JPH10142072A - 測温システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の測温システムでは、測温誤差が大き
く、しかも測温結果は測温環境によって左右されるとい
う問題があった。 【解決手段】 測温接点Ａと基準接点Ｈとの温度差によ
り生じる熱起電力を、温度測定器４によって検出し、温
度測定を行う回路を有する測温システムにおいて、基準
接点Ｈと熱的に接合して該基準接点Ｈの温度を一定に保
つ恒温槽１３を設け、その温度を基準として得られた熱
起電力に基づき、温度測定を行うこととした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測温システムに係
り、特に、研究、開発および量産工場等で用いられる電
気炉、主に半導体製造工程の酸化・拡散炉、ＣＶＤ炉等
の炉内温度を高精度に測温する測温システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の技術として、特開昭５４
−６５９２に開示されるものがあり、熱電対信号変換機
の調整に際し、入力される熱電対信号に冷接点補償用温
度センサの出力信号を加えて冷接点補償を施すものであ
った。図４は従来の測温システムの構成図であり、一般
工業用として広く採用されている内部基準接点補償型の
測温システムを示すものである。この図に従ってさらに
従来例について説明する。図４において、１は測温用熱
電対であり、Ａとして示すのは、該測温用熱電対１の測
温接点である。また、この測温用熱電対１は中継コネク
タ３ａに接続しており、その接点をＢとして示す。

【０００３】２は補償導線であり、前記測温用熱電対１
に対応させて１対設け、その各一端は、中継コネクタ３
ｂに接続しており、その接点をＣとして示す。また、こ
の補償導線２の他端は温度測定器４に接続し、その接点
をＤとして示してある。なお、中継コネクタ３ａと中継
コネクタ３ｂを接続することにより、測温用熱電対１と
補償導線２は電気的に接続する。

【０００４】測温接点Ａの温度と周囲温度（基準接点）
との温度差により、熱起電力が生じ、これを熱起電力入
力端子を有する温度測定器４が測定する。ＪＩＳ規格等
に規定される基準熱起電力とは、基準接点の温度を０℃
と定めた場合に、測温接点Ａとの温度差によって生ずる
熱起電力のことをいうが、上記構成では、周囲温度（室
温）を基準温度としているため、基準熱起電力に相当す
る熱起電力は得られない。そこで、温度測定器４に基準
接点補償機能を内蔵して補正を行い、基準熱起電力に相
当する値を近似的に得ようとしていた。

【０００５】なお、この基準接点補償機能とは、０℃の
基準接点をもつ等価回路によって機器周囲の温度を求
め、周囲温度に対する温度補償を行う機能のことであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成における熱電対回路に生じる熱起電力は、測温接点Ａ
の温度から補償接点Ｃの温度を差し引いた値、即ち周囲
温度を基準とした時に生ずる熱起電力しか得られず、以
下の問題をかかえている。 基準熱起電力（ＪＩＳ規格等に規定されている。）に
沿った熱起電力を直接得ることができない。

【０００７】周囲温度の不均衡が測温誤差になる。こ
の様な熱電対回路では、熱起電力が生ずる中継コネクタ
３ａ、３ｂの周囲温度と基準接点に対する温度補償を行
う温度測定器４の周囲温度を均一に保つ必要がある。し
かし、現実的には上記条件を長期的に維持することは困
難であり、測温接点Ａが一定の温度に保たれていても熱
電対回路に生ずる熱起電力と基準接点に対する温度補償
値に誤差が生じる。

【０００８】応答特性の差が測温誤差になる。まず、
熱電対回路は測温接点Ａおよび補償接点Ｃの温度変化に
対して緩やかな応答特性を持ち、しかも周囲温度が一定
に保たれていても安定した熱起電力を得るのに５分程度
の時間を要する。しかし、温度測定器４は入力される熱
起電力と周囲温度の変化に対し敏感な応答特性を持つ。

