JP6442767B2 - 水分濃度検出ユニット、及び水分濃度検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス中に含まれる水分を検出する水分濃度検出ユニット、及び該水分濃度検出ユニットを用いた水分濃度検出方法に関する。

一般的に、窒素やアルゴン等の工業ガスの製造プロセスでは、該工業ガスの品質を確保する上で、該工業ガスの純度を管理することが重要となる。
窒素やアルゴン等の工業ガスは、乾燥空気を原料とし、精留分離プロセスにより製造する。このため、従来、製造プロセスの不具合を監視する目的で、製造された工業ガス中に含まれる水分の濃度を測定することが行われている。
また、精留分離後の製品工業ガスにおいても、外気から水分等の不純物が混入する可能性があるため、ガスの純度を管理する上で、水分の濃度をモニターすることは極めて重要となる。

例えば、半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置では、プロセスの系内に残留する水分を除去するために、大量の不活性ガスを用いた置換処理が必要となる。
上記置換処理時には、プロセスの系内の水分濃度を適切に管理することで、過剰な不活性ガスの浪費を防ぐことが可能となる。

従来の湿度検出センサとして、例えば、特許文献１に開示された湿度検出センサ（静電容量センサ）がある。
特許文献１には、一対の電極、及び一対の電極間に配置された高分子膜よりなるセンサ本体が、基板に厚さ方向に貫通する少なくとも１個の貫通孔を有する基板の片面に配置された湿度検出センサが開示されている。
また、特許文献１には、一対の電極の材料として、金属等の導電材料を用いることや、高分子膜の材料として、電気絶縁性及び乾湿特性を有する有機高分子材料を用いることが開示されている。

特開２００２−３２８１１０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された湿度検出センサは、吸湿性の高い高分子膜を用いているため、例えば、試料を高濃度（例えば、１００ｐｐｍ以上）の水分含有ガスから低濃度（例えば、１０ｐｐｂ以下）の水分含有ガスに切り替えた場合において、センサ本体に吸着した高濃度の水分を速やかに脱離させることが困難であった。

このため、湿度検出センサの指示値が、現在測定中の水分含有ガスの水分濃度に対応する値になるまでに多くの時間を要し（言い換えれば、応答速度が遅いため）、その結果、水分濃度の検出感度の信頼性が低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、ガス中に含まれる水分濃度の検出感度の信頼性を向上させることの可能な水分濃度検出ユニット、及び水分濃度検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、ガス中に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度検出ユニットであって、光透過性を有するフィルタ、及び該フィルタの一面を覆う多孔性金属錯体よりなる多孔性金属錯体層を含む水分検出部と、前記フィルタの一面と接触する面とは反対側に位置する前記多孔性金属錯体層の一面に、特定波長の光を照射する光源と、前記多孔性金属錯体層の一面に、前記ガスを供給するガス供給用経路と、前記水分検出部を介して、前記光源と対向するように配置され、前記光源から照射され、かつ前記水分検出部を透過した透過光を受光し、該透過光の強度に応じた電圧を発生させる受光部と、前記電圧を計測する電圧計測部と、を有し、前記多孔性金属錯体は、金属、及び該金属と配位結合する有機配位子を含み、前記有機配位子は、下記一般式（１）〜（６）で示されるいずれかの構造を含むことを特徴とする水分濃度検出ユニットが提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記金属は、ＣｕまたはＣｏであることを特徴とする請求項１記載の水分濃度検出ユニットが提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記多孔性金属錯体は、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートであることを特徴とする請求項１または２記載の水分濃度検出ユニットが提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記光源から照射される前記光の波長は、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の水分濃度検出ユニットが提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の水分濃度検知ユニットを用いた水分濃度検出方法であって、前記光源を用いて、前記多孔性金属錯体層の一面に、前記特定波長の光を照射する工程と、前記光の照射を継続させた状態で、前記多孔性金属錯体層の一面に、前記水分を含んだ前記ガスを供給する工程と、前記受光部により、前記特定波長の光のうち、前記水分検出部を透過した前記透過光を受光するとともに、該透過光の強度に応じた電圧を発生させる工程と、前記電圧計測部により前記電圧を計測する工程と、を含むことを特徴とする水分濃度検出方法が提供される。

本発明によれば、ガス中に含まれる水分濃度の検出感度の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る水分濃度検出ユニットの概略構成を示す断面図である。 試料ガスに含まれる水分濃度と受光部の電圧出力値との関係を示す検量線のグラフである。 ガスの供給開始からの経過時間と受光部の電圧出力値との関係を示すグラフである。 多孔性金属錯体層に照射する光の波長と受光部の電圧出力値との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の水分濃度検出ユニットの寸法関係とは異なる場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る水分濃度検出ユニットの概略構成を示す断面図である。
図１を参照するに、本実施の形態の水分濃度検出ユニット１０は、光源１１と、光源位置規制部材１３と、電源１４と、第１の光ファイバ１６と、ガス経路内蔵部材１８と、ガス供給管２１と、水分検出部２３と、シール部材２４と、水分検出部固定部材２６と、第２の光ファイバ２８と、受光部固定部材３１と、受光部３３と、電圧計測部３５と、水分濃度算出部３６と、を有する。

光源１１は、第１の光ファイバ１６を介して、水分検出部２３に特定波長の光を照射する。光源１１としては、照射する光の波長を可変なものを用いるとよい。光源１１としては、例えば、ＬＥＤランプを用いることができる。
多孔性金属錯体層２３−２の材料として、例えば、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートを用いる場合、光源１１が照射する光の波長（特定波長）は、例えば、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の範囲内にするとよい。

