JP2018119895A

JP2018119895A - 湿度センサ及び湿度センサ装置

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Publication number: JP2018119895A
Application number: JP2017012625A
Authority: JP
Inventors: 恭宏小田; Yasuhiro Oda; 平野　晋吾; Shingo Hirano; 晋吾平野; 隆宮澤; Takashi Miyazawa
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Also published as: WO2018139142A1; TW201830001A

Abstract

【課題】印加する電圧が変化する場合や任意の電圧を印加する場合、また特性の異なるサーミスタを使用した場合でも高精度に湿度検出が可能な湿度センサを提供すること。
【解決手段】互いに近接配置された検知室部２と第１標準室部３と別気体室部４と第２標準室部５とを備え、検知室部が、外気を内部空間に導入可能な貫通孔を有した検知用容器と、検知用容器の内部に設置された検知用サーミスタ７とを備え、第１標準室部が、乾燥空気を封入した第１標準用容器と、第１標準用容器の内部に設置された第１標準用サーミスタ９とを備え、第２標準室部が、乾燥空気を封入した第２標準用容器と、第２標準用容器の内部に設置された第２標準用サーミスタ１３とを備え、別気体室部が、前記乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器と、別気体用容器の内部に設置された別気体用サーミスタ１１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精度に湿度検出が可能な湿度センサ及び湿度センサ装置に関する。

従来、絶対湿度センサは、例えば特許文献１に記載されているように、サーミスタを内部に配置した容器を２つ設置した構造を採用している。このような湿度センサでは、一方は標準室と呼ばれ、容器内部には乾燥空気が封入されている。また、もう一方は検知室と呼ばれ、容器に孔を空けることで、測定対象となる空気が容器内部に流入可能とされている。

従来の湿度センサでは、図４に示すように、検知室内のサーミスタＳ１と標準室内のサーミスタＳ２とを直列接続すると共に、さらに２つの低抵抗Ｒ１，Ｒ２とブリッジ回路を構成し、検知室内のサーミスタＳ１と標準室内のサーミスタＳ２とに電圧を印加することで、検知室内のサーミスタＳ１と標準室内のサーミスタＳ２とを発熱させている。このとき、これらサーミスタの発熱量は、サーミスタ周囲の空気の熱伝導度により僅かに異なるため、検知室と標準室との湿度の違いによって２つのサーミスタＳ１，Ｓ２の発熱量にずれが生じ、湿度に応じて図４に示す回路における出力電圧が変化する。このときの出力電圧は、外気温によらず、絶対湿度のみで決まることから、出力電圧を測定すれば絶対湿度を検出することができる。

特開平０９−３２５１２６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の湿度センサでは、ブリッジ回路における出力電圧が絶対湿度のみで決まり、雰囲気温度には依存しないという特性を利用することで、出力電圧から絶対湿度を計算している。しかしながら、出力電圧と絶対湿度との関係（以下、特性曲線という）は、サーミスタにかかる電圧によって変化するため、従来の湿度センサでは、サーミスタにかかる電圧を予め決めておき、その電圧に応じた特性曲線を使用する必要があった。そのため、回路の変更等によってサーミスタにかかる電圧が設計時の値からずれてしまうと、サーミスタにかかる電圧を再度確認し、それに応じた特性曲線を選び直す必要があった。また、サーミスタの特性である２５℃における抵抗値やＢ定数といった値によっても特性曲線が変化するため、新たに湿度センサを作製する際に特性の異なるサーミスタを用いると、特性曲線も新しいものに変更する必要があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、印加する電圧が変化する場合や任意の電圧を印加する場合、また特性の異なるサーミスタを使用した場合でも高精度に湿度検出が可能な湿度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る湿度センサは、互いに近接配置された検知室部と第１標準室部と別気体室部と第２標準室部とを備え、前記検知室部が、外気を内部空間に導入可能な貫通孔を有した検知用容器と、前記検知用容器の内部に設置された検知用サーミスタとを備え、前記第１標準室部が、乾燥空気を封入した第１標準用容器と、前記第１標準用容器の内部に設置された第１標準用サーミスタとを備え、前記第２標準室部が、乾燥空気を封入した第２標準用容器と、前記第２標準用容器の内部に設置された第２標準用サーミスタとを備え、前記別気体室部が、前記乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器と、前記別気体用容器の内部に設置された別気体用サーミスタとを備えていることを特徴とする。

