JPH05196507A - オプチカルファイバ温度センサ - Google Patents

オプチカルファイバ温度センサ

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JPH05196507A
JPH05196507A JP4127381A JP12738192A JPH05196507A JP H05196507 A JPH05196507 A JP H05196507A JP 4127381 A JP4127381 A JP 4127381A JP 12738192 A JP12738192 A JP 12738192A JP H05196507 A JPH05196507 A JP H05196507A
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Peter Shifflett
シフレット ピーター
J R Morris Robin
ジェイ．アール．モリス ロビン
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JOHNSON MATTHEY Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 オプチカルファイバに貴金属放射黒体を焼付
けたオプチカルファイバ温度センサに関する。 【構成】 ファイバはコーティング処理してもしなくも
よい。コーティング処理したファイバを使用する場合、
ファイバをコーティングしている薄い導電膜（６）に電
気メッキできるプラチナなどの外側金属コーティング層
で保護されたシリカまたはサアァイアファイバが好適で
ある。放射黒体（２０），（２２）をファイバの第１端
に取付け、ファイバの第２端を受信装置に接続すればよ
い。黒体はコーティング処理を施したまたは施してない
ファイバに半固形プラチナペースト（１１）を塗被し、
乾燥させ、炎にかざして、または高温炉内で焼付けるこ
とによって形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明はオプチカルファイバ温度計、特
に、光透過性ファイバに取付けた放射黒体で温度を直接
感知するためのオプチカルファイバ温度センサに係わ
る。
【０００２】
【発明の背景】半導体製造の分野では高温下で半導体材
料に化学物質ガスを作用させて半導体のジャンクション
及び回路を得るために高温炉が使用される。所要の化学
反応を制御し、均一な品質を確保するためには炉の温度
を正確に制御しなければならない。炉の温度は1000℃以
上にも達することがある。
【０００３】制御は炉温制御装置を炉内の温度センサと
接続するフィードバックループを形成することによって
達成される。センサは炉内温度を感知し、温度に比例す
る電気信号を出力する。この信号はモニターコンピュー
タまたは温度表示器に送られて、炉の手動または自動調
節を可能にする。
【０００４】従来、このような温度センサは２種類の異
なる貴金属または合金のジャンクションを有する貴金属
熱電対で構成されている。２種類の金属に加えられる熱
が両金属間に熱電ポテンシャル差を発生させ、これが出
力電圧信号を発生させる。従来の熱電対に使用される貴
金属としては例えばプラチナ／ロジウム合金があり、こ
の合金は耐熱性においてすぐれているが、出力電圧が極
めて低く、電磁干渉を受け易く、Ｓ／Ｎ比が低く、応答
時間が長いなど多くの欠点を持つ。
【０００５】このような欠点を克服するため、オプチカ
ルファイバ温度計（ＯＦＴ）が開発されている。オプチ
カルファイバ温度計はテストされる炉内の“ホット”端
と、受信デコード用エレクトロニクスとに接続する“コ
ールド”端を有するオプチカルファイバに取付けた放射
黒体によって構成することができる。放射黒体はファイ
バのホット端に固定した貴金属で構成できる。ファイバ
のコールド端は温度を測定される炉の外側において、増
幅及び温度換算用エレクトロニクスを含むフォトダイオ
ード受信機集合体と接続する。信号の強さを増大させる
か、または炉内の数箇所における温度感知を可能にする
ためには数本のファイバを束ねればよい。
【０００６】電話及びコンピュータによるデータ送信に
利用されているような従来のオプチカルファイバの多く
は半導体炉の高温に耐えられない。そこで、公知装置に
は耐熱性にすぐれ、高い光学的品質を可能にし、貴金属
放射黒体の取付けを容易にするサファイア製のファイバ
またはロッドを使用するものがある。例えば、米国特許
第4,576,486 号，第4,750,139 号及び第4,845,647 号は
炉外の低温シリカファイバに炉内の高温サファイアファ
イバを接続したＯＦＴシステムを開示している。これら
の特許においては、ファイバにプラチナコーティングを
スパッタリングすることによってサファイアファイバ面
にプラチナ黒体を形成する。しかし、スパッタリングに
よるコーティング層は適正な感知を行うには薄過ぎる。
コーティング層または黒体は少なくとも感知すべき放射
の最長波長と同じ厚さを具えていなければならない。ス
パッタリングを採用するとこの波長よりも薄い黒体にな
