特開 2024-117531 熱電対温度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024117531

(43)【公開日】2024-08-29

(54)【発明の名称】熱電対温度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/026 20210101AFI20240822BHJP

【ＦＩ】

G01K7/026

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023023669

(22)【出願日】2023-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】星野 健

(57)【要約】

【課題】 温度測定精度の低下を抑制しながら、熱電対が正常な動作環境にあるか否かを判定する。
【解決手段】 実施形態の熱電対温度測定装置は、温度に応じて２端子間電圧が疑似線形的に変化する熱電対と、前記熱電対に供給する交流電圧信号を発生する交流信号発生回路と、前記熱電対の出力信号に前記交流電圧信号が含まれるか否かを判定する検知回路と、前記熱電対の出力信号をデジタル信号に変換して出力する機能を備えた出力回路と、を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度に応じて２端子間電圧が疑似線形的に変化する熱電対と、
前記熱電対に供給する交流電圧信号を発生する交流信号発生回路と、
前記熱電対の出力信号に前記交流電圧信号が含まれるか否かを判定する検知回路と、
前記熱電対の出力信号をデジタル信号に変換して出力する機能を備えた出力回路と、
を有する熱電対温度測定装置。

【請求項2】

前記交流電圧信号を前記熱電対の出力信号から除去するフィルタ回路
を更に具備する請求項１に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項3】

前記交流信号発生回路が発生する前記交流電圧信号は、振幅が１００ｍＶ以下で、周波数が１Ｈｚ以上である
請求項１に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項4】

前記検知回路は、
前記交流信号発生回路を制御する制御回路と、
前記熱電対の出力信号から特定周波数成分を抽出するロックインアンプ機能部と、を具備し、
前記ロックインアンプ機能部による特定周波数成分の抽出結果から前記熱電対の出力信号に前記交流信号発生回路が発生した前記交流電圧信号の成分が含まれるか否かを検出し、前記検出の結果に基づいて前記熱電対に断線が生じているか否かを示す断接情報を出力する
請求項１に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項5】

前記制御回路は、
前記交流信号発生回路により前記熱電対に前記交流電圧信号が重畳される期間には、前記出力回路の出力を停止させる
請求項４に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項6】

前記検知回路は、
前記熱電対の特性又はタイプを検出する熱電対特性検出回路、を更に具備し、
前記制御回路は、前記熱電対の特性又はタイプに基づいて、前記交流信号発生回路に発生させる交流電圧信号の周波数、振幅、波形及び発生時間の少なくとも１つを設定する
請求項４に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項7】

前記熱電対特性検出回路は、
前記熱電対に供給する前記交流電圧信号を変化させながら、前記熱電対の出力信号に含まれる前記交流電圧信号の成分を取得することで、前記熱電対の特性を検出する
請求項６に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項8】

前記熱電対特性検出回路は、
前記熱電対のコネクタ部に設けられたＩＤタグの情報を読み出すことで、前記熱電対のタイプを検出する
請求項６に記載の熱電対温度測定装置。

【請求項9】

前記交流電圧信号を前記熱電対の出力信号から除去するフィルタ回路、を更に具備し
前記制御回路は、前記熱電対の特性又はタイプに基づいて、前記フィルタ回路のフィルタタイプ及びカットオフ周波数の少なくとも１つを設定する
請求項６に記載の熱電対温度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、熱電対温度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、温度センサーとして熱電対を用いた温度測定装置が採用されることがある。熱電対は、２種類の金属の先端同士を接触させて接合点に熱起電力を発生させ、温度の検知を可能にするものである。

【0003】

例えば、熱電対温度測定装置は、ヒータの発熱制御等に利用されることもある。

【0004】

しかしながら、熱電対による温度測定が正常に行えない場合がある。例えば、熱電対を構成する２つの金属の接合部分が断線状態（オープン状態）となる故障が生じる可能性がある。また、熱電対とコネクタ部との間で接触不良が生じる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０２０／１４５１８３号

【特許文献2】特開２００４ー０３１０９９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本実施形態は、温度測定精度の低下を抑制しながら、熱電対が正常な動作環境にあるか否かを判定することができる熱電対温度測定装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の熱電対温度測定装置は、温度に応じて２端子間電圧が疑似線形的に変化する熱電対と、前記熱電対に供給する交流電圧信号を発生する交流信号発生回路と、前記熱電対の出力信号に前記交流電圧信号が含まれるか否かを判定する検知回路と、前記熱電対の出力信号をデジタル信号に変換して出力する機能を備えた出力回路と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る熱電対温度測定装置を含むヒータ装置を示すブロック図。

