JPH02298849A - ローパワー湿度センサ - 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、ローパワー湿度センサに関し、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
用されるものであり、特に、湿度センサの低消費電力化
、小型化を実現し、かつ安価でリニアリティの良好なロ
ーパワー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り扱う装置、
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４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の変化することを利用した
湿度センサ素子が知られている。

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、湿度の増大にともなって静電容量がほぼ同
じ比率で減少する。

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、湿度の増加にともなってその抵抗値が指数関
数的に減少すると共に、温度変化にともなって非直線的
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（非直線的な変化）と共に、温度変化にともな
って非直線的な変化をする特性を有する。

上記のインピーダンス変化型湿度センサ素子を用いた湿
度センサとしては、次のようなものが知られていた。

第６図は、従来の電圧検出方式による湿度センサを示し
た図、第７図は、従来の位相比較方式による湿度センサ
を示した図である。

図において、Ｏ２０は発振器、Ｒｏは抵抗、Ｈ゛Ｓはイ
ンピーダンス変化型の湿度センサ素子、Ｄはダイオード
、Ｃｏはコンデンサ、ＯＵＴは出力端子、ＰＤは位相比
較器を示す。

第６図に示した電圧検出方式では、発振器Ｏ３Ｃの交流
出力電圧が抵抗Ｒｏと湿度センサ素子Ｈ３の直列回路に
印加する。

これにより、湿度センサ素子Ｈ３に電流が流れる。この
時、湿度の変化に応じて湿度センサ素子Ｈ３のインピー
ダンスが変化する。

したがって、湿度センサ素子Ｈ３に流れる電流は、湿度
の変化にともなって変化することになり、コンデンサＧ
ｏの端子電圧を出力端子ＯＵＴに取り出せば、湿度の検
出ができる。

また、第７図に示した位相比較方式の湿度センサにおい
ては、湿度センサ素子Ｈ３が等価的に抵抗Ｒとコンデン
サＣとの並列回路になっており、これらＲ及びＣが湿度
の変化にともなって変化することによる電流位相の変化
を検出して湿度の検出を行うものである。

すなわち、湿度センサ素子ＨＳの湿度変化にともなうイ
ンピーダンスの変化を、位相信号に変換し、位相比較器
ＰＤにおいて位相比較を行って湿度信号を得るものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のものにおいては、次のような欠点があった。

（１）　　インピーダンス変化型の湿度センサにおいて
は、インピーダンスの変化がリニアでないため、リニア
ライス回路が複雑かつ高価となる。

（２）　　インピーダンス変化型湿度センサにおいては
、温度特性がリニアでないため、温度補正が複雑かつ高
価となる。

（３）　　セラミック湿度センサ素子では、インピーダ
ンスが高いため、低湿度側で不安定になりやすい。

（４）電圧検出方式の湿度センサ（第６図参照）では、
インピーダンス変化を電圧変化に変換する際、振幅一定
の交流電圧を得るために回路が複雑かつ高価となる。

（５）　　セラミック湿度センサ素子等は、直流電圧を
印加すると、素子劣化があるため、交流駆動をしなけれ
ばならず、そのために回路が複雑かつ高価となる。

（６）回路が複雑になると、電力消費も増大し、発熱の
影響がある。

このため、温度補正が困難であり、高価で大型の湿度セ
ンサとなる。

本発明は、このような従来の欠点を解消し、インピーダ
ンス変化型の湿度センサを低消費電力化し、小型で安価
なものにすると共に、温度変化に対しても安定で、かつ
リニアな特性の湿度センサが得られるようにすることを
目的とする。

〔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。

（１）　　湿度の変化を周波数の変化に変換して、湿度
信号を取り出す湿度センサとするために、発振器と、湿
度センサ素子回路とから成る湿度一周波数変換回路を設
ける。

そして、Ｃ−ＭＯＳゲートＩＣによって構成した同相ゲ
ートと逆相ゲートとの直列回路の両端に、ゲー　ト保護
用の抵抗と、時定数回路を構成する抵抗との直列回路を
接続し、 前記同相ゲートと逆相ゲートの接続点と、前記２つの抵
抗の接続点との間にコンデンサを接続して上記発振器を
構成する。

また、上記湿度センサ素子回路を、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ｒ（セラミック
素子、あるいは高分子系素子）と、前記素子の高湿度側
補償用の抵抗と、直流分阻止用のコンデンサとの直列回
路で構成し、前記湿度センサ素子回路を、時定数回路を
構成する上記抵抗と並列に接続する。