光源１１が照射する光の波長が３５０ｎｍ未満であると、光源１１から照射され、水分検出部２３を透過した透過光の強度を受光部３３が受光した際、電圧を発生させることが困難となる可能性がある。
また、光源１１が照射する光の波長が６５０ｎｍよりも大きくなると、光源１１から照射され、水分検出部２３を透過した透過光の強度を受光部３３が受光した際、電圧を発生させることが困難となる可能性がある。
したがって、光源１１が照射する光の波長は、例えば、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の範囲内にすることで、受光部３３が透過光の強度に応じた電圧を出力することが可能となるので、受光部３３が出力する電圧値（電圧出力値）を用いて、ガスに含まれる水分濃度を算出することができる。

また、上記銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートを用いる場合、光源１１が照射する光の波長は、例えば、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下がより好ましい。光源１１が照射する光の波長を４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内とすることで、ガスに含まれる水分濃度をより精度良く算出することができる。

光源位置規制部材１３は、第１の光ファイバ１６の他端１６Ｂよりも下方に配置されている。光源位置規制部材１３は、固定用金具（図示せず）を介して、第１の光ファイバ１６の他端１６Ｂを固定している。
光源位置規制部材１３は、光源１１の外形に対応した貫通部１３Ａを有する。貫通部１３Ａは、光源位置規制部材１３の中央部に設けられている。貫通部１３Ａは、光源１１が水分検出部２３に特定波長の光を照射可能な状態で、光源１１の位置を規制している。光源１１は、光源位置規制部材１３の貫通部１３Ａに固定されている。
電源１４は、光源１１のプラス端子１１Ａ及びマイナス端子１１Ｂと電気的に接続されている。電源１４から電力が供給された際、光源１１は、特定波長の光を照射する。

第１の光ファイバ１６は、その一端１６Ａが水分検出部２３を構成する多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａと対向するように配置され、他端１６Ｂが光源１１と対向するように配置されている。
第１の光ファイバ１６は、所定の方向（水分検出部２３から光源１１に向かう方向）に延在している。第１の光ファイバ１６は、第１の部分３８と、第２の部分３９と、を有する。第１及び第２の部分３８，３９は、第１の光ファイバ１６の延在方向と同じ方向に延在している。

第１の部分３８は、円柱形状とされたコア部１６−１のみで構成されている。第１の部分３８は、第１の光ファイバ１６の延在方向に設けられた挿入穴４２、及び多孔性金属錯体層露出部４５に配置されている。
第２の部分３９は、コア部１６−１と、コア部１６−１の側面を覆うクラッド部１６−２と、で構成されている。第２の部分３９は、その一部が挿入穴４２に配置されており、残りの部分がガス経路内蔵部材１８の下方に配置されている。第１及び第２の部分３８，３９を構成するコア部１６−１は、一体とされている。

第１の光ファイバ１６の一端１６Ａは、コア部１６−１のみで構成されており、第１の光ファイバ１６の他端１６Ｂは、コア部１６−１及びクラッド部１６−２で構成されている。
第１の光ファイバ１６の一端１６Ａは、ガス経路内蔵部材１８の上面に対して面一とされている。第１の光ファイバ１６の他端１６Ｂを構成するコア部１６−１は、光源１１と対向するように配置されている。
第１の光ファイバ１６の他端１６Ｂを構成するクラッド部１６−２は、光源位置規制部材１３の上面に固定されている。

第１の光ファイバ１６を構成するコア部１６−１は、光源１１が照射する特定波長の光を伝送するとともに、伝送した該光を多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに照射する。
第１の光ファイバ１６を構成するコア部１６−１の直径は、例えば、０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。この場合、クラッド部１６−２の厚さは、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。

このように、一端１６Ａが水分検出部２３を構成する多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａと対向するように配置され、他端１６Ｂが光源１１と対向するように配置された第１の光ファイバ１６を設けることで、光源１１が照射した光を多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに効率良く照射させることができる。

ガス経路内蔵部材１８は、部材本体４１と、挿入穴４２と、ガス供給用経路４３と、多孔性金属錯体層露出部４５と、ガス排出用経路４６と、を有する。
部材本体４１は、柱状とされた部材である。部材本体４１の一面には、シール部材２４を介して、水分検出部２３が配置されている。部材本体４１の材料としては、例えば、ステンレス等を用いることができる。

挿入穴４２は、部材本体４１の下端側から部材本体４１の中心に延在するように配置された穴である。挿入穴４２の一端は、部材本体４１の下端から露出されている。
挿入穴４２は、第１の光ファイバ１６の延在方向と同じ方向に延在している。挿入穴４２には、第１及び第２の部分３８，３９の一部が挿入されている。挿入穴４２は、第２の部分３９の位置を規制している。挿入穴４２の直径は、例えば、第２の部分３９の直径と等しくなるように構成することができる。

ガス供給用経路４３は、挿入穴４２の外側に位置する部材本体４１の下部を貫通し、かつ挿入穴４２と交差するように配置されている。ガス供給用経路４３は、挿入穴４２と一体とされている。ガス供給用経路４３は、挿入穴４２に挿入された第１の光ファイバ１６のうち、第１の部分３８（言い換えれば、挿入穴４２よりも縮径されたコア部１６−１）を露出している。
ガス供給用経路４３には、水分を含んだガスが供給される。そして、ガス供給用経路４３に供給された該ガスは、第１の部分３８の延在方向に案内されることで、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給される。

