JP3284329B2 - 湿度センサ - Google Patents
湿度センサInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一方が円筒あるいは平
板状の線路を中心電極とし、他方がコイル状の共振線路
を外被電極となした同軸構造あるいは平面構造であっ
て、該両電極間の特性インピーダンスが呈する反射減衰
量共振特性の整合周波数の周波数偏移量が湿度に比例す
ることを利用した湿度センサに関するものである。
板状の線路を中心電極とし、他方がコイル状の共振線路
を外被電極となした同軸構造あるいは平面構造であっ
て、該両電極間の特性インピーダンスが呈する反射減衰
量共振特性の整合周波数の周波数偏移量が湿度に比例す
ることを利用した湿度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の湿度センサには，櫛形電極開の静
電容量あるいは低周波インピーダンス等の変化量が湿度
に比例して変化することを利用した高分子湿度センサ
や，高温用の分野では，ジルコニア焼結体を５００℃程
度に加熱し，高温雰囲気中の水蒸気（高湿度）を電気分
解する原理において，ジルコニア焼結体に設けた二つの
電極間に１．４Ｖ以上の直流電圧を印加すると，雰囲気
中の酸素量に比例する限界電流が流れ，限界電流の変化
値から，湿度を検出するジルコニア酸素センサなどが使
われていた。
電容量あるいは低周波インピーダンス等の変化量が湿度
に比例して変化することを利用した高分子湿度センサ
や，高温用の分野では，ジルコニア焼結体を５００℃程
度に加熱し，高温雰囲気中の水蒸気（高湿度）を電気分
解する原理において，ジルコニア焼結体に設けた二つの
電極間に１．４Ｖ以上の直流電圧を印加すると，雰囲気
中の酸素量に比例する限界電流が流れ，限界電流の変化
値から，湿度を検出するジルコニア酸素センサなどが使
われていた。
【０００３】しかし，高温高湿度の雰囲気中で，高分子
湿度センサを使用すると水蒸気の結露によって，センサ
面に水滴が付着し，水滴が高分子湿度センサの特性を悪
化させ，寿命を短くしていた。一方，ジルコニア酸素セ
ンサも雰囲気中に水蒸気以外の一酸化炭素等の燃焼ガス
などが共存すると誤差となるばかりか測定時間も１分程
度と遅く，従来の湿度センサでは，経済性，精度，測定
時間などの面で欠点を抱えていた。
湿度センサを使用すると水蒸気の結露によって，センサ
面に水滴が付着し，水滴が高分子湿度センサの特性を悪
化させ，寿命を短くしていた。一方，ジルコニア酸素セ
ンサも雰囲気中に水蒸気以外の一酸化炭素等の燃焼ガス
などが共存すると誤差となるばかりか測定時間も１分程
度と遅く，従来の湿度センサでは，経済性，精度，測定
時間などの面で欠点を抱えていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明が，前述のよう
な従来法湿度センサの欠点を解消し，マイクロ波帯の電
磁波を用いて，中心電極と外被電極間の特性インピーダ
ンスが呈する反射減衰量共振特性の整合周波数の周波数
偏移量から，高温中での湿度（以下水蒸気量という）を
デジタル的に測定する湿度センサの提供を目的とする。
な従来法湿度センサの欠点を解消し，マイクロ波帯の電
磁波を用いて，中心電極と外被電極間の特性インピーダ
ンスが呈する反射減衰量共振特性の整合周波数の周波数
偏移量から，高温中での湿度（以下水蒸気量という）を
デジタル的に測定する湿度センサの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】円筒状の誘電体層を挟ん
で同軸状に二つの線路を配置した構造において、中心に
位置する一方の線路が中心電極で、該電極は円筒状の誘
電体で覆われ、更に覆われた該電極の外面を静電容量を
形成するようコイル状の共振線路で覆って外被電極とな
した同軸構造とする手段と、
で同軸状に二つの線路を配置した構造において、中心に
位置する一方の線路が中心電極で、該電極は円筒状の誘
電体で覆われ、更に覆われた該電極の外面を静電容量を
形成するようコイル状の共振線路で覆って外被電極とな
した同軸構造とする手段と、
【０００６】誘電体基板上に平面状の二つの線路をフォ
トエッチング法あるいは印刷法により対向配置させた構
造において，平板状した一方の線路が中心電極で，該電
極と静電容量を形成する位置に平面コイル状の共振線路
を外被電極となした平面構造とする手段と，
トエッチング法あるいは印刷法により対向配置させた構
造において，平板状した一方の線路が中心電極で，該電
極と静電容量を形成する位置に平面コイル状の共振線路
を外被電極となした平面構造とする手段と，
【０００７】かつ同軸構造あるいは平面構造における中
心電極と（λ／２）×ｎ倍の波長で共振する外被電極と
の直列共振回路において，該両電極間の特性インピーダ
