JPH03123843A - 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】 て産業上の利用分野〕 本発明は湿度センサに関し、更に詳しくいえば、各種の
電子機器等において、湿度を検出するのに用いられ、特
に湿度の変化に対して湿度センサ素子のインピーダンス
が大幅に変化しても、センサ出力のりニアリティを確保
し、良好な出力特性となるようにした湿度センサに関す
る。

〔従来の技術〕

従来、湿度センサは、各種の電子機器、例えば複写機、
プリンタ等において、湿度を検出するのに用いられてい
た。このような湿度センサに用いる湿度センサ素子には
各種のものが使用されるが、その内の１つに湿度の変化
に対してインピーダンスが変化するインピーダンス変化
型の湿度センサ素子がある。

インピーダンス変化型の湿度センサ素子は、低湿度側で
は高インピーダンスであり、高湿度側においてインピー
ダンスが急激に減少する（指数関数的に減少）と共に、
湿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。

第９図は、従来例における湿度センサのブロック図であ
り、ｌは湿度−周波数変換回路、２は微分回路、３は波
形整形回路、４は積分回路を示す。

湿度−周波数変換回路１は、湿度の変化を周波数の変化
に変換した出力パルスを発生する回路であり、この回路
の出力パルスは、微分回路２で微分される。微分回路２
の出力は、波形整形回路（しきい値回路）３において、
一定のしきい値以上の信号のみを取り出して整形し、矩
形波のパルスを出力する。この出力パルスは、積分回路
４で積分され、出力信号を得る。

上記の回路において、微分回路２、波形整形回路３、積
分回路４は、周波数（Ｆ）の変化するパルスを電圧（Ｖ
）出力に変換するパルスカウント形のＦ−Ｖ変換回路を
構成している。

このような湿度−周波数変換回路と、パルスカウント形
Ｆ−Ｖ変換回路を用いた湿度センサの具体列を第１０図
に示す。

図中、第９図と同符号は同一のものであり、Ｇ１−Ｇ３
はゲート、Ｒ１−Ｒ５は抵抗、０１〜Ｃ４はコンデンサ
、Ｒ３は相対湿度に対してインピーダンスが指数関数的
に変化するインピーダンス変化型（抵抗変化型を含む）
の湿度センサ素子を示す。

湿度−周波数変換回路１は、ゲートＧ２　（バッファゲ
ート）とゲートＧａ（インバータ）から成るＣ−ＭＯＳ
ゲートｔＣと、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びコンデンサＣ１とで
構成された基本的な発振回路（Ｃ−ＭＯＳゲートによる
無安定マルチバイプレタ）の抵抗Ｒ２と並列に、湿度セ
ンサ素子ＨＳ、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ２から成る湿度
センサ素子回路を並列接続したものである。

上記の回路において、抵抗Ｒ１はゲート保護用の抵抗、
抵抗Ｒ２は、コンデンサＣ１と共に、基本的な発振回路
の発振周波数を決定する素子である。また、コンデンサ
Ｃ２は直流分阻止用のコンデンサ、抵抗Ｒ３は湿度セン
サ素子Ｈ３の高湿度側における特性補正用の抵抗である
。

このようにすると、湿度−周波数変換回路の発振周波数
は、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２、及び湿度センサ素子回
路のインピーダンスによる時定数で決まる。

湿度センサ素子Ｈ３の周囲の湿度が変化すると、湿度セ
ンサ素子Ｈ３のインピーダンスが変化する。

このインピーダンス変化により、上記時定数が変化する
ため、発振周波数が変化する。即ち、湿度変化に応じて
発振周波数の変化したパルスを出力する。

湿度−周波数変換回路１の出力パルスは、コンデンサＣ
３と抵抗Ｒ４から成る微分回路２により微分された後、
ゲートＧ１から成る波形整形回路３により波形整形され
、更に、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４から成る積分回路４
により積分されて出力する。

〔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素子は、低湿
度側で高インピーダンスであり、湿度が高くなるに従っ
て相対湿度に対してインピーダンスが指数関数的に減少
する。

この場合のインピーダンス変化が大きくなると（例えば
、１０４〔Ω〕〜１０７〔Ω〕の範囲でインピーダンス
が変化する）、湿度−周波数変換回路の発振周波数が極
めて広範囲にわたって変化する。

このような広範囲の周波数変化に対して回路の動作が十
分に追随できず、センサ出力のりニアリティが劣化する
。

（２）例えば、微分回路の定数を低湿度側（発振周波数
が小）に設定してお（と、高湿度側（発振周波数が大）
で回路が飽和し、その結果、センサ出力のりニアリティ
は劣化する。また、高湿度側に設定しておくと、低湿度
側で出力が極めて小さくなり、センサ出力のリニアリテ
ィは劣化する。

