JP7181655B1 - 温度センサ及び温度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測温部の位置を正確に把握することができ、測温部の位置のばらつきによる計測温度への影響を抑えることができる温度センサを提供する。【解決手段】温度センサ１は、ケーブル３の先端に測温部４を有する温度測定体２と、有蓋筒状をなし測温部４を取り囲んで測温部４を保持する蓋体５と、筒状をなしケーブル３を取り囲むとともに蓋体５を保持する基体６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサ及び温度センサの製造方法に関する。

従来、様々な分野において、ゼーベック効果を利用した熱電対や温度変化に対する抵抗値の変化を利用した抵抗体素子を用いた温度センサが使用されている。例えば半導体デバイスの製造に関する分野においては、シリコンウエハを所定温度に加熱、冷却するための装置（例えば高温チャンバなど）が用いられていて、このような装置は一般に、ウエハの表面や裏面に接する部位に、加熱用の加熱板や冷却用の冷却板を備えている。そして温度センサは、加熱板や冷却板に取り付けられてこれらの温度制御に使用される（例えば特許文献１参照）。

加熱板や冷却板に温度センサを取り付けるにあたっては、特許文献１に示されているように、加熱板等の下面に設けた穴に温度センサを挿入する構成を採用することが一般的である。これは、加熱板等におけるウエハ等に接する部位に温度センサの測温部（一般に温度センサの先端に位置する）を近づけることでこの部位の温度を可能な限り正確に計測し、これによりウエハ等をできるだけ正確な温度で加熱、冷却するためである。

なお、加熱板等と温度センサとの接触面積が少ない場合は、加熱板の熱が温度センサに十分に伝わらず、それ故、加熱板の温度を温度センサで正確に計測することが難しくなる。このため、加熱板等に設ける穴はできる限り深くし、また温度センサも穴に対して十分に挿入することが肝要である。

特開平６－２６０６８７号公報

ここで従来の温度センサの一例について、図３を参照しながら詳細に説明する。図３（ａ）に示した温度センサ５１は、加熱板５２に取り付けられる。加熱板５２の下面には、上方に向けて穿孔された穴５３が設けられていて、温度センサ５１は穴５３に挿入して加熱板５２に取り付けられる。

温度センサ５１は、図３（ｂ）に示すように、温度測定体５４と有底筒状の金属シース５５を備えている。温度測定体５４は、ケーブル５６の先端に、温度を計測する測温部５７を備えている。なお図示したケーブル５６は、金属のような導電性を有する複数の素線５６ａを、絶縁性を有する被覆材５６ｂで覆ったものである。また図示した測温部５７は、白金測温抵抗体等の抵抗体素子である。金属シース５５の根元外周面には、加熱板５２に対して温度センサ５１を固定するための雄ねじ部５８が設けられている。このような温度測定体５４と金属シース５５は、金属シース５５の根元の開口から温度測定体５４を挿入し、温度測定体５４と金属シース５５との間に充填材５９、６０を充填して温度測定体５４と金属シース５５とを充填材５９、６０で固着させる、という手順で製造される。なお図示した充填材５９はシリコーン樹脂であり、充填材６０はエポキシ樹脂である。

ところで従来の温度センサ５１で使用される金属シース５５は、加熱板等に設けた深い穴に対して十分に接触できるようにするため、図示したように直径に対して長さが十分に長くなる形状で形作られる。すなわち、温度測定体５４と金属シース５５を組み立てるにあたっては、金属シース５５に対して温度測定体５４を深く挿入する必要がある。しかし、挿入した測温部５７の位置を目視で確認することができないため、金属シース５５に対する測温部５７の位置を正確に把握するにはＸ線による透視等を利用しなければならなかった。また温度測定体５４を挿入する際の指の感覚に頼って組み立てることも行われているが、ケーブル５６は屈曲するため、金属シース５５の端部まで測温部５７が届いているか指の感覚では分かりにくく、また金属シース５５の端部まで測温部５７が届いていてもケーブル５６が屈曲して測温部５７が傾いた状態になることもあるため、金属シース５５に対する測温部５７の位置がばらつく可能性があった。従って、加熱板５２の穴５３に温度センサ５１を十分に挿入したとしても、測温部５７は、本来、加熱板５２に対して位置させるべきところに位置しない可能性があった。

