明 細 書
発明の名称 : 光学式温度センサ及び光学式温度センサの製造方法
技術分野
[0001]
本発明は、光学式温度センサ及び光学式温度センサの製造方法に関する。
背景技術
[0002]
温度変化に対応してエネルギーギャップが変動する半導体で構成される温度感知素子を利用した光学式温度センサが知られている（例えば、特許文献１～５参照）。この光学式温度センサは、第１の発光素子から放射される信号光と第２の発光素子から放射される参照光とを温度感知素子に透過させ、温度感知素子を透過した信号光と参照光との各光強度に基づき外部温度を検知する。
先行技術文献
特許文献
[0003]
特許文献1 : 特開昭６２－８５８３２号公報
特許文献2 : 特開昭６１－２１３７３８号公報
特許文献3 : 特開昭６１－２３３３３１号公報
特許文献4 : 特開平１－２４２９３１号公報
特許文献5 : 特開昭６１－２３２６８４号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0004]
しかしながら、上記の光学式温度センサによる検出値は、温度センサの構造上、変動することがある。
[0005]
また、光学式温度センサによる検出値に基づき測定対象物の温度を測定する温度測定装置においても、温度測定装置の環境温度や部品の個体差に応じて、測定値の精度、応答性及び安定性が悪くなることがある。
[0006]
上記課題に対して、応答性及び安定性に優れ、温度の測定精度を向上させることが可能な光学式温度センサ及び温度測定装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007]
上記課題を解決するために、一の態様によれば、
温度に応じて光透過特性が変化する温度感知素子と、
前記温度感知素子を保持する、中空の保持体と、
前記保持体の内部に設けられ、先端面が前記温度感知素子と所定の距離離隔された位置にて前記温度感知素子に対向して配置される光ファイバと、を有し、
前記温度感知素子は、前記光ファイバの先端面から出射した光を入射し、入射した光を透過させ、透過した光が測定対象物により反射した反射光を透過させる、
を有することを特徴とする光学式温度センサが提供される。
[0008]
また、他の態様によれば、
上記光学式温度センサの製造方法であって、
前記温度感知素子を前記保持体に保持する工程と、
前記光ファイバの先端面を前記温度感知素子と離隔した状態で前記保持体を回転し、前記温度感知素子と前記光ファイバとの対向位置を適正化する工程と、
前記適正化した、前記温度感知素子と所定の距離離隔された対向位置に前記光ファイバを配置する工程と、
を有する光学式温度センサの製造方法が提供される。
発明の効果
[0009]
一の態様によれば、応答性及び安定性に優れ、温度の測定精度を向上させることが可能な光学式温度センサ及び温度測定装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0010]
[図1] 一実施形態に係る光学式温度センサの全体構成図。
[図2] 一実施形態に係る光学式温度センサの製造方法を示した図。
[図3] 一実施形態に係る温度測定装置のブロック図。
[図4] 一実施形態に係る投受光モジュールを示した図。
[図5] 一実施形態に係る温度測定方法を示したフローチャート。
[図6] 一実施形態に係る投光部を示した他の図。
[図7] 一実施形態に係る温度測定結果（安定性）の一例。
[図8] 一実施形態に係る温度測定結果（応答性）の一例。
[図9] 一実施形態に係る温度測定結果（応答性）の一例。
発明を実施するための形態
[0011]
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説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
[0012]
［光学式温度センサ］
初めに、本発明の一実施形態に係る光学式温度センサ１について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る光学式温度センサ１の全体構成図である。光学式温度センサ１は、光ファイバを用いた温度センサであり、温度により光学的吸収波長が変化する半導体化合物のチップ(感熱体)を用いる。すなわち、光学式温度センサ１は、温度により透過する光の吸収波長が変化する感熱体を利用して温度を検知する半導体吸収波長式の温度センサである。
[0013]
光学式温度センサ１は、感熱体１０、伝熱用アルミ板１１、保持筒体１２、光ファイバ１３、固定部材１４及びスプリング１５を有している。感熱体１０は、ガリウム砒素ＧａＡｓの化合物半導体で形成される。感熱体１０の上面にはアルミ反射膜が形成され、下面には反射防止膜が形成されている。感熱体１０は、温度に応じて光透過特性が変化する温度感知素子の一例である。温度感知素子は、温度に応じて光透過特性が変化する物質であれば、ガリウム砒素ＧａＡｓの化合物半導体に限られない。
[0014]
