説明

温度測定装置

【課題】回転体の温度を測定する温度測定装置であって、特に、回転体の複数個所の温度を測定することができる温度測定装置を提供する。
【解決手段】回転体11に温度の検出部を備え、固定側に温度の表示及び/又は記録を行う計測部を備える温度測定装置10であって、検出部が、圧電共振子15と圧電共振子15に接続される回転側アンテナ12を備え、計測部が、測定温度に対応する特異周波数の測定手段を備える計測器17と固定側アンテナ13で構成されている。回転側アンテナ12と固定側アンテナ13とは非接触で結合されている。圧電共振子15は、セラミック製の容器に収納されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転体の温度を測定する温度測定装置に関し、特に、回転体の複数個所の温度を測定することができる温度測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
回転体に温度の検出部を設けるとともに固定側に計測部を設けて、回転体における温度変化や温度分布を観察することは公知の技術である。特許文献1には、回転体に温度の検出部を備える連続式混練機が記載されている。図6に示すように、この混練機60は、バレル61内に2本の回転軸62を備え、各回転軸62にはパドル65が設けられている。両回転軸62は同じ方向に回転し、バレル61内の処理物は、双方のパドル65によって複雑に変形する混練作用を受け、投入口63から排出口64に向かって流れる。
【0003】
パドル65の一部には温度センサー91が取り付けられ、リード線92が回転軸62内を通ってターミナル66に導かれている。温度センサー91としては熱電対が用いられている。ターミナル66には、回転するブラシ95と、これに摺接する集電端子96が設けられており、検出した信号を固定側にある制御装置に伝達している。
【0004】
また、特許文献2には、横型の容器が回転する加熱処理装置が記載され、回転体である容器の温度測定について記載されている。図7に示すように、この加熱処理装置70は、外熱式のロータリーキルンであって、回転ドラム71が、架台76に設けられたローラー77の上に載置され、モーターによって回転するようになっている。そして、回転ドラム71は、外側から電気ヒーター72によって加熱することができる。処理物は、小径筒部にある供給口73から供給され、回転する回転ドラム71内で、螺旋ガイド75等により撹拌されながら加熱され、排出シュート74に向かって流れる。
【0005】
この加熱処理装置70は、回転ドラム71の中心部の温度を測定する温度センサー91aと、回転ドラム71の周面部における複数点の温度を測定する複数の温度センサー91bを備えている。温度センサー91aは、測温抵抗体を検出素子としており、補償導線93によりロータリーコネクター94に接続されている。温度センサー91bは、熱電対を検出素子としており、リード線92によりロータリーコネクター94に接続されている。これらの信号は、ロータリーコネクター94の固定側にある出力端子97から制御装置に送られるようになっている。
【0006】
特許文献3には、鉄道車両の車軸に試験用に取り付けた温度測定装置が記載され、スリップリングを介して回転体に取り付けた熱電対によって、回転体の温度を正確に測定する技術が記載されている。図8に示すように、スリップリング80は、回転する車軸90の温度信号を外部に取り出すものであり、外筒85と、外筒85に植設されたブラシ83と、ブラシ83間に挟まれて回転する軸84を備えている。外筒85は、回転止め88によって固定フレーム89に固定されている。軸84は、ベアリング87によって、外筒85に対して回転自在に保持されている。
【0007】
軸84の一端はフランジ86に連結され、車軸90が回転するときには、軸84、フランジ86及びベアリング87の内輪は回転し、ベアリング87の外輪や外筒85は回転しない。車軸90の温度信号は、軸導線82から軸84の内部を通って、軸84の表面に伝達される。軸84の表面とブラシ83は摺動接触して導通状態を保っているので、温度信号は、ブラシ83から外筒82内部を通って、外部導線81に取り出すことができる。
【0008】
軸導線82は熱電対を構成するものであり、通常、CA(クロメルとアルメル)又はCC(銅とコンスタンタン)が用いられる。外部導線81は補償導線を構成するものであり、測定器に接続されている。測定器には、氷接点を電気的補償回路で置き換えた温度表示・記録装置が用いられている。
【0009】
