JP2017036936A - 熱伝導式湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２などの干渉成分が大きく変化するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測できるようにする。
【解決手段】被測定雰囲気に晒される第１の空間３−１に計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）１を配置し、乾燥状態に保たれた第２の空間３−２に参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）２を配置する。第１の空間３−１および第２の空間３−２に並設して第３の空間３−３を設け、第３の空間３−３に干渉ガス検出用の感熱抵抗素子（干渉ガス検出用センサ）７を配置する。第３の空間３−３に低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を素材とするフィルタ８を通して被測定雰囲気中のＣＯ２などの非極性分子ガス（干渉ガス）を入り込ませる。計測用センサ１、参照用センサ２、干渉ガス検出用センサ７の抵抗値の変化に基づいて、干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求める。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空気中の水蒸気により熱を奪われることによる抵抗変化を利用して被測定雰囲気中の水分量を計測する熱伝導式湿度センサに関するものである。

従来より、この種の熱伝導式湿度センサとして、２つの感熱抵抗素子と２つの外部抵抗とでブリッジ回路を構成し、一方の感熱抵抗素子を計測用の感熱抵抗素子として被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置し、他方の感熱抵抗素子を参照用の感熱抵抗素子として乾燥状態に保たれた第２の空間に配置するようにした熱伝導式湿度センサが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図６に計測用の感熱抵抗素子と参照用の感熱抵抗素子とを用いた従来の熱伝導式湿度センサの一例を示す。同図において、１は計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）、２は参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）、３は金属シールドケース、４は支持ピン、５は導線、６はステムである。計測用センサ１および参照用センサ２としてはサーミスタ（バルクサーミスタ）が用いられている。

この熱伝導式湿度センサ１００において、計測用センサ１は金属シールドケース３とステム６との間に形成された第１の空間３−１に配置されており、参照用センサ２は金属シールドケース３とステム６との間に形成された第２の空間３−２に配置されている。計測用センサ１は、第１の空間３−１内において、ステム６に固定された支持ピン４に導線５を介して接続されている。参照用センサ２は、 第２の空間３−２内において、ステム６に固定された支持ピン４に導線５を介して接続されている。

また、この熱伝導式湿度センサ１００において、第１の空間３−１に対しては通気孔３ａが形成されており、この通気孔３ａを介して計測用センサ１が被測定雰囲気に晒される。また、第２の空間３−２にはドライＮ₂が封入されており、第２の空間３−２内において参照用センサ２は乾燥状態に保たれる。

この熱伝導式湿度センサ１００は、計測用センサ１（抵抗値ＲＨＴ）と参照用センサ２（抵抗値ＲＨ）と外部抵抗Ｒ１，Ｒ２（抵抗値Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２））とにより、図７に示すようなブリッジ回路を組んで使用される。

このブリッジ回路において、Ａ−Ｃ間に定電圧Ｖｃｃを印加すると、計測用センサ１および参照用センサ２は自己発熱し、周囲温度よりも高くなる。計測用センサ１および参照用センサ２の温度は、計測用センサ１および参照用センサ２に加わる電力と計測用センサ１および参照用センサ２の熱放散により決定されるが、被測定雰囲気中に水蒸気が含まれていると、水蒸気が含まれていない場合に対して熱伝導が大きくなり、熱放散が大きくなる。

このため、計測用センサ１の温度が参照用センサ２の温度よりも低くなり、計測用センサ１でのみ抵抗値ＲＨＴの変化が発生し、ＢＤ間の出力電圧Ｖ_OUTが変化する。この出力電圧Ｖ_OUTの変化（計測用センサ１と参照用センサ２との間に発生する抵抗値の差）から、被測定雰囲気中の水分量を計測することができる。すなわち、被測定雰囲気中の絶対湿度を計測することができ、この絶対湿度から相対湿度を求めることができる。但し、ＲＨとＲＨＴの温度−抵抗特性は等しく、絶対湿度０ｇ／ｍ³時にＶ_OUT＝０とする。

特開平８−２９３７０号公報

しかしながら、上述した熱伝導式湿度センサ１００によると、被測定雰囲気に二酸化炭素（ＣＯ２）など、水蒸気と同様に空気よりも熱伝導の高い雰囲気成分（干渉成分）があった場合、この干渉成分によっても水蒸気と同様に熱が奪われてしまう。このため、干渉成分による誤差が生じ、例えば、ＣＯ２濃度が大きく変化するような環境下では、正確な水分量の計測ができない。

