JP6592200B2 - 熱式湿度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中に含まれる水分の量に基づく熱伝導の変化を利用して湿度を検出する熱式湿度測定装置に関する。

本発明の技術分野に属する背景技術として、特開２０１１-１３７６７９号公報（特許文献１）に記載された熱式ガスセンサが知られている。

特許文献１の熱式ガスセンサは、空洞部を有する基板と、空洞部に積層され複数の絶縁層から構成される薄膜支持体と、薄膜支持体の絶縁層に挟持された第１発熱体および第２発熱体とを有し、第２発熱体は第１発熱体の周辺に配置され、第１発熱体は第２発熱体よりも高温に制御され、第１発熱体に印可される電力に基づいて周囲ガスの濃度を測定する（要約参照）。この熱式ガスセンサでは、第２発熱体は第１発熱体の周囲のガス温度を所定の温度に保持し、ガス温度の変動による影響を低減することができると共に、発熱体を異なる温度に時分割に加熱する必要がなく応答速度を速くすることができる（段落００１２参照）。特許文献１の熱式ガスセンサの駆動回路は、第１発熱体と第４固定抵抗とが直列接続された直列回路、および第５固定抵抗と第６固定抵抗とが直列接続された直列回路を並列接続して構成される第一ブリッジ回路と、第２発熱体と第１固定抵抗とが直列接続された直列回路、および第２固定抵抗と第３固定抵抗とが直列接続された直列回路を並列接続して構成される第二ブリッジ回路とを備える（段落００２９参照）。

特開２０１１-１３７６７９号公報

特許文献１の熱式ガスセンサの駆動回路では、周囲ガスの濃度を測定するために第１発熱体を含む第１ブリッジ回路と、第１発熱体の周囲のガス温度を所定の温度に保持するために第２発熱体を含む第２ブリッジ回路とを備えることにより、第１発熱体で測定する周囲ガスの濃度値がガス温度の影響を受けて変動するのを抑制している。この熱式ガスセンサの駆動回路では、第２ブリッジ回路およびその構成要素である第２発熱体は第１発熱体の周囲のガス温度を所定の温度に保持するためだけに用いられており、第２ブリッジ回路を用いてガスの状態（例えば、圧力、流量または温度など）に関する情報（以下、物理量という）を計測することについては、配慮がなかった。以下、熱式ガスセンサは熱式湿度測定装置と呼ぶ。

本発明の目的は、第１発熱体と第２発熱体とを備えた構成において、各発熱体を有効に利用して、第１発熱体で計測される湿度を含む複数の計測値（測定値）を得られるようにした熱式湿度測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式湿度測定装置は、
湿度を検知する第１発熱体を有する第１ブリッジ回路と前記第１発熱体の周辺空気を加熱する第２発熱体を有する第２ブリッジ回路とを備えた熱式湿度測定装置において、
前記第１ブリッジ回路から第１出力信号を取り出して前記湿度を検知し、
前記第２ブリッジ回路から少なくとも圧力、空気流量又は空気温度いずれか一つの情報を含む第２出力信号を取り出す。

本発明によれば、第２発熱体を用いて空気の圧力、流量または温度の少なくともいずれか一つの情報を計測することにより、第１発熱体で計測される湿度を含む複数の計測値（測定値）が得られる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る熱式湿度測定装置の構成図である。 本発明との比較例である熱式湿度測定装置の構成図である。 本発明に係る熱式湿度測定装置の構成図であり、空気流量補正を行う熱式湿度測定装置の一実施例を示す構成図である。 本発明の一実施例に係る第１発熱体と第２発熱体との配置図である。 本発明に係る熱式湿度測定装置の構成図であり、圧力補正を行う熱式湿度測定装置の一実施例を示す構成図である。 本発明に係る熱式湿度測定装置の構成図であり、温度信号を出力する熱式湿度測定装置の一実施例を示す構成図である。 本発明の一実施例に係る熱式湿度測定装置の構成図である。 湿度計測値の圧力依存性を示す図である。

