(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型湿度センサが発振周波数を決定するように接続された方形波発振回路の方形波出力が積分回路に導かれ、更に前記積分回路の三角波出力がピークホールド回路に接続されてなる静電容量型湿度変換器において、
前記静電容量型湿度センサの測定湿度が最大のとき、前記方形波発振回路の方形波出力と前記積分回路の三角波出力とが略同相となるように前記積分回路の時定数が選択されたことを特徴とする静電容量型湿度変換器。
【請求項２】
請求項１記載の静電容量型湿度変換器において、前記静電容量型湿度センサは、シリコン基板上にポリイミド樹脂、上部電極層が順次積層され、前記シリコン基板と前記上部電極層からリード線が取り出されたものから構成されていることを特徴とする静電容量型湿度変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型湿度センサの湿度変化に対する容量変化を電圧の変化として取り出す静電容量型湿度変換器に係り、特に、民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を有し、且つコストパフォーマンスに優れたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家屋やビル内、車両室内などでは、快適空間を実現するために希望する温度となるように空調制御がなされていた。しかし、更なる快適性の実現と省エネルギーを両立させるためには、温度の検知ばかりでなく、精度の高い湿度の検知が重要な要素である。
【０００３】
湿度センサとしては、従来、様々な構成のものが提案されているが、それらの中でも、例えば、工業計測用として使用されている静電容量型湿度センサは、低湿度側での測定範囲、直線性、温度特性、ヒステリシス特性、応答時間等の各特性において抵抗型湿度センサよりも著しく優れているため、民生機器の分野でも非常に注目されるようになってきている。また、それに伴って、静電容量型湿度センサの湿度変化に対する容量変化を電圧の変化として取り出す静電容量型湿度変換器としても、民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を兼ね備え、価格の安価なものが強く望まれている。
【０００４】
静電容量型湿度変換器として良く知られているものに、例えば、交流ブリッジ回路を用いたものがある。また、最近では、デジタル技術に基づいたスイッチングキャパシタを用いた電荷平衡型の変換器も実現されている。しかしながら、これらの湿度変換器はいずれも、工業計測用や計測機器用として開発されたものであるため、高精度であるものの、回路構成が複雑でコスト面で民生機器には適していない。
【０００５】
一方、民生機器として要求されるレベルの精度を有し、且つ、比較的安価な静電容量型湿度変換器としては、以下のものがある。
（ａ）静電容量型湿度センサが接続された方形波発振回路の方形波出力を、ＦＭ検波した後平滑し、周波数の変化を電圧として取出す周波数−電圧変換回路で構成された静電容量型湿度変換器。
（ｂ）方形波発振回路の第１の方形波出力に同期して動作する、静電容量型湿度センサが接続された単安定マルチバイブレータの第２の方形波出力を平滑し、前記第２の方形波出力のパルス幅の変化を電圧として取出すパルス幅−電圧変換回路で構成された静電容量型湿度変換器。
（ｃ）静電容量型湿度センサがＣＲタイミング回路の容量成分Ｃとして接続された無安定マルチバイブレーターの方形波出力を、アクティブローパスフィルタに通過させることにより、前記アクティブローパスフィルタのカットオフ領域のリニアなディレイティング特性を利用して前記無安定マルチバイブレーターの周波数の変化を電圧として取出す周波数−電圧変換回路で構成された静電容量型湿度変換器。（実公平８−８４４５号公報参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の静電容量型湿度変換器においては、次のような問題点があった。まず、(ａ)の湿度変換器の場合は、精度の割りに回路構成が複雑でるため、コスト面で民生機器には適していない。（ｂ）の湿度変換器の場合は、方形波出力を平滑したときにリップルが残留する欠点があり、このリップルを低レベルに抑えるために平滑コンデンサとして高容量のものを使用する必要がある。しかし、高容量の平滑コンデンサは価格が高い上に温度特性が悪く、また周波数特性にもバラツキがあるため、安定性に不安がある。（ｃ）の湿度変換器の場合は、比較的少ない部品点数で民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を実現しているのであるが、アクティブローパスフィルタのカットオフ周波数の設定と調整には複数の部品の値を同時に変更する必要があるため、容量の異なる静電容量型湿度センサを用いる場合の設計と調整に長時間を要してしまう。また、アクティブローパスフィルタを構成するためにオペアンプが最低１つ必要となる上、受動部品にも精度が高く周波数特性が良いものを使用する必要があるため、部品のコストが高く民生機器用としても用途が限られてしまう。
