JPH0894594A

JPH0894594A - 超音波湿度センサ及び超音波温湿度センサ

Info

Publication number: JPH0894594A
Application number: JP6233571A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ichihara; 勉櫟原; Chomei Matsushima; 朝明松嶋; Atsushi Sakai; 淳阪井; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Keiichi Yoshida; 恵一吉田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 1996-04-12
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: JP3095637B2

Abstract

(57)【要約】【目的】加熱リフレッシュ等のメンテナンスが不要で
測定精度が高く応答時間の短い小型湿度センサの構造を
提供する。【構成】共振周波数の異なる複数の振動子１１ａ〜１
１ｅを備え、その振動子１１ａ〜１１ｅを超音波の発信
及び受信に用い、信号処理回路部１４で増幅等の信号処
理を行って、周波数の異なる超音波のそれぞれの減衰率
を計測することにより、気体の湿度を計測する。また、
超音波の伝搬時間を計測することによって気体の温度を
計測する。【効果】周波数の異なる複数の超音波を用いるので、
加熱リフレッシュ等のメンテナンスが不要となり、測定
精度向上、応答時間の短縮が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体中を伝搬する超音
波の吸収率から、気体の湿度を感知する超音波湿度セン
サ、または、気体中を伝搬する超音波の速度から気体の
温度を感知すると共に、気体中を伝搬する超音波の吸収
率から、気体の湿度を感知する超音波温湿度センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】湿度センサには、種々の原理、方式によ
るものが開発され実用化されている。以下に代表的な原
理を示す。湿度センサの素子としては、従来、金属酸化
物（HMR 型）が一般的であり、現在でも多数使用されて
いる。それらの湿度センサ（セラミック湿度センサ）
は、Al₂O₃、TiO₂、SnO₂等の金属酸化物系セラミックを
利用するものであり、これらの多孔質セラミックの微粒
子結晶の表面に、測定対象雰囲気の蒸気量に含まれてい
る水分子が物理的に吸着・脱離し、そのうちの一部が解
離してプロトン（H+）となる。その原子が移動すること
により、セラミック湿度センサのバルク方向の電気抵抗
が変化する性質を応用したものである。これらのセラミ
ック湿度センサの特徴は、高温で使用できる、耐環境性
に優れている等が挙げられる。

【０００３】高分子材料を感湿材として用いた湿度セン
サ（高分子湿度センサ）は、温度依存性、ヒステリシス
が小さく常温付近で信頼性が高いという特徴がある。そ
の構造は、電極基板上に導電性高分子を主体とする感湿
材を塗布したものである。また、超音波の伝搬速度が気
体の湿度によって変化することを利用した超音波センサ
も知られている。また、温度センサとしては、サーミス
タ等多くの種類がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック湿度センサは、センサそのものへ水分が吸着するた
め、以下の様な問題点があった。

【０００５】・定期的な過熱クリーニングが必要なた
め、連続測定ができず、加熱ヒータ用電源が必要で小型
化できない。

【０００６】・低湿度領域での測定が困難である。・応答速度が10秒〜3 分と遅い。

【０００７】また、高分子湿度センサの問題点として
は、以下のような問題点があった。・耐熱性が低い。

【０００８】・高温高湿領域では劣化しやすい。さら
に、従来の超音波伝搬速度の変化を利用した湿度センサ
の問題点は次のようなものであった。

【０００９】・超音波伝搬速度の湿度による変化は微小
なため、測定精度が低い。・超音波伝搬速度は、気体の温度によって大きく変化す
るため、温度の影響が大きい。

【００１０】・セラミック振動子を用いており小型化が
難しい。本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、加熱リフレッシュ等のメンテナンスが不
要で測定精度が高く応答時間の短い小型湿度センサの構
造を提供することにある。

【００１１】また、簡便な方法で温度と湿度の同時測定
が可能であり、加熱リフレッシュ等のメンテナンスが不
要で測定精度が高く応答時間の短い小型の温湿度センサ
の構造を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の超音波湿度センサは、共振周波数の
異なる複数の振動子を備えた超音波発信器と、その超音
波発信器が発信する周波数の異なる超音波のそれぞれを
受信する振動子を備えた超音波受信器とを具備したこと
を特徴とするものである。

