JP2889910B2

JP2889910B2 - 雰囲気検出装置

Info

Publication number: JP2889910B2
Application number: JP5259524A
Authority: JP
Inventors: 哲男石橋
Original assignee: Ricoh Elemex Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1999-05-10
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: JPH07113777A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、雰囲気検出装置に関
し、より詳細には、測定雰囲気中で低高電力で加熱され
る抵抗体の温度を抵抗体の抵抗値の差に基づいて検出し
てガス濃度を検知する自己温度補償型の雰囲気検出装置
に関するもので、例えば、湿度計，混合気体の濃度計，
分圧計や分布計を含め、流量センサー，ガスクロマトグ
ラフ，真空計、露点計や熱線式風速計などの各種計器に
利用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】混合気体雰囲気に含まれる所定の気体濃
度を、当該所定気体の分子量に応じて変化する熱伝導率
の差に基づいて熱的に検出する方法が知られている。こ
の原理を利用した雰囲気計の中で、特に、湿度計は、利
用範囲が広く、半導体等電子機部品，光学精密機器，繊
維，食品等各工業面のプロセスにおける湿度制御用とし
ての品質管理面や，病院，ビル等の環境管理面の検出端
として広く利用されているので、以下、本発明を湿度計
に適用した場合を例に説明するが、本発明は湿度計に限
定されるものではなく、混合気体濃度の異なる一般の雰
囲気計、具体的には、前述の各種計器に適用可能であ
る。而して、例えば、湿度計の湿度検出の原理として
は、大別して湿気によって電気的および機械的に変化す
る変化量を検出するものがあるが、電気的および機械的
なものでも各種の原理に基づくものがある。しかし、信
頼性や寿命等に問題があり、また一般に応答性が劣るも
のが多かった。

【０００３】この中で気体の熱伝導率を利用した湿度計
は応答性が優れ、しかも信頼性が高いことが知られてい
る。等方性物体内の所定断面の上下面を通り法線方向に
単位時間に流れる熱量は、法線方向の温度傾斜と断面積
に比例するが、この比例定数が熱伝導率である。気体の
熱伝導率は定圧比熱の関数であり、且つ定圧比熱は気体
分子量の関数である。従って、空気だけの場合と、空気
中に分子量の異なるガス成分や水分が含まれている場合
とでは熱伝導率が異なる。気体の熱伝導率の違いを利用
した湿度計は、加熱された抵抗体から雰囲気中に放熱さ
れる放熱量の差によって生ずる抵抗体の抵抗値変化量か
ら湿度を求めるものである。

【０００４】図３は、従来の湿度計の構造を示す部分断
面図で、湿度計１０は、温度補償素子１１と、検出素子
１２とを、高熱導性のアルミニウム等の均熱板１５上に
近接して配設した構成となっている。温度補償素子１１
と、検出素子１２とは共に検出チップ１８上に同一寸法
規格の抵抗体１７,１７′をマイクロブリッジ形状に配
設し、このチップ１８を均熱板１５に固着された高熱伝
導性のベース１６上に固着し、抵抗体１７（１７′）間
をハーメチックシールにより絶縁されたリードピン１９
を介してボンデングしたものである。温度補償素子１１
と検出素子１２との相違は、温度補償素子１１では抵抗
体１７が封止キャップ１３で定常圧の乾燥空気中で密封
されているのに対して、検出素子１２では封止キャップ
１３の上部面が通気可能なメッシュ１４で覆われている
点だけである。

【０００５】図示のように構成された湿度計は、温度補
償素子１１と検出素子１２の抵抗体１７，１７′が共に
リードピン１９を介して一定の電力で加熱される。温度
補償素子１１の抵抗体１７は、封止キャップ１１内で一
定圧力の乾燥空気により覆われているため、外気の湿度
影響を受けることなく周囲環境の気温のみにより変化し
て外気温を検出する。

【０００６】一方、検出素子１２の抵抗体１７′の抵抗
は、封止キャップ１３上面がメッシュ１４で覆われてい
るので湿気を含む雰囲気の温度および湿度に応じて変化
する。従って、検出素子１２の抵抗体１７′の抵抗値か
ら温度補償素子１１の抵抗体１７の抵抗値を減算するこ
とにより湿度による抵抗変化分が算出される。実際には
抵抗値の変化は、電圧値として検出される。

【０００７】しかし、封止キャップ１３で密封された温
度補償素子１１は、周囲温度が急速に変化すると抵抗体
１７と封止キャップ１３との間には熱伝導を緩慢にする
熱伝導率の小さい空気のバッファ層があるため、封止キ
ャップ１３外周の外気温度変動に迅速に追従できず周囲
温度検出の応答が遅れてしまう。