発熱体からの放熱量は空気中に含まれる水分の量に依存する。熱式湿度測定装置は発熱体からの放熱量を検出信号（計測信号）としている。放熱量は次の４つの要因で変化するため、（要因４）空気中に含まれる水分以外の要因は湿度計測の誤差要因となる。
（要因１）発熱体と空気との温度差。
（要因２）発熱体周辺の空気の圧力。
（要因３）発熱体周辺の空気の流れ。
（要因４）空気中に含まれる水分。

従来技術の熱式湿度測定装置では（１）〜（３）の要因について、次の対策を施している。
（対策１）発熱体の周りの空気を別の発熱体で一定温度に保持する。
（対策２）発熱体近傍に圧力センサを配置して圧力を計測し、検出信号を補正する。
（対策３）発熱体を空気の流れが無い場所に配置する。

本実施例では、（対策１）の対策を実現する為に、熱式湿度測定装置には湿度を検知する第１発熱体４と、第１発熱体４の周辺空気温度を一定に保つ第２発熱体１０とが設けられている。

図４に第１発熱体４および第２発熱体１０の配置例を示す。

第１発熱体４の周辺を囲むように第２の発熱体１０は配置される。第１発熱体４の両端部には電極２１，２２が設けられている。第２の発熱体１０の両端部には電極２３，２４が設けられている。

空気の熱伝達率と湿度との関係には温度依存性があり、空気温度５００℃では熱伝達率に湿度依存性があるが、３５０℃（より好ましくは３００℃）では湿度依存性がほぼ無くなる。このため、第１発熱体４は５００〜６００℃に、第２発熱体は２５０〜３５０℃に加熱される。本実施例では、第１発熱体４は５００℃に、第２発熱体は３００℃に加熱する。

このような第１発熱体４および第２発熱体１０の配置と各発熱体４，１０の温度制御とにより、第１発熱体４と空気との温度差は外気の温度によらず、一定の温度（２００℃）に保たれる。

図１に本発明の一実施例に係る熱式湿度測定装置１の構成を示す。

第１発熱体４は湿度を検出する為の素子であり、第１発熱体４と、固定抵抗（第１固定抵抗）５、固定抵抗（第２固定抵抗）６および固定抵抗（第３固定抵抗）７とで構成されるブリッジ回路（第１ブリッジ回路）２で所定温度に加熱されている。

この比較例では、第１発熱体４と固定抵抗５とが直列に接続された第１直列回路と、固定抵抗６と固定抵抗７とが直列に接続された第２直列回路とが並列に接続されて、ブリッジ回路２が構成される。そして、第１発熱体４と固定抵抗５との接続部ａ１の電位Ｖａ１と、固定抵抗６と固定抵抗７との接続部ａ２の電位Ｖａ２とを差動増幅器８に入力し、電位Ｖａ１と電位Ｖａ２との電位差Ｖａ１ａ２を適切に増幅して電位差Ｖａ１ａ２に応じた電流をブリッジ回路２の第１発熱体４と固定抵抗６との接続部ａ３に供給する。なお、固定抵抗５と固定抵抗７との接続部ａ４は接地され、アース電位に接続される。これにより、第１発熱体４は所定温度に加熱される。

第１発熱体４を所定温度に維持している状態では、第１発熱体４と固定抵抗５との接続部ａ５の電位Ｖａ５は湿度に対応した湿度信号（後述する調整を行う前の湿度信号）として取り出すことができる。なお、接続部ａ５は接続部ａ１と実質的に同じ部位であり、電位Ｖａ５は電位Ｖａ１と同じである。

熱式湿度測定装置１の湿度信号は、第１発熱体４と固定抵抗５との接続点ａ５の電圧信号Ｖａ５を出力調整回路９に入力（接続）し、出力調整回路９で電圧信号Ｖａ５を調整することにより得られる。電圧信号Ｖａ５を調整することによって得られた湿度信号は、出力端子１５から出力される。出力調整回路９は第１発熱体４と固定抵抗５との接続点ａ１の電圧信号の個体ばらつきを調整するためのものである。