【００１３】請求項２記載の超音波湿度センサ子は、請
求項１記載の超音波湿度センサで、同一基板上におい
て、前記超音波受信器の近傍に、前記超音波受信器が出
力する出力信号を処理する信号処理回路部が形成されて
いることを特徴とするものである。

【００１４】請求項３記載の超音波湿度センサ子は、請
求項２記載の超音波湿度センサで、前記基板が、シリコ
ン基板であることを特徴とするものである。

【００１５】請求項４記載の超音波温湿度センサは、共
振周波数の異なる複数の振動子を備えた超音波発信器
と、その超音波発信器が発信する周波数の異なる超音波
のそれぞれを受信する振動子を備えた超音波受信器とを
具備したことを特徴とするものである。

【００１６】請求項５記載の超音波温湿度センサ子は、
請求項４記載の超音波温湿度センサで、同一基板上にお
いて、前記超音波受信器の近傍に、前記超音波受信器が
出力する出力信号を処理する信号処理回路部が形成され
ていることを特徴とするものである。

【００１７】請求項６記載の超音波温湿度センサ子は、
請求項５記載の超音波温湿度センサで、前記基板が、シ
リコン基板であることを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】空気中を伝搬する音波の吸収率の一例を図２に
基づいて説明する。図２は、横軸に相対湿度ｈ(%) をと
り、縦軸に音波の吸収率α(neper/cm)をとった線図で、
気温20℃での、相対湿度ｈの変化による音波の吸収率α
の変化、または、吸収率αの周波数依存性を示したもの
である。それぞれの線図は、音波周波数が、1kc,2kc,4k
c,6kc,8kc,10kcの各場合の吸収率αの変化を示してい
る。

【００１９】図２に示すように、音波の吸収率αは、気
体中の相対湿度によって大きく変化し、ある相対湿度で
吸収率がピークとなるような特性を示している。よっ
て、音波の吸収率αから気体中の湿度を求めることがで
きる。また、吸収率α及び吸収率αのピーク位置は周波
数によって変化し、周波数が高くなるほど吸収率αは高
くなり、ピーク位置も高湿度側にシフトする。このこと
から、複数の異なる周波数の音波を用いることで、低湿
度から高湿度までの幅広い領域の湿度を連続して精度よ
く測定することが可能となる。さらに、気体中の水分に
よる吸収の少ない周波数の音波から温度を求めることも
可能で、これらを組み合わせてより精度の高い測定が可
能となる。

【００２０】本発明に係る超音波湿度センサにおいて
は、気体中を伝搬する超音波の吸収率αから気体中の湿
度を求めるため、加熱リフレッシュ等のメンテナンスが
不要で、応答時間が大幅に短くすることができる。ま
た、異なる周波数の超音波を発信、受信することが可能
なため、温度等の他の要因からの影響を補正し、より精
度の高い湿度のセンシングが可能となる。さらに、超音
波発信器及び超音波受信器を同一基板に組み込めば、よ
り小型で、製造が容易な湿度センサを実現することがで
きる。

【００２１】また、基板上に超音波受信器を形成し、同
一基板上の、超音波受信器形成位置の近傍に、超音波受
信器の出力の増幅等を行う信号処理回路部を形成して、
基板上の配線パターンでそれらを接続することによっ
て、ワイヤボンディング等による配線を行う必要がな
く、配線による損失が小さくなる。さらに、微弱な信号
を受信部の近傍で増幅することができるので、S/N 比を
高くすることができる。

【００２２】次に、気体の温度とその気体中を伝搬する
音波の音速との関係について説明する。一般に気体中の
音速は、その気体の温度、圧力、湿度等によって変化す
る。ここで音速をV （m/s ）、圧力をP （N/m²）、密度
をρ（kg/m³）とすると、空気中（流体中）の音速V
は、次式で表される。 V=（γP/ρ) ^1/2・・・（１）ここで、γは気体の比熱比を表し、γ=Cp/Cvで求めるこ
とができる。但し、Cpは定圧モル比熱（cal/K ・mol
）、Cvは定積モル比熱（cal/K ・mol ）である。とこ
ろで、上記式（１）は流体中における音速の理論式と呼
ばれ、その媒体は液体中だけでなく、いろいろな気体中
にも適用される。

