JPH05288704A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長期間、同一的な特性が維持でき、経時変化
が少ない湿度センサの提供。 【構成】 アルミナ基板１の端面１０に、櫛形電極２、
３および感湿素子４を順に積層してなり、感湿素子４
は、仮焼体組成比で、４０モル％のＮａ₂ Ｏ、６モル％
のＧｄ₂ Ｏ₃ 、および５４重量％のＳｉＯ₂ からなる仮
焼物に、１０重量％のＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ を添加、混合
し、再仮焼した仮焼体を用いて製造した多孔質セラミッ
クである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気中の水蒸気の割合
を感湿素子の電気抵抗の変化に基づいて検出する湿度セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】湿度センサの感湿原理としては、大別す
ると水分子の吸着による電気抵抗値変化を利用したもの
と、容量変化を利用したものの二種類があり、セラミッ
ク材料を用いた湿度センサの多くは、前者の原理を利用
している。尚、従来より、感湿部のセラミック材料に、
Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＣｒ₂ Ｏ₄ 、ＭｇＣｒ₂ Ｏ₄ - ＴｉＯ
₂ 、ＺｒＯ₂ 等を用いた湿度センサが開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の湿度センサは、長期間使用すると、感湿特性が変化
し、正確な湿度が測定できなくなるという欠点がある。
本発明の目的は、長期間、同一的な特性が維持でき、経
時変化が少ない湿度センサの提供にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為、
本発明は、以下の構成を採用した。 （１）一対の電極と、この電極の両方に当接する様に配
される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前記感湿素
子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵抗値の変
化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検出する湿
度センサにおいて、前記感湿素子は、ナトリウム元素、
珪素元素、酸素元素、および希土類金属元素を主成分と
する多種類の固溶体が混在している多孔質セラミックで
ある。 （２）一対の電極と、この電極の両方に当接する様に配
される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前記感湿素
子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵抗値の変
化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検出する湿
度センサにおいて、前記感湿素子は、仮焼物組成比で、
１モル％〜４５モル％の一酸化ナトリウム、微量〜４５
モル％の希土類金属元素の酸化物、および１モル％〜６
５モル％の二酸化珪素で構成されている仮焼物を用いて
製造した多孔質セラミックである。 （３）一対の電極と、この電極の両方に当接する様に配
される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前記感湿素
子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵抗値の変
化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検出する湿
度センサにおいて、前記感湿素子は、仮焼物組成比で、
１モル％〜４５モル％の一酸化ナトリウム、微量〜４５
モル％の希土類金属元素の酸化物、および１モル％〜６
５モル％の二酸化珪素からなる仮焼物に、適量の、リン
またはリン化合物を添加、混合し、再仮焼した仮焼体を
用いて製造した多孔質セラミックである。

