水分検出装置
【課題】部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進すると共に、鏡面の温度を精度よくかつ応答性よく測定する。
【解決手段】熱電冷却素子２の冷却面２−１を鏡面とする。冷却面（鏡面）２−１に、半導体製造技術を用いて、薄膜温度センサ（温度検出素子）２−３を一体的に形成する。
【解決手段】熱電冷却素子２の冷却面２−１を鏡面とする。冷却面（鏡面）２−１に、半導体製造技術を用いて、薄膜温度センサ（温度検出素子）２−３を一体的に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子を用いて鏡面を冷却し、この鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する水分検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、非特許文献１には、寒剤、冷凍機、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の鏡面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計について説明されている。
【０００３】
この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは、正反射光を利用する正反射光検出方式（例えば、特許文献１参照）、もう１つは、散乱光を利用する散乱光検出方式（例えば、特許文献２参照）である。
【０００４】
〔正反射光検出方式〕
図９に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０１は、被測定気体が流入されるチャンバ１と、このチャンバ１の内部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を備えている。熱電冷却素子２の冷却面２−１には銅製ブロック３を介してボルト４が取り付けられており、熱電冷却素子２の加熱面２−２には放熱フィン５が取り付けられている。銅製ブロック３に取り付けられたボルト４の上面４−１は鏡面とされている。銅製ブロック３の側部には穴が明けられ、この穴に巻線式測温抵抗体（温度検出素子）６がシリコングリスを介して埋め込まれている（図１１参照）。また、チャンバ１の上部には、ボルト４の上面（鏡面）４−１に対して斜めに光を照射する発光素子７と、この発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子８とが設けられている。
【０００５】
この鏡面冷却式露点計１０１において、チャンバ１内の鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８で受光される。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は大きい。
【０００６】
熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。この鏡面４−１における正反射光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【０００７】
〔散乱光検出方式〕
図１０に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０２は、正反射光検出方式を採用した鏡面冷却式露点計１０１とほゞ同構成であるが、受光素子８の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式露点計１０２において、受光素子８は、発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。
【０００８】
この鏡面冷却式露点計１０２において、鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８での受光量は極微量である。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は小さい。
【０００９】
熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。この鏡面４−１における散乱光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【００１０】
なお、上述した露点計においては、鏡面４−１に生じる結露（水分）を検出する例で説明したが、同様の構成によって鏡面４−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−７５２３５号公報
【特許文献２】特公平７−１０４３０４号公報
【特許文献３】特開平９−３０７０３０号公報
【非特許文献１】工業計測ハンドブック、昭和51.9.30、朝倉書店、Ｐ297。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した従来の鏡面冷却式露点計１０１や１０２では、温度検出素子６を銅製ブロック３の側部に明けた穴にシリコングリスを介して埋め込んでいるため、組立性が悪かった。また、温度検出素子６がシリコングリスで覆われるため、このシリコングリスでの熱抵抗により、応答性が悪かった。また、鏡面４−１と熱電冷却素子２との間に銅製ブロック３が挟み込まれた形とされているので、温度勾配ができて測定精度が低下する可能性があり、また銅製ブロック３での熱容量が大きく、応答性が悪かった。また、銅製ブロック３を設けていたので、センサ部の外形サイズが大きくなってしまい、小型化が難しかった。また、部品点数が多くなり、高コストとなっていた。
【００１３】
なお、特許文献３には、発熱する電子機器（例えば、ＣＰＵなど）を熱電冷却素子を利用して冷却する冷却装置が記載されている。この冷却装置では、熱電冷却素子の冷却面にＣＰＵを取り付け、熱電冷却素子の半導体素子や冷却側導体の温度を測定するようにしている。すなわち、図１２に示すように、熱電冷却素子２の冷却面２−１にＣＰＵ（被冷却部材）４０を取り付け、熱電冷却素子２の柱（半導体素子）２ａや冷却基板（冷却側導体）２ｂの底面に温度検出素子６０を取り付け、ＣＰＵ４０の温度を間接的に測定するようにしている。
【００１４】
