JPH10185810A

JPH10185810A - 湿度センサ

Info

Publication number: JPH10185810A
Application number: JP34104796A
Authority: JP
Inventors: Naohiko Kato; 直彦加藤; Tomomi Motohiro; 友美元廣; Tatsumi Hioki; 辰視日置; Hiroshi Ito; 伊藤　　博
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象である雰囲気のガス成分等による影
響を受けず、また雰囲気に対する熱源ともならない湿度
センサを提供すること。【解決手段】Ｚ−ｃｕｔのＬｉＮｂＯ₃ 基板１０の表
面に、集合路１２と分岐路１３、１４とを有する光導波
路パターンを形成し、分岐路１３、１４側のＸ端面に反
射鏡２１を形成し、反射マッハツェンダ型干渉計を構成
する。そして、基板１０上に、光起電力膜１９と電極１
６、１７とを形成し、電極１６、１７が分岐路１３、１
４の長さ方向の一部を覆うようにする。集合路１２に計
測光を入射し、光起電力膜１９に制御光を照射すると、
湿度に依存する光起電力を発生し、電極１６、１７下の
分岐路１３、１４で位相変調が起こる。このため、反射
鏡２１で反射されて集合路２１に戻った計測光は、合波
の際の位相差により強度変調されており、その程度によ
り湿度を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気の湿度を検出
する湿度センサに関する。さらに詳細には、光集積回路
を利用した湿度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】湿度の計測手段としては古くから乾湿球
湿度計や毛髪湿度計が用いられたが、近年では新種の湿
度センサとして、セラミックス表面の電気抵抗率や有機
高分子膜の誘電率が水分子の吸着量（湿度に依存する）
により変化することを利用するものや、空気の熱伝導率
が湿度により変化することを利用するもの等が登場して
いる。

【０００３】このような新種の湿度センサの一例とし
て、特開昭６２−７５２３１号公報に記載されたものが
ある。同号公報の湿度センサは、空気の熱伝導率の湿度
による変化を利用するものである。その概略構成は図８
に示すように、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）の基
板９０の表面にＴｉ（チタン）熱拡散により光導波路９
２〜９５を形成し、光導波路９３の部分を放熱層９６で
覆うとともにそれ以外の部分を断熱層９７で覆ったもの
である。各光導波路９２〜９５はそれぞれ、ＩＮ側に設
けられた入射路９２と、この入射路９２からＹ字形に分
岐された平行導波路９３および９４と、これら平行導波
路９３および９４が合流してＯＵＴ側に至る出射路９５
とをなし、マッハツェンダ型干渉計９１を構成してい
る。この光導波路における光の屈折率は、温度により異
なる。放熱層９６は、Ａｌ（アルミニウム）等の熱伝導
率の大きい材質の薄層（蒸着膜等）である。断熱層９７
は、耐熱性樹脂等の熱伝導率の小さい材質の薄層であ
る。

【０００４】この湿度センサを使用するときは、基板９
０の裏面から一定の熱量を加えつつ、ＩＮ側から入射路
９２にＣＷ（連続波）レーザ光を入射し、出射路９５か
らＯＵＴ側に出射されるレーザ光の強度を測定する。こ
の操作をすると、以下の原理により湿度が検知される。

【０００５】基板９０に加えられた熱は表面側から空気
中に放散されるが、表面側の大部分は断熱層９７に覆わ
れているので、この部分からはほとんど放熱できない。
このため熱は放熱層９６に覆われている部分のみから放
散され、したがって放熱層９６に覆われている部分の温
度ｔ₁と断熱層９７に覆われている部分の温度ｔ₂との間
に差が生じる（ｔ₂＞ｔ₁）。ここで温度ｔ₂ は裏面側か
らの加熱量のみに依存するが、温度ｔ₁ は加熱量と空気
の熱伝導率との２つに依存する。空気の熱伝導率は湿度
により異なるので結局、温度差（ｔ₂−ｔ₁）は湿度に依
存することになる。そして、温度ｔ₁、ｔ₂はそれぞれ平
行導波路９３、９４の温度であるから、両平行導波路９
３、９４の伝播光の位相差が湿度に依存することにな
る。両平行導波路９３、９４の伝播光は出射路９５に合
波する際に干渉してその位相差により強度変調されるの
で、出射光の強度を測定すれば湿度がわかるのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の公報に記載された湿度センサには、以下に説明
する問題点があった。

【０００７】第１に、雰囲気ガス成分による検出結果の
依存性の問題がある。すなわち空気の熱伝導率は、湿度
のみならず成分組成によっても左右されるので、出射路
９５からの出射光強度は、湿度の情報だけでなく成分組
成の情報をも含んでいるのである。このため、成分組成
が通常の空気と異なる可能性がある雰囲気内で使用する
場合には、雰囲気ガス成分によって出射光強度を校正し
ないと正しい湿度が得られない。

【０００８】第２に、検出に加熱を伴うことによる問題
がある。すなわち、基板９０の裏面側に加えられた熱は
表面側の放熱層９６に覆われている部分から空気中に放
散され、雰囲気温度を上昇させるのである。このため、
雰囲気の温度管理をしている用途に使うと余計な温度要
因となる。またこのような熱源自体を嫌う用途には使え
ない。

