JPH0663997B2 - 湿度センサ - Google Patents

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、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、センサ出力のリニアリティを確保
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、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例を第10図に
示す。

図中、第９図と同符号は同一のものであり、Ｇ_１〜Ｇ_３
はゲート、Ｒ_１〜Ｒ_５は抵抗、Ｃ_１〜Ｃ_４はコンデン
サ、HS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Ｇ_２（バッファゲー
ト）とゲートＧ_３（インバータ）から成るＣ−MOSゲー
トICと、抵抗Ｒ_１、Ｒ_２及びコンデンサＣ_１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Ｒ_２と並列に、湿度センサ素
子HS、抵抗Ｒ_３、コンデンサＣ_２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Ｒ_１はゲート保護用の抵抗、
抵抗Ｒ_２は、コンデンサＣ_１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
Ｃ_２は直流分阻止用のコンデンサ、抵抗Ｒ_３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Ｃ_１、抵抗Ｒ_２、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の周囲の湿度が変化すると、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Ｃ
_３と抵抗Ｒ_４から成る微分回路２により微分された後、
ゲートＧ_１から成る波形整形回路３により波形整形さ
れ、更に、抵抗Ｒ_５とコンデンサＣ_４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、10^４〔Ω〕〜10^７〔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。

（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
好なリ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
サ出力のリ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、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、センサ出力のリ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、Ｒ_６〜Ｒ_{１ １}の抵抗、Ｃ_５〜Ｃ
_９はコンデンサ、Ｄはダイオード、VDは可変容量ダイオ
ード、Ex−ORは排他的理論和ゲート、VRは可変抵抗、TH
はサーミスタ、６は温度補償回路、Ｇ_４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Ｃ_４の電圧を抵抗Ｒ_６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２の時定数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
ンサ出力のリ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Ｒ_５とコンデンサＣ_４から成る積分回路は出
力用とし、抵抗Ｒ_５とコンデンサＣ_５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Ｃ_３、抵抗Ｒ_４、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Ｒ_８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のコレクタエミッタ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、ほとんど電流が
流れなくなることがある。このような場合に、抵抗Ｒ_４
があると、この抵抗Ｒ_４とコンデンサＣ_３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、
微分回路か正常に動作しなくなるのを補償するために抵
抗Ｒ_４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Ｃ_１の電荷は無いか
ら、ゲートＧ_２の出力側（ゲートＧ_３の入力側）はロー
レベルの「０」であり、ゲートＧ_３の出力はハイレベル
の「１」である。このため、ゲートＧ_３の出力から、抵
抗Ｒ_２と湿度センサ素子回路（コンデンサＣ_２、抵抗Ｒ
_３、湿度センサ素子HSの直列回路）との並列回路、及び
コンデンサＣ_１を介してゲートＧ_３の入力へ電流が流れ
る。

この時の電流でコンデンサＣ_１が充電され、ゲートＧ_３
の入力が「１」のレベルに達すると、ゲートＧ_３の出力
は「０」となり、コンデンサＣ_１は、上記と逆方向に充
電される。その後、抵抗Ｒ_１とＲ_２との接続点の電位が
所定値まで下降すると、ゲートＧ_２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Ｃ_１の充放電電流は、湿度センサ
素子HSを流れるから、湿度センサ素子HS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ータを用いる。
この回路は、ゲート（インバータ）Ｇ_４、コンデンサＣ
_７、抵抗Ｒ_９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Ｃ_２、抵抗
Ｒ_３、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（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Ｇ_４の出力がハイレベルの「１」であると
すると、抵抗Ｒ_９を介してコンデンサＣ_７が充電され
る。この充電により、コンデンサＣ_７の端子電圧が上昇
し、この電圧がゲートＧ_４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Ｇ_４
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Ｃ_７の電荷が抵抗Ｒ_９を
介して放電する。従って、ゲートＧ_４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Ｇ_４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Ｒ_９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Ｒ_９に電流が流れ
る時に、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Ｒ_５とコンデンサＣ_５から成る出力用の回
路と、可変抵抗VRとコンデンサＣ_９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Ｇ_４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、その分発熱量も少ない。

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、その一方の直
線Ex−ORに入力すると共に、他方を抵抗Ｒ_{１ １}とコンデ
ンサＣ_８、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、湿度センサ
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入力はハイレベル信号「１」とロ
ーレベル信号「０」となっている。その後、積分出力が
上昇すると、２入力が共に「１」となる。また、入力パ
ルスが無ければ２入力は共に「０」である。

したがって、Ex−ORの出力は、入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。しかもその変化が非直線的変化であるから、温度変
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、ロに示したよ
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）微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）簡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。 １……湿度−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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土田 敦子 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−36046（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−17649（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−12047（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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）の出力電圧を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。