JP2008164380A - 湿度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲において精度良く湿度の検出が可能な湿度センサ装置を提供する。
【解決手段】周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサと、湿度センサに対して、所定周波数の交流信号を出力する発信回路と、を備えた湿度センサ装置において、発振回路に温度特性を持たせ、周囲の温度に応じて異なる周波数の交流信号を出力するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、湿度の変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサを備えた湿度センサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、湿度の変化に応じてインピーダンスが変化する所謂抵抗式の湿度センサを備えた湿度センサ装置が知られている。

抵抗式の湿度センサは、感湿膜のイオン伝導効果を利用しており、基板上に離間して対向配置された一対の電極と、この電極を覆うように設けられた感湿膜とを有している。水分量によって感湿膜中の可動イオンの遊離量が変化すると、それに応じて感湿膜のインピーダンスが変化するが、可動イオン量は相対湿度と一定の関係にあるので、インピーダンスを換算することによって湿度を検出することができる。

なお、抵抗式の湿度センサを備えた湿度センサ装置においては、直流信号を印加すると電気分極が生じるため、発振回路を用いて湿度センサに交流信号を印加している。
特開２００１−２８１１８３号公報

ところで、湿度センサのインピーダンスは、周波数によって、各湿度によるインピーダンスに差がほとんどない領域、少なくとも一部の湿度によるインピーダンスに差はあるものの周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きい不飽和領域、各湿度によるインピーダンスに差があり、周波数の変化に伴うインピーダンス変化が僅かである（ゼロも含む）飽和領域が存在する。湿度を検出するには、少なくとも不飽和領域、好ましくは飽和領域の周波数を有する交流信号を湿度センサに印加すること望まれる。

しかしながら、温度が変化すると不飽和領域や飽和領域もシフトする。したがって、上述した従来の湿度センサ装置のように、発振回路から出力される交流信号の周波数が一定の場合には、精度良く湿度を検出できる温度範囲が狭いという問題がある。特に車両用の湿度センサ装置においては、使用温度範囲が民生用と比べて広いため、上述した問題解消が望まれる。

本発明は上記問題点に鑑み、広い温度範囲において精度良く湿度の検出が可能な湿度センサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の湿度センサ装置は、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサと、湿度センサに対して、所定周波数の交流信号を出力する発信回路と、を備えたものであって、発振回路が周囲の温度に応じて異なる周波数の交流信号を出力することを特徴とする。

このように本発明によれば、発振回路に温度特性を持たせており、これによって発振回路が温度に応じた周波数の交流信号を出力することができる。したがって、従来のように発振回路の周波数が一定である構成に比べて、広い温度範囲において精度良く湿度を検出することができる。

なお、各湿度によるインピーダンスに差があれば、湿度の検出が可能であるが、好ましくは、請求項２に記載のように、発振回路が、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域の、任意周波数の交流信号を出力するように構成されると良い。

このような構成とすると、各湿度によるインピーダンスに差はあるものの周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きい周波数域の、任意周波数の交流信号を出力する構成に比べて、より精度良く湿度を検出することができる。

請求項３に記載のように、発振回路として、コンデンサと抵抗を組み合わせてなるＣＲ発振回路を採用し、ＣＲ発振回路を構成する抵抗に温度特性を持たせた構成とすることが好ましい。

このように、発振回路を構成する抵抗に温度特性を持たせることで、簡素な構成でありながら、発振回路の構成を、温度に応じた周波数の交流信号を出力する構成とすることができる。

なお、各湿度を検出できる周波数領域が、室温よりも低い温度において、室温よりも低周波側にシフトすることが本発明者によって確認されている。したがって、請求項４に記載のように、発振回路が、室温よりも低い温度において、室温時の周波数よりも低周波の交流信号を出力するように構成されることが好ましい。より好ましくは、請求項５に記載のように、発振回路が、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域の、任意周波数の交流信号を出力するように構成されると良い。これによれば、より精度良く湿度を検出することができる。

次に、請求項６に記載の湿度センサ装置は、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサと、湿度センサに対して、所定周波数の交流信号を出力する発信回路と、を備えたものであって、発振回路として、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数の発振部を有することを特徴とする。

このように本発明によれば、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数の発振部によって発振回路を構成している。したがって、従来のように発振回路の周波数が一定である構成に比べて、広い温度範囲において精度良く湿度を検出することができる。

