JP3150789B2

JP3150789B2 - レーザー露点計

Info

Publication number: JP3150789B2
Application number: JP26821392A
Authority: JP
Inventors: 茂昭松本
Original assignee: 茂昭松本; 豊岡了
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH0694659A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー露点計に関
し、詳しくは、周囲温度の変化に応じて自動的に測定時
間の短縮を図るようにしたレーザー露点計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、湿度の計測が重要であったのは、
気象分野や倉庫などの比較的大きな空間での測定の分野
に限られていた。しかし、近年、半導体産業を初めとす
る各種産業分野での湿度計測の重要さが認識され、製造
工程や保管管理における湿度の測定、制御は製品の品質
管理、コスト低減の要因となっており、高精度の湿度計
測の技術が求められている。この湿度は、露点を測定す
ることによって求められるので、その湿度測定において
は、従来露点計が広く使用されてきた。

【０００３】この露点計の１つに図２に示すレーザ露点
計３１がある。このレーザー露点計３１は、試料面にレ
ーザー光を照射した場合に、フォトトランジスター８に
入射するレーザー散乱光強度が、試料面５上に露が凝結
していない場合は、試料面５でレーザー光が直接反射す
るため強く、逆に、試料面５上に露が凝結している場合
は、露によってレーザー光が散乱するため弱くなること
を利用し、試料面５に露が凝結し始めたときのレーザー
散乱光強度（露点散乱光強度）よりレーザー散乱光強度
が強い場合には試料面５の温度を下げ、反対に露点散乱
光強度よりレーザー散乱光強度が弱い場合には試料面５
の温度を上げるというフィードバック制御によって、露
が凝結し始める温度にまで試料面温度を制御して露点を
求めるものである。

【０００４】具体的には、露点散乱光強度を実験によっ
て予め求めておき、その値をボリューム２０によってレ
ーザー露点計３１内部に露点散乱光強度電圧（Ｅｓ）と
して設定しておく。そして、この電圧（Ｅｓ）とレーザ
ー散乱光強度電圧（ｅ１）との差電圧を求め、その差電
圧を積分する。この積分値とボリューム２３によって設
定された測定開始時の初期冷却電流設定電圧（Ｅｅ）と
の差電圧を求める。次に、この差電圧をレーザー散乱光
強度電圧（ｅ１）から減算して、この減算値を増幅す
る。この増幅された制御量に比例した冷却電流（Ｉ）を
冷却器に供給する。

【０００５】すなわち、レーザー露点計３１は、露点散
乱光強度電圧（Ｅｓ）とレーザー散乱光強度電圧（ｅ
１）との差電圧（ｅ２）に比例して操作量が変化する比
例動作制御に加えて、差電圧（ｅ２）の積分値（ｅ３）
に比例して操作量が変化する積分動作制御を用いること
によって、冷却電流（Ｉ）を制御している。この場合の
積分動作は、抵抗２１ａの抵抗値とコンデンサ２２の容
量値との積によって決定される積分定数によって行われ
る。以上によって、試料温度が自動的に露点に制御され
るので、その時の温度を温度計によって測れば、露点を
求めることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の露点計にあっては、試料面の温度制御時間を決定す
る因子である積分定数が、抵抗の抵抗値とコンデンサの
容量値との積で決定される値に固定化されていたため、
次のような問題点があった。

【０００７】すなわち、露の凝結速度は周囲温度が低い
場合にはそれが高い場合に比べて遅いので、試料面にお
ける露の凝結状態の判定に比較的時間がかかる。したが
って、周囲温度が低い場合には、試料面の温度制御を緩
慢にする必要があり、そのためには、積分定数を比較的
大きくしてやる必要がある。さもないと、試料面の温度
変化が凝結速度に比べて速くなり、試料面温度と露の凝
結点（露点）との関係が正確に求められなくなるからで
ある。

【０００８】一方、積分定数を周囲温度が低い場合の値
に合わせると、露の凝結速度は周囲温度が高くなるにつ
れて速くなることから、本来、周囲温度が高い場合には
周囲温度が低い場合よりも制御時間を短くすることがで
きるにも拘らず、それができない結果となる。

【０００９】この問題点を解決するためには、レーザー
露点計が使用される温度環境を考慮して、その環境に合
わせて個々積分定数を定めるようにしておけば良いが、
その温度環境も一様ではなく、広い温度範囲にて使用し
なければならない場合もあり、その場合には、温度環境
に対応したレーザー露点計を複数用意しなければならな
いという問題がある。そこで、従来、比較的広い温度範
囲で使用でき、しかも迅速に露点を測定できる露点計の
出現が望まれていた。

