JPH0517650Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本考案は、加熱抵抗線コイルに金属酸化を焼結
して感湿部を形成した湿度検出素子を用いた湿度
検出装置に関する。 （従来の技術） 空気の湿度を測定する方法として、例えば米国
特許第1855774号に示されているようにその空間
に含まれる水蒸気の量により、その空間の熱伝導
率が変わるという原理を利用したものが広く知ら
れている。 前記方法は多くの場合被測定雰囲気に配置され
る検出素子と、その素子と同じ温度−抵抗特性を
持ち既知の湿度空間に配置される参照素子をブリ
ツジ回路に組み込んで、前記ブリツジ回路の不平
衡出力を測定するという構成により実現されてい
る。 検出素子としてサーミスタや白金線等が利用さ
れている。 米国特許第4419888号に係る発明方法も前記原
理に基づくものである。 この方法は被測定雰囲気に配置されたサーミス
タ等の温度特性をもつ検出素子をその雰囲気の温
度よりも高い温度に加熱するために前記検出素子
に電流を供給する。 前記素子は前記雰囲気に含まれる水蒸気の量に
よりその抵抗値が変化させられ、その変化が検出
される。そして、その変化から雰囲気の湿度を検
出するものである。 また特公昭54−34640号は、白金線の上に
SnO₂，ZnOのようなｎ形の半導体を塗布した素
子を用いた熱線形ガス検出方法も知られている。 このガス検出器はSnO₂のような金属酸化物半
導体から成るガス検出部に可燃性ガスのような電
子供与性ガスが吸着すると、前記検出部の電子濃
度が増加し電気伝導度が増加するとともに電子濃
度の増加が熱伝導度の増加を促す。 その結果、前記検出部の温度を低下させるとい
う２つの作用によつて、検出部の中心に設置され
た白金線コイルの抵抗を低下させ、被検出ガスの
濃度を検出するものである。 （考案が解決しようとする問題点） 白金を検出素子として用いる熱伝導形湿度検出
素子の出力は、前記サーミスタ式熱伝導形湿度検
出素子よりかなり小さい。 その上、白金コイルの検出素子は約200℃の動
作温度で、熱放散が非常に鋭敏になつており、わ
ずかな機械的振動や風の影響を受け易い。 一般に前記検出素子等が雰囲気の温度よりも高
い温度になるように電流を供給しておくと感度を
向上させることができる。 しかし、白金コイルの検出素子をより高い動作
温度にすると、さらに出力が不安定になるという
問題がある。 サーミスタ式熱伝導形湿度検出でサーミスタを
200℃以上にすると自己加熱により破壊するおそ
れがある。 前述したｎ形の半導体を白金線に塗布焼結した
素子は、ガス検出を目的としているためガスには
比較的感度が高いが、湿度には感度が低く湿度検
出素子としては不適当である。 そして、金属酸化物半導体の焼結温度（800℃
〜900℃）も比較的低いため、高温多湿（例えば、
80℃，95％RH）中で動作させると、マイクロ・
クラツクが発生し、やがて大きなクラツクにまで
伸張し、抵抗値が大幅に変化するという重大な欠
点を有する。 本考案の目的は前述した熱伝導形湿度検出素子
とは全く異なる動作原理を用い、低湿度から広い
範囲の測定が可能で、機械的振動等の環境変動に
強い湿度検出装置を提供することにある。 （問題点を解決するための手段） 前記目的を達するために本考案による湿度検出
装置は、加熱抵抗線コイルおよび前記コイルの両
端を露出させて前記コイルに焼結させられた金属
酸化物の感湿部からなる湿度検出素子と、前記コ
イルに通電して前記感湿部の温度を被測定雰囲気
の温度よりも上昇させる加熱手段と、被測定雰囲
気に含まれる湿度により変化する前記コイルの両
端間の抵抗変化を検出する抵抗変化検出手段から
構成されている。 この湿度検出素子は、被測定雰囲気よりも高い
ある一定の温度に加熱された状態において、前記
焼結により形成された感湿部のバルクの抵抗が雰
囲気の水分を吸着することにより減少させられ
る。その結果は、前記コイルの両端の抵抗変化と
して検出される。 この抵抗値の減少は、Ａ₂O₃を主体とした感
湿材料部分に水の分子が吸着され、結晶粒界で解
離されプロトンを供給し電解質層を形成し、感湿
部の電気伝導度を上げるものである。 つまり電荷のキヤリヤは、正のイオンであり、
従来提案されていた素子とは、抵抗を変化させる
機構が異なる。 （実施例） 以下図面等を参照して本考案をさらに詳しく説
明する。 第１図は、本考案による装置で使用する湿度検
出素子の実施例を示す図である。 絶縁構造のステム３には、端子ピン４および５
が植立されている。 直径が0.05mmの白金線をコイル径0.5mmで均一