【０００７】
本発明はこのような点に基づいてなされたもので、その目的とするところは、民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を有し、且つコストパフォーマンスに優れた静電容量型湿度変換器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく本発明による静電容量型湿度変換器は、静電容量型湿度センサが発振周波数を決定するように接続された方形波発振回路の方形波出力が積分回路に導かれ、更に前記積分回路の三角波出力がピークホールド回路に接続されてなる静電容量型湿度変換器において、前記静電容量型湿度センサの測定湿度が最大のとき、前記方形波発振回路の方形波出力と前記積分回路の三角波出力とが略同相となるように前記積分回路の時定数が選択されたことを特徴とするものである。
この際、前記静電容量型湿度センサは、シリコン基板上にポリイミド樹脂、上部電極層が順次積層され、前記シリコン基板と前記上部電極層からリード線が取り出されたものから構成されていることが考えられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記の構成の静電容量型湿度変換器において、静電容量型湿度センサがオペアンプまたはコンパレータの反転入力端子に接続された方形波発振回路の方形波出力のパルス幅は、静電容量型湿度センサの静電容量に比例したものが得られる。一方、上記静電容量型湿度センサは湿度の変化に対して静電容量が比例して変化する特性を有するため、静電容量型湿度センサの測定湿度が最大のとき（静電容量が最も大きいとき）、得られる方形波出力のパルス幅は最大になる。この方形波出力は、コンデンサＣと抵抗Ｒからなる時定数が適切に選択された積分回路に入力されることにより、前記方形波出力と略同相の三角波出力が得られる。この三角波出力のピーク電圧はパルス幅が最大のとき、即ち測定範囲で最も高湿のとき、最大となる。
【００１０】
一方、前記積分回路における三角波出力の上昇方向の傾きは、時定数によって一定になっているため、測定範囲内で低湿になるに従い、前記積分回路の三角波出力のピーク電圧は湿度に比例して低下する。従って、湿度の変化に比例した前記積分回路の三角波出力のピーク電圧が得られることになる。
【００１１】
前記三角波出力は、次段に三角波出力のピーク電圧を記憶するピークホールド回路を接続することにより、ピーク電圧に応じた直流電圧を得ることができる。尚、前記方形波出力のパルス幅が変化してもデューティは１／２のままなので、三角波出力を単に平滑して直流電圧に変換しても、三角波出力のピーク電圧によらず常に一定の直流電圧しか得ることができない。更に、前記ピークホールド回路に接続する最終段にはオフセットアンプを使用することにより、例えば０〜１Ｖ等の区切りの良い出力を得ることができる。
【００１２】
本発明において使用される静電容量型湿度センサは、例えば、特開平４−２５０３５１号公報（特許第３０７８５８７号）に示されているように、シリコン基板上にポリイミド樹脂、上部電極層が順次積層され、前記シリコン基板と前記上部電極層からリード線が取り出された構造のものである。そして、この湿度センサは以下に示すような特徴を有している。
（１）相対湿度に対する静電容量の直線性が良い。
（２）容量値に対する容量変化を比較的大きくとれる。
（３）結露に対する変動が少ない。
（４）温度依存性が著しく小さい。
【００１３】
本発明の静電容量型湿度変換器は、上記のような優れた特徴を有する静電容量型湿度センサと組み合わせることで、簡単な回路構成であっても、民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を有し、コストパフォーマンスにも優れたものとなる。
【００１４】
尚、方形波発振回路は、オペアンプやコンパレータを使用するものに限定されず、タイマ専用ＩＣを用いても良い。積分回路に使用するコンデンサは、温度係数に気を付け、誘電吸収の少ないものを選択することが望ましい。例えば、更にサーミスタを用いた温度補償回路を付加することにより、一層温度特性を向上させることができる。ピークホールド回路は、ホールドコンデンサからのリークを防ぐために、入力インピーダンスの高いバッファアンプを設けることが望ましい。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明による静電容量型湿度変換器の一実施例を示す説明図である。図１において、左側は静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）が接続された方形波発振回路であり、符号Ｕ１はオペアンプ（μＰＣ３５８Ｃ：ＮＥＣ製）であり、片電源動作とする。