【０００９】その結果、それぞれの応答特性の差が測温
誤差となって現れる。以上のことから、従来の測温シス
テムでは、測温誤差が約１％と大きく、しかも測温結果
は測温環境によって左右される。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、測温接点と基
準接点との温度差により生じる熱起電力を、温度測定器
によって検出し、温度測定を行う回路を有する測温シス
テムにおいて、基準接点と熱的に接合してこの基準接点
の温度を一定に保つ恒温槽を設け、その温度を基準とし
て得られた熱起電力に基づき、温度測定を行うことを特
徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。 〔第１の実施の形態〕図１は実施の形態の測温システム
の構成図であり、外部基準接点補償型のシステムを示し
ている。

【００１２】この図において、１は測温用熱電対であ
り、炉内温度検出用として用いる。Ａとして示すのは、
その測温用熱電対１の測温接点（熱接点ともいう。）で
ある。基本的な測温用熱電対回路は測温を行う箇所に挿
入される。また、この測温用熱電対１は中継コネクタ３
ａに接続しており、その接点をＢとして示す。１０は中
継用熱電対であり、その１端は、中継コネクタ３ｂに接
続し、他端は多点端子台１１の端子Ｆに接続する。な
お、中継コネクタ３ａと中継コネクタ３ｂは電気的に接
続している。

【００１３】１２は基準接点用熱電対であり、多点端子
台１１の端子Ｆおよび端子Ｇに接続し、その基準接点Ｈ
（冷接点ともいう。）は恒温槽１３により、一定の温度
に保たれている。この恒温槽１３内の温度すなわち基準
接点Ｈの温度を０℃に保つことにより、基準熱起電力に
沿った熱起電力を得ることができる。なお、ここでいう
０℃とは、厳密な０℃に許容範囲の幅を持たせた温度帯
を意味することとしてもよく、実際には、恒温槽１３内
部を、例えば“０．００℃〜＋０．０５℃”に保つこと
により、充分に高精度な測温が可能である。

【００１４】恒温槽１３は、基準熱起電力に沿った測定
のために重要な構成要素であり、より具体的にはサーモ
・モジュールを内蔵した電子冷却式恒温槽等を用い、長
期的に安定した性能と信頼性を持つようにする。１４は
機器接続用線であり、熱電対に対応させて１対設け、多
点端子台１１の端子Ｇと、温度測定器４の熱起電力入力
端子Ｄを接続する。

【００１５】上記の中継用熱電対１０および基準接点用
熱電対１２は素線が均一で、しかも測温用熱電対１と同
一素材で構成された熱電対を用いる（複合熱電対は用い
ない。）。同様に中継コネクタ３ａ、３ｂおよび多点端
子台１１も、測温用熱電対１に対応した同一特性を持つ
熱電対専用部品を用い、純粋な測温用熱電対回路を構築
することによって接続部に生ずる熱起電力を抑える。

【００１６】さらに、多点端子台１１は複数からなる測
温用熱電対に対応するため（実用上、複数の測温点を同
一の測温環境下で、しかも同時に測温することが要求さ
れる。）、それぞれ端子台間が熱的に結合されたものを
用いる。また、機器接続用線１４としては、例えば線路
抵抗が低く不純物を含まない純粋な銅線を用い、しかも
同じ長さの導線を短く配線することによって測温用熱電
対回路に生じた熱起電力の電圧降下を抑える。

【００１７】なお、図１に示された他の構成要素である
熱遮蔽ボックス２０については第３の実施の形態におい
て、また、温度確認用熱電対３０、温度確認接点Ｊおよ
び制御手段である温度表示／アラーム制御ユニット３１
については第４の実施の形態において述べる。以下に本
実施の形態の動作を説明する。