【図2】比較例における熱電対のオープン検知を説明するための説明図。

【図3】横軸に温度をとり縦軸に熱電対Ｔｈの出力に基づく検出電圧差又は電位誤差をとって、熱電対Ｔｈの特性を示すグラフ。

【図4】図１中の熱電対Ｔ１，Ｔ２及び熱電対読取部ＴＲ１，ＴＲ２の具体的構成の一例を示すブロック図。

【図5】第１の実施形態の他の例における構成を示すブロック図。

【図6】温度測定開始時における動作を説明するためのフローチャート。

【図7】第２の実施形態を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

【0010】

（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係る熱電対温度測定装置を含むヒータ装置を示すブロック図である。本実施形態は、熱電対（Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ）に対して交流信号（交流電圧信号）を供給する交流信号発生回路を採用し、熱電対の出力（電圧信号）の検出に際して交流信号の除去を行うと共に、交流信号の周波数成分を検出することにより、温度測定精度の低下を抑制しながら熱電対が正常な動作環境にあるか否かを判定可能にするものである。例えば、熱電対がコネクタ部と適切に接続されており、かつ、熱電対における２つの金属の接合部分に断線などが生じていない場合、熱電対は正常な動作環境にあると言える。また、例えば、熱電対がコネクタ部と適切に接続されていない場合、または、熱電対における２つの金属の接合部分に断線などが生じている場合、熱電対は正常な動作環境にないと言える。

【0011】

なお、本実施形態は、熱電対温度測定装置をヒータの温度測定に用いる例を示したが、熱電対温度測定装置の温度測定対象はヒータに限定されるものではなく、本実施形態は各種の温度測定に利用することが可能である。以下では、熱電対が正常な動作環境にあるか否かの判定として、熱電対の断線状態（オープン状態）を検知する場合を例に挙げて説明する。

【0012】

（比較例におけるオープン検知）
図２は比較例における熱電対のオープン検知を説明するための説明図である。

【0013】

金属部Ｍ１，Ｍ２を接合部ＭＯにおいて接続することにより、熱電対Ｔｈが構成される。図２に示される熱電対Ｔｈは、例えば、図１に示される熱電対Ｔ１，Ｔ２に対応する。金属部Ｍ１，Ｍ２としては、種々の金属が採用される。例えば、金属部Ｍ１はクロムとニッケルの合金であってもよく、金属部Ｍ２はアルミニウムとニッケルの合金であってもよい。接合部ＭＯは、金属部Ｍ１，Ｍ２が電気的に接続される部分である。

【0014】

金属部Ｍ１，Ｍ２はコネクタ部２の検出端子２ａ，２ｂを介してアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤＣという）１に接続される。図２に示されるコネクタ部２は、例えば、図１に示されるコネクタ部Ｃ１，Ｃ２に対応する。ゼーベック効果により発生する熱起電力に応じて、温度に応じた電流が熱電対Ｔｈに流れて検出端子２ａ，２ｂ間に電圧差が生じる。ＡＤＣ１は、検出端子２ａ，２ｂからの各検出電圧出力の差（検出電圧差）をデジタル信号に変換して出力する。出力回路としてのＡＤＣ１からの出力は、温度に応じたデジタル値となる。

【0015】

いま、図２の金属部Ｍ１に断線が生じるものとする。図２の破線は断線により熱電対Ｔｈに故障が生じたことを示している。熱電対Ｔｈがオープン状態になると、ＡＤＣ１からは温度の検出結果が得られない。ＡＤＣ１の出力をヒータの温度制御に用いる装置では、ヒータを所望の温度に設定することができなくなる。そこで、熱電対Ｔｈのオープン検知を行う手法を採用する。

【0016】

図２は、熱電対Ｔｈのオープン検知のために、熱電対Ｔｈに電流を流す手法を採用する例を示している。ＡＤＣ１には電流回路１ａが設けられている。電流回路１ａは、電源電圧ＡＶＤＤが与えられて検出電流Ｉｓｅｎｓｅを発生し、検出端子２ａ、熱電対Ｔｈ及び検出端子２ｂを介して基準電位点に電流を流す。一般に、オープン状態にない熱電対Ｔｈの抵抗は小さく、検出端子２ａ，２ｂ間の電圧差は小さい。これに対し、熱電対Ｔｈがオープン状態になると、検出端子２ａの電圧は電源電圧ＡＶＤＤまで上昇し、検出端子２ｂの電圧は基準電位まで低下する。この結果、検出端子２ａ，２ｂ間の電圧差は大きくなる。このように、検出電流Ｉｓｅｎｓｅを熱電対Ｔｈに供給し、検出端子２ａ，２ｂ間の電圧差を求めることで、オープン状態の検知が可能である。

【0017】

しかしながら、熱電対Ｔｈの特性上、検出電流Ｉｓｅｎｓｅによって、温度測定精度が劣化する。

【0018】

図３は横軸に温度をとり縦軸に熱電対Ｔｈの出力に基づく検出電圧差又は電位誤差をとって、熱電対Ｔｈの特性を示すグラフである。図３では特性が異なる２つのタイプの熱電対Ｔｈの特性を示している。図３に示すように、熱電対Ｔｈの検出電圧差と温度とは、略線形の関係を有する。図３の実線は比較的広い温度範囲を測定可能な熱電対Ｔｈの特性を示し、破線は比較的狭い温度範囲を測定可能な熱電対Ｔｈの特性を示している。

