JP7029884B2 - 湿度検出素子及び湿度計 - Google Patents

Description

本発明は、湿度を計測するための湿度検出素子及び湿度計の技術に関する。

湿度検出素子（湿度センサ）や、結露センサとして、特許文献１～３が開示されている。
特許文献１には、「被毒防止層６０は、保護層５０及び電気絶縁基板１０の下側部を被覆するように、被毒防止層用金属酸化物により層状に形成されている。ここで、被毒防止層６０の気孔率は、２０（％）～３５（％）の範囲以内の値となっている」湿度センサ及びその製造方法が開示されている（要約参照）。

また、特許文献２には、「基板上に形成された対向電極、この対向電極と対向電極が絶縁性気孔質金属酸化物で覆われるように形成された有機高分子被覆膜からなる結露センサにおいて、該有機高分子被覆膜にフタロシアニン系がん量を１０ｐｐｍ以上、１００ｐｐｍ以下含有させた」結露センサが開示されている（特許請求の範囲参照）。

さらに、特許文献３には、「基板と、この基板上に形成した対向電極と、この対向電極間と対向電極とを被覆する気孔率２０～６０％の絶縁性多孔質酸化物で形成した乾湿部と、この乾湿部を被覆するように形成した有機高分子被覆からなる結露センサにおいて、該有機高分子被覆はカルボキシル基を含有する高分子が主成分である」結露センサが開示されている（特許請求の範囲参照）。

特開２００５－０６９７１８号公報 特開昭５９－１１６５３５号公報 特開昭６０－２１１３４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は構造が複雑であり、かつ、厚みのある構造を有しているため、小型化に限界がある。
特許文献２，３に記載の技術は、簡単な構造で結露の有無を判定することができる。しかしながら、湿度を計測したり、高い感度を実現したりするためには、さらなる改良が必要である。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、簡単な構造を有する湿度検出素子を実現することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明は、絶縁性の材料で構成される絶縁部と、電圧が印加される印加部と、前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、を有し、前記印加部を構成する電極である印加電極と、前記出力部を構成する電極である出力電極との間の幅は、２０～１６０μｍであるとともに、前記印加電極と、前記出力電極との間に生じるキャパシタンスの湿度に対する変化量が所定の値以上となる値であり、前記印加部と、前記出力部とは、櫛歯の形状を有しており、前記印加電極の前記櫛歯における所定の歯と、前記出力電極の前記櫛歯における所定の歯と、が対向している部分の長さに前記印加電極及び前記出力電極における前記櫛歯の数が乗算された電極総長を９０ｍｍ未満とすることで、前記出力部から出力される前記電圧信号のダイナミックレンジが所定の値以上となるよう設定されることを特徴とする。
その他の解決手段は、実施形態中に適宜記載する。

本発明によれば、簡単な構造を有する湿度検出素子を実現することができる。

第１実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。 湿度検出素子１の断面の模式図である。 水分付着後における湿度検出素子１の原理を示す模式図である。 第１実施形態に係る湿度検出素子１の等価回路を示す図である。 水分付着後における湿度検出素子１を上面からみた模式図である。 湿度と、合成キャパシタンスＣとの関係を示すグラフである。 高湿度下における湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏを示す図である。 低湿度下における湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏを示す図である。 第２実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。 入力電圧Ｖｉの波形例を示す図である。 図１３及び図１５に示す下りのスロープ部２０２ａの湿度変化を示す模式図である。 高湿度下において、図９に示す湿度検出素子１に図１０に示す入力電圧Ｖｉを印加した場合における出力電圧Ｖｏを示す図である。 図１２に示す出力電圧Ｖｏの波形の一部を拡大したものである。 低湿度下において、図９に示す湿度検出素子１に図１０に示す入力電圧Ｖｉを印加した場合における出力電圧Ｖｏを示す図である。 図１４に示す出力電圧Ｖｏの波形の一部を拡大したものである。 第３実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。 図１６に示す湿度検出素子１を用いた入力電圧Ｖｉの周波数と、出力電圧Ｖｏの関係を示すグラフである。 第４実施形態に係る湿度検出素子１ａの上面模式図である。 第５実施形態に係る湿度検出素子１ｂの上面模式図である。 図１９に示す湿度検出素子１ｂを用いた入力電圧Ｖｉの周波数と、出力電圧Ｖｏの関係を示すグラフである。 第６実施形態における湿度検出素子１ｚを示す図である。 第６実施形態に係る湿度検出素子１ｗの別の例を示す図であり、（ａ）は湿度検出素子１ｗの上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの湿度検出素子１ｗの原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの湿度検出素子１ｗの原理を示す模式図を示す。 第７実施形態に係る湿度計４００の構成例を示す図である。 第７実施形態に係る別の湿度計４００ａの構成例を示す図である。 高周波の交流電圧を生成する制御回路４１３の構成を示す機能ブロック図である。 矩形波の交流電圧を生成する制御回路４１３ａの構成を示す機能ブロック図である。 第７実施形態で用いられる制御部４３０の構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る湿度検出素子１ｙの別の例を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、共通の要素には共通の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
（湿度検出素子１の構造）
図１は、第１実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。そして、図２は、湿度検出素子１のＡ－Ａ断面箇所を示す模式図である。
図１及び図２に示すように、湿度検出素子（湿度検出部）１は交流電源５に接続され、印加電極（印加部）２と、出力電極（出力部）３と、絶縁部４とを有している。
印加電極２は、交流電源５によって入力電圧Ｖｉが印加される電極である。
出力電極３は、水分の検出時に出力電圧Ｖｏを検出する電極である。
絶縁部４は、親水性の絶縁物の基板で構成されており、具体的には、絶縁性金属酸化物等、少なくとも表面４１が酸化物で構成されている。つまり、絶縁部４の少なくとも表面４１には酸素原子が配置されている。このような構成とすることで、より多くの水分子１１（図４参照）を付着させることができる。このため、出力電圧Ｖｏを増加させることができ、高感度化を図ることができる。
なお、絶縁部４の形状は基板状でなくてもよい。

