JP3093387B2

JP3093387B2 - 測定装置

Info

Publication number: JP3093387B2
Application number: JP03317777A
Authority: JP
Inventors: 孝二鈴木; 純一印東
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JPH05149905A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境状態に応じてイン
ピーダンスが非線型に変化する素子の出力に基づいて環
境状態の測定を行う測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、低湿から高湿まで広範囲の湿度を
高精度で測定する事は、非常に難しかった。湿度センサ
ーの出力が、図２に示すように高次のγ特性を持つため
に、広範囲に直線近似する事が難しい為である。直線変
換の為に、ダイオードの電圧電流特性を利用する事が一
般に行なわれているが、実際のセンサーの特性と、ダイ
オードの特性との違いを補正するために、それぞれの組
合せに対して個別に調整する必要があり、精度も広範囲
の湿度に対して高精度に直線変換する事が出来なかっ
た。さらに、ＣＰＵを用いて高次の近似曲線を最小二乗
法で求め、これにセンサー出力を代入して直線近似する
方法も提案され、既に実用化されているが、広範囲で精
度よく測定するためには、測定回路の分解能の高精度化
が著しく要求され、且つ、ＣＰＵやＡ／Ｄコンバータの
高ビット化、ＣＰＵの処理時間の増大を招いていた。し
かし、図２に示すように、センサーの出力は相対湿度２
０〜９５％に対して、１ＫΩから１０ＭΩ以上迄変化す
る。１０％以下の低湿迄測定しようとすると１００ＭΩ
以上の高抵抗が予想される。相対湿度５％以下の測定精
度が要求されるものとすると、６０℃、９５％付近で
０．３ＫΩの精度（分解能）が必要なので、１／３３０
０００以下の分解能が検出回路からＡ／Ｄコンバータ、
ＣＰＵに必要になり、現実的にこの様な広範囲の湿度の
高精度の測定は不可能であった。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】上記欠点に鑑み、
本発明は広範囲で精度の高い測定装置を提供し、かつ調
整等の煩わしい工程を必要とせず、シンプルで安価な測
定装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、環境状態に応じてインピーダンスが非線
型に変化する第１素子と、前記第１素子に接続され、可
変のインピーダンスを有する第２素子と、接続された前
記第１素子及び前記第２素子の両端に電圧を印加するも
のであって、時間の経過に応じて印加する電圧の極性を
反転させる電圧印加手段と、前記第２素子に複数のイン
ピーダンスのいずれかをセットするセット手段と、前記
第１素子と前記第２素子の接点の電圧から、前記セット
手段によりセットされたインピーダンスに対応した直線
近似を行うことによって、環境状態を測定する測定手段
と、を有することを特徴とする測定装置を提供するもの
である。

【０００５】

【実施例】（実施例１）図１は本発明の実施例である湿度測定装置の回路構成図
である。１は安定した振幅を発信する発信回路であり、
発信周波数は湿度センサー２の特性に合わせて１００Ｈ
ｚ〜１０ｋＨｚの間の特定周波数が選ばれる。２は図２
の出力特性曲線に示すように温度及び湿度に応じて抵抗
値が変化する湿度センサーであり、例えば高分子型のセ
ラミックセンサーなどである。Ｒ１〜Ｒ５は湿度センサ
ー２の出力特性曲線を図４に示す様に５つの領域に分割
して直線近似するための基準抵抗であり、それぞれの抵
抗には導通状態をスイッチングする電子スイッチＳＷ１
〜ＳＷ５が接続されている。Ｃ１はＡＣ結合用のコンデ
ンサで、発信回路１の発信周波数におけるインピーダン
スが湿度センサー２や基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５に対して無視
できる様な値を用いる。３は湿度センサー２と基準抵抗
Ｒ１〜Ｒ５の出力を増幅する交流増幅器、４は交流増幅
器３で増幅された交流信号を直流信号に変換する検波回
路、５は検波回路４で直流変換された直流信号をデジタ
ル値に変換するＡ／Ｄコンバータである。６はＡ／Ｄコ
ンバータ５から入力されたデジタル値に基づいて、湿度
センサー２の出力特性曲線の直線近似を行い、湿度を測
定するＣＰＵである。ＣＰＵ６は電子スイッチＳＷ１〜
ＳＷ５のスイッチングを制御する。７は温度に応じて抵
抗が変化するサーミスタ（温度センサー）で、湿度セン
サー２の近くに配置される。８は抵抗１０を介してサー
ミスタ７に基準電圧ＶＲを印加する基準電源、９は温度
センサー７の出力を増幅する直流増幅器であり、直流増
幅器９で増幅された直流信号はＡ／Ｄコンバータ５へ出
力される。

