JPH02298848A - 広範囲湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、広範囲湿度センサに関し、更に詳しくいえば
、各種の電子機器等において湿度を検出する際に利用さ
れ、特にインピーダンス変化型湿度センサ素子を用い、
位相比較方式の信号処理を行う場合における出力信号の
直線性を、広範囲にわたって改善した広範囲湿度センサ
に関する。

〔従来の技術〕

従来、例えば複写機、プリンタ等の紙を取扱う装置、あ
るいはその他の湿度検出が必要な装置などにおいては、
各種の湿度センサが用いられていた。

前記湿度センサにおける湿度センサ素子として、水分子
の吸着によりインピーダンスが変化することを利用した
湿度センサが知られている。

このようなインピーダンス変化型湿度センサ素子には、
セラミック湿度センサ素子や、高分子系センサ素子があ
る。

また、インピーダンス変化型湿度センサ素子を更に分け
ると、抵抗変化（Ｒ変化）を利用したもの、静電容量変
化（Ｃ変化）を利用したもの、インピーダンス変化（Ｚ
変化）を利用したものの３つに分けられる。

そして、静電容量変化型湿度センサ素子（高分子系セン
サ素子）は、湿度の増大に伴って静電容量がほぼ同じ比
率で減少（ＲＨ−Ｃ特性がほぼ直線となる）する。

また、抵抗変化型湿度センサ素子は、低湿度側では高抵
抗であり、湿度の増加に伴ってその抵抗値が指数関数的
に減少すると共に、温度変化に伴って非直線的な変化を
する。

更に、インピーダンス変化型湿度センサ素子は、低湿度
側では高インピーダンスで、湿度の変化によりあまり変
化しないが、高湿度側においてインピーダンスが急激に
減少する（非直線的変化）と共に、温度変化に伴って非
直線的な変化をする。

以下、インピーダンス変化型湿度センサ素子の位相変化
を利用して湿度信号を発生させる湿度センサについて説
明する。

第６図は、従来のインピーダンス変化型湿度センサの説
明図であり、イは、位相比較方式の原理図、口は、その
等価回路、ハはセンサ素子の特性説明図である。

図において、１はイノピーダンス変化型の湿度センサ素
子、２は位相比較器、３は交流電源（発振器）を示す。

イに示したように、交流電源３からの交流電圧を湿度セ
ンサ素子１に加え、該湿度センサ素子ｌに流れる電流の
位相を、基準位相と比較して湿度の検知を行うものであ
る。

このような位相比較方式を用いると、交流電源の振幅に
影響されることなく、湿度の検知ができる。

しかし、実際には、イに示した回路の等価回路は、口の
ようになっていて、種々の問題がある。

先ず、イに示した湿度センサ素子ｌは、等価的には抵抗
Ｒと静電容量Ｃとの並列回路となっている。

そして、上記抵抗Ｒと静電容量Ｃは、ハに示したような
特性を有する。即ち、低湿度側では、Ｒが極めて高く、
Ｃは極めて小さいが、高湿度になるとＲは急激に小さく
　（指数関数的に減少）なり、Ｃは急激に増大（指数関
数的に増大）する。

結局、湿度センサ素子のＲとＣは、湿度の変化に伴って
、その値が非直線的に急激な変化をする。

口の等価回路において、今、仮にＣが湿度の変化に対し
て一定値であるとすると、低湿度側ではＲが極めて大で
あるから大部分の電流はＣ側を流れる。

従って、低湿度側では進み位相の電流が流れるから、基
準値との位相差は大である。

湿度が低湿度側から高湿度側へ移るに従って、Ｒは急激
に小となるから、Ｃに流れていた電流は減少し、Ｒに流
れる電流が急激に増大する。

従って、高湿度側においては、電流位相は基準値に近づ
くため、位相差が急激に小となる。

このような電流変化を、位相比較器２で検出して湿度信
号を発生するものであるが、実際には、Ｃが湿度の変化
に対して一定値ではなく、ハに示したような変化をする
。

上記の動作において、静電容量Ｃがへのように変化する
と、高温度側においてＣに流れる電流が増大し、その分
Ｒに流れる電流が減少する。従って、高湿度側において
進み電流が増大し、位相差が小さくならず特性が悪化す
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような従来のものでは、次のような欠点があった
。

（ｉ）　　インピーダンス変化型、特にセラミック湿度
センサでは、高湿度側で抵抗値のみならず、静電容量が
急激に変化する。

このため、位相比較方式の信号処理を行う場合、抵抗値
の減少による位相変化を静電容量の増大が打消してしま
い、はなはだしい時は、湿度信号の増減方向が逆転する
こともある。

