(57)【要約】【課題】広い空間領域でも定在波を生じることなく、安定して少なくとも１箇所以上の温度を測定することができる温度測定システム１０を提供する。【解決手段】少なくとも１個以上のセンサユニット２０と、センサユニット２０と電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系３０と、アンテナ系３０が接続される測定手段４０とを備える。センサユニット２０は、圧電振動子２１とコイル２２とを接続して構成され、アンテナ系３０は、伝送線路３２に少なくとも１個以上のアンテナユニット６０を並列的に接続して構成され、アンテナユニット６０は、コイル６１とコンデンサ６２によって共振回路を構成し、伝送線路３２は、その一端側が測定手段４０の出力端子に接続され、他端側が当該伝送線路３２の特性インピーダンスを満たす抵抗３３で終端され、測定手段４０が、アンテナ系３０に高周波電力を供給するとともに、アンテナ系３０からの反射電力を受信して観測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子を備える少なくとも１個以上のセンサユニットと、前記センサユニットと電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系と、前記アンテナ系が接続される測定手段とを備える温度測定システムであって、
前記センサユニットは、圧電振動子とコイルとを接続して構成され、
前記アンテナ系は、伝送線路に少なくとも１個以上のアンテナユニットを並列的に接続して構成され、
前記アンテナユニットは、コイルとコンデンサによって共振回路を構成し、
前記伝送線路は、その一端側が前記測定手段の出力端子に接続され、他端側が当該伝送線路の特性インピーダンスを満たす抵抗で終端され、
前記測定手段が、前記アンテナ系に高周波電力を供給するとともに、前記アンテナ系からの反射電力を受信して観測することを特徴とする温度測定システム。
【請求項２】
圧電振動子を備える少なくとも１個以上のセンサユニットと、前記センサユニットと電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系と、前記アンテナ系が接続される測定手段とを備える温度測定システムであって、
前記センサユニットは、圧電振動子とコイルとを接続して構成され、
前記アンテナ系は、伝送線路に少なくとも１個以上のアンテナユニットを並列的に接続して構成され、
前記アンテナユニットは、コイルとコンデンサによって共振回路を構成し、
前記伝送線路は、その一端側が前記測定手段の出力端子に接続されるとともに、その他端側が前記測定手段の入力端子に接続され、
前記測定手段が、前記アンテナ系に高周波電力を供給するとともに、前記アンテナ系からの伝達電力を受信して観測することを特徴とする温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた温度測定システムに関し、特に、広い空間領域で少なくとも１箇所以上の温度を容易に測定することができる温度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子の振動特性が温度によって変化することを利用して、温度を測定することは従来から知られている。特許文献１には、セラミック容器の中に圧電振動子である水晶を収容し、容器の外部に一対の電極を設けた温度センサが記載されている。また、ネットワークアナライザ等の測定手段を用いて、複数点の温度を一つのシステムで測定することが記載されている。すなわち、両端が開放された高周波線路に対して、共振周波数が互いに異なる複数の温度センサが順次並列的に接続され、その一端が測定手段に接続されたシステムである。
【０００３】
特許文献２には、ネットワークアナライザ等の測定手段を用いて、複数点の温度を測定する他のシステムが記載されている。すなわち、伝送線路に共振周波数が互いに異なる複数の温度センサが順次直列的に接続され、その両端が測定手段に接続されている。また、測定手段に接続される伝送線路が、途中で２個のループアンテナで電磁結合され、無線を利用するシステムが記載されている。
【０００４】
特許文献３には、アンテナを用いて温度測定を行う他のシステムが記載されている。図４（ａ）に示すように、この温度測定システム１１０は、センサユニット１２０と、アンテナ系１３０と、測定手段１４０とによって構成されている。センサユニット１２０は、圧電振動子１２１とコイル１２２とをループ状に接続して構成されている。アンテナ系１３０は、伝送線路１３２にコイル１３１を接続して形成されている。そして、センサユニット１２０とアンテナ系１３０とは、コイル１２２とコイル１３１とによって電磁結合され、共振回路１５０を形成している。したがって、温度測定システム１１０は、温度の測定点において無線を利用するシステムである。
【０００５】
測定手段１４０は、共振回路１５０に対して、逐次周波数を変えて、高周波電力を供給するとともに、共振回路１５０の反射電力強度の周波数特性を測定している。供給電力の周波数と測定される反射電力強度との関係は、例えば、図４（ｂ）に示すようになって、得られる曲線のボトムが圧電振動子１２１の共振周波数である。
【０００６】