また、図２に示すように、出力電極３（３１）と、印加電極２（２１）との間には絶縁部４が介在している。ここで、絶縁部４の表面４１は凹凸のある構造（凹凸部６）を構成している。このように、絶縁部４の表面４１が凹凸部６を有することにより、絶縁部４の表面４１の表面積を増やすことができる。すなわち、絶縁部４の表面４１が凹凸部６を有することにより、より多くの水分子１１（図４参照）を付着させることができる。このため、出力電圧Ｖｏを増加させることができ、高感度化を図ることができる。

なお、図１に示すように、印加電極２及び出力電極３は、櫛歯２１，３１を備える櫛形の形状を有している。そして、印加電極２及び出力電極３は、絶縁部４上で、互いの櫛歯２１，３１が噛み合って対向するように離間して設置されている。このようにすることで、水分付着部（反応部位）の面積を大きくすることができる。

ここで、印加電極２の櫛歯２１と、出力電極３の櫛歯３１とが対向している部分の幅を電極間幅Ｗとすると、Ｗ≧２０μｍである。この条件を条件Ａ１とする。電極間幅Ｗ＜２０μｍとなると、水分が付着していなくても、チリ等の付着で通電する等といった、汚れの影響を受けやすくなってしまう。
また、印加電極２の櫛歯２１と、出力電極３の櫛歯３１とが対向している長さ（オーバラップしている長さ）をＬとし、電極総長Ｌ１＝Ｌ×櫛歯２１，３１の数とする。このとき、電極総長Ｌ１＜９０ｍｍである。この条件を条件Ａ２とする。条件Ａ２については後記する。
湿度検出素子１は、条件Ａ１及び／または条件Ａ２を満たしている。

（水分検出原理）
図３は、水分付着後における湿度検出素子１の原理を示す模式図である。そして、図４は、第１実施形態に係る湿度検出素子１の等価回路を示す図である。また、図５は、水分付着後における湿度検出素子１を上面からみた模式図である。
なお、図３で示される各構成は、図２に示されている各構成と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。また、図５において、図１における構成と同じ構成に対して、同一の符号を付して説明を省略する。

図２で示されるように、水分付着前では、印加電極２の櫛歯２１及び出力電極３の櫛歯３１とは絶縁部４とで接続されているので、出力電極３と、印加電極２との間は通電されていない。従って、印加電極２には交流電圧が印加されているが、出力電極３から電圧は検出されない。

そして、水分が湿度検出素子１の絶縁部４に付着すると、図３に示すように、水分子１１が絶縁部４に付着する。これにより、出力電極３と、印加電極２とは、水分子１１をパスとして通電するようになる。すると、出力電極３から印加電極２に加えられた電圧が検出（出力）される。検出（出力）された電圧に基づき湿度検出素子１は水分を検出する。

ただし、図５に示すように、一般に、水分Ｈ（水分子１１）によって一様に出力電極３と、印加電極２とが導通することはない。つまり、前記したように、印加電極２と、出力電極３との間は電極間幅Ｗだけ離れているため、対抗する櫛歯２１，３１の一部は水分Ｈ１（水分子１１）によって導通しているが、その他は導通していない。

このことを図４を参照して説明する。図４において、レジスタンスＲｂ及びキャパシタンスＣ２は水分子１１が付着して、導通している部分を示している。水分子１１によって導通している部分も、完全に導通するわけではないので、キャパシタンスＣ２が残っている状態となる。水分子１１が付着すればするほど、レジスタンスＲｂが小さくなり、キャパシタンスＣ２が大きくなる。
なお、まったく水分子１１が湿度検出素子１に付着していない状態では、レジスタンスＲｂ＝∞であり、キャパシタンスＣ２＝０である。つまり、レジスタンスＲｂ及びキャパシタンスＣ２は開放状態となっている。

また、図４において、キャパシタンスＣ１は水分子１１が付着していない部分を示すキャパシタンスである。
水分子１１が付着すればするほど、キャパシタンスＣ１は大きくなる。
ここで、入力電圧Ｖｉは一定である。また、レジスタンスＲａ及びキャパシタンスＣａで構成されている回路は、湿度検出素子１の内部抵抗を示している。

ここで、図４の符号１０１で示されている箇所の合成インピーダンスＺは、以下の（１）となる。
Ｚ＝１／（（１／Ｒｂ）＋ｊω（Ｃ１＋Ｃ２））・・・（１）

この合成インピーダンスＺが小さくなると、出力電圧Ｖｏが大きくなる。すなわち、感度が良好となる。

図６は、湿度と、合成キャパシタンスＣとの関係を示すグラフである。
図６において、縦軸は合成キャパシタンスＣを示し、横軸は湿度を示す。ここで、合成キャパシタンスＣは、図４のキャパシタンスＣ１，Ｃ２の合成キャパシタンスである。
グラフ１１１は、電極総長Ｌ１が長く、電極間幅Ｗが狭い場合における湿度－合成キャパシタンスＣの特性を示している。すなわち、グラフ１１１は、前記した条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしていない湿度検出素子の湿度－合成キャパシタンスＣの特性を示している。
そして、グラフ１１２は、電極総長Ｌ１が短く、電極間幅Ｗが広い場合における湿度－合成キャパシタンスＣの特性を示している。すなわち、グラフ１１２は、前記した条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしている湿度検出素子１の湿度－合成キャパシタンスＣの特性を示している。

