JPH01295153A - 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〕 この発明は導電率の変化によって雰囲気中の湿度を検知
する湿度センサに関する。

〔従来の技術〕

湿度センサには、導電率の変化、誘電率の変化、電気容
量の変化などを検出するものがあるが、これらの中でも
導電率の変化を検出する湿度センサが最も多く、その例
として、塩化リチウム湿度センサ、高分子湿度センサ、
膨潤型湿度センサ、プロトン型セラミック湿度センサ、
半導体型湿度センサなどが知られている。

これら公知の湿度センサの中でも、塩化リチウム湿度セ
ンサ、高分子湿度センサおよび膨潤型湿度センサは、い
ずれも無機電解質材料や有機高分子材料を用いたもので
あって、プロトン型セラミック湿度センサや半導体型湿
度センサの如き高価なセラミック材料を用いたものに較
べて、一般に経済的有利に生産できるため、至適上限温
度が４０〜６０℃程度までの湿度計測や湿度制御用の湿
度センサとして賞用されている。

このうち、塩化リチウム湿度センサは、電解質センサと
して知られ、たとえばポリビニルアセテートなどの有機
結合剤と塩化リチウムとを均一被膜化して感湿素子とし
、塩化リチウムの吸湿によるイオン導電率の変化を利用
して湿度を検知するものである。また高分子湿度センサ
は、導電性高分子フィルムを感湿素子とし、この高分子
フィルムへの水蒸気吸着によるイオン導電率の変化を利
用して湿度を検知するものである。したがって、これら
両センサの原理は、はぼ同じであり、湿度が高くなると
導電率が高くなるという変化を示すものである。

一方、膨潤型湿度センサは、吸湿性高分子物質中に炭素
粒子や金属粒子などの導電性粒子を含ませて均一被膜化
したものを感湿素子とし、上記高分子物質が水蒸気の吸
収または放出によりその長さまたは体積が変化し、これ
に伴い導電率が変化する現象を利用して、つまり湿度が
高くなると吸湿膨潤して導電性粒子間の距離が拡がり導
電率が低くなり、逆に湿度が低くなると脱湿収縮して導
電性粒子間の距離が短くなり導電率が高くなる現象を利
用して、湿度の検知を行うものである。したがって、こ
のセンサは、前記の塩化リチウム湿度センサや高分子湿
度センサとは全く逆の導電率変化を示すものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、無機電解質材料や有機高分子材料を用いた上
記公知の湿度センサは、それぞれ以下の如き難点があっ
た。すなわち、イオン導電率の変化を利用する塩化リチ
ウム湿度センサおよび高分子湿度センサは、導電率の指
標となる電気抵抗の測定に直流電源を使用すると、充電
現象が生じて電気抵抗値が徐々に高くなるため、湿度の
変化に対応した導電率の変化を安定して適確に測定し難
く、このためセンサ駆動電源として６０１（ｚ〜ＩＫＨ
ｚ程度の交流電源を用いなければならなかった。

また、膨潤型湿度センサは、前記のとおり吸脱流による
膨潤収縮に基づく導電率の変化をみるものであるため、
上記した塩化リチウム湿度センサや高分子湿度センサの
如き問題は特にないが、導電性粒子間の距離の大小によ
って導電率の測定を適確に行うためには、上記粒子がそ
の被膜化段階で吸湿性の高分子物質中に非常に均一に分
散結着されている必要があり、この分散結着が充分でな
かったりまたロフト間でばらつきがあると、測定精度の
低下を招いたり測定誤差が大きくなるなどの問題がある
。

この発明は、以上の観点から、湿度の変化に対応した導
電率の変化を上記従来公知のものに比しより高精度にか
つ安定して測定でき、その際の駆動電源として直流電源
の使用も可能である汎用性にすぐれた湿度センサを提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討
を加えた結果、特定の導電性重合体フィルムが吸脱流に
より膨潤収縮する性質を有するとともに、この膨潤収縮
によって前記従来公知の膨潤型湿度センサの場合と同様
の導電率の変化、つまり湿度が高くなると導電率が低く
なり、逆に湿度が低くなると導電率が高くなるという変
化が起こり、しかもこの変化は上記従来の膨潤型湿度セ
ンサとは異なって実際の湿度に対応して再現性良（起こ
るため、その測定を高精度にかつ安定して行うことがで
き、さらに前記従来公知の塩化リチウム湿度センサや高
分子湿度センサのようにイオン導電率の変化を利用した
ものでないことから、上記測定の駆動川原源として直流
電源の使用も可能であることを知り、この発明を完成す
るに至った。

すなわち、この発明は、吸脱流により膨潤収縮して導電
率が変化する導電性ポリピロールフィルムを上記変化に
よって湿度を検知する感湿素子としたことを特徴とする
湿度センサに係るものであり、このセンサによれば駆動
川原源として直流電源を用いたときでも湿度に対応した
導電率の変化を高精度にかつ安定して測定でき、汎用性
のある湿度センサとして湿度計測、湿度制御などを目的
とした各種用途に大きく寄与させることができる。

