JPH0113055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、空調機、乾燥機あるいは食品調理器
などの水分検出や温度検出などに利用される温度
湿度検知素子および該素子を用いた検知装置に関
するものである。 一般に、水分検出には感湿抵抗体素子などが使
用され、温度検出には熱電対やサーミスタなどが
使用される。前記感湿抵抗体は、湿度に敏感に感
応してその抵抗値を変化させる特性を有し、湿度
測定素子としてあるいは湿度調節用のセンサーと
して使用されている。周知のように、上記感湿抵
抗体は吸水性に優れるFe₂O₃、Al₂O₃などの金属
酸化物からつくられている。一方、各種の機器に
おいて湿度のみあるいは温度のみの検出を行えば
足りる場合は少なく、ほとんどの場合双方を検出
する必要がある。たとえば空調関係にあつては、
快適温度と健康湿度とを同時に制御する必要があ
る。そのため、従来は温度・湿度検出に温度検出
素子と湿度検出素子とを使用し、それぞれの回路
を別個独立に構成して二系統の回路構成を採るこ
とによりその要望に応えていた。したがつて、回
路構成が複雑となり、しかもコストアツプが余儀
なくされていた。 また、最近、周知のように産業界全般にシステ
ム化が進み、冷暖房器具の湿度制御、乾燥機の水
分検知と温度検知、電子レンジなどの食品調理の
湿度検知と温度検知など、湿度検知と温度検知を
同一の単一素子で検知する温度湿度センサの応用
分野は多くある。しかし、これらの用途において
広い範囲の温度及び湿度を精度よく安定して計測
できる高信頼度の温度湿度センサは非常に得られ
にくく、そのためこれらの用途における温度湿度
検知システムは実現していないのが現状である。
このようなシステム化に必要な温度湿度センサの
開発が難しい理由は、センサを水蒸気だけでなく
さまざまな成分を含んだ空気中に露出して使用し
なければならず、その成分によつてはセンサの材
質と化学変化を起こすものがあり、またセンサの
表面に付着して湿度検出機能を劣化させるものも
あるからである。また、湿度は空気中の水蒸気の
温度にも関係して広範囲にわたつて変化する。従
つて、ほとんどの材質は湿度に感応するけれで
も、ひとつのセンサで全領域をカバーすることは
困難である。これまでの相対湿度パーセントセン
サでは、その使用範囲は、相対湿度が20％以上、
温度も80℃以下であり、今までは低い湿度から高
湿度までかつ広い温度範囲で感応する高感度な材
料は無かつた。そして、これらの問題が同時に解
決されないと高信頼性で使い易いセンサを得るこ
とはできない。 その中にあつて、水分吸着による電気的性質の
変化をいかに高信頼性と高精度の素子に実現する
かの努力がつづけられている。最近の流れとして
は熱的に安定な金属酸化物系磁器湿度センサが有
望視されている。しかし、金属酸化物材料も吸着
現象による劣化は避けられない。その反面、熱的
に安定であるので、たとえ劣化しても、たとえば
ヒータを上記湿度センサの近傍に付与して加熱処
理を行うことにより容易に再生できるようにした
ものもある。しかしかかるセンサは、検知するご
とに加熱クリーニングを必要とするので、検知回
路と同時に加熱クリーニング回路を要し、かつ余
分な電力を必要とするのみならず、湿度制御が非
連続的となるなどの欠点につながる。 又、すでに明らかなように、一般に金属酸化物
系は水分分子に対する吸着エネルギーが非常に小
さいため、水分分子は簡単に吸着又は放出され、
この性質を利用して湿度センサとして応用してい
る。すなわち、この金属酸化物を利用した湿度セ
ンサでは、吸着エネルギーが非常に小さいため、
高湿度側では吸脱着現象によつて大きな抵抗変化
があり、これによつて湿度を電気的に検出するこ
とができるのである。したがつて、この湿度セン
サの用途は、たとえば結露点の検出という様な領
域あるいは改良されたものでは30％以上の相対湿
度の領域での雰囲気の制御に限定されていた。 さらにまた、上記金属酸化物系湿度センサで
は、アルミニウム薄板の表面酸化による酸化アル
ミニウム薄膜の利用、あるいはコロイド粒子の利
用、ガラス成分と混合したグレーズ膜、磁器の形
での利用など数多く知られているが、いずれも表
面の汚染による劣化が解決されていない。 本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、劣
化を受けにくい構造を有しかつ単一素子で温度お
よび湿度の双方を検知できる高感度で高信頼性の
温度湿度検知素子を提供することを目的とする。 そのため本発明は誘電率温度依存性をもつ金属
酸化物系誘電体磁器を多孔質化し、温度変化によ
る電気インピーダンス変化と水分吸着による電気
