JPH10507834A - サファイア光学鏡を有する循環式冷却鏡露点湿度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 循環冷却鏡湿度計は、二酸化チタン（３２）と二酸化シリコン（３３）の交互層をその上に溶着したサファイヤ基板（３１）から成る鏡を利用する。

Description

【発明の詳細な説明】 サファイア光学鏡を有する循環式冷却鏡露点湿度計 技術分野 本発明は、循環式冷却鏡露点湿度計に関する。特に、本発明は、測定が実施さ れる限られた時間の間その表面に露の層を形成して保持するために、操作中に冷 却される新規なサファイア光学鏡を有する冷却鏡湿度計に関する。 背景技術 近年、湿度測定は工業、研究及びプロセス制御の応用分野において、同時に顕 著な省力化を成し遂げて製作された製品の質を向上させることにより常に増大す る役割を演じてきた。 「冷却鏡湿度測定」として知られている技術は、およそ３０年前に紹介され、 最も正確で安定し、かつ再現性のある商業的に販売されている露点測定機器とし て結実した。 この技術においては、露点として知られている温度まで、すなわち、大気のサ ンプルが飽和し露又は霧が生成する温度まで、熱電冷却装置によって連続的に冷 却される光学的に滑らかな表面を一般的に使用する。このプロセスでは露の形成 が検出されるまで正確に制御された速度で鏡の温度の低下がなされる。そのよう に形成された露が連続層を形成することができる前に、鏡は熱されその上の露は 蒸発されられる。従って、鏡表面は本質的に乾燥状態にあり、露点測定がなされ る非常に限られた時間の間、露の層を有する。 この技術は何年もの間首尾よく使用されてきたが、鏡表面上の露の層をどのよ うに保持しても、空気により伝達される汚染物質が鏡に付着するのを促進する傾 向があると認識されてきた。このような汚染は鏡の反射性能を損ない、そしてそ の結果、連続的な洗浄処理が行われない限り測定誤差の導入を招く。従って、当 業作業者は鏡の汚染を減じるのに役立つ新たな材料の発見及び新たな手法の開発 のための努力を続けてきた。 発明の概要 本発明に従って、この目的は二酸化チタンと二酸化シリコンの交互層からなる コーティングを有する電子ビーム溶着サファイアからなる新規な構造の光学鏡の 使用により達成される。 研究により、多重コーティングが紫外線発光器／受光器の組み合わせの有効な スペクトルの中で広周波数帯域の反射特性を可能にすることが明らかになった。 記述した技術からできる表面は、先行技術の金製の鏡により達成される”理論的 に純粋な”光学表面特性を凌ぎ１０倍の質の向上をもたらす。 加えて、これらの装置は３５０度光学三角測量のための理想的な表面特性を可 能とし、それにより不純物を有する通常の金製の鏡と比較して、低湿度レベル（ −４０Ｃｄｐ未満）における一次センサー感度がより高くなりそして老化特性に よる長期の”光学反射ゲイン”の変動を除去することができた。 図面の簡単な説明 本発明は添付した図面と共に以下の詳細な説明を参照することによってより容 易に理解される。 図１は、本発明のサファイア鏡を使用する通常の冷却鏡湿度計の図式ダイアグ ラムである。 図２は、本発明の実施に用いる電子ビーム溶着サファイア鏡を示す正面断面図 である。そして、 図３は、本発明のサファイア鏡の使用により得られる入射光の波長に対する反 射率の百分率表示の説明グラフである。 実施例の詳細な説明 本発明に従った循環式冷却鏡露点湿度計の製作において、第一段階には光学的 になめらかなサファイア鏡の製作を必要とする。この目的は、サファイア基板の 上へのサファイアの電子ビーム溶着によって簡便に成し遂げられる。本目的の実 施のための典型的な手順は、通常の電子ビーム溶着装置中に挿入するため高純度 サファイア（純度９９．９９％）基板の選択を必要とする。システムを２００℃ でおよそ１時間の間簡便に操作することができる。その後、このようにして準備 された基板は、二つの蒸発物質、すなわちサファイア基板の上に交互に溶着され るべき二酸化チタンと石英が置かれた蒸発装置の中に配置される。電子ビーム銃 が、蒸発を成し遂げるために用いられる。実際問題として、最初におよそ１０９ ．４１（＋もしくは−１％）ｎｍの厚さを有する二酸化チタン薄膜を溶着し、次 におよそ１６６．３１（＋もしくは−１％）ｎｍの二酸化シリコンを溶着するの が有益であることがわかっている。このプロセスは、堆積構造が１９層まで有し 体積構造の準備ができるまで反復されるが、層の具体的な数は、必要とされる反 射百分率に関連する考察を行うことによって決定される。堆積の最上層と最下層 の両方は二酸化チタンから成る。このようにして準備された構造物は、図１に示 した湿度計に使用される用意がここでできあがる。 ここで図１をより詳細に参照すると、センサー８を有する装置が示されており 、センサー８は記述したように用意された、サファイヤ鏡１０を備え、これによ り光学的に滑らかな反射面が提供される。鏡１０は、例を上げれば、ペルチェ効 果に従って作動する、熱電冷却手段のような、例えば、熱電モジュール（ＴＥＭ ）のような冷却手段１１と関連を有し、また、サーミスタ、固体センサー、また は鏡１０に接触し、または鏡１０に埋め込まれる熱電対のような温度検知装置１ ２とも関連を有する。光源１４は光ビームをサファイヤ鏡１０の表面上の方向に 向けるように配置されており、光電管、光ダイオード、またはその他の同種の物 のような電気感光装置１６は鏡体１０の反射面による反射後の光源１４からの光 を受けるように配置されている。