JPH04364456A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空調用や調理用器具等の
湿度制御に使用される湿度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、空調用・調理用器具等の湿度制御
用に湿度センサが開発されている。

【０００３】以下に従来の湿度センサについて説明する
。図１２は従来の湿度センサの斜視図である。図１３（
ａ）は他の従来例の他の湿度センサの平面断面図であり
、図１３（ｂ）はその縦断面図である。５０は感湿性板
状素子、５１は感湿性板状素子上に配設された多孔質導
電層である。５２は表面に多孔質導体層５１が櫛状に形
成されたアルミナ等からなる絶縁基板、５３は多孔質導
体層５１上に形成された感湿性高分子電解質膜、５４は
感湿性高分子電解質膜上に形成された水蒸気透過膜、５
５は湿度センサをプリント配線基板等に取りつけるリー
ド線である。

【０００４】湿度センサの使用に当たっては、リード線
５５を用いプリント配線基板等に取り付け、ほとんどの
場合感湿素子５０の表面が大気と接触した状態を安定に
するために、防塵等のための網状カバーをかぶせ、湿度
センサとして空調機器や調理器具等に組み込まれる。

【０００５】以上のように構成された湿度センサについ
て、以下その動作を説明する。まず、感湿素子５０が接
触している気体の水分が感湿素子５０に吸着もしくは脱
着する。この時感湿素子５０の電気抵抗が変化するので
、電極に流れる電流を測定する。この電流を測定するこ
とにより空気中の湿度を求めることができる。

【０００６】尚、感湿素子５０の温度変化による電気抵
抗の変化を補償するために、サーミスタ素子を組み合わ
せて湿度センサを構成する場合もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、形態状これ以上に小型化するのが困難で湿
度センサを取り付ける機器の小型化、薄型化を阻害する
という問題点を有していた。更に、大気中の塵等が付着
するとセンサの精度が低下するため取り付け高さを低く
することができないという問題点を有し、また、防塵等
のため網状カバーをかぶせると形状が更に大きくなると
いう問題点を有していた。

【０００８】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、高精度でかつ小型化が可能で、しかも、塵等による
精度の低下を防ぎ、取り付け位置や設置場所に囚われな
いで各種機器の小型化、薄型化を可能にする湿度センサ
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の湿度センサでは、種々の材料からなる感湿材
を円柱状または円筒状に形成した感湿性素子の表面に種
々の形状のギャップ部を介して種々の導電性物質からな
る導体層を設けた構成を有している。ここで、円柱状又
は円筒状の感湿性素子は楕円状のものや、角部のとれた
略角柱又は略角筒状の形状のものであってもよい。

【００１０】

【作用】この構造によって、湿度センサのチップ部品化
が可能となり、又、感湿素子が略円柱状もしくは略円筒
状という構造を有していることから、方向性がないため
プリント配線基板へ容易に実装することができる。更に
感湿性素子の露出部を水蒸気透過膜でコーティングする
ことにより感度の低下を防ぐことができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１２】図１（ａ）は本発明の第１実施例の湿度セ
ンサの縦断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、図
２は第１実施例の湿度センサにリード線を配設した第２
実施例の湿度センサの縦断面図であり、図３（ａ）は本
発明の第３実施例の湿度センサの縦断面図であり、（ｂ
）はその側面図である。

【００１３】１は円柱状感湿素子、２は前記感湿素子１
の表面に形成された導体層、３は導体層間に形成された
ギャップ部、４はリード線、５は円筒状感湿素子である
。

【００１４】感湿素子１，５の材質は、Ｍｇ２Ｃｒ２Ｏ
４−ＴｉＯ２系，ＺｒＯ２−ＭｇＯ系又はＢａ１−ＸＳ
ｒＸＴｉＯ３系等の半導体系セラミックスが好適に用い
られる。 又、導体層２としては、導電性の金属キャップやＡｇや
ＲｕＯ２等の電極、半導体電極等が好適に用いられる。

【００１５】図４は本発明の第４実施例の湿度センサの
縦断面図である。６は多孔質のセラミックスを略円柱状
に形成した多孔質セラミック素子、７は多孔質セラミッ
ク素子５に含浸保持された感湿性高分子電解質である。