【０００８】一方、メッシュ１４を有する検出素子１２
では加熱される抵抗体１７′に雰囲気温度が直接に伝わ
るため応答が速い。このため、雰囲気が急激に変化する
場合、検出素子１２で検出された雰囲気温度と温度補償
素子１１で検出された雰囲気温度との間には誤差が生ず
る。

【０００９】図４（ａ),(ｂ),(ｃ)は、従来の湿度計の
雰囲気温度検出の応答遅れによる検出誤差発生を説明す
るための図である。図４（ａ）に示すように、雰囲気温
度Ｔが時間ｔ₀（０秒）からｔ₁（０.０１秒）まで２０
℃あったものが、ｔ₂（０.０２秒）後に急にＴ＝４０℃
まで上昇し、時間ｔ₂以後一定温度Ｔ＝４０℃に保持さ
れた場合、それぞれの時間において、図４（ｂ）の検出
素子１２の温度変化成分（電圧で示す）は図４（ｂ）
に、また温度補償素子１１の温度変化成分は図４（ｃ）
に斜線にて示すように検出され、温度補償素子１１にお
いては、かなりの時間遅れをもって検出される

【００１０】すなわち、周囲温度が時間ｔ₁（０.０１
秒）に温度Ｔ＝２０℃から一様に上昇を初めた場合、検
出素子１２からは、図４（ｂ）に示すように周囲温度Ｔ
の変化に迅速に応じて直ちにΔＥ₁ｂが検出されるが、
温度補償素子１１では、Ｔ＝２０℃の状態のままの温度
が検出される。時間ｔ₁〜ｔ₂（０.０１〜０.０２秒）お
よび時間ｔ₂以降において検出素子１２は図４（ｂ）に
示すように周囲温度Ｔの変化に迅速に応答し、温度変化
分ΔＥ₁ｂおよびΔＥ₂ｂが検出されるのに対し、温度補
償素子１１は、図４（ｃ）に示すように時間ｔ₂（０.０
２秒）までは温度変化分はなく、時間ｔ₂以降温度変化
分ΔＥ₃ｃが検出される、つまり、キャップ外周の温度
変動に追従できず、応答が遅れてしまう。この結果、Δ
Ｅ₁ｂ，ΔＥ₂ｂおよびΔＥ₃ｂ−ΔＥ₃ｃの検出遅れに相
当する湿度検出誤差が発生する。従って、これらの素子
を短時間電力印加して用いる間欠駆動方式とした場合に
は、温度補償素子１１が検出する温度は、明らかに、周
囲温度と異なってしまう。

【００１１】図５は、従来の他の湿度計を示す図で、図
３に示した従来の湿度計が、熱伝導率を利用した一般的
な湿度計で、温度補償素子１１の空気層による時間遅れ
があるのに対し、図５に示した湿度計２０は、バッファ
層となる図４に示した温度補償素子１１の空気層を薄く
するために、メッシュ２１を有する封止キャップ内のベ
ース２２に基板となる検出チップ２４を固着し、検出チ
ップ２４上に温度補償抵抗１７および検出抵抗１７′を
それぞれマイクロブリッジ形状に配設し、更に温度補償
抵抗１７と検出抵抗１７′とを区画するキャップカバー
２５を被覆し、検出抵抗１７′側に検出孔２６を開口し
たものである。

【００１２】温度補償抵抗１７は、周囲温度検出の時間
遅れを小さくするため空気層を薄くするキャップカバー
２５内に配設されており、そのため熱伝時時間は短かく
なるが、空気層が存在している点では図４の温度補償素
子１１と同じである。

【００１３】図６は、従来の、更に他の湿度計の構造を
示す平断面図で、この湿度計３０は、温度補償室３１と
検出室３２とを均熱スリーブ３３により近接して配設
し、検出室３２を通気孔３４により外気と連通させ、温
度補償室３１にはリード３５，３５に両端を接する温度
補償素子１７（抵抗体Ｒ₁₁）が、検出室３２内にはリー
ド３６，３６に両端を接合する検出素子１７′（抵抗体
Ｒ₁₂）が配設されている。

【００１４】検出室３２に連通する通気孔３４は、メッ
シュを使用した場合と比べて開口面積が小さく、従って
応答性が犠牲になるが、温度補償室３１側の熱応答時間
と等しくすることができ、これによって、応答時間差に
もとづく誤差とをなくすことが試みられている。