図８にＣＯ２濃度の変化前と変化後の水分量の計測例を示す。この例では、カタログ値で、ＣＯ２濃度の１０００ｐｐｍの変化に対し、絶対湿度が−０．５ｇ／ｍ³変化するものとする。変化前の気温が２０℃、ＣＯ２濃度が４００ｐｐｍ、絶対湿度が８．６ｇ／ｍ³、相対湿度が５０％ＲＨであったとする。ここで、ＣＯ２濃度が４００ｐｐｍから２０００ｐｐｍに変化（＋１６００ｐｐｍ）したと仮定すると、絶対湿度は７．８ｇ／ｍ³（−０．８ｇ／ｍ³）となり、相対湿度は４５％ＲＨ（−５％ＲＨ）となる。

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、ＣＯ２などの干渉成分が大きく変化するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することができる熱伝導式湿度センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置された計測用の感熱抵抗素子と、乾燥状態に保たれた第２の空間に配置された参照用の感熱抵抗素子と、被測定雰囲気中の非極性分子ガスを干渉ガスとして透過するフィルタと、フィルタを透過した干渉ガスが入り込む第３の空間に配置された干渉ガス検出用の感熱抵抗素子と、計測用の感熱抵抗素子、参照用の感熱抵抗素子および干渉ガス検出用の感熱抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求める水分量演算部とを備えることを特徴とする。

本発明では、被測定雰囲気中の非極性分子ガスが干渉ガスとしてフィルタを透過し、干渉ガス検出用の感熱抵抗素子が配置されている第３の空間に入り込む。例えば、本発明では、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を素材とするフィルタを用いる。低密度ポリエチレンは、ＣＯ２などの非極性分子ガスをよく通し、水蒸気などの極性分子ガスは殆ど通さない。このため、干渉ガス検出用の感熱抵抗素子は、水分を殆ど含まない状態で、干渉ガスの濃度変化量を抵抗値の変化量として捉える。これに対し、計測用の感熱抵抗素子は、水分と干渉ガスとを含む被測定雰囲気に晒され、水分と干渉ガスの濃度変化量を抵抗値の変化量として捉える。ここで、計測用の感熱抵抗素子が捉える水分と干渉ガスの濃度変化量から干渉ガス検出用の感熱抵抗素子が捉える干渉ガスの濃度変化量が差し引かれるような処理を行うようにすれば、干渉ガスによる誤差を除去することが可能となる。

本発明では、計測用の感熱抵抗素子、参照用の感熱抵抗素子および干渉ガス検出用の感熱抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて被測定雰囲気中の水分量を求めるが、この際、例えば、計測用の感熱抵抗素子が捉える水分と干渉ガスの濃度変化量から干渉ガス検出用の感熱抵抗素子が捉える干渉ガスの濃度変化量が差し引かれるような処理が行われるようにして、干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求めるようにする。

本発明によれば、被測定雰囲気中の非極性分子ガスを干渉ガスとして透過するフィルタを設け、このフィルタを透過した干渉ガスが入り込む第３の空間に干渉ガス検出用の感熱抵抗素子を配置し、計測用の感熱抵抗素子、参照用の感熱抵抗素子および干渉ガス検出用の感熱抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求めるようにしたので、ＣＯ２などの干渉成分が大きく変化するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することが可能となる。

本発明に係る熱伝導式湿度センサの一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す断面図である。 非極性分子および極性分子の一例を示す図である。 この熱伝導式湿度センサの回路構成を示す図である。 環境影響とセンサ出力変化との関係を示す図である。 本発明に係る熱伝導式湿度センサの他の実施の形態（実施の形態２）の要部を示す断面図である。 従来の熱伝導式湿度センサの一例を示す断面図である。 従来の熱伝導式湿度センサの回路構成を示す図である。 従来の熱伝導式湿度センサによるＣＯ２濃度の変化前と変化後の水分量の計測例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１は本発明に係る熱伝導式湿度センサの一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す断面図である。同図において、図６と同一符号は図６を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１は、金属シールドケース３とステム６との間に第１の空間３−１および第２の空間３−２に加えて第３の空間３−３を設け、この第３の空間３−３に干渉ガス検出用の感熱抵抗素子（干渉ガス検出用センサ）７を配置している。干渉ガス検出用センサ７としては、計測用センサ１や参照用センサ２と同様、サーミスタ（バルクサーミスタ）を用いる。また、第３の空間３−３に面する金属シールドケース３の壁面に、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を素材とするフィルタ８を設けている。