特許文献３には、図４（ｃ）に示すように複数点の温度を測定するシステムが記載されている。すなわち、図４（ａ）と同様のセンサユニット１２０が複数個配置されるとともに、１個のアンテナ系１３０が全てのセンサユニット１２０を包囲するように配置され、１個の測定手段１４０に接続されている。アンテナ系１３０は、ただ１個のコイル１３１（ループアンテナ）を備えている。
【０００７】
図４（ｄ）は、図４（ｃ）を少し具体的に示したもので、複数点の温度を測定する温度測定システム１１１を示している。複数のセンサユニット１２０、１２０、……は、図４（ａ）のセンサユニット１２０と同様に、圧電振動子１２１とコイル１２２をループ状に接続して構成されているが、その共振周波数が互いに異なっている。一方、アンテナ系１３０は、１個のコイル１３１と伝送線路１３２とで構成され、コイル１３１が、複数のセンサユニット１２０、１２０、……と夫々電磁結合するようにしている。アンテナ系１３０は、インピーダンス整合器１３３を介して、測定手段１４０に接続されている。
【０００８】
温度測定システム１１１は、複数のセンサユニット１２０に対して、１個のアンテナ系１３０を使用して、無線で測定をすることができるので非常に便利である。また、センサユニット１２０には、ＬＴＧＡ等の高い温度の測定に適した圧電振動子を使用することもできる。このため、温度測定システム１１１は、すでに半導体製造装置等における高温の温度測定に実用化されている。
なお、センサユニット１２０の具体的な構造については、特許文献４や特許文献５に、詳しく記載されている。
【０００９】
しかしながら、温度測定システム１１１は、広い空間領域に亘って複数点の温度を測定する場合には、アンテナ系１３０に定在波を生じて反射電力の周波数特性が擾乱する問題を生じることが明らかになった。すなわち、周波数特性の乱れにより、図４（ｂ）に示すようなボトムを備える波形を安定して得ることができなかったり、波形を得ることはできてもボトムの位置がずれてしまったりする現象が発生する。このため、温度測定システム１１１は、広い空間領域で複数点の温度を同時に測定することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２５６５１９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３７７３８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３７７３７号公報
【特許文献４】特開２０１１−１２２９１１号公報
【特許文献５】特開２００９−２６５０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の目的は、広い空間領域に亘って少なくとも１箇所以上の温度を測定しても、定在波を生じることなく、安定して少なくとも１箇所以上の温度を測定することが可能な温度測定システムを提供することにある。そして、半導体製造装置等における高温の温度測定においても、自動化や高精度化に有効な温度測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、アンテナ系の構成として、伝送線路に少なくとも１個以上のアンテナユニットを並列的に接続したものとし、伝送線路をその特性インピーダンスを満たす抵抗で終端させることによって、比較的距離の長いアンテナ系においても定在波の発生を抑制できることを発見した。そして、さらに研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
本発明の請求項１に係る温度測定システムは、圧電振動子を備える少なくとも１個以上のセンサユニットと、前記センサユニットと電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系と、前記アンテナ系が接続される測定手段とを備える温度測定システムであって、前記センサユニットは、圧電振動子とコイルとを接続して構成され、前記アンテナ系は、伝送線路に少なくとも１個以上のアンテナユニットを並列的に接続して構成され、前記アンテナユニットは、コイルとコンデンサによって共振回路を構成し、前記伝送線路は、その一端側が前記測定手段の出力端子に接続され、その他端側が当該伝送線路の特性インピーダンスを満たす抵抗で終端され、前記測定手段が、前記アンテナ系に高周波電力を供給するとともに、前記アンテナ系からの反射電力を受信して観測する手段を採用している。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る温度測定システムは、圧電振動子を備える少なくとも１個以上のセンサユニットと、前記センサユニットと電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系と、前記アンテナ系が接続される測定手段とを備える温度測定システムであって、前記センサユニットは、圧電振動子とコイルとを接続して構成され、前記アンテナ系は、伝送線路に少なくとも１個以上のアンテナユニットを並列的に接続して構成され、前記アンテナユニットは、コイルとコンデンサによって共振回路を構成し、前記伝送線路は、その一端側が前記測定手段の出力端子に接続されるとともに、その他端側が前記測定手段の入力端子に接続され、前記測定手段が、前記アンテナ系に高周波電力を供給するとともに、前記アンテナ系からの伝達電力を受信して観測する手段を採用している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の温度測定システムは、上記の構成とすることにより、アンテナ系の長さを１０ｍ以上として少なくとも１箇所以上の温度を測定した場合でも定在波を生じることなく、安定して温度を測定することが可能である。