この湿度センサでは、互いに近接配置された検知室部と第１標準室部と別気体室部と第２標準室部とを備え、別気体室部が、乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器と、別気体用容器の内部に設置された別気体用サーミスタとを備えているので、第２標準用サーミスタと別気体用サーミスタとの出力特性に基づいて、検知用サーミスタと第１標準用サーミスタとの出力特性の変化を相殺することで、印加する電圧が変化する場合や任意の電圧を印加する場合、また特性の異なるサーミスタを使用した場合でも高精度に湿度検出が可能になる。

第２の発明に係る湿度センサは、第１の発明において、前記別気体用容器に封入された前記気体が、窒素であることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、別気体用容器に封入された前記気体が、窒素であるので、安価で安定した気体である窒素により低コストで安定した測定が可能になる。

第３の発明に係る湿度センサ装置は、第１又は第２の発明の湿度センサと、第１定抵抗と第２定抵抗とが直列接続された第１直列回路と、前記検知用サーミスタと前記第１標準用サーミスタとが直列接続された第２直列回路とが並列接続されて構成された第１ブリッジ回路と、第３定抵抗と第４定抵抗とが直列接続された第３直列回路と、前記別気体用サーミスタと前記第２標準用サーミスタとが直列接続された第４直列回路とが並列接続され前記第１ブリッジ回路に直列接続された第２ブリッジ回路と、直列接続された前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路とに定電圧を印加した状態で、前記検知用サーミスタと前記第１標準用サーミスタとの接続点と第１定抵抗と第２定抵抗との接続点との間の第１出力電圧値と、前記別気体用サーミスタと前記第２標準用サーミスタとの接続点と前記第３定抵抗と前記第４定抵抗との接続点との間の第２出力電圧値とに基づいて前記外気の湿度を演算する演算部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサ装置では、検知用サーミスタと第１標準用サーミスタとの接続点と第１定抵抗と第２定抵抗との接続点との間の第１出力電圧値と、別気体用サーミスタと第２標準用サーミスタとの接続点と第３定抵抗と第４定抵抗との接続点との間の第２出力電圧値とに基づいて外気の湿度を演算する演算部を備えているので、例えば「第１出力電圧値／第２出力電圧値」が、印加する電圧や雰囲気温度によらず、絶対湿度のみで決まる値であることから、印加する電圧を予め調べなくても湿度測定が可能になる。また、使用中にサーミスタに印加される電圧の値が徐々に変化するような場合でも、絶対湿度を正確に測定可能である。さらに、「第１出力電圧値／第２出力電圧値」が、サーミスタの２５℃における抵抗値やＢ定数によらない値であるので、特性の異なるサーミスタで新たに設計しても、特性曲線の形状が変化せず、高精度な湿度測定が可能である。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る湿度センサ及び湿度センサ装置によれば、互いに近接配置された検知室部と第１標準室部と別気体室部と第２標準室部とを備えているので、第２標準用サーミスタと別気体用サーミスタとの出力特性に基づいて、検知用サーミスタと第１標準用サーミスタとの出力特性の変化を相殺することで、印加する電圧が変化する場合や任意の電圧を印加する場合、また特性の異なるサーミスタを使用した場合でも高精度に湿度検出が可能になる。

本発明に係る湿度センサ及び湿度センサ装置の一実施形態において、湿度センサ装置を示す回路図である。本実施形態において、湿度センサを示す簡易的な断面図である。本実施形態において、絶対湿度と−Ｖａ／Ｖｂとの関係を温度を変えて示すグラフである。本発明に係る湿度センサ及び湿度センサ装置の従来例を示す回路図である。