感熱体１０の上面は、接着剤により熱伝導率の高い伝熱用アルミ板１１に固定される。光学式温度センサ１の先端部の構造について説明すると、保持筒体１２の先端は開口し、その開口には感熱体１０が接着された伝熱用アルミ板１１が嵌入される。これにより、保持筒体１２の開口は閉塞され、感熱体１０は保持筒体１２内であって、その先端に固定される。
[0015]
保持筒体１２は、筒状であり、内部に光ファイバ１３を這わせる。保持筒体１２は、温度感知素子を保持する保持体の一例である。保持体は、光ファイバ１３を這わせることができる中空の部材であれば筒状でなくてもよい。
[0016]
光ファイバ１３は、２芯構造を有する。固定部材１４は、光ファイバ１３を囲んだ状態で接着剤により保持筒体１２に固定される。これにより、光ファイバ１３は上下に這わせて、光学式温度センサ１の先端部に先端面が位置するように配置される。
[0017]
本実施形態では、静電チャック（ＥＳＣ）が測温対象物２０５の一例として挙げられている。測温対象物２０５の温度は、伝熱用アルミ板１１を通して感熱体１０に伝えられる。よって、保持筒体１２や光ファイバ１３や固定部材１４と感熱体１０との間で熱交換が行われると、感熱体１０により検知した測温対象物２０５の温度（検出値）に誤差が発生し、温度センサとしての精度が悪くなる。
[0018]
そこで、本実施形態に係る光学式温度センサ１は、感熱体１０と光ファイバ１３及び固定部材１４の先端面とが接触しない構造を有する。つまり、光ファイバ１３の先端面は、感熱体１０と所定の距離だけ離隔された位置にて感熱体１０に対向して配置される。これにより、光ファイバ１３の先端と感熱体１０とが対向する面に中空部Ｓが形成される。感熱体１０と光ファイバ１３の先端面との距離は、設計上の値（例えば、２．５５ｍｍ～２．６５ｍｍ）を基準として、保持筒体１２を回転し、感熱体１０と光ファイバ１３との対向位置を微調整して適正化する。具体的な製造工程における上記距離の適正化については、光学式温度センサ１の製造方法にて後述される。
[0019]
また、本実施形態に係る光学式温度センサ１では、感熱体１０の温度が、保持筒体１２や光ファイバ１３側に伝わり難い構造を有する。これにより、温度の測定精度の向上と、測定対象の温度変化に対する応答速度の向上とを図ることができる。
[0020]
詳しくは、伝熱用アルミ板１１と接着される保持筒体１２は、熱伝導率が低く、機械的強度に優れ、高耐熱性を有する素材にて構成される。また、固定部材１４も同様に、熱伝導率が低く、機械的強度に優れ、高耐熱性を有する素材にて構成される。例えば、保持筒体１２と固定部材１４とは、熱伝導率が低い樹脂製構造体（ＰＰＳ：Polyphenylene sulfide(ポリフェニレンスルファイド）)から形成されてもよい。
[0021]
また、保持筒体１２と伝熱用アルミ板１１との接触面積は、熱伝達を抑えるために極力小さくする。さらに、保持筒体１２及び固定部材１４は、その厚さを極力薄く形成して熱伝導が少なくなるようにする。特に、固定部材１４は、感熱体１０に近い先端部近傍の径（厚さ）を、その下部の径（厚さ）よりも小さく形成する。このようにして、固定部材１４には、感熱体１０に近い先端部近傍にて厚さを極力薄くするための肩落ち部１４ａが形成される。これにより、肩落ち部１４ａでは、固定部材１４の側部と保持筒体１２との間に空間が形成され、固定部材１４と保持筒体１２との接触面積を少なくできる。かかる構成により、感熱体１０の熱が、保持筒体１２及び固定部材１４側に伝達される量を低減することで、測定対象物の温度変化に対する応答速度を向上させることができる。
[0022]
保持筒体１２の下部には、保持筒体１２の上部よりも径が大きく、外側に出っ張った突出部１２ｂが形成されている。突出部１２ｂにより形成された、保持筒体１２内の光ファイバ１３と保持筒体１２との間の空間には、例えばスプリング１５が設けられている。保持筒体１２は、アルミ製のフランジ２１に嵌入され、例えばネジ２２，２３によりフランジ２１を載置台２００に固定することにより固定される。フランジ２１の下側には、アルミ製のブッシュ２４が設けられている。スプリング１５は、ネジ２２，２３によりフランジ２１を固定することでブッシュ２４の上面に固定される。
[0023]
光学式温度センサ１の先端部は、伝熱用アルミ板１１を通して測温対象物２０５の温度が感熱体１０に伝わるようになっている。本実施形態では、スプリング１５の伸縮によって保持筒体１２が上方に押し上げられ、測温対象物２０５の下面に光学式温度センサ１の先端部が押し当てられる。これにより、伝熱用アルミ板１１を測温対象物２０５の下面に押し付けることで、測温対象物２０５と伝熱用アルミ板１１との熱伝達を安定的に行い、感熱体１０による温度検知を安定して行うことができる。なお、スプリング１５の反力の強さは、伝熱用アルミ板１１と測温対象物２０５とに十分な接触面積が得られ、測温対象物２０５の温度が安定的に測定できる最小の力とし、測温対象物２０５に過度な力が加わらない強さに設定される。
[0024]
温度測定装置３０から出力されるＬＥＤの光は、光ファイバ１３を通り、感熱体１０を透過して測温対象物２０５の下面にて反射し、再び感熱体１０を透過して、光ファイバ１３を通り温度測定装置３０にて受光される。
[0025]
［光学式温度センサの製造方法］