【００１５】図７は、図６に示した湿度計の回路構成例
であり、温度補償抵抗体１７（Ｒ₁₁）と検出抵抗体１
７′（Ｒ₁₂）とは抵抗Ｒ₁₃，Ｒ₁₄とブリッジ回路を構成
し、端子３７，３７に接続される直流電源（図示せず）
とＲ₁₅を介して接続される。出力は検出抵抗体Ｒ₁₂と温
度補償抵抗体Ｒ₁₁との接続点および抵抗Ｒ₁₃とＲ₁₄との
接続点とに接続された抵抗Ｒｍの両端より、湿度に比例
した電圧として端子３８，３８を介して出力される。

【００１６】しかし、図６に示した湿度計は、小形では
あるが雰囲気の対流影響を受ける。すなわち、対流の程
度や、更に、通気孔３４の孔径や孔位置の精度等の影響
を受けるので、目的とした周囲温度の応答時間のバラン
スをとるのが困難であり、この湿度計も上記問題は根本
的には改善されてはいない。

【００１７】以上述べた温度補償素子および検出素子を
有する従来例に共通する課題は、乾燥空気を一定圧力で
封入しないと、封入気体の熱伝導率が変わってしまい、
温度補償素子自体の温度検出特性が変化して、補償の役
目をなさなくなることである。

【００１８】さらに、温度補償素子内に封入された空気
の一定圧力が補償基準となって周囲湿度を検出するもの
であるから、周囲湿度の圧力（外気圧）が変われば熱伝
導率も変化するので、基準の効果が小さくなる。従っ
て、乾燥空気の湿度と乾燥空気を一定圧力で封入する封
入条件管理は精密さを要し、これらのバラツキは生産時
に特性バラツキとなって現れ、同時に検出素子と温度補
償素子の組み合せバランスが難しく、結果として歩留り
率が低くなる。

【００１９】さらに温度補償素子の乾燥空気の封入圧力
は一定であるから、周囲の気象条件や高所地域で使用す
ると検出対象となる気体の圧力すなわち熱伝導率が変わ
るので、もし、温度補償素子内の圧力が使用条件に従っ
て外気圧と同様に変化すると温度補償が可能であるが、
従来例の封止キャップは、気圧変動で変形し、内圧も変
化する柔軟性のある素材および構造をしていないから、
正確な検出値が得られない。

【００２０】また、検出対象の雰囲気が部分的にムラで
ある時、図３および図６に示した従来例においては、検
出素子と温度補償素子との間の距離が比較的大きいの
で、検出された信号はそれぞれの場所の状態での比較値
となり、一点（同一位置）の検出位置での値でないバラ
バラの検出位置での値を示すこととなり意味がない。そ
のため、検出素子と温度補償素子はできるだけ近い距離
が好ましく、図５に示した従来例の様に、ひとつの基板
上に合体させれば良い。とはいっても検出素子と温度補
償素子とはまだ離れた位置にあるので、より正確な測定
には適さない。

【００２１】上述のごとき実情に鑑みて、本出願人は、
先に特定の気体濃度を測定する雰囲気中で、抵抗体を定
電力で加熱する場合、加熱電力が小さいときは、特定の
気体濃度影響を殆ど受けずに雰囲気温度のみにより抵抗
が変化するので抵抗体の抵抗値は周囲温度の関数とな
り、加熱電力が大きいときは、抵抗体の抵抗値が雰囲気
温と特定の気体濃度との関数になることを利用して、抵
抗体をメッシュを有する封止キャップ内にマイクロブリ
ッジ形状に配設して特定の気体濃度影響を受けない小電
力と、特定の気体濃度影響を受ける大電力とで連続して
加熱して、抵抗体を大電力駆動したときの抵抗値から小
電力駆動したときの抵抗値を減算して同一抵抗体による
同一場所での特定の気体濃度を算出するようにした雰囲
気検出装置について提案した。

【００２２】

【実施例】図８は、本出願人が提案した雰囲気計の一例
としての湿度計の原理を説明するための図で、説明を解
り易くするために従来の湿度計の湿度測定原理と対比し
て説明する。図８において、白抜き矢印（ａ₁）→
（ｂ₁）→（ｃ₁）→（ｄ₁）は本発明による湿度測定、
（ａ₁）→（ｂ₁），（ａ₂）→（ｂ₂）→（ｂ₃）は従来
の湿度測定のフローを示す。図８（ａ₁）は、湿度検出
素子の構造図、図８（ａ₂）は温度補償素子構造図であ
り、図中、４１は封止キャップ、４２はメッシュ、４３
はベース、４４はハーメチックシール、４５，４６はリ
ードピン、４７は抵抗体（検出素子と呼ぶ）である。

