JP5590460B2 - Dew point measuring device and gas characteristic measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、露点計測装置に関するものである。また、露点計測装置を備えた湿度センサ、分圧測定器などの気体特性測定装置に関するものである。 The present invention relates to a dew point measuring apparatus. The present invention also relates to a gas characteristic measuring device such as a humidity sensor and a partial pressure measuring device equipped with a dew point measuring device.
冷却手段により鏡面状の観測面を冷却していき、周囲の気体中の特定成分（例えば、水蒸気）が観測面に凝集（結露）したことを光学センサなどの凝集検知手段で検知し、この気体中の特定成分が液化し始める温度（露点）を測定する鏡面冷却式露点計測装置が知られている（例えば、特許文献１や２）。
The mirror-like observation surface is cooled by the cooling means, and a specific component (for example, water vapor) in the surrounding gas is condensed (condensed) on the observation surface by the aggregation detection means such as an optical sensor. A mirror-cooled dew point measuring device that measures the temperature (dew point) at which a specific component in the liquid begins to liquefy is known (for example,
露点計測装置は、観測面の温度を測定する温度測定手段としての温度センサを有しており、正確な露点を計測するには温度センサの較正を行う必要がある。温度センサを較正する方法としては、特許文献３、４に記載のものが知られている。特許文献３に記載の温度センサ較正方法では、既知の相転移温度を持つ温度標準物質及び温度センサを加熱炉内に設置する。そして、加熱炉内の温度を変化させていくと、温度標準物質の融点に相当する温度付近で温度標準物質の吸熱反応が発生する。この温度標準物質の吸熱反応は温度センサのリニアな出力変化での変曲点として検出される。そして、この変曲点の出力が検出されたときの温度を融点温度である温度標準とし、その温度標準を基づいて演算した補正値で温度センサの温度値を較正する。
The dew point measuring apparatus has a temperature sensor as temperature measuring means for measuring the temperature of the observation surface, and it is necessary to calibrate the temperature sensor in order to measure an accurate dew point. As a method for calibrating a temperature sensor, those described in
また、特許文献４に記載の温度センサの較正方法は、高圧高温装置内を適温になるように加熱するヒータに標準物質を直列に接続し、高圧高温装置内の温度を検出しながらヒータへの投入電力を調整する。そして、ヒータによって高圧高温装置内を加熱していき標準物質の相転移が起きたことをヒータの電気抵抗又はヒータへの電圧・電流の変化で捕え、その時の温度を検出する。そして、その時のヒータへの投入電力を基準とし、温度センサの温度較正を行う。
In addition, in the temperature sensor calibration method described in
しかしながら、上記特許文献３によれば、温度較正工程では加熱炉内に温度標準物質を搬送して行われるため、較正精度は温度センサに対する温度標準物質の位置精度に依存する。このため、較正精度を上げるためには位置精度を上げなければならず、位置精度を上げる設備投資等によって素子自体のコスト増につながってしまう。また、上記特許文献３において、温度センサを備えた露点計測装置を製品に組み込んだ後に温度較正を行うときは特に製品から露点計測装置を取り外してユーザが上記温度較正を行うこととなり、この煩雑な温度較正自体がユーザの負担となっていた。また、上記特許文献４によれば、ヒータと相変化物質とが電気的に直列に接続されているので、相変化物質の相転移による電気伝導度の変化に加え、ヒータの電気伝導度の変化も生じる。このため、相変化物質の相転移温度が検出できその温度で較正できたとしても、ヒータの電気伝導度の変化に伴う影響で温度較正の精度が低下してしまうという課題があった。
However, according to
また、いずれの特許文献でも、一定の温度に制御した恒温環境となっている温度標準を備える大規模な設備が必要となる。更に、高い精度が求められるような高精度な露点計測装置においては、高精度な温度センサが用いられ、細かい温度較正を行う必要となる。よって、汎用な温度センサの温度較正に比べて煩雑な工程を必要としていた。そのため、高精度な露点計測装置は温度標準が一定の安定した恒温環境槽内に搬送されて温度変化を細かくして温度較正を行うために長い時間を要することになり、生産効率が悪くなる。そして、露点計測装置のそれ以外の素子（観測面を冷却するための冷却部などの冷却手段や光学センサなどの凝集検知手段）が簡単な電送装置や光学装置で迅速に設定が完了するのに比べ、高精度な温度センサを用いると、大量生産の製造工程において大量に取り扱うのにボトルネックとなっていてコストを削減することができない。このため、温度較正に要するコストが付加され、温度較正に要した露点計測装置の価格は温度較正に要しない露点計測装置の本体の価格に比して数倍ないし数十倍になっている。特に精度の高いものを生産するためには精度の高い温度較正を行うため費用と、かなりの時間を要していた。 In any patent document, a large-scale facility having a temperature standard that is a constant temperature environment controlled to a constant temperature is required. Furthermore, in a high-accuracy dew point measuring device that requires high accuracy, a high-accuracy temperature sensor is used, and fine temperature calibration is required. Therefore, a complicated process is required as compared with temperature calibration of a general-purpose temperature sensor. For this reason, a highly accurate dew point measuring device is transported into a stable thermostatic chamber where the temperature standard is constant, and it takes a long time to finely adjust the temperature and perform temperature calibration, resulting in poor production efficiency. And other elements of the dew point measurement device (cooling means such as a cooling unit for cooling the observation surface and agglomeration detection means such as an optical sensor) can be set quickly with a simple electric transmission device or optical device. On the other hand, if a high-precision temperature sensor is used, it becomes a bottleneck to handle a large amount in a mass production process, and the cost cannot be reduced. For this reason, the cost required for temperature calibration is added, and the price of the dew point measuring device required for temperature calibration is several times to several tens of times the price of the main body of the dew point measuring device not required for temperature calibration. In particular, in order to produce a highly accurate product, it took a considerable amount of time and time to perform temperature calibration with high accuracy.
よって、露点計測装置の製造において温度較正工程自体を無くすことがコスト削減に最も有効である。また、高い精度を維持するためには、随時簡便に温度較正を実施することができる露点計測装置の提供が望まれている。 Therefore, it is most effective to reduce the cost to eliminate the temperature calibration process itself in the manufacture of the dew point measuring device. In order to maintain high accuracy, it is desired to provide a dew point measuring device that can easily perform temperature calibration as needed.
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、露点計測装置の製造工程において、温度較正工程を必要とせず、コストを抑えることができ、かつ、高い精度を維持することのできる露点計測装置および気体特性測定装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to eliminate the need for a temperature calibration step in the manufacturing process of a dew point measurement device, to reduce costs, and to maintain high accuracy. It is to provide a dew point measuring apparatus and a gas characteristic measuring apparatus capable of performing the above.
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、観測面を冷却する冷却手段と、上記観測面に周囲の気体中の特定成分が凝集したことを検出する凝集検出手段と、上記観測面の温度を測定する温度測定手段とを備え、上記凝集検出手段が、観測面に周囲の気体中の特定成分が凝集したことを検出したとき、上記温度測定手段により上記観測面の温度を測定することで、気体の露点を測定する露点計測装置において、既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質と、温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する相転移検出手段と、相転移が起きたことを相転移検出手段が検出したときの上記温度測定手段の検知結果を、既知の上記相転移温度とする温度較正を行う温度較正手段と、上記相変化物質を加熱する加熱手段とを備え、少なくとも、上記冷却手段、上記温度測定手段、上記相変化物質および上記加熱手段を同一の基板に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の露点計測装置において、上記相変化物質は、国際温度目盛ＩＴＳ−９０に定義されている物質であることを特徴する露点計測装置。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の露点計測装置において、上記冷却手段は、ぺルチェ効果を有する熱電変換材料と一対の電極とで構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項３の露点計測装置において、上記基板は、ベース材上に積層された絶縁層が設けられており、上記絶縁層に上記ベース材と接していない非接触領域を設け、上記非接触領域に、上記冷却手段の観測面の真下に配置され、観測面を冷却する冷却電極と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とを配置したことを特徴する露点計測装置。
また、請求項５の発明は、請求項３または４の露点計測装置において、上記温度測定手段を上記観測面に隣接配置したことを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項５の露点計測装置において、上記温度測定手段は、リング状であって、上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置したことを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６いずれかの露点計測装置において、上記冷却手段、上記温度測定手段の周囲を絶縁材で覆ったことを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項１乃至７いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質を上記加熱手段に隣接配置したことを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項１乃至８いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質と上記加熱手段とを積層させたことを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、請求項１乃至８いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質と上記加熱手段とを並列に配置したことを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、請求項１乃至１０いずれかの露点計測装置において、上記加熱手段は、リング状であって、上記相変化物質を、上記リング状加熱手段と同心円となるように配置したことを特徴とするものである。
また、請求項１２の発明は、請求項１１の露点計測装置において、上記相変化物質を、上記加熱手段の円周内に配置したことを特徴とするものである。
また、請求項１３の発明は、請求項１乃至１２いずれかの露点計測装置において、上記加熱手段に隣接する箇所に上記相変化物質を分散配置したことを特徴とするものである。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の露点計測装置において、互いに異なる２種類以上の相変化物質を分散配置したことを特徴とするものである。
また、請求項１５の発明は、請求項１乃至１４いずれかの露点計測装置において、上記温度測定手段は、温度依存性を有する抵抗体であって、上記温度測定手段を、上記加熱手段として用いたことを特徴とするものである。
また、請求項１６の発明は、請求項１５の露点計測装置において、上記温度測定手段を発熱させるための一対の発熱用リード線と、温度を測定するための一対の測定用リード線とをそれぞれ上記温度測定手段に接続したことを特徴とするものである。
また、請求項１７の発明は、請求項１乃至１４いずれかの露点計測装置において、上記冷却手段は、ペルチェ効果を有する熱電変換材料と一対の電極とで構成された冷却手段を備え、上記電極のいずれか一方を、加熱手段として用いたことを特徴とするものである。
また、請求項１８の発明は、請求項１７の露点計測装置において、上記相変化物質を加熱するときは上記熱電変換材料に流す電流の向きを、上記観測面を冷却するときの上記熱電変換材料に流す電流の向きと異ならせたことを特徴とするものである。
また、請求項１９の発明は、請求項１乃至１８いずれかの露点計測装置において、上記加熱手段の加熱温度を、上記相転移物質の相転移温度付近にしたことを特徴とするものである。
また、請求項２０の発明は、請求項１乃至１９いずれかの露点計測装置において、上記凝集検出手段は、上記鏡面状の観測面に光を照射する発光手段と、上記観測面からの反射光あるいは透過光を受光する受光手段とを備え、上記受光手段に入射する光量に基づいて、上記観測面に周囲の気体中の凝集成分が凝集したことを検知することを特徴とするものである。
また、請求項２１の発明は、請求項２０の露点計測装置において、上記受光手段は、上記観測面からの透過光を受光するものであって、上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質と、が集積された第１基板と対向するように、上記発光手段を備えた第２基板を配置し、上記第１基板の上記第２基板と対向する面と反対側の面と対向するように、上記受光手段を備えた第３基板を配置して、上記第１基板、上記第２基板、上記第３基板を重ね合わせて一体化したことを特徴とするものである。
また、請求項２２の発明は、請求項２０の露点計測装置において、上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とが集積された基板に、上記発光手段と上記受光手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２３の発明は、請求項２２の露点計測装置において、上記発光手段から出射された光が、上記観測面に対して平行に横切って、受光手段に入射するよう、上記発光手段および上記受光手段を、上記基板の観測面と同一の面に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２４の発明は、請求項２２の露点計測装置において、上記受光手段は上記観測面からの反射光を受光するものであって、上記発光手段から出射された光を反射して上記観測面に入射させ、観測面から反射した光を反射して上記受光手段に入射させるための空洞部を上記基板に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２５の発明は、請求項２２の露点計測装置において、上記受光手段は上記観測面からの反射光を受光するものであって、上記基板に対向配置し、上記発光手段から出射された光を反射して上記観測面に入射させ、観測面から反射した光を反射して上記受光手段に入射させるための反射部材を、設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２６の発明は、請求項２４または２５の露点計測装置において、上記光が反射する面を平面にしたことを特徴とするものである。
また、請求項２７の発明は、請求項２４または２５の露点計測装置において、上記光が反射する反射面を、上記受光手段へ光が集光するように曲面にしたことを特徴とするものである。
また、請求項２８の発明は、請求項２４乃至２７いずれかの露点計測装置において、上記受光手段と上記発光手段とを、基板の上記冷却手段、上記温度測定手段、上記相変化物質が集積された面と同一の面に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２９の発明は、請求項２８の露点計測装置において、中心から上記相変化物質、上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置されており、上記発光手段は、上記同心円の中心に配置され、上記受光手段は、上記冷却手段より円周外側に、同心円状に複数配置されており、上記空洞部を、上記同心円の中心を中心とする環状形状としたことを特徴とするものである。
また、請求項３０の発明は、請求項２４の露点計測装置において、上記発光手段と上記受光手段とを、基板の上記冷却手段、上記の温度測定手段、上記相変化物質が集積された面と反対側の面に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項３１の発明は、請求項３０の露点計測装置において、中心から上記相変化物質、上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置されており、上記発光手段は、上記同心円の中心と対向する位置に配置され、上記受光手段は、上記冷却手段より円周外側の部分に対向するように、同心円状に複数配置されており、上記空洞部を、上記同心円の中心を中心とする環状形状としたことを特徴とするものである。
また、請求項３２の発明は、請求項１乃至３１いずれかの露点計測装置において、上記相転移検出手段は、上記温度測定手段が測定した温度変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３３の発明は、請求項１乃至３１いずれかの露点計測装置において、上記相転移検出手段は、上記相変化物質に積層させた圧電体を有し、圧電効果に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３４の発明は、請求項３３の露点計測装置において、上記相転移検出手段は、上記相変化物質の圧電体に対する応力変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３５の発明は、請求項３３の露点計測装置において、上記圧電体を振動させて、上記相変化物質の固有振動数の変化を検知することで、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３６の発明は、請求項１乃至３１いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質は、導電性であって、上記相転移検出手段は、上記相変化物質の電気特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３７の発明は、請求項３６の露点計測装置において、上記相変化物質に接続し、上記相変化物質の電気特性の変化を検出するための検出リード線を、相変化物質と同一の材料で構成したことを特徴とするものである。
また、請求項３８の発明は、請求項１乃至３１いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質は、導電性であって、上記相転移検出手段は、上記相変化物質の通電状態に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項３９の発明は、請求項３８の露点計測装置において、上記相転移検出手段は、上記相変化物質によって通電状態に構成しておき、相変化物質が相変化すると、非通電となるよう構成したことを特徴とするものである。
また、請求項４０の発明は、請求項３８の露点計測装置において、上記相転移検出手段は、上記相変化物質を分離させて、非通電に構成しており、相変化物質が相変化すると、上記相変化物質が結合して通電となるよう構成したことを特徴とするものである。
また、請求項４１の発明は、請求項１乃至３１いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質は、光透過性または光反射性であり、上記相転移検出手段は、上記相変化物質の光学特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とするものである。
また、請求項４２の発明は、請求項４１の露点計側装置において、上記凝集検出手段は、上記観測面に光を照射する発光手段と、上記観測面からの反射光あるいは透過光を受光する受光手段とを備え、上記凝集検出手段を、上記相転移検出手段として用いたことを特徴とするものである。
また、請求項４３の発明は、請求項４２の露点計測装置において、上記観測面の下に相変化物質を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４４の発明は、請求項３２乃至３７、４１乃至４３いずれかの露点計測装置において、上記相変化物質の周囲を絶縁材で覆ったことを特徴とするものである。
また、請求項４５の発明は、請求項１乃至４４いずれかの露点計測装置において、少なくとも上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とを備えた露点検出部を、複数設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４６の発明は、請求項４５の露点計測装置において、各露点検出部の熱容量を同じに構成し、これら露点計測部の温度測定手段でブリッジ回路を構成したことを特徴とするものである。
また、請求項４７の発明は、請求項１乃至４６いずれかの露点計測装置において、少なくとも、上記温度測定手段からの信号を受信して、温度を演算する演算回路、および、上記温度較正手段を備えた回路部を、上記冷却手段、上記温度測定手段および相変化物質を備えた基板に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４８の発明は、気体の温度と、気体の露点とに基づいて、気体の特性を測定する気体特性測定装置において、上記露点を測定する露点測定手段として、請求項１乃至４７いずれかの露点計測装置を用いたことを特徴とするものである。
また、請求項４９の発明は、請求項４８の気体特性測定装置において、上記観測面の周囲の気体温度を上記温度測定手段で測定した後、露点を測定することを特徴とするものである。
また、請求項５０の発明は、請求項４８の気体特性測定装置において、周囲の気体の温度を測定する気体温度測定手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項５１の発明は、請求項４８乃至５０いずれかの気体特性測定装置において、当該気体特性測定装置は、気体の特性として、気体中の凝集成分の割合、気体の密度、気体成分の分圧のうちいずれか一つを測定することを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention of
The invention of
Further, the invention of
According to a fourth aspect of the present invention, in the dew point measuring apparatus according to the third aspect, the substrate is provided with an insulating layer laminated on a base material, and the insulating layer is not in contact with the base material. A dew point is provided in which a cooling electrode that cools the observation surface, the temperature measurement means, and the phase change material are arranged in the non-contact region, and is disposed immediately below the observation surface of the cooling means. Measuring device.
According to a fifth aspect of the present invention, in the dew point measuring apparatus according to the third or fourth aspect, the temperature measuring means is disposed adjacent to the observation surface.
The invention according to
The invention of
The invention of
The invention of
The invention of
The eleventh aspect of the present invention is the dew point measuring apparatus according to any one of the first to tenth aspects, wherein the heating means is ring-shaped, and the phase change material is concentric with the ring-shaped heating means. It is characterized by the arrangement.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the dew point measuring apparatus according to the eleventh aspect , the phase change material is disposed within the circumference of the heating means.
The invention of
The invention of
The invention of
The invention of claim 16 is the dew point measuring device of
The invention according to claim 17 is the dew point measuring device according to any one of
The invention according to
The invention of
According to a twentieth aspect of the present invention, in the dew point measuring device according to any one of the first to nineteenth aspects, the agglomeration detecting means includes a light emitting means for irradiating light to the specular observation surface and reflected light from the observation surface. Alternatively, a light receiving means for receiving transmitted light is provided, and based on the amount of light incident on the light receiving means, it is detected that aggregated components in the surrounding gas are aggregated on the observation surface.
The invention according to
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the dew point measuring apparatus according to the twentieth aspect , the light emitting means and the light receiving means are provided on a substrate on which the cooling means, the temperature measuring means, and the phase change material are integrated. It is characterized by that.
The invention according to claim 23 is the dew point measurement device according to claim 22 , wherein the light emitted from the light emitting means crosses the observation surface parallel to the observation surface and enters the light receiving means. The light receiving means is provided on the same surface as the observation surface of the substrate.
The invention according to claim 24 is the dew point measuring apparatus according to claim 22 , wherein the light receiving means receives reflected light from the observation surface, and reflects the light emitted from the light emitting means to reflect the light. The substrate is provided with a cavity for reflecting the light incident on the observation surface and reflected from the observation surface to enter the light receiving means.
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the dew point measuring apparatus according to the twenty-second aspect, the light receiving means receives reflected light from the observation surface, and is disposed opposite to the substrate and emitted from the light emitting means. A reflecting member is provided for reflecting the reflected light to be incident on the observation surface and reflecting the light reflected from the observation surface to be incident on the light receiving means.
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the dew point measuring device according to the twenty-fourth or twenty-fifth aspect, the surface on which the light is reflected is flat.
The invention according to claim 27 is the dew point measuring device according to claim 24 or 25 , wherein the reflecting surface on which the light is reflected is curved so that the light is condensed on the light receiving means. is there.
The invention of claim 28 is the dew point measuring device according to any one of claims 24 to 27, wherein the light receiving means and the light emitting means are integrated with the cooling means for the substrate, the temperature measuring means, and the phase change material. It is characterized in that it is provided on the same surface as the other surface.
Further, the invention of
The invention of
The invention of claim 31 is the dew point measurement device of
The invention of
Further, the invention of
Further, in the invention of claim 34 , in the dew point measuring apparatus of
The invention of
The invention of claim 36 is the dew point measuring apparatus according to any one of
Further, the invention of claim 37 is the dew point measurement device of claim 36 , wherein the detection lead wire connected to the phase change material for detecting a change in electrical characteristics of the phase change material is the same as the phase change material. It is characterized by comprising the following materials.
