(57)【要約】【課題】大気環境を短時間で容易に測定する。【解決手段】大気環境から収集した大気に酸化剤として金属を酸化させるガスを添加する酸化部１２と、金属部分を有する測定素子１５と、大気と添加された酸化剤とを含む気体を金属部分１５ｃに放出する放出管１４と、金属部分１５ｃの腐食状態を測定することで大気環境を測定する測定部１８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の大気環境に含まれる腐食性ガスの含有状態を測定する環境測定装置であって、
前記大気環境から収集した大気に酸化剤として金属を酸化させるガスを添加する酸化部と、
金属部分を有する測定素子と、
前記酸化部において前記大気に前記酸化剤が添加された気体を前記金属部分に放出する放出管と、
前記金属部分の腐食状態を測定することで前記大気環境を測定する測定部と、
を備えることを特徴とする環境測定装置。
【請求項２】
周囲の大気環境に含まれる腐食性ガスの含有状態を測定する環境測定装置であって、
前記大気環境から収集した大気に湿度を与える加湿部と、
金属部分を有する測定素子と、
前記加湿部において前記大気に湿度が与えられた気体を前記金属部分に放出する放出管と、
前記金属部分の腐食状態を測定することで前記大気環境を測定する測定部と、
を備えることを特徴とする環境測定装置。
【請求項３】
収集した前記大気に、湿度を与える加湿部を更に備え、
前記放出管は、前記酸化部において前記酸化剤が添加されるとともに前記加湿部において湿度が与えられた気体を前記金属部分に放出する
ことを特徴とする請求項１に記載の環境測定装置。
【請求項４】
前記金属部分は、前記測定素子の表面に、亜硫酸ガス、硫化水素ガス、窒素酸化物ガス、塩素ガス又はアンモニアガスのうち少なくともいずれかのガスと反応が高い単一金属または合金でコーティングされた薄膜であり、
前記測定部は、前記金属部分の電気抵抗の変化量を測定して前記大気環境における腐食性ガスの含有状態を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の環境測定装置。
【請求項５】
前記金属部分は、前記測定素子の表面に、銅でコーティングされた薄膜であり、
前記測定部は、前記金属部分の電気抵抗の変化量を測定して前記大気環境における腐食性ガスの含有状態を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の環境測定装置。
【請求項６】
前記薄膜の膜厚は、０．０５〜０．３μｍであることを特徴とする請求項４又は５に記載の環境測定装置。
【請求項７】
前記加湿部は、
水の充填される水槽と、
前記水槽に配置され、前記気体が通過可能であるとともに前記水槽中の水が水蒸気として透過し、通過する前記気体に湿度を与える通過管と、
が設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載の環境測定装置。
【請求項８】
前記測定素子は一定気圧のチャンバー内に設置され、
前記放出管から４００〜１０００ｍｌ／分の流速で前記金属部分に前記気体を放出するようにチャンバー内の気圧を制御するポンプを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の環境測定装置。
【請求項９】
前記放出管は、気体を放出する放出口に前記放出管の壁面と並行方向の隔壁を設けて放出する気体の方向を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の環境測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気環境を測定する環境測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器および電気機器等の機器は、設置される大気環境に含まれる二酸化硫黄ガス（ＳＯ2）、硫化水素ガス（Ｈ2Ｓ）、二酸化窒素ガス（ＮＯ2）、塩素ガス（Ｃｌ2）等のような腐食性ガスの影響を受けるとその特性が変化する。したがって、機器が設置される大気環境を測定し、大気環境を評価することは、機器の製造業者および機器の利用者にとって重要である。
