JP5189419B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は微小な温度変化の測定に優れ、例えば薬品や食品、めっき、半導体デバイス等のプロセスの温度制御などに好適に利用可能な温度センサに関する。

従来から微妙な温度制御を必要とする様々なプロセスにおいて白金（Ｐｔ）測温抵抗素子を利用した温度センサが広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。かかる特許文献１に記載の温度センサは、アルミナ等のセラミック基板と、このセラミック基板の表面に形成された白金（Ｐｔ）などの金属箔抵抗体とから構成され、この測温素子がフレキシブルプリント配線板とハーメチック部品で連結され、これらが保護管内に密封収容されている。

なお、保護管は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等の耐食性金属であるステンレス鋼で形成され、基端部が開放するとともに先端側が閉塞する細長い小径パイプと、この小径パイプの基端部に接合された大径パイプとから構成されている。そして、測温素子は先端側の金属製の小径パイプ内に密封収容されている。

測温素子はセラミック基板上に線幅が約１０μｍ程度の白金の箔をパターニングして形成されているので、その抵抗値が１０００Ωと上述した従来の測温素子よりもかなり大きくなっている。この新たな測温素子を用いることで、金属箔抵抗体に流す電流は０．１ｍＡ程度で良くなるので、測温素子の電力Ｗ2＝1000（Ω）×0.0001（Ａ）×0.0001（Ａ）＝0.00001（Ｗ）＝0.01（ｍＷ）となり、従来の測温素子の自己発熱の１／１０となる。そのため、微妙な温度制御を必要とするプロセスにおいて、例えば０．００１°Ｃ程度の精度で厳密な温度測定を必要とする場合に測温素子の自己発熱による影響を最小限に抑えることができ、このような技術分野にこの新たな温度センサを好適に利用できる。

図４は、係る温度センサ５を被取付け対象物である金属製の側壁８１に取り付けた状態で示す温度センサ長手方向中心軸線に沿った断面図である。図４から明らかなように、同図で模式的に示す測温素子５１は、ポッティング材５５を介して金属製の保護管５２の内部に収容されている。また、測温素子５１には信号線５３の一方の端部が接続され、この信号線５３の保護管５２から導出した部分はシールド線５４で覆われている。なお、信号線５３は実際には、２〜４本の信号線から構成されている。金属製の保護管５２の基端側外周部には雄ネジ５２ａが形成され、この雄ネジ５２ａを介して金属製の側壁８１の取り付け穴の雌ネジ８１ａに保護管５２がねじ込まれている。そして、これによって保護管５２の先端側を側壁８１から図中左側、即ち温度を測定すべき媒体の存在する側に突出させている。

一方、保護管５２の基端側開口部５２ｂの周囲には段部５２ｃが形成され、段部５２ｃはＯ−リング６１をはさんで側壁８１の一方の壁面に接している。なお、雄ネジ５２ａがテーパーネジの場合、Ｏ−リング６１を備える必要はなく、側壁８１に段部５２ｃが接することもない。また、保護管５２の基端側には温度センサ５のハウジング８２が結合されている。そして、金属の保護管５２が金属製の側壁８１に導通接続され、この側壁８１がアースされていることと、保護管５２から外部に導出した信号線５３の周囲を覆うシールド線５４がアースされていることで、測温素子５１の信号線５３において出力信号に温度センサ周囲の電界の変化によって生じるノイズが重畳しないようになっている。

なお、通常は側壁８１とシールド線５４はそれぞれアースの電位が異なるため接続していない。これは、それぞれのアース電位が異なるとシールド線５４を通って大電流が流れるため、信号線５３のノイズとなり、計測誤差を発生するためである。
特開２００２−２８６５５５号公報

近年、上述のような高精度の温度センサを薬品や食品、めっき、半導体デバイスなどの製造ラインに設置することが行われている。しかし、このような製造プロセスにおいては、温度センサの耐腐食性が要求されるため、上述した従来の金属管で覆ったタイプの温度センサを用いることができない場合がある。