Further, the invention of
Further, the invention of claim 39 is the dew point measuring device according to
Further, the invention of
The invention of claim 41 is the dew point measuring device according to any one of
The invention of
The invention according to
The invention of
Further, the invention of claim 45 is the dew point measuring device according to any one of
The invention of
The invention of claim 47 is the dew point measuring device according to any one of
The invention of
According to a 49th aspect of the present invention, in the gas characteristic measuring apparatus according to the 48th aspect, the dew point is measured after the gas temperature around the observation surface is measured by the temperature measuring means.
The invention of claim 50 is characterized in that, in the gas characteristic measuring device of
Further, the invention of claim 51 is the gas characteristic measuring device according to any one of
本発明においては、露点計測装置に相変化物質を設け、露点計測装置自身で、相変化物質の相転移が起きたことを検知し、そのときの温度測定手段の検知結果を、既知の相転移温度とする温度較正を露点計測装置自身で行う。これにより、露点計測装置の製造工程において、露点計測装置を恒温環境槽内へ搬送して温度較正を行う温度較正工程が必要なくなり、コストを抑えることができる。
また、露点計測装置自身で温度較正を行うことができるので、従来のように、露点計測装置が取り付けられた機器から露点計測装置を取り外して、恒温環境槽内に露点計測装置を持ち込んで温度較正を行う場合に比べて、随時簡便に温度較正を実施することができる。これにより、温度較正が必要なときに、温度較正を行うことができるので、高い精度を維持することができる。
In the present invention, a phase change material is provided in the dew point measurement device, and the dew point measurement device itself detects that the phase change of the phase change material has occurred, and the detection result of the temperature measuring means at that time is used as a known phase transition. The temperature calibration to make the temperature is performed by the dew point measuring device itself. Thereby, in the manufacturing process of a dew point measuring apparatus, the temperature calibration process which conveys a dew point measuring apparatus in a constant temperature environment tank and performs temperature calibration becomes unnecessary, and can suppress cost.
In addition, since the temperature can be calibrated by the dew point measuring device itself, the temperature calibration is performed by removing the dew point measuring device from the device with the dew point measuring device attached and bringing the dew point measuring device into the thermostatic chamber as in the past. Compared with the case of performing the temperature calibration, the temperature calibration can be easily performed at any time. Thereby, since temperature calibration can be performed when temperature calibration is required, high accuracy can be maintained.
また、気体中の特定成分の露点を計測する露点計測手段を備え、気体の露点に基づいて、気体の特性を測定する気体特性測定装置において、露点測定手段として、本発明の露点計測装置を用いることで、高い精度の露点測定を維持することができ、結果的に高い精度で気体の特性を測定することができる。また、コストが抑えられた露点計測装置を用いることができるので、結果的に、気体特性測定装置のコストを抑えることができる。 In addition, a dew point measuring means for measuring the dew point of a specific component in the gas is provided, and the dew point measuring apparatus according to the present invention is used as the dew point measuring means in the gas characteristic measuring device for measuring the characteristics of the gas based on the dew point of the gas. As a result, it is possible to maintain the dew point measurement with high accuracy, and as a result, it is possible to measure the gas characteristics with high accuracy. Moreover, since the dew point measuring apparatus with which cost was suppressed can be used, the cost of a gas characteristic measuring apparatus can be suppressed as a result.
以上本発明によれば、露点計測装置の製造工程において、露点計測装置を恒温環境槽内へ搬送して温度較正を行う温度較正工程を必要とせず、コストを抑えることができる。 As mentioned above, according to this invention, in the manufacturing process of a dew point measuring apparatus, a temperature calibration process which conveys a dew point measuring apparatus in a thermostat environment tank and performs temperature calibration is not required, and cost can be held down.
以下、本発明の露点検出装置を湿度センサに適用した一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の気体特性測定装置としての湿度センサ１００の概略構成を示す平面図であり、図２は、湿度センサ１００の裏面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図１に示すように、本実施形態の湿度センサ１００は、ベース材２と、ベース材２の両面に形成された電気絶縁層３ａ，３ｂとからなる基板１上に、雰囲気温度や露点を検出ための検出部たる検出領域１ａと、電力供給を行うための回路や、湿度などを検出するための回路など有する回路部たる回路領域１ｂとを有している。
基板１の検出領域１ａには、冷却手段としての冷却部４と、温度測定手段としての温度測定部５と、２種類の相変化物質６Ａ，６Ｂとを設けている。温度測定部５は、温度依存性を持つ抵抗体であり、回路領域１でこの抵抗体の抵抗値を求めることにより、温度が検知される。また、この実施形態においては、この抵抗体からなる温度測定部５を発熱させて相変化物質６Ａ，６Ｂを加熱する加熱手段としての機能を有している。温度測定部５は、リング状に形成されており、その両端にはリード線５ａ，５ｂが接続され、回路領域１ｂに接続されている。この温度測定部５の外周に温度測定部５と同心円状に冷却部４が形成されている。
Hereinafter, an embodiment in which the dew point detection device of the present invention is applied to a humidity sensor will be described.
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a
As shown in FIG. 1, the
The detection region 1a of the
冷却部４は、複数の冷却電極４ａと、複数の放熱電極４ｂと、複数の熱電変換材料４ｃとで構成されている。複数の冷却電極４ａは、温度測定部５に隣接して沿うように等間隔で分散配置されている。複数の放熱電極４ｂは、冷却電極４ａに対して、所定距離外側に離れた位置に、冷却電極４ａと互い違いとなるよう、円周方向等間隔で配置されている。そして、これら電極４ａ，４ｂが電気的に直列で接続されるように、ＢｉＴｅ系材料やＰ型半導体とＮ型半導体とで構成された熱電変換材料４ｃの一端が、冷却電極４ａに接続され、他端が放熱電極４ｂに接続されている。不図示の冷却電源から回路領域１ｂおよびリード線４ｄ，４ｅを介して、冷却部４に電力が供給されることで、冷却電極４ａが冷却され、基板１の冷却電極４ａ上の観測面８に雰囲気中の水蒸気が結露（凝集）する。
The
温度測定部５の内周側には、互いに異なる２種類の扇形の相変化物質６Ａ，６Ｂが、交互に並列配置されている。温度キャリブレーションの標準物質である相変化物質６Ａ，６Ｂは、狭い温度範囲を再現性良く高い精度で相転移するものであり、相転移前後において、温度（熱）、電気抵抗値、熱容量、粘性（流動性）、質量、固有振動数、誘電率いずれかの変化を伴うものである。本実施形態においては、その変化を検出することで、相変化物質の相変化を検出する。相変化物質６Ａ，６Ｂはある温度で相転移する物質であればよい。特に、高精度に温度が決められている国際温度目盛として定められる温度を示す物質を用いれば高精度にキャリブレーションでき、好ましい。また、相変化物質６Ａ，６Ｂとしては、固体と液体、液体と気体などの間で再現性よく可逆的に相転移する条件や材料を選択することが好ましい。これにより、いつでも、温度キャリブレーションを行い、いつでも精度が維持された温度測定が可能となる。また、高精度にキャリブレーションするためには、相変化物質６Ａ，６Ｂは、利用する温度に近い相転移温度を有するものを用いるのが好ましい。また、相変化物質としてパラフィンや酢酸ナトリウムなどを用い、既知の温度における過冷却温度に基づいて、温度キャリブレーションを行ってもよい。
Two different fan-shaped
相変化物質の（熱）、粘性（流動性）や固有振動数の変化を検出して、相変化物質の相変化を検出する場合は、次の材料を好適に用いることができる。すなわち、国際温度目盛ＩＴＳ―９０の定義定点であるＧａ：２９．７６４６℃、Ｉｎ：１５６．５９８５℃、Ｓｎ：２３１．９２８℃、Ｚｎ：４１９．５２７℃、Ａｌ：６６０．３２３℃、Ａｇ：９６１．７８℃、Ａｕ：１０６４．１８℃、Ｃｕ：１０８４．６２℃などである。これらの材料は、融点（凝固点）が、特に高精度であり、好ましい。また、Ｂｉ：２７１．３ ℃や合金であるＳｎ−Ｚｎ 、Ｓｎ−Ａｇや、Ｂｉ−Ｓｎ合金は混合比率によって１３０℃から１７０℃の範囲の加熱に際して、特定温度にて溶融させることができる。 In the case of detecting the phase change of the phase change substance by detecting the change of the phase change substance (heat), viscosity (fluidity) or natural frequency, the following materials can be preferably used. That is, Ga: 29.7646 ° C., In: 156.5985 ° C., Sn: 231.928 ° C., Zn: 419.527 ° C., Al: 660.323 ° C., Ag: which are defined fixed points of the international temperature scale ITS-90 961.78 ° C., Au: 1064.18 ° C., Cu: 1084.62 ° C., and the like. These materials are preferable because their melting points (freezing points) are particularly highly accurate. Further, Bi: 271.3 ° C. and alloys such as Sn—Zn, Sn—Ag, and Bi—Sn alloy can be melted at a specific temperature upon heating in the range of 130 ° C. to 170 ° C. depending on the mixing ratio.
また、相変化物質の相転移を、質量や熱容量の変化で検出する場合は、酸化物であるＢｉ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＭｏＯ３、Ｐ２Ｏ５などは固体から気体へ既知の狭い温度範囲で相転移するので、相転移温度における質量や熱容量の変化を良好に検知することができ、好ましい。 Moreover, when detecting the phase transition of a phase change material by a change in mass or heat capacity, oxides such as Bi 2 O 3 , In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , MoO 3 , and P 2 O 5 are solid. Therefore, it is preferable that a change in mass and heat capacity at the phase transition temperature can be detected well.
また、相変化物質の相転移を、電気伝導度の変化で検出する場合は、ＣＴＲサ−ミスタにも用いられているＶ２Ｏ５が好ましい。Ｖ２Ｏ５は、の結晶の構造変化による相転移が生じる相転移温度（８０℃）よりも低いときは、単斜晶系で、抵抗が負の温度係数を持った半導体であるが、相転移温度（８０℃）を超えると、ルチル構造・正方晶系となり、電気伝導度が２桁増加（抵抗が急激に減少）する。よって、相変化物質の相転移を、電気伝導度の変化で検出する場合、相変化物質として、Ｖ２Ｏ５を用いることにより、相変化物質の相転移を良好に検出することができる。また、チタン酸バリウムを主成分とするＰＴＣサ−ミスタも好適である。ＰＴＣサ−ミスタは、キュリー温度を超えると、結晶系は正方晶系から立方晶系へと相転移するため、それにともなって電気抵抗値が急激に上昇する。このように、既知の相転移温度で結晶性の変化に伴う電気伝導度の変化を生じる材料を、相変化物質として用いることにより、相変化物質の相転移を、電気伝導度の変化で良好に検出することができる。 Further, the phase phase transition change material, when detecting a change in electrical conductivity, CTR service - is V 2 O 5 which is also used in the thermistor preferred. V 2 O 5 is a monoclinic semiconductor having a negative temperature coefficient when it is lower than the phase transition temperature (80 ° C.) at which phase transition occurs due to the structural change of the crystal. When the transition temperature (80 ° C.) is exceeded, a rutile structure / tetragonal system is obtained, and the electrical conductivity increases by two orders of magnitude (resistance decreases rapidly). Therefore, when the phase transition of the phase change material is detected by a change in electrical conductivity, the phase transition of the phase change material can be favorably detected by using V 2 O 5 as the phase change material. A PTC thermistor mainly composed of barium titanate is also suitable. When the PTC thermistor exceeds the Curie temperature, the crystal system undergoes a phase transition from the tetragonal system to the cubic system, and accordingly, the electrical resistance value rapidly increases. Thus, by using a material that causes a change in electrical conductivity accompanying a change in crystallinity at a known phase transition temperature as a phase change material, the phase transition of the phase change material can be improved with a change in electrical conductivity. Can be detected.
また、相変化物質の相転移を、誘電率の変化で検出する場合、光学的に相変化物質の相転移を検出する場合、および、固有振動数の変化で検出する場合は、相変化物質として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を好適に用いることができる。タンタル酸ニオブ酸カリウムは、相転移温度にて結晶の構造相転移を生じ、誘電率と二次電気光学定数（Ｋｅｒｒ定数）が最大となり、固有振動数が相転移温度（３５．６℃）付近で急激に変化する。よって、変化物質の相転移を、誘電率の変化を検出する場合、光学的に相変化物質の相転移を検出する場合、および、固有振動数の変化を検出する場合は、相変化物質として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を用いることにより、良好に相変化物質の相転移を検出することができる。 In addition, when the phase transition of the phase change material is detected by a change in dielectric constant, when the phase transition of the phase change material is optically detected, and when it is detected by a change in natural frequency, the phase change material Further, potassium tantalate niobate (KTa1-xNbxO3) can be preferably used. Potassium tantalate niobate undergoes a structural phase transition of the crystal at the phase transition temperature, the dielectric constant and the second-order electro-optic constant (Kerr constant) are maximized, and the natural frequency is around the phase transition temperature (35.6 ° C). Changes rapidly. Therefore, when detecting the phase transition of the change material, when detecting the change of the dielectric constant, when detecting the phase transition of the phase change material optically, and when detecting the change of the natural frequency, as the phase change material, By using potassium niobate tantalate (KTa1-xNbxO3), the phase transition of the phase change material can be detected well.
基板１の電気絶縁層３ａに形成された回路領域１ｂには、インターフェイス、制御回路、レジスタ、ΔΣＡ／Ｄ、発信回路などを含んでいる。また、アドレス端子、ＧＮＤ端子、クロック入力端子、データ入出力端子、アドレス入力端子、電源端子の各端子を備えている。この回路領域１ｂから、Ｓｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ、ＳｉＣ，Ｃなどの導電性材料からなる電力供給用の１組のリード５ａ，５ｂが、温度測定部５に接続されている。同様に、導電性材料からなる電力供給用の１組のリード４ｄ，４ｅが、冷却部４に接続されている。
The
検出領域１ａは周囲の気体に暴露され、回路領域１ｂは表面がパッシベーションされてパッケージに収納されている。このように、各回路を基板１に形成することで、温度測定部５からの信号をΔΣＡ／Ｄへ電送させる配線長を短くでき、ノイズを受け難く高精度に温度測定できる。
The detection region 1a is exposed to surrounding gas, and the surface of the
基板１のベース材２は、ガラスやセラミックなど電気絶縁性材料や、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉなどの金属材料などの導電性材料で構成される。電気絶縁層３ａは、相変化物質の相転移温度よりも低いと、相転移してしまうので、相変化物質よりも高い相転移温度の材料を選択する必要があり、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の耐熱性材料が用いられる。
The
また、ベース材２がＳｉであれば、回路領域１ｂの各回路を集積しやすい。例えば、Ｓｉベース材を熱酸化させることにより表面にＳｉＯ２を形成するか、Ｓｉベース材２上にＣＶＤやスパッタリングによりＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の単層または複層の電気絶縁層を形成する。次に、ポリシリコン層および酸化膜を形成後、酸化膜をマスクとしてポリシリコン層に熱電変換材料となるＰ型とＮ型不純物拡散領域を形成する。また、温度測定部５としての高濃度の不純物拡散領域を形成する。次に、電気絶縁層上にＡｌ（アルミ）、Ａｕの冷却電極４ａ、放熱電極４ｂ、各配線リード５ａ、５ｂ，４ｄ，４ｅ、相変化物質６Ａ，６ＢなどをＣＶＤ、スパッタリングやゾルゲル法および各種薄膜製造方法により成膜、フォトリソグラフによりパターン形成する。このように成形した基板の断面図を図７６に示す。この場合、同一のＳｉベース材２、電気絶縁層、ポリシリコン層、酸化膜および配線材料によりＣＭＯＳ素子構造として、同一のチップ内に周辺回路を集積することができる。また、ＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の基板を用いる場合は、ＢＯＸ層を電気絶縁層とし、ＳＯＩ層に熱電変換材料となるＰ型とＮ型不純物拡散領域領域、および温度測定部５として高濃度の不純物拡散領域を配置する。次にＢＯＸ層上にＡｌ（アルミ）、Ａｕの冷却電極４ａ、放熱電極４ｂ、配線リード５ａ、５ｂ，４ｄ，４ｅ、相変化物質６Ａ，６ＢをＣＶＤ、スパッタリングやゾルゲル法および各種薄膜製造方法により成膜、フォトリソグラフによりパターン形成する。また、Ｓｉベース材２、ＢＯＸ層やＳＯＩ層によりＣＭＯＳ素子構造として、同一のチップ内に周辺回路を集積することができる。なお、電気絶縁層３ａにＢｉＴｅ系の熱電変換材料４ｃ、Ｓｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ等の温度測定部５をＣＶＤやスパッタリングにより成膜、フォトリソグラフによりパターン形成してもよい。
Moreover, if the
電気絶縁層３ａ，３ｂはＣＶＤ、スパッタリングやゾルゲル法および各種薄膜製造方法により成膜、フォトリソグラフによりパターン形成する。また、形成される温度測定部５、冷却部４、リード線５ａ、５ｂ，４ｄ，４ｅなどの導電性、相変化物質６Ａ，６Ｂの相転移に伴う液化流動性、周囲雰囲気との化学反応などを考慮して、適宜、部材を電気絶縁層で覆って保護するのが好ましい。例えば、温度測定部５や相変化物質６Ａ，６Ｂが、相変化物質を加熱するときの熱により高温度になるため表面が周囲雰囲気により酸化したり腐食したりする場合、耐久性を高めるために、温度測定部５や相変化物質全体を耐熱性の酸化物や窒化物の電気絶縁層で被覆し不活性化（パッシベーション）する。具体的には、金属材料などの相変化物質６Ａ，６Ｂの場合、相変化物質が表面に露出していると、周囲雰囲気によって金属酸化物に変化して、相転移温度が変化するおそれがある。また、相変化物質６Ａ，６Ｂが液化する場合は流動変形によって、温度分布が変わるおそれがある。その結果、これらは相転移を繰り返すと再現性が得られない場合がある。従って、相変化物質６Ａ，６Ｂが周囲雰囲気により化学変化するのを防止するために相変化物質６Ａ，６Ｂを周囲雰囲気に接しないように電気絶縁層３ａでパッシベーションしたり、相変化物質６Ａ，６Ｂが液化する場合の流動変形を防止するため相変化物質６Ａ，６Ｂを電気絶縁層３ａで包囲したりする。さらに、国際温度目盛の定義定点を用い高精度にキャリブレーションする場合には、標準気圧下（１０．１３２５Ｐａ）にて相変化物質６Ａ，６Ｂの凝固点（融点）を検出する必要がある。相変化物質６Ａ，６Ｂは、上述したように、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の耐熱性材料からなる耐熱性電気絶縁層３ａを被覆した剛性を有する構造にすることにより、耐熱性電気絶縁層３ａの内部は一定圧力に維持される。これにより、周囲雰囲気の気圧が変化しても、相変化物質６Ａ，６Ｂが影響を受けず後述する温度キャリブレーションの精度を高くすることができる。
The electrical insulating
また、図３に示すように、ベース材２の電気絶縁層３ａに形成された検出領域１ａと対向する箇所は、エッチング処理により除去され、環状空洞部２０となっている。環状空洞部２０は、冷却部４と温度測定部５と相変化物質６Ａ，６Ｂと同心となっている。また、図２、図３に示すように、基板１の検出領域１ａと回路領域１ｂとを有する面（以下、おもて面という）と、反対側の面（以下、裏面という）の電気絶縁層３ｂには、基板１上の結露（凝集）を検知する凝集検出手段としての反射型フォトカプラ７が設けられている。フォトカプラ７の発光手段としての発光部７ａは、裏面電気絶縁層３ｂを介して、環状空洞部２０の中心に残ったベース材芯部２１に設けられている。フォトカプラ７の受光手段である受光部７ｂは、環状空洞部２０の外壁曲面２０ｂと対向するように、環状空洞部２０と同心円状に等間隔に、複数配置されている。環状空洞部２０の内壁２０ａおよび外壁２０ｂは鏡面状となっている。この環状空洞部２０は、次のようにして、形成される。すなわち、裏面電気絶縁層３ｂパターンをマスクとして、基板１の構造に依存しないどの方位に対しても等速度の等方性エッチングにより、あるいは、Ｓｉ単結晶基板であれば酸化剤を添加したフッ化水素酸を用いることにより、ベース材２に内壁２０ａおよび外壁２０ｂが曲面鏡面状の環状空洞部２０が形成される。
Further, as shown in FIG. 3, a portion facing the detection region 1 a formed in the electric insulating
フォトカプラの発光部７ａから出射された光は、図３の点線で示すように、環状空洞部２０の曲面状の内壁２０ａに放射状に反射して拡散し、冷却電極４ａ上の環状の観測面８全体に照射される。電気絶縁層３ａは、無色透明であるので、観測面８に結露が生じていないときは、観測面８に照射された光は、観測面８の下の冷却電極４ａに入射し、正反射する。冷却電極４ａにより反射された光は、環状空洞部２０の外壁２０ｂに反射し、受光部７ｂに入射する。一方、観測面８に結露が生じると、観測面８に照射された光は、観測面８上の結露により乱反射する。その結果、受光部７ｂに入射する光が減少し、観測面８に結露が生じたことを検知することができる。このように、結露が生じたことを検知したら、温度測定部５の温度を検出し、露点が計測される。ベース材２の厚み（環状空洞部２０の深さ）、観測面８、発光部７ａ、受光部７ｂの配置位置を適宜設計することにより、発光部７ａの光が、観測面８に入射し、観測面８（冷却電極４ａ）から反射した光が受光部７ｂに入射させることができる。このように、同一基板に凝集検出手段たるフォトカプラ７を設けることにより、精度よく凝集を検出することができ、高感度に凝集を検出することができる。
The light emitted from the
回路領域１ｂの制御回路は、露点が計測されたら、予め温度測定部５で測定して、メモリに記憶しておいた雰囲気温度Ｃと露点Ｄとを用いて、相対湿度（％ＲＨ）を演算して求める。
相対湿度は、次のようにして求めることができる。
ｔ℃における飽和水蒸気圧Ｅ（ｔ）ｈＰａを求めるＴｅｎｔｅｓの式
Ｅ（ｔ）＝６．１１×１０｛７．５ｔ／（ｔ＋２７３．３）｝・・・・（１）
を用い、下記の式を用いて、相対湿度（％ＲＨ）を、下記の式により算出する。
Ｈ＝Ｅ（露点Ｄ）／Ｅ（雰囲気温度Ｔ）×１００・・・・（２）
When the dew point is measured, the control circuit in the
The relative humidity can be obtained as follows.