なピツチで17回（コイル部の長さ2.5mm）巻いて、
加熱抵抗線コイル１を形成する。 感湿度部の材料として、金属酸化物粉末、Ａ
_２O₃，SnO₂，ZnO，TiO₂，MgOの５種類を用意
して、Ａ₂O₃に対してSnO₂，ZnO，TiO₂，
MgOの内から選んだ１種以上の金属酸化物を考
案の詳細な説明の末尾に示す表−１の示す12種類
の重量比で配合を行う。またＡ₂O₃のみのもの
も用意する。 それぞれを感湿部の材料として、純水で溶き直
接前記白金コイル１に塗布し、自然乾燥の後、約
1000℃で仮焼し、感湿部を形成する。 感湿部の外径は、直径1.2mm，長さ3.0mmの円筒
状である。 絶縁構造のステム３には、端子ピン４および５
が、植立されている。 前記感湿部の形成された白金コイル１の両端
を、端子４，５の上端に電気溶接等で固定する。 前記固定後、白金コイル１に通電して白金コイ
ル１の平均温度を1250℃に保ち、金属酸化物２を
さらに強固に焼結させる。 前記ステム３に孔のあいたキヤツプ６を封着し
13種類（No.１〜13）の湿度検出素子７を形成す
る。なお試料No.13は加熱抵抗線コイルにＡ₂O₃
のみを焼結したものである。 試料No.14は加熱抵抗線コイルのみのもので、従
来の白金線感湿素子に対応するものを用意した。
以上のようにして形成された感湿素子を第２図に
示すブリツジ回路を用いて評価する。 なおこのブリツジ回路は現実の湿度測定回路と
して利用することができるものであり、本考案に
よる湿度検出素子をこの回路に組み込んだものは
本考案による湿度検出装置の第１の実施例を形成
する。 この評価のために前記湿度検出素子７の金属酸
化物２を強固に焼結させるまでは、同様の工程で
素子を形成した同一種類の参照素子を同様に13種
類用意する。 そして、この素子を露点が約−45℃の乾燥空気
中で素子を密封キヤツプで封止し参照素子８とす
る。 さらに比較のために、試料NO.14に対しても、
同様な参照素子を用意する。 2.0Vの電源１１に湿度検出素子７と参照素子
８を直列に接続し、さらにブリツジ辺を形成する
それぞれ略1KΩの抵抗値をもつ抵抗９と１０の
直列回路を接続する。抵抗９，１０は各々1KΩ
を中心に各素子の抵抗値に合わせ微調するもので
ある。 湿度検出素子と参照素子には約240mAの電流
が供給され、各素子は約400℃に加熱されている。 なおこのとき、湿度検出素子７と参照素子８は
均熱板等により熱的に結合させて、同一温度にな
るように支持する。 前記第２図の測定回路において、各参照素子８
は露点約−45℃の乾燥空気中で封止されており、
飽和絶対湿度は約0.1g／m³でこの値を標準状態と
し、湿度検出素子がこの状態にあるときにブリツ
ジが平衡（出力が０）となるようにブリツジの抵
抗辺を調整する。 第２図に示すブリツジ回路において、表−１の
試料No.５の材料 Ａ₂O₃：SnO₂：MgO＝２：１：１ を用いた湿度検出素子と参照素子を接続したとき
の出力を第３図に示す。 第３図中、曲線Ａ，Ｂ，Ｃは外気温が各々20
℃，80℃，100℃のときの出力電圧を示す。 第３図から、湿度検出素子７の抵抗値は湿度の
増加に対して減少していることがわかる。 試料No.14に示す白金コイル（従来の白金線感湿
素子に相当）の平均温度を約400℃まで上昇させ、
その出力特性を測定した結果を第３図曲線Ｄで示
す。 なおこのとき抵抗９，１０は各々1.000KΩ，
1.051KΩ、電源E₁は1.7Vであつた。 参照素子８は露点が約−45℃の乾燥空気中で密
封されている。外気温は80℃である。 第２図Ｄに示すように、白金の自己加熱温度を
400℃に上げれば、出力は非常に大きくなり、か
つ低湿度から連続して測定できる範囲は約
250g／m³となる。 これは200℃で動作させたときの1.7倍である。
しかしながら、400℃とかなり高温まで加熱され
た白金コイルは、熱放散が非常に鋭敏になり、わ
ずかな機械的振動や風の影響で、熱放散の状態が
変化しブリツジのゼロバランスや出力電圧の安定
さに欠ける。そのため、極めて環境変動の影響を
受け難い収納ケースを用意する必要があり、小形
化や低廉化が困難である。 前記表−１に示された各試料につき、前記第２
図に示す測定回路で外気温80℃，絶縁湿度
240g／m³一定とし、感湿部の動作温度を400℃に
したときのブリツジ出力を表−１に示す。 試料No.５，６は、試料No.14よりも大きい感度を
示している。 金属酸化物焼結体による表面積の拡大にもかか
わらず、白金コイル単体（試料No.14）の出力より
