JPH0776761B2 - ローパワー湿度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ローパワー湿度センサに関し、更に詳しくい
えば、各種の電気機器等において湿度を検出する際に利
用されるものであり、特に、湿度センサの低消費電力
化、小型化を実現し、かつ安価でリニアリティの良好な
ローパワー湿度センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、例えば複写機、プリンタ等の紙を取り扱う装置、
あるいはその他の湿度検出が必要な装置などにおいて
は、各種の湿度センサが用いられていた。

前記湿度センサにおける湿度センサ素子として、水分子
の吸着によりインピーダンスの変化することを利用した
湿度センサ素子が知られている。

このようなインピーダンス変化型湿度センサ素子には、
セラミック湿度センサ素子や、高分子系センサ素子があ
る。

また、インピーダンス変化素子を更に分けると、抵抗変
化（Ｒ変化）を利用したもの、静電容量変化（Ｃ変化）
を利用したもの、インピーダンス変化（Ｚ変化）を利用
したもの、の３つに分けられる。

そして、静電容量変化型湿度センサ（高分子系センサ素
子）は、湿度の増大にともなって静電容量がほぼ同じ比
率で減少する。

また、抵抗変化型湿度センサ素子は、低湿度側では高抵
抗であり、湿度の増加にともなってその抵抗値が指数関
数的に減少すると共に、温度変化にともなって比直線的
な変化をする。

更に、インピーダンス変化型湿度センサ素子は、低湿度
側では高インピーダンスで、湿度の変化によりあまり変
化しないが、高湿度側においてインピーダンスが急激に
減少する（非直線的な変化）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。

上記のインピーダンス変化型湿度センサ素子を用いた湿
度センサとしては、次のようなものが知られていた。

第６図は、従来の電圧検出方式による湿度センサを示し
た図、第７図は、従来の位相比較方式による湿度センサ
を示した図である。

図において、OSCは発振器、R₀は抵抗、HSはインピーダ
ンス変化型の湿度センサ素子、Ｄはダイオード、C₀はコ
ンデンサ、OUTは出力端子、PDは位相比較器を示す。

第６図に示した電圧検出方式では、発振器OSCの交流出
力電圧が抵抗R₀と湿度センサ素子HSの直列回路に印加す
る。

これにより、湿度センサ素子HSに電流が流れる。この
時、湿度の変化に応じて湿度センサ素子HSのインピーダ
ンスが変化する。

したがって、湿度センサ素子HSに流れる電流は、湿度の
変化にともなって変化することになり、コンデンサC₀の
端子電圧を出力端子OUTに取り出せば、湿度の検出がで
きる。

また、第７図に示した位相比較方式の湿度センサにおい
ては、湿度センサ素子HSが等価的に抵抗Ｒとコンデンサ
Ｃとの並列回路になっており、これらＲ及びＣが湿度の
変化にともなって変化することによる電流位相の変化を
検出して湿度の検出を行うものである。

すなわち、湿度センサ素子HSの湿度変化にともなうイン
ピーダンスの変化を、位相信号に変換し、位相比較器PD
において位相比較を行って湿度信号を得るものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記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において
は、インピーダンスの変化がリニアでないため、リニア
ライズ回路が複雑かつ高価となる。

（２） インピーダンス変化型湿度センサにおいては、
湿度特性がリニアでないため、温度補正が複雑かつ高価
となる。

（３） セラミック湿度センサ素子では、インピーダン
スが高いため、低湿度側で不安定になりやすい。

（４） 電圧検出方式の湿度センサ（第６図参照）で
は、インピーダンス変化を電圧変化に変換する際、振幅
一定の交流電圧を得るために回路が複雑かつ高価とな
る。

（５） セラミック湿度センサ素子等は、直流電圧を印
加すると、素子劣化があるため、交流駆動をしなければ
ならず、そのために回路が複雑かつ高価となる。

（６） 回路が複雑になると、電力消費も増大し、発熱
の影響がある。

このため、温度補正が困難であり、高価で大型の湿度セ
ンサとなる。

本発明は、このような従来の欠点を解消し、インピーダ
ンス変化型の湿度センサを低消費電力化し、小型で安価
なものにすると共に、湿度変化に対しても安定で、かつ
リニアな特性の湿度センサ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〕

