動させてパルスレーザ溶接を繰り返し行うことにより、前記ボス部を全周にわたって前記小径パイプに溶接するものである。
第１の発明においては、パルスレーザ溶接が終了すると、当該溶接部は十分に冷却されて固化する。しかる後、次のパルスレーザ溶接が行われる。すなわち、１ショット毎に溶接箇所を冷却、固化させる。したがって、温度上昇を抑えることができ、肉厚の薄い保護管であっても溶け過ぎて穴が明くことがない。
【００１８】
第２の発明は、上記第１の発明において、熱伝導性のよい材料からなり、小径パイプの内径と略等しい外径を有するピンを前記小径パイプ内に差し込んで前記小径パイプと大径パイプとの溶接部に位置させ、この状態でパルスレーザ溶接を行うものである。
第２の発明において、ピンは溶接部の熱を放熱し、温度上昇を抑える。また、溶接箇所が溶けて保護管の内部側に膨出したり、保護管が曲がるのを防止する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るパルスレーザ溶接方法によって溶接された保護管を備えた温度センサの一実施の形態を示す断面図、図２は保護管の断面図、図３は温度検出素子の平面図、図４は保護管の溶接部の顕微鏡写真、図５は同溶接部の理解を容易にするための平面図、図６は同溶接部を断面した顕微鏡写真、図７は同溶接部の理解を容易にするための断面図である。先ず、温度センサ１の構成についてその概略を説明すると、この温度センサ１は、素子ユニット２と、この素子ユニット２を収納する金属製パイプ３とからなり、４線式の温度センサを構成している。
【００２０】
前記素子ユニット２は、フレキシブルプリント基板５の先端部に取付けられた温度検出素子４と、この温度検出素子４を前記フレキシブルプリント基板５とともに収納する細長い保護管６とからなり、前記フレキシブルプリント基板５が外部リード線７にハーメチック部品８を介して電気的に接続されている。
【００２１】
前記温度検出素子４は、アルミナ等のセラミック基板１０と、このセラミック基板１０の表面に接着剤によって接合されたＮｉ箔抵抗体１１とで構成されている。セラミック基板１０は、幅が０．７〜１ｍｍ、長さが８〜１０ｍｍ、厚さが０．４ｍｍ程度の薄くて細長いシート状に形成されている。
【００２２】
前記Ｎｉ箔抵抗体１１は、図３に示すように抵抗パターンがセラミック基板１０の長手方向に蛇行するように形成され、かつセラミック基板１０の先端側で折り返えされることにより、往路パターン１１Ａと復路パターン１１Ｂが半ピッチずれて互いに非接触状態で噛み合うように形成されており、各端部にそれぞれ２つずつ合計４つのパッド部１３（１３ａ〜１３ｄ）を有している。また、Ｎｉ箔抵抗体１１は、厚さが約３μｍ、幅が約１０μｍ、抵抗値が約１，０００Ωで、表面全体が絶縁膜によって覆われている。１４はトリミング用の抵抗パターンで、例えば１Ω、２Ω、３Ω等の抵抗値が異なるものが数種類形成されている。この抵抗パターン１４は、Ｎｉ箔抵抗体１１をエッチングによって所定のパターンに形成した時点ではＮｉ箔抵抗体１１に全て電気的に接続されており、抵抗値の調整時に適宜切り離される。すなわち、Ｎｉ箔抵抗体１１の抵抗値が例えば９９５Ωとすると、所望の抵抗値１，０００Ωより抵抗値が５Ω小さいため、１Ωの抵抗パターン１つと、２Ωの抵抗パターン２つを切り離し、１，０００ΩのＮｉ箔抵抗体１１とする。なお、実際のトリミングはもっと細かな値で調整される。
【００２３】
前記フレキシブルプリント基板５は、ポリイミド等によって細長い帯状に形成されることにより、前記セラミック基板１０と略同一の幅を有し、表面に４本の回路パターン１６が平行に形成され、その一端側が前記ハーメチック部品８を介して前記外部リード線７にそれぞれ接続され、他端側に前記Ｎｉ抵抗体１１の各パッド部１３がバンプ接合されている。４本の回路パターン１６のうち、例えば両側２本が前記Ｎｉ箔抵抗体１１に電流を供給する電流線として用いられ、内側２本がＮｉ箔抵抗体１１に通電したときの電圧を検出する信号検出線として用いられる。このようなフレキシブルプリント基板５は、前記ハーメチック部品８とともに保護管６に挿入され、前記温度検出素子４を保護管６の先端部内壁面に押し付けている。
【００２４】
前記外部リード線７は４本（図１においては２本のみ示す）からなり、そのうちの２本が電流線用、残り２本が信号検出線用で、一端が前記ハーメチック部品８の端子（リード線）２０に半田２１によってそれぞれ接続され、他端が前記回路パターン１６に同じく半田によってそれぞれ接続されている。２２は外部リード線７を保護するステンレス編線である。
【００２５】
