JP2898730B2

JP2898730B2 - 感湿素子

Info

Publication number: JP2898730B2
Application number: JP2253488A
Authority: JP
Inventors: 秀明八木; 猛彦齋木
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH04131757A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、空気中に含まれる水蒸気の割合を検出する
湿度センサに用いる感湿素子に関する。

［従来の技術］特開昭61−204901号公報には、感湿部にZrO₂−Y₂O₃固
溶体を用いた感湿素子が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］しかるに、このような感湿素子は以下のような欠点が
ある。

（ア）低湿度で感湿素子の抵抗値が著しく高くなり、低
湿度域での測定に不向きである。

（イ）湿度と電気抵抗との直線性が悪い。

（ウ）長時間使用すると劣化して抵抗値が大きくドリフ
トする。

本発明の目的は、抵抗値の経時変化が少ないととも
に、湿度と電気抵抗とが直線的に変化する感湿素子の提
供にある。

［課題を解決するための手段］上記目的達成のため、本発明は、素子端面に１対の電
極を密着配置し、大気中の水蒸気が素子に吸脱着するこ
とによる前記電極間の電気抵抗値の変化から空気中に含
まれる水蒸気の割合を検出する感湿素子において、素子
材料に、リン（不純物として混入したものを除く）を含
まないナシコン系の多孔質セラミックを用いた構成を採
用した。

［作用および発明の効果］（作用）感湿素子に、リンを含まないナシコン系の多孔質セラ
ミックを用いた場合の理論的な作用は不明なるものの、
後述する実験データで裏付けられるように、湿度と電気
抵抗とが直線的に変化するようになり、かつ長期間、同
一的な抵抗値を保つ。

（効果）湿度と電気抵抗とが直線的に変化するので、補正回路
を用いずに湿度を精度良く検出することができる。

経時による抵抗値のドリフトが小さいので、長期間、
制度良く安定して湿度を検出できる。

［実施例］つぎに、本発明の実施例を第１図〜第７図に基づき説
明する。

第１図に示すように、湿度センサは、アルミナ基板１
上に、下部電極２、感湿素子３、上部電極４を順に積層
してなる。また、前記電極２、４には、金製の電極取出
部21、31が電気接続され、該取出部21、31にはリード線
22、32が固着され、これらセンサ本体は、開口110に通
気フィルター120を取り付けたセンサケース100内に収容
されている。

下部電極２および上部電極４は、酸化ルテニウム（Ru
O₂）で形成されている。

感湿素子３は、微粒子の多孔質構造を呈し、後述する
ナシコン（ナトリウムスーパーイオンコンダクター）で
形成されている。

つぎに、第２図に基づき、湿度センサの製造方法を述
べる。

（１）金属アルコキシドとエタノールとを混合し、水を
加え、加水分解させる。

（２）乾燥の後、リンを含むものについては、H₃PO₄お
よびNa₂CO₃を、リンを含まないものについては、Na₂CO₃
のみを夫々混合する。

（３）第１表に示す、か焼温度、保持時間により、試料
No.1〜No.6に示す組成を有するナシコンとなる。尚、ナ
シコン（Na₁₊xZr₂SixP_3-xO₁₂）が成分として現れるよう
に調合するため、必ずしもナシコンが主成分である必要
は無く、ナシコンの成分が試料No.1〜No.6の成分になれ
ば良い。

（４）これら試料をペーストに調製する。

（５）予め、下部電極２および電極取出部21、31を焼き
付けておいたアルミナ基板１上にこのペーストを印刷す
る。

（６）ペースト上に、上部電極４となるペーストを印刷
する。

（７）850℃、10分間焼成する。

（８）電極取出部21、31にリード線を付け、ケース100
に組み付けて湿度センサが完成する。

つぎに、湿度センサの、感湿特性、経時変化、応答
性、各種環境試験について説明する。

（感湿特性）第３図〜第５図に示す感湿特性は、分流式湿度発生槽
を使用し、温度20℃、湿度20％RH〜90％RHの範囲で相対
湿度を６分間隔で変化させ、LCRメータにより、300Hzに
おけるリード線22、32間のインピーダンスを測定した。

第３図に示すグラフにより、か焼温度が低い程（試料
No.2のカーブ参照）、感湿素子３のインピーダンスの上
昇を招かず、感湿特性の直線性が良くなることが判明し
た。これは、か焼温度が低い程、比表面積が増大するた
めであると考えられる。