更に、中湿度側に設定しても、低、高湿度側で十分に追
随できず、同様な問題が起る。

本発明は、このような従来の欠点を解消し、湿度変化に
応じてインピーダンスを広範囲にわたって変化するイン
ピーダンス変化型の湿度センサ素子を用いても、十分良
好なりニアリティを有するセンサ出力が得られるように
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の湿度センサを示した図であり、Ａ図は
ブロック図、Ｂ図は各部の波形図である。

図中第９図、第１０図と同符号は同一のものを示し、５
は電圧制御インピーダンス素子を示す。

本発明は、湿度の変化（相対湿度）に対してインピーダ
ンスが指数関数的に変化するインピーダンス変化型（抵
抗変化型を含む）の湿度センサ素子を用い、湿度の変化
を周波数の変化に変換したパルス列を出力する湿度−周
波数変換回路ｌと、前記湿度−周波数変換回路１の出力
パルス列を入力して微分し、前記パルスよりも狭い幅の
パルス列を作り出す微分回路２と、前記微分波の内、不
要成分を除去し、波形整形をする波形整形回路３と、波
形整形されたパルス列を積分する積分回路４とから成る
湿度センサにおいて、上記微分回路２の一部に電圧制御
可変インピーダンス素子５を設け、この電圧制御可変イ
ンピーダンス素子５を、上記積分回路４の出力電圧で制
御することにより、上記積分回路４から出力されるセン
サ出力のりニアリティを改善したものである。

〔作用〕

本発明は上記のように構成したので、次のような作用が
ある。

湿度−周波数変換回路１からは、低湿度側で周波数の低
いパルス列が出力され、高湿度側で周波数の高いパルス
列が出力される（Ｂ図のイ参照）。

続いてこのパルス列は微分回路２で微分される。

この微分されたパルス列（Ｂ図の口参照）は波形整形回
路３で不要成分を除去しく所定のしきい値以上の電圧を
取り出す）、波形整形したパルス列（Ｂ図のハ参照）と
し、その後積分回路４で積分する。

この積分回路４の出力は、センサ出力となるが、前記出
力により、電圧制御可変インピーダンス素子５を制御す
る。この制御により、微分回路２の定数を、周波数に合
ったものとして、センサ出力のりニアリティを改善する
。

〔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図乃至第７図は、本発明の実施例を示した図であり
、第２図は第１実施例の回路図、第３図は第２実施例の
回路図、第４図は第３実施例の回路図、第５図は第４実
施例の回路図、第６図は第５実施例の回路図、第７図は
微分回路の変形例、第８図は湿度センサの出力特性を示
した図である。

図中、第１図、第１０図と同符号は同一のものを示す。

また、Ｔｒはトランジスタ、Ｒ６〜Ｒ目は抵抗、０５〜
Ｃ９はコンデンサ、Ｄはダイオード、ＶＤは可変容量ダ
イオード、Ｅχ−ＯＲは排他的論理和ゲート、ＶＲは可
変抵抗、ＴＨはサーミスタ、６は温度補償回路、Ｇ４は
ゲート（インバータ）を示す。

（第１実施例）　−（第２図参照） この例は、電圧制御インピーダンス素子としてトランジ
スタＴｒを用い、このトランジスタＴｒとコンデンサＣ
３とにより微分回路２を構成したものである。

前記トランジスタＴｒのベースには、積分回路４のコン
デンサＣ４の電圧を抵抗Ｒ６を介して印加するように接
続されている。

したがって、積分回路４の出力電圧が高い場合には（高
湿側）トランジスタＴｒのコレクタ、エミッタ間の抵抗
が小さくなり、微分回路２０時定数ＣＲが小さくなる。

また、積分回路４の出力電圧が低い時（低湿度側）はト
ランジスタＴｒのコレクタ、エミッタ間抵抗が大きくな
り、微分回路の時定数ＣＲが大きくなる。

これにより、湿度−周波数変換回路１から出力されるパ
ルス列の周波数変化に応じて微分回路２の時定数を変化
させることができるから、広い周波数範囲にわたってセ
ンサ出力のりニアリティを確保できる。

（第２実施例）−・（第３図参照） この例は、第１実施例における波形整形回路３を省略し
、微分回路２にダイオードＤを追加した例である。

波形整形回路３を省略すると、微分回路２からの正及び
負の微分パルスがそのまま積分回路４に入力するため、
正常なセンサ出力とはならない。

このため、微分回路２にダイオードＤを設けて微分波形
の負の成分を除去するものである。

（第３実施例）　−（第４図参照） この例では、微分回路２は第１実施例と同じであるが、
積分回路４が２組の積分回路で構成されている。

即ち、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４から成る積分回路は出
力用とし、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ５から成る積分回路
はトランジスタＴｒの制御用としたものであり、動作は
、第１実施例と実質的に同じである。