グラフ１１１は比較的湿度が低い状態で合成キャパシタンスＣが飽和状態となっているのに対し、グラフ１１２は比較的高い湿度にならないと合成キャパシタンスＣが飽和状態とならない。グラフ１１２で使用されている湿度検出素子１は、電極総長Ｌ１が短く、電極間幅Ｗが広い。そのため、グラフ１１１で使用されている素子よりもたくさんの水分子１１が付着しないと合成キャパシタンスＣが飽和状態にならないためである。

合成キャパシタンスＣが飽和状態になるまでの間、つまり、合成キャパシタンスＣが変化している間、式（１）に示すインピーダンスも変化する。合成キャパシタンスＣが変化している間とは、要するに、湿度に対する合成キャパシタンスＣ（印加電極２と、出力電極３との間に生じるキャパシタンス）の変化量が所定の値以上となっている領域のことである。つまり、出力電圧Ｖｏが変化する。従って、合成キャパシタンスＣが変化している間が、湿度の変化を出力電圧Ｖｏの変化として出力可能な範囲である。合成キャパシタンスＣが変化している領域が十分な量であれば、湿度の変化を検出しやすくなる。

このように、電極総長Ｌ１を短くし、電極間幅Ｗを広くすることで、湿度検出素子１における出力電圧Ｖｏのダイナミックレンジを広くすることができる。なお、図６は、電極総長Ｌ１のみを短くした湿度検出素子１、あるいは、電極間幅Ｗのみを広くした湿度検出素子１でも同様の結果を得ることができる。

図７は、高湿度下における湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏを示す図である。また、図８は、低湿度下における湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏを示す図である。
図７及び図８において、縦軸は出力電圧Ｖｏ（Ｖ）を示し、横軸は時間（秒）を示す。
そして、図７及び図８において、破線は電極総長Ｌ１が９０ｍｍである結果を示し、実線は電極総長が９ｍｍである結果を示す。印加電極２に印加される交流電圧の周波数は１０Ｈｚである。なお、図７及び図８において、実線及び破線共に電極間幅Ｗは２０μｍである。すなわち、破線は前記した条件Ａ２を満たしていない湿度検出素子を用いた結果である。

図７及び図８から明らかなように、電極総長Ｌ１＝９０ｍｍ（破線）では、高湿度下及び低湿度下での結果に顕著な差がみられない。これに対して、電極総長Ｌ１＝９ｍｍ（実線）では、高湿度下における出力電圧Ｖｏと、低湿度下における出力電圧Ｖｏに差がみられる。つまり、電極総長Ｌ１＝９ｍｍ（実線）では、高湿度下の方が低湿度下より出力電圧Ｖｏが高くなっている。

図７及び図８に示されるように、電極総長Ｌ１＝９０ｍｍ未満とすることで、湿度による出力電圧Ｖｏの差異が明確に現れるようになる。
なお、図７及び図８では、電極総長Ｌ１の違いを示しているが、電極間幅Ｗを変えても同様の結果を得ることができる。すなわち、電極間幅Ｗを広くすれば、図７及び図８における実線と同様の結果を得ることができ、電極間幅Ｗを狭くすれば、図７及び図８における破線と同様の結果を得ることができる。

このように、前記した条件Ａ１及び／または条件Ａ２を満たす湿度検出素子１は、湿度計測のダイナミックレンジを広げることができ、湿度の違いを計測することができる。

［第２実施形態］
次に、図９～図１５を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、第１実施形態の構成を有する湿度検出素子１に対して、矩形波の入力電圧Ｖｉを印加することを特徴とする。
第１実施形態における湿度検出素子１は、電極間幅Ｗが大きく（例えば、２０μｍ以上）、電極総長Ｌ１が短い（例えば、９０ｍｍ未満）ため、図４に示すキャパシタンスＣ１，Ｃ２、及び、これらの合成キャパシタンスＣが小さくなる。前記した式（１）から入力電圧Ｖｉの角周波数ω、すなわち、周波数ｆが小さいと、合成インピーダンスＺが大きくなってしまい、湿度検出素子１の検出感度が低下する。この課題を解決するため、高周波を含む入力電圧Ｖｉが、湿度検出素子１に印加されるようにする。

図９は、第２実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。
図９において、湿度検出素子１の構成は図１に示す湿度検出素子１と同様の構成を有しているため、説明を省略する。
図９に示す湿度検出素子１が図１に示す湿度検出素子１と異なる点は、矩形波を有する電圧が印加電極２に印加されている点である。

図１０は、入力電圧Ｖｉの波形例を示す図である。
入力電圧Ｖｉは、パルス振幅が５Ｖ、周波数が１０Ｈｚ、デューティー（Ｄｕｔｙ）比が５０％の矩形波である。
図１１については後記する。

図１２は、高湿度下において、図９に示す湿度検出素子１に図１０に示す入力電圧Ｖｉを印加した場合における出力電圧Ｖｏを示す図である。また、図１３は、図１２に示す出力電圧Ｖｏの波形の一部を拡大したものである。
図１３に示すように、出力電圧Ｖｏの波形は、急峻な立ち上がり部２０１、その後に現れる下りのスロープ部２０２ａ、下りのスロープ部２０２ａの後の急峻な立ち下り部２０３、その後に現れる上りのスロープ部２０２ｂを有している。

ここで、図１０に示すような矩形波は、高周波から低周波までの波形が合成されたものである。つまり、図１０に示す矩形波は高周波成分から低周波成分までを含んでいる。すなわち、矩形波は、２種類以上の周波数成分を有する合成波である。なお、本実施形態では、矩形波が入力電圧Ｖｉとして印加されているが、２種類以上の周波数成分を有する合成波であれば、矩形波の形状を有していなくてもよい。
そして、立ち上がり部２０１の振幅２１１は矩形波に含まれる成分のうち、最も高周波の成分に由来するものである。また、下りのスロープ部２０２ａ直後の振幅２１２は、矩形波に含まれる成分のうち、最も高周波の成分に由来するものである。

