JPH0310070B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、乾燥、結露および着霜の３状態を
インピーダンスの変化として検知する乾燥・結
露・着霜識別センサに関する。 各種電気機器において湿度制御は重要な問題で
あり、優れた湿度センサの開発が要望されてい
る。また、特定の装置においては、結露による特
性劣化の他に、着霜による特性の劣化が問題とな
る。たとえば冷凍機関係では着霜が起こると効率
が低下するため、霜を除去することが必要とな
る。そこで着霜状態を検出し得るセンサの開発が
望まれている。 従来、結露センサとしては、たとえば結露によ
る抵抗値の変化を利用するものなど種々のセンサ
が開発されている。他方、着霜センサとしては、
共振体の共振周波数が霜の付着により変化するこ
とを利用したものなどが開発されている。しかし
ながら、単一の素子で、結露および着霜の双方す
なわち乾燥、結露および着霜の３状態を検出し得
るものは未だなかつた。したがつて、装置が、乾
燥、結露および着霜の３つの状態のいずれにある
かを検出するには、少なくとも２個の独立した検
出素子が必要であり、装置を複雑化していた。 それゆえに、この発明の主たる目的は、乾燥・
結露・着霜の３状態のいずれにあるかを正確に検
出し得る乾燥・結露・着霜識別センサを提供する
ことである。 この発明は、要約すれば、誘電体セラミクスか
らなる検知素体の一方面に電極が形成されたセン
サユニツトを備え、前記検知素体を複数個、絶縁
スペーサにより所定間隔を隔てるとともに、検知
素体の電極が形成された面が外側となるように相
互に対向させることにより、センサユニツト間に
空〓を形成してセンサ本体を構成しており、前記
空〓での乾燥、結露、着霜状態における各インピ
ーダンスの変化を対向する電極間で検知し、乾
燥、結露、および着霜の３状態を識別する、乾
燥・結露・着霜識別センサである。 この発明のその他の目的と特徴は、図面を参照
して行なう以下の詳細な説明により一層明らかと
なろう。 第１図は、この発明の乾燥・結露・着霜識別セ
ンサの一具体例を説明するための斜視図である。
第１図を参照して、誘電体セラミクスからなる円
板状検知素体１，２を準備する。検知素体１，２
の一方面には、電極３，４（電極４は検知素体２
の下面に形成されているため第１図では図示せ
ず。）が形成される。各電極３，４に、リード線
５，６が接続されている。このようにして、２個
のセンサユニツト７，８を準備する。次に、各セ
ンサユニツト７，８を、電極３，４が外側となる
ように、所定間隔を隔てて対向配置させる。セン
サユニツト７とセンサユニツト８との間の間隔
は、第２図に縦断面図で示されるように、絶縁ス
ペーサ９ａ，９ｂを用いることにより確保され
る。次に、第２図から明らかなように、各電極
３，４および電極３，４とリード線５，６との接
続部（第２図では、リード線５，６は図示せず。）
を、エポキシ樹脂３ａ，４ａなどでコーテイング
することにより、この発明の一具体例としての乾
燥・結露・着霜識別センサを得る。 この発明において、センサユニツト７，８の電
極３，４が形成されている面を外側にして対向し
て配置したのは、結露および着霜状態において水
もしくは氷などが付着する部分に電極を存在させ
ないようにしたことによる。したがつて、この構
成によれば、水もしくは氷が空〓に存在しても電
極の腐食が生じず、耐久性に優れた乾燥・結露・
着霜識別センサを得ることができる。 なお、この発明の乾燥・結露・着霜識別センサ
は、第１図および第２図を参照して説明されたも
のに限られず、様々に変形し得ることを指摘して
おく。たとえば、検知素体１，２は、円板状のも
のに限られず、角板に形成してもよい。電極３，
４についても同様である。 検知素体１，２を構成する誘電体セラミクスと
しては、円板状の電極に限られず、様々な平面形
状の電極であつてもよい。また、セラミツク板
１，２の形状についても適宜変更し得る。 また、電極３，４の大きさは同一であつても、
いずれか一方が大きくてもよい。一方の電極を大
きくすることにより、対向配置に際しての位置決
めが容易となり、組立作業に基因するインピーダ
ンスのバラツキを小さくし得る。一方の電極に対
する他方の電極の位置合せの許容範囲が大きくな
るからである。 次に、この発明の乾燥・結露・着霜識別センサ
の検出原理を説明する。乾燥・結露・着霜の３状
態は、電極３，４の間のインピーダンスの変化と
