JP5341746B2

JP5341746B2 - 多点温度測定装置

Info

Publication number: JP5341746B2
Application number: JP2009298309A
Authority: JP
Inventors: 承生福田; 充佐藤; 純一小島; 幸永小池
Original assignee: FUKUDA CRYSTAL LABORATORY LTD.; Furuya Metal Co Ltd
Current assignee: FUKUDA CRYSTAL LABORATORY LTD.; Furuya Metal Co Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011137738A

Description

本発明は、圧電共振子を利用して多点の温度測定を行う多点温度測定装置に関する。

被測定物の温度を測定する方法として、温度センサの電気的特性（センサ素子の抵抗、起電力、発振周波数、など）を測定し、その値を温度に換算することにより、被測定物の温度を計測することが知られている。センサ素子として、温度により電気抵抗が変化する白金線、熱電対、サーミスタなどが使用され、さらに高精度のセンサ素子として、温度により共振特性が変化する水晶発振子が使用されている。

また温度センサと温度測定装置とを接続する場合には、測定点に設定された一つの温度センサと温度測定装置間には２本のリード線が用いられる。

一方、被測定物がある程度の大きさを持ち、複数の測定点で温度測定が必要な場合に、複数の測定点に温度センサを設置して温度測定を行うことになるが、各温度センサに２本のリード線を用いると、測定点数の２倍のリード線が必要になり、リード線を敷設する作業が煩雑になるという問題があった。さらに被測定物が壊れやすい物の場合に、その取り扱いに多くの注意を払う必要があり、リード線を敷設する作業に多くの時間を要するという問題があった。

特許文献１には、被測定物の各所の温度を測定できるようにした多点水晶温度測定装置が開示されている。この装置では、センサ支持部材の複数箇所に共振周波数がそれぞれ異なる複数個の水晶振動子を固着配置し、複数個の水晶振動子の振動電極端子を高周波線路に対して並列的に接続し、センサ支持部材、複数個の水晶振動子、及び高周波線路を温度検出プローブとし、高周波ケーブルを介してネットワークアナライザを内蔵した温度検出装置に接続している。温度測定装置は高周波線路に周波数の変化する交流信号を供給し、流れ込む電流値を検出し、複数個の水晶温度センサの総合的なインピーダンス特性の特異点（例えばピーク点）を検出することによって、各水晶温度センサが載置されている箇所の温度を測定する。

特開２００８−２５６５１９号公報

しかしながら、特許文献１では、複数個の水晶振動子の振動電極端子を高周波線路に対して並列的に接続するために水晶振動子間には２本のリード線であり、温度センサと温度測定装置とを接続する作業を、さらに簡易化することが望まれている。

そこで、本発明の目的は、被測定物の複数箇所の温度測定を行う場合に、温度センサと温度測定装置とを接続する作業を簡易かつ安全に行うための多点温度測定装置を提供することにある。

本発明による多点温度測定装置は、被測定物の複数箇所の温度測定を行う多点温度測定装置であって、
被測定物または被測定物の形状に近似する形状を有するセンサ支持部材の複数箇所に、共振周波数が互いに異なる複数個の圧電共振子を設置するとともに、前記圧電共振子の電極端子を介して、前記複数個の圧電共振子を直列に接続し、最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを共振周波数計測部の２端子に接続する構成を有し、
前記共振周波数計測部は、前記複数個の圧電共振子に対して周波数が変化する交流信号を供給し、前記圧電共振子の温度によって変化する発振周波数から共振周波数を測定し、その共振周波数を温度に換算することにより被測定物の温度を計測することを特徴とする。

また、本発明による多点温度測定装置は、最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを伝導材を介して共振周波数計測部に接続する構成を有することを特徴とする。

また、本発明による多点温度測定装置は、最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを伝導材を介してループアンテナ１に接続し、前記共振周波数計測部の２端子を、伝導材を介してループアンテナ２に接続し、ループアンテナ１とループアンテナ２とを電磁的に結合して無線により接続する構成を有することを特徴とする。

