JP4662199B2 - 湿度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検出雰囲気内の湿度を検出する湿度検出装置に関するものである。

従来、この種の湿度検出装置においては、下記特許文献１にて開示された熱伝導式湿度検出装置がある。この熱伝導式湿度検出装置によれば、被検出雰囲気内に晒される両発熱抵抗体が互いに異なる各一定温度を維持するように通電制御される。そして、この通電制御状態にて生ずる両発熱抵抗体の端子電圧の差が両発熱抵抗体間の電圧差として求められ、この電圧差に基づき上記被検出雰囲気内の相対湿度が検出される。
特開平８−１３６４９１号公報

ところで、上述の熱伝導式湿度検出装置において、上記被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との間の関係を調べたところ、この関係が、上記被検出雰囲気内の環境温度をパラメータとして、例えば、図１１及び図１２にて示すような各グラフとして得られた。

ここで、図１１のグラフは、環境温度を８０（℃）とした場合の上記被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との間の関係を示し、また、図１２のグラフは、環境温度を９０（℃）とした場合の上記被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との間の関係を示す。

これら両グラフを検討してみると、図１１のグラフでは、相対湿度が両発熱抵抗体間の電圧差の増大（或いは減少）に伴い増大（或いは減少）している。従って、環境温度が８０（℃）である場合には、相対湿度が電圧差に対し一義的に決まる。

しかしながら、図１２のグラフでは、電圧差が相対湿度に対し極値を有するように変化している。このため、環境温度が９０（℃）である場合には、相対湿度が上記極値の両側において或る電圧差に対し２つ存在し一義的には決まらない場合が生ずる。

以上のことから、両発熱抵抗体間の電圧差を用いたのでは、環境温度によっては、相対湿度が一義的に決まらず、当該相対湿度の検出精度の低下を招くという不具合が生ずる。

そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、被検出雰囲気内の環境温度の広い範囲に亘り、湿度を精度よく検出するようにした湿度検出装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決にあたり、本発明に係る湿度検出装置は、請求項１の記載によれば、
被検出雰囲気内に晒される複数の発熱抵抗体（２１１、２２１、３３０）を備えている。

当該湿度検出装置は、複数の発熱抵抗体のうち２つの発熱抵抗体の各抵抗値を互いに異なる各一定温度に対応する各値にそれぞれ維持するように当該２つの発熱抵抗体を通電制御する定温度制御手段（２３０、２４０、４８０）と、
被検出雰囲気内の環境温度を検出する温度検出手段（３９０）と、
定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる上記２つの発熱抵抗体の各端子電圧の比を電圧比として算出する電圧比算出手段（４３０）と、
この電圧比算出手段による算出電圧比と温度検出手段による検出環境温度との間の所定の関係に基づき被検出雰囲気内の湿度を決定する湿度決定手段（４３１）とを備えることを特徴とする。

このように、上記所定の関係が、定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる上記２つの発熱抵抗体の各端子電圧の比及び被検出雰囲気内の環境温度との間において成立することを利用すれば、被検出雰囲気内の湿度が上記算出電圧比及び上記検出環境温度から一義的に決まる。

ここで、上記所定の関係は上記環境温度の広い範囲において成立するので、当該所定の関係を利用することで、湿度の検出が、広い環境温度の範囲に亘り、精度よくなされ得る。

また、本発明に係る湿度検出装置は、請求項２の記載によれば、
複数の凹部（３１１）を間隔をおいて裏面側から形成してなる半導体基板（３１０）と、この半導体基板の表面に形成される絶縁層（３２０）と、この絶縁層の表面に上記各凹部に対応して形成される複数の発熱抵抗体（２１１、２２１、３３０）と、これら発熱抵抗体を覆うように上記絶縁層の表面に形成される保護層（３５０、３６０）とを有し、被検出雰囲気内に晒される検出素子（３００）を備えている。

当該湿度検出装置は、複数の発熱抵抗体のうち２つの発熱抵抗体の各抵抗値を互いに異なる各一定温度に対応する各値にそれぞれ維持するように当該２つの発熱抵抗体を通電制御する定温度制御手段（２３０、２４０、４８０）と、
被検出雰囲気内の環境温度を検出する温度検出手段（３９０）と、
定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる上記２つの発熱抵抗体の各端子電圧の比を電圧比として算出する電圧比算出手段（４３０）と、
この電圧比算出手段による算出電圧比と温度検出手段による検出環境温度との間の所定の関係に基づき被検出雰囲気内の湿度を決定する湿度決定手段（４３１）とを備えることを特徴とする。

このように、上記構成の検出素子を備える湿度検出装置においても、請求項１に記載の発明と同様に上記所定の関係を利用することで、当該請求項１に記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。

また、本発明は、請求項３の記載によれば、請求項１或いは２に記載の湿度検出装置において、湿度決定手段は、被検出雰囲気内の湿度が上記検出環境温度の上昇及び上記算出電圧比の増大（或いは上記検出環境温度の低下及び上記算出電圧比の減少）に応じて増大（或いは減少）するという関係を上記所定の関係として、上記湿度の決定を行うことを特徴とする。

このように、上記所定の関係が、被検出雰囲気内の湿度、定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる両発熱抵抗体の各端子電圧の比及び被検出雰囲気内の環境温度との間において成立する関係であっても、この関係を利用することで、上記湿度が上記算出電圧比及び上記検出環境温度から一義的に決まる。従って、請求項１或いは２に記載の発明と同様の作用効果がより一層確実に達成され得る。