【０００６】図３（１）は図１の発信回路１及び湿度セ
ンサー２から交流増幅器３までの回路を実装した基盤の
平面図であり、図３（２）は前記基盤の断面図である。
セラミック基盤１３上に湿度センサー２、基準抵抗Ｒ１
〜Ｒ５、回路電極１５、１７を印刷で構成し、その上に
電子スイッチＳＷ１〜ＳＷ５、ＡＣ結合コンデンサーＣ
１、交流増幅器３をリフロー法で半田付けして取りつけ
る。湿度センサー２の上部は防塵フィルター１２で覆
い、更に、セラミック基盤１３の表側は金属メッシュの
シールド板１１で全体を覆う。セラミック基盤１３の裏
側は絶縁層１６を介してシールド電極１４を印刷する。

【０００７】上記構成により、基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５と湿
度センサー２との分圧比（湿度センサー２の出力）は交
流増幅器３、検波回路４、Ａ／Ｄコンバータ５を介して
ＣＰＵ６に入力され、ＣＰＵ６は湿度センサー２の抵抗
値を算出すべく、基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５と湿度センサー２
との分圧比に対応する抵抗値をＣＰＵ６内に記憶されて
いるテーブルから読み出す。一方、抵抗１０とサーミス
タ７との分圧比（サーミスタ７の出力）は増幅器９、Ａ
／Ｄコンバータ５を介してＣＰＵ６に入力され、ＣＰＵ
６は湿度センサー２の周囲の温度を算出すべく、抵抗１
０とサーミスタ７との分圧比に対応する温度を読み出
す。ＣＰＵ６は湿度センサー２の抵抗値と湿度センサー
２の周囲の温度から湿度を算出する。

【０００８】図４は、図２に示された様な湿度センサー
２の出力特性曲線を５つの領域に分割して直線近似した
グラフである。Ｘは湿度センサー２の抵抗値であり、Ｈ
は湿度センサー２の抵抗値Ｘに対応する湿度である。Ｌ
４１は、電子スイッチＳＷ１のみをオンにして、基準抵
抗Ｒ１のみ導通した時の近似直線である。Ｈ４１は、近
似直線Ｌ４１で近似可能な領域を表す。ＸＭ４１は領域
Ｈ４１における中間点の湿度ＨＭ４１での湿度センサー
２の抵抗値である。近似直線Ｌ４１において、温度がＴ
［℃］、湿度センサー２の抵抗値がＸ［Ω］の時の湿度
Ｈ［％］は、Ｈ＝Ａ１（Ｔ）・Ｘ＋Ｂ１（Ｔ）で表される。但し、Ａ１（Ｔ）＝Ｃ１・Ｔ＋Ｄ１Ｂ１（Ｔ）＝Ｅ１・Ｔ＋Ｆ１である。ここで、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１は近似直線Ｌ
４１の直線パラメータであり、予めＣＰＵ６に記憶され
ている。

【０００９】つまり、ＣＰＵ６は、抵抗１０とサーミス
タ７との分圧比すなわち湿度センサー２の周辺の温度Ｔ
と、基準抵抗Ｒ１と湿度センサー２との分圧比すなわち
湿度センサー２の抵抗値Ｘと、近似直線Ｌ４１の直線パ
ラメータＣ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１とから湿度Ｈを算出す
ることができる。その他の近似直線Ｌ４２〜Ｌ４５にお
いても同様の直線パラメータがＣＰＵ６に記憶されてお
り、同様にして湿度Ｈを算出することができる。

【００１０】次に、図５のフローチャートを参照しなが
ら、ＣＰＵ６による湿度の算出方法について説明する。
まず、変数ｎを初期化し（ｎ＝０）（ステップＳ１）、
変数ｎに１加算して（ｎ＝１）（ステップＳ２）、電子
スイッチＳＷｎ（ＳＷ１）をオンして、基準抵抗Ｒ１を
導通状態にする（ステップＳ３）。そして、Ａ／Ｄコン
バータ５を介して入力された基準抵抗Ｒｎ（Ｒ１）と湿
度センサー２との分圧比から湿度センサー２の抵抗値Ｘ
ｎ（Ｘ１）を算出し、記憶する（ステップＳ４）。ＣＰ
Ｕ６内に予め記憶されている直線近似領域Ｈｎ（Ｙ１）
における中間点の湿度ＨＭｎ（ＨＭ１）での湿度センサ
ー２の抵抗値ＸＭｎ（ＸＭ１）とＸｎ（Ｘ１）との差の
絶対値Ｇｎ（Ｇ１）を算出し、記憶する（ステップＳ
５）。上述のステップＳ２〜Ｓ５を５回繰り返す（ｎ＝
２〜５）（ステップＳ６）。その後、Ａ／Ｄコンバータ
５から入力された抵抗１０とサーミスタ７との分圧比か
らサーミスタ７の温度すなわち湿度センサー２の周辺の
温度Ｔを算出する（ステップＳ７）。そして、ステップ
Ｓ５において算出したＧ１〜Ｇ５の内で最小のｎを算出
する（ステップＳ８）。そのｎに対応している直線パラ
メータＣｎ、Ｄｎ、Ｅｎ、ＦｎをＣＰＵ６内から読み出
し、温度ＴからＡｎ（Ｔ）とＢｎ（Ｔ）を算出し、続い
てＡｎ（Ｔ）、Ｂｎ（Ｔ）、抵抗値Ｘｎから湿度Ｈを算
出して（ステップＳ９）、終了する。

