JPS58182540A - 湿度の検出方法及び湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は相Ｎ：ＩＭ度を電気信号で検出する方法及びこ
の方法上使用した湿度センサに関する。

湿度セ、、／　”ｊ’　ＶＣＦｉ、湿度変化によって伸
縮量が変化する部側を使用し、湿度ｔ−機械的変位緻で
検出するようにしたもの（り下、機械式湿度センサとい
う。）、又は湿度変化によって電気抵抗値が変化する部
材を使用しい湿度を電気抵抗値で検出するようにしたも
の（以下、電気式湿度センサという。）等がある。

機械式湿度センサＶｃＦｉ、感湿部材に通常毛髪やナイ
ロシ系樹ｌ１１が使用されており、従来、例えば気象観
測用５５オジシデに使用きれているもの、あるいは自記
ｆＭａ計で使用されているもの等がある。感湿部材に毛
髪やティ０シ系樹脂全使用したものに湿度の測定可能範
囲が広い長所があるが、こ゛れらを使用した機器では毛
髪勢の伸縮量ｔ−［接機械的変位に変換し、うじオジシ
デでは信号作成用の接点摺動体を、自記湿度計では記録
用ベニＪ？Ｉ−それぞれ作動させており、接点摺動体あ
るいは記録用ベシには比較的大きな変位量が要求される
ため、感湿部に長い毛髪等を必要とし、毛髪等の伸鎗、
量を接点摺動体やＶ 記録用ベシに伝達する機構も大型、複雑であって湿度ｔ
′Ｊす自体の小型化には眼度がある。また例えば上記う
！；オリシヂで使用されている湿度センサのように毛髪
の伸縮量を電気信号に変換する機構は信号接点板上を摺
動体が接触的に移動する機構となっており、ラジオリシ
チの如く、作動期間が極めて短い＊＊では湿度測定の目
的を充分に達成できるが、例えば室内空調用の湿度セン
サのように長期間にわたって使用される機器にあっては
、長期間の使用の間に信号接点板の酸化等による接触抵
抗の増大及び雑音の増加、接触不良による信号の切断等
が生じることがあって湿度検出の目的を充分に達成で会
ない。

ｔた、電気式湿度センサには、従来、感湿部材に有機高
分子化合物薄膜を使用したもの、及びセ５五ツク素子を
使用したもの等があり、これ勢の湿度センサは非Ｉ［１
餉的に電気信号を取り出せる点及び小型化が可能である
点では前記機械式湿度センサに優るが、有機高分子化合
物薄膜を使用したものでは温度が６０℃以上である環境
での湿度検出及び湿度が９０％ＲＨ（相対湿度）以上の
湿度測定は不可能であり、を九七５三ツク素子を使用し
た奄のでは塵埃の付着や経年変化で検出誤差が大きくな
るので一定周期毎に加熱クリーニング処理が必要であり
、かつ素子の分極現象により直流駆動ができないため、
信号処理に複雑な電気回路を必要とする。

本発＠は以上に述べた従来の問題点を総合的に解決する
ことを目的としたもので、感湿部に毛髪等を使用し、電
気信号の取り出しにストレーシゲー！；（歪ゲー！；）
を使用して前記機械式及び電気式湿度センサが有するそ
れぞれの間組点を全て解決し゛たものであゐ。

すなわち、本発明は、毛髪勢、湿度変化によって伸縮量
が変化する感湿部材の伸縮量の変化を、まずばね部材の
歪変化に変換し、次にこの歪変化をストレーシゲ−５で
更に電気信号に変換するようにした湿度検出方法及びこ
の方法による湿度センサの構造を提供するものである。

以下、図面によって本発明の詳細な説明する。

第１！ＩＩＪ囚は本発明の実施例の構造を示す斜視図、
！１図＠Ｆｉ第１図に示す構造を異った角度から示した
部分斜視図、第２図は本発明の実施例の湿度検出回路を
示す回路図、＠３図は第２図に示す回路で得られる湿度
変化対出力信号物性を示すグラフである。