【００２３】図８（ａ₁）の湿度検出素子は、高熱伝導
材のベース４３上にハーメチックシール４４を介して所
定の微小間隔を隔て貫通配設された平行なリードピン４
５と４６との先端に、検出素子４７を溶着してメッシュ
４２を有する封止キャップ４１をベース４３に固着した
ものである。検出素子４７としては、正の温度特性を有
する、例えば、白金、タングステン、ニクロム、カンタ
ル、又は負の温度係数を有する、例えば、ＳｉＣ（炭化
けい素）、ＴａＮ（窒化タンタル）等の微細線もしくは
薄膜、サーミスタ等の微小感温素子が接続される。

【００２４】上述の検出素子４７の抵抗値は、低温又は
高温で加熱されたとき、周囲温度および湿度に応じて変
化するものであり、その熱容量は非常に小さくしてあ
る。このため、検出素子４７は微細線又は微小体からな
る微小感温素子をマイクロブリッジ構造で使用し、加熱
時は微小時間で所定の熱平衡温度に到達し、加熱電力を
停止したときは、ただちに周囲温度に戻るようにしてい
る。

【００２５】尚、図８（ａ₂）に示した温度補償素子の
検出素子４７は、湿度検出素子の検出素子４７と同一規
格で、図８（ａ₁）に示した湿度検出素子の封止キャッ
プ４１のメッシュ４２を取り除いて検出素子４７を密閉
したものである。以上の構造をもった図８（ａ₁）に示
した湿度検出素子と図８（ａ₂）に示した温度補償素子
を用いた従来の湿度検出原理と、図８（ａ₁）に示した
湿度検出素子のみを用いた、本発明が適用される湿度検
出原理について、最初に、説明する。

【００２６】図９（ａ),(ｂ）は、湿度検出素子の電圧
電流特性図であり、図９（ａ）は、湿度特性を示す図
で、図８（ａ₁）の湿度検出素子において、周囲温度が
３０℃一定で湿度が２００ｇ／ｍ³の時の電圧電流特性
Ａ₁（点線）と０ｇ／ｍ³の時の電圧電流特性Ａ₂（実
線）を示す特性曲線、図９（ｂ）は温度特性を示す図
で、湿度０ｇ／ｍ³における温度２０℃の時の電圧電流
特性Ｂ₁（点線）、３０℃の時の電圧電流特性Ｂ₂（実
線）、４０℃の時の電圧電流特性Ｂ₃（点線）を示す特
性曲線で、横軸に検出素子印加電圧、縦軸に検出素子印
加電流を示す。

【００２７】図９（ａ）の３０℃における湿度特性を示
す電圧電流曲線では、湿度検出素子への印加電流が２ｍ
Ａ以下の小さい加熱電流では、Ａ₁曲線とＡ₂曲線とが略
々重なって対応する電圧は約０．８Ｖ以下を示してお
り、この低電流加熱時では、湿度の影響を受けない温度
特性のみを示し、検出素子印加電流が８ｍＡの大電流で
は、Ａ₁曲線は略３Ｖ（ボルト）、Ａ₂曲線は略４Ｖを示
し、大電流加熱では湿度が大きい程検出素子に生ずる電
圧が小さくなり、湿度に対応した電圧を得ることができ
る。

【００２８】図９（ｂ）の温度特性を示す湿度０ｇ／ｍ
³における電圧電流曲線では、検出素子の周囲には湿度
がないので、検出素子に定電流、例えば、２ｍＡを印加
した場合、検出素子の両端に生ずる電圧は曲線Ｂ₁，
Ｂ₂，Ｂ₃に示すように周囲温度が高い程高く、周囲温度
が低い程小さいことを示めす。

【００２９】図８において、図８（ｂ₁),（ｂ₂),(ｂ₃),
(ｃ₁),(ｄ₁）は、共に、横軸に絶体湿度（ｇ／ｍ³）、
縦軸に出力電圧（Ｖ）を示したグラフである。図８（ｂ
₁）は、図８（ａ₁）に示した湿度検出素子４７に８ｍＡ
の電流を印加したときの周囲温度が２０℃，３０℃，４
０℃における絶対湿度と出力電圧との関係を示した直線
Ｂ₁₁，Ｂ₁₂およびＢ₁₃を示した図であり、出力電圧と絶
体湿度とは負の比例関係にあり、周囲温度に比例する。

