JPS6348162B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は湿度を電気抵抗の変化として検出し、
空調機器、加湿器、電子レンジ、倉庫、印刷機等
の湿度を制御するために用いられる感湿素子の製
造方法に関するものである。

従来の感湿素子は、電解質からなるものが大半
を占め、その他有機高分子からなるものなどがあ
つた。

電解質からなるものとしては、例えばダンマー
型といわれるLiClからなるものがある。これは、
高湿度領域で吸湿して潮解する欠点があつた。ま
た、長期間の経過によつて昇華するので、一定期
間毎に較正する必要があつた。さらに、電解質と
してのLiCl溶液の濃度が１種類だけでは測定でき
る相対湿度の範囲が極めて狭い。そこで、広範囲
の湿度を正確に測定するには測定範囲毎に溶液濃
度を異ならせて作られた素子を何種類か組合せる
ことがなされていた。ところが組合せるべき素子
の数が多くなれば、それに応じて測定端子も多く
なり、この組合せを制御するスイツチ回路も必要
とし、しかも構造が複雑かつ大型になり組立ても
面倒になる欠点があつた。

前記有機高分子からなるものとしては、例えば
ナイロンがある。これは従来の毛髪に代わるもの
で、湿気により膨潤したときの長さの変化を検出
するものであり、使用温度の上限がせいぜい60℃
で、また、伸縮時のヒステリシスが大きいため精
度が低く、さらに、湿度の変化に対する応答が極
めて遅いなどの欠点があつた。

本発明は以上のような従来の欠点を除去した新
たな感湿素子の製造方法を提供することを目的と
するものである。具体的には平均粒径が1μｍ以
下のZrO₂とMgOの混合微粉末を用い、これを所
定圧で加圧し、かつ所定時間、一定温度で加熱す
ることによつて、多孔質の焼結体となし、この焼
結体に少なくとも１対の電極を設けてなるもので
ある。このように多孔質の焼結体で構成したた
め、電気抵抗は１対の電極間の焼結体の空隙に含
浸吸着している水分、すなわち湿度に正しく対応
せしめることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

まず試料の作成順序を説明する。

(1) 純度99.99％以上で平均粒径が1μｍ以下の
ZrO₂とMgOのそれぞれの微粉末を用意し、所
定モルを秤量する。これら秤量した２種類の粉
体をプラスチツク容器内のエタノール中に入
れ、同時にメノボールを入れる。そしてボール
ミルに設置していわゆる湿式混合する。

(2) 湿式混合後、放置して上澄み液を除き、加熱
乾燥する。

(3) この乾燥した粉体をポリビニルアルコールの
水溶液で練り上げる。

(4) この練つたものを金型に入れて所定圧（例え
ば300Kg／cm²または500Kg／cm²）をかけ常温で３
〜５分間加圧することにより錠剤にする。

(5) この錠剤を電気炉に入れ所定温度（例えば
900℃、1100℃または1300℃）で２時間加熱し、
加熱後自然冷却する。すると、多孔質の焼結体
が成形される。

(6) この焼結体をダイヤモンドブレードを用い
て、所定厚（約300μｍ）にスライスし、かつ
一辺が所定長（約４〜５mm）の角形に切断す
る。すると、第１図ａ，ｂに示すようなZrO₂
とMgOの混合物からなる多孔質焼結体１が形
成される。

(7) この多孔質焼結体１の表裏面に、この焼結体
１の外周がやや残る程度にルテニウム系の厚膜
ペーストを印刷して少なくとも１対の電極２，
３となし、この電極２，３に白金イリジウムか
らなる電極線４，５を、ルテニウム系の厚膜ペ
ーストで接合する。