るおそれがある。
【０００７】米国特許第3,626,758 号は先端にスパッタ
リングされて放射黒体として作用する金属コーティング
層を有する高温感知用サファイアファイバを開示してい
る。
【０００８】プラチナから成る放射黒体が望ましいが、
シリカファイバに融解した高温のプラチナ放射黒体を付
着させるとファイバが融ける。シリカファイバに貴金属
放射黒体を接着することは困難である。
【０００９】J.P.Dakin 及びD.A.Kahnの論文（“A nove
l fibre-optic temperature probe”，Optical and Qua
ntum Electronics 9(1977) ，P.540 ）は直接温度測定
用として最大作用温度が1,100 ℃の単一シリカファイバ
の使用を提案している。ファイバは細いステンレススチ
ール管によって囲まれ、その末端は金属薄膜から成る不
透明なエンドキャップとして形成されている。ただし、
この金属薄膜の正確な組成は開示されていない。また、
シリカファイバにプラチナ黒体を焼付ける方法には言及
していない。
【００１０】米国特許第4,794,619 号はガラスで形成す
ることもできる低温ファイバの端部に穿設された放熱空
洞を開示している。空洞はアルミニウム，リシコン，ジ
ルコニウムまたはイットリウムの酸化物のような増倍用
化合物でコーティングすることができる。空洞は真の黒
体ではない。
【００１１】英国特許第2,045,921 号は放射センサに接
続するオプチカルファイバの端部に取付けられて黒体と
して作用する薄い金属から成る不透明なキャップを具備
する温度測定プローブを開示している。しかし、この特
許はキャップをファイバ端に固定する方法を開示してい
ない。接着剤の使用も可能であろうが接着剤はエネルギ
ー伝導を妨げるおそれがある。
【００１２】従って、ＯＦＴセンサの使用者は光学的温
度伝達用としてサファイアまたはシリカファイバに設け
た貴金属放射黒体の実現が望まれている。
【００１３】
【発明の概要】そこで、本発明はプラチナペースト放射
黒体を焼付けたオプチカルファイバ温度計を提供する。
ファイバはコーティングを施しても施さなくてもよい。
コーティングを施したファイバを使用する場合には、こ
のファイバをコア及び表面コーティング層で構成し、コ
アをサファイアまたはシリカファイバで形成し、ファイ
バを水酸基イオンの透過に対して絶縁してその脆化を防
止する外側金属コーティング層で保護すればよい。この
外側コーティング層はファイバにスパッタリングした導
電薄膜上にプラチナを電気メッキすることによって形成
すればよい。放射黒体をファイバの第１端に取付け、フ
ァイバの第２端を受信装置に接続する。
【００１４】黒体はコーティングを施した、または施し
てないファイバに半固形プラチナペーストを塗被し、乾
燥させ、高温炉またはアルコールランプの炎のような炎
を利用して焼付けることによって形成する。焼付け工程
によって黒体はファイバに強く接着する。本発明の黒体
は製造が簡単であり、電磁干渉を受けない低コストの光
ファイバとの組合わせでプラチナのすぐれた感知性能の
利用を可能にする。
【００１５】好ましい実施例に関する以下の詳細な説明
においては種々の具体的な技術用語を使用するが、本発
明の開示内容はこれらの技術用語に制限されるものでは
なく、実質的に同様の態様で機能することによって実質
的に同様の成果を達成するあらゆる等価技術を含む。
【００１６】
【実施例の説明】先ず図４に基づいて説明する。本発明
のファイバは半導体製造炉４４及び受信装置４８を含む
図４に示すＯＦＴシステムに組込まれる。ファイバは炉
内温度を感知する放射黒体４２が設けられている第１端
１０と、受信装置４８と接続する第２端３を含む。受信
装置は信号増幅器４６及び温度データ換算装置５０を含
む。当業者に明らかなように、図４のシステムは主要構
成部分だけを例示したものである。
【００１７】参照番号５２で示すように、可撓ファイバ
はその全長のどの点においても曲げることができる。従
って、ファイバは場所や経路を制約されないから、いか
なるタイプの炉または製造設備にも合わせて利用するこ
とができる。
【００１８】図１は図４のシステムに使用できる本発明
のオプチカルファイバ温度センサ用ファイバの感知端２
を示す断面図である。ファイバとしてはコーティングを
施してないシリカまたはサファイアファイバまたはコー
ティングを施したシリカファイバを使用することができ
る。コーティングを施したファイバを使用する場合に
は、例えばファイバガイド社（Fiberguide Industries,
Inc.）から市販されている金被覆ファイバが好適であ
る。
【００１９】金被覆ファイバの最大作用温度は750 ℃で
あり、この温度は用途によっては低過ぎる。従って、高
温用としてはプラチナ被覆ファイバを使用すればよい。
図１に示すように、ファイバは従来のシリカオプチカル
ファイバのような可撓光透過性コア４と、ファイバ端を
除いてコアの全長外面に固定したコーティング層８とで
構成することができる。コーティング手段としては、フ
ァイバに直接スパッタリングされた導電性薄膜層６に電