この特許文献３に示された構成から、図１３に示すように鏡９を熱電冷却素子２の冷却面２−１に取り付け、温度検出素子６０によって熱電冷却素子２の柱２ａや冷却基板２ｂの底面の温度を測定することが考えられる。しかしながら、このような構成では、熱電冷却素子２の冷却面２−１との間の接合部および冷却基板２ｂ自身に熱抵抗が生じるため、精度よくかつ応答性よく鏡９の温度を検出しているとは言えない。また、鏡９や温度検出素子６０を熱電冷却素子２に個別に取り付る必要があることから、その分余計に組立工数がかかる。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進すると共に、鏡面の温度を精度よくかつ応答性よく測定することができる水分検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような目的を達成するために、第１発明（請求項１に係る発明）は、電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する散乱光に基づいて熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、発光手段から熱電冷却素子の鏡面（低温側の面）に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの散乱光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する散乱光に基づいて、熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。また、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子によって、その鏡面の温度が直接測定される。
【００１７】
第２発明（請求項２に係る発明）は、電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、受光手段が受光する正反射光に基づいて熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、発光手段から熱電冷却素子の鏡面（低温側の面）に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの正反射光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する正反射光に基づいて、熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。また、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子によって、その鏡面の温度が直接測定される。
【００１８】
なお、第１発明および第２発明において、「熱電冷却素子の鏡面に温度検出素子を形成する」という概念には、鏡面の一部に温度検出素子を露出させる構成、鏡面の背面側に温度検出素子を埋め込む構成（温度検出素子を露出させない構成）などを含むものとする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱電冷却素子の低温側の面を鏡面とし、この鏡面に温度検出素子を形成するようにしたので、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進すると共に、鏡面の温度を精度よくかつ応答性よく測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１：鏡面冷却式露点計（散乱光検出方式）〕
図１はこの発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０１はセンサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとを有している。
【００２１】
センサ部２０１Ａでは、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１を鏡面としている。本実施の形態では、熱電冷却素子２の冷却基板２ｂを通常のアルミナ基板ではなく、鏡面加工されたシリコンとし、これによって冷却面２−１そのものを鏡面としている。また、冷却面（鏡面）２−１に、半導体製造技術を用いて、薄膜温度センサ（温度検出素子）２−３を一体的に形成している。
【００２２】
図２に鏡面２−１に形成された薄膜温度センサ２−３の位置関係を示す。本実施の形態では、鏡面加工されたシリコンチップの上面の一部（端の方）に半導体製造技術で薄膜温度センサ２−３を形成し、またこのシリコンチップの下面に半導体素子２ａと接合するための電気的なパターン（（図示せず））を形成し、この薄膜温度センサ２−３および電気的なパターンを形成したシリコンチップを冷却基板２ｂとして、熱電冷却素子２を組み上げている。なお、この例では、鏡面２−１の一部に温度検出素子を露出させた構成としているが、鏡面２−１の背面側（冷却基板２ｂの内部）に温度検出素子を埋め込むような構成としてもよい。
【００２３】
また、センサ部２０１Ａでは、熱電冷却素子２の加熱面２−２に円柱状のヒートシンク１８を取り付け、このヒートシンク１８に沿って、その上端部をＪ字型に湾曲させたステンレス製のチューブ１７を設けている。チューブ１７としては図３に示すような光ファイバを収容した種々のチューブＰを使用することができる。
【００２４】
図３（ａ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを並設している。チューブＰ中において、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２の周囲は、ポッテイング剤で満たされている。
【００２５】
図３（ｂ）では、チューブＰ中に、発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１と受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２１〜Ｆ２４を並行に設けている。図３（ｃ）では、チューブＰ中の左半分を発光側の光ファイバＦ１、右半分を受光側の光ファイバＦ２としている。
【００２６】
図３（ｄ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを混在させている。図３（ｅ）では、チューブＰ中の中心部を発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１、光ファイバＦ１の周囲を受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２としている。
【００２７】
図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、チューブ１７として図３（ａ）に示されたタイプのチューブＰを使用しており、その内部に発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを収容している。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部（発光部、受光部）は、熱電冷却素子２の鏡面２−１に向けられ、この鏡面２−１に対して所定の傾斜角で傾けられている。この結果、光ファイバ１７−１からの光の照射方向（光軸）と光ファイバ１７−２での光の受光方向（光軸）とが平行とされ、また隣接して同一の傾斜角とされる。
【００２８】
コントロール部２０１Ｂには、露点温度表示部１２と、結露検知部１３と、ペルチェ出力制御部１４と、信号変換部１５とが設けられている。露点温度表示部１２には薄膜温度センサ２−３が検出する鏡面２−１の温度が表示される。結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光（散乱光）の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。