【００１８】まず、熱電対とは「２種類の異なった金属
線の両端を接続し、その接続点を異なる温度に保つと電
圧（発生する電圧を熱起電力という。）が生じる。」原
理を利用したものである。図１に示すシステムの熱電対
回路も、この原理を応用したものであり、測温用熱起電
力回路によって生ずる熱起電力は、測温を行う箇所に挿
入された測温接点Ａの温度と恒温槽１３に挿入されて０
℃に保たれた基準接点Ｈの温度差によって決まり、基準
熱起電力に沿った値が得られる。

【００１９】この様に０℃を基準として得られた熱起電
力は、多点端子台１１、機器接続用線１４を経由して温
度測定器４の熱起電力入力端子に与えられ、その熱起電
力の減衰量は線路抵抗と接触抵抗によって決まる。次
に、この測温システムの基準接点補償は、温度測定器４
に設けられた外部基準接点に対する温度を測定すること
によって行われ、具体的には基準接点Ｈの温度、即ち０
℃を設定すれば周囲温度による影響を受けず、基準熱起
電力に沿った温度変換が可能になる。

【００２０】従って、温度測定器４の熱起電力入力端子
に与えられた熱起電力は、そのまま０℃を基準とする温
度変換が行われた後、その変換結果を温度測定器４に設
けた図示しないＬＥＤディスプレイ等に逐次表示させ
る。このように、０℃を基準とする測温システムを構築
することで、周囲温度の影響を受けずに基準熱起電力に
沿った熱起電力が安定して得られる。

【００２１】また、恒温槽１３としての電子冷却式恒温
槽は操作性、維持管理が簡単で、しかも長期的に安定し
た特性が得られ、測温の繰り返し精度が向上する。 〔第２の実施の形態〕上述の第１の実施の形態では、測
温用熱電対回路で二次的に生ずる熱起電力を抑えるため
に、中継用熱電対１０および基準接点用熱電対１２は素
線が均一で、しかも測温用熱電対と同一素材で構成され
た熱電対を用い（複合熱電対は不可）ていた。

【００２２】本実施の形態では、その第１の実施の形態
の構成において、前記の中継用熱電対１０および基準接
点用熱電対１２に、さらに、例えば１０ｍｍピッチ間隔
でツイスト処理を行い、短く配線することを特徴として
いる。同様に中継コネクタ３ａ、３ｂおよび多点端子台
１１も測温用熱電対１に対応した同一特性を持つ熱電対
専用部品を用い、純粋な熱電対回路を構築する。

【００２３】測温用熱電対回路で二次的に生じる熱起電
力は、測温用熱電対回路の構成要素から測温用熱電対１
に反した異種金属の混入を防ぎ、新たな熱起電力回路が
構成されないようにすれば抑えられるが、電波に属する
外乱要素（例えば、炉体から放出される電磁波等。）の
影響を抑えることができない。この対策としては、中継
用熱電対１０および基準接点用熱電対１２の素線に、例
えば１０ｍｍピッチ間隔でツイスト処理を行い、素線に
進入する外乱要素を打ち消し合う様にすればよい。

【００２４】上述のように構成することで、純粋な測温
用熱電対回路によって熱起電力を得ることができ、しか
も電波に属する外乱要素の影響を抑えられる。 〔第３の実施の形態〕本実施の形態は、第１および第２
の実施の形態の構成において、熱遮蔽ボックスを設ける
とともにキャビネット・ラックを用いたシステム・キャ
ビネットを導入したことを特徴とする。

【００２５】図２はシステム・キャビネットの構成図を
示す。図３は熱遮蔽ボックスの構造図であり、この図３
の（Ａ）はその上面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＫ−Ｋ
断面を示している。外乱要素（炉体からの放射熱および
エアコン等によって生ずる風の影響等）によって生じる
熱起電力の変化を抑えるには、最も影響を受けやすい測
温用熱電対回路の接続点を図２および図３に示すような
熱遮蔽構造にすればよい。