第１図囚、（ロ）Ｋ於いて、１は感湿部、２１〜２４Ｆ
ｉストレージゲージ、３はばね部材、４＃ｉ載置台、５
Ｆｉ支柱、６＃′ｉ電気接続端子台（以下端子台という
。）である。

感湿部１は、同じ長さの毛髪１０１を十数本並列に並べ
、力の印加に対してそれぞれが同じ伸びを呈するように
両端を止め枠１０２で相互に固定し、更に毛髪１０１が
ばらつかないように中央付近で糸１０３により包縛して
構成されておシ、濃度を検出するものである〇 感温部ＩＫ使用される毛［１０１Ｆｉ、水分の含有量の
変化、すなわち、それを取り巻く環境の湿度変化に比例
して伸縮量が変化する感湿部材であ夛、同等の特性が得
られれば他の部材を使用することもで自る。毛髪と同勢
の特性を示す本のとして、例えばある穏のナイロυ系樹
脂材料が知られている。また、毛髪を使用する場合、湿
度変化の広い範曲にわたって高感度に対応し、直線性が
良好でかつ長期間安定した特性が得られるよう九当該毛
髪には脱脂処理等が施してあり、このような毛髪は例え
ば前記うじオジシデの湿度セシサにも使用されている。

ストレーンゲー！；２１〜２４は伸張力又は圧縮力が印
加されることにより、それらの大きさに対応して電気抵
抗値が変化する素子で、ばね部材３に印加さ′れる曲げ
応力を電気信号に変換するものであって、この素子自体
は広く市販されていゐものである。

ばね部材３Ｆｉ、僅かな力の印加でも屈曲するように比
較的薄い板状ばねで構成され、一端（自由端）３０１は
感湿部１の一端を固定するために略直角に曲げられてい
る。このばね部材３Ｆｉ感湿部１の伸縮を曲げ応力に変
換してストレージゲージ２１〜２４に伝導するとともに
、感湿部１０毛５１１０１が弛まないように張力を付与
するものである。また固定端となる端３０２には当該ば
ね部材３の載置台４への固定位置を調整できるように長
孔３０３が設叶である。

載置台４Ｆｉ、ばね部材３の可撓性に対して剛性を有す
る部材で平板状に構成されており、ばね部材３と支柱５
との間の間隔を不変に保つとともに各種部品（端子台６
等）を塔載する台であり、支柱５を柱状に立てて、かつ
その位置を調整して固定するための溝４０１が設けられ
ている。

支柱５＃ｉ、載置台４と同様にばね部材３の可撓性に対
して剛性を有する部材で柱状に構成されており、感ｆＩ
ｉｓ１の一端を支持する位置可動式の支持台である。

端子台６は４個の接続端子６０１〜６０４を有しており
、載置台４の上面に固設されている。

載置台４の一端４０２（溝４０１が設けられている備と
は反対側の端部）の端面ＫＦｉ長孔３０３の所でねじ７
によってねじ止めすることによりばね部材３が載置台４
の上ｔｉ＜対して直角の方向に１かつ片持梁状に固定さ
れており、載置台４の上面で溝４０１の部分には、図に
は現われていないが裏側からねじ止めによって支柱５が
衝立状に固定されている。そしてばね部材３の固定位置
は長孔３０３の範囲内で、及び支柱５の固定位置は溝４
０１の範囲内でそれぞれ調整できるようになっている。

ばね部材３の固定端３０２の近傍両面には２個ずつスト
し一ンゲー！；２１〜２４が貼付されており、ばね部材
３が受ける屈曲に対してそれぞれの面に貼付壇れた２個
のストレージゲージが同じ歪を受けるようにストレーン
ゲー、；２１と２２及び２３と２４Ｆｉそれぞれ載置台
４の上面から同じ距離の個所に平行して貼付されている
。また、ストレーシゲー！；２１〜２４の貼付個所をば
ね部材３の固定端３０２に近づけたのは、自由端３０１
の変化に対し５固定端３０２に近い個所程歪量が大きく
、ばね部材３の屈曲を高感度で検出で禽るからであり、
更に前記した構造によりこのストレージゲージ２１〜２
４の載置台４の面からの距離が調整でき、これによって
感度の設定が任意に行なえる。