【０００９】本発明は、従来の湿度センサが有する前述
の問題点を解決するためになされたものである。すなわ
ちその課題とするところは、測定対象である雰囲気のガ
ス成分による影響を受けず、また雰囲気に対する熱源と
もならない湿度センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

［１］この課題の解決を目的としてなされた本発明は、
伝播光を導く光導波路と、前記光導波路の一部をなすと
ともに電気光学効果により伝播光を変調する変調部とを
有し、前記変調部での伝播光の変調の程度が湿度に影響
されることを利用する湿度センサであって、制御光を受
光すると湿度に応じた光起電力を発生する光起電力膜
と、前記光起電力に基づく電圧を前記変調部に印加する
電圧印加手段とを備えたことを特徴として特定される。

【００１１】この湿度センサは、光導波路に伝播光を入
射するとともに光起電力膜に制御光を照射して使用す
る。光起電力膜に制御光を照射すると、光起電力膜には
雰囲気の湿度に応じた光起電力が生ずる。するとその起
電力に基づく電圧が、電圧印加手段により変調部に印加
される。この電圧は、雰囲気の湿度に応じたものであ
る。変調部は電気光学効果を有しているので、印加され
た電圧によりその光学的性質が変化する。その変化の程
度は印加された電圧に依存するので結局、雰囲気の湿度
により異なることとなる。したがって、光導波路に入射
された伝播光が変調部を通過する際に受ける変調の程度
は、雰囲気の湿度に依存する。このため、伝播光が変調
部で受けた変調の程度を検出することにより、雰囲気の
湿度をセンシングすることができる。

【００１２】ここにおいて、光起電力膜が発生する光起
電力は、照射された制御光と雰囲気の湿度との２つに依
存し、雰囲気の温度や周辺の電磁界による影響は受けな
い。このため、光起電力膜に照射する制御光をあらかじ
め定めた一定（波長、強度）のものとしておけば、発生
する光起電力は湿度にのみ依存することになる。変調部
での光学的性質の変化も同様に湿度にのみ依存する。ま
たこの湿度センサは、光（伝播光および制御光）のみの
授受を受けるので、電線を接続する必要がなく、この点
でも周辺電磁界による影響を受けにくい。したがって、
光導波路に入射する伝播光もあらかじめ定めた一定（波
長、強度）のものとしておくことにより、雰囲気の温度
や周辺の電磁界による外乱を受けない高精度な湿度検出
がなされる。

【００１３】［２］また、前記［１］に記載する湿度セ
ンサにおいては、前記光導波路の一部に２つ以上の分岐
路に分岐させた分岐区間が設けられており、前記変調部
が前記分岐路の１つに設けられているとともに伝播光に
位相変調を起こさせるものであり、前記分岐区間を経由
して合波した伝播光の強度により湿度を検出することと
することが望ましい。

【００１４】この湿度センサでは、光導波路に入射され
た伝播光は、分岐区間においてはコヒーレンスを保った
まま２以上の分岐路に分岐される。そしてこの分岐区間
の分岐路の１つの伝播光が、変調部を通る際に位相変調
を受ける。その位相変調の程度は前記のように湿度に依
存しているので、位相変調を受けた伝播光と、他の分岐
路を経由した位相変調を受けていない伝播光との間に
は、位相変調の程度に応じた位相差がある。このため、
両伝播光が合波する際に、干渉により位相差の程度に応
じた強度変調が起こる。したがって、合波した伝播光の
強度を検出することにより、温度や電磁界等による外乱
を受けない高精度な湿度検出を行うことができる。

【００１５】［３］あるいは、［１］に記載する湿度セ
ンサにおいては、前記光導波路の一部に２つ以上の分岐
路に分岐させた分岐区間が設けられており、前記変調部
が前記分岐路の２つ以上に設けられているとともにそれ
ぞれの伝播光に異なる位相変調を起こさせるものであ
り、前記分岐区間を経由して合波した伝播光の強度によ
り湿度を検出することとしてもよい。

【００１６】この湿度センサでは、光導波路に入射され
た伝播光は、［２］の場合と同様に分岐区間においては
コヒーレンスを保ったまま２以上に分岐され、そして分
岐区間経由後に合波される。そしてこの分岐区間の分岐
路の２つ以上の伝播光が、変調部を通る際にそれぞれ異
なる位相変調を受ける。位相変調の程度が前記のように
湿度に依存しているので、各分岐路における位相変調の
相違の程度も、湿度に依存している。このため、合波し
た伝播光の干渉による強度変調は、湿度に依存したもの
となる。したがって合波した伝播光の強度を検出するこ
とにより、温度や電磁界等による外乱を受けない高精度
な湿度検出を行うことができる。

【００１７】［４］そして、［３］に記載する湿度セン
サにおいては、前記分岐区間の分岐路の数が２であり、
前記電圧印加手段が各分岐路の変調部に互いに逆向きの
電圧を印加するものであることが実施に当たり最も典型
的な形態である。