例えば、サーミスター、固体センサーなどのよ うな、追加の温度検知装置１８が周囲温度（室内相対湿度測定値を得るため）を 検知するために取付けられている。 冷却装置、温度検知装置１２、光源１４及び感光装置１６は信号調整、ＴＥＭ 制御及び露検知回路２０として一般に表示されている回路と電気的に接続されて おり、これは必要な電流を冷却手段１１と光源１４とに供給するためであり、ま たサーミスタと感光装置１６からの電気信号を受信し処理するためである。回路 ２０もまた、出力２２、２４および２６でのそれぞれの出力信号、すなわち、そ れぞれ、周囲温度（Ｔ℃）、露点低下（ΔＴ℃）、そして露点温度（（Ｔ−ΔＴ ）℃）であるが、これらの信号を出力するように配置されており、これらの信号 は選択的に接続可能である。処理回路２８を通過する信号を適切に処理すること により、それぞれの値を表示装置３０に表示してもよい。 装置の操作において、サファイア鏡１０は、ＴＥＭ制御回路４０を介して制御 される冷却手段を操作することにより、感光装置１６によって検出される光の、 予め定められたレベルの変化が鏡１０の反射面上で露検知回路３６によって検出 されるまで、徐々に周囲温度より下の温度まで冷却される。サファイア鏡が冷却 される間、その温度は温度検出装置１２によって連続的にモニターされ、鏡１０ から反射された光のレベルが予め定められた変化を達成したしたときに、鏡１０ の温度は回路２０の記録計３４によって、そのサイクル中に測定された露点温度 として記録される。そして、鏡１０の温度は上昇することが可能となるが、また は鏡１０を代わりに熱してもよい。そして全サイクルが繰り返され、鏡１０は、 露がその上に形成したことが検出されるまで、再び徐々に冷却される。 図２を参照すると、サファイア基板３１と、二酸化チタン３２と二酸化シリコ ン３３の交互層を有するサファイア鏡１０の正面断面図が示されている。示され ているように、堆積層の高さは、望み通りの反射率を得るために行われる前述の 誤差範囲内での溶着の制御に依存する。本発明の模範とすべき実施例において、 交互に形成された１０９．４１ｎｍの二酸化チタン層と１６６．３１ｎｍの二酸 化シリコンコーティング層から形成される１９層が堆積したコーティングがなさ れる。このようにして形成された構造物は、図１に示したタイプの装置に挿入さ れ、 サンダー サイエンティフィック モデル（Thunder Scientific Model）2 500 の湿度チャンバー内で湿度測定がなされる。 ここで図３を参照すると、ナノメータ単位の波長に対する百分率表示の反射率 の座標がグラフとして表示されており、これは図１に示された装置内のサファイ ヤ鏡を使用した場合の反射率を、入射光の波長の関数として表示する。 本発明は先の記述において詳細に述べられてきたが、本発明の精神と範囲から 外れることなく変更が行なわれるであろうことを当業者は理解されたい。従って 、例えば、サファイヤ基板の溶着及びその上のコーティング材の蒸発のために選 択された技術は、溶着されるコーティング層の数が変わるかもしれないのと同様 に、変わるかもしれない。このような技術に用いられる処理パラメータは経常的 熟練工の技能の範囲内であることを認識されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１ 二酸化チタン（３２）と二酸化シリコン（３３）の交互の層が上に溶 着されたサファイア基板（３１）からなる循環式冷却鏡（１０）を有する露点測 定のための装置。 請求項２ 請求項１に記載の循環式冷却鏡を有する露点測定のための装置におい て、 装置の上に露の形成が可能であり、そして前記鏡を冷却するための冷却手段（１ １、２０）と、前記鏡の表面上の露の形成を検知する露検知手段（１４、１６、 ２０、３６）と、サファイヤ基板の温度を検知するための温度検知手段（１２、 ２０）と、および前記露検知手段に応答し、冷却手段のサイクルの繰り返しを実 行するための手段（２０、４０）とから成る装置であって、サイクルにおいて前 記鏡の表面上で露が検出されるまで前記鏡が徐々に冷却され、前記鏡の温度が次 に起こるサイクルにおける冷却の前に上昇するものである、循環式冷却鏡を有す る露点測定のための装置。 請求項３ 請求項２に記載の装置において、 露検知手段が前記鏡の表面上へ光ビームを向けるための光方向指示手段（１４） と、前記鏡の上に形成した露による前記鏡の表面からの光の散乱を検出するため の手段（１６）とを有する、循環式冷却鏡を有する露点測定のための装置。 請求項４ 請求項２に記載の装置において、 サファイア基板が純度９９．９９％のものであり、二酸化チタンの層の厚さと二 酸化シリコンの層の厚さが、それぞれ１０８．３２ｎｍから１１０．５０ｎｍと 、１６４．６５ｎｍから１６７．９７ｎｍの範囲である、循環式冷却鏡を有する 露点測定のための装置。 請求項５ 請求項４に記載の装置において、 二酸化チタン層が１０９．４１ｎｍの厚さであり、二酸化シリコン層が１６６． ３１ｎｍの厚さである、循環式冷却鏡を有する露点測定のための装置。 請求項６ 請求項２に記載の露点測定のための装置において、 さらに、前記鏡の表面上の露を検知したときの前記鏡の温度を露点として記録す る手段（３４）から成る、循環式冷却鏡を有する露点測定のための装置。