そのため、この金属保護管の周囲を耐腐食性に優れたテフロン（登録商標）等でできた外装材で覆った温度センサが用いられるようになっている。このような温度センサは、テフロン（登録商標）等の絶縁材からなる外装材及び金属ケースを介して温度センサ外部の被測定体の温度を検出するので、検出の応答性では若干劣るが、元々が高精度の測温素子を用いているので、十分に精度の高い温度測定を行うことができる。

しかしながら、温度センサの被取付け対象物となるアースをとった側壁と金属製の保護管との間に絶縁部材からなる外装材が介在しているので、内部の金属保護管が側壁にアースされていない構造となり、例えば温度センサ近傍の電導線や電波による温度センサ周囲の電界の変化が金属保護管に等価的に伝わり、金属保護管内周から１ｍｍ以下しか離れていない測温素子やこの信号線に電界の変化の影響を与える。その結果、温度センサの出力信号にノイズが重畳し、温度を高精度に測定することが困難な場合が生じていた。

本発明の目的は、周囲の電界の変化の影響を受けずに腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を測定できる高精度の温度センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる温度センサは、
腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を測定する温度センサであって、
測温素子と、
前記測温素子を保護する金属製の保護管と、
前記測温素子に一方の端部が接続された信号線と、
前記信号線の周囲をシールドするシールド線と、
前記保護管を覆う絶縁性の保護材からなる外装部材と、を有し、
前記外装部材は前記被測定対象物である腐食性流体や腐食性雰囲気によって腐食されない材質でできており、
前記シールド線と前記保護管とは導線により導通しており、かつ前記導線は前記温度センサの長手方向において前記測温素子よりも前記シールド線側に配置され、
前記測温素子は、プリント配線板と、前記プリント配線板に接着されかつ少なくとも一方の面に当該プリント配線板の配線パターンと導通する温度測定用の金属膜が形成された基板からなることを特徴としている。

本発明に係る温度センサがこのような構成を有することで、温度センサ周囲の電界の変化に伴うノイズが測温素子の出力信号に重畳するのを防止する。その結果、腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を常に正確に測定することができるようになる。

また、測温素子が、特にプリント配線板と、プリント配線板に接着されかつ少なくとも一方の面にプリント配線板の配線パターンと導通する温度測定用の金属膜が形成された基板からなる構造を有していると温度検出精度が高くなるため、温度センサ周囲の電界の変化の影響により出力信号にノイズが重畳しやすくなるが、本発明のように保護管とシールド線を介して保護管のアースを取ることでこのようなノイズの重畳を少なくすることでき、腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を常に正確に検出することができるようになる。

また、本発明の請求項２に係る温度センサは、請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記シールド線を、前記導線を介す代わりに金属テープにて前記保護管に接続したことを特徴としている。

シールド線は通常編線でできている。その編線を広げて保護管に被せた上に接着部も導電性のある金属箔テープで巻き付けて導通を確保する方法は簡便で作業性が良い。

本発明によると、周囲の電界の変化の影響を受けずに腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を測定できる高精度の温度センサを提供することができるようになる。

以下、本発明の一実施形態に係る温度センサについて図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態に係る温度センサ１は、図１に示すように、模式的に示す測温素子１００と、測温素子１００を保護する金属製の保護管１２と、測温素子１００に一方の端部が接続された信号線１３と、信号線１３の周囲をシールドするシールド線１４と、保護管１２を覆う絶縁性の保護材からなる外装部材１５を有し、シールド線１４と保護管１２とが導線１６を介して導通している。以下、これらの各構成要素について詳細に説明する。

なお、以下の説明においては、温度センサ１の長手方向に関して測温素子１００が収容された側を先端側とし、測温素子１００から導出される信号線１３及びこの信号線１３を覆うシールド線１４が延在する側を基端側とする。

