(57)【要約】【課題】複数の機能要素または部分の集合からなる機器にあって、環境温度の変動に伴って発生する微少領域の特性の変化が、機器の性能に差異が生じさせ、機器の機能に大きな影響を与える場合がある。この微少領域が、周囲とは異なった温度環境を作り、機器の特性の測定または実験を行うことができる温度制御装置の提供にある。【解決手段】先端を、制御対象の特定の微少領域に向けての作業が容易な構造にノズル状に形成したプローブと、該プローブの内側に形成しめた伝熱媒体の流路と、前記プローブの温度制御出力を制御対象に向けて出力する制御出力部位と、前記制御出力部位の出力を制御すべく該制御出力部位の近傍に配置された温度センサーと、該温度センサーに連動して作用する加熱ヒータとを備え、前記流路に供給される前記伝熱媒体は予め制御目標値より低い温度に予冷却した流体であり、制御出力を加熱出力のみの調節によることを特徴とする。【選択図】  図１
2004259240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の特定の微少領域に向けての作業が容易な構造のノズル状に形成したプローブと、該プローブの内側に形成した前記ノズルの噴出口を経て外部に開放された伝熱媒体の流路と、前記プローブの温度制御出力を制御対象に向けて出力する制御出力部位と、前記制御出力部位の出力を制御すべく該制御出力部位の近傍に配置された温度センサーと、該温度センサーに連動して作用する加熱ヒータとを備え、前記流路に供給される前記伝熱媒体は予め制御目標値より低い温度に冷却（以下、単に予冷却という。）した流体であり、制御出力を加熱出力のみの調節によることを特徴とする温度制御装置の構造。
【請求項２】
プローブのノズル部分を覆うフードと、前記フードの適当な箇所に設けた回収管路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置の構造。
【請求項３】
制御対象に接触すべく端面に形成せしめた高熱伝導率の金属材料からなる接触子を有し、制御対象を所定の温度に設定すべく前記接触子に向けて伝熱すべく流体を注入する注入路と、伝熱を終えた流体を回収すべく前記注入路に連結路及び回収路に連続する循環路を備え、前記循環路の前記接触子または連結路近傍に配置される温度センサーと、前記流体を加熱すべく前記温度センサー及びこれに接続される制御部と連動して作動する加熱ヒータとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置の構造。
【請求項４】
注入路と回収路は同軸的に配置された２重の筒体であり、高熱伝導率材料からなる金属板で形成された前記２重の筒体の端面を封鎖するごとく配置される接触子と、注入路と回収路とを繋ぐ連結路は前記接触子近傍に形成される内筒の内径部容積と外径部容積とを繋ぐ空間である請求項１または請求項３に記載の温度制御装置の構造。
【請求項５】
注入路と回収路は同軸的に配置された２重の筒体であり、高熱伝導率材料からなる金属板で形成された前記２重の筒体の端面を封鎖するごとく配置される接触子と、注入路と回収路とを繋ぐ連結路とを備えた温度制御装置であって、前記接触子を２種の金属の接合部材で作成し、前記接合部材の各金属と外部の制御部との間を電気的に接続し、熱起電力素子及びジュール熱発生素子として使用する温度制御装置の構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
電子機器に於ける部品、または半導体材料ないしは他の材料の物性試験に於いて、部品の一部または材料の微少領域に、周囲とは異なった温度条件を設定することのできる温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の機能要素または部分の集合からなる機器にあって、環境温度の変動に伴って発生する個々の要素または部分（以下、微少領域という。）の特性の変化が、機器の性能に差異を生じさせ、機器の機能に大きな影響を与える場合がある。
【０００３】
この様な場合、従来は機器全体を、任意の温度に設定可能な恒温室内に収容の上、設定温度を変え、機器全体に加わる温度の変化と、機器の特性の変化との関係を調査し、その態様を解析することによって、微少領域の温度特性を推定していた。しかしこの方法では、機器全体を構成する微少領域各部が複雑に関係し合って現れると思われる特性の変化から、特定の微少領域の温度特性と環境温度及び機器の特性の変化との関係を正確に特定することは不可能に近い。