【０００３】
一方、機器が設置される大気環境の腐食性ガス濃度は、一般的には１ｐｐｍ以下と低濃度であり、汎用されるガス検知器等を利用して簡便に測定することはできない。したがって、従来の腐食性ガス濃度の測定は、「対象とする大気を採取して科学的にガスを分析する方法」や「対象とする大気中に特定の物質を一定期間暴露してその物質変化を調べる方法」が利用されている。
【０００４】
従来行なわれていた「対象とする大気を採取する方法」では、機器の設置される環境で採取した大気を実験室等へ持ち帰り、実験室で大気に含有される腐食性ガスを分析している。また、ガスの分析は専門的であるため、専門家が行なっている。したがって、機器の設置場所において、容易かつ短時間で大気環境の測定結果を得ることができない問題があった。
【０００５】
また、「特定の物質を大気中に暴露する方法」では、機器の設置される大気環境中に金属板やガスを吸着する薬剤を染み込ませたろ紙を一定期間暴露し、その金属板の重量変化または薬剤へのガスの吸着量を調べている。しかしながら、金属の重量変化や薬剤への吸着の変化が生じるまでには数週間から数ヶ月程度の期間が必要となる。また、この方法でも、測定対象である大気中に暴露した金属やろ紙を実験室等へ持ち帰り、専門家が測定結果を得ている。したがって、機器の設置場所において容易かつ短時間で測定結果を得ることができない問題があった。
【０００６】
これに対し、近年では、水晶振動子上に成膜された物質の重量変化を振動数の変化量から求めて環境を評価する技術もある（例えば、特許文献１参照）。また、２種類以上の金属薄膜を１枚の絶縁基板上に形成し、その透過光、反射光および電気抵抗の変化量から環境を評価する技術もある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開2001-99777号公報
【特許文献２】特開2003-294606号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および２で記載されている水晶振動子を用いた方法や絶縁基板を用いた方法では、従来の測定方法で必要としていたように数週間から数ヶ月程の長時間は要していない。この引用文献１および２に記載される方法では、従来必要としていた程の期間は必要としないものの、水晶振動子や絶縁基板に成膜した金属を短時間で変化させることはできず、大気環境の測定結果を短時間（例えば、２〜３時間）で得ることはできない。また、薄膜を形成する複数種類の金属の選定作業や、複雑な構成の装置の製造作業により、高コストであるという問題があった。さらに、水晶振動子を使用した場合にも構成が複雑になり、コストの削減を図ることはできない問題があった。
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明は、大気環境を短時間で容易に測定することのできる環境測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の特徴に係る環境測定装置は、周囲の大気環境に含まれる腐食性ガスの含有状態を測定する環境測定装置であって、前記大気環境から収集した大気に酸化剤として金属を酸化させるガスを添加する酸化部と、金属部分を有する測定素子と、前記大気と添加された前記酸化剤とを含む気体を前記金属部分に放出する放出管と、前記金属部分の腐食状態を測定することで前記大気環境を測定する測定部とを備えている。
【００１０】
