JPH041562A - 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、湿度センサに関し、更に詳しくいえば、空調
機器、加湿器、湿度計、複写機、プリンタ、農業用ビニ
ールハウス内の湿度管理用など、多くの分野で用いられ
、特に超高温時（例えば６０℃〜８０℃）においても良
好な特性が得られ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、各種の機器等において、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換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、
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。

このような湿度センサの例について以下説明する。

第３図は、上記のような従来の湿度センサの説明図であ
り、Ａ図は湿度センサのブロック図、Ｂ図は各部の波形
図である。

図中、１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、５は電圧制御可変インピ
ーダンス素子を示す。

この湿度センサは、Ａ図に示したように、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１と、前記
湿度−周波数変換回路ｌ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輻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とを設け、更に上記微分回路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ｆａ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リニアリティを改善したもので
ある。

上記の温度センサは、次のようにして動作する。

先ず、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りティを改善する
。

第４図は、上記湿度センサの具体的な回路例を示した図
であり、図中、第３図と同符号は同一のものを示す。ま
た、Ｒ３は湿度センサ素子、Ｔｒはトランジスタ、ＴＨ
はサーミスタ、Ｇ１、Ｇ４はゲート、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５
、Ｒ９は抵抗、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、ＣＴ、Ｃ９はコンデ
ンサ、ＶＲは可変抵抗、を示す。また、抵抗Ｒ３は、湿
度センサ素子ＨＳＯ高湿度側における特性補正用抵抗で
あり、この抵抗Ｒ３と、コンデンサＣ７と、湿度センサ
素子Ｈ３の直列回路で湿度センサ素子回路を構成する。

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ークを用いる。

この回路は、ゲート（インバータ）Ｇ４、コンデンサＣ
Ｔ、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
Ｒ９、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Ｃ７が充電される
。この充電により、コンデンサ０丁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ＣＴ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１陣
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ｒｌ、となり
、以後同様な動作を繰り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。

また、微分回路２は、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ４とで構
成し、波形整形回路３はゲートＧ１で構成し、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の制御用の回路で構成すると共に、電圧制御可
変インピーダンス素子５をバイポーラ型のトランジスタ
Ｔｒで構成する。

更に、この湿度センサでは、積分回路４の出力側に、サ
ーミスタＴＨから成る温度補償回路６を接続し、温度補
償を行っている。

ところで、上記電圧制御可変インピーダンス素子（トラ
ンジスタＴｒ）が無い場合には、次のような問題がある
。

即ち、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、センサ出力のリニアリティが劣化する
。

例えば、微分回路の定数を低湿度側（発振周波数が小）
に設定しておくと、高湿度側（発振周波数が大）で回路
が飽和し、その結果、センサ出力のリニアリティは劣化
する。また、高湿度側に設定してお（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、同様な問題が起きる。

次に電圧制御インピーダンス素子としてトランジスタＴ
ｒを用い、該トランジスタＴｒの温度特性を含めず、か
つ温度補償回路６がない場合の特性例を第５図に示す。

第５図への横軸は温度（℃）、縦軸は湿度センサの出力
電圧（Ｖ）を示す。図のイは９０％ＲＨ（相対湿度９０
％）、口は６０％ＲＨ、ハは３０％ＲＨの時の特性であ
る。

図示のように、温度補償を全くしないと、温度が高くな
ると出力電圧も大きくなり、特性が極めて悪い。

そこで、上記の温度補償回路６を付加すると第５図Ｂの
ような特性になる。この場合、サーミスタＴＨを口の６
０％ＲＨ時に合わせたとすると、口は、低温から高温ま
でほぼ一定の出力電圧となるが、イの９０％ＲＨ時では
、高温側で出力電圧が低下し、ハの３０％ＲＨ時では高
温側で出力電圧が上昇する。特に、センサ素子Ｈ５の抵
抗値≦抵抗Ｒ３の時、サーミスタＴＨによる温度補償が
過大になる。また、抵抗Ｒ３は、高温時のりニアリティ
改善と、センサ入力電力を制限する目的のため、削除で
きない。

結局、積分回路４の出力側に接続した温度補償回路６に
よって温度補償をするだけでは、全湿度変化に対して良
好な温度特性が得られない。次に温度補償回路６を接続
し、更に電圧制御可変インピーダンス素子としてトラン
ジスタＴｒを用い、トランジスタＴｒの温度特性も含め
た場合には、第５図Ｃのような特性となる。