気メッキしたプラチナなどの可撓性金属コーティングが
好適である。前記薄膜層６としてはニッケルまたはクロ
ムが好適である。このコーティング層は水酸基イオンを
透過させず、光学的に不透明である。これらの金属はフ
ァイバを密閉することにより水酸基イオンの作用下にフ
ァイバが脆化するのを防ぐ。コーティング層は光学的に
不透明であるから、外部からの放射がファイバの全長に
沿ってファイバに侵入するのを防ぐ機能をも果す。典型
的には金被覆ファイバの直径は約275 マイクロメータ
（約0.0108インチ）、裸ファイバの直径は約240 マイク
ロメータ（約0.0094インチ）である。
【００２０】ファイバにプラチナ黒体を焼付けるには、
先ずファイバ端を研磨し、これにプラチナペースト１１
を塗被する。コーティングを施したファイバを使用する
場合には、ファイバ端にペーストを直接塗被すればよ
い。好ましくはペーストの頂部１２をペーストの側方部
分１４よりもやや厚くする。側方部分はペースト頂部を
強く固定させるための機械的強度を付与するのがその主
要な機能である。
【００２１】ファイバ端にペーストを塗被したら、ヒー
トガンを利用してペーストを部分乾燥させるのが好まし
い。この乾燥工程によってペーストが次の工程中に変形
するのを防ぐことができる。
【００２２】次に、金属コーティング層の融点よりもや
や低い温度において炉内で、または炎にかざして黒体を
焼付ける。例えば、金被覆ファイバを使用する場合なら
ば、金の融点よりもやや低い約1000℃の温度で黒体を焼
付けることができる。プラチナ被覆ファイバなら、プラ
チナの融点1780℃よりやや低い約1700℃で黒体を焼付け
ることができる。焼付けは金またはプラチナ被覆ファイ
バに対しても裸ファイバに対しても行うことができる。
サファイアファイバの場合も焼付け温度は1700℃であ
る。
【００２３】プラチナペーストとしては、半導体電極の
製造に広く利用され、例えば米国のジョンソン マセイ
エレクトロニクス社（Johnson Matthey Electronics
）から市販されているプラチナ厚膜導体「ＪＭ 790
5」を使用することができる。このペーストは化学的キ
ャリア溶剤にプラチナ粉末を混入して得られる濃厚な混
合物である。
【００２４】焼付け後、黒体の厚さは図２に示すように
薄くなる。即ち、焼付けに伴なってペースト中の溶剤が
蒸発または灰化して黒体の密度を増大させ、厚さを縮小
させる。その結果、焼付けられた黒体の頂部２２及び側
部２４はそれぞれ部分１２及び１４の約１／３になる。
仕上がり黒体の長さ／幅比は約２：１である。焼付け工
程においてはプラチナペーストをファイバに強く接合さ
せ、仕上がり黒体の機械的強度を高める。
【００２５】次に本発明の黒体を製造する際の工程を示
す図３のフローチャートを参照して説明する。製造はブ
ロック３０で示すステップで始まり、ステップ３２に進
み、このステップにおいて、必要に応じてファイバに保
護金属コーティングが施される。ステップ３４におい
て、例えばファイバ端をペースト中に突っ込むことによ
ってファイバにプラチナペーストを塗被する。次いでス
テップ３５において、好ましくはヒートガンを利用して
ペーストを乾燥させる。次にステップ３６において炉内
で、または炎にかざして黒体を焼付ける。製造はステッ
プ３８で完了する。
【００２６】本発明には多様な変更実施態様が考えられ
るから、本発明の範囲は以上の詳な説明に制限されるも
のではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の黒体をファイバに焼付ける前のペース
ト状態で示す部分断面図である。
【図２】図１に示した黒体を焼付け後の状態で示す断面
図である。
【図３】図１に示した黒体の製造工程を示すフローチャ
ートである。
【図４】オプチカルファイバ温度センサシステムにおけ
る黒体を示す説明図である。
【符号の説明】
２ ファイバの感知端 ４ 光透過性コア ６ 導電性薄膜 ８ 被覆層 １１ プラチナペースト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビン ジェイ．アール．モリス イギリス国，オーエックス４ ５エイチゼ ット オックスフォード州，オックスフォ ード，ブラックバード レイズ，ムーアバ ンク 25

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オプチカルファイバの先端に、高温度で
    プラチナペーストを焼付けて形成したプラチナ黒体を有
    することを特徴とするオプチカルファイバ温度センサ。
  2. 【請求項２】 ファイバが光透過性シリカファイバであ
    ることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 ファイバが細長い光透過コアと、 コアを水酸基イオンの透過に対して絶縁するコーティン
    グ層から成ることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 コーティング層がコアに固定された可撓
    性金属コーティング層であることを特徴とする請求項３
