JP3079149B2 - 湿度測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン性解離基を有す
る高分子膜を感湿要素とする抵抗変化型感湿素子を用
い、雰囲気中の湿度を精度良く測定検出する方法に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】一般に、雰囲気中の湿度を測定検出する
方法として、水分の吸着、脱離による感湿性材料の電気
的特性の変化を利用する方法が知られている。その原理
は、水分の吸着、脱離に伴う感湿性材料の電気伝導度や
誘電率の変化を、これらの材料を挟持するように形成さ
れた電極間のインピーダンスや電気抵抗、あるいは静電
容量の変化として測定検出するものである。また、水晶
振動子と組み合わせ、水分の吸着、脱離に伴う感湿性材
料の重量の変化を、振動子の周波数変化から検出するも
のもある。

【０００４】このような感湿素子に用いられる感湿性材
料としては、従来から、セラミック系材料、塩化リチウ
ムのような電解質、吸湿性（親水性）高分子材料、高分
子電解質、あるいは導電性フィラーを含む高分子複合系
材料等が知られており、それぞれ実用化されている。

【０００５】これらの中でも吸湿性高分子材料または高
分子電解質を用いた感湿素子は、感湿範囲が広く応答性
に優れ、かつ素子の構造が比較的単純で製造が容易であ
るため、感湿特性面のみならず量産性やコストの面から
も関心が寄せられている。そしてこのような感湿素子で
は、応答性、機械的強度、製造加工プロセスなどを考慮
して、適当な基板上に感湿性材料を薄膜化した感湿膜を
形成するのが一般的である。すなわち、素子構成を大別
すると、絶縁性基板上に一対の対向電極を設けるととも
にこれを覆うように感湿膜を形成し、対向電極間で電気
的特性の変化を測定検出するタイプ（表面型）や、絶縁
性基板上に下部電極を設けるとともにその上に感湿膜次
いで上部電極を順次積層形成し、上、下部両電極間で電
気的特性の変化を測定検出するタイプ（サンドイッチ型
あるいはコンデンサ型）などが知られている。

【０００６】さらにこのような感湿膜を形成する材料の
うちで、抵抗検出型の感湿性材料としては、分子中にイ
オン性の解離基を有する高分子（広義の高分子電解質）
のような、イオン（的な）伝導性を持つ高分子が一般的
に用いられる。感湿素子の電気抵抗値は、感湿性材料の
抵抗率、対向電極間の距離とその有効断面積等によって
ほぼ決定されるが、比較的構造の簡単な表面型素子は、
容量検出型（コンデンサ型）の感湿素子に比べて構造上
および製法上の制約が少なくかつ充分な精度で検出が可
能であるので、特性、測定回路、コスト面から実用的で
優れた感湿素子といえる。

【０００７】一般に、イオン伝導性を持つ高分子を用い
た表面型で抵抗検出型の感湿素子は、図５および図６に
それぞれ示すように、アルミナ等の絶縁性基板１上に一
対の対向電極２を形成し、その上に対向電極２を覆うよ
うに前記高分子の感湿膜３を形成して構成される。な
お、このような構造の感湿素子において、対向電極２は
対向長を充分にとるためにくし型形状とし、かつ耐食性
が必要なために、金、白金等の貴金属で構成される。そ
して、印刷法や物理的蒸着法により形成される。また、
感湿膜を形成するイオン伝導性を持つ高分子としては、
イオン性コモノマーとの共重合や高分子反応により、高
分子鎖の側鎖あるいは主鎖に、アニオン性あるいはカチ
オン性の解離基を導入したものが使用される。さらに、
このような感湿膜の耐水性、耐溶剤性、耐熱性等の耐環
境性や経時安定性を向上させるために、高分子鎖を三次
元的に架橋するなど、高分子の組成に工夫がなされたも
のが実用化されている。

【０００８】ところで、前記感湿素子を用いて湿度（相
対湿度）を測定するには、素子に電圧を印加して抵抗あ
るいはインピーダンスを測定検出する手段と、この抵抗
あるいはインピーダンスの測定値を相対湿度に変換する
手段とが必要になる。

【０００９】イオン伝導性の高分子からなる感湿膜で
は、主なキャリアは吸湿水分により解離した対イオンで
あるため、素子に直流電圧を印加すると、電気化学的な
分極が生じて結果的に電気分解が起こり、湿度特性の変
動や感湿材料の劣化が起こってしまう。したがって、正
弦波あるいは方形波で表される交流を用いるとともに、
波形にかかわらず直流バイアスが素子にかからないよう
にする必要がある。また、方形波を用いる場合には、デ
ューティー比が50％の対称波形であることが望ましく、
発振周波数はノイズの影響、検波の精度を考慮して、10
0Hz 〜10kHz 程度が選ばれる。