【００１１】このように、曲線特性を有する測定素子の
出力を複数の近似直線で近似するので高精度で広範囲の
湿度測定が可能となる。

【００１２】（実施例２）図６は本発明の実施例である湿度測定装置の回路構成図
である。本実施例は図１に示すような実施例１の回路構
成をより簡単にしたものである。基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５、
結合コンデンサＣ１、湿度センサー２は図１と同様なの
で説明を省略する。２０は湿度センサー２に基準電圧Ｖ
Ｒ２を印加する基準電源である。ＳＷ６、ＳＷ７は基準
電圧ＶＲ２と、グランドを交互に切り替えて、湿度セン
サ−２にバイアスとして給電させるための電子スイッチ
である。Ｃ２は結合コンデンサー、ＳＷ３はＣＭＯＳタ
イプのアナログスイッチで、湿度センサー２の交流出力
Ｖ２をＡ／Ｄコンバータ５に入力するために直流再生す
るクランプ回路を構成する。５はＣＭＯＳタイプのＡ／
Ｄコンバータで、ＣＰＵ６からＡ／Ｄストローブ２１が
入力されるとその時にデジタル変換したデジタル値をＣ
ＰＵ６へ出力する。

【００１３】次に、図７の各部の電圧波形を参照しなが
ら動作を説明する。ＣＰＵ６はＣＰＵ６内に有するハー
ドタイマもしくはソフトタイマで湿度センサー２の最適
駆動周波数（例えば１ＫＨｚ）に近いタイミング信号を
発生し、そのタイミング信号に応じて電子スイッチＳＷ
６、ＳＷ７が交互に導通状態になるように切り替える。
それにより、基準電圧ＶＲ２とグランドが基準抵抗Ｒ１
〜Ｒ５に交互にバイアスとして印加される。基準抵抗Ｒ
１〜Ｒ５には、図７のＶ１に示す様に振幅ＶＲのパルス
信号が加えられる。前記パルス信号は、基準抵抗Ｒ１〜
Ｒ５、ＡＣ結合コンデンサＣ１を介して湿度センサー２
に印加され、湿度センサー２には図７のＶ２に示す様な
最大値：＋α・ＶＲ２／２、最小値：−α・ＶＲ２／
２、振幅：α・ＶＲ２の交流信号が得られる。但し、α
は、 α＝Ｘｎ／（Ｒ１＋Ｘｎ）である。

【００１４】湿度センサー２の出力は、結合コンデンサ
ーＣ２、電子スイッチＳＷ３によって直流再生される。
すなわち、ＣＰＵ６は、図７のＳＷ３に示す様に、湿度
測定していない時はＳＷ３をオン、湿度測定している時
はＶ１及びＶ２のレベルが低い期間のうち所定タイミン
グだけオン、湿度測定時の他の期間はオフにする。Ａ／
Ｄコンバータ５は、ＣＭＯＳタイプで入力インピーダン
スが非常に高いので、Ｃ２の電荷は変化することがな
い。このため、Ａ／Ｄコンバータ５の入力には、図７の
Ｖ３に示すようにＶ２の振幅α・ＶＲ２を保ったまま
で、０Ｖを基準に正パルスＶ３として直流再生される。

【００１５】ＣＰＵ６は、結合コンデンサＣ２から出力
された正パルスＶ３の正のピーク期間に同期してＡ／Ｄ
ストローブ２１をＡ／Ｄコンバータ５に与え、この正パ
ルスＶ３のピーク値をデジタル値に変換させてＣＰＵ６
内に取り込む。このようにして、入力された湿度センサ
ー２の出力のデジタル値に基づいて湿度センサー２の抵
抗値Ｘを算出することができる。

【００１６】そして、ＣＰＵ６は実施例１で説明したよ
うに、サーミスタ７の出力に基づいて湿度センサー２の
周囲の温度Ｔを算出し、抵抗値Ｘと温度Ｔ、直線パラメ
ータから湿度Ｈを算出することができる。

