JPH0241702B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は湿度および結露状態を検知すること
ができ、湿度変化および結露状態を電圧の変化と
して取出せる湿度検知装置に関するものである。

従来より種々の用途に湿度状態あるいは結露状
態を検出するためのセンサが種々提案されかつ実
現されている。従来の或る種のものでは、１対の
電極間に感湿物質を介在させ、結露時の抵抗値の
急減によつて、結露状態を検出する。また、他の
ものでは、たとえばエポキシのような有機高分子
にたとえばカーボン粉末のような導電粒子を混合
し、結露時の有機高分子の膨潤のために導電粒子
相互間の接触が弱まることによる抵抗値の急増に
よつて結路状態を検出する。これら従来のもの
は、いずれも、感湿素子ユニツトの抵抗値の変化
に基づいて湿度状態または結露状態を検出するも
のである。したがつて、感湿素子ユニツトに常に
或る程度の電流を流し続ける必要がある。したが
つて、感湿素子ユニツトに塵埃等が付着すると、
それによる影響のためにあやまつた検出をするな
どの問題があつた。

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な
原理にもとづいて、湿度状態または結露状態を安
定して検出しうる湿度検知装置を提供することで
ある。

この発明は、要約すれば、たとえばチタン酸バ
リウム系半導体のような熱起電力を生じる半導体
基板と、熱起電力を取出すため前記半導体基板に
形成された一対の電極と、前記半導体基板の一端
側に形成された吸湿性物質と、前記半導体基板に
一体的にまたは近接して設けられたヒータと、ヒ
ータに断続的に電圧を印加する回路を少なくとも
含む制御回路とからなる湿度検知装置である。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は図面を参照して行う以下の詳細な説明から一
層明らかとなろう。

第１図はこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。構成において、たとえばフエライトやチタン
酸バリウム系やチタン酸ストロンチウム系のよう
な半導体基板１の両端に一対の電極２および３が
形成されている。そして、半導体基板１の電極３
側には、吸湿性物質４が形成されている。この吸
湿性物質４としては、水分吸着による吸着熱発生
が大きく、加熱により容易に脱水する特性を有す
るものが用いられ、これにはたとえば、ボリビニ
ルアルコールで代表される親水性有機高分子膜、
カーボン、リチウム塩などの吸湿性無機化合物、
あるいは親水性有機高分子膜と吸湿性無機化合物
の混合物などが掲げられる。また、半導体基板１
の周囲にはニクロムなどの金属抵抗線５が配置さ
れ、電源（図示せず）から印加される電圧によつ
て発熱し、半導体基板１を加熱する役割を果す。
さらに、一対の電極２および３のそれぞれにリー
ド線６および７が接続され、ある湿度状態または
結露状態において、半導体基板１から生じる熱起
電力による出力が取出される。

湿度および結露状態の変化にもとづいて、半導
体基板１から熱起電力を取出す態様としては次の
ようなものがある。

その一つは、ヒータ５に電圧を印加したときに
半導体基板１から出力を取出すというものであ
る。まず、ヒータ５に電圧を印加すると、半導体
基板１は加熱され、吸湿性物質４が形成されてい
る個所とそうでない個所とに温度差が生じ、熱起
電力にもとづく出力が得られ、この出力は湿度状
態に応じたものとなる。出力は湿度が増大するに
つれて小さくなる傾向にある。これは吸湿性物質
４に含まれる水分が湿度増加に伴つて増え、ヒー
タ５で加熱したとしても蒸発させにくくなるとと
もに蒸発速度も遅くなり、また半導体基板１から
の熱放散も湿度増加について少なくなり、高湿度
状態または結露状態では出力は小さくなるものと
して検知できる。したがつて、湿度の変化に応じ
て取出される出力が変化することから、出力の変
化にもとづいて湿度状態を検知することができ
る。このとき、ヒータ５には電圧が断続的に印加
される。これはヒータ５に電圧が印加されると半
導体基板１に発生する温度差にもとづいて電子の
拡散が生じ、これが熱起電力を発生させ出力とし
て取出されるが、電圧印加がそのまま続けられる
と、温度差がなくなり、電子の拡散も行われず平
衡状態となり出力が得られなくなる。したがつ
て、一旦電圧印加を終了し、再び電圧を印加する
ことによつて、すでに上述した動作を繰り返えす
ことができ、湿度状態に相応した出力が取出せ
る。なお、半導体基板１からの出力はヒータ５に
電圧を印加したのちピークの出力を取出すように
する。

