JP2010025808A - 結露量の制御可能な環境試験装置およびその結露量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結露量センサと被試験物との間の密着性がある程度悪化しても、密着性悪化前と悪化後とで被試験物表面の結露量の変化が生じにくい、すなわち被試験物表面の結露状態を安定させることができる環境試験装置を提供する。
【解決手段】環境試験装置１００は調節器５を有している。この調節器５は、結露量センサ９のセンサ部温度を検出する第１温度センサ９２と冷却加熱プレート４に内蔵された第２温度センサ１３との間の測定温度差の変化率が所定値に達したら、結露量センサ９の結露量設定値を所定値まで下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被試験物の結露量を制御可能な環境試験装置に関する。この環境試験装置は、特に電子部品や電子材料などの被試験物の電気絶縁性の試験に用いられる。

この種の技術としては、例えば特許文献１に記載されたような技術がある。特許文献１に記載された結露試験器は、空調装置の冷却用蒸発器を通過した気体の一部または空調装置により調整された外槽内気体のいずれかを選択的に内槽内へ導入するための装置を備えている。この装置により、まず内槽内に配置した試料を冷却し、その後、外槽内の高露点空気を内槽へ導入することで、試料の表面に結露を生じさせる。しかしながら、特許文献１に記載された結露試験器では、試料の表面に結露を生じさせることはできるが、試料表面の結露を長時間安定して保つことは困難であった。

これに対し、例えば特許文献２に記載されたような技術もある。特許文献２に記載された環境試験装置は、結露の状態を検出する検出手段と、該検出手段で検出した結露の状態が目的とする結露の状態になるように加湿手段の加湿能力または冷却手段の冷却能力のうちの少なくとも一方を制御する制御手段とを備えている。結露の状態を検出する検出手段としては、テレビ撮影装置や、くし型電極基板を有する結露量センサなどが挙げられている。本技術により「被試験物の任意の結露状態を、精度良く目的とする時間だけ持続させたり繰り返し再現することができる」と特許文献２において称されている。

特公平７−１０４２６２号公報 特開平１０−７８３８７号公報

しかしながら、特許文献２に記載された技術では、結露状態検出手段としてテレビ撮影装置を用いた場合、画像処理に時間を要して検出遅れが生じ、安定した結露量を保つことが難しいという問題があった。また、結露状態検出手段としてくし型電極基板を有する結露量センサを用いた場合は、検出遅れという問題はないが、結露量センサと被試験物との間の密着性が悪くなったとき、結露量センサのセンサ部の温度が被試験物の温度よりも高くなってセンサ部の結露量が減少し、そのため結露制御器は、冷却器で被試験物を過冷却してしまう。その結果、被試験物表面の結露量を増加させてしまい、被試験物表面の結露量を細かく調整することが難しい、すなわち被試験物表面の結露状態を安定させることが難しいという問題があった。したがって、特許文献２に記載された技術では、結露量の比較的粗い制御は可能であるが、結露量の細かな制御は難しいのである。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、結露量センサと被試験物との間の密着性がある程度悪化しても、密着性悪化前と悪化後とで被試験物表面の結露量の変化が生じにくい、すなわち被試験物表面の結露状態を安定させることができる環境試験装置を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、結露量センサのセンサ部温度を検出する第１温度センサを設け、この第１温度センサと冷却加熱器に内蔵された第２温度センサとの間の測定温度差の変化率または当該測定温度差が所定値に達したら、結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げることで、従来技術に比し被試験物表面の結露量の変化を抑制することができ、これにより前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、被試験物が入れられる試験室と、前記試験室内の空気を所定の温湿度に調節する空調手段と、前記試験室内に収容されるとともに前記被試験物が上面に配置され、当該被試験物を冷却加熱する冷却加熱器と、前記被試験物の上に載置される結露量センサと、少なくとも前記結露量センサからの信号に基づき前記冷却加熱器を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記結露量センサのセンサ部温度を検出する第１温度センサと前記冷却加熱器に内蔵された第２温度センサとの間の測定温度差の変化率または当該測定温度差が所定値に達したら、前記結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げることを特徴とする環境試験装置を提供する。

また本発明において、前記制御手段は、前記測定温度差の変化率の大きさに応じ、前記結露量センサの結露量設定値から下げる所定値を選択することが好ましい。すなわち、結露量センサの結露量設定値を測定温度差の変化の早さに応じて決めるので判定が早く制御性が良くなるので、測定温度差自体よりも、その変化率を用いるほうが好ましい。なお、この下げる所定値の決め方としては、周囲条件に基いた特定の温度で設定する方法と現在値からの下げ幅で設定する方法などがある。

