JPH01114745A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、大気中または測定ガス中の水蒸気濃度を測定
覆る限界電流方式による湿度センサに関する。

（従来の技術） 第４図は従来の湿度センサの概略構成図を示す。

図にＪ３いて湿度センサ１００は、正電極１．Ｑ電極２
の間にイオン電流が流れるジルコニア等の酸素イオン導
電体からなる固体電解質部（検出部）１ｏと、ヒータ５
が埋め込まれた他の固体電解質部（ヒータ部）１１と、
測定ガスの拡散制限用小孔４と、この小孔４に連結され
た空間部３と、電極１，２と端子９Ａ、９０との間をそ
れぞれ接続するリード部６，７と、スルーホール８Ｂ、
８Ｃ。

８Ｄおよびヒータ用端子９Ｂ、９Ｃとから構成される。

検出部１０の負電極２は、空間部３の壁面に設けられ、
空間部に存在覆る測定ガス中の酸素ガスをＢ索イオンと
し、さらに水蒸気を電気分解して酸素イオンとし、検出
部１０の固体電解質部に送り込む機能を有する。また、
正電惨１は、負電極２でイオン化さ机、検出部１０の固
体電解質部を運ばれてきた酸素イオンを酸素分子にして
、外部に放散させる橢能を有する。このために、検出部
１０の外面に設けられている。

（考案が解決しようとする問題点） ところが、このように構成された湿度センサ１００は、
測定すべきガス中の水蒸気濃度から推定される酸素イオ
ン電流の大きさよりも、遥かに大さい電流値が観測され
るという問題があった。

この電流値は第３図における点線すにて示され、測定ガ
スに直接接触している正電極１の表面で、何らかの電気
化学的な反応が光生し、これが前記推定電流以上の電流
を生じる要因となっていると推定される。このために、
１碓な水蒸気量が測定できないことは、解決すべき重要
な課題であった。

本発明は、上述の点に鑑み、従来技術の問題点を有効に
解決し、測定誤差の要因が除去され、その測定精度が大
幅に向上する湿度センサを提供することを目的とづる。

（問題点を解決するための手段） このような目的を達成するために、本発明は、検出部の
多孔質に形成された正電極を、直接大気または測定ガス
に触れることなく固体電解質部内に埋込む埋込み形に構
成することを特徴とする。

（作用） 発明者等の長年の研究と実験の繰返しの結果、元来、正
電極は多孔質に形成されているために、埋込み形に構成
するとも、発生した酸素ガスを十分に放散できることが
確認され、これにより測定誤差の要因が低減し、測定精
度の大幅な向上が達成される。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面に基づき、詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の概略構成図を示し、（Ａ）
はその正面図、（８）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図において第４図と同一の機能を有する部分には、同一
の符号が付されている。湿度センサ２００は、酸素イオ
ン導電体、例えばジルコニア等の固体電解質からなるグ
リーンシートに必要な画電極１，２、ヒータ５およびリ
ード部６゜７等がスクリーン印刷法により印刷された後
、これらのグリーンシートを８１層し、ホットプレスで
加圧・接合して一体化し焼成してなる。検出部１０は、
空間部３の一壁面側に形成されている。

すなわち、負電極２は空間部３の一壁面に接して設けら
れ、正電極１は負電極２に対向して、適当な厚さ、例え
ば約１００μｍ程度のジルコニア層１０Ａを介して設け
られている。また、空間部３は、酸素拡散量を制限する
小孔４を介して、外気に連結している。なお、ヒータ部
１１はこの検出部１０に密接して形成され、最も外側に
白金ロジウムの厚膜抵抗からなるヒータ５と、その内側
に適当な厚さ、例えば約１００μｍ程度のジルコニア層
１１Ａからなる。さらに、画電極１．２は、それぞれリ
ード部６，７およびスルーホール８Ａ。

８Ｂにより、端子９Ａ、９Ｂに接続されている。

このようにして、正電極１は、ジルコニア層１０Ａ、１
０層間に埋め込まれ、直接に空気または測定ガスに触れ
るなくとも、元来、多孔質に形成されているために、こ
こで発生する酸素ガスが十分に放散されて、従来技術に
おける正電極１が直接に測定ガスに触れるための測定誤
差要因が低減される。

次に、第２図は湿度センサの電極間電流と電極間電圧と
の特性線図を示づ。図において実線ａは本発明による湿
度センサ２００の電流・電圧特性線図、点線すは従来技
術による湿度センサ１００の電流・電圧特性線図である
。拡散制限用小孔４により、拡散によって供給される酸
素量または水蒸気量は、湿度センサ２００が置かれた雰
囲気中の酸素分圧または水蒸気分圧で決定する一定値以
上には増加できない。従って、Ａ部およびＢ部に電流値
が一定なプラトー領域が発生し、この電流値により測定
ガス中の酸素量および水蒸気量を測定できる。すなわち
、Ａ部は測定ガス中の酸素のイオン電流によるプラトー
領域で、ｆＬはそのときの電流値、Ｂ部はＡ部に水蒸気
の電気分解により発生したイオン電流が加算されたプラ
トー領域であり、ＩＨはその電流値である。

