JPH0654298B2 - 湿度センサ - Google Patents

湿度センサ

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JPH0654298B2
JPH0654298B2 JP21474385A JP21474385A JPH0654298B2 JP H0654298 B2 JPH0654298 B2 JP H0654298B2 JP 21474385 A JP21474385 A JP 21474385A JP 21474385 A JP21474385 A JP 21474385A JP H0654298 B2 JPH0654298 B2 JP H0654298B2
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optical waveguide
humidity
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humidity sensor
substrate
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JP21474385A
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正 末田
雅之 井筒
晃 榎原
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 この湿度センサは,湿度による空気の熱伝導率の変化を
利用したものである。基板に2つの光導波路が形成さ
れ,一方の光導波路上には放熱層が他方の光導波路上に
は断熱層がそれぞれ設けられる。放熱層が設けられた一
方の光導波路を伝播する光の位相変化が、断熱層の設け
られた他方の光導波路を伝播する光の位相を基準として
測定され,この位相変化に基づいて湿度が求められる。
発明の背景 この発明は,光集積回路による湿度センサに関する。
湿度は,計測の困難な物理量の一つとされている。湿度
の測定には,古くは乾湿球湿度計や毛髪湿度計が用いら
れ,最近では,金属酸化物,セラミックス,有機高分子
膜等の湿度による抵抗率や誘電率の変化を利用したも
の,湿度による空気の熱伝導率の変化を利用した方式と
してサーミスタを用いたものなどがある。
上述のサーミスタ方式以外のものはいずれも,ヒステリ
シスが生じる,応答性が悪い,メンテナンスが必要であ
る,構造が複雑である等々の問題点がある。
サーミスタ方式のものは,上記のような欠点がなく,現
在の湿度センサの中では最も安定性,信頼性が高いとい
える。
一方,光集積回路は,光回路を固体基板上に一体化する
ことによって,小型,高性能で,振動等の外乱に対して
安定な機能素子が構成できるという利点を有している。
したがって,この光集積回路技術をセンサに適用するこ
とは,高精度で信頼性の高い計測への要求を満足させて
くれるものと期待される。
近年,光ファイバ・センサをはじめとして,光応用セン
サの研究が活発に行われている。しかしながら,センサ
用光回路の一部を集積化したものは見うけられるが,セ
ンサ自体が光集積回路によって構成されたものは殆ど報
告されていないのが現状である。
発明の概要 この発明の目的は,さらに小型で安定な湿度センサを実
現するために,湿度による空気の熱伝導率の変化を利用
したサーミスタ方式の利点を集積化した光回路に適用し
て構成された湿度センサを提供するものである。
この発明による湿度センサは,基板上に,少なくとも2
つの第1,第2の光導波路と,これらの光導波路に所定
の位相関係を有する光をそれぞれ供給する手段とを設
け,第1の光導波路上には放熱層を,第2の光導波路に
は断熱層をそれぞれ設け,両光導波路から出力される光
の位相差に基づいて湿度を検出することを特徴とする。
最も簡単には入力光が2つに分岐され,第1,第2の光
導波路に供給される。この場合には第1,第2の光導波
路にそれぞれ供給される光は同相である。第1,第2の
光導波路によってマイケルソン干渉計を構成し,2つの
光を干渉させることによって生じる出力光強度に基づい
て湿度を検出することが簡便である。さらに,湿度変化
による光軸のずれに基づく出力光強度変化を補償するた
めには,基板上に第3の光導波路を設け,マイケルソン
干渉計の出力光強度と第3の光導波路の出力光強度との
比較結果に基づいて湿度を検出するとよい。
この発明によると,湿度による空気の熱伝導率の変化を
利用しているので,ヒステリシスを生じることなくまた
応答性もよいといったサーミスタ方式の利点をそのまま
受継いでいる。しかも一基板上に集積化された光回路の
形態をとっているので小型で安定性がよい。