上記４個のストレーンゲー！；２１〜２４の各リードｉ
！Ｉ＃ｉ当該４個のストレーシゲー！；２１〜２４がブ
リッジ回路を構成するように端子台６の４個の端子６０
１〜６０４に接続されており、また外部回路（第２図に
示す回路でブリッジ回路以外の部分）への接続も、この
端子台６の各端子６０１〜６０４が使用される。

感湿部１は、ばね部材３の自由端３０１と支柱５の上方
端５０１との間に１止め枠１０２を例えば接着剤により
固定して張られる。そして毛髪１０１が最も長く伸びた
とき（すなわち、相対湿度１００％のと１）［も当該毛
髪１０１が弛るまない程度に支柱５の固定位置が調整さ
れる。

次［ｊ１！２図に示す湿度検出回路及び菖３図に示す湿
度変化対出力信号特性図を参照して実施例の作用を説明
する。

＠２図に於いて、８ｉ１を電圧増幅器、９Ｆｉづリッジ
回路のバラシス調整用可変抵抗器、１０はブリッジ回路
に電圧を付与するための電源、１１は信号出力端子であ
り、他の記号は第１図に示す記号と同じものを示す。

づリッご回路の４辺はストレージゲージ２１〜２４で構
成され、ばね部材３の同一面に貼付された２個のストレ
ージゲージ２１と２２及び２３と２４とがそれぞれ対向
する辺に配置される。

また、ばね部材３及び支柱５の固定位置の調整及び可変
抵抗Ｗ９の調整を調整時の湿度にあわせて行ない、第゛
３図に示す特性が得られるように設定される。

先にも述べたようＫＭ湿部１の毛髪１ｏ１＃−１：常時
弛みがないように張られており、ばね部拐３Ｆｉ若干屈
曲していてストレーシヶ−５２１〜２４は、その屈曲に
よる曲げ応力に相当した歪を受けている。この歪は、例
えばばね部材３の自由端３０１が支柱５の方向に屈曲し
ている場合はストレーシゲー！；２１．２２に対しては
圧縮力として、ストレーシゲー！；２３．２４　Ｋ対し
ては伸張力として作用している。したがって当該ストレ
ーシゲ−ご２１〜２４によるブリッジ回路は平衡状態が
くずされており、その不平衡分に相当する電圧が端子６
０１．６０４間に出力され、それが電圧増幅器８によっ
て増幅されて信号出力端子１１に出力されている。

湿度が高くなる方向に変化し九ときは、毛髪１０１は伸
びる方向に変化し、ばね部材３ｔｉ、それ自体の弾性力
によって上記毛髪１０１を緊張する方向、すなわち自由
端３０１が支柱５から遠ざかる方向に変位し、ストレー
ンゲー！；２１　％２２が受けている圧縮力及びストレ
ーンゲーご２３．２４が受けている伸張力は、それぞれ
減少する方向に変化する。また湿度が低くなる方向に変
化したと色は、毛髪１０１が縮む方向に変化してばね部
材３を更に屈曲させ、ストレーシゲー！；２１．２２が
受けている圧縮力及びストレージゲージ２３．２４が愛
社ている伸張力は、それぞれ増加する方向′に変化する
。

ストレーシゲー！；２１〜２４に加わる圧縮力及び伸張
力の変化は、当該ストレーシゲー、；２１〜２４の抵抗
値変化となって現われ、これがつり・ンジ回路の出力電
圧変化となって電圧増幅器８を紅で信号出力端子１１に
出力される。すなわち、湿度変化がまず感湿部１′によ
って毛髪１０１の伸縮量で検出され、この伸縮量がばね
部材３の屈曲に狡換され、このばね部材３の屈曲がスト
レーシゲー！；２１〜２４の抵抗値変化に変換され、こ
れがブリッジ回路及び電圧増幅器８によって電圧変化に
変換されて、最終的には湿度変化が電気信号゛として信
号出力端子１１に得られる。