して検出することができる。まず、乾燥状態で
は、電極３，４の間のインピーダンスは、セラミ
ツク板１，２の誘電率と、セラミツク板１とセラ
ミツク板２との間に形成された空〓Ａ（第２図を
参照されたい。）に存在する空気層とにより決定
される。次に、結露状態においては、セラミツク
板１とセラミツク板２との間に結露が発生しこの
結露すなわち水の電気伝導により、電極３，４の
間のインピーダンスは極めて小さくなる。さら
に、着霜状態では、セラミツク板１とセラミツク
板２との間に付着していた結露が凍り、セラミツ
ク板１とセラミツク板２との間に氷結晶が付着す
る。したがつて、電極３，４の間のインピーダン
スは、セラミツク板１，２の誘電率と、空〓Ａに
付着する氷の誘電率とにより決定される。 なお、着霜状態における電極３，４の間のイン
ピーダンスは、検知素体１，２の温度低下による
誘電率変化と、空〓Ａに生成される氷結晶の量
と、その誘電率とにより決定される。また、電極
３，４間のインピーダンス値は、リード線５，６
を通じて流す測定電流の周波数にも依存する。実
験によれば、測定周波数を高くすることにより、
インピーダンス値を低くし得ることが確められて
いる。したがつて、任意の誘電率温度特性を有す
る誘電体セラミクスにより検知素体１，２を構成
し、かつ測定周波数を適宜設定することにより、
乾燥、結露および着霜の３状態のインピーダンス
値を明確に区別し得ることができる。 この発明の検知素体を構成する誘導体セラミク
スとしては、様々なセラミクスを用いることがで
きるが、このような誘電体セラミクスとしては、
結露状態でイオンを導出し得るもの、あるいはイ
オンを導出しないもののいずれでもよい。セラミ
クスにイオンを導出しないものを用いても、この
センサの構成によれば、乾燥状態では誘電体セラ
ミクスと空〓にある空気の各誘電率によつてイン
ピーダンスが決まり、この値は結露状態や着霜状
態の各イピーダンスに比べて大きく、乾燥状態と
結露または着霜状態との識別が可能である。さら
に、当然、結露状態と着霜状態とは、それぞれ、
水と氷との誘電率の差に基づき、インピーダンス
が異なつてくるので、これらの状態の識別も可能
であり、結果として、乾燥、結露、着霜の各状態
の検出が可能である。一方、結露状態において空
〓Ａ（第２図を参照されたい。）に付着する水滴内
にイオンを導出し得るようなセラミクス材料によ
り検知素体１，２を構成することにより、結露状
態のインピーダンス値をより小さくすることがで
き、したがつて他の２状態との識別をより容易に
することができる。このように水滴中にイオンを
導出し得る材料としては、具体的には、たとえば
MgTiO₃、ZnTiO₃、FeTiO₃などのイルメナイト
型結晶構造からなるチタン複合酸化物セラミク
ス、BaO−TiO₂−NdO^3/2系セラミクス、硫酸塩
やリン酸塩系セラミクス、ステアタイト、フオル
ステライトなどのようにMgO・SiO₂を主として
含むセラミクス系、スピネル型、バイロクロア
型、タングステンブロンズ型、ルチル型、螢石型
などの多くのセラミクスが用いられ得る。イルメ
ナイト型結晶構造からなるチタン複合酸化物を主
体とするセラミクスの場合には、特性に悪影響を
与えない程度の他の結晶構造、たとえばペロブス
カイト型、スピネル型、パイロクロア型、タング
ステンブロンズ型などのセラミクスを１種または
複数種混合させてもよい。さらに、たとえば粘
土、希土類、TiO₂、SiO₂、BiO₂O₃、ZnO、
Fe₂O₃、Sb₂O₃、MnCO₃、WO₃などのような無機
化合物からなる添加物を加えてもよい。また、他
の結晶系セラミクスについても、セラミクス化の
ための種々の添加物の共存は、イルメナイト型結
晶構造からなるチタン複合酸化物について述べた
と同様に許される。結露時に、セラミクスから微
量にイオンが溶出することにより、結露時の電極
間インピーダンスの低下は大きくなる。そのため
には、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イ
オンなどの陽イオンや、リン酸イオン、硫酸イオ
ンなどの陰イオンを含むセラミクスなどが効果的
である。 以上のように、この発明によれば、誘電体セラ
ミクスからなる検知素体の一方面に電極が形成さ
れたセンサユニツトを備え、前記検知素体を複数
個、絶縁スペーサにより所定間隔を隔てるととも
に、検知素体の電極が形成された面が外側となる
ように相互に対向させることにより、センサユニ