また、本発明は、請求項４の記載によれば、請求項２に記載の湿度検出装置において、温度検出手段は、半導体基板の表面上に形成される薄膜抵抗体であって、
当該薄膜抵抗体はその抵抗値の変化に基づき被検出雰囲気内の環境温度を検出する薄膜抵抗体であることを特徴とする。

このように、温度検出手段として、半導体基板の表面上に形成されてなる薄膜抵抗体を採用したので、この薄膜抵抗体の抵抗値が、上記環境温度の変化に伴い迅速に変化する。従って、請求項２に記載の発明と同様の作用効果をより一層精度よく達成し得る。

また、本発明は、請求項５の記載によれば、請求項１〜４のいずれか１つに記載の湿度検出装置において、上記互いに異なる各一定温度のうち、一方の一定温度は、１００（℃）以上２５０（℃）以下の範囲内の温度であり、他方の一定温度は、３００（℃）以上５００（℃）以下の範囲内の温度であることを特徴とする。

これによっても、請求項１〜４に記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。ここで、上記一方の一定温度の下限値を１００（℃）としたのは、当該一方の一定温度に維持される発熱抵抗体上に結露を発生させないためである。また、上記他方の一定温度の上限値を５００（℃）としたのは、被検出雰囲気が可燃性ガスである水素ガスを含む場合に、水素の下限爆発温度が５４０（℃）程度であることから、水素の爆発を未然に防止するためである。また、上記一方の一定温度の上限値を２５０（℃）とし、上記他方の一定温度の下限値を３００（℃）としたのは、上記電圧比の湿度に対する変化量を大きくして湿度の検出精度を適正に確保するためである。

なお、請求項１或いは２に記載の上記所定の関係及び請求項３に記載の上記関係は、マップデータ等のデータとして、メモリに予め記憶されていてもよい。また、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明に係る湿度検出装置の第１実施形態を示しており、この湿度検出装置は、例えば、水素ガスを含む被検出雰囲気内の湿度を検出するのに用いられる。

当該湿度検出装置は、装置ユニット１００（図１参照）と、制御回路２００（図２参照）とにより構成されている。装置ユニット１００は、図１にて示すごとく、ケーシング１１０、蓋体１２０及びコネクタ１３０を備えている。ケーシング１１０は両ケーシング部材１１１、１１２を有しており、当該両ケーシング部材１１１、１１２は、その各開口部にて互いに嵌合されて、ケーシング１１０を構成している。

ここで、ケーシング部材１１１は、ガス導入筒１１３を備えており、このガス導入筒１１３は、ケーシング部材１１１の底壁中央から外方へ円筒状に延出し、ガス導入口部１１４にて、外方に開口している。なお、図１にて、符号１１５は、Ｏリングを示す。このＯリングは、当該湿度検出装置の取り付け箇所によっては、廃止してもよい。

蓋体１２０は、図１にて示すごとく、ケーシング部材１１１の内側からガス導入筒１１３内に同軸的に嵌装されており、当該蓋体１２０は、図１及び図３にて示すごとく、円筒部材１２１を備えている。この円筒部材１２１は、その底壁側円筒部にて、図１にて示すごとく、ガス導入筒１１３の小径穴部内に同軸的に嵌装されており、当該円筒部材１２１は、その環状底壁１２２（図３参照）にて、ガス導入口部１１４にその内面側から着座している。なお、円筒部材１２１は、その環状底壁１２２の中空部にて、ガス導入口部１１４を通り外方に開口している。

また、円筒部材１２１は、その基端側環状フランジ部１２３にて、ガス導入筒１１３の基端側に形成した大径穴部内にパッキン等の環状シール（図示しない）を介し接着剤でもって気密的に接着嵌装されている。なお、上述のように環状シールを介し接着剤で接着することに代えて、溶着に依ってもよい。

また、蓋体１２０は、円筒部材１２１内に設けた撥水フィルタ１２４及び金網１２５を備えている。撥水フィルタ１２４は、その外周部にて、円筒部材１２１の環状底壁１２２と環板状スペーサ１２６との間に挟持されており、この撥水フィルタ１２４は、ガス導入口部１１４及び円筒部材の環状底壁１２２の中空部からスペーサ１２６内への水滴の浸入や粉塵の侵入を防止する。

金網１２５は、その外周部にて、環板状スぺーサ１２６と円筒状スペーサ１２７の環状底壁との間に挟持されており、この金網１２５は、次のような役割を果たす。即ち、後述する発熱抵抗体３３０（図４参照）への通電に伴い当該発熱抵抗体に電流が流れて当該発熱抵抗体の温度が水素ガスの下限爆発温度を上回ることで、水素ガスがスペーサ１２７内で発火した場合に、金網１２５は、スペーサ１２７の内部からその外方へ逸火することを防止する。

なお、スペーサ１２７は、円筒部材１２１の円筒部内に同軸的に圧入により嵌装されて、その環状底壁にて、金網１２５、環状スペーサ１２６及び撥水フィルタ１２４を、円筒部材１２１の環状底壁１２２の内面上に固定している。

コネクタ１３０は、ケーシング部材１１１の図１にて図示右側壁に組み付けられており、このコネクタ１３０は、その複数のコネクタピン１３１（図１では、一コネクタピンのみを示す）にて、ケーシング１１１の右側壁を通し配線板１８０の配線パターン部（図示しない）に電気的に接続されている。なお、当該コネクタ１３０は、ケーシング部材１１１と一体で構成されていてもよい。