【0019】

熱電対Ｔｈの検出電圧差は微弱であり、例えば、ある特性を有する熱電対Ｔｈにおいては、温度が２５度の場合における検出電圧差は１ｍＶとなる。

【0020】

例えば、Ｈａｌｌ／Ｓｅｅｂｅｃｋ効果測定装置は、０．１度刻みで温度を制御する必要があり、熱電対温度測定装置としては、少なくとも±０．１度の精度を確保する必要がある。上述の熱電対Ｔｈの特性の例では、±０．１度の温度測定精度を確保しようとすると、検出電圧差として±５μＶ以上のずれは許容できない。電流換算では、数百ｎＡ以上のずれは許容できない。これに対し、検出電流Ｉｓｅｎｓｅは、比較的大きな電流であり、検出電流Ｉｓｅｎｓｅの影響により測定温度が不正確なものとなる可能性がある。この理由から、特に高精度の温度測定精度を必要とする熱電対温度測定装置においては、図２に比較例として示すようなオープン状態の検知を適用することができない。

【0021】

本実施形態においては、温度測定精度へ影響を与えることなくオープン状態の検知を行うために、交流信号を利用する。

【0022】

（概略構成）
図１においては、ヒータＨによる加熱対象が加工チャンバＰＣであるヒータ装置の例を示している。熱電対Ｔ１，Ｔ２は、この加工チャンバＰＣの所定の位置に配置される。加工チャンバＰＣ内の空間をヒータＨで加熱し、加工チャンバＰＣの空間の温度を熱電対Ｔ１，Ｔ２で測定する。なお、図１では加工チャンバＰＣに熱電対Ｔ１，Ｔ２が設置される例に示したが、例えば測定チャンバ等、異なる用途のチャンバに対して熱電対Ｔ１，Ｔ２が設置されてもよい。

【0023】

図１において、熱電対温度測定装置１０には、コネクタ部Ｃ１を介して熱電対Ｔ１が接続され、コネクタ部Ｃ２を介して熱電対Ｔ２が接続される。以下、熱電対Ｔ１，Ｔ２を区別する必要が無い場合には、これらを熱電対Ｔという。また、熱電対温度測定装置１０には、ヒータＨも接続される。熱電対温度測定装置１０は、制御部１１、熱電対読取部ＴＲ１，ＴＲ２（以下、これらの熱電対読取部ＴＲ１，ＴＲ２を区別する必要がない場合には、これらを熱電対読取部ＴＲという）、ヒータ制御部１２、交流信号発生回路１３及びコネクタ部Ｃ１，Ｃ２を有する。

【0024】

コネクタ部Ｃ１には熱電対Ｔ１が接続され、コネクタ部Ｃ２には熱電対Ｔ２が接続される。熱電対読取部ＴＲ１は、コネクタ部Ｃ１を介して熱電対Ｔ１に接続される。熱電対読取部ＴＲ１は、熱電対Ｔ１からの検出電圧出力を読み取って、検出電圧差のデジタル値を制御部１１に出力する。熱電対読取部ＴＲ２は、コネクタ部Ｃ２を介して熱電対Ｔ２に接続される。熱電対読取部ＴＲ２は、熱電対Ｔ２からの検出電圧出力を読み取って、検出電圧差のデジタル値を制御部１１に出力する。なお、熱電対Ｔ及び熱電対読取部ＴＲの構成については後述する。制御部１１は、熱電対読取部ＴＲ１，ＴＲ２が読み出した検出電圧差に基づいて温度を求め、求めた温度の情報をヒータ制御部１２に出力する。

【0025】

ヒータ制御部１２は、温度情報に基づいてヒータＨを駆動すると共に、ヒータ制御に関する情報を制御部１１に出力する。ヒータ制御部１２は、温度の情報に基づいて、ヒータＨに印加する電力を変化させることで、ヒータＨの温度を制御する。これにより、ヒータＨの温度は、所望の温度に制御される。

【0026】

なお、図１の例では、２つの熱電対Ｔ１、Ｔ２が設けられている。制御部１１は、熱電対Ｔ１，Ｔ２の各検出電圧差のそれぞれに基づいて温度を求めることができる。例えば、熱電対Ｔ１、Ｔ２の各検出電圧差に基づく２つの測定温度が所定の閾値以上離間している場合には、制御部１１は、一方の熱電対Ｔに断線等の故障が生じているものと判定することが可能である。制御部１１は、熱電対Ｔに断線等の故障が生じていると判定した場合には、ヒータ制御部１２を制御して、例えば、ヒータＨの加熱を停止させる。

【0027】

更に、本実施形態においては、交流信号発生回路１３を採用することで、１系統の熱電対Ｔ及び熱電対読取部ＴＲを用いる場合でも、断線等の故障の判定が可能である。

【0028】

図４は図１中の熱電対Ｔ及び熱電対読取部ＴＲの具体的構成の一例を示すブロック図である。なお、熱電対Ｔ１及び熱電対読取部ＴＲ１の構成は、それぞれ熱電対Ｔ２及び熱電対読取部ＴＲ２の構成と同様である。なお、図４において図２と同一の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0029】