図１４は、低湿度下において、図９に示す湿度検出素子１に図１０に示す入力電圧Ｖｉを印加した場合における出力電圧Ｖｏを示す図である。また、図１５は、図１４に示す出力電圧Ｖｏの波形の一部を拡大したものである。なお、図１５における各部２０１～２０３，２１１，２１２は、図１３における各部２０１～２０３，２１１，２１２と同様であるため、ここでの説明を省略する。
図１２と、図１４を比較すると明らかなように、高湿度下（図１２）の方が低湿度下（図１４）よりも高い出力電圧Ｖｏを出力している。

そして、図１３と、図１５とを比較すると明らかなように、立ち上がり部２０１の振幅２１１は、高湿度下（図１３）の方が低湿度下（図１５）よりも高い値となっている。同様に、下りのスロープ部２０２ａ直後の振幅２１２についても、高湿度下（図１３）の方が低湿度下（図１５）よりも高い値となっている。

そして、第２実施形態では、例えば、振幅２１１の値と、振幅２１２の値との平均をとる等することで、二重チェックを行うことができる。このため、第２実施形態によれば、データの信頼性を向上させることができる。
なお、ここでは、振幅２１１の値と、振幅２１２の値との平均をとっているが、重み付けを行ってもよい。重み付けは、例えば、振幅２１１の値を０．８倍したものと、振幅２１２の値を０．２倍したものを加算する等である。また、振幅２１１の値と、振幅２１２の値と、下りのスロープ部２０２ａにおける任意の値とを平均したり、重み付けを行ったものが用いられたりしてもよい。また、上りのスロープ部２０２ｂにおける値が用いられてもよい。

図１１は、図１３及び図１５に示す下りのスロープ部２０２ａの湿度変化を示す図である。
図１１の縦軸は出力電圧Ｖｏを示し、横軸は時間を示す。
図１１のスロープ２０２ａＡ～２０２ａＣは、図１３及び図１５における下りのスロープ部２０２ａを示す。そして、振幅２１１Ａ～２１１Ｃ（出力電圧）は、図１３及び図１５における振幅２１１に相当する。また、振幅２１２Ａ～２１２Ｃ（出力電圧）は、図１３及び図１５における振幅２１２に相当する。なお、わかりやすくするため、スロープ部２０２ａＡ～２０２ａＣは、図１３及び図１５におけるスロープ部２０２ａの形状を正確に反映しているわけではない。
そして、湿度が高くなるほど、スロープ２０２ａは、スロープ２０２ａＣ→スロープ２０２ａＢ→スロープ２０２ａＡへと移行する。すなわち、図１１に示すように、湿度が高ければ高いほど、立ち上がりの振幅２１１の値が大きくなり、同様に振幅２１２の値も大きくなる。
ちなみに、上りのスロープ部２０２ｂの湿度変化は、図１１の時間軸で反転させたものとなる。

第２実施形態の湿度検出素子１は、例えば、図１３及び図１５で説明したように、データの信頼性を向上させることができる。

［第３実施形態］
次に、図１６、図１７を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では、第１実施形態の構成を有する湿度検出素子１に対して、高周波の交流電圧を印加することを特徴とする。
図１６は、第３実施形態に係る湿度検出素子１の上面模式図である。
図１６において、湿度検出素子１の構成は図１に示す湿度検出素子１と同様の構成を有しているため、説明を省略する。
図１６に示す湿度検出素子１が図１に示す湿度検出素子１と異なる点は、高周波の交流電圧が印加電極２に印加されている点である。

ここで、図４を参照して、検出感度と、周波数との関係を説明する。
前記した条件Ａ１及び条件Ａ２のため、キャパシタンスＣ１，Ｃ２は大きな値とはならない。そのため、式（１）から、入力電圧Ｖｉの角周波数ω、すなわち、周波数ｆが小さいと、合成インピーダンスＺが大きくなってしまい、湿度検出素子１の検出感度が低下する。そのため、入力電圧Ｖｉの周波数ｆが大きくなるようにする。

図１７は、図１６に示す湿度検出素子１を用いた入力電圧Ｖｉの周波数と、出力電圧Ｖｏの関係を示すグラフである。ここで、示されているグラフは実験によって得られたものである。
図１７において、縦軸は出力電圧Ｖｏ（Ｖ）を示し、横軸は入力電圧Ｖｉの周波数（Ｈｚ）を示している。そして、使用される湿度検出素子１の条件は、電極総長Ｌ１＝４８ｍｍ、電極間幅Ｗ＝１６０μｍである。すなわち、前記した条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしている湿度検出素子１が用いられている。
図１７では、出力電圧Ｖｏの値が低ければ低いほど検出感度が低いことが示され、好ましくない。
図１７に示されるように、プロット点は１００Ｈｚから出力電圧Ｖｏがほぼ横ばいとなっている。従って、入力電圧Ｖｉの周波数は１００Ｈｚ以上とする。つまり、周波数に対する湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏの変化量が所定の値以下となる領域内の値となるよう、入力電圧Ｖｉの周波数が設定される。

第３実施形態の湿度検出素子１は、図１７を参照して説明したように良好な検出感度を得ることができる。

［第４実施形態］
次に、図１８を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
図１８は、第４実施形態に係る湿度検出素子１ａの上面模式図である。
図１８において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１８における湿度検出素子１ａが、図１と異なる点は、第１実施形態における条件Ａ１及び条件Ａ２が満たされていない点である。
つまり、湿度検出素子１ａは、電極間幅Ｗ＜２０μｍ、かつ、電極総長Ｌ１≧９０ｍｍである。
そして、湿度検出素子１ａには、入力電圧Ｖｉとして、矩形波が印加電極２に印加されている。なお、第２実施形態で説明したように、矩形波は、２種類以上の周波数成分を有する合成波である。なお、本実施形態では、矩形波が入力電圧Ｖｉとして印加されているが、２種類以上の周波数成分を有する合成波であれば、矩形波の形状を有していなくてもよい。