次に、本実施形態に係る光学式温度センサ１の製造方法について、図２を参照しながら説明する。図２は、一実施形態に係る光学式温度センサの製造方法を示す。なお、光学式温度センサ１の製造を開始する前に、図２の最下図に示すように保持筒体１２の先端部の側面に切欠部１２ａを形成しておく。
（工程ａ）
まず、ガリウム砒素ＧａＡｓの感熱体１０を伝熱用アルミ板１１の下面に接着する。
（工程ｂ）
この状態で、伝熱用アルミ板１１を保持筒体１２の先端部の開口を閉塞するように保持筒体１２に接着する。
（工程ｃ）
次に、固定部材１４と一体となった光ファイバ１３を保持筒体１２に挿入する。
（工程ｄ）
次に、光ファイバ１３の先端と感熱体１０との距離Ｄを調整しながら、保持筒体１２を回転させる。このとき、温度測定装置３０に装着されたＬＥＤから光を出力する。光は、光ファイバ１３に通されて先端から出射され、感熱体１０を透過する。測定対象にて反射された光は、感熱体１０を透過し、光ファイバ１３に通されて温度測定装置３０にて受光される。受光された反射光の光量（測定値）に基づき、光学式温度センサ１の個体差がほとんど生じない感熱体１０の回転方向の適正な位置を探索するとともに、光ファイバ１３の先端面と感熱体１０との適正な距離Ｄを探索する。探索した結果適正化された感熱体１０と光ファイバ１３の先端面との対向位置（距離Ｄ）を保持した状態で固定部材１４の側壁を保持筒体１２に接着する。
[0026]
以上の製造方法では、光ファイバ１３の先端面と感熱体１０との間に距離Ｄの中空部Ｓが形成される。光ファイバ１３の先端面及び感熱体１０間の距離Ｄは、設計上の基準値を持っている。しかし、本実施形態では、以上の製造方法によって、光ファイバ１３の先端面を感熱体１０と離隔した状態で保持筒体１２を回転しながら、光ファイバ１３の先端面の位置を上下に微調整する。これにより、保持筒体１２の中心軸に対する感熱体１０の回転方向の位置を調整するとともに、光ファイバ１３の先端面及び感熱体１０間の距離Ｄを設計上の基準値から微調整することができる。これにより、感熱体１０と光ファイバ１３の先端面との対向位置を適正化する。
[0027]
感熱体１０の回転方向の位置と、光ファイバ１３の先端面及び感熱体１０間の距離Ｄとを適正化した光学式温度センサ１の利点を説明する。光学式温度センサ１は、温度により光学的吸収波長が変化する感熱体１０を用いて温度を検出する。光学式温度センサ１の製造時、感熱体１０を伝熱用アルミ板１１に接着する際（工程ａ）の位置や角度が一定になるとは限らない。このため、保持筒体１２を回転させながら光ファイバ１３の先端面及び感熱体１０間の距離Ｄを微調整することで、感熱体１０を通って反射される光の量（測定値）が指定された光量となるようにする。これにより、感熱体１０を含む光学式温度センサ１の先端部の構造物としての個体差を低減する。これにより、本実施形態にかかる光学式温度センサ１の製造方法では、光学式温度センサ１の個体差を低減し、光学式温度センサ１により測定される温度の精度を向上させることができる。
[0028]
（結露防止）
（工程ｅ）
工程ｅでは、工程ｄで示したＣ－Ｃ面から光学式温度センサ１の先端部の側面を見た図である。感熱体１０が結露した場合には正確な温度計測が困難になる。そこで、中空部Ｓにおける結露を防止する必要がある。このために、本実施形態の光学式温度センサ１では、保持筒体１２の先端部の側面に切欠部１２ａが形成されている。切欠部１２ａは、中空部Ｓと連通する。これにより、感熱体１０が配置された空間は密閉されず、外気が流入できる構造となる。また、切欠部１２ａから中空部Ｓにドライエアーを流入させ、感熱体１０が取り付けられた位置にドライエアーを循環させてもよい。これにより、中空部Ｓに水分が混入し、光学式温度センサ１の先端に結露が生じることを回避できる。これにより、測定対象の温度を安定して測定することができる。
[0029]
以上、本実施形態に係る光学式温度センサ１の構成及びその製造方法について説明した。本実施形態に係る光学式温度センサ１では、光ファイバ１３の端面から出射される光を感熱体１０に透過させる。透過光は、伝熱用アルミ板１１の測定対象と接触する面にて反射する。反射光は、再び感熱体１０を透過し、光ファイバ１３の端面から光ファイバ１３内に入射される。入射された反射光は、光ファイバ１３を通って温度測定装置３０に出力される。温度測定装置３０は、入力した反射光に基づき、感熱体１０が吸収した光の波長を測定し、温度に換算する。これにより、測温対象物２０５の温度が測定される。
[0030]
以下では、かかる構成の光学式温度センサ１を使用して測定対象の温度を測定する温度測定装置３０の一実施形態について説明する。
[0031]
［温度測定装置］
図３は、一実施形態に係る温度測定装置のブロック図である。本実施形態に係る温度測定装置３０は、投受光モジュール１００、測定光用ＬＥＤドライバー４０、参照光用ＬＥＤドライバー４１、測定用ＰＤ（フォトダイオード）アンプ４２、ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ４３、１６ビットＡ／Ｄコンバータ４４、制御部５０、ＬＥＤ温度用アンプ５２及びヒータドライバ５３を有する。
[0032]
（投受光モジュール）
