JPH0943185A - 湿度センサー素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲の湿度領域において測定可能であり、
高精度、高感度および速い応答速度で湿度を検出するこ
とのできる湿度センサー素子を提供する。 【解決手段】 直径２０オングストローム以下のミクロ
ポアの占める容積が全細孔容積の８５％以上であり、全
細孔容積が０．５cc/g以上の気孔性状を有する活性炭素
繊維からなる湿度センサー素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低湿度から高湿度
まで広い湿度領域において測定可能であり、高精度、高
感度で湿度を検出することのできる湿度センサー素子に
関する。

【０００２】湿度センサーは水分の吸着とそれによる物
理的変化とを組み合わせて湿度を検出するものであり、
古くは毛髪の吸脱湿による伸縮を利用した湿度センサー
が知られている。しかしながら、この湿度センサーは測
定感度が十分でなく、また吸脱湿時のヒステリシスが大
きいなどの欠点があるため、その後数多くの湿度センサ
ー用の検出素子が開発されている。

【０００３】

【従来の技術】従来、検出素子としては電解質系、金属
系、高分子系、セラミックス系などが知られている。こ
のうちセラミックス系は金属酸化物を主体とした焼結体
であり熱的、物理化学的に安定なため適当な気孔と表面
積をもつ多孔質焼結体が多く使用されている。該セラミ
ックス系湿度センサーは、使用可能な温度範囲が広
い、湿度測定範囲が広い、応答速度が速い、材料
が安価である、などの特徴があるが、高湿度においては
ドリフトが大きく、化学吸着によるセンサーの劣化や経
時変化の影響を除くためセンサー素子を加熱処理して化
学吸着した水を脱離させたり、あるいはセンサー素子面
にコーティング処理を施すなどの処置が必要となる難点
がある。

【０００４】高分子系湿度センサーは、感湿高分子膜の
水和膨潤や吸湿による電気抵抗、誘電率などの変化から
湿度を検出するもので、ポリスチレンスルフォン酸、ア
ルギン酸、ポリアクリル酸、セルロース系高分子膜など
の検出素子材が開発されている。しかしながら、高湿度
雰囲気中で長期間の安定使用に耐えられるものは未だ開
発されていない。また、塩化リチウムなどの電解質水溶
液を多孔質マトリックスに含浸させた検出素子は高湿状
態で長時間使用したり、結露させると塩化リチウムが流
出して使用不能となる欠点がある。

【０００５】更に、活性炭素繊維を担体として吸湿性物
質を担持させた湿度センサーも開発されており、特公昭
６１−２２８９８号公報には、平均直径が１０〜５０オ
ングストロームの細孔を有する繊維状活性炭に吸湿性物
質を担持させた湿度センサーが提案されている。この湿
度センサーは特定の細孔分布を有する繊維状活性炭にエ
チレングリコール、トリエチレングリコールなどの有機
吸湿性物質、塩化リチウム、塩化マグネシウムなどの無
機吸湿性物質を担持させたものであり、吸湿に伴う電気
抵抗の変化を測定して湿度を検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この活性炭
素繊維系の湿度センサーは高湿度雰囲気や高温雰囲気中
で長時間使用すると吸湿性物質の潮解による流出や変質
が生じて、精度よく高感度で湿度測定をすることができ
ない問題点がある。

【０００７】このように吸湿性物質の材質性状によって
湿度センサーの機能低下が生じる難点に鑑み、本発明者
は吸湿性物質を使用することなく活性炭素繊維の気孔性
状と水分の吸湿、脱湿特性との関係について鋭意研究し
た結果、特定の気孔性状を有する活性炭素繊維を検出素
子として用い、吸湿水分の吸脱着による電気抵抗の変化
を測定することにより長期に亘り安定で高精度、高感度
で湿度を検出できることを見出した。

【０００８】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
ので、その目的は、低湿度から高湿度まで広範囲の湿度
測定が可能で、応答速度、高温安定性、経時安定性に優
れ、高精度、高感度で湿度を検出することができる湿度
センサー素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記目的を達
成するための本発明による湿度センサー素子は、直径２
０オングストローム以下のミクロポアの占める容積が全
細孔容積の８５％以上であり、全細孔容積が０．５cc/g
以上の気孔性状を有する活性炭素繊維からなることを構
成上の特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】活性炭素繊維は、炭素繊維を酸化
性ガス雰囲気中で賦活処理する方法や有機質前駆体繊維
を酸化性ガス雰囲気中で炭化する方法により細孔を生成
させたもので、この細孔により大きな吸着性能を付与す
ることができるので各種吸着材として用いられている。