Tentes' formula for obtaining saturated water vapor pressure E (t) hPa at t ° C. = 6.11 × 10 {7.5 t / (t + 273.3)} (1)
The relative humidity (% RH) is calculated by the following equation using the following equation.
H = E (dew point D) / E (atmosphere temperature T) × 100 (2)
また、図１に示すように、基板１のおもて面の電気絶縁層３ａの熱電変換材料間には、貫通孔９が設けられている。これにより、放熱電極４ｂの熱が、電気絶縁層３ａの冷却電極４ａ上の観測面８に伝播するのを抑制することができ、観測面８を良好に冷却することができる。また、図３に示すように、環状空洞部２０は、放熱電極４ｂが形成される領域までは、形成されておらず、少なくとも、放熱電極４ｂは、電気絶縁層３ａを介して、ベース材２と対向している。これにより、放熱電極４ｂ付近の熱容量を大きくすることができ、観測面８に放熱電極４ｂの熱を伝播しにくくすることができる。
As shown in FIG. 1, through
また、図３に示すように、環状空洞部２０の中心に残ったベース材芯部２１と、おもて面側の電気絶縁層３ａとの間に隙間が形成されている。これにより、冷却電極４ａ、温度測定部５、相変化物質６Ａ，６Ｂが形成された電気絶縁層３ａの領域は、ベース材２と非接触となるので、冷却電極４ａ、温度測定部５、相変化物質６Ａ，６Ｂ付近の熱容量を少なくすることができる。これにより、冷却電極４ａで、観測面８をすばやく冷却することができ、また、温度測定部５を発熱させて、すばやく相変化物質６Ａ，６Ｂを加熱することができる。また、冷却電極４ａ、温度測定部５、相変化物質６Ａ，６Ｂが形成された領域の熱容量が少ないので、温度測定部５の温度応答を鋭敏にすることができ、冷却電極４ａ上の観測面８の温度や、相変化物質６Ａ，６Ｂの温度を精度よく測定することができる。
Further, as shown in FIG. 3, a gap is formed between the
さらに、図２に示すように、裏面の電気絶縁層３ｂの発光部７ａと受光部７ｂとの間にも、複数の貫通孔１２が設けられている。これにより、環状空間内に熱が篭るのを抑制することができ、冷却電極４ａ上の観測面８の温度や、相変化物質６Ａ，６Ｂの温度を精度よく測定することができる。
Further, as shown in FIG. 2, a plurality of through
また、冷却電極４ａ（観測面８）と、温度測定部（加熱部）５と、相変化物質６Ａ，６Ｂとを同心円状に配置することによって、相変化および凝集（結露）時などの時点で温度測定部５を均一な温度分布にすることができ、精度の高い露点計測および相変化の検出を行うことができる。また、温度測定部（加熱部）５の内側に相変化物質と配置することによって、相変化物質を最小面積に高密度集合させることができ、相変化物質を必要最小量の熱量で迅速に相転移温度にまで加熱することができる。また、冷却電極を円の中心寄りに配置することにより、少ない数で、冷却電極を高密度に配置することができ、観測面８をすばやく冷却することができる。
Further, by arranging the
例えば、空洞の外周が直径φ１５０μｍ、円型の電気絶縁層の検出領域１ａの直径φ１１０μｍであって、電気絶縁層３ａの厚みが２μｍであり、相変化物質の外周が直径φ８０μｍとすると、相変化物質６ＡがＩｎで１５６．５９８５℃、相変化物質６ＢがＳｎで２３１．９２８℃、の相転移温度であれば、２ｍｓｅｃで温度キャリブレーションが完了し、―３５℃から１５０℃の間の周囲温度測定は０．１ｍｓｅｃ、―３５℃から１００℃の間の露点は１０ｍｓｅｃで測定することができ、測定精度は±０．０３℃が得られる。より高速にさせるにはさらに寸法を小さくすれば良い。
For example, if the outer periphery of the cavity is φ150 μm, the diameter of the detection region 1a of the circular electric insulating layer is φ110 μm, the thickness of the electric insulating
図４は、湿度センサ１００の制御ブロック図である。
図に示すように温度較正手段としての温度キャリブレーション機能部１０１と温度や湿度を計測するための計測部１０２を有している。破線で囲んだキャリブレーション機能部１０１は、温度測定部５を加熱するための加熱電源１０３、相転移温度とそのときの温度測定部５の抵抗値などを記憶するため記憶手段たるメモリ１０６、相変化を検知するために用いる温度測定部５の電気抵抗値Ｒと時刻Ｔの関数などを演算する演算部１０７などで構成されている。一点鎖線で囲んだ計測部１０２は、温度計測を行うための温度検出電源１０４、温度測定部５の抵抗値を算出する抵抗値算出部１１２、比較部１０８、温度出力部１０９や湿度出力部１１１などを備えている。ＣＰＵ１１３からキャリブレーション実行の信号が、加熱電源１０３に入力されると、加熱部としての温度測定部５が発熱する。同時に、温度測定部５の抵抗値が抵抗値算出部１１２で算出され、時刻と温度測定部５の抵抗値をメモリ１０６に収納する。そして、温度測定部５の抵抗値によって相変化物質の相転移を検出し、その時の温度測定部５の抵抗値を相変化物質の既知の相転移温度として、温度依存性を示す関係式を求め、メモリ１０６に記憶する。次に、ＣＰＵ１１３から温度測定実行の信号が、温度検出電源１０４に入力されると、温度測定部５の抵抗値が抵抗値算出部１１２で算出され、比較部１０８で、算出された抵抗値と、先の温度依存性を示す関係式とを用いて、雰囲気の温度測定値として出力される。次に、観測面８が冷却され、フォトカップラ７で凝集が検出されると、温度測定実行の信号が、温度検出電源１０４に入力され、上述と同様にして、露点測定値として出力される。そして、温度測定値と露点測定値とにより湿度が湿度演算部１１０で演算され湿度測定値として出力される。
FIG. 4 is a control block diagram of the
As shown in the figure, a temperature calibration function unit 101 as temperature calibration means and a
次に、本実施形態の湿度センサ１００における相変化物質の相転移を用いたキャリブレーションの原理について概説する。ここでは相変化物質の相転移を相変化物質の温度（熱）変化で検出する場合について、説明する。
図５は時間推移における相変化物質の温度変化と、温度測定部５の抵抗変化とを示す特性図である。図５に示すように、相変化物質を加熱していき、相変化物質が相転移温度（融点（凝固点）：Ｍｐａ）になると吸熱反応が生じる。相変化物質が固体であれば温度が上がっていくと相転移温度にて液体となりはじめ、全てが液体となる期間は相転移温度ＭＰａを維持し、全てが液体となった以降は再び温度が上昇する。そのため、温度測定部５の電気抵抗値が不連続な傾向となる部分が出現する。すなわち、図５に示すように、温度測定部５の電気抵抗値Ｒ２のとき、温度が相転移温度であると判定できる。よって、温度依存性を有する抵抗体である温度測定部５の抵抗値を測定しておき、測定抵抗値が抵抗値Ｒ２となったときの温度を既知の相転移温度とする温度較正を行う。このように、相転移温度と電気抵抗値との関係が１対１の関係となり、この関係を用いることによりキャリブレーションを行うことができる。
Next, the principle of calibration using the phase transition of the phase change substance in the
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the temperature change of the phase change material over time and the resistance change of the
相変化物質を加熱する加熱部（本実施形態においては、温度測定部５）の熱容量を小さくし、かつ均一な温度領域に形成することにより、相変化の時点をより正確に検出できる。また、本実施形態においては、相変化物質を加熱する加熱手段として、温度測定部５を用いている。相変化物質を加熱するときは、温度測定部５にジュール熱が生じるような大きな電流を温度測定部５に流す。図５に示すように、相変化物質が固体から液体へ相転移が発生すると、相変化物質が吸熱反応を示し、相変化開始から終了まで温度が変化しないので温度が維持され、温度測定部５でもある抵抗体の電気抵抗値の増加傾向が平行状態へ変化する。相変化物質の転移熱量（潜熱）が大きく、検出領域全体の熱容量に対して相変化物質の熱容量が占める割合が大きいほど、この吸熱反応の時間（温度が変化しない時間）を長くすることができ、確実に相変化物質の相変位を検出することができ、好ましい。回路領域１ｂの制御回路は、温度測定部５に印加した電圧値と、温度測定部５に流れた電流値とから、時刻Ｔ０の温度測定部５の電気抵抗値と、時刻Ｔ１の温度測定部５の電気抵抗値とを推移データとして記憶する。そして、時刻Ｔ０の電気抵抗値と時刻Ｔ１の電気抵抗値とから、抵抗値Ｒと時刻Ｔとの関数（一次関数：Ｒ＝ａＴ＋ｂ）が演算される。この関数により求められた時刻Ｔ１後の抵抗値と、測定した時刻Ｔ１後の抵抗値Ｒとを比較していく。すると、時刻Ｔ２後で関数にフィットしないデータが生じ、相変化物質が相転移したことを検知することができる。
The time point of the phase change can be detected more accurately by reducing the heat capacity of the heating unit (in this embodiment, the temperature measuring unit 5) for heating the phase change material and forming it in a uniform temperature region. In the present embodiment, the
相変化物質の相転移を検知したら、温度測定部５の電気抵抗値Ｒ２が既知の温度Ｍｐａとしてメモリに保存し、下記に示す温度依存性を示す関係式を補正する。温度測定部５で、露点や雰囲気温度を測定するときは、温度測定部５に対しジュール発熱させないように微弱な電流を供給して、そのときの温度測定部５の電気抵抗値を測定する。そして、メモリに記憶されている下記に示す温度依存性を示す関係式と、温度測定部５の既知の抵抗温度係数ＴＣＲとを用いることによって、温度測定部５の抵抗値から、温度を検出する。
温度依存性を示す関係式：（抵抗値Ｒ、温度Ｓ、温度係数（ＴＣＲ）α
Ｒ＝Ｒ０＊（１＋α＊Ｓ）・・・・（式３）
例えば、温度測定部が白金抵抗体の場合、温度係数（ＴＣＲ）αは、α＝３．９０８３Ｅ−０３（０℃〜８５０℃）となる。
温度キャリブレーションにおいては、上述の抵抗値Ｒ２と温度ＭＰａとの関係に基づいて、上記Ｒ０が補正される。
When the phase transition of the phase change material is detected, the electrical resistance value R2 of the
Relational expression showing temperature dependence: (resistance value R, temperature S, temperature coefficient (TCR) α
R = R0 * (1 + α * S) (Formula 3)
For example, when the temperature measurement unit is a platinum resistor, the temperature coefficient (TCR) α is α = 3.9083E-03 (0 ° C. to 850 ° C.).
In the temperature calibration, R0 is corrected based on the relationship between the resistance value R2 and the temperature MPa.
また、本実施形態の温度の実用に必要な精度は、０〜８５０℃の範囲で±０．１℃の精度で十分であるので、下記式４の温度依存性を示す関係式のβ×Ｓ２を０として線形な一次関数を、温度依存性を示す関係式として用いているが、下記式４に示す２次関数の温度依存性を示す関係式を用いてもよい。下記式４に示す２次関数の温度依存性を示す関係式を用いることで、０〜４１９．５２７℃の範囲で±０．０１の精度を得ることができ、抵抗値−温度特性の精度を更に高めることもできる。
Ｒ＝Ｒ０＊（１＋α＊Ｓ＋β＊Ｓ２）・・・・（式４）
例えば、白金抵抗体の温度係数（ＴＣＲ）は
α＝３．９０８３Ｅ−０３、β＝−５．７７５０Ｅ−０７（０℃〜８５０℃）
Further, the accuracy required for practical use of the temperature of the present embodiment is ± 0.1 ° C. in the range of 0 to 850 ° C., and therefore β × S of the relational expression showing the temperature dependence of the
R = R0 * (1 + α * S + β * S 2 ) (Formula 4)
For example, the temperature coefficient (TCR) of the platinum resistor is α = 3.9083E-03, β = −5.7750E-07 (0 ° C. to 850 ° C.)
図６は、相変化物質を加熱するときに温度測定部５に流す電流に対する温度変化及び温度測定部５の抵抗値変化を示す特性図である。この図６においては、相変化物質が液体から気体に相変化する例であり、熱容量の変化で相転移を検知する例である。図６に示すように、温度測定部５へ流す電流値を増加させ、沸点Ｂｐに達した時に相変化物質が相転移する。相変化物質が液体から気体へ既知の温度（昇華点又は沸点：Ｂｐ）で相転移すると、相変化物質は蒸散が完了するまで、吸熱反応により温度上昇しない不連続な特性として現れる。しかし、蒸散により相変化物質の質量が減少してゆくため、上記温度上昇しない不連続な特性は、図６に現れないほど、ごく短時間である。このため、相変化物質が液体から気体に相変化する場合は、相変化物質が固定から液体へ相変化する場合のように、吸熱反応により温度上昇しない不連続な特性を検出することは難しい。そこで、相変化物質が液体から気体に相変化する場合は、蒸散前の温度上昇と、蒸散後の温度上昇の違いに基づいて、相転移温度を検知する。具体的には、相変化物質が蒸散すると、検出領域の温度測定部周辺の熱容量が相変化物質の分減少する。相変化物質の蒸散により熱容量が減少することにより、温度上昇および温度測定部５の増加量（傾き）が、相変化物質が蒸散する前に比べて大きくなり、図６に示すように、温度（電気抵抗値）は、不連続な特性として顕著に現れるので、この不連続開始点（ごくわずかな温度上昇しない領域における後端）を検出する。よって、この場合も、相変化物質加熱直後に得られたデータから、温度測定部５の電気抵抗値Ｒと時刻Ｔの関数（一次関数：Ｒ＝ａＴ＋ｂ）を演算し、この関数にフィットしないデータが生じれば相変化物質が相転移したことを検知することができる。相変化物質の相転移を検知したら、温度測定部５の電気抵抗値Ｒ２が既知の温度Ｍｐａとしてメモリに保存する。温度測定部５で、露点や雰囲気温度を測定するときは、温度測定部５に対しジュール発熱させないように微弱な電流を供給して、そのときの温度測定部５の電気抵抗値を測定する。そして、上述同様、温度キャリブレーションにより補正された温度依存性を示す関係式を用いて、温度が演算される。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a temperature change with respect to a current passed through the
先の図１に示すように、本実施形態においては、２種類の相変化物質６Ａ，６Ｂを備えている。これら２種類の相変化物質６Ａ，６Ｂは、互いの相転移温度が異なる物質である。このように、相転移温度が互いに異なる２種類の相変化物質６Ａ，６Ｂを用いることにより、抵抗温度係数ＴＣＲをメモリに記憶しておく必要がなくなる。以下に、具体的説明する。
As shown in FIG. 1, the present embodiment includes two types of
図７は異なる相転移温度の２つの相変化物質６Ａ，６Ｂにおいて時間推移に対する温度変化を示す特性図であり、図８は、温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図９は、フローチャートである。
ＣＰＵからキャリブレーション実行の信号が、湿度センサ１に入力されると、温度測定部５に相変化を加熱するための加熱電流が印加され、各相変化物質６Ａ，６Ｂが加熱される。そして、時刻Ｔ２で一方の相変化物質６Ａが相転移する温度（相変化物質６Ａ固有の既知の値である融点（凝固点）：Ｍｐａ）になる。更に、加熱電流を供給し続けて温度を上昇させると、時刻Ｔ４で他方の相変化物質６Ｂが相転移する温度（相変化物質６Ｂ固有の既知の値である融点（凝固点）：Ｍｐｂ（＞Ｍｐａ））になる。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing temperature changes with time in two
When a calibration execution signal is input from the CPU to the
このように相変化物質が２種類あるときは、上述したように、相変化物質加熱直後に求めた温度測定部５の電気抵抗値Ｒと時刻Ｔの関数（一次関数：Ｒ＝ａＴ＋ｂ）を用いた場合、他方の相変化物質６Ｂの相変化を検知することができないので、以下のようにして、２種類の相変化物質６Ａ，６Ｂの相変化を検知する。すなわち、固体から液体へ相転移を完了するまでは吸熱反応によって印加電力を増しても温度の上昇はなくΔＲ＝０であるので、時刻Ｔ２において一方の相変化物質６Ａは既知の相転移温度Ｍｐａになったことを検出することができる。同様に、時刻Ｔ４において他方の相変化物質６Ｂは既知の相転移温度Ｍｐｂになったと検出する。
Thus, when there are two types of phase change materials, as described above, the function (primary function: R = aT + b) of the electrical resistance value R and time T of the
ΔＲが、０となったら、制御回路は、図１０に示すように、相転移温度ＭＰａにおける温度測定部５の電気抵抗値Ｒａと、相転移温度ＭＰｂにおける温度測定部５の電気抵抗値Ｒｂに基づいて、温度依存性の関数を求め、メモリに記憶する。そして、温度測定部５への加熱電流の印加をＯＦＦにして、温度キャリブレーションが終了する。
When ΔR becomes 0, the control circuit sets the electrical resistance value Ra of the
このように、２つの異なる相変化物質６Ａ，６Ｂを用いて、温度キャリブレーションが行われることにより、高精度の温度目盛が付与できる。また、温度依存性の関数を求めるので、未知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の抵抗体材料を用いることができる。
As described above, by performing temperature calibration using two different
また、より高精度な測定値を得るためには、国際温度目盛り（ＩＴＳ−９０）に示されている標準物質の凝固点の中でも、温度検出範囲に対してできるだけ相転移温度が近いことが好ましい。例えば、一般電子機器に用いられているＩＣ温度センサの測定範囲である−４０から＋１２５℃に相当する用途であれば、相変化物質６ＡにＩｎ（Ｍｐａ＝１５６．５９８５℃）相変化物質６ＢにＳｎ（Ｍｐｂ＝２３１．９２８℃）を選択し、温度測定部５にＰｔ（０℃〜８５０℃では線形）を用いることで、ＭｐａからＭｐｂまでの範囲以外の温度領域でも高精度な測定値を得ることができる。また、本実施形態では、２種類の相変化物質を６Ａ，６Ｂ用いているが、先の式４に示すように、温度依存性を示す関係式として、２次関数を用いる場合、温度係数（ＴＣＲ）α、βを用いずに、温度依存性を示す関数を算出するには少なくとも、３点の異なる既知の相転移温度が必要となる。この場合は、互いの相転移温度が異なる３種類以上の相変化物質を備えればよい。
Moreover, in order to obtain a more accurate measurement value, it is preferable that the phase transition temperature is as close as possible to the temperature detection range among the freezing points of the standard substances shown in the international temperature scale (ITS-90). For example, in an application corresponding to −40 to + 125 ° C., which is the measurement range of an IC temperature sensor used in general electronic equipment, the
次に、所定のタイミングで湿度測定が実行されると、ＣＰＵから雰囲気温度測定実行の信号が、湿度センサ１００に入力される。なお、本実施形態の湿度センサは、熱容量が小さいので、温度キャリブレーション実行後、すばやく雰囲気温度にまで戻るので、温度キャリブレーション実行後、０．１ｓｅｃ経過すれば、精度よく雰囲気温度を測定することができる。ＣＰＵから雰囲気温度測定実行の信号が、湿度センサ１００に入力されると、温度測定部５に温度検出用電流が印加され、温度測定部５に印加された電圧値Ｖ５が検出されて、温度測定部５の抵抗値Ｖ５／Ｉｓが算出される。次に、温度キャリブレーションに求めた温度依存性を示す関係式を用いて、図１０に示すように、雰囲気温度Ｃ５が算出され、出力される。
Next, when the humidity measurement is executed at a predetermined timing, an ambient temperature measurement execution signal is input to the
ＣＰＵは、湿度センサ１００から雰囲気温度Ｃ５を受信したら、露点測定実行信号を、湿度センサ１００へ送信する。湿度センサ１００は、ＣＰＵから露点測定実行信号を受信したら、冷却部４の熱電変換材料４ｃに冷却電流を印加して、冷却電極４ａ上の観測面８の冷却を開始する。また、フォトカプラ７の発光部７ａにバイアスを印加して、観測面８に向けて光を照射する。冷却開始直後は、発光部７ａからの光が、観測面８直下の冷却電極４ａに反射して、受光部７ｂに入射するので、受光部７ｂから所定出力電圧Ｖ０が出力される。そして、雰囲気中の水蒸気が観測面８に結露すると、発光部７ａからの光が観測面８の結露によって乱反射し、受光部７ｂに入射する光量が減少する。その結果、７６に示すように、受光部７ｂの出力電圧が低下する。制御回路は、受光部７ｂからの出力電圧の低下を検知したら、凝集を検知したと判定する。凝集が検知されたら、冷却電流をＯＦＦにするとともに、温度測定部５に印加された電圧値Ｖ８を検出して、温度測定部５の抵抗値Ｖ８／Ｉｓが算出される。次に、温度キャリブレーションにより求めた温度依存性を示す関係式を用いて、図１０に示すように、雰囲気温度Ｃ８が算出され、出力される。そして、発光部７ａへの印加電圧と、温度測定部５への温度測定電流とをＯＦＦにする。
When the CPU receives the ambient temperature C5 from the
次に、制御回路は、得られた雰囲気温度Ｃ５と、露点Ｄ８と、予めメモリに記憶されている相対湿度を求める関数上記式（１），式（２）に基づいて、湿度を算出し、出力する。 Next, the control circuit calculates the humidity based on the obtained atmospheric temperature C5, the dew point D8, and the functions for obtaining the relative humidity stored in the memory in advance, the above formulas (1) and (2), Output.