【０００５】

【作用および発明の効果】

〔請求項１について〕一対の電極と、この電極の両方に
当接する様に配される感湿素子とを備え、空気中の水蒸
気が感湿素子に吸脱着することによる電極間の電気抵抗
値の変化から空気中に含まれる水蒸気の割合を検出する
湿度センサの感湿素子に、ナトリウム元素、珪素元素、
酸素元素、および希土類金属元素を主成分とする多種類
の固溶体が混在している多孔質セラミックを用いると、
理論的な作用は不明であるが、感湿素子は、感湿特性の
経時変化を起こし難いので、湿度センサは、長期間、同
一的な特性が維持できる。 〔請求項２について〕仮焼物組成比で、１モル％〜４５
モル％の一酸化ナトリウム、微量〜４５モル％の希土類
金属元素の酸化物、および１モル％〜６５モル％の二酸
化珪素で構成されている仮焼物を用いて製造した多孔質
セラミックを湿度センサの感湿素子に用いると、理論的
な作用は不明であるが、感湿素子は、感湿特性の経時変
化を起こし難く、且つ、その抵抗値は湿度測定に適した
範囲に収まる。このため、湿度センサは、長期間にわた
り同一的な特性が維持できるとともに、容易に湿度測定
を行うことができる。一酸化ナトリウムの仮焼物組成比
が４５モル％を越えると経時劣化が激しくなり、１モル
％未満であると低湿度での抵抗値が高い。希土類金属元
素の酸化物の仮焼物組成比が４５モル％を越えると、全
範囲にわたり抵抗値が上昇し、高湿度でも抵抗値が極端
に高くなる。また、ゼロであると焼結性が悪化し、強度
低下を招く。二酸化珪素の仮焼物組成比が６５モル％を
越えると、全範囲にわたり抵抗値が上昇し、高湿度でも
抵抗値が極端に高くなる。また、ゼロであると焼結性が
悪化し、強度低下を招く。 〔請求項３について〕仮焼物組成比で、１モル％〜４５
モル％の一酸化ナトリウム、微量〜４５モル％の希土類
金属元素の酸化物、および１モル％〜６５モル％の二酸
化珪素からなる仮焼物に、適量の、リンまたはリン化合
物を添加、混合し、再仮焼した仮焼体を用いて製造した
多孔質セラミックを湿度センサの感湿素子に用いると、
理論的な作用は不明であるが、感湿素子は、感湿特性の
経時変化を起こし難く、且つ、その抵抗値は湿度測定に
適した範囲に収まり、さらに感湿特性の直線性が良くな
る。このため、湿度センサは、長期間にわたり同一的な
特性が維持でき、容易かつ正確に湿度測定を行うことが
できる。尚、リンまたはリン化合物の添加量が適量範囲
外にあると経時劣化の速度が速くなる。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図７、および第１
表に基づいて説明する。図１に示すように、湿度センサ
Ａは、電気絶縁性を有するアルミナ基板１の端面１０
に、櫛形電極２、３、および感湿素子４を順に積層して
いる。また、櫛形電極２、３の端部には金製の電極取り
出し部５、６が固着され、この電極取り出し部５、６に
は、リード線７、８が電気接続されている。

【０００７】アルミナ基板１は、本実施例では、厚さ
０．６ミリ、縦５ミリ、横１５ミリの板であり、アルミ
ナを主体とするセラミック焼結体で形成されている。

【０００８】櫛形電極２、３は、厚さ数十ミクロンであ
り、アルミナ基板１の端面１０に、酸化ルテニウム（Ｒ
ｕＯ₂ ）を厚膜印刷して焼き付けたものである。

【０００９】感湿素子４は、厚さ数十ミクロンであり、
ナトリウム元素、希土類金属元素、珪素元素、酸素元素
が三次元的に連なったナトリウムイオン伝導体の他、ナ
トリウム、珪素、酸素、および希土類金属元素を主成分
とする多種類の固溶体が混在しており、微結晶の多孔質
構造を呈する。尚、本実施例では、感湿素子４の製造の
為、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ ＣＯ₃ ）および二酸化珪素
（ＳｉＯ₂ ）と、酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃ ）、酸化
ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）、酸化サマリウム（Ｓｍ
₂ Ｏ₃ ）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃ ）、酸化ジス
プロシウム（Ｄｙ₂ Ｏ₃ ）、酸化ホルシウム（Ｈｏ₂ Ｏ
₃ ）、酸化エルビウム（Ｅｒ₂ Ｏ₃ ）、酸化イッテルビ
ウム（Ｙｂ₂ Ｏ₃ ）の何れか一つと、選択的に用いる燐
酸二水素アンモニウム（ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ ）とを使用し
ている。

【００１０】つぎに、湿度センサＡの製造方法を述べ
る。 ｛１｝仮焼き後に、一酸化ナトリウム（Ｎａ₂ Ｏ）、希
土類金属元素の酸化物、および二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）
の組成比が第１表の様になる様に、各々所定量の、炭酸
ナトリウム（Ｎａ₂ ＣＯ₃ ）、希土類金属元素の酸化
物、および二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）を混合し、８００℃
〜１０００℃で仮焼きする。 ｛２｝試料番号１６、１８、２０、２２、２３、２５、
２７、２９、３１については、上記仮焼き物を粉砕した
後、燐酸二水素アンモニウム（ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄）を第
１表の割合で添加して混合し、８００℃〜１０００℃で
仮焼きした後、粉砕する。また、他の試料番号のもの
は、上記仮焼物を粉砕して｛３｝を行う。 ｛３｝上記粉砕物をペーストにする。 ｛４｝予め、櫛形電極２、３、および電極取り出し部
５、６を焼き付けておいたアルミナ基板１に、このペー
ストを印刷する。 ｛５｝６００℃〜９００℃で一体焼成する。 ｛６｝電極取り出し部５、６に、白金製のリード線７、
８を取付け、湿度センサＡが完成する。