第２発熱体１０は第１発熱体４の周辺の空気を加熱する為の素子であり、第２発熱体１０と固定抵抗（第４固定抵抗）１１、固定抵抗（第５固定抵抗）１２および固定抵抗（第６固定抵抗）１３とで構成されるブリッジ回路（第２ブリッジ回路）３で所定温度に加熱されている。

この比較例では、第２発熱体１０と固定抵抗１１とが直列に接続された第３直列回路と、固定抵抗１２と固定抵抗１３とが直列に接続された第４直列回路とが並列に接続されて、ブリッジ回路３が構成される。そして、第２発熱体１０と固定抵抗１１との接続部ａ１１の電位Ｖａ１１と、固定抵抗６と固定抵抗７との接続部ａ１２の電位Ｖａ１２とを差動増幅器１４に入力し、電位Ｖａ１１と電位Ｖａ１２との電位差Ｖａ１１ａ１２を適切に増幅して電位差Ｖａ１１ａ１２に応じた電流をブリッジ回路３の第２発熱体１０と固定抵抗１１との接続部ａ１３に供給する。なお、接続部ａ５は接続部ａ１と実質的に同じ部位であり、電位Ｖａ５は電位Ｖａ１と同じである。これにより、第１発熱体４は所定温度に加熱される。

第２発熱体１０を所定温度に維持している状態では、第２発熱体１０で発生する熱は周囲の空気に放熱され、その放熱量は周囲の空気の状態（例えば、圧力、流量または温度）によって変化する。そして、空気の状態の変化による放熱量の変化は、第２発熱体１０と固定抵抗１１との接続部ａ１５の電位Ｖａ１５を変化させる。従って、接続部ａ１５の電位Ｖａ１５を空気の状態（例えば、圧力、流量または温度）に関する情報（以下、物理量という）として用いることができる。

また、接続部ａ１５の電位Ｖａ１５を取り出すことは、第２発熱体１０を流れる電流（電流値）を検出することを意味する。

図２に本発明との比較例である熱式湿度測定装置１’の構成を示す。

図２の比較例では、第１発熱体４は周辺空気の流れが無い場所に配置され（上記（対策３））、空気の流れによる湿度出力誤差を対策している。また、圧力センサ１７を配置し、周辺空気の圧力信号と出力端子１５からの湿度信号とを信号処理回路１８で補正演算して、圧力による湿度出力誤差を対策する。

図２の比較例では、ブリッジ回路３からは熱式湿度測定装置１の外部に信号を取り出していない。従って、ブリッジ回路３は第１発熱体の周囲の空気を所定温度に加熱するためだけに設けられている。

これに対し、図１に示す本実施例の熱式湿度測定装置１では、ブリッジ回路３から信号を取り出し、出力端子１６から熱式湿度測定装置１の外部に出力している。ブリッジ回路３からの信号は熱式湿度測定装置１周辺の空気の流れ（流量）や圧力、温度の情報を含んでいるため、これらの情報を出力する信号として活用できる。

以下では、出力端子１６から得られる信号（情報）を、ブリッジ回路２から得られる湿度信号を補正する補正信号として用いる例を実施例１〜５に分けて説明する。なお、ブリッジ回路２から得られる湿度信号は第１出力信号と呼び、ブリッジ回路３から得られる信号（出力端子１６から得られる信号）は第２出力信号と呼ぶ場合がある。

［実施例１］
図３に、空気流量補正を行う熱式湿度測定装置１の一実施例を示す。

図３の熱式湿度測定装置１は、ブリッジ回路３からの電圧出力（接続部ａ１５の電位）Ｖａ１５を熱式湿度測定装置１周辺の空気の流れの信号として用い、ブリッジ回路２から得られる湿度信号に含まれる空気流れの影響（誤差）を補正する場合の実施例を示している。