【００２９】
ペルチェ出力制御部１４は、結露検知部１３からの信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値に達していない場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて増大させる制御信号Ｓ２を、反射パルス光の強度が閾値を超えている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ出力する。信号変換部１５は、ペルチェ出力制御部１４からの制御信号Ｓ２で指示される電流Ｓ３を熱電冷却素子２へ供給する。
【００３０】
この鏡面冷却式露点計２０１において、センサ部２０１Ａは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる（図４（ａ）参照）。鏡面２−１は被測定気体に晒されており、鏡面２−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（散乱光）の量は極微量である。したがって、鏡面２−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は小さい。
【００３１】
結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度はほゞ零であり、閾値に達していないので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が下げられて行く。
【００３２】
熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が熱電冷却素子２の鏡面２−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（散乱光）の強度が増大する。
【００３３】
結露検知部１３は、受光される反射パルス光の１パルス毎に、その１パルスの上限値と下限値との差を求め、これを反射パルス光の強度とする。すなわち、図４（ｂ）に示すように、反射パルス光の１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬを求め、このΔＬを反射パルス光の強度とする。この結露検知部１３での処理により、反射パルス光に含まれる外乱光ΔＸが除去され、外乱光による誤動作が防止される。この結露検知部１３でのパルス光を用いた外乱光による誤動作防止の処理方式をパルス変調方式と呼ぶ。この処理によって、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくすことができている。
【００３４】
ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を超えると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が小さくなり、閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面２−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。
【００３５】
この鏡面冷却式露点計２０１では、熱電冷却素子２の冷却面を鏡面とし、この鏡面２−１に一体的に薄膜温度センサ２−３を形成しているので、熱抵抗が少なく、温度勾配がなくなり、精度よくかつ応答性よく鏡面２−１の温度を測定することができる。これにより、露点温度の測定精度が高まり、応答性も向上する。
【００３６】
また、この鏡面冷却式露点計２０１では、従来の構成で必要としていた銅製ブロック３（図１１）が不要であり、銅製ブロック３への温度検出素子６の取り付けの必要もない。また、図１３に示したような構成のように鏡９や温度検出素子６０を熱電冷却素子２に個別に取り付る必要もなく、熱電冷却素子２と鏡面２−１と薄膜温度センサ２−３とを一体形状として、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進することができるようになる。
【００３７】
さらに、この鏡面冷却式露点計２０１では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２の取り付け部が１箇所にまとめられており、検出部２０１Ａの小型化に貢献している。また、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とがチューブ１７に収容されているので、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２との間での位置決めは必要なく、組立時の作業性がよくなる。
【００３８】
また、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくし、チャンバ内に被測定気体を引き込むための吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計など省略することができているので、部品点数が削減され、センサ部２０１Ａのさらなる小型化が図られ、組立性が向上し、コストもダウンする。また、吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などを装着しなくてもよいので、測定雰囲気中への設置も容易となる。また、センサ部２０１Ａには吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などの装着が伴わず、センサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとの２つの構成となるので、持ち運びが容易となる。
【００３９】
なお、図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａにおいて発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを収容したチューブ１７を用いたが、図５に示すセンサ部２０１Ａ’のように、発光側の光ファイバ１７−１に代えて発光ダイオード１９を、受光側の光ファイバ１７−２に代えてフォトカプラ２０を設けるようにしてもよい。
【００４０】
〔実施の形態２：鏡面冷却式露点計（正反射光検出方式）〕
図６はこの発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０２では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを同方向ではなく、鏡面２−１を挾んでその左右に対称に設けている。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部は、熱電冷却素子２の鏡面２−１に向けられ、この鏡面２−１に対して左右対称に所定の傾斜角で傾けられている。