上記の目的を達成するため、本発明は次のようにしたも
のである。

（１） 湿度の変化を周波数の変化に変換して、湿度信
号を取り出す湿度センサとするために、発振器と、湿度
センサ素子回路とから成る湿度−周波数変換回路を設け
る。

そして、Ｃ−MOSゲートICによって構成した同相ゲート
と逆相ゲートとの直列回路の両端に、ゲート保護用の抵
抗と、時定数回路を構成する抵抗との直列回路を接続
し、 前記同相ゲートと逆相ゲートの接続点と、前記２つの抵
抗の接続点との間にコンデンサを接続して上記発振器を
構成する。

また、上記湿度センサ素子回路を、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（セラミック
素子、あるいは高分子系素子）と、前記素子の高湿度側
補償用の抵抗と、直流分阻止用のコンデンサとの直列回
路で構成し、 前記湿度センサ素子回路を、時定数回路を構成する上記
抵抗と並列に接続する。

このような構成により、湿度変化を周波数の変化として
出力信号を取り出し、湿度の検出を行うことにより、ロ
ーパワー（低消費電力化）の湿度センサを得る。

（２） このようなローパワー湿度センサにおいて、湿
度−周波数変換回路の出力側に、周波数−電圧変換回路
を設け、電圧信号として湿度信号を取り出す。

前記周波数−電圧変換回路としては、コンデンサと抵抗
から成る微分回路を用いる。

そして、微分回路のコンデンサとして、例えばセラミッ
クコンデンサのように、温度上昇により、容量が小さく
なる特性のものを用いる。

すなわち、温度変化にともなうインピーダンスの変化
が、湿度センサ素子と、微分回路のコンデンサとで逆の
変化をするように選定する。

このようにすると、湿度センサ素子の温度変化にともな
う周波数の変化を、微分回路のコンデンサにより補償で
きる。

（３） 上記（２）のローパワー湿度センサにおいて、
周波数−電圧変換回路の出力側に、出力電圧をリニアラ
イズするための非直線素子から成るリニアライズ回路を
接続する。

（４） 上記（３）のローパワー湿度センサにおいて、
リニアライズ回路に、動作点を任意に設定するためのバ
イアス電源を接続し、広範囲にわたるリニアライズを容
易にできるように構成する。

〔作用〕

上記のように構成したので、次のような作用がある。

上記（１）のように構成すると、湿度の変化により湿度
センサ素子のインピーダンスが変化するが、このインピ
ーダンスの変化は、発振回路の時定数の変化となり、発
振出力が変化する。

この場合、湿度が高くなると、湿度センサ素子のインピ
ーダンス（等価抵抗分）が小さくなり、発振周波数が高
くなる。

この周波数の変化を、例えば電圧の変化に変換すれば、
湿度の検出ができることになる。

また、発振回路には、Ｃ−MOSゲートICで構成したゲー
トを使用しているため、消費電力が極めて少なくなり、
ローパワーの湿度センサが得られる。

上記（２）のように構成すると、周波数信号を電圧信号
に変換して湿度検出ができるだけでなく、同一の回路に
おいて、湿度センサ素子の温度補償ができるものであ
る。

上記（３）及び（４）のように構成すると、出力電圧が
リニアライズされ、低湿度側から高湿度側にわたる広範
囲の湿度変化に対して、リニアな出力電圧特性となる。

したがって、湿度補償が十分にされ、しかもリニアな特
性で、ローパワー、かつ小型の湿度センサが得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図乃至第５図を参照しなが
ら説明する。

第１図は湿度センサの湿度−周波数変換回路を示した図
である。

図において、１は湿度−周波数変換回路、６は発振器、
７は湿度センサ素子回路、R₁〜R₃は抵抗、C₁、C₂はコン
デンサ、HSはインピーダンス変化型（抵抗変化型を含
む）湿度センサ素子（セラミック湿度センサ素子）８及
び９は、Ｃ−MOSゲートICで作られたゲートを示す。

湿度変化を周波数の変化に変換するには、図示の発振器
６に湿度センサ素子回路７を接続し、全体として、湿度
変化に応じて発振周波数f₀を変化させる発振器として動
作させる。

そのために、発振器６として図示のものを用いる。すな
わち、同相ゲート８と逆相ゲート９との直列回路の両端
に、抵抗R₁とR₂との直列回路を接続し、前記ゲート８及
び９の接続点と、前記抵抗R₁及びR₂の接続点間にコンデ
ンサC₁を接続して発振器６を構成する。