さらに本発明において、前記被試験物を前記冷却加熱器に対して押圧して固定する固定手段を備えていることが好ましい。

また本発明は、その第２の態様によれば、被試験物が入れられる試験室と、前記試験室内の空気を所定の温湿度に調節する空調手段と、前記試験室内に収容されるとともに前記被試験物が上面に配置され、当該被試験物を冷却加熱する冷却加熱器と、前記被試験物の上に載置される結露量センサと、少なくとも前記結露量センサからの信号に基づき前記冷却加熱器を制御する制御手段と、を具備する環境試験装置の結露量制御方法であって、前記結露量センサのセンサ部温度を検出する第１温度センサと前記冷却加熱器に内蔵された第２温度センサとの間の温度差を測定するセンサ密着度検出工程と、測定された前記温度差の変化率または当該温度差が所定値に達したら、前記結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げる結露量設定値変更工程と、を備えていることを特徴とする環境試験装置の結露量制御方法を提供する。

また本発明において、前記冷却加熱器制御工程において、測定された前記温度差の変化率の大きさに応じ、前記結露量センサの結露量設定値から下げる所定値を選択することが好ましい。すなわち、結露量センサの結露量設定値を測定温度差の変化の早さに応じて決めるので判定が早く制御性が良くなるので、測定温度差自体よりも、その変化率を用いるほうが好ましい。

本発明によれば、本発明の構成要件、特に、測定温度差の変化率または当該測定温度差が所定値に達したら、結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げることにより、被試験物表面の結露量は、密着性悪化前と悪化後とで大きく変動することがなくなる。すなわち、本発明によると、結露量センサと被試験物との間の密着性がある程度悪化しても、密着性悪化前と悪化後とで被試験物表面の結露量の変化が生じにくい、すなわち被試験物表面の結露状態を安定させることができる環境試験装置を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。

（環境試験装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る環境試験装置１００のブロック図である。図２は、図１に示す結露量センサ９の詳細図である。

図１に示すように、環境試験装置１００は、被試験物Ｗが入れられる試験室１と、試験室１内の空気を所定の温湿度に調節する温湿度発生器３（空調手段）と、温湿度発生器３が収容される空調室２と、試験室１内に収容された冷却加熱プレート４（冷却加熱器）と、温湿度発生器３および冷却加熱プレート４を制御する調節器５（制御手段）とを備えている。

空調室２内に収容された温湿度発生器３は、試験室１内へ供給する空気に対し水分を与える加湿器３１と、試験室１内へ供給する空気を冷却する冷却器３２と、試験室１内へ供給する空気を加熱する加熱器３３とを有している。また空調室２内であって温湿度発生器３の下流側には、試験室１内へ空気を供給するとともに試験室１と空調室２との間で空気を循環させる送風機１４が収容されている。ここで、試験室１と空調室２とは仕切られている。なお、本実施形態のように１つの筐体を試験室１と空調室２とに仕切って、その仕切って形成された空調室２に温湿度発生器３（空調手段）を収容するのではなく、温湿度発生器３（空調手段）を試験室１とはまったく別に設けてもよい。また、試験室１内であって送風機１４の吹き出し口付近には、温湿度センサである乾球１１および湿球１２が配置されている。

冷却加熱プレート４は、熱伝導によって被試験物Ｗを直接冷却加熱する冷却加熱面を有する表面接触式冷却加熱器で、冷水などの冷媒を用いる冷媒冷却式や、ペルチェ効果を利用する熱電素子と冷却ファンを具備する電子冷却式のものなどがある。冷却加熱プレート４内には、冷却加熱プレート４の温度を測定する第２温度センサ１３が内蔵されている。

また冷却加熱プレート４は、被試験物Ｗの載置台を兼ねている。そして、冷却加熱プレート４の上面には、伝熱シート７を介して被試験物Ｗが載置されている。伝熱シート７は、熱伝導性・密着性に優れたシートであり、シリコーンゴム製シートやアクリルゴム製シートなどである。本実施形態では、伝熱シート７として、シリコーンゲルＧＲ−ｂ（商品名：サーコン、製造会社：富士高分子工業株式会社）を用いた。伝熱シート７を用いることにより被試験物Ｗの表面に凹凸があったとしても、被試験物Ｗと冷却加熱プレート４とを伝熱シート７を介して密着させることができる。