本実施形態に係る投受光モジュール１００について、一実施形態に係る投受光モジュールを示した図４を参照しながら説明する。投受光モジュール１００は、測定用及び参照用の光を出力する投光部（投光モジュール）２と、光学式温度センサ１の感熱体１０で吸収した波長の反射光（測定光の反射光及び参照用の反射光）を受光する受光部（受光モジュール）３とを有する。
[0033]
投光部２は、測定用ＬＥＤ３１、参照用ＬＥＤ３２、ビームスプリッタ３３、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ（シリコンフォトダイオード）３４及び光コネクタ３５を有する。受光部３は、測定用ＳｉＰＤ３６及び光コネクタ３７を有する。
[0034]
測定用ＬＥＤ３１は、第１の波長の測定光を出力する。測定用ＬＥＤ３１は、感熱体１０の温度変化に応じて感熱体１０を透過する光量が変化する波長帯の光（測定光）を出力する。
[0035]
参照用ＬＥＤ３２は、第２の波長の参照光を出力する。参照用ＬＥＤ３２は、感熱体１０の温度にかかわらず感熱体１０を透過する光量は一定であり、感熱体１０の温度変化に応じて感熱体１０を透過する光量が変化しない波長帯の光（参照光）を出力する。
[0036]
ビームスプリッタ３３は、入射した測定光及び参照光の一部を透過し、一部を反射する。ビームスプリッタ３３で透過した光は、光コネクタ３５に接続された光ファイバ１３を通して光学式温度センサ１に伝えられる。ビームスプリッタ３３の反射光は、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ（シリコンフォトダイオード）３４に入射する。ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４は、投光確認用のフォトダイオードであり、測定光の光量及び参照光の光量に応じた電流値がそれぞれ出力される。
[0037]
測定用ＳｉＰＤ３６は、光学式温度センサ１からの反射光を光コネクタ３７に接続された光ファイバ１３を通して受光する。測定用ＳｉＰＤ３６は、入力した反射光の光量に応じた電流値を出力する。
[0038]
（投受光モジュール以外の構成）
温度測定装置３０に含まれる投受光モジュール１００以外の構成について、図３を参照しながら、説明を続ける。ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ４３は、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４から出力された電流値を電圧に変換して増幅する。
[0039]
１６ビットＡ／Ｄコンバータ４４は、ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ４３から出力された電圧のアナログ値をデジタル値に変換し、変換されたデジタル値をモニター値として制御部５０に入力する。
[0040]
制御部５０は、モニター値が変動した場合、モニター値が変動しているＬＥＤ（測定用ＬＥＤ３１又は参照用ＬＥＤ３２）の出力値を変更するように制御する。前記出力値を変更するための制御信号は、制御部５０のＰＷＭ調光からパルス値として出力される。
[0041]
制御部５０は、ＣＰＵ５０ａ（Central Processing Unit），ＲＯＭ５０ｂ（Read Only Memory）、ＲＡＭ５０ｃ（Random Access Memory）等を有する。ＣＰＵ５０ａは、ＲＯＭ５０ｂ等の記憶領域に格納された各種データに従って温度算出及び温度管理を実行する。なお、制御部５０の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
[0042]
測定光用ＬＥＤドライバー４０は、制御部５０から出力された制御信号のパルス幅に応じて測定用ＬＥＤ３１に実際に流す電流をフィードバック制御する。
[0043]
参照光用ＬＥＤドライバー４１は、制御部５０から出力された制御信号のパルス幅に応じて参照用ＬＥＤ３２に実際に流す電流をフィードバック制御する。
[0044]
これにより、フィードバック制御された電流値に基づき測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２から一定の光量の測定光及び参照光が出力される。
[0045]
かかるモニター機能によれば、光源として使用する測定用及び参照用の２種類のＬＥＤの発光強度を、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４により計測し、常に測定光及び参照光の光量が一定になるようにフィードバック制御される。これにより、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２自体の発光強度が経年変化により低下しても、これに応じてフィードバック制御する電流値を大きくすることで測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２から出力される測定光及び参照光の光量を一定に制御することができる。これにより、温度測定装置３０としての経年変化を抑制し、精度の高い温度測定を可能とし、温度測定装置３０の寿命を長くすることができる。
[0046]
