JP2009168575A - 湿度センサおよび湿度制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 感湿膜が吸湿するときにも、感湿膜の厚さの増大を抑え、一対の電極間の静電容量Ｃを減少させる方向への働きを抑止し、測定精度を向上させることの可能な静電容量式の湿度センサを提供する。
【解決手段】 本発明の静電容量式の湿度センサは、前記一対の電極１，２が、外周が閉じている内側の電極１と、外周が閉じている外側の電極２とにより構成されており、内側の電極１と外側の電極２との間に（内側の電極１と外側の電極２との隙間に）、感湿膜３が形成された（閉じ込められた）ものとなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、静電容量式の湿度センサおよび湿度制御システムに関する。

例えば特許文献１には、従来の静電容量式の湿度センサが示されている。図１（ａ），（ｂ）は従来の静電容量式の湿度センサの一例を示す図である。なお、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。

図１（ａ），（ｂ）を参照すると、従来の静電容量式の湿度センサは、第１の平板電極５１と、第２の平板電極５２と、第１の平板電極５１と第２の平板電極５２との間に形成されている所定の厚さｄの高分子感湿膜５３とにより構成されている。ここで、第１の平板電極５１と第２の平板電極５２とは導電性を持ち、かつ、例えば第１の平板電極５１は、透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成されている。

この種の静電容量式の湿度センサでは、湿度によって感湿膜５３中の含水量が変化するのに伴う感湿膜５３の誘電率εの変化量が一対の電極５１，５２間の静電容量Ｃの変化量として検出されるという原理に基づいている。

すなわち、感湿膜５３の誘電率をεとし、感湿膜５３の厚さ（すなわち、一対の平板電極５１，５２間の距離）をｄとし、一対の電極５１，５２の面積をＳとするとき、一対の平板電極５１，５２間の静電容量Ｃは、次式（式１）で与えられる。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ （式１）

具体例として、比誘電率が３程度の高分子感湿膜５３に、比誘電率の高い水分子（比誘電率が８０）が取り込まれると、高分子感湿膜５３全体の誘電率εが増加し、上記式１から、誘電率εの増加に比例して、一対の電極５１，５２間の静電容量Ｃが増加する。この高分子感湿膜５３に含まれる水分子の比率による一対の電極５１，５２間の静電容量Ｃの変化を捉え、湿度情報を電気的な情報に変換して取り出すことで、湿度センサが実現されている。
特開平５−３１２７５４号公報

ところで、上述した従来の静電容量式の湿度センサでは、高分子感湿膜５３が吸湿するとき（高分子感湿膜５３に水分子が取り込まれるとき）、実際には、高分子感湿膜５３が膨張し、高分子感湿膜５３の厚さｄが増大してしまう。上記式１から、一対の平板電極５１，５２間の静電容量Ｃは、高分子感湿膜５３の厚さｄに反比例しているので、高分子感湿膜５３の厚さｄの増大は、一対の平板電極５１，５２間の静電容量Ｃを減少させる方向に働き（すなわち、誘電率εの増加に比例して静電容量Ｃが増加する方向とは逆の方向に働き）、検湿感度を低下させ、測定精度の向上を妨げるという問題があった。これは、この種の静電容量式の湿度センサの共通の課題であった。

本発明は、感湿膜が吸湿するときにも（感湿膜に水分子が取り込まれるときにも）、感湿膜の厚さの増大を抑え、一対の電極間の静電容量Ｃを減少させる方向への働きを抑止し、検湿感度の低下を有効に防止し、測定精度を向上させることの可能な静電容量式の湿度センサおよび湿度制御システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、一対の電極と、該一対の電極間に所定の厚さで形成されている感湿膜とを有し、湿度によって感湿膜中の含水量が変化するのに伴う感湿膜の誘電率の変化量が前記一対の電極間の静電容量の変化量として検出されるという原理に基づいた静電容量式の湿度センサであって、前記一対の電極は、前記一対の電極間に形成されている感湿膜の湿度による厚さ方向の膨張を機械的応力により制限する構造となっていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の湿度センサにおいて、前記一対の電極は、外周が閉じている内側の電極と、外周が閉じている外側の電極とにより構成されており、内側の電極と外側の電極との間に感湿膜が形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の湿度センサにおいて、前記一対の電極は、導電性を持ち、かつ、前記一対の電極のうちの少なくとも１つの電極は、透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成されていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の湿度センサにおいて、前記感湿膜は、高分子膜またはシリコン膜で形成されていることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の湿度センサを用いたことを特徴とする湿度制御システムである。