この場合、トランジスタＴｒ（バイボ〜ラトランジスタ
）を図示のように接続すると、温度変化に対してそのイ
ンピーダンスが変化し、温度補償回路として動作する。

即ち、トランジスタＴｒのコレクタ遮断電流１ｃｓ。は
、周囲温度が上昇すると、増大する特性があるため、こ
れを利用すると、上記の温度補償ができる。

例えば第５図Ｂでは、ハは高温時に出力電圧が大きくな
るが、このような高温時にはトランジスタＴｒがあると
、そのコレクタエミッタ間のインピーダンスが低下する
。このため、第５図Ｃに示したハ（３０％ＲＨ時）のよ
うな特性になる。

しかし、低湿度側ではほぼ良好な特性が得られるが、高
湿度側において周囲温度が高くなった場合（高温高湿時
）に、湿度センサの出力電圧が低下する。

このため、広範囲の湿度、及び温度の変化に対して良好
な特性が得られない。

そこで、この点を改善したものとして、第６図のような
温度センサが開発されていた。

第６図は、従来の改良型湿度センサの回路であり、図中
、第４図と同符号は同一のものを示す。

またＴＨｏはサーミスタである。この例は、第５図に示
した従来の湿度センサにおいて、湿度センサ素子Ｈ３の
高湿度側における特性補償用の抵抗Ｒ３の代わりに、サ
ーミスタＴＨｏを用いたものである。

このサーミスタＴＨｏは、特に高温高湿時、センサ素子
ＨＳのインピーダンス値と同程度の抵抗値のものを選定
する。すると、高温高湿時には、サミスタの抵抗値も下
がるため、積分出力は増大し、高温高温時の過補償が解
消する。又、低温、低湿時にはセンサ素子Ｈ３のインピ
ーダンスは、サーミスタＴＨｏの抵抗値に比べて大きい
ので、サーミスタＴＨｏとセンサ素子Ｈ３の合成インビ
ダンスは、サーミスタ抵抗値が変化してもほとんど影響
を受けない１例えば、２０℃で４．７にΩ程度の抵抗値
を有する素子を用いる。

上記湿度−周波数変換回路１において、湿度センサ素子
回路を、湿度センサ素子Ｈ５と、サーミスタＴＨｏとコ
ンデンサＣ２との直列回路で構成する。このようにする
と、湿度−周波数変換回路１は、温度の変化にともなっ
て、出力周波数を変化するが、温度変化によっても出力
周波数を変化する。

例えば温度が低くければ、サーミスタＴＨｏの抵抗値は
大きいが、高温時にはサーミスタＴＨｏの抵抗値は小さ
な値となる。

このため、周波数変換回路１を構成する無安定マルチバ
イブレータのＣＲ時定数は、低温時に大きく、高温時に
小さくなり、出力周波数は、低温時に小さく、高温時に
大きくなる（但し湿度一定の場合）。

その結果、湿度センサの出力電圧は、低温時よりも高温
時の方が大きくなる。このような温度による湿度センサ
の出力電圧の変化を利用することにより、高温高温時の
出力電圧の低下を補償する。

第５図りは、第７図に示した湿度センサの特性例を示し
た図であり、横軸は温度じＣ）、縦軸は湿度センサの出
力電圧（Ｖ）を示す。

図の特性イ（９０％ＲＨ時）の高温時においては、第５
図Ｃに示した従来の特性イよりも出力低下が少なくなっ
ている。

即ち、上記実施例でも説明したように、サーミスタＴ　
Ｈｏは高温高温時のインピーダンス値とほぼ同程度に選
んでいるので、前に述べた理由により、高温高温時の出
力低下が補償されて良好な特性となる。

限される（例えば６０°Ｃより低い温度範囲）。

したがって、極めて温度の高い状Ｂ（例えば６０°Ｃ〜
８０°Ｃ）においては、上記の温度補償は十分に機能し
なくなる欠点があった。

本発明は、上記のような従来の欠点を解消し、低温から
通常の高温の範囲だけでなく、超高／ＩＡ領域（例えば
６０℃〜８０℃）においても十分良好な温度補償ができ
るようにすることを目的とする。

〔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。

即ち、従来の湿度−周波数変換回路は、ゲートを用いた
シュミット・トリガによる無安定パイフレ〜りで構成さ
れており、ヒステリシスの幅が一定であった。

このため、温度補償回路のサーミスタと、湿度センサ素
子と直列接続したサーミスタと、トランジスタによる温
度補償では、高温高温時に、センサ定格電力の制御から
補償温度範囲も狭い範囲に制〔課題を解決するための手
段〕 本発明は、上記の目的を達成するため、次のようにした
ものである。