【００４１】
この鏡面冷却式露点計２０２において、センサ部２０２ｂは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる。鏡面２−１は被測定気体に晒されており、鏡面２−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される。したがって、鏡面２−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は大きい。
【００４２】
結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きく、閾値を超えているので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が下げられて行く。
【００４３】
熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が熱電冷却素子２の鏡面２−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（正反射光）の強度が減少する。
【００４４】
ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制によって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が大きくなり、閾値を上回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面２−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。
【００４５】
この鏡面冷却式露点計２０２においても、熱電冷却素子２の冷却面２−１を鏡面とし、この鏡面２−１に一体的に薄膜温度センサ２−３を形成しているので、熱抵抗が少なく、精度よくかつ応答性よく鏡面２−１の温度を測定することができ、露点温度の測定精度および応答性を向上させることができる。また、熱電冷却素子２と鏡面２−１と薄膜温度センサ２−３とを一体形状として、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進することができるようになる。
【００４６】
なお、上述した実施の形態１や２において、図７や図８に示すように、熱電冷却素子２の加熱面２−２とヒートシンク１８との間に温度検出素子２１を設ければ、ヒートシンク１８の温度を精度よくかつ応答性よく測定し、ヒートシンク１８の温度がある温度に達したら熱電冷却素子２への電流を遮断したり制限するなどして、鏡面２−１の冷却効率を上げるようにすることも可能である。
【００４７】
また、上述した実施の形態１や２では、鏡面２−１に生じる結露（水分）を検出するものとしたが、同様の構成によって鏡面２−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態１）である。
【図２】この鏡面冷却式露点計における熱電冷却素子の鏡面に形成された薄膜温度センサの位置関係を示す平面図である。
【図３】発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのチューブ中に並行して設ける構成を例示する図である。
【図４】鏡面に対して照射されるパルス光および鏡面から受光される反射パルス光を示す図である。
【図５】実施の形態１の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図６】本発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態２）である。
【図７】熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの間にも温度検出素子を設けた実施の形態１の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図８】熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの間にも温度検出素子を設けた実施の形態２の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図９】正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。
【図１０】散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。
【図１１】従来の鏡面冷却式露点計における鏡や温度検出素子の取り付け構造を示す斜視図である。
【図１２】熱電冷却素子の冷却面にＣＰＵを取り付けた従来の冷却装置における温度測定構造を示す図である。
【図１３】この冷却装置の構成から考えられる鏡面冷却式露点計における鏡面の温度の測定構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２ａ…半導体素子、２ｂ…冷却基板、２−１…冷却面（鏡面）、２−２…加熱面、２−３…薄膜温度センサ（温度検出素子）、１２…露点温度表示部、１３…結露検知部、１４…ペルチェ出力制御部、１５…信号変換部、１７…チューブ、１７−１…発光側の光ファイバ、１７−２…受光側の光ファイバ、１８…ヒートシンク、１９…発光ダイオード、２０…フォトカプラ、２０１，２０２…鏡面冷却式露点計、２０１Ａ，２０２ｂ…センサ部、２０１Ｂ，２０２Ｂ…コントロール部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子を用いて鏡面を冷却し、この鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する水分検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、非特許文献１には、寒剤、冷凍機、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の鏡面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計について説明されている。
【０００３】
この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは、正反射光を利用する正反射光検出方式（例えば、特許文献１参照）、もう１つは、散乱光を利用する散乱光検出方式（例えば、特許文献２参照）である。
【０００４】
〔正反射光検出方式〕