    記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 金属コーティング層がファイバをコーテ
    ィングする第２金属の薄膜をさらにコーティングする第
    １金属から成ることを特徴とする請求項４記載のセン
    サ。
  6. 【請求項６】 コーティング層が光学的に不透明である
    ことを特徴とする請求項３記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 コーティング層が水酸基イオンを通さな
    いことを特徴とする請求項３記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 コアがシリカから成ることを特徴とする
    請求項３記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 ファイバがサファイアから成ることを特
    徴とする請求項１記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 焼付け温度が金属コーティング層の融
    点よりもやや低い温度であることを特徴とする請求項１
    記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 包囲された高温発生源と、 コア及び該コアを水酸基イオンの透過に対して絶縁する
    ため該コアに固定したコーティング層から成り、高温発
    生源内に第１端を、高温発生源の外側で受信装置と接続
    する第２端をそれぞれ有する光透過性ファイバと、 高温でファイバの第１端に焼付けた貴金属から成る放射
    黒体から成ることを特徴とするオプチカルファイバ温度
    センサシステム。
  12. 【請求項１２】 コーティング層がコアに固定した可撓
    性金属コーティング材から成ることを特徴とする請求項
    １１記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 金属コーティング層がコアをコーティ
    ングしている第２金属の薄膜層をさらにコーティングす
    る第１貴金属から成ることを特徴とする請求項１１記載
    のシステム。
  14. 【請求項１４】 コーティング層が光学的に不透明であ
    ることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 コーティング層が水酸基イオンを通さ
    ないことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 コアがシリカから成ることを特徴とす
    る請求項１１記載のシステム。
  17. 【請求項１７】 焼付け温度がコーティング層の融点よ
    りもやや低い温度であることを特徴とする請求項１１記
    載のシステム。
  18. 【請求項１８】 オプチカルファイバに放射黒体を形成
    する方法において、 ファイバの一端にプラチナペーストを塗被し、 第１温度まで加熱してペーストを乾燥させ、 高い焼付け温度でペーストを焼付けるステップから成る
    ことを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 ファイバーの一端にプラチナペースト
    を塗被するステップが、金属コーティング層が接合され
    ているファイバを得るサブステップをも含むことを特徴
    とする請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 金属コーティング層がファイバをコー
    ティングしている導電性薄膜上に固定したプラチナから
    成ることを特徴とする請求項１８記載の方法。
  21. 【請求項２１】 焼付け温度が金属コーティング層の融
    点よりもやや低い温度であることを特徴とする請求項１
    ８記載の方法。
JP4127381A 1991-05-20 1992-05-20 オプチカルファイバ温度センサ Pending JPH05196507A (ja)

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US07/703,003 US5164999A (en) 1991-05-20 1991-05-20 Blackbody fired on silica fiber
US07/703003 1991-05-20

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JPH05196507A true JPH05196507A (ja) 1993-08-06

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EP (1) EP0515172A1 (ja)
JP (1) JPH05196507A (ja)
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