前述したように、測定用ＳｉＰＤ３６は、光学式温度センサ１からの反射光を光コネクタ３７に接続された光ファイバ１３を通して受光する。測定用ＳｉＰＤ３６は、入力した反射光の光量に応じた電流値を出力する。測定用ＰＤアンプ４２は、測定用ＳｉＰＤ３６から出力された電流値を電圧に変換して増幅する。
[0047]
１６ビットＡ／Ｄコンバータ４４は、測定用ＰＤアンプ４２から出力された電圧のアナログ値をデジタル値に変換し、変換されたデジタル値を光学的温度センサ１により検出された測定値として制御部５０に入力する。制御部５０は、測定値から温度を換算する。
[0048]
［温度測定方法］
次に、温度測定装置３０を使用した一実施形態に係る温度測定方法について、図５を参照しながら説明する。図５は、一実施形態に係る温度測定方法を示したフローチャートを示す。なお、図５の温度測定方法を開始する前に、図３の下枠内の図に示した時間Ｔ１では、測定用ＬＥＤ３１又は参照用ＬＥＤ３２のいずれからも光を出力していない状態における測定用ＳｉＰＤ３６の出力値（初期値）を計測する。次に、時間Ｔ２では、測定用ＬＥＤ３１（ＬＥＤ１）から光を出力したときに戻ってくる反射光（戻り光）を測定用ＳｉＰＤ３６により計測する。次に、時間Ｔ３では、参照用ＬＥＤ３２（ＬＥＤ２）から光を出力したときに戻ってくる反射光を測定用ＳｉＰＤ３６により計測する。時間Ｔ１、Ｔ２，Ｔ３は繰り返し実行されるが、以下では、時間Ｔ１、Ｔ２，Ｔ３を一回実施したときの温度制御について説明する。
[0049]
また、時間Ｔ１で測定用ＳｉＰＤ３６により測定される出力値（初期値）は、通常ほぼ「０」に近い値になるが、所定の閾値以上になった場合、時間Ｔ２で測定用ＬＥＤ３１から出力された光に対する反射光の測定値から出力値（初期値）を減算することで測定光の測定値を補正する。同様に、初期値が所定の閾値以上になった場合、時間Ｔ３で参照用ＬＥＤ３２から出力された光に対する反射光の測定値から出力値（初期値）を減算することで参照光の測定値を補正する。以下に説明する温度測定方法では、この補正が発生しない場合の温度測定方法について説明し、補正が発生した場合についての説明は省略する。
[0050]
まず、ステップＳ３１にて、測定用ＬＥＤ３１（ＬＥＤ１）から第１の波長の測定光を出力する。測定光は、光ファイバ１３を通り、光ファイバ１３の先端面から出射され、感熱体１０を透過する。測定光は、感熱体１０の温度が変わると透過する光量が変化する波長帯（第１の波長）の光である。透過された測定光は、伝熱用アルミ板１１（測定対象との接触面）にて反射する。測定光の反射光は、再び感熱体１０を透過し、光ファイバ１３の先端面から光ファイバ１３内に入射される。
[0051]
次に、ステップＳ３２にて、測定用ＳｉＰＤ３６は、光ファイバ１３を通って受光した光学式温度センサ１からの反射光（戻り光）を受光する。測定用ＳｉＰＤ３６は、その光量に応じた電流値Ｉ１を出力する。
[0052]
次に、ステップＳ３３にて、参照用ＬＥＤ３２（ＬＥＤ２）から第２の波長の参照光を出力する。参照光は、光ファイバ１３を通り、光ファイバ１３の先端面から出射され、感熱体１０を透過する。参照光は、感熱体１０の温度が変わっても透過する光量が変化しない波長帯（第２の波長）の光である。透過された測定光は、伝熱用アルミ板１１（測定対象との接触面）にて反射する。参照光の反射光は、再び感熱体１０を透過し、光ファイバ１３の先端面から光ファイバ１３内に入射される。
[0053]
次に、ステップＳ３４にて、測定用ＳｉＰＤ３６は、光ファイバ１３を通って受光した光学式温度センサ１からの反射光（戻り光）を受光する。測定用ＳｉＰＤ３６は、その光量に応じた電流値Ｉ２を出力する。
[0054]
次に、ステップＳ３５にて、制御部５０は、測定光の反射光から測定された電流値Ｉ１と、参照光の反射光から測定された電流値Ｉ２との比率を求め、温度に換算し、出力する。
[0055]
以上に説明したように、本実施形態の温度測定装置３０によれば、測定光の反射光及び参照光の反射光に基づき、光学式温度センサ１によって検出された測温対象物２０５の温度が算出される。
[0056]
その際、実験により、本実施形態の温度測定装置３０によれば、約８．３ミリ秒周期で温度測定ができることがわかった。一般的な温度測定が４０ミリ秒周期程度で測定が可能であるのと比較して短時間で温度測定が可能である。
[0057]
［温調部］
光学式温度センサ１を用いた半導体吸収波長による温度測定では、投光部モジュール１００の内部の温度によって測定値に誤差が出る。これは、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２の近傍の温度である環境温度の変動により測定値が変動するために発生する測定値の誤差である割合が高い。つまり、ＬＥＤの中心波長は温度によりシフトするため、ＬＥＤの環境温度を一定に保つことで環境温度の影響を受けずに安定した温度測定が可能となる。また、ＬＥＤの個体によってもＬＥＤの中心波長は若干異なる。よって、ＬＥＤの個体差を吸収するためにＬＥＤの環境温度を制御すれば、より安定した温度測定が可能となり、温度センサとしての個体差が低減できる。このため、本実施形態では、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２をそれぞれ別々に温調する機構を設けた。以下に、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２をそれぞれ別々に温調する機構を含む温調部について、図３及び図６を参照しながら説明する。