熱電対である軸導線82は図の点Aでスリップリング80に接続され、補償導線である外部導線81は図の点Bでスリップリング80に接続されている。通常、スリップリング80は、作動中に点Aと点Bとの間で温度差を生じるので、測定点の温度にドリフトを生じることになる。特許文献3には、この温度を補正する方法について記載されている。
【0010】
以上のように、従来から知られている回転体の温度を測定する方法は、回転体と固定側との間にブラシを摺接させることにより、温度センサーからの信号を制御装置等に送っている。そして、引用文献3に記載されているように、回転体の温度を正確に測定するために、スリップリングにおける温度差を測定するための温度計をも必要とし、非常に複雑な装置となる。また、回転体における複数の温度を測定するには、一層複雑な装置となり、5点以上の温度を測定することは不可能に近い。さらに、熱電対で測定できる温度範囲が300℃程度までであり、高温の測定ができないという問題もある。
【0011】
なお、後述するランガサイト構造を有する結晶に関しては、特許文献4等に記載されている技術を、また、セラミック製の容器を気密に封止する方法に関しては、特許文献5等に記載されている技術を使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】特開2005−58977号公報
【特許文献2】特開2009−136761号公報
【特許文献3】特開2001−264184号公報
【特許文献4】特開2006−250916号公報
【特許文献5】特開2008−192863号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
そこで、本発明の目的は、回転体における温度変化や温度分布を正確に測定することができる温度測定装置であって、回転体等を複雑な構造とすることなく簡単に温度の測定をすることが可能であり、複数の点について温度の測定が可能であり、また、温度の測定範囲が広い温度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項1に係る温度測定装置は、回転体に温度の検出部を備え、固定側に温度の表示及び/又は記録を行う計測部を備える温度測定装置であって、前記検出部が、圧電共振子と該圧電共振子に接続される回転側アンテナを備え、前記計測部が、測定温度に対応する特異周波数の測定手段と固定側アンテナを備え、前記回転側アンテナと前記固定側アンテナとを非接触で結合した手段を採用している。
【0015】
また、本発明の請求項2に係る温度測定装置は、請求項1に記載の温度測定装置において、前記圧電共振子が、前記回転側アンテナに複数個接続されている手段を採用している。また、本発明の請求項3に係る温度測定装置は、請求項1又は2に記載の温度測定装置において、前記回転側アンテナ及び前記固定側アンテナが円形状に形成され、その中心が前記回転体の回転軸の軸線上に位置している手段を採用している。
【0016】
また、本発明の請求項4に係る温度測定装置は、請求項1乃至3の何れかに記載の温度測定装置において、前記圧電共振子が、容器内に収納されている手段を採用している。また、本発明の請求項5に係る温度測定装置は、請求項4に記載の温度測定装置において、前記容器の内部が、気密に封止されている手段を採用している。また、本発明の請求項6に係る温度測定装置は、請求項4又は5に記載の温度測定装置において、前記容器が、セラミック製である手段を採用している。
【発明の効果】
【0017】
上記のような構成としたことにより、本発明の温度測定装置は、温度の検出部を備える回転体と温度の記録等を行う計測部を備える固定側との間が、ブラシを使用することなく2つのアンテナ間で結合されることになる。この結果、本発明の温度測定装置は、回転体における温度変化や温度分布を測定することができるとともに、回転体を複雑な構造とすることなく、回転体の本来の機能を妨げることなく、簡単に、且つ正確に温度の測定を行うことが可能である。また、複数の点についての温度の測定が可能であり、温度の測定範囲が極めて広い温度測定装置とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の温度測定装置を示す説明図であり、(a)は本発明の概要、(b)は参考例の概要を示す。
【図2】本発明で用いる圧電共振子及び容器を示し、(a)は圧電共振子を収納した容器本体の平面図及び断面図、(b)は蓋の平面図及び断面図、(c)は組立て後の斜視図である。
【図3】容器の配列と配線を示す斜視図であり、(a)は圧電共振子を直列に接続した場合、(b)(c)は圧電共振子を並列に接続した場合であって、夫々絶縁方法等を変えて示している。