【００２６】具体的には、中継コネクタ３ａ、３ｂを熱
遮蔽ボックス２０の中に格納し（中継コネクタ３ｂは熱
遮蔽ボックス２０に固定する。）、その周囲を断熱材２
１で覆い、熱遮蔽ボックス２０内の温度を一定に保ち、
炉体からの放射熱および風（対流を含む。）を遮断す
る。また、温度測定器４、多点端子台１１および恒温槽
１３を、図２に示すキャビネット・ラック２２に収める
ことにより、システム・キャビネットを構成し、外気と
遮蔽する。

【００２７】但し、完全な密閉構造にすると電子機器本
体の発熱によりキャビネット・ラック内に熱がこもるた
め、直接影響を与えない程度の開口部を設け、自然対流
的にキャビネット・ラック２２内を冷却する。なお、温
度測定器４の温度表示面には、アクリルカバー２３（静
電防止タイプ）を設け、測温結果が直視できる構造にす
る。

【００２８】測温システムにとって外乱要素は最も重要
な課題で、しかもその影響は計りしれないものがある。
ここでは、まず測温用熱電対の接続点を図２および図３
に示す熱遮蔽構造にすることで、外乱要素による影響を
遮断し、二次的に生ずる熱起電力の変化を抑える。

【００２９】また、温度測定器４、多点端子台１１およ
び恒温槽１３の設置条件を同一環境に保つことによっ
て、それぞれの機器が持つ外乱要素に対する測定のばら
つきを抑える。このことにより、外乱要素による影響が
少なくなり、長期的に安定した測温結果を得ることがで
きるようになる。

【００３０】〔第４の実施の形態〕本実施の形態は、第
１、第２および第３の実施の形態の構成において、温度
確認用熱電対３０および制御手段である温度表示／アラ
ーム制御ユニット３１を設けたことを特徴としている。
図１において、３０は温度確認用熱電対であり、温度確
認接点Ｊを有する。該温度確認接点Ｊは、基準接点Ｈと
同様に恒温槽１３に挿入されて０℃に保たれている。そ
の温度確認用熱電対の出力端は温度表示／アラーム制御
ユニット３１の熱起電力入力端子に接続する。

【００３１】この時、基準接点用熱電対１２の基準接点
Ｈと温度確認用熱電対３０の温度確認接点Ｊは熱的に接
合させ、接点温度を均一に保つようにする。温度表示／
アラーム制御ユニット３１からは、測温可／測温不可信
号が出力され、該信号は、温度測定器４の遠隔制御端子
に入力される。この測温システムにとって基準接点Ｈの
温度管理は重要な課題で、著しい管理値（±０．１℃）
外れを起こすと測温結果に影響を与えるので、その基準
接点Ｈの温度（すなわち温度確認接点Ｊの温度）が管理
値内にある場合には測温可とし、管理値外にある場合に
は測温不可とする必要がある。

【００３２】また、測温用熱電対回路によって生じる熱
起電力は緩やかな応答特性を持ち、安定した熱起電力を
得るには５分程度の時間を要するので、不安定な状態に
おいて得られた測温結果は無効にする必要がある。ここ
では、そのために、図１および図２に示す温度表示／ア
ラーム制御ユニット３１から出力される測温可／測温不
可信号を温度測定器４に備えられた遠隔制御端子に接続
することにより、温度測定器４の測定機能を強制的に停
止させるインターロック・システムを構築する。これに
より、例えば、基準接点Ｈの温度が所定の管理値外にあ
る場合等は、測温を停止させることができる。

【００３３】また、温度表示／アラーム制御ユニット３
１上に測温スタートのスイッチを設け、システムの動作
開始後、設定された時間が経過した後、温度測定器４の
測温機能が有効となるように、測温可／測温不可信号を
制御する。これにより、測温用熱電対回路が安定した後
に、測定を開始することができる。なお、基準接点Ｈの
温度管理は、基準温度確認用熱電対回路によって得られ
た熱起電力を温度表示／アラーム制御ユニット３１に与
え、その熱起電力を温度換算した結果と管理値を比較す
る技術を用い、比較した結果が管理値を外れていれば警
告音を発した後、温度測定器４に対して測温不可信号を
出力する。

