JPS6130211B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型で高精度、高応答性の湿度検知素
子の製造方法に関するものである。

自然界の基礎的な諸変化量、たとえば温度、気
圧、湿度などのうちで、未だ精度の高い測定が困
難なものは湿度である反面、食品工業、農業、そ
の他多くの分野で湿度の正確で容易な測定および
その調整が必要となつてきている。

現在、電気信号として湿度を検知する方式とし
ては、塩化リチウムのような潮解性塩のイオンン
伝導の変化を利用するもの、マグネタイト、シリ
コン半導体の水分吸脱着による抵抗変化を利用し
たものが広く用いられている。

しかしながら、これらの方式のものは、いずれ
もイオン伝導を利用したものであり、分極による
経時変化が大きく、湿度以外の吸着ガスによつて
も指示値が変つてしまう。また、応答性が悪く、
ヒステリシスも大きく、測定湿度範囲が非常に限
られたものとなつていた。

他の毛髪、ナイロン、スチレンのような合成繊
維の水分吸脱着に伴なう変形を応力素子などと組
合せたものであるが、応答速度、ヒステリシス、
精度に難点がある。

また、カーボン、金属粉末などの導電性微粒子
を含んだ合成樹脂の膨潤性を利用した素子は、感
度の点で問題があり、湿度劣化も大きい。

さらに、酸化アルミニウムの細孔での水分吸脱
着を容量変化として検出する方式のものもあるが
経時変化が大きい欠点がある。

また、α線吸収透過を利用した湿度計は非常に
精度が高いが、装置が大がかりであり、また非常
に高価であり一般用としては用いることができな
いものである。

このように現在、開発され、あるいは市販され
ている湿度検知素子および装置は、精度、応答性
環境ガスの影響、測定湿度範囲、感度、耐熱性、
ヒステリシス、経時変化、取扱いの容易さ、価格
の点などでいずれも一長一短があり、全ての点で
満足できるものが存在しなかつた。

本発明は以上のような従来の欠点を除去するも
であり、小型で取扱いが容易で特性的に安定した
安価な湿度検知素子、特にその製造方法を提供し
ようとするものである。

まず最初に、本発明の湿度検知素子の基本構成
および湿度検知の原理について述べる。

第１図は本発明に係る湿度検知素子の構成拡大
図であり、タンタル、アルミニウム、ニオブ、チ
タン、ジルコニウム、ハフニウムのような弁作用
金属またはこれらの合金またはシリコン、ゲルマ
ニウムの金属基体１の表面には、誘電体性陽極酸
化皮膜２が形成され、この誘電体性陽極酸化皮膜
２上には二酸化マンガン、酸化鉛、酸化ニツケ
ル、酸化ルテニウムのような半導体性金属酸化物
膜３が形成されている。ただし、誘電体性陽極酸
化皮膜２と半導体性金属酸化物膜３とは、接触部
分５と非接触空間部４とで隣接している。そし
て、この半導体性金属酸化物膜３の上には、カー
ボン層６、および陰極集電層７が設けられてい
る。

第２図は第１図の誘電体性陽極酸化皮膜２と、
半導体性金属酸化物膜３との接触部分を拡大した
ものである。

第２図に示すように、誘電体性陽極酸化皮膜２
と半導体性金属酸化物膜３はｂで示す範囲で接触
部分５となつており、ａで示す範囲で非接触空間
部４となつている。

今、相対湿度０％の雰囲気中に本発明の湿度検
知素子を配置した場合、半導体性金属酸化物膜３
による水分吸収が０であるため、第２図の接触部
撫５のみの誘電体性陽極酸化皮膜２による静電容
量が検出できる。この時、半導体性金属酸化物膜
３は半導電性を有するため、容量取出用電極とし
ての働きをする。

次に、本発明の湿度検知素子を湿気中に配置す
ると、半導体性金属酸化物膜３が吸湿性を有する
ため、吸湿された水分が誘電体性陽極酸化皮膜２
の表面にまで達して誘電体性陽極酸化皮膜２と半
導体性金属酸化物膜３との非接触空間部４の表面
に到達する。この半導体性金属酸化物膜３の吸湿
水分量は、空気中の相対湿度に比例するので誘電
体性陽極酸化皮膜２における水分被覆率は相対湿
度に比例することになる。

このようにして、誘電体性陽極酸化皮膜２まで
到達した水分は空気中の炭酸ガス、半導体性金属
酸化物膜３中のマンガンイオン、その他の不純物
を含んでおり、それ自体電解質としての機能を持
ち、したがつて誘電体性陽極酸化皮膜２の接触部
分５と非接触空間部４中の水分による被覆部とに
よる静電容量を取出すことができる。