請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、一対の電極と、該一対の電極間に所定の厚さで形成されている感湿膜とを有し、湿度によって感湿膜中の含水量が変化するのに伴う感湿膜の誘電率の変化量が前記一対の電極間の静電容量の変化量として検出されるという原理に基づいた静電容量式の湿度センサであって、前記一対の電極は、前記一対の電極間に形成されている感湿膜の湿度による厚さ方向の膨張を機械的応力により制限する構造となっているので、感湿膜が吸湿するときにも（感湿膜に水分子が取り込まれるときにも）、感湿膜の厚さの増大を抑え、一対の電極間の静電容量Ｃを減少させる方向への働きを抑止し、検湿感度を高め、測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の湿度センサは、一対の電極１，２と、該一対の電極１，２間に所定の厚さで形成されている感湿膜３とを有し、湿度によって感湿膜３中の含水量が変化するのに伴う感湿膜３の誘電率εの変化量が前記一対の電極１，２間の静電容量Ｃの変化量として検出されるという原理に基づいた静電容量式の湿度センサであって、前記一対の電極１，２は、前記一対の電極１，２間に形成されている感湿膜３の湿度による厚さ方向の膨張を機械的応力により制限する構造となっていることを特徴としている。

図２は本発明に係る静電容量式の湿度センサの具体的な構成例を示す図である。図２の例では、本発明の静電容量式の湿度センサは、前記一対の電極１，２が、外周が閉じている内側の電極１と、外周が閉じている外側の電極２とにより構成されており、内側の電極１と外側の電極２との間に（内側の電極１と外側の電極２との隙間に）、感湿膜３が形成された（閉じ込められた）ものとなっている。

図２に示すような構造の静電容量式の湿度センサは、図３に示すように、平板形状の一対の電極１，２をそれぞれ円筒形状に巻き、緩まないように繋いで、同心円筒形状のものに作製することができる。このとき、感湿膜３は、同心円筒形状の一対の電極１，２の隙間に閉じ込められる。なお、同心円筒形状の一対の電極１，２は、図３のように一対の電極１，２を平板形状から巻かなくても、最初から円筒形状に成形した金属を用い、両電極１，２の隙間に感湿膜３を形成することによって、図２に示すような構造の静電容量式の湿度センサを作製することもできる。

なお、図２の例では、外周が閉じている内側の電極１は、円筒形状（図２の例では、中空円筒形状）のものとなっており、また、外周が閉じている外側の電極２も、円筒形状（図２の例では、中空円筒形状）のものとなっている。このように、一対の電極１，２を、いずれも円筒形状（中空円筒形状）すなわち同心円筒形状のものにすることができるが、本発明では、これに限らず、内側の電極１，外側の電極２としては、外周が閉じているものであれば、任意の形状のものを用いることができる。

例えば、図４（ａ）に示すように、一対の電極１，２を、いずれも角形形状（中空角形形状）のものにすることもできるし、あるいは、図４（ｂ）に示すように、内側の電極１を角形形状（中空角形形状）のものにし、外側の電極２を円筒形状（中空円筒形状）のものにすることもできるし、あるいは、図４（ｃ）に示すように、内側の電極１を円筒形状（中空円筒形状）のものにし、外側の電極２を角形形状（中空角形形状）のものにすることもできる。

また、前記一対の電極１，２（すなわち、内側の電極１、外側の電極２）は、導電性を持ち、かつ、前記一対の電極１，２（すなわち、内側の電極１、外側の電極２）のうちの少なくとも１つの電極は、透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成されている。

