JPH0637322Y2 - 湿度センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、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、温度補償を行うことにより、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、センサ出力のリニアリティを確保し、かつ、温度
変化に対しても良好な出力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ている
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、
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
成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リニアリティを改善したもの
である。上記の湿度センサは、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図のロ参照）は波形整形回
路３で不要成分を除去し（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、出力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、センサ出力のリニアリティを改善する。

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、HS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、C₇、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HSの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C₂と、
湿度センサ素子HSの直列回路で湿度センサ素子回路を構
成する。

この列では、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タを用いる。
この回路は、ゲート（インバータ）G₄、コンデンサC₇、
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R₃、イン
ピーダンス変化型の湿度センサ素子HS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、以降同
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。

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、同様な問題が起こる。

次に電圧制御インピーダンス素子としてトランジスタTr
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Ａに示す。

第５図Ａ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％）、
ロは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、温度特性が極めて悪い。

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をロの60
％RH時に合わせたとすると、ロは、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HS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、高湿時のリニアリティ改善と、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、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（バイポーラトランジスタ）
を図示のように接続すると、温度変化に対してそのコレ
クタ−エミッタ間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I_CB0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。即ち、積分出力は低下する。このため、第５図Ｃ
に示したハ（30％RH時）のような特性になり、ほぼ良好
な特性となる。

〔考案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、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。

本考案は、このような従来の欠点を解消し、特に高湿高
温時の特性を改善することにより、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〕

本考案は、上記の目的を達成するため、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、前記信号よりも幅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設けた、サーミスタから成る温度
補償回路により構成した湿度センサにおいて、湿度−周
波数変換回路の湿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
ミスタを接続したものである。

〔作用〕

本考案は上記のようにしたので、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。

こ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（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
におり、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、センサ出力のリ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
温高湿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、高温高湿時の出力
低下を補償できる。

即ち、高温高湿時、上記サーミスタの抵抗値を湿度セン
サ素子の抵抗値（インピーダンス値）とほぼ同等に選ん
でおくことにより、高温高湿時には、上記湿度センサ素
子とサーミスタ両方の温度特性が加算されるため、トラ
ンジスタによる過補償分を補償できる。

また、低温時、あるいは低湿時には、湿度センサ素子の
インピーダンスがサーミスタの抵抗値より十分大きくな
るため、サーミスタの温度変動は無視出来る。

つまり、上記サーミスタは、高温高湿時の温度特性のみ
補償する。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本考案の第１実施例の回路図であり、図中、
第４図と同符号は同一のものを示す。またTH₀はサーミ
スタを示す。

この実施例は、上記第４図に示した従来の湿度センサに
おいて、湿度センサ素子HSの高湿度側いおける特性補償
用の抵抗R₃の代わりに、サーミスタTH₀を用いたもので
ある。

このサーミスタTH₀は、特に高温時においてのみ湿度セ
ンサ素子HSのインピーダンスに対して抵抗変化の大きい
ものを用い、高温高湿時のセンサ出力の低下を補償す
る。例えば、20℃で4.7KΩ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HSと、サーミスタTH₀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、湿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。

例えば温度が低ければ、サーミスタTH₀の抵抗値は大き
いが、高温時にはサーミスタTH₀の抵抗値が小さな値と
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。（ただし湿度一定の場合）。

その結果、湿度センサの出力電圧は、低温時おりも高温
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、高温高湿時の
出力電圧の低下を補償する。なお、この場合、サーミス
タTH₀は、低温時には湿度センサ素子HSのインピーダン
ス値より十分小さい値を選んでおけば、低湿時にはサー
ミスタ抵抗が変化しても、湿度センサ素子HSとサーミス
タTH₀との合成インピーダンスの変化は小さい。即ち低
湿時にはサーミスタはほとんど効かない。

第２図は、第２実施例の回路であり、図中、第１図と同
符号は同一のものを示す。また、G₂〜G₄はゲート、R₁、
R₂、R₈は抵抗、C₁はコンデンサを示す。

この実施例は、湿度−周波数変換回路１に、２つのゲー
トG₂、G₃を用い、温度補償回路６を抵抗R₈とサーミスタ
THとを用いた例である。

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G₃（インバータ）から成るＣ−MOSゲートI
C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
ブレータ）の抵抗R₂と並列に、湿度センサ素子HS、サー
ミスタTH₀、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、サーミスタTH₀は湿度センサ
素子HSの高湿度側における特性補正用の抵抗と温度補償
用とを兼ねた素子である。

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HSの周囲の温度が変化すると、湿度セン
サ素子HS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C₃
と、抵抗R₄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。

更に積分回路４の出力は、温度補償回路６により温度補
償された後、湿度センサの出力となる。

なお、この例においても第１実施例と同じサーミスタTH
₀を用いることにより、特に高温高湿時の温度補償をす
る。

第５図Ｄは、上記実施例の特性例を示した図であり、横
軸は温度（℃）、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TH₀
は、高温高湿時の湿度センサ素子HSのインピーダンスと
同程度で低温または低湿時のセンサインピーダンスより
十分小さい値に選んでおけば高温高湿時のみの出力低下
が補償されて良好な特性となる。

また、ロ、及びハの特性については、低湿時に湿度セン
サ素子HSの抵抗値が比較的大きいから、サーミスタTH₀
による影響が少なく、良好な特性を保つ。

以上実施例について説明したが、本考案は上記の例に限
らず次のようにいても実施可能である。

（１）湿度−周波数変換回路としては、上記実施例の回
路に限らず、他のCR発振回路ならば、どのような回路で
も実施可能である。

（２）温度補償用のサーミスタは、それぞれ補償すべき
温度範囲に応じて任意の特性の素を選定すればよい。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば次のような効果が
ある。

（１）特に、高温高湿時における温度センサの電力電圧
低下を補償でき、良好な特性の湿度センサが得られる。

（２）湿度、及び温度の広範囲の変化に対して、湿度セ
ンサの出力電圧は、良好な特性となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第１実施例の回路図、 第２図は第２実施例の回路図、 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図は湿度センサの特性例である。 TH、TH₀……サーミスタ G₁〜G₄……ゲート R₁〜R₉……抵抗 C₁〜C₇……コンデンサ HS……湿度センサ素子 Tr……トランジスタ VR……可変抵抗器

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項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、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設け、サーミスタ（TH）により
   構成した温度補償回路（６）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）の湿度センサ素子（H
   S）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（TH₀）を接
   続したことを特徴とする湿度センサ。