（１）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−周波数変換回路と、前記潅度−周波
数変換回路の出力信号を微分して、前記信号よりも輻の
狭いパルス列を出力する微分回路と、前記微分回路の出
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
分回路と、前記微分回路の一部に設け、積分回路の出力
電圧で制御を行う、トランジスタ等の電圧制御可変イン
ピーダンス素子とから成る湿度センサにおいて、前記湿
度−周波数変換回路を、オペアンプを用いたシュミ７）
・トリガ回路による無安定マルチバイブレータで構成す
ると共に、前記シュミット・トリガ回路のヒステリシス
を設定するヒステリシス設定回路の一部に、サーミスタ
を設け、温度変化に応じてシュミット・トリガ回路のヒ
ステリシスを可変し、温度補償を行うようにした。

（２）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−周波数変換回路と、前記湿度−周波
数変換回路の出力信号を微分して、前記信号よりも輻の
狭いパルス列を出力する微分回路と、前記微分回路の出
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
分回路と、前記微分回路の一部に設け、積分回路の出力
電圧で制御を行う、トランジスタ等の電圧制御可変イン
ピーダンス素子と、前記積分回路の出力側に接続し、サ
ーミスタにより構成した温度補償回路とを設け、更に前
記潤度−周波数変換回路の温度センサ素子と直列に、該
湿度センサ素子の高湿度側における特性補正用の抵抗と
して、サーミスタを接続することにより、温度補償を行
った湿度センサにおいて、前記湿度−周波数変換回路を
、オペアンプを用いたシュミット・トリガ回路による無
安定マルチバイブレータで構成すると共に、前記シュミ
ット・トリガ回路のヒステリシスを設定すルヒステリシ
ス設定回路の一部に、サーミスタを設け、温度変化に応
じてシュミット・トリガ回路のヒステリシスを可変し、
温度補償を行うようにした。

〔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。続いてこのパルス列は微分回路で微分さ
れる。

二の微分されたパルス列は波形整形回路で不要成分を除
去しく所定のしきい値以上の電圧を取り出す）、波形整
形したパルス列とし、その後積分回路で積分する。

この積分回路の出力は、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を制御する。

この制御により、微分回路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。

このような動作において、温度補償回路のサーミスタと
、電圧制御可変インピーダンス素子（トランジスタ等）
により、温度補償を行っているが、これだけでは高温高
温時に湿度センサの出力電圧低下がある。

しかし、湿度センサ素子と直列にサーミスタが接続され
ているため、このサーミスタにより、高温高温時の出力
低下を補償できる。

このようにして、上記２つのサーミスタと、トランジス
タにより、低温側から高温側までの温度補償が可能であ
るが、高温側がある温度以上（例えば６０°Ｃ以上）に
なると、出力が増大し、上記の素子だけでは十分な温度
補償ができな（なる。

ところが、本発明では、オペアンプを用いたシュミット
・トリガ回路のヒステリシス設定回路の一部にサーミス
タを設けたので、温度が極めて高くなった場合、シュミ
ット回路のヒステリシスを大きくシ（シきい値を上げる
）、発振周波数を低下させて、出力を減少する。

このように、シュミット・トリガ回路のヒステリシス幅
を温度によって可変すれば、低温から所定の高温（例え
ば６０℃）までの領域だけでなく、超高温の領域（例え
ば６０℃〜８０℃）においても、十分良好な温度補償が
できる。

（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１図は、本発明の１実施例の回路図、第２図はその特
性例を示した図である。図中、第６図と同符号は同一の
ものを示し、ＯＰはオペアンプ、ＴＨｔはサーミスタ、
Ｒ１゜は抵抗を示す。

この実施例は、第６図に示した湿度センサの湿度−周波
数変換回路を、オペアンプＯＰを用いたシュミント・ト
リガ回路による無安定マルチバイブレークで構成し、更
に、前記シュミット・トリガ回路のヒステリシスを設定
するヒステリシス設定回路を、サーミスタＴＨｚと抵抗
Ｒ１゜で構成したものである。