【００１１】この活性炭素繊維を湿度センサー素子とし
て利用するためには水分の吸着と吸着された水分が容易
に除去されること、すなわち吸湿と脱湿が円滑に行われ
ることが必要である。また、水分の吸脱着による電気抵
抗の変化が大きく、多量の水分を吸着できること、水分
の吸脱着が不可逆吸着（化学吸着）でないことも重要な
要素となる。

【００１２】本発明で特定した気孔性状のうち、直径２
０オングストローム以下の微小なミクロポアは水分を迅
速に吸湿および脱湿するために有効機能する。この直径
２０オングストローム以下のミクロポアは、その容積が
全細孔容積の８５％以上の割合で存在することが必要で
ある。大きな直径の細孔が多く存在すると水分の吸脱着
が円滑均等に進行し難くなり、水分吸着に伴う電気抵抗
変化のばらつきが生じ易くなるが、直径２０オングスト
ローム以下のミクロポアの占める容積を全細孔容積の８
５％以上の気孔性状とすることにより水分を円滑均等に
吸脱着させることができる。その結果、水分の吸脱着に
よる電気抵抗変化のばらつきを減少し、精確に湿度変化
を測定することができる。更に、高湿度雰囲気ばかりで
はなく、吸着水分量の少ない低湿度雰囲気中においても
吸湿水分はこのミクロポアの気孔中に迅速均等に吸着さ
れるので、精確に湿度を測定することが可能となる。

【００１３】また、気孔性状として全細孔容積が０．５
cc/g以上であることが必要である。全細孔容積が０．５
cc/g未満であると、吸着し得る水分量が少ないので高湿
度雰囲気中において長時間の測定を行うと細孔内が吸着
水分により飽和して湿度測定が不能になるためである。

【００１４】本発明の気孔性状を有する活性炭素繊維
は、焼成してガラス状カーボン質に転化するフェノール
樹脂やフラン樹脂などを溶融紡糸した有機質前駆体繊維
を非酸化性雰囲気中で焼成炭化処理したガラス状カーボ
ン繊維を賦活処理することにより製造することができ
る。

【００１５】この場合、有機質前駆体繊維の焼成炭化処
理は窒素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガス雰囲気
中１０００℃以下の温度、好ましくは９００℃以下の温
度で熱処理することによりガラス状カーボン繊維を作製
する。焼成炭化温度が１０００℃を越えるとガラス状カ
ーボン繊維の半導体的性質が弱くなり、水分吸着による
電気抵抗変化を測定することが困難となり、更に、次段
の賦活処理時にガラス状カーボン繊維の表面に直径２０
オングストローム以下の微細なミクロポアを形成するこ
とが困難となる。

【００１６】賦活処理はガラス状カーボン繊維を空気、
炭酸ガス、水蒸気あるいはオゾンなどの酸化性ガス雰囲
気中で加熱処理する通常の方法を適用することができ、
気孔性状は加熱処理の温度、昇温速度および加熱時間な
どを調整することにより制御される。好ましい賦活条件
は加熱温度８００〜１０００℃、昇温速度１００〜３０
０℃/hr 、加熱時間１〜３hrである。このようにして本
発明で特定する気孔性状を備えた活性炭素繊維が製造さ
れる。

【００１７】本発明で特定した気孔性状のうち、直径２
０オングストローム以下のミクロポアの占める容積が全
細孔容積の８５％以上という性状は微細な気孔が多く分
布することにより特徴付けられるもので、この微細な気
孔により吸湿時に水分を迅速かつ均等に吸着することが
できる。したがって、吸湿による電気抵抗は正確かつ速
やかに変化し、その結果応答速度が早く高精度、高感度
で湿度を検出することが可能となる。

【００１８】また、焼成炭化後に賦活処理するので形成
される細孔構造が複雑化せず、シンプルな形状であるた
めに水分の吸着および脱着は円滑に行われ、更に活性炭
素繊維の水分吸着は物理吸着が支配的で、化学吸着は殆
ど起こらないので吸脱着に伴うヒステリシスを生じるこ
となく、再現性よく湿度を検出することができる。

【００１９】更に、全細孔容積が０．５cc/g以上の気孔
性状により水分の吸着容量が大きく高湿度雰囲気中にお
いて長時間の測定が可能であり、また微小なミクロポア
が多く分布する細孔性状により低湿度領域においても迅
速、均等に水分吸着が起こるので低湿度雰囲気において
も高精度、高感度で湿度検出が可能となる。したがっ
て、低湿度から高湿度まで広い範囲の湿度を測定するこ
とができる。