このような湿度検出素子１ａによる出力電圧Ｖｏの時間波形は、図１２～図１５に示すものと同様であるので、図示及び説明を省略する。

第４実施形態によれば、条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしていない湿度検出素子１ａにおいても、第２実施形態と同様にデータの信頼性を向上させることができる。

［第５実施形態］
次に、図１９、図２０を参照して、本発明の第５実施形態について説明する。
図１９は、第５実施形態に係る湿度検出素子１ｂの上面模式図である。
図１９において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１９における湿度検出素子１ｂが、図１と異なる点は、第１実施形態における条件Ａ１及び条件Ａ２が満たされていない点である。
つまり、湿度検出素子１ｂは、電極間幅Ｗ＜２０μｍ、かつ、電極総長Ｌ１≧９０ｍｍである。要するに、湿度検出素子１ｂは、図１８に示す湿度検出素子１ａと同様の構成を有している。
そして、入力電圧Ｖｉとして、高周波（１００Ｈｚ以上）のサイン波の交流電圧が印加電極２に印加されている。この点が、図１９に示す湿度検出素子１ａと異なっている。

図２０は、図１９に示す湿度検出素子１ｂを用いた入力電圧Ｖｉの周波数と、出力電圧Ｖｏの関係を示すグラフである。ここで、示されているグラフは実験によって得られたものである。
図２０において、縦軸は出力電圧Ｖｏ（Ｖ）を示し、横軸は入力電圧Ｖｉの周波数（Ｈｚ）を示している。
図２０において、プロット点３０１（四角のプロット点）は電極総長Ｌ１＝４８ｍｍ、電極間距離１６０μｍの条件の湿度検出素子１が使用されたときの実験値である。つまり、プロット点３０１は、図１７に示すグラフのプロット点と同じであり、条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしている湿度検出素子１を用いて得られる結果である。

これに対し、プロット点３０２（白抜きの菱型のプロット点）は電極総長Ｌ１＝７２ｍｍ、電極間距離４０μｍの条件の湿度検出素子１が使用されたときの実験値である。すなわち、プロット点３０２は、第１実施形態における条件Ａ２を満たしていない湿度検出素子１ｂが使用されたときの実験値を示している。また、プロット点３０２で用いられている湿度検出素子１は、条件Ａ１をみたしているものの、プロット点３０１で用いられている湿度検出素子１よりも電極総長Ｌ１が長いものである。

図２０から明らかなように、プロット点３０２の方がプロット点３０１よりも大きい値を示している。これは、電極総長Ｌ１が長く、電極間幅Ｗが狭いを満たしていない湿度検出素子１の方が、電極総長Ｌ１が長く、電極間幅Ｗが広い（条件Ａ１及び条件Ａ２を満たしている）湿度検出素子１よりも感度がよいことを示している。

図２０に示されるように、プロット点３０２は１００Ｈｚから出力電圧Ｖｏがほぼ横ばいとなっている。従って、入力電圧Ｖｉの周波数は１００Ｈｚ以上とする。つまり、周波数に対する湿度検出素子１ｂの出力電圧Ｖｏの変化量が所定の値以下となる領域内の値となるよう、入力電圧Ｖｉの周波数が設定される。

このように、第５実施形態によれば、感度のよい湿度検出素子１ｂを実現することができる。

［第６実施形態］
図２１は、第６実施形態における湿度検出素子１ｚを示す図である。
図２１に示す湿度検出素子１ｚでは、複数の湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・が並列に接続されている。
湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・は、第１実施形態の湿度検出素子１が用いられる。ただし、湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・のそれぞれは電極総長Ｌ１及び／または電極間幅Ｗが異なっている。例えば、湿度検出素子１Ａの電極間幅ＷをＷＡとする。そして、湿度検出素子１Ｂの電極間幅ＷをＷＢとする。さらに、湿度検出素子１Ｃの電極間幅ＷをＷＣとする。そして、２０μｍ＜ＷＡ＜ＷＢ＜ＷＣの関係があるとする。湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・のそれぞれには、入力電圧Ｖｉが印加されている。
なお、図２１では、３つ以上の湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・が接続されているが、２つの湿度検出素子１Ａ，１Ｂが接続されている構成でもよい。

このようにすることで、湿度検出素子１Ａの合成キャパシタンスＣが飽和状態（図６参照）となっても、湿度検出素子１Ｂで計測を継続することができる。また、湿度検出素子１Ｂの合成キャパシタンスＣが飽和状態となっても、湿度検出素子１Ｃで計測を継続することができる。電極間幅Ｗの代わりに電極総長Ｌ１を変化させても同様の結果を得ることができる。

このように、電極総長Ｌ１及び／または電極間幅Ｗが異なっている湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・を並列に接続することで、出力電圧Ｖｏ（検出電圧）のダイナミックレンジを広げることができる。

なお、ここでは、第１実施形態の湿度検出素子１が並列に接続されている例を示しているが、第２～５実施形態の湿度検出素子１，１ａ，１ｂが並列に接続されてもよい。このようにしても、出力電圧Ｖｏのダイナミックレンジを広げることができる。
例えば、湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・に、第２実施形態の湿度検出素子１が用いられる場合、デューティー（Ｄｕｔｙ）比等が少しずつ変化するようにする。
そして、湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・に、第３実施形態の湿度検出素子１が用いられる場合、印加される周波数が少しずつ変化するようにする。