[0058]
まず、図３を参照すると、温調部は、投受光モジュール１００に含まれる温度センサ３８及び温調機構６と、ＬＥＤ温度用アンプ５２と、ヒータドライバ５３と、制御部５０とを含み、測定用ＬＥＤ３１の温調と参照用ＬＥＤ３２の温調とをそれぞれ別々に行う。
[0059]
次に、図６を参照すると、図６の左図に示したように、投光部２の内部には測定用ＬＥＤ３１と参照用ＬＥＤ３２とが配置されている。測定用ＬＥＤ３１と参照用ＬＥＤ３２のそれぞれには、別々に温調機能が設けられている。具体的に温調機能を説明すると、図６の左図のＤ－Ｄ断面を示した図６の中央図に示すように、測定用ＬＥＤ３１の外周は筒状部材６０によって覆われている。参照用ＬＥＤ３２の外周も同様に筒状部材６３によって覆われている。筒状部材６０、６３は、例えば、アルミニウムで形成されている。
[0060]
筒状部材６０、６３の上部には、厚さが１ｍｍ程のアルミ板６２、６４を挟んでペルチェ素子６１、６５が置かれている。図６の中央図に示したように、ペルチェ素子６１（ペルチェ素子６５も同様であるため説明は省略）は、２種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方の金属へ熱が移動する性質を有し、これにより、一方の面で吸熱が生じ、他方の面で発熱が生じる。なお、筒状部材６０、アルミ板６２及びペルチェ素子６１は、図３の温調機構６の一例であり、第１の光源の温度に基づき、前記第１の光源を加熱又は冷却する第１の温調機構に相当する。筒状部材６３、アルミ板６４及びペルチェ素子６５は、図３の温調機構６の一例であり、第２の光源の温度に基づき、前記第２の光源を加熱又は冷却する第２の温調機構に相当する。温調機構６は、アルミ板６２、６４を有しなくてもよい。
[0061]
例えば、図６の中央図に示したように、測定用ＬＥＤ３１の近傍に設けられた温度センサ３８によって検出された温度に基づきペルチェ素子６１に流す電流を制御し、図６の中央図に示したペルチェ素子６１の下面を発熱させた場合、熱伝導のよいアルミ板６２及び筒状部材６０を通して測定用ＬＥＤ３１が加熱される。温度センサ３８により検出された温度に基づきペルチェ素子６１に流す電流を制御し、ペルチェ素子６１の下面を吸熱させた場合、アルミ板６２及び筒状部材６０を通して測定用ＬＥＤ３１が冷却される。参照用ＬＥＤ３２も同様にして、ペルチェ素子６５に流す電流を制御することで、参照用ＬＥＤ３２の加熱及び冷却が可能である。
[0062]
従来の投光モジュールでは、筐体全体を温度調整するために高出力のヒータが必要であった。一方、本実施形態にかかる温調部では、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２を局所的に温調する。このため、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２を少ない熱量で温調することができる。
[0063]
また、筒状部材６０、６３の熱が外部に逃げないように、筒状部材６０、６３とその外周の筐体Ｈとは断熱するように設計されている。つまり、筒状部材６０、６３の周辺に空間を設け、筒状部材６０、６３と筐体Ｈとの接触面を少なくしている。筒状部材６０、６３と筐体Ｈとの間に図示しない断熱リングを挿入してもよい。
[0064]
ペルチェ素子６１の置き方は、図６の右上図に示したようにアルミ板６２上に置いてもよいし、図６の右下図に示したように筒状部材６０の上部にフラットな面６０ａを形成し、その上に置いてもよい。ペルチェ素子６５も同様にアルミ板６４を介さずに筒状部材６３上に置いてもよい。
[0065]
図３に戻り、温度センサ３８により検出された電流値は、ＬＥＤ温度用アンプ５２に入力される。ＬＥＤ温度用アンプ５２は、電流値を電圧値に変換して増幅し、制御部５０に出力する。制御部５０は、入力した電圧値に応じてヒータに出力する電流値を制御する制御信号を出力する。ヒータドライバ５３は、制御信号に基づき、図６のペルチェ素子６１、６５に所望の電流を流す。これにより、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２の温度が、それぞれ所望の温度に制御される。また、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２の温度制御は別々に独立して行われる。
[0066]
波長の分布は、ＬＥＤ毎に個体差を有している。本実施形態によれば、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２のそれぞれに設けられた温調部により、各ＬＥＤをそれぞれ温度調整する。これにより、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２の個体差及び環境温度を吸収することができる。