【００１０】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、周囲温度に合わせて積分定数を変化させる
ことによって、周囲温度の高低に拘らず可及的に速く露
点測定ができるレーザー露点計を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、レーザー光を試料面に照射する照射手
段と、当該試料面上における露の凝結及び消滅に対応し
て変化するレーザー散乱光強度を測定する散乱光測定手
段と、試料面の温度を測定する温度測定手段と、積分回
路を含むフィードバック制御部とを有し、フィードバッ
ク制御部が、予め設定された露点散乱光強度とレーザー
散乱光強度とを用いて、試料面を冷却するために用いら
れる冷却電流を制御して試料面の温度が露点になるよう
にするレーザー露点計において、積分回路の積分定数
が、周囲温度の上昇に対応して小さくなるように変化す
ることを特徴とする。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、積分定数を
決定する素子として、サーミスタを使用したことを特徴
とする。

【００１３】

【作用】上述したレーザー露点計によれば、フィードバ
ック制御部が、予め設定された露点散乱光強度とレーザ
ー散乱光強度とを用いて、冷却電流を試料面温度が露点
になるように制御する際に、積分回路の積分定数は、露
の凝結速度が速い場合、すなわち周囲温度が高い場合に
は小さくなり、露の凝結速度が遅い場合、すなわち周囲
温度が低い場合には大きくなる。したがって、フィード
バック制御部の応答特性は、積分定数の大きさに比例す
るため、試料面の温度が露点に達する時間は、周囲温度
の高低の如何に拘らず可及的に速くすることができる。
そのため、可及的に速く露点の測定をすることができ
る。

【００１４】また、請求項２に記載された発明によれ
ば、積分定数を決定する素子として、サーミスタを使用
する。このサーミスタの抵抗値の特性は、周囲温度が高
い場合は小さく、周囲温度が低い場合は、大きい。した
がって、積分定数は、周囲温度の上昇に対応して自動的
に小さくなるように変化するので、上述した理由で、周
囲温度の高低の如何に拘らず可及的に速く露点の測定を
することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の好適な一実施例を、図面を参
照しながら、詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明を適用したレーザー露点計
１の構成を示すものである。ここで、従来のレーザー露
点計３１と同じものは、同一の符号を用いている。この
レーザー露点計１は、大きく分けて露点検出部２とフィ
ードバック制御部３とから構成されている。以下、その
各々について説明する。

【００１７】最初に露点検出部２について説明する。露
点検出部２は、レーザー光線の照射、レーザー散乱光強
度の測定、試料面の冷却及び試料面温度の測定を行うも
のであり、レーザー光源（照射手段）４、露を凝結させ
る金板（試料面）５、金板５を冷却するための冷却板６
ａを備える電子冷却素子６、電子冷却素子６の放熱のた
めのヒートパイプ７、レーザー散乱光強度を測定するフ
ォトトランジスター（散乱光測定手段）８、露点測定の
温度センサー（温度測定手段）９から構成されている。

【００１８】ここで、レーザー光源４としては、特に限
定はされてないが、発振波長６７０ｎｍで出力１ｍＷの
半導体レーザーが用いられている。

【００１９】金板５は、表面に露を凝結させるものであ
り、例えば、直径３ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ、表面の粗さ
０．８μｒｍｓで作られている。

【００２０】フォトトランジスター８は、レーザー散乱
光強度を測定するものであり、金板５の表面から距離１
２ｍｍの位置で反射角が２０度になるように露点検出部
２の内部に取り付けてある。このフォトトランジスター
８に電流を供給するために電源１０が設けられており、
この電源１０は、レーザー散乱光強度に応じて、抵抗１
１に電流を流し、この抵抗１１の両端にレーザー散乱光
強度電圧（ｅ１）を発生させる。

【００２１】温度センサー９は、金板５の表面温度を図
示しない演算部に温度データとして出力するものであ
り、例えば、銅−コンスタンタン熱電対により構成され
ている。

【００２２】次に、フィードバック制御部３について説
明する。フィードバック制御部３は、レーザー散乱光強
度に応じた冷却電流の制御、冷却電流の初期電流の設定
等を行うものであり、バッファ１２、第１の増幅器１
３、第２の増幅器１４、積分回路１５、第３の増幅器１
６、加算器１７、ダーリントン回路１８、直流電源１９
等から構成されている。

【００２３】バッファ１２は、レーザー散乱光強度電圧
を入力し、２つの出力に分岐するための高入力インピー
ダンスの回路であり、入力部は、抵抗Ｒ１を介してフォ
トトランジスター８の出力部に接続され、出力部は、抵
抗Ｒ２を介して第１の増幅器１３のプラス入力端子と抵
抗Ｒ３を介して第２の増幅器１４のマイナス入力端子と
に接続されている。

【００２４】第１の増幅器１３は、バッファ１２の出力
電圧（レーザー散乱光強度電圧）と第３の増幅器１６の
出力電圧との差電圧を増幅するものであり、その出力部
は、抵抗Ｒ４を介して加算器１７のプラス入力端子に接
続されている。