インピーダンス変化とで温度、湿度の両方を検知
する温度湿度検知素子を提供する。すなわち本発
明は、湿度検知の場合多孔質による水分吸着によ
つてその電気抵抗が変化するものであり、又温度
検知の場合温度変化による誘電率変化を静電容量
あるいはインピーダンス変化の形で電気信号とし
て取り出すものである。本発明の素子において
は、印加電源周波数が低周波域にある場合、誘電
体磁器の誘電容量成分によるインピーダンスが高
く、しかも湿度変化によるインピーダンス変化が
前記誘電容量成分の変化によるインピーダンス変
化より支配的である。したがつて、低周波領域で
は感湿体としてこれを湿度検出に供することがで
きる。又、高周波領域では、前記誘電容量成分に
よるインピーダンスが低くなり、しかも湿度変化
によつて温度検出が影響されない。たとえば温度
変化による誘電率の温度依存性が支配的になる。
したがつて高周波領域では温度検出に供すること
ができる。 本発明はまた上記誘電体磁器に印加する電源周
波数を変化させて温度と湿度とを検出できるよう
にした温度湿度検知装置の提供を目的とする。 以下本発明をその実施例に基づいて説明する。 第１図に本発明に係る感温感湿素子の構造を示
し、該素子１は、誘電率温度依存性をもつ金属酸
化物系誘電体を多孔質化してなる誘電体磁器２
と、その両面に取付けた電極３とから成つてい
る。 まず、誘電体磁器２の１例についてその製造を
説明すると、出発原料としてBaCO₃を0.5モル、
TiO₂を１モル、SrCO₃を0.5モル各々秤量して湿
式で混合し、これを乾燥して粉末とした。次にこ
の粉末原料を1200℃で２時間仮焼を行なつて粉末
とした。次にこの粉末を４×４×0.25mmの寸法に
成形して900℃〜1500℃の温度で焼成して磁器化
させた。金属単体酸化物、MgCr₂O₄−TiO₂など
の複合金属酸化物などの磁器についても同様な方
法で製造することができる。 また、これら誘電体磁器２の気孔径及び気孔率
は、焼成温度やホツトプレス法の採否並びに条件
などの焼結条件によつて制御することができる。
上記製造法によるBa0.5Sr0.5TiO₂系磁器におい
て、その焼成条件によつて気孔が制御される様子
を第１表に示す。

【表】 ＊は比較例
前記電極３は、例えばRuO₂系電極ペーストを
用いて800℃で焼付けることによつて形成できる。
尚、RuO₂系以外にAg、Ni、Zn、Cr、Pd、Au、
Pt、Sn、Cu、Al、In系についても同様の効果が
得られる。また電極３も多孔質からなつている。 次に上記感湿感温素子１の湿度特性、温度特性
及び周波数−電気インピーダンス特性をそれぞれ
調べた。供試素子は上記のBa0.5Sr0.5TiO₃系磁
器２にRuO₂系電極３を形成したものである。第
２図、第３図及び第４図にその結果を示す。第２
図によれば、低周波領域（10Hz）では相対湿度変
化によつてその電気インピーダンスが変化し、ま
た温度変化に対しほとんど電気インピーダンスの
変化に影響を受けていない。また第３図によれ
ば、高周波領域（1MHz）では温度変化によつて
その電気インピーダンスが変化し、また相対湿度
変化に対しほとんど電気インピーダンスの変化に
影響を受けていない。第４図によれば、低周波領
域では湿度変化が電気インピーダンスに影響する
が、高周波領域ではほとんど影響しないことがわ
かる。 第２図乃至第４図に示した結果から、前記供試
素子によると単一で湿度検出及び温度検出の双方
を行うことができると判断することができる。 また、上記供試素子の気孔率及び気孔径による
影響についても調べた結果次のことが判明した。
気孔の平均気孔径の大きさが10μｍを越えると、
低温度域で感度が半値に低下する。又、気孔率が
10％より小さいと、低湿度側での感度が低くな
る。一方、気孔率が40％を越えると、磁器として
の機械的強度は弱くなる。従つて、気孔率10〜40
％、気孔の平均の大きさが10μｍを越えないこと
が望ましい。 以上Ba0.5Sr0.5TiO₃系磁器について説明した
が、他の金属単体酸化物磁器、複合金属酸化物磁
器から成る群より選ばれた少くとも１つを含む金
属酸化物系誘電体磁器についても調べた結果、同
様の効果並びに傾向があることが判明している。
誘電率温度依存性をもつ各種金属酸化物系誘電体
を多孔質化してなる各誘電体磁器について、その
湿度検知特性と温度検知特性を第２表に示す。第
２表に示した実施例は、気孔率10〜40％、気孔径
を10μｍ以下に制御したものである。

【表】

【表】 第５図は、誘電率温度依存性をもつ金属酸化物
から成りかつ多孔化した誘電体磁器に電極を設け
た温度湿度検知素子に、周波数によつて選択的に
変化する負荷インピーダンス源と、印加電源回路
を接続してなる温度湿度検知装置の一実施例を示