本実施例では、図１の熱式湿度測定装置１の他に、周囲の圧力を検出する圧力センサ１７と、湿度信号に含まれる誤差を補正する信号処理回路（信号処理部）１８と、周囲の温度を検出する温度センサ２５とを備える。なお、圧力センサ１７、信号処理回路１８または温度センサ２５のいずれか一つ、或いはこれらの中のいずれか二つ、或いはこれらの全てが熱式湿度測定装置１に含まれる構成であってもよい。

信号処理回路１８に、出力端子１５から出力される湿度信号と、圧力センサ１７から出力される圧力信号と、出力端子１６から出力される信号と、温度センサ２５から出力される温度信号とを入力する。上述したように、出力端子１６から出力される信号には、空気流量や圧力、温度の情報（成分）が含まれる。信号処理回路１８は、圧力センサ１７から出力される圧力信号と温度センサ２５から出力される温度信号とを用いて、出力端子１６から出力される信号（第２出力信号）に含まれる圧力成分と温度成分を取り除くように補正する。これにより、信号処理回路１８は第２出力信号に含まれる空気流量成分（空気流量信号）を抽出することができる。

信号処理回路１８は、圧力信号と抽出した空気流量信号とを用いて、圧力変動と空気の流れとによる湿度出力誤差（第１出力信号の誤差）を補正し、補正処理された湿度信号を出力端子１９から出力する。出力端子１９からは湿度信号のみならず、圧力信号および温度信号も同時、または時分割で出力することができる。

図８に、湿度計測値の圧力依存性を示す。

本実施例の熱式湿度測定装置１は計測値として絶対湿度を出力する。ここでの絶対湿度の定義は測定空気に対する含有水分量の重量比で、具体的には測定空気１ｋｇ中に含まれる水分の質量である。

熱式湿度測定装置１の出力である湿度計測値は圧力依存性があるため、図８に示すように、絶対湿度が同じでも圧力が変化すると湿度計測値も変化する。絶対湿度の特定方法（補正方法）は、図８に示すような湿度計測値の圧力依存特性の近似式を用いて算出する方法や２次元座標上に記憶された絶対湿度を読み出す方法などが挙げられる。

このための近似式や絶対湿度を記憶した２次元座標は、記憶回路（記憶部）２６に記憶される。記憶回路２６は熱式湿度測定装置１に含まれる構成であってもよい。

湿度計測値は温度や空気流量に対しても依存性を有する。そのため、これらの依存性に対して、圧力依存性と同様に、依存特性の近似式や２次元座標を記憶回路２６に記憶し、各温度および各空気流量に対して絶対湿度を特定するように補正する。

本実施例は、第１発熱体４の周辺の空気の流れによって生じる計測誤差を補正することができる。このため、第１発熱体４を空気流の発生する場所に配置することができる。その結果、第１発熱体４を周辺の空気の交換が行われ易い場所に配置でき、高精度化と高速応答とを両立した熱式湿度測定装置１を実現できる。図３において、温度の影響を無視できる場合には、温度センサ２５を配置しない構成も本実施例の対象となる。

［実施例２］
図５に、圧力補正を行う熱式湿度測定装置１の一実施例を示す。

図５の熱式湿度測定装置１は、ブリッジ回路３からの電圧出力（接続部ａ１５の電位）Ｖａ１５を熱式湿度測定装置１周辺の空気の圧力の信号として用い、ブリッジ回路２から得られる湿度信号に含まれる圧力の影響（誤差）を補正する場合の実施例を示している。なお本実施例では、第１発熱体４および第２発熱体１０は空気の流れを無視できる環境（空間）に配置されていることを前提としている。このような空間は特許文献１と同様な空洞部によって実現できる。

本実施例では、図１の熱式湿度測定装置１の他に、湿度信号に含まれる誤差を補正する信号処理回路（信号処理部）１８と、周囲の温度を検出する温度センサ２５とを備える。なお、信号処理回路１８または温度センサ２５のいずれか一つ、或いはこれらの全てが熱式湿度測定装置１に含まれる構成であってもよい。