（２）位相比較方式では、駆動電圧の変動が出力に無関
係であることや、回路が簡単である等の特徴がある。

しかし、インピーダンス変化型の素子は、その変化範囲
が大きく、ＣＲ積（静電容量Ｃと抵抗Ｒとの積）は１０
０倍も変化することがある。

このため、ある駆動周波数に対し、信号出力がリニアに
変化する湿度の範囲は比較的狭い欠点がある（通常３０
％〜８０％）。

また、ＣＲ積の変化を小さくするために、湿度センサ素
子に抵抗を直列に接続したものも考えられている。

この場合には、高湿度側におけるセンサ出力電圧のりニ
アりティは改善できるが、特に低湿度側においてＣＲ積
の変化が小さくなり、リニアリティが劣化する。

本発明は、上記のような従来の欠点を改善し、湿度セン
サを、安価でかつ、低湿度側から高湿度側にわたる広範
囲の湿度変化に対して、十分良好なリニアリティを維持
した出力特性が得られるようにすることを目的としたも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は次のようにしたも
のである。

第１図は本発明の原理説明図であり、イは本発明の原理
図、口はその等価回路を示す。

図において、■はインピーダンス変化型（抵抗Ｒの変化
するものを含む）湿度センサ素子、２は位相比較器、３
は交流電源（発振回路）、Ｒｓは抵抗、４は電圧一位相
変換回路を示す。

本発明は、イに示すように、水分子の吸着によってイン
ピーダンスが変化することを利用したセラミック素子等
のインピーダンス変化型（抵抗変化型を含む）の湿度セ
ンサ素子ｌと直列に、抵抗Ｒｓ、と電圧一位相変換回路
を接続し、前記直列回路を交流電源３へ接続すると共に
、前記直列回路に流れる電流の位相と、前記交流電源３
からの基準位相とを比較する（実際には電圧位相に変換
して比較）位相比較器２とを設けたものである。

この回路の等価回路は口のようになる。即ち、湿度セン
サ素子１は、等価的に抵抗ＲとコンデンサＣとの並列回
路となり、この並列回路に対して、抵抗Ｒと電圧一位相
変換回路４とが直列接続された回路となる。

この場合、湿度センサ素子のＣＲ積がＣの増大で増大し
ないように、かつＣ（Ｒ＋Ｒｓ）の値が単ｔＪ［少とな
るように抵抗Ｒ３を選定する。

〔作用〕

上記のように構成したので、次のような作用がある。

湿度センサｌと直列に抵抗Ｒｓを接続すると、高湿度側
におけるセンサ出力のりニアリテイを改善できるが、低
湿度側でのリニアリティが悪くなることは上述のとおり
である。

そこで本発明では、交流電源３の周波数を、低湿度側で
感度が高（なるように選ぶ（従来のものより周波数を下
げる）。

その結果、高湿度側では感度が低下するが、これを補償
するために、高湿度側で動作する電圧一位相変換回路４
を設けたものである。

そして、位相比較方式の信号処理では高湿度で湿度セン
サ素子ｌを通過する電流の振幅が大きくなることを積極
的に利用し、電流を電圧に変換する際電圧一位相変換回
路４によって、前記電流幅部ち、変換された電圧振幅の
変化を位相変化に変換し、センサ出力電圧の平均レベル
を上昇させて高湿度側での感度低下を除去する。

このようにすると、駆動周波数を、低湿度側で高感度と
なるように決定できるので、低湿度側から高湿度側にわ
たる全湿度領域でリニアリティが向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、本発明の１実施例のブロック図である０図に
おいて、１はインピーダンス変化型（抵抗変化型を含む
）湿度センサ、例えばセラミック湿度センサ、Ｒｓは抵
抗、３Ａは発振器（交流電源）、２は位相比較器、４は
電圧一位相変換回路、５は位相微調整回路、６は増幅器
、７．８は波形整形回路、９はローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）　、ＯＵＴは出力端子を示す。

第３図は、上記実施例の回路図であり、第２図と同符号
は同一のものを示す。

図において、ｌは湿度センサ、Ｒｓは抵抗、３Ａは発振
器、２は位相比較器、４は電圧一位相変換回路、５は位
相微調整回路、６は増幅器、７．８は波形整形回路、９
はローパスフィルタ、ＯＵＴは出力端子を示す。

また、Ｒ＋−Ｒ，。は抵抗、Ｃ１〜Ｃ１１はコンデンサ
、ＶＲは可変抵抗、Ｅｘ−ＯＲは排他的論理和回路、Ｔ
ｔ”ｔｓＴｒ２はトランジスタ、Ｎ１〜Ｎ３はインバー
タを示す。

コンデンサ０１〜Ｃ４は直流分阻止用のコンデンサであ
り、また、電圧一位相変換回路４は増幅器６と兼用して
いる。

すなわち、増幅器６を構成する抵抗Ｒ８を大きくシ（例
えばＩＯＭΩ）、トランジスタＴｒ１のバイアスを浅く
設定する。これにより、高湿度側において湿度センサ素
子１に流れる電流の振幅が大きくなった場合、トランジ
スタＴｒｘの電流が飽和する。