オペアンプＵ１の出力からは抵抗Ｒ４を介して静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）の一方の端子に接続されるとともにオペアンプＵ１の反転入力端子に接続される。静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）の他方の端子はグランドに接続される。また同時に、オペアンプＵ１の出力からは、抵抗Ｒ３を介して、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続されるとともにオペアンプＵ１の非反転入力端子に接続され、所謂ヒステリシス回路を構成している。静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）が接続された方形波発振回路の方形波出力のパルス幅は、静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）の静電容量と抵抗Ｒ４との積で表される時定数に比例するため、湿度に対してほぼ直線的に変化することになる。尚、方形波発振回路の出力波形は図２(ａ)の実線に示すようにデューティは、ほぼ１／２である。
【００１６】
この方形波出力は、図１の中央部に示す積分回路に入力される。前記積分回路を、遅延時間を生じない抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１とからなる１次ローパスフィルタで構成し、その時定数を方形波発振回路の方形波出力の周期の約４．８倍となるように構成すると、前記積分回路の出力は図２（ａ）の破線に示すように前記積分回路の三角波出力は前記方形波発振回路の方形波出力と略同相となる。一方、低湿のときは、オペアンプＵ１のＡ点出力のパルス幅が図２（ｂ）の実線で示すように短くなるため、前記積分回路の三角波出力のピークは図２（ｂ）の破線に示すように低くなる。
【００１７】
この三角波出力は、図１の右側に示すオペアンプＵ２、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２から構成されるピークホールド回路に入力されると、前記三角波のピークの電圧はコンデンサＣ２に記憶され、湿度に対応した直流電圧を得ることができることになる。更に、前記ピークホールド回路に簡単なオフセットアンプを接続することによって容易に０〜１Ｖ等の区切りの良い出力を得ることができる。
【００１８】
ここで、本実施例による静電容量型湿度変換器の特性を評価するために、湿度０％ＲＨ（低湿時）の出力周波数及びピーク電圧、湿度１００％ＲＨ（高湿時）の出力パルス幅及びピーク電圧をそれぞれ測定してみた。抵抗Ｒ１〜Ｒ５の抵抗値は、それぞれＲ１：１００ｋΩ、Ｒ２：１００ｋΩ、Ｒ３：６２ｋΩ、Ｒ４：１ＭΩ、Ｒ５：２２０ｋΩとした。コンデンサＣ１の静電容量は０．０１μＦ、コンデンサＣ２の静電容量は１μＦとした。また、静電容量型湿度センサ（Ｃｘ）としては、湿度０％ＲＨの静電容量が２３６ｐＦ、１００％ＲＨの静電容量が３００ｐＦの静電容量型湿度センサ〔株式会社クラベ製、相対湿度センサＫＨ−５１００〕を使用した。
【００１９】
その結果、０％ＲＨ（低湿時）の出力パルス幅は４１３μＳ、ピーク電圧Ｖ０’は０．３２３Ｖであり、１００％ＲＨ（高湿時）の出力パルス幅は５２３μＳ、ピーク電圧Ｖ０は０．４０４Ｖとなった。また、静電容量型湿度センサの基準特性に対するピーク電圧の誤差は±２％以内であった。このように本実施例による静電容量型湿度変換器は簡単な回路構成であっても高い精度を有していることが判った。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の静電容量型湿度変換器は、静電容量型湿度センサの測定湿度が最大のとき、方形波発振回路の方形波出力と積分回路の三角波出力とが略同相となるように積分回路の時定数が選択され、更にその出力がピークホールド回路に接続されているため、簡単な回路構成であっても民生機器として要求されるレベルの精度と安定性を有し、且つコストパフォーマンスに優れたものとなる。従って、従来、工業計測用として使用されていた静電容量型湿度センサを民生機器の分野においても幅広く使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静電容量型湿度変換器の一実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施例における容量−電圧変換回路の電圧波形であり、（ａ）は湿度１００％ＲＨのときの各点の波形、（ｂ）は湿度０％ＲＨのときの各点の波形である。
【符号の説明】
Ｕ１，Ｕ２  オペアンプ
Ｃｘ  静電容量型湿度センサ
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５  抵抗
Ｄ１  ダイオード
【図１】
0004791650.tif 000002
【図２】
0004791650.tif 000003