半導体基板１から熱起電力を取出すその他の態
様は、ヒータ５に電圧を印加し、半導体基板１を
加熱したのち、湿度状態に応じて発生する熱起電
力にもとづく出力を取出すものである。つまり、
ヒータ５に電圧を印加し、半導体基板１を加熱す
ると、吸湿性物質４中の水分を含めて水分が除去
される。その後周囲の雰囲気中に含まれる水分は
吸湿性物質４に吸着され、このとき吸湿性物質４
が形成されている個所とそうでない個所とに温度
差が生じ、熱起電力にもとづく出力が得られ、こ
の出力は湿度状態に応じたものとなる。このまま
の状態で放置しておけば、半導体基板１自体に温
度差がなくなり、電子の拡散も行われず平衡状態
となり出力が得られなくなる。したがつて、この
例においてもヒータ５に電圧を断続的に印加し、
半導体基板１および吸湿性物質４に含まれる水分
を除去したのち、改めて湿度状態に応じて吸湿性
物質４に水分を吸着させ、そのときの温度差にも
とづく熱起電力によつて出力を取り出すようにす
ればよい。また半導体基板１からの出力は前者と
同様にピークの出力を取出すようにすればよい。
さらにこの例では半導体基板１の全体をヒータ５
で等しく加熱するようにすれば、出力変化をさら
に大きくすることができ、湿度変化にもとづく出
力変化も直線的になることが確認されている。

ヒータ５には半導体基板１を断続的に加熱する
ために、断続的に電圧を印加する回路に接続され
るが、この電圧印加回路には公知のものが用いら
れる。またヒータ５に電圧を印加する回路のほ
か、ヒータ５に電圧を印加したときまたはヒータ
５に電圧を印加したのちに湿度状態にもとづいて
半導体基板１から発生する出力を検出するように
同期させる同期回路と、半導体基板１からの出力
信号を増幅し検出する増幅検出回路とを含む制御
回路を湿度検知装置に組み込むことができる。第
２図はこのような制御回路の一例をブロツク図で
示したものである。

次に具体的実施例について説明する。

半導体基板として薄片状のチタン酸バリウム系
半導体磁器を用いた。その大きさが長さ20mm、幅
10mm、厚み0.2mmのものを用い、半導体基板の両
端にオーム性電極を付与し、リード線を接続し
た。また半導体基板の一端に塩化リチウムを30％
含むポリビニルアルコール膜を形成した。この半
導体基板にヒータを近設して設け、ヒータに電圧
を印加したとき、半導体基板の表面温度が50℃と
なるように設定した。ヒータへの電圧印加時間を
10秒間、次の電圧印加までの時間を１分間とする
加熱サイクルを設定し、相対湿度０〜100％に対
応する各出力電圧を測定した。

熱起電力による出力電圧をヒータへの電圧印加
時とヒータへの電圧印加後に分けて測定したとこ
ろ、第３図、第４図にそれぞれ示すような結果が
得られた。

第３図、第４図から明らかなように、相対湿度
の変化に応じて出力電圧に変化が見られ、湿度変
化を電気的に検知することができる。また第３図
と第４図とでは相対湿度100％における出力電圧
の変化状態が異つており、使用目的に応じた利用
を行えばよい。

第５図〜第７図はこの発明にかかる湿度検知装
置の他の構造である。

第５図ものは、オーム性電極２および３を形成
した半導体基板１に、この半導体基板１より小さ
いかまたは等しい熱伝導率を有する絶縁層８、た
とえばポリ四ふつ化エチレン樹脂を形成したもの
で、半導体基板１に耐候性を持たせたものであ
る。またヒータ５には金属抵抗線の代わりにバル
ク型抵抗体が用いられ、半導体基板１に近接して
設けられている。

