JPS6080751A - 有機高分子式湿度センサの動作回路 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、雰囲気の湿度制御に必要な湿度センサの動作
回路に係り、特に有機高分子材料を感湿膜として用いた
湿度センサに好適な動作回路に関する。

〔発明の背景〕

空気調和技術の一環として湿度調節が重要な要素として
考えられるようになるにつれ、湿度センサの適用範囲は
広まるばかりとなり、湿度センサの性能改善に多大の努
力が払われるようになってきた。

そして、このような観点から近年注目を集めている湿度
センサの一つに、有機高分子材料を感湿膜とした湿度セ
ンサがある。

このような有機高分子式湿度センサの一例を第１図及び
第２図に示す。

これらの図において、第１図は平面図で、第２図はその
Ａ−Ａ’線による断面図であり、１１は基板、１２．１
３は電極、１４は感湿膜、１５　、１６は端子である。

なお、１は湿度センサ全体を表わす。

基板１１は例えば酸化アルミニウムなどのｎＩｒｉｔ体
で角形に作られ、その一方の面に金の薄膜などで形成さ
れた幅の狭い複数の細条からなる一対の電極１２＋　１
３が、それぞれ相互に所定の間隙を隔てた鉄台状態で配
設されている。そして、これらの電極１２．１３の間の
基板１１の表面には、周囲の湿度に応じて導電率や誘電
率が変化する有機高分子材の層が塗布などＫよって設け
られ、こレカ感湿膜１４を形成している。

この感湿膜１４に使用される有機高分子相としては、ス
ルホン化したＩリスチレンや、カチオニツクモノマ（例
えばメタクリル・オキシ・トリメチル・アンモニウム・
クロライド）トビニルモノマ（例えばメチル・メタクリ
レート）の共重合体などが用いられる。なお、この湿度
センサｌの大きさの−ｆｉｌを示すと、基板１１は厚さ
が１＋ｍの板材で、１５ｍ角であり、電極１２．１３の
厚さは１０μｍ程度、電極間の間隙は０．２　ｍｓ程度
、感湿膜１４の厚さは１０μｍ程度である。

この湿度センサｌの特性の一例を示すと第３図のように
なり、図においてＡは湿度忙対する端子１５．１６間の
電気抵抗特性乞、そしてＢは同じく静電容量特性をそれ
ぞれ示したものであり、この特性図から明らかなように
、この湿度センサでは、その電気抵抗と静電容量とは相
対湿り［に対してほぼ指数関数的な変化を示し、湿度の
検出を行なうことができる。なお、この第３図は、第１
図及び第２図で示した湿度センサの等何回路が電気抵抗
と静電容量の並列回路であるとみなし、ｌＫＨ２０周波
数のもとで測定した結果の一例である。

さて、このような湿度センサを用いて湿度を検出するた
めには、上記のようにその電気抵抗や静電容量を測定し
、その測定値によって湿度を検出しなければならないか
ら、当然、そのための動作回路が必要である。

そして、このような場合罠従来から用いられている１１
作回路としては、例えば時間昭５５−４０９３５のよう
に湿度センサに所定の電圧ケ印加し、これにより湿度セ
ンサに流れる電流を直接測定して湿度をめたり、或いは
湿度センサを抵抗分圧器の一つの抵抗素子として用い、
抵抗分圧器の出力電圧を測定して湿度をめるようにした
方式のものが主に使用されていた。

しかして、このような従来から用いられている動作回路
により上記のような有機高分子式湿度センサを使用する
と、比較的短時間でその電極に劣化を生じ、湿度検出特
性の経時変化が著しくなってしまうという欠点があった
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除き、有機
高分子式湿度センサに適用して湿度検出装置を構成した
場合にも、湿度センサの電極劣化の虞れがなく、充分に
安定な検出特性を保って使用が可能になる有機高分子式
湿度センサの動作回路を提供するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、湿度検出動作中、
湿度センサの端子間に印加される電圧を常に所定値以下
に保つようにし、この電圧が電極のイオン化電圧以上に
ならないようにした点を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による有機高分子式湿匿センサの動作回路
について、図示の実施例な用いて説明する。