また、湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・に、第４実施形態の湿度検出素子１ａが用いられる場合、デューティー（Ｄｕｔｙ）比等が少しずつ変化するようにする。
さらに、湿度検出素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，・・・に、第５実施形態の湿度検出素子１ｂが用いられる場合、印加される周波数が少しずつ変化するようにする。

図２２は、第６実施形態に係る湿度検出素子１ｗの別の例を示す図であり、（ａ）は湿度検出素子１ｗの上面図を示し、（ｂ）は低温タイプの湿度検出素子１ｗの原理を示す模式図を示し、（ｃ）は高温タイプの湿度検出素子１ｗの原理を示す模式図を示す。
湿度検出素子１ｗは、低温タイプの湿度検出素子１Ｄと、高温タイプの湿度検出素子１Ｅとが並列に接続されている。
また、湿度検出素子１ｗを構成する湿度検出素子１Ｄ，１Ｅは、前記したように絶縁部４が凹凸部６を有している。

この凹凸部６は、図２２に示すように低温環境下（所定の温度以下の環境下）で使用する低温タイプと、高温環境下（所定の温度以上の環境下）で使用する高温タイプとで区別することができる。
すなわち、図２２（ｂ）に示すように低温タイプの湿度検出素子１Ｄは、高温タイプの湿度検出素子１Ｅより凹凸部６ａ（６）の凹凸を小さくする。逆に高温タイプの湿度検出素子１Ｅでは図２２（ｃ）に示すように低温タイプより凹凸部６ｂ（６）の凹凸を大きくしている。
高温では飽和水蒸気量が大きくなるため、湿度（相対湿度）が低くなる。このため、高温タイプでは、凹凸部６ｂの凹凸を大きくすることで、水分（水分子１１（図３参照））が付着しやすいようにしている。このようにすることで、湿度が低い高温環境下でも適切に動作する湿度検出素子１Ｅを提供することができる。

逆に、低温では飽和水蒸気量が小さくなるため、湿度（相対湿度）が高くなる。このような状態では、高温タイプのように凹凸部６の凹凸を大きくすると、水分（水分子１１）が付着しすぎることになる。このため、低温タイプの湿度検出素子１Ｄでは、凹凸部６ａの凹凸を小さくすることで、高温タイプの湿度検出素子１Ｅよりも水分（水分子１１）が付着しにくいようにしている。このようにすることで、湿度が高くなる低温環境下でも、適切に動作する湿度検出素子１Ｄを提供することができる。

また、図２２（ａ）に示すように、低温タイプの湿度検出素子１Ｄと、高温タイプの湿度検出素子１Ｅとに、交流電源５から交流電圧が印加されている。このような構成とすることで、低温環境下及び高温環境下のいずれでも使用できる湿度検出素子１ｗを提供することができる。

なお、図２２の例では、凹凸部６の凹凸の大きさを低温タイプ及び高温タイプの２種類としたが、３種類以上としてもよい。すなわち、体温タイプから高温タイプとなるにつれて、凹凸を大きくすることで、低温タイプと、高温タイプの中間の温度に適した絶縁部４を有する湿度検出素子１ｗが提供されてもよい。なお、環境気温に応じて、低温タイプの湿度検出素子１Ｄと、高温タイプの湿度検出素子１Ｅとを切替可能としてもよい。

ここで、凹凸部６の凹凸は図２２に示すような山形としてもよいし、突起状としてもよい。あるいは、ランダムな形状にする等、山形や突起状以外の形状で凹凸部６の凹凸が形成されてもよい。

ここで、低温タイプの湿度検出素子１Ｄと、高温タイプの湿度検出素子１Ｅとして、第１～第５実施形態の湿度検出素子１，１ａ，１ｂを適用することができる。すなわち、湿度検出素子１Ｄ，１Ｅの電極間幅Ｗや、電極総長Ｌ１が、前記した条件Ａ１及び／または条件Ａ２を満たしていれば、第１～第３実施形態の湿度検出素子１が適用される。また、湿度検出素子１Ｄ，１Ｅの印加電極２に印加される電圧が矩形波であれば、第２実施形態及び第４実施形態が適用される。さらに、湿度検出素子１Ｄ，１Ｅの印加電極２に印加される電圧が高周波（１００Ｈｚ以上）の交流電圧であれば、第２実施形態及び第４実施形態が適用される。

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態として、湿度検出素子１（１ａ，１ｂ，１ｚ）が備えられた湿度計４００について説明する。
図２３は、第７実施形態に係る湿度計４００の構成例を示す図である。
湿度計４００では、回路基板４１１に湿度検出素子１、温度検出素子４１２、制御回路（本体部）４１３及び結果表示器４１４が備えられている。
湿度検出素子１には、第１～第３実施形態の湿度検出素子１、第４実施形態の湿度検出素子１ａ、第５実施形態の湿度検出素子１ｂ及び第６実施形態の湿度検出素子１ｚを使用することができる。

温度検出素子４１２は、環境温度を計測する。温度検出素子４１２によって取得された環境温度は、湿度の補正や、不快指数や、飽和水蒸気量、絶対湿度の算出等に用いられる。このように、湿度計４００は、温度検出素子４１２を備えることにより、湿度計４００は湿度の補正や、不快指数や、飽和水蒸気量、絶対湿度の算出等を行うことができる。
結果表示器４１４は、湿度検出素子１で検出された湿度等を表示する。
制御回路４１３は、湿度検出素子１の出力電圧Ｖｏを湿度に変換する。このような変換は、制御回路４１３において予め格納されている出力電圧－湿度変換マップ等を基に行われる。
そして、制御回路４１３は、必要に応じて、温度検出素子４１２で測定された環境温度で湿度を補正する。続いて、制御回路４１３は、湿度等を結果表示部に表示する。