ンスが呈する反射減衰量共振特性の整合周波数の周波数
偏移量から，水蒸気量をデジタル的に測定する手段を講
じた。
心電極と（λ／２）×ｎ倍の波長で共振する外被電極と
の直列共振回路において，該両電極間の特性インピーダ
ンスが呈する反射減衰量共振特性の整合周波数の周波数
偏移量から，水蒸気量をデジタル的に測定する手段を講
じた。
【０００８】
【作用】本発明は前述の手段を講じたことで，高湿度雰
囲気中での結露が原因で，湿度センサ面に水滴が付着し
ても，湿度センサの特性が劣化せずに，長期間安定して
測定できるようになったばかりか，雰囲気中に水蒸気以
外の燃焼ガスなどが共存しても影響されずに，高精度
（±１％以内）で，かつ高速応答（０．５秒以内）の測
定が可能になった。
囲気中での結露が原因で，湿度センサ面に水滴が付着し
ても，湿度センサの特性が劣化せずに，長期間安定して
測定できるようになったばかりか，雰囲気中に水蒸気以
外の燃焼ガスなどが共存しても影響されずに，高精度
（±１％以内）で，かつ高速応答（０．５秒以内）の測
定が可能になった。
【０００９】
【実施例】以下添付した図面を参照して、本発明を具体
化した実施例につき説明する。なお、この実施例は、本
発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を
限定するものではない。図１は、本発明の一実施例に係
わる同軸構造の湿度センサであって、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はＡ−Ａ’面からの断面図である。図中の符号１
１がマイクロ波帯の電磁波を給電する中心電極、符号１
２が絶縁と一定の静電容量を持たせるために、中心電極
（１１）を覆うセラミックあるいはテフロン製の誘電体
層、符号１３が特性インピーダンスに共振現象を持たせ
る目的で、一部分にコイル状の共振線路（１３ａ）を有
した外被電極、符号１４が外被電極を保護するセラミッ
ク製の保護管である。
化した実施例につき説明する。なお、この実施例は、本
発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を
限定するものではない。図１は、本発明の一実施例に係
わる同軸構造の湿度センサであって、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はＡ−Ａ’面からの断面図である。図中の符号１
１がマイクロ波帯の電磁波を給電する中心電極、符号１
２が絶縁と一定の静電容量を持たせるために、中心電極
（１１）を覆うセラミックあるいはテフロン製の誘電体
層、符号１３が特性インピーダンスに共振現象を持たせ
る目的で、一部分にコイル状の共振線路（１３ａ）を有
した外被電極、符号１４が外被電極を保護するセラミッ
ク製の保護管である。
【００１０】図２は、本発明の一実施例に係わるフォト
エッチング法あるいは印刷法により対向配置して作成し
た平面構造の湿度センサであって、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はＢ−Ｂ’面からの断面図である。図中の符号２
１がマイクロ波帯の電磁波を給電する中心電極、符号２
２がプリント基板上に中心電極（２１）と外被電極（２
３）とを一体形成し、絶縁と一定の静電容量を持たせる
ためのセラミックあるいはテフロン製の誘電体基板、符
号２３が一部分に平面コイル状の共振線路（２３ａ）を
有した外被電極、符号２４が中心電極と外被電極を保護
するセラミック製の保護層である。
エッチング法あるいは印刷法により対向配置して作成し
た平面構造の湿度センサであって、（ａ）は斜視図、
（ｂ）はＢ−Ｂ’面からの断面図である。図中の符号２
１がマイクロ波帯の電磁波を給電する中心電極、符号２
２がプリント基板上に中心電極（２１）と外被電極（２
３）とを一体形成し、絶縁と一定の静電容量を持たせる
ためのセラミックあるいはテフロン製の誘電体基板、符
号２３が一部分に平面コイル状の共振線路（２３ａ）を
有した外被電極、符号２４が中心電極と外被電極を保護
するセラミック製の保護層である。
【００１１】図３は、符号３１が図１あるいは図２の中
心電極（１１、２１）に相当する仮想中心電極、符号３
３が図１あるいは図２の外被電極（１３、２３）に相当
する仮想外被電極であって、該電極間の高周波領域での
等価回路であり、図１の同軸構造あるいは図２の平面構
造をした湿度センサ（４６）が、ともに直列共振回路と
等価であることを示している。
心電極（１１、２１）に相当する仮想中心電極、符号３
３が図１あるいは図２の外被電極（１３、２３）に相当
する仮想外被電極であって、該電極間の高周波領域での
等価回路であり、図１の同軸構造あるいは図２の平面構
造をした湿度センサ（４６）が、ともに直列共振回路と
等価であることを示している。
【００１２】水蒸気量の検出に係わる高周波領域での電