図１で概略的に示した測温素子１００は、図２に示すように上面に白金（Ｐｔ）の箔からなる抵抗体１０１が形成された細長のセラミック基板１１０からなり、測温素子１００のセラミック基板１１０の下面にはこの測温素子１００よりも長さの長いプリント配線板１２０が接着材を介して接合されている。測温素子１００の抵抗体は例えば厚さ３μｍ程度の白金箔で線幅が約１０μｍ程度にパターニングして形成されており、その抵抗値は１０００Ωとなっている。そして、本実施形態に係る測温素子は、０．００１℃〜０．０１℃を測定する高精度の温度センサとなっている。

この新たな測温素子を用いることで、金属箔抵抗体に流す電流は０．１ｍＡ程度で良くなるので、測温素子の電力Ｗ2＝1000（Ω）×0.0001（Ａ）×0.0001（Ａ）＝0.00001（Ｗ）＝0.01（ｍＷ）となり、従来のＪＩＳで規定された１００Ωの測温素子の自己発熱の１／１０となる。そのため、微妙な温度制御を必要とするプロセスにおいて、例えば０．００１°Ｃ程度の精度で厳密な温度測定を必要とする場合に測温素子の自己発熱による影響を最小限に抑えることができるようになっている。

プリント配線板１２０には本実施形態の場合、厚さが０．２ｍｍ以下と極めて薄く十分な可撓性を有するフレキシブルプリント配線板が用いられている。そして、ここでは詳細には図示しないが、プリント配線板の下層に延在した２本の導体部が先端でスルーホールを介して上層の検出素子先端側接続電極とそれぞれ電気的に接続されている。この導体部はその長手方向の基端側において所定間隔だけ隔てながらスルーホールを介して下層と上層が接続された状態でケーブル接続側電極を形成している。

また、プリント配線板１２０の上層には検出素子先端側接続電極と測温素子の長さに対応して離間した検出素子基端側接続電極が形成され、この検出素子基端側接続電極から互いにほぼ平行に導体部がプリント配線板１２０の基端側端部に向かって延在し、プリント配線板の基端側端部において互いに間隔を隔てながらスルーホールを介して下層と上層が接続された状態でケーブル接続側電極を形成している。なお、これらの構成については、例えば、特開２００７−９３３７９号公報に詳細に説明されている。

測温素子１００は、上述したように上面に白金（Ｐｔ）の箔からなる抵抗体が形成された例えば幅０．８ｍｍ、長さ８ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ程度の細長のアルミナでできたセラミック基板からなり、その製造工程は以下の通りとなっている。

最初に、セラミック基板に白金の箔を接着し、箔の表面処理を行い、抵抗用レジストを塗布し、抵抗用レジストパターンを作成し、抵抗パターン作成（エッチング）し、抵抗用レジストを剥離する。そして、電極用レジストを塗布し、電極用レジストパターンを作成し、電極（金）メッキを行い、電極用レジストを剥離する。そして、パターン保護用レジストを塗布し、パターン保護用レジストエッチングを行って電極部分だけ露出させる。

金属製の保護管１２は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などの耐食性に優れた金属でできており、円筒状をなし、先端側端部が閉塞し基端側端部が開放した形状を有している。なお、金属製の保護管１２と測温素子との間は１ｍｍ以下の距離となっている。

測温素子１００の一部をなすプリント配線板１２０のケーブル接続側端部には信号線１３の一方の端部が接続され、保護管１２の基端側端部の開口部から信号線１３が導出している。

保護管内の測温素子１００とこれに接続された信号線１３の一端側は保護管内に樹脂でできたポッティング材１９を充填することでこのポッティング材１９で囲繞され、周囲環境から保護されている。

シールド線１４は信号線１３の周囲を覆うとともにシールド線１４の基端側端部がアースされ、温度センサ外部の電界の変化の影響により信号線１３にノイズが重畳しないようになっている。