【００１０】さらに、測定された素子の抵抗あるいはイ
ンピーダンスの値を相対湿度に変換する際には、これら
の値はいずれも相対湿度に対して指数関数的に変化する
ので、予め対数変換回路により求められた校正曲線に基
づいて変換する。この場合、必要に応じてリニアライズ
（直線化）が行われ、さらに温度依存性があるため、温
度補償が行われて最終的な相対湿度値が出力される。な
お、実際の湿度の測定においては、感湿素子に一定の交
流電圧を常時印加しておき、適当なインターバルで抵抗
あるいはインピーダンスを測定し、この測定値を相対湿
度に変換して出力するのが一般的である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように、イオン伝
導性の高分子感湿膜を用いた抵抗検出型素子は、製法上
の制約が少なく、感湿特性、測定回路、コストの面から
実用的で優れた感湿素子である。そのため、この素子を
単に相対湿度を連続して出力する湿度計測器として用い
る場合には、計測開始後常時交流電圧を印加しておき、
適当なインターバルで素子の抵抗あるいはインピーダン
スを測定し、演算、出力を行うため、常に定常な状態で
測定検出を行うことが可能である。

【００１２】しかしながら、このような素子を実際にエ
アコン、加湿器、除湿器等の空調機器に組み込んで湿度
計測を行い、その結果に基づいてマイクロコンピュータ
ーによって前記機器の制御をする場合には、１個のマイ
クロコンピューターで同時に制御できる機能に限りがあ
るため、感湿素子への交流の印加（通電）を断続的に行
わざるをえないことが多い。また、電源に電池を用いた
リモートコントロール装置等に組み込んで湿度計測を行
う場合には、消費電力を小さくするために、感湿素子へ
の通電を断続的に必要な時間だけ行うことが必要にな
る。

【００１３】図７に、25℃、50％ＲＨ（相対湿度）の雰
囲気中に無通電放置してあった感湿素子に、通電すると
同時に測定を開始した場合に、開始直後の素子の出力
（相対湿度）を連続してモニタした例を示す。この図か
ら明らかなように、通電および測定開始直後にはかなり
高い相対湿度の値を示し、その後徐々に実際の湿度であ
る50％ＲＨに近付いていく現象が見られ、一定値に達す
るまでに数分を要する。このように、通電を断続的に行
う場合には、その条件によっては通電再開後の出力が過
渡的に変化し、直後には一定の正確な出力が得られない
ことが判明した。なお、連続通電している場合には、図
８に示すように、通電再開直後から正確な相対湿度値が
出力される。

【００１４】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、イオン伝導性の高分子感湿膜を用い
た抵抗検出型感湿素子により湿度を測定するにあたり、
マイクロコンピューターによる制御や消費電力の低減の
ための、交流電圧の断続的な印加の結果生じる通電再開
直後の出力の過渡的な変化を抑え、測定精度を向上させ
る方法を提供することを目的とする。

【００１５】［発明の構成］

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の湿度測定方法
は、イオン性解離基を有する高分子膜を感湿要素とする
抵抗変化型感湿素子に、交流電圧を断続的に印加して抵
抗あるいはインピーダンスを測定し、この測定値を相対
湿度に変換する湿度測定方法において、前記感湿素子へ
の交流電圧の印加中断時間を10秒間以内として、前記抵
抗あるいはインピーダンスを測定することを特徴として
いる。

【００１７】本発明において、抵抗変化型の感湿素子に
用いられる材料としては、イオン性コモノマーとの共重
合や高分子反応により、高分子鎖にイオン性解離基を導
入した公知の高分子材料を使用することができる。

【００１８】すなわち、アニオン性の解離基が導入され
た高分子材料としては、スチレンスルホン酸、アクリル
酸、メタクリル酸、アクリルアミドアルキルスルホン酸
あるいはこれらの塩の単独重合体または共重合体で、高
分子の側鎖にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基あ
るいはそれらの塩を含むものが挙げられる。また、スル
ホン化により、ポリスチレンなどの高分子にスルホン酸
基が導入されたものも使用することができる。

【００１９】また、カチオン性の解離基が導入された高
分子材料としては、４級アンモニウム塩、４級ホスホニ
ウム塩などのオニウム塩を、側鎖あるいは主鎖に有する
高分子を挙げることができ、これらのカチオン性基を有
するアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アク
リルアミドの誘導体の単独重合体または共重合体が用い
られる。また、高分子鎖中の３級アミンをアルキル化剤
により４級化したものも使用することができる。

【００２０】さらに、これらの高分子材料においては、
耐環境性や経時安定性を向上させるために、多官能性モ
ノマーとの共重合や反応性官能基の導入を行った後、高
分子反応、γ−線、電子線、酸化剤等を利用した高分子
鎖の架橋処理を行うことが望ましい。