【００１８】ここにおいて各分岐路の変調部に印加され
る互いに逆向きの電圧は、光起電力膜が発生する光起電
力に基づくものであることはいうまでもない。この場
合、両分岐路の変調部で互いに逆向きの位相変調が起こ
るので、合波の際の両伝播光間の位相差が２倍となる。
このため、湿度の変化に対する合波伝播光の強度変化の
ゲインが大きくなり、高精度な湿度検出がなされる。

【００１９】［５］また、［１］ないし［４］のいずれ
かに記載する湿度センサにおいて、前記光導波路の伝播
光を入射側へ反射する反射鏡を有し、前記変調部が、前
記光導波路の入射側と前記反射鏡との間に設けられてい
ることとすることができる。

【００２０】この湿度センサでは、光導波路に入射した
伝播光は、変調部を通過した後反射鏡で反射され、光導
波路を逆向きに進行する。このため再び変調部を通過
し、出射する。したがって、伝播光を湿度センサに入射
させる光路の途中にハーフミラー等のビームスプリッタ
を配置して入射伝播光と出射伝播光とを分波すると、出
射伝播光の変調成分を検出して湿度センシングを行うこ
とができる。この湿度センサでは、入射伝播光を供給す
る手段と、出射伝播光を測定する手段とを同じ側に配置
できるので、これらを含めた全体をコンパクトにまとめ
られる利点がある。また、伝播光が光導波路に入射して
から出射するまでに２回変調部を通過するので、光起電
力に基づく変調の程度も倍加され、高精度な湿度検出を
行うことができる。

【００２１】ただし、［２］ないし［４］のような分岐
区間を有する湿度センサに反射鏡を設ける場合には、分
岐区間内に反射鏡を設ける必要がある。また、分岐点か
ら反射鏡までの変調部における位相変調がない場合の光
路長が各分岐路とも等しくなるようにするのが望まし
い。この場合には、各分岐路に分岐された導波光は、変
調部にて位相変調を受けてから（［２］の場合分岐路に
よっては受けないものもある）反射鏡で反射され、逆進
して再び変調部で位相変調を受けてから合波して出射す
る。したがって、各分岐路の導波光に対する変調部での
位相変調が往路と復路とで２回繰り返されるので、分岐
路間の位相差が倍加された状態で合波され、高精度な湿
度検出を行うことができる。

【００２２】［６］そして、［１］ないし［５］のいず
れかに記載する湿度センサにおいては、前記光起電力膜
が、異常光起電力効果を有する半導体を含むことが望ま
しい。

【００２３】この湿度センサでは、光起電力膜に制御光
を入射すると、その中に含まれている半導体が異常光起
電力効果により数１０Ｖ程度に達する起電力を発生し、
この起電力に基づく電圧が電圧印加手段により変調部に
印加され、これにより伝播光の変調が行われる。ここ
で、半導体により発生される起電力が湿度依存性を有し
ているので、変調部に印加される電圧にも湿度依存性が
あり、さらには変調部での変調の程度にも湿度依存性が
ある。このため湿度の検出が可能である。

【００２４】なお、異常光起電力効果により生じる起電
力に湿度依存性がある理由は詳らかでないが、一応次の
ように推察される。すなわち、大気は水蒸気を成分ガス
として含んでいるので、大気と接している光起電力膜の
表面には水分子が吸着している。この状態での光起電力
膜は、膜本体と表面の吸着水分子層とが並列接続された
状態となっていると考えることができる。このため、異
常光起電力効果のような光起電力膜の表面付近で起こる
現象に対しては、表面の吸着水分子層が一種のバイパス
路となり、生じた電圧により電流が流れ、この電流に伴
う電圧降下のため、外部から観測される電圧を下げるも
のと考えられる。そして、水分子の吸着量は湿度（相対
湿度）に依存し高湿度であるほど多いので、湿度が高い
ほど吸着水分子層の抵抗率が低くなると考えられる。こ
のため、湿度が高いほど吸着水分子層の存在による電圧
降下が著しいので、電圧が湿度に依存するものと考えら
れる。

【００２５】［７］さらに、［６］に記載する湿度セン
サにおいて、前記光起電力膜が、導電体と異常光起電力
効果を有する半導体との複合材で構成されていることと
することができる。

【００２６】この湿度センサでは、光起電力膜に含まれ
ている導電体は、光起電力膜自体の抵抗率を下げる効果
を有している。このため、光起電力膜全体（半導体＋導
電体）に占める導電体の比率が高いほど、光起電力膜自
体の抵抗率が低くなる。また、発生する光起電力は小さ
くなる。一方、導電体の比率が低いほど逆の特性が得ら
れる。したがって光起電力膜における導電体と半導体と
の配合比率により、湿度センサの特性を調節することが
できる。すなわち、導電体の比率を高くした湿度センサ
では、光起電力膜自体が低抵抗であることから、湿度の
変化に対する伝播光の変調の程度が比較的小さいので低
湿度から高湿度に至る広いダイナミックレンジ（対応可
能な湿度範囲）を得ることができ、また湿度変化に対す
る検出値の応答性にも特に優れている。一方、半導体の
比率を高くした湿度センサでは、絶対的な光起電力が大
きい一方で外部から観測される電圧の湿度による影響が
著しいので、低湿度領域で高精度な特性が得られる。