（第４実施例）　−（第５図参照） この例では、湿度−周波数変換回路１として第１０図に
示した従来例と同じ回路を用いる。微分回路２としては
、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ４、及びトランジスタＴｒで
構成し、このトランジスタＴｒを、積分回路４の出力電
圧で制御する。この場合、可変抵抗ＶＲによりトランジ
スタＴｒのベース電流を調節する。

また、抵抗Ｒ８とサーミスタＴＨは、センサ出力の温度
補償回路６を構成する。

湿度が低く、湿度−周波数変換回路１の出力周波数が極
めて低い時は、積分回路４の出力電圧は低いため、トラ
ンジスタＴｒのコレクタエミンク間は極めて高抵抗の状
態となる。従って、トランジスタＴｒには、はとんど電
流が流れなくなることがある。このような場合に、抵抗
Ｒ４があると、この抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とで微分
回路を構成するから、正常な微分動作が可能となるもの
である。

結局、トランジスタＴｒがハイインピーダンス状態の時
、微分回路が正常に動作しな（なるのを補償するために
抵抗Ｒ４を設けたものである。

上記湿度−周波数変換回路１の動作は次の通りである。

先ず、電源投入時は、コンデンサＣ１の電荷は無いから
、ゲートＧ２の出力側（ゲートＧ３の入力側）はローレ
ベルの「０」であり、ゲートＧ３の出力はハイレベルの
「１」である。このため、ゲー）Ｇ３の出力から、抵抗
Ｒ２と湿度センサ素子回路（コンデンサＣ２、抵抗Ｒ３
、湿度センサ素子Ｈ３の直列回路）との並列回路、及び
コンデンサＣ１を介してゲートＧ３の入力へ電流が流れ
る。

この時の電流でコンデンサＣ１が充電され、ゲトＧ３の
入力が「１」のレベルに達すると、ゲートＧａの出力は
ｒ　□　、＋となり、コンデンサＣ１は、上記と逆方向
に充電される。その後、抵抗Ｒ１とＲ７との接続点の電
位が所定値まで下降すると、ゲートＧ２の入力が「０」
となり、その出力が「０」となる。すなわち、ゲートＧ
３の入力が「０」となって再び上記の動作を繰返す。

このようなコンデンサＣ１の充放電電流は、湿度センサ
素子Ｈ３を流れるから、湿度センサ素子Ｈ３が相対湿度
に対してそのインピーダンスを指数関数的に変化すると
、発振周波数も、それに応じて変化する。

（第５実施例）−（第６図参照） この例では、湿度−周波数変換回路１として、シュミッ
ト・トリガによる無安定マルチバイブレタを用いる。こ
の回路は、ゲート（インバータ）Ｇ４、コンデンサＣｖ
、抵抗Ｒ９から成る基本的なシュミット・トリガによる
無安定マルチバイブレータに、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ
３、インピーダンス変化型の湿度センサ素子Ｈ３から成
る湿度センサ素子回路（第５図と同じ）を付加したもの
である。

上記基本的な回路の動作としては、次の通りである。今
仮に、ゲートＧ４の出力がハイレベルの「１」であると
すると、抵抗Ｒ９を介してコンデンサ０丁が充電される
。この充電により、コンデンサＣ７の端子電圧が上昇し
、この電圧がゲートＧ４におけるシュミット・トリガの
上のスレッショールドレベルに達すると、ゲートＧ４の
出力はローレベルの「０」に反転する。

この状態になると、コンデンサＣ７の電荷が抵抗Ｒ９を
介して放電する。従って、ゲートＧ４の入力電圧は下降
し始める。そして、その電圧が下のスレッショールドレ
ベルに達すると、ゲートＧ４の出力は再び「１」となり
、以後同様な動作を繰返して発振が行われる。

この場合、抵抗Ｒ９と並列に、湿度センサ素子回路を接
続しているため、上記のように、抵抗Ｒ９に電流が流れ
る時は、湿度センサ素子回路にも流れる。このため、湿
度変化に応じた周波数のパルス列を出力する。

微分回路２の構成は、第４実施例と同じであり、積分回
路４は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ５から成る出力用の回
路と、可変抵抗ＶＲとコンデンサＣ９から成るトランジ
スタＴｒの制御用の回路とから成る。また、積分回路４
の出力側には、サーミスタＴＨから成る温度補償回路が
接続される。

上記の湿度−周波数変換回路１は、第５図に示した湿度
−周波数変換回路にくらべて、ゲートが１個で済み、し
かもゲートＧ４の入力側の電位変化が少ないため、消費
電力が少なくて済み、その分光熱量も少ない。