第４図は本発明の一実施例で、１は有機高分子式湿度セ
ンサ、２は交流電圧源、３は検出回路、４は結合用コン
デンサ、５は出力端子である。

有機高分子式湿度センサｌは第１図及び第２図で説明し
たような、感湿膜として有機高分子材料を用いたもので
、第３図で示すような特性を有する湿度センサである。

°交流電圧源２は演算増幅器２１とコンデンサ２２゜そ
れに抵抗２３〜２５からなる矩形波発振器と、演算増幅
器２８からなるバッファ増幅器を含み、コンデンサ４を
介して有機高分子式湿度センサ１（以下、単にセンサと
称す）に父流電圧を供給″４−る働きをする。ここで、
演算増幅器（以下、第４アンプという）２１は無安定バ
イブレータを構成し、コンデンサ２２の容置値と抵抗２
３の抵抗値の積で定まるＣＲ時定数に応じた周波数で発
振し、このときの出力矩形波信号の振幅は直流電源電圧
ｖｅｅ　ｓ　Ｖｌｌで決められる。従って、安定化電源
などによって安定化した血流電圧Ｖ＠ｃ＊　ＶｇＥをオ
ペアンプ２１に供給してやれば、その出力から一定振幅
の矩形波が得られる。そこで、このオペアンプ２１の出
力Ｖｏを抵抗２６．２７で所定値Ｖに分圧し、１００％
の負帰還を施こしたオペアンプ２８で取出すことにより
所定の一定出力の交流電圧源として動作することになる
。検出回路３はコンデンサ３２とダイオード３３〜３５
を有するオペアンプ３１を含み、交流電圧源２からコン
デンサ４を介してセンサｌに流れ込んだ交流電流を整流
し、さらにダイオード３３の電圧−電流の非直線性によ
り対数変換を行ない、第３図に示すようなセンサ１の指
数関数特性を＠線特性に直して検出出力を出力端子５に
取り出す働きをする。

コンデンサ４は交流電圧源２の出力に含まれる直流分を
しゃ断し、それがセンサｌに加えられないようにし、こ
れによりセンサ１の劣化を防止する働きをする。なお、
このとき、このコンデンサ４のインピーダンスはセンサ
ｌのインピーダンスに比して充分に小さな値になるよう
にし、事実上無視し得るようにしておかなければならな
い。

次に、この実施例の動作について説明する。

オペアンプ３１の増幅度は通常極めて高いから、その−
人力の電位はほとんど０箪圧に保たれておす、カつコン
デンサ４のインピーダンスはセンサ１のインピーダンス
に比してほとんど無視できる程小さいから、センサｌに
は交流電圧源２の交流出力電圧Ｖがそのまま印加され、
この結果、オペアンプ３１にはセンサｌのインピーダン
スと交流電圧Ｖによって定まる電流が流れ込み、それの
対数変換した直流電圧が出力端子５に現われている。

従って、周囲の湿度に応じてセンサ１のインピーダンス
が第３図のように変化すると、それに応じてオペアンプ
３１の一人力に流れ込む電流も変化し、出力端子５には
湿度に応じて変化する偵、−Ｒ電圧が得られ、しかも、
このとき、オペアンプ３１で対数変換が行なわれるため
、出力端子５に現われる直流電圧は湿度の変化にほぼ比
例した値になり、湿度の変化をそれに比例して変化する
直流電圧として検出することができる。

一方、このとき、センサｌの端子１５．１６間に印加さ
れる交流電圧は、オペアンプ２１に供給されている血流
電圧Ｖ＠ｃ　＋　Ｖｌｊｚと抵抗２６　、２７の分圧比
でその最大値が決められている。

そこで、この交流電圧Ｖを所定値に定めることにより、
この実施例ではセン“すｌの電極に劣化を生じるのが完
全に防止でき、センサ特性の経時変化をなくすことがで
きる。なお、この詳しい説明は後述する。

次に、與５図は本発明の他の一実施例で、第４図の実施
例と異なる点は、交流電圧源２の中身がオペアンプ２１
かうなる矩形波発振器だけとなり、これに応じてセンサ
１に印加すべき交流電圧■を囲定値にするための電圧分
圧器が抵抗６と７によって構成され、さらに、検出回路
３の中身が、オペアンプ３１と抵抗３．７　、３８から
なる電圧比較器となり、これに応じて整流用のダイオー
ド３５と平滑用のコンテ°ンザ３２がオペアンプ３１０
入力側に接続されている点であり、その他は第４図の場
合と同じである。

この第５図の実施例では、交流電圧源２の出力が矩形波
発振器を４Ｕ４成するオペアンプ２１の出力電圧ｖｏと
なっており、これがコンデンサ４を介してセンサ１の一
方の端子１５にそのまま印加されるようになっている。

一方、センサｌの他方の端子１６は抵抗７で接地され、
さらにこれらの端子１．５．１６の間には抵抗６が接続
されている。

従って、コンデンサ４のインピーダンスを無祝し、さら
にセンサ１０）静電容箱ン無オ兄すると、センサ１に印
加される交流電圧■は次式のようになる。

ここで、Ｒｘ・・・・・・センサｌの抵抗値Ｒｐ・・・
・・・抵抗６の抵抗値 Ｒ８・・・・・・抵抗７の抵抗値 この結果、抵抗７０両端に現われる交流電圧ｖｘはセン
サ１の抵抗値によって変化する。