【００２７】［８］そして、［６］または［７］に記載
する湿度センサにおいては、前記半導体としてＣｄＴｅ
（テルル化カドミウム）を用いることができる。

【００２８】この湿度センサでは、光起電力膜に含まれ
ている半導体がＣｄＴｅであり、顕著な異常光起電力効
果を有しているので、優れた湿度検出特性が得られる。
このほかに使用可能な半導体材料としては、ＧａＡｓ
（砒化ガリウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニ
ウム）、ＰｂＳ（硫化鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜
鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＴｅ（テルル化亜
鉛）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、Ｓｂ₂Ｔｅ₃（３テ
ルル化２アンチモン）、等がある。これらは、異常光起
電力効果を有する半導体であって、スパッタリング、蒸
着等の物理的成膜法により基板上に成膜可能なものであ
る。

【００２９】［９］また、［７］に記載する湿度センサ
においては、前記導電体としてＣｄＳを用いることがで
きる。

【００３０】この湿度センサでは、光起電力膜が、導電
体であるＣｄＳと異常光起電力効果を有する半導体との
複合材であるので、ＣｄＳと半導体との配合比率によ
り、湿度センサの特性を調節することができる。このほ
かに使用可能な導電体としては、Ｉｎ₂Ｏ₃（３酸化２イ
ンジウム）、ＳｎＯ₂（２酸化スズ）、その他各種金属
元素等がある。これらは、導電体であってスパッタリン
グ、蒸着等の物理的成膜法により基板上に、半導体とと
もにその配合比率を調整しつつ成膜可能なものである。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態
を、図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係
る湿度センサは、基板上に形成された光導波路での湿度
に応じた位相変調を利用するものである。

【００３２】［素子構成］本実施の形態に係る湿度セン
サ１は、図１の平面図に示すように、表面に光導波路で
ある集合路１２および分岐路１３、１４が形成されたＺ
−ｃｕｔのＬｉＮｂＯ₃ 基板１０を中心に構成されてい
る。そして、基板１０の表面（Ｚ面）上には、電極１
６、１７と光起電力膜１９とが形成されている。電極１
６、１７は、それぞれ分岐路１３、１４の長さ方向の一
部を覆っているとともに、光起電力膜１９の両端に接続
されている。また、基板１０の分岐路１３、１４側のＸ
端面には、反射鏡２１が形成されている。

【００３３】かかる温度センサ１において分岐路１３、
１４は、基板１０のＬｉＮｂＯ₃ 結晶にＴｉ熱拡散を施
して形成されたものであり、集合路１２からＥ点にてＹ
字形に分岐された形状となっている。これらは、基板１
０のＸ軸と平行に設けられている（分岐路１３、１４の
うちＥ点付近を除く）。これら各光導波路の幅Ｗは、い
ずれも７μｍとされており、後述する伝播光をシングル
モードで伝播できるようになっている。そして分岐路１
３、１４の間隔Ｄ₁は、２４.５μｍである。また、Ｅ点
から反射鏡２１までの分岐路１３、１４の光路長は互い
に等しい。これらの各光導波路１２、１３、１４を形成
するＴｉドープＬｉＮｂＯ₃ は、電気光学効果を有して
おり、電界が印加されると屈折率が変化する性質を有し
ている。このような、集合路１２と、これから分岐され
た分岐路１３、１４とを有し、分岐路１３、１４が反射
鏡２１に面している光導波路により構成される干渉計
を、「反射マッハツェンダ型干渉計」ということとす
る。

【００３４】電極１６、１７は、スパッタリングにより
形成されたＡｌの薄膜であり、分岐路１３、１４を覆う
部分の長さＬ（Ｘ方向）は１４ｍｍとされている。ま
た、電極１６、１７が光起電力膜１９に接する位置での
間隔Ｄ₂ は、１ｍｍである。なお、図１は各部の寸法に
関してはデフォルメされており、実際のものと相似では
ない。また、図１には現れていないが電極１６、１７
は、基板１０上にＳｉＯ₂のバッファ層を介して形成さ
れている。この電極１６、１７は、分岐路１３、１４の
一部に電界を印加することによりその部分の屈折率を変
化させ、これによりその部分を伝播する伝播光に位相変
調を起こさせるためのものである。

【００３５】光起電力膜１９は、スパッタリングにより
形成されたＣｄＴｅ_1-xＳ_xの薄膜であり、異常光起電力
効果を有しており、光の照射を受けることにより起電力
を起こし、電極１６、１７間に電圧を生じさせるもので
ある。その電圧は、照射された光の内容（波長、強度）
と、電極間隔Ｄ₂ と、雰囲気の湿度とに依存する。この
うち電極間隔Ｄ₂ は前記のように固定値（１ｍｍ）であ
り、照射される光は後述するように一定の制御光である
から、結局、電極１６、１７間の電圧に影響する因子は
雰囲気の湿度のみとなる。すなわち光起電力膜１９は、
湿度に依存する電圧を電極１６、１７に印加するための
ものである。