ツトの間に空〓を形成してセンサ本体を構成して
おり、前記空〓での乾燥、結露、着霜状態におけ
る各インピーダンスの変化を対向する電極間で測
定することにより、乾燥状態、結露状態および着
霜状態の３状態を明確に識別することが可能とな
る。また、構造が比較的簡単であるため、信頼性
に優れかつ再現性にも優れた乾燥・結露・着霜識
別センサを得ることができる。さらに、この発明
の乾燥・結露・着霜識別センサでは、電極が形成
された面が外側となるように構成されているた
め、すなわち乾燥・結露・着霜の３状態を検出す
るための部分に電極が形成されていないため、電
極の腐蝕による特性の劣化は生じず、したがつて
長期間の使用にも耐えることができる。 実施例 １ 直径14mmの大きさの２枚のBaTiO₃−Bi₂O₃−
SnO₂系誘電体セラミツク板（ε＝2700）を準備
した。このセラミクスは公知の方法で焼成して得
られたものである。各セラミクス板の一方面に、
直径10mmの銀電極を形成した。この銀電極にリー
ド線をはんだ付けで接続した後に、エポキシ樹脂
により、電極と電極に接続された部分の近傍のリ
ード線とをコーテイングした。次に、各セラミク
ス板の電極が形成されていない面を内側にして、
0.5mmの間隔を隔てて対向配置させた。 このようにして構成された乾燥・結露・着霜識
別センサについて、乾燥、結露および着霜の名状
態におけるインピーダンスを、1V（50Hz）および
1V（100kHz）の電圧を印加することにより測定し
た。この結果を、第１表に示す。

【表】 第１表から明らかなように、乾燥、結露および
着霜の３状態を極めて正確に区別し得ることが理
解される。 実施例 ２ 直径14mmの大きさの２枚のBaTiO₃−CaSnO₃
系誘電体セラミクス板（ε＝20000）を準備した。
各セラミクス板の一方面に、直径10mmの銀電極を
形成した。リード線を各銀電極にはんだ付けによ
り接続した後に、エポキシ樹脂で電極および電極
に接続された部分の近傍のリード線をコーテイン
グした。次に、各セラミクス板の電極が形成され
ていない面を内側にして、0.5mmの間隔を隔てて
対向配置させた。 このようにして構成した乾燥・結露・着霜識別
センサについて、乾燥、結露および着霜の各状態
を実施例１と同様に測定した。結果を、第２表に
示す。

【表】 実施例２においても、乾燥、結露および着霜の
３状態を極めて正確に区別し得ることが理解され
る。 なお、実施例１および実施例２の結果を示す第
１表および第２表から明らかなように、測定電流
の周波数が50Hzおよび100KHzの２種の条件で、
乾燥状態のインピーダンス値と着霜状態のインピ
ーダンス値とが逆転するという結果が現われてい
る。これは、前述したように、着霜時のインピー
ダンスが温度低下による誘電体セラミクスの誘電
率変化に依存することならびに測定周波数により
インピーダンス値が変化することによるものと考
えられる。 次に、この発明の乾燥・結露・着霜識別センサ
を用いる結露・着霜検知装置につき説明する。 理解を容易とするために、第３図に示されるよ
うなインピーダンス特性を有する乾燥・結露・着
霜識別センサを用いた場合の結露・着霜検知装置
につき述べる。 第４図は、この発明の乾燥・結露・着霜識別セ
ンサを用いる結露・着霜検知装置の一例を説明す
るためのブロツク図である。第４図を参照して、
この装置は、この発明の乾燥・結露・着霜識別セ
ンサを含む検知部１０、検知部１０の出力が与え
られる２個の比較回路１１，１２、比較回路１１
に比較信号としての第１基準レベル信号を入力す
る第１基準レベル設定手段１３、比較回路１２の
比較信号としての第２基準レベル信号を入力する
第２基準レベル設定手段１４および比較回路１
１，１２の出力により乾燥・結露・着霜の３状態
を判別する判別回路１５（第４図において１点鎖
線で囲まれた部分）から構成される。 検知部１０は、この発明の乾燥・結露・着霜識
別センサを含み、乾燥・結露・着霜の３状態で第
３図のように変化するインピーダンスに対応した
信号を出力する。検知部１０の出力は、第１の比
較手段としての比較回路１１および第２の比較手
段としての第２の比較回路１２に与えられる。第
１の比較回路１１には、第１基準レベル設定手段
により第１基準レベル信号が入力される。この信
号の持つ第１基準レベルは、第３図から明らかな
ように、結露状態における検知部１０のインピー
ダンスと着霜状態における検知部１０のインピー
ダンスとの間に設定される。第１の比較回路１１