また被試験物Ｗは、固定治具８（固定手段）により、冷却加熱プレート４に対して押圧されて固定されている。固定治具８は、ネジ８１と、バネ８２と、固定板８３とを有している。冷却加熱プレート４の上面にはネジ８１用のネジ穴が設けられている。また、固定板８３の長さは被試験物Ｗの幅よりも長い。被試験物Ｗの上に固定板８３を配置し、その上からネジ８１およびバネ８２で、被試験物Ｗに一定荷重を加えて冷却加熱プレート４に対し被試験物Ｗを固定する。このようにして、被試験物Ｗを冷却加熱プレート４上に配置することにより、冷却加熱プレート４と被試験物Ｗとの間の温度差を０．７℃以内に抑えることができた。すなわち、冷却加熱プレート４と被試験物Ｗとをほぼ同じ温度にすることができた。

また、被試験物Ｗの上には結露量センサ９が載置されている。具体的には、被試験物Ｗの上に伝熱シート１０を介して結露量センサ９が載置されている。伝熱シート１０は、上述した伝熱シート７と同じ材質・製品である。伝熱シート１０を用いることにより被試験物Ｗの表面に凹凸があったとしても、被試験物Ｗと結露量センサ９とを伝熱シート１０を介して密着させることができる。

図２に結露量センサ９の詳細を示したように、結露量センサ９は、シリコンウエハ上に配置された結露検出部９１および第１温度センサ９２と、結露検出部９１に接続されるＦ／Ｖ変換部９３と、第１温度センサ９２に接続されるＡＭＰ９４とを有している。結露検出部９１は、くし型電極の形態をとるものであり、電極間の静電容量値の変化に応じた発振周波数の変化により当該結露検出部９１上の結露量を検出している。ここで、電極の幅Ａは３０μｍであり、電極の間隔Ｂも３０μｍと微小配置されている。Ｆ／Ｖ変換部９３は、周波数を電圧に変換するものであり、結露量に応じた信号が例えば０〜１Ｖの電圧信号として出力される。また、第１温度センサ９２は、結露量センサ９のセンサ部温度を検出するものでありダイオードやサーミスタなどが用いられる。本実施形態の第１温度センサ９２は、図２に示したように結露量センサ９内に内蔵されたダイオードやサーミスタであるが、ダイオードやサーミスタの替わりに赤外線方式などの非接触式の温度センサを用いてもよい。ＡＭＰ９４は、第１温度センサ９２からの信号を増幅する増幅器である。

また、調節器５（制御手段）は、乾球１１・湿球１２、結露量センサ９（結露検出部９１および第１温度センサ９２）、温湿度発生器３、送風機１４、および冷却加熱プレート４に電気的に接続されている。そして、調節器５は、乾球１１・湿球１２、結露量センサ９、および冷却加熱プレート４の第２温度センサ１３からの信号を取り込み、取り込んだ信号をもとに、温湿度発生器３、送風機１４、および冷却加熱プレート４を制御する。調節器５は、入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４とを有している。また、調節器５には、設定・表示器６が電気的に接続されている。設定・表示器６は、試験室１内の温湿度や被試験物Ｗの結露量を設定したり、試験室１内の温湿度の設定値や測定値、被試験物Ｗの結露量の設定値や測定値などを表示したりするものである。

（試験室１内の温湿度の制御）
次に、試験室１内の温湿度の制御について説明する。調節器５は、温湿度の設定値および乾球１１・湿球１２からの信号に基づき、温湿度発生器３を制御して空調室２内で空気の温湿度を調整する。そして、空調室２内の空気は、送風機１４が作動することにより、試験室１内に供給される。その後、試験室１の空気は空調室２に戻される。このようにして温湿度の伝達媒体である空気が循環することにより、試験室１内の温湿度が設定温湿度に維持される。例えば試験室１内の温湿度を、２５℃５０％ＲＨに制御する。

（被試験物Ｗ表面の結露量の制御）
次に、被試験物Ｗ表面の結露量の制御について説明する。なお、本実施形態においては、単位面積当たりの結露質量（[μｇ／ｍｍ^２]）を制御している。例えば、３μｇ／ｍｍ^２、５μｇ／ｍｍ^２、１０μｇ／ｍｍ^２、というように被試験物Ｗ表面の結露量を設定し、その結露量（結露状態）が設定値±０．２μｇ／ｍｍ^２を維持するように、調節器５は、冷却加熱プレート４を制御する。実際の被試験物Ｗ表面の結露量[μｇ／ｍｍ^２]と、結露量センサ９の信号との関係は、マイクロスコープによる画像観察（画像処理）などにより予めもとめ、記憶部５３に入力しておく。そして、結露量センサ９と被試験物Ｗ（伝熱シート１０を介した被試験物Ｗ）との間の密着性が悪化していない状態（正常時）のときは、調節器５は、結露量の設定値および結露量センサ９からの信号に基づき、結露量センサ９による結露量測定値が、その設定値±０．２μｇ／ｍｍ^２となるように、冷却加熱プレート４の温度をＰＩＤ制御する。なお、冷却加熱プレート４の温度制御はＰＩＤ制御に限られるものではない。