図２３に示される回路基板４１１は筺体４１０に収納され、周囲の湿度を測定したり、呼気を吹きかけて、呼気中の湿度を測定したりする。

図２４は、第７実施形態に係る別の湿度計４００ａの構成例を示す図である。
図２４において、図２３と同様の構成については図２４と同一の符号を付して説明を省略する。
図２４に示す湿度計４００ａが、図２３に示す湿度計４００と異なる点は、湿度検出素子１がケーブル４１５によって制御回路４１３に接続されている点である。湿度検出素子１は、ケーブル４１５によって筺体４１０の外部に配置されている。
このようにすることで、湿度計４００ａは、狭い空間等に湿度検出素子１を差し込んで、そこの湿度を計測することができる。

図２５は、高周波の交流電圧を生成する制御回路４１３の構成を示す機能ブロック図である。
制御回路４１３は、メモリ４０１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０２、入力端子４０３、ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４、交流端子４０５、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６及び直流端子４０７を有する。
メモリ４０１には、プログラムがＣＰＵ４０２によって実行されることで、制御部４３０が具現化している。
制御部４３０は、図示しない入力装置を介して入力された情報に基づいてＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４や、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６に指示を送る。

ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４は、制御部４３０から送られた指示に基づいて、交流電源５から入力された交流電圧の周波数及び電圧を変換し、交流端子４０５へ出力する。交流端子４０５には、湿度検出素子１が接続される。
また、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６は、制御部４３０から送られた指示に基づいて、交流電源５から入力された交流電圧の電圧を変換し、さらに交流電流を直流電流に変換して直流端子４０７へ出力する。直流端子４０７には、温度検出素子４１２が接続される。

なお、図２５に示す制御回路４１３の構成は一例であり、図２５に示す構成に限らない。例えば、水晶発振器を用いて交流信号（交流電圧）を発生させてもよい。
入力端子４０３には、湿度検出素子１や、温度検出素子４１２が接続され、湿度検出素子１の検出信号や、温度検出素子４１２からの検出信号が入力される。
なお、温度検出素子４１２は省略可能である。

図２５に示す制御回路４１３は、第３実施形態や、第５実施形態の湿度検出素子１，１ｂに用いられる。

図２６は、矩形波の交流電圧を生成する制御回路４１３ａの構成を示す機能ブロック図である。
なお、図２６において、図２５に示す構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図２６に示す制御回路４１３ａが図２５に示す制御回路４１３と異なる点は、以下の通りである。
（１）ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４の代わりに、矩形波生成回路４２１が配置されている。
（２）矩形波生成回路４２１が矩形波端子４２２に接続されている。

このような構成により、制御回路４１３ａでは矩形波端子４２２が矩形波を出力する。図２６に示す制御回路４１３ａは、第２実施形態や、第４実施形態の湿度検出素子１，１ａに用いられる。

図２７は、第７実施形態で用いられる制御部４３０の構成を示す機能ブロック図である。
制御部４３０は、図２５及び図２６における制御部４３０である。
制御部４３０は、計測制御部４３１、解析部４３２、温度データ記憶部４３３及び湿度データ記憶部４３４を有している。
計測制御部４３１は、図示しない入力装置を介して入力された周波数を基に、ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４を制御する。その結果、ＡＣ／ＡＣインバータ回路４０４から入力装置を介して入力された周波数の交流電圧が出力される。また、計測制御部４３１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路４０６を制御して、温度検出素子４１２に最適な直流電圧を出力する。
そして、計測制御部４３１は、図示しない入力装置を介して入力されたデューティー（Ｄｕｔｙ）比等を基に、矩形波生成回路４２１を制御する。なお、計測制御部４３１が矩形波生成回路４２１を制御するのは、図２６に示す制御回路４１３ａに制御部４３０が搭載されている場合である。その結果、矩形波端子４２２から入力装置を介して入力されたデューティー比の矩形波電圧が出力される。

解析部４３２は、入力端子４０３から入力される湿度検出素子１や、温度検出素子４１２の検出信号を、湿度や、温度に変換する。具体的には、予めメモリ４０１に格納されれているマップ等を基に検出信号から、湿度、温度への変換が行われる。また、解析部４３２は、前記したように、温度を基に不快指数や、飽和水蒸気量、絶対湿度の算出等を行う。

温度データ記憶部４３３には、解析部４３２で変換された温度の値が、例えば時系列で格納される。湿度データ記憶部４３４には、解析部４３２で変換された湿度の値が、例えば時系列で格納される。

なお、制御部４３０がＰＣ（Personal Computer）で実行されてもよい。すなわち、図２５または図２６に示すメモリ４０１及びＣＰＵ４０２がＰＣに搭載されていてもよい。
あるいは、計測制御部４３１のみが、制御回路４１３で実行されてもよい。この場合、解析部４３２がＰＣで実行され、温度データ記憶部４３３及び湿度データ記憶部４３４がＰＣに搭載されてもよい。

（変形例）
図２８は、本実施形態に係る湿度検出素子１ｙの別の例を示す図である。なお、図２８において、図１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図２８に示す湿度検出素子１ｙ（１）では、印加電極２ａ（２）及び出力電極３ａ（３）が渦巻き状となっている。このように、出力電極３及び印加電極２は、図１に示すような櫛歯となっていなくてもよい。

図２８における湿度検出素子１ｙの電極間幅Ｗや、電極総長Ｌ１が前記した条件Ａ１及び／または条件Ａ２を満たしている場合、第１～３実施形態の湿度検出素子１となる。
また、図２８における湿度検出素子１ｙの印加電極２ａに矩形波の電圧が印加されれば、第２，４実施形態の湿度検出素子１，１ａとなる。
そして、図２８における湿度検出素子１ｙの印加電極２ａに１００Ｈｚ以上の高周波交流電圧が印加されれば、第３，５実施形態の湿度検出素子１，１ｂとなる。