このような構成により、湿度変化を周波数の変化として
出力信号を取り出し、湿度の検出を行うことにより、ロ
ーパワー（低消費電力化）の湿度センサを得る。

（２）　　このようなローパワー湿度センサにおいて、
湿度一周波数変換回路の出力側に、周波数−電圧変換回
路を設け、電圧信号として湿度信号を取り出す。

前記周波数−電圧変換回路としては、コンデンサと抵抗
から成る微分回路を用いる。

そして、微分回路のコンデンサとして、例えばはセラミ
ックコンデンサのように、温度上昇により、容量が小さ
くなる特性のものを用いる。

すなわち、温度変化にともなうインピーダンスの変化が
、湿度センサ素子と、微分回路のコンデンサとで逆の変
化をするように選定する。

このようにすると、湿度センサ素子の温度変化にともな
う周波数の変化を、微分回路のコンデンサにより補償で
きる。

（３）　　上記（２）のローパワー湿度センサにおいて
、周波数−電圧変換回路の出力側に、出力電圧をリニア
ライスするための非直線素子から成るリニアライス回路
を接続する。

（４）１記（３）のローパワー湿度センサにおいて、リ
ニアライス回路に、動作点を任意に設定するためのバイ
アス電源を接続し、広範囲にわたるリニアライスを容易
にできにように構成する。

〔作用〕

上記のように構成したので、次のような作用がある。

上記（１）のように構成すると、湿度の変化により湿度
センサ素子のインピーダンスが変化するが、このインピ
ーダンスの変化は、発振回路の時定数の変化となり、発
振出力が変化する。

この場合、湿度が高くなると、湿度センサ素子のインピ
ーダンス（等価抵抗分）が小さくなり、発振周波数が高
くなる。

この周波数の変化を、例えば電圧の変化に変換すれば、
湿度の検出ができることになる。

また、発振回路には、Ｃ−ＭＯＳゲートＩＣで構成した
ゲートを使用しているため、消費電力が掻めて少なくな
り、ローパワーの湿度センサが得られる。

上記Ｃ）のように構成すると、周波数信号を電圧信号に
変換して湿度検出ができるだけでなく、同一の回路にお
いて、湿度センサ素子の温度補償ができるものである。

上記（３）及び（４）のように構成すると、出力電圧が
リニアライスされ、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、リニアな出力電圧特性となる。

したがって、温度補償が十分にされ、しかもリニアな特
性で、ローパワー、かつ小型の湿度センサが得られる。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例を第１図乃至第５図を参照しなが
ら説明する。

第１図は湿度センサの湿度一周波数変換回路を示した図
である。

図において、ｌは湿度一周波数変換回路、６は発振器、
７は湿度センサ素子回路、Ｒ１−Ｒ３は抵抗、Ｃ１、Ｃ
２はコンデンサ、Ｒ３はインピーダンス変化型（抵抗変
化型を含む）湿度センサ素子（セラミック湿度センサ素
子）８及び９は、Ｃ−ＭＯＳゲー）ＩＣで作られたゲー
トを示す。

湿度変化を周波数の変化に変換するには、図示の発振器
６に湿度センサ素子回路７を接続し、全体として、湿度
変化に応して発振周波数Ｔｏを変化させる発振器として
動作させる。

そのために、発振器６として図示のものを用いる。すな
わち、同相ゲート８と逆相ゲート９との直列回路の両端
に、抵抗Ｒ１とＲ２との直列回路を接続し、前記ゲート
８及び９の接続点と、前記抵抗Ｒ１及びＲ２の接続点間
にコンデンサＣ１を接続して発振器６を構成する。

この発振器６において、抵抗Ｒ１は、同相ゲート８に高
電圧が印加するのを防止するために設けたゲート保護用
の抵抗である。

抵抗ＲｇとコンデンサＣ１とは、発振周波数１０を決定
するＣＲ時定数用のものである。

ゲート８及び９は上記のように、Ｃ−ＭＯＳゲートＩＣ
で構成されており、図示しない電源に接続されている。

このような構成の発振器６は次のような原理で発振をす
る。

先ず、電源投入時は、コンデンサＣ１の電荷はないから
、ａ点はローレベルの「０」であり、ｂ点はハイレベル
の「１」である。

このため、０点はｂ点と同じｒｌ、であるから、（−＋
ｄ→ａの方向で電流が流れコンデンサＣ１が所定の時定
数（ＣｔＲ２で決定される）で充電を開始する。したが
って、ｄ点の電位は上昇し、所定の電圧に達すると、ｅ
点がハイレベルの「ｌ」となる。