【００２３】次に、0 ℃の音速と密度をそれぞれ、V0，
ρ0 とし、t ℃の音速と密度を、それぞれ、Vt，ρt と
すると、先の式（１）は次のようになる。 Vt= ( γP/ρt)^1/2 V0= ( γP/ρ0)^1/2 ここで、音速VtとV0の比をとると、Vt/V0=( ρt/ρ0)
^1/2となる。

【００２４】また、密度ρ0 は、ρ0=ρt(1+t/273)であ
るからVt=V0 (1+t/273) ^1/2となる。ここで、近似公式
(1+X)^1/2=1+X/2を用いるとVtは次式のようになる。 Vt=V0(1+(t/273)/2)=V0(1+t/546) ここで、V0=331.5(m/s) とすると、t ℃での音速Vtは次
式のようになる。 Vt=331.5(1+t/546)=331.5+0.60714t≒331.5+0.6t (m/s) ・・・（２）式（２）より、温度t がわかれば音速Vtが求まり、伝搬
時間と音速から距離が求められる。この原理を利用した
ものが、超音波距離計、厚み計、ソナー等である。逆
に、式（２）より、距離が既知の場合は、音速Vtより温
度が求められる。よって、距離が既知の空間での音波
（超音波）の伝搬速度を測定することによって、サーミ
スタ等の温度センサを用いずに温度の測定が可能とな
る。気体の圧力の影響は、温度が一定であればボイルの
法則により圧力P と密度ρは比例するので、P/ρは定数
となり、音速V は圧力変化に影響されないことになる。

【００２５】

【実施例】超音波発信器から発信され気体中を伝搬して
きた超音波を、超音波受信器を用いて受信する超音波湿
度センサの構成は、図３に示すようなものがある。図３
（ａ）に示す超音波湿度センサ１は、後述する振動部と
超音波発信用回路と、超音波受信用回路を組み合わせて
構成したもので、同一の振動部（素子）で超音波の発
信、受信を行うものである。この超音波湿度センサ１が
超音波反射板２に対向するように設置して、超音波反射
板２に向けて超音波を発信し、その反射波を受信する構
成である。

【００２６】図３（ｂ）に示す超音波湿度センサ３は、
超音波発信専用の超音波発信器４と、超音波受信専用の
超音波受信器５とを設け、超音波の発信と受信を別々の
素子で行い、超音波反射板６に対向させて設置する構成
である。

【００２７】図３（ｃ）に示す超音波湿度センサ７は、
超音波発信専用の超音波発信器８と、超音波受信専用の
超音波受信器９とを設け、超音波の発信と受信を別々の
素子で行い、超音波発信器８と超音波受信器９とを対向
させて、直接、超音波を放射する構成である。但し、超
音波発信器８と超音波受信器９の設置例（構成）は、図
３（ａ）〜（ｃ）に限定されるものではない。

【００２８】図１に基づいて本発明の超音波湿度センサ
の一実施例について説明する。図１（ａ）は超音波湿度
センサの平面図、図１（ｂ）は断面図である。図１に示
す超音波湿度センサは、図３（ａ）に示した構成を同一
のシリコン基板１０上に形成した実施例であり、超音波
の発信及び受信を行う複数の振動子１１ａ〜１１ｅと機
械的信号と電気的信号との相互変換を行う圧電変換部１
２とで振動部１３を構成すると共に、圧電変換部１２
と、増幅等の信号処理を行う信号処理回路部１４を振動
部１３の近傍に形成し、個々の圧電変換部１２と信号処
理回路部１４とを回路パターン１５によって接続したも
のである。このように構成することによって、圧電変換
部１２と信号処理回路部１４とをワイヤボンディング等
により接続する配線工程を設ける必要がなくなり、配線
による損失が小さくなる。さらに、微弱な信号を振動部
１１の近傍で増幅することができるので、S/N 比を高く
することができる。

【００２９】振動子１１は片持ち梁状に形成されてお
り、図１に示す実施例では、梁の長さが異なる５種類の
振動子１１ａ〜１１ｅが形成されている。図に示す実施
例の場合、振動子１１は、片持ち梁の幅40μm 、片持ち
梁の長さ40〜150 μm に形成されている。