信号線１３は、より具体的には図３に示すように複数の信号線からなり、シールド線１４がこの周囲を覆い、シールド線１４の外表面は絶縁体被覆部２１で覆われている。

保護管１２の基端側の一部には導線１６の一端が接続され、この導線１６の他端はシールド線１４の先端側近傍と接続されて保護管１２とシールド線１４とを電気的に導通している。導線１６の一端は、保護管１２の周囲に巻かれた銅箔のテープ１７によって保護管１２にしっかりと密着している。ここで、銅箔のテープ１７は、その接着層に金属のフィラーを含んだ導電テープを用いるとなお良い。なお、保護管１２に導線１６をはんだ等でろう付けや導電性接着剤で保護管１２に固定しても良い。

外装部材１５は、テフロン（登録商標）等の耐食性に優れた絶縁材からなり、保護管１２の周囲を覆うのに十分な内径を有し、先端部が閉塞しかつ基端部が開口した形状を有している。そして、基端側開口部の周囲には温度センサ取付け用段部１５ｂが形成されると共に、この温度センサ取付け用段部１５ｂに隣接して温度センサ取付け用雄ネジ部１５ａが形成されている。そして、外装部材１５の基端側は、図１中二点鎖線で示す温度センサ１のハウジング９２の先端側に結合している。

そして、外装部材１５は、本実施形態の場合、その雄ネジ部１５ａを被取付け対象物をなす側壁９１に形成された雌ネジ部９１ａに螺合させると共に温度センサ取付け用段部１５ｂを側壁９１との間にＯ−リング７１を挟みこみ、両者をシールしている。即ち、ここではＯ−リング７１によってシールした状態で外装部材１５の先端側を側壁９１の内側（図１中左側）に突出させている。これによって、側壁の内側に溜まった腐食性の流体の温度や側壁９１の内部に充満した腐食性の気体の温度を正確に測定できるようになっている。なお、外装部材１５と金属製の保護管１２との間には基端側が導線１６が完全に埋まるまでポッティング材１８が充填されている。

本実施形態に係る温度センサ１がこのような構成を有することで、温度センサ周囲の電界の変化に伴うノイズが測温素子１００の出力信号に重畳するのを防止する。これによって、温度センサ１が常に正確な温度を検出することができるようになる。

具体的には、保護管１２とシールド線１４とを導線で電気的に接続していないと、保護管１２が温度センサ内において電気的に遊離するため、温度センサ周囲の電導線や電波による電界の変化が保護管１２に一義的に伝わり、この保護管１２の内周面から１ｍｍ以下しか離れていない保護管部の測温素子１００や信号線１３の出力信号にノイズが重畳してしまう。

しかしながら、本実施形態に係る温度センサ１の場合、保護管１２とシールド線１４とを導線１６を介して電気的に導通しているので、このような不具合が発生するのを防止することができる。

特に、本実施形態の場合、測温素子が、図２に示すようにプリント配線板１２０と、プリント配線板１２０に接着されかつ少なくとも一方の面にプリント配線板１２０の配線パターンと導通する温度測定用の白金の金属膜からなる抵抗体１０１が形成されたセラミック基板１１０からなる構造を有している。

温度センサ１の測温素子１００がこのような構造を有することで、０．００１℃〜０．０１℃を測定する高精度の温度センサとなっている。そして、測定温度が１℃変わると、抵抗値が４Ω変化するようになっている。即ち、０．００１℃の温度変化に対して０．００４Ω変化する。

また、電流値は０．１ｍＡであるため、０．００１℃の温度変化に対して０．４μＶしか信号出力値が変化しない。そのため、上述したような周囲の電界の変化によるノイズが出力信号に割合的に大きな割合で重畳し易くなるが、本発明によるとこのようなノイズの重畳を効果的に防止することできる。

即ち、素子を薄膜によって構成しているため、小型化が図れ、電界等のノイズの影響を受け難くなり、かつリード線のみの配置の場合に比べてプリント配線板にて保護管１２の中心部に片寄ることなく配置できる。なお、より好ましくは、本発明においてシールド線１４と保護管１２とを図１に示す導線１６を介して接続する代わりにシールド線１４の先端の編組みを解いてある程度広げ、この先端を保護管開口部に被せるのが良い。これによって、保護管１２の開口部全体をシールドでき、ノイズに強くなり、ノイズの影響を小さくできる。

