JPH0441944B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 対向電極間に流入する空気の相対湿度の変化を
電極間容量の変化として検出する静電容量型湿度
センサに関する。

（従来の技術） 一般に湿度センサは、感湿材料としセラミツク
スを用いたものと高分子を用いたものに大別され
る。相対湿度が変化すると、その電気抵抗が変わ
るセラミツクスの代表的なものとして次のものが
ある。

第１のものは酸性セラミツクスと塩基性セラミ
ツクスの複合体で、たとえば酸化チタン（TiO₂）
とマグネシウムクロムスピネル（MgCr₂O₄）と
の組合せである。一般にこれは多孔質で多孔質セ
ラミツク素体の孔の中に水を吸着し酸・塩基など
の作用を受け、水素イオンH⁺と水酸基OH^-とに
解離して電流が流れるようになり、湿度が変わる
と孔の中に吸着される水の量が変化するため解離
イオンの量が変化し、その抵抗が変化するものと
説明されている。第２のタイプは動きやすいリチ
ウムイオンLi⁺を含む酸化物で、たとえばZnO−
Li₂Ｏ−V₂O₅−Cr₂O₃がある。このタイプは
ZnCr₂O₄スピネルからなるグレーンの周囲に一様
に感湿ガラスが形成され、この感湿ガラスに多層
吸着される水分の量によつて電気伝導に寄与する
イオンの量が変化し抵抗が変わるものと言われて
いる。

いずれにしても従来の湿度センサは、一対の電
極間に連続して感湿材料が配置されている構造で
あり、これは高分子を用いた湿度センサについて
も同じであつた。

しかしながら、上記構成になる各湿度センサ
は、イオン伝導性のため直流電圧を連続して印加
することができない。また湿度を検出する際の印
加電圧は通常数Ｖ以下で、これ以上ではジユール
熱が発生し感湿部の温度が上昇するため湿度セン
サの感湿部に吸着した水分が発散し、実際の湿度
に対する抵抗よりも大きな値の抵抗値が検出さ
れ、正確な湿度測定ができなくなる。さらに大き
な過電圧が印加されると熱破壊してしまうなど
種々の欠点を有すると同時に、高分子タイプの湿
度センサは、たとえば浴室の換気または木材乾燥
などの用途で高温高湿の環境に放置されると感湿
部となる高分子材料が劣化し、また、たとえば85
℃以上の高温に弱いため産業用には適していなか
つた。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のようにセラミツク湿度センサおよび高分
子タイプの湿度センサは、連続で直流電圧を印加
すると劣化してしまい、また印加可能電圧も数Ｖ
以下であるため使用するにあたつては十分注意し
なければならなかつた。

本発明は、湿度センサを構成する２つの対向し
た電極間に空〓があることによつて、該電極間に
生ずる静電容量をＣ、電極間距離をｄ、対向電極
面積をＳ、空気の誘電率をεとした場合、この間
に成立つよく知られている関係式 Ｃ＝εＳ／ｄにおいて、 εが大きくなつてｄが小さくなればＣが大きく
なる点に着目してなされたもので、印加電圧範囲
が広く、また誤つて直流電圧が長時間印加されて
も劣化することのない新規な構成からなる静電容
量型湿度センサを提供することを目的とするもの
である。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の静電容量型湿度センサは、アルミナ基
板上に周辺一部から延長した下部電極引出部を連
設して焼付形成した下部電極と、この下部電極と
独立して焼付形成した上部電極引出部と、前記下
部電極周囲数箇所に焼付形成した前記下部電極面
より突出したガラス絶縁支持層と、この絶縁支持
層先端部と固着し面対向して配設した固着面と反
対面のみに上部電極を焼付形成した多孔質セラミ
ツク素体と、前記上部電極と前記上部電極引出部
とを接続した接続体と、前記下部電極と前記セラ
ミツク素体対向面間に設けた外気と通気した空〓
部とからなることを特徴とするものである。

（作用） 以上の構成になる静電容量型湿度センサによれ
ば、下部電極と反対面に上部電極を形成した多孔
質セラミツク素体間に外気と通気した空〓部を設
けた構造であるため、湿度が高くなつた場合空〓
部に水分子が多く存在するようになり電極間の静
電容量を大きくする作用をする。すなわち水分子
の量が多くなれば誘電率が増加し、かつセラミツ
ク素体の電気抵抗は小さくなるから実質的に電極
間距離が小さくなつたと同様な作用となり、前関
係式における静電容量Ｃが大きくなる。よつて湿
度変化に対して容量が大きく変化する。また電極
間が空〓部によつて絶縁されているため過電圧な
らびに直流電圧の印加が可能である。

（実施例） 以下本発明の一実施例につき図面を参照して説
明する。すなわち第３図に示すようにアルミナ基
板１上にたとえば金、白金ペーストを印刷−焼付
けて周辺一部から延長して連設した下部電極引出
部２を設けた下部電極３と、この下部電極３と独
立して上部電極引出部４を形成する。つぎに前記
下部電極３周囲数箇所にガラスペーストの印刷−
焼付を融点の高いものから低い順に数回繰返し、
前記下部電極面より突出したガラス絶縁支持層５
を設け、この支持層５先端部に第１図および第２
図に示すように別個に形成した、たとえば酸化亜
鉛、酸化クロムを主成分として添加物として炭酸
リチウムまたは酸化バナジウムなどを添加した金
属酸化物粉体を加圧成形、高温焼結し、一方面に
たとえば金、白金ペーストを印刷−焼付け上部電
極６を設けた多孔質セラミツク素体７の前記上部
電極６形成反対面を固着し、前記下部電極３表面
と前記多孔質セラミツク素体７対向面間に外気と
通気した空〓部８を設ける。