当該装置ユニット１００は、図１及び図３にて示すごとく、検出素子３００、敷き板１４０及び取り付け板１５０を備えており、検出素子３００は、敷き板１４０及び取り付け板１５０と共に、円筒部材１２１内に支持されている。取り付け板１５０は、図３にて示すごとく、その断面Ｌ字状外周部１５１にて、円筒部材１２１の環状フランジ部１２３内に同軸的にかつ気密的に固定されている。敷き板１４０は、熱伝導率の小さい材料でもって形成されており、この敷き板１４０は、取り付け板１５０の外面（スペーサ１２７側の面）の中央部に接着剤でもって接着されている。検出素子３００は、敷き板１４０の外面（スペーサ１２７側の面）に接着剤で接着されて、スペーサ１２７内に露呈している。

また、当該装置ユニット１００は、複数本のピン状ターミナル１６０〜１６４及びヒータ１７０を備えており、各ターミナル１６０〜１６４は、取り付け板１５０に挿通されている。ヒータ１７０は、両ターミナル１６０、１６３の各先端部間に電気的に接続されており、このヒータ１７０は、両ターミナル１６０、１６３を介する給電により検出素子３００を加熱してこの検出素子３００に付着する結露や不純物成分を乾燥焼失させる。

特に、雰囲気温度を検出する測温抵抗体を検出素子３００の表面上に設ける場合、測温抵抗体でもって検出する温度が、検出素子３００の表面に付着した結露や不純物に起因して実際の雰囲気温度よりも低くなり、温度の検出精度を低下させるという事態の発生を招くことを防止する効果がある。なお、検出素子３００は、後述する各電極膜３７０（図４参照）にて、ターミナル１６１、１６２及び１６４の各先端部にワイヤボンディングにより電気的に接続されている。

配線板１８０は、ケーシング１１０内に設けられており、この配線板１８０は、その外周部にて、ケーシング部材１１１の開口端部に支持されている。なお、当該配線板１８０には、各ターミナル１６０〜１６４が、その基端部にて、嵌着されて配線板１８０の上記配線パターン部に電気的に接続されている。

制御回路２００は、図１にて示すごとく、ケーシング１１０内にて配線板１８０の裏面に実装されており、この制御回路２００は、当該配線板１８０の上記配線パターン部を介し、コネクタ１３０のコネクタピン１３１及び各ターミナル１６０〜１６４に電気的に接続されている。

次に、上述した検出素子３００の構成につき図４及び図５を参照して説明する。検出素子３００はマイクロマシニング技術を用いて製造されているもので、当該検出素子３００は、図４にて示すごとく、シリコン製半導体基板３１０及び上下両側絶縁層３２０を備えている。上側絶縁層３２０は、半導体基板３１０の表面に形成されており、一方、下側絶縁層３２０は、半導体基板３１０の裏面に形成されている。なお、上側絶縁層３２０は、半導体基板３１０の表面に形成した酸化シリコン膜３２１と、この酸化シリコン膜３２１上に積層した窒化シリコン膜３２２でもって構成されている。また、下側絶縁層３２０は、半導体基板３１０の裏面に形成した酸化シリコン膜３２１と、この酸化シリコン膜３２１上に積層した窒化シリコン膜３２２でもって構成されている。

ここで、半導体基板３１０には、図４にて図示左右両側凹部３１１が、上側絶縁層３２０の裏面側において、間隔をおいて形成されている。また、下側絶縁層３２０は、各凹部３１１に対応する部位にて、それぞれ除去されて、各凹部３１１の開口部として形成されている。これにより、上側絶縁層３２０は、その裏面のうち各凹部３１１に対する各対応裏面部にて、当該各凹部３１１の開口部を通して外方に露呈している。なお、半導体基板３１０は、各凹部３１１以外の部位にて基板部３１２を構成する。

また、検出素子３００は、図４及び図５にて示すごとく、左右両側発熱抵抗体３３０並びに左側、中央側及び右側の各配線膜３４０を備えている。左側発熱抵抗体３３０は、上側絶縁層３２０の表面のうち左側凹部３１１に対応する部位上に渦巻き状に形成されており、一方、右側発熱抵抗体３３０は、上側絶縁層３２０の表面のうち右側凹部３１１に対応する部位上に渦巻き状に形成されている。本第１実施形態において、両発熱抵抗体３３０は、後述する各配線膜３４０と共に、白金抵抗材料でもって形成されている。

左側配線膜３４０は、図４にて示すごとく、上側絶縁層３２０の表面の左側部上において、半導体基板３１０の基板部３１２に対応して位置し、図５にて示すごとく、左側発熱抵抗体３３０の一端と一体となるように形成されている。中央側配線膜３４０は、上側絶縁層３２０の表面の中央部上にて、半導体基板３１０の基板部３１２に対応して位置し、左側発熱抵抗体３３０の他端及び右側発熱抵抗体３３０の一端と一体となるように形成されている。また、右側配線膜３４０は、上側絶縁層３２０の表面の右側部上にて、半導体基板３１０の基板部３１２に対応して位置し、右側発熱抵抗体３３０の他端と一体となるように形成されている。