〔発明の構成・作用〕

この発明において使用する導電性ポリピロールフィルム
は、ピロールの酸化重合によって得られる正電荷を有す
るポリピロールをベースとして、これに上記の正電荷と
作用し合う適宜のアニオンがドーパントとして捕捉され
てなるものであり、上記正電荷とその対アニオンの静電
的作用によって導電性重合体フィルムの一種として知ら
れる良好な導電性を付与するものである。

なお、上記のドーパントとしては、塩素イオン、硫酸イ
オン、アルキルスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸
イオン、過塩素酸イオン、ホウフツ化水素酸イオン、ヘ
ギサフルオロリン酸イオン、ポリアリルスルホン酸イオ
ン、ポリビニル硫酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イ
オンなどが挙げられ、これらのうちポリビニル硫酸イオ
ンのように硫酸イオン（ＳＯ１＋−）を有する高分子系
のドーパントが力学的強度の良好なフィルムを得るうえ
で特に好ましい。

この発明者らは、このようなドーパントが捕捉されたポ
リピロールフィルムが既述のとおり吸脱湿により膨潤収
縮する、つまり吸湿により膨潤しかつ脱湿により収縮す
る作用を有することを見い出すとともに、この膨潤収縮
によって前記従来公知の膨潤型湿度センサと同様の導電
率の変化が起こることを見い出したものであるが、この
理由については必ずしも明らかとはいえない。推測では
、以下の如く考えられる。

すなわち、吸湿膨潤によりポリピロール分子の正電荷と
ドーパントとしての対アニオンとの静電的作用が分子間
レベルで弱められ、フィルム全体としての導電率が低く
なり、逆に脱湿収縮すると上記静電的作用が強くなって
導電率が高くなるものと思われる。そして、上記静電的
作用をもたらす正電荷とその対アニオンはフィルムを構
成する高分子物質中に均一に存在するため、前記従来の
膨潤型湿度センサの如き導電性粒子の均一分散性の問題
が全くなく、上記導電率の変化を常に安定して高精度に
測定しうるものと推定される。

このような導電性ポリピロールフィルムは、ピロールの
酸化重合を基盤とした種々の方法でつくることができる
が、最も一般的には、電極上での電解酸化重合法、つま
りピロールを単量体としこれに前記ドーパントを構成す
る適宜の電解質を加えこれを水、アセトニトリルなどの
溶媒に溶解させてなる電解液を用いて、これを作用極と
対極とからなる電極間で電解酸化重合させることにより
、電極上に正電荷を有するポリピロールとこれに捕捉さ
れたドーパントからなる導電性ポリピロールフィルムを
形成する方法が好ましく採用される。

電解酸化重合における電流密度は、１０μＡ／ｃｔ〜１
０　ｍ　Ａ　／　ｃｒＡの範囲が好ましいが、この範囲
に特に限定されない。また、電極としては、電解におい
て劣化変質し難く、かつその上に形成される導電性ポリ
ピロールフィルムとの密着性が高（なるものであればよ
く、通常金、白金の板や、ガラス、合成樹脂フィルムな
どの上に金、白金、酸化イジウムー酸化スズなどを蒸着
させてなるものが好ましく用いられる。

このようにして形成される導電性ポリピロールフィルム
の厚みは、電解酸化重合における通電量に比例するので
、この通電量を制御して適宜の範囲に設定する。一般に
は５〜１５０μｍ、好適には１０〜８０μｍの範囲とす
るのがよ（、このような厚みとすることにより電解酸化
重合後の電極上からの剥離が容易となり、またこれを湿
度センサに応用する際の吸脱湿による膨潤収縮に基づく
導電率の変化を安定して生起させることができる。

この導電性ポリピロールフィルムは、相対湿度４０％で
通常１Ｏ−２Ｓ／ｃｍ以上、好適には１０２Ｓ／ｃｍに
も達する高い導電度を有している。

この発明においては、上記の導電性ポリピロールフィル
ムを吸脱湿により膨潤収縮して導電率が変化しこの変化
によって雰囲気中の湿度を検知する感湿素子としたもの
であり、この素子としての使用態様は従来公知の膨潤型
湿度センサの場合と特に異なるところはなく、各種態様
をとることができる。たとえば、一対の電極間に上記フ
ィルムを吸脱湿による膨潤収縮自在に取り付けて電気回
路を構成させ、テスターにより電気抵抗値を測定して、
通常１０〜６０℃の温度範囲における雰囲気中の湿度を
検知する湿度計測用のセンサとして利用しろる。

このセンサにおける相対湿度と電気抵抗値の変化との関
係は、導電性ポリピロールフィルムを構成するドーパン
トの種類などによって微妙に異なるものの、後記実施例
１〜３の湿度センサの特性曲線として示す第１〜４図か
らも明らかなように、上記材料種が異なっても湿度の上
昇に伴い電気抵抗値が増大する、つまり導電率が低くな
る傾向はすべて同じであり、また低湿度雰囲気では湿度
の上昇とともに電気抵抗値が直線的に増加する傾向が−
船釣に認められる。