多孔性金属錯体層露出部４５は、挿入穴４２上に位置する部材本体４１を貫通するように設けられた凹部である。多孔性金属錯体層露出部４５の上端は、部材本体４１の上面から露出されている。
多孔性金属錯体層露出部４５は、挿入穴４２の上端と一体に構成されている。多孔性金属錯体層露出部４５は、挿入穴４２よりも幅広形状とされている。多孔性金属錯体層露出部４５は、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａと対向するように配置されている。

ガス排出用経路４６は、多孔性金属錯体層露出部４５の外側に位置する部材本体４１の上部を貫通し、かつ多孔性金属錯体層露出部４５と交差するように設けられている。
ガス排出用経路４６は、多孔性金属錯体層露出部４５と一体とされている。ガス排出用経路４６は、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給されたガスを、多孔性金属錯体層露出部４５を介して、ガス経路内蔵部材１８の外側に排出するための経路である。

ガス供給管２１は、第１の部分３８との間に隙間を介在させることの可能な大きさとされた管状部材である。ガス供給管２１は、第２の部分３９よりも上方に位置する挿入部４２、及び多孔性金属錯体層露出部４５に配置されている。
ガス供給管２１は、挿入穴４２と略同じ外径とされており、挿入部４２に固定されている。ガス供給管２１は、第１の部分３８を収容している。ガス供給管２１の上端は、部材本体４１の上面に対して面一とされている。

ガス供給管２１と第１の部分３８との間には、第１の部分３８の延在方向に延在する環状空間５１が形成されている。ガス供給管２１は、ガス供給用経路４３と対向する部分に切欠き部２１Ａを有する。
切欠き部２１Ａは、ガス供給用経路４３に供給された水分を含むガスを環状空間５１にっ導くための導入部として機能する。また、環状空間５１は、ガス供給用経路４３に供給されたガスを、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに案内する経路として機能する。

第１の部分３８の直径が２ｍｍの場合、ガス供給管２１の内径としては、例えば、３ｍｍとすることができる。
ガス供給管２１としては、例えば、ステンレス製のチューブを用いることができる。

水分検出部２３は、フィルタ２３−１と、多孔性金属錯体層２３−２と、を有する。水分検出部２３は、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａが第１の光ファイバ１６の一端１６Ａ及び多孔性金属錯体層露出部４５と対向するとともに、シール部材２４を介して、部材本体４１の上面（言い換えれば、ガス経路内蔵部材１８の上面）に押圧されるように配置されている。

フィルタ２３−１は、多孔性金属錯体層２３−２が配置される一面２３−１ａを有する。フィルタ２３−１の一面２３−１ａは、第１の光ファイバ１６の一端１６Ａ及び多孔性金属錯体層露出部４５と対向するように配置されている。フィルタ２３−１は、光透過性を有する材料で構成されている。
フィルタ２３−１としては、例えば、波長が１００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を２０％以上透過させるものを用いることができる。
フィルタ２３−１としては、例えば、テフロン（登録商標）製メッシュを用いることができる。
フィルタ２３−１としてテフロン（登録商標）製メッシュを用いる場合、フィルタ２３−１の厚さは、例えば、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。

多孔性金属錯体層２３−２は、フィルタ２３−１の一面２３−１ａを覆うように配置されている。多孔性金属錯体層２３−２は、多孔性金属錯体（以下、「多孔性金属錯体Ａ」という）で構成されている。
多孔性金属錯体Ａは、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）であり、金属（以下、「金属Ｂ」という）と有機配位子（以下、「有機配位子Ｄ」という）とを含む。該金属有機構造体では、金属Ｂと有機配位子Ｄ（有機リガンド）とが相互作用することで、活性炭やゼオライトをはるかに超える高表面積を持つ多孔質の配位ネットワーク構造を有する。

金属Ｂ及び有機配位子Ｄは、架橋構造であるため、高いガス吸脱着性能を有する。また、該架橋構造により構成された骨格には、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の隙間が存在しており、当該隙間にガス分子が取り込まれる。
したがって、上記金属有機構造体を用いることで、上記隙間において、可逆的なガス分子の吸脱着を短時間で繰り返すことが可能となる。

有機配位子Ｄとしては、下記一般式（７）に示す構造とされたトリメシン酸、下記一般式（８）に示す構造とされたテレフタル酸、下記一般式（９）に示す構造とされたイミダゾール、下記一般式（１０）に示す構造とされた１,３,５-トリス（４-カルボキシフェニル）ベンゼン、下記一般式（１１）に示す構造とされた１,２,４,５-テトラキス（４-カルボキシフェニル）ベンゼン、及び下記一般式（１２）に示す構造とされた２-ヒドロキシテレフタル酸のうち、いずれかを含むものを用いるとよい。

上記一般式（７）〜（１２）で示されるいずれかの構造を含む有機配位子Ｄを用いることで、構造内に多数の空隙が生じるため、水分の吸脱着の容易な金属有機構造体を作製することができる。
ベンゼン環にカルボキシル基が２つ配位したテレフタル酸、並びにカルボキシル基が３つ配位したトリカルボン酸を有機配位子Ｄとして用いる場合、金属Ｂとしては、例えば、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｃ、及びＬｉを用いることができる。

また、テレフタル酸にのみ配位する金属Ｂとしては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｒ、及びＢｅを例示することができる。
また、トリカルボン酸にのみ配位する金属Ｂとしては、例えば、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｍｏ、Ｔｍ、及びＹｂを例示することができる。
金属Ｂとしては、例えば、ＣｕまたはＣｏを用いることが好ましい。このように、金属ＢとしてＣｕまたはＣｏを用いることで、水分の吸脱着による発色を顕著にすることができる。