また、当該検出素子３００は、図４及び図５にて示すごとく、内側保護層３５０及び外側保護層３６０並びに左側、中央側及び右側の各電極膜３７０を備えており、内側保護層３５０は、各配線膜３４０及び各発熱抵抗体３３０を覆うように、上側絶縁層３２０の表面上に形成されている。また、外側保護層３６０は、内側保護層３５０上に積層状に形成されている。

ここで、内側保護層３５０及び外側保護層３６０には、左側、中央側及び右側の各コンタクトホール３６１が、内側保護層３５０及び外側保護層３６０のうち左側、中央側及び右側の各配線膜３４０に対応する各部位に形成されている。これにより、左側、中央側及び右側の各配線膜３４０は、その表面にて、左側、中央側及び右側の各コンタクトホール３６１を通り外方に露呈している。左側、中央側及び右側の各電極膜３７０は、左側、中央側及び右側の各コンタクトホール３６１を通して左側、中央側及び右側の各配線膜３４０上に形成されている。

本第１実施形態では、検出素子３００において、左側発熱抵抗体３３０、左側及び中央側の各配線膜３４０並びに左側及び中央側の各電極膜３７０が、主として、左側熱伝導式湿度検出部３８０を構成し、右側発熱抵抗体３３０、中央側及び右側の各配線膜３４０並びに中央側及び右側の各電極膜３７０が、主として、右側熱伝導式湿度検出部３８０を構成する。

また、当該検出素子３００は、図５にて示すごとく、測温抵抗体３９０を備えており、この測温抵抗体３９０は、白金（Ｐｔ）を含む測温抵抗材料でもって、図５にて図示上側にて、上側絶縁層３２０と内側保護層３５０との間に薄膜抵抗体として形成されている。これにより、当該測温抵抗体３９０は、当該湿度検出装置を配置した被検出雰囲気内の温度（以下、環境温度ともいう）を検出する。本第１実施形態では、測温抵抗体３９０の温度抵抗係数は両発熱抵抗体３３０の各温度抵抗係数とほぼ同一となっている。

また、各電極膜３９１は、内側絶縁層３５０及び外側保護層３６０に形成した各コンタクトホール（図示しない）内にて測温抵抗体３９０の左右両端部上に形成されている。なお、この測温抵抗体３９０は、両電極膜３９１を介しターミナル（図示しない）を介し配線板１８０の上記配線パターン部に接続されている。

次に、上述した制御回路２００の構成について図２を参照して説明する。制御回路２００は、両ブリッジ回路２１０、２２０を備えており、ブリッジ回路２１０は、図２にて示すごとく、湿度検出用発熱抵抗体２１１及び各固定抵抗２１２、２１３、２１４でもって、ホイートストーンブリッジ回路を形成するように構成されている。

このブリッジ回路２１０において、湿度検出用発熱抵抗体２１１は、検出素子３００の左側熱伝導式湿度検出部３８０を構成する左側発熱抵抗体３３０でもって構成されている。ここで、発熱抵抗体２１１は、その一端にて、接地されており、当該発熱抵抗体２１１の他端は、固定抵抗２１２、固定抵抗２１３及び固定抵抗２１４を介し接地されている。

しかして、当該ブリッジ回路２１０は、発熱抵抗体２１１及び固定抵抗２１４の共通端子（一側電源端子）及び両固定抵抗２１２、２１３の共通端子（他側電源端子）の間に、定温度制御回路２３０から制御電圧を受けて作動する。そして、この作動のもと、当該ブリッジ回路２１０は、湿度検出用発熱抵抗体２１１の抵抗値の変化に基づき発熱抵抗体２１１及び固定抵抗２１２の共通端子（ブリッジ回路２１０の一側出力端子）と両固定抵抗２１３、２１４の共通端子（ブリッジ回路２１０の他側出力端子）との間に生ずる電位差を出力する。

定温度制御回路２３０は、演算増幅回路２５０の出力（後述する）に応じて、湿度検出用発熱抵抗体２１１の抵抗値を一定温度（例えば、２００（℃））に対応する値に維持するように、内蔵直流電源（図示しない）の出力電圧に基づき、ブリッジ回路２１０への上記制御電圧を形成する。なお、発熱抵抗体２１１（３３０）の抵抗値は当該発熱抵抗体２１１の温度の上昇（又は低下）に応じて増大（又は減少）する。

また、ブリッジ回路２２０は、図２にて示すごとく、湿度検出用発熱抵抗体２２１及び各固定抵抗２２２、２２３、２２４でもって、ホイートストーンブリッジ回路を形成するように構成されている。このブリッジ回路２２０において、湿度検出用発熱抵抗体２２１は、検出素子３００の右側熱伝導式湿度検出部３８０を構成する右側発熱抵抗体３３０でもって構成されている。ここで、発熱抵抗体２２１は、その一端にて、接地されており、当該発熱抵抗体２２１の他端は、固定抵抗２２２、固定抵抗２２３及び固定抵抗２２４を介し接地されている。

しかして、ブリッジ回路２２０は、発熱抵抗体２２１及び固定抵抗２２４の共通端子（一側電源端子）及び両固定抵抗２２２、２２３の共通端子（他側電源端子）の間に、定温度制御回路２４０から制御電圧を受けて作動する。そして、この作動のもと、当該ブリッジ回路２２０は、湿度検出用発熱抵抗体２２１の抵抗値の変化に基づき発熱抵抗体２２１及び固定抵抗２２２の共通端子（ブリッジ回路２２０の一側出力端子）と両固定抵抗２２３、２２４の共通端子（ブリッジ回路２２０の他側出力端子）との間に生ずる電位差を出力する。