なお、被試験物Ｗ表面の結露量には、その周囲の風や冷却加熱プレート４自身により発生する温度分布ムラなどが影響する。そのため前記したように、調節器５は、結露量の設定値および結露量センサ９からの信号に基づき、結露量センサ９による結露量測定値が、その設定値±０．２μｇ／ｍｍ^２となるように、冷却加熱プレート４の温度をＰＩＤ制御するのである。

ここで、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性が悪化していないか否かの判断は、結露量センサ９に内蔵された第１温度センサ９２と、冷却加熱プレート４に内蔵された第２温度センサ１３との間の温度差ΔＴの変化率により判断する。密着性が悪化していると判断する第１温度センサ９２と第２温度センサ１３との間の温度差ΔＴの変化率（その閾値）は、予め、被試験物Ｗ、伝熱シート１０、結露検出部９１の熱抵抗、および結露量センサ９を被試験物Ｗ上に設置したときの結露量測定値などにより決定し、記憶部５３に入力しておく。なお、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性が悪化すると、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間に空気が侵入するなどして結露量センサ９のセンサ部（結露検出部９１）温度は上昇する。そのため、結露検出部９１が乾燥傾向に向かいセンサ部の結露量は減少する。

このとき、変化率の大きさに応じて段階的に結露量設定値が変更されるようにすると、密着性の悪化程度に応じた結露量設定値の変更を行うことができるので、いっそう制御性が高くなる。この値も予め前記のように決定し記憶部５３に入力しておくとよい。

なお、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性が悪化していないか否かの判断を、結露量センサ９に内蔵された第１温度センサ９２と、冷却加熱プレート４に内蔵された第２温度センサ１３との間の温度差ΔＴそのもので行ってよい。その場合、密着性が悪化していると判断する温度差ΔＴ（その閾値）は、その変化率を判断基準とする場合と同様、予め、被試験物Ｗ、伝熱シート１０、結露検出部９１の熱抵抗、および結露量センサ９を被試験物Ｗ上に設置したときの結露量測定値などにより決定し、記憶部５３に入力しておく。

ただし、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性の悪化は、温度差ΔＴそのものよりも「温度差ΔＴの変化率」で判断するほうが好ましい。その理由は、温度差ΔＴは被試験物Ｗを取り替えた場合、正常時の値が変わるため、判定値をその都度、設定しなおす必要があり、また、「温度差ΔＴの変化率」の場合は温度差が確定する前に対応できるので対応が早くなるからである。

図３は、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性が悪化する前後の制御状態を示すタイミングチャートである。図３に示した周期変動する実線は、上から順に、結露量センサ９の結露量測定値、結露量センサ９のセンサ部の温度測定値、第２温度センサ１３の温度測定値（冷却加熱プレート４の温度測定値）である。また破線は、それぞれの測定値の１周期分以上の移動平均値（単純移動平均値）を結んだ線である。移動平均値とは、時系列データを平滑化した値のことをいう。単純移動平均値は移動平均値の一つであり、単純移動平均値とは、直近のｎ個のデータの重み付けのない単純な平均値のことをいう。

ここで、調節器５は、第１温度センサ９２と第２温度センサ１３との間の温度差ΔＴを連続測定している（センサ密着度検出工程）。そして調節器５は、連続測定している温度差ΔＴの変化率が所定値（閾値）に達したら、結露量センサ９の結露量設定値を、予め定めた所定値まで下げる（結露量設定値変更工程）。そして調節器５は、結露量センサ９の結露量測定値と、変更後の（下げた）結露量設定値との偏差に基づいて、冷却加熱プレート４の温度をＰＩＤ制御する（冷却加熱器制御工程）。なお、冷却加熱プレート４の温度制御はＰＩＤ制御に限られるものではない。

ここで、冷却加熱プレート４の温度のＰＩＤ制御は、結露量センサ９の結露量測定値の移動平均値（単純移動平均値、図３の破線）と、結露量設定値との偏差の移動平均値に基づいて行われることが好ましい。これによると、図３に示したように結露量設定値を急変させたとしても、冷却加熱プレート４の温度制御が比較的緩やかに行われ、ハンチングが生じにくい。その結果、結露量センサ９の密着性悪化前後で、被試験物表面の結露量が変動することを防止できる。