以下、本発明に係る湿度センサ及び湿度センサ装置の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の湿度センサ１は、図１及び図２に示すように、互いに近接配置された検知室部２と第１標準室部３と別気体室部４と第２標準室部５とを備えている。
上記検知室部２は、外気を内部空間に導入可能な貫通孔６ａを有した検知用容器６と、検知用容器６の内部に設置された検知用サーミスタ７とを備えている。
上記第１標準室部３は、乾燥空気を封入した第１標準用容器８と、第１標準用容器８の内部に設置された第１標準用サーミスタ９とを備えている。

上記別気体室部４は、前記乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器１０と、別気体用容器１０の内部に設置された別気体用サーミスタ１１とを備えている。
なお、別気体用容器１０に封入された前記気体は、窒素が採用される。
上記第２標準室部５は、乾燥空気を封入した第２標準用容器１２と、第２標準用容器１２の内部に設置された第２標準用サーミスタ１３とを備えている。

上記各サーミスタは、例えばチップ型やフレーク型のサーミスタが採用可能である。
また、上記各容器は、セラミックス等の絶縁性容器が好ましい。
上記検知室部２と第１標準室部３と別気体室部４と第２標準室部５とは、例えば同一の回路基板上に並べて実装されている。

また、本実施形態の湿度センサ装置１００は、図１に示すように、上記湿度センサ１と、第１定抵抗１４と第２定抵抗１５とが直列接続された第１直列回路と、検知用サーミスタ７と第１標準用サーミスタ９とが直列接続された第２直列回路とが並列接続されて構成された第１ブリッジ回路Ｂ１と、第３定抵抗１６と第４定抵抗１７とが直列接続された第３直列回路と、別気体用サーミスタ１１と第２標準用サーミスタ１３とが直列接続された第４直列回路とが並列接続され第１ブリッジ回路Ｂ１に直列接続された第２ブリッジ回路Ｂ２と、直列接続された第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２とに定電圧を印加した状態で、検知用サーミスタ７と第１標準用サーミスタ９との接続点Ｐ１と第１定抵抗１４と第２定抵抗１５との接続点Ｐ２との間の第１出力電圧値Ｖａと、別気体用サーミスタ１１と第２標準用サーミスタ１３との接続点Ｐ３と第３定抵抗１６と第４定抵抗１７との接続点Ｐ４との間の第２出力電圧値Ｖｂとに基づいて前記外気の湿度を演算する演算部Ｃとを備えている。

なお、直列接続された第１ブリッジ回路Ｂ１と第２ブリッジ回路Ｂ２とには、主電源１８により任意の電圧が抵抗１９を介して印加される。
上記検知用サーミスタ７、第１標準用サーミスタ９、第２標準用サーミスタ１３及び別気体用サーミスタ１１には、それぞれリード線２０が接続され、各リード線２０が各容器の外部に突出して対応する回路に接続されている。
上記演算部Ｃは、少なくとも「第１出力電圧値Ｖａ／第２出力電圧値Ｖｂ」を算出可能なＩＣやコンピュータ等が採用され、「第１出力電圧値Ｖａ／第２出力電圧値Ｖｂ」に対応した絶対湿度を出力可能である。

図１に示す回路において、ブリッジ回路における抵抗素子の抵抗値を大きくすることで、検知用サーミスタ７、第１標準用サーミスタ９、別気体用サーミスタ１１及び第２標準用サーミスタ１３に流れる電流が全て等しい場合における出力電圧は、以下のように算出される。
サーミスタの温度がＴであったときのサーミスタからの放熱量Ｑは、雰囲気温度Ｔ_∞における雰囲気ガスの熱伝導度λ（Ｔ_∞）を用いて次の式（１）のように簡単に算出することができる。なお、定数Ｇは、検知用容器６、第１標準用容器８、第２標準用容器１２又は別気体用容器１０の空間容積等の形状で決まる定数である。
＜式（１）＞