ストレージゲージを４個使用してづリッジ回路を全てス
トレーシゲ−５で構成したのは、づリッジ回路の作動原
理から明らかなように、１個のストレージゲージの場合
に比べて出力電圧が４倍の大きさで得られるからであり
、また４個のストレージゲージをばね部材３０両面に２
個ずつ貼付し１ブリッジ回路の瞬接する辺にそれぞれ異
った面のストレージゲージを配設したのは、温度変化に
よるばね部材３自体の伸縮が出力電圧となって現われな
いよう和するためである。すなわち、ばね部材３自体の
伸縮によってストレーシゲー、；２１〜２４が受ける歪
は全て同一方向、同一の大きさであるので、その抵抗値
変化は全て同一であり、このような変化はブリッジ回路
の作動原理から明らかなようＫ、当該づリッジ回路の出
力としては出力されない。

一方、ばね部材３の屈曲によって、すなわち毛１ｐｌｏ
１の伸縮によってストレーシゲー！；２１〜２４が受け
る力は、ストレーシゲー！；２１．２２とストレーシゲ
ー！；２３．２４とでは互に逆方向に作用するので、そ
れらの抵抗値変化はブリッジ回路−で加算された出力電
圧となって信号出力端子１１＆Ｃ現われる。

また、ストし−シゲー！；會２個とし、ブリッジ回ＩＩ
を当該２個のストレージゲージと２個の定抵抗器とで構
成してもよい。仁の場合、２個のストレージゲージをは
ね部材３０両面に１個ずつ貼付し、ブリッジ、回路の１
ＬＪ１２辺に配置する。これＫよってばね部材３自体の
伸縮によるストレージゲージの抵抗値変化は上記ストレ
ージゲー、；４個の場合と同様に出力信号となって現わ
れることはない。但し、湿度変化による信号出力Ｆｉ４
個のストレージゲージの場合の半分（ストし一シゲー５
１個の場合の２倍）Ｋなる。

更に、例えば当該湿度センサが温度変化の少ない環境で
使用される場合や、湿度検出に当って許容される測定誤
差箱Ｈが大きい場合等では、１個のストレーンゲージに
よってもよく、この場合にはづリッ′ジ回路の任意の１
辺に当該ストレーンゲージを配ｔＬ、他の３辺は定抵抗
器とすればよい。

尚、以上のようにブリッジ回路に定抵抗器を使用すると
きは、当該定抵抗器は端子台６に直接実装し、配線すれ
ばよい。

すなわち、本発明で重要なことは、湿度変化を非接触的
に電気信号に変換することであり、この点で上記したス
トレージゲージの個数は湿度センサの使用環境、運用条
件等によって決定される設計的事項である。

また、本発明に係る湿度センサはストレージゲージを除
いていずれの構成部材も水測れに強いので、ストレージ
ゲージに防湿処理を施しておけば、湿度センサを水洗い
できるため、好都合である。

以上に説明した実施例に使用されている主要な部分の特
性と本発明との関係について最後に説明する。

まず、湿度変化を直接検出する部材に使用した毛髪につ
いて述べると、当峡毛髪は約８０℃までの環境濃度で使
用可能であり、かつ１０℃〜３０℃の温度変化に対する
伸縮率は高々０．０３％であり（これに対し１０襲〜９
０％の湿度変化に対する伸縮率は約３囁である。）、こ
れ等の特性は毛髪を使用した湿度センサの湿度依存性が
極めて小さいことを意味して区る。％に本発明では前記
ストレージゲージによるブリッジ回路構成と相乗して、
４１に温度補正回路を設けなくても温度便化による測定
誤差の極めて小さい湿度センサが実現できる。

また、毛髪による湿度計測範囲は、はば０％〜１００％
であシ、このことにより湿度がいかなる値であっても検
出可能な湿度センサが得られる。

更に毛５１！！は、それに加わっている引張力が異って
も湿度変化に対する伸縮量は殆んど変化しない特性を有
しており、この特性により感湿部１を緊張状態に保つた
めの支柱５の固定位置の設定は、それＫよってばね部材
３に生ずる初期の屈曲量に留意゛することなく行なうこ
とができ、調整が簡単である。

