(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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。
【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
【図１】
2012189336.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012189336.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012189336.tif 000007
【図６】
2012189336.tif 000008
【図７】
2012189336.tif 000009
【図８】
2012189336.tif 000010