JP2011191071A

JP2011191071A - 湿度センサ

Info

Publication number: JP2011191071A
Application number: JP2010055058A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 崇佐藤; Yasuyuki Hattori; ▲靖▼之服部; Tadashi Sakashita; 忠坂下
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】湿度センサ素子と同一の基板に備えた電子部品から発せられた熱の影響を受けにくく、正確な湿度測定が可能な湿度センサを提供する。
【解決手段】湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む周辺回路と、湿度センサ素子及び周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、湿度センサ素子と電子部品を互いに平面的に重複しない位置で配置して、基板上に、湿度センサを設けたセンサエリアと、電子部品を設けた放熱エリアを設定し、放熱エリアの放熱性をセンサエリアの放熱性より高める放熱手段と、センサエリアと放熱エリアを熱的に分離する熱分離手段との少なくとも一方を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、湿度変化を測定する湿度センサに関する。

湿度変化を測定する湿度センサは、近年、時計や携帯電話のような小型電子機器にも搭載できるように、小型化が要求されている。

特開昭６１−１２５１５７号公報特開２００８−２４１６０３号公報特開２００９−２３１６０６号公報

しかし、湿度センサ素子とその周辺回路を同一の基板上に搭載して小型化（搭載スペースの省略化）を図ろうとすると、例えばオペアンプ、抵抗やコイルなど動作時に熱を発する電子部品が湿度センサ素子の近くに配置されている場合に、該電子部品から発せられる熱により湿度センサ素子周辺の温度が上昇して湿度センサ素子周辺の相対湿度が下がり、正確な湿度測定ができなかった。特許文献１は、電子部品からの熱による温度上昇を抑制するため、局部冷却が可能な冷却用集積素子を基板上に搭載しているが、基板の拡大やコスト増加を招くため好ましくない。

特許文献２には、基板のセンサ部を設けた側とは反対側の面に発熱部を備えた湿度センサ装置が記載されているが、発熱部は、センサ部を構成する感湿膜中の水分量を調整して特定の湿度状態を作り出す機能を有するもの、すなわち、センサ部に熱を与えることを目的とした電子部品であり、この発熱部からの熱がセンサ部に影響しないようにする手段は開示されていない。また、特許文献３には、発熱部品の実装に伴う温度上昇によるＬＳＩの誤作動を回避するため、第１の面にデジタル部品を実装し、この第１の面と対向する第２の面にアナログ部品を実装した電子回路基板が記載されているが、湿度センサにおいて湿度センサ素子部と周辺回路をどのように配置するかの具体的な記載はない。

本発明は、湿度センサ素子が同一の基板に搭載された電子部品から発せられる熱の影響を受けにくく、正確な湿度測定が可能な湿度センサを得ることを目的とする。

本発明は、電子部品からの熱の影響が湿度センサ素子に及ばないように、基板に搭載する湿度センサ素子とその周辺回路（特に動作時に熱を発する電子部品）との最適なレイアウトを提案するものである。特に、湿度センサ素子を設けたセンサエリア外に電子部品からの熱を放出させる放熱エリアを設ければ、湿度センサ素子への熱の影響を抑えられることに着目したものである。

すなわち、本発明は、湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で配置して、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、前記放熱エリアの放熱性をセンサエリアの放熱性より高める放熱手段と、前記センサエリアと放熱エリアを熱的に分離する熱分離手段との少なくとも一方を設けたことを特徴としている。

具体的に、前記放熱手段は、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで大面積となる導電性の放熱パターンであることが好ましい。この態様によれば、電子部品からの熱が放熱パターンを介して放出され、かつ、該放出される熱がメタルパターンからセンサエリアに伝わるのを防止できる。この放熱パターンは、導体パターンであって、湿度センサ及び電子部品の電気配線パターンも含まれる。一方、前記熱分離手段は、前記センサエリアと前記放熱エリアの間を分断する、前記基板に穿設したスリットからなっていることが好ましい。この態様によれば、スリットによりセンサエリアと放熱エリアが離間するので、電子部品から発せられた熱がセンサエリアに伝わりにくくなり、また、放熱エリアでの放熱効果が高まる。