このように、本実施形態においては、温度キャリブレーションを行うので、精度の高い雰囲気温度、露点を得ることができ、精度の高い湿度測定を行うことができる。 Thus, in this embodiment, since temperature calibration is performed, a highly accurate atmospheric temperature and dew point can be obtained, and highly accurate humidity measurement can be performed.
次に、本実施形態の変形例について、説明する。 Next, a modification of this embodiment will be described.
［変形例１］
図１１は、変形例１の湿度センサの概略平面図である。
図１１に示すように、この変形例１の湿度センサ１００Ａは、検出領域を備えた検知基板１Ａと、回路領域１ｂを備えた回路基板１Ｂとを別々に設けた構成である。これにより、回路基板１Ｂは、測定する雰囲気（気体）などに暴露されていないところに設けることができ、回路領域（回路基板）の化学的劣化などを抑えることができる。
[Modification 1]
FIG. 11 is a schematic plan view of a humidity sensor according to the first modification.
As shown in FIG. 11, the
［変形例２］
図１２は、変形例２の湿度センサ１００Ｂの概略平面図である。
図１２に示す変形例２の湿度センサ１００Ｂは、温度測定部５と、加熱部１１とを別々に設けた構成である。加熱部１１は、温度測定部５などと同心円状に設けられ、温度測定部５と相変化物質６Ａ，６Ｂの間に設けられている。
[Modification 2]
FIG. 12 is a schematic plan view of a humidity sensor 100B according to the second modification.
The humidity sensor 100B of
図１３は、変形例２の湿度センサ１００Ｂにおける温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図１４は、フローチャートである。
図１３に示すように、温度キャリブレーションが実行されると、加熱電源から加熱部１１に加熱電流が供給して、相変化物質６Ａ、６Ｂが加熱されるとともに、温度測定部５に温度検出用電流が印加され、温度が検知される。そして、上述と同様にΔＲ＝０を検知して、相変化物質６Ａの相変化および相変化物質６Ｂの相変化を検出し、そのときの温度測定部５の抵抗値と、既知の相転移温度Ｍｐａ、Ｍｐｂとから、温度依存性の関数を求め、メモリに記憶する。その後、湿度検知信号を受信したら、上述と同様にして、雰囲気温度測定後、露点を測定し、雰囲気温度と露点に基づいて、湿度を求める。
FIG. 13 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output in the humidity sensor 100B of the second modification, and FIG. 14 is a flowchart.
As shown in FIG. 13, when the temperature calibration is performed, a heating current is supplied from the heating power source to the
［変形例３］
図１５は、変形例３の湿度センサ１００Ｃの概略平面図である。
図１５に示すように、この変形例３の湿度センサ１００Ｃは、相変化物質６を、ひとつにしたものである。
図１６は、変形例３の湿度センサ１００Ｃにおける温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図１７は、フローチャートである。図１６、図１７に示すように、温度測定部５の加熱電流を供給して、相変化物質６を加熱する。そして、上述と同様にΔＲ＝０を検知して、相変化物質６の相変化を検出し、そのときの温度測定部５の抵抗値を算出する。また、ここでは、抵抗値の時間微分値ΔＲが０か否かで、相変化物質６の相変化を検知しているが、上述したように、一次関数（Ｒ＝ａＴ＋ｂ）を求め、算出した抵抗値が関数にフィットしているか否かで、相変化を検知してもよい。相変化を検知したら、抵抗値と、既知の相転移温度Ｍｐａと、上記（式３）の温度依存性を示す関数Ｒ＝Ｒ０＊（１＋α＊Ｓ）を補正して、温度キャリブレーションを終了する。その後、湿度測定信号を受信したら、上述同様、雰囲気温度測定後、冷却部４で観測面を冷却して、観測面に水蒸気を結露させる。そして、フォトカプラで観測面の結露を検知したら、温度測定部５の抵抗値を求め、求めた抵抗値と温度キャリブレーションで補正した温度依存性を示す関数とを用いて、露点を計測し、露点と雰囲気温度とから、湿度を算出する。
[Modification 3]
FIG. 15 is a schematic plan view of a humidity sensor 100C according to the third modification.
As shown in FIG. 15, the
FIG. 16 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature and dew point detection, and humidity output in the humidity sensor 100C of the third modification, and FIG. 17 is a flowchart. As shown in FIGS. 16 and 17, the heating current of the
［変形例４］
次に、変形例４の湿度センサ１００Ｄについて、説明する。
上述では、温度測定部を加熱手段として用いているが、この変形例４の湿度センサ１００Ｄでは、冷却部４の冷却電極４ａを加熱手段として用いるものであり、構成は、先の図１５に示した湿度センサと同様な構成である。
図１８は、変形例４の湿度センサ１００Ｄの温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図１９は、フローチャートである。
まず、冷却部４に加熱電流を供給するとともに、温度測定部５に温度検出用電流を供給する。加熱電流は、正極性の電流、すなわち、冷却時とは逆向きに流れる電流であり、これにより、放熱電極４ｂが吸熱し、相変化物質６の近傍に配置された冷却電極４ａが放熱する。これにより、冷却電極４ａにより、相変化物質６が加熱される。そして、上述同様、温度測定部５のΔＲ＝０を検知して、相変化物質６の相変化を検出し、そのときの温度測定部５の抵抗値を算出する。相変化を検知したら、抵抗値と、既知の相転移温度Ｍｐａと、上記（式３）の温度依存性を示す関数Ｒ＝Ｒ０＊（１＋α＊Ｓ）を補正して、温度キャリブレーションを終了する。その後、露点を検出するときは、冷却部に負極性の電流を印加し、冷却電極を吸熱、放熱電極を放熱にして、冷却電極で観測面を冷却する。そして、フォトカプラで観測面の結露を検知したら、温度測定部５の抵抗値を求め、求めた抵抗値と温度キャリブレーションで補正した温度依存性を示す関数とを用いて、露点を計測し、露点と雰囲気温度とから、湿度を算出する。
[Modification 4]
Next, a humidity sensor 100D of
In the above description, the temperature measurement unit is used as the heating unit. However, in the humidity sensor 100D of the fourth modification, the cooling
FIG. 18 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output of the humidity sensor 100D of the fourth modification, and FIG. 19 is a flowchart.
First, a heating current is supplied to the
［変形例５］
図２０は、変形例５の湿度センサ１００Ｅの概略平面図である。
図２０に示す変形例５の湿度センサ１００Ｅは、相変化物質６が一つで、温度測定部５と加熱部１１とを別々に設けたものである。
図２１は、変形例５の湿度センサ１００Ｅの温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図２２は、フローチャートである。
変形例２の湿度センサ１００Ｂと同様に、温度キャリブレーションが実行されると、加熱電源から加熱部１１に加熱電流が供給して、相変化物質６が加熱されるとともに、温度測定部５に温度検出用電流を印加し、上述と同様にΔＲ＝０を検知して、相変化物質６の相変化を検出する。次に、変形例３と同様にして、相変化を検出したときの温度測定部５の抵抗値と、既知の相転移温度Ｍｐａとを用いて、温度依存性を示す関数Ｒ＝Ｒ０＊（１＋α＊Ｓ）を補正して、温度キャリブレーションを終了する。その後、湿度測定信号を受信したら、上述同様、雰囲気温度測定後、冷却部４で観測面８を冷却して、観測面８に水蒸気を結露させる。そして、フォトカプラ７で観測面８の結露を検知したら、温度測定部５の抵抗値を求め、求めた抵抗値と温度キャリブレーションで補正した温度依存性を示す関数とを用いて、露点を計測し、露点と雰囲気温度とから、湿度を算出する。
[Modification 5]
FIG. 20 is a schematic plan view of a
A
FIG. 21 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output of the
Similar to the humidity sensor 100B of the second modification, when the temperature calibration is executed, a heating current is supplied from the heating power source to the
［変形例６］
図２３は、変形例６の湿度センサ１００Ｆの概略平面図であり、図２４は、変形例６の湿度センサ１００Ｆの概略裏面図であり、図２５は、図２４のＢ−Ｂ断面図である。
この変形例６の湿度センサ１００Ｆは、回路基板側（図中右側）から順に加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６Ａ，６Ｂ、冷却部４を平行に並列配置したものである。図に示すように、相変化物質６Ａ，６Ｂは、温度測定部５を挟んで、加熱部１１と平行に交互に分散配置されている。また、図２５に示すように、ベース材２の電気絶縁層３ａ上の冷却電極４ａと、相変化物質６Ａ，６Ｂと、温度測定部５と、加熱部１１とが配置された箇所と対向する箇所は、エッチング処理により除去され、矩形状の空洞部２０となっている。
[Modification 6]
FIG. 23 is a schematic plan view of a
In the
また、図２４、図２５に示すように、検知基板１Ａの裏面電気絶縁層３ｂには、基板１上の結露を検知するための反射型フォトカプラ７が設けられている。フォトカプラ７の発光部７ａは、空洞部２０の冷却部側の壁面２００ａと対向するように裏面電気絶縁層３ｂに設けられている。また、受光部７ｂは、空洞部２０の加熱部１１側の壁面２００ｂと対向するように裏面電気絶縁層３ｂに、加熱部１１などと平行に複数（この例では、３個）並列に設けられている。空洞部２０の壁面は鏡面状となっており、おもて面電気絶縁層に対して、所定の角度で傾斜している。この角度は、図２５の点線で示すように、発光部７ａか出射した光が、冷却部側壁面２００ａに反射して、反射した光が、観測面８に入射する角度（この例では、５４．７度）である。また、同様に空洞部２０の加熱部側壁面２００ｂも、観測面８（冷却電極４ａ）から反射した光が、この加熱部側壁面２００ｂに反射して、反射した光が受光部に入射するようにおもて側電気絶縁層に対して所定の角度で傾斜している。
Further, as shown in FIGS. 24 and 25, a
光が反射する冷却部側壁面２００ａ及び加熱部側壁面２００ｂを平面とすることで、反射効率を上げることができ、受光部７ｂに入射する光量を上げることができる。これにより、凝集検知の感度を上げることができ、精度の高い凝集検知を行うことができる。また、例えば冷却部側壁面２００ａを、発光部７ａからの光を集光するような曲面として、加熱部側壁面２００ｂを、反射した光が受光部７ｂに集光するような曲面としてもよい。このように構成しても、受光部７ｂに入射する光量を多くすることができ、検知感度を上げることができる。また、例えば、冷却部側壁面２００ａを、反射した光が広がるような曲面とし、観測面８の広い範囲に光を照射するようにし、加熱部側壁面２００ｂを、反射した光が受光部７ｂに集光するような曲面としてもよい。
By making the cooling unit
また、図２３に示すように、おもて側電気絶縁層３ａの加熱部１１よりも回路基板側（図中右側）で、ベース材２の空洞部２０と対向する領域に、貫通孔９を設けている。これにより、加熱部１１の熱が、電気絶縁層３ａの回路基板側に伝播するのを抑制することができ、相変化物質６Ａ，６Ｂを良好に加熱することができる。また、図２４に示すように、裏面の電気絶縁層３ｂの発光部７ａと受光部７ｂとの間の領域も、貫通孔１２が形成されており、空洞部２０に熱が篭らないようにしている。
Further, as shown in FIG. 23, a through
この変形例６の湿度センサ１００Ｆにおける温度キャリブレーションや湿度検知は、先の変形例２と同様である。
Temperature calibration and humidity detection in the
［変形例７］
図２６は、変形例７の温度センサ１００Ｇの概略平面図である。この変形例７の湿度センサ１００Ｇは、相変化物質６が一つにした以外は、変形例６と同様な構成である。この変形例７の湿度センサ１００Ｇにおける温度キャリブレーションや湿度検知は、先の変形例５と同様である。
[Modification 7]
FIG. 26 is a schematic plan view of a temperature sensor 100G according to
［変形例８］
図２７は、変形例８の温度センサ１００Ｈの概略平面図である。この変形例８は、相変化物質６が一つで、温度測定部５を加熱部、または、冷却電極４ａを加熱部にし、回路基板側から、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４の順で、平行に並列配置した以外は、変形例６と同様な構成である。この変形例８の湿度センサ１００Ｈにおける温度キャリブレーションや湿度検知は、先の変形例３と同様である。また、相変化物質６を、冷却電極４ａと温度測定部５とで加熱してもよい。こうすることで、より迅速に相変化物質６を相転移温度にまで加熱することができる。
[Modification 8]
FIG. 27 is a schematic plan view of a
［変形例９］
図２８は、変形例９の湿度センサ１００Ｉの概略平面図である。この変形例９は、温度測定部５に２対のリード線が接続されているものである。具体的には、温度測定部５には、加熱電流を供給する加熱用の一対のリード線５ａ−１，５ｂ−１と、温度検出用電流を温度測定部５に供給する検出用の一対のリード線５ａ−２，５ｂ−２とを備えている。このように、検出用と加熱用とで配線リードを分けることで、加熱に関与する配線リードの電気抵抗値の影響を排除することができ、応答量を大きくすることができる。その結果、安定して高精度な温度測定値を得ることができる。
[Modification 9]
FIG. 28 is a schematic plan view of a humidity sensor 100I according to the ninth modification. In this modified example 9, two pairs of lead wires are connected to the
次に、相変化検出手段の変形例について、説明する。 Next, a modification of the phase change detection means will be described.
［変形例１０］
図２９、図３０は、変形例１０の湿度センサ１００Ｊの概略構成図である。この変形例１０は、相変化物質６を導電性とし、相変化したときの相変化物質６の流動（粘性）の変化を電気的に検知することで、相変化物質６の相変化を検知するものである。図２９は、回路基板１Ｂ側から、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４を並列に配置した例であり、図３０は、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４を同心円状に配置した例である。
図２９、図３０に示すように、この変形例１０の湿度センサ１００Ｊにおいては、相変化物質６に一対の検出用リード線６ａ，６ｂが接続されている。
[Modification 10]
29 and 30 are schematic configuration diagrams of a
As shown in FIGS. 29 and 30, in the
図３１は、相変化したときの相変化物質６の流動（粘性）変化を電気的に検知するメカニズムについて説明する図である。同図では相変化物質６が固体から液体への相転移に伴う相変化物質６の流動（粘性）変化に伴う形状変化を説明している。この図では、加熱部１１上に電気絶縁層３ｃを介在して、相変化物質６を積層している。
図（ａ）に示すように、相変化物質６が固体の状態のときは、相変化物質６は、検出用リード線６ａ，６ｂに接しており、導通している。加熱部１１の発熱によって、固体の相変化物質６が既知の相転移温度になると、液化によって表面張力が発生し、同図の（ｂ）に示すように中央へ凝集する。すると、相変化物質６が、各検出用リード６線６ａ，６ｂから離れ、その結果２つの検出用リード間の電気接続がＯＦＦになる。このように、相変化物質６の導通状態を検出することで相変化物質６の相転移を検出できる。この場合、相変化物質６としては、表面張力が大きく、相変化物質６の下層との付着力が小さいものが好ましく、Ｓｎを用いるのが好適である。
FIG. 31 is a diagram for explaining a mechanism for electrically detecting a flow (viscosity) change of the
As shown in FIG. 5A, when the
また、次のようにして、検出用リード間の電気接続をＯＮからＯＦＦに切り替えることもできる。
図３２（ａ）に示すように、相変化物質６が固体ときは、相変化物質６は２つの検出リード線間にまたがって連続して配置され、検出リード間の電気接続がＯＮとなっている。そして、加熱部１１の発熱によって、固体の相変化物質６が既知の相転移温度になり液化すると、同図の（ｂ）に示すように液化によって流動し、各検出リード６ａ、６ｂに相変化物質６が凝集し、相変化物質６が分離して、検出リード線間の電気接続がＯＦＦになる。よって、検出リード間の電気接続がＯＦＦとなったときの温度が既知の相転移温度となる。相変化物質としては、表面張力が小さく、検出リード、相変化物質６の下層の電気絶縁層との濡れ性が大きい材質のものが好ましく、Ｉｎが適する。
Further, the electrical connection between the detection leads can be switched from ON to OFF as follows.