(8) これを最高800℃のコンベア炉内で焼付ける
ことにより第１図に示すような感湿素子６とな
る。

以上の製造工程において、前記製造工程(4)の圧
力は300Kg／cm²以下であると気孔が大きくなり、
気孔率が増大し機械的強度が低くなるばかりか長
期間使用において安定性が悪くなる。また500
Kg／cm²以上であると気孔が小さくなり、通気性が
悪い上に水分を吸着する面積が少なく吸着水分が
少ないので出力変化が小さく感度が低下するばか
りか、比較的低い湿度で飽和してしまう。

前記製造工程(5)の焼成温度は900℃以下である
と、ZrO₂粒子間の結合が不完全になり、機械的
強度が低くなるばかりか、電気的に不安定とな
り、出力の安定性を悪くする。また1300℃以上で
あるとZrO₂粒子が融着しすぎて粒子が粗大とな
り気孔率は変化しなくとも気孔が大きく、数が少
なくなり、結果として水分を吸着する面積が少な
く、感度が低くなる。

つぎに、このようにして構成されたZrO₂と
MgOとの混合物からなる多孔質の素子６が、感
湿素子としてすぐれた特性を有するかどうかにつ
いて実験した結果を説明する。

まず前記感湿素子６を第２図に示すような支持
装置７に取付ける。すなわち、前記感湿素子６の
電極線４，５を接続するための端子８，９とアー
ス端子１１を絶縁性基体１０に植立する。前記端
子８，９間のインピーダンスによる感湿素子６の
抵抗値への悪影響をなくすため、端子８，９の外
周に一定間隙のガードリング１４を設け、このガ
ードリング１４を前記アース端子１１に接続す
る。

このように構成された被測定感湿素子６は第３
図に示すように、電圧が1V、周波数が100Hz程度
の信号源１５に抵抗１６（例えば10KΩ）と直列
に接続され、この抵抗１６と並列に電圧計１７が
接続される。

つぎに、測定結果を第４図以下の図面に基づい
て説明する。

第４図ａ，ｂ，ｃは、試料の焼結温度のちがい
と配合割合いのちがいによる感湿特性を示したも
のである。さらに詳しくは、つぎの条件のもとに
測定が行なわれた。

(i) 測定雰囲気温度を第４図ａ，ｂ，ｃともに30
℃一定とした。

(ii) 試料の焼結温度を第４図ａで900℃、同ｂで
1100℃、同ｃで1300℃とした。

(iii) MgOのZrO₂に対する添加率（モル％）を、
０、0.05、0.1、0.5、1.0、５、10、15、20、
50、および100（図中折れ線グラフに添え書きし
た数字）とした。なお、折れ線グラフに矢印が
付してあるのは、ヒステリシスの有無を測定し
たときの方向を示すものである。いずれの場合
も、R₄₀→R₆₀→R₈₀→R₆₀→R₄₀の順序で測定し
た。そして測定した折れ線が２重になつている
のはヒステリシスが存在することを意味してい
る。なお、R₄₀とは、相対湿度40％のときの素
子の抵抗値で、R₆₀，R₈₀も同様に相対湿度60
％、80％のときの抵抗値である。

これら第４図ａ，ｂ，ｃの特性図から分ること
は、ヒステリシスが極めて小さくて好しい特性で
あること、目標とする範囲（10MΩ以下）のもの
が得られていること、である。なお、第４図ａ，
ｃの場合は相対湿度が40％のとき、10MΩを越し
ているものがあるが、高湿度の範囲では充分目標
内にある。

第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，
ｊ，ｋ，ｌは、測定雰囲気温度のちがいと配合割
合いのちがいによる感湿特性を示したものであ
る。さらに詳しくはつぎの条件のもとに測定が行
なわれた。

(i) 測定雰囲気温度を30℃および40℃とした。

(ii) 試料の焼結温度を900℃、1100℃および1300
℃とした。

(iii) MgOのZrO₂に対する添加率（モル％）を、
１、５、10、15および20とした。

これら第５図ａ〜ｌまでの特性図から分ること
は、測定雰囲気温度の10℃のちがいでは、ヒステ
リシスを考えても２〜３％の湿度差であり、した
がつて、１℃ではせいぜい0.2〜0.3％のずれしか
なく極めて変化率が小さく極めて良好な特性であ
ることである。