【００３０】一方、図８（ａ₂）に示した温度補償素子
では、図８（ｂ₂）に示すように、出力電圧は、当然乍
ら絶対湿度に無関係で周囲温度のみに比例して変化す
る。周囲温度が２０℃，３０℃，４０℃の直線を各々Ｂ
₂₁，Ｂ₂₂およびＢ₂₃とする。

【００３１】図８（ｂ₁）と図８（ｂ₂）とから同一の周
囲温度での絶体湿度に対応する出力を減算する。直線Ｂ
₁₃，からＢ₂₃を、Ｂ₁₂からＢ₂₂を、Ｂ₁₁からＢ₂₁を各々
減算すると、図８（ｂ₃）に示すように、周囲温度によ
らず、絶体湿度のみに負の比例関係にある絶体湿度と出
力電圧との関係直線Ｂ₃₃が得られる。

【００３２】本発明が適用される一例としての湿度計に
おいては、検出素子４７を低電流、例えば１ｍＡで駆動
したときは、図９（ａ）,（ｂ）に示すように、絶対湿
度に影響されず周囲湿度２０℃，３０℃および４０℃の
みに比例した出力電圧が得られ、図８（ｃ₁）に示す平
行直線ｃ₁，ｃ₂，ｃ₃が得られる。これは図８（ｂ₂）と
同一の関係を示すものであり、図８（ｃ₁）と図８
（ｂ₁）の関係とから、図８（ｄ₁）に示すように、図８
（ｂ₃）の特性と等しい絶対湿度のみに負の比例関係に
ある出力直線Ｂ₀が得られる。

【００３３】なお、以上には、湿度検出素子を定電流で
駆動した場合について述べたが、検出素子４７の熱容量
は極めて小さく応答性が優れているので時間幅の短いパ
ルス電流で駆動してもよい。また、定電圧又は定電圧パ
ルス駆動でもよい。

【００３４】図１０は、本発明が適用される雰囲気計の
一例としての湿度計の湿度検出素子駆動方式を説明する
ための図であり、，図１０（ａ₁）はパルス電流駆動方
式、図１０（ａ₂）はパルス電圧駆動方式を示す。即
ち、この湿度計は、図９（ａ）の湿度特性曲線および図
９（ｂ）の温度特性曲線に従った駆動であれば駆動パル
スが定電流の場合でも定電圧の場合でもよい。図１０
（ａ₁）に示した定電流パルス駆動の場合は、定電流パ
ルス電源５０と検出素子５１とを直列接続して検出素子
５１の両端電圧Ｖｏｕｔを検出する。図１０（ａ₂）の
パルス電圧駆動方式においては、定電圧パルス電源５２
と検出抵抗５３および検出素子５１とを直列接続して検
出抵抗５３の両端電圧Ｖｏｕｔを検出する。何れの場合
も検出素子５１に対し、駆動時の温度値が異なる２種類
の定電流又は定電圧パルスが印加される。

【００３５】図１０（ｂ）は、図１０（ａ₁）電流パル
ス駆動時における電流パルス列の一例を示す図で、検出
素子５１に対し時間ｔ₁から時間ｔ₂に到る間は、波高値
２ｍＡ，パルス幅５０ｍｓ（ミリ秒）の小パルス電流を
印加し、続いて、時間ｔ₂からｔ₃に到る間は、波高値８
ｍＡでパルス幅５０ｍｓの大パルス電流を印加する。時
間ｔ₃からｔ₄に到る１００ｍｓの休止時間を置いて、再
び同じ時間幅の２ｍＡ，８ｍＡの小電流パルスと大電流
パルスによる電流パルス列により駆動される。

【００３６】図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）に示した電
流パルス駆動により検出素子５１間に発生する電圧（Ｖ
ｏｕｔ）の電圧パルス列を示すもので、電流パルスの立
ち上げにおいては時間遅れを伴う電圧パルスが生ずる。
このため、電圧検出は電圧値が安定したｃ₁，ｃ₂の時間
幅内で行うことが必要である。尚、図１０（ｂ）に示し
た駆動電流パルス列の時間ｔ₃〜ｔ₄間の休止期間は、８
ｍＡのパルス電流印加後、検出素子５１の発熱温度が略
周囲温度になる時間幅を選んだものである。

【００３７】図１０（ｂ）においては、小電流パルスと
大電流パルスとを連続して検出素子５１に印加したが、
小電流を印加してから所定の安定時間を経てから大電流
を印加することでもよいが、各駆動電流パルス毎に時間
遅れが生ずるので高応答性の検出はできない。これに対
して図１０（ｂ）に示した駆動方法によると、図１０
（ｄ）に点線ｄ₁にて示すように、大電流パルスを印加
したときの出力電圧の応答性が小電流駆動による予熱の
ため高められる。