前記湿度センサと前記熱を発する電子部品を接続する電気配線パターンは、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで幅広に形成されていることが好ましい。この態様によれば、放熱エリアでは電子部品からの熱が電気配線パターンで外方へ放出されやすくなり、センサエリアでは電子部品からの熱が電気配線パターンに伝わるのを抑えることができる。

本発明は、別の表現で示すことができる。すなわち、湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で設け、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで大面積となる導電性の放熱パターンを設けたことを特徴としている。または、湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で設け、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、前記基板に、前記センサエリアと前記放熱エリアを分断するスリットを穿設形成したことを特徴としている。

本発明によれば、湿度センサ素子と電子部品が平面的に重複せず、かつ、基板に設けた放熱パターンまたはスリットを介して、湿度センサ素子を設けたセンサエリアと電子部品からの熱を放出する放熱エリアとが熱的に分離しているので、湿度センサ素子が電子部品から発せられる熱の影響を受けにくく、正確な湿度測定が可能な湿度センサを提供できる。

本発明を適用した第１実施形態による湿度センサを示す斜視図である。同湿度センサを上面側から見て示す平面図である。同湿度センサを底面側から見て示す平面図である。図２及び図３のIV−IV線に沿う断面図である。本発明を適用した第２実施形態による湿度センサを上面側から見て示す平面図である。同湿度センサを底面側から見て示す平面図である。図５及び図６のVII−VII線に沿う断面図である。本発明を適用した第３実施形態による湿度センサを底面側から見て示す平面図である。本発明を適用した第４実施形態による湿度センサを上面側から見て示す平面図である。同湿度センサを底面側から見て示す平面図である。図９及び図１０のXI−XI線に沿う断面図である。第１実施例の湿度センサ動作時における基板上の温度変化を示す熱分布図である。第２実施例の湿度センサ動作時における基板上の温度変化を示す熱分布図である。第１比較例の湿度センサ動作時における基板上の温度変化を示す熱分布図である。第２比較例の湿度センサ動作時における基板上の温度変化を示す熱分布図である。

図１〜図４は、本発明を適用した湿度センサの第１実施形態を示している。図１は第１実施形態による湿度センサの斜視図、図２は同湿度センサを上面側から見て示す平面図、図３は同湿度センサを底面側から見て示す平面図、図４は図２及び図３のIV−IV線に沿う断面図である。湿度センサ１は、単一の基板１０に、湿度変化を測定する湿度センサ素子２０と、その周辺回路３０と、外部回路との接続に用いられるコネクタ４０とを搭載して構成されている。

基板１０は、平面矩形状の平板基板である。この基板表面１０ａには、図２に示されるように、湿度センサ素子２０とコネクタ４０が離間して配置されている。コネクタ４０は図２では鎖線で示している。湿度センサ素子２０は、具体的には例えば、吸収または放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿材料を誘電体とし、その誘電率変化を静電容量変化として検出する静電容量型、あるいは、電気抵抗変化として検出する抵抗型を用いることができる。これらの湿度センサ素子２０は周知である。コネクタ４０は、複数の突起状電極からなるコネクタピンを有しており、コネクタピンの一端部４０ａが基板１０の側方（図１、図４では左方）に突出し、コネクタピンの他端部４０ｂが基板裏面１０ｂに突出している。

基板裏面１０ｂには、図３に示されるように、周辺回路３０の回路構成要素が配置されている。周辺回路３０には、例えば抵抗、コイル、オペアンプ等の発熱を目的とはしていないものの動作時（通電時）に熱を発する電子部品３２が備えられている。動作時に発熱する電子部品３２は、湿度センサ素子２０から可及的に遠く離れるように基板１０のコネクタ４０を設けた一端側に寄せて配置され、基板１０を介してコネクタ４０と対向している。具体的に周辺回路３０には、例えば、外部電源から与えられた供給電圧を所定電圧まで降下させて、湿度センサ素子２０への入力電圧を生成する降圧回路などが含まれる。周辺回路３０を構成する回路構成要素には例えばコンデンサように発熱しない回路部品も備えられるが、発熱しない回路部品は湿度センサ素子２０に対して熱影響を及ぼさないので、基板１０のどこに配置してもよい。