なお、図示した加熱板５２のように厚みが厚く、穴５３の深さが十分に深い場合は、加熱板５２と金属シース５５との接触面積が多いために測温部５７の位置が多少ばらついても、計測される温度への影響は少なくて済む。しかし近年は、装置の小型化が求められていて、それに合せて加熱板を薄くするとともに温度センサの全長を短くすることが要求されている。すなわち、加熱板に合せて温度センサの全長を短くすると、加熱板と金属シースとの接触面積が少なくなるため、測温部の位置のばらつきによる計測温度への影響が大きくなっていた。

このような問題点に鑑み、本発明の温度センサは、Ｘ線等の大掛かりな設備を利用せずとも測温部の位置を正確に把握することができ、これにより測温部の位置のばらつきによる計測温度への影響を抑えることを課題とする。

本発明は、ケーブルの先端に測温部を有する温度測定体と、有蓋筒状をなし前記測温部を取り囲んで当該測温部との間に充填される充填材により該測温部を固定する蓋体と、筒状をなし前記ケーブルを取り囲むとともに前記蓋体を保持する基体と、前記基体とは別異の部材であって前記蓋体を保持する側とは逆側において前記基体に保持され、前記ケーブルを保持するホルダーと、を備える温度センサであって、前記測温部が固定された前記蓋体と前記基体とが固定され、前記蓋体の前記測温部を取り囲む部位における前記基体の中心軸線に沿う長さは、前記測温部における該中心軸線に沿う長さの０．３倍以上３倍以下である温度センサである。

このような温度センサにおいて、前記基体は、前記蓋体よりも熱伝導率の低い素材で形成されていることが好ましい。
またこの温度センサにおいて、前記基体と前記ケーブルは、前記蓋体から前記ホルダーに至る間で離隔していることが好ましい。
また本発明は、ケーブルの先端に測温部を有する温度測定体と、有蓋筒状をなし前記測温部を取り囲んで当該測温部との間に充填される充填材により該測温部を固定する蓋体と、筒状をなし前記ケーブルを取り囲むとともに前記蓋体を保持する基体と、前記基体とは別異の部材であって前記蓋体を保持する側とは逆側において前記基体に保持され、前記ケーブルを保持するホルダーと、を備える温度センサの製造方法であって、前記測温部を前記蓋体に挿入し、次いで、前記充填材により前記測温部を前記蓋体に固定し、しかる後、前記ケーブルを前記基体に挿通させつつ該基体に前記蓋体を固定し、その後、前記ケーブルを前記ホルダーで保持させつつ該ホルダーを前記基体に固定する、温度センサの製造方法でもある。

本発明における温度センサでは、測温部を取り囲んでこれを保持する蓋体とケーブルを取り囲む基体とが別異の部材であり、測温部を蓋体に保持する際に目視で測温部の位置を確認することができるため、Ｘ線等の大掛かりな設備を利用せずとも蓋体に対して測温部を正確な位置で取り付けることができる。すなわち本発明の温度センサによれば、測温部の位置のばらつきが抑えられて計測温度への影響を抑えることができる。

本発明に係る温度センサの一実施形態に関し、（ａ）は加熱板に取り付けた状態を示した図であり、（ｂ）は側面視での断面図である。 図１に示す温度センサを組み立てる手順に関する説明図である。 従来の温度センサに関し、（ａ）は加熱板に取り付けた状態を示した図であり、（ｂ）は側面視での断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら本発明に係る温度センサの一実施形態について説明する。

図１（ａ）に示すように本実施形態の温度センサ１は、加熱板２０に取り付けられる。加熱板２０は、図示は省略するが平面視で正方形状になるものであり、加熱板２０の下面における中央部には、上方に向けて穿孔された穴２１が設けられている。温度センサ１は、この穴２１に挿入されて加熱板２０に取り付けられる。

温度センサ１は、図１（ｂ）に示すように温度測定体２を備えている。温度測定体２は、不図示の計測器に接続されるケーブル３と、ケーブル３の先端に設けられる測温部４を備えている。図示したケーブル３は、金属のような導電性を有する複数の素線３ａを、絶縁性を有する被覆材３ｂで覆ったものであり、測温部４は素線３ａの先端に設けられる。また図示した測温部４は、白金測温抵抗体等の抵抗体素子である。なお測温部４は、温度を精度よく計測できる点で白金測温抵抗体が好ましいが、リニア抵抗器やサーミスタを使用してもよい。