【００１６】多孔質セラミック素子６中に感湿性高分子
電解質７を含浸させることにより、感湿性高分子電解質
７が三次元的に保持されるので多孔質セラミック素子６
の機械的強度を飛躍的に向上させることができる。

【００１７】多孔質セラミック素子６の材質としてはア
ルミナ，フォルステライト等の絶縁材料や感湿性半導体
セラミックス等が好適に用いられる。感湿性高分子電解
質としてはポリアクリル酸ソーダ，ポリアクリル酸アン
モニウム等のポリアクリル酸やその誘電体の塩等やスチ
レンスルホン酸ソーダ等公知のものが使用される。

【００１８】図５は本発明の第５実施例の湿度センサの
縦断面図である。８はセラミック素子であって、セラミ
ック素子８の表面には導体層２のギャップ部３を感湿性
高分子電解質７が膜状に被覆形成された構成からなって
いる。

【００１９】図６は本発明の第６実施例の湿度センサの
縦断面図である。９は前記材質からなる略円柱状又は略
円筒状からなる感湿素子であって感湿素子９の表面には
導体層２のギャップ部３を樹脂製等の水蒸気透過膜１０
が被覆形成された構成からなっている。水蒸気透過膜１
０としては、連続気泡の発泡ポリスチレン，ナイロン等
の樹脂製メッシュあるいは熱収縮性樹脂製のメッシュ等
が好適に用いられる。

【００２０】ここで、水蒸気透過膜１０の効果について
確認実験を行った。実験条件は、水蒸気透過膜処理をし
たもの１００個、処理をしないもの１００個を用い、一
般家庭で採取した綿ごみ１００ｇと共に１ｍ３の密閉容
器に収容し、強制対流中２４時間放置した後、湿度特性
を確認した。その結果、水蒸気透過膜処理したものは１
００個とも感度の低下は認められなかったが、処理しな
いものは１００個中４５個に感度低下が認められた。

【００２１】図７は本発明の第７実施例の湿度センサの
縦断面図である。１１は略円柱状、略円筒状に形成され
た前記素子又はセラミックス等からなる感湿素子である
。感湿素子１１の表面の導体層２のギャップ部３に感湿
性高分子電解質７の膜を被覆形成し、更にその上に水蒸
気透過膜１０が形成された構成からなる。

【００２２】図８は本発明の第８実施例の湿度センサの
正面図である。２１，３１は櫛形に形成された導体層及
びギャップ部、９は円柱状又は円筒状の前記素子からな
る感湿素子である。

【００２３】櫛形形状は電極間のギャップ面積を広く取
れるため、吸着Ｈ２Ｏ量が多くなりその分湿度検知感度
を著しく高くすることができる。尚、ギャップ部３に前
記感湿性高分子電解質７や水蒸気透過膜１０を単独であ
るいはこれらを積層して形成すると耐久性を向上させる
ので好ましい。

【００２４】図９の本発明の第９実施例の湿度センサの
正面図である。２２，３２はスパイラル状に形成された
導体層及びギャップ部、９は前記円柱状又は円筒状から
なる感湿素子である。

【００２５】導体層２２をスパイラル状に形成したので
、導体層２２の材質としてサーミスタ材を用いると、温
度特性を補償することができる。

【００２６】図１０は本発明の第１０実施例の湿度セン
サの縦断面図である。２３は前記感湿性円筒状素子５の
外表面及び中空部の表面に形成された導体層である。

【００２７】この場合導体層２３の材質としては、Ｒｕ
Ｏ２電極やＡｇ電極等を用いるのが好ましい。導体層２
３を円筒の内外表面に形成したので、大気との接触面積
が著しく拡大し、湿度感度を著しく高めることができる
。また同一感度でよい場合は著しく湿度センサを小型に
することができる。

【００２８】図１１は本発明の第１１実施例の湿度セン
サの縦断面図である。９は前記円柱状又は円筒状の半導
体系素子からなる感湿素子であり、１２はＡｇ，多孔質
ＲｕＯ２，多孔質ＳｉＣ電極等からなる第１導体層、１
３はＣｕ，Ｎｉ等導電性金属層からなる第２導体層、１
４は半田等からなる第３導体層である。