【００１７】以上のように、実施例１に必要であった発
信回路１、交流増幅器３、検波回路４をなくして、簡素
化した湿度測定装置を提供することができる。これによ
り、測定精度を上げるために出力振幅が安定化された発
信回路１を使用する代わりに、基準電圧ＶＲ２とグラン
ドを切り替えて基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５に印加するため、安
定した振幅の信号を印加することが可能になる。また、
Ａ／Ｄコンバータ５の入力部で振幅の調整をする必要が
なくなり、各回路を高精度にしてバラツキ要因を少なく
する必要がなくなる。また、発信回路１などの高精度の
信号処理が不要となり、コストダウンがはかれる。

【００１８】（実施例３）上述した実施例１、実施例２
は、ＣＰＵ６が入力した湿度センサー２の出力電圧から
湿度センサー２の抵抗値を算出し、湿度センサー２の抵
抗値と湿度の関係曲線に基づいて湿度を算出するもので
あったが、本実施例は実施例２の湿度測定装置と同様な
回路構成（図６）において、ＣＰＵ６が湿度センサー２
の出力電圧Ｖ３を入力し、湿度センサー２の出力電圧と
湿度の関係曲線に基づいて湿度を算出するものである。

【００１９】図８は湿度センサー２の出力電圧Ｖ３と湿
度との関係を表すグラフである。図８中の点線Ｃ８１〜
Ｃ８５は電子スイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオンにして基準
抵抗Ｒ１〜Ｒ５を導通状態にしたときの曲線である。曲
線Ｃ８１〜Ｃ８５に重ねて描かれた実線Ｌ８１〜Ｌ８５
は近似直線である。近似直線Ｌ８１はパラメータＩ１、
Ｊ１を用いて、Ｖ３＝Ｉ１・Ｈ＋Ｊ１と表される。近似直線Ｌ８２〜Ｌ８５においても同様に
パラメータＩ２〜Ｉ５、Ｊ２〜Ｊ５を用いて表される。
ＣＰＵ６はパラメータＩ１〜Ｉ５、Ｊ１〜Ｊ５をあらか
じめ記憶しており、湿度センサー２の出力電圧Ｖ３を入
力することにより、湿度Ｈを算出することができる。図
８の一点鎖線内に示されているように、基準抵抗Ｒ１〜
Ｒ５を切り替えることにより１５％〜１００％の湿度の
算出が可能となる。

【００２０】図９はＣＰＵ６による湿度算出のフローチ
ャートである。まず、変数ｎを１にして（ステップＳ１
１）、スイッチＳｎをオンにして基準抵抗Ｒｎを導通状
態にし、湿度センサー２の出力電圧Ｖ３を入力する（ス
テップＳ１２）。そして、出力電圧Ｖ３が０．２５より
大きく、０．８より小さい場合（ステップＳ１３）、基
準抵抗Ｒｎのときの近似直線のパラメータＩｎ、Ｊｎを
ＣＰＵ６内から読み出し（ステップＳ１４）、湿度Ｈを
算出する（ステップＳ１５）。また、ステップＳ１３に
おいて、出力電圧Ｖ３が０．８以上の場合、変数ｎの内
容を１増加し（ステップＳ１６）、変数ｎの内容が６よ
り小さい場合はステップＳ１２に進む（ステップＳ１
７）。ステップＳ１７において、変数ｎの内容が６以上
の場合は、湿度は１５％以下と判断して（ステップＳ１
８）、湿度算出処理を終了する。

【００２１】なお、図６の基準抵抗の種類を増やせば、
図８に示すように湿度１５％以下の精密な湿度測定も可
能である。

【００２２】（実施例４）図１０は第４の実施例の湿度
測定装置の回路構成図である。前述した第３実施例で
は、湿度センサー２の値が１０ＭΩ以上になると、スイ
ッチＳＷ１〜ＳＷ５に存在する浮遊容量や湿度センサー
２に存在する浮遊容量Ｃ５、その他の回路に存在する浮
遊容量のために測定誤差が生じることがある。本実施例
はそのような浮遊容量に起因する測定誤差を軽減するも
のである。

【００２３】湿度センサー２、Ａ／Ｄコンバータ５、Ｃ
ＰＵ６、基準電源２０、Ａ／Ｄストローブ２１、スイッ
チＳＷ１〜ＳＷ８、結合コンデンサＣ１は図６と同様な
ので説明を省略する。Ｒ１０は湿度１０〜１５％の測定
を可能にするための基準抵抗で、ＳＷ１０は基準抵抗Ｒ
１０の導通状態をスイッチングするスイッチである。Ｃ
３は結合コンデンサＣ１よりも小さい容量の結合コンデ
ンサで、基準抵抗Ｒ１０に対して直列に接続されてい
る。その直列回路の一端すなわちコンデンサＣ３の一端
がコンデンサＣ１、コンデンサＣ２、そして湿度センサ
ー２との接点に接続され、その直列回路の他端すなわち
基準抵抗Ｒ１０の一端がスイッチＳＷ６、ＳＷ７、基準
抵抗Ｒ１〜Ｒ５の接点に接続されている。スイッチＳＷ
９とコンデンサＣ４は互いに並列に接続され、その並列
回路がコンデンサＣ２とスイッチＳＷ３の結線中に挿入
されている。そしてスイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４、
コンデンサＣ４の接続点がＡ／Ｄコンバータ５に接続さ
れている。但し、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の値は、Ｃ２／Ｃ１≒（１／（１／Ｃ２＋１／Ｃ４））／Ｃ３という関係を満たすものとする。