図９に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０１は、被測定気体が流入されるチャンバ１と、このチャンバ１の内部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を備えている。熱電冷却素子２の冷却面２−１には銅製ブロック３を介してボルト４が取り付けられており、熱電冷却素子２の加熱面２−２には放熱フィン５が取り付けられている。銅製ブロック３に取り付けられたボルト４の上面４−１は鏡面とされている。銅製ブロック３の側部には穴が明けられ、この穴に巻線式測温抵抗体（温度検出素子）６がシリコングリスを介して埋め込まれている（図１１参照）。また、チャンバ１の上部には、ボルト４の上面（鏡面）４−１に対して斜めに光を照射する発光素子７と、この発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子８とが設けられている。
【０００５】
この鏡面冷却式露点計１０１において、チャンバ１内の鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８で受光される。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は大きい。
【０００６】
熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。この鏡面４−１における正反射光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【０００７】
〔散乱光検出方式〕
図１０に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０２は、正反射光検出方式を採用した鏡面冷却式露点計１０１とほゞ同構成であるが、受光素子８の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式露点計１０２において、受光素子８は、発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。
【０００８】
この鏡面冷却式露点計１０２において、鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８での受光量は極微量である。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は小さい。
【０００９】
熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。この鏡面４−１における散乱光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【００１０】
なお、上述した露点計においては、鏡面４−１に生じる結露（水分）を検出する例で説明したが、同様の構成によって鏡面４−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−７５２３５号公報
【特許文献２】特公平７−１０４３０４号公報
【特許文献３】特開平９−３０７０３０号公報
【非特許文献１】工業計測ハンドブック、昭和51.9.30、朝倉書店、Ｐ297。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した従来の鏡面冷却式露点計１０１や１０２では、温度検出素子６を銅製ブロック３の側部に明けた穴にシリコングリスを介して埋め込んでいるため、組立性が悪かった。また、温度検出素子６がシリコングリスで覆われるため、このシリコングリスでの熱抵抗により、応答性が悪かった。また、鏡面４−１と熱電冷却素子２との間に銅製ブロック３が挟み込まれた形とされているので、温度勾配ができて測定精度が低下する可能性があり、また銅製ブロック３での熱容量が大きく、応答性が悪かった。また、銅製ブロック３を設けていたので、センサ部の外形サイズが大きくなってしまい、小型化が難しかった。また、部品点数が多くなり、高コストとなっていた。
【００１３】
なお、特許文献３には、発熱する電子機器（例えば、ＣＰＵなど）を熱電冷却素子を利用して冷却する冷却装置が記載されている。この冷却装置では、熱電冷却素子の冷却面にＣＰＵを取り付け、熱電冷却素子の半導体素子や冷却側導体の温度を測定するようにしている。すなわち、図１２に示すように、熱電冷却素子２の冷却面２−１にＣＰＵ（被冷却部材）４０を取り付け、熱電冷却素子２の柱（半導体素子）２ａや冷却基板（冷却側導体）２ｂの底面に温度検出素子６０を取り付け、ＣＰＵ４０の温度を間接的に測定するようにしている。
【００１４】
この特許文献３に示された構成から、図１３に示すように鏡９を熱電冷却素子２の冷却面２−１に取り付け、温度検出素子６０によって熱電冷却素子２の柱２ａや冷却基板２ｂの底面の温度を測定することが考えられる。しかしながら、このような構成では、熱電冷却素子２の冷却面２−１との間の接合部および冷却基板２ｂ自身に熱抵抗が生じるため、精度よくかつ応答性よく鏡９の温度を検出しているとは言えない。また、鏡９や温度検出素子６０を熱電冷却素子２に個別に取り付る必要があることから、その分余計に組立工数がかかる。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進すると共に、鏡面の温度を精度よくかつ応答性よく測定することができる水分検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような目的を達成するために、第１発明（請求項１に係る発明）は、電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する散乱光に基づいて熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、発光手段から熱電冷却素子の鏡面（低温側の面）に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの散乱光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する散乱光に基づいて、熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。また、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子によって、その鏡面の温度が直接測定される。
【００１７】
第２発明（請求項２に係る発明）は、電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、受光手段が受光する正反射光に基づいて熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、発光手段から熱電冷却素子の鏡面（低温側の面）に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの正反射光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する正反射光に基づいて、熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。また、熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子によって、その鏡面の温度が直接測定される。
【００１８】