【００２９】導体層に関しては、金属、サーミスタ等に
より構成され、その材質によりプリント配線基板等の回
路との電気的接続を容易とするため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ
等のコーティング（めっき法、スパッタ法、蒸着法、焼
き付け法、溶射法等によりコーティング）を実施した２
重構造により構成される場合もある。又、前記内容のコ
ーティングが一層でなく、多層構造でも同等の効果があ
る。多層構造にすることにより、感湿性素子に接合強度
、熱膨張係数、電気的接続等にマッチングした導体層を
形成することができ、プリント配線基板等の外部電極と
の接合を容易にすることができる。

【００３０】次に、以上のように構成された湿度センサ
における種々の感湿性素子と種々の導体層等について以
下その特性を検討した。まず、感湿性素子として半導体
系、セラミックＭｇ２Ｃｒ２Ｏ４−ＴｉＯ２系、ＺｒＯ
２−ＭｇＯ系及び感湿性高分子電解質として、ポリ・ア
クリル酸ソーダ、ポリ・アクリル酸アンモニウム、スチ
レンスルフォン酸ソーダを用いた感湿性円柱状素子と感
湿性円筒状素子を比較した場合、前記素子が多孔質の時
、感湿性円筒状素子は感湿性円柱状素子よりも湿度回復
特性（内部吸着されたＨ２Ｏが、感湿体外部に放出され
吸着Ｈ２Ｏ量が初期値に回復するまでの時間特性）が８
０％良好であることがわかった。また、感湿性円筒状素
子は感湿性円柱状素子に比べ熱容量が４０％小さく、更
に感湿性円柱状素子に比べ曲げ強度が約１００００倍強
いことがわかった。このことから本発明の湿度センサは
使用目的、使用場所に応じ適宜選択し組合わせることに
よりあらゆる用途で高感度に対応できることがわかった
。

【００３１】以下、上記特性を数式を用いて説明する。 まず、湿度回復特性に関して、水蒸気分子の移動距離が
外径２Ｒの円柱状素子の場合、多孔質の連続ポアの径方
向単位長さ当たりの距離をＫとすると、その移動距離Ｌ
ＲＯＤは（数１）で表される。

【００３２】

【数１】

【００３３】また、外径２Ｒ、内径２ｒの円筒状素子の
場合、水蒸気分子の移動距離ＬＣＹＬは（数２）で表さ
れる。

【００３４】

【数２】

【００３５】この水蒸気分子の移動距離ＬＲＯＤとＬＣ
ＹＬの比は（数３）で表される。

【００３６】

【数３】

【００３７】次に水蒸気分子の移動距離Ｌと拡散時間ｔ
との関係は（数４）で表される。

【００３８】

【数４】

【００３９】従って、円柱状素子の場合の拡散時間ｔＲ
ＯＤと円筒状素子の場合の拡散時間ｔＣＹＬとの関係は
（数５）で表される。ただし（数５）におけるαはポア
形状や水蒸気分子の拡散係数等により決まる定数である
。

【００４０】

【数５】

【００４１】一般的にｒ／Ｒ＝０．６，Ｋ＞＞１である
ことから（数３）よりＬＣＹＬ／ＬＲＯＤ＝０．４、（
数５）よりｔＣＹＬ／ｔＲＯＤ＝０．２となる。従って
、円筒状素子は円柱状素子と比較すると水蒸気拡散時間
が８０％短縮されることになる。これは円筒状素子が円
柱状素子より湿度回復特性が８０％良好であることを意
味する。

【００４２】次に、熱容量に関して、円柱状素子と円筒
状素子を比較すると構成材料が同一であれば熱容量は構
造体の質量に比例する。円柱状素子の熱容量をＣＲＯＤ
、円筒状素子の熱容量をＣＣＹＬとするとその関係は（
数６）で表される。