【０００４】
特に、ＬＳＩ、半導体メモリ等の集積回路等ないしその他の電子部品が高度に集合してなる電子機器等（以下、単に機器という。）にあって、周囲温度の変動に伴って変化する機器の特性の変化が、どの部品または部分の温度特性に基づいて発生するかを、既に知られている部品や構成材料の個々のデータを参照の上、理論的に推定していた。或いは当該機器の対象領域にフロン又は二酸化炭素等のガスをスプレーで吹き付けて冷却、または鏝状の高温体を当該部分に接触させて加熱する等によって、対象部分を周囲と異なった温度環境を作り実験していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した第１の方法において、様々な個別データを参照して理論的に推定するとは言いながら、所詮は推定であって、正確な要因を把握できるとは言い難かった。また第２の方法において使用される用具は、媒体の出力が特に管理されたものではなく精密な温度設定は困難と言わざるを得ない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した課題を解決するための手段として提案するもので、請求項１の発明は、先端を、制御対象の特定の微少領域に向けての作業が容易な構造にノズル状に形成したプローブと、該プローブの内側に形成しめた前記ノズルの噴出口を経て外部に開放された伝熱媒体の流路と、前記プローブの温度制御出力を制御対象に向けて出力する制御出力部位と、前記制御出力部位の出力を制御すべく該制御出力部位の近傍に配置された温度センサーと、該温度センサーに連動して作用する加熱ヒータとを備え、前記流路に供給される前記伝熱媒体は予め制御目標値より低い温度に冷却（以下、単に予冷却という。）した流体であり、制御出力を加熱出力のみの調節によることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の温度制御装置において、ノズル部分を覆うフードと、前記フードの適当な箇所に設けた回収管路とを備え、ノズルから放出された流体が制御対象外に接触し影響を与えることを防ぎ、かつ放出されフード内に散逸している流体を回収し再利用可能としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、制御対象に接触すべく、プローブ先端に形成せしめた高熱伝導率の金属材料からなる接触子と、前記接触子を所定の温度に設定すべく、該接触子に接触し伝熱する制御温度に調節された流体及びその流路と、前記流路に流体を注入する注入路と、流体を循環すべく、前記注入路と連結路及び回収路とに連続する循環路を備え、前記循環路の前記接触子または連結路近傍に配置される温度センサーと、前記流体を加熱すべく前記温度センサー及びこれに接続される制御部と連動して作動する加熱ヒータとを備えたことを特徴とし、取扱いが簡便かつハンディータイプの温度制御装置を提供することができる。
【０００９】
次に請求項４の発明は、プローブは注入路と回収路は同軸的に配置された２重の筒体であり、高熱伝導率材料からなる金属板で形成された前記２重の筒体の端面を封鎖するごとく配置される接触子と、注入路と回収路とを繋ぐ連結路は前記接触子近傍に形成される内筒の内径部容積と外径部容積とを繋ぐ空間である請求項１または請求項３に記載の温度制御装置では、より小型化が可能となる。
【００１０】
請求項５の発明は、前記接触子を２種の金属の接合部材で作成し、前記接合部材の各金属と、前記接触子を２種の金属の接合部材で作成し、前記接合部材の各金属と外部の制御部との間を電気的に接続し、熱起電力素子及びジュール熱発生素子として使用する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の温度制御装置の温度制御機能を高め、更に一層小型化することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、請求項１の発明の実施例に係る温度制御装置を示す構成図、図２は図１の温度制御装置の主体を構成する制御プローブ１００の内部を示した断面図である。図で、１は前記制御プローブ１００の外形を形成する筒状の容器で、その内側には、伝熱媒体となる流体Ｆの流路２が形成されている。注入口３には、流体Ｆを送給すべく、流路２と流体Ｆの供給源１１とを中継する管路４が接続され、かつプローブ１の他端の制御出力部位５は、円錐状に絞り込んでノズル５′を形成し、制御対象の特定の微少領域に向けての作業が容易な構造を備える。
【００１２】