多孔性金属錯体Ａとなる金属有機構造体としては、例えば、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレート（銅原子にベンゼントリカルボン酸が配位した金属錯体であるＣｕ−ＢＴＣ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｅｎｚｅｎｅ‐１,３,５−Ｔｒｉｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ））を用いるとよい。
その他、コバルト原子にベンゼントリカルボン酸が配位した金属錯体であるＣｏ−ＢＴＣ、鉄原子にベンゼントリカルボン酸が配位した金属錯体であるＦｅ−ＢＴＣ、モリブテン原子にベンゼントリカルボン酸が配位した金属錯体であるＭｏ−ＢＴＣ、クロム原子にテレフタル酸が配位したＣｒ−ＴＰＡ（Ｃｈｒｏｍｉｕｍ-Ｔｅｒｅｒｈｔｈａｌｉｃ ａｃｉｄ）、亜鉛原子にテレフタル酸が配位したＣｒ−ＴＰＡ等を用いてもよい。

多孔性金属錯体Ａは、水分子に対する反応に特徴がある。多孔性金属錯体Ａは、水分子の可逆的な吸脱着を速やかに行うため、該水分子の濃度が変化した際、該変化の量に応じて発色度合が顕著に変化し、水分濃度の変化を速やかに検出することが可能となる。例えば、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートの場合、青色の濃淡の発色度合が顕著に変化する。

多孔性金属錯体Ａ（金属有機構造体）として銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートを用いた場合、多孔性金属錯体層２３−２の厚さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内で適宜選択することができる。
多孔性金属錯体層２３−２の厚さが１０μｍよりも薄いと、前述の水分濃度に対する発色変化を感知しない可能性がある。多孔性金属錯体層２３−２の厚さが１００μｍよりも厚いと、光が透過しない可能性がある。
したがって、多孔性金属錯体層２３−２の厚さを１０μｍ以上１０００μｍ以下とすることで、光の透過を効率よく行うことが可能となる。

上記構成とされた水分検出部２３は、多孔性金属錯体層２３−２に水分を含むガスが供給され、かつ光源１１から特定波長の光が照射された際、該ガスに含まれる水分濃度に応じた強度の透過光を透過させる。該透過光は、第２の光ファイバ２８に供給される。

シール部材２４は、リング状の部材であり、部材本体４１の上面と多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａとの間に配置されている。シール部材２４は、部材本体４１の上面と多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａとの間から、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給したガスが漏れることを防止する機能を有する。
シール部材２４としては、例えば、Ｏリング（環状パッキン）を用いることができる。

水分検出部固定部材２６は、中央部を貫通する挿入穴２６Ａを有した板状の部材である。挿入穴２６Ａは、第２の光ファイバ２８の直径（外径）と略等しい大きさとされている。
水分検出部固定部材２６は、挿入穴２６Ａが多孔性金属錯体層露出部４５と対向するように、ガス経路内蔵部材１８の上方に配置されている。
水分検出部固定部材２６の下面２６ａは、挿入穴２６Ａの下端を塞ぐように配置されたフィルタ２３−１の他面２３−１ｂと接触している。水分検出部固定部材２６の下面２６ａには、水分検出部２３が固定されている。水分検出部固定部材２６を構成する材料としては、例えば、アクリロリトリル、ブタジエン、及びスチレンが共重合したＡＢＳ樹脂を用いることができる。

第２の光ファイバ２８は、その一端２８Ａ側に位置する部分が挿入穴２６Ａに挿入された状態で、水分検出部固定部材２６に固定されている。第２の光ファイバ２８の一端２８Ａは、フィルタ２３−１の他面２３−１ｂと接触している。第２の光ファイバ２８は、第１の光ファイバ１６と同じ方向に延在するように配置されている。

第２の光ファイバ２８は、コア部２８−１と、クラッド部２８−２と、で構成されている。コア部２８−１の一端は、第１の部分３８を構成するコア部１６−１の一端と対向するように配置されている。
このように、第２の光ファイバ２８を構成するコア部２８−１の一端と、第１の部分３８を構成するコア部１６−１の一端と、を対向配置させることで、水分検出部２３を通過した透過光をコア部２８−１に効率良く導くことが可能となるので、ガスに含まれる水分の濃度を精度良く検出することができる。

また、コア部２８−１に効率良く透過光を導く観点から、コア部２８−１の直径は、例えば、第１の光ファイバ１６を構成するコア部１６−１の直径と同じ大きさにするとよい。
コア部２８−１としては、例えば、第１の光ファイバ１６を構成するコア部２８−２と同様な構成のものを用いることができる。
クラッド部２８−２は、コア部２８−１の側面を覆うように配置されている。クラッド部２８−２としては、例えば、第１の光ファイバ１６を構成するクラッド部１６−２と同様な構成のものを用いることができる。

受光部固定部材３１は、中央部を貫通する挿入穴３１Ａを有した板状の部材である。挿入穴３１Ａは、第２の光ファイバ２８の直径（外径）と略等しい大きさとされている。
挿入穴３１Ａには、第２の光ファイバ２８の他端２８Ｂ側に位置する部分が挿入されている。第２の光ファイバ２８の他端２８側は、挿入穴３１Ａに挿入された状態で、受光部固定部材３１に固定されている。
受光部固定部材３１は、平坦で、かつ挿入穴３１Ａの上端を露出する上面３１ａを有する。受光部固定部材３１を構成する材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。