湿度センサ素子２０、電子部品３２及びコネクタ４０は、基板表裏面１０ａ、１０ｂに形成された複数の電気配線パターン１５によりそれぞれ電気的に接続されている。複数の電気配線パターン１５のうち、電子部品３２に接続する電気配線パターン１５ａは最も幅狭に形成されており（図３）、電子部品３２からの熱が電気配線パターン１５ａに、また、該電気配線パターン１５ａを介して基板１０に伝わりにくくしてある。図２及び図３の符号１６は、コネクタ４０との電気接続部である。

さらに上記基板１０には、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｂの両方に、湿度センサ素子２０を設けたセンサエリアαを除いて、ベタ膜状のメタルパターン５０が形成されている。メタルパターン５０は、例えば銅からなり、複数の電気接続部１６のうちグランド端子１６Ｇに接続されている。本実施形態では、基板表面１０ａ及び基板裏面１０ｂのメタルパターン５０及び複数の電気配線パターン１５が放熱パターンとして機能する。この放熱パターンの面積（メタルパターン５０と複数の電気配線パターン１５の合計面積）は、基板上に設定したセンサエリアαよりも放熱エリアβで大きい。つまり、メタルパターン５０が形成されたエリアが、電子部品３２から発せられた熱及び電子部品３２から基板１０に伝わった熱を外方へ放出させる放熱エリアβ（図２及び図３の下側エリア）となり、該メタルパターン５０が形成されていないセンサエリアα（図２及び図３の上側エリア）とは熱的に分離されている（図１２参照）。このようにメタルパターン５０をセンサエリアαを除いて設けることで、電子部品３２からの放熱を促進でき、かつ、メタルパターン５０からセンサエリアα側に熱が伝わるのを防止でき、湿度センサ素子２０の周辺の相対湿度変化を抑えられる。

図５〜図７は、本発明を適用した湿度センサの第２実施形態を示している。図５は第２実施形態による湿度センサを上面側から見て示す平面図、図６は同湿度センサを底面側から見て示す平面図、図７は図５及び図６のVII−VII線に沿う断面図である。この第２実施形態は、基板表裏面１０ａ、１０ｂの一方（図示実施形態では基板裏面１０ｂ）のみに、湿度センサ素子２０とその周辺回路３０の回路構成要素を配置した実施形態である。コネクタ４０は、湿度センサ素子２０及び周辺回路３０を配置した側とは反対側の面（基板表面１０ａ）に設けた。この周辺回路３０及びコネクタ４０の配設位置以外の構成は、第１実施形態と同一である。湿度センサ素子２０と周辺回路３０の発熱する電子部品３２は、互いの平面的な位置が異なっていれば、第１実施形態のように基板表裏面１０ａ、１０ｂの一方と他方に分けて設けても、第２実施形態のように基板表裏面１０ａ、１０ｂの一方のみに設けてもよい。

図８は、本発明を適用した湿度センサの第３実施形態を示しており、湿度センサを底面側から見て示す平面図である。この第３実施形態は、上述の第１実施形態による湿度センサ１（図１〜図４）において、湿度センサ素子２０と発熱する電子部品３２を電気的に接続する電気配線パターン１５ａを、センサエリアαよりも放熱エリアβで幅広に形成した実施形態である。複数の電気配線パターン１５は、メタルパターン５０とともに放熱パターンとして機能する。放熱エリアβでは電気配線パターン１５ａのパターン幅を広げることで電子部品３２からの熱をより放出しやすくし、逆に、センサエリアαでは電気配線パターン１５ａのパターン幅を狭めることで電子部品３２からの熱が電気配線パターン１５ａを介して基板１０、延いては湿度センサ素子２０に伝わりにくくしてある。電気配線パターン１５ａ以外の構成は、第１実施形態と同一である。

