JPH0663998B2 - 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を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。

第７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８図に
示す。

図中、第７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、センサのリニアリティは劣化する。

更に、中湿度に設定しても、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７図、
第８図と同符号は同一のものを示し、５はしきい値制御
回路を示す。

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、所
定のしきい値レベル以上を取り出して波形整形する波形
整形回路（しきい値回路）３と、この波形整形されたパ
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、上記積分回路４の出力電圧により、上記波形整形
回路３のしきい値を制御するしきい値制御回路５を設
け、上記積分回路４の出力電圧に応じて波形整形回路３
のしきい値を変化させ、センサ出力のリニアリティを改
善できるようにしたものである。

〔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、低湿度側で周波数が低
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）。続いてこれらのパル
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において、所定のしきい値レベル以上の成分を取
り出して波形整形し、積分回路４で積分しセンサ出力を
得る。

この積分回路４の出力電圧は、しきい値制御回路５へ制
御電圧として送出され、この制御電圧により、しきい値
制御回路５で波形整形回路３のしきい値を制御する。

したがって、センサ出力の大きさにより、常に最適なし
きい値を設定できるから、センサ出力のリニアリティを
コントロールして良好な特性のセンサ出力を得ることが
可能となる。

〔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５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
実施例の回路図である。

図中、第１図、第８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 ２}は抵抗、THはサー
ミスタ、OPはオペアンプ、Ｇ_４はゲート（インバー
タ）、Ｃ_５はコンデンサを示す。

（第１実施例）…（第２図参照） この例は、波形整形回路３をゲート（バッファゲート）
Ｇ_１で構成すると共に、しきい値制御回路５を、トラン
ジスタTrと抵抗Ｒ_７、Ｒ_８で構成したものである。また
抵抗Ｒ_６は、トランジスタTrの電流制限抵抗である。

積分回路４は、抵抗Ｒ_５とコンデンサＣ_４で構成され、
前記コンデンサＣ_４の出力電圧が抵抗Ｒ_６を介してトラ
ンジスタTrのベースに印加される。

したがって、トランジスタTrのベース電流は、積分回路
４の出力電圧によって変化するから、該トランジスタTr
のコレクタ、エミッタ間の抵抗が前記積分回路４の出力
電圧に応じて変化する。このため、抵抗Ｒ_７、Ｒ_８、ト
ランジスタTrのコレクタとの接続点（ゲートＧ_１の入
力）の電位が変化し、ゲートＧ_１のしきい値を変化させ
ることができる。

湿度−周波数変換回路１では、湿度の変化に応じた周波
数のパルス列を出力し、このパルス列を、抵抗Ｒ_４とコ
ンデンサＣ_３とから成る微分回路２で微分する。この微
分波は、波形整形回路３で所定のしきい値レベル以上の
信号を取り出すことにより、不要成分を除去し、更に波
形整形したパルス列にする。

その後、波形整形されたパルス列は、積分回路４で積分
され、センサ出力を得る。この時、積分回路４の出力電
圧により、しきい値制御回路５を制御し、波形整形回路
３のしきい値をセンサ出力に応じて適切なレベルに設定
する。

例えば、高湿度側では湿度−周波数変換回路１の出力周
波数は高く、積分回路４の出力電圧も大きくなる。これ
を補正するため、この出力電圧で波形整形回路３のしき
い値を高くしてその出力のパルス幅を小さくする。した
がって、積分回路４の出力電圧は小さくなる。

また、低湿度側では、発振周波数が小さくなるから、積
分回路４の出力電圧が小さくなる。これを補正するた
め、積分回路４の出力電圧により、波形整形回路３のし
きい値を低くするように制御し、その出力のパルス幅を
大きくする。従って、積分回路４の出力電圧は大きくな
る。

このようにして、湿度の変化に応じて常に最適なしきい
値を設定して波形整形すれば、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） この例では、波形整形回路３にオペアンプOPを用い、し
きい値制御回路５としては、前記オペアンプOPの−入力
端子に接続された抵抗Ｒ_９、Ｒ_{１ ０}の分圧回路を用い
る。

このようにすると、積分回路４の出力電圧（コンデンサ
Ｃ_４の電圧）は、抵抗Ｒ_９とＲ_{１ ０}とで分圧され、分圧
点の電圧が波形整形回路３を構成するオペアンプOPの−
入力（反転入力）の電圧となる。したがって、オペアン
プの−入力は、積分回路４の出力電圧により制御される
ことになる。

このため、オペアンプOPの＋入力（非反転入力）に入る
微分回路２からの微分パルスは、このオペアンプOPで非
反転増幅されるが、その際、−入力の電圧がしきい値電
圧となる。

（第３実施例）…（第４図参照） この例では、第２図に示した第１実施例の湿度−周波数
変換回路１として、第８図に示した回路を用い、更に、
抵抗Ｒ_{１ １}とサーミスタTHから成る温度補償回路６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の出力側は（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。即ち、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４実施例）…（第５図参照） この例は、第３図に示した第２実施例の湿度−周波数変
換回路１をシュミットトリガによる無安定マルチバイブ
レータで構成すると共に、積分回路４の出力側に、抵抗
Ｒ_{１ １}とサーミスタTHとから成る温度補償回路６を接続
したものである。

上記のシュミットトリガによる無安定マルチバイブレー
タは、ゲート（インバータ）Ｇ_４、コンデンサＣ_５、抵
抗Ｒ_{１ ２}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、次のとおりである。
今仮りに、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_{１ ２}を介してコンデンサＣ_５が充電
される。この充電により、コンデンサＣ_５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_５の電荷が抵抗Ｒ_{１ ２}
を介して放電する。したがって、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_{１ ２}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_{１ ２}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。

この湿度−周波数変換回路１の出力パルス列は、微分回
路２で微分された後、波形整形回路３により不要成分を
除去して整形され、積分回路４で積分されてセンサ出力
となる。この時、積分回路４の出力電圧をしきい値制御
回路５へ供給し、前記出力電圧に応じたしきい値を、波
形整形回路３に設定する。

上記の湿度−周波数変換回路１は、第４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６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。

従来例ではイに示すように、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、湿度変
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）しきい値制御回路に用いるトランジスタは、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、温度に
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）上記の実施例においては、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、しきい値制御
回路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、波形整形回路のしきい値
を制御し、常に最適なしきい値レベルを設定できる。

このため、湿度センサの出力電圧は、低湿度から高湿度
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図は湿度センサ素子の特性を示した図、 第７図は従来例における湿度センサのブロック図、 第８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……しきい値制御回路

───────────────────────────────────────────────────── 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62−17649（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−36046（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、所定のしきい値以
   上の信号を取り出して波形整形する波形整形回路（３）
   と、 前記波形整形回路（３）の出力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、 上記積分回路（４）の出力電圧により、上記波形整形回
   路（３）のしきい値を制御するしきい値制御回路（５）
   を設け、 センサ出力の大きさに応じて上記しきい値を設定するこ
   とにより、センサの出力を線形化することを特徴とする
   湿度センサ。