【００２４】次にＣＰＵ６の湿度算出の流れについて説
明する。ＣＰＵ６はスイッチＳＷ９をオンにして、図９
に示された実施例２と同様の制御を行う。ステップ８に
おいて、基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５のいずれを選択しても直線
近似可能な電圧を得ることができないことが分かると、
ＣＰＵ６はスイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオフ、スイッチＳ
Ｗ１０をオン、スイッチＳＷ４をオフにする。そして、
スイッチＳＷ６、ＳＷ７を切り替える周波数を小さくす
る。例えば、周波数を１ｋＨｚから５０Ｈｚに切り替え
る。そして、クランプ動作を開始し、実施例３と同様の
方法でＶ２の値をＡ／Ｄ変換して読み込む。周波数は、
Ｃ１と湿度センサーの抵抗値の積の時定数に反比例して
小さくするものとする。例えばＣ１が０．３μＦで、湿
度センサー２のインピーダンスが６０ＭΩのときは、５
０Ｈｚにし、Ｃ１が０．３μＦで、湿度センサー２のイ
ンピーダンスが６ｋΩのときは、５００Ｈｚにする。ま
た、クランプタイミングは図７のタイミングを用い、Ｖ
Ｒ２の駆動周波数を変化させるときは、それに比例して
タイミングを調整し、図７と同様なクランプ動作を行
う。

【００２５】湿度センサー２の値が１０ＭΩ以上になる
と、湿度センサー２の浮遊容量やその他の回路の浮遊容
量が存在するために、実施例３の方法では近似計算がで
きないが、本実施例では、湿度センサー２の抵抗値が大
きくなったときにはそのような浮遊容量を考慮して結合
コンデンサＣ３、Ｃ２、Ｃ４の値や、基準電源の駆動周
波数を変えるので、浮遊容量に起因する測定誤差を軽減
することができ、正確な測定が可能となる。また、コン
デンサＣ３の値を小さくすることになるため、クランプ
動作においてコンデンサＣ３が定常状態になる時間を短
くすることが可能となり、高速測定が可能となる。

【００２６】（実施例５）図１１は本発明の第５の実施
例の湿度測定装置の回路構成図である。湿度センサー
２、Ａ／Ｄコンバータ５、ＣＰＵ６、基準電源２０、Ａ
／Ｄストローブ２１、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８、結合コ
ンデンサＣ１は図６と同様なので説明を省略する。ＳＷ
１０は基準抵抗Ｒ１、およびスイッチＳＷ１に対して並
列に接続されたスイッチである。この回路は実施例３に
おいて、抵抗値が０Ωの基準抵抗を基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５
に対し、並列に接続したものと考えられる。

【００２７】次にＣＰＵ６の湿度算出の流れについて説
明する。図９に示された実施例２と同様の制御を行う。
ステップ８において、基準抵抗Ｒ１〜Ｒ５のいずれを選
択しても直線近似可能な電圧を得ることができないこと
が分かると、ＣＰＵ６はスイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオ
フ、スイッチＳＷ１０をオンにする。そして、湿度セン
サー２の出力電圧Ｖ３をＡ／Ｄコンバータ５を介して入
力し、湿度を算出する。

【００２８】このように、湿度が低いときすなわち湿度
センサー２の抵抗値が高いときは、スイッチＳＷ１０に
より基準抵抗を０Ωにするので、コンデンサＣ１の基準
抵抗Ｒ１〜Ｒ５側の浮遊容量の影響を小さくすることが
できる。これにより、湿度センサー２の出力Ｖ２にはノ
イズが乗りにくくなり、クランプ出力電圧Ｖ３も安定す
る。そのため、安定した湿度測定ができる。

【００２９】（実施例６）図１２は本発明の第６の実施
例の湿度測定装置の回路構成図である。１０１はマイク
ロコンピュータ、１０２は温度及び湿度に応じて抵抗値
が変化する湿度センサーであり、例えば高分子型のセラ
ミックセンサーを用いる。１０３は電子スイッチで、１
０１のマイクロコンピュータの出力ポートのオープンド
レイン端子をそのまま用いてもいい。１０４、１０５は
湿度センサー２の出力電圧と所定の電圧Ｖ１０３、Ｖ１
０２とを比較するコンパレータ、１０６は所定時間カウ
ントするカウンタである。