【図4】容器を収納する保護管の例を示し、(a)及び(b)は概略外形図、(c)は概略断面図である。
【図5】拡散炉における本発明の実施例を示し、(a)は拡散炉の構成を示す断面図、(b)は本発明の2つのアンテナの関係を示す断面図、(c)は複数の圧電共振子と2つのアンテナの関係を示す斜視図である。
【図6】混練機における従来の回転体の温度測定装置を示し、(a)は混練機全体の正面図、(b)はパドルの配列を示す断面図、(c)はパドルに設ける温度センサーの配置を示す詳細図である。
【図7】加熱処理装置における従来の回転体の温度測定装置を示し、(a)は加熱処理装置全体の正面図、(b)は回転ドラムを示す断面図、(c)はロータリーコネクターを示す部分図である。
【図8】鉄道車両の車軸における従来の回転体の温度測定装置を示し、スリップリング及びその周囲の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
図1(a)により、本発明の温度測定装置10の構成について説明する。温度測定装置10は、回転体11に温度を測定するための検出部を備え、固定側に温度の表示及び/又は記録を行う計測部を備えている。そして、検出部が、圧電共振子15と圧電共振子15に接続される回転側アンテナ12を備え、計測部が、測定温度に対応する特異周波数の測定手段を備える計測器17と固定側アンテナ13で構成されている。図のように圧電共振子15は、回転側アンテナ12に導線16で複数個接続することが可能であり、直列に接続することも並列に接続することもできる。
【0020】
図1(b)に示す温度測定装置10aは、本発明の温度測定装置10に類似した構成を備えているが、静止した場所における温度を測定するものである。すなわち、複数の圧電共振子15が、導線16により直接測定器17に接続されている。これに対して、本発明の温度測定装置10は、導線16では取り出すことができない回転体11からの温度信号を、アンテナを介して非接触で取り出すものである。
【0021】
圧電共振子15は、いわゆる圧電素子と呼ばれるものであって、温度とともに共振特性が変化することを利用して、温度を測定することができる。すなわち、その両電極端子23(図2参照)に交流信号を供給するとともに周波数を変化させ、圧電素子の測定温度に対応する特異周波数を測定することにより温度を知ることができる。圧電共振子15としては、従来から水晶共振子が使用されているが、より高性能のものも開発されている。
【0022】
例えば、特許文献4に記載されているような、ランタン、ガリウム、ケイ素、ニオブ、タンタル、アルミニウム等を含むランガサイト構造を有する酸化物結晶材料は、温度測定素子として好ましい条件を揃えており、比較的安価に製造可能であるとともに、高温における周波数特性が一定であり、1200℃まで安定して使用できるものが含まれている。具体的には、ランガサイト(LGS)、ランガナイト(LNG)、ランガテイト(LGT)及びこれらの一部をアルミニウムで置換したLGAS、LNGA、LTGAである。これらはこれら圧電共振子15の大きさは、厚さ100〜150μmの板状とし、5mm程度の円板状又は角板状で使用することができる。
【0023】
温度の測定には、例えばネットワークアナライザのような、測定温度に対応する特異周波数の測定手段を内蔵した測定器17を用いる。この測定器17は、圧電共振子15を備える回路に周波数の変化する高周波の交流信号を供給することにより、圧電共振子15の温度に対応する特異周波数を測定することができる。また、複数の圧電共振子15を直列又は並列に接続して、複数個所の温度を一つの測定器17で測定することもできる。
【0024】
この場合、各圧電共振子15は、温度と特異周波数との関係が相互に異なっている必要がある。通常の用途においては、温度測定のスタートにおいて全点を同一温度とすることが可能であり、連続的に測定を継続することが可能であるため、それほど大きく異なる必要はない。例えば、同一周波数で共振する温度が20〜30℃異なっていれば、使用可能となることが多い。この結果、測定点数が多くなっても、掃引する周波数帯域はそれほど広くする必要がない。
【0025】
圧電共振子15を直列に接続した場合と並列に接続した場合では、総合的なインピーダンスが変わってくるが、温度測定の方法は全く同じである。すなわち、温度測定の範囲から、これに必要な周波数帯域を定め、この周波数帯域で周波数が変化する交流信号を、繰り返し供給することにより、各点の温度を連続して測定することができる。連続して測定することにより、各点を特定して、正確に区別することができる。
【0026】