信号処理回路１８に、出力端子１５から出力される湿度信号と、出力端子１６から出力される信号と、温度センサ２５から出力される温度信号とを入力する。
上述したように、出力端子１６から出力される信号には、空気流量や圧力、温度の情報（成分）が含まれる。信号処理回路１８は、温度センサ２５から出力される温度信号を用いて、出力端子１６から出力される信号（第２出力信号）に含まれる温度成分を取り除くように補正する。これにより、信号処理回路１８は第２出力信号に含まれる圧力成分（圧力信号）を抽出することができる。

信号処理回路１８は、温度信号と抽出した圧力信号とを用いて、温度変動と圧力変動とによる湿度出力誤差（第１出力信号の誤差）を補正し、湿度信号を出力端子１９から出力する。出力端子１９からは湿度信号のみならず、圧力信号および温度信号も同時、または時分割で出力することができる。

本実施例の場合、第１発熱体４は空気の流れが無い場所に配置する必要があるが、圧力センサ１７が不要になるので安価な熱式湿度測定装置を実現できる。図５において、温度の影響を無視できる場合には、温度センサ２５を配置しない構成も本実施例の対象となる。

［実施例３］
図６に、温度信号を出力する熱式湿度測定装置１の一実施例を示す。

図６の熱式湿度測定装置１は、ブリッジ回路３からの電圧出力（接続部ａ１５の電位）Ｖａ１５を湿度測定装置１周辺の空気の温度の信号として用いる場合の実施例である。本実施例では、第１発熱体４および第２発熱体１０は空気の流れを無視できる環境（空間）に配置されていることを前提としている。

本実施例では、第１発熱体４を空気の流れが無い場所に配置し、圧力センサ１７を設ける。圧力センサ１７から出力される圧力信号を用いて、湿度出力誤差（第１出力信号の誤差）を補正することにより、出力端子１９から圧力変動による湿度出力誤差を補正した高精度な湿度信号を出力端子１９から出力することができる。この場合、空気流量変動による湿度出力誤差はないか、無視できるほどに小さいので、補正の必要ない。

この場合、出力端子１６からの信号（第２出力信号）を湿度信号補正に使う必要はない。しかし、出力端子１６からの信号には温度信号も含まれるため、湿度信号の補正とは別に空気温度信号として使うことができる。しかし、第２出力信号には圧力変動の成分（信号）も含まれているため、第２出力信号を信号処理回路１８に入力し、第２出力信号から圧力変動の成分を取り除き、温度信号を抽出する。これにより、出力端子１９から湿度信号、圧力信号および温度信号を同時、または時分割で出力することができる。

図１および実施例１〜実施例３の熱式湿度測定装置１では、ブリッジ回路２からの信号を第２発熱体１０と固定抵抗１１との接続部ａ５から取っているが、図７に示すように、差動増幅器１４の出力端子ａ６から信号（Ｖａ６）をとってもよい。

熱式湿度測定装置は空気中に含まれる水分の量や、湿度計測をする発熱体と空気との温度差の他に空気の流れや周囲空気の圧力でも出力が変化し、湿度計測の誤差要因となる。そのため熱式湿度測定装置では、湿度計測をする発熱体を空気の流れが無い場所に配置する、或いは熱式湿度測定装置近傍に配置した圧力測定装置で周囲空気の圧力を計測して出力信号（計測値）を補正する、などの手段が必要になる。

このような課題に対して、特許文献１には、熱式ガスセンサを熱式空気流量センサと一体にした複合型センサが記載されており、この複合型センサは熱式空気流量センサを設置した副通路と連通するハウジングの空洞部に熱式ガスセンサを設置している（段落００８８参照）。すなわち、特許文献１の複合型センサでは、熱式ガスセンサをハウジングの空洞部に配置することにより、熱式ガスセンサを空気の流れが無い場所（空洞部）に配置している。