定温度制御回路２４０は、演算増幅回路２６０の出力（後述する）に応じて、湿度検出用発熱抵抗体２２１の抵抗値を一定温度（例えば、３００（℃））に対応する値に維持するように、内蔵直流電源（図示しない）の出力電圧に基づき、ブリッジ回路２２０への上記制御電圧を形成する。なお、発熱抵抗体２２１の抵抗値は当該発熱抵抗体２１１の温度の上昇（又は低下）に応じて増大（又は減少）する。また、両定温度制御回路２３０、２４０の各制御電圧の出力は、電源スイッチ２８１のオンに同期して開始されるようになっている。

演算増幅回路２５０は、ブリッジ回路２１０の両出力端子間に生ずる電位差を増幅して増幅電位差を定温度制御回路２３０及びマイクロコンピュータ２７０に出力する。演算増幅回路２６０は、ブリッジ回路２２０の両出力端子間に生ずる電位差を増幅して増幅電位差を定温度制御回路２４０及びマイクロコンピュータ２７０に出力する。

マイクロコンピュータ２７０は、直流電源２８０から電源スイッチ２８１を介し給電されて作動し、図６にて示すフローチャートに従いコンピュータプログラムを実行する。この実行中において、マイクロコンピュータ２７０は、測温抵抗体３９０の検出環境温度や両演算増幅回路２５０、２６０の各出力電位差に基づき、相対湿度の算出に要する各種の処理を行う。なお、上記コンピュータプログラムは、マイクロコンピュータ２７０のＲＯＭに当該マイクロコンピュータにより読み出し可能に記憶されている。

以上のように構成した本第１実施形態において、当該湿度検出装置の装置ユニット１００が上記被検出雰囲気内に配置されているものとする。このような状態にて、上記被検出雰囲気内のガス流が装置ユニット１００のガス導入筒１１３内にそのガス導入口部１１４から流入すると、当該ガス流は、撥水フィルタ１２４及び金網１２５を通り円筒状スペーサ１２７内に流入し、然る後、検出素子３００に到達する。これに伴い、当該ガス流が、検出素子３００に接触するようにして外側保護層３６０の表面付近にて流動する。

このような状態において、電源スイッチ２８１がオンされ、マイクロコンピュータ２７０が直流電源２８０から給電されると、当該マイクロコンピュータ２７０は、図６のフローチャートに従い上記コンピュータプログラムの実行を開始する。この開始に伴い、ステップ４００において、マイクロコンピュータ２７０に内蔵のソフトタイマーの起動処理がなされる。従って、当該ソフトタイマーがそのリセット起動により計時を開始する。

ついで、上記ソフトタイマーの計時時間が所定の待ち時間を経過するまで、ステップ４１０においてＮＯとの判定が繰り返される。なお、上記所定の待ち時間は、定温度制御回路２３０による制御のもと発熱抵抗体２１１の温度が上記一定温度（２００（℃））になるとともに定温度制御回路２４０による制御のもと発熱抵抗体２２１が上記一定温度（３００（℃））になるに要する時間（例えば、０．５（秒））に設定されている。

また、電源スイッチ２８１のオンに同期して、両定温度制御回路２３０、２４０による各制御電圧の出力が開始される。これに伴い、定温度制御回路２３０がブリッジ回路２１０の両電源端子間に制御電圧を出力すると、当該ブリッジ回路２１０が当該制御電圧でもって通電される。そして、このブリッジ回路２１０の両出力端子間から出力される電位差が演算増幅回路２５０により増幅されて定温度制御回路２３０にフィードバックされる。従って、ステップ４１０におけるＮＯとの判定の繰り返し中において、発熱抵抗体２１１の抵抗値が上記一定温度（２００（℃））に対応する値を維持するように、当該発熱抵抗体２１１が定温度制御回路２３０により通電制御される。このことは、発熱抵抗体２１１が上記一定温度（２００（℃））になるように通電制御されることを意味する。

また、定温度制御回路２６０がブリッジ回路２２０の両電源端子間に制御電圧を出力すると、当該ブリッジ回路２２０が当該制御電圧でもって通電される。そして、このブリッジ回路２２０の両出力端子間から出力される電位差が演算増幅回路２６０により増幅されて定温度制御回路２４０にフィードバックされる。従って、ステップ４１０におけるＮＯとの判定の繰り返し中において、発熱抵抗体２２１の抵抗値が上記一定温度（３００（℃））に対応する値を維持するように、当該発熱抵抗体２２１が定温度制御回路２４０により通電制御される。このことは、発熱抵抗体２２１が上記一定温度（３００（℃））になるように通電制御されることを意味する。

然る後、上記ソフトタイマーの計時時間が上記所定の待ち時間を経過すると、ステップ４１０においてＹＥＳと判定され、次のステップ４１１において、変数Ｎ＝０とクリアされる。ついで、ステップ４２０において、両演算増幅回路２５０、２６０の各増幅電位差及び測温抵抗体３９０の検出環境温度Ｔの入力処理がなされる。

ついで、ステップ４３０において、電圧比Ｒｖの算出処理がなされる。ここで、電圧比Ｒｖは、発熱抵抗体２２１の端子電圧の発熱抵抗体２１１の端子電圧に対する比をいう。このステップ４３０の処理では、電圧比Ｒｖが、両演算増幅回路２５０、２６０からの各増幅電位差に基づき算出される。