【００３０】図１３は図１２に示された湿度測定装置に
おけるタイミングチャートである。図１３のＳＩは電子
スイッチ１０３の制御タイミングであり、マイクロコン
ピュータ１０１がＳＩをハイレベルにしたとき電子スイ
ッチ１０３を導通状態にする。ＳＩをハイレベルの状態
にしておく時間はＳＩ１周期に対して１／１０００以下
の長さになるよう設定される。このように設定すること
により、電子スイッチ１０３を導通状態にして湿度セン
サー１０２に通電した後、湿度センサー１０２内部で移
動した電子やイオンが完全に初期状態に戻った状態で次
の測定が行われるようになる。ＳＩが立ち上がることに
より電子スイッチ１０３が導通状態になると、充電され
ていたコンデンサＣ１０１の電荷は放電され、Ｖ１０１
は０Ｖになる。そして、ＳＩがローレベルになることに
より電子スイッチが解放状態になると、コンデンサＣ１
０１に電荷が湿度センサー１０２を介して充電され、徐
々にＶ１０１が上昇し、早かれ遅かれ飽和状態となる。
湿度センサー１０２の抵抗値が大きいほどＶ１０１の飽
和状態になるまでの時間が遅く、抵抗値が小さいほどＶ
１０１の飽和状態になるまでの時間が早い。なお、Ａは
高湿のとき、Ｂは低湿のときの例を表したものである。
Ｃ１０４、Ｃ１０５はコンパレータ１０４、１０５の出
力である。Ｃ１０４はＶ１０３よりＶ１０１が小さいと
きハイレベルとなり、Ｃ１０５はＶ１０２よりＶ１０１
が小さいときハイレベルとなる。なお、（Ａ）、（Ｂ）
はそれぞれ高湿、低湿のときのコンパレータの出力を表
す。Ｃ１０６はＳＩがハイレベルからローレベルに変化
した時点からＣ１０４（Ａ）またはＣ１０５（Ｂ）がハ
イレベルからローレベルに変化する時点までの間を表し
たタイムチャートである。

【００３１】図１３のＶ１０１の変化がＡの場合の湿度
センサー１０２の抵抗値は次のようにして求める。カウ
ンタ１０６によってＣ１０６（Ｃ１０４（Ａ））に示さ
れた時間ＴＳをカウントする。そのカウントされた時間
ＴＳから次の式により湿度センサー１０２の抵抗値ＲＳ
を算出する。

【００３２】ＲＳ＝ＴＳ／（Ｃ１・ｌｏｇ（１／（１−
Ｖ１０３／Ｖｃｃ）））そして、実施例１と同様にして湿度センサー１０２の抵
抗値ＲＳから湿度を算出する。

【００３３】図１３のＶ１０３の変化がＢの場合の湿度
センサー１０２の抵抗値も同様にして求める。但し、Ａ
の場合と異なる点は、Ｃ１０６（Ｃ１０５（Ｂ））に示
された時間ＴＳをカウントし、次の式により湿度センサ
ー１０２の抵抗値ＲＳを算出する点である。

【００３４】ＲＳ＝ＴＳ／（Ｃ１・ｌｏｇ（１／（１−
Ｖ１０２／Ｖｃｃ）））このように、湿度センサーの抵抗値をＲＣ回路に充電さ
れる時間から求めるので簡単な回路構成にすることがで
きる。

【００３５】なお、図１４に示すようにコンデンサＣ１
１１、Ｃ１１２、Ｃ１１３、スイッチＳＷ１１１、ＳＷ
１１２、ＳＷ１１３を備え、切り替えることにより、測
定精度の高い湿度測定が可能となる。また、図１４の回
路において、Ｖ１１３を次式のように設定することによ
って、湿度センサー１０２の抵抗値を対数計算すること
なく算出することができる。

【００３６】Ｖ１１３＝Ｖｃｃ（１−１／ε）＝０．６３・ＶｃｃこのＶ１１３を前述のＲＳの式に代入すると、ＲＳ＝ＴＳ／Ｃ１となり、湿度センサー１０２の抵抗値を対数計算するこ
となく算出できることが分かる。