まず、検知用サーミスタ７及び第１標準用サーミスタ９における第１出力電圧値Ｖａを数値的に導出すると、検知用サーミスタ７及び第１標準用サーミスタ９のサーミスタ温度がＴ_１，Ｔ_２であるときの放熱量Ｑ_１，Ｑ_２は、次の式（２）のようになる。ここでλ_ｗｅｔおよびλ_ｄｒｙはそれぞれ検知室内ガスおよび第１標準室内ガスの熱伝導度である。
＜式（２）＞

放熱量Ｑ_１と放熱量Ｑ_２との差を、熱伝導度λ_ｗｅｔと熱伝導度λ_ｄｒｙとの差「λ_ｗｅｔ−λ_ｄｒｙ」の寄与と、検知用サーミスタ７の温度Ｔ_１と第１標準用サーミスタ９の温度Ｔ_２との差「Ｔ_１−Ｔ_２」の寄与とに分けると、以下の式（３）のようになる。
＜式（３）＞

一方、サーミスタの特性である２５℃における抵抗値Ｒ_２５とＢ定数Ｂとを用いると、放熱量の差「Ｑ_１−Ｑ_２」はサーミスタに流れる電流ｉ_１２を用いて次の式（４）のように記載することができる。
＜式（４）＞

上記式（３）（４）から「Ｔ_１−Ｔ_２」を消去し、第１ブリッジ回路Ｂ１における第１出力電圧値Ｖａを求めると、次の式（５）に示すように空気の熱伝導度の寄与と、他の測定条件の寄与との積の形になる。
＜式（５）＞

ただし、ここで（Ｔ_１−Ｔ_∞）≒（Ｔ_２−Ｔ_∞）とし、電流ｉ_１２を次の式（６）によりサーミスタ温度Ｔ_２に書き換える。
＜式（６）＞

従来の湿度センサでは、上記式（５）の値が出力されるため、サーミスタの温度Ｔ_２、すなわちサーミスタに流れる電流ｉ_１２、サーミスタの抵抗Ｒ_２５あるいはＢ定数に応じて出力が変化してしまうことがわかる。
一方、本実施形態の別気体用サーミスタ１１と第２標準用サーミスタ１３との第２ブリッジ回路Ｂ２における第２出力電圧値Ｖｂは、同様の計算により次の式（７）のようになる。
＜式（７）＞

ここで、式（５）と式（７）とを比較すると、以下の式（８）となる。
＜式（８）＞

このＶａ／Ｖｂは、湿り空気である検知空気（外気）、乾燥空気及び別気体（本実施形態では窒素）の各熱伝導度によってのみ決定され、サーミスタ温度Ｔ_２、電流ｉ_１２、Ｒ_２５及びＢ定数によらない挙動を示す。
ここで、検知空気、乾燥空気及び別気体の各熱伝導度を用いてＶａ／Ｖｂを計算すると、図３に示すようになる。なお、図中の曲線１〜７は雰囲気温度Ｔ_∞を一定にした状態でサーミスタの温度Ｔやサーミスタ特性を変更した場合、曲線８〜１０はサーミスタの温度Ｔやサーミスタ特性を一定にした状態で、雰囲気温度Ｔ_∞を変更した場合を示している。
この図から分かるように、Ｖａ／Ｖｂは、低湿度の領域において湿度のみに依存し、サーミスタ温度Ｔ、サーミスタ特性には依存しない。また、雰囲気温度Ｔ_∞による影響もわずかである。

このように本実施形態の湿度センサ１では、互いに近接配置された検知室部２と第１標準室部３と別気体室部４と第２標準室部５とを備え、別気体室部４が、乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器１０と、別気体用容器１０の内部に設置された別気体用サーミスタ１１とを備えているので、第２標準用サーミスタ１３と別気体用サーミスタ１１との出力特性に基づいて、検知用サーミスタ７と第１標準用サーミスタ９との出力特性の変化を相殺することで、印加する電圧が変化する場合や任意の電圧を印加する場合、また特性の異なるサーミスタを使用した場合でも高精度に湿度検出が可能になる。