なお、各湿度によるインピーダンスに差があれば、湿度の検出が可能であるが、好ましくは、請求項７に記載のように、複数の発振部が、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域が互いに異なり、それぞれの周波数域における任意周波数の交流信号を出力するように構成されると良い。

このような構成とすると、複数の発振部の少なくとも１つが、少なくとも一部の湿度によるインピーダンスに差はあるものの周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きい周波数域の、任意周波数の交流信号を出力する構成に比べて、より精度良く湿度を検出することができる。

複数の発振部を有する構成においては、例えば請求項８に記載のように、湿度センサに印加される交流信号を出力する１つの発振部を、周囲の温度に応じて複数の発振部のなかから選択する選択手段を備える構成としても良い。また、請求項９に記載のように、湿度センサとして、複数の発振部にそれぞれ対応し、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する複数の素子部を有する構成としても良い。いずれの構成としても良いが、請求項８に記載の構成とすると、請求項９に記載の構成よりも簡素とすることができる。

このように請求項１〜９いずれか１項に記載の湿度センサ装置によれば、広い温度範囲において精度良く湿度の検出が可能である。したがって、請求項１０に記載のように、請求項１〜９いずれか１項に記載の湿度センサ装置は、民生用と比べて使用温度範囲が広い車両用として好適である。

先ず、本発明の実施の形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。図１は、従来の湿度センサ装置における問題点を示すインピーダンス特性図である。

本発明者は、発振回路から周波数一定の交流信号を所謂抵抗式の湿度センサに供給する構成の従来の湿度センサ装置を、使用温度範囲が広い車両用に適用することを検討した。例えば交流信号の周波数ｆを数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度で一定（図１においては約３ｋＨｚ）としたところ、室温（２５℃）においては、２０％ＲＨ、５０％ＲＨ、６０％ＲＨ、８０％ＲＨの各湿度を精度良く検出することができた。ところが、室温とは異なる温度（例えば−１０℃）においては、少なくとも一部の湿度（特に低湿度側）を検出できないことが確認された。

そこで本発明者は、周波数とインピーダンスとの関係について精査した。すると、室温（２５℃）において各湿度を検出できた上述の周波数ｆが、図１に示すように、−１０℃においては、少なくとも一部の湿度によるインピーダンスに差はある領域であって、且つ、周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きい不飽和領域に存在することが確認された。すなわち、温度が変化すると不飽和領域や飽和領域もシフトすることが確認された。なお、図１に示す否検出領域とは、周波数によって、各湿度によるインピーダンスに差がほとんどなく、実質的に湿度の検出が不可能な領域である。また、飽和領域とは、各湿度によるインピーダンスに差がある領域であって、且つ、周波数の変化に伴うインピーダンス変化が僅かである（ゼロも含む）領域である。すなわち、各湿度の検出が可能な（広い湿度範囲の検出が可能な）領域であり、室温においては上述の周波数ｆも存在する領域である。

図１にも示すように、湿度を検出するには、少なくとも不飽和領域の周波数（否検出領域を除く周波数）を有する交流信号を湿度センサに印加する必要がある。しかしながら、不飽和領域の場合、インピーダンスに差のある湿度については検出が可能（すなわち、狭い湿度範囲の検出が可能）であるが、周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きいため、検出精度を向上するのが困難である。したがって、好ましくは飽和領域の周波数を有する交流信号を湿度センサに印加すること望まれる。これに対し、上述した従来の湿度センサ装置のように、発振回路から出力される交流信号の周波数が一定の場合には、精度良く湿度を検出できる温度範囲が狭い。この問題を解決する構成として、以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、図２に示すＣＲ発振回路の一例を示す回路図である。図４は、本実施形態に係る湿度センサ装置の発振周波数を示すインピーダンス特性図である。

図２に示すように、湿度センサ装置１００は、要部として、湿度センサ１１０と、湿度センサ１１０に対して交流信号を出力する発振回路１２０と、湿度センサ１１０からの出力を処理する後段処理回路１３０と、を含んでいる。

湿度センサ１１０は、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する公知の抵抗式湿度センサである。具体的には、要部として、基板上に離間して対向配置された導電材料からなる一対の電極と、この電極を覆うように設けられたイオン伝導性の高分子ポリマーを材料とする感湿膜とを含み、感湿膜のイオン伝導効果を利用して湿度を検出する。水分量によって感湿膜中の可動イオンの遊離量が変化すると、それに応じて感湿膜のインピーダンスが変化するが、可動イオン量は相対湿度と一定の関係にあるので、インピーダンスを換算することによって湿度を検出することができる。本実施形態においては、湿度センサ１１０として、一対の電極及び感湿膜からなる１つの感湿素子を含んでいる。