【００３６】反射鏡２１は、蒸着により基板１０のＸ端
面に形成されたＡｕ（金）の薄膜であって、分岐路１
３、１４を伝播してきた伝播光を反射して入射側に返す
役割を有している。

【００３７】［計測システム］上記の素子構成を有する
湿度センサ１を用いて湿度測定するためのシステムは、
図２に示すように、湿度センサ１に対し計測用光源３１
と、制御用光源３２と、光検出器３３と、オシロスコー
プ３５とを接続して構成されている。このうち湿度セン
サ１は、湿度測定をしようとする雰囲気内に配置しなけ
ればならないが、他のものは必ずしも当該雰囲気内に配
置する必要はない。

【００３８】計測用光源３１は、ＩｎＧａＡｓＰの半導
体レーザ発振器（波長１．３μｍ）である。このレーザ
光に対する半波長電圧は、前記の電極寸法では約５Ｖで
ある。計測用光源３１から発射されるレーザ光は、湿度
センサ１の集合路１２に入射する伝播光として用いられ
るものである。そしてこの伝播光は、分岐路１３、１４
のうち電極１６、１７に覆われた部分で変調を受けるこ
とにより、光起電力膜１９での湿度に依存する起電力の
信号を計測可能な光の形で取り出すものであり、計測光
としての役割を有している。このため計測用光源３１
は、偏波面保存ファイバ（ＰＭＦ）４０により湿度セン
サ１の集合路１２の端部に接続されており、発生したレ
ーザ光を集合路１２に入射できるようになっている。

【００３９】このＰＭＦ４０は、計測用光源３１から集
合路１２に入射するレーザ光（往路光）の伝達経路であ
るとともに、湿度センサ１内で反射鏡２１により反射さ
れ集合路１２から出射したレーザ光の伝達経路（復路
光）でもある。このためＰＭＦ４０には、ビームスプリ
ッタ３７が設けられ、往路光と復路光とが分離されるよ
うになっている。すなわちビームスプリッタ３７は、ハ
ーフミラー等を用いて、計測用光源３１からの往路光は
そのまま透過するとともに、湿度センサ１からの復路光
は反射して光検出器３３に振り向けるようにしたもので
ある。これにより、復路光の強度を光検出器３３で電圧
信号に変換し、オシロスコープ３５で波高、波形その他
の信号解析をすることが可能となっている。

【００４０】制御用光源３２は、ＧａＡｓの半導体レー
ザ発振器（波長０．８３μｍ）である。制御用光源３２
から発射されるレーザ光は、湿度センサ１の光起電力膜
１９に照射される制御光として用いられるものである。
すなわち制御光は、光起電力膜１９に光起電力効果によ
り電圧を起こさせ、電極１６、１７の下部の分岐路１
３、１４に電気光学効果により屈折率の変化を起こさせ
る役割を有している。このため制御用光源３２は、マル
チモード光ファイバ（ＭＭＦ）３９により湿度センサ１
の光起電力膜１９に接続されており、発生したレーザ光
を光起電力膜１９に照射できるようになっている。

【００４１】［計測動作］湿度センサ１およびそれを含
む図２のシステムの動作を説明する。まず、光起電力膜
１９への制御光の照射を行わずに、計測用光源３１から
集合路１２への計測光の入射のみを行った場合に起こる
現象を説明する。

【００４２】計測用光源３１でＣＷ光を発生させるとそ
のＣＷ光は、ビームスプリッタ３７を透過してＰＭＦ４
０を経由して湿度センサ１の集合路１２に入力され、基
板１０の光導波路（ＴｉドープＬｉＮｂＯ₃ ）を伝播す
るシングルモードの伝播光となる。この伝播光は集合路
１２を図１中右向きに進行し、Ｅ点にて分岐路１３、１
４に分岐され、コヒーレンスを保ちつつそれぞれさらに
右向きに進行する。

【００４３】そして反射鏡２１で反射され、分岐路１
３、１４を左向きに戻り、Ｅ点に至って集合路１２に合
波する。ここで、Ｅ点から反射鏡２１までの分岐路１
３、１４の光路長が等しいので、Ｅ点で分岐してから反
射鏡２１で反射されてＥ点で合波するまでの分岐路１
３、１４の光路長も等しく、このため分岐路１３、１４
の戻り伝播光は同位相で合波する。したがって、この間
の光損失を無視すれば、合波後の戻り伝播光の強度は分
岐前の伝播光の強度と同一であることになる。この合波
した戻り伝播光は、集合路１２を図１中左向きに進行し
てＰＭＦ４０に出射され、ビームスプリッタ３７で反射
されて入射光と分離される。そして光検出器３３で電圧
信号に変換され、その電圧信号がオシロスコープ３５に
入力される。したがってオシロスコープ３５では、入射
光とほぼ同一の強度のＣＷ光が観測される。