この場合、図２に示すようにシールド線１４の保護管１２の開口部を覆う部分を銅箔のテープ１７によって保護管１２にしっかりと密着させるのが良い。この際、ここで、銅箔のテープ１７は、その接着層に金属のフィラーを含んだ導電テープを用いるとなお良い。なお、シールド線１４を保護管１２に密着するように絶縁テープで固定しても良い。更に、シールド線１４をはんだ等でろう付けや導電性接着剤でシールド線１４を固定しても良い。

なお、測温素子を構成する基板は本実施形態及びその変形例においてセラミック基板を使用したが、この場合のセラミック基板はアルミナやジルコニア等何れの材料でできていても良い。また、セラミック基板の代わりに同じく絶縁性を有するガラス基板などの無機材料でできた基板を用いても良い。

また、上述の実施形態及びその変形例に関する温度センサの測温素子にはセラミック基板上面に白金（Ｐｔ）の箔をパターニングしたが、必ずしもこれに限定されず公知のエッチング技術によって白金の薄膜を測温素子の上面にパターニングしても良い。また、白金の代わりにニッケル（Ｎｉ）の箔や薄膜をセラミック基板の上面にパターンニングしても良い。

また、金属保護管を覆う絶縁性の保護材からなる外装部材は、上述の実施形態ではテフロン（登録商標）でできていたが、必ずしもこのような材質に限定されるものではなく、耐腐食性に優れた絶縁材であればいかなる材質でも適用可能であることは言うまでもない。

また、内部の金属保護管の材料も、ステンレスに限定されることなく、銅や黄銅、アルミ等の金属で良い。

本発明の一実施形態に係る温度センサを被取付け対象物である側壁に取り付けた状態で長手方向中心軸線に沿って切断した側方断面図である。 本発明の一実施形態に係る温度センサの測温素子及びプリント配線板の構造を示す説明図である。 信号線とシールド線、及びシールド線を覆う絶縁被覆部を示す斜視図である。 従来の温度センサを被取付け対象物である側壁に取り付けた状態で長手方向中心軸線に沿って切断した側方断面図である。

符号の説明

１，５ 温度センサ
１２ 保護管
１３ 信号線
１４ シールド線
１５ 外装部材
１５ａ 温度センサ取付け用雄ネジ部
１５ｂ 温度センサ取付け用段部
１６ 導線
１７ テープ
１８ ポッティング材
１９ ポッティング材
２１ 絶縁体被覆部
５１ 測温素子
５２ 保護管
５２ａ 雄ネジ
５２ｂ 基端側開口部
５２ｃ 段部
５３ 信号線
５４ シールド線
５５ ポッティング材
６１，７１ Ｏ−リング
８１ 側壁
８１ａ 雌ネジ
８２ ハウジング
９１ 側壁
９１ａ 雌ネジ部
９２ ハウジング
１００ 測温素子
１０１ 抵抗体
１１０ セラミック基板
１２０ プリント配線板

Claims (2)

1. 腐食性流体や腐食性雰囲気中の温度を測定する温度センサであって、
   測温素子と、
   前記測温素子を保護する金属製の保護管と、
   前記測温素子に一方の端部が接続された信号線と、
   前記信号線の周囲をシールドするシールド線と、
   前記保護管を覆う絶縁性の保護材からなる外装部材と、を有し、
   前記外装部材は前記被測定対象物である腐食性流体や腐食性雰囲気によって腐食されない材質でできており、
   前記シールド線と前記保護管とは導線により導通しており、かつ前記導線は前記温度センサの長手方向において前記測温素子よりも前記シールド線側に配置され、
   前記測温素子は、プリント配線板と、前記プリント配線板に接着されかつ少なくとも一方の面に当該プリント配線板の配線パターンと導通する温度測定用の金属膜が形成された基板からなることを特徴とする温度センサ。
2. 前記シールド線を、前記導線を介す代わりに金属テープにて前記保護管に接続したことを特徴とする、請求項１に記載の温度センサ。

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