図１の熱電対Ｔ１，Ｔ２及びコネクタ部Ｃ１，Ｃ２は、図４では熱電対Ｔｈ，コネクタ部２として示している。図４のコネクタ部２は、図２のコネクタ部２と同様の構成であり、検出端子２ａ，２ｂａを備える。また、図１の熱電対Ｔ１，Ｔ２の構成は、図４の熱電対Ｔｈとして示している。図４の熱電対Ｔｈは、図２の熱電対Ｔｈと同様の構成であり、金属部Ｍ１と金属部Ｍ２とが接合部ＭＯにおいて接続される構成である。

【0030】

図４のＡＤＣ１、重畳部１４、ＬＰＦ１５及びロックインアンプ２０によって、図１の熱電対読取部ＴＲが構成される。コネクタ部２の検出端子２ａ，２ｂは、ＬＰＦ１５に接続される。ＬＰＦ１５は、検出端子２ａ，２Ｂからの検出電圧出力のうち、比較的高い周波数成分を除去し、比較的低い周波数成分を通過させてＡＤＣ１に供給する。なお、ＬＰＦ１５は、後述する交流信号発生回路１３が発生する交流信号の周波数以上の周波数成分の通過を阻止するように構成される。ＬＰＦ１５は、後述する制御回路２１により制御されて、フィルタタイプ、カットオフ周波数が変更可能に構成される。

【0031】

本実施形態においては、熱電対Ｔｈが断線しているか否かの検知（以下、断接検知という）をするために交流信号発生回路１３が採用される。交流信号発生回路１３は、後述するロックインアンプ２０に制御されて、ロックインアンプ２０により指定された周波数（以下、検知用周波数という）の交流信号を発生する。重畳部１４は、検出端子２ａとＬＰＦ１５とを接続する信号線に配置される。重畳部１４により、交流信号発生回路１３が発生させた交流信号が、検出端子２ａを経由して、熱電対Ｔｈに供給される。

【0032】

検出端子２ｂとＬＰＦ１５とを接続する信号線は、ロックインアンプ２０にも接続されている。ロックインアンプ２０は、制御回路２１、熱電圧特性検出部２２、オープン検知部２３及びメモリ２４を含む。制御回路２１は、ロックインアンプ２０の全体を制御する。制御回路２１はＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いたプロセッサによって構成されていてもよい。また、制御回路２１は、図示しないメモリに記憶されたプログラムに従って動作して各部を制御するものであってもよいし、ハードウェアの電子回路で機能の一部又は全部を実現するものであってもよい。

【0033】

熱電圧特性検出部２２は、制御回路２１に制御されて、コネクタ部２に接続された熱電対Ｔｈの特性を検出する。なお、熱電圧特性検出部２２は、コネクタ部２に接続された熱電対Ｔｈのタイプを検出するように構成されていてもよい。この場合、例えば、メモリ２４は、各種熱電対Ｔｈの特性又はタイプに対応する最適な検知用周波数及び信号強度の情報（以下、熱電対情報という）を保持する。制御回路２１は、メモリ２４の熱電対情報を参照することで、熱電圧特性検出部２２が検出した熱電対Ｔｈの特性又はタイプに基づいて交流信号発生回路１３を制御し、交流信号発生回路１３が発生する交流信号の信号レベル（振幅）及び検知用周波数を設定する。また、メモリ２４に記憶される熱電対情報は、熱電対Ｔｈの特性又はタイプに基づく最適なカットオフ周波数及びフィルタタイプの情報を含む。ＬＰＦ１５がカットオフ周波数およびフィルタタイプの少なくとも１つを変更可能である場合、制御回路２１は、熱電圧特性検出部２２により検出された熱電対Ｔｈの特性又はタイプに基づいて、ＬＰＦ１５のカットオフ周波数、フィルタタイプを設定する。なお、制御回路２１は、熱電対Ｔｈの特性又はタイプに基づいて設定された交流信号に基づいて、ＬＰＦ１５のカットオフ周波数、フィルタタイプを設定してもよい。

【0034】

なお、制御回路２１は、レジスタ２１ａを有し、レジスタ２１ａに熱電対Ｔｈの特性又はタイプに基づいて求めた検知用周波数、信号強度、カットオフ周波数及びフィルタタイプの情報を記録するように構成されていてもよい。同一の熱電対Ｔｈの使用が継続される場合、レジスタ２１ａの情報を読み出すことで、制御回路２１は、簡単に検知用周波数、信号強度、カットオフ周波数及びフィルタタイプの設定が可能となる。