低密度ポリエチレンは、非極性分子の透過率が極性分子の透過率に対して数百倍あり、ＣＯ２などの非極性分子ガスをよく通し、水蒸気などの極性分子ガスは殆ど通さない。図２（ａ）に非極性分子の一例を示し、図２（ｂ）に極性分子の一例を示す。なお、常温で気体、もしくは液体だが一部が蒸気圧をもち空間内で気体として存在する非極性分子を非極性分子ガスと呼び、極性分子を極性分子ガスと呼ぶ。

本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１においても、従来の熱伝導式湿度センサ１００（図６）と同様、第１の空間３−１に対しては通気孔３ａが形成されており、この通気孔３ａを介して計測用センサ１が被測定雰囲気に晒される。また、第２の空間３−２にはドライＮ₂が封入されており、第２の空間３−２内において参照用センサ２は乾燥状態に保たれる。これに対して、干渉ガス検出用センサ７が配置されている第３の空間３−３には、フィルタ８を透過する被測定雰囲気中の非極性分子ガスが干渉ガスとして入り込む。

この熱伝導式湿度センサ１０１は、計測用センサ１（抵抗値ＲＨＴ）と参照用センサ２（抵抗値ＲＨ）と干渉ガス検出用センサ７（抵抗値ＲＨＧ）と外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３））とにより、図３に示すような回路を組んで使用される。

図３において、計測用センサ１は第１の外部抵抗Ｒ１と直列に接続され、参照用センサ２は第２の外部抵抗Ｒ２と直列に接続され、干渉ガス検出用センサ７は第３の外部抵抗Ｒ３と直列に接続されている。そして、この計測用センサ１と第１の外部抵抗Ｒ１との直列接続回路と、参照用センサ２と第２の外部抵抗Ｒ２との直列接続回路と、干渉ガス検出用センサ７と第３の外部抵抗Ｒ３との直列接続回路とが、定電圧電源に並列に接続されている。なお、ＲＨとＲＨＴとＲＨＧの温度−抵抗特性は等しいものとされている。

また、この計測用センサ１と参照用センサ２と干渉ガス検出用センサ７と外部回路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とから構成される回路に対して、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）９が設けられている。

マイコン９は、計測用センサ１と第１の外部抵抗Ｒ１との接続点Ｐ１に生じる第１の電圧値Ｖ１と、参照用センサ２と第２の外部抵抗Ｒ２との接続点Ｐ２に生じる第２の電圧値Ｖ２と、干渉ガス検出用センサ７と第３の外部抵抗Ｒ３との接続点Ｐ３に生じる第３の電圧値Ｖ３とを入力とし、この入力される第１の電圧値Ｖ１と第２の電圧値Ｖ２と第３の電圧値Ｖ３とに基づいて被測定雰囲気中の水分量を絶対湿度や相対湿度として求め、その求めた湿度計測値を外部に出力する。また、求めた湿度計測値を表示器１０に表示する。

マイコン９は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。このマイコン９が本発明でいう水分量演算部に相当する。

図４に環境影響とセンサ出力変化との関係を示す。第１の電圧値Ｖ１を計測用センサ１のセンサ出力、第２の電圧値Ｖ２を参照用センサ２のセンサ出力、第３の電圧値Ｖ３を干渉ガス検出用センサ７のセンサ出力とした場合、計測用センサ１のセンサ出力は、湿度，温度，干渉成分の影響を受けて変化する。参照用センサ２のセンサ出力は、湿度，干渉成分の影響は受けず、温度の影響のみを受けて変化する。干渉ガス検出用センサ７のセンサ出力は、湿度の影響は受けず、温度，干渉成分の影響を受けて変化する。

すなわち、この熱伝導式湿度センサ１０１では、被測定雰囲気中の非極性分子ガスが干渉ガスとしてフィルタ８を透過し、干渉ガス検出用センサ７が配置されている空間に入り込む。この際、フィルタ８は、水蒸気などの極性分子ガスは殆ど通さない。このため、干渉ガス検出用センサ７は、水分を殆ど含まない状態で、干渉ガスの濃度変化量を抵抗値の変化量として捉える。これに対し、計測用センサ１は、水分と干渉ガスとを含む被測定雰囲気に晒され、水分と干渉ガスの濃度変化量を抵抗値の変化量として捉える。参照用センサ２は、乾燥状態に保たれているので、計測用センサ１や参照用センサ２と同じ温度−抵抗特性で温度に応じて抵抗値が変化するのみで、水分も干渉ガスの濃度変化量も抵抗値の変化量としては捉えない。