【００４３】

【数６】

【００４４】（数６）にｒ／Ｒ＝０．６を代入すると、
ＣＣＹＬ／ＣＲＯＤ＝０．６となる。これは円筒状素子
が円柱状素子に対し４０％熱容量が小さくなることを示
している。更にこれは、円筒状素子が円柱状素子よりも
環境温度変化に対する感湿素子のレスポンス特性が優れ
ていることを示している。（数６）には素子密度の項が
ないことから、（数６）の関係は緻密質や多孔質両者に
適用できる。

【００４５】次に機械的強度に関して、円柱状素子の３
点曲げ強度σＲＯＤを（数７）に表し、円筒状素子の３
点曲げ強度σＣＹＬを（数８）に表す。また、円柱状素
子の３点曲げ強度と円筒状素子の３点曲げ強度の比を（
数９）に表す。ただし、（数７）・（数８）・（数９）
におけるＰは破断荷重、Ｌは３点曲げ試験における下部
スパンである。

【００４６】

【数７】

【００４７】

【数８】

【００４８】

【数９】

【００４９】（数９）にｒ／Ｒ＝０．６を代入すると、
σＣＹＬ／σＲＯＤ＝９×１０−３と求まる。従って、
円柱状素子は、円筒状素子よりも約１００００倍曲げ強
度が強いことを示している。更に、感湿性素子が多孔質
の場合、比表面積が増大するため、湿度感度が緻密質よ
り１００〜１００００倍高くなることがわかった。導体
層が多孔質の場合、該導体層を水蒸気分子が透過するこ
とが可能なため、実質的な感湿性素子の大気との接触面
積が増大し、これにより湿度感度も増大するためである
。

【００５０】以上述べた各種形状・材質の感湿性素子及
び導体層を組み合わせても、それぞれの特性を生かした
小型で、高感度な湿度センサを得ることができる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明は、感湿素子として
所定の原料を用い略円筒状又は略円柱状に形成し、種々
の形状の導体層を組合わせることにより、従来の湿度セ
ンサに比べ１／１０乃至１／１００にも小型化が可能で
、かつ、高感度の湿度センサを実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１実施例の湿度センサの縦断
面図 （ｂ）その側面図

【図２】本発明の第２実施例の湿度センサの縦断面図

【
図３】（ａ）本発明の第３実施例の湿度センサの縦断面
図 （ｂ）その側面図

【図４】本発明の第４実施例の湿度センサの縦断面図

【
図５】本発明の第５実施例の湿度センサの縦断面図

【図
６】本発明の第６実施例の湿度センサの縦断面図

【図７
】本発明の第７実施例の湿度センサの縦断面図

【図８】
本発明の第８実施例の湿度センサの正面図

【図９】本発
明の第９実施例の湿度センサの正面図

【図１０】本発明
の第１０実施例の湿度センサの縦断面図

【図１１】本発明の第１１実施例の湿度センサの縦断面
図

【図１２】従来の湿度センサの斜視図

【図１３】（ａ）他の従来例の湿度センサの平面断面図
（ｂ）その縦断面図

【符号の説明】

１　　円柱状感湿素子 ２，２１，２２，２３　　　　導体層 ３，３１，３２　　ギャップ部 ４　　リード線 ５　　円筒状感湿素子 ６　　多孔質セラミック素子 ７　　感湿性高分子電解質 ８　　セラミック素子 ９　　円柱状又は円筒状からなる感湿素子１０　　水蒸
気透過膜 １１　　円柱状等に形成された半導体系又はセラミック
系からなる感湿素子 １２　　第１導体層 １３　　第２導体層 １４　　第３導体層 ５０　　感湿性板状素子 ５１　　多孔質導体層 ５２　　絶縁基板 ５３　　感湿性高分子電解質 ５４　　水蒸気透過膜 ５５　　リード線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略円柱状又は略円筒状に形成された感湿性
   素子と、前記感湿性素子の表面に種々の形状のギャップ
   部を介して配設された導体層と、を備えたことを特徴と
   する湿度センサ。
2. 【請求項２】感湿性素子が多孔質セラミック素子に感湿
   性高分子電解質を含浸させたものからなることを特徴と
   する請求項１に記載の湿度センサ。
3. 【請求項３】導体層がスパッタ法や蒸着法等の薄膜技術
   で形成された１乃至複数の被膜からなることを特徴とす
   る請求項１に記載の湿度センサ。