具体的に、一対の電極１，２（すなわち、内側の電極１、外側の電極２）のうちの少なくとも１つの電極についてのこのような材料としては、例えばメタルの網状薄板や、あるいは、導電性膜の付いた熱膨張係数が感湿膜３よりも低く、水分子が透過できる材料であれば、任意の材料を用いることができる。

また、一対の電極１，２（すなわち、内側の電極１、外側の電極２）の両方を、透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成することもできるし、内側の電極１については透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成しなくても（例えば、内側の電極１を図５に示すような中実円筒形状（棒状）の金属で形成しても）、外側の電極２を透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成することにより、湿度検知は可能である。また、用途によって、外側の電極２については透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成しなくても、内側の電極１を透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成することにより、湿度検知は可能である。

また、感湿膜３は、例えば高分子膜またはシリコン膜などで形成されている。

上述したように、本発明の静電容量式の湿度センサでは、一対の電極１，２は、前記一対の電極１，２間に形成されている感湿膜３の湿度による厚さ方向の膨張を機械的応力により制限する構造となっているので（より具体的には、前記一対の電極１，２は、外周が閉じている内側の電極１と、外周が閉じている外側の電極２とにより構成されており、内側の電極１と外側の電極２との間に（内側の電極１と外側の電極２との隙間に）、感湿膜３が形成された（閉じ込められた）ものとなっているので）、後により詳細に説明するように、図１に示したような従来の静電容量式の湿度センサと比べて、感湿膜３が吸湿するときにも（感湿膜３に水分子が取り込まれるときにも）、感湿膜３の厚さの増大を抑え（一対の電極１，２に物理的変形が起こりにくいことから、感湿膜３の膨張を抑え）、一対の電極１，２間の静電容量Ｃを減少させる方向への働きを抑止し（感湿膜３の誘電率εの変化を静電容量Ｃに忠実に反映させることができ）、検湿感度を高め、測定精度を向上させることができる。

本発明の静電容量式の湿度センサの上記効果を、湿度センサが図２の構造のものであるとして、より詳細に説明する。

いま、図６に示すように、図２の静電容量式の湿度センサにおいて、感湿膜３の誘電率をεとし、内側の円筒形状電極１の半径をＲ１とし、外側の円筒形状電極２の半径をＲ２とし、湿度センサの高さをｚとするとき、一対の電極１，２間の静電容量Ｃは、次式（式２）で与えられる。
Ｃ＝２πεｚ／Ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１） （式２）
ここで、Ｒ２―Ｒ１＞０である。

式２から、Ｒ１がＲ２に近い程、すなわち、Ｒ２／Ｒ１が１に近い程、検湿感度を高くすることができる。

本発明では、Ｒ１，Ｒ２のいずれも固定されて変化しないものであるが、いま仮にＲ２／Ｒ１が変化するとした場合を考える。見易いように、ｘ＝Ｒ２／Ｒ１とすると、式２は、次式（式３）のように表される。
Ｃ＝２πεｚ／Ｌｎ（ｘ） （式３）
式３をｘについて微分すると、
ΔＣ＝２πεｚ・（―Δｘ）／（ｘ・〔Ｌｎ（ｘ）〕^２）
＝（２πεｚ／Ｌｎ（ｘ））・（―Δｘ／（ｘ・〔Ｌｎ（ｘ）〕））
すなわち、
ΔＣ＝Ｃ・（―Δｘ／（ｘ・〔Ｌｎ（ｘ）〕））
整理して、
ΔＣ／Ｃ＝―Δｘ／（ｘ・〔Ｌｎ（ｘ）〕）

ここで、ｘ＝Ｒ２／Ｒ１＞０であるから、膨張方向を正とすると、負の符号は静電容量Ｃが小さくなる方向に変化することを意味する。

ここで、仮に、例えば湿度の膨張現象をＲ２だけが受けるとすると（Ｒ１は変化無しとして）、
ΔＣ／Ｃ＝―Δ（Ｒ２／Ｒ１）／（（Ｒ２／Ｒ１）・〔Ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１）〕）
＝（―ΔＲ２／Ｒ２）・（１／Ｌｎ（ｘ））