特に、別気体用容器１０に封入された前記気体が、窒素であるので、安価で安定した気体である窒素により低コストで安定した測定が可能になる。
また、本実施形態の湿度センサ装置１００では、検知用サーミスタ７と第１標準用サーミスタ９との接続点Ｐ１と第１定抵抗１４と第２定抵抗１５との接続点Ｐ２との間の第１出力電圧値Ｖａと、別気体用サーミスタ１１と第２標準用サーミスタ１３との接続点Ｐ３と第３定抵抗１６と第４定抵抗１７との接続点Ｐ４との間の第２出力電圧値Ｖｂとに基づいて外気の湿度を演算する演算部Ｃを備えているので、例えば「第１出力電圧値／第２出力電圧値」（Ｖａ／Ｖｂ）が、印加する電圧や雰囲気温度によらず、絶対湿度のみで決まる値であることから、印加する電圧を予め調べなくても湿度測定が可能になる。

また、使用中にサーミスタに印加される電圧の値が徐々に変化するような場合でも、絶対湿度を正確に測定可能である。さらに、「第１出力電圧値／第２出力電圧値」（Ｖａ／Ｖｂ）が、サーミスタの２５℃における抵抗値やＢ定数によらない値であるので、特性の異なるサーミスタで新たに設計しても、特性曲線の形状が変化せず、高精度な湿度測定が可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１…湿度センサ、２…検知室部、３…第１標準室部、４…別気体室部、５…第２標準室部、６…検知用容器、６ａ…貫通孔、７…検知用サーミスタ、８…第１標準用容器、９…第１標準用サーミスタ、１０…別気体用容器、１１…別気体用サーミスタ、１２…第２標準用容器、１３…第２標準用サーミスタ、１００…湿度センサ装置、Ｂ１…第１ブリッジ回路、Ｂ２…第２ブリッジ回路、Ｃ…演算部、Ｐ１…検知用サーミスタと第１標準用サーミスタとの接続点、Ｐ２…第１定抵抗と第２定抵抗との接続点、Ｐ３…別気体用サーミスタと第２標準用サーミスタとの接続点、Ｐ４…第３定抵抗と第４定抵抗との接続点

Claims

互いに近接配置された検知室部と第１標準室部と別気体室部と第２標準室部とを備え、
前記検知室部が、外気を内部空間に導入可能な貫通孔を有した検知用容器と、前記検知用容器の内部に設置された検知用サーミスタとを備え、
前記第１標準室部が、乾燥空気を封入した第１標準用容器と、前記第１標準用容器の内部に設置された第１標準用サーミスタとを備え、
前記第２標準室部が、乾燥空気を封入した第２標準用容器と、前記第２標準用容器の内部に設置された第２標準用サーミスタとを備え、
前記別気体室部が、前記乾燥空気と異なる熱伝導度を有する気体を封入した別気体用容器と、前記別気体用容器の内部に設置された別気体用サーミスタとを備えていることを特徴とする湿度センサ。
請求項１に記載の湿度センサにおいて、
前記別気体用容器に封入された前記気体が、窒素であることを特徴とする湿度センサ。
請求項１又は２に記載の湿度センサと、
第１定抵抗と第２定抵抗とが直列接続された第１直列回路と、前記検知用サーミスタと前記第１標準用サーミスタとが直列接続された第２直列回路とが並列接続されて構成された第１ブリッジ回路と、
第３定抵抗と第４定抵抗とが直列接続された第３直列回路と、前記別気体用サーミスタと前記第２標準用サーミスタとが直列接続された第４直列回路とが並列接続され前記第１ブリッジ回路に直列接続された第２ブリッジ回路と、
直列接続された前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路とに定電圧を印加した状態で、前記検知用サーミスタと前記第１標準用サーミスタとの接続点と第１定抵抗と第２定抵抗との接続点との間の第１出力電圧値と、前記別気体用サーミスタと前記第２標準用サーミスタとの接続点と前記第３定抵抗と前記第４定抵抗との接続点との間の第２出力電圧値とに基づいて前記外気の湿度を演算する演算部とを備えていることを特徴とする湿度センサ装置。