【００３０】片持ち梁状の振動子１１ａ〜１１ｅの梁の
根元には、それぞれ、圧電変換部１２が形成されてお
り、超音波を受信して振動子１１で発生する機械的信号
を電気信号に変換して、信号処理回路部１４に出力した
り、信号処理回路部１４から出力される電気信号を機械
的信号に変換して、振動子１１に伝達する。本実施例の
場合、信号処理回路部１４は、超音波発信用回路と超音
波受信用回路の双方の回路を備えたものである。

【００３１】図１に示す振動部１３は、シリコンマイク
ロ加工によりシリコン基板１０上に形成されたもので、
シリコン基板１０上に圧電変換部１７を設け、シリコン
基板１０の表面から異方性エッチングを行うことによ
り、空洞部１０ａを形成し、片持ち梁状の振動子１１ａ
〜１１ｅを形成する。ここで、片持ち梁の長さを変える
ことによって任意の共振周波数を有する振動子を形成す
ることができる。図１に示す実施例の場合は、この振動
部１３が、超音波発信器及び超音波受信器となる。

【００３２】振動部は片持ち梁構造に限定されるもので
はなく、ダイヤフラム構造等でも実現することができ
る。図４に基づいて、ダイヤフラム構造の振動部を備え
た超音波湿度センサの一実施例を説明する。図４（ａ）
は、超音波湿度センサの平面図、図４（ｂ）は断面図で
ある。但し、図１に示した構成と同等構成については同
符号を付すこととする。図で、１６ａ〜１６ｃはシリコ
ン基板１０上に形成された、平面視略正方形状のダイヤ
フラムで、シリコン基板１０の、圧電変換部１２及び信
号処理回路部１４を形成した面とは反対側の面から異方
性エッチングにより空洞部１７ａ〜１７ｃを形成するこ
とによって形成されたものである。ダイヤフラム１６ａ
〜１６ｃは、共振周波数が異なるように辺の長さがそれ
ぞれ異なる値に設定されている。

【００３３】次に、図５に基づいて、超音波湿度センサ
の回路の一実施例について説明する。図５は、回路構成
を示すブロック図で、１８は、超音波発信器１９と超音
波受信器２０とにより構成される振動部、２１は、振動
部１８と接続された信号処理回路部、２２は、振動部１
８に対向するように配置された超音波反射板である。

【００３４】信号処理回路部２１は、送信パルスを出力
する送信パルス発生回路２３と、送信パルス発生回路２
３の信号を入力して超音波発信器１９に駆動信号を出力
する超音波発振回路２４と、超音波を受信して微弱な信
号を出力する超音波受信器２０の信号を増幅する増幅回
路２５と、増幅回路２５と温度補正回路２６の出力を入
力して超音波の減衰率を求める減衰率計測回路２７と、
減衰率計測回路２７の出力をセンサ外部の回路に出力す
る出力回路２８とで構成されている。但し、信号処理回
路の構成は、図５に示す構成に限定されるものではな
い。少なくとも、増幅回路２５を振動部１８（超音波受
信器２０）の近傍に配置しておけば、ノイズ低減が図れ
る。また、図５に示す構成では、超音波発信器１９と超
音波受信器２０とは別々に構成されていたが、同一の振
動子及び圧電変換部の構成を、超音波発信器及び超音波
受信器として１つのブロック構成としてもよい。

【００３５】次に、図１または図４に示した、シリコン
チップ状の超音波湿度センサをパッケージに実装した実
施例を図６及び図７に基づいて説明する。図６に示す実
装例は、図１または図４に示したシリコンチップ状の超
音波湿度センサ２９を、外気と通ずる孔３０と外部の回
路との接続用の外部端子３１を設けた、中空のパッケー
ジ３２の内部に実装すると共に、リファレンスとして、
同じ超音波湿度センサ２９をパッケージ３２と同一サイ
ズで密閉構造のパッケージ３３の内部に実装したもので
ある。図６に示す実施例の場合、パッケージ３２及びパ
ッケージ３３の内壁を超音波反射板として用い、シリコ
ンチップ状の超音波湿度センサ２９で超音波の発信及び
受信を行うように構成されている。パッケージ３３の内
部の相対湿度は既知の値であるので、パッケージ３２の
構成による湿度測定と組み合わせることで湿度測定の精
度の向上が図れる。また、図７に示すように、密閉され
た超音波湿度センサ実装空間３４と外気に通じた超音波
湿度センサ実装空間３５と外部端子３６とを備えた、１
つのパッケージ３７を用いることによって、図６に示し
た構成を、１つのパッケージに実装してもよい。