【００１１】 第 １ 表 試料 希土類 総合 番号 Ｎａ₂ Ｏ 金属元素の酸化物 ＳｉＯ₂ ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ 評価 １ ８０ Ｙ₂ Ｏ₃ １０ １０ − × ２ ６０ Ｙ₂ Ｏ₃ ３０ １０ − × ３ ６０ Ｙ₂ Ｏ₃ １０ ３０ − × ４ ４０ Ｙ₂ Ｏ₃ ４０ ２０ − 〇 ５ ４０ Ｙ₂ Ｏ₃ ２０ ４０ − 〇 ６ ３０ Ｙ₂ Ｏ₃ ６０ １０ − × ７ ３０ Ｙ₂ Ｏ₃ １０ ６０ − 〇 ８ ２０ Ｙ₂ Ｏ₃ ４０ ４０ − 〇 ９ １０ Ｙ₂ Ｏ₃ ８０ １０ − × １０ １０ Ｙ₂ Ｏ₃ ６０ ３０ − × １１ １０ Ｙ₂ Ｏ₃ ３０ ６０ − 〇 １２ １０ Ｙ₂ Ｏ₃ １０ ８０ − × １３ ４２ Ｙ₂ Ｏ₃ １ ５７ − 〇 １４ ４０ Ｙ₂ Ｏ₃ １０ ５０ − 〇 １５ ４０ Ｙ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 １６ ４０ Ｙ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ １７ ４０ Ｌａ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 １８ ４０ Ｌａ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ １９ ４０ Ｓｍ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ２０ ４０ Ｓｍ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ２１ ４０ Ｇｄ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ２２ ４０ Ｇｄ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ２３ ４０ Ｇｄ₂ Ｏ₃ ６ ５４ ３０ × ２４ ４０ Ｄｙ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ２５ ４０ Ｄｙ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ２６ ４０ Ｈｏ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ２７ ４０ Ｈｏ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ２８ ４０ Ｅｒ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ２９ ４０ Ｅｒ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ３０ ４０ Ｙｂ₂ Ｏ₃ ６ ５４ − 〇 ３１ ４０ Ｙｂ₂ Ｏ₃ ６ ５４ １０ ◎ ←←←← 数字は重量％ →→→→ 但し、Ｎａ₂ Ｏ、金属元素の酸化物、およびＳｉＯ₂ の
下の数字は仮焼物組成比（モル％） ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ の下の数字は仮焼物に対するＮＨ₄ Ｈ
₂ ＰＯ₄ の含有量（重量％）である

【００１２】つぎに、湿度センサＡの感湿特性試験につ
いて述べる。分流式湿度発生槽を使用し、温度２０℃一
定、相対湿度２０％ＲＨ〜９０％ＲＨの範囲で、相対湿
度を６分間隔で変化させ、ＬＣＲメータに拠り、リード
線７、８間のインピーダンスを測定した。尚、図２に試
料番号１６、２１、２２を用いた湿度センサＡの感湿特
性試験結果を示す。希土類金属元素の酸化物に酸化ガド
リニウム（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を用い、燐酸二水素アンモニウ
ム（ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ ）を１０重量％添加した試料番号
２２を使用した湿度センサＡが、インピーダンスの変
化、および低ヒステリシスから鑑み、試料番号１〜３１
中、最も感湿特性に優れていることが判明した。