なお、固着手段としては前記ガラス絶縁支持層
５を構成するガラスペーストの最終印刷後、多孔
質セラミツク素体７を載置しガラスペースト焼付
によつて行う。

しかして、前記上部電極６と前記アルミナ基板
１に形成した上部電極引出部４とをたとえば金、
白金ワイヤからなる接続体９で接続し、しかるの
ち前記下部電極引出部２および上部電極引出部４
それぞれにリード線１０を取着してなるものであ
る。

以上のような構成になる静電容量型湿度センサ
によれば、下部電極３と、反対面に上部電極６を
形成した多孔質セラミツク素体７間に外気と通気
した空〓部８を設けた構造であるため、湿度が高
くなつた場合空〓部８に存在する水分子量が多く
なり、下部電極３と上部電極６間の誘電率が増加
し、さらに多孔質セラミツク素体７に多くの水分
子が吸着されることによつて電気抵抗が小さくな
る、つまり実質的に下部電極３と上部電極６間距
離が小さくなるのと同様の作用によつて、下部電
極３と上部電極６間の静電容量が大きくなる。す
なわち誘電率の変化と電極間距離の変化という両
者の相乗作用によつて湿度変化に対して静電容量
が大きく変化する特徴を有する。これは湿度変化
に対する容量の変化が大きいことを意味し、わず
かな湿度変化でも容易に検出することが可能であ
るということである。また、過電圧印加によるジ
ユール熱の発生は無視できる程度の微少であつて
湿度測定精度を損ねることはなく、かつ熱破壊の
危険性はない。

さらに、誤つて直流電圧が長時間印加されたと
してもセラミツク素体７は下部電極３と上部電極
６間に外気と通気した空〓部８を設けた状態で配
設しているため、前記セラミック素体７中でのイ
オンの移動は従来構造のものと比較して無視して
もよい程度であり、劣化することはない。

つぎに、本発明の実験例について述べる。すな
わち本発明に係る実施例Ａと多孔質セラミック素
体を用いず絶縁支持層を介し一対の電極板間に単
に空〓部だけを設けた参考例Ｂとの相対湿度−静
電容量特性の関係を調べた結果第６図に示すよう
になり、参考例Ｂと比較して実施例Ａのものは同
一相対湿度に対して容量が大きく直線性良好にし
て大きな感度が得られた。試料として用いた電極
板は、実施例Ａにおける電極ペーストおよび参考
例Ｂにおける電極板の材質は金からなるもので静
電容量は1KHzで測定した。

なお、上記実施例では上部電極６と上部電極引
出部４との接続体９としてワイヤを介するものを
例示して説明したが、第４図に示すようにアルミ
ナ基板１に形成する上部電極引出部４パターンと
して、下部電極３周囲に設けたガラス絶縁支持層
５の一箇所と接触または接近した状態で形成し、
第５図に示すように上部電極引出部４と接触また
は接近したガラス絶縁支持層５の側面と、この側
面に位置する多孔質セラミック素体７側面を介し
塗布−焼付された導体からなる接続体９によつて
接続した構造であつてもよい。第４図および第５
図中第１図および第２図と同一部分については同
一符号を付し説明を省略した。

また、上記実施例では各電極材として耐錆性を
考慮し金、白金を用いるものを例示して説明した
が、銅材を用いた焼付後、ニツケルメツキを施し
た構成とすれば低コスト化に貢献できる。さら
に、上記実施例ではアルミナ基板１形状を角形形
状とし下部電極３および上部電極６を含む多孔質
セラミック素体７形状を円形としたものを例示し
て説明したが、これに限定されるものでないこと
は言うまでもない。

［発明の効果］ 本発明によれば、相対湿度の高さに応じ電極間
の誘電率が大きくなり、また等価的に電極間距離
が小さくなり、結果として静電容量が大きく大き
な感度を有し、かつ過電圧印加または直流電圧が
印加されても劣化ならびに破壊のない測定精度良
好な静電容量型湿度センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例に係り、第
１図および第２図は静電容量型湿度センサを示し
第１図は平面図、第２図は第１図イ−イ断面図、
第３図は製造途中の平面図、第４図および第５図
は他の実施例に係り、第４図は製造途中の平面
図、第５図は静電容量型湿度センサの断面図、第
６図は相対湿度−静電容量特性曲線図である。 １……アルミナ基板、２……下部電極引出部、
３……下部電極、４……上部電極引出部、５……
ガラス絶縁支持層、６……上部電極、７……多孔
質セラミック素体、８……空〓部、９……接続
体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルミナ基板上に下部電極引出部を連設して
   焼付形成した下部電極と、この下部電極と独立し
   て焼付形成した上部電極引出部と、前記下部電極
   周囲数箇所に焼付形成した前記下部電極面より突
   出したガラス絶縁支持層と、この絶縁支持層先端
   部に固着し面対向して配設した固着面と反対面の
   みに上部電極を焼付形成した多孔質セラミツク素
   体と、前記上部電極と前記上部電極引出部とを接
   続した接続体とを具備し、前記下部電極と前記セ
   ラミツク素体対向面間に外気と通気した空〓部を
   設けたことを特徴とする静電容量型湿度センサ。