は、検知部１０のインピーダンスと第１基準レベ
ルとを比較し、検知部１０のインピーダンスの方
が大きい場合にハイレベルの信号を出力し、検知
部１０のインピーダンスの方が小さい場合にはロ
ーレベルの出力信号を出力する。他方、第２の比
較回路１２には、第２基準レベル設定手段より第
２基準レベル信号が入力される。この信号の持つ
第２基準レベルは、第３図から明らかなように、
乾燥状態における検知部１０のインピーダンスと
着霜状態における検知部１０のインピーダンスと
の間の値に設定される。したがつて、第２の比較
回路１２は、検知部１０のインピーダンスと第２
基準レベルとを比較し、検知部１０のインピーダ
ンスの方が大きい場合にハイレベルの信号を、逆
の場合にはローレベルの信号を出力する。 このように、第１および第２の比較回路１１，
１２は、検知部１０のインピーダンスの変化に応
じて、ハイレベルまたはローレベルの信号を出力
する。この各比較回路１１，１２の出力は、第３
図に示された関係から明らかなように、次に掲げ
る第３表に示される。第３表において、Ｈはハイ
レベルの信号を、Ｌはローレベルの信号を、それ
ぞれ示す。

【表】 比較回路１１，１２の出力は、判別回路１５に
与えられる。判別回路１５は、２個のインバータ
I₁、I₂および３個のノアゲートG₁、G₂、G₃から構
成される。第１の比較回路１１の出力は、インバ
ータI₁の入力端子およびノアゲートG₃の一方入力
端子に与えられる。インバータI₁の出力は、ノア
ゲートG₁、G₂の各一方入力端子に与えられる。
他方、第２の比較回路１２の出力は、インバータ
I₂の入力端子、ノアゲートG₂の他方端子およびノ
アゲートG₃の他方入力端子に与えられる。イン
バータI₂の出力は、ノアゲートG₁の他方入力端子
に与えられる。なお、この判別回路１５は正論理
を採用している。 以上のように構成される判別回路１５は、乾
燥、結露および着霜の３状態を次のように判別す
る。 今、乾燥状態では、第３表から明らかなよう
に、比較回路１１，１２はともにハイレベルの信
号を出力する。第１の比較回路１１からのハイレ
ベルの信号はインバータI₁およびノアゲートG₃に
与えられる。インバータI₁に入力されたハイレベ
ルの信号は、ローレベルの信号に反転されて、ノ
アゲートG₁およびG₂に与えられる。他方、第２
の比較回路１２からのハイレベルの信号は、イン
バータI₂、ノアゲートG₂およびノアゲートG₃に
与えられる。インバータI₂に入力されたハイレベ
ルの信号は、ローレベルの信号に反転されてノア
ゲートG₁に与えられる。以上のように、乾燥状
態では、ノアゲートG₁のみが、その双方の入力
端子にローレベルの信号を入力される。したがつ
て、ノアゲートG₁のみがハイレベルの信号を出
力する。同様に、検知部１０が着霜状態にあると
きは、第３表から明らかなように、第１の比較回
路１１はハイレベルの信号を出力し、第２の比較
回路１２がローレベルの信号を出力するため、ノ
アゲートG₂のみが、その双方の入力端子にロー
レベルの信号を入力される。したがつて、ノアゲ
ートG₂のみがハイレベルの信号を出力する。ま
た、検知部１０が結露状態にあるときは、第１お
よび第２の比較回路１１，１２は、ともにローレ
ベルの信号を出力するため、ノアゲートG₃のみ
に、その双方の入力端子がローレベルの信号を入
力されるので、ノアゲートG₃のみがハイレベル
の信号を出力する。 以上の説明から明らかなように、乾燥状態では
ノアゲートG₁が信号を出力し、着霜状態ではノ
アゲートG₂が信号を出力し、結露状態ではノア
ゲートG₃が信号を出力する。したがつて、乾燥、
結露および着霜の３状態を判別することが可能と
なる。 第５図は、第４図に示された結露、着霜検知装
置をより具体的に説明するための回路図であり、
第６図および第７図は第５図の回路の動作を説明
するための図である。 第５図に示される回路は、この発明の乾燥・結
露・着霜識別センサ２０、MOS−FET２６、コ
ンパレータ２１，２２および第４図に示されたも
のと同様の判別回路２５（第５図で１点鎖線で示
された部分）を基本的構成要素とする。乾燥・結
露・着霜識別センサ２０は、第３図のように、乾
燥、結露および着霜の３状態でそのインピーダン
スが変化する。乾燥・結露・着霜識別センサ２０
のインピーダンス変化は電圧の変化として、
MOS−FET２６のゲート端子に入力される。こ
の入力は、MOS−FET２６で増幅・反転され
て、コンパレータとしてのオペレーションアンプ