前記ハーメチック部品８は、４本からなる前記端子２０と、両端開放の筒状に形成されたコバール等の金属製リング２３と、この金属製リング２３内に前記端子２０を封着する封着用ガラス２４とからなり、前記保護管６の開口部を気密に封止している。各端子２０と前記リード線７、回路パターン１６との半田接続部は、それぞれ合成樹脂２５によって封止されている。また、各端子２０には合成樹脂２６がポッティングされている。
【００２６】
前記保護管６は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等からなる２本の異径パイプ、すなわち小径パイプ６Ａおよび大径パイプ６Ｂを軸線を互いに一致させて溶接することにより製作されており、内部にアルゴン、窒素、乾燥空気等の不活性ガスまたはオイルが封止されている。
【００２７】
前記小径パイプ６Ａは、先端側が閉塞し、基端側が開放する真っ直ぐなパイプからなり、外径が１．０〜１．４ｍｍ、肉厚が０．０５ｍｍ、長さが２０〜３０ｍｍ程度で、内部に前記温度検出素子４とフレキシブルプリント基板５が組み込まれている。このような小径パイプ６Ａは、パイプ素材の絞り加工によって容易に製作することが可能である。
【００２８】
前記大径パイプ６Ｂは、両端開放のパイプからなり、前記金属製パイプ３に嵌挿されるもので、外径が３．０ｍｍ、長さが７〜８ｍｍ程度で、前端面中央には小径パイプ６Ａとの接続部を形成する筒状のボス部３０が一体に突設されている。ボス部３０は、外径が１．２〜１．８ｍｍ、肉厚が０．１〜０．２ｍｍ程度で、大径パイプ６Ｂと同一の肉厚を有している。このような大径パイプ６Ｂは、前記小径パイプ６Ａと同様にパイプ素材の絞り加工によって容易に製作することが可能である。
【００２９】
前記金属製パイプ３は、ＳＵＳ３１６等によって形成された両端開放のパイプからなり、外径が４．０ｍｍ、内径が３．０ｍｍ、長さが３０〜５０ｍｍ程度で、両端開口部に前記大径パイプ６Ｂと外部リード線７のステンレス編線２２が嵌挿され、また内部には合成樹脂（熱硬化性樹脂）３１が充填されている。
【００３０】
次に、本発明による保護管６の溶接方法について説明する。
小径パイプ６Ａの基端部は、大径パイプ６Ｂのボス部３０に前方から嵌挿され、レーザ溶接機によってパルスレーザ溶接される。図５において、４１は１ショット毎の溶接箇所（特に、溶けて固まった跡を指すときはナゲット部という）である。保護管６の溶接部Ａは、ボス部３０の先端部と、この先端部に対応する小径パイプ６Ａの外周部である。溶接に当たっては、レーザ光源よりパルスレーザ光ＰＬを図５に示すようにボス部３０の先端部に照射して溶接箇所４１と小径パイプ６Ａを加熱溶融して溶接する。なお、レーザ光の照射時は、酸化を防止するためにアルゴン等のイナートガスを吹き付けている（溶接の直前、最中、直後の冷却まで）。
【００３１】
パルスレーザ光ＰＬは、小径パイプ６Ａの外径が１．０ｍｍでボス部３０の外径が１．４ｍｍの場合、パルス幅６ｍｓ、エネルギ１．８Ｊ、スポット径０．３〜０．５ｍｍ程度である。小径パイプ６Ａの外径が１．０ｍｍでボス部３０の外径が１．２５ｍｍの場合は、パルス幅６ｍｓ、エネルギ１．０Ｊ、スポット径０．３〜０．５ｍｍ程度である。１ショットの溶接が終了すると、当該溶接箇所４１を一定時間（Ｔ＝２〜３秒）冷却して完全に固化させると、保護管６を軸線周りに約１０〜２０度回転させて次の溶接箇所にパルスレーザ光ＰＬを照射する。そして、このようなパルスレーザ溶接を繰り返し行うことにより、前記ボス部３０先端部を全周にわたって前記小径パイプ６Ａに溶接する。
【００３２】
溶接箇所４１が冷えて固まったことの確認は、パルスレーザ光ＰＬの断続時間（Ｔ）で管理する。溶接箇所４１の冷却は、自然冷却または強制冷却のいずれであってもよい。隣り合うナゲット部４１のラップ率は、保護管６の回転角度によっても異なるが３０〜７０％程度で、望ましくは約５０％である。
【００３３】
上記溶接条件によって小径パイプ６Ａと大径パイプ６Ｂのボス部３０をパルスレーザ溶接すると、肉厚が薄い小径パイプ６Ａに穴が明くことがなく良好に溶接することができる。ただし、小径パイプ６Ａの溶接箇所も加熱されて内周面まで溶融するため、ナゲット部４１が小径パイプ６Ａの内部側に膨出して固化する。このため、小径パイプ６Ａの内径は、溶接部Ａにおいて図５に示すように小さくなり膨出部４２ができる。例えば、外径１．０ｍｍ、内径０．９ｍｍの小径パイプ５Ａをパルスレーザ溶接した場合、内径が０．７６ｍｍに縮小した。しかし、内径が縮小しても、この小径部の内径が小径パイプ６Ａ内に挿入される前記温度センサ素子４とフレキシブルプリント基板５の幅より大きい場合は何ら問題ないので、温度センサ１の保護管６として使用することができる。
【００３４】
図８は、本発明の他のパルスレーザ溶接方法を示す図である。図９はパルスレーザ溶接した溶接部の顕微鏡写真、図１０は同溶接部の理解を容易にするための断面図である。