【００４４】次に、制御用光源３２から光起電力膜１９
への制御光の照射により起こる現象を説明する。制御用
光源３２で一定の強度のＣＷ光を発生させるとそのＣＷ
光は、ＭＭＦ３９を経由して湿度センサ１の光起電力膜
１９に照射される。このため光起電力膜１９には起電力
が生じ、その両端の電圧が電極１６、１７に印加され
る。この電圧は、通常の光起電力の場合よりかなり高い
１００Ｖ程度に達するので、異常光起電力と呼ばれる。
このとき電極１６、１７の電位は、基準電位に対して偏
差が等しく符号が逆であるため、電極１６、１７の下部
の分岐路１３、１４には互いに逆向きの電界が印加され
る。したがって、分岐路１３、１４の当該区間には屈折
率の変化が互いに逆向きに生ずる。すなわち、分岐路１
３の当該区間にて屈折率が増加する場合には分岐路１４
の当該区間では屈折率が減少し、分岐路１３の当該区間
にて屈折率が減少する場合には分岐路１４の当該区間で
は屈折率が増加する。

【００４５】このように光起電力膜１９の起電力により
電極１６、１７の下部の分岐路１３、１４に屈折率の差
異が生じている状態で計測用光源３１の計測光を集合路
１２に入射すると、次のような現象が生じる。すなわ
ち、伝播光が分岐路１３、１４の当該区間を通過する際
に、屈折率が変化していることにより、伝播光が位相変
調を受ける。この位相変調は伝播光の往き（反射前）と
戻り（反射後）との両方で起こる。ただし、分岐路１３
と分岐路１４とでは変調の大きさが等しく向きが逆であ
る。すなわち、一方の分岐路では位相が早まり他方の分
岐路では位相が遅れる。このため、分岐路１３、１４か
らＥ点に戻って合波する際に両伝播光の位相は必ずしも
一致せず、合波光の強度はそれらの位相差に依存する値
となる。この結果、光起電力膜１９の起電力により合波
光の強度が変調されることとなる。この強度変調の程度
は、ビームスプリッタ３７で入射光と分離された合波光
の強度を光検出器３３で電圧信号に変換し、オシロスコ
ープ３５で測定することにより計測される。

【００４６】ここにおいて、光起電力膜１９が生じる起
電力は、照射された制御光の波長、および強度、そして
雰囲気の湿度の３つの因子に依存する。そして前記のよ
うに制御光は波長、強度とも一定なので、光起電力を左
右する因子は実質的には湿度のみである。したがって、
オシロスコープ３５で計測される合波光の強度は、湿度
の変動が反映された分岐路１３、１４間の位相差に依存
し、湿度を引数とするサイン関数で表される。このた
め、オシロスコープ３５での合波光の強度により、光起
電力膜１９の周辺の湿度を検知することができる。

【００４７】［素子の製造］次に、湿度センサ１の製造
工程を図３により簡単に説明する。最初に、Ｚ−ｃｕｔ
のＬｉＮｂＯ₃ 基板１０の表面にＴｉ熱拡散により、マ
ッハツェンダ型干渉計を構成する光導波路パターン８４
が形成される（図３の（ａ））。この光導波路パターン
８４は、両端の集合路１２、１２と中央の分岐路１３、
１４とを有している。これらは分岐点付近を除いて基板
１０のＸ方向と平行に形成され、Ｘ方向に光を伝播する
ように構成されている。この光導波路パターン８４が形
成された基板１０は、Ｘ方向に半分に切断され（図３の
（ｂ））、そしてその切断端面８５にＡｕが蒸着されて
反射鏡２１が形成される（図３の（ｃ））。かくして反
射マッハツェンダ型干渉計を構成する光導波路パターン
が基板１０の表面に形成される。なお、切断した他方の
基板１０についても、同様に切断端面に反射鏡を形成し
て反射マッハツェンダ型干渉計とすることができる。

【００４８】この反射マッハツェンダ型干渉計を表面に
有する基板１０の表面全面に、バッファ層であるＳｉＯ
₂ 層をスパッタリングにより成膜し、そしてその上にス
パッタリングとエッチングとにより所定形状のＡｌの薄
膜（電極１６、１７）とＣｄＴｅ_1-xＳ_xの薄膜（光起電
力膜１９）とを形成すると、図２のシステム構成により
湿度検出ができる湿度センサ１が得られる。

【００４９】ここで、光起電力膜１９であるＣｄＴｅ
_1-xＳ_xのスパッタ成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタ法
により行う。具体的には図４に示すように、ＣｄＴｅと
ＣｄＳとの２つのターゲット物質を用い、これらを基板
１０における光の導波方向（Ｅ点の付近を除く、すなわ
ちＸ方向である）に対して垂直な面内で垂線から対称に
傾斜させて配置して同時にスパッタリングを行う。この
ときの傾斜角α、βは３０〜８０°の範囲内の角度と
し、スパッタガスとしてはＡｒ（アルゴン）を用い、ガ
ス圧は０．３３Ｐａ程度の低圧とする。また、基板１０
の温度は室温が望ましいが、３００℃以下なら加熱して
もよい。