このようにして電圧比の算出が終了すると、次のステップ４３１において、上記被検出雰囲気内の相対湿度Ｈの決定処理がなされる。この決定処理では、相対湿度Ｈが、この相対湿度、電圧比Ｒｖ及び環境温度Ｔの間の所定の関係を表すマップデータに基づき環境温度Ｔ及び電圧比Ｒｖから決定される。但し、上記マップデータは、マイクロコンピュータ２７０のＲＯＭに予め記憶されている。なお、当該マップデータの記憶は、上記ＲＯＭに限ることなく、適宜なメモリでおこなってもよい。

ここで、上記マップデータの導入根拠について説明する。検出素子３００を上記被検出雰囲気内に晒すように配置して、当該被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧比との間の関係を調べたところ、この関係が、上記被検出雰囲気内の環境温度をパラメータとして、例えば、図７及び図８にて示すような各グラフとして得られた。

ここで、図７のグラフは、環境温度を８０（℃）とした場合の上記被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧比との間の関係を示し、また、図８のグラフは、環境温度を９０（℃）とした場合の上記被検出雰囲気内の相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧比との間の関係を示す。

これら両グラフを検討してみると、図７のグラフでは、相対湿度が電圧比との関係において略正比例的に変化していることが分かる。また、図８のグラフでは、相対湿度が、折れ線的ではあるが、電圧比の増大（或いは減少）に伴い増大（或いは減少）していることが分かる。また、環境温度が８０（℃）或いは９０（℃）と異なる温度にある場合でも、相対湿度は、電圧比の増大（或いは減少）に伴い増大（或いは減少）することは実測済みである。

よって、相対湿度と電圧比とは、環境温度をパラメータとして、共に、増大（或いは減少）する関係にあり、本明細書の冒頭にて述べた相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との間の関係のように極値を示すことはない。換言すれば、相対湿度は、環境温度をパラメータとするものの、電圧比との関係において一義的に決まることが分かった。また、電圧比と環境温度との関係についても調べてみたところ、電圧比は、環境温度の上昇（或いは低下）に伴い増大（或いは減少）することも分かった。

従って、上記所定の関係は、被検出雰囲気内の相対湿度、当該被検出雰囲気内の環境温度及び電圧比との間においては、電圧比が、相対湿度の増大及び環境温度の上昇（或いは相対湿度の減少及び環境温度の低下）に応じて増大（或いは減少）するという関係にあることが分かった。換言すれば、上記所定の関係が、相対湿度が、環境温度の上昇及び電圧比の増大（或いは環境温度の低下及び電圧比の減少）に応じて増大（或いは減少）する関係にあることが分かった。

以上のことから、環境温度の広い範囲、例えば、被検出雰囲気内の水蒸気の熱伝導率が極値を有するような温度変動の広い範囲に亘り、相対湿度を環境温度及び電圧比に応じて一義的に決め得るといえる。

例えば、上述のように発熱抵抗体２１１の一定温度を２００（℃）とし、発熱抵抗体２２１の一定温度を３００（℃）とすれば、環境温度が−４０（℃）〜＋１００（℃）という広い範囲以内にあっても、相対湿度を環境温度及び電圧比に応じて一義的に決め得る。そこで、本第１実施形態では、上述のように相対湿度、電圧比及び環境温度の間に成立する所定の関係を上記マップデータとして導入した。

ついで、ステップ４４０において、Ｎ＝Ｎ＋１＝１と加算更新され、ステップ４５０において、変数Ｎ＝所定回数Ｎｏか否かが判定される。現段階では、Ｎ＝１であることから、ステップ４５０において、Ｎ＝１＜Ｎｏ（＝１０）に基づき、ＮＯと判定され、コンピュータプログラムがステップ４２０に戻る。

以後、ステップ４４０における変数Ｎの加算更新値がＮ＝Ｎｏとなるまで、ステップ４２０〜ステップ４５０を通る循環処理が繰り返される。然る後、Ｎ＝Ｎｏとなり、ステップ４５０における判定がＹＥＳになると、次のステップ４６０において、ステップ４３１にて決定済みの全ての相対湿度の平均値が算出され検出相対湿度として出力される。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、上述のように被検出雰囲気内の相対湿度、両発熱抵抗体の電圧比及び被検出雰囲気内の環境温度との間で成立する所定の関係をマップデータとして導入し、このマップデータを用いて、定温度制御回路２３０、２４０による上記通電制御状態にて生ずる両発熱抵抗体２１１、２２１の各端子電圧の電圧比及び被検出雰囲気内の環境温度に基づいて相対湿度を決定するようにした。

ここで、上述のように、相対湿度、両発熱抵抗体の電圧比及び被検出雰囲気内の環境温度との間で成立する所定の関係は、相対湿度が、環境温度の上昇及び電圧比の増大（或いは環境温度の低下及び電圧比の減少）に応じて増大（或いは減少）する関係である。

従って、上記マップデータを用いれば、相対湿度が電圧比及び環境温度に基づき一義的に決定されるので、湿度検出装置としての湿度検出精度を向上できる。しかも、上記所定の関係は環境温度の広い範囲において成立するので、当該所定の関係を利用することで、湿度の検出が、広い環境温度の範囲に亘り、精度よくなされ得る。また、測温抵抗体３９０は、上述のごとく、両発熱抵抗体２１１、２２１の各温度抵抗係数とほぼ同一の温度抵抗係数を有する薄膜抵抗体で形成されている。このため、測温抵抗体３９０の抵抗値及び両発熱抵抗体２１１、２２１の各抵抗値が上記環境温度の変化に伴いほぼ同様に変化する。従って、相対湿度の検出精度がより一層向上し得る。また、測温抵抗体３９０は、薄膜抵抗体であるため、当該薄膜抵抗体の抵抗値が環境温度の変化に伴い迅速に変化し得る。