As shown in FIG. 32A, when the
上記では、相変化物質６の相変化によって、検出用リード６ａと６ｂ間の電気接続がＯＦＦになることで、相変化物質の相転移を検知する場合について、説明したが、これとは逆に、相変化物質６の相変化によって、検出用リード６ａと６ｂ間の電気接続がＯＦＦからＯＮに切り替わる構成にすることもできる。
In the above, the case where the phase transition of the phase change material is detected by turning off the electrical connection between the detection leads 6a and 6b due to the phase change of the
図３３は、検出用リード６ａと６ｂ間の電気接続がＯＦＦからＯＮに切り替わる構成を説明する図である。
図（ａ）に示すように、相変化物質が固体のときは、電気絶縁層３ｃ上の相変化物質は、２つの分離しており、相変化物質６は２つの検出リード６ａ，６ｂ間にまたがって断続している。その結果、検出用リード６ａと６ｂとの間の電気接続がＯＦＦとなっている。加熱部１１の発熱によって、固体の相変化物質６が既知の相転移温度になると、図の（ｂ）に示すように液化によって流動し、電気絶縁層上の相変化物質６が一つとなり、相変化物質６は２つの検出リード６ａ，６ｂ間にまたがって連続する。これにより、検出用リード６ａと６ｂとの間の電気接続がＯＦＦからＯＮに切り替わり、相変化物質の相転移を検出することができる。この場合も、図３２の構成と同様、相変化物質としては、表面張力が小さく、検出リード、相変化物質６の下層の電気絶縁層との濡れ性が大きい材質のものが好ましく、Ｉｎが適する。相変化物質６が冷えて、固化するときは、相変化物質６が収縮することにより、電気絶縁層３ｃ上の相変化物質６は、再び２つの分離する。また、図３１、図３２の構成においては、一度、固体から液体に相変化してしまった後、再び、液体から固体に相変化物質６が相変化しても、始めの状態に戻って、検出用リード６ａと６ｂ間の電気接続がＯＮとなることはないが、図３３に示す構成においては、液体から固体に相変化物質６が相変化すると、始めの状態に戻るので、何度も温度キャリブレーションを行うことができる。
FIG. 33 is a diagram illustrating a configuration in which the electrical connection between the detection leads 6a and 6b is switched from OFF to ON.
As shown in FIG. 5A, when the phase change material is solid, the phase change material on the electrical insulating
また、変形例１０のように、相変化物質６が固体から液体に相転移することによる流動性（粘性）の変化を電気的に検知することで、相変化を検知する場合、相変化物質６を電気絶縁層で覆ってしまうと、相変化物質６の流動性を阻害して、流動変形しないおそれがある。よって、図３１〜図３３の構成を採用する場合は、相変化物質６は電気絶縁層を被覆せず露出させる。また、この変形例の場合は、相変化物質６の量を少なくして、相変化物質６がすばやく相転移温度にまで加熱されるようにするのが好ましい。
In addition, when the phase change is detected by electrically detecting the change in fluidity (viscosity) due to the phase transition of the
図３４は、変形例１０の湿度センサ１００Ｊにおける温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図３５は、フローチャートである。以下の説明では、相変化物質６の構成は、図３１、図３２に示すように、相変化物質が固体のときは、検出用リード線間の電機接続がＯＮ状態であり、固体から液体に相変化すると、検出用リード線間の電気接続がＯＦＦになるものを例に挙げて、説明する。
温度キャリブレーションが実行されると、加熱電源から温度測定部５に加熱電流を供給して、相変化物質６が加熱されるとともに、相変化物質６に相変化検出用電流を供給し、相変化物質に印加された電圧（以下、相変化電圧という）を監視する。相変化物質６が固定から液体に相変化すると、先の図３１（ｂ）や図３２（ｂ）に示すように、検出用リード線間の電気接続が切れる。その結果、相変化電流が０（未検知）となり、相変化物質６が相変化したことを検知することができる。このようにして、相変化物質６の相変化が検知されたら、上述と同様にして、そのときの温度測定部の電気抵抗値と、相変化物質６の既知の相転移温度に基づいて、温度依存性の関数を補正する。その後の雰囲気温度の測定、露点の測定、湿度の算出は、上述と同じである。
FIG. 34 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output in the
When the temperature calibration is executed, a heating current is supplied from the heating power source to the
図３６は、変形例１０の湿度センサ１００Ｊにおいて、冷却部４の冷却電極４ａで、相変化物質６を加熱する場合の温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図３７は、フローチャートである。図に示すように、この場合は、温度キャリブレーションが実行されると、加熱電源から冷却部４に加熱電流が供給され、相変化物質６が加熱される。この加熱電流は、冷却時とは逆向きに流れる電流である。また、温度測定部５に温度検出用電流が供給され、相変化物質６に相変化検出用電流が供給される。その後は、上記した説明と同様、相変化電流が０（未検知）となったときの、温度測定部５の抵抗値を算出し、温度測定部５の抵抗値と、既知の相転移温度から、温度依存性を示す関数を補正する。その後の、補正された温度依存性の関数を用いて、雰囲気温度の測定、露点の測定、湿度の算出を行う。
FIG. 36 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature and dew point detection, and humidity output when the
［変形例１０−１］
図３８、図３９は、変形例１０の湿度センサ１００Ｊにおいて、温度測定部５とは、別に、加熱部１１を設けたものである。図３８は、各部を平行に配置した構成の変形例１０の湿度センサ１００Ｊ−３の概略構成図であり、図３９は、同心円状に配置した構成の変形例１０の湿度センサ１００Ｊ−４の概略構成図である。加熱部１１は、温度測定部５と相変化物質６との間に配置した。
[Modification 10-1]
38 and 39 show a
また、図３９に示すように、同心円状に各部を配置する構成においては、良好な露点検出を行うためには、温度測定部５周辺を円周に沿って均一な温度分布にする必要がある。そのため、冷却部４の冷却電極４ａを、温度測定部５のリード線との接続部付近にも設けておく必要がある。しかしながら、この場合、冷却部４よりも内側に配置された加熱部１１に接続する一対のリード線１１ａ，１１ｂが、冷却電極４ａと干渉するため、真直ぐに延設させることができない。そこで、加熱部１１に接続するリード線１１ａ，１１ｂと冷却電極４ａとを電気絶縁層３ａを介して積層させることも考えられる。しかしながら、このようにすると、この積層部分の熱容量が大きくなって、温度測定部５周辺を円周に沿って均一な温度分布にすることができない。そこで、加熱部１１のリード線１１ａ，１１ｂを、温度測定部５のリード線５ａ，５ｂと１８０°位相がずれた位置に配置した。また、このようにした場合、加熱部１１のリード線１１ａ，１１ｂに対して、図中上側の冷却部４と図中下側の冷却部４とを直列接続しようとすると、冷却部４同士を接続する線と、加熱部１１のリード線１１ａ，１１ｂとを電気絶縁層３ａを介して交差させる必要が生じ、上述同様、その部分の熱容量が大きくなってしまう。そこで、冷却部４を図中上側と下側とで電気的分ける。これにより、リード線１１ａが多い構成でも、これら配線リードを交差させることなく、各部を回路基板１Ｂに接続することができる。よって、温度測定部５周辺を円周に沿って均一な温度分布させることができ、また、配線リード間の電気絶縁性を高め、製造工程を簡単にすることができる。
Further, as shown in FIG. 39, in the configuration in which the respective parts are arranged concentrically, in order to perform good dew point detection, it is necessary to make the
図４０は、変形例１０−１の湿度センサにおける温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図４１は、フローチャートである。図に示すように、この場合は、温度キャリブレーションが実行されると、加熱電源から加熱部１１に加熱電流が供給され、相変化物質６が加熱される。また、温度測定部５に温度検出用電流が供給され、相変化物質６に相変化検出用電流が供給される。その後は、上記した説明と同様、相変化電流が０（未検知）となったときの、温度測定部５の抵抗値を算出し、温度測定部５の抵抗値と、既知の相転移温度から、温度依存性を示す関数を補正する。その後の、補正された温度依存性の関数を用いて、雰囲気温度の測定、露点の測定、湿度の算出を行う。
FIG. 40 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature and dew point detection, and humidity output in the humidity sensor of Modification 10-1, and FIG. 41 is a flowchart. As shown in the figure, in this case, when the temperature calibration is performed, a heating current is supplied from the heating power source to the
［変形例１０−２］
図４２は、変形例１０の湿度センサ１００Ｊ−５の相変化物質６を複数備えた構成を示す概略平面図である。図４２に示すように、各相変化物質それぞれに検出用リード線が接続されている。
[Modification 10-2]
FIG. 42 is a schematic plan view showing a configuration including a plurality of
図４３は、変形例１０−２の湿度センサ１００Ｊ−５における温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートである。
図に示すように、温度キャリブレーションが実行されると、加熱部１１に加熱電流が供給され、温度測定部５に温度検出用電流が供給される。また、各相変化物質６Ａ，６Ｂに相変化検出電流が供給される。回路基板１Ｂの不図示の制御回路は、各相変化物質６Ａ，６Ｂよりも下流の相変化電流を監視する。そして、相変化物質６Ａが相変化すると、相変化物質６Ａに供給される相変化電流が検出されなくなり、相変化物質Ａが相変化したことを検知することができ、そのときの温度測定部５の抵抗値を算出し、メモリに記憶しておく。さらに加熱部１１で加熱していくと、相変化物質６Ｂが相変化して、相変化電流が検出されなくなる。その結果、相変化物質６Ｂが、相転移したことを検知することができる。そのときの温度測定部５の抵抗値を求める。そして、メモリに記憶した相変化物質６Ａが相転移したときの温度測定部５の抵抗値と、相変化物質６Ａの既知の相転移温度と、相変化物質６Ｂが相転移したときの温度測定部５の抵抗値と、相変化物質６Ｂの既知の相転移温度とから、温度依存性の関数を算出して、温度キャリブレーションが終了する。
FIG. 43 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output in the
As shown in the figure, when the temperature calibration is performed, a heating current is supplied to the
次に、所定のタイミングで、求めた温度依存性の関数を用いて、雰囲気温度と、露点を求めて、湿度を算出する。 Next, at a predetermined timing, the atmospheric temperature and the dew point are obtained by using the obtained temperature dependency function, and the humidity is calculated.
［変形例１１］
次に、相変化物質の相転移を、電気伝導度の変化で検出する変形例１１の湿度センサ１００Ｋについて、説明する。
この変形例１１の湿度センサ１００Ｋの基本構成は、先の図２９、図３０、図３８、図３９、図４２と同様な構成である。電気伝導度の変化で検出する場合、相変化物質としては、上述したように、ＣＴＲサ−ミスタにも用いられているＶ２Ｏ５やチタン酸バリウムを主成分とするＰＴＣサ−ミスタを、好適に用いることができる。
[Modification 11]
Next, a description will be given of a
The basic configuration of the
図４４は、変形例１１の湿度センサ１００Ｋの制御ブロック図である。
図に示すように、変形例１１の湿度センサ１００Ｋの回路領域１ｂには、相変化物質６に、相変化検出用電流を供給するための相変化電源１１６と、相変化物質への電流値と、電圧値とから相変化物質６の抵抗値を算出するための相変化抵抗値算出部１１７とを備えている。後の構成は、先の図４と同じ構成であるので、説明を省く。
FIG. 44 is a control block diagram of the
As shown in the figure, in the
ＣＰＵ１１３から、温度キャリブレーション信号を受信したら、回路領域１ｂは、加熱電源１０３から加熱部１１に加熱電流を供給する。また、温度検出電源１０４を制御して、温度測定部５に温度検出用電流を供給する。また、相変化電源１１６を制御して、相変化物質に相変化検出用電流を供給する。相変化物質が相転移すると、抵抗が急激に変化する。よって、回路領域１ｂでは、相変化物質６Ａの抵抗値の時間微分値ΔＲを監視し、この値が急激に増加したら、相変化したと検知することができる。相変化物質６の相変化を検知したら、回路領域１ｂは、抵抗値算出部１１２で温度測定部５の抵抗値を算出する。そして、メモリに格納されている相変化物質６の既知の相転移温度と算出した温度測定部５の抵抗値とから、温度依存性を示す関数を演算部１０７で補正することで、温度キャリブレーションが行われる。
When the temperature calibration signal is received from the
そして、所定のタイミングでＣＰＵ１１３から湿度検出信号を受信すると、温度測定部５に温度検出用電流を供給し、抵抗値算出部１１２で抵抗値を算出し、比較部１０８で、温度キャリブレーションによって補正した温度依存性の関数を用いて、雰囲気温度が求められ、出力される。次に、冷却電源１０５を制御して、冷却部４に冷却用電流が供給され、観測面８が冷却される。観測面８に結露が生じたことをフォトカプラ７で検知したら、そのときの温度測定部５の抵抗値を算出し、温度依存性の関数を用いて、露点が求められる。そして、先ほど出力した雰囲気温度と、露点と、先に示した式（１）、（２）とを用いて、湿度演算部１１０で湿度が算出され、出力される。
When a humidity detection signal is received from the
また、変形例１１の湿度センサ１００Ｋにおいては、図４５や、図４６に示すように、複数の相変化物質６Ａ，６Ｂを、電気的に並列接続することができる。
Moreover, in the
［変形例１２］
次に、相変化物質６の相転移を、相変化物質の誘電率の変化で検出する変形例１２の湿度センサ１００Ｌについて、説明する。
この変形例１２の湿度センサ１００Ｌの基本構成も、先の図２９、図３０、図３８、図３９、図４２と同様な構成である。
[Modification 12]
Next, the
The basic configuration of the
図４７は、変形例１２の湿度センサ１００Ｌの断面図である。図に示すように相変化物質６が相転移するときの誘電率の変化を検出する場合、相変化物質６を挟んで対向電極６１を設ける。対向電極６１の一方は、検出用リード線６ａに接続されており、他方は検出用リード線６ｂに接続されている。相変化物質としては、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を好適に用いることができる。
FIG. 47 is a cross-sectional view of a
温度キャリブレーションが実行されると、相変化物質６に直流電圧を印加する。相変化物質６が相転移して、相変化物質６の誘電率が変化すると、検出用リードに電流が流れるので、回路基板１Ｂで、検出用リード線に電流が流れたことを検知したら、相変化物質６が相変化したことを検知することができる。
When the temperature calibration is executed, a DC voltage is applied to the
［変形例１３］
次に、圧電体たる圧電材料を用いて、相変化物質の相変化を検知する変形例１３の湿度センサ１００Ｍについて、説明する。圧電材料を用いることによって、相変化物質６の固有振動数の変化、体積変化、剛性変化から、相変化物質６の相変化を検出することが可能となる。変形例１３の湿度センサ１００Ｍの基本構成は、先の図２９、図３０、図３８、図３９、図４２と同様な構成である。
[Modification 13]
Next, a
図４８は、変形例１３の湿度センサ１００Ｍの断面図である。
図に示すように圧電効果を有するＰＺＴ等の圧電材料層６２の上に相変化物質６が設けられている。圧電材料層６２には、検出用リード線６ａ，６ｂが、接続されている。
FIG. 48 is a cross-sectional view of a
As shown in the figure, a
図４９は、変形例１３の湿度センサ１００Ｍの制御ブロック図である。
圧電材料を用いて、相変化物質６の相変化を検知する変形例１３の湿度センサ１００Ｍにおいては、圧電材料層６２に交流電圧を印加するための発振電源１２１や、圧電材料層６２からの電圧や交流電圧を検知する検波・電圧検知部１２２を備えている。
FIG. 49 is a control block diagram of the
In the
まず、圧電材料を用いた相変化物質６の固有振動数変化の検知について、説明する。周期的力の周波数を試料に加え、その応答を測定する方法、すなわちメカニカルスペクトロスコピー（動的粘弾性測定：ＤＭＡ）を適用することで、相変化物質６の相変化に伴う固有振動数変化を検出することができる。具体的には、圧電材料層６２に交流電圧を印加して、圧電材料層６２を所定の周波数で振動させる。例えば、相変化物質６が相変化して固有振動数が変化しとき、相変化物質６が圧電材料層６２の振動に共振するような周波数で、圧電材料層６２を振動させる。このように、圧電材料層６２を振動させることにより、圧電材料層６２上の相変化物質６が振動し、圧電材料層６２に対して、相変化物質から応力が加わり、圧電材料層６２から所定の交流波が出力される。相変化物質６が相転移して、固有振動数が変化すると、相変化物質６が、圧電材料層６２の振動に共振して、大きく振動する。その結果、相変化物質６から圧電材料層６２に加わる力が増加し、圧電材料層６２から出力される交流波の振幅が増大する。回路領域１ｂでは、圧電材料層６２から出力された交流波の振幅（電圧）の時間微分値ΔＶを監視し、時間微分値ΔＶが０でない値をとったら、相変化物質６が相変化したことを検知することができる。上記では、相変化物質６の相変化によって、相変化物質６が圧電材料層６２の振動に共振させているが、これとは逆に、相変化前の相変化物質６が、圧電材料層６２の振動に共振するよう、圧電材料層６２を振動させてもよい。また、図４８に示すように、相変化物質６や圧電材料層６２は、基板１の空洞部２０上に設けているので、圧電材料層６２が振動しやすく、高感度で相転移を検出することができる。
First, detection of the natural frequency change of the
次に、圧電材料を用いた相変化物質６の体積変化や剛性変化の検知について説明する。これは、相変化物質６から圧電材料層６２に加わる機械的な応力による圧電材料層６２の抵抗変化である所謂ピエゾ抵抗効果を用いて、相変化物質６の体積変化や剛性変化を検知するものである。具体的には、圧電材料層６２に検知用の電流を印加する。相変化物質６が加熱されて、固体から液体に相変化すると、電気絶縁層３ａに覆われている相変化物質６の体積が増加する。これにより、相変化物質６の圧電材料層６２に対する応力が増加し、圧電材料層６２の抵抗値が変化する。よって、回路領域１ｂにおいて、電圧変化や、圧電材料層６２の抵抗値変化を検知することにより、相変化物質６の相変化を検知することができる。一方、相変化物質６の剛性変化を検知する場合は、相変化物質６が固体から液体に相変化すると、相変化物質６の剛性が低下し、圧電材料層６２に加わる応力が低下する。その結果、圧電材料層６２の抵抗値が変化するので、回路領域１ｂにおいて、電圧変化や、圧電材料層６２の抵抗値変化を検知することにより、相変化物質の相変化を検知することができる。
Next, detection of volume change and stiffness change of the
［変形例１４］
次に、相変化物質６の光学的変化で、相変化物質の相変化を検出する変形例１４の湿度センサ１００Ｎについて説明する。この場合、相変化物質６として、相変化物質６が相変化したとき、透過特性、反射特性、吸収特性等の光学特性が変化する物質を用いる。例えば、酸化バナジウムのサーモクロミック調光物質は、調光温度を元素添加などにより必要に応じて室温付近に精密に設定することができ、好適である。また、液晶相と液体相とで光学的特性が異なるサーモトロピック液晶であって相転移温度が４０℃から５０℃のＭＢＢＡ（Ｍｅｔｈｏｘｙ ｂｅｎｚｉｌｉｄｅｎ ｐ−ｂｕｔｙｌ ａｎｉｌｉｎｅ）も好適に用いることができる。また、相転移温度にて結晶の構造相転移を生じ、二次電気光学定数（Ｋｅｒｒ定数）が変化するタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）も好適に用いることができる。上記酸化バナジウムのサーモクロミック調光物質は、調光温度を元素添加などにより必要に応じて室温付近に精密に設定することができる。
[Modification 14]
Next, a description will be given of the
図５０は、変形例１４の湿度センサ１００Ｎの制御ブロック図である。図５０に示すように、この変形例１４の湿度センサ１００Ｎは、観測面８に凝集が生じたか否を検知するフォトカプラ７を用いて、相変化物質６の相変化を光学的検知する。
FIG. 50 is a control block diagram of the
図５１は、変形例６の湿度センサ１００Ｆと同一構成の断面図である。図５１の点線に示すように、発光部７ａから出射された光の一部は、空洞部２０の冷却部側の壁面２００ａに反射して相変化部に入射する。そして、相変化物質６から反射した光は、加熱部側壁面２００ｂに反射して、受光部７ｂに入射する。よって、相変化物質６が相転移して、光学特性が変化すると、受光部７に入射する光量が変化する。よって、受光部７ｂの出力により相変化物質６の相転移を検知することができる。
FIG. 51 is a cross-sectional view of the same configuration as the
図５２は、変形例１４の湿度センサ１００Ｎの温度キャリブレーション、温度、露点検出と湿度出力の入出力信号のタイミングチャートであり、図５３は、フローチャートである。
温度キャリブレーションが実行されると、フォトカプラ７の発光部７ａに電圧を印加する。図５１に示したように、発光部７ａから出射された光は、相変化物質６に入射し、相変化物質から反射した光が、受光部７ｂに入射する。相変化物質６の相変化が生じておらず、相変化物質６が鏡面状態のときは、フォトカプラ７の受光部は、電圧Ｖ０を出力している。相変化物質６が相変化すると、光学特性が変化し、相変化物質６に入射した光が散乱する。その結果、受光部７ｂに入射する光量が低下する。回路領域（回路基板側）では、受光部７ｂの出力電圧の時間微分値を監視し、時間微分値が０以外の値をとったとき、相変化物質が相変化したことを検知することができる。フォトカプラ７で相変化物質６の相変化を検知したら、そのときの温度測定部５の抵抗値を算出し、既知の相転移温度を算出した抵抗値を用いて、温度依存性を示す関数を補正する。その後の湿度の測定は、上述と同様である。
FIG. 52 is a timing chart of input / output signals of temperature calibration, temperature / dew point detection, and humidity output of the
When the temperature calibration is executed, a voltage is applied to the
また、例えば、図５４に示すように、相変化物質６を、冷却電極４ａと交互に配置したり、図５５や図５６に示すように、相変化物質６と冷却電極４ａとを積層させたりしてもよい。
Further, for example, as shown in FIG. 54, the
次に、凝集検出手段としてのフォトカプラ７の変形例について、説明する。
Next, a modification of the
［変形例１５］
図５７は、変形例１５の湿度センサ１００Ｏの概略構成図であり、（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図に示すように、この変形例１５は、フォトカプラ７を、冷却部４、相変化物質６、温度測定部５が設けられた検知基板のおもて面電気絶縁層３ａに設けたものである。
図に示すように、環状の冷却部４、温度測定部５および相変化物質６などの中心にフォトカプラ７の発光部７が設けられている。フォトカプラ７の複数の受光部７ｂは、放熱電極４ｂよりも内側（冷却電極４側）で、放熱電極４ｂの間にそれぞれ配置されている。このように配置することで、図２９に示す環状空洞部２０を、放熱電極４ｂまで延設させずに済み、放熱電極４ｂの熱をベース材２に逃すことができる。
[Modification 15]