発振回路１２０は、湿度センサ１１０に印加する、所定周波数の交流信号（正弦波）を出力する回路である。このように、交流信号を湿度センサ１１０に印加する理由は、抵抗式の湿度センサ１１０に直流信号を印加すると電気分極の影響を受けるためである。本実施形態においては、発振回路１２０が、周囲の温度に応じて異なる周波数の交流信号を出力するように構成されている。すなわち、発振回路１２０に温度特性を持たせている。

なお、発振回路１２０に温度特性を持たせるに当たり、上述したように各湿度によるインピーダンスに差があれば（少なくとも、否検出領域を除く周波数であれば）湿度の検出が可能であるが、好ましくは、各測定温度における飽和領域内の、任意周波数の交流信号を出力するように発振回路１２０が構成されると良い。少なくとも一部の測定温度において、不飽和領域の、任意周波数の交流信号を出力する場合も、一部の湿度は検出することが可能である。しかしながら、周波数の僅かなずれによって、インピーダンスが大きく変化するため、湿度の検出誤差が大きくなる。これに対し、各測定温度における飽和領域内の、任意周波数の交流信号を出力する構成とすると、周波数が僅かにずれたとしても、インピーダンスが殆ど変化しないか全く変化しないので、不飽和領域の、任意周波数の交流信号を出力する構成に比べて、より精度良く湿度を検出することができる。本実施形態においては、湿度センサ１１０に印加される交流信号の周波数が、各測定温度において飽和領域内となるように、発振回路１２０が構成されている。

また、上述したように、飽和領域や不飽和領域は、室温よりも低い温度において、室温よりも低周波側にシフトすることが本発明者によって確認されている。そこで、本実施形態においては、室温よりも低い温度において、室温時の周波数よりも低周波の交流信号を出力するように、発振回路１２０に温度特性を持たせている。

発振回路１２０としては、温度に応じて周波数が変化する構成であれば採用が可能である。例えばコンデンサと抵抗を組み合わせてなるＣＲ発振回路を採用し、ＣＲ発振回路を構成する抵抗に温度特性を持たせた構成とすると良い。ＣＲ発振回路のように、発振回路１２０を構成する抵抗に温度特性を持たせることで、簡素な構成でありながら、発振回路１２０の構成を、温度に応じた周波数の交流信号を出力する構成とすることができる。

本実施形態においては、図２に示すように、発振回路１２０としてＣＲ発振回路（移相形）を採用し、発振回路１２０を構成する抵抗（Ｒ）として、所望の温度特性を有する抵抗を採用している。このような発振回路１２０の一例として、例えば図３に示すように、演算増幅器１２１と、コンデンサ１２２〜１２４と、抵抗１２５〜１２６とによる構成を採用することができる。このようなＣＲ発振回路においては、回路を構成する素子（コンデンサや抵抗）の定数の選択によって、交流信号の周波数や振幅などを決定することができるので、抵抗に温度特性を持たせることによって、発振回路１２０に温度特性を持たせることができる。

後段処理回路１３０は、湿度センサ１１０からの出力を処理する回路であり、要部として、湿度センサ１１０からの電流信号を電圧信号に変換するとともに、対数圧縮する対数圧縮回路や増幅回路などを含んでいる。このような後段処理回路１３０としては、公知の構成を採用することができる。

本発明者は、このように構成される湿度センサ装置１００において、発振回路１２０が、室温（２５℃）において数ｋＨｚの周波数の交流信号を出力（図示略）し、−１０℃において、図４に示すように室温よりも低周波である０．１ｋＫｚ程度の周波数の交流信号を出力することを確認している。

このように本実施形態に係る湿度センサ装置１００においては、発振回路１２０に温度特性を持たせており、各測定温度において飽和領域内の周波数をもった交流信号が湿度センサ１１０に印加される。したがって、従来のように発振回路の周波数が一定である構成に比べて、広い温度範囲において精度良く湿度を検出することができる。すなわち、民生用と比べて使用温度範囲が広い車両用の湿度センサ装置として好適である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図５に基づいて説明する。図５は、第２実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。