また、本発明の他の特徴に係る環境測定装置は、周囲の大気環境に含まれる腐食性ガスの含有状態を測定する環境測定装置であって、前記大気環境から収集した大気に湿度を与える加湿部と、金属部分を有する測定素子と、前記大気に湿度が与えられた気体を前記金属部分に放出する放出管と、前記金属部分の腐食状態を測定することで前記大気環境を測定する測定部とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、大気環境を短時間で容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の実施形態に係る環境測定装置は、大気中に含まれる腐食性ガスの影響を受けると特性が変化して機能が低下する電子機器や電気機器等の機器の付近に設置され、機器に影響を与えるガスの含有状態（含有の有無や含有率）を測定する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の最良の実施形態に係る環境測定装置１は、導入管１１から導入された大気に酸化剤を導入する酸化部１２と、大気に湿度を与える加湿部１３と、酸化剤が与えられ又は加湿された大気をチャンバー１６内の測定素子１５に放出する放出管１４と、測定素子１５の状態変化を測定して大気中に含まれるガスの量を求める測定部１８とを備えている。
【００１４】
導入管１１は、一端が環境を測定する大気中に存在しており、他端が環境測定装置１内に存在している。環境測定装置１では、この導入管１１から測定対象となる大気が導入される。
【００１５】
酸化部１２は、金属の酸化剤となるガスを予め保持しており、導入管１１を介して採取された大気に対し、適量のガス（酸化剤）を導入する。ここで酸化剤は、測定素子１５の材質によって定められる。例えば、過酸化水素ガス（Ｈ2Ｏ2）やオゾンガス（Ｏ3）は、多種の金属の腐食反応を加速させるとともに、低コストで収集および保持することができるため、酸化部１２が保持する酸化剤に好ましいガスである。
【００１６】
加湿部１３は、図２に一例を示すように、水が貯えられる水槽１３ａに気体が通過可能な通過管１３ｂが設置され、導入管１１から湿度の低い気体が導入されると通過管１３ｂを通過する気体に湿度を与え、湿度の高い気体として放出管１４から放出する。図２（ａ）は、加湿部１３の側面図であり、図２（ｂ）は、加湿部１３の水槽１３ａの上面図である。
【００１７】
具体的には、水槽１３ａ内には恒温の水が貯えられており、水槽１３ａの内部には、図２に示すように、シリコンチューブで構成される通過管１３ｂが複数配置されている。加湿部１３に導入された気体は分流して入口１３ｃから通過管１３ｂに導入される。シリコンは、気体の透過性が大きい物質であるため、気体が通過管１３ｂを通過する際、水槽１３ａに貯えられる水の一部は通過管１３ｂの側面を浸透する。したがって、通過管１３ｂを通過する気体には湿度が与えられる。また、加湿部１３は、通過管１３ｂの出口１３ｄから排出された湿度の与えられた気体を、放出管１４に供給する。
【００１８】
このとき、気体への水蒸気の供給を短時間で行うためには、水槽１３ａに貯えられる水の水温を上げる方法や、シリコンと気体との接触面積を増加させるために径の小さい多数のマイクロシリコンチューブを通過管１３ｂとして用いる方法が考えられる。また、水槽１３ａに貯えられる水の水温やシリコンチューブの性質（径や成分）を調整することにより、気体へ供給する水蒸気の量を一定に保つことができる。なお、通過管１３ｂには、シリコンのチューブの他、透過性ポリウレタン樹脂のチューブを利用することもできる。
【００１９】
放出管１４は、加湿部１３から供給された気体を放出して測定素子１５に気体を送風する。
【００２０】
測定素子１５は、一定の気圧に保持されたチャンバー１６内の放出管１４から放出される気体が当たる位置に載置されている。例えば、チャンバー１６内から、ポンプ１７によって一定量の気体が排出されると、所定速度で放出管１４から気体が放出された気体が測定素子１５に送風される。
【００２１】
図３で一例を示すように、測定素子１５は、ガラス基板等の基板１５ａの表面１５ｂ上に金属１５ｃがコーティングされた構成である。ここで、図３（ａ）は、測定素子１５の上面図であり、図３（ｂ）は、測定素子１５の側面図である。
【００２２】
測定素子１５にコーティングされる金属１５ｃは、測定対象であるガスの種類によって定められる。銅（Ｃｕ）は比較的低コストであるとともに、二酸化硫黄ガス、硫化水素ガス、二酸化窒素ガス、塩素ガス、アンモニアガス等の一般的な腐食性ガスとの反応性が高い金属である。したがって、基板１５ａには、銅をコーティングすることが好ましく、以下では銅をコーティングした場合を例にして説明する。