FIGS. 57A and 57B are schematic configuration diagrams of a humidity sensor 100O according to the modified example 15. FIG. 57A is a plan view, and FIG. 57B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. As shown in the figure, in this modified example 15, the
As shown in the figure, a
ベース材２には、実施形態の湿度センサ同様、環状の空洞部２０が形成されているが、実施形態のように、貫通はしていない。また、ベース材２の環状空間の芯部２１は、電気絶縁層３ａと当接する構成となっている。これは、発光部７ａが、加熱部である温度測定部５と近接配置されているため、温度キャリブレーション時に発光部７ａが高温とならないようにするためである。具体的に説明すると、芯部２１を電気絶縁層３ａに当接させることにより、相変化物質６を加熱するための熱が、発光部７ａまで伝播すると、その熱の一部は、芯部２１に逃げるため、発光部７ａの温度上昇を抑えることができるのである。
The
この環状空洞部２０は、実施形態の環状空洞部同様、基板表面の電気絶縁層パターンをマスクとして、基板の構造に依存しないどの方位に対しても等速度の等方性エッチングにより、また、ベース材２が、Ｓｉ単結晶であれば酸化剤を添加したフッ化水素酸を用いることにより、ベース材に曲面の鏡面状の空洞壁２０ａ，２０ｂが形成される。
Similar to the annular cavity portion of the embodiment, this
図５７の点線で示すように、環状空洞部２０の内壁２０ａに向かって照射された発光部７ａの光は、内壁２０ａに反射して、観測面８に照射される。観測面８に結露が生じてしないときは、冷却電極４ａ、環状空間の外壁２０ｂに反射して、受光部７ｂに入射する。一方、観測面８に結露が生じると、観測面８に入射した光は、結露により乱反射して、受光部７ｂに入射する光量が減ることで、凝集（結露）を検知することができる。
As indicated by a dotted line in FIG. 57, the light of the
［変形例１６］
図５８は、変形例１６の湿度センサ１００Ｐの概略構成図であり、（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
この変形例１６は、フォトカプラ７を、冷却部４、相変化物質６、温度測定部５が、平行に並列された面と同一面に配置したものである。
図に示すように、フォトカプラ７の発光部７ａと受光部７ｂは、複数の冷却電極４ａを挟むようにして配置されている。発光部７ａは、図５８（ｂ）の点線Ｘに示すように、光が、空洞部２０の壁面２０１に向けて照射するよう配置し、受光部７ｂは、空洞部内を反射した光を受光するように配置してもよい。また、図５８（ｂ）の点線Ｙに示すように、発光部７は、冷却電極４ａを横切るように照射するよう配置し、受光部７ｂは、この冷却電極４ａを横切ってきた光を受光するよう配置してもよい。
[Modification 16]
FIG. 58 is a schematic configuration diagram of a
In this modified example 16, the
As shown in the figure, the
図５８（ｂ）の点線Ｘに示すように、発光部７ａが、空洞部２０の壁面２０１に向かって照射する場合は、発光部７ａから出射された光は、壁面２０１および底面２０２を反射し、観測面８に入射する。観測面８に結露が生じていない場合は、観測面８下の冷却電極４ａに反射した後、空洞部２０の底面２０２および壁面２０１を反射し、受光部７ｂに入射する。一方、観測面８に結露が生じていた場合は、光が結露に当てって散乱し、受光部７ｂに入射する光量が減ることで、凝集（結露）を検知することができる。
As shown by the dotted line X in FIG. 58B, when the
図５８（ｂ）の点線Ｙに示すように、発光部７ａの光が冷却電極上を横切る場合、凝集を検知するための観測面８は、電気絶縁層３ａの空洞部２０と対向していない面となる。冷却電極上に結露が生じていない場合は、発光部７の光は、冷却電極上を横切って、受光部７ｂに入射する。一方、冷却電極４ａ上の観測面８に結露が生じると、発光部７ａから照射された光が、結露に当って散乱し、受光部７ｂに入射する光量が減少する。これにより、結露を検知することができる。
As shown by the dotted line Y in FIG. 58 (b), when the light of the
図５８は、加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４が平行に並列配置されたものであるが、図５９に示すように、加熱部１１をなくして、相変化物質６の加熱を、温度測定部５または冷却電極４ａで行うよう構成した湿度センサにも適用できる。また、図５８、図５９は、相変化物質６の相変化を検知するための検出用リード線６ａ，６ｂが設けられた湿度センサであるが、図６０や図６１に示すように、相変化物質６の相変化を検知するための検出用リード線６ａ，６ｂを設けずに、相変化物質６の相変化を、温度測定部５の抵抗変化で検知する湿度センサにも適用することができる。
58 shows the
また、図６２に示すように、検知基板１Ａに対向配置される中央部が窪んだ反射部材７００を設けた構成でもよい。この場合、発光部７ａは、反射部材７００に向けて光が出射するように配置し、受光部７ｂは、反射部材７００から反射した光を受光するよう配置する。
In addition, as shown in FIG. 62, a configuration may be provided in which a reflecting
［変形例１７］
図６３は、変形例１７の湿度センサ１００Ｑの概略断面図である。
この変形例１７は、発光部７ａと受光部７ｂとを別の基板に設け、検知基板１Ａを透過した透過光量に基づいて、凝集（結露）を検知するものである。
図に示すように、この変形例１７の湿度センサ１００Ｑは、検知基板１Ａ上に図６５に示すような発光部７ａを備えた発光基板７２を取り付け、検知基板１Ａの下に図６４に示すような受光部７ｂを備えた受光基板７１を取り付けたものである。図６３の検知基板１Ａは、例えば、先の図３８に示すような、加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４が、平行に並列配置されたものである。発光基板７２は、発光部７ａが、冷却電極４ａと対向するように検知基板１Ａに取り付けられる。受光基板７１は、受光部７ｂが、冷却電極４ａと対向するように検知基板１Ａに取り付けられる。検知基板１Ａは、少なくとも加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６、冷却電極４ａが配置された箇所のベース材２が完全に除去されている。
[Modification 17]
FIG. 63 is a schematic cross-sectional view of a humidity sensor 100Q of Modification 17.
In the modified example 17, the
As shown in the figure, in the humidity sensor 100Q of this modification 17, a
冷却電極４ａの周囲の観測面８に結露が生じていないときは、発光部７ａから照射されて光のうち、冷却電極４ａの周囲の電気絶縁層３ａのみの領域から光が透過し、受光部７ｂに入射する。一方、観測面８（冷却電極４ａの周囲）に結露が生じると、結露が光を遮るため、冷却電極４ａの周囲の電気絶縁層３ａのみの領域を透過する光が減り、受光部７ｂに入射する光量が減少する。これにより、凝集（結露）を検知することができる。
When there is no condensation on the
また、図６３では、発光基板７２の発光部７ａが配置された面を、検知基板１Ａに取り付けているが、図６７に示すように、発光部７ａが配置された箇所のベース材７２０を除去して、図６６に示すように、発光基板７２の発光部７ａが配置された面と反対側の面を検知基板１Ａに取り付けるようにしてもよい。また、このように、発光部７ａが配置された箇所のベース材７２０を除去することで、発光部７ａと検知基板１Ａの冷却電極４ａとの関係を目視で確認しやすくなり、取り付け精度を高めることができる。
In FIG. 63, the surface on which the
図６８は、例えば、先の図３９に示したように、相変化物質６、加熱部１１、温度測定部５、冷却部４を同心円状に並列配置した検知基板１Ａに、図６９に示すように発光部７ａを備えた発光基板７２と、図７０に示すような受光部７ｂを備えた受光基板７１とを重ね合わせた湿度センサ１００Ｑ−２の概略構成図である。この図６８の構成では、発光基板７２の検知基板１Ａの下に配置し、受光基板７１を検知基板１Ａの上に配置した。この場合も冷却電極４ａの周囲に結露が生じると、冷却電極周囲の電気絶縁層３ａのみからなる領域からの透過光量が減ることで、受光部７ｂに入射する光量が減り、凝集を検知することができる。この場合も、図７２に示すように、発光基板７２の発光部７ａが配置された箇所のベース材７２０を除去して、図７１示すように発光基板７２のベース材７２０を検知基板１Ａに取り付けてもよい。
68, for example, as shown in FIG. 69, the
［変形例１８］
図７３、図７５は、変形例１８の湿度センサ１００Ｒの概略構成図である。
図７３は、加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４を平行に並列配置したものであり、図７５は、加熱部１１、温度測定部５、相変化物質６、冷却部４を同心円状に配置したものである。この変形例１８は、発光部７ａと受光部７ｂとを別の基板に設け、検知基板１Ａの反射光量に基づいて、凝集（結露）を検知するものである。
図に示すように、発光部７ａは、発光部７ａからの光が、冷却電極４ａに照射されるよう配置し、受光部７ｂは、冷却電極４ａから反射した光を受光する位置に配置する。具体的には、図７４に示すように、検知基板１Ａを覆うケース７５に、発光部７ａと受光部７ｂを取り付ける。このケース７５には、通気孔７５ａが設けられており、ケース内部に外気が流入するようになっている。また、外光が検知基板１Ａに入射しないように、遮光壁７５ｂが設けられている。また、ケース７５には、検知基板用端子７５ｄと、フォトカプラ用の端子７５ｃとを備えており、検知基板用端子７５ｄには、ワイヤ７６ａを介して検知基板１Ａが接続されており、フォトカプラ用の端子７５ｃには、ワイヤ７６ｂを介してフォトカプラ７に接続されている。このように、フォトカプラ７及び検知基板１Ａをケース７５に組み込むことで、湿度センサを扱い易くすることができる。また、図７４の構成に限らず、発光部７ａと受光部７ｂとを備えた基板を、検知基板１Ａに重ね合わせた構成でもよい。
[Modification 18]
73 and 75 are schematic configuration diagrams of a
73 shows a
As shown in the drawing, the
この変形例１８においても、冷却電極４ａ上の観測面８に結露が生じると、受光部７ｂに入射する光量が減るので、凝集を検知することができる。
Also in this modified example 18, when condensation occurs on the
［変形例１９］
図７７は、変形例１９の湿度センサ１００Ｓの概略構成図である。
この変形例１９は、相変化物質６と、相変化物質６を加熱する温度測定部５とを積層させたものである。このように、積層させることにより、相変化物質６をすばやく加熱することができる。また、図７８に示すように、電気絶縁層３ａを介して、温度測定部５と相変化物質６とを積層させてもよい。
[Modification 19]
FIG. 77 is a schematic configuration diagram of a
In this modified example 19, the
［変形例２０］
図７９は、変形例２０の湿度センサ１００Ｔの概略構成図である。
この変形例２０は、温度測定部５と相変化物質６と冷却部４とを平行に並列配置し、空洞２０を設けた検知部を、同一基板上に複数一体化したものである。このような構成によれば、一方のキャリブレーションによる精度保証期間が終了したら、他方のキャリブレーションを行い、精度保証期間を長期間に渡って実現できる。また、キャリブレーション中の温度変化の影響を無くすため、温度補償用の検出器として、一方のキャリブレーション中に他方とブリッジ回路を構成させることができる。
[Modification 20]
FIG. 79 is a schematic configuration diagram of a
In this modified example 20, the
図８０は第１検知部の第１温度測定部５−１と第２検知部の第２温度測定部５−２の温度補償用の検出器としてのブリッジ回路を示す図である。第１温度測定部５−１と第２温度測定部５−２とは、周囲温度が変化するときほぼ同一の温度変化に対応する応答速度である必要上、熱容量はほぼ同一であることが望ましい。従って、構成材料の種類や寸法がほぼ同一である。ただし、第１温度測定部５−１を温度キャリブレーションする期間中に、第１温度測定部５−１の相転移のみ検出する必要がある。このため、第１温度測定部５−１を温度キャリブレーションする期間中に第２相変化物質６−２の相転移を生じないようにする必要がある。そのために、第２相変化物質６−２は、第１相変化物質６−１の相転移温度よりも高い相転移温度の異なる物質である。しかし、熱容量はほぼ同一であることが望ましいので、各相変化物質６−１、６−２は質量、比熱、熱伝導率が著しく異ならない材料を選択し、例えば一方の相変化物質６−１はＩｎ、他方の相変化物質６−２はＩｎより相転移温度の高いＳｎ、ＡｌやＡｕあるいはＰｔを用いる。 FIG. 80 is a diagram showing a bridge circuit as a temperature compensation detector of the first temperature measurement unit 5-1 of the first detection unit and the second temperature measurement unit 5-2 of the second detection unit. The first temperature measurement unit 5-1 and the second temperature measurement unit 5-2 need to have response speeds corresponding to almost the same temperature change when the ambient temperature changes, and it is desirable that the heat capacities are almost the same. . Therefore, the types and dimensions of the constituent materials are almost the same. However, it is necessary to detect only the phase transition of the first temperature measurement unit 5-1 during the temperature calibration of the first temperature measurement unit 5-1. For this reason, it is necessary to prevent the phase transition of the second phase change material 6-2 from occurring during the temperature calibration of the first temperature measurement unit 5-1. Therefore, the second phase change material 6-2 is a material having a different phase transition temperature higher than the phase transition temperature of the first phase change material 6-1. However, since it is desirable that the heat capacities are substantially the same, the phase change materials 6-1 and 6-2 are selected from materials whose mass, specific heat, and thermal conductivity are not significantly different. For example, one phase change material 6-1 is selected. Uses In, and the other phase change material 6-2 uses Sn, Al, Au, or Pt, which has a higher phase transition temperature than In.
ここで、ブリッジ回路を利用した相転移検知ついて、説明する。
図８１は周囲温度が変化しないときの第１の温度測定部の抵抗値変化と第２の温度測定部の抵抗値変化の特性を示す図であり、図８２はブリッジ回路で出力される特性を示す図である。第１温度測定部５−１の固有抵抗値および温度依存性とは、第１検知部と第２検知部とを同じ構成にしているにも係らず、第２温度測定部５−２の固有抵抗値および温度依存性とわずかに異なる。従って、第１温度測定部５−１と第２温度測定部５−２とは、それぞれ異なる温度上昇勾配を持っている。このため、図８２に示すように、ブリッジ回路で出力される特性は、異なる温度上昇勾配の差分ΔＶｂを持っている。第１検出部の相変化物質６−１の相転移温度と、第２検出部の相変化物質６−２の相違転移温度とは、異なるので、図８１に示すように、第１相変化物質６−１が相転移したとき、第１温度測定部５−１は、上述したように、ΔＲ＝０となるが、第２温度測定部５−２の抵抗値は上昇する。その結果、図８２に示すように、相変化期間においては、傾きがΔｂ以外の値を取る。よって、ブリッジ回路の出力により相転移を検出することができる。
Here, phase transition detection using a bridge circuit will be described.
FIG. 81 is a diagram showing the characteristics of the resistance value change of the first temperature measurement unit and the resistance value change of the second temperature measurement unit when the ambient temperature does not change, and FIG. 82 shows the characteristics output by the bridge circuit. FIG. The specific resistance value and temperature dependence of the first temperature measurement unit 5-1 are characteristic of the second temperature measurement unit 5-2, even though the first detection unit and the second detection unit have the same configuration. Slightly different from resistance and temperature dependence. Therefore, the first temperature measurement unit 5-1 and the second temperature measurement unit 5-2 have different temperature increase gradients. For this reason, as shown in FIG. 82, the characteristic output by the bridge circuit has a difference ΔVb between different temperature rise gradients. Since the phase transition temperature of the phase change material 6-1 of the first detector and the difference transition temperature of the phase change material 6-2 of the second detector are different, as shown in FIG. 81, the first phase change material When 6-1 undergoes phase transition, the first temperature measurement unit 5-1 has ΔR = 0 as described above, but the resistance value of the second temperature measurement unit 5-2 increases. As a result, as shown in FIG. 82, the slope takes a value other than Δb during the phase change period. Therefore, the phase transition can be detected by the output of the bridge circuit.
次に、温度キャリブレーション中の雰囲気温度の影響について、説明する。
加熱部［温度測定部）や相変化物質は微小熱容量であるため、急速に相転移し、温度キャリブレーションは１［ｍｓｅｃ］から数１０［ｍｓｅｃ］程度のごく短時間で完了する。このため、通常は、温度キャリブレーション中（相転移したときの温度測定部の抵抗値を測定するとき）は、周囲温度の変化は、ほとんどなく、ほとんど誤検出することはない。しかし、ブリッジ回路を組むことにより、外部の温度変化して、相転移温度に達する前に、雰囲気温度の影響で、第１温度測定部５−１の抵抗の時間微分値がΔＲ＝０となったとしても、第２検出部も同様に、ΔＲ＝０となっている。よって、傾きがΔｂとなるので、相転移したと誤検知するのを抑制することができる。
Next, the influence of the ambient temperature during temperature calibration will be described.
Since the heating unit [temperature measurement unit] and the phase change material have a minute heat capacity, they rapidly undergo phase transition, and the temperature calibration is completed in a very short time of about 1 [msec] to several tens [msec]. For this reason, normally, during temperature calibration (when measuring the resistance value of the temperature measuring unit when the phase transition occurs), there is almost no change in the ambient temperature, and there is almost no false detection. However, by constructing a bridge circuit, the time differential value of the resistance of the first temperature measuring unit 5-1 becomes ΔR = 0 due to the influence of the ambient temperature before the external temperature changes and reaches the phase transition temperature. Even so, the second detection unit similarly has ΔR = 0. Therefore, since the inclination is Δb, erroneous detection that the phase transition has occurred can be suppressed.
また、検知部を複数備えることで、第１温度測定部５−１で露点を計測して、第２温度測定部５−２で雰囲気温度を測定することができる。検知部が一つの場合は、検知部の温度が雰囲気温度に回復するまで、再度湿度を検知することはできないが、このように、２個検出部を有することで、一方の検知部が雰囲気温度となっていなくとも、湿度を検知することができる。これにより、測定頻度を多くして、精密な測定を行うことができる。 In addition, by providing a plurality of detection units, the dew point can be measured by the first temperature measurement unit 5-1, and the ambient temperature can be measured by the second temperature measurement unit 5-2. In the case of a single detection unit, the humidity cannot be detected again until the temperature of the detection unit recovers to the ambient temperature. However, by having two detection units in this way, one detection unit can detect the ambient temperature. Even if it is not, humidity can be detected. Thereby, measurement frequency can be increased and precise measurement can be performed.