また、本発明による多点温度測定装置は、前記圧電共振子が温度によって変化する発振周波数の変化帯域幅が、個々の圧電共振子によって互いに異なることを特徴とする。

また、本発明による多点温度測定装置は、前記圧電共振子が、水晶を用いて構成されていることを特徴とする。

また、本発明による多点温度測定装置は、前記圧電共振子が、ＬＴＧＡ結晶を用いて構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、被測定物の複数箇所の温度測定を行う場合に、圧電共振子の電極端子を介して複数個の圧電共振子を直列に接続することで、温度センサ間および温度センサと温度測定装置間を接続する作業を簡易かつ安全に行うことが可能になるとともに、被測定物の複数箇所の温度測定を同時に行うことが可能になる。

さらに、水晶よりも高温域（例えば５００℃）で安定性が大きいＬＴＧＡ結晶の特徴を利用して、圧電共振子をＬＴＧＡ結晶により構成することで、高温域で精度の高い温度測定を行うことが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る多点温度測定装置の全体構成の一例を示した模式図である。本発明の第１実施形態に係る多点温度測定装置の共振周波数計測部が受信する交流信号の特性をグラフ化した模式図である。本発明の第２実施形態に係る多点温度測定装置の全体構成の一例を示した模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に述べる実施形態により限定されるものではない。

１．第１実施形態
（１）多点温度測定装置の構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る多点温度測定装置の全体構成の一例を示した模式図である。図１に示すように、多点温度測定装置は、被測定物の複数箇所の温度測定を行う多点温度測定装置であって、被測定物または被測定物の形状に近似する形状を有するセンサ支持部材１１の複数箇所に、共振周波数が互いに異なる複数個の圧電共振子１２ａ〜１２ｈを設置するとともに、圧電共振子１２ａ〜１２ｈの電極端子を介して、複数個の圧電共振子１２ａ〜１２ｈを直列に接続し、最初の圧電共振子１２ａの空き端子１３と最後の圧電共振子１２ｈの空き端子１４とを伝導材１５（例えば、リード線）を介して共振周波数計測部１０に接続した構成を有している。

センサ支持部材１１は、被測定物（例えば、半導体ウエハ基板）の形状に近似するような形状にしており、被測定物の温度を測定したい箇所に応じてセンサ支持部材１１の上に温度センサを設置することが可能である。

圧電共振子１２ａ〜１２ｈは、温度センサであり、温度によって発振周波数が変化する特徴を備えている。圧電共振子１２ａ〜１２ｈは、被測定物の温度を測定したい箇所に応じて、センサ支持部材１１の上に導熱性の高い接着剤などによって固着して設置されている。

圧電共振子１２ａ〜１２ｈは、それぞれ電極端子が２個設けられており、圧電共振子１２ａ〜１２ｈが直列に接続されるように、電極端子間がリード線を介して接続されている。さらに最初の圧電共振子１２ａの空き端子１３と最後の圧電共振子１２ｈの空き端子１４とがリード線を介して共振周波数計測部１０に接続されている。圧電共振子１２ａ〜１２ｈの電極端子間を１本のリード線で接続することで、圧電共振子１２ａ〜１２ｈ間を接続する作業を簡易かつ安全に行うことが可能になる。

また、圧電共振子１２ａ〜１２ｈは、水晶やＬＴＧＡ結晶などを用いて構成されている。水晶を用いた水晶振動子は良く知られているが、水晶よりも高温域（例えば５００℃）で安定性が大きいＬＴＧＡ結晶の特徴を利用して、圧電共振子をＬＴＧＡ結晶により構成することで、高温域で精度の高い温度測定を行うことが可能になる。

共振周波数計測部１０は、圧電共振子１２ａ〜１２ｈに対して周波数が変化する交流信号を供給し、圧電共振子１２ａ〜１２ｈの温度によって変化する発振周波数から共振周波数を測定し、その共振周波数を温度に換算することにより被測定物の温度を計測する。

ここで、圧電共振子１２ａ〜１２ｈが温度によって変化する発振周波数の変化帯域幅は、個々の圧電共振子によって互いに異なるように設定されている。したがって、圧電共振子１２ａ〜１２ｈの共振周波数が互いに異なるため、被測定物の複数箇所の温度測定を同時に行うことが可能になる。