【００１３】つぎに、湿度センサＡの経時変化について
述べる。試料番号２２の感湿素子を用いて製造した湿度
センサＡを、約３００日の室温稼動試験期間中、図３に
示す様に、３０％ＲＨ、５０％ＲＨ、９０％ＲＨの測定
に対し、±３％以内のドリフトで収まり、極めて安定し
た特性を示した。また、試料番号２２の感湿素子を用い
て製造した湿度センサＡを、４０℃、９５％ＲＨの苛酷
な条件で約３００日の稼動試験を行った所、期間中、図
４に示す様に、３０％ＲＨ、５０％ＲＨ、９０％ＲＨの
測定に対し、±３％以内のドリフトで収まり、苛酷条件
下でも極めて安定した特性を示した。燐酸二水素アンモ
ニウム（ＮＨ₄ Ｈ₂ ＰＯ₄ ）を過大に添加した、試料番
号２３の感湿素子を用いて製造した湿度センサを、同様
に試験した所、図５および図６に示す結果が得られ、適
正添加（微量〜２９重量％）の試料番号２２のものより
経時変化が遙かに大きいことが判明した。これは、リン
（Ｐ）の化学的不安定性に拠る為であると考えられる。

【００１４】つぎに、湿度センサＡの応答性について述
べる。試料番号２２の感湿素子を用いて製造した湿度セ
ンサＡの、温度２０℃、相対湿度５０％ＲＨおよび９０
％ＲＨにおける、増湿、減湿時の応答特性の測定結果を
図７に示す。図７の結果に示す通り、減湿時は約１６０
秒、増湿時は約１４０秒で平衡に達することが確認さ
れ、この湿度センサＡは、実用上、支障無く使用できる
事が判明した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る湿度センサの分解図で
ある。

【図２】試料番号１６、２１、２２を用いて製造した湿
度センサの、相対湿度とインピーダンスとの関係を示す
グラフである。

【図３】試料番号２２を用いて製造した湿度センサを室
内稼動させた時の経時変化を示すグラフである。

【図４】試料番号２２を用いて製造した湿度センサを、
４０℃、９５％ＲＨで稼動させた時の経時変化を示すグ
ラフである。

【図５】試料番号２３を用いて製造した湿度センサを室
内稼動させた時の経時変化を示すグラフである。

【図６】試料番号２３を用いて製造した湿度センサを、
４０℃、９５％ＲＨで稼動させた時の経時変化を示すグ
ラフである。

【図７】試料番号２２の感湿素子を用いて製造した湿度
センサの、温度２０℃、相対湿度５０％ＲＨおよび９０
％ＲＨにおける、増湿、減湿時の応答特性の測定結果を
示すグラフである。

【符号の説明】

２、３ 櫛形電極（電極） ４ 感湿素子 Ａ 湿度センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極と、この電極の両方に当接す
   る様に配される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前
   記感湿素子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵
   抗値の変化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検
   出する湿度センサにおいて、 前記感湿素子は、ナトリウム元素、珪素元素、酸素元
   素、および希土類金属元素を主成分とする多種類の固溶
   体が混在している多孔質セラミックであることを特徴と
   する湿度センサ。
2. 【請求項２】 一対の電極と、この電極の両方に当接す
   る様に配される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前
   記感湿素子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵
   抗値の変化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検
   出する湿度センサにおいて、 前記感湿素子は、仮焼物組成比で、１モル％〜４５モル
   ％の一酸化ナトリウム、微量〜４５モル％の希土類金属
   元素の酸化物、および１モル％〜６５モル％の二酸化珪
   素で構成されている仮焼物を用いて製造した多孔質セラ
   ミックであることを特徴とする湿度センサ。
3. 【請求項３】 一対の電極と、この電極の両方に当接す
   る様に配される感湿素子とを備え、空気中の水蒸気が前
   記感湿素子に吸脱着することによる上記電極間の電気抵
   抗値の変化から前記空気中に含まれる水蒸気の割合を検
   出する湿度センサにおいて、 前記感湿素子は、仮焼物組成比で、１モル％〜４５モル
   ％の一酸化ナトリウム、微量〜４５モル％の希土類金属
   元素の酸化物、および１モル％〜６５モル％の二酸化珪
   素からなる仮焼物に、 適量の、リンまたはリン化合物を添加、混合し、再仮焼
   した仮焼体を用いて製造した多孔質セラミックであるこ
   とを特徴とする湿度センサ。