気的特性は、整合周波数ｆｏと特性インピーダンスＺｏ
であり、次式で表される。 （ただし、Ｋは形状等で決まる定数） 水蒸気が雰囲気中に存在すると他の気体と比べ、誘電率
が約８０と著しく大きいことから、整合周波数と特性イ
ンピーダンスが雰囲気中の水蒸気量に比例して顕著にに
偏移する。この偏移量は、特性インピーダスが呈する反
射減衰量共振特性の整合周波数の周波数偏移量に比例す
るから、この周波数偏移量から水蒸気量が測定できる。
気的特性は、整合周波数ｆｏと特性インピーダンスＺｏ
であり、次式で表される。 （ただし、Ｋは形状等で決まる定数） 水蒸気が雰囲気中に存在すると他の気体と比べ、誘電率
が約８０と著しく大きいことから、整合周波数と特性イ
ンピーダンスが雰囲気中の水蒸気量に比例して顕著にに
偏移する。この偏移量は、特性インピーダスが呈する反
射減衰量共振特性の整合周波数の周波数偏移量に比例す
るから、この周波数偏移量から水蒸気量が測定できる。
【００１３】図４は，本発明の湿度センサを用いた場合
の測定ブロック図の一実施例で，測定は以下の手法で実
行する。基準パルス発生器（４１）が発生するパルスを
２進カウンタ（４２）が順次カウントアップする。２進
カウンタ（４２）のカウント値に比例して，Ｄ／Ａ変換
器（４３）が図５（ａ）のようなノコギリ波を発生す
る。マイクロ波発振器（４４）はＤ／Ａ変換器（４３）
から出力されるノコギリ波に比例して，例えば１ＧＨｚ
から１．２ＧＨｚのマイクロ波を発生し，方向性結合器
（４５）を介して，本発明の湿度センサ（４６）に印加
する。このとき，円錐あるいは平板状の中心電極と（λ
／２）×ｎ倍の波長で共振する外被電極とを有する湿度
センサ（４６）の特性インピーダンスは整合周波数で約
Ｚ０＝５０（Ω）に整合するから，反射減衰量（ｄＢ表
示）が最大になる直列共振現象を呈する。この共振波形
は，マイクロ波検波器（４７）から出力され，図５
（ｂ），（ｃ）のようなデイップ波形である。デイップ
波形のデイップ点は，デイップ点検出器（４８）で検知
され，カウンタ停止パルス（４９）として２進カウンタ
（４２）へ出力される。２進カウンタ（４２）は，カウ
ンタ停止パルス（４９）により停止し，水蒸気量に比例
したカウント数を記憶する。
の測定ブロック図の一実施例で，測定は以下の手法で実
行する。基準パルス発生器（４１）が発生するパルスを
２進カウンタ（４２）が順次カウントアップする。２進
カウンタ（４２）のカウント値に比例して，Ｄ／Ａ変換
器（４３）が図５（ａ）のようなノコギリ波を発生す
る。マイクロ波発振器（４４）はＤ／Ａ変換器（４３）
から出力されるノコギリ波に比例して，例えば１ＧＨｚ
から１．２ＧＨｚのマイクロ波を発生し，方向性結合器
（４５）を介して，本発明の湿度センサ（４６）に印加
する。このとき，円錐あるいは平板状の中心電極と（λ
／２）×ｎ倍の波長で共振する外被電極とを有する湿度
センサ（４６）の特性インピーダンスは整合周波数で約
Ｚ０＝５０（Ω）に整合するから，反射減衰量（ｄＢ表
示）が最大になる直列共振現象を呈する。この共振波形
は，マイクロ波検波器（４７）から出力され，図５
（ｂ），（ｃ）のようなデイップ波形である。デイップ
波形のデイップ点は，デイップ点検出器（４８）で検知
され，カウンタ停止パルス（４９）として２進カウンタ
（４２）へ出力される。２進カウンタ（４２）は，カウ
ンタ停止パルス（４９）により停止し，水蒸気量に比例
したカウント数を記憶する。
【００１４】ここで，カウンタ停止パルス（４９）の働
きを具体的に述べる。カウンタ停止パルス（４９）は，
図５（ｂ），（ｃ）のデイップ点に同期して出力され
る。つまり，カウンタ停止パルス（４９）は，水蒸気量
に比例した整合周波数で出力される。例えば，図５
（ｂ）に同期して出力されるカウンタ停止パルス（４
９）を水蒸気量＝ｘ０とし，図５（ｃ）に同期して出力
されるカウンタ停止パルス（４９）を制御目標の水蒸気
量＝ｘ１とすると，この場合，２進カウンタには，Δｆ
＝ｘ０−ｘ１の周波数（カウント数）差が記憶される。
２進カウンタの記憶値は，予めΔｆに対する水蒸気量の
関係を水蒸気圧で校正した，校正テーブルとの演算処理
により水蒸気量（ｍｍＨｇ）に換算する。この一連の動
作により，水蒸気量をデジタル的に検出できるばかり
か，高精度でかつ高速度で水蒸気量を測定できる。な
お，マイクロコンピュータ（５０）は，演算処理，タイ
ミング発生等の測定手法を順次処理・制御する役目を果
たす。また勿論のこと，本発明の湿度センサは，固体中
に挿入したりあるいは液体中に浸けるなどの実施形態に
すれば，固体中あるいは液体中の水分量を測定できる，
水分センサの機能も有する。
きを具体的に述べる。カウンタ停止パルス（４９）は，
図５（ｂ），（ｃ）のデイップ点に同期して出力され
る。つまり，カウンタ停止パルス（４９）は，水蒸気量
に比例した整合周波数で出力される。例えば，図５