このため、発熱に起因する温度変化によるセンサへの悪
影響も少なくなる。

第７図は、微分回路の変形例を示した図である。

この微分回路は、入力信号を２つに分け、その一方を直
接Ｅｘ−ＯＲに入力すると共に、他方を抵抗Ｒ１＋とコ
ンデンサＣ８、及び可変容量ダイオードＶＤから成る積
分回路で積分し、この積分出力を上記Ｅｘ−ＯＲに入力
する。またこの場合、可変容量ダイオードＶＤの容量は
、温度センサの出力側に設けられた積分回路の出力電圧
により制御する。

このように構成すると、Ｅｘ−ＯＲには、入力パルスと
、この入力パルスの積分電圧とが入力するから、入力パ
ルスの到来時はＥｘ−ＯＲの２人力はハイレベル信号「
１」とローレベル信号「ＯＪとなっている。その後、積
分出力が上昇すると、２人力が共にｒｌ、となる。また
、入力パルスが無ければ２人力は共にｒ□、である。

したがって、Ｅｘ−ＯＲの出力は、人力パルスが無い時
は「０」、入力パルスの到来時から積分電圧が所定値ま
で立上がるまでの間は「１」、その後は「０」となり、
所定の微分出力「１」が得られる。

この微分回路は、上記の実施例には全て使用可能である
。

第８図は、湿度センサの出力特性の実測例を示した図で
あり、横軸は相対湿度（ＲＨ％）、縦軸はセンサ出力電
圧（Ｖ）を示す。

従来例はイに示したように、低湿度側で出力電圧が極め
て小さくなり、高湿度側で極めて大きな出力電圧値とな
る。しがもその変化が非直線的変化であるから、湿度変
化に対して湿度センサ素子のインピーダンスが大幅に変
化する場合には、湿度センサとして使用できない場合も
ある。

これに対して、本発明の湿度センサでは、口に示したよ
うに、低湿度側から高湿度側にかけて出力電圧は直線的
に変化し、極めて良好なリニアリティを有する出力特性
となる。

本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても実施可能である。

（１）　　ｖＩ１分回路の一部に用いる電圧制御可変イ
ンピーダンス素子は、バイポーラトランジスタに限らず
、各種のＦＥＴも使用可能である。

（２）湿度−周波数変換回路は、上記の例に限らず、湿
度センサ素子のインピーダンス変化を周波数の変化に変
換する回路であれば各種の回路が使用可能である。

（３）例えば、湿度センサ素子のかわりとして、湿度に
対してインピーダンスを変化させるサーミスタ等の素子
を用いれば温度センサとして利用することも可能である
。

（４）上記実施例においては、湿度センサ素子の特性が
低湿度側で高インピーダンス、高湿度側で低インピーダ
ンスとなるため、湿度−周波数変換回路の出力は、低湿
度側で周波数が低く、高湿度側で周波数が高い。

このため、センサ出力は、低湿度側で低電圧、高湿度側
で高電圧の出力となっている。

しかし本発明は、このような例に限らず、例えば、波形
整形回路において該回路の出力を反、転させ、センサ出
力を上記の実施例と逆にすることも可能である。この場
合、電圧制御インピーダンス素子に加える電圧は反転す
ればよい。

〔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）湿度センサ素子のインピーダンスが大幅に変化し
て、湿度−周波数変換回路の出力周波数が大幅に変化し
ても、センサ出力電圧により微分回路を制御し、常に最
適な状態で微分を行うことができる。

このため、湿度センサの出力電圧は、低湿度側から高湿
度側にかけて極めて良好なリニアリティを確保できる。

（２）Ｎ単な回路構成でセンサ出力のリニアリティの確
保ができるから、小型で安価な湿度センサとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る湿度センサを示した図、第２図は
本発明の第１実施例の回路図、第３図は第２実施例の回
路図、 第４図は第３実施例の回路図、 第５図は第４実施例の回路図、 第６図は第５実施例の回路図、 第７図は微分回路の変形例、 第８図は湿度センサの出力特性を示した図、第９図は従
来例における湿度センサのブロック図、 第１０図は従来例における湿度センサの回路図である。 ■・−湿度一周波数変換回路 ２−微分回路 ３−波形整形回路 ４−積分回路 ５−電圧制御可変インピーダンス素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　相対湿度に対して非直線的にインピーダンスが変化す
   る湿度センサ素子を用い、湿度の変化を周波数の変化に
   変換する湿度−周波数変換回路（１）と、 前記湿度−周波数変換回路（１）の出力信号を微分して
   、前記信号よりも幅の狭いパルス列を出力する微分回路
   （２）と、 前記微分回路（２）の出力信号から不要成分を取り除い
   たパルス列を積分する積分回路（４）とから成る湿度セ
   ンサにおいて、 上記微分回路の一部に、電圧制御可変インピーダンス素
   子（５）を設け、 前記電圧制御可変インピーダンス素子を、上記積分回路
   （４）の出力電圧で制御することにより、前記積分回路
   （４）の出力を線形化することを特徴とする湿度センサ
   。