しかし、湿度計測をする発熱体を空気の流れが無い場所に配置することは、空気の交換が行われにくくなる為、湿度変化への応答性が悪化するという課題が生じる。

内燃機関の吸気通路の環境を測定する熱式湿度測定装置は、リアルタイムに気体の湿度を測定する必要がある。そのため熱式湿度測定装置には高速な応答性能（以下、高速応答という）が望まれている。高速応答を実現するためには、湿度検出素子を吸気通路に露出させることが望ましい。しかし、湿度検出素子を吸気通路に露出させた場合、内燃機関の高回転運転によって吸気が脈動し、乱流の影響を受けて湿度の測定に悪影響を与える。このため、湿度計測をする発熱体を空気の流れが無い場所、もしくは少ない場所に配置する必要があり、特許文献１の熱式ガスセンサでは、ノイズの少ない高精度な計測と高速応答との両立は難しい。

また、湿度信号の圧力影響を補正する為の圧力センサを配置する構成は製品価格が高くなるという課題がある。

上述した実施例のうち、第２出力信号を用いて第１出力信号（湿度信号）を補正するようにした実施例では、内燃機関の高回転運転などにより吸気脈動する環境においても、高精度と高速応答とを両立した湿度を測定できる湿度測定装置を提供することができると共に、安価な熱式湿度測定装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…熱式湿度測定装置、２…第１発熱体を駆動するブリッジ回路、３…第２発熱体を駆動するブリッジ回路、４…第１発熱体、５，６，７…固定抵抗、８…差動増幅器、９…出力調整回路、１０…第２発熱体、１１，１２，１３…固定抵抗、１４…差動増幅器、１５、１６…出力端子、１７…圧力センサ、１８…信号処理回路、１９…出力端子、２０…基板、２１，２２，２３，２４…電極、２５…温度センサ、２６…記憶装置。

Claims (4)

1. 湿度を検知する第１発熱体を有する第１ブリッジ回路と前記第１発熱体の周辺空気を加熱する第２発熱体を有する第２ブリッジ回路とを備えた熱式湿度測定装置において、
   前記第１ブリッジ回路から第１出力信号を取り出して前記湿度を検知し、
   前記第２ブリッジ回路から少なくとも圧力、空気流量又は空気温度いずれか一つの情報を含む第２出力信号を取り出すことを特徴とする熱式湿度測定装置。
2. 請求項１に記載の熱式湿度測定装置において、
   前記第１出力信号に含まれる誤差を補正する信号処理部と、周囲の圧力を検出する圧力センサと、周囲の温度を検出する温度センサと、を備え、
   前記信号処理部は、前記圧力センサの出力と前記温度センサの出力とを用いて前記第２出力信号から空気流量信号を取り出し、前記圧力センサの出力と前記空気流量信号とを用いて前記第１出力信号を補正することを特徴とする熱式湿度測定装置。
3. 請求項１に記載の熱式湿度測定装置において、
   前記第１発熱体および前記第２発熱体を、空気の流れを無視できる空間に配置し、
   前記第１出力信号に含まれる誤差を補正する信号処理部と、周囲の温度を検出する温度センサと、を備え、
   前記信号処理部は、前記温度センサの出力を用いて前記第２出力信号から圧力信号を取り出し、前記圧力信号を用いて前記第１出力信号を補正することを特徴とする熱式湿度測定装置。
4. 請求項１に記載の熱式湿度測定装置において、
   前記第１発熱体および前記第２発熱体を、空気の流れを無視できる空間に配置し、
   前記第１出力信号に含まれる誤差を補正する信号処理部と、周囲の圧力を検出する圧力センサとを備え、
   前記信号処理部は、前記圧力センサの出力を用いて前記第１出力信号に含まれる誤差を補正すると共に、前記圧力センサの出力を用いて前記第２出力信号から温度信号を取り出すことを特徴とする熱式湿度測定装置。

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