第２実施形態に係る湿度センサ装置は、第１実施形態に示した湿度センサ装置１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第１実施形態においては、湿度センサ装置１００を構成する発振回路１２０に温度特性を持たせることで、測定温度が変化しても各湿度を検出することのできる構成を例示した。これに対し、本実施形態においては、例えば図５に示すように、湿度センサ装置２００が、発振回路２２０として、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数（ｎ個：２≦ｎ≦９）の発振回路２２１〜２２ｎを有している。また、湿度センサ２１０として、複数の発振回路２２１〜２２ｎにそれぞれ対応し、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する複数（発振回路２２１〜２２ｎと同数）の感湿素子２１１〜２１ｎを有している。なお、発振回路２２１〜２２ｎが特許請求の範囲に記載の発振部に相当し、感湿素子２１１〜２１ｎが特許請求の範囲に記載の素子部に相当する。

各発振回路２２１〜２２ｎは、互いに異なる温度（或いは互いに異なる所定温度域）において、少なくとも否検出領域内を除く一定の周波数、好ましくは飽和領域内となる一定の周波数ｆ１〜ｆｎの交流信号を出力するように構成されている。その理由は、第１実施形態で示した通りである。また、感湿素子２１１〜２１ｎは、１つの素子が上述したように一対の電極及び感湿膜からなり、それぞれが対応する発振回路２２１〜２２ｎと電気的に接続されている。そして各感湿素子２１１〜２１ｎの出力は、後段処理回路２３０において、湿度センサ２１０の出力として合成（インピーダンス合成）され、対数圧縮などの所定処理がなされる。

上述したように、湿度センサのインピーダンスは、周波数によって、各湿度によるインピーダンスに差がほとんどない否検出領域、少なくとも一部の湿度によるインピーダンスに差はあるものの周波数の変化に伴うインピーダンス変化が大きい不飽和領域、各湿度によるインピーダンスに差があり、周波数の変化に伴うインピーダンス変化が僅かである飽和領域が存在する。したがって、各感湿素子２１１〜２１ｎの出力（インピーダンス）を合成した場合、合成されたインピーダンスにおいて、その測定温度において少なくとも否検出領域内を除く一定の周波数（好ましくは飽和領域内となる一定の周波数）の交流信号が印加された各感湿素子２１１〜２１ｎの１つの出力における各湿度のインピーダンスの差が、合成されたインピーダンスにおいても反映される。

このように本実施形態に係る湿度センサ装置２００においては、複数の発振回路２２１〜２２ｎと各発振回路２２１〜２２ｎに対応する複数の感湿素子２１１〜２１ｎを有し、各発振回路２２１〜２２ｎの出力する交流信号の周波数を互いに異なるものとしている。したがって、従来のように発振回路の周波数が一定である構成に比べて、広い温度範囲において精度良く湿度を検出することができる。すなわち、民生用と比べて使用温度範囲が広い車両用の湿度センサ装置として好適である。

また、発振回路２２０を複数の発振回路２２１〜２２ｎによって構成するので、各測定温度において、いずれかの発振回路２２１〜２２ｎの周波数を飽和領域内とする確率が高まる。したがって、第１実施形態に示す構成よりも、回路構成は複雑となるが、広い温度範囲においてより精度良く湿度を検出することも可能である。

なお、本実施形態においては、発振回路２２０が複数（ｎ個：２≦ｎ≦９）の発振回路２２１〜２２ｎによって構成され、湿度センサ２１０も同数の感湿素子２１１〜２１ｎによって構成される例を示した。しかしながら、ともに１０個以上の発振回路や感湿素子によって構成されても良い。

また、本実施形態においては、全ての感湿素子２１１〜２１ｎの出力を合成して処理する例を示した。しかしながら、複数の感湿素子２１１〜２１ｎの出力のうち、温度に応じて１つ又は少数の出力を選択し、選択された信号のみを後段処理回路２３０にて処理するようにしても良い。例えば温度センサ（図示略）の測定温度（信号）に基づいて、交流信号の周波数がその測定温度における飽和領域内に含まれる発振回路に対応する感湿素子の出力のみを、選択的に後段処理回路２３０にて処理する構成としても良い。この場合、上述の構成よりも回路構成は複雑となるが、より精度良く湿度を検出することが可能である
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、第３実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。