なお、第１発明および第２発明において、「熱電冷却素子の鏡面に温度検出素子を形成する」という概念には、鏡面の一部に温度検出素子を露出させる構成、鏡面の背面側に温度検出素子を埋め込む構成（温度検出素子を露出させない構成）などを含むものとする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱電冷却素子の低温側の面を鏡面とし、この鏡面に温度検出素子を形成するようにしたので、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進すると共に、鏡面の温度を精度よくかつ応答性よく測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１：鏡面冷却式露点計（散乱光検出方式）〕
図１はこの発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０１はセンサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとを有している。
【００２１】
センサ部２０１Ａでは、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１を鏡面としている。本実施の形態では、熱電冷却素子２の冷却基板２ｂを通常のアルミナ基板ではなく、鏡面加工されたシリコンとし、これによって冷却面２−１そのものを鏡面としている。また、冷却面（鏡面）２−１に、半導体製造技術を用いて、薄膜温度センサ（温度検出素子）２−３を一体的に形成している。
【００２２】
図２に鏡面２−１に形成された薄膜温度センサ２−３の位置関係を示す。本実施の形態では、鏡面加工されたシリコンチップの上面の一部（端の方）に半導体製造技術で薄膜温度センサ２−３を形成し、またこのシリコンチップの下面に半導体素子２ａと接合するための電気的なパターン（（図示せず））を形成し、この薄膜温度センサ２−３および電気的なパターンを形成したシリコンチップを冷却基板２ｂとして、熱電冷却素子２を組み上げている。なお、この例では、鏡面２−１の一部に温度検出素子を露出させた構成としているが、鏡面２−１の背面側（冷却基板２ｂの内部）に温度検出素子を埋め込むような構成としてもよい。
【００２３】
また、センサ部２０１Ａでは、熱電冷却素子２の加熱面２−２に円柱状のヒートシンク１８を取り付け、このヒートシンク１８に沿って、その上端部をＪ字型に湾曲させたステンレス製のチューブ１７を設けている。チューブ１７としては図３に示すような光ファイバを収容した種々のチューブＰを使用することができる。
【００２４】
図３（ａ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを並設している。チューブＰ中において、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２の周囲は、ポッテイング剤で満たされている。
【００２５】
図３（ｂ）では、チューブＰ中に、発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１と受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２１〜Ｆ２４を並行に設けている。図３（ｃ）では、チューブＰ中の左半分を発光側の光ファイバＦ１、右半分を受光側の光ファイバＦ２としている。
【００２６】
図３（ｄ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを混在させている。図３（ｅ）では、チューブＰ中の中心部を発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１、光ファイバＦ１の周囲を受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２としている。
【００２７】
図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、チューブ１７として図３（ａ）に示されたタイプのチューブＰを使用しており、その内部に発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを収容している。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部（発光部、受光部）は、熱電冷却素子２の鏡面２−１に向けられ、この鏡面２−１に対して所定の傾斜角で傾けられている。この結果、光ファイバ１７−１からの光の照射方向（光軸）と光ファイバ１７−２での光の受光方向（光軸）とが平行とされ、また隣接して同一の傾斜角とされる。
【００２８】
コントロール部２０１Ｂには、露点温度表示部１２と、結露検知部１３と、ペルチェ出力制御部１４と、信号変換部１５とが設けられている。露点温度表示部１２には薄膜温度センサ２−３が検出する鏡面２−１の温度が表示される。結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光（散乱光）の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。
【００２９】
ペルチェ出力制御部１４は、結露検知部１３からの信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値に達していない場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて増大させる制御信号Ｓ２を、反射パルス光の強度が閾値を超えている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ出力する。信号変換部１５は、ペルチェ出力制御部１４からの制御信号Ｓ２で指示される電流Ｓ３を熱電冷却素子２へ供給する。
【００３０】
この鏡面冷却式露点計２０１において、センサ部２０１Ａは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる（図４（ａ）参照）。鏡面２−１は被測定気体に晒されており、鏡面２−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（散乱光）の量は極微量である。したがって、鏡面２−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は小さい。
【００３１】
結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度はほゞ零であり、閾値に達していないので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が下げられて行く。
【００３２】
熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が熱電冷却素子２の鏡面２−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（散乱光）の強度が増大する。