（２）動作
次に、被測定物の複数箇所の温度測定を行う多点温度測定装置の動作について説明する。

センサ支持部材１１に設置された圧電共振子１２ａ〜１２ｈは、被測定物の温度によって発振周波数が変化する。共振周波数計測部１０は、周波数が変化する交流信号を、リード線を介して圧電共振子１２ａ〜１２ｈに供給し、圧電共振子１２ａ〜１２ｈからの交流信号を、リード線を介して受信する。

図２に示すように、圧電共振子１２ａ〜１２ｈの共振周波数が互いに異なるため、共振周波数計測部１０が受信する交流信号は、周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，・・・，Ｆｎで共振が発生し、その信号強度が小さくなる。

圧電共振子１２ａ〜１２ｈが温度によって変化する発振周波数の変化帯域幅は、個々の圧電共振子によって互いに異なるように設定されているので、例えば圧電共振子１２ａで共振が発生した周波数がＦ１であることがわかる。

共振周波数計測部１０は、共振周波数Ｆ１〜Ｆｎを温度に換算することにより被測定物の複数箇所の温度測定を同時に行うことが可能になる。

２．第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態に係る多点温度測定装置の全体構成の一例を示した模式図である。前述した第１実施形態では、最初の圧電共振子１２ａの空き端子１３と最後の圧電共振子１２ｈの空き端子１４とを伝導材１５を介して共振周波数計測部１０に接続した構成としているが、本実施形態では、最初の圧電共振子１２ａの空き端子１３と最後の圧電共振子１２ｈの空き端子１４とを伝導材１５を介してループアンテナ１６に接続し、共振周波数計測部１０の２端子に伝導材１８を介してループアンテナ１７を接続し、ループアンテナ１６とループアンテナ１７とを電磁的に結合して無線により接続する構成としている。ループアンテナ１６は、センサ支持部材１１の所定の位置に設置されている。その他の構成は第１実施形態と同じである。

このような構成にすることで、被測定物が回転体などの動くものである場合に、あるいは非常に高温／低温状態である場合に、温度計測作業を簡易かつ安全に行うことが可能になる。

本発明は、被測定物の複数箇所の温度測定を行う多点温度測定装置に適用可能である。

１０共振周波数計測部
１１センサ支持部材
１２ａ〜１２ｈ圧電共振子
１３最初の圧電共振子１２ａの空き端子
１４最後の圧電共振子１２ｈの空き端子
１５伝導材
１６ループアンテナ
１７ループアンテナ
１８伝導材

Claims

被測定物の複数箇所の温度測定を行う多点温度測定装置であって、
被測定物または被測定物の形状に近似する形状を有するセンサ支持部材の複数箇所に、共振周波数が互いに異なる複数個の圧電共振子を設置するとともに、前記圧電共振子の電極端子を介して、前記複数個の圧電共振子を直列に接続し、最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを共振周波数計測部の２端子に接続する構成を有し、
前記共振周波数計測部は、前記複数個の圧電共振子に対して周波数が変化する交流信号を供給し、前記圧電共振子の温度によって変化する発振周波数から共振周波数を測定し、その共振周波数を温度に換算することにより被測定物の温度を計測することを特徴とする多点温度測定装置。
請求項１に記載の多点温度測定装置であって、
最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを伝導材を介して共振周波数計測部に接続する構成を有することを特徴とする請求項１に記載の多点温度測定装置。
請求項１に記載の多点温度測定装置であって、
最初の圧電共振子の空き端子と最後の圧電共振子の空き端子とを伝導材を介してループアンテナ１に接続し、前記共振周波数計測部の２端子を伝導材を介してループアンテナ２に接続し、ループアンテナ１とループアンテナ２とを電磁的に結合して無線により接続する構成を有することを特徴とする請求項１に記載の多点温度測定装置。
前記圧電共振子が温度によって変化する発振周波数の変化帯域幅は、個々の圧電共振子によって互いに異なることを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の多点温度測定装置。
前記圧電共振子は、水晶を用いて構成されていることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の多点温度測定装置。
前記圧電共振子は、ＬＴＧＡ結晶を用いて構成されていることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の多点温度測定装置。