また温度センサ１は、蓋体５と、基体６と、ホルダー７を備えている。

蓋体５は、全体的に有蓋筒状に形作られていて、平板状になる端壁５ａと、筒状をなして端壁５ａの外縁部に一体に連結する蓋体周壁５ｂを備えている。本実施形態の蓋体周壁５ｂの長さ（図示した中心軸線Ｏに沿う長さ）は、測温部４の長さと同程度である。なお蓋体周壁５ｂの長さは、後述するように温度センサ１を組み立てる際に測温部４が視認でき、且つ蓋体５に測温部４が固定できる状態にすることが好ましい。具体的には、測温部４の長さをＬ１とする場合、蓋体周壁５ｂの長さＬ２は、０．３×Ｌ１≦Ｌ２≦３×Ｌ１が好ましく、０．５×Ｌ１≦Ｌ２≦２×Ｌ１がより好ましく、０．８×Ｌ１≦Ｌ２≦１．２×Ｌ１が更に好ましい。

基体６は、全体的に筒状に形作られていて、外径が蓋体周壁５ｂと略同径になる筒状の基体周壁６ａと、基体周壁６ａの外周面に設けられた雄ねじ部６ｂと、雄ねじ部６ｂに隣接して設けられ、基体周壁６ａから径方向外側に向けて突出するフランジ６ｃとを備えている。本実施形態の基体周壁６ａの長さは、図視したように素線３ａの長さよりも長くなっていて、ケーブル３は、素線３ａの全体と被覆材３ｂの一部が基体周壁６ａで取り囲まれる。また基体周壁６ａの内径は、素線３ａや被覆材３ｂの外径よりも大きくなっていて、素線３ａや被覆材３ｂに対して基体周壁６ａは離隔している。

基体６は、蓋体５よりも熱伝導率の低い素材で形成することが好ましい。例えば蓋体５の素材として銅やアルミニウムを採用する場合は、基体６の素材としては、合成樹脂やステンレスを選択することが好ましい。本実施形態においては、蓋体５として銅を採用し、基体６としてＰＥＥＫ樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）を採用している。

ホルダー７は、基体６の根元側において基体周壁６ａに挿入されてこれに保持される。ホルダー７の中央部には、被覆材３ｂを挿通させる貫通孔７ａが設けられている。ホルダー７は、基体６と同種の素材で形成してもよいし異種の素材で形成してもよいが、蓋体５よりも熱伝導率の低い素材で形成することが好ましい。なおホルダー７は、本明細書等における「保持部」に相当する。

更に温度センサ１は、測温部４を蓋体５に固着させるための充填材８を備えている。本実施形態の充填材８はシリコーン樹脂である。

このような温度センサ１は、図２に示した手順で組み立てることができる。まず図２（ａ）に示すように、蓋体５の内側に測温部４を挿入する。そして、測温部４の先端が端壁５ａに接触する程度まで測温部４を挿入した状態で、図２（ｂ）に示すように蓋体周壁５ｂと測温部４の間に充填材８を充填して充填材８を固化させる。これにより、蓋体５に対して測温部４を固定することができる。なお、本実施形態における蓋体周壁５ｂの長さは、測温部４の長さと同程度であり、それ故、蓋体５の内側に測温部４を挿入した際に測温部４は外側から視認できるため、測温部４が蓋体５に対して所定の位置で固定されているか容易に確認することができる。また図３に示した従来の温度センサ５１においては、充填材５９で固着させる際、ケーブル５６における素線５６ａや被覆材５６ｂの先端部分を指等で保持できなかったが、温度センサ１においては、ケーブル３の素線３ａや被覆材３ｂの先端部分を指等で保持できるため、測温部４の姿勢を安定させた状態で測温部４を蓋体５に固定することができる。

次いで図２（ｂ）に示すように、ケーブル３を根元側から基体６に挿通する。そして蓋体周壁５ｂと基体周壁６ａを突き合わせた状態で、例えば接着剤や溶着等により両者を固定する。

しかる後は、図２（ｃ）に示すように、ホルダー７の貫通孔７ａにケーブル３を挿通させ、ホルダー７を基体周壁６ａに挿入して両者を固定する。なおホルダー７を基体６に固定するにあたっては、両者を嵌合させてもよいし、接着剤や溶着等を利用してもよい。

このようにして組み立てられた温度センサ１は、上述したように蓋体５に対する測温部４の位置が視覚によって確認でき、それ故、測温部４を蓋体５に正確な位置で取り付けることができるため、測温部４の位置のばらつきによる計測温度への影響を抑えることができる。