【００３８】図１１（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）は、
本発明が適用される雰囲気計の一例としての湿度計の環
境変化と出力特性との関係を説明するための図で、図１
１（ａ）は時間軸上の温度変化、図１１（ｂ）は時間軸
上の湿度変化、図１１（ｃ）は印加電流波形、図１１
（ｄ）は上記温度変化および湿度変化に対応した印加電
流による検出出力電圧波形を示す。

【００３９】印加電流は所定休止時間をもち２ｍＡの小
電流パルスに続いて印加する８ｍＡの大電流パルスから
なる連続したパルス電流で、このパルス電流は時間ｔ₀
〜ｔ₁，ｔ₁〜ｔ₂，ｔ₂〜ｔ₃の間に１回出力される。一
方、温度変化は図１１（ａ）に示すように一定温度３０
℃から時間ｔ₁〜ｔ₂の期間に２０℃，３０℃，４
０℃に変化し、その他の期間では３０℃に保たれている
ものとする。また、湿度変化は図１１（ｂ）に示すよう
に一定湿度２０ｇ／ｍ³から時間ｔ₂〜ｔ₃の期間に
１０ｇ／ｍ³又は３０ｇ／ｍ³に変化するものである。

【００４０】従って、時間ｔ₀〜ｔ₁の期間では温度、湿
度共に一定、時間ｔ₁〜ｔ₂の期間では温度のみ変化し時
間ｔ₂〜ｔ₃の期間では湿度のみ変化している。

【００４１】この結果、検出出力電圧波形は、図１１
（ｄ）に示すように時間ｔ₀〜ｔ₁の期間では温度、湿度
一定に対応する出力電圧となり、時間ｔ₁〜ｔ₂の期間で
は、湿度一定であり温度のみに比例した出力電圧とな
り、大電流駆動時の出力電圧から小電流駆動時の出力電
圧を減算した減算値は一定となり、この場合、湿度影響
はない。これに対して、湿度のみが変化する時間ｔ₂〜
ｔ₃の期間では、小電流駆動時の出力電圧は湿度，
，の場合でも一定で、大電流駆動時のみ湿度影響を
受け変化する。このときの出力電圧は、湿度の大きい
では小さく、湿度の小さいで大きい電圧となる。次
に、このような演算を行う駆動回路に基づいて説明す
る。

【００４２】図１２は、本発明が適用される検出素子を
電圧パルス駆動した場合の湿度出力回路の実施例を説明
するための図で、図中、６１は第１の基準電圧発生回
路、６２は第２の基準電圧発生回路、６３は定電圧回路
（オペアンプ）、６４はオペアンプ、６５はＡ／Ｄコン
バータ、６６はＣＰＵ、６７は検出素子で、第１の基準
電圧発生回路６１は検出素子６７に低電圧であるＶ_REF1
を印加する定電圧回路であり、第２の基準電圧発生回路
６２は、検出素子６７に高電圧であるＶ_REF2を印加する
定電圧回路である。各々の定電圧回路は、ＣＰＵ６６の
端子Ｐ₀₁から出力されるタイミングパルスにより駆動さ
れるａ接点、ｂ接点および接地されたｃ接点を有するス
イッチＳＷ₁のａ接点およびｂ接点に接続され、スイッ
チＳＷ₁は、定電圧回路６３の非反転入力に接続され
る。

【００４３】定電圧回路６３は、基準抵抗Ｒrと他端が
接地された検出素子６７との直列抵抗を負荷し接続点は
反転入力に接続される。この回路構成の定電圧回路６３
において検出素子６７間の電圧ＶｓはスイッチＳＷ₁の
接点に印加される各々の電圧と等しい電圧となる。すな
わち、スイッチＳＷ₁がａ接点のときＶｓ＝Ｖ_REF1 ｂ接点のときＶｓ＝Ｖ_REF2 ｃ接点のときＶｓ＝０の一定電圧が出力される。

【００４４】このように抵抗値がＲｓの検出素子６７の
電圧Ｖｓ＝一定で、基準抵抗Ｒｒを流れる電流ｉｓは、
ｉｓ＝Ｖｓ／Ｒｓとなり検出素子６７には抵抗Ｒｓに応
じた電流が流れる。すなわち、検出素子６７の抵抗Ｒｓ
が温度または湿度により変化すると電流ｉｓもそれに応
じて変化し、基準抵抗Ｒｒを流れる電流ｉｓを電圧Ｖｒ
（＝ｉｓ・Ｒｒ）として増幅回路３５で検出する。

