JPS5948637A - 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】 この発明はある湿度以上に達　したとき振動子の発振が
停止するという機能を備えた湿度センサに関するもので
ある。

湿度センサには湿度の上昇に伴って抵抗が変化するタイ
プのものと、湿度の上昇に伴って容量の変化するタイプ
のものがある。

この他、圧電振動子を用い、湿度の上昇に伴って発振が
停止するという特性を備えた湿度センサがある。

これは圧電振動子の表面に吸ｍｊｒＡを付着し、湿度の
上昇によって吸湿材の質量が増加したとぎ、発振を抑圧
覆るという現象を利用したものである。

この発明は圧電振動子を用いたタイプの湿度センサに関
し、上述したような吸湿材を用いずに発振状態の変化に
もとづいて湿度状態を検出することができる構造の簡単
な湿度センサを提供するものである。

すなわち、この発明の要旨とするところは、振動子本体
と、この振動子本体の振動を生じる部分の任意の面に形
成された圧電体と、この圧電体の上に形成された電極と
から構成された湿度センサであって、前記圧電体は格子
欠陥のものまたは原子価制御されたものからなる圧電半
導体であることを特徴とする湿度センサである。

かかる湿度センサを構成するもののうち、振動子本体と
しては板状、音叉型、音片型などがあり、後述する圧電
体、および電極を形成することにより振動させることが
できるものであれば特に形状は限定されるものではない
。

また、圧電体は上述する振動子本体の振動を生ずる部分
に形成され、振動子本体を屈曲振動させる駆動源となる
。

ここで、圧電体の種類としては、ｎｂ　−ｖｘｂ族化合
物、たとえばＺｎＯ，ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｃｄ
Ｔｅなど、ｍｂ−ｖｂ族化合物、たとえばＧａＰ、Ｇａ
Ａｓ、■ｎ１Ｓｂなど、その他にニオブ酸リチウム、タ
ンタル酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛系磁、器など
がある。

これら圧電体の形成方法としては、真空蒸着法、スパッ
タリング法、イオンブレーティング法、気相蒸着法など
がある。そのほか圧電体を振動子本体に接着してもよい
。

特にこの発明において重要な点は相対湿度がある一定値
以上になると、振動子の発振が停止することである。

つまり、圧電体であっても、化学量論的なズレによる格
子欠陥または不純物添加による原子価制御によって、禁
止帯中にドナーの不純物単位が生じることになり、半導
体的性質を帯びる一方、活性化して吸湿しやすくなり、
相対湿度の上昇に伴って抵抗値が減少するという性質が
ある。

たとえば、酸化亜鉛の場合、抵抗値が１０６Ω以下まで
下がると圧電体としての性質よりもむしろ半導体として
の性質が顕著になる。

一般に圧電性と半導体性のうちどちらの性質を示すかを
知る・には、誘電体緩和角周波数（ωＧ）を見ればわか
る。この誘電体緩和角周波数（ωＣ）は次式で表わされ
る。

ωＣ＝　σ／ε０εＰ ここで、σ：圧電４本の導電率 ε０：真空の誘電率 εＰ：圧電イ杢の誘電率 いま、対象とする角周波数（ω）がωＣ）ωになると、
自由電子のために結晶内に発生する分極が短絡されて消
滅し、圧電性を示さなくなることになる。

しがって、結晶の抵抗値が下がり、導電率が大きくなる
と、圧電体を駆動源とする振動子は発振が停止すること
になるのである。

このような圧電体の性質に着目すれば、湿度が上昇する
ことによって抵抗が減少し、振動子の発振周波数の低下
または停止につながることになり、湿度の変化を確認す
ることができるのである。

圧電体を格子欠陥状態の圧電半導体とするには、たとえ
ばスパッタリング法で圧電体を形成する場合、０２とＡ
ｒの混合比を変えるがスパッタリング時のガス圧を調整
する方法がある。また原子価制御して圧電半導体とする
には、たとえばＺｎＯについてはＡＩなど３価以上の元
素を添加する方法がある。

第１図はこの発明の一実施例にかかる概略図であり、音
叉型の振動子を発振回路に組み込んだ状態を示す。図に
おいて、１は音叉型の振動子本体であり、振動片の側面
には圧電体２が形成されており、さらに圧電体２の上に
電極３が形成されている。電極３としてはＡＬＩ、ＡＩ
などが用いられ、たとえば真空蒸着法、スパッタリング
法などの方法により形成される。電極３について吸湿性
を考慮した場合、島状あるいは網状にすることが好まし
い。