ｅ点がｒｌ、になると、ａ点もｒｌＪとなりｂ点がｒＱ
、となる、この変化によりコンデンサＣ１は、上記の場
合とは逆方向に充電され、ｄ点の電位が下がる。

ｄ点が所定値まで下がると、ｅ点が「０」となり、ａ点
が［０」、ｂ点がｒＩＪとなり、以後、同様な動作を繰
り返し発振が継続する。

このような発振の周波数は、時定数ＣｔＲ２によって決
まり、はぼ矩形波の発振出力が取り出せる。

上記発振回路６を構成する抵抗Ｒ２と並列に接続された
湿度センサ素子回路７は、湿度センサ素子Ｈ３と抵抗Ｒ
３とコンデンサＣ２とを直列に接続したものである。

湿度センサ素子Ｈ５をセラミック湿度センサ素子で構成
した場合、直流駆動すると素子劣化かあるため、コンデ
ンサＣ２により直流分が湿度センサ素子Ｈ５に印加しな
いようにしている。

また、上記湿度センサ素子Ｈ３は、等価的に抵抗Ｒとコ
ンデンサＣとの並列回路となっている。

そして、抵抗Ｒは、低湿度側で極めて高く、Ｃは極めて
小さいが、高湿度になると、Ｒは指数関数的に減少し、
Ｃは逆に急激な増加をする。

このような湿度センサ素子Ｈ３における等価的なＲ及び
Ｃの変化を補償するために、湿度センサ素子ＨＳと直列
に抵抗Ｒ３を接続する。

今、湿度センサ素子ＨＳの等価抵抗と、抵抗Ｒ？及びＲ
３を含めた全合成抵抗をＲｏとすると、発振器６の発振
周波数ｆｏは、時定数τ−ＣｔＲＯによって決定され、
「ｏｏｃｍとなる。

２πＣＩＲ。

湿度の変化によってＲｏが変化することになるから結局
、湿度の変化に応じた周波数の発振出力が取り出せるこ
とになり、湿度一周波数変換ができるものである。

第２図は、湿度センサの湿度一周波数一電圧変換回路を
示した図であり、第２図と同符号は同一のものを示す。

図において、Ｃ３はコンデンサ、Ｒ４は抵抗、２は周波
数−電圧変換回路を示す０周波数−電圧変換回路２は、
コンデンサＣ３と抵抗Ｒ４から成る微分回路で構成され
、コンデンサＣ３としては、セラミックコンデンサ、あ
るいはセラミックコンデンサと同等の温度特性、すなわ
ち、温度の上昇にともなって容量が小さくなる特性のコ
ンデンサを用いる。

湿度一周波数変換回路１については上記のとおりであり
、はぼ矩形波で、湿度変化に応じた周波数ｒｏの発振出
力を出す。

この矩形波出力は、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ４から成る
微分回路で微分され、出力電圧ｖＯを得る。

ところで、セラミック湿度センサ素子のようなインピー
ダンス変化型（抵抗変化型を含む）湿度センサ素子Ｈ３
は、温度が上昇すると、インピーダンスが小さくなる。

この変化により、発振周波数［Ｏが大きくなるから、仮
りにコンデンサＣ３と抵抗Ｒ４が温度変化で変わらない
とすれば、微分回路の出力電圧ＶＯは増大することにな
る。

しかし、上記のように、コンデンサＣ３は温度が高くな
ると、その容量が小さくなるものを使用する。

このため、発振周波数ｔｏが太き（なった場合、コンデ
ンサＣ３の容量が小さくなり、微分される幅が狭（なる
。

したがって、出力電圧ＶＯは増大することな（、湿度セ
ンサ素子Ｈ３の温度変化による変化分を補正する。

すなわち、微分回路のコンデンサＣ３を、温度上昇によ
り容量の小さくなるセラミックコンデンサ等を用いるこ
とにより、インピーダンス変化型の湿度センサ素子に対
する温度補償ができることになる。