【００５０】このスパッタリングにより基板１０上に形
成されるＣｄＴｅ_1-xＳ_xの薄膜は、１００ｎｍ程度の結
晶粒サイズの多結晶であり、ＣｄＴｅリッチな結晶粒と
ＣｄＳリッチな結晶粒とが混在した複合状態となってい
る。このうちＣｄＴｅリッチな結晶粒が異常光起電力効
果を有する半導体である。一方、ＣｄＳリッチな結晶粒
は、異常光起電力効果を有しないが、導電率が高く、Ｃ
ｄＴｅ_1-xＳ_x薄膜全体としての導電性を付与する役割を
果たすと考えられる。

【００５１】このスパッタリングの際、各ターゲットへ
の投入電力を調整することにより、形成されるＣｄＴｅ
_1-xＳ_x膜の組成（膜全体としての平均組成）を制御でき
る。例えば、ＣｄＴｅターゲットへの投入電力を３０Ｗ
とし、ＣｄＳターゲットへの投入電力を４０Ｗとする
と、ｘ＝０．２２の膜組成が得られる。また、ＣｄＴｅ
ターゲットへの投入電力とＣｄＳターゲットへの投入電
力とをともに３０Ｗとすると、ｘ＝０．１５の膜組成が
得られる。このように、両ターゲットへの投入電力の相
対比と、得られた薄膜におけるＴｅとＳとの原子数比と
の間には正の相関関係がある。

【００５２】この膜組成は膜の電気的特性に影響し、湿
度センサ１としての湿度の検出特性を定めるものであ
る。膜組成（Ｓ成分）と電気的特性（光起電圧Ｖ_OCおよ
び内部抵抗ρ）との関係は図５のグラフに示すように、
Ｓ成分が多い（ｘが大きい）ほど光起電圧Ｖ_OC、内部抵
抗ρとも小さくなっている。すなわち、Ｓ成分が多い
（ｘが大きい）ほど、光起電力膜１９の光起電力が小さ
くなる一方で導電率が大きくなり、ダイナミックレンジ
の広い湿度センサ１が得られる。これに対しＳ成分が少
ない（ｘが小さい）ほど、光起電力膜１９の光起電力が
大きくなる一方で導電率が小さくなり、低湿度領域で高
感度な湿度センサ１が得られる。したがって、目的とす
る検出特性が得られるように膜組成を設定し、その膜組
成が得られるように各ターゲットへの投入電力を決定す
ればよい。

【００５３】［効果等］以上詳細に説明したように本実
施の形態によれば、異常光起電力効果を有する光起電力
膜１９が制御光の照射を受けて発生した湿度に依存する
電圧を、電極１６、１７を介して光導波路である分岐路
１３、１４に印加し、電気光学効果により光導波路の伝
播光に位相変調を起こさせるようにしたので、雰囲気の
ガス成分、温度や周辺の電磁界による影響を受けない高
精度な湿度測定を行うことができる湿度センサ１が実現
されている。そして、光起電力膜１９の光起電圧により
分岐路１３、１４に印加される電界が互いに逆向きであ
り、各導波光が逆向きに位相変調を受けるので、各導波
光が合波した光の強度を検出することにより湿度測定が
できるものである。

【００５４】そしてこの湿度センサ１は測定に際し、レ
ーザ光の授受のみを受け、電気信号のやりとりや加熱を
受けないので、湿度測定しようとする雰囲気に電気的、
熱的影響を与えず、また雰囲気から電気的、熱的影響を
受けることもない。また、反射鏡２１を備えて反射マッ
ハツェンダ型干渉計を構成しているので、湿度センサ１
に対する計測光の入射および出射を１本のＰＭＦ４０に
て行うことができ、ファイバ数の減少、センサ周りのコ
ンパクト化が実現されている。また、分岐路１３、１４
の導波光が電極１６、１７の下部を往路と復路との２回
通過するので、位相変調の度合いが倍加され、より高感
度な湿度検出を行うことができる。また、毛髪等の吸湿
体の伸縮によるものと異なり、湿度の変化に対する応答
性が優れている。

【００５５】さらに、光起電力膜１９が、異常光起電力
効果を有する半導体であるＣｄＴｅリッチな結晶粒と、
導電体であるＣｄＳリッチな結晶粒との複合体であるた
め、ＴｅとＳとの膜全体での原子数比により、その特性
を調整でき、目的に合わせた湿度の検出特性を有する湿
度センサ１を得ることができる。

【００５６】なお、本発明は前記実施の形態に何ら限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種
々の改良、変形が可能であることはもちろんである。し
たがって、寸法等について示した具体的数値や各部分の
材質等は、単なる例示にすぎない。

【００５７】例えば、前記実施の形態では、基板１０と
してＬｉＮｂＯ₃ 基板を用い、これにＴｉの熱拡散を施
して光導波路を形成したが、これに限らず、電気光学効
果を有する光導波路を形成可能ないかなる素材に置き換
えても、本発明の要旨を逸脱するものではない。また、
光起電力膜１９の材質も、ＣｄＴｅ_1-xＳ_xに限らず、Ｃ
ｄＴｅを異常光起電力効果を有する他の半導体に置き換
えることができ、またＣｄＳを他の導電体に置き換える
ことができる。