（ｂ）に同期して出力されるカウンタ停止パルス（４
９）を水蒸気量＝ｘ０とし，図５（ｃ）に同期して出力
されるカウンタ停止パルス（４９）を制御目標の水蒸気
量＝ｘ１とすると，この場合，２進カウンタには，Δｆ
＝ｘ０−ｘ１の周波数（カウント数）差が記憶される。
２進カウンタの記憶値は，予めΔｆに対する水蒸気量の
関係を水蒸気圧で校正した，校正テーブルとの演算処理
により水蒸気量（ｍｍＨｇ）に換算する。この一連の動
作により，水蒸気量をデジタル的に検出できるばかり
か，高精度でかつ高速度で水蒸気量を測定できる。な
お，マイクロコンピュータ（５０）は，演算処理，タイ
ミング発生等の測定手法を順次処理・制御する役目を果
たす。また勿論のこと，本発明の湿度センサは，固体中
に挿入したりあるいは液体中に浸けるなどの実施形態に
すれば，固体中あるいは液体中の水分量を測定できる，
水分センサの機能も有する。
【００１４】
【発明の効果】本発明に係わる湿度センサは，上記した
ような構造と測定手法により，構造が簡単で，かつ回路
構成が簡単でありながら，長期間安定して水蒸気量を高
精度・高速度に測定するのに好適となった。また，上記
湿度センサを例えば繊維産業のスチーム工程などに適用
すると，最適・迅速な水蒸気制御により，品質の均一性
と高付加価値化が図れ，省資源，省エネルギーの面から
も効果が生まれた。
ような構造と測定手法により，構造が簡単で，かつ回路
構成が簡単でありながら，長期間安定して水蒸気量を高
精度・高速度に測定するのに好適となった。また，上記
湿度センサを例えば繊維産業のスチーム工程などに適用
すると，最適・迅速な水蒸気制御により，品質の均一性
と高付加価値化が図れ，省資源，省エネルギーの面から
も効果が生まれた。
【図１】 本発明の一実施例に係わる同軸構造の湿度セ
ンサを示すものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ
−Ａ’面からの断面図。
ンサを示すものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ
−Ａ’面からの断面図。
【図２】 本発明の一実施例に係わる平面構造の湿度セ
ンサを示すものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＢ
−Ｂ’面からの断面図。
ンサを示すものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＢ
−Ｂ’面からの断面図。
【図３】 上記湿度センサの高周波領域での等価回路
図。
図。
【図４】 上記湿度センサを用いた場合の測定ブロック
図。
図。
【図５】 上記測定ブロック図に係わる出力波形であっ
て、（ａ）はＤ／Ａ変換器の出力ノコギリ波、（ｂ）は
マイクロ波検波器の水蒸気量がゼロの場合の出力共振
波、（ｃ）は同じく出力共振波で、水蒸気量が制御値の
場合。
て、（ａ）はＤ／Ａ変換器の出力ノコギリ波、（ｂ）は
マイクロ波検波器の水蒸気量がゼロの場合の出力共振
波、（ｃ）は同じく出力共振波で、水蒸気量が制御値の
場合。
１１・・・・中心電極 １２・・・・・・
誘電体層 １３・・・・外被電極 １３ａ・・・・コ
イル状の共振線路 １４・・・・保護管 ２１・・・・中心電極 ２２・・・・・・
誘電体基板 ２３・・・・外被電極 ２３ａ・・・・平
面コイル状の共振線路 ２４・・・・保護層 ３１・・・・仮想中心電極 ３３・・・・・・
仮想外被電極 ４１・・・・基準パルス発生器 ４２・・・・・・
２進カウンタ ４３・・・・Ｄ／Ａ変換器 ４４・・・・・・
マイクロ波発振器 ４５・・・・方向性結合器 ４６・・・・・・
湿度センサ ４７・・・・マイクロ波検波器 ４８・・・・・・
デイップ点検出器 ４９・・・・カウンタ停止パルス ５０・・・・マイクロコンピュータ
誘電体層 １３・・・・外被電極 １３ａ・・・・コ
イル状の共振線路 １４・・・・保護管 ２１・・・・中心電極 ２２・・・・・・
誘電体基板 ２３・・・・外被電極 ２３ａ・・・・平
面コイル状の共振線路 ２４・・・・保護層 ３１・・・・仮想中心電極 ３３・・・・・・
仮想外被電極 ４１・・・・基準パルス発生器 ４２・・・・・・
２進カウンタ ４３・・・・Ｄ／Ａ変換器 ４４・・・・・・
マイクロ波発振器 ４５・・・・方向性結合器 ４６・・・・・・
湿度センサ ４７・・・・マイクロ波検波器 ４８・・・・・・
デイップ点検出器 ４９・・・・カウンタ停止パルス ５０・・・・マイクロコンピュータ
Claims (3)
- 【請求項１】 円筒状の誘電体層を挟んで同軸状に二つ
の線路を配置した構造において、 中心に位置する一方の前記線路の中心電極を円筒状の誘
電体で被覆し、かつ該電極の外面を静電容量を形成する
よう一端開放のコイル状の共振線路で被覆して外被電極