このような構成からなる音叉型の撮動子は、破線４で囲
むように公知の発振回路に接続される。

そして圧電体２の水分の吸脱着は電極３の周囲から、あ
るいは吸湿性を電極３に持たせた場合には電極３を介し
て行われる。

第２図は振動子として音片型のものを用いた例を示した
ものであり、枠体１１に支持部１２を介して支持されて
いる音片型の振動子１３の表面に、圧電体１４を形成し
、さらに電極１５を形成したものである。１６は電極１
５から枠体１２に導出した引き出し電極である。

この構成からなる音片型の振動子は図示しないが、第１
図に示したように、使用に際して発振回路に組み込まれ
る。

以下に具体的な実施例にもとづいて説明する。

まず、音叉型の振動子本体を用意した。次いで振動子本
体の振動を生ずる部分、つまり音叉脚の側面に酸化亜鉛
からなる圧電体を形成した。この酸化亜鉛の圧電体を形
成するに当っては反応性スバッタリング法を用い、真空
槽内の雰囲気をＡｒ：０２＝５０：５０とし、スパッタ
圧を５Ｘ１０２　Ｔｏｒｒとして、金属亜鉛のターゲッ
トで酸化亜鉛の膜状圧電体を形成した。その抵抗を相対
湿度３０％のときにおいて１ｘ１０８Ωとした。またこ
のときの厚みは３０μｍであった。

この湿度センサは相対湿度３０％にお【プる基準発振周
波数が約７６ＫＨ２ものである。そしてこの湿が得られ
た。また各相対湿度における圧電体の抵抗値を測定し、
その結果も第３図に合わせて示した。

第、３図から明らかなように、相対湿度６５％まで発振
周波数が減少し、相対湿度６５％で発振が停止している
。したがって、発振周波数を読み取ることによって、相
対湿度が何％かを確認することができる。

また発Ｆｉｍ４１４が相対湿度６５％で停止しているが
、そのときの抵抗値は１０６Ω付近である。これは抵抗
値が低下して誘電緩和を起こし、圧電性を示さなくなる
ことに対応している。

また第４図は酸化亜鉛の圧電体の厚みを変えたとき、各
相対湿度における発振周波数の変化を示したものである
。この第４図から明らかなにうに厚みを変えることによ
って、発振が停止する相対湿度の値を設定することがで
きる。このほかスパッタリング条件、たとえば０２対Ａ
ｒ比−スパッタリング時のガス圧を調整することに−一
って特性を変えることかできる。また不純物の添加針を
調節することによって特性を変えることができる。

したがってこの湿度センサは結露センサとしても利用可
能なものである。

上述した実施例では酸化亜鉛からなる圧電体について説
明したが、このほかの圧電体、たとえばＺｎ　Ｓ、Ｃｄ
５５Ｃｄ　Ｓｅ　、Ｃｄ　Ｔｅなどの■ｂ−■ｂ族化合
物、あるいはＧａ　Ｐ、Ｇａ　Ａｓ　、Ｉｎ５ｂなどの
Ｉｂ−Ｖｂ族化合物などを用いても、同様にして湿ｉｔ
ンザを構成することができる。

以上のようにこの発明によれば、圧電体の吸湿による抵
抗値の減少にもとづいて、誘電緩和坦象による発振の低
下または停止を利用した湿度センサであり、出力電圧変
化もしくは振動子の発振周波数の変化を読み取ることに
よって正確に相対湿度を検知することができるものであ
る。

このような機能を有する湿度センサは室内、室外の湿度
状態のみならず、電子写真複写装置、温度制御機器の湿
度状態の検知に有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略図、第２図は音
片型の振動子を示す平面図、第３図はこの発明の実施例
により得られた湿度センサの発振周波数−相対湿度特性
および圧電体の抵抗値−相対湿度特性を示す図、第４図
は圧電体の厚みを変えたときの発振周波数−相対湿度特
性図である。 １−音叉型振動子、　２−圧電体、　３−電極。 特　　許　　出　　願　　人 株式会社村田製作所 第１図 Ｌ−、−−Ｊ 第２図 ２１５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 振動子本体と、この颯動子本体の振動を生じる部分の任
   意の面に形成された圧電体と、この圧電体の上に形成さ
   れた電極とから構成された湿度センサであって、前記圧
   電体は格子欠陥のものまたは原子価制御されたものから
   なる圧電半導体であることを特徴とする湿度センサ。