実施例の説明 [湿度検出の原理] この発明による湿度センサは,空気の熱伝導率がその空
気中に含まれる水蒸気量によって変化することを利用し
たものである。
一定の熱量が継続的に与えられている物体があるとする
と,その物体の表面温度は,与えられる熱量と空気中へ
の熱伝導によって失われる熱量とが等しくなる温度で平
衡状態になる。空気中に放出される熱量は,空気の熱伝
導率に依存するため,熱伝導率が変化すれば放出される
熱量が変化し,新たな平衡状態になるよう物体の表面温
度が変化する。空気の熱伝導率は空気中の水蒸気量に依
存するため一定の熱量が与えられている物体の表面温度
は,空気中の水蒸気量すなわち絶対湿度により変化す
る。したがって,その表面温度の変化を検出することに
よって絶対湿度のセンシングが可能となる。
平板と流体(ここでは空気)が接しているときに生じる
熱交換は熱伝達と呼ばれる。いま,温度θの平板がθ
の流体に接しているとすると,熱伝達はθ−θ
駆動力として起こる。この場合,平板の表面(面積S)
を通して平板から流出する熱量Qは次のように表わされ
る。
Q=hS(θ−θ) …(1) ここで,hは平均熱伝達率と呼ばれる。
平板の表面温度はどこでも一定とし,水平に置かれた長
辺の長さがlの長方形の平板で,自然対流のみを考えた
場合,hは第(2)式のように表わされる。
=0.54(g/)1/4・[(θW−θA)/θA]1/4・(CPρ2/λ3μ)1/4 …(2) ここで, λ:空気の熱伝導率 μ:空気の粘性係数 ρ:空気の密度 g:重力加速度 C:空気の低圧比熱 第(2)式を第(1)式に代入し,整理すると,平板の表面温
度θは次式によって表わされることが分る。
θ=θ+(Q/0.54S)4/5・(μθ/gλ3ρ2CP1/5 …(3) 空気の熱伝導率λなどは絶対湿度の関数であるから,第
(3)式から平板の表面温度θが絶対湿度に依存してい
ることが分る。
第(3)式を基に,絶対湿度に対する表面温度の変化を数
値計算によって求めた結果が第1図に示されている。平
板の寸法をl=40mm,S=40mm2とした。また,絶対湿
度が0(g/kg)の時に平板の表面温度が200℃で平衡
状態になるような一定の熱量を加えているものと仮定し
た。このグラフに示された10℃,20℃等の数字は気温を
示している。
第1図のグラフから,平板の温度変化は気温の影響をあ
まり受けないことがわかる。また,温度変化量は0.5℃
適度ある。基板に形成された光導波路を伝播する光の位
相は基板温度によって変化するが,0.5℃程度の温度差
があれば上記位相変化量は充分に検出可能である。たと
えば,上記平板を基板とし,この基板に光導波路を含む
干渉計を設ければ,この温度変化は確実に測定される。
したがって,湿度センサは原理的には第2図に示すよう
に構成することができる。
第2図において,基板1上にマッハツェンダ型の干渉計
11を設ける。この干渉計11は,入力用光導波路3と,こ
の光導波路3から2つに分岐した2つの平行光導波路
1,2と,これらの光導波路1,2が合波する出力用光
導波路4とから構成されている。一方の平行光導波路1
上にはこれを覆うように放熱層12が設けられ,他方の平
行光導波路2上を含む基板10表面の残りの部分上には厚
い断熱層13が配置される。基板10の下から一定の熱量を
与えていると,放熱板12を乗せた方の光導波路1の温度
は前述したように湿度によって変化するので,両光導波
路1,2の間に温度差が生じる。この温度差のために,
両光導波路1,2を伝播する光波の間に位相差が生じ,
出力用光導波路4から得られる光の強度がこの位相差に
よって変化する。したがって,出力光を検出することに
よって,光集積回路による湿度のセンシングが可能とな
る。
[湿度センサと測定結果] 第3図および第4図は,この発明による湿度センサの一
例を示している。
基板10としてLiNbOが用いられ,この基板10上
に,Tiを熱拡散することにより,上述のマッハツェン
ダ型干渉計11と参照用光導波路5と入力用光導波路6と
が形成されている。入力用光導波路6はY字形に分岐さ
れ,この分岐部分に干渉計11と光導波路5とが直接に接
続されている。干渉計11の出力用光導波路4の出力光が
測定光,光導波路5の出力光が参照光となる。参照用光
導波路5は,基板10を高温に加熱するため,温度変化等
による光軸のずれによる測定光強度の変化の影響を取り
除くためである。
このような基板10の上面にSiOバッファ層9が設け
られ,さらに光導波路1の上方にあたる部分にAl放熱
層12が,他の部分に超耐熱特殊ポリイミド樹脂PIQ
(日立化成)による断熱層13がそれぞれ設けられてい
る。バッファ層9は,放熱層12を直接に設けたときに生
じる光導波路1の光波の損失を防止するためである。