【００３７】この様にして測定されたセンサー抵抗Ｒｓ
から、湿度Ｈは次の様にして求められる。センサーの出
力曲線は、図１４に示すように各温度Ｔで５つの領域に
分けて直線近似される。図１５に示すフローチャートに
従って、湿度Ｈを求めるまでのフローを説明する。Ｒｓ
及び湿度センサー近傍に設けられた温度センサーによっ
て測定された周囲温度Ｔから直線近似領域が選択され、
予めＣＰＵに記憶されていたルックアップテーブルから
直線パラメータＣｎ，Ｄｎ，Ｅｎ，Ｆｎを求める。Ｒ
ｓ、Ｔ，Ｃｎ，Ｄｎ，ＥｎからＡＮ（Ｔ）、ＢＮ（Ｔ）
を求める。そして、求められたＡＮ（Ｔ）、ＢＮ（Ｔ）
から湿度Ｈが得られる。

【００３８】（実施例７）図１７は本発明の第７の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。１５１はマイクロコンピュータ、１５２は
湿度センサーで、例えば高分子型のセラミックセンサー
などを用いる。湿度センサー１５２は図２に示す様に温
度、湿度に応じて抵抗値が変化する。１５３，１５４は
測定を行なう際に湿度センサー１５２に電流を流すため
の電子スイッチで、マイクロコンピュータ１５１の出力
ポートのオープンドレイン端子をそのまま用いてもよ
い。電子スイッチ１５３，１５４のオン状態の時間は１
周期の１０００分の１以上にならないように設定され
る。このように設定されることにより、湿度測定のため
に湿度センサー１５２内部で移動した電子やイオンが完
全に初期状態に戻れる。湿度測定しないときには、電子
スイッチ１５３，１５４共に開放状態に保たれ、測定用
コンデンサＣ１５１は電圧Ｅ（Ｖ）相当の電荷が充電さ
れている。湿度測定時には、図１８のＳＩ３，ＳＩ４に
示すようにそれぞれ２秒周期で交互にパルス波（１ｍ
ｓ）を発生させる。これにより、湿度センサー１５２の
出力電圧Ｖ１５１は図１８のＶ１５１に示すようにＥ
（Ｖ）を中心にする対称波形となり、湿度センサー１５
２に印加される直流電圧はゼロとなる。湿度センサー１
５２の抵抗はＳＩ３のパルスの立ち下がりから、コンデ
ンサＣ１５１に充電される時間を計測して求める。

【００３９】湿度の測定時には、図１９のＳＩ３に示す
ように電子スイッチＳＩ３を導通状態にし、充電されて
いたコンデンサＣ１５１の電荷は図１９のＶ１５１に示
すように急激に放電される。１ｍｓ後、電子スイッチＣ
１５１を開放状態にし、湿度センサー１５２を介してコ
ンデンサＣ１５１には充電が開始される。そして、コン
デンサＣ１５１に充電されているときのコンデンサＣ１
５１の端子電圧Ｖ１５１としきい値Ｖ１５３，Ｖ１５４
とをコンパレータ１５５，１５６によって比較する。そ
して、カウンタ１５７により、電子スイッチＣ１５１が
開放状態になった時からそれぞれのしきい値Ｖ１５３，
Ｖ１５４を越えるまでの時間ＴＳをカウントする。この
ときコンパレータ１５５，１５６では、図１９のＣ１５
５，Ｃ１５６に示す様にそれぞれのしきい値Ｖ１５３，
Ｖ１５４にＶ１５１が達したときに出力が反転するの
で、図１９のＣ１５７に示す様にカウンタ１５７はそれ
に応じてカウントを行う。図１９においてＡはセンサー
抵抗小のときすなわち高湿のときの様子を表わし、Ｂは
センサー抵抗大のときすなわち低湿のときの様子を表わ
す。

【００４０】カウンタ１５７によってカウントされた時
間ＴＳを次式に代入して湿度センサー１５２の抵抗値を
算出する。

【００４１】

【外１】

【００４２】そして、前述した実施例と同様にして、湿
度センサー１５２の抵抗値ＲＳから湿度Ｈを算出する。

【００４３】また、図２０は図１７における電源Ｅ、２
Ｅを電源Ｖｃｃから得られる様にした回路構成例であ
る。

【００４４】また、図２１は基準用電圧の精度を上げる
ためにボルテージフォロワー１９１，１９２を介して電
圧Ｅ，２Ｅを供給する様にした回路構成例である。これ
により、高湿測定時に測定誤差を小さくするために分圧
抵抗を小さくしたときに、電力効率の低下による抵抗の
ジュール熱によって測定環境自身を乱すことがなくな
る。

【００４５】このような回路構成において湿度センサー
１５２の抵抗値ＲＳを求め、前述した実施例の様に湿度
Ｈを求める。

【００４６】図２２に前述した方法で得られた湿度デー
タの適正判断をし、所定個数のデータの平均値を取る事
により安定した湿度測定を行なえる様にするためのフロ
ーチャートを示す。