受光部３３は、コア部１６−１、水分検出部２３、及びコア部２８−１を通過した透過光を受光可能な状態で、挿入穴３１Ａの上端を塞ぐように、受光部固定部材３１の上面３１ａに固定されている。
これにより、受光部３３は、第２の光ファイバ２８、水分検出部２３、及び第１の光ファイバ１６を介して、光源１１と対向するように配置されている。
受光部３３は、電圧計測部３５と電気的に接続されている。受光部３３は、水分検出部２３を透過した透過光を受光し、該透過光の強度に応じた電圧を発生させ、電圧を出力する。受光部３３としては、例えば、フォトダイオードや光電子増倍管等を用いることができる。

電圧計測部３５は、水分濃度算出部３６と電気的に接続されている。電圧計測部３５は、受光部３３から出力された電圧を計測し、計測した受光部３３の出力電圧値を水分濃度算出部３６に送信する。
水分濃度算出部３６は、記憶部（図示せず）と、演算部（図示せず）と、を有する。該記憶部には、ガスに含まれる水分濃度と受光部３３の出力電圧値との関係を示す検量線に関するデータ（予め取得されたデータ）が格納されている。
演算部（図示せず）では、上記検量線、及び電圧計測部３５が計測した出力電圧値に基づいて、ガスに含まれる水分濃度を算出する。水分濃度算出部３６としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。

第１の実施の形態の水分濃度検出ユニットは、光透過性を有するフィルタ２３−１、及びフィルタ２３−１の一面２３−１ａを覆う多孔性金属錯体Ａよりなる多孔性金属錯体層２３−２を含む水分検出部２３を備え、多孔性金属錯体は、金属Ｂ、及び該金属Ｂと配位結合する有機配位子Ｄとして、上記一般式（７）〜（１２）で示されるいずれかの構造を含む。
上記一般式（７）〜（１２）で示されるいずれかの構造を含む有機配位子Ｄを備えた多孔性金属錯体Ａからなる多孔性金属錯体層２３−２は、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の隙間を有した架橋構造であるため、水分子の可逆的な吸脱着を速やかに行うことが可能となる。

したがって、水分濃度の低いガス（例えば、１０ｐｐｂ以下）から水分濃度の高いガ（例えば、１００ｐｐｍ以上）スに切り替えて水分濃度を検出する場合や、水分濃度の高いガスから水分濃度の低いガスに切り替えて水分濃度を検出する場合においても、測定対象でないガスに含まれていた水分の影響を受けにくくなるので、ガス中に含まれる水分濃度の検出感度の信頼性を向上させることができる。

次に、図１を参照して、図１に示す水分濃度検出ユニット１０を用いた本実施の形態の水分濃度検出方法について説明する。
初めに、光源１１を用いて、第１の光ファイバ１６を介して、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに特定波長の光を照射する。
このとき、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の範囲内、好ましくは、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内の特定波長の光を照射するとよい。

次いで、光源１１による光の照射を継続させた状態で、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに、水分を含んだガスを供給する。このとき、水分を含んだガスは、ガス供給用経路４３及び環状空間５１を介して、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給する。
これにより、多孔性金属錯体層２３−２は、該ガスに含まれる水分の濃度に応じて色が変化し、この色の変化により、水分検出部２３を透過する透過光の強度が変化する。該透過光は、第２の光ファイバ２８を介して、受光部３３に供給される。

その後、受光部３３は、特定波長の光のうち、水分検出部２３を透過した透過光を受光するとともに、該透過光の強度に応じた電圧を出力させる。
次いで、電圧計測部３５を用いて、透過光の強度に応じた受光部３３の出力電圧値を計測する。電圧計測部３５により計測された出力電圧値は、水分濃度算出部３６に送信される。
次いで、水分濃度算出部３６では、水分濃度算出部３６の記憶部（図示せず）に格納されたガスに含まれる水分濃度と受光部３３の出力電圧値との関係を示す検量線と、電圧計測部３５により計測された出力電圧値と、に基づいて、ガスに含まれていた水分濃度を算出する。

本実施の形態の水分濃度検出方法は、光源１１を用いて、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに、特定波長の光を照射する工程と、該光の照射を継続させた状態で、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに、水分を含んだガスを供給する工程と、受光部３３により、特定波長の光のうち、水分検出部２３を透過した透過光を受光するとともに、該透過光の強度に応じた電圧を発生（出力）させる工程と、電圧計測部３５により該電圧を計測する工程と、を含み、多孔性金属錯体層２３−２が、上記一般式（７）〜（１２）で示されるいずれかの構造を含む有機配位子Ｄを備えた多孔性金属錯体Ａで形成されている。

このため、多孔性金属錯体層２３−２が、水分子の可逆的な吸脱着を速やかに行うことが可能となる。
したがって、水分濃度の低いガス（例えば、１０ｐｐｂ以下）から水分濃度の高いガ（例えば、１００ｐｐｍ以上）スに切り替えて水分濃度を検出する場合や、水分濃度の高いガスから水分濃度の低いガスに切り替えて水分濃度を検出する場合においても、測定対象でないガスに含まれていた水分の影響（言い換えれば、直前に測定したガスの影響）を受けにくくなるので、ガス中に含まれる水分濃度の検出感度の信頼性を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、実施例及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例に限定されない。

（実施例）
＜水分検出部の作製＞
図１を参照して、水分検出部２３の作製方法について説明する。
まず、厚さ１ｍｍのテフロン（登録商標）製のフィルタ（アドバンテック株式会社製のＰＦＯ２０（型番））を直径１０ｍｍの円形となるように切り出すことで、フィルタ２３−１を作製した。
次いで、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレート（以下、「Ｃｕ−ＢＴＣ」という）の分散液（多孔性金属錯体層２３−２の材料）を作製した。該分散液は、Ｃｕ−ＢＴＣとして、ＢＡＳＦ Ｌｔｄ．社製のＨＫＵＳＴ−１（型番）１ｍｇをアセトン５ｍＬに溶解させることで作製した。