流路２の制御出力部位５の近傍に流体Ｆを加熱すべくヒータ６と温度センサー７が配置される。温度センサー７の感知データは、図１の構成図に図示のごとく、配線７ａ，７ｂを経由して制御部９に送られ、ヒータ６の入力６ａ，６ｂの供給電力を制御、ノズル５′よりの流体出力Ｆｏを目標温度に設定する。次に目標温度に設定された流体出力Ｆｏを、制御対象８に向けて吹き付ける。ここで流体Ｆは、伝熱媒体として効果の高い気体として、フロン、二酸化炭素ガス等の使用が考えられるが、環境への影響を考えると空気または環境汚染の少ない気体であることが望ましい。
【００１３】
流体Ｆの供給源１１には、注入口３に送給される流体Ｆを予め目標温度より低く冷却するためのポンプと冷却器Ｃとを備えるか、叉は液化された窒素乃至二酸化炭素その他の冷媒の貯蔵タンクが接続される。
【００１４】
図３は、図１における制御プローブ１００のノズル部分５を覆うフード１０と、該フード１０の適当な箇所に回収管路１０ｂを備え、ノズルから放出された流体が制御対象外に接触し影響を与えることを防ぎ、かつノズル５′から放出され、フード１０内Ａに散逸している流体Ｆを回収し、再利用できるよう構成したものである。
【００１５】
図４及び図５は、制御プローブに、流体Ｆの供給管路の他に回収管路を設け、供給源１１に接続する。さらにノズルの先端に接触子を設け、制御対象の極めて狭小な領域に向けての伝熱を可能にしたことで、微少領域の温度制御を容易にするのみならず領域外への影響を少なくし、かつ流体Ｆの再回収を可能にしている。
【００１６】
図４及び図５で、制御プローブ１００は、同軸的に配置された外筒２１と内筒２２との２重の筒体からなる。２３は、銅または銅合金等の高熱伝導率材料の金属板からなる接触子で、前記外筒２１の、一方の端面を封止する。接触子２３近傍の内筒２２の端部には、図５に図示したように、内筒２２の内径部容積２５と外形部容積２６とを連絡する連結路２４が、放射状に形成されている。２７は外筒２１に形成した管路からなる回収路で、前記外形部容積２６と外部の流体Ｆの処理機器とを繋ぐ。３は図１と同様注入口を示し、該注入口３から送給された流体Ｆは内筒２２の内径部容積２５を図示左端の接触子２３に接触、前記空間２４を経て外形部容積２６に移動、図示矢線で示すような流路を形成し流体Ｆは管路２７経て供給源１１に帰還する。
【００１７】
図６は、図４の鎖線Ｃに囲まれた部分を拡大して表したもので、図中の符号２１ないし２６は図４及び図５と同様である。２８は流体Ｆを加熱するためのヒータ、２９は流体Ｆの温度を検知するための温度センサーである。ここで温度センサー２９は本発明に係る温度制御装置の制御範囲をカバーするものであれば、いかなる方式の温度センサーであっても良く、例えばサーミスター、白金測温抵抗体または熱電対、赤外線測温計等の何れであっても良い。温度センサー２９は接触子２３近傍の温度を検出し、そのデータは制御部に送られる。
【００１８】
図７には、この実施例の回路図を示す。図中、制御部は、温度センサー２９の検知データ２９ａを受けて流体Ｆを目標温度にすべく供給電力２８ａを制御する。
【００１９】
図８は、図４の鎖線Ｃに囲まれた部分の図６とは別の例を示している。図６では、温度検出と加熱ヒータは別個の素子を使用しているのに対し、本実施例では接触子２３と内筒２２を異なった種類の金属によって形成し、各金属からは外部の制御回路に接続するリード線２２ａ，２３ａが設けられ、この外部制御回路と協同して温度検出と加熱ヒータ双方の機能を具備する。具体的には、接触子２３と内筒２２を異なった材質の金属を接合し、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱起電力効果及びジュール熱の発生による温度制御素子としての機能を持たせている。
【００２０】
図９には、前記図８の実施例に対応した制御プローブを含む温度制御システム全体を示す。図中、１００は前記図８の構造を備えた制御プローブで、その内部に備える接触子２３と内筒２２と制御部２００との間を前記リード線２２ａ，２３ａが仲介する。このリード線２２ａ，２３ａが仲介する接触子２３と内筒２２の入出力は端子２３１ａ及び２２１ａを経てリレー２０１及び制御回路に接続される。リレー２０１の常時閉接点ａは接触子２３に電力を供給すべく金属体２３ａ，２３ｂと電源との間に電力の供給回路が形成される。金属体２３ａ，２３ｂ間には、ジュール熱による温度上昇が発生するよう電圧が加えられ、これに接触する流体Ｆを加熱する。所定の時間の経過後、リレー２０１の常時閉接点ａは開路し常時開接点ｂは閉路する。このリレー２０１の切り替えによって金属体２３ａ，２３ｂに加えられていた電力の供給は断たれ、金属体２３ａ，２３ｂの温度上昇は休止する。金属体２３ａ，２３ｂの温度上昇が休止することで、接触子２３は予冷却されている流体Ｆからの伝熱によって再びその温度を低下させる。