【００４７】まず、マイクロコンピュータ１５１内のレ
ジスタ内を初期設定し（ステップＳ２１）、算出した湿
度データＨｎを入力する（ステップＳ２２）。そして、
記憶されている湿度データの最大値Ｈｍａｘ，最小値Ｈ
ｍｉｎと入力した湿度データＨｎの比較を行なう（ステ
ップＳ２３）。ステップＳ２３で湿度データＨｎが（Ｈ
ｍｉｎ−α）より大きく、（Ｈｍａｘ＋β）より小さい
とき湿度データの更新を行なう（ただし、α，βは定
数）。ステップＳ２３で湿度データＨｎがその範囲外の
ときはステップＳ２２へ進む。湿度データの更新を行な
う場合、レジスタＲ₀〜Ｒ_K-1それぞれの内容をレジスタ
Ｒ₁〜Ｒ_Kへ移動させ（ステップＳ２４）、レジスタＲ₀
に湿度データＨｎをインプットする（ステップＳ２
５）。

【００４８】そして、レジスタＲ_K-1の内容がまだ０の
ときはステップＳ２２へ進み、それ以外のときは次へ進
む（ステップＳ２６）。ステップＳ２６でＲ_K-1≠０の
ときは、レジスタＲ₀〜Ｒ_K-1の最小値Ｈｍｉｎ，最大値
Ｈｍａｘをそれぞれ求め、さらに次式により湿度データ
の平均値を求める（ステップＳ２７）。

【００４９】

【外２】そして、平均値出力レジスタの内容をＨｎとし（ステッ
プＳ２８）、ステップＳ２２へ進む。

【００５０】このように平均値を更新することにより、
安定した湿度測定を可能とするものである。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
環境状態に応じてインピーダンスが非線型に変化する第
１素子と、前記第１素子に接続され、可変のインピーダ
ンスを有する第２素子と、接続された前記第１素子及び
前記第２素子の両端に電圧を印加するものであって、時
間の経過に応じて印加する電圧の極性を反転させる電圧
印加手段と、前記第２素子に複数のインピーダンスのい
ずれかをセットするセット手段と、前記第１素子と前記
第２素子の接点の電圧から、前記セット手段によりセッ
トされたインピーダンスに対応した直線近似を行うこと
によって、環境状態を測定する測定手段を有するので、
簡単な構成により広範囲で精度の高い環境状態の測定を
行うことができるとともに、第１素子の長寿命化をはか
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の湿度測定装置の回路構成図で
ある。

【図２】湿度センサーの湿度−抵抗特性を示すグラフで
ある。

【図３】回路を実装した基盤を表わす図である。

【図４】図２の特性曲線を複数の直線で近似したグラフ
である。

【図５】図１の湿度測定装置で湿度を測定する流れを示
すフローチャートである。

【図６】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構成
図である。

【図７】図６の湿度測定装置の各部の電圧波形である。

【図８】湿度センサーの湿度−出力電圧特性を示すグラ
フである。

【図９】図６の湿度測定装置で湿度を測定する流れを示
すフローチャートである。

【図１０】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図１１】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図１２】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図１３】図１２の湿度測定装置のタイミングチャート
である。

【図１４】図２の特性曲線を複数の直線で近似したグラ
フである。

【図１５】図１２の湿度測定装置で湿度を測定する流れ
を示すフローチャートである。

【図１６】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図１７】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図１８】図１７におけるＳＩ３、ＳＩ４、Ｖ１５１の
波形を示す図である。

【図１９】図１７における各部の波形を示す図である。

【図２０】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図２１】本発明の他の実施例の湿度測定装置の回路構
成図である。

【図２２】図１７、図２０、図２１において安定した湿
度測定を行うためのフローチャートである。

【符号の説明】

２湿度センサー６ＣＰＵ７サーミスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/00 - 27/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】環境状態に応じてインピーダンスが非線
形に変化する第１素子と、前記第１素子に接続され、可変のインピーダンスを有す
る第２素子と、接続された前記第１素子及び前記第２素子の両端に電圧
を印加するものであって、時間の経過に応じて印加する
電圧の極性を反転させる電圧印加手段と、前記第２素子に複数のインピーダンスのいずれかをセッ
トするセット手段と、前記第１素子と前記第２素子の接点の電圧から、前記セ
ット手段によりセットされたインピーダンスに対応した
直線近似を行うことによって、環境状態を測定する測定
手段と、を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】前記第１素子は、湿度に応じてインピー
ダンスが変化することを特徴とする請求項１記載の測定
装置。
【請求項３】前記第２素子は、複数の抵抗素子及び抵
抗素子のいずれかに切り替えるスイッチからなり、前記
複数の抵抗素子のそれぞれの抵抗値は異なることを特徴
とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】前記セット手段は、複数の抵抗素子と前
記第２素子の接点の電圧が所定の範囲内に収まるように
インピーダンスをセットすることを特徴とする請求項１
記載の測定装置。