【００５８】また、基板１０上の分岐路１３、１４に対
し逆向きの電界が印加され逆向きの位相変調が掛かるよ
うにしたが、一方の分岐路にのみ電界が印加され位相変
調が掛かるようにしても湿度検出は可能である。また、
分岐路１３、１４での電気光学効果として、位相以外の
因子（振幅、偏光面、波長等）を変調させてこれを検出
するものも考えうる。

【００５９】

【実施例】

［光起電圧の湿度依存性］湿度センサ１の試験体とし
て、光起電力膜１９（ＣｄＴｅ_1-xＳ_x）のＴｅとＳとの
原子数比を変化させた２水準のものを作成し、光起電圧
の湿度依存性を調査した。作成した試験体は、ｘ（Ｓ成
分の原子数比）＝０．２２のもの（図６の（Ａ））と、
同０．１５のもの（図６の（Ｂ））との２種類である。
これらの試験体により雰囲気の相対湿度を変化させつ
つ、図２の配置において電極１６、１７間の光起電圧を
直接測定した結果を図６に示す。

【００６０】図６に示すように、Ｓ成分０．２２（Ａ）
の試験体においては、相対湿度の変化に対する光起電圧
の傾斜がより緩やかであるが、相対湿度０〜１００％の
ほぼ全域にわたり測定可能である。すなわちダイナミッ
クレンジが広い。これに対しＳ成分がより少ない０．１
５（Ｂ）の試験体においては、相対湿度が約７０％を超
えると測定が困難になるが、相対湿度４０％以下の領域
で特に感度が優れている。

【００６１】Ｓ成分によりこのような検出特性の差異が
生じる理由は完全には解明されていないが、一応次のよ
うに推察される。まず、Ｓ成分が少ない場合には、光起
電力膜１９が有する異常光起電力効果が大きいため、表
面の吸着水分子膜の影響が小さい領域（相対湿度が低い
領域）で光起電圧が大きく、このためこの領域での測定
感度が高いものと考えられる。一方、光起電力膜１９自
体の抵抗が大きいことから、表面の吸着水分子膜の影響
が大きい領域（相対湿度が高い領域）では吸着水分子膜
を流れる電流による電圧降下が顕著で、測定が困難にな
ると考えられる。

【００６２】次にＳ成分が多い場合には逆に、光起電力
膜１９が有する異常光起電力効果が小さいため、表面の
吸着水分子膜の影響が小さい領域（相対湿度が低い領
域）でも光起電圧がさほど大きくなく、このため測定感
度がさほど高くないものと考えられる。一方、光起電力
膜１９自体の抵抗が小さいことから、表面の吸着水分子
膜の影響が大きい領域（相対湿度が高い領域）でも吸着
水分子膜を流れる電流による電圧降下が小さく測定が十
分可能で、このため広いダイナミックレンジが得られる
と考えられる。

【００６３】［湿度変化に対する応答性］Ｓ成分０．２
２の試験体を用いて応答性の試験を行った結果を図７の
グラフに示す。図７に示すように、相対湿度を１０％か
ら５０％に上昇させると、出力される合波光の強度はそ
の後約３０秒で収束している。また、相対湿度を５０％
から１０％に低下させた場合には、出力される合波光の
強度はその後１分強で収束している。この応答時間は、
十分実用可能なものである。なお、湿度上昇時よりも下
降時の方が収束時間が長い理由は、上昇時の水分子の吸
着よりも下降時の離脱の方が時間がかかるためと考えら
れる。

【００６４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、異常光起電力効果と電気光学効果とを利用する
ことにより、測定対象である雰囲気のガス成分や温度、
あるいは周辺電磁界による影響を受けず、また雰囲気に
対する熱源等ともならない湿度センサが提供されてお
り、広いダイナミックレンジでの高精度な湿度検出が可
能となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る湿度センサの構成を説明する
平面図である。

【図２】図１の湿度センサにより湿度測定を行うシステ
ムの配置図である。

【図３】図１の湿度センサ製造過程の概略を説明する図
である。

【図４】光起電力膜であるＣｄＴｅ_1-xＳ_xのスパッタリ
ングによる形成を説明する図である。

【図５】光起電力膜の特性の組成依存性を説明するグラ
フである。

【図６】光起電力の湿度依存性を説明するグラフであ
る。

【図７】湿度センサの応答性を説明するグラフである。

【図８】従来の湿度センサの概略を説明する図である。

【符号の説明】

１湿度センサ１２光導波路（集合路）１３光導波路（分岐路）１４光導波路（分岐路）１６電極１７電極１９光起電力膜

フロントページの続き (72)発明者日置辰視愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者伊藤博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝播光を導く光導波路と、前記光導波路
の一部をなすとともに電気光学効果により伝播光を変調
する変調部とを有し、前記変調部での伝播光の変調の程
度が湿度に影響されることを利用する湿度センサにおい
て、制御光を受光すると湿度に応じた光起電力を発生する光
起電力膜と、前記光起電力に基づく電圧を前記変調部に印加する電圧
印加手段とを備えたことを特徴とする湿度センサ。