次いで、マイクロシリンジを用いて、作製した分散液を全量吸引した。次いで、フィルタフォルダとして、日本ミリポア株式会社のＳＸ０００１３００（型番）を準備し、該フィルタフォルダの内部に、フィルタ２３−１を配置させた。
次いで、上記フィルタフォルダにマイクロシリンジの先端を取り付け、マイクロシリンジ内に吸引された上記分散液をフィルタ２３−１の一面２３−１ａに吹き付けた。
その後、分散液が塗布されたフィルタ２３−１を自然乾燥させることで、フィルタ２３−１の一面２３−１ａに厚さ１００μｍの多孔性金属錯体層２３−２を形成した。このような手法により、フィルタ２３−１及び多孔性金属錯体層２３−２を有する水分検出部２３を作製した。

＜水分濃度検出ユニットの構成＞
ここで、実施例に使用した図１に示す水分濃度検出ユニット１０の構成について説明する。
光源１１としては、Ｋｉｎｇｂｒｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏ．Ｌｔｄ．製のＬＥＤランプであるＬ−７１１３ＱＢＣ−Ｄ（型番）を用いた。第１及び第２の光ファイバ１６，２８としては、エドモンドオプティクスジャパン株式会社製の０２−５５０（型番）を用いた。ガス供給管２１としては、内径が２．０ｍｍとされた株式会社光モール製の１４３３（型番）を用いた。
シール部材２４としては、株式会社マスオカ製のＯリングであるＰ−５（型番）を用いた。受光部３３としては、ＴＡＯＳ Ｉｎｃ.製のＴＳＬ−２５７（型番）を用いた。電圧計測部３５としては、日置電機株式会社製のＤＴ４２８１（型番）を用いた。水分濃度算出部３６としては、市販のパーソナルコンピュータを使用した。また、水分検出部２３としては、上記説明した手法で作製されたものを用いた。

＜検量線の作製＞
初めに、純度９９．９９９９％とされた大陽日酸株式会社製の超高純度窒素ガスと、ベースガスが窒素ガスであって、水分濃度が１００ｐｐｍとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスと、を準備した。
次いで、超高純度窒素ガスと標準ガスとを希釈することで、水分濃度が０ｐｐｍとされた試料ガスＥ１、水分濃度が２ｐｐｍとされた試料ガスＥ２、水分濃度が４ｐｐｍとされた試料ガスＥ３、水分濃度が６ｐｐｍとされた試料ガスＥ４、水分濃度が８ｐｐｍとされた試料ガスＥ５、水分濃度が１０ｐｐｍとされた試料ガスＥ６、水分濃度が２０ｐｐｍとされた試料ガスＥ７、水分濃度が４０ｐｐｍとされた試料ガスＥ８、水分濃度が６０ｐｐｍとされた試料ガスＥ９、水分濃度が８０ｐｐｍとされた試料ガスＥ１０、及び水分濃度が１００ｐｐｍとされた試料ガスＥ１１を作製した。

次いで、電源１４を起動させて、光源１１から、波長４７０ｎｍの光を照射させた。次いで、圧力が０．１ＭＰａとされた１０００ｓｃｃｍの試料ガスＥ１を、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給させた。このとき、試料ガスＥ１には、水分が含まれていないため、多孔性金属錯体層２３−２の色に変化は見られなかった。
その後、電圧計測部３５を用いて、試料ガスＥ１が供給された水分検出部２３を透過した透過光の強度に応じた受光部３３の出力電圧値を測定した。この場合の出力電圧値は、０．１Ｖであった。

次いで、光源１１から、波長５００ｎｍの光を照射させ、その後、多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに、圧力が０．１ＭＰａとされた１０００ｓｃｃｍの試料ガスＥ２を供給させた。このとき、試料ガスＥ２には、２ｐｐｍの濃度の水分が含まれているため、多孔性金属錯体層２３−２は青系の色に変化した。
その後、電圧計測部３５を用いて、試料ガスＥ２が供給された水分検出部２３を透過した透過光の強度に応じた受光部３３の出力電圧値を測定した。この場合の電圧値は、０．１２Ｖとなり、試料ガスＥ１導入時からの電圧差は０．０２Ｖとなった。

次いで、上述した試料ガスＥ２を供給させた際の受光部３３の出力電圧値を求める処理と同様な処理を、試料ガスＥ３〜Ｄ１１に対しても行った。
その結果、試料ガスＥ３を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．１４Ｖ（電圧差０．０４Ｖ）、試料ガスＥ４を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．１６Ｖ（電圧差０．０６Ｖ）、試料ガスＥ５を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．１８Ｖ（電圧差０．０８Ｖ）、試料ガスＥ６を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．２Ｖ（電圧差０．１Ｖ）、試料ガスＥ７を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．２４Ｖ（電圧差０．１４Ｖ）、試料ガスＥ８を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．３Ｖ（電圧差０．２Ｖ）、試料ガスＥ９を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．１４Ｖ（電圧差０．０４Ｖ）、試料ガスＥ１０を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．４Ｖ（電圧差０．３Ｖ）、試料ガスＥ１１を供給したときの受光部３３の出力電圧値は０．４３Ｖ（電圧差０．３３Ｖ）であった。

試料ガスＥ１〜Ｄ１１に含まれる水分濃度と、試料ガスＥ１〜Ｄ１１を供給したときの受光部３３の電圧値と、をプロットしてグラフ化した結果を図２に示す。
図２は、試料ガスに含まれる水分濃度と受光部の電圧出力値との関係を示す検量線のグラフである。