本発明は前記した実施形態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、前記した実施形態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、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。

例えば、本実施形態の湿度検出素子１（１ａ，１ｂ，１ｗ，１ｙ，１ｚ）は、アルコールセンサと組み合わせて用いられることにより、アルコール検知に用いられることができる。ここで、アルコールセンサは、エタノールセンサ、アセトアルデヒドセンサ、水素センサ等を組み合わせたものである。特に、湿度検出素子１で十分な呼気が導入されたか否かを検知した後、アルコールセンサによって検知されたアルコール濃度が呼気中のアルコール濃度であるか否かを判定することが可能である。

また、第３実施形態及び第５実施形態において、湿度検出素子１，１ｂに印加される電圧は１００Ｈｚ以上の単周波数の交流電圧と想定している。しかしながら、これに限らず、少なくとも１００Ｈｚ以上の周波数成分を含むものであれば、複数の周波数成分を含む電圧が印加されてもよい。

ちなみに、本実施形態の湿度検出素子１（１ａ，１ｂ，１ｗ，１ｙ，１ｚ）は、数秒程度の時間で湿度の計測を行うことができる。

また、前記した各構成、機能、各部４３０～４３２、温度データ記憶部４３３、湿度データ記憶部４３４等は、それらの一部またはすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図２５、図２６に示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ４０２等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、ＨＤ（Hard Disk）に格納すること以外に、メモリ４０１や、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カードや、ＳＤ（Secure Digital）カード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｗ，１ｙ，１ｚ，１Ａ～１Ｅ 湿度検出素子
２，２ａ 印加電極（印加部）
３，３ａ 出力電極（出力部）
４，４ａ，４ｂ 絶縁部
５ 交流電源
６,６ａ，６ｂ 凹凸部
１１ 水分子
４００，４００ａ 湿度計
４０３ 入力端子
４０４ ＡＣ／ＡＣインバータ回路
４０５ 交流端子
４１０ 筺体
４１１ 回路基板
４１２ 温度検出素子
４１３ 制御回路（本体部）
４１４ 結果表示器
４２１ 矩形波生成回路
４２２ 矩形波端子
４３０ 制御部
４３１ 計測制御部
４３２ 解析部
Ｈ，Ｈ１ 水分

Claims (13)

1. 絶縁性の材料で構成される絶縁部と、
   電圧が印加される印加部と、
   前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、
   を有し、
   前記印加部を構成する電極である印加電極と、前記出力部を構成する電極である出力電極との間の幅は、２０～１６０μｍであるとともに、前記印加電極と、前記出力電極との間に生じるキャパシタンスの湿度に対する変化量が所定の値以上となる値であり、
   前記印加部と、前記出力部とは、櫛歯の形状を有しており、
   前記印加電極の前記櫛歯における所定の歯と、前記出力電極の前記櫛歯における所定の歯と、が対向している部分の長さに前記印加電極及び前記出力電極における前記櫛歯の数が乗算された電極総長を９０ｍｍ未満とすることで、前記出力部から出力される前記電圧信号のダイナミックレンジが所定の値以上となるよう設定される
   ことを特徴とする湿度検出素子。
2. 前記印加電極と、前記出力電極との間の幅がそれぞれ異なる複数の前記湿度検出素子が並列に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の湿度検出素子。
3. 前記電極総長がそれぞれ異なる複数の前記湿度検出素子が並列に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の湿度検出素子。
4. 前記電圧は、２種類以上の周波数成分を有する合成波を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の湿度検出素子。
5. 前記電圧は、交流電圧であり、
   前記交流電圧の周波数は、前記周波数に対する前記湿度検出素子の出力電圧の変化量が所定の値以下となる領域内の値である
   ことを特徴とする請求項１に記載の湿度検出素子。
6. 前記絶縁部は、
   少なくとも表面に酸素原子が配置した構造で構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の湿度検出素子。
7. 前記絶縁部は、
   絶縁性金属酸化物である
   ことを特徴とする請求項６に記載の湿度検出素子。
8. 前記絶縁部は、
   前記水分子が付着する面に凹凸を有する凹凸部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の湿度検出素子。
9. 前記櫛歯が互いに噛み合うように設置される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の湿度検出素子。
10. 湿度検出素子を備える湿度計において、
    前記湿度検出素子は、
    絶縁性の材料で構成される絶縁部と、
    電圧が印加される印加部と、
    前記印加部に前記印加された電圧によって、前記絶縁性の材料の表面に付着した水分子を介した電気経路に流れる電流に応じた電圧信号を出力する出力部と、
    を有し、
    前記印加部を構成する電極である印加電極と、前記出力部を構成する電極である出力電極との間の幅は、２０～１６０μｍであるとともに、前記印加電極と、前記出力電極との間に生じるキャパシタンスの湿度に対する変化量が所定の値以上となる値であり、
    前記印加部と、前記出力部とは、櫛歯の形状を有しており、
    前記印加電極の前記櫛歯における所定の歯と、前記出力電極の前記櫛歯における所定の歯と、が対向している部分の長さに前記印加電極及び前記出力電極における前記櫛歯の数が乗算された電極総長を９０ｍｍ未満とすることで、前記出力部から出力される前記電圧信号のダイナミックレンジが所定の値以上となるよう設定される
    ことを特徴とする湿度計。
11. 前記印加部には、２種類以上の周波数成分を有する合成波の電圧が印加される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の湿度計。
12. 前記電圧は、交流電圧であり、
    前記交流電圧の周波数は、前記周波数に対する前記湿度検出素子の出力電圧の変化量が所定の値以下となる領域内の値である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の湿度計。
13. 温度検出素子を備える
    ことを特徴とする請求項１０または請求項１２に記載の湿度計。

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