している。第５図において、１Hz−1Vのオシレ
ータOSC−１と1MHz−1VのオシレータOSC−２
を並列に構成すると共に、切換スイツチSWによ
つて前記各オシレータOSC−１，OSC−２に切
換接続できるようにした電源に対し、
Ba0.5Sr0.5TiO₃系の前記温度湿度検知素子Ｓと
抵抗器Ｒ（100KΩを直列に接続し、コンザンサＣ
（1000PF）と抵抗器ｒ（1KΩ）を直列に接続した
インピーダンス源を前記抵抗器Ｒに対し並列に接
続してある。このように構成したことにより、た
とえば切換スイツチSWをａ側に倒すと、検知素
子ＳがオシレータOSC−１に接続され、抵抗器
Ｒ，ｒとコンザンサＣとから成る負荷インピーダ
ンスの両端に湿度変化に応じた出力信号が得られ
る。オシレータOSC−１側に接続した時の上記
負荷インピーダンスはＲが支配的になる。又、切
換スイツチSWをｂ側に倒すと、検知素子Ｓはオ
シレータOSC−２に接続され、抵抗器Ｒ，ｒと
コンザンサＣとから成る負荷インピーダンスの両
端に、温度変化に応じた出力信号が得られる。オ
シレータOSC−２側に接続した時の上記負荷イ
ンピーダンスはｒが支配的になる。このように周
波数によつて選択的に変化する負荷インピーダン
スを接続することにより、上記温度湿度検知素子
が、温度及び湿度検知において異なつたインピー
ダンス領域を示しても、温度及び湿度検知領域を
希望する負荷インピーダンス値に設定することが
できる。なお、この実施例の構成によるときは、
温度０℃〜20℃、湿度10〜99％RHの範囲に亘る
検知が可能である。以上の様に、この温度湿度検
知装置によれば温度と湿度の検知を１つの回路構
成によつて行うことができる。 第６図に温度湿度検知装置の第２実施例を示
す。第６図において、OSC−１とOSC−２の出
力を混合器Ｍにて混合して検知素子Ｓに入力させ
ている。周波数変化によつて選択的に変化する負
荷インピーダンスは、抵抗器R₁，R₂とキヤパシ
タ（コンデンサ）C₁で構成し、負荷インピーダ
ンスが希望する値に設定できる様にしてある。そ
して検出周波数を分離するため、例えば抵抗器
R₃，R₄とキヤパシタ（コンザンサ）C₂，C₃から
なるフイルタを用いている。以上の様に構成され
たものは、１つの回路構成によつて温度及び湿度
を独立して同時検知できるものであり、温度及び
湿度の検知量としてそれぞれの出力端子に電圧変
化として出力される。なおこの実施例の構成によ
つても温度０〜200℃、湿度10〜99％RHの範囲
に亘る検知が可能である。 本発明は以上の実施例の様に実施できるもので
あるが、本発明は上記実施例に限定されるもので
なく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々変形
して実施することができる。 以上の説明から明らかな様に、本発明によれば
単一素子で温度及び湿度の双方を高感度で検知で
きかつ信頼性の高い温度湿度検知素子を得ること
ができ、またこの検知素子を用いた単一の回路構
成から成る温度湿度検知装置を得ることができ
る。従つて、空調管理、気象、食品工業、医化学
関係などの分野における温度湿度制御のための装
置の構成が簡略化でき、装置コストの低減化を果
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る温度湿度検知素子の実施
例を示す斜視図、第２図は検知素子の感湿特性を
示すグラフ、第３図は検知素子の感温特性を示す
グラフ、第４図は検知素子の周波数特性を示すグ
ラフ、第５図は温度湿度検知装置の第１実施例の
回路図、第６図は同第２実施例の回路図である。 １……温度湿度検知素子、２……誘電体磁器、
３……電極、OSC−１，OSC−２……オシレー
タ、Ｓ……検知素子、Ｒ，R₁，R₂，R₃，R₄，ｒ
……抵抗器、Ｃ，C₁，C₂，C₃……コンデンサ、
SW……スイツチ、Ｍ……混合器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多孔質化した誘電率温度依存性をもつ金属酸
   化物系誘電体磁器に電極を設けた温度湿度検知素
   子に、周波数によつて選択的に変化する負荷イン
   ピーダンス源と、印加電圧回路とを接続したこと
   を特徴とする温度湿度検知装置。 ２ 誘電体磁器の多孔気孔径は、10μｍを越えな
   いことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   温度湿度検知装置。 ３ 誘電体磁器の気孔率が10〜40％の範囲内にあ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   温度湿度検知装置。