このような温度測定装置は、図1(b)に示すように、圧電共振子15が導線16により測定器17に直接接続されている温度測定装置10aの方法で実施することができる。本発明は、これをさらに改善した温度測定装置10であり、図1(a)に示すように、2つのアンテナを非接触で電磁的に結合することを特徴としている。両者において総合的なインピーダンスは異なることになるが、どちらもLC回路を形成することにより、測定器17が高周波の交流信号を発信したり受信したりすることができるからである。
【0027】
回転側アンテナ12及び固定側アンテナ13は、なるべく円形状のコイルとなるように形成することが好ましく、その中心が回転体11の回転軸14の軸線上に位置することが好ましい。これにより、両アンテナ間の相対的な位置関係が安定することになり、安定した温度測定を行うことができる。
【0028】
図2に示すように、圧電共振子15は、セラミック製の容器20に収納することにより安定性が高くなり、特に高温で使用する場合に好ましい。図2(a)に記載しているように、圧電共振子15の表面及び裏面には、夫々電極端子23が取り付けられている。電極端子23を取付けるために、圧電共振子15の両面は、白金のメタライズ等により導電性が高められていることが好ましい。
【0029】
電極端子23の素材は、電気伝導性に優れる銅又は銀が好ましいが、高温で使用する場合には、耐熱、耐酸化性に優れる白金とすることが好ましい。白金等でメタライズされた圧電共振子15の両面に、白金線等を直接接続する。
【0030】
容器20は、圧電共振子15を収納する本体21と蓋22により形成されており、図2(c)に示すような箱状をなしている。容器20の素材としては、アルミナ等のセラミック製とすることにより、高温でも安定して使用することができる。或いは、温度測定対象物がシリコンである場合には、同一条件とするためにシリコンとすることが好ましい。本明細書において「セラミック」という用語は、「石英」を含む意味で用いることとする。
【0031】
容器20の大きさとしては、例えば、縦横が7mmで厚さが1.5mm程度とすることができる。本体21と蓋22との接合部、或いは電極端子23の取出し部は封止して、容器20の内部を気密に保持することが好ましい。これにより、圧電共振子15の安定性が一層確実となり、経時的変化を生じることがなくなる。
【0032】
図3には、容器20の配列と配線及び絶縁方法を示している。往復する導線16に対して、複数の容器20が直列又は並列に接続されることになるので、従来の熱電対等と比較して、コンパクトな配線をすることができる。導線16は、電気伝導性に優れる銅線又は銀線が好ましいが、高温で使用する場合には、耐熱、耐酸化性に優れる白金線とすることが好ましい。導線16の絶縁用被覆材としては、比較的低温で使用する場合には、ポリイミド等を用いることができる。高温で使用する場合には、セラミック絶縁管や、セラミック繊維を編組して筒状に形成したスリーブ25を用いることが好ましい。
【0033】
図3(a)は複数の圧電共振子15を直列に接続した場合を、図3(b)は並列に接続した場合を示し、何れも片方の導線16をスリーブ25で被覆しているが、このように簡略化できることも少なくない。セラミック繊維製の紐等で縛ることにより、スリーブ25を導線16に固定することができる。
【0034】
図3(c)は、導線16の絶縁用材料として、セラミック製の2穴絶縁管26を用いた例である。2穴絶縁管26は直線状の配管に適しており、最も確実に絶縁することができる。2穴絶縁管26は、例えば、断面が長径3mm短径1.5mmの楕円状で、直径0.8mmの穴を2つ備えるアルミナ絶縁管を用いることができる。また、類似の絶縁物として、外径1.2mmで直径0.8mmの穴を備える1穴の石英ビーズを用いることもできる。
【0035】
図3で示した容器20の配列や配線は、図4に示すような保護管30内に納めることができる。(a)は直線状をなす保護管30であり、(b)は90度折れ曲がってL字状をなす保護管30である。(c)は保護管30の一部を拡大した断面図を示している。
【0036】
保護管30の一端には2つの端子32を備える接続端部31が設けられ、2つの端子31から保護管30の内部を往復する導線16が設けられている。保護管30は、ステンレス管を用いることも多いが、焼成炉や拡散炉等のように高温であるとともに清浄な処理環境を必要とする場合には、セラミックとすることが好ましい。比較的入手し易い材料としては、例えば、外径が8mmで内径が6mmの炭化珪素管や、外径が13mmで内径が8mmの石英管を使用することができる。
【0037】