このような飽和を利用して、増幅器６の出力側で電流を
電圧に変換する際、電圧の変化を位相の変化に変換して
位相比較器２へ送る。

前記位相比較器２での位相比較の結果により湿度検出を
行い、高湿度側での感度低下をなくした湿度信号を得る
。

第４図は、上記実施例における各部の波形図である。

発振３Ａから出力される電圧波形（駆動波形）はイのよ
うな波形とし、発振周波数（従来の１例としてはｆ＝３
５０Ｈｚ）は従来のものより低く設定する。この場合、
低湿度側で感度が高くなるように前記周波数を設定する
。

イに示した駆動波形を波形整形回路８で波形すると口の
ような矩形波となる。上記駆動波形に対して、湿度セン
サ１を流れる電流（又は変換した電圧）は、低湿度の場
合ハのように振幅の小さい波形となる。

従って、ハの出力を増幅器６で増幅し、波形整形回路７
で波形整形した後、位相比較器２で上記口の基準波形と
位相比較すると、二のような位相比較出力が得られる。

また、高湿度側では、湿度センサ素子１に流れる電流（
又は変換した電圧）の振幅は、ホに示したように大きく
なる。

この場合、増幅器６で電流の飽和が起こらなければ位相
比較器２の出力（電圧）は、へのようになるが（平均出
力レベルが上昇する）、増幅器６で上記のような電流の
飽和が起こるとトのような波形となる。

即ち、増幅器６のトランジスタＴｒ１に流れる電流が飽
和すると、飽和により、トのような電流（又は電圧）の
時間遅れのある波形となる。

このため、実質的には、変換後の電圧の位相が変化する
ことになり、この増幅器６において、電圧一位相変換か
行われる。

従って、位相比較器２の出力（電圧）はチのようになり
、平均出力レベルが上昇して高湿度側における感度低下
を防止できる。

第５図は、上記実施例の実測例を示した図である。

図において、横軸は相対湿度（ＲＨ％）、縦軸は湿度セ
ンサの出力電圧（Ｖ）を示す。発振器３Ａの発振周波数
ｆｏが大（従来例）の場合は、湿度センサ素子ｌに抵抗
を接続することにより、高湿度側でのりニアリティに改
善される。

しかし、低湿度側ではりニアリティが劣化することにな
る。

これを補正するため、ｆａを小にすると、低湿度側のリ
ニアリティは改善されるが、高湿度側でのりニアリティ
は劣化する。

この高湿度側における劣化は、電圧一位相変換をするこ
とにより改善される、その結果、低湿度側から高湿度側
にわたる全湿度領域において出力電圧のりニアリティが
改善される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば次のような効果が
ある。

（１１低湿度側から高湿度側にわたる全湿度変化領域に
おいて、湿度センサの出力電圧の直線性（リニアリティ
）が改善され、良好な特性となる。

（２）位相比較方式は、駆動波形に影響されないので安
価な湿度センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る広範囲センサの原理説明図・ 第２図は本発明の１実施例のブロック図、第３図は上記
実施例の回路図、 第４図は上記実施例における各部の波形図、第５図は上
記実施例の実験データを示した図、第６図は従来のイン
ピーダンス変化型湿度センサの説明図である。 １−・・湿度センサ　　　２・一位相比較器３−・−交
流電源　　　　４−・電圧一位相変換回路Ｒｓ−・−抵
抗 特許出願人　ティーディーケイ株式会社代理人弁理士　
今　村　辰　夫（外１名）イ　本発明の原理２ ０、　耳　何　回　路 本発明の原、理説Ｂ月記 第１図 チ　　　　ユニ丁−ｍ二ｍ−’平均出力し′ル）與壕例
１４１ブる各部の肢ｆｔ３区 第４図 相対湿度（／？＃％） 実施伊１の炙１１１例 第５図 イ、位相比較方文の原理図 口　　　　、写　　何　　回　　路 ハ　七ンサ系子の＃ｉ！！Ｉ吃説明図 従来のイン÷ダンス変化型温度センサの説明回第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 インピーダンス変化型の湿度センサ素子（１）と、 前記湿度センサ素子（１）に交流電圧を印加する交流電
   源（３）と、 前記湿度センサ素子（１）と直列に接続した、高湿度側
   補正用の抵抗（Ｒｓ）と、 前記湿度センサ素子（１）に流れる電流の位相を、基準
   位相と比較する位相比較器（２）とを設け、 前記位相比較器（２）における位相比較により湿度信号
   を発生させるものにおいて、 前記交流電源（３）の周波数を、低湿度側で感度が高く
   なるように設定すると共に、 高湿度側で動作し、高湿度側における感度低下を補償す
   る、電圧一位相変換回路（４）を前記湿度センサ素子（
   １）に接続したことを特徴とする広範囲湿度センサ。