【００２０】本発明の湿度センサー素子は、このような
気孔性状を有する活性炭素繊維により構成されているの
で高温かつ腐食性ガス雰囲気中においても安定で、低湿
度から高湿度まで広範囲の湿度測定が可能であり、応答
速度、高温安定性、経時安定性に優れ、高精度、高感度
で湿度を検出することができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００２２】実施例１〜５、比較例１〜５ フェノール樹脂繊維〔群栄化学（株）製カイノール繊維
KR0240 〕を窒素ガス雰囲気中で熱処理温度を変えて焼
成炭化し、ガラス状カーボン繊維を作製した。次いで、
このガラス状カーボン繊維を炭酸ガス中で加熱して賦活
処理した。賦活処理は加熱温度、昇温速度および加熱時
間を調整して行い、気孔性状の異なる活性炭素繊維を製
造した。なお、気孔性状は水銀圧入法により測定した。
このようにして得られた活性炭素繊維の気孔性状を処理
条件と対比して表１に示した。

【００２３】

【表１】 （表注）*1〔（直径２０オングストローム以下のミクロポア容積）÷（全細孔容 積）〕×１００

【００２４】これらの活性炭素繊維を検出素子として湿
度センサーを組立て、湿度の異なる恒湿槽内にセット
し、１分間経過後の電気抵抗を測定して、その結果を表
２に示した。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２の実施例１および比較例３について、
図１に相対湿度（％）と電気抵抗（Ω）との関係をグラ
フで示した。図１から実施例１は低湿度から高湿度まで
広い湿度範囲に亘って湿度による電気抵抗変化が大き
く、良い相関を示しているが、比較例３では湿度による
電気抵抗の変化量が小さく、吸着時に平衡状態に達する
のに時間がかかり湿度センサー素子として感度が悪いこ
とが判る。

【００２７】次に、湿度センサーとしての応答性能およ
び再現性を評価するために次の方法により吸脱着に伴う
電気抵抗の変化を測定した。湿度センサーを湿度１０％
に調節したデシケーター中に入れ平衡状態に達したの
ち、湿度９８％に調整された水を張った密閉容器中にセ
ットし１０分間保持した。次いで、湿度センサーを前記
デシケーター中に戻して１０分間保持した。この操作サ
イクルにおいて密閉容器中（吸着過程）およびデシケー
ター中（脱着過程）に保持した際の電気抵抗の経時変化
を測定した。

【００２８】表１の実施例１と比較例３の活性炭素繊維
を検出素子として組み立てた湿度センサーを用いて、上
記方法により吸脱着に伴う電気抵抗を測定して、吸着時
間および脱着時間と電気抵抗の変化を図２に示した。図
２から実施例１の活性炭素繊維を検出素子とした場合に
は吸着過程において速やかに水分吸着が起こるために急
激に電気抵抗が低下し吸着時間１分以内に平衡状態に達
し、また、脱着過程では吸着水分の脱離が速やかに進行
して電気抵抗が増大し、同様に１分以内で平衡状態にな
り、平衡後の電気抵抗の変動も認められない。すなわ
ち、測定値のばらつきが少なく、応答性能も優れている
ことが判る。更に、吸脱湿に伴う電気抵抗変化量が大き
いので高精度、高感度で湿度を検出することができた。
これに対し比較例３の活性炭素繊維を検出素子とした場
合には吸着過程、脱着過程とも平衡状態に達する時間が
長くなるうえ、平衡時の電気抵抗変化量も小さく応答性
能および検出精度が劣ることが判明する。

【００２９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば特定の気
孔性状を備えた活性炭素繊維を湿度センサー素子として
用いることによって、水分の吸着および脱着が迅速、円
滑に起こり、応答速度が速く高精度、高感度に湿度を検
出することができる。更に低湿度から高湿度まで測定可
能な湿度範囲が広く、また高温、腐食性ガス雰囲気中に
おいても長期間安定使用が可能であるので、湿度センサ
ー素子として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】相対湿度と電気抵抗との関係を示すグラフであ
る。

【図２】吸着時間および脱着時間と電気抵抗との関係を
示すグラフである。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年９月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径２０オングストローム以下のミクロ
   ポアの占める容積が全細孔容積の８５％以上であり、全
   細孔容積が０．５cc/g以上の気孔性状を有する活性炭素
   繊維からなることを特徴とする湿度センサー素子。