【００２１】
つぎにリレー２０１の常時開接点ｂは、閉路時金属体２３ａ，２３ｂのゼーベック効果に基づく電圧の発生を感温データとして制御回路に伝える。制御回路は、金属体２３ａ，２３からの感温データを基に、リレー２０１を操作、感温データが制御目標より低い温度の時は、接点ａの回路を閉じ、金属体２３ａ，２３ｂ間に電力を供給しジュール熱の発生によって接触子２３を加熱する。所定時間経過後、再び接点ｂに切り替え、接触子２３を感温素子として作用させる。この操作を反復させることで、接触子２３の温度を制御し、これに接触した制御対象８の温度を目標温度に到達せしめる。
【００２２】
これらの過程は制御回路２０２に組み込まれた演算回路が、感温データを参照してプログラムされる。
【００２３】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。請求項１の発明で、制御対象の特定の微少領域を他の領域とは異なった任意の温度に制御しようとして、制御プローブを制御すべき領域に向けて伝熱媒体である流体を射出する時、流体は加熱のみで容易に目標温度に制御することができるので、制御プローブを小型化と軽便性の確保が容易となる。
【００２４】
請求項２の発明は、前記した制御プローブに取り付けたフードで制御対象周辺を覆うことで、散逸した流体を回収し放出することで、制御性を高めることが可能となる。
【００２５】
前記２項の発明が、流体を制御対象に直接射出するのに対し、請求項３ないし請求項５の発明では、制御プローブの制御出力部位に備えた接触子と制御対象との間の直接接触によって温度を伝えられる様、構成されている。この構成によって、制御領域を必要最小限に限定することができるので、狭小な領域に限定した温度制御が可能となる。
【００２６】
また請求項５に記載した発明では、接触子自体を異種金属の接合部材で構成、熱電素子としての機能を持たせたことで、制御プローブの小型化と制御機能を高めることが可能である。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明に係る温度制御装置の制御プローブを使用した温度制御装置全体を示す。
【図２】請求項１の発明に係る温度制御装置の制御プローブの構造を示す縦断面図である。
【図３】図１の制御プローブにノズル周囲を覆うフードを取り付けた例を図示したものである。
【図４】制御プローブのノズル先端を接触子で封鎖した  請求項３ないし請求項５に記載した実施例の構造を示した断面図である。
【図５】図４の鎖線Ａ−Ａで示す部分断面図である。
【図６】図４の鎖線Ｃで示す円に囲われた部分の拡大図で、請求項４に係る実施例の詳細図である。
【図７】図４ないし図６の実施例に係る制御プローブを使用した温度制御装置全体を示す。
【図８】図４の鎖線Ｃで示す円に囲われた部分の拡大図で、請求項５に係る実施例の詳細図である。
【図９】図４ないし図５及び図８の実施例に係る制御プローブを使用した温度制御装置全体を示す。
【符号の説明】
１，１００  プローブ
２  流路
３  注入口
４  供給管路
５  制御出力部位
５′ノズル
６  加熱ヒータ
７  温度センサー
８  制御対象
９  制御部
１０  フード
１０ｂ  回収管路
１１  供給源
２１  外筒
２２  内筒
２３  接触子
２２ａ，２３ａ  リード線
２３ｂ  接合部
２４  空間
２５  内径部容積
２６  外形部容積
２７  回収路
２８  加熱ヒータ
２８ａ  加熱ヒータ入力線
２９  温度センサー
２９ａ  温度センサー引き出し線
１００  制御プローブ
２００  制御部
２０１  リレー
Ｆ  流体
Ｆｏ  流体出力
【図１】
2004259240.tif 000003
【図２】
2004259240.tif 000004
【図３】
2004259240.tif 000005
【図４】
2004259240.tif 000006
【図５】
2004259240.tif 000007
【図６】
2004259240.tif 000008
【図７】
2004259240.tif 000009
【図８】
2004259240.tif 000010
【図９】
2004259240.tif 000011