この発振器６において、抵抗R₁は、同相ゲート８に高電
圧が印加するのを防止するために設けられたゲート保護
用の抵抗である。

抵抗R₂とコンデンサC₁とは、発振周波数f₀を決定するCR
時定数用のものである。

ゲート８及び９は上記のように、Ｃ−MOSゲートICで構
成されており、図示しない電源に接続されている。この
ような構成の発振器６は次のような原理で発振をする。

先ず、電源投入時は、コンデンサC₁の電荷はないから、
ａ点はローレベルの「０」であり、ｂ点はハイレベルの
「１」である。

このため、ｃ点はｂ点と同じ「１」であるから、ｃ→ｄ
→ａの方向で電流が流れコンデンサC₁が所定の時定数
（C₁R₂で決定される）で充電を開始する。したがって、
ｄ点の電位は上昇し、所定の電圧に達すると、ｅ点がハ
イレベルの「１」となる。

ｅ点が「１」になると、ａ点も「１」となりｂ点が
「０」となる。この変化によりコンデンサC₁は、上記の
場合とは逆方向に充電され、ｄ点の電位が下がる。

ｄ点が所定値まで下がると、ｅ点が「０」となり、ａ点
が「０」、ｂ点が「１」となり、以後、同様な動作を繰
り返し発振が継続する。

このような発振の周波数は、時定数C₁R₂によって決ま
り、ほぼ矩形波の発振出力が取り出せる。

上記発振回路６を構成する抵抗R₂と並列に接続された湿
度センサ素子回路７は、湿度センサ素子HSと抵抗R₃とコ
ンデンサC₂とを直列に接続したものである。

湿度センサ素子HSをセラミック湿度センサ素子で構成し
た場合、直流駆動すると素子劣化があるため、コンデン
サC₂により直流分が湿度センサ素子HSに印加しないよう
にしている。

また、上記湿度センサ素子HSは、等価的に抵抗Ｒとコン
デンサＣとの並列回路となっている。

そして、抵抗Ｒは、低湿度側で極めて高く、Ｃは極めて
小さいが、高湿度になると、Ｒは指数関数的に減少し、
Ｃは逆に急激な増加をする。

このような湿度センサ素子HSにおける等価的なＲ及びＣ
の変化を補償するために、湿度センサ素子HSと直列に抵
抗R₃を接続する。

今、湿度センサ素子HSの等価抵抗と、抵抗R₂及びR₃を含
めた全合成抵抗をR₀とすると、発振器６の発振周波数f₀
は、時定数τ＝C₁R₀によって決定され、 となる。この式でC₁を一定とすれば、 となり、湿度の変化によってR₀が変化することになるか
ら結局、湿度の変化に応じた周波数の発振出力が取り出
せることになり、湿度−周波数変換ができるものであ
る。

第２図は、湿度センサの湿度−周波数−変圧変換回路を
示した図であり、第２図と同符号は同一のものを示す。

図において、C₃はコンデンサ、R₄は抵抗、２は周波数−
電圧変換回路を示す。周波数−電圧変換回路２は、コン
デンサC₃と抵抗R₄から成る微分回路で構成され、コンデ
ンサC₃としては、セラミックコンデンサ、あるいはセラ
ミックコンデンサと同等の温度特性、すなわち、温度の
上昇にともなって容量が小さくなる特性のコンデンサを
用いる。

湿度−周波数変換回路１については上記のとおりであ
り、ほぼ矩形波で、湿度変化に応じた周波数f₀の発振出
力を出す。

この矩形波出力は、コンデンサC₃と抵抗R₄から成る微分
回路で微分され、出力電圧v₀を得る。

ところで、セラミック湿度センサ素子のようなインピー
ダンス変化型（抵抗変化型を含む）湿度センサ素子HS
は、温度が上昇すると、インピーダンスが小さくなる。

この変化により、発振周波数f₀が大きくなるから、仮り
にコンデンサC₃と抵抗R₄が温度変化で変わらないとすれ
ば、微分回路の出力電圧v₀は増大することになる。

しかし、上記のように、コンデンサC₃は温度が高くなる
と、その容量が小さくなるものを使用する。

このため、発振周波数f₀が大きくなった場合、コンデン
サC₃の容量が小さくなり、微分される幅が狭くなる。

したがって、出力電圧v₀は増大することなく、湿度セン
サ素子HSの温度変化による変化分を補正する。

すなわち、微分回路のコンデンサC₃を、温度上昇により
容量の小さくなるセラミックコンデンサ等を用いること
により、インピーダンス変化型の湿度センサ素子に対す
る温度補償ができることになる。