【００４５】図１３は、図１２の一例のタイムチャート
であり、例えば、Ｖ_REF1＝０.５Ｖ，Ｖ_REF2＝４.５Ｖと
すると、スイッチＳＷ₁がａ接点に接続された時間ｔ₁の
期間ではＶｓ＝０.５Ｖ、ｂ接点に接続された時間ｔ₂の
期間ではＶｓ＝４.５Ｖとなり、ｃ接点に接続された時
間ｔ₃の期間はＶs＝０Ｖとなる。定電流加熱時も同様な
タイミング設定がなされる。すなわち、ＳＷ₁がａ接点
に接続された低温加熱は定電流２ｍＡ駆動に相当し、Ｓ
Ｗ₂がｂ接点に接続された高温加熱は、定電流８ｍＡ駆
動の場合と同じである。

【００４６】

【発明が解決しようとする課題】而して、図１２に示し
た回路構成によると、スイッチＳＷ₁がａ接点にある時
（つまり、低温動作時）に、検出出力が小さく、そのた
め、図１２中に６８にて示すように、増幅回路を必要と
し、その分、コストアップとなっていた。

【００４７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）雰囲気中において加熱される抵抗
体の抵抗値の変化に基づいて前記雰囲気中の所定気体を
検知する雰囲気検出装置において、前記抵抗体を該抵抗
体の抵抗変化が雰囲気温度のみに影響される低温度で加
熱する低温駆動回路と、前記抵抗体を該抵抗体の抵抗変
化が雰囲気の温度および所定気体に感応する高温度で加
熱する高温駆動回路と、前記抵抗体両端に生ずる高温に
おける電圧と低温における電圧とを比較する比較検出回
路とからなり、該比較検出回路の出力電圧に応じて前記
雰囲気に含まれる所定気体濃度を検知する雰囲気検出装
置において、前記抵抗体の一端に第１の切換スイッチを
具備し、該第１の切換スイッチにより、前記抵抗体に低
温駆動時と高温駆動時とで異なる付加抵抗値の抵抗を接
続するようにしたこと、更には、（２）前記第１の切換
スイッチと連動する第２の切換スイッチを闘備し、該第
２の切換スイッチを介して前記付加抵抗の端子間電圧を
検出するようにしたことを特徴としたものである。

【００４８】

【作用】検出素子（抵抗体）に大小の定電圧又は電流を
切り換えて供給し、該検出素子の抵抗変化より、周囲の
雰囲気を検出する電気回路において、前記検出素子に切
換えスイッチより前記電圧又は電流の切換えと連動し
て、異なる値の抵抗を接続するようにし、小電流又は電
圧時（低温動作時）における検出出力を大きくし、増幅
回路等の付設を省略可能にした。

【００４９】

【実施例】図１は、本発明による雰囲気検出装置に使用
して好適な電気回路の一例を説明するための図で、図
中、１は第１の（低温動作時の）基準電圧発生回路、２
は第２の（高温動作時の）基準電圧発生回路、３は定電
圧回路（オペアンプ）、４はオペアンプ、５はＡ／Ｄコ
ンバータ、６はＣＰＵ、７は検出素子で、図１２に示し
た電気回路とは、基準抵抗Ｒｒを低温時（Ｒ₁）用と高
温時（Ｒ₂）に分けるとともに、切換えスイッチＳＷ₂を
設け、該スイッチＳＷ₂をスイッチＳＷ₁と連動して切り
換えるようにした点、及び、増幅回路６８を省略した点
で、相違している。

【００５０】図１において、今、スイッチＳＷ₁，ＳＷ₂
がａ接点にある時（低温時）、検出素子（センサ）７の
電圧をＶ_Sa、ｂ接点にある時（高温時）の電圧をＶ_Sb；
検出素子の抵抗をＲ_Sa，Ｒ_Sb；基準抵抗Ｒ₁，Ｒ₂の両端
の電圧をＶ_Ra，Ｖ_Rbとし、増幅回路４のゲインを１とす
ると、スイッチＳＷ₁，ＳＷ₂がａ接点にある時、

【００５１】

【数１】

【００５２】となる。

【００５３】従って、雰囲気（例えば、湿度）が一定で
あれば、Ｒ₁を選ぶことによって、検出素子に所定の電
圧をかけて任意の検出出力を得ることができ、雰囲気が
変化すると、検出素子７の抵抗（Ｒｓ）の変化に従った
検出出力を得ることができる。スイッチＳＷ₁，ＳＷ₂が
ｂ接点にあるときも全く同様である。