たとえば、ドーパントがポリビニル硫酸イオンである導
電性ポリピロールフィルムを用いた後記実施例１の湿度
センサにおいては、その特性曲線として示す第１．２図
からも明らかなように、相対湿度約７０％程度までは湿
度の上昇に伴って電気抵抗値が直線的に増加しており、
雰囲気中の湿度を検知するセンサとしてすぐれた性能を
発揮する。なお、この特性曲線（第１図）において、相
対湿度が約７０％を超えるようになると、電気抵抗値が
指数関係的に増大していることから、この発明の導電性
ポリピロールフィルムは結露センサとしても応用しうる
ちのであることが判る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、湿度の変化に対応し
た導電率の変化を高精度にかつ安定して測定でき、その
際の駆動電源として直流電源の使用も可能である汎用性
にすぐれた湿度計測用や湿度制御用などとして有用な湿
度センサを提供することができる。

〔実施例〕

以下に、この発明の実施例を記載してより具体的に説明
する。

実施例１ 酸化インジウム−酸化スズからなる面積７　ｃ＋ａの透
明電極を作用極とし、白金からなる電極を対極とすると
ともに、ピロールを０．１モル／ｌおよび重合度１，５
００のポリビニル硫酸カリウムを０．１モル／β溶解さ
せた水１０ｍ７！を電解液として、電流密度１．４３−
ｍＡ／ｃＪの定電流によるビロールの電解酸化重合を３
０分間行った。ついで、電極上に形成されたフィルムを
水およびアセトンで充分に洗浄したのち、電極から剥離
して、厚みが１５μｍの導電性ポリピロールフィルムを
得た。このフィルムの電導度を四端子法により相対湿度
４０％で測定したところ、１０　Ｓ　／　ｃｍであった
。

この導電性ポリピロールフィルムを幅１０ｎ。

長さ１５ｍに切り出し、その両端にカーボン入りホット
メルト接着剤にて厚さ１０μｍの銅箔を電極として取り
付け、これを上記フィルムが吸脱湿により自在に膨潤収
縮しうるように銅箔にて上記フィルムを宙に浮かした状
態で無菌ボックスにセットし、直流抵抗変化を測定する
テスター（Ｓａｎｗａ製のＬＤ−５１０型）を組み込ん
だ電気回路を構成させて、湿度計測用の湿度センサとし
た。

このセンサを用いて雰囲気中の湿度を変えながら、直流
抵抗を測定した結果は、第１図および第２図に示される
とおりであった。なお、第２図は第１図の■部分を拡大
して示したものである。この両図から明らかなように、
相対湿度が約７０％程度までは相対湿度の上昇とともに
直流抵抗がほぼ直線的に増加しており、この直流抵抗値
より相対湿度を良好に検知しろるものであることが判る
。

また、相対湿度が約７０％を超えると、直流抵抗が指数
関数的に増大していることから、結露センサとしても利
用しうるものであることも判る。

実施例２ 電解液として、ビロールを０．１モル／！ｌおよびＬ　
ｉ　Ｂ　Ｆ　４を１．０モル／１溶解させたアセトニト
リル１０ｍｊ！を用いた以外は、実施例１と同様にして
、厚みが７５μｍの導電性ポリピロールフィルムを得た
。このフィルムの電導度を四端子法により相対湿度４０
％で測定したところ、３２Ｓ／Ｇであった。

つぎに、この導電性ポリピロールフィルムを幅１ｍ、長
さ１５ｍｍに切り出し、以下実施例１と同様にして湿度
計測用の湿度センサとした。このセンサを用いて雰囲気
中の湿度を変えながら、直流抵抗を測定した結果は、第
３図に示されるとおりであった。この図から、相対湿度
の上昇とともに直流抵抗が増加し、この抵抗値の測定に
よって相対湿度を検知しろるものであることが明らかで
ある。

実施例３ 電解液として、ピロールを０．１モル／ｌおよびＫＣｌ
を０．５モル／ｌｌ溶解させた水１０ｍ７！を用いた以
外は、実施例１と同様にして、厚みが８０μｍの導電性
ポリピロールフィルムを得た。このフィルムの電導度を
四端子法により相対湿度４０％で測定したところ、１８
３／ｃｍであった。

つぎに、この導電性ポリピロールフィルムを幅１ｍ、長
さ１５龍に切り出し、以下実施例１と同様にして湿度計
測用の湿度センサとした。このセンサを用いて雰囲気中
の湿度を変えながら、直流抵抗を測定した結果は、第４
図に示されるとおりであった。この図から、相対温度の
上昇とともに直流抵抗が増加し、この抵抗値の測定によ
って相対湿度を検知しうるものであることが明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の湿度センサによる相対湿度と直流抵
抗値との関係を示す特性図、第２図は第１図の■部分を
拡大して示す特性図、第３図は実施例２の湿度センサに
よる上記同様の特性図、第４図は実施例３の湿度センサ
による上記同様の特性図である。 特許出願人　　日東電気工業株式会社 区　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１転 シシ。 法

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸脱湿により膨潤収縮して導電率が変化する導電
   性ポリピロールフイルムを上記変化によつて湿度を検知
   する感湿素子としたことを特徴とする湿度センサ。