第３実施形態に係る湿度センサ装置は、第２実施形態に示した湿度センサ装置２００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第２実施形態においては、湿度センサ装置２００が、発振回路２２０として、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数（ｎ個：２≦ｎ≦９）の発振回路２２１〜２２ｎを有し、湿度センサ２１０として、発振回路２２１〜２２ｎと同数の感湿素子２１１〜２１ｎを有する例を示した。これに対し、本実施形態においては、例えば図６に示すように、湿度センサ装置３００が、湿度センサ装置２００同様、発振回路３２０として、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数（ｎ個：２≦ｎ≦９）の発振回路３２１〜３２ｎを有している。また、湿度センサ３１０として、第１実施形態同様、一対の電極及び感湿膜からなる１つの感湿素子を含んでいる。そして、複数の発振回路３２１〜３２ｎのなかから、測定温度に応じて湿度センサ３１０に印加される１つの交流信号を選択する交流信号選択回路３４０を要部としてさらに備える点を特徴とする。このような交流信号選択回路３４０はトランジスタ等によって構成することができる。

図６に示すように、交流信号選択回路３４０は、温度センサ３４１からの信号に基づいて、少なくとも周波数が不飽和領域内に含まれ、好ましくは飽和領域内に含まれる交流信号を、各発振回路３２１〜３２ｎの出力のなかから選択する。そして、選択された交流信号が湿度センサ３１０に印加され、湿度センサ３１０の出力が、後段処理回路１３０同様、後段処理回路３３０にて処理される。

このように本実施形態に係る湿度センサ装置３００においては、第２実施形態に示した
湿度センサ装置２００同様、複数の発振回路３２１〜３２ｎを有し、各発振回路３２１〜３２ｎの出力する交流信号の周波数を互いに異なるものとしている。したがって、従来のように発振回路の周波数が一定である構成に比べて、広い温度範囲において精度良く湿度を検出することができる。すなわち、民生用と比べて使用温度範囲が広い車両用の湿度センサ装置として好適である。

また、本実施形態においては、交流信号選択回路３４０によって、各発振回路２２１〜２２ｎからの交流信号のうち、その測定温度に適した周波数の交流信号を選択して、湿度センサ３１０に供給する。したがって、第２実施形態に示したように、複数の感湿素子２１１〜２１ｎを有する構成よりも、構成を簡素とすることが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

従来の湿度センサ装置における問題点を示すインピーダンス特性図である。 第１実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。 図２に示すＣＲ発振回路の一例を示す回路図である。 本実施形態に係る湿度センサ装置の発振周波数を示すインピーダンス特性図である。 第２実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る湿度センサ装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００，２００，３００・・・湿度センサ装置
１１０，２１０，３１０・・・発振回路
１２０，２２０，３２０・・・湿度センサ
１３０，２３０，３３０・・・後段処理回路

Claims (10)

1. 周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサと、
   前記湿度センサに対して、所定周波数の交流信号を出力する発信回路と、を備えた湿度センサ装置であって、
   前記発振回路は、周囲の温度に応じて異なる周波数の交流信号を出力することを特徴とする湿度センサ装置。
2. 前記発振回路は、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域の、任意周波数の交流信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ装置。
3. 前記発振回路は、コンデンサと抵抗を組み合わせてなるＣＲ発振回路として構成され、前記抵抗の温度特性によって、温度に応じて異なる周波数の交流信号を出力することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の湿度センサ装置。
4. 前記発振回路は、室温よりも低い温度において、室温時の周波数よりも低周波の交流信号を出力することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
5. 前記発振回路は、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域の、任意周波数の交流信号を出力することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
6. 周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する湿度センサと、
   前記湿度センサに対して、所定周波数の交流信号を出力する発信回路と、を備えた湿度センサ装置であって、
   前記発振回路として、互いに異なる周波数の交流信号を出力する複数の発振部を有することを特徴とする湿度センサ装置。
7. 前記複数の発振部は、各湿度によるインピーダンスに差があって周波数の変化によるインピーダンスの変化が僅かである周波数域が互いに異なり、それぞれの前記周波数域における任意周波数の交流信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の湿度センサ装置。
8. 前記湿度センサに印加される交流信号を出力する１つの前記発振部を、周囲の温度に応じて前記複数の発振部の中から選択する選択手段を備えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の湿度センサ装置。
9. 前記湿度センサとして、前記複数の発振部にそれぞれ対応し、周囲の湿度変化に応じてインピーダンスが変化する複数の素子部を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の湿度センサ装置。
10. 車両に適用されることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の湿度センサ装置。

Images