本発明の温度測定装置10を縦型の拡散炉50に適用した例を図5に示す。(a)はその構造を示す断面図、(b)は2つのアンテナの位置関係を示し、(c)は検出部から計測部に至る配線を示す。拡散炉50は、上端が閉じた縦長円筒状のプロセスチューブ51が、外周に配置されたヒーター54によって加熱されるようになっており、プロセスチューブ51内の複数の点における温度が制御されるようになっている。
【0038】
プロセスチューブ51内には、処理物を収納したボート52がセットされている。処理物としては、例えば150枚の半導体基板(シリコンウエハ)40であり、ボート52に所定の間隔で整然と配置されている。ボート52は昇降台53上に載置され、回転軸57によって回転可能となっている。そして、昇降台53の下部には、モーター41、ベルト42、プーリー43が配置されている。したがって、回転軸57及びボート52が本発明の回転体11を形成し、プロセスチューブ51、ヒーター54、及び昇降台53は固定側となる。
【0039】
圧電共振子15は、容器20に収納され、ボート52の一部に配置されたサセプタ58に配置されている。回転側アンテナ12は、回転筒55の外周に形成され、ボート52と共に回転する。固定側アンテナ13は、固定筒56の外周に形成され、昇降台53に固定されている。なお、固定側アンテナ13からの導線16が接続される測定器17は図を省略している。
【0040】
このような構成において、プロセスチューブ51の内部がヒーター54によって加熱され、多数の半導体基板40を収容したボート52が昇降台53の上昇で装填され、ボート52が回転された状態で処理が行われる。そして、本発明の温度測定装置10により、回転体11であるボート52における複数点の温度を測定することができる。
【符号の説明】
【0041】
10、10a 温度測定装置
11 回転体
12 回転側アンテナ
13 固定側アンテナ
14 回転軸
15 圧電共振子
16 導線
17 測定器
20 容器
21 本体
22 蓋
23 電極端子
25 スリーブ
26 2穴絶縁管
30 保護管
31 接続端部
32 端子
40 半導体基板
41 モーター
42 ベルト
43 プーリー
50 拡散炉
51 プロセスチューブ
52 ボート
53 昇降台
54 ヒーター
55 回転筒
56 固定筒
57 回転軸
58 サセプタ
60 混練機
61 バレル
62 回転軸
63 投入口
64 排出口
65 パドル
66 ターミナル
70 加熱処理装置
71 回転ドラム
72 電気ヒーター
73 供給口
74 排出シュート
75 螺旋ガイド
76 架台
77 ローラー
80 スリップリング
81 外部導線
82 軸導線
83 ブラシ
84 軸
85 外筒
86 フランジ
87 ベアリング
88 回転止め
89 固定フレーム
90 車軸
91、91a、91b 温度センサー
92 リード線
93 補償導線
94 ロータリーコネクター
95 ブラシ
96 集電端子
97 出力端子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転体に温度の検出部を備え、固定側に温度の表示及び/又は記録を行う計測部を備える温度測定装置であって、
前記検出部が、圧電共振子と該圧電共振子に接続される回転側アンテナを備え、
前記計測部が、測定温度に対応する特異周波数の測定手段と固定側アンテナを備え、
前記回転側アンテナと前記固定側アンテナとを非接触で結合したことを特徴とする温度測定装置。
【請求項2】
前記圧電共振子が、前記回転側アンテナに複数個接続されていることを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項3】
前記回転側アンテナ及び前記固定側アンテナが円形状に形成され、その中心が前記回転体の回転軸の軸線上に位置していることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度測定装置。
【請求項4】
前記圧電共振子が、容器内に収納されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の温度測定装置。
【請求項5】
前記容器の内部が、気密に封止されていることを特徴とする請求項4に記載の温度測定装置。
【請求項6】
前記容器が、セラミック製であることを特徴とする請求項4又は5に記載の温度測定装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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