以上のような毛髪の緒特性と類似の特性が得られれば毛
髪以外の部材で本感湿部材として使用でき、このような
部材としである種のナイＯυ系樹脂が使用できることは
、前記した通りである。

次に湿度変化を電気信号に変換する素子として使用した
ストレージゲージについて述べると、当該ストレーシゲ
ー、；は一般に高感度な素子であるので、毛髪勢の僅か
な伸縮によるばね部材の僅かな屈曲変化による歪の変化
をも検出できるため、毛髪等の長さを短く設定でき（例
えば３０露にした場合、伸縮量は最大的０．９５ｗ５）
、この物性により湿度センサ自体を極めて小さく構成で
きる。

また、ストレージゲージの抵抗慎変化Ｆｉ１２０Ｑ−１
９００Ω程度であって例えばｔ５！ニック系のセンサ（
約ＩＭΩを中心に変化する。）Ｋみられるように高抵抗
での変化ではなく、このことは外部雑音（ｌ＃に高周波
雑音）が混入しにくいことを意味しており、この特性に
ょシｍ＊発生の少ない湿度センサが実現できる。

更にストレージゲージではセラミック系センサでみられ
る分極現象が生じないので、プリフジ回路の駆動電源も
直流電源でよく、この特性により湿度センサの駆動回路
が簡単な回路で構成できる。

以上に説明したことから明らかなように、本発明によれ
ば、 ａ）相対湿度が広い範囲（はぼ０％〜１００％）Ｋわた
って検出で吉る湿度センサが得られる。

ｂ）感湿部材（毛ｇＩ勢）の憂慮を短く設定でき、°ま
た機械的変位＊ｔｔ＊信号に変換する機構も単純である
ので、湿度センサ自体が小形、軽量かつ安価に構成でき
る。

ｃ）ｅ械的変位量を電気信号に変換するに際し、摺動接
点等機械的接触機構を必要とＬないので、雑音の発生が
少なく、また接触不良による信号出方の切断事故も皆無
であり、がっ上記賢ｆＡＫＦｉ比゛較的低抵抗である素
子（ストレーシゲー！；）ｔ−使用しているので雑音の
混入が少なく、信頼性の極めて高い湿度センサが得られ
る。

ｄ）毛ｇＩ尋の特性（濃度依存性が小さい。）と湿度検
出回路（づり・ンジ回路）の相乗的効果によって温度変
化による測定誤差の極めで小さい湿度センサが得られる
。

ｅ）感湿部材ｔ−固設しているばね部材及び支柱の設定
位置調整により簡単に所定の電気的特性が得られるので
調整がし易い湿度センサが得られる。

ｆ）機棹的接触機構を含まないので、耐振性が大きく、
例えば自動車、電車等の移動物体に於けるように振動を
伴う環境でも使用できる湿度センサが得られる。

ｇ）ストレージゲージに簡単な処ｆｆ１（防湿処理）會
施すことにより湿度セυすの洗浄が容易に行なえるので
、一定周期毎の加熱クリーニシタのような面倒な保守を
必要とせず、例えば各穏轟埃（油性塵埃等）の多いよう
な悪条件のもとでも使用できる湿度センサが得られ、こ
れを使用した機器の保守、運用が容易である。

という種々の利点が享受でき、％（室内空調用、車輌空
調用の湿度センサのように、小形、軽量化が要求され、
悪条件の環境下で長期間にわたって使用される湿度セン
サを得る［ＭＬ、本発明は極めて着しい効果を奏するも
のである〇尚、実施例で説明した各部の調整機構は、一
定の特性を得るべく量産される湿度センサにあっては、
必ずしも必要でなく、これ醇祠整機構Ｆｉあくまでも実
施態様であることを付言しておく０