第３図は、リニアライス回路を付加した湿度センサの１
例を示した図であり、第１図〜第２図と同符号は同一の
ものを示す。

図において、ｌは湿度一周波数変換回路、２は周波数−
電圧変換回路、３は波形整形回路、４はローパスフィル
タ、５はリニアライス回路を示す。

また、Ｒ６は抵抗、Ｄはダイオ−ドを示す、リニアライ
ス回路５は、図示のように、抵抗Ｒ６とダイオードＤと
の直列回路を出力側に設けたものである。

このリニアライス回路５は、湿度一周波数変換回路の発
振周波数ｆｏが、上記合成抵抗Ｒｏに対化）ことにより
、湿度センサの出力電圧が非直線的な変化をするのを補
正して、リニアリティを改善するためのものである。

すなわち、湿度一周波数変換回路Ｉの出力周波数［０は
、湿度の変化にともなって非直線的に変化（湿度の増加
により指数関数的に減少）するが、この非直線的な変化
と、ダイオードの電圧に対する電流の変化が前記非直線
的な変化と逆の関係で変化することに着目して補正を行
うものである。

上記［０は、湿度が低湿度側から高湿度側に移ると非直
線的に大きくなりその結果、出力端子ＯＵＴの出力電圧
はｆｏの変化に応じて大きくなる。

この時、ダイオードＤに印加する電圧が小さければ電流
はあまり流れないが、電圧が増加すると、急激に電流が
増大し、この変化がｒＯの非直線な変化と逆の関係で非
直線的な変化をする。

このため、ダイオ−、ドＤの端子間電圧の変化が上記ｒ
ａの変化を補正し、出力端子ＯＵＴの電圧は、リニアラ
イスされ、低湿度側から高湿度側にわたる全湿度変化領
域でリニアリティの良い特性が得られる。なお、リニア
ライス回路は、ダイオードでなくとも、他の非直線素子
を用いてもよい。

第４図は、第３図に示したりニアライズ回路に、バイア
ス電源を付加した湿度センサの１例を示した図であり、
第１図乃至第３図と同符号は同一のものを示す。

図において、■は湿度一周波数変換回路、２は周波数−
電圧変換回路、３は波形整形回路、４はローパスフィル
タ、５はリニアライス回路、ＯＵＴは出力端子を示す。

また、Ｈ３は湿度センサ素子、Ｒ１〜Ｒ丁は抵抗、０１
〜Ｃ４はコンデンサ、Ｄはダイオード、Ｔ、はバイアス
電源端子、８〜１０はＣ−ＭＯＳゲート回路を示す。

この例では、リニアライス回路５において、ダイオード
Ｄと抵抗Ｒ６との接続点に抵抗Ｒ７を接続し、端子Ｔ、
にバイアス電源を接続する。

端子Ｔ、に印加する電圧を変化させると、ダイオードＤ
に印加する電圧が変化し、流れる電流が変化する。

これを利用して、リニアライスすべき動作点を可変とす
るものであり、容易にリニアライスができるものである
。

したがって、湿度センサ素子Ｈ３を変えた場合に、リニ
アライスの動作点を任意に、且つ容易に設定できる。

第５図は、上記実施例における実測例を示した図である
。

図において、横軸は相対湿度ＲＨ％を示し、縦軸は湿度
センサの出力電圧〔ｍ■〕、及び湿度センサ素子のイン
ピーダンス〔Ω〕を示す。なお、実測に用いた湿度セン
サは、＃１、＃２、＃３の３つである。

インピーダンス変化型湿度センサ素子のインピーダンス
Ｚは、湿度が高くなると図示のように小さくなる。

このようなインピーダンスの変化に対して、湿度センサ
の出力電圧は、極めて直線性の良好な特性が得られた。

また、湿度を一定の７０％に維持し、温度を変化させた
実測例としては次のような第１表のデータを得た。

第１表 このデータから明らかなように、広範囲の温度変化に対
して、その出力電圧はほとんど一定であり、十分良好な
温度補償ができている。

なお、上記の実施例では、抵抗変化型を含むインピーダ
ンス変化型湿度センサ素子として、セラミック湿度セン
サ素子の例について説明したが、本発明はこのような素
子だけでなく、高分子系湿度センサ素子でも使用可能で
ある。

〔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。

（１）湿度一周波数変換回路に、（、−ＭＯＳゲートＩ
Ｃを用い、本発明のような構成にしたので、消費電力が
極めて少なくなり、また、回路構成も簡単で安価な湿度
センサとなる。