[0067]
［ＬＥＤの経時変化］
ＬＥＤの光量は経時変化し、徐々に減っていく。そのため、実際にＬＥＤから出力される光量を監視し、ＬＥＤから出力される光量を一定に制御することで、温度をより精度良く測定することができる。そこで、ＬＥＤの光量を監視するために、本実施形態に係る温度測定装置３０では、図３及び図４に示したＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４が設けられる。
[0068]
ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４は、投光確認用のフォトダイオードであり、測定用ＬＥＤ３１から出力された測定光の光量に応じた電流値を出力する。ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ４３は、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４から出力された電流値を電圧に変換して増幅し、制御部５０に出力する。
[0069]
制御部５０は、入力した電圧値に応じてＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４から出力された光量を測定し、光量の減少に応じて測定用ＬＥＤ３１に流す電流を増やすように制御する。
[0070]
測定光用ＬＥＤドライバー４０は、制御部５０から出力された制御信号のパルス幅に応じて測定用ＬＥＤ３１に流す電流値をフィードバック制御する。
[0071]
同様にして、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４は、参照用ＬＥＤ３２から出力された参照光の光量に応じた電流値を出力する。ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ４３は、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４から出力された電流値を電圧に変換して増幅し、制御部５０に出力する。
[0072]
制御部５０は、入力した電圧値に応じてＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４から出力された光量を測定し、光量の減少に応じて参照用ＬＥＤ３２に流す電流を増やすように制御する。
[0073]
参照光用ＬＥＤドライバー４１は、制御部５０から出力された制御信号のパルス幅に応じて参照用ＬＥＤ３２に流す電流値をフィードバック制御する。
[0074]
以上の構成により、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２から出力される光量を監視することで、ＬＥＤの経時変化に応じてＬＥＤから出力される光量を一定に制御することができる。
[0075]
なお、ＬＥＤ用ＳｉＰＤ３４は、測定光及び参照光の光量をモニターするモニター部に相当する。測定用ＬＥＤ３１は、第１の波長の測定光を出力する第１の光源に相当する。参照用ＬＥＤ３２は、第２の波長の測定光を出力する第２の光源に相当する。
[0076]
[効果の例]
図７～図９に、本実施形態に係る温度測定結果の一例を示す。図７～図９では、横軸が時間（秒)、縦軸が測温対象物の表面の温度（℃）を示す。図７では、測温対象物の表面の温度を変えずに横軸に示す時間が経過したときの本実施形態及び比較例１，２の各温度センサが検出した検出値を示す。
[0077]
これによれば、本実施形態に係る光学式温度センサ１は、比較例１，２の温度センサと比べて温度のバラツキが最も少ない。比較例１の温度センサは、本実施形態に係る光学式温度センサ１の２倍程度のバラツキがあり、比較例２の温度センサは、本実施形態に係る光学式温度センサ１の３倍程度のバラツキがある。以上から、本実施形態に係る光学式温度センサ１は、出力特性及び安定性に優れていることがわかる。
[0078]
また、図８では、測温対象物の表面の温度を２０℃から７０℃に制御したときに、横軸に示す時間が経過したときの本実施形態及び比較例１，２の各温度センサが検出した検出値を示す。これによれば、本実施形態の光学式温度センサ１及び比較例２の温度センサは、比較例１の温度センサよりも応答性が高い。また、右の拡大図に示した温度変化の立ち上がり近傍での温度センサの検出値を見ると、本実施形態の光学式温度センサ１は、比較例２の温度センサよりもバラツキが少ないことがわかる。以上から、本実施形態の光学式温度センサ１は、出力特性、安定性及び応答性に優れることがわかる。
[0079]
また、図９では、測温対象物の表面の温度を７０℃から８０℃に制御したときに、横軸に示す時間が経過したときの本実施形態及び比較例１，２の各温度センサが検出した検出値を示す。これによれば、本実施形態の光学式温度センサ１及び比較例２の温度センサは、比較例１の温度センサよりも応答性が高い。また、右の拡大図に示した温度変化の立ち上がり近傍での温度センサの検出値を見ると、本実施形態の光学式温度センサ１は、比較例２の温度センサよりもバラツキが少ない。以上から、本実施形態の光学式温度センサ１は、比較的高い温度の領域における温度変動に対しても出力特性、安定性及び応答性に優れることがわかる。