このパルスレーザ溶接方法は、小径パイプ６Ａの内径と略等しい外径を有するピン５０を前記小径パイプ６Ａに差し込んで前記小径パイプ６Ａとボス部３０との溶接部Ａに位置させ、この状態でパルスレーザ光ＰＬを照射してボス部３０の先端部と小径パイプ６Ａを加熱溶融して溶接するものである。
【００３５】
パルスレーザ光ＰＬの照射条件、断続時間Ｔ、保護管６の回転角度は上記したパルスレーザ溶接方法と全く同じである。すなわち、１ショットの溶接が終了すると、当該溶接箇所を一定時間冷却して完全に固化させると、保護管６を軸線周りに約１０〜２０度回転させて次の溶接箇所４１にパルスレーザ光ＰＬを照射する。そして、このようなパルスレーザ溶接を繰り返し行うことにより、前記ボス部３０先端部を全周にわたって前記小径パイプ６Ａに溶接する。溶接が終了すると前記ピン５０を前記小径パイプ６Ａから抜き取る。ピン５０は、溶接部Ａの熱を放散させるために銅、銅合金等の熱伝導率の大きな材料によって中空または中実に形成される。
【００３６】
図１０から明らかなように、ピン５０を用いてパルスレーザ溶接を行うと、加熱溶融された金属が小径パイプ６Ａの内部側に膨出して固化するのをピン５０が阻止するので、小径パイプ６Ａの溶接箇所が小径化することがなく、良好に溶接することができる。また、ピン５０は、ナゲット部４１の膨出阻止機能に加えて、溶接部Ａの熱を放散するヒートシンクとしての機能をも有し、ナゲット部４１の冷却、固化時間を短縮させることができる。さらに、溶接箇所４１の溶け方や固まり方の違いによって小径パイプ６Ａが曲がるのを防止することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法は、肉厚が０．０５ｍｍ程度のきわめて薄い細管であっても溶け過ぎて穴が明いたりすることがなく、良好に溶接することができる。したがって、特に高精度な温度制御が要求される半導体製造装置などの温度測定に用いて好適な温度センサを提供することができる。
また、ピンを小径パイプ内に挿入してパルスレーザ溶接を行うと、溶けた金属が垂れ下がってパイプ内に膨出、固化するのを防止できるため、溶接部の内径が小径化することがなく、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパルスレーザ溶接方法によって溶接された保護管を備えた温度センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】保護管の断面図である。
【図３】温度検出素子の平面図である。
【図４】保護管の溶接部の顕微鏡写真である。
【図５】同溶接部の理解を容易にするための平面図である。
【図６】同溶接部を断面した顕微鏡写真である。
【図７】同溶接部の理解を容易にするための断面図である。
【図８】本発明の他のパルスレーザ溶接方法を示す断面図である。
【図９】溶接部を断面した顕微鏡写真である。
【図１０】同溶接部の理解を容易にするための断面図である。
【符号の説明】
１…Ｎｉ箔抵抗体温度センサ、２…素子ユニット、３…金属製パイプ、４…温度検出素子、５…フレキシブルプリント基板、６…保護管、６Ａ…小径パイプ、６Ｂ…大径パイプ、７…外部リード線、１０…セラミック基板、１１…Ｎｉ箔抵抗体、３０…ボス部、４１…溶接箇所、５０…ピン、Ａ…溶接部。

Claims

温度検出素子を収納した温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法であって、
前記保護管が前記温度検出素子を収納する小径パイプと、この小径パイプが溶接される大径パイプとからなり、
前記大径パイプは内部において前記温度検出素子の回路と外部リード線とが接続され、一端に前記小径パイプが嵌挿される筒状のボス部を有し、このボス部の肉厚を前記小径パイプより厚くし、該ボス部の溶接箇所をパルスレーザ光の照射によって加熱溶融し、１ショット毎に溶接が終了すると、当該溶接部を一定時間冷却して固化させるとともに、次の溶接箇所の一部が前記溶接箇所と周方向に重なるように保護管を所要角度回動させてパルスレーザ溶接を繰り返し行うことにより、前記ボス部を全周にわたって前記小径パイプに溶接することを特徴とする温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法。
請求項１記載の温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法において、
熱伝導性のよい材料からなり小径パイプの内径と略等しい外径を有するピンを前記小径パイプ内に差し込んで前記小径パイプと大径パイプとの溶接部に位置させ、この状態でパルスレーザ溶接を行うことを特徴とする温度センサ用保護管のパルスレーザ溶接方法。