＜水分濃度の検出感度＞
図２に示す検量線を用いて、シグナルノイズ比（Ｓ／Ｎ比）計算法により、実施例の水分濃度検出ユニット１０を用いた場合の水分濃度の検出感度（検出限界）を計算した。具体的には、下記式（Ｉ）を用いて検出限界（以下、「検出限界Ｌ」という）を求めた。
下記式（Ｉ）において、Ｌは検出限界、Ｓは試料ガスのシグナル強度、Ｎはノイズ幅、Ｃは試料ガス中の水分濃度をそれぞれ示している。なお、下記式（Ｉ）では、ノイズ幅の２倍の値を検出限界Ｌと定義した。

Ｌ＝（Ｎ／Ｓ）×２Ｃ ・・・（Ｉ）

上記式（Ｉ）に、Ｎ＝１ｍＶ、Ｓ＝２０ｍＶ、Ｃ＝１００ｐｐｂを代入することで、実施例の水分濃度検出ユニット１０が検出可能な水分濃度が１０ｐｐｂ（＝検出限界Ｌ）であることが分かった。

＜応答速度の評価＞
次に、純度９９．９９９９％とされた大陽日酸株式会社製の超高純度窒素ガスと、ベースガスが窒素ガスであって、水分濃度が１００ｐｐｍとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスと、を交互に多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給し、このとき受光部３３から出力される出力電圧値を測定した。この結果を図３に示す。

図３は、ガスの供給開始からの経過時間と受光部の電圧出力値との関係を示すグラフである。
図３を参照するに、超高純度窒素ガスを供給させた状態から標準ガスに切り替えた場合において、受光部３３の出力電圧値が標準ガスに起因する出力電圧値に切り替わる時間は、約１分程度であった。
また、標準ガスを供給させた状態から超高純度窒素ガスに切り替えた場合において、受光部３３の出力電圧値が超高純度窒素ガスに起因する出力電圧値に切り替わる時間は、約３分程度であった。

＜光源から照射する光の波長の検討＞
ここでは、光源１１として、上述したＬＥＤランプに替えて、照射する光の波長を変化させることが可能な株式会社インデコ製の半導体レーザ照射装置であるＤＬ ＳＨＧｐｒｏ（型番）を用いたこと以外は、上述した水分濃度検出ユニット１０と同じ構成とされた装置を用いた。
そして、透過光の強度を電圧値として検出するために必要な光（半導体レーザ照射装置から照射する光）の波長域を検討した。

このとき、水分濃度が１ｐｐｍとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスを多孔性金属錯体層２３−２の一面２３−２ａに供給した。
また、半導体レーザ照射装置から照射する光の波長は、３５０ｎｍ、３７５ｎｍ、４００ｎｍ、４２５ｎｍ、４５０ｎｍ、４７５ｎｍ、５００ｎｍ、５２５ｎｍ、５５０ｎｍ、５７５ｎｍ、６００ｎｍ、６２５ｎｍ、６５０ｎｍ、６７５ｎｍ、及び７００ｎｍとした。そして、各波長のときに、受光部３３から出力される出力電圧値を測定した。この結果を図４に示す。

図４は、多孔性金属錯体層に照射する光の波長と受光部の電圧出力値との関係を示すグラフである。
なお、図４からは分かり難いが、波長が３５０ｎｍのときの受光部３３の電圧出力値は０．１Ｖあり、波長が６５０ｎｍのときの受光部３３の電圧出力値は０．１Ｖであった。また、波長が６７５ｎｍ及び７００ｎｍのときの受光部３３の電圧出力値は０．１Ｖであった。
図４に示す結果から、透過光の強度を電圧値として検出するために必要な光の波長域は、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることが確認できた。
また、受光部３３の電圧出力値を０．００４Ｖ以上にするために必要な光の波長域は、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることが確認できた。

（比較例１）
比較例１では、実施例で使用した銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートに替えて、和光純薬株式会社製の銅フタリロシアニンであるＰｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ Ｃｏｐｐｅｒ（ＩＩ）を用いて、多孔性金属錯体層を作製したこと以外は、同様な手法により、比較例１の水分検出部を作製した。
比較例１の多孔性金属錯体層は、実施例の多孔性金属錯体層２３−２と同様な手法により作製した。また、比較例１の多孔性金属錯体層の厚さは、１００μｍとした。比較例１の基板としては、実施例で説明した厚さ１ｍｍで、かつ直径１０ｍｍのテフロン（登録商標）フィルタ（ＡＤＶＡＮＴＥＣ製のＰＦＯ２０（型番））を用いた。

次いで、図１に示す水分濃度検出ユニット１０に比較例１の水分検出部をセットし、ベースガスが窒素ガスであって、水分濃度が３００ｐｐｂとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスを比較例１の多孔性金属錯体層に供給し、このときの透過光の強度に応じた受光部３３の出力電圧値を測定したところ、受光部３３からの電圧の出力は確認できなかった。
同様な試験を、ベースガスが窒素ガスであって、水分濃度が５００ｐｐｂとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスと、水分濃度が１０００ｐｐｂとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスと、を用いて行った。これらの標準ガスの場合も受光部３３からの電圧の出力は確認できなかった。
また、上記３種の標準ガスを用いた場合において、比較例１の多孔性金属錯体層の色の変化はみられなかった。このことから、比較例１の多孔性金属錯体層は、水分との反応により、色が変化しないことが確認できた。

（比較例２）
初めに、特許文献１に記載された静電容量センサと同様な原理を採用したＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ株式会社製の水分検出センサであるＭＳ−１と、純度９９．９９９９％とされた大陽日酸株式会社製の超高純度窒素ガスと、ベースガスが窒素ガスであって、水分濃度が１００ｐｐｍとされた大陽日酸株式会社製の標準ガスと、を準備した。