そして、半導体製造装置、薄膜形成装置、高温焼成炉等に適用可能であり、これらの分野における温度測定の自動化、高精度化、簡略化に著しい効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の温度測定システムにおけるアンテナ系とセンサユニットとの関係を示す説明図である。
【図２】本発明の第１の温度測定システムを示す説明図であり、（ａ）はアンテナ系と測定手段とを示し、（ｂ）はシステム全体の構成を示している。
【図３】本発明の第２の温度測定システムを示す説明図であり、（ａ）はアンテナ系と測定手段とを示し、（ｂ）はシステム全体の構成を示している。
【図４】従来の温度測定システムを示す説明図であり、（ａ）は１点の温度を測定するシステムの例であり、（ｂ）は周波数特性の一例であり、（ｃ）は複数点の温度を測定するシステムの例であり、（ｄ）は（ｃ）のシステム全体の構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の温度測定システムは、圧電振動子を備えるセンサユニットと、センサユニットと電磁結合して共振回路を形成するアンテナ系と、アンテナ系が接続される測定手段とを備えるシステムであって、少なくとも１箇所以上の温度を同時に測定するシステムであり、無線を利用するシステムである。
【００１８】
図１により、本発明の温度測定システムの基本的な特徴であるアンテナ系３０について説明する。センサユニット２０は、従来のものと同様に、圧電振動子２１とコイル２２とをループ状に接続して構成している。そして、少なくとも１箇所以上の温度を測定するために、センサユニット２０は、互いに共振周波数の異なる圧電振動子２１で構成したものを、少なくとも１個以上使用している。
【００１９】
センサユニット２０の具体的な構成は、温度を測定する対象物等の測定条件によって様々な態様に変化するので、参考となる文献を紹介しておく。例えば、特許文献４には、ワークの水平面に載置する例が複数記載されている。また、特許文献５には、容器内に圧電振動子とコイルとをコンパクトに収納したものが記載されている。いずれの場合にも、コイル２２には、ループ状又は渦巻き状のものが使用されている。
【００２０】
本発明のアンテナ系３０は、伝送線路３２に少なくとも１個以上のアンテナユニット６０を並列的に接続して構成することを特徴としている。後述するように、伝送線路３２の一端は測定手段４０に接続され、他端にはその特性インピーダンスを満たす抵抗３３を設けて終端させている。そして、各アンテナユニット６０と各センサユニット２０とが一対一で対応するように配置して使用する。
【００２１】
アンテナユニット６０は、コイル６１とコンデンサ６２を接続して並列共振回路を構成している。そして、コイル６１とコンデンサ６２との共振で得られる周波数が、センサユニット２０の圧電振動子２１の共振周波数の近傍となるようにしている。アンテナユニット６０は、ワークを加熱する装置内等に固定されることが多いために、装置等の条件により様々な態様に変化する。
【００２２】
アンテナユニット６０とセンサユニット２０とは、コイル６１とコイル２２とが近接するように配置するので、これに適した形状とすることが好ましい。例えば、コイル６１及びコイル２２の形状をループ状又は渦巻き状にすると、互いに上下に重なるように位置させることができる。
【００２３】
伝送線路３２は、一定の特性インピーダンスを備えるものとする。すなわち、同軸ケーブル又は平行ケーブルを使用するとともに、特性インピーダンスを満たす抵抗３３で終端されている。例えば、市販の同軸ケーブルを使用する場合、特性インピーダンスが５０Ω又は７５Ωのものを使用することになる。本発明の温度測定システムは、伝送線路３２を１０ｍ以上の長さにすることが可能であり、１０個以上の複数点の測定を同時に安定して行うことが可能である。
【００２４】
なお、アンテナ系３０が接続される測定手段４０は、ネットワークアナライザ等として市販されているものを利用することが可能であり、その構成内容や複数点の温度測定における利用方法についても、特許文献１、特許文献３、特許文献５等に記載されているので、ここでは説明を省略する。
【００２５】
本発明の第１の温度測定システム１０を図２に示す。図２（ａ）は、アンテナ系３０と測定手段４０を示し、測定手段４０の出力端子４１にアンテナ系３０が接続されていることを示している。ここで、アンテナ系３０は、同軸ケーブルを用いた伝送線路３２に少なくとも１個以上のアンテナユニット６０が並列的に接続され、伝送線路３２の特性インピーダンスを満たす抵抗３３で終端している。なお、図２（ａ）では、センサユニット２０の記載を省略しているが、各アンテナユニット６０に対応する夫々の位置にセンサユニット２０が配置されている。
【００２６】