【００３３】
結露検知部１３は、受光される反射パルス光の１パルス毎に、その１パルスの上限値と下限値との差を求め、これを反射パルス光の強度とする。すなわち、図４（ｂ）に示すように、反射パルス光の１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬを求め、このΔＬを反射パルス光の強度とする。この結露検知部１３での処理により、反射パルス光に含まれる外乱光ΔＸが除去され、外乱光による誤動作が防止される。この結露検知部１３でのパルス光を用いた外乱光による誤動作防止の処理方式をパルス変調方式と呼ぶ。この処理によって、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくすことができている。
【００３４】
ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を超えると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が小さくなり、閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面２−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。
【００３５】
この鏡面冷却式露点計２０１では、熱電冷却素子２の冷却面を鏡面とし、この鏡面２−１に一体的に薄膜温度センサ２−３を形成しているので、熱抵抗が少なく、温度勾配がなくなり、精度よくかつ応答性よく鏡面２−１の温度を測定することができる。これにより、露点温度の測定精度が高まり、応答性も向上する。
【００３６】
また、この鏡面冷却式露点計２０１では、従来の構成で必要としていた銅製ブロック３（図１１）が不要であり、銅製ブロック３への温度検出素子６の取り付けの必要もない。また、図１３に示したような構成のように鏡９や温度検出素子６０を熱電冷却素子２に個別に取り付る必要もなく、熱電冷却素子２と鏡面２−１と薄膜温度センサ２−３とを一体形状として、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進することができるようになる。
【００３７】
さらに、この鏡面冷却式露点計２０１では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２の取り付け部が１箇所にまとめられており、検出部２０１Ａの小型化に貢献している。また、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とがチューブ１７に収容されているので、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２との間での位置決めは必要なく、組立時の作業性がよくなる。
【００３８】
また、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくし、チャンバ内に被測定気体を引き込むための吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計など省略することができているので、部品点数が削減され、センサ部２０１Ａのさらなる小型化が図られ、組立性が向上し、コストもダウンする。また、吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などを装着しなくてもよいので、測定雰囲気中への設置も容易となる。また、センサ部２０１Ａには吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などの装着が伴わず、センサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとの２つの構成となるので、持ち運びが容易となる。
【００３９】
なお、図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａにおいて発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを収容したチューブ１７を用いたが、図５に示すセンサ部２０１Ａ’のように、発光側の光ファイバ１７−１に代えて発光ダイオード１９を、受光側の光ファイバ１７−２に代えてフォトカプラ２０を設けるようにしてもよい。
【００４０】
〔実施の形態２：鏡面冷却式露点計（正反射光検出方式）〕
図６はこの発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０２では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを同方向ではなく、鏡面２−１を挾んでその左右に対称に設けている。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部は、熱電冷却素子２の鏡面２−１に向けられ、この鏡面２−１に対して左右対称に所定の傾斜角で傾けられている。
【００４１】
この鏡面冷却式露点計２０２において、センサ部２０２ｂは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、熱電冷却素子２の鏡面２−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる。鏡面２−１は被測定気体に晒されており、鏡面２−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はそのほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される。したがって、鏡面２−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は大きい。
【００４２】
結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きく、閾値を超えているので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が下げられて行く。
【００４３】
熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が熱電冷却素子２の鏡面２−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面２−１からの反射パルス光（正反射光）の強度が減少する。
【００４４】
ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制によって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が大きくなり、閾値を上回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の鏡面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち鏡面２−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。