なお、検出素子３００は、上述のごとくマイクロマシニング技術を用いて製造されているので、この検出素子３００、ひいては当該湿度検出装置の小型化、高速応答化及び低消費電力化を確保しつつ、上記作用効果を達成し得る。また、検出素子３００において、測温抵抗体３９０は、半導体基板３１０上に設けられているので、検出素子３００に対し、別途の温度センサを設ける必要がなく、被検出雰囲気内の空間をより一層狭くしても、当該湿度検出装置による湿度検出が可能となる。
（第２実施形態）
図９及び図１０は、本発明に係る湿度検出装置の第２実施形態を示している。この第２実施形態では、上記第１実施形態において、マイクロコンピュータ２７０が、図９から分かるように、定温度制御回路２３０に代えて、この定温度制御回路２３０の出力制御電圧をブリッジ回路２１０に直接出力するとともに、定温度制御回路２４０に代えて、この定温度制御回路２４０の出力制御電圧をブリッジ回路２２０に直接出力するようにした構成となっている。これに伴い、本第２実施形態では、両定温度制御回路２３０、２４０が廃止されている。

また、本第２実施形態では、マイクロコンピュータ２７０が、図６のフローチャートに代えて、図１０にて示すフローチャートに従い、上記コンピュータプログラムを実行するように変更されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

このように構成した本第２実施形態において、上記第１実施形態にて述べたと同様に当該湿度検出装置が上記被検出雰囲気内に晒されているものとする。

このような状態において、電源スイッチ２８１がオンされ、マイクロコンピュータ２７０が直流電源２８０から給電されると、当該マイクロコンピュータ２７０は、図１０のフローチャートに従い上記コンピュータプログラムの実行を開始する。この開始に伴い、ステップ４７０において、両発熱抵抗体２１１、２２１の定温度制御処理がなされる。

この定温度制御処理では、制御電圧が、演算増幅回路２５０の出力に応じて、湿度検出用発熱抵抗体２１１の抵抗値を一定温度（例えば、２００（℃））に対応する値に維持するように、直流電源２８０の出力電圧に基づき形成されてブリッジ回路２１０に出力される。また、他の制御電圧が、演算増幅回路２６０の出力に応じて、湿度検出用発熱抵抗体２２１の抵抗値を一定温度（例えば、３００（℃））に対応する値に維持するように、直流電源２８０の出力電圧に基づき形成されてブリッジ回路２２０に出力される。

これにより、発熱抵抗体２１１が上記一定温度（例えば、２００（℃））に維持されるとともに、発熱抵抗体２２１が上記一定温度（例えば、３００（℃））に維持される。

このような状態にて、ステップ４１１以後の処理が上記第１実施形態と同様になされる。その結果、上記第１実施形態と同様の作用効果が達成され得る。

なお、本発明の実施にあたり、上記各実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
（１）発熱抵抗体２１１の温度は、上記一定温度（２００（℃））に限ることなく、１００（℃）〜２５０（℃）の範囲以内の一定温度であればよく、また、発熱抵抗体２２１の温度は、上記一定温度（３００（℃））に限ることなく、３００（℃）〜５００（℃）の範囲以内の一定温度であればよい。

ここで、発熱抵抗体２１１の一定温度の下限値を１００（℃）としたのは、発熱抵抗体２１１上に結露を発生させないためである。また、発熱抵抗体２２１の一定温度の上限値を５００（℃）としたのは、上記被検出雰囲気に含まれる水素の下限爆発温度が５４０（℃）程度であることから、水素の爆発を未然に防止するためである。また、発熱抵抗体２１１の一定温度の上限値を２５０（℃）とし、発熱抵抗体２２１の一定温度の下限値を３００（℃）としたのは、上記電圧比の湿度に対する変化量を大きくして湿度の検出精度を適正に確保するためである。
（２）上記被検出雰囲気内の環境温度が所定の温度未満か否かであるかによって、両発熱抵抗体２１１、２２１の各一定温度を変更するようにしてもよい。例えば、上記所定の温度、即ち、環境温度が５０（℃）未満である場合には、上記被検出雰囲気内の飽和水蒸気量が少ないために絶対湿度が低い。従って、電圧比の湿度に対する感度を良好にするには、発熱抵抗体２１１の一定温度を１００（℃）とするとともに発熱抵抗体２２１の一定温度を４００（℃）とするとよい。