なお、結露量センサ９の密着性が悪化した場合、センサ部の結露量の変化よりも先にセンサ部の温度が変化する（上昇する）。そのため、調節器５は、センサ部の結露量が減少を開始する前に、結露量センサ９の結露量設定値を所定値まで下げる制御を行う。また、マイクロスコープによる観察の結果、本制御によると、密着性悪化前と悪化後とで被試験物Ｗ表面の結露量の変化はほぼなかった。

なお、第１温度センサ９２の温度と第２温度センサ１３の温度との差と、センサ部（結露検出部９１）の結露量と被試験物表面の結露量との差と、の間の相関を予め調べておき、結露量センサ９の結露量設定値をいくらまで下げるかは、その結果に基づいて各結露量設定値の値などに対応させて決め、予め記憶部５３に入力しておく。

以上説明したように、本発明によれば、被試験物表面の結露量は、密着性悪化前と悪化後とで大きく変動することがなくなる。すなわち、結露量センサ９と被試験物Ｗとの間の密着性がある程度悪化しても、密着性悪化前と悪化後とで被試験物表面の結露量の変化が生じにくい、すなわち被試験物表面の結露状態を安定させることができる。また、結露試験の実施者による結露量センサ９の被試験物Ｗへの取り付け誤差が補正可能となり、結露試験の再現性が向上する。

なお、結露量センサ９の密着性がさらに悪化して（大きく悪化して）、第１温度センサ９２と第２温度センサ１３との間の温度差ΔＴが非常に大きくなった場合や、第１温度センサ９２の測定温度と、乾球１１の温度との差が小さくなった場合（第１温度センサ９２および乾球１１の温度が近い場合）には、結露量センサ９が被試験物Ｗ（伝熱シート１０）から剥離したと判断し、調節器５は結露試験を中断する。そのとき異常信号を設定・表示器６に送り、設定・表示器６は異常を表示や音で外部に知らせる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。

本発明の一実施形態に係る環境試験装置のブロック図である。 図１に示す結露量センサの詳細図である。 結露量センサと被試験物との間の密着性が悪化する前後の制御状態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１：試験室
２：空調室
３：温湿度発生器（空調手段）
４：冷却加熱プレート（冷却加熱器）
５：調節器（制御手段）
８：固定治具（固定手段）
９：結露量センサ
１３：第２温度センサ
９２：第１温度センサ
１００：環境試験装置
Ｗ：被試験物

Claims (5)

1. 被試験物が入れられる試験室と、
   前記試験室内の空気を所定の温湿度に調節する空調手段と、
   前記試験室内に収容されるとともに前記被試験物が上面に配置され、当該被試験物を冷却加熱する冷却加熱器と、
   前記被試験物の上に載置される結露量センサと、
   少なくとも前記結露量センサからの信号に基づき前記冷却加熱器を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記結露量センサのセンサ部温度を検出する第１温度センサと前記冷却加熱器に内蔵された第２温度センサとの間の測定温度差の変化率または当該測定温度差が所定値に達したら、前記結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げることを特徴とする、環境試験装置。
2. 前記制御手段は、前記測定温度差の変化率の大きさに応じ、前記結露量センサの結露量設定値から下げる所定値を選択することを特徴とする、請求項１に記載の環境試験装置。
3. 前記被試験物を前記冷却加熱器に対して押圧して固定する固定手段を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の環境試験装置。
4. 被試験物が入れられる試験室と、
   前記試験室内の空気を所定の温湿度に調節する空調手段と、
   前記試験室内に収容されるとともに前記被試験物が上面に配置され、当該被試験物を冷却加熱する冷却加熱器と、
   前記被試験物の上に載置される結露量センサと、
   少なくとも前記結露量センサからの信号に基づき前記冷却加熱器を制御する制御手段と、を具備する環境試験装置の結露量制御方法であって、
   前記結露量センサのセンサ部温度を検出する第１温度センサと前記冷却加熱器に内蔵された第２温度センサとの間の温度差を測定するセンサ密着度検出工程と、
   測定された前記温度差の変化率または当該温度差が所定値に達したら、前記結露量センサの結露量設定値を所定値まで下げる結露量設定値変更工程と、
   を備えていることを特徴とする、環境試験装置の結露量制御方法。
5. 前記冷却加熱器制御工程において、測定された前記温度差の変化率の大きさに応じ、前記結露量センサの結露量設定値から下げる所定値を選択することを特徴とする、請求項４に記載の環境試験装置の結露量制御方法。

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