【００２３】
なお、「電子情報技術産業協会」の「ＩＴ−１００４  産業用情報処理・制御機器設置環境基準」でも上述した二酸化硫黄ガス、硫化水素ガス、二酸化窒素ガス、塩素ガス、アンモニアガスを測定して腐食性のレベルを想定している。また、銅の他には、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｉ）等もコーティングの金属として利用することができる。
【００２４】
ここで、環境測定装置１による測定時間は、酸化剤や湿度の有無の他、測定素子１５にコーティングされている金属１５ｃの形状、膜厚によって左右される。また、測定素子１５に気体が放出される際の流速（気体量）によっても測定時間が左右される。
【００２５】
まず、測定時間を左右する金属１５ｃのコーティングの形状について説明する。測定素子１５は、例えば、図３（ａ）に示すように、基板１５ａの表面１５ｂ上にＨ型に金属１５ｃをコーティングして幅（面積）の狭い部分を反応スポット１５ｄとし、放出管１４から放出される気体を反応スポット１５ｄに集中的に当てることで、金属１５ｃの腐食速度を促進させて短時間で測定結果を得ることができる。すなわち、放出管１４から気体が放出される金属１５ｃの範囲が広い場合、気体の当たり方が不均一となるとともに金属１５ｃが腐食するまでに時間を要する。一方、狭い範囲の反応スポット１５ｄに集中的に気体を当てれば、気体の当たり方も均一であるとともに金属１５ｃが短時間で腐食する。なお、放出管１４から気体が送風される反応スポット１５ｄの幅や長さ、コーティングの形状は限定されず、図３（ａ）に示すようなＨ型でなくてもよい。
【００２６】
次に、測定時間に影響する金属１５ｃのコーティングの膜厚について説明する。測定素子１５の金属１５ｃの膜厚は、薄いと測定対象のガス以外によって金属が酸化し、厚いと酸化に長時間を要するため、適当な膜厚にする必要がある。図４は、横軸を膜厚（μｍ）、縦軸を測定開始から経過した時間（分）として、膜厚０．１〜０．５μｍの銅の電気抵抗の変化量が４００ｍΩに達するまでの経過時間を表わすグラフである。なお、図４に示す測定結果は、大気中に０．１ｐｐｍの二酸化窒素ガスを含み、酸化剤として０．３ｐｐｍの過酸化水素ガスを添加し、湿度を８０％にした場合の一例である。
【００２７】
図４に示す例では、測定開始時からの電気抵抗の変化量が４００Ωになるまでには、例えば、膜厚が０．３μｍのときには２４０分（４時間）以内であるが、膜厚が０．４μｍのときには約３６０分（６時間）かかり、膜厚が０．５μｍのときには約４８０分（８時間）かかっている。すなわち、膜厚が厚いときには腐食が進む速度が遅いため、電気抵抗の変化にも時間がかかることがわかる。
【００２８】
また、図５は、横軸を膜厚（μｍ）、縦軸を電気抵抗（Ω）として、膜厚０．０２〜０．１μｍの銅の電気抵抗を表わすグラフである。図５に示す例では、膜厚が薄くなるにつれて、電気抵抗が高くなっている傾向にある。これは、膜厚を薄くしたときには、基板の表面上に均一に金属をコーティングするのが困難となり、基板の表面上で金属が不連続となる部分が生じて電気抵抗が高くなるためである。
【００２９】
図４および図５で示したように、測定素子１５の金属１５ｃの膜厚は、厚すぎても薄すぎても電気抵抗の変化量を正確かつ短時間で求めるのは困難である。図４および図５に示すグラフから、膜厚は０．０５〜０．３μｍ程度であるのが最適であり、以下では、膜厚０．１μｍの銅をコーティングにした測定素子１５を例にして説明する。
【００３０】