【0035】

更に、制御回路２１は、熱電対Ｔｈの特性又はタイプに応じて、交流信号の周波数、振幅だけでなく、交流信号の波形、発生時間を適宜設定するように構成されていてもよい。例えば、交流信号の波形としては、ＬＰＦ１５による除去が容易であることを考慮すると、正弦波が好ましい。交流信号の発生時間は、例えば、熱電対Ｔｈの特性えの影響を抑制するため、なるべく短い方が好ましい。

【0036】

ロックインアンプ２０は、検出端子２ｂを介して入力される信号を取り込み、取り込んだ信号の周波数成分のうち制御回路２１によって指定された検知用周波数成分を増幅する。

【0037】

オープン検知部２３は、熱電対Ｔｈの金属部Ｍ１、Ｍ２が断線しているか否かを検知し、断線、非断線の情報（断接情報）を出力する。例えば、オープン検知部２３は、制御回路２１に制御されて、増幅された検知用周波数成分のレベルを求め、検知用周波数成分のレベルが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。オープン検知部２３は、例えば、検知用周波数成分のレベルが所定の閾値よりも大きい場合には交流成分が検出されたものとして、熱電対Ｔｈが断線していないことを示す断接情報を出力し、所定の閾値以下の場合には交流信号が検出されなかったものとして、熱電対Ｔｈが断線していることを示す断接情報を出力する。

【0038】

例えば、制御回路２１は、断接検知用の交流信号として、検知用周波数が１ｋＨｚでレベルが１ｍｖの交流信号を重畳するように交流信号発生回路１３を制御してもよい。ロックインアンプ２０が入力信号の１ｋＨｚの成分を例えば１０００倍にすることで、オープン検知部２３は検知用の交流信号を比較的容易に検出できる。

【0039】

ＡＤＣ１は、ＬＰＦ１５を通過した検出電圧出力の差である検出電圧差をデジタル信号に変換して制御部１１に出力する。ＡＤＣ１からのデジタル信号は、熱電対Ｔｈにより検出された温度を示す。熱電対Ｔｈからの信号は、ＬＰＦ１５によって検知用周波数成分が除去されて、ＡＤＣ１に供給される。これにより、断接検知用の交流成分によって、ＡＤＣ１からの温度検出結果の精度が低下することを抑制することができる。

【0040】

このように、本実施形態においては、ＬＰＦ１５によって分離可能な交流信号を熱電対Ｔｈに流すことで、温度検出精度を低下させることなく断線検知を可能にしている。

【0041】

例えば、交流信号の印加が、熱電対Ｔｈの特性に何らかの影響を与える可能性がある。また、交流信号の周波数によって、ＬＰＦ１５における除去特性に影響が生じる可能性がある。そこで、本実施形態においては、断接検知用の交流信号として、周波数、信号強度、波形及び発生時間の少なくとも１つが設定可能であってもよい。より具体的には、例えば、制御回路２１が、断接検知用の交流信号の周波数、信号強度、波形及び発生時間の少なくとも１つを、熱電対Ｔｈの特性又はタイプに応じて設定可能であってもよい。

【0042】

制御回路２１は、ＬＰＦ１５によって十分減衰させることを考慮して、例えば、検知用周波数として１Ｈｚ以上を採用する。また、制御回路２１は、信号強度（レベル）が１００ｍＶ（０．１ｖ）以下の交流信号を断接検知に用いるように、交流信号発生回路１３を制御してもよい。例えば、電源電圧ＡＶＤＤとして３．２Ｖを採用するものとすると、１００ｍＶは、電源電圧ＡＶＤＤの約１／３０のレベルであり、温度測定への影響は十分に小さいものと考えられる。

【0043】

熱電対Ｔｈとしては、適用されるアプリケーションに応じた種々のタイプが存在する。例えば、熱電対Ｔｈには、検出温度範囲が広いものや、感度が高いもの、低温での検出精度が高いものや、酸性の環境に耐性を有する材料を用いたもの等の各種タイプが存在する。熱電対Ｔｈは、タイプ毎に抵抗が異なり、電気的特性が異なる。例えば、熱電対Ｔｈは、熱電対Ｔｈに流れる交流信号の周波数に応じて抵抗が変化する特性を有する。

【0044】

例えば、抵抗が低い熱電対Ｔｈに対してレベルが１ｍＶの交流信号を流した場合、ロックインアンプ２０の増幅により、交流信号が測定不能なレベルになることもある。従って、この場合には、交流信号の信号強度を十分に小さくした方がよい。重畳する交流信号により流れる電流をなるべく小さくすることで、熱電対Ｔｈの特性への影響をさらに抑制することができる。

【0045】

、熱電対Ｔｈの特性への影響を抑制するためには、例えば、熱電対Ｔｈに流れる電流を小さくするように、熱電対Ｔｈに流す交流信号の検知用周波数及び信号レベルを決定する。その際、例えば、熱電対Ｔｈからの検出電圧出力は大きくなってもよい。熱電対Ｔｈの実効的なインピーダンスが低くなるような周波数を選択することで、比較的低いレベルの交流信号を用いた断接検知が可能となり、熱電対Ｔｈの特性への影響を抑制することができる。なお、ＬＰＦ１５による減衰特性を考慮すると、交流信号としては矩形波よりもサイン波の方が好ましい。また、交流信号を熱電対Ｔｈに印加する総時間はなるべく短い方がよい。