第３図は、リニアライズ回路を付加した湿度センサの１
例を示した図であり、第１図〜第２図と同符号は同一の
ものを示す。

図において、１は湿度−周波数変換回路、２は周波数−
電圧変換回路、３は波形整形回路、４はローパスフィル
タ、５はリニアライズ回路を示す。

また、R₆は抵抗、Ｄはダイオードを示す。リニアライズ
回路５は、図示のように、抵抗R₆とダイオードＤとの直
列回路を出力側に設けたものである。

このリニアライズ回路５は、湿度−周波数変換回路の発
振周波数f₀が、上記合成抵抗R₀に対して、 の関係で変化する（非直線的変化）ことにより、湿度セ
ンサの出力電圧が非直線的な変化をするのを補正して、
リニアリティを改善するためのものである。

すなわち、湿度−周波数変換回路１の出力周波数f₀は、
湿度の変化にともなって非直線的に変化（湿度の増加に
より指数関数的に減少）するが、この非直線的な変化
と、ダイオードの電圧に対する電流の変化が前記非直線
的な変化と逆の関係で変化することに着目して補正を行
うものである。

上記f₀は、湿度が低湿度側から高湿度側に移ると非直線
的に大きくなりその結果、出力端子OUTの出力電圧はf₀
の変化に応じて大きくなる。

この時、ダイオードＤに印加する電圧が小さければ電流
はあまり流れないが、電圧が増加すると、急激に電流が
増大し、この変化がf₀の非直線な変化と逆の関係で非直
線的な変化をする。

このため、ダイオードＤの端子間電圧の変化が上記f₀の
変化を補正し、出力端子OUTの電圧は、リニアライズさ
れ、低湿度側から高湿度側にわたる全湿度変化領域でリ
ニアリティの良い特性が得られる。なお、リニアライズ
回路は、ダイオードでなくとも、他の非直線素子を用い
てもよい。

第４図は、第３図に示したリニアライズ回路に、バイア
ス電源を付加した湿度センサの例を示した図であり、第
１図乃至第３図と同符号は同一のものを示す。

図において、１は湿度−周波数変換回路、２は周波数−
電圧変換回路、３は波形整形回路、４はローパスフィル
タ、５はリニアライズ回路、OUTは出力端子を示す。

また、HSは湿度センサ素子、R₁〜R₇は抵抗、C₁〜C₄はコ
ンデンサ、Ｄはダイオード、T_Bはバイアス電源端子、８
〜10はＣ−MOSゲート回路を示す。

この例では、リニアライズ回路５において、ダイオード
Ｄと抵抗R₆との接続点に抵抗R₇を接続し、端子T_Bにバイ
アス電源を接続する。

端子T_Bに印加する電圧を変化させると、ダイオードＤに
印加する電圧が変化し、流れる電流が変化する。

これを利用して、リニアライズすべき動作点を可変とす
るものであり、容易にリニアライズができるものであ
る。

したがって、湿度センサ素子HSを変えた場合に、リニア
ライズの動作点を任意に、且つ容易に設定できる。

第５図は、上記実施例における実施例を示した図であ
る。

図において、横軸は相対湿度RH％を示し、縦軸は湿度セ
ンサの出力電圧〔mV〕、及び、湿度センサ素子のインピ
ーダンス〔Ω〕を示す。なお、実測に用いた湿度センサ
は、＃１、＃２、＃３の３つである。

インピーダンス変化型湿度センサ素子のインピーダンス
Ｚは、湿度が高くなると図示のように小さくなる。

このようなインピーダンスの変化に対して、湿度センサ
の出力電圧は、極めて直線性の良好な特性が得られた。

また、湿度を一定の70％に維持し、温度を変化させた実
測例としては次のような第１表のデータを得た。

このデータから明らかなように、広範囲の温度変化に対
して、その出力電圧はほとんど一定であり、十分良好な
温度補償ができている。

なお、上記の実施例では、抵抗変化型を含むインピーダ
ンス変化型湿度センサ素子として、セラミック湿度セン
サ素子の例について説明したが、本発明はこのような素
子だけでなく、高分子系湿度センサ素子でも使用可能で
ある。