第６図のものは、半導体基板１に絶縁層９を介
してヒータ５の一部を密着させて一体的にしたも
のである。

第７図のものは、半導体基板１に絶縁層９を介
してヒータ５の全面に密着させて一体的にしたも
のである。この第７図に示した構造の湿度検知装
置について、上述した実施例と同様な構成とし、
ヒータ５への電圧印加後に相対湿度０〜100％に
おける出力電圧の変化を測定したところ、第４図
の破線で示すような結果が得られ、均等加熱によ
つて直線的な出力電圧の変化を示している。

このように均等加熱時の出力は相対湿度の変化
に相応してほぼ直線的に変化するが、測定温度が
変化すれば、第４図の破線で示した特性も変化す
る。これは出力が絶対湿度に依存しているためで
ある。

第８図〜第１０図はこのような出力の絶対湿度
に対する依存性を補正し、相対湿度の変化に相応
した出力に変還できる回路を示したものである。

図において、１１はこの発明にかかる湿度検知
装置、１２は電界効果型トランジスタであり、ド
イレン側には抵抗１３とサーミスタ１４の直列回
路またはこの直列回路と抵抗１５との並列回路が
接続されている。

なお、上述した説明では半導体基板を加熱する
ヒータを別途設けていたが、たとえば半導体基板
にチタン酸バリウム系半導体磁器を用いれば、こ
の半導体基板に発熱させるに十分な電圧を印加す
るように構成することによつて、検知部分とヒー
タとを兼用させることができる。

以上のように、この発明によれば、従来のよう
に抵抗変化にもとづいて湿度変化を検出するもの
ではなく、半導体基板から発生する熱起電力にも
とづいて検出するものであり、その出力が直流で
あるため信号処理が行いやすい。またその出力信
号も数mV程度と熱電対などにくらべて大きく、
確実な検出ができる。さらにヒータへの電圧印加
を断続的に行う構成によつてはじめて、湿度状態
や結露状態の検出が半導体基板からの熱起電力と
して取出すことができ、変化に即応した湿度知が
行えるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す図解図、第
２図は制御回路の一例を示すブロツク図、第３
図、第４図は具体的実施例にもとづく出力電圧−
相対湿度の関係特性図、第５図〜第７図はこの発
明の他の実施例を示す図解図、第８図〜第１０図
は半導体基板の出力の補正回路である。 １……半導体基板、２，３……電極、４……吸
湿性物質、５……ヒータ、６，７……リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱起電力を生じる半導体基板と、熱起電力を
   取出すため前記半導体基板に形成された一対の電
   極と、前記半導体基板の一端側に形成された吸湿
   性物質と、前記半導体基板に一体的にまたは近接
   して設けられたヒータと、ヒータに断続的に電圧
   を印加する回路を少なくとも含む制御回路とから
   なる湿度検知装置。 ２ 熱起電力を取出す一対の電極が形成されてい
   る半導体基板にはこの半導体基板より小さいかま
   たは等しい熱伝導率を有する絶縁層が形成されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の湿度検知装置。 ３ 制御回路は、ヒータに電圧を印加する回路
   と、電圧印加時または電圧印加後に出力を検出す
   るように同期させる同期回路と、半導体基板から
   の出力信号を増幅し検出する検出回路とを含む特
   許請求の範囲第１項記載の湿度検知装置。 ４ 半導体基板をヒータで加熱したときに生じる
   熱起電力にもとづいて湿度を検知する特許請求の
   範囲第１項記載の湿度検知装置。 ５ 半導体基板をヒータで加熱したのちに生じる
   熱起電力にもとづいて湿度を検知する特許請求の
   範囲第１項記載の湿度検知装置。 ６ 半導体基板には半導体基板からの絶対湿度に
   もとづく出力を相対湿度に変換する補正回路が接
   続されている特許請求の範囲第５項記載の湿度検
   知装置。