温度測定システム１０の全体構成を図２（ｂ）に示す。図１で説明したように、少なくとも１個以上のセンサユニット２０は、圧電振動子２１とコイル２２によって構成され、その圧電振動子２１が互いに異なる振動周波数を備えている。また、少なくとも１個以上のアンテナユニット６０は、コイル６１とコンデンサ６２によって構成されている。そして、それぞれのセンサユニット２０が、それぞれのアンテナユニット６０と対応して、近傍に配置されている。
【００２７】
伝送線路３２は、その一端側が測定手段４０の出力端子４１に接続され、他端側が抵抗３３で終端されている。そして、測定手段４０は、出力端子４１から高周波電力をアンテナ系３０に供給すると、アンテナ系３０から戻される反射電力を出力端子４１により受信して、各センサユニット２０の周波数特性を観察することができる。すなわち、各センサユニット２０から反射される電力が最小となる周波数、言い換えると、反射係数Ｓ１１が最小となる周波数を、無線により測定することができる。
【００２８】
図２（ａ）に示すような形態で、長さ約６ｍの伝送線路３２に１２個のアンテナユニット６０を設けたアンテナ系３０を用いて試験を行った。その結果、全てのセンサユニット２０において、安定して周波数特性を観察することが可能であり、ボトムの位置が明確な波形を求めることが可能であった。また、同一のセンサユニット２０を、測定手段４０に最も近い位置と、最も遠い位置に置いて比較したところ、約１０ＭＨｚの振動周波数に対して、０．０００２４５ＭＨｚの差を生じた。これを温度の誤差に換算すると、１５０℃においては約０．６℃の誤差であり、３００℃においては約０．４℃の誤差である。したがって、温度測定システム１０は、十分に実用できることが判明した。
【００２９】
本発明の第２の温度測定システム１１を図３に示す。図３（ａ）は、アンテナ系３０と測定手段４０を示し、測定手段４０の出力端子４１にアンテナ系３０の一端が接続され、入力端子４２にアンテナ系３０の他端が接続されていることを示している。ここで、アンテナ系３０は、同軸ケーブルを用いた伝送線路３２に少なくとも１個以上のアンテナユニット６０が並列的に接続されている。なお、図３（ａ）では、センサユニット２０の記載を省略しているが、各アンテナユニット６０に対応する夫々の位置にセンサユニット２０が配置されている。
【００３０】
温度測定システム１１の全体構成を図３（ｂ）に示す。図１で説明したように、少なくとも１個以上のセンサユニット２０は、圧電振動子２１とコイル２２によって構成され、複数の場合には、その圧電振動子２１が互いに異なる振動周波数を備えている。また、少なくとも１個以上のアンテナユニット６０は、コイル６１とコンデンサ６２によって構成されている。そして、それぞれのセンサユニット２０が、それぞれのアンテナユニット６０と対応して、近傍に配置されている。
【００３１】
伝送線路３２は、その一端側が測定手段４０の出力端子４１に接続され、他端側が測定手段４０の入力端子４２に接続されている。ただし、入力端子４２の内部において、抵抗４３が設けられ、温度測定システム１０の場合と同様に、伝送線路３２はその特性インピーダンスを満たす抵抗４３で終端している。
【００３２】
測定手段４０は、出力端子４１から高周波電力をアンテナ系３０に供給すると、アンテナ系３０を経由した伝達電力を入力端子４２により受信して、各センサユニット２０の周波数特性を観察することができる。すなわち、各センサユニット２０から伝達される電力が最小となる周波数、言い換えると、伝達係数Ｓ２１が最小となる周波数を、無線により測定することができる。
【００３３】
図３（ａ）に示すような形態で、長さ約６ｍの伝送線路３２に１２個のアンテナユニット６０を設けたアンテナ系３０を用いて試験を行った。その結果、全てのセンサユニット２０において、安定して周波数特性を観察することが可能であり、ボトムの位置が明確な波形を求めることが可能であった。そして、同一のセンサユニット２０を、測定手段４０に最も近い位置と、最も遠い位置に置いて比較したところ、約１０ＭＨｚの振動周波数に対して、誤差を認めることができなかった。したがって、温度測定システム１１は、十分に実用できることが判明した。
【００３４】
本発明の温度測定システム１０、１１は、アンテナ系の長さを１０ｍ以上として少なくとも１箇所以上の温度を測定した場合でも定在波を生じることなく、安定して温度を測定することが可能である。そして、半導体製造装置、薄膜形成装置、高温焼成炉等に適用可能であり、これらの分野における温度測定の自動化、高精度化、簡略化に著しい効果を発揮することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０、１１    温度測定システム
２０          センサユニット
２１          圧電振動子
２２、６１    コイル
３０          アンテナ系
３２          伝送線路
３３、４３    抵抗
４０          測定手段
４１          出力端子
４２          入力端子
６０          アンテナユニット
６２          コンデンサ
【図１】
2015178955.tif 000003
【図２】
2015178955.tif 000004
【図３】
2015178955.tif 000005
【図４】
2015178955.tif 000006