また、環境温度が５０（℃）以上の場合には、当該環境温度が例えば１００（℃）であっても、両発熱抵抗体２１１、２２１の通電制御による温度制御が低消費電力のもとで容易に行えるように、発熱抵抗体２１１の一定温度を２００（℃）とするとともに発熱抵抗体２２１の一定温度を３００（℃）とするとよい。
（３）上記各実施形態における発熱抵抗体の数は２つに限ることなく、３つ以上であってもよい。
（４）測温抵抗体３９０は、薄膜抵抗体に限ることなく、サーミスタ等の温度検出可能な各種の抵抗体であってもよい。
（５）測温抵抗体３９０に代えて、検出素子３００とは別体の測温抵抗体その他の温度センサを採用してもよい。この場合、当該温度センサは、検出素子３００を配置した被検出雰囲気内に配置することが望ましい。
（６）発熱抵抗体２１１、２２１（３００）は、上記実施形態とは異なり、当該発熱抵抗体の温度の上昇（或いは低下）に応じて減少（或いは増大）するように抵抗値を変化させる発熱抵抗体であってもよい。この場合、上記実施形態にて述べた電圧比Ｒｖは、両発熱抵抗体２１１、２２１のうち抵抗値の大きい方を基準に算出するようにする。
（７）図６のステップ４１０における判定基準である所定の待ち時間は、０．５（秒）に限ることなく、適宜変更してもよく、要するに、両発熱抵抗体２１１、２２１をその定温度制御により上記各対応の一定温度にし得る時間であればよい。
（８）両発熱抵抗体２１１、２２１の各温度抵抗係数は、測温抵抗体３９０の温度抵抗係数とは、必ずしも同一でなくてもよい。
（９）発熱抵抗体３３０及び配線膜３４０の形成材料としては、高温において化学的耐久性が高く、かつ温度抵抗係数が大きいことが望ましい。
（１０）水素ガスに限らず、都市ガス等の可燃性ガスを含む被検出雰囲気内の相対湿度の検出に本発明を適用してもよい。

本発明に係る湿度検出装置の第１実施形態における装置ユニットの断面図である。 上記第１実施形態における制御回路を示すブロック図である。 図１の蓋体に対する検出素子の組み付け構造を示す断面図である。 図３の検出素子の断面図である。 図３の検出素子の平面図である。 図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。 上記第１実施形態における被検出雰囲気内の相対湿度と電圧比との関係を環境温度を８０（℃）として示すグラフである。 上記第１実施形態における被検出雰囲気内の相対湿度と電圧比との関係を環境温度を９０（℃）として示すグラフである。 本発明の第２実施形態における制御回路図である。 図９のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。 従来の湿度検出装置における相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との関係を環境温度８０（℃）として示すグラフである。 従来の湿度検出装置における相対湿度と両発熱抵抗体間の電圧差との関係を環境温度９０（℃）として示すグラフである。

符号の説明

２１１、２２１、３３０…発熱抵抗体、２３０、２４０…定温度制御回路、
２８０…直流電源、２５０、２６０…演算増幅回路、２７０…マイクロコンピュータ、
３００…検出素子、３１０…半導体基板、３１１…凹部、３２０…絶縁層、
３５０…内側保護層、３６０…外側保護層、３９０…測温抵抗体。

Claims (5)

1. 環境温度が変動する被検出雰囲気内に晒される複数の発熱抵抗体を備えてなる湿度検出装置において、
   前記複数の発熱抵抗体のうち２つの発熱抵抗体の各抵抗値を互いに異なる各一定温度に対応する各値にそれぞれ維持するように当該２つの発熱抵抗体を通電制御する定温度制御手段と、
   前記被検出雰囲気内の環境温度を検出する温度検出手段と、
   前記定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる前記２つの発熱抵抗体の各端子電圧の比を電圧比として算出する電圧比算出手段と、
   前記電圧比算出手段による算出電圧比と前記温度検出手段による検出環境温度との間の所定の関係に基づき前記被検出雰囲気内の湿度を決定する湿度決定手段とを備えることを特徴とする湿度検出装置。
2. 複数の凹部を間隔をおいて裏面側から形成してなる半導体基板と、この半導体基板の表面に形成される絶縁層と、この絶縁層の表面に前記各凹部に対応して形成される複数の発熱抵抗体と、これら発熱抵抗体を覆うように前記絶縁層の表面に形成される保護層とを有し、環境温度が変動する被検出雰囲気内に晒される検出素子を備えてなる湿度検出装置において、
   前記複数の発熱抵抗体のうち２つの発熱抵抗体の各抵抗値を互いに異なる各一定温度に対応する各値にそれぞれ維持するように当該２つの発熱抵抗体を通電制御する定温度制御手段と、
   前記被検出雰囲気内の環境温度を検出する温度検出手段と、
   前記定温度制御手段による通電制御状態にて生ずる前記２つの発熱抵抗体の各端子電圧の比を電圧比として算出する電圧比算出手段と、
   前記電圧比算出手段による算出電圧比と前記温度検出手段による検出環境温度との間の所定の関係に基づき前記被検出雰囲気内の湿度を決定する湿度決定手段とを備えることを特徴とする湿度検出装置。
3. 前記湿度決定手段は、前記検出雰囲気内の湿度が前記検出環境温度の上昇及び前記算出電圧比の増大（或いは前記検出環境温度の低下及び前記算出電圧比の減少）に応じて増大（或いは減少）するという関係を前記所定の関係として、前記湿度の決定を行うことを特徴とする請求項１或いは２に記載の湿度検出装置。
4. 前記温度検出手段は、前記半導体基板の表面上に形成される薄膜抵抗体であって、
   当該薄膜抵抗体はその抵抗値の変化に基づき前記被検出雰囲気内の環境温度を検出する薄膜抵抗体であることを特徴とする請求項２に記載の湿度検出装置。
5. 前記互いに異なる各一定温度のうち、一方の一定温度は、１００（℃）以上２５０（℃）以下の範囲内の温度であり、他方の一定温度は、３００（℃）以上５００（℃）以下の範囲内の温度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の湿度検出装置。
   

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