図９〜図１１は、本発明を適用した湿度センサの第４実施形態を示している。図９は第４実施形態による湿度センサを上面側から見て示す平面図、図１０は同湿度センサを底面側から見て示す平面図、図１１は図９及び図１０のXI−XI線に沿う断面図である。この第４実施形態は、基板１０に、センサエリアαと放熱エリアβとを分断させるスリット６０を形成した実施形態である。スリット６０が存在することで、センサエリアαと放熱エリアβが物理的に一部離間し、電子部品３２から発せられた熱がセンサエリアαに伝わりにくくなるだけでなく、放熱エリアβでの放熱効果が高まり、これによって湿度センサ素子２０への熱影響を低減できる。設けるスリット６０の平面形状は任意であり、非連続であってもよい。図示実施形態では、平面矩形をなす基板１０の短手方向と平行な直線状のスリット６０を設けているが、湿度センサ素子２０の外周を囲むように設けることもできる。スリット６０以外の構成は第１実施形態と同一である。この第４実施形態においてメタルパターン５０は省略可能であるが、メタルパターン５０とスリット６０の両方を備えていると、より高い放熱効果を得られる（図１３参照）。

次に、図１２〜図１５に示す熱分布図を参照し、本発明の作用効果について説明する。図１２はセンサエリアαを除いて基板表裏面１０ａ、１０ｂにメタルパターン５０を設けた第１実施例（第１実施形態）の熱分布図、図１３はセンサエリアαを除いて基板表裏面１０ａ、１０ｂにメタルパターン５０を設け、さらにスリット６０を設けた第２実施例（第４実施形態）の熱分布図である。これに対し、図１４は基板表裏面１０ａ、１０ｂの全面にメタルパターン５０を設けた第１比較例の熱分布図、図１５は基板表裏面１０ａ、１０ｂの全面にメタルパターン５０を設け、さらにスリット６０を形成した第２比較例の熱分布図である。上記実施例及び比較例は、湿度センサ素子２０と発熱する電子部品３２とを、基板表裏面１０ａ、１０ｂの一方と他方に、互いに平面的な位置を異ならせて設けた湿度センサである。各図において、（Ａ）は湿度センサ素子２０を設けた側の面、（Ｂ）は発熱する電子部品３２を設けた側の面を示している。

図１２の第１実施例と図１４の第１比較例を比較すると、第１比較例はメタルパターン５０から全面的に放熱されて基板全面がほぼ一様な温度になるのに対し、第１実施例では、電子部品３２自体は高温になるが湿度センサ素子２０での温度は低く、放熱エリアβからセンサエリアαにかけて基板温度が変化している。よって、センサエリアαを除いてメタルパターン５０を設けたことで（基板全面に形成したセンサエリアのメタルパターンを除去したことで）、電子部品３２からの熱がメタルパターン５０を介して放出される放熱エリアβがセンサエリアαとは熱的に分離すること、すなわち、電子部品３２からの熱がメタルパターン５０で放出されて湿度センサ素子２０まで伝わらないことが図１２から明らかである。

図１２の第１実施例と図１３の第２実施例を比較すると、スリットを具備しない第１実施例は放熱エリアβからセンサエリアαにかけての温度変化がなだらかであるのに対し、スリット６０を具備する第２実施例では、放熱エリアβからセンサエリアαにかけての温度変化がスリット位置で明確にあらわれている。また、第２実施例のほうが第１実施例よりもセンサエリアα及び放熱エリアβの両方で基板温度が低くなっている。よって、センサエリアαを除いてメタルパターン５０を有し、さらにスリット６０を具備することで、メタルパターン５０からの放熱が促進され、湿度センサ素子２０及びその周囲をより低温で保てることが明らかである。

図１４の第１比較例と図１５の第２比較例を比較すると、スリットを具備しない第１比較例よりもスリット６０を具備する第２比較例のほうが、実質的な放熱エリアβ’が広くとれており、放熱効果が高いことがわかる。しかし、第１比較例及び第２比較例はいずれもメタルパターン５０を基板全面に有するので、電子部品３２からの熱がメタルパターン５０を介して湿度センサ素子２０に伝わり、電子部品３２側と湿度センサ素子２０側との温度差は小さい。このため、湿度センサ素子２０の周囲の相対湿度が変化してしまう。