第６図は、R₄₀での抵抗値とMgOの添加率の関
係を示したもので、測定データは第４図ａ，ｂ，
ｃを基にして記入した。また、折れ線グラフの各
点における上限と下限はそれぞれヒステリシス試
験時の始点と終点のデータである。

この第６図から分ることは、MgOの添加率が
0.5〜50モル％のとき目標範囲としての略10MΩ
以下であることである。

第７図はR₈₀の抵抗値の経時変化を示したもの
で、測定条件はつぎの通りとした。

(i) 測定雰囲気温度を30℃一定とした。

(ii) 相対湿度を80％一定とした。

(iii) 試料の焼結温度を900℃、1100℃および1300
℃とした。

(iv) MgOのZrO₂に対する添加率（モル％）を、
１、５、10、15および20とした。

この第７図の特性から分ることは、いずれの場
合も、経時変化が少なく安定した特性を示してい
ることである。

なお、本発明のZrO₂とMgOからなる感湿素子
６は、特にクリーニング処理なしでもすぐれた特
性を有するので、本発明のデータはすべてクリー
ニング処理をしなかつた。ここで、クリーニング
処理とは、感湿素子６の外周の電熱線に通電し、
400〜450℃で10〜15秒間加熱し、多孔質焼結体か
らなる感湿素子６の表面の水分を除去し、一定条
件下におくことをいう。

本発明は上述のように、ZrO₂とMgOとの混合
微粉末を用いて多孔質焼結体となし、これに電極
を設けて感湿素子とした。第４図、第５図、第６
図および第７図に示した特性図からも明らかなよ
うに、つぎのような種々の特徴を有するものであ
る。

(1) ヒステリシスが極めて小さいこと。

(2) インピーダンスの低いもの、すなわち10MΩ
以下のものが容易に得られること。

(3) 雰囲気温度がちがつても湿度差が極って小さ
いこと、すなわち温度による変化率が小さいこ
と。

(4) 経時変化がほとんどないこと。

(5) ZrO₂に対するMgOの添加率（モル％）を0.7
〜10の範囲では、感湿抵抗体として利用可能な
数100kΩから1MΩ以下という低抵抗体を得る
ことができること。

(6) 電極と焼結体の外周面がやや残るように表裏
に形成したので、高湿度下において結露するこ
とがあつても、電極間が水滴で短絡してしま
う、ということがないこと。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明による感湿素子の一実施例を
示す正面図、第１図ｂは同側面図、第２図は本発
明の製造方法による感湿素子を支持装置に装着し
た状態を示す斜視図、第３図は測定回路図、第４
図は試料の焼結温度のちがいと配合割合いのちが
いによる感湿特性図、第５図は雰囲気温度のちが
いと配合割合いのちがいによる感湿特性図、第６
図はR₄₀での抵抗値とMgOの添加率の関係を示す
図、第７図はR₈₀での抵抗値の経時変化を示す図
である。 １……多孔質焼結体、２，３……電極、４，５
……電極線、６……感湿素子、７……支持装置、
８，９……端子、１０……絶縁性基体、１１……
アース端子、１４……ガードリング、１５……信
号源、１６……抵抗、１７……電圧計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 平均粒径を1μｍ以下としたZrO₂に対する
   MgOの添加率（モル％）を0.7〜10とした混合微
   粉末を用い、これを300Kg／cm²〜500Kg／cm²で３分
   〜５分間900℃〜1300℃で焼成して多孔質の焼結
   体となし、この多孔質焼結体の外周囲がやや残る
   ようにしてこの多孔質焼結体の表裏に厚膜印刷に
   よる１対の電極を形成してなる感湿素子の製造方
   法。