【図面の簡単な説明】

＃！１図（２）及び（ハ）は本発明の実施例の構造を示
す斜視図、第２図は本発明の実施例に係る湿度検出回ｍ
ｔ−示す回路図、第３図は第２図に示す湿度検出回路の
相対湿度変化対出力信号特性の例を示すり５フである。 １・・・感温部　　　　　　１０１・・・感湿部材（、
毛ｇｌ）２１〜２４・・・ストレーンゲー！；　３・・
・ばね部材４・・・載置台　　　　　　５・・・支柱８
・・・電圧増幅１１　　　１１・・・信号出力端子相ヌ
１）す宴　（％Ｒ目） 昭和−グ）　斗１１２〆１１ 持訂庁長官紅不４ｙ　ｆｐ尺殿 事件との関係　　出　願　人−：Ｊ！Ｅ＝４　　代　　
理　　　ｋ 住　所　　束苧、都千代田区丸の内２１目６番２号丸の
内へ重洲Ｕル３３０＆　補ｊ［の内容　　　別紙のとお
り 補　　　　　正　　　　　誉 本願明細書中下記事項を補正いたします。 記 １、第３頁下から５行目に 「相対温度」とあるを 「相対湿度」と訂正する。 ２、第７頁１行目に 「第１図に示す」とあるな ［第１図（Ａ）に示す」と訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　湿度の変化によって伸縮量が変化する感湿部側の湿
   度変化による伸縮量の変化をばね部材の歪変化に変換し
   、該歪変化をストレージゲージで電気信号に変換するこ
   とにより湿度を電気信号で得るよう和した湿度の検出方
   法。 ２　感湿部材を毛髪とした特許請求の範囲第１項に記載
   の湿度センサ０ ３　感湿部材をすイ０シ糸１１Ｗｉとした特許請求の範
   囲第１ｆｊｉに記載の湿度センサ。 ４　剛性的に構成された支持部材と、該支持部材に片持
   梁状に固設された可撓性のばね部材と、湿度の変化によ
   って伸縮量が変化し、上記ばね部材の自由端と上記支持
   部材との間に緊張して張られた感湿部材と、上記ばね部
   材に貼付されたストレージゲージで構成された湿度セン
   サ。 ５　感湿部材を毛髪とした特許請求の範囲第４項に記載
   の湿度センサ。 ６　感湿部材をナイｏ：Ｊ系樹脂とした特許請求の範＠
   １ｆｌ１４項に記載の湿度センサ。 ７　はね部材を板状ばねとし、該板状ばねの片面にスト
   レージゲージを貼付した特許請求の範囲第４項に記載の
   湿度センサ。 ８　ばね部材管板状ばねとＬ１該板状ばねの両面にスト
   レージゲージを貼付した％ｊｌ’ＦｌｌＩ求の範囲第４
   １１Ｋ記載の湿度センサ。 ９　ストレージゲージを１対（２個）とした特許請求の
   範囲第８項に記載の湿度センサ。 ｌＯストレーシゲー！；を２対（４個）とした特許請求
   の範囲第８項に記載の湿度センサ。 １１　　ストレージゲージをばね部材の固定端近傍に貼
   付した特許請求の範囲第４項、第７項〜Ｍ１０項のいず
   れかに記載の湿度セ、ニア＋１′。 １２　　支持部材を台部分と感湿部材支持部分とに分け
   てｉ＃Ｉ＃成し、感湿部材支持部分と台部分との連結を
   ｓｉｘ的にして感湿部材の緊張力を調整し得るようにし
   た特許請求の範囲第４項に記載のｉ度セシサ。 １３　　ばね部材の支持部材への固定位置を調整的にし
   てストレージゲージが当該ばね部材から受ける歪の大き
   さを調整し得るよう和した特許請求の範囲第４項に記載
   の湿度センサ０１４　　ストレーシゲーじを湿度検出用
   ブリッジ回路の構成素子に含む特許請求の範囲第４順、
   第７項〜第１１項のいずれかに記載の湿度センｔ。 １５　　ストレージゲージに防湿処理を施した％許１求
   の範囲第４項、第７項〜第１１項のいずれかに記載の湿
   度センサ。