そこで、この第５図の実施例では、抵抗７の交流電圧■
８をダイオード３３で整流し、コｙデンザ３２で平滑し
て交流電圧Ｖ工に比例した直流電圧Ｅｘを得、これをオ
ペアンプ３１の十人力に供給する。

一方、このオペアンプ３１は抵抗３７．３８で直流電源
ｖｅｅから分圧して得た電圧Ｅｓがその一人力に与えら
れており、電圧Ｅ、を基準電圧とする電圧比較器として
動作するようになっている。

従って、この第５図の実施例では、周囲の湿度が上昇す
るにつれて電圧Ｅｘが上昇し、それが基準電圧Ｅｓより
大きくなると出力端子５がハイ、レベルになり、電圧Ｅ
Ｘが基準電圧Ｅｓより小さいときは出力端子５がローレ
ベルを保つように動作し、周囲の湿度変化を成る設定湿
度に対する上下関係によって２つのレベルの信号の切換
わりとし℃検出することができる。

そして、この実施例においても、上記の（１）式で与え
られるセンサｌに対する印加電圧ｖ７、センサ１の抵抗
値ＲＸが最大値を示したときでも所定値に保つように設
定することにより、センサｌの特性に対する経時変化を
なくすことができ、信頼性の高いセンサを得ることがで
きる。

ここで、本発明によりセンサの電極のイオン化が防止さ
れ、その特性の経時変化をなくすことができる理由につ
いて説明する。

第３図に戻り、図の破線Ａ’、Ｂ’で示す特性は、第１
図及び第２図で説明したセンサ１に、周波数５０Ｈつ、
尖頭値が２■の交流電圧を約５００時間通電したときに
、それぞれ実線で示した特性Ａ。

Ｂから変化した状態を表わしたものである。なお、感湿
［１４の材質は前述のメタクリル・オキシ・トリメチル
・アンモニウム・クロライドとメチル・メタクリレート
の共重合体であり、その共重合体の含有する対イオンは
塩素である。

この場合、初期の特性からの変化量は相対湿度（ＲＨ）
換算で約３チであり、実用上かなり問題になる。

また、この場合、特性が変化しただけではなくて電極（
このときは金電極）の端部に変色が現われていた。

このことから次のことが判る。即ち、センサに印加され
ている交流の半サイクル期間に金電極がイオン化し、そ
れが塩素化合物になり、そのため塩素イオンが働きにく
くなってしまう次の（２）式に示すような反応が、交流
を通電した場合にも発生してしまうのである。

Ａｕ＋４Ｃ４＝ＡｕＣｔ＜　＋３ｔ・・・・・・・・・
・・曲・・・曲・・（２）つまり、センサの特性に隨時
変化を生じるのは、交ｍｔＴｊＬ圧を印加して使用して
も、電極のイオン化が発生し、これにより感湿膜中の可
動イオンがだんだんに拘束されてしまうためであり、特
性変化を生じないようにするためには、電極のイオン化
を防止してやれはよいことになる。

ところで、このイオン化は、印加交流電圧の周波数を高
くし、半サイクル通電期間が短かくなるようにしてやれ
は少くすることができるが、本質的な解決にはｔｘらｆ
ｒい〜 そこで、上記したセンサに印加する交流電圧の電圧値を
０．５Ｖ”づつ変化させ、それぞれについて特性の経時
変化を調べてみると第６図のような結果が得られた。こ
の第６図から明らかなとおり、特性に変化を生じるのは
印加電圧の尖頭値が１．ＯＶを超えたときだけであり、
これ以下の電圧では特性変化を全く生じないことが判る
。

一方、このような１．Ｏｖ近傍でしきい値を有するもの
として、電極反応の標準電極電位があり、これは電極材
質とイオン種によって決まることが知られている。その
−例を示すと Ａ　ｕ　十Ｉ−エＡｕｌ−＋。　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・０．５３ＶＡｕ＋４　Ｂ
　ｒ＝Ａｕ　Ｂ　ｒ　４　＋３　ｅ　・・−−−・０−
８７　ｖＡｕ＋４Ｃ１，＝ＡｌｌＣ２４＋３ｅ　・・・
・・・・・・・・−１，００ＶＡｕ＝Ａｕ３＋＋３ｅ　
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・１．５０　Ｖとなっている。

そこで、これに対応して、対イオンがそれぞれ弗素、塩
素、臭素、沃素、それに水酸基である共重合体を作成し
、これらを感湿膜としたセンサに短時間直流電圧を印加
したときの金電極のイオン化を、その変色の発生によっ
て調べ、その結果の一例を第７図に示す。この第７図に
おいて、○印は金電極の端部に変化を生じなかった場合
を示しＸ印は変色が発生した場合を示す。