このように構成すると、サーミスタＴＨｚの抵抗値が、
周囲の温度変化にともなって変化するから、オペアンプ
ＯＰの十入力端子の電位が温度変化にともなって変化す
る。

このため、オペアンプＯＰを用いたシュミット・トリガ
回路のしきい値が、周囲温度の変化にともなって変化し
、温度変化でヒステリシス幅が可変できることになる。

例えば、温度が高くなると、サーミスタＴＨＩは低抵抗
となり、その結果、ヒステリシスが大きくなって（しき
い値が上がる）発振周波数は低下する。従って、出力は
減少する。また、温度が低ければ上記と逆にヒステリシ
スが小さくなり、出力は大きくなる。

上記実施例における特性例としては、例えば第２図のよ
うなものである。

第２図において、横軸は温度（℃）、縦軸は湿度センサ
の出力電圧（Ｖ）を示す。また、特性イは９０％ＲＨ（
相対湿度９０％）、口は６０％ＲＨ、ハは３０％ＲＨに
おける特性を示す。

図示のように、特性イ、口、ハは、低温から高温（６０
℃位まで）までは、上記の従来例と同様にして良好な温
度補償がなされた特性となっている。

ところが超高温（この例では６０℃〜８０°Ｃ）になる
と、上記のような従来例と同様な温度補償では、補償し
きれなくなるが、この実施例では、前記のような超高温
になると、ヒステリシス幅が大きくなり、出力を減少さ
せて図示のような良好な特性となる。

このようにして、特性イ、口、へのように、低温から超
高温領域まで十分に温度補償された良好な特性が得られ
る。

Ｃ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。

即ち、低温から高温まで良好な出力特性となるだけでな
く、超高温領域（例えば６０℃〜８０℃）においても十
分な温度補償ができ、良好な出力特性となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の回ＩＩＩ図、第２図はその
特性例、 第３図は従来の湿度センサの説明図、 第４図は従来の湿度センサの回路例、 第５図は上記従来の湿度センサの特性例、第６図は従来
の改良型湿度センサの回路を示した図である。 １−湿度一周波数変換回路 ２−・微分回路 ３−波形整形回路 積分回路 温度補償回路 Ｈ，ＴＨｏ、ＴＨｘ Ｐ−−−オペアンプ Ｓ−・−湿度センサ素子 サーミスタ 特許出願人　ティーデイ−ケイ株式会社代理人弁理士　
今　村　辰　夫（外１名）臭Ｎｔ　！ｌ１１　ノ０　路
ＦＸＪ 第１図 す □温度 （Ｃ） 爽鳥例の＠姓θ１」 従来の湿度センサの回路例 １ＩＬ度　（Ｃ） ｉ度　（′Ｃ） 湿度センサの問姓例 第５図（そｌ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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（ＨＳ）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
   、前記信号よりも輻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、前記微分回路
   の一部に設け、積分回路の出力電圧で制御を行う、トラ
   ンジスタ等の電圧制御可変インピーダンス素子（５）と
   から成る湿度センサにおいて、 前記湿度−周波数変換回路（１）を、 オペアンプ（ＯＰ）を用いたシュミット・トリガ回路に
   よる無安定マルチバイブレータで構成すると共に、 前記シュミット・トリガ回路のヒステリシスを設定する
   ヒステリシス設定回路の一部に、サーミスタ（ＴＨ＿１
   ）を設け、 温度変化に応じてシュミット・トリガ回路のヒステリシ
   スを可変し、温度・補償を行うことを特徴とする湿度セ
   ンサ。
2. （２）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（ＨＳ）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
   、前記信号よりも輻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、前記微分回路
   の一部に設け、積分回路の出力電圧で制御を行うトラン
   ジスタ等の電圧制御可変インピーダンス素子と、 前記積分回路の出力側に接続し、サーミスタにより構成
   した温度補償回路（６）とを設け、更に前記湿度−周波
   数変換回路（１）の湿度センサ素子（ＨＳ）と直列に、
   該湿度センサ素子（ＨＳ）の高湿度側における特性補正
   用の抵抗として、サーミスタ（ＴＨ＿０）を接続するこ
   とにより、温度補償を行った湿度センサにおいて、前記
   湿度−周波数変換回路（１）を、オペアンプ（ＯＰ）を
   用いたシュミット・トリガ回路による無安定マルチバイ
   ブレータで構成すると共に、前記シュミット・トリガ回
   路のヒステリシスを設定するヒステリシス設定回路の一
   部に、サーミスタ（ＴＨ＿１）を設け、 温度変化に応じてシュミット・トリガ回路のヒステリシ
   スを可変し、温度補償を行うことを特徴とする湿度セン
   サ。