次いで、上記超高純度窒素ガス及び標準ガスを実施例で使用した希釈器を用いて希釈して水分濃度を変化させて、水分検出センサ（ＭＳ−１）の水分濃度の検出限界を算出した。その結果、水分検出センサ（ＭＳ−１）の水分濃度の検出限界は、０．５ｐｐｍ（５００ｐｐｂ）であった。

次いで、水分検出センサ（ＭＳ−１）に対して、初めに超高純度窒素ガスを供給し、次いで、超高純度窒素ガスの供給を停止させた上で標準ガスを供給し、その後、標準ガスの供給を停止させた上で超高純度窒素ガスを供給し、水分検出センサ（ＭＳ−１）からの信号出力時間を連続的に測定した。
その結果、超高純度窒素ガスから標準ガスへ切り替えた場合には、水分検出センサ（ＭＳ−１）の出力信号が標準ガスに関する出力信号になるまでの時間が約３０分であった。また、標準ガスから超高純度窒素ガスへ切り替えた場合には、水分検出センサ（ＭＳ−１）の出力信号が超高純度窒素ガスに関する出力信号になるまでの時間が約４４分であった。

（実施例及び比較例２の水分濃度の検出感度の評価結果のまとめ）
上記実施例及び比較例２の水分濃度の検出感度の結果から、比較例２の検出限界が０．５ｐｐｍ（５００ｐｐｂ）であるのに対して、実施例では、検出限界が１０ｐｐｂであり、実施例の水分検出部２３の水分濃度の検出感度が非常に高いことが確認できた。

（実施例及び比較例２の応答速度の評価結果のまとめ）
上記実施例及び比較例２の応答速度の結果から、超高純度窒素ガスから標準ガスへ切り替えた場合において、標準ガスに関する電圧値或いは出力信号になるまでの時間は、実施例の場合、比較例２の１／３０程度の時間で済むことが確認できた。
また、標準ガスから超高純度窒素ガスへ切り替えた場合には、実施例の場合、比較例２の１／１５程度の時間で済むことが確認できた。
以上の結果から、実施例の水分検出部２３は、比較例２の水分検出センサ（ＭＳ−１）と比較して、ガスを切り替えた際の応答速度が非常に速いことが確認できた。

本発明は、ガスに含まれる水分濃度を検出する水分濃度検出ユニットに適用可能である。

１０…水分濃度検出ユニット、１１…光源、１１Ａ…プラス端子、１１Ｂ…マイナス端子、１３…光源位置規制部材、１３Ａ…貫通部、１４…電源、１６…第１の光ファイバ、１６Ａ，２８Ａ…一端、１６Ｂ，２８Ｂ…他端、１６−１，２８−１…コア部、１６−２，２８−２…クラッド部、１８…ガス経路内蔵部材、２１…ガス供給管、２１Ａ…切欠き部、２３…水分検出部、２３−１…フィルタ、２３−１ａ，２３−２ａ…一面、２３−１ｂ…他面、２３−２…多孔性金属錯体層、２４…シール部材、２６…水分検出部固定部材、２６ａ…下面、２６Ａ，３１Ａ，４２…挿入穴、２８…第２の光ファイバ、３１…受光部固定部材、３１ａ…上面、３３…受光部、３５…電圧計測部、３６…水分濃度算出部、３８…第１の部分、３９…第２の部分、４１…部材本体、４３…ガス供給用経路、４５…多孔性金属錯体層露出部、４６…ガス排出用経路、５１…環状空間

Claims (5)

1. ガス中に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度検出ユニットであって、
   光透過性を有するフィルタ、及び該フィルタの一面を覆う多孔性金属錯体よりなる多孔性金属錯体層を含む水分検出部と、
   前記フィルタの一面と接触する面とは反対側に位置する前記多孔性金属錯体層の一面に、特定波長の光を照射する光源と、
   前記多孔性金属錯体層の一面に、前記ガスを供給するガス供給用経路と、
   前記水分検出部を介して、前記光源と対向するように配置され、前記光源から照射され、かつ前記水分検出部を透過した透過光を受光し、該透過光の強度に応じた電圧を発生させる受光部と、
   前記電圧を計測する電圧計測部と、
   を有し、
   前記多孔性金属錯体は、金属、及び該金属と配位結合する有機配位子を含み、
   前記有機配位子は、下記一般式（１）〜（６）で示されるいずれかの構造を含むことを特徴とする水分濃度検出ユニット。
   

   

   

   

   

   

   
2. 前記金属は、ＣｕまたはＣｏであることを特徴とする請求項１記載の水分濃度検出ユニット。
3. 前記多孔性金属錯体は、銅ベンゼン−１，３,５−トリカルボキシレートであることを特徴とする請求項１または２記載の水分濃度検出ユニット。
4. 前記光源から照射される前記光の波長は、３５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の水分濃度検出ユニット。
5. 請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の水分濃度検知ユニットを用いた水分濃度検出方法であって、
   前記光源を用いて、前記多孔性金属錯体層の一面に、前記特定波長の光を照射する工程と、
   前記光の照射を継続させた状態で、前記多孔性金属錯体層の一面に、前記水分を含んだ前記ガスを供給する工程と、
   前記受光部により、前記特定波長の光のうち、前記水分検出部を透過した前記透過光を受光するとともに、該透過光の強度に応じた電圧を発生させる工程と、
   前記電圧計測部により前記電圧を計測する工程と、
   を含むことを特徴とする水分濃度検出方法。

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