図１３の第２実施例と図１５の第２比較例を比較すると、第２比較例はスリット６０を有していてもメタルパターン５０から全面的に放熱されて基板全面がほぼ一様な温度になるのに対し、第２実施例では、電子部品３２自体は高温になるが湿度センサ素子２０での温度は低く、放熱エリアβからセンサエリアαにかけて基板温度が変化している。スリット６０を有する第２実施例においても、センサエリアαを除いてメタルパターン５０を設けたことで（基板全面に形成したセンサエリアのメタルパターンを除去したことで）、電子部品３２からの熱がメタルパターン５０を介して放出される放熱エリアβがセンサエリアαとは熱的に分離すること、すなわち、電子部品３２からの熱がメタルパターン５０で放出されて湿度センサ素子２０まで伝わらないことが図１３から明らかである。

以上の図１２〜図１５から明らかなように、センサエリアαを除いてメタルパターン５０を設け、さらに、スリット６０を形成した第２実施例（第４実施形態）が、最も高い放熱効果が得られるベストモードである。

以上のように各実施形態では、湿度センサ素子２０と発熱する電子部品３２が平面的に重複せず、湿度センサ素子２０を設けたセンサエリアαよりも放熱エリアβで放熱パターン（メタルパターン５０と電気配線パターン１５）の面積が大きくなるので、放熱エリアβのメタルパターン５０を介して電子部品３２からの放熱が促進されつつ、メタルパターン５０からセンサエリアαに熱が伝わるのを防止できる。よって、同一の基板１０に湿度センサ素子２０と電子部品３２が搭載されていても、電子部品３２から発せられた熱が湿度センサ素子２０に伝わりにくくなる。これにより、電子部品３２の発熱による湿度センサ素子２０の周辺の相対湿度変化を抑えられるので、湿度センサ素子２０の正確な湿度測定が可能となる。

また第４実施形態によれば、基板１０に設けたスリット６０によりセンサエリアα（湿度センサ素子２０）と放熱エリアβ（電子部品３２）とが分断されるので、メタルパターン５０の放熱効果が高まり、湿度センサ素子２０に及ぶ熱の影響をより小さく抑えられる。さらに本実施形態のように湿度センサ素子２０と電子部品３２との配置関係に着目してメタルパターン５０及びスリット６０を設け、該湿度センサ素子２０に対する熱影響を低減させれば、冷却用素子を設ける必要がなく、基板の大型化及びコスト増加を招くこともない。

１湿度センサ
１０基板
１０ａ基板表面
１０ｂ基板裏面
１５電気配線パターン
２０湿度センサ素子
３０周辺回路
３２電子部品
４０コネクタ
５０メタルパターン
６０スリット

Claims

湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、
前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で配置して、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、
前記放熱エリアの放熱性をセンサエリアの放熱性より高める放熱手段と、前記センサエリアと放熱エリアを熱的に分離する熱分離手段との少なくとも一方を設けたことを特徴とする湿度センサ。
請求項１記載の湿度センサにおいて、前記放熱手段は、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで大面積に設けた導電性の放熱パターンである湿度センサ。
請求項１または２記載の湿度センサにおいて、前記熱分離手段は、前記センサエリアと前記放熱エリアの間を分断する、前記基板に穿設したスリットである湿度センサ。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の湿度センサにおいて、前記湿度センサと前記熱を発する電子部品を接続する電気配線パターンは、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで幅広に形成されている湿度センサ。
湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、
前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で設け、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、
前記センサエリアよりも前記放熱エリアで大面積となる導電性の放熱パターンを設けたことを特徴とする湿度センサ。
湿度変化を測定する湿度センサ素子と、動作時に熱を発する電子部品を含む素子周辺回路と、前記湿度センサ素子及び前記素子周辺回路を外部回路に接続させるコネクタとを同一の基板に搭載した湿度センサにおいて、
前記湿度センサ素子と前記電子部品を互いに平面的に重複しない位置で設け、前記基板上に、前記湿度センサを設けたセンサエリアと、前記電子部品を設けた放熱エリアを設定し、
前記基板に、前記センサエリアと前記放熱エリアを分断するスリットを穿設形成したことを特徴とする湿度センサ。
請求項５または６記載の湿度センサにおいて、前記湿度センサと前記熱を発する電子部品を接続する電気配線パターンは、前記センサエリアよりも前記放熱エリアで幅広に形成されている湿度センサ。