も低いものがある。 このことは、本考案の湿度検出素子が単に乾燥
空気と湿り空気の熱伝導度の偏差のみを検出する
ものではなく、電気伝導度の出力に寄与する割合
が大きいことを示している。 次に前記試料No.５の可燃性ガスに対する反応を
検討する。 前記ブリツジ回路を用いると、イソ・ブタン２
％の濃度で−35.0mVと、湿度に対するとは逆方
向の出力が得られる。なお、動作温度は400℃で
ある。 これは可燃性ガスに対しては、明らかに触媒の
作用をし、接触燃焼が起こり感湿部の温度が上昇
していることを意味する。 SnO₂やZnOの金属酸化物半導体の作用は可燃
性ガスに対しては無効であり、湿度に対して有効
であるという、本考案特有の性質を明確にしてい
る。 第２図の測定回路で、最初に抵抗９，１０を微
調整して、ゼロバランスをとつた後、湿度変化に
よるゼロバランスのドリフトは±1mV程度であ
り顕著な温度補償効果を与えることもできる。 第３図のブリツジ出力の曲線から、温度依存性
も極めて少ないことが理解できる。 第２図の測定回路で各試料の応答速度を測定し
た結果、吸着時は４〜９秒、離脱時は７〜12秒と
速く吸脱着の出力差、いわゆるヒステリシスも極
めて少ないことが確認できた。 前記参照素子８は湿度係数や熱放散定数を一致
させた抵抗測温体やサーミスタ測温体でも、ブリ
ツジの適切な箇所に挿入すれば、十分温度補償は
可能である。 第２図の測定回路において、電源１１の電圧を
変え、湿度検出素子７と参照素子８の動作温度を
変えたとき、ブリツジ出力がどのように変化する
か測定したものを第４図に示す。 被測定雰囲気の条件は、80℃，240g／m³一定
であり、試料としてNo.５の湿度検出素子７と参照
素子８を用いた。 第４図によれば、湿度検出素子７の動作温度は
400℃程度にすれば十分大きな出力が得られるこ
とが理解できる。 また、湿度検出装置は前記ブリツジ回路ではな
く、湿度検出素子の抵抗変化の情報と雰囲気温度
の情報を取り込むことによつても実現できる。 第５図は、本考案による湿度検出装置の第２の
実施例を示すブロツク図である。 湿度検出素子７と温度センサ２３は、被測定雰
囲気内に収容されている。 温度センサ２３により取り込まれた雰囲気の温
度ｔの情報はマイクロプロセサ２４に入力されデ
イジタル変換される。 湿度検出素子７と抵抗２２は直列に接続され、
電源２５から直流電圧が供給されている。 抵抗２２は先に説明した参照素子のように温度
補償機能を持つものではない。そのため、抵抗２
２の両端の電圧は温度依存性を示すことになる。 この温度依存分は、下記の白金測温体の温度抵
抗特性の一般式で近似できる。 Rt＝R₀（１＋αt−βt²） マイクロプロセサ２４の記憶領域に前記R₀，
α，βを入力しておいて、前記温度センサ２３に
より得られた雰囲気の温度ｔによりRtを演算し
て、前記抵抗２２から取り込まれたデータから温
度依存分を加減算して、湿度のデータを得る。 前記温度と湿度のデータに基づいて、種々の演
算を行うことにより、絶対および相対湿度、露
点、混合比等の表示データを得る。 また、前記演算結果と制御目的値とを比較する
ことにより、容易に湿度制御器を実現できる。 （変形例） 以上詳しく説明した実施例について、本考案の
範囲内で種々の変形を施すことができる。 湿度検出素子および参照素子の加熱抵抗線コイ
ルとして白金線の例を示した。 本考案において、前記コイルは、素子を一定の
温度に保つ抵抗線として用いるのみならず、熱伝
導も電気伝導も検出するために用いるので、温度
−抵抗特性を有する高温で酸化し難い金属線また
は貴金属合金線（例えば白金や白金イリジユーム
線）が大きな出力を得るために必要である。 前記第２図の測定回路において、参照素子８は
露点約−45℃の乾燥空気中で封止されており、飽
和絶対湿度は約0.1g／m³でこの値を標準状態と
し、それからの偏差を測定しているわけである
が、参照素子８が配置される雰囲気内の湿度を任
意に設定し、その点からの偏差量を測定すること
も可能である。 また、第２図のブリツジ回路からの出力を電圧
計や電流計に接続すれば湿度の偏差を測定できる
し、外気温を検出する測温体からの信号を、関数
演算処理することにより絶対湿度計、相対湿度
計、露点計、混合比計等を実現できることは明ら
かである。 また、前記ブリツジ回路の出力や前記計測器の
適切な箇所に電圧比較器を設ければ容易に、湿度
制御器を実現できる。 （考案の効果） 以上詳しく説明したように、本考案による、湿
度検出装置は、加熱抵抗線コイルおよび前記コイ
ルの両端を露出させて前記コイルに焼結させられ
た金属酸化物の感湿部からなる湿度検出素子と、