ここで、マイコン９は、計測用センサ１のセンサ出力（電圧値Ｖ１）と参照用センサ２のセンサ出力（電圧値Ｖ２）と干渉ガス検出用センサ７のセンサ出力（電圧値Ｖ３）とを入力とし、計測用センサ１のセンサ出力（電圧値Ｖ１）と参照用センサ２のセンサ出力（電圧値Ｖ２）との差を計測用センサ１が捉える水分と干渉ガスの濃度変化量とし、干渉ガス検出用センサ７のセンサ出力（電圧値Ｖ３）と参照用センサ２のセンサ出力（電圧値Ｖ２）との差を干渉ガス検出用センサ７が捉える干渉ガスの濃度変化量とし、計測用センサ１が捉える水分と干渉ガスの濃度変化量から干渉ガス検出用センサ７が捉える干渉ガスの濃度変化量を差し引くことにより、干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求める。

このようにして、本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１によれば、ＣＯ２などの干渉成分が大きく変化するような環境下でも、被測定雰囲気中の水分量を正確に計測することが可能となり、空気中の水分量計測の精度を向上させることができる。

また、本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１において、フィルタ８はＣＯ２だけではなく、メタンやエタン，プロパンなど他の非極性分子ガス（図２（ａ）参照）も通す。このため、第３の空間３−３に入り込んだ非極性分子ガスの全てを干渉ガスとし、この干渉ガスによる誤差が一括して除去される。

もし、従来の熱伝導式湿度センサ１００において、各種の非極性分子ガスを干渉ガスとして誤差を除去しようとした場合、非極性分子ガスの種類毎にそのガスの濃度変化を検出するセンサを設けなければならない。これに対して、本実施の形態の熱伝導式湿度センサ１０１では、フィルタ８が各種の非極性分子ガスを通すので、１つの干渉ガス検出用センサ７を設けるのみでよい。また、計測用センサ１と略同じ位置で干渉ガスの濃度変化量を検出することができるので、水分量の計測精度はさらにアップする。

また、本発明とは別の方法として、計測用センサ１が配置されている第１の空間３−１に対して水蒸気のみを透過させるフィルタを設けることが考えられる。しかし、水蒸気のみを透過させるフィルタには特殊な素材を用いなければならず、高価となる。これに対して、非極性分子ガスを透過させるフィルタは低密度ポリエチレンのような安価な素材を用いることができ、低コストで高精度の水分量の計測が可能となる。

〔実施の形態２〕
図５に本発明に係る熱伝導式湿度センサの他の実施の形態（実施の形態２）の要部の断面図を示す。この実施の形態２の熱伝導式湿度センサ１０２は、実施の形態１の熱伝導式湿度センサ１０１とその基本構成は同じであるが、計測用センサ１，参照用センサ２および干渉ガス検出用センサ７の構成が異なっている。

以下、実施の形態１と２とを区別するために、実施の形態１における計測用センサ１を１Ａ、参照用センサ２を２Ａ、干渉ガス検出用センサ７を７Ａとし、実施の形態２における計測用センサ１を１Ｂ、参照用センサ２を２Ｂ、干渉ガス検出用センサ７を７Ｂとする。

実施の形態２において、計測用センサ１Ｂ、参照用センサ２Ｂ、干渉ガス検出用センサ７Ｂの構成は同じであるので、計測用センサ１Ｂ、参照用センサ２Ｂ、干渉ガス検出用センサ７Ｂを代表して、計測用センサ１Ｂの構成について説明する。

計測用センサ１Ｂは、薄膜／ＭＥＭＳ型のセンサとされ、シリコン基板１１上に低応力Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂などからなる薄膜１２が形成され、この薄膜１２上に温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３が形成されている。ここで、抵抗体薄膜１３はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ₂などからなる。

また、抵抗体薄膜１３に接触するように電極パッド１４が形成されており、抵抗体薄膜１３の全面を覆うように抵抗体薄膜１３上に絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５は絶縁特性に優れたＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。