【００２５】第２の増幅器１４は、露点散乱光強度電圧
（Ｅｓ）とバッファ１２の出力電圧との差電圧を増幅す
るものであり、その出力部は、サーミスタ２１を介して
積分回路１５のマイナス入力端子に接続されている。こ
こで、電圧（Ｅｓ）は、試料面上に凝結する露の量（単
位面積当たり約１０^-5 ｇ／ｃｍ² ）に相当する電圧で
あり、予め第１のボリューム２０で設定されている。

【００２６】積分回路１５は、サーミスタ２１の抵抗値
とコンデンサ２２の容量値の積で表される積分定数の値
によって第２の増幅器１４の出力電圧を積分するもので
あり、その出力部は、抵抗Ｒ５を介して第３の増幅器１
６のマイナス入力端子に接続されている。

【００２７】第３の増幅器１６は、第２のボリューム２
３によって設定された初期冷却電流設定電圧（Ｅｅ）と
積分回路１５の出力電圧との差電圧を増幅するものであ
り、その出力部は、抵抗Ｒ６を介して第１の増幅器１３
のマイナス入力端子に接続されている。ここで、初期電
流設定電圧（Ｅｅ）は、冷却素子６に供給する冷却電流
の初期電流を決定するものであり、露点測定に要する時
間に関係する。

【００２８】加算器１７は、第３のボリューム２４によ
って設定されたオフセット電圧（Ｅｃ）の絶対値電圧を
第１の増幅器１３の出力電圧に加算するものであり、そ
の出力部は、抵抗Ｒ７を介して、ダーリントン回路１８
のトランジスター１８ａのベースに接続されている。こ
こで、電圧（Ｅｃ）は、ダーリントン回路１８のスレッ
シュホールド電圧を補正するものであり、−１．１Ｖに
設定されている。

【００２９】ダーリントン回路１８は、トランジスター
１８ａ〜１８ｃをダーリントン接続したものであり、加
算器１７の出力電流を増幅する。これらのトランジスタ
ー１８ａ〜１８ｃのコレクターは、直流電源１９に接続
されている。また、トランジスター１８ｃのエミッタ
は、冷却電流の供給をＯＮ／ＯＦＦさせるためのスイッ
チ２５を介して電子冷却素子６に接続されている。

【００３０】次に、レーザー露点計１の動作について説
明する。レーザー露点計１の動作は、比例動作制御に積
分動作制御を加えた方式である。すなわち、フィードバ
ック制御部３内に、試料面温度が露点のときの露量に対
応する電圧として予め設定された露点散乱光強度電圧
（Ｅｓ）と、実際に凝結している露によって散乱された
レーザー散乱光によって発生するレーザー散乱光強度電
圧（ｅ１）とを用いて、積分回路１５と第１の増幅器１
３とを動作させて冷却電流Ｉを制御している。これによ
り、積分回路１５の出力電圧（ｅ３）が常に零となるよ
うに冷却電流Ｉを僅かに増減して、試料面温度を露点に
保っている。

【００３１】具体的には、測定が開始されると、冷却素
子６に初期冷却電流（本実施例においては、１Ａが設定
されている。）が直流電源１９から供給されて、金板５
の冷却が始まる。同時に、レーザー光源４から出力され
たレーザー光線は、２ｍｍ径のレーザービームに絞ら
れ、金板５の表面に照射される。この金板５により散乱
されたレーザー散乱光は、フォトトランジスター８に入
力されて、抵抗１１の両端にレーザー散乱光の強度に対
応したレーザー散乱光強度電圧（ｅ１）を発生させる。
このレーザー散乱光強度電圧（ｅ１）は、金板５の表面
温度の低下によって金板５の表面に露が凝結すると、こ
の露の量に対応して低下する。

【００３２】レーザー散乱光強度電圧（ｅ１）は、バッ
ファ１２に入力されて、２つの出力に分岐される。一方
は、第２の増幅器１４に入力され、他方は、直接第１の
増幅器１３に入力される。第２の増幅器１４に入力され
たレーザー散乱光強度電圧（ｅ１）は電圧（Ｅｓ）から
減算されて増幅される。その増幅された第２の増幅器１
４の出力電圧（ｅ２）は、積分回路１５によって積分定
数で定まる時間内で積分され、この積分値は電圧（ｅ
３）として出力される。レーザー露点計１は、この電圧
（ｅ３）を常に０Ｖにするように積分動作制御を行う。
この場合、積分定数は、サーミスタ２１の抵抗値とコン
デンサ２２の容量値の積によって定まるので、周囲温度
の上昇に対応して小さくなる。したがって、積分動作に
要する時間も周囲温度の上昇に対応して短くなる。