【0046】

熱電圧特性検出部２２は、コネクタ部２に接続された熱電対Ｔｈの特性又はタイプを、入力される信号に基づいて決定してもよい。例えば、ロックインアンプ２０は、交流信号発生回路１３を制御して、検知用周波数を変化させながら（例えば１Ｈｚ～１００ｋＨｚ）、増幅した交流信号のレベルを求める。上述したように、周波数に応じて熱電対Ｔｈの特性は異なる。熱電圧特性検出部２２は、検知用周波数の変化と交流信号のレベルの変化とに基づいて、熱電対Ｔｈの電気的特性を把握し、更に熱電対Ｔｈのタイプを判定してもよい。また、熱電圧特性検出部２２は、交流信号のレベルを変化させながら、増幅した交流信号のレベルを求めることで、熱電対Ｔｈの電気的な特性を判定して熱電対Ｔｈのタイプを求めてもよい。

【0047】

また、コネクタ部２に熱電対Ｔｈのタイプの情報を保持させ、熱電圧特性検出部２２がこのタイプの情報を読み出すことで、熱電対Ｔｈのタイプを検出するように構成されていてもよい。例えば、コネクタ部２にＩＤタグを保持させることも可能である。

【0048】

図５はこの場合の構成を示すブロック図である。図５において図と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

【0049】

図５の例では、コネクタ部２に、ＩＤタグ３１が設けられている。ＩＤタグ３１は、コネクタ部２に接続される熱電対Ｔｈのタイプの情報を保持する。また、熱電圧特性検出部２２は、熱電対Ｔｈのタイプの情報をＩＤタグ３１から読み出すための読み出し部３２を有する。

【0050】

例えば、ＩＤタグ３１は、熱電対Ｔｈのタイプに応じた抵抗値を有する抵抗により構成してもよい。この場合には、熱電圧特性検出部２２は、熱電対Ｔｈのタイプに応じた抵抗値の情報を記憶するメモリ（図示省略）を有する。読み出し部３２は、ＩＤタグ３１に対して電圧を印加し、流れる電流値によってＩＤタグ３１の抵抗値を検出し、メモリの情報を参照することで、熱電対Ｔｈのタイプを判定してもよい。

【0051】

また、例えば、ＩＤタグ３１としてＲＦＩＤ(radio frequency identification)を採用してもよい。この場合には、読み出し部３２は、ＲＦＩＤリーダーにより構成される。読み出し部３２は、ＲＦ周波数の電波を発生する。ＩＤタグ３１は、読み出し部３２からの電波を受信するとタイプの情報を送信する。読み出し部３２は、ＩＤタグ３１の送信信号を受信してデータ処理することで、熱電対Ｔｈのタイプの情報を取得する。なお、ＩＤタグ３１に熱電対Ｔｈの特性の情報を保持させ、読み出し部３２がＩＤタグ３１から熱電対Ｔｈの特性情報を取得するように構成されていてもよい。

【0052】

上述したように、制御回路２１は、メモリ２４に記憶された情報を参照し、熱電圧特性検出部２２が検出した熱電対Ｔｈの特性又はタイプの情報に基づいて、最適な検知周波数及び信号強度を求める。

【0053】

本実施形態においては、断接検知のために交流信号を熱電対Ｔｈに流すものと説明したが、ＬＰＦ１５における交流信号成分の除去特性によっては、温度測定誤差を生じる可能性がある。また、交流信号の付加によって熱電対Ｔｈに流れる電流が、熱電対Ｔｈの特性に影響する可能性がある。

【0054】

そこで、制御回路２１は、断接検知用の交流信号を流す期間を短くするか又はパルス状に交流信号を流すように交流信号発生回路１３を制御してもよい。例えば、制御回路２１は、交流信号発生回路１３を制御して、断接検知用の交流信号を断続的に所定回数発生させてもよい。なお、断接検知用の交流信号の単位時間当たりの発生時間は短くし、単位時間当たりの発生回数は少なくした方がよい。また、制御回路２１は、温度測定の開始時に１回パルス状の交流信号を発生させるように交流信号発生回路１３を制御してもよい。

【0055】

また、制御回路２１は、交流成分を流す期間にはＡＤＣ１のデジタル変換をオフにすることで、交流信号を流す期間の温度測定結果を制御部１１に出力しないように制御してもよい。