このように、空気中の相対湿度変化が静電容量
変化に変換される。

一般に、本発明による湿度検知素子は第３図に
示す製造工程図によつて製造され。。すなわち、
弁作用金属の金属基体の表面に誘電体性陽極酸化
皮膜を形成し、半導体性金属酸化物膜を形成し、
さらにカーボン層、および陰極集電層を順次形成
し、高温高湿処理を経て完成品となる。

ところで、陰極集電層の形成については、種々
の方法が考えられる。例えば、蒸着や溶射等によ
り金、銀、銅等の電気良導体を直接形成する方法
あるいは、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の
電気良導体の微粉末を合成樹脂中に分散させた、
いわゆる導電性ペイントにて形成する方法等が考
えられるが、一般的には取扱い操作が簡便で、安
価な後者の方法つまり導電性ペイントによる陰極
集電層の形成が使用されている。

導電性ペイントは前述のように、金、銀、白
金、銅、アルミニウム等の電気良導体をアクリル
樹脂、エポキシ樹脂、弗化ビニリデン樹脂、弗素
樹脂等のの合成樹脂中に分散させたもので、熱あ
るいは光等により合成樹脂を硬化させて導電層を
形成するものである。例えば、市販の銀ペイント
は、銀粉をアクリル樹脂中に分散させたもので、
100〜150℃において加熱硬化させるものである。

ところで、本発明に係る湿度検知素子では、陰
極集電層を形成して完成品としても湿度検知素子
としての機能を十分に満足するものが得られるが
第４図の特性Ａに示すように、高温高湿雰囲気中
に長時間放置すると容量減少する欠点があつた。

そこで、本発明は、この容量減少の欠点を除去
するために開発したもので、導電性ペイントによ
り陰極集電層を形成した後、煮沸水中に素子を10
〜180分間浸漬するものであり、第４図の特性Ｂ
に示すように高温高湿雰囲気中に長時間放置して
も容量減少の著しく小さいものを得ることができ
る。

本発明に係る湿度検知素子を高温高湿雰囲気中
に長時間放置すると容量減少を起す原因について
詳細に説明する。

上述のように導電性ペイントは媒体が合成樹脂
であり、この合成樹脂が高温高湿雰囲気中で膨潤
し、その結果、半導体性金属酸化物膜３が、誘電
体性陽極酸化皮膜２より離れるためである。つま
り、陰極集電層７、カーボン層６、半導体性金属
酸化物膜３のそれぞれの接着強度と半導体性金属
酸化物膜３と誘電体性陽極酸化皮膜２の接着強度
を比較した場合、前者の接着強度の方が後者の接
着強度よりもはるかに強く、ここのため導電性ペ
イントの吸湿により、その膨潤により非接触空間
部４が漸増し、容量が減少するのである。

したがつて本発明の製造方法のように煮沸水中
にて10〜180分間処理すれば、導電性ペイントの
膨潤が均一にしかも短時間で完了するため、その
後の容量変化が著しく小さい素子が得られる。

以上記載のように、本発明の製造方法によつて
得られる湿度検知素子は、特に経時変化が著しく
小さい長期安定な湿度検知素子であり、従来の湿
度検知素子では得られなかつた優れた効果を具備
させることができるという工業的価値の大なるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る湿度検知素子の原理構成
を示す断面図、第２図は同動作原理を示すための
要部の拡大断面図、第３図は、本発明の湿度検知
素子の製造方法における製造工程を示す工程図、
第４図は本発明の効果を説明するための容量特性
の経時変化を示す特性図である。 １……弁金属基体、２……誘電体性電極酸化皮
膜、３……半導体性金属酸化物膜、６……カーボ
ン層、７……陰極集電層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タンタル、アルミニウム、ニオブ、チタン、
   ジルコニウム、ハフニウムのような弁作用金属ま
   たはこれらの合金またはシリコン、ゲルマニウム
   の金属基体の表面に誘電体性陽極酸化皮膜を形成
   する工程と、前記誘電体性陽極酸化皮膜上に半導
   体性金属酸化物膜を形成する工程と、前記半導体
   性金属酸化物膜上にカーボン属を形成する工程
   と、前記カーボン層上に陰極集電層を形成する工
   程と、前記陰極集電層を形成した後、煮沸水中に
   浸漬する処理工程とからなることを特徴とする湿
   度検知素子の製造方法。 ２ 半導体性金属酸化物膜が二酸化マンガン、酸
   化鉛、酸化ニツケル、酸化ルテニウムの少なくと
   も１つからなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の湿度検知素子の製造方法。 ３ 陰極集電層が金属粉末を合成樹脂中に分散さ
   せたものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の湿度検知素子の製造方法。 ４ 金属粉末が金、銀、白金、銅、アルミニウム
   の少なくとも１つであることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の湿度検知素子の製造方
   法。