続いて、測定時間に影響する気体の流速（気体の放出量）について説明する。例えば、放出管１４から放出される気体の流速が小さいと測定素子１５にコーティングされた銅の腐食反応速度は小さくなり、流速が大きすぎる場合にも銅の腐食反応速度は小さくなる。図６は、横軸を電気抵抗の変化量（ｍΩ）、縦軸を気体の流速（ｍｌ／分）として、酸化剤として０．３ｐｐｍの過酸化水素ガスを添加したときの、０．１μｍの膜厚でコーティングした銅の測定開始前と測定開始から４時間後との電気抵抗の変化量を表わしている。図６によれば、放出管１４から放出する気体の流速が１０００ｍｌ／分を超えると、電気抵抗の変化量が小さくなっており、流速が大きすぎると腐食速度が小さくなることが分かる。したがって、ポンプ１７は、放出管１４から放出される気体の流速が、銅の腐食反応速度を最短にするように制御するのが望ましく、図６の条件と同一の条件の場合、流速が４００〜１０００ｍｌ／分が適当であり、腐食反応速度を最短に調整することができることが分かる。
【００３１】
測定部１８は、測定素子１５の電気抵抗の変化量に基づいてガスの量を測定する。例えば、測定部１８は抵抗測定器であって、測定素子１５にコーティングされた金属１５ｃの電気抵抗を測定している。測定部１８によって測定される金属１５ｃ電気抵抗の変化量により、大気環境に含まれる腐食性ガスの含有状態を測定することができる。すなわち、大気環境で腐食性ガスを含有しているときには短時間で電気抵抗が変化し、大気環境で腐食性ガスを大量に含有しているときには、電気抵抗の変化時間がさらに短縮される。したがって、大気環境中における腐食性ガスの含有率や、含有される腐食性ガスの種類等の詳細なデータを得ることは困難であるが、腐食性ガスの含有状態（含有の有無や含有量の大小）を測定することができる。
【００３２】
環境測定装置１は、酸化部１２および加湿部１３を有し、気体に酸化剤を添加するとともに蒸気を添加しているが、酸化部１２または加湿部１３のいずれか一方のみを有する構成でもよい。なお、湿度が低いよりも高い場合のほうが腐食反応は加速され、酸化剤は基板の表面１５ｂにコーティングされた金属と反応しやすい状態になるため、より短時間で環境測定を行なうためには、酸化部１２および加湿部１３の両方を備えることが好ましいことが、図７の測定結果から明らかである。
【００３３】
図７は、腐食性ガスとして二酸化硫黄ガス、硫化水素ガス、二酸化窒素ガスまたは塩素ガスを含む大気環境において、０．１μｍの膜厚で銅をコーティングした測定素子１５を有する環境測定装置１を用いて、測定開始前の銅の電気抵抗と測定開始から４時間後の銅の電気抵抗の変化量が２００ｍΩ以上であるか２００ｍΩ以下であるかをて表わしている。なお、図７の例は、酸化剤として０．６ｐｐｍのオゾンを追加し、大気中に腐食性ガスとして０．１ｐｐｍの二酸化硫黄ガス、０．０１ｐｐｍの硫化水素ガス、０．０５ｐｐｍの二酸化窒素ガス、０．０１ｐｐｍの塩素ガスが含まれる一例である。
【００３４】
図７によれば、例えば、湿度が４０％であり、酸化剤を添加していないときには、測定開始前と測定開始から４時間後との電気抵抗の変化量は２００ｍΩ以下である。一方、湿度４０％であり、酸化剤を添加したときには、大気環境に含まれる腐食性ガスによって測定開始前と測定開始から４時間後の電気抵抗の変化量が異なっている。すなわち、腐食性ガスが硫化水素ガスの場合には２００ｍΩ以上の電気抵抗の変化量を生じているが、二酸化硫黄ガス、二酸化窒素ガスおよび塩素ガスの場合には２００ｍΩ以上の電気抵抗の変化量は生じていない。
【００３５】
また、湿度が８０％であり、酸化剤を添加していないときには、測定開始前と測定開始から４時間後との電気抵抗の変化量は２００ｍΩ以下である。一方、湿度が８０％であり、酸化剤を添加したときには、測定開始前と測定開始から４時間後との電気抵抗の変化量は２００ｍΩ以上である。
【００３６】
なお、図示を用いた説明を省略するが、実験からは、湿度が６０％以下の場合には、金属の腐食速度が小さく、長い測定時間が必要であるという結果を得ている。
【００３７】
図８は、横軸を測定時間（分）、縦軸を電気抵抗の変化量（ｍΩ）として、環境測定装置１で硫化水素ガス濃度がそれぞれ０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、０．０１ｐｐｍのときの測定開始から２４０分間（４時間）後までの測定素子１５にコーティングされている銅の電気抵抗の変化量を表わしている。図８は、酸化部１２は酸化剤として０．６ｐｐｍの過酸化水素ガスを用い、加湿部１３は気体の湿度を８０％に加湿した状態で電気抵抗の変化量を測定した一例である。図８に示す結果から、約１２０分（２時間）で電気抵抗の変化が表れているのがわかる。