〔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−周波数変換回路に、Ｃ−MOSゲートICを
用い、本発明のような構成にしたので、消費電力が極め
て少なくなり、また、回路構成も簡単で安価な湿度セン
サとなる。

（２） 周波数−電圧変換回路により、特別な回路を設
けなくても、湿度センサ素子の温度補償が簡単にでき
る。

（３） 簡単な回路により、出力電圧のリニアリティを
補償でき、広範囲の湿度変化にわたって十分にリニアな
湿度信号が取り出せる。

（４） 回路に流れる電流が極めて少なく、例えば100
μＡ以下にできるため、回路の発熱が極めて少なくでき
る。

また、回路構成が簡単で小型化できるため、湿度センサ
素子と、信号処理回路とを一体化できる。

（５） 上記（４）の理由により、温度特性の補正が有
効に働き、良好な特性の湿度信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は、本発明の実施例を示した図であ
り、 第１図は湿度センサの湿度−周波数変換回路を示した
図、 第２図は湿度センサの湿度−周波数−電圧変換回路を示
した図、 第３図はリニアライズ回路を付加した湿度センサの回路
図、 第４図はバイアス可変のリニアライズ回路を付加した湿
度センサの回路図、 第５図は上記実施例の実測例を示した図、 第６図は従来の電圧検出方式による湿度センサを示した
図、 第７図は従来の位相比較方式による湿度センサを示した
図である。 １……湿度−周波数変換回路 ２……周波数−電圧変換回路 ３……波形整形回路 ４……ローパスフィルタ ５……リニアライズ回路 ６……発振器 ７……湿度センサ素子回路 ８……正相ゲート ９……逆相ゲート HS……湿度センサ素子

───────────────────────────────────────────────────── 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64−75954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−75953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−17649（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−36046（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−12047（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振器（６）、及び前記発振器（６）に接
   続された湿度センサ素子回路（７）からなり、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）から出力される周波数
   信号を電圧信号に変換する周波数−電圧変換回路（２）
   と、 前記周波数−電圧変換回路（２）から出力される電圧信
   号をリニアライズするリニアライズ回路（５）を備え、 前記発振器（６）を、同相ゲート（８）と逆相ゲート
   （９）との直列回路の両端に、ゲート保護用の抵抗
   （R₁）と、時定数回路を構成する抵抗（R₂）との直列回
   路を接続し、前記ゲート（８）及び（９）の接続点と、
   前記抵抗（R₁）及び（R₂）の接続点との間にコンデンサ
   （C₁）を接続した構成とし、 前記湿度センサ素子回路（７）を、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（HS）と、前
   記湿度センサ素子（HS）の高湿度側補正用の抵抗（R₃）
   と、直流分阻止用のコンデンサ（C₂）との直列回路で構
   成し、 前記湿度センサ素子回路（７）を、前記時定数回路を構
   成する抵抗（R₂）と並列に接続したことを特徴とするロ
   ーパワー湿度センサ。
2. 【請求項２】請求項（１）に記載のローパワー湿度セン
   サにおいて、 湿度−周波数変換回路（１）の出力側に、コンデンサ
   （C₃）と抵抗（R₄）から成る微分回路で構成した周波数
   −電圧変換回路（２）を設け、これにより周波数信号を
   電圧信号に変換すると共に、前記微分回路のコンデンサ
   （C3）として、温度上昇により容量の小さくなるコンデ
   ンサを用い、湿度センサ素子（HS）の温度変化にともな
   う周波数の変化を、前記コンデンサ（C₃）で補償するこ
   とを特徴とするローパワー湿度センサ。
3. 【請求項３】請求項（２）に記載のローパワー湿度セン
   サにおいて、 周波数−電圧変換回路（２）の出力側に、出力電圧をリ
   ニアライズするための非直線素子から成るリニアライズ
   回路（５）を接続したことを特徴とするローパワー湿度
   センサ。
4. 【請求項４】請求項（３）の記載のローパワー湿度セン
   サにおいて、 リニアライズ回路（５）に、動作点を任意に設定するた
   めのバイアス電源を接続したことを特徴とするローパワ
   ー湿度センサ。