この第７図の結果と上記した標準電極電位とを比較して
みると、塩素イオン共存化での変色が０．９Ｖで発生す
る場合を除き、これらは良い一致を示しており、第７図
の結果が理論的にも正しいことが判る。

そこで、この第７図の結果から理解されることは、水酸
基の場合を除き、残りの４種類のハロダン元素の中では
イオン化傾向の大きい元素、即ち弗素、塩素、臭素、沃
素の順にしきい値電圧が高くなっており、弗素の場合が
一番金電極の端部での変色を生じ難くなっていることが
判るほか、いずれの場合でもしきし値電圧が存在し、こ
の電圧以下で使用すれはセンサに特性変化を生じさせな
いようにすることができることが判る。なお、水酸基を
対イオンとした場合には１．２■までイオン化が発生し
ないから、この水酸基を対イオンとする共重合体を用い
たセンサでは、かなり印加電圧を高くしても特性変化を
生じることがなく、安定な動作が得られることも判る。

ところで、既に説明したとおり、第４図及び第５図の実
施例によれば、センサ１に印加される交流電圧Ｖが常に
所定値に制限されている。

従って、この電圧Ｖをセンサ１の感湿膜１４に含まれて
いる対イオンの種類と、電極１２．１３の材質に応じて
、それらのイオン化電圧以下の所定値となるようにして
やれに、センサｌの特性に経時変化を発生させる虞れが
なくなり、常に安定確実に湿度検出動作を行なわせるこ
とができる。

なお、以上の実施例ではいずれも、交流電圧源２として
短形波発振器を使用しているが、これはそれぞれ一実施
例であり、他のどのような交流電圧源を用いても、それ
が安定化された所定の交流出力を与え得るものである限
り本発明の実施例ということができるのはいうまでもな
い。

また、セ：／すｌとしても、第１図及び第２図に示した
例に限られることなく、有機高分子材料を感湿膜として
用いたものならとのような湿度センナでもよく、例えは
電極１２．１３として金の代りに酸化ルテニウム、硼化
ジルコニア、炭化シリコン、窒化硼素などの導電性の化
合物を用いたものによって本発明を実施してもよいこと
はいうまでもない。なお、電極１２．１３として銀を用
いたセンサも知られているが、銀電極の場合の反応式は
次の＜３）　、　（４）式となる。

Ａ　ｇ＝Ａ　ｇ−’＋ｅ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・（３）ＡｇＣｔ　＝ｋｇＣ１＋ｅ　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（４）そして、これらのしきいｆＭ電圧は金の場
合に比していずれも低く、例えば（３）式では約Ｏ，Ｓ
Ｖ、（４）式では約０．２ｖとなってお１ノ、従って、
銀を電極とした場合のメリットはあまりない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれは、有機高分子材料
を感湿膜とした湿度センサ乞用いても、その検出ら性に
劣化を生じる虞れを７よくすことができるから、従来技
術の欠点乞除き、有機関分子式湿度センサの得長を充分
に活かし、長期間にわたって安定に、かつ正確に検出動
作を行なうことができる湿度検出装置を得ることができ
る。

また、本発明によれは、有機胃分子式湿度センサに印加
する交流−１圧の周波数を低くしても、センサの劣化を
充分に防止できる〃・ら、開用交流周波Ｖでそのままセ
ンサを動作させることができ、ローコストで湿度検出装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は有様高分子式湿度センサの一例を示す平面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ’線によるｔｌ／＋面図第３図
は有機高分子式湿度センサの特性の一例を示す特性図、
第４図は本発明による有機高分子式湿度センサの動作回
路の一実施例を示す回糺図、第５図は同じく他の一実施
例を示す回縮図、第６図は動作説明用の特性図、第７図
はイオン化発生の説明図である。 ｌ・・・有機高分子式センサ、２・・・交流電圧源、３
第１　図 相対湿度Ｃ％ン ＄４　図 １１１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　有機高分子材料からなる感湿膜を一対の電極間に
   備え、これら一対の電極間のインピーダンス変化により
   周囲の湿度を検出するよ５にした湿度センサにおいて、
   検出動作中、上記電極間に現われる電圧を所定値以下の
   交流に制限する手段を設け、上記所定値を上記一対の電
   極のイオン化電圧圧設定したことを特徴とする有機高分
   子式湿度センサの動作回路。 ２８　特許請求の範囲第１項において、上記手段を交流
   定電圧源で構成したことを特徴とする有機高分子式湿度
   センサの動作回路。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記手段を交流定
   電圧源と抵抗分圧回路で構成したことを特徴とする有機
   高分子式湿度センサの動作回路。