前記コイルに通電して前記感湿部の温度を被測定
雰囲気の温度よりも上昇させる加熱手段と、被測
定雰囲気に含まれる湿度により減少する前記コイ
ルの両端間の抵抗変化を検出する抵抗変化検出手
段から構成されている。 前記金属酸化物としてＡ₂O₃またはＡ₂O₃
にSnO₂，ZnO，TiO₂，MgOより成る群の中から
少なくとも一種の金属酸化物を混合し加熱抵抗線
コイルに焼結し、例えば約400℃で動作させると、
湿度の変化に対して、白金式熱伝導形湿度検出素
子と同等またはそれ以上の出力が得られる。 金属酸化物を、加熱抵抗線コイルに高温で強固
に焼結しているので、400℃程度の温度で動作さ
せても機械的振動や、風の影響によるゼロバラン
スや出力電圧の安定性が極めて優れている。 前記焼結の温度を平均1250℃という極めて高温
にすると、高温多湿中で動作させても金属酸化物
焼結体にマイクロ・クラツク等は発生せず、極め
て高い信頼性を得ることができる。 湿度検出素子の動作温度を約400℃程度の高温
にすることにより、水蒸気の吸脱着が容易で応答
速度が速くヒステリシスを非常に小さくすること
ができる。 動作温度を約400℃以上にすることができるか
ら、汚れは常に燃焼してしまうので、特別なクリ
ーニングは必要でなく再現性のよい検出を行うこ
とができる。

【表】 なお試料No.13は加熱抵抗線コイルにＡ₂O₃の
みを焼結したもの、 試料No.14は加熱抵抗線コイルのみのもので、従
来の白金線感湿素子に対応するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による湿度検出装置で使用する
湿度検出素子の実施例を示す断面図である。第２
図は本考案による湿度検出素子および熱線式熱伝
導形湿度検出素子の湿度測定の実施例を示す回路
図である。第３図は本考案による湿度検出素子と
白金式熱伝導形湿度検出素子の出力特性を示すグ
ラフである。第４図は本考案による湿度検出素子
の動作温度に対する出力特性を示すグラフであ
る。第５図は本考案による湿度検出装置の第２の
実施例を示すブロツク図である。 １……加熱抵抗線コイル、２……金属酸化物焼
結体、３……ステム。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 加熱抵抗線コイルおよび前記コイルの両端を
   露出させて前記コイルに焼結させられた金属酸
   化物の感湿部からなる湿度検出素子と、前記コ
   イルに通電して前記感湿部の温度を被測定雰囲
   気の温度よりも上昇させる加熱手段と、被測定
   雰囲気に含まれる湿度により減少する前記コイ
   ルの両端間の抵抗変化を検出する抵抗変化検出
   手段から構成した湿度検出装置。 (2) 前記金属酸化物はＡ₂O₃またはＡ₂O₃に
   SnO₂，ZnO，TiO₂，MgOより成る群の中から
   少なくとも一種の金属酸化物を混合したもので
   ある実用新案登録請求の範囲第１項記載の湿度
   検出装置。 (3) 前記加熱抵抗線コイルは、温度−抵抗特性を
   有し、高温で酸化し難い金属線または貴金属合
   金線からなる実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の湿度検出装置。 (4) 前記湿度検出素子は被測定雰囲気内において
   通電加熱され、前記雰囲気の水の分子が、結晶
   粒界で解離されプロトンを供給し電解質層を形
   成し、感湿部の電気伝導度を上げるものである
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の湿度検出
   装置。 (5) 前記湿度検出素子は被測定雰囲気内において
   通電加熱され400℃程度にして動作させられる
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の湿度検出
   装置。 (6) 前記加熱手段と前記抵抗変化検出手段は、既
   知の雰囲気に配置された前記湿度検出素子と同
   一の参照素子を含むブリツジ回路と電源装置か
   ら形成されている実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の湿度検出装置。 (7) 前記抵抗変化検出手段は被測定雰囲気内に配
   置された前記湿度検出素子からの雰囲気温度の
   影響下にある出力と雰囲気温度の温度センサか
   らの出力から湿度による抵抗変化を演算するマ
   イクロプロセサである実用新案登録請求の範囲
   第１項記載の湿度検出装置。