【００３８】
また、図９は、横軸を測定時間（分）、縦軸を電気抵抗の変化量（ｍΩ）として、環境測定装置１で塩素ガス濃度がそれぞれ０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、０．０２ｐｐｍのときの測定開始から２４０分間（４時間）後までの測定素子１５にコーティングされている銅の電気抵抗の変化量を表わしている。図９は、酸化部１２は酸化剤として０．６ｐｐｍの過酸化水素ガスを用い、加湿部１３は気体の湿度を８０％に加湿した状態で電気抵抗の変化量を測定した一例である。図９に示す結果から、約１２０分（２時間）で電気抵抗の変化が表れているのがわかる。
【００３９】
上述した図８および図９によれば、酸化剤や水蒸気（湿度）等を有効に利用すれば、２時間程度の短時間でも環境大気に含まれる腐食性ガスによって金属を腐食させ、電気抵抗として腐食性ガスによる影響を測定することができることが分かる。
【００４０】
上述したように、本発明の最良の実施形態に係る環境測定装置によれば、測定対象である大気に対して酸化剤または蒸気を添加して、測定素子の金属の腐食を促進している。したがって、従来の測定方法と比較して、４時間程度と短時間で測定結果を得ることができる。
【００４１】
すなわち、機器は定期的なメンテナンスなどを行うことが一般的であるが、これらのメンテナンスには４時間程度の時間を要している。したがって、上述した環境測定装置１を利用すれば、メンテナンスを行う時間内で機器周囲の大気環境を測定することも可能である。メンテナンス時間を利用して上述した環境測定装置を利用した簡単な測定よって大気環境中に腐食性ガスが含まれることが明らかになった後で、必要な場合にのみ詳細な測定を行なうことで、従来のように全ての大気環境で測定時間の長い大掛かりな測定を行えばよく、測定の手間を軽減することができる。
【００４２】
〈変形例〉
放出管１４は、図１０に一例を示すように、隔壁１４ａを設けることもできる。放出管１４に隔壁１４ａを設けた場合、気体の乱流を防止することとなり測定素子１５では基板の表面１５ｂには放出管１４から放出される気体が均一に当たるため、基板１５ａの表面１５ｂにおいて腐食反応を均一にすることができる。このとき、放出する気体の圧損を最小限にするため、隔壁には薄い板を用いるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の最良の実施形態に係る環境測定装置を表わす図である。
【図２】図１の環境測定装置の加湿部を説明する図である。
【図３】図１の環境測定装置の測定素子を説明する図である。
【図４】膜厚と所定の電気抵抗の変化量を生じるまでの時間を表すグラフである。
【図５】膜厚と電気抵抗の関係を表わすグラフである。
【図６】流速と電気抵抗の関係を表わすグラフである。
【図７】酸化剤および湿度による電気抵抗の変化量への影響について説明する図である。
【図８】硫化水素ガスによる影響を測定した一例である。
【図９】塩素ガスによる影響を測定した一例である。
【図１０】変形例に係る環境測定装置の放出管を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…環境測定装置
１１…導入管
１２…酸化部
１３…加湿部
１３ａ…水槽
１３ｂ…通過管
１３ｃ…入口
１３ｄ…出口
１４…放出管
１４ａ…隔壁
１５…測定素子
１５ａ…基板
１５ｂ…表面
１５ｃ…金属（金属部分）
１５ｄ…反応スポット
１６…チャンバー
１７…ポンプ
１８…測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009145146.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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