【００２１】

【作用】図７に示されるような、交流電圧の印加再開直
後の過渡的な出力（相対湿度）変化の原因は、必ずしも
明らかではないが、以下のような理由が考えられる。

【００２２】すなわち、イオン伝導性を持つ高分子を用
いた感湿素子の感湿機構は、吸湿した水分の量に応じて
高分子中のイオン性解離基が解離（電離）し、フリーな
状態になった対イオンが可動イオンとなり、イオン伝導
を示すものと考えられる。しかし実際の電気伝導機構で
は、対イオンが主キャリアであることは間違いないと思
われるが、イオン性の不純物や吸湿水分が解離したプロ
トンの寄与も考えられ、対イオン以外の易動度の異なる
多種のキャリアの存在が推定される。このような素子に
交流電圧を印加した場合、印加直後には前記した易動度
の異なるキャリアが一斉にイオン伝導に寄与するため、
一時的に定常状態よりも低い抵抗値が示され、図７に示
されるような相対湿度の出力増大が見られるが、時間の
経過にともなって、種々のキャリアの移動が淘汰されて
安定化され、定常状態に収束するものと考えられる。こ
の安定化に数分を要しているが、イオンの易動度を考慮
するとこれはかなりの時間であり、高分子鎖の高次構造
に変化が生じている可能性もある。また、このような高
分子感湿膜への交流電圧印加により、膜中ではわずかな
発熱が生じ、感湿素子自体あるいは周辺の温度や湿度が
変化していることも考えられる。

【００２３】以上の点を考慮すると、湿度測定は交流電
圧印加によるイオンの伝導挙動が定常状態にある場合に
行うことが望ましく、断続的な電圧印加を行う場合に
も、この定常状態を崩さないような条件とすることが必
要である。そして、このような要求は、印加中断時間を
10秒間以内とすることによって満足させることができ
る。すなわち、イオン性解離基の種類によらず、印加中
断時間を10秒間以内とすることによって、交流電圧を断
続的に印加した場合の印加再開直後の出力の過渡的な変
化を抑えることができ、高精度の湿度測定を行うことが
できる。。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２５】アルミナ等の絶縁性基板上に一対のくし型
対向電極を形成し、その上に、メタクリルアミドプロピ
ルジメチルブチルアンモニウムクロリドを主成分とする
共重合体からなる高分子感湿膜を形成することにより、
図５および図６に示す素子と同一構成の感湿素子Ａを作
成した。また、同様にして、2-ヒドロキシ-3- メタクリ
ルオキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドとメ
チルメタクリレートとの共重合体からなる高分子感湿膜
を形成し、感湿素子Ｂを作成した。さらに、前記対向電
極上に、スチレンスルホン酸アンモニウムとスチレンと
の共重合体にポリビニルアルコールとメチレンビスアク
リルアミドとを添加してなる溶液を塗布し、紫外線照射
により架橋して高分子感湿膜を形成し、感湿素子Ｃを作
成した。次いで、こうして作成された感湿素子Ａ、Ｂ、
Ｃの湿度特性（相対湿度ＲＨと抵抗Ｒとの関係）を、25
℃、１kHz 正弦波印加、１Ｖrms の条件で測定した。測
定結果を、図１に示す。

【００２６】また、これらの素子Ａ、Ｂ、Ｃに、図２に
示すタイムチャートで交流電圧を印加し、印加（通電）
再開および測定開始後の出力の経時変化を、25℃、50％
ＲＨ、１kHz 正弦波印加、１Ｖrms の条件で調べた。

【００２７】通電中断時間ｔと、通電および測定再開後
出力が所定値50％ＲＨに戻るまでに要する時間τとの関
係を、図３に示し、通電中断時間ｔと出力変化の大きさ
△ＲＨとの関係を、図４に示す。これらの図からわかる
ように、いずれの感湿素子においても、通電中断時間が
10秒間以内では、通電および測定再開後の過渡的な出力
変化が見られず、正確な湿度測定が可能であった。これ
に対して、通電中断時間が20秒間以上になると、τ、△
ＲＨともに徐々に大きくなり、正確な湿度測定が不可能
であった。そして、中断時間が約２分間を越えるとτ、
△ＲＨはともにほぼ一定の値に達し、それ以上の増大は
見られなかった。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の湿度測定方
法によれば、交流電圧の断続的な印加の結果生じる、印
加再開直後の出力の過渡的な変化を抑え、測定精度を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で作成された感湿素子の湿度特性を示す
図である。

【図２】実施例の感湿素子について、通電中断時間の影
響を調べるためのタイムチャートである。

【図３】通電中断時間ｔと、通電再開後出力が所定値50
％ＲＨに戻るまでに要する時間τとの関係を示す図であ
る。

【図４】通電中断時間ｔと出力変化の大きさ△ＲＨとの
関係を示す図である。

【図５】抵抗変化型感湿素子の基本的構成を示す平面図
である

【図６】図５のａ−ａ´に沿う断面図である。

【図７】交流電圧印加再開直後の出力の経時変化を示す
図である。

【図８】交流電圧連続印加の下で測定開始したときの出
力の経時変化を示す図である。

【符号の説明】

１………絶縁性基板 ２………くし型対向電極 ３………イオン伝導性高分子感湿膜

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−80751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−36046（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−207958（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−88951（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−68659（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−18170（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−153851（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−21853（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン性解離基を有する高分子膜を感湿
   要素とする抵抗変化型感湿素子に、交流電圧を断続的に
   印加して抵抗あるいはインピーダンスを測定し、この測
   定値を相対湿度に変換する湿度測定方法において、前記
   感湿素子への交流電圧の印加中断時間を10秒間以内とし
   て、前記抵抗あるいはインピーダンスを測定することを
   特徴とする湿度測定方法。