【００３６】なお、以上に説明した実施例は、超音波湿
度センサであるとして説明したが、本発明の超音波湿度
センサに、受信した超音波の速度を計測する回路を付加
すれば、前述した原理により気体の温度を測定すること
ができ、超音波温湿度センサを構成することができる。
また、振動子の形状または数、パッケージの構成は実施
例に限定されるものではない。さらに、超音波の発信に
ついては、異なる周波数の超音波を同時に発信しても別
々に発信してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項３記載の超音波湿度センサによれば、メンテナンス
が不要で応答時間が短く、測定精度が良い、小型の湿度
センサを実現することができる。

【００３８】請求項２記載の超音波湿度センサによれ
ば、圧電変換部と信号処理回路部とをワイヤボンディン
グ等による接続する配線工程を設ける必要がなくなり、
配線による損失が小さくなる。さらに、微弱な信号を振
動部の近傍で増幅することができるので、S/N 比を高く
することができる。

【００３９】請求項３記載の超音波湿度センサによれ
ば、シリコンマイクロ加工により超音波湿度センサを形
成することができるので、振動子によっては、複数の振
動子を１つの工程で形成できると共に、製造歩留りの向
上が図れる。

【００４０】請求項４乃至請求項６記載の超音波温湿度
センサによれば、簡便な方法で温度と湿度の同時測定、
測定湿度の温度補正が可能であり、メンテナンスが不要
で応答時間が短く、測定精度が良い、小型の湿度センサ
を実現することができる。

【００４１】請求項５記載の超音波温湿度センサによれ
ば、圧電変換部と信号処理回路部とをワイヤボンディン
グ等による接続する配線工程を設ける必要がなくなり、
配線による損失が小さくなる。さらに、微弱な信号を振
動部の近傍で増幅することができるので、S/N 比を高く
することができる。

【００４２】請求項６記載の超音波温湿度センサによれ
ば、シリコンマイクロ加工により超音波温湿度センサを
形成することができるので、振動子によっては、複数の
振動子を１つの工程で形成できると共に、製造歩留りの
向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波湿度センサの一実施例を示す図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】空気中の音波の吸収率を示す線図である。

【図３】超音波湿度センサの構成例を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の超音波湿度センサの異なる実施例を示
す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図５】本発明の超音波湿度センサの回路の一実施例を
示すブロック図である。

【図６】本発明の超音波湿度センサの実装方法の一実施
例を示す断面図である。

【図７】本発明の超音波湿度センサの実装方法の異なる
実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１１，１１ａ〜１１ｅ振動子１６ａ〜１６ｃ振動子１，４，８，１９，２９超音波発信器１，５，９，２０，２９超音波受信器１０シリコン基板（基板）１４，２１信号処理回路部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相澤浩一大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉田恵一大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振周波数の異なる複数の振動子を備え
た超音波発信器と、その超音波発信器が発信する周波数
の異なる超音波のそれぞれを受信する振動子を備えた超
音波受信器とを具備したことを特徴とする超音波湿度セ
ンサ。
【請求項２】同一基板上において、前記超音波受信器
の近傍に、前記超音波受信器が出力する出力信号を処理
する信号処理回路部が形成されていることを特徴とする
請求項１記載の超音波湿度センサ。
【請求項３】前記基板が、シリコン基板であることを
特徴とする請求項２記載の超音波湿度センサ。
【請求項４】共振周波数の異なる複数の振動子を備え
た超音波発信器と、その超音波発信器が発信する周波数
の異なる超音波のそれぞれを受信する振動子を備えた超
音波受信器とを具備したことを特徴とする超音波温湿度
センサ。
【請求項５】同一基板上において、前記超音波受信器
の近傍に、前記超音波受信器が出力する出力信号を処理
する信号処理回路部が形成されていることを特徴とする
請求項４記載の超音波温湿度センサ。
【請求項６】前記基板が、シリコン基板であることを
特徴とする請求項５記載の超音波温湿度センサ。