また、絶縁膜１５上にＡｌ，Ａｕのような金属膜を堆積し、パターニングして抵抗体薄膜１３と整列するように熱伝導膜１６が形成されている。ここで、熱伝導膜１６は抵抗体薄膜１３の熱を迅速に外部に放出するためのもので、場合に応じて形成しないこともある。シリコン基板１１にはエッチングしてキャビティ１７が形成されており、このキャビティ１７に抵抗体薄膜１３が形成された領域の薄膜１２が面している。

このように構成された実施の形態２の熱伝導式湿度センサ１０２においても、実施の形態１の熱伝導式湿度センサ１０１と同様、金属シールドケース３とステム６との間に第３の空間３−３が設けられ、この第３の空間３−３に干渉ガス検出用センサ７Ｂが配置されている。また、第３の空間３−３に面する金属シールドケース３の壁面に、低密度ポリエチレンを素材とするフィルタ８が設けられており、図３に示すような回路を組んで使用される。

なお、上述した実施の形態１，２では、フィルタ８の素材を低密度ポリエチレンとしたが、低密度ポリエチレンに限られるものではなく、ポリプロピレン系の素材などを用いてもよい。

また、図３に示した回路構成はあくまでも一例であり、計測用センサ１、参照用センサ２および干渉ガス検出用センサ７の抵抗値の変化に基づいて干渉ガスによる誤差が除去された被測定雰囲気中の水分量を求めることができれば、どのような回路構成としても構わない。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１（１Ａ，１Ｂ）…計測用の感熱抵抗素子（計測用センサ）、２（２Ａ，２Ｂ）…参照用の感熱抵抗素子（参照用センサ）、３…金属シールドケース、３ａ…通気孔、３−１…第１の空間 ３−２…第２の空間、３−３…第３の空間、４…支持ピン、５…導線、６…ステム、 ７（７Ａ，７Ｂ）…干渉ガス検出用の感熱抵抗素子（干渉ガス検出用センサ）、８…フィルタ、９…マイクロコンピュータ（マイコン）、１０１，１０２…熱伝導式湿度センサ。

Claims (4)

1. 被測定雰囲気に晒される第１の空間に配置された計測用の感熱抵抗素子と、
   乾燥状態に保たれた第２の空間に配置された参照用の感熱抵抗素子と、
   前記被測定雰囲気中の非極性分子ガスを干渉ガスとして透過するフィルタと、
   前記フィルタを透過した干渉ガスが入り込む第３の空間に配置された干渉ガス検出用の感熱抵抗素子と、
   前記計測用の感熱抵抗素子、前記参照用の感熱抵抗素子および前記干渉ガス検出用の感熱抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて前記干渉ガスによる誤差が除去された前記被測定雰囲気中の水分量を求める水分量演算部と
   を備えることを特徴とする熱伝導式湿度センサ。
2. 請求項１に記載された熱伝導式湿度センサにおいて、
   前記計測用の感熱抵抗素子は、第１の外部抵抗と直列に接続され、
   前記参照用の感熱抵抗素子は、第２の外部抵抗と直列に接続され、
   前記干渉ガス検出用の感熱抵抗素子は、第３の外部抵抗と直列に接続され、
   前記計測用の感熱抵抗素子と前記第１の外部抵抗との直列接続回路と、前記参照用の感熱抵抗素子と前記第２の外部抵抗との直列接続回路と、前記干渉ガス検出用の感熱抵抗素子と前記第３の外部抵抗との直列接続回路とは、定電圧電源に並列に接続され、
   前記水分量演算部は、
   前記計測用の感熱抵抗素子と前記第１の外部抵抗との接続点に生じる第１の電圧値と、前記参照用の感熱抵抗素子と前記第２の外部抵抗との接続点に生じる第２の電圧値と、前記干渉ガス検出用の感熱抵抗素子と前記第３の外部抵抗との接続点に生じる第３の電圧値とに基づいて、前記干渉ガスによる誤差が除去された前記被測定雰囲気中の水分量を求める
   ことを特徴とする熱伝導式湿度センサ。
3. 請求項１又は２に記載された熱伝導式湿度センサにおいて、
   前記非極性分子ガスは、二酸化炭素を含む
   ことを特徴とする熱伝導式湿度センサ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された熱伝導式湿度センサにおいて、
   前記フィルタは、低密度ポリエチレンを素材とする
   ことを特徴とする熱伝導式湿度センサ。

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