ところで図３に示した従来の温度センサ５１における金属シース５５は、測温部５７が設けられている先端から根元までの全ての部位が熱伝導率の高い素材で形成されている。すなわち、温度センサ５１を加熱板５２に取り付けた際、金属シース５５の根元は加熱板５２から露出しているため、加熱板５２の熱が金属シース５５の根元から逃げることになる。図視した温度センサ５１のように金属シース５５の長さが十分に長い場合は、金属シース５５と加熱板５２との接触面積が多いため、金属シース５５の根元から逃げる熱の影響は金属シース５５の先端には及びにくいものの、金属シース５５の長さが短くなると、逃げる熱の影響が金属シース５５の先端にも及んで測温部５７で計測される温度に影響するおそれがある。

一方、本実施形態の基体６は、蓋体５よりも熱伝導率の低い素材で形成されていて、基体６において熱は伝わり難いため、基体６の根元から逃げる熱の影響が蓋体５には及びにくくなる。従って測温部４で計測される温度がより正確になる。

また図３に示した従来の温度センサ５１においては、金属シース５５の先端から根元までが充填材５９、６０で満たされている。すなわち、充填材５９、６０の熱伝導率は比較的低いものの、加熱板５２の熱は充填材５９、６０にも伝わって外部に逃げる可能性があるため、測温部５７で計測される温度に影響するおそれがある。

これに対して本実施形態の温度センサ１は、充填材８で満たされているのは蓋体５の内側のみであって、基体周壁６ａとケーブル３は、蓋体５からホルダー７に至る間で離隔している。すなわち、基体周壁６ａとケーブル３の間に存在する空気は、充填材８として使用されるシリコーン樹脂等よりも熱伝導率が非常に小さいため、測温部４で計測される温度の正確性が更に高まる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、上記の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。また、上記の実施形態における効果は、本発明から生じる効果を例示したに過ぎず、本発明による効果が上記の効果に限定されることを意味するものではない。

例えばホルダー７は、本実施形態では基体６とは別異の部材であったが、基体６に対して一体的に設けてもよい。また蓋体５に対し、測温部４を取り付ける際の位置決めを設けてもよい。位置決めは、例えば測温部４の周囲を取り囲む筒状壁や周方向に間隔をあけて測温部４の周囲を取り囲む複数のリブにより具現化される。

１：温度センサ
２：温度測定体
３：ケーブル
３ａ：素線
３ｂ：被覆材
４：測温部
５：蓋体
５ａ：端壁
５ｂ：蓋体周壁
６：基体
６ａ：基体周壁
６ｂ：雄ねじ部
６ｃ：フランジ
７：ホルダー（保持部）
７ａ：貫通孔
８：充填材
２０：加熱板
２１：穴
Ｏ：中心軸線

Claims (4)

1. ケーブルの先端に測温部を有する温度測定体と、
   有蓋筒状をなし前記測温部を取り囲んで当該測温部との間に充填される充填材により該測温部を固定する蓋体と、
   筒状をなし前記ケーブルを取り囲むとともに前記蓋体を保持する基体と、
   前記基体とは別異の部材であって前記蓋体を保持する側とは逆側において前記基体に保持され、前記ケーブルを保持するホルダーと、を備える温度センサであって、
   前記測温部が固定された前記蓋体と前記基体とが固定され、当該蓋体が固定された当該基体に前記ホルダーが固定され、
   前記蓋体の前記測温部を取り囲む部位における前記基体の中心軸線に沿う長さは、前記測温部における該中心軸線に沿う長さの０．３倍以上３倍以下である温度センサ。
2. 前記基体は、前記蓋体よりも熱伝導率の低い素材で形成されている請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記基体と前記ケーブルは、前記蓋体から前記ホルダーに至る間で離隔している請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. ケーブルの先端に測温部を有する温度測定体と、
   有蓋筒状をなし前記測温部を取り囲んで当該測温部との間に充填される充填材により該測温部を固定する蓋体と、
   筒状をなし前記ケーブルを取り囲むとともに前記蓋体を保持する基体と、
   前記基体とは別異の部材であって前記蓋体を保持する側とは逆側において前記基体に保持され、前記ケーブルを保持するホルダーと、を備える温度センサの製造方法であって、
   前記測温部を前記蓋体に挿入し、
   次いで、前記充填材により前記測温部を前記蓋体に固定し、
   しかる後、前記ケーブルを前記基体に挿通させつつ該基体に前記蓋体を固定し、
   その後、前記ケーブルを前記ホルダーで保持させつつ該ホルダーを前記基体に固定する、温度センサの製造方法。

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