【００５４】図２は、本発明の他の実施例を示す図で、
この実施例は、図１に示した実施例に、更にスイッチＳ
Ｗ₃を追加し、もって抵抗Ｒ₁，Ｒ₂の両端の電圧を検出
し得るようにしたもので、このようにすると、スイッチ
ＳＷ₂のＯＮ抵抗の影響を無視できるため、スイッチＳ
Ｗ₂にＣＭＯＳスイッチ等、ＯＮ抵抗が大きく、ＯＮ抵
抗のバラツキの大きいものを使用することができる（Ｃ
ＭＯＳスイッチの場合、通常、数１０Ω〜数１００Ωで
ある）。

【００５５】なお、スイッチＳＷ₁，ＳＷ₃については、
オペアンプ３，４の入力インピーダンスが非常に大きい
ため、ＣＭＯＳスイッチのＯＮ抵抗は、無視することが
できる。

【００５６】また、スイッチＳＷ₃がない場合を考える
と、例えば、スイッチＳＷ₁，ＳＷ₂がａ接点に接続され
ている時、スイッチのＯＮ抵抗をｒ₁，抵抗Ｒ₁に流れる
電流をｉ₁とすると、検出出力＝ｉ₁（Ｒ₁＋ｒ）とな
り、抵抗ｒの誤差分が検出出力に含まれるため、ｒの誤
差分がＲ₁に比べて無視できる程小さいスイッチしか使
用できない。

【００５７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、簡単な構成により、増幅器の数を減らすこと
ができ、従って、コストダウンを図ることが可能とな
り、更には、ＣＭＯＳスイッチ等の電子スイッチを用い
て、しかも、誤差なく、周囲雰囲気の状態を検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による雰囲気検出装置の一実施例を説
明するための図である。

【図２】本発明による雰囲気検出装置の他の実施例を
説明するための図である。

【図３】従来の湿度計の構造を示す部分断面図であ
る。

【図４】従来の湿度計の雰囲気温度検出の応答遅れに
よる検出誤差発生を説明するための図である。

【図５】従来の他の湿度計を示す図である。

【図６】従来の、更に他の湿度計の構造を示す図であ
る。

【図７】図６に示した湿度計の回路構成例である。

【図８】本発明が適用される雰囲気検出装置の動作原
理を説明するための図である。

【図９】検出素子の電圧−電流特性図である。

【図１０】本発明が適用される雰囲気計の一例として
の湿度計の湿度検出素子駆動方式を説明するための図で
ある。

【図１１】本発明が適用される雰囲気計の一例として
の湿度計の環境変化と出力特性との関係を説明するため
の図である。

【図１２】本発明が適用される雰囲気計の一例として
の湿度計の駆動回路の一例を示すブロック図である。

【図１３】図１２に示した駆動回路の各部における波
形図である。

【符号の説明】

１…第１の基準電圧発生回路、２…第２の基準電圧発生
回路、３…定電圧回路（オペアンプ）、４…オペアン
プ、５…Ａ／Ｄコンバータ、６…ＣＰＵ、７…検出素
子、ＳＷ₁，ＳＷ₂，ＳＷ₃…切換スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/00 - 27/24 G01N 25/64 G01F 1/68 - 1/699

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】雰囲気中において加熱される抵抗体の抵
抗値の変化に基づいて前記雰囲気中の所定気体を検知す
る雰囲気検出装置において、前記抵抗体を該抵抗体の抵
抗変化が雰囲気温度のみに影響される低温度で加熱する
低温駆動回路と、前記抵抗体を該抵抗体の抵抗変化が雰
囲気の温度および所定気体に感応する高温度で加熱する
高温駆動回路と、前記抵抗体両端に生ずる高温における
電圧と低温における電圧とを比較する比較検出回路とか
らなり、該比較検出回路の出力電圧に応じて前記雰囲気
に含まれる所定気体濃度を検知する雰囲気検出装置にお
いて、前記抵抗体の一端に第１の切換スイッチを具備
し、該第１の切換スイッチにより、前記抵抗体に低温駆
動時と高温駆動時とで異なる付加抵抗値の抵抗を接続す
るようにしたことを特徴とする雰囲気検出装置。
【請求項２】前記第１の切換スイッチと連動する第２
の切換スイッチを具備し、該第２の切換スイッチを介し
て前記付加抵抗の端子間電圧を検出するようにしたこと
を特徴とする請求項１に記載の雰囲気検出装置。