２１，２２に入力される。各オペレーシヨンアン
プ２１，２２には、可変抵抗２３，２４より第１
および第２の基準レベル電圧がそれぞれ入力され
る。オペレーシヨンアンプ２１，２２の出力は、
判別回路２５に与えられる。判別回路２５の構成
は、第４図に示された判別回路１５と同様である
ため、相当の参照番号を付することによりその説
明を省略する。 このように構成される第５図の回路では、乾
燥、結露および着霜の３状態で、乾燥・結露・着
霜識別センサ２０のインピーダンスが変化するた
め、乾燥・結露・着霜識別センサ２０はインピー
ダンスの変化に対応した電圧変化を出力する。第
５図の回路の接続点Ｘにおける電圧の変化が、第
６図に示される。乾燥・結露・着霜識別センサ２
０よりの出力電圧は、MOS−FET２６で増幅・
反転されて出力される。この出力電圧すなわち第
５図の接続点Ｙにおける電圧は、第７図に示され
る。第７図から明らかなように、接続点Ｙにおけ
る出力電圧は、乾燥状態で最大値を示し、結露状
態で最小値を示し、着霜状態で中間値となる。
MOS−FET２６の出力電圧は、オペレーシヨン
アンプ２１，２２に入力される。他方、各オペレ
ーシヨンアンプ２１，２２には可変抵抗２３，２
４によりレベル設定された第１および第２の基準
レベル電圧が入力される。第１および第２の基準
レベル電圧は第７図に示されるような値に選ばれ
る。すなわち、第１の基準レベル電圧は着霜状態
における出力電圧と結露状態における出力電圧と
の間の値に選ばれ、第２の基準レベル電圧は乾燥
状態における出力電圧と着霜状態における出力電
圧との間の値に選ばれる。各オペレーシヨンアン
プ２１，２２は、MOS−FET２６の出力電圧
と、第１基準レベル電圧または第２基準レベル電
圧とをそれぞれ比較する。したがつて、乾燥・結
露・着霜識別センサ２０のインピーダンス変化
は、電圧変化として比較される。各オペレーシヨ
ンアンプ２１，２２は、MOS−FET２６の出力
電圧の方が大きい場合にはハイレベルの信号を出
力し、逆の場合にはローレベルの信号を出力す
る。オペレーシヨンアンプ２１，２２の出力信号
は、第４図の比較回路１１，１２について示され
た第３表の出力真理値と同様になる。各オペレー
シヨンアンプ２１，２２の出力信号は判別回路２
５に入力されるが、判別回路２５の動作について
は、第４図の判別回路１５と同様であるためその
説明を省略する。 なお、第４図および第５図に示された各回路
は、この発明の乾燥・結露・着霜識別センサを用
いた結露・着霜検知装置の単なる一例にすぎず、
したがつて第１および第２の比較回路ならびに判
別回路については、当業者が容易に想到し得る範
囲で様々に変形し得ることを指摘しておく。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の乾燥・結露・着霜識別セ
ンサの一具体例を説明するための斜視図である。
第２図は、この発明の乾燥・結露・着霜識別セン
サの一具体例の縦断面図である。第３図は、この
発明の乾燥・結露・着霜識別センサのインピーダ
ンス特性の一例を示す図である。第４図は、この
発明の乾燥・結露・着霜識別センサを利用した結
露・着霜検知装置の一例のブロツク図であり、第
５図は第４図にブロツク図で示された結露・着霜
検知装置の具体的な回路図である。第６図は、第
５図の回路の接続点Ｘにおける出力電圧を示す図
である。第７図は、第５図の回路の接続点Ｙにお
ける出力電圧を示す図である。 図において、１，２は検知素体としての誘電体
セラミクス板、３，４は電極、７，８はセンサユ
ニツトを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘電体セラミクスからなる検知素体の一方面
   に電極が形成されたセンサユニツトを備え、 前記検知素体を複数個、絶縁スペーサにより所
   定間隔を隔てるとともに、検知素体の電極が形成
   された面が外側となるように相互に対向させるこ
   とにより、センサユニツトの間に空〓を形成して
   センサ本体を構成しており、 前記空〓での乾燥、結露、着霜状態における各
   インピーダンスの変化を対向する電極間で検知
   し、乾燥、結露、および着霜の３状態を識別す
   る、乾燥・結露・着霜識別センサ。 ２ 前記検知素体は、結露状態において水滴中に
   イオンを導出し得るような材料で構成される、特
   許請求の範囲第１項記載の乾燥・結露・着霜識別
   センサ。