となした同軸構造にすることを特徴とする湿度センサ。 - 【請求項２】 誘電体基板上に平面状の二つの線路をフ
ォトエッチング法あるいは印刷法により対向配置させた
構造において、 前記平面状した一方の線路の中心電極と静電容量を形成
するよう一端開放の平面コイル状の共振線路を外被電極
となした平面構造にすることを特徴とする湿度センサ。 - 【請求項３】 請求項１あるいは請求項２に記載の湿度
センサにおいて、中心電極と（λ／２）×ｎ倍の波長で
共振する外被電極との直列共振回路の特性インピーダン
スが呈する反射減衰量共振特性の整合周波数の周波数偏
移量から、湿度をデジタル的に測定することを特徴とす
る湿度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25668095A JP3284329B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 湿度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25668095A JP3284329B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 湿度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0968505A JPH0968505A (ja) | 1997-03-11 |
| JP3284329B2 true JP3284329B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=17295985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25668095A Expired - Fee Related JP3284329B2 (ja) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | 湿度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3284329B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6479099B1 (en) | 1999-02-01 | 2002-11-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing filter having ceramic porous film as separating film |
| US6509060B1 (en) | 1999-02-01 | 2003-01-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing filter having ceramic porous film as separating film |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2468358C1 (ru) * | 2011-10-06 | 2012-11-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Способ определения влагосодержания вещества |
| CN109506803A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-03-22 | 深圳和而泰数据资源与云技术有限公司 | 土壤监测仪 |
-
1995
- 1995-08-30 JP JP25668095A patent/JP3284329B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6479099B1 (en) | 1999-02-01 | 2002-11-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing filter having ceramic porous film as separating film |
| US6509060B1 (en) | 1999-02-01 | 2003-01-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing filter having ceramic porous film as separating film |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0968505A (ja) | 1997-03-11 |
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