この湿度センサは一例として次のようにして作製され
る。まず,LiNbO基板1上に,干渉計11の光導波
路パターンおよび光導波路5,6のパターンをTiのス
パッタリングによって45nmの厚さに形成する。そして,
温度980℃,酸素雰囲気中で6.5時間Tiを基板1に熱拡
散することにより,光導波路1〜6を形成する。その
後,SiOを200nmの厚さにスパッタすることにより
バッファ層9を形成し,断熱層13を6μmの厚さに回転
塗布し,Al放熱板を2μmの厚さに蒸着する。
実験は次のようにして行なわれた。
第3図および第4図に示される湿度センサ20は,第5図
に示されているように,ヒータ23を内蔵した銅製の治具
21に,裏面を放熱ペーストで密着させ,約200℃になる
ような一定の熱量で加熱した。治具21は断熱材22上に置
かれている。湿度センサ20の大きさは,放熱層12が乗っ
ている光導波路1の部分の長さが約18mmである。実験で
は,He−Neレーザ,0.63μm光を用い,端面照射に
よる光波の入出力を行なった。少量の温水で湿度を変化
させ,サーミスタ湿度センサで実際の湿度を計測した。
気温25℃で,TMモードを用いて測定を行なった結果が
第6図に示されている。ここで縦軸(規格化出力)は参
照光と測定光の比,すなわち(測定光)/(参照光)か
ら求めたものである。第6図から光波の位相を半波長ず
らすのに必要な湿度変化量は約6.8g/kgであることが
分る。
第6図のグラフからも分るように,光集積回路による湿
度センサによって,湿度の測定が可能である。
干渉計は上述のマッハツェンダ型のものに限らない。た
とえば,非対称X分岐光導波路を用いてマイケルソン干
渉計を構成することも可能である。この非対称X分岐光
導波路は,導波形光ビーム・スプリッタとして特開昭58
−202406(特願昭57−86178)に開示されている。この
光導波路を用いると光が往復するために素子長がほぼ半
分ですみ,センサ自体をより小型化できるという利点が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は絶対湿度と平板の表面温度との関係を示すグラ
フ,第2図はこの発明による湿度センサの原理を示すた
めの平面図,第3図および第4図はこの発明の実施例を
示すものであり,第3図は斜視図,第4図は第3図のIV
−IV線にそう断面図,第5図は湿度センサの測定実験の
ために使用される治具を示す斜視図,第6図は測定結果
を示すグラフである。 1,2……マイケルソン干渉計の第1,第2の光導波
路, 3……マイケルソン干渉計の入力用光導波路, 4……マイケルソン干渉計の出力用光導波路, 5……参照用(第3の)光導波路, 6……入力用光導波路,10……基板, 11……マイケルソン干渉計,12……放熱層, 13……断熱層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井筒 雅之 大阪府吹田市新芦屋上19―10―806 (72)発明者 榎原 晃 奈良県生駒郡平群町若葉台87―261 (56)参考文献 特開 昭59−218915(JP,A) 特開 昭59−153129(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に,少なくとも2つの第1,第2の
    光導波路と,これらの光導波路に所定の位相関係を有す
    る光をそれぞれ供給する手段とを設け,第1の光導波路
    上には放熱層を,第2の光導波路には断熱層をそれぞれ
    設け,両光導波路から出力される光の位相差に基づいて
    湿度を検出する湿度センサ。
  2. 【請求項2】第1,第2の光導波路にそれぞれ供給され
    る光が同相である,特許請求の範囲第(1)項に記載の湿
    度センサ。
  3. 【請求項3】第1,第2の光導波路がマイケルソン干渉
    計を構成し,その出力光強度に基づいて湿度を検出する
    特許請求の範囲第(1)項に記載の湿度センサ。
  4. 【請求項4】基板上に第3の光導波路が設けられ,マイ
    ケルソン干渉計の出力光強度と第3の光導波路の出力光
    強度との比較結果に基づいて湿度を検出する特許請求の
    範囲第(3)項に記載の湿度センサ。
JP21474385A 1985-09-30 1985-09-30 湿度センサ Expired - Lifetime JPH0654298B2 (ja)

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JPS6275231A JPS6275231A (ja) 1987-04-07
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