【００３３】電圧（ｅ３）は、初期冷却電流設定電圧
（Ｅｅ）から加減算され、この加減算された電圧は第３
の増幅器１６から電圧（ｅ４）として出力される。この
電圧（ｅ４）は、電圧（ｅ３）が、０Ｖになるように制
御されることから、初期冷却電流設定電圧（Ｅｅ）と露
がついていないときの電圧との間のある一定電圧に近づ
くようになる。

【００３４】一方、前述のバッファ１２から、第１の増
幅器１３に入力されたレーザー散乱光強度電圧（ｅ１）
は、第１の増幅器１３によって、電圧（ｅ４）を減算さ
れた後に増幅される。レーザー露点計１は、この第１の
増幅器１３の出力電圧（ｅ５）に対応した冷却電流
（Ｉ）によって、金板５の表面温度を常に露点にするよ
うな比例動作制御を行う。

【００３５】この出力電圧（ｅ５）は、第３のボリュー
ム２４によって設定された電圧（Ｅｃ）の絶対値電圧を
加算され、加算器１７の出力電圧となる。

【００３６】加算器１７の出力電圧は、ダーリントン回
路１８を介して直流電源１９から出力される冷却電流
（Ｉ）の増減を行い、電子冷却素子６による金板５の温
度を制御する。したがって、金板５の表面温度は、常に
露点と等しい温度に維持される。この状態で温度センサ
ー９は、図示しない演算部に温度データを出力して露点
の測定が行われる。

【００３７】このレーザー露点計１での露点変化の応答
においては、凝結した露が露点の温度変化によって一時
的に減少または増加するが、これにより積分回路１５に
入力される電圧（ｅ２）が変化して積分定数によって決
定される速度で金板５の表面温度を変化させる。その
後、変化した露点に追従して、金板５の温度を露点温度
になるようにして、新しい露点の測定がされる。この場
合、応答に要する時間は、積分回路１５の積分定数によ
って決定される。しかし、実際の露点の測定では、露が
設定された一定量に達するまでに要する時間は、露点に
よって異なり、高い露点では露の凝結速度が早いので短
く、逆に低い露点では、露の凝結速度が遅いので長くな
っている。

【００３８】一方、積分回路１５の入力部に接続されて
いるサーミスタ２１の抵抗値は、周囲温度が高くなるに
したがって小さくなるので自動的に積分定数が小さくな
る。逆に、サーミスタ２１の抵抗値は、周囲温度が低く
なるにしたがって大きくなるので積分定数が大きくな
る。したがって、各周囲温度で最適な積分定数となり応
答時間の可及的な短縮が図られる。

【００３９】以上のように、本実施例によれば、サーミ
スタ２１の前述の働きによって、周囲温度に合わせて積
分定数が自動的に変化するので、周囲温度の高低に拘ら
ず可及的に速く露点測定をすることができる。

【００４０】なお、本実施例においては、サーミスタを
使用しているが、サーミスタ以外の素子であっても温度
上昇にともない、積分定数が小さくなるような素子であ
れば良い。例えば、温度上昇に対応して、容量が小さく
なるように変化するコンデンサであっても良い。また、
周囲温度に対応して抵抗値が変化するように電子ボリュ
ーム等を使用してプリセットしておく方法を用いても良
い。更に、サーミスタのみでなく、サーミスタと抵抗を
組合わせても良い。

【００４１】また、フィードバック制御部３の制御方法
は、比例動作制御、積分動作制御に加えて微分動作制御
を付加しても良い。

【００４２】その他、細部の制御において、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で任意に変更することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、周囲温度
に合わせて積分定数を変化させることによって、周囲温
度に拘らず可及的に速く露点測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザー露点計の構成を示す図で
ある。

【図２】従来におけるレーザー露点計の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】１レーザー露点計３フィードバック制御部４レーザー光源（照射手段）５金板（試料面）８フォトトランジスター（散乱光測定手段）９温度センサー（温度測定手段）１５積分回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光を試料面に照射する照射手段
と、当該試料面上における露の凝結及び消滅に対応して
変化するレーザー散乱光強度を測定する散乱光測定手段
と、前記試料面の温度を測定する温度測定手段と、積分
回路を含むフィードバック制御部とを有し、当該フィー
ドバック制御部が、予め設定された露点散乱光強度と前
記レーザー散乱光強度とを用いて、前記試料面を冷却す
るために用いられる冷却電流を制御して前記試料面の温
度が露点になるようにするレーザー露点計において、前
記積分回路の積分定数が、周囲温度の上昇に対応して小
さくなるように変化することを特徴とするレーザー露点
計。
【請求項２】前記積分定数を決定する素子として、サー
ミスタを使用したことを特徴とする請求項１記載のレー
ザー露点計。