［変形例２１］
図８３は、変形例２１の湿度センサ１００Ｕの概略構成図である。
この変形例２１の湿度センサ１００Ｕは、温度測定部５と相変化物質６と冷却部４とを平行に並列配置した露点検出部と、温度測定部５と相変化物質とを備えた雰囲気温度測定部とを同一基板に備えたものである。これにより、測定頻度を多くして、精密な測定を行うことができる。また、露点測定と雰囲気温度測定の精度を一致させるために、熱応答時間を同一にさせる必要がある。空洞部上の電気絶縁層に配置した部材やそれらに伝熱する部材は、露点検出部と雰囲気温度測定部とで同一にしておく。具体的には、雰囲気温度検知部に、冷却電極と、熱交換材料とを配置するのである。
[Modification 21]
FIG. 83 is a schematic configuration diagram of a
The
また、上記では、加熱電流および冷却電流を一定値にしているが、加熱部１１に印加する加熱電流を除々に上げ、冷却電極４ａで冷却するときの冷却電流を除々に下げるよう制御してもよい。例えば、加熱電流を印加して、温度測定部５の抵抗値の時間微分値を求める。時間微分値ΔＲが０でないときは、加熱電流を所定量上げ、所定量上げたら、再び、抵抗値の時間微分値ΔＲを算出して、ΔＲが０で否かをチェックする。ΔＲが０となるまで、上記フローを繰り返すことにより、加熱電流が、除々に増加する。このように、制御することにより、加熱部１１の加熱温度を、相変化物質の相転移温度付近に留めることができ、加熱しすぎを抑制することができ、電力消費を抑えることができる。
In the above description, the heating current and the cooling current are set to constant values. However, the heating current applied to the
また、冷却電流については、フォトカプラ７が凝集を検知するまで、冷却電流を、除々に低下する。このように、制御することにより、冷却部４の冷却温度を、凝集検出部材８０に結露が生じる付近の温度に留めることができ、冷却しすぎを抑制することができ、電力消費を抑えることができる。
As for the cooling current, the cooling current is gradually decreased until the
以上、本実施形態の凝集温度計測装置を備えた湿度センサは、鏡面状の観測面を冷却する冷却手段たる冷却部４と、観測面８に周囲の気体中の凝集成分が凝集したことを検出する凝集検出手段たるフォトカプラ７と、上記観測面８の温度を測定する温度測定手段たる温度測定部５とを備え、フォトカプラ７が、観測面８に周囲の気体中の凝集成分が凝集したことを検出したとき、上記温度測定部により上記観測面８の温度を測定することで、気体の露点を測定する。そして、この湿度センサは、既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質６と、温度の変化に伴って上記相変化物質６の相転移が起きたことを検出する相転移検出手段と、相転移が起きたことを相転移検出手段が検出したときの上記温度測定手段の温度を、既知の上記相転移温度とする温度較正を行う温度較正手段（回路基板１Ｂなどで構成）とを備えている。これにより、上述したように、温度を簡単な構成で較正することができ、コストを抑えることができ、かつ、高い精度を維持することのできる。
As described above, the humidity sensor equipped with the aggregation temperature measuring device of the present embodiment detects that the aggregation component in the surrounding gas has aggregated on the
また、上記相変化物質６は、国際温度目盛ＩＴＳ−９０に定義されている物質であるので、精度の高い温度キャリブレーションを行うことができる。
Further, since the
また、本実施形態の湿度センサにおいては、冷却部４は、ぺルチェ効果を有する熱電変換材料４ｃと一対の電極４ａ、４ｂとで構成されており、少なくとも、上記冷却部４、上記温度測定部５および上記相変化物質６を同一の基板に集積させている。このように、基板に集積させることにより、冷却部４を含めた温度測定部５の熱容量を小さくすることができる。これにより、温度測定部５の温度をすばやく観測面８の温度と同じにすることができ、観測面８に凝集が生じた直後に温度測定部で測定した温度を、ほぼ観測面８と同じにすることができる。その結果、正確な露点を計測することができる。また、観測面８をすばやく冷却することができ、迅速に露点を計測することができる。
Moreover, in the humidity sensor of this embodiment, the
また、基板１は、ベース材２上に積層された絶縁層３ａが設けられており、絶縁層３ａに上記ベース材２と接していない非接触領域を設け、上記非接触領域に、上記冷却部４の観測面８の真下に配置され、観測面８を冷却する冷却電極４ａと、上記温度測定部５と、上記相変化物質６とを配置した。これにより、上記冷却電極４ａ、上記温度測定部５、上記相変化物質６が配置された領域（以下、検知領域という）の熱容量を少なくすることができる。これにより、より一層正確な露点を計測することができ、迅速な露点計測を行うことができる。
In addition, the
また、温度測定部５を観測面８に隣接配置することにより、観測面８に凝集が生じたときの観測面８の温度と温度測定部５の温度とをほぼ同じにすることができ、観測面８に凝集が生じたことを検知した段階で露点を計測することができ、より一層正確な露点を計測することができる。
Further, by arranging the
また、上記温度測定部５は、リング状であって、上記温度測定部５、上記冷却部４の順に同心円状に配置した。熱は、等方的に伝播するので、同心円状に配置することにより、均一な温度分布にすることができ、より正確な露点計測を行うことができる。
The
また、上記冷却部４、上記温度測定部５の周囲を絶縁材で覆う上記表面保護膜を設けることで、冷却部４や温度測定部５の化学的劣化などを抑制することができる。
Further, by providing the surface protective film that covers the periphery of the
また、上記相変化物質６を加熱する加熱手段たる加熱部１１を設けたことにより、所定のタイミングで、相変化物質の相転移をさせて、温度キャリブレーションを行うことができる。
In addition, by providing the
また、相変化物質６を上記加熱部１１に隣接配置することにより、効率よく相変化物質６を加熱することができ、迅速な温度キャリブレーションを行うことができる。具体的には、相変化物質６と上記加熱部１１とを積層させたり、相変化物質と上記か熱部１１とを並列に配置したりする。
In addition, by arranging the
また、加熱部１１は、リング状であって、相変化物質６を、上記リング状加熱部１１と同心円となるように配置することにより、相変化物質６を均一に加熱することができる。
The
また、相変化物質６を、上記加熱部１１の円周内に配置することで相変化物質６を最小面積に高密度集合させることができ、相変化物質６を必要最小量の熱量で迅速に相転移温度にまで加熱することができる。
Further, by arranging the
また、加熱部に隣接する箇所に上記相変化物質を分散配置することにより、各相変化物質の熱容量を少なくすることができ、迅速に相変化物質６相転移温度にまで加熱することができる。 In addition, by dispersing and arranging the phase change materials in locations adjacent to the heating unit, the heat capacity of each phase change material can be reduced, and the phase change material can be rapidly heated to the 6-phase transition temperature.
また、互いに異なる２種類以上の相変化物質を分散配置することにより、温度測定部の温度依存性を求めることができ、高精度の温度キャリブレーションを行うことができる。また、温度依存性の関数を求めるので、未知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の抵抗体材料を用いることができる。 Further, by dispersing and arranging two or more kinds of phase change substances different from each other, the temperature dependence of the temperature measurement unit can be obtained, and highly accurate temperature calibration can be performed. In addition, since a temperature-dependent function is obtained, a resistor material having an unknown resistance temperature coefficient (TCR) can be used.
また、上記温度測定部５は、温度依存性を有する抵抗体であって、上記温度測定部５を、上記加熱手段として用いることにより、加熱手段と温度測定部とを別々に設けた場合に比べて、基板の熱容量を少なくすることができる、これにより、迅速の相変化物質を加熱することができる。
The
また、上記冷却部４の電極のいずれか一方を、加熱手段として用いてもよい。これにより、加熱手段と冷却部とを別々に設けた場合に比べて、基板の熱容量を少なくすることができる、これにより、迅速の相変化物質を加熱することができる。
Moreover, you may use either one of the electrodes of the said
また、相変化物質６を加熱するときは上記熱電変換材料に流す電流の向きを、上記観測面を冷却するときの上記熱電変換材料に流す電流の向きと異ならせる。これにより、相変化物質を加熱するときは、基板を冷却する冷却電極４ａで加熱することができる。凝集温度計測装置においては、観測面の温度を計測するため、温度測定部５と冷却電極４ａとは、近接配置されているので、結果的に、温度測定部５と相変化物質とが近接配置される。よって、相変化物質が相変位したとき、温度測定部５の温度もほぼ相変化物質の相転移温度にでき、精度の高い温度キャリブレーションを実現できる。
Further, when the
また、加熱手段の加熱温度を、上記相転移物質の相転移温度付近にすることにより、無駄な電力消費を抑えることができる。 Moreover, wasteful power consumption can be suppressed by setting the heating temperature of the heating means to be close to the phase transition temperature of the phase change material.
また、凝集検知手段として、フォトカプラ７を用いることにより、観測面の結露に光が当たると拡散して、受光部の受光量が減るので、観測面に凝集が生じたことを精度よく検知することができる。
Further, by using the
また、受光手段たる受光部７ｂは、上記観測面８からの透過光を受光するものであって、上記冷却部４と、上記温度測定部５と、上記相変化物質６と、が集積された第１基板たる検知基板１Ａと対向するように、上記発光手段たる発光部７ａを備えた第２基板たる発光基板７２を配置し、上記検知基板１Ａの上記発光基板７２と対向する面と反対側の面と対向するように、上記受光部７ｂを備えた第３基板たる受光基板７１を配置して、上記検知基板１Ａ、上記発光基板７２、上記受光基板を重ね合わせて一体化した。このように一体化することによって、発光部７ａの光を精度よく観測面８に照射させることができ、精度の高い凝集の検出を行うことができる。
The
また、上記検知基板１Ａに上記発光手段と上記受光手段とを設けてもよい。このような構成でも、発光部７ａの光を精度よく観測面８に照射させることができ、精度の高い凝集の検出を行うことができる。さらに、上記検知基板１Ａ、上記発光基板７２、上記受光基板を重ね合わせて一体化する場合のように各基板の取り付け誤差などが生じることがないので、各基板を重ね合わせて一体化するものに比べて、さらに精度よく観測面８に光を照射することができる。
Further, the light emitting means and the light receiving means may be provided on the
また、上記発光部７ａから出射された光が、上記観測面８に対して平行に横切って、受光部７ｂに入射するよう、上記発光部７ａおよび上記受光部７ｂを、上記基板の観測面８と同一の面に設けた。これにより、観測面８に凝集が生じると、発光部７ａから照射した光が観測面８の凝集物に当って散乱することで、受光部７ｂに入射する光量が減って、凝集を検知することができる。また、発光部７ａの光の出射面と基板とが垂直となるような発光部を取り付ければよいのので、上記出射面と基板とを９０°以外の角度となるように基板に取り付ける場合に比べて、容易に精度よく発光部を基板に取り付けることができる。また、同様に、受光部も、受光面が基板に対して垂直となるように取り付ければよいので、上記受光面と基板とを９０°以外の角度となるように基板に取り付ける場合に比べて、容易に精度よく受光部を基板に取り付けることができる。
Further, the
また、受光部７ｂは上記観測面８からの反射光を受光するものであって、発光部７ａから出射された光を反射して上記観測面８に入射させ、観測面８から反射した光を反射して上記受光部７ｂに入射させるための空洞部を上記基板に設けた。これにより、基板に設けた発光部からの光を記観測面８に入射させ、観測面８から反射した光を反射して上記受光部７ｂに入射させることができる。
The
また、基板に対向配置し、上記発光部７ａから出射された光を反射して上記観測面８に入射させ、観測面から反射した光を反射して上記受光手段に入射させるための反射部材７００を設けてもよい。このように構成しても、基板に設けた発光部からの光を記観測面８に入射させ、観測面８から反射した光を反射して上記受光部７ｂに入射させることができる。
Further, a reflecting
また、上記光が反射する面を平面にすることによって反射効率を高めることができる。これにより、凝集が生じてないの受光部に入射する光量を増やすことができ、凝集が生じたときの受光量の変化を大きくすることができ、感度のよく凝集を検知することができる。 Further, the reflection efficiency can be increased by making the surface on which the light is reflected flat. As a result, it is possible to increase the amount of light incident on the light receiving portion where no aggregation occurs, to increase the change in the amount of received light when aggregation occurs, and to detect aggregation with high sensitivity.
また、中心から上記相変化物質、上記温度測定部、上記冷却部の順に同心円状に配置されており、上記発光部は、上記同心円の中心と対向する位置に配置され、上記受光部は、上記冷却部より円周外側の部分に対向するように、同心円状に複数配置されており、上記空洞部を、上記同心円の中心を中心とする環状形状とした。これにより、中心部に配置された発光部からの光を、均一に拡散することができ、円周状の観測面に均一に光を照射することができる。そして、同心円状に配置された複数の受光部で、観測面全体の反射光量を受光することで、観測面全体で、凝集したか否かを検知することができ、凝集の検知精度を高めることができる。 Further, the phase change material, the temperature measuring unit, and the cooling unit are arranged concentrically in this order from the center, the light emitting unit is arranged at a position facing the center of the concentric circle, and the light receiving unit is A plurality of concentric circles are arranged so as to face the outer circumferential portion of the cooling portion, and the hollow portion has an annular shape centered on the center of the concentric circle. Thereby, the light from the light emission part arrange | positioned in the center part can be spread | diffused uniformly, and a circumferential observation surface can be irradiated with light uniformly. And by receiving the amount of reflected light from the entire observation surface with a plurality of light receiving sections arranged concentrically, it is possible to detect whether the observation surface has aggregated or not, and increase the detection accuracy of aggregation. Can do.
また、受光部と上記発光部とを、基板の上記冷却部４、上記温度測定部５、上記相変化物質６が集積された面と同一の面に設けることにより、電気絶縁層などの処理を片面のみに施せばよいので、湿度センサを安価に製造することが可能となる。
Further, by providing the light receiving unit and the light emitting unit on the same surface as the surface on which the
また、発光部と受光部とを、基板の上記冷却部４、上記温度測定部５、上記相変化物質６が集積された面と反対側の面に設けることで、基板の上記冷却部４、上記温度測定部５、上記相変化物質６が集積された面と同一の面に設けた場合に比べて、各部を配置するための自由度を高めることができる。
Further, by providing the light emitting unit and the light receiving unit on the surface of the substrate opposite to the surface on which the
また、相転移の検出は、上記温度測定部が測定した温度変化に基づいて、相転移が起きたことを検出する。相変化物質が相変化すると、吸熱作用が生じたり、熱容量が小さくなったりするので、相変化するとき、温度変化が相変化前と異なる。よって、温度変化を監視することにより、精度よく相転移を検知することができる。 The phase transition is detected by detecting the occurrence of the phase transition based on the temperature change measured by the temperature measuring unit. When the phase change material undergoes a phase change, an endothermic effect occurs or the heat capacity decreases, so when the phase changes, the temperature change differs from that before the phase change. Therefore, the phase transition can be detected with high accuracy by monitoring the temperature change.
また、上記相変化物質に積層させた圧電体を設け、圧電効果に基づいて、相転移が起きたことを検出するようにしてもよい。具体的には、相変化物質の圧電体に対する応力変化や、圧電体を振動させて、相変化物質の固有振動数の変化検知することで、相転移を検知する。相変化物質が相転移すると、体積が増加したり、液体や気体となって剛性が変化したりするので、圧電体に加わる応力が変化する。よって、相変化物質の圧電体に対する応力変化を監視することによって、精度よく相転移を検知することができる。また、相変化すると、固有振動数が変化するので、圧電体を振動させて、相変化物質の固有振動数の変化検知することで、精度よく相転移を検知することができる。 Further, a piezoelectric body laminated on the phase change material may be provided, and the occurrence of phase transition may be detected based on the piezoelectric effect. Specifically, the phase transition is detected by detecting a change in stress of the phase change material with respect to the piezoelectric body and a change in the natural frequency of the phase change material by vibrating the piezoelectric body. When the phase change material undergoes a phase transition, the volume increases, or the rigidity changes as a liquid or gas, so that the stress applied to the piezoelectric body changes. Therefore, the phase transition can be detected with high accuracy by monitoring the stress change of the phase change material to the piezoelectric body. Moreover, since the natural frequency changes when the phase changes, the phase transition can be accurately detected by vibrating the piezoelectric body and detecting the change in the natural frequency of the phase change material.
また、相変化物質として導電性材料を用いた場合は、相変化物質の電気特性とおしての抵抗の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することもできる。相変化することにより抵抗が変化するので、相変化物質に一定の電流を流して抵抗の変化を監視することで、精度よく相転移を検知することができる。 In addition, when a conductive material is used as the phase change substance, it can be detected that a phase transition has occurred based on a change in resistance through the electrical characteristics of the phase change substance. Since the resistance changes due to the phase change, it is possible to detect the phase transition with high accuracy by monitoring the change in resistance by passing a constant current through the phase change material.
また、この場合、相転移物質に接続し、上記相変化物質の電気特性の変化を検出するための検出リード線を、相変化物質と同一の材料で構成することで、相変化物質と検出リード線とを別々の材料で構成する場合に比べて、製造工程を簡単にすることができる。 In this case, the phase change material and the detection lead are connected to the phase change material, and the detection lead wire for detecting the change in the electrical characteristics of the phase change material is made of the same material as the phase change material. The manufacturing process can be simplified as compared with the case where the wires are made of different materials.
また、相変化物質の通電状態に基づいて、相転移が起きたことを検出することもできる。具体的には、相変化前は、検出リード間で相変化物質を接続させて通電状態にしておく。そして、相変化して相変化物質が液体となったら、表面張力により検出リード間の通電が切れるように構成することにより、相転移が起きたことを検出することができる。 It is also possible to detect that a phase transition has occurred based on the energized state of the phase change material. Specifically, before the phase change, the phase change substance is connected between the detection leads and is in an energized state. When the phase change material becomes liquid after the phase change, it is possible to detect that the phase transition has occurred by configuring so that the energization between the detection leads is cut off by the surface tension.
また、上記とは、逆に相変化前は、相変化物質を分離配置して、検出リード間で非通電の状態にしておき、相変化して相変化物質が液体となったら、濡れ性により、相変化物質同士がくっつき、検出リード間で通電するように構成することでも、相転移が起きたことを検出することができる。 On the contrary, before the phase change, the phase change material is separated and placed in a non-energized state between the detection leads.If the phase change and the phase change material becomes liquid, the wettability It is also possible to detect the occurrence of the phase transition by configuring the phase change substances to adhere to each other and energize between the detection leads.
さらには、相変化物質が、光透過性または光反射性である場合は、上記相変化物質の光学特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することもできる。また、この場合は、凝集を検知するフォトカプラを用いて、相変化物質の相変化を検知することができ、部品点数を削減することができ、安価に湿度センサを提供することができる。 Furthermore, when the phase change material is light-transmitting or light-reflecting, it can also be detected that a phase transition has occurred based on a change in the optical properties of the phase change material. In this case, the phase change of the phase change substance can be detected using a photocoupler that detects aggregation, the number of parts can be reduced, and a humidity sensor can be provided at low cost.
また、観測面の下に相変化物質を設けることにより、発光部の光を観測面に集光することができ、受光部に入射する光量を増やすことができる。これにより、検出感度を高めることができ、精度の高い凝集検知および相変化検知を行うことができる。 Further, by providing a phase change material below the observation surface, the light from the light emitting unit can be condensed on the observation surface, and the amount of light incident on the light receiving unit can be increased. Thereby, detection sensitivity can be improved and highly accurate aggregation detection and phase change detection can be performed.
また、相変化物質を絶縁材で覆うことにより、相変化物質の化学的変化などを抑制することができ、相転移温度が変化してしまうのを抑制することができる。これにより、長期にわたり安定した温度キャリブレーションを行うことができる。 Further, by covering the phase change material with an insulating material, chemical change of the phase change material can be suppressed, and the change of the phase transition temperature can be suppressed. Thereby, stable temperature calibration can be performed over a long period of time.