【００３４】このように、測温結果に常に有効性を持た
せることにより、誰にでも容易に高精度の測温が可能と
なる。なお、上述の第１〜第４の実施の形態は、電気
炉、主に半導体製造工程の酸化・拡散炉、ＣＶＤ炉等の
炉内温度を高精度に測定する技術に係わるものである
が、図１に示すような測温用熱電対を各種炉体に対応さ
せて換えることにより、あらゆる炉体の温度を測定する
ことができる。また、これに限らずその他の各種温度測
定のために用いることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、恒温槽を設
け、基準接点の温度を一定に保つことにより、周囲温度
の影響を受けずに、安定した熱起電力を得ることができ
るようになり、常に高精度の測温が可能となる効果を有
し、測温の繰り返し精度が向上する効果を有する。

【００３６】さらに、恒温槽内すなわち基準接点の温度
を０℃に保つことにより、特別の補正をすることなく、
基準熱起電力に沿った熱起電力を安定して得ることでき
るようになる効果を有する。また、中継用熱電対および
基準接点用熱電対にツイスト処理を施すことにより、電
波に属する外乱要因の影響を抑えることが可能となる効
果を有する。

【００３７】また、回路の接続点や各構成要素を外乱要
素から保護する構造をとることにより、その外乱要素に
よる影響を減少させ、長期的に安定した測温性能を実現
する効果を有する。さらに、温度確認用熱電対および制
御手段を設けたことにより、常に最適な状態における測
温結果を得ることができ、誰にでも容易に高精度の測温
が可能となる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の測温システムの構成図

【図２】システム・キャビネットの構成図

【図３】熱遮蔽ボックスの構造図

【図４】従来の測温システムの構成図

【符号の説明】

１ 測温用熱電対 ４ 温度測定器 １２ 基準接点用熱電対 １３ 恒温槽 ２０ 熱遮蔽ボックス ２１ 断熱材 ２２ キャビネット・ラック ３０ 温度確認用熱電対 ３１ 温度表示／アラーム制御ユニット（制御手段） Ａ 測温接点 Ｊ 温度確認接点 Ｈ 基準接点

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測温接点と基準接点との温度差により生
   じる熱起電力を、温度測定器によって検出し、温度測定
   を行う回路を有する測温システムにおいて、 基準接点と熱的に接合して該基準接点の温度を一定に保
   つ恒温槽を設け、 その温度を基準として得られた熱起電力に基づき、温度
   測定を行うことを特徴とする測温システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、基準接点の温度を０
   ℃としたことを特徴とする測温システム。
3. 【請求項３】 請求項１および請求項２において、回路
   を構成する導線にツイスト処理を施したことを特徴とす
   る測温システム。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２および請求項３にお
   いて、測温システムを構成する回路の接続点を、断熱材
   に被覆された熱遮蔽ボックス内に格納し、 温度測定器および恒温槽を、外気の影響を遮断するキャ
   ビネット・ラック内に格納したことを特徴とする測温シ
   ステム。
5. 【請求項５】 請求項１、請求項２、請求項３および請
   求項４において、温度確認接点を有する温度確認用熱電
   対を設け、 その温度確認接点を恒温槽内に配置して基準接点と熱的
   に接合させ、 前記温度確認用熱電対からの熱起電力を入力して温度に
   換算し、該温度の値が所定の管理値の範囲内にある場合
   には測温可とし、そうでない場合には測温不可とすする
   ように温度測定器を制御する制御手段を設けたことを特
   徴とする測温システム。
6. 【請求項６】 請求項５において、制御手段が、動作開
   始後所定の時間を経過した後に、温度測定器を測温可と
   するように制御することを特徴とする測温システム。