【0056】

次に、このように構成された実施形態の動作について図６を参照して説明する。図６は温度測定開始時における動作を説明するためのフローチャートである。

【0057】

本実施形態においては、温度測定の開始時（測定開始前）に断接検知のための初期設定を実施する。図６のＳ１において、コネクタ部２がＩＤタグ３１を有しているか否かに応じて処理が分岐される。コネクタ部２にＩＤタグ３１が取り付けられている場合には（Ｓ１のＹＥＳ）、読み出し部３２は、制御回路２１に制御されて、ＩＤタグ３１に信号を印加し（Ｓ２）、ＩＤタグ３１からの信号を受信する。熱電圧特性検出部２２は、受信した信号に基づいて、熱電対Ｔｈのタイプを識別し（Ｓ３）、識別結果を制御回路２１に与える。制御回路２１は、メモリ２４の熱電対情報を参照することで、熱電対Ｔｈのタイプに最適な検知用周波数及び信号強度を選択する（Ｓ３）。

【0058】

一方、コネクタ部２にＩＤタグ３１が取り付けられていない場合には（Ｓ１のＮＯ）、熱電圧特性検出部２２は、制御回路２１に制御されて、正弦波信号の周波数をスイープしながら信号強度を測定することで、熱電対Ｔｈの特性を求めて制御回路２１に出力する。制御回路２１は、最も信号強度が高くなる周波数をを検知用周波数として選択する。

【0059】

交流信号発生回路１３は、制御回路２１によって設定された検知用周波数及び信号強度で断接検知のための交流信号（例えば正弦波信号）を発生する。この交流信号は重畳部１４を介して、コネクタ部２から熱電対Ｔｈに供給される。ロックインアンプ２０は、検出端子２ｂからの信号を取込み、検知用周波数の信号成分を増幅する。オープン検知部２３は、制御回路２１に制御されて、増幅された検知用周波数成分のレベルが所定の閾値よりも大きいか否かにより交流信号である正弦波が検出されたか否かを判定する（Ｓ７）。

【0060】

正弦波信号のレベルが低い場合には、熱電対Ｔｈに断線が生じていない場合でも、検知用周波数成分のレベルが閾値以下となることが考えられる。そこで、制御回路２１は、交流信号発生回路１３に正弦波信号の強度を変化させる。即ち、正弦波が検出されない場合には（Ｓ７のＮＯ）、制御回路２１は、Ｓ８において、既に正弦波信号の強度か最大となっているか否かを判定する。強度最大となっていない場合には（Ｓ８のＮＯ）、制御回路２１は、交流信号発生回路１３に、正弦波信号の強度を１ノッチだけ上昇させる。交流信号発生回路１３からは１ノッチだけレベルが高くなった交流波信号が出力される。

【0061】

ロックインアンプ２０は、検出端子２ｂからの信号を取込み、検知用周波数の信号成分を増幅する。オープン検知部２３は、Ｓ７において、正弦波が検出されたか否かを判定する。正弦波が検出されず（Ｓ７のＮＯ）、正弦波信号のレベルも最大となっている場合には（Ｓ８のＹＥＳ）、オープン検知部２３は、熱電対Ｔｈに断線が生じているものと判定して、断線していることを示す断接検知結果（異常フラグ）を発生して設定を終了する（Ｓ１０）。

【0062】

オープン検知部２３が正弦波を検出すると（Ｓ７のＹＥＳ）、制御回路２１は、メモリ２４の熱電対情報を参照して、検出された正弦波に対応するカットオフ周波数及びフィルタタイプをＬＰＦ１５に設定し、その情報をレジスタ２１ａに記録する（Ｓ１１）。Ｓ１１の処理の後、測定が開始される（Ｓ１２）。

【0063】

温度測定時には、制御回路２１は、検知用周波数及び信号強度を交流信号発生回路１３に設定して、交流信号（正弦波信号）を発生させる。交流信号発生回路１３からの交流信号は、重畳部１４により熱電対Ｔｈに供給される。熱電対Ｔｈからは温度と交流信号に応じた信号が出力される。ロックインアンプ２０は、この信号のうち検知用周波数成分を増幅する。オープン検知部２３は、増幅された検知用周波数成分から正弦波が検出されるか否かを判定する。オープン検知部２３は、正弦波を検出できた場合には、熱電対Ｔｈに断線が生じていないものと判定する。

【0064】

熱電対Ｔｈからの出力はＬＰＦ１５に供給されて、検知用周波数の交流成分が除去される。ＬＰＦ１５の出力ＡＤＣ１に供給され、ＡＤＣ１は、ＬＰＦ１５からの検出電圧出力に基づく検出電圧差をデジタル信号に変換して制御部１１に出力する。ＡＤＣ１からのデジタル信号が温度測定結果となる。ＡＤＣ１には、交流信号発生回路１３により発生した交流信号成分が除去された熱電対Ｔｈの検出電圧出力が供給されており、ＡＤＣ１からの温度測定結果は交流信号の影響を殆ど受けておらず、高精度の温度測定結果が得られる。

【0065】

制御部１１は、ＡＤＣ１の出力に基づいて温度を求め、求めた温度の情報をヒータ制御部１２に出力する。ヒータ制御部１２は、温度の情報に基づいて、ヒータＨに印加する電力を変化させることで、ヒータＨの温度を制御する。これにより、ヒータＨの温度は、所望の温度に制御される。