次に、大気中の湿度測定を例にとり、本発明の湿度セン
サ２００を、従来技術および］！［！論討痺値と比較し
て説明する。

ａ）実測値について、 実測値は、電流値ＩＬ、ＩＩ（から大気中の水蒸気によ
る電流値増加分Ｃ％を、次式（１）で定義する。

Ｉ　ト１−　　Ｉ　　Ｌ Ｃ（％）　＝　−Ｘ　１００・・・（１）Ｌ 電流値ＩＨ，ｌは湿度センサの出力電流として測定でき
るから、０％は実測値として求められる。

ｂ）理論計算値について、 理論計算値は、その前提として大気圧を１気圧で一定と
する。

第３図は本発明の湿度センサにおける乾燥空気測定時と
大気測定時との電流・電圧特性線図を示１゜図において
第２図と同一のは能を有する部分には、同一の符号が付
されている。実４！１ｌａ１は乾燥空気測定時の電流・
電圧特性で、点線ｂ１は大気測定部の電流・電圧特性で
ある。乾燥空気中の酸素量を２０．６％とし、一方大気
中の水蒸気量をα％とすると、電流値ＩＬは酸素量に比
例し、電流値ＩＨは酸素量と水蒸気から発生する酸素（
イオン）吊とを加えたものに比例する。従って、乾燥空
気と大気とでの測定で、電流値ＩＬ、ＩＨは、それぞれ
第１表のとおりとなる。

第１表 ここに、α％は測定時の飽和水蒸気量と相対湿度とから
計算される値である。

大気の測定において、酸素量は、乾燥空気に比べて水蒸
気量分だけ減少しているから、電流値ＩＬは２０．６　
（１００−α）　／１００％に比例する。

また、大気の測定において、電流値ＩＨが酸素量子水蒸
気ｆｆｉ／２に比例する理由を、下記に説明づる。

魚雷・庵２側は８部の電圧領域で次式（２）。

（３）で示す電気化学的反応が光生し、酸素イオンが発
生している。

トｌ　　　　Ｏ＋２ｅ　　　−−Ｈ＋０２−−−・−−
−（３）づなわち、大気中の酸素からは酸素イオン２ｆ
ｌ！］ができるのに対して、水蒸気の電気分解からは、
酸素イオンが１個しかできない。大気圧は一定であるか
ら、乾燥空気に比較して大気では酸素量が水蒸気量分だ
け減少する。水蒸気に関与づる酸素イオンは、その分減
少した酸素ガスからできる酸素イオンの半分しかできな
いから、第１表に示すようになる。

以上の結果に基づき、第（２）式と同様な大気中の水蒸
気による電流値増加分Ｄ％を理論計算式で求めると、次
式（４）になる。

Ｈ−１ Ｄ（％）　＝　−ｘ　１００ Ｌ （１００−α）　　α　　　（１００−α）２０．６−
　＋　−−２０，６− （１００−α） ２０゜６□ ｘ　　１００　　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・　　（４）この第（４）式を整理して、 ５０α Ｄ（％）　＝　−ｘ　１００　　・・・（５）２０．６
（１００−α） Ｃ）実測値と理論計算値との比較について、従来タイプ
と本発明タイプとの湿度センサ１００．２００１Ｃする
電流値ＩＨ，ＩＬを測定し電流則加分Ｃ％を求め、一方
測定時の大気中の水蒸気量α％から電流増加分Ｄ％を計
算し、比較した実施例を第２表に示す。

第２表 第２表にて示すように本発明タイプ（湿度センサ２００
）は、実測値と哩論値との比を従来タイプ（湿度セン＋
Ｊ　１００　）と比較して、大幅に１に近つけることが
できた。づなわち、湿度センサ２００は、動作状態で、
正電４へ２側が負電極１側から運ばれてぎた酸素によっ
て、１００％に近い酸素雰囲気になったために、外気の
影響を受けにくいと考えられる。

（発明の効果） このような目的を達成づるために、本発明は、元来、検
出部の多孔質に形成された正電極を固体電解質層内に埋
込む埋込み形に構成したことにより、従来技術の問題点
が有効に解決され、測定誤差の要因が除去され、測定精
度が飛躍的に面上されるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本光明の一実施例の概略構成図を示し、同図（
Ａ）はその正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ＞のＡ−Ａ断
面図、第２図は湿度センサの電極間′電流と電極間電圧
との特性線図、第３図は本発明の湿度センサにおける乾
燥空気測定時と大気測定時との電流電圧特性図、第４図
は従来の湿度はンサの概略構成図を示し、同図（Ａ＞は
その正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ−８断面図で
ある。 １：正電極、２：負電極、３：空間部、５：ヒータ、１
０：検出部、１１：ヒータ部、２００：湿度センサ。 特許出願人　　　　富士電機株式会社 ０Ａ （Ｂ） 第　　１　図 第　　２　図 第　　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）酸素イオン導電体からなり検出部とヒータ部とを有
   する固体電解質部に発生する大気中または測定ガス中の
   水分の電気分解による酸素イオン量を電流値として検出
   する限界電流方式による湿度センサにおいて、前記検出
   部の多孔質に形成された正電極を直接前記大気または測
   定ガスに触れることなく前記固体電解質部内に埋込む埋
   込み形に構成したことを特徴とする湿度センサ。