（２）周波数−電圧変換回路により、特別な回路を設け
なくても、湿度センサ素子の温度補償が而単にできる。

（３）簡単な回路により、出力電圧のりニアリテイを補
正でき、広範囲の湿度変化にわたって十分にリニアな湿
度信号が取り出せる。

（４）　　回路に流れる電流が極めて少なく、例えば１
００μ八以下にできるため、回路の発熱が極めて少なく
できる。

また、回路構成が簡単で小型化できるため、湿度センサ
素子と、信号処理回路とを一体化できる。

（５）上記（４）の理由により、温度特性の補正が有効
に働き、良好な特性の湿度信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は、本発明の実施例を示した図であり
、 第１図は湿度センサの湿度一周波数変換回路を示した図
、 第２図は湿度センサの湿度一周波数一電圧変換回路を示
した図、 第３図はりニアライズ回路を付加した湿度センサの回路
図、 第４図はバイアス可変のりニアライズ回路を付加した湿
度センサの回路図、 第５図は上記実施例の実測例を示した図、第６図は従来
の電圧検出方式による湿度センサを示した図、 第７図は従来の位相比較方式による湿度センサを示した
図である。 ■−湿度一周波数変換回路 ２一周波数一電圧変換回路 ３−波形整形回路 ４−ローパスフィルタ ５−　リニアライス回路 ６−発振器 ７−湿度センサ素子回路 ８−・・正相ゲート ９−逆相ゲート ＨＳ−ｍ−湿度センサ素子 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）湿度センサのン児度−８波（
隻麦捩回路第１図 温度センサの■一周波（ダー嘲プ巳災捩回路第２図 実施＃ＩＩ　ｆＩ実辿１伊１ 第５図 従来め電圧捜出方式［；よ小ンＳ度センサ第６図 従来め位相比較方式′１；はるテ！度センサ第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発振器（６）と、 前記発振器（６）に接続された湿度センサ素子回路（７
   ）とから成り、 湿度の変化を周波数の変化に変換する湿度一周波数変換
   回路（１）を設け、 前記湿度一周波数変換回路（１）の出力信号を用いて湿
   度の検出を行う湿度センサにおいて、同相ゲート（８）
   と逆相ゲート（９）との直列回路の両端に、 ゲート保護用の抵抗（Ｒ＿１）と、時定数回路を構成す
   る抵抗（Ｒ＿２）との直列回路を接続し、前記ゲート（
   ８）及び（９）の接続点と、前記抵抗（Ｒ＿１）及び（
   Ｒ＿２）との接続点との間にコンデンサ（Ｃ＿１）を接
   続して上記発振器（６）を構成し、 前記湿度センサ素子回路（７）を、 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（ＨＳ）と、 前記湿度センサ素子（ＨＳ）の高湿度側補正用の抵抗（
   Ｒ＿３）と、 直流分阻止用のコンデンサ（Ｃ＿２）との直列回路で構
   成し、 前記湿度センサ素子回路（７）を、前記時定数回路を構
   成する抵抗（Ｒ＿２）と並列に接続したことを特徴とす
   るローパワー湿度センサ。
2. （２）請求項（１）に記載のローパワー湿度センサにお
   いて、 湿度−周波数変換回路（１）の出力側に、 コンデンサ（Ｃ＿３）と抵抗（Ｒ＿４）から成る微分回
   路で構成した周波数−電圧変換回路（２）を設け、これ
   により周波数信号を電圧信号に変換すると共に、前記微
   分回路のコンデンサ（Ｃ＿３）として、 温度上昇により容量の小さくなるコンデンサを用い、 湿度センサ素子（ＨＳ）の温度変化にともなう周波数の
   変化を、前記コンデンサ（Ｃ＿３）で補償することを特
   徴とするローパワー湿度センサ。
3. （３）請求項（２）に記載のローパワー湿度センサにお
   いて、 周波数−電圧変換回路（２）の出力側に、 出力電圧をリニアライスするための非直線素子から成る
   リニアライス回路（５）を接続したことを特徴とするロ
   ーパワー湿度センサ。
4. （４）請求項（３）に記載のローパワー湿度センサにお
   いて、 リニアライス回路（５）に、動作点を任意に設定するた
   めのバイアス電源を接続したことを特徴とするローパワ
   ー湿度センサ。