Ｒ２／Ｒ１が２の場合には、
Ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１）＝Ｌｎ（２）＝０．６９
１／０．６９＝１．４４
この場合、湿度による静電容量Ｃの変化は、感湿膜３の膨張率の１．４４倍であることを示している。例えば湿度で感湿膜３の膨張率が８０ｐｐｍ／％ＲＨの場合、０〜１００％ＲＨで８０００ｐｐｍの膨張となる。すなわち、
ΔＲ２／Ｒ２＝８０００ｐｐｍ
これから、Ｒ２／Ｒ１が２の場合には、
ΔＣ／Ｃ＝―８０００Ｅ−６×１．４４＝―１．２％

在来の静電容量式の湿度センサは、湿度が１００％ＲＨのとき、静電容量Ｃの変化量は１０％前後であることを考えると、このー１．２％は１０％に対して、１．２割である。

上述の例は、Ｒ２／Ｒ１が２の場合であるが、Ｒ２／Ｒ１が例えば１．５の場合には、
Ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１）＝Ｌｎ（１．５）＝０．４０５
１／０．４０５＝２．４７
ΔＣ／Ｃ＝―８０００Ｅ−６×２．４７＝―２．０％

実際にはＲ１，Ｒ２のいずれも固定されて変化しないことから、本発明の湿度センサは、測定精度が十分に高いものであり、この測定精度に関して、上記のことから、Ｒ２／Ｒ１が１．５の場合の方がＲ２／Ｒ１が２の場合よりも測定精度に対する本発明の効果が大きいことがわかる。

このように、本発明の静電容量式の湿度センサによれば、感湿膜が吸湿するときにも（感湿膜に水分子が取り込まれるときにも）、感湿膜の厚さの増大を抑え、一対の電極間の静電容量Ｃを減少させる方向への働きを抑止し、測定精度を向上させることができることがわかる。

また、上述した例からもわかるように、Ｒ２がなるべくＲ１と接近するように作製可能なときには、測定精度とともに検湿感度も大きく改善されることがわかる。

また、上述したような本発明の静電容量式の湿度センサを用いて湿度制御システムを構築することができ、この場合には、測定精度の良い湿度制御システムを提供できる。

従来の静電容量式の湿度センサの一例を示す図である。 本発明に係る静電容量式の湿度センサの具体的な構成例を示す図である。 図２の静電容量式の湿度センサの作製例を示す図である。 本発明の静電容量式の湿度センサの変形例を示す図である。 本発明の静電容量式の湿度センサの変形例を示す図である。 本発明の静電容量式の湿度センサを、より詳細に説明するための図である。

符号の説明

１ 電極
２ 電極
３ 感湿膜

Claims (5)

1. 一対の電極と、該一対の電極間に所定の厚さで形成されている感湿膜とを有し、湿度によって感湿膜中の含水量が変化するのに伴う感湿膜の誘電率の変化量が前記一対の電極間の静電容量の変化量として検出されるという原理に基づいた静電容量式の湿度センサであって、前記一対の電極は、前記一対の電極間に形成されている感湿膜の湿度による厚さ方向の膨張を機械的応力により制限する構造となっていることを特徴とする湿度センサ。
2. 請求項１記載の湿度センサにおいて、前記一対の電極は、外周が閉じている内側の電極と、外周が閉じている外側の電極とにより構成されており、内側の電極と外側の電極との間に感湿膜が形成されていることを特徴とする湿度センサ。
3. 請求項１または請求項２記載の湿度センサにおいて、前記一対の電極は、導電性を持ち、かつ、前記一対の電極のうちの少なくとも１つの電極は、透湿性の材料（水分子が透過できる材料）で形成されていることを特徴とする湿度センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の湿度センサにおいて、前記感湿膜は、高分子膜またはシリコン膜で形成されていることを特徴とする湿度センサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の湿度センサを用いたことを特徴とする湿度制御システム。

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