【００４５】
この鏡面冷却式露点計２０２においても、熱電冷却素子２の冷却面２−１を鏡面とし、この鏡面２−１に一体的に薄膜温度センサ２−３を形成しているので、熱抵抗が少なく、精度よくかつ応答性よく鏡面２−１の温度を測定することができ、露点温度の測定精度および応答性を向上させることができる。また、熱電冷却素子２と鏡面２−１と薄膜温度センサ２−３とを一体形状として、部品点数を削減し、組立工数の低減、小型・低コスト化を促進することができるようになる。
【００４６】
なお、上述した実施の形態１や２において、図７や図８に示すように、熱電冷却素子２の加熱面２−２とヒートシンク１８との間に温度検出素子２１を設ければ、ヒートシンク１８の温度を精度よくかつ応答性よく測定し、ヒートシンク１８の温度がある温度に達したら熱電冷却素子２への電流を遮断したり制限するなどして、鏡面２−１の冷却効率を上げるようにすることも可能である。
【００４７】
また、上述した実施の形態１や２では、鏡面２−１に生じる結露（水分）を検出するものとしたが、同様の構成によって鏡面２−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態１）である。
【図２】この鏡面冷却式露点計における熱電冷却素子の鏡面に形成された薄膜温度センサの位置関係を示す平面図である。
【図３】発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのチューブ中に並行して設ける構成を例示する図である。
【図４】鏡面に対して照射されるパルス光および鏡面から受光される反射パルス光を示す図である。
【図５】実施の形態１の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図６】本発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態２）である。
【図７】熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの間にも温度検出素子を設けた実施の形態１の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図８】熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの間にも温度検出素子を設けた実施の形態２の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。
【図９】正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。
【図１０】散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。
【図１１】従来の鏡面冷却式露点計における鏡や温度検出素子の取り付け構造を示す斜視図である。
【図１２】熱電冷却素子の冷却面にＣＰＵを取り付けた従来の冷却装置における温度測定構造を示す図である。
【図１３】この冷却装置の構成から考えられる鏡面冷却式露点計における鏡面の温度の測定構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２ａ…半導体素子、２ｂ…冷却基板、２−１…冷却面（鏡面）、２−２…加熱面、２−３…薄膜温度センサ（温度検出素子）、１２…露点温度表示部、１３…結露検知部、１４…ペルチェ出力制御部、１５…信号変換部、１７…チューブ、１７−１…発光側の光ファイバ、１７−２…受光側の光ファイバ、１８…ヒートシンク、１９…発光ダイオード、２０…フォトカプラ、２０１，２０２…鏡面冷却式露点計、２０１Ａ，２０２ｂ…センサ部、２０１Ｂ，２０２Ｂ…コントロール部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、前記低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光する散乱光に基づいて前記熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段と
を備えたことを特徴とする水分検出装置。
【請求項２】
電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、前記低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光する正反射光に基づいて前記熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段と
を備えたことを特徴とする水分検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された水分検出装置において、
前記温度検出素子は、前記熱電冷却素子の鏡面の背面側に埋め込まれていることを特徴とする水分検出装置。
【請求項１】
電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、前記低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光する散乱光に基づいて前記熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段と
を備えたことを特徴とする水分検出装置。
【請求項２】
電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされ、前記低温側の面が鏡面とされた熱電冷却素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に形成された温度検出素子と、
前記熱電冷却素子の鏡面に対して光を照射する発光手段と、
前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光する正反射光に基づいて前記熱電冷却素子の鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する手段と
を備えたことを特徴とする水分検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された水分検出装置において、
前記温度検出素子は、前記熱電冷却素子の鏡面の背面側に埋め込まれていることを特徴とする水分検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−９３２６９（Ｐ２００７−９３２６９Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７９８２７（Ｐ２００５−２７９８２７）
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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