【0066】

一方、オープン検知部２３は、温度測定時において正弦波を検出できない場合には、熱電対Ｔｈに断線が生じているものと判定する。この場合には、オープン検知部２３は、断線していることを示す断接検知結果（異常フラグ）を発生する。異常フラグが発生すると、制御部１１は、ヒータ制御部１２を制御して、例えばヒータＨの加熱を停止させる。

【0067】

このように本実施形態においては、熱電対に対して交流信号を供給する交流信号発生回路を採用し、交流信号の周波数成分を検出することにより、断線を検知する。また、熱電対の出力からＬＰＦによって交流信号の周波数成分を除去することにより、熱電対の出力に基づいて、正確な温度測定結果を得る。即ち、本実施形態では、温度測定精度の低下を抑制しながら熱電対が断線状態（オープン状態）にあるか否かを検知可能である。また、熱電対の特性又はタイプを検出することで、温度測定の精度及び熱電対の特性への影響を考慮した検知周波数及び信号強度を設定可能であり、より高精度の温度測定が可能であると共に、確実なオープン検知が可能である。

【0068】

（第２の実施形態）
図７は第２の実施形態を示すフローチャートである。図７は温度測定動作の一例を説明するためのものである。本実施形態のハードウェア構成は第１の実施形態と同様である。なお、本実施形態においても、温度測定開始時（測定開始前）において、図６と同様のフローを採用してもよい。

【0069】

温度測定時には、例えば図７のフローを採用してもよい。図７のフローは、断接検知により測定誤差が生じた温度測定結果の出力を防止すると共に、熱電対Ｔｈの特性への影響を抑制するために、断続的に断接検知を行うものである。即ち、図７の例では、比較的長い温度測定期間と比較的短い断接検知期間とを交互に繰り返す。

【0070】

図７のＳ２０において、温度測定が開始される。制御回路２１は、温度測定開始後において、図示しないタイマーを用いて、温度測定期間がタイムアウトとなる時刻を求める（Ｓ２１）。制御回路２１は、温度測定期間がタイムアウトとすると（Ｓ２１のＹＥＳ）、ＡＤＣ１への入力を停止させる（Ｓ２２）。これにより、ＡＤＣ１からは温度測定結果が得られなくなる。

【0071】

次に、制御回路２１は、図６のフローと同様のフローにより、或いはレジスタ２１ａに登録された情報に基づいて、検知用周波数及び信号強度を交流信号発生回路１３に設定して、交流信号（正弦波信号）を発生させる。交流信号発生回路１３からの交流信号は、重畳部１４により熱電対Ｔｈに供給される（Ｓ２３）。熱電対Ｔｈからは温度と交流信号に応じた信号が出力される。ロックインアンプ２０は、この信号のうち検知用周波数成分を増幅する。オープン検知部２３は、増幅された検知用周波数成分から正弦波が検出されるか否かを判定する（Ｓ２４）。制御回路２１は、オープン検知部２３によって正弦波が検出された場合には（Ｓ２４のＹＥＳ）、熱電対Ｔｈに断線が生じていないものとして断線検知を終了する。即ち、制御回路２１は、交流信号発生回路１３を制御して、交流信号の発生を停止させる。制御回路２１は、ＡＤＣ１の入力を再開（オン）させ（Ｓ２５）、温度測定を再開する（Ｓ２０）。

【0072】

一方、オープン検知部２３は、正弦波を検出できない場合には（Ｓ２４のＮＯ）、熱電対Ｔｈに断線が生じているものと判定して、断線していることを示す断接検知結果（異常フラグ）を発生して設定を終了する（Ｓ２６）。

【0073】

他の作用は第１の実施形態と同様である。

【0074】

このように本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、本実施形態においては、比較的短い断接検知期間において断接検知を行っており、熱電対の特性への影響を抑制可能である。また、断接検知期間には温度測定結果を出力しない構成となっており、温度測定精度をより向上させることができる。

【0075】

なお、実施形態においては、熱電対温度測定装置１０が、ヒータ制御部１２を含む例を示したが、これに限られない。例えば、温度測定の機能だけが求められる場合には、ヒータ制御部１２を省略してよいし、熱電対を１つだけ使用する場合には、熱電対読取部ＴＲを１つだけ設ける構成としてもよい。

【0076】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

【符号の説明】

【0077】

Ｍ１，Ｍ２…金属部、ＭＯ…接合部、Ｔｈ，Ｔ１，Ｔ２…熱電対、ＴＲ１，ＴＲ２…熱電対読取部，１…ＡＤＣ、２…コネクタ部、２ａ，２ｂ…検出端子、１０…熱電対温度測定装置、１１…制御部、１２…ヒータ制御部、１３…交流信号発生回路、１４…重畳部、１５…ＬＰＦ、２０…ロックインアンプ、２１…制御回路、２１ａ…レジスタ、２２…熱電圧特性検出部、２３…オープン検知部、２４…メモリ、３１…ＩＤタグ、３２…読み出し部、３３…メモリ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】