[0080]
以上、本実施形態によれば、光ファイバ先端面と感熱体とは所定距離離隔された位置にて対向配置される。これにより、精度、応答性及び安定性において優れた光学式温度センサを提供することができる。また、本実施形態によれば、所定の性能を満たす低コストの光学式温度センサの製造方法を提供することができる。
[0081]
また、本実施形態の温度測定装置３０によれば、短時間で温度測定が可能である。また、本実施形態の温度測定装置３０によれば、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２から出力される測定光及び参照光の光量を一定に制御することができる。これにより、温度測定装置３０としての経年変化を抑制し、精度の高い温度測定を可能とし、温度測定装置３０の寿命を長くすることができる。
[0082]
さらに、本実施形態の温度測定装置３０によれば、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２のそれぞれに設けられた温調部により、各ＬＥＤをそれぞれ温度調整する。これにより、測定用ＬＥＤ３１及び参照用ＬＥＤ３２の個体差及び環境温度を吸収することができる。
[0083]
以上、光学式温度センサ及び光学式温度センサの製造方法を、上記実施形態により説明した。また、温度測定装置、投光モジュール及び温度測定方法を、上記実施形態により説明した。しかしながら、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記実施形態及び変形例を矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
[0084]
例えば、本発明に係る光学式温度センサ、温度測定装置及び温度測定方法は、エッチング処理装置、アッシング処理装置、成膜処理装置に設置される静電チャックや、それ以外の部品の温度検知に適用可能である。
[0085]
本国際出願は、２０１４年３月４日に出願された日本国特許出願２０１４－０４２１３７号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本国際出願に援用する。
符号の説明
[0086]
１：光学式温度センサ
２：投光部
３：受光部
６：温調機構
１０：感熱体
１１：伝熱用アルミ板
１２：保持筒体
１２ａ：切欠部
１２ｂ：突出部
１３：光ファイバ、
１４：固定部材
１４ａ：肩落ち部
１５：スプリング
３０：温度測定装置
３１：測定用ＬＥＤ
３２：参照用ＬＥＤ
３３：ビームスプリッタ
３４：ＬＥＤ用ＳｉＰＤ
３５：光コネクタ
３６：測定用ＳｉＰＤ
３７：光コネクタ
３８：温度センサ
４０：測定光用ＬＥＤドライバー
４１：参照光用ＬＥＤドライバー
４２：測定用ＰＤアンプ
４３：ＬＥＤモニター用ＰＤアンプ
４４：１６ビットＡ／Ｄコンバータ
５０：制御部
５２：ＬＥＤ温度用アンプ
５３：ヒータドライバ
６０，６３：筒状部材
６１，６５：ペルチェ素子
６２、６４：アルミ板
１００：投受光モジュール
請求の範囲
[請求項1]
温度に応じて光透過特性が変化する温度感知素子と、
前記温度感知素子を保持する、中空の保持体と、
前記保持体の内部に設けられ、先端面が前記温度感知素子と所定の距離離隔された位置にて前記温度感知素子に対向して配置される光ファイバと、を有し、
前記温度感知素子は、前記光ファイバの先端面から出射した光を入射し、入射した光を透過させ、透過した光が測定対象物により反射した反射光を透過させる、
ことを特徴とする光学式温度センサ。
[請求項2]
前記保持体は、
前記温度感知素子の近傍の位置に切欠部を有し、
前記切欠部からドライエアーを流入させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式温度センサ。
[請求項3]
前記光ファイバを前記保持体に固定する固定部材を更に有し、
前記固定部材は、
前記光ファイバの先端面の近傍に前記保持体と離隔する肩落ち部が形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式温度センサ。
[請求項4]
前記保持体の内部に突出部を有し、
前記突出部には、スプリングが配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式温度センサ。
[請求項5]
前記光学式温度センサは、
温度により透過する光の吸収波長が変化する前記温度感知素子を利用して温度を検知する半導体吸収波長式の温度センサである、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式温度センサ。
[請求項6]
前記請求項１に記載の光学式温度センサの製造方法であって、
温度感知素子を保持体に保持する工程と、
光ファイバの先端面を前記温度感知素子と離隔した状態で前記保持体を回転し、前記温度感知素子と前記光ファイバの先端面との対向位置を適正化する工程と、
前記適正化した、前記温度感知素子と所定の距離離隔された対向位置に前記光ファイバを配置する工程と、
を有する光学式温度センサの製造方法。
図面