また、上記冷却部４と、上記温度測定部と、上記相変化物質とを備えた露点検出部を複数設けたので、一方の露点検出部で露点を検出した後も、他方の露点検出部については、観測面に凝集（結露）が生じていないので、一方の露点検出部で露点を検出した直後に、他方の露点検出部で露点の計測が可能となる。これにより、高頻度な露点計測を行うことができる。
In addition, since a plurality of dew point detection units provided with the
また、各露点検出部の熱容量を同じに構成し、これら露点検出部の温度測定部でブリッジ回路を構成した。これにより、温度キャリブレーション中の雰囲気温度の変動の影響を無くすことができ、精度よく、相転移を検出することができる。 Moreover, the heat capacity of each dew point detection part was comprised equally, and the bridge circuit was comprised by the temperature measurement part of these dew point detection parts. Thereby, the influence of the fluctuation of the atmospheric temperature during the temperature calibration can be eliminated, and the phase transition can be detected with high accuracy.
また、少なくとも上記温度測定部から信号を受信して、温度を演算する演算回路、および、上記温度較正手段を備えた回路部を、冷却部４、温度測定部５および相変化物質を備えた基板に設けたので、温度測定部と回路部との配線長を短くでき、ノイズを受け難く高精度に温度測定できる。
In addition, a circuit unit including at least a signal received from the temperature measurement unit and calculating a temperature, and a circuit unit including the temperature calibration unit, the
また、気体特性測定装置としての湿度センサは、観測面の周囲の気体温度を上記温度測定部で測定した後、露点を測定することで、周囲の気体の温度を測定するときに、観測面を冷却する冷却部の影響を受けることができない。よって精度よく雰囲気温度を測定することができる。 In addition, the humidity sensor as a gas characteristic measurement device measures the temperature of the surrounding gas when measuring the temperature of the surrounding gas by measuring the dew point after measuring the temperature of the gas around the observation surface with the temperature measuring unit. It cannot be affected by the cooling part to be cooled. Therefore, the atmospheric temperature can be measured with high accuracy.
また、周囲の気体の温度を測定する気体温度測定手段を設けたことで、基板の温度が周囲温度と平衡な状態になるのを待たずに、周囲温度の測定が可能となる。これにより、頻繁な湿度測定を行うことができる。 Further, by providing the gas temperature measuring means for measuring the temperature of the surrounding gas, it is possible to measure the ambient temperature without waiting for the substrate temperature to be in equilibrium with the ambient temperature. Thereby, frequent humidity measurement can be performed.
また、上記では、本発明の露点計測装置を、湿度センサに適用したが、気体の密度を測定する装置や、気体成分の分圧を測定する装置などに本発明の露点計測装置を用いることができる。 In the above, the dew point measuring device of the present invention is applied to the humidity sensor. However, the dew point measuring device of the present invention is used for a device for measuring the density of gas, a device for measuring the partial pressure of a gas component, or the like. it can.
１Ａ：検知基板
１Ｂ：回路基板
１ｂ：回路領域
２：ベース材
３ａ，３ｂ：電気絶縁層
４：冷却部
４ａ：冷却電極
４ｂ：放熱電極
４ｃ：熱電変換材料
５：温度測定部
６：相変化物質
７：フォトカップラ
７：フォトカプラ
７ａ：発光部
７ｂ：受光部
８：観測面
１１：加熱部
２０：空洞部
２０ａ：内壁
２０ｂ：外壁
２１：芯部
６１：対向電極
６２：圧電材料層
７１：受光基板
７２：発光基板
７５：ケース
１００：湿度センサ
２００ａ：冷却部側壁面
２００ｂ：加熱部側壁面
７００：反射部材
DESCRIPTION OF
Claims (51)
上記観測面に周囲の気体中の特定成分が凝集したことを検出する凝集検出手段と、
上記観測面の温度を測定する温度測定手段とを備え、
上記凝集検出手段が、観測面に周囲の気体中の特定成分が凝集したことを検出したとき、上記温度測定手段により上記観測面の温度を測定することで、気体の露点を測定する露点計測装置において、
既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質と、
温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する相転移検出手段と、
相転移が起きたことを相転移検出手段が検出したときの上記温度測定手段の検知結果を、既知の上記相転移温度とする温度較正を行う温度較正手段と、
上記相変化物質を加熱する加熱手段とを備え、
少なくとも、上記冷却手段、上記温度測定手段、上記相変化物質および上記加熱手段を同一の基板に設けたことを特徴とする露点計測装置。 A cooling means for cooling the observation surface;
Aggregation detection means for detecting that a specific component in the surrounding gas has aggregated on the observation surface;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the observation surface,
A dew point measuring device that measures the dew point of the gas by measuring the temperature of the observation surface by the temperature measurement means when the aggregation detection means detects that a specific component in the surrounding gas has aggregated on the observation surface. In
At least one phase change material having a known phase transition temperature;
A phase transition detection means for detecting that the phase transition of the phase change material has occurred with a change in temperature;
Temperature calibration means for performing temperature calibration with the detection result of the temperature measurement means when the phase transition detection means detects that a phase transition has occurred as the known phase transition temperature ;
Heating means for heating the phase change material ,
A dew point measuring apparatus , wherein at least the cooling means, the temperature measuring means, the phase change material, and the heating means are provided on the same substrate .
上記相変化物質は、国際温度目盛ＩＴＳ−９０に定義されている物質であることを特徴する露点計測装置。 In the dew point measuring device according to claim 1,
The dew point measuring device, wherein the phase change material is a material defined in International Temperature Scale ITS-90.
上記冷却手段は、ぺルチェ効果を有する熱電変換材料と一対の電極とで構成されていることを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to claim 1 or 2,
It said cooling means, the dew point measuring device comprising a formed of the thermoelectric conversion material and a pair of electrodes Iruko having Peltier effect.
上記基板は、ベース材上に積層された絶縁層が設けられており、
上記絶縁層に上記ベース材と接していない非接触領域を設け、上記非接触領域に、上記冷却手段の観測面の真下に配置され、観測面を冷却する冷却電極と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とを配置したことを特徴する露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus of Claim 3,
The substrate is provided with an insulating layer laminated on a base material,
A non-contact region that is not in contact with the base material is provided in the insulating layer, the cooling electrode disposed in the non-contact region directly below the observation surface of the cooling unit, and cooling the observation surface, and the temperature measurement unit, A dew point measuring device, wherein the phase change material is arranged.
上記温度測定手段を上記観測面に隣接配置したことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to claim 3 or 4,
A dew point measuring apparatus, wherein the temperature measuring means is disposed adjacent to the observation surface.
上記温度測定手段は、リング状であって、
上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置したことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus of Claim 5,
The temperature measuring means is ring-shaped,
A dew point measuring apparatus, wherein the temperature measuring means and the cooling means are arranged concentrically in this order.
上記冷却手段、上記温度測定手段の周囲を絶縁材で覆ったことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 6,
The cooling means, the dew point measuring apparatus according to claim in that Tsu covered with an insulating material around the temperature measuring means.
上記相変化物質を上記加熱手段に隣接配置したことを特徴とする露点計測装置。 In any of the dew point measuring apparatus 請 Motomeko 1 to 7,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material is disposed adjacent to the heating means.
上記相変化物質と上記加熱手段とを積層させたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 8 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material and the heating means are laminated.
上記相変化物質と上記加熱手段とを並列に配置したことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 8 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material and the heating means are arranged in parallel.
上記加熱手段は、リング状であって、
上記相変化物質を、上記リング状加熱手段と同心円となるように配置したことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 10 ,
The heating means is ring-shaped,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material is arranged so as to be concentric with the ring-shaped heating means.
上記相変化物質を、上記加熱手段の円周内に配置したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 11 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material is disposed within a circumference of the heating means.
上記加熱手段に隣接する箇所に上記相変化物質を分散配置したことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 12 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the phase change material is dispersedly arranged at a location adjacent to the heating means.
互いに異なる２種類以上の相変化物質を分散配置したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 13 ,
2. A dew point measuring device in which two or more different phase change substances are dispersedly arranged.
上記温度測定手段は、温度依存性を有する抵抗体であって、
上記温度測定手段を、上記加熱手段として用いたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 14 ,
The temperature measuring means is a resistor having temperature dependence,
A dew point measuring apparatus using the temperature measuring means as the heating means.
上記温度測定手段を発熱させるための一対の発熱用リード線と、温度を測定するための一対の測定用リード線とをそれぞれ上記温度測定手段に接続したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 15 ,
A dew point measuring apparatus, wherein a pair of heating lead wires for heating the temperature measuring means and a pair of measuring lead wires for measuring temperature are connected to the temperature measuring means, respectively.
上記冷却手段は、ペルチェ効果を有する熱電変換材料と一対の電極とで構成された冷却手段を備え、上記電極のいずれか一方を、加熱手段として用いたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 14 ,
The dew point measuring apparatus, wherein the cooling means includes a cooling means including a thermoelectric conversion material having a Peltier effect and a pair of electrodes, and any one of the electrodes is used as a heating means.
上記相変化物質を加熱するときは上記熱電変換材料に流す電流の向きを、上記観測面を冷却するときの上記熱電変換材料に流す電流の向きと異ならせたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 17 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the direction of the current flowing through the thermoelectric conversion material when the phase change substance is heated is different from the direction of the current flowing through the thermoelectric conversion material when the observation surface is cooled.
上記加熱手段の加熱温度を、上記相転移物質の相転移温度付近にしたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 18 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the heating temperature of the heating means is set in the vicinity of the phase transition temperature of the phase change material.
上記凝集検出手段は、上記鏡面状の観測面に光を照射する発光手段と、上記観測面からの反射光あるいは透過光を受光する受光手段とを備え、
上記受光手段に入射する光量に基づいて、上記観測面に周囲の気体中の凝集成分が凝集したことを検知することを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring device according to any one of claims 1 to 19 ,
The aggregation detection means includes a light emitting means for irradiating the mirror-like observation surface with light, and a light receiving means for receiving reflected light or transmitted light from the observation surface,
A dew point measuring apparatus for detecting, based on the amount of light incident on the light receiving means, that aggregating components in surrounding gas are aggregated on the observation surface.
上記受光手段は、上記観測面からの透過光を受光するものであって、
上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質と、が集積された第１基板と対向するように、上記発光手段を備えた第２基板を配置し、
上記第１基板の上記第２基板と対向する面と反対側の面と対向するように、上記受光手段を備えた第３基板を配置して、上記第１基板、上記第２基板、上記第３基板を重ね合わせて一体化したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 20 ,
The light receiving means receives transmitted light from the observation surface,
A second substrate having the light emitting means is disposed so as to face the first substrate on which the cooling means, the temperature measuring means, and the phase change material are integrated;
A third substrate provided with the light receiving means is disposed so as to face the surface opposite to the surface facing the second substrate of the first substrate, and the first substrate, the second substrate, the first substrate, and the like. A dew point measuring device characterized in that three substrates are stacked and integrated.
上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とが集積された基板に、上記発光手段と上記受光手段を設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 20 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the light emitting means and the light receiving means are provided on a substrate on which the cooling means, the temperature measuring means, and the phase change material are integrated.
上記発光手段から出射された光が、上記観測面に対して平行に横切って、受光手段に入射するよう、上記発光手段および上記受光手段を、上記基板の観測面と同一の面に設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 22 ,
The light emitting means and the light receiving means are provided on the same plane as the observation surface of the substrate so that the light emitted from the light emitting means is incident on the light receiving means in a direction parallel to the observation surface. Dew point measuring device characterized by.
上記受光手段は上記観測面からの反射光を受光するものであって、
上記発光手段から出射された光を反射して上記観測面に入射させ、観測面から反射した光を反射して上記受光手段に入射させるための空洞部を上記基板に設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 22 ,
The light receiving means receives reflected light from the observation surface,
The substrate is provided with a cavity for reflecting the light emitted from the light emitting means to be incident on the observation surface and reflecting the light reflected from the observation surface to be incident on the light receiving means. Dew point measuring device.
上記受光手段は上記観測面からの反射光を受光するものであって、
上記基板に対向配置し、上記発光手段から出射された光を反射して上記観測面に入射させ、観測面から反射した光を反射して上記受光手段に入射させるための反射部材を、設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 22 ,
The light receiving means receives reflected light from the observation surface,
A reflecting member is provided so as to face the substrate and reflect the light emitted from the light emitting means to be incident on the observation surface and reflect the light reflected from the observation surface to be incident on the light receiving means. A dew point measuring device characterized by that.
上記光が反射する面を平面にしたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 24 or 25 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the light reflecting surface is flat.
上記光が反射する反射面を、上記受光手段へ光が集光するように曲面にしたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 24 or 25 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the reflecting surface on which the light is reflected is curved so that the light is condensed on the light receiving means.
上記受光手段と上記発光手段とを、基板の上記冷却手段、上記温度測定手段、上記相変化物質が集積された面と同一の面に設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 24 to 27 ,
The dew point measuring apparatus, wherein the light receiving means and the light emitting means are provided on the same surface as the surface on which the cooling means, the temperature measuring means, and the phase change material are integrated.
中心から上記相変化物質、上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置されており、
上記発光手段は、上記同心円の中心に配置され、
上記受光手段は、上記冷却手段より円周外側に、同心円状に複数配置されており、
上記空洞部を、上記同心円の中心を中心とする環状形状としたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device of claim 28 ,
From the center, the phase change material, the temperature measuring means, and the cooling means are arranged concentrically in this order,
The light emitting means is disposed at the center of the concentric circle,
A plurality of the light receiving means are arranged concentrically outside the circumference of the cooling means,
The dew point measuring device, wherein the hollow portion has an annular shape centered on the center of the concentric circle.
上記発光手段と上記受光手段とを、基板の上記冷却手段、上記の温度測定手段、上記相変化物質が集積された面と反対側の面に設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 24 ,
A dew point measuring apparatus, wherein the light emitting means and the light receiving means are provided on a surface of the substrate opposite to the surface on which the cooling means, the temperature measuring means, and the phase change material are integrated.
中心から上記相変化物質、上記温度測定手段、上記冷却手段の順に同心円状に配置されており、
上記発光手段は、上記同心円の中心と対向する位置に配置され、
上記受光手段は、上記冷却手段より円周外側の部分に対向するように、同心円状に複数配置されており、
上記空洞部を、上記同心円の中心を中心とする環状形状としたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 30 ,
From the center, the phase change material, the temperature measuring means, and the cooling means are arranged concentrically in this order,
The light emitting means is disposed at a position facing the center of the concentric circles,
A plurality of the light receiving means are arranged concentrically so as to face the outer circumferential part of the cooling means,
The dew point measuring device, wherein the hollow portion has an annular shape centered on the center of the concentric circle.
上記相転移検出手段は、上記温度測定手段が測定した温度変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 1 to 31 ,
The phase transition detecting means, based on the temperature change of the upper Symbol temperature measuring means to measure the dew point measuring apparatus characterized by detecting that the phase transition occurs.
上記相転移検出手段は、上記相変化物質に積層させた圧電体を有し、圧電効果に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 1 to 31 ,
The dew point measuring device, wherein the phase transition detection means includes a piezoelectric body laminated on the phase change material, and detects that a phase transition has occurred based on a piezoelectric effect.
上記相転移検出手段は、上記相変化物質の圧電体に対する応力変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device of claim 33 ,
The dew point measuring device, wherein the phase transition detection means detects that a phase transition has occurred based on a stress change of the phase change material with respect to the piezoelectric body.
上記圧電体を振動させて、上記相変化物質の固有振動数の変化を検知することで、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device of claim 33 ,
A dew point measuring apparatus for detecting that a phase transition has occurred by vibrating the piezoelectric body and detecting a change in the natural frequency of the phase change material.
上記相変化物質は、導電性であって、
上記相転移検出手段は、上記相変化物質の電気特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 1 to 31 ,
The phase change material is conductive,
The dew point measuring device, wherein the phase transition detection means detects that a phase transition has occurred based on a change in electrical characteristics of the phase change material.
上記相変化物質に接続し、上記相変化物質の電気特性の変化を検出するための検出リード線を、相変化物質と同一の材料で構成したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 36 ,
A dew point measuring apparatus, wherein a detection lead wire connected to the phase change material and detecting a change in electrical characteristics of the phase change material is made of the same material as the phase change material.
上記相変化物質は、導電性であって、
上記相転移検出手段は、上記相変化物質の通電状態に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 1 to 31 ,
The phase change material is conductive,
The dew point measuring device, wherein the phase transition detecting means detects that a phase transition has occurred based on an energized state of the phase change material.
上記相転移検出手段は、上記相変化物質によって通電状態に構成しておき、相変化物質が相変化すると、非通電となるよう構成したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device of claim 38 ,
The dew point measuring device, wherein the phase transition detection means is configured to be energized by the phase change material, and is deenergized when the phase change material undergoes a phase change.
上記相転移検出手段は、上記相変化物質を分離させて、非通電に構成しており、相変化物質が相変化すると、上記相変化物質が結合して通電となるよう構成したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device of claim 38 ,
The phase transition detection means is configured to separate the phase change material and de-energize, and when the phase change material undergoes a phase change, the phase change material is coupled and energized. Dew point measuring device.
上記相変化物質は、光透過性または光反射性であり、
上記相転移検出手段は、上記相変化物質の光学特性の変化に基づいて、相転移が起きたことを検出することを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 1 to 31 ,
The phase change material is light transmissive or light reflective,
The dew point measurement device, wherein the phase transition detection means detects that a phase transition has occurred based on a change in optical characteristics of the phase change material.
上記凝集検出手段は、上記観測面に光を照射する発光手段と、上記観測面からの反射光あるいは透過光を受光する受光手段とを備え、
上記凝集検出手段を、上記相転移検出手段として用いたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point meter side device according to claim 41 ,
The aggregation detection means includes a light emitting means for irradiating the observation surface with light, and a light receiving means for receiving reflected light or transmitted light from the observation surface,
A dew point measurement apparatus using the aggregation detection means as the phase transition detection means.
上記観測面の下に相変化物質を設けたことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 42 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that a phase change material is provided under the observation surface.
上記相変化物質の周囲を絶縁材で覆ったことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to any one of claims 32 to 37 and 41 to 43 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the periphery of the phase change material is covered with an insulating material.
少なくとも上記冷却手段と、上記温度測定手段と、上記相変化物質とを備えた露点検出部を、複数設けたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 44 ,
A dew point measuring apparatus comprising a plurality of dew point detecting units each including at least the cooling unit, the temperature measuring unit, and the phase change material.
各露点検出部の熱容量を同じに構成し、これら露点計測部の温度測定手段でブリッジ回路を構成したことを特徴とする露点計測装置。 The dew point measuring device according to claim 45 ,
A dew point measuring apparatus characterized in that the heat capacities of the dew point detecting units are the same, and a bridge circuit is configured by the temperature measuring means of these dew point measuring units.
少なくとも、上記温度測定手段からの信号を受信して、温度を演算する演算回路、および、上記温度較正手段を備えた回路部を、上記冷却手段、上記温度測定手段および相変化物質を備えた基板に設けたことを特徴とする露点計測装置。 In the dew point measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 46 ,
At least an arithmetic circuit that receives a signal from the temperature measuring unit and calculates a temperature, and a circuit unit that includes the temperature calibration unit, and a substrate that includes the cooling unit, the temperature measuring unit, and a phase change material. A dew point measuring device provided in
上記露点を測定する露点測定手段として、請求項１乃至４７いずれかの露点計測装置を用いたことを特徴とする気体特性測定装置。 In a gas characteristic measuring device that measures the characteristics of a gas based on the temperature of the gas and the dew point of the gas,
As the dew point measuring means for measuring the dew point, gas characteristic measuring apparatus characterized by using any of the dew point measuring apparatus according to claim 1 to 47.
上記観測面の周囲の気体温度を上記温度測定手段で測定した後、露点を測定することを特徴とする気体特性測定装置。 49. The gas characteristic measuring device according to claim 48 ,
A gas characteristic measuring apparatus for measuring a dew point after measuring a gas temperature around the observation surface by the temperature measuring means.
周囲の気体の温度を測定する気体温度測定手段を設けたことを特徴とする気体特性測定装置。 49. The gas characteristic measuring device according to claim 48 ,
A gas characteristic measuring apparatus comprising gas temperature measuring means for measuring the temperature of surrounding gas.
当該気体特性測定装置は、気体の特性として、気体中の凝集成分の割合、気体の密度、気体成分の分圧のうちいずれか一つを測定することを特徴とする気体特性測定装置。 In the gas characteristic measuring device according to any one of claims 48 to 50 ,
The gas characteristic measuring apparatus, the characteristics of the gas, the proportion of the aggregating component in the gas, gas density, gas characteristics measurement device and measuring any one of the partial pressures of the gas components.
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