第４図に示すグラフにより、ｘ＝２の場合（試料No.2
のカーブ参照）が、インピーダンスが程良く低下し（20
％RHで約2MΩ）、かつ、感湿特性の直線性が良い（ヒス
テリシス２％RH以内）ことが判明した。

第５図は、感湿素子３に試料No.2（リンを含むも
の）、および試料No.6（リンを含まないもの）を使用し
た湿度センサの感湿特性の比較グラフである。このグラ
フより、ｘ＝３で、か焼温度が900℃で、リンを含まな
い、試料No.6のものが感湿特性の直線性に最も優れ、ヒ
ステリシスも極小となることが判明した。

（経時変化）第６図は、感湿素子３に試料No.2（リンを含むも
の）、および試料No.6（リンを含まないもの）を使用し
た湿度センサの、常温大気中における経時変化を調べた
グラフである。

感湿素子３に試料No.6を用いた湿度センサは、5000時
間の使用期間中、全湿度範囲（10％RH〜90％RH）で±２
％RH以内のドリフトでおさまり、極めて安定した結果が
得られた。

また、感湿素子３に試料No.2を用いた湿度センサは、
時間の経過に従って徐々に高抵抗側（出力低下）にシフ
トし、5000時間経過後、中〜低湿度域（50％RH〜20％R
H）で−６％RH程度のドリフトが見られた。

（応答性）第７図は、湿度20℃、無風、相対湿度30％RHおよび90
％RHにおける加湿、減湿時の応答性を測定したグラフで
ある。

このグラフにより、湿度センサは、減湿時で約130
秒、加湿時で約90秒で平衡に達することが判明した。
尚、有風状態であれば、更に早く平衡に達することが予
測されるので、この応答性は実用上、支障がない。

（各種環境試験）第２表は、感湿素子３に試料No.6を用いた湿度センサ
についての、８項目の各種環境試験内容、およびその結
果を示す。

全ての試験項目において、湿度センサは、全湿度領域
（10％RH〜90％RH）で変動が±３％RH以内である良好な
結果を示した。

以下、本実施例における湿度センサの作用効果を纏め
る。

（あ）感湿素子３に試料No.6（リン含まず、ｘ＝３、か
焼条件900℃−3Hrのナシコン）を用いた湿度センサは、
各種環境において、インピーダンスの経時変化が±３％
RH以内と少なく、湿度を長期間、誤差なく測定すること
ができる。

（い）感湿素子３に試料No.6を用いた湿度センサは、10
％RHの低湿度から90％RHの高湿度領域迄、直線的にイン
ピーダンスが変化するので、補正回路を用いずに湿度を
精度良く検出することができる。尚、感湿素子３に試料
No.6およびNo.2（リン含み、ｘ＝２、か焼条件900℃−3
Hrのナシコン）を用いた湿度センサについては、20℃、
20％RHでインピーダンス（300Hz）が約2MΩであり、従
来のセラミック湿度センサの感湿素子に比べ著しく下げ
ることができた。

（う）厚膜印刷技術を用いて、センサ部分を組み付けて
いるので、製造が容易であるとともに、量産性および再
現性に優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を採用した湿度センサの構造説明
図、第２図はその湿度センサの製造工程図である。第３図は感湿素子に試料No.2、３、４を用いた湿度セン
サにおいて、か焼温度を変化させた場合の感湿特性を示
すグラフである。第４図は感湿素子に試料No.1、２、５を用いた湿度セン
サの感湿特性を示すグラフである。第５図は感湿素子に試料No.2、６を用いた湿度センサの
感湿特性を示すグラフである。第６図は感湿素子に試料No.2、６を用いた湿度センサの
経時変化を示すグラフである。第７図は感湿素子に試料No.6を用いた湿度センサの応答
性を示すグラフである。図中２……下部電極（電極）、３……感湿素子、４…
…上部電極（電極）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】素子端面に１対の電極を密着配置し、大気
中の水蒸気が素子に吸脱着することによる前記電極間の
電気抵抗値の変化から空気中に含まれる水蒸気の割合を
検出する感湿素子において、素子材料に、リンを含まないナシコン系の多孔質セラミ
ックを用いたことを特徴とする感湿素子。